CN104538662B - 一种液流电池系统 - Google Patents

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Abstract

一种液流电池系统，包括液流电池或液流电池组、正极高位电解液储液罐、正极低位电解液储液罐、负极高位电解液储液罐以及负极低位电解液储液罐，正极高位电解液储液罐通过管路与液流电池或液流电池组的正极上端口相连，正极低位电解液储液罐通过管路与液流电池或液流电池组的正极下端口相连；负极高位电解液储液罐通过管路与液流电池或液流电池组的负极上端口相连，负极低位电解液储液罐通过管路与液流电池或液流电池组的负极下端口相连；本发明把充电过程中消耗的部分泵功转化为势能储存起来，从而减小了放电过程泵功消耗，达到节能效果，同时，放电过程中正、负极电解液离子浓度基本恒定，可保证充放电过程电压的稳定。

Description

一种液流电池系统
技术领域
本发明涉及利用电化学反应进行化学储能技术领域，特别涉及一种液流电池系统。
背景技术
能源是推动社会进步和人类赖以生存的物质基础。随着社会和经济的发展，全球化石能源消耗的速度逐年增加，并带来全球环境变暖、生态破坏等严重的环境问题。展望人类未来的能源，除合理的开发和利用煤、石油、天然气，重视水力的开发外，需要进一步开发新能源，主要是核能、太阳能、生物质能、氢能以及各种可再生能源，如地热能、海洋能、风能等，从而构成一个以核能为主角的综合性的世界能源体系。太阳能、风能和海洋能等可再生能源发电具有波动性、随机性的不利特征，会对电网的稳定安全运行造成负面影响。储能技术具有动态吸收能量并适时释放的特点，是保证高效智能电网稳定运行、实现可再生能源大规模应用的关键技术。目前，具有较好应用前景的电力储能技术有抽水电站、压缩空气、飞轮、超导磁、超级电容器、蓄电池和液流电池。
液流电池是一种新型蓄电储能系统，利用正负极电解液分开，各自循环的一种高性能蓄电池，并且其电堆和电解液储槽相互分离的特殊构造，因此，充放电功率与容量可独立设计，具有较高的灵活性。同时液流电池还具有高速响应特性。因此液流电池具有容量高、使用领域广、循环使用寿命长的特点，故在很多领域具有良好的发展前景。
液流电池工作时，通过导液泵推动正负极电解液不断循环流动，需要大量泵功，同时随着循环流动进行，正负极电解液高低价态离子浓度不断变化，使得放电过程的输出电压不断变化，同时由于存在很大的浓差极化现象，进而恶化液流电池充放电过程中的SOC状态。所以可以采取一些措施来改进液流电池系统工作模式，降低循环流动所需泵功，并改善液流电池充放电性能。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种液流电池系统，可以减小氧化还原液流电池系统电解液循环流动泵功，且放电过程输出电压稳定，具有成本低廉，操作简单的特点。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种液流电池系统，包括液流电池或液流电池组8、正极高位电解液储液罐5、正极低位电解液储液罐4、负极高位电解液储液罐7以及负极低位电解液储液罐6，其中：
所述正极高位电解液储液罐5通过管路与液流电池或液流电池组8的正极上端口相连，在其连通管路上设置有阀门一21，所述正极低位电解液储液罐4通过管路与液流电池或液流电池组8的正极下端口相连；
所述负极高位电解液储液罐7通过管路与液流电池或液流电池组8的负极上端口相连，在其连通管路上设置有阀门二22，所述负极低位电解液储液罐6通过管路与液流电池或液流电池组8的负极下端口相连。
所述正极高位电解液储液罐5的空间布置位势高于正极低位电解液储液罐4的空间布置位势，所述负极高位电解液储液罐7的空间布置位势高于负极低位电解液储液罐6的空间布置位势。
所述正极高位电解液储液罐5中的正极电解液离子价态高于所述正极低位电解液储液罐4中的正极电解液离子价态；所述负极高位电解液储液罐7中的负极电解液离子价态低于负极低位电解液储液罐6中的负极电解液离子价态。
所述阀门一21和阀门二22为液体输送阀门。
所述正极低位电解液储液罐4与液流电池或液流电池组8的正极下端口的连通管路上设置有导液泵一11，通过导液泵一11经液流电池或液流电池组8的正极空间实现充电时储存正极电解液的储液罐的导通过程；所述负极低位电解液储液罐6与液流电池或液流电池组的负极下端口的连通管路上设置有导液泵二12，通过导液泵二12经液流电池或液流电池组8的负极空间实现充电时储存负极电解液的储液罐的导通过程。这种单向的充电方式，正、负极低位电解液储液罐中的电解液离子浓度始终不变，参与电化学反应的电解液离子浓度不变，降低了充电过程浓差极化的影响，改善了液流电池在充电过程中的SOC状态。同时提高了电解液的利用率，进而节省了液流电池的投资成本。
所述正极高位电解液储液罐5和正极低位电解液储液罐4的空间布置存在相对位势差，依靠二者电解液之间的液位差，在重力场的作用下，通过控制阀门一21的开度，正极高位电解液储液罐5中的电解液以恒定流量，经液流电池或液流电池组8的正极空间实现放电时储存正极电解液的储液罐的导通过程；所述负极高位电解液储液罐7和负极低位电解液储液罐6的空间布置存在相对位势差，依靠二者电解液之间的液位差，在重力场的作用下，通过控制阀门二22的开度，负极高位电解液储液罐7中的电解液以恒定流量，经液流电池或液流电池组8的负极空间实现放电时储存负极电解液的储液罐的导通过程。这种单向的放电方式，正、负极高位电解液储液罐中的电解液离子浓度始终不变，参与电化学反应的电解液离子浓度不变，使得充放电过程的输出电压基本保持稳定，并降低了放电过程浓差极化的影响，改善了液流电池在放电过程中的SOC状态。特别是，放电过程中电解液的流动引入了位势差引起的势能，显著降低了泵功消耗。即充电过程消耗的泵功机械能转化为势能储存起来，推动放电过程电解液的流动，达到节能效果。
