一种液流单电池结构单元及液流电池电堆的制作方法

1.本发明属于电化学储能技术领域，具体涉及一种液流单电池结构单元及液流电池电堆。


背景技术：

2.随着可再生能源的普及应用，其在能源供应结构中的比例逐渐提高，并逐步由辅助能源转化为主导能源，支撑人类社会持续发展。但是，以风能、太阳能为代表的可再生能源自身的不稳定性、不连续特性对电网产生严重冲击。大规模高效储能技术成为实现可再生能源发电规模化利用的关键技术，也是建设智能电网、提高电网对不连续、不稳定的可再生能源发电接纳能力的瓶颈技术，是国家实现能源安全、经济可持续发展的重大需求。
3.在众多的储能技术中，电化学储能技术因其效率高、环境友好而发展迅速。液流电池作为电化学储能技术的典型装置，具有效率高、循环寿命长、容量和功率可以独立设计、响应快、安全性高、生命周期内性价比高等突出的优势，尤其适合于大规模储能。目前，多个国家已相继建成kw～mw级的液流电池示范系统，配套于太阳能、风能等可再生能源发电系统起到平滑输出、跟踪计划发电、平衡负荷和削峰填谷等作用。
4.随着近年来成本的快速下降、商业化应用逐渐成熟，液流电池的优势愈发明显，开始逐渐成为储能新增装机的主流，且未来仍有较大的成本下降空间，发展前景广阔。因此，加强液流电池储能系统里面单电池结构的研究，对于提高电池整体效率，降低储能系统成本显得尤为重要。
5.传统的液流单电池的结构如图1所示，电池以隔膜600为中心，呈对称分布，两侧依次为密封垫300，电极500，电极框400，密封垫300，双极板200以及电池端板100，电解液流道通常加工在双极板的表面或者在流场框内单独嵌入一个流道框，这两种方式均存在一定的缺陷：双极板容易受电池液流强酸和强碱的影响而发生化学腐蚀和电化学腐蚀，进而影响电池性能；而在流场框内单独嵌入流道框的方式，安装工艺比较复杂，也会增加材料成本，而且流场框和流道框的安装密封也容易出现问题。


技术实现要素：

6.为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种液流单电池结构单元及液流电池电堆。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
7.本发明提供了一种液流单电池结构单元，依次包括第一碳毡、第一流场框、离子传导膜、第二碳毡、第二流场框和双极板，其中，
8.所述离子传导膜与所述第一流场框固定连接，所述双极板与所述第二流场框固定连接；
9.所述第一流场框和所述第二流场框结构相同，均为中间设有矩形孔洞的长方形框体，其四角分别设置有通孔；与所述第一碳毡或所述第二碳毡相邻的一侧的两个长边框设置有凹槽型导流通道，且两个所述凹槽型导流通道分别与同一端的两个通孔连通，一个通
孔作为电解液的入口，另一个通孔作为电解液的出口；所述第二流场框和所述第一流场框互为180
°
水平翻转设置；
10.对所述入口注入电解液，所述电解液经连通的凹槽型导流通道流经所述第一碳毡或所述第二碳毡后，进入对侧的凹槽型导流通道流回所述出口，完成电解液在单体电池内部的一次循环。
11.在本发明的一个实施例中，所述第一流场框和所述第二流场框的长宽比均为2.5:1-5:1。
12.在本发明的一个实施例中，所述矩形孔洞的长宽比为5.5:1-7:1。
13.在本发明的一个实施例中，所述凹槽型导流通道包括多个一级导流通道、多个二级导流通道和多个三级导流通道，其中，
14.每一个所述一级导流通道的一端连通有一所述液流通孔，另一端连通有二级导流通道，且所述二级导流通道在流场框的内边沿等距分布；
15.所述多个三级导流通道均匀贯通设置于流场框与所述矩形孔洞相邻的两个长边内沿处，且与所述二级导流通道连通。
16.在本发明的一个实施例中，所述多个一级导流通道的形状不同，长度相同，容积相同。
17.在本发明的一个实施例中，所述二级导流通道包括多个间隔部及间隔部两侧的流道，且所述间隔部为奇数，最中间的间隔部的上表面中间位置设置有正对所述一级导流通道的钝角三角形状凸起缓冲装置，以将经过所述一级导流通道的电解液的均匀通过所述二级导流通道的间隔部两侧的流道进入所述三级导流通道。
18.在本发明的一个实施例中，所述矩形孔洞在与设置有凹槽型导流通道相对的一侧的四周为单层台阶状凹台，且所述凹台的深度与所述双极板和所述离子传导膜的厚度相同。
19.在本发明的一个实施例中，所述离子传导膜与所述第一流场框通过粘接的方式固定连接；所述双极板与所述第二流场框通过焊接的方式固定连接。
20.在本发明的一个实施例中，所述焊接为激光焊接，激光功率为20w-30w，波长为980nm。
