專利名稱：一種全釩離子氧化還原液流的新型電池結構的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及液流儲能電池領域，尤其涉及一種全釩離子氧化還原液流的新型
電池結構。
背景技術：
目前大規(guī)模儲能的化學電源主要以鉛酸電池為主，轉換效率一般在55%左右，并 且鉛酸電池存在重量大、比能量低、不能深度充放電、使用壽命短、污染環(huán)境等技術缺點，因 此其很難真正實現大規(guī)模的儲能。 釩氧化還原液流電池是一種綠色環(huán)保電池，釩氧化還原液流電池作為儲能電源主 要應用在電廠或電站等大規(guī)模場所，大規(guī)模光電轉換、風能發(fā)電的儲能電源以及作為邊緣 地區(qū)儲能系統，以及不間斷電源或應急電源系統，但是在國內釩氧化還原液流電池絕大部 仍處于實驗室試驗階段。 目前，國內外尚未有超過2. 5KW的單個電池堆，單個電堆電壓一般為12V或24V，這
種狀況制約釩電池實現高功率、高電壓的發(fā)展方向。目前主要存在的問題是 1、液流框沒有開設液流道或在前后端板上開設直線型液流道，這種結構容易導致
電解液形成的漏電支路電流大、雙極性電極腐蝕速度快、單體間電壓分布不均勻，減低了電
能轉換效率，降低了電池使用壽命； 2、現在使用的碳材料電極一般選用國外產品，其價格昂貴，增加了產品成本，而國 產碳材料電極價格相對便宜，但碳材料電極的表面與電解液的吸附性差，使得電解液反應 不充分，并且電極活性與厚度均勻性等性能參差不齊，影響了單體電池性能的均勻性； 3、離子交換膜作為電池核心部件之一，采用國外杜邦公司的質子交換膜性能穩(wěn) 定，壽命長，但價格昂貴，增加了電池結構的制造成本，并且其電流轉化效率不高，目前尚無 較好的技術方案來解決這一技術難題，制約了釩電池的發(fā)展； 4、循環(huán)運行狀態(tài)下，因為電解液形成的漏電支路電流造成雙極性電極腐蝕速度過 快，大大縮短了電池的壽命，增加了用戶的使用成本。通過上述描述可知，現有技術有待于 更進一步的發(fā)展。

實用新型內容本實用新型為解決上述現有技術中的缺陷提供一種全釩離子氧化還原液流的新 型電池結構，改變現有技術中單體電池的構造，以提高電能轉換效率，延長電池使用壽命， 降低制造成本。 為解決上述技術問題，本實用新型方案包括 —種全釩離子氧化還原液流的新型電池結構，其包括至少兩個單體電池，其中，該 單體電池包括兩個液流框，液流框上分別設置有液流道，兩個液流框之間設置有離子交換 膜，液流框夾緊該離子交換膜，分別形成密閉的第一儲液室與第二儲液室，第一儲液室與第 二儲液室內分別充滿釩離子電解液，第一儲液室與第二儲液室內分別設置有碳材料電極；第一儲液罐、第二儲液罐分別與液流框相連通，第一儲液室通過液流道與第一儲液罐相連 通，第二儲液室通過另一液流道與第二儲液罐相連通；單體電池之間通過雙極性電極串聯 在一起。 所述的電池結構，其中，上述液流框上設置有帶彎折且多次迂回的液流道，該液流 道的剖面接近于Z形或多個Z形連接在一起的形狀；單體電池中的兩個液流框呈中心對稱。 所述的電池結構，其中，上述液流框的兩側板框上分別設置有至少一個進液口與 一個出液口，與進液口同側的板框上設置有出液孔，進液口通過液流道與出液孔相連通；與 出液口同側的板框上設置有進液孔，出液口通過液流道與進液口相連通；進液口與出液口 分別與第一儲液罐或第二儲液罐相連通。 所述的電池結構，其中，上述迂回液流道的走向沿板框方向設置。 所述的電池結構，其中，上述離子交換膜為全氟磺酸離子交換膜。 所述的電池結構，其中，該電池結構設置有四十個單體電池，各個單體電池通過雙
極性電極串聯組合在一起，且各個單體電池采用嵌入層疊方式組裝在一起；第一儲液罐、第
