一種鉛液流電池及其電解槽的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種鉛液流電池及其電解槽。該鉛液流電池包括電解槽、循環(huán)裝置、正極板、負(fù)極板以及儲液罐；所述電解槽包括正極插槽、負(fù)極插槽以及電解液腔，所述正極插槽以及負(fù)極插槽平行設(shè)置，且在垂直方向通過電解液腔連通；所述正極板以及所述負(fù)極板分別通過所述正極插槽以及負(fù)極插槽與所述電解槽固定；所述電解槽的側(cè)面設(shè)置有進(jìn)水口和出水口，所述進(jìn)水口和出水口在水平方向與電解液腔連通；所述電解液腔以及所述儲液罐中裝有電解液，所述循環(huán)裝置連接所述儲液罐以及所述電解槽的進(jìn)水口，同時連接所述電解槽的出水口以及所述儲液罐。該鉛液流電池將一體化的電解槽替代兩個腔室的板框結(jié)構(gòu)，由此解決了鉛液流電池性能不穩(wěn)定等技術(shù)問題。
【專利說明】
一種鉛液流電池及其電解槽
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于電化學(xué)儲能裝置領(lǐng)域，更具體地，涉及一種鉛液流電池及其電解槽。
【背景技術(shù)】
[0002 ]鉛液流電池是一種結(jié)合氧化還原液流電池概念的下一代鉛酸電池裝置，將流體的可溶性Pb2+電解質(zhì)溶液從外部儲存罐循環(huán)栗入正負(fù)極之間的電化學(xué)反應(yīng)腔室中。在充電/放電過程中，正極和負(fù)極分別同時消耗/釋放Pb2+離子。Pb2+電解質(zhì)的流動可提高電極固液界面?zhèn)髻|(zhì)，提高功率密度，同時鉛酸液流電池的儲能容量取決于從外部儲存罐栗入反應(yīng)室的Pb2+電解質(zhì)的量，因此其儲能容量和功率密度設(shè)計(jì)非常靈活。由于制作工藝相對簡單，且可以短流程地利用再生回收鉛資源，對鉛原料雜質(zhì)含量要求不高，因此其儲能成本低于傳統(tǒng)鉛酸蓄電池，也更加環(huán)保，在大規(guī)模儲能領(lǐng)域有較好應(yīng)用前景。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)中的鉛液流電池通常采用雙室的板框式構(gòu)造，如發(fā)明專利CN102723518A公開了一種全鉛液流電池，該電池采用板框設(shè)計(jì)，以固定電池的正極室與負(fù)極室。然而，此類雙室板框包括正極室與負(fù)極室兩個腔室的板框結(jié)構(gòu)，其中，正極室與負(fù)極室之間通過墊片連接，并通過螺桿螺絲施加壓強(qiáng)固定，以保證連接的空間無空隙。該電池具有以下缺點(diǎn):第一，電池的密封效果受到旋緊螺絲等裝配操作的影響，因此人為操作因素對電池性能影響較大，使得電池性能不穩(wěn)定測試;第二，由于電池采用板框設(shè)計(jì)，由于之間的墊片老化后失去彈性，使得電池的長期穩(wěn)定性能不佳;第三，當(dāng)電極板損壞需要檢修時，必須將整個電池停止運(yùn)行，并完全拆開，維修維護(hù)較為困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種鉛液流電池及其電解槽，其目的在于將一體化的電解槽替代兩個腔室的板框結(jié)構(gòu)，由此解決鉛液流電池性能不穩(wěn)定、長期穩(wěn)定性能不佳、維修維護(hù)較為困難的技術(shù)問題。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種鉛液流電池，所述鉛液流電池包括電解槽、循環(huán)裝置、正極板、負(fù)極板以及儲液罐；
