CN111082118B - 液流电池堆 - Google Patents

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Abstract

一种液流电池堆，包括第一电极单元、第二电极单元、含有至少一个双极单元的电池单元、数个第一集电板与第二集电板。第一电极单元具有N个不相通的第一电化学反应区域，第二电极单元具有N个不相通的第二电化学反应区域，N为大于1的整数。第N个第二电化学反应区域与第N个第一电化学反应区域相通。电池单元介于第一与第二电极单元之间，其双极单元具有N个不相通的第三电化学反应区域，且第N个第三电化学反应区域与第N个第一电化学反应区域相通。第一集电板则设置于第一电极单元外侧，且第N个第一集电板对应第N个第一电化学反应区域。第二集电板设置于第二电极单元外侧。

Description

液流电池堆
技术领域
本发明是有关于一种电化学储能装置，且特别是有关于一种液流电池堆。
背景技术
液流电池(flowbattery)，亦称为氧化还原液流电池(redox flowbattery)，是一种电化学储能装置，是通过电解液(正极电解液与负极电解液)中氧化还原反应机制的离子价数变化，进行充电与放电的化学反应平台。
氧化还原液流电池具有安全性高、可以完全充放电、能量效率高、电池寿命长、电解液劣化少、不会排放有害环境的气体以及电解液储存槽增加即可增加系统储电容量等特征，可用于解决传统再生能源具有的间歇特性，进而改善再生能源对于电力电网供电的不确定性。
然而，目前既有的串联式液流电池堆尚存在以下问题，包括：电解液流通分布不均，发生死区(dead volume)造成电解液停滞及浓度极化，而影响电池内部质子与电子传输效能，使得电池整体效率不佳，并有电解液流通阻力过高造成电池泄漏与寄生电力损耗过高等问题。
发明内容
本发明提供一种液流电池堆，能有效提升可靠度并改善电解液流通分布不均的情形。
本发明的液流电池堆包括第一电极单元、第二电极单元、含有至少一个双极单元的电池单元、数个第一集电板与第二集电板。第一电极单元具有不相通的N个第一电化学反应区域，第二电极单元具有不相通的N个第二电化学反应区域，N为大于1的整数。第N个第二电化学反应区域与第N个第一电化学反应区域相通。电池单元介于第一与第二电极单元之间，其双极单元具有不相通的N个第三电化学反应区域，且第N个第三电化学反应区域与第N个第一电化学反应区域相通。第一集电板则设置于第一电极单元外侧，且每个第一集电板对应每个第一电化学反应区域。第二集电板设置于第二电极单元外侧。
基于上述，既可有效提升液流电池堆可靠度，又可以将电解液在电池中进行有效且均匀的流场分配，改善电解液流通分布不均，避免死区(dead volume)的发生，提升电池内部质子与电子传输效能及电池整体效率；降低电池流通阻力，减少输送泵浦寄生电力的损耗，有利提升氧化还原电池的电流密度及能量效率的结构设计，以有效提升储能系统的可靠度及稳健性。
附图说明
图1是依照本发明的一实施例的一种液流电池堆的爆炸示意图。
图2是本发明的实施例中的双极单元的分解示意图。
图3是本发明的实施例的液流电池堆的方块图。
图4是图2的基板本体的流体分配部的透视图。
图5是图2的基板本体的定位卡接部的剖面示意图。
图6是图2的I-I’线段的剖面示意图。
图7是本发明的实施例中的第一或第二电极单元的立体示意图。
图8是图7的II-II’线段的剖面示意图。
其中，附图标记为：
10：液流电池堆 100：第一电极单元
102：第一电化学反应区 110：第二电极单元
112：第二电化学反应区域 120：双极单元
121：电池单元 122：第三电化学反应区域
126：离子交换膜 128：石墨电极
130：第一集电板 140：第二集电板
150：第一端板 152：进口孔
160：第二端板 162：出口孔
170a：第一弹性体单元 170b：第二弹性体单元
172：螺帽 174：螺杆
180：密封单元 182：独立区域
200、700：不导电框架 202：基板本体
202a：容置空间 202b：独立入口
