一種氧化還原液流電池及其應用的製作方法
2024-02-19 12:40:15 1
一種氧化還原液流電池及其應用的製作方法
【專利摘要】本發明涉及一種氧化還原液流電池，其包括正極循環泵、正極管路、負極循環泵、負極管路、正極電解液儲罐和負極電解液儲罐，其中正極電解液儲罐和負極電解液儲罐放置於同一水平面上。正極電解液儲罐和負極電解液儲罐之間通過兩端開口、內部充滿電解液，等效直徑徑在0.1mm～8mm之間，個數不小於1根的導管相連通，導管的兩端分別位於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之下，導管中的一部份處於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之上。充滿電解液的導管於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐間構成虹吸結構，保持正、負極電解液儲罐內的電解液時時連通。本發明的液流儲能電池可以有效延緩因離子和水的遷移造成的正負極兩側電解液的失衡，抑制容量衰減。
【專利說明】一種氧化還原液流電池及其應用
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種氧化還原液流電池，還涉及一種延緩電池容量衰減的方法。
【背景技術】
[0002] 能源是國民經濟可持續發展和國家安全的重要基礎，電力作為清潔便利的二次能 源利用形式，隨著經濟的發展，需求量日益增加。化石能源的大量消耗所造成的環境壓力 日益突出，研究開發和大規模利用風能、太陽能等可再生能源，實現節能減排以及能源多樣 化成為世界各國能源安全和可持續發展的重要戰略。風能、太陽能等可再生能源發電系統 具有不連續、不穩定的非穩態特徵，大規模高效儲能技術是解決這一問題的關鍵技術。液流 儲能電池是一種大規模高效電化學儲能裝置，相比於其他儲能技術具有能量轉換效率高， 蓄電容量大，系統設計靈活，可靠性高，可深度放電，以及運行維護費用低和環境友好等優 點。尤其是其容量與功率可獨立設計的特點，非常適合發展大規模儲能，在風力發電、光伏 發電、電網調峰、分布電站、軍用蓄電、市政交通、通訊基站、UPS電源等領域有良好的應用前 旦 -5^ 〇
[0003] 全釩氧化還原液流電池作為最具有商業化潛力的電化學儲能技術，其採用離子交 換膜將正極和負極隔開，通過正極和負極各自閉合的循環管路，用循環泵使得電解液儲罐 中的電解液流入電池中的電極表面，利用正負極電解液中不同價態的金屬釩離子之間的相 互轉化，將化學能轉化為電能。但在電池實際運行過程中，由於正負極各自的離子以及水可 以通過離子交換膜發生遷移，導致兩極電解液的離子濃度和體積不平衡，進而造成電池容 量衰減，效率下降。
[0004] US6764789提供了兩種緩解電池容量衰減的方法，分別是電解液批處理法以及溢 流法；氧化還原液流電池和使電池長時間持續運行的方法（申請號：200910210176. 9)提出 將正負極電解液液面以下部分用管路連通的方法。其中批處理方法需要在電池運行多個循 環後，外加電能(如泵）將電解液體積多的一極的電解液抽出，並轉移到另一極電解液儲罐 中，增加了系統的複雜度和後期維護費用，降低了系統效率；而另外兩種方法都是採用連通 器的原理，利用重力使兩極電解液儲罐中的電解液實現再平衡。
【發明內容】
[0005] 本發明的目的在於延緩因離子和水的遷移造成的正負極兩側電解液的失衡，抑制 容量衰減。
[0006] 為達到上述目的，本發明採用的技術方案為：
[0007] -種氧化還原液流電池，其包括正極循環泵、正極管路、負極循環泵、負極管路、裝 填有電解液的正極電解液儲罐和裝填有電解液的負極電解液儲罐，所述正極電解液儲罐和 負極電解液儲罐之間通過兩端開口、內部充滿電解液的導管相連通，導管的兩端分別位於 正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之下，導管中的一部份處於正極電解液儲 罐和負極電解液儲罐的電解液液面之上。充滿電解液的導管與正極電解液儲罐和負極電解 液儲罐間構成虹吸結構，保持正、負極電解液儲罐內的電解液時時連通。
[0008] 所述的氧化還原液流電池中導管的等效直徑為0. 1_-8_，其中等效直徑定義為 4倍的過流斷面的面積與過流斷面上流體與固體接觸的周長的比值。
[0009] 所述導管的個數為1根或2根以上。
