CN103296334B - 一种钠硫电池模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了储能领域的一种钠硫电池模块，包括保温箱和内置于所述保温箱内的N个单体钠硫电池，所述保温箱包括底板、侧壁和顶盖，所述顶盖的边缘设有卡接槽，通过所述卡接槽与所述侧壁的顶面的卡接，所述顶盖固定在所述侧壁的顶面上。其技术效果是：一方面可以防止雨水浸入钠硫电池模块的保温箱内，另一方面还能在钠硫电池模块中某个单体钠硫电池发生喷泄时将泄漏物隔离在钠硫电池模块的保温箱内，保证钠硫电池模块的稳定运行。

Description

一种钠硫电池模块

技术领域

本发明涉及储能领域的一种钠硫电池模块。

背景技术

钠硫电池模块通常采用以下方法构成：多个单体钠硫电池先串联成电池组，然后多个电池组并联成电池块，进而将多个电池块串联成钠硫电池模块。储能钠硫电池模块一般在室外环境运行，雨淋及地震等自然环境将对钠硫电池的性能产生一定的影响；储能钠硫电池电站一般为多个钠硫电池模块通过串并联实现，属于高能量密度聚集区，若一个钠硫电池模块发生事故将有较大的概率影响整个电站的安全性。因此，需要针对钠硫电池模块抵御自然环境影响和安全事故而采取特殊的结构设计。

单体钠硫电池内部的正负极活性物质为分别单质硫和钠，这些单质在空气中具有很大的危险性，特别是在钠硫电池的工作温度300℃-350℃下这两种单质均为液态，危险性非常大，大量的单体电池组成的钠硫电池模块则更需要经过特殊的处理保证其安全性，现在的很多种电池模块在安全性的设计上已经不能满足钠硫电池模块的需求。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种钠硫电池模块，其能够有效提高钠硫电池模块的防水性，保证钠硫电池模块的安全运行。

实现上述目的的一种技术方案是：一种钠硫电池模块，包括保温箱和内置于所述保温箱内的若干个单体钠硫电池，所述保温箱包括底板、侧壁和顶盖，所述顶盖的边缘设有卡接槽，通过所述卡接槽与所述侧壁的顶面的卡接，所述顶盖固定在所述侧壁的顶面上。

进一步的，所述侧壁包括内侧壁和外侧壁，所述卡接槽的外圈与所述外侧壁通过焊接固定。

再进一步的，所述侧壁、所述顶盖和所述底板内均设有保温层，所述保温层包括从内到外依次设置的纳米气凝胶层，碳纳米材料层和真空隔热层，所述侧壁内还设有位于所述保温层和所述内侧壁之间的加热板。

更进一步的，所述侧壁的顶部固定有挡板，所述挡板与所述内侧壁贴合。

进一步的，每个所述的单体钠硫电池通过隔热板与相邻的单体钠硫电池隔开，每个所述的单体钠硫电池外都套接有金云母制成的钠硫电池保护套，所述的钠硫电池保护套与所述隔热板或所述的侧壁之间都填充有石英砂。

再进一步的，所述的N单体钠硫电池被分割为若干个依次串联的电池块，每个所述的电池块被分割为M个相互并联的电池组，每个所述的电池组都包括L个依次串联的所述单体钠硫电池，任意两个相邻的所述电池组，任意两个相邻的所述电池块之间都接有熔断器，所述钠硫电池模块的总电流引出端也设有所述的熔断器。

更进一步的，所述的熔断器包括熔断体、石英砂芯和壳体，所述壳体是由第一触刀、第二触刀以及两端开口的外壳围成的，所述石英砂芯位于所述壳体内，所述熔断体位于所述石英砂芯内，所述熔断体的两端分别与所述第一触刀、所述第二触刀固定；

