CN109786783B - 一种多腔结构的液流电池用电极框及其组成的电池电堆 - Google Patents

Abstract

一种多腔结构的液流电池用电极框及其组成的电池电堆，所述电极框包括正极进液口、正极出液口、负极进液口、负极出液口以及电极腔，进液口和出液口分布在电极框对角位置，进液口和出液口均带有进出液流道，所述电极框正反两面均设有密封结构，所述电极框设置至少两个电极腔，所述每个电极腔通过隔离带分割，所述隔离带上设置有密封槽，通过密封槽密封，所述每个电极腔密封设置，每个电极腔为一个单电池反应区，所述每个电极腔设置有独立的正极进液口、正极出液口、负极进液口、负极出液口以及电解液进出流道。本发明提供了一种利用隔离带将反应区分割的电极框，大幅度降低液体管路复杂性、提高组装效率、提高系统集成度。

Description

一种多腔结构的液流电池用电极框及其组成的电池电堆

技术领域

本发明属于全钒液流电池领域，具体涉及多腔结构的液流电池用电极框及用该电极框制作的电堆。

背景技术

全钒液流电池常温常压运行，安全性高，不会发生爆炸和燃烧。循环寿命长，可深度放电，充放电特性良好，响应速度快，另外钒离子的电化学可逆性高，电化学极化小，适合大电流快速充放电。功率和容量分别由电堆和电解液的数量决定，因此功率和容量可独立设计，设计更加灵活。环境友好，电解液可循环使用和再生利用。全钒液流电池主要通过电极框将电极、双极板、离子交换膜等部件组装成电堆。电极框是电极材料、双极板材料的载体，还为电解液提供流道，从而成为电化学反应的载体，因此电极框的结构设计对电堆性能和运行起至关重要的作用。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种利用隔离带将反应区分割的电极框，大幅度降低液体管路复杂性、提高组装效率、提高系统集成度。

一种多腔结构的液流电池用电极框，所述电极框包括正极进液口、正极出液口、负极进液口、负极出液口以及电极腔，进液口和出液口分布在电极框对角位置，进液口和出液口均带有进出液流道，所述电极框正反两面均设有密封结构，所述电极框设置至少两个电极腔，所述每个电极腔通过隔离带分割，所述隔离带上设置有密封槽，通过密封槽密封，所述每个电极腔密封设置，每个电极腔为一个单电池反应区，所述每个电极腔设置有独立的正极进液口、正极出液口、负极进液口、负极出液口以及电解液进出流道。

进一步的，位置相邻的所述单电池反应区的正极进液口、正极出液口、负极进液口以及负极出液口位置相同，即相邻单电池反应区同时流动正极或负极电解液。

进一步的，位置相邻的所述单电池反应区的正极进液口、正极出液口、负极进液口以及负极出液口位置相反，即相邻单电池反应区同时流动正极和负极电解液。

进一步的，所述所有单电池反应区的密封槽连成一体或独立设置，所述每个单电池反应区设有独立双极板或所有单电池反应区设置一体式双极板。

进一步的，所述单电池反应区的密封槽独立设置，所述每个单电池反应区设有独立双极板。

进一步的，所述每个单电池反应区上离子交换膜独立设置或所有单电池反应区设置一体式离子交换膜。

进一步的，所述隔离带厚度和电极框整体相同，和电极框连成一体，采用一体化成型工艺加工而成。

一种多腔结构的液流电池电堆，采用上述电极框组装电堆，电堆各个部件按照端板、铜板、单极板、电极、电极框、离子交换膜、电极框、电极、双极板、电极、电极框、离子交换膜、电极框、电极、单极板、铜板、端板的顺序进行安装，所述电极、电极框、离子交换膜、电极框、电极、双极板、电极、电极框、离子交换膜、电极框、电极组装结构是一个可以多组重复组装结构。

