TWI688153B

TWI688153B - 流道板結構以及具有所述流道板結構的電化學設備

Info

Publication number: TWI688153B
Application number: TW107143947A
Authority: TW
Inventors: 薛康琳; 吳錦貞
Original assignee: 財團法人工業技術研究院
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2020-03-11
Also published as: TW201929307A

Abstract

一種流道板結構，包括非反應部與電化學反應部。所述非反應部具有至少一歧道入口、至少一歧道出口、流道以及截斷結構。截斷結構分別設置於流道內，且截斷結構的總面積與流道板結構的面積的比例為0.002~0.01視電池尺寸而定。每個截斷結構包括一氣液分離槽、一連結部與一漸縮部，其中連結部的寬度小於或等於氣液分離槽的寬度，且漸縮部連結所述氣液分離槽與所述連結部，漸縮部的下游端之流路剖面積小於其上游端之流路剖面積。

Description

流道板結構以及具有所述流道板結構的電化學設備

本發明是有關於一種流道板設計，且特別是有關於一種流道板結構以及具有所述流道板結構的電化學設備。

液流電池組係由多數單電池串聯而成，由於在各單電池間之電解液互相連通，而容易在電池之交互作用下損失電能，因此如能改善此問題，理論上電池的儲能效能應該可以接近90%。

以上問題主要是由於目前電化學反應槽為了降低槽體的體積與成本，各個單電池通常以串聯方式疊堆成電池組或電解槽組。然而，當離子導電度高的電解液經由電池組或電解槽組的流道輸送到各個單電池時，在這些電池組或電解槽兩端的電極因為電性串聯的關係，電壓(或電位差)很高，部分電流會直接經由充滿高導電電解質的流道流通，造成所謂的漏電現象。這種漏電現象不但會造成電化學反應槽電能效率的低落，內部電流也會造電解槽或電池組各部位元件的腐蝕或是電解質的分解劣化。

本發明提供一種流道板結構，能防止電流直接經由歧道流通而導致的漏電現象。

本發明的流道板結構，包括一非反應部與一電化學反應部。非反應部具有至少一歧道入口、至少一歧道出口以及數條流道。電化學反應部設置於流道板結構的中央，且所述電化學反應部透過數條流道中之一與歧道入口連通，以及透過數條流道中之另一與歧道出口連通。上述非反應部還可包括數個截斷結構，分別設置於流道內，其中截斷結構的總面積與流道板結構的面積的比例為0.002~0.01，且每個截斷結構包括一氣液分離槽、一連結部以及一頸縮部，其中連結部的寬度小於或等於氣液分離槽的寬度，且漸縮部連結所述氣液分離槽與所述連結部，所述漸縮部的下游端之流路剖面積小於其上游端之流路剖面積。

本發明還提供一種電化學設備，具有上述流道板結構。

基於上述，本發明藉由特定設計的截斷結構，能在防止漏電的同時，大幅縮減截斷結構所佔面積比，進而增進電化學設備之功率密度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

請參考以下實施例及隨附圖式，以便更充分地了解本發明，但是本發明仍可以藉由多種不同形式來實踐，且不應將其解釋為限於本文所述之實施例。為了方便理解，下述說明中相同的元件將以相同之符號標示來說明。而在圖式中，為求明確起見對於各構件以及其相對尺寸可能未按實際比例繪製。

圖1是依照本發明的第一實施例的一種流道板結構的上視示意圖。

請參照圖1，第一實施例的流道板結構100包括一非反應部102與一電化學反應部104。非反應部102具有一歧道入口106、一歧道出口108和數條流道110a和110b，電化學反應部104即設置於流道板結構100的中央112，且電化學反應部104透過一條流道110a與歧道入口106連通，以及透過另一條流道110b與歧道出口108連通，因此電解液可從歧道入口106流入並經由流道110a進入電化學反應部104，且反應後的電解液可經由流道110b流出歧道出口108。上述非反應部102還包括截斷結構114a和114b，截斷結構114a設置於流道110a內、截斷結構114b設置於流道110b內，其中截斷結構114a和114b的總面積與流道板結構100的面積的比例約為0.002~0.01。舉例來說，若是流道板結構100的長度在10公分~200公分之間、寬度在10公分~200公分之間，則每個截斷結構114a或114b的寬度(氣液分離槽116的寬度w2)約2公分~5公分之間，長度則約5公分~10公分，但本發明並不限於此，可依實際需求做變更。

