[发明专利]一种液流电池结构

说明书

本发明涉及一种液流电池结构，包括依次叠合的双极板、密封垫、电极、隔膜、电极、密封垫、双极板，所述液流电池不包含电极框，电解液流道设置在双极板上，双极板之间的极间距（不含双极板的厚度）为0.5～5mm。该种电池结构使用较小的极间距，降低了电极和电解液的本体电阻，从而降低了液流电池的欧姆内阻。本发明提高了液流电池的能量效率和电压效率，从而在保证能量效率不变的前提下可提高其工作电流密度，进而提高了液流电池的功率密度。

技术领域

本发明涉及化学储能技术中的液流电池领域，特别涉及全钒液流电池的电池结构。

背景技术

全钒液流电池因其具有输出功率和容量相互独立，系统设计灵活；能量效率高，寿命长，运行稳定性和可靠性高，自放电低；选址自由度大，无污染、维护简单，运营成本低，安全性高等优点，在规模储能方面具有广阔的发展前景，被认为是解决太阳能、风能等可再生能源发电系统随机性和间歇性非稳态特征的有效方法，在可再生能源发电和智能电网建设中有着重大需求。

目前，制约全钒液流电池商业化的主要限制就是成本高。要降低电池成本，主要有两个途径，一是降低其关键材料如电极、膜、双极板等材料的成本；一是提高电池的功率密度，降低整个系统的成本。而且，功率密度的提高还可以减少储能系统的占地面积和空间，提高其环境适应能力及系统的可移动性，扩展液流电池的应用领域。而要提高液流电池的功率密度，通常是通过提高其工作电流密度来实现。此外，在规模储能应用中，液流电池的能量效率是衡量该电池实用性的关键指标之一。一般地，电池可实用化的判据定义为电池能量效率高于80%。因此，提高液流电池的工作电流密度要建立在保证其能量效率不低于80%的前提下。

目前液流电池运行的工作电流密度较低（<100mA/cm²），仅为质子交换膜燃料电池工作电流密度的十分之一，造成电池模块体积大，材料需求量大，成本高。由于全钒液流电池的电流效率随着工作电流密度的提高而增大，因此提高电池的工作电流密度只需要将电压效率保持在一个较高的值即可，即尽可能地减小电池极化，降低电压损耗。影响电压效率的极化主要包括欧姆极化、电化学极化和浓差极化。

目前已公开的专利文献中针对减小电池极化的方法主要有：

（1）对电极材料如石墨毡、碳纸等进行金属化或氧化改性处理，在碳纤维表面修饰上金属离子或者含氧官能团，提高电极的电催化活性，减小电池的电化学极化，如专利CN101465417A和CN 101182678A中公开的对石墨毡进行电化学氧化的方法。但该种方法只是减小了电池的电化学极化，对减小电池的欧姆极化没有帮助。而欧姆极化的减小对于提高电池的工作电流密度而言更加重要，因为电化学极化与电流的对数成正比，而欧姆电压降则和电流的大小成正比。因此，随着工作电流密度的提高，电池欧姆内阻的影响会越来越大。

（2）研究和开发电极与双极板一体化的复合电极，即一体化电极双极板来降低电极双极板间的接触电阻。如CN 101009376A中公开的，将双极板与多孔电极通过导电粘结材料粘结在一起形成一体化电极双极板。然而，全钒液流电池的欧姆内阻主要包括电极、双极板、电解液和隔膜的本体电阻以及电极与双极板间的接触电阻。该方法只是减小了电极双极板间的接触电阻，对占电池内阻比重较大的电极和电解液的本体电阻并无影响，因此对于电压效率和能量效率的提高程度有限。

目前，液流电池的结构如图1所示，通常包括电池端板、双极板、密封垫、电极框、电极和隔膜，电解液流道一般设置在电极框中，因此造成电极框要具有一定的厚度，再加上电极框两侧都要放置密封垫来保持密封，造成电极厚度太厚，一般都要在5mm以上。这种结构的后果就是电极要选择较厚的碳毡或石墨毡，导致电极本体电阻和储存在多孔电极中的电解液电阻都偏大，由此造成欧姆极化过大，无法在高工作电流密度下保持较高的能量效率。

发明内容

本发明旨在通过电池结构的设计来降低液流电池的欧姆内阻，提高电池的工作电流密度，以达到提高电池功率密度的目的。