【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：一种适用于矩形液流电池的双极板及应用-ZL201811431734.X

文摘 2024-11-10 07:05 湖北

点击蓝字关注我们

设为星标，永不失联

专利名称

一种适用于矩形液流电池的双极板及应用

专利号ZL201811431734.X

授权公告日20230721

申请（专利权）人[中国科学院大连化学物理研究所, 大连融科储能技术发展有限公司]

发明人[郑琼, 李先锋, 岳孟, 张华民]

摘要

一种适用于矩形液流电池的双极板，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；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设有1组由2个以上长条状凹槽构成的顺序间隔的长条状凹槽组。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四边形结构，来消除壁面附近的低流速区，从而实现矩形电池内部电解液的均匀分布，缓解局部效应，提高电解液利用率，最终提升电池性能，降低系统成本。

权利要求书

1.一种适用于矩形液流电池的双极板，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设有1组由2个以上长条状凹槽构成的顺序间隔的长条状凹槽组；

2组侧边向电极区域中部开设的长条状凹槽在板体所在平面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的截面为四边形C，四边形C中二条相对边中的一条边与矩形左侧侧边或右侧侧边重合、另一条边D位于重合边的下方；另二条相对边分别为靠上的边E和靠下的边F；

2组长条状凹槽组中的2个以上长条状凹槽一一左右对称设置；相对称凹槽边D相重合，相对称的边E和相对称的边F分别相交成V字形；或，相对称凹槽边D相间隔，相对称的边E和相对称的边F分别成对应的倒八字形；

V字形或倒八字形凹槽由两个长条状凹槽组成，这些凹槽组成的V字形或倒八字形的底部朝向电解液流入侧边，开口方向朝向电解液流出侧边；组成V字形凹槽的两条长条状凹槽相互连通，但组成倒八字形的两个长条状凹槽彼此不连通；组成所述V字形或倒八字形凹槽的长条状凹槽宽度为0.1~100mm，深度为0.1~100mm。

2.按照权利要求1所述双极板，其特征在于：边E或边F所在直线分别与中垂线B呈5~85°的夹角。

3.按照权利要求1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。

4.一种权利要求1-3任一所述的双极板在矩形液流电池中的应用。

说明书

技术领域

[0001] 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

[0002] 化石能源消耗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，为了更好地利用可再生能源，人们开发了一系列储能技术，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，电解液的流动特性与电池性能密切相关。但采用现有的结构，电解液的分布均匀性难以得到保证，尤其是在平行于进出口截面方向上，在靠近壁面的位置，这会进一步影响活性物质浓度的分布，使得电池性能降低。

发明内容

[0003] 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导流四边形结构，来消除壁面附近的低流速区，从而实现矩形电池内部电解液的均匀分布，缓解局部效应，提高电解液利用率，最终提升电池性能，降低系统成本。

[0004] 为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下:

[0005] 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；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设有1组由2个以上长条状凹槽构成的顺序间隔的长条状凹槽组。

[0006] 本发明电池或电堆设计标准为：

[0007] 2组侧边向电极区域中部开设的长条状凹槽在板体所在平面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的截面为四边形C，四边形C中二条相对边中的一条边与矩形左侧侧边或右侧侧边重合、另一条边D位于重合边的下方；另二条相对边分别为靠上的边E和靠下的边F；2组长条状凹槽组中的2个以上长条状凹槽一一左右对称设置；相对称凹槽边D相重合，相对称的边E和相对称的边F分别相交成V字形；或，相对称凹槽边D相间隔，相对称的边E和相对称的边F分别成对应的倒八字形。

[0008] V字形或倒八字形凹槽由两个长条状凹槽组成，这些凹槽组成的V字形或倒八字形的底部朝向电解液流入侧边，开口方向朝向电解液流出侧边；组成V字形凹槽的两条长条状凹槽相互连通，但组成倒八字形的两个长条状凹槽彼此不连通。

