CN103988352B - 具有增强耐久性的液流电池 - Google Patents

Abstract

液流电池包括至少一个电化学原电池，原电池具有第一电极、与第一电极间隔开的第二电极、以及布置在第一电极与第二电极之间的分离器。第一存储部分和第二存储部分分别与至少一个电化学原电池流体相连。第一液体电解质和第二液体电解质位于相应的第一存储部分和第二存储部分中。第一电极具有区域和第二电极具有区域，以使得第一电极的区域大于第二电极的区域，在第一电极的区域上第一电极关于第一液体电解质是催化活性的，在第二电极的区域上第二电极关于第二液体电解质是催化活性的。

Description

具有增强耐久性的液流电池

技术领域

本公开涉及一种用于选择性存储和释放电能的液流电池。

背景技术

也已知为氧化还原液流电池或氧化还原液流原电池的液流电池被设计成将电能转换为能够存储并且以后在有需求时能够释放的化学能。作为示例，液流电池可以用于可再生能量系统，诸如风能系统，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。

基本的液流电池包括氧化还原液流原电池，其具有由电解质层分隔的负电极和正电极，电解质层可以包括诸如离子交换膜的分离器。负性液体电解质输送至负电极、而正性液体电解质输送至正电极以驱使发生电化学可逆的氧化还原反应。充电时，供应的电能使得在一个电解质中发生化学还原反应而在另一个电解质中发生氧化反应。分离器防止电解质混合但是允许选定的离子穿过以完成氧化还原反应。放电时，存储在液体电解质中的化学能在逆反应中释放并且可以从电极吸取电能。液流电池与其他电化学装置区别之处除了其他之外就在于，使用了参与可逆电化学反应的外部供应的液体电解质。

发明内容

公开了一种液流电池，其包括至少一个电化学原电池，所述原电池具有第一电极、与第一电极间隔开的第二电极、以及布置在第一电极与第二电极之间的分离器。第一存储部分和第二存储部分分别与所述至少一个原电池流体相连。第一液体电解质和第二液体电解质位于相应的第一存储部分和第二存储部分中。第一电极具有区域，第二电极具有区域，以使得第一电极的区域大于第二电极的区域，在第一电极的区域上第一电极关于第一液体电解质是催化活性的，在第二电极的区域上第二电极关于第二液体电解质是催化活性的。

也公开了一种用于控制液流电池退化的方法。方法包括通过以下方式来控制潜在腐蚀：建立第一电极和第二电极，所述第一电极具有区域，所述第二电极具有区域，以使得所述第一电极的区域大于所述第二电极的区域，在第一电极的区域上所述第一电极关于第一液体电解质是催化活性的，在第二电极的区域上所述第二电极关于第二液体电解质是催化活性的。

附图说明

对于本领域技术人员来讲，所公开示例的各种特征和优点通过下面的详细描述将变得明显。伴随该详细描述的附图可以简要地描述如下。

图1示出了示例液流电池。

图2示出了示例电化学原电池。

图3示出了不同尺寸的第一电极和第二电极。

图4示出了图3中所示电极的另一布置。

图5示出了在第一电极和第二电极周界周围的框架密封件。

图6示出从第一电极的区域的周界缩进的第二电极的区域的周界。

具体实施方式

图1示意性地示出了用于选择性存储和释放电能的示例液流电池20的选定部分。作为示例，液流电池20可以用于将可再生能量系统中产生的电能转换为化学能，该化学能被存储直至在有更大需求的后来时间液流电池20然后将化学能转换回电能。液流电池20可以将电能供应至例如电网。如以下所述，所公开的液流电池20包括用于增强耐久性的特征。

液流电池20包括至少一个液体电解质22，该液体电解质具有电化学活性物质24，其关于第二反应剂用于氧化还原反应配对，可以是具有电化学活性物质的另一液体电解质26，或者诸如例如氢气或空气的任何其他电化学活性物质。例如，电化学活性物质是基于钒、溴、铁、铬、锌、铈、铅或其组合。在实施方式中，液体电解质22和26是包括电化学活性物质24和30中的一种或多种的水溶液。

液体电解质22和液体电解质26包含在各自的存储部分32和34中，诸如罐。如图所示，存储部分32和34是大致相等的圆柱形存储罐；然而，存储部分32和34可以替代地具有其他形状和尺寸。

液体电解质22和26通过各自的送料管线38输送（例如泵送）至液流电池20的一个或多个电化学原电池36，并且经由回收管线40从电化学原电池36返回至存储部分32。因此，存储部分32和34位于电化学原电池36的外部，并且与电化学原电池36流体相连以通过其循环液体电解质22和26。

在工作中，液体电解质22和26输送至电化学原电池36以将电能转换成化学能、或者将化学能转换成可以释放的电能。电能通过电路径42而传输至电化学原电池36以及从此传出，电路径42完成了电路并且允许电化学氧化还原反应的完成。