202c：独立出口 204：固定框
206：流体分配部 208：定位卡接部
210、702：导电板 300：子电池系统模块
400：流体分配隧道 500：定位结构
600：凹槽 602：接缝
604：构槽 606：倒角
704：电解液入口孔 706：封闭凸出结构
708：集电板定位结构 D1、D2、D3、D4：直径
H1、H2、H3、H4：高度 W1、W2、W3、W4：宽度
具体实施方式
为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。
请参考以下实施例及随附图式，以便更充分地了解本发明，但是本发明仍可以通过多种不同形式来实践，且不应将其解释为限于本文所述的实施例。为了方便理解，下述说明中相同的元件将以相同的符号标示来说明。而在图式中，为求明确起见对于各构件以及其相对尺寸可能未按实际比例绘制。
图1是依照本发明的一实施例的一种液流电池堆的爆炸示意图。
请参照图1，本实施例的液流电池堆10基本上包括第一电极单元100、第二电极单元110、含有至少一个双极单元120的电池单元121、第一集电板130与第二集电板140。双极单元120可为一个或多个，以达到电池的电性规格。第一电极单元100具有不相通的N个第一电化学反应区域102，第二电极单元110具有数个不相通的N个第二电化学反应区域112，且文中的N是大于1的整数。第N个第二电化学反应区域112与第N个第一电化学反应区域102相通。以图1为例，N是2，所以第1个第二电化学反应区域112与第1个第一电化学反应区域102相通，第2个第二电化学反应区域112与第2个第一电化学反应区域102相通。电池单元121介于第一与第二电极单元100与110之间，其中的每个双极单元120如图2所示具有不相通的N个第三电化学反应区域122，且第N个第三电化学反应区域122会与第N个第一电化学反应区域102相通。举例来说，第1个第三电化学反应区域122、第1个第二电化学反应区域112与第1个第一电化学反应区域102是彼此相通且位置与大小均相近或相同；第2个第三电化学反应区域122、第2个第二电化学反应区域112与第2个第一电化学反应区域102也是彼此相通且位置与大小均相近或相同。
由于第N个第一、第二与第三电化学反应区域102、112与122是彼此相通，但是第一电化学反应区域102彼此不相通、第二电化学反应区域112彼此不相通、第三电化学反应区域122彼此也不相通，所以相通的多个电化学反应区域(102、112与122)成为一个子电池系统模块300，并与彼此不相通的其他电化学反应区域(102、112与122)的子电池系统模块300等构成一个如图3所示的并联系统。图3显示的是本发明的实施例的液流电池堆的方块图，其中每一个子电池系统模块300包含具有相通的电化学反应区域的电极单元与双极单元，且由于不同子电池系统模块300的电化学反应区域不相通，所以本实施例能达成高可靠度的结果。举例来说，若将可靠度均为RSS的电池所构成的N个子电池系统模块300构成一个并联系统，其可靠度的方程式以下式(1)表示：
RSP＝1–(1-RSS)N(1)
经由上式(1)计算，以两个子系统进行并联设计，在相同单电池组件的条件下，可靠度将可以提升至88.2％；以四个子系统进行并联设计，在相同单电池组件的条件下，可靠度将可以提升至98.6％；若以八个子系统进行并联设计，在相同单电池组件的条件下，可靠度将可以提升至99.9％。因此，以改善可靠度的观点来看，本实施例中的电化学反应区域(102、112与122)的数量(N值)最佳可在2至8之间。
