TWI521768B - 內部具有感測片的液流電池堆 - Google Patents

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TWI521768B TW103122538A TW103122538A TWI521768B TW I521768 B TWI521768 B TW I521768B TW 103122538 A TW103122538 A TW 103122538A TW 103122538 A TW103122538 A TW 103122538A TW I521768 B TWI521768 B TW I521768B
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Description

內部具有感測片的液流電池堆
本發明是有關於一種液流電池堆，且特別是一種內部具有感測片之液流電池堆。
隨著工業快速發展，人們消耗化石能源的速度越來越快，除了造成化石能源嚴重短缺外，亦使得生態環境日趨惡化，故發展高效率及低汙染的再生能源及儲能技術來代替化石能源已是重要的發展趨勢。
一般而言，再生能源如海流發電、潮汐發電、地熱能源、風力發電與太陽能發電，而所述再生能源中又以不會造成環境污染及來源豐沛的太陽能及風能發電最受矚目，但兩者容易受氣候變化影響，而存在供電不穩定的問題。因此，再生能源需和大型儲能裝置相配合，來構成完整的供電系统，以確保電能供應的穩定。
「氧化還原液流電池」(redox flow battery,RFB)為一種大型且高效率的電化學儲能裝置。詳細地說，液流電池具有電池堆及兩個分別裝有正負極電解液的容器，並且正負極電解液藉由泵浦元件(pump)被抽送至電池堆中，以隔著電池堆內的離子交換膜(ion exchange membrane)進行電化學反應來產生電能，而所述電化學反應的過程為可逆的，所以液流電池可以反覆進行充電及放電。因此，當再生能源的發電量超過使用需求時，通過對液流電池的充 電，可將電能轉化為化學能儲存在電解液中；而當發電裝置的發電量無法滿足使用需求時，通過液流電池的放電，可避免供電的不穩定。
值得注意的是，於液流電池進行電化學反應時，電池堆內電解液的溫度及流量皆會影響液流電池的性能及壽命，例如於液流電池運作時，可能因為電池堆內部溫度分布不均的關係，發生結塊現象，而阻塞內部用以輸送電解液之流道，進而影響液流電池的工作性能及縮短液流電池的使用壽命。因此，如何量測液流電池之電池堆內部電解液的溫度及流量等工作參數顯得格外重要。
本發明實施例提供一種液流電池堆包括電池組以及固設於所述電池組兩側的兩壓板。電池組具有膜電極組、感測片與集流板，其中感測片具有邊框部與連接於邊框部的感測部，所述邊框部夾置於膜電極組與集流板之間，感測部延伸至集流板的流道區以感測流道區中的液體之流量或溫度。
本發明實施例另提供一種液流電池堆包括電池組以及固設於所述電池組兩側的兩壓板。電池組具有膜電極組、感測片與集流板，其中集流板具有一凹槽，用以容置感測片，感測片夾置於膜電極組與集流板之間，感測片延伸至集流板的流道區域以感測流道區域中的液體之流量或溫度。
綜上所述，本發明實施例所提出之液流電池堆，內部具有用以感測流道區中液體之流量或溫度的感測片，能即時對外傳送感測結果，而能讓外部監控裝置依據感測結果即時改變流道區中液體之流速，藉此避免電解液發生結塊現象而造成流道區中之流道的阻塞。
為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用 來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。
10、30‧‧‧液流電池堆
11、12‧‧‧儲液罐
13、14‧‧‧泵浦元件
15‧‧‧監控裝置
100、300‧‧‧電池組
110、112、310、312‧‧‧壓板
120、122、320、322‧‧‧集電板
130、132、330、332‧‧‧集流板
140、142、S’‧‧‧感測片
