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CN106684420B - 一种带有流场设计的铅液流电池 - Google Patents

一种带有流场设计的铅液流电池 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种带有流场设计的铅液流电池，通过对铅液流电池的反应腔室内电解质液流的流道进行设计，控制液流的流速分布，使流体流动由原先的沿出入口连线附近流动改为沿流道流动，使其更均匀，改善传质效果。本发明克服了现有技术有效流动面积比重较小、传质效果差、电池功率稳定性差和能量密度不高等问题，能进一步提高电池的功率性能和稳定性。

Description

一种带有流场设计的铅液流电池
技术领域
本发明属于电化学储能设备领域，具体为一种带流场控制的沉积型氧化还原铅液流电池。
背景技术
随着我国经济持续发展与生态文明进步，能源和环境等诸多社会经济问题迫切需要更高效同时更加环保的下一代电化学储能技术。目前氧化还原液流电池(简称液流电池)技术正在蓬勃发展，已在各种发电储电设施中投入使用，搭载液流电池的汽车也相继问世。铅液流电池综合了液流电池体系的电解质流动的特点和传统铅酸电池以铅为活性物质的特点，将含二价铅离子的电解质溶液从储存罐输入正负两极之间的电化学反应腔室中，在充电过程中，正极和负极分别消耗二价铅离子以沉积上单质铅和二氧化铅，放电时消耗铅和二氧化铅沉积物向溶液释放二价铅离子。铅液流电池只需用单一的二价铅电解质，节约了空间与泵等设备，而且铅资源与钒等稀缺资源相比价格更低廉，其上下游冶金、环保产业更成熟完善。铅液流电池也被认为是一种下一代铅酸电池，它更加安全稳定，可以实现更大的瞬时功率，同时与传统铅酸电池相比更容易修复再生，环境成本更低。目前，铅液流电池由于缺乏流场设计和控制，流经反应腔室的电解质液流的流场速度分布极不均匀，高流速集中于反应室出入口连线附近，与电极接触的大部分面积流速较小，不能很好地改善传质效果。本发明提供一种带流场设计的铅液流电池，通过对反应槽内电解质液体流道的设计使液流速度分布更均匀，加强传质效果，提高能量密度和铅液流电池的稳定性。
发明内容
本发明提出一种带有流场设计的铅液流电池，目的在于使铅液流电池液流速度分布更加均匀，克服现有技术有效流动面积比重较小、传质效果差、电池功率稳定性差和能量密度不高等问题。
本发明提出的技术方案为：
一种带流场设计的铅液流电池，包括电化学反应槽、泵和储液罐；
所述电化学反应槽用于贮装铅液流并提供铅液流进出通道，其包括槽体、负极集流板、正极集流板和若干个隔板；各隔板的一端固定槽体内壁，另一端与所固定槽体内壁的对面内壁之间留有空隙，作为铅液流通道；相邻隔板的固定端交错分别设置在相对的槽体内壁，使槽体内铅液流通道呈蛇形；铅液流进口和出口开设在电化学反应槽上，分别用于铅液的流入和流出；
所述负极集流板和正极集流板为耐腐蚀的导电材料，负极集流板与正极集流板对称设在所述槽体的两面；槽体、隔板、负极集流板和正极集流板结合成为一个整体空间，其内腔为蛇形铅液流通道，铅液流在该内腔并顺着所述蛇形流体通道流动；
所述泵的输出口接所述电化学反应槽的铅液流进口，输入口接储液罐，用于从储液罐抽取铅液流泵入电化学反应槽；所述电化学反应槽铅液流出口接储液罐，用于回收铅液流。
进一步的，所述电化学反应槽采用工程塑料制备，电化学反应槽上预留正、负极集流板嵌入的卡槽，电化学反应槽与电化学反应槽之间以螺栓方式固定，铅液流出口、入口的一面嵌入的集流板为负极集流板，相对的另一面嵌入的集流板为正极集流板。
进一步的，所述正极集流板是二氧化铅沉积/溶出电极，负极集流板是铅沉积/溶出电极，其中，充电时沉积，放电时溶解。
进一步的，工作时，用输液管路将电池单元、泵、储液罐连接起来，储液罐里铅液流通过泵循环流经整个电化学反应槽的蛇形流体通道，与正负极集流板发生电化学反应；充电时，二价铅离子失去电子和水反应生成二氧化铅和氢离子，二价铅得到电子转化为铅；放电时，上述过程反过来发生；铅液流参与反应后返回储液罐。
进一步的，所述铅液流为高浓度二价铅盐与酸的混合溶液，并添加表面活性剂。
进一步的，所述正、负电极集流板之间，设有电路控制单元，用于控制电池充放电。
电化学反应槽上预留电极板嵌入的卡槽，反应槽板中间内布有流体流道，流道厚度即为相邻电极板间的距离。板边缘留有螺栓孔以供固定。将两集流板嵌入反应槽中，螺栓孔对齐，旋入固定螺栓固定好，形成电池单元；当有多块反应槽组合时，相邻两反应槽之间共用一块集流板，共用的集流板一面为正极集流板面，一面为负极集流板面。其中负极集流板是铅沉积/溶出电极，正极集流板是二氧化铅沉积/溶出电极。
本发明通过对铅液流电池的反应腔室内电解质液流的流道进行设计，控制液流的流速分布，使流体流动由原先的沿出入口连线附近流动改为沿流道流动，使其更均匀，改善传质效果，提高电池的功率性能和稳定性。
本发明具有以下优点：
(1)按照本发明，液流流速分布更均匀，改善传质效果，提高电池稳定性。
(2)按照本发明，减少了储液罐需要的体积，节省了泵的运行费用等成本。
(3)按照本发明，可使用工程塑料制作，材料廉价易得，重量轻。
(4)按照本发明，可灵活改变中间反应槽个数以及电极面积大小，从而改变电压和电流，按照设计需要改变功率。
附图说明
图1为电池整体结构示意图；
图2为顶板电极槽三视图以及等轴测图；
图3为电化学反应槽三视图以及等轴测图；
图4为底板电极槽三视图以及等轴测图；
图5为电池主体爆炸视图；
图6为装配三视图以及剖面图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1.电化学反应槽，2.正极集流板，3.负极集流板，4.储液罐及电解质溶液，5.泵，6电路控制单元，A.进口，B.出口，C.集流板嵌入卡槽，D.隔板以及所形成通道，I.顶板电极槽，II.中间电极槽，III.底板电极槽，IV.氟橡胶密封垫片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明装置包括顶板电极槽、中间电极槽、底板电极槽、石墨电极、氟橡胶密封垫片、储液罐以及盛装的电解质溶液、蠕动泵、输液管路以及固定螺栓组成。顶板电极槽、中间电极槽、底板电极槽、共同组成电化学反应槽。顶板电极槽、底板电极槽起固定、包装作用，中间电极槽是电化学反应槽的主体，三个部件构成电化学反应槽。
顶板电极槽如图2所示，板上设有出口、入口，连接中间反应槽的出口、入口，且向外延伸，以便连接管路，周围有螺栓孔；中间电极槽如图3所示，边缘设有螺栓孔，板上设有出口、入口，且中部设置卡槽，槽体，槽体中设有6个隔板，隔板的一端固定于槽体一侧的内壁，另一端与槽体另一侧的内壁之间留有空隙，作为铅液流通道。相邻隔板的固定端交错分别设置在相对的槽体内壁，使槽体内铅液流通道呈蛇形；底板电极槽如图4所示，板中间设有卡槽，边缘设有螺栓孔。
将顶板电极槽、中间电极槽、底板电极槽、石墨电极(作为正极集流板和负极集流板)、固定螺栓如图5所示排列拼装，即可成为一个电池。通过增加或减少中间电极槽数量可以形成串联电池，改变电压。
组装好的串联电池如图6所示。将电池的储液罐、蠕动泵、管路连接好，当电池运行时，在顶板和底板的石墨板上分别连接电化学控制单元，电解质溶液由一口流入，经过图6剖面B-B所示流道以及其他未画出的流道，并在充/放电过程中发生化学反应，最后流至流道末尾，最后经另一口流出，经管路返回储液罐。
