CN114497645B - 一种液流电池高效运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种液流电池高效运行方法，包括电解液储罐和液流电池，使用内部设置有缓冲材料的电解液储罐，使于液流电池中充电或放电反应后的电解液先流到缓冲材料上后，再流经缓冲材料后融合到电解液储罐内的液体中。尽可能的将反应后的溶液不与未反应的溶液直接接触，进而尽量确保每次流入电池的电解液都是未反应的新溶液。本发明可操作性强；优化了电池运行策略，同样条件下，减少了电池的运行时间；优化资源配置，节能降耗，提高了电池的运行经济性。
Description
技术领域
本发明属于液流电池运行方式领域，具体涉及一种液流电池高效运行方法。
背景技术
近年来，可再生清洁能源受到了更多的关注，但风能、太阳能等大多可再生能源发电都具有不连续、不稳定性。发出的电力波动较大，可调节性差。进而将可能对电网产生较大冲击。因此，大规模储能技术的发展已是迫在眉睫。而在众多大规模储能技术中，液流电池因其多种优点，更是收到了大家的青睐。
液流电池是通过泵将正负极的液体导入电池中，经过氧化还原反应实现电能的化学能与电能之间的转换。然而在电解液通过泵从电解液储罐中泵入电池后，电解液在电池中经过充/放电过程，早回到电解液储罐中。这样的过程，就使得充/放电的电解液与没有进行充/放电的电解液进行混合，然后通过泵将已经充/放电后的电解液再次泵入电池中，这样的运行方式额外增加了能量的消耗，增加了充放电时间，资源没有得到合理配置。
介于此，发明人通过使用内部设置有缓冲材料的电解液储罐，尽可能的将反应后的溶液不与未反应的溶液直接接触，进而尽量确保每次流入电池的电解液都是未反应的新溶液。以实现液流电池高效运行。
发明内容
为了达到上述的目的，发明人在电解液储罐内部设置有缓冲材料，电解液储罐内部设置的缓冲材料的下表面与电解液储罐内部液体接触，电解液储罐内部设置的缓冲材料的上表面在电解液储罐内部液体的液面之上，以保证反应后的电解液先经过缓冲材料再慢慢的与电解液储罐内部原有液体慢慢融合。
具体的为，一种液流电池高效运行方法，液流电池包括电解液储罐和液流电池，使用内部设置有缓冲材料的电解液储罐，电解液储罐的中上部设有电解液入口、下部设有电解液出口，在电解液入口和出口之间的、电解液储罐内的中部设置有缓冲材料，使于液流电池充电或放电反应后的电解液先流经缓冲材料后再与电解液储罐内的液体混合。
电解液储罐上设有电解液出口和电解液入口，缓冲材料设置于电解液储罐内的电解液出口和电解液入口之间，缓冲材料的目的是尽可能的将反应后的溶液不与未反应的溶液直接接触，进而尽量确保每次流入液流电池的电解液都是未反应的新溶液。
电解液储罐的中上部设有电解液入口、下部设有电解液出口，在电解液入口和出口之间的、电解液储罐内的中部设置有缓冲材料，电解液储罐内部设置的缓冲材料的下表面与电解液储罐内部液体接触，电解液储罐内部设置的缓冲材料的上表面在电解液储罐内部液体的液面之上，以保证反应后的电解液先经过缓冲材料再与电解液储罐内部原有液体慢慢融合。
电解液储罐内部设置的上下表面为平面的块状缓冲材料，缓冲材料上下表面平行于电解液储罐内部液体上表面放置，且缓冲材料的外围四周边缘与电解液储罐内壁面紧密贴接。
