專利名稱：一種無泵鋰離子液流電池及其電極懸浮液的配置方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種無泵鋰離子液流電池，屬于化學儲能電池領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
電能的廣泛應(yīng)用被認為是二十世紀人類最偉大的成就之一。電力工業(yè)成為國家最重要的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)之一?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)正在向大電網(wǎng)、大機組的方向發(fā)展，新能源電網(wǎng)的發(fā)展也進入了一個新的階段。低成本、具有可擴展性的能源存儲是改善電網(wǎng)效率和繼續(xù)發(fā)展可再生能源科技(風能、太陽能)的關(guān)鍵。電化學儲能由于具有能量密度高、簡單可靠等優(yōu)點，在電能應(yīng)用中占有舉足輕重的地位。鋰離子液流電池是一種新型的儲能電池，它結(jié)合了鋰離子電池和液流電池各自的優(yōu)點，是一種儲能容量與功率彼此獨立、壽命長、綠色環(huán)保的新型化學儲能技術(shù)。目前設(shè)計的鋰離子液流電池由正極儲液罐、負極儲液罐、電池反應(yīng)器、液泵及密封管道組成。其中，正極儲液罐盛放正極復合材料顆粒(如磷酸鐵鋰復合材料顆粒)和電解液的混合物，負極儲液 罐盛放負極復合材料顆粒(如鈦酸鋰復合材料顆粒)和電解液的混合物。參考圖I所示，鋰離子液流電池工作時，電極懸浮液在液泵(4)的推動下通過密封管道在儲液罐和電池反應(yīng)器之間流動，流速可根據(jù)電極懸浮液濃度和環(huán)境溫度進行調(diào)節(jié)。其中，正極懸浮液由正極進液口進入電池反應(yīng)器的正極反應(yīng)腔(1)，完成反應(yīng)后由正極出液口通過密封管道返回正極儲液罐。與此同時，負極懸浮液由負極進液口進入電池反應(yīng)器的負極反應(yīng)腔(2)，完成反應(yīng)后由負極出液口通過密封管道返回負極儲液罐。在正極反應(yīng)腔(I)與負極反應(yīng)腔(2)之間有電子不導電的多孔隔膜(3)，將正極懸浮液中的正極活性材料顆粒和負極懸浮液中的負極活性材料顆粒相互隔開，避免正負極活性材料顆粒直接接觸而導致電池內(nèi)部的短路。正極反應(yīng)腔(I)內(nèi)的正極懸浮液和負極反應(yīng)腔(2)內(nèi)的負極懸浮液可以通過多孔隔膜(3)中的電解液進行鋰離子交換傳輸。雖然鋰離子液流電池在大規(guī)模儲能應(yīng)用中擁有諸多的優(yōu)勢，但是，由于電極懸浮液的粘度很大，使用液泵(4)對電極懸浮液進行循環(huán)時會產(chǎn)生較大的機械損耗，嚴重降低電池的能量效率。液泵還容易導致電極懸浮液的泄露或與大氣中的水氧氣體接觸，造成安全隱患。此外，由于鋰離子液流電池的電極懸浮液具有電子導電性，因此目前尚無完整的電池串并聯(lián)系統(tǒng)，如何設(shè)計大容量高電壓的鋰離子液流電池是目前急需解決的問題。

發(fā)明內(nèi)容
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種無泵鋰離子液流電池，所述無泵鋰離子液流電池利用重力和氣體壓力對電極懸浮液進行循環(huán)，避免使用液泵，大大減少了電池循環(huán)系統(tǒng)的機械損耗和安全隱患，提高了電池效率和安全使用性能。同時，通過閥門的巧妙設(shè)計與控制，有效地解決了電池串聯(lián)中的短路難題。本發(fā)明的目的是通過下述方式實現(xiàn)的一種無泵鋰離子液流電池，如圖2所示，包括若干個電池子系統(tǒng)、正極配液罐(27)、負極配液罐(32)、正極集液罐(30)、負極集液罐(35)、正極運輸罐(31)和負極運輸罐
(36)。上述正極配液罐(27)和負極配液罐(32)位于若干個電池子系統(tǒng)的上方，正極配液罐(27)的出液口(11)與各電池子系統(tǒng)的正極進液口(12)通過管道連接，管道上設(shè)有正極配液閥(28);負極配液罐(32)的出液口(11)與各電池子系統(tǒng)的負極進液口(13)通過管道連接，管道上設(shè)有負極配液閥(33)。上述正極集液罐(30)和負極集液罐(35)位于電池子系統(tǒng)的下方，正極集液罐(30)的進液口(10)與各電池子系統(tǒng)的正極出液口(14)通過管道連接，管道上設(shè)有正極集液閥(29);負極集液罐(35)的進液口(10)與各電池子系統(tǒng)的負極出液口(15)通過管道連接，管道上設(shè)有負極集液閥(34)。其中正極配液罐(27)、正極進液罐(16 )、正極出液罐(20 )、正極集液罐(30 )中裝有正極懸浮液和惰性氣體，負極配液罐(32 )、負極進液罐(21)、負極出液罐(24)、負極集液罐(35)中裝有負極懸浮液和惰性氣體，上述正極運輸罐(31)可借助機械裝置進行上下往復運動，用于正極集液罐(30)和正極配液罐
(27)之間的正極懸浮液運輸；負極運輸罐(36)也可通過機械方式進行提升和下降，用于負極集液罐(35)和負極配液罐(32)之間的負極懸浮液運輸。上述若干個電池子系統(tǒng)之間的電路組合方式為串聯(lián)，在鋰離子液流電池正常工作時，至多只有一個電池子系統(tǒng)與正極配液罐(27 )、正極集液罐(30 )、負極配液罐(32 )或負極集液罐(35 )連通。其中電池子系統(tǒng)包括若干個電池反應(yīng)器(18)、正極進液罐(16)、負極進液罐
