CN102623719A - 带导流结构的液流电池边框和电堆及电堆的加工工艺 - Google Patents

带导流结构的液流电池边框和电堆及电堆的加工工艺 Download PDF

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孟琳
刘学军
陆克
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Abstract

本发明公开了一种带导流结构的液流电池边框和电堆及电堆的加工工艺，包括框体(1)、边框入口(2)、边框出口(3)、入口分流槽(4)和出口分流槽(5)，边框入口(2)和入口分流槽(4)设于框体(1)的上部，边框出口(3)和出口分流槽(5)设于框体(1)的下部，框体(1)的中部设有活性区域(6)，活性区域(6)分别通过入口分流槽(4)和出口分流槽(5)与边框入口(2)和边框出口(3)连接；活性区域(6)内设有导流场(7)；框体(1)的四周设有密封线(8)。本发明能够解决电池内结构变形的问题、同时起到电解液导流作用，使得电解液分配均匀，降低电极表面锌枝晶的生成概率，从而提高电池的性能和寿命。另外还具有安装简单，故障率低的优点。

Description

带导流结构的液流电池边框和电堆及电堆的加工工艺
技术领域
本发明涉及一种带导流结构的液流电池边框和电堆及电堆的加工工艺，属于锌溴液流电池领域。
背景技术
随着全球环境的不断恶化和人们对环境问题的重视，开发新型的环境友好的清洁能源迫在眉睫，氧化还原液流电池(Redox flow battery)是近年来兴起的一种储能系统，它兼有普通电池和燃料电池的性能，有工作寿命和储存寿命长，快速充放电、放电深度性能好等优点，同时密闭的循环体系避开了与外界接触，避免了对环境的污染，电极材料不必使用贵重的金属催化剂等。因此，实现规模化高效储能，加快经济发展，开发研制氧化还原液流电池意义重大。
锌溴液流电池可以解决上述电池的缺点，但是锌溴液流电池也存在着一些技术问题，如溴和溴盐的水溶液对电池材料具有较强的腐蚀性，在锌沉积过程中在电极上容易形成枝晶，且枝晶生长会穿透隔膜造成电池内部短路而失效。在传统技术中，为降低腐蚀，通常使用导电塑料作为电极的主要材料，由于导电塑料电阻率较高，因此采取降低电极厚度及电极距离的方法来降低电池内阻。但往往由于极板材料钢性不足，导致电极结构坍塌，堵塞电解液无法通过而使电池性能大幅下降。同时伴随电解液的不均匀分配而在负极表面锌枝晶迅速生长，堵塞电解液，甚至穿透隔膜造成电池内部短路而完全失效。
明电舍株式会社在特开平10-64505中公开了一种锌溴液流电池隔膜结构，通过在电池隔膜上增加支撑节点，起到加固电极内结构的效果。其公开的典型隔膜厚度为0.4mm～1mm，加之隔膜在电解液中自身存在溶胀，因此虽然该设计可以起到稳定结构的作用，很难保证长时间工作中的结构稳定。而且，在较大活性面积的液流电池中无法起到导流的作用。
传统锌溴液流电池为了防止电池发生形变，在双极板和边框之间增加隔网，但是由于在使用过程中隔网会随着电解液的流动而发生位移，使得电池内部结构变化，而且几乎无导流作用；另外安装隔网会使电堆在组装过程中的故障率提高，在安装隔网时隔网容易错位，且不易检查，很有可能会造成电堆密封故障或性能下降。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种带导流结构的液流电池边框和电堆及电堆的加工工艺，它能够解决电池内结构变形的问题、同时起到电解液导流作用，使得电解液分配均匀，降低电极表面锌枝晶的生成概率，从而提高电池的性能和寿命。另外还具有安装简单，故障率低的优点。
本发明的技术方案：一种带导流结构的液流电池边框，包括框体、边框入口、边框出口、入口分流槽和出口分流槽，边框入口和入口分流槽设于框体的上部，边框出口和出口分流槽设于框体的下部，框体的中部设有活性区域，活性区域分别通过入口分流槽和出口分流槽与边框入口和边框出口连接；活性区域内设有导流场；框体的四周设有密封线。
前述的这种带导流结构的液流电池边框中，导流场由脊和流道组成，导流场的结构形式分为并联流场、串联流场和阻断型流场。
