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一种高功率密度的液流电池

阅读：839发布：2021-06-15

专利汇可以提供一种高功率密度的液流电池专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种高功率密度的液流电池，包括筒体和分别与筒体相连的上封头、下封头，上封头上设置第一电解液入口，下封头上设置第一电解液出口，筒体上设置第二电解液入口和第二电解液出口，筒体的端部分别设置上端封和下端封，上端封和下端封分别连接有中空分离膜，中空分离膜内侧设置第一电极，中空分离膜外侧、筒体内侧设置第二电极。本发明的液流电池的电极填充密度较大，电解液与电极的接触面积更大，使得电化学反应可以在电极表面更快速地进行，降低了电池的电化学极化。液流电池的管状分离膜可以使用管径很小的中空纤维膜等进行大密度填充，增大了电池内部单位体积的膜面积，增大了单位体积内电池的功率密度。，下面是一种高功率密度的液流电池专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种高功率密度的液流电池，其特征在于：包括筒体(1)和分别与筒体(1)相连的上封头(2)、下封头(3)，所述上封头(2)上设置第一电解液入口(4)，所述下封头(3)上设置第一电解液出口(5)，所述筒体(1)上设置第二电解液入口(6)和第二电解液出口(7)，所述筒体(1)的端部分别设置上端封(8)和下端封(9)，所述上端封(8)和下端封(9)分别连接有中空分离膜(10)，所述中空分离膜(10)内侧设置第一电极(11)，所述中空分离膜(10)外侧、筒体(1)内侧设置第二电极(12)。
2.根据权利要求1所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述第一电解液入口(4)、第一电解液出口(5)的数量均为一个或多个。
3.根据权利要求1所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述中空分离膜(10)的数量与第一电极(11)的数量相同，所述中空分离膜(10)的数量为一个或多个。
4.根据权利要求1所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述第二电极(12)的数量为一个或多个。
5.根据权利要求1所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述中空分离膜(10)为箱式分离膜或管状分离膜。
6.根据权利要求5所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述箱式分离膜的长和宽为2～100厘米，轴向长度为2～300厘米。
7.根据权利要求5所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述管状分离膜的外径为0.5～50毫米，管壁厚度为0.1～20mm，轴向长度为50～2000毫米。
8.根据权利要求5或7所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述管状分离膜为微孔纳滤膜。
9.根据权利要求8所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述微孔纳滤膜的孔径分布为5～950nm，孔密度为平方厘米10万个以上。
10.根据权利要求1所述的一种高功率密度的液流电池，其特征在于：所述第一电极(11)、第二电极(12)由钛丝、碳毡、石墨毡或高分子聚合物基体与导电碳素材料复合材料制成。

说明书全文

一种高功率密度的液流电池

技术领域

[0001] 本发明涉及液流电池，具体为一种高功率密度的液流电池。

背景技术

[0002] 锌溴液流电池是一种新型的大规模电化学储能技术，通过反应活性物质的价态变化实现电能和化学能之间的相互转换。在液流电池中，活性物质储存于电解液中，具有流动性。液流电池一般由电堆、电解液及其储存罐、泵等管路系统组成，其中电堆主要由分离膜(包括离子传导膜、微孔纳滤膜等)、正极或负极电极、集流板等构成。在电池工作过程中，分离膜起到将电池正负极隔开的作用，防止出现内短路或自放电等现象。由于分离膜在电堆中的核心作用，其结构和材料将直接影响液流电池的电化学性能及工作效率。

[0003] 目前的研究和实践中，液流电池内部的分离膜通常是平板结构。液流电池以这种平板结构的分离膜为中轴，依次在两端对称叠放平板状的电极、液流框、极板等，叠放好的若干级单体电池被夹持在两个端板中间，经压紧固定后组成电堆。这种电池的装配工序繁琐，且在运行过程中电解液容易外漏。现有的平板式液流电池内部，电解液在膜与双极板构成的狭窄平面腔室内部流动，该腔室中还填充有多孔电极，进一步限制了电解液的流动空间。当电池规模较大时，电解液在其中的流动阻力很大。在运行过程中，由于电解液在平板电极之间的流动容易出现死区，容易出现死区或分布不均匀的现象，使得电解液不能充分利用。此外这种电池受限于分离膜与电极的填充密度、电解液与电极的接触、正负极电解液之间电荷交换等因素，功率密度难以提升，存在瓶颈。现有的平板式液流电池中，受限于分离膜、电极、双极板的厚度，作为电池堆基本重复单元的单电池的厚度约为5～10mm，单位体积电池组单电极的有效面积(正极或负极其中)约为50～200m2/m3。现有的平板式液流电池中，单位体积电池堆中分离膜的有效面积与单电极的有效面积相近，都是50-200m2/m3发明内容

