CN116783738A - 用于氧化还原液流电池的电极模块、该电极模块的组装方法以及氧化还原液流电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于氧化还原液流电池的电极模块(10)。电极模块(10)包括具有周缘密封件(03)的框架(01)，周缘密封件布置在框架(01)的内周缘上并且具有至少两个向内定向的弹性密封唇缘(04、06)。在密封唇缘中的两个密封唇缘(04、06)之间形成有周缘凹槽(07)。电极模块(10)还包括具有外周缘的电极(02)，电极(02)以该外周缘坐置在密封件(03)的凹槽(07)中。本发明还涉及一种氧化还原液流电池以及一种用于组装用于氧化还原液流电池的电极模块(10)的方法。

Description

用于氧化还原液流电池的电极模块、该电极模块的组装方法 以及氧化还原液流电池

技术领域

本发明涉及一种用于氧化还原液流电池的电极模块。该电极模块包括其中布置有电极的框架。本发明还涉及氧化还原液流电池和用于组装用于氧化还原液流电池的电极模块的方法，其中，该组装同时引起对电极模块中的电极的密封。

背景技术

在现有技术中已知被称为氧化还原液流电池的电池并且可以利用该氧化还原液流电池形成氧化还原液流电池组。在名称“氧化还原(Redox)”中，“Red”代表还原，在还原中可以看到电子吸收。“Ox”代表氧化，在氧化中可以看到电子释放。氧化还原液流电池将电能存储在化学化合物中，其中，反应组分溶解在溶剂中。两种储能电解质在两个独立的电路内循环，在两个电路之间经由膜在电池中发生离子交换。储能电解质优选地在电池外侧存储在单独的容器中。

氧化还原液流电池优选地具有框架，该框架围绕电池的金属电极。该框架代表电极的承载框架，并且还用于密封。在框架与电极之间需要周缘密封件。由于待密封的电解质是化学侵蚀性的，因此限制了密封材料的选择。框架和电极的通常小的壁厚度也限制了用于密封的适合的系统的选择。密封解决方案在现有技术中是已知的，在现有技术中使用经典的模制部件密封件。这些模制部件密封件通常通过框架中的凹槽来固定。在框架中需要底切凹槽以用于力配合连接，这由于周缘封闭的凹槽而导致生产成本增加。由于框架通常具有小于3mm的壁厚度，因此形状配合的凹槽连接由于框架的精细特性而几乎是不可能的。另外，在现有技术中已知用于密封的解决方案，在现有技术中，使用通过分配方法来施加的所谓的点胶工艺密封件(FIP)，该点胶工艺密封件由于相对长的周期时间而常常被证明在经济上是无利可图的。另外，密封轮廓的几何形状可以仅受到有限程度的影响。具有模制部件和FIP密封件的密封系统需要附加元件来产生密封预加载。另外，使用带有弹性粘合剂的密封化合物。由于电解质的化学侵蚀性，粘合剂可能会被洗掉。另外，由热塑性材料形成的框架和金属电极的很大不同的热膨胀导致在粘合剂珠中出现严重的剪切应力，特别是在大规格的情况下出现严重的剪切应力。这两种效应显著地减少了这种密封系统的使用寿命。

EP 2 693 087 A1示出了用于比如氧化还原液流电池组的电池中的薄板元件的密封材料。环形密封材料包括设置在薄板构件的一个侧部上的侧向密封本体。薄板元件的前部和后部布置在从侧向密封本体分支的两个密封腿上。

WO 2014/198364 A1示出了一种用于氧化还原液流电池组的电极模块。该电极模块包括电极和密封框架。电极应当连接至密封框架，使得所得的电极模块可以毫无问题地用于氧化还原液流电池中。为此目的，该电极机械地连接至密封框架。多唇缘密封件优选地布置在密封框架上并且抵靠膜搁置。密封框架优选地具有周缘凹槽，该周缘凹槽被设计成朝向外侧成圆锥形地渐缩。通道优选地具有底切部。

