专利名称：一种液流电池的双极板框和电堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及电能转化和存储技术领域，尤其是制造液流电池的技术方法。
背景技术：
利用风能、太阳能等可再生能源发电是人类未来从自然界获取能量的重要途径之 一。由于风能、太阳能发电过程具有随机性、不连续特点，难于保持稳定的电能输出，需要和 一定规模的电能储存装置相配合，构成完整的供电系统，保证持续稳定的电能供应。因此， 开发电能转化效率高、储存容量大、经济性能好的储能系统成为发展可再生清洁能源的关 键。在各种形式的储能装置中，例如蓄水储能电站、高速飞轮机械储能、冷热温差储能等，电 化学储能具有能量转化效率高，可移动性强等特点，引起各国研究人员极大关注。液流电池 系统具有大容量电能储存与高效转化功能，以及使用寿命长、环保、安全的特点，易于和风 能、太阳能发电相匹配，大幅度降低设备造价，为可再生能源利用提供技术保证。用于电网 系统储能，可以避免抽水蓄能电站建设周期长，选址地理条件苛刻的缺点，适合于中等规模 厂矿企业、宾馆饭店、政府部门的不间断电源使用，能够有效改善电网供电质量，完成电网 的“移峰填谷”作用。全钒液流电池(Vanadium Redox Battery,VRB)是一种新型化学电源，通过不同价 态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，使用同种元素组成电池系统，从原理上避免 了正负半电池间不同种类活性物质相互渗透产生的交叉污染。(图1)使用溶解在电解液中 不同价态钒离子作为电池正极和负极活性物质，正极电解液和负极电解液分开储存，从原 理上避免电池储存过程自放电现象，适合于大规模储能过程应用。当风能、太阳能发电装置 的功率超过额定输出功率时，通过对液流电池的充电，将电能转化为化学能储存在不同价 态的离子对中；当发电装置不能满足额定输出功率时，液流电池开始放电，把储存的化学能 转化为电能，保证稳定电功率输出。由于液流电池对于风能、太阳能等可再生能源发电过程 的重要意义，作为关键技术在国内外得到普遍关注。全钒液流电池充电/放电运行过程，电极上将发生以下氧化还原反应。正极反应
放电V0^2 +2H++e^ VO2+ + /Z2OE0 = 1. OOV负极反应
放电j/2+ ◎厂3+ + e E0 = -0. 26V
充电由于正极电解液和负极电解液分别处于氧化性价态和还原性价态，无论是在电堆 内部的充电/放电运行过程，还是电解液输送过程，需要保持正极电解液和负极电解液不 发生混合，否则不同价态的钒离子间彼此交换电子产生自放电现象，严重影响电池效率。通 常情况，两种电解液输送管路、加压泵，以及储存容器容易实现彼此独立，不产生正极电解 液和负极电解液混合问题。然而，电解液在电堆内部流动过程，存在两种机会引起正极、负极电解液混合与自放电现象。1)穿过离子交换膜的混合当离子交换膜对于钒离子阻挡性能欠佳时，电池充电/放电运行过程伴随氢离子迁移，钒离子发生跨膜渗透；可以通过选择 合适的膜材料，提高对钒离子/氢离子选择性，解决钒离子跨膜渗透问题。2)穿过电堆密 封结构的混合两种电解液需要同时穿过同一个界面，并分配到电极表面进行电化学反应。 电堆密封要保证电解液既不能泄漏到电堆外部，又要确保电堆内部彼此间不穿液，特别是 在同一个平面上实现离子交换膜和两种电解液同时密封，往往十分困难。现有液流电池技 术(中国专利公开号1531761A，1515046A)采用0型密封环同时压接隔膜和密封电解液方 式，进行电堆密封，取得一定效果。然而，该电堆结构密封方式严重依赖于电池板框加工精 度和密封材料性能，在长期使用过程中往往因温度变化、离子交换膜尺寸变化等因素，引起 两种电解液从密封部位泄漏，产生混合后的自放电问题。为了解决现有液流电池的电堆内部两种电解液从密封部位泄漏和交叉自放电问 题，避免电解液交叉污染，提高库仑效率。本发明提出一种液流电池双极板电极框的新型结 构，可以从原理上完全避免两种电解液相互渗透。采用内外排布的两层0型密封圈分别压 在离子交换膜和板框之间，形成迷宫式密封；在内外排布的两层0型密封圈以外区域，布置 电解液通道并放置0型密封圈。(图2、图3)在相对于离子交换膜接触的电极框另一侧布 置沟槽，该沟槽和双极板彼此紧密接触形成电解液流入或流出通道。由于将电解液公共流 道设置在内外排布的两层0型密封圈以外区域，即使从电解液公共流道中渗漏的电解液仅 仅散落到电堆外部，没有机会穿过内外排布的两层0型密封圈形成的迷宫式密封部分，彻 底杜绝电堆内部穿过电堆密封结构的混合。本发明提出的双极板框与电堆结构装配简单， 容易实现两种电解液的良好密封，为提高电池库仑效率和能量效率提供基本保障。
