CN208589496U - 一种液流框及其液流电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种液流框，包括正极液流框和负极液流框，正极液流框和负极液流框分别包括与外部电解液储罐连接的进口共享通道孔和出口共享通道孔，进口共享通道孔依次通过进口限流通道、进口第一级分流槽与进口第二级分流槽连通；进口限流通道呈Z字型，其位于液流框的外侧面；进口第一级分流槽有多个，其位于液流框的内侧面并连通进口限流通道；第二级分流槽连通电极槽，其位于液流框的内侧面；电极槽依次通过出口第二级分流槽、出口第一级分流槽、出口限流通道与出口共享通道孔连通。本实用新型的液流框及其液流电池，能够实现电解液均匀分流和电池密封，保障液流电池系统运行的稳定性，提高电池能量效率，延长电池使用寿命。本实用新型还提供一种采用上述液流框的液流电池。

Description

一种液流框及其液流电池

技术领域

本实用新型涉及液流电池技术领域，尤其涉及一种液流框及其液流电池。

背景技术

液流电池是一种新型的大型电化学储能装置，其最大特点是活性物质为流动的电解质溶液，储能功率与容量相互独立。电解液在电池与储液罐之间不断循环流动，正负极电解液流过由离子交换膜隔开的电极，分别发生氧化还原反应，实现电能与化学能的转换。

电堆是液流电池储能装置的重要组件，由电极、离子交换膜、液流框和双极板等组成，其中液流框是其它部件的载体。碳毡电极放置在液流框框内，堆叠后将离子交换膜和双极板夹紧密封形成封闭式电堆，电解液则通过液流框框体上的流道进、出电池。因此，液流框框体上的流道结构直接影响着电解液在反应区电极上的流动情况。液流框的分流不均将导致单电池内电极上电解液流动不均匀，出现电压差，能量效率降低。更甚者，流动死区将导致局部电压过高，进而使得电极和双极板等材料发生腐蚀，电池结构遭到破坏，电池寿命极大缩短。

为解决电解液均流问题，现有的液流框技术主要采用多级分流等复杂结构，但是，这将导致电池整体面积较大、泵能损耗增加等问题，尤其是在大面积电池里更加严重。而且，现有液流框技术未兼顾电池密封问题，容易导致电池内漏、外漏的发生；液流框框体上的膜密封、双极板密封和外密封等结构应当与流道的布置需要相互配合，才能同时完成电解液分流和各类密封工作。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷，提供一种结构紧凑、加工简单的液流框及其液流电池，能够实现电解液均匀分流。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本实用新型的一个目的是提供一种液流框，包括正极液流框和负极液流框，所述正极液流框和负极液流框分别包括与外部电解液储罐连接的进口共享通道孔和出口共享通道孔，其中，

所述进口共享通道孔依次通过进口限流通道、进口第一级分流槽与进口第二级分流槽连通；所述进口限流通道呈Z字型，其位于液流框的外侧面；所述进口第一级分流槽有多个，其位于液流框的内侧面并连通所述进口限流通道；所述第二级分流槽连通电极槽，其位于液流框的内侧面；

所述电极槽依次通过出口第二级分流槽、出口第一级分流槽、出口限流通道与所述出口共享通道孔连通；所述出口第二级分流槽与所述进口第二级分流槽呈中心对称，所述出口第一级分流槽与所述进口第一级分流槽呈中心对称，所述出口限流通道与所述进口限流通道孔呈中心对称，所述出口共享通道孔与所述进口共享通道孔呈中心对称。

上述所指的内侧面为正极液流框的负极侧或负极液流框的正极侧，上述所指的外侧面为正极液流框的正极侧或负极液流框的负极侧。

所述正极液流框和所述负极液流框呈中心对称结构。

为了优化上述的技术方案，本实用新型采取的技术措施还包括：

进一步地，所述进口第二级分流槽内设有若干进口凸台，所述出口第二级分流槽内设有若干出口凸台；更进一步地，所述进口凸台均匀设置于所述进口第二级分流槽内靠近电极槽的一侧，若干个所述进口凸台将进口第二级分流槽分隔成多个通道，电解液流过由多个进口凸台隔成的进口第二级分流槽，分流流入电极槽；所述出口第二级分流槽的结构与所述进口第二级分流槽的结构相同，并相对于液流框呈中心对称布置。

