CN103413954B - 膜电极组件、液流电池和电极的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种膜电极组件、液流电池和电极的制备方法。膜电极组件包括两个电极和离子交换膜，离子交换膜夹持在两个电极之间，两个电极包括：第一电极，第一电极的反应表面具有第一凹部；第二电极，第一电极和第二电极彼此相对的反应表面之间形成反应空间，第二电极的反应表面具有与第一凹部配合的第一凸部，离子交换膜在第一电极与第二电极之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构。由于离子交换膜在第一电极与第二电极之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构，因而增加了离子交换膜与电极的有效离子交换面积（接触面积），从而提高了液流电池的电流密度和导电性能。同时，本发明中的膜电极组件具有结构简单、制造成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池技术领域，更具体地，涉及一种膜电极组件、液流电池和电极的制备方法。
背景技术
如图1和图2所示，现有技术中的液流电池（例如钒电池）包括离子交换膜10’、第一电极20’、第二电极30’、两个集流板50’和两个液流框40’，离子交换膜10’夹持在第一电极20’与第二电极30’之间，两个集流板50’分别设置在第一电极20’和第二电极30’的两侧，两个液流框40’分别设置在两个集流板50’远离离子交换膜10’的一侧。当多个上述结构的液流电池依次叠放设置并装配时，形成液流电池堆。
由于第一电极20’和第二电极30’与离子交换膜10’通过离子交换进行导电，因而第一电极20’和第二电极30’与离子交换膜10’的有效离子交换面积（也就是接触面积）决定着液流电池中电流密度的大小、也决定着液流电池的导电性能是否优良。现有技术中的第一电极20’和第二电极30’的材料为碳毡，且第一电极20’和第二电极30’的结构均为平板结构。由于现有技术中的第一电极20’和第二电极30’与离子交换膜10’的有效离子交换面积（接触面积）等于第一电极20’和第二电极30’的平面面积，因而导致液流电池中的有效离子交换面积小、电流密度低、功率密度低，从而使液流电池的导电性能难以提高。
发明内容
本发明旨在提供一种膜电极组件、液流电池和电极的制备方法，以解决现有技术的液流电池存在离子交换面积小、电流密度低、导电性能难以提高的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种膜电极组件，包括两个电极和离子交换膜，离子交换膜夹持在两个电极之间，两个电极包括：第一电极，第一电极的反应表面具有第一凹部；第二电极，第一电极和第二电极彼此相对的反应表面之间形成反应空间，第二电极的反应表面具有与第一凹部配合的第一凸部，离子交换膜在第一电极与第二电极之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构。
进一步地，第一凹部为条形，第一凹部的两端在第一电极的反应表面上延伸到第一电极的边沿。
进一步地，第一凹部为多个，多个第一凹部相间隔地设置。
进一步地，第一凹部具有U形或V形截面。
进一步地，第一凹部为块状，且第一凹部为多个，多个第一凹部沿第一方向和第二方向相间隔地设置，第一方向与第二方向之间具有夹角。
进一步地，第一电极的反应表面还包括第二凸部，第二电极的反应表面还包括与第二凸部配合的第二凹部。
进一步地，第一凹部和第二凸部均为块状，且第一凹部和第二凸部均为多个，且第二凸部与第一凹部相间隔地设置，多个第一凹部与多个第二凸部沿第一方向和第二方向依次交替设置，第一方向与第二方向之间具有夹角。
