CN102593481B - 液流电池、电池堆、电池系统及其电解液的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液流电池、液流电池堆、液流电池系统及其电解液的控制方法。该液流电池，包括正极半电池和负极半电池，正极半电池和负极半电池中分别包括集流板，集流板上具有多条电解液流道，液流电池的外表面上具有多个与各电解液流道一一对应连通的外部接口。本发明的液流电池的集流板上具有多条电解液流道，在液流电池的液流框上具有多个与各电解液流道一一对应连通的外部接口，从而使得流入电解液流道内的电解液根据实际要求进行分别控制，使电解液流道内部形成不同的电解液压强，控制集流板各处充放电电流的均匀性，有效改善了多孔电极内部电解液的传输状况，增加电极反应的均匀性，提高电解液利用率以及液流电池和液流电池系统的效率。

Description

液流电池、电池堆、电池系统及其电解液的控制方法

技术领域

本发明涉及电池领域，尤其涉及一种液流电池、电池堆、电池系统及其电解液的控制方法。

背景技术

全钒氧化还原液流电池是氧化还原液流电池的一种，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。

全钒氧化还原液流电池分别以不同价态的钒离子V²⁺/V³⁺和V⁴⁺/V⁵⁺作为电池的正负两极氧化还原电对，将正负极电解液分别存储于两个储液罐中，由耐酸液体泵驱动活性电解液至反应场所(电池堆)再回至储液罐中形成循环液流回路，以实现充放电过程。在整个全钒氧化还原液流电池储能系统中，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，串联而成。其中，液流电池的组成如图1所示。1’为液流框，2’为集流板，3’为电极，4’为隔膜，图1中各组件组成单体电池5’，通过N个单体电池5’的堆叠组成电池堆6’。传统的全钒氧化还原液流电池系统，如图2所示，由电池堆6’，正极储液罐71’，负极储液罐72’，正极循环液路液体泵81’，负极循环液路液体泵82’，以及正极液体管路91’、101’和负极液体管路92’、102’构成。V⁴⁺/V⁵⁺电解液由液体泵81’运送至正极半电池堆61’，而负极V²⁺/V³⁺电解液由液体泵82’运送至负极半电池堆62’。

目前，用于全钒氧化还原液流电池的集流板主要有金属集流板、导电塑料集流板及高密度石墨板等，其与石墨毡电极集成一体化的过程中，一种较为常见的方法是采用集流板平板与电极直接热压结合的方式。这种平板集流板用于全钒氧化还原液流电池时，会出现以下主要问题：电解液在经过电极的过程中，只能靠石墨毡的自身渗透能力，液流阻力大从而增加液体泵的消耗；由于平板集流板对于液流没有导向作用，电解液在流通过程中存在内部流动不均匀，甚至液流没有流过的死角位置，从而导致严重极化现象以及各单电池间电压的不均匀性，降低电极和隔膜的使用寿命及效率。

为了解决上述问题，现有技术中通常采用在极板上进行了流道设计，采用流道对电解液实现导流作用，提高了电解液通过电池组的速率。但是由于流道的存在，电解液在多孔电极中的对流深度短，造成电极内部出现浓差极化。另外，大部分电解液未能进入电极中进行反应即流出电池，电解液利用率仅占输送总量的很小一部分，影响了钒电池系统的效率。

发明内容

本发明旨在提供一种液流电池、电池堆、电池系统及其电解液的控制方法，以解决现有技术中电解液在电极中流动性不足，电极的反应均匀性较差的问题。

根据本发明的一个方面，提供了一种液流电池，包括正极半电池和负极半电池，正极半电池和负极半电池中分别包括集流板，集流板上具有多条电解液流道，液流电池的外表面上具有多个与各电解液流道一一对应连通的外部接口。

根据本发明的又一方面，还提供了一种液流电池堆，液流电池堆包括彼此串联的多个本发明的液流电池。

根据本发明的又一方面，还提供了一种液流电池系统，包括：上述液流电池；正极储液罐，通过正极供液流路和正极回液流路与液流电池中位于正极半电池外表面上的各外部接口分别连通；负极储液罐，通过负极供液流路和负极回液流路与液流电池中位于负极半电池外表面上的各外部接口分别连通；液流电池中各电解液流道中电解液的液流压强至少部分不同。

进一步地，液流电池中至少部分电解液流道的横截面积不同，或者与各外部接口连通的各供液流路中至少部分供液流路的大小、阻尼或形状不同，以使得各电解液流道中电解液的液流压强至少部分不同。