请继续参照图1，第一集电板130设置于第一电极单元100外侧，且第一集电板130的数量为N个，以使第N个第一集电板130对应第N个第一电化学反应区域102，所以图1有两个第一电化学反应区域102，就会有两个第一集电板130，依此类推。第二集电板140是设置于第二电极单元110外侧，且第二集电板140的数量可如图1所示只有单一个；在另一实施例中，第二集电板140也为多个独立的集电板，且每个集电板对应每个第二电化学反应区域112。第一集电板130与第二集电板140可以将液流电池堆10充电所需电力的导入或放电所产生的电力导出。此外，液流电池堆10还包括第一端板150与第二端板160，分别设置于第一集电板130外侧以及第二集电板140外侧。第一端板150上有多个进口孔152，第二端板160上有多个出口孔162，以使电解液进入与流出。而且，为了调节第一集电板130与其他单元构件之间的结构应变与应力，可选择在第一端板150与第一集电板130之间加设第一弹性体单元170a，并在第二端板160与第二集电板140之间加设第二弹性体单元170b。尤其是第一集电板130的数量为多个，第一弹性体单元170a能进一步调节这些第一集电板130的接触阻抗。第一与第二弹性体单元170a与170b能调节如螺帽172及螺杆174的紧固元件在进行锁合过程所发生的结构应变与应力不均情形，同时可以达到隔绝第一与第二电极单元100与110热传导与电绝缘的功效。第一与第二弹性体单元170a与170b的材料例如含有碳、氢、氧与(或)硅的化合物硅橡胶，还可包括不饱和橡胶或饱和橡胶等。
请参照图1与图2，本实施例中的双极单元120可包括不参与电化学反应的不导电框架200和参与电化学反应的N个导电板210，且电池单元121更可包括离子交换膜126与石墨电极128。石墨电极128介于离子交换膜126与双极单元120或离子交换膜126与第二电极单元110之间，且每个石墨电极128对应备配置于每个第三电化学反应区域122内，并搭配具有N个不相通的独立区域182的密封单元180，第N个独立区域182对应第N个电化学反应区域(102、112或122)。以图2为例，密封单元180的第1个独立区域182是对应第1个第三电化学反应区域122、第2个独立区域182是对应第2个第三电化学反应区域122。当第三电化学反应区域122的数量是两个，单一个密封单元180就有两个独立区域182；在其他实施例中，若是第三电化学反应区域122的数量是四个，单一个密封单元180就会有四个独立区域182。因此，当本实施例的液流电池堆10组装完成，可经由外部控制阀等装置，各别控制正极电解液与负极电解液进入不同的独立区域182；也就是说，如图1的虚线所表示的电解液流向所示，正、负极电解液在同一个液流电池堆10中是流向两个不相通的电化学反应区域，所以能改善电解液的均匀性并降低流阻，藉此避免死区的发生并有效降低寄生电力损耗。另外，虽然图1中仅显示一个离子交换膜126和两个密封单元180，但应知本发明的双极单元120的数量可有多个并与多个离子交换膜126搭配相应数量的石墨电极128和密封单元180，来组成液流电池堆10。
请继续参照图2，本实施例的双极单元120中的不导电框架200包括基板本体202与数个固定框204。基板本体202具有对应第三电化学反应区域122的N个容置空间202a，导电板210经由固定框204固设于容置空间202a内。而且，基板本体202对应每一个容置空间202a包括一个以上的独立入口202b及一个以上的独立出口202c。在一实施例中，基板本体202的高度H1>容置空间202a的高度H2，而且H2≥固定框204的高度H3≥导电板210的高度H4；基板本体202的宽度W1>两倍的容置空间202a的宽度W2；W2≥固定框204的宽度W3≥导电板210的宽度W4。导电板210例如高度可耐酸耐碱的碳板、导电高分子复合材料或不锈钢金属材料；基板本体202例如耐酸碱高分子材料。以下将描述双极单元的细部结构。
图4是图2的基板本体202的流体分配部206透视图。在图4中，基板本体202的独立入口202b到容置空间202a的部分设有流体分配隧道400，将电解液由独立入口202b进入后均匀分布至容置空间202a。同样地，基板本体202的容置空间202a到图2的独立出口202c之间也可设有上述流体分配隧道400，以使电解液由容置空间202a均匀流出独立出口202c，且流体分配隧道400是位于基板本体202内而不参与电化学反应机制。
