CN208570782U - 液流电池浆液电极装置和液流电池系统以及电池堆 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及液流电池领域，公开了一种液流电池浆液电极装置和液流电池系统以及电池堆，该装置包括：双极板(1)、集流器(2)以及用于存储电极浆液的浆液电极储罐(4)；双极板(1)相对的两面中，一面与集流器(2)相邻，另一面设置有一侧打开的浆液电极腔(5)；双极板(1)和浆液电极腔(5)之间贯穿设置有电极浆液入口流道(7)和电极浆液出口流道(8)，使得电极浆液能够在浆液电极腔(5)和浆液电极储罐(4)之间循环流动。本实用新型提供的液流电池浆液电极装置可以大大增加电极与电解液的接触界面，促进电极反应，提高了电流上限，可以在有限的空间产生更多的电流。

Description

液流电池浆液电极装置和液流电池系统以及电池堆

技术领域

本实用新型涉及液流电池领域，具体涉及一种液流电池浆液电极装置和一种液流电池系统以及一种电池堆。

背景技术

液流电池是一类适合于大规模储能的电化学储能技术，一般利用充放电过程中正极和负极液相中活性物质价态的变化实现能量的储存和释放。目前发展较为成熟的体系包括全钒液流电池、铁铬液流电池和锌溴液流电池。液流电池具有独立的能量单元和功率单元，能量单元一般指电池的正极和负极电解液，电解液中活性物质的浓度和体积决定了液流电池的能量上限，功率单元一般指单电池或者电池堆，电解液流过电池堆内的电极，活性物质在电极表面发生反应，从而将化学能转化为电能，或者将电能转化为化学能。

液流电池一般使用流通型(flow-through)电极，电极材料由多孔的碳、石墨或者金属材料构成，包含活性物质的电解液通过管路输送至电极入口，并进入到电极内表面，在电极内表面与电解液接触的界面发生电化学反应，伴随着活性物质价态的改变和电子的得失，从而实现电能的储存和释放。电极表面积的大小决定了电池电流的大小，同时电极表面的孔结构影响活性物质的传递。增大电极表面积有利于提高电池产生更大电流的能力，但是会降低电极的孔径，从而限制活性物质的传递，因此电池无法在更高电流条件下工作，其性能提升遇到了瓶颈。

Meng-Chan Li等(Nature,520(2015)325)报道了一种可充电的铝离子电池，该电池具有高功率特性。电池的负极反应是铝的沉积和溶解反应，正极反应是四氯化铝负离子的嵌入和脱嵌反应，其电解液采用不易燃的离子液体。电池的放电平台为2V，容量为70mAh·g^-1，电流效率为98％。该电池具有很好的稳定性。但遗憾的是，该电池容量偏低，仍然与普通非液流电池一样，不具备容量和功率解耦的功能，很难进行大规模储能使用。

全钒液流电池是一类研究较早，较为深入，并且具备较好商业化前景的液流电池。其利用溶于水溶液中的钒离子价态的变化实现能量的储存和释放。最早的专利报道可以追溯到1988年的美国专利“All-vanadium redox battery”(US4786567)。该电池由于采用水溶液，不易燃，更无起火爆炸危险。同时电极反应区域和活性物存储区域独立，从而实现了功率与容量的结构，可以根据需要，单独进行输出功率和容量的设计。另外其具有寿命长，材料可回收利用等优点。但是其开路电压相对较低，输出功率偏低。同时，由于钒元素储量相对有限，原料价格偏高，储能成本昂贵。因此，其实际的商业化应用受到极大挑战。

US20150125764A1中公布了一种流动型离子电池。其目的是使其兼具锂离子电池高电压、高功率的优势和液流电池功率与容量解耦的特性，使其既适用于电动车等领域，又适用于风电并网等大规模储能领域。但是由于其脱胎于锂离子电池，需要在初始充电时形成SEI钝化层，但在流动条件下，该膜无法持续形成，从而很难进行后续反应。因此，有关该领域的探索仍然围绕在基础理论突破方面。

由此可以看出，目前亟需开发一种成本低廉、电化学性能好的液流电池。

实用新型内容

本实用新型的目的是为了克服现有技术存在的液流电池生产成本高、电池容量较低以及难以大规模使用的缺陷，提供一种液流电池浆液电极装置和一种液流电池系统以及一种电池堆。本实用新型提供的液流电池浆液电极装置和液流电池系统结构简单，成本低，且在相同电流条件下，可以提供更高的更稳定的功率输出。