进一步地，第一凹部和第二凸部均为块状，且第一凹部和第二凸部均为多个，多个第一凹部分为多组，且同一组中的第一凹部沿第一方向相间隔地设置，多个第二凸部分为多组，且同一组中的第二凸部沿第一方向相间隔地设置，且多组第一凹部与多组第二凸部沿第二方向依次交替设置，第一方向与第二方向之间具有夹角。
进一步地，第一凹部和第一凸部、第二凸部和第二凹部为圆柱形、或半球形、或长方体形。
根据本发明的另一个方面，提供了一种液流电池，包括膜电极组件，膜电极组件是上述的膜电极组件。
根据本发明的另一个方面，提供了一种电极的制备方法，制备方法包括：步骤A1：对电极材料进行发泡反应以形成多孔电极材料；步骤A2：待多孔电极材料冷却后，进行成型加工以上述的电极。
进一步地，电极材料是金属材料，步骤A1还包括：
步骤S1：将金属材料加热至熔融状态；
步骤S2：向熔融状态的金属材料内添加重量含量为金属材料的0.1～10%的增稠剂；
步骤S3：向熔融状态的金属材料内添加气体，并搅拌以形成多孔电极材料。
进一步地，步骤A1还包括：
步骤S10：将热塑性树脂和重量含量为热塑性树脂的1～20%的导电助剂混合后加热至熔融状态以制备成电极材料；
步骤S20：向电极材料内添加气体或重量含量为热塑性树脂的1～10%的发泡剂以形成多孔电极材料。
进一步地，步骤A1还包括：
步骤S100：将热固性树脂和重量含量为热固性树脂的1～20%的导电助剂混合以制备成电极材料；
步骤S200：在反应釜中添加电极材料和重量含量为热固性树脂的1～10%的发泡剂以形成多孔电极材料。
进一步地，步骤A2中的成型加工方法为通过切割或打磨制造电极。
进一步地，步骤A2中的成型加工方法为铸造。
本发明中的第一电极和第二电极彼此相对的反应表面之间形成反应空间，第一电极的的反应表面具有第一凹部，第二电极的反应表面具有与第一凹部配合的第一凸部，离子交换膜在第一电极与第二电极之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构，因而增加了离子交换膜与电极的有效离子交换面积（接触面积），从而提高了液流电池的电流密度和导电性能。同时，本发明中的膜电极组件具有结构简单、制造成本低的特点。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1示意性示出了现有技术中的液流电池的结构示意图；
图2示意性示出了现有技术中的电极和离子交换膜的结构示意图；
图3示意性示出了本发明中的第一个实施例中的电极和离子交换膜的剖视图；
图4示意性示出了本发明中的第二个实施例中的电极和离子交换膜的剖视图；
图5示意性示出了本发明中的第二个实施例中的电极的结构示意图；
图6示意性示出了本发明中的第三个实施例中的电极的结构示意图；以及
图7示意性示出了本发明中的第四个实施例中的电极的结构示意图。
图中附图标记：10、离子交换膜；20、第一电极；21、第一凹部；22、第二凸部；30、第二电极；31、第一凸部；10’、离子交换膜；20’、第一电极；30’、第二电极；40’、液流框；50’、集流板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
作为本发明的第一个方面，提供了一种膜电极组件。如图3至图7所示，膜电极组件包括两个电极和离子交换膜10，离子交换膜10夹持在两个电极之间，两个电极包括：第一电极20，第一电极20的反应表面具有第一凹部21；第二电极30，第一电极20和第二电极30彼此相对的反应表面之间形成反应空间，第二电极30的反应表面具有与第一凹部21配合的第一凸部31，离子交换膜10在第一电极20与第二电极30之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构。由于离子交换膜10在第一电极20与第二电极30之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构，因而增加了离子交换膜10与电极的有效离子交换面积（接触面积），从而提高了液流电池（例如：钒电池）的电流密度和导电性能。同时，本发明中的膜电极组件具有结构简单、制造成本低的特点。
