CN111653812B - 一种可模块化的新型钒电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可模块化的新型钒电池电堆，所述电堆包括电堆两侧的支撑板、进液板和可模块化的单个电池或多个单电池组。所述单电池包括封闭液流框、电极、导电载体以及隔膜。封闭液流框的空腔中放置电极，隔膜在两片封闭液流框中间，与电极紧密接触，导电载体与封闭液流框紧密结合为一体。多个单电池组由封闭液流框、空心液流框、电极、导电载体、隔膜组成。相比一般电堆的结构，本发明结构简单，组成部件较少，厚度较薄，有效减小了电堆的体积。单电池或多个电池组模块化时，电堆不易漏液，可靠性高，维护方便，还可实现模块化安装，易于工业化生产。同时，电堆结构简单，安装简便，维护方便，有效降低了电堆制造成本、生产和维护过程中的人工成本。

Description

一种可模块化的新型钒电池电堆
技术领域
本发明涉及全钒液流电池领域，尤其涉及一种可模块化的新型结构的钒电池电堆。
背景技术
全钒液流电池以钒为活性物质，电能以化学能的方式存储在不同价态的含钒电解液中。全钒液流电池的功率与容量独立设计、使用寿命长、安全可靠，在平滑风力发电、光伏发电输出、备用电源、削峰填谷等领域具有广阔的应用前景。
全钒液流电池在运行过程中，通过泵将正负极电解液压入电堆内部，在机械动力作用下，使其在正负极储液罐和正负极的闭合回路中循环流动。采用离子交换膜作为电堆的隔膜(3)分开正负极电解液，电解液从下往上流过电极表面并发生电化学反应，通过双极板收集和传导电流，通过这种结构实现钒电池的充放电。
目前，制备钒电池电堆通过多个单电池串联组成，单电池的结构是以离子交换膜为中心，离子交换膜两侧分别为电极、液流框和双极板，结构较为复杂，不便于电堆组装，同时体积也较大。
中国专利文献CN201510180287.5公开了一种钒电池堆的液流结构，通过将第一串联单电池组和第二串联单电池组由电堆中间隔板隔开，两端分别安装电堆端板；隔板有电解液通道，分别通向第一串联单电池组和第二串联单电池组的内部电解液通道，最后汇集于电堆中间隔板。该专利所描述的电堆结构可以降低多个单电池直接串联引起的漏电电流，但没有减少电堆的组成部件，不利于组装，也没有减小电堆的体积。
中国专利文献CN201810363622.9公开了一种新型电堆钒电池储能系统，其电堆由电池单元组成，电池单元包括护板、隔板，护板与隔板围成一个单元空间，护板与隔板所围成空间水平横截面为扇环形；护板与隔板所围成空间内设置电极毡、双极板、离子交换膜，离子交换膜设于前述空间的中心，离子交换膜两边对称布置有电极毡和双极板，电极毡、双极板、离子交换膜沿圆筒轴向布置。该专利没有减少电堆的组成部件，其结构极为不利于组装，也没有减小电堆体积。
发明内容
现有电堆结构较为复杂，电堆内部由多个单电池通过串联而成，单个单电池则由电极(如石墨毡)，离子交换膜，液流框，双极板构成，组成部分多，电堆体积大。为解决上述问题，本发明针对现有技术中的不足，提供一种可模块化的新型钒电池电堆。
本发明所提出的可模块化的新型钒电池电堆，包括电堆两侧的支撑板(7)、进液板(6)和可模块化的单电池或多个单电池组；所述单电池包括封闭液流框(1)、电极(2)、导电载体(5)、隔膜(3)；所述封闭液流框(1)的空腔中放置电极(2)，所述隔膜(3)在两片封闭液流框(1)中间，所述隔膜(3)与电极(2)紧密接触，所述导电载体(5)与所述封闭液流框(1)紧密结合为一体；所述多个单电池组包括封闭液流框(1)、空心液流框(4)、电极(2)、导电载体(5)、隔膜(3)。所述封闭液流框(1)位于多个单电池组两侧，空心液流框(4)位于电堆中间。空心液流框(4)的空腔中放置电极(2)，隔膜(3)在相邻空心液流框(4)中间，与电极(2)紧密接触，导电载体(5)与封闭液流框(1)或空心液流框(4)紧密结合为一体。所述隔膜(3)的面积小于空心液流框(4)或封闭液流框(1)的面积，安装位置在两片空心液流框(4)或封闭液流框(1)之间，所述隔膜通过密封圈、两片空心液流框(4)不同位置的凹槽和凸槽或塑料条、塑料框卡压等方式固定。
所述的导电载体(5)与空心液流框(4)或封闭液流框(1)紧密结合成为一体。
