技术摘要：
本发明涉及氧化还原液流电池储能领域，具体是一种低成本中性液流电池堆。其中，正极电解液为亚铁氰化物或铁氰化物的中性水溶液，负极电解液为硫化物或多硫化物的中性水溶液；电极材料为石墨毡或碳毡等片状多孔碳材料，隔膜为离子化处理后的阳离子交换膜。本发明包括至 全部
背景技术：
： 随着人类经济的不断发展，石油、天然气等不可再生能源被大量使用，导致能源短 缺和环境污染日益加剧。因此，世界各国都在开发太阳能、风能等可再生能源。但太阳能、风 能发电因受时间、昼夜、季节等因素的影响，具有明显的不连续、不稳定及不可控的非稳态 特性，无法持续有效的并入电网。为了解决这一问题，必须开发一种经济、高效、稳定的大规 模储能技术以满足强大的社会发展和巨大的市场需求。其中，液流电池作为大规模储能技 术领域的理想候选者之一，由于其快速响应，功率和容量分离，较长的循环寿命和环境友好 等优点，适用范围广泛，不仅可以应用于削峰填谷，也可以做备用电源或者应急电力供给， 还可以应用于提高电力的质量，调压调频等，是一项具有较大潜力的大规模储能技术。 但是，在各种传统的液流电池体系中，大部分液流电池体系均面临着能量密度低、 成本高、易腐蚀等缺点，这些问题极大程度地阻碍了液流电池的大规模发展以及商业化进 程，并且大部分液流电池体系仍旧停留在实验室研究阶段，难以将其应用到产业中。因此， 开发一种新型的低成本的液流电池体系是十分重要的，且需将其应用到实际生产中，液流 电池堆设备也显得尤为重要。
技术实现要素：
: 为了克服现有技术的不足，突破传统液流电池体系难以商业化的问题，本发明的 目的在于提供一种低成本中性液流电池堆，解决现有的液流电池成本高、难以产业化等问 题，可获得低成本的中性液流电池堆。 本发明的技术方案如下： 一种低成本中性液流电池堆，包括至少一个电池堆，每个电池堆由一个或两个以 上基础电池单元叠合组成，每个基础电池单元由正极、正极侧电极板框、隔膜、负极、负极侧 电极板框叠合组成，正极侧电极板框、负极侧电极板框的正面相对，正极侧电极板框、负极 侧电极板框之间放置隔膜，隔膜分别与正极侧电极板框、负极侧电极板框固定密封，正极位 于正极侧电极板框内的电极腔，负极位于负极侧电极板框内的电极腔，完成基础电池单元 的组装；正极电解液由正极共享流道、正极分流流道流入正极；负极电解液由负极共享流 道、负极分流流道流入负极； 其中：正极电解液为亚铁氰化物或铁氰化物的中性水溶液，其摩尔浓度为0.1～ 2M；负极电解液为硫化物或多硫化物的中性水溶液，硫化物为Na2S、K2S、(NH4)2S中的一种或 两种以上，其摩尔浓度为0.1～10M。 所述的低成本中性液流电池堆，中性水溶液为KCl、NaCl、LiCl、NaSO4、K2SO4、 Li2SO4、NaNO3、KNO3、LiNO3的水溶液，其摩尔浓度为0.1～10M。 所述的低成本中性液流电池堆，隔膜的处理方法如下： 4 CN 111584914 A 说 明 书 2/7 页 (1)将阳离子交换膜Nafion膜、SPEEK膜、SPES膜或PBI膜浸泡在装有去离子水的烧 杯中，进行清洗； (2)对步骤(1)中的阳离子交换膜进行离子化处理，离子化温度为60～100℃，时间 为1～3h； (3)用去离子水对步骤(2)所得到的隔膜反复清洗，直至溶液为中性，最后浸泡在 去离子水中备用。 所述的低成本中性液流电池堆，电极材料为石墨毡或碳毡的片状多孔材料，厚度 为2～10mm。 