流过式电极单元及其用途、氧化还原液流电池系统及其用途、制造流过式电极单元的方法、操作氧化还原液流电池系统的方法技术方案

提供了一种流过式电极单元，其特别用于氧化还原液流电池，并包括流过式电极，该流过式电极包括基材并且具有至少一个开放通量表面结构。还描述了流过式电极单元的用途、制造流过式电极单元的方法、氧化还原液流电池系统及其用途、以及操作氧化还原液流电池系统的方法。

Flow-through Electrode Unit and Its Application, Redox Flow Battery System and Its Application, Method of Manufacturing Flow-through Electrode Unit and Method of Operating Redox Flow Battery System

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】流过式电极单元及其用途、氧化还原液流电池系统及其用途、制造流过式电极单元的方法、操作氧化还原液流电池系统的方法本专利技术涉及流过式电极单元及其用途、氧化还原液流电池系统及其用途，制造流过式电极单元的方法、以及操作氧化还原液流电池系统的方法。氧化还原液流电池(RFB)是一种电化学存储装置，用于以分子和/或离子中包含的化学能的形式存储电能，该分子和/或离子形成可逆的氧化还原对。这意味着分子和/或离子可以可逆地还原和氧化。在以下描述中，术语“分子”的定义包含中性或带电分子和/或离子。氧化还原液流电池的原理在本领域中是已知的。一种特定类型的氧化还原液流电池，全钒氧化还原液流电池在1980年代由新南威尔士大学的MariaSkyllas-Kazacos开发并获得专利(AU575247)。从那时起，RFB已用于小众应用。在过去几年中，由于对可再生能源的关注日益增加以及由此产生的对能量存储/供应应用的需求，人们越来越关注对RFB技术的商业利用。与其他电池相比，RFB在用于大规模储能装置时具有多个优点。与其他电池相比，RFB显示出低程度的自放电、对深度放电的高度抵抗，并且基本上没有不可逆的容量损失。与其他电池技术相比的决定性差异是存储介质与将化学能转换为电能(反之亦然)的电池部分在空间上是分离的。这还允许调换RFB的各个部件。图1示意性地示出了RFB的结构。能量的转换在由两个不同液体的空间，即所谓的半电池12、14，组成的电池10中实现。半电池12、14各自包括电极16、18并且由选择性离子渗透膜20隔开。储存能量的化学物质溶解在离子导电的流体中，特别是液体中，因此允许电荷载体的转移。对于RFB，这些存储物质和离子导电流体的溶液简称为电解质。两个半电池的组合需要两种不同的电解质，其包括不同的分子和/或离子的氧化还原对。两种氧化还原对之间的氧化还原电位的差异产生电池的空载电压。具有较高氧化还原电位的半电池代表电池的正电极，称为正电极侧。具有较低氧化还原电位的半电池表示负电极，称为负电极侧。在RFB的操作期间，两种电解质途经相应的半电池12、14(参见图1中的箭头)，从而在两个电极16、18之间产生电压。对于电解质路径，每个半电池12、14通常经由包括泵26、28的管道22、24连接到电解质储存器，例如容器30、32。在通过外部电路(未示出)连接电极之后，在负半电池中，来自化学物质的电子转移到电极，电子通过外部电路从该电极传导到正半电池的电极，在正半电池的电极中电子转移至具有较高氧化还原电位的化学物质。经由外部电路的这种电荷转移可以用作电流。为了在两种电解质中实现电中性，需要离子或带电分子的电荷同时流过分隔两个半电池的膜。通过将电源连接到外部电路，且电源的电压大于两个电极的电位差，该过程是可逆的。因此，电荷的转移反转并且电能存储到了电池中，直至电解质中的基本上所有电物质都改变了它们的氧化态。所得电解质分别储存在外部容器30、32中，在充电或放电期间，所得电解质使用导管22、24和泵26、28经过各自的半电池12、14从该外部容器30、32中分开循环。几个电池(cell)10可以电串联组合形成堆叠，类似于普通电池组(battery)。图2a示出了RFB中使用的电池堆叠40的现有技术结构。在堆叠40内，电池10被双极板42分开。堆叠40由两个端板44限制。堆叠40的总电压U由各个电池电压U1至Un的总和获得，如图2a所示。通常，以与各个电池并联的方式供应电解质。这意味着所有正半电池以流体和/或液体方式并联连接，并且在正半电池中电解质通常以相同的流动方向流动(参见图2a中的箭头)。对于所有负半电池也是如此。在每个电池10中，正半电池和负半电池的电解质流可以沿如图2a所示的相同流动方向(同向)或沿相反的流动方向(反向)流动。