專利名稱：全釩液流電池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于液流電池領(lǐng)域，特別涉及全釩液流電池。
背景技術(shù)：
在世界經(jīng)濟艱難復蘇、傳統(tǒng)能源日益匱乏、地球環(huán)境日趨惡化的今天，ー場對人類社會影響極其重大深遠的新能源產(chǎn)業(yè)革命浪潮正在席卷全球！新能源固有的隨機性、波動性、間歇性、調(diào)峰難、并網(wǎng)難特性，決定了其規(guī)?；l(fā)展必須要有先進的儲能技術(shù)作支撐。全釩液流電池通過不同價態(tài)的釩電解液自下而上通過電極循環(huán)流動進行電化學反應，從而實現(xiàn)化學能和電能的相互轉(zhuǎn)換。全釩液流電池是當今世界上規(guī)模最大、技術(shù)最先進、最接近產(chǎn)業(yè)化的高效充電燃料電池，具有功率大、能量大、效率高、成本低、壽命長、無污染等優(yōu)點，在光伏發(fā)電、風カ發(fā)電、分布電站、電網(wǎng)調(diào)峰、通訊基站、UPS/EPS電源、交通市政、軍用蓄電等廣闊領(lǐng)域具有良好應用前景，即將為人類帶來前所未有、意義重大深遠的新能源產(chǎn)業(yè)革命！全釩液流電池的電化學反應、標準電極電位和標準電動勢如下負極V2+—e=V3+E0=-O. 25V (I)正極V02++2H++e=V02++H20E0=LOOV (2)電池V2++V02++2H+=V3++V02++H20E0=L 25V (3)全釩液流電池由電堆、釩電解液儲罐、循環(huán)泵、管路、充放電等模塊組成。電堆由單片電池串聯(lián)組成。單片電池由離子交換膜、電極、導電板、液流框板、密封圈構(gòu)成。電極由石墨氈構(gòu)成，裝在液流框板內(nèi)，位于離子交換膜和導電板之間。液流框板的上部、下部分別設(shè)有釩電解液進液、出液支路流道。在循環(huán)泵壓力作用下，儲罐中的釩電解液通過主路進液流道流進電堆，經(jīng)單片電 池液流框板下部的支路進液流道均勻分流后自下而上均勻流過單片電池電極微孔流道進行電化學反應，反應后的釩電解液經(jīng)過單片電池液流框板上部的支路進液流道均勻匯流后流出電堆，再通過主路出液流道流回儲罐中。在全釩液流電池出現(xiàn)的早期，電堆的功率不大，單片電池的電極面積較小，電極的寬度和高度接近，電極的寬高比介于I I. 5之間，單片電池外形接近正方形，制作出的電堆外形美觀，性能出色。后來人們在開發(fā)更大功率的電堆吋，通常參照小功率的電堆進行設(shè)計，開發(fā)出的大功率電堆通常由小功率電堆按比例逐步放大得到，電極的寬高比仍介于I I. 5之間，單片電池的外形仍然接近正方形，很少有人在開發(fā)大功率電堆時認真考慮電極的寬高比問題，也沒有人意識到電極的寬高比對大功率電堆的功率密度、釩利用率和能量效率存在重大影響，其主要原因有三個第一、電極寬高比介于I I. 5之間、單片電池外形接近正方形已經(jīng)成為ー種常識和思維定勢，根深蒂固地植入到設(shè)計人員的腦海中，沒有人愿意作出改變。所以人們在設(shè)計大功率電堆時，出于習慣性的思維方式，仍然把電極的寬高比設(shè)計成介于I I. 5之間，單片電池的外形設(shè)計成接近正方形。第二、在大功率電堆中將電極寬高比設(shè)計成介于I I. 5之間，單片電池外形設(shè)計成接近正方形，雖然電極的高度較高，寬度較窄，釩電解液從電極下部向上部流動受到的阻力很大，但通過在電極表面設(shè)置釩電解液導流網(wǎng)(如中國專利200710105754. 3)、或在導電板上開設(shè)釩電解液流道(如中國專利201110200880. 3)、或在電極上開設(shè)釩電解液流道(如中國專利200910078434. 2)，也能獲得不錯的電堆性能。雖然這樣開發(fā)出來的大功率電堆的功率密度、釩利用率和能量效率比小功率電堆低ー些，但人們受日常經(jīng)驗影響，總是先入為主地認為這是電堆放大后的必然結(jié)果，很少有人對電極的寬高比對電堆的功率密度、釩利用率和能量效率的影響作深入研究。第三、考慮到未來光伏發(fā)電、風カ發(fā)電、分布電站、電網(wǎng)調(diào)峰、UPS/EPS電源等廣闊領(lǐng)域?qū)Υ蠊β省⒊蠊β嗜C液流電池的巨大市場需求，人們自然希望能設(shè)計開發(fā)出功率盡可能大的電堆，很多人甚至想當然地認為電堆的功率越大越好，電極的面積越大越好，因而認為電極的寬度和高度應該接近并且都越大越好，電極的寬高比仍應介于I I. 5之間，單片電池的外形仍應接近正方形。 然而，作為通過化學能和電能相互轉(zhuǎn)換儲能的全釩液流電池，其能量轉(zhuǎn)換效率至關(guān)重要。特別當全釩液流電池的功率越來越大，規(guī)模越來越大，應用越來越廣泛時，全釩液流電池的功率密度、釩利用率和能量效率每提高I %，都將帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。本發(fā)明人在經(jīng)過長時間的深思熟慮和大量研究的基礎(chǔ)上，認識到傳統(tǒng)的大功率全釩液流電池電堆設(shè)計思想存在技術(shù)偏見。對于小功率電堆，電極面積較小，電極寬高比介于I I. 5之間，單片電池外形接近正方形是可以的，但對于kW級以上大功率電堆，電極面積較大，電極的寬高比仍介于I I. 5之間，單片電池的外形仍然接近正方形，則由于電極的高度較高，寬度較窄，厚度又不能太厚(否則電堆內(nèi)阻太大)，釩電解液從電極下部向上部流動擴散的阻カ很大，傳質(zhì)困難，導致電堆的功率密度、釩利用率和能量效率很低。