CN112072127A - 具有灌封胶的碳毡、包含碳毡的电极以及液流电池电堆 - Google Patents

具有灌封胶的碳毡、包含碳毡的电极以及液流电池电堆 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有灌封胶的碳毡、包含碳毡的电极以及液流电池电堆，通过灌封胶将碳毡中部的孔隙填满；液流电池电极包括具有灌封胶的碳毡和套接在碳毡外围的塑料框板，灌胶封的边缘通过激光焊接在塑料框板内；塑料框板表面刻有用于电解液流通的流道。通过灌封胶将碳毡分为左右两部分，直接通过碳毡传递电子，减少了双极板本体电阻，以及双极板与碳毡之间的接触电阻，电池性能大幅度提高。本发明的液流电池电堆无需使用双极板，能够降低成本；同时也可以减少电堆厚度，提高体积功率密度，同时也就降低了壳体材料的用量和成本。

Description

具有灌封胶的碳毡、包含碳毡的电极以及液流电池电堆
技术领域
本发明涉及一种具有灌封胶的碳毡及其制备方法、包含碳毡的电极以及包含该电极的液流电池电堆。
背景技术
钒电池(VRB)又称全钒氧化还原液流电池，是一种绿色环保的大容量储能装置，其特有的电化学原理使其不同于传统的蓄电池，并具有耐大电流充放电，容量易于调整，可深度放电，电解液重复使用，安全性好，寿命长等诸多优点，不会造成环境污染，不仅可与太阳能、风能系统集成，还可用作电站调峰系统、边远地区贮能系统、应急电源系统和电动车能源等优点，因此在大规模储能领域具有广阔的前景。
目前的液流电池电堆主要双极板、碳毡和质子交换膜3种功能材料，再加上塑料框板(流体通道和壳体)组成。双极板起电子通道、以及隔绝开正极电解液和负极电解液的2个作用，碳毡起离子和电子交换的反应场所的作用，质子交换膜则起质子迁移通道的作用。正极电解液在双极板和质子交换膜之间的正极碳毡的孔隙中流过，负极电解液在双极板和质子交换膜之间的负极碳毡的孔隙中流过。
现有的电堆设计，除了碳毡和质子交换膜2种功能材料，还需要双极板，双极板处于两片独立的碳毡中间，既起隔绝开正极电解液和负极电解液的作用，也起电子导通作用。碳毡仅起到离子和电子交换的反应场所的作用。一个电堆可能用到几十上百片双极板，双极板的厚度约1mm，价格约1000元/m2。因此，现有的电堆结构复杂，组装工序繁复且制造成本高。并且通过双极板传递电子，必然带来双极板和碳毡之间很大的接触电阻，降低电池的性能；双极板本身的电阻，进一步降低了电池的性能。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种通过灌封胶将碳毡分为左右两部分，直接通过碳毡传递电子的具有灌封胶的碳毡。
本发明的另一个目的在于提供一种包括上述具有灌封胶碳毡的液流电池电极，以及使用该液流电池电极的液流电池电堆，本发明的液流电池电堆无需使用双极板，能够降低成本；减少双极板本体电阻，以及双极板与碳毡之间的接触电阻，电池性能的大幅度提高。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种具有灌封胶的碳毡，通过灌封胶将碳毡中部的孔隙填满。
本发明的具有灌封胶的碳毡的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备碳毡材料；
S2、由碳毡两个侧面均匀地向碳毡内部插入灌胶针，灌胶针的一端管口漏置于碳毡的外表面，灌胶针的另一端管口位于碳毡内部；
S3、通过灌胶针向碳毡内部进行灌胶操作，将碳毡中部的孔隙利用灌封胶填满。
进一步地，所述步骤S2中，左右两侧的灌胶针为非对称设置，两侧的灌胶针之间错位0.5～1mm；同一侧每两个灌胶针之间的距离为0.8～1.2mm，灌胶针直径为0.15～0.25mm。
所述步骤S3具体实现方法为：左侧面的灌胶针通过灌封机灌入A胶，右侧面的灌胶针通过灌封机灌入B胶，A胶和B胶在碳毡内部混合固化形成灌封胶层。
所述步骤S3具体实现方法为：通过灌胶机向两个侧面的灌胶针分别灌入热熔胶，热熔胶在进入灌胶针之前先由灌封机加热至130～180℃，热熔胶冷却后在碳毡内部固化形成灌封胶层。
所述步骤S3具体实现方法为：灌封机通过两个侧面的灌胶针向碳毡内部灌入PVC胶、UPVC胶、PMMA、PP、PP或橡胶，PVC胶、UPVC胶、PMMA、PP、PP或橡胶在碳毡内部固化形成灌封胶层。
本发明的第三个目的在于提供一种液流电池电极，包括具有灌封胶的碳毡和套接在碳毡外围的塑料框板，灌胶封的边缘通过激光焊接在塑料框板内；塑料框板表面刻有用于电解液流通的流道。
进一步地，所述碳毡中部孔隙通过灌封填满，使得碳毡上能够通过电流而不能通过电解液。
