CN108461661B - 一种电堆钒电池储能系统 - Google Patents

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Abstract

一种电堆钒电池储能系统，涉及一种储能系统，通过电堆结构改进，提供一种新型不会渗漏电堆钒电池储能系统。包括储液系统、导液系统、电堆，储液系统通过导液系统连接电堆，其特征在于：电堆由电池单元组成，电池单元包括护板、隔板，护板与隔板围成一个单元空间，护板与隔板所围成空间水平横截面为扇环形；护板与隔板所围成空间内设置电极毡、双极板、离子交换膜，离子交换膜设于前述空间的中心，离子交换膜两边对称布置有电极毡和双极板，电极毡、双极板、离子交换膜沿圆筒轴向布置，离子交换膜两侧的电极毡分别用于正极电解液和负极电解液的流动。

Description

一种电堆钒电池储能系统
技术领域
本发明涉及一种储能系统，尤其涉及一种新型电堆钒电池储能系统。
背景技术
钒电池VRB电池由两个电解液地和一层层的电池单元组成。电解液地用于盛两种不同的电解液。每个电池单元由两个“半单元”组成，中间夹着隔膜和用于收集电流的电极。两个不同的“半单元”中盛放着不同离子形态的钒的电解液。每个电解液池配有一个泵，用于在封闭的管道中为每一个“半单元”输送电解液。当带电的电解液在一层层的电池单元中流动时，电子就流动到外部电路，这就是放电过程。
现有技术中的电堆机构设置主要有两种，一种是长方体形状，即电池单元呈扁平立方体，并排串联安装，N个电池单元由螺杆串联拉紧形成一个长方体电堆；另一种是圆柱状，电池单元呈圆饼状，N个电池单元由螺杆串联拉紧形成一个圆柱体电堆；每块电池单元中外壳由护板和隔板组成，电堆中电池单元的固定一般采用较长的螺栓固定。由于采用电解液泵驱动电解液的流动，电解液具有一定的压力，导致电解液容易从护板间隙流出，产生渗漏。
发明内容
本发明目的在于针对现有钒电池的上述缺陷，通过电堆结构改进，提供一种新型不会渗漏电堆钒电池储能系统。
本发明技术方案是：一种电堆钒电池储能系统，包括储液系统、导液系统、电堆，储液系统通过导液系统连接电堆，其特征在于：电堆由电池单元组成，电池单元包括护板、隔板，护板与隔板围成一个单元空间，护板与隔板所围成空间水平横截面为扇环形；护板与隔板所围成空间内设置电极毡、双极板、离子交换膜，离子交换膜设于前述空间的中心，离子交换膜两边对称布置有电极毡和双极板，电极毡、双极板、离子交换膜沿圆筒轴向布置，离子交换膜两侧的电极毡分别用于正极电解液和负极电解液的流动；护板设置有正极电解液入口、正极电解液出口、负极电解液入口、负极电解液出口和直流电输出线，直流电输出线连接在双极板上；N个电池单元连接一起形成圆筒状电堆；圆筒状电堆的一处隔板两边设正、负电解液的出口和入口；护板上设有导流孔，导流孔分别将各电池单元的正极电解液和负极电解液连接一起形成两条独立的通道；圆筒状电堆外采用捆紧装置沿圆周方向固定，这种结构使电堆在电解液高压状态下不会出现渗漏。
进一步的所述储液系统包括正极电解液容器、负极电解液容器、排气阀，正极电解液容器用于存放正极电解液，负极电解液容器用于存放负极电解液，在正极电解液容器、负极电解液容器的顶部分别设有一个排气阀；导液系统包括正极电解液进液管、负极电解液进液管、正极泵、负极泵、正极电解液出液管、负极电解液出液管；正极电解液进液管一端与正极电解液容器连通，另一端与电堆连通；负极电解液进液管一端与负极电解液容器连通，另一端与电堆连通；在所述正极电解液进液管上设正极泵，在所述负极电解液进液管上设负极泵；正极电解液出液管一端与正极电解液容器连通，另一端与电堆连通；负极电解液出液管一端与负极电解液容器连通，另一端与电堆连通。
