CN214152947U - 一种液流电池流体板框及其组成的单电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种液流电池流体板框及其组成的单电池。液流电池流体板框包括电解液主流通道机构、均流机构、槽机构、密封机构和电极区；电解液主流通道机构设置在流体板框四角处；均流机构设置在电解液主流通道机构内侧；电极区设置在流体板框内；槽机构设置在电极区外侧；密封机构设置在电解液主流通道机构外侧和槽机构内侧；电解液主流通道机构与均流机构相连；均流机构与电极区相连。本实用新型提出的液流电池流体板框上设置有散射状均流凸台和三级均流凸台，使电解液均匀进入电极区。双面流道的双极板可以配合使用更薄的碳纸作为电极材料，使得电解液直接流过电极表面，提升电解液的传质速度，降低电池内阻，提高电池电化学性能。

Description

一种液流电池流体板框及其组成的单电池

技术领域

本实用新型属于液流电池技术领域，特别涉及一种液流电池流体板框及其组成的单电池。

背景技术

相比于传统火力发电，风能、太阳能等可再生能源发电虽然清洁、无污染，但因其对自然条件的依赖，易受昼夜交替、晴雨变化、季节更迭的影响，输出的电力具有间歇性和随机性的特点，无法与用电需求进行实时的匹配，且受其波动性的冲击，电网系统的寿命亦会受到影响，这些不足为其并入电网带来了挑战。为了解决这一矛盾，需要在电网中引入储能装置。液流电池凭借着功率、容量独立可调、设计灵活、性价比高、使用寿命长、安全性好等优点，在众多的储能技术中脱颖而出。目前已经实现了兆瓦以上级储能系统的示范运行，进入了商业市场开拓阶段。随着市场竞争的日趋激烈，如何提高电池性能、增大单堆功率、降低成本就成了储能企业研发的主要方向。

根据电解液的供液方式，电池单元内部电解液配送至电极表面的方式可分为直接流经和表面流过两种类型。在直接流经型配液方式中，对流是反应物传输的主要决定因素，而在表面流过型的配液方式中，反应物主要依靠浓度差引起的扩散作用从电解液流道运动到碳纤维表面。如果选用较厚的碳毡材料作为电极，那么需要选择直接流经型供液方式，而如果选用很薄的碳纸材料作为电极，那么需要选择表面流过型供液方式。目前的商用电堆中大部分是选择用碳毡作为电极，但是碳纸电阻更小、比表面积更大，更适合作为电极材料。而如果选择碳纸作为电极材料，需要搭配流道结构，以减小流体阻力。

实用新型内容

针对上述问题，本实用新型提供一种液流电池流体板框，包括电解液主流通道机构、均流机构、槽机构、密封机构和电极区；

所述电解液主流通道机构设置在流体板框四角处；所述均流机构设置在电解液主流通道机构内侧；所述电极区设置在流体板框内；所述槽机构设置在电极区外侧；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；

所述电解液主流通道机构与均流机构相连；所述均流机构与电极区相连。

进一步地，所述流体板框包括第一流体板框和第二流体板框；

所述第一流体板框包括第一流体板框膜侧和第一流体板框双极板侧；

所述第二流体板框包括第二流体板框膜侧和第二流体板框双极板侧。

进一步地，所述流体板框材料为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四个电解液主流通道，分别设置在第一流体板框和第二流体板框的四角处。

进一步地，所述均流机构设置在第一流体板框双极板侧和第二流体板框双极板侧，包括电解液支流通道、散射状均流凸台和三级均流凸台；

所述电解液支流通道上设置有散射状均流凸台和三级均流凸台；

所述三级均流凸台包括一级凸台、二极凸台和三级凸台。

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第二流体板框膜侧；

所述双极板槽设置在第一流体板框双极板侧。

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

所述离子膜密封槽设置在第一流体板框膜侧和第二流体板框膜侧的电极区外侧；

所述双极板密封槽设置在第一流体板框双极板侧和第二流体板框双极板侧；

所述电解液主流通道密封槽设置在电解液主流通道外侧。

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、双极板密封槽和电解液主流通道密封槽内。

进一步地，一种液流单电池，各个部件按照电极、第一流体板框、双极板、第二流体板框、电极和离子膜的顺序进行安装；

所述双极板包括双极板流道、支撑凸台和双极板平板；

所述双极板平板两侧设置有双极板流道和支撑凸台；

所述双极板流道为平行流道、蛇形流道或交叉形流道；

所述离子膜通过焊接或粘结形式与流体板框形成一体化结构。

进一步地，所述电极为石墨毡、碳毡、碳纸材料，单层或者多层叠放使用；或，

所述双极板为高含量石墨与高分子材料的复合材料，石墨成分大于50％。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：该新型液流电池流体板框上设置有散射状均流凸台和三级均流凸台，使电解液均匀进入电极区。双面流道的双极板可以配合使用更薄的碳纸作为电极材料，使得电解液直接流过电极表面，可以提升电解液的传质速度，降低电池内阻，提高电池电化学性能。

