一種氧化還原液流電池的電極框及其電堆的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種氧化還原液流電池的電極框，該電極框為平板狀結構，于電極框中部設有一用于嵌入電極的通孔，形成可嵌入電極的鏤空電極槽；以垂直于從進液分配流道至出液分配流道的方向作為鏤空電極槽的寬度方向；從電極進液面至電極出液面，任意一處的鏤空電極槽的寬度小于此處到電極進液面的任意一處的鏤空電極槽的寬度。該電極框可有效提高電解液在電極中沿流經路徑的流速，減小因電解液供應不足所造成的濃差極化，提高電堆的電壓效率和能量效率，并且采用該電極框組裝的電堆的電解液利用率均有明顯提高，功率密度以及容量的提升使得全釩液流電池儲能技術的應用成本得到有效的控制。
【專利說明】一種氧化還原液流電池的電極框及其電堆
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種氧化還原液流電池，更具體的涉及一種氧化還原液流電池的電極 框及其組裝的電堆。
【背景技術】
[0002] 能源進步是推動社會生產力高速發展的直接動力，隨著經濟的快速發展，傳統的 化石能源早已不能滿足現今人類發展的需要，并且造成大量的二氧化碳排放，對環境產生 巨大的影響。自上世紀末，各個國家就著手開始新能源的研發，以求以更低廉的價格獲得低 排放和儲量豐富的電力資源。其中，以風能、太陽能和核能的大規模利用為主。風能、太陽 能等可再生能源發電系統具有不連續、不穩定的非穩態特征，而大規模高效儲能技術是解 決這一問題的關鍵技術。液流儲能電池是一種大規模高效電化學儲能裝置，相比于其他儲 能技術具有能量轉換效率高，蓄電容量大，系統設計靈活，可靠性高，可深度放電，以及運行 維護費用低和環境友好等優點。尤其是其容量與功率可獨立設計的特點，非常適合發展大 規模儲能。全釩氧化還原液流電池作為最具有商業化潛力的電化學儲能技術，已經在大規 模儲能中進行示范應用，效果顯著。其采用離子交換膜將正極和負極隔開，通過正極和負極 各自閉合的循環管路，用循環栗使得電解液儲罐中的電解液流入電池中的電極表面，利用 正負極電解液中不同價態的金屬釩離子之間的相互轉化，將化學能轉化為電能。
[0003] 電極框在全釩液流電池中起到組織電解液流動與分配、支撐電極的重要作用。傳 統的電極框設計注重流道的結構設計，意在使得電解液能夠在電極中均勻分配，力求使電 極中各點的流速相等。但通過電池的極化分析可知，電池的濃差極化是由于電解液的供應 不足引起的，這就要求電解液在流經電極的過程中要盡量減小沿流經長度上的濃度梯度， 因此就需要有足夠的電解液濃度或者流速，而這些條件在電解液剛流入電極中時非常容易 滿足，但隨著電解液沿流經路徑流動至電極出口，濃度明顯下降，非常容易產生較大的濃差 極化。此時如果能夠適時提高電解液流速，則能明顯的改善濃差極化造成的影響。因而電 極的形狀應該能夠與電解液的濃度梯度相適應，不一定要如一種液流電池的液流框裝置及 其組成的電堆（申請號：201210524517. 1)及其他專利中所述，電極的形狀為矩形。
【發明內容】
[0004] 本發明的目的在于不斷提高電解液在電極中沿流經路徑的流速，減小電池中的濃 差極化的氧化還原液流電池電極框及氧化還原液流電池堆。
[0005] 為達到上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0006] 一種氧化還原液流電池的電極框為平板狀結構，于電極框中部設有一用于嵌入電 極的通孔，形成可嵌入電極的鏤空電極槽；于電極框的一側、形成鏤空電極槽的通孔邊緣處 設有相對的進液分配流道和出液分配流道；進液分配流道與鏤空電極槽的交界面處為電極 進液面，出液分配流道與鏤空電極框的交界面處為電極出液面。以垂直于從進液分配流道 至出液分配流道的方向作為鏤空電極槽的寬度方向；從電極進液面至電極出液面，任意一 處的鏤空電極槽的寬度小于此處到電極進液面的任意一處的鏤空電極槽的寬度。
[0007] 所述的氧化還原液流電池的電極框，其中從靠近電極出液面起至電極進液面的鏤 空電極槽的寬度成線性增大。
[0008] 所述的氧化還原液流電池的電極框，其中電極進液面與電極出液面相平行。
[0009] 所述的氧化還原液流電池的電極框，包括兩個靠近電極框邊緣的通孔分別作為電 解液進液口和電解液出液口，進液分配流道和出液分配流道分別與電解液進液口和電解液 出液口相連；于電極框上、進液分配流道和出液分配流道的同一側的四周邊緣設有環狀的 密封線槽。
[0010] 所述的氧化還原液流電池的電極框，其中靠近電極框邊緣處設有作為定位孔的通 孔。
[0011] 所述的氧化還原液流電池的電極框在裝配時，將耐酸堿腐蝕的橡膠材料的密封線 壓入電極框上的密封線槽，從而實現電池的密封。
[0012] 所述的氧化還原液流電池的電極框的框體材質為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或 ABS〇
[0013] 一種氧化還原液流電池堆的電極框采用上述任一的電極框。
[0014] 本發明的有益效果：
[0015] 該電極框可有效提高電解液在電極中沿流經路徑的流速，減小因電解液供應不足 所造成的濃差極化，提高電堆的電壓效率和能量效率，并且采用該電極框組裝的電堆的電 解液利用率均有明顯提高，功率密度以及容量的提升使得全釩液流電池儲能技術的應用成 本得到有效的控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016] 圖1傳統的電極框中鏤空電極槽的設計，其中1電解液進液口，2電解液出液口，3 進液分配流道，4出液分配流道，5鏤空電極槽，6電極進液面，7電極出液面，8密封線槽；
