一种液流电池堆及其液流电池系统的制作方法

本实用新型涉及液流电池领域，更具体地，涉及一种液流电池堆及其液流电池系统。

背景技术：

液流电池的种类很多，以应用较为广泛的全钒液流电池为例，钒电池作为一种液流电池因其具备循环寿命长、安全性能高、可深充深放、配置灵活、对环境友好等优势，在大规模、大容量的电网储能中具备无可比拟的优势，在光伏发电配套储能、风力发电配套储能、备用电源、削峰填谷等实际应用中得到使用。钒电池系统是由功率单元(电堆系统)、储能单元、电解液输送系统、管理单元、监测系统、辅助系统等部分构成的一个储能系统，电池堆是钒电池系统的核心部件，以逐级集成的方式，将多个电堆串联或并联，配以电解液组成标准储能单元，进而集成规模更大的储能系统。

常规电池堆构成方式，就是通过简单的单电池之间串联组成和通过多个小电堆串并联组成。通过多个单电池串联组成的方式存在着旁路电流大、液流分配不均、电堆功率受结构影响过大的缺陷；通过多个小电堆串并联组成大功率电堆组，这种方式虽然可以通过改变管道连接方式和电堆电源线连接方式有效抑制旁路电流及液流分配不均，但由于每个小电堆都需具备钒电池相应的配件，造成所耗成本高、外围管路复杂、空间占用大等缺点。

现有技术中,是从端进液板或中间进液板的侧面上进液，每个子电堆由两块进液板构成液流回路，来实现电堆分为若干个子电堆，并通过子电堆外部的管道对电堆进行串并联。这种方式因液流需从端进液板或中间进液板的侧面方向进液，造成进液板侧面必须大于液流孔，限制了电堆的分区，因为随着分区数量的增加，使整个电堆极其厚重，而且外围管道也非常复杂，如中国专利cn204927426u所披露的。

现有技术中，还有结合端进液板和中间进液板，再从两者之间子电堆的中间加入一个隔板，将子电堆分为两个部分，这种方式，有效地增加了电堆的子电堆个数，但因仍然采用双进液板方式来构成一个子电堆，虽然相对来说，减轻了电堆的重量和侧面，也增加了子电堆数量，但是采用隔板的方式只是简单的从电解液方面把原来的子电堆隔成了两个形式上的小子电堆，并没有从电路上真正把子电堆分为两个子电堆，外围管路上仍然比较复杂，如中国专利cn204947013u所披露的。

上述方案中涉及到加入端进液板、中间进液板以及隔板的方式，虽然在一定程度上改善了常规方式的一些缺点，但是进液板需要厚实且能够绝缘及耐腐蚀，以目前国标化工级pvc最小管道为例，外径最小管的管径为2cm，如果以此作为这种方式进液板上连接管道，进液板的侧面需至少2.5cm，而且这种方式进液板材质受其结构影响，一般情况不能采用法兰方式，只能采用熔接或者粘接的方式，因此也限制了其材料选择范围，同时，熔接或粘接承压较差，易于出现渗漏隐患。因此其存在电堆厚重、进液板占用空间大及选材受限、外围管道复杂及可靠性低、子电堆数量受限、成本较高等不足之处。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的缺点，通过对进液方式的改进，减少电池堆的尺寸和重量。

本实用新型目的通过以下技术方案实现：

提供一种液流电池堆，包括多个子电堆，每个子电堆包括一个或多个单电池，包括第一端板，在所述第一端板设置四个主液流口，分别作为正、负电极液的进口和出口，从每个主液流口设置独立的液流通道，分别连通至每一个子电堆。

在本实用新型的一种具体方案中，该液流电池堆包括：

所述第一端板和一个第二端板，分别设置在电池堆两端，邻近每个主液流口，在第一端板内部设有一组分流道，该组分流道与该主液口连通，每组分流道的数量与电池堆的子电堆数量相同；

子电堆，每个子电堆包括若干液流框，液流框的数量与该子电堆中单电池数量相适应，每个液流框上对应地设有四组液流孔，在同一子电堆内，液流框的液流孔数量相同，但是，在不同子电堆的液流框中，每组液流孔的数量从邻近所述第一端板的第一个子电堆开始逐渐递减，最大数为子电堆的数，最小为1；

