TWI663772B - 動態金屬陽極液流式電池儲能系統 - Google Patents

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許庭維
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Abstract

一種動態金屬陽極液流式電池儲能系統，包含有一放電模組、一充電模組與一輸送裝置，其中該放電模組包含有多數個放電反應物氧化後可放出電能；該充電模組係與該放電模組電性相連，包含有至少一電解裝置與至少一清除裝置，其中該電解裝置包含有一導電件，且該導電件通電後表面形成有與放電反應物相同材質的多數個電解生成物；該清除裝置包含有一刮具用以移除附著於該導電件表面的該些電解生成物；該輸送裝置用以將該些電解生成物輸送至第一電解液中供作為放電反應物，以及將該些放電生成物輸送至該第二電解液中供作為電解反應物。

Description

動態金屬陽極液流式電池儲能系統
本發明係與電池儲能系統有關；特別是指一種動態金屬陽極液流式電池儲能系統。
工業革命後，石化燃料已成為人類所主要仰賴的能源，但石化能源終將枯竭，世界各國未來勢必面對石化產能縮減所帶來的高油價衝擊，如何減少對石化燃料的依賴，並妥善的運用有限的能源，已經成為世界各國在能源政策方面的重要課題之一。
另外，近年來隨著環保意識的抬頭，以及追求永續發展，各國不斷尋找與發展兼具高效能與低汙染的能源，其中，具有很高的質量比能量和體積比能量的金屬燃料電池，便是主力發展的能源之一。
金屬燃料電池當中，又以鋅燃料電池特別受到人們的注意，其原因在於，鋅在水溶液和鹼性電解質中比較穩定。然而，市場上的鋅空氣電池多為一次性之消耗品，雖有業者藉由電解使用過後的鋅空氣電池中的電解液，以還原其中之氧化鋅顆粒供作為鋅空氣電池的原料，但如何有效率地蒐集附著於陰極導電棒的鋅取下以進行再利用，仍是目前的一大難題。
除此之外，將鋅空氣電池之電解液取出電解，再將還原的鋅移回鋅空氣電池中，對於使用者而言不僅過於步驟繁複，且市面上亦無整合鋅空氣電池與電解氧化鋅的裝置，難以實踐重複使用鋅顆粒。
有鑑於此，本發明之目的在於提供一種動態金屬陽極液流式電池儲能系統，可重複使用作為燃料的金屬顆粒。
緣以達成上述目的，本發明提供的一種動態金屬陽極液流式電池儲能系統包含有一放電模組，具有至少一金屬空氣電池，其包含有位於一第一電解液中的多數個放電反應物，該些放電反應物與空氣中的氧作用形成多數個放電生成物並放出電能；一充電模組，係與該放電模組電性相連，包含有至少一電解裝置與至少一清除裝置，其中該至少一電解裝置包含有浸泡於一第二電解液中的一導電件與多數個電解反應物；該些電解反應物電解後形多數個電解生成物並附著於該導電件表面，且該些電解生成物與該些放電反應物材質相同；該至少一清除裝置包含有一刮具用以移除附著於該導電件表面的該些電解生成物；以及一輸送裝置，用以將該些電解生成物輸送至該第一電解液中供作為放電反應物，以及將該些放電生成物輸送至該第二電解液中供作為電解反應物。
本發明之效果在於作為燃料的該些放電反應物放出電能而形成該些放電生成物後，可被該輸送裝置輸送至該電解裝置中的該第二電解液中作為該些電解反應物進行電解，而形成附著於該電棒上之該些電解生成物，該些電解生成物被輸送回該放電模組作為下次放電之放電反應物，達到重複使用燃料之功能。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖式詳細說明如後。請參圖１至圖５所示，為本發明第一較佳實施例之動態金屬陽極液流式電池儲能系統100，包含有一放電模組10，以及與該放電模組10電性相連之一充電模組20、一分離裝置30與一輸送裝置40。
