技术摘要：
本发明涉及碱性氧化还原液流电池储能领域，具体是一种低成本锌‑铁液流电池堆。每个电池堆由两个或两个以上的基础电池单元叠合组成，使用螺栓将所有基础电池单元、双极板、集流体和端板固定夹紧，形成液流电池堆。其中，正极电解液为亚铁氰化物或铁氰化物的碱性水溶液 全部
背景技术：
： 化石能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，极大地推进了风能、太阳能等可再生能 源产业的快速发展。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 大的大规模储能潜力的技术。 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， 开发一种新型的高能量密度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锌-铁液流电池堆，解决现有的液流电池成本高、难以产业化等问 题，可获得具有开路电压高、功率密度高、成本低等优点的锌-铁液流电池堆。 本发明的技术方案如下： 一种低成本锌-铁液流电池堆，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通道、正极分流流道流入正极；负极电解液由负极共享通 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碱性水溶液，其摩尔浓度为0.1～2M；负极 电解液为锌盐的碱性水溶液，锌盐为ZnBr2、ZnO、ZnCl2、ZnSO4、Zn(CH3COO)2、Zn(CF3SO3)2或 ZnHCF，其摩尔浓度为0.1～10M。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，碱性水溶液为KOH、NaOH、LiOH、NH3·H2O、K2CO3、 Li2CO3、Na2CO3、NaHCO3、KHCO3的水溶液，其摩尔浓度为0.1～10M。 4 CN 111613822 A 说 明 书 2/8 页 所述的低成本锌-铁液流电池堆，隔膜的处理方法如下： (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。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，正极材料为石墨毡或碳毡的片状多孔材料，厚度 为2～10mm；负极活性材料为锌板，其厚度为1～6mm。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，电极腔的上方和下方分别开设有凹槽，凹槽与流 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连通。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，第一级分流流道为并排设置的三层流道：第一层 流道的一端与共享流道相通，第一层流道的另一端通过开口与第二层流道相通，所述开口 处中间设有第一短分流条，通过第一短分流条将所述开口处分隔成两个分流口；第二层流 道与第三层流道之间的中部设置长分流条，第二层流道的两端与第三层流道的两端分别通 过长分流条两端的开口相通；其中：一个开口处中间设有第二短分流条，通过第二短分流条 将所述开口处分隔成两个分流口；另一个开口处中间设有第三短分流条，通过第三短分流 条将所述开口处分隔成两个分流口。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，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。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，凹槽深0.5～3mm，第一级分流流道的宽2～15mm、 深0.5～8mm，第二级分流流道的宽2～15mm、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。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，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。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，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，并通过螺栓依次穿过；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： 5 CN 111613822 A 说 明 书 3/8 页 亚铁氰化物或铁氰化物在碱性条件下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。本发明在亚铁氰化物或铁氰化物正极电解液中，加入了一定量 的碱溶液，从而稳定性大大提高。相比价格昂贵的钒电池电解液来说，使用亚铁氰化物或铁 氰化物碱性溶液作为正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，从而证明了碱性锌-铁液流电池体系是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。碱性条件下，锌的较负电极电位使得该电池拥有高的开路电压。进而，液流电池 堆在高的开路电压下，具有高的功率密度和能量。 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正极材料、锌板作为负极材料，采用亚铁氰化物 或铁氰化物碱性溶液和锌盐的碱性水溶液作为正负极电解液，成功装配一种低成本的锌- 铁碱性液流电池堆，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，有助于推动碱性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，液流电池堆通过将电极板框、流道盖板和隔膜组成一个基础电池单 元，使用胶水进行密封，从而避免了漏液和串液问题的发生。同时，液流电池堆结构简单，加 工方便，节约了成本。 总之，本发明采用碳毡或石墨毡作为电池堆正极材料，锌板为电池堆负极材料，以 亚铁氰化物或铁氰化物碱性溶液和锌盐(如：ZnBr2、ZnO、ZnCl2、ZnSO4、Zn(CH3COO)2、Zn (CF3SO3)2、ZnHCF等)的碱性水溶液作为电池堆的正负极电解液，提出一种低成本的碱性锌- 铁液流电池堆，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碱性液流电池体系。 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是摩尔浓度为0.9M的亚铁氰化物-锌板的液流电池堆在100mA cm-2的电流密度 下的充放电曲线图。 图6是摩尔浓度为0.9M的亚铁氰化物-锌板的液流电池堆在100mA cm-2的电流密度 6 CN 111613822 A 说 明 书 4/8 页 下的效率和容量保持率图。 图1-图4中，1共享流道；2通孔；3凹槽；4第一级分流流道；41第一层流道；42第二层 流道；43第三层流道；5第二级分流流道；6电极腔；7正极侧电极板框；8正极；9隔膜；10流道 盖板；11基础电池单元；12正极侧双极板；13正极侧集流体；14正极侧端板；15螺栓；16正极 侧螺母；17负极侧电极板框；18负极；19负极侧双极板；20凸块；21负极侧集流体；22负极侧 端板；23负极侧螺母；24第一短分流条；25长分流条；26第二短分流条；27第三短分流条。
