CN218769641U - 液流电池电堆和液流电池 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种液流电池电堆和液流电池，其中液流电池电堆包括电堆主体，电堆主体由多个依次交替堆叠的单电池和双极板组成，且单电池包括电极以及容纳电极的电极框；在电堆主体上具有凹槽，凹槽用于与导线插头相配合，使得导线插头在插入凹槽后与双极板接触。本实用新型放弃了原液流电池电堆的凸出式巡检结构，而采用了插入式巡检结构，避免损坏双极板，而且降低了生产环节的材料浪费，降低了成本和提高了效率。

Description

液流电池电堆和液流电池

技术领域

本实用新型主要涉及电化学储能技术领域，尤其涉及一种液流电池电堆和液流电池。

背景技术

将太阳能、风能等零碳排放的可再生能源可靠地整合到当前的电力基础设施中，以替代高碳排放的煤炭、石油、天然气等不可再生能源，是实现我国“双碳”目标的一个重要途径。然而太阳能和风能发电的间歇性、不稳定性，顽固地阻止着这一进程的推进。

为了平滑和稳定可再生能源的发电输出及解决发电与用电的时差矛盾，提高电力品质和电网可靠性，有必要发展高效储能技术。氧化还原液流电池(Redox Flow Battery，RFB)是一种新兴的电化学储能技术，以其特有的安全、长寿命、功率和能量任意搭配等特点，被认为是有望成为真正帮助实现这一目标的储能技术。例如，全钒液流电池技术因其安全性和理论上的无限寿命，被认为是目前电化学储能领域中理想的大规模静态储能技术，有望集成到不稳定的太阳能、风能等可再生能源的发电设施中，加速对煤炭等高排放的不可再生能源的替代过程。

液流电池的核心功率单元是其单电池，单电池堆叠成电堆。电堆中各节单电池的电压巡检，对于整个电堆的控制、测试、排除故障等环节都具有非常重要的意义。为了实现此功能，现行的巡检结构是在双极板的一侧增加凸出部，以便后续巡检。然上述凸出式的巡检结构非常脆弱，双极板加工完成后，稍有磕碰受力，极易受损。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种液流电池电堆和液流电池，在不对电堆性能产生影响的前提下，克服原凸出式巡检结构脆弱易损坏等缺点，增加结构灵活性和便利性。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种液流电池电堆，包括：电堆主体，所述电堆主体包括多个依次交替堆叠的单电池和双极板，其中所述单电池包括电极以及容纳所述电极的电极框；在所述电堆主体上具有凹槽，所述凹槽用于与导线插头相配合，使得所述导线插头在插入所述凹槽后与所述双极板接触。

可选地，所述凹槽位于所述双极板的外侧边。

可选地，所述凹槽位于所述电极框的外侧边。

可选地，所述凹槽的一部分位于所述双极板一侧，另一个部分位于所述电极框的一侧。

可选地，所述凹槽的平面形状为长方形、半圆形或梯形。

可选地，所述凹槽的厚度小于所述电极框的厚度。

可选地，所述凹槽的厚度为0.8～2mm。

可选地，所述凹槽与所述导线插头过盈配合。

可选地，所述双极板与所述电极框之间的密封垫具有与所述凹槽对应的缺口。

本实用新型还提供了一种液流电池，所述液流电池包括前述任一项所述的液流电池电堆。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：在电堆主体上具有凹槽，凹槽用于与导线插头相配合，使得导线插头在插入凹槽后与双极板接触，放弃了原液流电池电堆的凸出式巡检结构，采用了插入式巡检结构，避免损坏双极板，而且降低了生产环节的材料浪费，降低了成本和提高了效率。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本申请原理的作用。附图中：

图1是一种典型的液流电池电堆；

图2是一种目前通用的巡检结构的示意图；

图3是图2的A处的结构放大示意图；

图4是本实用新型一个实施例中液流电池电堆的巡检结构的结构示意图；

图5是图4的B处的结构放大示意图；

图6是采用本实用新型一个实施例中的巡检结构的效果示意图；

图7是图6的C处的结构放大示意图；

图中各附图标记为：

101-端板；102-进液板；103-集流板；104-单电池；105-紧固件；

201-双极板；202-电极框；203-密封垫；204-巡检凸部；205-保护凸部；

301-巡检导线；302-U型夹片；303-导线插头；304-凹槽；305-缺口。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

