CN112447997A - 一种液流电池电堆双极板及应用 - Google Patents

一种液流电池电堆双极板及应用 Download PDF

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Abstract

一种适用于液流电池电堆的双极板，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；电解液从矩形区域的一条矩形侧边流入电极区域、由与其平行的另一条矩形侧边流出电极区域，流入侧边称之为电极区域入口边，流出侧边称之为电极区域出口边，另外二条相平行的矩形侧边称之为左右侧边；在电极区域靠近左右侧边分别设置有左右对称的长条形或波浪线形或折线形凹槽，称之为边界导流凹槽。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流动的均匀性，缓解局部效应，提升电池性能。

Description

一种液流电池电堆双极板及应用
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
储能技术在可在生能源的利用中扮演者不可替代的角色。在众多储能技术中，电化学储能技术具有灵活、方便的特点。而液流电池技术是一种新兴电化学储能技术，因其通常具有储能容量与功率独立设计等优点而广受关注。液流电池运行过程中，溶解于电解液中的活性物质流经电池(或电堆)内部的电极而发生电化学反应。当电解液在电堆内部流动时，受电解液与壁面间粘性作用的影响，壁面附近流速降低，且越接近壁面流速越小，直至在壁面处流速降为0。电解液流速的降低将会导致电解液中溶解的活性物质更新减缓，从而使得活性物质浓度下降，进而导致较大的浓差极化，降低电电池(或电堆)总体性能，缩短其使用寿命，增加系统成本，不利于液流电池的大规模应用。
发明内容
针对液流电池中电极框与电极相贴接的壁面附近电解液流速下降引起的性能下降问题，提出一种新型的液流电池或电堆双极板结构，其结构简单，加工方便，通过在电极框与电极贴接的壁面附近的双极板上加设导流结构来增大电解液在壁面附近的流速，从而加快壁面附近的活性物质的更新速率，进而提高电解液分布的均匀性，降低极化，提高电池或电堆效率，降低系统成本。
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；电解液从矩形区域的一条矩形侧边流入电极区域、由与其平行的另一条矩形侧边流出电极区域，流入侧边称之为电极区域入口边，流出侧边称之为电极区域出口边，另外二条相平行的矩形侧边称之为左右侧边；在电极区域靠近左右侧边分别设置有左右对称的长条形或波浪线形或折线形凹槽，称之为边界导流凹槽。电解液从矩形区域入口边流入与其相贴接的导流凹槽后、再由电极区域出口边流出。
本发明电池或电堆设计标准为：
边界导流凹槽从入口边向出口边沿着电极区域左右侧边设置。
边界导流凹槽在板体所在平面A上以电极区域入口边的中垂线B成轴对称；边界导流凹槽平行于平面A的截面为四边形C、或由两条平行的波浪线M和分别靠近入口边和出口边的两条线段围成的带状封闭图形D、或由两条平行的折线N和分别靠近入口边和出口边的两条线段围成的带状封闭图形E；四边形C分别靠近入口边和出口边的两条较短边或带状封闭图形D的两条线段或带状封闭图形E的两条线段分别与电极区域入口边和电极区域出口边重合。
远离中垂线B的、电极区域左侧或右侧的四边形C的边F到电极区域左侧边或右侧边的最近距离为0～50mm，远离中垂线B的、电极区域左侧或右侧的带状封闭图形D中的线M或带状封闭图形E中的线N到电极区域左侧边或右侧边的最近距离为0～50mm。边界导流凹槽的左右宽度为0.5～50mm，边界导流凹槽的宽度是指同一个四边形C的两条相对边F的垂直距离，或同一带状封闭图形D中的两条线M间的最近距离，或同一带状封闭图形E中的两条线N间的最近距离。
板体平面上凹槽所占面积为板体平面上电极区域面积的10％～90％。
作为优选，边界导流凹槽的深度为0.5～30mm，边界导流凹槽的深度是指板体平面与凹槽底部所在平面间的最大垂直距离。
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1～400mm；板体厚度为0.1～100mm。
作为优选，所述边界导流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极与液流框贴接部位电解液更新速率得到极大提高，从而保证电池和电堆内部反应均匀一致，减弱局部效应，进而提高电堆性能，降低系统成本。
本发明技术方案带来的有益效果
该发明的液流电池或电堆用双极板加工方便，结构简单，通过在壁面附近加设导流结构提高液流电池内部活性物质的分布均匀性而有效提升电池性能。具体来说：
受流体，尤其是液流本身粘性的影响，流体在靠近壁面区域流动时，在一定的范围内，越靠近壁面，流体的流速越小，直至壁面处流速降至0。因此，在该区域内电解液更新速率慢，随着反应的不断进行，出现活性物质供应不足，进而极化增加，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。
通过在液流框与电极贴接处附近的双极板上加设导流结构，使得活性物质在该区域的更新速率加快，从而使得电极区域边缘的活性物质浓度升高，活性物质分布更均匀，可有效降低电池内部极化，提升电池整体性能。
附图说明
图1实施例1结构示意图
图2实施例2结构示意图
图3实施例3结构示意图
图4对比例4结构示意图
符号说明：
1-负极电解液流入口，2-板体，3-电极区域入口边，4-电极区域，5-边界导流凹槽，6-正极电解液流入口，7-电极区域左右侧边，8-负极电解液流出口，9-电极区域出口边，10-正极电解液流出口
具体实施方式
实施例1
如图1所示，一种液流电堆双极板。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8、正极电解液流入口6、正极电解液流出口10。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8和正极电解液流出口10位于板体上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为矩形，在电极区域左右侧边7附近设有2个相同的长条状边界导流凹槽5，这2个凹槽均有一端与电极区域入口边3贴接，另一端与电极区域出口边9贴接，凹槽的轴线方向与侧边3和9垂直。
