專利名稱：微流控液流儲(chǔ)能單電池及電池堆的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種儲(chǔ)能電池，更具體地說，它涉及一種具有微流控結(jié)構(gòu)的液流 儲(chǔ)能電池，它不僅涉及一種單電池而且還涉及由單電池所組成的電池堆。
背景技術(shù)：
液流儲(chǔ)能電池具有能量轉(zhuǎn)換效率高、使用壽命長(zhǎng)、容量可根據(jù)優(yōu)化要求調(diào)解、環(huán) 保、安全等優(yōu)點(diǎn)，是風(fēng)能、太陽能等可再生能源和電能削峰、填谷等規(guī)模化儲(chǔ)能最有發(fā)展前 景的方法之一。然而，目前液流儲(chǔ)能電池仍存在一些技術(shù)問題，例如，電池運(yùn)行的電流密度低。目 前，液流儲(chǔ)能電池運(yùn)行的工作電流密度較低(< 100mA/cm2)，僅為質(zhì)子交換膜燃料電池工 作電流密度的十分之一，造成電池模塊體積大，材料需求量大，成本攀高。這主要與電對(duì)反 應(yīng)活性、電極極板材料的活性與導(dǎo)電性、離子交換膜的離子傳導(dǎo)性和電解液傳質(zhì)能力有關(guān)。 另外，在電池的規(guī)模放大過程中電解液分配的不均勻性越加嚴(yán)重，公用管道中內(nèi)漏電電流 損失增大等。這都會(huì)造成電池性能的降低，因而工作電流密度偏低。另外，電池系統(tǒng)成本較高。液流儲(chǔ)能電池關(guān)鍵材料和部件還未實(shí)現(xiàn)批量化制備，因 此目前生產(chǎn)成本較高。尤其是國內(nèi)離子交換膜技術(shù)還未突破，通常使用的杜邦公司商業(yè)化 的Nafion膜價(jià)格昂貴，成為制約液流儲(chǔ)能電池實(shí)用化的瓶頸。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是克服了現(xiàn)有技術(shù)存在的工作電流密度偏低與 生產(chǎn)成本較高等問題，提供了一種采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池及由采用微流控技術(shù) 的液流儲(chǔ)能單電池所組成的電池堆。為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型是采用如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的所述的單電池主 要由單電池電極、正極電解液、負(fù)極電解液、單電池上封蓋層、單電池上襯墊層、單電池流道 層、單電池下襯墊層和單電池下封蓋層組成。所述的單電池上封蓋層、單電池上襯墊層、單電池流道層、單電池下襯墊層和單電 池下封蓋層皆為長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，它們依次壓緊粘合連接成一體。所述的單電池的四角處設(shè)置有孔徑相同的單電池正極電解液入口、單電池負(fù)極電 解液入口、單電池正極電解液出口與單電池負(fù)極電解液出口。單電池流道層上設(shè)置有單電 池微流道，單電池微流道中設(shè)置有單電池電極，單電池微流道的一端和單電池正極電解液 入口與單電池負(fù)極電解液入口連通，單電池微流道的另一端和單電池正極電解液出口與單 電池負(fù)極電解液出口連通。正極電解液與負(fù)極電解液通過單電池正極電解液入口、單電池 負(fù)極電解液入口、單電池正極電解液出口與單電池負(fù)極電解液出口充滿單電池微流道。技術(shù)方案中所述的單電池微流道呈雙Y型，單電池微流道以單電池流道層的橫向 對(duì)稱線對(duì)稱地設(shè)置在單電池流道層上，單電池微流道是由處于單電池微流道中部的直流道 和處于單電池微流道兩端的呈叉形的輔助流道組成。單電池微流道中直流道和呈叉形的
4輔助流道連通，單電池微流道一端的呈叉形的輔助流道和單電池上的單電池正極電解液入 口與單電池負(fù)極電解液入口連通，單電池微流道另一端的呈叉形的輔助流道和單電池上的 單電池正極電解液出口與單電池負(fù)極電解液出口連通；所述的單電池微流道的直流道長(zhǎng)為 15-20mm，寬為l_2mm，厚度為0. 2_lmm。單電池微流道中的直流道兩側(cè)各裝有單電池電極；一種采用微流控液流儲(chǔ)能單電池組成的電池堆。所述的電池堆主要由單電池電 極、正極電解液、負(fù)極電解液、電池堆上封蓋層、電池堆第一襯墊層、電池堆第一流道層、電 池堆第二襯墊層、電池堆第二流道層和電池堆下封蓋層組成。所述的電池堆上封蓋層、電池堆第一襯墊層、電池堆第一流道層、電池堆第二襯墊 層、電池堆第二流道層和電池堆下封蓋層皆為長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，它們依次壓緊粘合連 接成一體。所述的電池堆的中部設(shè)置有電池堆正極電解液入口、電池堆負(fù)極電解液入口、電 池堆正極電解液出口與電池堆負(fù)極電解液出口。