專利名稱：一種液流儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液流儲(chǔ)能電池技術(shù)領(lǐng)域,特別涉及一種全鑰;液流儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
全釩液流儲(chǔ)能電池因其具有輸出功率和容量相互獨(dú)立，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活；能量效率高，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性高，自放電低；選址自由度大，無污染、維護(hù)簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本低，安全性高等優(yōu)點(diǎn)，在規(guī)模儲(chǔ)能方面具有廣闊的發(fā)展前景，被認(rèn)為是解決太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)隨機(jī)性和間歇性非穩(wěn)態(tài)特征的有效方法，在可再生能源發(fā)電和智能電網(wǎng)建設(shè)中有著重大需求。然而，全釩液流儲(chǔ)能電池運(yùn)行的工作電流密度較低(< lOOmA/cm2)，僅為質(zhì)子交換膜燃料電池工作電流密度的十分之一，造成電池模塊體積大，材料需求量大，成本高。而工作電流密度的提高可以提高電池的功率密度，降低整個(gè)系統(tǒng)的成本，減少儲(chǔ)能系統(tǒng)的占地面積和空間，提高其環(huán)境適應(yīng)能力及系統(tǒng)的可移動(dòng)性，擴(kuò)展液流儲(chǔ)能電池的應(yīng)用領(lǐng)域。由于全釩液流儲(chǔ)能電池的電流效率隨著工作電流密度的提高而增大，因此提高電池的工作電流密度需要將電壓效率保持在一個(gè)較高的值，即盡可能地減小電池極化，降低電壓損耗。造成電壓效率的極化主要包括歐姆極化、電化學(xué)極化和濃差極化。目前已公開的專利文獻(xiàn)中針對(duì)減小電池極化的方法主要有(I)對(duì)電極材料如石墨氈、碳紙等進(jìn)行金屬化或氧化改性處理，在碳纖維表面修飾上金屬離子或者含氧官能團(tuán)，提高電極的電催化活性，減小電池的電化學(xué)極化，如專利CN101465417A和CN 101182678A中公開的對(duì)石墨氈進(jìn)行電化學(xué)氧化的方法。但該種方法只是減小了電池的電化學(xué)極化，對(duì)減小電池的歐姆極化沒有幫助。而歐姆極化的減小對(duì)于提高電池的工作電流密度而言更加重要，因?yàn)殡娀瘜W(xué)極化與電流的對(duì)數(shù)成正比，而歐姆電壓降則和電流的大小成正比。因此，隨著工作電流密度的提高，電池歐姆內(nèi)阻的影響會(huì)越來越大。(2)研究和開發(fā)電極與雙極板一體化的復(fù)合電極，即一體化電極雙極板來降低電極雙極板間的接觸電阻。如CN 101009376A中公開的，將雙極板與多孔電極通過導(dǎo)電粘結(jié)材料粘結(jié)在一起形成一體化電極雙極板。然而，全釩液流儲(chǔ)能電池的歐姆內(nèi)阻主要包括電極、雙極板、電解液和隔膜的本體電阻以及電極與雙極板間的接觸電阻。該方法只是減小了電極雙極板間的接觸電阻，對(duì)占電池內(nèi)阻比重較大的電極和電解液的本體電阻并無影響，因此對(duì)于電壓效率和能量效率的提高程度有限
發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的在于提供一種液流儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為一種液流儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)，電池包括雙極板和電極，在雙極板與電極之間設(shè)置有填充板。
所述填充板為導(dǎo)電性良好、孔隙率低的碳素類材料和/或在酸性介質(zhì)中穩(wěn)定的金屬材料。填充板的設(shè)置可充分利用雙極板和多孔電極表面的導(dǎo)電點(diǎn)，達(dá)到降低接觸電阻的目的；并相應(yīng)減小多孔電極的厚度，降低電極的本體電阻；同時(shí)利用填充材料孔隙率低的特點(diǎn)減少電解液在電池中的存儲(chǔ)量以降低電解液的本體電阻，最終達(dá)到降低電池歐姆內(nèi)阻的目的。所述碳素類材料為無孔石墨板、柔性 石墨板、高碳纖維體積分?jǐn)?shù)的石墨租或高碳纖維體積分?jǐn)?shù)的碳?xì)?；金屬材料為鈦板或不銹鋼板。所述高碳纖維體積分?jǐn)?shù)的石墨氈或高碳纖維體積分?jǐn)?shù)的碳?xì)值母咛祭w維體積分?jǐn)?shù)為 10-60%，優(yōu)選 30% -60% ο所述電池還包括有電極框，所述填充板厚度為電極框厚度的5-80%，其長(zhǎng)度和寬度與電極的尺寸相當(dāng)。