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第一流体板框双极板侧的结构示意图；

图2示出了本实用新型实施例的第一流体板框膜侧的结构示意图；

图3示出了本实用新型实施例的第二流体板框双极板侧的结构示意图；

图4示出了本实用新型实施例的第二流体板框膜侧的结构示意图；

图5示出了本实用新型实施例的双极板的结构示意图；

图6示出了本实用新型实施例的双极板侧视图；

图7示出了本实用新型实施例的液流单电池的组装示意图。

图中：1、第二流体板框；2、电解液主流通道；3、双极板密封槽；4、电解液支流通道；5、散射状均流凸台；6、三级均流凸台；7、电解液主流通道密封槽；8、第二流体板框双极板侧；9、电极区；10、离子膜槽；11、离子膜密封槽；12、第一流体板框；13、第一流体板框双极板侧；14、双极板槽；15、第二流体板框膜侧；16、第一流体板框膜侧；17、双极板流道；18、双极板平板；19、双极板；20、支撑凸台；21、电极；22、离子膜。

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。

本实用新型提供一种液流电池流体板框，包括电解液主流通道机构、均流机构、槽机构、密封机构和电极区9。

电解液主流通道机构设置在流体板框四角处，均流机构设置在电解液主流通道机构内侧，电极区9设置在流体板框内，槽机构设置在电极区9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，电解液主流通道机构与均流机构相连，均流机构与电极区9相连。

该新型流体板框上设置有散射状均流凸台5和三级均流凸台6，使电解液均匀进入电极区9。双面流道的双极板19可以配合使用更薄的碳纸作为电极材料，使得电解液直接流过电极21表面，可以提升电解液的传质速度，降低电池内阻，提高电池电化学性能。

流体板框包括第一流体板框12和第二流体板框1。第一流体板框12包括第一流体板框膜侧16和第一流体板框双极板侧13，第二流体板框1包括第二流体板框膜侧15和第二流体板框双极板侧8。流体板框材料为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。

电解液主流通道机构包括四个电解液主流通道2，分别设置在第一流体板框12(如图1所示)和第二流体板框1(如图3所示)的四角处，分为两组，对角线上的两个电解液主流通道2为一组，一个作为电解液进液口，另外一个作为电解液出液口。

均流机构设置在第一流体板框双极板侧13(如图1所示)和第二流体板框双极板侧8(如图3所示)，包括电解液支流通道4、散射状均流凸台5和三级均流凸台6。电解液支流通道4分别设置在第一流体板框双极板侧13和第二流体板框双极板侧8的上端和下端。电解液支流通道4上设置有散射状均流凸台5和三级均流凸台6。散射状均流凸台5设置在电解液主流通道2外侧，呈散射状分布，对电解液中的杂质起到过滤作用，同时还可以起到减缓进口流速，均匀分布电解液的作用。三级均流凸台6包括一级凸台、二极凸台和三级凸台，三级均流凸台6长度和间隔各不相同，一级凸台长度最长，间隔最大，二极凸台次之，三级凸台长度最短，间隔最小，数量最多。这种分级的排布方式可以使电解液在进入电极区9前进一步的均匀分布。

槽机构包括离子膜槽10和双极板槽14。如图4所示，离子膜槽10设置在第二流体板框膜侧15，深度为0.1-0.2mm，用于放置离子膜22。如图1所示，双极板槽14设置在第一流体板框双极板侧13，深度为0.8-1mm，用于放置双极板19。

密封机构包括离子膜密封槽11、双极板密封槽3、电解液主流通道密封槽7和密封垫。离子膜密封槽11设置在第一流体板框膜侧16(如图2所示)和第二流体板框膜侧15(如图4所示)的电极区9外侧，用于密封离子膜22，防止电解液泄露。双极板密封槽3设置在第一流体板框双极板侧13(如图1所示)和第二流体板框双极板侧8(如图3所示)，用于密封双极板19，防止电解液泄露。电解液主流通道密封槽7设置在第一流体板框双极板侧13(如图1所示)左上角和右下角的电解液主流通道2外侧、第一流体板框膜侧16(如图2所示)的电解液主流通道2外侧与第二流体板框双极板侧8(如图3所示)左上角和右下角的电解液主流通道2外侧，用于密封电解液主流通道2，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11、双极板密封槽3和电解液主流通道密封槽7内，亦可由板框材料通过设计出密封结构而实现自密封功能。

如图7所示，一种液流单电池，各个部件按照电极21、第一流体板框12、双极板19、第二流体板框1、电极21和离子膜22的顺序进行安装。电极21可以采用石墨毡、碳毡、碳纸等材料，厚度在0.2-1mm，可以采用单层也可采用多层叠放。离子膜22通过焊接或粘结形式与流体板框形成一体化结构。

