密封结构及其应用的液流电池和电堆的制作方法

1.本实用新型主要涉及电化学储能领域，尤其涉及一种密封结构及其应用的液流电池及电堆。


背景技术：

2.随着现代经济社会发展与传统能源供给不足的矛盾日益突出，人们不得不寻找风能、太阳能等新能源满足生产生活需求。近些年，随着能源需求的增长，风能、太阳能等新能源在能源供给中所占的比例越来越大。但风能的不稳定性和太阳能的间歇性对能源利用带来了困难，因此大规模的储能研究势在必行。
3.液流电池作为一种可靠适用的大规模储能技术成为了研究发展的方向。液流电池安全性高，寿命长，蓄电容量大，功率与容量分离可调，可以有效解决风能、太阳能等新能源供给不稳定的问题。
4.为满足实际应用需求，液流电池的电堆是由多个单电池串联堆叠而成，以便得到需求的工作电压。电堆的堆栈结构对其密封性能提出了高要求，目前电堆常用的密封结构出现有密封材料脱落、无法二次利用、装配工艺复杂等问题。因此，如何提高液流电池以及电堆的密封效果是领域内亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型要解决的技术问题是提供一种密封结构及其适用的液流电池和电堆，密封结构不易脱落且可以二次利用，在简化装配工艺的同时达到良好的密封效果，提高了其所应用的液流电池和电堆的密封性和稳定性。
6.为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种适用于液流电池的密封结构，适于对液流电池中、或由液流电池形成的电堆中相邻的第一电极框、第二电极框以及所述第一电极框和所述第二电极框之间的隔膜或双极板进行密封，所述密封结构包括：
7.多个凸起结构，位于所述第一电极框和所述第二电极框的第一表面；
8.多个密封槽，分别位于所述第一电极框和所述第二电极框的第二表面；以及
9.多个密封圈垫，分别位于所述多个密封槽中，且所述多个密封圈垫的至少一部分与所述多个凸起结构接触，
10.其中，位于所述第二电极框的第二表面的密封槽中的密封圈垫与所述隔膜或双极板接触。
11.在本实用新型的一实施例中，所述密封结构包括外密封结构和内密封结构，其中，
12.所述外密封结构包括分别位于所述第一电极框的第一表面和第二表面的第一外凸起结构和第一外密封槽、以及分别位于所述第二电极框的第一表面和第二表面的第二外凸起结构和第二外密封槽；
13.所述内密封结构包括位于所述第一电极框的第一表面和第二表面的第一内凸起结构和第一内密封槽、以及位于所述第二电极框的第一表面和第二表面的第二内凸起结构
和第二内密封槽，
14.其中，所述第一外密封槽和所述第二外密封槽中分别具有第一外密封圈垫和第二外密封圈垫、所述第一内密封槽和所述第二内密封槽中分别具有第一内密封圈垫和第二内密封圈垫，并且，所述第二内密封圈垫与所述隔膜或双极板接触。
15.在本实用新型的一实施例中，当所述第二内密封圈垫与所述双极板接触时，所述第二外密封圈垫的上表面高于所述第二内密封圈垫的上表面。
16.在本实用新型的一实施例中，所述多个凸起结构在与所述第一电极框和所述第二电极框所在平面垂直的第一方向上的截面为弧形、矩形或倒梯形。
17.在本实用新型的一实施例中，所述多个密封槽和所述多个密封圈垫在所述第一方向上的截面为矩形。
18.在本实用新型的一实施例中，所述多个凸起结构的顶点与所述第一电极框和所述第二电极框的第一表面之间的距离为0.4～0.7mm。
19.在本实用新型的一实施例中，所述多个密封圈垫的厚度为2.5～3.5mm。
20.在本实用新型的一实施例中，所述多个密封圈垫的邵氏硬度范围为 50～70度。
21.为了解决上述的技术问题，本实用新型的另一方面还提出了一种液流电池，所述液流电池上述的密封结构。
22.本实用新型还提出了一种电堆，由多个液流电池组成，所述电堆中的每个液流电池、以及相邻的两个液流电池之间包括上述的密封结构。
23.与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：本实用新型的密封结构密封性好，整体上延长了液流电池的寿命，防止液流电池电解液频繁泄漏带来的经济损失；本实用新型的密封结构通过电极框上的凸起结构与密封圈垫之间的良好挤压进行密封，能够承受较大压力而不发生泄漏渗漏；进一步的，本实用新型的结构通过密封槽和密封圈垫的配合较为轻巧，可以简化电堆的装配工艺，电极框与柔性双极板之间无需进行焊接或者粘接等繁琐工艺；最后，本实用新型的密封结构还有助于电堆的拆解，无需对电堆进行不可逆的破坏性拆解。
附图说明
24.包括附图是为提供对本技术进一步的理解，它们被收录并构成本技术的一部分，附图示出了本技术的实施例，并与本说明书一起起到解释本实用新型原理的作用。附图中：
25.图1a和图1b是本实用新型一实施例的一种适用于液流电池的密封结构的结构示意图；
