CN108321418A - 一种新型液流电池电堆设计与装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新型液流电池的电堆设计与装置，其特征是：包括液流框(1)，隔离膜(2)，碳极板(3)，正极板(4)，正极端板(5)，负极板(6)，负极端板(7)，盖板(8)，接头(9)，密封垫圈(10)，紧固件(11)，隔离板(12)；双极板(13)，终端正极板(14),终端负极板(15)。本发明采用独特的液流框设计，使得电解液均流效果更佳，系统零部件种类和数量大幅减少，模具数量更少，结构更加简单；独特的终端电极以及密封筋条设计，密封可靠性显著提高；合理的紧固点设计，显著改善盖板受力均匀度，节省密封所需紧固用力。

Description

一种新型液流电池电堆设计与装置
技术领域
本发明涉及一种新型液流电池电堆设计与装置，属于液流电池技术领域。
背景技术
全球新能源在持续高速发展，而先进大规模液流电池储能技术能够在很大程度上解决新能源发电的波动性问题，不但能实现新能源电量的平稳输出，还能有效调节新能源电量上网引起的电网电压、频率及谐波等“异动”，使风电及太阳能发电大规模的安全并入电网。储能产品因此已具有巨大的市场空间。液流电池储能规模在10kw-30MW，储能时间再4小时以上，是大规模储能项目的首选技术。相较于其他储能技术，液流电池具有如下特点：(1)安全性高：电池的电解液为水溶液，且反应场所和活性物质储存场所分开，不会出现着火、爆炸等事故，安全性能极高；(2)100％充放电：该类电池放电深度即SOC可达100％，且对电池性能不会造成任何伤害，相反会对电池寿命有益；(3)容量和功率可以独立配置。对于液流电池来讲，电堆的数量决定着系统的输出功率，电解液的用量决定了系统的容量，这两者相互独立；(4)热管理简单。电池运行时，电解液在系统内部循环，带走内部的热量，同时溶液有很大的比热容，电池有很高的热稳定性；(5)所用电极材料及膜材料均为塑料，价格低廉，同时电解液可100％回收利用；(6)系统可模块化程度高，项目选址自由度大。液流电池系统包含电堆、电解液以及管路系统，其中电堆是液流电池电化学反应的场所，是系统的核心部件，电堆的结构设计与制作工艺性能直接决定着系统的安全性，可靠性与经济性。在现有技术中，传统液流电池电堆包括碳极板、液流框、隔离膜、隔离膜框、隔离网，正极板、负极板、终端版、端板、接头以及紧固件等部件。通过焊接或加力密封的方式组成电堆，极板之间的密封方式通常为线密封。现有技术遇到的问题是电零部件多，制造过程中模具数量多，密封所需紧固力大，然而密封效果不理想。因此，减少电堆零部件数量、模具数量，合理设计密封方式以及降低紧固力是电堆设计和制造过程中面临的重要问题。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种新型液流电池的电堆设计与装置，采用独特的液流框设计，使得电解液均流效果更佳，系统零部件种类和数量大幅减少，结构更加简单；独特的终端电极设计，使得加工工艺更简单；合理的密封设计，使得电堆密封可靠性显著提高；特殊的紧固点设计，大大提高盖板受力均匀度，节省紧固用力。该设计可大幅简化电堆结构，减少零部件数量，进而减少模具数量，并且简化工艺过程，显著降低电堆制作成本，提高电堆的经济性和可靠性。
