一种液流电池电极框及其应用和液流电池的制作方法

本发明涉及液流电池结构，特别涉及液流电池的电极框结构及其构成的电堆。

背景技术：

开发利用可再生能源是发展战略性新兴产业、推动经济发展方式转变的重要选择。大规模开发利用可再生能源将显著降低经济发展对化石能源资源的消耗，减少对环境的损害，使我国严重依赖资源消耗的发展模式逐渐转变为资源消耗少、环境污染低的科学发展方式。同时，可再生能源是快速增长的战略性新兴产业，发展可再生能源对拉动高端装备制造相关产业发展的作用显著，对促进产业结构升级意义重大。可再生能源具有不连续、不稳定的特征，大规模的并网会对电网造成巨大的冲击，使得电网瘫痪。为此，需要配置特定的储能装置，将可再生能源的电能质量提高，输出更加稳定平滑，提高可再生能源的上网时间。在众多储能技术中，化学储能以其转化效率高、不需要特殊的地理位置需要而发展迅速。其中，液流电池以其可以深充深放、坏境负荷低、生命周期内性价比高、能量转化率高的特点，在近些年得到长足的发展，已经逐渐成为最具有发展潜力的储能技术。

液流电池，尤其是需要离子传导膜隔离开的双液流电池。通常是由正极电极框、正极电极、离子传导膜、负极电极、负极电极框组成单电池的结构，每节单电池之间通过双极板连接在一起，在电路上串联在一起。上述的所有材料之间，往往设置橡胶密封垫片、密封胶或者热熔胶来实现密封。不仅成本高昂，而且生产效率较低，难以实现连续化、机械化生产。电堆的集成也难以实现全机械化集成组装。由此带来液流电池电堆的成本一直居高不下，相比锂电池的优势发挥不出来，严重阻碍了其商业化和产业化。同时，上述的橡胶密封垫片也会随着运行时间的增长而出现老化、失去密封功能的现象，电堆的维修更是会加大成本的投入。因此急需要结构和工艺的改进来弥补上述电堆组装集成中的不足。

技术实现要素：

为了降低液流电池电堆的成本，提高电堆的密封可靠性，实现全机械化的电堆生产工艺。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种液流电池电极框，其为平板状结构，于平板状结构一侧中部设有一个凹槽或二侧的中部设有一对面对称的凹槽，于凹槽的底面中部开设有一个中部通孔。

所述液流电池电极框，处于凹槽底面的中部通孔开口端四周边缘与凹槽底面的四周边缘之间形成一条带状台阶。带状台阶宽度3-10mm,优选4-6mm。该带状台阶可放置离子传导膜或者双极板进行激光焊接或者热熔胶粘接。

上述液流电池电极框，于平板状结构的板体表面、凹槽的四周开设有环型凹槽。

上述任一所述液流电池电极框，于电极框四周边缘的凹槽或环型凹槽以外设置有四个通孔，其中的两个通孔分别通过沟槽与中部通孔区域连通，于另外两个通孔的板体表面、通孔的四周开设有环型凹槽，用于设置激光焊接的焊接平台或者放置热熔胶。

上述液流电池电极框的环形凹槽。在环型凹槽内刷涂激光焊接用吸光剂、或采用双色注塑的方法设置黑色的塑料条，形成闭环的焊接轨迹线。

所述液流电池电极框，凹槽底面区域作为用于容纳隔膜或极板的区域；通孔所在的镂空区域作为用于容纳电极的区域。

任一所述液流电池电极框均可以在液流电池中进行应用。上述的电极框组件可构成液流电池单电池或者2节以上液流电池单电池构成的电堆。

有益效果：

1.本发明首先将电极框和离子传导膜进行焊接或者粘接；将电极框和双极板进行焊接或者粘接。形成的一体化结构成为电堆的组装原件，该元件可通过机械手进行电堆的组装集成，无需人工参与，节省了人力资源。同时，该一体化的制备过程简单、不要求精密的设备，成本较低。

2.本发明通过将框膜一体化结构和框板一体化结构交替叠加的焊接或者粘接在一起，集成出高可靠性的密封电堆结构，降低了电堆成本。该结构可实现全自动化集成，有利于液流电池产业化。

3、本发明的电堆集成方法，电堆不再需要端板、螺杆、螺母等配件提供压紧力。取消了油压机、磨具弹簧等组装电堆用到的设备和工具。可以只采用价格更低的塑料装饰板来取代端板即可。降低了成本，简化了工序。

