CN115000438B - 一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构和电堆 - Google Patents
一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构和电堆 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构和电堆，双极板通过注塑或模压工艺密封于电极框内部，在所述电极框内边缘处双极板两侧设有电解液导流凹槽及电解液进出口盲孔，在所述电解液导流凹槽处延伸出一个容置电极材料的长条平台使电极材料与电极框无缝贴合，所述电极框与隔膜通过焊接的方式粘接，在液流电池电堆装配时相邻两个电极框之间通过焊接方式连接，所述电堆为两组以上上述组合方式堆叠而成；采用本发明的液流电池电极框与双极板一体式结构和电堆，液流电池电堆的密封性将大幅增加，电池结构明显简化，随之电堆的体积将明显减小，储能成本明显下降，电池漏液情况得到显著改善，电池运行稳定性明显提高。
Description
技术领域
本发明属于有机氧化还原液流电池技术领域，具体涉及一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构和电堆。
背景技术
第26届联合国气候变化大会发布2021年全球气候状况报告，根据报告统计数据显示，2021年全球平均气温继续升高；海洋不断升温，已达新纪录；海冰范围达历史低点，融化速度翻番；气候形势恶化导致全球极端天气频发。面对极端天气和气候变化带来的影响，世界各国纷纷制定碳达峰、碳中和气候目标。加速能源清洁低碳转型、积极应对气候变化成为全球共同性议题。
实现碳达峰碳中和目标必须大力发展可再生能源，发展可再生能源发电则需要同步发展储能。因为可再生能源发电具有间歇性、波动性、不可控的缺点，提高供电质量，杜绝弃风、弃光现象，必须用储能进行调节。安全、廉价的储能方式是能源转型的中心环节、碳减排的关键领域。有机氧化还原液流电池因为其独特的液态储能方式和特点，是一种大规模储能最具潜力的电化学储能技术之一，其可使用水作为电解质溶剂，极大程度上提高了储能系统的安全性、易于维护性和选址灵活性，电池能量密度可调控，且有机液流电池由于电解液活性物质来源广泛、成本低及性能易控等优点，符合大规模场景下的储能要求，是未来规模化储能的一种理想技术。
电堆是液流电池最核心的组件，其主要由双极板、电极材料、隔膜和电极框等组成，在液流电池电堆中双极板是影响电池性能和成本的关键组件之一，双极板防止正极电解液和负极电解液之间的混合，电子传导，并在一定程度上为液流电池电堆中的电极材料提供机械支撑作用。电堆装配工艺的优化更是未来液流电池大范围安全、高效、低成本使用的必要条件。目前，液流电池主要面临的两大瓶颈分别为，电流密度低及电堆容易漏液、串液问题，采用本发明的一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构和电堆能有效的解决电堆容易漏液、串液问题，从而提高电池性能，简化电堆装配工艺、降低生产成本，进而降低储能成本。
发明内容
针对目前液流电池面临的瓶颈及现有技术的不足，本发明提出一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构和电堆，通过对现有技术的不足之处进行改进，电池密封性将大幅增加，电池结构明显简化，随之电堆的体积将明显减小，储能成本明显下降，电池运行稳定性明显提高。
为达到上述目的，本发明的技术方案如下：
本发明的一个目的是提供一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构，包括一体成型的电极框与双极板，双极板外边缘密封于电极框内，所述电极框的内边缘双极板两侧设有电解液导流凹槽、正极电解液进口盲孔、正极电解液出口盲孔、负极电解液进口盲孔和负极电解液出口盲孔，在所述电解液导流凹槽处延伸出一个容置电极材料的长条平台使电极材料与电极框无缝贴合。
进一步地，所述双极板外边缘密封于电极框内的方式为注塑成型、模压成型或无模车削成型。
