CN107346830A

CN107346830A - 液流电池控制方法及其装置、液流电池

Info

Publication number: CN107346830A
Application number: CN201610296894.2A
Authority: CN
Inventors: 高新亮; 张华民; 李颖; 王晓丽; 赵叶龙; 刘若男; 刘鸿轩; 张涛
Original assignee: Dalian Rongke Power Co Ltd
Current assignee: Dalian Rongke Power Co Ltd
Priority date: 2016-05-06
Filing date: 2016-05-06
Publication date: 2017-11-14
Anticipated expiration: 2036-05-06
Also published as: CN107346830B

Abstract

本发明公开了一种液流电池控制方法及其装置、液流电池，所述控制方法包括如下步骤：在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节电解液流速；所述控制方法还包括如下步骤：在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节充电功率或放电功率；所述控制方法还包括如下步骤：在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节电解液温度；所述控制方法还包括如下步骤：在液流电池停机时降低电解液温度；本发明能够有效抑制液流电池的容量衰减程度、提高电解液利用率、可减少液流电池维护成本、以及提高液流电池的使用寿命和性能，本发明操作过程简单易行，可直接在电池运行中进行操作控制，操作成本低。

Description

液流电池控制方法及其装置、液流电池

技术领域

本发明属于液流电池技术领域，具体为一种液流电池控制方法及其装置、液流电池。

背景技术

资源问题和环境问题制约着人类社会的发展。化石燃料的无节制使用，使得大气中的二氧化碳气体含量身高，空气质量下降，带来的温室效应和全球变暖问题已被全球关注；自20世纪70年代以来，世界的能源需求以1.5％～2％的年增长率上升(被开采和消费的石油以每年2亿吨的速率增长)。以此推算，现存的石油、煤和天然气等化石燃料，在未来的几十年到两百年间将会被消耗殆尽，因此开发新的能源迫在眉睫。风能、太阳能等绿色无污染的可再生能源已经成为世界各国的研究热点，不断有MW级的风电厂和光伏电厂投产，但是风能、太阳能等可再生能源易受自然环境的影响，具有随机性、波动性、间歇性和调峰困难等缺点。随着可再生能源在电力系统中所占比例逐年增加，加强可再生能源并网的稳定性是大规模风能及太阳能有效发电的重要前提。

液流电池作为一种新型能量存储系统，具有安全性好、寿命长，蓄电容量大、功率与容量分离可调、选址自由和清洁环保等其它常规电池所不具备的诸多优点，是解决风能、太阳能存储的理想储能电源。全钒液流电池(VFB)的电解液是采用四种不同氧化态的钒离子，分别为正极含VO²⁺/VO₂ ⁺与负极含有V²⁺/V³⁺氧化还原电对的硫酸水溶液，其中不同价态钒离子是电池能量存储与转换的核心；其中，正极溶液VO²⁺/VO₂ ⁺与负极溶液V²⁺/V³⁺通过离子导电膜隔开；溶液中硫酸在作为导电介质的同时，也参与正极溶液的电极反应；电池运行中，正负极活性物质(钒离子)分别在正负电极表面参与电极反应，溶液中的导电介质氢离子透过隔膜形成通路；因为电池正负极活性物质在充放电过程中失去和得到的电荷是相等的，电极活性物质在充放电过程中没有损耗，惰性电极材料不参与反应，理论上电池的容量是不变的。但是，实验中发现随着充放电次数的增加，电池的容量逐次衰减；研究液流电池运行中导致电池容量衰减的原因，对于提高电池电解液利用率、延长电池运行寿命、以及普及液流电池应用均十分重要。美国专利申请US20110300417公开了一种采取正负极联通进而控制负极SOC数值，以抑制容量衰减的方式，但这种方式会降低系统总体的溶液利用率，成本上升，同时，正极SOC升高，正极溶液稳定性下降，并且增加了操作复杂性，并不适用于所有系统。中国专利CN101572319公开了一种正负极电解液采用不同SO₄ ^2-浓度的全钒液流电池，即正极溶液SO₄ ^2-浓度>负极溶液SO₄ ^2-浓度的电池运行方式，但该方式只考虑了正负极溶液的储存稳定性，未考虑负极H⁺浓度对液流电池容量衰减的影响。

