CN102947994A - 用于电化学储能系统的集成系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电化学储能系统。具体地，本发明涉及用于提供将电化学储能系统容纳在其中的紧凑框架的特定系统和方法。本发明公开了电化学储能系统的各个实施例包括分流流道和分流流道盖。分流流道可设置用于将液体反应物分配到电池堆的多个通道。分流流道可与分流流道盖结合使用。分流流道盖可配置成支撑液体反应物分配系统的多个部件。这样的部件可包括液体反应物泵马达、入口和出口、参比电池以及多个传感器。液体反应物从入口和出口到电池堆的分配可由分流流道盖完成。

Description

用于电化学储能系统的集成系统
技术领域
本发明涉及电化学储能系统。具体地，本发明涉及用于提供将电化学储能系统容纳在其中的紧凑框架的特定系统和方法。
附图说明
图1是电化学储能系统的一个实施例的框图。
图2A是包括分流流道和分流流道盖的电化学储能系统的一个实施例的部分分解图。
图2B是图2A所示的电化学储能系统的立体图。
图2C是图2A所示的电化学储能系统的俯视立体图。
图2D是图2A所示的电化学储能系统的侧视立体图。
图2E是图2A所示的分流流道的立体图。
具体实施方式
诸如电化学可充电电池的储能系统是电力系统的重要部件，特别是由风力发动机、光伏电池和其他不可调度能源供应的电力系统的重要部件。储能系统还可：用来使能源套利（例如，在非用电高峰期销售和购买电力）；用作不间断电源（UPS），以提供备用电力；以及与主要电源结合用在电力质量应用中。
根据各个实施例，电化学储能系统通过使液体反应物通过一个或多个电化学电池而产生电力。电化学储能系统可根据系统的瞬时电力需求而包括任意数量和构造的电池。类似地，电化学储能系统可根据系统的能量容量需求而具有可用于系统的不同量的液体反应物。电池的数量可确定电化学储能系统能够产生和/或吸收的瞬时电力的量。可用于电化学电池的液体反应物的体积总体上限定其电力存储和生产能力。
通常，电化学储能系统结合了至少三个主要部件，即，（1）反应电池（或多组这种电池）；（2）反应物存储罐；以及（3）用于在罐与电池之间传送反应物的反应物分配系统。反应物分配系统可以是复杂的组件。反应物分配系统可包括泵、管、传感器、以及与其相关的控制器等等。这些单个部件可由结构框架保持在一起，或在较大的装置中可直接安装在车间地面上。根据需要，这些元件可由不连续的管道或软管连接。仪器可沿这些管道安装，并且可与其他部件分开安装。这种构造，虽然实用，但可导致系统具有很大数量的单个部件。互连管、紧固硬件和支撑这些部件的结构件的费用可导致很高的成本。
本文公开的系统和方法可用在使用液体反应物的多种类型电化学储能系统中。例如，这样的电化学储能系统可使用钒氧化还原基液体反应物、多硫化溴化物基液体反应物、锌溴基液体反应物、铈锌基液体反应物和铅基液体反应物。
本文公开的系统和方法采用各种技术来减少电化学储能系统的复杂性和成本。可通过将液体反应物分配系统的各个部件结合在分流流道（flow manifold）中来减少电化学储能系统的复杂性和成本。在各个实施例中，分流流道可设置用于将液体反应物分配到电池堆的多个通道。在各个实施例中，分流流道可与分流流道盖结合使用。其他实施例可包括替代结构，这些替代结构用于建立可用来在电化学储能系统中分配液体反应物的流体通道。例如，可使用不同的制造工艺（例如，失去材料的铸造工艺或滚塑成型工艺）在这样的实施例中形成流体通道。分流流道盖可配置成支撑液体反应物系统的多个部件。这样的部件可包括一个或多个液体反应物泵马达、入口和出口、参比电池以及多个传感器。经由入口和出口接收的液体反应物到电池堆的分配可主要由分流流道盖完成。
在某些实施例中，分流流道和分流流道盖可直接连接到电池堆。如本文所使用的术语，电池堆包括多个单个的电化学电池。将分流流道和分流流道盖连接到电池堆可实现几个优点，包括：（1）通过减少在安装过程中建立的流体连接的数量简化电化学储能系统的安装；（2）减少电化学储能系统内流体连接的数量可提高可靠性；（3）减小电化学储能系统的尺寸；（4）允许在一个生产线上作为组合系统生产电化学储能系统；以及（5）允许对电池堆和反应物分配系统两者使用普通的结构部件。
