CN116525868B - 一种自分区液流电池电堆 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液流电池电堆，通过电堆电解液流动通道的设计，调整电解液在电芯内部的流动途径，提高了公共管路和分支管路内的漏电电阻，降低漏电电流，提高了电堆的库伦效率；通过电堆电解液流动通道的设计，调整电解液在内外分支孔之间的交互，提高了电堆内部电解液在各单电池间的分配均匀性和活性物质的更新速度，最大程度的降低浓差极化的产生，进而降低电池副反应的发生，进一步提高电堆的库伦效率。本发明的无需通过额外的管道和工艺，即可实现电堆的分区功能，有效减小电堆漏电流和提高电解液的分散均匀程度，在液流电池领域有广泛的实际应用前景。

Description

一种自分区液流电池电堆
技术领域
本发明涉及全钒液流电池技术领域，特别涉及一种自分区液流电池电堆。
背景技术
液流电池具有充放电响应迅速、运行安全可靠、使用寿命长、可深度充放电、设计功率和容量相互独立等优点而广受关注。能量效率是开发和应用液流电池电堆时需要重点关注的指标之一，与其库伦效率和电压效率密切相关。库伦效率的主要影响因素为：质子膜的选择透过性、电池副反应、漏电电流。而漏电电流主要来源于多节串联电芯之间的液路存在电流损耗，降低了电堆的库伦效率。
为了降低电堆内部的漏电电流，需要对电解液的公共通道和分支通道结构和尺寸进行优化设计，提高公共通道和分支通道内的漏电电阻，降低漏电电流。同时，还要兼顾电堆内部电解液在各单电池间的分配均匀性和活性物质的充分更新，减少电池副反应，进一步提高电堆的库伦效率。
目前，主要通过多个小电堆串联的方式组成大功率电堆，减少漏电电流和流体分配不均的问题。CN209675417U公开了一种液流电池堆及其液流电池系统，将多个子电堆集成为一个大电堆，并在每个主液流口设置独立的液流通道，分别连通至每一个子电堆，减少目前常用的串联子电堆间的外围通道连接。但是，仍存在如下问题：（1）每个子电堆的集流板（铜板）与单极板之间存在较大的接触电阻，相同功率的情况下，子电堆数量越多，该类型的接触电阻就越大，增加了电堆整体的内阻，将直接导致电池电压效率和能量效率降低；（2）多个子电堆结构增加了集流板数量，进而增加外部电路连接的复杂程度和成本，并且带来了高的触电、漏电隐患。
发明内容
本发明的目的在于开发一种自分区液流电池电堆，以克服现有技术中的不足。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种自分区液流电池电堆，所述电堆从顶部至底部依次为顶部端板、顶部绝缘板、分区电芯组、底部绝缘板、底部端板；
所述顶部端板与顶部绝缘板之间设有导流板，所述顶部端板、导流板、顶部绝缘板、分区电芯组和底部绝缘板上均设有正、负极进液口和正、负极出液口；
所述顶部端板的正、负极进液口和正、负极出液口采用中心圆孔的形式；
所述导流板的正、负极进液口和正、负极出液口采用中心圆孔与若干个分散流道的组合形式；所述分散流道的一端连接中心圆孔；
所述顶部绝缘板的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个外分支孔的形式；所述外分支孔的数量与分散流道的数量相同且一一对应，所述外分支孔与分散流道的另一端相衔接；
所述分区电芯组的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个内分支孔和外分支孔的组合形式；所述内分支孔与外分支孔的数量相同且一一对应；
所述分区电芯组的正、负极进液口和正、负极出液口上还设有分支流道，所述分支流道的两端分别连接其中一个内分支孔和电芯内部；
