CN108336377B - 双极板、电池单元框架、电池单元堆和氧化还原液流电池 - Google Patents

Abstract

本发明涉及双极板、电池单元框架、电池单元堆和氧化还原液流电池。氧化还原液流电池的电极被置放在所述双极板中。在垂直于双极板的平面的截面中，外周缘部的角部的曲率半径从0.1到4.0mm。

Description

双极板、电池单元框架、电池单元堆和氧化还原液流电池

技术领域

本发明涉及双极板、电池单元框架、电池单元堆和氧化还原液流电池。

背景技术

专利文献1和专利文献2公开了一种通过堆叠多个电池单元框架、多个正极电极、多个隔膜和多个负极电极而形成的电池单元堆。专利文献1和专利文献2还公开了一种使用所述电池单元堆的氧化还原液流电池。所述电池单元框架包括双极板和框架本体。所述双极板被设置在正极电极和负极电极之间。每个框架本体被设置在双极板的外周处。在所述电池单元堆中，通过在相邻电池框架的双极板之间设置正极电极和负极电极、并使得隔膜被置入所述正极电极和负极电极来形成单个电池单元。所述氧化还原液流电池通过在设置所述电极的电池单元中循环电解液来进行充电和放电。

引用列表

专利文献

专利文献1：日本未审专利申请公开No.2002-246061

专利文献2：日本未审专利申请公开No.2005-228622

发明内容

根据本公开的双极板是其中设置有氧化还原液流电池的电极的双极板。在垂直于所述双极板的平坦表面的截面中，外周缘部的角部的曲率半径为从0.1到4.0mm。

根据本公开的电池单元框架包括根据本公开所述的双极板和设置在所述双极板的外周处的框架本体。

根据本公开的电池单元堆包括根据本公开所述的电池单元框架。

根据本公开的氧化还原液流电池包括根据本公开所述的电池单元堆。

附图说明

[图1]图1示出根据实施例所述的氧化还原液流电池的操作原理。

[图2]图2是根据该实施例的氧化还原液流电池的概略结构图。

[图3]图3是根据该实施例的电池单元堆的概略结构图。

[图4]图4是从一个表面侧观察的、根据该实施例的电池单元框架的概略平面图。

[图5]图5是根据该实施例的电池单元框架中包括的双极板和框架本体的概略平面图。

[图6]图6是沿着图5所示VI-VI线截取的双极板的一部分的概略截面图。

[图7]图7是沿着图4所示VII-VII线截取的电池单元框架的一部分的概略截面图。

具体实施方式

[技术问题]

现今，作为诸如太阳能和风能此类可再生能源的稳定输出的一种二次电池，氧化还原液流电池逐渐为人所关注，从而需要进一步提高氧化还原液流电池的可靠性和性能。

典型地，多个电池单元框架被用于氧化还原液流电池，在每个所述电池单元框架中，框架本体围绕双极板来设置。每个电池单元框架通过例如将双极板设置在形成于框架本体中的开口而构成，并且在设置双极板的框架本体中形成凹部。该开口(凹部)典型地具有对应于双极板的形状。多个电极被设置在该凹部中，并且电池单元由所述凹部和隔膜所包围的空间来构成。当电解液流过电池单元时，电解液在电池单元中从双极板(电极)的一个边缘部朝向双极板的、面对该一个边缘部的另一个边缘部流动。

当通过将双极板设置在框架本体的开口中来构成电池单元框架时，双极板的外周缘部的外周面被设置成与框架本体的内周面相接触(与之邻近)。当在氧化还原液流电池的操作期间使得电解液流动时，双极板可能振动，并且由于由该振动所引起的摩擦，可能在双极板与框架本体的接触表面处产生摩擦热。而且，由于在双极板与框架本体的接触表面处的摩擦热的影响，可能发生隔膜的破坏和其它问题。相应地，从可靠性的观点来看，期望减少由双极板的振动引起的、双极板的外周面与框架本体的内周面的接触表面处产生的摩擦热，从而抑制对于隔膜的损伤。