該放電模組10具有至少一金屬空氣電池，其包含一第一反應槽12供容置一第一電解液與多數個放電反應物。關於金屬空氣電池的細部結構可參我國專利公開號201727981，於此不再詳述。該些放電反應物係作為放電用的燃料，其與空氣中的氧作用後放出電能並形成多數個放電生成物。在本實施例中，該些放電反應物係以鋅材質之顆粒為例但不以此為限制，該些放電生成物即為氧化鋅顆粒。
請參圖２與圖３所示，該充電模組包含有至少一電解裝置22與至少一清除裝置24，且其中該至少一電解裝置22與該至少一清除裝置24的數量相同。
各該電解裝置22包含有一本體221與一導電件223，其中該本體221內部形成一第二反應槽222供容置一第二電解液與多數個電解反應物（於本實施例中，該些電解反應物即為氧化鋅顆粒），且該導電件223浸泡於該第二電解液中。該電解裝置22通電後，該些電解反應物經電解而成多數個電解生成物224並附著於該導電件223的表面。
各該清除裝置24包含有一刮具241，且該刮具241與該導電件223其中一者受操控而相對另一者移動，使該刮具241移除附著於該導電件223表面的該些電解生成物224。
在本實施例中，該導電件223呈棒狀，該刮具241具有一貫孔242為該導電件223穿過，且該貫孔242孔緣接近該導電件223之表面。該刮具241受操控而沿著該導電件223的軸向移動即可移除該導電件223表面的該些電解生成物224；在另一實施例中，該刮具亦可抵貼於該導電棒且該導電件受操控而旋轉，同樣可達到移除該些電解生成物的功能。
該分離裝置30用以將該放電模組10中的該第一電解液與該些放電生成物分離，以及將該充電模組20中的該第二電解液與該些電解生成物224分離。在本實施例中，該分離裝置30包含有二分離槽，為方便說明，以下分別稱為第一分離槽32與第二分離槽34。
請配合圖４，該輸送裝置40用以將該分離裝置30分離出的該些電解生成物224輸送至該放電模組10之該第一反應槽12，以及將該些放電生成物輸送至該電解裝置22之該第二反應槽222中。此外，該輸送裝置40亦將分離出的該第一電解液與該第二電解液分別輸送回該第一反應槽12與該第二反應槽222。
在本實施例中，該輸送裝置40係包含多數個輸送管42與多數個抽取單元（圖未示），其中部分該些輸送管42一端連通該第一反應槽12，另一端分別連通該第一分離槽32與該第二分離槽34，另一部分該些輸送管42一端連通該第二反應槽222，另一端分別連通該第一分離槽32與該第二分離槽34；各該抽取單元用以帶動相對應輸送管42內的電解液、該些電解生成物或該些放電生成物自一槽移至另一槽中。
上述為本發明第一較佳實施例之動態金屬陽極液流式電池儲能系統100之各部構件的說明。茲再敘述其使用方式如後。
請配合圖１與圖４所示，該放電模組10提供一負載1，以及該充電模組20、該分離裝置30與該輸送裝置40之抽取單元所需的電能。該放電模組10放電後所生成的該些放電生成物連同該第一電解液藉由該輸送管42輸送至該第一分離槽32中，該分離裝置30使該些放電生成物與該第一電解液分離，該輸送管42將該第一電解液輸送回該第一反應槽12，另一該輸送管42再將該些該些放電生成物輸送至該第二反應槽222而使該些放電生成物與該第二電解液混合，供作為進行電解的電解反應物。
電解反應物電解後形成多數個電解生成物並附著於該導電件的表面，該些電解生成物被該刮具241移除，該些電解生成物與該第二電解液被該輸送裝置40輸送至該第二分離槽34後分離，該第二電解液被輸送回該第二分離槽34，該些電解生成物被輸送回該放電模組10中而與該第一反應槽12中的該第一電解液混合，且該些電解生成物供作為下次放電時的燃料。
藉由上述設計，該動態金屬陽極液流式電池儲能系統100之燃料不僅達到快速充、放電之效果，且可於封閉系統中重複循環使用，而可延長使用壽命。