进一步的，所述离子交换膜夹装于两块电极框背面。

进一步的，所述铜板结构与相邻电极框的正极进液口、正极出液口、负极进液口以及负极出液口位置相对应。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.采用分割电极腔的方法，通过反应区隔离带将电池分成若干个反应区，每个反应区都独立反应，互不干涉，相比若干个独立电堆组合运行，该电极框组成的电堆体积小，增加系统集成度，提高组装效率，降低材料成本。

2.在分割反应区的基础上，改变电解液的流动路径及铜电极的组装方式，可改变电压和电流的大小。正极(或负极)电解液从不同反应区相对一致的位置进出电极框，则电流为并联，若正极和负极电解液分别从不同反应区相对一致的位置进出电极框，则电流为串联。在分割反应区的基础上，改变电解液的流动路径，形成串联形式，该串联结构产生的电流是并联形式的一半，电压是并联形式的两倍。分割+铜板组合+电解液流动方向的控制形成电池内部的串联或并联结构，达到改变电流和电压的目的。

3.本发明采用分割式密封的设计，电解液在流入电极之前的流道上不会接触离子交换膜，从而大大减少离子交换膜上的漏电流。

附图说明

图1是二分区电极腔并联结构的电极框正面示意图；

图2是二分区电极腔并联结构的电极框背面示意图；

图3是二分区电极腔并联结构的电堆的正面铜板示意图；

图4是二分区电极腔并联结构的电堆的背面铜板示意图；

图5是一体式密封槽结构的电极框示意图；

图6是二分区电极腔串联结构的电极框正面示意图；

图7是二分区电极腔串联结构的电极框背面示意图；

图8是二分区电极腔串联结构的电堆的正面铜板示意图；

图9是二分区电极腔串联结构的电堆的背面铜板示意图；

图10是三分区电极腔串联结构的电极框正面示意图；

图11是三分区电极腔串联结构的电堆的铜板示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构及工作过程作进一步说明。

实施例1：二分区电极腔并联(独立密封槽结构)。

如图1和图2：一种多腔结构的液流电池用电极框，该电极框1厚5mm，外缘尺寸为1000mm*600mm，电极框包括正极进液口、正极出液口、负极进液口、负极出液口以及电极腔，进液口和出液口(含正极和负极，下同)分布在电极框对角位置，进液口和出液口半径25mm。

进液口和出液口均带有进出液流道，电极框设置两个电极腔2，每个电极腔尺寸为400mm*400mm，两个电极腔尺寸相同。每个电极腔单独密封，每个电极腔为一个单电池反应区，每个电极腔设置有独立的正极进液口3、正极出液口 4、负极进液口5、负极出液口6以及电解液进出流道7。由图1和图2中可以看出，位置相邻的单电池反应区的正极进液口、正极出液口、负极进液口以及负极出液口位置相同。电极框正面和背面的正极进液口、正极出液口、负极进液口以及负极出液口相对应。

每个电极腔通过隔离带8分割，每个隔离带正面和背面分别设置有矩形密封槽9，密封槽深1.5mm，宽3mm，用于放置密封条，如图所述，两个电极腔的密封槽独立分开。其中隔离带宽度100mm，厚度和电极框整体相同。隔离带的宽度根据整个电极框的尺寸可以调节，一般设置在50mm-100mm。

电极框上液流道结构：进液口、进液主流道、进液分流道。相应地，电解液流出电极框流道为：出液口、出液主流道、出液分流道。其中主流道宽30mm，深3mm，长度和分流道总长度一致。分流道有多个间距相等的齿形结构组成，每个齿深3mm，齿宽10mm，齿长30mm，齿间距10mm。

本实施例提供一种采用上述电极框组装而成的电池电堆，该电堆还包括有端板、铜板、双极板、电极和离子交换膜。其中，电极框的材质可以选择耐化学腐蚀性能和成型加工性能较好的高分子材料，如共聚PP、HDPE、LLDPE、PVC、 PVDF等，电极框上液流道、密封槽及其他部位采用注塑、模压、雕刻等加工工艺成型。双极板材料为柔性石墨板、石墨/聚合物高导电复合材料等，采用注塑、模压等工艺成型。电极材料为高电导率、高孔隙率的材料，如碳毡、石墨毡等，本实施例采用石墨毡，尺寸400mm*400mm，厚度5mm，单个电池电极数量为两个，放置在电极框上正中间电极腔位置。双极板尺寸490mm*600mm，厚度 3mm，每个电极腔各有一块双极板。

