一种液流电池的电堆结构的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种液流电池电堆结构，其由两个或两个以上的一体化结构单元以及集流板顺序交替连接而成，其中一体化单元结构与集流板之间设有密封结构。一体化结构单元的特征在于：由第一电极框、第一电极框与隔膜之间的密封结构、隔膜、第二电极框与隔膜之间的密封结构、第二电极框构成。第一电极框与第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘处设置有能够相互咬合的卡扣结构。通过该卡扣结构，将第一电极框、第一电极框与隔膜之间的密封结构、隔膜、隔膜与第二电极框之间的密封结构、第二电极框扣合在一起。本发明中液流电池电堆结构，通过电极框上对应的卡扣扣合组成一体化单元，能够减小装配力，简化装配程序，提高电堆的一致性和装堆效率。
【专利说明】一种液流电池的电堆结构
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种液流电池的电堆结构。
【背景技术】
[0002]随着现代社会经济的迅猛发展，能源、资源、环境三者的矛盾日益突出，可再生能源(例如风能、太阳能、潮汐能等）发电将成为未来社会可持续发展的重要支柱，但可再生能源不稳定、不连续的特点决定了其在电力并网中需要中间过程的调节方能正常、有效、安全的工作，而电能的储存与释放正是该过程中最重要的技术环节。氧化还原液流电池，是利用具有不同价态元素的氧化-还原反应进行能量的储存和转化的电化学装置，能将不连续、不稳定的输入转化为连续、稳定、安全的输出，克服可再生能源的应用缺陷。其中，全钒液流储能电池，作为一类新型的电能储存装置，通过正负极同种元素不同价态之间的转化储存及转化电能，从原理上杜绝了两极电解液的相互污染，具有能量转换效率高，可达70%?80% ;蓄电容量大，系统设计灵活；可靠性高，可深度放电90%以上，以及运行维护费用低和环境友好等优点，逐渐成为最有前途地大中型规模电力存储的首选之一。
[0003]液流电池通常采用压滤机的形式进行组装，即：由集流板、电极、电极框、隔膜、电极框、电极、集流板以及集流板与电极框、电极框与隔膜之间的密封结构组成单电池，并将多节单电池用集流板串联组成电堆，电堆的两侧配有端板，并有相应的螺纹孔，通过压缩螺杆上的弹簧将电堆压紧，以满足电极的压缩以及密封力的要求。在装配的过程中，需要工人或者机械逐层的将电池材料和密封材料装好，不仅费时费力，而且也容易因为部件错位而引起电解液的泄露；在端板装配完成后还需要按照电极的压缩力和密封力的要求，设计弹簧分布、选取弹簧刚度和个数，最后将弹簧压紧。如果能够简化装配程序，减少装配件的个数，提高装配一致性，并且降低弹簧刚度或者减少弹簧个数，那么电堆的装配效率和装配质量将有大幅提闻。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种可靠性强、一致性高、装配简单的液流电池的电堆结构。
[0005]为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0006]一种液流电池的电堆结构，由2个或2个以上的单电池依次电路串联而成，每个单电池包括顺序连接的第一集流板、一体化结构单元和第二集流板，其中一体化结构单元与集流板之间设有密封结构，
[0007]上述的一体化结构单元是由第一电极框、第一电极框与隔膜之间的密封结构、隔膜、第二电极框与隔膜之间的密封结构、第二电极框构成。其中第一电极框与第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘处设置有能够相互咬合的环状卡扣结构；通过该卡扣结构，将第一电极框、第一电极框与隔膜之间的密封结构、隔膜、隔膜与第二电极框之间的密封结构、第二电极框扣合在一起。