專利名稱：帶導流結構的液流電池邊框和電堆及電堆的加工工藝的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種帶導流結構的液流電池邊框和電堆及電堆的加工工藝，屬于鋅溴液流電池領域。
背景技術：
隨著全球環境的不斷惡化和人們對環境問題的重視，開發新型的環境友好的清潔能源迫在眉睫，氧化還原液流電池(Redox flow battery)是近年來興起的一種儲能系統， 它兼有普通電池和燃料電池的性能，有工作壽命和儲存壽命長，快速充放電、放電深度性能好等優點，同時密閉的循環體系避開了與外界接觸，避免了對環境的污染，電極材料不必使用貴重的金屬催化劑等。因此，實現規模化高效儲能，加快經濟發展，開發研制氧化還原液流電池意義重大。鋅溴液流電池可以解決上述電池的缺點，但是鋅溴液流電池也存在著一些技術問題，如溴和溴鹽的水溶液對電池材料具有較強的腐蝕性，在鋅沉積過程中在電極上容易形成枝晶，且枝晶生長會穿透隔膜造成電池內部短路而失效。在傳統技術中，為降低腐蝕，通常使用導電塑料作為電極的主要材料，由于導電塑料電阻率較高，因此采取降低電極厚度及電極距離的方法來降低電池內阻。但往往由于極板材料鋼性不足，導致電極結構坍塌，堵塞電解液無法通過而使電池性能大幅下降。同時伴隨電解液的不均勻分配而在負極表面鋅枝晶迅速生長，堵塞電解液，甚至穿透隔膜造成電池內部短路而完全失效。明電舍株式會社在特開平10-64505中公開了一種鋅溴液流電池隔膜結構，通過在電池隔膜上增加支撐節點，起到加固電極內結構的效果。其公開的典型隔膜厚度為
0.4mm 1_，加之隔膜在電解液中自身存在溶脹，因此雖然該設計可以起到穩定結構的作用，很難保證長時間工作中的結構穩定。而且，在較大活性面積的液流電池中無法起到導流的作用。傳統鋅溴液流電池為了防止電池發生形變，在雙極板和邊框之間增加隔網，但是由于在使用過程中隔網會隨著電解液的流動而發生位移，使得電池內部結構變化，而且幾乎無導流作用；另外安裝隔網會使電堆在組裝過程中的故障率提高，在安裝隔網時隔網容易錯位，且不易檢查，很有可能會造成電堆密封故障或性能下降。
發明內容
本發明的目的在于，提供一種帶導流結構的液流電池邊框和電堆及電堆的加工工藝，它能夠解決電池內結構變形的問題、同時起到電解液導流作用，使得電解液分配均勻， 降低電極表面鋅枝晶的生成概率，從而提高電池的性能和壽命。另外還具有安裝簡單，故障率低的優點。本發明的技術方案一種帶導流結構的液流電池邊框,包括框體、邊框入口、邊框出口、入口分流槽和出口分流槽，邊框入口和入口分流槽設于框體的上部，邊框出口和出口分流槽設于框體的下部，框體的中部設有活性區域，活性區域分別通過入口分流槽和出口分流槽與邊框入口和邊框出口連接；活性區域內設有導流場；框體的四周設有密封線。前述的這種帶導流結構的液流電池邊框中，導流場由脊和流道組成，導流場的結構形式分為并聯流場、串聯流場和阻斷型流場。前述的這種帶導流結構的液流電池邊框中，所述流道的形狀為“Z”形、“C”形或 “U，，形。
前述的這種帶導流結構的液流電池邊框中，框體的厚度為0. 5mm 5mm。前述的這種帶導流結構的液流電池邊框中，密封線的高度為0. Olmm 0. 5mm。一種采用前述邊框的液流電池電堆，包括依次排列的壓板、一體化電極組件、不少于一個的一體化膜組件、一體化電極組件、壓板，它們通過螺栓固定在一起；一體化電極組件由帶導流結構的邊框與雙極板固定連接組成，一體化膜組件由帶導流結構的邊框與隔膜固定連接組成。前述的這種液流電池電堆中，帶導流結構的邊框與雙極板通過激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接固定連接在一起；帶導流結構的邊框與隔膜通過激光焊接、熱熔焊接、 粘接或機械壓接固定連接在一起。