CN102246338B - 液流电池元电池的热控制 - Google Patents

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Abstract

提出了一种具有热管理的液流电池。该液流电池安置于外壳中，其中环绕电解液的保持罐来均匀地循环流体，以控制该外壳内部的温度。

Description

液流电池元电池的热控制
相关申请的交叉引用
本申请基于35U.S.C.§119(e)而要求在2008年10月10日提交的、标题为“Thermal Control Of A Flow Cell Battery”的美国临时申请第61/104,614号的权益，通过引用而将其内容全部合并于此。
技术领域
本发明涉及对液流电池元电池(flow cell battery)进行控制，且更具体地，涉及液流电池元电池的热控制。
背景技术
还原氧化(氧化还原)液流电池按照化学形式来存储电能，并随后经由自发的反向氧化还原反应、按照电学形式来分发所存储的能量。氧化还原液流电池是电气化学的存储装置，其中包含一个或多个溶解的电活化粒种的电解液流经反应堆栅元(reactor cell)，在该反应堆栅元中将化学能转换为电能。相反地，放电的电解液可以流经反应堆栅元，使得将电能转换为化学能。例如，电解液外部地存储在罐中，并且流经其中发生电气化学反应的电池元组。外部存储的电解液可以通过泵送、重力供给、或通过用于使流体流经电池系统的任何其他方法来流经该系统。液流电池中的反应是可逆的；可以对电解液进行再充电，而无需更换电活化材料。因此，氧化还原液流电池的能量与总电解液容积(即，存储罐的尺寸)相关。全功率的氧化还原液流电池的放电时间也取决于电解液容积，并且可以从几分钟到许多天之间变化。
无论在液流电池、燃料电池元、还是蓄电池的情况下，一般都将用于执行电气化学能量转换的最小单位称为“电池元”。一般将以下装置称为“电池”，该装置集成了串联和/或并联地电耦接以取得更高电流、电压或两者的许多这种电池元。然而，通常将包括独自使用的单一电池元的耦接电池元的任何集合称作电池。照这样，可以将单一电池元互换地称作“电池元”或“电池”。
可以在需要存储电能的许多技术中利用氧化还原液流电池。例如，可以利用氧化还原液流电池来存储生产廉价的夜间电，并且随后在生产电更为昂贵、或需求超出当前生产能力的峰值需求期间提供电。还可以利用这种电池来存储绿色能量(即，从诸如风、太阳、波浪或其他非传统资源之类的可再生资源所生成的能量)。可以利用液流氧化还原电池作为不间断电源，来代替更为昂贵的备用发电机。电力存储的高效方法可以用于构造具有内建备用设备的装置，该备用设备用于缓解电力切断或突然电力故障的影响。电力存储装置还可以减少发电站中故障的影响。
其中不间断电源可以重要的其他情形包括但不限于：诸如医院之类的建筑物，其中不间断电力是关键的。还可以利用这种电池来在发展中国家提供不间断电源，许多发展中国家并不具有可靠的电功率源，这导致了间断的电力可用性。
在液流电池中，电解液典型地是多盐溶液。在存在其他盐的情况下每种盐的可溶性取决于每种盐的相对浓度和温度。通常，所有盐在某一温度范围内都是可溶的，并且在该范围之外析出(precipitate)，这导致了对于液流电池系统的损坏和液流电池系统的降低效率。
液流电池的内部电阻取决于电解液溶液温度。典型地，随着电解液温度增加，内部电阻降低，并故此，该系统的效率增加。因此，为了高效地操作电池系统，可以在高温度处操作液流电池系统。然而，在某些化学性质中，一种或多种电解液盐可能在高温度处在溶液中分解，这导致了对于该系统的永久破坏或该系统中的效率临时降低。而且，在更高的温度处，寄生反应(例如，H2或O2生成)可能出现，其可以抵消上面提及的效率增益。
