CN101562257B - 一种全钒离子氧化还原液流的电池结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全钒离子氧化还原液流的电池结构，其包括至少两个单体电池，该单体电池包括两个液流框，两个液流框之间设置有离子交换膜，两个液流框上分别设置有液流道；液流框夹紧该离子交换膜，分别形成密闭的第一储液室与第二储液室，第一储液室与第二储液室内分别设置有碳材料电极；第一储液罐、第二储液罐分别与液流框相连通，第一储液室通过液流道与第一储液罐相连通，第二储液室通过另一液流道与第二储液罐相连通；单体电池之间通过双极性电极串联在一起。本发明在液流框开设迂回液流道，并采用全氟磺酸离子交换膜作为离子交换膜，在碳材料电极的外表面上设置流道或流槽，提高了电能转换效率和单体电池性能的均衡性。

Description

一种全钒离子氧化还原液流的电池结构

技术领域

本发明涉及液流储能电池领域，尤其涉及一种全钒离子氧化还原液流的电池结构。

背景技术

目前大规模储能的化学电源主要以铅酸电池为主，转换效率一般在55％左右，并且铅酸电池存在重量大、比能量低、不能深度充放电、使用寿命短、污染环境等技术缺点，因此其很难真正实现大规模的储能。

钒氧化还原液流电池是一种绿色环保电池，钒氧化还原液流电池作为储能电源主要应用在电厂或电站等大规模场所，大规模光电转换、风能发电的储能电源以及作为边缘地区储能系统，以及不间断电源或应急电源系统，但是在国内钒氧化还原液流电池绝大部仍处于实验室试验阶段。

目前，国内外尚未有超过2.5KW的单个电池堆，单个电堆电压一般为12V或24V，这种状况制约钒电池实现高功率、高电压的发展方向。目前主要存在的问题是：

1、液流框没有开设液流道或在前后端板上开设直线型液流道，这种结构容易导致电解液形成的漏电支路电流大、双极性电极腐蚀速度快、单体间电压分布不均匀，减低了电能转换效率，降低了电池使用寿命；

2、现在使用的碳材料电极一般选用国外产品，其价格昂贵，增加了产品成本，而国产碳材料电极价格相对便宜，但碳材料电极的表面与电解液的吸附性差，使得电解液反应不充分，并且电极活性与厚度均匀性等性能参差不齐，影响了单体电池性能的均匀性；

3、离子交换膜作为电池核心部件之一，采用国外杜邦公司的质子交换膜性能稳定，寿命长，但价格昂贵，增加了电池结构的制造成本，并且其电流转化效率不高，目前尚无较好的技术方案来解决这一技术难题，制约了钒电池的发展；

4、循环运行状态下，因为电解液形成的漏电支路电流造成双极性电极腐蚀速度过快，大大缩短了电池的寿命，增加了用户的使用成本。通过上述描述可知，现有技术有待于更进一步的发展。

发明内容

本发明为解决上述现有技术中的缺陷提供一种全钒离子氧化还原液流的电池结构，改变现有技术中单体电池的构造，以提高电能转换效率，延长电池使用寿命，降低制造成本。

为解决上述技术问题，本发明方案包括：

一种全钒离子氧化还原液流的电池结构，其包括至少两个单体电池，其中，该单体电池包括两个液流框，液流框上分别设置有液流道，两个液流框之间设置有离子交换膜，液流框夹紧该离子交换膜，分别形成密闭的第一储液室与第二储液室，第一储液室与第二储液室内分别充满钒离子电解液，第一储液室与第二储液室内分别设置有碳材料电极；第一储液罐、第二储液罐分别与液流框相连通，第一储液室通过液流道与第一储液罐相连通，第二储液室通过另一液流道与第二储液罐相连通；单体电池之间通过双极性电极串联在一起。

