TW201926783A - 氧化還原液流電池 - Google Patents

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Abstract

本發明揭示一種氧化還原液流電池，其包含：一單元；一電解質槽，其經組態以儲存供應至該單元之一電解質；及一循環機構，其安置於該單元與該電解質槽之間且經組態以使該電解質循環。該循環機構包含：一吸入管，其經組態以將該電解質自該電解質中之該吸入管之一開口端吸取至高於該電解質槽中之該電解質之一槽內液位；一循環泵，其安置於該吸入管之一上端處；一擠壓管，其自該循環泵之一排放口運行至該單元；及一回流管，其自該單元運行至該電解質槽。HL /H0 大於或等於0.4且HS 小於或等於HL ，其中H0 係自該電解質槽之一內底面至該槽內液位之一高度，HL 係自該吸入管之該開口端至該槽內液位之一長度，且HS 係自該槽內液位至該循環泵之一吸入口之一中心之一高度。

Description

氧化還原液流電池
本發明係關於一種氧化還原液流電池。
專利文獻(PTL) 1揭示一種氧化還原液流電池，其包含：一單元，其經組態以執行其本身與一電力系統之間之充電及放電；一電解質槽，其經組態以儲存供應至該單元之一電解質；及一循環機構，其安置於該單元與該電解質槽之間且經組態以使該電解質循環。該循環機構包含一循環泵、自該電解質槽運行至該循環泵之一管、自該循環泵運行至該單元之一管及自該單元運行至該電解質槽之一管。該循環泵安置至該電解質槽之一側。 引用列表 專利文獻
PTL 1：日本未審查專利公開申請案第2012-164530號
根據本發明之一氧化還原液流電池包含：一單元；一電解質槽，其經組態以儲存供應至該單元之一電解質；及一循環機構，其安置於該單元與該電解質槽之間且經組態以使該電解質循環。該循環機構包含：一吸入管，其經組態以將該電解質自該電解質中之該吸入管之一開口端吸取至高於該電解質槽中之該電解質之一槽內液位；一循環泵，其安置於該吸入管之一上端處；一擠壓管，其自該循環泵之一排放口運行至該單元；及一回流管，其自該單元運行至該電解質槽。HL /H0 大於或等於0.4且HS 小於或等於HL ，其中H0 係自該電解質槽之一內底面至該槽內液位之一高度，HL 係自該吸入管之該開口端至該槽內液位之一長度，且HS 係自該槽內液位至該循環泵之一吸入口之一中心之一高度。
[本發明待解決之問題] 在習知氧化還原液流電池中，將一循環泵安置至一電解質槽之一側以使一單元中之電解質循環。此意謂：若自電解質槽運行至循環泵之一管被損壞，則電解質槽中之大部分電解質會漏出。
因此，本發明之一目的係提供一種即使自電解質槽運行至循環泵之管被損壞但可防止電解質自電解質槽漏出之氧化還原液流電池。
[本申請案之發明實施例之描述] 鑑於上述問題，本發明者已研究用於將電解質吸取至高於電解質槽之一組態。為吸取電解質，需要考量循環泵之一所需淨正吸高差(NPSHr)及考量吸入條件之一可用淨正吸高差(NPSHa)。NPSHr係藉由將避免由空化引起之泵效率降低所需之一最小吸入壓力轉換成一電解質位準(高度)(m)所獲得之一值。NPSHr係與液體性質等等無關之一泵特定值。相比而言，NPSHa係考量吸入條件之一高差。NPSHa係表示電解質之吸入期間之一空化裕度之一值且可由以下方程式判定。為避免空化，需滿足NPSHr＜NPSHa：其中 PA 係電解質槽中之槽內液位處所施加之一絕對壓力(MPa)； PV 係對應於循環泵之吸入口處之溫度之電解質之蒸汽壓力(MPa)； p係電解質密度(kg/m3 )； g係重力加速度(9.8 m/s2 )； HS 係自電解質槽中之槽內液位至循環泵之吸入口之中心之高度(m)；及 Hfs 係吸入管中之高差損失。 應注意，Hfs 可由(例如)下述達西-魏斯巴(Darcy-Weisbach)方程式判定： 高差損失其中 α係安全係數(例如1.3)； λ係管摩擦係數； L係管長或其等效長度(m)； d係管內徑(m)；及 v係電解質流速(m/s)。
