CN115483424A - 一种电堆及电堆*** - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电堆及电堆***，该电堆包括：第一端板、第二端板以及层层叠放于所述第一端板和所述第二端板之间的多片液流电池单元；所述多片液流电池单元串接在一起；其中，所述第一端板、所述第二端板以及电堆侧面均为绝缘材料且被热熔接在一起；所述电堆侧面包括：所述多片液流电池单元叠合形成的外表面。本发明提供的电堆无需定期维护，且可靠性较高。

Description

一种电堆及电堆***
技术领域
本发明属于液流储能技术领域，具体涉及一种电堆及电堆***。
背景技术
以风能、太阳能为代表的可再生能源的飞速发展，以及其自身的不稳定性、不连续特性对电网产生严重冲击，使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。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。目前，多个国家已相继建成kW～MW级的电化学储能***，配套于太阳能、风能等可再生能源发电***中，在平滑输出、跟踪计划发电、平衡负荷和削峰填谷中发挥了重要作用。
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。电堆是一种将多片液流电池串联在一起，并通过装配组合而成的更高一级的储能***单元结构。
现有的电堆如图1所示，两端设有钢或铝制的金属端板，利用金属螺杆将两端的金属端板和多节液流电池串在一起，采用压滤机对整个电堆进行压紧并使用螺母配合螺杆实现紧固。其中，液流电池同样利用上述螺杆和螺母实现单体密封封装。
然而，现有的电堆需要对定期进行紧固维护，否则一旦螺母松动，电堆的紧固效果下降，将会导致液流电池的电解质溶液漏液，进而导致电堆内部短路，致使整个电堆失效。
发明内容
为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种电堆及电堆***。
本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种电堆，包括：第一端板、第二端板以及层层叠放于所述第一端板和所述第二端板之间的多片液流电池单元；所述多片液流电池单元串接在一起；
其中，所述第一端板、所述第二端板以及电堆侧面均为绝缘材料且被热熔接在一起；所述电堆侧面包括：所述多片液流电池单元叠合形成的外表面。
可选地，所述第一端板、所述第二端板以及所述电堆侧面均为相同材质的绝缘材料。
可选地，所述绝缘材料为PP材料。
可选地，单片的液流电池单元包括依次叠放的第一流场框、第一双极板、第一碳毡、第二流场框、离子传导膜、第二碳毡、第三流场框以及第二双极板；
其中，所述第一双极板嵌于所述第一流场框中间；所述离子传导膜嵌于所述第二流场框中间；所述第二双极板嵌于所述第三流场框中间；所述第二流场框与所述第一流场框、所述第三流场框的极性相反；所述第一流场框、所述第二流场框以及所述第三流场框的尺寸相等且均由绝缘材料制成；
任意两个相邻叠放的液流电池单元中，一个液流电池单元的第三流场框以及第二双极板，为另一个液流电池单元的第一流场框以及第一双极板。
可选地，所述第一端板、所述第二端板、所述第一流场框、所述第二流场框以及所述第三流场框均在四角上设有位置对应的电解质溶液流通孔；
其中，所述第一流场框以及所述第三流场框内部的电解质溶液流道所接通的电解质溶液流通孔，与所述第二流场框内部的电解质溶液流道所接通的电解质溶液流通孔位置相对。
可选地，还包括：第一集流板组合单元、第二集流板组合单元以及第三集流板组合单元；