图2示出了一个电化学原电池36之一的一部分的横截面。要理解的是液流电池20可以包括在电池堆中的多个这种电化学原电池，取决于液流电池20的设计容量。

在该示例中，电化学原电池36包括第一双极板50、以及与第一双极板50间隔开的第二双极板52。双极板50和52是导电的并且可以例如是石墨板或金属板。双极板50和52可以包括多个通道54，用作流场以用于在电化学原电池36内输送液体电解质22和26。

第一电极62布置成邻近第一双极板50，而第二电极64布置成邻近第二双极板52。在所示示例中，第一电极62与第一双极板50的面接触，并且第二电极64与第二双极板52的面接触。诸如离子交换膜的分离器66布置在电极62和64之间，并且与其接触。在该示例中，第一电极62是阳极，而第二电极64是阴极。

第一电极62和第二电极64是导电的并且对于所需氧化还原反应是催化活性的多孔材料，诸如多孔的碳电极。作为示例，电极62和64的一个或两个包括碳纸或毡布材料，它们关于液体电解质22和26是催化活性的。即，碳材料的表面在液流电池20中是催化活性的。在液流电池20的氧化还原反应中，对反应的阻挡能量相对较低，并且因此利用了诸如氧气或氢气的气体反应剂的电化学装置通常不需要诸如贵金属或合金的更强催化材料。可以使用热和/或化学处理工艺以激活碳材料以清洁碳材料并且产生用作活性催化点的氧化物。

在工作中，液体电解质22和26从存储部分32和34泵入各自的双极板50和52。在这方面，双极板50可以包括集管以及类似物用于将液体电解质22和26输送进入通道54中。液体电解质22和26流过通道54并且输送至电极62和64。要理解的是双极板50和52以及通道54在液流电池20中均是任选的。即，液流电池20可以替代地被配置用于“流过”操作，其中不使用流场通道而将液体电解质22和26直接泵入电极62和64中。

在工作中，在第二电极64（阴极）处可以具有高过电势，这导致液流电池20内材料的腐蚀退化。因此，术语“高过电势”是指足够驱使电化学原电池36内一种或多种材料腐蚀性退化的电势。在电化学原电池36中所设计的工作条件下，维持电势低于驱使所选材料腐蚀性退化的电势。然而，阳极电解液的局部不足是可以使得在液流电池中阳极电极的局部区域中电势改变的一个条件。碳材料，诸如第二电极64和/或双极板52中的碳，电化学原电池36中经受腐蚀退化的任何金属或金属合金或其他材料可以在该过电势条件下退化，并且最终降低了液流电池20的耐久性。本领域技术人员理解造成退化的电化学机制和工作环境，并且因此在此不再赘述。

电化学原电池36包括用于控制（例如限制）对于腐蚀退化的电势的特征。图3示出了对应于图2中所示区段的第一电极62和第二电极64的视图。第一电极62具有区域A₁，在其上第一电极关于第一液体电解质22是催化活性的，以及第二电极64具有区域A₂，在其上第二电极关于第二液体电解质26是催化活性的。区域A₁大于区域A₂。分离器66也具有区域A₃，在该示例中其等于区域A₁。

选择区域A₁大于区域A₂确保了不论在何处在第二电极64内均存在阴极电解液（液体电解质26）、在第一电极62中也存在阳极电解液（第一电解质22），以使得限制或者防止阳极电解液的局部不足。因此，建立区域A₁大于区域A₂控制了腐蚀退化的趋势并且因此增强了液流电池20的耐久性。

其上各自的电极62和64均是催化活性的区域A₁和A₂，或者“有效区域”是具有开放空隙以用于容纳各自的液体电解质22和26的区域。如下面将描述的，区域A₁和A₂可以由电极62和64的实际尺寸、或者有效区域的周界的尺寸、或者两者来限定。

在其他实施方式中，根据不同的区域A₁和A₂，第一双极板50任选地包括比第二双极板52更大的流场。流场的区域由各自双极板50和52中环绕了所有通道54的周界来限定。在图2中，在50a处标注了第一双极板50的流场的区域，而在52a处标注了第二双极板52的流场的区域。

在图3所示示例中，电极62和64延伸在各自边缘62a和64a之间。如图所示，边缘62a和64a延伸在四条侧边上，并且因此电极62和64均提供为方形，尽管可以替代地选择其他形状。第二电极64的边缘64a关于第一电极62的边缘62a向内缩进。因此，在该实施方式中区域A₁和A₂由边缘62a和64a、以及因此也由电极62和64的实际尺寸限定。在其他实施方式中，边缘64a以统一距离从边缘62a向内缩进，以使得第二电极64的外围周围存在大致统一的区带65。