进一步地，上述液流电池系统中还设置有多个液流调节件，各液流调节件分别设置在与各外部接口连接的各供液流路上，以使得各电解液流道中电解液的液流压强至少部分不同。

进一步地，上述液流电池系统的正极供液流路和负极供液流路上各设置一个液流调节件，以使得同一电解液流道不同时刻的液流压强至少部分不同。

进一步地，上述液流调节件为节流阀。

进一步地，上述液流调节件为流量可调的液体泵。

进一步地，上述液流电池的各集流板上位于单数的各电解液流道中电解液的液流压强相同；位于双数的电解液流道中电解液的液流压强相同。

根据本发明的又一方面，还提供了一种液流电池系统中电解液的控制方法，控制方法包括以下步骤：在本发明的液流电池的集流板上至少部分电解液流道中形成不同的液流压强；根据电解液利用率，调控各电解液流道间液流压强的差值。

进一步地，通过改变电解液流动参数调控各电解液区域间液流压强的差值。

进一步地，上述电解液的流动参数包括电解液输入速率、输入压强和电解液流量中的一种或多种。

根据本发明所提供的液流电池，集流板上具有多条电解液流道，在液流电池的液流框上具有多个与各电解液流道一一对应连通的外部接口，从而使得流入电解液流道内的电解液根据实际要求进行分别控制，以便于在当电解液在电解液流道中流通时，在电解液流道内部形成不同的电解液压强，控制集流板各处充放电电流的均匀性，有效改善了多孔电极内部电解液的传输状况，增加电极反应的均匀性，提高电解液利用率，可有效提高液流电池和液流电池系统的效率。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

附图构成本说明书的一部分、用于进一步理解本发明，附图示出了本发明的优选实施例，并与说明书一起用来说明本发明的原理。图中：

图1示出了现有技术中常用的液流电池和电池堆组装示意图；

图2示出了现有技术的液流电池系统的示意图；

图3示出了根据本发明的液流电池的原理示意图；

图4示出了根据本发明的液流电池和电池堆组装的示意图；

图5示出了根据本发明一种实施例的液流电池系统的示意图；

图6示出了根据本发明另一种实施例的液流电池系统的示意图；

图7示出了根据本发明又一种实施例的液流电池系统的示意图；

图8示出了本发明上述实施例的电解液流过集流板流道的示意图；

图9示出了与图8对应的多孔电极内部电解液流动的示意图；以及

图10示出了根据本发明又一种实施例的液体泵流量随时间变化的曲线图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明的实施例中的技术方案进行详细的说明，但如下实施例以及附图仅是用以理解本发明，而不能限制本发明，本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

在本发明中的一种典型的实施方式中，提供了一种液流电池和由该液流电池串联而成的电池堆，该液流电池包括正极半电池61和负极半电池62，正极半电池61和负极半电池62中分别包括集流板2，集流板2上具有多条电解液流道21，液流电池的外表面上具有多个与各电解液流道21一一对应连通的外部接口。

如图3所示，本发明的液流电池的集流板2上具有多条电解液流道21，在液流电池的液流框1上具有多个与各电解液流道21一一对应连通的外部接口，从而使得流入电解液流道21内的电解液根据实际要求进行分别控制，以便于当电解液在电解液流道21中流通时，在电解液流道21内部形成不同的电解液压强。如图4所示，电池堆6由液流框1，集流板2，电极3，隔膜4组成的液流电池5组装而成。

在本发明中的又一种典型的实施方式中，还提供了一种液流电池系统，包括正极储液罐71、负极储液罐72和本发明的液流电池；正极储液罐71通过正极供液流路101和正极回液流路91与液流电池中位于正极半电池61外表面上的各外部接口分别连通；负极储液罐72通过负极供液流路102和负极回液流路92与液流电池中位于负极半电池62外表面上的各外部接口分别连通；液流电池中各电解液流道21中电解液的液流压强至少部分不同。

本发明在集流板2上各电解液流道21中电解液的液流压强至少部分不同，那么所对应的多孔电极3表面压强分布也会出现差别。假设流体不穿透多孔电极3和集流板2的接触面，则由静压传递原理可推知，高压电解液流道A下侧的多孔电极3压强P₁大于低压电解液流道B下侧的多孔电极3压强P₂，则流道A下多孔电极3内流体会流向流道B下多孔电极3内，故流道A下侧多孔电极3内的压强会下降，流道B下侧的多孔电极3内有流体流入，压强会升高，高于P₂，则电解液会从电极3内部流向流道B内，最终，会出现电解液经由流道A进入多孔电极3，再进入流道B的流动，从而促进多孔电极3内部电解液的流动，提高电极3反应的均匀性。另一方面，由于存在这种流动性，单位时间内向电池堆输入的电解液流量可适量减小，从而能提高电池系统的效率。

为了实现上述技术效果，本发明的液流电池系统包括单不限于以下几种实施方式。

实施方式一，液流电池系统中液流电池中至少部分电解液流道21的横截面积不同，或者与外部接口连通的供液流路中至少部分供液流路的大小、阻尼或形状不同，以使得各电解液流道21中电解液的液流压强至少部分不同。

