CN103413960B - 液流电池和液流电池堆 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种液流电池和液流电池堆。液流电池包括第一双极板、第二双极板、两个液流框、两个电极和离子交换膜，离子交换膜夹持在两个电极之间，两个电极分别嵌设在两个液流框的空腔内，第一双极板和第二双极板的彼此相对的集流表面之间形成反应空间，第一双极板的集流表面包括第一凹部，第二双极板的集流表面包括与第一凹部配合的第一凸部，两个电极和离子交换膜在第一双极板和第二双极板之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构。由于电极和离子交换膜形成凹凸结构，因而增加了电极与离子交换膜的面积，减小了液流电池的内阻、增加了液流电池的电流密度，可达到提高液流电池的效率和功率的目的。
Description
技术领域
本发明涉及电池领域，更具体地，涉及一种液流电池和液流电池堆。
背景技术
如图1和图2所示，现有技术中的液流电池包括第一双极板10’、第二双极板20’、两个液流框40’、两个电极50’和离子交换膜60’，离子交换膜60’夹持在两个电极50’之间，两个电极50’分别嵌设在两个液流框40’的空腔内，且两个液流框40’夹持在第一双极板10’与第二双极板20’之间。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。
现有技术中的第一双极板10’、第二双极板20’、两个电极50’和离子交换膜60’均为平面型结构。在液流电池堆的组装压力作用下，第一双极板10’和第二双极板20’与两个电极50’紧密接触，且两个电极50’与离子交换膜60’紧密贴合。两个电极50’是电解液进行充、放电反应的场所，电极50’的面积决定了液流电池堆的输出电流和功率密度，离子交换膜60’作为液流电池堆的内阻的主要来源，对液流电池堆的电压效率和能量效率具有重要影响。
现有技术中，两个电极50’和离子交换膜60’的面积有限，导致液流电池中的充放电反应面积有限、有效离子交换面积小，液流电池充放电电流密度偏低、内阻大，制约了液流电池堆效率和功率的提升。
发明内容
本发明旨在提供一种液流电池和液流电池堆，以解决现有技术的液流电池的效率和功率难以提高的问题。
为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，提供了一种液流电池，包括第一双极板、第二双极板、两个液流框、两个电极和离子交换膜，离子交换膜夹持在两个电极之间，两个电极分别嵌设在两个液流框的空腔内，第一双极板和第二双极板的彼此相对的集流表面之间形成反应空间，第一双极板的集流表面包括第一凹部，第二双极板的集流表面包括与第一凹部配合的第一凸部，两个电极和离子交换膜在第一双极板和第二双极板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双极板的集流表面上延伸到第一双极板的边沿。
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，第一双极板的集流表面还包括第二凸部，第二双极板的集流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，夹角为90度。
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。
进一步地，第一双极板的集流表面还包括间隔设置的多个第一电解液导流槽，且至少部分第一电解液导流槽设置在第一凹部的位置处；和/或第二双极板的集流表面还包括间隔设置的多个第二电解液导流槽，且至少部分第二电解液导流槽设置在第一凸部的位置处。
根据本发明的另一个方面，提供了一种液流电池堆，包括多个液流电池，液流电池是上述的液流电池。
本发明中的第一双极板和第二双极板的彼此相对的集流表面之间形成反应空间，第一双极板的集流表面包括第一凹部，第二双极板的集流表面包括与第一凹部配合的第一凸部，两个电极和离子交换膜在第一双极板和第二双极板之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构，因而增加了电极与离子交换膜的面积，减小了液流电池的内阻、增加了液流电池的电流密度，可达到提高液流电池的效率和功率的目的。同时，本发明中的液流电池具有结构简单、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液流电池的剖视图；
图3示意性示出了本发明中的第一个实施例中的液流电池的剖视图；
图4示意性示出了本发明中的第二个实施例中的液流电池的剖视图；
图5示意性示出了本发明中的第三个实施例中的液流电池的剖视图；
图6示意性示出了本发明中的第四个实施例中的液流电池的剖视图；以及
图7示意性示出了本发明中的第五个实施例中的液流电池的剖视图。
图中附图标记：10、第一双极板；11、第一凹部；12、第二凸部；20、第二双极板；21、第一凸部；30、第一电解液导流槽；31、第二电解液导流槽；40、液流框；50、电极；60、离子交换膜；10’、第一双极板；20’、第二双极板；40’、液流框；50’、电极；60’、离子交换膜。
