一种液流电池一体化模组结构的制作方法

1.本实用新型属于液流电池领域，涉及一种液流电池一体化模组结构，以及安装所述模块或模组的电堆，和安装所述电堆的液流电池。


背景技术：

2.液流电池，全称为氧化还原液流电池，是一种高效的电化学储能技术。液流电池由双极板、碳电极、质子交换膜、集流板、电极边框、端板等部件组成。液流电池工作介质是酸性液体，称为电解液，电解液的流失不仅会引起充放电能量的下降，而且会造成环境污染，此外还可能引起安全事故。在整个液流电池系统中，电堆是其核心功率组件，而且也是整个系统密封最薄弱的部件。电堆作为液流电池功率单元，其功率在既定能量效率下由单电池数量决定。随着储能行业的发展，液流电池储电量与输出功率需求越来越大，大功率电堆需要上百甚至几百片单电池串联组成，庞大的单电池堆叠对电堆密封及充放电性能一致性，以及电池运行可靠性提出很高的要求，提高了电堆集成难度，同时增加了电堆耐久性能风险。现有大功率电堆集成常采用双极板、电极、板框、质子膜重复堆叠的方式，不利于集成效率的提升，整个电堆的气密性在整堆集成后才能评测，不利于泄漏源排查，从而降低了电堆的维保性能，因此电堆的模块化集成具有迫切需求。


技术实现要素：

3.为了解决大功率液流电池电堆模组化集成及模组气密性的问题，减小因电解液工作压力波动引起组件位移的影响，提高电堆充放电性能一致性，本实用新型提出如下技术方案：一种液流电池一体化模组结构，包括第一双极板、第一电极、第一板框、质子交换膜、第二双极板、第二板框、第二电极，第一电极安装在第一板框的第一板孔中，第一电极弹性粘结在第一双极板的第一密封槽内而使第一板框通过第一电极与第一双极板密封连接；第二电极安装在第二板框的第二板孔中，第二电极弹性粘结在第二双极板的第二密封槽内而使第二板框通过第二电极与第二双极板密封连接；质子交换膜朝向第一板框的一侧及在厚度方向上部分质子交换膜弹性粘结在第一板框的第三密封槽内，质子交换膜朝向第二板框的一侧及在厚度方向上部分质子交换膜弹性粘结在第二板框的第四密封槽内。
4.作为技术方案的补充，第一双极板包括边框及第一流场区域，第一流场区域为第一双极板由边框向中间区域内凹形成的第一密封槽，第一板框上与第一双极板的第一密封槽所相对的区域上的开口为第一板孔，第一板孔在第一板框的厚度方向上贯通第一板框。
5.作为技术方案的补充，第二双极板包括边框及第二流场区域，第二流场区域为第二双极板由边框向中间区域内凹形成的第二密封槽，第二板框上与第二双极板的第二密封槽所相对的区域上的开口为第二板孔，第二板孔在第二板框的厚度方向上贯通第二板框。
6.作为技术方案的补充，第一板框包括板面上的第一板孔及位于第一板孔四周的边框区域，第一板框朝向第二双极板一侧的边框区域内凹形成第三密封槽；
7.第二板框包括板面上的第二板孔及位于第二板孔四周的边框区域，第二板框朝向
第一双极板一侧的边框区域内凹形成第四密封槽。
8.作为技术方案的补充，第一电极的厚度大于第一板孔的厚度，第二双极板的厚度大于第二板孔的厚度。
9.作为技术方案的补充，第一电极弹性粘结在第一双极板的第一密封槽内是将第一电极的侧面粘结在第一密封槽的内侧的开槽面上；
10.第二电极弹性粘结在第二双极板的第二密封槽内是将第二电极的侧面粘结在第二密封槽的内侧的开槽面上。
11.作为技术方案的补充，质子交换膜在厚度方向上部分嵌入在第三密封槽内，将质子交换膜部分在厚度方向上的侧面粘结在第三密封槽内的内侧的开槽面上；
12.质子交换膜在厚度方向上部分嵌入在第四密封槽内，将质子交换膜部分在厚度方向上的侧面粘结在第四密封槽内的内侧的开槽面上。
13.作为技术方案的补充，所述的弹性粘结为将常温固化胶水通过点胶或注塑或粘贴而粘结。
14.作为技术方案的补充，所述的弹性粘结将热压固化胶水通过点胶或注塑或粘贴而粘结。