電池堆第二流道層上并列設(shè)置4個(gè)所述的 單電池微流道，單電池微流道中的單電池電極實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，4個(gè)所述的單電池微流道通過電池 堆第二襯墊層、電池堆第一流道層、電池堆第一襯墊層與電池堆上封蓋層和電池堆的電池 堆正極電解液入口、電池堆負(fù)極電解液入口、電池堆正極電解液出口與電池堆負(fù)極電解液 出口連通。技術(shù)方案中所述的電池堆第二流道層上不僅設(shè)置4個(gè)所述的單電池微流道，而且 設(shè)置2至η個(gè)所述單電池微流道，其中η取大于零的自然數(shù)。單電池微流道中的單電池電 極采取串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)，2至η個(gè)所述單電池微流道和電池堆的電池堆正極電解液入 口、電池堆負(fù)極電解液入口、電池堆正極電解液出口與電池堆負(fù)極電解液出口連通；所述的 電池堆上封蓋層是長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用2mm厚的材質(zhì)為聚碳酸酯、聚乙烯或有機(jī)玻 璃的硬性材料制作。電池堆上封蓋層的中部設(shè)置有電池堆正極電解液入口、電池堆負(fù)極電 解液入口、電池堆正極電解液出口與電池堆負(fù)極電解液出口，電池堆正極電解液入口、電池 堆負(fù)極電解液入口、電池堆正極電解液出口與電池堆負(fù)極電解液出口的直徑同為6mm。電池 堆正極電解液入口、電池堆負(fù)極電解液入口、電池堆正極電解液出口與電池堆負(fù)極電解液 出口的對(duì)稱軸線的連線為一平行四邊形；所述的電池堆第一襯墊層是和電池堆上封蓋層尺 寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作，其厚度為l-10mm。電池堆第 一襯墊層21的中部設(shè)置有和電池堆上封蓋層上的電池堆正極電解液入口、電池堆負(fù)極電 解液入口、電池堆正極電解液出口與電池堆負(fù)極電解液出口位置相對(duì)應(yīng)的尺寸相同的第一 襯墊層正極電解液入口、第一襯墊層負(fù)極電解液入口、第一襯墊層正極電解液出口和第一 襯墊層負(fù)極電解液出口 ；所述的電池堆第一流道層是和電池堆上封蓋層尺寸相同的長(zhǎng)方形 的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作。電池堆第一流道層的中部設(shè)置有和電池堆上 封蓋層上的電池堆正極電解液入口、電池堆負(fù)極電解液入口、電池堆正極電解液出口與電 池堆負(fù)極電解液出口位置相對(duì)應(yīng)的尺寸相同的第一流道層正極電解液入口、第一流道層負(fù) 極電解液入口、第一流道層正極電解液出口和第一流道層負(fù)極電解液出口。再分別以第一 流道層正極電解液入口、第一流道層負(fù)極電解液入口、第一流道層正極電解液出口和第一 流道層負(fù)極電解液出口為中心向外設(shè)置四條直流道，第一流道層正極電解液入口與第一流 道層負(fù)極電解液入口分別向外設(shè)置的四條直流道集中在電池堆第一流道層(22)的上半部 分，并且第一流道層正極電解液入口與第一流道層負(fù)極電解液入口分別向外設(shè)置的四條直流道是相間布置。第一流道層正極電解液出口與第一流道層負(fù)極電解液出口分別向外設(shè)置 的四條直流道集中在電池堆第一流道層(22)的下半部分，并且第一流道層正極電解液出 口與第一流道層負(fù)極電解液出口分別向外設(shè)置的四條直流道是相間布置。16條直流道的末 端分處在兩條直線上并分列在電池堆第一流道層的上下兩側(cè)；所述的電池堆第二襯墊層是 和電池堆第一流道層尺寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作。電池 堆第二襯墊層上設(shè)置有兩排16個(gè)孔，上排8個(gè)孔是正極電解液和負(fù)極電解液的入口，正極 電解液和負(fù)極電解液入口是相間布置。下排8個(gè)孔是正極電解液和負(fù)極電解液的出口，正 極電解液和負(fù)極電解液的出口是相間布置。16個(gè)孔的位置和電池堆第一流道層上的直流道 的末端相對(duì)應(yīng)。與現(xiàn)有技術(shù)相比本實(shí)用新型的有益效果是1.本實(shí)用新型所述的微流控液流儲(chǔ)能單電池及電池堆將微流控技術(shù)用于液流儲(chǔ) 能電池的設(shè)計(jì)與加工中；2.本實(shí)用新型所述的微流控液流儲(chǔ)能單電池及電池堆由于采用微流控技術(shù)，無需 離子交換膜，大大降低液流儲(chǔ)能電池的制作成本，提高液流儲(chǔ)能電池穩(wěn)定性和使用壽命；3.本實(shí)用新型所述的微流控液流儲(chǔ)能單電池及電池堆中正負(fù)電解液間沒有交換 膜阻隔而是直接接觸，提高了離子交換速率，從而加快液流儲(chǔ)能電池的充放電速度，提高液 流儲(chǔ)能電池放電時(shí)的電流密度。4.本實(shí)用新型所述的微流控液流儲(chǔ)能單電池及電池堆易于加工制作，成本低廉。以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明圖Ι-a是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池中單電池上封蓋 層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖Ι-b是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池中單電池上襯墊 層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；