[0008]上述的电堆结构，其中的卡扣结构是指第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘设置有能相互配合的环状卡扣勾脚，该卡扣勾脚的结构包括：一环状支撑臂、一环状弹性臂和一带有咬合面的环状固定块，第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘四周向外延伸形成一环状支撑臂，固定于环状支撑臂的另一端延垂直于电极框平面的方向延伸形成有一环状弹性臂，环状弹性臂另一端延平行于电极框平面的方向延伸形成有一环状固定块；第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合。
[0009]上述的卡口结构中，环状卡扣勾脚的轴线所在的平面与环状卡扣勾脚相切形成横截面。在横截面上，支撑臂的厚度小于电极框的厚度；第二电极框支撑臂的长度等于第一电极框支撑臂的长度、固定块咬合面的长度以及弹性臂的宽度总和；支撑臂与弹性臂成90度夹角，且弹性臂朝向第一电极框与第二电极框之间的隔膜方向；固定块的咬合面与弹性臂成90度夹角，第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合；装配时依次将第一电极框、第一电极框与隔膜之间的密封结构、隔膜、隔膜与第二电极框之间的密封结构、第二电极框扣合，扣合时弹性臂弯曲，扣合后弹性臂无弯曲，与支撑臂之间依然成90度夹角，咬合后的咬合面完全重合。
[0010]上述的电堆结构中，与电堆两侧端板相邻的是集流板。
[0011]上述的电堆结构中的一体化结构单元可以演化为由第一电极框、隔膜、第二电极框、第二集流板、η (η > 1，η为正整数）节电池单元及相邻电池单元之间的集流板、第三集流板、第三电极框、隔膜、第四电极框顺序连接而成。
[0012]上述的电池单元包括顺序连接的电极框、隔膜和电极框，以及电极框与隔膜之间的密封结构；
[0013]上述的电池单元与相邻电池单元之间的集流板之间设置有密封结构；
[0014]上述第一电极框与第四电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘处设置有能够相互咬合的卡扣结构；其中第一电极框与隔膜之间、隔膜与第二电极框之间、第二电极框与第二集流板之间、第二集流板与电池单元之间、电池单元与第三集流板之间、第三集流板与第三电极框之间、第三电极框与隔膜之间、隔膜与第四电极框之间均设置有密封结构。
[0015]上述电池单元为I节时，一体化结构单元为由第一电极框、隔膜、第二电极框、第二集流板、电池单元、第三集流板、第三电极框、隔膜、第四电极框顺序连接而成。
[0016]上述液流电池的电堆结构中的卡扣结构是指第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘设置有能相互配合的卡扣勾脚，该卡扣勾脚的结构包括：一环状支撑臂、一环状弹性臂和一带有咬合面的环状固定块，第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘四周向外沿伸形成一环状支撑臂，固定于环状支撑臂的另一端延垂直于电极框平面的方向沿伸形成有一环状弹性臂，环状弹性臂另一端延平行于电极框平面的方向沿伸形成有一环状固定块；第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合。
[0017]上述液流电池电堆中的密封结构是面密封或者线密封；
[0018]上述线密封是在密封表面的局部设置窄密封槽，并在密封槽内布置橡胶密封条，通过密封条的挤压变形提供密封力；所述面密封则在整个密封面上均放置有薄橡胶密封片，通过挤压将密封片局部挤入密封槽提供密封力。[0019]上述液流电池电堆中的集流板包括石墨板或者碳塑复合板，并且在石墨板或者碳塑复合板两侧表面用导电胶粘贴碳毡或者石墨毡，与电堆端板相邻的集流板只有单侧表面用导电胶粘贴碳毡或者石墨毡。
[0020]上述液流电池电堆中的隔膜为离子交换膜。