[0009] 边E或边F所在直线分别与中垂线B呈5～85°的夹角。

[0010] 作为优选，组成所述V字形或倒八字形凹槽的长条状凹槽宽度为0.1～100mm，深度为0.1～100mm。

[0011] 作为优选，组成所述V字形或倒八字形凹槽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。

[0012] 作为优选，所述电解液流入、流出口直径0.1～100mm。

[0013] 所述板体上电极区域四周板体宽度为1～500mm；板体厚度为0.1～100mm。

[0014] 作为优选，组成所述V字形或倒八字形凹槽的长条状凹槽内部转角与各边缘交汇处均为弧形过渡。

[0015] 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。

[0016] 较现有技术相比，本发明采用的双极板结构特别适用于矩形液流电池，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，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。尤其对于大功率电堆，可以有效较低成本，节约材料。

[0017] 本发明技术方案带来的有益效果

[0018] 该双极板结构简单，加工方便，通过促使电解液沿朝矩形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：

[0019] 受流体，尤其是液流本身粘性的影响，流体在靠近壁面区域流动时，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。因此，在该区域内电解液更新速率慢，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。

[0020] 通过在壁面附近加设适当朝向的导流结构，使得电解液在壁面附近流速加快，从而消除壁面附近的滞留薄层，使得壁面附近的活性物质浓度升高，活性物质分布更均匀，降低电池极化，提升电池性能。

附图说明

[0021] 图1矩形液流电池放电过程中内部浓度分布示意图

[0022] 图2实施例1结构示意图；

[0023] 图3实施例2结构示意图；

[0024] 图4对比例3结构示意图。

[0025] 符号说明：

[0026] 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-长条形凹槽，6-电极区域壁面，7-正极电解液流入口，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

[0027] 实施例1

[0028] 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7、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V字形凹槽，该V字形凹槽可看作由两个长条状凹槽组成。

[0029] 板体厚度8mm；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7和正极电解液流出口10均为圆形，直径14mm；电极区域所在的矩形中，作为入口和出口侧边的边长280mm，另外两条边长180mm。V字形凹槽的深度1mm，由14个长度相同，宽度为3mm的长条状凹槽组成，这些凹槽最左边和最右边的两条边与电极区域壁面重合。剩下的四条边与电解液入口和出口侧边的中垂线夹角为60°。

[0030] 板体两面加工有相同的V字形凹槽；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。

[0031] 实施例2

[0032] 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7、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，电极区域内设有倒八字形凹槽，该倒八字形凹槽由两个长条状凹槽组成。

[0033] 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7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300mm，另外两条边长220mm。倒八字形凹槽的深度2mm，由14个长度相同，宽度为1.5mm的长条状凹槽组成，左侧凹槽最左边和右侧凹槽最右边与电极区域壁面重合。剩下的边与电解液入口和出口侧边的中垂线夹角为65°。

[0034] 板体两面加工有相同的倒八字形凹槽；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。

[0035] 对比例3

[0036] 对比例为无V字形或倒八字形凹槽的平板，结构如图4所示。

[0037] 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：

[0038] 动量守恒与连续性方程：

[0039]

[0040]

[0041] 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。

[0042] 物料守恒方程：

[0043]

[0044] 其中c_i 为物料i的浓度，S_i 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。

[0045] 边界条件与初始条件：

[0046]

[0047] 其中入口压强设为24000Pa，出口压强设为0Pa。

[0048] 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：

[0049]

[0050]

[0051]

[0052]

[0053]

[0054]

[0055] 与分别为正极和负极钒离子的初始浓度，在此模型中设为1000molm^-3 。模型收敛的相对误差因子为1×10^-6 。

[0056] 以厚度5mm的碳毡为电极，在120mAcm^-2的电流密度下充电，SoC为90％时，对实施例和对比例模拟计算得到的结果如下表所示：

[0057]