圖1-c是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池中單電池流道層 結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖Ι-d是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池中單電池下襯墊 層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖Ι-e是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池中單電池下封蓋 層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖2_a是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能電池堆中電池堆上封蓋 層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖2_b是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能電池堆中電池堆第一襯 墊層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖2-c是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能電池堆中電池堆第一流 道層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖2_d是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能電池堆中電池堆第二襯 墊層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；[0029]圖2_e是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能電池堆中電池堆第二流 道層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖2_f是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能電池堆中電池堆下封蓋 層結(jié)構(gòu)的軸測(cè)投影示意圖；圖3是本實(shí)用新型所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池結(jié)構(gòu)組成的全剖視 圖；圖4是本實(shí)用新型所述的由采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池實(shí)施串聯(lián)所組成 的電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是本實(shí)用新型所述的由采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池實(shí)施串并聯(lián)所組 成的電池堆的結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1.單電池正極電解液入口，2.單電池負(fù)極電解液入口，3.單電池正極電解 液出口，4.單電池負(fù)極電解液出口，5.單電池微流道，6.單電池電極，7.正極電解液，8.負(fù) 極電解液，9.單電池上封蓋層，10.單電池上襯墊層，11.單電池流道層，12.單電池下襯墊 層，13.單電池下封蓋層，14.單電池，15.電池堆，16.電池堆正極電解液入口，17.電池堆負(fù) 極電解液入口，18.電池堆正極電解液出口，19.電池堆負(fù)極電解液出口，20.電池堆上封蓋 層，21.電池堆第一襯墊層，22.電池堆第一流道層，23.電池堆第二襯墊層，24.電池堆第二 流道層，25.電池堆下封蓋層。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)的描述本實(shí)用新型的目的在于提供一種采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池及由該單電 池所組成的電池堆。利用微流道實(shí)現(xiàn)正極電解液7與負(fù)極電解液8的層流流動(dòng)，使正極電 解液7與負(fù)極電解液8不用離子交換膜隔開也不會(huì)發(fā)生混合，并在反應(yīng)后實(shí)現(xiàn)正極電解液 7與負(fù)極電解液8的分離，進(jìn)而提高液流儲(chǔ)能單電池工作電流密度，降低液流儲(chǔ)能單電池的 成本。