液流電池離子交換膜組件及包括其的液流電池的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及液流電池技術領域，具體涉及一種液流電池離子交換膜組件及包括其的液流電池。
【背景技術】
[0002]液流電池是一類新型電化學儲能體系，相比于其他儲能技術，液流電池具有功率大、容量大、能量轉換效率高、使用壽命長、安全性高、綠色環(huán)保等優(yōu)點，在與光伏發(fā)電和風力發(fā)電配套的大規(guī)模儲能系統(tǒng)、智能電網調峰、通訊基站以及分布式電源等領域具有廣闊的應用前景。全釩氧化還原液流電池是液流電池中的一種，它以不同價態(tài)的釩離子電解液作為電池的正負極活性物質，正極為v4+/v5+電對，負極為V 2+/v3+電對。電池的正負極通過離子交換膜隔開，正負極電解液分別存儲于外部的兩個儲液罐中，通過栗將電解液栗入電池正負極室中完成電化學反應，再回到儲液罐中形成閉合循環(huán)液流回路。
[0003]現(xiàn)有的液流電池堆結構如圖1所示，其中10’為雙極板，20’為液流框，30’為多孔電極，40’為離子交換膜，多孔電極30’嵌套于液流框20’的中間鏤空部位，按圖中所示次序不斷重復疊放而成。為了避免電解液從離子交換膜40’與液流框20’的接觸面處滲出，通常需要在離子交換膜40’兩側的液流框20’上嵌入密封圈(線密封)或添加密封墊片(面密封)來實現(xiàn)密封。然而，電池堆在實際運行中，離子交換膜往往會吸收電解液中的水分而發(fā)生溶脹變形，使得液流框與離子交換膜間很容易發(fā)生密封失效，導致電池堆漏液，另一方面溶脹后離子交換膜的機械強度下降，在密封圈或密封墊片長期施壓狀態(tài)下極易發(fā)生機械破壞，也容易導致電池密封失效。
【實用新型內容】
[0004]本實用新型針對上述問題，提供了一種液流電池離子交換膜組件及包括其的液流電池，以解決現(xiàn)有技術中需要在離子交換膜兩側的液流框上嵌入密封圈或添加密封墊片進行密封以及離子交換膜溶脹變形帶來的密封失效問題。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本實用新型的一個方面，提供了一種液流電池離子交換膜組件。該液流電池離子交換膜組件包括:多孔膜；離子交換區(qū)涂層，設置在多孔膜的中間區(qū)域；密封區(qū)涂層，設置在多孔膜除離子交換區(qū)涂層外的區(qū)域。
[0006]進一步地，多孔膜為一體化多孔膜。
[0007]進一步地，多孔膜具有上表面、下表面和多個貫穿性的孔洞，離子交換區(qū)涂層設置在多孔膜的中間區(qū)域的孔洞內、上表面和/或下表面。
[0008]進一步地，密封區(qū)涂層設置在多孔膜除離子交換區(qū)涂層外的區(qū)域的孔洞內、上表面和/或下表面。
[0009]進一步地，離子交換區(qū)涂層的厚度與密封區(qū)涂層的厚度相同或不同。
[0010]根據(jù)本實用新型的另一個方面，提供一種液流電池。該液流電池包括液流電池離子交換膜組件，液流電池離子交換膜組件為上述任一種的液流電池離子交換膜組件。
[0011]應用本實用新型的技術方案，在多孔膜上通過涂覆離子交換區(qū)涂層和密封區(qū)涂層形成涂覆離子交換區(qū)和密封區(qū)，因為密封區(qū)的存在，該液流電池離子交換膜組件在電池堆裝配時不需在離子交換膜組件兩側的液流框上嵌入密封圈或添加密封墊片，降低電池堆加工成本和裝配難度，同時還可避免常規(guī)設計中離子交換膜吸水溶脹導致的密封失效問題。
【附圖說明】
[0012]構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型，并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中:
[0013]圖1示出了現(xiàn)有技術中液流電池堆的結構示意圖；以及
[0014]圖2示出了根據(jù)本實用新型一實施例的離子交換膜組件的結構示意圖。
【具體實施方式】
[0015]需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本實用新型。
[0016]針對現(xiàn)有技術中需要在離子交換膜兩側的液流框上嵌入密封圈或添加密封墊片進行密封以及離子交換膜溶脹變形帶來的密封失效問題，本實用新型提出了以下技術方案。
[0017]根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，提供了一種液流電池離子交換膜組件。如圖1所示，該液流電池離子交換膜組件包括多孔膜，設置在多孔膜的中間區(qū)域的離子交換區(qū)涂層41和設置在多孔膜除離子交換區(qū)涂層41外的區(qū)域的密封區(qū)涂層42。應用本實用新型的技術方案，在多孔膜上通過涂覆離子交換區(qū)涂層和密封區(qū)涂層形成涂覆離子交換區(qū)和密封區(qū)，因為密封區(qū)的存在，該液流電池離子交換膜組件在電池堆裝配時不需在離子交換膜組件兩側的液流框上嵌入密封圈或添加密封墊片，降低電池堆加工成本和裝配難度，同時還可避免常規(guī)設計中離子交換膜吸水溶脹導致的密封失效問題。