进一步地，所述进口限流通道的Z字型的一端与所述进口共享通道孔连通，Z字型的另一端封闭；当电解液从进口共享通道孔流入Z字型的进口限流通道后，电解液进入与进口限流通道连通的多个进口第一级分流槽中，多个进口第一级分流槽将电解液分为多份，完成“Z型分块”流动，使电解液分布更加均匀，并且将电解液导流到液流框另一面，使得正负极电解液不会互相混合。所述出口限流通道的结构与所述进口限流通道的结构相同，并相对于液流框呈中心对称布置。

进一步地，所述进口第一级分流槽的数量为两个或四个，也可以是其他合适的数量(受电极尺寸影响)；多个所述进口第一级分流槽均匀分布于所述进口第二级分流槽下方；更进一步优选地，所述进口第一级分流槽的数量为两个。

进一步地，所述出口第二级分流槽、出口第一级分流槽、出口限流通道和所述出口共享通道孔位于液流框的上部，所述进口第二级分流槽、进口第一级分流槽、进口限流通道和所述进口共享通道孔位于液流框的下部；更进一步地，所述进口共享通道孔和出口共享通道孔分别位于所述正极液流框和负极液流框两侧的对角位置。

本实用新型的另一个目的是提供一种采用上述液流框的液流电池，所述液流电池由单电池单元组成，每个所述单电池单元包括正极液流框、负极液流框、嵌设于所述电极槽内的碳毡电极、布置于所述正极液流框和所述负极液流框之间的离子交换膜，以及布置于所述正极液流框或所述负极液流框外侧面的双极板。

为了优化上述的技术方案，本实用新型采取的技术措施还包括：

进一步地，所述碳毡电极包括多块正电极和数量相对应的负电极，所述正电极嵌设于所述正极液流框的电极槽内，所述负电极嵌设于所述负极液流框的电极槽内。可以理解的是，所述正电极的数量与正极液流框上进口第一级分流槽的数量成倍数关系，所述负电极的数量与负极液流框上进口第一级分流槽的数量成倍数关系。

进一步地，所述正极液流框的正极进口共享通道孔和正极出口共享通道孔在所述负极液流框上均具有通道孔，在所述负极液流框上的正极进口共享通道孔和正极出口共享通道孔外围均设置有正极共享通道流孔密封槽；所述负极液流框的负极进口共享通道孔和负极出口共享通道孔在正极液流框上均具有通道孔，在所述正极液流框上负极进口共享通道孔和负极出口共享通道孔外围均设置有负极共享通道流孔密封槽；所述正极共享通道流孔密封槽和所述负极共享通道流孔密封槽内均设有管道密封圈。

进一步地，所述进口第一级分流槽和所述出口第一级分流槽的外围设置有膜密封槽，所述膜密封槽内设有膜密封圈。所述正极液流框的内侧面，即正极液流框的负极侧朝向离子交换膜；所述负极液流框的负极液流框即负极液流框的正极侧朝向离子交换膜；从而使得正、负极液流框的分流槽相对布置，所述的分流槽包括第一级分流槽和第二级分流槽，所述离子交换膜用于离子交换的同时还用于将正、负极液流框的分流槽隔开，所述膜密封槽用于对离子交换膜进行双侧密封。更进一步地，以正极液流框为例，正极液流框的正极膜密封槽为布置于正极液流框内侧面的围绕所述电极槽的矩形槽，矩形槽的一条矩形边位于所述进口第一级分流槽的外围，矩形槽相对的另一条矩形边位于所述出口第一级分流槽的外围。负极液流框的膜密封槽结构与正极液流框的膜密封槽结构相同。

