CN110323454A - 变孔隙电极结构及具有变孔隙多孔电极结构的液流电池 - Google Patents

变孔隙电极结构及具有变孔隙多孔电极结构的液流电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种变孔隙电极结构，包括：位于离子交换膜两侧的正极和负极；所述正极由第一变孔隙电极组成，所述第一变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第一端向靠近所述离子交换膜的第二端增大；所述负极由第二变孔隙电极组成，所述第二变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第三端向靠近所述离子交换膜的第四端增大。以及基于该变孔隙电极结构所形成的具有变孔隙多孔电极结构的液流电池。应用本发明实施例，通过设置新型变孔隙多孔电极结构，实现高水力渗透性和高比表面积效应的平衡。

Description

变孔隙电极结构及具有变孔隙多孔电极结构的液流电池
技术领域
本发明涉及电化学储能技术中的液流电池技术领域，尤其涉及一种变孔隙电极结构及具有变孔隙多孔电极结构的液流电池。
背景技术
全钒液流电池系统通常由电解液泵、储液罐和电堆组成，电堆主要由两个由离子交换膜分隔开的多孔电极构成，此外还包括表面刻有流道的双极板和起固定作用的端板。含有V2+、V3+和V4+、V5+的电解液分别储存在外部的负极和正极储液罐中，通过电解液泵加压循环进入多孔碳电极，在那里发生电化学反应以存储和释放电能。
现有的全钒液流电池，大多采用具有恒定孔隙率的单层多孔电极结构。在这种传统设计中，可用比表面积与水力渗透率之间的冲突成为设计高性能全钒液流电池结构的重大障碍。因为孔隙率的改变将直接影响多孔电极的渗透率和比表面积，从而对电池性能产生两个性质相反的影响：一方面，孔隙率的增加导致电极渗透率的增加，使化学活性物质的传递显著增强；另一方面，孔隙率的增加降低了电极的比表面积，使电极内部反应位点减少，削弱了电极反应动力学。因此，在传统设计中，高水力渗透性和高比表面积总是不能兼得。
如何解耦水力渗透性和比表面积之间的联系与冲突,在获得相对较高的水力渗透性的同时，保证电极具有较高的比表面积，成为电极设计进一步改进的关键。
发明内容
本发明的目的在于提供一种变孔隙电极结构及具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，旨在解决现有液流电池高水力渗透性和高比表面积不能兼得的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种变孔隙电极结构，包括：位于离子交换膜两侧的正极和负极；
所述正极由第一变孔隙电极组成，所述第一变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第一端向靠近所述离子交换膜的第二端增大；
所述负极由第二变孔隙电极组成，所述第二变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第三端向靠近所述离子交换膜的第四端增大。
一种实现方式中，所述正极与所述负极沿着所述离子交换膜结构对称。
一种实现方式中，所述正极由第一变孔隙电极组成，所述第一变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第一端向靠近所述离子交换膜的第二端线性或阶跃增大；
所述负极由第二变孔隙电极组成，所述第二变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第三端向靠近所述离子交换膜的第四端线性或阶跃增大。
以及公开了一种具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，包括：端板、双极板、电极框、离子交换膜、储液罐、溶液泵、管道、变孔隙电极结构；
在所述变孔隙电极结构的外部，从内向外依次设置有所述电极框、所述双极板和所述端板；
所述端板与所述双极板相连；
所述双极板上设置有电解液流道，所述电解液流道突出设置于所述双极板的一个侧面，并通过所述电极框的内边框进行卡接；
所述储液罐设置于所述端板的两侧，分别设置有与所述储液罐相连接的溶液泵、管道，通过所述管道与所述电解液流道相连；
所述离子交换膜设置于所述变孔隙电极结构内部，所述变孔隙电极结构孔隙率沿所述离子交换膜向外侧线性或阶跃减小。