針對氧化還原液流電池，亦需考量電解質槽中之電解質之利用率。氧化還原液流電池使用電解質中所含之活性材料離子之價數變化來執行充電及放電。因此，若用於吸取電解質之吸入管伸入至電解質之一淺層處，則難以形成電解質之對流，且無法達成電解質槽中之活性材料之有效使用。為形成電解質之對流且提高電解質之利用率，宜自電解質之一深層吸取電解質。然而，隨著吸入管之長度增大，吸入管損失Hfs 增大且NPSHa減小，如上述推導方程式所表示。因此，需調整吸入高度HS (亦指稱實際吸高差)來滿足NPSHr＜NPSHa。
本發明者已進一步研究用於吸取電解質之組態且已發現可藉由界定HS 與HL 之間之關係來減小循環機構中所包含之循環泵之大小且減少操作氧化還原液流電池所需之電力消耗。下文將列出及描述本申請案之發明實施例。
＜1＞ 根據一實施例之一氧化還原液流電池包含：一單元；一電解質槽，其經組態以儲存供應至該單元之一電解質；及一循環機構，其安置於該單元與該電解質槽之間且經組態以使該電解質循環。該循環機構包含：一吸入管，其經組態以將該電解質自電解質中之該吸入管之一開口端吸取至高於電解質槽中之該電解質之一槽內液位；一循環泵，其安置於該吸入管之一上端處；一擠壓管，其自該循環泵之一排放口運行至該單元；及一回流管，其自該單元運行至該電解質槽。HL /H0 大於或等於0.4且HS 小於或等於HL ，其中H0 係自該電解質槽之一內底面至該槽內液位之一高度，HL 係自該吸入管之該開口端至該槽內液位之一長度，且HS 係自該槽內液位至該循環泵之一吸入口之一中心之一高度。
當該電解質自該電解質槽循環至該單元時，將該電解質吸取至高於該槽內液位。就此組態而言，即使自該電解質槽運行至該循環泵之該吸入管被損壞，但該電解質不大可能自該電解質槽漏出。此係因為該吸入管之損壞破壞該吸入管之氣密性且允許重力引起該吸入管中之該電解質返回至該電解質槽。
當自該電解質之該槽內液位至該電解質中之該吸入管之該開口端之距離HL 較小時(即，當將該電解質吸取至接近該槽內液位時)，該電解質槽之底面上之該電解質往往無法使用。因此，即使該電解質槽之容量增大，但難以達成提高該氧化還原液流電池之時率容量之效應。另一方面，當HL /H0 ≥0.4時(即，當距離HL 與該電解質之深度H0 之比率係40%或更高時)，則可在該電解質之一深層處吸取該電解質且此提高該電解質槽中之該電解質之利用率。
增大HL 意謂該吸入管與該電解質之間之摩擦損失增加。如上文所描述，NPSHa係藉由自一理論臨限值減去吸入高度HS (實際吸高差)及吸入管損失Hfs 所獲得之一值。因此，根據Hfs 之一增大來調整HS 係很重要的。明確而言，可藉由使HS 小於或等於HL (HS ≤HL )來使用於吸取該電解質且使該電解質循環之該循環泵之泵電力保持較低。此可減少用於操作氧化還原液流電池之電力消耗且達成該氧化還原液流電池之高效率操作。
＜2＞ 在根據實施例之氧化還原液流電池之一態樣中，該循環泵可為具有一泵體之一自注泵，該泵體包含一葉輪及經組態以使該葉輪旋轉之一驅動單元，且該泵體可安置於該槽內液位上方。
上述組態促進該循環泵之維護。此係因為：由於停止該循環泵來維護該循環泵，所以該吸入管中之該電解質返回至該電解質槽且此省去自該電解質取出該葉輪之麻煩。然而，取決於該循環泵之類型，該葉輪可安置於該電解質中，而該驅動單元可安置於該電解質之該槽內液位上方。此一循環泵之維護存在自該電解質取出該葉輪之麻煩。當取出該葉輪時，該電解質會灑落。
＜3＞ 在實施例之氧化還原液流電池之一態樣(根據其中該泵體安置於該槽內液位上方)中，該循環泵可設有安置於該泵體與該吸入管之間之一起動注給槽。
