CN117577901A - 一种液流电池电堆和储能系统 - Google Patents
一种液流电池电堆和储能系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117577901A CN117577901A CN202311630359.2A CN202311630359A CN117577901A CN 117577901 A CN117577901 A CN 117577901A CN 202311630359 A CN202311630359 A CN 202311630359A CN 117577901 A CN117577901 A CN 117577901A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrolyte
- pile
- plate
- functional
- switching element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 159
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 16
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 15
- 238000007789 sealing Methods 0.000 claims description 13
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 10
- 230000003068 static effect Effects 0.000 claims description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 4
- 239000007791 liquid phase Substances 0.000 claims description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims description 3
- 239000012811 non-conductive material Substances 0.000 claims 1
- 238000000034 method Methods 0.000 abstract description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 6
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 abstract description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 21
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 208000028659 discharge Diseases 0.000 description 11
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 8
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 8
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 6
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 3
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 3
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 3
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 3
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 description 2
- GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N divanadium pentaoxide Chemical compound O=[V](=O)O[V](=O)=O GNTDGMZSJNCJKK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000012983 electrochemical energy storage Methods 0.000 description 2
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001066 destructive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 230000017525 heat dissipation Effects 0.000 description 1
- 230000020169 heat generation Effects 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 230000002427 irreversible effect Effects 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007858 starting material Substances 0.000 description 1
- 229910001456 vanadium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003466 welding Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
本发明公开了一种液流电池电堆和储能系统。所述液流电池电堆包括电堆端板I和电堆端板II以及夹设在两个电堆端板间的n节单电池，相邻两节单电池间设置功能板；功能板上设置包括用于正极电解液流入的压力通断元件I、用于正极电解液流出的压力通断元件II、用于负极电解液流入的压力通断元件III和用于负极电解液流出的压力通断元件IV。本发明的液流电池电堆结构可在电堆满充停机备电过程中显著降低漏电电流，缓解或解决漏电电流发热造成的材料破坏和正极电解液析出问题，在电堆中合理的设置功能板可在停机期间降低漏电电流超过90％，实测单位时间内温升大幅度降低；可在系统运行时取消停机放电工序或减少停机放电时长。
Description
技术领域
本发明属于储能技术领域，尤其涉及一种液流电池电堆和储能系统。
背景技术
源网荷储一体化新型电力系统的建立成为电网侧减碳的重要核心，其中储能技术起着关键的支撑作用。因此如何发展大规模储能技术，充分发挥不同储能技术在不同场景的融合应用，体现出储能的关键作用成为众多学者和企业研究的焦点。近年来，物理储能和化学储能技术均有了长足的进步，尤其是化学储能中的电化学储能，因其可设计能力强、适应能力强、技术成熟度高逐渐扩大了市场规模。液流电池是电化学储能技术中的一种，其具有本征安全、功率与容量解耦、响应速度快、可深度充放电、寿命长的优点，逐渐应用于大规模长时储能项目中。在储能系统运行过程中，停机备电是最常用的功能之一。系统充满电之后，循环泵停机，电解液停止流动。液流电池电堆因为其中的单电池在电路中是串联连接，而电解液是通过电解液供应主管路分配到每一节单电池中。因电解液为导体且单电池中的电压，在电堆内部由电路和液路共同组成了电路网络，该网络可在单电池存在电压时产生电流，形成漏电电流。漏电电流不仅在电堆运行期间影响每一节单电池的实际充/放电电流的大小和容量，更是在停机备电时，在电极框的流道内产生热量而加热电解液。当温度过高时，会对塑料制成的电极框、双极板以及密封件产生破坏性的影响，严重降低电堆的使用寿命。尤其对于电解液稳定性不高的液流电池，例如全钒液流电池：电解液在满充时正极的五价钒离子浓度较高，在温度＞40℃时容易析出五氧化二钒固体，不仅堵塞流道，也会对电极和离子传导膜造成不可逆的氧化和破坏。因此，在停机备电时对电堆内漏电电流造成的发热控制是保证储能系统能否长期稳定运行的关键。
目前，在大多液流电池储能项目中上述情况都是采用停机放电的策略，即在系统充满电且停止循环泵之后，对电堆进行小功率放电处理，将剩余电量全部或部分放出来降低电堆电压，减小漏电电流和温升的影响。但大规模储能电站停机放电的功率和容量不低，需要找到合适的负载或者直接在电网中进行消纳，不仅是一笔不小的成本开销，电网也难以随时消纳这部分能量。
发明内容
鉴于此，本发明提供了一种液流电池电堆和储能系统，主要目的是解决液流电池大功率、多节数电堆在充满电停机备电状态下的漏电电流导致电堆内发热，温度剧烈升高，电堆部件损坏、电解液析出，电堆无法工作的技术问题。
一方面，本发明提供了一种液流电池电堆，其包括电堆端板I和电堆端板II以及夹设在两个电堆端板之间的n节单电池；
所述液流电池电堆包括m个功能板，m个所述功能板将所述n节单电池分成m+1个电池组；
其中，所述功能板上设置包括用于正极电解液流入的压力通断元件I(正极电解液流入口)、用于正极电解液流出的压力通断元件II(正极电解液流出口)、用于负极电解液流入的压力通断元件III(负极电解液流入口)和用于负极电解液流出的压力通断元件IV(负极电解液流出口)；
当所述液流电池电堆中的电解液流动时，所述压力通断元件I、所述压力通断元件II、所述压力通断元件III和所述压力通断元件IV的开口打开且开口方向和电解液流动方向相同；
当所述液流电池电堆中的电解液静止时，所述压力通断元件I、所述压力通断元件II、所述压力通断元件III和所述压力通断元件IV开口关闭且阻隔电解液流通。
本发明的功能板数量可根据单电池的数量来设置；功能板的位置是在两个相邻单电池之间，即设在前一级单电池的双极板I(负极)和后一级单电池的双极板II(正极)之间。
本发明的压力通断元件是通过两侧的压力差打开；该压力通断元件在功能板上设置的位置必须和其两侧的双极板上的电解液流进/流出的通孔一一对应，可使电解液从上一级的双极板I流经功能板的压力阻断元件后，再流入下一级的双极板II；功能板和其两侧的双极板之间通过各自的电解液进出孔连通。
可选地，2≤n≤100或2≤n≤80或2≤n≤60或8≤n≤60或10≤n≤60或18≤n≤60或20≤n≤50或20≤n≤40或20≤n≤30。
可选地，1≤m≤20或1≤m≤15或1≤m≤10或1≤m≤8或1≤m≤6或1≤m≤5或1≤m≤4或1≤m≤3或1≤m≤2。