所述的电池结构，其中，上述液流框上设置有带弯折且多次迂回的液流道，该液流道的剖面接近于Z形或多个Z形连接在一起的形状；单体电池中的两个液流框呈中心对称。

所述的电池结构，其中，上述液流框的两侧板框上分别设置有至少一个进液口与一个出液口，与进液口同侧的板框上设置有出液孔，进液口通过液流道与出液孔相连通；与出液口同侧的板框上设置有进液孔，出液口通过液流道与进液口相连通；进液口与出液口分别与第一储液罐或第二储液罐相连通。

所述的电池结构，其中，上述迂回液流道的走向沿板框方向设置。

所述的电池结构，其中，上述离子交换膜为全氟磺酸离子交换膜。

所述的电池结构，其中，该电池结构设置有四十个单体电池，各个单体电池通过双极性电极串联组合在一起，且各个单体电池采用嵌入层叠方式组装在一起；第一储液罐、第二储液罐与电堆之间分别设置有电解液泵。

所述的电池结构，其中，上述碳材料电极经过高温氧化或预酸处理，且碳材料电极的外表面均匀的设置有流道或流槽，液流框的上下两面设置有密封垫。

所述的电池结构，其中，该电池结构包括前端板与后端板，串联组合在一起的单体电池设置在前端板与后端板之间，前端板与后端板夹紧组合在一起的单体电池。

所述的电池结构，其中，双极性电极由石墨或复合材料制成，密封垫由硅氟橡胶制成，该电池结构由硅氟橡胶密封垫密封，并且双极性电极上覆盖有防腐蚀膜。

所述的电池结构，其中，单体电池与第一储液罐、第二储液罐之间分别设置公用主管道，该公用主管道分别与各个液流框相连通，钒离子电解液通过公用主管道分别进入各个单体电池中。

本发明提供的一种全钒离子氧化还原液流的电池结构，在液流框开设液流道，并且该液流道为迂回式，加大了电池运行过程中支路的有效电阻，避免了大功率充放电时对电极的腐蚀，在电池停止运行时该种液流框能及时断开各个单体电池中同极电解液的连通，大幅度降低了电池停止循环后支路电流造成的自放电速度，增大了能量转换效率，尤其是本发明在单体电池中采用全氟磺酸离子交换膜，大幅度减少了电池结构的制造成本，使大电流、高电压运行更加稳定，并且在碳材料电极上设置分布均匀的流道或流槽，减低了电解液流的流动阻力，并提高了各单体电池间性能的均衡性，增强了电池结构的整体性能，进一步降低了电池结构的制造成本，在双极性电极的外表面上覆盖一层膜，使电池结构在循环运行条件下防止了电解液对电极的腐蚀；采用本发明的电池结构使总能量利用率达到70％-80％，电流转化率达到90％以上，电压转化率达到80％以上，由此可见，本发明是现有技术的极大进步。

