CN210136963U - 一种适用于矩形液流电池或电堆的双极板 - Google Patents
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Abstract
一种适用于矩形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；电解液从电极区域的矩形下部侧边流入经电极区域后再由矩形上部侧边流出，流入的矩形下部侧边称之为电极区域入口侧边，流出的矩形上部侧边称之为电极区域出口侧边；在电极区域的矩形左侧侧边和右侧侧边分别向电极区域中部各设有1组由2个以上梯形凹槽构成的凹槽组，称之为梯形导流凹槽。该双极板结构简单，加工方便，通过促使电解液朝电极区域左右壁面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。
Description
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
工业的发展离不开能源，而随着能源与环境问题日益凸显，碳排放权将成为制约国家发展的拦路虎。开发和利用可再生能源是解决碳排放问题的有效途径之一，风能、太阳能等清洁能源可谓取之不尽用之不竭，在未来的能源结构中必将占据越来越重要的地位。为了有效利用这些可再生能源，大力发展储能技术以可再生能源的平滑输出极为关键，到目前为止已经开发出了抽水储能、压缩空气储能、飞轮储能、电化学储能等多种储能技术。其中以液流电池为代表的电化学储能技术，具有地域环境限制低、灵活性高等特点，适用于各种规模的储能应用，其中液流电池因具有功率与容量独立设计的优势而适用于静态储能。液流电池在运行时电解液流过多孔电极而发生电化学氧化还原反应，从而实现能量的存储与释放。但一般来讲，电解液在多孔电极中流动的不均匀性十分明显，尤其是在电极与液流框贴接的部位，边界层效应十分显著，这不利于电化学反应的顺利进行，将引起较大的浓差极化，甚至会导致析氢析氧等副反应，严重降低电池性能。
实用新型内容
针对液流电池中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，来提高壁面附近电解液流速，从而实现矩形电池内部活性物质的均匀分布，缓解局部效应，降低极化，最终提升电池效率。
为实现上述目的，本实用新型提供的具体技术方案如下:
一种适用于矩形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；电解液从电极区域的矩形下部侧边流入经电极区域后再由矩形上部侧边流出，流入的矩形下部侧边称之为电极区域入口侧边，流出的矩形上部侧边称之为电极区域出口侧边；在电极区域的矩形左侧侧边和右侧侧边分别向电极区域中部各设有1组由2个以上梯形凹槽构成的凹槽组，称之为梯形导流凹槽。
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，电极区域入口侧边的中垂线为线B，梯形凹槽平行于平面A的截面为梯形C，梯形C的下底边D与电极区域矩形左侧侧边或电极区域右侧侧边重合，梯形C的上底边E位于线B附近且平行于线B或位于线B上。2组梯形凹槽组中任意两个凹槽不交汇、不贯通， 2组梯形凹槽组中的2个以上梯形凹槽一一左右对称设置，相对称凹槽边E 所在直线相互平行；或，2组梯形凹槽组中任意两个凹槽不交汇、不贯通， 2组梯形凹槽组中的2个以上梯形凹槽一一左右交错设置，相邻凹槽边E所在直线相互平行或相重合；或2组梯形凹槽组中的2个以上梯形凹槽一一左右对称设置，相对称凹槽相互贯通。
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，所述梯形C下底角为45～89°。
作为优选，所述梯形C上底边E宽度为2～60mm，下底边F宽度为5～100mm。
作为优选，所述梯形凹槽的深度为0.1～100mm。
作为优选，组成所述凹槽组的梯形凹槽宽度和深度相同，或遵循靠近电极区域入口侧边的导流凹槽宽度较窄和/或深度较小而靠近电极区域出口侧边的导流凹槽宽度较宽和/或深度较大的原则。
作为优选，所述电解液流入、流出口直径2～100mm。
所述板体上电极区域四周板体宽度为3～500mm；板体厚度为1～100mm。
作为优选，所述梯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矩形液流电池，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，通过促使电解液朝电极区域左右壁面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：
液流电池运行过程中，电解液在电极内流动的同时发生电化学反应，受流体本身粘性的影响，根据充分发展流理论，在壁面附近区域流体流速较低，且在一定的范围内，越靠近壁面，流体的流速越小，直至壁面处流速降至0。在该低流速区域内，活性物质更新速率慢，随着反应的不断进行，出现活性物质供应不足(如图1所示)，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。
通过在电解液流动区域加设梯形导流凹槽，促使电解液从流动截面中部 (流速较大)向壁面附近(流速较小)流动，从而加快壁面附近区域活性物质更新速率，使得活性物质空间分布更均匀，流动截面上的浓度梯度减小，极化降低，提高电池效率和稳定性。
附图说明
图1矩形液流电池中活性物质浓度分布示意图
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-梯形导流凹槽，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，该区域为矩形，电极区域内设有梯形导流槽，该梯形导流凹槽关于电极区域入口侧边中垂线一一左右对称分布。