二儲液罐與電堆之間分別設置有電解液泵。 所述的電池結構，其中，上述碳材料電極經過高溫氧化或預酸處理，且碳材料電極 的外表面均勻的設置有流道或流槽，液流框的上下兩面設置有密封墊。 所述的電池結構，其中，該電池結構包括前端板與后端板，串聯組合在一起的單體
電池設置在前端板與后端板之間，前端板與后端板夾緊組合在一起的單體電池。 所述的電池結構，其中，雙極性電極由石墨或復合材料制成，密封墊由硅氟橡膠制
成，該電池結構由硅氟橡膠密封墊密封，并且雙極性電極上覆蓋有防腐蝕膜。 所述的電池結構，其中，單體電池與第一儲液罐、第二儲液罐之間分別設置公用主
管道，該公用主管道分別與各個液流框相連通，釩離子電解液通過公用主管道分別進入各
個單體電池中。 本實用新型提供的一種全釩離子氧化還原液流的新型電池結構，在液流框開設液 流道，并且該液流道為迂回式，加大了電池運行過程中支路的有效電阻，避免了大功率充放 電時對電極的腐蝕，在電池停止運行時該種液流框能及時斷開各個單體電池中同極電解液 的連通，大幅度降低了電池停止循環(huán)后支路電流造成的自放電速度，增大了能量轉換效率， 尤其是本實用新型在單體電池中采用全氟磺酸離子交換膜，大幅度減少了電池結構的制造 成本，使大電流、高電壓運行更加穩(wěn)定，并且在碳材料電極上設置分布均勻的流道或流槽， 減低了電解液流的流動阻力，并提高了各單體電池間性能的均衡性，增強了電池結構的整 體性能，進一步降低了電池結構的制造成本，在雙極性電極的外表面上覆蓋一層膜，使電池 結構在循環(huán)運行條件下防止了電解液對電極的腐蝕；采用本實用新型的電池結構使總能量 利用率達到70% -80%，電流轉化率達到90%以上，電壓轉化率達到80%以上，由此可見， 本實用新型是現有技術的極大進步。

圖1是本實用新型中電池結構的原理示意圖； 圖2是本實用新型中單體電池的截面結構示意圖； 圖3是本實用新型中一個液流框以及其上設置電解液流道的截面結構示意圖。
具體實施方式以下將結合附圖，對本實用新型中各較佳實施例進行較為詳盡的說明。 本實用新型提供了一種全釩離子氧化還原液流的新型電池結構，在液流框開設迂 回液流道，并在單體電池中采用全氟磺酸離子交換膜，在碳材料電極的外表面上設置分布 均勻的流道或流槽，提高了電能轉換效率，增強了電池結構的整體性能，延長了電池使用壽 命。如圖1與圖3所示的，本實用新型的全釩離子氧化還原液流的電池結構包括至少兩個 單體電池8，該單體電池8包括兩個液流框，每個液流框如圖3中的液流框21所示的，并且 兩個液流框之間設置有離子交換膜4，液流框上分別設置有液流道；液流框夾緊該離子交 換膜4，分別形成密閉的第一儲液室9與第二儲液室IO，第一儲液室9與第二儲液室10內 分別充滿釩離子電解液，第一儲液室9與第二儲液室10內分別設置有碳材料電極5 ;第一 儲液罐11、第二儲液罐12分別與多個液流框的進出液口形成的公用主管道相連通，第一儲 液室9通過液流道與第一儲液罐11相連通，第二儲液室10通過另一液流道與第二儲液罐 12相連通；各個單體電池8之間通過雙極性電極串聯在一起，并且上述每個液流框21上設 置有中心對稱且?guī)в袕澱鄱啻斡鼗氐挠鼗匾毫鞯?、迂回液流道22，該迂回液流道3與迂回 液流道22的縱截面接近于Z形或多個Z形連接在一起的形狀，單體電池8中的兩個液流框 為中心對稱，該迂回液流道比現有使技術中的液流道延長了 1-50倍，尤其是增大了電解液 形成的漏電支路電阻100-2000倍，大幅度減少了電池自放電的狀況，使上述電池結構運行 更加安全穩(wěn)定。本實施例中第一儲液室9與第一儲液罐11內充滿五價與四價的釩離子電 解液，第二儲液室10與第二儲液罐12內充滿二價與三價的釩離子電解液，當然儲液室與儲 液罐內的釩離子電解液以及連通關系是可以更換的，但是為了便于描述以下實施例均按照 上述的連通關系描述。