电芯框架以及具有该电芯框架的氧化还原液流电池的制作方法
【专利摘要】本文公开了氧化还原液流电池，并且更具体地，能够有效分布电解液的电芯框架通道设计。本发明提供了给电极提供电解液的氧化还原液流电池的电芯框架，氧化还原液流电池的电芯框架包括：分别布置在电极的两个侧表面的电解液入口部分和电解液出口部分；分布通道，其连接到电解液入口部分且将电解液划分到多个通道中；缓冲通道，其形成为以下形状，缓冲通道连接到每个分布通道的末端并且朝向电极增加缓冲通道的通道宽度；混合区，其形成在缓冲通道和电极之间以将流自缓冲通道的电解液彼此混合。
【专利说明】电芯框架以及具有该电芯框架的氧化还原液流电池
【技术领域】
[0001]本发明涉及氧化还原液流电池，且更具体而言，涉及能够在整个电极区域中有效分布电解液并且在操作电池的各种流速条件下有效分布电解液的电芯框架通道设计。
【背景技术】
[0002]电解液的均匀分布在增加氧化还原液流电池的尺寸方面是与电芯性能和效率相关联的重要因素。
[0003]然而，在现有氧化还原液流电池框架的电解液流通道的形状中存在对均匀分布电解液的限制。此外，对于电池的大功率放电而言，电解液的流速应当比现有操作条件(每个电极区域的流速:0.5cc/ (min*cm2)，每个电极区域的放电电流:80mA/cm2)更快，但是使用在现有电池中与横向通道垂直形成的纵向通道不可能均匀分布电解液。当电解液以较快的流速在电池通道中流动时，流体可能偏好于其中压力下降较小的方向，使得可以由增加的电解液速度来形成以高压注入的喷射流，由此降低了电芯效率。在有关领域中，在韩国专利登记号 10-1176575 (2012 年 8 月 23 曰)中提供了 “electrolyte-flowing device for aredox flow battery，，。
[0004]图2是示出根据有关领域的氧化还原液流电池的电解液流动设备的通道结构的示意图。如图2所示，第二纵向通道507与第二横向通道508垂直安装。
【发明内容】
[0005]本发明致力于提供一种通道设计和通道结构，在通道设计中，为了电解液在较大尺寸的氧化还原液流电池中的有效分布，以相同压力条件和相同通道长度分布电解液，并且在通道结构中，以电解液的较快流速条件来混合分布区和能够允许电解液的速度均匀的缓冲区。
[0006]此外，本发明已经做出了努力以提供电芯设计，该电芯设计包括用于阻止以高压喷射的电解液的喷射流的块。
[0007]根据本发明的示例性实施例，提供了氧化还原液流电池的电芯框架，该氧化还原液流电池的电芯框架包括:电解液入口部分，其与氧化还原液流电池的电极的一侧相邻地布置；电解液出口部分，其与电极的另一侧相邻地布置；多步分布通道(mult1-stepdistribut1n channel),其连接到电解液入口部分，在电芯框架的横向上部署并且划分成多个通道；多步缓冲通道(mult1-step buffer channel),其每个连接到分布通道中的一个被划分通道，在电芯框架的纵向上部署，并且划分成多个子通道，其中，每个子通道的宽度朝向电极而增加；混合区，其布置在缓冲通道和电极之间，并且被配置为将流自缓冲通道的电解液混合；以及混合块，其布置在混合区中，并且被配置为在混合区中分布和缓冲电解液。
[0008]分布通道可以在划分点处被划分成多个通道，其中，划分点之前的分布通道的宽度与划分点之后的分布通道的被划分通道的宽度的总和相同。
[0009]每个缓冲通道包括至少一个步划分点(step divis1nal point),并且具有以下形状，在该形状中，步划分点之后的子通道的宽度的总和大于连接到子通道的缓冲通道的宽度，优选的是，第(n+1)步划分点处划分的子通道的宽度的总和大于第η步划分点处划分的子通道的宽度的总和。
[0010]优选的是，步划分点之前的缓冲通道的宽度与步划分点之后的子通道的宽度的总和之间的比例处于1:1.01至1:4的范围之内。
[0011]同时，缓冲通道的出口宽度为缓冲通道的入口宽度的5倍到30倍，并且更优选的，所述出口的宽度为所述入口的宽度的10倍到20倍。所述出口连接到混合区，并且所述入口连接到分布通道的对应被划分通道。
