电极组件以及电解质分布得到改进的液流电池制造技术

本发明专利技术披露了一种用于液流电池的电极组件，所述电极组件包括多孔电极材料、围绕所述多孔电极材料的框架、嵌入在所述多孔电极材料中的具有用于将电解质供应到所述多孔电极材料的入口的至少一个分配管、以及嵌入在所述多孔电极材料中的具有用于将电解质从所述多孔材料排出的出口的至少另一个分配管。所述分配管的所述壁优选地设置有孔或孔隙，以允许所述电解质均匀地分布在所述电极材料内。所述分配管在所述电极材料内提供所需的电解质流动路径长度，以最小化在所述电池组的所述液流电池单元之间流动的分路电流。

Improved battery for electrode assembly and electrolyte distribution

The invention discloses an electrode assembly for a liquid flow battery. The electrode assembly comprises a porous electrode material, a frame surrounding the porous electrode material, at least one distribution tube embedded in the porous electrode material for supplying an electrolyte to an inlet of the porous electrode material, and embedded in the device. In the porous electrode material, there are at least one other distributing tube for discharging the electrolyte from the porous material. The wall of the distributor tube is preferably provided with holes or pores to allow the electrolyte to be evenly distributed in the electrode material. The distribution tube provides the required electrolyte flow path length in the electrode material to minimize the shunt current flowing between the said liquid battery cell units of the battery group.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极组件以及电解质分布得到改进的液流电池
本专利技术涉及一种用于液流电池的电极组件，该电极组件具有允许电极材料内改进的电解质分布的构造，并且涉及包括此类电极组件的液流电池。
技术介绍
液流电池又被称为氧化还原液流电池，将电能转换为化学能，化学能可以被储存，然后当有需求时被转换为电能释放。液流电池因使用参与可逆电化学反应的液体电解质而不同于其他电化学装置，例如燃料电池。燃料电池使用气体燃料产生能量，它们不储存能量，而液流电池不产生任何能量，它们储存和释放能量。这是燃料电池和液流电池之间的基本区别，但是这两种类型的电化学电池之间存在许多其他差异，在此对其中一些差异进行进一步描述。基本液流电池，诸如图1中由附图标记10展示的基本液流电池包括氧化还原液流电池单元11，该氧化还原液流电池单元具有由隔膜16分开的负电极12和正电极14。将负极液体电解质17从储罐18输送到负电极，并且将正极液体电解质19从储罐20输送到正电极，以推动电化学可逆的氧化还原反应。隔膜可以是微孔隔膜或离子交换膜，该隔膜将电极分开并防止电解质混合，但允许所选择的离子穿过以完成氧化还原反应。如图所示，液流电池包括第一集电板22和第二集电板24，该第一集电板和该第二集电板各自分别被安排成与多孔电极12和多孔电极14相邻。多孔电极由相对于液体电解质17和液体电解质19具有导电性和催化活性并且优选地耐腐蚀的材料构成。集电板优选地由在液流电池单元内的高度酸性环境中高度导电且化学稳定的材料制成。集电板联接到导体26和导体28，这些导体或通过电源30(用于充电)或经由电开关34至电力负载32(用于放电)而形成回路。图1中的正电极和负电极通过隔膜与液流电池单元11分开。液流电池组通常包括不止一个液流电池单元，这取决于液流电池的设计容量，并且两个相邻的液流电池单元通过双极板分开。在运行时，液体电解质17和19被输送至液流电池单元组，以将电能转换成化学能或将化学能转换成电能，通过电连接至电力负载可以释放电能。在一些液流电池中，每种电解质完全穿过多孔电极从每个电池单元的入口流至出口。在这种类型的液流电池中，由于穿过电极的多孔材料的流动阻力，电解质流可能发生高压降。在其他液流电池中，液体电解质流经设置在双极板任一侧的通道，并扩散到相邻的电极中。这种类型的设计提供较少的压降，因为电解质不受限制地流经流动通道，但由于电解质不均匀地分布到电极中，因此性能相对较低。