具有雙s形微流道結構的微流控液流電池電堆的製作方法

2023-09-19 04:03:10

專利名稱：具有雙s形微流道結構的微流控液流電池電堆的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及ー種微流控液流電池電堆，特別涉及ー種具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，屬於電化學工程與エ業裝置技術領域。
背景技術：
隨著世界能源與環境問題日益突出，風能、太陽能、生物質能、海洋能等可再生能源為人們所重視，這些可再生能源生成電能時具有不連續性和難以預測性，需要一個大規模儲存電能的介質。傳統液流電池電堆因其結構簡単、轉化效率高、零排放、啟動快速等優點，被用於大規模儲能，但傳統液流電池電堆存在製造成本高、體積過大、不易攜帯、能量密度低等諸多問題。微流控液流電池是ー個小型化無薄膜液流電池，捨棄了傳統的用於分隔正負極電解液的質子交換膜，採用微流控技術使正負極電解液在微流道中以層流方式緩慢流動且不發生混合現象，工作時質子由負極擴散到正極，電子由負極經過外電路流向正扱，質子與電子結合形成迴路。採用微流控液流電池技術產生了微流控液流電池電堆，現有的微流控液流電池電堆的缺陷是微流道沒有充分利用空間，造成電池電堆體積過大、結構不緊湊、浪費材料，進而降低了微流控液流電池電堆的能量密度，影響其性能。
發明內容本實用新型的目的是克服現有技術的不足，提供ー種結構緊湊、體積小且能量密度大的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆。該裝置採用雙極層將兩個單電池微流道層串聯在一起，每個單電池微流道層均由正極電解液液流層和負極電解液液流層組成，在每個正極電解液液流層和負極電解液液流層上均設置有S形的微流道，在各單電池微流道層和前後端蓋之間分別設置正電極層和負電極層。也可以將兩個以上的單電池微流道層通過在各單電池微流道層之間設置的雙極層串聯在一起，以提高電池電堆的電壓。本實用新型通過下述技術方案予以實現ー種具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，它包括分別位於雙極層6兩側並通過雙極層6串聯在一起的兩個單電池微流道層，其中第一單電池微流道層由第一正極電解液液流層4和第一負極電解液液流層5組成，第二單電池微流道層由第二正極電解液液流層7和第二負極電解液液流層8組成；第一正極電解液液流層4的外側設置有正電極層3，正電極層3的外側設置有第一襯墊層2，第一襯墊層2的外側設置有前端蓋層I ;第ニ負極電解液液流層8的外側設置有負電極層9，負電極層9的外側設置有第二襯墊層10，第二襯墊層10的外側設置有後端蓋層11 ;第一正極電解液液流層4上設置有S形的第一正極電解液液流層微流道15，第一負極電解液液流層5上設置有S形的第一負極電解液液流層微流道18，第二正極電解液液流層7上設置有S形的第二正極電解液液流層微流道21，第二負極電解液液流層8上設置有S形的第二負極電解液液流層微流道24。所述的前端蓋層I的下部設置有正極電解液入口 12和負極電解液入口 13，分別用於正極電解液28和負極電解液29流入；所述的後端蓋層11的上部設置有負極電解液出ロ 26和正極電解液出ロ 27，分別用於負極電解液29和正極電解液28的流出；所述的第一襯墊層2和正電極層3的下部分別設置兩個孔；所述的第二襯墊層10和負電極層9的上部分別設置兩個孔；所述的第一正極電解液液流層4、第一負極電解液液流層5、雙極層6、第ニ正極電解液液流層7和第二負極電解液液流層8的上部與下部分別設置有兩個孔；第一正極電解液液流層4下部左側孔為第一正極電解液液流層微流道入口 16，第一正極電解液液流層4上部右側孔為第一正極電解液液流層微流道出ロ 14 ;第一負極電解液液流層5下部右側孔為第一負極電解液液流層微流道入口 19，第一負極電解液液流層5上部左側孔為第一負極電解液液流層微流道出口 17 ;第二正極電解液液流層7下部左側孔為第二正極電解液液流層微流道入口 22，第二正極電解液液流層7上部右側孔為第二正極電解液液流層微流道出ロ 20 ;第二負極電解液液流層8下部右側孔為第二負極電解液液流層微流道入口25，第二負極電解液液流層8上部左側孔為第二負極電解液液流層微流道出ロ 23。