专利名称：膜组件、液流电池单元以及电池堆的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种液流电池，特别是，涉及一种膜组件、以及包括这种膜组件的液流电池单元以及电池堆。
背景技术：
目前，随着能源紧张和环境恶化的加剧，作为一种储能装置，液流电池由于其寿命长、可靠性高、运行和维护费用低等特点而得到广泛应用。特别是，已研发了全钒液流电池， 其不会发生正负极电解液交叉污染的现象，而且钒离子更适合大电流快速充放电。全钒液流电池一般包括端板、双极板、隔膜、电极材料、电极框、密封材料等。中国专利申请号CN200910157588. 0公开了一种液流电池一体化装置，包括依次相接的负极液流框、负极、质子交换膜、正极、正极液流框，质子交换膜与液流框之间通过耐酸粘接剂粘接，正极与质子交换膜之间和负极与质子交换膜之间通过导电胶粘结在一起。传统的液流电池特点之一在于功率与容量分离，即通过使用泵将电解液从电解液储液罐中打入电池堆入口，流过电池堆内的各个液流电池单元，最终从电池堆的出口流出， 并回流到电解液储液罐中，如此连续循环往复。电解液在电池堆中的流动是影响电池堆的性能的关键因素。在液流电池技术中， 通常在电极板上加工液流通道来解决流动均勻的问题。但是，在传统的钒液流电池之类的液流电池当中，由于电极液对电极板的材料(如石墨)有较强的腐蚀性，在电极板上加工液流通道，将会增加电极板与电解液的接触面积，从而增加电极板被腐蚀的程度。当电极板被腐蚀后，其表面产生的氧化基团(或氧化物)会增加电池堆的内阻，甚至腐蚀穿孔，造成电解液泄漏，使电池停止充放电功能，并进而腐蚀其他部件及设备，造成污染环境。在另一种传统的液流电池中，在电解液的进出口区域或内部增加液流分配结构。 但在进出口区域增加液流分配结构只能在电解液进入工作区域以前更加均勻的进液，而不会对液流电池工作区域的电解液流动有所贡献，而且，增加液流分配结构会受到材料性能和加工水平的限制，同时也给密封带来技术问题。
发明内容
为解决现有技术中存在的电解液在电池工作区域分配不均勻的技术问题，本发明提供一种膜组件、以及包括这种膜组件的液流电池单元以及电池堆，采用这种膜组件可以使电解液在电池工作区域各点的阻力降更加均勻，从而使电解液在电池工作区域流动的过程中分配的更加均勻，最终降低液流电池单元的极化电位，使电池堆的性能提高。另外，根据本发明提出的膜组件、以及包括这种膜组件的液流电池单元以及电池堆，在降低电池堆内部流动阻力的同时，还能够降低供液泵的压头损失，并进一步提高隔膜的使用寿命，提高电池堆的密封性能。根据本发明的一个方面的实施例，提供一种用于液流电池单元的膜组件，包括两个框体，每个框体都包括边框部分和由所述边框部分限定的中空部分，在所述边框部分上
3设有至少一个用于使流体通过的通孔，两个所述边框部分的第一侧彼此面对，两个所述边框部分的与各自的所述第一侧相反的第二侧分别设有至少一个从所述通孔延伸到所述中空部分的液流槽；多个支撑件，所述支撑件在第一方向上穿过所述中空部分连接在所述边框部分上；以及隔膜，所述隔膜通过所述支撑件保持在两个所述框体的中空部分上。在上述膜组件中，两个所述框体的支撑件交替地平行布置，以将所述隔膜支撑成波纹形状。在上述膜组件中，所述液流槽在所述边框部分的所述第二侧的邻近所述中空部分的边缘上沿与所述第一方向垂直的第二方向进一步延伸形成分配槽。在上述膜组件中，所述支撑件与所述边框部分一体形成。在上述膜组件中，所述支撑件通过连接件连接在所述边框部分上。在上述膜组件中，所述边框部分的所述第一侧上形成多个凹槽，所述凹槽与所述支撑件交替布置。在上述膜组件中，所述框体由聚四氟乙烯或者聚氯乙烯制成。根据本发明另一方面，提供一种液流电池单元，包括两个电极板，所述电极板的外边缘设有环形的电极框；两个多孔电极，每个所述多孔电极都设置在所述电极板上并位于所述电极框内；以及上述任一种膜组件，所述膜组件的边框部分设置在两个所述电极框之间，所述多孔电极与所述中空部分相对应并与所述隔膜接触。根据本发明进一步的方面，提供一种电池堆，包括多个上述的液流电池单元，多个所述液流电池单元依次叠置并且电串联。根据本发明的示例性实施例的液流电池单元和电池堆，由于采用了膜组件，使隔膜形成平行导流结构，可以引导来自于液流槽的电解液均勻分布到隔膜上。支撑件对多孔电极进行支撑，从而降低多孔电极和电极板之间的接触电阻。进一步地，采用支撑件可以防止液流电池单元在组装和工作过程中由于对隔膜的拉伸、揉搓等而造成对隔膜的损坏。
