專利名稱：液流電池單元、電堆及其制作方法
技術領域：
本發明涉及液流電池，特別是，本發明涉及一種液流電池單元、由這種液流電池單元組成的電堆、以及液流電池單元和電堆的制作方法
背景技術：
目前，隨著能源緊張和環境惡化的加劇，作為一種儲能裝置，液流電池由于其壽命長、可靠性高、運行和維護費用低等特點而得到廣泛應用。特別是，已研發了全釩液流電池， 其不會發生正負極電解液交叉污染的現象，而且釩離子更適合大電流快速充放電。進一步地，全釩液流電池可實現完全密封，對環境的影響小。在全釩液流電池中，單個電池單元的標準開路電壓為1. 259V，為滿足實際應用的需要，一般將一定數量的單個電池單元串聯組成電池堆。全釩液流電池一般包括端板、集流板、雙極板、離子交換膜、電極材料、電極框、密封材料等。在組裝傳統的電堆的過程中，通常使用板框壓力機式的組裝方法，即將離子交換膜、多孔電極(例如碳氈)、雙極板一一放到電極框中，電極框層層對齊，電極框之間用密封條或者密封墊密封，用壓力機壓緊，再用螺栓結構將整個電池堆緊固在一起。這種組裝方法中，由于電極框的加工精度差，壓緊時壓力不均勻，密封條移位，或者離子交換膜上有皺褶等，可能導致密封效果不好，容易有電解液漏出或者使空氣進入電池堆，進而使電池堆的性能下降甚至被迫中止運行。中國專利申請號CN200910157588. 0公開了一種液流電池一體化裝置，包括依次相接的負極液流框、負極、質子交換膜、正極、正極液流框，質子交換膜與液流框之間通過耐酸粘接劑粘接，正極與質子交換膜之間和負極與質子交換膜之間通過導電膠粘結在一起。中國專利申請號CN200810013077. 7公開了一種液流儲能電池的電極框，在一個電池單元中設置4個電極框，二個電極框的框體相互扣合，電解液流道被扣合在框體的邊緣內，形成內置結構的電解液出入流道。所述框體扣合面間通過密封材料組裝在一起。以上兩種公開技術均存在前述密封問題。
發明內容
為解決現有技術中存在的電解液泄漏的技術問題，本發明提供一種液流電池單元、電堆及其制作方法，通過加熱焊接的方式把電極框焊接在一起，使得電解液不會泄漏到電極框的外部。根據本發明的一個方面的實施例，提供一種液流電池單元，包括第一電池框和第二電池框，所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側通過加熱粘合的方式彼此結合，并且所述第一電池框的第一側上設有環形的突起邊緣；離子交換膜，所述離子交換膜固定在所述突起邊緣內；第一多孔電極和第二多孔電極，所述第一多孔電極和第二多孔電極在所述離子交換膜的兩側分別設置在所述第一電池框和第二電池框內；以及第一電極板和第二電極板，所述第一電極板和第二電極板分別在所述第一電池框和第二電池框的第二側設置在所述第一電池框和第二電池框內，并分別與所述第一多孔電極和第二多孔電極接觸。在上述液流電池單元中，所述離子交換膜通過加熱粘合的方式固定在所述突起邊緣內。在上述液流電池單元中，所述第一電池框和第二電池框都分別設有多個通孔，所述第一電池框的通孔和第二電池框的通孔分別連通，所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側都設有分別與相應的通孔連通的多個凹槽，以使流體通過所述通孔和凹槽流到所述第一多孔電極和第二多孔電極中。在上述液流電池單元中，所述第一電池框和第二電池框由可熱熔的材料制成。在上述液流電池單元中，所述第一電池框和第二電池框由聚氯乙烯、聚乙烯或者聚丙烯材料制成。在上述液流電池單元中，所述第一多孔電極和第二多孔電極由聚丙烯腈基材料或者粘膠基材料制成。在上述液流電池單元中，在所述第二電池框的與所述第一電池框的突起邊緣相對應的位置設有環形凹槽。在上述液流電池單元中，所述第一多孔電極和第二多孔電極分別與所述第一電極板和第二電極板通過加熱粘合的方式結合。根據本發明進一步方面的實施例，提供一種電池堆，包括多個上面所述的液流電池單元，其中，在兩個相鄰的液流電池單元中，其中一個液流電池單元的所述第一電池框或第二電池框的第二側與另一個液流電池單元的所述第二電池框或第一電池框的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合，并且兩個相鄰的液流電池單元共享一個第一電極板或一個第二電極板，由此使多個所述液流電池單元依次電串聯在一起。