CN109638309A - 一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池 - Google Patents

一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池 Download PDF

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Abstract

一种气相逆流的无隔膜金属‑含氧气体液流电池，装置为无隔膜设计，分为液流电池主体和储罐两个部分，电池和储罐设有只需一个循环泵驱动的电解液循环。液流电池主体为液相循环外塔和液相循环内塔的套筒式结构，外塔和内塔分别设有正极和负极，电解液由内塔进入外塔，空气由气相入口进入外塔与内塔之间，均匀分散到电解液中，与正极表面的空气电极催化剂、电解液离子发生氧化还原反应，反应后残余的含有空气的电解液进入到储罐中进行再生，再生后的电解液经循环泵鼓入液相循环内塔，完成一个工作循环。该液流电池为无隔膜、气相逆流、单循环泵设计，适用温度范围广，无隔膜老化带来的危险，同时降低了使用能耗，提高电池工作效率。

Description

一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池
技术领域
本发明涉及金属-空气液流电池领域，特别是一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池。
背景技术
随着科学技术的发展，对能源的需求也越来越高，对高能量密度电池的需求逐渐增大，因此燃料电池，金属-空气(氧气)电池，液流电池等发展速度也随之加快。金属-空气(氧气)电池，由于其电极材料简单：负极为金属，正极材料为空气(氧气)，能量密度高：以锂-空气电池为例，其理论能量密度为11400Wh/kg，的特点，引起了人们的广泛研究。液流电池由于其原理简单:通过氧化还原电对的电子迁移获得能量；其容量可根据电解液体积，浓度及液流速度进行调控，由于其液体循环流动，所以充放电循环性能好等特点，在三十余年的研究中迅速发展。
金属-空气(氧气)液流电池作为液流电池中的沉积型储能电池 (CN101714680)同时具有金属-空气(氧气)电池和液流电池两种特点：其负极材料使用金属单质(锂，钠，镁，铝，锌等)，正极使用空气(氧气)作为反应物，在空气电极催化剂与电解液的界面进行反应：以有机电解液体系锂空气电池为例，放电时，负极金属锂失去电子变成锂离子进入电解液中，正极空气(氧气)在空气电极界面上发生氧还原反应，与锂离子结合生成过氧化锂；充电时，空气电极上的过氧化锂发生分解，生成锂离子和氧气，同时负极表面上的锂离子得电子，沉积在负极表面变成锂单质。
现有的金属-空气液流电池，如专利(CN102013536、 CN102625960)中都使用了隔膜，用来进行离子交换和保护金属负极，然而由于隔膜的使用又限制了电池的工作条件：例如在燃料电池中，使用的质子交换膜由于工作温度不高于120℃，大大限制了电池的效率。并且在使用过程中，隔膜的老化也会使得电池短路，进而引发爆炸，使得电池的安全性大打折扣。而且在电解液的循环流动中能量利用率不高，需要两个循环泵各自带动正、负极电解液流动，且结构复杂，投资高，能耗大，电池运行成本高，经济效益差。
为了克服以上缺点，本发明提出了一种气相逆流的无隔膜金属- 含氧气体液流电池。
发明内容
全文中出现空气(氧气)表示空气或氧气，纯氧气也可以，空气也可以，包括人工合成的空气例如仅仅包括氧气和氮气，经过过滤装置处理后的空气。
本发明的目的在于解决金属-空气(氧气)液流电池隔膜的工作温度限制、老化问题以及电池电解液流动过程中的高能耗问题，因此发明了一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池。首先，该装置应用一个循环泵，实现电解液在正负极之间的循环流动，减低了电解液循环流动中所需能耗；其次，在电池使用中无需隔膜，解决了金属空气(氧气)液流电池的工作温度限制以及老化问题；再次，空气气泡与反应催化剂作为正极，与电解液逆向流动，充分接触，形成了气相逆流，降低了扩散控速环节，使得高倍率放电成为了可能；最后，通过在电解液储罐中通入惰性气体的方式，除去电解液中的溶解氧，实现了电解液的循环与再生。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池。该装置包括：气相出口(1)、液相循环(2)、液相循环内塔(3)、液相循环外塔(4)、负极(5)、正极(6)、气相循环(7)、气相入口(8)、储罐气相进口(9)、储罐(10)、储罐气相(11)、液相出口(12)、液相进口(13)、循环泵(14)、储罐气相出口(15)。
