CN111244469A - 一种适用于液流电池或电堆的双极板及应用 - Google Patents

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李先锋
岳孟
张华民
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Abstract

一种适用于液流电池或电堆的双极板，所述双极板为一矩形平板状结构，在平板的一侧表面或二侧表面中部有一用于与电极接触的矩形区域，称之为电极区域，在电极区域设置有2组均分别由2个以上长条状凹槽构成的顺序间隔的长条状凹槽组，这2组长条状凹槽组间的长条状凹槽相互交叉形成网格状，称之为网格状导流结构；电解液从矩形区域的一条矩形侧边流入与其相贴接的网格状导流结构后、再由与其平行的另一条矩形侧边流出，流入侧边称之为电极区域入口侧边，流出侧边称之为电极区域出口侧边。其结构简单，加工方便，通过在双极板上设计适当朝向的导流凹槽，可实现电解液在平行于于进出口截面方向上均匀流动，从而实现电池内部活性物质浓度的均匀分布。

Description

一种适用于液流电池或电堆的双极板及应用
技术领域
本发明涉及液流电池领域，特别涉及液流电池或电堆双极板。
背景技术
化石能源消耗引发了诸如温室效应、冰川融化、气候变化等一系列环境问题，使得人们将更多的目光投向了可再生能源。可再生能源具有不连续和不稳定的特点，为了更好地利用可再生能源，人们开发了一系列储能技术，其中电化学储能具有地域环境限制低、灵活性高等特点，受到了广泛关注。在众多电化学储能技术中，以全钒液流电池为代表的液流电池十分适合于大规模储能应用。液流电池活性物质通常溶解于液体中，电池运行时，溶有活性物质的电解液在泵的推动作用下流经多孔电极而发生电化学反应，从而实现能量的存储与释放。液流电池中，电解液的流动特性与电池性能密切相关。但采用现有的结构，电解液的分布均匀性难以得到保证，尤其是在平行于进出口截面方向上，在靠近壁面的位置，这会进一步影响活性物质浓度的分布，使得电池性能降低。
发明内容
针对液流电池中电解液在平行于于进出口截面分布不均匀的问题，提出一种新型的液流电池双极板结构，其结构简单，加工方便，通过在双极板上设计适当朝向的导流凹槽，可实现电解液在平行于于进出口截面方向上均匀流动，从而实现电池内部活性物质浓度的均匀分布。同时适当的导流沟槽有着增大电解液更新速度的优点，可降低电解液中活性物质浓度在垂直于进出口截面方向上的梯度，最终降低电池内部极化，消除关键材料的局部腐蚀，提高电池的功率和运行稳定性。对液流电池的发展具有重要意义。
为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下:
一种适用于液流电池或电堆的双极板，所述双极板为一矩形平板状结构，在平板的一侧表面或二侧表面中部有一用于与电极接触的矩形区域，称之为电极区域，在电极区域设置有2组均分别由2个以上长条状凹槽构成的顺序间隔的长条状凹槽组，这2组长条状凹槽组间的长条状凹槽相互交叉形成网格状，称之为网格状导流结构；电解液从矩形区域的一条矩形侧边流入与其相贴接的网格状导流结构后、再由与其平行的另一条矩形侧边流出，流入侧边称之为电极区域入口侧边，流出侧边称之为电极区域出口侧边。
本发明电池或电堆设计标准为：
组成网格状导流结构的2组长条状凹槽组间的长条状凹槽交叉的部位相互贯通。
网格状导流结构在板体所在平面A上以电极区域入口侧边的中垂线B成轴对称；组成网格状导流结构的长条状凹槽平行于平面A的截面为四边形C，四边形C的其中两条相对边与电极区域所在矩形的某两条边平行或重合；四边形C的另外两条相对边所在直线与中垂线B呈1～80°的夹角。
网格状导流结构与流出侧边相贴接、或网格状导流结构与流出侧边间留有矩形间隙。
网格状导流结构与流出侧边相贴接；网格状导流结构在板体所在平面A上以电极区域入口侧边的中垂线B成轴对称；组成网格状导流结构的长条状凹槽平行于平面A的截面为四边形C，四边形C的其中两条相对边与电极区域所在矩形的某两条边重合；四边形C的另外两条相对边所在直线与中垂线B呈1～80°的夹角；
或网格状导流结构与流出侧边间留有矩形间隙；网格状导流结构在板体所在平面A上以电极区域入口侧边的中垂线B成轴对称；组成网格状导流结构的长条状凹槽平行于平面A的截面为四边形C；四边形C的其中两条相对边与电极区域所在矩形的某两条边重合，或其中一条与矩形某条边重合、另一条与矩形某条边平行；四边形C的另外两条相对边所在直线与中垂线B呈1～80°的夹角。以使电解液朝平行于进出口截面的方向流动，提高电解液分布的均匀性。
作为优选，组成所述网格状导流结构的长条状凹槽宽度为0.1～100mm，深度为0.1～100mm。
作为优选，组成所述网格状导流结构的长条状凹槽宽度和高度/深度相同，或遵循靠近电极区域电解液流入和流出截面中点处的导流四边形结构宽度较窄和/或深度/高度较小而远离端宽度较宽和/或深度/高度较大的原则。
作为优选，所述电解液流入、流出口直径0.1～100mm。
所述板体上电极区域四周板体宽度为1～500mm；板体厚度为0.1～100mm。
作为优选，组成所述网格状导流结构的长条状凹槽内部转角与各边缘交汇处均为弧形过渡。
本发明提供的双极板材质可以选用石墨等材料，但不限于此。板体上的凹槽结构可采用机械加工雕刻成型、热压等，但不限于此。
较现有技术相比，本发明采用的双极板结构可使电解液分配的均匀性得到极大提高，从而保证电池和电堆内部反应均匀一致，减弱局部效应，且可通过调整凹槽的高度或深度提高进出口方向电解液分布的均匀性，提高电解液利用率。尤其对于大功率电堆，可以有效较低成本，节约材料。
本发明技术方案带来的有益效果
该双极板结构简单，加工方便，通过促使电解液沿平行于进出口截面方向上流动而有效提高电解液分配的均匀性，从而缓解局部效应，提升电池性能。具体来说：
