【液流电池专利分享】大连融科授权发明专利：一种适用于梯形液流电池的双极板及应用-ZL201811431913.3

文摘 2024-11-09 07:03 湖北

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专利名称

一种适用于梯形液流电池的双极板及应用

专利号ZL201811431913.3

授权公告日20230725

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

一种适用于梯形液流电池的双极板，所述双极板为一梯形平板状结构，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等腰梯形区域，称之为电极区域；电解液从梯形区域的下底边流入经电极区域后再由上底边流出，流入的下底边称之为电极区域入口侧边，流出的上底边称之为电极区域出口侧边；在电极区域的梯形左侧腰所在侧边和梯形右侧腰所在侧边分别向电极区域中部设有2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，1组长条状凹槽靠近电极区域入口侧边设置，另1组长条状凹槽靠近电极区域出口侧边设置。其结构简单，加工方便，提高电解液利用率，最终提升电池性能，降低系统成本。

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权利要求书

1.一种适用于梯形液流电池的双极板，其特征在于：所述双极板为一梯形平板状结构，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等腰梯形区域，称之为电极区域；电解液从梯形区域的下底边流入经电极区域后再由上底边流出，流入的下底边称之为电极区域入口侧边，流出的上底边称之为电极区域出口侧边；在电极区域的梯形左侧腰所在侧边和梯形右侧腰所在侧边分别向电极区域中部设有２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，1组长条状凹槽靠近电极区域入口侧边设置，另1组长条状凹槽靠近电极区域出口侧边设置；

梯形左侧腰所在侧边向电极区域中部开设的2组长条状凹槽组中的长条状凹槽，与梯形右侧腰所在侧边向电极区域中部开设的2组长条状凹槽组中的长条状凹槽，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；

长条状凹槽平行于板体所在平面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梯形左侧腰所在侧边或右侧腰所在侧边重合，其中靠近电极区域入口侧边1组的长条状凹槽中的另一条边D位于重合边的下方，其中靠近电极区域出口侧边1组的长条状凹槽中的另一条边D位于重合边的上方；

另二条相对边分别为靠上的边E和靠下的边F；靠近梯形左侧腰所在侧边2组长条状凹槽组中的2个以上长条状凹槽与靠近梯形左侧腰所在侧边2组长条状凹槽组中的2个以上长条状凹槽为一一左右对称设置；相对称凹槽边D相重合，靠近梯形上底边的相对称的边E和相对称的边F分别相交成倒V字形，靠近梯形下底边的相对称的边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，靠近梯形上底边的相对称的边E和相对称的边F分别成对应的八字形，靠近梯形上底边的相对称的边E和相对称的边F分别成对应的倒八字形；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：

V字形或倒八字形凹槽由两个长条状凹槽组成，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；在靠近梯形电极区域下底区域，凹槽形成的V字或倒八字的底部朝向梯形的下底，在靠近梯形电极区域上底区域，凹槽形成的V字或倒八字的底部朝向梯形的上底。

3.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。

4.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。

5.一种权利要求1-4任一所述的双极板在梯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] 能源危机与环境问题推动了可再生能源的发展，进而引发了储能技术研究热潮。液流电池技术是一种电化学储能技术的一种，其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。其通常具有储能容量与功率独立设计等优点，因适合与大规模储能应用而广受关注。液流电池中电解液的流动特性与电池性能密切相关。中国专利(专利申请号：201410495737.5)中提出了梯形电堆的新型结构，该结构可以有效减小电极中的浓差极化，具有很高的实用性。但是，与梯形电池相比，梯形电池四个转角处容易出现电解液流速过大或过小，影响活性物质的分布，若采用现有的导流结构难以实现电解液的均匀分配。液流电池中双极板主要起着传递电子的作用，但通过合理地设计其几何结构，亦可实现电解液导流的功能。

发明内容

[0003] 针对梯形液流电池中电解液分布不均匀的问题，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凹槽，可实现电解液均匀流入、流出电极反应区域，从而实现梯形电池内部电解液的均匀分布，缓解局部效应，有效降低接触电阻和电池总体极化，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] 一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，所述双极板为一梯形平板状结构，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等腰梯形区域，称之为电极区域；电解液从梯形区域的下底边流入经电极区域后再由上底边流出，流入的下底边称之为电极区域入口侧边，流出的上底边称之为电极区域出口侧边；在电极区域的梯形左侧腰所在侧边和梯形右侧腰所在侧边分别向电极区域中部设有2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，1组长条状凹槽靠近电极区域入口侧边设置，另1组长条状凹槽靠近电极区域出口侧边设置。

