CN114551934A - 一种液流电池电解液储罐及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种解决碱性锌铁液流电池电解液迁移的装置，该装置由碱性锌铁液流电池或电堆、管路系统和外部用隔膜分隔的正负极电解液储罐组成。电池或电堆运行过程中，在电场作用下，由电迁移导致电解液中电荷平衡离子携带的结合水从电池或电堆负极迁移至正极；而外部用隔膜分隔的正负极电解液储罐在浓度梯度下，电解液中水从正极迁移至负极。在电池或电堆内部电迁移和外部正负极电解液储罐的浓度梯度的共同作用下，正负极电解液体积维持平衡，进而缓解或解决碱性锌铁液流电池运行过程中由电解液迁移带来的循环稳定性差的问题，提高体系运行可靠性，促进碱性锌铁液流电池的实用化进程。
Description
技术领域
本发明涉及一种解决液流电池或电堆电解液迁移的装置，特别涉及该类装置在碱性锌铁液流电池或电堆中的应用。
背景技术
液流电池储能技术具有安全性高、寿命长和环境友好等特点，是大规模高效储能的首选技术之一。碱性锌铁液流电池采用资源丰富的锌和铁作为活性物质，具有成本低(～$100/kWh)、开路电压高(1.74V)的特点，在储能领域特别是分布式储能领域具有很好的应用前景。自1979年美国G-B.Adams等人提出碱性锌铁液流电池的概念以来，与现处于示范应用阶段的全钒液流电池和锌溴液流电池相比，碱性锌铁液流电池至今仍未取得重大突破进展，关键技术瓶颈之一在于碱性锌铁液流电池或电堆在充放电过程中，电解液在电场梯度和浓度梯度的共同作用下，电荷平衡离子携带的结合水从电池或电堆负极迁移至正极，且这一过程不可逆，造成电解液迁移严重，从而导致电池或电堆电解液体积的失衡，进而导致电池或电堆稳定性降低，大幅增加了电池或电堆的维护成本。
因此，如何缓解或解决碱性锌铁液流电池或电堆在充电过程中水的迁移问题、提高电池或电堆的循环稳定性，对于突破碱性锌铁液流电池应用的关键技术瓶颈、推进其实用化进程具有十分重要意义。
发明内容
为解决上述问题，本发明公开了一种解决碱性锌铁液流电池在运行过程中电解液迁移的装置，该装置由碱性锌铁液流电池或电堆、管路系统和外部用隔膜分隔的正负极电解液储罐组成。电池或电堆运行过程中，在电场作用下，由电迁移导致电解液中电荷平衡离子携带的结合水从电池或电堆负极迁移至正极；而外部用隔膜分隔的正负极电解液储罐在浓度梯度下，电解液中水从正极迁移至负极。在电池或电堆内部电迁移和外部正负极电解液储罐的浓度梯度的共同作用下，正负极电解液体积维持平衡，进而缓解或解决碱性锌铁液流电池运行过程中由电解液迁移带来的循环稳定性差的问题，提高体系运行可靠性。
为缓解或解决碱性锌铁液流电池或电堆运行过程中水迁移的问题，本发明涉及一种解决碱性锌铁液流电池或电堆水迁移的装置，采用的技术方案如下：
所述的解决碱性锌铁液流电池电解液迁移的装置由碱性锌铁液流电池或电堆、管路系统和外部用隔膜分隔的正负极电解液储罐构成；
所述电解液储罐为一中空的罐体，于罐体内设有隔膜；
隔膜于罐体内横向设置，隔膜四周边缘与罐体内壁面密闭连接，隔膜将罐体内的空腔分隔成上下二个互不连通的腔室；或者，隔膜于罐体内竖向设置，隔膜四周边缘与罐体内壁面密闭连接，隔膜将罐体内的空腔分隔成左右二个互不连通的腔室；或者，隔膜于罐体内竖向设置，隔膜左右二侧边缘和下端边缘与罐体内壁面密闭连接，隔膜将罐体内的空腔分隔成上部连通、中下部左右互不连通的二个腔室。
所述隔膜于罐体内横向设置，于隔膜的下方设置有用于支撑隔膜的支撑筛板。
所述隔膜为离子交换膜(如磺化聚醚醚酮、全氟磺酸离子交换膜、磺化聚砜离子交换膜等)或多孔离子传导膜(如聚烯烃多孔离子传导膜、聚砜基多孔离子传导膜、聚醚砜基多孔离子传导膜等)。
所述储罐罐体内的二个腔室内分别装填有正极电解液和负极电解液。
所述储罐于碱性锌铁液流电池中的应用。
正极电解液为亚铁氰化物和强碱的混合水溶液，负极电解液为锌盐或/和锌的氧化物与强碱的混合水溶液，正、负极电解液中的强碱在水溶液中的浓度为0.001～10mol/L，正极电解液中活性物质为铁氰化物(Fe(CN)6 3-)或亚铁氰化物(Fe(CN)6 4-)中的一种或两种，负极电解液高于中活性物质为Zn(OH)4 2-；正、负极电解液中活性物质的浓度为0.001～3mol/L；强碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的一种或两种以上；负极电解液总离子(Na+、K+、OH-、Zn(OH)4 2-)浓度高于正极电解液总离子(Na+、K+、OH-、Fe(CN)6 4-、Fe(CN)6 3-)浓度，高于0.1～1mol/L。
