一种氧化还原液流电池及其应用的制作方法
【专利摘要】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。
【专利说明】一种氧化还原液流电池及其应用
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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 旦 -5^ 〇
[0003] 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。
[0004] 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】
[0005] 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。
[0006] 为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
[0007] -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。
[0008] 所述的氧化还原液流电池中导管的等效直径为0. 1_-8_，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。
[0009] 所述导管的个数为1根或2根以上。
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 上述的氧化还原液流电池是全钒氧化还原液流电池。
[0013] 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0014] 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；
[0015] 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；
[0016] 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；
[0017] 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；
[0018] 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】
[0019] 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，等效直径在〇. 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。
[0020] 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。
[0021] 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。
[0022] 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。
[0023] 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。
[0024] 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。
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 实施例
[0028] 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875cm 2,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。
[0029] 对比例
[0030] 采用图5中的氧化还原液流电池，S卩：正极电解液储罐与负极电解液储罐之间无 导管连接。
[0031] 经过多个循环后，电池的性能以及液面的变化如下表所示：
[0032]
[0033]
【权利要求】
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. lmm-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. -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。
【文档编号】H01M8/02GK104143650SQ201310169717
【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】邢枫, 张华民, 李先锋 申请人:中国科学院大连化学物理研究所