WO 2013/016919 A1示出了一种液流电池堆，该液流电池堆具有流动框架并且具有布置在流动框架内部的集电板。离子交换膜置于集电板之间并形成腔，电解质与集电板一起容纳在该腔中。电极定位在腔内。流动框架的侧部上形成有两组流动开口。

从EP 2 432 043 A1已知一种用于在电池组中使用的密封框架，该密封框架具有环绕开口的基部本体。在该开口的边缘处形成有触发区域。连续的排放开口在基部本体中形成为邻近触发区域。具有电池壳体的电池由密封接缝环绕。电池放置在密封框架上，使得电池壳体延伸到开口中，使得密封接缝与密封件接触并且密封接缝不受到触发区域中的密封件的作用。提供了至少一个周缘弹性可压缩的密封件，该密封件环绕开口。

EP 3 113 272 A1教示了一种用于氧化还原液流电池组的电池的框架本体。该框架本体包括形成在框架本体内的开口以及电解质可以经过的歧管。连接歧管和开口的狭缝在与电解质流动的方向正交的横截面中具有面向彼此的一对侧壁。

基于现有技术，本发明的目的是能够以简单且紧密的方式将用于氧化还原液流电池的电极固定在框架内。此外，热膨胀不应当导致可能损害电极的使用寿命的机械应力。

发明内容

所述目的通过根据所附权利要求1的电极模块、通过根据所附从属权利要求9的氧化还原液流电池以及通过根据所附从属权利要求10的方法来实现。

根据本发明的电极模块旨在用于氧化还原液流电池。氧化还原液流电池是湿电池，并且因此是蓄电池。氧化还原液流电池将电能存储在化学化合物中，其中，反应组分溶解在两种储能电解质中的溶剂中。两种储能电解质在两个独立的电路中循环，在两个电路之间通过电池中的膜进行离子交换。氧化还原液流电池优选地由无毒成分制成的有机液流电池形成。氧化还原液流电池由两个电极界定。电极被设计成模块的形式。这样的模块由根据本发明的电极模块形成。

电极模块包括形成支承框架并且也形成密封框架的框架。为此目的，框架包括布置在框架的内周缘上的密封件。该密封件沿周缘形成在框架的该内周缘上。该密封件具有至少两个向内定向的弹性密封唇缘。密封唇缘朝向框架的内部定向，即指向框架的中心点，该中心点位于由框架包围的空间中。在密封唇缘中的两个密封唇缘之间形成有周缘凹槽。周缘凹槽优选地形成在两个相邻的密封唇缘之间。凹槽的开口朝向框架的内部定向，即指向框架的中心。该凹槽完全围绕框架的内周缘延伸。该密封件抵抗氧化还原液流电池中的化学侵蚀性电解质。

电极模块还包括金属电极。电极具有外周缘，电极以该外周缘坐置在密封件的凹槽中。电极突出到密封件的凹槽中，使得电极坐置在两个密封唇缘之间并被两个密封唇缘夹紧。这可以保持、固定并密封电极。电极在凹槽的整个长度上沿着凹槽的周缘方向突出到凹槽中。由于电极坐置在凹槽中，因此电极位于与框架和密封件相同的平面中。该水平面代表框架、密封件和电极的主延伸平面。密封件封围电极。框架封围密封件连同坐置在其中的电极。

电极模块的特别优点是密封件允许电极的密封和电极的储存两者。电极可以快速且容易地安装在框架中，其中，预张紧力已经由密封件自身产生。如果需要，也可以将电极从框架移除。

在优选实施方式中，两个密封唇缘中的一个密封唇缘被按压到电极的上侧部上，而两个密封唇缘中的另一密封唇缘被按压到电极的下侧部上。电极因此力配合在两个密封唇缘之间。这导致电极在垂直于其主延伸平面的方向上被固定并且还被牢固地密封的优点。

