CN101647138A - 用于流动电解质电池的电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一个电池组(700)，其能使流动电解质电池具有较小的尺寸和重量。电池组(700)包括具有阳极端和阴极端的壳体。多个半电池(805)在壳体之中，每个半电池(805)包括有电极板(705)、邻近的隔板(715)和至少一个设置在电极板(705)和该邻近隔板(715)之间的毛细管(727)。毛细管(727)具有延伸出半电池(805)的第一端部和设置在半电池(805)内的第二端部。至少一个歧管(530)与包括每个半电池(805)中的毛细管(727)的第一端部的多个毛细管的端部液压连接。每个半电池(805)中的毛细管(727)使得电解质通过至少一个歧管(530)在多个半电池(805)中循环。

Description

用于流动电解质电池的电池组
技术领域
本发明涉及电池。特别地，但并非排它的，本发明涉及一种流动电解质电池，其具有包括毛细管的电池组。
背景技术
用于独立供电系统中的电池通常是铅酸电池。然而，铅酸电池在性能和环境安全方面存在限制。典型的铅酸电池通常在炎热的气候条件下具有极短的寿命，特别是当它们有时候完全放电时。铅酸电池也是危害环境的，因为铅是铅酸电池的主要组分，并且在制造和处理期间也会导致严重的环境问题。
流动电解质电池，如锌-溴电池、锌-氯电池和钒流动电池，提供了克服铅酸电池上述限制的潜能。特别地，流动电解质电池的可用寿命并不受深度放电应用的影响，流动电解质电池的能量重量比比铅酸电池高六倍。
然而，制造流动电解质电池比制造铅酸电池更加困难。流动电解质电池，像铅酸电池一样，包括有电池组，用于产生高于单个电池电压的特定电压。但与铅酸电池不同的是，流动电解质电池中的电池通过电解质循环管路液压连接。这会导致问题，当旁路电流通过电解质循环路径从一系列连接电池流动到另一系列时，会引起电池的单个电荷状态中的能量损耗和不平衡。为了阻止或减少这种旁路电流，流动电解质电池在电池之间限定出足够长的电解质循环路径，从而增加电池之间的电阻。
流动电解质电池的另一问题是在每个电池中需要均匀的电解质流速，以便将化合物均匀地供送到电池内部。为了达到通过电池的均匀流速，流动电解质电池限定了复杂的流体分配区域。然而，因为电解质通常具有油和气态的多相特性，并且由于电池的结构限制，通常并不能达到均匀的流速。
参照图1，该流程图示出了现有技术中已知的碱性的锌-溴流动电解质电池100。锌-溴电池100包括阴极循环通路105和独立的阳极循环通路110。阴极循环通路105包含有锌离子作为活性化学物质，阳极循环通路110包含溴离子作为活性化学物质。锌-溴电池100也包括阴极电解质泵115、阳极电解质泵120、阴极电解质槽125和阳极电解质槽130。为了获得高压，该锌-溴电池100还包括以双极配置连接的电池组。例如，电池135包括半电池140、145，其包括有双极电极板155和微孔隔板165。然后锌-溴电池100在集电极板160处具有阳极端，在集电极板150处具有阴极端。
在充电过程中，在阳极半电池如半电池145中的化学反应可根据以下的方程式进行描述：
2Br-→2Br+2e-    方程式1
溴因此形成在与阳极循环通路110液压连通的半电池中，然后储存在阳极电解质槽130中。在充电过程中，在阴极半电池如半电池140中的化学反应可根据以下的方程式进行描述：
Zn2++2e-→Zn    方程式2
金属锌层170因此在与阴极循环通路150接触的集电极板150上形成。之后的放电期间半电池140、145中的化学反应与方程式1和方程式2相反。
现有技术公开了多种用于产生获得均匀流速的流体分配区域的方法，以及用于在流动电解质电池的电池组的电池之间产生足够长的循环通路的方法。一种方法是在将电解质提供给电池组的外部歧管内部限定螺旋的毛细管。该螺旋毛细管通过弹性体连接管阵列连接到在电池内限定的流体分配区域上。每个电池具有多个进口和出口，因此，每个外部歧管不得不使用包括有弹性体连接管阵列的精密连接装置连接到电池组上。典型的54-电池组需要216个弹性体接管。这种精密的连接装置不仅难以制造，而且容易在装配和使用期间损坏。
另一种方法使用了在电池内部限定的长循环通路和流体分配区域。这减少了许多外部的连接点。然而，电池组中的每个电池之后不得不进行内部焊接以保证电解质不会泄露出循环通路。因此，典型的60-电池组可具有仅8个入口或出口，但它具有121个关键的外部和内部焊缝。