电解液储罐内部设置的缓冲材料，缓冲材料平行于电解液储罐内部液体放置，且缓冲材料的外围四周与电解液储罐内部四周紧密贴接。缓冲材料下于储液罐中设有固定支架，缓冲材料由多孔材料构成，可以为碳毡、多孔膜、有孔隔板等中的一种或两种以上。多孔材质的孔径为1-1000um；孔隙率为60-95％；电池系统中电解液流量与缓冲材料体积的配比为0.1mL.S-1/cm3-10mL.S-1/cm3。电解液储罐可以为方形，圆柱形，锥形等任一形状的一种或二种以上。其材质可以为PP、PE、PVC、PTFE等任一或两种以上耐酸碱的材料制成，其中下部设有电解液出口，中上部设有电解液入口。
本发明有益之处在于：
本发明使用内部设置有缓冲材料的电解液储罐，使于液流电池中充电或放电反应后的电解液先流到缓冲材料上后，再流经缓冲材料后融合到电解液储罐内的液体中。尽可能的将反应后的溶液不立即就与未反应的溶液直接接触，延长其与未反应的溶液接触的时间，进而尽量确保每次流入电池的电解液都是未反应的新溶液或未反应的新溶液体积比较高的溶液，。
本发明设计灵活，可操作性强，容易实现；优化了电池运行策略，同样条件下，减少了电池的运行时间；降低电池自放电和电解液体积迁移，提高电池的库仑效率；减少电池容量衰减，提高电池运行稳定性。
优化资源配置，节能降耗，提高了电池的运行经济性。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明对比例1的结构示意图。
具体实施方式
实施例1
如附图1所示，
正负极储液罐结构：电解液储罐上部设有电解液入口、下部设有电解液出口，于电解液储罐内、中部电解液出口和电解液入口之间设置有缓冲材料，电解液储罐内部设置的上下表面为平面的块状缓冲材料，缓冲材料上下表面平行于电解液储罐内部液体上表面放置，且缓冲材料的外围四周边缘与电解液储罐内壁面紧密贴接；缓冲材料下部设有固定支架，缓冲材料置于固定支架上；
电解液储罐内部设置的缓冲材料的下表面与电解液储罐内部液体接触，电解液储罐内部设置的缓冲材料的上表面在电解液储罐内部液体的液面之上；
缓冲材料为碳毡，其平均孔径为200um，其孔隙率为80％。电池系统中电解液流量与缓冲材料体积的配比为2mL.S-1/cm3。
组装10节，1kW全钒液流电池电堆3，正负极储液罐均为PE材质的圆柱形储罐1，正负极储液罐尺寸相同，容积100L，实际运行时正负极储液罐中各加入40L常规钒电解液，价态为3.5价(质量比1：1的3价钒和4价钒)，钒浓度1.5mol/L，硫酸浓度3mol/L。电堆在恒流150mA/cm2进行充放电循环，电解液通过泵2从电极液储罐的出口泵出，流经电堆反应后，再回到电解液储罐，落在缓冲材料碳毡5上，碳毡平行于储罐内原有电解液液位面放置且与储液罐内部四周完全贴合，碳毡下面于电极液储罐的内侧壁设置有支架6，碳毡下表面与储罐内原有电解液液位面7接触，碳毡上表面在电解液液位之上。流经电堆反应的液体先经过缓冲材料碳毡后，缓慢的与储液罐内原有的电解液自上而下融合。
待电堆完成一个有效的充放电循环后，记录数据，充放电时间总和为75分钟；电池库仑效率98.8％，运行100个循环，容量保持率88.3％。
实施例2
正负极储液罐结构同实施例1；
组装10节，1kW全钒液流电池电堆，正负极储液罐均为PE材质的圆柱形储罐，正负极储液罐尺寸相同，容积100L，实际运行时正负极储液罐中各加入40L钒电解液，价态为3.5价(质量比1：1的3价钒和4价钒)，钒浓度1.5mol/L，硫酸浓度3mol/L。电堆在恒流150mA/cm2进行充放电循环，电解液通过泵从电极液储罐的出口泵出，流经电堆反应后，再回到电解液储罐，落在缓冲材料碳毡上，碳毡平行于储罐内原有电解液液位面放置且与储液罐内部四周完全贴合，碳毡下面于电极液储罐的侧壁设置有支架，碳毡下表面与储罐内原有电解液液位面相距10cm。流经电堆反应的液体先经过缓冲材料碳毡后，缓慢的滴落，与储液罐内原有的电解液自上而下融合。待电堆完成一个有效的充放电循环后，记录数据，充放电时间总和为82分钟；电池库仑效率98.2％，运行100个循环，容量保持率87.8％。