[0012]此外，混合区具有与电极的宽度相同的宽度，并且用于阻止电解液以高压喷射的一个或多个混合块被布置在混合区，以均匀地划分混合区。优选的是，混合块被定位使得混合区被均匀地划分以用于电解液的均匀重新分布，并且混合块的中间部分与每个缓冲通道的中间部分重叠，由此阻止电解液的高压喷射。在该情况中，混合块的横截面具有圆形形状或者多边形形状。
[0013]由混合块在混合区中占有的面积为混合区的整个面积的10%到50%。
[0014]优选的是，一个或多个分步的分布通道具有相同通道长度，并且所有的缓冲通道具有相同长度。
[0015]根据本发明的另一个示例性实施例，提供了氧化还原液流电池，其包括:氧化还原液流电池的电芯框架；以来自电芯框架的电解液来供应的电极，其中，氧化还原液流电池的电芯框架包括:电解液入口部分，其与氧化还原液流电池的电极的一侧相邻地布置；电解液出口部分，其与电极的另一侧相邻地布置；多步分布通道，其连接到电解液入口部分，在电芯框架的横向上部署并且划分成多个通道；多步缓冲通道，其每个连接到分布通道中的一个被划分通道，在电芯框架的纵向上部署，并且划分成多个子通道，其中，每个子通道的宽度朝向所述电极而增加；混合区，其布置在缓冲通道和电极之间，并且被配置为将流自缓冲通道的电解液混合；以及混合块，其布置在混合区中，并且被配置为在混合区中分布和缓冲电解液。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]结合附图，从下面的详细描述中将更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优势以及其它目的、特征和优势，在附图中:
[0017]图1是示出根据本发明的示例性实施例的氧化还原液流电池的电芯框架的后表面的示意图。
[0018]图2是根据有关领域的氧化还原液流电池的电芯框架的通道结构的示意图。
[0019]图3是示出根据有关领域当电解液以高速引入到氧化还原液流电池的电芯框架中时的速度分布的速度分布图。
[0020]图4是示出根据本发明的示例性实施例的氧化还原液流电池的电芯框架的前表面的示意图。
[0021]图5是示出根据本发明的示例性实施例的氧化还原液流电池的电芯框架的耦合关系的配置图。
【具体实施方式】
[0022]在下文中，将参考附图详细地描述根据本发明的示例性实施例的改进液流分布的电芯框架和具有该电芯框架的氧化还原液流电池。
[0023]电解液的均匀分布在增加氧化还原液流电池的尺寸方面是与电芯性能和效率相关联的重要因素。然而，在现有氧化还原液流电池框架的电解液流通道的形状中存在对电解液均匀分布的限制。
[0024]此外，对于电池的大功率操作而言，电解液的流速应当比现有操作条件更快，但是在现有电池中与横向通道垂直形成的纵向通道形成以高压注入的电解液的喷射流，如图2所示，由此恶化了电芯效率。
[0025]图3示出了根据有关领域当电解液以高速引入到氧化还原液流电池的电芯框架中时的速度分布的速度分布图。
[0026]参考图3，喷射流形成在某些区域中，从而可能没有完全利用电解液区域，由此降低电芯效率。
[0027]本发明在于提供通道设计和通道结构，在通道设计中，为了电解液在较大尺寸的氧化还原液流电池中的有效分布，以相同压力条件和相同通道长度分布电解液，而在通道结构中，以电解液的较快流速条件来混合分布区和能够允许电解液的速度均匀的缓冲区。此外，本发明的特征在于包括用于阻止以高压喷射的电解液的喷射流的混合块。
[0028]图1是示出根据本发明的示例性实施例的氧化还原液流电池的电芯框架的后表面的示意图，并且图4是示出根据本发明的示例性实施例的氧化还原液流电池的电芯框架的前表面的示意图。参考图1和图4，根据本发明的示例性实施例的氧化还原液流电池的电芯框架100可以用于给电极200均匀地提供电解液。
[0029]电芯框架100被布置为用于包围电极200的外围部分的形状，并且在图1和图4中示出的示例性实施例的情况中，电芯框架100具有以下结构，在该结构中，电解液从电极200被向下引入，在电极200中发生反应，并且然后从电极200被向上排出。当然，电芯框架100的结构不限于此，而正相反，电芯框架100可以具有其中电解液被向上引入并且被向下排出的结构。