液流电池的核心功率单元是其单电池104，单电池104由第一电极、第二电极、将二者隔开的质子膜以及容纳第一电极和第二电极的电极框202组成。由于单电池104的工作电压有限，如目前商业化程度最高的全钒液流电池，其工作电压仅为1～1.5V，难以满足实际电力需求，所以液流电池相关结构往往是将多节单电池104堆叠起来、两两以导电且耐腐蚀的双极板201隔开，在电路上串联，从而提升液流电池整体输出电压至可以实用的程度。这种方式形成的堆叠结构便是电堆主体，当然再辅以其他外围部件最终形成液流电池电堆。

图1是一种典型的液流电池电堆，参考图1，电堆由端板101、进液板102、集流板103、若干节单电池104和双极板201(图1中未示出)等部件依次堆垛而成，再由贯穿整个结构的螺杆、螺母、弹簧等紧固件105将各部件夹紧。其中，多个依次交替堆叠的单电池104和双极板201形成电堆主体。由于所使用的材料本身难免存在不均匀、机械加工误差等情况，各节单电池104之间难免会存在一定差异，这些差异如果太大会直接影响到液流电池电堆的充放电容量，液流电池电堆性能会因此大幅下降。此外，液流电池电堆内部可能会出现外部难以监测到的一些故障，例如内漏，即正极和负极局部短路，这同样会极大地影响液流电池性能。检测每节单电池104一致性、判断液流电池电堆是否内漏以及确定液流电池电堆内漏位置的常用方法是在每两节单电池104之间的双极板201上连接一个巡检导线301，监测每块双极板201上的电压，即两节单电池104之间的电压，从而可以实时得知每节单电池104的工作状态。例如，在液流电池电堆工作状态下，比较监测得到的各节单电池104的巡检电压值，计算其极差值，可以定量地确定各节单电池104的一致性。此外，液流电池电堆停机自放电时，通过监控各节单电池104的巡检电压，可以简单地确定液流电池电堆是否发生内漏，并且找到内漏发生的位置，这给出现故障后对液流电池电堆的返修工作带来极大的便利。

为实现对液流电池电堆的巡检电压监控功能，常在液流电池电堆的双极板201的一侧边增加一个长方形的、凸出的巡检凸部204。图2是一种目前通用的巡检结构的示意图，图3是图2的A处的结构放大示意图，参考图2和图3，巡检导线301与双极板201相配合的一端常为金属材质的U型夹片302，U型夹片302正好夹紧双极板201上的巡检凸部204。在检测单电池104时，巡检导线301将双极板201上的电压信息传导出去，进而可以了解到单电池104的工作状态，初步确定液流电池电堆是否发生内漏。虽然该凸出式巡检结构可以很好地实现巡检功能，但在实际操作中却存在一些不足，双极板201质脆且价格昂贵，凸出式巡检结构也非常脆弱，加工完成后，稍有磕碰受力，双极板201极易受损，而一旦巡检结构被破坏，该整块双极板201报废，造成不可忽视的浪费。

实施例一

参考图1、图4～图7，本实施例提供的液流电池电堆，其结构主要包括：由端板101、进液板102、集流板103、若干节单电池104和双极板201等部件依次堆垛而成，再由贯穿整个结构的螺杆、螺母、弹簧等紧固件105将各部件夹紧。其中，多个依次交替堆叠的单电池104和双极板201形成电堆主体。单电池104包括电极以及容纳电极的电极框202，在电堆主体上具有凹槽304，凹槽304用于与导线插头303相配合，使得导线插头303在插入凹槽304后与双极板201接触。当需要对电堆(或者说单电池104)进行电压巡检时，将导线插头303插入到凹槽304中，由于导线插头303在插入凹槽304后与双极板201接触，因此巡检导线301可以将双极板201上的电压信息传导出去，实现巡检功能。更为重要的是，在本实施例结构中，以插入式巡检结构替代了原凸出式巡检结构，避免损坏双极板201，减少部件损耗。

在一些实施方式中，凹槽304位于双极板201的外侧边。即本结构是在双极板201的外侧边开有与导线插头303匹配的凹槽304，导线插头303可以直接与双极板201接触，以提升导线插头303与双极板201之间导电性能。