因此，当电解液温度维持在某一范围(即，高效操作范围)内时，液流电池元电池的操作是最优的。氧化还原液流电池在温度范围内(例如，在大约30℃和大约50℃之间)高效地操作。然而，液流电池可经历随时间而广泛变化的热环境。例如，温度可在白天炎热而在夜晚寒冷，其在二十四小时时段的过程中变化几十度。传统的液流电池采用加热器和制冷器来控制电解液的温度。然而，这些技术导致了附加的装备成本和更高的操作成本。故此，期望具有一种消耗最小数量的能量并且不使用加热器和/或制冷器的用于维持电解液温度的热控制技术。
发明内容
与本发明的实施例相符地，一种液流电池元电池可以包括：至少一个罐，用于保持电解液溶液；外壳，围绕该至少一个罐，该外壳具有内部和外部，其中具有第一流体；以及总管(manifold)，在热学上(thermally)耦接在该外壳和该至少一个罐之间，该总管允许流体环绕该至少一个罐而循环。
下面，参考以下附图来进一步描述本发明的这些和其他实施例。
附图说明
为了更加全面地理解本发明，在理解这些附图不意欲限制本发明的范围的情况下，对这些附图进行参考。
图1图示了还原氧化电池元。
图2图示了符合本发明实施例的外壳布局(enclosure layout)。
图3图示了符合本发明实施例的热管理系统的框图。
图4图示了符合本发明实施例的外壳。
图5A和5B图示了符合本发明实施例的外壳的底部方框。
图6图示了符合本发明实施例的热控制器的框图。
图7A和7B图示了可以利用符合本发明的一些实施例而获得的用于夏天温度的热循环。
图8A和8B图示了可以利用符合本发明的一些实施例而获得的用于冬天温度的热循环。
在附图中，具有相同附图标记的元件具有相同的或实质上相似的功能。所述附图仅仅是说明性的。在附图中描绘的相对尺寸和距离仅仅是为了便于说明，并不具有进一步的含义。
具体实施方式
在以下描述中，为了解释的目的，阐释了特定细节，以便提供对本发明实施例的彻底理解。然而，将明显的是，可以在没有这些特定细节的情况下实践本发明。
还原氧化(氧化还原)液流电池元是氧化还原电池的最小组件。可以对多个液流电池元进行耦接(例如，“堆叠”)，以形成多电池元电池。电池元由通过隔膜分开的两个半电池元组成，在氧化还原反应期间，离子转移通过该隔膜。一个半电池元包含阳极电解液，而另一半电池元包含阴极电解液，将该阳极电解液和阴极电解液统称为电解液。经常利用外部泵送系统来使电解液(阳极电解液和阴极电解液)流经半电池元。每个半电池元中的至少一个电极提供了表面，氧化还原反应在该表面上发生，并且电荷从该表面转移。
氧化还原液流电池元通过在充电或放电期间改变其构件的氧化状态来工作。通过导电电解液来串联地连接基本氧化还原液流电池元的两个半电池元，一个用于阳极反应而另一个用于阴极反应。每个半电池元中的电极包括所定义的表面区域，氧化还原反应在该表面区域上发生。当氧化还原反应发生时，电解液流经该半电池元。离子交换隔膜(IEM)分开所述两个半电池元，其中正离子或负离子穿过该隔膜。可以串联地电耦接(例如，“堆叠”)多个这种电池元以实现更高的电压，可以并联地电耦接(例如，“堆叠”)多个这种电池元以便实现更高的电流，或可以实现两者。反应物电解液存储在单独的罐中，并且当必要时按照受控方式分发到电池元中，以向负载供应电功率。
图1图示了符合本发明一些实施例的氧化还原液流电池元100。氧化还原液流电池元100包括通过离子交换隔膜(IEM)106分开的两个半电池元102和104。半电池元102和104分别包括分别与电解液130或132接触的电极108和110，使得阳极反应在电极108或110之一的表面处出现，而阴极反应在电极108或110中的另一个的表面处出现。当氧化还原反应发生时，电解液130或132流经半电池元102和104中的每一个。