所述填充板可以為一整體板材，或由二個(gè)以上相同尺寸規(guī)格的板材直接疊加而成、或者由二個(gè)以上相同尺寸規(guī)格的板材通過熱壓而成。為減小電解液流動(dòng)阻力，所述填充板表面可以加工成蛇形或平行流道，進(jìn)一步減小電解液流動(dòng)阻力，更利于電解液的流通。組裝電池時(shí)，所述碳素材料或金屬材料可以直接放置在電極框中，然后再在其上放置多孔電極而成；也可以先將所述碳素類材料或金屬材料與雙極板壓成一體后，再放置電極框、電極組裝。本發(fā)明的有益效果如下(I)采用本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)，由于在雙極板與多孔電極之間使用了導(dǎo)電性良好、孔隙率低的碳素材料或金屬材料的填充板，使得雙極板與填充板及多孔電極與填充板間的接觸點(diǎn)位均為導(dǎo)電點(diǎn)，從而能夠最大程度的利用雙極板與多孔電極表面的導(dǎo)電點(diǎn)位，構(gòu)筑更好的導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，降低電極雙極板間的接觸電阻；(2)采用本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)，由于在雙極板與多孔電極之間放置了孔隙率低的碳素材料或金屬材料的填充板，減少了電解液在電池中的存儲(chǔ)量以降低電解液的本體電阻；并相應(yīng)減小了多孔電極的厚度，降低了電極的本體電阻，從多個(gè)方面降低了電池的歐姆內(nèi)阻，從而減小歐姆極化，提高了液流儲(chǔ)能電池的能量效率和電壓效率，從而提高了其工作電流密度，使得相同輸出功率的電池重量、體積以及成本均大大降低。(3)采用本發(fā)明電池結(jié)構(gòu)的液流儲(chǔ)能電池，在能量效率保持在80%以上的前提下，工作電流密度可以提高到120mA/cm2，使得相同輸出功率的電池重量、體積以及成本均大大降低；(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于操作組裝，所使用的填充物可以為廉價(jià)易得的碳素材料，具有商業(yè)化推廣應(yīng)用價(jià)值。


圖I為本發(fā)明液流儲(chǔ)能電池的單電池結(jié)構(gòu)示意圖；其中1電池端板；2集流板(雙極板)；3密封墊片；4電極框；5填充板；6電極；7離子交換膜；圖2為本發(fā)明實(shí)施例I中單電池在不同電流密度下的充放電曲線圖3為實(shí)施例I中單電池與采用原有結(jié)構(gòu)的單電池在開路狀態(tài)下的交流阻抗譜圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體實(shí)施例詳述本發(fā)明。一種液流儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)，電池包括雙極板、電極、膜。其中雙極板和電極之間設(shè)置有填充板，如圖I所示，在電極框4內(nèi)雙極板2與電極6之間放置填充板5。實(shí)施例I按照?qǐng)DI所示的結(jié)構(gòu)組裝成全釩液流儲(chǔ)能單電池，其中電極框4為3mm厚，填充板5使用2mm厚的無孔石墨板，電極6為3mm厚的碳租,無孔石墨板和碳租的面積均為12cm2,密封墊片3為O. 5mm厚的硅橡膠；初始正極電解液為I. 5M VO2+的3M H2SO4溶液40ml，初始負(fù)極電解液為I. 5M V3+的3MH2S04溶液40ml。電池充電中止電壓為I. 55V，放電中止電壓為O. 9V。該電池在不同電流密度下的充放電曲線及電池效率如圖2和表I所示。采用本發(fā)明電池結(jié)構(gòu)的單電池，電流密度為80mA/cm2時(shí)，電壓效率和能量效率分別為90%和85. 4% ；電流密度提高到120mA/cm2時(shí)，電壓效率和能量效率仍然保持在85. 3%和82%。圖2是采用本發(fā)明結(jié)構(gòu)的單電池與不使用填充板的單電池在開路狀態(tài)下的交流阻抗譜圖。從中可以看出，采用原有電池結(jié)構(gòu)的單電池歐姆內(nèi)阻為817m Qcm2，而采用本發(fā)明的電池結(jié)構(gòu)，單電池的歐姆內(nèi)阻明顯減小，僅為614m Ω cm2，與原有電池結(jié)構(gòu)相比，減小了 25%。實(shí)施例2按照?qǐng)DI所示的結(jié)構(gòu)組裝成全釩液流儲(chǔ)能單電池，其中電極框4為3mm厚，填充板5使用2mm厚的柔性石墨板,柔性石墨板密度為I. 5g/cm3,多孔電極6為3mm厚的碳租,柔性石墨板和碳租的面積均為12cm2,密封墊片3為O. 5mm厚的娃橡膠；初始正極電解液為I. 5MVO2+的3M H2SO4溶液40ml，初始負(fù)極電解液為I. 5M V3+的3M H2SO4溶液40ml。電池充電中止電壓為I. 