为了实现上述目的，本实用新型一方面提供一种液流电池浆液电极装置，该装置包括：双极板、集流器以及用于存储电极浆液的浆液电极储罐；

双极板相对的两面中，一面与集流器相邻，另一面设置有一侧打开的浆液电极腔，浆液电极腔打开的一侧覆盖有离子交换膜；

双极板和浆液电极腔之间贯穿设置有电极浆液入口流道和电极浆液出口流道，电极浆液入口流道与浆液电极储罐的出口连通，电极浆液出口流道与浆液电极储罐的入口连通，使得电极浆液能够在浆液电极腔和浆液电极储罐之间循环流动。

优选地，所述浆液电极腔的深度H为0.1-10mm；所述浆液电极腔的横截面积为0.01-1m²。

优选地，所述浆液电极腔的体积为双极板体积的10-90％。

优选地，所述浆液电极腔设置有流体通道，所述流体通道为蛇形流道、插指形流道或平行流道。

优选地，所述电极浆液入口流道的延伸方向与水平方向的夹角为10°-90°；所述电极浆液出口流道的延伸方向与水平方向的夹角为10°-90°。

优选地，所述电极浆液入口流道的延伸方向与水平方向的夹角为45°-90°；所述电极浆液出口流道的延伸方向与水平方向的夹角为45°-90°。

本实用新型第二方面提供一种液流电池系统，该液流电池系统包括上述浆液电极装置和对侧电极装置，以及设置在所述浆液电极装置和对侧电极装置之间的隔膜。

优选地，所述对侧电极装置包括：对侧第一双极板、对侧第一集流器以及用于存储对侧电极浆液的对侧浆液电极储罐；对侧第一双极板相对的两面中，一面与对侧第一集流器相邻，另一面设置有一侧打开的对侧浆液电极腔，对侧浆液电极腔打开的一侧覆盖有对侧离子交换膜；对侧第一双极板和对侧浆液电极腔之间贯穿设置有对侧电极浆液入口流道和对侧电极浆液出口流道，对侧电极浆液入口流道与对侧浆液电极储罐的出口连通，对侧电极浆液出口流道与对侧浆液电极储罐的入口连通，使得对侧电极浆液能够在对侧浆液电极腔和对侧浆液电极储罐之间循环流动。

优选地，所述对侧电极装置包括：多孔电极、对侧第二双极板、对侧第二集流器以及用于存储含有对侧活性物质的对侧电解液的电解液储罐；多孔电极与对侧第二双极板相邻；所述对侧第二双极板和对侧第二集流器相邻；所述对侧第二双极板上设置有电解液流道使得对侧电解液与多孔电极接触。

本实用新型第三方面提供一种电池堆，所述电池堆包括上述的液流电池系统。

本实用新型提供的液流电池浆液电极装置在双极板上设置有一侧打开的浆液电极腔，浆液电极腔打开的一侧覆盖有离子交换膜，且双极板和浆液电极腔之间贯穿设置有电极浆液入口流道和电极浆液出口流道，使得电极浆液能够在浆液电极腔和浆液电极储罐之间循环流动。本实用新型所述的电极浆液可以是含有电极颗粒以及含有活性物质的电解液，电极浆液存储于外部浆液电极储罐中，活性物质在电极颗粒的内部发生嵌入和脱嵌反应，电极浆液中发生电化学反应产生的离子可以进入电解液，集流器将产生的电流汇集起来完成电流的外输。

而现有技术中采用的多是固定式多孔电极，完全不存在本实用新型所述的设置有一侧打开的浆液电极腔的双极板结构，更不会在双极板和浆液电极腔之间贯穿设置有电极浆液入口流道和电极浆液出口流道。现有技术中包含活性物质的电解液通过管路输送至电极入口，并进入到固定式多孔电极内表面，在电极内表面与电解液接触的界面发生电化学反应，电极表面积的大小决定了电池电流的大小，同时电极表面的孔结构影响活性物质的传递。增大电极表面积有利于提高电池产生更大电流的能力，但是会降低电极的孔径，从而限制活性物质的传递，因此电池无法在更高电流条件下工作，其性能提升遇到了瓶颈。

