CN102569833A - 液流电池双极板 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液流电池双极板结构，主要包括三个组件：工程塑料边框、贯穿边框的导电双极板和夹在两块边框之间的垫片，工程塑料边框采用耐腐蚀性较好的工程塑料，并在进出口刻有延长电解液与导电石墨接触距离的流道，电解液经该流道进出电池；导电双极板采用高密度石墨板，在石墨板的两侧表面刻有适合液流电池电解液分配的导流槽；垫片采用耐腐蚀性较好的工程塑料，并在垫片上刻有与边框上一致的进出口三组件之间采用硅橡胶等耐腐蚀性较好的胶水以粘合的方式组合成夹心式双极板：石墨双极板和垫片在中间，两个边框在上下两侧。本发明可适用于以石墨毡作为电极以及碳布作为电极的液流电池。

Description

液流电池双极板

技术领域

本发明涉及一种化学能转化为电能的装置，特别是用于加工制造液流电池双极板。

背景技术

全钒液流电池(all vanadium redox flow battery，简称VRB)采用钒电解液体系，正、负极活性物质存在于氧化还原电解液中。全钒氧化还原液流电池系统包括两个具有不同氧化状态钒离子的电解液存储罐，分别是正极V(IV)/V(V)和负极V(II)/V(III)氧化还原电极对。电解液由泵在存储罐和电堆之间循环输送。电堆包括多个电池组，每个电池组具有两个半电池部分，由质子交换膜隔开。在半电池组中，电化学反应是在碳板电极上进行的，产生电流对电池进行充放电。VRB不仅可以作为太阳能、风能发电系统的配套储能设备，还可以作为电网的调峰装置，平抑电网负荷波动，保障电网安全。VRB系统不受地域限制，可以方便地构成大规模蓄电储能系统。与其他二次电池相比，钒电池具有显著的特性：充放电次数可达10000次(20年)以上；通过更换荷电的电解液，可实现瞬间再充电；功率单元与容量单元分开，高达兆瓦级输出功率；绿色环保无污染，电池可完全回收，放电深度高达80％以上；支持过冲过放而不损坏电池；电池很少需要维护，寿命很长。

目前，全钒氧化还原液流电池进入实用性阶段，通过对能源高效转换存储，保证稳定的电功率输出，改善电网安全性和可靠性，以及为大规模风力和光伏发电提供储能电源。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种具有结构简单、制造方便、密封可靠、电堆在组装过程中耐压以及电堆活性面积灵活可调等优点，克服了大面积石墨板不容易加工、易碎的缺点，并可适用于以石墨毡作为电极以及碳布作为电极的液流电池双极板。

本发明为解决其技术问题而采用的技术方案为：由于电解液的导电性和强腐蚀性，本发明采用耐腐蚀性好的PVC等工程塑料作为边框和垫片。为降低电池在充放电过程中相邻电池间石墨板上的短路电流，在工程塑料边框上刻有延长电解液接触石墨板距离的流道，可有效降低由于电解液的导电性造成的短路电流。为防止双极板在组装电池时双极板的互漏和外漏现象，本发明采用密封粘合夹心式，石墨双极板边沿加工成凸形，嵌入前后两块工程塑料边框内部。这种设计可以有效地避免组装过程中石墨双极板与边框由于外力作用发生脱落，而且避免了因双极板造成的电池互漏和外漏现象。具体的技术方案如下：

本发明提供了一种全钒液流电池双极板的新型设计结构，双极板结构主要包括三个组件：工程塑料边框、导电双极板以及垫片，

所述工程塑料边框采用耐腐蚀性较好的工程塑料，并在进出口刻有延长电解液与导电石墨接触距离的流道，有利于减小石墨板的电化学腐蚀。在工程塑料边框的背面刻有密封槽，用以涂布密封胶；设计工程塑料边框的厚度高出石墨板一定高度，可以使双极板适用于石墨毡电极和碳布电极等；