前述的这种带导流结构的液流电池边框中，所述流道的形状为“Z”形、“C”形或“U”形。
前述的这种带导流结构的液流电池边框中，框体的厚度为0.5mm～5mm。
前述的这种带导流结构的液流电池边框中，密封线的高度为0.01mm～0.5mm。
一种采用前述边框的液流电池电堆，包括依次排列的压板、一体化电极组件、不少于一个的一体化膜组件、一体化电极组件、压板，它们通过螺栓固定在一起；一体化电极组件由带导流结构的边框与双极板固定连接组成，一体化膜组件由带导流结构的边框与隔膜固定连接组成。
前述的这种液流电池电堆中，带导流结构的边框与双极板通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定连接在一起；带导流结构的边框与隔膜通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定连接在一起。
一种液流电池电堆的加工工艺，包括以下步骤，
步骤a，使用高分子塑料通过注塑、雕刻、冲压或机加工的方式制作带导流结构的液流电池边框；
步骤b，带导流结构的液流电池边框制作好后放入温盐溶液或碱溶液浸泡2小时～48小时；
步骤c，将浸泡后的带导流结构的液流电池边框用去离子水清洗表面残余溶液，然后自然风干；
步骤d，将风干后的带导流结构的液流电池边框与极板用导电塑料固定连接在一起，组成一体化电极组件；
步骤e，后将隔膜与带导流结构的液流电池边框固定连接在一起，组成一体化膜组件；
步骤f，按照压板，一体化电极组件，一个以上的一体化膜组件，一体化电极组件，压板的顺序安装，然后用螺栓紧固，压接正压力1～10t。
前述的这种液流电池电堆的加工工艺中，所述步骤d中带导流结构的液流电池边框与极板的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接；所述步骤e中隔膜与带导流结构的液流电池边框的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接。
前述的这种液流电池电堆的加工工艺中，所述步骤f中采用紧固螺栓固定时，紧固螺栓的扭矩为9～100Nm，紧固螺栓的数量为4～100个/平方米压板。
前述的这种液流电池电堆的加工工艺中，所述步骤f中采用紧固螺栓固定时，紧固螺栓的扭矩为35Nm，紧固螺栓的数量为55个/平方米压板。
与现有技术相比，本发明由于采用带导流结构的边框，有效防止电池内部结构发生变形，同时起到了导流的作用，使电解液能够均匀分配。还降低了电极表面锌枝晶的生成概率，使电池的性能提高了10％以上。
由于采用带导流结构的边框使电堆的成品故障率低，适合于自动化生产。
从结构上可简化入口分流槽的结构，降低模具费用和加工成本。
从电堆性能上看，如图5所示，为传统结构液流电池的充放电曲线，反应温度为常温，充放电电流均为30A，从图上我们可以看出，电池放电时间较短，几乎无放电平台，且放电曲线出现不平滑的陡降，计算该循环的效率低于60％。图6为本发明结构的液流电池充放电曲线，测试条件与图5相同，可以观察到电池放电曲线平滑，计算电池循环效率在70％以上。
附图说明
图1为带导流结构的液流电池边框的结构示意图；
图2为采用带导流结构的液流电池边框的电堆的结构示意图；
图3为一体化电极组件的剖面结构示意图；
图4为一体化膜组件的剖面结构示意图；
图5为传统电堆充放电性能曲线；
图6为本发明电堆充放电性能曲线；
图7为串联流场的结构示意图；
图8为并联流场的结构示意图；
图9为阻断型流场的结构示意图；
图10为“Z”形流道的结构示意图；
图11为“C”形流道的结构示意图；
图12为“U”形流道的结构示意图。
附图中的标记为：1-框体，2-边框入口，3-边框出口，4-入口分流槽，5-出口分流槽，6-活性区域，7-导流场，8-密封线，9-压板，10-一体化电极组件，11-隔膜，12-一体化膜组件，13-带导流结构的边框，14-双极板，15-脊，16-流道。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