进一步地，所述正极电解液进口盲孔、正极电解液出口盲孔、负极电解液进口盲孔和负极电解液出口盲孔在电极框内边缘上；所述正极电解液进口盲孔和正极电解液出口盲孔位于双极板一侧，负极电解液进口盲孔和负极电解液出口盲孔位于双极板另一侧。
进一步地，所述正极电解液进口盲孔和负极电解液进口盲孔数量分别为2-8个，正极电解液出口盲孔和负极电解液出口盲孔数量分别为1-7个。
进一步地，所述电解液导流凹槽的深度为0.3mm-10mm，所述电解液导流凹槽与电极框内边缘距离为1mm-10mm；在所述电解液导流凹槽处延伸出一个容置电极材料的长条平台宽度为1mm-10mm。
进一步地，所述电解液导流凹槽位于电极框的内边缘、双极板的两侧，成对称分布结构，一侧的电解液导流凹槽与正极电解液进口盲孔、负极电解液进口盲孔相连通，另一侧的电解液导流凹槽与负极电解液出口盲孔、正极电解液出口盲孔相连通。
进一步地，所述双极板为碳素复合材料板或石墨板，厚度为2-10mm。
本发明的另一个目的是提供一种应用于液流电池的电堆，所述电堆包括以上所述的电极框与双极板一体式结构。
进一步地，所述电堆包括n组电极框与双体式结构、电极材料、隔膜材料、电极材料依次循环的组合，其中，n≥2。
进一步地，所述电极框之间通过激光焊接、超声波焊接方式密封；所述电极框与隔膜之间通过激光焊机、超声波焊接或胶水粘结的方式密封。
本发明的有益效果为：
液流电池用双极板的要求包括支撑电池结构和承受装配应力的强大机械强度、防止电解液泄漏的高紧凑性、减少欧姆损耗的低电阻。本发明提出一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构，是将双极板注塑、模压或无模车削成型工艺固定于电极框内部，形成密封的一体式结构，再将电极材料和隔膜焊接或粘接在电极框上，这样的设置解决了常规液流电池电堆中双极板与电极框粘贴厚度较厚及易产生漏液、串液风险的问题，从而提高了液流电池稳定性，省去了密封元件，减少了加工程序及加工难度，减小了电堆的体积。
在电极框内边缘双极板两侧设置有正负极电解液进出口通道的盲孔，正极电解液进口盲孔和负极电解液进口盲孔数量分别为2-8个，正极电解液出口盲孔和负极电解液出口盲孔数量分别为1-7个，电解液出口盲孔的数量设置为小于电解液进口盲孔的数量，这样的设置增加了电解液活性物质在电极上的反应时间、减小电池内部极化及分布均匀性，从而增加了液流电池性能。
附图说明
图1为本发明电极框与双极板一体式结构；
图2为本发明应用于液流电池的电堆装配示意图；
附图标识列表：
双极板1；电极框2；正极电解液进口盲孔3；正极电解液出口盲孔4；负极电解液进口盲孔5；负极电解液出口盲孔6；电解液导流凹槽7；长条平台8；电极材料9；隔膜10；集流板11；端板12。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。
实施例1
如图1所示为本发明应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构，双极板1采用天然石墨、炭黑、碳纤维和聚丙烯为原料，通过注塑的方式制成，电极框2采用聚乙烯为原料，采用注塑成型和模压成型的方式制成电极框与双极板一体式结构，电极框上设置有3个正极电解液进口盲孔3、2个正极电解液出口盲孔4、3个负极电解液进口盲孔5、2个负极电解液出口盲孔6。其中，正极电解液进口盲孔3跟正极电解液出口盲孔4位于电极框的内边缘双极板1一侧，负极电解液进口盲孔5跟负极电解液出口盲孔6位于电极框的内边缘双极板1另一侧。在电极框内边缘双极板两侧设置有对称的电解液导流凹槽7，在电解液导流凹槽7处延伸出来一个长条平台8供电极材料贴合。
双极板1厚度为4mm；电极框厚度为20mm；正极电解液进口盲孔3、正极电解液出口盲孔4、负极电解液进口盲孔5和负极电解液出口盲孔6直径为6mm；电解液导流凹槽7深度为5mm；电解液导流凹槽7与电解液进出口盲孔3-6的距离为2mm；电解液导流凹槽7处延伸出的一个容置电极的长条平台8宽度距离电解液导流凹槽7为3mm。
