[發明專利]一種提高電解液利用率的四儲罐液流電池結構及方法

有效

• 申請號: 201711105480.8
• 申請日: 2017-11-10
• 公開（公告）號: CN107946617B
• 公開（公告）日: 2023-06-02
• 發明（設計）人: 劉柏辰;鄭夢蓮;孫潔;趙俊雄;田帥奇;王濤;張良;范利武;俞自濤
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: H01M8/04276
• 分類號: H01M8/04276;H01M8/18;H01M8/2484
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司 33200
• 代理人: 傅朝棟;張法高

本發明公開了一種提高電解液利用率的四儲罐液流電池結構及方法，屬于新能源儲能領域。本發明與傳統的液流電池相比，在正極電解液進液口、負極電解液進液口、正極電解液出液口和負極電解液出液口分別連接一個獨立的儲液罐，使進液和出液不在形成循環。本發明的電液流池結構中，正負極電解液的利用率顯著增加，能大幅度降低電池電堆與儲液罐之間電解液荷電狀態的差異，降低電堆與儲液罐之間的濃差極化。而且在低流速的情況下依然可以保持電池長時間的充放電，可應用于電流密度更大的場合中，保持電池工作正常。在儲液罐的體積較大的情況下，能保證儲液罐中電解液能保持良好的均勻性，避免傳統二儲罐結構中電解液混合不均勻對電池帶來的影響。

技術領域

本發明屬于新能源儲能領域，具體涉及一種提高電解液利用率的四儲罐液流電池結構及方法。

背景技術

近年來，隨著人類生產的發展和生活水平的不斷提高，對能源的需求量也與日俱增。然而，有限的非可再生能源無法保證人類可持續發展的需要，以化石能源為主的傳統能源供應結構日益成為制約社會經濟發展的瓶頸。因此，優化能源應用結構，開發可再生新能源，成為世界共同關注與研究的熱點。

然而，新能源的利用被時間和外部環境所限制，導致其穩定性和連續性較差，同時也會對電網產生較為嚴重的沖擊。因此，需要在電網系統中配置相應的儲能設備，在能源充足時儲存電能，在電量缺乏時并網發電，調節能源的供需矛盾，實現削峰填谷，進而實現能源的高效利用與平穩連續的電能輸出。

大規模高效儲能技術是實現可再生能源發電規模化利用的關鍵技術。氧化還原液流電池是目前最適合應用于可再生新能源領域的大規模儲能技術之一。氧化還原液流電池的概念最早由L.H.Thaller提出，近年來，其研究開發、工程化及產業化也不斷取得重要進展，在大規模儲能技術領域中表現出巨大的應用前景。和傳統的儲能系統不同，氧化液流電池的活性物質溶解在其電解液中，并儲存于外部儲液罐。傳統的液流電池結構由兩個循環泵分別將正負極電解液從儲液罐轉移至電池的電堆區域，電解液流經電極區域時，在電極表面上發生化學能與電能之間的相互轉化過程，從而實現電能與化學能之間的相互轉換，達到儲能的目的。

液流電池的電堆由數節或數十節單體電池按壓濾機的方式疊合組裝。每個電池單元都包括兩個半電池，其構成組件有：固體電極、雙極板、液流框和端板。在兩個半電池之間夾著離子交換膜，將單體電池分為正、負極兩個反應區域，起允許質子交換、阻止其他反應離子和雜質離子遷移的作用。固體電極為電化學反應的進行提供了反應場所，電極面積越大，充放電反應速率越大，相對應的功率也就越高。相鄰的兩個單體電池之間的隔板稱為雙極板。液流電池系統由電堆、電解液、電解液儲液罐、循環泵、管道、輔助設備儀表及檢測保護設備組成。電解液儲液罐分別用于盛放正負極電解液，并配備兩個循環泵用于在封閉的管道中為每個半電池單元輸送電解液。充電時，電池的荷電狀態(SoC)增加，放電時，電池的荷電狀態(SoC)降低。在液流電池中，整個電池系統的電量取決于儲液罐的容量和電解液中活性離子的濃度，而其峰值功率則由電池總的表面積決定。

如圖7所示，傳統液流電池采用的是二儲罐的運行方式：首先，在正負極電解液儲液罐中加入等體積的電解液，電池開始運行后首先進行充電過程，正負極電解液分別通過循環泵進入電池的電堆區域，并在電極表面上發生氧化還原反應，使電解液的荷電狀態(SoC)增加，隨后荷電狀態(SoC)增加的電解液流出電堆，分別重新回到正負極電解液儲液罐中，與儲液罐中低荷電狀態(SoC)的電解液混合，以此進行電解液的循環，直到電堆中的電壓達到充電截止電壓。隨后進行放電過程，電解液的荷電狀態(SoC)逐漸降低，直到電堆中的電壓達到放電截止電壓，完成一個充放電循環。