參閱圖1，采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池是利用多股流體在微尺度流道中會(huì) 以層流形式流動(dòng)的特性，采用微尺度流道作為液流儲(chǔ)能單電池的反應(yīng)倉，不用離子交換膜 防止正極電解液7與負(fù)極電解液8的混合。采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池14主要由 單電池電極6、正極電解液7、負(fù)極電解液8、單電池上封蓋層9、單電池上襯墊層10、單電池 流道層11、單電池下襯墊層12和單電池下封蓋層13組成。參閱圖Ι-a，所述的單電池上封蓋層9是長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用2mm厚的材質(zhì) 為聚碳酸酯的硬性材料制作(也可采用聚乙烯、有機(jī)玻璃)，單電池上封蓋層9的四角處設(shè) 置有孔徑相同的單電池正極電解液入口 1、單電池負(fù)極電解液入口 2、單電池正極電解液出 口 3與單電池負(fù)極電解液出口 4。相鄰兩孔中軸線的連線和對(duì)面兩孔中軸線的連線平行且 相等，相鄰的兩條連線垂直相交，即設(shè)置在單電池上封蓋層9四角處的單電池正極電解液 入口 1、單電池負(fù)極電解液入口 2、單電池負(fù)極電解液出口 4與單電池正極電解液出口 3依 次連線呈一矩形。參閱圖Ι-b與圖Ι-d，所述的單電池上襯墊層10與單電池下襯墊層12是和單電池 上封蓋層9 一樣是尺寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作，其厚度為l-10mm。其中單電池上襯墊層10的四角處設(shè)置有和單電池上封蓋層9的四角處設(shè)置的 單電池正極電解液入口 1、單電池負(fù)極電解液入口 2、單電池正極電解液出口 3與單電池負(fù) 極電解液出口 4相對(duì)應(yīng)的上襯墊層正極電解液入口、上襯墊層負(fù)極電解液入口、上襯墊層 正極電解液出口與上襯墊層負(fù)極電解液出口。參閱圖Ι-e，所述的單電池下封蓋層13是和單電池上封蓋層9 一樣是尺寸相同的 長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用2mm厚的材質(zhì)為聚碳酸酯的硬性材料制作(也可采用聚乙烯、有 機(jī)玻璃)。參閱圖1-c，所述的單電池流道層11上刻有雙Y型的單電池微流道5，雙Y型的單 電池微流道5在單電池流道層11上以橫向?qū)ΨQ線對(duì)稱設(shè)置(叉形向外)。雙Y型的單電 池微流道5是由處于流道中部的直流道(反應(yīng)倉)和處于流道兩端的呈叉形的輔助流道組 成。所述的輔助流道即為單電池正極電解液入流道、單電池負(fù)極電解液入流道、單電池正極 電解液出流道與單電池負(fù)極電解液出流道。單電池微流道5的直流道長(zhǎng)為15-20mm，寬為 l-2mm，厚度為0. 2-lmm ；單電池微流道5中的直流道兩側(cè)裝(貼)有材質(zhì)為石墨的單電池電 極6，單電池微流道5中的直流道左側(cè)裝(貼)有的單電池電極6和正極電解液7接觸，單 電池微流道5中的直流道右側(cè)裝(貼)有的單電池電極6和負(fù)極電解液8接觸。單電池微 流道5中的直流道的兩端分別和呈叉形的輔助流道連通，即單電池微流道5的直流道的一 端和單電池正極電解液入流道與單電池負(fù)極電解液入流道連通，單電池微流道5的直流道 的另一端和單電池正極電解液出流道與單電池負(fù)極電解液出流道連通。單電池正極電解液 入流道與單電池負(fù)極電解液入流道通過單電池上襯墊層10分別和單電池上封蓋層9上的 單電池正極電解液入口 1與單電池負(fù)極電解液入口 2連通，單電池正極電解液出流道與單 電池負(fù)極電解液出流道通過單電池上襯墊層10分別和單電池上封蓋層9上的單電池正極 電解液出口 3與單電池負(fù)極電解液出口 4連通。單電池流道層11被處于單電池流道層11 上方的單電池上封蓋層9與單電池上襯墊層10和處于單電池流道層11下方的單電池下襯 墊層12與單電池下封蓋層13依次壓緊粘合成一體。單電池14工作時(shí)，正極電解液7和負(fù)極電解液8分別通過單電池正極電解液入口 1和單電池負(fù)極電解液入口 2穿過單電池上封蓋層9和單電池上襯墊層10流入單電池流 道層11的單電池微流道5中，正極電解液7和負(fù)極電解液8以層流形式流過帶有單電池電 極6的單電池微流道5 (中的直流道)，正極電解液7和負(fù)極電解液8直接接觸，但不發(fā)生混 合，最后正極電解液7和負(fù)極電解液8被分離，通過單電池正極電解液出口 3和單電池負(fù)極 電解液出口 4流出單電池14。實(shí)施例1單電池14的單電池上封蓋層9采用的材質(zhì)為聚碳酸酯，具體尺寸參數(shù)如下長(zhǎng)X 寬X厚=50X 30X 2mm，單電池正極電解液入口 1、單電池負(fù)極電解液入口 2、單電池正極電 解液出口 3和單電池負(fù)極電解液出口 4的直徑為4mm。