[0058] 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。进而降低极化，减少局部放热，提高电解液利用率。

说明书附图

专利分享合集

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：液流电池正极电极保护系统、液流电池系统及控制方法-ZL201811572240.3

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202011636765.6 -一种液流电池预紧力监测装置

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202110063171.9 -一种离子交换膜及其制备方法和应用

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202110063172.3-一种双极板与电极框一体化结构及其制备方法和应用

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202110064585.3-一种使双极板表面边缘绝缘的方法及其应用

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL201610986518.6-一种液流电池电堆密封结构

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL201711205411.4-全钒液流电池系统及其冷却方法

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL201711208242.X-全钒液流电池的余热回收系统及全钒液流电池冷却方法

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL201711213096.X-一种适用于液流电池电堆的液流框

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202010367006.8-一种全钒液流电池独立单元结构、制备方法及应用

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202011636761.8-一种液流电池储能介质衰减实时监测及调控方法

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202011636721.3-一种带有内置SOC电池的液流电池电堆

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202011636726.6-一种基于液流电池荷电状态在线监测装置及方法

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202111626047.5-一种全钒液流电池折角式电堆结构

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：ZL202210697552.7-一种交联型两性离子交换膜及其制备方法和应用

【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：CN118431532B-一种铁钒液流电池电解液、制备方法及液流电池

详细了解

液流电池材料/单电池夹具/电堆/测试系统产品

点击武汉之升新能源官网

www.whzs-vfb.com

武汉之升新能源订阅号

武汉之升新能源有限公司专注于提供液流电池测试整体解决方案，定制化提供液流电池核心材料、夹具及测试系统、电堆及测试系统、液流反应器、相关配件等产品。本公众号为公益性平台，专注液流电池领域的论文赏析、专利分享、科普干货、人才招聘、成果推广等！