进一步的所述电堆的正极电解液入口、正极电解液出口分别通过正极电解液进液管、正极电解液出液管和正极电解液容器连通；电堆的负极电解液入口、负极电解液出口分别通过负极电解液进液管和负极电解液出液管与负极电解液容器连通；正极电解液入口、负极电解液入口、正极电解液出口和负极电解液出口位于环形立柱状电堆的外侧面，正极电解液入口和负极电解液入口位于电堆外侧面的下方，正极电解液出口和负极电解液出口位于电堆外侧面的上方。
优选地，圆周方向的捆紧装置为环状或带状紧固件中的一种。
优选地，储能系统中设有内压平衡管和放液阀，所述内压平衡管将正极电解液容器、负极电解液容器连通，所述放液阀分别位于正极电解液容器、负极电解液容器的底部。
优选地，导液系统的正极电解液进液管和负极电解液进液管分别设有一个抽液阀，并设有分支管路；所述抽液阀分别位于正极电解液进液管与正极泵，以及负极电解液进液管与负极泵之间。
优选地，在所述导液系统内设有混液系统，包括框形回液管路，第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，其中，框形回液管路由4根首尾相连的导管组成，在其中一根导管上串联设有第一阀门和第二阀门，在其相对的导管上串联设有第三阀门和第四阀门，框形回液管路分别将正极电解液出液管和负极电解液出液管分成两段，其中，框形回液管路与电堆之间的为前段，另一段为后端，正极电解液出液管前后两段之间设有第一阀门，负极电解液出液管前后两段之间设有第三阀门，正极电解液出液管前段与负极电解液出液管后段之间设有第二阀门，负极电解液出液管前段与正极电解液出液管后段之间设有第四阀门。
优选地，在所述正极电解液出液管和负极电解液出液管上固定设有温度传感器。
优选地，在电堆上方固定设有电池管理系统。
优选地，所述圆筒状电堆的高大于电堆的外径。
优选地，所述圆筒状电堆的高小于等于电堆的外径。
优选地，捆紧装置镀锌或套有一层防锈材料，或为塑料材料制成。
本发明有益效果在于：与现有技术相比，本发明将现有的长方体或圆柱状由螺栓固定的电堆改为环形立柱状，对电堆的固定改为圆周方向的捆紧固定，将原本依赖螺杆拉紧固定的护板，改为圆周方向的捆紧固定方式，在有一定压力的电解液的作用下，护板在圆周方向上移动，在护板间间隙小到一定极限值的情况下，即使电解液有再大的作用力，也无法增大护板间的间隙，从而大大改善了电堆中护板缝隙漏液的情况，且通过对捆紧装置作防锈处理，提高了钒电池的可靠性、实用性和感观性。内压平衡管设置解决了空气进入电解液内问题，提高了系统使用寿命；混液系统的设置解决了电解液电子、离子交换均衡问题。
附图说明
图1为本发明的结构示意图
图2为本发明的正、负极电解液流向示意图
图3为本发明的混液系统结构示意图
图4为本发明的电堆内部电解液流向示意图
图5为本发明不含捆紧装置的电堆内部结构展开后的示意图
图中：正极电解液容器101、负极电解液容器102、排气阀103、内压平衡管104、放液阀105、正极电解液进液管201、负极电解液进液管202、正极泵203、负极泵204、正极电解液出液管205、负极电解液出液管206、抽液阀207、进液阀208、捆紧装置209、正极电解液入口301、正极电解液出口302、负极电解液入口303、负极电解液出口304、电极毡305、离子交换膜306、双极板307、直流电输出线308、隔板309、护板310、导流孔311、第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403和第四阀门404、电池管理控制箱500。
具体实施方式
下面结合实施实例和附图对本发明作进一步说明。
实施例1：