[0007]所述的第一正極電解液液流層微流道15、第一負極電解液液流層微流道18、第二正極電解液液流層微流道21和第二負極電解液液流層微流道24的中間部分為直流道；第一正極電解液液流層微流道15的直流道和第一負極電解液液流層微流道18的直流道接觸並相通構成反應室；第二正極電解液液流層微流道21的直流道和第二負極電解液液流層微流道24的直流道接觸並相通構成反應室；所述的第一正極電解液液流層微流道入口 16和第一正極電解液液流層微流道出ロ 14分別與第一正極電解液液流層微流道15相通；所述的第一負極電解液液流層微流道入口 19和第一負極電解液液流層微流道出口 17分別與第一負極電解液液流層微流道18相通；所述的第二正極電解液液流層微流道入口 22和第ニ正極電解液液流層微流道出ロ 20分別與第二正極電解液液流層微流道21相通；所述的第二負極電解液液流層微流道入口 25和第二負極電解液液流層微流道出口 23分別於第二負極電解液液流層微流道24相通。所述的正電極層3和負電極層9的中間部位設置有倒「T」形石墨板；所述的雙極層6的中間部位設置有「一」字形石墨板；所述的前端蓋層I、第一襯墊層2、正電極層3、第一正極電解液液流層4、第一負極電解液液流層5、雙極層6、第二正極電解液液流層7、第二負極電解液液流層8、負電極層9、第二襯墊層10和後端蓋層11均為採用聚丙烯材料的薄板形構件。所述的單電池微流道層也可以增加為兩個以上，同時要增加雙極層，使得各單電池微流道層之間都有ー個雙極層，通過各雙極層將各單電池微流道層串聯在一起，其他結構不變。本實用新型的有益效果是(I)採用微流控技術使電池電堆小型化、無膜化；(2)結構緊湊、體積小、能量密度大；(3)可以通過增加單電池微流道層的數量提高電堆電壓。

圖I是具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆結構示意圖；圖2是前端蓋層結構示意圖；圖3是第一襯墊層結構示意圖；圖4是正電極層結構示意圖；圖5是第一正極電解液液流層結構示意圖；[0016]圖6是第一負極電解液液流層結構示意圖；圖7是雙極層結構示意圖；圖8是第二正極電解液 液流層結構示意圖；圖9是第二負極電解液液流層結構示意圖；圖10是負電極層結構示意圖；圖11是第二襯墊層結構示意圖；圖12是後端蓋層結構示意圖。圖中1.前端蓋層2.第一襯墊層3.正電極層4.第一正極電解液液流層5.第一負極電解液液流層6.雙極層7.第二正極電解液液流層8.第二負極電解液液流層9.負電極層10.第二襯墊層11.後端蓋層12.正極電解液入口 13.負極電解液入口14.第一正極電解液液流層微流道出口 15.第一正極電解液液流層微流道16.第一正極電解液液流層微流道入口 17.第一負極電解液液流層微流道出口 18.第一負極電解液液流層微流道19.第一負極電解液液流層微流道入口 20.第二正極電解液液流層微流道出ロ 21.第二正極電解液液流層微流道22.第二正極電解液液流層微流道入口 23.第二負極電解液液流層微流道出口 24.第二負極電解液液流層微流道25.第二負極電解液液流層微流道入口 26.負極電解液出口 27.正極電解液出口 28.正極電解液29.負極電解液
具體實施方式
下面參照附圖進一步說明本實用新型的具體內容及其具體實施方式
。圖I是具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆結構示意圖，第一正極電解液液流層4和第一負極電解液液流層5組成第一單電池微流道層，第二正極電解液液流層7和第二負極電解液液流層8組成第二單電池微流道層，第一單電池微流道層和第二單電池微流道層位於雙極層6的兩側並通過雙極層6串聯在一起；第一正極電解液液流層4的外側設置有正電極層3，正電極層3的外側設置有第一襯墊層2，第一襯墊層2的外側設置有前端蓋層I ;第二負極電解液液流層8的外側設置有負電極層9，負電極層9的外側設置有第二襯墊層10,第二襯墊層10的外側設置有後端蓋層11 ;前端蓋層I、第一襯墊層2、正電極層3、第一正極電解液液流層4、第一負極電解液液流層5、雙極層6、第二正極電解液液流層7、第二負極電解液液流層8、負電極層9、第二襯墊層10和後端蓋層11均為採用聚丙烯材料的薄板形構件。