在优选实施方式中，电极的外周缘具有距凹槽的底部的周缘间隙。与凹槽一样，凹槽的底部被设计成周缘的。到底部的垂线优选地位于框架的主延伸平面中。该垂线优选地指向框架的中心点。该底部利用间隙包围电极的外周缘，其中，电极的外周缘被赋予间隔，即所述间隙。该间隙引起电极能够在其主延伸平面中稍微膨胀和移动。优选地由热塑性材料制成的框架以及金属电极具有不同的热膨胀系数。在温度变化时，该间隙在更大程度上预防导致机械应力的不同的热膨胀系数。由于该间隙，电极以浮动方式支承在框架内。该间隙优选地至少与电极的厚度一样大。该间隙更优选地至少是电极的厚度的五倍。

在优选实施方式中，两个密封唇缘中的一个密封唇缘设计为卡扣式凸耳，电极可以经由该卡扣式凸耳卡扣到凹槽中。设计为卡扣式凸耳的密封唇缘具有界定凹槽的内侧表面和与内侧表面相反的外侧表面。外侧表面相对于框架的主延伸平面倾斜，使得当电极从框架外侧插入到框架的密封件中时，电极可以滑入设计为卡扣式凸耳的密封唇缘的周缘外侧表面中，并且在这种情况下，该密封唇缘以类似铰链的方式在凹槽的方向上折叠直到电极经由该密封唇缘进入凹槽，因此该密封唇缘像铰链一样卡回并搁置在电极的上侧部上。在未变形状态下，外侧表面相对于框架的主延伸平面具有优选地大于45°的角度。将两个密封唇缘中的一个密封唇缘设计为卡扣式凸耳的优点是可以非常快速且不费力地将电极插入到框架中。

设计为卡扣式凸耳的密封唇缘在下面也被称为第一密封唇缘，而两个密封唇缘中的另一密封唇缘被称为第二密封唇缘。第二密封唇缘具有界定凹槽的内侧表面以及与内侧表面相反的外侧表面。第二密封唇缘的外侧表面优选地相对于框架的主延伸平面倾斜，但优选地小于第一密封唇缘的外侧表面。在未变形状态下，第二密封唇缘的外侧表面相对于框架的主延伸平面具有优选地在10°与45°之间的角度。第二密封唇缘优选地比第一密封唇缘更远地突出到框架的内部中。因此，第二密封唇缘在比第一密封唇缘与电极接触的区域更靠近框架的中心点的区域中与电极接触。因此，第二密封唇缘在框架的主延伸平面中的范围优选地比第一密封唇缘在框架的主延伸平面中的范围大至少1.5倍。从这个意义上说，第二密封唇缘优选地是第一密封唇缘的至少1.5倍高。

第一密封唇缘的外侧表面的倾斜和第二密封唇缘的外侧表面的倾斜还引起自密封效果。作用在电极上的压力也作用在相应的密封唇缘的外侧表面上，使得该密封唇缘的接触电极的区域被更强力地压靠在电极上。

在优选实施方式中，密封件以形状配合和/或材料配合的方式附接至框架的内周缘。这个附接确保坐置在密封件中的电极被牢固地固定并抵靠框架被密封。

在优选实施方式中，密封件作为注射模制部件附连至框架的内周缘。因此，密封件以形状配合和材料配合的方式紧固至框架的内周缘。

在框架的内周缘上，框架优选地具有侧向界定内周缘的止挡部。止挡部优选地围绕内周缘形成。止挡部形成用于密封件的支承件。

优选地在内周缘与止挡部之间形成有周缘凹形边缘。内周缘优选地被设计成使得垂线位于框架的主延伸平面中的周缘上。止挡部优选地被对准成垂直于框架的内周缘，使得周缘凹形边缘具有90°的角度。密封件优选地坐置在周缘凹形边缘中。周缘凹形边缘确保密封件牢固且紧密地固定在框架中。