本文所公开的各个实施例还可实现安全和可靠性的某些优点。更确切地说，通过减少暴露的管的量和反应物通过其流动的互连件的数量，存在在系统的操作过程中，管和互连件的意外损坏减少的可能性。另外，电化学储能系统中的管和互连件可能需要使用有毒的粘合剂。在本文所公开的需要较少流体互连的实施例中，这些实施例也需要减少的粘合剂的量。上面提到的优点，连同本领域技术人员将意识到的其他优点，允许电化学储能系统的生产、安装和操作更安全、成本更低、更紧凑、更容易生产和安装成本更低。
图1示出结合电池堆122的电化学储能系统100的一个实施例的框图。电池堆122可包括多个单个的电化学电池。多个单个的电化学电池中的每一个都可如名称为Electrochemical Battery Incorporating Internal Manifolds的美国专利No.7,687,193（“’193专利”）中所描述的操作，所述专利的全部内容通过引用合并于此。本领域技术人员将理解，电化学储能系统可很大地变化。图1所示的框图是为了示例性目的示出的。如由电化学储能系统100可用于其中的特定应用所指出的，任意数量的电池和宽范围的电池表面积可包括在电池堆122中。
电池堆122可包括反应物入口142和144。反应物可由泵116和118分别供应到反应物入口142和144。泵116和118可从反应物存储罐190和191抽取液体反应物。泵马达192和193由驱动轴158和159连接到泵116和118。反应物入口142和144之一可用来容许阳性反应物（例如，分析物溶液）进入，而另一入口可用来容许阴性反应物（例如，阴极电解质溶液）进入。
反应物存储罐190和191可存储液体反应物。反应物存储罐190和191之一可存储阳性反应物，而另一个可存储阴性反应物。电池堆122还可包括反应物出口176和177，反应物可从反应物出口176和177离开电池堆122，返回到反应物存储罐190和191。
参比电池120可提供电池堆122性能的指标。参比电池120可经由入口168接收反应物，并且反应物可通过参比电池出口169离开参比电池120。从电池堆122获得的测量可根据从电池堆122瞬时提取多少电力直接波动。基于电力波动，直接监测电池堆122的电输出可提供电化学储能系统100性能的差的测量结果。相反，参比电池120可不经受类似的电力提取波动，因此，参比电池120可提供电池堆122整体性能的良好指标。参比电池120的电引线（未示出）可连接到监视和/或控制系统（未示出）。参比电池120的电引线可配置成监视参比电池120的开路电压。
电化学储能系统100还可包括多个传感器和阀门。传感器108a、108b、110a和110b可配置成监视液体反应物的某些特性。例如，传感器108a和108b可监视一种反应物的温度和压力，而传感器110a和110b监视另一反应物的温度和压力。此外，混合阀134可配置成选择性地混合反应物。
电引线132和133可将电能传导至电池堆122，或从电池堆122传导电能。电引线132可电连接到一个或多个电源和一个或多个电力负载。根据连接的电力负载的电力需求，或根据电源供应的电能，泵马达192和193可调整它们的速度，以改变经过电池堆122的反应物的量。以此方式，电池堆122可吸收或供应可变量的电能。可采用控制系统（未示出），以根据需要的电能或可用的电能使泵马达192和193的作用优化。某些实施例可采用如在名称为System and Method for Optimizing Efficiency and Power Outputfrom a Vanadium Redox Battery Energy Storage System的美国专利公开No.2005/0158614中所描述的控制系统，所述专利的全部内容通过引用合并于此。
