[发明专利]一种用于实验室研究的钒电池组、液流框和储液罐

说明书

技术领域

本发明涉及钒电池领域，具体涉及一种用于实验室研究的钒电池组、液流框和储液罐。

背景技术

全钒氧化还原液流电池（简称钒电池或VRFB），是一种以不同价态的钒离子溶液为正负极活性物质的新型高效环保的储能电池。与传统的蓄电池不同，钒电池具有容量大、可深度大电流放电、寿命长、活性物质可循环使用、无交叉污染、环保等优点，近年来逐渐成为储能电池研究的热点。

钒电池将钒离子正负极活性物质分别储存在正负极储液罐中，由液体泵驱动钒电池组（简称电堆）发生氧化还原反应再流回储液罐中，形成循环液流回路，最终实现充放电过程。作为钒电池的核心组件，电堆性能的好坏直接影响着钒电池的总体性能。电堆是由多个单电池经重复单元液流框、多孔电极和隔膜串联而成。目前，由于设计加工条件的限制，实验室大多主要研究在钒单电池中隔膜、电极和电解液等基础材料的性能，对电堆的组装和基础材料在电堆中的整体性能研究很少，这不利于钒电池的大规模商业化应用。电堆中液流框的流道设计直接影响电解液的流动方式和流动速度，进而影响电堆的总体性能。为了让电解液均匀分散流动，一般会在进液口与液流框中空部分连接处设计多个液流通道，常采用等间隔的微小立体矩形，这种设计能够较好的将电解液分流，但不利于电解液的快速流动，最终影响电堆的性能。因此，设计开发一种流线型有利于电解液分流和流动的液流框十分重要。储液罐作为钒电解液的储存场所，需要具备耐酸腐蚀、现场检测取用方便、安全、保存长久等基本功能。目前，实验室对钒电解液储液罐的设计研究得很少，工业上设计的储液罐结构非常复杂，不利于实验室研究钒电池。因此，设计开发一种结构简单，能够满足实验室研究需要的储液罐十分重要。

为了进一步推动钒电池的商业化进程，更真实的模拟大规模钒电池的工业化运行情况，有必要设计开发出一种用于实验室研究的钒电池组、液流框和储液罐。

发明内容

本发明设计开发出了一种用于实验室研究的钒电池组、液流框和储液罐。目的在于，满足实验室模拟研究大规模钒电池工业化运行情况的需要。

本发明公开的用于实验室研究钒电池组的内部及外观结构示意图分别参见图1和图2，液流框的一侧平面和立体示意图分别参见图3和图4，储液罐的结构示意图参见图5。

如图1和图2所示，钒电池组主要由液流框3、多孔电极2、隔膜1、集流板4、铜片5、外壳6及紧固件12、液流通道10和储液罐13组成，以隔膜1为对称面对称分布。主要通过液流框3、多孔电极2、隔膜1和合适的液流通道10的重复结构单元组装而成，能够满足实验室研究钒电池组13的需要。

如图3和图4所示，液流框3包括具有中空部分11的框体，一侧设置的进液口7和出液口8与下凹的液流通道10和中空部分11连通。液流框3的下凹液流通道10表面均匀等间隔的分布微小贝壳型凸出9，该凸出9与液流框3边缘等高，为流线型设计，表面光滑。这种设计可以很好的容纳多孔电极2，均匀的分流电解液，减小电解液流动阻力，使电解液在多孔电极表面均匀分布和快速流动，有效地提高了钒电池的能量效率。

如图5所示，储液罐14顶端有进液阀15、进气阀17和排气阀18，底端有排液阀16，这些设计使电解液现场分析和管理更加方便，储存效果更好且更安全。

钒电池组13中所涉及的隔膜1为Nafion系列膜、聚醚酮系列膜、聚醚砜系列膜或以及以此为基础的改性复合膜；多孔电极2为石墨毡、炭毡、炭纸或以及以此为基础的改性复合多孔毡；集流板4为耐酸导电聚合物板、石墨板、耐酸金属板或以此为基础的改性复合板；液流框3、储液罐14、外壳6及液流管路为耐酸聚合物材料，比如聚氯乙烯、聚四氟乙烯或聚丙烯等。这些材料除隔膜外，大多为常见的工业材料，价格比较低廉，加工也十分容易，有利于组装更大容量的钒电池组。

钒电池组13的结构中，隔膜1和液流框3，液流框3和集流板4之间都用耐酸聚合物垫片（未显示）密封，可以防止电解液在循环流动时因泄露而影响电池能量效率。正、负极电解液（未显示）在管路中的流动方向为相向流动（图2），使它们在隔膜1和多孔电极2表面的氧化还原反应更加充分，以提高电池的能量效率。

本发明公开的技术方案所设计的钒电池组、液流框和储液罐结构简单，容易加工和组装，电池能量效率高，可以满足实验室模拟研究大规模钒电池工业化运行情况的需要。

附图说明

图1 钒电池组内部结构示意图

图2 钒电池组外观结构示意图

图3 液流框一侧平面结构示意图

图4 液流框一侧立体结构示意图

图5 储液罐结构示意图。