可选地，所述压力通断元件I、所述压力通断元件II、所述压力通断元件III和所述压力通断元件IV在所述功能板上的布设位置，与正极电解液流入口、正极电解液流出口、负极电解液流入口和负极电解液流出口在所述单电池的双极板上的布设位置分别同轴对应设置(即依次对应设置)，使电解液在所述功能板与所述双极板间流通。
本发明的上述“分别依次对应”是指正极电解液依次流经双极板和功能板上的正极进口或出口，负极电解液依次流经双极板和功能板上的负极进口或出口。
本发明压力通断元件(止逆阀)的通孔位于前一级单电池的双极板I(负极)的对应通孔和后一级单电池的双极板II(正极)的对应通孔之间。正极电解液依次流经上述双极板和功能板上的正极电解液流入或流出口；负极电解液依次流经上述双极板和功能板上的负极电解液流入或流出口。
本发明双极板的通孔与功能板设置止逆阀的通孔同轴对应，且大小相同。止逆阀的通孔位于前一级单电池的双极板I(负极)的对应通孔和后一级单电池的双极板II(正极)的对应通孔之间。
可选地，所述功能板上的止逆阀打开后的阀瓣长度小于所述功能板的厚度；避免遮挡相邻电池的电解液流入。
可选地，所述功能板与其两侧相邻的单电池的双极板通过紧固件叠合。
本发明功能板与其两侧的双极板之间通过多种密封方式实现密封，可以为橡胶密封或者焊接密封。防止电解液的外漏。
本发明的功能板和相邻两侧的双极板的叠合方式可从现有技术选用，例如功能板和双极板的叠合手段，与双极板和其他电堆组件叠合采用的手段相同或相似。
可选地，所述压力通断元件I、所述压力通断元件II、所述压力通断元件III和所述压力通断元件IV均为止逆阀。
可选地，所述止逆阀为液相止逆阀。
本发明的止逆阀只要能满足液体流通或隔断，其型号、材质可根据实际需求选用。
可选地，所述功能板为平板状；所述功能板的尺寸大于等于所述单电池的双极板的尺寸。
可选地，所述功能板中安装压力通断元件(止逆阀)的电解液流通孔与电解液相接触部位的材料为不导电的塑料材质(如PP、PE等)，所述功能板中与双极板接触部位的材料为导电材料(如石墨或者金属板)。
本发明所述功能板的厚度可根据实际需要设计；所述功能板的材质可根据实际需要选用。
可选地，每个电池组包括的单电池的数量相同或不同。
可选地，所述电池组包括s节单电池，s≤20。
可选地，所述s≤10。
可选地，所述1≤s≤10或2≤s≤10。
可选地，m个所述功能板将所述n节单电池平均分成m+1个电池组；即每一个电池组中包括的单电池数量均相等。
本发明中当n个单电池不能被均分组时，尽量使每组单电池数量接近相等，即尽量接近平均值，可以使整个电堆漏电情况减少，当可平均分组时，漏电情况大大减弱，发热温度明显降低。
可选地，所述液流电池电堆包括1个功能板；
当n为偶数时，所述功能板设置在第n/2和第n/2+1节单电池之间；
当n为奇数时，所述功能板设置在第(n－1)/2节和第(n－1)/2+1节单电池之间，或设置在第(n+1)/2节和第(n+1)/2－1节单电池之间。
本申请上述功能板的位置最优是将整个电堆的电池均分，每一组电池组内的最大漏电电流大小相同，分布也相同，且最大漏电电流是最小值。如果不均分，电池节数多的那一组的最大漏电电流会变大。至于安装多少功能板，取决于可接受的漏电电流的大小是多少。功能板越多，漏电控制越好。但是电堆更复杂，成本会越高。
可选地，所述电解液流动包括所述液流电池电堆运行时的状态；所述电解液静止包括所述液流电池电堆满充停机备电时的状态。
本发明的电解液静止状态是指电堆停机备电时，当不加功能板时，电堆会出现漏电情况，漏电电流会导致电堆内发热，温度剧烈升高，电堆部件会损坏，电解液析出，电堆无法工作；当在电堆中加入一定数量的功能板，电堆停机时，功能板的止逆阀在液体不流动时不会打开呈关闭状态，整个电堆中电流会被功能板隔断，大幅度减少了电堆整体漏电情况，进而减少了发热情况，降低了温度；本发明通过在电堆中增加可开启/关闭电解液通道的功能板，可在系统运行时取消停机放电工序或减少停机放电时长。
可选地，所述液流电池电堆依次包括所述电堆端板I、集流板I、n个相邻串联的单电池、集流板II和所述电堆端板II且依次叠合而成。
本发明中的液流电池电堆的各部分组件之间的连接、密封均为现有技术；本发明中的n个单电池为多级串联关系。
可选地，所述单电池依次包括双极板I、正电极、离子传导膜、负电极、双极板II和相邻部件之间的密封件且依次叠合而成。
本发明中单电池的结构及其组件间的连接关系均为现有技术。
可选地，所述液流电池电堆包括全钒液流电池电堆。
第二方面，本发明提供了一种储能系统，包括储液装置、输送装置和液流电池电堆；所述液流电池电堆包括上述液流电池电堆。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提出的液流电池电堆结构，可在电堆满充停机备电过程中显著降低漏电电流，缓解或解决漏电电流发热造成的材料破坏和正极电解液析出问题。通过漏电计算可知，在电堆中合理的设置功能板可以在停机期间降低漏电电流超过90％，实测单位时间内温升大幅度降低；可在系统运行时取消停机放电工序或减少停机放电时长。
附图说明
图1是本发明对比例1-2中的液流电池电堆结构和电解液流动路径示意图；(1号实线路径为正极电解液在电堆中的流入路径；2号实线路径为正极电解液在电堆中的流出路径；3号虚线路径为负极电解液在电堆中的流入路径；4号虚线路径为负极电解液在电堆中的流出路径)；
