CN104638282A - 一种用于低接触电阻双极板的加工装置、系统、方法及其双极板 - Google Patents

一种用于低接触电阻双极板的加工装置、系统、方法及其双极板 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于低接触电阻双极板的连续加工装置，所述加工装置沿双极板进入的方向依次设有一对保温加热辊、两对定位辊和一对定型辊，所述两对定位辊之间设有喷洒部件；所述喷洒部件为两个，分别位于双极板表面的两侧。较现有技术相比，本发明采用的双极板，能减小双极板内阻，并有效减小与其他电堆部件的接触内阻，进而提升电堆的放电功率及电压效率，电压效率可提高2％-4％，相同条件下放电功率提高10％-20％。本发明装置可直接独立使用或安装在双极板挤出模具之后。工作原理为，平板双极板通过保温加热辊加热(保温)后进入定位辊，在定位辊之间通过喷洒部件将柔性粉末原料喷洒到双极板表面，再进入定型辊，将双极板压制成规定的厚度。

Description

一种用于低接触电阻双极板的加工装置、系统、方法及其双极板
技术领域
本发明的涉及液流电池技术领域，特别涉及一种用于低接触电阻双极板的加工装置、系统、方法及其双极板。
背景技术
随着人们对环境保护以及可持续发展要求的不断提，风、光等新能源发电技术越来越受到重视，由于风、光等能源的不连续性及由此发电带来的波动性，因此需要在利用风、光等能源时曾家相应的储能系统以解决上述问题。全钒液流电池系统以其良好的可靠性和安全性、选址自由、容量功率独立设计等优点，成为大规划储能的首先技术之一，并受到广泛的关注。电堆作为全钒液流电池系统的核心部件，其效率的大小直接影响整个系统的成本。影响电堆效率的主要因素为充放电过程电堆内阻的能耗；电堆内阻越大能耗越高，电堆效率越低。双极板作为全钒液流电池电堆不可缺少的组件，与多孔碳电极相接触，主要负责收集并传递正负电极电流的作用；其导电性的大小，直接影响电堆内阻的大小。双极板的导电性主要受双极板基体材料的导电率和双极板与电极的接触内阻影响。目前使用的双极板多为挤出成型的复合双极板，即非导电材料PP等与导电材料石墨等复合材料采用挤压成型技术制得。由于挤出成型工艺的特性，所生产的双极板主要为平板型，从而双极板与多孔电极间的接触，主要是电极平面与碳纤维的直接接触，由于表面存在非导电材料，接触内阻较高(如图1所示)，目前还没有一个行之有效的方法能大幅降低双极板与电极的接触内阻。因此有必要发明一种可以显著减小接触电阻的液流电池双极板及生产装置。
发明内容
本申请发明目的在于提供一种全钒液流电池用双极板生产装置及所生产的低接触内阻液流电池双极板。本装置利用喷洒技术将高导电柔性粉末喷洒在双极板两侧，并通过加热双极板表面使得喷洒层与主体双极板紧密结合，从而在双极板的两面设置高导电表层结构，以使双极板主体导电材料能与表层柔性接触，同时使双极板与多孔纤维电极接触时，多孔电极的纤维能被陷入表层结构而与双极板表面充分接触，达到减小接触内阻，提高电池放电功率及电压效率的目的。
本发明采用的技术方案如下：
一种用于低接触电阻双极板的连续加工装置，所述加工装置沿双极板进入的方向依次设有一对保温加热辊、两对定位辊和一对定型辊，所述两对定位辊之间设有喷洒部件。
优选地，所述喷洒部件为两个，分别位于双极板表面的两侧。作为优选，可选择性的在定位辊之间安装相对的两个或仅在上部安装一个喷洒部件，从而可制得一面或两面增加表层结构的液流电池用低接触电阻双极板。
进一步优选地，所述喷洒部件面向双极板的一侧设有喷头，另一侧设有原料进口。
优选地，所述定位辊与喷洒部件之间设有挡板。
