[發(fā)明專利]一種液流儲(chǔ)能電池用離子交換膜及液流儲(chǔ)能電池組

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810012011.6
• 申請(qǐng)日: 2008-06-25
• 公開（公告）號(hào): CN101615678A
• 公開（公告）日: 2009-12-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張華民;尤東江;羅慶濤;邱艷玲
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
• 主分類號(hào): H01M8/02
• 分類號(hào): H01M8/02;H01M2/14;H01M8/18;H01M8/24;H01M10/36;H01M12/00
• 代理公司: 沈陽(yáng)科苑專利商標(biāo)代理有限公司
• 代理人: 馬 馳;周秀梅

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及液流儲(chǔ)能電池，具體地說是一種液流儲(chǔ)能電池用離子交換膜及液流儲(chǔ)能電池組。

背景技術(shù)

液流儲(chǔ)能電池作為二次電池的一種，通過電解質(zhì)溶液在兩個(gè)半電池分別進(jìn)行氧化和還原反應(yīng)來進(jìn)行充電和放電過程，從而實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換，液流儲(chǔ)能電池具有電能儲(chǔ)存和高效轉(zhuǎn)化功能，使用壽命長(zhǎng)、環(huán)保、安全等特點(diǎn)，易于和太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)相匹配，為可再生能源的利用提供技術(shù)保證。

全釩液流儲(chǔ)能電池是液流儲(chǔ)能電池的一種，通過不同價(jià)態(tài)的釩離子相互轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)電能的儲(chǔ)存和釋放，具有一系列的優(yōu)點(diǎn)：首先，它的活性物質(zhì)存在于液體中，充放電時(shí)不發(fā)生常規(guī)電池常有的固相變化或形態(tài)改變，活性物質(zhì)壽命長(zhǎng)；其次，電池的容量大小取決于電解液的濃度和體積(即電池活性物質(zhì)的總含量)，功率大小取決于電池組的尺寸，從而用戶可根據(jù)需要方便地調(diào)整電池容量或功率；再次，電池工作時(shí)電解液處于流動(dòng)狀態(tài)，濃差極化要比其他電池小；最后，電池可深度放電而不對(duì)電池造成損傷。

雖然全釩液流儲(chǔ)能電池具有如上所述一系列優(yōu)點(diǎn)，但是也存在它的不足之處，具體體現(xiàn)在：由于在充電和放電過程中，不同價(jià)態(tài)釩離子在離子交換膜中的遷移方向和遷移量不同，這就導(dǎo)致電池一側(cè)的釩離子總量不斷減少，而另一側(cè)的釩離子總量不斷增加，最終導(dǎo)致電池充放電容量的不斷降低。此外，正極和負(fù)極電解液在電池正負(fù)極循環(huán)過程中，由于正極和負(fù)極電解液在離子交換膜兩側(cè)的濃度差所引起的水遷移現(xiàn)象，最終導(dǎo)致正極和負(fù)極電解液體積失衡。在全釩氧化還原液流電池運(yùn)行過程中，當(dāng)離子交換膜采用陰離子交換膜時(shí)，凈水遷移方向?yàn)檎龢O向負(fù)極，當(dāng)離子交換膜采用陽(yáng)離子交換膜時(shí)，水遷移方向相反。

目前已經(jīng)公開的專利文獻(xiàn)針對(duì)液流儲(chǔ)能電池的因電活性物質(zhì)遷移而導(dǎo)致的充放電容量衰減和水遷移問題，提出如下解決方法：

WO：02071522設(shè)計(jì)了一種二次電池，該電池由分開的兩個(gè)電極腔室和一張陽(yáng)離子交換膜組成，電池工作時(shí)，正極和負(fù)極電解液分別由各自的電解液儲(chǔ)罐流入各自的電極腔室；為了平衡電池運(yùn)行過程中從正極向負(fù)極的水遷移，該發(fā)明使用了一種容器，該容器由分開的兩個(gè)隔室和一張反滲透膜組成，從電池正負(fù)極腔室流出的正極和負(fù)極電解液分別進(jìn)入該容器，水通過反滲透膜從負(fù)極向正極遷移以平衡電池中從正極向負(fù)極遷移的水。

US?6475661設(shè)計(jì)了一種電解液循環(huán)方式，正極電解液從電池組一端的正極腔室進(jìn)入，出來后流入下一節(jié)電池的正極腔室，如此直到由末節(jié)的正極腔室流出后回到正極電解液儲(chǔ)罐，負(fù)極電解液亦如此。這種進(jìn)液方式使得第一節(jié)和最后一節(jié)電池的電勢(shì)差明顯減小，漏電電流基本消除。并且，在電池組中采用陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜循環(huán)交替使用，以此來補(bǔ)償水透過膜的傳遞。

WO2007/040545設(shè)計(jì)了一種全釩液流儲(chǔ)能電池系統(tǒng)，系統(tǒng)包括一個(gè)電池組，電池組由這樣的多節(jié)電池組成：至少一節(jié)電池由正電極和與正電極相配的陰極電解液、負(fù)電極和與負(fù)電極相配的陽(yáng)極電解液、一張用來分隔陰極和陽(yáng)極電解液的陽(yáng)離子交換膜所組成，另外一節(jié)電池采用陰離子交換膜來代替陽(yáng)離子交換膜。這種由陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜交替使用的電池組結(jié)構(gòu)用來阻止陰極和陽(yáng)極電解液之間凈的水遷移、凈的釩遷移以及質(zhì)子和硫酸根離子的濃度改變。

上述專利文獻(xiàn)大都通過增加子系統(tǒng)、引入輔助設(shè)備或者通過改變電解質(zhì)溶液流動(dòng)方式來改善電解質(zhì)溶液的離子遷移和水遷移情況，但同時(shí)會(huì)帶來諸如增加設(shè)備投資、降低電池組效率等問題；采用在電池組中交替安裝陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜的辦法雖然可以減少水和釩離子的凈遷移量，但是釩離子透過陽(yáng)離子交換膜的凈遷移量與透過陰離子交換膜的凈遷移量是不同的，因此，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行仍然會(huì)出現(xiàn)電池兩側(cè)溶液的容量不平衡問題，最終導(dǎo)致電池組充放電容量的衰減。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于設(shè)計(jì)一種液流儲(chǔ)能電池用離子交換膜及液流儲(chǔ)能電池組，采用該離子交換膜的液流儲(chǔ)能電池組可以平衡或阻止正極和負(fù)極電解質(zhì)溶液中電活性離子的相互遷移，從而保持電池組的充放電容量基本不衰減，增加電池組充放電循環(huán)次數(shù)，并且不需要輔助設(shè)備。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：

一種液流儲(chǔ)能電池用離子交換膜，其由兩部份構(gòu)成，一部份為陽(yáng)離子交換膜，另一部份為陰離子交換膜，兩部分通過熱壓、刮涂、浸漬干燥等方法接合或是復(fù)合成為一張整體的離子交換膜。

一種液流儲(chǔ)能電池用離子交換膜，其由兩部份接合而成，一部份為陽(yáng)離子交換膜，另一部份為陰離子交換膜，兩部分膜的有效面積按照如下比例進(jìn)行計(jì)算：