板体厚度7mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口8、正极电解液流入口6和正极电解液流出口10均为圆形，直径10mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口边的边长360mm，左右侧边长280mm。长条状边界导流凹槽5的深度3.5mm，宽度为3.5mm，凹槽靠近电极区域左右侧边7的壁面到电极区域左右侧边7最近的距离为5mm。
板体两面加工有相同的边界导流凹槽；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2所示，一种液流电堆双极板。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8、正极电解液流入口6、正极电解液流出口10。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8和正极电解液流出口10位于板体上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为矩形，在电极区域左右侧边7附近设有2个相同的波浪形边界导流凹槽5，这2个凹槽均有一端与电极区域入口边3贴接，另一端与电极区域出口边9贴接，两个凹槽关于电极区域入口边3和电极区域出口边9的中轴线呈轴对称。
板体厚度6.5mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口8、正极电解液流入口6和正极电解液流出口10均为圆形，直径13mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口边的边长320mm，左右侧边长250mm。波浪形边界导流凹槽5的深度3mm，宽度为3mm。波浪形边界导流凹槽位于电极区域以内，其形状满足函数y＝2sinx，所有波峰或所有波谷与电极区域左右侧边7相贴接。
板体两面加工有相同的边界导流凹槽；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3
如图3所示，一种液流电堆双极板。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8、正极电解液流入口6、正极电解液流出口10。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8和正极电解液流出口10位于板体上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为矩形，在电极区域左右侧边7附近设有2个相同的折线形边界导流凹槽5，这2个凹槽均有一端与电极区域入口边3贴接，另一端与电极区域出口边9贴接，两个凹槽关于电极区域入口边3和电极区域出口边9的中轴线呈轴对称，且折线形凹槽的中心线方向与电极区域入口边3和电极区域出口边9垂直。
板体厚度8mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口8、正极电解液流入口6和正极电解液流出口10均为圆形，直径11mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口边的边长350mm，左右侧边长220mm。折线形边界导流凹槽5的深度4mm，宽度为4mm。折线形边界导流凹槽位于电极区域以内，折线的夹角为130°，于转折处与电极区域左右侧边7相贴接。
板体两面加工有相同的边界导流凹槽；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4
对比例采用无边界导流凹槽的平板状双极板，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 BDA0002182094970000051
Figure BDA0002182094970000052
其中，
Figure BDA0002182094970000053
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 BDA0002182094970000054
其中ci为物料i的浓度，Si为物料i守恒方程中的源项，
Figure BDA0002182094970000055
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 BDA0002182094970000056
其中入口压强设为30000Pa，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 BDA0002182094970000057
Figure BDA0002182094970000058
(负极入口)
Figure BDA0002182094970000059
Figure BDA00021820949700000510
(正极入口)
Figure BDA0002182094970000061
(出口)
Figure BDA0002182094970000062
(其它边界)
Figure BDA0002182094970000063
与
Figure BDA0002182094970000064
分别为正极和负极钒离子的初始浓度，在此模型中设为1200mol m-3。模型收敛的相对误差因子为1×10-6。相关数学模型细节参见Yue,M.,et al.(2018)."Flow field design and optimization of high power density vanadium flow batteries:A novel trapezoid flow battery."Aiche Journal 64.
在200mA cm-2的电流密度下充电，SoC为30％时，对实施例1、2、3和对比例4模拟计算得到的结果如下表所示：
Figure BDA0002182094970000065
可见，采用本发明的双极板结构可以显著提高反应活性物质分布的均匀性，降低极化，减少局部效应，提高功率密度，降低成本。

Claims (10)

1.一种适用于液流电池电堆的双极板，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；电解液从矩形区域的一条矩形侧边流入电极区域、由与其平行的另一条矩形侧边流出电极区域，流入侧边称之为电极区域入口边，流出侧边称之为电极区域出口边，另外二条相平行的矩形侧边称之为左右侧边；在电极区域靠近左右侧边分别设置有左右对称的长条形或波浪线形或折线形凹槽，称之为边界导流凹槽。
2.按照权利要求1所述双极板，其特征在于：
电解液从矩形区域入口边流入与其相贴接的导流凹槽后、再由电极区域出口边流出。
3.按照权利要求1或2所述双极板，其特征在于：
边界导流凹槽从入口边向出口边沿着电极区域左右侧边设置。
4.按照权利要求1、2或3所述双极板，其特征在于：
边界导流凹槽在板体所在平面A上以电极区域入口边的中垂线B成轴对称；
边界导流凹槽平行于平面A的截面为四边形C、或由两条平行的波浪线M和分别靠近入口边和出口边的两条线段围成的带状封闭图形D、或由两条平行的折线N和分别靠近入口边和出口边的两条线段围成的带状封闭图形E；四边形C分别靠近入口边和出口边的两条较短边或带状封闭图形D的两条线段或带状封闭图形E的两条线段分别与电极区域入口边和电极区域出口边重合。
5.按照权利要求4所述双极板，其特征在于：
远离中垂线B的、电极区域左侧或右侧的四边形C的边F到电极区域左侧边或右侧边的最近距离为0～50mm，远离中垂线B的、电极区域左侧或右侧的带状封闭图形D中的线M或带状封闭图形E中的线N到电极区域左侧边或右侧边的最近距离为0～50mm。
6.按照权利要求4或5所述双极板，其特征在于：
边界导流凹槽的左右宽度为0.5～50mm，边界导流凹槽的宽度是指同一个四边形C的两条相对边F的垂直距离，或同一带状封闭图形D中的两条线M间的最近距离，或同一带状封闭图形E中的两条线N间的最近距离。
7.按照权利要求4、5或6所述双极板，其特征在于：
边界导流凹槽垂直于双极板板面的深度为0.5～30mm，边界导流凹槽的深度是指双极板板体平面与凹槽底部所在平面间的最大垂直距离。
8.按照权利要求1-5任一所述双极板，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。
9.按照权利要求1-6任一所述双极板，其特征在于：板体平面上凹槽所占面积为板体平面上电极区域面积的10％～90％。
10.一种权利要求1-9任一所述的双极板在液流电池中的应用。
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