請參圖５所示，該放電模組10更可透過一供電系統2與該負載1電性相連，且該充電模組20與一再生能源3（但不以此為限制）電性相連。當該再生能源3提供之電量大於該負載1之用電量時，再生能源3剩餘之電能可用以電解該些電解反應物，電解所生成之該些電解生成物可待到負載1用電高峰期時提供供電性統2電能，達到儲電之功能，同時亦可提升綠能產值，加速攤提成本。此外，於用電高峰期時，再生能源3與該放電模組10同時提供電系統2電能，更可降低供電系統2過載跳電的風險。
請參圖６所示，為使該輸送裝置40可更有效率地將該些電解生成物224與該些放電生成物分別輸送至該第一反應槽12與該第二反應槽222中，在本發明第二較佳實施例中，該動態金屬陽極液流式電池儲能系統200更包含有四儲存槽與一混合裝置。
更詳述之，該第一分離槽32藉由相對應的輸送管42分別連通該放電模組10的該第一反應槽12與二該儲存槽（以下分別稱之為第一儲存槽52與第二儲存槽54）；該第二分離槽34藉由相對應的輸送管42分別連通該充電模組20的該第二反應槽222與另二儲存槽（以下分別稱之為第三儲存槽56與第四儲存槽58）。
該第一反應槽12中的該第一電解液與該些放電生成物被該輸送管42輸送至該第一分離槽32而被分離後，該第一電解液被輸送至該第一儲存槽52容置，該些放電生成物輸送至該第二儲存槽54容置；同樣地，該第二分離槽34中的該些電解生成物224與該第二電解液分離後被分別輸送至該第三儲存槽56與該第四儲存槽58容置。
該混合裝置包含有二混合槽，以下分別稱為第一混合槽62與第二混合槽64，其中該第一混合槽62藉由相對應的輸送管42連通該第一儲存槽52、該第三儲存槽56與該第一反應槽12，用以將該第一電解液與該些電解生成物224均勻混合，而後，該輸送裝置40再將混合之該第一電解液與該些電解生成物224輸送回該第一反應槽12中；該第二混合槽64藉由相對應的輸送管42連通該第二儲存槽54、該第四儲存槽58與該第二反應槽222，用以將該第二電解液與放電生成物均勻混合，而後，該輸送裝置40再輸送均勻混合之該第二電解液與放電生成物回該第二反應槽222中。
請參圖７所示，為本發明第三較佳實施例之動態金屬陽極液流式電池儲能系統300，類似於上述第一較佳實施例之動態金屬陽極液流式電池儲能系統100，不同的是，該動態金屬陽極液流式電池儲能系統300更包含有一電能管理系統，其中該電能管理系統與該放電模組10、該充電模組20、該分離裝置30、該輸送裝置40電性相連，其中該放電模組10與該負載1電性連接形成一第一路徑81，且該放電模組10與該充電模組20形成一第二路徑82。
該電能管理系統控制該放電模組10輸出電能至負載1或該充電模組20，以及控制該輸送裝置40輸送該些電解生成物224與該些放電生成物的輸送量。該電能管理系統包含一感測單元72、一切換開關單元74與一控制單元76，其中該感測單元72電性連接於該第一路徑81上，用以偵測該第一路徑81上之一第一電流與一第一電壓；該切換開關單元74電性連接於該第二路徑82上；該控制單元76根據該放電模組10之供電狀況與該負載1之用電狀況控制該放電模組10之輸出電能。
當該感測單元72偵測之該第一電流與或第一電壓低於一預設值時，即代表該放電模組10所能提供的電量過低，該控制單元76控制該切換開關單元74關閉，使該放電模組10停止提供充電模組20、該分離裝置30與該輸送裝置40的電能，而使該放電模組10輸出的電能全數提供該負載1；抑或是，控制該輸送裝置40增加輸送該些電解生成物224至該第一反應槽12的輸送量，以提升放電模組10所能提供的電量。反之，當該放電模組10所能提供的電能大於該負載1所需之電能時，該控制單元76控制該切換開關單元74開啟，並將剩餘的電能用於進行電解，並減少或停止將該電解生成物輸送至該第一反應槽12中。
藉由上述設計，不僅可以重複燃料，更可依需求調整提供給該負載1之電能，達到充分且有效率地使用能源之效果。
