CN110635148A - 液流电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种液流电池，包括：正极电解液储罐，负极电解液储罐，正极泵，负极泵，多个电池堆，所述多个电池堆与所述正极电解液储罐和正极泵通过管道连接，所述多个电池堆与所述负极电解液储罐和负极泵通过管道连接，所述多个电池堆连接交流/直流AC/DC转换器。其中，由于电解液是导体，连接至各个电池堆的管道充满电解液后，管道内的电解液具有导电能力，并具有一定的电阻,电池堆在充放电过程中，连接各个电池堆的管道内电解液会形成电流即堆间旁路电流，该电流不会通过导线传递给外部负载加以利用，而是被管道内电解液电阻损耗掉。本发明解决了相关技术中的液流电池的电池堆间旁路电流造成电能损耗过大的技术问题。

Description

液流电池
技术领域
本发明涉及电路领域，具体而言，涉及一种液流电池。
背景技术
相关技术中的氧化还原液流电池是一类电化学储能体系，液流电池通过利用正极电解液中包含的活性离子与负极电解液中包含的活性离子之间的氧化还原反应实现充电和放电。图1是本发明相关技术中的全钒液流电池的工作原理图。V5+/V4+钒离子电解液和V2+/V3+钒离子电解液分别储存在正、负极电解液储罐中，并通过泵输送至电池堆内的正、负极反应区，电解液在反应区内发生氧化还原反应。正极反应区和负极反应区被质子交换膜隔开，氢质子可以渗透通过质子交换膜。充电时，外部交流电源通过交流/直流转换器转化成直流电源，直流电源加载到电池堆对电解液充电，在正极反应区内正极电解液中的钒离子V4+转化为V5+离子，在负极反应区内负极电解液中的钒离子V3+转化为V2+离子。放电时，负极电解液中钒离子失去电子由V2+转化为V3+离子，电子通过负极金属集流板及外电路转移到正极，正极电解液V5+在反应区电极获得电子并转化为V4+。
由于液流电池的单堆功率受到材料尺寸、性能、安装维护要求等因素制约，其单堆功率一般为几千瓦到几十千瓦。对于大规模储能系统，单个电池堆的输出功率远不能满足系统输出要求，一般通过多个电池堆的串联或并联，提高系统的输出功率，满足大规模储能系统输出功率的要求。液流电池电解液通过泵和管道输送至电池堆，充电或放电后返回电解液储罐。充放电过程中连接多个电池堆的管道液路系统会形成液路导电网络，造成电池堆间的液路旁路电流，消耗电能。液流电池系统的液路导电网络中旁路电流取决于电池堆之间的电势差和液路电阻，而电池堆间的电势差与液流电池装置的电路连接模式有关。不同的电路连接模式在液路导电网络中形成不同液路电流。因此，不同液路电流造成系统电能消耗也不相同。相关技术中的液流电池没有考虑液路导电网络中旁路电流对液流电池装置效率的影响，无法降低系统内部的电能损耗，不能实现液流电池电能损耗最小化。
针对上述的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
发明内容
本发明实施例提供了一种液流电池，以至少解决相关技术中的液流电池的电池堆间旁路电流造成电能损耗过大的技术问题的技术问题。
根据本发明实施例的一个方面，提供了一种液流电池，包括：正极电解液储罐，负极电解液储罐，正极泵，负极泵，多个电池堆，所述多个电池堆与所述正极电解液储罐和正极泵通过管道连接，所述多个电池堆与所述负极电解液储罐和负极泵通过管道连接，所述多个电池堆连接交流/直流AC/DC转换器，其中，连接各个电池堆的管道内充满电解液，在电池堆充放电时产生堆间旁路电流，所述电解液具有电阻。
进一步地，所述多个电池堆包括多个对应的进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐。
进一步地，所述多个电池堆中的一个电池堆包括进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐。
进一步地，所述多个电池堆组成N组电池堆，每组电池堆包括M个电池堆，每组电池堆串联，其中，M、N均为大于0的正整数。
进一步地，每组电池堆中的一个或多个电池堆包括进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐。
进一步地，所述多个电池堆从电池堆C-1开始，电池堆C-1正极集流板通过电线连接C-2电池堆负极集流板，依次连接至C-(2n-1)或C-2n，电池堆C-1负极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的负极，电池堆C-(2n-1)或C-2n正极通过电线连接至AC/DC转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
进一步地，所述多个电池堆从电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n+1)电池堆负极集流板，依次连接至C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极电线连接至C-1，依次连接至C-(n-1)，电池堆C-n负极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的负极，电池堆C-(n-1)正极通过电线连接至AC/DC转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