[0006]所述電解槽包括正極插槽、負(fù)極插槽以及電解液腔，所述正極插槽和負(fù)極插槽平行設(shè)置，且在垂直方向通過電解液腔連通;所述正極插槽內(nèi)固定有正極板，所述負(fù)極插槽內(nèi)固定有負(fù)極板;所述電解槽的不同側(cè)面分別設(shè)置有進(jìn)水口以及出水口，所述進(jìn)水口和出水口在水平方向與電解液腔連通；
[0007]所述電解液腔以及所述儲液罐中儲存有電解液;所述儲液罐與所述電解槽的進(jìn)水口通過所述循環(huán)裝置連接;所述電解槽的出水口與所述儲液罐也通過所述循環(huán)裝置連接；所述循環(huán)裝置用于將電解液從所述儲液罐輸出至所述進(jìn)水口，并從所述出水口輸出至所述儲液觸。
[0008]優(yōu)選地，所述正極插槽以及負(fù)極插槽分別設(shè)置于所述電解槽的相對的兩個側(cè)面。[0009 ]優(yōu)選地，所述循環(huán)裝置包括進(jìn)水管、出水管以及蠕動栗，所述進(jìn)水管連接所述儲液罐以及所述電解槽的進(jìn)水口，所述出水管連接所述電解槽的出水口以及所述儲液罐，所述蠕動栗與所述進(jìn)水管相對固定，用于控制所述進(jìn)水管中的電解液的流向和流速。
[0010]優(yōu)選地，所述電解液為四氟硼酸鉛-四氟硼酸溶液或者甲磺酸鉛-甲磺酸溶液。
[0011]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述四氟硼酸鉛-四氟硼酸溶液包括IM?1.6M的四氟硼酸鉛以及0.7M?1.1M的四氟硼酸。
[0012]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述甲磺酸鉛-甲磺酸溶液包括IM?1.6M的甲磺酸鉛以及
0.7M?1.1M的甲磺酸。
[0013]優(yōu)選地，所述正極板以及所述負(fù)極板為石墨、玻璃碳、碳紙、泡沫鎳或碳?xì)帧?br>[0014]優(yōu)選地，所述正極板為蜂窩狀或網(wǎng)狀。
[0015]優(yōu)選地，所述正極板通過密封膠與所述正極插槽相對固定，所述負(fù)極板通過密封膠與所述負(fù)極插槽相對固定。
[0016]按照本發(fā)明的另一方面，還公開了一種用于鉛液流電池的電解槽，所述電解槽包括正極插槽、負(fù)極插槽以及電解液腔，所述正極插槽與負(fù)極插槽平行設(shè)置，且在垂直方向通過電解液腔連通;所述電解槽的不同側(cè)面設(shè)置有進(jìn)水口和出水口，所述進(jìn)水口和出水口分別在水平方向與電解液腔連通；
[0017]所述正極插槽用于固定正極板，所述負(fù)極插槽用于固定負(fù)極板，所述進(jìn)水口用于將電解液輸入電解液腔，所述出水口用于將電解液腔的電解液輸出。
[0018]優(yōu)選地，所述電解液腔的高度為Imm?6mm。
[0019]優(yōu)選地，所述電解槽的材料為工程塑料。
[0020]作為進(jìn)一步優(yōu)選地，所述電解槽的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚乳酸。
[0021]優(yōu)選地，正極插槽以及負(fù)極插槽的個數(shù)為N個，N2 I;所述正極插槽以及負(fù)極插槽在垂直方向交錯設(shè)置，且相鄰的正極插槽和負(fù)極插槽在垂直方向通過電解液腔連通。
[0022]總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于將一體化的電解槽替代兩個腔室的板框結(jié)構(gòu)，能夠取得下列有益效果:
[0023]1、本發(fā)明中，正極板和負(fù)極板通過正極插槽和負(fù)極插槽與電解槽緊密結(jié)合，電解槽除了進(jìn)水口和出水口，周身沒有縫隙，這樣可有效解決密封漏液問題，提高鉛液流電池長期運(yùn)行的安全性與穩(wěn)定性；
[0024]2、本發(fā)明中以一體化的電解槽替代兩個腔室的板框結(jié)構(gòu)，無需固定正極室和負(fù)極室，避免了采用板框式結(jié)構(gòu)時由于螺桿施壓不同等操作因素導(dǎo)致不同批次電池產(chǎn)品性能重現(xiàn)性差的問題；
[0025]3、由于正極板和負(fù)極板通過正極插槽和負(fù)極插槽與電解槽結(jié)合，需要檢修時，僅需將正極板或負(fù)極板從電解槽取出，無需拆開電解槽，更易于檢修維護(hù)；
[0026]4、本發(fā)明裝置優(yōu)選將蠕動栗作為循環(huán)裝置，可更精確控制電解液進(jìn)入電解槽內(nèi)的流速，使電解液以層流狀態(tài)流經(jīng)電解槽，同時，只需一個蠕動栗即可控制電解液的方向，既降低了成本又可保證負(fù)極板和正極板表面的電解液流速完全相同，可以避免現(xiàn)有技術(shù)采用雙室的板框式構(gòu)造時由于正負(fù)極表面的流速和水壓不同所導(dǎo)致的電池失效問題；
[0027]5、電解槽優(yōu)選采用工程塑料為材料，可由3D打印或傳統(tǒng)塑造方法制備，結(jié)構(gòu)簡單，耗材少，從而減輕了鉛液流電池的整體重量，降低了生產(chǎn)成本。
【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1提供的鉛液流電池的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0029]圖2為本發(fā)明實(shí)施例1的恒電流充放電測試曲線圖；
[0030]圖3為本發(fā)明實(shí)施例1的電解槽的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0031]圖4a為本發(fā)明實(shí)施例1的電解槽的仰視圖，其中E-E表示與前后方向平行的中垂面；
[0032]圖4b為本發(fā)明實(shí)施例1的電解槽的E-E方向的剖視圖；
[0033]圖4c為本發(fā)明實(shí)施例1在進(jìn)水口處垂直截面的省略剖視圖，其中F-F表示水平方向的垂面；
[0034]圖4d為本發(fā)明實(shí)施例1的正面剖視圖
[0035]圖4e為本發(fā)明實(shí)施例1沿圖4d中C-C方向左邊部分的省略剖視圖；
[0036]圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的電解槽的結(jié)構(gòu)圖；
[0037]在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中:1_電解槽，2-蠕動栗，3-正極板，4-負(fù)極板，5-儲液罐6-電解液，7-電化學(xué)工作站，11-進(jìn)水口，12-正極插槽，13-負(fù)極插槽，14-電解液腔，15-出水口。
【具體實(shí)施方式】
[0038]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0039]本發(fā)明提供了一種鉛液流電池，包括電解槽、循環(huán)裝置、正極板、負(fù)極板以及儲液觸;