150、152、340、342‧‧‧環狀墊片
160、162、350、352‧‧‧電極片
170、360‧‧‧離子交換膜
180、370‧‧‧穿孔
191、381‧‧‧進液孔
192、382‧‧‧出液孔
1301、3301‧‧‧流道區
1302、3302‧‧‧鎖固區
1303、3303‧‧‧流道
3304‧‧‧凹槽
1401、1421‧‧‧邊框部
1402、1422、S1‧‧‧感測部
1403、1423‧‧‧內側框緣
1404、1424、S2‧‧‧連接部
1701‧‧‧離子交換區
1702‧‧‧邊框區
C‧‧‧控制訊號
S‧‧‧感測器
P‧‧‧感測訊號
圖1為根據本發明實施例之液流電池堆之結構示意圖。
圖2為根據本發明實施例之液流電池控制系統的架構示意圖。
圖3為根據本發明另一實施例之液流電池堆之結構示意圖。
在下文將參看隨附圖式更充分地描述各種例示性實施例，在隨附圖式中展示一些例示性實施例。然而，本發明概念可能以許多不同形式來體現，且不應解釋為限於本文中所闡述之例示性實施例。確切而言，提供此等例示性實施例使得本發明將為詳盡且完整，且將向熟習此項技術者充分傳達本發明概念的範疇。在諸圖式中，可為了清楚而誇示層及區之大小及相對大小。類似數字始終指示類似元件。
應理解，雖然本文中可能使用術語第一、第二、第三等來描述各種元件，但此等元件不應受此等術語限制。此等術語乃用以區分一元件與另一元件。因此，下文論述之第一元件可稱為第二元件而不偏離本發明概念之教示。如本文中所使用，術語「及/或」包括相關聯之列出項目中之任一者及一或多者之所有組合。
〔液流電池堆的實施例〕
請參照圖1，圖1為根據本發明實施例之液流電池堆之結構示意圖。液流電池堆10包括電池組100、兩壓板110及112、兩集電板120及122。電池組100夾設於集電板120及122之間，而電池組100與兩集電板120及122進一步地夾設於壓板110及112之間。
電池組100包括兩集流板130及132、兩感測片140及142、兩環狀墊片150及152、兩電極片160及162、以及離子交換膜 170。在本實施例中，集流板130、感測片140、環狀墊片150、電極片160、離子交換膜170、電極片162、環狀墊片152、感測片142以及集流板132依序堆疊以形成電池組100。值得注意的是，本實施例並不限制液流電池堆10僅包含單一電池組100，亦即液流電池堆10可包含至少一電池組100。
電極片160及162例如為具有多孔性的石墨氈或碳氈，且電極片160及162設置於離子交換膜170的兩側。環狀墊片150及152亦設置於離子交換膜170的兩側，並且環狀墊片150及152分別具有對應於電極片160的中空洞以及對應於電極片162的中空洞，以讓電極片160及162分別設置於環狀墊片150及152內。離子交換膜170、電極片160及162以及環狀墊片150及152組成一膜電極組(Membrane Electrode Assembly，MEA)。
集流板130具有流道區1301、鎖固區1302以及流道1303，其中流道1303設置於流道區1301內，用以供液體(即電解液)流過。集流板132亦具有同於集流板130之結構特徵，故本實施例在此不再贅述。
感測片140夾置於所述膜電極組與集流板130之間，以及感測片142夾置於所述膜電極組與集流板132之間。感測片140具有邊框部1401、感測部1402以及連接部1404，其中邊框部1401為一環狀封閉框體，感測部1402連接於所述環狀封閉框體之內側邊緣1403並延伸至集流板130的流道區1301，以感測流道區1301中流道1303內的液體流量或溫度，連接部1404為一具導電性的輸出接口，用以連接一外部裝置，以傳送感測部1402的感測結果至所連接的外部裝置。感測片142亦具有同於感測片140之結構特徵，故本實施例在此不再贅述。值得注意的是，本發明所提出之液流電池堆10可僅設置有一感測片，本發明實施例並不限制液流電池堆10內感測片140或142的設置數量。
