CN110121808A - 氧化还原液流电池 - Google Patents

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Abstract

一种氧化还原液流电池包括：电池、电解液箱和循环机构，所述电解液箱被构造成存储供应至电池单元的电解液，所述循环机构被布置在所述电池单元和所述电解液箱之间，并且被构造成循环电解液。所述循环机构包括：抽吸管，所述抽吸管被构造成：将电解液从所述电解液中的、抽吸管的开口端抽吸到所述电解液箱中的电解液的箱内液面的上方；循环泵，所述循环泵被布置在所述抽吸管的上端处；挤出管，所述挤出管从所述循环泵的排出口延续至所述电池单元；以及回路管，所述回路管从所述电池单元延续至所述电解液箱。HL/H0大于或等于0.4并且HS小于或等于HL，其中，H0是从所述电解液箱的内底表面到所述箱内液面的高度，HL是从所述抽吸管的开口端到所述箱内液面的长度，HS是从所述箱内液面到所述循环泵的抽吸口的中心的高度。

Description

氧化还原液流电池
技术领域
本发明设涉及一种氧化还原液流电池。
背景技术
专利文献1公开了一种氧化还原液流电池，该氧化还原液流电池包括：电池单元，所述电池单元被构造成在其本身与电力系统之间进行充电和放电；电解液箱，所述电解液箱被构造成存储供应至电池单元的电解液；以及循环机构，所述循环机构被布置在电池单元和电解液箱之间，并且被构造成循环电解液。所述循环机构包括：循环泵、从电解液箱延续至循环泵的管道、从循环泵延续至电池单元的管道以及从电池单元延续至电解液的管道。循环泵被布置在电解液箱的一侧。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审专利申请公开号2012-164530。
发明内容
根据本公开的氧化还原液流电池包括：电池单元；电解液箱，所述电解液箱被构造成存储供应至电池单元的电解液；以及循环机构，所述循环机构被布置在电池单元和电解液箱之间，并且被构造成循环电解液。循环机构包括：抽吸管，所述抽吸管被构造成：将电解液从所述电解液中的、抽吸管的开口端抽吸到电解液箱中的电解液的箱内液面的上方；循环泵，所述循环泵被布置在抽吸管的上端处；挤出管，所述挤出管从循环泵的排出口延续至电池单元；以及回路管，所述回路管从电池单元延续至电解液箱。HL/H0大于或等于0.4并且HS小于或等于HL，其中，H0是从电解液箱的内底表面到箱内液面的高度，HL是从抽吸管的开口端到箱内液面的长度，HS是从箱内液面到循环泵的抽吸口的中心的高度。
附图说明
[图1]图1示出了氧化还原液流电池的工作原理。
[图2]图2是氧化还原液流电池的示意图。
[图3]图3是电池单元堆的示意图。
[图4]图4是根据实施例的氧化还原液流电池的示意图。
[图5]图5是包括在根据该实施例的氧化还原液流电池中的循环机构的示意图。
[图6]图6是循环机构的示意图，所述循环机构所设置的抽吸管比图5所示循环机构中的抽吸管短。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
在传统的氧化还原液流电池中，循环泵被布置在电解液箱的一侧，以在电解液箱中循环电解液。这意味着，如果从电解液箱延续至循环泵的管道损坏，则电解液箱中的大部分电解液可能会泄漏。
因此，本公开的目的是提供一种氧化还原液流电池，即使从电解液箱延续至循环泵的管道损坏，该氧化还原液流电池也能防止电解液从电解液箱泄漏。
[本申请发明的实施例的描述]
鉴于上述问题，本发明人研究了用于将电解液抽吸到电解液箱的上方的构造。为了抽吸电解液，有必要考虑用于循环泵的必需净抽吸压头(NPSHr)以及考虑了抽吸条件的、用于循环泵的可用净抽吸压头(NPSHa)。NPSHr是通过将避免由气蚀引起的泵效率降低所需的最小抽吸压力转换成电解液液面(高度)(m)而获得的值。NPSHr是独立于液体性质等的泵特定值。相比之下，NPSHa是考虑抽吸条件的压头。NPSHa是表示电解液的抽吸期间达到气蚀之前的余量值，并且可以通过下式求出。为避免气蚀现象，需要满足NPSHr<NPSHa：