在具有該起動注給槽之組態中，使用該循環泵來吸入該起動注給槽中之該電解質減小該起動注給槽中之氣相壓力且引起該電解質槽中之該電解質被吸取至該起動注給槽中。就此組態而言，儲存於該電解質槽中之該電解質之初始吸入僅涉及將該電解質注入至該起動注給槽中及操作該循環泵。因此，容易地實施該初始吸入操作。在無該起動注給槽之組態中，無法在完成製備工作(其存在使用該電解質來填充該循環泵及該吸入管之麻煩)之前吸取該電解質。
＜4＞ 在根據實施例之氧化還原液流電池之另一態樣(其中該泵體安置於該槽內液位上方)中，該氧化還原液流電池可包含安置於該電解質槽之一上表面上且其內容納該單元之一單元室，且該泵體可安置於該單元室中。
就此組態而言，即使該電解質在泵體附近洩漏，但可容易地使該洩漏電解質保留於該單元室內。此促進該洩漏電解質之處理且提高處理之安全性。
[本申請案之發明實施例之細節] 現將描述根據本發明之一氧化還原液流電池之實施例。應注意，本申請案之發明不受限於實施例中所描述之組態且由申請專利範圍界定。因此，申請專利範圍意欲涵蓋落入等效於申請專利範圍之意義及範疇內之全部變化。
＜實施例＞ 在描述根據一實施例之一氧化還原液流電池之前，將基於圖1至圖3來描述一氧化還原液流電池(下文中指稱一RF電池)之一基本組態。
＜＜RF電池之基本組態＞＞ 一RF電池係用於(例如)儲存由新能源(諸如太陽光伏能或風能)產生之電之一電解質循環儲能電池。基於圖1來描述一RF電池1之一工作原理。RF電池1係使用一正極電解質中所含之活性材料離子(圖1中之釩離子)之氧化還原電位與一負極電解質中所含之活性材料離子(圖1中之釩離子)之氧化還原電位之間之一差來執行充電及放電之一電池。RF電池1透過一電力轉換器91連接至一電力系統9中之一變壓器設施90且執行其本身與電力系統9之間之充電及放電。當電力系統9係執行交流電電力傳輸之一電力系統時，電力轉換器91係一交流電/直流電轉換器。當電力系統係執行直流電電力傳輸之一電力系統時，電力轉換器91係一直流電/直流電轉換器。RF電池1包含藉由允許氫離子通過之一膜101來分成一正極單元102及一負極單元103之一單元100。
正極單元102包含一正極104。儲存一正極電解質之一正極電解質槽106透過管路108及110連接至正極單元102。管路108具有一循環泵112。此等組件106、108、110及112形成使正極電解質循環之一正極電解質循環機構100P。類似地，負極單元103包含一負極105。儲存一負極電解質之一負極電解質槽107透過管路109及111連接至負極單元103。管路109具有一循環泵113。此等組件107、109、111及113形成使負極電解質循環之一負極電解質循環機構100N。在充電及放電期間，儲存於電解質槽106及107中之電解質藉由循環泵112及113來循環於單元102及103中。當未發生充電或放電時，循環泵112及113靜止且電解質不循環。
[單元堆] 單元100通常形成於稱為一單元堆200之一結構內，諸如圖2及圖3中所繪示之單元堆。藉由使用兩側上之兩個端板210及220夾置稱為一子堆200s (參閱圖3)之一分層結構且接著使用一緊固機構230緊固所得結構來形成單元堆200。圖3中所繪示之組態使用一個以上子堆200s。
藉由將複數組之單元框120、正極104、膜101及負極105堆疊成層且將所得分層體夾置於供應/排放板190 (參閱圖3之下部；圖2中未展示)之間來形成子堆200s (參閱圖3)。
單元框120包含具有一通窗之一框體122及經組態以關閉通窗之一雙極板121。即，框體122支撐雙極板121之外周邊。例如，可藉由依使得框體122與雙極板121之外周邊整合之一方式形成框體122來製成單元框120。替代地，可藉由製備具有沿通窗之外邊緣之一薄部分之框體122及獨立於框體122所產生之雙極板121且接著將雙極板121之外周邊裝配至框體122之薄部分中來製成單元框120。依便於與單元框120之雙極板121之一側接觸之一方式安置正極104，且依便於與雙極板121之另一側接觸之一方式安置負極105。在此組態中，一單元100形成於裝配至相鄰單元框120中之雙極板121之間。