所述石英砂芯与所述第一触刀之间，所述石英砂芯与所述第二触刀之间分别设有密封层，将所述外壳与所述第一触刀之间的间隙，以及所述外壳与所述第一触刀之间的间隙分别封闭。

更进一步的，所述熔断体是由纯铝制成的，包括至少四段依次串联的长条形的散热片，任相邻的所述散热片之间均通过狭颈连接。

更进一步的，每个所述的电池组内，任意两个相邻的单体钠硫电池之间通过两根铝排连接。

采用了本发明的一种钠硫电池模块的技术方案，即在保温箱的顶盖的边缘设置卡接槽，通过所述卡接槽与保温箱侧壁的顶面的卡接，使所述顶盖固定在所述侧壁的顶面上的钠硫电池模块的技术方案。其技术效果是：一方面可以防止雨水浸入钠硫电池模块的保温箱内，另一方面还能在钠硫电池发生喷泄时将泄漏物隔离在钠硫电池模块的保温箱内，保证钠硫电池模块的稳定运行。

附图说明

图1为本发明的一种钠硫电池模块的右视意图。

图2为本发明的一种钠硫电池模块的A-A面的俯视图。

图3为本发明的一种钠硫电池模块的保温箱右视意图。

图4为本发明的一种钠硫电池模块的保温箱的顶盖的结构示意图。

图5为图4的B部分的放大示意图。

图6为图4为C部分的放大示意图。

图7为图6为D部分的放大示意图。

图8为本发明的一种钠硫电池模块的保温箱上电气控制柜与外侧壁安装示意图。

图9为本发明的一种钠硫电池模块的熔断器示意图。

图10为本发明的一种钠硫电池模块的熔断器上熔断体的示意图。

图11为本发明的一种钠硫电池模块的单体钠硫电池间连接的示意图。

具体实施方式

请参阅图1至图11，本发明的发明人为了能更好地对本发明的技术方案进行理解，下面通过具体地实施例，并结合附图进行详细地说明：

请参阅图1和图2，本发明一种钠硫电池模块，包括保温箱1和位于保温箱1内的单体钠硫电池2，

请参阅图3至图8，保温箱1，包括侧壁11、顶盖12和底板13。侧壁11包括内侧壁111，加热板（图中未显示）、第一保温层113和外侧壁114。外侧壁114选用不锈钢板材，以提高侧壁11的抗腐蚀能力。同时外侧壁114上还设有防锈涂层，以进一步提高侧壁11的抗腐蚀能力。内侧壁111是由云母板制成的，以提高保温箱1的保温能力。第一保温层113包括内到外依次为纳米气凝胶层，碳纳米材料层和真空隔热层。所述纳米气凝胶层采用的是纳米二氧化硅气凝胶，其在350℃下具有优异的隔热性能，所述碳纳米材料层采用的是石墨烯或者碳纳米管，其在250℃以下具有比纳米气凝胶层具有更优异的隔热性能。所述真空隔热层采用真空隔热板（Vacuum Insulation Panel）制成的，其具有比碳纳米材料层更优异的隔热性能，但是真空隔热板多由聚氨酯等高分子材料制成，耐高温性能差，但即使真空保温层破损，还能保持与纳米气凝胶层相近的隔热性能，为了保持侧壁11的隔热性能，使外侧壁114的温度最低，必须设置真空保温层。

这样设计的目的在于：提高了钠硫电池模块的比能量，减小保温箱1中保温材料占用的体积，减小了第一保温层113的厚度，而不降低保温箱1的隔热能力。利用所述纳米气凝胶层，所述碳纳米材料层和所述真空隔热层不同的最佳使用温度范围，使第一保温层113的隔热性能最佳。

同时，顶盖12内设有与第一保温层113结构相同的第二保温层122，底板13内设有与第一保温层113结构相同的第三保温层131。即第二保温层122包括从下到上依次设置的纳米气凝胶层，碳纳米材料层和真空隔热层。第三保温层131包括从上到下依次设置的纳米气凝胶层，碳纳米材料层和真空隔热层。

顶盖12底部的边缘设有卡接槽121.所述的卡接槽121与侧壁11的顶面卡接。所述卡接槽121的外圈与外侧壁114焊接固定，即顶盖12与侧壁11的接缝口位于外侧壁114上。一方面可以防止雨水浸入保温箱1内，另一方面还能在某个单体钠硫电池发生喷泄时将泄漏物隔离在保温箱1内。本实施例中，卡接槽21的外圈与外侧壁114之间的焊接工艺为氩气保护激光焊。

