[发明专利]一种提高电解液利用率的液流电池脉冲式充放电系统及方法

说明书

本发明公开了一种提高电解液利用率的液流电池脉冲式充放电系统及方法，属于新能源储能领域。在向脉冲式定时电源开关输入一个间歇式开断的脉冲信号，使充放电系统不再持续地对液流电池中的电解液进行充电，而是转变成了间歇式的充电。在不充电的时段中，循环泵依然持续运行，直至达到充电截止电压，完成充电过程并进入放电过程。放电过程中，也使脉冲式定时电源开关间歇式开断，保持电解液间歇式放电，直至达到放电截止电压，完成放电过程。由此构成一个充放电循环。本发明中除了能达到平衡浓差极化与泵功之间的矛盾，还能降低电堆与储液罐之间电解液荷电状态的差异，提高电解液的利用率。

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液流电池脉冲式充放电系统及方法。

背景技术

近年来，随着人类生产的发展和生活水平的不断提高，对能源的需求量也与日俱增。然而，有限的非可再生能源无法保证人类可持续发展的需要，以化石能源为主的传统能源供应结构日益成为制约社会经济发展的瓶颈。因此，优化能源应用结构，开发可再生新能源，成为世界共同关注与研究的热点。

然而，新能源的利用被时间和外部环境所限制，导致其稳定性和连续性较差，同时也会对电网产生较为严重的冲击。因此，需要在电网系统中配置相应的储能设备，在能源充足时储存电能，在电量缺乏时并网发电，调节能源的供需矛盾，实现削峰填谷，进而实现能源的高效利用与平稳连续的电能输出。

大规模高效储能技术是实现可再生能源发电规模化利用的关键技术。氧化还原液流电池是目前最适合应用于可再生新能源领域的大规模储能技术之一。氧化还原液流电池的概念最早由L.H.Thaller提出，近年来，其研究开发、工程化及产业化也不断取得重要进展，在大规模储能技术领域中表现出巨大的应用前景。和传统的储能系统不同，氧化液流电池的活性物质溶解在其电解液中，并储存于外部储液罐。传统的液流电池结构由两个循环泵分别将正负极电解液从储液罐转移至电池的电堆区域，电解液流经电极区域时，在电极表面上发生化学能与电能之间的相互转化过程，从而实现电能与化学能之间的相互转换，达到储能的目的。

液流电池的电堆由数节或数十节单体电池按压滤机的方式叠合组装。每个电池单元都包括两个半电池，其构成组件有：固体电极、双极板、液流框和端板。在两个半电池之间夹着离子交换膜，将单体电池分为正、负极两个反应区域，起允许质子交换、阻止其他反应离子和杂质离子迁移的作用。固体电极为电化学反应的进行提供了反应场所，电极面积越大，充放电反应速率越大，相对应的功率也就越高。相邻的两个单体电池之间的隔板称为双极板。液流电池系统由电堆、电解液、电解液储液罐、循环泵、管道、辅助设备仪表及检测保护设备组成。电解液储液罐分别用于盛放正负极电解液，并配备两个循环泵用于在封闭的管道中为每个半电池单元输送电解液。充电时，电池的荷电状态(SoC)增加，放电时，电池的荷电状态(SoC)降低。

在电池充放电过程中，电解液中反应活性物的量逐渐降低，尤其是在充放电末期，反应活性物浓度很低，在充放电截止电压范围较高时，充放电末期极易出现反应活性物供应不足，会导致传质恶化，引起较大的浓差极化，降低电池效率。为保证反应物的供应充足，通过理论计算可得到电解液流量的最小值为：

式中：I为充放电电流，A；F为法拉第常数，约为96485C/mol；SoC为电池的荷电状态，可根据电解液中待反应的活性离子和生成的离子浓度计算得知。

电解液的实际流量为：

Q＝fac×Q_min

式中：fac为速率因子无量纲常数。

然而电解液的流速并非越快越好，在达到一定流速上限时，提高流速不能进一步降低电池的浓差极化损失或提高电池效率，反而会大幅度增加泵功，消耗不必要的电能，对整个电池系统的寿命也有一定的影响。因此，在实际应用中，一般取fac为4～20，以调和浓差极化与泵功之间的矛盾，保持较高的电池效率。