所述底部绝缘板的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个衔接流道的形式，所述衔接流道的数量与外分支孔的数量相同且一一对应，所述衔接流道的两端位置分别对应外分支孔的所在位置与内分支孔的所在位置。
作为优选，所述顶部端板和底部端板上设有若干个螺杆孔，所述顶部端板与底部端板通过螺杆固定连接，用于压合紧固电堆。
作为优选，所述顶部端板和底部端板为10~50mm厚的钢板，且正、负极出液口经过绝缘处理；所述顶部绝缘板和底部绝缘板厚度为10~100mm，材质为PVC、PP或PE中的一种。
作为优选，所述分区电芯组的数量为2~10个，每个分区电芯组由1~30个单电芯组成，所述单电芯由极板、液流框、电极、质子交换膜和密封材料组成，所述液流框材质为PP、PE、PVC或环氧树脂中的一种。
作为优选，所述内分支孔的数量大于等于分区电芯组的数量，不同分区电芯组的电芯与不同的内分支孔通过分支流道相连接。
作为优选，所述外分支孔与内分支孔均采用同心圆环的形式分布，所述内分支孔位于外分支孔的内侧，所述外分支孔与内分支孔交错分布。
作为优选，所述分支流道包括环形通道、电极区通道和液口通道，所述环形通道位于所述外分支孔的外部，所述环形通道的内侧上设有一条液口通道，所述液口通道的另一端与其中一个内分支孔相连接，所述环形通道的上部设有电极区通道，所述电极区通道的另一端与电芯内部相连接。
所述自分区电堆的分区功能是通过调整分支流道上的液口通道位置来实现，同一分区的液口通道位置相同，不同分区的液口通道位置不同。
本发明的有益效果：
1、本发明通过电解液流动通道的设计，调整电解液在电芯内部的流动途径，电解液从主通道经过外分支孔，并在电堆底部转换到内分支孔，再经过单电芯电极框分散流道，最后流入电极区域。增加了公共通道和分区电芯之间的电解液通道长度，进而提高液路电阻，降低漏电电流，提高了电堆的库伦效率；
2、本发明通过电解液流道的设计，采用圆形中心分散的方式调整电解液在内外分支孔之间的交互，并且调整电解液在内外分支的液路长度，不仅提高了电解液由主通道到分支通道的分布均匀性，而且提高了电堆内部电解液在各单电池间的分配均匀性活性物质的更新速度，进而降低电池副反应的发生，进一步提高电堆的库伦效和率。
3、本发明可用于制作高功率电堆，在提高单电堆电芯数量的同时能够保持较高的电堆效率。
4、本发明的无需通过额外的管道和工艺，即可实现电堆的分区功能，有效减小电堆漏电电流和提高电解液的分布均匀程度，在液流电池领域有广泛的实际应用前景。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1是本发明一种自分区液流电池电堆的爆炸结构示意图；
图2是本发明一种自分区液流电池电堆的另一视角的爆炸结构示意图；
图3是本发明顶部端板的结构示意图；
图4是本发明导流板的结构示意图
图5是本发明顶部绝缘板的结构示意图；
图6是本发明分区电芯组的结构示意图；
图7是本发明底部绝缘板的结构示意图；
图8是本发明底部端板的结构示意图；
图9是本发明分支流道的结构示意图；
其中：1-顶部端板、2-顶部绝缘板、3-分区电芯组、4-底部绝缘板、5-底部端板、6-导流板、7-螺杆孔、11-中心圆孔、12-分散流道、13-外分支孔、14-内分支孔、15-分支流道、151-环形通道、152-液口通道、153-电极区通道、16-衔接流道。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
参阅图1，本发明一种自分区液流电池电堆，所述电堆从顶部至底部依次为顶部端板1、顶部绝缘板2、分区电芯组3、底部绝缘板4和底部端板5；
所述顶部端板1与顶部绝缘板2之间设有导流板6，所述顶部端板1、导流板6、顶部绝缘板2、分区电芯组3和底部绝缘板4上均设有正、负极进液口和正、负极出液口；
参阅图3，所述顶部端板1的正、负极进液口和正、负极出液口采用中心圆孔11的形式；