本实用新型提供的液流电池浆液电极装置可以克服上述瓶颈，所述液流电池浆液电极装置可以大大增加电极与电解液的接触界面，促进电极反应，提高了电流上限，可以在有限的空间产生更多的电流。

附图说明

图1是一种具体实施方式的浆液电极装置的示意图；

图2是一种具体实施方式的浆液电极装置的双极板和浆液电极腔的示意图；

图3是一种具体实施方式的浆液电极装置的双极板和浆液电极腔的示意图；

图4是一种具体实施方式的液流电池系统的示意图；

图5是一种具体实施方式的对侧浆液电极装置的对侧第一双极板和对侧浆液电极腔的示意图；

图6是一种具体实施方式的对侧浆液电极装置的对侧第一双极板和对侧浆液电极腔的示意图；

图7是一种具体实施方式的液流电池系统的示意图；

图8是一种具体实施方式的电池堆的示意图。

附图标记说明

1-双极板 2-集流器 4-浆液电极储罐

5-浆液电极腔 6-离子交换膜 7-电极浆液入口流道

8-电极浆液出口流道 9-流体通道 21-对侧第一双极板

22-对侧第一集流器 24-对侧浆液电极储罐 25-对侧浆液电极腔

26-对侧离子交换膜 27-对侧电极浆液 28-对侧电极浆液出口流道入口流道

31-多孔电极 32-对侧第二双极板 33-对侧第二集流器

34-电解液储罐 3-隔膜 11-端板

2’-电池堆集流器

具体实施方式

以下对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限制本实用新型。

在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。

本实用新型提供一种液流电池浆液电极装置，如图1、图2、图3所示，该装置包括：双极板1、集流器2以及用于存储电极浆液的浆液电极储罐4；

双极板1相对的两面中，一面与集流器2相邻，另一面设置有一侧打开的浆液电极腔5，浆液电极腔5打开的一侧覆盖有离子交换膜6；

双极板1和浆液电极腔5之间贯穿设置有电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8，电极浆液入口流道7与浆液电极储罐4的出口连通，电极浆液出口流道8与浆液电极储罐4的入口连通，使得电极浆液在浆液电极腔5和浆液电极储罐4之间循环流动。

本实用新型中，所述电极浆液可以包括电极颗粒和含有活性物质的电解液。采用本实用新型的电极装置能够克服传统的固定式多孔电极存在的缺陷，将电极颗粒与含有活性物质的电解液得到的电极浆液通过浆液电极腔5，产生的电流采用集流器2进行收集。本实用新型提供的液流电池浆液电极装置可以大大增加电极与电解液的接触界面，促进电极反应，提高了电流上限，可以在有限的空间产生更多的电流。

所述活性物质可以为本领域常规使用的各种活性物质，优选为金属卤化物中的至少一种。采用金属卤化物作为活性物质，不但可以进一步提高电池的放电比容量，同时该类活性物质来源广泛，价格低廉，可以有效降低液流电池原料成本。电解液中所述活性物质的浓度可以为0.1-15mol/L。

所述电解液还含有溶剂。所述溶剂可以为水，也可以为本领域常规使用的有机溶剂，优选地，所述溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙醚、丙酮和乙酸中的至少一种，进一步优选地，所述溶剂为水。

根据本实用新型，优选地，所述电解液还含有支持电解质。所述支持电解质为可以提高液流电池中溶液导电率的本领域常规使用的各种支持电解质，支持电解质本身不参与电化学反应。优选地，所述支持电解质选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、六氟磷酸锂、硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，进一步优选为硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，更进一步优选为硫酸和/或氯化钠。电解液中所述支持电解质浓度可以为0.1-10mol/L。

根据本实用新型，所述电极颗粒可以选自石墨、碳粉、硅和二硫化钼中的至少一种，优选为石墨。所述石墨可以为天然石墨，也可以为人造石墨，本实用新型对此没有特别的限定。所述电极颗粒的平均粒径可以为0.01-200μm，优选为1-100μm，进一步优选为50-100μm。采用该种优选实施方式可以使电极浆液获得更好的流动性能，同时保证较高的电导率和较大的电流输出。