15.有益效果：本实用新型将液流电池电堆的重复堆叠的组件通过模块化构建形成实现电堆功能的最小结构，将电堆通过组件直接堆叠的方式改进为通过模组堆叠的方式，从而实现了在电堆集成前可以对各模组进行气密性检测，提高电堆集成后的气密稳定性。而对电堆集成后的泄漏源排查也可以模组为单位进行排查，提高了电堆维保的性能。本实用新型的模组结构通过密封槽和弹性粘结的方式连接组件，弹性粘结的结构使模组厚度方向的弹性可在一定范围内波动，电堆运行过程中，当电解液工作压力发生波动时，弹性粘结结构可在一定程度上缓冲掉因电解液工作压力波动引起的组件位移，从而保证电堆工作过程中组件之间机械压力的恒定，维持电堆充放电性能一致性。
附图说明
16.图1是液流电池电堆一体化模组组件结构爆炸示意图；
17.图2是液流电池电堆一体化模组的第二板框、第二电极、第二双极板结构爆炸示意图。
18.图3是液流电池电堆一体化模组的第一板框、第一电极、第一双极板结构爆炸示意图。
19.图4是液流电池电堆一体化模组的电解液口分布示意图。
20.图中：1第一双极板；2第一电极；3第一板框；4质子交换膜；5第二板框；6第二电极；7第二双极板；8流道；9第一密封槽；10第二密封槽；11第三密封槽；12第四密封槽；13第一电解液口；14第二电解液口；15第三电解液口；16第四电解液口；17第一板孔；18第二板孔。
具体实施方式
21.下面详细描述本实用新型的实施例，通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。实施例中所述的“前”,
ꢀ“
后”，“左”，“右”，“上”，“下”仅针对实施例图中所示位置，不限制实际使用空间。
22.实施例1：如图1所示，液流电池一体化模组结构，包括第一双极板1、第一电极2、第一板框3、质子交换膜4、第二双极板7、第二板框5、第二电极6。
23.第一双极板1包括边框及第一流场区域，第一流场区域为第一双极板1由边框向中间区域内凹形成的第一密封槽9，第一板框3上与第一双极板1的第一密封槽9所相对的区域上的开口为第一板孔17，第一板孔17在第一板框3的厚度方向上贯通第一板框3。第一电极2安装在第一板框3的第一板孔17中，第一电极2弹性粘结在第一双极板1的第一密封槽9内而使第一板框3通过第一电极2与第一双极板1密封连接。
24.在一种优选方案中，第一电极2的厚度大于第一板孔17的厚度，第二双极板7的厚度大于第二板孔18的厚度。
25.如图3所示，在一种优选方案中，第一电极2弹性粘结在第一双极板1的第一密封槽9内是将第一电极2的侧面粘结在第一密封槽9的内侧的开槽面上。第一电极2的侧面是指的上、下侧面和左、右侧面，在本实施例中，朝向第一双极板1的面为底面。在本实施例中第一电极2的侧面在厚度方向上，部分位于第一板孔17中，部分位于第一密封槽9内。
26.如图4所示，第二双极板7包括边框及第二流场区域，第二流场区域为第二双极板7由边框向中间区域内凹形成的第二密封槽10，第二板框5上与第二双极板7的第二密封槽10所相对的区域上的开口为第二板孔18，第二板孔18在第二板框5的厚度方向上贯通第二板框5。第二电极6安装在第二板框5的第二板孔中，第二电极6弹性粘结在第二双极板7的第二密封槽10内而使第二板框5通过第二电极6与第二双极板7密封连接。
27.在一种优选方案中，第二电极6弹性粘结在第二双极板7的第二密封槽10内是将第二电极6的侧面粘结在第二密封槽10的内侧的开槽面上。第二电极6的侧面是指的上、下侧面和左、右侧面，在本实施例中，朝向第二双极板7的面为底面。在本实施例中第二电极6的侧面在厚度方向上，部分位于第二板孔18中，部分位于第二密封槽10。