圖2是前端蓋層結構示意圖，前端蓋層I的下部設置有正極電解液入口 12和負極電解液入口 13,分別用於正極電解液28和負極電解液29流入。圖3是第一襯墊層結構示意圖，第一襯墊層2的下部設置有兩個孔。圖4是正電極層結構示意圖，正電極層3的下部設置有兩個孔，正電極層3的中間部位設置有倒「T」形石墨板。圖5是第一正極電解液液流層結構示意圖，第一正極電解液液流層4上設置有S形的第一正極電解液液流層微流道15，第一正極電解液液流層微流道15的中間部分為直流道；第一正極電解液液流層4的上部與下部分別設置有兩個孔，其下部左側孔為第一正極電解液液流層微流道入口 16，其上部右側孔為第一正極電解液液流層微流道出口 14，第一正極電解液液流層微流道入口 16和第一正極電解液液流層微流道出口 14分別與第一正極電解液液流層微流道15相通。圖6是第一負極電解液液流層結構不意圖,第一負極電解液液流層5上設置有S形的第一負極電解液液流層微流道18，第一負極電解液液流層微流道18的中間部分為直流道；第一負極電解液液流層5的上部與下部分別設置有兩個孔，其下部右側孔為第一負極電解液液流層微流道入口 19，其上部左側孔為第一負極電解液液流層微流道出口 17，第一負極電解液液流層微流道入口 19和第一負極電解液液流層微流道出口 17分別與第一負極電解液液流層微流道18相通；第一負極電解液液流層微流道18的直流道和第一正極電解液液流層微流道15的直流道接觸並相通構成反應室。圖7是雙極層結構示意圖，雙極層6的上部與下部分別設置有兩個孔，雙極層6的中間部位設置有「一」字形石墨板，雙極層6正反兩面的電極性不同。圖8是第二正極電解液液流層結構示意圖，第二正極電解液液流層7上設置有S形的第二正極電解液液流層微流道21，第二正極電解液液流層微流道21的中間部分為直流道；第二正極電解液液流層7的上部與下部分別設置有兩個孔，其下部左側孔為第二正極電解液液流層微流道入口 22，其上部右側孔為第二正極電解液液流層微流道出口 20，第ニ正極電解液液流層微流道入口 22和第二正極電解液液流層微流道出ロ 20分別與第二正極電解液液流層微流道21相通。圖9是第二負極電解液液流層結構示意圖,第二負極電解液液流層8上設置有S形的第二負極電解液液流層微流道24，第二負極電解液液流層微流道24的中間部分為直流道；第二負極電解液液流層8的上部與下部分別設置有兩個孔，其下部右側孔為第二負極電解液液流層微流道入口 25，其上部左側孔為第二負極電解液液流層微流道出口 23，第ニ負極電解液液流層微流道入口 25和第二負極電解液液流層微流道出口 23分別於第二負極電解液液流層微流道24相通；第二負極電解液液流層微流道24的直流道和第二正極電解液液流層微流道21的直流道接觸並相通構成反應室。圖10是負電極層結構示意圖，負電極層9的上部設置有兩個孔，負電極層9的中間部位設置有倒「T」形石墨板。圖11是第二襯墊層結構示意圖，第二襯墊層10的上部設置有兩個孔。圖12是後端蓋層結構示意圖,後端蓋層11的上部設置有負極電解液出ロ 26和正極電解液出ロ 27，分別用於負極電解液29和正極電解液28的流出。具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆工作過程該裝置的各層下部左側孔共同構成正極電解液輸入管道，各層下部右側孔共同構成負極電解液輸入管道，各層上部右側孔共同構成正極電解液輸出管道，各層上部左側孔共同構成負極電解液輸出管道；該裝置的各層緊密結合在一起，正極電解液28和負極電解液29僅在各自的輸入管道、輸出管道和各微流道中流動。正極電解液28從正極電解液入ロ 12流入正極電解液輸入管道，依次通過前端蓋層I、第一襯墊層2和正電極層3，流入第一正極電解液液流層4，一部分正極電解液28經第一正極電解液液流層微流道入口 16流入第一正極電解液液流層微流道15，由第一正極電解液液流層微流道出ロ 14進入正極電解液輸出管道，穿過第一負極電解液液流層5、雙極層6、第二正極電解液液流層7、第二負極電解液液流層8、負電極層9、第二襯墊層10和後端蓋層11，最終由正極電解液出ロ 27流出；另一部分正極電解液28穿過第一正極電解液液流層4、第一負極電解液液流層5和雙極層6，流入第二正極電解液液流層7並由第二正極電解液液流層微流道入口 22流入第二正極電解液液流層微流道21，由第二正極電解液液流層微流道出ロ 20進入正極電解液輸出管道，穿過第二負極電解液液流層8、負電極層9、第二襯墊層10和後端蓋層11，最終由正極電解液出口 27流出。