【液流电池专利分享】大连化物所授权发明专利：一种锌溴液流电池实时SOC检测方法-ZL201811249665.0

【液流电池新品资讯】螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1/LSB-3）2025升级款

【液流电池新品资讯】一体化液流单电池测试系统（YTH-1）2025升级款

【液流电池新品资讯】液流电池电堆（单堆/多堆）测试台（台架式）2025升级款

【液流电池科普干货】一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法（以新威充放电测试仪为例）

全网最全最专业—液流电池产品合集（2025年）

论文奖励活动（长期有效）（2025年）

【2024年成果总结】上海交通大学纪亚课题组2024年液流电池重点研究成果总结

聚焦未来｜CFE2025中国液流电池青年科学家论坛3月3-4日杭州召开（第四届中国液流电池储能大会暨展览会）

【液流电池新品资讯】螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1/LSB-3）2025升级款

【液流电池新品资讯】一体化液流单电池测试系统（YTH-1）2025升级款

【液流电池新品资讯】液流电池电堆（单堆/多堆）测试台（台架式）2025升级款

【液流电池科普干货】一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法（以新威充放电测试仪为例）

全网最全最专业—液流电池产品合集（2025年）

论文奖励活动（长期有效）（2025年）

【液流电池人才招聘】岗位多多，山东电工电气集团液流储能发展有限公司发布人才招募令！

【液流电池论文赏析】祝贺我司客户港中大唐叔贤院士/涂文广/陈仲欣发表 ACS: 双功能 IrCu4 合金纳米颗粒的高效硝酸盐制氨

【液流电池专利分享】大连化物所授权发明专利：具有类石墨烯结构的离子传导膜及制备和应用-ZL201811248734.6

【液流电池新品资讯】螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1/LSB-3）2025升级款

【液流电池新品资讯】一体化液流单电池测试系统（YTH-1）2025升级款

【液流电池新品资讯】液流电池电堆（单堆/多堆）测试台（台架式）2025升级款

【液流电池科普干货】一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法（以新威充放电测试仪为例）

全网最全最专业—液流电池产品合集（2025年）

论文奖励活动（长期有效）（2025年）

【2024年成果总结】南方科技大学赵天寿院士2024年液流电池重点研究成果总结

【液流电池论文赏析】天津大学蒋浩然教授重磅综述：水系锰基液流电池研究进展

【液流电池专利分享】大连化物所授权发明专利：一种碱性锌铁单液流电池-ZL201811362221.8

【液流电池新品资讯】螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1/LSB-3）2025升级款

【液流电池新品资讯】一体化液流单电池测试系统（YTH-1）2025升级款

【液流电池新品资讯】液流电池电堆（单堆/多堆）测试台（台架式）2025升级款

【液流电池科普干货】一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法（以新威充放电测试仪为例）

全网最全最专业—液流电池产品合集（2025年）

论文奖励活动（长期有效）（2025年）

【液流电池论文赏析】祝贺我司客户吉林大学曲大为副教授发表JES：研究电极制备参数和压缩策略提高钒液流电池性能

【液流电池专利分享】大连化物所授权发明专利：一种双离子通道的离子传导膜及其制备与应用-ZL201811372281.8

【液流电池新品资讯】螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1/LSB-3）2025升级款

【液流电池新品资讯】一体化液流单电池测试系统（YTH-1）2025升级款

【液流电池新品资讯】液流电池电堆（单堆/多堆）测试台（台架式）2025升级款

【液流电池科普干货】一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法（以新威充放电测试仪为例）

全网最全最专业—液流电池产品合集（2025年）

论文奖励活动（长期有效）（2025年）

【液流电池论文赏析】南方科技大学赵天寿院士IJHMT：平衡水系氧化还原液流电池电解液的能量密度和传输特性

【液流电池专利分享】大连化物所授权发明专利：一种复合离子传导膜的制备方法及其复合膜和应用-ZL201811417439.9

【液流电池新品资讯】螺栓型液流单电池测试夹具（LSB-1/LSB-3）2025升级款

【液流电池新品资讯】一体化液流单电池测试系统（YTH-1）2025升级款

【液流电池新品资讯】液流电池电堆（单堆/多堆）测试台（台架式）2025升级款

【液流电池科普干货】一文读懂液流单电池常见性能测试及数据处理方法（以新威充放电测试仪为例）

全网最全最专业—液流电池产品合集（2025年）

分类

时事

民生

政务

教育

文化

科技

财富

体娱

健康

情感

旅行

百科

职场

楼市

企业

乐活

学术

汽车

时尚

创业

美食

幽默

美体

文摘

原创标签

时事社会财经军事教育体育科技汽车科学房产搞笑综艺明星音乐动漫游戏时尚健康旅游美食生活摄影宠物职场育儿情感小说曲艺文化历史三农文学娱乐电影视频图片新闻宗教电视剧纪录片广告创意壁纸头像心灵鸡汤星座命理教育培训艺术文化金融财经健康医疗美妆时尚餐饮美食母婴育儿社会新闻工业农业时事政治星座占卜幽默笑话独立短篇连载作品文化历史科技互联网

发布位置

广东北京山东江苏河南浙江山西福建河北上海四川陕西湖南安徽湖北内蒙古江西云南广西甘肃辽宁黑龙江贵州新疆重庆吉林天津海南青海宁夏西藏香港澳门台湾美国加拿大澳大利亚日本新加坡英国西班牙新西兰韩国泰国法国德国意大利缅甸菲律宾马来西亚越南荷兰柬埔寨俄罗斯巴西智利卢森堡芬兰瑞典比利时瑞士土耳其斐济挪威朝鲜尼日利亚阿根廷匈牙利爱尔兰印度老挝葡萄牙乌克兰印度尼西亚哈萨克斯坦塔吉克斯坦希腊南非蒙古奥地利肯尼亚加纳丹麦津巴布韦埃及坦桑尼亚捷克阿联酋安哥拉