导电双极板采用高密度石墨板，在石墨板的表面刻有适合液流电池电解液分配的流场。导电板加工成凸形，嵌入前后两块工程塑料边框内部；垫片同样采用耐腐蚀性较好的工程塑料，并在垫片上刻有进出流道口，垫片的外形与工程塑料边框的进出流道口部分相同。三组件之间采用硅橡胶等耐腐蚀性较好的胶水以粘合的方式组合成夹心式双极板。本发明可以适用于以石墨毡作为电极以及碳布作为电极的液流电池。

本发明上述全钒液流电池双极板的新型设计结构中，在石墨板的表面刻有适合液流电池电解液分配的流场；导流槽的脊宽∶槽宽在1∶1至1∶7之间；导电石墨板的长∶宽在1∶1至3∶1之间。电池在组装过程中，为保证电池具有足够小的接触电阻，石墨毡的压缩量(压缩量＝压缩后的石墨毡厚度/压缩前的厚度)控制在1至3.5之间。工程塑料边框上进口导流槽距离电解液接触导电双极板有一段较长的距离。

本发明上述全钒液流电池双极板的新型设计结构中，导电双极板嵌入两个工程塑料边框内部，嵌入边框的尺寸与边框内部镂空部分尺寸相同。整个双极板呈夹心状。在组合过程中须在进出口垫一垫片，该垫片设计应与边框的进出口设计相同，厚度应与嵌入塑料边框的石墨板厚度相同。该垫片的作用主要是用来平衡导电石墨板在边框内的厚度，防止电解液接触导电石墨板。工程塑料边框、垫片以及导电石墨双极板之间通过耐腐蚀胶水粘结密封。工程塑料边框、垫片以及导电石墨双极板之间的粘结采用以下胶水中的任何种类：硅橡胶、环氧树脂等。根据需要可以将工程塑料边框设计成两个或多个并联或串联的双极板，所述设计一方面可以降低石墨板加工难度，增加石墨板加工的成功率，降低成本；另一方面可以设计任意形状、任意大小、任意组合方式的双极板。

附图说明

图1是本发明液流电池石墨双极板的整体结构图。

图2是本发明液流电池石墨毡用双极板截面图。

图3是.本发明适用于碳布用双极板的截面示意图。

图4是本发明液流电池石墨双极板中垫片的结构示意图。

图5A是本发明液流电池石墨双极板中双极板边框正面图。

图5B是本发明液流电池石墨双极板中双极板边框反面图。

图6是本发明液流电池石墨双极板中双极板流场图。

图7A是并联/串联双极板边框正面图。

图7B是并联/串联双极板边框反面图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

将市售石墨板，经过表面刻槽加工成如图1、图2中导电板C的形状。将市售的聚氯乙烯板加工成如图5A和图5B的形状。选择厚度与嵌入边框的石墨板厚度一致的聚氯乙烯板，加工成如图4的形状。然后将导电板C嵌入并贯穿前聚氯乙烯边框板，在聚氯乙烯边框背面密封槽中涂密封胶胶水，利用边框上的进出流道口A1作为粘合时的定位孔。再将另外一张聚氯乙烯边框套在导电石墨板另一边。在一定压力下将导电板C、垫片B和前后两块框架A压合，挤出多余的密封胶。静置一段时间待密封胶胶水凝固，清理后待用。

以下结合示意图把本实施例所述的液流电池双极板结构详述如下：

如图1所示，全钒液流电池双极板的新型设计结构主要包括三个组件：工程塑料边框A、导电双极板C以及垫片B。所述工程塑料边框采用耐腐蚀性较好的工程塑料，并在进出流道口A1刻有延长电解液与导电石墨接触的距离A3，有利于减小石墨板的电化学腐蚀。在边框的背面刻有密封槽A2，用以涂布密封胶；导电双极板采用高密度石墨板，在石墨板的表面刻有适合液流电池电解液分配的流场(如图6所示)；垫片B同样采用耐腐蚀性较好的工程塑料，并在垫片上刻有进出流道口，垫片的外形与边框的进出流道口部分相同。三组件之间采用硅橡胶等耐腐蚀性较好的胶水以粘合的方式组合成夹心式双极板。该设计可以适用于以石墨毡作为电极以及碳布作为电极的液流电池。