負極電解液29從負極電解液入ロ 13流入負極電 解液輸入管道,依次通過前端蓋層I、第一襯墊層2、正電極層3和第一正極電解液液流層4，流入第一負極電解液液流層5，一部分負極電解液29經第一負極電解液液流層微流道入ロ 19流入第一負極電解液液流層微流道18，由第一負極電解液液流層微流道出ロ 17進入負極電解液輸出管道，穿過雙極層6、第二正極電解液液流層7、第二負極電解液液流層8、負電極層9、第二襯墊層10和後端蓋層11，最終由負極電解液出ロ 26流出；另一部分負極電解液29穿過第一負極電解液液流層5、雙極層6和第二正極電解液液流層7，流入第二負極電解液液流層8並由第二負極電解液液流層微流道入口 25流入第二負極電解液液流層微流道24，由第二負極電解液液流層微流道出口 23進入負極電解液輸出管道，穿過負電極層9、第二襯墊層10和後端蓋層11，最終由負極電解液出口 26流出。正極電解液28和負極電解液29在流經兩個反應室時發生電化學反應，其中ー個反應室由第一正極電解液液流層微流道15的直流道和第一負極電解液液流層微流道18的直流道接觸並相通構成，另ー個反應室由第二正極電解液液流層微流道21的直流道和第ニ負極電解液液流層微流道24的直流道接觸並相通構成。當單電池微流道層為兩個以上時，需增加相應數量的正極電解液液流層和負極電解液液流層，以便構成所需增加的單電池微流道層；同時增加雙極層的數量，在各單電池微流道層之間設置雙極層；通過各雙極層將各單電池微流道層串聯在一起；增加單電池微流道層和雙極層後，其他結構不變，正極電解液和負極電解液的流動過程與它們在只有兩個單電池微流道層的電池電堆中流動過程相似。
權利要求1.一種具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，其特徵是，它包括分別位於雙極層(6)兩側並通過雙極層￠)串聯在一起的兩個單電池微流道層，其中第一單電池微流道層由第一正極電解液液流層(4)和第一負極電解液液流層(5)組成，第二單電池微流道層由第二正極電解液液流層(7)和第二負極電解液液流層(8)組成；第一正極電解液液流層(4)的外側設置有正電極層(3)，正電極層(3)的外側設置有第一襯墊層(2)，第一襯墊層(2)的外側設置有前端蓋層(I);第二負極電解液液流層(8)的外側設置有負電極層(9)，負電極層(9)的外側設置有第二襯墊層(10)，第二襯墊層(10)的外側設置有後端蓋層(11);第一正極電解液液流層(4)上設置有S形的第一正極電解液液流層微流道(15)，第一負極電解液液流層(5)上設置有S形的第一負極電解液液流層微流道(18)，第二正極電解液液流層(7)上設置有S形的第二正極電解液液流層微流道(21)，第二負極電解液液流層(8)上設置有S形的第二負極電解液液流層微流道(24)。
2.根據權利要求I所述的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，其特徵是，所述的前端蓋層(I)的下部設置有正極電解液入口(12)和負極電解液入口(13)，分別用於正極電解液(28)和負極電解液(29)流入；所述的後端蓋層(11)的上部設置有負極電解液出口(26)和正極電解液出口(27)，分別用於負極電解液(29)和正極電解液(28)的流出。