[0017] 圖2 -種氧化還原液流電池的電極框設計；
[0018] 圖3另一種氧化還原液流電池的電極框設計。
【具體實施方式】
[0019] 本發明所提供的一種平板狀氧化還原液流電池的電極框，其中部設有一用于嵌入 電極的通孔，形成可嵌入電極的鏤空電極槽；電極框的一側、形成鏤空電極槽的通孔邊緣處 設有相對的進液分配流道和出液分配流道；進液分配流道與鏤空電極槽的交界面處為電極 進液面，出液分配流道與鏤空電極框的交界面處為電極出液面。電極框在裝配時，將耐酸堿 腐蝕的橡膠材料壓入電極框上的密封線槽，從而實現電池的密封。
[0020] 相比于圖1中的傳統電極框設計，本發明的優選例中鏤空電極槽的形狀可以如圖 2所示。該圖中電極進液面的面積大于電極出液面的面積，電極槽形狀呈梯形，電極槽的寬 度沿電極進液面至電極出液面的方向呈線性減小。由于電解液沿流經長度的法向切面的面 積呈線性減小，在流量不變的情況下，電解液的流速線性增大，因此可有效減小電極出液面 附近的濃差極化，提高電解液的利用率和電池的電壓效率。
[0021] 在本發明的另一優選例中，鏤空電極槽的形狀經過計算機模擬優化，如圖3所示。 采用全釩液流電池的三維模型，計算電池極化在全電極范圍內的分布，并以極化為目標函 數使全計算域內的極化控制在一定范圍中，由此得到電極槽的形狀。該電極槽中除電極進 液面和電極出液面外，其余兩個面均由樣條曲線描述。可知電解液沿流經路徑的流速變化 并不是線性的。
[0022] 本發明的氧化還原液流電池的電極框，其框體的材質為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙 烯、ABS。
[0023] 采用本發明的氧化還原液流電池的電極框所裝配的電堆，可以有效的減小濃差極 化的影響，提高電解液的利用率和電堆的電壓效率及能量效率。
[0024] 實施例1
[0025] 以本發明提出的氧化還原液流電池的電極框（圖3所示）組裝的電堆為例，其由 10節單電池組裝而成，每節電池之間采用雙極板進行電路連接，電極面積875cm2,采用非氟 離子交換膜，電解液釩離子濃度為1. 5mol/L，充放電電流密度分別為80mA/cm2、100mA/cm2、 120mA/cm 2。充電截止電壓和放電截止電壓分別為15. 5V和10V，正極電解液與負極電解液 的體積均為20L。
[0026] 對比例1
[0027] 采用圖1所示的氧化還原液流電池的電極框，采用與實施例相同材料組裝相同 結構的電堆，其由10節單電池組裝而成，每節電池之間采用雙極板進行電路連接，電極面 積875cm 2,采用非氟離子交換膜，電解液釩離子濃度為1.5m〇l/L，充放電電流密度分別為 80raA/cm 2、100mA/cm2、120mA/cm2。充電截止電壓和放電截止電壓分別為15. 5V和10V，正極 電解液與負極電解液的體積均為20L。
[0028] 對兩個電堆的初始性能進行測試，結果如表1所示。
[0029] 表1釆用不同電極框結構的電堆性能數據對比
[0030]
【權利要求】
1. 一種氧化還原液流電池的電極框，其特征在于：該電極框為平板狀結構，于電極框 中部設有一用于嵌入電極的通孔，形成可嵌入電極的鏤空電極槽；于電極框的一側、形成鏤 空電極槽的通孔邊緣處設有相對的進液分配流道和出液分配流道；進液分配流道與鏤空電 極槽的交界面處為電極進液面，出液分配流道與鏤空電極框的交界面處為電極出液面，以 垂直于從進液分配流道至出液分配流道的方向作為鏤空電極槽的寬度方向；從電極進液面 至電極出液面，任意一處的鏤空電極槽的寬度小于此處到電極進液面的任意一處的鏤空電 極槽的寬度。
2. 根據權利要求1所述的氧化還原液流電池的電極框，其特征在于：從靠近電極出液 面起至電極進液面的鏤空電極槽的寬度成線性增大。
3. 根據權利要求1或2所述的氧化還原液流電池的電極框，其特征在于：電極進液面 與電極出液面相平行。
4. 根據權利要求1或2所述的氧化還原液流電池的電極框，其特征在于：該電極框包 括兩個靠近電極框邊緣的通孔分別作為電解液進液口和電解液出液口，進液分配流道和出 液分配流道分別與電解液進液口和電解液出液口相連；于電極框上、進液分配流道和出液 分配流道的同一側的四周邊緣設有環狀的密封線槽。
5. 根據權利要求1所述的氧化還原液流電池的電極框，其特征在于：靠近電極框邊緣 處設有作為定位孔的通孔。
6. 根據權利要求1所述的氧化還原液流電池的電極框，其特征在于：電極框在裝配時， 將耐酸堿腐蝕的橡膠材料的密封線壓入電極框上的密封線槽，從而實現電池的密封。
7. 根據權利要求1所述的氧化還原液流電池的電極框，其特征在于：電極框的框體材 質為聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯或ABS。
8. -種氧化還原液流電池堆，其特征在于：該電堆的電極框采用權利要求1-7任一所 述的電極框。
【文檔編號】H01M8/02GK104300163SQ201310303298
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2013年7月18日 優先權日:2013年7月18日
【發明者】邢楓, 張華民, 李先鋒, 鄭瓊 申請人:中國科學院大連化學物理研究所