在一些实施方式中，凹槽304位于电极框202的外侧边。在本实施例中，虽然可以将凹槽304直接设置在双极板201上，但是在制造工艺上此种结构却处于劣势。一般情况下，双极板201的厚度较薄，势必导致需要加工的凹槽304较薄，加大了凹槽304成型的复杂程度。另外，双极板201的材质较脆，这也会提高凹槽304的加工难度。因此，考虑到制造工艺的难易程度，可以将凹槽304从较为脆弱的双极板201上挪至相对坚实耐用的电极框202上，由于电极框202与双极板201相邻，只要保证导线插头303在插入凹槽304后能够与双极板201接触即可。此外，电极框202较双极板201具有更大的厚度，利于实现更厚的凹槽304，进而使得凹槽304与导线插头303之间的配合更加紧密牢固。采用此种结构，并不需要对电极框202现行结构进行太多的改变，只需在电极框202靠近双极板201一侧的外侧边合适位置设置凹槽304。本实施例结构将凹槽304设置在电极框202上，不仅消除了双极板201的凸出结构，同时也不在双极板201上进行结构改进，保持了双极板201的结构完整性，进一步保护双极板201。

在一些实施方式中，凹槽304的一部分位于双极板201一侧，另一个部分位于电极框202的一侧。当凹槽304只在双极板201上时，该巡检结构可以提升导线插头303与双极板201之间导电性能，但是加工难度较大；当凹槽304只在电极框202上时，凹槽304的加工难度低，但是导线插头303与双极板201仅实现了单面接触，导线插头303与双极板201之间导电性能不如前者。在需要综合考虑到上述两种情况下，可以将凹槽304的一部分位于双极板201一侧，另一个部分位于电极框202的一侧，综合各结构优势性能以达到所需目的。例如，若设计目标是偏向导线插头303与双极板201之间的导电性能，则凹槽304可以是2/3位于双极板201侧，1/3位于电极框202侧，若设计目标是偏向导线插头303的结构稳定，则凹槽304可以是1/3位于双极板201侧，2/3位于电极框202侧。

在一些实施方式中，凹槽304的平面形状(不考虑其厚度的形状)可以为长方形、半圆形或梯形。显然，本领域技术人员能够理解，凹槽304的平面形状还可以是其他形状，以满足凹槽304与导线插头303之间的配合要求即可，在此不一一列举。一般情况下，液流电池电堆采用平面形状为长方形的凹槽304，凹槽304采用长方形结构，则相应的导线插头303也是长方形结构，当导线插头303沿其长度方向插入到液流电池电堆内，如插入到双极板201内、插入到电极框202内等，使得导线插头303在插入凹槽304后整体结构更加稳定，此外，长方形结构的凹槽304也更利于制造工艺实现。

在一些实施方式中，凹槽304的厚度小于电极框202的厚度。凹槽304的存在应当以不影响电堆的物理和电学性能为前提，因此，凹槽304的设计应遵循降低对电极框202性能(主要是力学性能)的影响为原则。例如，凹槽304的厚度可以是不超过电极框202厚度的1/3。当然，凹槽304的厚度主要取决于插入式的导线插头303的硬度，在不妨碍导线插头303插入凹槽304的前提下，凹槽304的厚度越小越好。示意性的，对于SUS304材质的导线插头303，凹槽304的厚度一般在1～2mm。一般情况下，结合常用的液流电池结构，凹槽304的厚度为0.8～2mm。

在一些实施方式中，液流电池电堆一般是侧立放置，参考图1，其四条边中一条朝下，一条安放集流板103的凸出结构，用于在液流电池电堆两端连接外电路，在剩余两条边，可视具体情况(如巡检线布置的便利性)合理布置凹槽304的位置以及数量，在此不再赘述。

在一些实施方式中，凹槽304与导线插头303可以是过盈配合。以导线插头303采用与目前U型夹片302相同的SUS304材质为例，导线插头303的形状与电极框202上凹槽304的形状一致，而导线插头303的尺寸比凹槽304略大一些，通过过盈配合的公差进行调整，使得导线插头303能紧紧插入凹槽304而不会轻易脱落。由于液流电池电堆的堆叠性质，过盈配合也可以实现导线插头303和双极板201紧密接触。

在一些实施方式中，双极板201与电极框202之间的密封垫203具有与凹槽304对应的缺口305，以避免凹槽304被绝缘的密封垫203遮挡。在本实施例结构中，若电极框202与双极板201之间采用面密封方式，由于面密封的密封垫203本身存在一定厚度，因此，导线插头303的厚度则需要考虑压缩后密封垫203的厚度。

本领域技术人员能够理解，若电极框202与双极板201之间的密封方式不同，则导线插头303的尺寸、以及电极框202和双极板201之间的密封垫203均需要进行适应性的调整。

