CN116742030B - 一种液流电池用电极及一种液流电池 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种液流电池用电极及一种液流电池，所述液流电池用电极包括：第一保护电极、第二保护电极和反应电极，所述反应电极位于第一保护电极和第二保护电极之间；所述反应电极由层叠的碳纸组成，所述碳纸设置有多个孔；所述第一保护电极和所述第二保护电极被配置成电解液依次流过所述第一保护电极、所述反应电极和所述第二保护电极。本公开提供的液流电池用电极可有效增大电解液与电极接触面积，提供更多的反应位点，并可有效防止碳纸边缘在电极液的冲击下发生形变。
Description
技术领域
本文涉及但不限于液流电池技术领域，尤其涉及但不限于一种液流电池用电极及一种液流电池。
背景技术
如今，随着新型清洁能源逐步替代传统能源，储能系统作为新型清洁能源系统环节中必不可少的一环，对整个新型发电产业具备支柱性的作用。由于新型清洁发电能源（例如风能，太阳能等）受自然环境因素影响较大，难以持续性输出稳定安全的电能，因此利用储能电池作为新型发电能源中的衔接部分显得至关重要。而在储能电池领域，由于液流电池具备强大的稳定性和安全性，同时其载电量能力、使用持久度及长时放电的能力都远超其他储能设备（如锂电池、抽水蓄能、空气压缩储能），在储能行业被广泛应用。
电堆是液流电池的核心部件，目前主流的电堆结构包括端板、进液板、集流板、双极板、电极、离子交换膜组成。通过特定的顺序压缩整合，形成具备储电效果的电池反应堆。其中，电极一般为碳毡材料，经过碳化和活化处理，使其具备高导电率，高孔隙率，在液流电池中广泛应用。但碳毡作为电极材料有一定的缺陷性，碳毡纤维丝在较大压力下容易刺破交换膜造成短路，另外由于其较大的孔隙率也会导致碳毡上可提供的反应活性位点较少。鉴于此，表面光滑且质地更紧密的碳纸是未来电极材料的重要发展方向。
而现有的液流电池电堆中，碳纸作为电极材料也存在缺陷，具体如下：
1. 碳纸边缘在电极液的冲击下容易发生形变导致褶皱；
2. 多层碳纸叠加的结构会导致电解液浸润困难，电极保液量低。
发明内容
以下是对本文详细描述的主题的概述。本概述并非是为了限制权利要求的保护范围。
本公开提供了一种液流电池用电极，所述液流电池用电极包括：第一保护电极、第二保护电极和反应电极，所述反应电极位于第一保护电极和第二保护电极之间；
所述反应电极由层叠的碳纸组成，所述碳纸设置有多个孔；
所述第一保护电极和所述第二保护电极被配置成电解液依次流过所述第一保护电极、所述反应电极和所述第二保护电极。
在本公开提供的一些实施方案中，所述第一保护电极和所述第二保护电极的材质各自独立地选自聚丙烯腈基碳毡、粘胶基碳毡、沥青基碳毡、木质纤维基碳毡和碳布中的任意一种或更多种。
在本公开提供的一些实施方案中，所述第一保护电极中，所述碳毡或所述碳布中的纤维方向被配置成减小电解液进入所述反应电极中的阻力；
所述第二保护电极中，所述碳毡或所述碳布中的纤维方向被配置层增大电解液流出所述反应电极中的阻力。
在本公开提供的一些实施方案中，所述第一保护电极的碳毡或碳布中的纤维方向与所述碳纸中的电解液流动方向平行；
所述第二保护电极的碳毡或碳布中的纤维方向与所述碳纸中的电解液流动方向垂直。
在本公开提供的一些实施方案中，一张所述碳纸的一面中，所述孔的面积之和与碳纸的面积的比为10%至50%。
又一方面，本公开还提供了一种液流电池，所述液流电池的电极为上述的液流电池用电极；
所述液流电池选自全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池和锌溴液流电池中的任意一种或更多种。
在本公开提供的一些实施方案中，所述电极在所述液流电池中经过压缩，所述压缩的方向为垂直于所述碳纸纸面的方向。
在本公开提供的一些实施方案中，所述第一保护电极压缩前后的沿着被压缩方向的长度比为10:(10至5)。
在本公开提供的一些实施方案中，所述第二保护电极压缩前后的沿着被压缩方向的长度比为10:(10至5)。
在本公开提供的一些实施方案中，所述第一保护电极、所述反应电极的体积和所述第二保护电极的体积比为(1至5):(50至250):(1至5)。
在本公开提供的一些实施方案中，所述电极的保液量为1.2 L/cell至1.5L/cell。
本公开提供的液流电池用电极的结构分为两部分，反应电极和保护电极，反应电极由多层叠片式碳纸组成，每片碳纸进行打孔处理，进液侧保护电极由与电解液流动方向平行的横向纤维碳毡组成，出液侧保护电极由与电解液流动方向垂直的纵向纤维碳毡组成。其中，打孔碳纸可有效增大电解液与电极接触面积，提供更多的反应位点。两侧的保护电极可有效防止碳纸边缘在电极液的冲击下发生形变，由于出液侧的纵向碳毡流阻大于进液侧的横向碳毡，使得电解液最大程度上保留在反应电极内，从而提高了电极保液量。
本公开的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本公开而了解。本公开的其他优点可通过在说明书中所描述的方案来发明实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本公开技术方案的理解，并且构成说明书的一部分，与本公开的实施例一起用于解释本公开的技术方案，并不构成对本公开技术方案的限制。
图1为本公开实施例的液流电池用电极的主视示意图；对液流电池用电极的压缩方向为垂直于纸面方向。
图2为本公开实施例的液流电池用电极的截面图，截面方向与碳纸纸面方向垂直，对液流电池用电极的压缩方向为附图的上下方向。
