高表面面積的液流電池電極的制作方法
【專利摘要】流體單元電池包括至少一個(gè)陽極室和至少一個(gè)陰極室，并且分離膜設(shè)置在每個(gè)陽極室與每個(gè)陰極室之間。每個(gè)陽極室和每個(gè)陰極室均包括雙極板和流體電解溶液以及位于雙極板表面上的至少一種碳納米材料，其中流體電解溶液在碳納米材料周圍流動(dòng)。
【專利說明】高表面面積的液流電池電極
[0001]相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002]本申請(qǐng)要求于2011年10月17日提交的第13/274，495號(hào)美國(guó)申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)，其通過引用并入本文。
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003]本發(fā)明大體上涉及大尺寸(IKWh-幾MWh)電能存儲(chǔ)設(shè)備。具體地，本發(fā)明涉及液流電池形式的可再充電電池。更具體地，本發(fā)明涉及液流電池及其他可能類型電池的改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)。
【背景技術(shù)】
[0004]由于期望使用“綠色”能源和可再生能源，因此人們希望將這些間歇型能源并入電網(wǎng)。間歇型能源包括但不限于風(fēng)能、太陽能、光伏能以及波浪能。例如，如果沒有風(fēng)，則風(fēng)輪機(jī)將不能產(chǎn)生電能；然而，當(dāng)其產(chǎn)生能量時(shí)，當(dāng)前電網(wǎng)并不總能處理所產(chǎn)生的大量能量。與電網(wǎng)相連接的儲(chǔ)能裝置能夠存儲(chǔ)來自這些間歇型可再生能源的過量能量，并當(dāng)需要時(shí)向電網(wǎng)釋放所存儲(chǔ)的能量。可再生能源和電網(wǎng)儲(chǔ)能的這種組合將支持能量獨(dú)立、減排以及可再生能源。還需要可靠的電網(wǎng)儲(chǔ)能裝置，以緩解輸電阻塞、允許能量?jī)r(jià)格套利、以及改進(jìn)電網(wǎng)的總體質(zhì)量。
[0005]人們相信液流電池是形成和改進(jìn)電網(wǎng)存儲(chǔ)的可行性解決方案。液流電池可以提供有效的模塊化能量?jī)?chǔ)存并且實(shí)現(xiàn)低成本。液流電池可被獨(dú)立操作并通過利用可再填充液體反應(yīng)物來提供足夠的能量和額定功率，并且具有低周期沖擊和長(zhǎng)壽命。當(dāng)液流電池涉及微電網(wǎng)或小功率系統(tǒng)時(shí)，其還具有其他用途，如用作后備電源。然而，這些系統(tǒng)的成本阻礙了其被大規(guī)模部署。系統(tǒng)成本的主要部分在于液流電池的單元電池堆以及相關(guān)的陽極電解液和陰極電解液。在很大程度上，電池堆的成本歸因于流過單元電池堆的電流密度。較高的電流密度使得更多功率生成在給定單元電池堆中并有效地減小每瓦特的成本。但是由于低表面面積電極的當(dāng)前技術(shù)狀態(tài)，較高的電流密度將導(dǎo)致更高的能量損失，這樣會(huì)增加運(yùn)營(yíng)成本。因此，電極需要具有更大的電活性表面面積，并且仍需設(shè)法使成本最小化。當(dāng)前的液流電池系統(tǒng)使用基于碳的材料，如碳?xì)?，以用于電極。
[0006]參照?qǐng)D1，可以看到，已知的液流電池結(jié)構(gòu)大體由附圖標(biāo)記10表示。電池10設(shè)置成單個(gè)單元電池的結(jié)構(gòu)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，多個(gè)單元電池可被包括在一個(gè)堆中，并且可使用多個(gè)堆。在任何情況下，液流電池包括陽極12和陰極14，這兩者都被稱為電極。陽極電解液容器16和陰極電解液容器18引導(dǎo)各自的流體材料通過陽極流動(dòng)區(qū)域22和陰極流動(dòng)區(qū)域24。分離膜20用于分隔陽極電解液流動(dòng)區(qū)域22與陰極電解液流動(dòng)區(qū)域24并且允許這兩個(gè)流動(dòng)面積之間的離子交換。當(dāng)這些材料流經(jīng)其各自通道時(shí)，可通過氧化還原反應(yīng)生成電能，其中電子通過示意性示為燈泡的外部電負(fù)載26。
