CN101325252B - 一种液流电池的双极板 - Google Patents
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Abstract
一种液流电池的双极板属于液流电池领域，其特征在于，含有：工程塑料板，以及嵌入并贯穿该工程塑料板中央的致密石墨板，该致密石墨板前后两侧表面分别刻有供阳极电解液和阴极电解液流过的导流沟槽，该导流沟槽的两端分别与位于该工程塑料板前后两侧表面边缘的通孔相连，供所述电解液流过。该导流沟槽采用串连、或并连、或串连与并连混合连接。该导流沟槽的脊宽与槽宽之比在1∶0.5至1∶6之间。该工程塑料板和致密石墨板之间采用台阶状配合，通过粘结方式连接并密封。所述致密石墨板的数目可多于一块。本发明发挥工程塑料板耐压和致密石墨板的导电特点，克服石墨质脆易碎的缺点，避免电解液内漏与外泄，实现液流电池的双极板工程放大。
Description
技术领域
本发明涉及电能转化与储存技术领域，特别是制造液流电池双极板的方法。
背景技术
利用风能、太阳能等可再生能源发电是人类未来从自然界获取能量的重要途径之一。由于风能、太阳能随着昼夜变化其发电量产生显著变化，难于保持稳定的电能输出，需要和一定规模的电能储存装置相配合，构成完整的供电系统，保证持续稳定的电能供应。因此，开发电能转化效率高、储存容量大、经济性能好的储能系统成为发展可再生清洁能源的关键。在各种形式的储能装置中，例如蓄水储能电站、高速飞轮机械储能、冷热温差储能等，电化学储能具有能量转化效率高，可移动性强等特点，引起各国研究人员极大关注。不同形式的燃料电池技术逐渐成熟；免维护型铅酸蓄电池技术为汽车工业发展奠定基础。然而，由于前者主要以氢或甲醇作为燃料，装置和过程复杂，造价昂贵，难于被经济社会接受；后者使用大量的铅作为电池材料，存在大面积环境污染的隐患，难于在风能、太阳能发电系统作为大规模储能技术推广应用，寻求新的解决方案成为可再生能源开发过程的必然选择。液流电池系统具有电能储存与高效转化功能，使用寿命长、环保、安全的特点，易于和风能、太阳能发电相匹配，大幅度降低设备造价，为可再生能源利用提供技术保证。用于电网系统储能，可以避免抽水蓄能电站建设周期长，选址地理条件苛刻的缺点，适合于中等规模厂矿企业、宾馆饭店、政府部门的不间断电源使用，能够有效改善电网供电质量，完成电网的“移峰填谷”作用。
全钒液流电池(Vanadium Redox Battery，VRB)是一种新型化学电源，通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放。由于使用同种元素组成电池系统，从原理上避免了正负半电池间不同种类活性物质相互渗透产成的交叉污染。使用溶解在电解液中不同价态钒离子作为电池正极和负极活性物质，正极电解液和负极电解液分开储存，从原理上避免电池储存过程自放电现象，适合于大规模储能过程应用。当风能、太阳能发电装置的功率超过额定输出功率时，通过对液流电池的充电，将电能转化为化学能储存在不同价态的离子中；当发电装置不能满足额定输出功率时，液流电池开始放电，把储存的化学能转化为电能，保证稳定电功率输出。
液流电池的双极板将不同单电池串连起来组成电池组(电堆)，可以输出额定功率的电流和电压。双极板起着传导电流、形成电解液导流结构的作用。因此，双极板应具有良好的导电性、化学稳定性、机械强度和阻液性。在热塑性聚合物中添加乙炔黑、石墨粉等材料后的导电塑料作为双极板，具有良好的抗弯、抗压强度和耐电化学腐蚀特性，已在电池工程实验中使用(US Pat.5665212；CN1670992A)。利用合成橡胶与热塑性聚合物共混，加入导电填料后用于炭毡与金属集电体粘结，可以制备电极/双极板一体化结构的电极(CN1567618A)。使用导电塑料板制成液流电池双极板时，存在高温熔融加工过程温度控制复杂，高分子熔体粘度过高，导电性能低，电池内阻大的缺点。为了提高双极板的导电性，可以采用通过环氧树脂、或者酚醛树脂浸泡后的致密石墨板制备双极板。由于致密石墨板质脆易碎，给加工制备面积较大的液流电池双极板，或者电池安装过程造成很大困难。