WO2010088847A1 - 液流电池电极 - Google Patents

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Description

液流电池电极 技术领域
本发明属于液流电池领域，涉及液流电池电极，特别涉及全钒液流电池电极。
背景技术
液流电池的种类很多，以全钒液流电池为代表的液流电池通过不同价态的电解液在多孔扩散电极上进行电化学反应，从而实现化学能和电能的相互转换，它是当今世界上规模最大、技术最先进、最接近产业化的高效可逆燃料电池，具有功率大、容量大、效率高、成本低、寿命长、绿色环保等独特优点，在光伏发电、风力发电、分布电站、电网调峰、通讯基站、UPS 电源、交通市政、军用蓄电等广阔领域有着极其良好的应用前景，即将为人类带来一场新的能源技术革命！
液流电池通常采用表面平整的带有微孔的石墨毡做电极，电解液在循环泵的作用下，沿石墨毡的纵向方向由下向上流动，通过石墨毡中的微孔扩散到石墨毡纤维表面进行电极反应。为了使电极反应连续不断地快速进行，电极反应所需的反应物要源源不断地快速及时供给，电极反应的产物要源源不断地快速及时传走。如果电解液没有快速传输的主渠道，仅靠石墨毡自身的微孔扩散，电解液的扩散速度会非常缓慢，电极反应将产生非常严重的扩散极化，大大降低液流电池的功率密度、能量效率和使用寿命，这对大功率液流电池中必须使用的大面积长纵向的石墨毡电极来说尤其如此。
为了提高液流电池的电解液在石墨毡电极中的传输扩散速度，通常在离子交换膜与石墨毡电极间设置导流网、湍流网等，但存在结构复杂、加工困难、组装不便、液流电池厚度及内阻大、电解液传输扩散效果不理想、液流电池功率密度小、能量效率低、使用寿命短等缺陷。
 发明内容
为了克服上述缺陷，本发明的目的在于提供一种液流电池电极，它具有结构简单、加工容易、组装方便、液流电池厚度及内阻小、电解液传输扩散效果好、液流电池功率密度大、能量效率高、使用寿命长等显著优点，可以做成大功率甚至超大功率液流电池。
本发明的目的是这样实现的：
一种液流电池电极，该电极由石墨毡构成，所述石墨毡上开有用于传输电解液的多条流道。
所述石墨毡为聚丙烯腈石墨毡。
所述流道为直流道。
所述流道等间距分布。
所述石墨毡厚度为2~10mm，所述流道的宽度为1~5mm，流道的深度为1~5mm，流道的间距为1~5mm。
所述流道的宽度、流道的深度、流道的间距均为所述石墨毡厚度的一半。
研究表明，当石墨毡厚度小于2mm，不仅电极反应活性中心少，电极电化学极化大，而且流道截面积小，电解液沿流道纵向方向的流动传输阻力大，电极扩散极化大，导致液流电池功率密度小、能量效率低；当石墨毡厚度大于10mm，电极电阻大，欧姆极化大，导致液流电池功率密度小，能量效率低。大量研究表明，石墨毡电极的优选厚度为6 mm左右。
流道为电解液提供了快速传输的主渠道，在不增加循环泵功耗的情况下，加大了电解液的流量。在循环泵的作用下，电解液在流道内由下向上纵向流动，在纵向流动过程中，电解液会沿流道的横向和深度方向透过石墨毡上的微孔进行扩散传输。
研究表明，当流道的宽度小于厚度的一半，深度小于厚度的一半时，由于流道截面积小，电解液沿流道纵向方向的流动传输阻力较大；当流道的深度小于厚度的一半时，电解液沿流道深度方向的扩散传输阻力较大；当相邻两条流道间距大于厚度的一半时，电解液沿流道横向方向的扩散传输阻力较大。
 有益效果
本发明主要有以下积极有益的效果：本发明的液流电池电极结构简单、加工容易、组装方便、液流电池厚度及内阻小、电解液传输扩散效果好、液流电池功率密度大、能量效率高、使用寿命长，可以做成大功率甚至超大功率液流电池。
附图说明
图1是本发明一实施例的结构示意图。
图2是图1的A 局部的放大图。
图3是图2的正视图。
 本发明的实施方式
请参照图1、图2、图3，本发明是一种全钒液流电池电极，该电极由石墨毡1构成，石墨毡1为聚丙烯腈石墨毡。石墨毡1为正方形，石墨毡1的厚度为H，在石墨毡1表面上开有用于输送电解液的多条纵向流道2，每条流道2为直流道，每条流道2的宽度为C，深度为D，各条流道2等间距分布，间距为L。
下面列举三个实施例，该三个实施例都采用石墨毡1作电极，与全氟离子膜组装成全钒液流电池，使用浓度2mol/L钒离子电解液进行充放电试验，具体试验结果如下表：
实施例一 实施例二 实施例三
石墨毡厚度 H 2mm 6mm 10mm
流道的宽度 C 1mm 3mm 5mm
流道的深度 D 1mm 3mm 5mm
流道的间距 L 1mm 3mm 5mm
电流密度 80mA/cm2 80mA/cm2 80mA/cm2
平均放电电压 1.23V 1.25V 1.22V
功率密度 98mW/cm2 100mW/cm2 97mW/cm2
能量效率 83% 85% 82%
在上述三个实施例中，石墨毡1的厚度H分别为2 mm、6 mm、10 mm，每个实施例中，流道2的宽度C、深度D、间距L均为相应石墨毡1厚度H的一半，电解液沿流道2的纵向方向、横向方向、深度方向传输扩散效果均很好，电极的极化均很小，液流电池的平均放电电压、功率密度、能量效率均很高。
当石墨毡1厚度H小于2mm，不仅电极反应活性中心少，电极电化学极化大，而且流道2截面积小，电解液沿流道2纵向方向的流动传输阻力大，电极扩散极化大，导致液流电池功率密度小、能量效率低；当石墨毡1厚度H大于10mm，电极电阻大，欧姆极化大，导致液流电池功率密度小，能量效率低。上述试验结果表明：石墨毡1的优选厚度H为6 mm时，电解液在石墨毡1中的传输扩散效果最好，电极的极化最小，液流电池的平均放电电压、功率密度、能量效率最高。
本发明的液流电池电极结构简单、加工容易、组装方便、液流电池厚度及内阻小、电解液传输扩散效果好、液流电池功率密度大、能量效率高、使用寿命长，可以做成大功率甚至超大功率液流电池。

Claims (6)

  1. 一种液流电池电极，其特征是：该电极由石墨毡构成，所述石墨毡上开有用于传输电解液的多条流道。
  2. 如权利要求1所述液流电池电极，其特征是：所述石墨毡为聚丙烯腈石墨毡。
  3. 如权利要求1所述液流电池电极，其特征是：所述流道为直流道。
  4. 如权利要求1所述液流电池电极，其特征是：所述流道等间距分布。
  5. 如权利要求1所述液流电池电极，其特征是：所述石墨毡厚度为2~10mm，所述流道的宽度为1~5mm，流道的深度为1~5mm，流道的间距为1~5mm。
  6. 如权利要求5所述液流电池电极，其特征是：所述流道的宽度、流道的深度、流道的间距均为所述石墨毡厚度的一半。
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