CN102034993A - 一种液流电池电极框架 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种液流电池电极框架，包括：框体部，由电极材料板隔离为正极液区和负极液区；以及液流部，设置在所述框体部外部，包括：正极进液口，与所述正极液区连通，正极电解液由此流入所述正极液区；正极出液口，与所述正极液区连通，正极电解液由此流出所述正极液区；负极进液口，与所述负极液区连通，负极电解液由此流入所述负极液区；和负极出液口，与所述负极液区连通，负极电解液由此流出所述负极液区；所述正极进液口和正极出液口，与所述负极进液口和负极出液口相互隔离。

Description

一种液流电池电极框架

技术领域

本发明涉及一种液流电池电极框架，尤其涉及一种全钒液流电池电极框架。

背景技术

液流电池具有设计功率大、使用寿命长、无污染的特点，是大型储能系统的重要选择，其中，全钒液流电池是目前国内外关注最多的一种液流电池。

在全钒液流电池的体系中，电极框架起到了十分重要的作用。因为全钒液流电池的正负极活性物质是液态的电解液，通过电极框架来构建一个封闭的空间，来使电解液在其中流动并发生电化学反应而不渗漏。同时，优良的电极框架还具有分配电解液的作用，可减少电解液流动不畅的现象，提高全钒液流电池的性能。电极框架的结构对全钒液流电池的寿命和性能具有重要影响，迫切需要新型的全钒液流电池电极框架。

传统的全钒液流电池电极框架，主要包括直接进液，平面密封，电极框架、双极板、密封材料、离子交换膜大小相同并在同一位置打孔以构建电解液的公共流道，电池组装的过程中需要将孔精确对准等（请参见US 2004/0202915A1）。这种传统的电极框架，具有多种缺点：（1）面密封效果不够理想，经常由于接触面的不平整，导致在电极框架与密封材料之间产生电解液渗漏的问题；（2）在多种材料的同一位置打孔难度较大，即便可以精确打孔，在组装的过程中也难以做到将孔精确对准，组装难度很大；（3）离子交换膜由于含水量的变化，部分离子交换膜发生溶胀，从而堵塞公共流道，电极框架内发生电解液供给不足的现象，导致电池极化严重；（4）直接进液的方法缺少液体分配流道，电解液在电极框架内容易分配不均而产生死角，导致电池局部电压过高，使双极板和电极材料发生腐蚀，极大地减小了电池的寿命；（5）离子交换膜外形和尺寸与电极框架相当，但相当一部分未起到离子传导的作用，造成离子交换膜的浪费，电池成本升高。

上述缺点使得全钒液流电池容易发生电解液渗漏，以致产生电池寿命较短，性能不够好，电池成本高，组装难度大等多种问题，极大地减慢了全钒液流电池的工程放大进度，阻碍了全钒液流电池的工业化步伐。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是一种新的全钒液流电池电极框架，不需要对离子交换膜进行打孔，就可以实现较为紧密的密封以及液流的畅通流动，也降低了电池的组装难度。

本发明提供一种全钒液流电池电极框架，包括： 

框体部，由电极材料板隔离为正极液区和负极液区；以及

液流部，设置在所述框体部外部，包括：

正极进液口，与所述正极液区连通，正极电解液由此流入所述正极液区；

正极出液口，与所述正极液区连通，正极电解液由此流出所述正极液区；

负极进液口，与所述负极液区连通，负极电解液由此流入所述负极液区；和

负极出液口，与所述负极液区连通，负极电解液由此流出所述负极液区；

所述正极进液口和正极出液口，与所述负极进液口和负极出液口相互隔离。

采用上述技术方案，由电极材料板将全钒液流电池电极框架隔离成正极液区和负极液区，而在实际应用的时候，离子交换膜只需分别封闭相应的正极液区和负极液区即可，这样结构简单，安装可靠，也不需要对离子交换膜进行打孔。

其中，电极框架由两个大小和形状完全相同的框体组成。框体的嵌合面可放置电极材料板，将电极框架隔离为正极液区和负极液区。

与现有技术相比，上述技术方案的优点包括：由于不需要对离子交换膜进行打孔，不仅加工简单，组装简单，而且避免了离子交换膜产生溶胀的问题，不会影响电解液的流动，提高了全钒液流电池的效率。

另外，离子交换膜的大小、形状仅需与正极液区和负极液区的形状相当，离子交换膜的利用率很高，减小了离子交换膜的浪费，极大地降低电池了成本。

本发明的优选实施例中，所述正极进液口和正极出液口通过设置在所述正极液区的上下两端的液流通道分别与所述正极液区连通；所述负极进液口和负极出液口通过设置在所述负极液区的上下两端的液流通道分别与所述负极液区连通。