顶盖12和侧壁11的顶面之间还通过若干箱体螺套141、顶盖螺套142和顶盖螺栓143固定。箱体螺套141的底部是封闭的，箱体螺套141嵌入侧壁11的顶面。顶盖螺套142贯穿顶盖12并与箱体螺套141的内圈套接。顶盖螺母143与顶盖螺套142的内圈套接。

这样设计的目的在于：箱体螺套141的底部是封闭的，这样可以增强保温箱1的防水性能，一方面可以进一步防止雨水浸入保温箱1内，另一方面还能进一步在某个单体钠硫电池发生喷泄时将泄漏物隔离在保温箱1内。

侧壁11的顶部固定有挡板15，挡板15与内侧壁111贴合。挡板15一方面能防止侧壁11内的第一保温层113、加热板，以及与所述加热板连接的电线暴露，使其与保温箱1内部的空间隔绝开来，另一方面，其与内侧壁111紧密贴合，减小了卡接槽121内圈与内侧壁111之间的间隙，一方面可以进一步防止雨水浸入保温箱1内，另一方面还能进一步在单体钠硫钠硫电池发生喷泄时将泄漏物隔离在保温箱1内。

同时，挡板15通过挡板螺栓151，螺母滑套152和方螺母153与侧壁11的顶面固定，螺母滑套152卡接在挡板15与侧壁11的顶面之间，方螺母153镶嵌在螺母滑套152与挡板15之间，挡板螺栓151与方螺母153的内圈套接。这样设计的目的在于：方螺母153在螺母滑套152中能来回滑动，方便加装第一保温层113时挡板15的收紧和固定。

同时，外侧壁114上还设有电气控制柜16，电气控制柜16内设有密封胶条161，以达到防水效果。电气控制柜16通过防水电缆固定头162和第二螺套163与外侧壁114固定，第二螺套162的底部是封闭的，以达到防水效果。

请参阅图1和图2，保温箱1内设有N个单体钠硫电池2，每个单体钠硫电池2外都套接有单体钠硫电池保护套21。单体钠硫电池保护套21是由金云母制成的，且钠硫电池保护套21的底部是封闭的，这样设计的目的在于：钠硫电池保护套21质量轻，价格便宜，并能克服氧化铝陶瓷坩埚易因为热膨胀和相互挤压而破碎的弱点，保证了钠硫电池模块的安全运行。为了保证单体钠硫电池2能方便地从单体钠硫电池保护套21中取放，单体钠硫电池保护套21的内径应大于单体钠硫电池2的外径至少1mm。每个单体钠硫电池2通过内置于保温箱1内的隔热板3与相邻的单体钠硫电池2隔开。单体钠硫电池保护套21与隔板3或与内侧壁111之间填充有石英砂，这样，保温箱1内的空间被由隔热板3、单体钠硫电池保护套21以及在单体钠硫电池保护套21与隔热板3或内侧壁11之间填充的石英砂构成物理阻燃层，防止钠硫电池模块内某个单体钠硫电池2发生泄漏时的连锁污染，同时增强钠硫电池模块的抗震性能。

同时，与现有的钠硫电池模块一样：保温箱1内的每个单体钠硫电池2的正极极耳和负极极耳上各连接有一根电压测量线27，所有的电压测量线27从保温箱的侧壁11引出保温箱1，用于对各个单体钠硫电池2内压的测量。

与现有技术一样，根据钠硫电池模块的功率和容量，保温箱1内的N单体钠硫电池2被分割为若干个依次串联电池块，每个所述的电池块被分割为M个相互并联的电池组，每个所述的电池组都包括L个依次串联的单体钠硫电池2。任意两个相邻的电池组，任意两个相邻的电池块之间都接有熔断器5，钠硫电池模块与的总电流引出端17也设有熔断器5。

如图9和10所示，熔断器5包括熔断体51、石英砂芯52和一个两端开口的壳体53。壳体53是由第一触刀531、第二触刀532以及外壳533围成的。石英砂芯52位于壳体53内，熔断体51位于石英砂芯52内，熔断体51的两端分别与第一触刀531、第二触刀532固定。熔断体51选用纯铝制成。

熔断体51选用纯铝的原因在于：第一，纯铝比铜或者银更加能承受硫蒸汽或者多硫化钠蒸汽的腐蚀，保证了钠硫电池模块专用熔断器的耐用性。第二，纯铝的熔点低于银和铜更接近400℃；第三，铝的硬度低，延展性能好，加工难度低。