(21)、正極出液罐(20 )、負極出液罐(24 )以及正極進液口( 12 )、正極出液口( 14 )、負極進液口(13)、負極出液口(15)。電池反應(yīng)器(18)包含有正極反應(yīng)腔(I)和負極反應(yīng)腔(2)。上述正極進液罐(16)和負極進液罐(21)位于電池反應(yīng)器(18)的上方；正極進液罐(16)的進液口(10)即為電池子系統(tǒng)的正極進液口(12)，正極進液罐(16)的出液口與電池反應(yīng)器
(18)的正極反應(yīng)腔(I)通過管道連接且中間設(shè)有正極進液閥(17);負極進液罐(21)的進液口即為電池子系統(tǒng)的負極進液口(13)，負極進液罐(21)的出液口與電池反應(yīng)器(18)的負極反應(yīng)腔(2)通過管道連接且中間設(shè)有負極進液閥(22)。上述正極出液罐(20)和負極出液罐(24)位于電池反應(yīng)器(18)的下方；正極出液罐(20)的進液口與電池反應(yīng)器(18)的正極反應(yīng)腔(I)通過管道連接且中間設(shè)有正極出液閥(19)，正極出液罐(20)的出液口即為電池子系統(tǒng)的正極出液口(14);負極出液罐(24)的進液口與電池反應(yīng)器(18)的負極反應(yīng)腔
(2)通過管道連接且中間設(shè)有負極出液閥(23)，負極出液罐(24)的出液口即為電池子系統(tǒng)的負極出液口(15)。上述電池子系統(tǒng)內(nèi)部的若干個電池反應(yīng)器(18)之間的電路組合方式為并聯(lián)，上述電池子系統(tǒng)內(nèi)部若干個電池反應(yīng)器(18)并聯(lián)方式包括3種①橫向排列式電池反應(yīng)器若干個電池反應(yīng)器(18)的正極反應(yīng)腔(I)均通過密封管道分別與正極進液罐(16)的出液口(11)、正極出液罐(20)的進液口(10)連接，正極反應(yīng)腔(I)與正極進液罐
(16)之間均設(shè)有正極進液閥(17)，正極反應(yīng)腔(I)與正極出液罐(20)之間均設(shè)有正極出液閥(19);若干個電池反應(yīng)器(18)的負極反應(yīng)腔(2)均通過密封管道分別與負極進液罐
(21)的出液口(11)、負極出液罐(24)的進液口(10)連接，負極反應(yīng)腔(2)與負極進液罐
(21)之間均設(shè)有負極進液閥(22)，負極反應(yīng)腔(2)與負極出液罐(24)之間均設(shè)有負極出液閥(23)。②縱向排列式電池反應(yīng)器
若干個電池反應(yīng)器(18)的位置由高到低排列；若干個電池反應(yīng)器(18)的正極反應(yīng)腔(I)和負極反應(yīng)腔(2 )均通過密封管道依次連接；正極反應(yīng)腔(I)與正極反應(yīng)腔(I)之間均設(shè)有正極流體閥(25)，負極反應(yīng)腔(2)與負極反應(yīng)腔(2)之間均設(shè)有負極流體閥(26);若干個電池反應(yīng)器(18)中，位于頂端的正極反應(yīng)腔(I)通過密封管道與正極進液罐(16)的出液口(11)連接且中間設(shè)有正極進液閥(17)，位于頂端的負極反應(yīng)腔(2)通過密封管道與負極進液罐(21)的出液口(11)連接且中間設(shè)有負極進液閥(22);位于底端的正極反應(yīng)腔
(I)通過密封管道與正極出液罐(20)的進液口( 10)連接且中間設(shè)有正極出液閥(19)，位于 底端的負極反應(yīng)腔(2)通過密封管道與負極出液罐(24)的進液口(10)連接且中間設(shè)有負極出液閥(23)。③陣列式電池反應(yīng)器若干個電池反應(yīng)器(18)的管道連接方式為上述①和②兩種管道連接方式的組合。參考圖3，上述正極配液罐(27)、負極配液罐(32)、正極集液罐(30)、負極集液罐
(35)、正極運輸罐(31)和負極運輸罐(36)均包含位于罐體(5)底面的一個或多個進液口
(10)以及位于罐體(5)側(cè)面的一個或多個出液口(11)。在罐體(5)頂部設(shè)有惰性氣體進氣口(6)和排氣口(7)。進氣口(6)與儲氣系統(tǒng)(8)連接，排氣口(7)與集氣系統(tǒng)(9)連接；進氣口( 6 )處設(shè)有穩(wěn)壓裝置，排氣口( 7 )處設(shè)有限壓裝置。穩(wěn)壓裝置與限壓裝置可對罐體(5 )內(nèi)氣壓進行調(diào)節(jié)并保持恒定。集氣系統(tǒng)(9)回收到的惰性氣體經(jīng)過凈化和增壓后可進入儲氣系統(tǒng)(8)循環(huán)利用。上述所有閥體均為內(nèi)部絕緣閥，內(nèi)部絕緣閥開啟時，閥體兩側(cè)電極懸浮液連通；所述內(nèi)部絕緣閥關(guān)閉時，閥體兩側(cè)電極懸浮液斷開不導電。上述惰性氣體為氮氣或者氬氣。上述正極懸浮液為正極活性材料顆粒、導電劑與電解液的混合物，正極活性材料顆粒為磷酸亞鐵鋰、磷酸錳鋰、硅酸鋰、硅酸鐵鋰、鈦硫化合物、鑰硫化合物、鐵硫化合物、摻雜鋰錳氧化物、鋰鈷氧化物、鋰釩氧化物、鋰鈦氧化物、鋰鎳錳氧化物、鋰鎳鈷氧化物、鋰鎳錳鈷氧化物以及其它可嵌鋰化合物的一種或幾種混合物；導電劑為碳黑、碳纖維、金屬顆粒以及其他電子導電材料中的一種或幾種混合物。