如图1所示，反应物在电化学储能系统中的分配可涉及许多流体连接。增加系统中流体连接的数量对电化学储能系统的性能和可靠性有不利的影响。这些连接可能使反应物泄露，和/或可能需要维护来防止泄露。另外，在安装过程中建立每个流体连接都可能是昂贵耗时的任务。
如本文所公开的，电化学储能系统内的许多流体连接可由分流流道和分流流道盖制成。包括分流流道和分流流道盖的电化学储能系统可显示出增加的可靠性，因为这样的系统可具有减少的暴露管道的量和减少的暴露流体连接的数量。另外，由于必须在安装时制造的流体连接的数量减少，这样的系统可以更低成本来安装。
图2A至2E示出包括分流流道230和分流流道盖224的电化学储能系统200的一个实施例的各个视图。在图2A至2E中，相同的数字用来指相同的部件。在图2A至2E所示的各个视图中，某些结构更清楚地示在一个视图或另一视图中。在合适的情况下，关于特定特征的讨论可参考具体的图，然而，图2A至2E不必按顺序处理，并且不必关于图2A至2E中的每一个来讨论每个结构。为了避免使所示实施例的方面不清楚，不是所有的结构都标记在图2A至2E的每一个中。
图2A示出电化学储能系统200的分解立体图。电化学储能系统200包括电池堆222，其中多个电化学电池可存储或提供电化学能。多个电化学电池中的每一个都可如’193专利中所描述的充分实现。
电化学储能系统200可包括前压缩框架206和后压缩框架207。图2C的俯视立体图示出前压缩框架206和后压缩框架207。多个堆压力连接件204和202可连接前压缩框架206和后压缩框架207。端板295可放置在电池堆222与后压缩框架207之间。端板295可在与分流流道230相反的电化学储能系统200的一侧上为电池堆222提供结构支撑。在替代实施例中，电池堆222可激光焊接到分流流道230上。
多个压缩弹簧250可放置在前压缩框架206与分流流道盖224之间。如图2C所示，第二多个压缩弹簧251可放置在后压缩框架207与电池堆222之间。压缩弹簧251的作用是允许电池堆222由于操作温度变化而热膨胀和热收缩。压缩弹簧251可在电池堆222上保持大致恒定的力，而无论电化学储能系统200的操作温度如何。前压缩框架206、后压缩框架207、堆压力连接件204和压缩弹簧250和251包括用于容纳电池堆222和在电化学储能系统200内分配液体反应物的各个部件的结构框架。
分流流道盖224和分流流道230容纳各个泵、传感器、阀门和将液体反应物分配到电池堆222的反应物通道。在所示实施例中，分流流道盖224包括允许反应物进入和离开电化学储能系统200的多个反应物端口连接器212至215。反应物端口连接器212和213可与反应物入口242和244流体连通。反应物入口242和244之一可用来容许阳性液体反应物（例如，分析物溶液）进入，而另一入口用来容许阴性液体反应物（例如，阴极电解质溶液）进入。反应物端口连接器214和215可与反应物出口238和240流体连通。反应物出口238和240之一可用来允许阳性反应物离开电化学储能系统200，而另一出口可用来允许阴性反应物离开电化学储能系统200。反应物端口连接器212至215可用来将电化学储能系统200连接到容纳阳性和阴性反应物的贮液器。在某些实施例中，反应物端口连接器212至215可包括单向阀，以确保液体反应物沿适当方向流动。
反应物可通过泵马达216和218在整个电化学储能系统200循环。泵马达216和218可分别使用泵壳体254和泵壳体256连接到分流流道盖224。泵马达218可驱动叶轮228。在所示实施例中，分流流道盖224包括叶轮端口252，叶轮驱动轴258可通过叶轮端口252延伸。虽然由于图2的视角未示出，但可放置与叶轮228、驱动轴258和叶轮端口252相对的第二叶轮、驱动轴和端口。分流流道后盖226可将反应物从入口244引导到叶轮壳体262。
