CN214152946U - 一种双腔式液流电池板框及其组成的电池单元 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种双腔式液流电池板框，包括电解液主流通道机构、分流机构、槽机构、密封机构、电极腔23和隔离条24；所述电解液主流通道机构设置在电池板框四角处、上端中心处和下端中心处；所述分流机构设置在电解液主流通道机构内侧；两个所述电极腔23设置在电池板框内；所述槽机构设置在电极腔23外侧；所述密封机构设置在电解液主流通道机构外侧和槽机构内侧；所述隔离条24设置在两个独立电极腔23间与电池板框为一体成型结构；所述电解液主流通道机构与分流机构相连；所述分流机构与电极腔23相连。双腔式液流电池板框有利于电解液均匀分布，减少旁路电阻和接触电阻，提高电池堆的性能。

Description

一种双腔式液流电池板框及其组成的电池单元

技术领域

本实用新型属于液流电池技术领域，特别涉及一种双腔式液流电池板框及其组成的电池单元。

背景技术

储能技术是实现可再生能源大规模接入，提高电力系统效率、安全性和经济性的关键技术，也是提高清洁能源发电比率，推动雾霾治理的有效手段。目前已有的储能技术主要包括抽水蓄能、压缩空气储能、飞轮储能、锂电池和液流电池等。

其中液流电池技术是一种大规模且高效的电化学储能技术，通过反应活性物质的价态变化实现电能与化学能相互转换与能量存储。电池堆是液流电池系统中的核心部件，主要提供电化学反应场所。电池堆是由若干组电池单元叠加在一起组成的，目前铁铬体系电池堆单堆最大功率可达31.25KW，最大电池单元数可达100组。

随着液流电池技术的提高，电池堆单堆功率越做越大，电池单元数量越来越多，这使得目前的板框进液设计及流体分配设计不能满足大流量、高电流密度的要求，会出现流体分配不均、电池堆压力增大、密封失效、电池极化现象加重等，影响电池能量效率。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种双腔式液流电池板框及其组成的电池单元，包括电解液主流通道机构、分流机构、槽机构、密封机构、电极腔和隔离条；

所述电解液主流通道机构设置在电池板框四角处、上端中心处和下端中心处；所述分流机构设置在电解液主流通道机构内侧；两个所述电极腔设置在电池板框内；所述槽机构设置在电极腔外侧；所述密封机构设置在电解液主流通道机构外侧和槽机构内侧；所述隔离条设置在两个独立电极腔间与电池板框为一体成型结构；

所述电解液主流通道机构与分流机构相连；所述分流机构与电极腔相连。

进一步地，所述电池板框包括正极板框和负极板框；

所述正极板框包括正极板框膜侧和正极板框双极板侧；

所述负极板框包括负极板框膜侧和负极板框双极板侧；

所述电池板框中的两个独立电极腔流经同一种电解液，同是正极或负极电解液。

进一步地，所述电池板框材料为PP、CPVC、PE或PVC纯高分子材料或添加玻璃纤维的混高分子材料经过机加工、注塑或模压加工而成。

进一步地，所述电解液主流通道机构包括正极电解液进液口、正极电解液出液口、负极电解液进液口和负极电解液出液口；

两个所述正极电解液进液口分别设置在正极板框左下角和右下角；两个所述正极电解液出液口设置在正极板框上端中心处；两个所述负极电解液进液口设置在正极板框下端中心处；两个所述负极电解液出液口分别设置在正极板框左上角和右上角；

两个所述正极电解液进液口分别设置在负极板框左下角和右下角；两个所述正极电解液出液口设置在负极板框上端中心处；两个所述负极电解液进液口设置在负极板框下端中心处；两个所述负极电解液出液口分别设置在负极板框左上角和右上角。

进一步地，所述分流机构包括多个电解液三级分流通道；

所述电解液三级分流通道设置在正极板框双极板侧和负极板框双极板侧，包括第一级分流通道、第二级分流通道和第三极分流通道；

所述第一级分流通道深度为1～3mm，均匀设置有若干一级分流阻力凸台；所述一级分流阻力凸台为平行四边形凸台，平行四边形凸台长度为10～50mm，宽度为2～5mm，间隔为30～200mm；

