技术领域本发明涉及一种电化学液流电池(electrochemicalflowcell)技术，特别涉及一种电化学液流电池单元组件及其双极板。
背景技术：
电化学液流电池，也称为氧化还原液流电池(redoxflowbattery)是一种电化学储能装置，是利用电解质(正极电解质、负极电解质)中氧化还原反应的离子价数变化的储电电池。电化学液流电池一般是由离子交换膜、在离子交换膜两侧分别配设有细密多孔的正电极及负电极、与正电极侧的正极双极板和负电极侧的负极双极板所构成的单元(singlecell)结构，通常为了取得高电压，可将数个单元结构堆栈成为电池堆(stack)。然后通过正、负极电解质分别经过正、负电极形成循环回路，使电化学液流电池放电；或者从外部对电池进行充电。目前电化学液流电池常见的是使用不同价数的钒离子硫酸水溶液，以V(Ⅳ)/V(Ⅴ)和V(Ⅱ)/V(Ⅲ)氧化还原对可进行的电化学反应如下：正极反应：VO2++2H++e-←→VO2++H2O负极反应：V2+←→V3++e-全反应式：VO2++2H++V2+←→VO2++H2O+V3+氧化还原型的电化学液流电池具有安全性高、完全充放电、能量效率高、电池寿命长、电解质劣化少、不会排放有害环境的气体以及电解质储存槽增加即可增加系统储电容量等特征，可用于解决再生能源常具的间歇特性，使得再生能源对于电力电网供电的不确定性获得改善。然而，上述电化学液流电池常有电极与双极板接触阻抗过高、电解质停滞及浓度极化等现象，会影响电池内部质子与电子传输效能，而使得电池整体效率不佳，故需要改良电池结构，以提升双极板与电极接口的接触性以及增加电解质在流场流动的分配性，并能改善电荷传递，有利提升氧化还原电池的电流密度及能量效率以及储电容量。
技术实现要素：
本发明提供一种电化学液流电池的双极板，以增加电解质在流场流动的分配性。本发明另提供一种电化学液流电池单元组件，能提升双极板与电极接口的接触性进而提升电池的电流密度、能量效率以及储电容量。本发明的电化学液流电池的双极板包括不导电部与导电部。不导电部是具有中空区域的框架结构，其中框架结构包括数个分配流道以及数个歧管孔(manifolds)。导电部则设置于上述中空区域并与不导电部密合而形成一容置空间，其中导电部具有数个岛丘结构，用于在容置空间内构成数个电解质流路，且不导电部的分配流道能引导电解质流进与流出所述导电部。本发明的电化学液流电池单元组件，包括质子交换膜、位于所述质子交换膜两侧的一对电极、以及位于每个所述电极两侧的一对双极板，其中每一个双极板包括不导电部与导电部。不导电部是具有中空区域的框架结构，其中框架结构包括数个分配流道以及数个歧管孔。导电部则设置于上述中空区域并与不导电部密合而形成一容置空间，且不导电部的分配流道能引导电解质流进与流出所述导电部。上述导电部具有数个岛丘结构，用于在容置空间内构成数个电解质流路，而电极内嵌于所述容置空间内并与岛丘结构接触。在本发明的一实施例中，上述电极包括多孔性材料导电石墨毡、导电碳毡或导电碳纸。在本发明的一实施例中，上述电极在组立前后的厚度压缩比值为10％至75％。在本发明的一实施例中，上述不导电部的材料包括聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)或聚四氟乙烯(PTFE)。在本发明的一实施例中，上述导电部包括导电石墨板或复合导电碳板。在本发明的一实施例中，上述不导电部与导电部之间采用密封组件或胶合方式紧密搭接。在本发明的一实施例中，上述岛丘结构包括多边形、圆形或直条型结构。在本发明的一实施例中，上述岛丘结构的高度与所述容置空间的厚度的比值为0.1至0.5。在本发明的一实施例中，上述岛丘结构的间距与所述电解质流路的宽度之间的比值为0.2至0.8。在本发明的一实施例中，上述电解质流路的宽度为0.5mm至2.5mm。在本发明的一实施例中，上述岛丘结构的顶部为圆顶，且所述圆顶的曲率半径为0.1mm至5mm。基于上述，本发明通过双极板的设计，而提升双极板与电极的接口接触性，同时增加电解质在流场流动的分配性，故而有效降低界面阻抗与提高流体分配性及降低电解质流动流阻，并由此改善电荷传递，因此能提升电化学液流电池的电流密度、能量效率以及储电容量。