一种液流电池双极板及应用

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

化石能源的大量消耗在导致能源危机的同时也引发了诸如温室效应、冰川融化、气候变化等一系列环境问题，使得人们将更多的目光投向了可再生能源。可再生能源具有不连续和不稳定的特点，要更好地利用可再生能源，需要储能技术的介入，其中电化学储能具有地域环境限制低、灵活性高等特点，受到了广泛关注。在众多电化学储能技术中，以全钒液流电池为代表的液流电池十分适合于大规模储能应用。液流电池活性物质通常溶解于液体中，电池运行时，溶有活性物质的电解液在泵的推动作用下流经多孔电极而发生电化学反应，从而实现能量的存储与释放。液流电池中，活性物质分布的均匀性与电池性能密切相关。在现有的流场结构，活性物质的分布均匀性难以得到保证，尤其是在出口附近和靠近壁面的位置活性物质分布尤为不均，这会引起较大的极化，使得电池性能降低。

发明内容

针对液流电池中出口附近和靠近壁面的位置活性物质分布不均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导流凹槽，促使电解液直接从进口截面中部流至出口附近的壁面，实现电池内部活性物质在空间上的均匀分布，缓解局部效应，降低极化，提升电池性能，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，此外的另两条矩形相对边分别称为左侧侧边和右侧侧边；在电极区域的矩形左侧侧边和右侧侧边分别向电极区域入口侧边的中部设有1组由1个或2个以上长条状凹槽构成的凹槽组，称之为导流凹槽。

本发明电池或电堆设计标准为：

2组长条状凹槽组中的所有凹槽彼此不连通、不交汇；2组长条状凹槽组中各含一个长条状凹槽，左右对称设置；或2组长条状凹槽组中各含2个以上一一左右对称设置的长条状凹槽，同一组中的2个以上凹槽彼此不连通、不交汇。

2组侧边向电极区域入口侧边的中部开设的长条状凹槽在双极板板体表面所在平面A上、以电极区域入口侧边的中垂线B成轴对称；长条状凹槽平行于平面A的截面为直边四边形C，四边形C中2条相对边中的一条边E与矩形左侧侧边或右侧侧边重合、一条边F与电极区域入口侧边重合，另两条相对边与中垂线B无交点，即分别处于中垂线B的左右两侧；

或长条状凹槽平行于平面A的截面为两条相对的曲边H、I和两条直边J、K围成的曲边四边形D，四边形D中直边J与矩形左侧侧边或右侧侧边重合、直边K与电极区域入口侧边重合；对于靠近矩形左侧侧边的凹槽，其对应的边H和I的曲率半径均位于边H和I的左侧，边H和I在的矩形左侧侧边的投影位于直边J靠近出口侧边的端点与入口侧边之间；对于靠近边矩形右侧侧边的凹槽，其对应的边H和I的曲率半径均位于边H和I的右侧，边H和I在的矩形右侧侧边的投影位于直边J靠近出口侧边的端点与入口侧边之间；且边H和I与中垂线B无交点，即分别处于中垂线B的左右两侧。

边E和边J靠近电极区域入口侧边的端点位于矩形左侧侧边或右侧侧边中点与电极区域出口侧边之间。

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2组长条状凹槽组的长条状凹槽宽度为0.1～80mm，深度为0.1～30mm。

作为优选，组成所述2组长条状凹槽组的长条状凹槽宽度和高度/深度相同，或遵循靠近电极区域入口侧边中垂线的长条状凹槽的宽度较宽和/或深度/高度较大而远离端宽度较窄和/或深度/高度较小的原则。

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，组成所述长条状凹槽组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。板体上的导流凹槽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，采用本发明的双极板结构可使电解液分配的均匀性得到极大提高，从而保证电池和电堆内部反应均匀一致，减弱局部效应，提高电解液利用率。尤其对于大功率电堆，可以有效较低成本，节约材料。

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。具体来说：

在液流电池中，随着反应的不断进行，从入口到出口，电解液中活性物质浓度不断降低，使得出口附近活性物质你浓度较小，引起较大的极化；同时受流体粘性的影响，根据充分发展流假设，在电解液流动截面上，除了中部一定范围内(该区域流动得到充分发展，流速相等)，从中部到两端，电解液流速有不断减小的趋势，这就使得壁面附近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，进而引起较大的极化。电解液极化增大，电解液利用率就会降低，最终使得电池整体性能降低。

通过在电极区域加设适当朝向的导流结构，可电解液从入口截面中部直接流向出口壁面附近，从而降低进出口方向上活性物质浓度梯度，并在一定程度上增强壁面附近的传质，使得活性物质在空间上分布更均匀，最终降低电池极化，提升电池性能。

附图说明

图1全钒液流电池运行过程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对比例3。

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，电极区域内设有长条状凹槽组，每个凹槽组均由2个长条状凹槽组成，2组凹槽关于电极区域入口侧边的中垂线左右对称，2个长条状凹槽之间不交汇、不贯通。

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12mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长270mm，电极区域左右侧边长190mm。长条状凹槽的深度均为2mm，长度分别为220mm和200mm。以左侧凹槽为例，两条凹槽均有一端端面与电极区域左侧侧边夹角为0°，端面到电极区域出口侧边最近的距离分别为10mm和30mm；两条凹槽均有一端端面与电极区域入口侧边夹角为0°端面到电极区域入口侧边中点最近的距离分别为5mm和15mm。

板体两面加工有相同的导流凹槽；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，电极区域内设有长条状凹槽组，每个凹槽组均由3个长条状凹槽组成，2组凹槽关于电极区域入口侧边的中垂线左右对称。

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10.5mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长350mm，电极区域左右侧边长250mm。以左侧凹槽为例，长条状凹槽的深度从矩形电极区域中心到电极区域左侧边依次为3.5mm、3mm、2.5mm，三个凹槽平行于板体的截面为有两条相对曲边两条相对直边的曲边四边形，两条直边的一条位于电极区域左侧侧边上，该直边靠近电极区域出口侧边的端点到电极区域出口侧边的距离分别为20mm、35mm、50mm，另一条直边位于电极区域入口侧边上，该直边靠近电极区域入口侧边中点的端点到电极区域入口侧边中点的距离分别为25mm、35mm、45mm。三条凹槽之间不交汇、不贯通。从矩形电极区域中部到电极区域左侧侧边，曲边四边形的曲边的曲率半径依次为350mm、340mm、310mm、300mm、280mm、270mm。

板体1面加工有相同的导流凹槽；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3

对比例为无导流凹槽的平板状双极板，结构如图4所示。以全钒液流电池为例，利用商业软件包COMSOL Multiphysics

动量守恒与连续性方程：

其中，

物料守恒方程：

其中c

边界条件与初始条件：

其中入口压强设为21000Pa，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4.2mm的碳毡为电极，在160mA cm

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。从而降低极化，提高功率密度和电解液利用率，最终降低系统成本。