3.根據權利要求I所述的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，其特徵是，所述的第一襯墊層(2)和正電極層(3)的下部分別設置兩個孔；所述的第二襯墊層(10)和負電極層(9)的上部分別設置兩個孔；所述的第一正極電解液液流層(4)、第一負極電解液液流層(5)、雙極層￠)、第二正極電解液液流層(7)和第二負極電解液液流層(8)的上部與下部分別設置有兩個孔；第一正極電解液液流層(4)下部左側孔為第一正極電解液液流層微流道入口(16)，第一正極電解液液流層(4)上部右側孔為第一正極電解液液流層微流道出口(14);第一負極電解液液流層(5)下部右側孔為第一負極電解液液流層微流道入口(19)，第一負極電解液液流層(5)上部左側孔為第一負極電解液液流層微流道出口(17)；第二正極電解液液流層(7)下部左側孔為第二正極電解液液流層微流道入口(22)，第二正極電解液液流層(7)上部右側孔為第二正極電解液液流層微流道出口(20);第二負極電解液液流層(8)下部右側孔為第二負極電解液液流層微流道入口(25)，第二負極電解液液流層(8)上部左側孔為第二負極電解液液流層微流道出口(23)。
4.根據權利要求I所述的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，其特徵是，所述的第一正極電解液液流層微流道(15)、第一負極電解液液流層微流道(18)、第二正極電解液液流層微流道(21)和第二負極電解液液流層微流道(24)的中間部分為直流道；第一正極電解液液流層微流道(15)的直流道和第一負極電解液液流層微流道(18)的直流道接觸並相通構成反應室；第二正極電解液液流層微流道(21)的直流道和第二負極電解液液流層微流道(24)的直流道接觸並相通構成反應室。
5.根據權利要求I或3所述的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，其特徵是，所述的第一正極電解液液流層微流道入口(16)和第一正極電解液液流層微流道出口(14)分別與第一正極電解液液流層微流道(15)相通；所述的第一負極電解液液流層微流道入口(19)和第一負極電解液液流層微流道出口(17)分別與第一負極電解液液流層微流道(18)相通；所述的第二正極電解液液流層微流道入口(22)和第二正極電解液液流層微流道出口(20)分別與第二正極電解液液流層微流道(21)相通；所述的第二負極電解液液流層微流道入口(25)和第二負極電解液液流層微流道出口(23)分別於第二負極電解液液流層微流道(24)相通。
6.根據權利要求I所述的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，其特徵是，所述的正電極層⑶和負電極層(9)的中間部位設置有倒「T」形石墨板；所述的雙極層(6)的中間部位設置有「一」字形石墨板。
7.根據權利要求I所述的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，其特徵是，所述的前端蓋層(I)、第一襯墊層(2)、正電極層(3)、第一正極電解液液流層(4)、第一負極電解液液流層(5)、雙極層￠)、第二正極電解液液流層(7)、第二負極電解液液流層(8)、負電極層(9)、第二襯墊層(10)和後端蓋層(11)均為採用聚丙烯材料的薄板形構件。
8.根據權利要求I所述的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，其特徵是，所述的單電池微流道層也可以增加為兩個以上，同時要增加雙極層，使得各單電池微流道層之間都有一個雙極層，通過各雙極層將各單電池微流道層串聯在一起，其他結構不變。
專利摘要本實用新型公開了一種具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆，旨在提供一種結構緊湊、體積小且能量密度大的具有雙S形微流道結構的微流控液流電池電堆。該裝置包括分別位於雙極層兩側並通過雙極層串聯在一起的兩個單電池微流道層，其中第一單電池微流道層由第一正極電解液液流層和第一負極電解液液流層組成，第二單電池微流道層由第二正極電解液液流層和第二負極電解液液流層組成，在第一正極電解液液流層和前端蓋層之間設置有正電極層和第一襯墊層，在第二負極電解液液流層和後端蓋層之間設置有負電極層和第二襯墊層，第一正極電解液液流層、第一負極電解液液流層、第二正極電解液液流層和第二負極電解液液流層上均設置有S形的微流道。
文檔編號H01M8/04GK202405371SQ201220007608
公開日2012年8月29日 申請日期2012年1月10日 優先權日2012年1月10日
發明者劉鵬, 左春檉, 郭曉宇 申請人:吉林大學