[发明专利]一种非混合型无储罐液流电池结构及方法

说明书

本发明公开了一种非混合型无储罐液流电池结构，属于新能源储能领域。电堆主体包括电堆端板、电堆PP板和单电池结构单元，单电池结构单元的两侧均设有电堆端板和电堆PP板，组成电堆结构；电堆端板上开设有连通单电池结构单元内腔的进液孔和出液孔；每块电堆端板的进液孔和出液孔分别连通同一条储液输运管路的首尾两端，在电堆主体的正极和负极均形成电解液循环回路；每条所述的电解液循环回路中，至少有一段管路充满惰性流体，其余管路段填充满电解液；每条电解液循环回路上均设有驱动电解液循环流动的循环泵。本发明避免了已充电与未充电电解液的混合，可以使充放电过程中的输出电压呈现非线性变化的特点，能有效增加电解液的利用率。

技术领域

本发明属于新能源储能领域，具体涉及一种提高电解液利用率的非混合型无储罐液流电池结构及方法。

太阳能、风能等可再生能源在发电过程中，由于受到季节更替等环境因素影响，导致可再生能源发电输出与用电需求不同步。因此需要在电网中配置相应的储能设备来调节能源的供需矛盾，实现削峰填谷并提高电力品质。作为目前最适合应用于可再生能源领域的大规模储能技术之一，液流电池不仅具有充放电容量高，功率与容量相互独立，易于规模化建设的优点，还可满足安全性与灵活性的需求，在储能技术中具有一定的优势。

液流电池系统由电堆、电解液储罐、循环泵等设备组成，其中电堆由数节单电池按压滤机的方式叠合组装。与一般固态电池不同的是，液流电池的正极和负极电解液储存于电池外部的储罐中，通过泵和管路输送到电池内部，在电堆中通过正负极电解液活性物质发生可逆氧化还原反应实现电能和化学能的相互转化。自20世纪70年代以来，先后出现了不同类型的液流电池。根据电解液活性物质的不同主要分为全钒、铁铬、锌溴液流电池等，其中全钒液流电池是目前发展最成熟的液流电池。然而在实际应用中，传统液流电池由于电压区间受到水解限制，以及活性物质的溶解度较低，限制了电解液的能量密度。此外，在实际应用中由于受到跨膜损失、欧姆损失、浓差过电势等因素的影响，其电解液利用率通常只能达到理论值的80％左右。

为了满足更高储能容量的需要并降低电池系统的体积及成本，近年来，大量新型非水基电解液得到了开发和研究。新型液流电池通常具有更高的电压区间、更高的溶解度及更高的能量密度，在一定程度上缓解了能量密度低的问题，拥有更高的工作电压区间以及更高的溶解度。然而，在实际应用中，尽管高溶解度与高电压区间能带来5倍于全钒液流电池的理论能量密度，在实际情况中会受到欧姆损失、活性颗粒沉淀、固体电解质界面膜等因素的影响，其电解液利用率只能达到50％左右。

电解液利用率是衡量液流电池充放电深度及有效容量的重要指标，可定义为实际充放电时间与理论充放电时间的比值。提高电解液的利用率对降低电解液体积和成本都有较大的增益。近年来，很多研究者针对提高电解液的利用率提出了很多改进方案，包括流道设计、电极处理、质子交换膜改进等等。Nemani等人发现，在液流电池工作过程中，储罐与电堆之间的活性物质存在一定的浓度差异，这种浓度差异会造成一定的电解液利用率的损失，并且可能与已充电与未充电电解液在储罐中混合的因素有关。申请号为CN201721496998.4的专利公开了一种增加2个储罐的方式，实现电解液在四个储罐中的往复循环，将已充电与未充电的电解液分离开来，使得系统的充放电电压非线性变化而获得了一定电解液利用率的增益。然而在实际应用中，由于需要在电解液在某两个储罐中流尽时调节泵的方向使电解液反向流动，因此限制了大规模应用中的自动化需求。尽管可以通过添加液位传感器、压力传感器或定时反向调节的方式来解决，但也增加了系统的复杂程度及成本液流电池在运行过程中由于水分子的跨膜左右，正负极电解液的体积会逐渐发生变化，使得定时调节的方式会有一定的偏差，通过传感器调节的方式也不能保证正负极电解液的同时反向运行。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题，并提出一种提高电解液利用率的非混合型无储罐液流电池结构及方法，在液流电池能能量的转换中，大幅度提高电解液的利用率，在没有额外增设其他设备的条件下实现系统的自动化运行。