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CN112993310A - 一种电池流道密封结构及其应用 - Google Patents

一种电池流道密封结构及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种电池流道密封结构及其应用。所述电池流道密封结构，是在电池板框上开设流道并进行密封；一个单元电池由对扣在一起的上板框和下板框围成，在所述下板框上面开设蛇形流道，所述蛇形流道由密封圈密封，所述密封圈的横截面为直角“7”字型，“7”字型的顶部与上板框的一面接触，“7”字型的底部与所述下板框开设流道的一面接触。针对铁铬液流电池容量大、电解液为酸性的特点，本发明设计了新型结构的密封圈，用于流道和碳板的密封。本密封结构增加了密封圈和部件的接触面积，在运行中可保持良好的密封；本发明选择三元乙丙材质制成密封圈，可以在酸性液体中使用而不腐蚀，同时可以有效地阻止液体的渗漏。

Description

一种电池流道密封结构及其应用
技术领域
本发明属于储能技术领域，具体涉及一种电池的密封结构。
背景技术
氧化还原液流电池是以液体电解液为电极活性物质的二次电池，根据氧化还原电对的不同，可分为全钒液流电池、锌溴液流电池、多硫化钠/溴液流电池、锌/镍液流电池、铁/铬液流电池、钒/多卤化物液流电池、锌/铈液流电池等。氧化还原液流电池的结构材料多数为碳材料、工程塑料等，价格低廉；电池可以做到极大的容量且安全有保证；因为电池的功率和容量互相独立设计，因此充放电、调解容量都十分灵活。其中，铁铬液流电池以Fe2 +/Fe3+和Cr2+/Cr3+为氧化还原电对，酸的水溶液为支持电解质。充电时，正极发生Fe2+氧化反应，活性物质价态升高；负极发生Cr3+还原反应，活性物质价态降低；放电时则正极发生还原反应，活性物质价态降低；负极发生氧化反应，活性物质价态升高。铁铬液流电池正负极均为溶液，安全性高；而且具有储能规模大、循环寿命长、环境友好等优点，被认为是最有应用前景的液流电池储能技术。
氧化还原液流电池因为采用液体电解质，在容量灵活的同时也带来了流道阻力降大、电池外框密封要求严和电池结构材料耐腐蚀的问题。液流电池运行的时候，电解液会由电解液泵以较大的压力驱动进入各单电池单元内，传统的密封结构采用O型或者矩形结构(参见图1，左为O型结构，右为矩形结构)，上下密封面防止液体渗漏。当所需的液体压力比较大的时候,由于该结构采用单面密封，存在漏液的风险。另外，传统的流道设计为直流道，设计时不容易满足阻力降与漏电电流的要求。
发明内容
针对现有技术存在的不足之处，本发明的第一个目的是提出一种电池流道密封结构。
本发明的第二个目的是提供所述的电池流道密封结构在铁-铬氧化还原液流电池中的应用。
实现本发明上述目的的技术方案为：
一种电池流道密封结构，是在电池板框上开设流道并进行密封；一个单元电池由对扣在一起的上板框和下板框围成，在所述下板框上面开设蛇形流道，所述蛇形流道由“7”字型密封圈密封，所述“7”字型密封圈的横截面为直角“7”字型，“7”字型的顶部与上板框的一面接触，“7”字型的底部与所述下板框开设有蛇形流道的一面接触。
其中，所述蛇形流道包括椭圆形或长圆形的进液口，所述长圆形是长方形的相对两条边改为圆弧形的形状；所述进液口的长轴的一端连接于来回弯折的流道，弯折的部位为弧形；所述来回弯折的流道有四段和所述进液口的长轴平行；
优选地，所述长轴的长度和平行于长轴方向的蛇形流道长度比例为1:(2～2.8)。
对于长圆形，长轴的长度是长方形的长加上两个圆弧半径。
将单个的电池组装为电池堆时，层叠的各单元电池的进液口形状一样、位置相同，构成为共享流道。
其中，所述下板框的中部为放置电极的区域，所述电极为碳毡、碳纸、石墨毡中的一种；所述蛇形流道进入电极区域的最后一段与所述椭圆的长轴垂直，且通过垂直的翻转孔连接于下板框背面的电解液通道。
本发明的一种优选技术方案为，与所述进液口的长轴平行的相邻流道间距是所述平行的流道长度的0.2～0.3倍；和/或
所述来回弯折的流道的宽度为6～8mm。
其中，所述蛇形流道的各段两边均有所述“7”字型密封圈，一个“7”字型密封圈是一个封闭的环，所述“7”字型密封圈的“7”字开口方向背对流道。
更优选地，所述“7”字型密封圈高度为3.8～4.0mm，背对流道的弯折部分的高度为0.6～0.8mm。
其中，所述“7”字型的密封圈为三元乙丙材质，压缩比为15～25％；和/或
所述下板框放置所述“7”字型的密封圈的位置开有适配的梯形槽。
本发明的又一种优选技术方案为，在所述上板框和下板框之外设置有碳板，碳板外缘以C型密封圈密封，碳板外缘位于C型的开口内；所述C型密封圈的内表面和外表面各设置两条平行于碳板外缘的水线，水线的凸起高度为0.2～0.3mm。
其中，所述C型密封圈采用三元乙丙结构，压缩比为15～25％。
进一步地，所述上板框背对蛇形流道的一面开有矩形槽，所述下板框背对蛇形流道的一面也开有矩形槽，
在矩形槽内放置“7”字型密封圈，构成密封腔(上下板框的“7”字型密封圈相对，中间压住一个隔膜)；
优选地，所述上板框和下板框均采用氯化聚氯乙烯(CPVC)材质制成。
本发明所述的电池流道密封结构在铁-铬氧化还原液流电池中的应用。
本发明的有益效果在于：
针对铁铬液流电池容量大、电解液为酸性的特点，本发明设计了新型结构的密封圈，用于流道和碳板的密封。本密封结构增加了密封圈和部件的接触面积，在运行中可保持良好的密封；本发明选择三元乙丙材质制成密封圈，可以在酸性液体中使用而不腐蚀，同时可以有效地阻止液体的渗漏。
本发明在板框的进液口与出口位置中间设计蛇形流道，平衡内部的阻力降与漏电电流，形成稳定的紊流层。由本发明设计的板框组成电池堆，不仅节约了电解液泵的输出消耗，而且保证了运行长期稳定。
附图说明
图1为现有技术的密封结构。
图2为本发明的“7”字型密封圈正面视图。
图3为图2的A-A剖面图；
图4为局部放大图，
图5为一个“7”字型密封圈的立体结构示意图；
图6为一个下板框的立体结构示意图(有流道的一面朝上)；
图7为上、下板框的组合示意图；
图8为上、下板框的组合截面示意图
图9为一个下板框的俯视图。
图10为C型密封结构图。
图11为流体流动试验结果。
图中，1为“7”字型密封圈，101为压缩部分，102为支撑面，103为密封固定面；2为上板框，3为下板框，4为蛇形流道，401为平行段流道，5为进液口，6为电解液通道,7为放置电极的区域，8为C型密封圈，801为水线，9为碳板，10为矩形槽。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例中，如无特殊说明，所采用的技术手段均为本领域已有的技术手段。
实施例1
本实施例提出一种电池流道密封结构，是在电池板框上开设流道并进行密封；一个单元电池由对扣在一起的上板框2和下板框3围成(参见图7和图8)，在所述下板框上面开设蛇形流道4，所述蛇形流道4由“7”字型密封圈1密封，参见图2、图3和图4：该密封圈的横截面为直角“7”字型，“7”字型的顶部与上板框的一面接触，“7”字型的底部与所述下板框开设流道的一面接触。
参见图6，所述蛇形流道4包括长圆形状的进液口5，进液口5的长轴的一端连接于来回弯折的蛇形流道4，弯折的部位为弧形；所述来回弯折的流道有四段平行段流道401和进液口5的长轴平行，所述长轴的长度和平行于长轴方向的蛇形流道长度比例为1:(2～2.8)。具体本实施例中，长圆形进液口的长轴为106mm，圆弧的半径R23mm。平行于长轴方向的蛇形流道尺寸为215mm(从弧形的中心计)。
所述下板框3的中部为放置电极的区域7，所述电极为碳毡、碳纸、石墨毡中的一种，具体本实施例选用石墨毡为电极；所述蛇形流道4进入电极区域的最后一段与所述椭圆的长轴垂直，且通过垂直于板框平面的翻转孔连接于下板框上的电解液通道6。
与所述椭圆的长轴平行的相邻流道间距是所述平行的流道长度的0.15～0.3倍；具体本实施例中，与所述椭圆的长轴平行的相邻流道间距为45mm(以流道中心计)。流道的宽度为7mm，深度3mm。
所述蛇形流道的各段两边均有所述密封圈，一个密封圈是一个封闭的环形(参见图5)，所述密封圈的“7”字开口方向背对流道，
参见图3，本实施例中，“7”字型密封圈1高度为3.83mm，背对流道的弯折部分的高度为0.7mm。所述密封圈为三元乙丙材质，压缩比为20％。
参见图7和图9，上板框2面对蛇形流道4的一面开有矩形槽10，所述下板框背对蛇形流道的一面也开有矩形槽，在矩形槽内放置“7”字型密封圈，构成密封腔。上下板框的“7”字型密封圈相对，中间压住一个隔膜。在所述上板框和下板框之外设置有碳板9(以上下板框相对的中间为“内”)，参见图10，碳板外缘以C型密封圈8密封，碳板外缘位于C型的开口内；所述C型密封圈的内表面和外表面各设置两条平行于碳板外缘的水线801，水线的凸起高度为0.25mm。本实施例的C型密封圈采用三元乙丙结构，总宽度为4.8mm，一层的厚度为1.2mm，压缩比为20％。
本电池流道密封结构中，所述上板框和下板框均采用氯化聚氯乙烯材质CPVC制成，板框外缘微倒角去毛刺，加工精度3.2。
应用实施例1
实施例1所述的电池流道密封结构，应用于铁-铬氧化还原液流电池。组装为10kW的电池堆，用氯化铁、氯化铬、盐酸组成电解液，进行电池试验。层叠的各单元电池的进液口形状一样、位置相同，构成为共享流道。
根据前期试验确定，流动时的雷诺数不能在2000～4000范围，该范围内流动不稳定；
电解液中Fe2+浓度为1.4mol/L，电池堆流量140L/min。
计算电解液流动的雷诺数Re和压力降，其中
Figure BDA0002323401400000061
流体力学试验表明，本结构保证了电解液的良好流动和最低的压力降，从而实现了漏电电流最低，且能耗最低。
图11为电解液流动的模拟试验，流速变动范围为0-13.751m/s。从图中可以看出，流体的分布形成紊流层。本蛇形流道相对于传统的直线型流道有效地增大了流道的长度，形成了稳定的紊流层。
本发明限定的结构参数是经过多次试验比较优化而得。以下是部分试验示例。
对比试验例1
采用和实施例1类似的结构，在电池板框上开设流道并进行密封；所述蛇形流道4包括长圆形状的进液口5，进液口5的长轴的一端连接于来回弯折的蛇形流道4，弯折的部位为弧形；所述来回弯折的流道有五段平行段流道01和所述椭圆的长轴平行，进液口和流道尺寸同实施例1。
采用应用实施例1同样条件进行电池试验，在同样的流速下，漏电电流是应用实施例1的5倍。
对比试验例2
采用和实施例1类似的结构，在电池板框上开设流道并进行密封；所述蛇形流道4包括长圆形状的进液口5，进液口5的长轴的一端连接于来回弯折的蛇形流道4，弯折的部位为弧形；所述来回弯折的流道有四段平行段流道01和所述椭圆的长轴平行，进液口和流道尺寸同实施例1。流道的宽度为5mm，深度3mm。长圆形进液口的长轴为106mm，圆弧的半径R23mm。平行于长轴方向的蛇形流道尺寸为200mm(从弧形的中心计)。
采用应用实施例1同样条件进行电池试验，在同样的流速下，漏电电流是应用实施例1的10倍。
应用实施例2
由于C型密封圈受到压缩时，C型密封圈通过水线首先与碳板接触，压缩到一定程度后面接触，可以有效的增大接触面积，结构示意图如下：
由图10可以看出，C型密封相对于传统密封技术可以有效地增加接触面积，使碳板上下面的液体不能混合。
当上板框和下板框接触时，“7”字型密封圈1上部受到压缩，“7”字型密封圈1的底部和下板框接触，侧边与下板框的槽壁接触。液体通过椭圆形进液口通道流入蛇形流道时，可以有效地防止液体沿着流道向四周渗透，
参见图4，组装电池时“7”字型密封圈1上部的压缩部分101受到压缩时，密封圈通过压缩部分101、支撑面102、密封固定面103以及密封圈顶面四个平面与零件接触，可以有效地增大接触面积，因此“7”型密封相对于传统密封技术可以有效的增加接触面积，使流道内的液体不能渗出密封圈以外。
采用实施例1流道和密封结构，组装为10KW电堆，在流量为140L/min条件下，本电池堆运行1000h完全没有泄露，说明电池堆运行稳定，密封性好。
实施例2
本实施例提出一种电池流道密封结构，是在电池板框上开设流道并进行密封；一个单元电池由对扣在一起的上板框2和下板框3围成，在所述下板框上面开设蛇形流道4，所述蛇形流道4由“7”字型密封圈1密封：该密封圈的横截面为直角“7”字型，“7”字型的顶部与上板框的一面接触，“7”字型的底部与所述下板框开设流道的一面接触。
所述蛇形流道包括椭圆形状的共享流道(多个单元电池组装，进液口5和共享流道是在同一个位置)，椭圆的长轴的一端连接于来回弯折的流道，弯折的部位为弧形；所述来回弯折的流道有四段和所述椭圆的长轴平行。
所述下板框3的中部为放置电极的区域7，所述电极为碳毡、碳纸、石墨毡中的一种，具体本实施例选用石墨毡为电极；所述蛇形流道4进入电极区域的最后一段与所述椭圆的长轴垂直，且连接于下板框上的电解液通道6。
具体本实施例中，与所述椭圆的长轴平行的相邻流道间距为36mm(以流道中心计)，与长轴平行方向的流道尺寸为240mm(从弧形弯折的中心计)。流道的宽度为8mm。
所述蛇形流道的各段两边均有所述密封圈，一个密封圈是一个封闭的环形(参见图5)，所述密封圈的“7”字开口方向背对流道。
具体本实施例中，“7”字型密封圈1高度为3.80mm，背对流道的弯折部分的高度为0.7mm。
所述密封圈为三元乙丙材质，压缩比为18.5％。
本结构的单元电池进一步地组成电池堆，相邻两个单元电池的上板框和下板框之间设置有碳板，碳板外缘以C型密封圈8密封，碳板外缘位于C型的开口内；所述C型密封圈的内表面和外表面各设置两条平行于碳板外缘的水线801，水线的凸起高度为0.20mm。水线凸起的高度太低，则不易加工。所述C型密封圈采用三元乙丙结构，压缩比为18.5％。
本电池流道密封结构中，所述上板框和下板框均采用氯化聚氯乙烯材质CPVC制成。
本结构电池可实现和实施例1相近的流体力学和电化学性能。
虽然，以上通过实施例对本发明进行了说明，但本领域技术人员应了解，在不偏离本发明精神和实质的前提下，对本发明所做的改进和变型，均应属于本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电池流道密封结构，是在电池板框上开设流道并进行密封；其特征在于，一个单元电池由对扣在一起的上板框和下板框围成，在所述下板框上面开设蛇形流道，所述蛇形流道由“7”字型密封圈密封，所述“7”字型密封圈的横截面为直角“7”字型，“7”字型的顶部与上板框的一面接触，“7”字型的底部与所述下板框开设有蛇形流道的一面接触。
2.根据权利要求1所述的电池流道密封结构，其特征在于，所述蛇形流道包括椭圆形或长圆形的进液口，所述长圆形是长方形的相对两条边改为圆弧形的形状；所述进液口的长轴的一端连接于来回弯折的流道，弯折的部位为弧形；所述来回弯折的流道有四段和所述进液口的长轴平行；
优选地，所述长轴的长度和平行于长轴方向的流道尺寸比例为1:(2～2.8)。
3.根据权利要求2所述的电池流道密封结构，其特征在于，所述下板框的中部为放置电极的区域，所述电极为碳毡、碳纸、石墨毡中的一种；所述蛇形流道进入电极区域的最后一段与所述椭圆的长轴垂直，且通过垂直的翻转孔连接于下板框背面的电解液通道。
4.根据权利要求2所述的电池流道密封结构，其特征在于，与所述进液口的长轴平行的流道间距是长轴平行方向的流道尺寸的0.2～0.3倍；和/或
所述来回弯折的流道的宽度为6～8mm。
5.根据权利要求1所述的电池流道密封结构，其特征在于，所述蛇形流道的各段两边均有所述“7”字型密封圈，一个“7”字型密封圈是一个封闭的环，所述“7”字型密封圈的“7”字开口方向背对流道。
6.根据权利要求5所述的电池流道密封结构，其特征在于，所述“7”字型密封圈高度为3.8～4.0mm，背对流道的弯折部分的高度为0.6～0.8mm。
7.根据权利要求1～6任一项所述的电池流道密封结构，其特征在于，所述“7”字型的密封圈为三元乙丙材质，压缩比为15～25％；和/或
所述下板框放置所述“7”字型的密封圈的位置开有适配的梯形槽。
8.根据权利要求1～6任一项所述的电池流道密封结构，其特征在于，在所述上板框和下板框之外设置有碳板，碳板外缘以C型密封圈密封，碳板外缘位于C型的开口内；所述C型密封圈的内表面和外表面各设置两条平行于碳板外缘的水线，水线的凸起高度为0.2～0.3mm。
9.根据权利要求8所述的电池流道密封结构，其特征在于，所述上板框背对蛇形流道的一面开有矩形槽，所述下板框背对蛇形流道的一面也开有矩形槽，在矩形槽内放置“7”字型密封圈，构成密封腔；
优选地，所述上板框和下板框均采用氯化聚氯乙烯材质制成。
10.权利要求1～9任一项所述的电池流道密封结构在铁-铬氧化还原液流电池中的应用。
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