所述的低成本中性液流电池堆，电极腔的上方和下方分别开设有凹槽，每个凹槽 位于电极腔外围的三个侧面边缘与流道盖板相对应匹配，流道盖板分别镶嵌在电极板框上 下的凹槽处，每个凹槽中开设第一级分流流道，第一级分流流道靠近电极腔一侧的部分通 过第二级分流流道与电极腔相通，第二级分流流道为沿水平方向均匀排布凸块形成；在每 个电极板框四个角落开设有共享流道，其中：左上方和右下方对角开设的共享流道分别与 相应的第一级分流流道一端连通。 所述的低成本中性液流电池堆，流道盖板面积大于第一级分流流道以及第二级分 流流道的总面积，流道盖板嵌入正极侧电极板框或负极侧电极板框后，完全覆盖于第一级 分流流道以及第二级分流流道，流道盖板与正极侧电极板框或负极侧电极板框的表面组成 平面。 所述的低成本中性液流电池堆，凹槽深0.5～3mm，第一级分流流道的宽2～30mm、 深0.5～8mm，第二级分流流道的宽2～20mm、深0.5～8mm，正极侧电极板框或负极侧电极板 框的厚度为3～10mm，流道盖板的厚度为0.5～3mm，共享流道的直径为5～50mm。 所述的低成本中性液流电池堆，正极的尺寸大小与正极侧电极板框内的电极腔尺 寸大小相同，负极的尺寸大小与负极侧电极板框内的电极腔尺寸大小相同，隔膜位于正极 与负极之间，隔膜的长度和宽度均大于正极或负极。 所述的低成本中性液流电池堆，基础电池单元的前面依次设有正极侧双极板、正 极侧集流体、正极侧端板，基础电池单元的后面设有负极侧双极板、负极侧集流体、负极侧 端板，在正极侧端板、正极侧双极板、基础电池单元、负极侧双极板、负极侧端板上相同位置 处开设有相同大小的通孔，并通过螺栓穿过；其中，正极侧端板、正极侧双极板、负极侧双极 板、负极侧端板上的通孔分别沿四周分布；基础电池单元的电极板框上开设通孔，通孔分布 在电极板框的四周；组装时，按照正极侧端板、正极侧集流体、正极侧双极板、基础电池单 元、负极侧双极板、负极侧集流体、负极侧端板的顺序依次叠加，螺栓穿过通孔，螺栓的前面 露出部分配合正极侧螺母固定拧紧，螺栓的后面露出部分配合负极侧螺母固定拧紧，形成 液流电池堆。 本发明的设计思想是： 亚铁氰化物或铁氰化物具有较高的电化学电位、较低的成本和优异的电化学性能 等诸多优点。相比价格昂贵的钒电池电解液来说，使用亚铁氰化物或铁氰化物的中性水溶 液作为正极电解液、硫化物或多硫化物的中性水溶液作为负极电解液组装的液流电池堆， 具有低成本、高功率的优点，并且能稳定的进行长循环，从而证明了以亚铁氰化物或铁氰化 物的中性水溶液作为正极，硫化物或多硫化物的中性水溶液作为负极的中性液流电池堆是 5 CN 111584914 A 说 明 书 3/7 页 一种可以产业化的液流电池体系。阳离子交换膜(Nafion膜、SPEEK膜、SPES膜、PBI膜等)经 水浴离子化处理后，转变成Nafion/SPEEK/SPES/PBI-Na /K /Li 型隔膜，从而保证Na /K / Li 的正常传输，构成液流电池堆内部的闭合回路。同时，阳离子交换膜具有较好的化学稳 定性，可以保证液流电池堆具有稳定的循环性能。 与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点及有益效果： 1、本发明选用碳毡或石墨毡作为电极材料，采用亚铁氰化物或铁氰化物的中性水 溶液作为正极电解液，采用硫化物或多硫化物的中性水溶液作为负极电解液，成功装配一 种低成本的中性液流电池堆，该液流电池堆具有功率密度高、循环性能好、成本低等优点。 2、本发明所用原料储量丰富、成本低廉，具有广阔的应用前景。 3、本发明的液流电池堆结构简单、组装方便、所用材料成本低、操作方便、流程简 单等工业化实用等优点，有助于推动液流电池的商业化进程。 