CN210110932U - 一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板 - Google Patents

一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板 Download PDF

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Abstract

一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，所述双极板为一梯形平板状结构，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等腰梯形区域；电解液从梯形电极区域的下底边流入经电极区域后再由梯形上底边流出，流入的梯形下底边称之为电极区域入口侧边，流出的梯形上底边称之为电极区域出口侧边；在梯形电极区域的左右两腰上分别向电极区域中部各设有2组由1个或2个以上四边形凹槽构成凹槽组，称之为导流凹槽，2组凹槽组中的一组靠近入口侧边设置，另一组靠近出口侧边设置。通过促使电解液从入口截面中部直接流向出口壁面附近来提高出口附件的活性物质浓度，从而有效减小在进出口方向上反应活性物质的浓度梯度，降低极化。

Description

一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板
技术领域
本实用新型涉及液流电池领域，特别涉及液流电池或电堆双极板。
背景技术
化石能源逐渐枯竭，可再生能源的发展和利用既是选择也是必然，世界各国越来越重视能源危机与环境问题的解决策略，他们将决定人类社会未来的走向。但要实现可再生能源的利用，发展储能技术是不可避开的一环。电化学储能技术是利用电化学氧化还原活性物质对分别发生电解池和原电池过程而实现电能的存储和释放。以放电过程为例，在电池的正极发生还原反应，正极活性物质得到电子，同时电池负极发生氧化反应，负极活性物质失去电子，从而在外电路形成从正极到负极的电流，向电网或用电设备供电。液流电池技术是众多点化学储能技术的一种，其特点在于活性物质不再是固定于正负极不动，而是通过泵的作用在电极内部流动，现有的液流电池技术包括全钒液流电池技术、锌铁液流电池技术、锌溴液流电池技术以及有机系新型液流电池技术等。正是由于液流电池这一特点，其可分别通过增大电极面积和增加电解液的体积或浓度来提高储能系统的功率和容量，从而成为大规模储能应用的首选技术。中国专利(专利申请号： 201410495737.5)中提出了梯形电堆的新型结构，该结构可以有效减小电极中的浓差极化，具有很高的实用性。但是，与传统矩形电池相比，梯形电池四个转角和壁面处容易出现电解液流速过大或过小，使得活性物质分布不均，局部极化明显，进而造成电池的性能下降和材料腐蚀等问题，而但通过合理地设计液流电池或电堆双极板，可有效提高电解液分布的均匀性，提升电池效率，降低系统成本。
实用新型内容
针对梯形液流电池中电解液分布不均匀的问题，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梯形导流凹槽，可实现电解液均匀流入、流出电极反应区域，从而实现梯形电池内部活性物质的均匀分布，缓解局部效应，有效降低浓度梯度和总体极化，提升电电池性能，降低系统成本。
为实现上述目的，本实用新型提供的具体技术方案如下:
一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，所述双极板为一梯形平板状结构，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等腰梯形区域，称之为电极区域；电解液从梯形电极区域的下底边流入经电极区域后再由梯形上底边流出，流入的梯形下底边称之为电极区域入口侧边，流出的梯形上底边称之为电极区域出口侧边；在梯形电极区域的左右两腰上分别向电极区域中部各设有2组由1个或2个以上四边形凹槽构成凹槽组，称之为导流凹槽，2组凹槽组中的一组靠近入口侧边设置，另一组靠近出口侧边设置。
本实用新型电池或电堆设计标准为：
双极板板体表面所在平面为平面A，电极区域两底边的中垂线为线B，电极区域的中位线为线C，四边形凹槽平行于平面A的截面为凸四边形D，四边形D的一条边E位于电极区域两腰中的任意一条上，四边形D的另一条边F位于靠近线B处且平行于线B 或位于线B上。
位于梯形电极区域同一条腰上的两组凹槽中，其中一组凹槽M对应的四边形D位于线C靠近梯形电极区域下底边一侧，另一组凹槽N对应的四边形D位于线C靠近梯形电极区域上底边一侧，且线B不与任一四边形D的边E和边F同时相交；凹槽M对应的四边形D的边F所在的两个四边形内角均大于或等于90°，且边F所在的两个四边形内角之和大于180°；凹槽N对应的四边形D的边F所在的两个四边形内角均小于或等于90°，且边F所在的两个四边形内角之和小于180°。
4组凹槽组中任意两个四边形凹槽不交汇、不连通，位于两腰上的四边形凹槽一一左右对称设置，相对称凹槽边F所在直线相互平行，或相对称凹槽边F相重合、使相对称凹槽相互连通；或，4组凹槽组中任意两个四边形凹槽不交汇、不连通，位于两腰上的四边形凹槽从入口侧边向出口侧边一一左右交错设置，相邻凹槽边F所在直线相互平行或相重合。
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F所在的两个四边形内角之差为0～20°。
作为优选，所述凹槽组M中，边F宽度为2～60mm，边E宽度为5～100mm；所述凹槽组N中，边E宽度为2～60mm，边F宽度为5～100mm。
作为优选，所述四边形凹槽的深度为0.1～100mm。
作为优选，组成所述凹槽组的四边形凹槽宽度和深度相同，或遵循靠近梯形电极区域下底侧边的导流凹槽宽度较宽和/或深度较大而靠近梯形电极区域上底侧边的导流凹槽宽度较窄和/或深度较小的原则。
作为优选，所述电解液流入、流出口直径1～120mm。
所述板体上电极区域四周板体宽度为1～400mm；板体厚度为0.5～100mm。
作为优选，所述四边形导流凹槽内部转角与各边缘交汇处均为弧形过渡。
本实用新型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，本实用新型采用的双极板结构特别适用于梯形液流电池，可极大提高活性物质分布的均匀性，从而保证电池和电堆内部反应均匀一致，减弱局部效应，提高电池效率。尤其对于大功率电堆，可以有效较低成本，节约材料。
本实用新型技术方案带来的有益效果
该双极板结构简单，加工方便，通过设计梯形导流凹槽而提高梯形液流电池壁面附近电解液流速和活性物质更新速率，从而降低电池极化，提升电池性能。具体来说：
如图1所示，根据流体力学基本原理，当电解液从入口截面进入梯形电极区域时，会沿着垂直于进口截面的方向流动，此时左右两侧的电解液会受到两腰的阻碍作用，使得其流动不畅，在靠近电解液入口的壁面附近形成电解液更新速率慢的滞流区，甚至流动死区，在该区域内电解液流速较小，活性物质更新速率慢，使得活性物质随着反应的进行而迅速降低，引起较大的极化；同时由于随着电解液从入口流至出口，流通截面积不断减小，使得出口附近的左右壁面流速极大，活性物质更新速率极快。这一不均匀的活性物质更新速率使得电池内部极化增大，从而电压效率降低，电解液利用率降低。
