专利名称：一种液流框、钒电池和钒电池组的制作方法
技术领域：
本发明涉及钒电池领域，更具体地说，涉及一种用于钒电池的液流框，包括该液流
框的钒电池，以及包括多个该钒电池的钒电池组。
背景技术：
钒电池(Vanadium Redox Battery)是一种利用钒盐电解液进行氧化还原反应，进 而实现电能与化学能之间转化的电池装置。由于钒电池具有制造成本低、使用寿命长且符 合环保要求等优点，因而近年来正在逐步成为二次电池研究的重点。 图1为钒电池的运行原理示意图。如图l所示，钒电池通常包括离子交换膜l，位 于该离子交换膜l两侧并由该离子交换膜1隔开的正极电解液3和负极电解液2，与正极电 解液3接触的正极板5和与负极电解液2接触的负极板4，使正极电解液3循环流动的泵9 和正极电解液容器7，以及使负极电解液2循环流动的泵8和负极电解液容器6。
当图1所示的钒电池放电时，负载分别与正极板5和负极板4电连接，从而允许钒 电池向负载供电。在该钒电池内部，阳离子(如H+)会从负极电解液2中穿过离子交换膜1 而进入正极电解液3中。而当图l所示的钒电池充电时，将直流电源与正极板5和负极板 4电连接，使钒电池内部进行与放电过程相反的反应，从而将电能转化为化学能。
为了实现在离子交换膜1两侧形成容纳电解液的腔室，如图2所示，通常需要利用 液流框10在离子交换膜1的两侧形成分别容纳正极电解液和负极电解液的腔室。具体来 说，在离子交换膜1的一侧，利用液流框10、正极板(未显示)和离子交换膜1的一个侧面 形成正极电解液的腔室；在另一侧，利用液流框10、负极板(未显示)和离子交换膜1的另 一个侧面形成负极电解液的腔室，并用壳体(未显示)将上述部件封装起来，从而形成一个 单元的钒电池。当在该钒电池的运行过程中，还可利用泵来驱动正极和负极电解液流动，从 而满足钒电池的电化学反应的进行。 通常，液流框10上设置有入流口和出流口，以允许电解液流入所述腔室，并从腔 室流出，从而在钒电池的运行过程中使电解液不断地循环。由此可见，液流框10的结构对 于电解液在钒电池中的流动循环具有重要的影响。 图3所示为一种用于钒电池的传统的液流框10。如图3所示，该液流框IO包括中 空的框体ll，该框体11 一侧具有定位平面12以及低于该定位平面12的两条液流通道13， 在液流通道13上分别设置有入流口 14和出流口 15。在钒电池的运行过程中，电解液由入 流口 14通过液流通道13流入框体11的中空部分(即容纳电解液的腔室)，再通过另一液 流通道13由出流口 15流出。 在包括该传统的液流框10的钒电池中，如图2所示，液流框10和离子交换膜1之 间设置有密封垫17，以确保充满有电解液的腔室不会泄漏电解液。然而，对于传统的液流框 IO来说，其侧面具有一个整体的定位平面12，因而，即便使用了作为密封措施的密封垫17， 其密封效果也不够理想，从而造成传统的钒电池可靠性不高的缺陷。当然，利用包括这种传 统的液流框的钒电池组成的电池组也存在可靠性不高的缺陷。
发明内容
本发明的一个目的在于克服传统的液流框密封性不高的缺陷，而提供一种具有良 好密封性的液流框。 根据本发明的一个方面，提供了一种用于钒电池的液流框，该液流框包括具有中 空部分的框体，该框体的一侧设置有入流口和出流口 ，该入流口和出流口分别通过下凹的 液流通道与所述中空部分连通，所述框体的所述一侧上设置有密封槽，该密封槽与所述入 流口 、出流口和液流通道间隔开。 按照本发明所提供的液流框，由于在液流框的一侧上设置有密封槽，因而，当将包 括有该液流框的钒电池组装起来后，除了密封垫能够发挥密封作用之外，所述密封槽能够 与密封垫相互配合以进一步获得更好的密封效果。 一方面，密封垫的一部分有可能进入密 封槽中，从而能够将组成钒电池的极板、液流框和离子交换膜更紧地保持在一起，提高整体 的密封效果；另一方面，即便发生泄漏，电解液也首先进入密封槽中，而不是直接渗透到钒 电池的外部。因此，本发明所提供的液流框具有较好的密封性。 