优选地，所述定型辊的直径为0.4m-1m，两辊间距为1mm-5mm；所述保温加热辊的直径为0.3-0.8m，两辊间距离为1mm-5mm。
优选地，所述装置还具有外壳，外壳与所述定型辊、定位辊、喷洒部件、保温加热辊分别采用可拆卸连接。
优选地，所述定型辊、所述定位辊、所述保温加热辊均成对组装，且下排辊的上边缘在同一水平线上。
本发明提供的一种用于低接触电阻双极板的连续加工装置可直接独立使用或安装在双极板挤出模具之后。
本发明装置工作原理如下：平板双极板通过保温加热辊加热(保温)后进入定位辊，在定位辊之间通过喷洒部件将柔性粉末原料喷洒到双极板表面，再进入定型辊，将双极板压制成规定的厚度。
本发明还提供一种用于低接触电阻双极板的连续加工系统，其特征在于，包括双极板挤出模具和权利要求1所述的连续加工装置。
本发明还提供采用以上所述的用于低接触电阻双极板的连续加工系统处理双极板的方法，依次包括以下步骤：
①采用所述双极板挤出模具挤出双极板；
②采用所述连续加工装置对双极板进行表面处理。
所述双极板挤出模具设有挤出机头和双极板输送辊。
本发明还提供以上所述用于低接触电阻双极板的连续加工装置或以上所述的用于低接触电阻双极板的连续加工系统制得的低接触电阻双极板，包括基体结构，所述基体结构的表面附有表层结构，所述表层结构的材料硬度小于3。
本发明所述硬度为莫氏硬度。作为优选，可选择性的在双极板的一面或双面附加表层结构。
由于低硬度的表层结构具有柔性韧度，当双极板与碳纤维接触时，碳纤维的表层纤维可以陷入表层结构内；同时，由于表层结构的存在，可以使基体结构内部的导电材料与表层结构充分接触(如附图2所示)，避免了碳纤维的表面与不平整的基体结构直接接触，从而达到减小接触内阻的目的。
本发明所述双极板的基体结构为双极板的主体支撑结构，优选地，由导电材料和非导电复合材料如PP、PE构成。
优选地，所述表层结构的材料为粉末状颗粒材料，材料的粒径为0.01mm-0.5mm，优选为10um-100um。
进一步优选地，所述表层结构的厚度为0.05mm-1mm；更优选为0.1-0.5mm。
优选地，所述表层结构的材料导电阻率小于10-4Ωm。
优选地，所述表层结构的原料选自碳材料、石墨材料、金属材料中的至少一种。
进一步优选地，所述金属材料为金属钛、表面镀钛防腐层的金属导体或合金。
此处的金属导体是指除钛以外的其它金属，如金属银、金属铜等，合金材料不作具体限定，符合以上硬度、导电率的合金均可。
本发明提供的双极板，较现有技术相比，能减小双极板内阻，并有效减小与其他电堆部件的接触内阻，进而提升电堆的放电功率及电压效率，电压效率提高2％-4％，相同条件下放电功率提高10％-20％。
附图说明
本发明附图6幅，
图1，现有技术复合双极板基体结构表面示意图；
图2，本发明附有表层结构的双极板表面接触示意图；
图3，本发明装置示意图；
图4，本发明装置内部结构示意图；
图5，本发明装置安装示意图；
图6，本发明喷洒部件示意图；
图中，1非导电复合材料、2导电材料、3表层结构、4基体结构、5碳纤维、6电极、7外壳、8定型辊、9定位辊、10喷洒部件、11原料进口，12挡板、13保温加热辊、14双极板挤出模具、15双极板、16双极板输送辊、17挤出机头、18定位杆、19喷头、20加工装置。
具体实施方式
下述非限制性实施例可以使本领域的普通技术人员更全面地理解本发明，但不以任何方式限制本发明。
本发明所述双极板的基体结构为双极板的主体支撑结构，现有的基体结构多为复合型，即非导电材料PP、PE等与导电材料石墨等复合形成，本申请选用的基体结构的材料不作具体限定。