参阅图4，左图为导流板的顶面，右图为导流板的底面，所述导流板6的正、负极进液口和正、负极出液口采用中心圆孔11与若干个分散流道12的组合形式；所述分散流道12的一端连接中心圆孔11；
参阅图5，左图为顶部绝缘板的顶面，右图为顶部绝缘板的底面，所述顶部绝缘板2的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个外分支孔13的形式；所述外分支孔13的数量与分散流道12的数量相同且一一对应，所述外分支孔13与分散流道12的另一端相衔接；
参阅图6，左图为分区电芯组的正极顶面或负极底面，右图为分区电芯组的正极底面或负极顶面，所述分区电芯组3的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个内分支孔14和外分支孔13的组合形式；所述内分支孔14与外分支孔13的数量相同且一一对应；所述分区电芯组3的正、负极进液口和正、负极出液口上还设有分支流道15，所述分支流道15的两端分别连接其中一个内分支孔14和电芯内部；
参阅图7，左图为底部绝缘板的顶面，右图为底部绝缘板的底面，所述底部绝缘板4的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个衔接流道16的形式，所述衔接流道16的数量与外分支孔13的数量相同且一一对应，所述衔接流道16的两端位置分别对应外分支孔13的所在位置与内分支孔14的所在位置；
参阅图3和图8，所述顶部端板1和底部端板5上设有若干个螺杆孔7，所述顶部端板1与底部端板5通过螺杆固定连接，用于压合紧固电堆；
所述顶部端板1和底部端板5为10~50mm厚的钢板，且正、负极出液口经过绝缘处理；所述顶部绝缘板2和底部绝缘板4厚度为10~100mm，材质为PVC、PP或PE中的一种；
所述分区电芯组3的数量为2~10个，每个分区电芯组3由1~30个单电芯组成，所述单电芯由极板、液流框、电极、质子交换膜和密封材料组成，所述液流框材质为PP、PE、PVC或环氧树脂中的一种。
所述内分支孔14的数量与分区电芯组3的数量相同，不同分区电芯组3的电芯与不同的内分支孔14相连接。
所述外分支孔13与内分支孔14均采用同心圆环的形式分布，所述内分支孔14位于外分支孔13的内侧，所述外分支孔13与内分支孔14交错分布。
参阅图9，所述分支流道15包括环形通道151、电极区通道153和液口通道152，所述环形通道151位于所述外分支孔13的外部，所述环形通道151的内侧上设有一条液口通道152，所述液口通道152的另一端与其中一个内分支孔14相连接，所述环形通道151的上部设有电极区通道153，所述电极区通道153的另一端与电芯内部相连接；
液流框内分支孔面积为电极区面积的1/1000~1/100、外分支孔面积为电极区面积的1/1000~1/100；
参阅图1和图2，其中粗实线部分为电解液流动路线；
正极电解液的流动途径和方向为：正极电解液-顶部端板的正极进液孔（中心圆孔）-导流板的正极进液孔（中心圆孔-分散流道）-顶部绝缘板的正极进液孔（外分支孔）-分区电芯组的正极进液孔（外分支孔）-底部绝缘板的正极进液孔（衔接流道）-分区电芯组的正极进液孔（内分支孔-分支流道）-电芯正极电极区-分区电芯组的正极出液孔（分支流道-内分支孔）-底部绝缘板的正极出液孔（衔接流道）-分区电芯组的正极出液孔（外分支孔）-顶部绝缘板的正极出液孔（外分支孔）-导流板的正极出液孔（分散流道-中心圆孔）-顶部端板的正极出液孔（中心圆孔）-正极电解液；