[0010] 所述導管處於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之上部份的壁上 開設有注液孔，並於注液孔處裝有閥門。
[0011] 所述氧化還原液流電池的正極電解液儲罐經正極循環泵通過正極管路與電池正 極入口連接，電池正極出口連接經正極管路與正極電解液儲罐相連接；負極電解液儲罐經 負極循環泵通過負極管路與電池負極入口連接，電池負極出口連接經負極管路與負極電解 液儲罐相連接。
[0012] 上述的氧化還原液流電池是全釩氧化還原液流電池。
[0013] 上述的氧化還原液流電池，其在應用中可延緩氧化還原液流電池容量衰減。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014] 圖1正極電解液儲罐與負極電解液儲罐之間用導管連接的氧化還原液流電池；
[0015] 圖2正極電解液儲罐與負極電解液儲罐之間的導管的一種連接方式；
[0016] 圖3正極電解液儲罐與負極電解液儲罐之間的導管的另一種連接方式；
[0017] 圖4正極電解液儲罐與負極電解液儲罐之間的導管的又一種連接方式；
[0018] 圖5正極電解液儲罐與負極電解液儲罐之間無導管連接的氧化還原液流電池。
【具體實施方式】
[0019] 本發明所提供的一種氧化還原液流電池，其包括正極循環泵、正極管路、負極循環 泵、負極管路、正極電解液儲罐和負極電解液儲罐，其中正極電解液儲罐和負極電解液儲罐 放置於同一水平面上。正極電解液儲罐和負極電解液儲罐之間通過兩端開口、內部充滿電 解液，等效直徑在〇. 1mm?8mm之間，個數不小於1根的導管相連通，導管的兩端分別位於 正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之下，導管中的一部份處於正極電解液儲 罐和負極電解液儲罐的電解液液面之上。
[0020] 在本發明的優選例中，導管位於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面 以上，並且可以水平放置，如圖2所示，也可在空間上傾斜一定角度，如圖3所示。考慮到電 解液儲罐的密封，導管可以從電解液儲罐的上壁伸出，如圖2、圖3所示，也可以從電解液儲 罐的側壁伸出，如圖4所示；導管與儲罐壁之間的連接方式也沒有限制，以不洩漏電解液為 準，可以是法蘭連接，也可以用膠粘接。總之，可以遵從當時、當地的環境以及施工條件選擇 恰當的連接方式。
[0021] 本發明採用虹吸原理連接正極電解液儲罐和負極電解液儲罐中的電解液，使之能 自動完成平衡的過程，能長時間保持液面高度幾乎相同。在多次充放電循環後，兩側活性物 質會在離子交換膜兩側出現遷移，造成濃度差。該濃度差成為導管內離子遷移的動力，濃度 高的一側離子向濃度低的一側遷移，從而保證了正、負極電解液中活性物質的平衡。
[0022] 導管應選用耐電解液腐蝕的材料製成，不限制為硬性材料，優選能夠耐電解液腐 蝕的高分子材料，如聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氯化聚丙烯、氯化 聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚醇、聚碸、聚醚碸、聚醚、聚醯胺、聚醯亞胺、聚苯 硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、砸萘聯苯聚醚酮、聚苯並咪唑、聚苯乙烯、聚異丁烯、聚丙烯腈中的 一種或多種材料組合製成。
[0023] 本發明還提供一種延緩氧化還原液流電池容量衰減的方法，該方法中的氧化還原 電池包括正極循環泵、正極管路、負極循環泵、負極管路、正極電解液儲罐和負極電解液儲 罐，其中正極電解液儲罐和負極電解液儲罐放置於同一水平面上。正極電解液儲罐和負極 電解液儲罐之間通過兩端開口、內部充滿電解液，等效直徑在0. 1mm?8mm之間，個數不小 於1根的導管相連通，導管的兩端分別位於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液 面之下，導管中的一部份處於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之上。
