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CN107845826B - 一种锌溴单液流电池 - Google Patents

一种锌溴单液流电池 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种锌溴单液流电池，电池正极为多孔材料或于正极与隔膜间设有空腔，于正极的多孔材料孔内或于正极与隔膜间的空腔中灌装有电解液。电池初次运行时，电解液经由配有阀门的管路灌输入正极。该电池具有能量密度高、循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。

Description

一种锌溴单液流电池
技术领域
本发明涉及单液流电池技术领域，特别涉及锌溴单液流电池领域。
背景技术
锌溴液流电池(Zinc-bromine redox flow battery,ZBB)是一种低成本、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、装置简单易操纵、使用寿命长、成本低廉等优点，主要应用于电网调峰、风能和太阳能等可再生能源发电、电动汽车等领域。
传统的锌溴液流电池采用双泵、双管路设计，在充放电过程中，用循环泵驱动电解液在电池内循环流动。电池不工作时电解液从电池空腔中抽出，贮存于贮液槽内，使电池内部正负极之间实现电解液断路，可以防止正极充电态溴扩散到负极直接发生化学反应而引起自放电。循环电解液同时还可以防止充电时锌枝晶生长穿过隔膜使正负极短路。
但是由于锌溴液流电池需要循环泵、贮液槽等电解液循环系统，导致了锌溴液流电池的能量效率由于系统损耗的影响而降低，另一方面这些电池辅助设备使得锌溴液流电池系统结构复杂，不利于小型化，降低了电池的能量密度。
为此专利CN99245261.9介绍了一种锌溴蓄电池，它取消了锌溴液流电池的循环泵，贮液槽等电解液循环系统，使电池结构简单而紧凑，降低了系统能耗。但是，由于两侧均采用无泵设计，导致了电池的实际能量密度较低，无法大电流充放电。专利介绍了一种锌溴单液流电池技术，取消正极循环管路，正极采用活性物质、络合剂及碳材料混合涂膏的方式，结构复杂。并且，虽然正极采用碳毡涂覆活性物质的方法，使得正极无需进行电解液的灌装，但是也存在正极腔内活性物质含量较少，影响电池的充电容量。
发明内容
本发明针对上述问题，提出一种锌溴单液流电池结构，并根据此结构改进了电解液循环系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下，
一种锌溴单液流电池结构，包括锌溴电池、电解液储液罐、循环泵、负极电解液输入管路和负极电解液输出管路，
锌溴电池包括正极、隔膜、负极，电解液储液罐经负极电解液输入管路和负极电解液输出管路与负极相连，于负极电解液输入管路上设有循环泵；
所述的正极为多孔材料或于正极与隔膜间设有空腔，于正极的多孔材料孔内或于正极与隔膜间的空腔中灌装有电解液。
于负极和循环泵间的负极电解液输入管路上设有作为正极电解液输入管路的分支管路，正极电解液输入管路与正极的多孔材料或正极与隔膜间的空腔相连通；
于负极电解液输出管路上设有作为正极电解液输出管路的分支管路，正极电解液输出管路与正极的多孔材料或正极与隔膜间的空腔相连通；
于正极电解液输入管路和正极电解液输出管路均上设有阀门。
其中锌溴电池由一节或二节以上单电池串联而成，单电池包括正、负极端板之间依次叠合的正极集流体、正极、隔膜、负极、负极集流体；
二节以上单电池串联时包括位于正极端板和负极端板之间的2组以上串联的依次叠合的正极集流体、正极、隔膜、负极、负极集流体。
正极侧采用密封结构，无需单独配置正极电解液循环系统；
电池初次运行时，通过电解液输送管路向正极灌输电解液。
电池电解液循环系统配置正极电解液输送管路，电解液输送管路中，正极电解液进出口均配置有阀门，控制电解液输送；初次运行时，打开正极电解液输出和输入管路上的阀门，将电解液输入正极后关闭阀门；电池充放电运行时，电解液只输送至负极进行循环。
所述的正极和负极材料均采用碳毡或石墨毡。碳毡为多孔材料。
所述电解液为溴化锌酸性溶液，浓度为1×10M，pH值为2-5。。
所述隔膜为离子交换膜或微孔膜。
本发明的有益效果：
1.该电池结构舍弃了原有锌溴单液流电池正极的涂膏步骤，采用简单的碳毡或石墨毡作为电极，保证了正极具有较大的空间，储存较多的电解液，提高电池的充电容量。
2.为了解决该设计正极并不自带电解液活性物质的问题，在循环管路中设计了正极电解液灌输管路，电池在初次运行前，通过此系统，将正极充满电解液。初次运行时，电解液经由配有阀门的管路灌输入正极。电池充放电时，电解液只输送至负极，在电极上游离锌离子直接以锌单质形式沉积，溴离子在正极内部氧化为溴单质后与络合剂形成溴络合物。放电时，锌单质氧化为锌离子经由泵回到储液罐中，溴络合物还原为溴离子。该电池具有能量密度高、循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。
附图说明
图1为本发明的锌溴单液流电池结构示意图；
其中：1、正极端板；2、负极端板；3、正极集流体；4、电极；5、隔膜；6、负极集流体；7、负极电解液储罐；8、循环泵；9、正极电解液出口阀门；10、正极电解液出口阀门；
图2对比例1常规锌溴单液流电池结构示意图；
1、正极端板；2、负极端板；3、正极集流体；4、电极；5、隔膜；6、负极集流体；7、负极电解液储罐；8、循环泵；
图3实施例1循环性能图，其中CE-库伦效率，VE-电压效率，EE-能量效率；
图4实施例2循环性能图；
图5实施例3循环性能图；
图6对比例循环性能图。
具体实施方式
实施例1
1)正极采用4x4x0.5cm规格的碳毡一张，负极采用4x4x0.5cm规格的碳毡一张
2)配制60ml的2mol/L的溴化锌溶液待用。
电池装配：
如图1，单电池按顺序依次包括正极端板、正极集流体、正极(碳毡)、PE多孔膜、负极、负极集流体、负极端板。
于负极和循环泵间的负极电解液输入管路上设有作为正极电解液灌输入管路的分支管路，正极电解液灌输入管路与正极的多孔材料或正极与隔膜间的空腔相连通；
于负极电解液输出管路上设有作为正极电解液灌输出管路的分支管路，正极电解液灌输出管路与正极的多孔材料或正极与隔膜间的空腔相连通；
于正极电解液灌输入管路和正极电解液灌输出管路均上设有阀门。
电池电解液循环系统配置正极电解液输送管路，电解液输送管路中，正极电解液进出口均配置有阀门，控制电解液输送；初次运行时，打开正极电解液输出和输入管路上的阀门，将电解液输入正极后关闭阀门；电池充放电运行时，电解液只输送至负极进行循环。
由图3可看出，电池电极面积36cm2，充放电电流密度：40mA/cm2，充电时间1h，电池库仑效率：96％，电压效率：86％，能量效率：83％。
实施例2
1)正极采用4x4x0.5cm规格的碳毡三张，负极采用4x4x0.5cm规格的碳毡一张
2)配制60ml的2mol/L的溴化锌溶液待用。
电池装配和运行方式同实施例1
单电池按顺序依次包括正极端板、正极集流体、正极、Nafion117膜、负极、负极集流体、负极端板。
由图4可看出，电池电极面积36cm2，充放电电流密度：40mA/cm2，充电时间1.5h，电池库仑效率：96％，电压效率：86％，能量效率：81％。
实施例3
1)正极采用4x4x0.5cm规格的碳毡两张，负极采用4x4x0.5cm规格的碳毡一张
2)配制60ml的2mol/L的溴化锌溶液待用。
电池装配和运行方式同实施例1
单电池按顺序依次包括正极端板、正极集流体、正极、PP多孔膜、负极、负极集流体、负极端板。
由图5可看出，电池电极面积36cm2，充放电电流密度：40mA/cm2，充电时间2h，电池库仑效率：94％，电压效率：86％，能量效率：81％。
对比例1
常规锌溴单液流电池的组装，如图2所示。
正负极极膏的制备：
1)极膏浆料配置：按重量份数计，将碳粉1份、三甲基溴化铵1份、溴化锌10份、3份去离子水机械混合搅拌成糊状备用；
2)采用刮涂的方法将极膏浆料均匀地涂覆在碳毡的一侧表面；载量：20mg/cm2。
3)溴化锌溶液配置：配制4mol/L的溴化锌溶液，将制备好的正负极浸泡在溶液20min后装配电池，并将涂覆有极膏的一侧面向隔膜装配。
电池装配：
单电池按顺序依次包括正极端板、正极集流体、正极、PE多孔膜、负极、负极集流体、负极端板。
由图6可看出，电池电极面积36cm2，充放电电流密度：40mA/cm2，充电时间1h，1.5h，2h，电池库仑效率分别为：96％，80％，60％，电压效率分别为：83％，83％，83％能量效率分别为：80％，66％，50％。
本发明电池结构舍弃了原有锌溴单液流电池正极的涂膏步骤，采用简单的碳毡或石墨毡作为电极，保证了正极具有较大的空间，储存较多的电解液，提高电池的充电容量。该电池具有能量密度高、循环寿命长、成本低、结构及制造工艺简单的特点。