21.本发明还提供了一种液流电池电堆，包括多个上面任一项所述的液流单电池结构单元。
22.与现有技术相比，本发明的有益效果：
23.本发明实施例的液流单电池结构单元及液流电池电堆，通过优化流场框和矩形孔洞的外形和长宽比例，并结合流场框上凹槽型导流通道的特殊设计和合理布局，使电解液通过凹槽型导流通道到达电极区时，流速均匀，压力稳定，促进电解液离子充分反应，提高单体电池及电堆的性能。此外，本发明的流场框的结构以及其与双极板和离子传导膜的固定方式，减小了液流电池结构单元及整个液流电池电堆的厚度，既可以减少储能系统空间需求，又可以实现单位体积电解液功率增加的效果，提升了电堆的性能；该液流电池结构单元不再需要通过层间设置密封垫来实现密封，各流场框之间通过紧密贴合连接，在形成液流电池电堆时通过外部各侧面的热熔焊接，可以实现更好的密封效果。
附图说明
24.图1是传统的液流单电池的结构示意图；
25.图2是本发明实施例提供的一种液流单电池结构单元各部件的结构示意图；
26.图3是本发明实施例提供的一种液流单电池结构单元流场框与双极板、离子传导膜固定后的结构示意图；
27.图4是本发明实施例提供的一种流场框的背面结构示意图；
28.图5是本发明实施例提供的一种流场框的结构示意图；
29.图6是本发明实施例提供的一种流场框的局部结构示意图。
30.附图标记说明：
31.1-第一碳毡；2-第一流场框；3-离子传导膜；4-第二碳毡；5-第二流场框；6-双极板；7-凹台；8-一级导流通道；9-二级导流通道；10-三级导流通道；11-间隔部；12-凸起缓冲装置；13-流道；100-电池端板；200-双极板；300-密封垫；400-电极框；500-电极；600-电池以隔膜。
具体实施方式
32.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
33.请参见图2和图3，图2是本发明实施例提供的一种液流单电池结构单元各部件的结构示意图，图3是本发明实施例提供的一种液流单电池结构单元流场框与双极板、离子传导膜固定后的结构示意图。
34.需要说明的是，本发明实施例提供的液流单电池结构单元，是作为液流电堆中的若干个重复堆叠的单电池结构单元中的其中一个单元。
35.本发明实施例的单电池结构单元从一侧到另一侧依次包括：第一碳毡1、第一流场框2、离子传导膜3、第二碳毡4、第二流场框5和双极板6。图2中，最左侧的第二流场框5和双极板6与本单电池结构单元中最右侧的第二流场框5和双极板6结构相同，作用相同，并作为本发明实施例的单电池结构单元左侧的单电池结构单元的一部分。
36.本发明实施例的单电池结构单元中，离子传导膜3与第一流场框2固定连接，双极板6与第二流场框5固定连接。
37.本发明实施例的第一流场框2和第二流场框5结构相同，均为中间设有矩形孔洞的长方形框体，其四角分别设置有通孔；与第一碳毡1或第二碳毡4相邻的一侧的两个长边框设置有凹槽型导流通道，且两个凹槽型导流通道分别与同一端的两个通孔连通，一个通孔作为电解液的入口，另一个通孔作为电解液的出口。本发明实施例的第二流场框5和第一流场框2互为180
°
水平翻转设置，也即固定离子传导膜3的流场框和固定双极板6的流场框结构完全相同，在使用中只需水平旋转180
°
，即可分别作为正极流场框和负极流场框使用，该种设计降低了模具设计成本，简化了来料加工验收环节，提高了组装生产线效率，又便于正负电解液的注入和流出。
38.对每个电场框的入口注入电解液，电解液经连通的凹槽型导流通道流经第一碳毡1或第二碳毡4后，进入对侧的凹槽型导流通道流回出口，完成电解液在单体电池内部的一次循环。
39.与传统流场框明显不同的是，本发明的每个流场框均为长方形，每个流场框上孔洞也为长方形，且优选地，第一流场框2和第二流场框5的长宽比均为2.5:1-5:1，矩形孔洞的长宽比为5.5:1-7:1；在实际制造中，流场框的长边尺寸范围为500mm-1000mm，短边尺寸范围为200mm-400mm。进一步地，流体框的厚度1.5mm-3.5mm，第一碳毡1和第二碳毡4的厚度为2.5mm-3.5mm。第一碳毡1和第二碳毡4分别与所相邻的第一流场框2和第二流场框5上的矩形孔洞处形成电极区。
40.本发明流场框上孔洞设置长方形，电解液在流经电极区的过程中，流动运动的距离和时间相对于相同面积的正方形孔洞较短，减小了运动过程中产生的浓度差，流出电极区位置时电解液的分布相对较为均匀，降低了浓差极化损失，从而提高了电池表面反应活性，降低活化极化损失；同时，能够减少单体电池及电堆内阻，降低欧姆极化损失。
