一種氧化還原液流電池及其應(yīng)用的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種氧化還原液流電池，其包括正極循環(huán)泵、正極管路、負(fù)極循環(huán)泵、負(fù)極管路、正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐，其中正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐放置于同一水平面上。正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間通過(guò)兩端開(kāi)口、內(nèi)部充滿電解液，等效直徑徑在0.1mm～8mm之間，個(gè)數(shù)不小于1根的導(dǎo)管相連通，導(dǎo)管的兩端分別位于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之下，導(dǎo)管中的一部份處于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之上。充滿電解液的導(dǎo)管于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐間構(gòu)成虹吸結(jié)構(gòu)，保持正、負(fù)極電解液儲(chǔ)罐內(nèi)的電解液時(shí)時(shí)連通。本發(fā)明的液流儲(chǔ)能電池可以有效延緩因離子和水的遷移造成的正負(fù)極兩側(cè)電解液的失衡，抑制容量衰減。
【專利說(shuō)明】一種氧化還原液流電池及其應(yīng)用

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)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(shù)】
[0002] 能源是國(guó)民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和國(guó)家安全的重要基礎(chǔ)，電力作為清潔便利的二次能 源利用形式，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，需求量日益增加?；茉吹拇罅肯乃斐傻沫h(huán)境壓力 日益突出，研究開(kāi)發(fā)和大規(guī)模利用風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排以及能源多樣 化成為世界各國(guó)能源安全和可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略。風(fēng)能、太陽(yáng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng) 具有不連續(xù)、不穩(wěn)定的非穩(wěn)態(tài)特征，大規(guī)模高效儲(chǔ)能技術(shù)是解決這一問(wèn)題的關(guān)鍵技術(shù)。液流 儲(chǔ)能電池是一種大規(guī)模高效電化學(xué)儲(chǔ)能裝置，相比于其他儲(chǔ)能技術(shù)具有能量轉(zhuǎn)換效率高， 蓄電容量大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，可靠性高，可深度放電，以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低和環(huán)境友好等優(yōu) 點(diǎn)。尤其是其容量與功率可獨(dú)立設(shè)計(jì)的特點(diǎn)，非常適合發(fā)展大規(guī)模儲(chǔ)能，在風(fēng)力發(fā)電、光伏 發(fā)電、電網(wǎng)調(diào)峰、分布電站、軍用蓄電、市政交通、通訊基站、UPS電源等領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前 旦 -5^ 〇
[0003] 全釩氧化還原液流電池作為最具有商業(yè)化潛力的電化學(xué)儲(chǔ)能技術(shù)，其采用離子交 換膜將正極和負(fù)極隔開(kāi)，通過(guò)正極和負(fù)極各自閉合的循環(huán)管路，用循環(huán)泵使得電解液儲(chǔ)罐 中的電解液流入電池中的電極表面，利用正負(fù)極電解液中不同價(jià)態(tài)的金屬釩離子之間的相 互轉(zhuǎn)化，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。但在電池實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，由于正負(fù)極各自的離子以及水可 以通過(guò)離子交換膜發(fā)生遷移，導(dǎo)致兩極電解液的離子濃度和體積不平衡，進(jìn)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(zhǎng)時(shí)間持續(xù)運(yùn)行的方法（申請(qǐng)?zhí)枺?00910210176. 9)提出 將正負(fù)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(yùn)行多個(gè)循 環(huán)后，外加電能(如泵）將電解液體積多的一極的電解液抽出，并轉(zhuǎn)移到另一極電解液儲(chǔ)罐 中，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度和后期維護(hù)費(fèi)用，降低了系統(tǒng)效率；而另外兩種方法都是采用連通 器的原理，利用重力使兩極電解液儲(chǔ)罐中的電解液實(shí)現(xiàn)再平衡。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的在于延緩因離子和水的遷移造成的正負(fù)極兩側(cè)電解液的失衡，抑制 容量衰減。
[0006] 為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0007] -種氧化還原液流電池，其包括正極循環(huán)泵、正極管路、負(fù)極循環(huán)泵、負(fù)極管路、裝 填有電解液的正極電解液儲(chǔ)罐和裝填有電解液的負(fù)極電解液儲(chǔ)罐，所述正極電解液儲(chǔ)罐和 負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間通過(guò)兩端開(kāi)口、內(nèi)部充滿電解液的導(dǎo)管相連通，導(dǎo)管的兩端分別位于 正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之下，導(dǎo)管中的一部份處于正極電解液儲(chǔ) 罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之上。充滿電解液的導(dǎo)管與正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解 液儲(chǔ)罐間構(gòu)成虹吸結(jié)構(gòu)，保持正、負(fù)極電解液儲(chǔ)罐內(nèi)的電解液時(shí)時(shí)連通。