优选的，所述变孔隙电极结构包括：多孔电极；
所述多孔电极，用于实现孔隙率渐变单层电极结构的全钒液流电池；
或者，所述变孔隙电极结构包括：外侧多孔材料、内侧多孔材料；
所述外侧多孔材料、内侧多孔材料，用于实现孔隙率梯变双层电极结构的全钒液流电池。
优选的，所述电解液流道为蛇形流道或叉指型流道。
优选的，所述多孔电极内部孔隙率呈线性增加分布。
优选的，所述外侧多孔材料和所述内侧多孔材料所组成的结构内部孔隙率呈阶跃增加分布。
应用本发明实施例提供的一种变孔隙电极结构及具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，具备的有益效果如下：
(1)采用变孔隙多孔电极结构，通过在电极外侧设置小孔隙率，在电极内侧设置更小流动阻力的大孔隙率，能够使电解液更多地渗流进入电极深处，有效改善电解液在电极内部的流动分布，使之更加趋于均匀。从而降低电极的整体极化损耗，提高电池的功率密度和充放电效率。
(2)采用变孔隙多孔电极结构，能够有效解耦水力渗透性和比表面积之间的联系与冲突，在改善电极内部电解液流动分布的同时，最大限度地保留了相对较大的比表面积，使电解质具有更多的反应位点参与反应，从而提高电池性能。
附图说明
图1是本发明实施例第一种结构示意图。
图2是本发明实施例第一种结构剖面图。
图3是本发明实施例第二种结构示意图。
图4是本发明实施例第二种结构剖面图。
图5是本发明与传统电池结构比较的充放电曲线图。
图6是本发明与传统电池结构比较的电池效率图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
请参阅图1-6。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
图1-4本发明提供一种具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，包括：端板1、双极板2、电极框3、离子交换膜5、储液罐6、溶液泵、管道7、变孔隙电极结构；在变孔隙电极结构的外部，从内向外依次设置有电极框3、双极板2和端板1；端板1与双极板2相连；双极板2上设置有电解液流道8，电解液流道8突出设置于双极板2的一个侧面，并通过电极框3的内边框进行卡接；储液罐6设置于端板1的两侧，分别设置有与储液罐6相连接的溶液泵、管道7，通过管道7与电解液流道8相连；离子交换膜5设置于变孔隙电极结构内部，变孔隙电极结构孔隙率沿离子交换膜5向外侧的孔隙率线性或阶跃减小。
具体的，变孔隙电极结构，包括：位于离子交换膜两侧的正极和负极；所述正极由第一变孔隙电极组成，所述第一变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第一端向靠近所述离子交换膜的第二端增大；所述负极由第二变孔隙电极组成，所述第二变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第三端向靠近所述离子交换膜的第四端增大。
如图2所示，正极(或负极)如图所示的标号4，沿着离子交换膜5左右对称布置。
可以理解的是，所述端板1、双极板2、电极框3和离子交换膜5共同构成容纳变孔隙电极结构和电解液流道8的腔体。电解液通过溶液泵(图未示出)、管道7由外部储液罐6泵入电解液流道8中，在两个相邻通道之间的压力差的驱动下，电解液渗透进入变孔隙电极结构中。变孔隙电极结构孔隙率沿所述离子交换膜5向外侧的孔隙率线性或阶跃减小，变孔隙电极结构内部的电解液流动，从入口至出口流经电池参与反应倾向于遵循阻力最小的路径。通过在电极外侧设置小孔隙率，在电极内侧设置更小流动阻力的大孔隙率，能够使电解液更多地渗流进入电极深处，有效改善电解液在电极内部的流动分布，使之更加趋于均匀。从而降低电极的整体极化损耗，提高电池的功率密度和充放电效率。
变孔隙电极结构，能够有效解耦水力渗透性和比表面积之间的联系与冲突，在改善电极内部电解液流动分布的同时，最大限度地保留了相对较大的比表面积，使电解质具有更多的反应位点参与反应，从而提高电池性能。
具体实现方式中，所述变孔隙电极结构包括：多孔电极4；所述多孔电极4，用于实现孔隙率渐变单层结构的全钒液流电池；或者，所述变孔隙电极结构包括：外侧多孔材料9、内侧多孔材料10；所述外侧多孔材料9、内侧多孔材料10，用于实现孔隙率梯变双层结构的全钒液流电池。
