CN104143646A - 一种液流储能电池或电堆的运行方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种液流储能电池或电堆的运行方法，电池或电堆完成第一次充电或第一个充放电循环后，进行正负极电解液的互混，使两极电位差达到0V后，将正负极电路反接，使电池系统在正负极互换模式下继续运行。本发明使得长时间、多循环的液流电池（或电池系统）的电压效率有所提高，进而提高了液流电池（或电池系统）的整体效率和电解质溶液的利用率；方法简单可行，能有效地保证液流电池（或电池系统）长时间、多循环运行时的效率、电解质溶液利用率和稳定性。

Description

一种液流储能电池或电堆的运行方法

技术领域

本发明涉及一种液流储能电池或电堆的运行方法，更具体而言，本发明提供一种液流储能电池在长时间、多循环运行时提高电极电化学活性的方法。

背景技术

随着人类经济的快速发展，能源短缺和环境污染的现状日趋严峻。为实现可持续发展，必须大力发展太阳能和风能等可再生能源。而这些可再生能源发电受地域、气象等条件的影响具有明显的不连续、不稳定性。为了平滑和稳定可再生能源发电输出及解决发电与用电的时差矛盾，提高电力品质和电网可靠性，必须发展高效储能技术。液流储能电池(Redox Flow Battery，简称FB)由于具有系统容量和功率相互独立可调、响应迅速，安全可靠，循环寿命长，操作维护简单，环境友好等突出优势而成为可再生能源发电，电网削峰填谷，应急及备用电站等规模化储能中最有发展前景的技术之一。

目前，液流储能电池或电堆在长时间、多循环运行时存在的问题主要有以下几个方面：电解质溶液稳定性差；正、负极离子及水的迁移、扩散；电池或电堆电压效率下降。作为全钒液流储能电池关键材料之一的电极材料，起着提供电解质溶液活性物质反应场所和电化学活性的双重作用。

由于液流电池大多在强酸介质中运行，因此其电极材料要求具备：化学稳定性好、机械强度高、电化学活性优良以及低成本的特点。目前液流电池电极材料主要分为两类：金属类电极和非金属类电极。

金属类电极在电化学反应过程中表面容易形成钝化膜，阻碍电极反应的继续进行，显示出电化学可逆性差的问题，并且金属类电极大都较昂贵。因此金属类电极不太适合在液流电池中应用。

在非金属类电极中，碳素类电极受到了更多的青睐，碳素类电极主要包括石墨毡、碳毡、碳纸、碳布等。其中碳毡是由高聚物高温碳化后制成的毡状多孔性材料,具有耐高温、耐腐蚀,良好的机械强度，表面积大和导电性好，且价格相对低廉等优点，在液流电池研究中被广泛用作电极材料。

然而，随着液流电池或电堆在长时间、多循环运行时，由于整个液流电池（或电池系统）温度的升高或其他原因，导致电解质溶液中会有一定量的金属离子（或其他物质）析出，并附着在电极表面，进而使电极的活性点位减少，降低电极的电化学活性，致使液流电池或电堆在长时间、多循环运行时电压效率会有所下降。而且随着液流电池或电堆更长时间、更多循环的运行，此类问题会越来越明显，严重影响液流电池或电堆的整体效率。

发明内容

本发明目的在于提供一种随着液流电池或电堆在长时间、多循环运行时，提高或恢复液流电池或电堆电压效率的方法，进而改善液流电池或电堆的整体效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种液流储能电池或电堆的运行方法，

1）于液流储能电池或电堆完成第一次充电或第一个充放电循环后，进行正负极电解液的互混，使两极电位差达到0V后，将正负极电路反接，使电池系统在正负极互换模式下继续运行；

2）液流储能电池或电堆完成第N次充电或第N个充放电循环后，其中N≥2，再进行正负极电解液的互混，使两极电位差达到0V后，将正负极电路反接，使电池系统再次进入正负极互换模式下继续运行。

所述液流储能电池或电堆包括与正极电路相连的正极集流板、与负极电路相连的负极集流板，所述正负极电路反接是指将正极电路与负极集流板相连、作为正极，负极电路与正极集流板相连，作为负极。

继续运行是指液流储能电池或电堆进行充放电循环。

通常液流电池或电堆的电解质溶液由循环泵将其从正极电解液储罐导入电池或电堆的正极，并再返回正极电解液储罐中；或是由循环泵将其从负极电解液储罐导入电池或电堆的负极，并再返回负极电解液储罐中。