为了使本发明的目的、特征及优点能更加明显易懂，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，其中图1是显示根据本发明的一种示例性实施例的液流电池单元的剖视示意图；图2是显示图1所示液流电池单元的膜组件的一种示例性实施例的分解示意图；图3是显示图2所示膜组件的一个框体从第一侧观察的立体示意图；图4是显示图2所示膜组件的一个框体从第二侧观察的平面示意图；图5是显示图2所示膜组件的隔膜的布置方式的侧视图；图6是显示图2所示膜组件的组合过程的示意图；图7是显示传统液流电池单元的电极板上的电压分布曲线图；图8是显示根据本发明的液流电池单元的电极板上的电压分布曲线图；图9是显示传统液流电池单元和根据本发明的液流电池单元的充电电压的变化曲线图；图10是显示传统液流电池单元和根据本发明的液流电池单元的放电电压的变化曲线4
图11是显示传统液流电池单元和根据本发明的液流电池单元的能量效率和电解液的利用率的比较曲线图；以及图12是显示根据本发明的一种实施例的电池堆的侧视示意图。
具体实施例方式虽然将参照含有本发明的较佳实施例的附图充分描述本发明，但在此描述之前应了解本领域的普通技术人员可修改本文中所描述的发明，同时获得本发明的技术效果。因此，须了解以上的描述对本领域的普通技术人员而言为一广泛的揭示，且其内容不在于限制本发明所描述的示例性实施例。图1是显示根据本发明的一种示例性实施例的液流电池单元100的剖视示意图。 如图ι所示，根据本发明的液流电池单元100，包括两个电极板2，每个电极板2的外边缘都设有环形的电极框21 ；由例如聚丙烯腈基材料或者粘胶基材料制成的两个多孔电极3， 每个多孔电极3都设置在电极板2的一侧上并位于电极框21内；膜组件1 (下面将详细描述)，所述膜组件1位于两个多孔电极3之间。图2-5是显示图1所示液流电池单元100的膜组件1的一种示例性实施例的示意图。根据本发明的一种示例性实施例的用于液流电池单元100的膜组件1，包括例如大致成环形形状的两个框体12，参见图2-4，每个框体12都包括一体相连的边框部分121和由边框部分121限定的中空部分，在边框部分121上设有至少一个用于使流体通过的通孔 124，两个边框部分121的第一侧彼此面对，两个边框部分121的与各自的第一侧相反的第二侧分别设有至少一个从通孔1 延伸到中空部分123的液流槽125 ；多个支撑件122，所述支撑件122在第一方向上穿过中空部分123连接在边框部分121上；隔膜11，所述隔膜 11通过支撑件122保持在两个框体12的中空部分123上。在本发明的膜组件1中，框体12例如由聚四氟乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE) 或者聚丙烯(PP)之类的材料制成，这种材料对于例如钒电解液具有良好的抗腐蚀性。支撑件122例如由聚乙烯、聚氯乙烯、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物之类的材料制成。框体12 的平面形状大致为长方形、正方形、圆形或者椭圆形，以构成膜组件1外形结构。如图4所示，在框体12的边框部分121形成有用于使电解液流过的两个通孔124，并且在边框部分 121的第二侧上形成从通孔IM延伸到中空部分123的液流槽125，这样来自于通孔124的电解液能够通过液流槽125流动到设置在中空部分123处的隔膜11。隔膜11可以是例如 Nafion 117膜或者磺化聚醚砜之类的离子交换膜，可以实现电化学液流的质子或离子的传导过程，从而完成电化学反应过程。