[0040]所述電解槽包括正極插槽、負(fù)極插槽以及電解液腔，所述正極插槽以及負(fù)極插槽平行相對設(shè)置于電解槽的側(cè)面，且在垂直方向通過電解液腔連通;所述電解槽的側(cè)面設(shè)置有進(jìn)水口和出水口，所述進(jìn)水口和出水口在水平方向與電解液腔連通；電解液腔的面積決定了電解液與正極板以及負(fù)極板的接觸面積，電解液腔的高度決定了正極板以及負(fù)極板之間的垂直距離；因此，電解液腔的面積和高度可根據(jù)需求靈活設(shè)計(jì)，例如，需要獲得較大的電流時可以增大面積；當(dāng)需要電解液在單位面積內(nèi)流經(jīng)的面積更大時，可以減小其高度，電解液腔的高度一般為Imm?6mm;為了簡化制備工藝，電解槽可以用3D打印方法制備，材料可選取丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚乳酸等工程塑料；
[0041]當(dāng)該鉛液流電池為N對電極串聯(lián)的串聯(lián)電池時，I;該電解槽可以包括N個正極插槽、N個負(fù)極插槽以及2N-1個電解液腔，所述正極插槽以及負(fù)極插槽在垂直方向上交錯平行設(shè)置，且相鄰的正極插槽和負(fù)極插槽在垂直方向通過電解液腔連通，電解槽側(cè)面設(shè)置有2N-1對進(jìn)水口和出水口，分別與不同的電解液腔相連通，使用時，將所有N對電極分別固定于正極插槽和負(fù)極插槽中，固定在電解槽最頂部和最底部的電極則分別作為該串聯(lián)電池的正負(fù)極使用。
[0042]所述正極板以及所述負(fù)極板分別通過所述正極插槽以及負(fù)極插槽與所述電解槽固定;將正極板以及負(fù)極板分別插入正極插槽以及負(fù)極插槽后，在正極插槽以及負(fù)極插槽與正極板以及負(fù)極板的縫隙間涂抹常見的密封膠(如封玻璃用的硅膠或一般的封電池用的環(huán)氧樹脂等)，這樣整個電池槽除進(jìn)水口和出水口外，皆為密封狀態(tài);正極板以及負(fù)極板可以是各種適用的電極材料，包括:石墨板、玻璃碳、碳紙、泡沫鎳、碳?xì)值鹊龋渲?，?yōu)選將正極板制備為蜂窩狀或網(wǎng)狀，以減輕其質(zhì)量并增加其能量比；正極板和負(fù)極板的材料也能影響電解液腔的面積和高度;例如，當(dāng)正極板和負(fù)極板為石墨板時，由于該電極材料不易變形，因此電解液腔的高度可設(shè)計(jì)為Imm?3_;當(dāng)正極板和負(fù)極板為碳?xì)謺r，由于碳?xì)珠L期侵泡在電解液環(huán)境中容易變形，因此電解液腔的厚度可設(shè)計(jì)為6_;
[0043]所述電解液腔以及所述儲液罐中裝有電解液，所述循環(huán)裝置連接所述儲液罐以及所述電解槽的進(jìn)水口，同時連接所述電解槽的出水口以及所述儲液罐，所述循環(huán)裝置用于將電解液從所述儲液罐輸出至所述電解槽的進(jìn)水口，同時從所述電解槽的出水口輸出至所述儲液觸;
[0044]其中，循環(huán)裝置可包括進(jìn)水管、出水管以及蠕動栗，所述進(jìn)水管連接所述儲液罐以及所述電解槽的進(jìn)水口，所述出水管連接所述電解槽的出水口以及所述儲液罐，所述蠕動栗與所述進(jìn)水管相對固定，用于控制所述進(jìn)水管中的電解液定向輸送；電解液先通過進(jìn)水管流進(jìn)電解槽中的電解液腔，由于電解液腔充滿著電解液，由于水壓，電解液又從出水口流出進(jìn)入儲液罐，如此循環(huán)往復(fù)?？梢酝ㄟ^操作蠕動栗，改變電解液的流速，以獲得更大的電流。
[0045]電解液可以為四氟硼酸鉛-四氟硼酸溶液(IM?1.6M四氟硼酸鉛+0.7M?1.1M四氟硼酸)或者甲磺酸鉛-甲磺酸溶液(IM?1.6M甲磺酸鉛+0.7M?1.1M甲磺酸)等含鉛電解液。
[0046]實(shí)施例1
[0047]本實(shí)施例的鉛液流電池包括電解槽1、婦動栗2、進(jìn)水管、出水管、正極板3、負(fù)極板4以及儲液罐5，如圖1所示；
