一种氧化还原液流电池系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种氧化还原液流电池系统，包括由阳离子膜电堆、阴离子膜电堆、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。通过同时使用阳离子膜电堆和阴离子膜电堆来组成氧化还原液流电池系统，可以有效的降低正、负极电解质溶液浓度和体积的变化，进而提高电池系统在进行长期充放电循环时的效率和电解质溶液的利用率，延长电池系统电解质溶液的使用寿命。节省电池维护时间，避免消耗额外的电能和人力，降低维护费用。
【专利说明】一种氧化还原液流电池系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种氧化还原液流电池系统。
【背景技术】
[0002] 随着全球非可再生能源的不断开采，引发了巨大的能源枯竭和环境污染的问题， 为了环节和解决能源危机这一重大问题，可再生能源的开发和使用已经迫在眉睫。目前风 能、太阳能等可再生能源的已经进入大规模开发阶段，但是由于风能、太阳能等可再生能源 的不稳定性，对电网造成了巨大的冲击，严重影响电网的稳定运行。因此，研究和开发高效 率、低成本、高稳定性的大容量的储能系统来将不稳定的风能、太阳能等可再生能源储存， 然后稳定的供给电网，稳定电网输出。在众多的储能系统中，氧化还原液流电池系统具有电 池与容量独立设计性、无固相反应、价格便宜、高稳定性、高可靠性、维护简单、维护费用低 等优点，所以近些年，氧化还原液流电池得到了迅猛的发展。
[0003] 在氧化还原液流电池中，全钥;氧化还原液流电池 （Vanadium Redox Flow Battery)得到了更多的关注，由于其以不同价态的钒离子形式存在于硫酸溶液中，通过外 接泵将钒离子硫酸溶液压入电池中，并且在每个半电池内形成循环的闭合回路。正、负半电 池之间通过离子交换膜隔开，钒离子硫酸溶液平行流过电极，通过双电极板收集和传导电 流，进而使储存在钒离子硫酸溶液中的化学能转化为电能。
[0004] 传统组成氧化还原液流电池系统的电池在组装过程中，一般采用两种类型的离子 交换膜作为电堆的隔膜：其中一种是阳离子交换膜，这种膜在电池进行长期充放电循环后， 系统的电解质溶液的体积会从负极迁向正极，并且正、负极电解质溶液的浓度也会产生一 定的变化；另外一种是阴离子交换膜，这种膜在电池进行长期充放电循环后，系统的电解质 溶液的体积会从正极迁向负极，并且正、负极电解质溶液的浓度也会产生一定的变化；所以 无论是哪一种单一的离子交换膜都不能完全的阻止离子和水的迁移，致使正、负极溶液的 浓度和体积都会出现一定的差距，这也严重的影响了电池系统的效率和电解质溶液的利用 率。
[0005] 为了解决这个问题，大多传统的做法需要在电池系统充放电循环一段时间后，互 混正、负极电解质溶液，使系统的电解质溶液恢复到接近最初的状态。这个过程不但比较繁 琐，并且要消耗额外的电能和人力。
【发明内容】
[0006] 本发明目的在于解决由于电池系统长期充放电循环带来的正、负极电解质溶液浓 度和体积的变化，改善电池的效率和电解质溶液的利用率，同时也尽可能的降低由于互混 正、负极电解质溶液所消耗额外的电能和人力。
[0007] 为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案，
[0008] -种氧化还原液流电池系统，包括由阳离子膜电堆、阴离子膜电堆、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；
[0009] 正极电解液储罐中的电解液经正极循环泵通过正极管路与阳离子膜电堆和阴离 子膜电堆的正极入口和出口相连；
[0010] 负极电解液储罐中的电解液经负极循环泵通过负极管路与阳离子膜电堆和阴离 子膜电堆的负极入口和出口相连。
[0011] 所述阳离子膜电堆由2个以上采用离子膜作隔膜的单电池串联而成；所述阴离子 膜电堆由2个以上采用阴离子膜作隔膜的单电池串联而成。
[0012] 电堆中单电池节数为2?100。
[0013] 所述电池系统包括阳离子膜电堆和阴离子膜电堆，其中阳离子膜电堆数量和阴离 子膜电堆数量分别为m和n，1彡m彡1000, 1彡η彡1000。
[0014] 所述电池系统中阳离子膜电堆和阴离子膜电堆之间的液路或电路为串联、并联或 串并混联方式组合。
[0015] 电堆单节电池的电极面积在200?10000cm2之间。
[0016] 所用组成液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限，在组成 这类电池系统时，可以先使用阳离子膜电堆组装电池系统前部分，然后再用阴离子膜电堆 组装电池系统后部分；可以先使用阴离子膜电堆组装电池系统前部分，然后再用阳离子膜 电堆组装电池系统后部分；也可以是交替的使用阳离子膜电堆与阴离子膜电堆(或阴离子 膜电堆与阳离子膜电堆）去完成电池系统的组装；更可以先使用部分阳离子膜电堆组装电 池系统然后再使用部分阴离子膜电池组装电池系统，然后再重复此过程来完成整个电池系 统的组装；还可以先使用部分阴离子膜电堆组装电池系统然后再使用部分阳离子膜电堆组 装电池系统，然后再重复此过程来完成整个电池系统的组装。
[0017] 通过对所使用的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的数量比的合理控制，由于电解质 溶液在阳离子膜电堆和阴离子膜电堆中的迁移方向、速率不同的特性，进而来降低系统正、 负极电解质溶液的体积和浓度的差异，进而改善氧化还原液流电池系统在进行长期充放电 循环时的效率和电解质溶液的利用率。优选组成氧化还原液流电池系统所用阳离子膜电 堆数量与所用阴离子膜电堆数量比为1/100?100/1之间；更优选组成氧化还原液流电池 系统所用阳离子膜电堆数量与所用阴离子膜电堆数量的比为1/50?50/1之间；再优选组 成氧化还原液流电池系统所用阳离子膜电堆数量与所用阴离子膜电堆数量的比为1/20? 20/1之间；最优选组成氧化还原液流电池系统所用阳离子膜电堆数量与所用阴离子膜电 堆数量的比为1/10?10/1之间。
