CN114497619A - 一种液流电池电极框和隔膜的组件及应用 - Google Patents
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Abstract
一种液流电池电极框和隔膜的组件，特别涉及其在液流电池领域中的应用。包括一个中部带通孔的环状电极框，于电极框通孔中部的内壁面上设有环状凸台或环形凹槽，隔膜放置于电极框中部的通孔内，隔膜的四周边缘与环状平台相抵接或隔膜的四周边缘置于电极框内部环形凹槽内。本发明在液流电池中实现了正负极为同一个电极框的技术；在液流电池组装过程中，减少了密封材料的使用，优化了液流电池的组装工艺，降低液流电池的成本；减少密封垫的使用，减薄了电池的厚度，缩小了电池的体积，提高体积比能能；减少液流电池组装过程中密封环节，大大提高了的电堆的可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池用电极框和隔膜技术，特别涉及其在液流电池领域中的应用。
背景技术
随着可再生清洁能源使用的呼声越来越高，风能、太阳能等可再生能源的利用问题也收到了更为广泛的关注。可是风能、太阳能等可再生能源发电受季节、气象和地域等条件的影响，具有明显的不连续、不稳定性。其发出的电力波动较大，可调节性差。直接使用，将可能对电网产生较大的冲击。而储能技术可以高效的解决这一问题。因此，储能技术也成为了万众瞩目的焦点。大规模储能技术更被认为是支撑可再生能源普及的战略性技术，得到各国政府和企业界的高度关注。
储能技术包括物理储能和化学储能两大类。物理储能包括抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能等。化学储能主要包括铅酸电池、钠硫电池、液流电池和锂离子电池等。然而各种储能技术都有其适宜的应用领域，适合大规模储能的化学储能技术主要包括液流电池、钠硫电池、铅酸电池、锂离子电池。综合考虑各种储能技术的优缺点，液流电池储能技术受到了更为广泛地关注。
在液流电池中，电极框是放置电极和设置流道的场所，并且要求其有足够的强度和较好的耐酸碱腐蚀性。常规的液流电池，每一个单节中都包括一个正极电极框和负极电极框，他们分别存放正极电极和负极电极。正负极电极之间放置隔膜，正负极电极框分别与隔膜接触时采用密封技术，以保证电池没有外漏现象。然而在实际过程中，电池的外漏是经常存在，因此只有减少需要密封的环节，才能直接有效的解决电池的外漏问题。
发明内容
为了解决以上的技术问题，本发明提供了一种液流电池电极框和隔膜的组件，其特征在于，包括一个中部带通孔的环状电极框，于电极框通孔中部的内壁面上设有环状凸台或环形凹槽，隔膜放置于电极框中部的通孔内，隔膜的四周边缘与环状平台相抵接或隔膜的四周边缘置于电极框内部环形凹槽内。
于电极框通孔中部的内壁面上沿平行于平板状电极框表面的方向设有环状凸台或环形凹槽。环状凸台或环形凹槽与通孔同轴；
液流电池的正极和负极分别置于环状电极框的通孔内，正极和负极分别位于隔膜的二侧。电极框的二侧表面上分别设有电解液进出流道，电极框每侧表面的电解液进口流道和出口流道设置于电极框每侧表面的通过相对二侧表面上。
本发明提供了一种液流电池电极框和隔膜的组件，正极负极共用一个电极框，隔膜放置于电极框中间的环状平台上，环形平台的厚度小于电极框的厚度且设置于电极框上、下表面之间；隔膜四周边缘置于环状平台上表面或下表面处，可通过热压或焊接等方式使隔膜四周边缘与电极框中间环状平台上表面或下表面实现密封；或，正极负极共用一个电极框，隔膜镶嵌于电极框内部的环形凹槽内；隔膜四周边缘置于电极框的环形凹槽内，可通过热压或焊接等方式使隔膜四周边缘和电极框的环形凹槽间实现密封。
电极框厚度优选为0.1-30mm；更优选为0.5-20mm；最优选为1-10mm。
电极框中间的环状平台，其厚度优选为0.01-7mm；更优选为0.1-5mm；最优选为0.2-2mm。
电极框内部的环形凹槽，其厚度优选为0.01-1mm；更优选为0.1-0.8mm；最优选为0.3-0.5mm。
电极框的材质可以为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等任意耐酸碱腐蚀的材质中的一种或二种以上。隔膜厚度为20um-1mm，隔膜材质可以为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等任意耐酸碱腐蚀的材质中的一种或二种以上。
本发明首次在液流电池中实现了正负极为同一个电极框的技术；
在液流电池组装过程中，本发明的有益结果：
1、减少了密封材料的使用，优化了液流电池的组装工艺，降低液流电池的成本；
2、减少密封垫的使用，减薄了电池的厚度，缩小了电池的体积，提高体积比能能；
