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1、(10)申请公布号 CN 102522577 A (43)申请公布日 2012.06.27 C N 1 0 2 5 2 2 5 7 7 A *CN102522577A* (21)申请号 201110459777.0 (22)申请日 2011.12.31 H01M 8/02(2006.01) H01M 8/18(2006.01) (71)申请人中国东方电气集团有限公司 地址 611731 四川省成都市高新西区西芯大 道18号东方电气中央研究院 (72)发明人汤浩 殷聪 李婷 杨海玉 谢光有 刘虹邑 (74)专利代理机构北京康信知识产权代理有限 责任公司 11240 代理人吴贵明 余刚 (54) 。
2、发明名称 集流板及包括其的液流电池堆 (57) 摘要 本发明公开了一种集流板及包括其的液流电 池堆，该集流板包括设置在集流板上的进液口及 出液口，还包括：凹槽，设置在集流板的一侧，凹 槽用以容纳电极并与电极相适配。本发明的集流 板设置有容纳电极的凹槽，兼具了液流框的功能， 使得在整个液流电池堆的设计中省去了液流框， 从而避免了集流板与液流框之间的大量而复杂的 密封设计，减小了密封部件的应用及设计的复杂 性，使得电池堆的结构紧凑简单。 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书5页 附图2页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 1 页 说明书 5 页 附图。
3、 2 页 1/1页 2 1.一种集流板，包括设置在所述集流板(2)上的进液口及出液口，其特征在于，还包 括：凹槽，设置在所述集流板(2)的一侧，所述凹槽用以容纳电极(3)并与所述电极(3)相 适配。 2.根据权利要求1所述的集流板，其特征在于，在所述集流板(2)的另一侧设置所述凹 槽。 3.根据权利要求1或2所述的集流板，其特征在于，所述凹槽的深度小于对应设置在所 述凹槽内的所述电极(3)的厚度。 4.根据权利要求1或2所述的集流板，其特征在于，还包括迂回液流道， 所述迂回液流道的一端连通所述集流板(2)上的进液口或出液口，另一端与位于所述 凹槽内的所述电极(3)连通。 5.根据权利要求4所述。
4、的集流板，其特征在于，所述迂回液流道内壁上涂覆有高分子 材料绝缘层。 6.一种液流电池堆，包括集流板(2)、电极(3)以及离子交换膜(4)，其特征在于， 所述集流板(2)为权利要求1-5中任一项所述的集流板； 所述电极(3)设置在所述集流板(2)的所述凹槽内。 7.根据权利要求6所述的液流电池堆，其特征在于，还包括密封部件， 所述密封部件沿所述集流板(2)的外周侧设置，用于将相邻的两个所述集流板(2)之 间密封。 8.根据权利要求6所述的液流电池堆，其特征在于，还包括设置在所述集流板(2)的进 液口和与所述进液口对应设置的所述出液口的外周侧的密封部件。 权 利 要 求 书CN 10252257。
5、7 A 1/5页 3 集流板及包括其的液流电池堆 技术领域 0001 本发明涉及钒电池领域，具体涉及一种集流板及包括其的液流电池堆。 背景技术 0002 全钒氧化还原液流电池是一种以不同价态的钒离子电解液进行氧化还原的电化 学反应装置，能够高效地实现化学能与电能之间的相互转化。该类电池具有使用寿命长、能 量转化效率、安全性好和环境友好等优点，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。 0003 全钒氧化还原液流电池分别以钒离子V 4+ /V 5+ 和V 2+ /V 3+ 作为电池的正负极氧化还 原对，将正负极电解液分别储存于两个储液罐中，由耐酸液体。
6、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。在整个全钒氧化还 原液流电池储能系统中，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。电池堆是由多片单电池依次叠放压紧，串联而成。其中传统的单片电池通常的组成 如图1所示。1为液流框，2为集流板，3为电极，4为隔膜，各组件组成单体电池，通过 N个单体电池的堆叠组成电池堆5。 0004 现有的液流电池堆中，通常存在以下问题，其一，由于使用液流框部件来完成电池 堆的装配及结构支撑，集流板与液流框之间需要大量的密封设计，增大了电池堆的密封难 度，使得包含此结构的液流电池通常因密封失效而造成效率或。