一種液流電池電堆的加工工藝，包括以下步驟，步驟a，使用高分子塑料通過注塑、雕刻、沖壓或機加工的方式制作帶導流結構的液流電池邊框；步驟b，帶導流結構的液流電池邊框制作好后放入溫鹽溶液或堿溶液浸泡2小時 48小時；步驟C，將浸泡后的帶導流結構的液流電池邊框用去離子水清洗表面殘余溶液，然后自然風干；步驟d，將風干后的帶導流結構的液流電池邊框與極板用導電塑料固定連接在一起，組成一體化電極組件；步驟e，后將隔膜與帶導流結構的液流電池邊框固定連接在一起，組成一體化膜組件;步驟f，按照壓板，一體化電極組件，一個以上的一體化膜組件，一體化電極組件， 壓板的順序安裝，然后用螺栓緊固，壓接正壓力I lot。前述的這種液流電池電堆的加工工藝中，所述步驟d中帶導流結構的液流電池邊框與極板的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接；所述步驟e中隔膜與帶導流結構的液流電池邊框的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接。前述的這種液流電池電堆的加工工藝中，所述步驟f中采用緊固螺栓固定時，緊固螺栓的扭矩為9 lOONm，緊固螺栓的數量為4 100個/平方米壓板。前述的這種液流電池電堆的加工工藝中，所述步驟f中采用緊固螺栓固定時，緊固螺栓的扭矩為35Nm，緊固螺栓的數量為55個/平方米壓板。與現有技術相比，本發明由于采用帶導流結構的邊框，有效防止電池內部結構發生變形，同時起到了導流的作用，使電解液能夠均勻分配。還降低了電極表面鋅枝晶的生成概率，使電池的性能提高了 10%以上。由于采用帶導流結構的邊框使電堆的成品故障率低，適合于自動化生產。從結構上可簡化入口分流槽的結構，降低模具費用和加工成本。
從電堆性能上看，如圖5所示，為傳統結構液流電池的充放電曲線，反應溫度為常溫，充放電電流均為30A，從圖上我們可以看出，電池放電時間較短，幾乎無放電平臺，且放電曲線出現不平滑的陡降，計算該循環的效率低于60%。圖6為本發明結構的液流電池充放電曲線，測試條件與圖5相同，可以觀察到電池放電曲線平滑，計算電池循環效率在70% 以上。
圖I為帶導流結構的液流電池邊框的結構示意圖；圖2為采用帶導流結構的液流電池邊框的電堆的結構示意圖；圖3為一體化電極組件的剖面結構示意圖；圖4為一體化膜組件的剖面結構示意圖； 圖5為傳統電堆充放電性能曲線；圖6為本發明電堆充放電性能曲線；圖7為串聯流場的結構不意圖；圖8為并聯流場的結構示意圖；圖9為阻斷型流場的結構示意圖；圖10為“Z”形流道的結構示意圖；圖11為“C”形流道的結構示意圖；圖12為“U”形流道的結構示意圖。附圖中的標記為I-框體,2-邊框入口，3-邊框出口，4-入口分流槽,5-出口分流槽，6-活性區域，7-導流場，8-密封線，9-壓板，10- 一體化電極組件，11-隔膜，12- 一體化膜組件，13-帶導流結構的邊框，14-雙極板，15-脊，16-流道。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。本發明的實施例I :如圖I所示，一種帶導流結構的液流電池邊框，包括框體I、邊框入口 2、邊框出口 3、入口分流槽4和出口分流槽5，邊框入口 2和入口分流槽4設于框體 I的上部，邊框出口 3和出口分流槽5設于框體I的下部，框體I的中部設有活性區域6，活性區域6分別通過入口分流槽4和出口分流槽5與邊框入口 2和邊框出口 3連接；活性區域6內設有導流場7 ;框體I的四周設有密封線8。框體I的厚度為0. 5mm。密封線8的高度為 0. 01mm。如圖7所示，導流場7由脊15和流道16組成；導流場7為串聯流場。如圖10所述流道16的形狀為“Z”形。如圖2 圖4所示，一種采用述邊框的液流電池電堆，包括依次排列的壓板9、一體化電極組件10、不少于一個的一體化膜組件12、一體化電極組件10、壓板9，它們通過螺栓固定在一起；一體化電極組件10由帶導流結構的邊框13與雙極板14固定連接組成，一體化膜組件12由帶導流結構的邊框13與隔膜11固定連接組成。帶導流結構的邊框13與雙極板14通過熱熔焊接在一起；帶導流結構的邊框13與隔月旲11粘接在一起。