[0008] 所述的氧化還原液流電池中導(dǎo)管的等效直徑為0. 1_-8_，其中等效直徑定義為 4倍的過(guò)流斷面的面積與過(guò)流斷面上流體與固體接觸的周長(zhǎng)的比值。
[0009] 所述導(dǎo)管的個(gè)數(shù)為1根或2根以上。
[0010] 所述導(dǎo)管處于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之上部份的壁上 開(kāi)設(shè)有注液孔，并于注液孔處裝有閥門(mén)。
[0011] 所述氧化還原液流電池的正極電解液儲(chǔ)罐經(jīng)正極循環(huán)泵通過(guò)正極管路與電池正 極入口連接，電池正極出口連接經(jīng)正極管路與正極電解液儲(chǔ)罐相連接；負(fù)極電解液儲(chǔ)罐經(jīng) 負(fù)極循環(huán)泵通過(guò)負(fù)極管路與電池負(fù)極入口連接，電池負(fù)極出口連接經(jīng)負(fù)極管路與負(fù)極電解 液儲(chǔ)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(yīng)用中可延緩氧化還原液流電池容量衰減。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0014] 圖1正極電解液儲(chǔ)罐與負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間用導(dǎo)管連接的氧化還原液流電池；
[0015] 圖2正極電解液儲(chǔ)罐與負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間的導(dǎo)管的一種連接方式；
[0016] 圖3正極電解液儲(chǔ)罐與負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間的導(dǎo)管的另一種連接方式；
[0017] 圖4正極電解液儲(chǔ)罐與負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間的導(dǎo)管的又一種連接方式；
[0018] 圖5正極電解液儲(chǔ)罐與負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間無(wú)導(dǎo)管連接的氧化還原液流電池。

【具體實(shí)施方式】
[0019] 本發(fā)明所提供的一種氧化還原液流電池，其包括正極循環(huán)泵、正極管路、負(fù)極循環(huán) 泵、負(fù)極管路、正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐，其中正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐 放置于同一水平面上。正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間通過(guò)兩端開(kāi)口、內(nèi)部充滿電 解液，等效直徑在〇. 1mm?8mm之間，個(gè)數(shù)不小于1根的導(dǎo)管相連通，導(dǎo)管的兩端分別位于 正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之下，導(dǎo)管中的一部份處于正極電解液儲(chǔ) 罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之上。
[0020] 在本發(fā)明的優(yōu)選例中，導(dǎo)管位于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面 以上，并且可以水平放置，如圖2所示，也可在空間上傾斜一定角度，如圖3所示?？紤]到電 解液儲(chǔ)罐的密封，導(dǎo)管可以從電解液儲(chǔ)罐的上壁伸出，如圖2、圖3所示，也可以從電解液儲(chǔ) 罐的側(cè)壁伸出，如圖4所示；導(dǎo)管與儲(chǔ)罐壁之間的連接方式也沒(méi)有限制，以不泄漏電解液為 準(zhǔn)，可以是法蘭連接，也可以用膠粘接。總之，可以遵從當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境以及施工條件選擇 恰當(dāng)?shù)倪B接方式。
[0021] 本發(fā)明采用虹吸原理連接正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐中的電解液，使之能 自動(dòng)完成平衡的過(guò)程，能長(zhǎng)時(shí)間保持液面高度幾乎相同。在多次充放電循環(huán)后，兩側(cè)活性物 質(zhì)會(huì)在離子交換膜兩側(cè)出現(xiàn)遷移，造成濃度差。該濃度差成為導(dǎo)管內(nèi)離子遷移的動(dòng)力，濃度 高的一側(cè)離子向濃度低的一側(cè)遷移，從而保證了正、負(fù)極電解液中活性物質(zhì)的平衡。
[0022] 導(dǎo)管應(yīng)選用耐電解液腐蝕的材料制成，不限制為硬性材料，優(yōu)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、聚砜、聚醚砜、聚醚、聚酰胺、聚酰亞胺、聚苯 硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、砸萘聯(lián)苯聚醚酮、聚苯并咪唑、聚苯乙烯、聚異丁烯、聚丙烯腈中的 一種或多種材料組合制成。
[0023] 本發(fā)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(huán)泵、正極管路、負(fù)極循環(huán)泵、負(fù)極管路、正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ) 罐，其中正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐放置于同一水平面上。正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極 電解液儲(chǔ)罐之間通過(guò)兩端開(kāi)口、內(nèi)部充滿電解液，等效直徑在0. 1mm?8mm之間，個(gè)數(shù)不小 于1根的導(dǎo)管相連通，導(dǎo)管的兩端分別位于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液 面之下，導(dǎo)管中的一部份處于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之上。