所述第三集流板组合单元包括依次叠放的第三双极板、第一双极板框、以及集流板；
所述第二集流板组合单元包括依次叠放的第三双极板、第一双极板框、集流板、第二双极板框以及第四双极板；
所述第一集流板组合单元包括依次叠放的集流板、第二双极板框以及第四双极板；
其中，所述第三双极板嵌于所述第一双极板框中间，所述第四双极板嵌于所述第二双极板框中间；所述第一双极板框和所述第二双极板框均在四角上设有与所述电解质溶液流通孔位置对应的电解质溶液流通孔；所述第一流场框、所述第二流场框、所述第三流场框、所述第一双极板框以及所述第二双极板框的尺寸相等且均由绝缘材料制成；
所述第一集流板组合单元，被配置为***所述第一端板与所述多片液流电池单元之间，用于代替最邻近的一个液流电池单元的第一流场框和第一双极板；
所述第二集流板组合单元，被配置为***液流电池单元的第一双极板和第一碳毡之间；
所述第三集流板组合单元，被配置为***所述多片液流电池单元与所述第二端板之间，用于代替最邻近的一个液流电池单元的第三流场框以及第二双极板；
所述电堆侧面具体包括：所述多片液流电池单元、所述第一集流板组合单元、所述第二集流板组合单元以及所述第三集流板组合单元叠合形成的外表面。
可选地，所述第一集流板组合单元、多个所述第二集流板组合单元以及所述第三集流板组合单元被等间隔地***到所述电堆中，所述间隔至少跨越1个液流电池单元。
可选地，所述液流电池单元的数量为80，所述第二集流板组合单元的数量为3。
本发明还提供了一种电堆***，包括：多个电堆以及电解质溶液回路；
其中，所述电堆为上述的任一种电堆；多个所述电堆串联在一起；
所述电解质溶液回路，用于分别为各个所述电堆提供电解质溶液回路。
可选地，所述电解质溶液回路，具体用于：采用迂回方式分别为各个所述电堆提供电解质溶液回路。
本发明提供的电堆中，第一端板、第二端板以及电堆侧面均采用绝缘材料制成；其中，电堆侧面包括多片液流电池单元叠合形成的外表面；这样，便可以通过热熔接的方式将第一端板、第二端板以及电堆侧面热熔接在一起，从而可以有效、长久地固定电堆，并达到很好的密封效果。由此，本发明提供的电堆无需后期维护，不会导致电解质溶液漏液，具有较高的可靠性。
以下将结合附图及对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是现有电堆的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种电堆的结构示意图；
图3示出了适用于本发明实施例所提供电堆的一种液流电池单元的结构示意图；
图4是图3所示液流电池单元的立体图；
图5示出了基于图3所示液流电池单元形成本发明实施例所提供电堆的一种电池叠放方式；
图6是本发明实施例提供的另一种电堆的结构示意图；
图7是图6所示电堆的立体图；
图8是本发明实施例提供的一种电堆***的结构示意图；
图9是图8所示电堆***的俯视图。
具体实施方式
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。
为了提高电堆的可靠性，本发明实施例提供了一种电堆，图2示出了该电堆的刨面图，如图2所示，该电堆包括：第一端板1、第二端板2以及层层叠放于第一端板1和第二端板2之间的多片液流电池单元3；这些液流电池单元3串接在一起。
其中，第一端板1、第二端板2以及电堆侧面均为绝缘材料，这里说的电堆侧面包括多片液流电池单元3叠合形成的外表面。由此，将第一端板1、第二端板2以及电堆侧面通过加热熔接的方式热熔接在一起，可以有效、长久地固定电堆，并达到很好的密封效果，无需再进行后期维护，不会导致电解质溶液漏液，提高了整个电堆的可靠性。
在实际应用中，可以使用液压机对第一端板1和第二端板2施加向内的压力，从而将整个电堆压紧，然后再进行加热熔接。图2中用虚线框圈出了电堆的两个通过加热熔接形成的侧面。