Claims (7)

1.一种锌溴单液流电池，包括锌溴电池、电解液储液罐、循环泵、负极电解液输入管路和负极电解液输出管路，
锌溴电池包括正极、隔膜、负极，电解液储液罐经负极电解液输入管路和负极电解液输出管路与负极相连，于负极电解液输入管路上设有循环泵；其特征在于：
所述的正极为多孔材料或于正极与隔膜间设有空腔，于正极的多孔材料孔内或于正极与隔膜间的空腔中灌装有电解液；
于负极和循环泵间的负极电解液输入管路上设有作为正极电解液输入管路的分支管路，正极电解液输入管路与正极的多孔材料或正极与隔膜间的空腔相连通；
于负极电解液输出管路上设有作为正极电解液输出管路的分支管路，正极电解液输出管路与正极的多孔材料或正极与隔膜间的空腔相连通；
于正极电解液输入管路和正极电解液输出管路均上设有阀门。
2.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池，其特征在于：
其中锌溴电池由一节或二节以上单电池串联而成，单电池包括正、负极端板之间依次叠合的正极集流体、正极、隔膜、负极、负极集流体；
二节以上单电池串联时包括位于正极端板和负极端板之间的2组以上串联的依次叠合的正极集流体、正极、隔膜、负极、负极集流体。
3.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池，其特征在于：正极侧采用密封结构，无需单独配置正极电解液循环系统。
4.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池，其特征在于：电池电解液循环系统配置正极电解液输送管路，电解液输送管路中，正极电解液进出口均配置有阀门，控制电解液输送；初次运行时，打开正极电解液输出和输入管路上的阀门，将电解液输入正极后关闭阀门；电池充放电运行时，电解液只输送至负极进行循环。
5.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池，其特征在于，所述的正负极均采用碳毡或石墨毡。
6.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池，其特征在于，所述电解液为溴化锌酸性溶液，浓度为1×10M，pH值为2-5。
7.根据权利要求1所述的锌溴单液流电池，其特征在于，所述隔膜为离子交换膜或微孔膜。
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