具有監測系統的液流電池堆的製作方法

2023-05-10 04:19:36

專利名稱：具有監測系統的液流電池堆的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及液流儲能電池領域，具體涉及ー種具有監測系統的液流電池堆。
背景技術：
全釩氧化還原液流電池簡稱釩電池，是氧化還原液流電池的ー種，具有使用壽命長、能量轉化效率、安全性高和環境友好等優點，能用於風能發電和光伏發電配套的大規模儲能系統，是電網削峰填谷、平衡負載的主要選擇之一。釩電池主要由三部分組成電極材料、電池隔膜和電解液，其中電解液是釩電池的核心，它是ー個釩的多價態體系，實現著釩電池能量的儲存和釋放。釩電池以不同價態的釩離子溶液分別作為正負極活性物質，通過外接驅動泵讓電解液的儲液槽與電池堆內循環流 動，正負極電解液在電池堆內的離子交換膜兩側的電極上分別發生氧化還原反應，以此完成充放電過程。其反應式如下負極反應V2+-e= V3+ E0 = -0. 26V正極反應V02++2H++e= V02++H20在整個全釩氧化還原液流電池儲能系統中，電池堆性能的好壞決定著整個系統的充放電性能，尤其是充放電功率。電池堆是由多片單電池依次疊放壓緊，串聯而成。其中單片電池通常的組成如圖I所示。I』為液流框，2』為集流板，3』為電扱，4』為隔膜，各極板件組成單體電池5』，通過N個單體電池5』的堆疊組成電池堆6』。在使用過程中，液流電池堆內部溫度、壓力、荷電狀態等相應參數的數值和分布對電池系統的性能有極為重要的影響。在現有技術中，這些性能參數通常是通過流體力學等的模擬所獲得，或者通過間接方法獲得，如在電池外部監測進行監測。獲得電池堆內部相關參數的真實數值及其分布對驗證和指導電池的運行控制、系統設計及優化等具有重要意義，但目前尚無原位觀測電池堆內部相關參數的技術和設備。現有技術中要實現不同的流場設計下電池性能參數的監測也很難。

實用新型內容本實用新型g在提供ー種具有監測系統的液流電池堆，以解決現有技術中存在的難以在液流電池堆運行過程中直接獲取其內部相關參數的真實數值及其分布的技術問題。為了實現上述目的，根據本實用新型的ー個方面，提供了ー種具有監測系統的液流電池堆，包括電池堆裝置，包括極板，極板上設有測量ロ ；以及監測裝置，包括測量探頭，測量探頭延伸至電池堆裝置的內部，且與極板上的測量ロ對應設置，監測裝置用以監測測量ロ處的液流壓カ和溫度。進ー步地，極板還設置有探頭安裝部，探頭安裝部與測量ロ對應相連；測量探頭安裝在探頭安裝部的內側，且測量探頭的頂端與測量ロ相適配。進ー步地，測量探頭包括探頭件，安裝在探頭安裝部的內側；連接部，與探頭件遠離測量ロ的一側相連，且與探頭安裝部的內壁螺紋連接。[0012]進ー步地，極板由極板件組成，其中極板件包括凹槽極板件,凹槽極板件上設有凹槽部，測量ロ設置在凹槽部的底壁上；凸臺極板件，與凹槽極板件適配相連。進ー步地，凹槽極板件包括長直型凹槽極板件、直角型凹槽極板件、T型凹槽極板件、和十字型凹槽極板件；凸臺極板件包括長直型凸臺極板件、直角型凸臺極板件、T型凸臺極板件、和十字型凸臺極板件。進ー步地，在相鄰極板件的連接處設有密封部。 進ー步地，密封部包括ー組密封槽，對應地設置在相鄰的極板件上；密封件，安裝在ー組密封槽的內部。進ー步地，在相鄰極板件的連接處還設置有固定裝置，固定裝置包括定位槽和定位銷，定位槽和定位銷對應地設置在相鄰的極板件上，且結構相適配。進ー步地，固定裝置還包括定位板，定位板設置在由各極板件組裝形成的極板的ー側以固定各極板件；定位板上設有與測量ロ相對應的通孔。進ー步地，定位板為柵網狀定位板。本實用新型的有益效果本實用新型提供了ー種具有監測系統的液流電池堆，通過在該液流電池堆內部引入監測裝置的測量探頭，能夠直接獲取電池堆內部相關參數的真實數值及其分布狀況，為電池系統性能的優化提供了可靠性依據。