发明内容

本发明针对以上问题的提出，而研制一种能够有效抑制液流电池的容量衰减程度、提高电解液利用率、可减少液流电池维护成本、以及提高液流电池的使用寿命和性能的液流电池控制方法及其装置、液流电池。

本发明的技术手段如下：

一种液流电池控制方法，所述液流电池包括电堆、正极电解液储罐、负极电解液储罐、电解液输送管路和循环泵，所述控制方法包括如下步骤：

在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节电解液流速；

另外，还包括如下步骤：

在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节充电功率或放电功率；

另外，所述控制方法还包括如下步骤：

在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节电解液温度；

另外，所述控制方法还包括如下步骤：

在液流电池停机时降低电解液温度；

进一步地，当70％≤SOC≤100％时，调节液流电池当前电解液流速至少为标准电解液流速的1.5倍，其中SOC指的是液流电池SOC；

进一步地，当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每增加10％，充电功率相应增加10％，同时将充电截止电压升高0.1～0.4V；当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每减少10％，放电功率相应降低10％，同时将放电截止电压降低0.1～0.2V；其中SOC指的是液流电池SOC；

进一步地，当70％≤SOC≤100％时，调节液流电池当前电解液温度为标准电解液温度的75％～95％，其中SOC指的是液流电池SOC；

进一步地，在液流电池停机时降低液流电池当前电解液温度，使得液流电池当前电解液温度低于等于标准电解液温度的20％。

一种液流电池控制装置，所述液流电池包括电堆、正极电解液储罐、负极电解液储罐和电解液输送管路，所述控制装置包括：

获得液流电池SOC值的SOC获取模块；

连接SOC获取模块的电解液流速调节模块；所述电解液流速调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节电解液流速；

进一步地，所述控制装置还包括连接SOC获取模块的充放电功率调节模块；所述充放电功率调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节液流电池充电功率或放电功率；

进一步地，所述控制装置还包括连接SOC获取模块的电解液温度调节模块；所述电解液温度调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节液流电池电解液温度；

进一步地，所述电解液温度调节模块还用于在液流电池停机时降低电解液温度；

进一步地，当70％≤SOC≤100％时，所述电解液流速调节模块对电解液流速进行调节，使得液流电池当前电解液流速至少为标准电解液流速的1.5倍，其中SOC指的是液流电池SOC；

进一步地，当70％≤SOC≤100％时，根据SOC获取模块获知的液流电池SOC每增加10％，所述充放电功率调节模块控制充电功率相应增加10％，同时将充电截止电压升高0.1～0.4V；当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每减少10％，所述充放电功率调节模块控制放电功率相应降低10％，同时将放电截止电压降低0.1～0.2V；其中SOC指的是液流电池SOC；

进一步地，当70％≤SOC≤100％时，所述电解液温度调节模块对液流电池电解液温度进行调节，使得液流电池当前电解液温度为标准电解液温度的75％～95％，其中SOC指的是液流电池SOC；

进一步地，所述电解液温度调节模块在液流电池停机时使得液流电池当前电解液温度低于等于标准电解液温度的20％。

一种液流电池，具有上述任一项所述的液流电池控制装置。

由于采用了上述技术方案，本发明提供的液流电池控制方法及其装置、液流电池，能够有效抑制液流电池的容量衰减程度、提高电解液利用率、可减少液流电池维护成本、以及提高液流电池的使用寿命和性能，本发明操作过程简单易行，可直接在电池运行中进行操作控制，操作成本低。