图2是本发明实施例1-4中的液流电池电堆结构和电解液流动路径示意图；
图3是本发明实施例1-4中液流电池电堆内部的等效电路图；
图4是本发明实施例1-4液流电池结构中功能板的止逆阀关闭状态示意图；
图5是本发明实施例1-4液流电池结构中功能板的止逆阀打开状态示意图；
图6是本发明实施例1-4液流电池结构中双极板和功能板的组合示意图；
图7是本发明对比例1和实施例1-3中电堆内部的漏电电流分布图；
图8是本发明对比例2和实施例4中电堆内部的漏电电流分布图。
附图标记：
5-电堆端板，6-电极，7-离子传导膜，
8-双极板，81-双极板正极电解液流入口，82-双极板正极电解液流出口，83-双极板负极电解液流入口，84-双极板负极电解液流出口；
9-功能板，91-压力通断元件I，92-压力通断元件II，93-压力通断元件III，94-压力通断元件IV，
10-功能板正极电解液流入口，11-功能板正极电解液流出口，12-功能板负极电解液流入口，13-功能板负极电解液流出口；
具体实施方式
下面结合具体的实施例，进一步阐述本申请。以下所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如下，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
如无特别说明，本申请的实施例中的原料均通过商业途径购买，不经任何特殊处理直接使用。
如无特别说明，实施例中的分析方法均采用仪器或设备的常规设置和常规分析方法。
本发明实施例提供的一种液流电池电堆，包括电堆端板I和电堆端板II以及夹设在两个电堆端板之间的n节单电池，相邻两节单电池之间设置功能板9；其中，功能板上设置包括用于正极电解液流入的压力通断元件91(正极电解液流入口10)、用于正极电解液流出的压力通断元件92(正极电解液流出口11)、用于负极电解液流入的压力通断元件93(负极电解液流入口12)和用于负极电解液流出的压力通断元件94(负极电解液流出口13)；
当液流电池电堆中的电解液流动时，压力通断元件91、压力通断元件92、压力通断元件93和压力通断元件94的开口打开且开口方向和电解液流动方向相同；
当液流电池电堆中的电解液静止时，压力通断元件91、压力通断元件92、压力通断元件93和压力通断元件94的开口关闭且阻隔电解液流通。
作为上述实施例的优选，压力通断元件91、压力通断元件92、压力通断元件93和压力通断元件94在功能板9上的布设位置，与正极电解液流入口、正极电解液流出口、负极电解液流入口和负极电解液流出口在单电池的双极板上的布设位置分别同轴对应(依次对应)，使电解液在功能板与双极板间流通。
作为上述实施例的优选，功能板与其两侧相邻的单电池的双极板通过紧固件叠合。
作为上述实施例的优选，所述压力通断元件91、所述压力通断元件92、所述压力通断元件93和所述压力通断元件94均为止逆阀；优选液相止逆阀。
作为上述实施例的优选，所述功能板为平板状；功能板的尺寸大于等于单电池的双极板的尺寸。
作为上述实施例的优选，所述功能板中安装压力通断元件(止逆阀)的电解液流通孔与电解液相接触部位的材料为不导电的塑料材质(如PP、PE等)，所述功能板中与双极板接触部位的材料为导电材料(如石墨或者金属板)。
作为上述实施例的优选，液流电池电堆包括m个功能板，m个功能板将n节单电池分成m+1个电池组；电池组包括s节单电池，s≤20。
作为上述实施例的优选，m个功能板将所述n节单电池平均分成m+1个电池组。
作为上述实施例的优选，每个电池组包括的单电池的数量相同或不同；s≤10。
实施例1(18节单电池+1个功能板+均分电池组)
一种全钒液流电池电堆，其结构如图2所示，该电堆由左至右依次由电堆端板、集流板、依次相邻串联的单电池、集流板和电堆端板构成。其中单电池包括双极板、电极、离子传导膜及其相邻部件间的密封件组装成。电堆由18节单电池构成，将电池分为两组(每组9节电池)，在每组电池之间增加一块功能板，在功能板的10、11、12和13通孔上均设置有止逆阀91-94，如图4所示。该电堆的电解液流路如图2所示，正极电解液经由1流入电堆并分配流入每一节电池的正极电极，再从每一节电池的正极电极流出并汇总，由2流出电堆；负极电解液经由3流入电堆并分配流入每一节电池的负极电极，再从每一节电池的负极电极流出汇总，由4流出电堆。
功能板上的止逆阀工作状态如下：当电堆电解液运转时，电解液流动方向与止逆阀流通方向相同，电解液正常流通，如图5所示；当电堆停机时电解液静止于电堆的管路中，止逆阀关闭，电解液被分隔开而形成液路断路，如图4所示。
电堆内部因电池之间串联的电路结构以及共用分配管路的液路结构而形成了漏电电流的电路网络，如图3所示。因功能板的出现，在对应位置的电路中的Rm为断路，电堆中的漏电电流被重新分配。该电堆的漏电电流同样可由图3中的电路等效电路模型稍作修改而进行估算，进而判断电堆的漏电情况。
电堆内的电阻情况与对比例1中相同。通过Matlab软件构建等效电路模型的计算模型，计算方程组可得到每节电池内的漏电电流的大小，如图7中图例所展示的18节电池电堆第9、10节电池之间增加一块功能板的漏电电流曲线所示。电堆内的漏电电流分布为：左半电堆的9节电池内漏电电流分布与右半电堆的9节电池内的漏电电流以功能板为中心对称分布(即均分)。