[0024] 在該方法的優選例中，導管位於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面 以上，並且可以水平放置，如圖2所示，也可在空間上傾斜一定角度，如圖3所示。考慮到電 解液儲罐的密封，導管可以從電解液儲罐的上壁伸出，如圖2、圖3所示，也可以從電解液儲 罐的側壁伸出，如圖4所示；導管與儲罐壁之間的連接方式也沒有限制，以不洩漏電解液為 準，可以是法蘭連接，也可以用膠粘接。總之，可以遵從當時、當地的環境以及施工條件選擇 恰當的連接方式。
[0025] 所述延緩氧化還原液流電池容量衰減的方法採用虹吸原理連接正極電解液儲罐 和負極電解液儲罐中的電解液，使之能自動完成平衡的過程，能長時間保持液面高度幾乎 相同。在多次充放電循環後，兩側活性物質會在離子交換膜兩側出現遷移，造成濃度差。該 濃度差成為導管內離子遷移的動力，濃度高的一側離子向濃度低的一側遷移，從而保證了 正、負極電解液中活性物質的平衡。
[0026] 該方法中的導管應選用耐電解液腐蝕的材料製成，不限制為硬性材料，優選能夠 耐電解液腐蝕的高分子材料，如聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、氯化 聚丙烯、氯化聚乙烯、聚偏二氟乙烯、聚酯、聚碳酸酯、聚醇、聚碸、聚醚碸、聚醚、聚醯胺、聚 醯亞胺、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、砸萘聯苯聚醚酮、聚苯並咪唑、聚苯乙烯、聚異丁烯、 聚丙烯腈中的一種或多種材料組合製成。
[0027] 實施例
[0028] 以本發明提出的氧化還原液流電池為例，詳細的說明本發明介紹的電池以及方 法，圖1為該例子中的氧化還原液流電池，其由10節單電池組裝而成，每節電池之間採用雙 極板進行電路連接，電極面積875cm 2,採用非氟離子交換膜，電解液釩離子濃度為1. 5mol/ L，充放電電流密度80mA/cm2,充電截止電壓和放電截止電壓分別為15. 5V和10V，電解液體 積30L，初始電解液液面相平，導管內徑3mm，長度150cm。
[0029] 對比例
[0030] 採用圖5中的氧化還原液流電池，S卩：正極電解液儲罐與負極電解液儲罐之間無 導管連接。
[0031] 經過多個循環後，電池的性能以及液面的變化如下表所示：
[0032]
[0033]
【權利要求】
1. 一種氧化還原液流電池，其包括正極循環泵、正極管路、負極循環泵、負極管路、裝填 有電解液的正極電解液儲罐和裝填有電解液的負極電解液儲罐，其特徵在於：所述正極電 解液儲罐和負極電解液儲罐之間通過兩端開口、內部充滿電解液的導管相連通，導管的兩 端分別位於正極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之下，導管中的一部份處於正 極電解液儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之上；充滿電解液的導管與正極電解液儲罐 和負極電解液儲罐間構成虹吸結構，保持正、負極電解液儲罐內的電解液時時連通。
2. 根據權利要求1所述的氧化還原液流電池，其特徵在於：所述導管的等效直徑為 0. lmm-8mm，其中等效直徑定義為4倍的過流斷面的面積與過流斷面上流體與固體接觸的 周長的比值。
3. 根據權利要求1所述的氧化還原液流電池，其特徵在於：所述導管的個數為1根或2 根以上。
4. 根據權利要求1所述的氧化還原液流電池，其特徵在於：所述導管處於正極電解液 儲罐和負極電解液儲罐的電解液液面之上部份的壁上開設有注液孔，並於注液孔處裝有閥 門。
5. 根據權利要求1的氧化還原液流電池，其特徵在於：正極電解液儲罐經正極循環泵 通過正極管路與電池正極入口連接，電池正極出口連接經正極管路與正極電解液儲罐相連 接；負極電解液儲罐經負極循環泵通過負極管路與電池負極入口連接，電池負極出口連接 經負極管路與負極電解液儲罐相連接。
6. 根據權利要求1的氧化還原液流電池，其特徵在於：所述的氧化還原液流電池是全 釩氧化還原液流電池。
7. -種權利要求1-6中任一所述氧化還原液流電池的應用，其在應用中可延緩氧化還 原液流電池容量衰減。
【文檔編號】H01M8/02GK104143650SQ201310169717
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月9日 優先權日:2013年5月9日
【發明者】邢楓, 張華民, 李先鋒 申請人:中國科學院大連化學物理研究所