專利名稱：液流電池堆及具有其的液流電池系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及液流電池領域，具體而言，涉及一種液流電池堆及具有其的液流電池系統。
背景技術：
液流電池的種類很多，以應用較為廣泛的全釩液流電池為例，全釩液流電池是一種以不同價態的釩離子電解液進行氧化還原的電化學反應裝置，能夠高效地實現化學能與電能之間的相互轉化。該類電池具有使用壽命長，能量轉化效率高，安全性好，環境友好等優點，能用于風能發電和光伏發電配套的大規模儲能系統，是電網削峰填谷、平衡負載的主要選擇之一。因此，近年來全釩液流電池逐漸成為大容量儲能電池研究的重點。全釩液流電池分別以釩離子V2+/V3+和V4+/V5+作為電池的正負極氧化還原電對，將正、負極電解液分別存儲于兩個儲液罐中，由泵驅動電解液至電池，再回至儲液罐中形成閉合循環液流回路，以實現充、放電過程。在全釩液流電池系統中，電池堆性能的好壞決定著整個系統的充放電性能，尤其是充放電功率及效率。電池堆是由多片單電池依次疊放壓緊，并且串聯而成。其中，傳統的單片液流電池和電池堆如圖1所示，單體液流電池包括液流框1、集流板2、電極3和離子交換膜4，由多個單體電池依次疊放壓緊并且串聯組成電池堆5。現有的液流電池堆中，主液流通道由液流框等部件上相應的液流孔依次疊放壓緊形成，主液流方向一般垂直于液流框和集流板所在平面。主液流通道一般分為正極電解液流通道和負極電解液流通道，正極、負極電解液流通道均包括進液通道和出液通道。正、負極兩個進液通道和正、負極兩個出液通道布置在矩形(含正方形)液流框的四角處，并且， 正、負極兩個進液通道相鄰設置，正極進液通道與正極出液通道呈對角線位置設置，負極進液通道與負極出液通道呈對角線位置設置。這種傳統的設計方式裝配過程中操作難度大，并且，后續維護或者更換操作復雜， 一旦出現局部密封問題就需要將整個液流電池堆拆開進行處理，極為不方便。同時，現有技術的液流通道需要在集流板和離子交換膜上打孔，一方面加工和組裝難度增加，另一方面對于成本較高的集流板和離子交換膜利用率低，造成電池堆成本上升。
發明內容
本發明旨在提供一種裝配簡單、后續維護或者更換操作簡單并且成本較低的液流電池堆及具有其的液流電池系統。為了實現上述目的，根據本發明的一個方面，提供了一種液流電池堆，包括液流框；集流板，設置在液流框內；離子交換膜，設置在各集流板之間，并且離子交換膜與集流板形成容納電解液的腔體；電極，設置在腔體內，液流框的側面上設有兩組液流口，每組液流口均包括進液口和出液口，并且，每組液流口中的進液口和出液口一一對應地設置并與一個對應的腔體連通；液流電池堆還包括電解液管道，每組液流口中的進液口和出液口分別具有一個對應的電解液管道并與該對應的電解液管道連通。進一步地，本發明的液流電池堆還包括密封件，設置在每組液流口中的進液口和出液口與該對應的電解液管道的連接處。進一步地，電解液管道包括主管道，與存儲電解液的容器連通；支管道，設置在主管道和液流框的液流口之間。進一步地，每個電解液管道包括多個支管道，各支管道相互平行，并且各支管道之間的距離與各液流框之間的距離相等。進一步地，主管道為剛性管道或柔性管道。進一步地，支管道為剛性管道或柔性管道。進一步地，主管道和/或支管道呈折彎形。進一步地，液流口中的進液口和出液口設置在液流框的相對的側面上。進一步地，進液口的軸線和出液口的軸線相互平行。根據本發明的另一方面，提供了一種液流電池系統，包括液流電池堆、電解液容器和泵，電解液容器通過泵與電池堆的液流框連通，液流電池堆為權利要求1至10中任一項的液流電池堆。進一步地，液流電池系統為全釩液流電池系統。應用本發明的技術方案，在液流框的側面上設有兩組液流口，每組液流口均包括 進液口和出液口，并且，每組液流口中的進液口和出液口一一對應地設置并與一個對應的腔體連通。本發明的電池堆另設有電解液管道，該電解液管道設置在液流框外部，并且與對應的每組液流口中的進液口和出液口分別連通。電解液管道與液流口之間需要靠結構本身或者密封圈進行密封。由于電解液管道與每個液流口之間分別進行密封，這樣，后續維護或更換過程中，只需要針對老化或損壞的密封部位進行維護或更換即可。這樣，使得后續維護操作簡單。同時，由于液流口設置在液流框的側面，這樣，不需要在集流板和離子交換膜上打孔，進而，降低了加工和裝配難度、同時降低了電池堆的成本。
