CN116014200A - 一种高功率密度液流电池正负极电极框一体化流场结构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高功率密度液流电池正负极电极框一体化流场结构，所述正负极电极框一体化流场结构由电极框框体、流道盖板、边框盖板、双极板组成，电极框框体上设置正负极电解液公用流道，且电极框框体两侧分别设置与正负极电解液公用流道相连接的正负极电解液分配主流道，流道盖板的一侧设置电解液分配分支流道以及电解液分配口，双极板镶嵌在电极框框体内部。本发明正负极电极框一体化流场结构降低了正负极电极框厚度，同时通过双极板的镶嵌，达到降低电极厚度的目的，降低电池内阻。本发明制备方法简单、易于实现，同时具有较强的可靠性、稳定性，对于提高液流电池性能具有重要的作用。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池技术领域，具体涉及一种高功率密度液流电池正负极电极框一体化流场结构。
背景技术
随着经济的发展，对能源的需求日益增加，化石能源的大量消耗所引起的环境问题日益突显。大规模利用可再生能源、实现能源多样化成为世界各国能源安全和可持续发展的重要战略。但是风能，太阳能等再生能源的不连续性和不稳定性，使得他们的直接利用困难，所以利用储能技术，实现可再生能源的连续供应成为解决上述问题的关键。液流电池由于设计灵活(能量，功率分开设计)，安全性好，设计寿命长，已经成为大规模储能市场最优前景的技术之一。
电解液流场结构是液流电池关键部件，决定了液流电池的性能。目前采用正极电极框、密封材料、双极板、密封材料、负极电极框依次连接的方式，密封材料的存在增加了材料费用，也增加了装配难度，同时电极框厚度限制了电极材料的厚度，不能够通过降低电极厚度来提高电池性能。因此，开发一种新型液流电池电极框流场结构具有重要意义。
发明内容
基于以上技术问题，本发明提供了一种新型正负极电极框一体化结构，去掉电极框与双极板之间的密封材料，减小电极框厚度，同时通过双极板镶嵌，减小所需的电极的厚度，实现电池性能的提高。正负极电极框一体化结构具有较强的可靠性、稳定性，同时该方法简单、易于实现，对于促进液流电池发展具有重要的作用。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种高功率密度液流电池正负极电极框一体化流场结构，其特征在于：所述正负极电极框一体化流场结构由电极框框体、流道盖板、边框盖板、双极板组成；所述电极框框体设置有电解液公用流道孔和电解液分配主流道，所述正极电解液公用流道孔与正极电解液分配主流道相连通，所述负极电解液公用流道孔与负极电解液分配主流道相连通，正极电解液分配主流道与负极电解液分配主流道分别位于电极框体的相对应位置的两侧；所述流道盖板的一侧设置有电解液分配分支流道以及电解液分配口，所述双极板镶嵌在电极框框体内部。
上述技术方案中，进一步地，正极电解液分配主流道与负极电解液分配主流道之间的间隔为0.5～2mm；所述流道盖板另一侧为平面，流道盖板盖设于电解液分配主流道上，流道盖板的平面侧与电极框框体表面为同一平面。
上述技术方案中，进一步地，所述流道盖板上的电解液分配分支流道以及电解液分配口所对应的电极框框体区域为平面，电极框框体上正负极电解液分配主流道所对应的流道盖板区域为平面，流道盖板上的电解液分配分支流道以及分配口所对应的电极框框体区域平面高于电极框框体上的正负极电解液分配主流道底面，且电极框框体上的正负极电解液分配主流道底面以坡度的形式过渡到流道盖板上电解液分配分支流道以及电解液分配口所对应的电极框框体区域平面。
上述技术方案中，进一步地，所述流道盖板上电解液分配分支流道以及电解液分配口的深度小于电极框框体上的正负极电解液分配主流道深度，使得电解液分配主流道、电解液分配分支流道以及电解液分配口与对应的平面在一定压力下紧密相连，其压力为电堆组装的组装力。
上述技术方案中，进一步地，所述流道盖板上电解液分配分支流道以及电解液分配口所对应的电极框框体区域，在其横截面中间位置设置双极板嵌入槽，嵌入槽腔体厚度为0.3～1mm，嵌入深度为2～50mm，双极板两侧的电极框框体厚度为0.3～1mm。