所述封闭液流框(1)四周突出部分不导电，凹陷部分导电。
所述新型结构电堆，两块进液板(6)位于电堆分别位于两侧且与支撑板(7)相邻时，外部电解液通过侧面的进液板进入电堆(6)，从侧面的进液板(6)流出电堆；两块进液板(6)分别位于电堆底部与顶部，外部电解液通过底部进液板(6)进入电堆，然后分别流入各个单电池中，然后从顶部进液板(6)流出电堆。
所述的单电池或多电池组，以封闭液流框(1)为界，在隔膜(3)固定，电极(2)安装完成后，相邻的液流框结合为一体，形成一个密封的结构，作为一个电堆的模块。
进一步的，电极(2)可使用柔性或硬质导电材料，根据电极(2)的性质可通过线、网、热熔或胶黏等方式固定在空心液流框(4)或封闭液流框(1)空腔内。
进一步，电极(2)采用无孔隙的导电材料，如导电塑料，金属等，其表面优选增加流道，该流道与空心液流框(4)或封闭液流框(1)流道互相配合。
进一步，空心液流框(4)或封闭液流框(1)通常采用塑料，密封方式采用互卡，塑料焊接，融合，胶黏等方式中的一种或多种配合使用。
进一步，空心液流框(4)或封闭液流框(1)靠近隔膜(3)侧表面刻有流道，流道边缘接近电极(2)。
进一步，导电载体(5)中间内部可内含包含金属导电体，伸出空心液流框(4)或封闭液流框(1)及导电载体(5)之外，增强导电性及便于外接电路接线。
本发明产生的有益效果是：
1、相比一般电堆的结构，本发明结构简单，组成部件较少，厚度较薄，有效减小了电堆的体积。
2、单电池或多个电池组模块化时，电堆不易漏液，可靠性高，维护方便，还可实现模块化安装，易于工业化生产。
3、本发明的电堆结构简单，安装简便，维护方便，有效降低了电堆制造成本、生产和维护过程中的人工成本。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明可模块化的单电池的结构示意图；
图2为本发明可模块化的多个(3个)电池的结构示意图；
图3为本发明可模块化的多(3个)电池电堆的结构示意图；
图4为本发明导电载体与空心液流框连接示意图。
图中：1-封闭液流框、2-电极、3-隔膜、4-空心液流框、5-导电载体、6-进液板、7-支撑板
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
模块化电堆由多个模块化的单电池和支撑板(7)、进液板(6)组成时，支撑板(7)和进液板(6)位于电堆两侧，进液板(6)中间为多个单电池模块。其中，电堆使用石墨毡作为电极(2)；隔膜(3)使用阳离子交换膜；空心液流框液(4)和封闭流框(1)使用塑料材料制成，贴近隔膜(3)侧与石墨毡相邻侧有流道；位于两侧边缘的导电载体(5)内层为紫铜，外层为石墨，安装时伸出液流框，便于连接外部电路；导电载体(5)与液流框通过热熔或耐酸胶水组合为一体，两个液流框通过热熔或激光焊等方式组合成一体。每个单电池模块，从左至右依次为封闭液流框(1)，导电载体(5)，石墨毡，隔膜(3)，石墨毡，导电载体(5)，封闭液流框(1)。正负极电解液由电堆侧面的进液板(6)进出电堆，在外力作用下实现电解液在电堆内部的循环。
实施例2：
模块化电堆由一个模块化的电池组和支撑板(7)、进液板(6)组成时，支撑板(7)位于电堆两侧，进液板(6)位于电堆底部和顶部，进液板(6)中间为40个单电池组成的模块。其中，电堆使用石墨板作为电极(2)，石墨板通过胶黏、凹槽等方式固定在空心液流框(4)或封闭液流框(1)空腔内；石墨板上与液流框相邻处有流道，增加反应面积；隔膜(3)使用阴离子交换膜；空心液流框液(4)和封闭流框(1)使用塑料材料制成，贴近隔膜(3)侧与石墨板相邻侧有流道；导电载体(5)使用耐酸腐蚀的金属板，位于电堆两侧边缘的导电载体(5)伸出液流框，便于连接外部电路；导电载体(5)与液流框通过耐酸胶水组合为一体，两个液流框通过热熔或激光焊等方式组合成一体。电池组模块，从左至右依次为第一个封闭液流框(1)，第一个导电载体(5)，石墨板，第一片隔膜(3)，第一片石墨板，第一个空心液流框(4)，第二个导电载体(5)，第二片隔膜(3)，第二片石墨板，第二个空心液流框(4)……第四十片石墨板，第三十九个空心液流框(4)，第四十个导电载体(5)，第四十片隔膜(3)，四十一片石墨板，第四十一个导电载体(5)，第二个封闭液流框(1)。正负极电解液由电堆底部的进液板(6)流入电堆，电堆顶部的进液板(6)流出电堆，在外力作用下实现电解液在电堆内部的循环。