进一步地，所述多个电池堆从中间电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n+1)电池堆负极集流板，依次连接至C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极电线连接至C-(n-1)，依次连接至C-1，电池堆C-n负极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的负极，电池堆C-1正极通过电线连接至AC/DC转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
进一步地，所述多个电池堆从电池堆C-1开始，电池堆C-1正极集流板通过电线连接C-(2n-1)或C-2n电池堆负极集流板，C-(2n-1)或C-2n电池堆正极集流板连接C-2，端部电池堆向内依次连接至C-(2n-3)或C-(2n-2)，···C-n，电池堆C-n正极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的正极，电池堆C-1负极通过电线连接至AC/DC转换器的负极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
进一步地，所述多个电池堆从中间电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n-1)电池堆负极集流板，向外依次连接至C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的正极，电池堆C-n负极通过电线连接至AC/DC转换器的负极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
在本发明实施例中，通过对多个电池堆电路连接的优化，可以减小多个电池堆间液路旁路电流，减小因旁路电流造成的系统电能损失，达到系统电能损耗最小化，由于电解液是导体，连接至各个电池堆的管道充满电解液后，管道内的电解液具有导电能力，并具有一定的电阻,电池堆在充放电过程中，连接各个电池堆的管道内电解液会产生堆间旁路电流，该电流不会通过导线传递给外部负载加以利用，而是被管道内电解液电阻损耗掉，进而解决了相关技术中的液流电池的电池堆间旁路电流造成电能损耗过大的技术问题的技术问题。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明相关技术中的全钒液流电池的工作原理图；
图2是根据本发明实施例的液流电池的连接示意图；
图3是本发明实施例的液流电池的可选连接示意图一；
图4是本发明实施例的液流电池的可选连接示意图二；
图5是本发明实施例的电池堆的排列示意图；
图6是本发明实施例的电池堆连接模式示意图一；
图7是本发明实施例的电池堆连接模式示意图二；
图8是本发明实施例的电池堆连接模式示意图三；
图9是本发明实施例的电池堆连接模式示意图四；
图10是本发明实施例的电池堆连接模式示意图五。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
根据本发明实施例，提供了一种液流电池的实施例，需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
图2是根据本发明实施例的液流电池的连接示意图，如图2所示，液流电池包括：正极电解液储罐，负极电解液储罐，正极泵，负极泵，多个电池堆，所述多个电池堆与所述正极电解液储罐和正极泵通过管道连接，所述多个电池堆与所述负极电解液储罐和负极泵通过管道连接，所述液流电池通过多个电池堆向外连接交流/直流AC/DC转换器，其中，各个电池堆之间均通过管道进行连接，管道内充满电解液即形成可导电的液路，所述电解液具有电阻，电池堆充放电时产生的堆间旁路电流会损耗电能。
通过对多个电池堆电路连接的优化，可以减小多个电池堆间液路旁路电流，减小因旁路电流造成的系统电能损失，达到系统电能损耗最小化，由于电解液是导体，连接至各个电池堆的管道充满电解液后，管道内的电解液具有导电能力，并具有一定的电阻,电池堆在充放电过程中，连接各个电池堆的管道内电解液会形成电流，该电流不会通过导线传递给外部负载加以利用，而是被管道内电解液电阻损耗掉。解决了相关技术中的液流电池电能损耗过大的技术问题，提高了能源利用率。
可选地，电池堆液路均为并联连接，进/出液口均位于电池堆组的端部，所述多个电池堆包括多个对应的进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐。
可选地，所述多个电池堆中的一个电池堆包括进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐，电池堆液路上均并联连接，液流电池装置进/出液口位于电池堆组中间位置，如图3所示，图3是本发明实施例的液流电池的可选连接示意图一。
可选地，所述多个电池堆组成N组电池堆，每组电池堆包括M个电池堆，每组电池堆串联，其中，M、N均为大于0的正整数，每组电池堆中的一个或多个电池堆包括进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐，对于2组电池堆，电池堆液路上均并联连接，其进/出口位于电池堆端部，如图4所示，图4是本发明实施例的液流电池的可选连接示意图二。
对于电池堆组端部进液或中部进液，以距离负极泵液路最短的电池堆命名为电池堆C-1。
管道内充满电解液后，由于电解液具有导电能力，其管道液路相当于导线能导电，管道液路电阻可由