在优选实施方式中，密封件作为注射模制部件结合到框架的周缘凹形边缘中，因此密封件牢固且紧密地连接至那里的框架。

密封件优选地是弹性的并且优选地由聚合物构成。聚合物优选地由热塑性弹性体(TPE)、三元乙丙橡胶(EPDM)或氟橡胶(FKM)形成。密封件或聚合物优选地是耐酸的。

框架由塑料构成。框架优选地由热塑性材料制成。框架优选地是耐酸的。

金属电极优选地由铜锌合金或石墨构成。然而，电极也可以由另一金属构成。电极优选地设计成多孔的。电极优选地由薄壁结构形成。电极优选地呈矩形板的形式。在这方面中，电极具有平坦长方体的形状。

根据本发明的氧化还原液流电池包括根据本发明的电极模块中的两个电极模块。两个电极模块优选地布置成彼此对齐。两个电极模块优选地具有相同的设计。在两个电极模块之间布置有膜。电解质可以在电极之间循环。两个电极模块优选地根据上述电极模块的实施方式中的一个实施方式来设计。另外，氧化还原液流电池优选地还具有结合根据本发明的电极模块所指示的特征。

根据本发明的方法用于组装用于氧化还原液流电池的电极模块。在该方法的一个步骤中，提供用于氧化还原液流电池的金属电极。另外，针对电极设置了框架，电极插入到该框架中。框架具有设置在框架的内周缘上并且沿周缘形成的密封件。该密封件具有至少两个向内定向的弹性密封唇缘，其中，在密封唇缘中的两个密封唇缘之间形成有周缘凹槽。在另一步骤中，电极经由密封唇缘中的一个密封唇缘被按压到凹槽中。为此目的，电极布置在框架上方，并且力沿垂直于主延伸平面的方向施加在电极上。一旦电极坐置在凹槽中，组装好的电极模块就可用。电极模块优选地是上述根据本发明的电极模块或者是上述根据本发明的电极模块的优选实施方式中的一个优选实施方式中的电极模块。在这方面中，针对该方法提供的电极和针对该方法提供的框架优选地还具有结合根据本发明的电极模块所描述的特征。

当电极被按压在优选地设计为卡扣式凸耳的密封唇缘上时，该密封唇缘以铰链的方式折叠，使得电极可以在该密封唇缘上滑动。然后，该密封唇缘像铰链一样卡回，使得电极坐置在凹槽中并通过预应力密封唇缘以力配合的方式保持就位。因此，电极可以在设计为卡扣式凸耳的密封唇缘上滑动以进入凹槽中，两个密封唇缘中的另一密封唇缘优选地也以类似铰链的方式屈服。一旦电极坐置在凹槽中，该密封唇缘也会向回折叠并将电极按压到凹槽中。

附图说明

参照附图根据以下对优选实施方式的描述得出本发明的其他优点、细节和其他改进方案。在附图中：

图1示出了根据本发明的用于组装电极模块的方法的优选实施方式的图；

图2示出了图1所示的方法的第一步骤；

图3示出了图1所示的方法的第二步骤；

图4示出了图1所示的方法的第三步骤；以及

图5示出了根据图1所示的方法组装的电极模块。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的用于组装电极模块的方法的优选实施方式的图。首先，提供矩形框架01和矩形电极02。框架01具有始终围绕该框架的内周缘形成的弹性密封件03(在图2中示出)。密封件03(在图2中示出)包括向内定向的第一弹性密封唇缘04和向内定向的第二弹性密封唇缘06(在图2中示出)，在第一弹性密封唇缘与第二弹性密封唇缘之间形成有周缘凹槽07(在图2中示出)。

箭头08表示该方法的过程，其中，电极02被按压到框架01中，使得结果是用于氧化还原液流电池(未示出)的电极模块10。电极模块10表示根据本发明的电极模块的优选实施方式。由箭头08表示的该方法的过程在图2至图4中针对截面AA以单独的步骤示出。

图2示出了图1所示的方法的第一步骤。在这个步骤中，存在所提供的框架01和所提供的电极02。电极02在框架01上方定位在中间中。在框架01的截面图中可以看到内周缘密封件03的横截面。密封件03通过以材料结合的方式注射模制在框架01和止挡部11上而附接至框架01的内周缘，该内周缘在一个侧部上由止挡部11侧向界定。