構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用于解釋本發明，并不構成對本發明的不當限定。在附圖中圖1示出了現有技術中的液流電池及液流電池堆的結構示意圖；圖2示出了根據本發明的液流電池堆的實施例一的結構示意圖；圖3示出了圖2的液流電池堆的實施例一的單電池的結構示意圖；圖如示出了圖3的單電池的A-A向剖面示意圖，其中圖中不包含離子交換膜；圖4b示出了圖3的單電池的B-B向剖面示意圖，其中圖中不包含離子交換膜；圖5示出了圖2的液流電池堆的實施例一的液流管道的立體結構示意圖；圖6示出了圖5的液流管道的剖視圖；圖7示出了根據本發明的液流電池堆的實施例二的結構示意圖；以及圖8示出了根據本發明的液流電池堆的實施例三的結構示意圖。
具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本發明。圖2示出了根據本發明的液流電池堆的實施例一的結構示意圖；圖3示出了圖2 的液流電池堆的實施例一的單電池的結構示意圖；圖如示出了圖3的單電池的A-A向剖面示意圖，其中圖中不包含離子交換膜；圖4b示出了圖3的單電池的B-B向剖面示意圖，其中圖中不包含離子交換膜；圖5示出了圖2的液流電池堆的實施例一的液流管道的立體機構示意圖；圖6示出了圖5的液流管道的剖視圖。結合參見圖2至圖3，從圖中可以看出，實施例一的液流電池堆的單電池包括液流框1、集流板2、電極3、離子交換膜4、隔膜框6、密封圈7、液流口 8和液流口 9。其中，集流板2與多孔電極3 —體化后設置在液流框1內；離子交換膜4設置在隔膜框6內，液流框 1與隔膜框6之間通過密封圈7壓緊密封，使得離子交換膜4和集流板2之間形成容納電解液的腔體。由圖3所示的單電池包括上述液流框1、隔膜框6、設置在液流框1內的集流板2 和電極3，以及設置在隔膜框6內的離子交換膜4。實施例一的液流電池堆如圖2所示，該液流堆通過上述結構復制疊壓而成。結合參見圖2至圖4b，從圖中可以看出，實施一的液流電池堆的液流框1的側面上設有兩組液流口，每組液流口 8和液流口 9均包括進液口和出液口，并且，如圖如和圖4b 所示，每組液流口 8和液流口 9中的進液口和出液口一一對應地設置并與一個對應的腔體連通。如圖2所示，該液流電池堆還包括電解液管道，該電解液管道設置在液流框1的外部。每組液流口 8和液流口 9中的進液口和出液口分別具有一個對應的電解液管道并與該對應的電解液管道連通。在實施例一中，電解液管道與液流口 8和液流口 9之間可以靠結構本身或者密封圈進行密封，這樣，有效解決了現有技術中密封過程復雜的問題。由于電解液管道與每個液流口之間分別進行密封，這樣，后續維護或更換過程中，只需要針對老化或損壞的密封部位進行維護或更換即可。此過程中不需要將液流框1、集流板2、電極3和離子交換膜4等結構拆開并重新裝配，這樣，維護和更換過程簡單易操作。另外，由于液流口 8和液流口 9設置在液流框1的側面，這樣，不需要在集流板2和離子交換膜4上打孔，進而，降低了加工和組裝難度、同時降低了電池堆的成本。在一種優選的實施例中，如圖2所示，液流口 8中的進液口和出液口設置在液流框 1的相對的兩個側面上，液流口 9的進液口和出液口設置在液流框1的另外兩個相對的側面上。這樣，進液口和出液口的尺寸可以增大甚至接近于液流框1的邊長，有效地加快了電解液的流速，使得反應速度隨之加快，進而提高了充放電效率。優選地，上述結構中，進液口的軸線和出液口的軸線相互平行。優選地，進液口和出液口設置在液流框的對角位置上，這樣，電解液從進液口至出液口的流動過程中，易于覆蓋更多的反應區域，可以從一定程度上避免因反應不均勻帶來的極化問題。優選地，上述的液流電池堆還包括密封件，設置在每組液流口 8和液流口 9中的進液口和出液口與該對應的電解液管道的連接處。此處密封件所使用的密封材料可以是本領域技術人員結合其所掌握的基本知識所能獲得的各種材料。
