專利名稱：多孔電極組、液流半電池和液流電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及液流電池設(shè)計領(lǐng)域，具體而言，涉及一種多孔電極組、液流半電池和液流電池堆。
背景技術(shù)：
全釩氧化還原液流電池是一種以不同價態(tài)的釩離子電解液進(jìn)行氧化還原的電化學(xué)反應(yīng)裝置，能夠高效地實現(xiàn)化學(xué)能與電能之間的相互轉(zhuǎn)化。該類電池具有使用壽命長，能量轉(zhuǎn)化效率高，安全性好，環(huán)境友好等優(yōu)點，能用于風(fēng)能發(fā)電和光伏發(fā)電配套的大規(guī)模儲能系統(tǒng)，是電網(wǎng)削峰填谷、平衡負(fù)載的主要選擇之一。因此，近年來全釩氧化還原液流電池逐漸成為大容量儲能電池研究的重點。全釩氧化還原液流電池分別以釩離子V2+/V3+和V4+/V5+作為電池的正負(fù)極氧化還原電對，將正負(fù)極電解液分別存儲于兩個儲液罐中，由耐酸液體泵驅(qū)動活性電解液至反應(yīng)場所(電池堆)再回至儲液罐中形成循環(huán)液流回路，以實現(xiàn)充放電過程。在全釩氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)中，電池堆性能的好壞決定著整個系統(tǒng)的充放電性能，尤其是充放電功率及效率。電池堆是由多片單電池依次疊放壓緊，串聯(lián)而成。其中，單片液流電池的組成如圖1所示。I’為液流框，2’為雙極板，3’為多孔電極，4’為離子交換膜，各組件組成單片的液流電池,通過N個液流電池的堆疊組成電池堆5’?，F(xiàn)有的液流電池堆內(nèi)部電解液的流動一般靠多孔電極的滲透傳質(zhì)，這種電解液的流動方式一方面導(dǎo)致電池堆內(nèi)液流壓差很大，泵消耗過高，從而使液流電池系統(tǒng)效率降低；另一方面，電池堆內(nèi)部電解液流動不均勻、濃差極化較大，造成電堆內(nèi)部損耗，從而使電池的電壓效率降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種多孔電極組、液流半電池和液流電池堆，改善了多孔電極內(nèi)電解液流動的均一性。為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供了一種多孔電極組，多孔電極組包括疊置的多個多孔電極，其中至少一個多孔電極為具有流道的流道電極，流道在流道電極的厚度方向貫通。進(jìn)一步地，上述流道為一個或多個兩端封閉的沿橫向延伸的橫向流道或沿縱向延伸的縱向流道。進(jìn)一步地，上述流道為一個，流道設(shè)置在多孔電極的中心線上。進(jìn)一步地，上述流道為多個，流道的排布方式為:A、各流道平行設(shè)置，且各流道的兩端至與流道延伸方向垂直的多孔電極的邊緣的距離相同；或者B、各流道平行設(shè)置，且相鄰流道沿流道延伸方向交錯排布；或者C、流道被分為平行設(shè)置的多個流道組，流道組中包括多個流道，每個流道組的延伸方向與該流道組中的流道的延伸方向一致，且相鄰流道組中流道沿流道延伸方向交錯排布；或者D、流道被分為平行設(shè)置的多個流道組，流道組中包括多個流道，每個流道組的延伸方向與該流道組中的流道的延伸方向垂直，且每個流道組中的各流道之間沿流道延伸方向交錯排布。進(jìn)一步地，上述流道包括沿橫向或縱向延伸的一個或多個第一流道和沿垂直于第一流道的延伸方向延伸的一個或多個第二流道，第一流道和第二流道不連通。進(jìn)一步地，上述流道的排布方式為:E、多孔電極上設(shè)有多個第一流道，且該多個第一流道被分為多個第一流道組，相鄰兩個第一流道組間設(shè)置至少一條第二流道，各第一流道組中包括平行設(shè)置的多個第一流道，且相鄰的第一流道交錯排布；或者F、多孔電極上設(shè)有一個或多個T字形流道組，T字形流道組包括一個第一流道和一個朝向該第一流道中部的第二流道，T字形流道組中的第二流道與第一流道不連通，當(dāng)T字形流道組為多個時，相鄰的兩個T字形流道組中，兩個第二流道相互平行，兩個第一流道位于相應(yīng)的第二流道的不同端，各相鄰的T字形流道組相互之間不連通；或者G、多孔電極上設(shè)有一個或多個I字形流道組，I字形流道組包括平行相對設(shè)置的兩個第一流道和兩端分別朝向兩個第一流道中部的一個第二流道，第二流道與第一流道不連通，當(dāng)I字形流道組為多個時，且各I字形流道組相互之間不連通。進(jìn)一步地，上述流道包括沿橫向或縱向延伸的第一流道和沿垂直于第一流道的延伸方向延伸的第二流道，第一流道和第二流道相連通。