[0021]上述液流电池电堆中的电极框框体材料为聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、ABS或者玻纤增强型聚丙烯。
[0022]本发明具有如下优点：
[0023]I.本发明通过在电堆中单电池的两个电极框的外边缘上设置能够互相咬合的勾脚，形成卡扣式结构，组装成一体化单元结构，减少了装配部件数量，简化了装配程序，提高了装堆效率。
[0024]2.本发明的卡扣式一体化单元中，两个电极框中间的电池部件可以是隔膜，可以是集流板，一体化形式灵活。
[0025]3.本发明的卡扣式一体化单元中，第一电极框与隔膜(或集流板)之间、隔膜(或集流板）与第二电极框之间的密封可以是线密封，也可以是面密封，密封方式多样。
[0026]4.本发明的卡扣式一体化单元，由卡扣相互咬合的剪切力来满足第一电极框与隔膜(或集流板）之间、隔膜(或集流板）与第二电极框之间的密封力，电堆中单电池的密封力减半，有效降低所需的弹簧刚度或者减少弹簧数量。
[0027]5.本发明所采用的卡扣式结构，提高了电堆中单电池的一致性，避免了电极框之间的错位。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]图I卡扣式一体化结构单元示意图；
[0029]其中I第一电极框；2第二电极框；3隔膜；4密封结构(线密封）；5勾脚
[0030]图2采用卡扣式一体化结构单元的液流电池电堆；
[0031]图3采用卡扣式一体化结构单元的液流电池电堆，其中卡扣式一体化结构单元由第一电极框、隔膜、第二电极框、第二集流板、电池单元、第三集流板、第三电极框、隔膜、第四电极框构成，
[0032]图4采用卡扣式一体化结构单元的液流电池电堆，其中卡扣式一体化结构由第一电极框、隔膜、第二电极框、第二集流板、η (η > 1，η为正整数)节电池单元及相邻电池单元之间的集流板、第三集流板、第三电极框、隔膜、第四电极框构成。
【具体实施方式】
[0033]下面结合图I-图4以及实施例对本发明进行进一步的说明。
[0034]实施例I
[0035]参照图1，本发明中所述的卡扣式一体化单元结构，是由第一电极框I、第二电极框2、隔膜3、以及密封结构4构成。卡扣结构是指第一电极框I和第二电极框2延长度和宽度方向上的框体外边缘设置有能相互配合的卡扣勾脚5，该卡扣勾脚的结构包括：一环状支撑臂、一环状弹性臂和一带有咬合面的环状固定块，第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘四周向外沿伸形成一环状支撑臂，固定于环状支撑臂的另一端再将隔膜3放置在第一电极框1与隔膜3街加一定的压力，将第二电极框2压向第一卡扣式一体化结构完成装配，隔膜3与电极灶露。
的卡扣式一体化单元结构装配完成，包括III&之间的集流板顺序装配而成，其中一体化0。与电堆两侧端板相邻的为集流板，与集良流板，与端板相对的一面上用导电胶粘贴.两侧均用导电胶粘贴碳毡或石墨毡。采用配部件，同时减小了装配所需的压紧力，有择簧刚度。
构单元参照图1演化而来:由第一电极框、良流板、第三电极框、隔膜、第四电极框顺序丨莫和电极框，以及电极框与隔膜之间的密封.向上的框体外边缘处设置有能够相互咬合面的长度以及弹性臂的宽度总和；支撑臂与弹性臂成90度夹角，且弹性臂朝向第一电极框与第二电极框之间的隔膜方向；固定块的咬合面与弹性臂成90度夹角，第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合。
[0041]图3中的电堆由P (P≥2)个上述的一体化结构单元以及一体化结构单元之间的集流板顺序装配而成，其中一体化单元结构与集流板之间设置了密封结构(线密封)。与电堆两侧端板相邻的为集流板，与集流板相邻的为一体化结构单元。与端板相邻的集流板，与端板相对的一面上用导电胶粘贴碳毡或石墨毡；一体化结构单元之间的集流板上两侧均用导电胶粘贴碳毡或石墨毡。采用该卡扣式一体化单元装配的电堆，需要装配的部件明显减少，同时进一步减小了装配所需的压紧力，有效的提高了装堆效率，减少了弹簧数量、降低了弹簧刚度。