因此，为了防止双极板的外周面与框架本体的内周面相接触、从而减少由于双极板的振动所产生的摩擦热，考虑在双极板的外周面和框架本体的内周面之间设置间隙。然而，当双极板的外周面和框架本体的内周面之间设置间隙时，一部分电解液就会流入这个间隙中，并且形成电解液的泄漏通道。已经流动到该泄漏通道中的电解液不太可能与电极相接触，因此无助于电池反应。当双极板的外周面和框架本体的内周面之间形成的间隙增加时，流过泄漏通道的电解液的流量也增加。因此，就可能发生诸如氧化还原液流电池的放电容量降低这样的电池性能的劣化。进而，当在氧化还原液流电池的待机期间、电解液的流动停止时，充电用电解液保留于泄漏通道中，由此电解液由于自放电而产生热量。随着流过泄漏通道的电解液的流量增加，由于自放电引起的电解液的发热量也增加。因此，由于这种热量的影响，可能发生隔膜破坏和其它问题。

相应地，本公开的一个目的在于提供能够提高氧化还原液流电池的可靠性和性能的双极板、电池单元框架和电池单元堆。本公开的另一目的在于提供一种高度可靠并且具有良好电池性能的氧化还原液流电池。

[本公开的有利效果]

根据本公开，能够提供能够提高氧化还原液流电池的可靠性和性能的双极板、电池单元框架和电池单元堆。而且，根据本公开，能够提供高度可靠并且具有良好电池性能的氧化还原液流电池。

[根据本发明的实施例的说明]

首先，列出并且描述了根据本发明的实施例的内容。

(1)根据该实施例的一种双极板是其中设置有氧化还原液流电池的电极的双极板。在垂直于双极板的平坦表面的截面中，外周缘部的角部的曲率半径从0.1到4.0mm。

在上述双极板中，在垂直于双极板的平坦表面的截面(垂直截面)中，外周缘部的角部的曲率半径(角R)是0.1mm或者更大。因此，当电池单元框架被构造时，双极板的外周面与框架本体的内周面相接触的区域减少，相应地，双极板的外周面与框架本体的内周面的接触面积减少。因此，能够减少由双极板的振动引起的、双极板的外周面与框架本体的内周面的接触表面处产生的摩擦热，相应地，能够抑制由于这种热引起的、对于隔膜的损伤。

在上述双极板中，双极板的外周缘部的角部在垂直截面中具有圆形倒角。因此，在框架本体的外周缘部和内周面之间的角部的位置处形成间隙。当在双极板的截面图中外周缘部的角R是4.0mm或者更小时，能够减小形成在双极板的外周面和框架本体的内周面之间的间隙，相应地，能够抑制泄漏通道的扩大。因此，流过泄漏通道的电解液的流量很小，相应地，能够抑制氧化还原液流电池的放电容量的降低。另外，因为流过泄漏通道的电解液的流量很小，所以当电解液的循环停止时、由于保留于泄漏通道中的电解液的自放电引起的发热量很小。相应地，能够抑制由于这种热造成的、对于隔膜的损伤。因此，利用上述双极板，能够提高氧化还原液流电池的可靠性和性能。

(2)根据所述实施例的电池单元框架包括根据上述(1)的双极板和设置在所述双极板的外周处的框架本体。

上述电池单元框架包括根据该实施例的上述双极板。因此，能够提高氧化还原液流电池的可靠性和性能。

(3)根据该实施例的电池单元堆包括根据上述(2)的电池单元框架。

上述电池单元堆包括根据该实施例的上述电池单元框架。因此，能够提高氧化还原液流电池的可靠性和性能。

(4)根据该实施例的氧化还原液流电池包括根据上述(3)的电池单元堆。

包括上述电池单元堆的上述氧化还原液流电池高度可靠，并且具有良好的电池性能。

[根据本发明的实施例的细节]