根据本实用新型的一种优选实施方式，所述浆液电极腔5设置有一个或两个以上折流板。浆液电极腔5中折流板的设置更便于电极浆液的流动和均匀分散。本实用新型对折流板的设置没有特别的限定，只要能起到扰流作用即可。

本实用新型中，所述双极板1可以为本领域常规使用的双极板，所述双极板可以为任意的导电材料，如可以为石墨材料、石墨/高分子复合材料、导电碳材料。

如图2、图3所示，所述浆液电极腔5是在双极板1内部加工出的正面槽，所述浆液电极腔5可以为规则或不规则的三维形状，本实用新型对此没有特别的限定，但所述浆液电极腔5的最大长度、最大宽度、最大厚度均小于所述双极板1的长度、宽度、厚度。优选地，所述浆液电极腔5为规则的立方体结构。该种结构不但易于加工，且易于电极浆液的流动。

根据本实用新型，所述浆液电极腔5的横截面可以为长方形，也可以为正方形，还可以为其他不规则多边形，本实用新型对浆液电极腔5的横截面积选择范围较宽，本领域技术人员可以根据具体应用情况进行适当的选择，优选地，所述浆液电极腔5的横截面积为0.01-1m²，优选为0.01-0.1m²。当所述浆液电极腔5为不规则形状时，所述浆液电极腔5的横截面积为浆液电极腔5的最大横截面积。

根据本实用新型的一种优选实施方式，所述浆液电极腔5的深度H为0.1-10mm，进一步优选为0.5-5mm。当所述浆液电极腔5为规则的立方体结构时，所述浆液电极腔5的深度即表示浆液电极腔5的厚度(如图3所示)，当所述浆液电极腔5为不规则的三维形状时，所述浆液电极腔5的深度表示沿水平方向，浆液电极腔5的最大厚度。

根据本实用新型的一种优选实施方式，所述浆液电极腔5的体积为双极板1体积的10-90％，优选为10-50％，最优选为15-25％。

为了更便于电极浆液的流动和均匀分散，优选地，如图3所示，所述浆液电极腔5设置有流体通道9，所述流体通道9可以为蛇形流道、插指形流道或平行流道。所述流体通道9可以为加工在双极板1上的凹槽。进一步优选地，所述流体通道9的深度可以为0.05-8mm，优选为0.2-3mm，宽度为0.1-10mm，优选为0.5-5mm。

根据本实用新型，所述双极板1和浆液电极腔5之间贯穿设置有电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8指的是，所述双极板1的上端面和浆液电极腔5的上端面之间、双极板1的下端面和浆液电极腔5的下端面之间分别贯穿设置有电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8或者分别贯穿设置有电极浆液出口流道8和电极浆液入口流道7。电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的设置是为了保证电极浆液在浆液电极腔5和浆液电极储罐4之间循环流动。

根据本实用新型的一种具体实施方式，电极浆液入口流道7与浆液电极储罐4的出口通过管线连通，且所述管线上设置有泵。

本实用新型所述电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的一端可以与浆液电极腔5连通，另一端可以位于浆液电极腔5的外端面上，只要能够保证电极浆液循环流动即可，对电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的设置没有特别的限定。

本实用新型对所述电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的形状没有特别的限定，只要能够保证电极浆液的流通即可。所述电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的横截面各自独立地为圆形、椭圆形、规则多边形或者不规则多边形，优选地，所述电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的横截面均为圆形。采用该种优选的实施方式使得电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8几乎不存在死角，更有利于电极浆液的流动。

在本实用新型中，所述电极浆液入口流道7的延伸方向与水平方向的夹角可以为10°-90°，优选为45°-90°。

在本实用新型中，所述电极浆液出口流道8的延伸方向与水平方向的夹角可以为10°-90°，优选为45°-90°。

采用上述电极浆液入口流道7、电极浆液出口流道8的优选设置方式，更有利于浆液在腔室内均匀分布，从而获得均匀的电流和电压分布。

本实用新型图3中给出了电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的延伸方向与水平方向的夹角为90°的具体示例，但根据上述内容，本领域技术人员可以理解的是，电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8可以在双极板内，在图3基础上，向前、后、左、右偏转。