实施例3：
模块化电堆由四个可模块化的电池组和支撑板(7)、进液板(6)组成时，支撑板(7)位于电堆两侧，进液板(6)位于电堆底部，进液板(6)中间为四个相邻的模块，每个由10个单电池组成。其中，电堆使用石墨毡作为电极(2)；隔膜(3)使用离子交换膜；空心液流框液(4)和封闭流框(1)使用塑料材料制成；导电载体(5)使用耐酸腐蚀且导电的硬质材料，位于电堆两侧边缘的导电载体(5)伸出液流框，便于连接外部电路；导电载体(5)与液流框通过焊接或耐酸胶水组合为一体，两个液流框通过卡扣或激光焊等方式组合成一体。电池组模块，从左至右依次为第一个封闭液流框(1)，第一个导电载体(5)，石墨毡，第一片隔膜(3)，第一片石墨毡，第一个空心液流框(4)，第二个导电载体(5)，第二片隔膜(3)，第二片石墨毡，第二个空心液流框(4)……第十片石墨毡，第九个空心液流框(4)，第十个导电载体(5)，第十片隔膜(3)，十一片石墨毡，第二个封闭液流框(1)，第十一个导电载体(5)。正负极电解液由电堆底部的进液板(6)流入电堆，电堆顶部的进液板(6)流出电堆，在外力作用下实现电解液在电堆内部的循环。

Claims (5)

1.一种可模块化的新型钒电池电堆，其特征在于，所述电堆包括电堆两侧的支撑板(7)、进液板(6)和可模块化的单电池或多个单电池组，所述单电池包括封闭液流框(1)、电极(2)、导电载体(5)以及隔膜(3)，所述封闭液流框(1)的空腔中放置电极(2)，所述隔膜(3)在两片封闭液流框(1)中间，所述隔膜(3)与电极(2)紧密接触，所述导电载体(5)与所述封闭液流框(1)紧密结合为一体；所述多个单电池组包括封闭液流框(1)、空心液流框(4)、电极(2)、导电载体(5)以及隔膜(3)，所述封闭液流框(1)位于多个单电池组两侧，空心液流框(4)位于电堆中间，空心液流框(4)的空腔中放置电极(2)，隔膜(3)在相邻两片空心液流框(4)中间，与电极(2)紧密接触，导电载体(5)与封闭液流框(1)或空心液流框(4)紧密结合为一体；
所述封闭液流框(1)四周突出部分不导电，凹陷部分导电，两块进液板(6)位于分别位于电堆两侧且与支撑板(7)相邻时，外部电解液通过侧面的进液板(6)进入电堆，从侧面的进液板(6)流出电堆；两块进液板(6)分别位于电堆底部与顶部，外部电解液通过底部进液板(6)进入电堆，然后分别流入各个单电池中，然后从顶部进液板(6)流出电堆；
所述空心液流框(4)或封闭液流框(1)靠近隔膜(3)侧表面刻有流道，流道边缘接近电极(2)；
所述导电载体(5)内部包含金属导电体，所述金属导电体伸出空心液流框(4)或封闭液流框(1)及导电载体(5)之外，增强导电性及便于外接电路接线。
2.依据权利要求1所述的一种可模块化的新型钒电池电堆，其特征在于，所述多个单电池组中隔膜(3)的面积小于空心液流框(4)或封闭液流框(1)的面积，所述隔膜(3)安装位置在相邻两片空心液流框(4)与空心液流框(4)或封闭液流框(1)之间，所述隔膜(3)通过密封圈、两片空心液流框(4)不同位置的凹槽和凸槽或塑料条、塑料框卡压方式固定。
3.依据权利要求1所述的一种可模块化的新型钒电池电堆，其特征在于，所述的单电池或多电池组，以封闭液流框(1)为界，在隔膜(3)固定，电极(2)安装完成后，相邻的液流框结合为一体，形成一个密封的结构，作为一个电堆的模块。
4.依据权利要求1所述的一种可模块化的新型钒电池电堆，其特征在于，所述电极(2)使用柔性或硬质导电材料，根据电极(2)的材料特性，通过线、网、热熔或胶黏方式固定在空心液流框(4)或封闭液流框(1)空腔内，或电极(2)采用无孔隙的导电材料，其表面优选增加流道，所述流道与空心液流框(4)或封闭液流框(1)流道互相配合。
5.根据权利要求1所述的一种可模块化的新型钒电池电堆，其特征在于，所述空心液流框(4)或封闭液流框(1)采用塑料制作，密封方式采用硬性连接或活动连接。
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