單電池14的單電池上襯墊層10采用的材質(zhì)為PDMS，具體尺寸參數(shù)如下長(zhǎng)X 寬χ厚=50X 30X 5mm，單電池上襯墊層10四角處設(shè)置有和單電池上封蓋層9上的單電池 正極電解液入口 1、單電池負(fù)極電解液入口 2、單電池正極電解液出口 3和單電池負(fù)極電解 液出口 4位置上相對(duì)應(yīng)的尺寸上相同的上襯墊層正極電解液入口、上襯墊層負(fù)極電解液入 口、上襯墊層正極電解液出口和上襯墊層負(fù)極電解液出口，四個(gè)入出口的直徑皆為4mm。[0046]單電池14的單電池下襯墊層12采用的材質(zhì)為PDMS，具體尺寸參數(shù)如下長(zhǎng)X 寬 X 厚=50 X 30 X 5mm,單電池14的單電池流道層11采用的材質(zhì)為PDMS，具體尺寸參數(shù)如下長(zhǎng)X寬X 厚=50X30X0. 5mm，單電池微流道5的直流道長(zhǎng)為20mm，寬為1. 5mm。單電池14的單電池下封蓋層13采用的材質(zhì)為聚碳酸酯，具體尺寸參數(shù)如下 長(zhǎng) X 寬 X 厚=50 X 30 X 2mm。參閱圖4，將多個(gè)采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池14以并聯(lián)或串聯(lián)的方式制作 在一塊微流控芯片上，構(gòu)成采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能電池堆15。通過將多個(gè)采用微流控 技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池14實(shí)施串聯(lián)達(dá)到增大電池輸出電壓，通過將多個(gè)采用微流控技術(shù) 的液流儲(chǔ)能單電池14實(shí)施并聯(lián)達(dá)到增大電池輸出電流。參閱圖2，圖中所示的是將4個(gè)采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池14實(shí)施串聯(lián)的 電池堆。實(shí)施串聯(lián)的電池堆采用雙流道層結(jié)構(gòu)，由電池堆上封蓋層20、電池堆第一襯墊層 21、電池堆第一流道層22、電池堆第二襯墊層23、電池堆第二流道層24和電池堆下封蓋層 25依次組裝而成。參閱圖2-a，所述的電池堆15的電池堆上封蓋層20是長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用 2mm厚的材質(zhì)為聚碳酸酯的硬性材料制作(也可采用聚乙烯、有機(jī)玻璃)，電池堆上封蓋層 20的中部設(shè)置有電池堆正極電解液入口 16、電池堆負(fù)極電解液入口 17、電池堆正極電解液 出口 18與電池堆負(fù)極電解液出口 19，四個(gè)入出口的直徑相同，四個(gè)入出口的對(duì)稱軸線的連 線為一平行四邊形。參閱圖2-b，所述的電池堆15的電池堆第一襯墊層21是和電池堆上封蓋層20尺 寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作，其厚度為l-10mm。電池堆第 一襯墊層21的中部設(shè)置有和電池堆上封蓋層20上的正極電解液入口 16、電池堆負(fù)極電解 液入口 17、電池堆正極電解液出口 18與電池堆負(fù)極電解液出口 19位置上相對(duì)應(yīng)的尺寸上 相同的第一襯墊層正極電解液入口、第一襯墊層負(fù)極電解液入口、第一襯墊層正極電解液 出口和第一襯墊層負(fù)極電解液出口。參閱圖2-c，所述的電池堆15的電池堆第一流道層22是和電池堆上封蓋層20尺 寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作。電池堆第一流道層22的中部 設(shè)置有和電池堆上封蓋層20上的電池堆正極電解液入口 16、電池堆負(fù)極電解液入口 17、電 池堆正極電解液出口 18與電池堆負(fù)極電解液出口 19位置上相對(duì)應(yīng)的尺寸上相同的第一流 道層正極電解液入口、第一流道層負(fù)極電解液入口、第一流道層正極電解液出口和第一流 道層負(fù)極電解液出口，四個(gè)入出口的直徑皆為6mm。再分別以第一流道層正極電解液入口、 第一流道層負(fù)極電解液入口、第一流道層正極電解液出口和第一流道層負(fù)極電解液出口為 中心向外設(shè)置四條直流道。第一流道層正極電解液入口與第一流道層負(fù)極電解液入口分別 向外設(shè)置的四條直流道集中在電池堆第一流道層22的上半部分，并且第一流道層正極電 解液入口與第一流道層負(fù)極電解液入口分別向外設(shè)置的四條直流道是相間布置，第一流道 層正極電解液出口與第一流道層負(fù)極電解液出口分別向外設(shè)置的四條直流道集中在電池 堆第一流道層22的下半部分，并且第一流道層正極電解液出口與第一流道層負(fù)極電解液 出口分別向外設(shè)置的四條直流道是相間布置。各直流道之間互不相通是相間布置，各(16 條)直流道的末端分處在兩條直線上并分列在電池堆第一流道層22的上下兩側(cè)。