藉由形成於各單元框120中之液體供應歧管123及124及液體排放歧管125及126來實現電解質透過供應/排放板190 (參閱圖3)循環至單元100中。正極電解質自液體供應歧管123透過形成於單元框120之一側上(即，圖式之正面上)之一入口狹縫123s (參閱由一實線指示之一彎曲部分)供應至正極104，且透過形成於單元框120之上部中之出口狹縫125s (參閱由一實線指示之一彎曲部分)排放至液體排放歧管125中。類似地，負極電解質自液體供應歧管124透過形成於單元框120之另一側上(即，圖式之背面上)之一入口狹縫124s (參閱由一虛線指示之一彎曲部分)供應至負極105，且透過形成於單元框120之上部中之一出口狹縫126s (參閱由一虛線指示之一彎曲部分)排放至液體排放歧管126中。一環形密封構件127 (諸如一O形環或平墊片)設置於相鄰單元框120之間且此防止電解質自子堆200s洩漏。
[電解質] 一電解質可含有釩離子作為正及負活性材料，或可含有鎂及鈦離子分別作為正及負活性材料。亦可使用已知組合物之其他電解質。
＜＜根據實施例之RF電池＞＞ 基於上述RF電池1之基本組態，將基於圖4及圖5來描述根據實施例之RF電池1。圖4係RF電池1之一示意圖，且圖5係繪示RF電池1之正極電解質循環機構100P及其相鄰區域的一示意圖。圖5中未展示單元100及一回流管7。
如圖4中所繪示，本實例之RF電池1之組件位於三個區段中。第一區段係其內容納單元堆200之一單元室2，單元堆200包含單元100及循環機構100P及100N。在本實例中，單元室2由一容器形成。第二區段係充當正極電解質槽106之一正槽容器。第三區段係充當負極電解質槽107之一負槽容器。在本實例中，形成單元室2之容器經安置以延伸於槽容器上方。
可使用諸如海運貨櫃之標準容器作為形成單元室2及電解質槽106及107之容器。可根據RF電池1之容量或輸出來適當選擇容器大小。例如，當RF電池1具有一大(或小)容量時，電解質槽106及107可由大(或小)容器形成。容器之實例包含符合ISO標準(例如ISO 1496-1:2013)之國際空運貨櫃。通常，可使用20英尺容器及40英尺容器及高於20英尺及40英尺容器之20英尺高櫃及40英尺高櫃。
在圖4所繪示之組態中，循環機構100P (100N)包含一吸入管5、循環泵112 (113)、一擠壓管6及回流管7。吸入管5使其之一開口端定位於電解質8中且將電解質8吸取至高於電解質槽106 (107)。擠壓管6係自循環泵112 (113)之排放口運行至單元100之一管。擠壓管6可對應於圖1中所繪示之管路108 (109)。回流管7係自單元100運行至電解質槽106 (107)之一管。回流管7可對應於圖1中所繪示之管路110 (111)。回流管7宜沿槽中之液體表面之平面方向與吸入管5間隔。例如，回流管7及吸入管5宜經配置以相對於槽中之液面之中心對稱。此係因為使管5及7隔開可促進電解質之對流。
如圖5中所繪示，循環泵112係具有一泵體3之一自注泵，泵體3包含一葉輪30及使葉輪30旋轉之一驅動單元31。泵體3安置於單元室2中且未浸入電解質8中。圖4中所繪示之循環泵113具有相同於圖5中所繪示之循環泵112之組態。
循環泵112設有安置於泵體3與吸入管5之間之一起動注給槽4。在具有起動注給槽4之組態中，使用循環泵112來將電解質8吸入起動注給槽4中減小起動注給槽4中之氣相壓力且引起電解質槽106中之電解質8被吸取至起動注給槽4中。就此組態而言，儲存於電解質槽106中之電解質8之初始吸入僅涉及將電解質8注入至起動注給槽4中及操作循環泵112。因此，容易地實施初始吸入操作。在具有起動注給槽4之組態中，將泵體3連接至起動注給槽4之一管宜設有一閥(圖中未展示)。為維護泵體3，在關閉閥之後自循環機構100P移除泵體3。