根据流体力学基本原理，当电解液从入口截面进入电极区域时，会沿着垂直于进口截面的方向流动，并沿垂直于出口截面的方向流出。因为该方向为压力的梯度方向，故大部分电解液的流动方向将会平行于该方向，从而使得电解液在平行于进出口截面的方向上流动不均匀，尤其是当进出口导流流道未能得到充分合理的设计时这一现象在壁面附近尤为显著。电解液流动不均匀而形成电解液更新速率慢的滞流区，甚至流动死区，在该区域内电解液更新速率慢，使得活性物质随着反应的进行而迅速降低(如图1所示)，引起较大的极化，从而电压效率降低，电解液利用率降低，最终使得电池整体性能降低。
通过在双极板上设计网格状的凹槽，由于液流电池用电极多为多孔材料，在凹槽中的流动阻力更小，电解液在电极内的流动速率将会小于在凹槽内的流动速率，从而使得电解液更容易在平行于进出口截面的方向上流动和分布，从而提高活性物质分布的均匀性，降低极化，同时可以降低压力损耗，最终提升电池性能。
附图说明
图1矩形液流电池放电过程中内部浓度分布示意图
图2实施例1结构示意图；
图3实施例2结构示意图；
图4对比例3结构示意图。
符号说明：
1-负极电解液流入口，2-板体，3-电极区域入口侧边，4-电极区域，5-网格状导流结构，6-正极电解液流入口，7-负极电解液流出口，8-电极区域出口侧边，9-正极电解液流出口
具体实施方式
实施例1
如图2所示，一种液流电池双极板。采用石墨压制而成，包括双极板板体2，板体上设有负极电解液流入口1、负极电解液流出口7、正极电解液流入口6、正极电解液流出口9。其中，负极电解液流入口1和正极电解液流入口6位于板体下底边侧，负极电解液流出口7和正极电解液流出口9位于板体板体上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为矩形，电极区域内设有网格状导流结构，该网格状导流结构由若干长条状凹槽组成。
板体厚度8mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口7、正极电解液流入口6和正极电解液流出口9均为圆形，直径14mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长318mm，另外两条边长200mm。网格状导流结构的深度1mm，由26个长度不同，宽度为2mm的四边形凹槽组成，这些凹槽的两条不与电极区域边界重合或平行的边平行，且与电解液入口和出口侧边的中垂线夹角为52°。
板体两面加工有相同的网格状导流结构；所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。双极板上的凹槽采用机械加工雕刻成型。
实施例2
如图3所示，一种液流电池双极板。采用石墨压制而成，包括双极板板体2，板体上设有负极电解液流入口1、负极电解液流出口7、正极电解液流入口6、正极电解液流出口9。其中，负极电解液流入口1和正极电解液流入口6位于板体下底边侧，负极电解液流出口7和正极电解液流出口9位于板体板体上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为矩形，电极区域靠近电解液流入口的一半区域内设有网格状导流结构，该网格状导流结构由若干长条状凹槽组成。
板体厚度8mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口7、正极电解液流入口6和正极电解液流出口9均为圆形，直径14mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长318mm，另外两条边长200mm。网格状导流结构的深度2mm，由20个长度不同，宽度为3mm的四边形凹槽组成，这些凹槽的两条不与电极区域边界重合或平行的边平行，且与电解液入口和出口侧边的中垂线夹角为50°。
板体两面加工有相同的网格状导流结构；所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。双极板上的凹槽采用机械加工雕刻成型。
对比例3
对比例为无网格状导流结构的平板，结构如图4所示。以全钒液流电池为例，利用商业软件包COMSOL Multiphysics@进行模拟计算，模拟所用数学模型主要包括：
动量守恒与连续性方程：
Figure BDA0001883088930000051
Figure BDA0001883088930000052
其中，
Figure BDA0001883088930000053
和P分别表示速度矢量和压强，μ和μ*分别表示电解质本征粘度和有效粘度，K表示多孔介质(多孔电极)的渗透性，由Carman-Kozeny方程求得。
物料守恒方程：
Figure BDA0001883088930000054
其中ci为物料i的浓度，Si为物料i守恒方程中的源项，
Figure BDA0001883088930000055
为多孔电极区域内的有效扩散系数。
边界条件与初始条件：
Figure BDA0001883088930000056
其中入口压强设为24000Pa，出口压强设为0Pa。
在模型中，将入口钒离子的浓度与充放电状态(SoC)相关联，以消除反应时间的影响。根据充分发展流的假设，出口处所有物料的扩散通量均设为0。壁面边界设为0通量。具体的表达式为：
Figure BDA0001883088930000061
Figure BDA0001883088930000062
Figure BDA0001883088930000063
Figure BDA0001883088930000064
Figure BDA0001883088930000065
与
Figure BDA0001883088930000066
分别为正极和负极钒离子的初始浓度，在此模型中设为1000mol m-3。模型收敛的相对误差因子为1×10-6。
以厚度4mm的碳毡为电极，在100mA cm-2的电流密度下充电，SoC为88％时，对实施例和对比例模拟计算得到的结果如下表所示：
Figure BDA0001883088930000067
可见，采用本发明的双极板能显著提高电解液分布的均匀性。进而降低极化，减少局部放热，提高电解液利用率。