参照图2，该图示出了用于流动电解质电池的电池组200的透视图，这是现有技术中已知的。电池组200中的电池通过弹性体连接管阵列210连接到外部歧管205上。电池组200具有10条重要的焊缝：顶部焊缝215、底部焊缝216、四个进口或出口管密封焊缝225和四个歧管焊缝230。
参照图3，该图示出了电解质向电池组200中的电池的供送，这是现有技术中已知的。螺旋毛细管305设置在外部歧管205中并通过弹性体连接管210连接到限定在电极板315中的流体分配区域310上。
参照图4，该图示出了沿着电池组200的电极板315的不均匀的电解质流体分配，这是现有技术中已知的。长箭头400表示通过电极板315端部的重要电解质的流速；而短箭头405表示通过电极板315中段的减少的电解质流速。电解质向电极任何部分上的过量供给将引起电池效率的降低。电解质向电极任何部分的供给不足会导致枝晶形成，枝晶会导致隔板的永久性损坏和电池间的短路。
因此，需要克服或减少上述与现有技术中的流动电解质电池相关的许多问题。
发明目的
因此，本发明的目的在于克服或减少现有技术的一个或多个缺陷，包括提供改进的结构，以供电解质在电池中循环，降低制造成本并提高用于流动电解质电池的电池组的结构强度，但不增加电池组的大小。
本发明的另一目的在于提供一种改进的电极板，以降低制造成本并提高用于流动电解质电池的电池组的结构强度。
发明概述
根据一方面，本发明是用于流动电解质电池的电池组。电池组包括具有阳极端和阴极端的壳体以及壳体内部的多个半电池。每个半电池包括电极板、邻近的隔板和至少一个设置在电极板和邻近隔板之间的毛细管。毛细管具有延伸出半电池外部的第一端和位于半电池内部的第二端。至少一个歧管与包括每个半电池中的毛细管第一端的多个毛细管端部液压连通，且每个电池中的毛细管使电解质通过至少一个歧管在多个半电池中循环。
任选地，壳体包括邻近阳极端的阳极端板、邻近阴极端的阴极端板以及多个侧板。
任选地，多个侧板的至少一个侧板具有毛细管汇流条，其密封包括每个半电池内的毛细管第一端的多个毛细管端部。
任选地，每个半电池中的毛细管在第一端的电解质和第二端的电解质之间提供了高电阻。
任选地，每个电解质板包括用于接收一部分毛细管的第一毛细管通道。
任选地，每个电解质板包括用于接收一部分共享一个共用隔板的邻近半电池中的毛细管的第二毛细管通道。
任选地，第二毛细管通道和第一毛细管通道并不重叠。
任选地，至少一个毛细管具有U-型截面以增加毛细管的长度。
任选地，流动电解质电池还包括四个歧管，其中壳体是中空的并且歧管设置在电池组的四个角上，并且歧管覆盖多个毛细管的端部。
任选地，电池组连接到泵上以使电解质在歧管和多个半电池中循环。
任选地，毛细管的第二端连接到连接于半电池电极腔的流体分配区域上，以均匀地分配通过半电池的电极腔的电解质，其中半电池的电极腔被限定在电极板和邻近隔板之间。
任选地，毛细管的第二端连接到连接于半电池电极腔的流体收集区域上，以均匀地收集来自半电池的电极腔的电解质，其中半电池的电极腔被限定在电极板和邻近隔板之间。
任选地，流动电解质电池是锌-溴电池、锌-氯电池、钒-钒电池、钒-溴电池或适用于电能储存的任何其它化学电池。
任选地，电极板包括导电电极、围绕导电电极的非导电框和导电电极上的垫片。
任选地，壳体具有六个焊缝，包括顶部焊缝、底部焊缝和四个歧管焊缝。
任选地，流动电解质电池还包括充电器。
任选地，流动电解质电池还包括逆变器。
任选地，半电池中的电解质流动方向与半电池较长的侧面一致。
附图说明
为了帮助理解本发明并使本领域的技术人员实施本发明，下面参照附图对本发明的优选实施方式进行描述，该优选实施方式仅仅是用于举例的，其中：
图1是根据现有技术已知的碱性锌-溴流动电解质电池的示意图；
图2是根据现有技术已知的装在矩形壳体中的流动电解质电池的透视图；
图3是根据现有技术已知的流动电解质电池中电解质向电池的供送示意图；
图4是根据现有技术已知的沿着流动电解质电池的电极板的不均匀的电解质流体分配的示意图；
图5是根据本发明的一些实施方式的流动电解质电池的电池组的透视图，其省去了弹性体连接管并具有显著少于现有技术的关键焊缝；
图6是根据本发明一些实施方式的焊缝的透视图，该焊缝将歧管连接到电池组；
图7是根据本发明的一些实施方式的部分电池组的透视图，该部分电池组包括交替的电极板和隔板；
图8是根据本发明的一些实施方式的半电池中毛细管排列的分解图；
图9是根据本发明的一些实施方式的电极板的示意图，该电极板具有流动分配区域的平面结构、毛细管和毛细管通道的平面排布；和
图10是根据本发明的一些实施方式的电极板的流体分配区域的详尽示意图，该电极板包括有多个相互连接的分支。
本领域的技术人员将会明白，对于如图中所示部件的对称布局的微小的偏离不会降低本发明公开的实施方式的正常功能。