NPSHa(m)＝[(PA-PV)×106/p·g]–HS–Hfs
其中：
PA是在电解液箱中的箱内液面处施加的绝对压力(MPa)；
PV是与循环泵的抽吸口处的温度相对应的电解液的蒸汽压力(MPa)；
p是电解液密度(kg/m3)；
g是重力加速度(9.8m/s2)；
HS是电解液箱中的、箱内液面到循环泵的抽吸口的中心的高度(m)；并且
Hfs是抽吸管中的压头损失(m)。
注意，Hfs可以通过例如下述达西-威斯巴赫方程(Darcy-Weisbach equation)来确定：
压头损失h(m)＝α·λ·(L/d)·(v2/2g)
其中：
α是安全系数(例如，1.3)；
λ是管道摩擦系数；
L是管道长度或管道的等效长度(m)；
d是管道内径(m)；并且
v是电解液流速(m/s)。
对于氧化还原液流电池，还必需考虑电解液箱中的电解电解液的利用率。氧化还原液流电池利用电解液中包括的活性材料离子的化学价变化来执行充电和放电。因此，如果用于抽吸电解液的抽吸管在电解液中的浅层开口，则难以在电解液中产生对流，并且不能实现电解液箱中的活性材料的有效使用。为了在电解液中产生对流并提高电解液的利用率，优选的是从电解液中的深层抽吸电解液。但是，随着抽吸管的长度增加，抽吸管损失Hfs增大，NPSHa减小，如上述推导式所示。因此，需要调节抽吸高度HS(也称为实际抽吸压头)，以满足NPSHr<NPSHa。
本发明人进一步研究了用于抽吸电解液的构造，并且发现：通过限定HS和HL之间的关系，可以减小循环机构中所包括的循环泵的尺寸，并减少用于操作氧化还原液流电池的电力消耗。下面列出并描述了本申请的发明的实施例。
<1>根据实施例的氧化还原液流电池包括：电池单元；电解液箱，所述电解液箱被构造成存储供应至电池单元的电解液；以及循环机构，所述循环机构被布置在电池单元和电解液箱之间，并且被构造成循环电解液。循环机构包括：抽吸管，所述抽吸管被构造成：将电解液从所述电解液中的、抽吸管的开口端抽吸到电解液箱中的电解液的箱内液面的上方；循环泵，所述循环泵被布置在抽吸管的上端处；挤出管，所述挤出管从循环泵的排出口延续至电池单元；以及回路管，所述回路管从电池单元延续至电解液箱。HL/H0大于或等于0.4并且HS小于或等于HL，其中，H0是从电解液箱的内底表面到箱内液面的高度，HL是从抽吸管的开口端到箱内液面的长度，HS是从箱内液面到循环泵的抽吸口的中心的高度。
当电解液从电解液箱循环到电池单元时，电解液被抽吸到箱内液面的上方。通过这样的构造，即使从电解液箱延续到循环泵的抽吸管损伤，电解液也难以从电解液箱泄漏。这是因为抽吸管的损伤破坏了抽吸管的气密性，并且允许重力使抽吸管中的电解液返回到电解液箱中。
当从电解液的箱内液面到在电解液中的抽吸管的开口端的距离HL较小时，即，当电解液在箱内液面附近被抽吸时，电解液箱的底侧的电解液倾向于不被使用。因此，即使电解液箱的容量增加，也难以实现提高氧化还原液流电池的小时-速率容量的效果。另一方面，在HL/H0≥0.4的情况下，即，当距离HL与电解液的深度H0的比为40％或更大时，可以在电解液的深层处抽吸电解液，这提高了电解液箱中的电解液的利用率。
增加的HL意味着抽吸管和电解液之间的摩擦损失增加。如上所述，NPSHa是通过从理论阈值中减去抽吸高度HS(实际抽吸压头)和抽吸管损失Hfs而获得的值。因此，根据Hfs的增加来调整HS是很重要的。具体地，通过使HS小于或等于HL(HS≤HL)，可以将用于抽吸和循环电解液的循环泵保持在低功率。这可以降低用于操作氧化还原液流电池的电力消耗，并且实现氧化还原液流电池的高效运行。
<2>在根据该实施例的氧化还原液流电池的一个方面中，循环泵可以是自吸泵，其具有包括叶轮的泵主体和被构造成用于使所述叶轮旋转的驱动单元，并且泵主体可以被布置在箱内液面的上方。