如图1所示，泵116可以将半电池元102中的电解液130通过导管112泵送到保持罐(holding tank)120。相似地，泵118可以将半电池元104中的电解液132通过导管114泵送到保持罐122。在一些实施例中，保持罐120和122可以将已流经电池元100的电解液与尚未流经电池元100的电解液隔离。然而，还可以执行放电或部分放电的电解液的混合。
可以对电极108和110进行耦接，以供应电能或从负载/源124接收电能。在负载/源124中包括的其他监视和控制电子设备可以控制电解液经过半电池元102和104的流动。可以串联地电耦接(“堆叠”)多个电池元100以实现更高的电压，可以并联地电耦接(例如，“堆叠”)多个电池元100以便实现更高的电流，或可以实现两者。
图2图示了符合本发明一些实施例的外壳布局200。如图2所示，液流电池系统210安置(house)于外壳212中。液流电池系统210包括电池元堆204，该电池元堆204耦接到保持罐120和122，使得电解液(未示出)流经电池元堆204中的每一个电池元，如结合图1所描述的。电子设备202监视并控制堆204的充电和放电。与本发明的实施例相符地，电子设备202还可以包括热控制器214，该热控制器214监视并控制液流电池系统210的温度。
如图2所示，外壳212包括下部206和上部208。下部206可以安置例如保持罐120和122。上部208可以安置例如堆204、电子设备202、以及液流电池系统210的所有其他布线、管件(plumbing)、和其他组件(未示出)。
与本发明相符地，外壳212是液流电池系统210的热管理的整体部件。如图2所示，环绕下部206中的保持罐120和122并且环绕堆204来创建流体包层(blanket)216，并且环绕上部208中的电子设备202来创建流体包层218。流体包层216和218可以是被利用来对温度进行热控制的空气包层。然而，在一些实施例中，流体包层216和218可以是水、油、或可以被利用来对外壳212的内部进行热调节的其他流体。在一些实施例中，流体包层216和218可以流体性地耦接，使得环绕下部206的罐120和122的流体流动和环绕上部208的电子设备202的流体流动耦接。
由于液流电池系统210可以具有任何尺寸，所以外壳212可以具有可安置液流电池系统210的任何维度或形状。
液流电池在(例如，在大约30℃和大约50℃之间的)温度范围内高效地操作。然而，液流电池可能经历随时间而广泛变化的热环境。例如，温度可能在白天炎热而在夜晚寒冷，其在24小时时段的过程中变化数十度。不过，应该将保持罐120和122中电解液的温度以及电子设备202和堆204的温度维持在液流电池系统210的高效操作范围内。
图3图示了液流电池元电池系统210的热考虑因素300。如图3所示，在液流电池系统210的充电和放电期间，堆204和电子设备202生成热。在操作期间，例如液流电池由于能量转换中的低效而生成热。当电解质流体流经堆204时，热被罐120和122保留并发射。此外，热从外界308并且从直接太阳能加热306转移到液流电池系统210之中和之外。典型地，太阳能加热306具有在正午时达到峰值的正弦曲线分布图(profile)。外界308由于温度在整个一天之中上升并且下降而典型地具有三角形分布图。外壳212可以是热障，该热障在外部可以是反射性的，并且在外壳212的内部和外部两者都可以包括隔热材料，所述隔热材料有助于在外界308的温度低于液流电池系统210的操作范围时保留热、并且在外界308的温度高于液流电池系统210的操作范围时防止来自外界308的加热。罐120和122中的电解液通过堆204中的电阻损耗、由于再化合(recombination)而产生的热损耗、以及由于泵送而产生的加热而加热。罐120和122典型地是热的首要辐射体和外壳212内部的最大散热器。
如图3所图示，流体包层216和218将热传导到外壳212之中和之外。电子设备202中的热控制器214对流体包层216和218中的流体流动进行控制。