本发明的实施例1：如图1所示，一种带导流结构的液流电池边框，包括框体1、边框入口2、边框出口3、入口分流槽4和出口分流槽5，边框入口2和入口分流槽4设于框体1的上部，边框出口3和出口分流槽5设于框体1的下部，框体1的中部设有活性区域6，活性区域6分别通过入口分流槽4和出口分流槽5与边框入口2和边框出口3连接；活性区域6内设有导流场7；框体1的四周设有密封线8。框体1的厚度为0.5mm。密封线8的高度为0.01mm。
如图7所示，导流场7由脊15和流道16组成；导流场7为串联流场。如图10所述流道16的形状为“Z”形。
如图2～图4所示，一种采用述边框的液流电池电堆，包括依次排列的压板9、一体化电极组件10、不少于一个的一体化膜组件12、一体化电极组件10、压板9，它们通过螺栓固定在一起；一体化电极组件10由带导流结构的边框13与双极板14固定连接组成，一体化膜组件12由带导流结构的边框13与隔膜11固定连接组成。
带导流结构的边框13与双极板14通过热熔焊接在一起；带导流结构的边框13与隔膜11粘接在一起。
一种液流电池电堆的加工工艺，包括以下步骤，
步骤a，使用高分子塑料通过注塑、雕刻、冲压或机加工的方式制作带导流结构的液流电池边框；
步骤b，带导流结构的液流电池边框制作好后放入温盐溶液或碱溶液浸泡2小时；
步骤c，将浸泡后的带导流结构的液流电池边框用去离子水清洗表面残余溶液，然后自然风干；
步骤d，将风干后的带导流结构的液流电池边框与极板用导电塑料固定连接在一起，组成一体化电极组件；
步骤e，后将隔膜与带导流结构的液流电池边框固定连接在一起，组成一体化膜组件；
步骤f，按照压板，一体化电极组件、不少于一个的一体化膜组件、一体化电极组件，压板的顺序安装，然后用螺栓紧固，压接正压力1t。
所述步骤d中带导流结构的液流电池边框与极板的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接；所述步骤e中隔膜与带导流结构的液流电池边框的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接。
所述步骤f中采用紧固螺栓固定时，紧固螺栓的扭矩为9Nm，紧固螺栓的数量为4个/平方米压板。
本发明的实施例2：如图1所示，一种带导流结构的液流电池边框，包括框体1、边框入口2、边框出口3、入口分流槽4和出口分流槽5，边框入口2和入口分流槽4设于框体1的上部，边框出口3和出口分流槽5设于框体1的下部，框体1的中部设有活性区域6，活性区域6分别通过入口分流槽4和出口分流槽5与边框入口2和边框出口3连接；活性区域6内设有导流场7；框体1的四周设有密封线8。框体1的厚度为2mm。密封线8的高度为0.2mm。
如图8所示，导流场7由脊15和流道16组成；导流场7为并联流场。
如图11所示，流道16的形状为“C”形。
如图2～图4所示，一种采用述边框的液流电池电堆，包括依次排列的压板9、一体化电极组件10、不少于一个的一体化膜组件12、一体化电极组件10、压板9，它们通过螺栓固定在一起；一体化电极组件10由带导流结构的边框13与双极板14固定连接组成，一体化膜组件12由带导流结构的边框13与隔膜11固定连接组成。
带导流结构的边框13与双极板14通过激光焊接在一起；带导流结构的边框13与隔膜11通过激光焊接在一起。
一种液流电池电堆的加工工艺，包括以下步骤，
步骤a，使用高分子塑料通过注塑、雕刻、冲压或机加工的方式制作带导流结构的液流电池边框；
步骤b，带导流结构的液流电池边框制作好后放入温盐溶液或碱溶液浸泡20小时；
步骤c，将浸泡后的带导流结构的液流电池边框用去离子水清洗表面残余溶液，然后自然风干；
步骤d，将风干后的带导流结构的液流电池边框与极板用导电塑料固定连接在一起，组成一体化电极组件；
步骤e，后将隔膜与带导流结构的液流电池边框固定连接在一起，组成一体化膜组件；
步骤f，按照压板，一体化电极组件、不少于一个的一体化膜组件、一体化电极组件，压板的顺序安装，然后用螺栓紧固，压接正压力4t。
所述步骤d中带导流结构的液流电池边框与极板的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接；所述步骤e中隔膜与带导流结构的液流电池边框的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接。