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图式作详细说明如下。附图说明图1是依照本发明的第一实施例的一种电化学液流电池的双极板的分解示意图。图2A是第一实施例的双极板的平面视图。图2B是图2A的双极板的B-B线段的剖面图。图3A至图3D是图2B的双极板的各种岛丘结构的变形例的平面视图。图4A是依照本发明的第二实施例的一种电化学液流电池单元组件的组立前示意图。图4B是图4A的电化学液流电池单元组件组立后的示意图。图5是实验例中的双极板的立体图。图6是实验例与比较例在充放电效能的比较图。图7是实验例与比较例在能源效率和储电容量的比较图。其中附图标记为：100、500：双极板102、502：不导电部102a：中空区域103、408：密封组件104、504：导电部106、200、506：分配流道108a～d、508a、508b：歧管孔110、300、302、304、306：岛丘结构110a：圆顶112：容置空间114：电解质流路202：蜿蜒部位400：电化学液流电池单元组件402：质子交换膜404、406：电极H、H’、H”：长度l、W、W’、W”：宽度L：间距t：高度T、T’、T”、Te、Te’：厚度具体实施方式图1是依照本发明的第一实施例的一种电化学液流电池的双极板的分解示意图。图2A是第一实施例的双极板的平面视图。图2B是图2A的双极板的B-B线段的剖面图。在第一实施例中，电化学液流电池的双极板100包括不导电部102与导电部104。图1所示的是组立前的结构，以方便说明与解释。不导电部102是具有中空区域102a的框架结构，外观长度尺寸为H、宽度尺寸为W及厚度尺寸为T，中空区域102a长度尺寸为H”、宽度尺寸为W”及厚度尺寸为T”。所述不导电部102的材料例如聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚四氟乙烯(PTFE)等可耐酸碱的高分子材料。不导电部102的框架结构包括数个分配流道106以及数个歧管孔108a～d。分配流道106能引导电解质(未绘示)往中空区域102a流进与流出，而歧管孔108a～d则是能让电解质(未绘示)穿过其中，譬如当正极电解质自歧管孔108a流进中空区域102a并从歧管孔108d流出时，负极电解质可经由歧管孔108b或108c往负电极移动；反之亦然。至于导电部104则具有数个岛丘结构110，且导电部104外观长度尺寸为H’、宽度尺寸为W’及厚度尺寸为T’。所述导电部104例如导电石墨板或复合导电碳板等可耐酸碱的高分子复合导电材料。不导电部102与导电部104的尺寸关系为，长度尺寸：H>H’>H”、宽度尺寸：W>W’>W”、及厚度尺寸T>T’及T>T”，经由两者关系的匹配情况，不导电部102与导电部104组立后，导电部104可以嵌入不导电部102的中空区域102a并与不导电部102密合而形成容置空间112，如图2A与图2B所示。容置空间112的长度尺寸为H”、宽度尺寸为W”及厚度尺寸为T”，不导电部102与导电部104之间譬如可透过密封胶之类的物质以胶合方式或利用密封组件103密封方式紧密搭接，其中密封组件103例如密封垫片之类的构件。在图2A中，不导电部102的分配流道200与图1的略为不同，具有蜿蜒部位202能有效增加电解质分配效果以及增加电流阻抗进而降低各个电池单元之间的分流电流损耗(shuntcurrentloss)，然本发明并不限于此，只要分配流道200能引导电解质流进与流出导电部104即可。另外，导电部104的岛丘结构110能于容置空间112内构成数个电解质流路114。在本实施例中，岛丘结构110是六角形的凸起物，并与导电部104属于一体成形的构造，但本发明并不限于此，岛丘结构110也可以是其他形状的凸起物。请参照图2B，如以导电部104的平面部分视为电解质流路114，则岛丘结构110的高度t就是从电解质流路114的平面起算的尺寸，而岛丘结构110的间距L就是两两岛丘结构110的顶部之间的距离。