技术方案：本发明提供了一种新型液流电池的电堆设计与装置，其特征是：包括液流框(1)，隔离膜(2)，碳极板(3)，正极板(4)，正极端板(5)，负极板(6)，负极端板(7)，盖板(8)，接头(9)，密封垫圈(10)，紧固件(11)。其中液流框(1)与隔离膜(2)组合焊接，构成隔离板(12)；液流框(1)与碳极板(3)组合焊接，构成双极板(13)；正极板(4)与正极端板(5)组合焊接，构成终端正极板(14)；负极板(6)与负极端板(7)组合焊接，构成终端负极板(15)；正负终端极板之间，多个双极隔离板(12)与板(13)依次交叉叠加，隔离板的数量与电池单元的数量相同，正负终端极板的外侧分别加装一块盖板(8)，在进出口装入接头(9)以及密封垫圈(10)后，安装紧固件(11)，在紧固外力作用下，电堆通过位于液流框(1)、正极端板(5)以及负极端板(7)表面的“W”密封筋条，完成电堆的整体密封，见附图1、2。
液流框(1)设计，包括进口(16)，流道(17)，扩流口(18)，出口(19)，隔离筋条(20)，“W”密封筋条(21)，紧固螺栓孔(22)，焊接平台(23)，见附图3。
液流框(1)的进口(16)、出口(19)处分别采用三种处理方式：一是增加过滤筛(16-1)，避免了大颗粒杂质进入流道，引起流道堵塞；二是采用密封台阶(16-2)设计，有效防止正负极电解液串液，导致严重自放电；三是提出变截面喇叭口(16-3)设计，同等静压下，显著提高了电解液供应量，更利于电池单元之间的流量均衡；见附图4。
此外，为提高电解液在电池内部的均流效果，本发明在扩流口(18)的内部增加过流凸台，通过改变扩流截面，实现扩流出口断面流速的一致性。见附图5。
液流框(1)表面采用“W”密封筋条(20)双层设计：内层筋条位于进口(16)、流道(17)、扩流口(18)以及焊接平台(23)的周围。外层筋条沿液流框(1)的内边界布置。正面和背面筋条的位置相同，形状相反，正面为“凹”型结构，反面为“凸”型结构；见附图6。紧固螺栓孔(22)分布在内外密封条之间以及扩流口外部。见附图3。
液流框(1)有两个作用：作为隔离模框，与隔离膜(2)焊接，构成隔离板(12)；作为极板框，与碳极板(3)焊接，构成双极板(13)。焊接路线沿焊接平台(23)的中心线设置。
终端正极板(14)是由正极板(4)与正极端板(5)通过热压或激光焊接方式装配焊接，焊接线位于正极端板(5)的背面，详见附图8；负极板(6)与终端负极板(7)组合焊接为终端负极板(15)，焊接线位于负极端板的正面交叠区域，负极板边缘采用台阶设计，防止负极板(6)径向受力时焊接面开裂，导致焊接面开裂漏液，见附图9。以上焊接线为圆形或者方形的封闭线路，焊接线可为1道或多道。
终端正极板(14)或终端负极板(15)与背板(8)、接头(9)、密封垫圈(10)的装配。接头(9)内凸台与终端正极板(14)或终端负极板(15)的出口对接，中间压入密封垫圈(9)，同时内凸台沉于背板(8)的凹槽，接头(9)尾管穿过背板(8)的通孔，以上零部件在紧固件(11)的作用下合为一体，见附图10。
有益效果
1通过对液流框进出口以及扩流口的优化设计，实现电解液顺畅、均匀进入极板反应区域，进而实现反应区域内电化学进度的一致性。
2液流框自带隔离筋条，可同时作为极板框以及隔膜框使用，省去了隔离筋条，减少了零件数量，增强了电堆经济性。
3各极板之间的密封通过极板表面的“W”密封筋条实现，内外两层密封，密封可靠性显著提升。
4终端极板与终端电极、液流框与微孔膜或碳极板之间的焊接更方便，工艺实现更简单。
5紧固螺栓分布更均匀，同等紧固力下，电堆的密封效果更好。
6接头与背板组合设计，实现电解液进出口位置的安全密封。
附图说明
图1：电堆零部件装配详图
其中：1—液流框；2—隔离膜；3—碳极板；4—负极板；5—负极端板；6—正极板；7—正极端板；8—背板；9—接头；10—密封垫圈；11—紧固件。
图2：电堆外观图。
图3：液流框结构设计图
