CN105845960A - 一种铅液流电池及其电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种铅液流电池及其电解槽。该铅液流电池包括电解槽、循环装置、正极板、负极板以及储液罐；所述电解槽包括正极插槽、负极插槽以及电解液腔，所述正极插槽以及负极插槽平行设置，且在垂直方向通过电解液腔连通；所述正极板以及所述负极板分别通过所述正极插槽以及负极插槽与所述电解槽固定；所述电解槽的侧面设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口在水平方向与电解液腔连通；所述电解液腔以及所述储液罐中装有电解液，所述循环装置连接所述储液罐以及所述电解槽的进水口，同时连接所述电解槽的出水口以及所述储液罐。该铅液流电池将一体化的电解槽替代两个腔室的板框结构，由此解决了铅液流电池性能不稳定等技术问题。

Description

一种铅液流电池及其电解槽
技术领域
本发明属于电化学储能装置领域，更具体地，涉及一种铅液流电池及其电解槽。
背景技术
铅液流电池是一种结合氧化还原液流电池概念的下一代铅酸电池装置，将流体的可溶性Pb2+电解质溶液从外部储存罐循环泵入正负极之间的电化学反应腔室中。在充电/放电过程中，正极和负极分别同时消耗/释放Pb2+离子。Pb2+电解质的流动可提高电极固液界面传质，提高功率密度，同时铅酸液流电池的储能容量取决于从外部储存罐泵入反应室的Pb2+电解质的量，因此其储能容量和功率密度设计非常灵活。由于制作工艺相对简单，且可以短流程地利用再生回收铅资源，对铅原料杂质含量要求不高，因此其储能成本低于传统铅酸蓄电池，也更加环保，在大规模储能领域有较好应用前景。
现有技术中的铅液流电池通常采用双室的板框式构造，如发明专利CN102723518A公开了一种全铅液流电池，该电池采用板框设计，以固定电池的正极室与负极室。然而，此类双室板框包括正极室与负极室两个腔室的板框结构，其中，正极室与负极室之间通过垫片连接，并通过螺杆螺丝施加压强固定，以保证连接的空间无空隙。该电池具有以下缺点：第一，电池的密封效果受到旋紧螺丝等装配操作的影响，因此人为操作因素对电池性能影响较大，使得电池性能不稳定测试；第二，由于电池采用板框设计，由于之间的垫片老化后失去弹性，使得电池的长期稳定性能不佳；第三，当电极板损坏需要检修时，必须将整个电池停止运行，并完全拆开，维修维护较为困难。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种铅液流电池及其电解槽，其目的在于将一体化的电解槽替代两个腔室的板框结构，由此解决铅液流电池性能不稳定、长期稳定性能不佳、维修维护较为困难的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种铅液流电池，所述铅液流电池包括电解槽、循环装置、正极板、负极板以及储液罐；
所述电解槽包括正极插槽、负极插槽以及电解液腔，所述正极插槽和负极插槽平行设置，且在垂直方向通过电解液腔连通；所述正极插槽内固定有正极板，所述负极插槽内固定有负极板；所述电解槽的不同侧面分别设置有进水口以及出水口，所述进水口和出水口在水平方向与电解液腔连通；
所述电解液腔以及所述储液罐中储存有电解液；所述储液罐与所述电解槽的进水口通过所述循环装置连接；所述电解槽的出水口与所述储液罐也通过所述循环装置连接；所述循环装置用于将电解液从所述储液罐输出至所述进水口，并从所述出水口输出至所述储液罐。
优选地，所述正极插槽以及负极插槽分别设置于所述电解槽的相对的两个侧面。
优选地，所述循环装置包括进水管、出水管以及蠕动泵，所述进水管连接所述储液罐以及所述电解槽的进水口，所述出水管连接所述电解槽的出水口以及所述储液罐，所述蠕动泵与所述进水管相对固定，用于控制所述进水管中的电解液的流向和流速。
优选地，所述电解液为四氟硼酸铅-四氟硼酸溶液或者甲磺酸铅-甲磺酸溶液。
作为进一步优选地，所述四氟硼酸铅-四氟硼酸溶液包括1M～1.6M的四氟硼酸铅以及0.7M～1.1M的四氟硼酸。
作为进一步优选地，所述甲磺酸铅-甲磺酸溶液包括1M～1.6M的甲磺酸铅以及0.7M～1.1M的甲磺酸。
优选地，所述正极板以及所述负极板为石墨、玻璃碳、碳纸、泡沫镍或碳毡。
