专利名称：一种液流电池电堆的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及到一种液流电池电堆，用于解决电化学工程与工业中电解、电沉 积和液流电池系统中由于单体之间的电位差引起的内部自放电以及容易出现的压力密封 不均勻导致的电解液泄漏等问题，可广泛应用于电化学工程与工业装置领域中。
背景技术：
一次性能源大量消耗导致世界能源紧张和环境恶化。节省能源、减少环境污染、保 持社会的可持续发展，是当今全球性的重要课题。开发风能、太阳能、潮汐能和生物质能等 可再生能源是解决能源问题和环境问题的关键。我国具有丰富的可再生能源资源，加快发 展风能、太阳能、生物质能等可再生能源的利用已刻不容缓。制定并正在实施可持续发展战 略，加强可再生能源的规模开发利用。但无论是风能还是太阳能等可再生能源发电时，都存 在功率、电压和频率的强烈波动，难以稳定供电。试验表明，将储能系统和风能、太阳能等发 电系统配合可以大大减轻总输出的波动性，因此为实现稳定供电必须开发高效的规模储能 技术。我国建立分布式供电体系以解决边远地区供电，也需要规模储能单元作为分布式供 电体系的“电能银行”，是必须有效解决的关键技术之一。液流电池设计灵活、全寿命成本最 低，是现今最适合规模储能的化学电池，因此竞争力很强，应用前景非常广阔，是可再生能 源利用的必备技术之一。液流电池不同于传统二次电池，其正、负极活性物质主要存在于电解液中，正、负 极的电解液储存在电池外各自独立的储液罐内，通过送液泵流过液流电池，电池内的正、负 极电解液由离子交换膜隔开。在电池充、放电过程中，电解液中的活性物质离子在惰性电极 表面发生价态的变化。此等期间，膜两侧溶液的电荷为了达到平衡，必定有一种离子(如H+) 同步地由一极溶液通过离子交换膜向另一极溶液迁移。另外一种液流电池体系是沉积型液 流电池，电池的一个或两个电极的活性材料以电化学沉积/溶解过程储能。现有液流电池都采用内部串联的电堆结构，如美国专利(US2004/0202915A1)和 大连融科储能技术发展有限公司申请的专利O00810011M2. 3)，正负电极的电解液分别并 行流过每一个电池单体，单一个电堆内部的单体之间通过双极板将单体以正极连接负极的 方式联成电堆。这种连接组堆方式容易做到单个电堆的电压符合使用要求。由于电池串联 联接，在电池的充放电过程中一部分电流会通过电解液总管和支路，这就是旁路电流，导致 自放电和能量效率降低。这部分电流还可能会在各电极上产生复杂的、非预期的电化学反 应。由此带来自放电大、组装需要精确定位和密封困难等问题。在许多情况下，由于存在旁路电流，单体串联的电堆系统不得不采用长窄通道或 者形成曲折通道等方式减弱旁路电流，并不能完全将其消除。在电解液总管通入保护电流 消除旁路电流的方法需要外接电源自动调节，不仅系统复杂，而且需要额外消耗电能。电解和电镀工业中也常常使用电解液串流和并流的电化学反应器(如箱式、柱塞 流式和板框压滤机式电化学反应器等)，单体之间采用双极板结构达到需要的电压时多数 情况下也存在旁路电流。[0007]不管是液流电池中还是电解和电镀工业中，通过设计特别的电堆结构消除甚至避 免旁路电流。基于以上的考虑，我们提出了一种内部并联的液流电池电堆结构，用于解决电 化学工程与工业中电解、电沉积和液流电池系统中由于单体之间的电位差引起的内部自放 电以及容易出现的压力密封不均勻导致的电解液泄漏等问题。
发明内容本实用新型的目的是为了克服现有液流电池电堆结构采用的双极板串联单体之 间的电位差引起的内部自放电以及容易出现的压力密封不均勻导致的电解液泄漏等问题， 具有结构简单、维护方便和易于控制等优点。本实用新型的目的是通过下述方式实现的一种液流电池电堆，由正极2、流道4和负极3构成电池单体1，将电池单体1按照 正极2接正极2、负极3接负极3的方式连接起来，正极2引线连成组引出正极端子6，负极 3引线连成组引出负极端子5，将两个以上电池单体1组合后放入外壳7中成液流电池电堆 11，将电解液输送管线10和流道4、输液泵9及电解液储罐8连接，注入电解液，组成内部并 联的液流电池电堆系统。该内部并联的液流电池电堆的电解液在液流电池电堆11中是通过流道4并行流 动的，易于保证电解液在电堆内部分布均勻、流速一致。