负极电解液的流动途径和方向为：负极电解液-顶部端板的负极进液孔（中心圆孔）-导流板的负极进液孔（中心圆孔-分散流道）-顶部绝缘板的负极进液孔（外分支孔）-分区电芯组的负极进液孔（外分支孔）-底部绝缘板的负极进液孔（衔接流道)-分区电芯组的负极进液孔（内分支孔-分支流道）-电芯负极电极区-分区电芯组的负极出液孔（分支流道-内分支孔）-底部绝缘板的负极出液孔（衔接流道）-分区电芯组的负极出液孔（外分支孔）-顶部绝缘板的负极出液孔（外分支孔）-导流板的负极出液孔（分散流道-中心圆孔）-顶部端板的负极出液孔（中心圆孔）-负极电解液；
所述自分区电堆的分区功能是通过调整分支流道上的液口通道位置来实现，同一分区的液口通道位置相同，不同分区的液口通道位置不同。
实施例一：
本实施例电堆的正、负极进液口和正、负极出液口的采用上述发明方案设计，其中顶部端板1和底部端板5采用10mm厚的钢板，顶部绝缘板2和底部绝缘板4厚度为10mm厚的PVC板、分区电芯组3的数量为10个，每个分区电芯组3由10个单电芯组成，液流框材质采用PP材质；
实施例二：
本实施例与实施例一的区别在于：顶部端板1和底部端板5采用20mm厚的钢板，顶部绝缘板2和底部绝缘板4厚度为40mm厚的PP板、分区电芯组3的数量为10个，每个分区电芯组3由6个单电芯组成，液流框材质采用PE材质。
实施例三：
本实施例与实施例一的区别在于：顶部端板1和底部端板5采用30mm厚的钢板，顶部绝缘板2和底部绝缘板4厚度为60mm厚的PE板、分区电芯组3的数量为8个，每个分区电芯组3由10个单电芯组成，液流框材质采用PE材质。
实施例四：
本实施例与实施例一的区别在于：顶部端板1和底部端板5采用40mm厚的钢板，顶部绝缘板2和底部绝缘板4厚度为80mm厚的PP板、分区电芯组3的数量为4个，每个分区电芯组3由10个单电芯组成，液流框材质采用环氧树脂材质。
实施例五：
本实施例与实施例一的区别在于：顶部端板1和底部端板5采用50mm厚的钢板，顶部绝缘板2和底部绝缘板4厚度为100mm厚的PP板、分区电芯组3的数量为12，每个分区电芯组3由10个单电芯组成，液流框材质采用环氧树脂材质。
对比例一：
本对比例中，不采用电芯分区方式，电芯数量为100组成电堆，进行测试。
对比例二：
本对比例中，采用常规电堆串联方式，每个电堆由10个电芯组成，将10个电堆串联为一个电堆组，进行测试；
对比例三：
本对比例中，采用集成式电堆串联方式，每个电堆由10个电芯组成，将10个电堆串联为一个电堆组，进行测试；
将实施例1-实施例5制作得到的液流框及液流电池电堆和对比例1-对比例3的液流框及液流电池电堆，在相同的测试条件下测试，结果如表1所示：
表1 石墨毡的充放电测试结果
由表1可见，实施例1-实施例5相较于对比例1具有更高的库伦效率和能量效率，说明本发明通过对液流框进出口的设计，实现对电芯的分区，调整了电解液在电芯内部的流动途径，提高了公共通道和分支通道内的漏电电阻，降低漏电电流，提高了电堆的库伦效率。此外，调整电解液在主出入口、外出入分支、内出入分支之间的交互，提高了电堆内部电解液在各单电池间的分配均匀性和活性物质的更新速度，最大程度的降低浓差极化的产生，进而降低电池副反应的发生，进一步提高电堆的库伦效率。最终，由于库伦效率的提升，使电堆的能量效率也得到明显提升。实施例1-实施例5相较于对比例2-对比例3库伦效率有一定的提升，说明电解液从主管道经过外分支孔，并在电堆底部转换到内分支孔，再经过单电芯电极框分散流道，最后流入电极区域。提高了公共通道和单电芯的电解液通道长度，进而提高漏电电阻，降低漏电电流，提高了电堆的库伦效率。此外，本发明所采用的圆形中心分散方式，液体在各分支通道的分散更加均匀，内外分支孔之间的交互更加均匀和充分。同时，电解液在内外分支的液路长度增加，也进一步提高了电解液由主通道到分支通道的分散均匀性，促进库伦效率的进一步提升。实施例1-实施例5相较于对比例2-对比例3电压效率和能量效率有明显的提升，主要是由于对比例2-对比例3是通过多个电堆串联为电堆组的方式，增加了铜板与双极板之间的接触电阻，且接触电阻随着电堆数量的增加而增大，使电池的电压效率降低，进而能量效率也同步降低。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种自分区液流电池电堆，所述电堆从顶部至底部依次为顶部端板(1)、顶部绝缘板(2)、分区电芯组(3)、底部绝缘板(4)和底部端板(5)；