为了解决该问题，本发明提出双极板结构的新方案，将致密石墨板嵌入工程塑料板中，粘结后形成复合双极板。由于致密石墨板的导电性高于任何一种石墨填充的导电塑料板，同时，致密石墨板表面易于加工制备电解液导流结构；另一方面，工程塑料板具有良好的弹性和韧性，避免石墨材料质脆易碎的缺点。该双极板用于液流电池，通过在一块工程塑料板中央嵌入多块致密石墨板的方法，容易实现双极板的密封和工程放大，完全避免电堆中的电解液内漏与外泄。通过在致密石墨板表面刻制导流沟槽，实现电解液中的活性物质在双极板表面的均匀流动，增大电化学反应界面面积，促进电化学氧化还原反应，提高液流电池电流密度。利用本发明的液流电池双极板结构，克服石墨材料质脆易碎的缺点，实现液流电池双极板工程放大，有效降低液流电池双极板电阻，同时兼顾电解液在电极上的均匀分布，明显提高全钒液流电池中电能与化学能的转化和储存效率。
发明内容
本发明目的在于提供一种液流电池的新型双极板，发挥致密石墨板导电性好、耐电化学腐蚀性强的特长，克服质脆易碎的缺点。降低液流电池内阻，提高电能与化学能的转化和储存效率。
本发明的特征在于：
1.含有工程塑料板和致密石墨板，所述致密石墨板嵌入并贯穿工程塑料板中央部位，该致密石墨板前后两侧表面分别刻有形状相同的导流沟槽，该导流沟槽的两端分别与位于该工程塑料板的前后两侧表面边缘的通孔相连，该通孔提供分别在致密石墨板前后两侧表面刻成的所述导流沟槽内流过的阳极电解液和阴极电解液的通道。
2.所述导流沟槽采用串连方式连接。
3.所述导流沟槽采用并连方式连接。
4.所述导流沟槽采用串连与并连混合的连接方式。
5.所述导流沟槽的脊宽∶槽宽在1∶0.5至1∶6之间。
6.所述嵌入并贯穿工程塑料板的致密石墨板为一块，或者为多块。
7.所述工程塑料板和致密石墨板相互之间呈台阶形连接配合的。
8.所述工程塑料板和致密石墨板相互之间是通过粘结方式连接并密封的。
9.所述工程塑料板的材料采用下列材料中的任何种类：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、以及ABS工程塑料。
该双极板用于液流电池，发挥致密石墨板材料导电性好、耐电化学腐蚀特长。利用工程塑料板构成密封部分，克服致密石墨板质脆易碎的缺点，容易实现电堆的密封和工程放大，完全避免电解液内漏与外泄。通过在致密石墨板表面刻制导流沟槽，实现电解液中的活性物质在双极板表面的均匀流动，增大电化学反应界面面积，促进电化学氧化还原反应，提高液流电池电流密度。利用本发明的新型双极板结构，有效降低液流电池双极板电阻，同时兼顾电解液在电极上的均匀分布，为进一步工业生产奠定基础。
附图说明
图1.液流电池复合双极板搭接方式：a——聚氯乙烯板，b——致密石墨板；
图2.液流电池并连导流槽双极板：a——聚氯乙烯板，b——致密石墨板；
图3.液流电池串连导流槽双极板：a——聚氯乙烯板，b——致密石墨板；
图4.液流电池串并连导流槽双极板：a——聚氯乙烯板，b——致密石墨板；
图5.液流电池的组合放大后双极板：a——聚氯乙烯板，b——致密石墨板。
具体实施方式
将市售的致密石墨板，经过表面刻槽加工后，嵌入并贯穿聚氯乙稀工程塑料板，粘结后形成复合双极板。由于致密石墨的导电性高于任何一种石墨填充的导电塑料板，同时，耐电化学腐蚀性能高于金属材料，致密石墨板表面易于加工制备电解液导流结构；另一方面，聚氯乙稀工程塑料具有良好的弹性和韧性，避免石墨材料质脆易碎的缺点，实现良好密封。通过在工程塑料板中嵌入一块、或者多块致密石墨板，实现该双极板的工程放大；利用双极板材料特性实现电堆的自密封，减少部件数量，完全避免电解液内漏与外泄；通过工程塑料板和致密石墨板之间的台阶状搭结方式增大粘结时的接触面积，增强双极板密闭性和机械强度(图1所示)。以下把本发明所述的液流电池双极板结构详述如下。
实施例一：使用厚度为10mm的聚氯乙烯工程塑料板，中间部分嵌入1块厚度为8mm的致密石墨板，所述致密石墨板两侧可由深度3mm，宽度3mm的沟槽；聚氯乙烯工程塑料板和致密石墨板之间采用台阶状搭结方式，接触面宽度10mm。致密石墨板前后两侧形状相同的导流沟槽由一条主流道和平行并连的分支流道彼此连接构成，最后又归入同一条主流道后使电解液流出(图2所示)。使用聚氯乙烯板粘结胶将两者粘结。