发明内容
本发明目的在于提供一种液流电池的双极板框和电堆结构，解决阳极电解液和阴 极电解液在电堆内部因密封不严产生的泄漏问题，避免两种电解液混合后导致自放电现 象，提高电池库仑效率和储能系统的能量效率。本发明的技术内容如下。1. 一种液流电池的双极板框，其特征在于，含有上电极框(11)、下电极框(12)以 及双极板(2)，其中双极板(2)，夹于所述上电极框(11)和下电极框(12)之间，所述双极板的面积等 于或大于上电极框(11)，或下电极框(12)的面积，在所述双极板中轴线两侧各开有第一电 解液流过孔(211，211’ )和第二电解液流过孔(212，212’)，所述上电极框(11)和下电极框(12)的面积相等，其中上电极框(11)，在中轴线两侧分别开有阳极电解液流入孔(111)和阳极电解液流 出孔(112)，其中，所述阳极电解液流入孔(111)与所述双极板(2)上的第一电解液流过孔 (211)同轴相对，所述阳极电解液流出孔(112)与所述双极板第一电解液流过孔(211’)同 轴相对，在靠近所述双极板(2) —侧的所述上电极框(11)上开有与所述阳极电解液流入孔 (111)相通的阳极电解液槽(113)，在与该阳极电解液槽(113)相连的所述双极板⑵一侧 开有沿所述阳极电解液槽(113)长度方向均勻分布的阳极电解液分布槽(114)，在所述阴 极电解液流入孔(117)，以及所述阴极电解液流出孔(118)周边设有密封电解液用的0形密 封圈(7)沟槽(116)，
下电极框(12)，在中轴线两侧分别开有阴极电解液流入孔(121)和阴极电解液流 出孔(122)，其中，所述阴极电解液流入孔(121)与所述双极板(2)上的第二电解液流过孔 (212)同轴相对，所述阴极电解液流出孔(122)与所述双极板(2)上的第二电解液流过孔 (212’ )同轴相对，在所述下电极框(12)靠近所述双极板(2) —侧开有与所述阴极电解液 流入孔(121)相通的阴极电解液槽(123)，在所述阴极电解液槽(123)沿槽长度方向开有均 勻分布的阴极电解液分布槽(124)，在所述阳极电解液流入孔(127)，以及所述阳极电解液 流出孔(128)周边设有密封电解液用的0形密封圈(7)沟槽(126)，在不与所述双极板⑵直接接触的所述上电极框(11)上，在所述阳极电解液槽 (113)的内侧开有第一密封槽(115)，用于安置第一 0型密封圈(115A)，所述第一 0型密封 圈(115A)位置在所述阳极电解液流入孔(111)和阳极电解液流出孔(112)之间，在不与所述双极板(2)直接接触的所述下电极框(12)上，在所述阴极电解液槽 (123)的内侧开有第二密封槽(125)，用于安置第二 0型密封圈(125A)，所述第二 0型密封 圈(125A)位置在所述阴极电解液流入孔(121)和阴极电解液流出孔(122)之间，所述第一密封槽(115)的内侧距离所述第二密封槽(125)的外侧至少为2毫米。2.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于所述第一密封 槽(115)位于所述阳极电解液流入孔(111)、阳极电解液流出孔(112)，以及阳极电解液槽 (113)的内侧；所述第二密封槽(125)位于所述阴极电解液流入孔(121)、阴极电解液流出 孔(122)，以及阴极电解液槽(123)的内侧。3.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于所述双极板(2) 和所述上电极框(11)、下电极框(12)之间通过粘结、或弹性密封垫、或热融合焊接、或激光 焊接方式连接。4.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于所述双极板(2) 的材料具备导通电流能力，使用石墨板、或导电塑料板、或金属板制成。5.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于上电极框(11)、 下电极框(12)由下述高分子工程塑料的一种或者两种以上混合物聚氯乙稀、聚乙烯、聚 丙烯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯制成。6.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于上电极框(11)、 下电极框(12)使用同种工程塑料，采用塑料注射工艺成型、或塑料模压工艺成型。7.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于所述第一密封 槽(115)和第二密封槽(125)的形状是下列形状中的任意一种；T形、Y形、方形，以及矩形。