壓板110及112、集電板120及122、集流板130及132皆具 有一進液區(亦即進液孔191)及一出液區(亦即出液孔192)，其中多個進液孔191用以供液體(即電解液)注入至液流電池堆10內部，以及多個出液孔192用以供液體排出至液流電池堆10外部，其中集流板130的進液孔191連接流道1303，以及集流板130的出液孔192連接流道1303。
另外，壓板110及112、集電板120及122、集流板130及132、感測片140及142、環狀墊片150及152與離子交換膜170皆具有複數個穿孔180，並且複數個穿孔180的位置相互對應，用以穿設複數個鎖固件，以將液流電池堆10鎖固為一體，其中複數個鎖固件例如為螺栓及螺帽。
在本實施例中，離子交換膜170具有離子交換區1701及邊框區1702，其中離子交換區1701對應於電極片160及162，並且電極片160及162係貼附於離子交換區1701的兩側。而邊框區1702內設置有所述複數個穿孔180，以穿設複數個鎖固件，因此邊框區1702與環狀墊片150及152可視為所述膜電極組的鎖固區，而感測片140的邊框部1401係被夾置在所述膜電極組的鎖固區與集流板130的鎖固區1302之間，以及感測片142的邊框部1421係被夾置在所述膜電極組的鎖固區與集流板132的鎖固區(未標號)之間，藉此確保在液流電池堆10設置有感測片140及142的情況下通入電解液時不會發生洩露的情況。
更詳細地說，如前文所述，邊框部1401係為環狀封閉框體，並且邊框部1401上還設有複數個穿孔180，而邊框部1401的複數個穿孔180係與膜電極組的鎖固區及集流板132的鎖固區相互對應，因此當液流電池堆10通入電解液後，通過邊框部1401、膜電極組的鎖固區及集流板130的鎖固區1302內的複數個穿孔180來穿設複數個鎖固件，使得邊框部1401被緊密夾置在所述膜電極組的鎖固區與集流板130的鎖固區1302之間，藉此以確保在液流電池堆10通入電解液後依然不會造成電解液洩露的現象。也就是 說，即使本發明液流電池堆10內設置有複數個感測片140或142亦不會影響液流電池堆10的密封狀況。
接下來，請同時參照圖1及圖2，圖2為根據本發明實施例之液流電池控制系統的架構示意圖。液流電池的控制系統包括液流電池堆10、兩儲液罐11及12、兩泵浦元件13及14與控制裝置15，其中液流電池堆10、兩儲液罐11及12與兩泵浦元件13及14組成一液流電池，並且所述液流電池例如為釩液流電池、鋰離子液流電池、鉛酸液流電池或其它可能之液流電池。
儲液罐11及12分別注入有正極及負極的電解液，並且儲液罐11連接液流電池堆10與泵浦元件13，以及儲液罐12連接液流電池堆10與泵浦元件14。液流電池堆10設有正負電解液的總管(未繪示)，以連接儲液罐11及12，並且液流電池堆10通過泵浦元件13及14來導入儲液罐11及12內的電解液至液流電池堆10內部，以進行電化學反應(即氧化還原反應)。
在本實施例中，控制裝置15係電性連接於液流電池堆10之連接部1404及1424與泵浦元件13及14。控制裝置15用以接收由連接部1404或1424所傳送的感測訊號P，並且控制裝置15依據所接收的感測訊號P對應控制泵浦元件13及14，以改變液流電池堆10內之正負電解液的流速，其中控制裝置15例如為微控制器(microcontroller)。
詳細地說，如圖1所示，感測部1402及1422分別具有複數個感測器S，並且邊框部1401及1402內分別佈有導電線路，以讓感測部1402的兩感測器S電性連接連接部1404及讓感測部1422的兩感測器S電性連接連接部1424。此外，感測部1402的兩感測器S係分別延伸至集流板130的進液孔191及出液孔192，以及感測部1422的兩感測器S係分別延伸至集流板132的進液孔191及出液孔192，以分別感測對應流道中的液體之流量或溫度。在本實施例中，感測器S例如為可撓式微型溫度感測器、微型流量感測器 或整合有溫度及流量感測器之二合一可撓式微型感測器，其中所述溫度或流量微型感測器為通過微機電系統(MEMS)技術來開發的電阻式感測線路，具有體積小厚度薄的特點。