实施例二：使用厚度为10mm的聚氯乙烯工程塑料板，中间部分嵌入1块厚度为8mm的致密石墨板，所述致密石墨板两侧刻有电解液导流沟槽；聚氯乙烯工程塑料板和致密石墨板之间采用搭结方式，接触面宽度12mm。致密石墨板前后两侧形状相同的导流沟槽由一条曲折连接的流道构成，所述流道深度3mm，宽度5mm(图3所示)。使用聚氯乙烯板板粘结胶和环氧树脂粘结剂将两者粘结。
实施例三：使用厚度为10mm的聚氯乙烯工程塑料板，中间部分嵌入1块厚度为8mm的致密石墨板，所述致密石墨板两侧刻有电解液导流沟槽；聚氯乙烯工程塑料板和致密石墨板之间采用搭结方式，接触面宽度12mm。致密石墨板前后两侧形状相同的导流沟槽采用串连与并连混合方式构成，所述流道深度3mm，宽度3mm(图4所示)。使用聚氯乙烯板粘结胶和环氧树脂粘结剂将两者粘结。
实施例四：使用厚度为10mm的聚氯乙烯工程塑料板，中间部分嵌入4块厚度为8mm的致密石墨板，每块致密石墨板长度430mm，宽度300mm，组成的双极板长度1000mm，宽度650mm，实现双极板面积放大。聚氯乙烯工程塑料板和致密石墨板之间采用搭结方式，接触面宽度15mm。使用聚氯乙烯板粘结胶将两者粘结(图5所示)。
通过上述实施例给出的方式，能够制成任意面积、任意导流槽形状的液流电池双极板。发挥石墨材料导电性好、耐电化学腐蚀特长，克服石墨材料质脆易碎的缺点。双极板有利于电解液的均匀分布，促进活性物质和电极充分接触，增大电化学反应界面面积，提高电化学氧化还原反应速度。克服以往的液流电池双极板加工复杂，导电性差的缺点，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。
Claims (9)
1.一种液流电池的双极板，其特征在于，含有工程塑料板和致密石墨板，所述致密石墨板嵌入并贯穿工程塑料板中央部位，该致密石墨板前后两侧表面分别刻有形状相同的导流沟槽，该导流沟槽的两端分别与位于该工程塑料板的前后两侧表面边缘的通孔相连，该通孔提供分别在致密石墨板前后两侧表面刻成的所述导流沟槽内流过的阳极电解液和阴极电解液的通道。
2.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板，其特征在于，所述导流沟槽采用串连方式连接。
3.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板，其特征在于，所述导流沟槽采用并连方式连接。
4.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板，其特征在于，所述导流沟槽采用串连与并连混合的连接方式。
5.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板，其特征在于，所述导流沟槽的脊宽：槽宽在1∶0.5至1∶6之间。
6.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板，其特征在于，所述嵌入并贯穿工程塑料板的致密石墨板为一块，或者为多块。
7.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板，其特征在于，所述工程塑料板和致密石墨板相互之间呈台阶形连接配合的。
8.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板，其特征在于，所述工程塑料板和致密石墨板相互之间是通过粘结方式连接并密封的。
9.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板，其特征在于，所述工程塑料板的材料采用下列材料中的任何种类：聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、以及ABS工程塑料。
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