7、寿命的降低；其二，使用这种 结构的电池堆通常采用并行液流的方式，旁路电流损耗较大，大大降低了液流电池系统的 效率。 发明内容 0005 本发明旨在提供一种集流板及包括其的液流电池堆，以解决现有技术中液流电池 堆密封结构设计复杂、密封难度大的技术问题。 0006 为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种集流板，包括设置在集流 板上的进液口及出液口，还包括：凹槽，设置在集流板的一侧，该凹槽用以容纳电极并与电 极相适配。 0007 进一步地，在集流板的另一侧设置凹槽。 0008 进一步地，凹槽的深度小于对应设置在凹槽内的电极的厚度。 0009 进一步地，还包括迂回液流道，迂回液流道的一端连。
8、通集流板上的进液口或出液 口，另一端与位于凹槽内的电极连通。 0010 进一步地，迂回液流道内壁上涂覆有高分子材料绝缘层。 0011 根据本发明的另一方面，提供了一种液流电池堆，包括集流板、电极以及离子交换 膜，集流板为上述任一种集流板；电极设置在集流板的凹槽内。 0012 进一步地，还包括密封部件，密封部件沿集流板的外周侧设置，用于将相邻的两个 集流板之间密封。 说 明 书CN 102522577 A 2/5页 4 0013 进一步地，还包括设置在集流板的进液口和与进液口对应设置的出液口的外周侧 的密封部件。 0014 本发明的集流板设置有容纳电极的凹槽，兼具了液流框的功能，使得在整个液流 。
9、电池堆的设计中省去了液流框，从而避免了集流板与液流框之间的大量而复杂的密封设 计，减小了密封部件的应用及设计的复杂性，使得电池堆的结构紧凑简单。 附图说明 0015 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： 0016 图1示出了现有技术中全钒氧化还原液流电池的结构示意图； 0017 图2a示出了根据本发明典型实施例的集流板的正极侧结构示意图； 0018 图2b示出了根据本发明典型实施例的集流板的负极侧结构示意图； 0019 图3示出了根据本发明典型实施例的集流板与电极装配后的截面结构示意图；。
10、 0020 图4a示出了根据本发明典型实施例的刻有迂回液流道的集流板正极侧结构示意 图； 0021 图4b示出了根据本发明典型实施例的刻有迂回液流道的集流板负极侧结构示意 图；以及 0022 图5示出了根据本发明典型实施例的单片电池结构示意图； 具体实施方式 0023 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。 0024 根据本发明一种典型实施方式的集流板，如图2a-2b所示，图2a和图2b分别示出 了集流板2的正极侧和负极侧的结构示意图。可以看出，集流板2包括设置在集流板2上 的进液口及出液口，还包括设置在集流。
11、板一侧上的凹槽，凹槽用以容纳电极3并与电极3相 适配。本发明的集流板由于设置有容纳电极的凹槽，兼具了现有技术中的液流框的功能，使 得在整个液流电池堆的设计中省去了液流框，从而避免了集流板与液流框之间的大量而复 杂的密封设计，减小了密封部件的应用及设计的复杂性，使得电池堆装置的结构紧凑简单。 0025 如果集流板2在一侧设置凹槽，则使用时将两个集流板2的不设置凹槽的一侧靠 在一起，形成一个整体式的集流板，该结构的集流板由于只需在一侧设置凹槽，容易加工； 一般选择石墨板制作集流板，石墨板材料本身较脆，将两块集流板背靠背拼接在一起保证 了两个凹槽之间的集流板2具有足够的强度和硬度。但这种组装在一起的。
12、集流板由于拼接 处存在缝隙，会增加两块集流板拼接处的接触电阻。 0026 根据本发明的另一种典型的实施方式，在集流板2的另一侧也设置凹槽。即在每 一个集流板2的两侧分别设置有凹槽，如图3所示，图3示出了集流板与设置在集流板两侧 的凹槽内的电极装配后的截面结构示意图。从图3可以看出，在集流板2两侧的中心位置 分别雕刻出矩形区域以放置正负多孔电极3，矩形区域的面积及形状与电极3相适配。当集 流板2组装成液流电池堆使用时，由于电解液的冲刷会使两个凹槽之间的集流板2的厚度 逐渐变薄，所以两凹槽之间的集流板需要设置足够的厚度来抵抗电解液的冲刷。制作集流 说 明 书CN 102522577 A 3/5页 。