通過上述描述可知，本實用新型在液流框上設置迂回的液流道，加大 了電池運行過程中支路的有效電阻，有效避免了電池結構大功率充放時，電解液對電極板 的腐蝕，同時其流道豎直迂回結構在電池停止運行時，能及時斷開電池機構中各單體中同 極電解液之間的連通，大幅度減小了電池停止循環(huán)后支路電流造成的自放電速度，增大了 能量轉換效率，使電池結構的總能量利用率達到70% -80%。 為了進一步提高本實用新型中電池結構的性能，如圖1、圖2以及圖3所示的，上 述液流框21的兩側板框上分別設置有至少一個進液口 15與一個出液口 16，在本實施例中 還設置了第二進液口 17與第二出液口 18，第二進液口 17與第二出液口 18是為與另一液 流框連通而設置的，當然為了更好的提高單體電池的性能也可以采用其他的設置方式；與 進液口 15同側的板框上設置有出液孔19，進液口 15通過迂回液流道3與出液孔19相連 通；與出液口 16同側的板框上設置有進液孔20，出液口 16通過迂回液流道22與進液孔 20相連通；進液口 15與出液口 16分別與第一儲液罐11或第二儲液罐12相連通，迂回液 流道3與迂回液流道22的走向沿板框方向設置。在本實施例中，迂回液流道3與迂回液流 道22為豎直設置，該種設置的電能轉換效率最佳，進液口 15設置在板框的左上角，出液孔 19設置在板框內側的左下角；出液口 16設置在板框的右下角，進液孔20設置在板框內側 的右上角，但是為了方便用戶使用或其他用途，進液口 15、出液口 16、出液孔19以及進液孔 20可以設置在液流框21的其他合適的位置，在此不再一一贅述。尤其是在兩個液流框之 間設置全氟磺酸離子交換膜，該離子交換膜具有很高的阻釩性能，具有良好的離子選擇性以及優(yōu)良的電化學性能，其使用壽命非常長，提高了電流的轉化效率， 一般的質子交換膜或 離子交換膜隨著電池中電流密度的升高電壓效率會迅速降低，而使用本實用新型提供的全 氟磺酸離子交換膜，使電流轉化率達到90%以上，電壓轉化率達到80%以上，讓電池的大 電壓、大電流運行更穩(wěn)定，使釩電池使用壽命由原來的15年提高至20年以上。而且上述碳 材料電極5經過高溫氧化或預酸處理，碳材料電極5的外表面均勻的設置有流道或流槽，板 框的邊部設置有密封墊2，密封墊2將板框的周邊密封起來，增加了電池結構運行時的穩(wěn)定 性，而碳材料電極5上設置的流道或流槽增加了電解液進行化學反應的面積，進一步提高 了電能的轉換效率，板框上的液流道與碳材料電極5上的流道或流槽緊密接觸，使電解液 溶液在單體電池8內充分循環(huán)，能夠更好的完成化學反應，從而使電池結構中每片單體電 池8之間的電壓比較均勻，現有技術中單體電池間電壓差范圍在0. 1 V-lV之間，而采用本實 用新型的結構解決了不同單體之間電壓差距很大的技術難題，使單體電池間電壓差范圍在 0. 01V-0. 02V之間。該電池結構設置有四十個單體電池8，各個單體電池8通過雙極性電極 串聯組合在一起，且各個單體電池8之間采用嵌入層疊方式組裝在一起；第一儲液罐11、第 二儲液罐12與液流框21之間分別設置有電解液泵13、電解液泵23，在圖1中僅僅表示一 個單體電池的結構，每個單體電池可以設置有兩個儲液罐或多個儲液罐，當設置有多個單 體電池時，也可以僅設置兩個儲液罐，一個儲液罐通過多個管道分別與同極側的液流框相 連通，另個一個儲液罐通過多個管道分別與另一極側的液流框相連通，比如第一儲液罐11 與所有正極側的液流框相連通，則第二儲液罐12與所有負極側的液流框相連通，當然也可 以在儲液罐與單體電池之間設置公用主管道，第一儲液罐11與第二儲液罐12分別通過各 自的公用主管道與每個液流框相連通，其設置方式還有其他多種方式，在此不再一一列舉。 