本发明的一些实施例可以包括相变材料(PCM)302，以增加液流电池系统210的特定热容量。在温度变化在二十四小时时段中很大的环境中，PCM302可以在温度可以较高的日间期间存储热能，并且在温度可以较低的夜间期间消散(dissipate)热能。因而，PCM 302可以促使在夜晚将液流电池系统210维持在其高效操作范围内，而无需不必要地使用能量来操作单独的加热系统。
PCM 302可以依靠某一温度处的相位转变的潜热来存储每单位质量的大量的热能。PCM 302可以是在吸收或发射热时经历相变(例如典型地，液态到固态或者固态到液态)的任何材料。PCM 302可以经历包括液流电池系统210的高效操作范围内的温度的、任何温度处的转变。PCM 302的示例包括基于有机物和脂肪酸的材料、盐、或其他材料。磷酸氢二钠(Na2HPO4)例如具有大约48℃的转变温度，并且可以利用它来在转变温度之处或之上的温度处吸收热、并在转变温度之下的温度处发射热。PCM 302的某些实施例在10℃和40℃之间改变状态，例如磷酸二氢钾(KH2PO4)。
如图2和3所图示，通过使流体流经流体包层216和218来环绕外壳212传导热。符合本发明的一些实施例利用流体包层216和218中的空气。在这些实施例中，鼓风机或风扇使流体包层216和218中的空气移动。在利用除了空气之外的流体的系统中，可以利用适当的泵送系统和热交换系统。如上所述，包层216和218可以彼此进行流体传递。
图4图示了符合本发明实施例的外壳布局212。如图4所示，外壳212的顶部208包括具有风扇406和410的通风口408和412。在一些实施例中，风扇406和410可以是可变速风扇。此外，在一些实施例中，风扇406和410可以使空气流动到外壳212之中和之外两者。照这样，空气的流动可以将热从外界308运送到外壳212之中或者从外壳212向外运送到外界308。
图5A沿着图4所图示的方向A-A’而示出了外壳212的视图。因此，图5A图示了外壳212的底部206的自顶向下的视图。照这样，利用允许环绕罐120和122的气流的空气包层216来定位罐120和122。肋材(rib)506位于外壳212的各边与罐120和122之间。例如，可以将肋材506焊接到外壳212的各边，并且肋材506可以包括与罐120和122接触的衬垫类型材料，以便形成密封。如图5B所示，肋材506被拉长、被定位使得长维度在底部206中垂直地定向，并且肋材506包括通路508，空气(或在一些实施例中，另一流体)可以流经该通路508。如图5A所示，沿着矩形外壳212的每一边来定位三个肋材506，然而，可以在外壳212的每一边上利用任何数目的肋材506。一般地，外壳212可以具有适于安置液流电池系统210的任何几何形状。
如图5A所示，鼓风机502和504环绕下部206沿着相反方向吹动空气。位于鼓风机502和504的夹角以及对角的阻止器(stopper)510防止鼓风机502所驱动的空气干扰鼓风机504所驱动的空气，并且反之亦然。在一些实施例中，使底部206与顶部208之间密封，使得防止环绕底部206而循环的空气在出口孔512之外处进入上部208。位于鼓风机502和504对面的出口孔512允许空气从下部206排出到上部208中。在一些实施例中，从流体包层218抽入到鼓风机502和504的流体用作流体包层216，并且通过出口孔512而从流体包层216排出的流体进入流体包层218。
具有空气通路508的肋材506和垂直自由空间518允许空气环绕罐122和124的均匀流动。肋材506操作为阻流器，使得对于肋材506之间的垂直自由空间518中的流体流动的阻力比对于通过肋材506中的通路508的流动的阻力低得多，这导致了均匀的流动分布。在一些实施例中，肋材506可以是空心的，并且具有多个通路508。在一些实施例中，可能存在沿着每一个肋材506均匀间隔的十五个通路508。在肋材506之间是用于传播该流体的垂直自由空间518。尽管肋材506阻碍了水平方向中的气流，但是垂直自由空间518允许流体在垂直方向中均化(homogenize)。肋材和垂直自由空间518形成用于提供环绕罐120和122的均匀流体流动的总管(manifold)。