所述正极高位电解液储液罐5和正极低位电解液储液罐4之间连接有压力平衡管一31，负极高位电解液储液罐7和负极低位电解液储液罐6之间连接有压力平衡管二32。
由于正负极储液罐分别与外界隔绝，所以在电解液流动过程中会造成高、低位储液罐压力不平衡，通过压力平衡管使高、低位储液罐上下导通，消除压力变化的影响。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1)充电过程中消耗的泵能转化为势能储存起来，用于放电过程，增大了放电容量。
2)充放电过程输出电压稳定。
3)浓差极化影响显著减小。
4)电解液利用率提高，降低投资成本。
5)系统改造投资成本低廉。
综合来看，本发明的液流电池系统具有节能、输出电压稳定、低成本和结构简单等优势，在大规模电力储能领域有着广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明一种液流电池系统结构示意图。
图2为本发明一种液流电池系统充电运行模式结构示意图。
图3为本发明一种液流电池系统放电运行模式结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
图1给出了本发明一种液流电池系统结构示意图，主要包括：
液流电池或液流电池组8、正极高位电解液储液罐5、正极低位电解液储液罐4、负极高位电解液储液罐7以及负极低位电解液储液罐6等。正极高位电解液储液罐5的空间布置位势高于正极低位电解液储液罐4的空间布置位势，负极高位电解液储液罐7的空间布置位势高于负极低位电解液储液罐6的空间布置位势。正极高位电解液储液罐5中的正极电解液离子价态高于所述正极低位电解液储液罐4中的正极电解液离子价态；负极高位电解液储液罐7中的负极电解液离子价态低于负极低位电解液储液罐6中的负极电解液离子价态。
本发明的具体操作方法是：
由于该液流电池系统可以实现充电和放电两个过程，因此其具体操作主要分为两个运行模式：
(1)充电过程：如图2，本发明一种液流电池系统充电运行模式结构示意图所示。正极低位电解液储液罐4与液流电池或液流电池组8的正极下端口的连通管路上设置有导液泵一11，正极低位电解液储液罐4中的电解液通过导液泵一11经液流电池或液流电池组8的正极空间流向正极高位电解液储液罐5，实现充电时储存正极电解液的储液罐的导通过程。负极低位电解液储液罐6与液流电池或液流电池组8的负极下端口的连通管路上设置有导液泵二12，负极低位电解液储液罐6中的电解液通过导液泵二12经液流电池或液流电池组8的负极空间流向负极高位电解液储液罐7，实现充电时储存负极电解液的储液罐的导通过程。这种单向的充电方式，正极低位电解液储液罐4和负极低位电解液储液罐6中的电解液离子浓度始终不变，参与电化学反应的电解液离子浓度不变，降低了充电过程浓差极化的影响，改善了液流电池在充电过程中的SOC状态。同时提高了电解液的利用率，进而节省了液流电池的投资成本。
该充电过程中，正极电解液由正极低位电解液储液罐4依靠导液泵一11流向正极高位电解液储液罐5，负极电解液由负极低位电解液储液罐6依靠导液泵二12流向负极高位电解液储液罐7。此过程需要消耗泵功。
(2)放电过程：如图3，本发明一种液流电池系统放电运行模式结构示意图所示。正极高位电解液储液罐5和正极低位电解液储液罐4的空间布置存在相对位势差，依靠它们电解液之间的液位差，在重力场的作用下，通过控制阀门一21的开度，正极高位电解液储液罐5中的电解液以恒定流量，经液流电池或液流电池组8的正极空间，流向正极高位电解液储液罐4，实现放电时储存正极电解液的储液罐的导通过程。负极高位电解液储液罐7和负极低位电解液储液罐6的空间布置存在相对位势差，依靠它们电解液之间的液位差，在重力场的作用下，通过控制阀门二22开度，负极高位电解液储液罐7中的电解液以恒定流量，经液流电池或液流电池组的负极空间，流向负极低位电解液储液罐6，实现放电时储存负极电解液的储液罐的导通过程。这种单向的放电方式，正极高位电解液储液罐5和负极高位电解液储液罐7中的电解液离子浓度始终不变，参与电化学反应的电解液离子浓度不变，使得放电过程的输出电压基本保持稳定，并降低了放电过程浓差极化的影响，改善了液流电池在放电过程中的SOC状态。同时也提高了电解液的利用率，进而节省了液流电池的投资成本。更重要的是，放电过程中电解液的流动只需位势差引起的势能，不需要泵功。即充电过程消耗的泵功机械能转化为势能储存起来，推动放电过程电解液的流动，达到节能效果。
该放电过程中，正极电解液由正极高位电解液储液罐5依靠位势差流向正极高位电解液储液罐4，负极电解液由负极高位电解液储液罐7依靠位势差流向负极低位电解液储液罐6。此过程不需要消耗泵功。
在此结构中，充电过程和放电过程时，通过压力平衡管一31使正极高位电解液储液罐5和正极低位电解液储液罐4上下导通，通过压力平衡管二32使负极高位电解液储液罐7和负极低位电解液储液罐6上下导通，从而消除压力变化的影响。
本发明的液流电池系统将充电过程消耗的泵功转化为势能储存起来，用于放电过程，且放电过程电化学反应的电解液离子浓度基本不变，实现节能、输出电压稳定，而且还具有低成本和结构简单等优势，在大规模电力储能领域有着广阔的应用前景。