上述負極懸浮液為負極活性材料顆粒、導電劑與電解液的混合物，負極活性材料顆粒為可逆嵌鋰的鋁基合金、硅基合金、錫基合金、鋰釩氧化物、鋰鈦氧化物、碳材料的一種或幾種混合物；導電劑為碳黑、碳纖維、金屬顆粒以及其他電子導電材料中的一種或幾種混合物。上述密封管道的材料為聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或其它電子不導電材料，或者所述密封管道為內(nèi)襯有聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯或其它電子不導電材料的不銹鋼或其它合金材料。上述無泵鋰離子液流電池運行時，正極進液罐(16)氣壓與負極進液罐(21)氣壓保持一致，以及正極出液罐(20)與負極出液罐(24)氣壓也保持一致。上述正極配液罐(27)和正極進液罐(16)之間可增加一個或多個正極過渡罐；負極配液罐(32)和負極進液罐(21)之間可增加一個或多個負極過渡罐；正極出液罐(20)和正極集液罐(30)之間可增加一個或多個正極過渡罐；負極出液罐(24)和負極集液罐(35)之間可增加一個或多個負極過渡罐。上述過渡罐的增加有利于無泵鋰離子液流電池串并聯(lián)的穩(wěn)定。無泵鋰離子液流電池工作方法基于不同高度電極懸浮液的勢能差、不同罐體
(5)中的氣壓差和管道閥門對無泵鋰離子液流電池電極懸浮液的流動進行控制。實施過程中，各罐體(5)內(nèi)的氣壓變化范圍為O. 5 2. 5個大氣壓，各罐體(5)內(nèi)的氣壓值隨著罐體
(5)位置由高到低的變化依次遞減。鋰離子液流電池電極懸浮液分為正極懸浮液和負極懸浮液，正極懸浮液和負極懸浮液的流動控制包括以下過程a)注入電極懸浮液的控制
無泵鋰離子液流電池系統(tǒng)運行前需先為系統(tǒng)注入電極懸浮液。對于正極懸浮液而言，首先，關(guān)閉正極進液閥(17)，打開正極配液閥(28)，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置將正極配液罐(27)和正極出液罐(20)的氣壓穩(wěn)定在I 2個大氣壓范圍內(nèi)的一個恒定值，二者罐內(nèi)氣壓值相同；其次，將裝有正極懸浮液的正極運輸罐(31)提升至正極配液罐(27)的上方，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極運輸罐(31)內(nèi)氣壓，使正極運輸罐(31)內(nèi)氣壓高出正極配液罐(27)內(nèi)氣壓O O. 5個大氣壓并保持恒定；再次，通過密封管道連接正極運輸罐
(31)和正極配液罐(27)，正極運輸罐(31)內(nèi)的正極懸浮液在氣體壓力和重力的作用下依次流入正極配液罐(27)、正極進液罐(16);最后，當正極懸浮液含量達到正極進液罐(16)的容量上限時關(guān)閉正極配液閥(28)，當正極懸浮液含量達到正極配液罐(27)的容量上限時，斷開正極運輸罐(31)與正極配液罐(27)的連接，完成系統(tǒng)注液。對于負極懸浮液而言，負極懸浮液的注液方法與上述正極懸浮液的注液方法一致，且正極進液罐(16)與負極進液罐(21)氣壓值相同并恒定。b)電極懸浮液進入電池反應(yīng)器的控制為系統(tǒng)注液完成后，進行電池反應(yīng)器(18)進出液控制。利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極出液罐(20)氣壓與負極出液罐(24)氣壓，使正極出液罐(20)氣壓與負極出液罐
(24)氣壓值相同且低于正極進液罐(16)和負極進液罐(21)的氣壓O O. 5個大氣壓并保持恒定。同時開啟正極進液閥(17)、負極進液閥(22)、正極出液閥(19)、負極出液閥(23)。正極懸浮液和負極懸浮液在重力和氣體壓力的作用下分別流入正極反應(yīng)腔(I)與負極反應(yīng)腔(2)，參與電池反應(yīng)后，分別流入正極出液罐(20)和負極出液罐(24)在此過程，必須保證正極懸浮液和負極懸浮液同時進入電池反應(yīng)器(18)。c)電極懸浮液收集的控制當正極出液罐(20)的正極懸浮液含量達到容量上限時，需向正極集液罐(30)集液。利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極集液罐(30)內(nèi)的氣壓，使正極集液罐(30)氣壓低于正極出液罐(20)氣壓O O. 5個大氣壓并保持恒定。打開正極出液閥(19)，正極出液罐(20)內(nèi)的正極懸浮液在重力和氣壓的作用下流入正極集液罐(30)，當正極懸浮液的含量達到正極出液罐(20)的容量下限或正極集液罐(30)的容量上限時，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置將正極集液罐(30)的氣壓調(diào)至與正極出液罐(20)氣壓一致，關(guān)閉正極集液閥(29)，完成正極懸浮液集液。對于負極懸浮液而言，集液控制與正極懸浮液集流控制相同。d)配液控制當正極進液罐(16)的正極懸浮液含量達到容量下限時，需向正極進液罐(16)配液。利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極配液罐(27)內(nèi)的氣壓，使正極配液罐(27)氣壓高出正極進液罐(16)氣壓O O. 5個大氣壓并保持恒定。打開正極配液閥(28)，正極配液罐