[0004] 发明目的：本发明目的是提供一种高功率密度的液流电池。

[0005] 技术方案：本发明所述的一种高功率密度的液流电池，包括筒体和分别与筒体相连的上封头、下封头，上封头上设置第一电解液入口，下封头上设置第一电解液出口，筒体上设置第二电解液入口和第二电解液出口，筒体的端部分别设置上端封和下端封，上端封和下端封分别连接有中空分离膜，中空分离膜内侧设置第一电极，中空分离膜外侧、筒体内侧设置第二电极。第一电解液沿第一电解液入口流入，经上端封流入中空分离膜内部，与第一电极接触，经下端封后沿第一电解液出口流出；第二电解液沿第二电解液入口流入，进入筒体内与第二电极接触，随后沿第二电解液出口流出。

[0006] 第一电解液入口、第一电解液出口的数量均为一个或多个。中空分离膜的数量与第一电极的数量相同，所述中空分离膜的数量为一个或多个。第二电极的数量为一个或多个。第一电极、第二电极由钛丝、碳毡、石墨毡或高分子聚合物基体与导电碳素材料复合材料制成，比表面积大且耐电化学腐蚀。

[0007] 中空分离膜为箱式分离膜或管状分离膜。箱式分离膜的长和宽为2～100厘米，轴向长度为2～300厘米。管状分离膜的外径为0.5～50毫米，管壁厚度为0.1～20mm，轴向长度为50～2000毫米。管状分离膜为微孔纳滤膜。微孔纳滤膜的孔径分布为5～950nm，孔密度为平方厘米10万个以上。

[0008] 有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

[0009] 1、本发明的液流电池电解液与电极的接触面积更大，使得电化学反应可以在电极表面更快速地进行，更大的电极有效面积可以为电池中的电化学反应提供更多的活性反应位点，进而降低电池的电化学极化，提高电池运行效率；

[0010] 2、液流电池的管状分离膜可以使用管径很小的中空纤维膜等进行大密度填充，增大了电池内部单位体积的膜面积，增大了单位体积内电池的功率密度，本发明提供使用管式分离膜或箱式分离膜及其配套电极的液流电池，当使用管径为2～3mm的分离膜时，单位2 3
体积电池组中分离膜的有效面积可达300～900m/m ，该指标远高于现有的平板式液流电池，更大的膜面积可以为电池内部的电荷交流提供更多的有效通道，降低电池的欧姆内阻，提高电池电压效率；

[0011] 3、管状分离膜的中空管式结构，使得沿各个剖面的应力对称分布，相同厚度的管式分离膜的机械强度要高于平板式分离膜，可以承受更大的内外液压差，耐受相同液压差的条件下，管状分离膜的膜厚度要低于平板式分离膜，可以降低由膜厚度带来的欧姆阻抗；

[0012] 4、电解液在中空分离膜尤其是管状分离膜内部运行时，其流动受圆形管壁限制，很容易实现均匀分散的流动；

[0013] 5、使用相转化法、挤出法、凝胶浇筑法等工艺都可以快速方便地成型中空分离膜，且可以实现膜结构的精确调控，便于后续的放大生产。附图说明

[0014] 图1为单管式膜锌溴液流电池基本结构示意图；

[0015] 图2为多管式膜锌溴液流电池基本结构示意图；

[0016] 图3为单箱式膜锌溴液流电池基本结构示意图；

[0017] 图4为多箱式膜锌溴液流电池基本结构示意图。

具体实施方式

[0018] 如图1，对于单管式膜锌溴液流电池，一个中空分离膜10置于筒体1内部，中空分离膜10的两端分别和上端封8、下端封9相连，其中上端封8、下端封9连接筒体1内侧与中空分离膜10外侧，筒体1两端分别与上封头2、下封头3相连，其中上封头2上有一个第一电解液入口4，下封头3上有一个第一电解液出口5，一个正极或负极第一电极11位于中空分离膜10内部，相对应的两个正极或负极第二电极12位于中空分离膜10外侧、筒体1内部，中空分离膜10为管状分离膜。筒体1上有一个第二电解液入口6和一个第二电解液出口7。第一电解液从第一电解液入口4流入，经上端封2流入管状分离膜内部，与第一电极11接触，经下端封3后由第一电解液出口5流出；第二电解液从第二电解液入口6流入筒体1内部，与两个第二电极
12接触，沿第二电解液出口7流出。筒体1上的第二电解液入口6与筒体1内部、管状分离膜外部、第二电解液出口7相联通，构成一路电解液主管道；上封头2、管状分离膜内部、下封头3相联通，构成另一路电解液主管道。两路电解液主管道之间，由上端封2、管状分离膜、下端封3隔开。第二电解液入口6、第二电解液出口7通过管道与外部正极或负极储液罐及泵等管路系统相连，形成一路电解液回路；第一电解液入口4、第一电解液出口5通过管道与外部正极或负极储液罐及泵等管路系统相连，形成另一路电解液回路。