8.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于当使用所述双 极板框组成电池堆时，所述电池堆由两个以上双极板框串联而成，在所述上电极框(11)、下 电极框(12)内填充电极(6)，在相邻的双极板框上的所述第一 0型密封圈(115A)与第二 0 型密封圈(125A)之间放置离子交换膜(8)；所述电池堆上、下两端分别依次设置与所述双 极板框上、下对齐的进料单极板(9)和压紧板(1)，使用螺钉(3)将电堆压紧直到电解液不 泄漏为止。9.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于当使用所述双 极板框组成电池堆时，所述电池堆中的所述离子交换膜(8)的面积大于所述第一密封槽 (115)围成的面积，不妨碍阳极电解液、阴极电解液流过上电极板(11)和下电极板(12)。
本发明提出的液流电池双极板框和电堆结构具备对称特点，以及良好的组装性 能。由于将电解液公共流道位于内外两层0型密封圈外侧，电解液通过电极框上的沟槽与 双极板共同围成的用于电解液分布的通道，流到位于板框中央部分的电极表面，万一电解 液从公共流道中渗漏时，电解液仅仅散落到电堆外部，无法穿过内外排布的两层0型密封 圈进入所述中央部分，从密封结构设计角度彻底杜绝电堆内部的电解液穿过电堆密封结构 的混合。本发明同时兼顾液流电池双极板框的对称结构设计，极大提高电堆组装的工作效 率。电解液在电极上的均勻分布，显著提高全钒液流电池中电能与化学能的转化和储存效 率，简化电池结构并降低造价，为进一步工业生产奠定基础。
图1.液流电池原理示意图2.双极板框部件，
图2-1上电极框(11)
111———阳极电解液流入孔，
112———阳极电解液流出孔，
113——阳极电解液槽，
114———阳极电解液分布槽，
115———第一密封槽，
116———0形密封圈沟槽，
117——阴极电解液流过孔A，
118——阴极电解液流过孔B;
图2-2下电极框(12)
121———阴极电解液流入孔，
122———阴极电解液流出孔，
123——阴极电解液槽，
124———阴极电解液分布槽，
125———第二密封槽，
126———0形密封圈沟槽，
127——阳极电解液流过孔A，
128——阳极电解液流过孔B;
图3.双极板框组装结构，
11—一上电极框，
2——双极板，
12—一下电极框，
211——阳极电解液流过孔C，
211，——阳极电解液流过孔D，
212——阴极电解液流过孔C，
212，——阴极电解液流过孔D，
111———阳极电解液流入孔，
112——阳极电解液流出孔，113——阳极电解液槽，114——阳极电解液分布槽，116——0形密封圈沟槽，117——阴极电解液流过孔A，121——阴极电解液流入孔，122——阴极电解液流出孔，123——阴极电解液槽，124——阴极电解液分布槽，126——0形密封圈沟槽，127——阳极电解液流过孔A，图3中，括号内的数字表示同等替换物；图4.液流电池的电堆结构示意图，1——压紧板，2——双极板，3——螺钉，4——螺母，5——压紧弹簧，6——电极，7——0型密封圈C，8——离子交换膜，9——进料单极板，115——第一密封槽，115A——第一 0型密封圈，125——第二密封槽，125A——第二 0型密封圈。
具体实施例方式以下把本发明所述的液流电池双极板框结构、电堆结构详述如下该全钒液流电池的双极板板框由三个部件组成，分别是上电极框(11)、双极板 (2)、下电极框(12)；装配时将三者上下对齐，保证电解液流过所对应的孔道，使用粘结剂 将上电极框(11)、双极板(2)、下电极框(12)连接为一个整体。该全钒液流电池的电堆若干组单电池串联组成，每个单电池由正极半电池和负极 半电池组成。在上电极框(11)、下电极框(12)内装入多孔电极(6)，在电池充电/放电过 程电极上发生如下电化学反应。正极反应
放电VO； + 2H+ + e ◎ V02+ + H20 E° = 1. 00V