雖然可以通過加大電解液循環(huán)泵的功率來緩解釩電解液在電極中流動傳質(zhì)困難的問題，但這樣不僅增加了電堆及釩電解液管路的密封難度，而且大大降低了全釩液流電池系統(tǒng)總的功率密度、釩利用率和能量效率。為了使釩電解液的流動阻カ減少，中國專利200710105754. 3提出在電極表面設(shè)置導流網(wǎng)，使釩電解液在電極表面均勻流動。雖然釩電解液的流動阻カ有所減少，但由于釩電解液大部分是從電極表面上方直接流過，只有少部分通過電極內(nèi)部流動，釩電解液在電極內(nèi)部傳質(zhì)慢、擴散極化大，而且電堆的結(jié)構(gòu)復雜、密封困難、厚度増加、內(nèi)阻増大，導致電堆的功率密度、釩利用率和能量效率低。中國專利201110200880. 3提出在導電板上開設(shè)釩電解液流道，雖然釩電解液的流動阻カ有所減少，但由于釩電解液大部分是從導電板的流道中直接流過，只有少部分通過電極內(nèi)部流動，釩電解液在電極內(nèi)部傳質(zhì)慢、擴散極化大，而且因?qū)щ姲鍍擅娑加辛鞯溃瑢е聦щ姲搴穸葔埣?、加工困難、成本増加、內(nèi)阻増大，導致電堆的功率密度、釩利用率和能量效率低。中國專利200910078434. 2提出在電極上開設(shè)釩電解液流道，部分解決了釩電解液在電極內(nèi)部傳質(zhì)慢、擴散極化大的問題，但仍有相當部分釩電解液從電極上的流道中直接流過,只有少部分通過電極內(nèi)部流動,釩電解液在電極內(nèi)部傳質(zhì)較慢、擴散極化較大,而且電極加工復雜，電極上存在流道溝槽，使電堆內(nèi)阻也有所増大，導致電堆的功率密度、釩利用率和能量效率較低。由上可知，只要電極的寬高比仍介于I I. 5之間，單片電池的外形仍然接近正方形，則無論是在電極表面設(shè)置釩電解液導流網(wǎng)、或是在導電板上開設(shè)釩電解液流道、還是在電極上開設(shè)釩電解液流道，全都不能完全解決大功率電堆中釩電解液在電極內(nèi)部傳質(zhì)困難、擴散極化大的問題，而且還増大了電堆內(nèi)阻和電堆成本。要想徹底地解決釩電解液在電極內(nèi)部傳質(zhì)困難、擴散極化大的世界難題，進ー步提高大功率電堆的功率密度、釩利用率和能量效率，必須克服傳統(tǒng)的技術(shù)偏見，對電極的寬高比對釩電解液通過電極的流量、電堆的功率密度、釩利用率和能量效率的影響作深入研究。

發(fā)明內(nèi)容
在循環(huán)泵壓力作用下，釩電解液克服全釩液流電池流道阻カ穩(wěn)定均勻流動。儲罐中的釩電解液通過主路進液流道流進電堆，經(jīng)各單片電池支路進液流道均勻分流后自下而上均勻流過各單片電池電極微孔流道進行電極反應，反應后釩電解液經(jīng)各單片電池支路出 液流道均勻匯流后流出電堆，再通過主路出液流道流回儲罐中。設(shè)釩電解液通過全釩液流電池某段流道的流量為Q，壓降為Λρ，可定義該段流道對釩電解液的流阻R為R= Δ p/Q(4)由上式可知，因串聯(lián)流道的流量相同、壓降相加，故流阻相加，而并聯(lián)流道的壓降相同、流量相加，故流阻倒數(shù)相加。因全釩液流電池流道由主路流道和電堆流道串聯(lián)組成，電堆流道由單片電池流道并聯(lián)組成，單片電池流道由支路流道和電極微孔流道串聯(lián)組成，設(shè)全釩液流電池流道、主路流道、電堆流道、單片電池流道、支路流道、電極微孔流道對釩電解液的流阻分別為R_、R±
R，全釩液流電池電堆單片電池片數(shù)為N，則R電池=R主路+R電堆(5)R 電堆=R 單片/N(6)Ripi 片=R 支路+R 電極(7)代式(6)、(7)入(5)得R電池=R主路+R支路/N+R電極/N(8)通常R±g〈〈R /N〈〈R_/N，對15單片電池組成的IkW電堆，若電極的寬高比為1，試驗表明R主路R支路/15 :R電極/15 I 5 :100。釩電解液在循環(huán)泵壓力作用下自下而上通過電極微孔流道穩(wěn)定均勻流動，設(shè)電極的寬度為B，高度為L，厚度為D，電極的面積為S=BL,截面積為A=BD。因串聯(lián)流道的流量相同、壓降相加，流阻相加，而并聯(lián)流道的壓降相同、流量相加，流阻倒數(shù)相加，由式(4)容易推知均勻電極微孔流道對釩電解液的流阻Rm與電極的高度L成正比，與電極的截面積A成反比，即R 電極=η. L/A= Π. L/BD(9 )式中η在數(shù)值上等于單位邊長立方體電極對釩電解液產(chǎn)生的流阻，可稱為流阻率，在溫度、釩電解液、電極材料一定吋，η是常量。由式(9)可知，電極微孔流道的流阻R% 與電極的寬高比B/L成反比，電極的寬高比B/L越大，電極微孔流道的流阻R_越小。代式(9)入(8)得
R 電池-R 主路+R 支路/N+Π L/BDN(10)設(shè)釩電解液通過全釩液流電池流道的流量為Q ，壓降為Λ P 由式(4)知全釩液流電池流道對釩電解液的流阻R 4 &為R _ = Δ P _ /Q _(11)故 Δ P電池=Q電池R電池(12)電解液循環(huán)泵對釩電解液做功的功率P s為Pg = Ap 電池 Q 電池(13)代式(12)入(13)得P泵=Q電池R電池(14)代式(10)入(14)得P 栗=Q 電池(R 主路+R 支路/N+Π L/BDN)(15)由于在溫度、釩電解液、電極材料、電極厚度、電極面積、電堆單片電池片數(shù)、主路流道流阻、支路流道流阻一定時，n、D、S、N、R±K、R^^為常量，由式(15)可知，在電解液循環(huán)泵功率Ps—定吋，電極的寬高比B/L越大，釩電解液通過全釩液流電池流道的流量Q越大，故釩電解液通過單片電池單位電極面積的流量Q^ft/NS也越大，因而釩電解液在電極內(nèi)部的傳質(zhì)效果越好、擴散極化越小，所以全釩液流電池電堆的功率密度、釩利用率和能量效率越高。