具体实施方式
本发明的实施方式包括用于流动电解质电池的电池组。本发明的部件以简明概括的形式例示在图中，其只示出了那些对理解本发明的实施方式来说必需的具体细节，而并不用过多的对本领域的普通技术人员根据本说明书而言显而易见的多余细节来搞乱本发明的内容。
在该专利说明书中，形容词如第一和第二、左和右、前和后，顶和底等等，仅用于将一个部件或方法步骤与另一个部件和方法步骤区别开来，而未必要求该形容词所描述的特定相对位置或顺序。单词如“包括”或“包含”并不用于限制唯一一组部件或方法步骤。相反，这种单词仅限定了包括在本发明的特定实施方式中的最少一组部件或方法步骤。
参照图5，该图示出了根据本发明一些实施方式的流动电解质电池的电池组500的透视图。电池组500中的电池装在矩形壳体中，其包括阴极端板505、阳极端板(未示出)和四个侧板510。阴极端板505在电池组500的阴极端附近，且阳极端板在电池组500的阳极端附近。因此，电池组500总共具有仅六条关键焊缝：顶部焊缝515、底部焊缝520和对应于四个歧管530中的每一个的歧管焊缝525。在其它优点中，电池组500省去了上述现有技术中的弹性体接管210，减少了现有技术中的关键焊缝的数量并提供了改进的电解质流动分配。
参照图6，该图示出了根据本发明的一些实施方式的电池组500的透视图，其中已经去除了一个歧管530。在去除的歧管530下面是包括端口605的毛细管汇流条600，端口605连接到电池组500的单个电池上。因此，岐管530能够容易地通过毛细管汇流条600连接到电池组上而不需使用弹性体连接管阵列。
参照图7，该图示出了根据本发明的一些实施方式的电池组500的部分电池组700的闭合透视图。部分电池组700包括交替的电极板705、710和隔板715。交错的毛细管726、727的多个第一端720、725伸出部分电池组700。第一端720、725液压连接到毛细管汇流条600的端口605上。
每个电极板705、710包括第一毛细管通道735，该通道形成在电极705、710上并接收一部分毛细管726和727。每个电极板705、710也包括形成在电极板705、710上的第二毛细管通道730，其也接收一部分毛细管726、727。隔板715由弹性材料制成，以沿着第二毛细管通道730设置缺口740。如图所示，第一和第二毛细管通道730、735以及毛细管726、727的交错排列使得毛细管726、727的直径相对电极板705、710的厚度要大一些。电极板705、710的厚度因此而减小，这降低了电池组500的尺寸和重量。
参照图8，该图示出了根据本发明的一些实施方式的电池组500的部分电池组700的三个半电池800、805和810的分解图。毛细管726、727，分别包括毛细管726、727的第一端720、725，被示出与第一和第二毛细管通道730、735相隔开。毛细管726、727分别包括U型部分825、826。U型部分825、826的目的是增加毛细管726、727的长度，以在半电池之间提供更大的电阻。
如图8中所示，两个邻近电极板705、710通过共用一个隔板715形成两个半电池805、810。每个半电池805、810具有两个毛细管726、727：一个用于提供电解质，另一个用于收集电解质。两个毛细管726、727设置在电极板705、710的斜对的角落上。
在每个半电池800、805、810中，用于分配电解质的流体分配区域830和用于收集电解质的流体收集区域835分别连接到每个毛细管727、726的对应的第二端841、840上。因此，在半电池800中，毛细管726连接到流体收集区域835，毛细管727连接到流体分配区域830；而在邻近的半电池805中，毛细管726连接到流体分配区域830上，毛细管727连接到流体收集区域835上。毛细管726、727的第二端840、841设置在半电池800、805、810的内部。
根据本发明的一些实施方式，在两个邻近的共用一个隔板715的半电池805、810内的毛细管726、727设置在隔板715的不同角落上，使得即使除去隔板715，毛细管726、727也不会彼此接触。例如，半电池810中的毛细管727设置在隔板715的右上角上，而邻近半电池805的毛细管727设置在隔板715的左上角上。类似地，半电池810中的毛细管726设置在隔板715的左下角，而邻近半电池805中的毛细管726设置在隔板715的右下角。这样使得毛细管726、727在部分电池组700中形成嵌套和交错配置，如图7中所示。