在双极板中设置有流场通道的一些液流电池通过改变流场的设计来解决这个问题，试图实现电解质在电极内相对均匀的分布并防止电极中的任何电解质浓度梯度。例如，为了解决这个问题，美国专利申请号20120244395描述了具有叉指状通道的流场，所述叉指状通道的出口或入口被至少部分地阻塞，从而迫使电解质在通道的肋下流经液体多孔电极。据称，如上所述，迫使液体电解质在肋下流经电极相比像在一些液流电池的流经安排中那样完全流经电极提供了较低的压降，并且具有增强电解质暴露于电极下的益处。在其他设计中，例如在国际专利申请WO2016/072254中所描述的，双极板设置有形成到或切入模制板中的纵向凹槽，这些纵向凹槽产生电解质供应通道和电解质排出通道，这有助于减小由供应侧和排出侧之间的压力不平衡引起的板框架变形。双极板进一步包括在电解质供应通道和电解质排出通道之间的电解质引导部分，所述电解质引导部分将电解质流引导至电极。电解质供应通道和电解质排出通道由塑料保护板覆盖，所述塑料保护板有助于将电解质流引导至电极。申请人声明，如果电解质引导部分设置有凹槽来促进电解质更好地分布到电极，会获得较好的性能。这个现有技术文件中的电池单元的每个电极，例如正电极或负电极不是一件式形成的，而是分成至少两部分，每部分面向双极板上的一个电解质引导部分。将电极部件放置在距电解质供应通道和电解质排出通道一定距离处以形成电解质引导区域，并且仅允许这些电解质引导区域部分地覆盖电解质供应通道和电解质排出通道。这个现有技术文件中披露的设计是复杂的，涉及包括几个部分的电极、覆盖切入或形成到双极板中的电解质循环凹槽的塑料保护板、以及需要将电极部分适当定位的安排，使得电极部分不干扰电解质循环通道。一般来讲，液流电池的另一特征性问题是：液流电池单元的电解质供给端口是电流从电池单元组中的一个电池单元泄漏到下一个电池单元的导电路径。例如，在燃料电池中，由离子导电电解质引起的通过流体路径的分路电流不成问题，但是在液流电池中却是需要解决的事情。这一问题可以通过增加沿进入和离开电池单元的流动路径的有效电阻来解决，以减少电池单元之间的电流泄漏。实现增加的电阻的一种方式是增加电解质流路长度与截面积之比，这通常通过增加电极周围的框架内的电解质流动路径来完成。电解质流动路径长度的增加必须与减小电解质流经电池单元时的电解质压降的需要相平衡，从而减少电解质泵送能量损失并在每个电池单元中实现均匀的流分布。在组装过程中，液流电池单元组被放置在两块端板之间，并且通过施加于端板的压缩力使液流电池单元在一起保持接触。组装液流电池组所需的压缩力小于例如组装燃料电池组所需的压缩力。在液流电池中，电池组通常具有塑料框架以及利用金属棒和螺母保持在一起的金属或塑料端板。由于塑料和金属具有相差很大的热膨胀系数，因此在夹紧系统中需要弹簧来确保在温度波动期间期望的组压缩力保持不变。考虑到与现有系统相关的已知困难，需要一种液流电池，所述液流电池允许电解质整个在电极内更好的分布，并且通过使用电极组件和电池单元组组件的简单且高效的构造来降低在所述组中出现分路电流的风险。
技术实现思路
本专利技术描述了一种用于液流电池的电极组件，该电极组件包括多孔电极材料、围绕该多孔电极材料的框架、嵌入在多孔电极材料中的具有用于将电解质供应到多孔电极材料的入口的至少一个分配管、以及嵌入在多孔电极材料中的具有用于将电解质从多孔电极材料排出的出口的至少另一个分配管。框架和分配管由非导电塑料材料制成。在根据本专利技术的电极组件的优选实施例中，分配管在框架的第一侧和框架的第二侧之间延伸超过框架的两侧之间的中点。在本专利技术的第一实施例中，具有用于向多孔电极材料供应电解质的入口的分配管每者具有密封到框架的出口，并且具有用于将电解质从多孔电极材料中排出的出口的分配管每者具有密封到框架的入口。分配管是具有内部流动通路和围绕该内部通路的壁的中空管。在优选实施例中，中空管的壁由设置有孔的固体材料制成，以允许电解质流经分配管的壁进入多孔电极材料。替代性地，中空管的壁可以由多孔材料制成，以允许电解质流经分配管的壁。在本专利技术的第二实施例中，具有用于向电极材料供应电解质的入口的分配管每者具有通向多孔电极材料的出口，并且具有用于将电解质从电极材料中排出的出口的分配管每者具有通向多孔电极材料的入口。在此类实施例中，分配管是中空管，具有内部流动通路和围绕该内部通路的壁，并且这些中空管中的至少一个中空管的壁可以由固体材料制成。在此类实施例中，中空管的壁还可以由多孔材料或设置有至少一个孔的固体材料制成，以允许电解质在多孔电极材料内更好地分布。在本专利技术的电极组件的一些实施例中，分配管是具有内部流动通路的中空管，该内部流动通路由多孔材料制成，该多孔材料的孔隙率比管壁的孔隙率高。一般来讲，分配管具有圆本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于液流电池的电极组件，包括：‑多孔电极材料；‑围绕所述多孔电极材料的框架；‑嵌入所述多孔电极材料中的至少一个第一分配管，所述第一分配管具有用于将电解质供应到所述多孔电极材料的入口；以及‑嵌入所述多孔电极材料中的至少一个第二分配管，所述第二分配管具有用于将电解质排出所述多孔电极材料的出口，其中，所述框架和所述分配管由非导电塑料材料制成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.18 US 62/256,8471.