CN102299356A - 液流电池的集流板及液流电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液流电池的集流板及液流电池，其中，液流电池的集流板(2)的至少一侧上设有流场，流场包括间隔分布的流道沟(21)和流道脊(22)，流场中各流道沟(21)沿电解液流动方向的截面的总面积逐渐减小。本发明有效解决现有技术中集流板没有导向作用造成能源浪费和电解液流动不均匀，以及电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀的问题，从而提高了电池的充放电性能和使用寿命。

Description

液流电池的集流板及液流电池

技术领域

本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种液流电池的集流板及液流电池。

背景技术

液流电池的种类很多，以应用较为广泛的全钒液流电池为例，全钒氧化还原液流电池是氧化还原液流电池的一种，具有使用寿命长，能量转化效率高，安全性好，环境友好等优点，能用于风能发电和光伏发电配套的大规模储能系统，是电网削峰填谷、平衡负载的主要选择之一。

全钒氧化还原液流电池分别以不同价态的钒离子V2+/V3+和V4+/V5+作为电池的正负两极氧化还原电对，将正负极电解液分别存储于两个储液罐中，由耐酸液体泵驱动活性电解液至反应场所(电池堆)再回至储液罐中形成循环液流回路，以实现充放电过程。

在全钒液流电池系统中，电池堆性能的好坏决定着整个系统的充放电性能，尤其是充放电功率及效率。电池堆是由多片单电池依次叠放压紧，并且串联而成。其中，传统的单片液流电池如图1所示，单体液流电池包括：液流框1、集流板2、电极3和离子交换膜4，由多个单体电池5依次叠放压紧并且串联组成电池堆。上述结构中，集流板2为光滑的平板状结构。

目前，用于全钒氧化还原液流电池的集流板主要有金属集流板、导电塑料集流板及高密度石墨板等，集流板与电极3集成一体化的过程中，现有技术中普遍采用集流板平板与电极直接热压结合的方式。这种平板集流板用于全钒氧化还原液流电池时，会出现以下主要问题：

第一，电解液在经过电极的过程中，只能靠石墨毡的自身渗透能力，液流阻力大从而增加泵的消耗，造成能源浪费。

第二，由于平板状集流板对于液流没有导向作用，电解液在流通过程中存在内部流动不均匀，甚至液流没有流过的死角位置，从而导致严重极化现象以及各单电池间电压的不均匀性，降低电极和离子交换膜的使用寿命及效率。

第三，随着反应的进行，反应物质不断消耗，进口端的反应物浓度高于出口端反应物浓度进而造成反应不均匀，出现浓差极化等问题。

发明内容

本发明旨在提供一种液流电池的集流板及液流电池，以解决现有技术中集流板没有导向作用造成能源浪费和电解液流动不均匀，以及电解液中反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，导致电极各处反应速率及反应产生热量不均匀，进而降低电池的充放电性能和使用寿命的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种液流电池的集流板，在集流板的至少一侧上设有流场，流场包括间隔分布的流道沟和流道脊，流场中各流道沟沿电解液流动方向的截面的总面积逐渐减小。

进一步地，流场中各流道沟的截面的总面积逐渐减小为非连续性的逐渐减小。

进一步地，流场配置为弯折形。

进一步地，流场中具有多组相互平行的流道沟，包括：沿电解液流动方向依次设置的入口流道沟、中间流道沟和出口流道沟；入口流道沟、中间流道沟和出口流道沟均包括多条流道沟，并且，入口流道沟、中间流道沟和出口流道沟中的每条流道沟的截面积均相同；其中，入口流道沟中的流道沟数目多于中间流道沟中的流道沟的数目，中间流道沟中的流道沟的数目多于出口流道沟中的流道沟的数目。

进一步地，中间流道沟具有多组相互平行的流道沟；各组中间流道沟中的流道沟的数目沿电解液流动方向依次逐渐减少。

进一步地，流场中具有多组相互平行的流道沟，包括：沿电解液流动方向依次设置的入口流道沟、中间流道沟和出口流道沟；入口流道沟、中间流道沟和出口流道沟中的流道沟的数目均相同；其中，入口流道沟中的流道沟的截面的总面积大于中间流道沟中的流道沟的截面的总面积，中间流道沟中的流道沟的截面的总面积大于出口流道沟中的流道沟的截面的总面积。