其中，上述绝缘材料可以包括PP(聚丙烯)材料、PVC(聚氯乙烯)材料等。优选地，第一端板1和第二端板2可以采用PP材料的加厚硬质端板，这样可有效承接液压机所给予的压力，不会导致变形。
在一种实现方式中，第一端板1、第二端板2以及电堆侧面均为相同材质的绝缘材料。当然，第一端板1、第二端板2的材质也可以与电堆侧面的材料不相同，能对它们一并进行加热熔接即可。
示例性的，图3中示出了一种适用于本发明实施例所提供电堆的液流电池单元3的分解图，该液流电池单元3包括：第一流场框31、第一双极板32、第一碳毡33、第二流场框34、离子传导膜35、第二碳毡36、第三流场框37以及第二双极板38；该液流电池单元3的叠合效果如图4所示。
其中，第一双极板32嵌于第一流场框31中间，离子传导膜35嵌于第二流场框34中间，第二双极板38嵌于第三流场框37中间；第一流场框31、第二流场框34以及第三流场框37的尺寸相等且均由绝缘材料制成；由此，电堆中的各个第一流场框31、第二流场框34以及第三流场框37叠合在一起形成电堆侧面；第一碳毡33被夹在第一流场框31和第二流场框34之间，第二碳毡36被夹在第二流场框34和第三流场框37之间。
具体的，对于第一流场框31、第二流场框34以及第三流场框37中的每一个而言，其居中位置可以设置矩形孔洞，且矩形孔洞四周为单层台阶状的凹台，用于嵌入双极板或者离子传导膜。凹台的深度与双极板或者离子传导膜的厚度相同，这样将各流场框叠合起来时，其内嵌的双极板或者离子传导膜不会在流场框之间造成缝隙，从而确保密封效果。
该液流电池单元3中，第二流场框34与第一流场框31、第三流场框37的极性相反；任意两个相邻叠放的液流电池单元3中，一个液流电池单元3的第三流场框37以及第二双极板38，为另一个液流电池单元3的第一流场框31以及第一双极板32。也就是说，每两片相邻的液流电池单元3均共享一个流场框及双极板。
举例而言，假设第一流场框31注入的是正极电解质溶液，则第一流场框31和第三流场框37为正极流场框，第二流场框34被注入负极电解质溶液成为负极流场框。此时，多片液流电池单元3在电堆中的叠放方式及其极性分布如图5所示。
可以理解的是，基于图3所示的液流电池单元3及图5所示出的电池叠放方式，可以有效减小电堆的体积，同时由于相邻液流电池单元3共享一个流场框及双极板，因此两者之间串联的等效电阻也比较低，从而使得电堆具有较好的电性能。
在一种实现方式中，如图3中所示的，第一端板1、第二端板2、第一流场框31、第二流场框34以及第三流场框37均在四角上设有位置对应的电解质溶液流通孔；其中，第一流场框31以及第三流场框37内部的电解质溶液流道所接通的电解质溶液流通孔，与第二流场框34内部的电解质溶液流道所接通的电解质溶液流通孔位置相对。
具体的，假设图3中的第一流场框31以及第三流场框37为正极流场框，第二流场框34为负极流场框；在向电堆注入正极电解质溶液时，在外部循环泵压力作用下，正极电解质溶液从设置于第一端板1或第二端板2的正极电解质溶液入口进入电堆，沿着与该入口对应的各个电解质溶液流通孔组成的正极电解质溶液通道流向电堆内的各个液流电池单元。其中，正极流场框的电解质溶液通孔(图3中用C表示)将正极电解质溶液引入其内部的电解质溶液流道中，正极电解质溶液从该正极流场框中间流过后，汇总到该正极流场框另一端的电解质溶液流通孔(图3中用D表示)处流出该正极流场框，进入到设置于第一端板1或第二端板2上的正极电解质溶液出口对应的正极电解质溶液通道中，并从该通道流出电堆。同时，由于负极流场框上的电解质溶液通孔与该正极电解质溶液通道不接通，因此正极电解质溶液不会进入负极流场框。