上述构造便于维护循环泵。这是因为，通过停止循环泵以用于维护循环泵，抽吸管中的电解液返回到电解液箱，这免去了将叶轮从电解液中取出的麻烦。然而，取决于循环泵的类型，叶轮可以被布置在电解液中，而驱动单元被布置在电解液的箱内液面的上方。维护这种循环泵的麻烦之处在于将叶轮从电解液中取出。当取出叶轮的时候，电解液可能飞溅。
<3>在根据该实施例的氧化还原液流电池的一个方面中，所述泵主体被布置在箱内液面的上方，循环泵可以设置有起动箱，所述起动箱被布置在泵主体和抽吸管之间。
在具有所述起动箱的构造中，利用所述循环泵抽吸起动箱中的电解液降低了起动箱中的气相压力，并将电解液箱中的电解液抽吸到起动箱中。利用这种构造，储存在电解液箱中的电解液的初始抽吸仅涉及将电解液倒入起动箱中并操作循环泵。因而，容易进行初始抽吸操作。在没有起动箱的构造中，电解液在制备完成之前不能被抽吸，所述制备的麻烦之处在于利用电解液填注循环泵和抽吸管。
<4>在根据该实施例的氧化还原液流电池的另一方面中，其中，所述泵主体被布置在箱内液面的上方，所述氧化还原液流电池可包括电池单元室，所述电池单元室被布置在电解液箱的上表面上，并且在其中含有电池单元，并且所述泵主体可以被布置在电池单元室中。
利用这种构造，即使电解液在泵主体附近泄漏，泄漏的电解液也可以容易地保持在电池单元室内部。这有助于处理泄漏的电解液，并提高处理的安全性。
[本申请发明的实施例细节]
现在将描述根据本发明的氧化还原液流电池的实施例。注意，本申请的发明不限于实施例中所述构造，并且由权利要求限定。因此，所有落在与权利要求等同意义和范围内的变型都旨在被权利要求所涵盖。
<第一实施例>
在描述根据实施例的氧化还原液流电池之前，将基于图1到图3描述氧化还原液流电池(以下称为RF电池)的基本构造。
<<RF电池的基本构造>>
RF电池是一种电解液循环蓄电池，其例如用于存储由例如太阳能光伏能或风能这样的新能源产生的电力。基于图1描述RF电池1的工作原理。RF电池1使用包括在正极电解液中的活性材料离子(图1中为钒离子)与包括在负极电解液中的活性材料离子(图1中为钒离子)之间的氧化还原电位差来执行充电与放电。RF电池1通过电力变换器91连接到电力系统9中的变电设备90，并且在其本身与电力系统9之间进行充电和放电。当电力系统9是进行交流电力传输的电力系统时，电力变换器91是交流/直流变换器。当电力系统是执行直流电力传输的电力系统时，电力变换器91是直流/直流变换器。RF电池1包括电池单元100，所述电池单元100利用允许氢离子通过的隔膜101而被分成正极电极电池单元102和负极电极电池单元103。
正极电极电池单元102包括正极电极104。存储正极电解液的正极电解液箱106通过导管108和110连接到正极电极电池单元102。导管108设置有循环泵112。这些部件106，108，110和112形成循环正极电解液的正极电解液循环机构100P。类似地，负极电极电池单元103包括负极电极105。存储负极电解液的负极电解液箱107通过导管109和111连接到负极电极电池单元103。导管109设置有循环泵113。这些部件107，109，111和113形成循环负极电解液的负极电解液循环机构100N。在充电和放电期间，存储在电解液箱106和107中的电解液通过循环泵112和113在电池单元102和103中循环。当不进行充电或放电时，循环泵112和113处于静止状态，并且电解液不循环。
[电池单元堆]
电池单元100通常形成在被称为电池单元堆200的结构的内部，例如图2和图3中所示。电池单元堆200通过如下方式形成：利用两侧上的两个端板210和220来夹持被称为子堆200s(参见图3)的积层结构，然后利用紧固机构230来紧固所得结构。图3所示的构造使用不止一个子堆200s。