所述第二级分流通道深度为1～3mm，设置有若干二级分流阻力凸台；所述二级分流阻力凸台为若干组长短结合的凸台，长凸台长度为5～30mm，短凸台长度为3～10mm，宽度均为5～10mm，间隔为5～10mm，长短凸台越靠近隔离条间隔距离越小，凸台正中间设置有分流缓坡；

所述第三极分流通道深度为2mm，均匀设置有若干三级分流阻力凸台；所述三级分流阻力凸台为矩形凸台，矩形凸台长度为3～7mm，宽度为3～7mm，间隔为5～10mm；

所述三级分流阻力凸台外侧设置有一段缓冲流道，宽度为5～10mm。

进一步地，所述槽机构包括离子膜槽和双极板槽；

所述离子膜槽设置在正极板框膜侧内；所述双极板槽设置在负极板框双极板侧。

进一步地，所述密封机构包括离子膜密封槽、电解液主流通道密封环槽、双极板密封槽和密封垫；

所述离子膜密封槽设置在电极腔外侧；所述电解液主流通道密封环槽设置在正极电解液进液口、正极电解液出液口、负极电解液进液口和负极电解液出液口外侧；所述双极板密封槽设置在电解液主流通道机构外侧。

进一步地，所述密封垫为橡胶类或热塑性弹性体类材料，采用粘结、焊接或机械固定的方式安装在离子膜密封槽、电解液主流通道密封环槽和双极板密封槽内，也可以与电池板框一体成型。

进一步地，两个独立所述电极腔用于放置电极，长宽比为1～2。

进一步地，一种双腔式液流电池单元，各个部件按照正极板框、电极、离子膜、负极板框、电极和双极板的顺序进行安装；

所述电池单元包含两个独立并联的电池单元；

多组所述电池单元顺序叠放组装成电池堆系统；

所述离子膜通过焊接或粘结形式与电池板框形成一体化结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：本实用新型提出的一种双腔式液流电池板框及其组成的电池单元可实现较方便和快捷的组装电池堆。双电解液进、出液口搭配双电极腔的设计有助于电解液在电极中更均匀的分布，同时可以降低由于多孔的电极材料造成的流体阻力。流道结构满足电解液在电池单元间的均匀分布及在电池堆系统内的循环流动。三级分流通道结构最大程度的调整了电解液的流动速度和流动方向，使得电解液在进入电极腔时已足够均匀。用这种板框组装的电池堆可以减少旁路电阻，减少电极与双极板、膜之间的接触电阻，从而提高电池堆的性能。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本实用新型而了解。本实用新型的目的和其它优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所指出的结构来实现和获得。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1示出了本实用新型实施例的正极板框膜侧的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例的正极板框双极板侧的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例的电解液三级分流通道的局部结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例的负极板框膜侧的结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例的负极板框双极板侧的结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例的电池单元的组装示意图。

图中：1、正极板框；2、负极板框；3、正极板框膜侧；4、正极板框双极板侧；5、负极板框膜侧；6、负极板框双极板侧；7、正极电解液进液口；8、正极电解液出液口；9、负极电解液进液口；10、负极电解液出液口；11、离子膜槽；12、离子膜密封槽；13、电解液主流通道密封环槽；14、双极板密封槽；15、电解液三级分流通道；16、一级分流阻力凸台；17、二级分流阻力凸台；18、三级分流阻力凸台；19、双极板槽；20、离子膜；21、电极；22、双极板；23、电极腔；24、隔离条。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地说明，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1：

本实用新型提供一种双腔式液流电池板框及其组成的电池单元，电池板框包括电解液主流通道机构、分流机构、槽机构、密封机构、电极腔23和隔离条24。

电解液主流通道机构设置在电池板框四角处、上端中心处和下端中心处，分流机构设置在电解液主流通道机构内侧，两个电极腔23设置在电池板框内，槽机构设置在电极腔23外侧，密封机构设置在电解液主流通道机构外侧和槽机构内侧，隔离条24设置在两个独立电极腔23间与电池板框为一体成型结构，电解液主流通道机构与分流机构相连，分流机构与电极腔23相连。

电池板框包括正极板框1和负极板框2。正极板框1包括正极板框膜侧3和正极板框双极板侧4。负极板框2包括负极板框膜侧5和负极板框双极板侧6。电池板框中的两个独立电极腔23流经同一种电解液，同是正极或负极电解液。电池板框材料为PP、CPVC、PE或PVC纯高分子材料，也可以采用添加玻璃纤维等改性材料的混高分子材料，经过机加工、注塑或模压加工而成。