附图说明

图1是本发明所述控制装置的结构框图；

图2是现有技术中液流电池的结构示意图。

图中：1、电解液输送管路，3、正极电解液储罐，4、负极电解液储罐，5、循环泵，6、电堆。

具体实施方式

一种液流电池控制方法，所述液流电池包括电堆、正极电解液储罐、负极电解液储罐、电解液输送管路和循环泵，所述控制方法包括如下步骤：在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节电解液流速；另外，还包括如下步骤：在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节充电功率或放电功率；另外，所述控制方法还包括如下步骤：在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节电解液温度；另外，所述控制方法还包括如下步骤：在液流电池停机时降低电解液温度；进一步地，当70％≤SOC≤100％时，调节液流电池当前电解液流速至少为标准电解液流速的1.5倍，其中SOC指的是液流电池SOC；进一步地，当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每增加10％，充电功率相应增加10％，同时将充电截止电压升高0.1～0.4V；当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每减少10％，放电功率相应降低10％，同时将放电截止电压降低0.1～0.2V；其中SOC指的是液流电池SOC；进一步地，当70％≤SOC≤100％时，调节液流电池当前电解液温度为标准电解液温度的75％～95％，其中SOC指的是液流电池SOC；进一步地，在液流电池停机时降低液流电池当前电解液温度，使得液流电池当前电解液温度低于等于标准电解液温度的20％。本发明充放电功率的具体调节可以通过调节充放电电流和/或充放电电压来实现；图2示出了现有技术中液流电池的结构示意图，如图2所示，所述液流电池通常包括电堆6、正极电解液储罐3、负极电解液储罐4和电解液输送管路1；标准电解液流速一般根据循环泵5的泵耗、液流电池规格进行确定，当液流电池当前的电解液流速等于标准电解液流速，此时由电解液流速决定的液流电池运行性能为最佳，比如循环泵5泵耗为1.5kW、液流电池规格为30kW，其标准电解液流速可以为3.5m³/小时；液流电池的充电截止电压和放电截止电压根据制造单位所规定的单电池的充放电截止电压来确定；标准电解液温度一般根据制造商自行规定的电解液温度要求，当液流电池当前的电解液温度等于标准电解液温度，此时由电解液温度决定的液流电池运行性能为最佳，例如25～35℃；充电时，当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每增加10％，将液流电池的充电功率相应增加10％，同时将充电截止电压升高0.1～0.4V；放电时，当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每减少10％，将液流电池的放电功率相应降低10％，同时将放电截止电压降低0.1～0.2V。

如图1所示的一种液流电池控制装置，所述液流电池包括电堆6、正极电解液储罐3、负极电解液储罐4和电解液输送管路1，所述控制装置包括：获得液流电池SOC值的SOC获取模块；连接SOC获取模块的电解液流速调节模块；所述电解液流速调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节电解液流速；进一步地，所述控制装置还包括连接SOC获取模块的充放电功率调节模块；所述充放电功率调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节液流电池充电功率或放电功率；进一步地，所述控制装置还包括连接SOC获取模块的电解液温度调节模块；所述电解液温度调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节液流电池电解液温度；进一步地，所述电解液温度调节模块还用于在液流电池停机时降低电解液温度；进一步地，当70％≤SOC≤100％时，所述电解液流速调节模块对电解液流速进行调节，使得液流电池当前电解液流速至少为标准电解液流速的1.5倍，其中SOC指的是液流电池SOC；进一步地，当70％≤SOC≤100％时，根据SOC获取模块获知的液流电池SOC每增加10％，所述充放电功率调节模块控制充电功率相应增加10％，同时将充电截止电压升高0.1～0.4V；当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每减少10％，所述充放电功率调节模块控制放电功率相应降低10％，同时将放电截止电压降低0.1～0.2V；其中SOC指的是液流电池SOC；进一步地，当70％≤SOC≤100％时，所述电解液温度调节模块对液流电池电解液温度进行调节，使得液流电池当前电解液温度为标准电解液温度的75％～95％，其中SOC指的是液流电池SOC；进一步地，所述电解液温度调节模块在液流电池停机时使得液流电池当前电解液温度低于等于标准电解液温度的20％。

一种液流电池，具有上述任一项所述的液流电池控制装置。

在液流电池实际运行中，当负极溶液中出现V²⁺时，将会发生如下反应：2V²⁺+2H⁺＝2V³⁺+H₂↑，由该反应式可以看出，氢气在电极上的析出速率与硫酸浓度(H⁺浓度)及2价钒离子浓度有关。当[H⁺]和V²⁺的浓度越高，析氢反应的速度就越快。此外，不同SOC下，V²⁺与氢离子反应的析氢速率显著不同，因析氢副反应而损失的不可逆容量衰减也不同。