41.此外，传统液流单电池及电堆采用外部外加螺栓螺母紧固方式实现整体密封，该种方式需保证电堆外部整体受力均匀，因此多采用正方形或长宽比接近1的形状进行液流单体电池外形设计，以便于均匀安排外部连接最外侧端板的螺栓和螺母布置，进而实现紧固密封的最佳效果。而本发明长方形的流场框的设计，既便于设置所需的凹槽型导流通道，又便于电堆的组装以及外部的封装，封装时直接通过外部几个面的热熔焊接封装即可，不再需要通过螺栓螺母紧固方式来封装，且密封效果更好。
42.请参见图4，图4是本发明实施例提供的一种流场框的背面结构示意图；作为一种实施方式，每个流场框的背面(没有设置凹槽型导流通道的一面，如图3中的右侧)设置有单层台阶状凹台7，具体地，该凹台7设置在矩形孔洞在与设置有凹槽型导流通道相对的一侧的四周，且凹台7的深度与双极板6和离子传导膜3的厚度相同。这样可以避免流场框与双极板6或离子传导膜3粘接后，流场框背面形成凸起，进而影响电堆整体系统的组装和密封。
43.本发明实施例的离子传导膜3与与第一流场框2通过粘接的方式固定连接。具体地，可以采用pp胶密封粘结。双极板6与第二流场框5通过焊接的方式固定连接，且优选采用激光焊接，激光功率为20w-30w，波长为980nm。本发明流场框和双极板6之间的连接为导电性质和非导电性质的聚丙基材料之间的连接，采用其他如热熔、二氧化碳焊接等方式，不能有效连接，用激光焊接可以实现二者之间的可靠连接；且通过采用该特定功率和特定波长的激光，可以实现两种焊接材料的紧密连接，避免焊接面出现空气泡或者漏焊、焊接不完全等弊端。同时这种紧密焊接的方式既可以因为省略密封垫的使用而节省成本和减小电池厚度，又有利于本发明的单电池结构单元构成的电池堆的整体外密封。
44.本发明通过在流场框的背面设置单层台阶状凹台7，且凹台7的深度与双极板6和离子传导膜3的厚度相同，可以实现安装完双极板6或离子传导膜3的流场框的整体厚度与流场框自身的厚度相同；加上本发明的流场框内液流通道的合理布局，流场框的厚度小于传统液流单电池的流场框的厚度，与采用双极板、密封垫、流场框、离子传导膜等部件直接叠加来组成的传统液流单体电池相比，厚度减小了2～2.5倍，减小了产品体积，节省了产品成本。此外，由于液流电池的能量效率和电解质溶液与双极板的接触面积相关，接触面积越大越充分，液流电池的能量效率越高；而本发明流场框厚度薄，组装好后的电池厚度随之也薄，因此电极区所容纳的电解质溶液体积也随之变小，此时相同体积的电解质溶液，在保证电池效率不变的情况下，便可以用于更多的液流电池。所以本发明更薄设计的液流电池结构，可以减少储能系统空间需求；同时保持效率不变的情况下，可以减少电解质溶液的需
求，降低产品成本，或者说是实现了单位体积电解液内功率增加的效果。
45.需要说明的时，本发明实施例中的第一碳毡1和第二碳毡4分别所形成的电极区的极性相反，具体根据其各自相邻的流场框所流通的电解液的极性决定。第一碳毡1和第二碳毡4优选采用聚丙基碳毡，具有优良的导电性，以及碳毡中有利于提高液流电池电极催化活性的孔隙结构，相对增加了液流电池工作时单体电池内部电解液的供应量，进而提高了液流电池整体性能。
46.请参见图5，图5是本发明实施例提供的一种流场框的结构示意图，下面对本发明的流场框的具体结构详细说明。
47.每个流场框与电极相邻的一面的两个长边框设置有凹槽型导流通道，凹槽型导流通道包括多个一级导流通道8、多个二级导流通道9和多个三级导流通道10，其中，每一个一级导流通道8的一端连通有一液流通孔，另一端连通有二级导流通道9，且二级导流通道9在流场框的内边沿等距分布；多个三级导流通道10均匀贯通设置于流场框与矩形孔洞相邻的两个长边内沿处，且与二级导流通道9连通。
48.需要说明的是，由于边框上各位置距离入口和出口的远近不同，为了保证电解液能够均匀且同时被分配到电极区一侧的任何位置，在流场框的边框面积有限的情况下，本发明通过对一级导流通道8、二级导流通道9和三级导流通道10的结构和形状进行特定设计，以达到电解质溶液在各单体电池内的高效均匀分配，降低浓差极化损失，从而提高了电池表面反应活性，降低活化极化损失的效果。
49.本发明实施例的多个一级导流通道8的形状不同，长度相同，容积相同。如图4所示，由于多个一级导流通道8均与同一入口或出口连通，因此与距离入口或出口最远的二级导流通道9连通的一级导流通道8可以设置在边框的最外侧，与距离入口或出口最远的二级导流通道9连通的一级导流通道8可以设置在边框的最内侧。由于一级导流通道8的长度相同，且容积相同，因此电解液会被一级导流通道8均匀分配，且流经每个一级导流通道8的时间相同，电解液等量且同时进入每一个二级导流通道9。
