[实用新型]一种液流电池旁路电流断流器

说明书

技术领域

本实用新型是一种液流电池旁路电流断流器，涉及液流电池中电池自放电问题的解决，特别涉及到液流电池中旁路电流的消除。

背景技术

随着社会经济的发展，人们对电能的需求越来越高。而电力需求昼夜相差很大，但发电厂的建设规模必须与高峰用电相匹配，投资大利用率较低。另一方面，随着化石能源的不断枯竭，人们对风能、水能、太阳能等可再生能源的开发和利用越来越广泛。为保证太阳能、风能等可再生能源发电系统的稳定供电，就必须开发高效、廉价、污染少和安全可靠的储能技术，电网的调峰填谷、平衡负荷也迫切需要开发大规模储能技术。纵观各种不同类型的化学蓄电池，液流电池以其独特的优势而成为最适宜大规模储能的蓄电池之一。

液流蓄电池又称液流氧化还原电池，可简称液流蓄电站或液流电池，是1974年Thaller L.H.(NASA Lewis Research Center，Cleveland，US)提出的一种电化学储能概念。液流蓄电池的核心是进行氧化-还原反应、实现充、放电过程的活性物质存在于电解液中，单电池或半电池电极只是作为发生反应的场所，而不是活性物质储存的地点。由于活性物质储存在电解液中，液流电池具有功率与容量分离、寿命长等优点。如全钒液流电池(US006764789)，正极反应是V⁵⁺和V⁴⁺之间的氧化还原，负极反应是V²⁺和V³⁺之间的氧化还原，正负电极的活性物质均溶解在溶液中，正负极的氧化还原反应发生在惰性集流体上(如碳毡)。正极电解液(包含V⁵⁺和V⁴⁺的溶液)与负极电解液(包含V²⁺和V³⁺的溶液)分别储存，电池单体的正负电极之间用离子交换膜分隔，以避免正负区的电解液在电池内混合。

在大规模液流电池储能体系中，常需要将一系列单电池串、并联，其串联方式共有两类结构。其一是单液流电池，其正负电极共用一个电解液；其二是双液流电池，其正极和负极各有一个电解液，正负电解液之间用离子交换膜分隔。在这两种结构中，电池体系都需要电解液在整个电堆系统中循环流动，即电解液由进口总管流入电堆，经过电堆后由出口总管流出进入储罐中，即采用统一供应电解液给各单电池的方法。采用统一供应电解液的电堆体系有很多优点，主要包括：体系中每个单电池反应物的供应非常均一，且产物易于移除；热传导效率高，使得系统的冷却和热管理系统简单；可以采用低成本的电子控制系统；另外，对于金属沉积体系可以得到均一的金属沉积。但是，统一供应电解液给各单电池时存在共用电解液进出口总管，他们的存在使得电池内部产生旁路电流(shunt current or leakage current)，导致电池自放电，造成电池容量部分损失。旁路电流的产生还造成其他问题：由于终端阳极和阴极间电位差大，又有直接电解液通道，此时会在两极上产生不同于电池体系本身的电化学反应。这些反应在高电流密度处发生，处于正极端的电极发生氧化反应，处于负极端的电极发生还原反应。反应物涉及到惰性电极表面物质、电池体系的反应物和产物，另外还有溶剂本身发生氧化还原反应。涉及电极的氧化还原反应将导致电极材料的腐蚀，电极的损害。如果旁路电流的氧化还原反应涉及到了电化学体系的溶剂，则无机体系会从水中产生氢气和氧气，形成混合爆炸气体。对于非水体系，有机溶剂分解可以污染电池体系本身的电化学反应。旁路电流的产生还削弱了电池体系的容量，特别是处于电池体系中间部分的单电池。旁路电流的产生是液流电池体系中的一个缺陷和难点，在电堆中应当予以消除。

旁路电流的产生主要是因为有共用电解液通道所造成的，因此，消除共用电解液通道或者将电解液通道打断成为研究者考虑解决旁路电流问题的思路切入点。降低旁路电流常采取的方法是设计电池结构使得电解液的导电通路的阻抗足够大，一般是设计给每个电池的进料管既长又窄以增加电阻，在进液管和出液管设置气泡段、设置旋转阀等也是增加电阻的思路，然而这增加了流体的阻力和泵的能量消耗。另外一种方法是采取保护电极的方法，即在第三电极上产生和旁路电流相同方向和大小的电位梯度。但是这些方法都只是减小旁路电流，而并不能完全消除旁路电流。减少电堆中的单体数目、增加液流电池系统中泵和储罐的数量，可以降低参与旁路的单体和电堆个数，从而降低旁路电流。但这种方法增加了泵和储罐的数量，成本增加、效能降低。

考虑到截断液流电池的电解液流动可以完全消除旁路电流，我们设计了本发明，以气隙将流动的电解质溶液上下游分隔，从而使电解质溶液上下游电绝缘。