分区板，设置在子相邻的电堆之间，对应地设有分区板液流孔，分区板液流孔的数量与下一级子电堆内液流框的液流孔数量相同。

进一步地，在所述第一端板和第二端板的外侧，还分别设置一个安装端板，用于固定电池堆成一个整体。

进一步地，与第一端板相邻的所述安装端板上还设有与主液流口数量相同的进出液口，并且与电解液隔绝。

进一步地，所述分区板液流孔的孔经大于液流框的液流孔的孔径。

进一步地，所述子电堆内设有集流体，所述集流体的主表面上设有集流体液流口，同一子电堆内的集流体液流口与液流框的液流口数量相同。

进一步地，所述第二端板为绝缘端板，用于隔开集流体与安装端板。

进一步地，所述集流体与子电堆的电极液通过耐腐蚀材料隔开。

进一步地，所述集流体在子电堆的数量不超过2个。

本实用新型的另一目的在于提供一种电池系统，包括上述液流电池堆。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果如下：

本实用新型在第一端板设置四个主液流口，每个主液流口设置独立的液流通道，分别连通至每一个子电堆，上述结构的进液方式能够减少电池堆的尺寸和重量，从而能更多地增加电池堆分区的数量，进而减少每个分区中单电池个数。单电池个数的减少降低了单电池之间的电势差，使得旁路电流的损耗减少。此外，独立的液流通道连通每一个子电堆，优化了单电池之间的液流分配均衡性，提高了子电堆与单电池之间的一致性。

本实用新型的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

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，下面描述中的附图仅仅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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1a和1b是根据本实用新型的钒电池电池堆不同角度的整体示意图。

图2钒电池电池堆爆炸图。

图3进液端板结构示意图。

图4单电池结构示意图。

图5各级子电堆液流框示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本实用新型作进一步的说明，其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本实用新型的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

根据本实用新型，液流电池堆包括多个子电堆构成，每个子电堆可以有多个单电池构成。具体而言，本实用新型的液流电池堆结构包括第一端板和第二端板，分别设置在电池堆两端，其中至少第一端板开有四个主液流口，分别作为正、负电极液的进口和出口。邻近每个主液流口，在第一端板内部设有一组分流道，该组分流道与该主液口连通，每组分流道的数量与电池堆的子电堆数量相同。

每个子电堆包括若干液流框，液流框的数量与该子电堆中单电池数量相适应(是单电池数量的2倍)，每个液流框上对应地设有四组液流孔。在同一子电堆内，液流框的液流孔数量相同，但是，在不同子电堆的液流框中，每组液流孔的数量从第一个子电堆开始逐渐递减，最大数为子电堆的数，最小为1。

电池堆还包括多个分区板，设置在相邻的子电堆之间，对应地设有分区板液流孔，分区板液流孔的数量与下一级子电堆内液流框的液流孔数量相同。

本实用新型中，第一端板的作用在于实现集中进出液，每组分流道的数量与子电堆数量对应，满足上述要求的前提下，主液流口以及分流道的数量及位置有多种形式，具体根据实际情况布置。

本实用新型中，第二端板可以是不带前述主液流口的端板用于隔断液流，也可以是与第一端板相同的结构，后者适合在使用更多子电堆时，从电池堆的两端进出液。

本实用新型中，子电堆的数量至少为两个，第一个(级)子电堆是指最靠近第一端板的子电堆，同一个子电堆之间的液流框液流口数量相同，不同子电堆之间的液流框的液流孔数量不一样，具体液流孔的数量根据子电堆数量及子电堆在电堆中所处位置来决定，子电堆的数量理论上可以无限多，实际应用由电堆功率、单电池个数、端进液板端面面积空间决定，但不得少于进液口的数量。

本实用新型中，液流框的每组液流孔分为两部分，其中一个液流孔是用于液流框所在的子电堆，另一部分液流孔是用于液流流入后面的子电堆，因此将液流孔的数量设置为递减，以及将分区板液流孔设置与下一级子电堆内液流框的液流孔数量相同，其目的是为了阻止用于当前子电堆的液流流向下一级子电堆(递减的液流孔即为用于当前子电堆的液流孔)。