如图3至图5所示的实施例中，第一凹部21为条形，第一凹部21的两端在第一电极20的反应表面上延伸到第一电极20的边沿。优选地，第一凸部31为与第一凹部21相配合的条形结构。由于第一凹部21为条形，因而更容易使离子交换膜10变形后夹持在两个电极之间。
本发明中的第一凹部21为多个，多个第一凹部21相间隔地设置（请参考图3至图5）。由于第一凹部21为多个，因而进一步增加了电极与离子交换膜的反应面积，从而提高了液流电池的电流密度和导电性能。
优选地，第一凹部21具有U形或V形截面（请参考图3至图5）。
如图3所示的第一个实施例中，第一凹部21为多个，多个第一凹部21依次相邻地设置，相邻两个第一凹部21的交接处为一直线，从而使电极的反应表面呈三角形锯齿状。由于两个具有三角形锯齿状的电极相互配合夹持离子交换膜10，因而增加了离子交换膜10与电极之间的有效离子交换面积，从而降低了离子导电电阻、提高了电流密度和导电性能。
如图4和图5所示的第二个实施例中，由于第一凹部21为U形，因而使第一电极20的反应表面呈方形锯齿状。由于两个具有方形锯齿状的电极相互配合夹持离子交换膜10，因而增加了离子交换膜10与电极之间的有效离子交换面积，从而降低了离子导电电阻、提高了电流密度和导电性能。
优选地，第一凹部21为块状，且第一凹部21为多个，多个第一凹部21沿第一方向和第二方向相间隔地设置，第一方向与第二方向之间具有夹角（请参考图6和图7）。在一未图示的实施例中，第一电极20的反应表面上设置有多个第一凹部21，第二电极30的反应表面上设置有与第一凹部21一一对应设置的第一凸部31。由于具有多个第一凹部21和多个第一凸部31，因而增加了电极与离子交换膜10的反应面积，从而降低了离子导电电阻、提高了电流密度和导电性能。
本发明中的第一电极20的反应表面还包括第二凸部22，第二电极30的反应表面还包括与第二凸部22配合的第二凹部。由于第一电极20的反应表面还包括第二凸部22，因而进一步增加了第一电极20与离子交换膜10的反应面积，从而进一步降低了离子导电电阻、提高了电流密度和导电性能。
如图6所示的第三个实施例中和图7所示的第四个实施例中，第一凹部21和第二凸部22均为块状，且第一凹部21和第二凸部22均为多个，且第二凸部22与第一凹部21相间隔地设置，多个第一凹部21与多个第二凸部22沿第一方向和第二方向依次交替设置，第一方向与第二方向之间具有夹角。由于有多个第一凹部21与多个第一凸部31配合，多个第二凸部22与多个第二凹部配合，因而进一步增加了电极与离子交换膜10的反应面积，从而进一步降低了离子导电电阻、提高了电流密度和导电性能。同时，由于有多个第一凹部21与多个第一凸部31配合，多个第二凸部22与多个第二凹部配合，因而使离子交换膜10与电极配合稳固，减小了液流电池在使用过程中发生错动的问题。
优选地，在一未图示的实施例中，第一凹部21和第二凸部22均为块状，且第一凹部21和第二凸部22均为多个，多个第一凹部21分为多组，且同一组中的第一凹部21沿第一方向相间隔地设置，多个第二凸部22分为多组，且同一组中的第二凸部22沿第一方向相间隔地设置，且多组第一凹部21与多组第二凸部22沿第二方向依次交替设置，第一方向与第二方向之间具有夹角。
优选地，夹角为90度。当然，第一方向与第二方向之间的夹角可以不为90度，工作人员可以根据使用需要，确定第一方向与第二方向之间的角度大小。
本发明中的第一凸部31的高度与第一凹部21的深度相等。
本发明中的第一凹部21和第一凸部31、第二凸部22和第二凹部为圆柱形、或半球形、或长方体形（请参考图6和图7）。当然，第一凹部21和第一凸部31、第二凸部22和第二凹部还可以是其他相适应的形状。
作为本发明的第二个方面，提供了一种液流电池。液流电池（例如：钒电池）包括膜电极组件，膜电极组件是上述的膜电极组件。优选地，第一电极20、第二电极30与集流板相贴合的表面为平面。第一电极20和第二电极30相互咬合，且第一电极20与第二电极30的极性相反。由于离子交换膜10呈凹凸结构夹持在第一电极20与第二电极30之间，因而增加了离子交换膜10与电极的反应面积，从而提高了液流电池的电流密度、功率密度和导电性能。