进一步地，双极板为一个单电池单元的正极侧与相邻的另一个单电池单元的负极侧共用，当所述正极液流框上设有双极板槽时，所述负极液流框上设有相对应的双极板密封槽；或者当所述负极液流框上设有双极板槽时，所述正极液流框上设有相对应的双极板密封槽；所述双极板密封槽内设有双极板密封圈。更进一步地，所述双极板槽设置于所述进口限流通道和所述出口限流通道的内侧；更进一步地，以双极板槽设置于正极液流框上为例，所述双极板槽为布置于正极液流框外侧面的围绕所述电极槽的矩形槽，矩形槽的一条矩形边位于所述进口限流通道的内侧，矩形槽相对的另一条矩形边位于所述出口限流通道的内侧。双极板槽设置于负极液流框上时的结构与双极板槽设置于正极液流框上时的结构相同。

进一步地，所述正极液流框的外侧面设有正极液流框外密封槽，所述负极液流框的内侧面设有负极液流框外密封槽；或者所述正极液流框的内侧面设有正极液流框外密封槽，所述负极液流框的外侧面设有负极液流框外密封槽；所述正极液流框外密封槽和所述负极液流框外密封槽内均设有板框密封圈。优选为，所述正极液流框的内侧面设有正极液流框外密封槽，所述负极液流框的外侧面设有负极液流框外密封槽，所述正极液流框外密封槽和所述负极液流框外密封槽内均设有板框密封圈。可以理解的是，正、负液流框上的外密封槽设置在不同侧，以提升密封效果。

进一步地，所述进口限流通道和所述出口限流通道外侧设有挡板，液流框上设有与所述挡板相对应的挡板槽。一个单电池单元的正极液流框上的进口限流通道与相邻的另一个单电池单元的负极液流框上的进口限流通道相对，一个单电池单元的正极液流框上的出口限流通道与相邻的另一个单电池单元的负极液流框上的出口限流通道相对，所述挡板设置于相对的进口限流通道和/或出口限流通道之间，用于将正、负极液流框的限流通道隔开。

进一步地，所述挡板上设有矩形孔，液流框上设有与所述矩形孔相对应的矩形凸台。更进一步优选地，正极液流框的进口限流通道和出口限流通道外侧分别设有挡板，正极液流框上设有与所述相对应的挡板槽，每个挡板槽内分别设有两个矩形凸台，挡板上设有与所述矩形凸台相对应的矩形孔，用于挡板定位。

进一步地，在所述正极液流框和所述负极液流框相对应的对角处设有定位孔，所述定位孔用于液流电池安装时的定位。

本实用新型采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

1)本实用新型采用碳毡电极与第一级分流槽将电解液总分成多份，完成“Z型分块”流动，使电解液分布更加均匀，适用大面积电池。

2)采用第一级分流槽将电解液导流到液流框另一面，使得正负极电解液不会互相混合，结构紧凑简单，加工方便。

3)采用单电池单元制备液流电池，实现电极分块制备，有助于减小操作空间。

4)采用管道密封、膜密封、双极板密封和板框密封，改善了密封结构，减少电池内漏与外漏问题，提高电池运行稳定性。

附图说明

图1为采用本实用新型液流框的液流电池的一个单电池单元的结构示意图；

图2为本实用新型液流电池用液流框中正极液流框的正面结构示意图；

图3为本实用新型液流电池用液流框中正极液流框的反面结构示意图；

图4为本实用新型液流电池用液流框中负极液流框的正面结构示意图；

图5为本实用新型液流电池用液流框中负极液流框的反面结构示意图；

图6为本实用新型液流电池用液流框中挡板的结构示意图；

其中的附图标记为：

1-双极板；2-正极液流框；3-碳毡电极；4-离子交换膜；5-负极液流框；6-挡板；7-管道密封圈；8-膜密封圈；9-双极板密封圈；10-板框密封圈；11-正极进口共享通道孔；12-正极出口共享通道孔；13-正极进口限流通道；14-正极出口限流通道；15-正极进口第一级分流槽；16-正极出口第一级分流槽；17-正极进口凸台；18-正极进口第二级分流槽；19-正极出口凸台；20-正极出口第二级分流槽；21-正极电极槽；22-负极进口共享通道孔；23-负极出口共享通道孔；24-负极进口限流通道；25-负极出口限流通道；26-负极进口第一级分流槽；27-负极出口第一级分流槽；28-负极进口凸台；29-负极进口第二级分流槽；30-负极出口凸台；31-负极出口第二级分流槽；32-负极电极槽；33-负极共享通道流孔密封槽；34-正极共享通道流孔密封槽；35-正极膜密封槽；36-负极膜密封槽；37-双极板槽；38-双极板密封槽；39-正极液流框外密封槽；40-负极液流框外密封槽；41-挡板槽；42-矩形凸台；43-矩形孔；44-定位孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明。