依使得電解質8被吸取至高於電解質槽106 (107)之一方式組態圖4中所繪示之RF電池1。就此組態而言，即使自電解質槽106 (107)運行至循環泵112 (113)之吸入管5被損壞，但電解質8不大可能自電解質槽106 (107)漏出。此係因為：吸入管5之損壞破壞吸入管5之氣密性且允許重力引起吸入管5中之電解質8返回至電解質槽106 (107)。本實例之循環泵112 (113)之泵體3未浸入電解質8中，且此促進循環泵112 (113)之維護。此係因為：由於僅停止循環泵112 (113)，所以吸入管5中之電解質8返回至電解質槽106 (107)且此省去自電解質8取出葉輪30 (參閱圖5)之麻煩。
在RF電池1中，泵體3安置於電解質槽106之上表面上之單元室2中。因此，即使電解質8在泵體3附近洩漏，但可易於使洩漏電解質8保留於單元室2內。此促進洩漏電解質8之處理且提高處理之安全性。
在實施例之RF電池1中，HL /H0 大於或等於0.4且HS 小於或等於HL ，其中 ․H0 係自電解質槽106之內底面至電解質8之槽內液位之一高度； ․HL 係自吸入管5之一開口端50至槽內液位之一長度；及 ․HS 係自槽內液位至循環泵112之一吸入口32之中心之一吸入高度(亦指稱一實際吸高差)。
當HL /H0 ≥0.4時(即，當距離HL 與電解質8之深度H0 之比率係40%或更高時)，可在電解質8之一深層處吸取電解質8且可提高電解質槽106中之電解質8之利用率。如圖6中所繪示，當HL /H0 ＜0.4時，液體利用率較低。為提高電解質8之利用率，宜滿足HL /H0 ≥0.6，且甚至滿足HL /H0 ≥0.8或HL /H0 ≥0.9。
增大HL 意謂吸入管5與電解質8之間之摩擦損失增加。如「本申請案之發明實施例之描述」開始處所描述，NPSHa係藉由自一理論臨限值減去吸入高度HS 及吸入管損失Hfs 所獲得之一值。因此，根據Hfs 之一增大來調整HS 係很重要的。明確而言，可藉由滿足HS ≤HL 來使用於吸取電解質8且使電解質8循環之循環泵112之泵電力(即，驅動單元31之電力)保持較低。此可減少用於操作RF電池1之電力消耗且達成RF電池1之高效率操作。
＜計算實例＞ 本計算實例使用具有NPSHr=2 m之循環泵112以藉由變動HL 及HS 來判定NPSHa且檢驗循環泵112之電力減小之可能性。
＜＜實例1＞＞ 計算之先決條件係如下： ․吸入高度(實際吸高差) HS =0.5 m； ․電解質深度H0 =2.8 m； ․液體中之吸入管5之長度HL =2.7 m； ․包含各部分之高差損失之總高差=29.5 m； ․電解質流速Q=960公升/分鐘；及 ․吸入管5之內徑d=0.1 m。
在實例1中，當液體利用率HL /H0 ≈0.96時，電解質中之活性材料離子之利用率係完全有保障的。在實例1中，滿足HS ≤HL 且NPSHa≈8.71 m。在此實例中，當滿足NPSHr＜NPSHa時，使電解質循環不存在任何問題。
＜＜實例2＞＞ 實例2展示具有HS ＞HL 之一組態之一計算實例。明確而言，除HS =3.0 m (大於HL )及總高差(30.0 m)之外，計算之先決條件相同於實例1中之先決條件。實例2中之液體利用率相同於實例1中之液體利用率，但此處NPSHa≈6.21 m。此外，滿足NPSHr＜NPSHa，且使電解質循環不存在任何問題。然而，由於較大HS 需要更大泵電力，所以實例1中比實例2中更有效地達成泵電力減小。