[0042]实施例3
[0043]参照图4，该电堆中的卡扣式一体化结构单元参照图1发展而来:由第一电极框、隔膜、第二电极框、第二集流板、η (η > 1，η为正整数)节电池单元及相邻电池单元之间的集流板、第三集流板、第三电极框、隔膜、第四电极框顺序连接而成。电池单元包括顺序连接的电极框、隔膜和电极框，以及电极框与隔膜之间的密封结构，并且电池单元与相邻电池单元之间的集流板之间设置有密封结构。第一电极框与第四电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘处设置有能够相互咬合的卡扣结构；其中第一电极框与隔膜之间、隔膜与第二电极框之间、第二电极框与第二集流板之间、第二集流板与电池单元之间、电池单元与第三集流板之间、第三集流板与第三电极框之间、第三电极框与隔膜之间、隔膜与第四电极框之间均设置有密封结构。
[0044]卡扣结构是指第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘设置有能相互配合的卡扣勾脚，该卡扣勾脚的结构包括:一环状支撑臂、一环状弹性臂和一带有咬合面的环状固定块，第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘四周向外沿伸形成一环状支撑臂，固定于环状支撑臂的另一端延垂直于电极框平面的方向沿伸形成有一环状弹性臂，环状弹性臂另一端延平行于电极框平面的方向沿伸形成有一环状固定块；第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合。在卡扣结构中，平行于电极框宽度和厚度形成平面的切面定义为横截面，在横截面上，支撑臂的厚度小于电极框的厚度；第二电极框支撑臂的长度等于第一电极框支撑臂的长度、固定块咬合面的长度以及弹性臂的宽度总和；支撑臂与弹性臂成90度夹角，且弹性臂朝向第一电极框与第二电极框之间的隔膜方向；固定块的咬合面与弹性臂成90度夹角，第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合。
[0045]图4中的电堆由q (q≥2)个上述的一体化结构单元以及一体化结构单元之间的集流板顺序装配而成，其中一体化单元结构与集流板之间设置了密封结构(线密封)。与电堆两侧端板相邻的为集流板，与集流板相邻的为一体化结构单元。与端板相邻的集流板，与端板相对的一面上用导电胶粘贴碳毡或石墨毡；一体化结构单元之间的集流板上两侧均用导电胶粘贴碳毡或石墨毡。采用该卡扣式一体化单元装配的电堆，需要装配的部件明显减少，同时更进一步减小了装配所需的压紧力，有效的提高了装堆效率，减少了弹簧数量、降低了弹簧刚度。
【权利要求】
1.一种液流电池的电堆结构，由2个或2个以上的单电池依次电路串联而成，每个单电池包括顺序连接的第一集流板、一体化结构单元和第二集流板，其中一体化结构单元与集流板之间设有密封结构， 所述一体化结构单元，由第一电极框、第一电极框与隔膜之间的密封结构、隔膜、第二电极框与隔膜之间的密封结构、第二电极框构成；其中所述第一电极框与第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘处设置有能够相互咬合的环状卡扣结构，通过该卡扣结构，将第一电极框、第一电极框与隔膜之间的密封结构、隔膜、隔膜与第二电极框之间的密封结构、第二电极框扣合在一起。
2.根据权利要求1所述的电堆结构，其特征为：所述卡扣结构是指第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘设置有能相互配合的环状卡扣勾脚，该卡扣勾脚的结构包括：一环状支撑臂、一环状弹性臂和一带有咬合面的环状固定块，第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘四周向外延伸形成一环状支撑臂，固定于环状支撑臂的另一端延垂直于电极框平面的方向延伸形成有一环状弹性臂，环状弹性臂另一端延平行于电极框平面的方向延伸形成有一环状固定块；第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合。