在钠硫电池的温度超过400℃或电流超过四倍额定电流两种情况的任一指标达到时，熔断体51的至少一处狭颈512能够瞬时熔断并切断熔断体51所在的电池块或电池组或将该钠硫电池模块的总电流引出端17切断，防止钠硫电池模块中的单体钠硫电池2因为温度过高而损坏或泄漏，保证整个钠硫电池模块的安全地运行，也可保证整个钠硫电池春那个电站的安全。

同时，熔断体51的每处狭颈512上都设有通孔513，这样设计的目的在于：减小狭颈512的截面面积，在温度超过400℃和电流超过四倍额定电流两种情况的任一指标达到时，提升熔断体51的响应速率，缩短熔断体51上一处狭颈512熔断所需要的时间，保证整个钠硫电池模块的安全地运行。通孔513的另外一个作用是便于将熔断体51固定在石英砂芯52内。

熔断体51是采用压延成型的方式加工成型的，这样设计的目的在于：压延成型对纯铝的破坏小，纯铝的表面不会产生微裂纹等缺陷，熔断体51能保证在350℃及额定电流下能长期循环而不熔断，在1.5倍额定电流下保证3小时不熔断，2.5倍额定电流下1小时不熔断，在4倍额定电流下仅秒级内发生熔断，减少熔断体51误熔断的发生，保证整个钠硫电池模块的运行的稳定性。

第一触刀531与石英砂芯52之间，以及第二触刀532与石英砂芯52之间分别固定有密封层54，将第一触刀531与外壳533之间的间隙，以及第二触刀532与外壳533之间的间隙封闭，有效防止硫蒸汽和多硫化钠蒸汽从第一触刀531与外壳533之间的间隙、以及第二触刀532与外壳533之间的间隙渗入熔断器5，再进一步渗入石英砂芯52，，对熔断体51产生腐蚀，造成熔断器5的寿命下降，同时将石英砂芯52固定在壳体53内。

本发明中的石英砂芯52是以粒径小于等于400目的石英砂为原料制得的，石英砂芯52内石英砂之间的间隙中填冲有无机胶凝剂，同时，该无机胶凝剂粘附在石英砂芯52轴向两端的端面上，形成位于第一触刀531与石英砂芯52之间，以及第二触刀532与石英砂芯52之间的密封层54。密封层54将第一触刀531与外壳533之间的间隙，以及第二触刀532与外壳533之间的间隙封闭，有效防止硫蒸汽和多硫化钠蒸汽从第一触刀531与外壳533之间的间隙、以及第二触刀532与外壳533之间的间隙渗入熔断器5，再进一步渗入石英砂芯52，对熔断体51产生腐蚀，造成熔断器5的寿命下降，同时将石英砂芯52固定在壳体53内。所述的无机胶凝剂为硅酸钠或者粒径小于1000目的硅粉。渗入石英砂芯52内部无机胶凝剂通过其和石英砂之间形成的硅氧键，保证石英砂芯52的力学强度。渗入石英砂芯52内部无机胶凝剂的另外一个作用是：降低石英砂芯52的孔隙率，提高石英砂芯52的致密性，保证熔断体51不受硫蒸汽或多硫化钠蒸汽的腐蚀。而制备石英砂芯52所用的石英砂粒径必须小于等于400目，也是为了减小石英砂之间的间隙，降低石英砂芯52的孔隙率，提高石英砂芯52的致密性，保证熔断器的壳体53内的熔断体51不受硫蒸汽或多硫化钠蒸汽的腐蚀。

使用硅粉或硅酸钠作为无机胶凝剂，一方面因为其冷凝温度低，150℃以下即可冷凝，另外冷凝后可以承受1000℃以上的高温，以保证钠硫电池模块的安全运行，使密封层54在钠硫电池工作温度下不失效。

每个所述的电池组内，两个单体钠硫电池2之间的连接结构为软连接或者半软连接。软连接即两个单体钠硫电池2通过多股铜芯线或者银芯线连接。半软连接就是两个单体钠硫电池2通过铝排25连接。

