【液流电池专利分享】大连化物所授权发明专利：一种电极框与隔膜或双极板的一体组件及其应用-ZL202011457009.7

文摘 2024-12-08 07:26 湖北

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专利名称

一种电极框与隔膜或双极板的一体组件及其应用

专利号ZL202011457009.7

授权公告日20240920

申请（专利权）人[中国科学院大连化学物理研究所]

发明人[李先锋, 邢枫, 张华民]

摘要

本发明涉及一种电极框与隔膜或双极板的一体组件及其应用。电极框为平板结构，电极框中间区域设置有凹槽，凹槽内设置有双极板或隔膜，并嵌入凹槽中。双极板或隔膜与凹槽上的环形平台之间为焊接或者粘接密封。凹槽内、双极板或隔膜两侧设置有电极。电极框上设置有正极或负极电解液流进出口，电解液进出口与电极之间通过分配流道凹槽相连通。在分配流道上设置有容纳盖片的凹槽，盖片上设置有流道凸台并与分配流道一起组成闭合流道。通过该结构来均匀电解液的分配。在电极框凹槽上设置有可以置于凹槽内的环状盖片，其与凹槽的环形平台位于双极板或隔膜两侧，它们于双极板或隔膜一侧表面的投影相重合。消除了电极压缩对双极板或隔膜厚度方向上的剪切力。

权利要求书

1.一种电极框与隔膜或双极板的一体组件，其特征在于：

所述电极框为平板结构，于平板的一侧表面设有凹槽A，于凹槽A的底面中部开设有贯通至平板另一侧表面的通孔a，通孔位于凹槽A底面的开口边缘与凹槽A底面的四周边缘之间留有间距l，形成一宽度为l的环状平台区域；

隔膜或双极板置于凹槽A内，其四周边缘与凹槽A底面的环状平台区域之间密封连接；

于电极框的四周边缘处设有四个通孔，分别作为正极电解液进口与出口、负极电解液进口与出口；

于正极电解液进出口或负极电解液进出口与凹槽A间设有作为电解液分配流道的凹槽B，凹槽B将正极电解液进出口或负极电解液进出口与凹槽A间连通；

还包括一宽度为l的环状盖片C，环状盖片C置于凹槽A内，环状盖片C和环状平台区域分别于隔膜或双极板的二侧相对设置，它们于隔膜或双极板一侧表面的投影相重合；

于凹槽B的开口端设有用于覆盖凹槽B开口端的盖片D，盖片D的一端与环状盖片C相连接；于靠近盖片D的环状盖片C面向隔膜或双极板的一侧表面上设有贯穿环状盖片C内外壁面的导流凹槽，和/或，于靠近盖片D的环状盖片C上设有贯穿环状盖片A内外壁面的导流通孔；凹槽B与导流凹槽和/或导流通孔相连通；

电解液于凹槽B内流动，于盖片D面向凹槽B的一侧表面中部设有沿电解液流动方向的导流突台；于通孔a内，靠近隔膜或双极板一侧设置有电极。

2.按照权利要求1所述组件，其特征在于：

于凹槽A与环状盖片C之间设置的隔膜或双极板，它们与凹槽A四周边缘宽度为l的环状平台区域之间采用焊接密封、粘接密封或橡胶压紧密封。

3.一种权利要求1-2任一所述组件在液流电池中的应用。

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及一种液流电池结构，特别涉及液流电池中的电极框与隔膜或双极板的一体组件及其应用。