其特征在于：所述顶部端板(1)与顶部绝缘板(2)之间设有导流板(6)，所述顶部端板(1)、导流板(6)、顶部绝缘板(2)、分区电芯组(3)和底部绝缘板(4)上均设有正、负极进液口和正、负极出液口；
所述顶部端板(1)的正、负极进液口和正、负极出液口采用中心圆孔(11)的形式；
所述导流板(6)的正、负极进液口和正、负极出液口采用中心圆孔(11)与若干个分散流道(12)的组合形式；所述分散流道(12)的一端连接中心圆孔(11)；
所述顶部绝缘板(2)的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个外分支孔(13)的形式；所述外分支孔(13)的数量与分散流道(12)的数量相同且一一对应，所述外分支孔(13)与分散流道(12)的另一端相衔接；
所述分区电芯组(3)的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个内分支孔(14)和外分支孔(13)的组合形式；所述内分支孔(14)与外分支孔(13)的数量相同且一一对应；所述分区电芯组(3)的正、负极进液口和正、负极出液口上还设有分支流道(15)，所述分支流道(15)的两端分别连接其中一个内分支孔(14)和电芯内部；
所述底部绝缘板(4)的正、负极进液口和正、负极出液口采用若干个衔接流道(16)的形式，所述衔接流道(16)的数量与外分支孔(13)的数量相同且一一对应，所述衔接流道(16)的两端位置分别对应外分支孔(13)的所在位置与内分支孔(14)的所在位置；
不同分区电芯组(3)的电芯与不同的内分支孔(14)通过分支流道(15)相连接。
2.如权利要求1所述的一种自分区液流电池电堆，其特征在于：所述顶部端板(1)和底部端板(5)上设有若干个螺杆孔(7)，所述顶部端板(1)与底部端板(5)通过螺杆固定连接，用于压合紧固电堆。
3.如权利要求1所述的一种自分区液流电池电堆，其特征在于：所述顶部端板(1)和底部端板(5)为10～50mm厚的钢板，所述顶部绝缘板(2)和底部绝缘板(4)厚度为10～100mm，材质为PVC、PP或PE中的一种。
4.如权利要求1所述的一种自分区液流电池电堆，其特征在于：所述分区电芯组(3)的数量为2～10个，每个分区电芯组(3)由1～30个单电芯组成，所述单电芯由极板、液流框、电极、质子交换膜和密封材料组成，所述液流框材质为PP、PE、PVC或环氧树脂中的一种。
5.如权利要求1所述的一种自分区液流电池电堆，其特征在于：所述内分支孔(14)的数量大于等于分区电芯组(3)的数量。
6.如权利要求1所述的一种自分区液流电池电堆，其特征在于：所述外分支孔(13)与内分支孔(14)均采用同心圆环的形式分布，所述内分支孔(14)位于外分支孔(13)的内侧。
7.如权利要求1所述的一种自分区液流电池电堆，其特征在于：所述分支流道(15)包括环形通道(151)、电极区通道(153)和液口通道(152)，所述环形通道(151)位于所述外分支孔(13)的外部，所述环形通道(151)的内侧上设有一条液口通道(152)，所述液口通道(152)的另一端与其中一个内分支孔(14)相连接，所述环形通道(151)的上部设有电极区通道(153)，所述电极区通道(153)的另一端与电芯内部相连接。
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