以微型溫度感測器來說，其感測原理為，當液體流經感測器時，感測器的電阻值會隨液體溫度的升高而增加，並且隨溫度之降低而減少，因此量測感測器之電阻值，即能間接求得液體之溫度。另一方面，以微型流量感測器來說，其感測原理為，施加一定的電壓在感測器上，促使感測器發熱而在周圍形成一穩定溫度場，當具有固定流速的液體流經感測器時，會帶走溫度場的熱量而造成感測器溫度下降，並且隨著感測器溫度的下降將使得感測器的電阻值下降，因此藉由歐姆定律可推知液體的流量。
如此，通過處理及分析複數個感測器S所傳送的感測訊號P，控制裝置15可即時改變液流電池堆10內流道中之電解液流速，以避免流道出入口發生結塊現象，如此可降低流道阻塞的機率，達到即時監測且微觀診斷而提升電池性能及延長電池使用壽命的目的。
此外，值得注意的是，感測器S亦可為電流、電壓微型感測器或整合有所述多種感測器之多合一之微型感測器，以進一步量測液流電池堆10內多個重要工作參數，而能精確且全面的監測液流電池堆10於運作時的內部資訊，故本實施例不限制感測器S可為之態樣，以及感測部1402所包含感測器S的數量(即感測部1402包含至少一感測器S)，並且當感測部1402內包含有兩個以上的感測器S時，複數個感測器S可以環狀排列的方式由內側邊緣1403延伸至集流板130的流道1303，藉此可更精確地感測流道1303內各區段之電解液的溫度、流量或其他重要工作參數，並由控制裝置15進行分析處理以執行適當的控制程序。
〔液流電池堆的另一實施例〕
請參照圖3，圖3為根據本發明另一實施例之液流電池堆之結 構示意圖。液流電池堆30包括電池組300、兩壓板310及312、兩集電板320及322。電池組300包括兩集流板330及332、複數個感測片S’、兩環狀墊片340及342、兩電極片350及352、以及離子交換膜360。在本實施例中，電池組300、兩壓板310及312、兩集電板320及322亦通過複數個穿孔370來穿設複數個鎖固件，以將液流電池堆30鎖固為一體。
在本實施例中，與上述圖1實施例不同的是，液流電池堆30未包含有感測片140及142，並且集流板330及332還進一步設置有至少一凹槽，用以容置感測片S’。詳細地說，集流板330具有兩凹槽3304，兩凹槽3304係由鎖固區3302延伸至流道區3301中以連通流道3303，藉此讓所容置的感測片S’能感測流道3303中的液體之重要工作參數(如液體流量或溫度)。在本實施例中，集流板332亦具有同於集流板330之結構特徵，故本實施例在此不再贅述。值得注意的是，本實施例並不限制集流板330及332內之凹槽的設置數量。
於多個感測片S’分別容置於集流板330及332的兩凹槽後，容置於集流板330的兩凹槽中之兩感測片S’係分別夾置於膜電極組與集流板320之間，以及容置於集流板332的兩凹槽中之兩感測片S’係分別夾置於膜電極組與集流板322之間。
此外，尚須一提的是，感測片S’具有感測部S1及連接部S2，感測部S1內包含有前述實施例所述之微型感測器，並且感測部S1內之微型感測器係電性連接連接部S2，而連接部S2為一具導電性的輸出接口，用以連接一外部裝置(例如前述實施例所述之控制裝置15)，並且連接部S2用以傳送感測部S1的感測結果至所連接的外部裝置，以讓外部裝置進行分析及處理。值得注意的是，本實施例並不限制感測部S1所包含微型感測器的數量及種類。
〔實施例的可能功效〕
綜上所述，本發明實施例所提出之液流電池堆，內部具有用 以感測流道區中液體之流速或溫度的感測片，能即時對外傳送感測結果，而能讓外部監控裝置依據感測結果即時改變流道區中液體之流速，藉此避免電解液發生結塊現象，而能提升電池性能及延長電池使用壽命的目的。
惟上述所揭露之圖式及說明，僅為本發明之實施例而已，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，當可依據上述之說明做各種之更動與潤飾，即大凡依本發明申請專利範圍及發明說明內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10‧‧‧液流電池堆