為了清楚顯示每個截斷結構的細部構造，請參照圖1左側的截斷結構114b之放大圖，其中顯示的截斷結構114b包括一氣液分離槽116、一連結部118以及一漸縮部120，以使氣泡維持在氣液分離槽116內，達到截斷液流的效果。詳細來說，若是第一實施例的流道板結構100應用於電化學設備，可在電化學設備運作前利用幫浦等裝置灌入適量氣體(如空氣)，使截斷結構114b內空氣與液體比例範圍至少1:5，空氣體積越大，有利於截斷液流的效果。然後藉由截斷結構114a和114b截斷流道110a和110b內的電解液，使流道110a和110b內的電阻值增加，讓電流不會直接經由流道110a和110b流通造成漏電。因此，截斷結構114a和114b的數量較佳是與歧道入口106以及歧道出口108的總數量相同。上述連結部118的寬度w1可小於或等於氣液分離槽116的寬度w2，且連結部118的寬度w1可等於或大於流道110b的寬度w4。在本實施例中，漸縮部120連結所述氣液分離槽116與所述連結部118，且漸縮部120的下游端之流路剖面積小於上游端之流路剖面積；也就是說，若以截斷結構114b為例，流路是指從電化學反應部104 往歧道出口108的路徑(如圖1的虛線箭頭方向)，而上游端就是與連結部118相連的一端、下游端就是與氣液分離槽116相連的一端。由於流道板結構100的非反應部102的厚度有限，所以截斷結構114b的厚度(或深度)通常等於或小於非反應部102的厚度，因此如圖1所示，漸縮部120例如自上游端往下游端縮減的縮口結構，以達到下游端之流路剖面積小於上游端之流路剖面積的需求，其中漸縮部120之流路的最小寬度w3可為連結部118的寬度w1的0.1倍至0.4倍之間(如0.3公分~2公分之間)，但本發明並不限於此。另外，根據設計需求，在非反應部102的邊緣還可具有用於組裝的連接孔122。

圖2是依照本發明的第二實施例的一種流道板結構的上視示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同與類似的構件，且相同或類似的構件的說明也可參照第一實施例，不再贅述。

在圖2中，若是第二實施例的流道板結構200應用於液流電池，需要通入陰極電解液和陽極電解液，所以在流道板結構200正面於非反應部202設置有一陰極電解液入口206a與一陰極電解液出口206b、在流道板結構200背面於非反應部202設置有一陽極電解液入口208a與一陽極電解液出口208b（以虛線表示背面的構造），用以分別供陰極電解液和陽極電解液進入電化學反應部204。因此，截斷結構114a和114b的數量總共是4個，分別設置於非反應部202的正面與背面的流道110a和110b內。

本發明的截斷結構除了第一與第二實施例中的型態外，還可有其它變形例，如圖3或圖4。

圖3是依照本發明的第一種截斷結構的上視示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同與類似的構件，且相同或類似的構件的說明也可參照第一實施例，不再贅述。

在圖3中，截斷結構300包括一氣液分離槽116、一連結部302與一漸縮部304，其中連結部302的寬度w1小於氣液分離槽116的寬度w2，且連結部302的寬度w1大於流道110b的寬度w4。在本實施例中，漸縮部304連結氣液分離槽116與連結部302，且漸縮部304包括設置於氣液分離槽116內接近連結部302與氣液分離槽116相連處的兩個檔板306，其中漸縮部304之流路的最小寬度w5（即檔板306間距）例如是連結部302的寬度w1的0.1倍至0.4倍之間，並搭配檔板306本身寬度，以使漸縮部304的下游端之流路剖面積小於漸縮部304的上游端之流路剖面積。雖然第三實施例的截斷結構300內有兩個檔板306，但本發明並不限於此，凡是能達到截斷液流的效果，上述檔板的位置、數量、大小與形狀均可作變化。