根据本实用新型，电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的竖直延伸方向可以重合(即二者在同一竖直方向，如图3)，也可以是平行，本实用新型对其没有特别的要求。

本实用新型所述浆液电极腔5打开的一侧覆盖有离子交换膜6，使得将浆液电极装配为电池时，允许电池正极和负极连通离子通过，所述连通离子包括但不限于Na⁺、K⁺、Li⁺和OH^-。

本实用新型对所述离子交换膜6的选择没有特别的限定，可以为选自阳离子交换膜、阴离子交换膜和筛分膜中的至少一种，具体地，可以为磺酸型隔膜材料、高分子多孔膜材料、有机/无机复合材料和无机隔膜材料中的至少一种。所述离子交换膜可以通过商购得到。

本实用新型还提供了一种液流电池系统，该液流电池系统包括上述的浆液电极装置和对侧电极装置，以及设置在所述浆液电极装置和对侧电极装置之间的隔膜3。

本实用新型中，所述浆液电极装置可以作为正极使用，也可以作为负极使用，本领域技术人员可以理解的是，当所述浆液电极装置作为正极使用时，则对侧电极装置自然作为负极使用，而当所述浆液电极装置作为负极使用时，则对侧电极装置自然作为正极使用。

本实用新型对所述对侧电极装置没有特别的限定，只要能够与所述浆液电极装置和隔膜3配合使用即可。

本实用新型所提供的液流电池系统，所述对侧电极装置可以与上述本实用新型提供的浆液电极装置相同，如图4、图5、图6所示，所述对侧电极装置包括：对侧第一双极板21、对侧第一集流器22以及用于存储对侧电极浆液的对侧浆液电极储罐24；

对侧第一双极板21相对的两面中，一面与对侧第一集流器22相邻，另一面设置有一侧打开的对侧浆液电极腔25，对侧浆液电极腔25打开的一侧覆盖有对侧离子交换膜26；

对侧第一双极板21和对侧浆液电极腔25之间贯穿设置有对侧电极浆液入口流道27和对侧电极浆液出口流道28，对侧电极浆液入口流道27与对侧浆液电极储罐24的出口连通，对侧电极浆液出口流道28与对侧浆液电极储罐24的入口连通，使得对侧电极浆液能够在对侧浆液电极腔25和对侧浆液电极储罐24之间循环流动。

所述对侧电极装置的结构以及各个部件的组成可以与上述浆液电极装置的结构相同，本实用新型在此不再赘述。所述对侧电极浆液的组成可以与上述的电极浆液的组成相同，本实用新型在此不再赘述。

根据本实用新型的另一种优选实施方式，所述对侧电极装置也可以为本领域常规使用的固定式电极装置，如图7所示，优选地，所述对侧电极装置包括：多孔电极31、对侧第二双极板32、对侧第二集流器33以及用于存储含有对侧活性物质的对侧电解液的电解液储罐34；多孔电极31与对侧第二双极板32相邻；所述对侧第二双极板32和对侧第二集流器33相邻；所述对侧第二双极板32上设置有电解液流道使得对侧电解液与多孔电极31接触。

在上述基础上，本领域技术人员可以理解的是，所述隔膜3位于中间，所述浆液电极装置的双极板1具有打开的浆液电极腔5的一侧与隔膜3相邻，所述对侧电极装置的多孔电极31与所述隔膜3的另一侧相邻。沿背离所述隔膜3的方向，所述对侧电极依次设置有多孔电极31、对侧第二双极板32以及对侧第二集流器33。

根据本实用新型，所述多孔电极31可以为液流电池领域常规使用的各种电极材料，优选地，所述多孔电极31选自碳纸、碳毡、石墨纸和石墨毡中的至少一种。

根据本实用新型的一种优选实施方式，所述多孔电极31的厚度为0.1-10mm，进一步优选为0.5-5mm。

根据本实用新型的一种具体实施方式，所述电解液储罐34的出口与对侧第二双极板32的连接管线上设置有泵。

根据本实用新型，所述对侧活性物质可以为金属卤化物、金属硫酸盐、金属氢氧化物、不同价态的钒盐、硫代硫酸钠和溴化氢中的至少一种。

所述不同价态的钒盐可以选自VOSO₄、(VO₂)₂SO₄、VSO₄和V₂(SO₄)₃中的至少两种，优选为VOSO₄和(VO₂)₂SO₄，或者为VSO₄和V₂(SO₄)₃。