在如图4中所示另一示例中，第二电极64周围的缩进距离是不均匀的，以使得在至少一侧上缩进距离大于在另一侧上缩进距离。例如，在边缘62a与64a之间的缩进距离在电极62和64周围是不均匀的。比较起来，在如图3所示示例中，边缘64a以统一距离从边缘62a向内缩进。在其他示例中，设计的缩进距离应该稍微大于可以由所期望的制造公差得到的最大缩进。

在如图5所示的另一示例中，框架密封件66建立了区域A₁和A₂。框架密封件66在电极62和64的每一个的外围周围延伸。作为示例，每个框架密封件66包括密封材料，诸如聚合物材料，其被注入电极62和64的边缘62a和64a中以防止液体电解质22和26溢出。密封材料渗入电极62和64的细孔中，并且当固化时，防止或者基本上防止了液体电解质流入电极62和64的那部分中。因此，电极62和64的框架密封件66的区域并非是催化活性的，以及因此不够成用于参与电化学反应的电极62和64的有效区域的一部分。

框架密封件66用作区域A₁和A₂的周长边界。可以控制密封材料的渗入以使得密封材料渗透进入第二电极64的平面内距离大于进入第一电极62的平面内距离。即，沿平面内（in-plane）方向，第一电极62的框架密封件66的厚度要小于第二电极64的框架密封件66的厚度。在附图中，62b代表区域A₁的周界，而64b代表区域A₂的周界。

图6示出了周界62b和64b的另一视图。如图所示，类似于边缘64a和62a的缩进，第二电极64的周界64b从第一电极62的区域A₁的周界62b向内缩进。因此，尽管边缘62a和64a可以是齐平的或者可以不是齐平的，但是周界62b和64b是非齐平的以在区域A₁和A₂之间实现差异。

尽管在所示示例中示出了特征的组合，但是并非必需组合所有这些以实现本公开各种实施方式的优点。换言之，根据本公开的实施方式设计的系统将不必包括任何一个附图中所示的所有特征、或者附图中示意性示出的所有部分。此外，一个示例实施方式的选定特征可以与其他示例实施方式的选定特征组合。

前述描述本质上是示例性的而非限制性的。对于本领域技术人员而言，对所公开示例的变更和修改将变得明显，其不必脱离本公开的本质。给予该公开的法律保护范围仅能够通过研究下面的权利要求来确定。

Claims (11)

1.一种液流电池，包括：

至少一个电化学原电池，其包括阳极、与所述阳极间隔开的阴极、以及布置在所述阳极和阴极之间的分离器层；

第一存储部分和第二存储部分，分别与所述至少一个电化学原电池流体连接；

至少一个电解质，其位于所述第一存储部分或第二存储部分的一个中；

其中，所述阳极具有区域A₁，在所述区域A₁上所述阳极关于第一液体电解质是催化活性的，并且所述阴极具有区域A₂，在所述区域A₂上所述阴极关于第二液体电解质是催化活性的，并且所述区域A₁大于所述区域A_2,

其中，所述阳极关于所述阳极和阴极的边缘对准与所述阴极是非齐平的。

2.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述区域A₂的周界从所述区域A₁的周界向内缩进。

3.根据权利要求2所述的液流电池，其中，所述区域A₂的周界在所述区域A₁的周界周围以统一的距离缩进。

4.根据权利要求2所述的液流电池，其中，所述区域A₂的周界在所述区域A₁的周界周围以非统一的距离缩进。

5.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述阴极的边缘从所述阳极的边缘向内缩进。

6.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述阳极和阴极的每一个包括框架密封件，所述框架密封件包括密封材料，所述密封材料渗入相应的阳极和阴极以提供相应的区域A₁和区域A₂，并且所述框架密封件在相应的阳极和阴极的边缘处具有平面内厚度以使得所述阳极的框架密封件的平面内厚度小于所述阴极的框架密封件的平面内厚度。

7.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述至少一个电化学原电池包括布置邻近所述阳极的第一双极板、以及布置邻近所述阴极的第二双极板，所述第一双极板包括第一流场，并且所述第二双极板包括第二流场，所述第二流场在其之上延伸的区域要小于所述第一流场在其之上延伸的区域。

8.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述分离器是离子交换材料。

9.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述分离器具有等于区域A₁的区域A₃。

10.根据权利要求1所述的液流电池，包括在所述第一存储部分或第二存储部分的另一个中的选自氢气和空气的气体。

11.一种用于控制液流电池中退化的方法，所述方法包括：

通过建立阳极和阴极来控制潜在腐蚀，所述阳极具有区域A₁，所述阴极具有区域A₂，以使得所述区域A₁大于所述区域A₂，在区域A₁上所述阳极关于第一液体电解质是催化活性的，在区域A₂上所述阴极关于第二液体电解质是催化活性的_,

其中，所述阳极关于所述阳极和阴极的边缘对准与所述阴极是非齐平的。