CN219040518U - 双极板及其适用的液流电池 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种双极板及其适用的液流电池。双极板包括相对的上表面和下表面，其中，在上表面和/或下表面上进一步具有多个主表面，每个主表面在垂直于上表面和下表面的第一方向上具有不同的厚度。本申请的双极板及其适用的液流电池可使电堆内部受力更加均匀，提高接触压力分布的均匀性，提升电堆转化效率，延长电堆寿命。

Description

双极板及其适用的液流电池

技术领域

本申请主要涉及液流电池领域，尤其涉及一种双极板及其适用的液流电池。

背景技术

电堆是全钒液流电池储能系统的核心部件。为了提供满足用户需求的电压及功率，通常将多节单体电池串联在一起，用端板作为支撑结构，形成液流电池电堆。每节单电池包括极框、多孔电极、离子交换膜、双极板等部件。其中，每节单电池是由两个极框和一个膜电极组成，极框和膜电极之间通过线密封或面密封的形式进行密封，防止电解液泄露。端板四周布置有螺杆螺母，对电堆进行紧固，一方面保证电堆的密封性能，另一方面保证双极板与电极之间的接触压力。

现有技术中，常见的端板中间区域变形量较大，导致中间部分的接触电阻较大，降低电堆转化效率；而四周区域受力较大，对离子膜、电极等核心部件会产生不可逆的机械损伤，降低电堆使用寿命。

实用新型内容

本申请要解决的技术问题是提供一种双极板及其适用的液流电池，可使电堆内部受力更加均匀，提高接触压力分布的均匀性，提升电堆转化效率，延长电堆寿命。

为解决上述技术问题，本申请提供了一种双极板，适用于液流电池，所述双极板包括相对的上表面和下表面，其中，在所述上表面和/或下表面上进一步具有多个主表面，每个主表面在垂直于所述上表面和所述下表面的第一方向上具有不同的厚度。

在本申请的一实施例中，所述上表面和所述下表面上均具有多个主表面，且所述上表面上的多个主表面与所述下表面上的多个主表面的数量之和为8～14个。

在本申请的一实施例中，将同样位于所述上表面或所述下表面的相邻两个主表面在所位于的所述上表面或所述下表面上投影后，所述相邻两个主表面的交界处形成了分隔线，所述分隔线的形状为直线或弧线。

在本申请的一实施例中，所述双极板在所述第一方向上的厚度最大值为1～8mm。

在本申请的一实施例中，同样位于所述上表面或所述下表面的相邻两个主表面在所述第一方向上的厚度差为0.1～2mm。

在本申请的一实施例中，所述上表面和/或下表面上还具有多条流道，所述多条流道的形状包括平行流道，蛇形流道或交指流道。

在本申请的一实施例中，自所述上表面和/或下表面的中心位置至所述双极板两个短边的边缘，依次具有第一主表面，第二主表面，第三主表面和第四主表面，其中，所述第一主表面至所述第四主表面的厚度依次递减。

在本申请的一实施例中，在所述第一主表面至所述第四主表面中，相邻两个主表面的厚度为等差数列。

在本申请的一实施例中，所述第一主表面在所述上表面或所述下表面的投影面积占所述上表面或所述下表面的活性区域面积的35～55％。

本申请的另一方面还提出了一种液流电池，包括上述的双极板。

与现有技术相比，本申请具有以下优点：本申请通过在电堆中的双极板上设计具有不同厚度的主表面，从而解决现有液流电池电堆内部受力不均匀、接触压力分布不均匀的问题；本申请中的双极板结构简单、易于加工，可实现商业化应用；本申请中的双极板使得液流电池堆内的接触压力分布均匀，提高电堆转换效率，同时可避免局部过压，确保密封效果，延长电堆使用寿命。

附图说明

包括附图是为提供对本申请进一步的理解，它们被收录并构成本申请的一部分，附图示出了本申请的实施例，并与本说明书一起起到解释本申请原理的作用。附图中：

图1是现有技术中对端板进行有限元分析后的端板应变分布云图；

图2a～图2c是本申请一实施例的一种双极板的正视图、侧视图和俯视图；

图3是如图2b所示的实施例中a区域的局部放大示意图；

图4是如图2c所示的实施例中b区域的局部放大示意图；以及

图5是本申请另外一实施例的一种双极板的正视图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本申请的实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些示例或实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图将本申请应用于其他类似情景。除非从语言环境中显而易见或另做说明，图中相同标号代表相同结构或操作。

