流化床式半固态液流反应系统的制作方法

本发明涉及储能电池技术领域，具体地，涉及一种流化床式半固态液流反应系统。

背景技术

单液流储能电池是一种新型的低成本、高效率、环境友好型的液流储能电池，具有能量密度和电流效率高、装置简单、使用寿命长、成本低廉等优点，主要应用于电网调峰、太阳能、风能等可再生能源发电等领域。

现有技术中公开了一种高能量密度氧化还原液流装置，其所应用的活性物质是一种半固体，或是稠密的储离子电活性材料，材料具有一定的流动性，装置具有进出料口，并设有流体传输装置，工作时，活性材料可以流动。但是半固态或稠密的材料流动起来较困难，对流体传输装置要求较高，不便于维护；现有技术中还公开了另一种高能量密度氧化还原液流装置，与上述技术不同的是，该装置中所述可流动电极组合物在工作过程中不流动，在装置组装过程中可流动；且若采用稠密液体时，所述稠密液体组合物在工作温度下为固体，且所述系统提供静态不流动电极，而电极不流动的情况下，随着反应的进行，不同区域的电极材料化学环境会发生较大变化。

为此，现提供一种易于流动且减轻浓差极化、减小电极材料化学环境变化的流化床式半固态液流反应系统。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种易于流动且减轻浓差极化、减小电极材料化学环境变化的流化床式半固态液流反应系统。

为实现上述目的，本发明提供一种流化床式半固态液流反应系统，其包括通过连通管道相互连通的反应罐、储液罐、液泵、对所述反应罐的进、出液进行过滤的过滤结构以及连接所述反应罐进行电极引出的电极引出结构；

其中，所述反应罐内的至少一类腔室内填充有活性颗粒，所述储液罐和所述连通管道中充满电解液；

所述液泵设于所述储液罐与所述反应罐之间，所述电解液在所述液泵的作用下以所述储液罐-所述连通管道-所述反应罐-所述连通管道-所述储液罐为途径进行循环流动；所述电解液自下而上进入所述反应罐内，所述所述反应罐的对应腔室内的活性颗粒在所述电解液的作用下翻腾形成流化床。

所述反应罐的两类腔室内分别填充有相应的活性颗粒，两类腔室在所述电解液的作用下形成若干对正极流化床与负极流化床。

所述反应罐包括一类腔室和二类腔室、若干将所述一类腔室和所述二类腔室隔离的多孔隔膜结构、若干设于所述一类腔室内的一类集流体、以及若干设于所述二类腔室内的二类集流体；所述反应罐的底端成型有用于向各腔室内输入所述电解液的进液口，所述反应罐的顶部成型有出液口。

所述反应罐的所述进液口呈“倒锥形”结构，所述出液口呈“锥形”结构。

所述多孔隔膜结构包括若干设于所述反应罐的腔体内的多孔隔膜管，所述多孔隔膜管的内部空间为所述二类腔室，所述多孔隔膜管的外部空间和所述反应罐的罐体内壁形成所述一类腔室。

所述过滤结构包括设于所述反应罐的所述进液口和所述出液口的大端端部处且用于防止所述活性颗粒从所述一类腔室内流出的过滤层，所述过滤层对应于所述多孔隔膜管的位置处成型有通孔，所述过滤层通过所述通孔套设在所述多孔隔膜管的端部上。

所述过滤结构还包括安装在所述多孔隔膜管的上、下两端的端口内的过滤器。

所述电极引出结构包括由集流体上端引出的引出件、及连接同极性的引出件连接成一体并形成相应的正极或负极的极件。

还包括设于所述连通管道上的对所述反应罐的内部反应热量进行扩散的散热结构。

还包括进入所述反应罐的所述电解液进行导流的导流结构。

所述导流结构包括若干均布在所述反应罐的所述进液口内的导流板，所述导流板呈具有缓冲作用的弯曲型结构或折弯型结构。

本发明相对于现有技术，具有如下优点之处：

在本发明中，所述储液罐内的所述电解液在所述液泵的作用下自下而上进入所述反应罐中，所述反应罐中的活性颗粒在电解液的流动作用下不断翻滚并在所述反应罐内形成流化床，使得活性颗粒充满整个腔体，从而在反应过程中加快了离子的传输，加强了传质速度；同时，所述电解液与所述活质颗粒的运动该流化床具有良好的传热性能且温度分布均匀，保证了该反应罐内各个部分电化学反应的一致性，使得所述活性颗粒在充放电过程中具有相同的电化学反应环境；因此，该流化床式半固态液流反应系统不仅易于流动而且减轻浓差极化、减小电极材料化学环境变化，并适用于大规模储能领域。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述的流化床式半固态液流反应系统的截面结构示意图；