(27)內(nèi)的正極懸浮液在重力和氣壓的作用下流入正極進液罐(16)，當正極進液罐(16)的正極懸浮液的容量達到罐內(nèi)容量上限或正極配液罐(27)的正極懸浮液的容量達到罐內(nèi)容量下限時，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置將正極配液罐(27)的氣壓調(diào)至與正極進液罐(16)氣壓一致，關(guān)閉正極配液閥(28)，完成配液。對于負極懸浮液而言，配液控制步驟與正極懸浮液配液控制相同。f)電極懸浮液的轉(zhuǎn)移運輸控制系統(tǒng)運行過程中，當正極集液罐(30)的正極懸浮液含量達到容量上限時，需對正極懸浮液進行轉(zhuǎn)移。利用機械提升裝置將正極運輸罐(31)下降至正極集液罐(30 )下方，利、用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極運輸罐(31)內(nèi)的氣壓，使正極運輸罐(31)氣壓低于正極集液罐(30)氣壓O O. 5個大氣壓并保持恒定。通過密封管道將正極運輸罐(31)與正極集液罐(30)連接，正極集液罐(30)內(nèi)的正極懸浮液在重力和氣壓的作用下流入正極運輸罐(31)，直至正極集液罐(30)的正極懸浮液到達容量下限，或正極運輸罐(31)的正極懸浮液容量達到容量上限時，將正極運輸罐(31)與正極集液罐(30)斷開。當正極配液罐(27)的正極懸浮液含量達到容量下限時，利用機械提升裝置將正極運輸罐(31)提升至正極配液罐(27)上方，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極運輸罐(31)氣壓，使正極運輸罐(31)氣壓高出正極配液罐(27)氣壓O O. 5個大氣壓并保持恒定。通過密封管道將正極運輸罐(31)與正極配液罐(27 )連接，正極運輸罐(31)內(nèi)的正極懸浮液在重力和氣壓的作用下流入正極配液罐(27)，待正極運輸罐(31)內(nèi)的正極懸浮液完全流入正極配液罐(27)后或正極配液罐(27)的正極懸浮液容量達到容量上限時，將正極運輸罐(31)與正極配液罐(27)斷開。對于負極懸浮液而言，轉(zhuǎn)移運輸控制步驟與正極懸浮液轉(zhuǎn)移運輸控制步驟相同。本發(fā)明的優(yōu)勢在于鋰離子液流電池的電極懸浮液由有機電解液、電極活性材料和導電劑組成，是一種粘稠的非水系流體。以前的設(shè)計是利用液泵推動電極懸浮液通過密封管道在儲液罐和電池反應(yīng)器之間流動，這導致電池系統(tǒng)中較高的機械損耗，而且容易形成泄露，電池系統(tǒng)的整體效率和安全性能較低。本發(fā)明所述的無泵鋰離子液流電池利用重力和惰性氣體壓力推動電極懸浮液循環(huán)流動，操作簡單，便于控制，尤其是避免了使用液泵，極大地降低了電池系統(tǒng)的機械損耗，提高了電池的整體效率和安全使用性能。鋰離子液流電池的電極懸浮液具有電子導電性。因此，若直接對不同的電池反應(yīng)器進行電路串聯(lián)時，會造成電池反應(yīng)器之間的短路。本發(fā)明所述的鋰離子液流電池巧妙地使用絕緣閥門，避免了電池反應(yīng)器串聯(lián)時由電極懸浮液的電子導電性而引起的短路問題，有效解決了鋰離子液流電池串聯(lián)難題。


圖I為鋰離子液流電池結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為無泵鋰離子液流電池示意圖；圖3為罐體結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為電池反應(yīng)器橫向排列式的電池子系統(tǒng)示意圖5為電池反應(yīng)器縱向排列式的電池子系統(tǒng)示意圖；圖6為電池反應(yīng)器陣列式的電池子系統(tǒng)示意圖；圖7為只包含一個電池反應(yīng)器的電池子系統(tǒng)示意圖；圖8為一種包含有過渡罐的無泵鋰離子液流電池示意圖。上述圖中I一正極反應(yīng)腔；2—負極反應(yīng)腔；3—隔膜；4一液泵；5—罐體；6—進氣口 ；7—排氣口 ；8—儲氣系統(tǒng)；9一集氣系統(tǒng)；10—進液口 ；11 一出液口 ；12—正極進液口 ；13—負極進液口 ；14一正極出液口 ；15—負極出液口 ；16—正極進液罐；17—正極進液閥；18—電池反應(yīng)器；19一正極出液閥；20—正極出液罐；21—負極進液罐；22—負極進液 閥；23—負極出液閥；24—負極出液罐；25—正極流體閥；26—負極流體閥；27—正極配液罐；28—正極配液閥；29—正極集液閥；30—正極集液罐；31—正極運輸罐；32—負極配液罐；33—負極配液閥；34—負極集液閥；35—負極集液罐；36—負極運輸罐；37—正極配液過渡罐；38—正極配液過渡閥；39—正極集液過渡閥；40—正極集液過渡罐；41 一負極配液過渡罐；42—負極配液過渡閥；43—負極集液過渡閥；44一負極集液過渡罐；A1、A2—電池子系統(tǒng)。
具體實施例方式實施例I本實施例提供一種無泵鋰離子液流電池子系統(tǒng)。一種無泵鋰離子液流電池子系統(tǒng)，該電池子系統(tǒng)包括3個電池反應(yīng)器(18)、1個正極進液罐(16 )、I個正極出液罐(20 )、I個負極進液罐(21)、I個負極出液罐(24 )。3個電池反應(yīng)器(18)之間的電路連接方式為并聯(lián)。正極進液罐(16)、正極反應(yīng)腔(I)、正極出液罐