如本申请和权利要求书中所示，除非上下文明确提示例外情形，“一”、“一个”、“一种”和/或“该”等词并非特指单数，也可包括复数。一般说来，术语“包括”与“包含”仅提示包括已明确标识的步骤和元素，而这些步骤和元素不构成一个排它性的罗列，方法或者设备也可能包含其他的步骤或元素。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本申请的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制；方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，尽管本申请中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本申请说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本申请。

应当理解，当一个部件被称为“在另一个部件上”、“连接到另一个部件”、“耦合于另一个部件”或“接触另一个部件”时，它可以直接在该另一个部件之上、连接于或耦合于、或接触该另一个部件，或者可以存在插入部件。相比之下，当一个部件被称为“直接在另一个部件上”、“直接连接于”、“直接耦合于”或“直接接触”另一个部件时，不存在插入部件。同样的，当第一个部件被称为“电接触”或“电耦合于”第二个部件，在该第一部件和该第二部件之间存在允许电流流动的电路径。该电路径可以包括电容器、耦合的电感器和/或允许电流流动的其它部件，甚至在导电部件之间没有直接接触。

首先参考图1，图1是对现有技术中的端板进行有限元分析后的端板应变分布云图，仿真参数见如下表1。如图所示，相对于端板四周，其中间区域变形量较大，最大变形量为2.6mm，中间区域有凸起。这会导致中间部分的接触电阻较大，降低电堆转化效率；而四周区域受力较大，对离子膜、电极等核心部件会产生不可逆的机械损伤，降低电堆使用寿命。

端板长度	556mm
		端板宽度	340mm
端板厚度	25mm
		端板材质	Al6061(6061铝合金)
螺栓预紧力(单个)	3000N

表1端板测试仿真参数

鉴于以上问题，本申请设计一种液流电池双极板，可使电堆受力更加均匀，提高接触压力分布的均匀性，提升电堆转化效率，提高电堆寿命。

本实用新型的一实施例参照图2a～图2c提出了一种双极板20，该双极板20可以适用于液流电池。其中，图2a为双极板20的正视图，图2b为侧视图，图2c为俯视图。进一步的，图3为图2b中a区域的放大示意图，图4为图2c中b区域的放大示意图。双极板20可使电堆内部受力更加均匀，提高接触压力分布的均匀性，提升电堆转化效率，延长电堆寿命。下面参照图2a～图4对于双极板20的结构做出进一步说明。

首先，在本申请包括图2a～图4所示实施例中，更清楚的如图3所示，双极板20包括相对的上表面31和下表面32。其中，图2a作为双极板20的正视图，可以理解为其示出了上表面31的构造。在本实施例中，在上表面上进一步具有多个主表面21，22，23，24和25，每个主表面在垂直于上表面和下表面的第一方向X方向上具有不同的厚度。

在本申请的不同实施例中，双极板的上表面和下表面上均具有多个主表面，且上表面上的多个主表面与下表面上的多个主表面的数量之和为8～14个。举例来说，在如图2a所示的实施例中，结合图3的说明，在双极板20的上表面31和下表面32上各自具有5个主表面21～25，则在本实施例中，上下表面所具有的主表面数量之和为10个。

可以看出的是，在本实施例中，各主表面的排布规律如下。首先参考图2，自上表面(以及下表面)的中心位置至双极板两个短边的边缘，依次具有第一主表面21，第二主表面22，第三主表面23和第四主表面24。再参考图3，第一主表面21至第四主表面24在第一方向X方向上的厚度依次递减。

进一步优选地，为了更好的提升电堆的性能表现，在第一主表面21至第四主表面24中，相邻两个主表面的厚度为等差数列。具体来说，例如是第一主表面21和第二主表面22之间的厚度差，与第二主表面22与第三主表面23的厚度差相等。