每组电池中的中间电池的的漏电较大。计算的最大值为0.0551A。该结果相比于对比例1中的最大电流下降75％，显著降低。因温升与电流的平方成正比，因而计算该电堆内温升速率为0.15℃/s，远低于对比例2.3℃/s的温升速率。经实验测量，在电堆充电至100％soc并停机1小时后电堆内电极框温度＞32℃(32～36℃)，该温度低于正极电解液五价钒析出温度，电堆可以正常保存和工作。
实施例2(18个单电池+1个功能板+不均分电池组)
一种全钒液流电池电堆，其结构如图2所示，该电堆由左至右以此由电堆端板、集流板、依次相邻串联的单电池、集流板和电堆端板构成。其中单电池包括双极板、电极、离子传导膜及其相邻部件间的密封件组装成。电堆由18节单电池构成，将电池分为两组(第一组由左至右的第1-8节组成，第二组由左至右的第9-18节电池组成)，在每组电池之间增加一块功能板，在功能板的10、11、12和13上均设置有止逆阀结构。如图4所示。该电堆的电解液流路如图2所示，正极电解液经由1流入电堆并分配流入每一节电池的正极电极，再从每一节电池的正极电极流出并汇总，由2流出电堆。负极电解液经由3流入电堆并分配流入每一节电池的负极电极，再从每一节电池的负极电极流出汇总，由4流出电堆。功能板上的止逆阀工作状态如下：当电堆电解液运转时，电解液流动方向与止逆阀流通方向相同，电解液正常流通，如图5所示。当电堆停机时电解液静止于电堆的管路中，止逆阀关闭，电解液被分隔开而形成液路断路，如图4所示。
电堆内部因电池之间串联的电路结构以及共用分配管路的液路结构而形成了漏电电流的电路网络，如图3所示。因功能板的出现，在对应位置的电路中的Rm为断路，电堆中的漏电电流被重新分配。该电堆的漏电电流同样可由图3中的电路等效电路模型稍作修改而进行估算，进而判断电堆的漏电情况。
电堆内的电阻情况和实施例1中相同。通过Matlab软件构建等效电路模型的计算模型，计算方程组可得到每节电池内的漏电电流的大小，如图7中图例所展示的18节电池电堆第8、9节电池之间增加一块功能板的漏电电流曲线所示。电堆内的漏电电流分布为：因两组电池节数不同，导致漏电分布不对称(未均分)，节数多的一组漏电电流更大。
与实施例1中计算的漏电电流分布相比，最大漏电电流值更大，证明了该电堆功能板设置的位置不如实施例1。
为进一步证实上述功能板设置位置的问题，同样计算了以下情况的电堆漏电电流的分布：电堆由18节单电池构成，将电池分为两组(第一组由左至右的第1-7节组成，第二组由左至右的第8-18节电池组成)，在每组电池之间增加一块功能板，在功能板的10、11、12和13上均设置有止逆阀结构。电堆内的电阻情况和实施例1中相同。通过Matlab软件构建等效电路模型的计算模型，计算方程组可得到每节电池内的漏电电流的大小，如图4中图例所展示的18节电池电堆第7、8节电池之间增加一块功能板的漏电电流曲线所示。电堆内的漏电电流分布为：因两组电池节数差异加剧，导致漏电分布不对称性增加，节数多的一组漏电电流增大。
由此证明，功能板应设置在电堆电池节数均分的位置。如果电池节数为偶数n，则功能板应设置在n/2和n/2+1两节电池中间；如果电池节数为奇数，则功能板应设置在(n-1)/2和(n-1)/2+1中间，或者(n+1)/2和(n+1)/2-1中间。
实施例3(18个单电池+2个功能板+均分电池组)
一种全钒液流电池电堆，其结构如图2所示，该电堆由左至右以此由电堆端板、集流板、依次相邻串联的单电池、集流板和电堆端板构成。其中单电池包括双极板、电极、离子传导膜及其相邻部件间的密封件组装成。电堆由18节单电池构成，将电池分为三组(每组6节电池)，在每组电池之间增加一块功能板，在功能板的10、11、12和13上均设置有止逆阀结构。如图4所示。该电堆的电解液流路如图2所示，正极电解液经由1流入电堆并分配流入每一节电池的正极电极，再从每一节电池的正极电极流出并汇总，由2流出电堆。负极电解液经由3流入电堆并分配流入每一节电池的负极电极，再从每一节电池的负极电极流出汇总，由4流出电堆。功能板上的止逆阀工作状态如下：当电堆电解液运转时，电解液流动方向与止逆阀流通方向相同，电解液正常流通，如图5所示。当电堆停机时电解液静止于电堆的管路中，止逆阀关闭，电解液被分隔开而形成液路断路，如图4所示。
电堆内部因电池之间串联的电路结构以及共用分配管路的液路结构而形成了漏电电流的电路网络，如图3所示。因功能板的出现，在对应位置的电路中的Rm为断路，电堆中的漏电电流被重新分配。该电堆的漏电电流同样可由图3中的电路等效电路模型稍作修改而进行估算，进而判断电堆的漏电情况。电堆内的电阻情况和实施例1中相同。通过Matlab软件构建等效电路模型的计算模型，计算方程组可得到每节电池内的漏电电流的大小，如图6中图例所展示的18节电池电堆第6、7节电池之间和第12、13节电池之间各增加一块功能板的漏电电流曲线所示。电堆内的漏电电流分布为：在三等分电池节数的每组电池内，漏电电流成对称式分布，最大漏电电流值为0.0235A。
实施例3相比于对比例1中的最大电流下降90％，漏电电流被抑制的更低。因温升与电流的平方成正比，因而计算该电堆内温升速率为0.027℃/s。经实验测量，在电堆充电至100％soc并停机1小时后电堆内电极框温度基本无变化，停机漏电产生的热量与电堆外部自然对流冷却相当。该结果证明通过增加功能板的数量可以在停机时将漏电产生的发热量控制在较低的水平。
实施例4(60个单电池+1～3个功能板+均分电池组)