100‧‧‧電池組
110、112‧‧‧壓板
120、122‧‧‧集電板
130、132‧‧‧集流板
140、142‧‧‧感測片
150、152‧‧‧環狀墊片
160、162‧‧‧電極片
170‧‧‧離子交換膜
180‧‧‧穿孔
191‧‧‧進液孔
192‧‧‧出液孔
1301‧‧‧流道區
1302‧‧‧鎖固區
1303‧‧‧流道
1401、1421‧‧‧邊框部
1402、1422‧‧‧感測部
1403、1423‧‧‧內側框緣
1404、1424‧‧‧連接埠
1701‧‧‧離子交換區
1702‧‧‧邊框區
S‧‧‧感測器

Claims (11)

  1. 一種液流電池堆，包括：一第一電池組，具有一第一膜電極組、一第一感測片與一第一集流板，其中該第一感測片具有一第一邊框部與連接於該第一邊框部的一第一感測部，該第一邊框部夾置於該第一膜電極組與該第一集流板之間，該第一感測部延伸至該第一集流板的一第一流道區以感測該第一流道區中的液體之流量或溫度；一第一壓板，固設於該第一電池組的一側；以及一第二壓板，固設於該第一電池組的另一側。
  2. 如請求項第1項所述的液流電池堆，其中該第一膜電極組具有一第一鎖固區，該第一集流板具有一第二鎖固區，該第一邊框部被夾置在該第一鎖固區與該第二鎖固區之間。
  3. 如請求項第2項所述的液流電池堆，其中該第一鎖固區具有複數個第一穿孔，該第一邊框部具有複數個第二穿孔，該第二鎖固區具有複數個第三穿孔，其中該些第一穿孔、該些第二穿孔與該些第三穿孔的位置相互對應，用以穿設複數個鎖固件。
  4. 如請求項第1項所述的液流電池堆，其中該第一膜電極組具有一離子交換膜、一第一電極片、一第二電極片、一第一環狀墊片及一第二環狀墊片，該離子交換膜夾置於該第一電極片與該第二電極片之間，其中該第一電極片設置於該第一環狀墊片之中，及該第二電極片設置於該第二環狀墊片之中。
  5. 如請求項第4項所述的液流電池堆，其中該第一感測片的該第一邊框部為一環狀封閉框體，該第一感測部連接於該環狀封閉框體的內側邊緣。
  6. 如請求項第4項所述的液流電池堆，其中該第一感測部具有至少一電阻式感測線路。
  7. 如請求項第1項所述的液流電池堆，其中該第一流道區域包括：一流道區，用以供液體流過；一進液區，連接於該流道區，該進液區用以供液體注入；以及一出液區，連接於該流道區，該出液區用以供液體排出；其中，該第一感測部係延伸至該進液區或該出液區，以感測該第一流道區中的液體之流量或溫度。
  8. 如請求項第1項所述的液流電池堆，其中該第一電池組具有一第二集流板與一第二感測片，該第二感測片具有一第二邊框部與連接於該第二邊框部的一第二感測部，該第二邊框部夾置於該第一膜電極組與該第二集流板之間，該第一感測部延伸至該第二集流板的一第二流道區以感測該第二流道區中的液體之流量或溫度。
  9. 如請求項第1項所述的液流電池堆，更包括一第二電池組，具有一第二膜電極組、一第二感測片與一第二集流板，其中該第二感測片具有一第二邊框部與連接於該第二邊框部的一第二感測部，該第二邊框部夾置於該第二膜電極組與該第二集流板之間，該第二感測部延伸至該第二集流板的一第二流道區以感測該第二流道區中的液體之流量或溫度。
  10. 如請求項第1項所述的液流電池堆，更包括：一第一集電板，夾至於該第一電池組與該第一壓板間；一第二集電板，夾至於該第一電池組與該第二壓板間；以及複數個鎖固件，用以鎖固該第一電池組、該第一集電板、該第二集電板、該第一壓板及該第二壓板。
  11. 一種液流電池堆，包括：一電池組，具有一膜電極組、一集流板與一感測片，其中該 集流板具有一凹槽，用以容置該感測片，該感測片夾置於該膜電極組與該集流板之間，該感測片延伸至該集流板的一流道區域以感測該流道區域中的液體之流量或溫度；一第一壓板，固設於該第一電池組的一側；以及一第二壓板，固設於該第一電池組的另一側。
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