—種液流電池電堆的加工工藝，包括以下步驟，步驟a，使用高分子塑料通過注塑、雕刻、沖壓或機加工的方式制作帶導流結構的液流電池邊框；步驟b，帶導流結構的液流電池邊框制作好后放入溫鹽溶液或堿溶液浸泡2小時；步驟C，將浸泡后的帶導流結構的液流電池邊框用去離子水清洗表面殘余溶液，然后自然風干；步驟d，將風干后的帶導流結構的液流電池邊框與極板用導電塑料固定連接在一起，組成一體化電極組件；步驟e，后將隔膜與帶導流結構的液流電池邊框固定連接在一起，組成一體化膜組件；步驟f，按照壓板，一體化電極組件、不少于一個的一體化膜組件、一體化電極組件，壓板的順序安裝，然后用螺栓緊固，壓接正壓力U。所述步驟d中帶導流結構的液流電池邊框與極板的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接；所述步驟e中隔膜與帶導流結構的液流電池邊框的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接。所述步驟f中采用緊固螺栓固定時，緊固螺栓的扭矩為9Nm，緊固螺栓的數量為4 個/平方米壓板。本發明的實施例2 :如圖I所示，一種帶導流結構的液流電池邊框，包括框體I、邊框入口 2、邊框出口 3、入口分流槽4和出口分流槽5，邊框入口 2和入口分流槽4設于框體 I的上部，邊框出口 3和出口分流槽5設于框體I的下部，框體I的中部設有活性區域6，活性區域6分別通過入口分流槽4和出口分流槽5與邊框入口 2和邊框出口 3連接；活性區域6內設有導流場7 ;框體I的四周設有密封線8。框體I的厚度為2mm。密封線8的高度
為0. 2臟。如圖8所示，導流場7由脊15和流道16組成；導流場7為并聯流場。如圖11所示，流道16的形狀為“C”形。如圖2 圖4所示，一種采用述邊框的液流電池電堆，包括依次排列的壓板9、一體化電極組件10、不少于一個的一體化膜組件12、一體化電極組件10、壓板9，它們通過螺栓固定在一起；一體化電極組件10由帶導流結構的邊框13與雙極板14固定連接組成，一體化膜組件12由帶導流結構的邊框13與隔膜11固定連接組成。帶導流結構的邊框13與雙極板14通過激光焊接在一起；帶導流結構的邊框13與隔膜11通過激光焊接在一起。一種液流電池電堆的加工工藝，包括以下步驟，步驟a，使用高分子塑料通過注塑、雕刻、沖壓或機加工的方式制作帶導流結構的液流電池邊框；步驟b，帶導流結構的液流電池邊框制作好后放入溫鹽溶液或堿溶液浸泡20小時；步驟C，將浸泡后的帶導流結構的液流電池邊框用去離子水清洗表面殘余溶液，然后自然風干；步驟d，將風干后的帶導流結構的液流電池邊框與極板用導電塑料固定連接在一起，組成一體化電極組件；步驟e，后將隔膜與帶導流結構的液流電池邊框固定連接在一起，組成一體化膜組件；步驟f，按照壓板，一體化電極組件、不少于一個的一體化膜組件、一體化電極組件，壓板的順序安裝，然后用螺栓緊固，壓接正壓力4t。所述步驟d中帶導流結構的液流電池邊框與極板的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接；所述步驟e中隔膜與帶導流結構的液流電池邊框的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接。所述步驟f中采用緊固螺栓固定時，緊固螺栓的扭矩為35Nm，緊固螺栓的數量為 50個/平方米壓板。本發明的實施例3 :如圖I所示，一種帶導流結構的液流電池邊框，包括框體I、邊框入口 2、邊框出口 3、入口分流槽4和出口分流槽5，邊框入口 2和入口分流槽4設于框體 I的上部，邊框出口 3和出口分流槽5設于框體I的下部，框體I的中部設有活性區域6，活性區域6分別通過入口分流槽4和出口分流槽5與邊框入口 2和邊框出口 3連接；活性區域6內設有導流場7 ;框體I的四周設有密封線8。框體I的厚度為4mm。密封線8的高度為 0. 4mmo如圖9所示，導流場7由脊15和流道16組成；導流場7為阻斷型流場。如圖12所示，流道16的形狀為“U”形。