通过在电解液流动区域加设适当结构的梯形导流结构，使得电解液在电解液流动截面上的流速分布更均匀，浓度梯度更小，从而降低电池极化，提升电池整体性能。
附图说明
图1梯形液流电池中流速分布和流动方向示意图。
图2实施例1。
图3实施例2。
图4实施例3。
图5对比例4。
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-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-电极区域出口侧边，10-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7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位于板体板体上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为梯形，电极区域内设有4个四边形导流槽，该四边形导流凹槽关于梯形电极区域下底边中垂线一一左右对称分布且不贯通。
板体厚度10mm；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；电极区域所在的梯形中，下底侧边边长500mm，上底侧边边长280mm，高300mm。四边形凹槽的深度均为2mm，电极区域内共4个四边形凹槽，靠近下底的两个四边形凹槽位于腰上的边长200mm，平行于梯形下底边中垂线的边长150mm，该平行于梯形下底边中垂线的边所在的两个四边形内角均为110°；靠近上底的两个四边形凹槽位于腰上的边长160mm，平行于梯形下底边中垂线的边长180mm，该平行于梯形下底边中垂线的边所在的两个四边形内角均为75°。
板体两面加工有相同的四边形导流凹槽；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7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位于板体板体上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为梯形，电极区域内设有4个四边形导流槽，该四边形导流凹槽关于梯形电极区域下底边中垂线一一左右对称分布且贯通。
板体厚度12.5mm；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12mm；电极区域所在的梯形中，下底侧边边长550mm，上底侧边边长300mm，高300mm。四边形凹槽的深度均为4mm，电极区域内共4个四边形凹槽，靠近下底的两个四边形凹槽位于腰上的边长140mm，平行于梯形下底边中垂线的边长110mm，该平行于梯形下底边中垂线的边所在的两个四边形内角均为100°；靠近上底的两个四边形凹槽位于腰上的边长130mm，平行于梯形下底边中垂线的边长120mm，该平行于梯形下底边中垂线的边所在的两个四边形内角均为 70°；相对称的两个四边形凹槽平行于梯形下底边中垂线的边重合。
板体两面加工有相同的四边形导流凹槽；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4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7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位于板体板体上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为梯形，电极区域内设有8个四边形导流槽，其中4个位于电极区域所在梯形中位线靠近梯形上底的一侧，另4个位于电极区域所在梯形中位线靠近梯形下底的一侧。该四边形导流凹槽关于梯形电极区域下底边中垂线左右交错分布且不贯通。
板体厚度15mm；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14mm；电极区域所在的梯形中，下底侧边边长480mm，上底侧边边长220mm，高290mm。四边形凹槽的深度均为2.5mm，电极区域内共8个四边形凹槽，靠近下底的4个四边形凹槽位于腰上的边长依次为38mm、 42mm、46mm、50mm，平行于梯形下底边中垂线的边长30mm，该平行于梯形下底边中垂线的边所在的两个四边形内角均为115°；靠近上底的两个四边形凹槽位于腰上的边长依次为20mm、24mm、28mm、32mm，平行于梯形下底边中垂线的边长40mm，该平行于梯形下底边中垂线的边所在的两个四边形内角均为80°。
板体两面加工有相同的四边形导流凹槽；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
对比例为无梯形导流凹槽的平板状双极板，结构如图5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 DEST_PATH_GDA0002354624430000061
Figure DEST_PATH_GDA0002354624430000062
其中，
Figure DEST_PATH_GDA0002354624430000063
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 DEST_PATH_GDA0002354624430000064
其中ci为物料i的浓度，Si为物料i守恒方程中的源项，
Figure DEST_PATH_GDA0002354624430000065
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 DEST_PATH_GDA0002354624430000066
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 DEST_PATH_GDA0002354624430000067
Figure DEST_PATH_GDA0002354624430000068
(负极入口)
Figure DEST_PATH_GDA0002354624430000069
(正极入口)
Figure DEST_PATH_GDA00023546244300000611
(出口)
(其它边界)
Figure DEST_PATH_GDA00023546244300000613
与
Figure DEST_PATH_GDA00023546244300000614
分别为正极和负极钒离子的初始浓度，在此模型中设为1600mol 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.
以厚度4.5mm的碳毡为电极，在150mA cm-2的电流密度下充电，SoC为75％时，对实施例和对比例模拟计算得到的结果如下表所示：
Figure DEST_PATH_GDA0002354624430000071
可见，采用本实用新型的双极板结构可有效提高梯形液流电池电堆中电解液和活性物质浓度分布的均匀性。进而降低极化，提高电解液利用率，增大功率密度，最终降低成本。