实施例3
正负极储液罐结构同实施例1；
组装10节，1kW全钒液流电池电堆，正负极储液罐均为PE材质的圆柱形储罐，正负极储液罐尺寸相同，容积100L，实际运行时正负极储液罐中各加入40L钒电解液，价态为3.5价(质量比1：1的3价钒和4价钒)，钒浓度1.5mol/L，硫酸浓度3mol/L。电堆在恒流150mA/cm2进行充放电循环，电解液通过泵从电极液储罐的出口泵出，流经电堆反应后，再回到电解液储罐，落在缓冲材料碳毡上，碳毡平行于储罐内原有电解液液位面放置且与储液罐内部四周完全贴合，碳毡下面于电极液储罐的侧壁设置有支架，碳毡下表面与储罐内原有电解液液位面相距25cm。流经电堆反应的液体先经过缓冲材料碳毡后，缓慢的滴落，与储液罐内原有的电解液自上而下融合。待电堆完成一个有效的充放电循环后，记录数据，充放电时间总和为99分钟；电池库仑效率97.3％，运行100个循环，容量保持率86.9％。
实施例4
正负极储液罐结构同实施例1；
组装10节，1kW全钒液流电池电堆，正负极储液罐均为PE材质的圆柱形储罐，正负极储液罐尺寸相同，容积100L，实际运行时正负极储液罐中各加入40L钒电解液，价态为3.5价(质量比1：1的3价钒和4价钒)，钒浓度1.5mol/L，硫酸浓度3mol/L。电堆在恒流150mA/cm2进行充放电循环，电解液通过泵从电极液储罐的出口泵出，流经电堆反应后，再回到电解液储罐，落在缓冲材料碳毡上，碳毡平行于储罐内原有电解液液位面放置且与储液罐内部四周完全贴合，碳毡下面于电极液储罐的侧壁设置有支架，碳毡下表面与储罐内原有电解液液位面相距50cm。流经电堆反应的液体先经过缓冲材料碳毡后，缓慢的滴落，与储液罐内原有的电解液自上而下融合。待电堆完成一个有效的充放电循环后，记录数据，充放电时间总和为126分钟；电池库仑效率96.1％，运行100个循环，容量保持率84.9％。
由实施例可以看出，当电解液储罐中设置的缓冲材料碳毡下表面与储罐内原有电解液液位面接触，碳毡上表面在电解液液位之上时，电堆测试的时间最短，电堆的库仑效率最高。随着缓冲材料碳毡下表面与储罐内原有电解液液位面距离增大，加剧了反应后的电解液与电解液储罐内原有的电解液间的扰动，致使电堆测试时间增加，能耗增加；测试时间的增加，电堆的自放电时间也随之增加，进而导致电堆的库仑效率下降。
对比例1
正负极储液罐结构同实施例1，与其不同之处在于，其中不安装作为缓冲材料的碳毡和固定支架；
如附图2所示，组装10节，1kW全钒液流电池电堆3，正负极储液罐均为PE材质的圆柱形储罐1，正负极储液罐尺寸相同，容积100L，实际运行时正负极储液罐中各加入40L常规钒电解液。电堆在恒流150mA/cm2进行充放电循环，电解液通过泵2从电极液储罐的出口泵出，流经电堆反应后，再回到电解液储罐，与储液罐内原有的电解液自上而下融合。待电堆完成一个有效的充放电循环后，记录数据，充放电时间总和为150分钟；电池库仑效率94.8％，运行100个循环，容量保持率73.6％。