实施过程的最佳尺寸：所述喷洒装置包括进料口11，固定杆18，喷洒头19；优选地，进料口直径为10-50cm，喷洒头出口为圆形，直径为0.2cm-2cm；同时可设置多个进料口、及喷洒头出口；优选地喷洒头出口的间距为10cm-20cm；喷洒头的长度与所制双极板宽度一致。
实施例1
加工装置如图4所示，分别由一对保温加热辊13、两对定位辊9和一对定型辊8，及两对定位辊9之间的喷洒部件10构成。喷洒部件10位于双极板表面的两侧，可以实现双极板双侧的处理。喷洒部件面向双极板的一侧设有喷头，另一侧设有原料进口，定位辊与喷洒部件之间设有挡板，挡板长度与双极板宽度一致，并与双极板成60°夹角，其宽度以覆盖喷射部与定位辊之间的空隙为宜。两定位辊直径为0.3m，间距分别为1.3mm、0.9mm，两加热辊直径为0.5m、间距为0.9mm，定型辊尺寸为0.8m，间距为1.3mm。双极板上下两侧分别设有喷洒部件结构，且互为镜像。双极板上侧的喷洒部件结构如下：上部并排设有三个进料口，进料口为圆形，直径为10cm。喷洒部件下部垂直于双极板方向设有一列喷头，共由50个喷头构成，喷头直径为5mm，喷头间距为10mm，喷头距离双极板30mm。采用压缩空气作为输送气体，输送压力为0.1kPa，将粒径为0.02mm的粉末碳材料和粘结助剂(质量比：95:5)连续注入到进料口中，在气压的作用下，将粉末碳材料喷射并沉积到刚刚制备完成的双极板表面，喷射频次与双极板运行速度相一致。制得的双极板结构及性能如下：基体结构的厚度为0.9mm，材质为pp+30％wt碳(聚丙烯和碳粉，其中碳粉加入量为聚丙烯重量的30％)，两侧喷射的高导电柔性表层厚度为0.2mm，柔性表层材质重量比为95％碳粉和5％粘结助剂(PvDF，聚偏氟乙烯)，划痕硬度为1.5。将用该方法制备的双极板组装到1kW液流电池上，并进行电池的充放电循环。测得的电池性能如下：库伦效率为97％，电压效率为85％，能量效率82％，与直接采用基体双极板相比，电压效率提高了约2个百分点。
实施例2
加工装置尺寸如下：两定位辊直径为0.3m，间距分别为1mm、0.8mm,两加热辊直径为0.5m、间距为0.8mm，定型辊尺寸为0.8m，间距为1mm；双极板上下两侧分别设有喷洒部件结构，喷洒部件上部并排三个进料口，进料口直径为10cm，喷洒头直径为5mm,喷头间距为10mm，并排50个喷头。采用压缩空气作为输送气体，输送压力为0.08kPa，将粒径为0.02mm的粉末碳材料和粘结助剂(质量比：91:9)连续注入到进料口中，在气压的作用下，将粉末碳材料喷射并沉积到刚刚制备完成的双极板表面，喷射频次与双极板运行速度相一致。制得的液流电池用低接触电阻双极板如下：双极板的厚度为0.8mm，材质为pp+30％碳，两侧增加的高导电柔性表层厚度为0.1mm，柔性表层材质为重量比95％碳粉和5％粘结助剂(PvDF)，划痕硬度为1.5。将用该方法制备的双极板组装到3kW液流电池上，并进行电池的充放电循环。测得的电池性能如下：库伦效率为97％，电压效率为86％，能量效率83％，与直接采用基体双极板相比，电压效率提高了约2个百分点。
实施例3
加工装置尺寸如实施例1。采用压缩空气作为输送气体，输送压力为0.08kPa,将粒径为0.015mm的粉末碳材料、钛金属颗粒和粘结助剂(质量比：85:10:5)连续注入到进料口中，在气压的作用下，将粉末碳材料喷射并沉积到刚刚制备完成的双极板表面，喷射频次与双极板运行速度相一致。制得的液流电池用低接触电阻双极板如下：双极板的厚度为0.8mm，材质为pp+30％碳，两侧增加的高导电柔性表层厚度为0.1mm，柔性表层材质为重量比85％碳粉、10％的金属和5％粘结助剂(PvDF)。将用该方法制备的双极板组装到3kW液流电池上，并进行电池的充放电循环。测得的电池性能如下：库伦效率为97％，电压效率为87％，能量效率84.5％，与直接采用基体双极板相比，电压效率提高了约3个百分点。