如图5所示，双极板19包括双极板流道17、支撑凸台20和双极板平板18，双极板19为高含量石墨与高分子材料的复合材料，石墨成分大于50％。如图6所示，双极板平板18厚度为0.6-1mm，两侧设置有双极板流道17和支撑凸台20，双极板流道17设置在双极板19中心，流道深度在0.5-1.5mm之间，为竖直的平行流道，也可以设计为蛇形流道或交叉形流道。流道可以单独加工后，通过导电胶粘在双极板平板18上，也可以做成厚的双极板19在使用雕刻机雕刻出流道，也可以通过辊压生产工艺直接生成带流道的双极板19。两排支撑凸台20分别设置在双极板流道17外侧，支撑凸台20为矩形，用于支撑电极21。

本实施例的液流单电池的工作方式如下：正(或负)极电解液由第一流体板框12下方的带有三级均流凸台6一侧的电解液主流通道2进入，经过三级均流凸台6均流后，向上流动进入电极区9，由于电极21选用较薄的材料制成，电极区9的阻力很大，因此电解液将迅速充满双极板流道17槽内，这样可以有效降低电极区9的阻力，使得电解液可以充分在电极21表面快速发生电化学反应。正(或负)极电解液通过电极区9后继续向上通过第一流体板框12上方的三级均流凸台6后从入口的对角线方向的电解液主流通道2流出。负(或正)极电解液由第一流体板框12下方另一侧带有电解液主流通道密封槽7的电解液主流通道2流入，可通过双极板19下方的流体孔进入到第二流体板框1的电解液主流通道2中，经过三级均流凸台6均流后进入第二流体板框1的电极区9。同样，负(或正)极电解液通过双极板19的另一侧的双极板流道17后，充分在第二流体板框1的电极区9进行电化学反应，之后向上经三级均流凸台6从进口对角线方向的电解液主流通道2流出。

液流单电池采用较薄的电极21和新型双面带有流道的双极板19，使得电解液直接流过电极21表面，可以提升电解液的传质速度，增大电池电化学性能。

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)

1.一种液流电池流体板框，其特征在于，

包括电解液主流通道机构、均流机构、槽机构、密封机构和电极区(9)；

所述电解液主流通道机构设置在流体板框四角处；所述均流机构设置在电解液主流通道机构内侧；所述电极区(9)设置在流体板框内；所述槽机构设置在电极区(9)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；

所述电解液主流通道机构与均流机构相连；所述均流机构与电极区(9)相连。

2.根据权利要求1所述的液流电池流体板框，其特征在于，

所述流体板框包括第一流体板框(12)和第二流体板框(1)；

所述第一流体板框(12)包括第一流体板框膜侧(16)和第一流体板框双极板侧(13)；

所述第二流体板框(1)包括第二流体板框膜侧(15)和第二流体板框双极板侧(8)。

3.根据权利要求2所述的液流电池流体板框，其特征在于，

所述流体板框材料为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2所述的液流电池流体板框，其特征在于，

所述电解液主流通道机构包括四个电解液主流通道(2)，分别设置在第一流体板框(12)和第二流体板框(1)的四角处。

5.根据权利要求2所述的液流电池流体板框，其特征在于，

所述均流机构设置在第一流体板框双极板侧(13)和第二流体板框双极板侧(8)，包括电解液支流通道(4)、散射状均流凸台(5)和三级均流凸台(6)；

所述电解液支流通道(4)上设置有散射状均流凸台(5)和三级均流凸台(6)；

所述三级均流凸台(6)包括一级凸台、二极凸台和三级凸台。

6.根据权利要求2所述的液流电池流体板框，其特征在于，

所述槽机构包括离子膜槽(10)和双极板槽(14)；

所述离子膜槽(10)设置在第二流体板框膜侧(15)；

所述双极板槽(14)设置在第一流体板框双极板侧(13)。

7.根据权利要求2所述的液流电池流体板框，其特征在于，

所述密封机构包括离子膜密封槽(11)、双极板密封槽(3)、电解液主流通道密封槽(7)和密封垫；

所述离子膜密封槽(11)设置在第一流体板框膜侧(16)和第二流体板框膜侧(15)的电极区(9)外侧；

所述双极板密封槽(3)设置在第一流体板框双极板侧(13)和第二流体板框双极板侧(8)；

所述电解液主流通道密封槽(7)设置在电解液主流通道(2)外侧。

8.根据权利要求7所述的液流电池流体板框，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(11)、双极板密封槽(3)和电解液主流通道密封槽(7)内。

9.一种液流单电池，其特征在于，

采用权利要求1至8任一项所述液流电池流体板框组成的液流单电池，各个部件按照电极(21)、第一流体板框(12)、双极板(19)、第二流体板框(1)、电极(21)和离子膜(22)的顺序进行安装；

所述双极板(19)包括双极板流道(17)、支撑凸台(20)和双极板平板(18)；

所述双极板平板(18)两侧设置有双极板流道(17)和支撑凸台(20)；

所述双极板流道(17)为平行流道、蛇形流道或交叉形流道；

所述离子膜(22)通过焊接或粘结形式与流体板框形成一体化结构。

10.根据权利要求9所述的液流单电池，其特征在于，

所述电极(21)为石墨毡、碳毡、碳纸材料，单层或者多层叠放使用。

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