附图说明

图1是本发明中电池结构的原理示意图；

图2是本发明中单体电池的截面结构示意图；

图3是本发明中一个液流框以及其上设置电解液流道的截面结构示意图。

具体实施方式

以下将结合附图，对本发明中各较佳实施例进行较为详尽的说明。

本发明提供了一种全钒离子氧化还原液流的电池结构，在液流框开设迂回液流道，并在单体电池中采用全氟磺酸离子交换膜，在碳材料电极的外表面上设置分布均匀的流道或流槽，提高了电能转换效率，增强了电池结构的整体性能，延长了电池使用寿命。如图1与图3所示的，本发明的全钒离子氧化还原液流的电池结构包括至少两个单体电池8，该单体电池8包括两个液流框，每个液流框如图3中的液流框21所示的，并且两个液流框之间设置有离子交换膜4，液流框上分别设置有液流道；液流框夹紧该离子交换膜4，分别形成密闭的第一储液室9与第二储液室10，第一储液室9与第二储液室10内分别充满钒离子电解液，第一储液室9与第二储液室10内分别设置有碳材料电极5；第一储液罐11、第二储液罐12分别与多个液流框的进出液口形成的公用主管道相连通，第一储液室9通过液流道与第一储液罐11相连通，第二储液室10通过另一液流道与第二储液罐12相连通；各个单体电池8之间通过双极性电极串联在一起，并且上述每个液流框21上设置有中心对称且带有弯折多次迂回的迂回液流道3、迂回液流道22，该迂回液流道3与迂回液流道22的纵截面接近于Z形或多个Z形连接在一起的形状，单体电池8中的两个液流框为中心对称，该迂回液流道比现有使技术中的液流道延长了1-50倍，尤其是增大了电解液形成的漏电支路电阻100-2000倍，大幅度减少了电池自放电的状况，使上述电池结构运行更加安全稳定。本实施例中第一储液室9与第一储液罐11内充满五价与四价的钒离子电解液，第二储液室10与第二储液罐12内充满二价与三价的钒离子电解液，当然储液室与储液罐内的钒离子电解液以及连通关系是可以更换的，但是为了便于描述以下实施例均按照上述的连通关系描述。通过上述描述可知，本发明在液流框上设置迂回的液流道，加大了电池运行过程中支路的有效电阻，有效避免了电池结构大功率充放时，电解液对电极板的腐蚀，同时其流道竖直迂回结构在电池停止运行时，能及时断开电池机构中各单体中同极电解液之间的连通，大幅度减小了电池停止循环后支路电流造成的自放电速度，增大了能量转换效率，使电池结构的总能量利用率达到70％-80％。

为了进一步提高本发明中电池结构的性能，如图1、图2以及图3所示的，上述液流框21的两侧板框上分别设置有至少一个进液口15与一个出液口16，在本实施例中还设置了第二进液口17与第二出液口18，第二进液口17与第二出液口18是为与另一液流框连通而设置的，当然为了更好的提高单体电池的性能也可以采用其他的设置方式；与进液口15同侧的板框上设置有出液孔19，进液口15通过迂回液流道3与出液孔19相连通；与出液口16同侧的板框上设置有进液孔20，出液口16通过迂回液流道22与进液孔20相连通；进液口15与出液口16分别与第一储液罐11或第二储液罐12相连通，迂回液流道3与迂回液流道22的走向沿板框方向设置。