[发明专利]具有至少一个电池单体和电极元件的氧化还原液流电池以及用于制造氧化还原液流电池的电极元件的导引结构的方法

说明书

本发明涉及一种氧化还原液流电池(10)，具有至少一个电池单体(18)，所述电池单体(18)被膜(20)分为半电池单体(22)，这些半电池单体(22)分别包括集流体(24)和电极元件(12)，所述电极元件(12)布置在相应的半电池单体(22)的能被电解质(26)流过的内部空间(28)中并且具有电极(14)和导引结构(16)，其中，用于导引电解质(26)的导引结构(16)集成在相应的电极(14)中。本发明还涉及一种用于制造氧化还原液流电池(10)的电极元件的至少一个导引结构的方法。

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分的具有至少一个电池单体的氧化还原液流电池。此外，本发明还涉及一种根据权利要求15的前序部分的用于制造氧化还原液流电池的电极元件的至少一个导引结构的方法。

氧化还原液流电池也称为液体电池、湿电池或按照英语被称为Redox FlowBattery，氧化还原液流电池是蓄电池的一种实施方式。未来在存储来自可再生能量源的电能时，氧化还原液流电池可能非常重要，因为它可以存储诸如太阳能和/或风能之类的变动的能量并且在需要时又释放这类能量。氧化还原液流电池的典型特征是：化学能的存储不是像通常那样在固体中进行，而是在液体电解质中进行。液体电解质通常储存在两个单独的储液罐中并且在需要时可以转移到氧化还原液流电池的电池单体中。在电池单体的内部存在两个电极，即阳极和阴极。尤其传导离子的膜将电池单体隔成或分成两个半电池单体，其中，各一个电极布置在相应的半电池单体中。常用的氧化还原液流电池类型是全钒氧化还原液流电池，在该电池中，在两种电解质、即从阳极旁流过的电解质和从阴极旁流过的电解质中均含有钒化合物。在氧化还原液流电池的放电过程中，在阳极上发生如下氧化：在放电过程中，在阴极上发生如下还原：阴极获得在阳极上提供的电子，由此电流在两个电极之间流动。由于各自的电极反应，在两个半电池单体之间产生电荷不平衡，因此需要通过膜进行电荷交换。该反应在氧化还原液流反应中是可逆的，因此氧化还原液流电池可以被再充电。通常，这样的氧化还原液流电池不是包括仅一个电池单体，而是多个电池单体堆叠成所谓的电堆，由此可以实现例如多倍的功率。

氧化还原液流电池的优点在于，其存储容量可以独立于其电功率被优化。如此，存储容量主要与电解质储液罐的尺寸有关。电功率、即单位时间的电能的量可以以各种不同的方式被改善。例如通过优化电极、膜或一种或多种电解质或电堆的尺寸。

例如，电极应当具有较高的化学和机械稳定性。另外，电极应当具有特别高的导电性和特别大的活性表面。膜的主要功能是电荷平衡、即交换尤其可选择的离子。但在此不希望流过每个半电池单体的电解质与相应的另一电解质混合。在此，该膜还应当是化学稳定的并且具有低阻力。对电解质而言，离子的特别高的溶解度例如可能是有利的。

氧化还原液流电池的缺点例如可能是：出现高的电阻和/或离子电阻，这可能导致损失。此外，有限的反应动力学或高的扩散阻力同样可能导致损失。尤其在充电循环中，电压效率例如可能受到极化损失的影响。例如由于电子可能通过扩散过程在三相边界处重新排列，因此产生扩散阻力。因此，在整个电池单体或半电池单体内，在电解质中应当存在尽量相同的例如离子浓度和/或电子浓度，也就是说，电解质应当特别均匀。为了减少与浓度相关的损失，还可以提高电解质通过电池单体的体积流量。但这可能导致电池单体中的流体动力学压力损失增大。

在氧化还原液流电池中，所提到的损失可能全部在电极中或在电极与电解质之间的界面上同时出现。在常规的氧化还原液流电池中，电解质借助于所谓的流场(FlowField)被泵送至电极或通过电极。在这种情况下，流场构成导引结构，该导引结构作为电极元件的一部分布置在电极上，但与电极分离。

专利文献US 9 166 243 B2示出一种液流电池，其包括第一液体渗流电极、与第一液体渗流电极间隔的第二液体渗流电极以及离子交换膜。离子交换膜布置在第一电极与第二电极之间。第一和第二流场分别与相应的第一电极和第二电极相邻地布置，其中，这些流场具有具备至少部分地被堵塞的入口或出口的通道。

此外，专利文献US 8 808 897 B2示出全钒氧化还原液流电池的电极结构，其具有质子交换膜、两张石墨纸、两个石墨-毛毡单元、两块小板、两个石墨板、两个金属板和锁定装置。