采用上述电池进行测试，采用上述的一个中间电极槽和顶板电极槽、底板电极槽、两片石墨电极、固定螺栓拼装成单片电池。每片电池的有效电极面积为13平方厘米。输液管路材料为耐腐蚀硅胶，内径5mm，外径8mm。采用转速为200rpm的蠕动泵。储液罐为1L的HDPE塑料瓶，其中装载的电解质为1.5摩尔每升的甲磺酸铅和1摩尔每升的甲磺酸溶液。在顶板和底板的石墨电极分别连接电路控制单元的正负极。电池的开路电压为1.6V左右，20mAcm-2的电流密度下，充放电能量效率为74.70％；在相同条件下，不带流场设计时能量效率为62.5％。因去掉流畅设计，有效流动面积比重减小，传质大部分依赖扩散，不能及时补充消耗掉的铅离子，传质效果差，造成电池功率稳定性差和能量密度不高。带有流畅设计时，传质有效流动面积大，对流传质效果好，及时补充铅离子，保证反应进行，从而提高了电池功率稳定性差和能量密度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种带流场设计的铅液流电池，包括电化学反应槽、泵和储液罐；其特征在于：
所述电化学反应槽用于贮装铅液流并提供铅液流进出通道，其包括槽体、负极集流板、正极集流板和若干个隔板；各隔板的一端固定于槽体一侧的内壁，另一端与槽体另一侧的内壁之间留有空隙，作为铅液流通道；相邻隔板的固定端交错分别设置在相对的槽体内壁，使槽体内铅液流通道呈蛇形；铅液流进口和出口开设在电化学反应槽上，分别用于铅液的流入和流出，铅液流进口和出口均为1个，并且铅液流出口、入口设在所述槽体的同一面上；
所述负极集流板和正极集流板为耐腐蚀的导电材料，负极集流板与正极集流板对称设在所述槽体的两面；槽体、负极集流板和正极集流板结合成为一个整体空间，其内腔通过隔板形成蛇形流体通道，铅液流在该内腔并顺着所述蛇形流体通道流动；
所述泵的输出口接所述电化学反应槽的铅液流进口，输入口接储液罐，用于从储液罐抽取铅液流泵入电化学反应槽；所述电化学反应槽铅液流出口接储液罐，用于回收铅液流。
2.如权利要求1中所述的带流场设计的铅液流电池，其特征在于：所述电化学反应槽采用工程塑料制备，电化学反应槽上预留正、负极集流板嵌入的卡槽，电化学反应槽与电化学反应槽之间以螺栓方式固定，在所述铅液流出口、入口所处的这个面上的卡槽中嵌入的集流板为负极集流板，相对的另一面的卡槽嵌入的集流板为正极集流板。
3.如权利要求2中所述的带流场设计的铅液流电池，其特征在于：正极集流板是二氧化铅沉积/溶出电极，负极集流板是铅沉积/溶出电极，其中，充电时沉积，放电时溶解。
4.如权利要求1或2中所述的带流场设计的铅液流电池，其特征在于：工作时，用输液管路将电池单元、泵、储液罐连接起来，储液罐里铅液流通过泵循环流经整个电化学反应槽的蛇形流体通道，于正负极集流板表面发生电化学反应；充电时，二价铅离子失去电子和水反应生成二氧化铅和氢离子，二价铅得到电子转化为铅；放电时，上述过程反过来发生；铅液流参与反应后返回储液罐。
5.如权利要求1或2中所述的带流场设计的铅液流电池，其特征在于：所述铅液流为高浓度二价铅盐与酸的混合溶液，并添加表面活性剂。
6.如权利要求1或2中所述的带流场设计的铅液流电池，其特征在于：所述正、负电极集流板之间，设有电路控制单元，用于控制电池充放电。
7.如权利要求1或2中所述的带流场设计的铅液流电池，其特征在于：当有多个电化学反应槽组合使用时，相邻两反应槽之间共用一块集流板，共用的集流板一面为正极集流板面，一面为负极集流板面；其中，所述负极集流板是铅沉积/溶出电极，正极集流板是二氧化铅沉积/溶出电极。
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