Figure BDA0002211732450000051
计算。其中κ为电解液的电导率，s/m；L为管道长度，m；As为管道中电解液的截面积，m2，d为管道直径，m。
每个电池堆均连接正极液路进口管道、正极液路出口管道、负极液路进口管道、负极液路出口管道。充满电解液的正极液路进口管道、正极液路出口管道、负极液路进口管道、负极液路出口管道相当于具有电阻的四根导线，连接了电池堆正极与负极。
各个电池堆正极液路进口管道是相互导通的，即相当于一根具有电阻的导线连接了各个电池堆正极。同时，各个电池堆正极液路出口管道/负极液路进口管道/负极液路出口管道也是相互导通的。每个电池堆相当于有四根导线与其余任意一个电堆连接。
根据以上管道液路电阻计算公式，电池堆C-1与其余任意一个电池堆之间的电阻为R:其中R1-4为连接C-1电池堆与其余任意一个电池堆之间四根液路连通管道电阻值。据此，可以计算电池堆C-1与其余电池堆之间液路电阻R。根据电池堆C-1与其余电池堆之间液路电阻R的大小，依次从小到大顺序重新排列所有电池堆的相对位置，如图5所示，图5是本发明实施例的电池堆的排列示意图。
在本实施中，对于基于两电池堆之间液路电阻值大小排序的电池堆组，所有电池堆电路均采用串联连接，包含了多种接线模式，根据电池堆之间液路电阻大小，电池堆相对位置的排列技术，液流电池装置五种电路接线模式，下面进行说明：
示例一：
图6是本发明实施例的电池堆连接模式示意图一，如图6所示：液流电池装置电路接线顺序从电池堆C-1开始，电池堆C-1正极集流板通过电线连接C-2电池堆负极集流板，依次连接C-2，C-3，···，C-(2n-1)或C-2n。电池堆C-1负极集流板通过电线连接到交流/直流转换器的负极，最后一个电池堆C-(2n-1)或C-2n正极通过电线连接至交流/直流转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
示例二：
图7是本发明实施例的电池堆连接模式示意图二，如图7所示：液流电池装置电路接线从中间电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n+1)电池堆负极集流板，依次连接C-(n+2)，C-(n+3)，···C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极电线连接至C-1，再依次连接C-2，···C-(n-1)。电池堆C-n负极集流板通过电线连接到交流/直流转换器的负极，电池堆C-(n-1)正极通过电线连接至交流/直流转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
示例三：
图8是本发明实施例的电池堆连接模式示意图三，如图8所示：液流电池装置电路接线从中间电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n+1)电池堆负极集流板，依次连接C-(n+2)，C-(n+3)，···C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极电线连接至C-(n-1)，再依次连接C-(n-2)，···C-1。电池堆C-n负极集流板通过电线连接到交流/直流转换器的负极，电池堆C-1正极通过电线连接至交流/直流转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
示例四：
图9是本发明实施例的电池堆连接模式示意图四，如图9所示：液流电池装置电路接线顺序从电池堆C-1开始，电池堆C-1正极集流板通过电线连接C-(2n-1)或C-2n电池堆负极集流板，C-(2n-1)或C-2n电池堆正极集流板连接C-2，端部电池堆向内依次连接C-(2n-2)或C-(2n-1)，C-3，C-(2n-3)或C-(2n-2)，···C-n。电池堆C-n正极集流板通过电线连接到交流/直流转换器的正极，电池堆C-1负极通过电线连接至交流/直流转换器的负极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
示例五：
图10是本发明实施例的电池堆连接模式示意图五，如图10所示：液流电池装置电路接线从中间电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n-1)电池堆负极集流板，向外依次连接C-(n+1)，C-(n-2)，C-(n+2)，···，C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极集流板通过电线连接到交流/直流转换器的正极，电池堆C-n负极通过电线连接至交流/直流转换器的负极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
本实施例通过提供一种液流电池基于多个电池堆液路导电网络的电路连接优化技术，通过对多个电池堆电路连接的优化，可以减小多个电池堆间液路旁路电流，减小因旁路电流造成的系统电能损失，达到系统电能损耗最小化。