[0006] 本发明电池或电堆设计标准为：

[0007] 梯形左侧腰所在侧边向电极区域中部开设的2组长条状凹槽组中的长条状凹槽，与梯形右侧腰所在侧边向电极区域中部开设的2组长条状凹槽组中的长条状凹槽，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。

[0008] 长条状凹槽平行于板体所在平面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梯形左侧腰所在侧边或右侧腰所在侧边重合，其中靠近电极区域入口侧边1组的长条状凹槽中的另一条边D位于重合边的下方，其中靠近电极区域出口侧边1组的长条状凹槽中的另一条边D位于重合边的上方；另二条相对边分别为靠上的边E和靠下的边F；靠近梯形左侧腰所在侧边2组长条状凹槽组中的2个以上长条状凹槽与靠近梯形左侧腰所在侧边2组长条状凹槽组中的2个以上长条状凹槽为一一左右对称设置；相对称凹槽边D相重合，靠近梯形上底边的相对称的边E和相对称的边F分别相交成倒V字形，靠近梯形下底边的相对称的边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，靠近梯形上底边的相对称的边E和相对称的边F分别成对应的八字形，靠近梯形上底边的相对称的边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，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。在靠近梯形电极区域下底区域，凹槽形成的V字或倒八字的底部朝向梯形的下底，在靠近梯形电极区域上底区域，凹槽形成的V字或倒八字的底部朝向梯形的上底。边E或边F所在直线分别与中垂线B呈5～85°的夹角。

[0009] 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。

[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和高度/深度相同，或遵循靠近电极区域电解液流入和流出侧边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。

[0011] 作为优选，所述电解液流入、流出口直径0.1～100mm。

[0012] 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。

[0013] 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。

[0014] 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。

[0015] 较现有技术相比，本发明采用的双极板结构特别适用于梯形液流电池，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。

[0016] 本发明技术方案带来的有益效果

[0017] 该双极板结构简单，加工方便，通过设计导流凹槽而提梯形液流电池壁面附近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：

[0018] 如图1所示，根据流体力学基本原理，当电解液从入口截面进入梯形电极区域时，会沿着垂直于进口截面的方向流动，此时左右两侧的电解液会受到两腰的阻碍作用，使得其流动不畅，形成电解液更新速率慢的滞流区，甚至流动死区，在该区域内电解液更新速率慢，使得活性物质随着反应的进行而迅速降低，引起较大的极化，从而电压效率降低，电解液利用率降低，最终使得电池整体性能降低。

[0019] 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更均匀，从而使得电池内部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

[0020] 图1梯形液流电池内部流速分布和流动方向示意图

[0021] 图2实施例1结构示意图；

[0022] 图3实施例2结构示意图；

[0023] 图4对比例3结构示意图；

[0024] 符号说明：

[0025] 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-长条状凹槽，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

[0026] 实施例1

[0027] 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，该区域为梯形，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。

[0028] 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；梯形电极区域所在的等腰梯形下底边为400mm，上底边和高均为200mm，V字形凹槽的深度1mm，由16个长度不同，宽度为4mm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72°。

[0029] 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。

[0030] 实施例2

[0031] 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，该区域为梯形，电极区域内设有八字形凹槽，该八字形凹槽由两个长条状凹槽组成。

[0032] 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；梯形电极区域所在的等腰梯形下底边为380mm，上底边和高均为150mm，八字形凹槽的深度2mm，由16个长度不同，宽度为4mm的长条状凹槽组成，靠近左边凹槽最左边和靠近右边凹槽的最右边分别与电极区域的左腰和右腰重合，靠近中部的边与梯形的两底垂直。剩下的两条边与电解液入口和出口侧边的中垂线夹角为65°。

[0033] 板体两面加工有相同的八字形凹槽；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。

[0034] 对比例3

[0035] 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。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：

[0036] 动量守恒与连续性方程：

[0037]

[0038]

[0039] 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。

[0040] 物料守恒方程：

[0041]

[0042] 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。

[0043] 边界条件与初始条件：

[0044]

[0045] 其中入口压强设为24000Pa，出口压强设为0Pa。

[0046] 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：

[0047]

[0048]

[0049]

[0050]

[0051]

[0052]

[0053] 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 。

[0054] 以厚度5mm的碳毡为电极，在100mAcm^-2 的电流密度下充电，SoC为88％时，对实施例和对比例模拟计算得到的结果如下表所示：

[0055]

[0056] 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

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