圖4是依照本發明的第二種截斷結構的上視示意圖，其中使用與第一實施例相同的元件符號來表示相同與類似的構件，且相同或類似的構件的說明也可參照第一實施例，不再贅述。

在圖4中，截斷結構400包括一氣液分離槽116、一連結部402與一漸縮部406，且於連結部402與流道110b之間還有一縮口結構404，其係自上游端往所述下游端縮減。在本實施例中，漸縮部406包括接近連結部402的一個檔板408，以使下游端之流路剖面積小於上游端之流路剖面積，其中漸縮部406之流路的最小寬度w6例如是連結部402的寬度w1的0.1倍至0.4倍之間。截斷結構400內部的箭號代表的是流體可能的流動方向，所以流道110b內的電解液會被截斷，並使空氣維持在氣液分離槽116內。

上述實施例的流道板結構均可設置於電化學設備中，且所述電化學設備例如液流電池、金屬空氣液流電池、鹼鹵工業電解槽、電鍍工業電鍍槽等。

以下列舉實驗來驗證本發明的實施效果，但本發明並不侷限於以下的內容。

〈製備例〉

首先製作如圖5A至圖5G所示的七種截斷結構，再從截斷結構的上、下游端分別接一條管子(輸送電解液)，另外使用兩個鎳片相距100 mm作為電極接在管子內，並使用食鹽水(NaCl)作為電解質(液)進行以下分析實驗。其中，圖5A、圖5B與圖5C的截斷結構屬於第一實施例的類型；圖5D、圖5E、圖5F與圖5G的截斷結構屬於圖3的類型，且所有截斷結構中的氣液分離槽以及連結部的深度都是1 mm~2 mm。

〈電阻量測〉

通過EIS（電化學阻抗頻譜，AutoLab）測量鎳電極之間的阻抗(impedance)。電解質電阻由奈斯特圖(Nyquist Plot)計算。每次改變流速後先保持10分鐘後，再開始EIS測量5分鐘。

〈實驗例1~2〉

首先使用圖5C的截斷結構，並在連接所有管子後，用蠕動泵使電解液循環。然後，根據下表1的條件1進行電阻量測(電解液的流速為5 ml min^-1 ~80 ml min^-1 )，結果顯示於圖6A~圖6B。圖6B是圖6A的區域600之局部放大圖，從圖6B的Y軸之數值即為電解質的電阻值(歐姆，ohm)。

然後，同樣使用圖5C的截斷結構分別在下表1的條件1~3進行改變流速的電阻量測，其中電解液的流速範圍為5ml min^-1 至80ml min^-1 (分別是5 ml min^-1 、10 ml min^-1 、15 ml min^-1 、20 ml min^-1 、25 ml min^-1 、30 ml min^-1 、35 ml min^-1 、40 ml min^-1 、45 ml min^-1 、50 ml min^-1 、55 ml min^-1 、60 ml min^-1 、65 ml min^-1 、70 ml min^-1 、75 ml min^-1 、80 ml min^-1 )，結果顯示於圖7。

另外，同樣使用圖5B的截斷結構分別在下表1的條件1~3進行改變流速的電阻量測，其中電解液的流速範圍如上所述，結果顯示於圖8。

表1

表1中的電解液若有含空氣，則是在量測前先用幫浦灌入適量空氣，且空氣與流體比例約控制在1:3至1:5；截斷結構內若無空氣，則代表其中充滿電解液。表1中的流動方式「垂直」是代表量測期間的截斷結構的流路垂直於水平面、流動方式「橫向」則是代表量測期間的截斷結構的流路平行於水平面。

從圖7和圖8可得到隨電解液的流速變化並不影響截斷結構對於防止漏電的效果，其內部都維持在高電阻值，且以條件3的效果較佳。

〈實驗例3~10〉

根據下表2的條件進行與實驗例1相同的電阻量測。

表2

表2中的條件定義與表1相同，故不再贅述。實驗例3~10的實驗結果連同實驗例1~2的結果顯示於圖9，其中實驗例2和8無條件3的數值是因為電阻值過高而未顯示。

從圖9可得到不同條件下的各種截斷結構在電阻值變化，其中所有條件下均有高達1000ohm左右的電阻值，且具有空氣的條件2~3所得到的效果較佳，如條件3的電阻值比條件1的電阻值最高有1,000倍增加，最低也有3倍增加。因此，實驗例1~10的截斷結構都有防止漏電的效果。

綜上所述，本發明的流道板結構內由於設置有特定設計的截斷結構，因此不但能防止經由流道電解質產生漏電的現象，還能大幅縮減截斷結構所佔用的流道板面積，進而增進電化學設備的功率密度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