上述技术方案中，进一步地，所述电极框框体两侧边框为双阶梯结构，双极板放置在第一阶梯表面，双极板上表面与第二阶梯表面在同一平面，边框盖板放置在双极板上表面和第二阶梯表面上，边框盖板上表面与电极框框体上表面在同一平面。
上述技术方案中，进一步地，所述电极框框体、流道盖板、边框盖板、双极板通过热熔焊接或激光焊接连接。
上述技术方案中，进一步地，所述电极框框体、流道盖板、边框盖板的材质为PP或PE；电极框框体厚度为1～10mm，流道盖板、边框盖板的厚度为0.1～3mm，所述双极板厚度为0.2～1mm。
上述技术方案中，进一步地，所述电极框框体电解液分配主流道深度为0.5～2mm，宽度为1～50mm，流道盖板上的电解液分配分支流道以及电解液分配口的深度为0.5～2mm，宽度为1～30mm，电解液分配分支流道与电解液分配口之间的间隔为1～10mm，电解液分配分支流道之间、电解液分配口之间间隔为1～10mm。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明的正负极电极框一体化流场结构，去掉了电极框与双极板之间的密封材料，降低了材料成本，提高装配便利性；同时双极板的镶嵌减小了电极的厚度，降低电池内阻，能够有效提高液流电池电流密度，为高功率密度液流电池电堆的开发提供了有效途径。
通过双极板厚度的调节，可以调节电极框腔内空间的厚度，进一步降低电极框腔内电极材料的厚度，进一步提高电池性能。
该方法具有较强的可靠性、稳定性，同时该方法简单、易于实现，对于促进液流电池发展具有重要的作用。
附图说明
图1为本发明正负电极框一体化流场结构整体结构示意图；
图2为本发明电极框框体结构示意图
图3为A-A截面结构示意图；
图4为B-B截面结构示意图；
图5为边框盖板结构示意图；
图6为流道盖板结构示意图；
图7为C-C截面结构示意图；
图中：1、流道盖板，2、边框盖板，3、双极板，4、正极电解液出口，5、正极电解液进口，6、负极电解液出口，7、负极电解液进口，8、电解液分配主流道，9、双极板嵌入区，10、第一阶梯，11、第二阶梯，12、电解液分配分支流道，13、电解液分配口。
具体实施方式
以下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。
实施例1
一种高功率密度液流电池正负极电极框一体化流场结构，其中电极框长600mm、宽400mm、厚5.2mm；电极框框体设置有电解液公用流道孔和电解液分配主流道8，电解液公用流道孔位于电极框的四个边角处，直径为16mm，正极电解液公用流道孔与正极电解液分配主流道相连通，负极电解液公用流道孔与负极电解液分配主流道相连通；正极电解液分配主流道与负极电解液分配主流道分别位于电极框体的相对应位置的两侧，正极电解液分配主流道与负极电解液分配主流道之间的间隔为0.8mm，正负极电解液分配主流道宽度为10mm，深度为1.2mm；流道中间设置支撑流道盖板1的肋板，肋板宽度为1.5mm，防止流道盖板1变形。
流道盖板1的一侧设置有电解液分配分支流道12以及电解液分配口，流道盖板1另一侧为平面，流道盖板1盖设于电解液分配主流道8上，流道盖板1的平面侧与电极框框体表面为同一平面。
流道盖板1上电解液分配分支流道12以及电解液分配口13相对应的位置为平面，比电解液分配主流道8底面高0.9mm，电解液分配主流道8底面以一定坡度过渡到电解液分配分支流道12以及电解液分配口13对应的平面。
流道盖板1厚度为0.8mm，与正负极电解液分配主流道8相对应的位置为平面，其余部分设置电解液分配分支流道12以及电解液分配口13，电解液分配分支流道深度为0.8mm。
电极框边框的宽度为30mm，边框为双阶梯结构，双极板放置在第一阶梯10表面，双极板上表面与第二阶梯11表面在同一平面，边框盖板2放置在双极板上表面和第二阶梯11表面上，边框盖板2上表面与电极框框体上表面在同一平面；其中，第一阶梯10的宽度为20mm，高度为1mm，第二阶梯11的宽度为25mm，高度为1.8mm。边框盖板2的厚度为1.8mm，宽度为25mm，长度为500mm。
双极板嵌入电极框中间，双极板长540mm、宽380mm、厚度1mm，电解液分配主流道8一侧嵌入深度为20mm，双极板两侧的电极框厚度为0.5mm；电极框边框一侧，双极板嵌入深度为20mm。