[0054]參閱圖2-d，所述的電池堆15的電池堆第二襯墊層23是和電池堆第一流道層22 尺寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作。電池堆第二襯墊層23上 設(shè)置有兩排16孔，上排8孔是正極電解液7和負(fù)極電解液8的入口，正極電解液7和負(fù)極 電解液8入口是相間布置，下排8孔是正極電解液7和負(fù)極電解液8的出口，正極電解液7 和負(fù)極電解液8的出口是相間布置，16孔的位置和電池堆第一流道層22上的16條直流道 的末端相對(duì)應(yīng)。參閱圖2-e，所述的電池堆15的電池堆第二流道層24是和電池堆第一流道層22 尺寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作。電池堆第二層流道層24 上刻有4個(gè)所述的單電池14。4個(gè)所述的單電池14的單電池電極6首尾相接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，每 一組單電池14中的單電池微流道5中的直流道長(zhǎng)為20mm，寬為1. 5mm，每一組單電池14中 的單電池微流道5中的呈叉形的輔助流道末端和電池堆第一流道層22上的直流道的末端 相對(duì)應(yīng)，即和第二襯墊層23上設(shè)置的兩排孔相對(duì)應(yīng)，上排孔實(shí)現(xiàn)每一組單電池14的正極電 解液7和負(fù)極電解液8的輸入，下排孔實(shí)現(xiàn)每一組單電池14的正極電解液7和負(fù)極電解液 8的流出。從理論上講電池堆第二流道層24上不僅可以設(shè)置4個(gè)所述的單電池微流道5， 也可以設(shè)置2至η個(gè)所述單電池微流道5，其中η取大于零的自然數(shù)。各單電池微流道5中 的單電池電極6實(shí)現(xiàn)串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)。2至η個(gè)所述單電池微流道5和電池堆15的電 池堆正極電解液入口 16、電池堆負(fù)極電解液入口 17、電池堆正極電解液出口 18與電池堆負(fù) 極電解液出口 19連通。但從實(shí)際應(yīng)用上來說，考慮到實(shí)際需要的電流、電壓的大小，考慮到 使用、加工與維修的方便，η的最大值不是無限的而是有限的。根據(jù)每個(gè)單電池14所產(chǎn)生 的電壓是1. 26ν左右，電流密度為200mA/cm2左右，再考慮到使用、加工與維修的方便，就可 以算出電池堆第二流道層24上需要設(shè)置所述的單電池微流道5的個(gè)數(shù)。參閱圖2-f，所述的電池堆15的電池堆下封蓋層25是和電池堆第二流道層24尺 寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用的材質(zhì)為聚碳酸酯。電池堆工作時(shí)，正極電解液7和負(fù)極電解液8分別通過電池堆正極電解液入口 16 和電池堆負(fù)極電解液入口 17穿過電池堆上封蓋層20和電池堆第一襯墊層21流入電池堆 第一流道層22中，在該層刻有分支流道，正極電解液7和負(fù)極電解液8分別被分成4路后 進(jìn)入電池堆第二層流道層24，電池堆第二層流道層24上刻有4組單電池14，4組單電池14 的單電池電極6首尾相接實(shí)現(xiàn)串聯(lián)，正極電解液7和負(fù)極電解液8在4組所述的單電池微 流道5內(nèi)流過后返回電池堆第一流道層22，最后流出電池堆15。實(shí)施例2電池堆15的電池堆上封蓋層20采用的材質(zhì)為聚碳酸酯，具體尺寸參數(shù)如下 長(zhǎng)X寬X厚=200X 100X2_，四個(gè)入出口的直徑皆為6_。電池堆15的電池堆第一襯墊層21采用的材質(zhì)為PDMS，具體尺寸參數(shù)如下長(zhǎng)X 寬X厚=200X 100X5_，四個(gè)入出口的直徑皆為6_。電池堆15的電池堆第一流道層22采用的材質(zhì)為PDMS，具體尺寸參數(shù)如下長(zhǎng)X 寬X厚=200X100X0. 5mm,電池堆第一流道層22中部設(shè)置的第一流道層正極電解液入 口、第一流道層負(fù)極電解液入口、第一流道層正極電解液出口和第一流道層負(fù)極電解液出 口的直徑皆為6mm。以第一流道層正極電解液入口、第一流道層負(fù)極電解液入口、第一流 道層正極電解液出口和第一流道層負(fù)極電解液出口為中心向外設(shè)置的四條直流道寬度為4mm 。[0062]電池堆15的電池堆第二襯墊層23采用的材質(zhì)為PDMS，具體尺寸參數(shù)如下長(zhǎng)X 寬X厚=200X 100X5mm,電池堆第二襯墊層23上設(shè)置的兩排孔的直徑皆為4mm。電池堆15的電池堆第二層流道層24采用的材質(zhì)為PDMS，具體尺寸參數(shù)如下 長(zhǎng)X寬X厚=200X100X0. 5mm。本實(shí)施例中電池堆第二層流道層24上刻有4組單電池 14，每一組單電池14中的單電池微流道5中的直流道長(zhǎng)為20mm，寬為1. 5mm。電池堆15的電池堆下封蓋層25采用的材質(zhì)為聚碳酸酯，具體尺寸參數(shù)如下 長(zhǎng) X 寬 X 厚=200 X 100 X 2mm。