进一步地，在边框部分121上还设有多个安装孔127，例如螺栓之类的连接件穿过安装孔127、以及电极板2和电极框21上的安装孔将整个液流电池单元100安装在一起。另外，在壳体12的边框部分121的外边缘还设有密封槽129，例如可在密封槽129内设置密封圈，以实现相邻两个框体12之间的密封结合。根据本发明的特征示例性实施例，支撑件122与边框部分121例如通过模制一体形成。可替换地，支撑件122也可以通过卡扣、插口、甚至焊接之类的连接件连接在边框部分121上。两个框体12的支撑件122交替地平行布置，这样，如图5所示，两个框体12的支撑件122分别位于隔膜11的两侧，并将隔膜11支撑成波纹形状。采用这种支撑件122 形成的波纹形状，可使隔膜11形成平行导流结构，以引导来自于液流槽125的电解液均勻分布到电池工作区域上。支撑件122还起到对多孔电极3的支撑作用，从而降低多孔电极3 和电极板2之间的接触电阻。进一步地，采用支撑件122可以防止液流电池单元100在组装和工作过程中由于对隔膜11的拉伸、揉搓等而造成对隔膜11的损坏。根据本发明进一步的实施例，液流槽125在边框部分121的第二侧的邻近中空部分123的边缘上沿与第一方向(图4中支撑件122的延伸方向)垂直的第二方向进一步延伸形成分配槽126。分配槽1 横跨隔膜11的一个边的整个边长，从而可以使电解液更加均勻地分布到隔膜11上。进一步地，边框部分122的第一侧上形成多个凹槽128，凹槽128 与支撑件122交替布置，而且相对的两个边框部分121上的凹槽1 保持相对应，即形成凹凸配合，从而使得两个框体12更紧密地结合在一起。并使隔膜11形成波纹形状。图6是显示根据本发明的膜组件的组合过程示意图。首先，将支撑件122横跨框体12的中空部分123而安装至边框部分121的预设位置上；然后，将隔膜11敷设在已安装好的其中一个框体12上，之后，将安装另一已安装了支撑件122的框体12，再用紧扣件锁紧，安装完毕。特别是，如图6所示，在安装两个框体12时，以上下两个框体12的一个边为 “轴”，压紧隔膜11 一端，并使隔膜11的另一端保持松弛，然后均勻地以轴为圆心朝向隔膜 11转动两个框体12，最后使两个框体12结合，再用紧扣件锁紧，安装完毕。再次参照图1，根据本发明的液流电池单元100，包括两个电极板2，每个电极板 2的外边缘都设有环形的电极框21 ；两个多孔电极3，每个多孔电极3都设置在电极板2的一侧上并位于电极框21内；膜组件1，所述膜组件1的边框部分121设置在两个电极框21 之间，多孔电极3与中空部分123相对应并与隔膜11接触。下面说明参照图7-11根据试验获得的传统液流电池单元与根据本发明的液流电池单元100的一些性能的曲线图。需要说明的是，除膜组件1之外，传统液流电池单元的其它结构和工作条件与根据本发明的液流电池单元100的其它结构和工作条件是相同的。其中，图7是显示传统液流电池单元的电极板上的电压分布曲线图；图8是显示根据本发明的液流电池单元的电极板上的电压分布曲线图。从图7和8可以看出，在本发明的液流电池单元中，由于电池单元100工作区域内的电解液分配更加均勻，使得电极板2上不同位置的电压值相对更加均勻，极化电位更低。图9是显示传统液流电池单元和根据本发明的液流电池单元的充电时电压的变化曲线图，图10是显示传统液流电池单元和根据本发明的液流电池单元的放电时电压的变化曲线图。从图9、图10可以看出，根据本发明的使用膜组件1的液流电池单元100充电电压略低于传统液流电池单元的充电电压，而本发明的液流电池单元100的放电电压略高于传统液流电池单元的放电电压。由此，可以说明在线工作时，使用膜组件的本发明的液流电池单元100的液流电池总内阻较小。图11是显示传统液流电池单元和根据本发明的液流电池单元的能量效率和电解液的利用率的比较曲线图。其中，能量效率为电池输出能量和输入能量的比值，是评价电池性能的主要指标，电解液的利用率是指实际电池电量存储量与理论电池存储量的比值。从效率方面来看，本发明的液流电池单元100比传统液流电池单元的发电效率提高了 4%，而且本发明的液流电池单元100比传统液流电池单元的液流电池放电容量(即电解液的利用率)高了 9%左右。因此，相对于传统的液流电池单元，根据本发明的液流电池单元100具有降低的液流电池内阻、以及提高的能量效率和电解液的利用率。