進(jìn)一步地，上述流道的排布方式包括:H、多孔電極上設(shè)有一個或多個Z字形流道組，Z字形流道組包括兩個第一流道和一個第二流道，兩個第一流道分別設(shè)置在第二流道的兩側(cè)，且兩個第一流道分別與第二流道上不同的端部相連通，當(dāng)Z字形流道組為多個時，且各Z字形流道組相互之間不連通。進(jìn)一步地，上述流道為多個一端開口的流道。進(jìn)一步地，相鄰上述流道的間距相同。進(jìn)一步地，相鄰的上述流道的開口方向相反或相同。進(jìn)一步地，上述多孔電極組包括2n個多孔電極，η為正整數(shù)，其中，η=1，一個多孔電極為流道電極；或者η=I，且各多孔電極為流道電極，相鄰流道電極的流道交錯排布，或者η >1，且η個間隔分布的多孔電極為流道電極，相鄰的流道電極的流道交錯排布，相互間隔的多孔電極的流道正對排布；或者η > 1，且各多孔電極為流道電極，相鄰的流道電極的流道交錯排布，相互間隔的流道電極的流道正對排布。進(jìn)一步地，上述多孔電極組包括2η+1個多孔電極，η為正整數(shù)，其中，位于多孔電極組的中心位置的多孔電極為流道電極；或者η± I個間隔分布的多孔電極為流道電極，相鄰的流道電極的流道交錯排布，相互間隔的流道電極的流道正對排布；或者2η+1多孔電極為流道電極，且相鄰的流道電極的流道交錯排布，相互遠(yuǎn)離的流道電極的流道正對排布。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種液流半電池，液流半電池包括:液流框，具有邊框和由邊框形成的電極容納腔，邊框上設(shè)置有電解液進(jìn)口和電解液出口 ；多孔電極組，嵌設(shè)在液流框的電極容納腔內(nèi)并與電解液進(jìn)口和電解液出口相連通，多孔電極組為權(quán)利要求至中任一項的多孔電極組；雙極板，設(shè)置在液流框的一側(cè)且與多孔電極組平行。進(jìn)一步地，上述液流框包括相對的第一邊框和第二邊框，電解液進(jìn)口設(shè)置在第一邊框上，電解液出口設(shè)置在第二邊框上，多孔電極組與第一邊框和第二邊框之間具有間隙。進(jìn)一步地，上述多孔電極組的流道為多個一端開口的流道且與第一邊框和第二邊框垂直，間隙連通電解液進(jìn)口與流道以及電解液出口與流道。進(jìn)一步地，上述雙極板上設(shè)置有與電解液進(jìn)口和電解液出口對應(yīng)的電解液導(dǎo)流入口和電解液導(dǎo)流出口。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種液流電池堆，包括一個或多個正極半電池、一個或多個負(fù)極半電池和設(shè)置在正極半電池和負(fù)極半電池之間的離子交換膜，其特征在于，正極半電池和負(fù)極半電池為上述的液流半電池，且液流半電池的雙極板遠(yuǎn)離離子交換膜設(shè)置。應(yīng)用本發(fā)明的技術(shù)方案，多孔電極組的至少一個多孔電極為內(nèi)部設(shè)置有供電解液流通的流道的流道電極，電解液在流道的導(dǎo)流作用下在具有流道的多孔電極內(nèi)流動增加了電解液向多孔電極的實體部分滲透的表面積，減少了多孔電極對電解液流動造成的液流阻力，有效地降低了電解液流動所需的液流壓差；而且電解液在流道中流動時，向流道兩側(cè)的多孔電極中均勻滲透，提高了液流流動的均一性，減少了因電解液流動不均造成的濃差極化，提高具有其的液流電池的充放電效率。


構(gòu)成本申請的一部分的說明書附圖用來提供對本發(fā)明的進(jìn)一步理解，本發(fā)明的示意性實施例及其說明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對本發(fā)明的不當(dāng)限定。在附圖中:圖1示出了現(xiàn)有技術(shù)中的液流電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2示出了根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3示出了根據(jù)本發(fā)明的另一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4a示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4b示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖9示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖10示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組中具有流道的多孔電極的結(jié)構(gòu)示意圖；圖11示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