如图1-4所示，一种电堆钒电池储能系统，包括储液系统、导液系统、电堆，储液系统通过导液系统连接电堆，电堆由电池单元组成，电池单元包括护板310、隔板309，护板310与隔板309围成一个单元空间，护板310与隔板309所围成空间水平横截面为扇环形；护板310与隔板309所围成空间内设置电极毡305、双极板307、离子交换膜306，离子交换膜306设于前述空间的中心，离子交换膜306两边对称布置有电极毡305和双极板307，电极毡305、双极板307、离子交换膜306沿圆筒轴向布置，离子交换膜306两侧的电极毡305分别用于正极电解液和负极电解液的流动；护板310设置有正极电解液入口301、正极电解液出口302、负极电解液入口303、负极电解液出口304和直流电输出线308，直流电输出线308连接在双极板307上；N个电池单元连接一起形成圆筒状电堆；圆筒状电堆的一处隔板309两边设正、负电解液的出口和入口；护板310上设有导流孔311，导流孔311分别将各电池单元的正极电解液和负极电解液连接一起形成两条独立的通道；圆筒状电堆外采用捆紧装置209沿圆周方向固定，这种结构使电堆在电解液高压状态下不会出现渗漏。
储液系统包括正极电解液容器101、负极电解液容器102、排气阀103，正极电解液容器101用于存放正极电解液，负极电解液容器102用于存放负极电解液，在正极电解液容器101、负极电解液容器102的顶部分别设有一个排气阀103；导液系统包括正极电解液进液管201、负极电解液进液管202、正极泵203、负极泵204、正极电解液出液管205、负极电解液出液管206；正极电解液进液管201一端与正极电解液容器101连通，另一端与电堆连通；负极电解液进液管202一端与负极电解液容器102连通，另一端与电堆连通；在所述正极电解液进液管201上设正极泵203，在所述负极电解液进液管202上设负极泵204；正极电解液出液管205一端与正极电解液容器101连通，另一端与电堆连通；负极电解液出液管206一端与负极电解液容器102连通，另一端与电堆连通；正极电解液入口301、正极电解液出口302与电堆通过正极电解液进液管201、正极电解液出液管205和正极电解液容器101连通；负极电解液入口303、负极电解液出口304和电堆通过负极电解液进液管202和负极电解液出液管206与负极电解液容器102连通；正极电解液入口301和负极电解液入口303位于电堆外侧面的下方，正极电解液出口302和负极电解液出口304位于电堆外侧面的上方，电堆设有圆周方向的捆紧装置；电堆上设有直流电输出线308。
所述圆周方向的捆紧装置为带状紧固件。
在正极泵203和负极泵204的作用下，正极电解液容器101、负极电解液容器102的内部容易形成负压，为了消除负压的不利影响，需要在正极电解液容器101、负极电解液容器102两容器与大气压连通，为了尽可能减少空气的进入，首先用内压平衡管104将正极电解液容器101、负极电解液容器102连通。
为了方便正极电解液容器101、负极电解液容器102内电解液的更换，在位于正极电解液容器101、负极电解液容器102的底部设置放液阀105。
所述导液系统的正极电解液进液管201和负极电解液进液管202分别设有一个抽液阀207，并设有分支管路；所述抽液阀207分别位于正极电解液进液管201与正极泵203，以及负极电解液进液管202与负极泵204之间。