示例性的，相邻两个主表面(例如是第一主表面21和第二主表面22)之间的厚度差范围为0.1～2mm。优选地，可以将该厚度差的范围缩小至0.1～0.5mm。

在本申请的不同实施例中，双极板在第一方向上的厚度最大值为1～8mm。以图2a所示的实施例为例，第一主表面21在第一方向X方向上具有最大的厚度，并且，双极板20的下表面也具有相同的结构。可以理解为在下表面上，与图2a所示的第一主表面21相对应的位置也具有一个第一主表面21。这意味着，两个第一主表面21的厚度之和可以在上述1～8mm之间选择，由此便实现了双极板20在第一方向X方向上的厚度最大值为1～8mm。优选地，还可以将该厚度范围缩小至2～6mm。在确定第一主表面21的厚度之后，其他主表面的厚度则可以按照上述依次递减的规律再行确定。

另一方面，在双极板20中具有活性区域200，这意味着多个主表面21～24均布置在活性区域200中，而第五主表面25实际上也同时为双极板20的上表面中的非活性区域。在本实施例中，第一主表面21作为位于上表面中心区域的主表面，其在上表面31的投影面积占上表面31的活性区域200面积的35～55％。

最后需要说明的是，在本申请的多个实施例中，将同样位于上表面或下表面的相邻两个主表面在所位于的上表面或下表面上投影后，相邻两个主表面的交界处形成了分隔线，分隔线的形状为直线或弧线。示例性的，图2a示出了上述两种情况。具体来说，在第一主表面21～第四主表面24之间，每两个相邻的主表面之间所形成的分隔线201为弧线；而在上述各主表面和第五主表面25之间的分隔线202又形成了直线。当然，本申请也不以此为限，在其他一些实施例中，同为活性区域200中的各个主表面之间的分隔线也可以为直线，本申请不对此做出限制。示例性的，关于相邻两个主表面之间的分隔线的形状，可以根据仿真或者试验测试结果进行设计。

优选地，在本申请的一些实施例中，双极板的上表面和/或下表面上还具有多条流道，多条流道的形状包括平行流道，蛇形流道或交指流道。示例性的，图5示出了带有交指流道的双极板50的示例。可以看出的是，与图2a～图4示出的示例不同的是，双极板50的上表面(或下表面)具有交指流道，但是仍然可以参照图2a所示的配置主表面的方式在其上配置多个主表面，以使其实现本申请双极板的效果。

另一方面，在本申请的不同实施例中，双极板的材质可以为石墨、复合碳板或导电塑料等，本申请不对此做出限制。

为了更好的说明本申请的双极板的结构，现结合图2a对于该双极板20的一种具体实现方式做出进一步详细的说明。示例性的，将双极板20的尺寸设定为长498mm、宽281mm，活性区域200的长466mm、宽176mm。此双极板20的正负极结构一致(结合图3，即上表面31和下表面32的结构一致)。在本实施例中，上表面31和下表面32共有10个主表面，单侧有5个主表面。图中的21、22、23、24、25分别为双极板20的一侧(如上所述，可以理解为上表面)对应的5个主表面，其中21、22、23、24位于活性区域200中，25为非活性区域。非活性区域25包括公共流道口251、定位孔252以及集流区域253等。由于不是本申请的重点，不做详细展开描述。

如上所述，在本实施例中，主表面21、22、23、24之间的交界面为圆弧面，也即投影的交界处所形成的分隔线为弧线。其中，主表面21和22之间分隔线的圆弧半径为112mm，主表面22和23之间分隔线的圆弧半径为160mm，主表面23和24之间分隔线的圆弧半径为204mm。

在本实施例中，双极板20的总厚度(也即双极板20在第一方向X方向上的厚度最大值)为2.4mm，非活性区域(也即主表面25)的厚度0.8mm，活性区域200中两相邻主表面的厚度为等差数列，公差为0.2mm。具体的，第1主表面21距第5主表面25的距离为0.8mm，第2主表面22距第5主表面25的距离为0.6mm，第3主表面23距第5主表面25的距离为0.4mm，第4主表面24距第5主表面25的距离为0.2mm。

第一主表面21在活性区域200的投影面积占活性区域200总面积的42.5％，第二主表面22在活性区域200的投影面积占活性区域200总面积的22.5％，第三主表面23在活性区域200的投影面积占活性区域200总面积的20％，第四主表面24在活性区域200的投影面积占活性区域200总面积的15％。

图3是图2b中双极板侧视图中a区域的局部放大图，图3中21、22、23、24、25分别对应5个主表面。图4是图2c中双极板20俯视图中b区域的局部放大图。图4可见第一主表面21和第二主表面22厚度差y为0.2mm。此双极板20与传统的双极板相比，提高了接触压力分布的均匀性，降低接触电阻，提高电堆转化效率，避免局部过压。同时，保证密封性能，延长电堆寿命。