所述储罐作为正负极电解液的共同储罐，正极电解液和负极电解液分别装填于罐体内的二个腔室内；用于缓解或解决碱性锌铁液流电池或电堆电解液迁移的问题的应用。
所述的隔膜可以与碱性锌铁液流电池或电堆内部使用的隔膜相同，或也可以不相同。
所述的储罐作为正负极电解液的共同储罐，用于缓解或解决碱性锌铁液流电池或电堆电解液迁移的问题的应用。
所述碱性锌铁液流电池包括碱性锌铁液流电池或电堆任一所述储罐。
负极电解液总离子浓度高于正极电解液总离子浓度；
所述的隔膜可以与碱性锌铁液流电池或电堆内部使用的隔膜相同，也可以不相同。
电池或电堆运行过程中，在电场作用下，由电迁移导致电解液中电荷平衡离子携带的结合水从电池或电堆负极迁移至正极；而外部用隔膜分隔的正负极电解液储罐在浓度梯度下，电解液中水从正极迁移至负极。在电池或电堆内部电迁移和外部正负极电解液储罐的浓度梯度的共同作用下，正负极电解液体积维持平衡，进而缓解或解决碱性锌铁液流电池运行过程中由电解液迁移带来的循环稳定性差的问题，提高体系运行可靠性，促进碱性锌铁液流电池的实用化进程。
本发明的有益成果：
1.该装置可通过外部由隔膜分隔的正负极储罐中正负极电解液浓度梯度来缓解或解决碱性锌铁液流电池或电堆运行过程中由电荷平衡离子所携带结合水通过膜材料导致的电解液迁移问题；
2.该装置外部只需一个储罐，该储罐由隔膜隔开，以保证正负极电解液的互混，结构较为简单，且可操作性及实用性强。
附图说明
图1传统碱性锌铁液流电池结构示意图；
图2本发明的解决碱性锌铁液流电池电解液迁移的装置的示意图；
图3传统碱性锌铁液流电池与本专利公开的解决碱性锌铁液流电池电解液迁移的装置在相同运行条件下，正负极电解液体积变化对比；1-传统碱性锌铁液流电池运行过程中正极电解液体积的变化；2-传统碱性锌铁液流电池运行过程中负极电解液体积的变化；3-采用图2装置组装的碱性锌铁液流电池在相同运行条件下正极电解液体积的变化；4-采用图2装置组装的碱性锌铁液流电池在相同运行条件下负极电解液体积的变化。
图4传统碱性锌铁液流电池循环性能测试。
图5采用图2装置组装的碱性锌铁液流电池在相同运行条件下电池循环性能测试；
图中：1-正极储液罐；2-负极储液罐；3-隔膜；4-负载；5-泵；6-正极半电池；7-负极半电池；8-隔膜。
具体实施方式
下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。
对比例1
本发明的对比例为图1传统碱性锌铁液流电池。采用致密结构的聚苯并咪唑离子传导膜作为隔膜，正极电解液为0.5molL-1Na4Fe(CN)6+0.5molL-1KOH+0.5molL-1K4Fe(CN)6+0.5molL-1NaOH溶液，总离子浓度为7molL-1；负极电解液为0.6molL-1Na2Zn(OH)4+3.8molL- 1NaOH溶液，总离子浓度为9.4molL-1；正负极电解液体积各80mL；电池有效面积为48cm2，采用恒电流充放电模式，在80mA cm-2的电流密度条件下充电25min，电池放电过程以电压为截止条件，80mA cm-2的电流密度条件下放电至0.1V。从图3正负极电解液体积变化可以看出，电池运行过程中，负极电解液不断迁移至正极，导致正极电解液体积不断增加，在第57个循环的时候，正极电解液体积已增加至117mL，负极电解液体积降至43mL；且随着电池循环的进行，由于电解液的迁移，正极电解液体积逐渐增加，活性物质浓度逐渐降低，电池充电末期浓差极化较大，电池效率开始逐渐降低(图4)。
实施例1
采用图2装置组装碱性锌铁液流电池，以致密结构的聚苯并咪唑离子传导膜作为电池内部及外部中正负极储液罐之间的隔膜，隔膜于罐体内竖向设置，隔膜四周边缘与罐体内壁面密闭连接，隔膜将罐体内的空腔分隔成左右二个互不连通的腔室，正极电解液和负极电解液分别装填于罐体内的二个腔室内，正极电解液为0.5molL-1Na4Fe(CN)6+0.5molL-1KOH+0.5molL-1K4Fe(CN)6+0.5molL-1NaOH溶液，总离子浓度为7molL-1；负极电解液为0.6molL-1Na2Zn(OH)4+3.8molL-1NaOH溶液，总离子浓度为9.4molL-1；正负极电解液体积各80mL；电池有效面积为48cm2，采用恒电流充放电模式，在80mA cm-2的电流密度条件下充电25min，电池放电过程以电压为截止条件，80mA cm-2的电流密度条件下放电至0.1V。从图3正负极电解液体积变化可以看出，电池运行过程中，由于外部储液罐中正负极电解液中存在浓度梯度，水从浓度低的正极测迁移至浓度高的负极测，从而缓解电池内部由电荷平衡离子所携带的水迁移快于浓度梯度带来水迁移进而带来电解液迁移的问题，在第245个循环的时候，正极电解液体积仅为87.5mL，负极电解液体积保持在72.5mL；且随着电池循环的进行，由于正负极电解液体积保持稳定，采用图2装置组装碱性锌铁液流电池连续稳定运行280余个循环性能保持稳定(图5)，循环稳定性较传统碱性锌铁液流电池循环稳定性明显提高。