3、电池正负极共用一个电极框，优化电池组装工艺、减少液流电池组装过程中密封环节，大大提高了的电堆的可靠性。
4、本发明拓宽了液流电池电极框的适用方式。
附图说明
图1为本发明实施例1、2、5、6、7、8的结构示意图；
图2为本发明实施例3、4、9、10、11、12的结构示意图；
图3为本发明对比例的结构示意图。
具体实施方式
以下的实施例是对本发明的进一步说明，并不是限制本发明的范围。
实施例1
选取方形聚乙烯材质平板作为中部带通孔的环状电极框1的基材，其长600mm，宽400mm，厚度8mm；于电极框1的二侧表面上分别上分别设置有流道3(分别作为电解液进出流道，电极框每侧表面的电解液进口流道和出口流道设置于电极框每侧表面的通孔相对二侧表面上)；电极框通孔(长500mm，宽300mm)中间设置有环状平台2(与通孔同几何对称中心轴线)，环状平台2的厚度为1mm且把电极框1均匀的分隔成两部分，每部分厚度为3.5mm，并于其内分别放置电池的正极和负极。如附图1中所示，附图1b是附图1a的截面图，以更好的描述本实施例。以此电极框1组装10节全钒液流电堆，隔膜选用含有聚乙烯的膜，厚度为400um。采用热压的密封方式将隔膜四周边缘与环形平台2的一侧表面进行密封，组装电池可承受最大外漏检测压力为0.15MPa，电堆厚度为87mm。在160mA/cm2条件下运行时，电堆能量效率为81.6％。
实施例2
选取方形聚乙烯材质平板作为中部带通孔的环状电极框1的基材，其长600mm，宽400mm，厚度8mm；于电极框1的二侧表面上分别上分别设置有流道3(分别作为电解液进出流道，电极框每侧表面的电解液进口流道和出口流道设置于电极框每侧表面的通孔相对二侧表面上)；电极框通孔(长500mm，宽300mm)中间设置有环状平台2(与通孔同几何对称中心轴线)，环状平台2的厚度为1mm且把电极框1均匀的分隔成两部分，每部分厚度为3.5mm，并于其内分别放置电池的正极和负极。如附图1中所示，附图1b是附图1a的截面图，以更好的描述本实施例。以此电极框1组装10节全钒液流电堆，隔膜选用含有聚乙烯的膜，厚度为400um。采用激光焊接的密封方式将隔膜四周边缘与环形平台2的一侧表面进行密封，组装电池可承受最大外漏检测压力为0.22MPa，电堆厚度为87mm。在160mA/cm2条件下运行时，电堆能量效率为81.9％。
实施例3
选取方形聚乙烯材质平板作为中部带通孔的环状电极框4的基材，其长600mm，宽400mm，厚度8mm；于电极框4的二侧表面上分别上分别设置有流道6(分别作为电解液进出流道，电极框每侧表面的电解液进口流道和出口流道设置于电极框每侧表面的通孔相对二侧表面上)；电极框通孔(长500mm，宽300mm)中间设置有环状凹槽5(与通孔同几何对称中心轴线)，环状凹槽5的厚度为400um且把电极框4均匀的分隔成两部分，每部分厚度为3.8mm，并于其内分别放置电池的正极和负极。如附图2中所示，附图2b是附图2a的截面图，以更好的描述本实施例。以此电极框4组装10节全钒液流电堆，隔膜选用含有聚乙烯的膜，厚度为400um。采用热压的密封方式将隔膜四周边缘与环形凹槽5进行密封，组装电池可承受最大外漏检测压力为0.16MPa，电堆厚度为87mm。在160mA/cm2条件下运行时，电堆能量效率为81.7％。
实施例4
选取方形聚乙烯材质平板作为中部带通孔的环状电极框4的基材，其长600mm，宽400mm，厚度8mm；于电极框4的二侧表面上分别上分别设置有流道6(分别作为电解液进出流道，电极框每侧表面的电解液进口流道和出口流道设置于电极框每侧表面的通孔相对二侧表面上)；电极框通孔(长500mm，宽300mm)中间设置有环状凹槽5(与通孔同几何对称中心轴线)，环状凹槽5的厚度为400um且把电极框4均匀的分隔成两部分，每部分厚度为3.8mm，并于其内分别放置电池的正极和负极。如附图2中所示，附图2b是附图2a的截面图，以更好的描述本实施例。以此电极框4组装10节全钒液流电堆，隔膜选用含有聚乙烯的膜，厚度为400um。采用激光焊接的密封方式将隔膜四周边缘与环形凹槽5进行密封，组装电池可承受最大外漏检测压力为0.23MPa，电堆厚度为90mm。在160mA/cm2条件下运行时，电堆能量效率为81.6％。
实施例5-12
电堆的测试条件及过程同实施例1-4(参数单位均一致)，与实施例1-4不同之处在于：
电极框中间设置有环状平台2，环状平台2的厚度不同(结构与实施例1相同，与其不同之处在于环状平台2的厚度不同)，隔膜的厚度不同；电极框内部设置有环形凹槽5，环形凹槽5的厚度不同(结构与实施例1相同，与其不同之处在于环形凹槽5的厚度不同)，隔膜的厚度不同；
隔膜与电极框的密封方式均为焊接密封。