根據本發明更進一步方面的實施例，提供一種制作液流電池單元的方法，包括如下步驟根據第一電池框和第二電池框形狀形成第一多孔電極和第二多孔電極；將所述第一多孔電極和第二多孔電極分別結合到所述第一電極板和第二電極板上；將所述第一多孔電極、所述第電極板、第二多孔電極和第二電極板分別結合所述第一電池框和第二電池框； 將離子交換膜固定在所述第一電池框的所述突起邊緣內；以及將所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側通過加熱粘合的方式結合在一起。在上述制作液流電池單元的方法中，采用加熱金屬框加熱第一電池框的突起邊緣，將所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側結合在一起在上述制作液流電池單元的方法中，所述離子交換膜通過加熱粘合的方式固定在所述第一電池框的所述突起邊緣內。在上述制作液流電池單元的方法中，所述第一多孔電極和第二多孔電極分別熱壓到所述第一電極板和第二電極板上。一種制作電池堆的方法，包括如下步驟在兩個相鄰的液流電池單元中，將一個液流電池單元的所述第一電池框或第二電池框的第二側與另一個液流電池單元的所述第二電池框或第一電池框的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合，并使兩個相鄰的液流電池單元共享一個第一電極板或一個第二電極板，由此使多個所述液流電池單元依次電串聯在一起。在上述制作電池堆的方法中，在加熱粘合的方式中，采用加熱金屬框加熱第一電池框的突起邊緣。
為了使本發明的目的、特征及優點能更加明顯易懂，下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，其中圖1是顯示根據本發明的一種示例性實施例的電池堆的示意圖；圖2是顯示圖1所示的電池堆中一個液流電池單元的示意圖；圖3是顯示根據本發明的第一電池框的一個側面的平面示意圖；以及圖4是顯示根據本發明的一種示例性實施例的電池堆的外觀側視圖。
具體實施例方式雖然將參照含有本發明的較佳實施例的附圖充分描述本發明，但在此描述之前應了解本領域的普通技術人員可修改本文中所描述的發明，同時獲得本發明的技術效果。因此，須了解以上的描述對本領域的普通技術人員而言為一廣泛的揭示，且其內容不在于限制本發明所描述的示例性實施例。參見圖1和4，其中圖1是顯示根據本發明的一種示例性實施例的電池堆的示意圖，圖4是顯示根據本發明的一種示例性實施例的電池堆的外管側視圖。本發明的電池堆 100包括多個依次串聯的液流電池單元101、位于最外側的兩個液流電池單元上的引出電極102、封裝在最外側的兩個液流電池單元之外的端蓋103、以及例如螺栓之類的連接裝置 104，所述連接裝置用于連接兩個端蓋103，從而將整個電池堆100組裝在一起。參見圖2和3，其中圖2是顯示圖1所示的電池堆100中一個液流電池單元101的示意圖，圖3是顯示根據本發明的第一電池框1的一個側面的平面示意圖。根據本發明的一種示例性實施例的液流電池單元101，包括第一電池框1和第二電池框2，所述第一電池框1的第一側和第二電池框2的第一側通過加熱粘合的方式彼此結合，并且所述第一電池框1的第一側上設有環形的突起邊緣3 ；離子交換膜4，所述離子交換膜4固定在第一電池框1的突起邊緣3內；第一多孔電極5和第二多孔電極6，所述第一多孔電極5和第二多孔電極6在離子交換膜4的兩側分別設置在第一電池框1和第二電池框2內；以及第一電極板7和第二電極板8，所述第一電極板7和第二電極板8分別在第一電池框1和第二電池框2的第二側設置在第一電池框1和第二電池框2內，并分別與第一多孔電極7和第二多孔電極8接觸。一般而言，第一多孔電極5和第二多孔電極6具有基本上相同的形狀，第一電極板7和第二電極板8具有基本上相同的形狀，并且對稱地設置在離子交換膜4的兩側。 第一電池框1的第一側和第二電池框2的第一側相接觸，并且第一電池框1的第一側具有突起邊緣3，突起邊緣3的高度大致等于離子交換膜4的厚度，從而將離子交換膜4容納在突起邊緣3內。