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，提供了一种液流电池。如图3至图6所示，液流电池包括：第一双极板10、第二双极板20、两个液流框40、两个电极50和离子交换膜60，离子交换膜60夹持在两个电极50之间，两个电极50分别嵌设在两个液流框40的空腔内，第一双极板10和第二双极板20的彼此相对的集流表面之间形成反应空间，第一双极板10的集流表面包括第一凹部11，第二双极板20的集流表面包括与第一凹部11配合的第一凸部21，两个电极50和离子交换膜60在第一双极板10和第二双极板20之间形成与反应空间形状相适应的凹凸结构。
本发明中的第一双极板10和第二双极板20起搜集充放电反应电荷、压缩电极50的作用。优选地，第一双极板10和第二双极板20是金属材料、或导电高分子材料、或碳/高分子复合材料、或碳材料制成的。金属材料、或导电高分子材料、或碳/高分子复合材料、或碳材料具有硬度大、易于实现高精度机械加工的特点。本发明中的电极50一般为具有疏松多孔结构的碳材料、金属材料或复合材料。本发明中的离子交换膜60一般为全氟磺酸膜、半氟磺酸膜或非氟磺酸膜。电极50和离子交换膜60均质地柔软，在外力的作用下具有容易变形的特点。因此，改变第一双极板10和第二双极板20的结构，可以控制压合在第一双极板10和第二双极板20之间的两个电极50与离子交换膜60的面积。
使用本发明中的第一双极板10和第二双极板20时，首先将平面型的两个电极50和离子交换膜60放置在第一双极板10和第二双极板20之间，然后使第一双极板10与第二双极板20在液流电池堆的装配力下靠拢并挤压电极50和离子交换膜60。装配完成后，电极50、离子交换膜60、第一双极板10、第二双极板20彼此紧密贴合并完全匹配。由于第一双极板10和第二双极板20的表面为非平面设计，因而使得电极50与离子交换膜60的接触面、第一双极板10或第二双极板20与电极50的接触面均呈现非平面的结构，从而有效地增加了充放电反应面积和离子交换面积，进而降低了液流电池的内阻，提高液流电池的效率和功率。同时，本发明中的液流电池具有结构简单、制造成本低的特点。
优选地，第一凹部11为条形，第一凹部11的两端在第一双极板10的集流表面上延伸到第一双极板10的边沿。优选地，第一凸部21为与第一凹部11相配合的条形结构。由于第一凹部11为条形，因而更容易使电极50与离子交换膜60变形后压合在第一双极板10与第二双极板20之间。通过调节第一凹部11的宽度和深度，可以改变电极50与离子交换膜60的面积，使液流电池的效率和功率具有可控性。
优选地，第一凹部11为多个，多个第一凹部11相间隔地设置（请参考图3和图4）。由于第一凹部11为多个，因而进一步增加了压合在第一双极板10与第二双极板20之间的电极50与离子交换膜60的面积，从而增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。
如图3所示的实施例中，第一双极板10和第二双极板20是导电塑料，电极50是碳材料，离子交换膜60是全氟磺酸膜。第一双极板10的第一凹部11与第二双极板20的第一凸部21相互咬合，第一双极板10和第二双极板20相匹配。当第一双极板10、两个液流框40、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20在堆叠、压紧、组装完成后，第一双极板10、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20的交界处为相互咬合的曲面，有效离子交换面积和电化学反应面积均为曲面面积，因此，增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。
优选地，第一凹部11具有U形或V形截面。如图3和图4所示的实施例中，第一凹部11的截面为U形，从而使第一双极板10的集流表面呈方形锯齿状。由于第一双极板10具有方形锯齿状结构，因而当第一双极板10、两个液流框40、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20在堆叠、压紧、组装完成后，第一双极板10、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20的交界处为相互咬合的方形锯齿状的非平面结构，有效离子交换面积和电化学反应面积均为方形锯齿状的非平面结构的表面积，因此，增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。
在一未图示的实施例中，第一凹部11为多个，多个第一凹部11依次相邻地设置，且相邻两个第一凹部11的交接处为一直线，从而使第一双极板10的集流表面呈三角形锯齿状。具有三角形锯齿状的第一双极板10与电极50接触，不仅增加了电极50与离子交换膜60的面积，也增加了第一双极板10与电极50的接触面积。由于增大了电极50的面积，因而增大了充放电反应面积，从而提高了液流电池的电流密度，进而提高了液流电池的功率。由于增大了离子交换膜60的面积，因而增大了液流电池的有效离子交换面积，从而降低了液流电池的内阻，进而提高了液流电池的效率。