电解液主流通道机构包括正极电解液进液口7、正极电解液出液口8、负极电解液进液口9和负极电解液出液口10。如图2所示，两个正极电解液进液口7分别设置在正极板框1左下角和右下角，两个正极电解液出液口8设置在正极板框1上端中心处，两个负极电解液进液口9设置在正极板框1下端中心处，两个负极电解液出液口10分别设置在正极板框1左上角和右上角。

如图5所示，两个正极电解液进液口7分别设置在负极板框2左下角和右下角，两个正极电解液出液口8设置在负极板框2上端中心处，两个负极电解液进液口9设置在负极板框2下端中心处，两个负极电解液出液口10分别设置在负极板框2左上角和右上角。

分流机构设置在正极板框双极板侧4(如图2所示)和负极板框双极板侧6(如图5所示)，包括多个电解液三级分流通道15。如图3所示，电解液三级分流通道15包括第一级分流通道、第二级分流通道和第三极分流通道。第一级分流通道深度为1～3mm，均匀设置有若干一级分流阻力凸台16，一级分流阻力凸台16为平行四边形凸台，平行四边形凸台长度为10～50mm，宽度为2～5mm，间隔为30～200mm。一级分流阻力凸台16用于减缓电解液进入流速，同时可以引导电解液的流动方向，使其进入下一层时有一致的流动方向。第二级分流通道深度为1～3mm，设置有若干二级分流阻力凸台17，二级分流阻力凸台17为若干组长短结合的凸台，长凸台长度为5～30mm，短凸台长度为3～10mm，宽度均为5～10mm，间隔为5～10mm，长短凸台越靠近隔离条24间隔距离越小，凸台正中间设置有分流缓坡，有助于流体均流。二级分流阻力凸台17用于二次减缓电解液流速，使电解液均匀进入三级分流通道。第三极分流通道深度为2mm，均匀设置有若干三级分流阻力凸台18，三级分流阻力凸台18为矩形凸台，矩形凸台长度为3～7mm，宽度为3～7mm，间隔为5～10mm。三级分流阻力凸台18使电解液进一步均匀分布。三级分流阻力凸台18外侧设置有一段缓冲流道，宽度为5～10mm，电解液在缓冲流道内可进一步均匀分布。

槽机构包括离子膜槽11和双极板槽19。如图1所示，离子膜槽11设置在正极板框膜侧3，用于离子膜20定位。如图5所示，双极板槽19设置在负极板框双极板侧6，用于双极板22定位。

密封机构包括离子膜密封槽12、电解液主流通道密封环槽13、双极板密封槽14和密封垫。离子膜密封槽12分别设置在正极板框膜侧3(如图1所示)和负极板框膜侧5(如图4所示)的电极腔23外侧，对离子膜20起到密封作用，防止电解液泄露。如图1所示，电解液主流通道密封环槽13设置在正极板框膜侧3的正极电解液进液口7、正极电解液出液口8、负极电解液进液口9和负极电解液出液口10外侧。如图2所示，电解液主流通道密封环槽13设置在正极板框双极板侧4的负极电解液进液口9和负极电解液出液口10外侧。如图5所示，电解液主流通道密封环槽13设置在负极板框双极板侧6的正极电解液进液口7和正极电解液出液口8外侧。电解液主流通道密封环槽13起到密封作用，防止电解液泄露。双极板密封槽14分别设置在正极板框双极板侧4(如图2所示)和负极板框双极板侧6(如图5所示)的电解液主流通道机构外侧，对双极板22起到密封作用，防止电解液泄露。密封垫为橡胶类或热塑性弹性体类材料，采用粘结、焊接或机械固定的方式安装在离子膜密封槽12、电解液主流通道密封环槽13和双极板密封槽14内，也可以与电池板框一体成型。

如图1所示，本实施例中的电池板框包含两个独立的电极腔23，用于放置电极21，长度为400～700mm，宽300～500mm，长宽比为1～2，较小的长宽比有利于电解液在电极21中均匀分布，不易形成死区，同时减小进出液口孔径、减小电池板框体积、降低流体阻力，适合工程上大型电池堆的生产。