在上述外壳的一些实施例中，利用沿着肋材506均匀间隔的5mm直径的十五个通路508，利用外壳212每一边的五个肋材506、以及其每一个以15立方英尺每分钟(CFM)而操作的鼓风机502和504，在鼓风机502和504与出口孔512之间的压降大约为4毫巴(mbar)。对通路508的数目和直径进行设计，以避免创建在罐120和122与外壳212之间的滞留(stagnant)空气间隙，该滞留空气间隙可能导致这个区域中的热加热。可以通过肋材506来使罐120和122与外壳212之间接触。
现在参考图5B(空气包层216的剖面图)，鼓风机502或504首先将流体514(例如，空气)推入到垂直自由空间518中，该垂直自由空间518比通路508具有更低的阻力。然后，气柱(air column)交替地通过肋材506中的通路508和垂直自由空间518而环绕罐120和122移动。
本发明的一些实施例高效地将热能或热从罐120和122移动到外壳212的外部(即，外界)。空气或其他流体以高速在罐120和122的外表面上移动。更高的速度导致了更大的转移比。参考图5A-B，本发明的实施例包括总管结构(即，肋材506和垂直自由空间518)，该总管结构在大量罐120和122表面上分布流体。通过改变流体包层的速度，可以有效地控制热转移的速率。这被称为“活化流体包层”。返回参考图3，可以将罐120和122中的电解液130和132的温度维持在从显著高于外壳212外面的温度到刚刚在该外壳212外面的温度之上的温度范围内的温度处。
图6图示了热控制器214的实施例。如图6所图示，可以遍布外壳212来定位温度传感器，以便监视温度。例如，温度传感器可以是温度计、热电偶、热敏电阻器、电阻式温度检测器等。在图6所示的实施例中，温度传感器602监视罐120中的电解液的温度，温度传感器604监视罐122中的电解液的温度，温度传感器606监视上部外壳208内部的温度，而温度传感器608监视外界308的温度。此外，可以从控制电子设备202的剩余部分接收输入信号610。例如，输入信号610可以向热控制器214警告待处理的充电和放电事件，以便可以预测热事件。
继而，基于输入信号610以及来自温度传感器602、604、606和608的信号，热控制器214操作风扇406和410、鼓风机502和504、以及加热器612。在一些实施例中，在外壳外部的温度使得不能以别的方式维持最小的期望电解液温度时，加热器612可以维持电解液温度。在一些实施例中，热控制器214可以是用于执行软件(例如，代码、程序和指令)的微控制器、硬件或其组合。该软件可以存储在计算机可读介质上。
在一些实施例中，一旦温度传感器602和604达到预定电平，控制器214就接通鼓风机502和504，并且一旦温度传感器602和604低于另一预定电平，控制器214就关断鼓风机502和504，这创建了滞后效应。相似地，当温度传感器606达到第一预定电平时，控制器214接通风扇406和410，并且当温度传感器606减少到第二预定电平时，控制器214关断风扇406和410，这创建了滞后效应。在一些实施例中，可以将电解液温度维持在35℃和55℃之间，并且将上部208中的温度维持在25℃和45℃之间。照这样，例如当温度传感器606检测到大约40℃的温度时，控制器214可以接通风扇406和410，并且当温度传感器602和604检测到大约50℃的电解液温度时，控制器214可以接通鼓风机502和504。相似地，当上部208中的温度下降到所设置的温度之下时，可以切断风扇406和410，并且当下部206的温度下降到另一所设置的温度之下时，可以切断鼓风机502和504。