本发明的另一目的是克服传统的钒电池可靠性不高的缺陷，而提供一种具有较高 可靠性的钒电池。 根据本发明的另一方面，提供了一种钒电池，该钒电池包括多个串联的单元电池， 每个单元电池包括正极组件、负极组件和位于该正极组件和负极组件之间的离子交换膜， 所述正极组件包括液流框和安装在该液流框上的正极极板和第一毡膜，所述负极组件包括 液流框和安装在该液流框上的负极极板和第二毡膜，在所述离子交换膜的两侧，所述液流 框的中空部分内分别容纳有与所述第一毡膜和第二毡膜充分接触的电解液，其中，所述正 极组件和/或所述负极组件中的所述液流框为本发明所提供的液流框。 本发明的再一 目的是克服传统的钒电池组可靠性不高的缺陷，而提供一种可靠性 较高的钒电池组。 根据本发明的再一方面，提供了一种钒电池组，该钒电池组包括多个电连接的钒 电池，其中，该钒电池为本发明所提供的钒电池。 由于本发明的钒电池包括有本发明所提供的液流框，而且该液流框具有较好的密 封性，因而，本发明所提供的钒电池和钒电池组发生电解液泄漏电可能性较小，具有较高的
可靠性。
图1为传统的钒电池的原理示意图； 图2为钒电池的结构示意图； 图3为传统液流框的结构示意图； 图4为本发明所提供的液流框的透视图； 图5为图4中液流框的一侧的平面图； 图6为图4中液流框的另一侧的平面图； 图7为图4中液流框的局部放大透视图； 图8为本发明所提供的单元电池的截面示意4
图9为本发明所提供的钒电池的截面示意图；
图10为本发明的钒电池中电极双极板的示意图。
具体实施例方式
下面参考附图对本发明的具体实施方式
进行详细的描述。 如图4至图6所示，根据本发明的一种实施方式，提供了一种液流框20，该液流框 20包括具有中空部分33的框体21，该框体21的一侧设置有入流口 24和出流口 25，该入流 口 24和出流口 25分别通过下凹的液流通道23与中空部分33连通，所述一侧上设置有密 封槽26，该密封槽26与入流口 24、出流口 25和液流通道23间隔开。 如图4、图8和图9所示，液流框20的框体21的中央部分33为中空的，该中空部 分33用于容纳电解液，从而使该电解液与离子交换膜1和作为电极的极板(如正极极板和 负极极板)充分接触。 虽然图4至图6中所示的液流框20为矩形形状，但是本发明所提供的液流框并不 限于此，根据不同应用场合的需要，液流框20可以具有多种形状，如圆形、椭圆形或其他合 适的形状。 在液流框20的框体21的一侧，即图5所示的侧面，框体21在该侧面上设置有入 流口 24和出流口 25，还设置有连通入流口 24与中空部分33以及连通出流口 25与中空部 分33的液流通道23。由图4和图7可知，入流口 24、出流口 25以及液流通道23均低于框 体21的所述一侧，以实现入流口 24、出流口 25与中空部分33的连通。
当利用该液流框20组成钒电池时，所述一侧与毡膜和极板(如正极极板或负极极 板)相配合(在优选情况下，可以在该侧与极板之间设置有密封垫17，以获得较好的密封效 果)。而且，所述一侧的作用还在于封闭该液流框20中的中空部分33，从而防止在该中空 部分33容纳有电解液时，电解液通过所述一侧与相邻部件(如图8所示的密封垫17和正 极极板31)之间的缝隙泄漏出去。 液流通道23的设置与图3中液流通道13的设置类似。该液流通道23低于框体 21的所述一侧，因而，当电解液流入该液流通道23时，能够直接进入与该液流通道23连通 的中空部分33(即容纳电解液的腔室)。液流通道23以及入流口 24和出流口 25在液流框 20上设置的位置可以是任意的，根据不同的应用场合进行设计。但是，为了使电解液在液流 框20内尽可能大程度地流过中空部分33，所述液流通道23以及入流口 24和出流口 25分 别位于框体21的两个相对的边上。因而，电解液在液流框20内的流动距离相对较长，在液 流框20内的分布也更为均匀，从而有利于钒电池的运行。 在本发明所提供的液流框20中，在框体21的所述一侧上设置有密封槽26，如图5 至图7所示。由于该密封槽26的存在，能够提高该液流框20的密封性能，使电解液从容纳 电解液的腔室出现泄漏的可能性大大下降。 密封槽26设置的位置可以根据实际需要而进行选择，优选选择在易于出现泄漏 电部位。根据本发明的优选实施方式，在框体21的第一侧，密封槽26沿框体21的所述一 侧延伸，从而在所述一侧上都有分布，以获得沿所述一侧都能够获得较好的密封效果。