[0018]在本實用新型中，離子交換區(qū)和密封區(qū)的形狀和尺寸根據(jù)電堆實際設計，可采用任何形狀和尺寸。
[0019]優(yōu)選的，多孔膜為一體化多孔膜，可以降低電池堆加工成本和裝配難度，同時提高了該液流電池離子交換膜組件的使用壽命及穩(wěn)定性。
[0020]根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，多孔膜為有機多孔膜，例如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚砜、聚酰亞胺、聚丙烯、聚乙烯、聚芳醚酮、或聚醚砜等材質的多孔膜。該多孔膜為一體化離子交換膜組件提供了支撐骨架，使離子交換樹區(qū)涂層與密封涂層結合為一體，同時該多孔膜骨架還起著機械增強作用，能夠降低涂層樹脂的用量，進而降低生產成本。該多孔膜具有上表面、下表面和多個貫穿性的孔洞，如圖2所示，離子交換區(qū)涂層41為在多孔膜的中間區(qū)域的孔洞內、上表面和/或下表面涂覆離子交換樹脂形成；密封區(qū)涂層42為在多孔膜除離子交換區(qū)涂層41外的區(qū)域的孔洞內、上表面和/或下表面涂覆密封性材料形成，即密封區(qū)涂層42設置在多孔膜除離子交換區(qū)涂層41外的區(qū)域的所述孔洞內、上表面和/或下表面，離子交換區(qū)涂層41和密封區(qū)涂層42可以根據(jù)實際需要制備成雙面涂層的或單面涂層的，只要在多孔膜表面分布均勻且貫穿有機多孔膜厚度方向即可。
[0021]根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，離子交換樹脂為陽離子交換樹脂或陰離子交換樹脂。優(yōu)選的，離子交換樹脂含有無機納米粒子，此無機納米粒子可以是能夠給液流電池離子交換膜組件性能改變的無機納米粒子或功能性無機納米粒子，例如納米二氧化娃、納米二氧化鈦、碳納米管及其衍生物、或石墨烯及其衍生物等。
[0022]優(yōu)選的，密封性材料為密封性樹脂或耐腐蝕橡膠，本實用新型中所稱的密封性樹脂是指柔軟具有順應性的高分子材料，例如聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯等，耐腐蝕橡膠是指耐化學腐蝕(尤其是耐酸)的高彈性橡膠，例如氟橡膠、乙丙橡膠等耐腐蝕性材料。
[0023]根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，離子交換區(qū)涂層41的厚度與密封區(qū)涂層42的厚度相同或不同，可以根據(jù)實際需要進行設定。
[0024]根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，提供一種液流電池。該液流電池包括上述任一種液流電池離子交換膜組件。
[0025]本實用新型的上述液流電池離子交換膜組件通過以下制備方法制備。
[0026]本實用新型中沒有詳細描述的步驟可以通過本領域的常規(guī)技術手段實現(xiàn)。該制備方法包括以下步驟:S1，以多孔膜作為基體材料，在多孔膜的中間區(qū)域涂覆離子交換區(qū)涂層41 ;以及S2，在多孔膜除離子交換區(qū)涂層41外的區(qū)域涂覆密封區(qū)涂層42。應用本實用新型的技術方案，在多孔膜上通過涂覆離子交換區(qū)涂層和密封區(qū)涂層形成涂覆離子交換區(qū)和密封區(qū)，因為密封區(qū)的存在，該液流電池離子交換膜組件在電池堆裝配時不需在離子交換膜組件兩側的液流框上嵌入密封圈或添加密封墊片，降低電池堆加工成本和裝配難度，同時還可避免常規(guī)設計中離子交換膜吸水溶脹導致的密封失效問題。
[0027]為了保證離子交換區(qū)和密封區(qū)之間不出現(xiàn)間隙，避免正負極電解液通過間隙處的多孔膜發(fā)生相互滲透導致電池漏電的現(xiàn)象，實際操作過程中，可以先涂覆離子交換區(qū)涂層，然后再涂覆密封區(qū)涂層，密封區(qū)涂層略覆蓋住離子交換區(qū)涂層的邊界。
[0028]本實用新型中所稱的涂覆可以通過噴涂、刷涂、刮涂、浸漬等工藝實現(xiàn)，涂覆應該均勻。離子交換區(qū)涂層與密封區(qū)涂層的邊界控制與所使用的涂覆方法有關，例如噴涂是通過噴涂設備的程序控制噴槍噴涂路徑，浸漬則需要通過具有掩模功能的夾具來控制。
[0029]優(yōu)選的，多孔膜為一體化多孔膜，可以降低電池堆加工成本和裝配難度，同時提高了該液流電池離子交換膜組件的使用壽命及穩(wěn)定性。
[0030]根據(jù)本實用新型一種典型的實施方式，SI具體包括:將離子交換樹脂溶于離子交換樹脂的良溶劑中形成第一聚合物溶液，將第一聚合物溶液涂覆到多孔膜的中間區(qū)域，脫除離子交換樹脂的良溶劑，使離子交換樹脂固化成膜。其中，使離子交換樹脂固化成膜可以是揮發(fā)溶劑后在一定溫度、壓力條件下使樹脂固化，具體的溫度、壓力條件可以根據(jù)所用離子交換樹脂的本身性能進行確定，例如在較低溫度下使溶劑揮發(fā)，然后升高到較高溫度使熔融，之后冷卻固化。第一聚合物溶液也可以直接使用商品化的離子交換樹脂溶液替代。在第一聚合物溶液涂覆時通常要求均勻，以保證液流電池離子交換膜組件的質量。
[0031]上述離子交換樹脂可以為陽離子交換樹脂也可以為陰離子交換樹脂，包括但不限于以N