气相出口(1)与液相循环外塔(4)顶部相连，液相循环内塔(3) 固定在液相循环外塔(4)中心位置，负极(5)固定在液相循环内塔 (3)中，正极(6)附着在液相循环外塔(4)内壁，气相入口(8) 与液相循环外塔(4)底部连接，并在液相循环内塔(3)底部通入气相。储罐气相进口(9)位于储罐(10)顶部，液相出口(12)与液相循环外塔(4)底部中心相连接，液相进口(13)与液相循环内塔(3)底部相连接，循环泵(14)分别与储罐(10)和液相出口(12) 相连接，储罐气相出口(15)与储罐(10)顶部连接。
具体气相逆向流动为：空气(氧气)由气相入口(8)进入，与液相循环外塔(4)向下流动的电解液在液相循环外塔(4)和液相循环内塔(3)之间充分混合，形成气相循环(7)，混合后与催化剂和电解质在正极(6)进行电化学反应，随后剩余气体通过气相出口(1) 排出，剩余气体可以选择排空或收集重新利用。
具体液相循环流动为：电解液动过循环泵(14)从储罐(10)中抽出，泵入液相入口(12)，电解液从液相循环内塔(3)底部进入液相循环内塔(3)，由下至上经过负极(5)，再从液相循环内塔(3) 顶部流入液相循环外塔(4)中进行储存，通过液位计控制以及观测外塔的电解液液位，使得外塔与内塔之间的电解液能够连续流动，并使得液位超过正负极，此时液相出口(12)流出的电解液流入储罐(10) 中，再通过循环泵(14)抽出，完成液相循环流动。
所述的气相逆向流动与液相循环流动共同作用下，电池的正负极进行电化学反应，反应后电解液中剩余的溶解氧可以通过储罐气相进口(9)通入惰性气体进行溶解氧的去除，曝气后的混合气体从储罐气相出口(15)排出，完成一次电解液除氧。
液相循环内塔(3)中设有负极(5)，液相循环外塔(4)内壁设有正极(6)，极片上涂有空气电极催化剂，与空气(氧气)混合后的电解液可以在正极(6)上发生氧化还原反应，形成电流。
液相循环内塔(3)上部设有排液孔，液相循环内塔(3)中液面的高度应高于液相循环内塔(3)与液相循环外塔(4)之间的高度。
液相循环外塔(4)和储罐(10)上应设有液位计,用于观测液流电池工作状况；电池中所有的液相、气相入口应设有阀门，用于调控液相和气相的流速。
其整体工作原理为，含有金属离子的电解液在液相循环内塔(3) 与液相循环外塔(4)之间与空气(氧气)混合，在正极(6)处含有催化剂的空气电极与电解液的界面接触并发生氧化还原反应，未反应的含有空气的电解液经液相出口(12)流入储罐(10)，储罐中的电解液经储罐气相入口(9)中鼓入惰性气体，如氩气等，去除电解液中含有的溶解氧，剩余气相经储罐(10)中的气相出口(15)排空或收集。经过再生后的电解液再由循环泵(14)泵入液相循环内塔(3)，进行一次金属-含氧气体液流电池的工作循环。
所述的液相循环外塔(4)底部为锥形，以保证气相通入是在气泡不积压在液相循环外塔(4)底部，气泡附着在空气电极催化剂上，导致的电流不稳定情况发生。
所述的气相入口(8)从液相循环外塔(4)底部侧入液相循环外塔(4)中，并在液相循环内塔(3)底部中心通入气相，使气泡能够均匀分布在液相循环内塔(3)与液相循环外塔(4)之间，因此保证空气电极与空气接触的连续性与均匀性，使得电池能够稳定输出电流。
所述的负极(5)为均匀分散的并联圆柱，负极材料附着在圆柱表面，以增加电解液的流动性以及负极材料与电解液的接触面积，还能够通过控制负极的连接方式，调控电池的能量输出。
本发明的优点为：
1.无隔膜设计，杜绝了隔膜老化带来的危险，突破了隔膜对工作温度条件的制约，可以在更广泛的条件下工作。
2.套筒式设计，集约性好，主体紧凑。
3.气相逆流设计，空气与电解液混合更加充分，效率更高。
4.使用方式多样，可以根据使用需求对正负极进行串联并联操作，还可以作为一次电池或者二次电池使用。
附图说明
图1是本发明示意图。
图2是主体截面图。
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晰，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实例仅仅用于解释本发明，并不限定本发明。
S1：电池使用之前应确保所有阀门以及气相出口关闭，循环管路没有堵塞情况。
S2：将不含空气(氧气)的电解液倒入储罐(10)的气相出口(15)，依次打开循环泵(14)和液相进口(13)的阀门，使得电解液泵入液相循环内塔(13)。
S3：液位计自动控制液位，待液相循环外塔(4)中液位能够连续流动，液位超过正极(6)时，达到工作高度，经液位计调控阀控制液相出口(12)流出电解液，并进入储罐(10)中，完成电解液液相循环流动。
S4：打开气相出口(1)以及气相入口(8)，通入空气(氧气)，气泡与电解液形成逆向流动，溶解氧气的电解液与空气电极催化剂充分接触。