两个独立的电极腔23之间设置有隔离条24，隔离条24与流体框结构是一体成型。两个电极腔23分别放两块电极21，有助于电解液在电极21内的均匀流动，并且可以减少电池极化反应。正、负极电解液分别有两个进液口和出液口，分别对应到两个电极腔23，可以使电解液在电极腔23内分布的更均匀。

如图6所示，一种双腔式液流电池单元各个部件按照正极板框1、电极21、离子膜20、负极板框2、电极21和双极板22的顺序进行安装，包含两个独立并联的电池单元。离子膜20通过焊接或粘结形式与电池板框形成一体化结构。

将离子膜20放入正极板框膜侧3的离子膜槽11中，然后将负极板框膜侧5装配在正极板框膜侧3上，正极板框1和负极板框2上的离子膜密封槽12和密封垫将离子膜20密封，把电极21分别装入负极板框2的两个电极腔23，双极板22放置在负极板框双极板侧6的双极板槽19中，将另一块正极板框1的正极板框双极板侧4装到负极板框双极板侧6上，再将两块电极21分别装入正极板框1的两个电极腔23中，之后将离子膜20再次放入正极板框1的离子膜槽11里。多组电池单元顺序叠放组装成电池堆系统，提高单电池堆的功率。

正极电解液从正极电解液进液口7流入电解液三级分流通道15，降低电解液流速，分布更加均匀，进入正极板框1中的两个电极腔23发生化学反应，进行充放电，然后经电解液三级分流通道15从正极电解液出液口8流出。负极电解液从负极电解液进液口9流入电解液三级分流通道15，降低电解液流速，分布更加均匀，进入负极板框2中的两个电极腔23发生化学反应，进行充放电，然后经电解液三级分流通道15从负极电解液出液口10流出。

正、负极电解液通过电解液进、出液口实现在每对电池单元间流过，即电池单元之间为并联关系。电解液通过三级分流通道，均匀进入电极腔23，每块电池板框的两个电极腔23流经的电解液性质一样，即同是正或同是负极电解液。

实施例2：

采用实施例1中的双腔式液流电池板框及其组成的电池单元，不同之处在于正极电解液从正极电解液出液口8流入正极板框1中的电极腔23，从正极电解液进液口7流出；负极电解液从负极电解液出液口10流入负极板框2中的电极腔23，从负极电解液进液口9流出。

实施例3：

采用实施例1中的双腔式液流电池板框及其组成的电池单元，不同之处在于负极电解液从正极电解液进液口7流入正极板框1中的电极腔23，从正极电解液出液口8流出；正极电解液从负极电解液进液口9流入负极板框2中的电极腔23，从负极电解液出液口10流出。

实施例4：

采用实施例1中的双腔式液流电池板框及其组成的电池单元，不同之处在于负极电解液从正极电解液出液口8流入正极板框1中的电极腔23，从正极电解液进液口7流出；正极电解液从负极电解液出液口10流入负极板框2中的电极腔23，从负极电解液进液口9流出。

实施例5：

采用实施例1中的双腔式液流电池板框及其组成的电池单元，不同之处在于，将实施例1中的电极腔23增加到三个及以上，其它结构与实施例1相同。在技术能实现的条件下，相应增加电极腔23的数量，有助于电解液在电极21中更均匀的分布。

尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种双腔式液流电池板框，其特征在于，所述电池板框包括电解液主流通道机构、分流机构、槽机构、密封机构、电极腔(23)和隔离条(24)；

所述电解液主流通道机构设置在电池板框四角处、上端中心处和下端中心处；所述分流机构设置在电解液主流通道机构内侧；两个所述电极腔(23)设置在电池板框内；所述槽机构设置在电极腔(23)外侧；所述密封机构设置在电解液主流通道机构外侧和槽机构内侧；所述隔离条(24)设置在两个独立电极腔(23)间与电池板框为一体成型结构；