根据本发明的一些实施方式，电极板705可以与电极板710相同，部分电池组700通过使用电极板705、710的交替取向进行构造。例如，如果图8中所示的电极板705围绕垂直轴顺时针旋转180度(从图8的顶部观测)，其取向就会变得与邻近电极板710的取向相同。
参照图9，根据本发明的一些实施方式，该图示出了电池组500的一电极板705的平面图。箭头代表从毛细管727的第一端725，通过流体分配区域830，穿过电极板705的面、通过流体收集区域835并通过毛细管726到第一端720的流动电解质通路。根据本发明的一些实施方式，流体分配区域830和流体收集区域835设置在电极板705的中央纵向轴850的相对端部上，而不是在电极板705的横向轴的相对端部上。这样减少了流体分配区域830和流体收集区域835的必需宽度，从而能实现更有效的流体分配。
第一毛细管通道735连接到流体分配区域830中第一分支910的主干905上。第一分支910的支路915随后连接到第二分支925的主干920上。相似地，第二分支925的支路930连接到第三分支936的主干935上；第三分支936的支路940连接到第四分支946的主干945，且第四分支的支路947连接到第五分支949的主干948上。最后，第五分支949的支路950连接到电极腔845。第二分支925、第三分支936、第四分支946和第五分支949绕电极板705的中央纵向轴850对称排列。第五分支949的支路950也绕中央纵轴850对称排列。那意味着支路950穿过电极板705的侧面均匀分配并使得电解质均匀流过电极板705的导电电极921。
类似地，流体收集区域835也具有第一、第二、第三、第四和第五分支。因此，如图9所示，流体收集区域835的分支排列可以与流体分配区域830的相同。
每个从第五分支949的支路950到第一分支910的主干905的电解质分配通路长度大致相等。此外，相等数量的直角弯曲包括在从主干905到第五分支949的每个支路950的每个通路上。那会在第一分支910的主干905和第五分支949的每个支路950之间产生基本上相等的流体阻力。这种基本上相等的流体阻力提供了从第五分支949的每个支路950基本上相等的流速，产生穿过电极板705的导电电极921的均匀的供送速率和均匀的收集速率(如等长度的箭头955所示)。
如图9中所示，用于供送电解质的第一端725，通过毛细管汇流条600连接到歧管530，且用于收集电解质的第一端720连接到另一歧管530上。电解质循环通路通过将两个歧管530连接到泵和电解质槽上而形成。适用于这种泵和电解质槽的配置在关于现有技术的图1中示出。
电极板705包括导电电极921、围绕导电电极921的非导电框架920和设置在导电电极921的中间部分的多个垫片922。在半电池800中，垫片922在导电电极921的表面和邻近隔板715之间形成空间以提供电极腔。
参照图10，该图详细示出了提供对称分流的第一分支910，如分流箭头1000、1005所示。第五分支949的支路950处的近似相等流速(如等长度的箭头955所示)使得穿过电极板705的导电电极921电解质等流速。
任选地，电池组500包装有内嵌用于过滤和调节电源的充电器如太阳能电池，和内嵌的用于提供调节的AC(交流电)电源的逆变器。此外，根据本发明的不同实施方式，可以使用不同种类的化合物如锌、铁、钒、铈、溴和氯的组合。
总之，本发明的一些实施方式的优点包括改进的强度和效率以及流动电解质电池的尺寸和重量的降低。交错的内部毛细管726、727能使电极板705、710较薄，这相应地减小了电池组500的总的尺寸和重量。此外，包括分支的流体分配区域830和流体收集区域835在电池中提供了均匀的电解质分配，这提高了电池的效率和效能。内部设置毛细管使得部分电池组700与外部歧管530液压连通，而不需要现有技术中的弹性体连接管210，且无需额外的关键焊缝，因此降低了制造成本，增加了流动电解质电池500的强度。此外，在电极板705的纵向轴850的每端上设置流体分配区域830和流体收集区域835，减小了流体分配区域830和流体收集区域835的宽度，进一步减少了电池组500的尺寸和重量。
本发明的各种实施方式的上述描述旨在提供相关技术中普通技术知识之一的描述。并不是为了详尽的或者将本发明限制到单个公开的实施方式上。如上所述，本发明的各种替代和变型对上述启示的本领域的技术人员而言是显而易见的。因此，当已具体讨论一些可替代的实施方式时，其它实施方式对于本领域的普通技术人员来说是明显地或可相对容易地研究出来。因此，本专利说明书旨在包括本文已经讨论过的本发明的全部替代、修改和变型以及落在上述本发明的实质和范围内的其它实施方式。