優選地，結合參見圖5和圖6，從圖中可以看出，電解液管道包括主管道11和與主管道11連接的支管道12。主管道11用于與存儲電解液的容器連通；支管道12設置在主管道11和液流框1的液流口之間。在本實施例中，主管道11具有支架10進行支撐。主管道11和支管道12之間可以固定連接在一起，也可以采取部分或全部可拆卸地連接。上述部件的材質可以是能夠滿足氧化還原液流電池系統使用環境的任意材料。根據所選材質、 裝配條件及管道設計等要求的不同，主管道11和支管道12可以是剛性結構或非剛性結構。優選地，主管道11和支管道12均為剛性管道。上述結構在輸入輸出電解液的同時，還能起到裝配電池堆的作用。另外，可適當延長支管道12的長度、增大其管徑，以減小旁路電流與液體泵消耗，優化能量效率。優選地，上述液流電池堆中，每個電解液管道包括多個支管道12，各支管道12相互平行，并且各支管道12之間的距離與各液流框1之間的距離相等，具體說，相鄰兩個支管道12之間的距離與壓緊密封圈后的兩個相鄰液流框1之間的距離相等。如圖7所示，從圖中可以看出，實施例二的液流電池堆與實施例一的液流電池堆的區別在于，主管道11和支管道12均為柔性管道，該柔性管道優選為軟管。主管道11和支管道12之間角度、間距等均可變化，并且，兩個相鄰支管道12之間的距離無需精確設計。 實施例二中，主管道11和支管道12只負責電解液的傳輸；電池堆的裝配及密封可通過常規的端板螺栓加壓實現。另外，可適當延長支管道12的長度、增大其管徑，以減小旁路電流與液體泵消耗，優化能量效率。如圖8所示，實施例三的液流電池堆的主管道11和支管道12之間為可拆卸連接， 并通過對主管道11或支管道12的設計，通過調整相鄰單電池間或電堆間液流長度、管道材質(不同材料阻尼不同)、管徑大小等參數，實現相鄰電池間或電堆間液流速度的均勻性， 降低電池堆的旁路電流。具體地說，該設計為調整液流長度，主管道11進行迂回設計并在適當的位置接出支管道12(未圖示)；或者，如圖8所示，主管道11采取直管設計而支管道 12采用折彎迂回設計；或者主管道11與支管道12同時采取迂回設計(未圖示)。綜合協調每個單電池得到的液流速率和單電池間液流長度，有效增大單電池或電池堆之間的支路電阻，起到減小旁路電流，優化能量效率的作用。本發明還提供了一種液流電池系統包括液流電池堆、電解液容器和泵，電解液容器通過泵與電池堆的液流框1連通，液流電池堆為上述的液流電池堆。優選地，液流電池系統為全釩液流電池系統。從以上的描述中，可以看出，本發明上述的實施例實現了如下技術效果1、液流管道設置在液流框外部，使得電池堆的可設計性更強。可根據不同的各項設計要求，分開調節液流管道和/或電池堆主體部分(液流框、隔膜框、設置在液流框內的集流板和電極，以及設置在隔膜框內的離子交換膜等)相應的設計參數以優化電池系統的性能。該液流電池堆設計思路可拓展至大規模儲能電池模塊設計，電解液管道的分離設計便于大規模電池模塊的集成與裝配。2、電池堆內部液流框之間密封結構簡單，裝配方便，組件較少，充放電極化小，能
量效率高。3、有效減少了集流板的浪費，使集流板設計更加簡單可行。4、該液流電池方案可通過對液流管道進行相應的設計，降低旁路電流；并且液流管道和液流框之間、主管道和支管道及電池堆內部可設計為可組裝拆卸的方式，方便實現對電池電堆的管理及維修等。采用本發明技術方案設計全釩氧化還原液流電池，舉例如下例1 選用高導電性多孔石墨氈作為電極材料，石墨平板作為集流板，使用Nafion膜作為離子交換膜，將該電池組按本發明所述實施例一為指導，制備具有新型結構設計的全釩氧化還原液流電池系統。該電池系統充放電庫倫效率為87.2%，電壓效率為86. 7%，能量效率為75.6%。例 2 選用高導電性多孔石墨氈作為電極材料；石墨板作為集流板，并對石墨板進行平行流道設計；使用Nafion膜作為離子交換膜；將該電池組按本發明所述實施例一為指導， 制備具有新型結構設計的全釩氧化還原液流電池系統。