所述步骤f中采用紧固螺栓固定时，紧固螺栓的扭矩为35Nm，紧固螺栓的数量为50个/平方米压板。
本发明的实施例3：如图1所示，一种带导流结构的液流电池边框，包括框体1、边框入口2、边框出口3、入口分流槽4和出口分流槽5，边框入口2和入口分流槽4设于框体1的上部，边框出口3和出口分流槽5设于框体1的下部，框体1的中部设有活性区域6，活性区域6分别通过入口分流槽4和出口分流槽5与边框入口2和边框出口3连接；活性区域6内设有导流场7；框体1的四周设有密封线8。框体1的厚度为4mm。密封线8的高度为0.4mm。
如图9所示，导流场7由脊15和流道16组成；导流场7为阻断型流场。
如图12所示，流道16的形状为“U”形。
如图2～图4所示，一种采用述边框的液流电池电堆，包括依次排列的压板9、一体化电极组件10、不少于一个的一体化膜组件12、一体化电极组件10、压板9，它们通过螺栓固定在一起；一体化电极组件10由带导流结构的边框13与双极板14固定连接组成，一体化膜组件12由带导流结构的边框13与隔膜11固定连接组成。
带导流结构的边框13与双极板14粘接在一起；带导流结构的边框13与隔膜11通热熔焊接在一起。
一种液流电池电堆的加工工艺，包括以下步骤，
步骤a，使用高分子塑料通过注塑、雕刻、冲压或机加工的方式制作带导流结构的液流电池边框；
步骤b，带导流结构的液流电池边框制作好后放入温盐溶液或碱溶液浸泡30小时；
步骤c，将浸泡后的带导流结构的液流电池边框用去离子水清洗表面残余溶液，然后自然风干；
步骤d，将风干后的带导流结构的液流电池边框与极板用导电塑料固定连接在一起，组成一体化电极组件；
步骤e，后将隔膜与带导流结构的液流电池边框固定连接在一起，组成一体化膜组件；
步骤f，按照压板，一体化电极组件、不少于一个的一体化膜组件、一体化电极组件，压板的顺序安装，然后用螺栓紧固，压接正压力6t。
所述步骤d中带导流结构的液流电池边框与极板的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接；所述步骤e中隔膜与带导流结构的液流电池边框的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接。
所述步骤f中采用紧固螺栓固定时，紧固螺栓的扭矩为60Nm，紧固螺栓的数量为70个/平方米压板。
本发明的实施例4：如图1所示，一种带导流结构的液流电池边框，包括框体1、边框入口2、边框出口3、入口分流槽4和出口分流槽5，边框入口2和入口分流槽4设于框体1的上部，边框出口3和出口分流槽5设于框体1的下部，框体1的中部设有活性区域6，活性区域6分别通过入口分流槽4和出口分流槽5与边框入口2和边框出口3连接；活性区域6内设有导流场7；框体1的四周设有密封线8。框体1的厚度为5mm。密封线8的高度为0.5mm。
如图7所示，导流场7由脊15和流道16组成；导流场7为串联流场。
如图11所示，流道16的形状为“C”形。
如图2～图4所示，一种采用述边框的液流电池电堆，包括依次排列的压板9、一体化电极组件10、不少于一个的一体化膜组件12、一体化电极组件10、压板9，它们通过螺栓固定在一起；一体化电极组件10由带导流结构的边框13与双极板14固定连接组成，一体化膜组件12由带导流结构的边框13与隔膜11固定连接组成。
带导流结构的边框13与双极板14通过机械压接固定在一起；带导流结构的边框13与隔膜11通过机械压接固定在一起。
一种液流电池电堆的加工工艺，包括以下步骤，
步骤a，使用高分子塑料通过注塑、雕刻、冲压或机加工的方式制作带导流结构的液流电池边框；
步骤b，带导流结构的液流电池边框制作好后放入温盐溶液或碱溶液浸泡48小时；
步骤c，将浸泡后的带导流结构的液流电池边框用去离子水清洗表面残余溶液，然后自然风干；
步骤d，将风干后的带导流结构的液流电池边框与极板用导电塑料固定连接在一起，组成一体化电极组件；
步骤e，后将隔膜与带导流结构的液流电池边框固定连接在一起，组成一体化膜组件；