图2b示出了电池堆叠40及其等效的电阻网络图。由于电解质并行供应到相应的单个半电池，堆叠的布置需要相应的半电池之间的大量的液体和/或流体连接。电解质通过液体/流体连接流动并且在相应的半电池之间布置的液体/流体连接是导电的。因此，半电池之间的液体/流体连接表现出大量的等效于电阻的分路41。每个电池10内的过程相当于化学容器中的过程，其中反应在固相和液相之间的界面处进行(固定床反应器、流动反应器)。通过电解质内的分子和/或离子传递到电极表面来确定可通过电池实现的电流。到电极表面的传递由几种传递机制控制。氧化还原液流电池的构造可以影响传递机制。主要的传递机制是对流传递和扩散传递。对流质量传递可受到供应给电池的电解质的体积流量的影响。为了提供确定的每单位时间的电流，必须将化学计量量的分子和/或离子转移到电池中，以获得所需的电荷量。在实践中，使多个化学计量过量的离子和/或(带电的)分子进入到电池中，以使电解质中的沿着流动方向的电位梯度最小化。因此，在电解质通过电池期间，对于分子来说，低于10％的利用率水平是理想的。在上下文中，术语“极限电流密度”用于指定在通过电池的特定体积流量下相对于平行于流动方向的几何电极表面的最大可能电流。在流体所流过的表面与流体之间的边界处形成流体动力学边界层。在流体动力学边界层内，质量传递几乎完全通过相对较慢的扩散质量传递进行。根据扩散定律，通过边界层流向表面的表面相关质量流取决于边界层的厚度和垂直于表面的浓度梯度。RFB内的浓度梯度由在电池的特定充电状态下的分子的实际浓度确定，并且可能仅在有限程度上受到通过半电池的体积流量的影响。RFB的能量效率由电压效率和库仑效率或充电效率确定。在使用RFB的能量存储系统中，由于寄生负载而发生损耗，例如由于电池管理系统和泵。在操作RFB时观察到的大量电压损失可以与三种不同的效应相关联，如下所述。产生能量损失的一种效应是由于由电压形成的活化能，其也称为活化过电压，该活化过电压必须从平衡电位开始克服。需要该活化能，以允许待反应的分子与电极表面的活性基团之间的电子转移。在非常低的电流密度下已经发生这种损耗。第二种效应基于欧姆损耗，该欧姆损耗出现在电荷载流子所必须移动通过的电池的每个部件中，例如电流导体、电极、电解质、膜。欧姆损耗与流过电池的电流成正比。在单个串联连接的部件中发生的这些损耗的贡献以过电压的形式增加了电池系统的总损耗。由于欧姆损耗与电流密度成正比，因此它们在中等和更高电流密度下构成整个损耗的主要部分。因此，为了减少这种损耗，通常选择具有低电阻的导体和电极材料。在一定温度下电解质的比电阻取决于其组成，但是其总电阻可以通过小的电池距离而减小。对于膜，通常选择提供在成反比例的高导电率和高选择性之间的折衷的材料。第三种效应是由于传递限制。从电池中引出的电流取决于可以转移到电极表面的分子质量流。在低电流密度下，通过流的对流质量传递和通过流体动力学边界层的扩散质量传递是足够的，并且不存在任何限制。然而，在高电流密度下，扩散质量传递是有限的，并且在外部电路内的负载电阻进一步降低的情况下不会提供任何电流增加。电池电压进一步降低并达到恒定电流，这被称为扩散阈值电流。在RFB的低电荷状态的情况下，于较低的电流密度下已经观察到在高电流密度下发生的这种极限，这是因为驱动力减小，即电解质和电极表面之间的浓度差减小。当在RFB中使用流过式电极时，与流通式(flow-t本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种流过式电极单元，其特别用于氧化还原液流电池，包括流过式电极(50；55)，所述流过式电极(50；55)包括基材(52)并且具有至少一个开放通量表面结构(54)，所述至少一个开放通量表面结构(54)包括多个流动障碍物(60)和由所述流动障碍物(60)形成的或者在所述流动障碍物(60)之间的多个流动通道(56)。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2017.02.10 EP PCT/EP2017/0001871.一种流过式电极单元，其特别用于氧化还原液流电池，包括流过式电极(50；55)，所述流过式电极(50；55)包括基材(52)并且具有至少一个开放通量表面结构(54)，所述至少一个开放通量表面结构(54)包括多个流动障碍物(60)和由所述流动障碍物(60)形成的或者在所述流动障碍物(60)之间的多个流动通道(56)。2.根据权利要求1所述的单元，其中一个或多于一个流动障碍物(60)具有U形。3.根据权利要求1或2所述的单元，其中一个或多于一个流动障碍物(60)具有两个侧端部和弯曲中部，在所述弯曲中部形成有至少一个或两个凸起。4.根据权利要求3所述的单元，其中至少一个端部和/或至少一个凸起具有锥形尖端。5.