26.图2是本实用新型一实施例的一种适用于液流电池的密封结构用于密封电极框和双极板的结构示意图；以及
27.图3是本实用新型一实施例的一种适用于液流电池的密封结构用于密封电极框和隔膜的结构示意图。
具体实施方式
28.为了更清楚地说明本技术的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些示例或实施
例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本技术应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。
29.如本技术和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。
30.除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本技术的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
31.在本技术的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。
32.为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在
……
之上”、“在
……
上方”、“在
……
上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在
……
上方”可以包括“在
……
上方”和“在
……
下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。
33.此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。此外，尽管本技术中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本技术说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本技术。
34.应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。
35.如图1a和1b所示是本实用新型的一实施例提出的一种适用于液流电池的密封结
构10。密封结构10适于对液流电池中、或由液流电池形成的电堆中相邻的第一电极框、第二电极框以及第一电极框和第二电极框之间的隔膜或双极板进行密封。为了更清楚的说明密封结构10的结构细节，在图1a和图1b中尚未加入隔膜和双极板(将在下文的具体实施例中做进一步说明)，图1a和图1b示例性的展示了相邻的第一电极框11和第二电极框12 分解图和装配和接触的示意图。可以理解的是，在同一个液流电池中，第一电极框11和第二电极框12中具有隔膜结构，而在由液流电池堆积而成的电堆中，相邻的液流电池，例如是第一液流电池和第二液流电池，第一液流电池的第二电极框和第二液流电池的第一电极框之间具有双极板结构，这意味着，在电堆中，可以认为隔膜和双极板的结构是交替出现的。因此，密封结构10既适用于单独的液流电池，也适用于由液流电池堆积而成的电堆。下面根据图1a和1b对于密封结构10做出详细的说明。
36.参照图1a和图1b，密封结构10具有凸起结构112和122，密封槽110 和120以及位于密封槽120中的密封圈垫121。需要说明的是，为了更清楚的展示密封结构10的特征，在图1a和1b中未示出密封槽110中的密封圈垫，但是在本实用新型的不同的实施例中，当密封结构10装配在液流电池、特别是电堆中后，密封槽110中也具有密封圈垫，例如可以具有密封圈垫 121一样的形状和材质。另外，在图1a和图1b中仅仅示例性的展示了两个密封槽110和120以及其中的一个位于密封槽120中的密封圈垫121，本实用新型实际上不对于密封槽、密封圈垫以及凸起结构的数量做出限定，在本实用新型的一些其他的实施例中，上述各结构的数量可以为更多个，将在下文通过具体的实施例再进行说明。
37.具体的，在图1a和1b示出的实施例中，凸起结构112和122分别位于第一电极框11和第二电极框12的第一表面(在图1a和图1b中或可以理解为是第一电极框11和第二电极框12的下表面)。相对应的，密封槽 110和120分别位于第一电极框11和第二电极框12的第二表面(在图1a 和1b中或可以理解为是第一电极框11和第二电极框12的上表面)。密封圈垫121位于第二电极框12的密封槽120中，通过图1b可以看出的是，在装配完成后密封圈垫121与第一电极框11的第一表面的凸起结构112接触，在实际的应用中，第一电极框11和第二电极框12上下装配接触，装配完成后凸起结构112与密封圈垫121接触并挤压，从而在液流电池或者电堆中形成良好的密封效果。
