一种适用于梯形液流电池的双极板的制作方法

本实用新型涉及液流电池领域，特别涉及液流电池或电堆双极板。

背景技术：

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，与矩形电池相比，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。

技术实现要素：

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导流四边形结构，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，同时通过设置梯形电极区域和导流四边形结构高度或深度可实现电极压缩比的调控而无需外加附件，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。

为实现上述目的，本实用新型提供的具体技术方案如下:

一种适用于梯形液流电池或电堆的双极板，梯形液流电池或电堆是指电极为梯形电极的液流电池或电堆，包括双极板，其特征在于：所述双极板为一平板状结构，在平板的一侧表面或二侧表面中部设有凸台或凹槽，凸台或凹槽平行于板体平面的截面为等腰梯形，凸台或凹槽所在区域称之为梯形电极区域，在梯形电极区域凸台远离板体平面的表面或凹槽底面设置有长条状凹槽或长条状凸起，长条状凹槽或长条状凸起平行于板体平面的截面为四边形或多边形，称之为导流四边形结构。

本实用新型电池或电堆设计标准为：长条状凹槽或长条状凸起的长度方向的二端分别面向梯形电极区域等腰梯形的两条底边。长条状凹槽或长条状凸起平行于板体平面的截面为四边形；梯形电极区域位于平行于板体平面的A平面上的等腰梯形截面的二条腰的延长线交于一点B，过点B且垂直于平面A的直线与另一平行于板体、且经过导流四边形结构的平面C交于点D，导流四边形结构的位于C平面上的四边形截面的两条较长边所在的直线与同时过该较长边上任意一点和点D的直线间的夹角为0～10°，以使电解液大致如图1最右侧所示沿径向流动，提高电解液分布的均匀性。

作为优选，所述梯形电极区域高度或深度为0～100mm。

作为优选，所述导流四边形结构宽度为0.1～100mm，高度或深度为0.1～100mm。

作为优选，所述导流四边形结构宽度和高度/深度相同，或遵循靠近梯形电极区域两底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。

作为优选，所述电解液流入、流出口直径0.1～100mm。

所述梯形电极区域，靠近电解液流入口一侧为梯形长底边，相对侧为短底边；位于梯形中轴线同侧的电解液入口和出口属于不同极电解液的流入和流出口；板体上梯形电极区域四周板体宽度为1～500mm；板体厚度为0.1～100mm。

作为优选，所述导流四边形结构内部转角与各边缘交汇处均为弧形过渡。

本实用新型提供的双极板材质可以选用石墨等材料，但不限于此。板体上的凹凸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，本实用新型采用的双极板结构特别适用与梯形液流电池，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，且可通过调整梯形电极区域和导流四边形结构的高度或深度达到调整电极压缩比的目的而无需外加部件，从而降低接触电阻和内部极化，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。

本实用新型技术方案带来的有益效果

该双极板结构简单，加工方便，通过促使电解液沿梯形所在扇形的径向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：

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。

根据梯形电堆设计原理，如图1所示，相对于垂直进口截面，流体沿梯形所在的扇形径向流动时两腰不会产生阻碍作用，此时流体分布最为均匀，故在双极板上设计径向的凹凸结构，可在一定程度上促使电解液沿径向流动，从而提高活性物质分布的均匀性，降低极化，并降低压力损耗；同时，通过调整梯形电极区域和导流四边形结构的高度或深度可调控电极压缩比而无需外加附件，从而降低极化，最终提升电池性能。

附图说明

图1流体在矩形和梯形流场内的流动方向示意图

图2实施例1的一种液流电池双极板图。

图3实施例2的一种液流电池双极板图。

图4实施例3的一种液流电池双极板图。

图5实施例4的一种液流电池双极板图。

图6对比例5的梯形电极区域高度或深度为0且无导流四边形结构的平板结构图。

符号说明：

1-负极电解液流入口，2-板体，3-梯形电极区域下底边，4-梯形电极区域，5-导流四边形结构，6-正极电解液流入口，7-负极电解液流出口，8-梯形电极区域上底边，9-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7、正极电解液流入口6、正极电解液流出口9。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7和正极电解液流出口9位于板体板体梯形上底边侧。板体中部设置有梯形电极区域4，该区域为等腰梯形凸台，梯形电极区域内设有导流四边形结构，该四边型结构为平行四边形凸台。

板体厚度8mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口7、正极电解液流入口6和正极电解液流出口9均为圆形，直径14mm；梯形电极区域所在的等腰梯形凸台下底边为424mm，上底边和高均为212mm，凸台高1mm。平行四边形凸台高度1mm，共80个，排成4行20列，每一列平行四边形的较长边位于同一条直线上，且该直线的垂直投影经过等腰梯形凸台两腰延长线垂直投影的交点；同一行的平行四边形的较短边位于同一直线上，且各长3.5mm，该直线与梯形电极区域的两底边平行。

板体两面加工有相同的凸台结构；所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。双极板上的凸台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7、正极电解液流入口6、正极电解液流出口9。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7和正极电解液流出口9位于板体板体梯形上底边侧。板体中部设置有梯形电极区域4，该区域为等腰梯形凹槽，梯形电极区域内设有导流四边形结构，该四边型结构为梯形凸台。

板体厚度10mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口7、正极电解液流入口6和正极电解液流出口9均为圆形，直径14mm；梯形电极区域所在的等腰梯形凸台下底边为424mm，上底边和高均为212mm，凸台高1mm。梯形凸台高度2mm，共21个，排成2行，靠近等腰梯形凹槽上底边的一行有10个梯形凸台，靠近等腰梯形凹槽下底边的一行有11个梯形凸台，连接梯形凸台腰上任意一点与等腰梯形凹槽两腰延长线垂直投影的交点所成线段与该腰所在直线夹角为2°；靠近等腰梯形凹槽上底边的一行的梯形凸台上底边位于等腰梯形凹槽上底边上，且各长3.5mm，高为101mm，靠近等腰梯形凹槽下底边的一行的梯形凸台下底边位于等腰梯形凹槽下底边上，且各长4.5mm，高为101mm。双极板上的凹凸结构采用机械加工雕刻成型。

实施例3

如图4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7、正极电解液流入口6、正极电解液流出口9。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7和正极电解液流出口9位于板体板体梯形上底边侧。板体中部设置有梯形电极区域4，该区域为等腰梯形凹槽，梯形电极区域内设有导流四边形结构，该四边型结构为梯形凹槽。

板体厚度12mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口7、正极电解液流入口6和正极电解液流出口9均为圆形，直径14mm；梯形电极区域所在的等腰梯形凹槽下底边为424mm，上底边和高均为212mm，凹槽深度1mm。梯形凹槽深度1mm，共21个，排成2行，靠近等腰梯形凹槽上底边的一行有10个梯形凹槽，靠近等腰梯形凹槽下底边的一行有11个梯形凹槽，连接梯形凹槽腰上任意一点与等腰梯形凹槽两腰延长线垂直投影的交点所成线段与该腰所在直线夹角为3°；靠近等腰梯形凹槽上底边的一行的梯形凹槽上底边位于等腰梯形凹槽上底边上，且各长3mm，高为168mm，靠近等腰梯形凹槽下底边的一行的梯形凹槽下底边位于等腰梯形凹槽下底边上，且各长5mm，高为170mm。

板体两面加工有相同的凹槽结构；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4

如图5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7、正极电解液流入口6、正极电解液流出口9。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7和正极电解液流出口9位于板体板体梯形上底边侧。板体中部设置有梯形电极区域4，该区域为等腰梯形凸台，梯形电极区域内设有导流四边形结构，该四边型结构为近似梯形凹槽。

板体厚度9mm；负极电解液流入口1、负极电解液流出口7、正极电解液流入口6和正极电解液流出口9均为圆形，直径14mm；梯形电极区域所在的等腰梯形凸台下底边为424mm，上底边和高均为212mm，凸台高度2mm。近似梯形凹槽深度1.5mm，共14个，排成1行，凹槽主体部分为梯形，但上下底变被圆弧代替，连接近似梯形凹槽腰上任意一点与等腰梯形凸台两腰延长线垂直投影的交点所成线段与该腰所在直线重合；近似梯形凹槽上底边长3mm，下底边长4.5mm，高为175mm。

所有存在转角的交汇点均以弧形过渡。双极板上的凹凸结构采用机械加工雕刻成型。

对比例5

对比例为梯形电极区域高度或深度为0且无导流四边形结构的平板，结构如图6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24000Pa，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1000mol m^-3。模型收敛的相对误差因子为1×10^-6。

以厚度5mm的碳毡为电极，在120mA cm^-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：

可见，采用本实用新型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。