优选地，所述正极板为蜂窝状或网状。
优选地，所述正极板通过密封胶与所述正极插槽相对固定，所述负极板通过密封胶与所述负极插槽相对固定。
按照本发明的另一方面，还公开了一种用于铅液流电池的电解槽，所述电解槽包括正极插槽、负极插槽以及电解液腔，所述正极插槽与负极插槽平行设置，且在垂直方向通过电解液腔连通；所述电解槽的不同侧面设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口分别在水平方向与电解液腔连通；
所述正极插槽用于固定正极板，所述负极插槽用于固定负极板，所述进水口用于将电解液输入电解液腔，所述出水口用于将电解液腔的电解液输出。
优选地，所述电解液腔的高度为1mm～6mm。
优选地，所述电解槽的材料为工程塑料。
作为进一步优选地，所述电解槽的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚乳酸。
优选地，正极插槽以及负极插槽的个数为N个，N≥1；所述正极插槽以及负极插槽在垂直方向交错设置，且相邻的正极插槽和负极插槽在垂直方向通过电解液腔连通。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，由于将一体化的电解槽替代两个腔室的板框结构，能够取得下列有益效果：
1、本发明中，正极板和负极板通过正极插槽和负极插槽与电解槽紧密结合，电解槽除了进水口和出水口，周身没有缝隙，这样可有效解决密封漏液问题，提高铅液流电池长期运行的安全性与稳定性；
2、本发明中以一体化的电解槽替代两个腔室的板框结构，无需固定正极室和负极室，避免了采用板框式结构时由于螺杆施压不同等操作因素导致不同批次电池产品性能重现性差的问题；
3、由于正极板和负极板通过正极插槽和负极插槽与电解槽结合，需要检修时，仅需将正极板或负极板从电解槽取出，无需拆开电解槽，更易于检修维护；
4、本发明装置优选将蠕动泵作为循环装置，可更精确控制电解液进入电解槽内的流速，使电解液以层流状态流经电解槽，同时，只需一个蠕动泵即可控制电解液的方向，既降低了成本又可保证负极板和正极板表面的电解液流速完全相同，可以避免现有技术采用双室的板框式构造时由于正负极表面的流速和水压不同所导致的电池失效问题；
5、电解槽优选采用工程塑料为材料，可由3D打印或传统塑造方法制备，结构简单，耗材少，从而减轻了铅液流电池的整体重量，降低了生产成本。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的铅液流电池的结构示意图；
图2为本发明实施例1的恒电流充放电测试曲线图；
图3为本发明实施例1的电解槽的结构示意图；
图4a为本发明实施例1的电解槽的仰视图，其中E-E表示与前后方向平行的中垂面；
图4b为本发明实施例1的电解槽的E-E方向的剖视图；
图4c为本发明实施例1在进水口处垂直截面的省略剖视图，其中F-F表示水平方向的垂面；
图4d为本发明实施例1的正面剖视图
图4e为本发明实施例1沿图4d中C-C方向左边部分的省略剖视图；
图5为本发明实施例2的电解槽的结构图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-电解槽，2-蠕动泵，3-正极板，4-负极板，5-储液罐6-电解液，7-电化学工作站，11-进水口，12-正极插槽，13-负极插槽，14-电解液腔，15-出水口。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种铅液流电池，包括电解槽、循环装置、正极板、负极板以及储液罐；
所述电解槽包括正极插槽、负极插槽以及电解液腔，所述正极插槽以及负极插槽平行相对设置于电解槽的侧面，且在垂直方向通过电解液腔连通；所述电解槽的侧面设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口在水平方向与电解液腔连通；电解液腔的面积决定了电解液与正极板以及负极板的接触面积，电解液腔的高度决定了正极板以及负极板之间的垂直距离；因此，电解液腔的面积和高度可根据需求灵活设计，例如，需要获得较大的电流时可以增大面积；当需要电解液在单位面积内流经的面积更大时，可以减小其高度，电解液腔的高度一般为1mm～6mm；为了简化制备工艺，电解槽可以用3D打印方法制备，材料可选取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚乳酸等工程塑料；
