CN112447998B - 一种适用于液流电池电堆的双极板及应用 - Google Patents
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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；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；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
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
随着能源问题的凸显，可再生能源收到越来越广泛的关注。利用可再生能源的一种理想方式是可再生能源发电，清洁且方便。然而，可再生能源发电具有不连续、不稳定等诸多问题，要实现可在生能源发电的高效利用，需要有储能设备的介入。在众多储能技术中，液流电池技术因具有容量与功率可独立设计、安全性高、环境友好等诸多优点而广受青睐。在液流电池运行过程中，溶有活性物质的电解液通过泵的作用在电池或电堆内部流动，并在多孔电极上发生电化学反应，从而实现能量的存储与释放。在液流电池中，电解液的流动特性与电池性能密切相关。电解液分布的均匀性直接影响电池和电堆的性能。在现有的液流电池流场结构中，电解液的分布并不均匀，尤其是在平行于进出口截面方向上，这会影响活性物质的利用，引发电压效率低、材料腐蚀等不良后果。
发明内容
针对液流电池中电解液在平行于于进出口截面上分布不均匀的问题，该发明提出一种新型的带导流结构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，从而实现电池和电堆内部电解液的均匀分布。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，最终降低电池和电堆总体极化，消除关键材料的局部腐蚀，提高电池的功率密度和运行稳定性。对液流电池的发展和应用具有重要意义。
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，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；于双极板的电极区域从入口边向出口边等间隔设有2行以上的第一凹槽组，每行第一凹槽组均由平行于左右侧边的2个以上等间隔的条状第一导流槽构成，第一导流槽位于双极板板体表面所在平面A的左右二条边与左右侧边平行，且相邻2行第一凹槽组间的第一导流槽一一对应、且对应第一导流槽的左右二条边分别处于二条平行的直线上；即2行以上的第一凹槽组于左右侧边的投影为由线段间隔成的虚线，每个线段对应一行第一凹槽组；于双极板的电极区域从入口边向出口边等间隔设有2行以上的第二凹槽组，每行第二凹槽组均由平行于左右侧边的2个以上等间隔的条状第二导流槽构成，第二导流槽位于双极板板体表面所在平面A的左右二条边与左右侧边平行，且相邻2行第二凹槽组间的第二导流槽一一对应、且对应第二导流槽的左右二条边分别处于二条平行的直线上；即2行以上的第二凹槽组于左右侧边的投影为由线段间隔成的虚线，每个线段对应一行第二凹槽组；第二凹槽组与第一凹槽组相互间隔设置，即2行相邻的第二凹槽组由1行第一凹槽组间隔开；相邻第一凹槽组与第二凹槽组中的第一导流槽与第二导流槽依次交错设置，即第一凹槽组中的第一导流槽于入口边的投影A与第二凹槽组中的第二导流槽于入口边的投影B相互等间隔依次交错；即相邻的二个投影B由1个投影A间隔开；相邻的第一凹槽组和第二凹槽组中，靠近入口边的第一或第二凹槽组中的第一或第二导流槽远离入口边的一端和靠近其左右二侧的、与其相邻的远离入口边的第二或第一凹槽组中的第二或第一导流槽靠近入口边的一端通过第三导流槽相连。
本发明电池或电堆设计标准为：
靠近入口边的第一或第二导流槽与入口边直接相连通或通过第三导流槽相连；靠近出口边的第一或第二导流槽与出口边直接相连通或通过第三导流槽相连；靠近左侧边的第一或第二导流槽与左侧边直接相连通或通过第三导流槽相连；靠近右侧边的第一或第二导流槽与右侧边直接相连通或通过第三导流槽相连。
处于2个第二凹槽组之间的第一凹槽组或处于2个第一凹槽组之间的第二凹槽组，相邻的第一导流槽或第二导流槽的二端分别通过第三导流槽连接，在电极区域形成有若干组均分别由6个长条状凹槽首尾连接构成的六边形凹槽组，称之为六边形导流结构；电解液从入口边流入与其相贴接的六边形导流结构后、再由出口边流出。组成每个凹槽组的6个长条状凹槽形状和尺寸相同；组成每个凹槽组的6个长条状凹槽相交的部位相互贯通；相邻的两个六边形凹槽组均有一条边重合，且两个六边形凹槽组连接部位贯通。第一导流槽或第二导流槽位于双极板板体所在平面A的左右二条边和与其相连的第三导流槽位于双极板板体所在平面A的左右二条边间成120度夹角。
六边形导流结构在板体所在平面A上以电极区域入口边的中垂线B成轴对称；六边形导流结构平行于平面A的截面为六边形环C，六边形环C中对应于六个凹槽截面的六条边沿为等腰梯形D，六边形环C中两两相对边线对应等腰梯形的底边；六边形环C的6条边沿中的二条边沿对应的梯形底边与中垂线B平行或重合。
在电极区域的左右侧边处，六边形环C的六条边沿中的一条与所述侧边重合时，重合部位不设凹槽。六边形导流结构与出口边相贴接、或六边形导流结构与流出侧边间留有矩形间隙。
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，组成所述六边形导流结构的长条状凹槽宽度为0.1～50mm，深度为0.1～50mm。