板体厚度9mm；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10.5mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长320mm，另外两条边长220mm。梯形凹槽的深度均为1mm，电极区域内共6个完全相同的梯形凹槽，梯形凹槽在平行于板体的平面上的截面为等腰梯形，其下底边长42mm，上底边长26mm，下底角80°，等腰梯形截面下底与电极区域左侧或右侧侧边重合。
板体两面加工有相同的梯形导流凹槽；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，该区域为矩形，电极区域内设有梯形导流槽，该梯形导流凹槽关于电极区域入口侧边中垂线一一左右对称分布且贯通。
板体厚度12mm；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，作为入口和出口侧边的边长400mm，另外两条边长330mm。梯形凹槽的深度均为2.5mm，电极区域内共6个完全相同的梯形凹槽，梯形凹槽在平行于板体的平面上的截面为梯形，其下底边长60mm，上底边长45mm，高200mm，其中靠近电极区域入口侧边的下底角75°，梯形截面下底与电极区域左侧或右侧侧边重合。
板体两面加工有相同的梯形导流凹槽；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，该区域为矩形，电极区域内设有梯形导流槽，该梯形导流凹槽关于电极区域入口侧边中垂线左右交错分布。
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9mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长360mm，另外两条边长280mm。梯形凹槽的深度均为1.5mm，电极区域内共12个完全相同的梯形凹槽，梯形凹槽在平行于板体的平面上的截面为等腰梯形，其下底边长22mm，上底边长 11mm，高210mm，等腰梯形截面下底与电极区域左侧或右侧侧边重合。
板体两面加工有相同的梯形导流凹槽；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：
其中，
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：
其中ci为物料i的浓度，Si为物料i守恒方程中的源项，
为多孔电极区域内的有效扩散系数。
边界条件与初始条件：
其中入口压强设为25000Pa，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：
以厚度3mm的碳毡为电极，在180mA cm-2的电流密度下充电，SoC为 50％时，对实施例和对比例模拟计算得到的结果如下表所示：
可见，采用本实用新型的双极板结构可有效提高电解液分布的均匀性。进而降低极化，提高电解液利用率，增大功率密度。
Claims (6)
1.一种适用于矩形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；电解液从电极区域的矩形下部侧边流入经电极区域后再由矩形上部侧边流出，流入的矩形下部侧边称之为电极区域入口侧边，流出的矩形上部侧边称之为电极区域出口侧边；在电极区域的矩形左侧侧边和右侧侧边分别向电极区域中部各设有1组由2个以上梯形凹槽构成的凹槽组，称之为梯形导流凹槽。
2.按照权利要求1所述的一种适用于矩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，电极区域入口侧边的中垂线为线B，梯形凹槽平行于平面A的截面为梯形C，梯形C的下底边D与电极区域矩形左侧侧边或电极区域右侧侧边重合，梯形C的上底边E位于线B附近且平行于线B或位于线B上。
3.按照权利要求1或2所述的一种适用于矩形液流电池或电堆的双极板，其征特在于：
2组梯形凹槽组中任意两个凹槽不交汇、不贯通，2组梯形凹槽组中的2个以上梯形凹槽一一左右对称设置，相对称凹槽边E所在直线相互平行；
或，2组梯形凹槽组中任意两个凹槽不交汇、不贯通，2组梯形凹槽组中的2个以上梯形凹槽一一左右交错设置，相邻凹槽边E所在直线相互平行或相重合；
或2组梯形凹槽组中的2个以上梯形凹槽一一左右对称设置，相对称凹槽相互贯通。
4.按照权利要求２所述的一种适用于矩形液流电池或电堆的双极板，其特征在于：
梯形C下底角为45~89.9°。
5.按照权利要求1所述的一种适用于矩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。
6.按照权利要求1所述的一种适用于矩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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Cited By (2)
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| CN113889640B (zh) * | 2020-07-01 | 2023-10-20 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种液流电池电堆 |
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