電極的寬高比盡可能大，在電極面積一定的前提下意味著電極的高度應盡可能低，電極的寬度應盡可能寬。綜合考慮到離子交換膜、電極、導電板、液流框板、密封圈、端壓板等電堆組件的材料尺寸、材料成本、加工設(shè)備及電堆組裝、運輸、安裝、拆卸、維修的方便性，本發(fā)明認為電極的寬高比為3 15，電極的高度為I 25cm，電極的寬度彡200cm較為合理。本發(fā)明的目的在于提供一種全釩液流電池，它采用具有低高度、大寬度、大寬高比的電極，釩電解液在電極內(nèi)部的傳質(zhì)效果好、擴散極化小、在不增加釩電解液泵功耗的前提下，獲得極高的功率密度、釩利用率和能量效率。本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的一種全釩液流電池，包括離子交換膜、電極、導電板、液流框板、正端壓板、負端壓板、緊固件，其特征是所述液流框板及其內(nèi)框均為長方形，液流框板開有進、出液孔；液流框板正面開有進、出液支路流道；進液支路流道的一端與進液孔連通，進液支路流道的另ー端與液流框板內(nèi)框連通；出液支路流道的一端與出液孔連通，出液支路流道的另一端與液流框板內(nèi)框連通；各液流框板依次按正面對正面、背面對背面順序交替排列；相鄰液流框板相対的正面之間夾有離子交換膜；相鄰液流框板相対的背面之間夾有導電板，導電板為長方形，表面不開設(shè)流道，在液流框板背面內(nèi)框邊緣處開有環(huán)形凹臺，導電板裝在該環(huán)形凹臺上；液流框板內(nèi)框中裝有電極，電極為長方形，表面不開設(shè)流道，電極的寬高比為3 15，所述液流框板、導電板、電極、離子交換膜、正端壓板、負端壓板通過緊固件壓緊串聯(lián)成堆。所述進液孔設(shè)置在液流框板下部一角，液流框板下部另一角設(shè)置有過液孔，所述出液孔設(shè)置在液流框板上部一角，液流框板上部另一角設(shè)置有過液孔，進、出液孔呈對角分布，兩個過液孔呈對角分布。所述進液支路流道由兩條長直槽迂回連接構(gòu)成，第一條長直槽通過窄梳形槽與所述進液孔連通，第二條長直槽的側(cè)面通過寬梳形槽與液流框板內(nèi)框下部連通。所述出液支路流道由兩條長直槽迂回連接構(gòu)成，第一條長直槽通過窄梳形槽與所述出液孔連通，第二條長直槽的側(cè)面通過寬梳形槽與液流框板內(nèi)框上部連通。所述進、出液支路流道上嵌有蓋板。
所述液流框板正面設(shè)置有定位銷，所述液流框板設(shè)置有定位孔；所述液流框板背面設(shè)置有鎖定銷；所述液流框板設(shè)置有鎖定孔；液流框板內(nèi)框四角設(shè)置有定位電極的小凸臺；液流框板的背面開有檢測槽。所述離子交換膜的兩面邊緣、液流框板背面的過液孔邊緣、液流框板背面的環(huán)形凹臺上均設(shè)有密封圈，該密封圈由三元こ丙橡膠制成。所述液流框板由聚氯こ烯或聚丙烯塑料制成；所述導電板由石墨板或?qū)щ娝芰习逯瞥?；所述電極由聚丙烯腈石墨氈制成；所述離子交換膜為全氟離子交換膜。所述正、負端壓板由玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂絕緣板制成，該正、負端壓板上分別嵌有正、負集電板，該正、負集電板由黃銅板制成。所述電極的高度為I 25cm，電極的寬度彡200cm。若電極的寬高比為I I. 5，將會導致電極微孔流道的流阻過大，釩電解液的流量過小，電堆的功率密度、釩利用率和能量效率過低。若電極的寬高比增大至3，與傳統(tǒng)電極的寬高比I I. 5相比，由式(9)知，電極微孔流道的流阻Rm降低為原來的1/3 1/2，此時主路流道流阻和支路流道總流阻g/N仍然很小，由式(15)知，如果電解液循環(huán)泵功率Ps—定，釩電解液通過全釩液流電池流道的流量Q4ffi將增至接近原來的3V2 2V2倍，釩電解液通過單片電池單位電極面積的流量Q4ft/NS將增至接近原來的31/2 21/2倍，因而釩電解液在電極內(nèi)部的傳質(zhì)明顯加快、擴散極化明顯減小，所以全釩液流電池電堆的功率密度、釩利用率和能量效率明顯增加。若電極的寬高比增大至15，與傳統(tǒng)電極的寬高比I I. 5相比，由式(9)知，電極微孔流道的流阻R_降低為原來的1/15 1/10，電極微孔流道總流阻/N降低到接近主路流道流阻和支路流道總流阻R /N之和，由式(15)知，如果電解液循環(huán)泵功率Ps一定，釩電解液通過全釩液流電池流道的流量Q4ft將增至接近原來的7. 51/2 51/2倍，釩電解液通過單片電池單位電極面積的流量Q_/NS將增至接近原來的7. 51/2 51/2倍，因而釩電解液在電極內(nèi)部的傳質(zhì)大幅加快、擴散極化大幅減小，故全釩液流電池電堆的功率密度、釩利用率和能量效率大幅増加。若電極的寬高比>15，與電極的寬高比=15相比，不僅電極微孔流道的流阻R電極的降低的絕對值已很少，而且電堆組件的材料尺寸和加工設(shè)備條件難以滿足，電堆組裝、運輸、安裝、拆卸、維修不便。電極的高度〈1cm，對通常由40個單片電池組成的功率密度為100mW/cm2的IkW電堆，單片電池電極的面積為250cm2，電極、離子交換膜、導電板、液流框板、密封圈、端壓板等電堆組件的寬度都將超過250cm，電堆組件的材料尺寸和加工設(shè)備條件難以滿足，電堆組裝、運輸、安裝、拆卸、維修不便。電極的高度>25cm，則由于電極微孔流道流阻太大，釩電解液的流量太小，電堆的功率密度、釩利用率和能量效率太低。電極的寬度>200cm，離子交換膜、導電板、液流框板、密封圈、端壓板等電堆組件的寬度都將超過200cm，電堆組件的材料尺寸和加工設(shè)備條件難以滿足，電堆組裝、運輸、安裝、拆卸、維修不便。本發(fā)明的創(chuàng)新之處在于在全釩液流電池的電極和離子交換膜之間不再需要設(shè)置導流網(wǎng)，導電板和電極表面也不用再開設(shè)流道，電極的寬高比為3 15，電極高度為I 25cm，電極寬度彡200cm，釩電解液在電極內(nèi)部的傳質(zhì)效果好、擴散極化小，電堆的功率密度、釩利用率和能量效率高。