作为本发明的第三个方面，提供了一种电极的制备方法。制备方法包括：
步骤A1：对电极材料进行发泡反应以形成多孔电极材料；
步骤A2：待多孔电极材料冷却后，进行成型加工以形成上述的电极。
首先，电极材料经过发泡反应后形成用于与离子交换膜进行离子交换的多孔电极材料；而后，通过将多孔电极材料冷却，使多孔电极材料成为可进行成型加工的原料；而后，通过对上述原料加工，从而获得具有凹凸结构的电极。
优选地，本发明中的步骤A2中的成型加工方法为通过切割或打磨制造电极。
优选地，本发明中的步骤A2中的成型加工方法为铸造。
优选地，本发明中的电极材料是金属材料，步骤A1还包括：
步骤S1：将金属材料加热至熔融状态；
步骤S2：向熔融状态的金属材料内添加重量含量为金属材料的0.1～10%的增稠剂；
步骤S3：向熔融状态的金属材料内添加气体，并搅拌以形成多孔电极材料。
金属材料可以是不锈钢、铝、钼、铅、钛、钽、锆、镍等。由于金属材料原料丰富，因而方便工作人员制取电极。
优选地，本发明中的步骤A1还包括：
步骤S10：将热塑性树脂和重量含量为热塑性树脂的1～20%的导电助剂混合后加热至熔融状态以制备成电极材料；
步骤S20：向电极材料内添加气体或重量含量为热塑性树脂的1～10%的发泡剂以形成多孔电极材料。
热塑性树脂可以是聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚醋酸乙烯等。由于热塑性树脂原料丰富，因而方便工作人员制取电极。
在一个优选的实施例中，首先将热塑性树脂和重量含量为热塑性树脂的1～20%的导电助剂（例如：炭黑、碳纳米管等）混合加热至熔融状态；然后，向混合物中通入气体或加入重量含量为热塑性树脂的1～10%的发泡剂；而后冷却定型，形成导电发泡热塑性塑料（即多孔电极材料）；而后，通过切割或打磨等机械加工，使冷却后的导电发泡热塑性塑料形成凹凸结构。当然，还可以在热塑性树脂聚合的过程中直接加入重量含量为热塑性树脂的1～20%的导电助剂（例如导电炭黑）和重量含量为热塑性树脂的1～10%的发泡剂，发生原位聚合发泡，从而得到导电发泡热塑性塑料。
优选地，本发明中的步骤A1还包括：
步骤S100：将热固性树脂和重量含量为热固性树脂的1～20%的导电助剂混合以制备成电极材料；
步骤S200：在反应釜中添加电极材料和重量含量为热固性树脂单体的1～10%的发泡剂以形成多孔电极材料。
热固性树脂可以是聚氨酯、酚醛树脂、脲醛树脂和环氧树脂等。由于热固性树脂原料丰富，因而方便工作人员制取多孔电极。
优选地，通过改变导电助剂、发泡剂、引发剂、固化剂的添加比例，可以调节材料为导电发泡热固性塑料的多孔电极的孔径、孔隙率、硬度和导电性。由于多孔电极的孔径、孔隙率、硬度和导电性可改变，因而可制备满足不同使用要求的多孔电极。
根据上述制备方法，制备如下述实施例1至9中的电极，且将下述对比例1中的电极、单电池与实施例1至9中的电极、单电池进行对比测试，并得到如表1所示的实验数据。
对比例1：选用石墨毡制备多孔电极，该电极的外形尺寸为30cm*30cm（外形为平板结构）。并将该多孔电极与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。
实施例1：金属材料是镍。实施过程：首先应将金属镍在高温炉中加热至熔融状态；然后向高温炉内的熔体中加入重量含量为金属材料的0.1%的碳化硅（作为增稠剂，当然还可以选用其他的增稠剂颗粒，例如：氧化铝和氧化镁等），从而提高熔体的粘度；然后，将熔体浇铸到模具中，并通入氮气（当然，还可以通入空气、氩气等气体或上述气体的混合气体），搅拌；而后放置冷却，形成发泡金属镍（即多孔电极，请参考图4）。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。上述模具具有凹凸结构，由于模具具有凹凸结构，因而冷却成型的多孔电极具有凹凸结构。当然，还可以通过切割或打磨等机械加工，使冷却后的发泡金属镍形成凹凸结构。