100、200‧‧‧流道板結構102、202‧‧‧非反應部104、204‧‧‧電化學反應部106‧‧‧歧道入口108‧‧‧歧道出口110a、110b‧‧‧流道112‧‧‧中央114a、114b、300、400‧‧‧截斷結構116‧‧‧氣液分離槽118、302、402‧‧‧連結部120、304、406‧‧‧漸縮部122‧‧‧連接孔206a‧‧‧陰極電解液入口206b‧‧‧陰極電解液出口208a‧‧‧陽極電解液入口208b‧‧‧陽極電解液出口306、408‧‧‧檔板404‧‧‧縮口結構w1、w2、w3、w4、w5、w6‧‧‧寬度

圖1是依照本發明的第一實施例的一種含截斷結構的流道板結構上視示意圖。圖2是依照本發明的第二實施例的一種含截斷結構的流道板結構上視示意圖。圖3是依照本發明的第一種截斷結構的上視示意圖。圖4是依照本發明的第二種截斷結構的上視示意圖。圖5A至圖5G是製備例中的各種截斷結構的設計圖。圖6A是實驗例1在條件1進行量測的奈斯特圖(Nyquist Plot)。圖6B是圖6A的區域600的局部放大圖。圖7是實驗例1之截斷結構隨流速變化所測得的電阻值與流速的關係圖。圖8是實驗例2之截斷結構隨流速變化所測得的電阻值與流速的關係圖。圖9是實驗例1至10的電阻值條狀圖。

100‧‧‧流道板結構

102‧‧‧非反應部

104‧‧‧電化學反應部

106‧‧‧歧道入口

108‧‧‧歧道出口

110a、110b‧‧‧流道

112‧‧‧中央

114a、114b‧‧‧截斷結構

116‧‧‧氣液分離槽

118‧‧‧連結部

120‧‧‧漸縮部

122‧‧‧連接孔

w1、w2、w3、w4‧‧‧寬度

Claims

一種流道板結構，包括：一非反應部，包括至少一歧道入口、至少一歧道出口、以及多數條流道；以及一電化學反應部，設置於該流道板結構的中央，且電化學反應部透過所述多數條流道中之一與所述至少一歧道入口連通，以及透過所述多數條流道中之另一與所述至少一歧道出口連通，其中所述非反應部更包括多數個截斷結構，分別設置於所述流道內，其中所述多數個截斷結構的總面積與所述流道板結構的面積的比例為0.002~0.01，且每個所述截斷結構包括：一氣液分離槽；一連結部，其寬度小於或等於所述氣液分離槽的寬度；以及一漸縮部，連結所述氣液分離槽與所述連結部，且所述漸縮部的下游端之流路剖面積小於其上游端之流路剖面積。
如申請專利範圍第1項所述的流道板結構，其中所述連結部的寬度等於或大於所述流道的寬度。
如申請專利範圍第1項所述的流道板結構，其中所述截斷結構的數量與所述歧道入口以及所述歧道出口的總數量相同。
如申請專利範圍第1項所述的流道板結構，其中所述至少一歧道出口包括一陰極電解液出口與一陽極電解液出口。
如申請專利範圍第1項所述的流道板結構，其中所述至少一歧道入口包括一陰極電解液入口與一陽極電解液入口。
如申請專利範圍第1項所述的流道板結構，其中所述漸縮部為自所述上游端往所述下游端縮減的一第一縮口結構。
如申請專利範圍第1項所述的流道板結構，其中所述漸縮部包括至少一檔板，接近所述連結部。
如申請專利範圍第1項所述的流道板結構，其中所述漸縮部包括至少一檔板，接近所述氣液分離槽。
如申請專利範圍第1項所述的流道板結構，其中所述漸縮部之所述流路的最小寬度是所述連結部的所述寬度的0.1倍至0.4倍之間。
如申請專利範圍第6項所述的流道板結構，更包括一第二縮口結構，設置於所述連結部與所述流道之間，所述第二縮口結構係自所述上游端往所述下游端縮減。
一種電化學設備，包括如申請專利範圍第1~10項中任一項所述的流道板結構。
如申請專利範圍第11項所述的電化學設備，其中所述電化學設備包括液流電池、鹼鹵工業電解槽或電鍍工業電鍍槽。