在所述导液系统内设有混液系统，包括框形回液管路，第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403和第四阀门404，其中，框形回液管路由4根首尾相连的导管组成，在其中一根导管上串联设有第一阀门401和第二阀门402，在其相对的导管上串联设有第三阀门403和第四阀门404，框形回液管路分别将正极电解液出液管205和负极电解液出液管206分成两段，其中，框形回液管路与电堆之间的为前段，另一段为后端，正极电解液出液管205前后两段之间设有第一阀门401，负极电解液出液管206前后两段之间设有第三阀门403，正极电解液出液管205前段与负极电解液出液管206后段之间设有第二阀门402，负极电解液出液管206前段与正极电解液出液管205后段之间设有第四阀门404，在所述正极电解液出液管205和负极电解液出液管206上固定设有温度传感器；在电堆上方固定设有电池管理系统；捆紧装置镀锌或套有一层防锈材料。
实施例2：
如图1-4所示，一种电堆钒电池储能系统，包括储液系统、导液系统、电堆，其中，储液系统包括正极电解液容器101、负极电解液容器102、排气阀103，正极电解液容器101用于存放正极电解液，负极电解液容器102用于存放负极电解液，在正极电解液容器101、负极电解液容器102的顶部分别设有一个排气阀103；导液系统包括正极电解液进液管201、负极电解液进液管202、正极泵203、负极泵204、正极电解液出液管205、负极电解液出液管206；其中，正极电解液进液管201一端与正极电解液容器101连通，另一端与电堆连通；负极电解液进液管202一端与负极电解液容器102连通，另一端与电堆连通；在所述正极电解液进液管201上设正极泵203，在所述负极电解液进液管202上设负极泵204；正极电解液出液管205一端与正极电解液容器101连通，另一端与电堆连通；负极电解液出液管206一端与负极电解液容器102连通，另一端与电堆连通；电堆包括正极电解液入口301、正极电解液出口302、负极电解液入口303、负极电解液出口304、电极毡305、双极板307、离子交换膜306、直流电输出线308，其中，电解液在电极毡305内流动，以离子交换膜306为中心，向两边依次对称布置有电极毡305和双极板307，位于离子交换膜306两侧的电极毡305分别用于存放正极电解液和负极电解液，电堆呈环形立柱状，由水平横截面为扇形结构的电极毡305、双极板307竖立布置，环形立柱状电堆电极毡305、双极板307的四周由护板包围；在环形立柱状电堆的一处设有隔板309用于隔离正、负电解液的出口和入口，除隔板309处的护板310之外，其他位置的护板310中间均夹有离子交换膜306；除隔板309处的护板310之外，其他位置的护板310上设有导流孔311，分正极电解液和负极电解液两条独立的分支；正极电解液入口301、正极电解液出口302与电堆通过正极电解液进液管201、正极电解液出液管205和正极电解液容器101连通；负极电解液入口303、负极电解液出口304和电堆通过负极电解液进液管202和负极电解液出液管206与负极电解液容器102连通；正极电解液入口301、负极电解液入口303、正极电解液出口302和负极电解液出口304位于环形立柱状电堆的外侧面，正极电解液入口301和负极电解液入口303位于电堆外侧面的下方，正极电解液出口302和负极电解液出口304位于电堆外侧面的上方，电堆设有圆周方向的捆紧装置；电堆上设有直流电输出线308。所述圆周方向的捆紧装置为环状紧固件。
在正极泵203和负极泵204的作用下，正极电解液容器101、负极电解液容器102的内部容易形成负压，为了消除负压的不利影响，需要在正极电解液容器101、负极电解液容器102两容器与大气压连通，为了尽可能减少空气的进入，首先用内压平衡管将正极电解液容器101、负极电解液容器102连通。
为了方便电解液容器101、负极电解液容器102内电解液的更换，在位于正极电解液容器101、负极电解液容器102的底部设置放液阀105。
