一種帶有流場設計的鉛液流電池的制作方法

本發明屬于電化學儲能設備領域，具體為一種帶流場控制的沉積型氧化還原鉛液流電池。

背景技術：

隨著我國經濟持續發展與生態文明進步，能源和環境等諸多社會經濟問題迫切需要更高效同時更加環保的下一代電化學儲能技術。目前氧化還原液流電池(簡稱液流電池)技術正在蓬勃發展，已在各種發電儲電設施中投入使用，搭載液流電池的汽車也相繼問世。鉛液流電池綜合了液流電池體系的電解質流動的特點和傳統鉛酸電池以鉛為活性物質的特點，將含二價鉛離子的電解質溶液從儲存罐輸入正負兩極之間的電化學反應腔室中，在充電過程中，正極和負極分別消耗二價鉛離子以沉積上單質鉛和二氧化鉛，放電時消耗鉛和二氧化鉛沉積物向溶液釋放二價鉛離子。鉛液流電池只需用單一的二價鉛電解質，節約了空間與泵等設備，而且鉛資源與釩等稀缺資源相比價格更低廉，其上下游冶金、環保產業更成熟完善。鉛液流電池也被認為是一種下一代鉛酸電池，它更加安全穩定，可以實現更大的瞬時功率，同時與傳統鉛酸電池相比更容易修復再生，環境成本更低。目前，鉛液流電池由于缺乏流場設計和控制，流經反應腔室的電解質液流的流場速度分布極不均勻，高流速集中于反應室出入口連線附近，與電極接觸的大部分面積流速較小，不能很好地改善傳質效果。本發明提供一種帶流場設計的鉛液流電池，通過對反應槽內電解質液體流道的設計使液流速度分布更均勻，加強傳質效果，提高能量密度和鉛液流電池的穩定性。

技術實現要素：

本發明提出一種帶有流場設計的鉛液流電池，目的在于使鉛液流電池液流速度分布更加均勻，克服現有技術有效流動面積比重較小、傳質效果差、電池功率穩定性差和能量密度不高等問題。

本發明提出的技術方案為：

一種帶流場設計的鉛液流電池，包括電化學反應槽、泵和儲液罐；

所述電化學反應槽用于貯裝鉛液流并提供鉛液流進出通道，其包括槽體、負極集流板、正極集流板和若干個隔板；各隔板的一端固定槽體內壁，另一端與所固定槽體內壁的對面內壁之間留有空隙，作為鉛液流通道；相鄰隔板的固定端交錯分別設置在相對的槽體內壁，使槽體內鉛液流通道呈蛇形；鉛液流進口和出口開設在電化學反應槽上，分別用于鉛液的流入和流出；

所述負極集流板和正極集流板為耐腐蝕的導電材料，負極集流板與正極集流板對稱設在所述槽體的兩面；槽體、隔板、負極集流板和正極集流板結合成為一個整體空間，其內腔為蛇形鉛液流通道，鉛液流在該內腔并順著所述蛇形流體通道流動；

所述泵的輸出口接所述電化學反應槽的鉛液流進口，輸入口接儲液罐，用于從儲液罐抽取鉛液流泵入電化學反應槽；所述電化學反應槽鉛液流出口接儲液罐，用于回收鉛液流。

進一步的，所述電化學反應槽采用工程塑料制備，電化學反應槽上預留正、負極集流板嵌入的卡槽，電化學反應槽與電化學反應槽之間以螺栓方式固定，鉛液流出口、入口的一面嵌入的集流板為負極集流板，相對的另一面嵌入的集流板為正極集流板。

進一步的，所述正極集流板是二氧化鉛沉積/溶出電極，負極集流板是鉛沉積/溶出電極，其中，充電時沉積，放電時溶解。

進一步的，工作時，用輸液管路將電池單元、泵、儲液罐連接起來，儲液罐里鉛液流通過泵循環流經整個電化學反應槽的蛇形流體通道，與正負極集流板發生電化學反應；充電時，二價鉛離子失去電子和水反應生成二氧化鉛和氫離子，二價鉛得到電子轉化為鉛；放電時，上述過程反過來發生；鉛液流參與反應后返回儲液罐。

進一步的，所述鉛液流為高濃度二價鉛鹽與酸的混合溶液，并添加表面活性劑。

進一步的，所述正、負電極集流板之間，設有電路控制單元，用于控制電池充放電。

電化學反應槽上預留電極板嵌入的卡槽，反應槽板中間內布有流體流道，流道厚度即為相鄰電極板間的距離。板邊緣留有螺栓孔以供固定。將兩集流板嵌入反應槽中，螺栓孔對齊，旋入固定螺栓固定好，形成電池單元；當有多塊反應槽組合時，相鄰兩反應槽之間共用一塊集流板，共用的集流板一面為正極集流板面，一面為負極集流板面。其中負極集流板是鉛沉積/溶出電極，正極集流板是二氧化鉛沉積/溶出電極。

