CN104143650A - 一种氧化还原液流电池及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氧化还原液流电池，其包括正极循环泵、正极管路、负极循环泵、负极管路、正极电解液储罐和负极电解液储罐，其中正极电解液储罐和负极电解液储罐放置于同一水平面上。正极电解液储罐和负极电解液储罐之间通过两端开口、内部充满电解液，等效直径径在0.1mm～8mm之间，个数不小于1根的导管相连通，导管的两端分别位于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之下，导管中的一部份处于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之上。充满电解液的导管于正极电解液储罐和负极电解液储罐间构成虹吸结构，保持正、负极电解液储罐内的电解液时时连通。本发明的液流储能电池可以有效延缓因离子和水的迁移造成的正负极两侧电解液的失衡，抑制容量衰减。

Description

一种氧化还原液流电池及其应用
技术领域
本发明涉及一种氧化还原液流电池，还涉及一种延缓电池容量衰减的方法。
背景技术
能源是国民经济可持续发展和国家安全的重要基础，电力作为清洁便利的二次能源利用形式，随着经济的发展，需求量日益增加。化石能源的大量消耗所造成的环境压力日益突出，研究开发和大规模利用风能、太阳能等可再生能源，实现节能减排以及能源多样化成为世界各国能源安全和可持续发展的重要战略。风能、太阳能等可再生能源发电系统具有不连续、不稳定的非稳态特征，大规模高效储能技术是解决这一问题的关键技术。液流储能电池是一种大规模高效电化学储能装置，相比于其他储能技术具有能量转换效率高，蓄电容量大，系统设计灵活，可靠性高，可深度放电，以及运行维护费用低和环境友好等优点。尤其是其容量与功率可独立设计的特点，非常适合发展大规模储能，在风力发电、光伏发电、电网调峰、分布电站、军用蓄电、市政交通、通讯基站、UPS电源等领域有良好的应用前景。
全钒氧化还原液流电池作为最具有商业化潜力的电化学储能技术，其采用离子交换膜将正极和负极隔开，通过正极和负极各自闭合的循环管路，用循环泵使得电解液储罐中的电解液流入电池中的电极表面，利用正负极电解液中不同价态的金属钒离子之间的相互转化，将化学能转化为电能。但在电池实际运行过程中，由于正负极各自的离子以及水可以通过离子交换膜发生迁移，导致两极电解液的离子浓度和体积不平衡，进而造成电池容量衰减，效率下降。
US6764789提供了两种缓解电池容量衰减的方法，分别是电解液批处理法以及溢流法；氧化还原液流电池和使电池长时间持续运行的方法（申请号：200910210176.9）提出将正负极电解液液面以下部分用管路连通的方法。其中批处理方法需要在电池运行多个循环后，外加电能（如泵）将电解液体积多的一极的电解液抽出，并转移到另一极电解液储罐中，增加了系统的复杂度和后期维护费用，降低了系统效率；而另外两种方法都是采用连通器的原理，利用重力使两极电解液储罐中的电解液实现再平衡。
发明内容
本发明的目的在于延缓因离子和水的迁移造成的正负极两侧电解液的失衡，抑制容量衰减。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种氧化还原液流电池，其包括正极循环泵、正极管路、负极循环泵、负极管路、装填有电解液的正极电解液储罐和装填有电解液的负极电解液储罐，所述正极电解液储罐和负极电解液储罐之间通过两端开口、内部充满电解液的导管相连通，导管的两端分别位于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之下，导管中的一部份处于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之上。充满电解液的导管与正极电解液储罐和负极电解液储罐间构成虹吸结构，保持正、负极电解液储罐内的电解液时时连通。
所述的氧化还原液流电池中导管的等效直径为0.1mm-8mm，其中等效直径定义为4倍的过流断面的面积与过流断面上流体与固体接触的周长的比值。
所述导管的个数为1根或2根以上。
所述导管处于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之上部份的壁上开设有注液孔，并于注液孔处装有阀门。
所述氧化还原液流电池的正极电解液储罐经正极循环泵通过正极管路与电池正极入口连接，电池正极出口连接经正极管路与正极电解液储罐相连接；负极电解液储罐经负极循环泵通过负极管路与电池负极入口连接，电池负极出口连接经负极管路与负极电解液储罐相连接。
上述的氧化还原液流电池是全钒氧化还原液流电池。
上述的氧化还原液流电池，其在应用中可延缓氧化还原液流电池容量衰减。
附图说明
图1正极电解液储罐与负极电解液储罐之间用导管连接的氧化还原液流电池；
图2正极电解液储罐与负极电解液储罐之间的导管的一种连接方式；
图3正极电解液储罐与负极电解液储罐之间的导管的另一种连接方式；
图4正极电解液储罐与负极电解液储罐之间的导管的又一种连接方式；
图5正极电解液储罐与负极电解液储罐之间无导管连接的氧化还原液流电池。
具体实施方式
本发明所提供的一种氧化还原液流电池，其包括正极循环泵、正极管路、负极循环泵、负极管路、正极电解液储罐和负极电解液储罐，其中正极电解液储罐和负极电解液储罐放置于同一水平面上。正极电解液储罐和负极电解液储罐之间通过两端开口、内部充满电解液，等效直径在0.1mm～8mm之间，个数不小于1根的导管相连通，导管的两端分别位于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之下，导管中的一部份处于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之上。
在本发明的优选例中，导管位于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面以上，并且可以水平放置，如图2所示，也可在空间上倾斜一定角度，如图3所示。考虑到电解液储罐的密封，导管可以从电解液储罐的上壁伸出，如图2、图3所示，也可以从电解液储罐的侧壁伸出，如图4所示；导管与储罐壁之间的连接方式也没有限制，以不泄漏电解液为准，可以是法兰连接，也可以用胶粘接。总之，可以遵从当时、当地的环境以及施工条件选择恰当的连接方式。
本发明采用虹吸原理连接正极电解液储罐和负极电解液储罐中的电解液，使之能自动完成平衡的过程，能长时间保持液面高度几乎相同。在多次充放电循环后，两侧活性物质会在离子交换膜两侧出现迁移，造成浓度差。该浓度差成为导管内离子迁移的动力，浓度高的一侧离子向浓度低的一侧迁移，从而保证了正、负极电解液中活性物质的平衡。
导管应选用耐电解液腐蚀的材料制成，不限制为硬性材料，优选能够耐电解液腐蚀的高分子材料，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、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、砸萘联苯聚醚酮、聚苯并咪唑、聚苯乙烯、聚异丁烯、聚丙烯腈中的一种或多种材料组合制成。
本发明还提供一种延缓氧化还原液流电池容量衰减的方法，该方法中的氧化还原电池包括正极循环泵、正极管路、负极循环泵、负极管路、正极电解液储罐和负极电解液储罐，其中正极电解液储罐和负极电解液储罐放置于同一水平面上。正极电解液储罐和负极电解液储罐之间通过两端开口、内部充满电解液，等效直径在0.1mm～8mm之间，个数不小于1根的导管相连通，导管的两端分别位于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之下，导管中的一部份处于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之上。
在该方法的优选例中，导管位于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面以上，并且可以水平放置，如图2所示，也可在空间上倾斜一定角度，如图3所示。考虑到电解液储罐的密封，导管可以从电解液储罐的上壁伸出，如图2、图3所示，也可以从电解液储罐的侧壁伸出，如图4所示；导管与储罐壁之间的连接方式也没有限制，以不泄漏电解液为准，可以是法兰连接，也可以用胶粘接。总之，可以遵从当时、当地的环境以及施工条件选择恰当的连接方式。
所述延缓氧化还原液流电池容量衰减的方法采用虹吸原理连接正极电解液储罐和负极电解液储罐中的电解液，使之能自动完成平衡的过程，能长时间保持液面高度几乎相同。在多次充放电循环后，两侧活性物质会在离子交换膜两侧出现迁移，造成浓度差。该浓度差成为导管内离子迁移的动力，浓度高的一侧离子向浓度低的一侧迁移，从而保证了正、负极电解液中活性物质的平衡。
该方法中的导管应选用耐电解液腐蚀的材料制成，不限制为硬性材料，优选能够耐电解液腐蚀的高分子材料，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、聚酰亚胺、聚苯硫醚、聚醚酮、聚醚醚酮、砸萘联苯聚醚酮、聚苯并咪唑、聚苯乙烯、聚异丁烯、聚丙烯腈中的一种或多种材料组合制成。
实施例
以本发明提出的氧化还原液流电池为例，详细的说明本发明介绍的电池以及方法，图1为该例子中的氧化还原液流电池，其由10节单电池组装而成，每节电池之间采用双极板进行电路连接，电极面积875cm2，采用非氟离子交换膜，电解液钒离子浓度为1.5mol/L，充放电电流密度80mA/cm2，充电截止电压和放电截止电压分别为15.5V和10V，电解液体积30L，初始电解液液面相平，导管内径3mm，长度150cm。
对比例
采用图5中的氧化还原液流电池，即：正极电解液储罐与负极电解液储罐之间无导管连接。
经过多个循环后，电池的性能以及液面的变化如下表所示：
由实施例和对比例可以看出，采用虹吸管将正极电解液储罐和负极电解液储罐中的电解液连通的方法可以有效缓解因离子互串引起的电压效率以及电解液利用率的下降，150个循环后，采用本发明方法的电池电压效率下降0.5%，电解液液面差0.5cm，电解液利用率下降1.4%，相比对比例中的电池：电压效率下降5.6%，电解液液面差9.8cm，电解液利用率下降42.9%来说，效果显著。