当该铅液流电池为N对电极串联的串联电池时，N≥1；该电解槽可以包括N个正极插槽、N个负极插槽以及2N-1个电解液腔，所述正极插槽以及负极插槽在垂直方向上交错平行设置，且相邻的正极插槽和负极插槽在垂直方向通过电解液腔连通，电解槽侧面设置有2N-1对进水口和出水口，分别与不同的电解液腔相连通，使用时，将所有N对电极分别固定于正极插槽和负极插槽中，固定在电解槽最顶部和最底部的电极则分别作为该串联电池的正负极使用。
所述正极板以及所述负极板分别通过所述正极插槽以及负极插槽与所述电解槽固定；将正极板以及负极板分别插入正极插槽以及负极插槽后，在正极插槽以及负极插槽与正极板以及负极板的缝隙间涂抹常见的密封胶(如封玻璃用的硅胶或一般的封电池用的环氧树脂等)，这样整个电池槽除进水口和出水口外，皆为密封状态；正极板以及负极板可以是各种适用的电极材料，包括：石墨板、玻璃碳、碳纸、泡沫镍、碳毡等等，其中，优选将正极板制备为蜂窝状或网状，以减轻其质量并增加其能量比；正极板和负极板的材料也能影响电解液腔的面积和高度；例如，当正极板和负极板为石墨板时，由于该电极材料不易变形，因此电解液腔的高度可设计为1mm～3mm；当正极板和负极板为碳毡时，由于碳毡长期侵泡在电解液环境中容易变形，因此电解液腔的厚度可设计为6mm；
所述电解液腔以及所述储液罐中装有电解液，所述循环装置连接所述储液罐以及所述电解槽的进水口，同时连接所述电解槽的出水口以及所述储液罐，所述循环装置用于将电解液从所述储液罐输出至所述电解槽的进水口，同时从所述电解槽的出水口输出至所述储液罐；
其中，循环装置可包括进水管、出水管以及蠕动泵，所述进水管连接所述储液罐以及所述电解槽的进水口，所述出水管连接所述电解槽的出水口以及所述储液罐，所述蠕动泵与所述进水管相对固定，用于控制所述进水管中的电解液定向输送；电解液先通过进水管流进电解槽中的电解液腔，由于电解液腔充满着电解液，由于水压，电解液又从出水口流出进入储液罐，如此循环往复。可以通过操作蠕动泵，改变电解液的流速，以获得更大的电流。
电解液可以为四氟硼酸铅-四氟硼酸溶液(1M～1.6M四氟硼酸铅+0.7M～1.1M四氟硼酸)或者甲磺酸铅-甲磺酸溶液(1M～1.6M甲磺酸铅+0.7M～1.1M甲磺酸)等含铅电解液。
实施例1
本实施例的铅液流电池包括电解槽1、蠕动泵2、进水管、出水管、正极板3、负极板4以及储液罐5，如图1所示；
其中，正极板3和负极板4为石墨板，厚度为1cm，长宽为10cm×5cm，正极板3和负极板4分别通过环氧树脂固定于电解槽1的前后侧，电解槽1的前后侧还分别设置有进水口11和出水口15，进水管连接储液罐以及电解槽1的进水口11，出水管连接储液罐以及电解槽1的出水口15，蠕动泵2与进水管相连，将储液罐5中的电解液6定向泵入进水管，然后电解液在水压的作用下再从出水管流出至储液罐5；
在该实施例中，我们采用了1.5M四氟硼酸铅以及1.0M四氟硼酸的混合溶液作为电解液6，储存在容量为1L的聚乙烯材料的储液罐5中；进水管以及出水管的材料为耐腐蚀硅胶；将正极板3和负极板4连接在CorrtestCS310电化学工作站7上，蠕动泵2以10mL/s的流速将电解液6从储液罐5输入电池槽中进行反应后流回储液罐5中，循环往复，进行电池充放电循环测试。以20mA/cm2的电流密度进行恒电流充放电测试，在测试初始，电流效率可达到95％以上，能量效率约83％，经过600圈充放电循环后电流率依然维持在95％以上，能量效率保持在85％左右，如图2所示。经试验后证实了本发明所说的优点，电池性能的稳定性和重现性高，便于实验分析和检测维护。
其中，该电解槽1的外部尺寸为7cm×7cm×2.5cm，整体以ABS塑料制备，前端设置有正极插槽12以及进水口11，后端设置有负极插槽13以及出水口15，如图3，图4所示；正极插槽12以及负极插槽13的长宽高皆为6.5cm×5cm×1cm，正好用于容纳正极板3和负极板4，正极插槽12以及负极插槽13在垂直方向通过电解液腔连通，电解液腔的长宽高为4cm×4cm×3mm，使得正极板3和负极板4的实际工作面积约为16cm2；所述电解槽的侧面设置有进水口11和出水口15，所述进水口11和出水口15在水平方向与电解液腔14连通；进水口11以及出水口15的内径为3mm，外径为5mm，正好用于分别连接进水管和出水管。