背景技术

[0002]随着可再生能源基础设施的大量建设，越来越多的风能和太阳能面临着并网上电的问题。由于风能、太阳能的不稳定、不连续的特点，并网时会对电网造成极大的冲击，尤其在可再生能源快速发展的今天，新能源并网带来的影响日益严峻。为解决可再生能源并网的问题，需要可以平滑可再生能源电能输出、削风填谷的中间设备，来提高电能质量，增加可再生能源的并网时间。储能技术应运而生，在众多的储能技术中，电化学储能取得了长足的进步。目前装机容量最大的时锂离子电池，借助于锂离子电池产业链完备、能量密度高的优势，很容易在系统设计时进行扩容。但目前存在安全性隐患：一是百兆瓦储能电站需要锂离子电池几万块设置几十万块，电池的管理系统复杂，需要斟酌每个电池的工作状态以免发生短路起火；二是如此大量的电池，冷却设计尤其重要，严格避免局部过热造成的起火事故。锂离子电池一旦起火，其破坏性和造成的损失都将十分巨大。因此近年来，更加安全可靠、易于管理的液流电池逐渐发展起来，其具有循环效率高、循环寿命长、容量和功率可以完全独立设计、性价比高、安全性高的突出优势，正成为大规模储能技术的首选。

[0003]液流电池电堆，通常采用压滤机的形式进行组装。电堆两端采用钢或铝制金属端板，并通过金属螺杆将内部的集流板、串联的多节单电池和密封材料紧固在一起。其中单电池包括负极双极板、负极电极框、负极电极、隔膜、正极电极、正极电极框、正极双极板。电极框是组织电解液流动、放置电极的重要组件，电能与化学能的转化在此发生，因此如何设计高效、高可靠性的电极框结构时提高电堆性能和可靠性的关键。电极框通过在电极框上正极或负极电解液进口通孔或者出口通孔与电极相连通的导流凹槽内设置分布流道和流道盖片，达到电解液均匀分布流入电极和流出电极的目的，减小电池的浓差极化。流道口一般直接接触电极边缘。在焊接或粘接工艺条件下，要在电极框放置电极的空腔外缘处设置环形凹槽，用于焊接或者粘接隔膜或双极板。采用该焊接或粘接结构的电极框在组装电堆时的问题在于：隔膜或双极板焊接或粘接在凹槽内，两侧分别放置电极。由于凹槽的存在导致两侧电极的面积不同，面积差等于环形凹槽的面积。如此会使得电极在压缩时对膜或极板产生厚度方向的剪切力，降低电堆的可靠性。

发明内容

[0004]为消除上述电极框焊接或粘接结构对膜或双极板厚度方向的剪切力，本发明提供一种液流电池电极框与隔膜或双极板的一体组件，应用该组件可提高电堆的可靠性。

[0005]所述的一种电极框与隔膜或双极板的一体组件，其中电极框为平板结构，在平板的一侧表面设有凹槽A，在凹槽A的底面中部开设有贯通至平板另一侧表面的通孔a，通孔位于凹槽A底面的开口边缘与凹槽A底面的四周边缘之间留有间距l，形成一宽度为l的环状平台区域。隔膜或双极板置于凹槽A内，其四周边缘与凹槽A底面的环状平台区域之间密封连接。在电极框的四周边缘处设有四个通孔，分别作为正极电解液进口与出口、负极电解液进口与出口。在正极电解液进出口或负极电解液进出口与凹槽A间设有作为电解液分配流道的凹槽B，凹槽B将正极电解液进出口或负极电解液进出口与凹槽A间连通。

[0006]上述一体组件还包括一宽度为l的环状盖片C，环状盖片C置于凹槽A内，环状盖片C和环状平台区域分别于隔膜或双极板的二侧相对设置，它们于隔膜或双极板一侧表面的投影相重合。在凹槽B的开口端设有用于覆盖凹槽B开口端的盖片D，盖片D的一端与环状盖片C相连接。在靠近盖片D的环状盖片C面向隔膜或双极板的一侧表面上设有贯穿环状盖片C内外壁面的导流凹槽，和/或在靠近盖片D的环状盖片C设有贯穿环状盖片A内外壁面的导流通孔。凹槽B与导流凹槽和/或导流通孔相连通。

[0007]上述一体组件中，电解液于凹槽B内流动，于盖片D面向凹槽B的一侧表面中部设有沿电解液流动方向的导流突台。

[0008]上述一体组件，在凹槽A与环状盖片C之间设置的隔膜或双极板，它们与凹槽A四周边缘宽度为l的环状平台区域之间采用焊接密封、粘接密封或橡胶压紧密封。

[0009]上述一体组件，在通孔a内，靠近隔膜或双极板一侧设置有电极。

[0010]上述电极框与隔膜或双极板的一体组件应用于液流电池中。

[0011]本发明具有如下优点：改进的带有流道结构的盖板使得双极板或离子传导膜两侧设置的电极形状完全相同，消除了电极压缩对双极板或离子传导膜厚度方向上的剪切力，提高电堆的可靠性；