实施例2：金属材料是钛。实施过程：首先应将金属钛在高温炉中加热至熔融状态；然后向高温炉内的熔体中加入重量含量为金属材料的10%的氧化铝（作为增稠剂，当然还可以选用其他的增稠剂，例如：碳化硅和氧化镁等），从而提高熔体的粘度；然后，将熔体浇铸到模具中，并通入氮气（当然，还可以通入空气、氩气等气体或上述气体的混合气体），搅拌；而后放置冷却，形成发泡金属钛（即多孔电极，请参考图4）。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。上述模具具有凹凸结构，由于模具具有凹凸结构，因而冷却成型的多孔电极具有凹凸结构。当然，还可以通过切割或打磨等机械加工，使冷却后的发泡金属钛形成凹凸结构。
实施例3：金属材料是铅。实施过程：首先应将金属铅在高温炉中加热至熔融状态；然后向高温炉内的熔体中加入重量含量为金属材料的5%的氧化硅（作为增稠剂，当然还可以选用其他的增稠剂，例如：碳化铝和氧化镁等），从而提高熔体的粘度；然后，将熔体浇铸到模具中，并通入氮气（当然，还可以通入空气、氩气等气体或上述气体的混合气体），搅拌；而后放置冷却，形成发泡金属铅（即多孔电极，请参考图4）。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。上述模具具有凹凸结构，由于模具具有凹凸结构，因而冷却成型的多孔电极具有凹凸结构。当然，还可以通过切割或打磨等机械加工，使冷却后的发泡金属铅形成凹凸结构。
实施例4：热塑性树脂是聚氯乙烯（基体）。实施过程：将氯乙烯（单体）、导电炭黑（导电助剂）、DOP（增塑剂）、偶氮二异丁腈（引发剂）、偶氮二甲酰胺（发泡剂）按照105:20:3:2:1的比例在捏合机中于室温下混合均匀（在聚合反应过程中，105份的氯乙烯转化为100份的聚氯乙烯作为热塑性树脂，与占聚氯乙烯重量百分比20%的导电炭黑反应制备电极）；然后将混合料装入模具中，并将加热温度提升至100～110℃，此时混合料发生聚合反应放热，促使温度升至180～200℃，并在此温度下塑化定型，在130～200℃下脱模，从而得到导电发泡聚氯乙烯电极（即多孔电极，请参考图4）。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。上述模具具有凹凸结构，由于模具具有凹凸结构，因而冷却成型的多孔电极具有凹凸结构。当然，还可以通过切割或打磨等机械加工，使冷却后的导电发泡聚氯乙烯形成凹凸结构。
实施例5：热塑性树脂是聚苯乙烯（基体）。实施过程：将去离子水（溶剂）、苯乙烯（单体）、羟乙基纤维素（分散剂）、过氧化苯甲酰（引发剂）、戊烷（发泡剂）、碳纳米管（导电助剂）按照110:105:2:5:10:1进行配比（在聚合反应过程中，105份的苯乙烯转化为100份的聚苯乙烯作为热塑性树脂，与占聚苯乙烯重量百分比1%的碳纳米管反应制备电极）；首先，将去离子水、苯乙烯、羟乙基纤维素、过氧化苯甲酰和碳纳米管加入反应釜中，控制搅拌速度，升温至90℃并通氮气保护；当反应进行5小时后，将反应釜降温至80℃，并加入戊烷，而后继续升温至100℃，当熟化1小时后，将反应釜降温至40℃，放空出料；而后经洗涤、干燥、筛分得到含有发泡剂的聚苯乙烯珠粒；然后将含有发泡剂的聚苯乙烯珠粒先置于85℃的反应釜中预发泡2小时，而后再在室温下熟化24小时；将熟化后的发泡聚苯乙烯颗粒装入模具中，并向模具中通蒸气加热，待成型后通水冷却，从而得到导电发泡聚苯乙烯电极（即多孔电极，请参考图4）。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。上述模具具有凹凸结构，由于模具具有凹凸结构，因而冷却成型的多孔电极具有凹凸结构。当然，还可以通过切割或打磨等机械加工，使冷却后的导电发泡聚苯乙烯形成凹凸结构。