所述导液系统的正极电解液进液管201和负极电解液进液管202分别设有一个抽液阀207，并设有分支管路；所述抽液阀207分别位于正极电解液进液管201与正极泵203，以及负极电解液进液管202与负极泵204之间。
在所述导液系统内设有混液系统，包括框形回液管路，第一阀门401、第二阀门402、第三阀门403和第四阀门404，其中，框形回液管路由4根首尾相连的导管组成，在其中一根导管上串联设有第一阀门401和第二阀门402，在其相对的导管上串联设有第三阀门403和第四阀门404，框形回液管路分别将正极电解液出液管205和负极电解液出液管206分成两段，其中，框形回液管路与电堆之间的为前段，另一段为后端，正极电解液出液管205前后两段之间设有第一阀门401，负极电解液出液管206前后两段之间设有第三阀门403，正极电解液出液管205前段与负极电解液出液管206后段之间设有第二阀门402，负极电解液出液管206前段与正极电解液出液管205后段之间设有第四阀门404。在所述正极电解液出液管205和负极电解液出液管206上固定设有温度传感器。在电堆上方固定设有电池管理系统。所述环形立柱状电堆的高大于电堆的外径。
此外，图4中最外层的为圆周方向的捆紧装置209，且在电堆中设有隔板309，用于正、负极电解液进口与出口的区分。
结合图3对混液的作用以及混液操作步骤作相关介绍：钒电池在全充全放大约上百个循环后, 由于存在钒离子从负极向正极的净迁移，钒电池容量大约会下降 20%，这是钒电池的固有属性。但是钒电池容量可通过将正、负极电解液充分混合，而得以完全恢复。
钒电池混液步骤如下：
（1）确认钒电池处于关闭状态，正、负极电解泵均未启动；
（2）将回液管路第一阀门401和第三阀门403完全关闭；
（3）将回液管路第二阀门402和第四阀门404完全打开；
（4）通过看、听、摸确认正、负极电解泵均已启动，确认正极电解液从正极电解液容器101经过电堆持续流入负极电解液容器102中，而负极电解液从负极电解液容器102经过电堆持续流入到正极电解液容器101中，从而实现正、负极电解液的快速混合；
（5）混合约 40 分钟后，通过分别控制正、负极泵的启停，使正、负极电解液容器中的液位在同一水平线上，使正、负极电解液的体积相等，正、负极电解液均为 3.5 价钒电解液；
（6）再将回液管路第一阀门401和第三阀门403完全打开，将回液管路第二阀门402和第四阀门404完全关闭，电解液的混液操作即告完成。

Claims (8)

1.一种电堆钒电池储能系统，包括储液系统、导液系统、电堆，储液系统通过导液系统连接电堆，其特征在于：电堆由电池单元组成，电池单元包括护板、隔板，护板与隔板围成一个单元空间，护板与隔板所围成空间水平横截面为扇环形；护板与隔板所围成空间内设置电极毡、双极板、离子交换膜，离子交换膜设于前述空间的中心，离子交换膜两边对称布置有电极毡和双极板，电极毡、双极板、离子交换膜沿圆筒轴向布置，离子交换膜两侧的电极毡分别用于正极电解液和负极电解液的流动；护板设置有正极电解液入口、正极电解液出口、负极电解液入口、负极电解液出口和直流电输出线，直流电输出线连接在双极板上；N个电池单元连接一起形成圆筒状电堆；圆筒状电堆的一处隔板两边设正、负电解液的出口和入口；护板上设有导流孔，导流孔分别将各电池单元的正极电解液和负极电解液连接一起形成两条独立的通道；圆筒状电堆外采用捆紧装置沿圆周方向固定，这种结构使电堆在电解液高压状态下不会出现渗漏；在所述导液系统内还设有混液系统，包括框形回液管路，第一阀门、第二阀门、第三阀门和第四阀门，其中，框形回液管路由4根首尾相连的导管组成，在其中一根导管上串联设有第一阀门和第二阀门，在其相对的导管上串联设有第三阀门和第四阀门，框形回液管路分别将正极电解液出液管和负极电解液出液管分成两段，其中，框