附图标记：1、第一保护电极；2、反应电极；3、反应电极表面的孔；4、第二保护电极；5、进液方向；6、出液方向。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下文对本公开的实施例进行详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互任意组合。
本公开实施例示例性地提供了一种液流电池用电极，所述液流电池用电极包括：第一保护电极、第二保护电极和反应电极，所述反应电极位于第一保护电极和第二保护电极之间；
所述反应电极由层叠的碳纸组成，所述碳纸设置有多个孔；
所述第一保护电极和所述第二保护电极被配置成电解液依次流过所述第一保护电极、所述反应电极和所述第二保护电极。
示例性地，所述第一保护电极的碳毡或碳布中的纤维方向被配置成减小电解液进入所述反应电极中的阻力；
所述第二保护电极的碳毡或碳布中的纤维方向被配置层增大电解液流出所述反应电极中的阻力。
示例性地，所述第一保护电极的碳毡的绝大部分纤维的方向与所述碳纸中的电解液流动方向平行；
所述第二保护电极的碳毡的绝大部分纤维的方向与所述碳纸中的电解液流动方向垂直。
示例性地，一张所述碳纸的一面中，所述孔的面积之和与碳纸的面积的比为10%至50%。
又一方面，本公开实施例还示例性地提供了一种液流电池，所述液流电池的电极为上述的液流电池用电极；
所述液流电池选自全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池和锌溴液流电池中的任意一种或更多种。
示例性地，所述电极在所述液流电池中经过压缩，所述压缩的方向为垂直于所述碳纸纸面的方向。
示例性地，所述压缩的压力（即装堆时固定螺栓的压力）为10kg至100kg。
示例性地，所述第一保护电极压缩前后的沿着被压缩方向的长度比为10:(10至5)。
示例性地，所述第一保护电极、所述反应电极的体积和所述第二保护电极的体积比为(1至5):(10至20):(1至5)。
示例性地，所述电极的保液量为1.2 L/cell至1.5L/cell。
示例性地，本公开实施例和对比例尺寸如下：
表1：实施例和对比例尺寸统计表(宽×长×厚，单位为cm)
本公开实施例和对比例中，使用四川江油润生石墨毡有限公司生产的不同厚度的碳毡（聚丙烯腈基碳毡）作为第一保护电极和第二保护电极，使用山东仁丰特种材料有限公司生产的不同厚度碳纸作为反应电极。
本公开的实施例和对比例中的碳纸表面的孔占碳纸表面积的比例为30%。
保液量测试：将电极装堆，称量干堆质量，以30kPa的进口压强向电堆内输入电解液，1小时后关闭电堆进出液口。再次称量电堆质量。取两次质量差值。将差值除以片数得到保液量值。
本公开中，反应电极的尺寸与电解液反应区尺寸一致即可，保护电极不参与电池反应。碳纸厚度可以选择不大于0.5mm；碳纸密度不高于1g/cm3；叠片数可以为10片/cm至100片/cm。
将实施例和对比例制得的电极应用于全钒液流电池，形成两个液流电池串联形成小电堆，对其进行测试。
表2：实施例和对比例的实验数据
从实施例1至6和对比例1至3可以看出，与单独使用碳纸作为电极相比，使用本公开可明显增加反应电极保液量，提高电堆电压效率和能量效率。
从实施例1、实施例4和对比例4、对比例5可以看出，与单独使用碳毡作为电极相比，使用本公开提供的方案可明显增加保液量，电堆性能与碳毡电极电堆基本持平。
Claims (8)
1.一种液流电池用电极，其特征在于，所述液流电池用电极包括：第一保护电极、第二保护电极和反应电极，所述反应电极位于第一保护电极和第二保护电极之间；
所述反应电极由层叠的碳纸组成，所述碳纸设置有多个孔；
所述反应电极两侧的第一保护电极和第二保护电极被配置在层叠碳纸的两个相对的边缘处，使电解液依次流过所述第一保护电极、所述反应电极和所述第二保护电极，电解液的流向与碳纸直面方向平行，防止所述碳纸边缘在电解液的冲击下发生形变；
所述第一保护电极和所述第二保护电极的材质各自独立地选自聚丙烯腈基碳毡、粘胶基碳毡、沥青基碳毡、木质纤维基碳毡和碳布中的任意一种或更多种；
所述第一保护电极的碳毡或碳布中的纤维方向与所述碳纸中的电解液流动方向平行；
所述第二保护电极的碳毡或碳布中的纤维方向与所述碳纸中的电解液流动方向垂直。
2.根据权利要求1所述的液流电池用电极，其特征在于，一张所述碳纸的一面中，所述孔的面积之和与碳纸的面积的比为10%至50%。
3.一种液流电池，其特征在于，所述液流电池的电极为权利要求1至2中任一项所述的液流电池用电极；
所述液流电池选自全钒液流电池、铁铬液流电池、锌铁液流电池和锌溴液流电池中的任意一种或更多种。
4.根据权利要求3所述的液流电池，其特征在于，所述电极在所述液流电池中经过压缩，所述压缩的方向为垂直于所述碳纸纸面的方向。
5.根据权利要求4所述的液流电池，其特征在于，所述第一保护电极压缩前后的沿着被压缩方向的长度比为10:(10至5)。
6.根据权利要求4所述的液流电池，其特征在于，所述第二保护电极压缩前后的沿着被压缩方向的长度比为10:(10至5)。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的液流电池，其特征在于，所述第一保护电极、所述反应电极的体积和所述第二保护电极的体积比为(1至5):(50至250):(1至5)。
8. 根据权利要求3至6中任一项所述的液流电池，其特征在于，所述电极的保液量为1.2 L/cell至1.5L/cell。
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