[0018] 用于组装电堆的阳离子膜可以是DuPont公司生产的Nafionll5、Nafionll7、 Nafion212等或其它阳离子膜，用于组装电堆的阴离子膜可以是fumatech公司产的VX20膜 等或其它阴离子膜。
[0019] 有益效果：
[0020] 1.本发明通过同时使用阳离子膜电堆和阴离子膜电堆来组成氧化还原液流电池 系统，利用电解质溶液在两种膜的电堆中迁移方向、迁移速度不同的原理，可以有效的降低 正、负极电解质溶液浓度和体积的变化，进而提高电池系统在进行长期充放电循环时的效 率和电解质溶液的利用率，延长电池系统电解质溶液的使用寿命。
[0021] 2.本发明可以代替在氧化还原液流电池系统进行充放电循环一定的时间后，互混 正、负极电解质溶液，使电解质溶液恢复到接近最初状态的做法。可以节省维护时间，避免 消耗额外的电能和人力，降低维护费用。
【专利附图】
【附图说明】
[0022] 图1为实施例1组装的全钒氧化还原液流电池系统示意框图；
[0023] 图2为实施例2组装的全钒氧化还原液流电池系统示意框图；
[0024] 图3为实施例3组装的全钒氧化还原液流电池系统示意框图；
[0025] 图4为对比例1和对比例2组装的传统全钒氧化还原液流电池系统，该系统由4 个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流电池系统的电堆全部是阳离子膜电堆或全部是 阴离子膜电堆示意框图；
[0026] 图5为对比例3和对比例4组装的传统全fL氧化还原液流电池系统，该系统由8 个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流电池系统的电堆全部是阳离子膜电堆或全部是 阴离子膜电堆示意框图。
【具体实施方式】
[0027] 下面以全钒氧化还原液流电池系统为例更加详细地说明本发明，但是本发明不仅 限于此。
[0028] 实施例1
[0029] 被测全钒氧化还原液流电池系统由4个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为1/3,每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限， 本实施例组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式 如图1所示。该系统由4个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜 电堆和阴离子膜电堆数量比为1/3,其中组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜和 阴离子膜可以任意方式排列，本图只是其中一种排列方式。
[0030] 实施例2
[0031] 被测全钒氧化还原液流电池系统由4个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为2/2,每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限， 本实施例组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式 如图2所示。
[0032] 实施例3
[0033] 被测全钒氧化还原液流电池系统由4个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为3/1，每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限， 本实施例组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式 如图3所示。
[0034] 实施例4
[0035] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为1/7,每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限。 [0036] 实施例5
[0037] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为2/6,每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限。
[0038] 实施例6
[0039] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为3/5,每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限。
[0040] 实施例7
[0041] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为4/4,每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限。
[0042] 实施例8
[0043] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为5/3,每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限。
[0044] 实施例9
[0045] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为6/2,每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限。