本发明涉及碱性氧化还原液流电池储能领域，具体是一种低成本锌‑铁液流电池堆。每个电池堆由两个或两个以上的基础电池单元叠合组成，使用螺栓将所有基础电池单元、双极板、集流体和端板固定夹紧，形成液流电池堆。其中，正极电解液为亚铁氰化物或铁氰化物的碱性水溶液 全部
背景技术：
： 化石能源的日益匮乏和环境的日趋恶化，极大地推进了风能、太阳能等可再生能 源产业的快速发展。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 大的大规模储能潜力的技术。 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， 开发一种新型的高能量密度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锌-铁液流电池堆，解决现有的液流电池成本高、难以产业化等问 题，可获得具有开路电压高、功率密度高、成本低等优点的锌-铁液流电池堆。 本发明的技术方案如下： 一种低成本锌-铁液流电池堆，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通道、正极分流流道流入正极；负极电解液由负极共享通 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碱性水溶液，其摩尔浓度为0.1～2M；负极 电解液为锌盐的碱性水溶液，锌盐为ZnBr2、ZnO、ZnCl2、ZnSO4、Zn(CH3COO)2、Zn(CF3SO3)2或 ZnHCF，其摩尔浓度为0.1～10M。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，碱性水溶液为KOH、NaOH、LiOH、NH3·H2O、K2CO3、 Li2CO3、Na2CO3、NaHCO3、KHCO3的水溶液，其摩尔浓度为0.1～10M。 4 CN 111613822 A 说 明 书 2/8 页 所述的低成本锌-铁液流电池堆，隔膜的处理方法如下： (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。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，正极材料为石墨毡或碳毡的片状多孔材料，厚度 为2～10mm；负极活性材料为锌板，其厚度为1～6mm。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，电极腔的上方和下方分别开设有凹槽，凹槽与流 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连通。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，第一级分流流道为并排设置的三层流道：第一层 流道的一端与共享流道相通，第一层流道的另一端通过开口与第二层流道相通，所述开口 处中间设有第一短分流条，通过第一短分流条将所述开口处分隔成两个分流口；第二层流 道与第三层流道之间的中部设置长分流条，第二层流道的两端与第三层流道的两端分别通 过长分流条两端的开口相通；其中：一个开口处中间设有第二短分流条，通过第二短分流条 将所述开口处分隔成两个分流口；另一个开口处中间设有第三短分流条，通过第三短分流 条将所述开口处分隔成两个分流口。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，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。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，凹槽深0.5～3mm，第一级分流流道的宽2～15mm、 深0.5～8mm，第二级分流流道的宽2～15mm、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。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，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。 所述的低成本锌-铁液流电池堆，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，并通过螺栓依次穿过；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： 5 CN 111613822 A 说 明 书 3/8 页 亚铁氰化物或铁氰化物在碱性条件下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。本发明在亚铁氰化物或铁氰化物正极电解液中，加入了一定量 的碱溶液，从而稳定性大大提高。相比价格昂贵的钒电池电解液来说，使用亚铁氰化物或铁 氰化物碱性溶液作为正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，从而证明了碱性锌-铁液流电池体系是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。碱性条件下，锌的较负电极电位使得该电池拥有高的开路电压。进而，液流电池 堆在高的开路电压下，具有高的功率密度和能量。 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正极材料、锌板作为负极材料，采用亚铁氰化物 或铁氰化物碱性溶液和锌盐的碱性水溶液作为正负极电解液，成功装配一种低成本的锌- 铁碱性液流电池堆，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，有助于推动碱性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，液流电池堆通过将电极板框、流道盖板和隔膜组成一个基础电池单 元，使用胶水进行密封，从而避免了漏液和串液问题的发生。同时，液流电池堆结构简单，加 工方便，节约了成本。 总之，本发明采用碳毡或石墨毡作为电池堆正极材料，锌板为电池堆负极材料，以 亚铁氰化物或铁氰化物碱性溶液和锌盐(如：ZnBr2、ZnO、ZnCl2、ZnSO4、Zn(CH3COO)2、Zn (CF3SO3)2、ZnHCF等)的碱性水溶液作为电池堆的正负极电解液，提出一种低成本的碱性锌- 铁液流电池堆，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碱性液流电池体系。 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是摩尔浓度为0.9M的亚铁氰化物-锌板的液流电池堆在100mA cm-2的电流密度 下的充放电曲线图。 图6是摩尔浓度为0.9M的亚铁氰化物-锌板的液流电池堆在100mA cm-2的电流密度 6 CN 111613822 A 说 明 书 4/8 页 下的效率和容量保持率图。 图1-图4中，1共享流道；2通孔；3凹槽；4第一级分流流道；41第一层流道；42第二层 流道；43第三层流道；5第二级分流流道；6电极腔；7正极侧电极板框；8正极；9隔膜；10流道 盖板；11基础电池单元；12正极侧双极板；13正极侧集流体；14正极侧端板；15螺栓；16正极 侧螺母；17负极侧电极板框；18负极；19负极侧双极板；20凸块；21负极侧集流体；22负极侧 端板；23负极侧螺母；24第一短分流条；25长分流条；26第二短分流条；27第三短分流条。