充电负极反应充电 全钒液流电池的电堆由以下部件上下依次对齐，使用锁紧螺钉将压紧板(1)紧固 后组成，所述部件包括压紧板(1)、进料单极板(9)、上电极框(11)、双极板(2)、下电极框 (12)、0型密封圈C(7)、第一 0型密封圈(115A)、第二 0型密封圈(125A)、离子交换膜(8) 构成。0型密封圈C(7)位于上电极框(11)和下电极框(12)之间，压紧后和上电极框(11)、 下电极框(12)的电解液流入、流出孔对齐，形成电解液流过的流道。实施例1本发明所述的液流电池双极板框和电堆结构进一步说明如下。上电极框(11)材料为聚氯乙烯，长度200毫米、宽度200毫米、厚度5毫米，密封 沟槽宽3毫米，深度1. 6毫米，使用第一 0型密封圈(115A)直径146毫米，线径2. 65毫米。双极板(2)不透液石墨，长度200毫米、宽度200毫米、厚度4毫米下电极框(12)材料为聚氯乙烯，长度200毫米、宽度200毫米、厚度5毫米，密封 沟槽宽3毫米，深度1. 6毫米，使用第二 0型密封圈(125A)直径132毫米，线径2. 65毫米。使用聚氯乙烯塑料粘合剂将上电极框、下电极框和不透液石墨进行粘合。将粘合 为一体的双极板框作为一个部件使用。0型密封圈C(7)使用线径2. 65、直径16毫米的氯丁橡胶0型圈进行密封。离子 交换膜(8)使用市售均相阳离子交换膜，离子交换容量2mmol/g干膜，厚度0.3毫米，膜面 电阻低于4. 5 cm2。电极(6):使用市售碳毡，长度95毫米、宽度90毫米、厚度5毫米压紧板(1)使用314不锈钢材料制成，长度200毫米、宽度200毫米、厚度10毫 米。根据图4所示，将上述电池部件依次对齐进行装配后，使用直径10毫米的不锈钢 紧固螺钉锁紧，完成液流电池电堆组装。实施例2本发明所述的液流电池双极板框结构进一步说明如下。上电极框(11)材料为聚偏氟乙烯，长度850毫米、宽度450毫米、厚度4毫米，第 一密封槽(115)宽3毫米，深度1.6毫米。双极板(2)导电塑料制备的双极板，长度850毫米、宽度450毫米、厚度2毫米， 导电率大于45S/cm。下电极框材料为聚偏氟乙烯，长度850毫米、宽度450毫米、厚度4毫米，第二密 封槽(125)宽3毫米，深度1.6毫米。将上电极框(11)、下电极框(12)和导电塑料制备的双极板(2)进行焊接，将结合 为一体的双极板框作为一个部件使用。0型密封圈C(7)使用线径2. 65、直径18毫米的氯丁橡胶0型圈进行密封。双极 板框间的密封圈(115A，125A)使用线径2. 65、直径703毫米和直径719毫米的两种氟橡胶 0型圈分别作为第二 0形密封圈和第一 0形密封圈和。离子交换膜使用自制均相阳离子 交换膜，离子交换容量1. 6mmol/g干膜，厚度0. 18毫米，膜面电阻低于2. 2 Q . cm2。
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电极(6)使用厚度2 4毫米市售碳毡压紧板(1)使用316不锈钢材料制成，长度850毫米、宽度450毫米、厚度15毫 米。根据图4所示，将上述电池部件依次对齐进行装配后，使用直径12毫米的不锈钢 紧固螺钉锁紧，完成液流电池电堆组装。通过上述实施例，证明本发明所提出的液流电池双极板电极框的新型结构，从原 理上避免两种电解液相互渗透的可能性。采用内外排布的两层0型密封圈分别压在离子交 换膜和板框之间，形成迷宫式密封；电解液通过在内外排布的两层0型密封圈以外区域布 置的电解液通道流过。在公共流道中流过的电解液没有机会穿过内外排布的两层0型密封 圈，彻底杜绝电堆内部穿过电堆密封结构的混合。使用本发明的液流电池双极板框和电堆 结构，避免以往电池结构复杂，制造与装配困难的问题，能够有效提高电池充电/放电过程 能量效率，降低电堆造价，为发展用于大规模电能转化和储存的化学电源技术奠定基础。
权利要求
一种液流电池的双极板框，其特征在于，含有上电极框(11)、下电极框(12)以及双极板(2)，其中双极板(2)，夹于所述上电极框(11)和下电极框(12)之间，所述双极板的面积等于或大于上电极框(11)，或下电极框(12)的面积，在所述双极板中轴线两侧各开有第一电解液流过孔(211，211’)和第二电解液流过孔(212，212’)，所述上电极框(11)和下电极框(12)的面积相等，其中上电极框(11)，在中轴线两侧分别开有阳极电解液流入孔(111)和阳极电解液流出孔(112)，其中，所述阳极电解液流入孔(111)与所述双极板(2)上的第一电解液流过孔(211)同轴相对，所述阳极电解液流出孔(112)与所述双极板第一电解液流过孔(211’)同轴相对，在靠近所述双极板(2)一侧的所述上电极框(11)上开有与所述阳极电解液流入孔(111)相通的阳极电解液槽(113)，在与该阳极电解液槽(113)相连的所述双极板(2)一侧开有沿所述阳极电解液槽(113)长度方向均匀分布的阳极电解液分布槽(114)，在所述阴极电解液流入孔(117)，以及所述阴极电解液流出孔(118)周边设有密封电解液用的O形密封圈(7)沟槽(116)，下电极框(12)，在中轴线两侧分别开有阴极电解液流入孔(121)和阴极电解液流出孔(122)，其中，所述阴极电解液流入孔(121)与所述双极板(2