50.请参见图6，图6是本发明实施例提供的一种流场框的局部结构示意图，图6中可以看出，本发明实施例的二级导流通道9包括多个间隔部11及间隔部11两侧的流道13，且间隔部11为奇数，最中间的间隔部11的上表面中间位置设置有正对一级导流通道8的钝角三角形状凸起缓冲装置12，以将经过一级导流通道8的电解液的均匀通过二级导流通道9的间隔部11两侧的流道13进入三级导流通道10。
51.本发明实施例的二级导流通道9通过将间隔部11设置为奇数，且最中间的间隔部11的上表面中间位置设置有正对一级导流通道8的钝角三角形状凸起缓冲装置12，可以对进入二级导流通道9的电解液起到缓冲作用，且可以提高电解液在二级导流通道9中分配均匀性，以平稳且均匀地进入三级导流通道10。
52.结合图1和图5，对本发明实施例提供的液流单电池结构单元的工作原理进行说明。正极电解液/负极电解液由第二流场框5上端的入口a注入，进入一级导流通道8，被均匀分配为三部分，正极电解液/负极电解液流经一级导流通道8后，同时也等量均匀进入二级导流通道9，在二级导流通道9中再次被均匀分配为四部分，再平稳且均匀地进入多个三级导流通道10，流经三级导流通道10的正极电解液/负极电解液被再次均匀分配为多股流体进入中间孔洞处铺设电极所构成的电极区；流经电极区的正极电解液/负极电解液进入第
二流场框5下端的的多个三级导流通道10，经三个二级导流通道9均匀收集后分别进入三个一级导流通道8，最后从出口b流出，完成一次正极电解液/负极电解液在液流单电池结构单元内部的一次循环。相应地，负极电解液/正极电解液从第一流场框2上端的入口c注入，流经凹槽型导流通道后，从第一流场框2下端的出口d流出，完成一次负极电解液/正极电解液在液流单电池结构单元内部的一次循环。在此过程中，正负电解液中的离子通过离子传导膜3并被双极板6收集，完成单体电池内充电/放电过程。
53.本发明实施例还提供了一种液流电池电堆，该电堆由上述的多个液流单电池结构单元堆叠而成。由于液流单电池结构单元的具体结构和效果前面已详细介绍，此处不再赘述。
54.将本发明实施例提供的液流电池电堆与传统结构的电堆进行电流密度、库伦效率、电压效率和能量效率的检测对比试验，结果如表1所示：
55.表1本发明的液流电池电堆与传统电堆性能对比
56.电堆电流密度ma/cm2库伦效率％电压效率％能量效率％传统结构电池串联电堆7096.18272本发明的液流电池电堆10097.989.280.1
57.可以看出，本发明的液流单电池结构单元所构成的液流电池电堆，与传统液流电池电堆相比，电流密度明显提升，库伦效率、电压效率和能量效率也有不同程度的提升。
58.本发明实施例的液流单电池结构单元及液流电池电堆，通过优化流场框和矩形孔洞的外形和长宽比例，并结合流场框上凹槽型导流通道的特殊设计和合理布局，使电解液通过凹槽型导流通道到达电极区时，流速均匀，压力稳定，促进电解液离子充分反应，提高单体电池及电堆的性能。此外，本发明的流场框的结构以及其与双极板和离子传导膜的固定方式，减小了液流电池结构单元及整个液流电池电堆的厚度，既可以减少储能系统空间需求，又可以实现单位体积电解液功率增加的效果，提升了电堆的性能。
59.此外，传统的液流单电池结构中，双极板与流场框均为独立个体，中间采用密封垫，在外部螺栓螺母的紧固作用下实现双极板与流场框的连接与密封，离子传导膜与流场框也是依靠电池外部螺栓螺母紧固力实现连接，这种密封方式存在密封垫随着时间的推移容易老化而造成漏液。而本发明的液流电池结构单元不再需要通过层间设置密封垫来实现密封，各流场框之间通过合理涉及可以实现紧密贴合连接，在形成液流电池电堆时通过对电堆各侧面的热熔焊接，可以实现更好的密封效果。
60.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
61.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
62.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等
术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
63.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
64.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。
65.以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。