構成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本實用新型的進ー步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中圖I示出了現有技術中全釩氧化還原液流電池及其構成電池堆的結構示意圖；圖2示出了根據本實用新型典型實施例的帶有測量ロ的極板的結構示意圖；圖3示出了根據本實用新型典型實施例的帶有測量ロ的極板與液流框裝配後的結構示意圖；圖4示出了根據本實用新型實施例的帶有測量ロ的長直型凹槽極板件的俯視結構示意圖；圖5為圖4的相應剖面結構示意圖；圖6為圖4的相應端面圖，示出了測量探頭在探頭安裝部內的位置結構示意圖；圖7示出了根據本實用新型實施例的整體式極板上設置測量ロ的結構示意圖；圖8a示出了根據本實用新型實施例的長直型凹槽極板件的俯視結構示意圖；圖Sb示出了根據本實用新型實施例的直角型凹槽極板件的俯視結構示意圖；圖8c示出了根據本實用新型實施例的T型凹槽極板件的俯視結構示意圖；圖8d示出了根據本實用新型實施例的十字型凹槽極板件的俯視結構示意圖；圖9a示出了根據本實用新型實施例的長直型凸臺極板件的俯視結構示意圖；圖9b示出了根據本實用新型實施例的直角型凸臺極板件的俯視結構示意圖；圖9c示出了根據本實用新型實施例的T型凸臺極板件的俯視結構示意圖；圖9d示出了根據本實用新型實施例的十字型凸臺極板件的俯視結構示意圖；圖IOa-I示出了根據本實用新型實施例的長直型凹槽極板件上設置ー個測量ロ的俯視結構示意圖；圖10a-2為圖10a_l的主視結構示意圖；圖IOb-I示出了根據本實用新型實施例的長直型凹槽極板件上設置三個測量ロ的俯視結構示意圖；圖10b-2為圖IOb-I的主視結構示意圖；圖IOc-I示出了根據本實用新型實施例的直角型凹槽極板件上設置ー個測量ロ的俯視結構示意圖；圖10c-2為圖IOc-I的主視結構示意圖；圖IOd-I示出了根據本實用新型實施例的直角型凹槽極板件上設置三個測量ロ的俯視結構示意圖；圖10d-2為圖IOd-I的主視結構示意圖；圖IOe-I示出了根據本實用新型實施例的直角型凹槽極板件上設置兩個測量ロ的俯視結構示意圖；圖10e-2為圖IOe-I的主視結構示意圖；圖IOf-I示出了根據本實用新型實施例的T型凹槽極板件上設置ー個測量ロ的俯視結構不意圖；圖10f-2為圖IOf-I的主視結構示意圖；圖IOg-I示出了根據本實用新型實施例的T型凹槽極板件上設置四個測量ロ的俯視結構不意圖；圖10g-2為圖IOg-I的主視結構示意圖；圖IOh-I示出了根據本實用新型實施例的T型凹槽極板件上設置三個測量ロ的俯視結構不意圖；圖10h-2為圖IOh-I的主視結構示意圖；圖IOi-I示出了根據本實用新型實施例的十字型凹槽極板件上設置ー個測量ロ的俯視結構示意圖；圖10i-2為圖IOi-I的主視結構示意圖；圖IOj-I示出了根據本實用新型實施例的十字型凹槽極板件上設置五個測量ロ的俯視結構示意圖；圖10j-2為圖IOj-I的主視結構示意圖；圖IOk-I示出了根據本實用新型實施例的十字型凹槽極板件上設置四個測量ロ的俯視結構示意圖；圖10k-2為圖IOk-I的主視結構示意圖；圖11示出了根據本實用新型實施例的設置有密封槽的凹槽極板件的主視結構示意圖；圖12示出了根據本實用新型實施例的設置有定位槽和定位稍的凹槽極板件的俯視結構不意圖；圖13示出了根據本實用新型實施例的帶有柵網狀背板的組合式極板的結構示意圖；圖14示出了根據本實用新型實施例的帶有柵網狀背板的組合式極板的端面結構示意具體實施方式
需要說明的是，在不衝突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本實用新型。根據本實用新型的ー種典型實施方式，提供了ー種具有監測系統的液流電池堆，包括電池堆裝置和監測裝置，如圖2-6所示，其中電池堆裝置包括極板2，極板2上設有測量ロ 20 ;監測裝置包括測量探頭23，測量探頭23延伸至電池堆裝置的內部且與極板2上的測量ロ 20對應設置，該監測裝置用以監測測量ロ 20處的液流壓カ和溫度。本實用新型中所說的極板，即現有技術中的集流板。本實用新型通過在液流電池堆內部引入監測裝置，該監測裝置能夠直接獲取液流電池堆運行時其內部相關參數的真實數值及其分布狀況，對驗證和指導液流電池的運行控制、結構及系統的設計和優化具有重要意義。根據本實用新型的優選實施方式，極板2上還設置有探頭安裝部24，探頭安裝部 24與測量ロ 20對應相連；測量探頭23安裝在探頭安裝部24的內側，且測量探頭23的頂端與測量ロ 20相適配。現以探頭安裝部24安裝在凹槽極板件21的凹槽211的底壁上的情況進行說明，如圖4-6所示，圖6示出了測量探頭23在探頭安裝部24內的位置結構示意圖，由於測量探頭23屬於靈敏器件，很容易損壞，將其置於探頭安裝部24內，在不影響其功能的前提下保證了使用的安全性。如圖6所示，測量探頭23包括探頭件231和連接部232，探頭件231安裝在探頭安裝部24的內側，連接部232與探頭件231遠離測量ロ 20的一側相連，且與探頭安裝部24的內壁螺紋25連接。為了避免引入測量裝置後對運行狀態造成影響，測量探頭23的探頭件231位於探頭安裝部24的內部且其頂端剛好不伸入電池內部的位置為佳，即與測量ロ 20相平齊。連接部232與探頭安裝部24的內壁螺紋25連接，內壁螺紋25具有固定測量探頭並預防漏液的作用。本實用新型的液流電池堆的極板2既包括整體式極板，如圖7所示，又包括組合式極板，只要能在該極板2上設置測量ロ 20並引入監測裝置即可。優選地，極板2為組合式極板，該極板2由極板件組成，其中極板件包括凹槽極板件21和凸臺極板件22，其中凹槽極板件21上設有凹槽211，測量ロ 20設置在凹槽211的底壁上；凸臺極板件22與凹槽極板件21適配相連。如圖2-3所示，分別示出了由凹槽極板件21和凸臺極板件22組合而成的組合式極板的結構示意圖及該組合式極板與液流框I裝配後的結構示意圖。測量ロ 20可以設置在極板2的任何位置，只要能夠安裝測量探頭23進而監測出液流電池堆內部的相關性能參數即可。如可設在凹槽極板件21上或凸臺極板件22上，將測量ロ 20設置在凸臺極板件22上可以測量到與極板2接觸的電極部分的相關參數狀況。優選將測量ロ 20設置在凹槽211的底壁上，可以準確地監測出流過凹槽211內的電解液的壓力，此壓カ數值也即是凹槽211的最上端與電極相接觸處的壓力。本實用新型優選但不限於上述兩種極板件，只要通過極板件之間的相互配合得到極板即可。選擇凹槽極板件21和凸臺極板件22組合得到不同型號的極板2，配合相應型號的液流框I進而組裝成不同流場設計的液流電池裝置。在考察不同參數的並行流場設計時，通過調整凹槽極板件21和凸臺極板件22的比例，可以在維持流道深度不變的情況下，獲得不同流道寬度和流道間距比值的極板，這裡所說的流道深度、流道寬度及流道間距都是表徵極板2不同流場設計的參數。將上述的極板2裝入電池中進行運行和測試，就可以獲得不同的流場設計下響應性能的比較結果，從而更加全面地監測出不同流場設計的液流電池內部性能參數及分布情況。根據本實用新型的ー種優選實施方式，如圖8a_8d所示，凹槽極板件21包括長直型凹槽極板件、直角型凹槽極板件、T型凹槽極板件、和十字型凹槽極板件；如圖9a-9d所示，凸臺極板件22包括長直型凸臺極板件、直角型凸臺極板件、T型凸臺極板件、和十字型凸臺極板件。本實用新型優選但不限於上述類型的極板件，通過設計不同的極板類型，進而得到不同流場設計的液流電池堆，這樣無需將每ー個極板的設計類型都進行製備和加工，為液流電池性能的研發節約了大量的時間和資金。測量ロ 20可以設置在上述的極板件上，且至少為ー個。現以凹槽極板件21為例，如圖10所示，測量ロ 20可以設置在如下位置長直型凹槽極板件的中間位置或依次排列；直角型凹槽極板件的直角處、兩個直角邊的端點處或同時設置在直角處和直角邊的端點處；T型凹槽極板件的中間位置、分別設置在三個端點處或同時設置在中間和三個端點處；十字型凹槽極板件的中間位置、四個端點處或同時設置在中間和四個端點處。將測量ロ 20·均勻地設置上述位置可以更準確地得到液流電池堆內部性能參數的真實值。根據本實用新型的ー種優選實施方式，在相鄰極板件的連接處設有密封部。由凹槽極板件21和凸臺極板件22組裝成各種規格的極板2後，在各個極板件之間的相連接處會存在縫隙，這些縫隙的存在使得組裝後的液流電池堆內部和外部沒有完全隔離，會出現漏液現象，所以需要在各個極板件的相連處設置密封部。密封部有多種結構，優選地，如圖11所示，密封部包括ー組密封槽4和密封件，密封槽4對應地設置在相鄰的極板件上，密封件安裝在對應設置的ー組密封槽4的內部。當密封槽4設置在凹槽極板件21上吋，則開設位置要低於凹槽極板件21內的凹槽部211的位置，因為凹槽部211對應的外壁面較薄，若再開設密封槽4會使凹槽極板件21發生變形，不利於極板2的組裝及組裝後的使用，所以優選密封槽4的位置低於凹槽部211的位置。當開設在凸臺極板件22上時，密封槽4的位置不受限制，但要和與其相連接的極板件上密封槽4相適配。這裡所說的密封件優選為密封圈，設置密封槽4和密封圈能夠確保組合式極板實現良好的密封效果。根據本實用新型的另ー種典型實施方式，該液流電池堆除了包括上述的密封部夕卜，在相鄰極板件的連接處還設置有固定裝置，該固定裝置包括定位槽5和定位銷6，定位槽5和定位銷6對應地設置在相鄰的極板件上，且結構相適配。如圖11-12所示，定位槽5和定位銷6均勻地設置在密封槽4的下方，方便組裝過程中的定位，在相鄰的極板件相對應的面上分別設置有定位槽5和定位銷6，優選在每ー個相連接的面上設置ー個定位槽5和定位銷6，這樣相対的定位槽5和定位銷6配合使用使組裝後的極板2更結實牢固，方便後期液流電池的裝配。根據本實用新型的ー種優選實施方式，固定裝置還包括定位板，該定位板設置在各種極板件組裝形成的極板2的ー側以固定各極板件；且定位板上設有與測量ロ 20相對應的通孔。定位板能夠保持組裝後的極板2不變形，定位板上設置有與測量ロ 20相對應的通孔，不會影響測量探頭23的插入，易於裝配。優選地，定位板可以選擇具有良好導電性的材料，如銅、不鏽鋼等，這樣將不同的極板2組裝成電池後，相鄰正負極極板間可以實現良好的導電性能，從而使所測量的相關參數能夠更加接近電池的實際運行狀態，還可通過改變材料、増加定位板的厚度等方式調整這種導電性定位板的導電性能，這樣可以在不改變極板材料的情況下，方便地考察極板導電性能和電池堆的運行參數狀況之間的關係。優選地，定位板為柵網狀定位板7，如圖13-14所示，圖13示出了帶有柵網狀定位板7的組合式極板2的結構示意圖，圖14為圖13的端面結構示意圖。定位板與組合式極板2—井裝入液流框I內，液流框I上留有將測量探頭23的導線引出到電池外部的引線ロ
9。本實用新型優選但並不局限於該結構，只要該定位板能夠將組合式極板固定且不影響測量探頭的插入即可。如該定位板可以設計成不和組合式極板一起裝入液流框內，而是並列地設置在液流框的外側。下面結合組合式極板詳細說明電池堆的效率、電池堆內部相關參數的真實數值及其分布狀況與組合式極板的設計之間的關係(I)首先在組合式極板上開取相應的測量ロ並設置監測裝置，將該組合式極板組裝成液流電池堆，準備對其內部電解液的相關參數進行測量；(2)監測出不同類型的電池堆的效率，在監測電池堆效率的同時，可以對該效率下的電池內部的相關參數(如壓力)進行測量；根據監測到的電池堆效率的大小，可以直觀地判定出該組合式極板的結構設計是否合理；(3)當電池堆的效率不合理吋，對該電池堆對應的極板的結構設計進行改進；(4)對極板的結構設計的改進(如對流道的寬深比、流道的寬度和流道間距的比值，流道的條數等)是在對電池堆內部的參數進行分析後得出的。綜上所述，電解液的各種參數(如壓カ等)和極板的結構設計是直接相關的，極板的結構設計、電池堆內部參數分布狀況以及電池堆效率三者間是相互密切關聯的。一定的結構設計下，電池堆內部的電解液相關參數則呈現出相應的分布，電池堆也表現出相應的效率，不同結構設計下可能對應不同的電池堆效率，一般電池堆的效率包括電壓效率、庫倫效率和能量效率，該監測為電池系統性能的優化提供了可靠依據。 以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，並不用於限制本實用新型，對於本領域的技術人員來說，本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
權利要求1.ー種具有監測系統的液流電池堆，其特徵在於，包括 電池堆裝置，包括極板(2)，所述極板(2)上設有測量ロ(20);以及 監測裝置，包括測量探頭(23)，所述測量探頭(23)延伸至所述電池堆裝置的內部，且與所述極板(2)上的測量ロ(20)對應設置，所述監測裝置用以監測所述測量ロ(20)處的液流壓カ和溫度。
2.根據權利要求I所述的液流電池堆，其特徵在於，所述極板(2)上還設置有探頭安裝部(24)，所述探頭安裝部(24)與所述測量ロ(20)對應相連；所述測量探頭(23)安裝在所述探頭安裝部(24)的內側，且所述測量探頭(23)的頂端與所述測量ロ(20)相適配。
3.根據權利要求I所述的液流電池堆，其特徵在於，所述測量探頭(23)包括 探頭件(231)，安裝在所述探頭安裝部(24)的內側； 連接部(232)，與所述探頭件(231)遠離所述測量ロ(20)的一側相連，且與所述探頭安裝部(24)的內壁螺紋(25)連接。
4.根據權利要求I所述的液流電池堆，其特徵在於，所述極板(2)由極板件組成，其中極板件包括 凹槽極板件(21)，所述凹槽極板件(21)上設有凹槽部(211)，所述測量ロ(20)設置在所述凹槽部(211)的底壁上； 凸臺極板件(22)，與所述凹槽極板件(21)適配相連。
5.根據權利要求4所述的液流電池堆，其特徵在幹， 所述凹槽極板件(21)包括長直型凹槽極板件、直角型凹槽極板件、T型凹槽極板件、和十字型凹槽極板件； 所述凸臺極板件(22)包括長直型凸臺極板件、直角型凸臺極板件、T型凸臺極板件、和十字型凸臺極板件。
6.根據權利要求4所述的液流電池堆，其特徵在於，在相鄰極板件的連接處設有密封部。
7.根據權利要求6所述的液流電池堆，其特徵在於，所述密封部包括 ー組密封槽(4)，對應地設置在相鄰的極板件上； 密封件，安裝在一組所述密封槽(4)的內部。
8.根據權利要求6所述的液流電池堆，其特徵在於，在相鄰極板件的連接處還設置有固定裝置，所述固定裝置包括定位槽(5)和定位銷出)，所述定位槽(5)和所述定位銷(6)對應地設置在相鄰的所述極板件上，且結構相適配。
9.根據權利要求8所述的液流電池堆，其特徵在於，所述固定裝置還包括定位板，所述定位板設置在由各極板件組裝形成的所述極板(2)的ー側以固定各極板件；且所述定位板上設有與所述測量ロ(20)相對應的通孔。
10.根據權利要求9所述的液流電池堆，其特徵在於，所述定位板為柵網狀定位板(7)。
專利摘要本實用新型公開了一種具有監測系統的液流電池堆。該具有監測系統的液流電池堆包括電池堆裝置以及監測裝置，電池堆裝置包括極板，極板上設有測量口；監測裝置包括測量探頭，測量探頭延伸至電池堆裝置的內部，且與極板上的測量口對應設置，監測裝置用以監測測量口處的液流壓力和溫度。根據本實用新型的技術方案，在液流電池堆內部引入監測裝置，通過該監測裝置能夠直接獲取電池堆內部相關參數的真實數值及其分布狀況，為液流電池堆系統性能的優化提供了可靠性依據。
文檔編號H01M8/18GK202444021SQ20122007889
公開日2012年9月19日 申請日期2012年3月5日 優先權日2012年3月5日
發明者張佔奎, 殷聰, 湯浩, 王榮貴, 練勇, 謝光有 申請人:中國東方電氣集團有限公司