图2是本发明所述的反应罐的内部结构示意图；

图3是本发明所述的反应罐的内部结构另一示意图；

图4是本发明所述的多孔隔膜管的内部结构示意图；

附体标记说明：1-反应罐；2-一类腔室；3-一类集流体；4-多孔隔膜管；5-二类腔室；6-二类集流体；7-固定金属网；8-过滤器；9-正极金属网；11-负极金属网；12-金属环；13-正极；14-负极；15-液泵；16-储液罐；17-散热器；18-导流板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种流化床式半固态液流反应系统，流化床式半固态液流反应系统，其包括通过连通管道相互连通的反应罐1、储液罐16、液泵15、对所述反应罐1的进、出液进行过滤的过滤结构以及连接所述反应罐1进行电极引出的电极引出结构；

其中，所述反应罐1内的至少一类腔室内填充有活性颗粒，所述储液罐16和所述连通管道中充满电解液；

所述液泵15设于所述储液罐16与所述反应罐1之间，所述电解液在所述液泵15的作用下以所述储液罐16-所述连通管道-所述反应罐1-所述连通管道-所述储液罐16为途径进行循环流动；所述电解液自下而上进入所述反应罐1内，所述所述反应罐1的对应腔室内的活性颗粒在所述电解液的作用下翻腾形成流化床。

在本实施例中，所述储液罐16内的所述电解液在所述液泵15的作用下自下而上进入所述反应罐1中，所述反应罐1中的活性颗粒在电解液的流动作用下不断翻滚并在所述反应罐1内形成流化床，使活性颗粒充满整个腔体，从而在反应过程中加快了离子的传输，加强了传质速度；同时，所述电解液与所述活质颗粒的运动该流化床具有良好的传热性能且温度分布均匀，保证了该反应罐1内各个部分电化学反应的一致性，使得所述活性颗粒在充放电过程中具有相同的电化学反应环境；因此，该流化床式半固态液流反应系统不仅易于流动而且减轻浓差极化、减小电极材料化学环境变化，并适用于大规模储能领域。

作为优选的实施方式，所述反应罐1的两类腔室内分别填充有相应的活性颗粒，两类腔室在所述电解液的作用下形成若干对正极流化床与负极流化床；即在本实施例中，所述反应罐1内的正极和负极均设置为流化床形式；当然作为可变换的实施方式，也可以选择只将所述反应罐1内的正极或负极设为流化床形式而对应的负极或正极则设为现有技术中常规负极或正极。

进一步，在本实施例中，所述一类腔室设为正极腔室，所述二类腔室设为设为负极腔室，则所述正极腔室内填充有正极活性颗粒，所述负极腔室内填充有负极活性颗粒；其中，所述正极活性颗粒和所述负极活性颗粒为由活性物质、导电剂和粘接剂混合后形成的球形、无规则或类球形颗粒，粒径大小设为10~100μm。作为所述正极活性颗粒、所述负极活性颗粒和所述电解液所形成的反应体系可以有以下多种选择：

一、锌-镍体系：所述正极活性颗粒为含有镍的活性物质、导电剂和粘结剂组成的混合物并经过机械混合或造粒的方法使其形成符合粒径大小的类球形颗粒；所述负极活性颗粒为金属锌或其合金形成的颗粒；所述电解液设为采用koh、naoh、lioh、ba(oh)2中的一种或二种以上混合而成水溶液；

二、锂离子电池体系：所述正极活性颗粒和所述负极活性颗粒均由用传统的锂离子电池电极活性物质且将其与导电剂、粘接剂混合研磨均匀再进行研磨、造粒或者烧结而制成的颗粒；所述电解液设为常用的锂离子电池电解液；

三、铅酸电池体系：所述正极活性颗粒设为二氧化铅颗粒，所述负极活性颗粒设为采用金属铅制成的颗粒，所述电解液采用稀硫酸或甲基磺酸铅。

其中，所述反应罐1可以设为圆柱体或立方体或多棱柱体等；作为本实施例的优选实施方式，所述反应罐1设为圆柱体，具体地，所述反应罐1包括一类腔室2和二类腔室5、若干将所述一类腔室2和所述二类腔室5隔离的多孔隔膜结构、若干设于所述一类腔室2内的一类集流体3、以及若干设于所述二类腔室5内的二类集流体6；所述反应罐1的底端成型有用于向各腔室内输入所述电解液的进液口，所述反应罐1的顶部成型有出液口；所述电解液在所述所述液泵15在作用下从所述进液口自下而上进入所述反应罐1内。

作为优选的实施方式，所述反应罐1的所述进液口呈“倒锥形”结构，所述出液口呈“锥形”结构。

进一步地，本实施例还包括进入所述反应罐1的所述电解液进行导流的导流结构。作为优选的实施方式，所述导流结构包括若干均布在所述反应罐1的所述进液口内的导流板18，所述导流板18呈具有缓冲作用的弯曲型结构或折弯型结构，如所述导流板18呈“～”型或“v”型；或者，所述导流板18设为多变形板，其横截面可以设为三角形、圆弧形或其他多边形，所述导流板18采用金属或非金属聚合物材料制成；所述导流板18在所述进液口处的均匀分布，可以使得所述进液口处的电解液流动速度一致，从而匀速进入所述反应罐1中，使得所述反应罐1内的活性颗粒匀速流动。