所述子堆200s以如下方式形成：将多组电池单元框架120、正极电极104、隔膜101以及负极电极105积层堆叠，并将所得的层状体夹在供给/排出板190之间(参见图3的下部；未在图2中示出)。
电池单元框架120包括框架主体122，所述框架主体122具有贯通窗口和被构造用以闭合该贯通窗的双极板121。也就是说，框架主体122支撑双极板121的外周。可以例如通过如下方式制造电池单元框架120：以使框架主体122与双极板121的外周一体形成的方式形成框架主体122。可替代地，电池单元框架120可以通过如下方式制造：制备具有沿着贯通窗的外边缘的薄部的框架主体122和独立于框架主体122制造的双极板121，然后将双极板121的外周装配进框架主体122的薄部中。正极电极104以与电池单元框架120的双极板121的一侧接触的方式设置，并且负极电极105以与电池单元框架120的双极板121的另一侧接触的方式设置。在这种构造中，电池单元100形成在装配到相邻的电池单元框架120中的双极板121之间。
利用形成在每个电池单元框架120中的液体排出歧管125和126以及液体供应歧管123和124，从而通过供应/排出板190(参见图3)将电解液循环到电池单元100中。正极电解液从液体供应歧管123通过形成在电池单元框架120的一侧(即，在附图的前侧)上的入口狭缝123s(参见由实线表示的弯曲部)供应到正极电极104，并且通过在电池单元框架120的上部形成的出口狭缝125s(参见由实线表示的弯曲部)排出到液体排出歧管125中。类似地，负极电解液从液体供应歧管124通过形成在电池单元框架120的另一侧上的(即，在图的背面)入口狭缝124s(参见由虚线表示的弯曲部分)供应到负极电极105，并且通过在电池单元框架120的上部形成的出口狭缝126s(参见由虚线表示的弯曲部分)排出到液体排出歧管126中。在相邻的电池单元框架120之间设置环形密封构件127，诸如O形环或平垫圈，这防止电解液从子堆200s泄漏。
[电解液]
电解液可以含有钒离子作为正极活性材料和负极活性材料，或者可以分别含有锰离子和钛离子作为正极活性材料和负极活性材料。也可以使用已知组成的其它电解液。
<<根据实施例的RF电池>>
基于上述RF电池1的基本构造，将基于图4和图5描述根据实施例的RF电池1。图4是RF电池1的示意图，图5是例示出RF电池1的正极电解液循环机构100P及其相邻区域的示意图。电池单元100和回路管7未在图5中示出。
如图4中所示，本示例的RF电池1的部件分成三个区段。第一区段是电池单元室2，电池单元室2中容纳电池单元堆200，该电池单元堆200包括电池单元100和循环机构100P和100N。在本示例中，电池单元室2由集装箱形成。第二区段是用作正极电解液箱106的正极箱体集装箱。第三区段是用作负极电解液箱107的负极箱体集装箱。在本示例中，形成电池单元室2的集装箱设置成在两个箱体集装箱的上方延伸。
作为形成电池单元室2和电解液箱106和107的集装箱，可以使用标准集装箱(例如海运集装箱)。可以根据RF电池1的容量或输出适当地选择集装箱尺寸。例如，当RF电池1具有大(或小)容量时，电解液箱106和107可以由大(或小)集装箱形成。集装箱的示例包括符合ISO标准的国际货运集装箱(例如，ISO 1496-1：2013)。通常，可以使用20英尺集装箱和40英尺集装箱，以及高于20英尺和40英尺集装箱的20英尺高立方体集装箱和40英尺高立方体集装箱。
在图4所示的构造中，循环机构100P(100N)包括抽吸管5、循环泵112(113)、挤出管6以及回路管7。抽吸管5的开口端处位于电解液8中，并将电解液8吸到电解液箱106(107)的上方。挤出管6是从循环泵112(113)的排出口延续至电池单元100的管道。挤出管6可以对应于图1中所示的导管108(109)。回路管7是从电池100延伸到电解液箱106(107)的管道。回路管7可以对应于图1中所示的导管110(111)。回路管7优选地沿着箱中的液体表面在平面方向上与抽吸管5隔开。例如，回路管7和抽吸管5优选被布置成相对于箱中的液体表面的中心对称。这是因为使管5和7隔开可以促进电解液的对流。