实施例6：热塑性树脂是聚丙烯（基体）。实施过程：将聚丙烯（基体）、导电炭黑（导电助剂）、过氧化二异丙苯（交联剂）、二乙烯基苯（助交联剂）、偶氮二甲酰胺（发泡剂）按照100:10:4:1:5的比例加入到单螺杆挤出机中，挤出机各段温度设置为170℃、210℃、220℃、190℃，螺杆转速为40r/min，从而挤出得到的长方体形的发泡聚丙烯；然后通过切割或打磨等机械加工，使冷却后的发泡聚丙烯形成具有凹凸结构的电极（即多孔电极，请参考图4）。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。
实施例7：热固性树脂是聚氨酯。实施过程：首先将4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯（第一单体）、聚醚多元醇（第二单体）、三乙醇胺（催化剂）、二乙基乙醇胺（助催化剂）、硅油（表面活性剂）、蒸馏水（发泡剂）及导电炭黑（导电助剂）按照53:53:3:0.5:1.5:10:20的比例加入到带有高速搅拌器的混合器内（在聚合反应过程中，53份的4,4-二苯基甲烷二异氰酸酯和53份的聚醚多元醇转化为100份的聚氨酯作为热塑性树脂，与占聚氨酯重量百分比20%的导电炭黑反应制备电极），经搅拌器搅拌均匀后，物料从搅拌器内排出，流到连续运转的传送带上；此时，物料开始发泡，30分钟后发泡完毕，然后在70～100℃下熟化72小时，从而得到导电发泡聚氨酯板材（即多孔电极材料）；然后将该板材通过切割或打磨等机械加工，使冷却后的导电发泡聚氨酯形成凹凸结构（请参考图4）。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。
实施例8：热固性树脂是酚醛树脂。实施过程：首先将苯酚（第一单体）和甲醛（第二单体）按照1:1的比例加入到反应釜中，开动一定速度的搅拌并水浴加热至80℃；然后加入重量含量为热固性树脂的3%的氯化氢(催化剂)、重量含量为热固性树脂的1%的碳纳米管（导电助剂），继续加热至95℃，反应2小时后，用冷水浴将混合物降温至70℃以下，通过减压脱水，从而得到发泡性酚醛树脂；而后将发泡性酚醛树脂（基体）、正戊烷（发泡剂）、脂肪醇聚氧乙烯（表面活性剂）、盐酸（固化剂）按照100:5:1.5:3.5的比例加入到反应釜中高速搅拌混合后，注入模具中，而后在75℃的恒温室中进行发泡反应，发泡反应8小时后，可得到图7所示的多孔电极。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。上述模具具有凹凸结构，由于模具具有凹凸结构，因而冷却成型的多孔电极具有凹凸结构。
实施例9：热固性树脂是双酚A型环氧树脂。实施过程：首先将双酚A型环氧树脂（基体）、三乙烯四胺（固化剂）、偶氮二甲酰胺（主发泡剂）、甲苯（助发泡剂）、导电炭黑（导电助剂）、吐温20（表面活性剂）按照100:5:0.7:0.3:5:1.5的比例加入到反应釜中，快速搅拌混合均匀后，注入模具中；而后在30℃下进行发泡反应，发泡反应30分钟后，在室温下冷却静置，从而得到如图6所示的导电发泡环氧树脂（即多孔电极）。而后将该多孔电极（投影面积为30cm*30cm）与集流板、液流框、离子交换膜组装成单电池。上述模具具有凹凸结构，由于模具具有凹凸结构，因而冷却成型的多孔电极具有凹凸结构。
表1：实施例1至9与对比例1的电极和单电池的测试结果
通过表1的实验数据可知，与现有技术中的平板结构的电极组装成的单电池相比，本发明中的多孔电极组装的单电池具有电流密度高、功率密度大的特点，使得本发明中的单电池的导电性能得以提高。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种膜电极组件，包括两个电极和离子交换膜(10)，所述离子交换膜(10)夹持在两个所述电极之间，其特征在于，所述两个电极包括：
第一电极(20)，所述第一电极(20)的反应表面具有第一凹部(21)；
