专利名称：氧化还原液流电池储能装置用的电池堆锁紧机构的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及液流电池的电池堆制造领域。
背景技术：
随着国民经济的高速发展，能源、资源、环境之间的矛盾显得日益突出，通过发展太阳能、风能发电为主的可再生清洁能源，为实现经济可持续发展奠定基础。由于太阳能、风能随着昼夜变化其发电量产生显著变化，难于保持稳定的电能输出，需要和一定规模的电能储存装置相配合，构成完整的供电系统，保证持续稳定的电能供应。因此，开发能量转化效率高、储能容量大、经济性能好的储能系统成为发展可再生清洁能源的关键。氧化还原液流电池系统可实现电能储存与高效转化，具有使用寿命长、环保、安全的特点，易于和太阳能、风能发电相匹配，大幅度降低设备造价，为可再生能源利用提供技术保证。全钒氧化还原液流电池(Vanadium Redox Battery，VRB)是一种新型化学电源，通过不同价态的钒离子相互转化实现电能的储存与释放，是众多化学电源中唯一使用同种元素组成的电池系统，从原理上避免了正负半电池间不同种类活性物质相互渗透产生的交叉污染。当风能、太阳能发电装置的功率超过额定输出功率时，通过对氧化还原液流电池的充电，将电能转化为化学能储存在不同价态的离子中；当发电装置不能满足额定输出功率时，液流电池开始放电，把储存的化学能转化为电能，保证稳定电功率输出。
全钒氧化还原液流电池每个单电池只能提供1.26V左右的电压，实际过程中需要将一定数量单电池串联成电池组，单电池间使用集流板连接，才能输出额定功率的电流和电压。为了研制开发大规模液流电池储能系统，液流电池的电池堆成为重要环节，需要确保装置运行过程中电解液不外漏，同时正极、负极电解液彼此隔离，在电池堆中仅仅和集流板前后电极相接触，各集流板间避免短路现象发生，液流电池的电池堆锁紧机构成为关键问题。
现有液流电池通过框架机构实现密封和电池堆锁紧，利用两个厚重的方形法兰板将电池堆中所有部件夹持的中间，法兰板和电池端板间进行绝缘处理，通过长杆紧固螺钉加压方式把电池堆锁紧，达到密封电解液目的(美国专利No 4,886,586)。该锁紧方式存在结构笨重、需要在电池端板上单独加工电解液流入、流出通道，增加制造电池堆的材料用量和成本，给进一步工程放大和降低生产成本带来困难。
另外的一种方法是采用一个固定框架和与之相配合的压紧框，将若干单电池嵌装在固定框架内，使用压紧框上的紧固螺钉加压方式压紧电池堆。(中国专利CN2727974Y)对于大型电池堆，由于压紧框和固定框架之间的间距难于保持一致，压紧后容易产生电解液渗漏问题。
实用新型内容为了解决上述问题，本申请采用具有绝缘套的螺钉锁紧机构，把原有金属电池端板既作为电流输出部件，又作为紧固部件使用，省去厚重的法兰板部件，完成电池堆中电解液密封。利用价格低廉的通用工程塑料作为绝缘套，实现各集流板间绝缘。由于锁紧螺钉安装在电池堆的边缘密封区域中，缩短了锁紧点和电池堆内密封区域间距离，提高电池堆材料利用率，减小原材料消耗，同时提高密封性能，降低电池堆制造成本。
本实用新型的目的在于提供一种氧化还原液流电池的电池堆锁紧机构，提高电池密封机构的可靠性。
本实用新型的特征在于氧化还原液流电池储能装置用的电池堆锁紧机构，其特征在于，该锁紧机构包括金属制的锁紧螺钉、上、下两个金属垫片、电绝缘材料制的“T”字型外绝缘套和“T”字型内绝缘套，以及锁紧螺母；所述上、下两片垫片依次分别位于所述锁紧螺钉上端和外绝缘套上端之间，以及所述锁紧螺钉用的锁紧螺母和内绝缘套上端之间；所述外绝缘套下端局部嵌压在内绝缘套下端外侧；所述锁紧螺钉和所述上、下垫片、内、外绝缘套以及锁紧螺母同轴相连，通过螺钉孔插入并贯穿被压紧的所述内、外绝缘套上端之间的电池堆；所述各部件构成一组锁紧机构，多组锁紧机构中的所述螺钉孔均匀且平行地分布在所述电池堆端板的边缘方向上，而且位置靠近电池堆的密封区域外侧。
上述发明提供了制造简单、结构可靠的液流电池的电池堆锁紧机构，实现电池堆内所有导电部件间完全绝缘；和电池堆部件相配合，确保电解液的对外密封和正极、负极电解液彼此隔离。由于锁紧螺钉安装在电池堆的边缘密封区域中，明显缩短锁紧点和电池堆内密封区域间距离，有效减小密封区域所占面积，提高电池堆材料利用率；同时省去现有电池堆密封机构中厚重的法兰板部件，简化锁紧机构，节约电池堆制造所需原材料消耗，降低电池堆制造成本。
