CN102306815A - 液流电池系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种液流电池系统，包括：电池堆(6)；电解液储液罐(7，8)，通过电解液液路管与电池堆(6)连接，并形成循环回路，液流电池系统还包括：换热器(21)，设置在电解液液路管中。本发明的液流电池系统解决了现有技术中液流电池工作过程中放热导致其效率和寿命降低的问题。

Description

液流电池系统
技术领域
本发明涉及电池领域，具体而言，涉及一种液流电池系统。 
背景技术
液流电池的种类很多，以应用较为广泛的全钒液流电池为例，全钒氧化还原液流电池是一种以不同价态的钒离子电解液进行氧化还原的电化学反应装置，能够高效地实现化学能与电能之间的相互转化。该类电池具有使用寿命长，能量转化效率高，安全性好，环境友好等优点，能用于风能发电和光伏发电配套的大规模储能系统，是电网削峰填谷、平衡负载的主要选择之一。因此，近年来全钒氧化还原液流电池逐渐成为大容量储能电池研究的重点。 
全钒液流电池分别以钒离子V2+/V3+和V4+/V5+作为电池的正负极氧化还原电对，将正、负极电解液分别存储于两个储液罐中，由泵驱动电解液至电池，再回至储液罐中形成闭合循环液流回路，以实现充、放电过程。 
在全钒液流电池系统中，电池堆性能的好坏决定着整个系统的充放电性能，尤其是充放电功率及效率。电池堆是由多片单电池依次叠放压紧，并且串联而成。其中，传统的单片液流电池和电池堆如图1所示，单体液流电池包括：液流框1、集流板2、电极3和离子交换膜4，由多个单体电池5依次叠放压紧并且串联组成电池堆6。 
图2示出了现有技术中的液流电池系统的结构示意图。如图2所示，电池堆6的两个半电池堆61和62分别接入正极和负极电解液液路循环，通过正极液体泵11和负极液体泵12驱动至正极储液罐7和负极储液罐8，形成两个电解液液路循环。 
温度的变化会对液流电池的电解液中不同价态的电解质溶解度有所影响，以全钒氧化还原液流电池为例，其中五价钒离子在高温下易沉淀，其他价态的钒离子在低温下易沉淀。当电解液中电解质浓度较高时，在高电荷态下正极电解液中五价钒离子化合物的的稳定性和溶解度会降低而析出结晶。这些析出物可能引起石墨毡、管道及液体泵等的堵塞，降低电池系统的充放电效率，甚至导致电池无法正常工作。 
另外，伴随温度的升高，电池材料腐蚀及副反应产生的速度会加快，对电池的密封以及防腐等要求更高。而钒电池在运行过程中不可避免的伴随着放热，这样，对钒电池的效率和寿命均会产生影响。 
发明内容
本发明旨在提供一种液流电池系统，以解决现有技术中液流电池工作过程中放热导致其效率和寿命降低的问题。 
为了实现上述目的，本发明提供了一种液流电池系统，包括：电池堆；电解液储液罐，通过电解液液路管与电池堆连接，并形成循环回路，液流电池系统还包括：换热器，设置在电解液液路管中。 
进一步地，电解液液路管包括：第一液路支管，连接在电池堆的电解液出口和电解液储液罐的进口之间；第二液路支管，连接在电池堆的电解液进口和电解液储液罐的出口之间，在第二液路支管中设有液体泵。 
进一步地，换热器设置在第一液路支管中。 
进一步地，换热器设置在第一液路支管中靠近电池堆的电解液出口处。 
进一步地，本发明的液流电池系统还包括：流量控制器，设置在换热器和电池堆之间。 
进一步地，换热器为多个，各换热器均设置在第一液路支管中。 
进一步地，换热器为多个，至少一个换热器设置在第二液路支管中，其余的换热器均设置在第一液路支管中。 
进一步地，换热器为空气散热器，包括：换热器进口管路和换热器出口管路；换热器散热管路，其两端分别与换热器进口管路和换热器出口管路连接，换热器散热管路包括多个相互平行且间隔设置的散热支管。 
进一步地，液流电池系统为全钒液流电池系统。 
应用本发明的技术方案，在液流电池系统的电解液液路管中增加换热器，这样，通过换热器进行热交换的方法，可以将电解液所携带的热量耗散或交换出液流电池系统，从而使液流电池处于优化的工作温度范围。从而有效解决现有技术中液流电池工作过程中放热导致其效率和寿命降低的问题。 
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中： 
图1示出了现有技术中的液流电池和液流电池堆的结构示意图； 