本发明通过对管路设计的改进，使每个循环泵都具备可以将电解质溶液任意导入电池或电堆正极和电池或电堆负极两种功能，并再返回到电池或电堆正极或负极电解液储罐中。使每个循环泵都可以灵活地将正极或负极电解液储罐中的电解质溶液任意导入液流电池或电堆的正极或负极，并再返回正极或负极电解液储罐中。

当在液流电池或电堆正常运行时，每个循环泵只需将正极储液罐中的电解质溶液导入电池或电堆的正极，并再返回正极电解液储罐中；或是将负极储液罐中的电解质溶液导入电池或电堆的负极，并再返回负极电解液储罐中。

但是，当液流电池或电堆运行一定的时间或循环时，电池的电压效率会有一定的下降，这时就需要将原本负责导入正极电解质溶液的磁力泵，使其将正极储液罐中的电解质溶液导入电池或电堆的负极，并流入负极电解液储罐中；同时的将原本负责导入负极电解质溶液的磁力泵，使其将负极储液罐中的电解质溶液导入电池或电堆的正极，并流入正极电解液储罐中。进而达到正、负极电解质溶液互混的目的。待正负极电解质溶液混合均匀后，将电路反接，这样就使电池或电堆原本的正极变为负极，原本的负极变为正极。然后再对电池或电堆进行充放电循环，利用化学反应的方法将析出的金属离子重新溶解到电解质溶液中，进而恢复电极原有的活性点位，提高电池的电压效率。所以，每当电池或电堆运行一定的时间或循环时，重复上述方法可以有效提高液流电池或电堆的电压效率，进而提高液流电池或电堆的整体效率。

本发明提到的“液流电池”包括：全钒液流储能电池、全铁液流储能电池等正、负极电解质溶液为同一种（或多种混合）物质的液流储能电池体系。

本发明提到液流电池系统是指由多个电池组成的电池群体系统。

本发明提到的“液流电池或电堆运行一定的时间或循环时”，其中的“一定的时间”包括电池或电堆运行的任意时间，“一定的循环”包括电池或电堆运行的任意循环。

本发明的有益结果：

（1）本发明在液流电池或电堆第一次充电（或充放电）完成时，对其进行正、负极互换，再进行充放电循环，将正、负极都经过活化电位的提高，从而提高了液流电池正、负电极的电化学活性，进而提高液流电池或电堆的电压效率。

（2）本发明在电池或电堆运行一定的时间或循环时，对其进行正、负极互换，再进行充放电循环，这样通过化学反应的手段，将析出的金属离子重新溶解到电解质溶液中，进而恢复电极原有的活性点位，提高液流电池或电堆的电压效率。

（3）本发明使得长时间、多循环的液流电池或电堆的电压效率有所提高，进而提高了液流电池或电堆的整体效率和电解质溶液的利用率。

（4）本发明所采用的方法简单可行，能有效地保证液流电池或电堆长时间、多循环运行时的效率、电解质溶液利用率和稳定性。

附图说明

图1示出一种采用双功能泵的液流电池系统；该电池系统由9电堆，7正极电解质溶液储罐，8负极电解质溶液储罐，5、6双功能泵（每个磁力泵都可以灵活低将正极或负极电解液储罐中的电解质溶液导入液流电池或电堆的正极或负极，并再返回正极或负极电解液储罐中），1、2、3、4阀门等部件组成。液流电池或电堆运行时，开启1、2阀门，同时关闭3、4阀门，此时液流电池或电堆处在正常运行模式；液流电池或电堆运行一定的时间或循环时，关闭1、2阀门，同时开启3、4阀门，溶液混合均匀后将电路反接，此时液流电池或电堆处在正、负极互换模式；