如图2所示，由于石墨毡厚度在3mm-10mm之间，石墨毡在电池组装中有一定的压缩量。为保证电池的接触电阻尽量的小，石墨毡的压缩量应在1至3.5之间。因而边框的厚度要比石墨板的厚度大，边框厚出的部分即为石墨毡压缩后的厚度。

如图3所示，双极板经密封胶粘合后，两侧PVC边框的厚度与石墨板相平。

如图4所示，该垫片长与边框横向长一致，宽是边框宽与石墨板宽的差值。垫片的电解液进出口对应边框的进出流道口。

如图5A所示，A1是电解液的进出流道口，电解液进入后经绝缘流道A3进入导电石墨双极板。所述设计可以有效地降低导电石墨双极板的电化学腐蚀。

如图5B所示，密封胶均匀涂布在密封槽A2中。该设计中，将石墨双极板嵌入涂有密封胶的边框A，然后垫上垫片，最后将另一面边框套上石墨双极板。将初步组装好的的双极板放入压机，以一定的压力将多余的密封胶挤出，保持压力待密封胶凝固后取出，清理后待用。

图7A是并联/串联双极板边框正面图。由于加工水平和材料本身的限制，在加工大面积的双极板过程中会出现石墨板断裂、组装电池困难等难题，因而采用图7所示的方式，可以加工更大面积的石墨双极板，避免了原料浪费，提高加工成功率，降低成本。更大面积的双极板同样可以采用这种方式，或并联或串联。避免由于电极面积过大而造成的电解液分配不均匀、电池性能下降等缺点。

图7B并联/串联双极板边框反面图。密封胶均匀涂布在密封槽A2中，将两块石墨双极板嵌入边框中，用压机以一定压力压合。

通过上述设计方式，能够制作成任意面积、任意导流槽和形状的液流电池双极板。发挥石墨双极板导电性好的优点，克服了石墨材料易碎的缺点。由于边框设计的灵活性，对电极材料可以选用石墨毡，也可以选用导电性能更佳的碳布材料。边框选用机械性能较好的PVC等材料，因此双极板在组装成电池过程中的抗压能力很强，有效地避免电堆外漏现象的发生。另外由于双极板采用双层夹心设计，有效避免互漏现象的发生。

Claims (9)

1.一种液流电池双极板，其特征在于，包括工程塑料边框[A]、导电双极板[C]和工程塑料垫片[B]，其中：

工程塑料边框在进出口[A1]刻有延长电解液与导电石墨接触距离的流道[A3]，工程塑料边框的背面刻有密封槽[A2]，工程塑料边框的厚度高出导电双极板一定高度；

导电双极板采用高密度石墨板，在石墨板的两侧表面刻有适合液流电池电解液分配的导流槽；导电双极板边沿加工成凸形[C]，嵌入前后两块工程塑料边框内部；

工程塑料垫片[B]上刻有进出流道口；

工程塑料边框[A]、导电双极板[C]以及垫片[B]之间以粘结密封的方式组合成夹心式双极板。

2.根据权利要求1所述的液流电池双极板，其特征在于，导流槽的脊宽和槽宽之比在1∶1至1∶7之间；导电双极板的长和宽之比在1∶1至4∶1之间。

3.根据权利要求1所述的液流电池双极板，其特征在于，工程塑料边框设计成两个或多个并联或串联的双极板。

4.根据权利要求1所述的液流电池双极板，其特征在于，导电石墨板嵌入工程塑料边框的尺寸与工程塑料边框内部镂空部分尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的液流电池双极板，其特征在于，进出口[A1]设有垫片[C]，该垫片与工程塑料边框的进出口相适应，厚度与嵌入工程塑料边框的石墨板厚度相同。

6.根据权利要求1所述的液流电池双极板，其特征在于，工程塑料边框、垫片以及导电双极板之间通过硅橡胶或环氧树脂粘结密封。

7.根据权利要求1所述的液流电池双极板，其特征在于，工程塑料边框以及工程塑料垫片的材质选自高密度聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯和ABS工程塑料。

8.权利要求1-7任何一项所述的液流电池双极板的用途，其特征在于，用于石墨毡电极或碳布电极。

9.根据权利要求8所述的液流电池双极板的用途，其特征在于，石墨毡的压缩量在1至3.5之间。

Images