需要说明的是，多孔电极4，用于实现孔隙率渐变单层结构的全钒液流电池，所述端板1、双极板2、电极框3和离子交换膜5共同构成容纳多孔电极和电解液流道8的腔体。电解液通过溶液泵(图未示出)由外部储液罐6泵入电解液流道8中，在两个相邻通道之间的压力差的驱动下，电解液渗透进入变孔隙电极中。
所述孔隙率渐变单层结构的全钒液流电池，所述多孔电极4的孔隙率变化范围为0.6～0.8，所述多孔电极4的厚度为0.4～2.4mm，所述多孔电极4的材料为石墨毡或碳毡，如图2。
进一步的，所述外侧多孔材料9、内侧多孔材料10，用于实现孔隙率梯变双层结构的全钒液流电池。
所述端板1、双极板2、电极框3和隔膜5共同构成容纳外侧多孔材料9、内侧多孔材料10和电解液流道8的腔体。电解液通过溶液泵(图未示出)由外部储液罐6泵入电解液流道8中，在两个相邻通道之间的压力差的驱动下，电解液渗透进入变孔隙电极中。
优选的，所述电解液流道8为蛇形流道或叉指型流道。
可以理解的是，将电解液流道8设置为蛇形流道或叉指型流道，以减小电解液流动阻力，有助于电解液在电极表面的均匀分配。
优选的，所述双极板2为石墨板或碳塑复合板，厚度为1～5mm。
一种实现方式中，所述多孔电极4内部孔隙率呈线性增加分布。
实施例1
按照图1所示的结构组装成电极为孔隙率渐变单层结构的全钒液流电池，其中双极板2采用厚度为2mm的无孔石墨板，表面刻有图2所示深度为0.5mm，宽度为1mm的叉指型流道；多孔电极4采用厚度为2mm，经特殊处理获得的碳毡，其内部孔隙率沿着电池深度方向由0.7渐变增加至0.8。入口流量设置为10ml/min，充放电电流均设置为60mA/cm2，该电池在此运行工况下的充放电曲线及电池效率如图5和图6所示。
采用孔隙率渐变单层结构的全钒液流电池，在充放电电压、电池容量、电池效率上均有明显的改善，如图5和图6所示。与比较例(采用现有技术实现)中的电池相比，电池容量提高14.62％，库仑效率、电压效率、能量效率分别提高3.21％、2.80％、6.10％。这得益于电解液分布均匀度的改善以及可用比表面积的增加。
一种实现方式中，所述外侧多孔材料9和所述内侧多孔材料10所组成的结构内部孔隙率呈阶跃增加分布。
实施例2
按照图3所示的结构组装成电极为孔隙率梯变双层结构的全钒液流电池，其中双极板2采用厚度为2mm的无孔石墨板，表面刻有图2所示深度为0.5mm，宽度为1mm的叉指型流道。外侧多孔材料8采用厚度为0.5mm，孔隙率为0.7的碳毡，内侧多孔材料9采用厚度为1.5mm，孔隙率为0.8的碳毡；通过此两层结构的组合构成总厚度为2mm，厚度比为1:3，孔隙率由0.7阶跃增加至0.8的多孔电极。入口流量设置为10ml/min，充放电电流均设置为60mA/cm2，该电池在此运行工况下的充放电曲线及电池效率如图5和图6所示。
采用孔隙率梯变双层结构的全钒液流电池，在充放电电压、电池容量、电池效率上均有明显的改善，如图5和图6所示。与比较例中的电池相比，电池容量提高45.33％，库仑效率、电压效率、能量效率分别提高4.33％、2.44％、6.30％。
实施例3
按照图3所示的结构组装成电极为孔隙率梯变双层结构的全钒液流电池，其中双极板2采用厚度为2mm的无孔石墨板，表面刻有图2所示深度为0.5mm，宽度为1mm的叉指型流道；外侧多孔材料8采用厚度为1mm，孔隙率为0.7的碳毡，内侧多孔材料9采用厚度为1mm，孔隙率为0.8的碳毡；通过此两层结构的组合构成总厚度为2mm，厚度比为2:2，孔隙率由0.7阶跃增加至0.8的多孔电极。入口流量设置为10ml/min，充放电电流均设置为60mA/cm2，该电池在此运行工况下的充放电曲线及电池效率如图5和图6所示。
采用孔隙率梯变双层结构的全钒液流电池，在充放电电压、电池容量、电池效率上均有明显的改善，如图5和图6所示。与比较例中的电池相比，电池容量提高17.47％，库仑效率、电压效率、能量效率分别提高3.67％、3.66％、7.46％。
实施例4
按照图3所示的结构组装成电极为孔隙率梯变双层结构的全钒液流电池，其中双极板2采用厚度为2mm的无孔石墨板，表面刻有图2所示深度为0.5mm，宽度为1mm的叉指型流道；外侧多孔材料8采用厚度为1.5mm，孔隙率为0.7的碳毡，内侧多孔材料9采用厚度为0.5mm，孔隙率为0.8的碳毡；通过此两层结构的组合构成总厚度为2mm，厚度比为3:1，孔隙率由0.7阶跃增加至0.8的多孔电极。入口流量设置为10ml/min，充放电电流均设置为60mA/cm2，该电池在此运行工况下的充放电曲线及电池效率如图5和图6所示。