其中，分区板的数量比子电堆的数量少一个，分区板液流孔开设在分区板的主表面上，相比从侧面方向进液，减少了分区板的厚度，分区板厚度与液流孔尺寸无关，只与绝缘强度和集流体对外引线空间有关。

通常情况下，在本实用新型的电池堆的第一端板和第二端板的外侧，还分别设置一个安装端板，作为将整个电池堆固定在一个的承力部件。

进一步地，本实用新型为了为了实现对每个或者多个子电堆进行单独控制，在每个子电堆内还可以设置集流体，一个子电堆内的集流体数量最多为两个，其作用在于通过改变集流体外部连接电源线顺序改变子电堆的串并方式，起到减小旁路电流损耗，均衡子电堆电压和单电池电压的效果。

其中，集流体的大小厚度、结构形式、开孔数量不受限制，具体根据实际情况设计。

下面以钒电池为例，具体说明本实用新型在钒液流电池领域的应用：

如图1～2所示，本实施例提供一种钒电池电池堆，包括5个子电堆3、4、5、6、7、设置在电池堆两端的端板以及设置在5个子电堆之间的4个分区板405、505、605、705。

本实施例中，端板包括位于两端的安装端板1和9、分别位于安装端板内侧的第一端板2和第二端板8。安装端板1和9为电池堆的承力固定零件，通过连接件相互连接固定，具体在本实施例中是通过螺栓从四周孔位处进行夹紧。安装端板通常用金属材料制成，以确保足够的机械强度和耐久性。本实用新型也不排除以其他强度材料制成的可能性，例如陶瓷材料，碳纤维材料和其他复合高分子材料。第一端板2的结构如图3所示，包括四个主液流口11、12、13和14，它们作为电池堆正、负电池液的总进液口或出液口。每个主液流口与附近的一组分流道连通，分流道分布在第一端板内部，该分流道的数量与子电堆数量对应，由于本实施例的子电堆数量为5个，因此与主液流口11连接的分流道是五个，分别为分流道111、112、113、114和115，其中一个分流道连通至第一级子电堆，其余四个分流道分别将电池液直接输送到第二、第三、第四、第五级子电堆。

可以理解的是，与第一端板2相邻的安装端板1上也对应设有与主液流口11、12、13和14数量相同的安装端板进出液口，安装端板进液口数量与主进液口的数量相同，并且与电解液隔绝，具体隔绝方式可以采取衬套、法兰等方式。第一端板2和第二端板8的材质包括但不限于聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚等耐腐蚀绝缘材料。

如图4所示，本实施例中单电池包括极板3032、电极3033、液流框3031(含双极板密封件)、隔膜密封垫片3034、隔膜3035。

需要说明的是，本实施例中每个子电堆内的正负级液流框是相同的，只需改变安装方向来实现正负极液流框的对换，每个液流框上都设有液流孔，并且液流孔的数量不少于进液口的数量，同一子电堆内液流框的液流孔数量相同，不同子电堆之间液流框的液流孔数量从第一个子电堆开始逐渐递减，每极进出液流孔数量分别与子电堆在电堆内的排序数相同。

同样，4个分区板405、505、605、705的主表面也设有与液流框的液流孔对应的分区板液流孔，具体每个分区板中分区板液流孔的数量与下一级子电堆内液流框的液流孔数量相同，用于将上一级子电堆的液流进行阻断，使之不能流入下一级子电堆，分区板材质包含但不限于聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚苯硫醚等耐腐蚀绝缘材料。