其中：1—液流框；2—隔离膜；3—碳极板；4—负极板；5—负极端板；6—正极板；7—正极端板；8—背板；9—接头；10—密封垫圈；11—紧固件。
图4：液流框流道进出口结构图
其中：16-1—过滤筛；16-2—密封台阶；16-3—喇叭口。
图5：扩流口结构图。
图6：“W”密封筋条结构与布置。
图7：隔离膜/双极板装配与制作工艺。
图8：终端正极板制作与装配工艺。
图9：终端负极板制作与装配工艺。
图10：进出口接头装配工艺。
具体实施方式
本发明提供了一种新型液流电池的电堆设计与装置，其特征是：包括液流框(1)，隔离膜(2)，碳极板(3)，正极板(4)，正极端板(5)，负极板(6)，负极端板(7)，盖板(8)，接头(9)，密封垫圈(10)，紧固件(11)。其中液流框(1)与隔离膜(2)组合焊接，构成隔离板(12)；液流框(1)与碳极板(3)组合焊接，构成双极板(13)；正极板(4)与正极端板(5)组合焊接，构成终端正极板(14)；负极板(6)与负极端板(7)组合焊接，构成终端负极板(15)；正负终端极板之间，多个双极隔离板(12)与板(13)依次交叉叠加，隔离板的数量与电池单元的数量相同，正负终端极板的外侧分别加装一块盖板(8)，在进出口装入接头(9)以及密封垫圈(10)后，安装紧固件(11)，在紧固外力作用下，电堆通过位于液流框(1)、正极端板(5)以及负极端板(7)表面的“W”密封筋条，完成电堆的整体密封，见附图1、2。本发明采用独特的液流框设计，使得电解液均流效果更佳，系统零部件种类和数量大幅减少，模具数量更少，结构更加简单；独特的终端电极设计以及合理的密封筋条设计，使得电堆密封可靠性显著提高；特殊的紧固点设计，大大提高盖板受力均匀度，节省紧固用力。
液流框(1)设计，包括进口(16)，流道(17)，扩流口(18)，出口(19)，隔离筋条(20)，“W”密封筋条(21)，紧固螺栓孔(22)，焊接平台(23)，见附图3。液流框(1)的进口(16)、出口(19)处分别采用三种处理方式：一是增加过滤筛(16-1)，避免了大颗粒杂质进入流道，引起流道堵塞；二是采用密封台阶(16-2)设计，有效防止正负极电解液串液，导致严重自放电；三是提出变截面喇叭口(16-3)设计，同等静压下，显著提高了电解液供应量，更利于电池单元之间的流量均衡；见附图4。
此外，为提高电解液在电池内部的均流效果，本发明在扩流口(18)的内部增加过流凸台，通过改变扩流截面，实现扩流出口断面流速的一致性。见附图5。
液流框(1)表面采用“W”密封筋条(20)双层设计：内层筋条位于进口(16)、流道(17)、扩流口(18)以及焊接平台(23)的周围。外层筋条沿液流框(1)的内边界布置。正面和背面筋条的位置相同，形状相反，正面为“凹”型结构，反面为“凸”型结构；见附图6，紧固螺栓孔(22)分布在内外密封条之间以及扩流口外部。见附图3。
液流框(1)有两个作用：作为隔离模框，与隔离膜(2)焊接，构成隔离板(12)；作为极板框，与碳极板(3)焊接，构成双极板(13)。焊接路线沿焊接平台(23)的中心线设置。
终端正极板(14)是由正极板(4)与正极端板(5)通过热压或激光焊接方式装配焊接，焊接线位于正极端板(5)的背面，详见附图8；负极板(6)与终端负极板(7)组合焊接为终端负极板(15)，焊接线位于负极端板的正面交叠区域，负极板边缘采用台阶设计，防止负极板(6)径向受力时焊接面开裂，导致焊接面开裂漏液，见附图9。以上焊接线为圆形或者方形的封闭线路，焊接线可为1道或多道。
终端正极板(14)或终端负极板(15)与背板(8)、接头(9)、密封垫圈(10)的装配。接头(9)内凸台与终端正极板(14)或终端负极板(15)的出口对接，中间压入密封垫圈(9)，同时内凸台沉于背板(8)的凹槽，接头(9)尾管穿过背板(8)的通孔，以上零部件在紧固件(11)的作用下合为一体。