将在下面参考绘图描述根据本发明实施例的双极板、电池单元框架、电池单元堆和氧化还原液流电池的具体实例。在绘图中，类似的附图标记表示类似的或者相应的元件。然而，本发明不限于这些实例。本发明的范围由权利要求示出，并且旨在涵盖权利要求的等价含义和范围内的所有修改。

<<RF电池>>

参考图1到3，描述了根据该实施例的氧化还原液流电池(下文称作“RF电池”)、电池单元堆和电池单元框架的实例。图1和2所示RF电池1使用作为正极电解液和负极电解液的电解液，所述电解液包含作为活性材料的金属离子，所述金属离子通过氧化-还原而使得化合价发生变化。RF电池1通过使用正极电解液中包含的离子的氧化还原电位和负极电解液中包含的离子的氧化还原电位之间的差异而被充电和放电。这里，作为RF电池1的实例，如图1中所示，描述了使用含有V离子的钒电解液的钒基电池的情形。V离子用作正极电解液和负极电解液的活性材料。图1的电池单元100之一中的实线箭头和虚线箭头分别示出充电反应和放电反应。RF电池1是电解液循环式二次电池中的一种，并且用于诸如负载均衡、瞬时压降补偿、紧急供电和诸如正被广泛引入的太阳能和风能这样的可再生能源的输出均衡这些应用。

RF电池1包括电池单元100，每个电池单元被隔膜101分隔成正极电极电池单元102和负极电极电池单元103。隔膜101允许氢离子由此渗透。正极电极电池单元102通过管道108和110被连接到存储正极电解液的正极电解液槽106，每个所述正极电极电池单元102中设置有正极电极104。管道108设置有向正极电极电池单元102泵送正极电解液的泵112。这些部件106、108、110和112被包括在使得正极电解液得以循环的正极电极循环机构100P中。类似地，负极电极电池单元103通过管道109和111被连接到存储负极电解液的负极电解液槽107，每个所述电极电池单元103中设置有负极电极105。管道109设置有向负极电极电池单元103泵送负极电解液的泵113。这些部件107、109、111和113被包括在使得负极电解液得以循环的负极电极循环机构100N中。当RF电池1被充电和放电时，利用泵112和113来使得存储在槽106和107中的电解液在电池单元100(正极电极电池单元102和负极电极电池单元103)中进行循环。在RF电池1既不充电也不放电的待用期间，泵112和113停止运行，并且不进行循环。

<<电池单元堆>>

电池单元100典型地形成为在图2和3中所示的、被称为电池单元堆2的结构。电池单元堆2以如下方式构造：被称为子堆200(见图3)的多个堆被夹持在设置于所述堆的两侧上的两个端板220之间，并且位于所述两侧上的端板220被紧固机构230紧固(在图3中作为实例示意的结构中，设置了多个子堆200)。所述子堆200通过如下方式构成：堆叠多个电池单元框架3、多个正极电极104、多个隔膜101和多个负极电极105，并且在所述堆的两端处设置供应/排放板210(见图3中的下图；在图2中被省略)。

<<电池单元框架>>

如图2和3中所示，电池单元框架3均包括双极板31和框架本体32。双极板31被设置在正极电极104和负极电极105之间。框架本体32被设置在双极板31的外周处。正极电极104被设置在双极板31的一个表面侧上，从而正极电极104与双极板31相接触。负极电极105被设置在双极板31的另一个表面侧上，从而负极电极105与双极板31相接触。在每一个子堆200(电池单元堆2)中，单个电池单元100形成在彼此相邻的电池单元框架3的双极板31之间。

双极板31由例如塑性碳等形成。框架本体32由例如诸如聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯、聚乙烯、氟树脂或者环氧树脂等塑料形成。双极板31能够利用任何已知的方法来形成，例如注射成型、压模成型和真空成型。