实施例1

本实施例提供一种液流框。

参见图2-图5，一种液流框，包括正极液流框2和负极液流框5，正极液流框2和负极液流框5呈中心对称结构，且正极液流框2和负极液流框5分别包括与外部电解液储罐连接的进口共享通道孔和出口共享通道孔，其中：

在正极液流框2上，正极电解液从正极进口共享通道孔11流入Z字型的正极进口限流通道13，通过与靠近内侧的流道相连的两个正极进口第一级分流槽15进行分流，将正极电解液分为两份，导流到正极液流框2另一面，即正极液流框2的内侧面；正极电解液流过由正极进口凸台17隔成的正极进口第二级分流槽18，分流流入正极电极槽21内的两块正极碳毡电极3；正极电解液流过碳毡电极3发生反应后，依次流过由正极出口凸台19隔成的正极出口第二级分流槽20、正极出口第一级分流槽16、正极出口限流通道14和正极出口共享通道孔12后，汇流回到储液罐。

本实施例中的正极出口第二级分流槽20、正极出口第一级分流槽16、正极出口限流通道14和正极出口共享通道孔12分别与正极进口第二级分流槽18、正极进口第一级分流槽15、正极进口限流通道13和正极进口共享通道孔11相对于正极液流框2呈中心对称布置。

在负极液流框5上，负极电解液从负极进口共享通道孔22流入Z字型的负极进口限流通道24，通过与靠近内侧的流道相连的两个负极进口第一级分流槽26进行分流，将负极电解液分为两份，导流到负极液流框5另一面，即负极液流框5的内侧面；负极电解液流过由负极进口凸台28隔成的负极进口第二级分流槽29，分流流入负极电极槽32内的两块负极碳毡电极3；负极电解液流过碳毡电极3发生反应后，依次流过由负极出口凸台30隔成的负极出口第二级分流槽31、负极出口第一级分流槽27、负极出口限流通道25和负极出口共享通道孔23后，汇流回到储液罐。

本实施例中的负极出口第二级分流槽31、负极出口第一级分流槽27、负极出口限流通道25和负极出口共享通道孔23分别与负极进口第二级分流槽29、负极进口第一级分流槽26、负极进口限流通道24和负极进口共享通道孔22相对于负极液流框5呈中心对称布置。

本实施例中所指的内侧面为正极液流框2的负极侧或负极液流框5的正极侧。

实施例2

本实施例提供一种采用实施例1液流框的液流电池。

参见图1-图6，一种液流电池，由单电池单元组成，每个单电池单元包括一块正极液流框2、一块负极液流框5、嵌设于正极电极槽21内的两块正极碳毡电极3、嵌设于负极电极槽32内的两块负极碳毡电极3、布置于正极液流框2和负极液流框5之间的离子交换膜4，以及布置正极液流框2或负极液流框5外侧面的双极板1。其中：

负极液流框5的负极进口共享通道孔22和负极出口共享通道孔23在正极液流框2上均具有通道孔，以用于与外部电解液储罐连接，为防止负极电解液流过正极液流框2上的负极进口共享通道孔22和负极出口共享通道孔23时流到正极液流框2的流道槽内导致的内漏问题，在正极液流框2上的负极进口共享通道孔22和负极出口共享通道孔23外围均设置有负极共享通道流孔密封槽33，负极共享通道流孔密封槽33内均设有管道密封圈7；

同时，正极液流框2的正极进口共享通道孔11和正极出口共享通道孔12在负极液流框5上均具有通道孔，以用于与外部电解液储罐连接，为防止正极电解液流过负极液流框5上的正极进口共享通道孔11和正极出口共享通道孔12时流到负极液流框5的流道槽内导致的内漏问题，在负极液流框5上的正极进口共享通道孔11和正极出口共享通道孔12外围均设置有正极共享通道流孔密封槽34，正极共享通道流孔密封槽34内均设有管道密封圈7；