請參圖８所示，為本案第四較佳實施例之動態金屬陽極液流式電池儲能系統400的輸送管路連接示意圖，其中該第一反應槽12中的該第一電解液與該第二反應槽222中的該第二電解液的成分相同，以下之第一電解液與第二電解液通稱為電解液。該充電模組20位於該放電模組10上方，使該第二反應槽222中的電解生成物與該電解液即可在無抽取單元與無分離裝置的情況下，隨重力經輸送管42入輸入該第一反應槽12中參與放電反應。
此外，請配合圖９與圖10所示，本案第五較佳實施例之類似於上述第四較佳實施例，不同的是，動態金屬陽極液流式電池儲能系統500更包含有一固定件90，且該固定件90凹設有一容槽90a，以及多數個穿孔90b位於該容槽90a槽底，且該些穿孔90b連通該容槽90a與外部。
多數個電解裝置22的本體221’裝設於該固定件90上而位於該容槽90a中，且各該本體221底側部分穿設於相對應的一該穿孔90b。各該本體221’更具有多數個通孔225連通該第二反應槽222與容槽90a。
各該電解裝置22的第二反應槽222與相對應該放電模組10的第一反應槽12藉一該輸送管42連通，因此可依各該放電模組10的供電情形，調整供給相對應該電解裝置22的電能，或是相對應清除裝置24將電解生成物224自導電件223表面移除的效率，達到調控輸入各該第一反應槽12電解生成物224的數量多寡。
該些放電模組10放電後所生成的放電生成物隨該電解液經輸送管42送入容槽90a中，同時達到攪動容槽90a中的電解液的效果，且電解液與放電生成物經通孔225流入各該第二反應槽222中參與電解反應。
藉由該固定件90的設置，達到固定該些本體221’的效果，而該第一電解液與該第二電解液的成分相同，更可省去分離裝置的設置，進而達到降低成本的功能。
以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
［本發明］
1‧‧‧負載
2‧‧‧供電系統
3‧‧‧再生能源
100、200、300、400、500‧‧‧動態金屬陽極液流式電池儲能系統
10‧‧‧放電模組
12‧‧‧第一反應槽
20‧‧‧充電模組
22‧‧‧電解裝置
221、221’‧‧‧本體
222‧‧‧第二反應槽
223‧‧‧導電件
224‧‧‧電解生成物
225‧‧‧通孔
24‧‧‧清除裝置
241‧‧‧刮具
242‧‧‧貫孔
30‧‧‧分離裝置
32‧‧‧第一分離槽
34‧‧‧第二分離槽
40‧‧‧輸送裝置
42‧‧‧輸送管
52‧‧‧第一儲存槽
54‧‧‧第二儲存槽
56‧‧‧第三儲存槽
58‧‧‧第四儲存槽
62‧‧‧第一混合槽
64‧‧‧第二混合槽
70‧‧‧電能管理系統
72‧‧‧感測單元
74‧‧‧切換開關單元
76‧‧‧控制單元
81‧‧‧第一路徑
82‧‧‧第二路徑
90‧‧‧固定件
90a‧‧‧容槽
90b‧‧‧穿孔
圖１為本發明第一較佳實施例之系統方塊圖； 圖２為上述較佳實施例部分構件之示意圖； 圖３為圖２之局部剖視圖； 圖４為上述較佳實施例之輸送管路連接示意圖； 圖５為上述較佳實施例之另一系統方塊圖； 圖６為本發明第二較佳實施例之輸送管路連接示意圖； 圖７為本發明第三較佳實施例之系統方塊圖； 圖８為本發明第四較佳實施例之輸送管路連接示意圖； 圖９為本發明第五較佳實施例之輸送管路連接示意圖； 圖10為上述較佳實施例之部分構件之示意圖。

Claims (7)