实施例4
加工装置尺寸如实施例2。采用压缩空气作为输送气体，输送压力为0.08kPa,将粒径为0.015mm的钛金属颗粒和粘结助剂(质量比：90:10)连续注入到进料口中，在气压的作用下，将粉末碳材料喷射并沉积到刚刚制备完成的双极板表面，喷射频次与双极板运行速度相一致。制得的液流电池用低接触电阻双极板如下：双极板的厚度为0.8mm，材质为pp+30％碳，两侧增加的高导电柔性表层厚度为0.1mm，柔性表层材质为重量比90％的金属和10％粘结助剂(PvDF)。将用该方法制备的双极板组装到20kW液流电池上，并进行电池的充放电循环。测得的电池性能如下：库伦效率为97％，电压效率为88％，能量效率85％，与直接采用基体双极板相比，电压效率提高了约4个百分点。
实施例5
加工装置如图5所示，将本发明加工装置与双极板挤出成型装置组合，一次性实现双极板挤出和加工。本发明加工装置结构如实施例2，其安装位置位于挤出成型装置下游，安装距离为0.3m。以PP+30％碳粉作为挤出装置进料，同时采用压缩空气作为输送气体(0.08kPa)将粒径为0.02mm的粉末碳材料和粘结助剂(质量比：93:7)连续注入到本发明加工装置进料口中，即可一次性制得低接触内阻双极板。将用该方法制备的双极板组装到20kW液流电池上，并进行电池的充放电循环。测得的电池性能如下：库伦效率为97％，电压效率为86％，能量效率83％，与直接采用基体双极板相比，电压效率提高了约2个百分点。

Claims (10)

1.一种用于低接触电阻双极板的连续加工装置，其特征在于，所述加工装置(20)沿双极板进入的方向依次设有一对保温加热辊(13)、两对定位辊(9)和一对定型辊(8)，所述两对定位辊(9)之间设有喷洒部件(10)。
2.根据权利要求1所述的连续加工装置，其特征在于，所述喷洒部件(10)为两个，分别位于双极板表面的两侧。
3.根据权利要求2所述的连续加工装置，所述喷洒部件(10)面向双极板的一侧设有喷头(19)，另一侧设有原料进口(11)。
4.根据权利要求3所述的连续加工装置，其特征在于，所述定位辊(9)与喷洒部件(10)之间设有挡板(12)。
5.根据权利要求4所述的连续加工装置，其特征在于，所述定型辊的直径为0.4m-1m，两辊间距为1mm-5mm；所述保温加热辊的直径为0.3-0.8m，两辊间距离为1mm-5mm。
6.一种用于低接触电阻双极板的连续加工系统，其特征在于，包括双极板挤出模具(14)和权利要求1所述的连续加工装置(20)。
7.采用权利要求6所述的连续加工系统处理双极板的方法，其特征在于，依次包括以下步骤：
①采用所述双极板挤出模具(14)挤出双极板；
②采用所述连续加工装置(20)对双极板进行表面处理。
8.采用权利要求1所述的连续加工装置或权利要求6所述的加工系统制得的低接触电阻双极板，包括基体结构(4)，其特征在于，所述基体结构的表面附有表层结构(3)，所述表层结构(3)的材料硬度小于3。
9.根据权利要求8所述的双极板，其特征在于，所述表层结构的材料为粉末状颗粒材料，材料的粒径为0.01mm-0.5mm，优选为10um-100um。
10.根据权利要求9所述的双极板，其特征在于，所述表层结构(3)的厚度为0.05mm-1mm。
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