由于液流电池装置堆间液路旁路电流是电能损耗的主要因素之一，本实施例通过抑制堆间旁路电流和减少液流电池装置电能损耗是提高系统效率的必要途径。本实施例能使液流电池装置电能损耗达到最小化，提高了装置的系统效率，从而提高了装置的经济性。而且本实施例的实用性强，装置建设成本低。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如所述单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种液流电池，其特征在于，包括：正极电解液储罐，负极电解液储罐，正极泵，负极泵，多个电池堆，所述多个电池堆与所述正极电解液储罐和正极泵通过管道连接，所述多个电池堆与所述负极电解液储罐和负极泵通过管道连接，所述多个电池堆连接交流/直流AC/DC转换器，其中，连接各个电池堆的管道用于填充电解液，在电池堆充放电时产生堆间旁路电流，所述电解液具有电阻。
2.根据权利要求1所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆包括多个对应的进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐。
3.根据权利要求1所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆中的一个电池堆包括进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐。
4.根据权利要求1所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆组成N组电池堆，每组电池堆包括M个电池堆，每组电池堆串联，其中，M、N均为大于0的正整数。
5.根据权利要求4所述的液流电池，其特征在于，每组电池堆中的一个或多个电池堆包括进液口和出液口，连接至所述正极电解液储罐和负极电解液储罐。
6.根据权利要求1所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆按照电阻值大小进行排序，其中，所述电阻值是每两个电池堆之间的液路电阻。
7.根据权利要求6所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆从电池堆C-1开始，电池堆C-1正极集流板通过电线连接C-2电池堆负极集流板，依次连接至C-(2n-1)或C-2n，电池堆C-1负极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的负极，电池堆C-(2n-1)或C-2n正极通过电线连接至AC/DC转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
8.根据权利要求6所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆从电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n+1)电池堆负极集流板，依次连接至C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极电线连接至C-1，依次连接至C-(n-1)，电池堆C-n负极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的负极，电池堆C-(n-1)正极通过电线连接至AC/DC转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
9.根据权利要求6所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆从中间电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n+1)电池堆负极集流板，依次连接至C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极电线连接至C-(n-1)，依次连接至C-1，电池堆C-n负极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的负极，电池堆C-1正极通过电线连接至AC/DC转换器的正极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
10.根据权利要求6所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆从电池堆C-1开始，电池堆C-1正极集流板通过电线连接C-(2n-1)或C-2n电池堆负极集流板，C-(2n-1)或C-2n电池堆正极集流板连接C-2，端部电池堆向内依次连接至C-(2n-3)或C-(2n-2)，…C-n，电池堆C-n正极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的正极，电池堆C-1负极通过电线连接至AC/DC转换器的负极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
11.根据权利要求6所述的液流电池，其特征在于，所述多个电池堆从中间电池堆C-n开始，电池堆C-n正极集流板通过电线连接C-(n-1)电池堆负极集流板，向外依次连接至C-(2n-1)或C-2n；C-(2n-1)或C-2n电池堆正极集流板通过电线连接到AC/DC转换器的正极，电池堆C-n负极通过电线连接至AC/DC转换器的负极，其中，所述多个电池堆包括[C-1,C-2…C-(2n-1)或C-2n]。
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