[0046] 实施例10
[0047] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆数量比为7/1，每个该电堆单电池节数均为5节， 所用组成该全钒氧化还原液流电池系统的阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的排列方式不限。
[0048] 对比例1
[0049] 被测全钒氧化还原液流电池系统由4个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的电堆全部为阳离子膜电堆，每个电堆单电池节数为5节；电堆单电池反应面积 为800cm 2,钒电解质溶液浓度为1. 5mol/L，电池恒流充放电的电流密度为80mA/cm2,单节电 池充放电截止电池分别为1. 55V和1. 0V，正负极初始储液罐液位高度为200cm。
[0050] 对比例2
[0051] 被测全钒氧化还原液流电池系统由4个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的电堆全部为阴离子膜电堆，每个电堆单电池节数为5节；电堆单电池反应面积 为800cm 2,钒电解质溶液浓度为1. 5mol/L，电池恒流充放电的电流密度为80mA/cm2,单节电 池充放电截止电池分别为1. 55V和1. 0V，正负极初始储液罐液位高度为200cm。
[0052] 对比例3
[0053] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的电堆全部为阳离子膜电堆，每个电堆单电池节数为5节；电堆单电池反应面积 为800cm2,钒电解质溶液浓度为1. 5mol/L，电池恒流充放电的电流密度为80mA/cm2,单节电 池充放电截止电池分别为1. 55V和1. 0V，正负极初始储液罐液位高度为400cm。
[0054] 对比例4
[0055] 被测全钒氧化还原液流电池系统由8个电堆组成，其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的电堆全部为阴离子膜电堆，每个电堆单电池节数为5节；电堆单电池反应面积 为800cm 2,钒电解质溶液浓度为1. 5mol/L，电池恒流充放电的电流密度为80mA/cm2,单节电 池充放电截止电池分别为1. 55V和1. 0V，正负极初始储液罐液位高度为400cm。
[0056] 说明：
[0057] 在实施例1?实施例3和对比例1?对比例2中：其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的电堆的单电池反应面积都为800cm 2 ;单节电池充放电截止电池分别为1. 55V和 1. 0V ;电池恒流充放电的电流密度为80mA/cm2 ;银电解质溶液浓度都为1. 5mol/L ;正负极 初始储液罐液位高度为200cm ;所用阳离子膜都为Nafionll5膜；所用阴离子膜都为VX20 膜；
[0058] 在实施例4?实施例10和对比例3?对比例4中：其中组成该全钒氧化还原液流 电池系统的电堆的单电池反应面积都为800cm 2 ;单节电池充放电截止电池分别为1. 55V和 1. 0V ;电池恒流充放电的电流密度为80mA/cm2 ;银电解质溶液浓度都为1. 5mol/L ;正负极 初始储液罐液位高度为400cm ;所用阳离子膜都为Nafionll5膜；所用阴离子膜都为VX20 膜。
[0059] 测试：
[0060] 采用Arbin BT-2000电池充放电仪器(美国Arbin公司制造)测试电池系统的能量 效率（EE);采用刻度尺来测量正负极电解液储罐的液位高度；测试结果如表一所示。
[0061] 表一
[0062]
【权利要求】
1. 一种氧化还原液流电池系统，包括由阳离子膜电堆、阴离子膜电堆、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； 正极电解液储罐中的电解液通过正极管路与阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的正极入 口和出口相连，于正极入口与电解液储罐间的正极管路上设有正极循环泵； 负极电解液储罐中的电解液通过负极管路与阳离子膜电堆和阴离子膜电堆的负极入 口和出口相连，于负极入口与电解液储罐间的负极管路上设有负极循环泵。
2. 根据权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其特征在于：所述阳离子膜电堆由2 个以上采用阳离子膜作隔膜的单电池串联而成；所述阴离子膜电堆由2个以上采用阴离子 膜作隔膜的单电池串联而成。
3. 根据权利要求2所述的氧化还原液流电池系统，其特征在于：电堆中单电池节数为 2 ?100。
4. 根据权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其特征在于：所述电池系统包括 阳离子膜电堆和阴离子膜电堆，其中阳离子膜电堆数量和阴离子膜电堆数量分别为m和 η, 1 彡 m 彡 1000, 1 彡 η 彡 1000。
5. 根据权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其特征在于：所述电池系统中阳离 子膜电堆和阴离子膜电堆之间的液路或电路为串联、并联或串并混联方式组合。
【文档编号】H01M8/02GK104143651SQ201310169708
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2013年5月9日 优先权日:2013年5月9日
【发明者】史丁秦, 张华民, 李先锋, 段寅琦, 刘鑫 申请人:中国科学院大连化学物理研究所