图2示出一种传统的液流电池或电堆装置。

具体实施方式

下面的实施例是对本发明的进一步说明，而不是限制本发明的范围。

下面实施例中所选用的液流电池体系为全钒氧化还原液流电池（VanadiumRedox Flow Battery，简称VFB），具体说明如下：

1.该电池由10节单电池组成；

2.钒电解质溶液浓度为1.5mol/L。

3.电池恒流充放电的电流密度为80mA/cm²。

4.单节电池充放电截止电池分别为1.55V和1.0V。

5.正、负极电解液储液罐内各装入40L钒电解质溶液。

电池系统包括电堆，正极电解液储罐、负极电解液储罐，循环泵、阀门、管路；正极电解液储罐7通过循环泵5经第二阀门2与电堆9正极入口相连，电堆9正极出口通过管路与正极电解液储罐7相连；负极电解液储罐8通过循环泵6经第一阀门1与电堆9负极入口相连，电堆9负极出口通过管路与负极电解液储罐相连；循环泵5与第二阀门2之间的管路设置一条分支管路与第一阀门1和电堆9负极入口之间的管路相连通，连通管路间设置有第三阀门3；循环泵6与阀门1之间的管路设置一条分支管路与第二阀门2和电堆9正极入口之间的管路相连通，连通管路间设置有第四阀门4。

包括正常运行和正负极互换两种运行模式下交替运行工作，电池系统初运行时，开启第一阀门1和第二阀门2，同时关闭第三阀门3和第四阀门4，此时电池系统处在正常运行模式下；

当电池系统运行完成第一次充电或第一个充放电循环后，关闭第一阀门1和第二阀门2，同时开启第三阀门3和第四阀门4，使正负极电解液进行互混，待溶液混合均匀后将电路反接，使电池系统正、负极进入互换模式；

液流储能电池或电堆完成第N次充电或第N个充放电循环后，其中N≥2，再进行正负极电解液的互混，使两极电位差达到0V后，将正负极电路反接，使电池系统再次进入正负极互换模式下继续运行。

实施例1

电池运行第2个循环结束时，使电池进入正、负极互换模式运行，继续运行2个循环，记录数据。

实施例2

电池运行第20个循环结束时，使电池进入正、负极互换模式运行，继续运行2个循环，记录数据。

实施例3

电池运行第50个循环结束时，使电池进入正、负极互换模式运行，继续运行2个循环，记录数据。

实施例4

电池运行第100个循环结束时，使电池进入正、负极互换模式运行，继续运行2个循环，记录数据。

实施例5

电池运行第200个循环结束时，使电池进入正、负极互换模式运行，继续运行2个循环，记录数据。

实施例6

电池运行第400个循环结束时，使电池进入正、负极互换模式运行，继续运行2个循环，记录数据。

对比例1

电池运行第2个循环结束时，记录第2个循环数据。

对比例2

电池运行第20个循环结束时，记录第20个循环数据。

对比例3

电池运行第50个循环结束时，记录第50个循环数据。

对比例4

电池运行第100个循环结束时，记录第100个循环数据。

对比例5

电池运行第200个循环结束时，记录第200个循环数据。

对比例6

电池运行第400个循环结束时，记录第400个循环数据。

测试

采用Arbin BT-2000电池充放电仪器（美国Arbin公司制造）测试电池性能；

测试结果如表一所示。

表一

由上表可以看出，根据本发明的全钒氧化还原液流电池：1.在电池运行的相同时期，电池的电压效率至少2个百分点以上，最大提高6个百分点；2.在电池运行的相同时期，电池的能量效率至少2个百分点以上，最大提高4个百分点；3.在电池运行的相同时期，电解质溶液的利用率最大提高9个百分点。

相比之下，在没有采用发明的实验中，随着全钒氧化还原液流电池运行时间和循环数的不断增多，电池的电压效率衰减的越来越快，电池的能量效率和电解质溶液的利用率也随之受到很大的影响。电池运行400个循环之后，电池的电压效率仅为80.4%，能量效率仅为78%，电解质溶液利用率也仅为55%。

Claims (3)

1.一种液流储能电池或电堆的运行方法，其特征在于：

1）于液流储能电池或电堆完成第一次充电或第一个充放电循环后，进行正负极电解液的互混，使两极电位差达到0V后，将正负极电路反接，使电池系统在正负极互换模式下继续运行；

2）液流储能电池或电堆完成第N次充电或第N个充放电循环后，其中N≥2，再进行正负极电解液的互混，使两极电位差达到0V后，将正负极电路反接，使电池系统再次进入正负极互换模式下继续运行。

2.按照权利要求1所述的运行方法，其特征在于：

所述液流储能电池或电堆包括与正极电路相连的正极集流板、与负极电路相连的负极集流板，所述正负极电路反接是指将正极电路与负极集流板相连、作为正极，负极电路与正极集流板相连，作为负极。

3.按照权利要求1所述的运行方法，其特征在于：继续运行是指液流储能电池或电堆进行充放电循环。