Claims (6)

1.一种液流电池系统，包括液流电池或液流电池组(8)、正极高位电解液储液罐(5)、正极低位电解液储液罐(4)、负极高位电解液储液罐(7)以及负极低位电解液储液罐(6)：
所述正极高位电解液储液罐(5)通过管路与液流电池或液流电池组(8)的正极上端口相连，在其连通管路上设置有阀门一(21)，所述正极低位电解液储液罐(4)通过管路与液流电池或液流电池组(8)的正极下端口相连；
所述负极高位电解液储液罐(7)通过管路与液流电池或液流电池组(8)的负极上端口相连，在其连通管路上设置有阀门二(22)，所述负极低位电解液储液罐(6)通过管路与液流电池或液流电池组(8)的负极下端口相连；
其特征在于，所述正极低位电解液储液罐(4)与液流电池或液流电池组(8)的正极下端口的连通管路上设置有导液泵一(11)，通过导液泵一(11)经液流电池或液流电池组(8)的正极空间实现充电时储存正极电解液的储液罐的导通过程；所述负极低位电解液储液罐(6)与液流电池或液流电池组的负极下端口的连通管路上设置有导液泵二(12)，通过导液泵二(12)经液流电池或液流电池组(8)的负极空间实现充电时储存负极电解液的储液罐的导通过程。
2.根据权利要求1所述液流电池系统，其特征在于，所述正极高位电解液储液罐(5)的空间布置位势高于正极低位电解液储液罐(4)的空间布置位势，所述负极高位电解液储液罐(7)的空间布置位势高于负极低位电解液储液罐(6)的空间布置位势。
3.根据权利要求1或2所述液流电池系统，其特征在于，所述正极高位电解液储液罐(5)中的正极电解液离子价态高于所述正极低位电解液储液罐(4)中的正极电解液离子价态；所述负极高位电解液储液罐(7)中的负极电解液离子价态低于负极低位电解液储液罐(6)中的负极电解液离子价态。
4.根据权利要求1所述液流电池系统，其特征在于，所述阀门一(21)和阀门二(22)为液体输送阀门。
5.根据权利要求1所述液流电池系统，其特征在于，所述正极高位电解液储液罐(5)和正极低位电解液储液罐(4)的空间布置存在相对位势差，依靠二者电解液之间的液位差，在重力场的作用下经液流电池或液流电池组(8)的正极空间实现放电时储存正极电解液的储液罐的导通过程；所述负极高位电解液储液罐(7)和负极低位电解液储液罐(6)的空间布置存在相对位势差，依靠二者电解液之间的液位差，在重力场的作用下经液流电池或液流电池组(8)的负极空间实现放电时储存负极电解液的储液罐的导通过程。
6.根据权利要求1所述液流电池系统，其特征在于，所述正极高位电解液储液罐(5)和正极低位电解液储液罐(4)之间连接有压力平衡管一(31)，负极高位电解液储液罐(7)和负极低位电解液储液罐(6)之间连接有压力平衡管二(32)。
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