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述流动障碍物(60)布置成图案，所述图案优选包括至少一行流动障碍物(60)。6.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述图案是错开图案，所述错开图案优选包括至少两个错开行的流动障碍物。7.根据权利要求5或6所述的单元，其中至少两行垂直于流动方向布置。8.根据权利要求5至7中任一项所述的单元，其中至少两个相邻行的流动障碍物(60)以交错图案布置。9.根据权利要求5至8中任一项所述的单元，其中一个或多于一个流动障碍物(60)的侧端部指向流动方向和/或相反方向。10.根据权利要求5至9中任一项所述的单元，其中一个或多于一个流动障碍物(60)的弯曲中部具有至少一个凸起或以相反方向设置的两个凸起，所述凸起平行于流动方向布置。11.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述多个流动通道包括至少一个曲折流动通道(56)。12.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述开放通量表面结构(54)限定了沿流过式电极的电解质流动方向。13.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中一个或多于一个流动通道(56)和/或流动障碍物(60)布置为用于使沿流动方向流动的流体电解质停滞。14.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述多个流动障碍物(60)如图6A所示。15.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中基材(52)位于如权利要求2至12所限定的两个开放通量表面结构(54)之间。16.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述至少一个开放通量表面结构(54)是电化学活性的。17.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中，至少一个流过式电极单元和基材(52)包括双极板或端板，或者是双极板或端板，其特别地用于氧化还原液流电池。18.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述流过式电极单元对于电解质基本上是不可渗透的，或流过式电极单元是基本上无孔的。19.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述流过式电极(50；55)和所述基材(52)形成整体单元。20.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述流过式电极(50；55)和所述基材(52)由复合材料形成。21.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述流过式电极(50；55)包括在基材上形成的至少一个保护/接触层。22.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述流过式电极(50；55)包括在基材和/或一个或多于一个保护/接触层上形成的至少一个电化学活性层。23.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述至少一个开放通量表面结构(54)的一个或多于一个轮廓形成在基材中和/或形成在至少一个保护/接触层中和/或形成在至少一个电化学活性层中。24.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述基材(52)、所述保护/接触层和/或所述电化学活性层是导电的。25.根据前述权利要求中任一项所述的单元，其中所述基材(52)包含选自金属、轻金属、过渡金属、金属合金、合金钢、导电复合材料、聚合物、碳和碳改性物或其混合物中的至少一种组分。26.根据权利要求25所述的单元，其中所述基材(52)包含聚丙烯和碳或碳改性物的混合物；或聚氯乙烯和碳或碳改性物的混合物；或聚乙烯和碳或碳改性物的混合物。27.根据权利要求26所述的单元，其中所述碳改性物选自石墨。28...

【专利技术属性】
技术研发人员：斯蒂芬·科克，沃尔夫冈·斯特劳布，彼得·盖格莱，纳斯塔兰·克拉夫奇克，
申请(专利权)人：CMBLU企划股份公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE