一种液流电池电堆双极板的制作方法

1.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：

2.随着能源结构的调整，利用风能、太阳能等可再生能源发电受到越来越 广泛的关注，但可再生能源发电具有不连续、不稳定等特点，直接并网难， 弃风、弃光率高。以液流电池为代表的电储能技术可有效解决这一问题。 液流电池技术是一种新兴电化学储能技术，因其通常具有储能容量与功率 独立设计等优点而广受关注。液流电池运行过程中，电解液在多孔电极区 域流动，当电解液流经电极边缘的液流框等固件边缘时受电解液与壁面间 粘性作用的影响，该区域电解液的流速降低直至为0。中国专利(专利申请 号：201410495737.5)中提出了梯形电堆的新型结构，该结构可以有效提高 电解液的均匀性，但在固件附件的粘性边界层仍然会影响电极中活性物质 的浓度均匀性，导致明显的局部效应，降低电电池(或电堆)总体性能， 缩短其使用寿命，增加系统成本，不利于液流电池的大规模应用。


技术实现要素：

3.针对液流电池中电极框等固件与电极相贴接的壁面附近电解液流速下 降引起的局部效应问题，提出一种新型的液流电池或电堆双极板结构，其 结构简单，加工方便，通过在电极框等与电极贴接的壁面附近的双极板上 加设导流结构来增大电解液在壁面附近的流速，从而加快壁面附近的活性 物质的更新速率，进而提高电解液分布的均匀性，消减局部效应，提高电 池或电堆效率，降低系统成本。
4.为实现上述目的，本发明提供的具体技术方案如下:
5.一种适用于液流电池电堆的双极板，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梯 形区域，称之为电极区域；电解液从梯形电极区域的下底侧边流入经电极 区域后再由梯形上底侧边流出，流入的梯形下底侧边称之为入口侧边，流 出的梯形上底侧边称之为出口侧边，梯形的两腰称之为左右侧边；在电极 区域外的靠近左侧边和右侧边处平板表面上分别设置有正弦波形或三角波 形凹槽，称之为边界导流凹槽；电解液从入口侧边流入，流经电极区域和 边界导流凹槽后由出口侧边流出。
6.本发明电池或电堆设计标准为：双极板为一等腰梯形平板状结构，电 极区域为等腰梯形区域；所述正弦波形或三角波形凹槽是指凹槽平行于板 体表面的截面的左右边线为正弦线形或三角波形。所述边界导流凹槽沿着 梯形两腰所在侧边设置，分别称之为左边界导流凹槽和右边界导流凹槽； 左边界导流凹槽和右边界导流凹槽为正弦波型时，正弦波曲线靠近电极区 域的每个波峰(或波谷)处均分别与电极区域相连通；或，左边界导流凹 槽和右边界导流凹槽为三角波型时，三角波靠近电极区域的每个波峰(或 波谷，即折线的转折点处)处均分别与电极区域相连通。板体所在平面为 平面a，边界导流凹槽在平面a上
的投影以电极区域上下底边中垂线b成 轴对称；左边界导流凹槽和右边界导流凹槽在平面a上的投影为：由两条 平行的正弦曲线m和两条直线线段(按直线、正弦曲线m、直线、正弦曲 线m)依次首尾连接围成的带状封闭图形d或由两条平行的三角波曲线n (三角波折线)和两条直线线段(按直线、折线、直线、折线)依次首尾 连接围成的带状封闭图形e；带状封闭图形d的两条直线线段或带状封闭图 形e的两条直线线段均与梯形两腰所在侧边重合。平行的正弦曲线指在二 条正弦曲线的所在的平面上，在一条正弦曲线上任一点f作切线g，再过点 f作切线g的垂线h，h与另一条正弦曲线交于点j，过点j作另一条正弦 曲线的切线k，切线g和切线k平行，且两条正弦曲线无交点；平行的三 角波曲线指对于组成一条三角波曲线的任意相邻(两条折线段一端点相交) 两条折线段l、p，与另一条三角波曲线上相应的分别距离折线l、p最近的 两条相邻折线段为s、t，l所在的直线与s所在的直线平行，p所在的直线 与t所在的直线平行，且两条三角波曲线无交点。垂直于板体表面的左边 界导流凹槽和右边界导流凹槽是以通过入口侧边几何中心的垂直于入口侧 边的平面为对称面的对称结构。于双极板上开设有分别作为正极和负极电 解液流入和流出口的4个通孔。
7.作为优选，左右边界导流凹槽的宽度为0.5～50mm，边界导流凹槽的 宽度是指凹槽平行于板体表面的截面的左右二条正弦曲线或三角波曲线间 的距离；即左右边界导流凹槽的宽度是指切线g和切线k之间的距离或l 所在的直线与s所在的直线间的距离。
8.作为优选，左右边界导流凹槽的深度为0.5～30mm，边界导流凹槽的 深度是指板体平面与凹槽底部任一点的垂直距离。
9.作为优选，所述电解液流入、流出口直径0.1～250mm。
10.所述板体上电极区域四周板体宽度为1～600mm；板体厚度为 0.1～150mm。
11.作为优选，所述边界导流凹槽内部转角与各边缘交汇处均为弧形过渡。
12.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。
13.较现有技术相比，本发明采用的双极板结构可使加速电极边缘处电解液 的流速，缓解局部效应，降低电池极化，提高电池和电堆性能。
14.本发明技术方案带来的有益效果
15.该发明的液流电池或电堆用双极板加工方便，结构简单，通过在壁面附 近加设边界导流结构提高液流电池内部活性物质的更新速率和分布均匀性 而有效提升电池性能。具体来说：
16.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，在该区域内出现一些局部效应，比如电解液更新速率慢，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。
17.通过在液流框等固件与电极贴接处附近的双极板上加设边界导流结构， 使得电解液在该区域的流速增大，从而活性物质在该区域的更新速率加快， 进而使得电极区域边缘的活性物质浓度升高，活性物质分布更均匀，有效 降低电池内部极化，提升电池整体性能。
附图说明
18.图1实施例1结构示意图
19.图2实施例2结构示意图
20.图3对比例3结构示意图
21.符号说明：
22.1-负极电解液流入口，2-板体，3-入口侧边，4-电极区域，5-边界导流凹槽， 6-正极电解液流入口，7-左右侧边，8-负极电解液流出口，9-出口侧边，10
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正极电解液流出口
具体实施方式
23.实施例1
24.如图1所示，一种液流电池电堆双极板。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位于板体梯形下底边侧，负极电解液流出口8和正极电解 液流出口10位于板体梯形上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域 为梯形，在梯形电极区域左右侧边7附近设有2个相同的三角波曲线形边 界导流凹槽5，这2个凹槽均有一端位于电极区域左右侧边7上且与入口侧 边3贴接，另一端位于左右侧边7上，两个凹槽关于入口侧边3和出口侧 边9的中轴线呈轴对称，且两个三角波曲线形凹槽的中心线方向分别于其 最近的左右侧边平行。
25.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 在的梯形中，入口侧边长400mm，出口侧边长210mm，左右侧边腰长 300mm，三角波曲线形边界导流凹槽5的深度10mm，宽度为10mm。三角 波曲线形边界导流凹槽位于电极区域以外，三角波空占比为0.5，波幅3cm， 周期12cm，于波谷处与左右侧边7相贴接。
26.板体一面加工有边界导流凹槽；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。
27.实施例2
28.如图2所示，一种液流电堆双极板。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位于板体梯形下底边侧，负极电解液流出口8和正极电解液流 出口10位于板体梯形上底边侧。板体中部设置有电极区域4，该区域为梯 形，在梯形电极区域左右侧边7附近设有2个相同的正弦波曲线形边界导 流凹槽5，这2个凹槽均有一端位于电极区域左右侧边7上且与入口侧边3 贴接，另一端位于左右侧边7上且与出口侧边9贴接，两个凹槽关于入口 侧边3和出口侧边9的中轴线呈轴对称，且两个正弦波曲线形凹槽的中心 线方向分别于其最近的左右侧边平行。
29.板体厚度5mm；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8mm；电极区域所在的 梯形中，入口侧边长200mm，出口侧边长140mm，两腰长180mm。正弦 波形边界导流凹槽5的深度3mm，宽度为3mm。正弦波形边界导流凹槽位 于电极区域以外，其形状满足函数y＝sinx，波幅2cm，周期6cm，所有波峰 或所有波谷与左右侧边7相贴接。
30.板体一面加工有边界导流凹槽；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。
31.对比例3
32.对比例采用无边界导流凹槽的平板状双极板，如图3所示。
33.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：
34.动量守恒与连续性方程：
[0035][0036][0037]
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。
[0038]
物料守恒方程：
[0039][0040]
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。
[0041]
边界条件与初始条件：
[0042][0043]
其中为法向量，入口压强p
in
设为12kpa，出口压强p
out
设为0pa。
[0044]
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：
[0045][0046][0047][0048][0049][0050][0051]
表示各种离子入口浓度，i＝2,3,4,5表示对应价态的钒离子，与分别为正极和负极钒离子 的初始浓度，在此模型中设为1000mol m-3
。模型收敛的相对误差因子为1
×
10-6
。
[0052]
在100ma cm-2
的电流密度下充电，soc为50％时，对实施例1、2和对比例3模拟 计算得到的结果如下表所示：
[0053][0054]
可见，采用本发明的双极板结构可以显著提高反应活性物质分布的均匀性，降低极 化，减少局部效应，提高功率密度，降低成本。