CN103354294B - 一种液流电池系统管道结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液流电池系统管道结构，所述管道包括电堆正极进堆管路、电堆正极出堆管路、电堆负极进堆管路和电堆负极出堆管路，其特征在于：上述各用于电解液进出电堆的管路均由管路分配部和管路延长部组成，上述管路至少排布在所述电堆的1个侧面。本发明通过管路的分配、延长与排布的合理配合，有效减小了同时具有多个电堆的电池系统的漏电电流，减少了电池系统不必要的能量损失，提高了电池系统的能量效率。本发明中的电堆、电堆支架和管路可作为模块化单元使用，省去重复设计的步骤。同时本发明改善了电池系统中电堆供液不均匀的情况，从而使电堆运行状态更均衡稳定。

Description

一种液流电池系统管道结构

技术领域

本发明涉及全钒液流电池领域，具体地说是一种液流电池系统管道结构。

背景技术

中国专利文献（专利申请号：201110186836.1）公开了发明《一种减小甚至消除全钒液流储能电池系统漏电电流的方法》，其中介绍了液流电池系统中产生漏电电流的原理，危害及通过在各子系统中连接各电堆上采用电路上并联的方式制造电解液公用管路上电压等压点的方法来减小甚至消除漏电电流的方法。这种方法适用于减小甚至消除各并联的子系统之间的漏电电流及各子系统中并联电堆之间的漏电电流，而不能消除各子系统中电堆串联连接时所产生的漏电电流。大规模全钒液流储能电池系统中，各电堆如果只采用并联的方式连接很难满足系统的电压要求，并且会增加电池系统的复杂程度和成本，因此全钒液流储能电池系统的各子系统中通常会采用电堆串联的方式。子系统中由于电堆串联产生的漏电电流，不但会降低电池系统运行时的电流效率，在电池系统停机维护时，由于管道内电解液处于静止状态，不能带走漏电电流在管道内产生的热量，还会引起公用管道过热而损坏管道，公用管道内电解液温度升高也会影响电解液溶解度，对电解液造成不利影响。同时文献中中还描述了传统的电池系统中下行上给式的电解液供液方式，“每个子系统的电池模块的液路连接方式常采用多个电池模块共用一个公用管路供应电解液，这样的电解液供应方式是一种统一供应电解液给各电池模块的方法，即电解液由泵驱动从电解液进口总管流入支路管道进入各电池模块，再从支路管道出口汇流进出口总管返回电解液储罐中。”在这种供液方式中，干管中的电解液沿流动方向越靠后流量越小，且沿程损失越大，这会导致干管前后端的电堆供液状态差别较大，为了缓解这种缺点，通常采用支管大阻力，干管小阻力，以使配液更平均。即干管管径需要比支管管径大得多。在电池系统中，支管管径即为电池模块管口管径，通常为固定管径，因此在这种供液方式中干管要采用大管径配管，且在这种供液方式中管道总长度相对较短，管道电阻小，不利于减小漏电电流。

另外，中国专利文献（专利申请号：201210002983.3）公开了发明《一种全钒液流电池用管路系统》，提出了一种全钒液流电池管路系统，该管路系统具有在线取液、防倒流、泄压、清洗排液和保温功能。

有上述可知，现有的技术只能满足全钒液流电池系统运行的基本要求，而对于大规模全钒液流储能电池系统来说，还存在很多缺陷和问题需要解决，包括：电池系统管路中漏电电流过大，降低了系统效率，同时由于漏电电流产生的热量会对电池系统管路造成不良影响；现有技术中管道布置形式为下行上给式，在这种布置方式中，干管中的电解液沿流动方向越靠后流量越小，且沿程损失越大，这会导致干管前后端的电堆供液状态差别较大，从而导致干管前后端电堆的运行状态不一致，长期处于这种不均衡的状态不利于系统的运行。

发明内容

根据上述提出的技术问题，而提供一种液流电池系统管道结构，不仅能满足全钒液流电池系统运行的基本要求，并能减小电解液管路产生的漏电电流，以及改善电池系统中电堆进液不均匀的情况。

为了减小电堆与电堆之间通过公用电解液管路产生的漏电电流，本发明提出了一种管道结构，通过延长支路管路的长度，提高支路电阻的方法，减小电堆与电堆之间产生的漏电电流。

本发明采用的技术手段如下：

一种液流电池系统管道结构，所述管道包括电堆正极进堆管路、电堆正极出堆管路、电堆负极进堆管路和电堆负极出堆管路，其特征在于：上述各用于电解液进出电堆的管路均由管路分配部和管路延长部组成，上述管路至少排布在所述电堆的1个侧面。