作为优选，组成所述六边形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1～100mm。
所述板体上电极区域四周板体宽度为1～200mm；板体厚度为0.2～60mm。
作为优选，组成所述六边形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布的均匀性得到显著提升，从而保证电池和电堆内部反应均匀，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，提高电解液利用率和电堆整体效率。尤其对于大功率电堆，可以有效降低成本。
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流动的均匀性，缓解局部效应，提升电池性能。具体来说：
当采用不含该发明的导流结构的双极板时，电解液从入口截面进入电极区域时，受压力梯度的影响，将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，即大部分电解液的流动方向将会平行于进出口截面法线方向，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问题尤为严重，而采用传统的蛇形、并行、交指等流道时，受流道结构的限制，在电极区域边界处及流道邻接和转折处亦会出现明显的流动不均匀。电解液流动不均匀会形成电解液滞流区，甚至流动死区，在这些滞流区和流动死区中电解液更新速率慢，使得活性物质随着反应的进行而迅速降低(如图1所示)，引起明显的极化，电池整体性能降低，同时电池和电堆材料出现局部腐蚀，使用寿命缩短。
通过在双极板上设计六边形的凹槽，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，从而使得电解液在凹槽中层层分流，实现在平行于进出口截面的方向上的均匀流动和分布，从而提高活性物质分布的均匀性，降低极化，削弱局部效应，最终提升电池和电堆整体性能。
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示意图
图3实施例2示意图
图4对比例3示意图
图5对比例4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，5-六边形导流结构，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，电极区域内设有六边形导流结构，所有六边形为正六边形，且每个六边形由六个长度相同的长条状凹槽首尾相连围成。
板体厚度6mm；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；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口边的边长300mm，左右侧边长200mm。六边形导流结构的深度1.5mm，由87个长度均为34.6mm，宽度为2mm的四边形凹槽组成，组成每个完整正六边形的六个凹槽中有两个的长边垂直于电极区域的进口和出口边，相邻的两个六边形有且仅有一条边完全重合。
板体两面加工有相同的六边形导流结构；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，电极区域靠近电解液流入口的一半区域内设有六边形导流结构，该六边形导流结构由若干长条状凹槽组成，其中所有六边形为正六边形，且每个六边形由六个长度相同的长条状凹槽首尾相连围成。
板体厚度6mm；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；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口边的边长250mm，另外两条边长180mm。六边形导流结构的深度2mm，由44个长度均为28.9mm，宽度为3mm的四边形凹槽组成，组成每个完整正六边形的六个凹槽中的两个凹槽位于板体平面上的截面四边形中均有一组相对边垂直于电极区域的进口和出口边，相邻的两个六边形的某一条边对应的凹槽完全重合。
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3采用设有交指流道的双极板，结构如图4所示。
板体厚度6mm；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15mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口边的边长240mm，另外两条边长290mm。流道宽度均为5mm，深度3mm，入口半支和出口半支均分别由一条主流道和6条分支流道组成。主流道长220mm，分支流道长260mm。所有拐角处以弧形倒角过渡。
对比例4
对比例4为无六边形导流结构的平板，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20000Pa，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：
与/>分别为正极和负极钒离子的初始浓度，在此模型中设为1500mol 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 trapezoidflow battery."Aiche Journal 64.