进一步地，入口流道沟、中间流道沟和出口流道沟均包括多条流道沟。

进一步地，入口流道沟、中间流道沟和出口流道沟的每条流道沟的宽度均相同；入口流道沟中的每条流道沟的深度均相同，中间流道沟中的每条流道沟的深度均相同，出口流道沟中的每条流道沟的深度均相同；其中，入口流道沟中流道沟的深度大于中间流道沟的深度，中间流道沟的深度大于出口流道沟中的流道沟的深度。

进一步地，中间流道沟具有多组相互平行的流道沟；各组中间流道沟中的流道沟的深度沿电解液流动方向依次逐渐减小。

进一步地，入口流道沟、中间流道沟和出口流道沟的中每条流道沟的深度均相同；入口流道沟中的每条流道沟的宽度均相同，中间流道沟中的每条流道沟的宽度均相同，出口流道沟中的每条流道沟的宽度均相同；其中，入口流道沟中流道沟的宽度大于中间流道沟的宽度，中间流道沟的宽度大于出口流道沟中的流道沟的宽度。

进一步地，中间流道沟具有多组相互平行的流道沟；各组中间流道沟中的流道沟的宽度沿电解液流动方向依次逐渐减小。

进一步地，流场中各流道沟的截面的总面积逐渐减小为连续性的逐渐减小。

进一步地，流场配置为平行流场。

根据本发明的另一方面，提供了一种液流电池，包括：液流框，具有中间通道，以及与中间通道相连通的进液口和出液口；集流板，设置在液流框中间通道内；离子交换膜，设置在各集流板之间，并且离子交换膜与集流板形成容纳电解液的的腔体；电极，设置在腔体内，集流板为上述的集流板，并且，集流板朝向离子交换膜一侧上设有流场。

本发明的技术方案中，在集流板的至少一侧上设有流场，流场包括间隔分布的流道沟和流道脊，流场中各流道沟沿电解液流动方向的截面的总面积逐渐减小。首先在具有间隔分布的流道沟和流道脊的流场在电解液流动过程中可以起到很好的导向作用，避免了现有技术中只能靠石墨毡的自身渗透能力，液流阻力大的问题，电解液在集流板内流动通畅，能覆盖所有电极区域，整个电解液流场不会出现无电解液经过的死角位置，从而有效解决了集流板没有导向作用造成能源浪费和电解液流动不均匀的问题。同时，本发明的流场中各流道沟沿电解液流动方向的截面的总面积逐渐减小，这样，电解液在泵的驱动下在该流场中的流动速度逐渐加快，流动速度快的位置单位时间内通过的电解液的反应物的量越多，因此，虽然电解液在流动过程中其反应物质浓度随着反应的进行逐渐降低，但是通过本发明的集流板的流场过程中，电解液速度逐渐加快，通过各位置的电解液的反应物的量越来越多，从而抵消了反应物质浓度的降低。从而使电解液在集流板流场各个位置的反应更加均匀，从而降低极化，提高反应效率以及电极和隔膜使用寿命。同时，电解液反应放热更加均匀，保证充放电过程中极板各处温度的均一性。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了现有技术中的液流电池结构示意图；

图2示出了根据本发明的液流电池的集流板的实施例一的结构示意图；

图3示出了图2中的液流电池的集流板的侧视示意图；

图4示出了根据本发明的液流电池的集流板的实施例二的结构示意图；

图5示出了图4中的液流电池的集流板的侧视示意图；

图6示出了根据本发明的液流电池的集流板的实施例三的结构示意图；

图7示出了图6中的液流电池的集流板的侧视示意图；

图8示出了根据本发明的液流电池的集流板的实施例四的结构示意图；以及

图9示出图8中的液流电池的集流板的俯视示意图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

图2示出了根据本发明的液流电池的集流板的实施例一的结构示意图；图3示出了图2中的液流电池的集流板的侧视示意图。结合参见图2至图3，从图中可以看出，实施例一的液流电池的集流板的至少一侧上设有流场，流场包括间隔分布的流道沟21和流道脊22，流场中各流道沟21沿电解液流动方向的截面的总面积逐渐减小。在本实施例中，集流板由高导电性可加工石墨作为基材。