一种全钒液流电池电堆，其结构如图2所示，该电堆由左至右以此由电堆端板、集流板、依次相邻串联的单电池、集流板和电堆端板构成。其中单电池包括双极板、电极、离子传导膜及其相邻部件间的密封件组装成。电堆由60节单电池构成，分别将电池分为两组(每组30节电池)、三组(每组20节电池)和四组(每组15节电池)，并分别在上述分组中，在每组电池之间增加一块功能板：当电池分为两组时设置一块功能板、当电池分为三组时设置两块功能板、当电池分为四组时设置三块功能板。在功能板的10、11、12和13上均设置有止逆阀结构，如图4所示。该电堆的电解液流路如图2所示，正极电解液经由1流入电堆并分配流入每一节电池的正极电极，再从每一节电池的正极电极流出并汇总，由2流出电堆。负极电解液经由3流入电堆并分配流入每一节电池的负极电极，再从每一节电池的负极电极流出汇总，由4流出电堆。功能板上的止逆阀工作状态如下：当电堆电解液运转时，电解液流动方向与止逆阀流通方向相同，电解液正常流通，如图5所示。当电堆停机时电解液静止于电堆的管路中，止逆阀关闭，电解液被分隔开而形成液路断路，如图4所示。
电堆内部因电池之间串联的电路结构以及共用分配管路的液路结构而形成了漏电电流的电路网络，如图3所示。因功能板的出现，在对应位置的电路中的Rm为断路，电堆中的漏电电流被重新分配。该电堆的漏电电流同样可由图3中的电路等效电路模型稍作修改而进行估算，进而判断电堆的漏电情况。
电堆内的电阻情况与对比例2中相同。通过Matlab软件构建等效电路模型的计算模型，计算方程组可得到每节电池内的漏电电流的大小，如图8中图例所展示的60节电池电堆增加1块功能板、60节电池电堆增加2块功能板和60节电池电堆增加3块功能板的三条漏电电流曲线所示。电堆内的漏电电流分布为：被功能板分组的电池内漏电电流对称分布，最大漏电电流出现在中间电池处。最大漏电电流相比于对比例3显著降低，分别为0.3754A、0.1714A和0.0975A，降幅分别为71％、87％和92％。因温升与电流的平方成正比，因而计算该电堆内温升速率在上述三种增加不同数量导液板的情况下分别为2.28℃/s、0.48℃/s和0.23℃/s。
经过实验测得，在增加三块功能板的情况下，电堆充电至100％soc并停机30分钟后该电堆电极框内流道电解液温度约为38℃，并在之后的30分钟内温升小于5℃。经拆堆检查，电极框的电解液流道内的正极电解液中的没有五价钒的析出。
对于多节数的大功率液流电池电堆，需要增设多块功能板来将电堆的温升速率降低至0.1℃/s以下，通过电堆外的对流冷却散热帮助电堆冷却而取消停机放电的功能，降低对于电网的额外负荷。增设的功能板的数量应保证每组内电池的个数≤20，优选个数≤10。
对比例1(18个单电池+无功能板)
一种全钒液流电池电堆，其结构如图1所示，该电堆由左至右以此由电堆端板、集流板、依次相邻串联的单电池、集流板和电堆端板构成。其中单电池包括双极板、电极、离子传导膜及其相邻部件间的密封件组装成。电堆由18节单电池构成，该电堆的电解液流路如图1所示，正极电解液经由1流入电堆并分配流入每一节电池的正极电极，再从每一节电池的正极电极流出并汇总，由2流出电堆。负极电解液经由3流入电堆并分配流入每一节电池的负极电极，再从每一节电池的负极电极流出汇总，由4流出电堆。电堆内部因电池之间串联的电路结构以及共用分配管路的液路结构而形成了漏电电流的电路网络，如图3所示。该电堆的漏电电流可由图3中的电路等效电路模型进行估算，进而判断电堆的漏电情况。
经过对电堆的电阻进行测量、电堆的管路电阻进行估算，得到如下结果：电堆中单节电池的电阻为0.001Ω、电堆RMA和RMC为0.5Ω、电堆RA和RC为540Ω。通过Matlab软件构建等效电路模型的计算模型，计算方程组可得到每节电池内的漏电电流的大小，如图7中图例所展示的18节电池电堆的漏电电流曲线所示。电堆内的漏电电流分布为：靠近两侧电堆端板的电池漏电较少，中心电池的的漏电较大。计算的最大值为0.2168A。该漏电不仅会引起电池之间的充电容量不同，增大单节电池电压差异。更会在系统充满电进行备电时释放热量。由于停机时电解液不流动，电解液流道狭窄，电解液体积很小。因此虽然发热功率不高，但在累计时长的作用下会造成电解液的显著温升。经估算，在最大电流值时，电解液温升可由公式计算得出：T＝(I2*R)/C/ρ/V。其中I为电流，R为电阻，C为比热容，ρ为电解液密度，V为电解液体积。对于全钒液流电池来说，C＝3120J/Kg*K，ρ＝1400Kg/m3，电极框中流道内电解液体积为0.5*10-6m3。每秒内温升约为2.3℃。随着漏电进行电池电压快速降低，电流大幅下降，温升的大小也会显著下降。但仍然会对电池内部造成剧烈的温升。
经实验可得，在电堆充电至100％soc并停机1小时后该电堆电极框内流道电解液温度＞40℃，正极电解液中的部分五价钒析出。只有在电堆停机之后再辅助停机放电来降低电堆电压，从而达到减小漏电电流、降低温升的目的。
对比例2(60个单电池+无功能板)
一种全钒液流电池电堆，其结构如图1所示，该电堆由左至右以此由电堆端板、集流板、依次相邻串联的单电池、集流板和电堆端板构成。其中单电池包括双极板、电极、离子传导膜及其相邻部件间的密封件组装成。电堆由60节单电池构成，该电堆的电解液流路如图1所示，正极电解液经由1流入电堆并分配流入每一节电池的正极电极，再从每一节电池的正极电极流出并汇总，由2流出电堆。负极电解液经由3流入电堆并分配流入每一节电池的负极电极，再从每一节电池的负极电极流出汇总，由4流出电堆。电堆内部因电池之间串联的电路结构以及共用分配管路的液路结构而形成了漏电电流的电路网络，如图3所示。该电堆的漏电电流可由图3中的电路等效电路模型进行估算，进而判断电堆的漏电情况。