分流流道盖224还可容纳其他器件，如参比电池220、传感器装置208和210以及混合阀234。传感器装置208和210可实现为各种类型的传感器。各个实施例可包括一个或多个以下类型传感器：压力传感器、流量传感器、温度传感器、氢传感器等等。在所示实施例中，参比电池220放置在分流流道盖224上。如以上所讨论的，参比电池220可提供电池堆222电性能的指标。参比电池220可使用参比电池支座236附接到分流流道盖224。传感器208和210中的一个装置可与阳性反应物流体连通，而另一装置与阴性反应物流体连通。传感器装置208可接收在流量压力传感器端口260内。混合阀234也可放置在分流流道盖224上。混合阀234可通过混合阀端口248与反应物连通。
分流流道盖224可邻接分流流道230，并建立流体密封。分流流道230可设置连接各个入口、出口和电池堆的流体通道。在所示实施例中，分流流道230在一侧邻接分流流道盖224，在另一侧邻接电池堆222。
电化学储能系统200可包括与电池堆222电连通的前集电器264和后集电器266（图2C）。集电器264和266可从电池堆222收集电流。前集电器264可放置在与后集电器266相反的电池堆222的端部上，以能够使电流流动。前集电器264可与前电连接器232电连通，后集电器266可与后电连接器233电连通。电连接器232和233可用来将电化学储能系统200连接到电力系统。在某些实施例中，术语总线板可用来代替术语集电器。
图2E示出分流流道230的立体图。可经由反应物入口孔288和289接收反应物。经由反应物入口孔288和289接收的反应物可由分流流道后盖226和第二分流流道后盖（未示出）引导到叶轮入口孔272和273。叶轮入口孔272和273将液体反应物提供给叶轮壳体262和263。叶轮228和第二叶轮（未示出）可分别连接到泵马达216和218，并且叶轮可在叶轮壳体262和263内旋转。泵马达216和218的操作可在压力下驱动反应物通过反应物通道284和285。反应物可经由电池堆入口孔274和275供应到电池堆222。反应物通道284和285还可将反应物引导到传感器反应物通道286和287。接收的反应物还可供应到参比电池通道280和281。
反应物可通过电池堆出口孔276和277离开电池堆222。电池堆出口孔276和277还可将反应物引导到参比电池通道282和283。参比电池220可位于参比电池通道280至283之上，以从每个入口孔和出口孔接收反应物。因此，参比电池220可提供电化学储能系统200性能的指标。
混合阀234的操作可允许通过电池堆出口孔276离开电池堆222的反应物和通过反应物入口孔289接收的反应物混合。来自电池堆出口孔276和反应物入口孔289中的每一个的反应物可通过混合通道279引导到混合阀孔278。混合阀234可允许由于水和液体反应物转移穿过电池堆222的每个电池（未示出）中的构件（未示出）而产生的液体反应物损失的能量容量恢复。
如图2A所示，各个反应物通道可在分流流道230中凹陷或缩进。各个反应物通道可由分流流道盖224密封。除了如上所述的分流流道盖224中的各个孔以外，反应物可密封在分流流道盖224与各个反应物通道之间。在各个实施例中，分流流道盖224与分流流道230之间的密封可通过不连续的密封组件（即垫片、O形环等），通过在制造过程中将分流流道盖224和分流流道230熔融在一起（即通过焊接），或通过在分流流道盖224与分流流道230之间施加足够的力以保持压力或密封来形成。
多个如电化学储能系统200的电化学储能系统可一齐操作，以提供希望量的电能存储。本文所描述的实施例不需要用于反应物内部分配的不连续的管路或软管。而是通过分流流道盖和分流流道实现反应物的分配。因此，本文所公开的电化学储能系统实施例的安装不需要现场调整，以允许内部分配液体反应物。因此，这样的系统可在单一的生产线上作为组合系统生产。
对本领域技术人员显而易见的是，在不脱离本发明基本原则的情况下，可对上述实施例的细节作出改变。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求来确定。

Claims (20)

1.一种电化学储能系统，包括：
电化学电池堆；
液体反应物分配系统，包括：