(20)的位置由高到低依次排列；負極進液罐(21)、負極反應(yīng)腔(2)、負極出液罐(24)的位置由高到低依次排列。其中，3個電池反應(yīng)器(18)的正極反應(yīng)腔(I)均通過密封管道分別與正極進液罐(16 )的出液口( 11)和正極出液罐(20 )的進液口( 10 )連接，各正極反應(yīng)腔(I)與正極進液罐(16 )之間均設(shè)有正極進液閥(17 )，各正極反應(yīng)腔(I)與正極出液罐(20 )之間均設(shè)有正極出液閥(19) ;3個電池反應(yīng)器(18)的負極反應(yīng)腔(2)均通過密封管道分別與負極進液罐(21)的出液口(11)和負極出液罐(24)的進液口(10)連接，各負極反應(yīng)腔(2)與負極進液罐(21)之間均設(shè)有負極進液閥(22)，各負極反應(yīng)腔(2)與負極出液罐(24)之間均設(shè)有負極出液閥(23)。實施例2本實施例提供一種無泵鋰離子液流電池子系統(tǒng)。一種無泵鋰離子液流電池子系統(tǒng)，該電池子系統(tǒng)包括3個電池反應(yīng)器(18)、1個正極進液罐(16 )、I個正極出液罐(20 )、I個負極進液罐(21)、I個負極出液罐(24 )。3個電池反應(yīng)器(18)之間的電路連接方式為并聯(lián)。正極進液罐(16)、正極反應(yīng)腔(I)、正極出液罐
(20)的位置由高到低依次排列；負極進液罐(21)、負極反應(yīng)腔(2)、負極出液罐(24)的位置由高到低依次排列。其中，3個電池反應(yīng)器(18)位置由高到低排列，3個正極反應(yīng)腔(I)通過密封管道依次連接，3個負極反應(yīng)腔(2)通過密封管道依次連接。正極反應(yīng)腔(I)與正極反應(yīng)腔(I)之間設(shè)有正極流體閥(25)，負極反應(yīng)腔(2)與負極反應(yīng)腔(2)之間設(shè)有負極流體閥(26)。位于頂端的正極反應(yīng)腔(I)通過密封管道與正極進液罐(16)的出液口(11)連接，位于頂端的負極反應(yīng)腔(2)通過密封管道與負極進液罐(21)的出液口(11)連接；位于底端的正極反應(yīng)腔(I)通過密封管道與正極出液罐(20 )的進液口( 10 )連接，位于底端的負極反應(yīng)腔(2)通過密封管道與負極出液罐(24)的進液口(10)連接。頂端正極反應(yīng)腔(I)與正極進液罐(16)之間設(shè)有正極進液閥(17)，頂端負極反應(yīng)腔(2)與負極進液罐(21)之間設(shè)有負極進液閥(22 );底端正極反應(yīng)腔(I)與正極出液罐(20 )之間設(shè)有正極出液閥(19 )，底端負極反應(yīng)腔(2)與負極出液罐(24)之間設(shè)有負極出液閥(23)。實施例3本實施例提供一種無泵鋰離子液流電池子系統(tǒng)。
一種無泵鋰離子液流電池子系統(tǒng)，該電池單元包括9個電池反應(yīng)器(18)、1個正極進液罐(16 )、I個正極出液罐(20 )、I個負極進液罐(21)、I個負極出液罐(24 )。其中3個電池反應(yīng)器(18)為一組，每一組中的3個電池反應(yīng)器(18)均按照實施例2中的方式進行管道連接，3組電池反應(yīng)器(18)按照實施例I中的方式進行管道連接。實施例4本實施例提供一種無泵鋰離子液流電池子系統(tǒng)。一種無泵鋰離子液流電池子系統(tǒng)，該電池子系統(tǒng)包括3個電池反應(yīng)器(18)、1個正極進液罐(16 )、I個正極出液罐(20)、I個負極進液罐(21)、I個負極出液罐(24)。正極進液罐(16 )、正極反應(yīng)腔(I)、正極出液罐(20 )的位置由高到低依次排列；負極進液罐(21)、負極反應(yīng)腔(2)、負極出液罐(24)的位置由高到低依次排列。其中，電池反應(yīng)器(18)的正極反應(yīng)腔(I)通過密封管道分別與正極進液罐(16 )的出液口( 11)和正極出液罐(20 )的進液口( 10)連接，正極反應(yīng)腔(I)與正極進液罐(16)之間設(shè)有正極進液閥(17)，正極反應(yīng)腔
(I)與正極出液罐(20 )之間設(shè)有正極出液閥(19 );電池反應(yīng)器(18 )的負極反應(yīng)腔(2 )通過密封管道分別與負極進液罐(21)的出液口( 11)和負極出液罐(24 )的進液口( 10 )連接，負極反應(yīng)腔(2)與負極進液罐(21)之間設(shè)有負極進液閥(22)，負極反應(yīng)腔(2)與負極出液罐(24 )之間設(shè)有負極出液閥(23 )。實施例5本實施例提供一種包含有過渡罐的無泵鋰離子液流電池一種無泵鋰離子液流電池，該電池包括I個正極配液罐(27)、1個正極配液過渡罐(37)、1個負極配液罐(32)、1個負極配液過渡罐(41)、1個正極集液罐(30)、1個正極集液過渡罐(40)、1個負極集液罐(35)、1個負極集液過渡罐(44)、1個正極運輸罐(31)、1個負極運輸罐(36)、2套機械提升裝置、I個儲氣瓶、I個排氣瓶以及I個實施例4中所闡述的電池子系統(tǒng)。正極配液罐(27)、正極配液過渡罐(37)、負極配液罐(32)和負極配液過渡罐
(41)位于電池子系統(tǒng)的上方，正極集液罐(30)、正極集液過渡罐(40)、負極集液罐(35)和負極集液過渡罐(44)位于電池子系統(tǒng)的下方。正極配液罐(27)、正極配液過渡罐(37)、電池子系統(tǒng)的正極進液口(12)、電池子系統(tǒng)的正極出液口(14)、正極集液過渡罐(40)、正極集液罐(30)的位置由高到低排列，并通過密封管道依次連接；負極配液罐(32)、負極配液過渡罐(41)、電池子系統(tǒng)的負極進液口(13)、電池子系統(tǒng)的負極出液口(15)、負極集液過渡罐(44)、負極集液罐(35)的位置由高到低排列，并通過密封管道依次連接。正極配液罐(27)與正極配液過渡罐(37)之間設(shè)有正極配液閥(28)，正極配液過渡罐(37)與電池子系統(tǒng)的正極進液口(12)之間設(shè)有正極配液過渡閥(38)，電池子系統(tǒng)的正極出液口(14)與正極集液過渡罐(40)之間設(shè)有正極集液過渡閥(39)，正極集液過渡罐