密封槽26的形状不受限制，其截面形状可以为矩形、三角形等；其深度可以是均 匀的，也可以是不均匀的。围绕框体21的边延伸到密封槽26可以是连通的，也可以不是连通的。这都可以根据具体的应用场合加以选择。 为了进一步提高密封槽26的密封效果，优选地，在框体21的所述一侧上设置有多 条密封槽26。 如图5、图7和图8所示，根据本发明的优选实施方式，框体21的所述一侧上设置 有凸台28，该凸台28围绕所述一侧的边缘延伸。 由于所述一侧用于与极板配合(如图8所示)，为了便于定位和设置极板，在框体 21的所述一侧形成有凸台28。因此，当将极板与框体21的所述一侧配合在一起后，凸台28 形成对极板的包围，一方面可以对极板起到限位、定位和保护的作用，另一方面，当将钒电 池装配起来时，凸台28受到较大的压紧力作用，从而能够保证极板、液流框20所受到挤压 力的均匀一致性。 根据本发明的液流框20的一种实施方式，如图5和图7所示，入流口 24和出流口 25分别通过设置在液流框20的所述一侧上的流道29与液流通道23连通，进而与液流框 20的中空部分33连通，以便于电解液的流动。当电解液流入该液流框20时，电解液由入流 口 24流入，依次流经流道29、液流通道23、中空部分33和另一液流通道23，并最终从出流 口 25流出，从而实现电解液在液流框20内的流动。 图5和图7所示的入流口 24和出流口 25与图3所示的入流口 14和出流口 15的 主要区别之处在于入流口 14和出流口 15直接与液流通道13连通；而入流口 24和出流 口 25通过流道29与液流通道23连通。因此，对于入流口 14和出流口 15来说，当电解液 由该入流口 14和出流口 15流入液流通道13时，电解液的流动方向是随机的，不能对电解 液的流动方向产生任何影响；而对于入流口 24和出流口 25来说，当电解液由入流口 24和 出流口 25流入液流通道23时，必须经过流道29，则该流道29对电解液的流动产生导向作 用，从而实现对电解液流动方向的控制。因此，按照图4和图5所示的入流口 24和出流口 25的结构，能够有利于使电解液在液流框20的分布更为均匀。而且，由于流道29的存在， 使电解液在流过该流道29时的流速加快，从而使电解液在液流框内的循环速度加快。
为了便于实现流道29的导向作用，根据本发明的实施方式，流道29的延伸方向倾 斜于液流通道23的延伸方向。因此，可以根据不同的需求，使流道29相对于液流通道23 具有不同的倾斜角度。优选地，流道29的延伸方向垂直于液流通道23的延伸方向。
流道29的形成可以通过多种方式来实现。例如，如图7所示，通过设置在入流口 24与液流通道23之间的两个突起，形成有三个平行分布的流道29。流道29的设置不限于 图7所示的实施例，例如，可以在入流口 24与液流通道23之间设置一个三角形的突起，从 而形成两个相交的流道29。 根据本发明的优选实施方式，框体21的与所述一侧相反的另一侧上设置有密封 槽26。在框体21的与所述一侧相反的另一侧，即如图6所示的侧面，由于在所述第二侧上 也形成有密封槽26，因而能够防止电解液从上述另一侧泄漏出去，从而实现更好的密封性。