＜＜綜述＞＞ 判定實例1與2之間之一電力減小比，其中電解質中之活性材料之利用率係高的。藉由減少高差損失(即，減小總高差)來減小泵電力。實例1與2之間之電力減小比可由[(實例2中之總高差)-(實例1中之總高差)]/(實例2中之總高差)×100判定。此表明，實例1中所需之電力比實例2中所需之電力小1.7%。即，就實例1之組態而言，降低操作RF電池1所需之電量且確保RF電池1之高效率操作。
＜應用＞ 為藉由自然能源(諸如太陽光伏能或風能)來發電，可將根據實施例之RF電池用作旨在(例如)使發電之輸出穩定、在發電過剩時儲電及提供負載均衡之一儲能電池。根據本實施例之RF電池可安裝於一般發電廠中且用作旨在提供一瞬時電壓下降或電源失效量測且提供負載均衡之一大容量儲能電池系統。
1‧‧‧氧化還原液流(RF)電池
2‧‧‧單元室
3‧‧‧泵體
4‧‧‧起動注給槽
5‧‧‧吸入管
6‧‧‧擠壓管
7‧‧‧回流管
8‧‧‧電解質
9‧‧‧電力系統
30‧‧‧葉輪
31‧‧‧驅動單元
32‧‧‧吸入口
50‧‧‧開口端
90‧‧‧變壓器設施
91‧‧‧電力轉換器
100‧‧‧單元
100N‧‧‧負極電解質循環機構
100P‧‧‧正極電解質循環機構
101‧‧‧膜
102‧‧‧正極單元
103‧‧‧負極單元
104‧‧‧正極
105‧‧‧負極
106‧‧‧正極電解質槽
107‧‧‧負極電解質槽
108‧‧‧管路
109‧‧‧管路
110‧‧‧管路
111‧‧‧管路
112‧‧‧循環泵
113‧‧‧循環泵
120‧‧‧單元框
121‧‧‧雙極板
122‧‧‧框體
123‧‧‧液體供應歧管
123s‧‧‧入口狹縫
124‧‧‧液體供應歧管
124s‧‧‧入口狹縫
125‧‧‧液體排放歧管
125s‧‧‧出口狹縫
126‧‧‧液體排放歧管
126s‧‧‧出口狹縫
127‧‧‧環形密封構件
190‧‧‧供應/排放板
200‧‧‧單元堆
200s‧‧‧子堆
210‧‧‧端板
220‧‧‧端板
230‧‧‧緊固機構
H0‧‧‧自電解質槽之內底面至電解質之槽內液位之高度
HL‧‧‧自吸入管之開口端至槽內液位之長度
HS‧‧‧自槽內液位至循環泵之吸入口之中心之吸入高度
圖1繪示一氧化還原液流電池之一工作原理。 圖2係氧化還原液流電池之一示意圖。 圖3係一單元堆之一示意圖。 圖4係根據一實施例之一氧化還原液流電池之一示意圖。 圖5係包含於根據實施例之氧化還原液流電池中之一循環機構之一示意圖。 圖6係具有比圖5中所繪示之循環機構中之吸入管短之一吸入管之一循環機構之一示意圖。

Claims (4)

  1. 一種氧化還原液流電池，其包括一單元、經組態以儲存供應至該單元之一電解質之一電解質槽及安置於該單元與該電解質槽之間且經組態以使該電解質循環之一循環機構， 其中該循環機構包含 一吸入管，其經組態以將該電解質自該電解質中之該吸入管之一開口端吸取至高於該電解質槽中之該電解質之一槽內液位， 一循環泵，其安置於該吸入管之一上端處， 一擠壓管，其自該循環泵之一排放口運行至該單元，及 一回流管，其自該單元運行至該電解質槽；及 HL /H0 大於或等於0.4且HS 小於或等於HL ，其中H0 係自該電解質槽之一內底面至該槽內液位之一高度，HL 係自該吸入管之該開口端至該槽內液位之一長度，且HS 係自該槽內液位至該循環泵之一吸入口之一中心之一高度。
  2. 如請求項1之氧化還原液流電池，其中該循環泵係具有一泵體之一自注泵，該泵體包含一葉輪及經組態以使該葉輪旋轉之一驅動單元；及 該泵體安置於該槽內液位上方。
  3. 如請求項2之氧化還原液流電池，其中該循環泵設有安置於該泵體與該吸入管之間之一起動注給槽。
  4. 如請求項2或3之氧化還原液流電池，其進一步包括一單元室，該單元室安置於該電解質槽之一上表面上且其內容納該單元， 其中該泵體安置於該單元室中。
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