图2示出了现有技术中的液流电池系统的结构示意图； 
图3示出了根据本发明的液流电池系统的实施例的结构示意图； 
图4示出了图3的液流电池系统的换热器的实施例的示意图；以及 
图5示出了根据本发明的液流电池系统的另一实施例的结构示意图。 
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。 下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。 
图3示出了根据本发明的液流电池系统的实施例的结构示意图。如图3所示，从图中可以看出，根据本发明的液流电池系统的实施例包括：电池堆6、电解液储液罐7及电解液储液罐8、电解液液路管和换热器21，其中，电解液储液罐7及电解液储液罐8分别通过电解液液路管与电池堆6连接，并形成循环回路，换热器21(也可称作热交换器)设置在电解液液路管中。 
本实施例利用换热器21进行热交换的方法，可以将电解液所携带的热量耗散或交换出液流电池系统，从而使液流电池处于优化的工作温度范围。从而有效解决现有技术中液流电池工作过程中放热导致其效率和寿命降低的问题。 
上述实施例所使用的换热器包含且不仅限于以下至少一种：板式换热、管式换热、螺旋板式换热、空气换热、容积式换热及管板式换热等。制备换热器的材质可以为能够满足液流电池液路系统所需的任意材质，包含且不仅限于：耐蚀金属材料、导热高分子、导热复合材料、玻璃、其他导热陶瓷等。需要注意的是，当钒电池电解液所流经的换热器材质为导电材料时，需要在其内部进行一定的绝缘处理。 
对于需要冷却介质的换热器，和电解液进行热交换的介质可以为任意能够实现高效热量交换的流体。根据换热器的种类或所用材质的不同，交换介质包含且不仅限于蒸馏水、自来水、冷冻液、酒精、空气、氢气、液氮等。本发明所述交换介质可以在换热器处可以为静止状态，也可以为非静止状态。上述交换介质在进行了热量交换后，可以在进行一定的处理后直接排放，也可以选择循环利用或对其进行进一步的应用。本发明所述交换介质为非静态时，交换介质的对流方式至少包含自然对流和强制对流中的任意一种。在上述的强制对流过程中，可以根据电解液或电池堆的实际温度，控制调整交换介质的对流速率，获得更为有效的热交换效果。所述调整交换介质对流速率的方法可以手动完成，也可以自动实现。 
一种最为常见且方便进一步应用的冷却介质为自来水。交换热量后的自来水根据需要可以通过冷却塔后循环利用，也可以经回收并接入终端用户，其携带的热量可供终端用户日常工作生活所需。 
电解液液路管包括：第一液路支管31和第二液路支管32。其中，第一液路支管31连接在电池堆6的电解液出口和电解液储液罐7(或电解液储液罐8)的进口之间，第二液路支管32连接在电池堆的电解液进口和电解液储液罐7(或电解液储液罐8)的出口之间，在第二液路支管32中设有液体泵11及液体泵12。 
换热器21可以设置在电解液管路中的任何位置，比如电池堆6的电解液进口或出口或者电解液储液罐7(或电解液储液罐8)内。 
优选地，换热器21设置在第一液路支管31中，进一步优选地，换热器21设置在靠近电池堆6的电解液出口处。由于在电池堆6内进行反应，反应后会产生大量热量，设置在靠近电池堆6的电解液出口处可以快速降低电解液的温度，如果需要回收热量时，设置在此处电解液进行热交换可以最大程度提高热量的利用率。 
优选地，在一种图中未示出的实施例中，换热器21为多个，各换热器21均设置在第一液路支管31中。或者优选地，换热器21为多个，至少一个换热器21设置在第二液路支管32中，其余的换热器21均设置在第一液路支管31中。 
优选地，如图4所示，换热器21为空气散热器，包括：换热器进口管路21a和换热器出口管路21b；换热器散热管路21c，其两端分别与换热器进口管路21a和换热器出口管路21b连接，换热器散热管路21c包括多个相互平行且间隔设置的散热支管。利用空气散热的方法是最为简单且成本最低的方法。同时，通过调整散热支管的分布和大小，可以使电解液和空气间具有足够大的交换面积，能够达到良好的冷却效果。在电池堆6实际工作温度较高时，可以通过一定的手段使空气强制对流，提高其散热效果。另外，也可以利用冷却塔的形式加大电解液和冷却气体的交换面积，提高对电解液的降温效率，但是该情况下冷却气体需为惰性气体，以防止电解液的氧化变质。 