進一步地，在第二電池框2的第一側的與突起邊緣3相對應的位置設有環形的凹槽，該環形凹槽有助于第一電池框1的第一側和第二電池框2的第一側之間的密封接合。在另一種示例性實施例中，第二電池框2的第一側也可以設有突起邊緣，而且第一電極框1和第二電極框2上的突起邊緣的高度之和大致等于離子交換膜4的厚度。在第一電極框1和第二電極框2的第二側都設有臺階9，第一電極板7和第二電極板8分別設置在臺階9上，而第一多孔電極5和第二多孔電極6分別設置在第一電極框1和第二電極框2中的中空部分。在本發明的一種示例性實施例中，第一電池框1和第二電池框2由能夠熱熔的材料制成，例如由聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯(PE)或者聚丙烯(PP)之類制成，這些材料能夠抵抗電解液的腐蝕，并可以使第一電池框1的第一側和第二電池框2的第一側通過加熱粘合 (熱焊接)的方式彼此結合，從而加強了第一電池框1和第二電池框2之間的密封性。在本發明的種實施例中，離子交換膜4可以是例如Nafion 117膜或者磺化聚醚砜膜，并且通過加熱粘合的方式固定在所述突起邊緣內。這樣，離子交換膜4和第一電極框1 構成一體化的結構，在組裝液流電池單元101時，離子交換膜4和第一電極框1的相對位置就不會改變，從而改善了液流電池單元101的密封性能。在本發明的一種實施例中，參見圖2和3，第一電池框1和第二電池框2都分別設有多個通孔10，第一電池框1的通孔10和第二電池框2的通孔10分別連通，而且第一電池框1的第一側和第二電池框2的第一側(即第一電池框1和第二電池框2面對離子交換膜的一側)都設有分別與相應的通孔連通的多個環形凹槽11，以使流體(電解液)通過由通孔10和凹槽11形成的電解液流動通道流到第一多孔電極5和第二多孔電極6中。第一多孔電極5和第二多孔電極6由例如聚丙烯腈基材料或者粘膠基材料制成， 使得第一多孔電極5和第二多孔電極6與第一電極板7和第二電極板8分別通過加熱粘合的方式彼此結合，從而形成一體化的電極。在一種可替換的實施例中，第多孔電極5與第一電極板7、以及第二多孔電極6與第二電極板8也可以不形成為一體，并且可以分別分開地安裝到第一電池框或者第二電池框中。參見圖1，根據本發明的一種示例性實施例，提供一種電池堆100，包括多個上面所述的液流電池單元101，在兩個相鄰的液流電池單元中，其中液流電池單元的所述第一電池框或第二電池框的第二側與另一個液流電池單元的所述第二電池框或第一電池框的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合，并且兩個相鄰的液流電池單元共享一個第一電極板或一個第二電極板，由此使多個所述液流電池單元依次電串聯在一起。具體而言，在兩個相鄰的液流電池單元101和101’中，液流電池單元101的第一電池框1的第二側與液流電池單元101’的第二電池框2’的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合。另一方面，在兩個相鄰的液流電池單元101和101”中，其中液流電池單元101的第二電池框2的第二側與液流電池單元101”的第一電池框1”的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合。這樣，在多個液流電池單元中，各個第一電池框和第二電池框交替設置，并且第一和第二電極板都可以用作雙極板，從而實現相鄰兩個液流電池單元之間的電連接。根據本發明的另一方面，提供種制作液流電池單元100的方法，包括如下步驟根據第一電池框1和第二電池框2的形狀形成第一多孔電極5和第二多孔電極6 ；將第一多孔電極5和第二多孔電極6分別結合到第一電極板7和第二電極板8上；將第一多孔電極 5、第一電極板7、第二多孔電極6和第二電極板8分別結合第一電池框1和第二電池框2 ； 將離子交換膜4固定在第一電池框1的所述突起邊緣3內；以及將第一電池框1的第一側和第二電池框2的第一側通過加熱粘合的方式結合在一起。在進一步的實施例中，離子交換膜4通過加熱粘合的方式固定在第一電池框1的突起邊緣3內。第一多孔電極5和第二多孔電極6分別熱壓到第一電極板7和第二電極板 8上。