Claims (7)

1.一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，其特征在于：所述双极板为一梯形平板状结构，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等腰梯形区域，称之为电极区域；电解液从梯形电极区域的下底边流入经电极区域后再由梯形上底边流出，流入的梯形下底边称之为电极区域入口侧边，流出的梯形上底边称之为电极区域出口侧边；在梯形电极区域的左右两腰上分别向电极区域中部各设有2组由1个或2个以上四边形凹槽构成凹槽组，称之为导流凹槽，2组凹槽组中的一组靠近入口侧边设置，另一组靠近出口侧边设置。
2.按照权利要求1所述的一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，其征特在于：
双极板板体表面所在平面为平面A，电极区域两底边的中垂线为线B，电极区域的中位线为线C，四边形凹槽平行于平面A的截面为凸四边形D，四边形D的一条边E位于电极区域两腰中的任意一条上，四边形D的另一条边F位于靠近线B处且平行于线B或位于线B上。
3.按照权利要求2所述的一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，其征特在于：
位于梯形电极区域同一条腰上的两组凹槽中，其中一组凹槽M对应的四边形D位于线C靠近梯形电极区域下底边一侧，另一组凹槽N对应的四边形D位于线C靠近梯形电极区域上底边一侧，且线B不与任一四边形D的边E和边F同时相交；
凹槽M对应的四边形D的边F所在的两个四边形内角均大于或等于90°，且边F所在的两个四边形内角之和大于180°；凹槽N对应的四边形D的边F所在的两个四边形内角均小于或等于90°，且边F所在的两个四边形内角之和小于180°。
4.按照权利要求1、2或3所述的一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，其征特在于：
4组凹槽组中任意两个四边形凹槽不交汇、不连通，位于两腰上的四边形凹槽一一左右对称设置，相对称凹槽边F所在直线相互平行，或相对称凹槽边F相重合、使相对称凹槽相互连通；或，4组凹槽组中任意两个四边形凹槽不交汇、不连通，位于两腰上的四边形凹槽从入口侧边向出口侧边一一左右交错设置，相邻凹槽边F所在直线相互平行或相重合。
5.按照权利要求3所述的一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，其特征在于：
边F所在的两个四边形内角之差为0～20°。
6.按照权利要求1所述的一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，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.按照权利要求1所述的一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，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％。
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