从实施例5-12中可以得出，环状平台厚度太薄，电极压缩比太小，电化学极化变大，电堆效率降低；环状平台厚度太厚，电极压缩比过大，浓差极化变大，电堆效率降低。环形凹槽厚度太薄，电极压缩比太小，电化学极化变大；并且凹槽变小选用的隔膜厚度也随之变小，隔膜阻隔能力下降，电堆效率明显降低；而环形凹槽厚度太厚，电极压缩比过大，浓差极化变大；并且凹槽变厚选用的隔膜厚度也随之变厚，隔膜欧姆极化增加，电堆效率明显降低。
对比例
按照传统的方式组装10节全钒液流电堆。选取方形聚乙烯材质平板作为中部带通孔的环状电极框，其长600mm，宽400mm，如附图3所示，正极电极框7厚度为4mm，负极电极框11厚度为4mm，正负极电极框通孔长均为500mm，宽均为300mm，隔膜9同实施例1所用的膜，正极电极框7与隔膜9之间设置有密封垫8，负极电极框11与隔膜9之间设置有密封垫10，组装出的10节全钒液流电堆，其厚度为99mm，电堆可承受最大外漏检测压力为0.12MPa，电堆厚度为103mm。在160mA/cm2条件下运行时，电堆能量效率为71.9％。
综上所述，采用本发明提供的电极框和隔膜组件组装的10节全钒液流电堆，首先，无论是采用热压还是激光焊接的方法(其中激光焊接密封可靠性优于热压密封可靠性)，通过检测外漏压力可以看出，其电堆的密封可靠性都要优于传统的密封方式；其次，在电堆组装过程中，正负极共用一个电极框，减少了密封材料的使用，优化了液流电池的组装工艺，减薄了电池的厚度，缩小了电池的体积，提高体积比能量。
Claims (10)
1.一种液流电池电极框和隔膜的组件，其特征在于，包括一个中部带通孔的环状电极框，于电极框通孔中部的内壁面上设有环状凸台或环形凹槽，隔膜放置于电极框中部的通孔内，隔膜的四周边缘与环状平台相抵接或隔膜的四周边缘置于电极框内部环形凹槽内。
2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，于电极框通孔中部的内壁面上沿平行于平板状电极框表面的方向设有环状凸台或环形凹槽；
隔膜的四周边缘与环状平台或环形凹槽密封连接，隔膜将电极框通孔分隔成二个互不连通的腔室。
3.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，液流电池的正极和负极分别置于环状电极框的通孔内，正极和负极分别位于隔膜的二侧。
4.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，于平板状电极框的二侧表面上分别设有电解液进出流道，电极框每侧表面的电解液进口流道和出口流道设置于电极框每侧表面的通孔相对二侧表面上。
5.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，
正极负极共用一个电极框，隔膜放置于电极框中间的环状平台上，环形平台的厚度小于电极框的厚度且设置于电极框上、下表面之间；隔膜四周边缘置于环状平台上表面或下表面处，可通过热压或焊接等方式使隔膜四周边缘与电极框中间环状平台上表面或下表面实现密封；
或，正极负极共用一个电极框，隔膜镶嵌于电极框内部的环形凹槽内；隔膜四周边缘置于电极框的环形凹槽内，可通过热压或焊接等方式使隔膜四周边缘和电极框的环形凹槽间实现密封。
6.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，平板状电极框厚度优选为0.1-30mm；更优选为0.5-20mm；最优选为1-10mm。
7.根据权利要求1或2所述的组件，其特征在于，电极框中间的环状平台，其厚度(垂直于电极框表面的方向)优选为0.01-7mm；更优选为0.1-5mm；最优选为0.2-2mm；
电极框内部的环形凹槽，
其厚度(垂直于电极框表面的方向)优选为0.01-1mm；更优选为0.1-0.8mm；最优选为0.3-0.5mm。
8.根据权利要求1或5所述的组件，其特征在于，电极框，其材质为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯耐酸碱腐蚀的材质中的一种或二种以上。
9.根据权利要求1或8所述的组件，其特征在于，隔膜厚度为20um-1mm，隔膜材质可以为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯等任意耐酸碱腐蚀的材质中的一种或二种以上。
10.一种权利要求1-9所述组件作为电极框和隔膜在液流电池中的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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