所述的采用微流控技術(shù)的液流儲(chǔ)能單電池14可應(yīng)用于不同液流電池上，例如全 釩體系、釩/溴體系和鋅/溴體系。本實(shí)用新型將微流控技術(shù)引入新能源領(lǐng)域，應(yīng)用于新型液流儲(chǔ)能電池。由于本實(shí) 用新型所述的微流控液流儲(chǔ)能電池結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不用價(jià)格昂貴的離子交換膜，并且電池材料 及加工制造費(fèi)用較低，因此大大降低了制造成本。另外，由于電池內(nèi)部正負(fù)極電解液直接接 觸，正負(fù)極離子傳導(dǎo)速度非常快，并且電解液流動(dòng)形式為層流，電解液濃度變化均勻，因此 單電池14工作電流密度較高。
權(quán)利要求一種微流控液流儲(chǔ)能單電池，其特征在于，所述的單電池(14)主要由單電池電極(6)、正極電解液(7)、負(fù)極電解液(8)、單電池上封蓋層(9)、單電池上襯墊層(10)、單電池流道層(11)、單電池下襯墊層(12)和單電池下封蓋層(13)組成；所述的單電池上封蓋層(9)、單電池上襯墊層(10)、單電池流道層(11)、單電池下襯墊層(12)和單電池下封蓋層(13)皆為長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，它們依次壓緊粘合連接成一體；所述的單電池(14)的四角處設(shè)置有孔徑相同的單電池正極電解液入口(1)、單電池負(fù)極電解液入口(2)、單電池正極電解液出口(3)與單電池負(fù)極電解液出口(4)，單電池流道層(11)上設(shè)置有單電池微流道(5)，單電池微流道(5)中設(shè)置有單電池電極(6)，單電池微流道(5)的一端和單電池正極電解液入口(1)與單電池負(fù)極電解液入口(2)連通，單電池微流道(5)的另一端和單電池正極電解液出口(3)與單電池負(fù)極電解液出口(4)連通，正極電解液(7)與負(fù)極電解液(8)通過單電池正極電解液入口(1)、單電池負(fù)極電解液入口(2)、單電池正極電解液出口(3)與單電池負(fù)極電解液出口(4)充滿單電池微流道(5)。
2.按照權(quán)利要求1所述的微流控液流儲(chǔ)能單電池，其特征在于，所述的單電池微流道 (5)呈雙Y型，單電池微流道(5)以單電池流道層(11)的橫向?qū)ΨQ線對(duì)稱地設(shè)置在單電池 流道層(11)上，單電池微流道(5)是由處于單電池微流道(5)中部的直流道和處于單電池 微流道(5)兩端的呈叉形的輔助流道組成；單電池微流道(5)中直流道和呈叉形的輔助流 道連通，單電池微流道(5) —端的呈叉形的輔助流道和單電池(14)上的單電池正極電解液 入口(1)與單電池負(fù)極電解液入口(2)連通，單電池微流道(5)另一端的呈叉形的輔助流 道和單電池(14)上的單電池正極電解液出口(3)與單電池負(fù)極電解液出口(4)連通。
3.按照權(quán)利要求2所述的微流控液流儲(chǔ)能單電池，其特征在于，所述的單電池微流道 (5)的直流道長(zhǎng)為15-20mm，寬為l_2mm，厚度為0. 2_lmm ；單電池微流道(5)中的直流道兩 側(cè)各裝有單電池電極(6)。
4.一種采用權(quán)利要求1所述的微流控液流儲(chǔ)能單電池組成的電池堆，其特征在于，所 述的電池堆(15)主要由單電池電極(6)、正極電解液(7)、負(fù)極電解液⑶、電池堆上封蓋層 (20)、電池堆第一襯墊層(21)、電池堆第一流道層(22)、電池堆第二襯墊層(23)、電池堆第 二流道層(24)和電池堆下封蓋層(25)組成；所述的電池堆上封蓋層(20)、電池堆第一襯墊層(21)、電池堆第一流道層(22)、電池 堆第二襯墊層(23)、電池堆第二流道層(24)和電池堆下封蓋層(25)皆為長(zhǎng)方形的板類結(jié) 構(gòu)件，它們依次壓緊粘合連接成一體；所述的電池堆(15)的中部設(shè)置有電池堆正極電解液入口(16)、電池堆負(fù)極電解液入 口(17)、電池堆正極電解液出口(18)與電池堆負(fù)極電解液出口(19)，電池堆第二流道層 (24)上并列設(shè)置4個(gè)所述的單電池微流道(5)，單電池微流道(5)中的單電池電極(6)實(shí)現(xiàn) 串聯(lián)，4個(gè)所述的單電池微流道(5)通過電池堆第二襯墊層(23)、電池堆第一流道層(22)、 電池堆第一襯墊層(21)與電池堆上封蓋層(20)和電池堆(15)的電池堆正極電解液入口 (16)、電池堆負(fù)極電解液入口(17)、電池堆正極電解液出口(18)與電池堆負(fù)極電解液出口 (19)連通。
5.按照權(quán)利要求4所述的電池堆，其特征在于，所述的電池堆第二流道層(24)上不僅 設(shè)置4個(gè)所述的單電池微流道(5)，而且設(shè)置2至η個(gè)所述單電池微流道(5)，其中η取大于零的自然數(shù)，單電池微流道(5)中的單電池電極(6)采取串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)，2至η個(gè)所 述單電池微流道(5)和電池堆(15)的電池堆正極電解液入口(16)、電池堆負(fù)極電解液入口 (17)、電池堆正極電解液出口(18)與電池堆負(fù)極電解液出口(19)連通。