权利要求中的限定应该基于权利要求中使用的语言广义地进行解释，这种限定不应该限制到本文描述的具体实施例。本说明书中，术语“本发明”用作本说明中的一个或多个方面的指代。术语“本发明”不应当错误地解释为重要部件的鉴别，不应该不正确地解释为应用到全部方面和全部实施方式，且不应该不正确地解释为对权利要求保护范围的限定。

Claims (18)

1.一种用于流动电解质电池的电池组，包括：
具有阳极端和阴极端的壳体；
壳体内部的多个半电池，其中，每个半电池包括：电极板、邻近的隔板和至少一个设置在电极板和邻近隔板之间的毛细管，其中毛细管具有延伸出半电池外部的第一端和设置在半电池内部的第二端；
以及至少一个与包括每个半电池中的毛细管第一端的多个毛细管端部液压连接的岐管；
其特征在于，每个半电池中的毛细管使电解质通过至少一个岐管在多个半电池中循环。
2.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，壳体包括邻近阳极端的阳极端板、邻近阴极端的阴极端板、以及多个侧板。
3.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，多个侧板的至少一个侧板具有密封包括每个半电池内的毛细管第一端的多个毛细管端部的毛细管汇流条。
4.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，每个半电池中的毛细管在第一端的电解质和第二端的电解质之间提供了高电阻。
5.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，每个电极板包括用于接收一部分毛细管的第一毛细管通道。
6.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，每个电解质板包括用于接受一部分在具有共用隔板的邻近半电池中的毛细管的第二毛细管通道。
7.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，第二毛细管通道和第一毛细管通道并不重叠。
8.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，至少一个非平直的毛细管具有U-型部分以增加毛细管的长度。
9.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，流动电解质电池还包括四个歧管，其中壳体是中空的且岐管设置在壳体的四个角落上，且歧管覆盖多个毛细管端部。
10.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，电池组连接到泵上以使电解质循环通过歧管和多个半电池。
11.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，毛细管的第二端连接到连接于半电池电极腔的流体分配区域上，以均匀地分配通过半电池的电极腔的电解质，其中半电池的电极腔限定在电极板和邻近隔板之间。
12.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，毛细管的第二端连接到连接于半电池电极腔的流体收集区域上，以均匀地收集来自半电池的电极腔的电解质，其中半电池的电极腔限定在电极板和邻近隔板之间。
13.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，流动电解质电池是锌-溴电池、锌-氯电池、钒-钒电池、钒-溴电池、锌-铈电池或适用于电能储存的任何其它化学电池。
14.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，电极板包括导电电极、围绕导电电极的非导电框架和导电电极上的垫片或网状物。
15.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，壳体具有六个焊缝，包括一个顶部焊缝、一个底部焊缝和四个歧管焊缝。
16.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，流动电解质电池还包括充电器。
17.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，流动电解质电池还包括逆变器。
18.根据权利要求1所述的电池组，其特征在于，半电池中的电解质流动方向与半电池较长的侧面一致。
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