一种用于液流电池的电极组件，包括：-多孔电极材料；-围绕所述多孔电极材料的框架；-嵌入所述多孔电极材料中的至少一个第一分配管，所述第一分配管具有用于将电解质供应到所述多孔电极材料的入口；以及-嵌入所述多孔电极材料中的至少一个第二分配管，所述第二分配管具有用于将电解质排出所述多孔电极材料的出口，其中，所述框架和所述分配管由非导电塑料材料制成。2.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管和所述第二分配管在所述框架的第一侧和所述框架的第二侧之间延伸超过所述框架的所述两侧之间的中点。3.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管具有密封到所述框架的出口，并且所述第二分配管具有密封到所述框架的入口，并且其中，所述第一分配管和所述第二分配管是中空管，每个中空管具有内部流动通路和围绕所述内部通路的壁，其中，所述中空管的所述壁由设置有孔的固体材料制成，以允许电解质流经所述分配管的所述壁进入所述多孔电极材料中。4.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管具有密封到所述框架的出口，并且所述第二分配管具有密封到所述框架的入口，并且其中，所述第一分配管和所述第二分配管是中空管，每个中空管具有内部流动通路和围绕所述内部通路的壁，其中，所述中空管的所述壁由多孔材料制成，以允许电解质流经所述分配管的所述壁进入所述多孔电极材料中。5.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管具有通向所述多孔电极材料的出口，并且所述第二分配管具有通向所述多孔电极材料的入口。6.如权利要求5所述的电极组件，其中，所述第一分配管和所述第二分配管是中空管，每个中空管具有内部流动通路和围绕所述内部通路的壁，其中，所述中空管中的至少一个中空管的壁由固体材料制成。7.如权利要求5所述的电极组件，其中，所述第一分配管和所述第二分配管是具有内部流动通路和围绕所述内部通路的壁的中空管，其中，所述中空管中的至少一个中空管的壁由多孔材料制成，以允许电解质分布在所述多孔电极材料内。8.如权利要求5所述的电极组件，其中，所述第一分配管和所述第二分配管是中空管，每个中空管具有内部流动通路和围绕所述内部通路的壁，其中，每个中空管的壁由设置有至少一个孔的固体材料制成，以允许电解质分布在所述多孔电极材料内。9.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管和所述第二分配管是中空管，每个中空管具有内部流动通路和围绕所述内部通路的壁，其中，所述第一分配管或所述第二分配管中的至少一个的内部流动通路由多孔材料制成，所述多孔材料的孔隙率比所述壁的孔隙率高。10.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管或所述第二分配管中的至少一个具有圆形截面。11.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管或所述第二分配管中的至少一个具有三角形截面。12.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管或所述第二分配管中的至少一个完全嵌入所述多孔电极材料内。13.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管或所述第二分配管中的至少一个部分地嵌入所述多孔电极材料中。14.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管或所述第二分配管中的至少一个是具有蛇形形状的中空管，并且所述中空管的壁由设置有至少一个孔的固体材料制成，以允许电解质分布在所述多孔电极材料内。15.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管或所述第二分配管中的至少一个是具有蛇形形状的中空管，并且所述中空管的壁由多孔材料制成，以允许电解质分布在所述多孔电极材料内。16.如权利要求1所述的电极组件，包括多个第一分配管和多个第二分配管，所述多个第一分配管和所述多个第二分配管均匀地分布在所述多孔电极材料的面积上。17.如权利要求1所述的电极组件，包括具有相同截面流动面积的多个第一分配管和多个第二分配管。18.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管的长度等于所述第二分配管的长度。19.如权利要求1所述的电极组件，其中，所述第一分配管和所述第二分配管由聚乙烯或聚丙烯制成。20.一种液流电池，所述液流电池包括至少一个液流电池单元，所述液流电池单元包括：-负电极组件和正电极组件，-将所述正电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：安德鲁·克拉森，瑞奇·布莱克，
申请(专利权)人：阿瓦隆电池加拿大公司，
类型：发明
国别省市：加拿大,CA