一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆及其制备方法与流程

本发明涉及全钒液流电池储能，具体涉及一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆及其制备方法。

背景技术：

1、全钒液流电池（vrfb）凭借安全性高、循环寿命长、功率与容量解耦、环境友好等优势，已成为大规模新能源消纳、电网调峰、离网供电等场景的核心电化学储能技术。电堆是全钒液流电池的电化学反应核心单元，主要由端板、集流体、双极板、导流框、石墨毡电极、密封组件堆叠装配而成；其中石墨毡作为电化学反应的载体，其与导流框的装配密封性直接决定电解液流动状态、反应有效面积与电池整体运行效率。

2、当前行业内石墨毡与导流框普遍采用过盈装配方案：即石墨毡外形尺寸略大于导流框内框尺寸，例如导流框内框尺寸为500mm×1200mm时，石墨毡裁切为502mm×1200mm，利用石墨毡自身的弹性形变挤压嵌入导流框内框，使石墨毡边缘紧贴导流框内壁，以此消除石墨毡与导流框的配合缝隙，迫使电解液全部流经石墨毡内部参与电化学反应，减少无效旁路流量。

3、但在工程化长期运行过程中，该方案存在无法克服的固有缺陷：石墨毡属于弹性多孔碳质材料，在电解液持续水力冲刷、大流量工况冲击、充放电过程体积形变的多重作用下，石墨毡边缘被冲刷变形，边缘脱离导流框，原有的过盈配合量逐步丧失，石墨毡侧边与导流框内壁之间出现分离缝隙。由于侧边缝隙的流动阻力远小于石墨毡多孔内部阻力，电解液会优先从缝隙中短路流过，缝隙会越流越大，形成大量不参与电化学反应的无效流量：一方面大幅提升电解液循环泵的泵送功耗，增加系统运行成本；另一方面降低电极反应有效面积，导致电堆电压效率、能量效率下降；严重时还会引发流场分布紊乱，加剧电堆性能衰减，缩短电堆使用寿命。

4、因此，开发一种从结构根源上解决石墨毡侧边缝隙问题的电堆方案，消除电解液旁路无效流动，是提升全钒液流电池电堆长期运行稳定性与经济性的关键技术需求。

技术实现思路

1、本发明需要解决的技术问题是提供一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆及其制备方法，以解决传统过盈装配存在的石墨毡易冲刷变形、侧边易产生缝隙、无效流量大和泵耗高的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案如下。

3、一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆，包括依次堆叠的端板、集流体、双极板、导流框组件与密封件，且导流框组件包含导流框本体与石墨毡电极，其中，所述石墨毡电极置于导流框本体的内框空腔中；所述石墨毡电极沿电解液流动方向的两个相对侧边为待结合侧边，待结合侧边与导流框本体内框的对应侧壁通过注塑工艺一体熔合成型并形成使石墨毡电极与导流框本体构成不可拆分的一体化结构的侧边密封结合层；

4、所述侧边密封结合层为由导流框本体的熔融注塑原料渗入待结合侧边的多孔结构后固化形成的、用于同时实现机械嵌合固定与流道密封双重作用的机械嵌合结构。

5、优选的，所述石墨毡电极的另两个相对侧边为电解液进出液侧边，且电解液进出液侧边与导流框本体内框对应侧壁之间呈使电解液仅能从一端进出液口进入并经石墨毡电极内部流向另一端的间隙配合。

6、优选的，所述侧边密封结合层的单侧宽度为5~20mm。

7、优选的，所述导流框本体的材质为耐全钒硫酸电解液腐蚀的热塑性塑料，选自聚丙烯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯中的任一种。

8、优选的，所述石墨毡电极为多孔碳质反应载体，选自聚丙烯腈基石墨毡、沥青基石墨毡和黏胶基石墨毡中的任一种。

9、一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆的制备方法，包括以下步骤：

10、s1.石墨毡电极预处理：将石墨毡电极按设计尺寸裁切；

11、s2.模具定位：将预处理后的石墨毡电极放入导流框注塑模具的型腔中，定位使石墨毡电极的两个待结合侧边伸入导流框本体内框侧壁的成型区域内；

12、s3.模具合模：注塑的上下模具进行合模，合模时通过模具自带的密封压框压紧石墨毡电极反应区与待结合侧边的交接位置，排出压合区域石墨毡电极孔隙内的空气，形成阻挡熔融塑料向石墨毡电极中心反应区渗透的物理封边屏障；