分流流道，包括，
多个液体反应物流动通道，以接收液体反应物并分配所述液体反应物，
多个分流流道孔，以提供与所述电化学电池堆的流体连通；
分流流道盖，包括，
多个分流流道盖孔，以提供与所述分流流道的流体连通，
多个安装点，以支撑多个液体反应物分配系统部件；以及
支撑框架，以支撑所述电化学电池堆、所述分流流道和所述分流流道盖；
其中，所述分流流道盖建立至少部分地沿所述多个液体反应物流动通道中的至少一个的长度的流体密封。
2.如权利要求1所述的电化学储能系统，还包括第一液体反应物泵马达和第二液体反应物泵马达，并且其中，所述多个安装点包括用于所述第一液体反应物泵马达和所述第二液体反应物泵马达的多个安装点。
3.如权利要求2所述的电化学储能系统，其中，所述第一液体反应物泵马达和所述第二液体反应物泵马达各自包括叶轮，并且
其中，所述分流流道包括，
第一叶轮壳体，所述第一叶轮壳体配置成接收所述第一液体反应物泵马达的叶轮，以及
第二叶轮壳体，所述第二叶轮壳体配置成接收所述第二液体反应物泵马达的叶轮。
4.如权利要求1所述的电化学储能系统，还包括放置在所述分流流道与所述分流流道盖之间的垫片，所述垫片帮助至少部分地沿所述多个液体反应物流动通道中的至少一个的长度的流体密封。
5.如权利要求1所述的电化学储能系统，还包括参比电池，并且其中，所述参比电池提供所述电化学电池堆电性能的指标。
6.如权利要求4所述的电化学储能系统，其中，所述分流流道还包括多个参比电池通道。
7.如权利要求6所述的电化学储能系统，其中，所述分流流道盖还包括多个孔，所述多个孔配置成允许所述多个参比电池通道与所述参比电池之间的流体连通。
8.如权利要求1所述的电化学储能系统，其中，所述分流流道盖还包括多个孔以及与所述多个孔流体连通的多个液体反应物端口连接器。
9.如权利要求8所述的电化学储能系统，其中，所述多个孔提供所述多个液体反应物端口连接器中的至少一个与所述多个液体反应物分配通道中的至少一个之间的流体连通。
10.如权利要求1所述的电化学储能系统，还包括多个传感器，以监测所述液体反应物的至少一个特性。
11.如权利要求10所述的电化学储能系统，其中，所述分流流道盖还包括多个孔，所述多个孔配置成接收所述多个传感器，并提供所述多个传感器与所述液体反应物流动通道之间的流体连通。
12.如权利要求10所述的电化学储能系统，其中，所述多个传感器包括压力传感器和温度传感器。
13.如权利要求1所述的电化学储能系统，其中，所述液体反应物分配系统还包括混合阀，并且其中，所述分流流道盖包括接收所述混合阀的安装点。
14.如权利要求13所述的电化学储能系统，其中，所述分流流道包括液体反应物混合通道。
15.如权利要求14所述的电化学储能系统，其中，所述分流流道包括混合阀孔。
16.如权利要求1所述的电化学储能系统，其中，所述支撑框架包括放置在所述支撑框架与所述分流流道盖之间的多个压缩弹簧，并且其中，所述多个压缩弹簧帮助至少部分地沿所述多个液体反应物流动通道中的至少一个的长度的流体密封。
17.如权利要求1所述的电化学储能系统，其中，所述电化学电池堆配置成使用钒氧化还原基液体反应物操作。
18.如权利要求1所述的电化学储能系统，其中，所述电化学电池堆配置成使用多硫化溴化物基液体反应物、锌溴基液体反应物、铈锌基液体反应物和铅基液体反应物中的至少一种操作。
19.如权利要求1所述的电化学储能系统，其中所述支撑框架包括，
第一压缩框架，
第二压缩框架，以及
将所述第一压缩框架连接到所述第二压缩框架的多个压缩连接件。
20.一种在电化学储能系统内分配液体反应物的分流流道，所述分流流道包括：
多个液体反应物流动通道，以接收液体反应物并分配所述液体反应物；
多个分流流道孔，以提供与电化学电池堆的流体连通；
第一叶轮壳体，所述第一叶轮壳体配置成接收第一液体反应物泵马达的叶轮；以及
第二叶轮壳体，所述第二叶轮壳体配置成接收第二液体反应物泵马达的叶轮。
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