形回液管路与电堆之间的为前段，另一段为后端，正极电解液出液管前后两段之间设有第一阀门，负极电解液出液管前后两段之间设有第三阀门，正极电解液出液管前段与负极电解液出液管后段之间设有第二阀门，负极电解液出液管前段与正极电解液出液管后段之间设有第四阀门；所述储液系统包括正极电解液容器、负极电解液容器、排气阀，正极电解液容器用于存放正极电解液，负极电解液容器用于存放负极电解液，在正极电解液容器、负极电解液容器的顶部分别设有一个排气阀；导液系统包括正极电解液进液管、负极电解液进液管、正极泵、负极泵、正极电解液出液管、负极电解液出液管；正极电解液进液管一端与正极电解液容器连通，另一端与电堆连通；负极电解液进液管一端与负极电解液容器连通，另一端与电堆连通；在所述正极电解液进液管上设正极泵，在所述负极电解液进液管上设负极泵；正极电解液出液管一端与正极电解液容器连通，另一端与电堆连通；负极电解液出液管一端与负极电解液容器连通，另一端与电堆连通；钒电池在全充全放上百个循环后, 由于存在钒离子从负极向正极的净迁移，钒电池容量会下降 20%，钒电池容量可通过将正、负极电解液充分混合，而得以完全恢复，钒电池混液步骤如下：
（1）确认钒电池处于关闭状态，正、负极电解泵均未启动；
（2）将回液管路第一阀门（401）和第三阀门（403）完全关闭；
（3）将回液管路第二阀门（402）和第四阀门（404）完全打开；
（4）通过看、听、摸确认正、负极电解泵均已启动，确认正极电解液从正极电解液容器（101）经过电堆持续流入负极电解液容器（102）中，而负极电解液从负极电解液容器102经过电堆持续流入到正极电解液容器（101）中，从而实现正、负极电解液的快速混合；
（5）混合 40 分钟后，通过分别控制正、负极泵的启停，使正、负极电解液容器中的液位在同一水平线上，使正、负极电解液的体积相等，正、负极电解液均为 3.5 价钒电解液；
（6）再将回液管路第一阀门（401）和第三阀门（403）完全打开，将回液管路第二阀门（402）和第四阀门（404）完全关闭，电解液的混液操作即告完成。
2.根据权利要求1所述一种电堆钒电池储能系统，其特征是：所述电堆的正极电解液入口、正极电解液出口分别通过正极电解液进液管、正极电解液出液管和正极电解液容器连通；电堆的负极电解液入口、负极电解液出口分别通过负极电解液进液管和负极电解液出液管与负极电解液容器连通；正极电解液入口、负极电解液入口、正极电解液出口和负极电解液出口位于环形立柱状电堆的外侧面，正极电解液入口和负极电解液入口位于电堆外侧面的下方，正极电解液出口和负极电解液出口位于电堆外侧面的上方。
3.根据权利要求1所述一种电堆钒电池储能系统，其特征是：圆周方向的捆紧装置为环状或带状紧固件中的一种。
4.根据权利要求1所述一种电堆钒电池储能系统，其特征是：储液系统中设有内压平衡管和放液阀，所述内压平衡管将正极电解液容器、负极电解液容器连通，所述放液阀分别位于正极电解液容器、负极电解液容器的底部。
5.根据权利要求1所述一种电堆钒电池储能系统，其特征是：导液系统的正极电解液进液管和负极电解液进液管分别设有一个抽液阀，并设有分支管路；所述抽液阀分别位于正极电解液进液管与正极泵，以及负极电解液进液管与负极泵之间。
6.根据权利要求1所述一种电堆钒电池储能系统，其特征是：在所述正极电解液出液管和负极电解液出液管上固定设有温度传感器。
7.根据权利要求1所述一种电堆钒电池储能系统，其特征是：在电堆上方固定设有电池管理系统。
8.根据权利要求1所述一种电堆钒电池储能系统，其特征是：捆紧装置镀锌或套有一层防锈材料，或为塑料材料制成。
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