[0030]参考图1，电解液入口部分102和电解液出口部分104分别形成在电芯框架100的右上端和左下端。电解液入口部分102和电解液出口部分104被成形为穿透电芯框架100的通孔的形状。
[0031]通过左下端的电解液入口部分102引入的电解液通过分布通道120、缓冲通道140和混合区160供应给电极200。
[0032]分布通道120、缓冲通道140和混合区160以对称形状形成在电极200之上和电极200之下。
[0033]分布通道120连接到电解液入口部分102以用于将电解液划分为多个通道。分布通道120划分电解液并且均匀分散电解液以由此使电解液流动。
[0034]为了分布电解液到整个电解液区域，设计分布通道120，并且仅在施加到每个分布通道120的压力下降(ΛΡ)相等的情况中，可以引起电解液的均匀分布。
[0035]在压力下降(ΛΡ)为不均匀的情况中，电解液可能偏向于压力下降(ΛΡ)较小的部分，并且电解液未分布到电极的整个表面，从而可能恶化电芯效率。
[0036]每个分布通道的总长度需要彼此相等，并且考虑到均匀分布，优选的是，当划分分布通道时，所有分布通道的划分方向为横向。
[0037]此外，在每个分布通道120中，优选的是，分布通道的弯曲部分具有圆形形状。原因在于在通道被弯曲成直角的情况中，可以增加压力下降。
[0038]进一步地，在分布通道120中，为了减少从电解液入口部分引入的电解液的压力下降，优选的是，划分之前的通道宽度与划分之后的通道宽度的总和彼此相同。原因在于在划分后的通道宽度的总和小于划分之前的通道宽度的情况中，在通道自身中显著地生成压力下降，为了稳固预先确定的流速，在泵中需要较大的输出，从而增加了功率消耗。
[0039]分布通道120包括:流动稳定区122，其连接到电解液入口部分102以稳定从电解液入口部分102提供的电解液的流动；第一通道121，其连接到流动稳定区122以维持第一通道宽度wl ;第二通道123，其从第一通道121划分出以具有第二通道宽度《2 ；以及第三通道125，其从第二通道123划分出以具有第三通道宽度w3。
[0040]分布通道120可以从第一通道121划分成两个第二通道123，而两个第二通道123划分成四个第三通道125。在该情况中，第二通道宽度w2为第一通道宽度wl的一半，而第三通道宽度《3为第二通道宽度《2的一半。即虽然分布通道被划分，但是整个通道宽度维持恒定。因此，在分布通道120中从第一通道121 —直到第三通道125维持恒定流速，并且可以形成电解液的稳定流动。
[0041]根据图1中示出的示例性实施例的分布通道120具有到缓冲通道140的四条路线，并且在每个路线中，路线的长度彼此相同。原因在于允许通过分布通道120分布的电解液在相同条件下流动。
[0042]缓冲通道140为连接分布通道120和混合区160的通道。
[0043]不同于分布通道120，缓冲通道140被形成为使得通道宽度朝向下游部分(流动中的下部分)增加，从而缓冲通道140用于当降低流速时允许均匀速度。
[0044]考虑到电解液的均匀分布，理想的是，不同于分布通道120，所有的缓冲通道140纵向划分。缓冲通道140可以被配置为多步形式，并且考虑到缓冲效应，有利的是，以小于连接到混合区160的最后缓冲通道的扩展宽度W0的比例来增加在多步中增加的通道宽度。
[0045]最后缓冲通道的出口宽度W0为缓冲通道的入口宽度WI的优选5倍到30倍，并且更优选10倍到20倍。这里，缓冲通道的入口宽度WI意味着在缓冲通道开始处的位置的通道宽度，并且缓冲通道的出口宽度W0意味着在缓冲通道结束处的位置的通道宽度。
[0046]在多步缓冲通道中，在第(n+1)步处划分的缓冲通道的宽度总和大于在第η步处划分的缓冲通道的宽度总和。
[0047]进一步地，优选的是，在具体步骤处划分之前的缓冲通道的宽度与划分之后的缓冲通道的宽度总和之间的比例处于1:1.01到1:4的范围之内。
[0048]多步缓冲通道在于将电解液分布到整个电极区域，并且提高了缓冲效果，并且在通道宽度的比例大于1:4的情况中，可能恶化分布效率。原因在于以超过1:4比例扩展的通道立即导致压力下降，由此恶化分布效率。