同理，负极电解质溶液从设置于第一端板1或第二端板2的负极电解质溶液入口进入电堆，在等压作用下，沿着与该入口对应的各个电解质溶液流通孔组成的负极电解质溶液通道流向电堆内的各个液流电池单元。其中，负极流场框的电解质溶液通孔(图3中用A表示)将负极电解质溶液引入其内部的电解质溶液流道中，负极电解质溶液从该负极流场框中间流过后，汇总到该负极流场框另一端的电解质溶液流通孔(图3中用B表示)处流出该负极流场框，进入到设置于第一端板1或第二端板2上的负极电解质溶液出口对应的负极电解质溶液通道中，并从该通道流出电堆。同时，由于正极流场框上的电解质溶液通孔与该负极电解质溶液通道不接通，因此负极电解质溶液不会进入正极流场框。
本发明实施例对第一流场框31、第二流场框34以及第三流场框37内部的电解质溶液流道设计不做限定，因此图3中对电解质溶液流道的具体走向进行了一定的模糊处理。
基于图3所示的液流电池单元可知，该液流电池单元中电解质溶液分布均匀，具有较好的电流密度均匀性，由此可确保电堆具有较好的电性能。并且，在相同功率设计下，基于图3所示的液流电池单元叠合形成的电堆相较于现有电堆具有更小的体积。
需要说明的是，图3所示的液流电池单元仅仅作为一种示例，并不构成对本发明实施例的限定，任何能够与两个绝缘材质的端板一起被热熔接从而实现电堆密封的液流电池单元，均适用于本发明实施例中。
另外，本发明实施例对电堆及其内部的液流电池单元的电解质溶液流通孔的具***置同样不做限定，满足正负两种电解质溶液的正常流通需求即可。
在一种实现方式中，如图6所示，本发明实施例提供的电堆还包括：第一集流板组合单元4、第二集流板组合单元5以及第三集流板组合单元6。
其中，第三集流板组合单元6包括依次叠放的第三双极板41、第一双极板框42、以及集流板43。
第二集流板组合单元5包括依次叠放的第三双极板41、第一双极板框42、集流板43、第二双极板框44以及第四双极板45。
第一集流板组合单元4包括依次叠放的集流板43、第二双极板框44以及第四双极板45。
上述的集流板43均为经防腐处理的铜板，厚度为0.5mm～1.5mm。
第三双极板41嵌于第一双极板框42中间，第四双极板45嵌于第二双极板框44中间；第一双极板框42和第二双极板框44均在四角上设有与第一流场框31、第二流场框31以及第三流场框37上的电解质溶液流通孔位置对应的电解质溶液流通孔。
第一集流板组合单元4，被配置为***第一端板1与电堆包含的多片液流电池单元3之间，用于代替最邻近的一个液流电池单元3的第一流场框31和第一双极板32。
第二集流板组合单元5，被配置为***液流电池单元3的第一双极板32和第一碳毡33之间。
第三集流板组合单元6，被配置为***电堆包含的多片液流电池单元3与第二端板2之间，用于代替最邻近的一个液流电池单元3的第三流场框37以及第二双极板38。
第一流场框31、第二流场框34、第三流场框37、第一双极板框42以及第二双极板框44的尺寸相等且均由绝缘材料制成。由此，电堆侧面具体包括：多片液流电池单元3、第一集流板组合单元4、第二集流板组合单元5以及第三集流板组合单元6叠合形成的外表面。
在一种实现方式中，可以在电堆内部使用多个集流板组合单元，这些集流板组合单元被等间隔地***到电堆中，即第一集流板组合单元、多个第二集流板组合单元以及第三集流板组合单元被等间隔地***到电堆中；该间隔至少跨越1个液流电池单元。
在一个优选的实施例中，电堆内使用的液流电池单元的片数为80，则可以在电堆中等间隔地***5个集流板组合单元，其中，第一集流板组合单元4和第三集流板组合单元6分别位于这些液流电池单元的两端，另外3个第二集流板组合单元5则位于这些液流电池单元的中间。