图5则是图2的基板本体202的定位卡接部208的剖面示意图，其中显示一个定位结构500，用以使各个双极单元120之间彼此卡接定位。定位结构500可设置于基板本体202的边缘或角落，且可为圆锥销。在一实施例中，定位结构500(例如为圆锥销)的上端直径为D1、底端直径为D2，D2>D1，定位结构500具有圆锥孔槽502，其内孔直径为D3、外孔直径为D4，D4>D3，且D3≥D1，D4≥D2。除了基板本体202以外，第一电极单元、第二电极单元等具有不导电框架的构件，均可在相同位置设置定位结构500，以使双极单元与第一电极单元之间彼此卡接定位，并使双极单元与第二电极单元之间彼此卡接定位。当图1的双极单元120与第一、第二电极单元100和110装配后可形成对位配合。
图6是图2的I-I’线段的剖面示意图，其中显示基板本体202具有沿每个容置空间202a的边缘内凹的凹槽600，用以容置导电板210及固定框204，且导电板210可以嵌入的方式置入凹槽600，再以固定框204将导电板210夹持胶合，但本发明并不限于此。由于基板本体202与固定框204的结合并无对外的接缝，所以即使有电解液从基板本体202与固定框204之间泄漏的情况，电解液也顶多从接缝602处流出。而且，基板本体202还可包括对应图2的密封单元180结构的构槽604，所以即使电解液从接缝602处流出，仍会被密封单元180密封于液流电池堆内，而避免污染。另外，基板本体202及固定框204与导电板210接触面还可具有倒角606，以容置导电板210接合时的匹配误差。
图7显示本实施例中的第一或第二电极单元的立体示意图。请同时参照图1与图7，第一电极单元100类似图2的双极单元也包含不导电框架700与位在第一电化学反应区域102的导电板702。而且，第一电极单元100的不导电框架700还可包括数个电解液入口孔704以及数个封闭凸出结构706，其中电解液入口孔704以及封闭凸出结构706是设置于不导电框架700的对边。电解液入口孔704与封闭凸出结构706沿II-II’线段的剖面如图8所示，其中显示不导电框架700内具有如图4的流体分配隧道400，当电解液从电解液入口孔704流入会从流体分配隧道400均匀进入第一电化学反应区域102，再从流体分配隧道400均匀流出，并到达作为缓冲区的封闭凸出结构706内，因此能提升电解液在歧管通道的流场均匀，使电解液均匀进入与排出每一个电极单元。另外，在第一电极单元100的不导电框架700上还可具有图5所示的圆锥销作为定位结构500，以使双极单元120与第一电极单元100之间彼此卡接定位。而且，不导电框架700上还可设有对应于紧固元件(如螺杆174)穿孔的集电板定位结构708，用以定位第一、第二集电板130与140，并可以达到电隔绝效果。
同样地，第二电极单元110也可与上述第一电极单元100一样设有位置相对于封闭凸出结构706的电解液出口孔(未绘示)以及位置相对于电解液入口孔704的封闭凸出结构(未绘示)，且第一电极单元100的封闭凸出结构706是往第一集电板130凸出，第二电极单元110的封闭凸出结构则会往第二集电板140凸出。此外，第二电极单元110同样可具有图5所示的圆锥销作为定位结构500以及对应于紧固元件(如螺杆174)穿孔的集电板定位结构，以使双极单元120与第二电极单元110之间彼此卡接定位，且可定位第一、第二集电板130与140，并可以达到电隔绝效果。
综上所述，本发明通过在电池堆中设计电解液互不相通的数个电化学反应区域，构成一个并联系统，除了可提高可靠度，还具可量产性及降低制造成本的效果，另外，本发明独立的电化学反应区域因为电解液互不相通，所以通过分区控制达成高均匀与低流阻的分布电解液，可以有效降低寄生电力损耗的液流电池堆结构。
虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视权利要求书的界定为准。

Claims (16)

1.一种液流电池堆，其特征在于，包括：
第一电极单元，其具有不相通的N个第一电化学反应区域，N为大于1的整数；
第二电极单元，其具有不相通的N个第二电化学反应区域，第N个所述第二电化学反应区域与第N个所述第一电化学反应区域相通；