[0049]相反，在其中比例小于1:1.01的情况中，不可能获得缓冲效果。
[0050]由于分布功能在彻底分布的缓冲通道即最后缓冲通道中是不显著的，所以可以扩展最后缓冲通道，使得该最后缓冲通道的出口宽度为其入口宽度的5倍到30倍，更优选地为其入口宽度的10倍到20倍。
[0051]在最后缓冲通道的出口宽度小于其入口宽度的5倍的情况中，当以快流速范围(每个电极区域的流速>lcc/(min*cm2))的电芯操作时，电解液的缓冲效果是不显著的，由此可能导致喷射流，并且在最后缓冲通道超过30倍的情况中，当以慢流速范围(每个电极区域的流速〈0.5cc/(min*cm2))调整流速时，难以操作电池。
[0052]缓冲通道140包括:第四通道141，其从分布通道120的第三通道划分出以具有第四通道宽度w4 ;第五通道143，其从第四通道141划分出；以及第六通道145，其从第五通道143划分出且扩展为使得第六通道145的通道宽度为第五通道宽度w5的10倍到20倍。
[0053]渗透通道150被形成在第六通道145的出口部分处，使得沿着在电芯框架100的后表面形成的分布通道120和缓冲通道140流动的电解液流到电芯框架100的前表面。
[0054]渗透通道150连接到第六通道145的出口部分，并且渗透通道150的宽度与第六通道145的出口宽度彼此相同。
[0055]此外，渗透通道150在前表面具有与混合区160的宽度相同的宽度，并且混合区160被形成以具有与电极的宽度相同的宽度。
[0056]混合区160形成在电芯框架100的前表面，并且混合块162被设置在混合区160中。混合通道164形成在混合区160中的混合块162之间。
[0057]混合块162具有预先确定的厚度，并且该混合块的横截面具有圆形形状或者多边形形状。混合块162均匀布置在混合区160中，并且混合通道164形成在混合块162之间。
[0058]由于电解液在混合块162之间移动，所以均匀地缓和电解液的移动速度。
[0059]优选的是，由混合区160中的混合块162占有的面积为混合区160的整个面积的10%到 50%。
[0060]原因在于在混合块的面积等于或者小于混合区的面积的10%的情况中，在以快流速范围(每个电极区域的流速>lcc/(min*cm2))的操作时难以均匀地控制电解液的移动速度，并且在混合块162的面积大于50%的情况中，混合通道164变得较窄，使得可能局部地增加电解液的速度。
[0061]在混合块162的面积大于50%的情况中，可能在电解液的流动中生成显著地压力下降，并且由于该压力下降，需要增加泵每分钟的转数(rpm)，以稳固相同量的流速。因此，增加了泵的能量消耗，这是恶化整个系统效率的原因。
[0062]因此，仅在其中由混合区160中的混合块162占有的面积为混合区160的整个面积的10%到50%。可以降低给定流速下的压力下降，并且同时，可以获得缓冲效果。
[0063]图5是示出根据本发明的示例性实施例的氧化还原液流电池的电芯框架的耦合关系的配置图。
[0064]在氧化还原液流电池的电芯框架100中，分布通道(图1的120)和缓冲通道(图1的140)在后表面形成为槽形，并且当覆盖形成为槽形的分布通道120和缓冲通道140时，中间框架300被粘附。电极板200粘附到中间框架300。
[0065]当共享中间框架300和电极板200时，电解液在其中具有不同极性流的电芯框架100-1被粘附到中间框架300的相对侧。
[0066]考虑到通过电解液的有效分布来改善电池效率，提供电解液的流路的电芯框架是显著重要的。在根据有关领域的氧化还原液流电池的电芯框架中，存在由于电解液的非均匀分布而恶化效率的问题，即以高压引入的电解液的流动在减轻电解液的压力的某些区域处集中的现象。然而，本发明解决了该问题，从而可以均匀地分布电解液，并且可以不生成喷射流。
[0067]根据本发明的电芯框架在于均匀地分布电解液并且实现缓冲效果。根据本发明，电解液均匀地分布到所有区域，从而电解液可以最大地利用电解液面积，由此增加电池效率。电极区域利用的最大化可以减少充电时间和放电时间，并且在将功率用于高输出时，可以在需要的快流速条件下通过电解液的均匀分布来维持电池效率。