[0007]本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，液流電池為可再充電電池，其中包括一個(gè)或多個(gè)溶解的電活性物質(zhì)的陽極電解液和陰極電解液流經(jīng)電化學(xué)單元電池，其中該電化學(xué)單元電池將化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能。液流電池通過當(dāng)外部電功率源施加至電極時(shí)使電解溶液液體再次流過流動(dòng)區(qū)域而被再次充電，從而有效地反向電生成反應(yīng)。液流電池在以下方面是有利的:在電解溶液中的活性物質(zhì)反應(yīng)準(zhǔn)許反應(yīng)物的外部存儲(chǔ)，從而允許功率和能量密度規(guī)格獨(dú)立地按比例增加。此外，外部存儲(chǔ)反應(yīng)物避免了在其他主次電池系統(tǒng)中所觀察到的自放電。這樣，在負(fù)載需要之前，能量有效地存儲(chǔ)在陽極電解液容器和陰極電解液容器中。
[0008]在液流單元電池的操作中利用各種化學(xué)過程。具體地，可使用不同類型的陽極電解液材料和陰極電解液材料。例如，可使用鋅溴系統(tǒng)，其中在單元電池堆中進(jìn)行鍍鋅。這些類型的配置使用效率高且成本低的反應(yīng)物。還可使用釩氧化還原技術(shù)。這樣提供了高的效率但是提供了低的能量密度。在材料之間交叉污染風(fēng)險(xiǎn)被最小化，但是釩是一種昂貴的材料并且所使用的五氧化物在其不可再用后是一種具有危害的物質(zhì)。另一類型的液流電池使用鐵鉻。其優(yōu)點(diǎn)在于使用低成本反應(yīng)物，但是與鋅溴或釩氧化還原實(shí)施方式相比其當(dāng)前僅用于較小型的系統(tǒng)。在液流電池結(jié)構(gòu)中還可以使用其他化學(xué)對(duì)。
[0009]液流電池通常使用碳?xì)蛛姌O。這種配置在以下方面是有利的:碳電極與典型的陽極電解液溶液和陰極電解液溶液化學(xué)相容，并提供較高的表面面積和良好的導(dǎo)電性。碳?xì)痔峁└邤?shù)目的反應(yīng)點(diǎn)并且是分立部件，其夾在或設(shè)置在雙極板與膜分離件之間，其中雙極板通常為實(shí)心碳或?qū)щ娋酆衔锊牧?。碳?xì)种苯拥嘏c雙極板接觸。可用于電極的其他材料為直接嵌入在雙極板中的碳或石墨顆粒。碳?xì)蛛姌O的顯著缺陷是其限制期望的電流密度。具體地，電流密度被認(rèn)為由表面面積和電活性反應(yīng)點(diǎn)的缺失而被限制。
[0010]因此，本領(lǐng)域需要這樣的液流電池，其使用具有提高的表面面積的電極，以允許反應(yīng)點(diǎn)的更高密度以及因此存儲(chǔ)和生成更高功率輸出的能力。還需要提供使系統(tǒng)級(jí)成本最小化的這種改進(jìn)電極。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]通過上文的描述，本發(fā)明的第一方面是提供高表面面積的液流電池電極。
[0012]本發(fā)明的另一方面是提供一種液流單元電池，其包括至少一個(gè)陽極室、至少一個(gè)陰極室、以及設(shè)置在每個(gè)陽極室與每個(gè)陰極室之間的分離膜，每個(gè)陽極室和每個(gè)陰極室均包括雙極板、流體電解溶液和位于雙極板的表面上的至少一種碳納米材料，其中流體電解溶液在碳納米材料周圍流動(dòng)，該碳納米材料相鄰地設(shè)置在雙極板的至少一側(cè)上。
[0013]本發(fā)明的又一方面是在液流電池中使用的液流電池電極，其中液流電池電極保持在液流電池的陽極室或陰極室中，其中室包括與流動(dòng)通道鄰近的雙極板，電解溶液通過流動(dòng)通道流動(dòng)，液流電池電極包括與雙極板鄰近的多孔碳納米材料結(jié)構(gòu)，其中多孔碳納米材料結(jié)構(gòu)包括編織絲或非編織絲或其組合。
[0014]本發(fā)明的再一方面是提供用于構(gòu)造液流單元電池的方法，其包括提供至少一個(gè)陽極室，提供至少一個(gè)陰極室，在每個(gè)陽極室與每個(gè)陰極室之間設(shè)置分離膜，以及向每個(gè)室提供雙極板和設(shè)置在雙極板的表面上的至少一種碳納米材料，每個(gè)室具有流動(dòng)通道，碳納米材料延伸到流動(dòng)通道中，以使得流體電解溶液在納米材料周圍流動(dòng)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]參考以下描述、所附權(quán)利要求以及附圖，本發(fā)明的這些及其他特征和優(yōu)點(diǎn)將被更好地理解，在附圖中:
[0016]圖1是現(xiàn)有技術(shù)的液流電池的不意圖；
[0017]圖2是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的液流單元電池的放大詳細(xì)示意圖；
[0018]圖3其表面延伸有碳納米材料的碳纖維的放大示意圖；
[0019]圖4是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的具有碳納米材料的覆蓋層的雙極板的部分示意性立體圖；
[0020]圖5是根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的充有碳納米材料的碳?xì)值姆糯笫疽鈭D；
[0021]圖6示意性示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的形成充有碳納米材料的碳?xì)值姆椒ǎ灰约?br> [0022]圖7示意性示出了根據(jù)本發(fā)明構(gòu)思的形成充有碳納米材料的碳?xì)值牧硪环椒ā?br> 【具體實(shí)施方式】
[0023]現(xiàn)在參照?qǐng)D2，可看到單元電池大體上由附圖標(biāo)記40表示。單元電池40可設(shè)置成單個(gè)配置、或者多個(gè)單元電池可彼此相鄰地堆疊并可用作液流單元電池。每個(gè)單元電池40設(shè)有至少一個(gè)陽極室41和至少一個(gè)陰極室42。當(dāng)多個(gè)室設(shè)于單元電池40中時(shí)，陽極室41與陰極室42相交替。每個(gè)室41/42均包括流動(dòng)通道43，其中每個(gè)流動(dòng)通道與電極(陽極或陰極)相關(guān)聯(lián)。隨著本文的描述將變得更顯而易見的是，每個(gè)陽極室41/陰極室42作為使電子流動(dòng)的電極，從而存儲(chǔ)由源生成的電能或?qū)㈦娮觽鬏斨岭娯?fù)載。
[0024]兩個(gè)流動(dòng)通道由分離膜46分開，其中分離膜46居中設(shè)置在每個(gè)室或電極之間并允許在陽極電解液流47與陰極電解液流48之間的離子導(dǎo)電性。在本實(shí)施方式中，分離膜46允許通過H+和/或Cl—種類等的離子電流，并且防止氧化還原物質(zhì)(如但不限于Fe2+Fe'Cr2+Cr3W2Vv3W4Vv5+和Ce3+/Ce4+等)的遷移。每個(gè)單元電池40包括在一對(duì)雙極板50內(nèi)，這一對(duì)雙極板50是導(dǎo)電的。具體地,每個(gè)室41/42與雙極板50相關(guān)聯(lián)。應(yīng)理解,雙極板為以雙極拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相連的集流器。雙極板或集流器防止在相鄰流動(dòng)區(qū)域之間的任何質(zhì)量轉(zhuǎn)移并保持每個(gè)單元電池之間的電連續(xù)性。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到對(duì)于多單元電池配置，雙極板將被在單元電池之間共享。多孔材料51設(shè)置在雙極板與各自膜之間，其中多孔材料51屬于每個(gè)室41/42。與相鄰雙極板相結(jié)合的多孔材料51用作具有催化劑點(diǎn)的高表面面積電極，在催化劑點(diǎn)處來自雙極板50的電子可到達(dá)流經(jīng)相鄰流動(dòng)通道43的陽極電解液流體和陰極電解液流體的氧化還原物質(zhì)。