实施例2
实施例2用的电解槽如图5所示，该电解槽用和实施例1相同的材料制备，整体尺寸为7cm×7cm×21cm；该电解槽在水平方向上平行设置有10个完全相同的插槽组，每个插槽组都包括和实施例1相同的正极插槽12、负极插槽、进水口11、出水口以及电解液腔14；和实施例1相同，正极插槽12以及负极插槽在垂直方向通过电解液腔14连通，进水口11和出水口在水平方向与电解液腔14连通。
除了插槽组中的进水口11、出水口以及电解液腔14，平行的插槽组之间同样在垂直方向通过电解液腔连通，电解槽的侧面同样设置有进水口11和出水口，水平方向与电解液腔连通。因此，该电解槽一共包括20个正极插槽12、20个负极插槽、19个进水口11、19个出水口以及19个电解液腔，如图5所示。
使用时，20个正极板和20个负极板交错分别固定于正极插槽12、负极插槽中。以1.5M四氟硼酸铅以及1.0M四氟硼酸的混合溶液作为电解液，该电解液储存在容量为1L的聚乙烯材料的储液罐中，以19对耐腐蚀硅胶作为进水管和出水管，通过蠕动泵以10mL/s的流速将电解液从储液罐输入电池槽中进行反应后流回储液罐中，循环往复。将顶端的第一个正极板和底端的最后一个负极板接入电化学工作站，以20mA/cm2的电流密度进行恒电流充放电测试，充电电压达到30V，放电电压在26V左右，能量效率约85％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种铅液流电池，其特征在于，包括电解槽、循环装置、正极板、负极板以及储液罐；
所述电解槽包括正极插槽、负极插槽以及电解液腔，所述正极插槽和负极插槽平行设置，且在垂直方向通过电解液腔连通；所述正极插槽内固定有正极板，所述负极插槽内固定有负极板；所述电解槽的不同侧面分别设置有进水口以及出水口，所述进水口和出水口在水平方向与电解液腔连通；
所述电解液腔以及所述储液罐中储存有电解液；所述储液罐与所述电解槽的进水口通过所述循环装置连接；所述电解槽的出水口与所述储液罐也通过所述循环装置连接。
2.如权利要求1所述的铅液流电池，其特征在于，所述正极插槽以及负极插槽分别设置于所述电解槽的相对的两个侧面。
3.如权利要求1所述的铅液流电池，其特征在于，所述循环装置包括进水管、出水管以及蠕动泵，所述进水管连接所述储液罐以及电解槽的进水口，所述出水管连接所述电解槽的出水口以及储液罐，所述蠕动泵与所述进水管相对固定，用于控制所述进水管中的电解液的流向和流速。
4.如权利要求1所述的铅液流电池，其特征在于，所述电解液为四氟硼酸铅-四氟硼酸溶液或者甲磺酸铅-甲磺酸溶液。
5.如权利要求1所述的铅液流电池，其特征在于，所述正极板以及负极板为石墨、玻璃碳、碳纸、泡沫镍或碳毡。
6.一种用于铅液流电池的电解槽，其特征在于，包括正极插槽、负极插槽以及电解液腔，所述正极插槽与负极插槽平行设置，且在垂直方向通过电解液腔连通；所述电解槽的不同侧面设置有进水口和出水口，所述进水口和出水口分别在水平方向与电解液腔连通；
所述正极插槽用于固定正极板，所述负极插槽用于固定负极板，所述进水口用于将电解液输入电解液腔，所述出水口用于将电解液腔的电解液输出。
7.如权利要求6所述的电解槽，其特征在于，所述电解液腔的高度为1mm～6mm。
8.如权利要求6所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽的材料为工程塑料。
9.如权利要求8所述的电解槽，其特征在于，所述电解槽的材料为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚乳酸。
10.如权利要求6所述的电解槽，其特征在于，正极插槽以及负极插槽的个数为N个，N≥1；所述正极插槽以及负极插槽在垂直方向交错设置，且相邻的正极插槽和负极插槽在垂直方向通过电解液腔连通。
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