根據本發明進一步的方面，提供一種電池堆的方法，用于將多個液流電池單元依次電串聯在一起，包括如下步驟將液流電池單元101的第一電池框1的第二側與液流電池單元101’的第二電池框2’的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合，并將液流電池單元101 的第二電池框2的第二側與液流電池單元101”的第一電池框1”的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合，從而使各個第一電池框和第二電池框交替地設置在一起。下面詳細描述制作本發明的液流電池單元101和電池堆100的方法的幾種實例。第一種實例在此實例中，采用高密度聚乙烯(HDPE)注塑成型厚度大約為5mm-10mm的第一電極框1和第二電極框2。第一電極框1和第二電極框2的與離子交換膜4接觸的表面上形成深度大約為2. 8mm、寬度大約為2mm的凹槽11作為用于電解液流動的流體通道。在第一電極框1上形成寬度大約為4mm、高度大約為Imm的突起邊緣3。離子交換膜4采用Nafion 117膜。第一多孔電極5和第二多孔電極6采用聚丙烯腈基碳氈，并且其面積大約為MOcm2、厚度大約為5mm。采用PE(聚乙烯)導電塑料板制成厚度大約為Imm的第一電極板7和第二電極板8。首先，將按照第一和第二電極框中間的中空部分的大小和形狀形成第一和第二多孔電極；把已形成的第一和第二多孔電極分別放在第一和第二電極板上，在溫度大約為 80°C、壓力大約為4t/m2的條件下保持30分鐘，得到多孔電極和電極板一體化的電極結構； 將該一體化的電極結構分別與第一和第二電極框對齊，并將第一和第二多孔電極分別放置在第一和第二電極框的中間的中空部分；然后，按照第一電極框1的大小和形狀分割沒有經過處理且沒有沾濕的離子交換膜；把已分割的離子交換膜4放在第一電極框1的突起邊緣3內，使離子交換膜4上的流液孔和第一電極框1上的通孔10對齊，并使電極結構中的第一多孔電極與離子交換膜4接觸；之后，將第一電極框1的突起邊緣3用加熱金屬框加熱到大約200°C，將已加熱的第一電極框1與第二電極框2對齊，并在壓力大約為lt/m2的條件下保持壓緊IOmin ；冷卻后形成本發明的液流電池單元101。在形成多個液流電池單元之后，利用加熱金屬框，將第一個液流電池單元101的第一電池框1的第二側與第二個液流電池單元101’的第二電池框2’的第二側中的至少一側加熱到大約200°C，并通過加熱粘合的方式使之彼此結合；同樣地，利用加熱金屬框，將液流電池單元101的第二電池框2的第二側與第三個液流電池單元101”的第一電池框1” 的第二側加熱到大約200°C，并通過加熱粘合的方式使之彼此結合，從而將3個液流電池單元101、101，和101”結合在一起，之后再以同樣的方式，結合第四和第五液流電池單元。在一種實施例中，一個釩電池的電池堆100電池堆100包括5個液流電池單元101。并且，最外側的兩個液流電池單元的兩端用端板103封裝，并用例如螺栓之類的連接裝置104緊固。 在這種電池堆100的電解液中，釩離子含量大約為1. 5mol/L，支持電解液為大約2mol/L的硫酸。電解液用泵打入電池堆100中，泵的流量大約為60L/h。包括5個液流電池單元101的電池堆100的運行數據如下表所示
權利要求
1.一種液流電池單元，包括第一電池框和第二電池框，所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側通過加熱粘合的方式彼此結合，并且所述第一電池框的第一側上設有環形的突起邊緣；離子交換膜，所述離子交換膜固定在所述突起邊緣內；第一多孔電極和第二多孔電極，所述第一多孔電極和第二多孔電極在所述離子交換膜的兩側分別設置在所述第一電池框和第二電池框內；以及第一電極板和第二電極板，所述第一電極板和第二電極板分別在所述第一電池框和第二電池框的第二側設置在所述第一電池框和第二電池框內，并分別與所述第一多孔電極和第二多孔電極接觸。
2.如權利要求1所述的液流電池單元，其中，所述離子交換膜通過加熱粘合的方式固定在所述突起邊緣內。