第二电极(30)，所述第一电极(20)和所述第二电极(30)彼此相对的反应表面之间形成反应空间，所述第二电极(30)的反应表面具有与所述第一凹部(21)配合的第一凸部(31)，其中，
所述第一电极(20)的反应表面还包括第二凸部(22)，所述第二电极(30)的反应表面还包括与所述第二凸部(22)配合的第二凹部，
所述第一凹部(21)和所述第二凸部(22)均为块状，且所述第一凹部(21)和所述第二凸部(22)均为多个，且所述第二凸部(22)与所述第一凹部(21)相间隔地设置，多个所述第一凹部(21)与多个所述第二凸部(22)沿第一方向和第二方向依次交替设置，所述第一方向与所述第二方向之间具有夹角，
所述离子交换膜(10)在所述第一电极(20)与所述第二电极(30)之间形成与所述反应空间形状相适应的凹凸结构。
2.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，多个所述第一凹部(21)分为多组，且同一组中的所述第一凹部(21)沿第一方向相间隔地设置，多个所述第二凸部(22)分为多组，且同一组中的所述第二凸部(22)沿所述第一方向相间隔地设置，且多组所述第一凹部(21)与多组所述第二凸部(22)沿第二方向依次交替设置。
3.根据权利要求1所述的膜电极组件，其特征在于，所述第一凹部(21)和所述第一凸部(31)、所述第二凸部(22)和所述第二凹部为圆柱形、或半球形、或长方体形。
4.一种液流电池，包括膜电极组件，其特征在于，所述膜电极组件是权利要求1至3中任一项所述的膜电极组件。
5.一种电极的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
步骤A1：对电极材料进行发泡反应以形成多孔电极材料；
步骤A2：待所述多孔电极材料冷却后，进行成型加工以形成权利要求1至3中任一项所述的膜电极组件的电极。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述电极材料是金属材料，所述步骤A1还包括：
步骤S1：将所述金属材料加热至熔融状态；
步骤S2：向所述熔融状态的所述金属材料内添加重量含量为所述金属材料的0.1～10％的增稠剂；
步骤S3：向所述熔融状态的所述金属材料内添加气体，并搅拌以形成所述多孔电极材料。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A1还包括：
步骤S10：将热塑性树脂和重量含量为所述热塑性树脂的1～20％的导电助剂混合后加热至熔融状态以制备成所述电极材料；
步骤S20：向所述电极材料内添加气体或重量含量为所述热塑性树脂的1～10％的发泡剂以形成所述多孔电极材料。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A1还包括：
步骤S100：将热固性树脂和重量含量为所述热固性树脂的1～20％的导电助剂混合以制备成所述电极材料；
步骤S200：在反应釜中添加所述电极材料和重量含量为所述热固性树脂的1～10％的发泡剂以形成所述多孔电极材料。
9.根据权利要求5至8中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A2中的所述成型加工方法为通过切割或打磨制造所述电极。
10.根据权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤A2中的所述成型加工方法为铸造。
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- 2013-08-26 CN CN201310376378.7A patent/CN103413954B/zh active Active
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