[0068]在根据本发明的电芯框架中，没有生成喷射流，并且可以通过布置混合区和混合块同时在相同压力条件下经由彼此具有相同通道宽度的通道分布电解液，使得电解液被均匀地分布，甚至使得在快流速条件下的电解液被均匀地分布。
[0069]因此，在根据本发明的具有电芯框架的氧化还原液流电池中，电解液的流动不集中于某些区域而是均匀分布，从而可以最大化地使用电极面积，由此提高电池效率。
【权利要求】
1.一种氧化还原液流电池的电芯框架，所述电芯框架包括: 电解液入口部分，其与所述氧化还原液流电池的电极的一侧相邻地布置； 电解液出口部分，其与所述电极的另一侧相邻地布置； 多步分布通道，其连接到所述电解液入口部分，在所述电芯框架的横向上部署，并且划分成多个通道； 多步缓冲通道，其每个连接到所述分布通道中的一个被划分通道，在所述电芯框架的纵向上部署，并且划分成多个子通道， 其中，每个子通道的宽度朝向所述电极而增加； 混合区，其布置在所述缓冲通道和所述电极之间，并且被配置为将流自所述缓冲通道的电解液混合；以及 混合块，其布置在混合区中，并且被配置为在混合区中分布和缓冲所述电解液。
2.根据权利要求1所述的电芯框架，其中，所述分布通道在划分点处被划分成多个通道， 其中，所述划分点之前的所述分布通道的宽度与所述划分点之后的所述分布通道的被划分通道的宽度的总和相同。
3.根据权利要求1所述的电芯框架，其中，所述每个缓冲通道包括至少一个步划分点，并且 其中，所述步划分点之后的所述子通道的宽度的总和大于连接到所述子通道的所述缓冲通道的宽度。
4.根据权利要求3所述的电芯框架，其中，第(n+1)步划分点处划分的所述子通道的宽度的总和大于第η步划分点处划分的子通道的宽度的总和。
5.根据权利要求3所述的电芯框架，其中，所述步划分点之前的缓冲通道的宽度与所述步划分点之后的子通道的宽度的总和之间的比例处于1:1.01至1:4的范围内。
6.根据权利要求3所述的电芯框架，其中，所述缓冲通道的出口宽度为所述缓冲通道的入口宽度的5倍到30倍，并且 其中，所述出口连接到所述混合区，并且所述入口连接到所述分布通道的对应被划分通道。
7.根据权利要求6所述的电芯框架，其中，所述出口的宽度为所述入口的宽度的10倍到20倍。
8.根据权利要求1所述的电芯框架，其中，所述混合区具有与所述电极的宽度相同的宽度，并且 其中，一个或多个混合块被布置在混合区中，以均匀划分所述混合区。
9.根据权利要求8所述的电芯框架，其中，所述混合块被布置为使得所述混合块的中间部分与每个缓冲通道的中间部分重叠。
10.根据权利要求9所述的电芯框架，其中，所述混合块的横截面具有圆形形状或多边形形状。
11.根据权利要求9所述的电芯框架，其中，由所述混合块在所述混合区中占有的面积为所述混合区的整个面积的10%到50%的范围。
12.根据权利要求1所述的电芯框架，包括一个或多个多步分布通道， 其中，所有的分布通道具有相同通道长度，并且 其中，所有缓冲通道具有相同长度。
13.一种氧化还原液流电池,包括: 所述氧化还原液流电池的电芯框架，以及 以来自电芯框架的电解液来供应的电极， 其中，所述电芯框架包括: 电解液入口部分，其与所述氧化还原液流电池的电极的一侧相邻地布置； 电解液出口部分，其与所述电极的另一侧相邻地布置； 多步分布通道，其连接到所述电解液入口部分，在所述电芯框架的横向上部署，并且划分成多个通道； 多步缓冲通道，其每个连接到所述分布通道中的一个被划分通道，在所述电芯框架的纵向上部署，并且划分成多个子通道， 其中，每个子通道的宽度朝向所述电极而增加； 混合区，其布置在所述缓冲通道和所述电极之间，并且被配置为将流自所述缓冲通道的电解液混合；以及 混合块，其布置在混合区中，并且被配置为在混合区中分布和缓冲所述电解液。
【文档编号】H01M8/02GK104282921SQ201410333941
【公开日】2015年1月14日 申请日期:2014年7月14日 优先权日:2013年7月12日
【发明者】金守焕, 金泰润, 严明燮, 河泰晸, 方瑜景 申请人:Oci有限公司