本發(fā)明主要有以下積極有益效果第一，全釩液流電池電極和離子交換膜之間不用再設(shè)置導流網(wǎng)，不僅簡化了電堆結(jié)構(gòu)，降低了電堆成本，而且減少了電堆厚度和電堆內(nèi)阻；導電板和電極也不用再開設(shè)流道，不僅簡化了導電板和電極的加工，減少了導電板厚度和電堆厚度，降低了電堆成本，而且避免了導電板和電極上出現(xiàn)凹凸不平的溝槽，有利于將電極在導電板與離子交換膜之間壓緊，減少了電堆內(nèi)阻，從而提高了全釩液流電池的功率密度、釩利用率和能量效率。第ニ，本發(fā)明全釩液流電池采用大寬度、低高度、大寬高比電極，釩電解液在電極內(nèi)部的傳質(zhì)效果好、擴散極化小，全釩液流電池電堆的功率密度、釩利用率和能量效率高。第三，本發(fā)明全釩液流電池采用大寬度、低高度、大寬高比電極，與之配套的是大寬度、低高度、大寬高比的液流框板、端壓板，因此可使用較薄的端壓板即可將電堆均勻壓平壓緊，從而減輕了全釩液流電池電堆的體積、重量和成本。本發(fā)明采用大寬度、低高度、大寬高比的電極，極大地降低了釩電解液在電極內(nèi)部的傳質(zhì)擴散阻力，傳質(zhì)效果好、擴散極化小、在不增加釩電解液泵功耗的前提下，獲得了極高的功率密度、釩利用率和能量效率，大幅度降低了全釩液流電池的電堆成本和釩電解液成本，大大提高了全釩液流電池的儲能效益。


圖I是本發(fā)明一實施例的示意圖。圖2是圖I的側(cè)視圖。圖3是管接頭的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是圖I中正端壓板的裝配示意圖。圖5是圖4中正端壓板旋轉(zhuǎn)90度后的裝配示意圖。圖6是圖5中第一個單片電池的裝配示意圖。圖7是圖6中第一個單片電池的分解示意圖。圖8是圖7中正極組件的分解示意圖。圖9是圖8中A局部的放大圖。圖10是圖7中膜組件的分解示意圖。圖11是圖7中負極組件的分解示意圖。
圖12是圖6中第一個單片電池負極組件與第二個單片電池正極組件的分解示意圖。圖13是圖8中正液流框板旋轉(zhuǎn)90度后的正面分解示意圖。圖14是圖11中負液流框板正面分解示意圖。圖15是圖14中負液流框板旋轉(zhuǎn)90度后的背面分解示意圖。圖16是圖15中B局部的放大圖。圖17是圖6中第一個單片電池負極組件與第二個單片電池正極組件的組合示意圖。圖18是圖17中C局部的放大圖。 圖19是圖17中D局部的放大圖。
具體實施例方式圖中標號I正液流框板 2負液流框板3導電板4正電極 5離子交換膜6負電極7正端壓板 8負端壓板9緊固件10內(nèi)框 11進液孔12過液孔13過液孔 14出液孔15鎖定銷16鎖定孔 17蓋板18蓋板19環(huán)形凹臺 20內(nèi)框21進液孔22過液孔 23過液孔24出液孔25鎖定銷 26鎖定孔27蓋板28蓋板 29環(huán)形凹臺30密封圈31支路流道 32窄梳形槽33長直槽34窄梳形槽 35定位銷36定位孔37長直槽 38寬梳形槽39螺桿40正極組件 41支路流道42窄梳形槽43長直槽 44窄梳形槽45定位銷46定位孔 47長直槽48寬梳形槽49邊長 50膜組件51圓孔52圓孔 53圓孔54圓孔55密封圈 56通孔57環(huán)形凹臺58密封圈座 59彈簧60負極組件61進ロ 62出口63密封圈座64密封圈 65密封圈66密封圈67密封圈座 68密封圈座69邊長70小凸臺 71進液管接頭72出液管接頭73檢測槽 74檢測槽75鎖定銷76鎖定孔 77正集電板78負集電板
79螺母80小凸臺81進液管接頭82出液管接頭83密封圈座84檢測槽85單片電池86單片電池87單片電池88單片電池89單片電池90單片電池91單片電池92單片電池93單片電池94單片電池95單片電池96單片電池97單片電池98單片電池99單片電池電池請參照圖I、圖2、圖3、圖4、圖5、圖6、圖7、圖8、圖9、圖10、圖11、圖12、圖13、圖14、圖15、圖16、圖17、圖18、圖19，本發(fā)明是一種全釩液流電池，包括十五片正液流框板I、 十五片負液流框板2、十六片導電板3、十五片正電極4、十五片離子交換膜5、三十片密封圈55、十五片負電極6、ー塊正端壓板7、ー塊負端壓板8、十六套緊固件9。上述各正液流框板