附图说明

[0012]图1为采用焊接或者粘接结构的液流电池电极框、双极板或隔膜以及流道盖片之间的配合示意图，其焊接或粘接为一体组件；

[0013]其中1.带有分配流道结构的电极框；2.双极板或隔膜；3.电解液流入通孔与电极之间的连通管路上的盖片；4.电解液流出通孔与电极之间的连通管路上的盖片；11.带有分配流道结构的电极框中容纳电极的空腔；12.带有分配流道结构的电极框用于焊接或粘接的凹槽；13.带有分配流道结构的电极框的正极(或负极)电解液进口通孔；14.带有分配流道结构的电极框的正极(或负极)电解液出口通孔；15.正极(或负极)电解液进口通孔与电极之间的连通凹槽(带有电解液导流凸台和导流凹槽)；16.正极(或负极)电解液出口通孔与电极之间的连通凹槽(带有电解液导流凸台和导流凹槽)。

[0014]图2为本发明提出的一种一体组件，其包括电极框、配套的带有导流凸台和导流凹槽的盖片、双极板或隔膜。它们之间的配合示意图；

[0015]其中5.本发明提出的一种电极框结构；6.与电极框配套的带有导流凸台和导流凹槽的盖片；51.本发明提出的一种电极框结构中容纳电极的空腔；52.本发明提出的一种电极框结构中用于焊接或粘接的凹槽A；53.本发明提出的一种电极框结构中正极(或负极)电解液进口通孔；54.本发明提出的一种电极框结构中正极(或负极)电解液出口通孔；55.正极(或负极)电解液进口通孔与电极之间的连通凹槽B1；56.正极(或负极)电解液出口通孔与电极之间的连通凹槽B2；

[0016]图3为采用本发明提出的一种一体组件中，与电极框配套使用的带有导流凸台和导流凹槽的盖片；

[0017]其中61.与电极框配套的带有导流凸台和导流凹槽的环状盖片中容纳电极的空腔；62.与53配合的电解液流入通孔；63.与54配合的电解液流出通孔；64.具有导流作用的凸台和凹槽(嵌入55导流通道内)；65.具有导流作用的凸台和凹槽(嵌入56导流通道内)

[0018]图4为图3结构的最终组合图；

[0019]图5为采用图2结构组装的电堆的多循环库仑效率、电压效率和能量效率图。

具体实施方式

[0020]实施例：

[0021]图1为常规的采用焊接或者粘接结构的液流电池电极框、双极板或隔膜以及流道盖片之间的配合示意图，集成为一体组件。双极板或隔膜嵌入电极框用于焊接或粘接的凹槽12中。电解液进口通孔与电极之间的连通凹槽上的盖片3置入电解液进口通孔与电极之间的连通凹槽15上的盖片凹槽内；电解液出口通孔与电极之间的连通凹槽上的盖片4置入电解液出口通孔与电极之间的连通凹槽16上的盖片凹槽内。由图可知，由于用于焊接或粘接的凹槽12占据了双极板或隔膜2上的外边缘的小部分面积，导致双极板或隔膜2两侧布置的电极面积不同。在电堆组装过程中，双极板或隔膜2两侧的电极被压缩，并在凹槽12与电极边缘交界处产生双极板或隔膜厚度方向上的剪切力，在电堆长时间运行后双极板或隔膜会有被剪断的风险。

[0022]图2为本发明提出的一种电极框与隔膜或双极板的一体组件，其包括平板结构电极框5、配套的带有导流凸台和导流凹槽的环状盖片6、双极板或隔膜2。

[0023]电极框5为平板结构，在平板的一侧表面设有凹槽A(52)，于凹槽A(52)的底面中部开设有贯通至平板另一侧表面的通孔a(51)，通孔a(51)位于凹槽A(52)底面的开口边缘与凹槽A(52)底面的四周边缘之间留有间距l，形成一宽度为l的环状平台区域，l∈(1-20mm)，本实施例选取8mm。