如圖2 圖4所示，一種采用述邊框的液流電池電堆，包括依次排列的壓板9、一體化電極組件10、不少于一個的一體化膜組件12、一體化電極組件10、壓板9，它們通過螺栓固定在一起；一體化電極組件10由帶導流結構的邊框13與雙極板14固定連接組成，一體化膜組件12由帶導流結構的邊框13與隔膜11固定連接組成。帶導流結構的邊框13與雙極板14粘接在一起；帶導流結構的邊框13與隔膜11 通熱熔焊接在一起。一種液流電池電堆的加工工藝，包括以下步驟，步驟a，使用高分子塑料通過注塑、雕刻、沖壓或機加工的方式制作帶導流結構的液流電池邊框；步驟b，帶導流結構的液流電池邊框制作好后放入溫鹽溶液或堿溶液浸泡30小時；步驟C，將浸泡后的帶導流結構的液流電池邊框用去離子水清洗表面殘余溶液，然后自然風干；步驟d，將風干后的帶導流結構的液流電池邊框與極板用導電塑料固定連接在一起，組成一體化電極組件；步驟e，后將隔膜與帶導流結構的液流電池邊框固定連接在一起，組成一體化膜組件；
步驟f，按照壓板，一體化電極組件、不少于一個的一體化膜組件、一體化電極組件，壓板的順序安裝，然后用螺栓緊固，壓接正壓力6t。所述步驟d中帶導流結構的液流電池邊框與極板的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接；所述步驟e中隔膜與帶導流結構的液流電池邊框的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接。所述步驟f中采用緊固螺栓固定時，緊固螺栓的扭矩為60Nm，緊固螺栓的數量為 70個/平方米壓板。本發明的實施例4 :如圖I所示，一種帶導流結構的液流電池邊框，包括框體I、邊框入口 2、邊框出口 3、入口分流槽4和出口分流槽5，邊框入口 2和入口分流槽4設于框體 I的上部，邊框出口 3和出口分流槽5設于框體I的下部，框體I的中部設有活性區域6，活性區域6分別通過入口分流槽4和出口分流槽5與邊框入口 2和邊框出口 3連接；活性區域6內設有導流場7 ;框體I的四周設有密封線8。框體I的厚度為5mm。密封線8的高度為 0. 5mmo如圖7所示，導流場7由脊15和流道16組成；導流場7為串聯流場。如圖11所示，流道16的形狀為“C”形。
如圖2 圖4所示，一種采用述邊框的液流電池電堆，包括依次排列的壓板9、一體化電極組件10、不少于一個的一體化膜組件12、一體化電極組件10、壓板9，它們通過螺栓固定在一起；一體化電極組件10由帶導流結構的邊框13與雙極板14固定連接組成，一體化膜組件12由帶導流結構的邊框13與隔膜11固定連接組成。帶導流結構的邊框13與雙極板14通過機械壓接固定在一起；帶導流結構的邊框 13與隔膜11通過機械壓接固定在一起。一種液流電池電堆的加工工藝，包括以下步驟，步驟a，使用高分子塑料通過注塑、雕刻、沖壓或機加工的方式制作帶導流結構的液流電池邊框；步驟b，帶導流結構的液流電池邊框制作好后放入溫鹽溶液或堿溶液浸泡48小時；步驟C，將浸泡后的帶導流結構的液流電池邊框用去離子水清洗表面殘余溶液，然后自然風干；步驟d，將風干后的帶導流結構的液流電池邊框與極板用導電塑料固定連接在一起，組成一體化電極組件；步驟e，后將隔膜與帶導流結構的液流電池邊框固定連接在一起，組成一體化膜組件；步驟f，按照壓板，一體化電極組件、不少于一個的一體化膜組件、一體化電極組件，壓板的順序安裝，然后用螺栓緊固，壓接正壓力10t。所述步驟d中帶導流結構的液流電池邊框與極板的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接；所述步驟e中隔膜與帶導流結構的液流電池邊框的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接。所述步驟f中采用緊固螺栓固定時，緊固螺栓的扭矩為lOONm，緊固螺栓的數量為 100個/平方米壓板。
權利要求
1.一種帶導流結構的液流電池邊框，包括框體(I)、邊框入口(2)、邊框出口(3)、入口分流槽⑷和出口分流槽(5)，其特征在于邊框入口⑵和入口分流槽⑷設于框體(I) 的上部，邊框出口(3)和出口分流槽(5)設于框體(I)的下部，框體(I)的中部設有活性區域(6)，活性區域(6)分別通過入口分流槽(4)和出口分流槽(5)與邊框入口(2)和邊框出口⑶連接；活性區域(6)內設有導流場(7);框體⑴的四周設有密封線(8)。