I、負液流框板2、密封圈55、正端壓板7、負端壓板8四周邊緣均開有位置對應的十六個螺栓孔。正端壓板7、負端壓板8由玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂絕緣板制成，正端壓板7上嵌有正集電板77，負端壓板8上嵌有負集電板78，正集電板77、負集電板78均由黃銅板制成。每套緊固件9由螺桿39、彈簧59、螺母79構(gòu)成。上述十五片正液流框板I、十五片負液流框板2、十六片導電板3、十五片正電極4、十五片離子交換膜5、三十片密封圈55、十五片負電極6串聯(lián),各正液流框板I、負液流框板2依次按正面對正面、背面對背面順序交替排列；相鄰的正液流框板I、負液流框板2相對的正面之間夾有離子交換膜5，相鄰的正液流框板I、負液流框板2相対的背面之間夾有導電板3，導電板3為長方形，表面不開設(shè)流道，在正液流框板I背面內(nèi)框邊緣處開有環(huán)形凹臺19，在負液流框板2背面內(nèi)框邊緣處開有環(huán)形凹臺29，導電板3裝在環(huán)形凹臺19、29圍成的空間內(nèi)，從而組成了如圖2所示的十五個單片電池85、86、87、88、89、90、91、92、93、94、95、96、97、98、99 ο請參照圖I、圖6、圖7,姆個單片電池由一個正極組件40、一個膜組件50、一個負極組件60構(gòu)成，膜組件50夾在正極組件40、負極組件60之間。請參照圖8、圖9，每個正極組件40由一片正液流框板I、一片導電板3、一片正電極4、一片密封圈64、兩個密封圈65構(gòu)成。請參照圖10，每個膜組件50由離子交換膜5和粘在其兩面邊緣的兩片密封圈55組成，離子交換膜5由GEC-105全氟離子膜制成，每片密封圈55的四角分別設(shè)置有圓孔51、52、53、54，密封圈55的四周邊邊緣設(shè)有通孔56。密封圈55的作用是將離子交換膜5分別與正液流框板I、負液流框板2的正面之間密封，防止釩電解液泄漏。本發(fā)明將離子交換膜5邊緣粘在兩個密封圈55之間，不僅大大減少了離子交換膜5上沒有正電極4、負電極6覆蓋的邊角區(qū)域，從而大大提高了離子交換膜5的利用率，節(jié)省了離子交換膜5的成本，而且避免了離子交換膜5兩面上沒有正電極4、負電極6覆蓋的區(qū)域分別與正、負極釩電解液直接接觸，從而大大地提高了全釩液流電池的電流效率和能量效率。請參照圖11，姆個負極組件60由一片負液流框板2、一片導電板3、一片負電極6、一片密封圈64、兩密封圈65構(gòu)成。請參照圖2、圖4、圖5，正端壓板7與第一個單片電池85的正液流框板I共用一塊導電板3 ;請參照圖12，第一個單片電池85的負液流框板2與第ニ個單片電池86的正液流框板I共用一片導電板3 ;第二個單片電池86的負液流框板2與第三個單片電池87的正液流框板I共用一片導電板3 ;……依此類推，第十四個單片電池98的負液流框板2與第十五個單片電池99的正液流框板I共用一片導電板3 ;第十五個單片電池99的負液流框板2與負端壓板8共用一塊導電板3。請參照圖13，正液流框板I及其內(nèi)框10均為矩形，進液孔11設(shè)置在正液流框板I下部一角，正液流框板I下部另一角設(shè)置有過液孔13，出液孔14設(shè)置在正液流框板I上部一角，正液流框板I上部另一角設(shè)置有過液孔12，進液孔11、出液孔14呈對角分布，過液孔12、過液孔13呈對角分布。請參照圖13，正液流框板I正面下部和上部分別開有進液支路流道31、出液支路流道41。進液支路流道31由窄梳形槽32、長直槽33、窄梳形槽34、長直槽37、寬梳形槽38連接構(gòu)成，長直槽33通過窄梳形槽32與進液孔11連通，長直槽37的側(cè)面通過寬梳形槽38與液流框板內(nèi)框10下部連通。 出液支路流道41由窄梳形槽42、長直槽43、窄梳形槽44、長直槽47、寬梳形槽48連接構(gòu)成，長直槽43通過窄梳形槽42與出液孔14連通，長直槽47的側(cè)面通過寬梳形槽48與液流框板內(nèi)框10上部連通。進液支路流道31、出液支路流道41上分別嵌有蓋板17、18，蓋板17、18由聚氯こ烯或聚丙烯塑料制成。請參照圖14、圖18，負液流框板2及其內(nèi)框20均為矩形，進液孔21設(shè)置在負液流框板2下部一角，負液流框板2下部另一角設(shè)置過液孔23，出液孔24設(shè)置在負液流框板2上部一角，負液流框板2上部另一角設(shè)置過液孔22，進液孔21、出液孔24呈對角分布，過液孔22、23呈對角分布。請參照圖14，負液流框板2正面下部和上部分別開有進液支路流道31、出液支路流道41。進液支路流道31由窄梳形槽32、長直槽33、窄梳形槽34、長直槽37、寬梳形槽38連接構(gòu)成，長直槽33通過窄梳形槽32與進液孔11連通，長直槽37的側(cè)面通過寬梳形槽38與液流框板內(nèi)框20下部連通。出液支路流道41由窄梳形槽42、長直槽43、窄梳形槽44、長直槽47、寬梳形槽48連接構(gòu)成，長直槽43通過窄梳形槽42與出液孔14連通，長直槽47的側(cè)面通過寬梳形槽48與液流框板內(nèi)框20上部連通。進液支路流道31、出液支路流道41上分別嵌有蓋板27、28，蓋板27、28由聚氯こ烯或聚丙烯塑料制成。請參照圖7、圖8、圖12、圖13，在正液流框板I背面上設(shè)置有鎖定銷15，在正液流框板I上設(shè)置有鎖定孔16。請參照圖7、圖11、圖12、圖14，在負液流框板2背面上設(shè)置有鎖定銷25，在負液流框板2上設(shè)置有鎖定孔26。請參照圖8、圖9，正液流框板I背面內(nèi)框10邊緣處開有環(huán)形凹臺19，導電板3裝在該環(huán)形凹臺19上；導電板3由石墨板或?qū)щ娝芰习逯瞥?。請參照圖8、圖9、圖12，正電極4裝在正液流框板I內(nèi)框10中。正電極4為長方形，由聚丙烯腈石墨氈制成，表面不開設(shè)流道，正電極4 一面與離子交換膜5接觸，另一面與導電板3接觸。正液流框板I內(nèi)框四角設(shè)置有小凸臺70，小凸臺70的作用ー是使正電極4定位，ニ是使正電極4的上、下邊緣分別與正液流框板I的內(nèi)框10的上、下邊緣各形成ー個間隙，該間隙對正極釩電解液起緩沖疏導作用，使正極釩電解液能更均勻的流進、流出正電極4,從而有效地減小正電極4的極化,提高正極反應的能量效率。請參照圖15、圖16，負液流框板2背面內(nèi)框20邊緣處開有環(huán)形凹臺29，導電板3裝在該環(huán)形凹臺29上；導電板3由石墨板或?qū)щ娝芰习逯瞥?。請參照圖7、圖11、圖12、圖15、圖16、圖17、圖19，負電極6裝在負液流框板2內(nèi)
