CN106602181A - 一种氯镁电池及其储能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种氯镁电池及其储能方法，涉及电池技术领域。氯镁电池包括电池本体、氯气循环装置和电解液循环装置。电池本体包括壳体以及设置于壳体内并将壳体分隔成正极区域和负极区域的膜组件。壳体内设置有镁盐非水电解液。正极区域内设置有用于氯气反应的正极板。负极区域内设置有负极板。正极区域与氯气循环装置连通。负极区域与电解液循环装置连通。氯镁电池储能方法包括：将发电装置与氯镁电池电连接并向氯镁电池内输入电解液，将产生的氯气收集以备于循环利用。本氯镁电池属于大型储电装置，主要用于间歇性发电装置的储电设备或电站。通过氯气循环装置和电解液循环装置能够将氯镁电池工作过程产生的氯气和电解液收集以备于循环利用。
Description
技术领域
本发明涉及电池技术领域，且特别涉及一种氯镁电池及其储能方法。
背景技术
电能作为最主要的二次能源为人类社会的发展进步做出了重要贡献。电能主要通过其他一次能源转化而得，因此一次能源危机直接影响到电能的稳定供应。在我国，每年在用电高峰负荷期间因拉闸限电造成的经济损失难以估量，同时传统火力发电带来的环境污染问题也不容忽视。
目前，电力的生产和消费几乎是同时发生的。电能短缺和环境恶化问题已经成为制约我国国民经济可持续发展的两大问题。如何方便经济地储存电力，仍然是困扰科学家的难题，目前人们还无法实现大规模的储存电能，因此研究先进的电能存储技术来实现能量的节能使用具有重要的理论研究意义和实用价值。
现有的电池储能设备中，虽然已在安全性能、转换效率和经济性能等方面取得重大突破，产业化应用的条件日趋成熟。但是，在目前的电池储能中也存在一些问题，例如：铅酸电池：能量密度低、循环寿命短以及制造过程中易对环境造成污染等；镍镉电池：长期浅充放电时有记忆效应、镉材料价格较贵以及会对环境造成严重污染，因此必须做到安全使用和回收；镍氢电池：自放电较大以及循环寿命较低；锂离子电池：具有成本较高的问题；钠硫电池：有一定安全隐患，且目前成本较高，因此应用规模还有待进一步挖掘。
因此，上述电池储能设备难以直接应用于发电装置的储能，针对该问题，亟须给出解决方案。
发明内容
本发明的目的在于提供一种氯镁电池，其能够与发电装置配合使用，解决了电力存储技术为实现电网可持续发展目标、解决电量供需不平衡矛盾和提高供电可靠性等问题。
本发明的另一目的在于提供一种氯镁电池储能方法，其能够使用上述的氯镁电池实现电能的储存。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出一种氯镁电池，包括电池本体、用于储存氯气的氯气循环装置和用于储存电解液的电解液循环装置。电池本体包括壳体以及设置于壳体内并将壳体分隔成正极区域和负极区域的膜组件。壳体内设置有镁盐非水电解液。正极区域内设置有用于氯气反应的正极板。负极区域内设置有负极板。正极区域与氯气循环装置连通。负极区域与电解液循环装置连通。
本发明提出一种氯镁电池储能方法，其包括：将发电装置与氯镁电池电连接并向氯镁电池内输入电解液，将产生的氯气收集以备于循环利用。
本发明的有益效果为：本氯镁电池属于大型储电装置，主要用于间歇性发电装置的储电设备或电站。具有结构简单和易于制造等特点。氯镁电池的正极区域与氯气循环装料连通，负极区域与电解液循环装置连通，使得氯镁电池储存电能时产生的氯气能够经由氯气循环装置收集并以备于氯镁电池输出电能时循环利用，同时，使得氯镁电池输出电能时产生的电解液经由电解液循环装置收集并以备于氯镁电池储存电能时循环利用。本氯镁电池配合间歇性发现装置使用，既能够实现大规模间歇性发电装置的稳定储能，还能够提高电网经济性、安全性和可靠性，符合国家目前大力提倡的新能源利用和发展，具有显著的经济效益和社会效益。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的氯镁电池的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的氯气循环转装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的电解液循环装置的结构示意图。