上述電池結構包括前端板1與后端板6，串聯組合在一起的單體電池8設置在前端板1與后 端板6之間，前端板1與后端板6夾緊該串聯組合，并且雙極性電極由石墨或其他合適的復 合材料制成，密封墊2由硅氟橡膠制成，該電池結構由硅氟橡膠密封墊2密封，并且雙極性 電極上覆蓋有防腐蝕膜，使本實用新型中電池結構在大電流、大電壓的循環(huán)運行狀態(tài)下能 夠有效的防止電解液對電極的腐蝕，進一步提高了上述電池結構的使用壽命。綜上所述，釩 電池在理論上是一種無污染綠色環(huán)保且功率大的優(yōu)秀電池，其應用前景非常廣闊；目前，對 釩電池的論述一般存在于理論層面，如果具體實施需要克服許多技術難題，而本實用新型 經過多次試驗克服了多種技術難題，采用在液流框的板框上設置迂回液流道、在液流框之 間設置全氟磺酸離子交換膜以及在碳材料電極的外表面上設置分布均勻的流道或流槽等 結構，使電池結構總能量利用率達到70% _80%，電流轉化率達到90%以上，電壓轉化率達 到80%以上，大幅度提高了電池的整體性能，使電池結構運行更加穩(wěn)定安全。 為了進一步闡述本實用新型，現以一個電池結構得充放電為例進行說明。例如電 池結構上設置有八十個單體電池8，并且第一儲液罐11內充滿五價與四價的釩離子電解 液，第二儲液罐12內充滿二價與三價的釩離子電解液，第一儲液罐11與所有正極側的液流 框相連通，則第二儲液罐12與所有負極側的液流框相連通，電池結構通過電流轉換器14分 別與用戶、電能結構相連接。當電池結構開始工作時，電解液泵13與電解液泵23開始工作， 分別將第二儲液罐12、第一儲液罐11內的釩離子電解液傳送至各自儲液室，然后釩離子電 解液在全氟磺酸離子交換膜4兩側的碳材料電極電極5上分別發(fā)生還原和氧化反應，待電 化學反應完成后，電解液又通過液流框傳送至主管道合流回到儲液罐形成回路，活性物質不斷循環(huán)流動，由此完成單體電池8的充放電過程。 上述的電化學反應的反應式如下所示 正極V02++2H++e = V02++H20 VQ = 0. 999V (vs. NHE) 負極V2+-e = V3+ V0 = _0. 255V (vs. NHE) 為了更好的理解本實用新型，現更進一步說明單體電池中單片電池的運行情況。 如圖3所示的，與進液口 15與出液口 16連通液流框21內部流道，構成半個電池的循環(huán)進出 液通道，為了描述方便進液口 15與出液口 16構成正極的循環(huán)進出液通道，同理第二進液口 17與第二出液口 18構成負極的循環(huán)進出液通道；并且各液流框之間相對應的進液口與進 液口、出液口與出液口是相連通的。當釩離子電解液由第一儲液罐11進入液流框21時，電 解液經過進液口 15進入迂回液流道3，電解液再由迂回液流道3進入第一儲液室9內，并且 電解液在碳材料電極5上的流槽上進行電化學反應后，電解液經過進液孔20進入迂回液流 道22，電解液再由迂回液流道3進入第一儲液罐11內，形成一個工作循環(huán)，同步的經過第二 進液口 17與第二出液口 18的電解液也完成一個工作循環(huán)，在上述工作過程中電解液泵13 以及電解液泵23 —直在工作狀態(tài)。而當電解液泵13與電解液泵23停止工作時，由于電解 液失去動力，電解液必然會出現倒吸或回流情況，但是由于迂回液流道3與迂回液流道22 帶有的多個彎折，增大了電解液倒吸的阻力，必然使迂回液流道內的電解液出現斷裂，使迂 回液流道3與迂回液流道22中的電解液在液流道頂部彎折處點開，從而斷開各個單體電池 之間以及各個單體電池與儲液罐之間的液流，斷開了電池內電解液與外界電解液的聯系， 確保了釩電池內部儲存的電量，使釩電池一段相當長的時間內不依靠循環(huán)充電也能啟動循 環(huán)系統，為用戶持續(xù)供電，使釩電池的總能量利用率達到70% _80%，電流轉化率達到90% 以上，電壓轉化率達到80%以上；并且本實用新型的迂回液流道阻斷了各個單體電池之間 的自放電，有效避免了大功率充放時電解液對電極板的腐蝕，延長了釩電池的使用壽命。 應當理解的是，上述各較佳實施例描述的較為詳細，但不應理解為對本實用新型 的限制，本實用新型的保護范圍應以所附權利要求為準，本領域技術人員受本實用新型的 啟示進行簡單替換、組合或變形都應落入本實用新型的保護范圍內。