图3示出了图1所示的方法的第二步骤。电极02已经被部分地按压到密封件01中，使得第一密封唇缘04已经在凹槽07的方向上变形。

图4示出了图1所示的方法的第三步骤。电极02已经被更进一步地按压到密封件01中，使得第一密封唇缘04像卡扣式凸耳一样卡在电极02上，使得电极02位于两个密封唇缘04、06之间的凹槽07中。

图5示出了根据图1所示的方法组装的电极模块10。电极02位于密封件02的凹槽07中，由此电极02固定在框架01中并且抵靠框架被密封。在凹槽07中，电极02相对于凹槽07的底部12具有一些间隙，使得电极02以浮动的方式支承在密封件03中。

箭头13表示系统压力，所述系统压力通过力F将密封唇缘04、06压靠在电极02上，由此增加密封件03的密封效果。

附图标记列表

01 框架

02 电极

03 密封件

04 第一密封唇缘

05 -

06 第二密封唇缘

07 凹槽

08 箭头

09 -

10 电极模块

11 止挡部

12 底部

13 箭头。

Claims (10)

1.一种用于氧化还原液流电池的电极模块(10)，所述电极模块包括：

-框架(01)，所述框架具有周缘密封件(03)，所述周缘密封件布置在所述框架(01)的内周缘上并且具有至少两个向内定向的弹性密封唇缘(04、06)，在所述密封唇缘中的两个密封唇缘(04、06)之间形成有周缘凹槽(07)；以及

-电极(02)，所述电极具有外周缘，所述电极(02)以所述外周缘坐置在所述密封件(03)的所述凹槽(07)中。

2.根据权利要求1所述的电极模块(10)，其特征在于，所述两个密封唇缘中的一个密封唇缘(04)被按压到所述电极(02)的上侧部上并且所述两个密封唇缘中的另一密封唇缘(06)被按压到所述电极(02)的下侧部上。

3.根据权利要求1或2所述的电极模块(10)，其特征在于，所述电极(02)的所述外周缘相对于所述凹槽(07)的底部(12)具有周缘间隙。

4.根据权利要求3所述的电极模块(10)，其特征在于，所述间隙是所述电极(02)的厚度的至少一半大。

5.根据权利要求1至4中的一项所述的电极模块(10)，其特征在于，所述两个密封唇缘中的一个密封唇缘(04)设计为卡扣式凸耳，所述电极(02)能够经由所述卡扣式凸耳卡扣到所述凹槽(07)中。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的电极模块(10)，其特征在于，所述密封件(03)以形状配合的方式和/或以材料配合的方式紧固至所述框架(01)的所述内周缘。

7.根据权利要求1至6中的一项所述的电极模块(10)，其特征在于，所述密封件(03)作为注射模制部件附接至所述框架(06)的所述内周缘。

8.根据权利要求1至7中的一项所述的电极模块(10)，其特征在于，所述框架(01)在所述框架的所述内周缘上具有侧向界定所述内周缘的止挡部(11)，其中，在所述内周缘与所述止挡部(11)之间形成有周缘凹形边缘，所述密封件(03)坐置在所述周缘凹形边缘中。

9.一种氧化还原液流电池，所述氧化还原液流电池具有两个根据权利要求1至8中的一项所述的电极模块(10)，在所述两个电极模块之间布置有膜。

10.一种用于组装用于氧化还原液流电池的电极模块(10)的方法，所述方法包括以下步骤：

-提供电极(02)；

-提供用于所述电极(02)的框架(01)，所述框架具有布置在所述框架(01)的内周缘上并且沿周缘形成的密封件(03)，其中，所述密封件(03)具有至少两个向内定向的弹性密封唇缘(04、06)，其中，在所述密封唇缘中的两个密封唇缘(04、06)之间形成有周缘凹槽(07)；以及

-在所述密封唇缘中的一个密封唇缘(04)的上方将所述电极(02)按压到所述凹槽(07)中。