28.第一板框3包括板面上的第一板孔17及位于第一板孔17四周的边框区域，第一板框3朝向第二双极板7一侧的边框区域内凹形成第三密封槽11。质子交换膜4朝向第一板框3的一侧及在厚度方向上部分质子交换膜4弹性粘结在第一板框3的第三密封槽11内。在一种优选方案中，质子交换膜4在厚度方向上部分嵌入在第三密封槽11内，将质子交换膜4部分在厚度方向上的侧面粘结在第三密封槽11内的内侧的开槽面上。
29.第二板框5包括板面上的第二板孔18及位于第二板孔18四周的边框区域，第二板框5朝向第一双极板1一侧的边框区域内凹形成第四密封槽12。质子交换膜4朝向第二板框5的一侧及在厚度方向上部分质子交换膜4弹性粘结在第二板框5的第四密封槽12内。在一种优选方案中，质子交换膜4在厚度方向上部分嵌入在第四密封槽12内，将质子交换膜4部分在厚度方向上的侧面粘结在第四密封槽12内的内侧的开槽面上。
30.在本实施例中，第一板框3和第二板框5共用一个质子交换膜4，因此该实施例中在厚度方向上，部分质子交换膜4位于第三密封槽11内，部分质子交换膜4位于第四密封槽12内。
31.在一种方案中，所述的弹性粘结为将常温固化胶水通过点胶或注塑或粘贴而粘结。在另一种方案中，所述的弹性粘结将热压固化胶水通过点胶或注塑或粘贴而粘结。其目的是胶水固化后具有弹性，弹性粘结的结构在模组厚度方向其弹性可在一定范围内波动，电堆运行过程中，当电解液工作压力发生波动时，弹性密封结构可在一定程度上缓冲掉因
电解液工作压力波动引起的组件位移，从而保证电堆工作过程中组件之间机械压力的恒定，维持电堆充放电性能一致性。此外，当模组内部组件受损时，整个模组可在工装辅助下分离，达到更换模组受损组件的目的，提高电堆的维护性能，降低电堆使用成本。
32.如图4所示，在一种方案中，第一双极板1、第二双极板7、第一板框3、第二板框5的上边框的两个边角位置具有第一电解液口13、第二电解液口14，第一双极板1、第二双极板7、第一板框3、第二板框5的下边框的两个边角位置具有第三电解液口15、第四电解液口16，在一种方案中，四个电解液口中，具有一个正极电解液入口、一个正极电解液出口、一个负极电解液入口和一个负极电解液出口，在一种优选方案中，同极性电解液的入口和出口位于不同的边框侧，且为斜对设置。如位于上边框的第一电解液口13为正极电解液入口，则位于下边框的与第一电解液口斜对的第四电解液口16为正极电解液出口，位于上边框的第二电解液口14为负极电解液入口，则位于下边框的与第二电解液口斜对的第三电解液口15为负极电解液出口，增大电解液流经电极区域，在电堆能承受的压力范围内增加流量。
33.实施例2：在本实施例中以实施例1所述的液流电池一体化模组结构为最小模组结构，在此为基础上，以模组的第一双极板1或第二双极板7为对称面，进行平面对称叠合，堆叠安装成液流电池一体化模组结构，形成的模组的最外两侧为双极板。堆叠安装的模组的数量由液流电池目标功率确定，在此基础上形成的电堆。
34.实施例3：一种液流电池，以实施例2所述的电堆作为液流电池的电堆。在一种优选方案中，液流电池包括电堆、正极电解液储液罐、负极电解液储液罐、正极电解液循环泵、负极电解液循环泵，电解液管路及辅件，辅件包括各种接口、显示窗、导线、气管，以实施例2所述的电堆作为该方案液流电池的电堆。在一种优选的方案中，液流电池是全钒液流电池。由上述，一体化模组是介于电池单体和电堆之间的一种形态，是根据设计参数将极板、电极、质子交换一体化集成封装的模组。一体化模组具有可扩充性，搭配不同数量的一体化模组，可组装成不同功率的电堆以应用于不同应用场景需求，一体化模组结构集成方法简单，适合于大批量工业化应用。