在一未图示的实施例中，第一双极板10和第二双极板20是碳/高分子复合材料，电极50是碳纸，离子交换膜60是全氟磺酸膜。第一双极板10与第二双极板20的集流表面设置成起伏的波纹状，且第一双极板10与第二双极板20相互咬合匹配。当第一双极板10、两个液流框40、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20在堆叠、压紧、组装完成后，第一双极板10、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20的交界处为相互咬合的曲面，因而有效离子交换面积和电化学反应面积均为曲面面积，从而增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。
优选地，第一凹部11为块状，且第一凹部11为多个，多个第一凹部11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。在一未图示的实施例中，第一双极板10的集流表面上设置有多个第一凹部11，第二双极板20的集流表面上设置有与第一凹部11配合的第一凸部21。由于具有多个第一凹部11和多个第一凸部21，因而增加了压合在第一双极板10与第二双极板20之间的电极50与离子交换膜60的面积，从而增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。
优选地，第一双极板10的集流表面还包括第二凸部12，第二双极板20的集流表面还包括与第二凸部12配合的第二凹部。由于第一双极板10的集流表面还包括第二凸部12，因而进一步增加了第一双极板10与电极50的接触面积，从而进一步增加了压合在第一双极板10与第二双极板20之间的电极50与离子交换膜60的面积，进而进一步增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。
优选地，如图5和图6所示，第一凹部11和第二凸部12均为块状，且第一凹部11和第二凸部12均为多个，且第二凸部12与第一凹部11相间隔的设置，多个第一凹部11与多个第二凸部12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11与多个第一凸部21配合，多个第二凸部12与多个第二凹部配合，因而进一步增加了压合在第一双极板10与第二双极板20之间的电极50与离子交换膜60的面积，从而进一步增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。同时，由于有多个第一凹部11与多个第一凸部21配合，多个第二凸部12与多个第二凹部配合，因而使压合后的液流电池组合得更加稳固，减小了液流电池在使用过程中发生错动的问题。
如图5所示的实施例中，第一双极板10和第二双极板20是高密度石墨板，电极50是石墨软毡，离子交换膜60是全氟磺酸膜。多个第一凹部11与多个第二凸部12沿第一方向和第二方向依次交替设置，且第二双极板20上具有与第一凹部11配合的第一凸部21、与第二凸部12配合的第二凹部。第一双极板10和第二双极板20的集流表面被错落地分隔成凹陷区域和凸出区域，且凹陷区域与凸出区域互补，第一双极板10与第二双极板20相互咬合。当第一双极板10、两个液流框40、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20在堆叠、压紧、组装完成后，第一双极板10、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20的交界处为相互咬合的凹凸面积，因而有效离子交换面积和电化学反应面积均为凹凸面积，从而增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。
优选地，在一未图示的实施例中，第一凹部11和第二凸部12均为块状，且第一凹部11和第二凸部12均为多个，多个第一凹部11分为多组，且同一组中的第一凹部11沿第一方向相间隔地设置，多个第二凸部12分为多组，且同一组中的第二凸部12沿第一方向相间隔地设置，且多组第一凹部11与多组第二凸部12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。由于夹角为90度，因而第一凹部11与第二凸部12排布的更加整齐，使液流电池更加容易组装。
优选地，第一凹部11和第一凸部21、第二凸部12和第二凹部为圆柱形、或半球形、或长方体形。当然，第一凹部11和第一凸部21、第二凸部12和第二凹部还可以是其他相适应的形状。
优选地，如图4和图6所示，第一双极板10的集流表面还包括间隔设置的多个第一电解液导流槽30，且至少部分第一电解液导流槽30设置在第一凹部11的位置处；和/或第二双极板20的集流表面还包括间隔设置的多个第二电解液导流槽31，且至少部分第二电解液导流槽31设置在第一凸部21的位置处。如图4和图6所示的实施例中，第一双极板10的集流表面还包括间隔设置的多个第一电解液导流槽30。由于设置有多个第一电解液导流槽30，因而使电解液沿着第一电解液导流槽30的方向流动，从而改善了电解液在电极50内部的液相传质效果，降低了浓差极化，提高了液流电池充放电循环过程的电压效率和能量效率。