由于正极液流框2的分流槽与负极液流框5的分流槽相对，离子交换膜4将正极液流框2与负极液流框5隔开，因此，为了实现对离子交换膜4进行良好的密封，正极液流框2上的正极进口第一级分流槽15和正极出口第一级分流槽16外围设置了正极膜密封槽35，正极膜密封槽35内设有膜密封圈8；负极液流框5上的负极进口第一级分流槽26和负极出口第一级分流槽27外围设置了负极膜密封槽36，负极膜密封槽36内设有膜密封圈8；从而实现对离子交换膜4进行双侧密封；

双极板1为一个单电池单元的正极侧与相邻的另一个单电池单元的负极侧共用，本实施例中将双极板1布置于正极液流框2的外侧面，在正极液流框2上设有对应双极板1的双极板槽37，在负极液流框5上设有对应双极板槽37的双极板密封槽38，双极板密封槽38内设有双极板密封圈9，从而实现对双极板1的密封；

正极液流框2的外侧面设有正极液流框外密封槽39，正极液流框外密封槽39内设有板框密封圈10，负极液流框5的内侧面设有负极液流框外密封槽40；负极液流框外密封槽40内设有板框密封圈10，正极液流框外密封槽39与负极液流框外密封槽40分别设置在正极液流框2和负极液流框5的不同测，以用于改善密封结构，减少电池内漏与外漏问题，从而实现对液流框的板框密封；

由于正极液流框2上的正极进口限流通道13和正极出口限流通道14与负极液流框5上的负极进口限流通道24和负极出口限流通道25相对，因此，需要通过挡板6将正极液流框2与负极液流框5隔开；挡板6为一个单电池单元的正极侧与相邻的另一个单电池单元的负极侧共用，本实施例中将挡板6布置于正极液流框2的外侧面，在正极液流框2上对应挡板6的位置处设有挡板槽41，同时，在正极液流框2上设置了矩形凸台42，在挡板6对应位置处设置了相匹配的矩形孔43，矩形凸台42嵌入矩形孔43，以用于挡板6的定位、安装与固定。

在正极液流框2和负极液流框5相对应的对角处设有定位孔44，以用于液流电池安装时的定位。

本实施例中所指的内侧面为正极液流框2的负极侧或负极液流框5的正极侧；所指的外侧面为正极液流框2的正极侧或负极液流框5的负极侧。

实施例3

本实施例为应用实施例。

将本实用新型的液流电池应用于20kW钒电池系统中，电堆由50个单电池单元堆叠而成。具体参数如下：

每个单电池单元包含四块碳毡电极3，碳毡尺寸为600mm×400mm×5mm；

正极液流框2的外形尺寸为870mm×900mm×6mm，正极液流框2上的双极板槽37和挡板槽41深度为1mm，正极电极槽21的槽框分为两块，每块尺寸为600mm×400mm，之间距离2mm；正极液流框2上的正极进口共享通道孔11和正极出口共享通道孔12的直径为40mm，正极进口限流通道13和正极出口限流通道14截面尺寸为10mm×4mm，限流通道的Z字型布置能够减小旁路电流损失；正极进口第一级分流槽15和正极出口第一级分流槽16将电解液导流到液流框另一侧，其截面尺寸为10mm×2mm；由截面尺寸为10mm×4mm的正极进口凸台17隔开的正极进口第二级分流槽18、由截面尺寸为10mm×4mm的正极出口凸台19隔开的正极出口第二级分流槽20；

负极液流框5的基本结构与正极液流框2一致，但由于无双极板槽37和挡板槽41为一个单电池单元的正极侧与相邻的另一个单电池单元的负极侧共用，负极液流框5的厚度与电极厚度一致，为5mm；

正极液流框2和负极液流框5上的密封槽尺寸均为2mm×2mm。

上述参数中，当正极液流框或负极液流框的同一位置的两侧均布置了流道槽或密封槽时部分流道槽高度由4m减为2m，此种设置能够有效地均匀分配电解液、避免电解液内外漏，使液流框结构紧凑，有助于提高系统整体能量密度。

