一种液流电池结构的制作方法

本发明涉及液流电池结构，特别涉及液流电池的组成结构。

背景技术：

随着可再生能源建设的大力展开，大量的光伏、风能需要并网。以目前电网的消纳能力，过度的可再生能源并网会对电网造成巨大的冲击，导致电网瘫痪。而电网端为满足电能的调度和供给，需要对电网进行调频调峰，提高电网的工作弹性。针对以上两方面的需求，储能技术应运而生。储能技术种类繁多，分为物理储能和化学储能。其中物理储能例如水电站、压缩空气等。但改方法受到地理因素的限制很大，效率较低。化学储能，尤其是电池储能设计灵活性高，效率高，近年来获得了长足的进步。在众多电池中，全钒液流电池以其容量与功率可独立设计、可深度充放电、生命周期内性价比高等突出的优点发展迅速，已经进入产业化的初期，逐步成为最有前途的可再生能源配套储能技术之一。

液流电池是将负极绝缘板、负极集流板、负极电极、负极电极框、离子传导膜、正极电极框、正极电极、正极集流板和正极绝缘板通过电池的金属或者塑料端板压紧在一起，并在上述材料之间设置密封垫，实现电池的封装。正极和负极电解液通过电池入口流道流入正极和负极的电极框中，流入正极和负极电极，在分别从电池出口流道流出电池。电极反应发生在电极表面，但并不是均匀分布在电极中。为寻求最小的欧姆极化，应该尽量将电极反应设置在靠近离子交换膜的区域，达到最小的电阻。现有的结构是将集流板、电极、离子传导膜依次放置并压紧，电流需要穿过整个电极厚度，并没有将电阻最小化。为达到降低电阻的目的，只有尽量的减小极间距，减薄电极，而带来的后果是电池的流动阻力增大，浓差极化增加，电池性能没有显著的提高。

技术实现要素：

为了减小电池内阻的同时，不增大电池的流动阻力。本发明提供一种液流电池结构为：

该液流电池包括依次层叠的负极绝缘板、置于负极电极框中部通孔内的负极、负极集流板、离子传导膜、正极集流板、置于正极电极框中部通孔内的正极和正极绝缘板，所述负极集流板和正极集流板上开设有2个以上的通孔。

所述液流电池结构，负极集流板和正极集流板上通孔平行于集流板的横截面面积3-10mm，优选4-6mm；开孔率为集流板一侧表面积的30-70％，优选40-60％。

所述液流电池结构，在负极绝缘板和正极绝缘板远离隔膜一侧分别设有电池的金属或者塑料端板，通过端板将电池组件压紧在一起，并在上述组件之间设置密封垫，实现电池的封装。

有益效果

1.本发明的液流电池结构直接将集流板设置在紧邻离子传导膜的区域，将电极反应区域尽量的靠近离子传导膜，电池内的流动阻力可以保持在较低的水平，减小了电子和离子到达反应位的距离，即减小了电子和离子传导路径，降低了电池内阻。同时电极厚度没有大幅度减薄，保证了电池低流动阻力。

2.本发明结构简单，成本低，无需昂贵的设备投资。

附图说明

图1为液流电池的常规结构；

其中1.负极绝缘板；2.负极集流板；3.负极电极；4.负极电极框；5.离子传导膜；6.正极电极框；7.正极电极；8.正极集流板；9.正极绝缘板。

图2为本发明对比例的液流电池结构；其中10.开孔率为58％的负极集流板；11.开孔率为58％的正极集流板。

图3为本发明对比例的液流电池结构，其中12.开孔率为27％的负极集流板；13.开孔率为27％的正极集流板。

图4为本发明对比例的液流电池结构，其中14.开孔率为35％的负极集流板；15.开孔率为35％的正极集流板。

图5为本发明对比例的液流电池结构，其中16.开孔率为47％的负极集流板；17.开孔率为47％的正极集流板。

图6为本发明对比例的液流电池结构，其中18.开孔率为72％的负极集流板；19.开孔率为72％的正极集流板。

具体实施方式

对比例1：

液流电池的常规结构如图1所示。将负极绝缘板1、负极集流板2、负极电极3、负极电极框4、离子传导膜5、正极电极框6、正极电极7、正极集流板8和正极绝缘板9，用金属或者塑料端板压紧在一起，并在上述材料之间设置密封垫，实现电池的密封。正、负极电解液分别经由正、负极的电解液入口管路流入正、负极电极框内，进入正、负极电极中。发生电池反应之后经由正、负极的电解液出口管路流出正、负极电极框。