如图8、图9和图10所示，根据本发明的一种实施方式，提供了一种钒电池，该钒电 池包括多个串联的单元电池，每个单元电池包括正极组件、负极组件和位于该正极组件和 负极组件之间的离子交换膜l，正极组件包括液流框和安装在该液流框上的正极极板31和 第一毡膜32，负极组件包括液流框和安装在该液流框上的负极极板34和第二毡膜35，在离 子交换膜1的两侧，液流框的中空部分33内分别容纳有与第一毡膜32和第二毡膜35充分接触的电解液36，其中，正极组件和/或负极组件中的所述液流框为本发明所提供的上述 液流框20。 钒电池包括串联的多个单元电池，图8为单元电池的结构示意图。根据本发明的 优选实施方式，相邻的单元电池共用一个极板(该极板为正极极板31或负极极板34)，共用 的极板同两侧的毡膜可以制作为一体的结构，如图9和图10所示，公用的正极极板31与两 侧的毡膜32形成电极双极板37，从而便于钒电池的装配，以提高装配的生产效率。
包括正极极板31和负极极板34的极板可以选自现有的适于制作电极的材料中的 任意一种，如石墨、金属材料(不锈钢)或导电塑料等。第一毡膜32和第二毡膜35通常具 有多孔的泡沫结构，以获得较大的表面积，从而能够与渗透到毡膜中的电解液36充分反应 (如图8和图9所示)。 如图8所示，正极组件包括正极极板31、第一毡膜32和液流框20 (在图8中，位于 离子交换膜1的左侧)；负极组件包括负极极板34、第二毡膜35和液流框20 (位于图8中 离子交换膜1的右侧)，其中，在离子交换膜1的左侧，该离子交换膜1、液流框20、正极极 板31和第一毡膜32形成容纳电解液的腔室(即，液流框20的中空部分33中容纳有电解 液)；在离子交换膜1的右侧，离子交换膜1、液流框20、负极极板34和第二毡膜35形成容 纳电解液的腔室(即，液流框20的中空部分33中容纳有电解液)，而且，离子交换膜1和毡 膜都与电解液直接接触，以允许电化学反应的进行。 在如图8所示的单电池中，离子交换膜1两侧的正极组件和负极组件中，一个用于 容纳正极电解液，另一个容纳负极电解液。也就是说，电解液包括正极电解液和负极电解 液，其组成可以分别选自现有的正极电解液与负极电解液中的任意一种，为本领域普通技 术人员所熟知，在此不再详细描述。 由于上述钒电池中使用了本发明所提供的液流框20，而且该液流框20的所述一 侧(以及与该一侧相对的另一侧上)上设置有密封槽26，因而，该钒电池出现电解液泄漏的 可能性较小，具有较高的可靠性。 由图8可知，在单元电池的正极组件和负极组件中，液流框20的框体的所述一侧 背向离子交换膜1，设置在框体21的所述一侧上的凸台28与正极极板31和负极极板34相 配合。因而，能够更好地确保正极极板31和负极极板34的安装。同时，第一毡膜32和第 二毡膜35填充在液流框20的中空部分33的大部分中，以分别与电解液36充分接触。
此外，在所述电池组中，相邻的离子交换膜1与液流框20之间以及相邻的液流框 20之间安装有密封垫17，该密封垫17的至少一部分压入框体上的密封槽26中，从而获得 较好的密封效果。因此，本发明所提供的钒电池出现泄漏的可能性较小，从而具有较高的可 靠性。 该钒电池还包括壳体(未显示)，该壳体封装上述钒电池的多个电池组，以形成一 个整体。 根据本发明的优选实施方式，为了满足钒电池的持续运行，所述钒电池还包括电 解液容器和泵，所述电解液容器通过泵与液流框20的入流口和出流口连通。因而，能够利 用泵使钒电池中的电解液的循环流动，以满足钒电池运行的需要。如上所述，电解液包括有 正极电解液和负极电解液，所以可以设置有两套管路，以分别驱动正极电解液和负极电解 液的流动。
7
图8所示的单元电池仅示意性地显示了本发明所涉及的部分或者部件，本领域普 通人员应该知道，为了实现钒电池的装配，还可包括安装孔、螺杆等部件，但为了简洁而在 图8中被省略掉。 根据本发明的优选实施方式，还提供了一种钒电池组，该钒电池组包括多个电连 接的钒电池，其中，该钒电池为本发明所提供的上述钒电池。 由于钒电池组包括有多个本发明所提供的钒电池，因而，在具有较高可靠性的前 提下，还能够具有较高的功率，适应大功率的应用场合。 由以上对实施方式的描述可知，本发明所提供的液流框通过密封槽的设置而具有 较好的密封性，同时相应地，包括有该液流框的钒电池和包括多个该钒电池的钒电池组具 有较高的可靠性。 虽然上述文字对本发明的具体实施方式