实施方式二，液流电池系统中还设置有多个液流调节件，液流调节件分别设置在与各外部接口连接的各供液流路上，以使得各电解液流道21中电解液的液流压强至少部分不同。

实施方式三，液流电池系统的正极供液流路和负极供液流路上分别设置一个液流调节件或分别设置多个液流调节件，以使得同一电解液流道21不同时刻的液流压强至少部分不同。

实施方式一和实施方式二的液流电池系统中，液流电池的各集流板2上位于单数的各电解液流道21中电解液的液流压强相同；位于双数的电解液流道21中电解液的液流压强相同。即，电解液流道21分别为高压电解液流道和低压电解液流道，高压电解液流道和低压电解液流道间隔排布，各高压电解液流道的液流压强相同，各低压电解液流道的液流压强相同。

实施方式二中的液流电池系统通过设置液流调节件，调节供液流路中的液流速率、电解液流道21入口处的液流压强，进而影响电解液流道21中的液流压强。可用于本发明的液流调节件包括但不限于液体泵、节流阀和膨胀阀，优选地，液流调节件为节流阀或流量可调的液体泵。

实施方式三的液流电池系统中，当正极供液流路101和负极供液流路102上分别设置一个液流调节件时，该液流调节件可以是流量可设置的液体泵，随着电池系统的运行随时改变液体泵的泵速，从而实现同一电解液流道21不同时刻的液流压强至少部分不同的目的；当正极供液流路101和负极供液流路102上分别设置多个液流调节件时，可以设置这多个液流调节件具有不同的供液量，交替使用多个液流调节件，实现同一电解液流道21不同时刻的液流压强至少部分不同的目的。

在本发明中的又一种典型的实施方式中，还提供了一种液流电池系统中电解液的控制方法，该控制方法包括以下步骤：在液流电池的集流板2上形成液流压强不同的电解液区域；根据电解液利用率，调控各电解液区域间液流压强的差值。其中，通过改变电解液流动参数调控各电解液区域间液流压强的差值。电解液的流动参数包括电解液输入速率、输入压强和电解液流量中的一种或多种。

在一种具体的实施例中，利用实施方式一中的液流电池系统中各电解液流道21中至少部分电解液流道21的横截面积的不同，其对应的多孔电极3内部的电解液压强也会出现变化，利用多孔电极3内部各部分的压差促进电解液从高压部分流向低压部分，在不增加液体泵的消耗量的基础上，有效改善电极材料内部电解液的传质效果。

在又一种具体的实施例中，通过控制供液流路的大小、阻尼和形状，均对电解液在管路中的流速产生影响，使得流入液流电池的电解液流道21中的电解液流量会发生不同，进而影响电解液在各电解液流道21中的压强。通过控制间隔排布的电解液流道21与一条供液流路相连通形成高压电解液流道，改变另外一条供液流路的大小、阻尼或形状，使其与其余的电解液流道21相连通，形成低压电解液流道，即可实现集流板2上电解液流道21中间隔排布的各电解液流道21中电解液的液流压强相同。如图5所示，在正极储液罐71与电池堆之间设计两条横截面积不同的供液流路101，负极储液罐72与电池堆之间设计两条横截面积不同的供液流路102。

在又一种具体的实施例中，利用液流调节件进行调控，在正极储液罐71与电池堆之间设计两条供液流路101、负极储液罐72与电池堆之间设计两条供液流路102，如图6所示，供液流路分别与高压电解液流道和低压电解液流道相连，供液流路中间分别设置一个循环液路的液体泵，即两个正极电解液供液的液体泵81，两个负极电解液供液的液体泵82，通过调节液体泵的泵速，在高压电解液流道中形成高压电解液区域，在低压电解液流道中形成低压电解液区域，即可实现集流板2上电解液流道中间隔排布的各电解液流道中电解液的液流压强相同的目的。用液体泵调节电解液的流速，操作简单，易于控制。

在又一种具体的实施例中，在正极储液罐71与电池堆之间、负极储液罐72与电池堆之间分别设计两条供液流路，在其中一条供液流路上设置节流阀，即一个调节正极电解液的节流阀111，一个调节负极电解液的节流阀112，如图7所示，设置节流阀的阀位置直接控制电解液的流速，控制方法简单直接，便于实践操作。