本实施例提供的液流电池电堆，其具有凹槽304与导线插头303相配合的插入式巡检结构，可以减少材料用量，且凹槽304的尺寸相对电极框202极小，因此，凹槽304对电极框202性能的影响几乎可以忽略。在液流电池电堆上预留多个巡检点，可以增加灵活性，为巡检导线301及其相关线路的布置增加便利。本实施例结构避免损坏双极板201，也节省了双极板201的材料用量。

实施例二

参考图1、图4～图7，本实施例提供的液流电池电堆，其结构主要包括：由端板101、进液板102、集流板103、若干节单电池104和双极板201等部件依次堆垛而成，再由贯穿整个结构的螺杆、螺母、弹簧等紧固件105将各部件夹紧。其中，多个依次交替堆叠的单电池104和双极板201形成电堆主体。单电池104包括电极以及容纳电极的电极框202，在电堆主体上具有凹槽304，凹槽304用于与导线插头303相配合，使得导线插头303在插入凹槽304后与双极板201接触。

在与双极板201相邻的一个电极框202朝上的位置，位于电极框202侧边的中心处，开辟一个长宽深(或长宽厚)分别为7*5*0.8mm取负公差的长方形凹槽304。双极板201不再设置任何巡检凸部204，电极框201也不再设置任何保护凸部205。双极板201与电极框202之间起密封作用的是加热加压后会产生粘性、具有较好耐水耐酸碱腐蚀能力的改性聚烯烃类热熔胶，热熔胶厚度为0.25mm。在此热熔胶上与电极框202上凹槽304相对应的位置预留一个9*7mm的长方形缺口305，避免绝缘的热熔胶阻碍导线插头303与双极板201接触。导线插头303为与凹槽304匹配的长方体形状，长度略长于凹槽304(一般10mm)，预留出巡检导线301的焊接位置，导线插头303的宽与电极框202上凹槽304的宽度相同，导线插头303的厚度为凹槽304厚度与热熔胶厚度之和，各配合位置的公差取正公差，实现导线插头303与凹槽304之间过盈配合，确保导线插头303插入凹槽304后不会轻松脱落，且能与双极板201紧密接触。

在本实施例中，采用上述导线插头303与凹槽304相配合的结构，组装了一个60节30KW级别的液流电池电堆，相比同样节数和性能的现行液流电池电堆，双极板201材料用量共计减少接近0.5m²，减少了由于磕碰导致的双极板201报废面积约0.5m²。可见，本实施例结构降低了材料浪费。后续使用过程中进一步表明，与原凸出式巡检结构相比，本实施例插入式巡检结构并未对液流电池电堆的功能产生任何负面影响，并且较好地完成了巡检功能。

实施例三

本实施例提供了一种液流电池，此液流电池包括如实施例一或实施例二所示的液流电池电堆。

本实施例提供的液流电池，由于在其电堆主体上设置有凹槽304，凹槽304用于与导线插头303相配合，使得导线插头303在插入凹槽304后与双极板201接触，放弃了原液流电池电堆的凸出式巡检结构，而采用了插入式巡检结构，避免损坏双极板201，减少了材料用量，也未对液流电池电堆性能产生不利影响。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述实用新型披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种液流电池电堆，其特征在于，包括：

电堆主体，所述电堆主体包括多个依次交替堆叠的单电池(104)和双极板(201)，其中所述单电池(104)包括电极以及容纳所述电极的电极框(202)；

在所述电堆主体上具有凹槽(304)，所述凹槽(304)用于与导线插头(303)相配合，使得所述导线插头(303)在插入所述凹槽(304)后与所述双极板(201)接触。

2.如权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于，所述凹槽(304)位于所述双极板(201)的外侧边。

3.如权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于，所述凹槽(304)位于所述电极框(202)的外侧边。

4.如权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于，所述凹槽(304)的一部分位于所述双极板(201)一侧，另一个部分位于所述电极框(202)的一侧。

5.如权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于，所述凹槽(304)的平面形状为长方形、半圆形或梯形。

6.如权利要求3所述的液流电池电堆，其特征在于，所述凹槽(304)的厚度小于所述电极框(202)的厚度。

7.如权利要求6所述的液流电池电堆，其特征在于，所述凹槽(304)的厚度为0.8～2mm。

8.如权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于，所述凹槽(304)与所述导线插头(303)过盈配合。

9.如权利要求1所述的液流电池电堆，其特征在于，所述双极板(201)与所述电极框(202)之间的密封垫(203)具有与所述凹槽(304)对应的缺口(305)。

10.一种液流电池，其特征在于，所述液流电池包括如权利要求1～9任一项所述的液流电池电堆。

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