为减小电子和离子在电极中的传导路径，降低电池的欧姆极化。避免电极的大幅度减薄带来的电池内流动阻力的升高。本发明提出的液流电池结构如图2所示。将负极绝缘板1、负极电极3、负极电极框4、开孔率58％的负极集流板10、离子传导膜5、开孔率58％的正极集流板11、正极电极框6、正极电极7、正极绝缘板9，用金属或者塑料端板压紧在一起，并在上述材料之间设置密封垫，实现电池的密封。正、负极电解液分别经由正、负极电解液入口管路流入正、负极电极框内，进入正、负电极中。由于集流板和离子传导膜紧贴放置，电极反应发生在靠近两者的电极区域中，电子传导路径和离子传导路径减短，电池电阻下降。为提高电解液向膜的传质，将正、负极集流板上设置多个通孔，保证电解液的流通。

分别采用图1和图2的液流电池结构组装单电池进行性能测试。电解液经正、负极储罐被正、负极磁力泵吸出，并打入正、负极电解液管路流入电池内，再经由正、负极电解液出口管路流出电池，回到正、负极电解液储罐中，完成循环。电池的1.负极绝缘板为pvc材料，厚度1mm；2.负极集流板为石墨板，厚度2mm；3.负极电极为碳毡，厚度5mm；4.负极电极框为pvc材料，厚度3mm；5.离子传导膜为nafion115膜；6.正极电极框为pvc材料，厚度3mm；7.正极电极为碳毡，厚度5mm；8.正极集流板为石墨板，厚度2mm；9.正极绝缘板为pvc板，厚度1mm；10.开孔率58％的负极集流板为石墨板，厚度2mm；11.开孔率58％的正极集流板为石墨板，厚度2mm。

两个单电池的充放电性能如表1所示。充放电电流密度80ma/cm2，充电截止电压1.55v，放电截止电压1v。

表1分别采用图1和图2电池结构的单电池性能

由上表可知，电池极化减小，电池欧姆电阻降低，采用图2结构的单电池电压效率高于采用图1结构的单电池。

对比例2

分别采用图2、图3、图4、图5和图6的结构组装单电池。将负极绝缘板1、负极电极3、负极电极框4、不同开孔率的负极集流板10，12,14,16,18、离子传导膜5、不同开孔率的正极集流板11，13,15,17，19、正极电极框6、正极电极7、正极绝缘板9，用金属或者塑料端板压紧在一起，并在上述材料之间设置密封垫，实现电池的密封。正、负极电解液分别经由正、负极电解液入口管路流入正、负极电极框内，进入正、负电极中。由于集流板和离子传导膜紧贴放置，电极反应发生在靠近两者的电极区域中，电子传导路径和离子传导路径减短，电池电阻下降。为提高电解液向膜的传质，将正、负极集流板上设置多个通孔，保证电解液的流通。

对采用上述结构的单电池进行性能测试。电解液经正、负极储罐被正、负极磁力泵吸出，并打入正、负极电解液管路流入电池内，再经由正、负极电解液出口管路流出电池，回到正、负极电解液储罐中，完成循环。电池的1.负极绝缘板为pvc材料，厚度1mm；2.负极集流板为石墨板，厚度2mm；3.负极电极为碳毡，厚度5mm；4.负极电极框为pvc材料，厚度3mm；5.离子传导膜为nafion115膜；6.正极电极框为pvc材料，厚度3mm；7.正极电极为碳毡，厚度5mm；8.正极集流板为石墨板，厚度2mm；9.正极绝缘板为pvc板，厚度1mm；10，12,14,16,18.开孔率分别为58％，27％，35％，47％，72％的负极集流板为石墨板，厚度2mm；11.开孔率分别为58％，27％，35％，47％，72％的正极集流板为石墨板，厚度2mm。

单电池的充放电性能如表2所示。充放电电流密度80ma/cm2，充电截止电压1.55v，放电截止电压1v。

表1分别采用图1和图2电池结构的单电池性能

由上表可知，在集流板开孔率低于30％或者高于70％时的电池电压效率明显降低，原因在于开孔率过低和开孔率过高都会阻碍离子传导和电子传导，增加传质和导电的阻力。集流板开孔率47％和58％的单电池性能较优，因此开孔率优选范围40％-60％。