4、本发明液流电池堆将流道覆盖密封，电极板框与隔膜密封粘接，组成基础电池 单元，整个液流电池堆可以由一个或两个以上基础电池单元叠合组成，相邻两个基础电池 单元之间为一个双极板。本发明液流电池堆简单有效，组装方便，能够有效地解决电池堆漏 液和串液的问题。 5、本发明中，去除了电极板框的折转流道，增大了电解液的流通面积，降低了流动 阻力，增大了电解液流速，同时一定程度上降低了能量损耗。 总之，本发明采用碳毡或石墨毡作为电池堆电极材料，以亚铁氰化物或铁氰化物 的中性水溶液和硫化物(Na2S、K2S、(NH4)2S)或多硫化物的中性水溶液分别作为电池堆的正 负极电解液，提出一种低成本的中性液流电池堆，该液流电池体系电池堆具有开路电压高、 功率高、循环寿命长、安全环保以及成本低等优点。这种液流电池体系电池堆所用的原料易 得，成本低廉，有望成为一种具有高功率、低成本且适合大规模产业化发展的液流电池体 系。 附图说明： 图1是根据本发明一个实施例的电极板框示意图。 图2是根据本发明一个实施例的粘贴流道盖板后的电极板框示意图。 图3是根据本发明一个实施例的基础电池单元的分解图。 图4是根据本发明一个实施例的液流电池堆组装示意图。 图5是正极铁氰化物摩尔浓度为0.9M的中性液流电池堆在100mA cm-2的电流密度 下的充放电曲线图。 图6是正极铁氰化物摩尔浓度为0.9M的中性液流电池堆在100mA cm-2的电流密度 下的效率和容量保持率图。 图1-图4中，1共享流道；2凹槽；3第一级分流流道；4第二级分流流道；5电极腔；6正 极；7正极侧电极板框；8流道盖板；9隔膜；10负极侧电极板框；11负极；12正极侧端板；13正 极侧集流体；14正极侧双极板；15基础电池单元；16负极侧双极板；17负极侧集流体；18负极 侧端板；19正极侧螺母；20负极侧螺母；21螺栓；22通孔；23凸块。 6 CN 111584914 A 说 明 书 4/7 页
本发明涉及氧化还原液流电池储能领域，具体是一种低成本中性液流电池堆。其中，正极电解液为亚铁氰化物或铁氰化物的中性水溶液，负极电解液为硫化物或多硫化物的中性水溶液；电极材料为石墨毡或碳毡等片状多孔碳材料，隔膜为离子化处理后的阳离子交换膜。本发明包括至 全部
背景技术：
： 随着人类经济的不断发展，石油、天然气等不可再生能源被大量使用，导致能源短 缺和环境污染日益加剧。因此，世界各国都在开发太阳能、风能等可再生能源。但太阳能、风 能发电因受时间、昼夜、季节等因素的影响，具有明显的不连续、不稳定及不可控的非稳态 特性，无法持续有效的并入电网。为了解决这一问题，必须开发一种经济、高效、稳定的大规 模储能技术以满足强大的社会发展和巨大的市场需求。其中，液流电池作为大规模储能技 术领域的理想候选者之一，由于其快速响应，功率和容量分离，较长的循环寿命和环境友好 等优点，适用范围广泛，不仅可以应用于削峰填谷，也可以做备用电源或者应急电力供给， 还可以应用于提高电力的质量，调压调频等，是一项具有较大潜力的大规模储能技术。 但是，在各种传统的液流电池体系中，大部分液流电池体系均面临着能量密度低、 成本高、易腐蚀等缺点，这些问题极大程度地阻碍了液流电池的大规模发展以及商业化进 程，并且大部分液流电池体系仍旧停留在实验室研究阶段，难以将其应用到产业中。因此， 开发一种新型的低成本的液流电池体系是十分重要的，且需将其应用到实际生产中，液流 电池堆设备也显得尤为重要。
技术实现要素：