2.根據權利要求I所述的一種帶導流結構的液流電池邊框，其特征在于導流場(7) 由脊(15)和流道(16)組成；導流場(7)的結構形式分為并聯流場、串聯流場和阻斷型流場。
3.根據權利要求2所述的一種帶導流結構的液流電池邊框，其特征在于所述流道(16)的形狀為“Z”形、“C”形或“U”形。
4.根據權利要求I或2或3所述的一種帶導流結構的液流電池邊框，其特征在于框體(I)的厚度為0. 5mm 5_。
5.根據權利要求4所述的一種帶導流結構的液流電池邊框，其特征在于密封線(8) 的高度為0. 01臟 0. 5臟。
6.一種采用根據權利要求I 5中任意一項所述邊框的液流電池電堆，其特征在于 包括依次排列的壓板(9)、一體化電極組件(10)、不少于一個的一體化膜組件(12)、一體化電極組件(10)、壓板(9)，它們通過螺栓固定在一起；一體化電極組件(10)由帶導流結構的邊框(13)與雙極板(14)固定連接組成，一體化膜組件(12)由帶導流結構的邊框(13)與隔膜(11)固定連接組成。
7.根據權利要求6所述的一種液流電池電堆，其特征在于帶導流結構的邊框(13)與雙極板(14)通過激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接固定連接在一起；帶導流結構的邊框(13)與隔膜(11)通過激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接固定連接在一起。
8.一種液流電池電堆的加工工藝，其特征在于包括以下步驟，步驟a，使用高分子塑料通過注塑、雕刻、沖壓或機加工的方式制作帶導流結構的液流電池邊框；步驟b，帶導流結構的液流電池邊框制作好后放入溫鹽溶液或堿溶液浸泡2小時 48 小時；步驟C，將浸泡后的帶導流結構的液流電池邊框用去離子水清洗表面殘余溶液，然后自然風干；步驟d，將風干后的帶導流結構的液流電池邊框與極板用導電塑料固定連接在一起，組成一體化電極組件；步驟e，后將隔膜與帶導流結構的液流電池邊框固定連接在一起，組成一體化膜組件；步驟f，按照壓板，一體化電極組件、不少于一個的一體化膜組件、一體化電極組件，壓板的順序安裝，然后用螺栓緊固，壓接正壓力It 10t。
9.根據權利要求8所述的一種液流電池電堆的加工工藝，其特征在于所述步驟d中帶導流結構的液流電池邊框與極板的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接； 所述步驟e中隔膜與帶導流結構的液流電池邊框的連接方式采用激光焊接、熱熔焊接、粘接或機械壓接。
10.根據權利要求8所述的一種液流電池電堆的加工工藝，其特征在于所述步驟f中采用緊固螺栓固定時，緊固螺栓的扭矩為9 lOONm，緊固螺栓的數量為4 100個/平方米壓板。·
全文摘要
本發明公開了一種帶導流結構的液流電池邊框和電堆及電堆的加工工藝，包括框體(1)、邊框入口(2)、邊框出口(3)、入口分流槽(4)和出口分流槽(5)，邊框入口(2)和入口分流槽(4)設于框體(1)的上部，邊框出口(3)和出口分流槽(5)設于框體(1)的下部，框體(1)的中部設有活性區域(6)，活性區域(6)分別通過入口分流槽(4)和出口分流槽(5)與邊框入口(2)和邊框出口(3)連接；活性區域(6)內設有導流場(7)；框體(1)的四周設有密封線(8)。本發明能夠解決電池內結構變形的問題、同時起到電解液導流作用，使得電解液分配均勻，降低電極表面鋅枝晶的生成概率，從而提高電池的性能和壽命。另外還具有安裝簡單，故障率低的優點。
文檔編號H01M8/24GK102623719SQ201210089599
公開日2012年8月1日 申請日期2012年3月29日 優先權日2012年3月29日
發明者劉學軍, 孟琳, 陸克 申請人:北京百能匯通科技股份有限公司