电解液通过供应/排放板210(见图3中的下图)、供液歧管33和34、排液歧管35和36、供液狭缝33s和34s与排液狭缝35s和36s(还见图4)流动到电池单元100中和从电池单元100流出。供液歧管33和34与排液歧管35和36贯穿图3所示的框架本体32。供液狭缝33s和34s与排液狭缝35s和36s形成在框架本体32中。在本实例的每个电池单元框架3(框架本体32)中，正极电解液通过设置在框架本体32的下部的供液歧管33和形成在框架本体32的一个表面侧(附图页的前侧)的供液狭缝33s被供应到正极电极104，并且通过形成在框架本体32的上部的排液狭缝35s被排放到排液歧管35。类似地，负极电解液通过设置在框架本体32的下部的供液歧管34和形成在框架本体32的另一表面侧(附图页的后侧)的供液狭缝34s被供应到负极电极105，并且通过形成在框架本体32的上部的供液狭缝36s被排放到排液歧管36。调节器(未示出)可以形成在框架本体32的、设置双极板31的内侧的下边缘部和上边缘部中，以沿着所述边缘部延伸。所述调节器具有这样的功能：使得从供液狭缝33s和34s供应的电解液沿着电极的下边缘部得以扩散，并且将通过电极的上边缘部排放的电解液收集在排液狭缝35s和36s中。

在本实例中，电解液从双极板31的下侧供应，并且从双极板31的上侧排放。电解液从双极板31的下边缘部流动到上边缘部。在图4中，页面左侧上的箭头大体示出双极板31中的电解液的电解液流动方向。在双极板31的与电极相接触的表面中，双极板31可以具有沿着电解液流动方向形成的多个凹槽(未示出)。这能够降低电解液的流阻，并且相应地能够降低电解液的压力损失。所述凹槽的截面形状(垂直于电解液流动方向的截面的形状)不受特别限制。所述凹槽的截面形状的实例包括例如矩形、三角形(V形)、梯形、半圆形和半椭圆形。

进而，诸如O形环或者扁平填塞物这样的环形密封部件37(见图2和3)被置放在电池单元框架3的框架本体32之间，从而抑制电解液从电池单元100泄漏。每个框架本体32具有允许置放密封部件37的密封凹槽38(见图4)。

根据该实施例的每个双极板31的特性之一在于，在垂直于双极板31的平面的截面(垂直截面)中，外周缘部的角部的曲率半径(角R)从0.1到4.0mm。下文中，参考图4到7，详细描述了根据该实施例的双极板31和电池单元框架3的结构的实例。

<<双极板>>

如图5中所示，双极板31的平面形状(在平面视图中的形状)是矩形。如图6中所示，在垂直截面(沿着双极板31的厚度方向切割的截面)中，双极板31的外周缘部31p的角部40具有圆形倒角，并且在垂直截面中，外周缘部31p的角部40的曲率半径(角R)从0.1到4.0mm。在本实例中，外周缘部31p的所述一个和另一个表面侧上的角部41和角部42都具有圆形倒角，且其角R从0.1到4.0mm。双极板31的尺寸例如如下所述：垂直方向(图5页面的上下方向)上的长度从200到2000mm，宽度方向(图5页面的左右方向)上的长度从200到2000mm，厚度从3.0到10.0mm。

如图4中所示，通过在双极板31的外周处设置框架本体32而形成电池单元框架3。如图5中所示，框架本体32内具有开口50，双极板31被置放在所述开口中。在本实例中，框架本体32具有矩形框架形状，开口50的形状对应于双极板31的外形。即，开口50的形状与双极板31的平面形状基本相同(类似的形状)。在框架本体32的内周缘部处形成有与双极板31的外周缘部31p相接触的台阶部51。如图7所示，当双极板31的外周缘部31p被置放在台阶部51中时，双极板31被框架本体32支撑。双极板31的外周缘部31p在与台阶部51相接触的表面中具有周向上的凹槽。密封部件52被置放在这个凹槽中。利用这种密封部件52，能够抑制电解液在双极板31的一个表面侧和另一个表面侧之间的移动。