: 为了克服现有技术的不足，突破传统液流电池体系难以商业化的问题，本发明的 目的在于提供一种低成本中性液流电池堆，解决现有的液流电池成本高、难以产业化等问 题，可获得低成本的中性液流电池堆。 本发明的技术方案如下： 一种低成本中性液流电池堆，包括至少一个电池堆，每个电池堆由一个或两个以 上基础电池单元叠合组成，每个基础电池单元由正极、正极侧电极板框、隔膜、负极、负极侧 电极板框叠合组成，正极侧电极板框、负极侧电极板框的正面相对，正极侧电极板框、负极 侧电极板框之间放置隔膜，隔膜分别与正极侧电极板框、负极侧电极板框固定密封，正极位 于正极侧电极板框内的电极腔，负极位于负极侧电极板框内的电极腔，完成基础电池单元 的组装；正极电解液由正极共享流道、正极分流流道流入正极；负极电解液由负极共享流 道、负极分流流道流入负极； 其中：正极电解液为亚铁氰化物或铁氰化物的中性水溶液，其摩尔浓度为0.1～ 2M；负极电解液为硫化物或多硫化物的中性水溶液，硫化物为Na2S、K2S、(NH4)2S中的一种或 两种以上，其摩尔浓度为0.1～10M。 所述的低成本中性液流电池堆，中性水溶液为KCl、NaCl、LiCl、NaSO4、K2SO4、 Li2SO4、NaNO3、KNO3、LiNO3的水溶液，其摩尔浓度为0.1～10M。 所述的低成本中性液流电池堆，隔膜的处理方法如下： 4 CN 111584914 A 说 明 书 2/7 页 (1)将阳离子交换膜Nafion膜、SPEEK膜、SPES膜或PBI膜浸泡在装有去离子水的烧 杯中，进行清洗； (2)对步骤(1)中的阳离子交换膜进行离子化处理，离子化温度为60～100℃，时间 为1～3h； (3)用去离子水对步骤(2)所得到的隔膜反复清洗，直至溶液为中性，最后浸泡在 去离子水中备用。 所述的低成本中性液流电池堆，电极材料为石墨毡或碳毡的片状多孔材料，厚度 为2～10mm。 所述的低成本中性液流电池堆，电极腔的上方和下方分别开设有凹槽，每个凹槽 位于电极腔外围的三个侧面边缘与流道盖板相对应匹配，流道盖板分别镶嵌在电极板框上 下的凹槽处，每个凹槽中开设第一级分流流道，第一级分流流道靠近电极腔一侧的部分通 过第二级分流流道与电极腔相通，第二级分流流道为沿水平方向均匀排布凸块形成；在每 个电极板框四个角落开设有共享流道，其中：左上方和右下方对角开设的共享流道分别与 相应的第一级分流流道一端连通。 所述的低成本中性液流电池堆，流道盖板面积大于第一级分流流道以及第二级分 流流道的总面积，流道盖板嵌入正极侧电极板框或负极侧电极板框后，完全覆盖于第一级 分流流道以及第二级分流流道，流道盖板与正极侧电极板框或负极侧电极板框的表面组成 平面。 所述的低成本中性液流电池堆，凹槽深0.5～3mm，第一级分流流道的宽2～30mm、 深0.5～8mm，第二级分流流道的宽2～20mm、深0.5～8mm，正极侧电极板框或负极侧电极板 框的厚度为3～10mm，流道盖板的厚度为0.5～3mm，共享流道的直径为5～50mm。 所述的低成本中性液流电池堆，正极的尺寸大小与正极侧电极板框内的电极腔尺 寸大小相同，负极的尺寸大小与负极侧电极板框内的电极腔尺寸大小相同，隔膜位于正极 与负极之间，隔膜的长度和宽度均大于正极或负极。 所述的低成本中性液流电池堆，基础电池单元的前面依次设有正极侧双极板、正 极侧集流体、正极侧端板，基础电池单元的后面设有负极侧双极板、负极侧集流体、负极侧 端板，在正极侧端板、正极侧双极板、基础电池单元、负极侧双极板、负极侧端板上相同位置 处开设有相同大小的通孔，并通过螺栓穿过；其中，正极侧端板、正极侧双极板、负极侧双极 板、负极侧端板上的通孔分别沿四周分布；基础电池单元的电极板框上开设通孔，通孔分布 在电极板框的四周；组装时，按照正极侧端板、正极侧集流体、正极侧双极板、基础电池单 元、负极侧双极板、负极侧集流体、负极侧端板的顺序依次叠加，螺栓穿过通孔，螺栓的前面 露出部分配合正极侧螺母固定拧紧，螺栓的后面露出部分配合负极侧螺母固定拧紧，形成 液流电池堆。 