(40)與正極集液罐(30)之間設(shè)有正極集液閥(29)。負極配液罐(32)與負極配液過渡罐(41)之間設(shè)有負極配液閥(33)，負極配液過渡罐(41)與電池子系統(tǒng)的負極進液口(13)之間設(shè)有負極配液過渡閥(42)，電池子系統(tǒng)的負極出液口(15)與負極集液過渡罐(44)之間設(shè)有負極集液過渡閥(43)，負極集液過渡罐(44)與負極集液罐(35)之間設(shè)有負極集液閥(34)。正極運輸罐(31)可借助機械裝置進行上下往復運動，用于正極集液罐(30)和正極配液罐(27)之間的正極懸浮液運輸；負極運輸罐(36)可借助機械裝置進行上下往復運動，用于負極集液罐(35)和負極配液罐(32)之間的負極懸浮液運輸。上述所述罐體(5 )的進氣口( 6 )與儲氣系統(tǒng)(8 )連接，上述所述罐體(5 )排氣口( 7 )與集氣系統(tǒng)(9)連接。實施例6本實施例提供一種無泵鋰離子液流電池。一種無泵鋰離子液流電池，該電池包括I個正極配液罐(27)、1個負極配液罐
(32)、1個正極集液罐(30)、1個負極集液罐(35)、1個正極運輸罐(31)、1個負極運輸罐
(36)、2套機械提升裝置、I個儲氣瓶、I個排氣瓶以及2個實施例3中所闡述的電池子系統(tǒng)。正極配液罐(27)和負極配液罐(32)位于2個電池子系統(tǒng)的上方，正極集液罐(30)和負極集液罐(35)位于2個電池子系統(tǒng)的下方。2個電池子系統(tǒng)之間的電路連接方式為串聯(lián)。2個電池子系統(tǒng)的正極進液口( 12 )均通過密封管道與正極配液罐(27 )的出液口( 11)連接；2個電池子系統(tǒng)的負極進液口(13)均通過密封管道與負極配液罐(32)的出液口(11)連接；2個電池子系統(tǒng)的正極出液口(14)均通過密封管道與正極集液罐(30)的進液口(10)連接；2個電池子系統(tǒng)的負極出液口( 15)均通過密封管道與負極集液罐(35)的進液口( 10)連接。正極配液罐(27)與各電池子系統(tǒng)之間均設(shè)有正極配液閥(28)，負極配液罐(32)與各電池子系統(tǒng)之間均設(shè)有負極配液閥(33)，正極集液罐(30)與各電池子系統(tǒng)之間均設(shè)有正極集液閥(29)，負極集液罐(35)與各電池子系統(tǒng)之間均設(shè)有負極集液閥(34)。正極運輸罐(31)可借助機械裝置進行上下往復運動，用于正極集液罐(30)和正極配液罐(27)之間的正極懸浮液運輸；負極運輸罐(36)可借助機械裝置進行上下往復運 動，用于負極集液罐(35)和負極配液罐(32)之間的負極懸浮液運輸。 上述所述罐體(5 )的進氣口( 6 )與儲氣系統(tǒng)(8 )連接，上述所述罐體(5 )排氣口( 7 )與集氣系統(tǒng)(9)連接。最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準。
權(quán)利要求
1.一種無泵鋰離子液流電池，其特征在于，包括若干個電池子系統(tǒng)、正極配液罐(27)、負極配液罐(32 )、正極集液罐(30 )、負極集液罐(35 )、正極運輸罐(31)和負極運輸罐(36 )，上述正極配液罐(27)和負極配液罐(32)位于若干個電池子系統(tǒng)的上方，正極配液罐(27)的出液口(11)與各電池子系統(tǒng)的正極進液口(12)通過管道連接，管道上設(shè)有正極配液閥(28);負極配液罐(32)的出液口(11)與各電池子系統(tǒng)的負極進液口(13)通過管道連接，管道上設(shè)有負極配液閥(33)，上述正極集液罐(30)和負極集液罐(35)位于電池子系統(tǒng)的下方，正極集液罐(30)的進液口(10)與各電池子系統(tǒng)的正極出液口(14)通過管道連接，管道上設(shè)有正極集液閥(29);負極集液罐(35)的進液口(10)與各電池子系統(tǒng)的負極出液口(15)通過管道連接，管道上設(shè)有負極集液閥(34)，其中正極配液罐(27)、正極進液罐(16)、正極出液罐(20)、正極集液罐(30)中裝有正極懸浮液和惰性氣體，負極配液罐(32)、負極進液罐(21)、負極出液罐(24)、負極集液罐(35)中裝有負極懸浮液和惰性氣體，上述正極運輸罐(31)上下往復間歇移動，用于正極集液罐(30)和正極配液罐(27)之間正極懸浮液的運輸轉(zhuǎn)移；上述負極運輸罐(36)上下往復間歇移動，用于負極集液罐(35)和負極配液罐(32)之間負極懸浮液的運輸轉(zhuǎn)移，上述若干個電池子系統(tǒng)之間的電路組合方式為串聯(lián)，在鋰離子液流電池工作時，至多只有一個電池子系統(tǒng)與正極配液罐(27)、正極集液罐(30)、負極配液罐(32 )或負極集液罐(35 )連通。