權利要求一種全釩離子氧化還原液流的新型電池結構，其包括至少兩個單體電池，其特征在于該單體電池包括兩個液流框，液流框上設置有液流道，兩個液流框之間設置有離子交換膜，液流框夾緊該離子交換膜，分別形成密閉的第一儲液室與第二儲液室，第一儲液室與第二儲液室內分別充滿釩離子電解液，第一儲液室與第二儲液室內分別設置有碳材料電極；第一儲液罐、第二儲液罐分別與液流框相連通，第一儲液室通過液流道與第一儲液罐相連通，第二儲液室通過另一液流道與第二儲液罐相連通；單體電池之間通過雙極性電極串聯在一起。
2. 根據權利要求1所述的電池結構，其特征在于上述液流框上設置有帶彎折且多次 迂回的液流道，該液流道的剖面接近于Z形或多個Z形連接在一起的形狀；單體電池中的兩 個液流框呈中心對稱。
3. 根據權利要求1或2所述的電池結構，其特征在于上述液流框的兩側板框上分別 設置有至少一個進液口與一個出液口，與進液口同側的板框上設置有出液孔，進液口通過 液流道與出液孔相連通；與出液口同側的板框上設置有進液孔，出液口通過液流道與進液 口相連通；進液口與出液口分別與第一儲液罐或第二儲液罐相連通。
4. 根據權利要求3所述的電池結構，其特征在于上述迂回液流道的走向沿板框方向 設置。
5. 根據權利要求1所述的電池結構，其特征在于上述離子交換膜為全氟磺酸離子交 換膜。
6. 根據權利要求3所述的電池結構，其特征在于該電池結構設置有四十個單體電池， 各個單體電池通過雙極性電極串聯組合在一起，且各個單體電池采用嵌入層疊方式組裝在 一起；第一儲液罐、第二儲液罐與電堆之間分別設置有電解液泵。
7. 根據權利要求1或2所述的電池結構，其特征在于上述碳材料電極經過高溫氧化 或預酸處理，且碳材料電極的外表面均勻的設置有流道或流槽，液流框的上下兩面設置有 密封墊。
8. 根據權利要求4所述的電池結構，其特征在于該電池結構包括前端板與后端板，串 聯組合在一起的單體電池設置在前端板與后端板之間，前端板與后端板夾緊組合在一起的 單體電池。
9. 根據權利要求7所述的電池結構，其特征在于雙極性電極由石墨或復合材料制成， 密封墊由硅氟橡膠制成，該電池結構由硅氟橡膠密封墊密封，并且雙極性電極上覆蓋有防 腐蝕膜。
10. 根據權利要求3所述的電池結構，其特征在于單體電池與第一儲液罐、第二儲液 罐之間分別設置公用主管道，該公用主管道分別與各個液流框相連通，釩離子電解液通過 公用主管道分別進入各個單體電池中。
專利摘要本實用新型公開了一種全釩離子氧化還原液流的新型電池結構，其包括至少兩個單體電池，該單體電池包括兩個液流框，兩個液流框之間設置有離子交換膜，兩個液流框上分別設置有液流道；液流框夾緊該離子交換膜，分別形成密閉的第一儲液室與第二儲液室，第一儲液室與第二儲液室內分別設置有碳材料電極；第一儲液罐、第二儲液罐分別與液流框相連通，第一儲液室通過液流道與第一儲液罐相連通，第二儲液室通過另一液流道與第二儲液罐相連通；單體電池之間通過雙極性電極串聯在一起。本實用新型在液流框開設迂回液流道，并采用全氟磺酸離子交換膜作為離子交換膜，在碳材料電極的外表面上設置流道或流槽，提高了電能轉換效率和單體電池性能的均衡性。
文檔編號H01M10/36GK201444489SQ20092002596
公開日2010年4月28日 申請日期2009年5月27日 優(yōu)先權日2009年5月27日
發(fā)明者萬紅橋, 劉延剛, 劉金山, 唐建妮, 張建國, 湯建, 薛太白, 韓麗娜 申請人:青島武曉集團有限公