如图5中所示，循环泵112是自吸泵，其具有泵主体，所述泵主体包括叶轮30和使叶轮30旋转的驱动单元31。泵主体3被布置在电池单元室2中，并且没有浸没于电解液8中。图4所示的循环泵113具有与图5所示的循环泵112相同的构造。
循环泵112设置有起动箱4，所述起动箱4被布置在泵主体3和抽吸管5之间。在具有起动箱4的构造中，通过利用循环泵112来抽吸起动箱4中的电解液8，从而减少了起动箱4中的气相压力，并且将电解液箱106中的电解液8抽吸到起动箱4中。利用这种构造，储存在电解液箱106中的电解液8的初始抽吸仅涉及将电解液8倒入起动箱4中和操作循环泵112。因而，容易进行初始抽吸操作。在具有起动箱4的构造中，将泵主体3连接到起动箱4的管道优选地设置有阀(未示出)。为了维护泵主体3，在阀关闭后，将泵主体3从循环机构100P上拆下。
图4中所示的RF电池1以这样的方式构造：使得电解液8被抽吸到电解液箱106(107)上方。利用这种构造，即使从电解液箱106(107)延续至循环泵112(113)的抽吸管5损坏，电解液8也不太可能从电解液箱106(107)漏出。这是因为抽吸管5的损坏破坏了抽吸管5的气密性，并且允许重力使抽吸管5中的电解液8返回到电解液箱106(107)。本例的循环泵112(113)的泵主体3未浸入电解液8中，这便于循环泵112(113)的维护。这是因为通过简单地停止循环泵112(113)，抽吸管5中的电解液8将返回到电解液箱106(107)，这免去了将叶轮30(见图5)从电解液8中取出的麻烦。
在RF电池1中，泵主体3被布置在电解液箱106的上表面上的电池单元室2中。因此，即使电解液8在泵主体3附近泄漏，泄漏的电解液8也可以被容易地保持在电池单元室2的内部。这有助于处理泄漏的电解液8并提高处理的安全性。
在该实施例的RF电池1中，HL/H0大于或等于0.4并且HS小于或等于HL，其中
-H0是从电解液箱的内底表面到电解液8的箱内液面的高度；
-HL是从抽吸管5的开口端50到箱内液面的长度；
以及
-HS是从箱内液面到循环泵112的抽吸口32的中心的抽吸高度(也称为实际抽吸压头)。
在HL/H0≥0.4的情况下，即，当距离HL与电解液8的深度H0的比为40％或更大时，电解液8可以在电解液8的深处被抽吸，并且可以增加电解液箱106中的电解液8的利用率。在HL/H0<0.4的情况下，如图6中所示，液体利用率低。为了提高电解液8的利用率，优选地是满足HL/H0≥0.6，并且甚至是满足HL/H0≥0.8或HL/H0≥0.9。
增加的HL意味着抽吸管5和电解液8之间的摩擦损失增加。如在“本申请发明的实施例的描述”的开头所述，NPSHa是通过从理论阈值中减去抽吸高度HS和抽吸管损失Hfs而得到的值。因此，根据Hfs的增加来调整HS是重要的。具体地，通过满足HS≤HL，可以将用于抽吸和循环电解液8的循环泵112的泵功率(即，驱动单元31的功率)保持在低功率。这使得可以降低用于操作RF电池1的电力消耗并实现RF电池1的高效运行。
<计算示例>
本计算示例使用具有NPSHr＝2m的循环泵112，通过改变HL和HS来确定NPSHa，并且检查循环泵112的功率降低的可能性。
<<示例1>>
计算的前提条件如下：
-抽吸高度(实际抽吸压头)HS＝0.5m；
-电解液深度H0＝2.8m；
-抽吸管5在液体中的长度HL＝2.7m；
-包括每个部分中的压头损失的总压头＝29.5m；
-电解液流量Q＝960升/分钟；并且
-抽吸管5的内径d＝0.1m。
在示例1中，其中，液体利用率HL/H0≈0.96，充分确保了电解液中活性材料离子的利用效率。在示例1中，满足了HS≤HL，并且NPSHa≈8.71m。在该示例中，其中，满足了NPSHr<NPSHa，电解液可以毫无问题地循环。