[0048]其中，正極板3和負(fù)極板4為石墨板，厚度為lcm，長寬為10cmX5cm，正極板3和負(fù)極板4分別通過環(huán)氧樹脂固定于電解槽I的前后側(cè)，電解槽I的前后側(cè)還分別設(shè)置有進(jìn)水口 11和出水口 15，進(jìn)水管連接儲液罐以及電解槽I的進(jìn)水口 11，出水管連接儲液罐以及電解槽I的出水口 15，蠕動栗2與進(jìn)水管相連，將儲液罐5中的電解液6定向栗入進(jìn)水管，然后電解液在水壓的作用下再從出水管流出至儲液罐5;
[0049]在該實(shí)施例中，我們采用了1.5M四氟硼酸鉛以及1.0M四氟硼酸的混合溶液作為電解液6，儲存在容量為IL的聚乙烯材料的儲液罐5中；進(jìn)水管以及出水管的材料為耐腐蝕硅膠;將正極板3和負(fù)極板4連接在Corrtest CS310電化學(xué)工作站7上，蠕動栗2以10mL/S的流速將電解液6從儲液罐5輸入電池槽中進(jìn)行反應(yīng)后流回儲液罐5中，循環(huán)往復(fù)，進(jìn)行電池充放電循環(huán)測試。以20mA/cm2的電流密度進(jìn)行恒電流充放電測試，在測試初始，電流效率可達(dá)到95%以上，能量效率約83%，經(jīng)過600圈充放電循環(huán)后電流率依然維持在95%以上，能量效率保持在85%左右，如圖2所示。經(jīng)試驗(yàn)后證實(shí)了本發(fā)明所說的優(yōu)點(diǎn)，電池性能的穩(wěn)定性和重現(xiàn)性高，便于實(shí)驗(yàn)分析和檢測維護(hù)。
[0050]其中，該電解槽I的外部尺寸為7cmX7cmX2.5cm，整體以ABS塑料制備，前端設(shè)置有正極插槽12以及進(jìn)水口 11，后端設(shè)置有負(fù)極插槽13以及出水口 15，如圖3，圖4所示；正極插槽12以及負(fù)極插槽13的長寬高皆為6.5cmX5cmX lcm，正好用于容納正極板3和負(fù)極板4，正極插槽12以及負(fù)極插槽13在垂直方向通過電解液腔連通，電解液腔的長寬高為4cmX4cmX3mm，使得正極板3和負(fù)極板4的實(shí)際工作面積約為16cm2;所述電解槽的側(cè)面設(shè)置有進(jìn)水口 11和出水口 15，所述進(jìn)水口 11和出水口 15在水平方向與電解液腔14連通;進(jìn)水口 11以及出水口 15的內(nèi)徑為3mm，外徑為5mm，正好用于分別連接進(jìn)水管和出水管。
[0051 ] 實(shí)施例2
[0052]實(shí)施例2用的電解槽如圖5所示，該電解槽用和實(shí)施例1相同的材料制備，整體尺寸為7cmX 7cm X 21cm;該電解槽在水平方向上平行設(shè)置有10個完全相同的插槽組，每個插槽組都包括和實(shí)施例1相同的正極插槽12、負(fù)極插槽、進(jìn)水口 11、出水口以及電解液腔14;和實(shí)施例I相同，正極插槽12以及負(fù)極插槽在垂直方向通過電解液腔14連通，進(jìn)水口 11和出水口在水平方向與電解液腔14連通。
[0053]除了插槽組中的進(jìn)水口11、出水口以及電解液腔14，平行的插槽組之間同樣在垂直方向通過電解液腔連通，電解槽的側(cè)面同樣設(shè)置有進(jìn)水口 11和出水口，水平方向與電解液腔連通。因此，該電解槽一共包括20個正極插槽12、20個負(fù)極插槽、19個進(jìn)水口 11、19個出水口以及19個電解液腔，如圖5所示。
