CN106887612A - 一种蛇形流道的双极板及其在全钒液流电池中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种蛇形流道的双极板，于双极板的二侧表面设有用于流体流动的蛇形流道；沿流体流动方向于流道内设有1个以上的扰流槽，同一流道内沿流体流动方向的内相邻扰流槽之间间隔2‑5mm以上。设有扰流槽蛇形流道的双极板组装成全钒液流电池，电池表现出了优异的电化学性能，具有制备性能优异、工艺简单、工艺重复性好、成本低和环境友好等优点。

Description

一种蛇形流道的双极板及其在全钒液流电池中的应用
技术领域
本发明涉及一种蛇形流道的双极板设计及其应用，特别是其在全钒液流电池上的应用
背景技术
能源和环境是21世纪人类面临的两大问题。随着经济社会的不断发展，人类对能源的需求日益增多。不过传统的化石能源一方面储量有限，不能满足社会发展的需求，另一方面化石能源的过度消耗带来了严重的环境问题。为了解决能源短缺和环境污染的双重难题，可再生的清洁能源，如太阳能和风能的开发至关重要。但是，太阳能发电和风能发电具有不连续不稳定的特点，受自然环境影响较大。由于大规模储能技术能够解决这一问题，所以其受到广泛研究。其中全钒液流电池技术以其独特的优势引领了电池行业的发展，并被广泛应用。
全钒液流电池作为液流电池中的一种，具有诸多优点，对于全钒液流体系，电池两侧发生的反应有：
正极：VO2++2H++ e-＝VO2++H2O
负极：V3++ e-＝V2+。
全钒液流体系对电解液的流动有以下几点要求：1.电解液流通无死角，使电解液中的反应物质充分接触到电极材料，使电极表面上的反应活性点位得到充分利用，降低电池的电化学极化；2.较快的流速，降低了层流层的厚度，使电极表面的扩散层厚度降低，更快速的为电极表面补充反应物质，降低浓差极化；3.较短的离子传导距离，有利于降低电池的欧姆内阻；便于电解液的扩散传输，同时也能降低电池的浓差极化。4.阻力小，能力损失少；5.设计简单，制备成本低廉。
全钒液流电池体系中，电解液的流通主要分为二种方式：
1.穿流式，电解液穿过电极表面流动，即电解液完全流经多孔电极材料，电极材料本身即为流道。
2.平流式，电解液沿电极表面平行流动，即电解液沿着流道流动，一部分电解液流过电极材料。
其中穿流式由于电极材料的孔径小，孔结构无序，使得流经阻力大，能量损失多，并且流速低，流动死区多等缺点。
平流式由于有了流道的存在，可以使得电解液的流速大大提高，然而其沿着电极表面平行流动，使得电解液中，只有一部分电解液穿过电极表面。
所以设计一种流道，使得电解液更多的流经电极表面成为了流道设计研发的重点。
发明内容
本发明的目的在于设计一种蛇形流道的双极板和其在全钒液流电池电极中的应用。
为实现上述目的，本发明采用的的流道设计方案如下：
一种蛇形流道的双极板，于双极板的二侧表面设有用于流体流动的蛇形流道；沿流体流动方向于流道内设有1个以上的扰流槽，同一流道内沿流体流动方向的内相邻扰流槽之间间隔2-5mm以上；
扰流槽为下述情形中的一种或二种：
第一种：于蛇形流道底部向下设置一个0.1-1mm深、2-5mm长，与流道宽度相同的的凹槽；
第二种：于蛇形流道或二侧的侧壁面上向垂直于流体流动方向设置一个0.1-1mm深、2-5mm长、高度与流道深度相同的的凹槽。
蛇形流道的流道宽度为4-6mm，流道深度为0.5-2mm。
所述的双极板在全钒液流电池中的应用。
本发明的有益效果：
1.本发明设计的蛇形流道双极板，构造简单，加工方便，价格低廉，易于大规模生产。
2.本发明设计的蛇形流道双极板，由于有小坑或者小缺口的存在，加强了电解的流动过程中的扰动作用，使得层流层的厚度降低，大大的提高了电解液的传递速度，降低了浓差极化，提高了电池性能。
3.本发明设计的蛇形流道双极板，由于有小坑的存在，使得电解液的流动方向发生了一定改变，增加了平流式流动中，电解液垂直于电极表面方向的流动，使得更多的电解液流经电极表面，增加了电极表面的电解液利用率，降低了浓差极化和电化学极化，提高了电池性能。
4.本发明设计的蛇形流道双极板，由于有小坑或小缺口的存在，相当于扩宽了流道的宽度或深度，进一步降低了流动阻力，减少了能量损失。
附图说明
图1是实施例1中蛇形流道双极板的CAD图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步描述，但本发明的实施不仅限于此。
以下实施例中全钒液流电池的组装方法如下：
室温下，将全钒液流电池在手套箱中进行组装。集流板为石墨板，在石墨板上雕刻有新型蛇形流道，为电解液的流动提供通道。采用Nafion115型阳离子交换膜为电池隔膜，膜在的有效面积为9cm-2。电解液中钒离子浓度为1.50mol L-1，H2SO4浓度为3mol L-1。
以下实施例中全钒液流电池电化学测试方法如下：
室温下，将组装好的全钒液流电池在在40mA cm-2的电流密度进行充放电测试。充放电方式为恒流充放电，充放电区间为1.65-1.0V。充放电测试系统为ARBIN。
实施例1
双极板为5mm厚的石墨板，在其上雕刻新型棋盘流道，先雕刻蛇形流道，流道的宽度为3mm，深度为1mm，再每隔3mm，挖一个长宽皆为3mm，深度为0.5mm的扰流槽。
实施例2
双极板为10mm厚的石墨板，在其上雕刻新型棋盘流道，先雕刻蛇形流道，流道的宽度为5mm，深度为1mm，再每隔3mm，挖一个长宽皆为5mm，深度为0.5mm的扰流槽。
实施例3
双极板为3mm厚的石墨板，在其上雕刻新型棋盘流道，先雕刻蛇形流道，流道的宽度为3mm深度为1mm，再每隔3mm，挖一个长2mm，深度为1mm的扰流槽。

Claims (3)

1.一种蛇形流道的双极板，于双极板的二侧表面设有用于流体流动的蛇形流道；其特征在于：沿流体流动方向于流道内设有1个以上的扰流槽，同一流道内沿流体流动方向的内相邻扰流槽之间间隔2-5mm以上；
扰流槽为下述情形中的一种或二种：
第一种：于蛇形流道底部向下设置一个0.1-1mm深、2-5mm长，与流道宽度相同的的凹槽；
第二种：于蛇形流道或二侧的侧壁面上向垂直于流体流动方向设置一个0.1-1mm深、2-5mm长、高度与流道深度相同的的凹槽。
2.按照权利要求1所述的双极板，其特征在于：蛇形流道的流道宽度为4-6mm，流道深度为0.5-2mm。
3.一种权利要求1或2所述的双极板在全钒液流电池中的应用。
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