步骤f，按照压板，一体化电极组件、不少于一个的一体化膜组件、一体化电极组件，压板的顺序安装，然后用螺栓紧固，压接正压力10t。
所述步骤d中带导流结构的液流电池边框与极板的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接；所述步骤e中隔膜与带导流结构的液流电池边框的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接。
所述步骤f中采用紧固螺栓固定时，紧固螺栓的扭矩为100Nm，紧固螺栓的数量为100个/平方米压板。

Claims (10)

1.一种带导流结构的液流电池边框，包括框体(1)、边框入口(2)、边框出口(3)、入口分流槽(4)和出口分流槽(5)，其特征在于：边框入口(2)和入口分流槽(4)设于框体(1)的上部，边框出口(3)和出口分流槽(5)设于框体(1)的下部，框体(1)的中部设有活性区域(6)，活性区域(6)分别通过入口分流槽(4)和出口分流槽(5)与边框入口(2)和边框出口(3)连接；活性区域(6)内设有导流场(7)；框体(1)的四周设有密封线(8)。
2.根据权利要求1所述的一种带导流结构的液流电池边框，其特征在于：导流场(7)由脊(15)和流道(16)组成；导流场(7)的结构形式分为并联流场、串联流场和阻断型流场。
3.根据权利要求2所述的一种带导流结构的液流电池边框，其特征在于：所述流道(16)的形状为“Z”形、“C”形或“U”形。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种带导流结构的液流电池边框，其特征在于：框体(1)的厚度为0.5mm～5mm。
5.根据权利要求4所述的一种带导流结构的液流电池边框，其特征在于：密封线(8)的高度为0.01mm～0.5mm。
6.一种采用根据权利要求1～5中任意一项所述边框的液流电池电堆，其特征在于：包括依次排列的压板(9)、一体化电极组件(10)、不少于一个的一体化膜组件(12)、一体化电极组件(10)、压板(9)，它们通过螺栓固定在一起；一体化电极组件(10)由带导流结构的边框(13)与双极板(14)固定连接组成，一体化膜组件(12)由带导流结构的边框(13)与隔膜(11)固定连接组成。
7.根据权利要求6所述的一种液流电池电堆，其特征在于：带导流结构的边框(13)与双极板(14)通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定连接在一起；带导流结构的边框(13)与隔膜(11)通过激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接固定连接在一起。
8.一种液流电池电堆的加工工艺，其特征在于：包括以下步骤，
步骤a，使用高分子塑料通过注塑、雕刻、冲压或机加工的方式制作带导流结构的液流电池边框；
步骤b，带导流结构的液流电池边框制作好后放入温盐溶液或碱溶液浸泡2小时～48小时；
步骤c，将浸泡后的带导流结构的液流电池边框用去离子水清洗表面残余溶液，然后自然风干；
步骤d，将风干后的带导流结构的液流电池边框与极板用导电塑料固定连接在一起，组成一体化电极组件；
步骤e，后将隔膜与带导流结构的液流电池边框固定连接在一起，组成一体化膜组件；
步骤f，按照压板，一体化电极组件、不少于一个的一体化膜组件、一体化电极组件，压板的顺序安装，然后用螺栓紧固，压接正压力1t～10t。
9.根据权利要求8所述的一种液流电池电堆的加工工艺，其特征在于：所述步骤d中带导流结构的液流电池边框与极板的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接；所述步骤e中隔膜与带导流结构的液流电池边框的连接方式采用激光焊接、热熔焊接、粘接或机械压接。
10.根据权利要求8所述的一种液流电池电堆的加工工艺，其特征在于：所述步骤f中采用紧固螺栓固定时，紧固螺栓的扭矩为9～100Nm，紧固螺栓的数量为4～100个/平方米压板。
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