图标：100-氯镁电池；110-电池本体；111-壳体；112-膜组件；113-正极板；114-负极板；115-附着层；116-正极区域；117-负极区域；120-氯气循环装置；121-氯气循环罐；122-氯气源；123-吸收机构；124-第一管道；125-第二管道；126-第一调节阀；127-第二调节阀；128-第三调节阀；130-电解液循环装置；131-电解液循环罐；132-进液口；133-出液口；134-第三管道；135-第四管道；136-第四调节阀；137-第五调节阀；138-循环泵。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例的氯镁电池100及其储能方法进行具体说明。
请参照图1，本实施例提供的一种氯镁电池100，其包括电池本体110、氯气循环装置120和电解液循环装置130。
请参照图2，电池本体110包括壳体111、膜组件112、正极板113和负极板114。其中，壳体111为类似于长方体的密闭结构。膜组件112设置于壳体111内部，且膜组件112将壳体111的内部分隔形成相对设置的正极区域116和负极区域117。正极区域116内设置有用于氯气反应的正极板113，即可以理解为氯气和正极板113组成电池的正极，可以称为氯气电极。负极区域117内设置有负极板114，即可以理解为负极板114为电池本体110的负极。壳体111内部设置有电解液，膜组件112、正极板113和负极板114均浸入于电解液内。作为优选，正极板113和负极板114均为板状结构，通过将正极板113和负极板114均设置为板状结构，能够增加电解液与正极板113和负极板114的接触面积，保证氯镁电池100内部反应的稳定和持续进行。
正极板113选自石墨电极板或铂电极板。石墨电极板或铂电极板均具有性质稳定和导电性好等特点，保证氯镁电池100的储电效率和使用寿命。正极板113作为氯镁电池100的正极，其发生的反应为：
氯镁电池100储存电能时，正极的反应机理为：
2Cl-→Cl2+2e；
氯镁电池100输出电能时，正极的反应机理为：
Cl2+2e→2Cl-。
负极板114选自石墨、铜、铜箔、铁和铝中至少一种制成的电极板，即负极板114可以选自其中材料的一种，也可以选自其中多种材料的任意比例混合。本实施例不在于限定负极板114的电极板材料，只要能够实现负极板114的电极板材料不与电解液发生反应即可。负极板114作为氯镁电池100的负极，其发生的反应为：
氯镁电池100储存电能时，正极的反应机理为：
Mg2++2e→Mg；
氯镁电池100输出电能时，正极的反应机理为：
Mg→Mg2++2e。
氯镁电池100在储存电能的过程中，电解液中产生的镁会在负极板114聚集并形成附着层115。由于使用板状结构的负极板114，能够实现镁在负极板114的快速和均匀聚集，即附着层115为均匀分布的镁金属层，保证氯镁电池100内部反应的稳定和持续。氯镁电池100在输出电能的过程中，负极板114附着的镁金属附着层115能够与电解液发生反应，氯镁电池100放电完成，附着层115与电解液反应完全。
电解液包括镁盐和有机溶剂。镁盐可以选自MgCl2，也可以选自MgCl2和Mg(ClO4)2的混合物。其中，MgCl2和Mg(ClO4)2在有机溶剂中具备较好的溶解性、稳定性和电导率，能够进一步为氯镁电池100提供镁离子，以保证氯镁电池100的储电性能。
有机溶剂选自醚类化合物。其中，醚类化合物选自四氢呋喃、2-甲基-四氢呋喃、二乙二醇二甲氧醚、四乙二醇二甲醚和二甲氧基甲烷中至少一种。
请参照图1和图2，氯气循环装置120包括氯气循环罐121、氯气源122和吸收机构123。电池本体110的正极区域116、氯气源122和吸收机构123均与氯气循环罐121连通。具体地，连通氯气循环罐121与正极区域116之间的管道包括第一管道124和第二管道125，第一管道124的两端分别与氯气循环罐121和位于正极区域116底部的壳体111连通，第二管道125的两端分别与氯气循环罐121和位于正极区域116上部的壳体111连通。即第一管道124位于正极板113的下部，第二管道125位于正极板113的上部。第二管道125用于向电池本体110外排出氯气。当氯镁电池100储存电能时，电池本体110内产生的氯气会在其顶部聚集，并通过第二管道125输入到氯气循环罐121内。第一管道124用于向内电池本体110内输入氯。当氯镁电池100输出电能时，氯气循环罐121内收集的氯气通过第一管道124输入到电池本体110内。氯气能够从电池本体110内的底部向顶部扩散，有助于氯气的扩散均匀以保证反应的充分。