所述对侧电解液还含有对侧溶剂，所述对侧溶剂选自水、甲醇、乙醇、乙醚、丙酮和乙酸中的至少一种，优选为水。

根据本实用新型的一种具体实施方式，所述对侧活性物质的浓度可以为0.1-15mol/L，优选为1-10mol/L，进一步优选为1-5mol/L。

根据本实用新型，优选地，所述对侧电解液还含有对侧支持电解质。所述对侧支持电解质选自碳酸乙烯酯、碳酸丙烯酯、碳酸二乙酯、碳酸二甲酯、碳酸甲乙酯、六氟磷酸锂、硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，进一步优选为硫酸、盐酸、硝酸、氯化钠、氯化钾、硫酸钠、硫酸钾、氢氧化钠和氢氧化钾中的至少一种，更进一步优选为硫酸和/或氯化钠。对侧电解液中所述对侧支持电解质浓度可以为0.1-10mol/L。

根据本实用新型提供的液流电池系统，所述隔膜3位于浆液电极装置和对侧电极装置之间，且所述隔膜3一侧与所述浆液电极的双极板1相邻，所述隔膜3另一侧与所述对侧电极装置的多孔电极31相邻。

所述隔膜3可以为本领域常规使用的任何隔膜，本实用新型对其没有特别的限定，所述隔膜3可以与浆液电极装置中所述离子交换膜6相同，也可以不同，只要能够允许电池正极和负极连通离子通过即可，优选地，所述隔膜3选自阳离子交换膜、阴离子交换膜和筛分膜中的至少一种，进一步优选地，可以为磺酸型隔膜材料、高分子多孔膜材料、有机/无机复合材料和无机隔膜材料中的至少一种。所述隔膜3可以通过商购得到。

根据本实用新型的一种优选实施方式，如图4所示所述液流电池装置还包括位于浆液电极装置和对侧电极装置的集流器外侧(靠近隔膜3为内侧，远离隔膜3为外侧)的端板11。所述端板11用于固定液流电池，所述端板的材料包括但不限于金属材料、金属/高分子复合材料、玻璃纤维/高分子复合材料。

需要说明的是，本实用新型上述“第一”、“第二”不对所述内容产生任何限定，仅仅用于区别不同装置中的部件。

本实用新型还还提供了一种电池堆，所述电池堆包括上述的液流电池系统。本领域技术人员可以根据实际情况进行相应的设置，所述电池堆可以包括两个以上串联设置的所述液流电池系统。当两个单电池串联连接时，第一个单电池的对侧电极装置的集流器(对侧第一集流器22或对侧第二集流器33)与第二个单电池的浆液电极装置的集流器2相邻，此时可以省略一个集流器，对侧电极装置的集流器(对侧第一集流器22或对侧第二集流器33)与浆液电极装置的集流器2实质作用相同，本实用新型采用不同标记和标号只是为了将不同单元(浆液电极和对侧电极)的集流器进行区分。图8为本实用新型提供的电池堆的结构分解示意图，图8中，浆液电极装置的集流器2和对侧电极装置的集流器(对侧第一集流器22或对侧第二集流器33)统称为电池堆集流器2’。图8示例性的给出3个单电池的串联，本领域技术人员根据上述教导或者实际需求，可以在图中省略的区域加入更多的单电池。本实用新型所述电池堆配有一个或两个以上的浆液电极储罐4以及一个或两个以上的对侧浆液电极储罐24(或者，一个或两个以上的电解液储罐34)，浆液电极储罐4为浆液电极装置提供电极浆液，对侧浆液电极储罐24为对侧浆液电极装置提供对侧电极浆液(电解液储罐34为对侧浆液电极装置提供电解液)。

