[发明专利]双极板及包括该双极板的氧化还原液流电池

说明书

本发明涉及一种具有插设在流路中的纤维导电材料的双极板以及包括所述双极板的氧化还原液流电池。通过纤维导电材料延长电解质溶液在流路中的保留时间以增加与电极层反应的机会，能够实现无论电解质溶液的流率如何，都具有优异的能量效率同时提高充电/放电容量和效率的氧化还原液流电池。

技术领域

本申请要求基于2016年3月31日提交的韩国专利申请No.10-2016-0038848和2017年3月15日提交的韩国专利申请No.10-2017-0032353的优先权的权益，这些韩国专利申请的全部内容通过引用并入本文。

本发明涉及一种适于具有高流率(flow rate)和高电流密度的电池的双极板及包括该双极板的氧化还原液流电池。

背景技术

与传统的二次电池不同，氧化还原液流电池是电解质溶液中的活性物质被氧化和还原并由此被充电和放电的系统，并且是将电解质溶液的化学能直接存储为电能的电化学存储装置。这种电池具有容易用于大容量电力存储、具有高能量密度和效率、寿命长且安全的优点。另外，这种电池作为下一代大容量存储设备受到关注，因为这种电池维护成本低，这是因为这种电池不需要频繁更换，其在室温下工作，并且这种电池具有能够以各种方式设计各种容量和输出的优点。

氧化还原液流电池的基本结构包括存储有具有相互不同的氧化态的活性物质的电解质溶液罐、用于使活性物质循环的泵以及包括双极板/电极/离子交换膜/电极/双极板的结构的电堆(stack)。

实际的电化学反应发生在电堆中，并通过使用泵将电解质溶液连续循环到电堆中而进行运作。用作电解质溶液中的活性物质的氧化还原对包括V/V、Zn/Br、Fe/Cr和Zn/空气。其中，V/V和Zn/Br氧化还原对被最广泛地应用。

电化学反应由电堆中沿着双极板流动的电解质溶液与电极之间的相互作用决定。

图1是示出了根据现有技术的双极板与电极之间的接触的剖视图，其中，双极板11/电极12/离子交换膜13/电极14/双极板15从顶部层叠。该结构的优点在于，由于电解质溶液直接流到双极板11和15，所以结构简单。然而，当在高功率条件下执行充电/放电时或者当电池的尺寸增大时，存在以下问题：由于电解质溶液伴随高流率，因此产生电解质溶液的入口和出口之间的高压差，从而导致巨大的能量损失。

作为解决该问题的尝试，提出了能够在双极板内形成流路并且电解质溶液流经流路的结构。

美国专利申请公开No.2012-0244395提出了具有相互交叉的流路的双极板的结构。

图2是示出了美国专利公开No.2012-0244395中双极板与电极之间的接触的剖视图，其中，双极板21/电极22/离子交换膜23/电极24/双极板25从顶部层叠，并且流路27和29分别形成在双极板21和25中。当使用这种类型的双极板时，施加于电池模块的入口和出口之间的压差在一定程度上减小。

然而，参照图2的电池，与图1的电池相比，由于流路的构造，存在电极和电解质溶液之间的接触面积减小的问题。因此，存在以下问题：用于发电的电化学反应未充分进行，由此降低了充电/放电容量和电池速度。

另外，存在以下问题：即使其具有减小内部压差的流路结构，在所有范围内稳定地控制电解质溶液的流率方面也具有一定的局限性，并且电解质溶液短时间保留在流路中，因而无法确保充分的反应时间。

因此，对于能够确保充分的反应时间并提高充电/放电容量和效率的氧化还原液流电池的需求不断增加，同时当电解质溶液通过流路时，无论流率如何，都能够最小化能量损失。

[现有技术文献]

[专利文献]

美国专利公开No.2012-0244395(2012年9月27日)，“FLOW BATTERY WITHINTERDIGITATED FLOW FIELD”