下面进一步说明本申请的具体应用实例：

1、将规模为125kW/500kWh、电堆规格为25kW、电解液流速为3.5m³/小时、电解液成分为硫酸体系的液流电池以第一运行模式和第二运行模式分别运行；其中第一运行模式为：充电初期电解液流速维持在3.5m³/小时，当液流电池SOC大于等于70％后，电解液流速提高至5.0m³/小时(设定标准电解液流速为3.2m³/小时)；放电初期，液流电池SOC大于等于70％，此时电解液流速为5.0m³/小时，当SOC≤70％后，电解液流速降低至3.5m³/小时，运行循环数可以选取500个；第二运行模式为：正极电解液储罐和负极电解液储罐之间设有联通管，运行循环数同样选取500个；第一运行模式和第二运行模式下的上述液流电池的容量衰减率和电解液利用率的具体情况见表1。

表1.以第一运行模式和第二运行模式分别运行的液流电池的容量衰减率和电解液利用率的数据对比表。

2、将规模为100kW/400kWh、电堆规格为25kW、电解液流速为3.5m³/小时、充电截止电压为1.58V、电解液成分为硫酸体系的液流电池以第三运行模式和第四运行模式分别运行；其中第三运行模式为：充电初期电解液流速维持3.5m³/小时，当SOC≥80％后，将电解液流速由3.5m³/小时提高至5.2m³/小时，充电功率升至原来充电功率的2倍，直至到达充电截止电压；放电初期，电解液流速为5.2m³/小时，随着放电的进行，当SOC≤75％后，电解液流速降低至3.5m³/小时，放电功率降至原来的1/2并保持至放电结束，运行循环数选取1000个；第四种运行模式：正极电解液储罐和负极电解液储罐之间设有联通管，充放电过程中电解液流速始终保持一致，为3.5m³/小时，充放电功率采用额定功率100kW，充电截止电压为1.55V，运行循环数选取1000个；第三运行模式和第四运行模式下的上述液流电池的容量衰减率和电解液利用率的具体情况见表2。

表2.以第三运行模式和第四运行模式分别运行的液流电池的容量衰减率和电解液利用率的数据对比表。

3、将规模为1MW/4MWh、电解液成分为硫酸体系的液流电池以第五运行模式和第六运行模式分别运行；其中第五运行模式为：充电时，在SOC＞85％后，电解液流速由3.0m³/小时增加至5.0m³/小时，至充电结束；放电时，在SOC＜75％后，电解液流速由5.0m³/小时降低至3.0m³/小时；运行循环数为300个；同时，在充电开始，维持电解液温度为40℃，在SOC＞70％后，将电解液温度降至35℃(设定标准电解液温度为38℃)至充电结束，放电时，在SOC＜70％后,将电解液温度由35℃提高至40℃；液流电池停机阶段，降低负极电解液温度到小于30℃(停机阶段，调整当前电解液温度低于等于标准电解液温度的20％，此处烦请发明人将具体数值确认匹配一下)；第六运行模式为：正极电解液储罐和负极电解液储罐之间设有联通管，液流电池充放电过程中电解液流速始终保持一致，为3.0m³/小时，充放电阶段和停机阶段均不采用控温策略；第五运行模式和第六运行模式下的上述液流电池的容量衰减率和电解液利用率的具体情况见表3。

表3.以第五运行模式和第六运行模式分别运行的液流电池的容量衰减率和电解液利用率的数据对比表。

由上可以看出，本发明解决了现有技术中的容量衰减抑制方式仅仅对电解液本体进行处理，未充分考虑液流电池析氢所带来的容量衰减问题，并且现有技术无法解决因析氢所带来的不可逆容量衰减问题，仅仅考虑正极电解液的稳定性，并未考虑负极电解液的稳定性；本发明能够有效抑制液流电池的容量衰减程度、提高电解液利用率、可减少液流电池维护成本、以及提高液流电池的使用寿命和性能，本发明操作过程简单易行，可直接在电池运行中进行操作控制，操作成本低。