框20中。負電極6為長方形，由聚丙烯腈石墨氈制成，表面不開設(shè)流道，負電極6 —面與離子交換膜5接觸，另一面與導電板3接觸。負液流框板2內(nèi)框四角設(shè)置有小凸臺80，小凸臺 80的作用一是使負電極6定位，ニ是使負電極6的上、下邊緣分別與負液流框板2的內(nèi)框20的上、下邊緣各形成ー個間隙，該間隙對負極釩電解液起緩沖疏導作用，使負極釩電解液能更均勻的流進、流出負電極6，從而有效地減小負電極6的極化，提高負極反應的能量效率。本發(fā)明將導電板3夾裝在正液流框板I、負液流框板2背面環(huán)形凹臺19、29圍成的空間內(nèi)，不僅大大減少了導電板3的邊角區(qū)域，從而大大提高了導電板3的利用率，節(jié)省了導電板3的成本，而且避免了導電板3上沒有電極覆蓋的區(qū)域與釩電解液直接接觸，從而大大地提高了導電板3的抗腐蝕能力。請參照圖5、圖6、圖7、圖8、圖11、圖12、圖15、圖16、圖17，正端壓板7的背面開
有檢測槽73，正液流框板I背面開有檢測槽74，負液流框板2背面開有檢測槽84，負端壓板8的背面也對應開有檢測槽。請參照圖5、圖12、圖17，正端壓板7上的檢測槽73與第一個單片電池85正液流框板I上的檢測槽74扣合形成檢測孔；第一個單片電池85負液流框板2上的檢測槽84與第二個單片電池86正液流框板I上的檢測槽74扣合形成檢測孔；第二個單片電池86負液流框板2上的檢測槽84與第三個單片電池87正液流框板I上的檢測槽74扣合形成檢測孔；……依此類推，第十四個單片電池98負液流框板2上的檢測槽84與第十五個單片電池99正液流框板I上的檢測槽74扣合形成檢測孔；第十五個單片電池99的負液流框板2上的檢測槽84與負端壓板8上的檢測槽扣合形成檢測孔。上述各檢測孔與各相應導電板3的側(cè)面正對，通過檢測孔可以檢測單片電池的電壓、溫度等重要參數(shù)。請參照圖I、圖2、圖3、圖4、圖5，正端壓板7的下部一角設(shè)置有正極釩電解液進ロ 61和進液管接頭71，上部一角設(shè)置有負極釩電解液出ロ 62和出液管接頭72，負端壓板8的下部一角設(shè)置有負極釩電解液進口和進液管接頭81，上部一角設(shè)置有正極釩電解液出口和出液管接頭82。進液管接頭71、出液管接頭72、進液管接頭81、出液管接頭82與端壓板螺接的一端嵌有密封圈30防止電解液泄漏。正端壓板7、負端壓板8上部另一角設(shè)均置有密封圈座58，在該密封圈座58內(nèi)裝有密封圈65。正端壓板7、負端壓板8的背面均設(shè)置有環(huán)形凹臺57，在該環(huán)形凹臺57上分別裝有集電板77、集電板78，集電板77、集電板78由黃銅板制成。請參照圖8，正液流框板I背面的過液孔12、13的邊緣分別設(shè)置有密封圈座58、68，在該密封圈座58、68內(nèi)分別裝有密封圈65。
請參照圖15、圖16，負液流框板2背面的過液孔22、23的邊緣分別設(shè)置有密封圈座63、83，在該密封圈座63、83內(nèi)分別裝有密封圈65。請參照圖8、圖9，在正液流框板I背面環(huán)形凹臺19上設(shè)置有密封圈64，其作用是將導電板3與環(huán)形凹臺19之間密封，防止正極釩電解液泄漏。請參照圖15、圖16，在負液流框板2背面環(huán)形凹臺29上設(shè)置有密封圈66，其作用是將導電板3與環(huán)形凹臺29之間密封，以防止負極釩電解液泄漏。正液流框板I、負液流框板2的結(jié)構(gòu)完全相同。正液流框板I、負液流框板2均由聚氯こ烯或聚丙烯塑料制成。請參照圖5、圖8、圖9，組裝時，第一片導電板3安裝在正端壓板7背面環(huán)形凹臺57內(nèi)的正集電板77和第一個單片電池85正液流框板I背面環(huán)形凹臺19圍成的空間內(nèi)，通過鎖定銷75、鎖定孔76分別與鎖定孔16、鎖定銷15配合鎖定。 請參照圖12，第一個單片電池85的負液流框板2的背面與相鄰的第二個單片電池86的正液流框板I的背面相對，通過鎖定銷15、鎖定孔16分別與鎖定孔26、鎖定銷25配合鎖定；……依此類推，第十四個個單片電池98的負液流框板2的背面與相鄰的第十五個單片電池99的正液流框板I的背面相對，通過鎖定銷15、鎖定孔16分別與鎖定孔26、鎖定銷25配合鎖定。前ー個單片電池的負液流框板2與相鄰的后一個單片電池正液流框板I共用一片導電板3，導電板3由環(huán)形凹臺19、29定位。第十六片導電板3安裝在負端壓板8背面環(huán)形凹臺內(nèi)的負集電板78和第十五個單片電池85負液流框板2背面環(huán)形凹臺29圍成的空間內(nèi)，通過鎖定銷25、鎖定孔26分別與負端壓板8背面的鎖定孔、鎖定銷配合鎖定。第一個單片電池85至第十五個單片電池99中各個單片電池的組裝方式相同，請參照圖7，每個單片電池正極組件40中正液流框板I的正面與負極組件60中負液流框板2的正面相對，膜組件50夾在該單片電池的正極組件40、負極組件60的之間，通過定位銷35、定位孔36分別與定位孔46、定位銷45配合定位。