本发明的第四个目的在于提供一种液流电池电堆，从上到下依次包括第一金属压板、第一塑料端板、第一集流板、第一导电塑料板、第一碳毡、第二碳毡、第二导电塑料板、第二集流板、第二塑料端板和第二金属压板；第一碳毡和第二碳毡之间设有多个质子交换膜，每两个质子交换膜之间设有一液流电池电极；
第一塑料端板和第二塑料端板的一端设有用于向电堆内部流入电解液的管口。
本发明的有益效果是：
1、碳毡是电子的良导体，本发明通过灌封胶将碳毡分为左右两部分，直接通过碳毡传递电子，减少了双极板本体电阻，以及双极板与碳毡之间的接触电阻，尤其接触电阻是导致电池性能衰减的重要因素之一；这种设计的改进，必然带来电池性能的大幅度提高，同时通过灌封胶将碳毡中部的空隙填满，能够阻止正负极电解液通过碳毡。。
2、本发明的液流电池电堆无需使用双极板，能够降低成本；同时也可以减少电堆厚度，提高体积功率密度，同时也就降低了壳体材料的用量和成本。
3、本发明为了实现将正极电解液和负极电解液在灌封胶处隔绝开，需要将灌封胶层与塑料框板焊接，这样就实现了液流电池的电极一体化，将原来的2块塑料框板、1块双极板、2块碳毡共5个部件实现五合一，一体化电极会带来电堆组装工序的简便，提高组装的效率。
附图说明
图1为本发明的具有灌封胶的碳毡的结构示意图；
图2为本发明的碳毡原材料示意图；
图3为本发明插入灌胶针的碳毡材料的侧视图；
图4为本发明插入灌胶针的碳毡材料的正视图；
图5为本发明的包含具有灌封胶层碳毡的电极示意图；
图6为本发明的不用双极板的液流电池电堆的结构示意图；
附图标记说明：1-第一金属压板，2-第一塑料端板，3-第一集流板，4-第一导电塑料板，5-第一碳毡，6-质子交换膜，7-液流电池电极，8-第二碳毡，9-第二导电塑料板，10-第二集流板，11-第二塑料端板，12-第二金属压板，13-管口，14-螺杆，15-螺母，16-垫片，17-压缩弹簧。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的一种具有灌封胶的碳毡，通过灌封胶将碳毡中部的孔隙填满，将碳毡分为正负两个电极，碳毡上能够通过电流而不能通过电解液。
一种具有灌封胶的碳毡的制备方法，包括以下步骤：
S1、准备碳毡材料，如图2所示；
S2、由碳毡两个侧面均匀地向碳毡内部插入灌胶针，灌胶针的一端管口漏置于碳毡的外表面，灌胶针的另一端管口位于碳毡内部，如图3和图4所示；左右两侧的灌胶针为非对称设置，两侧的灌胶针之间错位0.5～1mm；同一侧每两个灌胶针之间的距离为0.8～1.2mm，灌胶针直径为0.15～0.25mm。
S3、通过灌胶针向碳毡内部进行灌胶操作，将碳毡中部的孔隙利用灌封胶填满。
进一步地，所述步骤S3具体实现方法为：左侧面的灌胶针通过灌封机灌入A胶，右侧面的灌胶针通过灌封机灌入B胶，A胶和B胶在碳毡内部混合固化形成灌封胶层。本实施例采购300x500x5mm和300x500x10mm两种规格碳毡。将300x500x10mm碳毡做灌封胶处理，灌封胶采用环氧树脂AB胶，采用灌胶机灌封，一侧灌注A胶，另一侧灌注B胶，竖放200度热处理，固化灌封胶层，灌封处理39片，与78片雕刻好流道的塑料框板，通过激光焊接，获得39片一体化电极(两片塑料框板的厚度相加等于碳毡的厚度，也可以使用与碳毡厚度相同的一片塑料框板，使用两片主要是为了减小塑料框板的厚度，得到更好的焊接效果)。按照图6所示堆叠装配材料，压紧，拧紧螺母，获得电堆。在测试台架上，灌装电解液，测试电池性能，电堆额定功率14千瓦，电压效率86％，库伦效率97％。
所述步骤S3具体实现方法为：通过灌胶机向两个侧面的灌胶针分别灌入热熔胶，热熔胶在进入灌胶针之前先由灌封机加热至130～180℃，热熔胶冷却后在碳毡内部固化形成灌封胶层。本实施例采购300x500x5mm和300x500x10mm两种规格碳毡。将300x500x10mm碳毡做灌封胶处理，采用热熔胶灌胶机灌封，灌封处理39片，与78片雕刻好流道的塑料框板，通过激光焊接，获得39片一体化电极。按照图6所示堆叠装配材料，压紧，拧紧螺母，获得电堆。在测试台架上，灌装电解液，测试电池性能，电堆额定功率13千瓦，电压效率85％，库伦效率97％。
所述步骤S3具体实现方法为：灌封机通过两个侧面的灌胶针向碳毡内部灌入PVC胶、UPVC胶、PMMA、PP、PP或橡胶，PVC胶、UPVC胶、PMMA、PP、PP或橡胶在碳毡内部固化形成灌封胶层。本实施例采购300x500x5mm和300x500x10mm两种规格碳毡。将300x500x10mm碳毡做灌封胶处理，灌封胶采用UPVC胶，采用灌胶机灌封，两侧均灌注UPVC胶，竖放固化灌封胶层，灌封处理39片，与78片雕刻好流道的塑料框板，通过激光焊接，获得39片一体化电极。按照图6所示堆叠装配材料，压紧，拧紧螺母，获得电堆。在测试台架上，灌装电解液，测试电池性能，电堆额定功率14千瓦，电压效率86％，库伦效率98％。灌封胶层也可以选用其他种类的胶，只要能够在碳毡内部固化形成灌胶封层，起到隔绝左右两侧碳毡的作用即可。