  1. 一種動態金屬陽極液流式電池儲能系統，包含有：一放電模組，具有至少一金屬空氣電池，其包含有位於一第一電解液中的多數個放電反應物，該些放電反應物與空氣中的氧作用形成多數個放電生成物並放出電能；一充電模組，係與該放電模組電性相連，包含有至少一電解裝置與至少一清除裝置，其中該至少一電解裝置包含有浸泡於一第二電解液中的一導電件與多數個電解反應物；該些電解反應物電解後形成多數個電解生成物並附著於該導電件的表面，且該些電解生成物與該些放電反應物材質相同；該至少一清除裝置包含有一刮具用以移除附著於該導電件表面的該些電解生成物；一輸送裝置，用以將該些電解生成物輸送至該第一電解液中供作為放電反應物，以及將該些放電生成物輸送至該第二電解液中供作為電解反應物；以及一電能管理系統，該電能管理系統與該放電模組、該充電模組、該輸送裝置電性相連；該電能管理系統控制該放電模組輸出電能至一負載或該充電模組，以及控制該輸送裝置輸送該些電解生成物與該些放電生成物的輸送量；其中，該放電模組與該負載電性連接形成一第一路徑，且該放電模組與該充電模組形成一第二路徑；該電能管理系統包含一感測單元、一切換開關單元與一控制單元，其中該感測單元電性連接於該第一路徑上並偵測該第一路徑上之一第一電流與一第一電壓；該切換開關單元電性連接於該第二路徑上；該控制單元根據該放電模組之供電狀況與該負載之用電狀況控制該放電模組之輸出電能，其中，當該感測單元偵測之該第一電流與或第一電壓低於一預設值時，該控制單元控制該切換開關單元關閉，抑或是控制該輸送裝置增加輸送該些電解生成物至該第一電解液中的輸送量。
  2. 一種動態金屬陽極液流式電池儲能系統，包含有：一放電模組，具有至少一金屬空氣電池，其包含有位於一第一電解液中的多數個放電反應物，該些放電反應物與空氣中的氧作用形成多數個放電生成物並放出電能；一充電模組，係與該放電模組電性相連，包含有至少一電解裝置與至少一清除裝置，其中該至少一電解裝置包含有浸泡於一第二電解液中的一導電件與多數個電解反應物；該些電解反應物電解後形成多數個電解生成物並附著於該導電件的表面，且該些電解生成物與該些放電反應物材質相同；該至少一清除裝置包含有一刮具用以移除附著於該導電件表面的該些電解生成物；以及一輸送裝置，用以將該些電解生成物輸送至該第一電解液中供作為放電反應物，以及將該些放電生成物輸送至該第二電解液中供作為電解反應物；其中，該導電件呈棒狀；該刮具具有一貫孔為該導電件穿過，且該刮具受操控而沿著該導電件的軸向移動。
  3. 一種動態金屬陽極液流式電池儲能系統，包含有：一放電模組，具有至少一金屬空氣電池，其包含有位於一第一電解液中的多數個放電反應物，該些放電反應物與空氣中的氧作用形成多數個放電生成物並放出電能；一充電模組，係與該放電模組電性相連，包含有至少一電解裝置與至少一清除裝置，其中該至少一電解裝置包含有浸泡於一第二電解液中的一導電件與多數個電解反應物；該些電解反應物電解後形成多數個電解生成物並附著於該導電件的表面，且該些電解生成物與該些放電反應物材質相同；該至少一清除裝置包含有一刮具用以移除附著於該導電件表面的該些電解生成物；一輸送裝置，用以將該些電解生成物輸送至該第一電解液中供作為放電反應物，以及將該些放電生成物輸送至該第二電解液中供作為電解反應物；以及一分離裝置，用以將該第一電解液與該些放電生成物分離，以及將該第二電解液與該些電解生成物分離。
  4. 如請求項3所述之動態金屬陽極液流式電池儲能系統，包含有二儲存槽分別供該分離裝置分離之該些放電生成物與該些電解生成物容置。
  5. 如請求項3所述之動態金屬陽極液流式電池儲能系統，包含有一混合裝置用以混合該分離裝置分離出的該第一電解液與該些電解生成物，以及混合該分離裝置分離出的該第二電解液與該些放電生成物。
  6. 如請求項5所述之動態金屬陽極液流式電池儲能系統，包含有四儲存槽分別供該分離裝置分離之該第一電解液、該些放電生成物、該第二電解液，與該些電解生成物容置；該混合裝置包含有二混合槽，其一該混合槽連通供該第一電解液與該些電解生成物容置之該些儲存槽；另一該混合槽連通供該第二電解液與該些放電生成物容置之該些儲存槽。
  7. 如請求項1、2或3所述之動態金屬陽極液流式電池儲能系統，其中該些放電反應物與該些電解生成物為鋅材質。
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