当通过将双极板31置放在框架本体32的开口50中而构成电池单元框架3时，如图4所示，在比双极板31的表面和框架本体32的内周面更靠向框架本体32内侧的部分处形成有凹部55。如图7所示，所述凹部55形成在双极板31的两侧上，并且正极电极104和负极电极105被置放在各个凹部55中。电极104和105的尺寸基本与各个凹部55的尺寸相同。在图4所示的电池单元框架3中，设置在一个表面侧上的凹部55之一的形状基本与双极板31的平面形状相同，置放在该凹部55中的正极电极104(见图7)的形状基本与双极板31的平面形状相同。电池单元堆2(见图3)通过以下方式构成：将电极104和105布置在电池单元框架3处，并且以隔膜101被置于其间的方式来堆叠电池单元框架3。

当电池单元框架3(见图4)被构造时，如图7中所示，双极板31(外周缘部31p)的外周面31o面对框架本体32的内周面32i并且与之相接触(邻近)。角部41和42处的外周缘部31p的外周面31o的位置不与框架本体32的内周面32i相接触，并且在框架本体32的外周面31o和内周面32i之间形成有间隙45。随着外周缘部31p的角R的增加，间隙45也增加。沿着双极板31的侧缘部形成的间隙45可以是电解液的泄漏通道。随着外周面31o中的、除了角部41和42之外的直线部(除了角R的弯曲表面之外的平面部分)的长度的减少，外周面31o的与框架本体32的内周面32i相接触的区域也减少。从减少由双极板31的振动所产生的摩擦热的观点来看，直线部的长度与双极板31的厚度的比率(直线部的长度/双极板的厚度)可以被设定为例如0.99或者更小，并且还可以是0.9或者更小。

{操作效果}

根据该实施例的双极板31产生以下操作效果。

在垂直截面中，双极板31的外周缘部31p的角部40具有圆形倒角，并且在垂直截面中，外周缘部31p的角R是0.1mm或者更大。当电池单元框架3被构造时，这能够降低双极板31的外周面31o与框架本体32的内周面32i的接触面积。因此，能够减少双极板31的外周面31o与框架本体32的内周面32i的接触表面处的、由双极板31的振动所产生的摩擦热，并且相应地，能够抑制由于所述热造成对隔膜101的损伤。随着双极板31的外周面31o与框架本体32的内周面32i的接触面积的减小，能够减少由双极板31的振动所产生的热量。因此优选的是，上述角R例如是0.2mm或者更大。角R与双极板31的厚度的比率(角R/双极板31的厚度)可以例如是0.01或者更大，并且还可以是0.1或者更大。

另外，当外周缘部31p的角R是4.0mm或者更小时，能够减小形成在双极板31的外周面31o和框架本体32的内周面32i之间的间隙45，并且相应地，能够抑制泄漏通道的扩大。因此，流过泄漏通道的电解液的流量很小，并且相应地，能够抑制RF电池的放电容量的降低。另外，因为流过泄漏通道的电解液的流量很小，所以由于当电解液的循环停止时，由于滞留在泄漏通道中的电解液的自放电所引起的热量值很小。相应地，能够抑制由于这种热所造成对隔膜的损伤。随着外周缘部31p的角R处的间隙45的减小，能够减小流过泄漏通道的电解液的流量。因此优选的是，角R例如是0.5mm或者更小。

[变型例]

在根据该实施例的双极板31(见图6和7)中，位于所述一个表面侧上的角部41和另一表面侧上的角部42处的角R的尺寸可以相互不同。例如，位于所述另一表面侧上的角R可以大于位于所述一个表面侧上的角R。在本实例的情形中，如图7所示，外周缘部31p的另一表面侧与框架本体32的台阶部51面接触。因此，还能够由于双极板31的振动所引起的摩擦在外周缘部31p的另一表面侧上产生热量。当所述另一表面侧上的角R大于所述一个表面侧上的角R时，能够降低外周缘部31p与台阶部51的接触面积。相应地，易于减少外周缘部31p和台阶部51之间产生的摩擦热。