所述电解液主流通道机构与分流机构相连；所述分流机构与电极腔(23)相连。

2.根据权利要求1所述的双腔式液流电池板框，其特征在于，所述电池板框包括正极板框(1)和负极板框(2)；

所述正极板框(1)包括正极板框膜侧(3)和正极板框双极板侧(4)；

所述负极板框(2)包括负极板框膜侧(5)和负极板框双极板侧(6)；

所述电池板框中的两个独立电极腔(23)流经同一种电解液，同是正极或负极电解液。

3.根据权利要求2所述的双腔式液流电池板框，其特征在于，所述电池板框材料为PP、CPVC、PE或PVC纯高分子材料经过机加工、注塑或模压加工而成。

4.根据权利要求1或2所述的双腔式液流电池板框，其特征在于，所述电解液主流通道机构包括正极电解液进液口(7)、正极电解液出液口(8)、负极电解液进液口(9)和负极电解液出液口(10)；

两个所述正极电解液进液口(7)分别设置在正极板框(1)左下角和右下角；两个所述正极电解液出液口(8)设置在正极板框(1)上端中心处；两个所述负极电解液进液口(9)设置在正极板框(1)下端中心处；两个所述负极电解液出液口(10)分别设置在正极板框(1)左上角和右上角；

两个所述正极电解液进液口(7)分别设置在负极板框(2)左下角和右下角；两个所述正极电解液出液口(8)设置在负极板框(2)上端中心处；两个所述负极电解液进液口(9)设置在负极板框(2)下端中心处；两个所述负极电解液出液口(10)分别设置在负极板框(2)左上角和右上角。

5.根据权利要求1或2所述的双腔式液流电池板框，其特征在于，所述分流机构包括多个电解液三级分流通道(15)；

所述电解液三级分流通道(15)设置在正极板框双极板侧(4)和负极板框双极板侧(6)，包括第一级分流通道、第二级分流通道和第三极分流通道；

所述第一级分流通道深度为1～3mm，均匀设置有若干一级分流阻力凸台(16)；所述一级分流阻力凸台(16)为平行四边形凸台，平行四边形凸台长度为10～50mm，宽度为2～5mm，间隔为30～200mm；

所述第二级分流通道深度为1～3mm，设置有若干二级分流阻力凸台(17)；所述二级分流阻力凸台(17)为若干组长短结合的凸台，长凸台长度为5～30mm，短凸台长度为3～10mm，宽度均为5～10mm，间隔为5～10mm，长短凸台越靠近隔离条(24)间隔距离越小，凸台正中间设置有分流缓坡；

所述第三极分流通道深度为2mm，均匀设置有若干三级分流阻力凸台(18)；所述三级分流阻力凸台(18)为矩形凸台，矩形凸台长度为3～7mm，宽度为3～7mm，间隔为5～10mm；

所述三级分流阻力凸台(18)外侧设置有一段缓冲流道，宽度为5～10mm。

6.根据权利要求1或2所述的双腔式液流电池板框，其特征在于，所述槽机构包括离子膜槽(11)和双极板槽(19)；

所述离子膜槽(11)设置在正极板框膜侧(3)内；所述双极板槽(19)设置在负极板框双极板侧(6)。

7.根据权利要求1所述的双腔式液流电池板框，其特征在于，所述密封机构包括离子膜密封槽(12)、电解液主流通道密封环槽(13)、双极板密封槽(14)和密封垫；

所述离子膜密封槽(12)设置在电极腔(23)外侧；所述电解液主流通道密封环槽(13)设置在正极电解液进液口(7)、正极电解液出液口(8)、负极电解液进液口(9)和负极电解液出液口(10)外侧；所述双极板密封槽(14)设置在电解液主流通道机构外侧。

8.根据权利要求7所述的双腔式液流电池板框，其特征在于，所述密封垫为橡胶类或热塑性弹性体类材料，采用粘结、焊接或机械固定的方式安装在离子膜密封槽(12)、电解液主流通道密封环槽(13)和双极板密封槽(14)内，也可以与电池板框一体成型。

9.根据权利要求1所述的双腔式液流电池板框，其特征在于，两个独立所述电极腔(23)用于放置电极(21)，长宽比为1～2。

10.一种双腔式液流电池单元，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的电池板框组成电池单元，电池单元各个部件按照正极板框(1)、电极(21)、离子膜(20)、负极板框(2)、电极(21)和双极板(22)的顺序进行安装；

所述电池单元包含两个独立并联的电池单元；

多组所述电池单元顺序叠放组装成电池堆系统；

所述离子膜(20)通过焊接或粘结形式与电池板框形成一体化结构。

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