本发明的设计思想是： 亚铁氰化物或铁氰化物具有较高的电化学电位、较低的成本和优异的电化学性能 等诸多优点。相比价格昂贵的钒电池电解液来说，使用亚铁氰化物或铁氰化物的中性水溶 液作为正极电解液、硫化物或多硫化物的中性水溶液作为负极电解液组装的液流电池堆， 具有低成本、高功率的优点，并且能稳定的进行长循环，从而证明了以亚铁氰化物或铁氰化 物的中性水溶液作为正极，硫化物或多硫化物的中性水溶液作为负极的中性液流电池堆是 5 CN 111584914 A 说 明 书 3/7 页 一种可以产业化的液流电池体系。阳离子交换膜(Nafion膜、SPEEK膜、SPES膜、PBI膜等)经 水浴离子化处理后，转变成Nafion/SPEEK/SPES/PBI-Na /K /Li 型隔膜，从而保证Na /K / Li 的正常传输，构成液流电池堆内部的闭合回路。同时，阳离子交换膜具有较好的化学稳 定性，可以保证液流电池堆具有稳定的循环性能。 与现有技术相比，本发明具有以下显著的优点及有益效果： 1、本发明选用碳毡或石墨毡作为电极材料，采用亚铁氰化物或铁氰化物的中性水 溶液作为正极电解液，采用硫化物或多硫化物的中性水溶液作为负极电解液，成功装配一 种低成本的中性液流电池堆，该液流电池堆具有功率密度高、循环性能好、成本低等优点。 2、本发明所用原料储量丰富、成本低廉，具有广阔的应用前景。 3、本发明的液流电池堆结构简单、组装方便、所用材料成本低、操作方便、流程简 单等工业化实用等优点，有助于推动液流电池的商业化进程。 4、本发明液流电池堆将流道覆盖密封，电极板框与隔膜密封粘接，组成基础电池 单元，整个液流电池堆可以由一个或两个以上基础电池单元叠合组成，相邻两个基础电池 单元之间为一个双极板。本发明液流电池堆简单有效，组装方便，能够有效地解决电池堆漏 液和串液的问题。 5、本发明中，去除了电极板框的折转流道，增大了电解液的流通面积，降低了流动 阻力，增大了电解液流速，同时一定程度上降低了能量损耗。 总之，本发明采用碳毡或石墨毡作为电池堆电极材料，以亚铁氰化物或铁氰化物 的中性水溶液和硫化物(Na2S、K2S、(NH4)2S)或多硫化物的中性水溶液分别作为电池堆的正 负极电解液，提出一种低成本的中性液流电池堆，该液流电池体系电池堆具有开路电压高、 功率高、循环寿命长、安全环保以及成本低等优点。这种液流电池体系电池堆所用的原料易 得，成本低廉，有望成为一种具有高功率、低成本且适合大规模产业化发展的液流电池体 系。 附图说明： 图1是根据本发明一个实施例的电极板框示意图。 图2是根据本发明一个实施例的粘贴流道盖板后的电极板框示意图。 图3是根据本发明一个实施例的基础电池单元的分解图。 图4是根据本发明一个实施例的液流电池堆组装示意图。 图5是正极铁氰化物摩尔浓度为0.9M的中性液流电池堆在100mA cm-2的电流密度 下的充放电曲线图。 图6是正极铁氰化物摩尔浓度为0.9M的中性液流电池堆在100mA cm-2的电流密度 下的效率和容量保持率图。 图1-图4中，1共享流道；2凹槽；3第一级分流流道；4第二级分流流道；5电极腔；6正 极；7正极侧电极板框；8流道盖板；9隔膜；10负极侧电极板框；11负极；12正极侧端板；13正 极侧集流体；14正极侧双极板；15基础电池单元；16负极侧双极板；17负极侧集流体；18负极 侧端板；19正极侧螺母；20负极侧螺母；21螺栓；22通孔；23凸块。 6 CN 111584914 A 说 明 书 4/7 页
