一种网格化液流电池系统

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种网格化液流电池系统。

背景技术

液流电池是一种电化学储能系统，能将风电、光伏等电压波动型发电系统产生的电能转化为化学能而大规模存储，并经过特定的输出电路后以电压稳定的方式对外输出给用户或供应给电网系统。

单个液流电池的输出电压并不大，为了满足用户或电网需求，经常使用多个液流电池串联的方式来提高输出电压，由此产生了液流电池系统。其中钒液流电池最具有工业化前景。

现有技术的液流电池系统结构如图1所示，多个电堆(例如图1中电堆11、21…m1)形成电学串联电路(称为电堆串或电堆列)且并联共用一套液路，在电堆串的上部，电流进入汇流柜或DC-DC等，进行汇流然后再统一进入PCS(Power Conversion System,储能变流器)。这种布置方式存在以下缺点：1、由于同一电堆串内的各个电堆是共用一对正负极电解液罐，且电解液管路内的电解液也是电导体(且电阻很低)，故每个电堆串的总电压(即电堆11、21…m1的电压之和)会作用于每个电堆的电解液正极进出管路或负极进出管路之间，在电堆串正负极之间不仅流过外接电负载而形成的电流，而且在电堆串正负极之间还经由电解液管路及电解液罐之间建立液体导体回路而形成液路电流，该液路电流会造成电堆内部的电化学破坏，电流强度越大破坏性越大，需要被严格控制不能超过某个特定的安全阈值，根据电学公式I＝U/R，在串联总电压一定的前提下，要想减少电流强度只能是增加液路电阻，目前是靠在液流电堆的电解液进口处和/或出口处增设盘管延长液路长度来实现，由于电解液电阻率很小，在相同管路直径下，经常需要将盘管长度设为十几米才能将电阻增加到足够值，但这会使得盘管位置的液路压损增大，即增加泵功率损耗，液流效率降低；同时盘管的电路损耗也会增大(盘管损耗I

为解决上述问题提出本发明。

发明内容

本发明提供一种网格化液流电池系统，包含矩阵式排布的m×n个液流电堆，每个液流电堆包括正极室、负极室和将正极室与负极室隔开的隔膜，每个液流电堆列包含m个电学上串联但流体学上彼此分隔的液流电堆，每个液流电堆行包括n个电学上彼此分隔但流体学上彼此并联的液流电堆。

优选地，同一液流电堆行内的各液流电堆的正极室以并联方式连接于同一个共用正极电解液槽的出液口与回流口之间，构成正极电解液流路；同一液流电堆行内的各液流电堆的负极室以并联方式连接到同一个共用负极电解液槽的出液口与回流口之间，构成负极电解液流路；不同液流电堆行之间彼此流体学分隔。

优选地，所述正极电解液流路被配置为使得流经同一液流电堆行内的各液流电堆的正极电解液流量相等，所述负极电解液流路被配置为使得流经同一液流电堆行内的各液流电堆的负极电解液流量相等。

优选地，每个液流电堆列单独电学接入一个直流/交流转换器。

优选地，每个液流电堆列的电流在直流/交流转换器之后汇流并给电学负载供电。

优选地，在每个液流电堆的正极室和负极室的上游或下游配备盘管，以调节位于该液流电堆的正极室出口-正极电解液槽-正极室入口之间的正极电解液流路的电流和位于该液流电堆的负极室出口-负极电解液槽-负极室入口之间的负极电解液流路的电流均不高于某个规定的阈值，该盘管的长度小于单个液流电堆电压相同的条件下，电流同样达到不高于该阈值的常规液流电堆布置下的盘管长度；

所述常规液流电堆布置是指：同样是矩阵式排布的m×n个同样的液流电堆，同一液流电堆列内的各液流电堆在电学上彼此串联且在流体学上彼此并联，各液流电堆列之间在电学上彼此并联且在流体学上也彼此并联；上述的电流为位于同一液流电堆列的正极室出口-正极电解液槽-同一液流电堆列的正极室入口之间的正极电解液流路的电流和位于同一液流电堆列的负极室出口-负极电解液槽-同一液流电堆列的负极室入口之间的负极电解液流路的电流。

本发明的有益效果：

1、本发明的网格化液流电池系统，每个液流电堆列包含m个电学上串联但流体学上彼此分隔的液流电堆，每个液流电堆行包括n个电学上彼此分隔但流体学上彼此并联的液流电堆。对于每一个电堆，每串电路是独立的，每行液路也是独立的，因此每个电堆都被网格化了，所有的电堆状态都是一致的。单个液路电路回路上，盘管上的电压都相当于单个电堆电压，因此不需要增长盘管的长度电流强度就较小，这降低了盘管损耗，提高了效率。