其中，液流通道可以由多个相互靠近的液流小道组成，该液流小道的面积、数目、位置可以自由设计。所述液流通道的宽度与其所在的边壁的宽度比，以及其大小等均可任意设计以适应不同的需求。

进一步的，沿所述正极液区的顶部边缘设置有第一内密封装置；当离子交换膜封于所述正极液区的顶部时，与所述第一内密封装置紧密连接，以封住所述正极液区的顶部；

沿所述负极液区的顶部边缘设置有第二内密封装置；当离子交换膜封于所述负极液区的顶部时，与所述第二内密封装置紧密连接，以封住所述负极液区的顶部。

优选的，所述第一内密封装置和第二内密封装置分别采用两条相互靠近的线密封槽和两条与所述线密封槽相应的密封条。

线密封槽为两条可以进一步增加密封性。实验表明，一条的密封效果不是太好，过多条的线密封槽是多余的，增加组装难度的，上述措施是较优的实施例。

采用上述技术措施后，离子交换膜能够很方便的封闭所述正极液区和负极液区；这样，当所述液流电池电极框架相互重叠的时候，能够很方便的固定住该离子交换膜。

进一步的，所述第一内密封装置和第二内密封装置分别采用线密封槽和与之相应的密封条。

其中，密封条最好选用耐酸、耐腐蚀的材质制成，例如氟橡胶。

在上述技术方案的一个优选例中，所述正极液区和负极液区的形状为矩形；所述正极进液口和正极出液口分别与所述正极液区相对的边壁连通；所述负极进液口和负极出液口分别与所述负极液区相对的边壁连通。

进一步的，沿所述正极液区、正极进液口和正极出液口的外包络线，设置有第一外密封装置，当两个所述的液流电池电极框架的一面相互重叠的时候，两个所述的液流电池电极框架的第一外密封装置相互紧密结合；

沿所述负极液区、负极进液口和负极出液口的外包络线，设置有第二外密封装置，当两个所述的液流电池电极框架的一面相互重叠的时候，两个所述的液流电池电极框架的第二外密封装置相互紧密连接。

其中，所述负极液区、负极进液口和负极出液口的外包络线是指，把所述负极液区、负极进液口和负极出液口所占据的平面分布看成一个整体，对该整体的外包络线。

采用上述技术措施，通过对密封装置的巧妙设置从而提高了密封的效果，也同时提高离子交换膜的利用率，降低液流电池成本的同时离子交换膜也无需打孔，降低了电堆的组装难度。

这样的液流通道的设计则使电解液在电极框架中流动分布更加均匀，电池内部极化小，提高了全钒液流电池的寿命；同时减小了单电池之间的性能差异，提高了全钒液流电池的性能。

进一步的，所述第一外密封装置和第二外密封装置分别采用线密封槽和与之相应的氟橡胶密封条。

在上述技术方案的一个优选例中，所述液流框的四角分别设置有用于相互叠加的所述液流电池电极框架相互对准的定位孔。

定位孔的设置大大降低了电堆的组装难度，无需花精力在对准电极框架上，有利于全钒液流电池的工业化。

在上述技术方案的一个优选例中，所述电极材料板包括：双极板，和附于所述双极板表面的电极材料层；所述双极板采用高密度石墨板，所述电极材料层采用碳毡。

附图说明

图1是本发明液流电池电极框架的一种实施例中液流面的平面示意图；

图2是本发明液流电池电极框架的一种实施例中嵌合面的平面示意图；

图3是图1的局部放大示意图；

图4是本发明液流电池电极框架的一种实施例中框架与离子交换膜连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的较优的实施例作进一步的详细说明：

如图1、图2、图3和图4所示，为一种全钒液流电池电极框架，该框架21包括：框体部和液流部。

其中，框体部的中空部分由设置在其中的电极材料板22隔离成两个不相连通的区域，即用于盛装正极电解液的正极液区和用于盛装负极电解液的负极液区。在图1，仅能看到这两个区域中的一个，另一个在其背面。负极液区与正极液区是对称设置的。

该实施例中，框体部可以由两个大小和形状完全相同的框体组成。框体的嵌合面可放置电极材料板，将该框体部隔离为正极液区和负极液区。

框体部的深度根据不同场合的需求，和电极材料板的厚度不同而有所变化，该厚度范围可为5至30毫米，优选为10至20毫米。

在液流框的下端分别设置有正极进液口23和负极进液口24，在其上端设置有正极出液口25和负极出液口26。

所述正极液区、负极液区和相应的液流部和框体部的形状都为矩形。所述正极进液口23和正极出液口25分别通过液流通道27与所述正极液区相对的边壁连通；所述负极进液口24和负极出液口26分别通过液流通道27与所述负极液区相对的边壁连通。