2.如權(quán)利要求I所述的無泵鋰離子液流電池，其特征在于，所述電池子系統(tǒng)包括若干個電池反應(yīng)器(18 )、正極進液罐(16 )、負極進液罐(21)、正極出液罐(20 )、負極出液罐(24 )以及正極進液口( 12)、正極出液口( 14)、負極進液口( 13)、負極出液口( 15)，電池反應(yīng)器(18)包含有正極反應(yīng)腔(I)和負極反應(yīng)腔(2)，上述正極進液罐(16)和負極進液罐(21)位于電池反應(yīng)器(18)的上方；正極進液罐(16)的進液口即為電池子系統(tǒng)的正極進液口(12)，正極進液罐(16)的出液口與電池反應(yīng)器(18)的正極反應(yīng)腔(I)通過管道連接且中間設(shè)有正極進液閥(17);負極進液罐(21)的進液口即為電池子系統(tǒng)的負極進液口(13)，負極進液罐(21)的出液口與電池反應(yīng)器(18)的負極反應(yīng)腔(2)通過管道連接且中間設(shè)有負極進液閥(22 )，上述正極出液罐(20 )和負極出液罐(24)位于電池反應(yīng)器(18 )的下方；正極出液罐(20)的進液口與電池反應(yīng)器(18)的正極反應(yīng)腔(I)通過管道連接且中間設(shè)有正極出液閥(19 )，正極出液罐(20 )的出液口即為電池子系統(tǒng)的正極出液口( 14);負極出液罐(24)的進液口與電池反應(yīng)器(18)的負極反應(yīng)腔(2)通過管道連接且中間設(shè)有負極出液閥(23)，負極出液罐(24)的出液口即為電池子系統(tǒng)的負極出液口(15)。
3.如權(quán)利要求I所述的無泵鋰離子液流電池，其特征在于，所述電池子系統(tǒng)內(nèi)部的電池反應(yīng)器(18)之間的電路組合方式為并聯(lián)，上述電池反應(yīng)器(18)的位置為由左到右橫向排列，或由高到低縱向排列；或由多個橫向排列和多個縱向排列組成的陣列。
4.如權(quán)利要求I所述的無泵鋰離子液流電池，其特征在于，所述正極配液罐(27)、負極配液罐(32)、正極集液罐(30)、負極集液罐(35)、正極運輸罐(31)和負極運輸罐(36)，以及正極進液罐(16)、負極進液罐(21)、正極出液罐(20)和負極出液罐(24)均包含位于罐體(5 )底面的一個或多個進液口( 10 )以及位于罐體(5 )側(cè)面的一個或多個出液口( 11 )，在罐體(5)頂部設(shè)有惰性氣體進氣口(6)和排氣口(7)，進氣口(6)與儲氣系統(tǒng)(8)連接，排氣口(7)與集氣系統(tǒng)(9)連接；進氣口(6)處設(shè)有穩(wěn)壓裝置，排氣口( 7)處設(shè)有限壓裝置，穩(wěn)壓裝置與限壓裝置對罐體(5)內(nèi)氣壓進行調(diào)節(jié)并保持恒定，集氣系統(tǒng)(9)回收到的惰性氣體經(jīng)過凈化和增壓后可進入儲氣系統(tǒng)(8)循環(huán)利用。
5.如權(quán)利要求I所述的無泵鋰離子液流電池，其特征在于，上述所有閥體均為內(nèi)部絕緣閥，內(nèi)部絕緣閥開啟時，閥體兩側(cè)電極懸浮液連通；所述內(nèi)部絕緣閥關(guān)閉時，閥體兩側(cè)電極懸浮液斷開不導電。
6.如權(quán)利要求I所述的無泵鋰離子液流電池，其特征在于，上述無泵鋰離子液流電池運行時，正極進液罐(16)氣壓與負極進液罐(21)氣壓保持一致，以及正極出液罐(20)與負極出液罐(24)氣壓也保持一致。
7.如權(quán)利要求I所述的無泵鋰離子液流電池，其特征在于，上述正極配液罐(27)和正極進液罐(16)之間增加一個或多個正極過渡罐；負極配液罐(32)和負極進液罐(21)之間增加一個或多個負極過渡罐；正極出液罐(20)和正極集液罐(30)之間增加一個或多個正極過渡罐；負極出液罐(24)和負極集液罐(35)之間增加一個或多個負極過渡罐。
8.—種權(quán)利要求2所述的無泵鋰離子液流電池的電極懸浮液配置方法，其步驟包括 a)注入電極懸浮液具體對于正極懸浮液而言，首先，關(guān)閉正極進液閥(17)，打開正極配液閥(28)，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置將正極配液罐(27)和正極出液罐(20)的氣壓穩(wěn)定在I 2個大氣壓范圍內(nèi)的一個恒定值，二者罐內(nèi)氣壓值相同；接著，將裝有正極懸浮液的正極運輸罐(31)提升至正極配液罐(27)的上方，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極運輸罐(31)內(nèi)氣壓，使正極運輸罐(31)內(nèi)氣壓高出正極配液罐(27)內(nèi)氣壓0 0. 5個大氣壓并保持恒定；再次，通過密封管道連接正極運輸罐(31)和正極配液罐(27)，正極運輸罐(31)內(nèi)的正極懸浮液在氣體壓力和重力的作用下依次流入正極配液罐(27)、正極進液罐(16);最后，當正極進液罐(16)的正極懸浮液含量達到罐內(nèi)容量上限時關(guān)閉正極配液閥(28)，當正極配液罐(27)的正極懸浮液含量達到罐內(nèi)容量上限時，斷開正極運輸罐(31)與正極配液罐(27)的連接，完成系統(tǒng)注液；對于負極懸浮液而言，負極懸浮液的注液方法與上述正極懸浮液的注液方法一致，且正極進液罐(16)與負極進液罐(21)氣壓值相同并恒定； b)電極懸浮液進入電池反應(yīng)器(18)參與電池反應(yīng)利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極出液罐(20)氣壓與負極出液罐(24)氣壓，使正極出液罐(20)氣壓與負極出液罐(24)氣壓值相同且低于正極進液罐(16)和負極進液罐(21)的氣壓0 0. 