組的結(jié)構(gòu)示意圖12示出了圖11所示的多孔電極組內(nèi)電解液的流動示意圖，其中箭頭指向為電解液的流動方向；圖13示出了具有圖11所示的多孔電極組的液流電池半電池的結(jié)構(gòu)示意圖；圖14示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組的結(jié)構(gòu)示意圖；圖15示出了圖14所示的多孔電極組內(nèi)電解液的流動示意圖,其中箭頭指向為電解液的流動方向；圖16示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組的結(jié)構(gòu)示意圖；圖17示出了圖16所示的多孔電極組內(nèi)電解液的流動示意圖,其中箭頭指向為電解液的流動方向；圖18示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組的結(jié)構(gòu)示意圖；圖19示出了圖18所示的多孔電極組內(nèi)電解液的流動示意圖,其中箭頭指向為電解液的流動方向；圖20示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組的結(jié)構(gòu)示意圖；圖21示出了圖20所示的多孔電極組內(nèi)電解液的流動示意圖，其中箭頭指向為電解液的流動方向；圖22示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組的結(jié)構(gòu)示意圖；圖23示出了圖22所示的多孔電極組內(nèi)電解液的流動示意圖，其中箭頭指向為電解液的流動方向；圖24示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組的結(jié)構(gòu)示意圖；圖25示出了圖24所示的多孔電極組內(nèi)電解液的流動示意圖,其中箭頭指向為電解液的流動方向；圖26示出了根據(jù)本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例的多孔電極組的結(jié)構(gòu)示意圖；以及圖27示出了圖26所示的多孔電極組內(nèi)電解液的流動示意圖，其中箭頭指向為電解液的流動方向。
具體實施例方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結(jié)合實施例來詳細(xì)說明本發(fā)明。如圖2至圖27所示，在本發(fā)明的一種典型的實施方式中，提供了一種多孔電極組，多孔電極組包括疊置的多個多孔電極30，其中至少一個多孔電極30為具有流道31的流道電極，流道31在流道電極的厚度方向貫通。具有上述結(jié)構(gòu)的多孔電極組，其中至少一個多孔電極30為內(nèi)部設(shè)置有供電解液流通的流道31的流道電極，電解液在流道31的導(dǎo)流作用下在具有流道31的多孔電極30內(nèi)流動增加了電解液向多孔電極30的實體部分滲透的表面積，減少了多孔電極30對電解液流動造成的液流阻力，有效地降低了電解液流動所需的液流壓差；而且電解液在流道31中流動時，向流道31兩側(cè)的多孔電極30中均勻滲透，提高了液流流動的均一性，減少了因電解液流動不均造成的濃差極化，提高具有其的液流電池的充放電效率。本發(fā)明的多孔電極組內(nèi)的多孔電極30的厚度可以相同也可以不同，不同厚度比例的多孔電極組對于電解液的傳輸方向以及電解液在局部區(qū)域的傳質(zhì)效率有不同的影響，當(dāng)具有流道的多孔電極30的厚度較大，其余的多孔電極30的厚度較小時，電解液的傳質(zhì)效率會有所改善，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以依據(jù)對傳質(zhì)效率的需求對多孔電極30的厚度進(jìn)行優(yōu)選。如圖2至6所示，上述多孔電極30的流道31為一個或多個兩端封閉的沿橫向延伸的橫向流道或沿縱向延伸的縱向流道。流道31沿橫向延伸或者沿縱向延伸，在流道31與多孔電極30的接觸面上形成的均勻的液流壓強(qiáng)，從而傳遞到多孔電極30內(nèi)未設(shè)置流道31的部位也能形成相對均勻的液流壓強(qiáng)，使多孔電極30內(nèi)部的液流實現(xiàn)均勻流動。如圖2所示，在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施例，上述多孔電極組的流道31為一個，流道31設(shè)置在多孔電極30的中心線上。當(dāng)在多孔電極30的中心線上設(shè)置一條流道31時，該流道31可以設(shè)置在橫向中心線上，也可以設(shè)置在縱向中心線上，分布在流道31兩側(cè)的多孔電極30內(nèi)部的電解液在流道31內(nèi)部的電解液的均勻壓強(qiáng)下能實現(xiàn)均勻流動。