正极进液口23、负极进液口24、正极出液口25和负极出液口26的大小和位置可任意设置，根据液流电池电极框架的外形的不同和场合的不同而进行合理设计，优选的设置方式为使正极进液口23和正极出液口25、负极进液口24和负极出液口26分别位于框体部的两个对角的方向上，这可使电解液在框体部内的流动分布更加均匀，减小全钒液流电池的极化现象，提高全钒液流电池的性能。

液流通道27的宽度与正极液区或负极液区的边壁的宽度比例可以按需求任意设置。当电解液从正极进液口23流入液流通道27或者从液流通道27进入正极出液口25时，该液流通道27对电解液的流动方向产生导向的作用，使电解液的流速加快，而且分布均匀，提高了电解液流动的一致性，减小了单电池之间的差异，提高了全钒液流电池的均一性。液流通道27可以根据不同场合的需求来进行设计。液流道27的宽度占框体21宽度的比例可为20-95%，液流通道分支的宽度、分支间隔大小等均可任意设计以适应不同的需求。液流通道27的设计自由也是本发明的优点之一。

如图1、图3和图4所示，沿所述正极液区的顶部边缘设置有第一内密封装置29；当离子交换膜封于所述正极液区的顶部时，与所述第一内密封装置29紧密连接，以封住所述正极液区的顶部。

相应的，沿所述负极液区的顶部边缘设置有第二内密封装置（图中未示出）；当离子交换膜封于所述负极液区的顶部时，与所述第二内密封装置紧密连接，以封住所述负极液区的顶部。

内密封装置29采用线密封槽和与之相应的氟橡胶密封条，线密封槽的深度为0.3至3毫米，宽度为0.5至5毫米。使用线密封的方法，可以取得比传统的面密封更好的密封效果，更好地把电解液密封在框体部的中空部分之中，且不容易渗漏。

沿所述正极液区、正极进液口23和正极出液口25的外包络线，设置有第一外密封装置28。当两个所述的液流电池电极框架的正极液区的一面相互重叠的时候，两个所述的液流电池电极框架的第一外密封装置28相互紧密连接。

相应的，沿所述负极液区、负极进液口24和负极出液口26的外包络线，设置有第二外密封装置（图中未示出），当两个所述的液流电池电极框架的一面相互重叠的时候，两个所述的液流电池电极框架的第二外密封装置相互紧密连接。

外密封装置29采用线密封槽和与之相应的氟橡胶密封条，线密封槽的深度为0.3至3毫米，宽度为0.5至5毫米，起到防止电解液外渗的作用。

尤其参见图4所示，第一外线密封槽28相互紧密接触，而第一内线密封槽29则与离子交换膜1紧密接触，在一定的组装压力下实现密封，有效的隔离了正负极电解液。

内线密封槽的设计使离子交换膜无需打孔即可组装，而且离子交换膜的大小、形状与内线密封槽相当，离子交换膜的利用率很高，减小了离子交换膜的浪费，极大地降低电池了成本。

如图1和图2所示，该框体21的四个角上分别设置有一个定位孔30，每个角上一个，该定位孔30垂直于框体21完全打穿，孔的大小及形状可以任意设计，比如为圆形、椭圆形、矩形、三角形、十字形等。在组装电堆的时候，四个定位孔30可以很好的把多个电极框架精确重叠，无需花精力在对准电极框架上，大大降低了组装难度，有利于全钒液流电池的工业化生产。

框架21为两个相互对称的框体相互粘贴而成，如图2所示为其中一个框体。框体之间的相互嵌合结构十分简单，除了正极进液口23、负极进液口24、正极出液口25和负极出液口26以及定位孔30等孔结构相互对称以外，可以在中空部分设置了一个下凹的平台31以放置电极材料板22。该平台31的宽度、深度可以根据电极材料板22的大小、厚度来设计，灵活多变，可以适应不同场合的需求。平台31的宽度范围为1至10毫米，优选为3至8毫米，深度范围为0.5至5毫米，优选为1至3毫米。

将电极材料板22置于两个部件之间的下凹平台31中，两个嵌合面相对紧密连接，则所形成的电极框架将自动呈中心对称结构。

另外一种制作方法是以电极材料板22为核心，通过注塑法直接形成框架21。本发明的电极框架成型后为中心对称结构，无论是将电极框架水平转动180度，还是翻转180度，电极框架的液流面的结构维持一致，组装电堆时无需考虑电极框架的上下左右，直接组装即可，大大降低了组装难度，有利于液流电池的工业化生产。

具体来说，可以包括以下实施例：

实施例1：

框架21：采用机械加工雕刻法形成两个框体，将两个框体紧密连接后形成成型的框架21。该框架21的长度为370mm，宽度为310mm，框体厚度为8mm，框体材质为PVC（聚氯乙烯）。

框体部中的正极液区和负极液区：长度为270mm，宽度为270mm。

线密封槽尺寸：槽深度为1.5mm，槽宽度为3mm，线密封槽中心距正极液区或负极液区的边缘距离为4.5mm。

密封条：截面尺寸的深度为2mm，宽度为3mm，材料为氟橡胶。

电极材料板包括：双极板，和附于所述双极板表面的电极材料层；所述双极板采用高密度石墨板，所述电极材料层采用碳毡。

离子交换膜尺寸：长度为290mm，宽度为290mm。

单电池数：10个。

所组装的电堆充放电的库伦效率为92.1%，电压效率为89%，能量效率为82.0%。

实施例2：

框架21：采用机械加工雕刻法形成两个框体，将两个框体紧密连接后形成成型的框架21。该框架21的长度为680mm，宽度为620mm，框体厚度为8mm，框体材质为ABS工程塑料。

框体部中的正极液区和负极液区：长度为580mm，宽度为580mm。

线密封槽尺寸：槽深度为1.5mm，槽宽度为3mm，线密封槽中心正极液区或负极液区的边缘距离为4.5mm。

密封条：截面尺寸的深度为2mm，宽度为3mm，材料为氟橡胶。

电极材料板包括：双极板，和附于所述双极板表面的电极材料层；所述双极板采用高密度石墨板，所述电极材料层采用碳毡。

离子交换膜尺寸：长度为600mm，宽度为600mm。

单电池数：20个。

所组装的电堆充放电的库伦效率为90.9%，电压效率为88%，能量效率为80.0%。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种液流电池电极框架，其特征在于，包括： 

框体部，由电极材料板隔离为正极液区和负极液区；以及

液流部，设置在所述框体部的外部，包括：

正极进液口，与所述正极液区连通，正极电解液由此流入所述正极液区；

正极出液口，与所述正极液区连通，正极电解液由此流出所述正极液区；

负极进液口，与所述负极液区连通，负极电解液由此流入所述负极液区；和

负极出液口，与所述负极液区连通，负极电解液由此流出所述负极液区；

所述正极进液口和正极出液口，与所述负极进液口和负极出液口相互隔离。

2.如权利要求1所述的液流电池电极框架，其特征在于，所述正极进液口和正极出液口分别通过设置在所述正极液区的上下两端的液流通道分别与所述正极液区连通；所述负极进液口和负极出液口通过设置在所述负极液区的上下两端的液流通道分别与所述负极液区连通。

3.如权利要求2所述的液流电池电极框架，其特征在于，

沿所述正极液区的顶部边缘设置有第一内密封装置；当离子交换膜封于所述正极液区的顶部时，与所述第一内密封装置紧密连接，以封住所述正极液区的顶部；

沿所述负极液区的顶部边缘设置有第二内密封装置；当离子交换膜封于所述负极液区的顶部时，与所述第二内密封装置紧密连接，以封住所述负极液区的顶部。

4.如权利要求3所述的液流电池电极框架，其特征在于，所述第一内密封装置和第二内密封装置分别采用线密封槽和与所述线密封槽相应的密封条。

5.如权利要求4所述的液流电池电极框架，其特征在于，所述第一内密封装置和第二内密封装置分别采用两条相互靠近的线密封槽和两条与所述线密封槽相应的密封条。

6.如权利要求2所述的液流电池电极框架，其特征在于，所述正极进液口和正极出液口分别包括：相互靠近的若干个液流小道，与所述正极液区相对的两端的边壁连通；所述负极进液口和负极出液口分别包括：相互靠近的若干个液流小道，与所述负极液区相对的边壁连通。

7.如权利要求6所述的液流电池电极框架，其特征在于，在所述正极液区的液流通道，分别靠近所述正极液区相对的两角设置；在所述负极液区的液流通道，分别靠近所述负极液区相对的两角设置。

8.如权利要求6所述的液流电池电极框架，其特征在于，

沿所述正极液区、正极进液口和正极出液口的外包络线，设置有第一外密封装置，当两个所述的液流电池电极框架的一面相互重叠的时候，两个所述的液流电池电极框架的第一外密封装置相互紧密连接；

沿所述负极液区、负极进液口和负极出液口的外包络线，设置有第二外密封装置，当两个所述的液流电池电极框架的一面相互重叠的时候，两个所述的液流电池电极框架的第二外密封装置相互紧密连接。

9.如权利要求8所述的液流电池电极框架，其特征在于，所述第一外密封装置和第二外密封装置分别采用两条相互靠近的线密封槽和与所述线密封槽相应的密封条。

10.如权利要求1所述的液流电池电极框架，其特征在于，所述电极材料板包括：双极板，和附于所述双极板表面的电极材料层。

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