上述正负极电极框一体化流场结构的装配方法：
1)将双极板插入电极框的正负极电解液分配主流道8一侧的嵌入区内，采用激光焊接的方式进行固定和密封；
2)将边框盖板2放置在电极框的边框上，覆盖边框部位的双极板和部分边框，采用激光焊接的方式进行固定和密封；
3)将流道盖板1放置在电极框正负极电解液分配主流道8上，采用激光焊接的方式进行固定和密封；
4)依次完成所有流道盖板1和边框盖板2的固定和密封，完成正负极电极框一体化流场结构的装配。
装配得到的正负极电极框一体化流场结构所需的电极压缩后的厚度为2.1mm，电极厚度降低30％，采用该正负极电极框一体化流场结构装配的全钒液流电池电堆，在工作电流密度250mA/cm2条件下，能量效率大于80％。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (9)
1.一种高功率密度液流电池正负极电极框一体化流场结构，其特征在于，所述正负极电极框一体化流场结构由电极框框体、流道盖板、边框盖板、双极板组成；所述电极框框体设置有电解液公用流道孔和电解液分配主流道，所述正极电解液公用流道孔与正极电解液分配主流道相连通，所述负极电解液公用流道孔与负极电解液分配主流道相连通，正极电解液分配主流道与负极电解液分配主流道分别位于电极框体的相对应位置的两侧；所述流道盖板的一侧设置有电解液分配分支流道以及电解液分配口，所述双极板镶嵌在电极框框体内部。
2.根据权利要求1所述的正负极电极框一体化流场结构，其特征在于，正极电解液分配主流道与负极电解液分配主流道之间的间隔为0.5～2mm；所述流道盖板另一侧为平面，流道盖板盖设于电解液分配主流道上，流道盖板的平面侧与电极框框体表面为同一平面。
3.根据权利要求1所述的正负极电极框一体化流场结构，其特征在于，所述流道盖板上的电解液分配分支流道以及电解液分配口所对应的电极框框体区域为平面，电极框框体上正负极电解液分配主流道所对应的流道盖板区域为平面，流道盖板上的电解液分配分支流道以及分配口所对应的电极框框体区域平面高于电极框框体上的正负极电解液分配主流道底面，且电极框框体上的正负极电解液分配主流道底面以坡度的形式过渡到流道盖板上电解液分配分支流道以及电解液分配口所对应的电极框框体区域平面。
4.根据权利要求1所述的正负极电极框一体化流场结构，其特征在于，所述流道盖板上电解液分配分支流道以及电解液分配口的深度小于电极框框体上的正负极电解液分配主流道深度，使得电解液分配主流道、电解液分配分支流道以及电解液分配口与对应的平面在一定压力下紧密相连，其压力为电堆组装的组装力。
5.根据权利要求1所述的正负极电极框一体化流场结构，其特征在于，所述流道盖板上电解液分配分支流道以及电解液分配口所对应的电极框框体区域，在其横截面中间位置设置双极板嵌入槽，嵌入槽腔体厚度为0.3～1mm，嵌入深度为2～50mm，双极板两侧的电极框框体厚度为0.3～1mm。
6.根据权利要求1所述的正负极电极框一体化流场结构，其特征在于，所述电极框框体两侧边框为双阶梯结构，双极板放置在第一阶梯表面，双极板上表面与第二阶梯表面在同一平面，边框盖板放置在双极板上表面和第二阶梯表面上，边框盖板上表面与电极框框体上表面在同一平面。
7.根据权利要求1所述的正负极电极框一体化流场结构，其特征在于，所述电极框框体、流道盖板、边框盖板、双极板通过热熔焊接或激光焊接连接。
8.根据权利要求1所述的正负极电极框一体化流场结构，其特征在于，所述电极框框体、流道盖板、边框盖板的材质为PP或PE；电极框框体厚度为1～10mm，流道盖板、边框盖板的厚度为0.1～3mm，所述双极板厚度为0.2～1mm。
9.根据权利要求1所述的正负极电极框一体化流场结构，其特征在于：所述电极框框体电解液分配主流道深度为0.5～2mm，宽度为1～50mm，流道盖板上的电解液分配分支流道以及电解液分配口的深度为0.5～2mm，宽度为1～30mm，电解液分配分支流道与电解液分配口之间的间隔为1～10mm，电解液分配分支流道之间、电解液分配口之间间隔为1～10mm。
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