3.如權利要求1所述的液流電池單元，其中，所述第一電池框和第二電池框都分別設有多個通孔，所述第一電池框的通孔和第二電池框的通孔分別連通，所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側都設有分別與相應的通孔連通的多個凹槽，以使流體通過所述通孔和凹槽流到所述第一多孔電極和第二多孔電極中。
4.如權利要求1所述的液流電池單元，其中，所述第一電池框和第二電池框由可熱熔的材料制成。
5.如權利要求4所述的液流電池單元，其中，所述第一電池框和第二電池框由聚氯乙烯、聚乙烯或者聚丙烯材料制成。
6.如權利要求1所述的液流電池單元，其中，所述第一多孔電極和第二多孔電極由聚丙烯腈基材料或者粘膠基材料制成。
7.如權利要求1所述的液流電池單元，其中，在所述第二電池框的與所述第一電池框的突起邊緣相對應的位置設有環形凹槽。
8.如權利要求1所述的液流電池單元，其中，所述第一多孔電極和第二多孔電極分別與所述第一電極板和第二電極板通過加熱粘合的方式結合。
9.一種電池堆，包括多個如權利要求1-8中的任一項所述的液流電池單元，其中，在兩個相鄰的液流電池單元中，其中一個液流電池單元的所述第一電池框或第二電池框的第二側與另一個液流電池單元的所述第二電池框或第一電池框的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合，并且兩個相鄰的液流電池單元共享一個第一電極板或一個第二電極板，由此使多個所述液流電池單元依次電串聯在一起。
10.一種制作如權利要求1-8中的任一項所述的液流電池單元的方法，包括如下步驟根據第一電池框和第二電池框形狀形成第一多孔電極和第二多孔電極；將所述第一多孔電極和第二多孔電極分別結合到所述第一電極板和第二電極板上；將所述第一多孔電極、所述第一電極板、第二多孔電極和第二電極板分別結合所述第一電池框和第二電池框；將離子交換膜固定在所述第一電池框的所述突起邊緣內；以及將所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側通過加熱粘合的方式結合在一起。
11.如權利要求10所述的制作液流電池單元的方法，其中，采用加熱金屬框加熱第一電池框的突起邊緣，將所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側結合在一起
12.如權利要求10所述的制作液流電池單元的方法，其中，所述離子交換膜通過加熱粘合的方式固定在所述第一電池框的所述突起邊緣內。
13.如權利要求10所述的制作液流電池單元的方法，其中，所述第一多孔電極和第二多孔電極分別熱壓到所述第一電極板和第二電極板上。
14.一種制作如權利要求9所述的電池堆的方法，包括如下步驟在兩個相鄰的液流電池單元中，將一個液流電池單元的所述第一電池框或第二電池框的第二側與另一個液流電池單元的所述第二電池框或第一電池框的第二側通過加熱粘合的方式彼此結合，并使兩個相鄰的液流電池單元共享一個第一電極板或一個第二電極板， 由此使多個所述液流電池單元依次電串聯在一起。
15.如權利要求14上述的制作電池堆的方法，其中，在加熱粘合的方式中，采用加熱金屬框加熱第一電池框的突起邊緣。
全文摘要
公開了一種液流電池單元，包括第一電池框和第二電池框，所述第一電池框的第一側和第二電池框的第一側通過加熱粘合的方式彼此結合，并且所述第一電池框的第一側上設有環形的突起邊緣；離子交換膜，所述離子交換膜固定在所述突起邊緣內；第一多孔電極和第二多孔電極，所述第一多孔電極和第二多孔電極在所述離子交換膜的兩側分別設置在所述第一電池框和第二電池框內；以及第一電極板和第二電極板，所述第一電極板和第二電極板分別在所述第一電池框和第二電池框的第二側設置在所述第一電池框和第二電池框內，并分別與所述第一多孔電極和第二多孔電極接觸。本發明還提供一種包括多個這種液流電池單元的電池堆、以及液流電池單元和電池堆的制造方法。
文檔編號H01M8/18GK102456905SQ20101052758
公開日2012年5月16日 申請日期2010年10月27日 優先權日2010年10月27日
發明者張祺, 文小軍, 汪國慶, 王文紅, 王文韜, 馬春印 申請人:新奧科技發展有限公司