[0025]為使催化劑點(diǎn)的數(shù)目最大化，填充材料包括納米材料，特別是包括碳納米材料。如本文中所使用的，碳納米材料包括但不限于碳納米管、碳納米結(jié)構(gòu)及它們?nèi)魏伪壤慕M合。一般而言，如本文中所使用的，術(shù)語“碳納米管(CNT)”是指任何柱狀的富勒烯族的多個(gè)碳同素異形體，其中富勒烯族包括單壁碳納米管(SWNT)、雙壁碳納米管(DWNT)、多壁碳納米管(MWNT)0 CNT可由類富勒烯結(jié)構(gòu)蓋住或是端部開放的。CNT包括封裝其他材料的類型。CNT出現(xiàn)在分支網(wǎng)絡(luò)、纏繞網(wǎng)絡(luò)及它們的組合中。制備在基底上作為CNS結(jié)構(gòu)的CNT可包括來自排他性MWNT、SWNT、或DWNT的各個(gè)CNT圖案，或CNS可包括這些CNT圖案的混合。如本文中使用的，碳納米結(jié)構(gòu)(CNS)包括類聚合物結(jié)構(gòu)，該類聚合物結(jié)構(gòu)包括作為單體單元的碳納米管(CNT )，其中CNS包括基于高度纏繞的碳納米管的網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，其包括CNT的組合，該組合為錯(cuò)雜的、分支的、交聯(lián)的并且共享公共的壁。實(shí)際上，本文中公開的碳納米結(jié)構(gòu)包括處于復(fù)雜形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)中的碳納米管(CNT)。在不受理論限制的情況下，已經(jīng)指出該復(fù)雜形態(tài)可能是在CNT生長(zhǎng)條件下以約數(shù)微米每秒的快速速率在基底上制備CNS網(wǎng)絡(luò)的結(jié)果。與新生CNT的緊密相鄰而接合的這種快速CNT生長(zhǎng)速率可提供觀察到的分支、交聯(lián)且共享壁的圖案。為簡(jiǎn)單起見，以下討論參照可互換作為CNT的設(shè)置在基底、絲或纖維上的CNS，這是因?yàn)镃NT包括CNS網(wǎng)絡(luò)的主要結(jié)構(gòu)部分。碳納米結(jié)構(gòu)還指在納米尺度上具有至少一個(gè)尺寸的任何碳的同素異形結(jié)構(gòu)。納米尺度的尺寸包括0.1nm至約IOOOnm的任何尺寸。這種結(jié)構(gòu)的形成記載在第2011/0124253號(hào)美國(guó)公開中，該美國(guó)公開通過引用并入本文。
[0026]多孔填充材料51有時(shí)可包括由絲組成的氈，該絲可以是編織碳或非編織碳、石墨或類似材料，其中該氈承載或填充有上述碳納米材料。材料51通常利用高多孔性和良好導(dǎo)電性來提供優(yōu)良的化學(xué)耐性和惰性特性。在一些實(shí)施方式中，如果使用編織的多孔填充材料，所得到的結(jié)構(gòu)可使用二維編織圖案、三維編織圖案、或其組合。在使用非編織的多孔填充材料的實(shí)施方式中，這些材料可通過水刺法、靜電植絨、標(biāo)準(zhǔn)植絨、氣流成網(wǎng)法、濕法成網(wǎng)法及其組合來制造。在一些實(shí)施方式中，編織材料或非編織材料中的絲可通過已發(fā)現(xiàn)有效的任何比例填充有碳納米管或碳納米結(jié)構(gòu)、沒有碳納米結(jié)構(gòu)或其組合。此外，在任何實(shí)施方式中，在編織或非編織實(shí)施方式中使用的絲可由金屬、金屬氧化物、碳、玻璃、聚合物、金屬化碳、金屬化玻璃、金屬化聚合物及其任何組合構(gòu)成。另外，在一些實(shí)施方式中，碳納米結(jié)構(gòu)通過直接生長(zhǎng)或通過浸入碳納米結(jié)構(gòu)分散體中而被填充至絲。
[0027]—般地，本文中描述的所有實(shí)施方式提供了直接地或間接地改進(jìn)雙極板、或相關(guān)聯(lián)的電極的低生產(chǎn)成本方法，其中一些相關(guān)聯(lián)的材料利用碳納米材料被增強(qiáng)。換句話說，碳納米材料鄰近地設(shè)置在雙極板或集流器的至少一側(cè)上。這可通過將納米材料放置成與板鄰近、或在板上直接填充/涂覆/生長(zhǎng)納米材料、或涂覆相關(guān)電極來實(shí)現(xiàn)。這些多孔碳納米材料的放置或涂覆提供比碳?xì)值幕钚员砻鎱^(qū)域大高達(dá)數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)的活性表面區(qū)域，從而使得更高的電流密度能夠流過系統(tǒng)。改進(jìn)的雙極板提供了在雙極板的一側(cè)與相鄰分離膜之間充分延伸的導(dǎo)電區(qū)域。人們相信降低成本的關(guān)鍵在于以低成本來應(yīng)用這些碳納米材料變型的能力。本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，碳納米材料以下列方式生長(zhǎng):納米材料通常從表面大體垂直地、或隨機(jī)地、或以任何角度方向延伸。例如，如圖3示意性示出，碳納米管53示為從碳纖維54放射狀地延伸。從表面延伸的納米管或其他納米結(jié)構(gòu)的密度或數(shù)目可被酌情改變。另外，納米管或其他納米結(jié)構(gòu)可被生長(zhǎng)，以從任何形狀的表面(平的、彎曲的、球形的、脊?fàn)畹牡?延伸。管或結(jié)構(gòu)可嚴(yán)格地彼此平行，并且形成在放射狀布置或纏繞在網(wǎng)中。