图8示出了根据上述具体实施例的电解液流过集流板2的电解液流道21的示意图，箭头所指方向为电解液流入流道方向，其中，第N个流道21为高压电解液流道，第N+1个流道21为低压电解液流道，通过上述具体实施方式的调节，电解液流入高压流道和低压流道的流量不同，如图8所示，流量大的进入第N个流道21形成高压电解液区域，流量小的进入第N+1个流道21形成低压电解液区域，则两个流道里流体压强分别为P_N，P_N+1，且P_N＞P_N+1，如图9所示，箭头所示方向为电解液在多孔电极3中的流动方向，由于P_N＞P_N+1，高压电解液区域下侧多孔电极3内的电解液会流向低压电解液区域下侧的多孔电极，使低压电解液区域下侧压强增高大于P_N+1，进而电解液从低压电解液区域下侧的多孔电极3流向第N+1个流道，从而促进了电解液在多孔电极3中以及多孔电极3和集流板2之间的流动，增强了电极反应的均匀性。

在又一种实施例中，在集流板的同一电解液流道内部的形成高压电解液区域和低压电解液区域，通过在液流电池系统的正极供液流路和负极供液流路上各设置一个液流调节件，该液流调节件可以是一个流量可调的液体泵，调节液体泵的泵速，控制进入电解液流道的电解液流量以一定的方式变化，在电解液流道内形成高压电解液区域和低压电解液区域；或者通过电极储液罐与电池堆之间的液体管路上并联的2～4个液体泵，液体泵以不同的泵速交替泵液，即可形成同一电解液流道内部的高压电解液区域和低压电解液区域。

当液体泵的电解液输入量处于变化状态或采用多个具有不同泵速的液体泵进行交替泵液时，其输入到电池堆内部的液体量也处于变化中，流量大对应高压电解液区域，流量小对应低压电解液区域。高压电解液区域和低压电解液区域下侧的多孔电极3内部会出现电解液的流动，从而能够有效改善电解液在多孔电极内部的传输。

上述实施例中电解液流量变化方式包括但不限于余弦式和脉冲式。如图10所示，电解液流量变化方式为余弦式，对应T₁，T₂时刻的泵的流量分别为Q₁，Q₂，流体的压强为P’₁，P’₂，P’₁＞P’₂，故流量变化时，高压电解液区域下侧的多孔电极3中的电解液会流向低压电解液区域下侧的多孔电极3内，同时低压电解液区域下侧多孔电极3中的电解液会穿透电极3和集流板接触面流入低压电解液区域对应的流道，实现了电解液在多孔电极3中以及多孔电极3和集流板之间的流动，增强了电极反应的均匀性。

以上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 (12)

1.一种液流电池，包括正极半电池（61）和负极半电池（62），所述正极半电池（61）和负极半电池（62）中分别包括集流板（2），其特征在于，所述集流板（2）上具有多条电解液流道（21），所述液流电池的外表面上具有多个与各所述电解液流道（21）一一对应连通的外部接口。

2.一种液流电池堆，其特征在于，所述液流电池堆包括彼此串联的多个权利要求1所述的液流电池。

3.一种液流电池系统，其特征在于，包括：

权利要求1所述的液流电池；

正极储液罐（71），通过供液流路（101）和回液流路（91）与所述液流电池中位于正极半电池（61）外表面上的各外部接口分别连通；

负极储液罐（72），通过供液流路（102）和回液流路（92）与所述液流电池中位于负极半电池（62）外表面上的各外部接口分别连通；

所述液流电池中各电解液流道（21）中电解液的液流压强至少部分不同。

4.根据权利要求3所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池中至少部分所述电解液流道（21）的横截面积不同，或者与各所述外部接口连通的各供液流路中至少部分供液流路的大小、阻尼或形状不同，以使得各所述电解液流道（21）中电解液的液流压强至少部分不同。

5.根据权利要求3所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池系统中还设置有多个液流调节件，各所述液流调节件分别设置在各所述供液流路上，以使得各所述电解液流道（21）中电解液的液流压强至少部分不同。

6.根据权利要求3所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池系统的正极供液流路（101）和负极供液流路（102）上各设置一个所述液流调节件，以使得同一所述电解液流道（21）不同时刻的液流压强至少部分不同。

7.根据权利要求5所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流调节件为节流阀。

8.根据权利要求5或6所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流调节件为流量可调的液体泵。

9.根据权利要求4或5中所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池的各集流板（2）上位于单数的各所述电解液流道（21）中电解液的液流压强相同；位于双数的电解液流道（21）中电解液的液流压强相同。

10.一种液流电池系统中电解液的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括以下步骤：

在权利要求1所述的液流电池的集流板（2）上至少部分电解液流道（21）中形成不同的液流压强；

根据电解液利用率，调控各电解液流道（21）间液流压强的差值。

11.根据权利要求10所述的控制方法，其特征在于，通过改变电解液流动参数调控所述各电解液区域间液流压强的差值。

12.根据权利要求11所述的控制方法，其特征在于，所述电解液的流动参数包括电解液输入速率、输入压强和电解液流量中的一种或多种。

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