55V，放電中止電壓為O. 9V。本實(shí)施例單電池在不同電流密度下的電池效率如表I所示，電流密度提高到120mA/cm2時(shí)，電壓效率和能量效率仍然保持在84. 3%和81. 4%。實(shí)施例3按照?qǐng)DI所示的結(jié)構(gòu)組裝成全釩液流儲(chǔ)能單電池，其中電極框4為3mm厚，填充板5使用Imm厚的柔性石墨板,柔性石墨板密度為I. 5g/cm3,多孔電極6為4mm厚的碳租,柔性石墨板和碳租的面積均為12cm2,密封墊片3為O. 5mm厚的娃橡膠；初始正極電解液為I. 5MVO2+的3M H2SO4溶液40ml，初始負(fù)極電解液為I. 5M V3+的3M H2SO4溶液40ml。電池充電中止電壓為I. 55V，放電中止電壓為O. 9V。本實(shí)施例單電池在不同電流密度下的電池效率如表I所示，電流密度提高到120mA/cm2時(shí)，電壓效率和能量效率保持在82. 4%和79. 9%。實(shí)施例4按照?qǐng)DI所示的結(jié)構(gòu)組裝成全釩液流儲(chǔ)能單電池，其中電極框4為3mm厚，填充板5使用3mm厚的石墨租,多孔電極6為3mm厚的碳租,石墨租和碳租的面積均為12cm2,密封墊片3為O. 5mm厚的硅橡膠；初始正極電解液為I. 5M VO2+的3M H2SO4溶液40ml，初始負(fù)極電解液為I. 5M V3+的3M H2SO4溶液40ml。電池充電中止電壓為I. 55V，放電中止電壓為
O.9V。本實(shí)施例單電池在不同電流密度下的電池效率如表I所示，電流密度提高到120mA/cm2時(shí)，電壓效率和能量效率仍然保持在80. 9%和83. 6%。表I為實(shí)施例1_4中全釩液流儲(chǔ)能單電池在不同電流密度下的電池效率比較。
權(quán)利要求
1.一種液流儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)，電池包括雙極板和電極，其特征在于在雙極板與電極之間設(shè)置有填充板。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述填充板為碳素類材料和/或耐酸性金屬材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述碳素類材料為無孔石墨板、柔性石墨板、高碳纖維體積分?jǐn)?shù)的石墨氈或高碳纖維體積分?jǐn)?shù)的碳?xì)?；耐酸性金屬材料為鈦板或不銹鋼板。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述高碳纖維體積分?jǐn)?shù)的石墨氈或高碳纖維體積分?jǐn)?shù)的碳?xì)值母咛祭w維體積分?jǐn)?shù)為10-60%。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電池還包括有電極框，所述填充板厚度為電極框厚度的5-80%，其長(zhǎng)度和寬度與電極的尺寸相當(dāng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述填充板可以為一整體板材，或由二個(gè)以上相同尺寸規(guī)格的板材直接疊加而成、或者由二個(gè)以上相同尺寸規(guī)格的板材通過熱壓而成。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述填充板表面設(shè)置有蛇形或平行流道。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的電池結(jié)構(gòu)，其特征在于所述電池為全釩液流儲(chǔ)能電池、鋅溴液流電池、多硫化鈉溴液流電池或錫釩液流電池。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種液流儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)，在電極框內(nèi)雙極板與多孔電極之間放置填充板，填充板為導(dǎo)電性好、孔隙率低的碳素材料或者在酸性介質(zhì)中穩(wěn)定的金屬材料，降低了電極和電解液的本體電阻以及電極雙極板間的接觸電阻，最終降低了液流儲(chǔ)能電池的歐姆內(nèi)阻。本發(fā)明提高了液流儲(chǔ)能電池的能量效率和電壓效率，從而提高了其工作電流密度，使得相同輸出功率的電池重量、體積以及成本均大大降低。
文檔編號(hào)H01M8/18GK102867978SQ20111018622
公開日2013年1月9日 申請(qǐng)日期2011年7月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月5日
發(fā)明者張華民, 劉濤, 賴勤志, 劉宗浩 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所, 大連融科儲(chǔ)能技術(shù)發(fā)展有限公司