[0028]在圖4所示的第一實(shí)施方式中，可看到室41/42A包括雙極板50A，在雙極板50A中，多孔填充材料51包括設(shè)于板的每側(cè)上的碳納米材料層。在該實(shí)施方式中，雙極板50A設(shè)有多個(gè)通道56，以在板50A的一側(cè)或兩側(cè)上提供三維結(jié)構(gòu)，從而允許陽極電解液或者陰極電解液流動(dòng)至與其鄰近。材料51包括碳納米材料，如直接地、部分地或完全地生長(zhǎng)至雙極板50A外表面的碳納米管53。與雙極板厚度相比，納米管53小得多。在該實(shí)施方式中，納米管被對(duì)準(zhǔn)或定向，以從雙極板基本垂直地延伸并延伸至通道56中。在其他實(shí)施方式中，碳納米材料可以是隨機(jī)地、成角度地、或以限定或不限定的圖案而延伸的碳納米結(jié)構(gòu)。如所理解的，板包括導(dǎo)電材料，其中該導(dǎo)電材料將單元電池分離并抗腐蝕。在該實(shí)施方式的變型中，雙極板可不設(shè)有通道，如平的表面，并且碳納米材料從其大體垂直地延伸。碳納米材料可覆蓋整個(gè)板表面或納米材料可通過形成用于陽極電解液或陰極電解液的路徑或流動(dòng)圖案(flow pattern)的方式而被選擇性地圖案化。[0029]因?yàn)殡姌O功能和雙極板功能被有效地彼此結(jié)合，所以該實(shí)施相比于完全除去單元電池中的部件(碳?xì)?的現(xiàn)有技術(shù)具有益處?，F(xiàn)有技術(shù)的設(shè)備簡(jiǎn)單地在雙極板的每側(cè)上提供碳?xì)?，其中氈提供反?yīng)點(diǎn)但是反應(yīng)點(diǎn)隨機(jī)地設(shè)置在碳?xì)种車?。在區(qū)別對(duì)比中，如圖4所示在通道56或在表面上使用碳納米管53或其他碳納米結(jié)構(gòu)大大增加了表面面積，其中陽極電解液流體和陰極電解液流體必須流過該表面面積，并且這樣，流體暴露給更大數(shù)目的反應(yīng)點(diǎn)。
[0030]現(xiàn)在參照?qǐng)D5，可以看到，在另一實(shí)施方式中，室41/42B包括雙極板50B。在該實(shí)施方式中，多孔填充材料51為填充有碳納米材料的氈70，有時(shí)被稱為被填充的織物，其設(shè)置在雙極板的每側(cè)上并放置成與各自的分離膜44鄰近。填充有碳納米材料的氈代替現(xiàn)有技術(shù)的碳?xì)侄徊逶O(shè)在室中。填充有碳納米材料的織物或絲束提供改進(jìn)的化學(xué)耐性和導(dǎo)電性，并如在之前的實(shí)施方式中，提供更高的表面面積，以便于實(shí)現(xiàn)高電流密度。
[0031]對(duì)于圖5所示的實(shí)施方式，氈70可以多種方式構(gòu)造。圖6所示的第一構(gòu)造方法為首先制造碳或石墨纖維或絲54，然后在纖維54上生長(zhǎng)碳納米管53或其他碳納米結(jié)構(gòu)。被填充的纖維然后以長(zhǎng)線形式或短切形式彼此組裝，以形成填充有非編織碳納米材料的氈70'。圖7所示的第二構(gòu)造方法為制造絲54然后將它們形成在非編織氈52中。接著，氈被處理，以直接在絲54上生長(zhǎng)碳納米管53或其他碳納米結(jié)構(gòu)，從而形成填充有碳納米材料的氈70"。如上文所提到的，氈70、70'、70"為具有多個(gè)開口和間隙的多孔非編織配置。因此，當(dāng)以下部件被組裝時(shí)，納米材料在整個(gè)氈上擴(kuò)散并與雙極板和膜相接觸。多個(gè)編織過程還可用于由纖維或絲制造多孔電極結(jié)構(gòu)。實(shí)際上，可使用采用納米材料53的任何編織或非編織三維結(jié)構(gòu)。