S5：待循环稳定后，连通外电路，电池开始使用。
S6:电池工作后电解液中会有残余的溶解氧，此时打开储罐气相进口(9)和储罐气相出口(15)通入惰性气体，除去电解液中的溶解氧，完成电解液的再生。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池，其特征在于：
包括气相出口(1)、液相循环(2)、液相循环内塔(3)、液相循环外塔(4)、负极(5)、正极(6)、气相循环(7)、气相入口(8)、储罐气相进口(9)、储罐(10)、储罐气相(11)、液相出口(12)、液相进口(13)、循环泵(14)、储罐气相出口(15)；
气相出口(1)与液相循环外塔(4)顶部相连，液相循环内塔(3)固定在液相循环外塔(4)中心位置，负极(5)固定在液相循环内塔(3)中，正极(6)附着在液相循环外塔(4)内壁，气相入口(8)与液相循环外塔(4)底部连接，并在液相循环内塔(3)底部通入气相；储罐气相进口(9)位于储罐(10)顶部，液相出口(12)与液相循环外塔(4)底部中心相连接，液相进口(13)与液相循环内塔(3)底部相连接，循环泵(14)分别与储罐(10)和液相出口(12)相连接，储罐气相出口(15)与储罐(10)顶部连接。
2.根据权利要求1所述的一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池，其特征在于，所述正极采用的材料为碳材料、掺杂其他元素的碳材料、负载金属氧化物以及负载掺杂金属氧化物的碳材料、惰性金属材料、合金材料、金属间化物材料、金属氧化物材料、掺杂其他元素的金属氧化物材料。
3.根据权利要求1所述的一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池，其特征在于，气体使用氧气、空气、任意体积比的合成空气，或者使用经过过滤装置处理后的空气。
4.根据权利要求1所述的一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池，其特征在于，负极材料使用金属单质，或者将负极金属离子通过电解的方式沉积到惰性金属、金属氧化物、掺杂其他元素的金属氧化物表面。
5.根据权利要求1所述的一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池，其特征在于，液流电池结构为套筒结构。
6.根据权利要求1所述的一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池，其特征在于，液流电池整体材料应选择在工作温度下稳定的材料，还能在液相循环外塔(4)、外循环管路以及储罐外侧加装加热装置以及保温材料以提高工作效率；液相循环内塔(3)的材质应使用绝缘材料。
7.根据权利要求1所述的一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池，其特征在于，液相循环外塔(4)底部为锥形，以保证气相通入是在气泡不积压在液相循环外塔(4)底部，防止空气电极催化剂接触气泡，导致的电流不稳定情况。
8.根据权利要求1所述的一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池，其特征在于，所述的负极(5)为均匀分散的并联圆柱，负极材料附着在圆柱表面，还能够通过控制负极的连接方式，调控电池的能量输出。
9.权利要求1所述的一种气相逆流的无隔膜金属-含氧气体液流电池的应用，其特征在于，
具体气相逆向流动为：气体由气相入口(8)进入，与液相循环外塔(4)向下流动的电解液在液相循环外塔(4)和液相循环内塔(3)之间充分混合，形成气相循环(7)，混合后与催化剂和电解质在正极(6)进行电化学反应，随后剩余气体通过气相出口(1)排出；具体液相循环流动为：电解液动过循环泵(14)从储罐(10)中抽出，泵入液相入口(12)，电解液从液相循环内塔(3)底部进入液相循环内塔(3)，由下至上经过负极(5)，再从液相循环内塔(3)顶部流入液相循环外塔(4)中进行储存，通过液位计控制以及观测外塔的电解液液位，使得外塔与内塔之间的电解液能够连续流动，并使得液位超过正负极，此时液相出口(12)流出的电解液流入储罐(10)中，再通过循环泵(14)抽出，完成液相循环流动；
所述的气相逆向流动与液相循环流动共同作用下，电池的正负极进行电化学反应，反应后电解液中剩余的溶解氧通过储罐气相进口(9)通入惰性气体进行溶解氧的去除，除氧后的混合气体从储罐气相出口(15)排出，完成一次电解液除氧。
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