如图5所示，本发明的一种液流电池电极，包括具有灌封胶的碳毡和套接在碳毡外围的塑料框板，灌胶封的边缘通过激光焊接在塑料框板内；塑料框板表面刻有用于电解液流通的流道。所述碳毡中部孔隙通过灌封填满，使得碳毡上能够通过电流而不能通过电解液。
如图6所示，本发明的一种液流电池电堆，从上到下依次包括第一金属压板1、第一塑料端板2、第一集流板3、第一导电塑料板4、第一碳毡5、第二碳毡8、第二导电塑料板9、第二集流板10、第二塑料端板11和第二金属压板12；第一碳毡5和第二碳毡8之间设有多个质子交换膜6，每两个质子交换膜6之间设有一液流电池电极7；
第一塑料端板2和第二塑料端板11的一端设有用于向电堆内部流入电解液的管口13。
第一集流板3和第二集流板10可采用铜集流板，其作用是作为电堆的极耳，电流外出通道。所述第一导电塑料板4和第二导电塑料板9主要用于将集流板与电解液隔开。质子交换膜6主要用于隔绝电极的正负极。第一碳毡5和第二碳毡8主要用于传导电流，因此采用普通碳毡即可。
所述第二塑料端板11和第二金属压板12的两端分别固定在两个螺杆14的一端，第一金属压板1和第一塑料端板2分别通过螺母15固定在两个螺杆14的另一端，螺母15与螺杆14之间设有垫片16和压缩弹簧17，通过压缩弹簧17和垫片16，能够更好的固定螺母与螺杆；第一集流板3和第二集流板10的一端伸出螺杆14之外。也可以采用其他方式对本申请的电池电堆两端进行固定。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种具有灌封胶的碳毡，其特征在于，通过灌封胶将碳毡中部的孔隙填满。
2.一种具有灌封胶的碳毡的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、准备碳毡材料；
S2、由碳毡两个侧面均匀地向碳毡内部插入灌胶针，灌胶针的一端管口漏置于碳毡的外表面，灌胶针的另一端管口位于碳毡内部；
S3、通过灌胶针向碳毡内部进行灌胶操作，将碳毡中部的孔隙利用灌封胶填满。
3.根据权利要求2所述的具有灌封胶的碳毡的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，左右两侧的灌胶针为非对称设置，两侧的灌胶针之间错位0.5～1mm；同一侧每两个灌胶针之间的距离为0.8～1.2mm，灌胶针直径为0.15～0.25mm。
4.根据权利要求2所述的具有灌封胶的碳毡的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：左侧面的灌胶针通过灌封机灌入A胶，右侧面的灌胶针通过灌封机灌入B胶，A胶和B胶在碳毡内部混合固化形成灌封胶层。
5.根据权利要求2所述的具有灌封胶的碳毡的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：通过灌胶机向两个侧面的灌胶针分别灌入热熔胶，热熔胶在进入灌胶针之前先由灌封机加热至130～180℃，热熔胶冷却后在碳毡内部固化形成灌封胶层。
6.根据权利要求2所述的具有灌封胶的碳毡的制备方法，其特征在于，所述步骤S3具体实现方法为：灌封机通过两个侧面的灌胶针向碳毡内部灌入PVC胶、UPVC胶、PMMA、PP、PP或橡胶，PVC胶、UPVC胶、PMMA、PP、PP或橡胶在碳毡内部固化形成灌封胶层。
7.一种液流电池电极，其特征在于，包括具有灌封胶的碳毡和套接在碳毡外围的塑料框板，灌胶封的边缘通过激光焊接在塑料框板内；塑料框板表面刻有用于电解液流通的流道。
8.根据权利要求7所述的一种液流电池电极，其特征在于，所述碳毡中部孔隙通过灌封填满，使得碳毡上能够通过电流而不能通过电解液。
9.一种液流电池电堆，其特征在于，从上到下依次包括第一金属压板(1)、第一塑料端板(2)、第一集流板(3)、第一导电塑料板(4)、第一碳毡(5)、第二碳毡(8)、第二导电塑料板(9)、第二集流板(10)、第二塑料端板(11)和第二金属压板(12)；第一碳毡(5)和第二碳毡(8)之间设有多个质子交换膜(6)，每两个质子交换膜(6)之间设有一液流电池电极(7)；
第一塑料端板(2)和第二塑料端板(11)的一端设有用于向电堆内部流入电解液的管口(13)。
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Application publication date: 20201211

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