该电极框中间设置镂空的区域，用于容纳电极。在镂空区域的四周设置可容纳离子传导膜或者双极板的沟槽，离子传导膜或者双极板通过激光焊接或者热熔胶的方式与电极框焊接或者粘接在一起。电极框的非镂空区域设置有四个通孔，其中的两个通孔分别通过沟槽与镂空区域连通。与沟槽连通的通孔外设置沉孔，用于设置激光焊接的焊接或者粘接平台。在电极框的外边缘处设置闭环的焊接轨迹线，该线可以用激光焊接专业吸光剂刷涂，也可以采用双色注塑的方法设置黑色的塑料条。在与沟槽不连通的两个通孔处，设置直径大于通孔的焊接轨迹线，该线可以用激光焊接专业吸光剂刷涂，也可以采用双色注塑的方法设置黑色的塑料条。采用该结构电极框可与离子传导膜或者双极板组成一体化结构，并可将一体化结构经过焊接或者粘接组装成电堆，简化了电堆集成的过程，可实现全机械化生产。

附图说明

图1为电极框和离子传导膜的一体化示意图；

图2为电极框和离子传导膜的一体化配合示意图；

图3为电极框和双极板的一体化示意图；

图4为电极框和双极板的一体化配合示意图；

图5为采用框膜一体化结构和框板一体化结构组装电堆示意图。

其中1.1号电极框；2.离子传导膜；3.2号电极框；4.双极板；5.框膜一体化结构；6.框板一体化结构。

具体实施方式

实施例：

将离子传导膜放置于1号电极框的带状台阶内，该台阶是由中部通孔与凹槽底部边缘所围成。采用激光焊接的方式，将离子传导膜与带状台阶焊接在一起。由此构成框膜一体化结构(图1)。该焊接可以防止电池内部正、负电极中的活性物质相互接触，引起电池库仑效率的下降。

将双极板放置于2号电极框的的带状台阶内，该台阶是由中部通孔与凹槽底部边缘所围成。采用激光焊接的方式，将双极板与带状台阶焊接在一起。由此构成框板一体化结构(图2)。该焊接同样可以防止电池内部正、负电极中的活性物质相互接触，引起电池库仑效率的下降。

其材料之间的配合关系分别如图2和图4所示。

在1号电极框的边缘区域，距离边缘7mm处，设置宽度为2.5mm的闭环黑色塑料区域，电极框的其他区域是由透光率高的透明或者半透明塑料制成。材质可以是pe、pp、pvc等。

在2号电极框的边缘区域，距离边缘3mm处，设置宽度为2.5mm的闭环黑色塑料区域，电极框的其他区域是由透光率高的透明或者半透明塑料制成。材质可以是pe、pp、pvc等。

在1号和2号电极框四周边缘的闭环黑色塑料带和带状台阶之间的区域内，设置有四个通孔。其中的两个通孔分别通过沟槽与中部通孔区域连通，于另外两个通孔的板体表面、通孔的四周开设有宽度4mm的黑色塑料圆环区域。

在电堆集成焊接的时候，可首先将框板一体化结构置于电堆的底部，再将框膜一体化放置在上，之后交替层层叠加。由图5可知，相邻两个一体化结构之间，沿着电极框边缘附近的黑色塑料焊接轨迹，将电极框焊接在一起，避免电堆的外漏。沿着通孔附近的黑色塑料区域，将相邻两个一体化结构的电极框焊接在一起，避免电堆的内漏。电堆焊接完成后，可采用价格低廉的塑料板作为端板，无需模具弹簧、螺杆、螺母等压紧机构，简化了电堆集成工序、降低了电堆成本。

采用上述结构和工艺组装了节电池的1kw锌溴电池电堆。该电堆的备料、集成均由激光焊接机和1个工人即可完成。电堆组装效率提高60％，密封验证合格率100％。对电堆的初始性能进行评测，如表1所示。充放电电流密度20ma/cm²，充电容量32ah，放电截止电压20v。

表1采用本发明结构与工艺的1kw锌溴液流电池电堆初始性能

由上表1可知，本发明提出的结构和工艺所集成出的电堆效率超过75％，输出功率达到1kw。相比于常规结构与工艺的电堆的性能没有下降。