35.实施例4：如图1-4所示，一种液流电池一体化模组结构，模组结构由不同数量的组件叠合集成。本实施例示例了一组组件，包括第一双极板1、第一电极2、第一板框3、质子交换膜4、第二板框5、第二电极6、第二双极板7。模组叠合结构是：第一双极板1右侧面上的中间区域的四周设有第一密封槽9，通过第一密封槽9内的密封结构与第一板框3的左侧面弹性粘结在一起，第一电极2放置在第一板框3中间的第一板孔17中，第一板框3右侧面上的边框区域的四周设有第三密封槽11，通过第三密封槽11内的密封结构与质子交换膜4的左侧面弹性粘结。第二双极板7左侧面上的中间区域的四周设有第三密封槽11，通过第三密封槽11内的密封结构与第二板框5的右侧面粘结固定在一起，第二电极6放置在第二板框5中间的第二板孔18中。第二板框5左侧面上的边框的四周设有第二密封槽10，通过第二密封槽10内的密封结构与前述已经与第一板框3弹性粘结为一体的质子交换膜4的右侧面弹性粘结。
36.如图1所示，上述第一双极板1、第二双极板7的两侧平面上皆设有电解液流道8以及位于板面上的密封槽。电解液流道8通过模压或机雕方式加工，用于电堆运行时导流电解液。密封槽内通过密封工艺制备弹性密封结构，所述密封结构的密封工艺包括点胶，注塑，粘贴等，密封结构是通过密封工艺将常温固化胶水或热压固化胶水弹性粘结在需求组件与各密封槽间，将需求组件嵌入式弹性固定在密封槽中。由此密封结构实现了组件间弹性粘
结，是一种弹性密封结构。使得密封结构具有一定粘性，将相邻组件通过粘结的方式紧固在一起，而密封结构的粘性是的密封结构具有一定的抗拉强度，可承受电堆工作时电解液流动压力的外涨压力。
37.本实施例的液流电池电堆一体化模组，将双极板、板框、电极和质子交换膜4集成为目标功率的一体化单元结构，各连接处采用胶水将密封槽和组件弹性粘结，组件嵌入式弹性粘结在密封槽内，整个模组紧固为一个整体，根据应用场景，模组可单独使用，也可以根据应用场景对电堆功率的需求，将不同数量的模组集成为功率等级不同的电堆，模组之间仅采用常规密封圈密封即可。模组之间组件采用弹性粘结密封，当模组内组件受损时，可通过工装分离模组内部的组件，实现更换受损组件的目的。
38.弹性粘结的密封结构在模组厚度方向上，其弹性可在一定范围内波动，电堆运行过程中，当电解液工作压力发生波动时，弹性密封结构可在一定程度上缓冲掉因电解液工作压力波动引起的组件位移，从而保证电堆工作过程中组件之间机械压力的恒定，维持电堆充放电性能一致性。
39.由上述，本实施例的液流电池电堆一体化模组，紧固工艺简单，密封良品率高，可拆卸的弹性粘结的密封结构提高了电堆维保性能，降低模组运维成本。此外，弹性粘结密封结构的弹性缓冲功能，可释放因电解液工作压力波动引起的组件间机械压力的变化，从而达到组件接触压力的恒定性，维持电堆充放电性能一致性。
40.实施例5：在本实施例中以实施例4所述的液流电池一体化模组结构为最小模组结构，在此为基础上，以模组的第一双极板1或第二双极板7为对称面，进行平面对称叠合，堆叠安装成液流电池一体化模组结构，形成的模组的最外两侧为双极板。堆叠安装的模组的数量由液流电池目标功率确定，在此基础上形成的电堆。
41.实施例6：一种液流电池，以实施例5所述的电堆作为液流电池的电堆。在一种优选方案中，液流电池包括电堆、正极电解液储液罐、负极电解液储液罐、正极电解液循环泵、负极电解液循环泵，电解液管路及辅件，辅件包括各种接口、显示窗、导线、气管，以实施例5所述的电堆作为该方案液流电池的电堆。在一种优选的方案中，液流电池是全钒液流电池。由上述，一体化模组是介于电池单体和电堆之间的一种形态，是根据设计参数将极板、电极、质子交换一体化集成封装的模组。一体化模组具有可扩充性，搭配不同数量的一体化模组，可组装成不同功率的电堆以应用于不同应用场景需求，一体化模组结构集成方法简单，适合于大批量工业化应用。
42.以上内容仅为本实用新型的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。