该内部并联的液流电池电堆结构中，外壳7可以加压固定两个以上电池单体1成 液流电池电堆11，易于保证电极之间的电连接，也容易做到电解液在电堆内流动时在限定 的部位流过而不会泄露。该内部并联的液流电池电堆结构中，外壳7可以是密封的，引出正极端子6和负极 端子5的部位是密闭的，电解液只能由流道4流入和流出电堆11。该内部并联的液流电池电堆结构中，其一个电池单体1可以只有一个流道4，即一 个电池单体1只有一个电解液室。这种情况下，该液流电池电堆仅需要一个电解液储罐8， 即是单液流电池电堆。该内部并联的液流电池电堆结构中，其一个电池单体1可以有两个用离子交换膜 12分隔的流道4，即一个电池单体1可以有两个电解液室，一个流过正极电解液，另一个流 过负极电解液。这种情况下，流过液流电池电堆11中的正极电解液和负极电解液不能混 合，必需有两个电解液储罐分别储存正极电解液和负极电解液。本实用新型通过内部并联的液流电池电堆结构的特别设计可减轻甚至消除由于 单体之间的电位差引起的内部自放电问题，易于解决串联单体结构中的压力密封不均勻导 致的电解液泄漏等问题。内部并联的液流电池电堆结构可规范电极反应的电流分布，减轻 了单体一致性方面的严格要求，易于加工和组装，结构简单、维护方便，可用于电解、电镀行 业和液流电池体系中。采用内部并联的液流电池电堆结构，可以通过电堆之间的串并联达 到扩展电压和电流的目标。
图1 一种液流电池电堆的结构示意图1.电池单体，2.正极，3.负极，4.流道，5.负极端子，6.正极端子，7.外壳，8.电解液储罐，9.输液泵，10.电解液输送管线，11.电堆图2—种液流电池电堆的结构示意图1.电池单体，2.正极，3.负极，4.流道，5.负极端子，6.正极端子，7.外壳，8.电 解液储罐，9.输液泵，10.电解液输送管线，11.电堆，12.离子交换膜
具体实施方式
实例1如图1所示。以烧结式氧化镍电极作为正极2、有流槽的聚丙烯隔栅作为流道4和 冲孔镀镍钢带作为负极3组成液流电池电堆11的基本组成单位电池单体1。将多个电池单 体1按照正极2接正极2、负极3接负极3的方式(图1所示)连接起来，正极2引线连成 组引出正极端子6，负极3引线连成组引出负极端子5，将多个电池单体1组合后放入外壳7 中成液流电池电堆11。将电解液输送管线10和流道4、输液泵9及电解液储罐8连接，注 入锌酸盐的碱性电解质水溶液作为电解液，组成电解液并行、内部并联的锌镍单液流电池， 充放电时正极发生Ni(OH)2CNiOOH电化学反应，负极发生锌的沉积/溶解电化学反应。采 用内部并联的液流电池电堆结构可以完全避免由于单体之间的电位差引起的内部自放电， 仅有溶液流动管线接头等处可能出现电解液泄漏等问题，不会出现由于单体之间压力密封 不均勻等问题引起的电解液泄漏，具有结构简单、维护简便的优点。流道4可以是橡胶、聚 乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、尼龙、ABS塑料、聚砜塑料、环氧树脂、聚胺酯或它们的混合材料等 材质，不能有电子导电性。外壳7可以是橡胶、聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、尼龙、ABS塑料、 聚砜塑料、环氧树脂、聚胺酯或它们的混合材料等材质，也可以采用金属材质。正极2可以 通过集流体和正极端子6焊接连接或铆接或螺栓连接，正极2和正极端子6必须是电子导 通的。负极3可以通过集流体和负极端子5焊接连接或铆接或螺栓连接，负极3和负极端 子5也必须是电子导通的。正极端子6和负极端子5之间电子不导通。正极端子6、负极端 子5和外壳7之间至多有一个是电子导通的，即正极端子6或负极端子5至多有一个可以 通过外壳7上引出。实例2如图1所示。以不透性玻璃态碳电极作为正极2、有流槽的ABS塑料流道4和不 透性柔性石墨电极作为负极3组成液流电池电堆11的基本组成单位电池单体1，其中正极 2和负极3共用流道4的电解液流动通道。将多个电池单体1按照正极2接正极2、负极3 接负极3的方式(图1所示)连接起来，其中两正极2之间及两负极3之间夹入镀铅铜板 作为集流板，正极2由镀铅铜板引线连成组引出正极端子6，负极3由镀铅铜板引线连成组 引出负极端子5，将多个电池单体1组合后放入外壳7中成液流电池电堆11。