13、s4.成型区抽真空：开启模具真空阀，对模具内导流框成型区域抽真空，排出型腔空间与石墨毡电极待结合侧边孔隙内的空气；

14、s5.注塑一体成型：向模具中注入熔融状态的导流框原料，保压使熔融塑料充分渗入待结合侧边的多孔结构中，冷却固化后，待结合侧边与导流框本体熔合为一体，得到导流框与石墨毡一体化的导流框组件；

15、s6.电堆组装：将导流框组件与双极板、密封件、集流体、端板按顺序堆叠装配，紧固后得到全钒液流电池电堆。

16、优选的，所述步骤s3中，密封压框的单侧压合宽度为3~8mm，压实面压设定为5~10mpa。

17、优选的，所述步骤s4中，真空度为-0.06mpa~-0.09mpa。

18、优选的，所述步骤s5中，注塑压力为60~100mpa，保压时间为10~30s，冷却时间为10~30s。

19、由于采用了以上技术方案，本发明所取得技术进步如下。

20、本发明从根源消除了旁路缝隙，杜绝了无效流量：通过注塑一体成型使石墨毡电极侧边与导流框本体侧壁永久结合，彻底解决了传统过盈装配下石墨毡电极长期受电解液冲刷变形、产生分离缝隙的问题，完全阻断了电解液的侧边旁路流道。经实测可降低电解液循环泵耗10%~30%，显著提升了电解液利用率与电堆能量效率。

21、本发明结合强度高，长期运行稳定性强：侧边密封结合层通过塑料渗入石墨毡孔隙形成机械嵌合结构，结合力远大于过盈装配的摩擦力，耐电解液腐蚀与水力冲刷性能优异；长期运行下不会出现石墨毡电极移位、脱开、边缘冲蚀等问题，有效延长电堆循环寿命与维护周期。

22、本发明降低了加工与装配成本：无需精准控制石墨毡电极的过盈尺寸公差，降低了石墨毡电极的裁切精度要求；一体化组件可直接用于电堆堆叠，减少了装配时石墨毡电极与导流框本体的对位校准工序，提升了电堆组装效率，降低了生产制造成本。

23、本发明可优化流场均匀性，提升反应效率：侧边密封彻底避免了电解液沿缝隙走短路，保证了电解液全部均匀流经石墨毡电极反应区域，改善了石墨毡电极内部电流与流场分布均匀性，提升了电堆整体反应效率与容量发挥率。

1.一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆，包括依次堆叠的端板（1）、集流体（2）、双极板（3）、导流框组件（4）与密封件（5），且导流框组件（4）包含导流框本体（41）与石墨毡电极（42），其特征在于：所述石墨毡电极（42）置于导流框本体（41）的内框空腔中；所述石墨毡电极（42）沿电解液流动方向的两个相对侧边为待结合侧边（421），待结合侧边（421）与导流框本体（41）内框的对应侧壁通过注塑工艺一体熔合成型并形成使石墨毡电极（42）与导流框本体（41）构成不可拆分的一体化结构的侧边密封结合层（43）；

2.根据权利要求1所述的一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆，其特征在于：所述石墨毡电极（42）的另两个相对侧边为电解液进出液侧边（422），且电解液进出液侧边（422）与导流框本体（41）内框对应侧壁之间呈使电解液仅能从一端进出液口进入并经石墨毡电极（42）内部流向另一端的间隙配合。

3.根据权利要求1所述的一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆，其特征在于：所述侧边密封结合层（43）的单侧宽度为5~20mm。

4.根据权利要求1所述的一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆，其特征在于：所述导流框本体（41）的材质为耐全钒硫酸电解液腐蚀的热塑性塑料，选自聚丙烯、高密度聚乙烯、聚氯乙烯中的任一种。

5.根据权利要求1所述的一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆，其特征在于：所述石墨毡电极（42）为多孔碳质反应载体，选自聚丙烯腈基石墨毡、沥青基石墨毡和黏胶基石墨毡中的任一种。

6.如权利要求1至5中任一项所述的一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆的制备方法，其特征在于：所述步骤s3中，密封压框的单侧压合宽度为3~8mm，压实面压设定为5~10mpa。

8.根据权利要求6所述的一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆的制备方法，其特征在于：所述步骤s4中，真空度为-0.06mpa~-0.09mpa。

9.根据权利要求6所述的一种导流框与石墨毡一体化的全钒液流电池电堆的制备方法，其特征在于：所述步骤s5中，注塑压力为60~100mpa，保压时间为10~30s，冷却时间为10~30s。