13、5 板的材料不同，厚度不同，当材料本身的抗冲击强度较小时，就要保证两凹槽之间的集流板 的厚度足够大，才能经受电解液的冲刷而不穿透。两侧设置凹槽的集流板结构使集流板兼 具了液流框的功能，简化了液流框与集流板之间的密封复杂性，两侧设置凹槽节省了集流 板的使用个数，在一定程度上也简化了组装和密封。 0027 在本发明的典型实施方式中，优选地，凹槽的深度小于对应设置在凹槽内的电极3 的厚度。电极一般都是具有弹性的多孔材料，可以压缩，如石墨毡，由于电极3的厚度大于 凹槽的深度，将电极3置于凹槽内时，有部分电极突出，在装配成液流电池堆时，由于集流 板依次相接触设置，所以位于相邻的集流板2的凹槽内的电极3之。
14、间就相互挤压，这样位于 电极内的正负电解液在离子交换膜的两侧的接触及交换更充分。相反，如果凹槽的深度大 于对应设置在凹槽内的电极3的厚度，则会使位于离子交换膜两侧的电极内的电解液交换 不充分。 0028 图2a-2b示出了本发明的一种典型的实施方式的集流板，可以看出，正极电解液 的进口10与出口11位于同一对角线上，负极电解液的进口8和出口9位于同一对角线上， 正极反应区电极7和负极反应区电极13分别设置在集流板2两侧的中心区域，位于集流板 2上的正极电解液的进口、出口、负极电解液的进口、出口都是各自贯通集流板的两侧面，保 证了正负电解液在整个液流电池堆内的循环，具体说明如下： 0029 在正。
15、极侧，正电解液从进口10进入集流板2的正极反应区7，电解液在正极反应区 7充分反应之后从集流板2的出口11流出，由于正极出口11与相邻的另一集流板的正极 进口相通，则正电解液就从正极出口11流到相邻集流板的正极进口，进而流到相邻集流板 的正极反应区，之后从相邻集流板的正极出口流出，就这样电解液在整个液流电池堆内循 环流动。在集流板的正极侧，负电解液的进口8和出口9不与正极反应区电极7相通。在 负极侧，负电解液从进口8进入该集流板的负极反应区13，电解液在负极反应区13充分反 应，之后从集流板2的出口9流出，由于负极出口9与相邻另一集流板的负极进口相通，则 负电解液就从负极出口9流入到相邻集流板。
16、的负极进口，进而流到相邻集流板的负极反应 区，之后从相邻集流板的负极出口流出，就这样电解液在整个液流电池堆内循环流动。在集 流板的负极侧，正电解液的进口10和出口11不与负极反应区13相通。该结构保证了正负 电极的电解液在离子交换膜两侧的电极上分别发生还原和氧化反应，有效地完成充放电过 程，保证了液流电池堆的正常运行。 0030 根据本发明又一典型实施方式的集流板，还包括迂回液流道，该迂回液流道的一 端连通集流板2上的进液口或出液口，另一端与位于凹槽内的电极3连通。如图4a-4b所 示，图4a-4b分别示出了刻有迂回液流道的集流板正极侧和负极侧的结构示意图。在集流 板2的正极侧，正电解液进出口。
17、10、11与正极反应区电极7之间刻有迂回液流道14、15，正 电解液从进口10进入，通过迂回液流道14进入正极反应区电极7，经还原反应后通过迂回 液流道15从出口11流到相邻的另一个集流板的正极进口，然后进入相邻集流板的正极反 应区，最后从相邻集流板的正极出口流出，就这样电解液在整个液流电池堆内循环流动。在 集流板2的负极侧，负电解液进出口8、9与负极反应区电极13之间刻有迂回液流道16、17， 负电解液从进口8进入，通过迂回液流道16进入负极反应区电极13，经氧化反应后通过迂 回液流道17从出口9流出，负极电解液从出口9流出后，进入到相邻集流板的负极进口，进 而流入相邻集流板的负极反应区电极。
18、，最后从相邻集流板的负极出口流出，就这样负电解 说 明 书CN 102522577 A 4/5页 6 液在整个液流电池堆内循环。在非反应区设置迂回液流道，增大了内置液流道的长度，加大 了电池运行过程中漏电支路的有效电阻，减小旁路电流和自放电的速度，采用该集流板的 液流电池堆，有效提高了电池的库伦效率，从而提高了能量转换效率。 0031 同时，电解液在电池堆内的流动是由驱动泵驱使的，当泵停止运行时，由于电解液 失去了动力，电解液必然会出现少量的倒吸或回流现象，由于迂回流道带有多个弯折，就增 大了电解液倒吸的阻力，使得迂回流道内的电解液出现断裂，使单体电解池中的电解液与 其它单体电池及储液装置中的。