本发明通过对进出电堆的正、负极管路进行重新设计，采用分配部与延长部相结合的方式，分配部主要起到将液体分配均匀的目的，延长部主要用于提高支路的电阻用以减小电堆与电堆之间的漏电电流。

作为优选，所述管路分配部包括主管路和至少一级分支管路，所述主管路和所述分支管路呈一分二、二分四、四分八的2n型结构。

作为优选，所述主管路所述分支管路的管径逐级减小。

本发明的管路分配部采用的为分级对称的支状管网形式，即电解液通过主管路后将一分为二的进入一级分支管路，再通过一级分支管路后又将二分为四的进入二级分支管路，以此类推，直到进入电堆，电堆出口的电解液分配也与进口相同。在这种布管方式，不但比传统布管方式产生的漏电电流小，还可以保证进入每一个电堆的电解液流量及流动状态基本一致，流出每一个电堆的电解液流量及流动状态也基本一致，进而可以保证每一个电堆的运行状态基本一致，从而改善电池系统中电堆供液不均匀的情况。上述的管路分配部不局限于到二级分支管路，可根据实际情况适当增减级数，只需满足2ⁿ型结构即可。

作为优选，所述管路延长部与末级分支管路相连通，所述管路延长部的管路长度为1-15m。

作为优选，所述管路延长部的管路长度为2-10m。

作为优选，所述电堆还包括设置在所述电堆外侧的电堆支架和用于固定所述管路延长部的连接件。

本发明提供的技术方案是通过延长支路管路即管路延长部的长度，提高支路电阻的方法，减小电堆与电堆之间产生的漏电电流，需要注意的是同级分支管路的长度和结构应保持一致。延长电堆进口和出口管路，并将延长的管路布置在电堆左右两侧或电堆的上下两侧亦或是电堆相邻的两个侧面，通过连接件将管路延长部固定在电堆外侧的电堆支架上，延长的管路可以和电堆、电堆支架作为一个模块化的单元。这样在扩大电池系统规模的时候，只需要增加该单元的数量，而不需要对电堆的延长管路进行重复设计。

延长管路的长度同时影响着系统的漏电电流和泵扬程的大小。管路的长度越长，管路阻力越大，需要泵的扬程也越大，同时管路电阻越大，产生的漏电电流越小。因此需要选择一个可以兼顾漏电电流和泵扬程的最优的管路长度范围。

对于给定的系统，延长管路的材质、管径d和流量是确定的，因此延长管路的沿程阻力系数λ和流速v也是确定的，变量只有进出口管路长度l。根据直管阻力计算公式：

$h_{f1}=\mathrm{\λ}\frac{l}{d}\frac{v^2}{2g}$

可知，管路沿程阻力h_f1与管路长度l成正比。

由于延长管路是布置在电堆左右两侧或电堆的上下两侧亦或是电堆相邻的两个侧面，所以延长管路通常由弯头和直管构成，且延长管路每经过一个电堆的长度需要两个弯头连接进行转向。因此为了简化计算，可将延长管路在各弯头处的局部阻力总和也视为与管路总长度成正比。

考虑到实际的施工及空间情况，延长管路的长度范围应在1m至15m内选择。例如，如图4所示为以一套现有的260kW电池系统为模型，通过计算其一极进口支管长度范围为1m至10m时，公用管路中漏电电流的大小，得出的数据。图中A为位于系统两侧电堆的漏电电流，B为位于系统中间电堆的漏电电流。从图中可以看出，延长管道长度增加到2m时，漏电电流已经有了明显的减小，随着延长管道长度的增加，漏电电流减小的速度和幅度都逐渐降低。并且在延长管道长度达到10m的时候，漏电电流已经减小了约80%。

同时，从延长管道的布置情况来看，通常延长管路在电堆周围盘绕一圈回到电堆管口附近所需的最短管道长度为2m左右，盘绕三圈的最长管道长度为10m左右。由上述分析结果可以得出，延长管路长度的优选范围是2m-10m。

较现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、减小了具有多个电堆串联的电池系统的漏电电流，减少了电池系统不必要的能量损失，提高了电池系统的能量效率。

2、延长的管路、电堆、电堆支架可以作为一个模块化的单元，不需要对此种管道结构进行重复设计，避免了设计资源的浪费，提高了电池系统设计的效率。

3、改善了电池系统中电堆供液不均匀的情况，从而改善了电堆运行状态不均衡的情况。

基于上述理由本发明可在液流电池管道结构布置方面广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是应用本发明电堆单元侧面排管结构示意图。