离子交换膜夹装于两块电极框背面，尺寸大于电极框背面密封条尺寸，组装电堆时膜的四边均应超出上述密封条且不超过进出液口(包含正极和负极的进液口和出液口，下同)，由于密封条形状规则且和进出液口有一定的间距，离子交换膜不需要进行打孔，从而减少材料浪费、降低组装困难。本实施例中有一块完整的离子交换膜，尺寸为450mm*980mm。

将上述结构进行组装如下：按照双极板-电极-带有密封条的电极框-离子交换膜-带密封条的电极框-电极-双极板顺序进行安装。双极板和电极为矩形材料，双极板的四条边均应超出所在密封条的边缘，离子交换膜四条边也超出所在密封条的边缘。正极电极框和负极电极框所有进出液口对齐，且两块电极框放置离子交换膜的一侧位于组装件的内侧。

双极板和所在位置的密封条对进出液流道和电极腔进行密封，离子交换膜与所在位置密封条对其下覆盖的电解液流经区域进行密封。

上述结构组装完成后在双极板两端各组装一个铜电极和端板，并以螺栓紧固，形成电池。

如图3、图4，如图安装在双极板两端的铜电极为一块正面铜板10，一块为背面铜板11，正面铜板和背面铜板均为一块完整的铜板，铜板分别有铜板电极框支撑。正面铜板下方位置，铜板电极框上有两组正极进液口12和两组负极进液口13，分别对应两组电极腔的正极进液口和负极进液口；背面铜板上方位置，铜板电极框上有两组负极出液口14和两组正极出液口15，分别对应两组电极腔的负极出液口和正极出液口。

实施例2：二分区电极腔并联(一体式密封槽)。

实施例2和实施例1的主要结构相同，如图5：区别点在于每个电极腔的隔离带16和密封槽17结构为一体式结构，每个反应区上的双极板和离子交换膜不分割。本实施例中，双极板尺寸为1000mm*600mm，离子交换膜尺寸为 450mm*980mm，石墨毡电极尺寸400mm*400mm。

实施例3：二分区电极腔串联(独立密封槽)。

其他结构与实施例1相同，区别技术特征如图6和图7，每个电极腔单独密封，每个电极腔为一个单电池反应区，单电池反应区一设置有独立的正极进液口18、正极出液口19、负极进液口20、负极出液口21。单电池反应区二设置有独立的正极进液口22、正极出液口23、负极进液口24、负极出液口25。

由图1中可以看出，位置相邻的单电池反应区的正极进液口、正极出液口、负极进液口以及负极出液口位置相反。电极框正面和背面的正极进液口、正极出液口、负极进液口以及负极出液口相对应。由此相邻单电池反应区流动正极和负极电解液，则电流串联，电流串联将成倍减小电流、成倍增加电压。

如图8为正面铜板为一整块铜板，铜板左侧下方为正极进液口26和负极进液口27，另一边上方为负极出液口28以及正极出液口29。图9为背面铜板，为分割成两块独立铜板，铜板一30下方有负极进液口31和正极进液口32，铜板二33上方有负极出液口34和正极出液口35。双极板、离子交换膜和电极尺寸同实施例1。

实施例4：三分区电极腔串联(独立密封槽)。

如图10：将实施例3中二分区结构及分割为两个电极框结构改进为分割成三个电极框结构，其他结构与上述实施例3相同。其中，进出液口直径30mm，双极板独立分开，尺寸为315mm*600mm，电极尺寸233mm*450mm，离子交换膜为整体，尺寸为485mm*1000mm。