经过对电堆的电阻进行测量、电堆的管路电阻进行估算，得到如下结果：电堆中单节电池的电阻为0.001Ω、电堆RMA和RMC为0.5Ω、电堆RA和RC为850Ω。通过Matlab软件构建等效电路模型的计算模型，计算方程组可得到每节电池内的漏电电流的大小，如图8中图例所展示的60节电池电堆的漏电电流曲线所示。电堆内的漏电电流分布为：靠近两侧电堆端板的电池漏电较少，中心电池的的漏电较大。计算的最大值为1.2983A。该漏电电流在电极面积较小但电池节数较多的电堆中影响较大，该漏电不仅会引起电池之间的充电容量不同，增大单节电池电压差异。更会在系统充满电进行备电时释放热量。由于停机时电解液不流动，电解液流道狭窄，电解液体积很小。因此虽然发热功率不高，但在累计时长的作用下会造成电解液的显著温升。经估算，在最大电流值时，电解液温升可由公式计算得出：T＝(I2*R)/C/ρ/V。其中I为电流，R为电阻，C为比热容，ρ为电解液密度，V为电解液体积。对于全钒液流电池来说，C＝3120J/Kg*K，ρ＝1400Kg/m3，电极框中流道内电解液体积为1.2*10- 5m3。每秒内温升约为27.3℃，理论最大温升非常剧烈。实际过程中随着漏电进行电池电压快速降低，电流大幅下降，温升的大小也会显著下降。但仍然会对电池内部造成剧烈的温升。
经实验可得，在电堆充电至100％soc并停机30分钟后该电堆电极框内流道电解液温度＞75℃，与之接触的双极板、电极框出现软化现象，正极电解液中的大量五价钒析出，电堆被破坏而无法正常工作。需要在电堆停机之后辅助停机放电来降低电堆电压，从而达到减小漏电电流，再加上对电堆的对流冷却换热，来达到降低温升的目的。
以上所述，仅是本申请的几个实施例，并非对本申请做任何形式的限制，虽然本申请以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限制本申请，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本申请技术方案的范围内，利用上述揭示的技术内容做出些许的变动或修饰均等同于等效实施案例，均属于技术方案范围内。
Claims (10)
1.一种液流电池电堆，其特征在于，其包括电堆端板I和电堆端板II以及夹设在两个电堆端板之间的n节单电池；
所述液流电池电堆包括m个功能板，m个功能板将所述n节单电池分成m+1个电池组；
其中，所述功能板上设置包括用于正极电解液流入的压力通断元件I、用于正极电解液流出的压力通断元件II、用于负极电解液流入的压力通断元件III和用于负极电解液流出的压力通断元件IV；
当所述液流电池电堆中的电解液流动时，所述压力通断元件I、所述压力通断元件II、所述压力通断元件III和所述压力通断元件IV的开口打开且开口方向和电解液流动方向相同；
当所述液流电池电堆中的电解液静止时，所述压力通断元件I、所述压力通断元件II、所述压力通断元件III和所述压力通断元件IV开口关闭且阻隔电解液流通。
2.根据权利要求1所述的一种液流电池电堆，其特征在于，所述压力通断元件I、所述压力通断元件II、所述压力通断元件III和所述压力通断元件IV在所述功能板上的布设位置，与正极电解液流入口、正极电解液流出口、负极电解液流入口和负极电解液流出口在所述单电池的双极板上的布设位置分别同轴对应设置，使电解液在所述功能板与所述双极板间流通。
3.根据权利要求1所述的一种液流电池电堆，其特征在于，所述功能板与其两侧的双极板通过紧固件叠合。
4.根据权利要求1所述的一种液流电池电堆，其特征在于，所述压力通断元件I、所述压力通断元件II、所述压力通断元件III和所述压力通断元件IV均为止逆阀；
优选地，所述止逆阀为液相止逆阀；所述功能板上的止逆阀打开后阀瓣长度小于所述功能板的厚度。
5.根据权利要求1所述的一种液流电池电堆，其特征在于，所述功能板为平板状；所述功能板的尺寸大于等于所述单电池的双极板的尺寸；所述功能板中用于安装压力通断元件的电解液流通孔与电解液接触的部位的材料为不导电材料，所述功能板中与所述双极板接触的部位的材料为导电材料。
6.根据权利要求1所述的一种液流电池电堆，其特征在于，每个电池组包括的单电池的数量相同或不同；所述电池组包括s节单电池，s≤20；
优选地，m个所述功能板将所述n节单电池平均分成m+1个电池组；
优选地，所述s≤10。
7.根据权利要求1所述的一种液流电池电堆，其特征在于，所述液流电池电堆包括1个功能板；
当n为偶数时，所述功能板设置在第n/2和第n/2+1节单电池之间；
当n为奇数时，所述功能板设置在第(n－1)/2节和第(n－1)/2+1节单电池之间，或设置在第(n+1)/2节和第(n+1)/2－1节单电池之间。
8.根据权利要求1所述的一种液流电池电堆，其特征在于，所述电解液流动包括所述液流电池电堆运行时的状态；所述电解液静止包括所述液流电池电堆满充停机备电时的状态；
优选地，所述液流电池电堆依次包括所述电堆端板I、集流板I、n个相邻串联的单电池、集流板II和所述电堆端板II且依次叠合而成。
9.根据权利要求1所述的一种液流电池电堆，其特征在于，所述单电池依次包括双极板I、正电极、离子传导膜、负电极、双极板II和相邻部件之间的密封件且依次叠合而成；
优选地，所述液流电池电堆包括全钒液流电池电堆。