图2是本发明管道结构示意图。

图3是本发明电堆上下表面排管结构示意图。

图4是管路中漏电电流随支管长度的变化。

图中：1、电堆2、电堆支架3、连接件4、管道401、1号电堆管口402、2号电堆管口403、3号电堆管口404、4号电堆管口405、5号电堆管口406、6号电堆管口407、7号电堆管口408、8号电堆管口409、出堆正极主管路410、进堆负极主管路411、进堆正极主管路412、出堆负极主管路413、进堆一级分支管路414、进堆二级分支管路415、进堆三级分支管路416、出堆三级分支管路417、出堆二级分支管路418、出堆一级分支管路；

A、两侧漏电电流B、中间漏电电流。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，一种液流电池系统管道结构，所述管道4包括电堆正极进堆管路、电堆正极出堆管路、电堆负极进堆管路和电堆负极出堆管路，上述各用于电解液进出电堆1的管路均由管路分配部和管路延长部组成，上述管路排布在所述电堆1的右侧面，管路延长部通过连接件3固定在电堆支架2上，以增加整个单元的稳定性。

如图2所示，为8个电堆的电池系统的管道4分布情况，所述管路分配部包括主管路、一级分支管路、二级分支管路和三级分支管路，三级分支管路与管路延长部相连通，所述管路延长部长度在3-4.5m之间选择。所述主管路、所述一级分支管路、所述二级分支管路和所述三级分支管路呈一分二、二分四、四分八的2n型结构。所述主管路的管径为DN80，一级分支管路的管径为DN50，二级分支管路的管径为DN40，三级分支管路的管径为DN32，所述管路延长部的管径为DN25。最短的管路电阻增加160.9Ω，最长的管路电阻增加241.4Ω。

正极电解液的流动情况是，电解液通过进堆正极主管路球阀进入进堆正极主管路411，经过进堆正极主管路411后一分为二地进入进堆一级分支管路413，经过进堆一级分支管路413后二分为四地进入进堆二级分支管路414，经过进堆二级分支管路414后四分为八地进入进堆三级分支管路415，经过进堆三级分支管路415后进入8个电堆，经过电堆后进入出堆三级分支管路416，经过出堆三级分支管路416后合八为四地进入出堆二级分支管路417，经过出堆二级分支管路417后合四为二地进入出堆一级分支管路418，经过出堆一级分支管路418后合二为一地进入出堆正极主管路409。负极电解液的流动情况与正极电解液相同，即电解液通过进负极堆主管路球阀进入进堆负极主管路410，经过进堆负极主管路410后一分为二地进入进堆一级分支管路，经过进堆一级分支管路，后二分为四地进入进堆二级分支管路，经过进堆二级分支管路后四分为八地进入进堆三级分支管路，经过进堆三级分支管路后进入8个电堆，经过电堆后进入出堆三级分支管路，经过出堆三级分支管路后合八为四地进入出堆二级分支管路，经过出堆二级分支管路后合四为二地进入出堆一级分支管路，经过出堆一级分支管路后合二为一地进入出堆负极主管路412。

实施例2

如图3所示，为管道排布在电堆上下表面的情况，管路分配情况同实施例1。

其中，延长管路公称直径DN25，单根管路平均延长长度约为5.6m，单根管路电阻平均增加约300.4Ω。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种液流电池系统管道结构，所述管道包括电堆正极进堆管路、电堆正极出堆管路、电堆负极进堆管路和电堆负极出堆管路，其特征在于：电堆正极进堆管路、电堆正极出堆管路、电堆负极进堆管路和电堆负极出堆管路均由管路分配部和管路延长部组成，电堆正极进堆管路、电堆正极出堆管路、电堆负极进堆管路和电堆负极出堆管路至少排布在所述电堆的1个侧面。

2.根据权利要求1所述的一种液流电池系统管道结构，其特征在于：所述管路分配部包括主管路和至少一级分支管路，所述主管路和所述分支管路呈一分二、二分四、四分八的2ⁿ型结构。

3.根据权利要求2所述的一种液流电池系统管道结构，其特征在于：所述主管路和所述分支管路的管径逐级减小。

4.根据权利要求2所述的一种液流电池系统管道结构，其特征在于：所述管路延长部与末级分支管路相连通，所述管路延长部的管路长度为1-15m。

5.根据权利要求4所述的一种液流电池系统管道结构，其特征在于：所述管路延长部的管路长度为2-10m。

6.根据权利要求1所述的一种液流电池系统管道结构，其特征在于：所述电堆还包括设置在所述电堆外侧的电堆支架和用于固定所述管路延长部的连接件。