组装铜板结构包括正面铜板和背面铜板，正面铜板和背面铜板均为分割为两块铜板，其中一块铜板设置有电流接出端，另一块铜板连接相邻两个反应区。

如图11为正面铜板和负面铜板，正面铜板分割为两块铜板48和49，其中一块铜板48设置有电流接入端，另一快铜板49连接相邻两个反应区。铜板48 下方为正极进液口36和负极进液口37，铜板49左侧区域上方为负极出液口38 和正极出液口39，右侧区域下方为负极进液口40和正极进液口41。

背面铜板分割为两块铜板50和51，其中一块铜板50设置有电流接出端，另一快铜板51连接相邻两个反应区，铜板50上方为正极出液口42和负极出液口43，铜板51左侧区域下方为负极进液口44和正极进液口45，右侧区域上方为负极出液口46和正极出液口47。

实施例5：二分区电极腔并联(整体双极板)。

实施例1中，在电极腔并联结构下，采用独立密封槽，则双极板可独立可整体，本实施例在实施例1的基础上，双极板整体，尺寸为1000mm*600mm。本实施例中有一块完整的离子交换膜，尺寸为450mm*980mm。

上述实施例1-5阐述了串联、并联反应区的结构；一体化密封槽和独立密封槽的结构，以及反应区(或电极腔)的分割数量；每一种结构组合形式，不局限于上述实施例。反应区的数量在技术能实现的情况下在2-20个为最优。

特别指出的是：电极腔并联+一体化密封槽结构，则双极板为整体。电极腔并联+独立密封槽，则双极板可每个电极腔独立设置，也可以设置为整体结构，两种情况下离子交换膜均为整体。

有对比例1，为常见的电堆结构，该对比例1其他参数与实施例1-4相同。

将对比例1和各实施例组装成电堆，电芯数量为10个，以80mA/cm2的电流密度进行充放电测试，充电过程采用CC-CV模式，放电过程采用CC模式。充电过程，充电电压先随充电时间逐渐增大，到设定的电压后不变，随后进行恒压充电。放电过程，充电电压随着放电时间逐渐减小，到截止电压后结束。

通过上述数据可以看出，本发明技术方案充电电流与常规结构相比有大幅度减小，减小幅度和反应区数量相关。

以上所述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种多腔结构的液流电池用电极框，所述电极框包括正极进液口、正极出液口、负极进液口、负极出液口以及电极腔，进液口和出液口分布在电极框对角位置，进液口和出液口均带有进出液流道，所述电极框正反两面均设有密封结构，其特征在于，所述电极框设置至少两个电极腔，所述每个电极腔通过隔离带分割，所述隔离带上设置有密封槽，通过密封槽密封，所述每个电极腔密封设置，每个电极腔为一个单电池反应区，所述每个电极腔设置有独立的正极进液口、正极出液口、负极进液口、负极出液口以及电解液进出流道；相邻的两个单电池反应区流动电解液，其中一个流动正极电解液，另一个流动负极电解液；所述单电池反应区的密封槽独立设置，所述每个单电池反应区设有独立双极板。

2.根据权利要求1所述的多腔结构的液流电池用电极框，其特征在于，所述每个单电池反应区上离子交换膜独立设置或所有单电池反应区设置一体式离子交换膜。

3.根据权利要求1所述的多腔结构的液流电池用电极框，其特征在于，所述隔离带厚度和电极框整体相同，和电极框连成一体，采用一体化成型工艺加工而成。

4.一种多腔结构的液流电池电堆，其特征在于，采用如权利要求1-3任一项所述的电极框组装电堆，电堆各个部件按照端板、铜板、单极板、电极、电极框、离子交换膜、电极框、电极、双极板、电极、电极框、离子交换膜、电极框、电极、单极板、铜板、端板的顺序进行安装，所述电极、电极框、离子交换膜、电极框、电极、双极板、电极、电极框、离子交换膜、电极框、电极组装结构是一个可以多组重复组装结构。

5.根据权利要求4所述的多腔结构的液流电池电堆，其特征在于，所述离子交换膜夹装于两块电极框背面。

6.根据权利要求4所述的多腔结构的液流电池电堆，其特征在于，所述铜板与相邻电极框的正极进液口、正极出液口、负极进液口以及负极出液口位置相对应。

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