Claims (9)

1.一种新型液流电池的电堆设计与装置，其特征是：包括液流框(1)，隔离膜(2)，碳极板(3)，正极板(4)，正极端板(5)，负极板(6)，负极端板(7)，盖板(8)，接头(9)，密封垫圈(10)，紧固件(11)；其中液流框(1)与隔离膜(2)组合焊接，构成隔离板(12)；液流框(1)与碳极板(3)组合焊接，构成双极板(13)；正极板(4)与正极端板(5)组合焊接，构成终端正极板(14)；负极板(6)与负极端板(7)组合焊接，构成终端负极板(15)；正负终端极板之间，多个双极隔离板(12)与板(13)依次交叉叠加，隔离板的数量与电池单元的数量相同，正负终端极板的外侧分别加装一块盖板(8)，在进出口装入接头(9)以及密封垫圈(10)后，安装紧固件(11)，在紧固外力作用下，电堆通过位于液流框(1)、正极端板(5)以及负极端板(7)表面的“W”密封筋条，完成电堆的整体密封；本发明采用独特的液流框设计，使得电解液均流效果更佳，系统零部件种类和数量大幅减少，模具数量更少，结构更加简单；独特的终端电极设计以及合理的密封筋条设计，使得电堆密封可靠性显著提高；特殊的紧固点设计，大大提高盖板受力均匀度，节省紧固用力。
2.根据权利1所述，液流框(1)设计，包括进口(16)，流道(17)，扩流口(18)，出口(19)，隔离筋条(20)，“W”密封筋条(21)，紧固螺栓孔(22)，焊接平台(23)。
3.根据权利2所述，液流框(1)的进口(16)、出口(19)处分别采用三种处理方式：一是增加过滤筛(16-1)，避免了大颗粒杂质进入流道，引起流道堵塞；二是采用密封台阶(16-2)设计，有效防止正负极电解液串液，导致严重自放电；三是提出变截面喇叭口(16-3)设计，同等静压下，显著提高了电解液供应量，更利于电池单元之间的流量均衡。
4.根据权利2所述，为提高电解液在电池内部的均流效果，本发明在扩流口(18)的内部增加过流凸台，通过改变扩流截面，实现扩流出口断面流速的一致性。
5.根据权利2所述，“W”密封筋条(20)采用双层设计：内层筋条位于进口(16)、流道(17)、扩流口(18)以及焊接平台(23)的周围；外层筋条沿液流框(1)的内边界布置，正面和背面筋条的位置相同，形状相反，正面为“凹”型结构，反面为“凸”型结构。
6.根据权利2所述，紧固螺栓孔(22)分布在内外密封条之间以及扩流口外部。
7.根据权利1所述，液流框(1)有两个作用：作为隔离模框，与隔离膜(2)焊接，构成隔离板(12)；作为极板框，与碳极板(3)焊接，构成双极板(13)；焊接路线沿焊接平台(23)的中心线设置。
8.根据权利1所述，终端正极板(14)是由正极板(4)与正极端板(5)通过热压或激光焊接方式装配焊接，焊接线位于正极端板(5)的背面，详见附图8；负极板(6)与终端负极板(7)组合焊接为终端负极板(15)，焊接线位于负极端板的正面交叠区域，负极板边缘采用台阶设计，防止负极板(6)径向受力时焊接面开裂，导致焊接面开裂漏液；以上焊接线为圆形或者方形的封闭线路，焊接线可为1道或多道。
9.根据权利1所述，终端正极板(14)或终端负极板(15)与背板(8)、接头(9)、密封垫圈(10)的装配；接头(9)内凸台与终端正极板(14)或终端负极板(15)的出口对接，中间压入密封垫圈(9)，同时内凸台沉于背板(8)的凹槽，接头(9)尾管穿过背板(8)的通孔，以上零部件在紧固件(11)的作用下合为一体。
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