Claims (7)

1.一种适用于液流电池或电堆的双极板，其特征在于：所述双极板为一矩形平板状结构，在平板的一侧表面或二侧表面中部有一用于与电极接触的矩形区域，称之为电极区域，在电极区域设置有2组均分别由2个以上长条状凹槽构成的顺序间隔的长条状凹槽组，这2组长条状凹槽组间的长条状凹槽相互交叉形成网格状，称之为网格状导流结构；电解液从矩形区域的一条矩形侧边流入与其相贴接的网格状导流结构后、再由与其平行的另一条矩形侧边流出，流入侧边称之为电极区域入口侧边，流出侧边称之为电极区域出口侧边。
2.按照权利要求1所述双极板，其特征在于：
组成网格状导流结构的2组长条状凹槽组间的长条状凹槽交叉的部位相互贯通。
3.按照权利要求1所述双极板，其特征在于：
网格状导流结构在板体所在平面A上以电极区域入口侧边的中垂线B成轴对称；组成网格状导流结构的长条状凹槽平行于平面A的截面为四边形C，四边形C的其中两条相对边与电极区域所在矩形的某两条边平行或重合；四边形C的另外两条相对边所在直线与中垂线B呈1～80°的夹角。
4.按照权利要求1所述双极板，其特征在于：
网格状导流结构与流出侧边相贴接、或网格状导流结构与流出侧边间留有矩形间隙。
5.按照权利要求4所述双极板，其特征在于：
网格状导流结构与流出侧边相贴接；网格状导流结构在板体所在平面A上以电极区域入口侧边的中垂线B成轴对称；组成网格状导流结构的长条状凹槽平行于平面A的截面为四边形C，四边形C的其中两条相对边与电极区域所在矩形的某两条边重合；四边形C的另外两条相对边所在直线与中垂线B呈1～80°的夹角；
或网格状导流结构与流出侧边间留有矩形间隙；网格状导流结构在板体所在平面A上以电极区域入口侧边的中垂线B成轴对称；组成网格状导流结构的长条状凹槽平行于平面A的截面为四边形C；四边形C的其中两条相对边与电极区域所在矩形的某两条边重合，或其中一条与矩形某条边重合、另一条与矩形某条边平行；四边形C的另外两条相对边所在直线与中垂线B呈1～80°的夹角。
6.按照权利要求1所述双极板，其特征在于：于双极板上开设有作为正负极电解液流入和流出口的4个通孔。
7.一种权利要求1-6任一所述的双极板在液流电池中的应用。
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