38.进一步的，在图1a和图1b示出的实施例中，凸起结构112和122在与第一电极框11和第二电极框12所在平面垂直的第一方向x方向上的截面可以为弧形(例如是图1a和图1b中示出的半圆形)、矩形或倒梯形。优选地，在本实用新型包括图1a和图1b的实施例中，各个凸起结构与对应的电极框是一体成型的，例如，在图1a中可以清楚的看出，凸起结构112 与第一电极框11一体成型，而凸起结构122与第二电极框12也是一体成型。另外，凸起结构112和122的顶点与各自所在的第一电极框11和第二电极框12的第一表面(下表面)之间的距离范围在0.4～0.7mm之间。优选地，在图1a和图1b中可以清楚的看出，凸起结构112和122的数量各自为两个(或者在其他的实施例中，凸起结构的数量可以为更多个)，其中，两个凸起结构112之间的间距在1.5～2.5mm之间，而两个凸起结构122之间的间距也在此范围之内。通过以上对于凸起结构的尺寸的限定和配置，可以在保证密封效果的基础上不影响液流电池和电堆装配后的整体效果。
39.在此基础上，在图1示出的实施例中，密封槽120和密封圈垫121在第一方向x方向上的截面为矩形。可以理解的是，密封槽110和其中会放入的密封圈垫在第一方向x方向的
截面也可以为矩形。在此基础上，在本实用新型不同的实施例中，例如从图1a中可以清楚的看出，在未装配的自然状态下，密封圈垫121的上表面应当稍高于第二电极框12的第二表面 (上表面)，示例性的，密封圈垫121的上表面高出该第二电极框12上表面的部分可以是密封槽120槽深的10％-20％。另一方面，密封槽120在未装配时应当稍宽于密封圈垫121的宽度，密封槽120宽于密封圈垫121的部分可以是密封圈垫21宽度的10％～15％，示例性的，密封槽120的宽度优选8～12mm。另外，在本实用新型不同的实施例中，各个密封圈垫的压缩比优选10％-30％。密封圈垫的材质可以选用氟橡胶或者三元乙丙橡胶。在本实用新型的不同实施例中，密封圈垫的邵氏硬度范围为50～70度。通过这样的对密封圈垫121的尺寸、形状、材质以及硬度的设定，可以在密封圈垫121在装配后被挤压时填充密封槽120，从而起到较为完美的密封效果。
40.在本实用新型中包括图1a和图1b的实施例中，如果将密封结构10应用在液流电池或者电堆中，位于第二电极框12第二表面的密封槽120中的密封圈垫121还会与隔膜或双极板接触。下面根据图2和图3做出进一步说明，其中，图2示出了与双极板20接触的实施例，而图3示出了与隔膜 30接触的实施例，并且，与图1中密封结构10相同的部分采用了相同的标号。在这样的实施例中，将远离双极板20或隔膜30一侧的密封结构称为外密封结构21，而将直接作用于双极板20或隔膜30一侧的密封结构称为内密封结构22，在图2和图3中分别使用了虚线箭头予以示意。如前文所述，本实用新型不对密封槽、密封圈垫以及凸起结构的数量做出限制，在图 2和图3示出的实施例中，在第一电极框11和第二电极框12的同一表面 (例如是同一上表面和同一下表面)，分别具有数量为2的密封槽和密封圈垫。同时，在外密封结构21或者内密封结构22，第一电极框11和第二电极框12的同一表面还具有数量为2的凸起结构。
41.参照图2和图3，具体来说，外密封结构21包括分别位于第一电极框 11的第一表面(下表面)和第二表面(上表面)的第一外凸起结构1121和第一外密封槽1101、以及分别位于第二电极框12的第一表面(下表面)和第二表面(上表面)的第二外凸起结构1221和第二外密封槽1201。内密封结构22包括位于第一电极框11的第一表面(下表面)和第二表面(上表面)的第一内凸起结构1122和第一内密封槽1102、以及位于第二电极框12 的第一表面(下表面)和第二表面(上表面)的第二内凸起结构1222和第二内密封槽1202。其中，第一外密封槽1101和第二外密封槽1201中分别具有第一外密封圈垫(图2和图3中未示)和第二外密封圈垫1211、第一内密封槽1102和第二内密封槽1202中分别具有第一内密封圈垫(图2和图3中未示)和第二内密封圈垫1212，并且，第二内密封圈垫1212直接与隔膜30或双极板20接触。
42.通常来说，本实用新型参照图1提出的密封结构10中凸起结构112和密封圈垫121通过接触并挤压即可以具有良好的密封效果，但是，当二者之间具有双极板20或者隔膜30时，为了防止局部密封失效后影响整体的密封效果，本实用新型另外提出了如图2和图3所示的外密封结构21和内密封结构22结合的模式，即使与双极板20和隔膜30直接接触的内密封结构22失效，外密封结构21也可以继续保持密封，从而为液流电池的密封增加了“双保险”，密封效果更好也更稳定。
43.需要特别说明的是，在图2示出的实施例中，与薄膜30不同的是，双极板20具有一定的厚度，为了不影响装配后的效果，与双极板20接触的第二外密封圈垫1211的上表面高