如圖3至圖6所示，在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施例，上述多孔電極組的流道31為多個，流道31的排布方式為:A、各流道31平行設(shè)置，且各流道31的兩端至與流道31延伸方向垂直的多孔電極30的邊緣的距離相同；或者B、各流道31平行設(shè)置，且相鄰流道31沿流道31延伸方向交錯排布；或者C、流道31被分為平行設(shè)置的多個流道組，流道組中包括多個流道31，每個流道組的延伸方向與該流道組中的流道31的延伸方向一致，且相鄰流道組中流道31沿流道31延伸方向交錯排布；或者D、流道31被分為平行設(shè)置的多個流道組，流道組中包括多個流道31，每個流道組的延伸方向與該流道組中的流道31的延伸方向垂直，且每個流道組中的各流道31沿流道31延伸方向交錯排布。當(dāng)多孔電極30中的流道31的排布方式為A時，如圖5所示，兩個相鄰的流道31的間距可以相等也可以不同，當(dāng)相鄰的流道31的間距沿電解液縱向流動的方向減小時，流道31之間的多孔電極區(qū)域的體積也沿著同一方向減小，因此更有效地避免了隨著電解液的流動路線的延長電解液的流速減慢，導(dǎo)致對多孔電極區(qū)域產(chǎn)生的液體壓強(qiáng)變小、電解液流速進(jìn)一步減小的問題。采用排布方式A，流道31內(nèi)的電解液對其要流過的多孔電極區(qū)域產(chǎn)生比較均勻的壓強(qiáng)，從而使電解液在多孔電極30中均一流動，流道31不僅可以以圖5中所示的橫向延伸的方式進(jìn)行排布，也可以以縱向延伸的方式進(jìn)行排布，而且相鄰的流道31的間距可以相等也可以不相等，優(yōu)選相鄰的流道31的間距沿電解液橫向流動的方向減小。當(dāng)多孔電極30中的流道31的排布方式為B時，如圖4a所示，橫向延伸的流道31以排布方式B進(jìn)行交錯排布，相鄰的流道31的間距可以相等也可以不相等，優(yōu)選相鄰的流道31的間距沿電解液縱向流動的方向減小，以及如圖4b所示，縱向延伸的流道31以排布方式B進(jìn)行交錯排布，相鄰的流道31的間距可以相等也可以不相等，優(yōu)選相鄰的流道31的間距沿電解液橫向流動的方向減小，都可以使相鄰的流道31之間對電解液流動產(chǎn)生一定的壓強(qiáng)，在相鄰的流道31的綜合作用下，使得電解液在多孔電極30中均一流動。當(dāng)多孔電極30中的流道31的排布方式為C時，如圖5所示，綜合了排布方式A和B的優(yōu)勢，因此，流道31以上述排布方式C設(shè)置降低了電解液流動所需的液流壓差在多孔電極30內(nèi)部實現(xiàn)均一流動。當(dāng)多孔電極30中的流道31為D時，如圖6所示，縱向延伸的流道31以排布方式D排布時也能實現(xiàn)與如圖5所示的排布方式的技術(shù)效果。
上述多孔電極組的流道31包括沿橫向或縱向延伸的一個或多個第一流道和沿垂直于第一流道的延伸方向延伸的一個或多個第二流道，第一流道和第二流道不連通。將橫向延伸的流道31和縱向延伸的流道31綜合排布，既實現(xiàn)了電解液在流道31中的橫向與縱向流通，而且，使得電解液在多孔電極30內(nèi)部產(chǎn)生的液流壓強(qiáng)更加均勻，更好的實現(xiàn)了電解液在多孔電極30內(nèi)部均一流動的效果。如圖7至圖9所示，在本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例中，上述流道31的排布方式為:E、多孔電極30上設(shè)有多個第一流道，且該多個第一流道被分為多個第一流道組，相鄰兩個第一流道組間設(shè)置至少一條第二流道，各第一流道組中包括平行設(shè)置的多個第一流道，且相鄰的第一流道交錯排布；或者F、多孔電極30上設(shè)有一個或多個T字形流道組，T字形流道組包括一個第一流道和一個朝向該第一流道中部的第二流道，T字形流道組中的第二流道與第一流道不連通，當(dāng)T字形流道組為多個時，相鄰的兩個T字形流道組中，兩個第二流道相互平行，兩個第一流道位于相應(yīng)的第二流道的不同端，各相鄰的T字形流道組相互之間不連通；或者G、多孔電極30上設(shè)有一個或多個I字形流道組，I字形流道組包括平行相對設(shè)置的兩個第一流道和兩端分別朝向兩個第一流道中部的一個第二流道，第二流道與第一流道不連通，當(dāng)I字形流道組為多個時，且各I字形流道組相互之間不連通。