本申请的另一方面还提出了一种液流电池，其中包括前文所述的本申请任一实施例提出的双极板，可以理解的是，在本申请提出的双极板的基础上，该液流电池中还应当包括电极、极框、离子交换膜等结构，以实现液流电池的功能。由于这些结构不是本申请的重点，在此不做展开。

上文已对基本概念做了描述，显然，对于本领域技术人员来说，上述申请披露仅仅作为示例，而并不构成对本申请的限定。虽然此处并没有明确说明，本领域技术人员可能会对本申请进行各种修改、改进和修正。该类修改、改进和修正在本申请中被建议，所以该类修改、改进、修正仍属于本申请示范实施例的精神和范围。

同时，本申请使用了特定词语来描述本申请的实施例。如“一个实施例”、“一实施例”、和/或“一些实施例”意指与本申请至少一个实施例相关的某一特征、结构或特点。因此，应强调并注意的是，本说明书中在不同位置两次或多次提及的“一实施例”或“一个实施例”或“一替代性实施例”并不一定是指同一实施例。此外，本申请的一个或多个实施例中的某些特征、结构或特点可以进行适当的组合。

同理，应当注意的是，为了简化本申请披露的表述，从而帮助对一个或多个申请实施例的理解，前文对本申请实施例的描述中，有时会将多种特征归并至一个实施例、附图或对其的描述中。但是，这种披露方法并不意味着本申请对象所需要的特征比权利要求中提及的特征多。实际上，实施例的特征要少于上述披露的单个实施例的全部特征。

一些实施例中使用了描述成分、属性数量的数字，应当理解的是，此类用于实施例描述的数字，在一些示例中使用了修饰词“大约”、“近似”或“大体上”来修饰。除非另外说明，“大约”、“近似”或“大体上”表明所述数字允许有±20％的变化。相应地，在一些实施例中，说明书和权利要求中使用的数值参数均为近似值，该近似值根据个别实施例所需特点可以发生改变。在一些实施例中，数值参数应考虑规定的有效数位并采用一般位数保留的方法。尽管本申请一些实施例中用于确认其范围广度的数值域和参数为近似值，在具体实施例中，此类数值的设定在可行范围内尽可能精确。

虽然本申请已参照当前的具体实施例来描述，但是本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本申请，在没有脱离本申请精神的情况下还可作出各种等效的变化或替换，因此，只要在本申请的实质精神范围内对上述实施例的变化、变型都将落在本申请的权利要求书的范围内。

Claims (10)

1.一种双极板，适用于液流电池，其特征在于，所述双极板包括相对的上表面和下表面，其中，在所述上表面和/或下表面上进一步具有多个主表面，每个主表面在垂直于所述上表面和所述下表面的第一方向上具有不同的厚度。

2.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述上表面和所述下表面上均具有多个主表面，且所述上表面上的多个主表面与所述下表面上的多个主表面的数量之和为8～14个。

3.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，将同样位于所述上表面或所述下表面的相邻两个主表面在所位于的所述上表面或所述下表面上投影后，所述相邻两个主表面的交界处形成了分隔线，所述分隔线的形状为直线或弧线。

4.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述双极板在所述第一方向上的厚度最大值为1～8mm。

5.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，同样位于所述上表面或所述下表面的相邻两个主表面在所述第一方向上的厚度差为0.1～2mm。

6.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，所述上表面和/或下表面上还具有多条流道，所述多条流道的形状包括平行流道，蛇形流道或交指流道。

7.如权利要求1所述的双极板，其特征在于，自所述上表面和/或下表面的中心位置至所述双极板两个短边的边缘，依次具有第一主表面，第二主表面，第三主表面和第四主表面，其中，所述第一主表面至所述第四主表面的厚度依次递减。

8.如权利要求7所述的双极板，其特征在于，在所述第一主表面至所述第四主表面中，相邻两个主表面的厚度为等差数列。

9.如权利要求7或8所述的双极板，其特征在于，所述第一主表面在所述上表面或所述下表面的投影面积占所述上表面或所述下表面的活性区域面积的35～55％。

10.一种液流电池，其特征在于，包括如权利要求1～9任一项所述的双极板。

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