电解液下进上出，正极电解液从正极电解液进口盲孔3流进，顺着电解液导流凹槽7，流入双极板1，再到长条平台8，最后至正极电解液出口盲孔4流出。对应负极电解液从负极电解液进口盲孔5流进，顺着背面导流凹槽(7的背面)，流入双极板(1的背面)，再到长条平台(8的背面)，最后至正极电解液出口盲孔6流出。即，正负极电解液分别从盲孔3和5进入电极框两侧，分别经前后导流槽流经双极板两侧，再分别经另一组导流槽流出，无串液漏液可能，实现电池充放电。
实施例2
如图2所示为本发明液流电池的电极框与双极板一体式结构应用于液流电池电堆的装配示意图，包括电池端板12、集流板11、电极材料9、图1电极框与双极板一体式结构、隔膜10，其中电极材料9贴接在图1所示结构电解液导流凹槽7处延伸出来一个容置电极的长条平台8上，隔膜10采用激光焊接法焊接在已贴合电极材料的图1所示结构电极框上。集流板11是厚度为1mm的铜板；电极材料9是厚度为4mm的碳毡；隔膜10是厚度为100μm离子传导膜。
对组装的电堆进行性能测试，测试电流密度分别为80、110和160mA/cm2，电堆流量均为0.95m3/h。电堆的充电截止电压为7.85V，放电截止电压为5V。电堆的性能测试结果如下表1所示。
表1
由实施例液流电池电堆性能对比看出，在电流密度及制作电堆的材料相同的条件下，本发明液流电池电堆各项性能指标均高于常规液流电池电堆性能指标。
证明了本发明所提出的液流电池电极框与双极板一体式结构，从电堆结构上避免了电解液漏液、串液的可能性。突破常规液流电池电堆中电极框与双极板贴合的密封方式，本发明将双极板与电极框注塑或模压为一体式结构，在电极框上设置有与电极材料尺寸完全贴合的长条平台，形成无缝式密封，且在电极框内部设置电解液进出口盲孔，这样的设置彻底杜绝了电解液外漏机会及正负极电解液之间串液问题。使用本发明的液流电池电极框与双极板一体式结构，避免以往电池结构复杂，制造与装配困难的问题，能够有效提高电池充电/放电过程能量效率，降低电堆造价，为发展用于大规模电能转化和储存的化学电源技术奠定基础。
需要说明的是，以上内容仅仅说明了本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构，其特征在于，包括一体成型的高分子材料电极框与双极板，双极板外边缘密封于电极框内，所述电极框的内边缘双极板两侧设有电解液导流凹槽、正极电解液进口盲孔、正极电解液出口盲孔、负极电解液进口盲孔和负极电解液出口盲孔，在所述电解液导流凹槽处延伸出一个容置电极材料的长条平台使电极材料与电极框无缝贴合；
所述正极电解液进口盲孔和负极电解液进口盲孔数量分别为3个，正极电解液出口盲孔和负极电解液出口盲孔数量分别为2个；
所述正极电解液进口盲孔、正极电解液出口盲孔、负极电解液进口盲孔和负极电解液出口盲孔在电极框内边缘上；所述正极电解液进口盲孔和正极电解液出口盲孔位于双极板一侧，负极电解液进口盲孔和负极电解液出口盲孔位于双极板另一侧；
所述电解液导流凹槽的深度为0.3mm-10mm，所述电解液导流凹槽与电极框内边缘距离为1mm-10mm；在所述电解液导流凹槽处延伸出一个容置电极材料贴合的长条平台，所述长条平台的宽度为1mm-10mm；
所述双极板为碳素复合材料板或石墨板，厚度为2-10mm。
2.根据权利要求1所述的一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构，其特征在于，所述双极板外边缘密封于电极框内的方式为注塑成型、模压成型或无模车削成型。
3.根据权利要求1所述的一种应用于液流电池的电极框与双极板一体式结构，电极框选自PE、PP、PS、PVC、CPVC、PA、PET、CPE、EVA、ABS、AS、EVOH、EPR、PC、TPE、TPR、TPV、TPO中的一种或两种及以上共混物。
4.一种应用于液流电池的电堆，其特征在于，所述电堆包括权利要求1-3任一项所述的电极框与双极板一体式结构；
所述电堆包括n组电极框与双极板一体式结构、电极材料、隔膜材料、电极材料依次循环的组合，其中，n≥2。
5.根据权利要求4所述的一种应用于液流电池的电堆，其特征在于，所述电极框之间通过激光焊接或超声波焊接方式密封；所述电极框与隔膜之间通过激光焊机、超声波焊接或胶水粘结的方式密封。
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