Claims (7)

1.一种氧化还原液流电池，其包括正极循环泵、正极管路、负极循环泵、负极管路、装填有电解液的正极电解液储罐和装填有电解液的负极电解液储罐，其特征在于：所述正极电解液储罐和负极电解液储罐之间通过两端开口、内部充满电解液的导管相连通，导管的两端分别位于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之下，导管中的一部份处于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之上；充满电解液的导管与正极电解液储罐和负极电解液储罐间构成虹吸结构，保持正、负极电解液储罐内的电解液时时连通。
2.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池，其特征在于：所述导管的等效直径为0.1mm-8mm，其中等效直径定义为4倍的过流断面的面积与过流断面上流体与固体接触的周长的比值。
3.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池，其特征在于：所述导管的个数为1根或2根以上。
4.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池，其特征在于：所述导管处于正极电解液储罐和负极电解液储罐的电解液液面之上部份的壁上开设有注液孔，并于注液孔处装有阀门。
5.根据权利要求1的氧化还原液流电池，其特征在于：正极电解液储罐经正极循环泵通过正极管路与电池正极入口连接，电池正极出口连接经正极管路与正极电解液储罐相连接；负极电解液储罐经负极循环泵通过负极管路与电池负极入口连接，电池负极出口连接经负极管路与负极电解液储罐相连接。
6.根据权利要求1的氧化还原液流电池，其特征在于：所述的氧化还原液流电池是全钒氧化还原液流电池。
7.一种权利要求1-6中任一所述氧化还原液流电池的应用，其在应用中可延缓氧化还原液流电池容量衰减。
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