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

1.一种液流电池控制方法，所述液流电池包括电堆、正极电解液储罐、负极电解液储罐、电解液输送管路和循环泵，其特征在于所述控制方法包括如下步骤：

在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节电解液流速。

2.根据权利要求1所述的液流电池控制方法，其特征在于所述控制方法还包括如下步骤：

在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节充电功率或放电功率。

3.根据权利要求1所述的液流电池控制方法，其特征在于所述控制方法还包括如下步骤：

在液流电池充电或放电时，根据液流电池SOC值调节电解液温度。

4.根据权利要求1所述的液流电池控制方法，其特征在于所述控制方法还包括如下步骤：

在液流电池停机时降低电解液温度。

5.根据权利要求1所述的液流电池控制方法，其特征在于当70％≤SOC≤100％时，调节液流电池当前电解液流速至少为标准电解液流速的1.5倍，其中SOC指的是液流电池SOC。

6.根据权利要求2所述的液流电池控制方法，其特征在于当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每增加10％，充电功率相应增加10％，同时将充电截止电压升高0.1～0.4V；当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每减少10％，放电功率相应降低10％，同时将放电截止电压降低0.1～0.2V；其中SOC指的是液流电池SOC。

7.根据权利要求3所述的液流电池控制方法，其特征在于当70％≤SOC≤100％时，调节液流电池当前电解液温度为标准电解液温度的75％～95％，其中SOC指的是液流电池SOC。

8.根据权利要求4所述的液流电池控制方法，其特征在于在液流电池停机时降低液流电池当前电解液温度，使得液流电池当前电解液温度低于等于标准电解液温度的20％。

9.一种液流电池控制装置，所述液流电池包括电堆、正极电解液储罐、负极电解液储罐和电解液输送管路，其特征在于所述控制装置包括：

获得液流电池SOC值的SOC获取模块；

连接SOC获取模块的电解液流速调节模块；所述电解液流速调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节电解液流速。

10.根据权利要求9所述的液流电池控制装置，其特征在于所述控制装置还包括连接SOC获取模块的充放电功率调节模块；所述充放电功率调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节液流电池充电功率或放电功率。

11.根据权利要求9所述的液流电池控制装置，其特征在于所述控制装置还包括连接SOC获取模块的电解液温度调节模块；所述电解液温度调节模块根据液流电池充电或放电时的SOC值来调节液流电池电解液温度。

12.根据权利要求11所述的液流电池控制装置，其特征在于所述电解液温度调节模块还用于在液流电池停机时降低电解液温度。

13.根据权利要求9所述的液流电池控制装置，其特征在于当70％≤SOC≤100％时，所述电解液流速调节模块对电解液流速进行调节，使得液流电池当前电解液流速至少为标准电解液流速的1.5倍，其中SOC指的是液流电池SOC。

14.根据权利要求10所述的液流电池控制装置，其特征在于当70％≤SOC≤100％时，根据SOC获取模块获知的液流电池SOC每增加10％，所述充放电功率调节模块控制充电功率相应增加10％，同时将充电截止电压升高0.1～0.4V；当70％≤SOC≤100％时，液流电池SOC每减少10％，所述充放电功率调节模块控制放电功率相应降低10％，同时将放电截止电压降低0.1～0.2V；其中SOC指的是液流电池SOC。

15.根据权利要求11所述的液流电池控制装置，其特征在于当70％≤SOC≤100％时，所述电解液温度调节模块对液流电池电解液温度进行调节，使得液流电池当前电解液温度为标准电解液温度的75％～95％，其中SOC指的是液流电池SOC。

16.根据权利要求12所述的液流电池控制装置，其特征在于所述电解液温度调节模块在液流电池停机时使得液流电池当前电解液温度低于等于标准电解液温度的20％。

17.一种液流电池，其特征在于所述液流电池具有权利要求9至16任一项所述的液流电池控制装置。