将电解液输 送管线10和流道4、输液泵9及电解液储罐8连接，注入甲基磺酸铜、甲基磺酸铅和甲基磺 酸组成的电解质水溶液作为电解液，组成电解液并行、内部并联的铜铅单液流电池，充放电 时正极发生二氧化铅的沉积/溶解(Pb2+GPbO2)电化学反应，负极发生铜的沉积/溶解电化 学反应。实例3如图2所示。以不透性柔性石墨叠加石墨化碳毡电极作为正极2、有流槽的ABS塑 料流道4和不透性柔性石墨叠加石墨化碳毡电极作为负极3组成液流电池电堆11的基本组成单位电池单体1，其中正极2和一个流道4组成正极区、负极3和一个流道4组成负极 区，正极区和负极区(即正极区的流道4’和负极区的流道4之间)用全氟磺酸离子交换膜 12分隔开，流过正极区和负极区的电解液不混合。将多个电池单体1按照正极2接正极2、 负极3接负极3的方式(图2所示)连接起来，其中两正极2之间及两负极3之间夹入镀 铅铜板作为集流板，由集流板引线分别连成组引出正极端子6和负极端子5，将多个电池单 体1组合后放入外壳7中成液流电池电堆11。将电解液输送管线10和流道4、输液泵9及 电解液储罐8连接，在正极电解液储罐8’中注入硫酸、硫酸氧钒(四价)的水溶液作为电 解液，负极电解液储罐8中注入硫酸、硫酸钒(三价)的水溶液作为电解液，组成电解液并 行、内部并联的全钒液流电池，充放电时正极发生V4+^V5+电化学反应，负极发生V3+ V2+ 电化学反应。
权利要求1.一种液流电池电堆，其特征在于由正极(2)、流道(4)和负极(3)构成电池单体(1)， 将电池单体(1)按照正极(2)接正极O)、负极(3)接负极(3)的方式连接起来，正极(2) 引线连成组引出正极端子(6)，负极(3)引线连成组引出负极端子(5)，将两个以上电池单 体⑴组合后放入外壳(7)中成液流电池电堆(11)；将电解液输送管线(10)和流道0)、 输液泵(9)及电解液储罐(8)连接，注入电解液，组成内部并联的液流电池电堆系统。
2.根据权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于电解液在液流电池电堆(11)中是 通过流道(4)并行流动的。
3.根据权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于外壳(7)可以加压固定两个以上 电池单体(1)成液流电池电堆(11)，外壳(7)可以是密封的，引出正极端子(6)和负极端子 (5)的部位是密闭的，电解液只能由流道(4)流入和流出。
4.根据权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于一个电池单体(1)只有一个流道 G)，即一个电池单体(1)只有一个电解液室。
5.根据权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于一个电池单体(1)有两个用离子 交换膜(1 分隔的流道G)，即一个电池单体(1)有两个电解液室，一个流过正极电解液， 另一个流过负极电解液，在整个液流电池电堆(11)中正极电解液和负极电解液不会混合。
专利摘要本实用新型属于电化学工程与工业装置领域，特别涉及到一种液流电池电堆，由正极、流道和负极构成电池单体，将电池单体按照正极接正极、负极接负极的方式连接起来，正极引线连成组引出正极端子，负极引线连成组引出负极端子，将多个电池单体组合后放入外壳中成液流电池电堆，将电解液输送管线和流道、输液泵及电解液储罐连接，注入电解液，组成内部并联的液流电池电堆系统。该电堆可以完全避免由于单体之间的电位差引起的内部自放电，不会出现由于单体之间压力密封不均匀等问题引起的电解液泄漏，具有结构简单、维护简便的优点，可用于电化学合成工业和液流电池体系中。
文档编号H01M8/18GK201845830SQ20102060187
公开日2011年5月25日 申请日期2010年11月11日 优先权日2010年11月11日
发明者刘学虎, 文越华, 曹高萍, 杨裕生, 程杰, 谢自立 申请人:中国人民解放军63971部队