综上，从实施例1-4和对比例比较中，可以得出以下结论：由于实施例1-4中，在电解液储罐中设置缓冲材料，相比于对比例中没有在电解液储罐中设置缓冲材料，有效的降低了流经电堆反应后的液体与电解液储罐中原有的电解液之间的扰动；优化了电池运行策略，同样条件下，减少了电池的运行时间，降低电池自放电带来的影响，提高电池的库仑效率。而通过实施例1-4的比较发现，电解液储罐中设置的缓冲材料的位置对本发明的效果影响很大，随着缓冲材料下表面与储罐内原有电解液液位距离的拉大，本发明效果逐渐变差；当缓冲材料下表面与储罐内原有电解液液位面接触，且碳毡上表面在电解液液位之上时，效果最佳。本发明设计灵活，可操作性强，容易实现；减少电池容量衰减，提高电池运行稳定性；优化资源配置，节能降耗，提高了电池的运行经济性。
以下是参数的调控，其他条件同实施例1，正负电解液体积均为40L
下表是实施例5-10对应的效果记录表：
从实施例5-10可以得出以下结论：所选择的多孔材料的孔径和孔隙率过大时，导致电解液渗透速度较快，电池运行状态下降，库仑效率降低，单循环运行时间变长，容量衰减加剧；而电池系统中电解液流量与缓冲材料体积的配比对电池的运行状态影响较大。当电池系统中电解液流量与缓冲材料体积的配比的配比为2mL.S-1/cm3时，电池的运行状态更优。
Claims (7)
1.一种液流电池高效运行方法，液流电池包括电解液储罐和液流电池，其特征在于:使用内部设置有缓冲材料的电解液储罐，电解液储罐的中上部设有电解液入口、下部设有电解液出口，在电解液入口和出口之间的、电解液储罐内的中部设置有缓冲材料，使于液流电池充电或放电反应后的电解液先流经缓冲材料后再与电解液储罐内的液体混合；
电解液储罐的中上部设有电解液入口、下部设有电解液出口，在电解液入口和出口之间的、电解液储罐内的中部设置有缓冲材料，电解液储罐内部设置的缓冲材料的下表面与电解液储罐内部液体接触，电解液储罐内部设置的缓冲材料的上表面在电解液储罐内部液体的液面之上，以保证反应后的电解液先经过缓冲材料再与电解液储罐内部原有液体慢慢融合；
电解液储罐内部设置的缓冲材料的孔径为100-800nm；电池系统中电解液流量与缓冲材料体积的配比为0.1mL.S-1/cm3-8mL.S-1/cm3；电解液储罐内部设置的缓冲材料，缓冲材料下部设有固定支架，缓冲材料置于固定支架上；
电解液储罐内部设置的缓冲材料的孔隙率为60-95%。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：电解液储罐上设有电解液出口和电解液入口，缓冲材料设置于电解液储罐内的电解液出口和电解液入口之间，缓冲材料的目的是尽可能的将反应后的溶液不与未反应的溶液直接接触，进而尽量确保每次流入液流电池的电解液都是未反应的新溶液。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于：电解液储罐内部设置的上下表面为平面的块状缓冲材料，缓冲材料上下表面平行于电解液储罐内部液体上表面放置，且缓冲材料的外围四周边缘与电解液储罐内壁面紧密贴接。
4.按照权利要求1-3任一所述的方法，电解液储罐内部设置的缓冲材料，其由多孔材料构成，多孔材料为碳毡、多孔膜、有孔隔板中的一种或两种以上。
5.按照权利要求4所述方法，电解液储罐内部设置的缓冲材料为平板状。
6.按照权利要求1所述方法，电解液储罐可以为方形，圆柱形，锥形任一形状中的一种或二种以上；其材质可以为PP、PE、PVC、PTFE任一或两种以上耐酸碱的材料制成，其中下部设有电解液出口，中上部设有电解液入口。
7.按照权利要求1所述的方法，液流电池包括双液流电池或单液流电池。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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