为了平衡氯气循环罐121与电池本体110之间的压力，连通循环罐与电池本体110之间的管道设置有调节阀。具体地，第一管道124设置有第一调节阀126，第二管道125设置有第二调节阀127。作为优选，第一调节阀126和第二调节阀127均选用自力式压力调节阀。通过这样的设置，能够控制和调节氯气的压力和流量，避免对电池本体110造成损坏。
为了减少氯气的存贮体积，氯气循环罐121选用压力罐。氯镁电池100储存电能时，产生的氯气通过第一管道124进入压力罐内，对压力管加压使其内部的氯气转变为液氯，从而减少了氯气的存放体积。
氯镁电池100在循环过程中，其内部的电解液和氯气均会逐渐被消耗，为了保证延长氯镁电池100的使用寿命，氯气循环罐121与氯气源122连通。通过氯气源122向氯气循环罐121内补充氯气，一方面，能够将氯气循环罐121内的空气排净；另一方面，还能够通过氯气源122向氯气循环罐121内补充氯气，以保证氯镁电池100能够持续稳定供电。
氯气循环罐121与吸收机构123连通。氯气循环罐121在注入氯气时，其内部的空气需要排出。氯气循环罐121内部的空气在排出时会携带部分氯气，因此，气体在排放到空气中前需要通过吸收机构123进行处理。吸收机构123可以选用吸收塔或吸收池，只要能够在其内部填有碱液实现对氯气的吸收即可。进一步的，连通吸收机构123与氯气循环罐121之间的管道设置有第三调节阀128。作为优选，第三调节阀128选用止回阀，能够有效地防止吸收机构123内部的碱液和空气进入到氯气循环罐121内，从而避免了对氯镁电池100造成损坏或影响储能效率。
请参照图1和图3，电解液循环装置130包括电解液循环罐131和循环泵138。电池本体110的负极区域117与电解液循环罐131连通。具体地，连通电解液循环罐131与负极区域117的管道包括第三管道134和第四管道135。第三管道134的两端分别与电解液循环罐131和位于负极区域117顶部的壳体111连通，第四管道135的两端分别与氯气循环罐121和位于负极区域117底部的壳体111连通。即第三管道134位于负极板114的上部，第四管道135位于负极板114的下部。第三管道134用于向电池本体110内部输入电解液，第三管道134设置有循环泵138和第四调节阀136。氯镁电池100储存电能时，通过循环泵138将电解液循环罐131内部的电解液输入到电池本体110的负极区域117，电解液参与反应并产生氯气。第四管道135用于向电池本体110外排出电解液，第四管道135设置有第五调节阀137。氯镁电池100输出电能时，电池本体110内产生的电解液通过第四管道135进入电解液循环罐131。作为优选，第四调节阀136和第五调节阀137均选用自力式压力调节阀。通过这样的设置，能够控制和调节电解液的压力和流量，避免对电池本体110造成损坏。
作为优选，电解液循环罐131设置有进液口132和出液口133。通过进液口132，能够向电解液循环罐131内补充新的电解液，通过设置出液口133，能够将电解液循环罐131内循环次数过多的废的电解液排出。通过排出废的电解液和补充新的电解液，能够增加氯镁电池100的使用寿命。
在使用过程中，可以将多个电池本体110串联设置并放置于电池放置仓和电池集装箱内，使其具备较大的容量，以符合配合大型发电装置的应用。
一种氯镁电池的储能方法，其包括：
将发电装置与氯镁电池100电连接并向氯镁电池100内输入电解液，将产生的氯气收集以备于循环利用。
由于采用太阳能、风能或水能等能源发电，由于这些能源本身带有不确定性，其产生的电能也就具有间歇性。因此，需要将其产生的电能采用氯镁电池100存储后，再使用氯镁电池100向外部输出电能。具体步骤如下：
(1)、将太阳能发电装置、风能发电装置或水能发电装置等发电装置与氯镁电池100的电池本体110的正极板113和负极板114电连接，太阳能发电装置、风能发电装置或水能发电装置产生的电能在氯镁电池100存储。
(2)、打开循环泵138和第四调节阀136，将电解液循环罐131内的电解液输入到电池本体110内，电池本体110内发生反应并产生氯气。打开第二调节阀127，电池本体110内产生氯气经由第二管道125输送至氯气循环罐121内。
(3)、进入到氯气循环罐121内部的氯气经加压转化为液氯，以备于氯镁电池100输出电能时循环利用，即完成氯镁电池100电能的储存。