进行了描述，但本领域的普通技术人员应 该明白，本发明所包含的内容并不限于此，在不脱离本发明实质范围的前提下，可以做出各 种修改、替换和变化。
权利要求
一种液流框(20)，其中，该液流框(20)包括具有中空部分(33)的框体(21)，该框体(21)的一侧设置有入流口(24)和出流口(25)，该入流口(24)和出流口(25)分别通过下凹的液流通道(23)与所述中空部分(33)连通，所述框体(21)的所述一侧上设置有密封槽(26)，该密封槽(26)与所述入流口(24)、出流口(25)和液流通道(23)间隔开。
2. 根据权利要求1所述的液流框(20)，其中，所述密封槽(26)沿所述框体(21)的所 述一侧延伸。
3. 根据权利要求2所述的液流框(20)，其中，所述密封槽(26)为多条。
4. 根据权利要求1所述的液流框(20)，其中，所述框体(21)的所述一侧上设置有凸台 (28)，该凸台(28)沿所述框体(21)的所述一侧的边缘延伸。
5. 根据权利要求1或4所述的液流框(20)，其中，所述入流口 (24)和出流口 (25)分 别通过设置在所述液流框(20)的所述一侧上的流道(29)与所述液流通道(23)连通。
6. 根据权利要求5所述的液流框(20)，其中，所述流道(29)的延伸方向倾斜于所述液 流通道(23)的延伸方向。
7. 根据权利要求6所述的液流框(20)，其中，所述流道(29)的延伸方向垂直于所述液 流通道(23)的延伸方向。
8. 根据权利要求l所述的液流框，其中，所述框体(21)的与所述一侧相反的另一侧上 设置有密封槽(26)。
9. 一种钒电池，包括多个串联的单元电池，每个单元电池包括正极组件、负极组件和位 于该正极组件和负极组件之间的离子交换膜(1)，所述正极组件包括液流框和安装在该液 流框上的正极极板(31)和第一毡膜(32)，所述负极组件包括液流框和安装在该液流框上 的负极极板(34)和第二毡膜(35)，在所述离子交换膜(1)的两侧，所述液流框的中空部分 (33)内分别容纳有与所述第一毡膜(32)和第二毡膜(35)充分接触的电解液(36)，其中， 所述正极组件和/或所述负极组件中的所述液流框为根据权利要求1至8中任意一项所述 的液流框(20)。
10. 根据权利要求9所述的钒电池，其中，在所述单元电池的正极组件和负极组件中， 所述液流框(20)的框体的所述一侧背向所述离子交换膜(l)，设置在所述框体(21)的所述 一侧上的所述凸台(28)与所述正极极板(31)和负极极板(34)相配合。
11. 根据权利要求9或10所述的钒电池，其中，相邻的所述离子交换膜(1)与液流框 (20)之间以及相邻的液流框(20)之间安装有密封垫(17)，该密封垫(17)的至少一部分压 入所述框体上的密封槽(26)中。
12. 根据权利要求9所述的钒电池，其中，该钒电池还包括壳体，该壳体封装多个所述 单元电池。
13. 根据权利要求9或12所述的钒电池，其中，所述钒电池还包括电解液容器和泵，所 述电解液容器通过泵与所述液流框(20)的入流口 (24)和出流口 (25)连通。
14. 一种钒电池组，该钒电池组包括多个电连接的钒电池，该钒电池为根据权利要求9 至13中任意一项所述的钒电池。
全文摘要
公开了一种用于钒电池的液流框，该液流框包括具有中空部分的框体，该框体的一侧设置有入流口和出流口，该入流口和出流口分别通过下凹的液流通道与所述中空部分连通，所述框体的所述一侧上设置有密封槽，该密封槽与所述入流口、出流口和液流通道间隔开。还公开了一种包括所述液流框的钒电池以及包括多个该钒电池的钒电池组。按照本发明所提供的液流框，由于在液流框的一侧上设置有密封槽，因而能够获得较好的密封效果，从而使包括有本发明所提供的液流框的钒电池和钒电池组具有较高的可靠性。
文档编号H01M8/00GK101764237SQ20081018940
公开日2010年6月30日 申请日期2008年12月23日 优先权日2008年12月23日
发明者徐坤元, 李世彩, 赵瑞兰 申请人:比亚迪股份有限公司