实施例2-5，储液罐与连接关系等同实施例1，不同之处见下表：
结果表明：利用外部由隔膜分隔的正负极储罐中正负极电解液浓度梯度可有效缓解或解决碱性锌铁液流电池或电堆运行过程中由电荷平衡离子所携带结合水通过膜材料导致的电解液迁移问题，提高电池循环稳定性；当正极总离子浓度高于负极总离子浓度时，外部电解液浓度梯度会加速电解液由负极迁移至正极(实施例5)，从而导致电池循环稳定性的降低。
电池或电堆运行过程中，在电场作用下，由电迁移导致电解液中电荷平衡离子携带的结合水从电池或电堆负极迁移至正极；而外部用隔膜分隔的正负极电解液储罐在浓度梯度下，电解液中水从正极迁移至负极。在电池或电堆内部电迁移和外部正负极电解液储罐的浓度梯度的共同作用下，正负极电解液体积维持平衡，进而缓解或解决碱性锌铁液流电池运行过程中由电解液迁移带来的循环稳定性差的问题，提高体系运行可靠性，促进碱性锌铁液流电池的实用化进程。
Claims (9)
1.一种液流电池电解液储罐，其特征在于：所述电解液储罐为一中空的罐体，于罐体内设有隔膜；
隔膜于罐体内横向设置，隔膜四周边缘与罐体内壁面密闭连接，隔膜将罐体内的空腔分隔成上下二个互不连通的腔室；或者，隔膜于罐体内竖向设置，隔膜四周边缘与罐体内壁面密闭连接，隔膜将罐体内的空腔分隔成左右二个互不连通的腔室；或者，隔膜于罐体内竖向设置，隔膜左右二侧边缘和下端边缘与罐体内壁面密闭连接，隔膜将罐体内的空腔分隔成上部连通、中下部左右互不连通的二个腔室。
2.按照权利要求1所述储罐，其特征在于：所述隔膜于罐体内横向设置，于隔膜的下方设置有用于支撑隔膜的支撑筛板。
3.按照权利要求1所述储罐，其特征在于：
所述隔膜为离子交换膜或多孔离子传导膜中的一种或二种以上；
所述离子交换膜为磺化聚醚醚酮、全氟磺酸离子交换膜、磺化聚砜离子交换膜中的一种或二种以上；
多孔离子传导膜为聚烯烃多孔离子传导膜、聚砜基多孔离子传导膜、聚醚砜基多孔离子传导膜中的一种或二种以上。
4.按照权利要求1所述储罐，其特征在于：罐体内的二个腔室内分别装填有正极电解液和负极电解液。
5.一种权利要求1-4任一所述储罐于碱性锌铁液流电池中的应用。
6.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：
正极电解液为亚铁氰化物和强碱的混合水溶液，负极电解液为锌盐或/和锌的氧化物与强碱的混合水溶液，正、负极电解液中的强碱在水溶液中的浓度为0.001～10mol/L，正极电解液中活性物质为铁氰化物(Fe(CN)6 3-)或亚铁氰化物(Fe(CN)6 4-)中的一种或两种，负极电解液高于中活性物质为Zn(OH)4 2-；正、负极电解液中活性物质的浓度为0.001～3mol/L；强碱为氢氧化钠、氢氧化钾或氢氧化锂中的一种或两种以上；负极电解液总离子(Na+、K+、OH-、Zn(OH)4 2-)浓度高于正极电解液总离子(Na+、K+、OH-、Fe(CN)6 4-、Fe(CN)6 3-)浓度，高于0.1～1mol/L。
7.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：所述储罐作为正负极电解液的共同储罐，正极电解液和负极电解液分别装填于罐体内的二个腔室内；用于缓解或解决碱性锌铁液流电池或电堆电解液迁移的问题的应用。
8.按照权利要求6所述的应用，其特征在于：所述碱性锌铁液流电池包括碱性锌铁液流电池或电堆和权利要求1-4任一所述储罐。
9.按照权利要求5所述的应用，其特征在于：所述的隔膜可以与碱性锌铁液流电池或电堆内部使用的隔膜相同，或也可以不相同。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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