在本实施例中，迂回液流道3与迂回液流道22为竖直设置，该种设置的电能转换效率最佳，进液口15设置在板框的左上角，出液孔19设置在板框内侧的左下角；出液口16设置在板框的右下角，进液孔20设置在板框内侧的右上角，但是为了方便用户使用或其他用途，进液口15、出液口16、出液孔19以及进液孔20可以设置在液流框21的其他合适的位置，在此不再一一赘述。尤其是在两个液流框之间设置全氟磺酸离子交换膜，该离子交换膜具有很高的阻钒性能，具有良好的离子选择性以及优良的电化学性能，其使用寿命非常长，提高了电流的转化效率，一般的质子交换膜或离子交换膜随着电池中电流密度的升高电压效率会迅速降低，而使用本发明提供的全氟磺酸离子交换膜，使电流转化率达到90％以上，电压转化率达到80％以上，让电池的大电压、大电流运行更稳定，使钒电池使用寿命由原来的15年提高至20年以上。而且上述碳材料电极5经过高温氧化或预酸处理，碳材料电极5的外表面均匀的设置有流道或流槽，板框的边部设置有密封垫2，密封垫2将板框的周边密封起来，增加了电池结构运行时的稳定性，而碳材料电极5上设置的流道或流槽增加了电解液进行化学反应的面积，进一步提高了电能的转换效率，板框上的液流道与碳材料电极5上的流道或流槽紧密接触，使电解液溶液在单体电池8内充分循环，能够更好的完成化学反应，从而使电池结构中每片单体电池8之间的电压比较均匀，现有技术中单体电池间电压差范围在0.1V-1V之间，而采用本发明的结构解决了不同单体之间电压差距很大的技术难题，使单体电池间电压差范围在0.01V-0.02V之间。该电池结构设置有四十个单体电池8，各个单体电池8通过双极性电极串联组合在一起，且各个单体电池8之间采用嵌入层叠方式组装在一起；第一储液罐11、第二储液罐12与液流框21之间分别设置有电解液泵13、电解液泵23，在图1中仅仅表示一个单体电池的结构，每个单体电池可以设置有两个储液罐或多个储液罐，当设置有多个单体电池时，也可以仅设置两个储液罐，一个储液罐通过多个管道分别与同极侧的液流框相连通，另个一个储液罐通过多个管道分别与另一极侧的液流框相连通，比如第一储液罐11与所有正极侧的液流框相连通，则第二储液罐12与所有负极侧的液流框相连通，当然也可以在储液罐与单体电池之间设置公用主管道，第一储液罐11与第二储液罐12分别通过各自的公用主管道与每个液流框相连通，其设置方式还有其他多种方式，在此不再一一列举。上述电池结构包括前端板1与后端板6，串联组合在一起的单体电池8设置在前端板1与后端板6之间，前端板1与后端板6夹紧该串联组合，并且双极性电极由石墨或其他合适的复合材料制成，密封垫2由硅氟橡胶制成，该电池结构由硅氟橡胶密封垫2密封，并且双极性电极上覆盖有防腐蚀膜，使本发明中电池结构在大电流、大电压的循环运行状态下能够有效的防止电解液对电极的腐蚀，进一步提高了上述电池结构的使用寿命。综上所述，钒电池在理论上是一种无污染绿色环保且功率大的优秀电池，其应用前景非常广阔；目前，对钒电池的论述一般存在于理论层面，如果具体实施需要克服许多技术难题，而本发明经过多次试验克服了多种技术难题，采用在液流框的板框上设置迂回液流道、在液流框之间设置全氟磺酸离子交换膜以及在碳材料电极的外表面上设置分布均匀的流道或流槽等结构，使电池结构总能量利用率达到70％-80％，电流转化率达到90％以上，电压转化率达到80％以上，大幅度提高了电池的整体性能，使电池结构运行更加稳定安全。