當(dāng)本發(fā)明的多孔電極組中的流道31的排布方式為E時，如圖7所示，橫向延伸的第二流道將多孔電極30分為均勻的幾個多孔電極區(qū)域，每個多孔電極區(qū)域內(nèi)部設(shè)置的縱向延伸的第一流道平行分布，且相互交錯排布，這樣在每個多孔電極區(qū)域中形成一個供電解液更好地均一流動的小區(qū)域，這些小區(qū)域組合起來便得到一個內(nèi)部具有電解液均一分布的多孔電極30，當(dāng)使圖7中的第二流道縱向延伸且第一流道橫向延伸時，也能實現(xiàn)上述電解液在多孔電極30內(nèi)部均一分布。當(dāng)本發(fā)明的多孔電極組中的流道31的排布方式為F時，如圖8所示，正T字形和倒T字形交叉排布，此外，T字形也可以全部以正T字形排布也可以全部以倒T字形排布，而且，每個T字形的第一流道與第二流道之間的間隔距離可以相同也可以不同。T字形周圍的液流壓強(qiáng)均一，而且，T字形的個數(shù)越多，多孔電極30內(nèi)部的流道越多，在多孔電極30中電解液流動受到的阻力越小，電解液的更易實現(xiàn)均一的效果。當(dāng)本發(fā)明的多孔電極組中的流道31的排布方式為G時，如圖9所示，I字形按圖9所示進(jìn)行分布，I字形周圍的液流壓強(qiáng)均一，而且，I字形的個數(shù)越多，多孔電極30內(nèi)部的流道越多，在多孔電極30中電解液流動受到的阻力越小，電解液的更易實現(xiàn)均一的效果。上述多孔電極組的流道31包括沿橫向或縱向延伸的第一流道和沿垂直于第一流道的延伸方向延伸的第二流道，第一流道和第二流道相連通。將橫向延伸的流道31和縱向延伸的流道31綜合排布，既實現(xiàn)了電解液在流道31中的橫向與縱向流通，而且第一流道和第二流道相連通增強(qiáng)了電解液在流道31中的流動性，使得電解液在多孔電極30內(nèi)部產(chǎn)生的液流壓強(qiáng)更加均勻，更好的實現(xiàn)了電解液在多孔電極30內(nèi)部均一流動的效果。在本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例中，如圖10所示，上述多孔電極組的流道31的排布方式包括:H、多孔電極30上設(shè)有一個或多個Z字形流道組，Z字形流道組包括兩個第一流道和一個第二流道，兩個第一流道分別設(shè)置在第二流道的兩側(cè)，且兩個第一流道分別與第二流道上不同的端部相連通，當(dāng)Z字形流道組為多個時，且各Z字形流道組相互之間不連通。按照圖10所示設(shè)置多孔電極30中的Z字形的流道31，電解液在該Z字形的流道31內(nèi)流動時，對該Z字形周圍的液流產(chǎn)生均一的壓強(qiáng)，而且，Z字形的個數(shù)越多，多孔電極30內(nèi)部的流道31越多，在多孔電極30中電解液流動受到的阻力越小，電解液的更易實現(xiàn)均一流動的效果。如圖11至27所示，本發(fā)明的多孔電極組的流道31為多個一端開口的流道。將流道31設(shè)置為具有一端開口的流道，則有利于電解液順利地進(jìn)入流道31內(nèi)，進(jìn)而改善了電解液在多孔電極組內(nèi)的流動，更易實現(xiàn)電解液的均一流動。為了進(jìn)一步改善電解液通過流道31更均勻地滲透到多孔電極30的實體內(nèi)，優(yōu)選相鄰流道31的間距相同。為了使電解液在本發(fā)明的流道31內(nèi)流動方向可控，優(yōu)選相鄰流道31的開口方向相反或相同。如圖11至圖21所示，上述多孔電極組包括2η個多孔電極30，η為正整數(shù)，其中，η=1，一個多孔電極30為流道電極；或者η=1，且各多孔電極30為流道電極，相鄰流道電極的流道31交錯排布，或者η > 1，且η個間隔分布的多孔電極30為流道電極，相鄰的流道電極的流道31交錯排布，相互間隔的流道電極的流道31正對排布；或者η > I，且各多孔電極30為流道電極，相鄰的流道電極的流道31交錯排布，相互間隔的流道電極的流道31正對排布。電解液由靠近電解液入口處的流道31向多孔電極組的多孔電極30的其它部分滲透，并且通過靠近電解液出口處的流道31流出多孔電極組，減少了電解液流入、流出以及在多孔電極30內(nèi)滲透的阻力，從三維空間上優(yōu)化了電解液在多孔電極組內(nèi)的流動的均一性。以η=1為例，如圖11至圖15所示，多孔電極組的兩個多孔電極30內(nèi)只有一個流道電極，電解液通過流道31進(jìn)入流道電極，然后向流道電極的實體部分和另一個多孔電極30滲透并在多孔電極30內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)，然后流向流道電極的流道31并流出流道電極。如圖16至圖21所示，當(dāng)多孔電極組具有兩個均為具有流道的流道電極時，電解液可以在多孔電極之間相互滲透流動如圖17所示，也可以通過交錯排布的流道31縮短電解液在多孔電極30中的滲透距離，從而優(yōu)化了電解液在多孔電極30中流動的均一性。