本實用新型涉及單液流電池技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及鋅溴單液流電池結(jié)構(gòu)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋅溴液流電池(Zinc-bromine redox flow battery,ZBB)是一種低成本、高效率、環(huán)境友好型的液流儲能電池，具有能量密度和電流效率高、裝置簡單易操縱、使用壽命長、成本低廉等優(yōu)點，主要應(yīng)用于電網(wǎng)調(diào)峰、風(fēng)能和太陽能等可再生能源發(fā)電、電動汽車等領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的鋅溴液流電池采用雙泵、雙管路設(shè)計，在充放電過程中，用循環(huán)泵驅(qū)動電解液在電池內(nèi)循環(huán)流動。電池不工作時電解液從電池空腔中抽出，貯存于貯液槽內(nèi)，使電池內(nèi)部正負極之間實現(xiàn)電解液斷路，可以防止正極充電態(tài)溴擴散到負極直接發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而引起自放電。循環(huán)電解液同時還可以防止充電時鋅枝晶生長穿過隔膜使正負極短路。

但是由于鋅溴液流電池需要循環(huán)泵、貯液槽等電解液循環(huán)系統(tǒng)，導(dǎo)致了鋅溴液流電池的能量效率由于系統(tǒng)損耗的影響而降低，另一方面這些電池輔助設(shè)備使得鋅溴液流電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不利于小型化，降低了電池的能量密度。

為此專利CN99245261.9介紹了一種鋅溴蓄電池，它取消了鋅溴液流電池的循環(huán)泵，貯液槽等電解液循環(huán)系統(tǒng)，使電池結(jié)構(gòu)簡單而緊湊，降低了系統(tǒng)能耗。但是，由于兩側(cè)均采用無泵設(shè)計，導(dǎo)致了電池的實際能量密度較低，無法大電流充放電。因此，研究人員發(fā)明了一種鋅溴單液流電池技術(shù)，取消正極循環(huán)管路，正極采用活性物質(zhì)、絡(luò)合劑及碳材料混合涂膏的方式，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。并且，雖然正極采用碳氈涂覆活性物質(zhì)的方法，使得正極無需進行電解液的灌裝，但是也存在正極腔內(nèi)活性物質(zhì)含量較少，影響電池的充電容量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型針對上述問題，提出一種鋅溴單液流電池結(jié)構(gòu)，并根據(jù)此結(jié)構(gòu)改進了電解液循環(huán)系統(tǒng)。

為實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術(shù)方案如下，

一種鋅溴單液流電池結(jié)構(gòu)，包括鋅溴電池、電解液儲液罐、循環(huán)泵、負極電解液輸入管路和負極電解液輸出管路，

鋅溴電池包括正極、隔膜、負極，電解液儲液罐經(jīng)負極電解液輸入管路和負極電解液輸出管路與負極相連，于負極電解液輸入管路上設(shè)有循環(huán)泵；

所述的正極為多孔材料或于正極與隔膜間設(shè)有空腔，于正極的多孔材料孔內(nèi)或于正極與隔膜間的空腔中灌裝有電解液。

于負極和循環(huán)泵間的負極電解液輸入管路上設(shè)有作為正極電解液輸入管路的分支管路，正極電解液輸入管路與正極的多孔材料或正極與隔膜間的空腔相連通；

于負極電解液輸出管路上設(shè)有作為正極電解液輸出管路的分支管路，正極電解液輸出管路與正極的多孔材料或正極與隔膜間的空腔相連通；

于正極電解液輸入管路和正極電解液輸出管路均上設(shè)有閥門。

其中鋅溴電池由一節(jié)或二節(jié)以上單電池串聯(lián)而成，單電池包括正、負極端板之間依次疊合的正極集流體、正極、隔膜、負極、負極集流體；

二節(jié)以上單電池串聯(lián)時包括位于正極端板和負極端板之間的2組以上串聯(lián)的依次疊合的正極集流體、正極、隔膜、負極、負極集流體。

正極側(cè)采用密封結(jié)構(gòu)，無需單獨配置正極電解液循環(huán)系統(tǒng)；

電池初次運行時，通過電解液輸送管路向正極灌輸電解液。

電池電解液循環(huán)系統(tǒng)配置正極電解液輸送管路，電解液輸送管路中，正極電解液進出口均配置有閥門，控制電解液輸送；初次運行時，打開正極電解液輸出和輸入管路上的閥門，將電解液輸入正極后關(guān)閉閥門；電池充放電運行時，電解液只輸送至負極進行循環(huán)。

所述的正極和負極材料均采用碳氈或石墨氈。碳氈為多孔材料。

所述電解液為溴化鋅酸性溶液，濃度為1×10M，pH值為2-5。。

所述隔膜為離子交換膜或微孔膜。

本實用新型的有益效果：

1.該電池結(jié)構(gòu)舍棄了原有鋅溴單液流電池結(jié)構(gòu)正極的涂膏步驟，采用簡單的碳氈或石墨氈作為電極，保證了正極具有較大的空間，儲存較多的電解液，提高電池的充電容量。