3.根据权利要求2所述的卡扣结构，其特征为：环状卡扣勾脚的轴线所在的平面与环状卡扣勾脚相切形成横截面。在横截面上，支撑臂的厚度小于电极框的厚度；第二电极框支撑臂的长度等于第一电极框支撑臂的长度、固定块咬合面的长度以及弹性臂的宽度总和；支撑臂与弹性臂成90度夹角，且弹性臂朝向第一电极框与第二电极框之间的隔膜方向；固定块的咬合面与弹性臂成90度夹角，第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合；装配时依次将第一电极框、第一电极框与隔膜之间的密封结构、隔膜、隔膜与第二电极框之间的密封结构、第二电极框扣合，扣合时弹性臂弯曲，扣合后弹性臂无弯曲，与支撑臂之间依然成90度夹角，咬合后的咬合面完全重合。
4.根据权利要求1所述的液流电池的电堆结构，其特征在于：与电堆两侧端板相邻的是集流板。
5.根据权利要求1所述的液流电池的电堆结构，其特征在于：所述的一体化结构单元可以演化为由第一电极框、隔膜、第二电极框、第二集流板、η (η> 1，η为正整数)节电池单元及相邻电池单元之间的集流板、第三集流板、第三电极框、隔膜、第四电极框顺序连接而成。 所述电池单元包括顺序连接的电极框、隔膜和电极框，以及电极框与隔膜之间的密封结构； 所述电池单元与相邻电池单元之间的集流板之间设置有密封结构； 所述第一电极框与第四电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘处设置有能够相互咬合的卡扣结构；其中第一电极框与隔膜之间、隔膜与第二电极框之间、第二电极框与第二集流板之间、第二集流板与电池单元之间、电池单元与第三集流板之间、第三集流板与第三电极框之间、第三电极框与隔膜之间、隔膜与第四电极框之间均设置有密封结构。 所述电池单元为I节时，一体化结构单元为由第一电极框、隔膜、第二电极框、第二集流板、电池单元、第三集流板、第三电极框、隔膜、第四电极框顺序连接而成。
6.根据权利要求5所述的液流电池的电堆结构，其特征在于：所述卡扣结构是指第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘设置有能相互配合的卡扣勾脚，该卡扣勾脚的结构包括:一环状支撑臂、一环状弹性臂和一带有咬合面的环状固定块，第一电极框和第二电极框延长度和宽度方向上的框体外边缘四周向外沿伸形成一环状支撑臂，固定于环状支撑臂的另一端延垂直于电极框平面的方向沿伸形成有一环状弹性臂，环状弹性臂另一端延平行于电极框平面的方向沿伸形成有一环状固定块；第一电极框的固定块与第二电极框的固定块相对设置，便于咬合面相互咬合。
7.根据权利要求1或5所述的液流电池的电堆结构，其特征在于:密封结构是面密封或者线密封； 所述线密封是在密封表面的局部设置窄密封槽，并在密封槽内布置橡胶密封条，通过密封条的挤压变形提供密封力；所述面密封则在整个密封面上均放置有薄橡胶密封片，通过挤压将密封片局部挤入密封槽提供密封力。
8.根据权利要求1或5所述的液流电池的电堆结构，其特征在于:所述集流板包括石墨板或者碳塑复合板，并且在石墨板或者碳塑复合板两侧表面用导电胶粘贴碳毡或者石墨毡，与电堆端板相邻的集流板只有单侧表面用导电胶粘贴碳毡或者石墨毡。
9.根据权利要求1或5所述的液流电池的电堆结构，其特征在于:所述隔膜为离子交换膜。
10.根据权利要求1或5所述的液流电池的电堆结构，其特征在于:电极框框体材料为聚乙烯、聚丙 烯、聚氯乙烯、ABS或者玻纤增强型聚丙烯。
【文档编号】H01M8/24GK103840188SQ201210482919
【公开日】2014年6月4日 申请日期:2012年11月23日 优先权日:2012年11月23日
【发明者】张华民, 邢枫, 李先锋 申请人:中国科学院大连化学物理研究所