5個大氣壓并保持恒定；同時開啟正極進液閥(17 )、負極進液閥(22 )、正極出液閥(19 )、負極出液閥(23 )。正極懸浮液和負極懸浮液在重力和氣體壓力的作用下分別流入正極反應(yīng)腔(I)與負極反應(yīng)腔(2)，參與電池反應(yīng)后，分別流入正極出液罐(20)和負極出液罐(24)，在此過程，保證正極懸浮液和負極懸浮液同時進入電池反應(yīng)器(18)； c)反應(yīng)后的電極懸浮液的收集當正極出液罐(20)的正極懸浮液含量達到容量上限時，需向正極集液罐(30)集液，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極集液罐(30)內(nèi)的氣壓，使正極集液罐(30)氣壓低于正極出液罐(20)氣壓0 0. 5個大氣壓并保持恒定，打開正極出液閥(19)，正極出液罐(20)內(nèi)的正極懸浮液在重力和氣壓的作用下流入正極集液罐(30)，當正極出液罐(20)的正極懸浮液的含量達到罐內(nèi)容量下限或正極集液罐(30)的正極懸浮液的含量達到罐內(nèi)容量上限時，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置將正極集液罐(30)的氣壓調(diào)至與正極出液罐(20)氣壓一致，關(guān)閉正極集液閥(29)，完成正極懸浮液收集；對于負極懸浮液而言，收集控制步驟與上述正極懸浮液收集控制步驟一致。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，當正極進液罐(16)的正極懸浮液含量達到容量下限時，需向正極進液罐(16)配液，具體方法為利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極配液罐(27)內(nèi)的氣壓，使正極配液罐(27)氣壓高出正極進液罐(16)氣壓O 0. 5個大氣壓并保持恒定。打開正極配液閥(28)，正極配液罐(27)內(nèi)的正極懸浮液在重力和氣壓的作用下流入正極進液罐(16)，當正極進液罐(16)的正極懸浮液的容量達到罐內(nèi)容量上限或正極配液罐(27)的正極懸浮液的容量達到罐內(nèi)容量下限時，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置將正極配液罐(27)的氣壓調(diào)至與正極進液罐(16)氣壓一致，關(guān)閉正極配液閥(28)，完成配液；對于負極懸浮液而言，配置控制步驟與上述正極懸浮液配置控制一致。
10.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于，當正極集液罐(30)的正極懸浮液含量達到容量上限時，或者，當正極配液罐(27)的正極懸浮液含量達到容量下限時，需對正極懸浮液進行轉(zhuǎn)移與運輸，具體方法是當正極集液罐(30)的正極懸浮液含量達到容量上限時，利用機械提升裝置將正極運輸罐(31)下降至正極集液罐(30)下方，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極運輸罐(31)內(nèi)的氣壓，使正極運輸罐(31)氣壓低于正極集液罐(30)氣壓0 ·0.5個大氣壓并保持恒定。通過密封管道將正極運輸罐(31)與正極集液罐(30)連接，正極集液罐(30)內(nèi)的正極懸浮液在重力和氣壓的作用下流入正極運輸罐(31)，直至正極集液罐(30)的正極懸浮液到達容量下限，或直至正極運輸罐(31)的正極懸浮液容量達到容量上限時，將正極運輸罐(31)與正極集液罐(30)斷開；當正極配液罐(27)的正極懸浮液含量達到容量下限時，利用機械提升裝置將正極運輸罐(31)提升至正極配液罐(27)上方，利用穩(wěn)壓裝置和限壓裝置調(diào)節(jié)正極運輸罐(31)氣壓，使正極運輸罐(31)氣壓高出正極配液罐(27)氣壓0 0. 5個大氣壓并保持恒定，通過密封管道將正極運輸罐(31)與正極配液罐(27)連接，正極運輸罐(31)內(nèi)的正極懸浮液在重力和氣壓的作用下流入正極配液罐(27)，待正極運輸罐(31)內(nèi)的正極懸浮液完全流入正極配液罐(27)后或正極配液罐(27)的正極懸浮液容量達到容量上限時，將正極運輸罐(31)與正極配液罐(27)斷開；對于負極懸浮液而言，轉(zhuǎn)移與運輸控制步驟與上述正極懸浮液轉(zhuǎn)移與運輸控制步驟一致。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無泵鋰離子液流電池，屬于化學儲能電池領(lǐng)域。該無泵鋰離子液流電池包括若干個電池子系統(tǒng)、正極配液罐、負極配液罐、正極集液罐、負極集液罐、正極運輸罐和負極運輸罐，利用重力和惰性氣體壓力推動電極懸浮液循環(huán)流動，避免使用液泵。本發(fā)明操作簡單，便于控制，降低了電池系統(tǒng)的機械損耗，提高了電池的整體效率和安全使用性能。
文檔編號H01M8/04GK102664280SQ201210144560
公開日2012年9月12日 申請日期2012年5月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月10日
發(fā)明者馮彩梅, 張萍, 林道勇, 武明曉, 王秋平, 陳永翀, 韓立 申請人:中國科學院電工研究所, 北京好風光儲能技術(shù)有限公司