該電池系統充放電庫倫效率為 87. 3%,電壓效率為88. 3%,能量效率為77. 1% ο例 3 選用高導電性多孔石墨氈作為電極材料，石墨平板作為集流板，使用Nafion膜作為離子交換膜，將該電池組按本發明所述實施例二為指導，制備具有新型結構設計的全釩氧化還原液流電池系統。該電池系統充放電庫倫效率為90. 1%，電壓效率為85. 3%，能量效率為76. 9%0例 4 選用高導電性多孔石墨氈作為電極材料；石墨板作為集流板，并對石墨板進行流道設計；使用Nafion膜作為離子交換膜；將該電池組按本發明所述實施例三為指導，制備具有新型結構設計的全釩氧化還原液流電池系統。該電池系統充放電庫倫效率為92. 3%, 電壓效率為89. 1 %，能量效率為82.2%。以上所述僅為本發明的優選實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種液流電池堆，包括液流框(1)；集流板O)，設置在所述液流框(1)內；離子交換膜G)，設置在各所述集流板(2)之間，并且所述離子交換膜(4)與所述集流板⑵形成容納電解液的腔體；電極(3)，設置在所述腔體內，其特征在于，所述液流框(1)的側面上設有兩組液流口，每組所述液流口(8、9)均包括進液口和出液口，并且，每組所述液流口(8、9)中的所述進液口和出液口一一對應地設置并與一個對應的所述腔體連通；所述液流電池堆還包括電解液管道，每組所述液流口(8、9)中的進液口和出液口分別具有一個對應的所述電解液管道并與該對應的電解液管道連通。
2.根據權利要求1所述的液流電池堆，其特征在于，還包括密封件，設置在每組所述液流口(8、9)中的進液口和出液口與該對應的電解液管道的連接處。
3.根據權利要求1所述的液流電池堆，其特征在于，所述電解液管道包括主管道(11)，與存儲所述電解液的容器連通；支管道(12)，設置在所述主管道(11)和所述液流框(1)的液流口之間。
4.根據權利要求3所述的液流電池堆，其特征在于，每個所述電解液管道包括多個所述支管道(12)，各所述支管道(1 相互平行，并且各所述支管道(1 之間的距離與各液流框(1)之間的距離相等。
5.根據權利要求3所述的液流電池堆，其特征在于，所述主管道(11)為剛性管道或柔性管道。
6.根據權利要求5所述的液流電池堆，其特征在于，所述支管道(1 為剛性管道或柔性管道。
7.根據權利要求5或6所述的液流電池堆，其特征在于，所述主管道(11)和/或支管道(12)呈折彎形。
8.根據權利要求1所述的液流電池堆，其特征在于，所述液流口(8、9)中的所述進液口和出液口設置在所述液流框(1)的相對的側面上。
9.根據權利要求8所述的液流電池堆，其特征在于，所述進液口的軸線和所述出液口的軸線相互平行。
10.一種液流電池系統，包括液流電池堆、電解液容器和泵，所述電解液容器通過所述泵與所述電池堆的液流框(1)連通，其特征在于，所述液流電池堆為權利要求1至9中任一項所述的液流電池堆。
11.根據權利要求10所述的液流電池系統，其特征在于，所述液流電池系統為全釩液流電池系統。
全文摘要
本發明提供了一種液流電池堆及具有其的液流電池系統，其中，液流電池堆包括液流框；集流板，設置在液流框內；離子交換膜，設置在各集流板之間，并且離子交換膜與集流板形成容納電解液的腔體；電極，設置在腔體內，液流框的側面上設有兩組液流口，每組液流口均包括進液口和出液口，并且，每組液流口中的進液口和出液口一一對應地設置并與一個對應的腔體連通；液流電池堆還包括電解液管道，每組液流口中的進液口和出液口分別具有一個對應的電解液管道并與該對應的電解液管道連通。本發明提供了一種裝配簡單、后續維護操作簡單并且成本較低的液流電池堆及具有其的液流電池系統，有效解決了現有技術中裝配復雜，后續維護操作復雜的問題。
文檔編號H01M8/24GK102290593SQ20111021847
公開日2011年12月21日 申請日期2011年8月1日 優先權日2011年8月1日
發明者楊雋, 殷聰, 湯浩, 王榮貴, 胡蘊成, 謝光有 申請人:中國東方電氣集團有限公司