当氯镁电池100向输出电能时，只需将负载电路与正极板113和负极板114电连接，打开第一调节阀126和第五调节阀137，使氯气循环罐121内的氯气经由第一管道124输送至电池本体110内，并在电池本体110内发生反应产生电解液，电解液通过第四管道135进入电解液循环罐131以备于循环利用，实现氯镁电池100输出电能。
本发明的氯镁电池100属于大型储电装置，主要用于间歇性发电装置的储电设备或电站。具有结构简单和易于制造等特点。氯镁电池100的正极区域116与氯气循环装置120连通，负极区域117与电解液循环装置130连通，使得氯镁电池100储存电能时产生的氯气能够经由氯气循环装置120收集并以备于氯镁电池100输出电能时循环利用，同时，使得氯镁电池100输出电能时产生的电解液经由电解液循环装置130收集并以备于氯镁电池100储存电能时循环利用。具有容量大、效率高和密度大等特点，能够提高电网经济性、安全性和可靠性，符合国家目前大力提倡的新能源利用和发展，具有显著的经济效益和社会效益。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例1
电解液的制备：将MgCl2、四氢呋喃和二甲氧基甲烷混合均匀，制成电解液。
负极板114的制备：将铁和铝经冷压、辊轧制得负极板114。
装配氯镁电池100：以铂电极为正极板113、上述步骤制备的负极板114和膜组件112封装于壳体111内，装配成电池本体110。在惰性气体环境下，向电池本体110中注入电解液并密封。将装配的多个电池本体110串联后安装于电池集装箱，将每个电池本体110的正极区域116与氯气循环装置120连通。将每个电池本体110的负极区域117与电解液循环装置130连通。
将氯镁电池100与太阳能发电装置和风能发电装置联用并向负载电路供电。
实施例2
电解液的制备：将MgCl2、MgClO4、二乙二醇二甲氧醚、四乙二醇二甲醚混合均匀，制成电解液。
负极板114的制备：将铁和铝经冷压、辊轧制得负极板114。
装配氯镁电池100：以铂电极为正极板113、上述步骤制备的负极板114和膜组件112封装于壳体111内，装配成电池本体110。在惰性气体环境下，向电池本体110中注入电解液并密封。将装配的多个电池本体110串联后安装于电池集装箱，将每个电池本体110的正极区域116与氯气循环装置120连通。将每个电池本体110的负极区域117与电解液循环装置130连通。
将氯镁电池100与太阳能发电装置和风能发电装置联用并向负载电路供电。
实施例3
电解液的制备：将MgCl2、Mg(ClO4)2、二乙二醇二甲氧醚和二甲氧基甲烷混合均匀，制成电解液。
负极板114的制备：将铁和铝经冷压、辊轧制得负极板114。
装配氯镁电池100：以铂电极为正极板113、上述步骤制备的负极板114和膜组件112封装于壳体111内，装配成电池本体110。在惰性气体环境下，向电池本体110中注入电解液并密封。将装配的多个电池本体110串联后安装于电池集装箱，将每个电池本体110的正极区域116与氯气循环装置120连通。将每个电池本体110的负极区域117与电解液循环装置130连通。
将氯镁电池100与太阳能发电装置和风能发电装置联用并向负载电路供电。
实施例4
电解液的制备：将MgCl2、四氢呋喃、2-甲基-四氢呋喃和二乙二醇二甲氧醚混合均匀，制成电解液。
负极板114的制备：将铁和铝经冷压、辊轧制得负极板114。
装配氯镁电池100：以铂电极为正极板113、上述步骤制备的负极板114和膜组件112封装于壳体111内，装配成电池本体110。在惰性气体环境下，向电池本体110中注入电解液并密封。将装配的多个电池本体110串联后安装于电池集装箱，将每个电池本体110的正极区域116与氯气循环装置120连通。将每个电池本体110的负极区域117与电解液循环装置130连通。
将氯镁电池100与太阳能发电装置和风能发电装置联用并向负载电路供电。
实施例5
电解液的制备：将MgCl2、Mg(ClO4)2、四氢呋喃、2-甲基-四氢呋喃、二乙二醇二甲氧醚、四乙二醇二甲醚和二甲氧基甲烷混合均匀，制成电解液。
负极板114的制备：将铁和铝经冷压、辊轧制得负极板114。