6.按照權(quán)利要求4所述的電池堆，其特征在于，所述的電池堆上封蓋層(20)是長(zhǎng)方形 的板類結(jié)構(gòu)件，采用2mm厚的材質(zhì)為聚碳酸酯、聚乙烯或有機(jī)玻璃的硬性材料制作，電池堆 上封蓋層(20)的中部設(shè)置有電池堆正極電解液入口(16)、電池堆負(fù)極電解液入口(17)、電 池堆正極電解液出口(18)與電池堆負(fù)極電解液出口(19)，電池堆正極電解液入口(16)、電 池堆負(fù)極電解液入口(17)、電池堆正極電解液出口(18)與電池堆負(fù)極電解液出口(19)的 直徑同為6mm，電池堆正極電解液入口(16)、電池堆負(fù)極電解液入口(17)、電池堆正極電解 液出口(18)與電池堆負(fù)極電解液出口(19)的對(duì)稱軸線的連線為一平行四邊形。
7.按照權(quán)利要求4所述的電池堆，其特征在于，所述的電池堆第一襯墊層(21)是和電 池堆上封蓋層(20)尺寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作，其厚度 為1-lOmm，電池堆第一襯墊層21的中部設(shè)置有和電池堆上封蓋層(20)上的電池堆正極電 解液入口(16)、電池堆負(fù)極電解液入口(17)、電池堆正極電解液出口(18)與電池堆負(fù)極電 解液出口(19)位置相對(duì)應(yīng)的尺寸相同的第一襯墊層正極電解液入口、第一襯墊層負(fù)極電 解液入口、第一襯墊層正極電解液出口和第一襯墊層負(fù)極電解液出口。
8.按照權(quán)利要求4所述的電池堆，其特征在于，所述的電池堆第一流道層(22)是和電 池堆上封蓋層(20)尺寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作，電池堆 第一流道層(22)的中部設(shè)置有和電池堆上封蓋層(20)上的電池堆正極電解液入口(16)、 電池堆負(fù)極電解液入口(17)、電池堆正極電解液出口(18)與電池堆負(fù)極電解液出口(19) 位置相對(duì)應(yīng)的尺寸相同的第一流道層正極電解液入口、第一流道層負(fù)極電解液入口、第一 流道層正極電解液出口和第一流道層負(fù)極電解液出口，再分別以第一流道層正極電解液入 口、第一流道層負(fù)極電解液入口、第一流道層正極電解液出口和第一流道層負(fù)極電解液出 口為中心向外設(shè)置四條直流道，第一流道層正極電解液入口與第一流道層負(fù)極電解液入口 分別向外設(shè)置的四條直流道集中在電池堆第一流道層(22)的上半部分，并且第一流道層 正極電解液入口與第一流道層負(fù)極電解液入口分別向外設(shè)置的四條直流道是相間布置，第 一流道層正極電解液出口與第一流道層負(fù)極電解液出口分別向外設(shè)置的四條直流道集中 在電池堆第一流道層(22)的下半部分，并且第一流道層正極電解液出口與第一流道層負(fù) 極電解液出口分別向外設(shè)置的四條直流道是相間布置，16條直流道的末端分處在兩條直線 上并分列在電池堆第一流道層(22)的上下兩側(cè)。
9.按照權(quán)利要求4所述的電池堆，其特征在于，所述的電池堆第二襯墊層(23)是和電 池堆第一流道層(22)尺寸相同的長(zhǎng)方形的板類結(jié)構(gòu)件，采用材質(zhì)為PDMS的材料制作，電池 堆第二襯墊層(23)上設(shè)置有兩排16個(gè)孔，上排8個(gè)孔是正極電解液(7)和負(fù)極電解液(8) 的入口，正極電解液(7)和負(fù)極電解液⑶入口是相間布置，下排8個(gè)孔是正極電解液(7) 和負(fù)極電解液⑶的出口，正極電解液⑵和負(fù)極電解液⑶的出口是相間布置，16個(gè)孔的 位置和電池堆第一流道層(22)上的直流道的末端相對(duì)應(yīng)。
專利摘要本實(shí)用新型公開了微流控液流儲(chǔ)能單電池及電池堆。單電池包括單電池電極、正極電解液、負(fù)極電解液、單電池上封蓋層、單電池上襯墊層、單電池流道層、單電池下襯墊層和單電池下封蓋層。單電池上封蓋層、單電池上襯墊層、單電池流道層、單電池下襯墊層和單電池下封蓋層依次粘合成一體。單電池的四角處設(shè)置單電池正極電解液入口、單電池負(fù)極電解液入口、單電池正極電解液出口與單電池負(fù)極電解液出口。單電池的單電池微流道中設(shè)置有單電池電極，單電池微流道和單電池正極電解液入口、單電池負(fù)極電解液入口、單電池正極電解液出口與單電池負(fù)極電解液出口連通，正極電解液與負(fù)極電解液充滿單電池微流道。提供了由單電池串聯(lián)、并聯(lián)或串并聯(lián)組成的電池堆。
文檔編號(hào)H01M8/18GK201623199SQ201020151989
公開日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年4月8日
發(fā)明者左春檉, 張舟 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)