CN201204228Y - 一种液流电池用电极槽和集流体一体化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及液流电池电极装配装置，特别涉及卤化钒氧化还原液流电池电极和集流装置。本实用新型的特征在于，卤化钒氧化还原液流电池的电极槽和集流体通过粘结剂并列平行粘结，形成一体结构，电极槽与粘结剂采用耐卤素腐蚀材料，集流体采用石墨材料。这样的设计达到了更好的密封效果，降低了卤素挥发出电池的可能性，节省了橡胶的使用，降低了密封时对于紧固的要求。

Description

一种液流电池用电极槽和集流体一体化装置

技术领域

本实用新型属于氧化还原液流电池领域，涉及液流电池电极装配装置，特别是卤化钒氧化还原液流电池电极和集流装置。

背景技术

在溴化钒体系中，V³⁺/V²⁺和ClBr₂ ^-/Br^-分别作为正负极半电池的电化学反应电对，正负极反应分别为：

正极： ${2\mathrm{Br}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{-}+{\mathrm{Cl}}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{-}\underset{\mathrm{Disch}\arg e}{\overset{\mathrm{Ch}\arg e}{f}}{\mathrm{ClBr}}_{2\left(\mathrm{aq}\right)}^{-}+{2e}^{-}$

负极： $V_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{3+}+e^{-}\underset{\mathrm{Disch}\arg e}{\overset{\mathrm{Ch}\arg e}{f}}{V}_{\left(\mathrm{aq}\right)}^{2+}$

卤化钒氧化还原液流电池的正极反应为卤素间的反应，放电的过程分为两个步骤进行：首先是卤原子失去电子形成卤素单质(Br₂)；然后是卤素单质(Br₂)与Cl^-形成配合物。由于在反应过程中会有卤素单质(Br₂)生成，而在实际应用条件下卤素单质的挥发现象很严重，这样既造成电活性物质的损失，降低能量密度，又会造成环境的污染，而且溴为有毒气体，它的挥发对人体的危害很大。此外，溴素有很强的氧化性易腐蚀器械。因此，卤化钒氧化还原液流电池装置对密封的要求很高。

现有的电极装配装置由电极槽和集流体两个单元组件构成，中间用橡胶垫片密封，再将电极装配装置放入电池对框架中用螺栓加以紧固，以达到密封的目的。虽然橡胶垫片的密封效果尚可，但该装置对橡胶垫片材质的要求较高，而且该装置装配时既要注意离子交换膜与电极槽的密封又要考虑到电极槽与集流体的密封，较为复杂。一体化装置既能达到更好的密封效果，又能使电极的装配进一步简化，更适合应用在此类电池中。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了解决电极槽和集流体间的密封问题，把电极槽和集流体做成一体结构，采用粘结剂将抗卤素腐蚀的电极槽和集流体粘结到一起，省去电极槽和集流体作为分离部件时橡胶垫片的使用以及密封时的紧固要求，简化装配过程。由于粘结剂可以使电极槽和集流体达到完全的密封，故提高了密封的可靠性，还可以避免橡胶垫圈老化时密封不严的现象。

本实用新型的特征在于，卤化钒氧化还原液流电池的电极槽1和集流体2通过粘结剂3并列平行粘结，形成一体结构。有流场集流体流场的形状和大小与电极槽的形状和大小相同，集流体外边缘与电极槽外边框相重合，粘结剂粘结的部位为集流体的流场外边缘与电极槽的内孔外边缘。

该结构包括电极槽1和集流体2以及位于两组件之间的粘结剂3。所述电极槽1位于一体结构一侧，呈长方体，中心为长方体贯通孔，其作用是装配并固定炭毡电极，其大小、要根据氧化还原液流电池设计需要制作；所述集流体2位于一体结构的另一侧，其位置与电极槽1相平行，为了达到较好的密封效果，要求集流体2与电极槽1大小要相同，即电极槽的外沿与流场体外沿重合。根据设计要求集流体2可以为无流场集流体和有流场集流体：无流场集流体的作用是传导电流，并提供一定压缩比要求的炭毡固定的空间，有流场集流体作用除上述以外还可以为液体流动提供符合流体力学要求的电解液流动的空间，常见的流场种类有平行流场、蛇形流场、指纹形流场等，流场位于集流体2的中心，大小形状要与电极槽1的大小形状相吻合。所述粘结剂3位于电极槽1和集流体2(有流场集流体应为集流体的流场侧)之间，作用是将两个组件粘接在一起。电极槽1粘结的部位为内孔之外至槽的外沿，有流场集流体2粘结部位为流场外沿至集流体外沿。要求粘结密封时要密实，不能出现贯通气孔。

电极槽1的材质要求耐溴素腐蚀，由于卤素具有强氧化性，故可以采用有机玻璃、PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙烯)等。集流体2要求既要耐卤素腐蚀有很好的导电性，一般选用石墨材质。