采用孔隙率梯变双层结构的全钒液流电池，在充放电电压、电池容量、电池效率上均有明显的改善，如图5和图6所示。与比较例中的电池相比，电池容量提高10.99％，库仑效率(Coulombic efficiency)、电压效率(Voltage efficiency)、能量效率(Energyefficiency)分别提高2.99％、2.20％、4.75％。
与传统的具有单层恒定孔隙率电极结构的全钒液流电池作为对比，其中双极板2采用厚度为2mm的无孔石墨板，表面刻有图2所示深度为0.5mm，宽度为1mm的叉指型流道；多孔电极采用厚度为2mm，内部孔隙率恒为0.75的碳毡。入口流量设置为10ml/min，充放电电流均设置为60mA/cm2，该电池在此运行工况下的充放电曲线及电池效率如图5和图6所示。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种变孔隙电极结构，其特征在于，包括：位于离子交换膜两侧的正极和负极；
所述正极由第一变孔隙电极组成，所述第一变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第一端向靠近所述离子交换膜的第二端增大；
所述负极由第二变孔隙电极组成，所述第二变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第三端向靠近所述离子交换膜的第四端增大。
2.根据权利要求1所述的一种变孔隙电极结构，其特征在于，所述正极与所述负极沿着所述离子交换膜结构对称。
3.根据权利要求2所述的一种变孔隙电极结构，其特征在于，所述正极由第一变孔隙电极组成，所述第一变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第一端向靠近所述离子交换膜的第二端线性或阶跃增大；
所述负极由第二变孔隙电极组成，所述第二变孔隙电极的孔隙率从远离所述离子交换膜的第三端向靠近所述离子交换膜的第四端线性或阶跃增大。
4.一种具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，其特征在于，包括：端板(1)、双极板(2)、电极框(3)、离子交换膜(5)、储液罐(6)、溶液泵、管道(7)、变孔隙电极结构；
在所述变孔隙电极结构的外部，从内向外依次设置有所述电极框(3)、所述双极板(2)和所述端板(1)；
所述端板(1)与所述双极板(2)相连；
所述双极板(2)上设置有电解液流道(8)，所述电解液流道(8)突出设置于所述双极板(2)的一个侧面，并通过所述电极框(3)的内边框进行卡接；
所述储液罐(6)设置于所述端板(1)的两侧，分别设置有与所述储液罐(6)相连接的溶液泵、管道(7)，通过所述管道(7)与所述电解液流道(8)相连；
所述离子交换膜(5)设置于所述变孔隙电极结构内部，所述变孔隙电极结构孔隙率沿所述离子交换膜(5)向外侧线性或阶跃减小。
5.根据权利要求4所述的一种具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，其特征在于，所述变孔隙电极结构包括：多孔电极(4)；
所述多孔电极(4)，用于实现孔隙率渐变单层电极结构的全钒液流电池；
或者，所述变孔隙电极结构包括：外侧多孔材料(9)、内侧多孔材料(10)；
所述外侧多孔材料(9)、内侧多孔材料(10)，用于实现孔隙率梯变双层电极结构的全钒液流电池。
6.根据权利要求4所述的一种具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，其特征在于，所述电解液流道(8)为蛇形流道或叉指型流道。
7.根据权利要求4、5所述的一种具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，其特征在于，所述多孔电极(4)内部孔隙率呈线性增加分布。
8.根据权利要求4、5所述的一种具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，其特征在于，所述外侧多孔材料(9)和所述内侧多孔材料(10)所组成的电极结构内部孔隙率呈阶跃增加分布。
9.根据权利要求4所述的一种具有变孔隙多孔电极结构的液流电池，其特征在于，所述双极板(2)为石墨板或碳塑复合板，厚度为1～5mm。
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