19、电解液隔绝，避免了电池在由电解液连通时出现的自放电现 象，确保了钒电池内部储存的电量。 0032 迂回液流道可以根据需要设计成所需形状，如迂回液流道的截面呈Z型或呈多个 Z型连接在一起的形状。该设计使得进出液流道延长了，增大了电解液形成漏电支路电阻， 减少了钒电池自放电程度。 0033 电解液充盈在集流板的迂回液流道内，非反应区的电解液和集流板直接接触可能 造成额外的漏电流，优选地，在迂回液流道的内壁上涂覆有高分子材料绝缘层可避免迂回 流道内的漏电流。该涂覆方法为常规方法，将高分子材料固定在迂回液流道的内壁上，本发 明所用的高分子材料包括但不限于聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯等耐酸性热塑性材。
20、 料，以及环氧树脂等热固性高分子。 0034 根据本发明的另一方面，根据本发明的一种典型实施方式，提供了一种液流电池 堆，包括集流板2、电极3以及离子交换膜4，该集流板2为上述任一种结构的集流板；电极 3设置在集流板2的凹槽内。和现有技术不同的是，该液流电池堆无需液流框装置，只是由 图5所示的多个单片电池依次串联而成，图5示出了单片电池的结构示意图。从图5可以 看出，集流板2上设有凹槽，电极3设置在集流板2的凹槽内，采用了上述集流板2的液流 电池堆，与传统的带有液流框的液流电池堆相比，同样能够保证整个液流电池堆的密封效 果，并且不会降低液流电池堆的性能，同时在结构设计上更紧凑简单；对于采用带迂。
21、回液流 道的集流板的液流电池堆来说，减小了旁路电流，提高了能量转换效率，延长了电池寿命。 0035 根据本发明典型实施方式的液流电池堆，还包括密封部件，如图2a-2b及4a-4b所 示，密封部件沿集流板2的外周侧设置，用于将相邻的两个集流板2之间密封。优选密封 圈设置在位于集流板2上相应位置的密封槽内，密封圈保证了相邻的集流板之间的密封效 果，避免了在液流电池堆内部循环的电解液向外泄露，实现了整个液流电池堆和外界的隔 离，保证了液流电池堆系统的正常工作。 0036 在本发明的另一种典型实施方式中，除了沿集流板2的外周侧设置设置密封部件 外，还包括设置在集流板2的进液口和与进液口对应设置的出液口。
22、外周侧的密封部件。如 图2a-2b及4a-4b所示，设置在此部位的密封部件保证了正电解液在循环流通过程中不会 流入集流板的负极侧，同样，负电解液在循环流通过程中也不会流入正极侧。 0037 下面结合具体实施例来进一步说明本发明技术方案的有益效果。 具体实施例 0038 实施例1 0039 选用石墨板作为集流板，高导电性多孔石墨材料作为电极，Nafion膜作为离子交 换膜，按照图4方法制备集流板。将上述部件及密封圈组装成钒单片电池，将40个上述单 说 明 书CN 102522577 A 5/5页 7 电池依次串联组装成液流电池堆装置，由于未使用液流框，密封圈的使用数量为82个。经 测试，该液流电。
23、池堆的充放电库伦效率为91.7，电压效率为84.1，能量效率为77.1。 0040 实施例2 0041 材料与实施例1相同，制备图4a-4b所示的雕刻有弯折迂回液流道的集流板。将 上述部件及密封圈组装成钒单片电池，将40个上述单电池依次串联组装成液流电池堆，由 于未使用液流框，密封圈的使用数量为82个。经测试，该液流电池堆的充放电库伦效率为 93.5，电压效率为84.2，能量效率为78.7。 0042 对比例1 0043 选用市售的PVC材料为液流框，石墨板作为集流板，高导电性多孔石墨材料作为 电极，Nafion膜作为离子交换膜，按照传统的组装方法将集流板、电极、液流框以及密封 部件组装成单片。
24、钒电池，将40个上述单片钒电池依次串联组装成液流电池堆，其中密封 圈的使用数量为162个。经测试，该液流电池堆的充放电库伦效率为91.9，电压效率为 84.0，能量效率为77.1， 0044 经过对比分析可知，采用本发明的集流板组装的液流电池堆，省略了液流框装置， 使得密封圈的使用数量几乎减半，减小了集流板与液流框之间大量又复杂的密封设计，同 时节省了人力和成本，并且几乎没有影响到液流电池堆的充放电库伦效率、电压效率以及 能量效率。该液流电池堆结构紧凑简单，减少了密封部件的应用及工艺步骤，方便了今后液 流电池堆的研发。采用在本发明的集流板上设置迂回液流道，增大了电池堆运行过程中漏 电支路的有效电阻，减小了旁路电流，提高了库伦效率，提高了能量转换效率，延长了电池 的使用寿命。 0045 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。 说 明 书CN 102522577 A 1/2页 8 图1 图2a 图2b 说 明 书 附 图CN 102522577 A 2/2页 9 图3 图4a 图4b 图5 说 明 书 附 图CN 102522577 A 。