图7示例性地示出了一种包含集流板组合单元的电堆结构示意图，其中标记为X的结构包括了相邻的集流板43之间所跨越的液流电池单元以及这两个集流板43各自所***的液流电池单元的部分流场框。
通过在电堆内部内置集流板，可以有效降低电堆内阻，减少电堆电流损失，在电堆输出功率相同情况下，能够提高电堆内液流电池单元的离子传导膜的离子选择性和导电性，从而进一步提高电堆的整体性能。
优选地，上述第一流场框31、第二流场框34、第三流场框37的长宽比可以为2.5:1～5:1，它们内部的矩形孔洞的长宽比可以为5.5:1～7:1；在这种长宽比设定下，电解质溶液在流场框内的流速均匀，压力稳定，可促进电解质容易充分反应，确保液流电池单元的性能。第一双极板框42以及第二双极板框44的长宽比同上述的流场框的长宽比。
本发明实施例提供的电堆，采用热熔接的密封方式，无需自紧装置，结构简单，体积小，密封性更好，具有良好的电性能。此外，该电堆还具有成本低以及后期运维成本低的优点，且不容易出现电解质溶液漏液的风险。
基于本发明实施例提供的电堆，本发明实施例还提供了一种电堆***，包括：多个串联在一起的电堆以及电解质溶液回路；该电堆***中使用的电堆可以为上文中提到的任一种电堆；该电解质溶液回路用于分别为各个所述电堆提供电解质溶液回路。
现有的电堆***通常直接由多片液流电池串接形成，且这些液流电池共享同一电解质溶液回路。然而，串联的液流电池的节数电解质溶液流动阻力越大，容易引起流量供应不足，从而影响电堆***的性能；此外，串联节数越多，电堆***的漏电流就越大，电堆***的性能就越低。
针对上述问题，本发明实施例提供的电堆***使用电解质溶液回路分别为各个电堆提供电解质溶液回路，实现电解质溶液在电堆间的均匀分配，解决了上述流量供应不足的问题。此外，由于每个电堆有独立的电解质溶液回路，因此在每个电堆中串联较少的液流电池单元，也仍然可以保证整个电堆***中的液流电池单元的串联节数，从而降低整个电堆***的漏电流。
在一种可选实现方式中，电解质溶液回路具体可以采用迂回方式分别为各个电堆提供电解质溶液回路。图8和图9中示例性的示出了一种电堆***的结构示意图，其中，图8是该电堆***的立体图，图9是该电堆***的俯视图。参见图8和图9所示，该电堆***中，多个电堆叠放在一起，深色管道为电解质溶液回路中的正极电解质溶液回路管，浅色管道为电解质溶液回路中的负极电解质溶液回路管。
从图8和图9中可以看到，电解质溶液从正极电解质溶液回路管和负极电解质溶液回路管的入口进入电堆***后，经过了了一段迂回管路方进入到电堆中。通过设置迂回管路，可以有效减少电堆***的旁路电阻，从而进一步提高电堆***的性能。
在一种实现方式中，本发明实施例提供的电堆***还可以包括：过滤器；该过滤器设置于电解质溶液回路管的进口处，用于过滤电解质溶液中可能存在的未充分溶解的金属盐，或者过滤外部进入的杂质以及其他类型的不溶解物等。
具体的，经过过滤器的电解质溶液经由电解质溶液回路管被输送到各个电堆的电解质溶液入口处，然后在各个电堆内循环完后汇总至电堆***的电解质溶液回路管的主管道，最终回流至储液罐。
需要说明的是，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。
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。
尽管在此结合各实施例对本申请进行了描述，然而，在实施所要求保护的本申请过程中，本领域技术人员通过查看所述附图、公开内容、以及所附权利要求书，可理解并实现所述公开实施例的其他变化。
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。

Claims (10)