于第二内密封圈垫1212的上表面，高度差是为了更好的容纳双极板20的厚度。可以理解的是，从图2可以看出，为了保证这样的高度差，可以将第二内密封槽1202的槽深设置的比第二外密封槽1201的槽深更深一些，从而在装配一样尺寸的密封圈垫1211和1212 后，产生这样的高度差。但是本实用新型不以此为限，例如可以使用不同尺寸的密封圈垫1211和1212以产生高度差从而容纳双极板。
44.可以理解的是，在图2和图3示出的实施例中，应用了如图1所示的密封结构10，为了更好的理解图2和图3示出的实施例中，下面对于图2 和图3所示的密封结构10，特别是其中的尺寸和结构选材等做出示例性的说明。
45.在图2和图3所示的实施例中，可以选用邵氏硬度为55a的三元乙丙橡胶第二外密封圈垫1211和第二内密封圈垫1212。各个凸起结构1121、 1122、1221和1222的高度(即顶点距离所在电极框表面的距离)为0.5mm。针对外密封结构21中的第一电极框11和第二电极框12的第一表面(下表面)，均具有两个凸起结构，二者的间距2mm，而对于内密封结构22也有相同的特征。第二外密封圈垫1211和第二内密封圈垫1212的厚度为2.6mm，分别装配在第二外密封槽1201和第二内密封槽1202中。在未装配完成时，第二外密封圈垫1211的上表面高出第二外密封槽1201的上表面0.4mm。第二外密封槽1201和第二内密封槽1202的槽宽为11mm，第二外密封圈垫1211和第二内密封圈垫1212的宽度为10mm。特别的，在图2示出的是的实施例中，双极板20的厚度为0.8mm，第二外密封圈垫1211与第二内密封圈垫1212的上表面高度差为0.8mm。图2和图3中所示的第二外密封圈垫1211和第二内密封圈垫1212的压缩比为15％，分别实现了第一电极框11、第二电极框12与二者之间的双极板20或隔膜30的侧密封以及电堆外漏密封。
46.本实用新型的另一方面还提出了一种液流电池，液流电池包括上述的密封结构。在该液流电池中，两个电极框(第一电极框和第二电极框)之间具有隔膜，具体可以参考图3的实施例，液流电池采用这样的密封结构，可以很好的实现液流电池的内部密封。
47.最后，本实用新型还提出了一种电堆，由多个液流电池组成，其中，电堆中的每个液流电池、以及相邻的两个液流电池之间均具有上述的密封结构。这意味着，在电堆中，相邻的液流电池之间以及每个液流电池的内部均采用上述的密封结构进行密封，具体的可以参考图2和图3示出的实施例，在此不再赘述。
48.上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述实用新型披露仅仅作为示例，而并不构成对本技术的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本技术进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本技术中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本技术示范实施例的精神和范围。
49.同时，本技术使用了特定词语来描述本技术的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本技术至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本技术的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。
50.同理，应当注意的是，为了简化本技术披露的表述，从而帮助对一个或多个实用新型实施例的理解，前文对本技术实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本技术对象所需要的特征比权利要求
中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。
51.一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有
±
20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本技术一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。
52.虽然本技术已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本技术，在没有脱离本技术精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本技术的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本技术的权利要求书的范围内。