装配氯镁电池100：以铂电极为正极板113、上述步骤制备的负极板114和膜组件112封装于壳体111内，装配成电池本体110。在惰性气体环境下，向电池本体110中注入电解液并密封。将装配的多个电池本体110串联后安装于电池集装箱，将每个电池本体110的正极区域116与氯气循环装置120连通。将每个电池本体110的负极区域117与电解液循环装置130连通。
将氯镁电池100与太阳能发电装置和风能发电装置联用并向负载电路供电。
对比例
以实施例1的氯镁电池100为例，计算其比能量。
氯镁电池100的总反应式：
氯镁电池100的平均电压：Ev＝1.36-(-2.37)＝3.73V
1mol Li产生的能量：3.73V×96485C×2＝719778.1J＝199.92Wh
1kg Li产生的能量(1kgLi约消耗2.96kg的Cl2)：
(1000/24)×199.92/1000＝8.32KWh
由此可知，比能量＝18.32KWh/(1kg+2.96kg)＝2.101KWh/Kg。因此，本氯镁电池100具有较高的比能量。
计算实施例1～5制备的氯镁电池100的储能密度、充电时间、效率、寿命和功率密度，并与现有的各种储能方式进行对比，其结果见表1。
表1氯镁电池与现有储能方式的参数对比结果
从上表可以看出，本氯镁电池100有更大的储能密度，更高的效率，趋于无限次的使用寿命，以及较好的功率密度。由于本氯镁电池100具有以上优点，因此本氯镁电池100具有：平抑可再生能源发电的功率波动，改善电能质量，缓解电网调峰压力；可降低配套输电线路容量需求，提高现有发输配用电设备的利用率；增强电力系统稳定性；减少旋转备用；降低发电煤耗、供电损耗，减少用户的用电费用；提高供电可靠性，减少停电损失的特点。
综上所述，通过实施例1～5可以看出，本氯镁电池100不仅具有容量大、效率高和密度大等特点，还具有寿命长的特点。因此，本氯镁电池100配合间歇性发现装置使用，既能够实现大规模间歇性发电装置的稳定储能，还能够提高电网经济性、安全性和可靠性，符合国家目前大力提倡的新能源利用和发展，具有显著的经济效益和社会效益。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
Claims (10)
1.一种氯镁电池，其特征在于，包括电池本体、用于储存氯气的氯气循环装置和用于储存电解液的电解液循环装置，所述电池本体包括壳体以及设置于所述壳体内并将所述壳体分隔成正极区域和负极区域的膜组件，所述壳体内设置有镁盐非水电解液，所述正极区域内设置有用于氯气反应的正极板，所述负极区域内设置有负极板，所述正极区域与所述氯气循环装置连通，所述负极区域与所述电解液循环装置连通。
2.根据权利要求1所述的氯镁电池，其特征在于，所述正极板板选自石墨或铂。
3.根据权利要求1所述的氯镁电池，其特征在于，所述电解液包括镁盐和有机溶剂，所述有机溶剂选自醚类化合物中。
4.根据权利要求3所述的氯镁电池，其特征在于，所述醚类化合物选自四氢呋喃、2-甲基-四氢呋喃、二乙二醇二甲氧醚、四乙二醇二甲醚和二甲氧基甲烷中的至少一种。
5.根据权利要求3所述的氯镁电池，其特征在于，所述镁盐选自MgCl2或MgCl2和Mg(ClO4)2的混合物。
6.根据权利要求1所述的氯镁电池，其特征在于，所述氯气循环装置包括氯气循环罐和氯气源，所述正极区域与所述氯气循环罐连通，所述氯气源与所述循环罐连通。
7.根据权利要求6所述的氯镁电池，其特征在于，还包括用于吸收氯气的吸收机构，所述吸收机构与所述氯气循环罐连通，连通所述吸收机构和所述循环罐之间的管道设置有调节阀。
8.根据权利要求6所述的氯镁电池，其特征在于，连通所述氯气循环罐与所述正极区域之间的管道包括向所述正极区域内输入氯气的第一管道和向所述正极区域外排除氯气的第二管道，所述第一管道和所述第二管道分别设置有用于平衡压力的调节阀。
9.根据权利要求1所述的氯镁电池，其特征在于，所述电解液循环装置包括电解液循环罐和循环泵，连通所述电解液循环罐与所述负极区域的管道包括向所述壳体内输入所述电解液的第三管道和向所述壳体外排出所述电解液的第四管道，所述第三管道设置有循环泵和第四调节阀，所述第四管道设置有第五调节阀。
10.一种使用权利要求1～9任一项所述的氯镁电池的储能方法，其特征在于，将发电装置与所述氯镁电池电连接并向所述氯镁电池内输入电解液，将产生的氯气收集以备于循环利用。
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