1.一种电堆，其特征在于，包括：第一端板、第二端板以及层层叠放于所述第一端板和所述第二端板之间的多片液流电池单元；所述多片液流电池单元串接在一起；
其中，所述第一端板、所述第二端板以及电堆侧面均为绝缘材料且被热熔接在一起；所述电堆侧面包括：所述多片液流电池单元叠合形成的外表面。
2.根据权利要求1所述的电堆，其特征在于，所述第一端板、所述第二端板以及所述电堆侧面均为相同材质的绝缘材料。
3.根据权利要求1或2所述的电堆，其特征在于，所述绝缘材料为PP材料。
4.根据权利要求1所述的电堆，其特征在于，单片的液流电池单元包括依次叠放的第一流场框、第一双极板、第一碳毡、第二流场框、离子传导膜、第二碳毡、第三流场框以及第二双极板；
其中，所述第一双极板嵌于所述第一流场框中间；所述离子传导膜嵌于所述第二流场框中间；所述第二双极板嵌于所述第三流场框中间；所述第二流场框与所述第一流场框、所述第三流场框的极性相反；所述第一流场框、所述第二流场框以及所述第三流场框的尺寸相等且均由绝缘材料制成；
任意两个相邻叠放的液流电池单元中，一个液流电池单元的第三流场框以及第二双极板，为另一个液流电池单元的第一流场框以及第一双极板。
5.根据权利要求4所述的电堆，其特征在于，所述第一端板、所述第二端板、所述第一流场框、所述第二流场框以及所述第三流场框均在四角上设有位置对应的电解质溶液流通孔；
其中，所述第一流场框以及所述第三流场框内部的电解质溶液流道所接通的电解质溶液流通孔，与所述第二流场框内部的电解质溶液流道所接通的电解质溶液流通孔位置相对。
6.根据权利要求5所述的电堆，其特征在于，还包括：第一集流板组合单元、第二集流板组合单元以及第三集流板组合单元；
所述第三集流板组合单元包括依次叠放的第三双极板、第一双极板框、以及集流板；
所述第二集流板组合单元包括依次叠放的第三双极板、第一双极板框、集流板、第二双极板框以及第四双极板；
所述第一集流板组合单元包括依次叠放的集流板、第二双极板框以及第四双极板；
其中，所述第三双极板嵌于所述第一双极板框中间，所述第四双极板嵌于所述第二双极板框中间；所述第一双极板框和所述第二双极板框均在四角上设有与所述电解质溶液流通孔位置对应的电解质溶液流通孔；所述第一流场框、所述第二流场框、所述第三流场框、所述第一双极板框以及所述第二双极板框的尺寸相等且均由绝缘材料制成；
所述第一集流板组合单元，被配置为***所述第一端板与所述多片液流电池单元之间，用于代替最邻近的一个液流电池单元的第一流场框和第一双极板；
所述第二集流板组合单元，被配置为***液流电池单元的第一双极板和第一碳毡之间；
所述第三集流板组合单元，被配置为***所述多片液流电池单元与所述第二端板之间，用于代替最邻近的一个液流电池单元的第三流场框以及第二双极板；
所述电堆侧面具体包括：所述多片液流电池单元、所述第一集流板组合单元、所述第二集流板组合单元以及所述第三集流板组合单元叠合形成的外表面。
7.根据权利要求5所述的电堆，其特征在于，所述第一集流板组合单元、多个所述第二集流板组合单元以及所述第三集流板组合单元被等间隔地***到所述电堆中，所述间隔至少跨越1个液流电池单元。
8.根据权利要求7所述的电堆，其特征在于，所述液流电池单元的数量为80，所述第二集流板组合单元的数量为3。
9.一种电堆***，其特征在于，包括：多个电堆以及电解质溶液回路；
其中，所述电堆为权利要求1～8任一项所述的电堆；多个所述电堆串联在一起；
所述电解质溶液回路，用于分别为各个所述电堆提供电解质溶液回路。
10.根据权利要求9所述的电堆***，其特征在于，所述电解质溶液回路，具体用于：采用迂回方式分别为各个所述电堆提供电解质溶液回路。
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