为了进一步阐述本发明，现以一个电池结构得充放电为例进行说明。例如电池结构上设置有八十个单体电池8，并且第一储液罐11内充满五价与四价的钒离子电解液，第二储液罐12内充满二价与三价的钒离子电解液，第一储液罐11与所有正极侧的液流框相连通，则第二储液罐12与所有负极侧的液流框相连通，电池结构通过电流转换器14分别与用户、电能结构相连接。当电池结构开始工作时，电解液泵13与电解液泵23开始工作，分别将第二储液罐12、第一储液罐11内的钒离子电解液传送至各自储液室，然后钒离子电解液在全氟磺酸离子交换膜4两侧的碳材料电极电极5上分别发生还原和氧化反应，待电化学反应完成后，电解液又通过液流框传送至主管道合流回到储液罐形成回路，活性物质不断循环流动，由此完成单体电池8的充放电过程。

上述的电化学反应的反应式如下所示：

正极：VO₂ ⁺+2H⁺+e＝VO²⁺+H₂O

V⁰＝0.999V(vs.NHE)

负极：V²⁺-e＝V³⁺  V⁰＝-0.255V(vs.NHE)

为了更好的理解本发明，现更进一步说明单体电池中单片电池的运行情况。如图3所示的，与进液口15与出液口16连通液流框21内部流道，构成半个电池的循环进出液通道，为了描述方便进液口15与出液口16构成正极的循环进出液通道，同理第二进液口17与第二出液口18构成负极的循环进出液通道；并且各液流框之间相对应的进液口与进液口、出液口与出液口是相连通的。当钒离子电解液由第一储液罐11进入液流框21时，电解液经过进液口15进入迂回液流道3，电解液再由迂回液流道3进入第一储液室9内，并且电解液在碳材料电极5上的流槽上进行电化学反应后，电解液经过进液孔20进入迂回液流道22，电解液再由迂回液流道3进入第一储液罐11内，形成一个工作循环，同步的经过第二进液口17与第二出液口18的电解液也完成一个工作循环，在上述工作过程中电解液泵13以及电解液泵23一直在工作状态。而当电解液泵13与电解液泵23停止工作时，由于电解液失去动力，电解液必然会出现倒吸或回流情况，但是由于迂回液流道3与迂回液流道22带有的多个弯折，增大了电解液倒吸的阻力，必然使迂回液流道内的电解液出现断裂，使迂回液流道3与迂回液流道22中的电解液在液流道顶部弯折处点开，从而断开各个单体电池之间以及各个单体电池与储液罐之间的液流，断开了电池内电解液与外界电解液的联系，确保了钒电池内部储存的电量，使钒电池一段相当长的时间内不依靠循环充电也能启动循环系统，为用户持续供电，使钒电池的总能量利用率达到70％-80％，电流转化率达到90％以上，电压转化率达到80％以上；并且本发明的迂回液流道阻断了各个单体电池之间的自放电，有效避免了大功率充放时电解液对电极板的腐蚀，延长了钒电池的使用寿命。

应当理解的是，上述各较佳实施例描述的较为详细，但不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附权利要求为准，本领域技术人员受本发明的启示进行简单替换、组合或变形都应落入本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种全钒离子氧化还原液流的电池结构，其包括至少两个单体电池，其特征在于：该单体电池包括两个液流框，液流框上设置有液流道，两个液流框之间设置有离子交换膜，液流框夹紧该离子交换膜，分别形成密闭的第一储液室与第二储液室，第一储液室与第二储液室内分别充满钒离子电解液，第一储液室与第二储液室内分别设置有碳材料电极；第一储液罐、第二储液罐分别与液流框相连通，第一储液室通过液流道与第一储液罐相连通，第二储液室通过另一液流道与第二储液罐相连通；单体电池之间通过双极性电极串联在一起；液流框上设置有带弯折且多次迂回的液流道，该液流道的剖面接近于Z形或多个Z形连接在一起的形状；单体电池中的两个液流框呈中心对称。

2.根据权利要求1所述的电池结构，其特征在于：上述液流框的两侧板框上分别设置有至少一个进液口与一个出液口，与进液口同侧的板框上设置有出液孔，进液口通过液流道与出液孔相连通；与出液口同侧的板框上设置有进液孔，出液口通过液流道与进液口相连通；进液口与出液口分别与第一储液罐或第二储液罐相连通。

3.根据权利要求2所述的电池结构，其特征在于：上述迂回液流道的走向沿板框竖直设置。

4.根据权利要求1所述的电池结构，其特征在于：上述离子交换膜为全氟磺酸离子交换膜。

5.根据权利要求2所述的电池结构，其特征在于：该电池结构设置有四十个单体电池，各个单体电池通过双极性电极串联组合在一起，且各个单体电池采用嵌入层叠方式组装在一起；第一储液罐、第二储液罐与电堆之间分别设置有电解液泵。

6.根据权利要求1所述的电池结构，其特征在于：上述碳材料电极经过高温氧化或预酸处理，且碳材料电极的外表面均匀的设置有流道或流槽，液流框的上下两面设置有密封垫。

7.根据权利要求3所述的电池结构，其特征在于：该电池结构包括前端板与后端板，串联组合在一起的单体电池设置在前端板与后端板之间，前端板与后端板夹紧组合在一起的单体电池。

8.根据权利要求6所述的电池结构，其特征在于：双极性电极由石墨或复合材料制成，密封垫由硅氟橡胶制成，该电池结构由硅氟橡胶密封垫密封，并且双极性电极上覆盖有防腐蚀膜。

9.根据权利要求2所述的电池结构，其特征在于：单体电池与第一储液罐、第二储液罐之间分别设置公用主管道，该公用主管道分别与各个液流框相连通，钒离子电解液通过公用主管道分别进入各个单体电池中。

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