在实施例一中，流场中各流道沟21的截面的总面积逐渐减小为非连续性的逐渐减小，具体地说，流场配置为弯折形，该弯折形也称为迂回形、弓字形或蛇形。在实施例一中，流场中具有多组相互平行的流道沟21，包括：沿电解液流动方向依次设置的入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c。入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c均包括多条流道沟21，并且，入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c中的每条流道沟的截面积均相同。其中，入口流道沟21a中的流道沟数目多于中间流道沟21b中的流道沟的数目，中间流道沟21b中的流道沟的数目多于出口流道沟21c中的流道沟的数目。

优选地，为了使得电解液在流场中速度更加均匀，中间流道沟21b具有多组相互平行的流道沟21；各组中间流道沟21b中的流道沟的数目沿电解液流动方向依次逐渐减少。

在一种优选的实施例中，如图2所示，入口流道沟21a具有六条流道沟，出口流道沟21c具有两条流道沟，其间电解液流场每经过一次迂回便减少一条流道。中间流道沟21a具有三组，分别具有五条、四条、三条流道沟。电解液经过实施例一的集流板的流场的过程中，虽然，虽然出口端的电解液的反应物浓度比进口端小，但是出口端的出口流道沟21c中的流道沟数目小于进口端的入口流道沟21a中的流道沟的数目，使得出口端每条流道沟内的电解液的速度高于进口端每条流道沟内的电解液的速度，从而一定程度抵消反应物浓度减小造成的反应速率的降低。

同时，如图2中的集流板上的流场，流道沟21宽度为流道脊22宽度的五倍，集流板上、下边缘10的宽度为一个流道沟21的宽度，集流板左、右边缘的宽度为两倍的流道沟21的宽度。另外，如图3所示，流道沟21的深度为集流板整体厚度的三分之一。

在另一种实施例中，流场中各流道沟21的截面的总面积逐渐减小为非连续性的逐渐减小，实施例二的流场也配置为弯折形。本实施例的流场中具有多组相互平行的流道沟21，包括：沿电解液流动方向依次设置的入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c。入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c中的流道沟的数目均相同。其中，入口流道沟21a中的流道沟的截面的总面积大于中间流道沟21b中的流道沟的截面的总面积，中间流道沟21b中的流道沟的截面的总面积大于出口流道沟21c中的流道沟的截面的总面积。

具体地，实现入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c中的流道沟的截面的总面积依次减小的方式有多种。其中一种方式为实施例二，具体地说，在实施例二中，入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c的每条流道沟的宽度均相同。入口流道沟21a中的每条流道沟的深度均相同，中间流道沟21b中的每条流道沟的深度均相同，出口流道沟21c中的每条流道沟的深度均相同。其中，入口流道沟21a中流道沟的深度大于中间流道沟21b的深度，中间流道沟21b的深度大于出口流道沟21c中的流道沟的深度。同时优选地，为了使得电解液在流场中速度更加均匀，中间流道沟21b具有多组相互平行的流道沟；各组中间流道沟21b中的流道沟的深度沿电解液流动方向依次逐渐减小。

作为一种优选的实施方式，如图4所示，入口流道沟21a和出口流道沟21c均具有平行的两条流道沟，中间流道沟21b包括三组，每组也均具有两条流道沟。入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c迂回而行，如图5所示，入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c的深度逐渐减小(其中，每组中间流道沟21b中的深度也逐渐减小)，这样，保证了电解液流动过程中，流道截面的总面积越来越小，从而提高流速，均匀整个流场的反应速度。优选地，出口流道沟21c的深度与入口流道沟21a的深度之比在0.1～0.9。

实现入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c中的流道沟的截面的总面积依次减小的另一种方式为实施例三，具体地说，在实施例三中，入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c的每条流道沟的深度均相同；入口流道沟21a中的每条流道沟的宽度均相同，中间流道沟21a中的每条流道沟的宽度均相同，出口流道沟21c中的每条流道沟的宽度均相同；其中，入口流道沟21a中流道沟的宽度大于中间流道沟21b的宽度，中间流道沟21b的宽度大于出口流道沟21c中的流道沟的宽度。同时优选地，为了使得电解液在流场中速度更加均匀，中间流道沟21b具有多组相互平行的流道沟；各组中间流道沟21b中的流道沟的宽度沿电解液流动方向依次逐渐减小。