根据本发明进一步的实施例，如图12所示，本发明的电池堆10包括多个依次串联的液流电池单元100、位于最外侧的两个液流电池单元上的电解液进出口 102、封装在最外侧的两个液流电池单元之外的端盖103、以及例如螺栓之类的连接装置104，所述连接装置用于连接两个端盖103，从而将整个电池堆10组装在一起。根据本发明的上述实施例的液流电池单元和电池堆中，由于采用了膜组件1，使隔膜11形成平行导流结构，可以引导来自于液流槽125的电解液均勻分布到电池工作区域上。支撑件122对多孔电极3进行支撑，从而降低多孔电极3和电极板2之间的接触电阻。 进一步地，采用支撑件122可以防止液流电池单元100在组装和工作过程中由于对隔膜11 的拉伸、揉搓等而造成对隔膜11的损坏。在详细说明本发明的较佳实施例之后，熟悉本领域的技术人员可清楚的了解，在不脱离随附权利要求的保护范围与精神下可进行各种变化与改变，且本发明亦不受限于说明书中所举示例性实施例的实施方式。
权利要求
1.一种用于液流电池单元的膜组件，包括两个框体，每个框体都包括边框部分和由所述边框部分限定的中空部分，在所述边框部分上设有至少一个用于使流体通过的通孔，两个所述边框部分的第一侧彼此面对，两个所述边框部分的与各自的所述第一侧相反的第二侧分别设有至少一个从所述通孔延伸到所述中空部分的液流槽；多个支撑件，所述支撑件在第一方向上穿过所述中空部分连接在所述边框部分上；以及隔膜，所述隔膜通过所述支撑件保持在两个所述框体的中空部分上。
2.如权利要求1所述的膜组件，其中，两个所述框体的支撑件交替地平行布置，以将所述隔膜支撑成波纹形状。
3.如权利要求1所述的膜组件，其中，所述液流槽在所述边框部分的所述第二侧的邻近所述中空部分的边缘上沿与所述第一方向垂直的第二方向进一步延伸形成分配槽。
4.如权利要求1-3中的任一项所述的膜组件，其中，所述支撑件与所述边框部分一体形成。
5.如权利要求1-3中的任一项所述的膜组件，其中，所述支撑件通过连接件连接在所述边框部分上。
6.如权利要求1-3中的任一项所述的膜组件，其中，所述边框部分的所述第一侧上形成多个凹槽，所述凹槽与所述支撑件交替布置。
7.如权利要求1-3中的任一项所述的膜组件，其中，所述框体由聚四氟乙烯或者聚氯乙烯制成。
8.一种液流电池单元，包括两个电极板，所述电极板的外边缘设有环形的电极框；两个多孔电极，每个所述多孔电极都设置在所述电极板上并位于所述电极框内；以及如权利要求1-7中的任一项所述的膜组件，所述膜组件的边框部分设置在两个所述电极框之间，所述多孔电极与所述中空部分相对应并与所述隔膜接触。
9.一种电池堆，包括如权利要求8所述的多个所述液流电池单元，多个所述液流电池单元依次叠置并且电串联。
全文摘要
公开了一种膜组件，一种用于液流电池单元的膜组件，包括两个框体，每个框体都包括边框部分和由边框部分限定的中空部分，在边框部分上设有至少一个用于使流体通过的通孔，两个边框部分的第一侧彼此面对，两个边框部分的与各自的所述第一侧相反的第二侧分别设有至少一个从通孔延伸到所述中空部分的液流槽；多个支撑件，支撑件在第一方向上穿过中空部分连接在所述边框部分上；以及隔膜，隔膜通过所述支撑件保持在两个框体的中空部分上。本发明还提供一种包括这种膜组件的液流电池单元以及电池堆。采用这种膜组件，可使电解液在隔膜中流动的过程中分配的更加均匀，降低液流电池单元的内阻，提高隔膜的使用寿命。
文档编号H01M2/18GK102479963SQ201010574208
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者张祺, 汪国庆 申请人:新奥科技发展有限公司