10.一种储能系统，包括储液装置、输送装置和液流电池电堆；其特征在于，所述液流电池电堆包括权利要求1～9任一项所述的液流电池电堆。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311630359.2A CN117577901A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种液流电池电堆和储能系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311630359.2A CN117577901A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种液流电池电堆和储能系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117577901A true CN117577901A (zh) | 2024-02-20 |
Family
ID=89895283
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311630359.2A Pending CN117577901A (zh) | 2023-11-30 | 2023-11-30 | 一种液流电池电堆和储能系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117577901A (zh) |
-
2023
- 2023-11-30 CN CN202311630359.2A patent/CN117577901A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| AU2003227443B2 (en) | Method for operating redox flow battery and redox flow battery cell stack | |
| US7199550B2 (en) | Method of operating a secondary battery system having first and second tanks for reserving electrolytes | |
| EP2517293B1 (en) | Management of operation of a pem fuel cell stack back-up electric generator | |
| US20070072067A1 (en) | Vanadium redox battery cell stack | |
| US10312729B2 (en) | Alternating current uninterruptible power supply system | |
| US20190260050A1 (en) | Flow battery regulation and control method, regulation and control system thereof, and flow battery | |
| JPH09259913A (ja) | 燃料電池発電装置およびその運転方法 | |
| PT2320504E (pt) | Método de funcionamento de uma fonte de alimentação híbrida passiva celular/bateria a combustível | |
| KR101402948B1 (ko) | 레독스 흐름전지 | |
| US20130154364A1 (en) | Vanadium redox battery energy storage system | |
| AU2017271220B2 (en) | Subsea uninterruptible power supply | |
| JP2020513223A (ja) | バナジウムレドックスフロー電池の多点電解質フローフィールド実施形態 | |
| CN117577901A (zh) | 一种液流电池电堆和储能系统 | |
| CN216488182U (zh) | 一种液流电池电堆结构 | |
| EP2917951A1 (en) | Electrochemical device and method for controlling corrosion | |
| KR102154387B1 (ko) | 레독스 플로우 전지 시스템 | |
| JP2006040591A (ja) | レドックスフロー電池 | |
| CN115483424A (zh) | 一种电堆及电堆系统 | |
| JP2006012425A (ja) | レドックスフロー電池の運転方法 | |
| TW201628247A (zh) | 氧化還原液流電池的運轉方法、及氧化還原液流電池 | |
| TWI726516B (zh) | 液流電池系統及其控制方法 | |
| KR101572033B1 (ko) | 연료전지 스택의 활성화 장치 | |
| CN219435925U (zh) | 一种液流电池组 | |
| CN219534566U (zh) | 电化学氢增压装置及水电解装置 | |
| CN219716907U (zh) | 多堆燃料电池系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |