CN102652374A - 具有交叉状流场的液流蓄电池 - Google Patents

Abstract

一种液流蓄电池，包括第一液体渗流电极、与所述第一液体渗流电极互相间隔开的第二液体渗流电极、以及设置在所述第一液体渗流电极与所述第二液体渗流电极之间的离子交换膜。第一和第二流场邻近相应的所述第一液体渗流电极和所述第二液体渗流电极。每一个流场都包括具有被至少部分堵塞的出口的第一通道和具有被至少部分堵塞的入口的第二通道。所述第二通道与所述第一通道交叉。所述流场提供了用于相对较薄电极的具有中等压力下降及流经所述液体渗流电极的被迫对流的配置和操作方法。

Description

具有交叉状流场的液流蓄电池

背景技术

本公开涉及用于选择性地储存和释放电能的液流蓄电池。

液流蓄电池，也称为氧化还原液流蓄电池或氧化还原液流单格电池，设计成将电能转换为可以存储并且之后当需要时被释放的化学能。作为实例，液流蓄电池可以与可再生能量系统、例如风力驱动系统一起使用，以存储超过消费者需求的能量并且以后当有更大需求时释放该能量。

一种基本液流蓄电池包括具有由离子交换膜间隔开的负电极和正电极的氧化还原液流单格电池。负电解液输送到负电极并且正电解液输送到正电极，以推进电化学可逆氧化还原反应。在充电时，供应的电能导致在一个电解液中的化学还原反应以及在另一个电解液中的氧化反应。离子交换膜阻止电解液混合但是允许选择的离子穿过以完成氧化还原反应。在放电时，包含在电解液中的化学能量在逆反应中释放，并且可以从电极汲取电能。

发明内容

一种示例性液流蓄电池包括第一液体渗流电极，与所述第一液体渗流电极互相间隔开的第二液体渗流电极，设置在所述第一液体渗流电极与所述第二液体渗流电极之间的离子交换膜。第一和第二流场邻近相应的所述第一液体渗流电极和所述第二液体渗流电极。第一和第二流场中每一个包括具有至少被部分堵塞的出口的第一通道和具有至少被部分堵塞的入口的第二通道。所述第二通道与所述第一通道相互交叉。

一种用于与液流蓄电池一起使用的方法可以包括利用所述第一通道的至少被部分堵塞的出口限制液体电解液流经所述第一通道，以迫使所述液体电解液流过邻近的相应第一液体渗流电极或第二液体渗流电极从而进入到邻近的相应第一液体渗流电极或第二液体渗流电极从而进入邻近的第二通道内。

附图说明

从下面的详细描述，所公开实例的各种特征和优点对于本领域的技术人员来说将是清晰的。伴随详细描述的附图可以如下简要地描述。

图1示出示例液流蓄电池。

图2示出根据权利要求1所述的液流蓄电池的剖视图。

图3示出具有带有相应的被部分堵塞的出口和入口的交叉的第一和第二通道的流场的平面图。

图4示出具有带有相应的被完全堵塞的出口和入口的交叉的第一和第二通道的另一个流场的平面图。

图5示出具有相邻近的两个部分的另一示例性流场，其中一个部分带有具有相应的被部分堵塞的出口和入口的交叉的第一和第二通道，另一个部分具有带有相应的被完全堵塞的出口和入口的第一和第二交叉通道。

图6示出包括具有不堵塞通道的一个部分以及具有相应的被部分堵塞的出口和入口的第一和第二交叉通道的另一个部分的另一个示例流场。

图7示出包括具有交叉通道和相应的被完全堵塞的出口和入口的一个部分以及具有不堵塞通道的另一个部分的另一个示例流场。

图8示出具有交叉第一和第二通道以及被完全堵塞的液流腔的另一个示例流场。

图9示出具有第一和第二交叉通道和被部分堵塞的液流腔的另一个示例流场。

具体实施方式

图1示出了用于选择性存储和释放电能的示例液流蓄电池20的所选部分。作为示例，液流蓄电池20可以使用来将在可再生能量系统中产生的电能转换为可以存储直到之后需要电能时的化学能。液流蓄电池20然后可以将化学能转换为电能用于供应到例如电网。

在该示例中，液流蓄电池20包括第一液体渗流电极22、与第一液体渗流电极间隔开的第二液体渗流电极24、以及设置在第一液体渗流电极22与第二液体渗流电极24之间的离子交换膜26。第一流场28设置在第一液体渗流电极22附近，并且第二流场30设置在第二液体渗流电极24附近。在一些示例中，流场/电极/膜/电极/流场“单格电池”的多重重复可以认为是单格电池单元并且可以以堆叠布置使用。液流蓄电池20还可以包括与第一流场28处于流体连通的正电解液存储箱32a，以及与第二流场30处于流体连通的负电解液存储箱32b。

第一液体渗流电极22和第二液体渗流电极24可以是多孔碳构件。例如，多孔碳构件可以是具有催化活性表面的碳纤维结构。在一些情况下，催化活性表面可以被认为就是该纤维的碳表面，因为对单格电池的氧化还原反应没有大的能量势垒。在其他示例中，催化材料21，例如贵金属或合金，可以沉积到多孔碳构件上作为催化活性表面。

在操作中，存储箱32a和32b输送电解液液体到相应的第一和第二流场28和30以将电能转换为化学能或者将电能转换成可以释放的电能。电能通过构成回路并且允许电化学氧化还原反应的完成的电路径转移进或出该单格电池，这是公知的并且因此这里为了简洁不再描述。

参考图2，第一和第二流场28和30中每个包括用于输送电解液液体到相应电极22和24的第一通道34和第二通道36。在这种情况下，第一和第二流场28和30中每个都是双极性板，其限定肋条38以便每个通道34和36包括流动通道40，流动通道40在底壁42、两个侧壁44、以及直接与相应电极22或24邻近的敞开顶部46之间延伸。

图3示出根据图2所示部分的第一流场28的视图。可以理解第二流场30可以相同地构造。第二通道36与第一通道34交叉。在该示例中，流场28包括具有用于接收液体电解液的入口50和用于排出液体电解液的出口52的第一通道34。在这种情况下，第一通道34具有用于限制液体电解液在第一通道34内的流动的至少被部分堵塞的出口52。同样地，第二通道36包括具有用于接收液体电解液的入口54和用于排出液体电解液的出口56，第二通道36的入口54至少被部分堵塞以限制液体电解液流动到第二通道内。

第一通道34的出口52包括第一堵塞构件60，其部分堵塞出口52以限制液体电解液的流出，如由流动箭头39a所示。同样地，第二通道36的入口54包括第二堵塞构件62，其部分堵塞液体电解液流入到第二通道36内，如由流动箭头39b所示。也就是，第一和第二堵塞构件60和62延伸到流动通道40内以限制流经相应的第一和第二通道34和36的流动。在该示例中，第一和第二堵塞构件60和62部分地延伸横过第一和第二通道34和36的剖面宽度。因此，堵塞构件60和62的尺寸可以设计来取决于具体应用的需要提供更大或更小的液流限制。作为示例，堵塞构件60和62的尺寸可以由第一和第二通道34和36的被堵塞剖面面积的百分比来表示。例如，堵塞构件60和62可以堵塞少于100%并且多于0%的剖面面积。在一些示例中，堵塞构件60和62可以堵塞约70-90%的剖面面积。

在操作中，液体电解液流进第一通道34的入口50并且，以更小的程度，经过入口54流进第二通道36。第一通道34的第一堵塞构件60限制第一通道34的流出并且因此如大体上由流动箭头29（也参见图2）表示迫使液体电解液在肋条38下面流动到相邻第二通道内。液体电解液因此流经液体渗流电极22或24。液体电解液然后流进第二通道36并且从出口56流出。液体电解液在肋条38下面的流动因此提供比如果流动完全通过电极（即，无通道、流动通过式布置）更低的压力下降，但是通过迫使在肋条38下面的流动仍然具有液体电解液更多接触电极的优点。因此，因为电极22和24不必须容纳电解液的全部流动，所以电极22和24可以制作得相对较薄，可以为小于2毫米的厚度，或者甚至厚度为0.25-0.75毫米。液体电解液在肋条38下面的流动还提供相对于使用邻近电极的敞开流动通道（即，称为流经布置的具有敞开通道的双极性板）的单格电池改进的到电极22或24的液体电解液输送。示例机构从而能够实现相对较薄的电极22或24（具有合理压力下降）以及反应剂通过电极22或24的被迫对流输送，并且这两个特征能够实现具有更高性能的单格电池。例如，具有所公开结构的单格电池可以减少欧姆损失，并且提供大于0.3W/cm²的功率密度。通过比较，常规液流蓄电池的功率密度通常是0.1W/cm²。

在本发明中，在合适的情况下相同的参考标记表示相同元件，并且具有增加100及其倍数的参考标记表示修改的元件。修改的元件理解为包含相应原始元件的相同优点和/或特征。图4示出修改的第一流场128。在这种情况下，第一堵塞元件160完全堵塞第一通道34的出口152，并且第二堵塞构件162完全堵塞第二通道36的入口154。

图5示出具有带有与第二通道36交叉的第一通道34的第一部分231的另一个修改第一流场228。在这种情况下，第一部分231包括第一和第二堵塞构件260和262，其相应地部分堵塞第一通道34的出口252和第二通道36的入口254，与图3所示的结构相似。

第一流场228还包括具有与第二通道36交叉的第一通道34的第二部分233。第一通道34包括完全堵塞第一通道34的出口252a的第一堵塞构件260a，以及完全堵塞第二通道36的入口254a的第二堵塞构件262a。在这种情况下，第二部分233相对于第一部分231设置在下游。然而，在其他示例中，第二部分233可以设置在第一部分231的上游。

图6表示另一个示例第一流场328，其包括第二通道的被部分堵塞的入口和第一通道的被部分堵塞的出口的部分331。部分331设置在具有不堵塞的通道337的另一个部分335的下游。在其他示例中，部分331可以设置在部分335的上游。

图7示出另一个示例第一流场428，其包括具有带由被完全堵塞的出口的第一通道和带有被完全堵塞的入口的第二通道的部分433。部分433设置在相对于具有不堵塞的第三通道的另一个部分435的上游。在其他示例中，部分435可以设置在相对于部分433的上游，其可以是有利的，因为耗尽的反应剂流更多地从交叉中受益。

图8示出另一个示例第一流场528。在该示例中，第一通道534包括被完全堵塞的出口，并且第二通道536包括被完全堵塞的入口。然而，第一通道534和第二通道536的每个附加地包括至少一个或多个堵塞构件541以便第一和第二通道534和536包括流动腔543。每个流动腔543包括被完全堵塞的腔入口545和被完全堵塞的腔出口547。

在操作中，在流场528内的堵塞构件限制液体电解液在第一通道534中的流动并且如由液流箭头39所示迫使液体电解液在肋条下面流进相邻液体渗流电极22或24、流进相邻第二通道536。在这种情况下，液体电解液流进第二通道536的流动腔543。因为流动也在流动腔543内受到限制，所以液体电解液再次被迫在肋条下面流动并且进入相邻的第一通道534内。在这种情况下，液体电解液流进第一通道534的流动腔543内。再次，液体电解液在流动腔543内的流动受到限制，并且液体电解液被迫使到肋条下面并且进入相邻的第二通道536。液体电解液随后可以通过第二通道536的出口从流场528流出。在其他示例中，示出结构可以使用为与本文公开的其他部分结合的部分。

图9示出修改的第一流场628，其与前面示例的第一流场528有些相似。在这种情况下，堵塞构件仅部分堵塞液体电解液的流动。

虽然特征的组合示出在示出示例中，但是不是所有这些特征需要组合来实现本发明的各种实施例的优点。换句话说，根据本发明的实施例设计的系统不是必须包括在任何其中一个附图示出的所有特征或者在附图中示意性示出的所有部分。此外，一个示例实施例的所选特征可以与其他示例实施例的所选特征组合。

前面描述本质上是示例性的而不是限制性的。对公开的示例的变形和修改对于本领域的技术人员来说是容易理解的，其不一定脱离本发明的精神。给本发明的法律保护范围仅可通过研究下面的权利要求来确定。

Claims (16)

1.一种液流蓄电池，包括：

第一液体渗流电极；

与所述第一液体渗流电极互相间隔开的第二液体渗流电极；

设置在所述第一液体渗流电极与所述第二液体渗流电极之间的离子交换膜；以及

邻近相应的所述第一液体渗流电极和所述第二液体渗流电极的第一和第二流场，第一和第二流场中每一个都包括具有被至少部分堵塞的出口的第一通道和具有被至少部分堵塞的入口的第二通道，并且所述第二通道与所述第一通道交叉。

2.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一和第二流场是相应的双极性板，并且所述第一通道和第二通道部分地延伸通过所述相应的双极性板的厚度以便每个通道包括底壁、两个侧壁以及与相应的第一液体渗流电极或第二液体渗流电极邻近的敞开顶部。

3.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一通道和第二通道每个都限定在细长肋条之间的流动通道，并且所述第一通道包括至少部分堵塞所述第一通道的出口的第一堵塞构件，以及所述第二通道包括至少部分堵塞所述第二通道的入口的第二堵塞构件，并且所述第一堵塞构件和第二堵塞构件延伸到所述流动通道内。

4.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一通道包括完全堵塞所述第一通道的出口的第一堵塞构件，并且所述第二通道包括完全堵塞所述第二通道的入口的第二堵塞构件。

5.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一和第二流场还包括第三通道，其相对于所述第一通道和所述第二通道设置在上游或下游，并且所述第三通道是不堵塞的。

6.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一通道和所述第二通道每一个都包括具有被至少部分堵塞的腔入口和被至少部分堵塞的腔出口的腔。

7.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一通道和所述第二通道每一个都包括具有被完全堵塞的腔入口和被完全堵塞的腔出口的腔。

8.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一液体渗流电极和所述第二液体渗流电极每个都是多孔碳。

9.如权利要求8所述的液流蓄电池，其中所述多孔碳包括催化剂材料。

10.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一液体渗流电极和所述第二液体渗流电极每一个都具有小于2毫米的厚度。

11.如权利要求10所述的液流蓄电池，其中所述厚度是0.25到0.75毫米。

12.如权利要求1所述的液流蓄电池，还包括与所述第一或第二流场中的其中一个处于流体连通的正电解液存储箱以及与所述第一或第二流场中的另一个处于流体连通的负电解液存储箱。

13.如权利要求1所述的液流蓄电池，其中所述第一液体渗流电极、所述第二液体渗流电极、所述离子交换膜、以及所述第一和第二流场是单格电池单元，并且所述液流蓄电池包括所述单格电池单元的堆叠。

14.一种用于与液流蓄电池一起使用的方法，所述液流蓄电池包括第一液体渗流电极、与所述第二液体渗流电极互相间隔开的第二液体渗流电极、设置在所述第一液体渗流电极与所述第二液体渗流电极之间的离子交换膜、以及邻近相应的所述第一液体渗流电极和所述第二液体渗流电极的第一和第二流场，第一和第二流场中每一个都包括具有被至少部分堵塞的出口的第一通道和具有被至少部分堵塞的入口的第二通道，并且所述第二通道与所述第一通道交叉，所述方法包括：

利用所述第一通道的被至少部分堵塞的出口限制液体电解液流经所述第一通道，以迫使所述液体电解液流经邻近的相应的第一液体渗流电极或第二液体渗流电极到邻近的第二通道内。

15.如权利要求14所述的方法，还包括使所述液体电解液流进在邻近的第二通道中的腔内，所述腔具有被至少部分堵塞的腔入口和被至少部分堵塞的腔出口。

16.如权利要求15所述的方法，还包括使所述液体电解液从所述第二通道通过相应的邻近的第一或第二液体渗流电极流进邻近的第一通道内。

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