电池单元，其具有至少一个双极单元，介于所述第一电极单元与所述第二电极单元之间，其中所述双极单元具有不相通的N个第三电化学反应区域，且第N个所述第三电化学反应区域与第N个所述第一电化学反应区域相通，所述双极单元包括：
不导电框架，具有基板本体与多个固定框，所述基板本体具有对应所述第三电化学反应区域的N个容置空间；以及
N个导电板，经由所述多个固定框固设于N个所述容置空间内，其中所述基板本体包括对应每个所述容置空间的至少一个独立入口及至少一个独立出口；
N个第一集电板，设置于所述第一电极单元外侧，且第N个所述第一集电板对应第N个所述第一电化学反应区域；以及
至少一个第二集电板，设置于所述第二电极单元外侧。
2.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述第一集电板的数量为多个，且所述第二集电板的数量为一个。
3.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述N为2至8。
4.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，还包括多个密封单元，其中每个所述密封单元具有N个不相通的独立区域，第N个所述独立区域对应第N个所述第三电化学反应区域。
5.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述电池单元还包括：
离子交换膜；以及
石墨电极，介于所述双极单元与所述离子交换膜之间，其中每个所述石墨电极对应配置于每个所述第三电化学反应区域内。
6.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述基板本体还包括流体分配隧道，将电解液由所述独立入口进入后均匀分布至所述容置空间，并将所述电解液由所述容置空间均匀流出所述独立出口，且所述流体分配隧道是位于所述基板本体内而不参与电化学反应机制。
7.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述基板本体还包括多个第一定位结构，以使所述双极单元之间彼此卡接定位。
8.如权利要求7所述的液流电池堆，其特征在于，所述第一电极单元还包括多个第二定位结构，以使所述双极单元与所述第一电极单元之间彼此卡接定位。
9.如权利要求8所述的液流电池堆，其特征在于，所述第二电极单元还包括多个第三定位结构，以使所述双极单元与所述第二电极单元之间彼此卡接定位。
10.如权利要求9所述的液流电池堆，其特征在于，所述第一定位结构、所述第二定位结构与所述第三定位结构为圆锥销。
11.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述基板本体具有沿每个所述容置空间的边缘内凹的凹槽，用以容置每个所述导电板及每个所述固定框。
12.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述第一电极单元包括多个电解液入口孔以及多个封闭凸出结构，其中所述多个电解液入口孔以及所述多个封闭凸出结构是设置于所述第一电极单元的对边。
13.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，所述第二电极单元包括多个电解液出口孔以及多个封闭凸出结构，其中所述多个电解液出口孔以及所述多个封闭凸出结构是设置于所述第二电极单元的对边。
14.如权利要求1所述的液流电池堆，其特征在于，还包括：
第一端板，设置于所述多个第一集电板外侧；以及
第二端板，设置于所述第二集电板外侧。
15.如权利要求14所述的液流电池堆，其特征在于，还包括第一弹性体单元，设置于所述第一端板与所述多个第一集电板之间，用以调节所述多个第一集电板的接触阻抗。
16.如权利要求14所述的液流电池堆，其特征在于，还包括第二弹性体单元，设置于所述第二端板与所述第二集电板之间。
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