<<示例2>>
示例2示出了具有HS>HL的构造的计算示例。具体地，除了HS＝3.0m(大于HL)和总压头(30.0m)之外，计算的前提条件与示例1中的相同。示例2中的液体利用率与示例1中的相同，但这里NPSHa≈6.21m。再次，满足了NPSHr<NPSHa，并且电解液可以毫无问题地循环。然而，由于较大的HS需要更多的泵功率，因此在示例1中比在示例2中更有效地实现了泵功率的降低。
<<概述>>
确定了示例1和2之间的功率降低率，其中，电解液中活性材料的利用率高。通过减少压头损失(即，减少总压头)来减少泵功率。示例1和2之间的功率降低率可以通过[(示例2中的总压头)-(示例1中的总压头)]/(示例2中的总压头)×100来确定。这示出：示例1中所需的功率与示例2相比，减少了1.7％。即，利用示例1的构造，降低了操作RF电池1所需的动力，并确保了RF电池1的高效运行。
<应用>
对于通过自然能源发电，例如太阳能光伏能源或风能，根据该实施例的RF电池可以用作蓄电池，该蓄电池旨在用于例如稳定发电的输出，在产生的电力过剩时存储电力，并提供负载均衡。根据本实施例的RF电池可以被安装在一般发电厂中，并且用作大容量蓄电池系统，该大容量蓄电池系统旨在提供针对瞬时电压降低或电力故障的措施并且提供负载均衡。
附图标记列表
1：氧化还原液流电池(RF电池)
2：电池单元室
3：泵主体
30：叶轮31：驱动单元32：抽吸口
4：起动箱
5：抽吸管50开口端
6：排出管
7：回路管
8：电解液
9：电力系统 90：变电设备 91：电力变换器
100：电池单元 101：隔膜 102：正极电极电池单元 103：负极电极电池单元
100P：正极电解液循环机构 100N：负极电解液循环机构
104：正极电极 105：负极电极 106：正极电解液箱
107：负极电解液箱 108、109、110、111：管道
112、113：循环泵
120：电池单元框架
121：双极板 122：框架主体
123、124：液体供应歧管 125、126：液体排放歧管
123s、124s：入口狭缝 125s、126s出口狭缝
127环状密封构件
200电池单元堆
190供应/排出板
200s子堆
210、220端板
230紧固机构

Claims (4)

1.一种氧化还原液流电池，包括电池单元、电解液箱以及循环机构，所述电解液箱被构造成存储供应至所述电池单元的电解液，所述循环机构被布置在所述电池单元与所述电解液箱之间，并且被构造成循环所述电解液，
其中，所述循环机构包括：
抽吸管，所述抽吸管被构造成：将所述电解液从所述电解液中的、所述抽吸管的开口端抽吸到所述电解液箱中的所述电解液的箱内液面的上方，
循环泵，所述循环泵被布置在所述抽吸管的上端处，
挤出管，所述挤出管从所述循环泵的排出口延续至所述电池单元，以及
回路管，所述回路管从所述电池单元延续至所述电解液箱；并且
HL/H0大于或等于0.4并且HS小于或等于HL，其中，H0是从所述电解液箱的内底表面到所述箱内液面的高度，HL是从所述抽吸管的所述开口端到所述箱内液面的长度，HS是从所述箱内液面到所述循环泵的抽吸口的中心的高度。
2.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池，其中，所述循环泵是自吸泵，其具有泵主体，所述泵主体包括叶轮以及被构造成旋转所述叶轮的驱动单元；并且
所述泵主体被布置于所述箱内液面的上方。
3.根据权利要求2所述的氧化还原液流电池，其中，所述循环泵设置有起动箱，所述起动箱被布置在所述泵主体和所述抽吸管之间。
4.根据权利要求2或3所述的氧化还原液流电池，还包括电池单元室，所述电池单元室被布置在所述电解液箱的上表面上，并且在其中容纳所述电池单元，
其中，所述泵主体被布置在所述电池单元室中。
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