粘结剂3要求耐卤素腐蚀，可以采用有机玻璃粘结剂或者其它各种氟塑料粘结剂等。粘结剂的制作方法为：

有机玻璃粘结剂：将有机玻璃粉末溶解到二氯甲烷(或三氯甲烷)中，用量为0.5-2克有机玻璃粉末/5毫升二氯甲烷(或三氯甲烷)，然后搅拌至均匀。

PVDF(聚偏氟乙烯)粘结剂：将PVDF(聚偏氟乙烯)粉末溶解到NMP(N-甲基吡咯烷酮)中，用量为0.5-2克PVDF(聚偏氟乙烯)/5毫升NMP(N-甲基吡咯烷酮)，然后搅拌至均匀。

本发明提供了结构简单，性能可靠的电极槽、集流体一体化装置，实现了卤化钒氧化还原液流电池活性物质的良好密封。本发明有以下优点：

(1)减少了橡胶垫片的使用，节省材料；

(2)达到了更可靠的密封效果；

(3)使装置的装配过程进一步简化。

附图说明

图1为无流场电极槽集流体一体化装置(实例1)；

图2为三流道蛇行流场电极槽集流体一体化装置(实例2)；

图3为双流道蛇形流场电极槽集流体一体化装置(实例3)；

图4为一体化装置工作示意图；

附图标记：电极槽1，集流体2，粘结剂3，流入、流出通道4，三流道蛇形流场5，双流道蛇形流场6，质子交换膜7。

具体实施方式

实例1

一个有机玻璃电极槽和无流场石墨集流体一体化装置，粘结剂为有机玻璃粘结剂。

在这个装置(见图1)中，电极的有效面积为40×40mm，电极槽1的外边框为50×50mm，厚度为6mm；石墨集流体2面积为50×50mm，厚度为4mm；电解液流入、流出孔4的直径为4mm；采用有机玻璃粘结剂3将电极槽和集流体粘结在一起；总厚度为10mm。

实例2

一个由PTFE(聚四氟乙烯)电极槽和三流道蛇形流场5石墨集流体一体化装置，粘结剂3为有机PTFE(聚四氟乙烯)粘结剂。

在这个装置(见图2)中，电极的有效面积为29×40mm，电极槽1的外边框为39×50mm，厚度为6mm；石墨集流体2面积为39×50mm，流场有效面积为29×40mm，厚度为4mm；电解液流入、流出通道4的为两个直径为2mm的孔；采用PTFE(聚四氟乙烯)3将电极槽和集流体粘结在一起；总厚度为10mm。流场如图2中间部分所示，图中阴影区为流场脊宽度为1mm，空白区为流场槽宽度为0.8mm，槽深0.8mm。电解液由圆孔4流入经过流场槽充满整个流场，然后由另一端的圆孔流出，电解液逐渐扩散到炭毡电极上，进行电化学反应。

实例3

一个由PVDF(聚偏氟乙烯)电极槽1和双流道蛇形流场6石墨集流体一体化装置，粘结剂3为PVDF(聚偏氟乙烯)粘结剂。

在这个装置(见图3)中，电极的有效面积为43×40mm，电极槽1的外边框为53×50mm，厚度为6mm；石墨集流体2面积为53×50mm，流场有效面积为43×40mm，厚度为4mm；电解液流入、流出通道4的为一个直径为4mm的孔；采用PVDF(聚偏氟乙烯)粘结剂3将电极槽和集流体粘结在一起；总厚度为10mm。流场如图3中间部分所示，阴影部分为流场脊，宽度为1mm；空白部分为流场槽，宽度为0.8mm，深度为0.8mm，流场槽为电解液流经的通道。如实例2中所述电解液由孔4中的一个孔流入流场区，逐渐充满流场槽由另一孔流出，在循环流动过程中电解液扩散入炭毡电极，在电极上发生电化学反应。

本实用新型的作用过程为(以实例3为例)：炭毡电极分别放在两个电极槽1中，组成电池的正负两电极，电解液由上孔4流入装置中，沿流场6的流道流动，从下孔4流出，进行循环流动。流动过程中逐渐充满两个炭毡电极。两电极中充满的为不同种电解液，电极活性物质发生氧化还原反应进行充放电，电子由石墨集流体2收集并进行传到，氢离子通过质子交换膜7形成回路。经实际运行，电池装置的密封效果良好，且未出现电极装置的腐蚀现象。

Claims (4)

1.一种液流电池用电极槽和集流体一体化装置，其特征在于，液流电池的电极槽(1)和石墨集流体(2)通过粘结剂(3)并列平行粘结，形成一体结构，有流场集流体流场的形状和大小与电极槽的形状和大小相同，集流体外边缘与电极槽外边框相重合，粘结剂(3)粘结的部位为石墨集流体(2)的流场外边缘与电极槽(1)的内孔外边缘。

2.如权利要求1所述的电极槽和集流体一体化装置，其特征在于，电极槽的材质选用有机玻璃、PTFE、PVDF中的一种。

3.如权利要求1所述的电极槽和集流体一体化装置，其特征在于，集流体采用石墨材质集流体。

4.如权利要求1所述的电极槽和集流体一体化装置，其特征在于，粘结剂采用有机玻璃粘结剂、PVDF、PTFE粘结剂中的一种。

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