于是，控制器214可以作为如温度传感器602、604和606所测量的温度的函数来控制风扇406和410以及鼓风机502和504。图7A和7B图示了在包括每天几个充电/放电循环的几天的操作中的温度控制器214。图7A图示了炎热气候的夏天状况，其中通过曲线702来图示外界温度308。通过曲线704来图示电解液的温度。图7B图示了风扇406和410的操作。图8A-B图示了在冬天状况期间热控制器214的操作。
在温度控制器214的一些实施例中，温度控制器214可以预期外壳212中的温度改变，并且相应地进行动作。温度控制器214可以基于来自过去趋势、过去测量、当前测量、卫星图像等的气候数据，使用预报来预期温度状况。温度控制器可以访问本地存储的气候数据或者通过有线和/或无线通信来访问气候数据。例如，温度控制器214可以预期日均外界温度改变，并且例如在预期到特别寒冷的夜间温度的情况下，允许稍微提升的温度。相反地，在预期到白天期间的升温的情况下，温度控制器214可以在夜晚期间使温度下降。另外，温度控制器214可以预期充电和放电事件所生成的热，并相应地进行动作。在一些实施例中，温度控制器214可以响应于温度传感器602、604、606和606并且响应于信号610来适应性地控制风扇406和410以及鼓风机502和504，使得可以更加准确地预测外壳212的热响应。
对于本领域技术人员将明显的是，可以对于用于测量流体的多种属性的传感器做出各种修改和变化。在考虑到在这里公开的本发明的说明书和实践的情况下，符合本发明的其他实施例对于本领域技术人员而言将是明显的。仅仅意欲将说明书和示例看作示范性的。相应地，本发明应该仅仅通过以下权利要求来限定。

Claims (9)

1.一种液流电池元电池，包括：
液流电池元堆；
至少一个罐，用于保持电解液溶液，其中该至少一个罐通过导管和泵耦接液流电池元堆，使得电解液溶液流经液流电池元堆；
外壳，围绕该至少一个罐，其中该外壳限定至少部分围绕该至少一个罐的流体通道，该外壳包括：
至少部分围绕该至少一个罐并且包含第一流体包层的下部；和
至少部分围绕该至少一个氧化还原电池并且包含第二流体包层的上部；以及
总管，在热学上耦接在该外壳和该至少一个罐之间，该总管指引流体环绕该至少一个罐的通过该流体通道的均匀循环。
2.根据权利要求1的液流电池元电池，其中该流体是空气。
3.根据权利要求1的液流电池元电池，其中该外壳包含温度控制器，该温度控制器指引通过该总管的流体的流动。
4.根据权利要求1的液流电池元电池，其中该外壳进一步包含相变材料，其增加该液流电池元电池的特定热。
5.根据权利要求1的液流电池元电池，其中该外壳进一步包含加热器，该加热器能够升高该至少一个罐中的电解液溶液的温度。
6.根据权利要求1的液流电池元电池，进一步包括：
第一温度传感器，用于测量该至少一个罐内部的电解液溶液的温度；以及
第二温度传感器，耦接到该外壳，并且测量该外壳外部的温度。
7.根据权利要求1的液流电池元电池，其中该总管包括在具有通路的肋材之间的垂直自由空间。
8.根据权利要求1的液流电池元电池，其中该上部还包含热控制电子设备，该液流电池元电池进一步包括：
至少一个鼓风机，耦接到该总管，用于使该流体循环通过该总管；
至少一个风扇，位于该上部中，用于使该流体循环到该外壳之中或之外；
第一温度传感器，用于监视该下部的温度；以及
第二温度传感器，用于监视该上部的温度，
其中该温度控制器响应于该第一温度传感器和该第二温度传感器来控制该至少一个鼓风机和该至少一个风扇的操作。
9.根据权利要求8的液流电池元电池，其中该温度控制器进一步响应于所预期的热事件来控制该至少一个鼓风机和该至少一个风扇的操作。
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