如图2、3和4所示，在本实施例，优选所述多孔隔膜结构包括若干设于所述反应罐1的腔体内的多孔隔膜管4，所述多孔隔膜管4的内部空间为所述二类腔室5，所述多孔隔膜管4的外部空间和所述反应罐1的罐体内壁形成所述一类腔室2。

进一步，所述过滤结构包括设于所述反应罐1的所述进液口和所述出液口的大端端部处且用于防止所述活性颗粒从所述一类腔室2内流出的过滤层，所述过滤层对应于所述多孔隔膜管4的位置处成型有通孔，所述过滤层通过所述通孔套设在所述多孔隔膜管4的端部上。

所述过滤结构还包括安装在所述多孔隔膜管4的上、下两端的端口内的过滤器8；其中，所述多孔隔膜管4内还设有用于固定所述二类集流体6的固定金属网7，所述过滤器8设为所述固定金属网7的外侧。

在本实施例中，优选所述多孔隔膜管4和所述过滤器8采用聚合物材料、无机非金属材料或高硅质硅酸盐等材料制成，其中，所述多孔隔膜管4的孔隙率不小于50%，且孔径大小为0.5~10μm。当然作为可变换的实施方式，所述多孔隔膜管4和所述过滤器8还可以采用铝硅酸盐材料、纯炭质材料、刚玉或金刚砂材料加工制成，也可采用聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯等的电子不导电的聚合物材料中的一种或多种制成，或者采用玻璃纤维无纺布、合成纤维无纺布、隔膜纤维纸等的电子不导电的微孔无机非金属材料中的一种或多种制成。

进一步地，所述电极引出结构包括由集流体上端引出的引出件、及连接同极性的引出件连接成一体并形成相应的正极或负极的极件；其中，优选所述引出件为金属环，所述极件为金属网。也就是说，在本实施例中，所述电极引出结构包括正极引出结构和负极引出结构；所述正极引出结构包括与所述多孔隔膜内的一类集流体3上端引出的若干正极金属环12、连接所有所述正极金属环12并形成正极13的正极金属网9，所述负极引出结构包括与所述多孔隔膜内的二类集流体6上端引出的若干负极金属环12、连接所有所述负极金属环12并形成负极14的负极金属网11。在本实施例中，所述一类集流体3和所述二类集流体6均采用金属丝制成，且金属丝的直径设为0.5~10mm，且所述一类集流体3和所述二类集流体6的端部由相应的所述正极金属网9和所述固定金属网7固定。

在上述实施例的基础上，本实施例还包括设于所述连通管道上的对所述反应罐的内部反应热量进行扩散的散热结构；作为优选的实施方式，所述散热结构设为散热器17，且所述散热器17设于所述反应罐1的出液口处或设于与所述反应罐1的出液口相连的所述连通管道上，从而对所述反应罐1的内部反应热量进行及时散热。

实施例2

在上述实施例的基础上，本实施例提供一种具体的实施方式：

在本实施例中，以铅酸体系为例，所述正极活性颗粒设为球形二氧化铅，所述负极活性颗粒采用金属铅制成，颗粒粒径为50μm，活性颗粒的填充体积站其相应腔室的80%；所述电解液设为浓度为37.36%的稀硫酸；在本实施例中，所述多孔隔膜管4的内腔为二类腔室5，多孔隔膜管4的管外为一类腔室2；优选所述反应罐1为正方体，其棱长为1m，所述反应光的内容积约为512l。

进一步，所述多孔隔膜管4设为圆柱形，其内径为0.1m，高度为高0.8m；在本实施例中，在所述反应罐1内设置40个相同的多孔隔膜管4，均匀地分布在反应罐1内，每根所述多孔隔膜管4的容积为6.3l。

进一步，所述多孔隔膜管4与所述过滤器8选用高硅质硅酸盐材料制成，所述多孔隔膜管4的孔隙率50%，其中，孔径大小为2~5μm。

所述一类集流体3采用铝丝制成，其直径为3mm，其长度为0.8m；所述二类集流体6采用镀镍铜制成，其直径为3mm，其长度为0.8m。

在本实施例中，整个体系的储存能量达263kwh，为了保证所述反应罐1内的活性颗粒能够形成流化床，且要保证活性颗粒不会逸出，始终在床层内运动，将所述反应罐1内的所述电解液的流速控制在0.5cm/s，对应使用的所述液泵15的轴功率为50kw，整个装置按1c倍率放电，输出功率达260kw。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。