[0054]使用時，20個正極板和20個負(fù)極板交錯分別固定于正極插槽12、負(fù)極插槽中。以1.5M四氟硼酸鉛以及1.0M四氟硼酸的混合溶液作為電解液，該電解液儲存在容量為IL的聚乙烯材料的儲液罐中，以19對耐腐蝕硅膠作為進(jìn)水管和出水管，通過蠕動栗以1mL/s的流速將電解液從儲液罐輸入電池槽中進(jìn)行反應(yīng)后流回儲液罐中，循環(huán)往復(fù)。將頂端的第一個正極板和底端的最后一個負(fù)極板接入電化學(xué)工作站，以20mA/cm2的電流密度進(jìn)行恒電流充放電測試，充電電壓達(dá)到30V，放電電壓在26V左右，能量效率約85%。
[0055]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種鉛液流電池，其特征在于，包括電解槽、循環(huán)裝置、正極板、負(fù)極板以及儲液罐； 所述電解槽包括正極插槽、負(fù)極插槽以及電解液腔，所述正極插槽和負(fù)極插槽平行設(shè)置，且在垂直方向通過電解液腔連通;所述正極插槽內(nèi)固定有正極板，所述負(fù)極插槽內(nèi)固定有負(fù)極板;所述電解槽的不同側(cè)面分別設(shè)置有進(jìn)水口以及出水口，所述進(jìn)水口和出水口在水平方向與電解液腔連通； 所述電解液腔以及所述儲液罐中儲存有電解液;所述儲液罐與所述電解槽的進(jìn)水口通過所述循環(huán)裝置連接;所述電解槽的出水口與所述儲液罐也通過所述循環(huán)裝置連接。2.如權(quán)利要求1所述的鉛液流電池，其特征在于，所述正極插槽以及負(fù)極插槽分別設(shè)置于所述電解槽的相對的兩個側(cè)面。3.如權(quán)利要求1所述的鉛液流電池，其特征在于，所述循環(huán)裝置包括進(jìn)水管、出水管以及蠕動栗，所述進(jìn)水管連接所述儲液罐以及電解槽的進(jìn)水口，所述出水管連接所述電解槽的出水口以及儲液罐，所述蠕動栗與所述進(jìn)水管相對固定，用于控制所述進(jìn)水管中的電解液的流向和流速。4.如權(quán)利要求1所述的鉛液流電池，其特征在于，所述電解液為四氟硼酸鉛-四氟硼酸溶液或者甲磺酸鉛-甲磺酸溶液。5.如權(quán)利要求1所述的鉛液流電池，其特征在于，所述正極板以及負(fù)極板為石墨、玻璃碳、碳紙、泡沫鎳或碳租。6.—種用于鉛液流電池的電解槽，其特征在于，包括正極插槽、負(fù)極插槽以及電解液腔，所述正極插槽與負(fù)極插槽平行設(shè)置，且在垂直方向通過電解液腔連通;所述電解槽的不同側(cè)面設(shè)置有進(jìn)水口和出水口，所述進(jìn)水口和出水口分別在水平方向與電解液腔連通； 所述正極插槽用于固定正極板，所述負(fù)極插槽用于固定負(fù)極板，所述進(jìn)水口用于將電解液輸入電解液腔，所述出水口用于將電解液腔的電解液輸出。7.如權(quán)利要求6所述的電解槽，其特征在于，所述電解液腔的高度為Imm?6mm。8.如權(quán)利要求6所述的電解槽，其特征在于，所述電解槽的材料為工程塑料。9.如權(quán)利要求8所述的電解槽，其特征在于，所述電解槽的材料為丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物或聚乳酸。10.如權(quán)利要求6所述的電解槽，其特征在于，正極插槽以及負(fù)極插槽的個數(shù)為N個，N2I;所述正極插槽以及負(fù)極插槽在垂直方向交錯設(shè)置，且相鄰的正極插槽和負(fù)極插槽在垂直方向通過電解液腔連通。
【文檔編號】H01M8/18GK105845960SQ201610297256
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月6日
【發(fā)明人】吳旭, 陳淵, 古月圓, 謝夢茹, 杜威, 梁莎, 楊家寬
【申請人】華中科技大學(xué)