在另一实施例中，为了保证电池堆6内部液流的稳定性，防止因压强变化影响电池堆6内部的反应，如图5所示，在换热器21和电池堆6之间设置流量控制器40。在设置多个换热器21时，需要在电池堆6的电解液出口和距离其最近的换热器21之间设置该流量控制器40。 
优选地，液流电池系统为全钒液流电池系统。 
采用本发明技术方案设计全钒氧化还原液流电池，举例如下： 
例1： 
制备具有根据本发明的全钒氧化还原液流电池系统。选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，导电复合材料作为集流板，使用Nafion膜作为离子交换膜。在电池堆液路出口处引入空气散热器。环境温度为25℃时，电池堆正常工作时温度为31℃。环境温度为30℃时，电池堆正常工作温度为37℃，此时增加散热器附近空气流动速率，稳定后的电池堆工作温度为34℃。 
例2： 
制备具有根据本发明的全钒氧化还原液流电池系统。选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，导电复合材料作为集流板，使用Nafion膜作为离子交换膜。在电池堆液路出口处引入换热器，交换介质为自来水。环境温度为25℃时，未启动冷却水流动时电池堆正常工作温度为34℃；启动换热器中自来水流动，稳定后电池堆工作温度为28℃。环境温度为30℃时，未启动冷却水流动时电池堆正常工作温度为41℃，启动换热器中自来水流动，稳定后的电池堆工作温度为33℃。 
实施例3： 
制备具有根据本发明的全钒氧化还原液流电池系统。选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，导电复合材料作为集流板，使用Nafion膜作为离子交换膜。在电池堆液路出口处引入换热器，交换介质为自来水。夏季使用时，早上环境温度为25℃，启动换热器中自来水流动，稳定后电池堆工作温度为28℃。中午环境温度升为30℃，当换热器中自来水保持和早上相同的流动速率时，电池堆的稳定工作温度为36℃；适当增加自来水流动速率，稳定后的电池堆 工作温度为34℃。 
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (9)

1.一种液流电池系统，包括：
电池堆(6)；
电解液储液罐(7，8)，通过电解液液路管与所述电池堆(6)连接，并形成循环回路，
其特征在于，所述液流电池系统还包括：
换热器(21)，设置在所述电解液液路管中。
2.根据权利要求1所述的液流电池系统，其特征在于，所述电解液液路管包括：
第一液路支管(31)，连接在所述电池堆(6)的电解液出口和所述电解液储液罐(7，8)的进口之间；
第二液路支管(32)，连接在所述电池堆(6)的电解液进口和所述电解液储液罐(7，8)的出口之间，在所述第二液路支管(32)中设有液体泵(11)。
3.根据权利要求2所述的液流电池系统，其特征在于，所述换热器(21)设置在所述第一液路支管(31)中。
4.根据权利要求3所述的液流电池系统，其特征在于，所述换热器(21)设置在所述第一液路支管(31)中靠近所述电池堆(6)的电解液出口处。
5.根据权利要求3所述的液流电池系统，其特征在于，还包括：流量控制器(40)，设置在所述换热器(21)和所述电池堆(6)之间。
6.根据权利要求2所述的液流电池系统，其特征在于，所述换热器(21)为多个，各所述换热器(21)均设置在所述第一液路支管(31)中。
7.根据权利要求2所述的液流电池系统，其特征在于，所述换热器(21)为多个，至少一个所述换热器(21)设置在所述第二液路支管(32)中，其余的所述换热器(21)均设置在所述第一液路支管(31)中。
8.根据权利要求1所述的液流电池系统，其特征在于，所述换热器(21)为空气散热器，包括：
换热器进口管路(21a)和换热器出口管路(21b)；
换热器散热管路(21c)，其两端分别与所述换热器进口管路(21a)和所述换热器出口管路(21b)连接，所述换热器散热管路(21c)包括多个相互平行且间隔设置的散热支管。
9.根据权利要求1所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池系统为全钒液流电池系统。
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