各單片電池按上述串聯(lián)方式組裝在一起后，形成正極釩電解液的進、出液主通道和負極釩電解液的進、出液主通道正極釩電解液的進液主通道由正端壓板7進ロ 61上的進液管接頭71、十五個正液流框板I上的進液孔11、三十個密封圈55上的圓孔51、十五個負液流框板2上的過液孔23連通構(gòu)成；正極釩電解液的出液主通道由十五個正液流框板I上的出液孔14、三十個密封圈55上的圓孔54、十五個負液流框2上的過液孔22、負端壓板8出口上的出液管接頭82連通構(gòu)成；負極釩電解液的進液主通道由負端壓板8進口上的進液管接頭81、十五個負液流框板2上的進液孔21、三十個密封圈55上的圓孔53、十五個正液流框板I上的過液孔13連通構(gòu)成；負極釩電解液的出液主通道由十五個負液流框板2上的出液孔24、三十個密封圈55上的圓孔52、十五個正液流框板2上的過液孔12、正端壓板7出口 62上的出液管接頭72連通構(gòu)成。正液流框板I、負液流框板2、導電板3、正電極4、離子交換膜5、負電極6、正端壓板7、負端壓板9通過緊固件9壓緊串聯(lián)成堆。本發(fā)明的全釩液流電池工作原理是正極儲罐中的正極釩電解液在正極循環(huán)泵的作用下通過進液主管道經(jīng)進液管接頭71進入正極釩電解液的進液主通道，通過各單片電池正液流框板I上的進液支路流道31進行分流，依次流經(jīng)窄梳形槽32、長直槽33、窄梳形槽34、長直槽37、寬梳形槽38，進ー步分流進入正液流框板I內(nèi)框下邊緣與正電極4下邊緣之間的間隙形成的緩沖區(qū)域，然后均勻流進正電極4中的聚丙烯腈石墨氈纖維表面參與正極反應，反應后流出匯聚到正液流框板I內(nèi)框上邊緣與正電極4上邊緣的間隙形成的緩沖區(qū)域，再依次流經(jīng)由寬梳形槽48、長直槽47、窄梳形槽44、長直槽43、窄梳形槽42構(gòu)成的出液支路流道41，然后匯流進入正極釩電解液的出液主通道，經(jīng)出液管接頭82通過出液主管道最后又流回正極儲罐中；負極儲罐中的負極釩電解液在負極循環(huán)泵的作用下通過進液主管道經(jīng)進液管接頭81進入負極釩電解液的進液主通道,通過各單片電池負液流框板2上的進液支路流道31進行分流，依次流經(jīng)窄梳形槽32、長直槽33、窄梳形槽34、長直槽37、寬梳形槽38，進ー步分 流進入負液流框板2內(nèi)框下邊緣與負電極6下邊緣之間的間隙形成的緩沖區(qū)域，然后均勻流進負電極6中的聚丙烯腈石墨氈纖維表面參與負極反應，反應后流出匯聚到負液流框板2內(nèi)框上邊緣與負電極6上邊緣的間隙形成的緩沖區(qū)域，再依次流經(jīng)由寬梳形槽48、長直槽47、窄梳形槽44、長直槽43、窄梳形槽42構(gòu)成的出液支路流道41，然后匯流進入負極釩電解液的出液主通道，經(jīng)出液管接頭72通過出液主管道最后又流回負極儲罐中。正液流框板I、負液流框板2的厚度為5mm,外框尺寸為746mmxl96mm,內(nèi)框10、20尺寸為 625mmx86mm ；正液流框板I的進液孔11、過液孔12、過液孔13、出液孔14的孔徑為Φ 18mm ；負液流框板2的進液孔21、過液孔22、過液孔23、出液孔24的孔徑為Φ 18mm ；進液支路流道31、出液支路流道41的深度為2. 8mm、寬度為8mm、總長度為1329mm ；正液流框板I、負液流框板2背面環(huán)形凹臺19、29的深度為2. 2mm、寬度為5mm ；導電板3 的尺寸為 635mmx96mmx3mm ；離子交換膜5的尺寸為640mmxl00mmx0· 1 27mm ；正電極4、負電極6的高度L在圖8、圖11、圖12中用邊長49表示，正電極4、負電極6的寬度B在圖中用邊長69表示。正電極4、負電極6的高度L為80mm,寬度B為625mm,厚度為5mm,面積為500cm2。正電極4、負電極6的寬高比為7.81。本發(fā)明與中國專利公開200910078434. 2的全釩液流電池技術(shù)參數(shù)對比見下表I。由表I可知，本發(fā)明全釩液流電池采用濃度均為2mol/L的正極釩電解液和負極釩電解液各20L，在電流密度lOOmA/cm2即電流50A時，放電電壓平臺I. 3V，功率密度130mW/cm2,全釩液流電池功率975W，能量效率87. 8 %，最大功率超過4000W。與中國專利公開200910078434. 2相比，本發(fā)明在單片電池數(shù)量、釩電解液的體積和濃度、電解液循環(huán)泵型號、充放電制度等條件完全相同，但在電極上未開設(shè)流道而且電極面積減少20% (625cm2減至500cm2)的情況下,將電極的高度從207mm減低至80mm,電極的寬度從302mm增大至625mm，電極的寬高比從I. 46增加至7. 81，功率密度提高了 30%(100mff/cm2 增至 130mW/cm2)，釩利用率提高了 10. 8% (12. 6ffh/mol 增至 13. 9ffh/L),能量
效率提高了3. 7% (84. 8%增至87. 9% )，不僅使全釩液流電池電堆成本和釩電解液成本分別相應減少了 30%和10.8%，而且使全釩液流電池的儲能效益提高了 3.7%，因此本發(fā)明具有巨大的經(jīng)濟社會效益。表I全釩液流電池技術(shù)參數(shù)對比
發(fā)明中國專利公開200910078434. 2Γ本發(fā)明
液流電池GEFC-19V50Alh-VRBGEC-19V5 OA Ih-VRB
單片電池1515
電極尺寸30. 2cmX 20. 7cmX O. 5cm62. 5cmX 8cmX O. 5cm
電極面積30.2cmX 20. 7cm=625cm262.5cmX 8cm=500cm2
電極寬高比30. 2cm/20. 7cm=l. 4662. 5cm/8cm=7. 81
釩電解液40L2mol/L V(IV/III)40L2mol/L V(IV/III)
電解液泵MP-20RX磁力驅(qū)動循環(huán)泵MP-20RX磁力驅(qū)動循環(huán)泵
放電限壓15X1.0V=15V15X1.0V=15V