如图11所示，前一个单体钠硫电池2的负极极耳23与后一个单体钠硫电池2的正极极耳24之间通过两根铝排25连接。两根铝排25通过紧固件与前一个单体钠硫电池2的负极极耳23以及后一个单体钠硫电池2的正极极耳24分别固定。

这样设计的目的在于：钠硫电池模块内的两个单体钠硫电池2间的连连接电阻降低了50%；且负极极耳23、正极极耳24和两根铝排25之间形成了三明治结构，负极极耳23、正极极耳24和两根铝排25之间的接触面积增大，降低了钠硫电池模块内负极极耳23或正极极耳24与铝排25之间的接触电阻。

采用铝排25的另外一个原因在于：在钠硫电池模块的工作温度下，即350℃下，铝排25具有一定的柔性，能由于温度变化对负极极耳23或正极极耳24造成的应力。同时铝排25比铜排具有更强的抗硫蒸汽和多硫化钠蒸汽腐蚀的能力，这样可以延长钠硫电池模块的使用寿命，同时铝排25在截面面积相同情况下，表面积小于多股铝芯线更小，铝排25受到的腐蚀远小于多股铝芯线。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本发明，而并非用作为对本发明的限定，只要在本发明的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种钠硫电池模块，包括保温箱(1)和内置于所述保温箱(1)内的N个单体钠硫电池(2)，所述保温箱(1)包括底板(13)、侧壁(11)和顶盖(12)，其特征在于：所述顶盖(12)的边缘设有卡接槽(121)，通过所述卡接槽(121)与所述侧壁(11)顶面的卡接，所述顶盖(12)固定在所述侧壁(11)的顶面上；

每个所述的单体钠硫电池(2)通过隔热板(3)与相邻的单体钠硫电池(2)隔开，每个所述的单体钠硫电池(2)外都套接有金云母制成的钠硫电池保护套(21)，所述的钠硫电池保护套(21)与所述隔热板(3)或所述的侧壁(11)之间都填充有石英砂；

所述的N个单体钠硫电池(2)被分割为若干个依次串联的电池块，每个所述的电池块被分割为M个相互并联的电池组，每个所述的电池组都包括L个依次串联的所述单体钠硫电池(2)，任意两个相邻的所述电池组之间，任意两个相邻的所述电池块之间都接有熔断器(5)，所述钠硫电池模块的总电流引出端(17)也设有所述的熔断器(5)；

所述的熔断器(5)包括熔断体(51)、石英砂芯(52)和壳体(53)，所述壳体(53)是由第一触刀(531)、第二触刀(532)以及两端开口的外壳(533)围成的，所述石英砂芯(52)位于所述壳体(53)内，所述熔断体(51)位于所述石英砂芯(52)内，所述熔断体(51)的两端分别与所述第一触刀(531)、所述第二触刀(532)固定；

所述石英砂芯(52)与所述第一触刀(531)之间，所述石英砂芯(52)与所述第二触刀(532)之间分别设有密封层(54)，将所述外壳(533)与所述第一触刀(531)之间的间隙，以及所述外壳(533)与所述第二触刀(532)之间的间隙分别封闭；

所述熔断体(51)是由纯铝制成的，包括至少四段依次串联的长条形的散热片(511)，任意相邻的所述散热片(511)之间均通过狭颈(512)连接。

2.根据权利要求1所述的一种钠硫电池模块，其特征在于：所述侧壁(11)包括内侧壁(111)和外侧壁(114)，所述卡接槽(121)的外圈与所述外侧壁(114)通过焊接固定。

3.根据权利要求2所述的一种钠硫电池模块，其特征在于：所述侧壁(11)、所述顶盖(12)和所述底板(13)内均设有保温层，所述保温层包括从内到外依次设置的纳米气凝胶层，碳纳米材料层和真空隔热层，所述侧壁(11)内还设有位于所述保温层和所述内侧壁(111)之间的加热板。

4.根据权利要求3所述的一种钠硫电池模块，其特征在于：所述侧壁(11)的顶部固定有挡板(14)，所述挡板(14)与所述内侧壁(111)贴合。

5.根据权利要求1所述的一种钠硫电池模块，其特征在于：每个所述的电池组内，任意两个相邻的单体钠硫电池(2)之间通过两根铝排(25)连接。