以厚度5mm的碳毡为电极，在180mA cm-2的电流密度下充电，SoC为60％时，实施例和对比例模拟计算得到的结果如下表所示：
由此可见，采用本发明的双极板能显著提高电解液分布的均匀性。从而削弱局部效应，提高电堆效率及运行稳定性。
Claims (9)
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；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；
于双极板的电极区域从入口边向出口边等间隔设有2行以上的第一凹槽组，每行第一凹槽组均由平行于左右侧边的2个以上等间隔的条状第一导流槽构成， 第一导流槽位于双极板板体表面所在平面A的左右二条边与左右侧边平行，且相邻2行第一凹槽组间的第一导流槽一一对应、且对应第一导流槽的左右二条边分别处于二条平行的直线上；即2行以上的第一凹槽组于左右侧边的投影为由线段间隔成的虚线，每个线段对应一行第一凹槽组；
于双极板的电极区域从入口边向出口边等间隔设有2行以上的第二凹槽组，每行第二凹槽组均由平行于左右侧边的2个以上等间隔的条状第二导流槽构成， 第二导流槽位于双极板板体表面所在平面A的左右二条边与左右侧边平行，且相邻2行第二凹槽组间的第二导流槽一一对应、且对应第二导流槽的左右二条边分别处于二条平行的直线上；即2行以上的第二凹槽组于左右侧边的投影为由线段间隔成的虚线，每个线段对应一行第二凹槽组；
第二凹槽组与第一凹槽组相互间隔设置，即2行相邻的第二凹槽组由1行第一凹槽组间隔开；相邻第一凹槽组与第二凹槽组中的第一导流槽与第二导流槽依次交错设置，即第一凹槽组中的第一导流槽于入口边的投影A与第二凹槽组中的第二导流槽于入口边的投影B相互等间隔依次交错；即相邻的二个投影B由1个投影A间隔开；
相邻的第一凹槽组和第二凹槽组中，靠近入口边的第一或第二凹槽组中的第一或第二导流槽远离入口边的一端和靠近其左右二侧的、与其相邻的远离入口边的第二或第一凹槽组中的第二或第一导流槽靠近入口边的一端通过第三导流槽相连；
靠近入口边的第一或第二导流槽与入口边直接相连通或通过第三导流槽相连；
靠近出口边的第一或第二导流槽与出口边直接相连通或通过第三导流槽相连；
靠近左侧边的第一或第二导流槽与左侧边直接相连通或通过第三导流槽相连；
靠近右侧边的第一或第二导流槽与右侧边直接相连通或通过第三导流槽相连；
处于2个第二凹槽组之间的第一凹槽组或处于2个第一凹槽组之间的第二凹槽组，相邻的第一导流槽或第二导流槽的二端分别通过第三导流槽连接，在电极区域形成有若干组均分别由6个长条状凹槽首尾连接构成的六边形凹槽组，称之为六边形导流结构；电解液从入口边流入与其相贴接的六边形导流结构后、再由出口边流出。
2.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：
组成每个凹槽组的6个长条状凹槽形状和尺寸相同；
组成每个凹槽组的6个长条状凹槽相交的部位相互贯通；相邻的两个六边形凹槽组均有一条边重合，且两个六边形凹槽组连接部位贯通。
3.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：
第一导流槽或第二导流槽位于双极板板体所在平面A的左右二条边和与其相连的第三导流槽位于双极板板体所在平面A的左右二条边间成120度夹角。
4.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：
六边形导流结构在板体所在平面A上以电极区域入口边的中垂线B成轴对称；六边形导流结构平行于平面A的截面为六边形环C，六边形环C中对应于六个凹槽截面的六条边沿为等腰梯形D，六边形环C中两两相对边线对应等腰梯形的底边；六边形环C的6条边沿中的二条边沿对应的梯形底边与中垂线B平行或重合。
5.根据权利要求4所述的双极板，其特征在于：
在电极区域的左右侧边处，六边形环C的六条边沿中的一条与所述侧边重合时，重合部位不设凹槽。
6.根据权利要求1所述的双极板，其特征在于：
六边形导流结构与出口边相贴接、或六边形导流结构与流出侧边间留有矩形间隙。
7.根据权利要求1-6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。
8.根据权利要求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%。
9.一种权利要求1-6任一所述的双极板在液流电池中的应用。
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