下面根据子电堆的数量，详细说明每个子电堆不同的液流框结构如何对电解液进行分配：

如图5所示，本实施例子电堆的数量为5个，从第一端板2处开始分别设为第一子电堆3、第二子电堆4、第三子电堆5、第四子电堆6、第五子电堆7，主液流口11、12、13和14的数量为4个，由于液流框的液流孔数量从第一子电堆3开始递减，第五子电堆7的液流框的液流孔数量最少要为4个(最少不得少于进液口的数量)，因此，第一级子电堆3的液流框3031设有20个液流孔，其中只有4个液流孔30311、30312、30313和30314属于第一级子电堆3，其余16个液流孔直接穿过第一级子电堆3流入到第二级子电堆4，而第二级子电堆4的液流框4031有16个液流孔，只有4个液流孔40311、40312、40313和40314属于第二级子电堆4，其余12个液流孔直接穿过二级子电堆4流入到第三级子电堆。第一级子电堆3和第二级子电堆4之间的分区板405上设有16个分区板液流孔，与第二级子电堆内液流框的液流孔数量相同，因此阻隔了第一级子电堆3的液流孔30311、30312、30313和30314，液流框5031、6031、7031及其它结构按上述原理依次布置。

可以理解的是，按照本实施例中液流通道的方向，分区板液流孔对应开设在分区板的主表面上，相比从侧面进液，减少了分区板的厚度，因此本实施例中的分区板厚度与液流孔尺寸无关，只与绝缘强度和集流体对外引线空间有关，在满足上述要求下其厚度尺寸可以控制在1cm以下。

其中，本实施例中液流孔的孔径可以与液流框的液流孔孔径一致，在实际情况中考虑到增加分区板密封性能，分区板液流孔的孔径也可以大于液流框的液流孔孔径。

进一步地，为了实现对每个或者多个子电堆进行单独控制，如图1～2所示，本实施例中在每个子电堆内还设有集流体(301、302、401、402、501、502、601、602、701、702)，具体在每个子电堆内都设有2个集流体，通过改变集流体外部连接电源线顺序改变子电堆的串并方式，起到减小旁路电流损耗，均衡子电堆电压和单电池电压的效果。

可以理解的是，集流体的主表面上对应地设有集流体液流口，并且数量与同一子电堆内的液流框的液流孔数量相同，集流体液流口与子电堆的电极液通过耐腐蚀材料隔开。

需要说明的是，集流体的材质包含但不限于铜、铝等高导电性金属材料或复合材料，同一子电堆内的集流体数量最多为两个，集流体大小厚度、结构形式、开孔数量没有特别要求，本领域技术人员根据实际情况设计。

本实施例中，考虑到如果第五子电堆7中的集流体702与安装端板9接触的话会导电，从而导致电池堆产生短路或漏电，因此在集流体702与安装端板9之间的第二端板8通常是绝缘材料制成，如电木板、高分子绝缘材料等,绝缘端板8的厚度比第一端板2厚度薄，具体根据安装空间和绝缘强度来选定。

此外，本实施例中绝缘端板8还起到隔断第五级子电堆7中液流框7031上4个液流孔70311、70312、70313、70314的作用。

综上，本实施例将四个主液流口以及液流通道集成在第一端板上，再通过各子电堆之间不同结构的液流框对电解液进行分配；进液方向为垂直液流框、分区板主表面的方向，分区板、集流体的厚度不受开孔的影响。上述方案中通过对进液方式的改进，减小了电池堆的尺寸和重量，从而能够更多的增加电池堆分区数量，使得在同等功率下增加子电堆的数量可以减少每个子电堆单电池个数。单电池个数的减少使每个子电堆所需的液流流量减少，从而减小每个子电堆内部进液管直径，进液管径减小使管道内阻增大，最终减小了旁路电流。

本实施例子电堆单电池数量减少及与多个集流体相配合使子电堆首末端单电池电势差降低，由于每个子电堆都有专用进出液流通道，还提高了单体电池之间的液流均衡性，从而提高电参数均衡性。

本实施例采用集流体对每个或者多个子电堆进行单独控制，通过改变集流体外部连接电源线顺序改变子电堆的串并方式，起到减小旁路电流损耗，均衡子电堆电压和单电池电压的效果，提高电池堆的电性能均衡性，并且减少了减少外围配套管道数量。

经过实际验证测试，在同一功率下(≥35kw)，本实施例子电堆的数量增加了四倍，体积和重量减小了1/5，成本下降了10％，在能效≥81％时，120ma.cm^-2提高至150ma.cm^-2。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于此。在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本实用新型所公开的内容，均属于本实用新型的保护范围。