充電限壓15X1.6V=24V15X1.6V=24V
額定電流50A50A
電流密度50A/625cm2=80mA/cm25 OA/5 OOcm2= I OOmA/cm2
放電容量53.5Ah57. OAh
放電時間53.5Ah/50A=1.07h57.0Ah/50A=l. 14h
充電容量54.8Ah58.2Ah
電流效率53.5Ah/54.8Ah=97.6%57. OAh/58.2Ah=97.9%
放電能量1004Wh1112Wh
額定功率1004Wh/1.07h=938W1112Wh/l. 14h=975W
額定電壓1004Wh/53.5Ah=18.8V1112Wh/57.0Ah=19.5V
單片電壓18.8V/15=1.25V19.5V/15=1.30V
功率密度I. 25VX 80mA/cm2=100mW/cm2I. 30VX 100mA/cm2=130mW/cm"
釩利用率1004Wh/40L/2mol/L=12.6Wh/mol1112Wh/40L/2mol/L=13.9Wh/mol
權(quán)利要求
1.一種全釩液流電池，包括離子交換膜、電極、導電板、液流框板、正端壓板、負端壓板、緊固件，其特征是所述液流框板及其內(nèi)框均為長方形，液流框板開有進、出液孔；液流框板正面開有進、出液支路流道；進液支路流道的一端與進液孔連通，進液支路流道的另一端與液流框板內(nèi)框連通；出液支路流道的一端與出液孔連通，出液支路流道的另一端與液流框板內(nèi)框連通；各液流框板依次按正面對正面、背面對背面順序交替排列；相鄰液流框板相對的正面之間夾有離子交換膜；相鄰液流框板相對的背面之間夾有導電板，導電板為長方形，表面不開設(shè)流道，在液流框板背面內(nèi)框邊緣處開有環(huán)形凹臺，導電板裝在該環(huán)形凹臺上；液流框板內(nèi)框中裝有電極，電極為長方形，表面不開設(shè)流道，電極的寬高比為3 15，所述液流框板、導電板、電極、離子交換膜、正端壓板、負端壓板通過緊固件壓緊串聯(lián)成堆。
2.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述進液孔設(shè)置在液流框板下部一角，液流框板下部另一角設(shè)置有過液孔，所述出液孔設(shè)置在液流框板上部一角，液流框板上部另一角設(shè)置有過液孔，進、出液孔呈對角分布，兩個過液孔呈對角分布。
3.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述進液支路流道由兩條長直槽迂回連接構(gòu)成，第一條長直槽通過窄梳形槽與所述進液孔連通，第二條長直槽的側(cè)面通過寬梳形槽與液流框板內(nèi)框下部連通。
4.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述出液支路流道由兩條長直槽迂回連接構(gòu)成，第一條長直槽通過窄梳形槽與所述出液孔連通，第二條長直槽的側(cè)面通過寬梳形槽與液流框板內(nèi)框上部連通。
5.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述進、出液支路流道上嵌有蓋板。
6.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述液流框板正面設(shè)置有定位銷，所述液流框板設(shè)置有定位孔；所述液流框板背面設(shè)置有鎖定銷；所述液流框板設(shè)置有鎖定孔；液流框板內(nèi)框四角設(shè)置有定位電極的小凸臺；液流框板的背面開有檢測槽。
7.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述離子交換膜的兩面邊緣、液流框板背面的過液孔邊緣、液流框板背面的環(huán)形凹臺上均設(shè)有密封圈，該密封圈由三元乙丙橡膠制成。
8.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述液流框板由聚氯乙烯或聚丙烯塑料制成；所述導電板由石墨板或?qū)щ娝芰习逯瞥?；所述電極由聚丙烯腈石墨氈制成；所述離子交換膜為全氟離子交換膜。
9.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述正、負端壓板由玻璃纖維增強環(huán)氧樹脂絕緣板制成，該正、負端壓板上分別嵌有正、負集電板，該正、負集電板由黃銅板制成。
10.如權(quán)利要求I所述全釩液流電池，其特征是所述電極的高度為I 25cm，電極的寬度< 200cm。
全文摘要
一種全釩液流電池，其液流框板開有進、出液孔，液流框板正面開有進、出液支路流道，各液流框板依次按正面對正面、背面對背面的順序交替排列，相鄰液流框板相對正面之間夾有離子交換膜，相鄰液流框板相對背面之間夾有導電板，液流框板內(nèi)框中裝有電極，電極的寬高比為3～15，電極的高度為1～25cm，電極的寬度≤200cm。該全釩液流電池采用大寬高比、低高度、大寬度的電極，結(jié)構(gòu)簡單，組件少、厚度小、體積小、內(nèi)阻小、加工容易、組裝方便、釩電解液在電極內(nèi)部的傳質(zhì)效果好、擴散極化小，自放電電流小，功率密度、釩利用率和能量效率高，成本低，效益高。
文檔編號H01M4/86GK102842730SQ20121037439
公開日2012年12月26日 申請日期2012年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月27日
發(fā)明者鄭重德, 陳利華, 王東明, 劉杰, 魯春芳, 任金華 申請人:北京金能世紀科技有限公司