作为一种优选的实施方式，如图6所示，入口流道沟21a和出口流道沟21c均具有平行的两条流道沟，中间流道沟21b包括三组，每组也均具有两条流道沟。入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c迂回而行。结合参见图6至图7，入口流道沟21a、中间流道沟21b和出口流道沟21c的宽度逐渐减小(其中，每组中间流道沟21b中的宽度也逐渐减小)，这样，保证了电解液流动过程中，流道截面的总面积越来越小，从而提高流速，均匀整个流场的反应速度。优选地，出口流道沟21c的宽度与入口流道沟21a的宽度之比在0.1～0.9。

当然，本发明的流场中各流道沟的截面的总面积逐渐减小也可以为连续性的逐渐减小。此时，如图8至图9所示，在实施例四中，流场配置为平行流场。该平行流场的深度沿电解液流动方向逐渐减小。这样，保证了电解液流动过程中，流道截面的总面积越来越小，从而提高流速，均匀整个流场的反应速度。

本发明还提供了一种液流电池，包括：液流框，具有中间通道，以及与中间通道相连通的进液口和出液口；集流板，设置在液流框中间通道内；离子交换膜，设置在各集流板之间，并且离子交换膜与集流板形成容纳电解液的的腔体；电极，设置在腔体内，集流板为上述的集流板，并且，集流板朝向离子交换膜一侧上设有流场。该液流电池中电解液在集流板流场各个位置的反应更加均匀，从而降低极化，提高反应效率以及电极和隔膜使用寿命。同时，电解液反应放热更加均匀，保证充放电过程中极板各处温度的均一性。

采用本发明技术方案设计全钒氧化还原液流电池，举例如下：

例1：

用高纯度可加工石墨极板作为集流板材料，在其上雕刻流场。整个集流板为矩形200mm×240mm，集流板厚度为4mm，流道沟深取1mm，流道沟宽为流道脊宽的五倍，从进口到出口的流道条数分别为六条、五条、四条、三条和两条。用该集流板与离子交换膜和石墨毡电极组成的单电池充放电库仑效率为92.5％，电压效率为89％，能量效率为82.3％。

例2：

用高纯度可加工石墨极板作为集流板材料，在其上雕刻流场。整个集流板为矩形200mm×240mm，集流板厚度为4mm，流道沟宽为流道脊宽的五倍，整个流场的流道以并行的两条为一组，从进口到出口共迂回四次。从进口到出口的流道条数共十条分五组，该五组流道的深度逐渐降低，分别为1.5mm，1.3mm，1.1mm，0.9mm，0.7mm。用该集流板与离子交换膜和石墨毡电极组成的单电池充放电库仑效率为91.5％，电压效率为87.5％，能量效率为80.1％。

例3：

用高纯度可加工石墨极板作为集流板材料，在其上雕刻流场。整个集流板为矩形200mm×240mm，集流板厚度为4mm，流道沟深取1mm，整个流场的流道以并行的两条为一组，从进口到出口共迂回四次。从进口到出口的流道条数共十条分五组，该十条流道的宽度分别为25mm，25mm，20mm，20mm，15mm，15mm，10mm，10mm，5mm，5mm。用该集流板与离子交换膜和石墨毡电极组成的单电池充放电库仑效率为91％，电压效率为89.5％，能量效率为81.4％。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：

本发明的集流板使得电解液流动通畅，能覆盖所有电极区域，整个电解液流场不会出现无电解液经过的死角位置；电解液在集流板流场各个位置的反应更加均匀，从而降低极化，提高反应效率以及电极和隔膜使用寿命。同时，电解液反应放热更加均匀，保证充放电过程中极板各处温度的均一性。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种液流电池的集流板，其特征在于，在所述集流板(2)的至少一侧上设有流场，所述流场包括间隔分布的流道沟(21)和流道脊(22)，所述流场中各所述流道沟(21)沿电解液流动方向的截面的总面积逐渐减小。