如图6所示的实施例中，第一电解液导流槽30位于第一凹部11、第二凸部12、第一凹部11与第二凸部12之间的缝隙处。如图4所示的实施例中，第二电解液导流槽31位于第一凸部21、第二凹部、第一凸部21与第二凹部之间的缝隙处。优选地，第一电解液导流槽30和第二电解液导流槽31可选用Z形、蛇形等任意形状。
如图7所示的实施例中，第一双极板10和第二双极板20是高密度石墨板，电极50是石墨毡，离子交换膜60是全氟磺酸膜。第一双极板10与第二双极板20彼此相对的集流表面均设置为倾斜状，第一双极板10的第一倾斜面和第二双极板20的第二倾斜面互补，且第一双极板10和第二双极板20相匹配。当第一双极板10、两个液流框40、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20在堆叠、压紧、组装完成后，第一双极板10、两个液流框40、两个电极50、离子交换膜60、第二双极板20的交界处为完全匹配的斜面，液流电池的有效离子交换面积和电化学反应面积均为斜面面积，从而增大了充放电反应面积，降低了液流电池的内阻，提高了液流电池的效率和功率。
优选地，第一双极板10为正极双极板，第二双极板20为负极双极板，与正极双极板相贴合的液流框40是正极液流框，与负极双极板相贴合的液流框40是负极液流框，与正极双极板相贴合的电极50是正极电极，与负极双极板相贴合的电极50是负极电极，离子交换膜60为正极电极与负极电极之间的离子导电提供通道。
作为本发明的第二个方面，提供了一种液流电池堆。液流电池堆以上述的液流电池为基本单位，多节依次叠放压紧并串联而成。本发明中的液流电池堆通过将第一双极板10和第二双极板20设计成非平面型结构，从而实现电极50和离子交换膜60的界面相互咬合凹嵌匹配，增加了充放电反应面积，降低了液流电池堆内阻，显著提高了液流电池堆的效率和功率。同时，在液流电池堆的功率输出增大的条件下，可以有效地节省端板、密封组件、固定螺栓等液流电池堆部件，以及储液罐、输液管路、泵等系统部件，从而大幅降低了液流电池堆的成本。
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 (8)
1.一种液流电池，包括第一双极板(10)、第二双极板(20)、两个液流框(40)、两个电极(50)和离子交换膜(60)，所述离子交换膜(60)夹持在两个所述电极(50)之间，两个所述电极(50)分别嵌设在两个所述液流框(40)的空腔内，所述第一双极板(10)和所述第二双极板(20)的彼此相对的集流表面之间形成反应空间，其特征在于，所述第一双极板(10)的集流表面包括第一凹部(11)，所述第二双极板(20)的集流表面包括与所述第一凹部(11)配合的第一凸部(21)，所述两个电极(50)和所述离子交换膜(60)在所述第一双极板(10)和所述第二双极板(20)之间形成与所述反应空间形状相适应的凹凸结构，其中，所述第一凹部(11)为块状，且所述第一凹部(11)为多个，多个所述第一凹部(11)沿第一方向和第二方向相间隔地设置，所述第一方向与所述第二方向之间具有夹角。
2.根据权利要求1所述的液流电池，其特征在于，所述第一双极板(10)的集流表面还包括第二凸部(12)，所述第二双极板(20)的集流表面还包括与所述第二凸部(12)配合的第二凹部。
3.根据权利要求2所述的液流电池，其特征在于，所述第一凹部(11)和所述第二凸部(12)均为块状，且所述第一凹部(11)和所述第二凸部(12)均为多个，且所述第二凸部(12)与所述第一凹部(11)相间隔地设置，多个所述第一凹部(11)与多个所述第二凸部(12)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。
4.根据权利要求2所述的液流电池，其特征在于，所述第一凹部(11)和所述第二凸部(12)均为块状，且所述第一凹部(11)和所述第二凸部(12)均为多个，多个所述第一凹部(11)分为多组，且同一组中的所述第一凹部(11)沿第一方向相间隔地设置，多个所述第二凸部(12)分为多组，且同一组中的所述第二凸部(12)沿所述第一方向相间隔地设置，且多组所述第一凹部(11)与多组所述第二凸部(12)沿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。
5.根据权利要求1或3或4所述的液流电池，其特征在于，所述夹角为90度。
6.根据权利要求2所述的液流电池，其特征在于，所述第一凹部(11)和所述第一凸部(21)、所述第二凸部(12)和所述第二凹部为圆柱形、或半球形、或长方体形。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的液流电池，其特征在于，所述第一双极板(10)的所述集流表面还包括间隔设置的多个第一电解液导流槽(30)，且至少部分所述第一电解液导流槽(30)设置在所述第一凹部(11)的位置处；和/或所述第二双极板(20)的所述集流表面还包括间隔设置的多个第二电解液导流槽(31)，且至少部分所述第二电解液导流槽(31)设置在所述第一凸部(21)的位置处。
8.一种液流电池堆，包括多个液流电池，其特征在于，所述液流电池是权利要求1至7中任一项所述的液流电池。
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