[0024] 在該方法的優(yōu)選例中，導(dǎo)管位于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面 以上，并且可以水平放置，如圖2所示，也可在空間上傾斜一定角度，如圖3所示?？紤]到電 解液儲(chǔ)罐的密封，導(dǎo)管可以從電解液儲(chǔ)罐的上壁伸出，如圖2、圖3所示，也可以從電解液儲(chǔ) 罐的側(cè)壁伸出，如圖4所示；導(dǎo)管與儲(chǔ)罐壁之間的連接方式也沒(méi)有限制，以不泄漏電解液為 準(zhǔn)，可以是法蘭連接，也可以用膠粘接?？傊?，可以遵從當(dāng)時(shí)、當(dāng)?shù)氐沫h(huán)境以及施工條件選擇 恰當(dāng)?shù)倪B接方式。
[0025] 所述延緩氧化還原液流電池容量衰減的方法采用虹吸原理連接正極電解液儲(chǔ)罐 和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐中的電解液，使之能自動(dòng)完成平衡的過(guò)程，能長(zhǎng)時(shí)間保持液面高度幾乎 相同。在多次充放電循環(huán)后，兩側(cè)活性物質(zhì)會(huì)在離子交換膜兩側(cè)出現(xiàn)遷移，造成濃度差。該 濃度差成為導(dǎo)管內(nèi)離子遷移的動(dòng)力，濃度高的一側(cè)離子向濃度低的一側(cè)遷移，從而保證了 正、負(fù)極電解液中活性物質(zhì)的平衡。
[0026] 該方法中的導(dǎo)管應(yīng)選用耐電解液腐蝕的材料制成，不限制為硬性材料，優(yōu)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、聚砜、聚醚砜、聚醚、聚酰胺、聚 酰亞胺、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、砸萘聯(lián)苯聚醚酮、聚苯并咪唑、聚苯乙烯、聚異丁烯、 聚丙烯腈中的一種或多種材料組合制成。
[0027] 實(shí)施例
[0028] 以本發(fā)明提出的氧化還原液流電池為例，詳細(xì)的說(shuō)明本發(fā)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(jié)單電池組裝而成，每節(jié)電池之間采用雙 極板進(jìn)行電路連接，電極面積875cm 2,采用非氟離子交換膜，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(dǎo)管內(nèi)徑3mm，長(zhǎng)度150cm。
[0029] 對(duì)比例
[0030] 采用圖5中的氧化還原液流電池，S卩：正極電解液儲(chǔ)罐與負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間無(wú) 導(dǎo)管連接。
[0031] 經(jīng)過(guò)多個(gè)循環(huán)后，電池的性能以及液面的變化如下表所示：
[0032]
[0033]

【權(quán)利要求】
1. 一種氧化還原液流電池，其包括正極循環(huán)泵、正極管路、負(fù)極循環(huán)泵、負(fù)極管路、裝填 有電解液的正極電解液儲(chǔ)罐和裝填有電解液的負(fù)極電解液儲(chǔ)罐，其特征在于：所述正極電 解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐之間通過(guò)兩端開(kāi)口、內(nèi)部充滿電解液的導(dǎo)管相連通，導(dǎo)管的兩 端分別位于正極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之下，導(dǎo)管中的一部份處于正 極電解液儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之上；充滿電解液的導(dǎo)管與正極電解液儲(chǔ)罐 和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐間構(gòu)成虹吸結(jié)構(gòu)，保持正、負(fù)極電解液儲(chǔ)罐內(nèi)的電解液時(shí)時(shí)連通。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化還原液流電池，其特征在于：所述導(dǎo)管的等效直徑為 0. lmm-8mm，其中等效直徑定義為4倍的過(guò)流斷面的面積與過(guò)流斷面上流體與固體接觸的 周長(zhǎng)的比值。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化還原液流電池，其特征在于：所述導(dǎo)管的個(gè)數(shù)為1根或2 根以上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的氧化還原液流電池，其特征在于：所述導(dǎo)管處于正極電解液 儲(chǔ)罐和負(fù)極電解液儲(chǔ)罐的電解液液面之上部份的壁上開(kāi)設(shè)有注液孔，并于注液孔處裝有閥 門(mén)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1的氧化還原液流電池，其特征在于：正極電解液儲(chǔ)罐經(jīng)正極循環(huán)泵 通過(guò)正極管路與電池正極入口連接，電池正極出口連接經(jīng)正極管路與正極電解液儲(chǔ)罐相連 接；負(fù)極電解液儲(chǔ)罐經(jīng)負(fù)極循環(huán)泵通過(guò)負(fù)極管路與電池負(fù)極入口連接，電池負(fù)極出口連接 經(jīng)負(fù)極管路與負(fù)極電解液儲(chǔ)罐相連接。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1的氧化還原液流電池，其特征在于：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(quán)利要求1-6中任一所述氧化還原液流電池的應(yīng)用，其在應(yīng)用中可延緩氧化還 原液流電池容量衰減。
【文檔編號(hào)】H01M8/02GK104143650SQ201310169717
【公開(kāi)日】2014年11月12日 申請(qǐng)日期:2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月9日
【發(fā)明者】邢楓, 張華民, 李先鋒 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所