如圖22至圖27所示，上述多孔電極組包括2n+l個多孔電極30，η為正整數(shù)，其中，位于多孔電極組的中心位置的多孔電極30為流道電極；或者η ± I個間隔分布的多孔電極30為流道電極，相鄰的流道電極的流道31交錯排布，相互間隔的流道電極的流道31正對排布；或者2η+1多孔電極30為流道電極，且相鄰的流道電極的流道31交錯排布，相互遠(yuǎn)離的流道電極的流道31正對排布。具有上述結(jié)構(gòu)的多孔電極組，在三維方向上設(shè)計不同的流道31結(jié)構(gòu)，并通過流道31的導(dǎo)流作用使電解液由多孔電極30的內(nèi)部向多孔電極組的三維方向上滲透，改善了電解液在多孔電極組內(nèi)流動的均一性。如圖13所示，在本發(fā)明的另一種典型的實施方式中，提供了一種液流半電池，液流半電池包括液流框1、多孔電極組3和雙極板2，液流框I具有邊框11和由邊框11形成的電極容納腔，邊框11上設(shè)置有電解液進(jìn)口 12和電解液出口 13 ;多孔電極組3嵌設(shè)在液流框I的電極容納腔內(nèi)并與電解液進(jìn)口 12和電解液出口 13相連通，多孔電極組3為上述的多孔電極組；雙極板2設(shè)置在液流框I的一側(cè)且與多孔電極組3平行。具有上述結(jié)構(gòu)的液流半電池，多孔電極組3與液流框I的電解液進(jìn)口 12和電解液出口 13相連通使得電解液能夠快速地輸送到多孔電極組2內(nèi)，并通過多孔電極組3的流道31在多孔電極組3的疊置的多孔電極30內(nèi)流動、滲透，由于流道31的存在減少了電解液在多孔電極組3內(nèi)流動時的阻力改善了液流的均一性，增加了電解液在多孔電極組內(nèi)的傳質(zhì)效率，降低了濃差極化和液流壓降，提高了液流半電池的充放電效率。在本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施例中，上述液流半電池的液流框I包括相對的第一邊框和第二邊框，電解液進(jìn)口 12設(shè)置在第一邊框上，電解液出口 13設(shè)置在第二邊框上，多孔電極組3與第一邊框和第二邊框之間具有間隙。設(shè)置有電解液進(jìn)口 12的第一邊框和電解液出口 13的第二邊框與多孔電極組3之間設(shè)置有間隙，利用該間隙將由電解液進(jìn)口 12流入的電解液均勻地輸送到與多孔電極30的流道內(nèi)或滲透到多孔電極30內(nèi)，然后在多孔電極組3的多孔電極30之間相互流動，實現(xiàn)高效率的充放電反應(yīng)。本發(fā)明為了進(jìn)一步改善多孔電極組3和液流框I之間的電解液的流動性，優(yōu)選多孔電極組3的流道31為多個一端開口的流道且與第一邊框和第二邊框垂直，間隙連通電解液進(jìn)口 12與流道31以及電解液出口 13與流道31。利用與流道31垂直設(shè)置的間隙將由電解液進(jìn)口 12流入的電解液同時進(jìn)入具有開口的流道31內(nèi)，改善了電解液在多孔電極30內(nèi)流動的均一性，并且利用間隙及時地將反應(yīng)之后的電解液輸送出多孔電極30，提高了液流半電池的充放電效率。在本發(fā)明的又一種優(yōu)選的實施例中，上述液流半電池的雙極板2上設(shè)置有與電解液進(jìn)口 12和電解液出口 13對應(yīng)的電解液導(dǎo)流入口和電解液導(dǎo)流出口。通過在雙極板2上設(shè)置于電解液進(jìn)口 12和電解液出口 13相對應(yīng)的電解液導(dǎo)流入口和電解液導(dǎo)流出口，使電解液依次經(jīng)過電解液導(dǎo)流入口、電解液進(jìn)口 12、多孔電極組3、電解液出口 13和電解液導(dǎo)流出口，使得電解液流入液流半電池和流出液流半電池的路徑盡可能地短，并且提高了液流半電池的集成度和結(jié)構(gòu)的緊湊程度。本發(fā)明的液流半電池的液流框I上可以同時設(shè)置正極電解液進(jìn)口、正極電解液出口、負(fù)極電解液進(jìn)口和負(fù)極電解液出口，雙極板2上可以同時設(shè)置與正極電解液進(jìn)口相對應(yīng)的正極電解液導(dǎo)流入口、與正極電解液出口相對應(yīng)的正極電解液導(dǎo)流出口、與負(fù)極電解液進(jìn)口相對應(yīng)的負(fù)極電解液導(dǎo)流入口以及與負(fù)極電解液出口相對應(yīng)的負(fù)極電解液導(dǎo)流出口，并且通過目前常用的密封圈與密封槽配合的方式將流動中的正極電解液和負(fù)極電解液隔離開來。在本發(fā)明的另一種典型的實施方式中，提供了一種液流電池堆，包括一個或多個正極半電池、一個或多個負(fù)極半電池和設(shè)置在正極半電池和負(fù)極半電池之間的離子交換膜4，正極半電池和負(fù)極半電池為上述的液流半電池，且液流半電池的雙極板2遠(yuǎn)離離子交換
膜4設(shè)置。上述的液流電池堆具有本發(fā)明的液流半電池，因此，該液流電池堆也具有較高的充放電效率。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種多孔電極組，其特征在于，所述多孔電極組包括疊置的多個多孔電極(30)，其中至少一個所述多孔電極(30)為具有流道(31)的流道電極，所述流道(31)在所述流道電極的厚度方向貫通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔電極組，其特征在于，所述流道(31)為一個或多個兩端封閉的沿橫向延伸的橫向流道或沿縱向延伸的縱向流道。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多孔電極組，其特征在于，所述流道(31)為一個，所述流道(31)設(shè)置在所述多孔電極(30)的中心線上。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多孔電極組，其特征在于，所述流道(31)為多個，所述流道(31)的排布方式為: A、各所述流道(31)平行設(shè)置，且各所述流道(31)的兩端至與所述流道(31)延伸方向垂直的所述多孔電極(30)的邊緣的距離相同；或者 B、各所述流道(31)平行設(shè)置，且相鄰所述流道(31)沿所述流道(31)延伸方向交錯排布；或者 C、所述流道(31)被分為平行設(shè)置的多個流道組，所述流道組中包括多個所述流道(31)，每個所述流道組的延伸方向與該流道組中的所述流道(31)的延伸方向一致，且相鄰所述流道組中所述流道(31)沿所述流道(31)延伸方向交錯排布；或者 D、所述流道(31)被分為平行設(shè)置的多個流道組，所述流道組中包括多個所述流道(31)，每個所述流道組的延伸方向與該流道組中的所述流道(31)的延伸方向垂直，且每個所述流道組中的各所述流道(31)之間沿所述流道(31)延伸方向交錯排布。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔電極組，其特征在于，所述流道(31)包括沿橫向或縱向延伸的一個或多個第一流道和沿垂直于所述第一流道的延伸方向延伸的一個或多個第二流道，所述第一流道和所述第二流道不連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多孔電極組，其特征在于，所述流道(31)的排布方式為: E、所述多孔電極(30)上設(shè)有多個第一流道，且該多個第一流道被分為多個第一流道組，相鄰兩個第一流道組間設(shè)置至少一條所述第二流道，各第一流道組中包括平行設(shè)置的多個第一流道，且相鄰的所述第一流道交錯排布；或者 F、所述多孔電極(30)上設(shè)有一個或多個T字形流道組，所述T字形流道組包括一個所述第一流道和一個朝向該第一流道中部的所述第二流道，所述T字形流道組中的所述第二流道與所述第一流道不連通，當(dāng)所述T字形流道組為多個時，相鄰的兩個所述T字形流道組中，兩個第二流道相互平行，兩個第一流道位于相應(yīng)的第二流道的不同端，各相鄰的所述T字形流道組相互之間不連通；或者 G、所述多孔電極(30)上設(shè)有一個或多個I字形流道組，所述I字形流道組包括平行相對設(shè)置的兩個第一流道和兩端分別朝向所述兩個第一流道中部的一個所述第二流道，所述第二流道與所述第一流道不連通，當(dāng)所述I字形流道組為多個時，且各所述I字形流道組相互之間不連通。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔電極組，其特征在于，所述流道(31)包括沿橫向或縱向延伸的第一流道和沿垂直于所述第一流道的延伸方向延伸的第二流道，所述第一流道和所述第二流道相連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的多孔電極組， 其特征在于，所述流道(31)的排布方式包括:H、所述多孔電極(30)上設(shè)有一個或多個Z字形流道組，所述Z字形流道組包括兩個第一流道和一個第二流道，兩個所述第一流道分別設(shè)置在第二流道的兩側(cè)，且兩個所述第一流道分別與所述第二流道上不同的端部相連通，當(dāng)所述Z字形流道組為多個時，且各所述Z字形流道組相互之間不連通。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多孔電極組，其特征在于，所述流道(31)為多個一端開口的流道。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的多孔電極組，其特征在于，相鄰所述流道(31)的間距相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的多孔電極組，其特征在于，相鄰的所述流道(31)的開口方向相反或相同。
12.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的多孔電極組，其特征在于，所述多孔電極組包括2η個多孔電極(30)，η為正整數(shù)，其中， η=1，一個所述多孔電極(30)為所述流道電極；或者 η=1，且各所述多孔電極(30)為所述流道電極，相鄰所述流道電極的所述流道(31)交錯排布，或者 η > 1，且η個間隔分布的所述多孔電極(30)為所述流道電極，相鄰的所述流道電極的所述流道(31)交錯排布，相互間隔的所述多孔電極(30)的所述流道(31)正對排布；或者 η > 1，且各所述多孔電極(30)為所述流道電極，相鄰的所述流道電極的所述流道(31)交錯排布，相互間隔的所述流道電極的所述流道(31)正對排布。
13.根據(jù)權(quán)利要求1至11中任一項所述的多孔電極組，其特征在于，所述多孔電極組包括2η+1個多孔電極(30)，η為正整數(shù)，其中， 位于所述多孔電極組的中心位置的多孔電極(30)為所述流道電極；或者 η±1個間隔分布的所述多孔電極(30)為所述流道電極，相鄰的所述流道電極的所述流道(31)交錯排布，相互間隔的所述流道電極的所述流道(31)正對排布；或者 所述2n+l多孔電極(30)為所述流道電極，且相鄰的所述流道電極的所述流道(31)交錯排布，相互遠(yuǎn)離的所述流道電極的所述流道(31)正對排布。
14.一種液流半電池，其特征在于，所述液流半電池包括: 液流框(I )，具有邊框(11)和由所述邊框(11)形成的電極容納腔，所述邊框(11)上設(shè)置有電解液進(jìn)口(12)和電解液出口(13)； 多孔電極組(3)，嵌設(shè)在所述液流框(I)的所述電極容納腔內(nèi)并與所述電解液進(jìn)口(12)和電解液出口(13)相連通，所述多孔電極組(3)為權(quán)利要求1至13中任一項所述的多孔電極組； 雙極板(2)，設(shè)置在所述液流框(I)的一側(cè)且與所述多孔電極組(3)平行。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的液流半電池，其特征在于，所述液流框(I)包括相對的第一邊框和第二邊框，所述電解液進(jìn)口(12)設(shè)置在所述第一邊框上，所述電解液出口(13)設(shè)置在所述第二邊框上，所述多孔電極組(3)與所述第一邊框和所述第二邊框之間具有間隙。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液流半電池，其特征在于，所述多孔電極組(3)的流道(31)為多個一端開口的流道且與所述第一邊框和所述第二邊框垂直，所述間隙連通所述電解液進(jìn)口(12)與所述流道(31)以及所述電解液出口(13)與所述流道(31)。
17.根據(jù)權(quán)利要求14至16中任一項所述的液流半電池，其特征在于，所述雙極板(2)上設(shè)置有與所述電解液進(jìn)口(12)和電解液出口(13)對應(yīng)的電解液導(dǎo)流入口和電解液導(dǎo)流出口。
18.一種液流電池堆，包括一個或多個正極半電池、一個或多個負(fù)極半電池和設(shè)置在所述正極半電池和所述負(fù)極半電池之間的離子交換膜(1)，其特征在于，所述正極半電池和所述負(fù)極半電池為權(quán)利要求14至17任一項所述的液流半電池，且所述液流半電池的雙極板(2 )遠(yuǎn)離所述離 子交換膜(I)設(shè)置。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種多孔電極組、液流半電池和液流電池堆。多孔電極組包括疊置的多個多孔電極，其中至少一個多孔電極為具有流道的流道電極，流道在流道電極的厚度方向貫通。多孔電極組的至少一個多孔電極為內(nèi)部設(shè)置有供電解液流通的流道的流道電極，電解液在流道的導(dǎo)流作用下在具有流道的多孔電極內(nèi)流動增加了電解液向多孔電極的實體部分滲透的表面積，減少了多孔電極對電解液流動造成的液流阻力，有效地降低了電解液流動所需的液流壓差；而且電解液在流道中流動時，向流道兩側(cè)的多孔電極中均勻滲透，提高了液流流動的均一性，減少了因電解液流動不均造成的濃差極化，提高具有其的液流電池的充放電效率。
文檔編號H01M8/20GK103117402SQ20131003926
公開日2013年5月22日 申請日期2013年1月31日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月31日
發(fā)明者殷聰, 湯浩, 宋彥彬, 謝光有, 周正, 劉志偉 申請人:中國東方電氣集團(tuán)有限公司