在本实施例中，岛丘结构110的高度t与容置空间112的厚度T”之间的比值例如0.1至0.5；在另一实施例中是0.15到0.3。而岛丘结构110的间距L与电解质流路114的宽度l之间的比值例如0.2至0.8；在另一实施例中是0.4至0.6。电解质流路114的宽度l例如0.5mm至2.5mm；在另一实施例中是1mm至2mm。此外，岛丘结构110的顶部可为圆顶110a，且圆顶110a的曲率半径例如0.1mm至5mm；在另一实施例中是0.15mm到1.5mm。除了图2A显示的岛丘结构110以外，导电部104还可以有各种变形例，譬如图3A显示的是岛丘结构300虽然也是六角形，但是其排列方式与图2A的错位排列不同，属于数组排列。另外，图3B中的导电部104具有错位排列的圆形的岛丘结构302；图3C中的导电部104具有错位排列的四边形的岛丘结构304；图3D中的导电部104具有错位排列的三边形的岛丘结构306。图3A至图3D中的岛丘结构各有不同形状或排列，但凡是能提升双极板本身与电极的接口接触性，并增加电解质在流场流动的分配性的构造均适用于本发明。图4A与图4B是依照本发明的第二实施例的一种电化学液流电池单元组件的组立前后的剖面示意图，并且使用与第一实施例相同的组件符号来表示相同或类似的构件。在第二实施例中的电化学液流电池单元组件400除了一对第一实施例的双极板100之外，还包括质子交换膜402以及位于质子交换膜402两侧的一对电极404和406。所述电极404和406例如多孔性材料导电石墨毡、导电碳毡或导电碳纸。在组立前的电极404和406分别具有厚度Te，在经密封组件408等构件组立后的电极404和406的厚度会变为Te’；而且当电极404和406经压缩而紧密接触双极板100的导电部104时，厚度Te’就等同容置空间112的厚度T”。不导电部102能引导电解质顺畅且均匀的流进与流出导电部104，并可结合如密封垫片之类的密封组件408将电解质可完全密封于电池单元组件400内部进行完整的电化学反应，不会产生电解质外泄或正极电解质与负极电解质互窜的情形；而导电部104能引导电子进入(充电)或导出(放电)电池单元组件400内部，以及将电解质均匀分配流经电极404和406进行完整的电化学反应程序。经计算，电极404和406组立前后的厚度压缩比值((Te-Te’)/Te)例如10％至75％；在另一实施例中可为20％到40％之间。第二实施例的电化学液流电池单元组件400可以单独使用或者多个组件一起组合使用，并可通过外加的集电组件和紧固组件组合成单电池或电池堆。以下列举实验来验证本发明的功效，但本发明的范围并不局限于以下实验。组合一个如图5所示的双极板500作为实验例，其中的不导电部502(材料为聚氯乙烯(PVC))具有引导电解质顺畅均匀流进与流出导电部504的分配流道506、使电解质流进的歧管孔508a与电解质流出的歧管孔508b。导电部504(材料为复合碳板)则采用直条型结构的岛丘结构(高度为1mm、间距为2mm、圆顶的曲率半径为0.5mm)，因此将电解质均匀分配流经于电极进行完整的电化学反应程序的电解质流路(宽度为1mm)也属于长条直通型态。然后将图5的双极板组立成电池单元进行氧化还原电池性能验证，并与平板式双极板的电池(比较例)进行充放电性能比较，结果显示于图6。比较例与实验例的构造一样，但于导电部无岛丘结构。从图6可知，采用本发明技术的实验例每一循环间的充放电效能相较比较例更为稳定。当电流密度为80mA/cm2时，图7显示出实验例的能源效率和比较例相比约大幅增加10％；同时实验例的储电容量约为比较例的3.5倍。综上所述，本发明通过双极板中岛丘结构的设计，搭配不导电部中能引导电解质顺畅均匀流进与流出的分配流道，使双极板与电极的接口接触性增进的同时，也能增加电解质在流场流动的分配性，有效降低界面阻抗与提高流体分配性及降低电解质流动流阻，进而改善电池内部的电荷传递，有利提升氧化还原电池的电流密度及能量效率以及储电容量。本发明还可有其他多种实施例，在不脱离本发明的精神和范围内，任何本领域的技术人员，可以在本发明的基础上做一些完善和更改，故本发明的保护范围当视权利要求书所界定的范围为准。