2.為了解決該設(shè)計正極并不自帶電解液活性物質(zhì)的問題，在循環(huán)管路中設(shè)計了正極電解液灌輸管路，電池在初次運行前，通過此系統(tǒng)，將正極充滿電解液。初次運行時，電解液經(jīng)由配有閥門的管路灌輸入正極。電池充放電時，電解液只輸送至負極，在電極上游離鋅離子直接以鋅單質(zhì)形式沉積，溴離子在正極內(nèi)部氧化為溴單質(zhì)后與絡(luò)合劑形成溴絡(luò)合物。放電時，鋅單質(zhì)氧化為鋅離子經(jīng)由泵回到儲液罐中，溴絡(luò)合物還原為溴離子。該電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、成本低、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡單的特點。

附圖說明

圖1為本實用新型的鋅溴單液流電池結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：1、正極端板；2、負極端板；3、正極集流體；4、電極；5、隔膜；6、負極集流體；7、負極電解液儲罐；8、循環(huán)泵；9、正極電解液出口閥門；10、正極電解液出口閥門；

圖2對比例1常規(guī)鋅溴單液流電池結(jié)構(gòu)示意圖；

1、正極端板；2、負極端板；3、正極集流體；4、電極；5、隔膜；6、負極集流體；7、負極電解液儲罐；8、循環(huán)泵；

圖3實施例1循環(huán)性能圖，其中CE-庫倫效率，VE-電壓效率，EE-能量效率；

圖4實施例2循環(huán)性能圖；

圖5實施例3循環(huán)性能圖；

圖6對比例循環(huán)性能圖。

具體實施方式

實施例1

1)正極采用4x 4x0.5cm規(guī)格的碳氈一張，負極采用4x 4x0.5cm規(guī)格的碳氈一張

2)配制60ml的2mol/L的溴化鋅溶液待用。

電池裝配：

如圖1，單電池按順序依次包括正極端板、正極集流體、正極(碳氈)、微孔膜、負極、負極集流體、負極端板。

于負極和循環(huán)泵間的負極電解液輸入管路上設(shè)有作為正極電解液灌輸入管路的分支管路，正極電解液灌輸入管路與正極的多孔材料或正極與隔膜間的空腔相連通；

于負極電解液輸出管路上設(shè)有作為正極電解液灌輸出管路的分支管路，正極電解液灌輸出管路與正極的多孔材料或正極與隔膜間的空腔相連通；

于正極電解液灌輸入管路和正極電解液灌輸出管路均上設(shè)有閥門。

電池電解液循環(huán)系統(tǒng)配置正極電解液輸送管路，電解液輸送管路中，正極電解液進出口均配置有閥門，控制電解液輸送；初次運行時，打開正極電解液輸出和輸入管路上的閥門，將電解液輸入正極后關(guān)閉閥門；電池充放電運行時，電解液只輸送至負極進行循環(huán)。

由圖3可看出，電池電極面積36cm²，充放電電流密度：40mA/cm²，充電時間1h，電池庫侖效率：96％，電壓效率：86％，能量效率：83％。

實施例2

1)正極采用4x 4x0.5cm規(guī)格的碳氈三張，負極采用4x 4x0.5cm規(guī)格的碳氈一張

2)配制60ml的2mol/L的溴化鋅溶液待用。

電池裝配和運行方式同實施例1

單電池按順序依次包括正極端板、正極集流體、正極、膜、負極、負極集流體、負極端板。

由圖4可看出，電池電極面積36cm²，充放電電流密度：40mA/cm²，充電時間1.5h，電池庫侖效率：96％，電壓效率：86％，能量效率：81％。

實施例3

1)正極采用4x 4x0.5cm規(guī)格的碳氈兩張，負極采用4x 4x0.5cm規(guī)格的碳氈一張

2)配制60ml的2mol/L的溴化鋅溶液待用。

電池裝配和運行方式同實施例1

單電池按順序依次包括正極端板、正極集流體、正極、膜、負極、負極集流體、負極端板。

由圖5可看出，電池電極面積36cm²，充放電電流密度：40mA/cm²，充電時間2h，電池庫侖效率：94％，電壓效率：86％，能量效率：81％。

對比例1

常規(guī)鋅溴單液流電池的組裝，如圖2所示。

正負極極膏的制備：

1)極膏漿料配置：按重量份數(shù)計，將碳粉1份、三甲基溴化銨1份、溴化鋅10份、3份去離子水機械混合攪拌成糊狀備用；

2)采用刮涂的方法將極膏漿料均勻地涂覆在碳氈的一側(cè)表面；載量：20mg/cm²。

3)溴化鋅溶液配置：配制4mol/L的溴化鋅溶液，將制備好的正負極浸泡在溶液20min后裝配電池，并將涂覆有極膏的一側(cè)面向隔膜裝配。

電池裝配：

單電池按順序依次包括正極端板、正極集流體、正極、膜、負極、負極集流體、負極端板。

由圖6可看出，電池電極面積36cm²，充放電電流密度：40mA/cm²，充電時間1h，1.5h，2h，電池庫侖效率分別為：96％，80％，60％，電壓效率分別為：83％，83％，83％能量效率分別為：80％，66％，50％。

本實用新型電池結(jié)構(gòu)舍棄了原有鋅溴單液流電池正極的涂膏步驟，采用簡單的碳氈或石墨氈作為電極，保證了正極具有較大的空間，儲存較多的電解液，提高電池的充電容量。該電池具有能量密度高、循環(huán)壽命長、成本低、結(jié)構(gòu)及制造工藝簡單的特點。