[0019] 如图2，对于多管式膜液流电池，四个中空分离膜10置于筒体1内部，中空分离膜10为管状分离膜，管状分离膜的两端分别和上端封8、下端封9相连，其中上端封8、下端封9连接筒体1内侧与管状分离膜外侧，筒体1两端分别与上封头2、下封头3相连，其中上封头2上有一个第一电解液入口4，下封头3上有一个第一电解液出口5，四个正极或负极第一电极11位于中空分离膜10内部，相对应的四个个正极或负极第二电极12位于中空分离膜10外侧、简体1内部。筒体1上有一个第二电解液入口6和一个第二电解液出口7。第一电解液从第一电解液入口4流入，经上端封2流入管状分离膜内部，与第一电极11接触，经下端封3后由第一电解液出口5流出；第二电解液从第二电解液入口6流入筒体1内部，与两个第二电极12接触，沿第二电解液出口7流出。筒体1上的第二电解液入口6与筒体1内部、管状分离膜外部、第二电解液出口7相联通，构成一路电解液主管道；上封头2、管状分离膜内部、下封头3相联通，构成另一路电解液主管道。两路电解液主管道之间，由上端封2、管状分离膜、下端封3隔开。第二电解液入口6、第二电解液出口7通过管道与外部正极或负极储液罐及泵等管路系统相连，形成一路电解液回路；第一电解液入口4、第一电解液出口5通过管道与外部正极或负极储液罐及泵等管路系统相连，形成另一路电解液回路。

[0020] 如图3，多管式膜液流电池中设置有四根管式分离膜以及对应的四个正极或负极第一电极11、四个正极或负极第二电极12。液流电池中设置的管式分离膜数量及对应的正极或负极第一电极11、正极或负极第二电极12的数量并不局限于此，在此并不对本发明的保护范围产生限定作用。

[0021] 如图4，单管式膜液流电池或多管式膜液流电池的上封头2上有一个第一电解液入口4，下封头3上有一个第一电解液出口5，筒体1上设置有一个第二电解液入口6和一个第二电解液出口7。但是，电解液出入口的功能仅仅为电解液流入或流出液流电池电堆的通道，其数量并没有明确限制，因此上封头2上设置的第一电解液入口4的数量、下封头3上设置的第一电解液出口5的数量、筒体1上设置的第二电解液入口6和第二电解液出口7的数量并不局限于此。

[0022] 本实施例中仅给出一种单管式膜液流电池和一种多管式膜液流电池的实施方案，但是本发明提供的高功率密度的液流电池中，分离膜的形态并不局限于中空管式膜，也可使用中空的箱式膜等其余膜进行替代。

[0023] 上述筒体1、上封头2和下封头3均采用防腐材质制成，优选由塑料、玻璃钢或不锈钢材料制成。管状分离膜的外径为0.5～50mm，管壁厚度为0.1～20mm，轴向长度为50～2000mm。管状分离膜可以是微孔纳滤膜，使用高分子材料制造，微孔纳滤膜的孔径分布为5～950nm，孔密度为平方厘米10万个以上。管状分离膜也可以是离子交换膜，使用高分子材料制造。这种交换膜可以是阴离子交换膜，允许阴离子选择性通过；也可以是阳离子交换膜，允许阳离子选择性通过。第一电极11、第二电极12使用比表面积大，且耐电化学腐蚀材料制成，具体为碳毡、石墨毡或是高分子聚合物基体和一定比例的导电碳素材料的混合物。
第一电解液和第二电解液为含有络合剂的溴化锌溶液，络合剂可选择1-丁基-1-甲基吡咯烷溴化物或1-甲基-1-乙基溴化吡咯烷，为了增加电解液的电导率，电解液中可添加一定助电解质，如氯化铵、氯化钾等。

[0024] 膜分离领域中，厚度约1mm的高分子平板式分离膜组装成膜组件时，仅可以耐受0.1Mpa的跨膜压差，而厚度仅约0.1mm的高分子中空纤维分离膜组装成膜组件时可以耐受
0.3Mpa的跨膜压差。在锌溴液流电池领域中，平板式分离膜为了保证膜的强度，通常使用厚度约1～2mm的微孔分离膜，这种形式的模组件存在一定不足在电池运行过程中膜中心部位受到的剪切应力要高于四周部位，此处分离膜容易出现破损。而管式分离膜相比较之下应力分布更为均匀，不容易应内外压差而出现机械破损，进而造成电池自放电。分离膜的欧姆电阻与其厚度成正比，一般厚度约大的膜，其欧姆电阻也越大。例如，厚度为2mm的液流电池微孔分隔膜，其面电阻率约为1～2Ω·cm-2，而管式或箱式分离膜，其壁厚可以为0.1～
0.2mm，对应的面电阻率约为0.1～0.5Ω·cm-2。使用管式或箱式分离膜可以降低电池的欧姆内阻，提高电池的电压效率。

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