以下结合附图来具体说明本实用新型的具体实施方式。

本实用新型提供的浆液电极装置如图1、图2所示，电极浆液(组成见表1)存储于浆液电极储罐4中，双极板1(300mm×300mm×5mm)上设置有一侧打开的浆液电极腔5(尺寸为200mm×200mm×2mm(深度H))，浆液电极腔5中设置有蛇形流体通道9(加工在双极板1上的凹槽，其深度为0.2mm，宽度为2mm，如图3)。双极板1和浆液电极腔5之间贯穿设置有电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8，电极浆液入口流道7与浆液电极储罐4的出口通过管线连通，且所述管线上设置有泵，电极浆液出口流道8与浆液电极储罐4的入口连通，使得电极浆液能够在浆液电极腔5和浆液电极储罐4之间循环流动。电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的横截面为圆形，直径为0.5mm。电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8向偏向浆液电极储罐4的一端倾斜，且所述电极浆液入口流道7和电极浆液出口流道8的延伸方向与水平方向的夹角均为60°。浆液电极腔5打开的一侧覆盖有离子交换膜6(氢离子交换膜)，双极板1背对浆液电极腔5打开的一侧设置有集流器2(石墨材质)。

本实用新型提供的液流电池系统如图4所示，对侧电极装置包括：对侧第一双极板21、对侧第一集流器22以及用于存储对侧电极浆液(组成同上述电极浆液)的对侧浆液电极储罐24。如图5和图6所示，对侧第一双极板21(300mm×300mm×5mm)上设置有一侧打开的对侧浆液电极腔25(尺寸为200mm×200mm×2mm)，对侧第一双极板21和对侧浆液电极腔25之间贯穿设置有对侧电极浆液入口流道27和对侧电极浆液出口流道28，对侧电极浆液入口流道27与对侧浆液电极储罐24的出口通过管线连通，且所述管线上设置有泵，对侧电极浆液出口流道28与对侧浆液电极储罐24的入口连通，使得对侧电极浆液能够在对侧浆液电极腔25和对侧浆液电极储罐24之间循环流动。对侧浆液电极腔25打开的一侧覆盖有对侧离子交换膜26(氢离子交换膜)，对侧第一双极板21背对对侧浆液电极腔25打开的一侧设置有对侧第一集流器22(石墨材质)。对侧电极装置与本实用新型提供的浆液电极装置的设置和结构相同，且二者之间设置有隔膜3(全氟磺酸隔膜，商购自科慕化学公司，牌号为Nafion117的产品)。浆液电极装置的集流器2和对侧电极装置的对侧第一集流器22的外侧设有端板11，使用螺栓通过预设孔紧固以上部件，装配成液流电池。

对装配好的液流电池进行充放电测试(电流密度为100mA/cm²)，电池在充电过程中出现的平台电压为1.6V至1.7V，电池放电平台电压是1.4V至1.2V，电池开路电压为1.5V。电池的充放电平台电压持续16个小时，呈现典型的液流电池充放电特性。停止电极浆液的输送，进行电池的充放电测试(100mA/cm²)，无法形成平台电压，电池工作曲线无典型的平台出现，同一般功率与容量非解耦的电池如锂离子电池相似，不具备液流电池特性。主要原因是由于停止泵送后，浆液电极储罐内的电极浆液无法进入浆液电极腔，仅浆液电极腔内残留的活性物质进行反应，电池容量较小，充放电周期仅存在几分钟，同时由于持续的充电或放电，无活性物质补充，电压持续升高或降低。

对装配成的液流电池进行循环充放电测试，充放电的电流密度为100mA/cm²。结果显示，采用本实用新型提供的液流电池浆液电极装置装配成的液流电池具有较高的首周放电比容量，且循环50次后，其放电比容量仍较大，表明具有较好的循环性能。

本实用新型的另一种具体实施方式：浆液电极装置如上所述，对侧电极装置也可以为本领域常规使用的固定式电极装置，如图7所示，所述对侧电极装置包括：多孔电极31(多孔碳纤维毡，尺寸为200mm×200mm×2mm)、对侧第二双极板32(尺寸为200mm×200mm×1mm)、对侧第二集流器33(尺寸为200mm×200mm×1mm，石墨材质)以及用于存储含有对侧活性物质的对侧电解液(组成见表1)的电解液储罐34。多孔电极31与对侧第二双极板32相邻；所述对侧第二双极板32和对侧第二集流器33相邻；所述对侧第二双极板32上设置有电解液流道使得对侧电解液与多孔电极31接触。对侧电极装置与浆液电极装置之间设置有隔膜3(全氟磺酸隔膜，商购自科慕化学公司，牌号为Nafion117的产品)。浆液电极装置的集流器2和对侧电极装置的对侧第二集流器33的外侧设有端板11，使用螺栓通过预设孔紧固以上部件，装配成液流电池。该电池同样具备液流电池特性，且具有较高的首周放电比容量和较好的循环性能。