[0024]将隔膜或双极板2置于凹槽A(52)内，其四周边缘与凹槽A(52)底面的环状平台区域之间要求密封连接；

[0025]在电极框5的四周边缘处设有四个通孔，其中：53.本发明提出的一种电极框结构中正极(或负极)电解液进口通孔；54.本发明提出的一种电极框结构中正极(或负极)电解液出口通孔。其余两个通孔为负极(或正极)电解液进口通孔与出口通孔；

[0026]正极(或负极)电解液进口通孔53与凹槽A(52)间设有作为电解液分配流道的凹槽B1(55)；正极(或负极)电解液出口通孔54与凹槽A(52)间设有作为电解液分配流道的凹槽B2(56)，凹槽B1(55)和凹槽B2(56)将正极(或负极)电解液进出口与凹槽A间连通；

[0027]一体组件中还包括一宽度为l的环状盖片C(为环状盖片6中的矩形闭合部分)，如图3所示。环状盖片C置于凹槽A(52)内，环状盖片C和环状平台区域分别于隔膜或双极板的二侧相对设置，它们于隔膜或双极板一侧表面的投影相重合。

[0028]在正极(或负极)电解液进口通孔与电极之间的连通凹槽B1(55)和正极(或负极)电解液出口通孔与电极之间的连通凹槽B2(56)的开口端设置用于覆盖凹槽B1(55)和凹槽B2(56)开口端的盖片D(为盖片6中的除矩形闭合部分外的分支)，盖片D的一端与环状盖片C相连接，共同组成盖片6。靠近盖片D的环状盖片C面向隔膜或双极板的一侧表面上设有贯穿环状盖片C内外壁面的导流凹槽64和65，凹槽B1(55)与导流凹槽64相连通；凹槽B2(56)与导流凹槽65相连通。

[0029]电解液在凹槽B1(55)和凹槽B2(56)内流动，盖片D面向凹槽B1(55)和B2(56)的一侧表面中部设有沿电解液流动方向的导流突台。

[0030]平板结构电极框5、配套的带有导流凸台和导流凹槽的环状盖片6、双极板或隔膜2之间的配合示意图如图2所示。三者配合组装成一体结构如图4所示。凹槽A(52)与环状盖片C之间设置的隔膜或双极板2，它们与凹槽A(52)四周边缘宽度为l的环状平台区域之间采用焊接密封、粘接密封或橡胶压紧密封。在通孔a(51)内，靠近隔膜或双极板一侧设置有电极。

[0031]在图4中可以看出，隔膜或双极板两侧设置的电极形状完全相同，消除了剪切力的影响，提高了电堆的可靠性。

[0032]对比采用图1和图2两种结构组装的电堆的性能与寿命测试数据，如表1所示。电堆均由25节电池构成，采用4.35mm碳毡作为电极，自制可焊接隔膜和可焊接双极板以及氟橡胶密封垫组装。采用图1结构组装的电堆电极面积按照2两侧电极中面积较小的为准，电极面积940cm²；采用图2结构组装的电堆电极面积同样为940cm²。电堆采用恒功率4kW进行充放电测试初始性能。

[0033]表1采用图1和图2两种结构组装的电堆的性能数据

[0034]

[0035]由表1可知，对电极框及流道盖板的结构改进没有对电堆性能产生负面影响，电堆性能稳定略有提升。证明了该结构的可行性。同时对两个电堆性能寿命测试，分别采用4kW和5kW变功率进行充放电测试，每个循环充放电1h左右。采用图1结构的电堆仅在测试340个循环左右就出现了突然性的内漏，电解液完全迁移至一侧电解液桶内；采用图2结构的电堆测试超过1400个循环，性能依然稳定。其效率与充放电循环关系如图5所示。结果证明了本发明提出的电极框及其配套流道盖板结构可以显著提升电堆的可靠性。

说明书附图

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