图1液流电池的电池堆锁紧机构局部纵剖视图1-锁紧螺钉，21、22-垫片，3-外绝缘套，4-电池堆，5-内绝缘套，6-锁紧螺母。
图2电池端板示意图具体实施方式
按照图1所示结构，选用直径30毫米尼龙棒作为原材料，利用机加工方式，制造内径10毫米，壁厚1毫米的外绝缘套3；外径10毫米，壁厚1毫米的内绝缘套5；使用直径8毫米，长100毫米的不锈钢螺钉作为锁紧螺钉1。内绝缘套5、外绝缘套3长度均小于锁紧后电池堆厚度，在锁紧螺钉1加力时内绝缘套5插入外绝缘套3后可自动压合。图2给出电池端板示意图，锁紧点直接位于电池堆的压紧密封区域(阴影部分)内部，缩短锁紧点和电池堆内密封区域间距。螺钉孔直径12毫米，螺钉孔间距70毫米。为了减小锁紧螺钉1和锁紧螺母5对外绝缘套3和内绝缘套5的压力，在外绝缘套3和内绝缘套5两端配有金属垫片21和22，增大内外绝缘套的受力面积，减小绝缘套形变，实现有效密封锁紧，延长绝缘套使用寿命。利用本发明的锁紧机构，制成全钒氧化还原液流电池的3个单电池串联电池堆，表明锁紧密封效果良好，避免了电解液循环过程通过电池堆向外泄漏，同时也不存在电池堆内部正极、负极电解液彼此交叉泄漏现象。电池堆充电过程电压维持4.5V附近，放电电压3.6V，表明内、外绝缘套3和5达到设计要求，导电集流板间实现良好绝缘。
本实用新型有以下特点1)氧化还原液流电池堆的锁紧机构由以下端件构成锁紧螺钉1、垫片2、外绝缘套3、内绝缘套5、锁紧螺母6；安装后锁紧螺钉1位于内、外绝缘套5，3的内部，通过内、外绝缘套5，3将金属锁紧螺钉1和电池堆中的导电部件绝缘，避免短路现象发生；通过锁紧螺钉1、螺母6相互配合，将电池堆内所有部件压紧，实现密封作用。
2)所述锁紧机构用于电池堆时，螺钉孔间距在40～110毫米范围内，螺钉孔直径在8～20毫米范围内，所有螺钉孔在电池端板上沿平行于边缘方向均布，直接位于电池堆的压紧密封区域内部，缩短锁紧点和电池堆内密封区域间距。
3)所述外绝缘套3的内径略大于内绝缘套5的外径，两者长度之和大于电池堆厚度，压紧后内绝缘套5插入外绝缘套3内部2毫米以上，通过交叉配合确保绝缘效果；两者均由绝缘材料制成，例如尼龙、聚氯乙稀、聚乙烯、聚丙烯、ABS等工程塑料。
4)所述外绝缘套3、内绝缘套5一端加工成外径15～40毫米的圆形台阶，中间留有螺钉孔。利用该圆形台阶实现电池端板和锁紧螺钉1间的绝缘。
5)所述垫片21，22外径在15～40毫米范围，由金属材料加工制成，例如314不锈钢、316不锈钢、合金铝等。
本实用新型的电池堆锁紧结构简单，制造方便，密封可靠，有效减小密封区域所占面积，提高电池堆材料利用率；同时省去现有电池堆密封机构中厚重的法兰板部件，减少电池堆制造所需原材料，明显降低电池堆制造成本，为发展用于大规模电能转化和储存的化学电源技术奠定基础。
权利要求1.氧化还原液流电池储能装置用的电池堆锁紧机构，其特征在于，该锁紧机构包括金属制的锁紧螺钉、上、下两个金属垫片、电绝缘材料制的“T”字型外绝缘套和“T”字型内绝缘套，以及锁紧螺母；所述上、下两片垫片依次分别位于所述锁紧螺钉上端和外绝缘套上端之间，以及所述锁紧螺钉用的锁紧螺母和内绝缘套上端之间；所述外绝缘套下端局部嵌压在内绝缘套下端外侧；所述锁紧螺钉和所述上、下垫片、内、外绝缘套以及锁紧螺母同轴相连，通过螺钉孔插入并贯穿被压紧的所述内、外绝缘套上端之间的电池堆；所述各部件构成一组锁紧机构，多组锁紧机构中的所述螺钉孔均匀且平行地分布在所述电池堆端板的边缘方向上，而且位置靠近电池堆的密封区域外侧。
专利摘要本实用新型属于液流电池的电池堆制造领域，其特征在于，该机构含有金属锁紧螺钉，上、下两片金属垫片，“T”字形的内绝缘套和外绝缘套，以及锁紧螺母。借助于锁紧螺钉的作用，锁紧螺母通过上、下垫片旋压于所述内、外绝缘套的上端，把夹在内、外绝缘套之间的电池堆锁紧，所述锁紧机构安装在均匀且平行地分布于电池堆密封区内部的螺钉孔中。本实用新型与法兰板压紧密封方式相比，具有结构简单、制造方便、密封可靠特点，而且使得密封区域所占面积下降，提高电池材料利用率，减少了电池堆重量，降低制造成本。
文档编号H01M10/36GK2852410SQ200520114649
公开日2006年12月27日 申请日期2005年11月18日 优先权日2005年11月18日
发明者王保国, 尹海涛, 朱顺泉, 陈金庆 申请人:清华大学