)上的第二电解液流过孔(212)同轴相对，所述阴极电解液流出孔(122)与所述双极板(2)上的第二电解液流过孔(212’)同轴相对，在所述下电极框(12)靠近所述双极板(2)一侧开有与所述阴极电解液流入孔(121)相通的阴极电解液槽(123)，在所述阴极电解液槽(123)沿槽长度方向开有均匀分布的阴极电解液分布槽(124)，在所述阳极电解液流入孔(127)，以及所述阳极电解液流出孔(128)周边设有密封电解液用的O形密封圈(7)沟槽(126)，在不与所述双极板(2)直接接触的所述上电极框(11)上，在所述阳极电解液槽(113)的内侧开有第一密封槽(115)，用于安置第一O型密封圈(115A)，所述第一O型密封圈(115A)位置在所述阳极电解液流入孔(111)和阳极电解液流出孔(112)之间，在不与所述双极板(2)直接接触的所述下电极框(12)上，在所述阴极电解液槽(123)的内侧开有第二密封槽(125)，用于安置第二O型密封圈(125A)，所述第二O型密封圈(125A)位置在所述阴极电解液流入孔(121)和阴极电解液流出孔(122)之间，所述第一密封槽(115)的内侧距离所述第二密封槽(125)的外侧至少为2毫米。
2.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于所述第一密封槽 (115)位于所述阳极电解液流入孔(111)、阳极电解液流出孔(112)，以及阳极电解液槽 (113)的内侧；所述第二密封槽(125)位于所述阴极电解液流入孔(121)、阴极电解液流出 孔(122)，以及阴极电解液槽(123)的内侧。
3.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于所述双极板(2)和 所述上电极框(11)、下电极框(12)之间通过粘结、或弹性密封垫、或热融合焊接、或激光焊 接方式连接。
4.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于所述双极板(2)的 材料具备导通电流能力，使用石墨板、或导电塑料板、或金属板制成。
5.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于上电极框(11)、下电 极框(12)由下述高分子工程塑料的一种或者两种以上混合物聚氯乙稀、聚乙烯、聚丙烯、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯制成。
6.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于上电极框(11)、下电 极框(12)使用同种工程塑料，采用塑料注射工艺成型、或塑料模压工艺成型。
7.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于所述第一密封槽 (115)和第二密封槽(125)的形状是下列形状中的任意一种；T形、Y形、方形，以及矩形。
8.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于当使用所述双极板 框组成电池堆时，所述电池堆由两个以上双极板框串联而成，在所述上电极框(11)、下电极 框(12)内填充电极(6)，在相邻的双极板框上的所述第一 O型密封圈(115A)与第二 O型密 封圈(125A)之间放置离子交换膜(8)；所述电池堆上、下两端分别依次设置与所述双极板 框上、下对齐的进料单极板(9)和压紧板(1)，使用螺钉(3)将电堆压紧直到电解液不泄漏 为止。
9.根据权利要求1所述的一种液流电池的双极板框，其特征在于当使用所述双极板 框组成电池堆时，所述电池堆中的所述离子交换膜(8)的面积大于所述第一密封槽(115) 围成的面积，不妨碍阳极电解液、阴极电解液流过上电极板(11)和下电极板(12)。
全文摘要
一种液流电池的双极板框和电堆属于液流电池领域，其特征在于，采用内外排布的两层O形密封圈压在离子交换膜和板框之间，形成迷宫式密封，在内外排布的两层O形密封圈以外区域，布置电解液通道并放置O形密封圈，在相对于离子交换膜的电极框的另一侧布置电解液沟槽，该沟槽与双极板彼此紧密接触形成电解液流入或流出通道。本发明具有结构简单、完全避免阳极电解液和阴极电解液之间因密封不严造成的交叉泄露问题。
文档编号H01M4/86GK101847724SQ20101013868
公开日2010年9月29日 申请日期2010年3月31日 优先权日2010年3月31日
发明者徐冬清, 成旭光, 王保国, 范永生, 韩洪涛 申请人:清华大学;承德万利通实业集团有限公司