[0032]本實(shí)施方式和相關(guān)的構(gòu)造方法在以下方面是有利的:傳統(tǒng)液流電池堆結(jié)構(gòu)中的碳?xì)钟梢韵職痔娲?，該氈在宏觀尺寸上等同，但具有高達(dá)一個(gè)至兩個(gè)數(shù)量級(jí)或更大的表面面積，從而增大了陽極電解液或陰極電解液中的反應(yīng)速率，并且因此增大了系統(tǒng)的電流密度而在電化學(xué)反應(yīng)上沒有引入任何明顯的能量損失。在該實(shí)施方式中，碳?xì)峙c碳納米材料相結(jié)合地設(shè)置，其中碳納米材料容易地生長(zhǎng)在碳?xì)植牧仙稀?br> [0033]圖4和圖5所示的實(shí)施方式可通過以下步驟實(shí)施:以各種形式的處理(如熱處理、化學(xué)處理處理)來處理碳納米材料涂覆的雙極板和碳納米材料的任何變型，以增加用于相關(guān)流動(dòng)的活性點(diǎn)數(shù)目，從而允許更多的氧化還原反應(yīng)發(fā)生。應(yīng)理解，碳納米管或納米結(jié)構(gòu)生長(zhǎng)過程中的變化使得能夠通過控制納米材料的特性(如多壁的配置、長(zhǎng)度、密度、手征性、缺陷和功能群的增加)來使氧化還原活性、電化學(xué)活性、導(dǎo)電性和抗化學(xué)性的碳納米材料特性最優(yōu)化。
[0034]所公開的配置在以下方面是有利的:碳表面面積相比于碳?xì)旨捌渌阎F(xiàn)有配置增加高達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)或更多。微觀和納米觀的表面面積的增大增加了發(fā)生相關(guān)液流電池陽極或陰極反應(yīng)的可用點(diǎn)的數(shù)目。這樣使得對(duì)于給定宏觀表面面積以更高速率發(fā)生反應(yīng)，從而使得在單元電池堆中實(shí)現(xiàn)更高能量密度，并且由于每單元、功率和能量的材料成本的減少而潛在地降低成本系統(tǒng)。此外，這種配置使得單元電池和整個(gè)單元電池堆以更高循環(huán)效率操作并減小了系統(tǒng)中各種過電勢(shì)、電阻和/或電力損耗。
[0035]因此，可以看到，已通過上述結(jié)構(gòu)及其使用方法實(shí)現(xiàn)了本發(fā)明的目的。雖然根據(jù)專利法規(guī)，僅示出和描述了最佳方式和優(yōu)選實(shí)施方式，但是應(yīng)理解，本發(fā)明并不限于此，或由此限制。因此，應(yīng)參考權(quán)利要求來認(rèn)識(shí)本發(fā)明的真正范圍和寬度。
【權(quán)利要求】
1.一種液流單元電池,包括: 至少一個(gè)陽極室； 至少一個(gè)陰極室； 分離膜，設(shè)置在每個(gè)所述陽極室與每個(gè)所述陰極室之間； 每個(gè)所述陽極室和每個(gè)所述陰極室均包括: 雙極板、流體電解溶液以及至少一種碳納米材料，所述碳納米材料位于所述雙極板的表面上，其中所述流體電解溶液在所述碳納米材料周圍流動(dòng)，所述碳納米材料相鄰地設(shè)置在所述雙極板的至少一側(cè)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中所述雙極板的至少一側(cè)具有多個(gè)通道，以提供嵌入式流動(dòng)圖案。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電池，其中所述多個(gè)通道覆蓋有所述碳納米材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電池，其中所述碳納米材料與所述雙極板大體垂直。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中所述陽極室的電極功能、所述陰極室的電極功能、或這兩者都集成到所述雙極板中。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池，其中所述雙極板由所述碳納米材料覆蓋。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池，其中所述碳納米材料與所述雙極板大體垂直。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述`的電池，其中所述碳納米材料設(shè)置在圖案中，以形成流動(dòng)圖案。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池，其中所述陽極室和所述陰極室中的所述碳納米材料至少部分地在所述雙極板與相鄰的所述分離膜之間延伸。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的電池，其中所述陽極室和所述陰極室中的所述碳納米材料設(shè)置在整個(gè)多孔碳?xì)植牧仙稀?br> 11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電池，其中所述多孔碳?xì)植牧习ǘ鄠€(gè)碳絲，并且所述碳納米材料從所述多個(gè)碳絲大體放射狀地延伸。