本發明通過對鉛液流電池的反應腔室內電解質液流的流道進行設計，控制液流的流速分布，使流體流動由原先的沿出入口連線附近流動改為沿流道流動，使其更均勻，改善傳質效果，提高電池的功率性能和穩定性。

本發明具有以下優點：

(1)按照本發明，液流流速分布更均勻，改善傳質效果，提高電池穩定性。

(2)按照本發明，減少了儲液罐需要的體積，節省了泵的運行費用等成本。

(3)按照本發明，可使用工程塑料制作，材料廉價易得，重量輕。

(4)按照本發明，可靈活改變中間反應槽個數以及電極面積大小，從而改變電壓和電流，按照設計需要改變功率。

附圖說明

圖1為電池整體結構示意圖；

圖2為頂板電極槽三視圖以及等軸測圖；

圖3為電化學反應槽三視圖以及等軸測圖；

圖4為底板電極槽三視圖以及等軸測圖；

圖5為電池主體爆炸視圖；

圖6為裝配三視圖以及剖面圖；

在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中：1.電化學反應槽，2.正極集流板，3.負極集流板，4.儲液罐及電解質溶液，5.泵，6電路控制單元，A.進口，B.出口，C.集流板嵌入卡槽，D.隔板以及所形成通道，I.頂板電極槽，II.中間電極槽，III.底板電極槽，IV.氟橡膠密封墊片。

具體實施方式

為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。

如圖1所示，本發明裝置包括頂板電極槽、中間電極槽、底板電極槽、石墨電極、氟橡膠密封墊片、儲液罐以及盛裝的電解質溶液、蠕動泵、輸液管路以及固定螺栓組成。頂板電極槽、中間電極槽、底板電極槽、共同組成電化學反應槽。頂板電極槽、底板電極槽起固定、包裝作用，中間電極槽是電化學反應槽的主體，三個部件構成電化學反應槽。

頂板電極槽如圖2所示，板上設有出口、入口，連接中間反應槽的出口、入口，且向外延伸，以便連接管路，周圍有螺栓孔；中間電極槽如圖3所示，邊緣設有螺栓孔，板上設有出口、入口，且中部設置卡槽，槽體，槽體中設有6個隔板，隔板的一端固定于槽體一側的內壁，另一端與槽體另一側的內壁之間留有空隙，作為鉛液流通道。相鄰隔板的固定端交錯分別設置在相對的槽體內壁，使槽體內鉛液流通道呈蛇形；底板電極槽如圖4所示，板中間設有卡槽，邊緣設有螺栓孔。

將頂板電極槽、中間電極槽、底板電極槽、石墨電極(作為正極集流板和負極集流板)、固定螺栓如圖5所示排列拼裝，即可成為一個電池。通過增加或減少中間電極槽數量可以形成串聯電池，改變電壓。

組裝好的串聯電池如圖6所示。將電池的儲液罐、蠕動泵、管路連接好，當電池運行時，在頂板和底板的石墨板上分別連接電化學控制單元，電解質溶液由一口流入，經過圖6剖面B-B所示流道以及其他未畫出的流道，并在充/放電過程中發生化學反應，最后流至流道末尾，最后經另一口流出，經管路返回儲液罐。

采用上述電池進行測試，采用上述的一個中間電極槽和頂板電極槽、底板電極槽、兩片石墨電極、固定螺栓拼裝成單片電池。每片電池的有效電極面積為13平方厘米。輸液管路材料為耐腐蝕硅膠，內徑5mm，外徑8mm。采用轉速為200rpm的蠕動泵。儲液罐為1L的HDPE塑料瓶，其中裝載的電解質為1.5摩爾每升的甲磺酸鉛和1摩爾每升的甲磺酸溶液。在頂板和底板的石墨電極分別連接電路控制單元的正負極。電池的開路電壓為1.6V左右，20mA cm^-2的電流密度下，充放電能量效率為74.70％；在相同條件下，不帶流場設計時能量效率為62.5％。因去掉流暢設計，有效流動面積比重減小，傳質大部分依賴擴散，不能及時補充消耗掉的鉛離子，傳質效果差，造成電池功率穩定性差和能量密度不高。帶有流暢設計時，傳質有效流動面積大，對流傳質效果好，及時補充鉛離子，保證反應進行，從而提高了電池功率穩定性差和能量密度。

本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。