[第一实例]

制备了具有矩形平面形状的双极板。该双极板具有以下尺寸(外部尺寸)：200mm的长度×200mm的宽度×10.0mm的厚度。这里，如表格1所列，制备了多个双极板。在垂直于平面(见图6)的双极板的截面中，所述多个双极板在外周缘部的角部处具有不同的曲率半径(角R)。利用双极板制造电池单元框架(见图4)。这些电池单元框架被组装到多个RF电池(测试样本A到F)中。评估每个测试样本的可靠性和电池性能。

通过如下方式评估可靠性：在测试样本A到F上执行充电和放电测试，然后拆解RF电池，移除隔膜，并且检查隔膜的损伤程度。在以下条件下进行充电和放电测试。即，放电终止电压：1V；充电终止电压：1.6V；电流：120mA/cm²；300次循环。当不存在任何损伤时，给定等级“A”；当存在不会对使用引起问题的轻微损伤时，给定等级“B”；当隔膜破裂时，给定等级“C”。结果在表格1中列出。

当利用测试样本A到F执行上述充电和放电测试时，根据电流效率来评估电池性能。关于电流效率，根据充电和放电测试绘制了充电和放电曲线。获得在从充电和放电曲线的第三循环处的电流效率(电流效率(％)＝(放电时间/充电时间)×100)。结果在表格1中列出。随着电流效率的降低，放电容量也降低。

[表格1]

从表格1能够理解，当在双极板的垂直截面中的外周缘部的角R从0.1到0.4mm时，能够抑制对于隔膜的损伤，特别是，当这些角R是0.2mm或者更大时，能够有效地抑制对于隔膜的损伤。进而，当比较测试样本的电流效率时，测试样本F的电流效率低于测试样本B的电流效率。当根据电流效率计算放电容量时，测试样本F的放电容量低于测试样本B的放电容量大约35％。进而，其它测试样本C、D和E的放电容量分别低于测试样本B的放电容量大约1.0％、1.5％和3.0％。随着外周缘部的角R的增加，电池单元的电阻增加。这使得放电容量降低。因此，放电容量的降低程度趋向于大于电流效率的降低百分比。

根据第一实例的结果已经证实，当双极板的外周缘部的角R为从0.1到0.4mm时，难以在隔膜中发生破裂和其它问题，因此能够抑制RF电池的放电容量的降低。进而，从抑制RF电池的放电容量的降低的观点来看，认为外周缘部的角R优选是0.5mm或者更小。

附图标记列表

1 氧化还原液流电池(RF电池)

2 电池单元堆

3 电池单元框架

31 双极板

31p 外周缘部

31o 外周面

32 框架本体

32i 内周面

33、34 供液歧管

35、36 排液歧管

33s、34s 供液狭缝

35s、36s 排液狭缝

37 密封部件

38 密封凹槽

40、41、42 角部

45 间隙(泄漏通道)

50 开口

51 台阶部

52 密封部件

55 凹部

100 电池单元

101 隔膜

102 正极电极电池单元

103 负极电极电池单元

100P 正极电极循环机构

100N 负极电极循环机构

104 正极电极

105 负极电极

106 正极电解液槽

107 负极电解液槽

108、109、110、111 管道

112、113 泵

200 子堆

210 供应/排放板

220 端板

230 紧固机构

Claims (4)

1.一种双极板，其特征在于，所述双极板中设置有氧化还原液流电池的电极，

其中，在垂直于所述双极板的平坦表面的截面中，所述双极板的外周缘部的角部的曲率半径为从0.1到4.0mm。

2.一种电池单元框架，其特征在于，包括：

根据权利要求1所述的双极板；和

设置在所述双极板的外周处的框架本体。

3.一种电池单元堆，其特征在于，包括：

根据权利要求2所述的电池单元框架。

4.一种氧化还原液流电池，其特征在于，包括：

根据权利要求3所述的电池单元堆。

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