由上述实施例可知，本实用新型的液流框及其液流电池，能够实现电解液均匀分流和电池密封，保障液流电池系统运行的稳定性，提高电池能量效率，延长电池使用寿命。采用碳毡电极与第一级分流槽将电解液总分成多份，完成“Z型分块”流动，使电解液分布更加均匀，适用大面积电池；采用第一级分流槽将电解液导流到液流框另一面，使得正负极电解液不会互相混合，结构紧凑简单，加工方便；采用单电池单元制备液流电池，实现电极分块制备，有助于减小操作空间；采用管道密封、膜密封、双极板密封和板框密封，改善了密封结构，减少电池内漏与外漏问题，提高电池运行稳定性。

以上对本实用新型的具体实施例进行了详细描述，但其只作为范例，本实用新型并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对该实用进行的等同修改和替代也都在本实用新型的范畴之中。因此，在不脱离本实用新型的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本实用新型的范围内。

Claims (10)

1.一种液流框，包括正极液流框和负极液流框，所述正极液流框和负极液流框分别包括与外部电解液储罐连接的进口共享通道孔和出口共享通道孔，其特征在于，

所述进口共享通道孔依次通过进口限流通道、进口第一级分流槽与进口第二级分流槽连通；所述进口限流通道呈Z字型，其位于液流框的外侧面；所述进口第一级分流槽有多个，其位于液流框的内侧面并连通所述进口限流通道；所述第二级分流槽连通电极槽，其位于液流框的内侧面；

所述电极槽依次通过出口第二级分流槽、出口第一级分流槽、出口限流通道与所述出口共享通道孔连通。

2.根据权利要求1所述的液流框，其特征在于，所述进口第二级分流槽内设有若干进口凸台，所述出口第二级分流槽内设有若干出口凸台。

3.一种采用如权利要求1-2任一项所述液流框的液流电池，其特征在于，所述液流电池由单电池单元组成，每个所述单电池单元包括正极液流框、负极液流框、嵌设于所述电极槽内的碳毡电极、布置于所述正极液流框和所述负极液流框之间的离子交换膜，以及布置于所述正极液流框或所述负极液流框外侧面的双极板。

4.根据权利要求3所述的液流电池，其特征在于，所述碳毡电极包括多块正电极和数量相对应的负电极，所述正电极嵌设于所述正极液流框的电极槽内，所述负电极嵌设于所述负极液流框的电极槽内。

5.根据权利要求3所述的液流电池，其特征在于，所述正极液流框的正极进口共享通道孔和正极出口共享通道孔在所述负极液流框上均具有通道孔，在所述负极液流框上的正极进口共享通道孔和正极出口共享通道孔外围均设置有正极共享通道流孔密封槽；所述负极液流框的负极进口共享通道孔和负极出口共享通道孔在正极液流框上均具有通道孔，在所述正极液流框上负极进口共享通道孔和负极出口共享通道孔外围均设置有负极共享通道流孔密封槽；所述正极共享通道流孔密封槽和所述负极共享通道流孔密封槽内均设有管道密封圈。

6.根据权利要求3所述的液流电池，其特征在于，所述进口第一级分流槽和所述出口第一级分流槽的外围设置有膜密封槽，所述膜密封槽内设有膜密封圈。

7.根据权利要求3所述的液流电池，其特征在于，

所述正极液流框上设有双极板槽，所述负极液流框上设有相对应的双极板密封槽；或者

所述负极液流框上设有双极板槽，所述正极液流框上设有相对应的双极板密封槽；

所述双极板密封槽内设有双极板密封圈。

8.根据权利要求3所述的液流电池，其特征在于，

所述正极液流框的外侧面设有正极液流框外密封槽，所述负极液流框的内侧面设有负极液流框外密封槽；或者

所述正极液流框的内侧面设有正极液流框外密封槽，所述负极液流框的外侧面设有负极液流框外密封槽；

所述正极液流框外密封槽和所述负极液流框外密封槽内均设有板框密封圈。

9.根据权利要求3所述的液流电池，其特征在于，所述进口限流通道和所述出口限流通道外侧设有挡板，液流框上设有与所述挡板相对应的挡板槽。

10.根据权利要求9所述的液流电池，其特征在于，所述挡板上设有矩形孔，液流框上设有与所述矩形孔相对应的矩形凸台。