12.—種在液流電池中使用的液流電池電極，其中所述液流電池電極保持在液流電池的陽極室或陰極室中，所述陽極室或陰極室包括與流動(dòng)通道相鄰的雙極板，電解溶液通過所述流動(dòng)通道流動(dòng)，所述液流電池電極包括: 與所述雙極板相鄰的多孔碳納米材料結(jié)構(gòu)，其中所述多孔碳納米材料結(jié)構(gòu)包括編織的或非編織的絲或其組合。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的液流電池電極，其中編織的所述多孔碳納米材料結(jié)構(gòu)被利用二維編織圖案、三維編織圖案或其組合進(jìn)行編織。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的液流電池電極，其中非編織的所述多孔碳納米材料結(jié)構(gòu)通過選自水刺法、靜電植絨、標(biāo)準(zhǔn)植絨、氣流成網(wǎng)法、濕法成網(wǎng)法、縫編法、及其組合的方法進(jìn)行制造。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的液流電池電極，其中所述絲選自金屬、金屬氧化物、碳、玻璃、聚合物、金屬化碳、金屬化玻璃、金屬化聚合物、及其組合。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的液流電池電極，其中所述多孔碳納米材料結(jié)構(gòu)在碳納米材料填充之前首先被制造。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的液流電池電極，其中所述碳納米材料通過直接生長(zhǎng)或浸入碳納米結(jié)構(gòu)分散體中而被填充至所述多孔碳納米材料中。
18.根據(jù)權(quán)利要求12所述的液流電池電極，其中所述絲至少部分地填充有碳納米材料。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的液流電池電極，其中所述碳納米材料通過直接生長(zhǎng)或浸入碳納米結(jié)構(gòu)分散體中而被填充至所述絲中。
20.根據(jù)權(quán)利要求18所述的液流電池電極，其中所述多孔結(jié)構(gòu)由填充有碳納米結(jié)構(gòu)的絲制成。
21.一種用于構(gòu)造液流單元電池的方法，包括: 提供至少一個(gè)陽極室； 提供至少一個(gè)陰極室； 在每個(gè)所述陽極室與每個(gè)所述陰極室之間設(shè)置分離膜； 為每個(gè)所述陽極室和陰極室提供雙極板和至少一種碳納米材料，其中所述碳納米材料設(shè)置在所述雙極板的表面上，每個(gè)所述陽極室和陰極室具有流動(dòng)通道，所述碳納米材料延伸到所述流動(dòng)通道中，以使得流體電解溶液在納米材料周圍流動(dòng)。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括: 在碳纖維上形成所述碳納米管材料； 切割所述碳纖維；以及 形成非編織氈，所述非編織氈設(shè)置成與所述雙極板`的至少一側(cè)相鄰。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括: 形成碳租; 在所述碳?xì)稚闲纬伤鎏技{米材料；以及 與所述雙極板的至少一側(cè)相鄰地設(shè)置所述碳?xì)帧?br> 24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，還包括: 使所述碳納米材料形成為三維結(jié)構(gòu)。
【文檔編號(hào)】H01M4/62GK103875107SQ201280050714
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年10月11日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月17日
【發(fā)明者】史蒂文·L·辛薩鮑, 格雷戈里·彭賽羅, 劉晗, 勞倫斯·P·赫策爾 申請(qǐng)人:洛克希德馬丁公司