表1

本实用新型提供的液流电池浆液电极装置可以使用电极浆液代替传统的液流电池使用较昂贵的碳纤维，降低成本。该电极浆液可以使用颗粒状的电极材料，材料制备工艺简单，无论是材料成本还是工艺成本都较为低廉。

以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式，但是，本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节，在本实用新型的技术构思范围内，可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。

本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本实用新型的思想，其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (10)

1.一种液流电池浆液电极装置，其特征在于，该装置包括：双极板(1)、集流器(2)以及用于存储电极浆液的浆液电极储罐(4)；

双极板(1)相对的两面中，一面与集流器(2)相邻，另一面设置有一侧打开的浆液电极腔(5)，浆液电极腔(5)打开的一侧覆盖有离子交换膜(6)；

双极板(1)和浆液电极腔(5)之间贯穿设置有电极浆液入口流道(7)和电极浆液出口流道(8)，电极浆液入口流道(7)与浆液电极储罐(4)的出口连通，电极浆液出口流道(8)与浆液电极储罐(4)的入口连通，使得电极浆液能够在浆液电极腔(5)和浆液电极储罐(4)之间循环流动。

2.根据权利要求1所述的浆液电极装置，其特征在于，所述浆液电极腔(5)的深度H为0.1-10mm；所述浆液电极腔(5)的横截面积为0.01-1m²。

3.根据权利要求2所述的浆液电极装置，其特征在于，所述浆液电极腔(5)的体积为双极板(1)体积的10-90％。

4.根据权利要求1-3中任意一项所述的浆液电极装置，其特征在于，所述浆液电极腔(5)设置有流体通道(9)，所述流体通道(9)为蛇形流道、插指形流道或平行流道。

5.根据权利要求1-3中任意一项所述的浆液电极装置，其特征在于，所述电极浆液入口流道(7)的延伸方向与水平方向的夹角为10°-90°；所述电极浆液出口流道(8)的延伸方向与水平方向的夹角为10°-90°。

6.根据权利要求5所述的浆液电极装置，其特征在于，所述电极浆液入口流道(7)的延伸方向与水平方向的夹角为45°-90°；所述电极浆液出口流道(8)的延伸方向与水平方向的夹角为45°-90°。

7.一种液流电池系统，其特征在于，该液流电池系统包括权利要求1-6中任意一项所述的浆液电极装置和对侧电极装置，以及设置在所述浆液电极装置和对侧电极装置之间的隔膜(3)。

8.根据权利要求7所述的液流电池系统，其特征在于，所述对侧电极装置包括：对侧第一双极板(21)、对侧第一集流器(22)以及用于存储对侧电极浆液的对侧浆液电极储罐(24)；

对侧第一双极板(21)相对的两面中，一面与对侧第一集流器(22)相邻，另一面设置有一侧打开的对侧浆液电极腔(25)，对侧浆液电极腔(25)打开的一侧覆盖有对侧离子交换膜(26)；

对侧第一双极板(21)和对侧浆液电极腔(25)之间贯穿设置有对侧电极浆液入口流道(27)和对侧电极浆液出口流道(28)，对侧电极浆液入口流道(27)与对侧浆液电极储罐(24)的出口连通，对侧电极浆液出口流道(28)与对侧浆液电极储罐(24)的入口连通，使得对侧电极浆液能够在对侧浆液电极腔(25)和对侧浆液电极储罐(24)之间循环流动。

9.根据权利要求7所述的液流电池系统，其特征在于，所述对侧电极装置包括：多孔电极(31)、对侧第二双极板(32)、对侧第二集流器(33)以及用于存储含有对侧活性物质的对侧电解液的电解液储罐(34)；多孔电极(31)与对侧第二双极板(32)相邻；所述对侧第二双极板(32)和对侧第二集流器(33)相邻；所述对侧第二双极板(32)上设置有电解液流道使得对侧电解液与多孔电极(31)接触。

10.一种电池堆，所述电池堆包括权利要求7-9中任意一项所述的液流电池系统。