2.根据权利要求1所述的集流板，其特征在于，所述流场中各所述流道沟(21)的截面的总面积逐渐减小为非连续性的逐渐减小。

3.根据权利要求2所述的集流板，其特征在于，所述流场配置为弯折形。

4.根据权利要求3所述的集流板，其特征在于，

所述流场中具有多组相互平行的流道沟(21)，包括：沿所述电解液流动方向依次设置的入口流道沟(21a)、中间流道沟(21b)和出口流道沟(21c)；

所述入口流道沟(21a)、中间流道沟(21b)和出口流道沟(21c)均包括多条所述流道沟(21)，并且，所述入口流道沟(21a)、中间流道沟(21b)和出口流道沟(21c)中的每条流道沟的截面积均相同；

其中，所述入口流道沟(21a)中的流道沟数目多于所述中间流道沟(21b)中的流道沟的数目，所述中间流道沟(21b)中的流道沟的数目多于所述出口流道沟(21c)中的流道沟的数目。

5.根据权利要求4所述的集流板，其特征在于，所述中间流道沟(21b)具有多组相互平行的所述流道沟(21)；各组所述中间流道沟(21b)中的流道沟的数目沿所述电解液流动方向依次逐渐减少。

6.根据权利要求3所述的集流板，其特征在于，

所述流场中具有多组相互平行的流道沟(21)，包括：沿所述电解液流动方向依次设置的入口流道沟(21a)、中间流道沟(21b)和出口流道沟(21c)；

所述入口流道沟(21a)、中间流道沟(21b)和出口流道沟(21c)中的流道沟的数目均相同；

其中，所述入口流道沟(21a)中的流道沟的截面的总面积大于所述中间流道沟(21b)中的流道沟的截面的总面积，所述中间流道沟(21b)中的流道沟的截面的总面积大于所述出口流道沟(21c)中的流道沟的截面的总面积。

7.根据权利要求6所述的集流板，其特征在于，所述入口流道沟(21a)、中间流道沟(21b)和出口流道沟(21c)均包括多条所述流道沟(21)。

8.根据权利要求7所述的集流板，其特征在于，

所述入口流道沟(21a)、中间流道沟(21b)和出口流道沟(21c)中的每条流道沟的宽度均相同；

所述入口流道沟(21a)中的每条流道沟的深度均相同，所述中间流道沟(21b)中的每条流道沟的深度均相同，所述出口流道沟(21c)中的每条流道沟的深度均相同；

其中，所述入口流道沟(21a)中流道沟的深度大于所述中间流道沟(21b)的深度，所述中间流道沟(21b)的深度大于所述出口流道沟(21c)中的流道沟的深度。

9.根据权利要求8所述的集流板，其特征在于，所述中间流道沟(21b)具有多组相互平行的流道沟；各组所述中间流道沟(21b)中的流道沟的深度沿所述电解液流动方向依次逐渐减小。

10.根据权利要求7所述的集流板，其特征在于，

所述入口流道沟(21a)、中间流道沟(21b)和出口流道沟(21c)中的每条流道沟的深度均相同；

所述入口流道沟(21a)中的每条流道沟的宽度均相同，所述中间流道沟(21a)中的每条流道沟的宽度均相同，所述出口流道沟(21c)中的每条流道沟的宽度均相同；

其中，所述入口流道沟(21a)中流道沟的宽度大于所述中间流道沟(21b)的宽度，所述中间流道沟(21b)的宽度大于所述出口流道沟(21c)中的流道沟的宽度。

11.根据权利要求10所述的集流板，其特征在于，所述中间流道沟(21b)具有多组相互平行的流道沟；各组所述中间流道沟(21b)中的流道沟的宽度沿所述电解液流动方向依次逐渐减小。

12.根据权利要求1所述的集流板，其特征在于，所述流场中各所述流道沟的截面的总面积逐渐减小为连续性的逐渐减小。

13.根据权利要求12所述的集流板，其特征在于，所述流场配置为平行流场。

14.一种液流电池，包括：

液流框，具有中间通道，以及与所述中间通道相连通的进液口和出液口；

集流板，设置在所述液流框中间通道内；

离子交换膜，设置在各所述集流板之间，并且所述离子交换膜与所述集流板形成容纳电解液的腔体；

电极，设置在所述腔体内，

其特征在于，所述集流板为权利要求1至13中任一项所述的集流板，并且，所述集流板朝向所述离子交换膜一侧上设有流场。

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