此外，液体泵的功率损耗较低，液流效率提高。电堆串的串联数量可以不再受盘管的限制，因此可以串联更多的电堆，液流电池系统容量明显提高。当电堆总电压达到一定值后，可以不再使用DC-DC等变压装置，而是直接进入PCS接口，这大大节约成本。

2、本发明的网格化液流电池系统，每列电堆的串电路是独立的，每列电堆之间的环流不再存在，环流引起的发热和损耗被控制，液流电池系统安全性、稳定性和经济性明显提高。

3、每个电堆网格化管理后，流体管路上相应设置有阀门等，电气上每个电堆上设有断路器等。因此，可以发现电堆异常或损坏后，对单个电堆隔离处理，停掉单串电路，隔离其液路。因此，本发明的网格化液流电池系统可以在不影响其他电堆串使用的情况下，更换异常或损坏的电堆(DC总功率降低为其他串功率总和)，提高系统的总可用时间。

4、电解液罐体增多后，按国标要求，需要有集液池等，应对单个电解液罐破损或漏液。集液池体积最低为单个电解液罐体积。由于电解液罐变多个，因此集液池的体积降低，建造成本等也被降低。

附图说明

图1为常规液流电堆布置结构示意图。

图2为本申请的网格化液流电池系统一种实施方式结构示意图。

图3为图1或图2中示意的电流所在液路回路的简化电路图。

附图标记列表：

D1、正极电解液罐总罐，D2、负极电解液罐总罐，11～mn、电堆，P1、正极总泵，P2、负极总泵，zs、正极输入母排，fs、负极输入母排，zd、正极输出端子，fd、负极输出端子，PCS、储能变流器，H、DC/DC或汇流柜，D11、第一正极电解液罐，D21、第一负极电解液罐，D12、第二正极电解液罐，D22、第二负极电解液罐，D1m、第m正极电解液罐，D2m、第m负极电解液罐，P11、第一正极泵，P21、第一负极泵，P12、第二正极泵,P22、第二负极泵，P1m、第m正极泵，P2m、第m负极泵，PCS1、第一储能变流器，PCS2、第二储能变流器，PCS N、第n储能变流器，ds、电源输入母排，L、隔离变压器或开关柜。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

本申请的网格化液流电池系统结构一种实施方式示意图如图2所示。一种网格化液流电池系统，包含矩阵式排布的m×n个液流电堆，即电堆11～电堆mn。每个液流电堆包括正极室、负极室和将正极室与负极室隔开的隔膜，每个液流电堆列包含m个电学上串联但流体学上彼此分隔的液流电堆，例如电堆11、电堆21～电堆m1。每个液流电堆行包括n个电学上彼此分隔但流体学上彼此并联的液流电堆，例如电堆11、电堆12～电堆1n。

当然，液流电堆的布置在空间布置上可以不是矩阵式排布，其流体学上和电学上的逻辑等效布置是矩阵式排布的即可。

优选的，m为大于1的整数，例如2、3、4、5、6等。

优选的，n为大于1的整数，例如2、3、4、5、6等。

m和n相等或不相等。

上述电学上串联体现为通过电路串联连接。

上述流体学上彼此分隔体现为没有流体管道相连通。

上述电学上彼此分隔体现为没有电路连通。

上述流体学上彼此并联体现为通过流体管道实现并联。

优选的，同一液流电堆行内的各液流电堆的正极室以并联方式连接于同一个共用正极电解液槽(例如：正极电解液槽为第一正极电解液罐D11、第二正极电解液罐D12或第m正极电解液罐D1m)的出液口与回流口之间，构成正极电解液流路；

同一液流电堆行内的各液流电堆的负极室以并联方式连接到同一个共用负极电解液槽(例如负极电解液槽为第一负极电解液罐D21、第二负极电解液罐D22或第m负极电解液罐D2m)的出液口与回流口之间，构成负极电解液流路；

不同液流电堆行之间彼此流体学分隔。

优选的，所述正极电解液流路被配置为使得流经同一液流电堆行内的各液流电堆的正极电解液流量相等，所述负极电解液流路被配置为使得流经同一液流电堆行内的各液流电堆的负极电解液流量相等。这目的是实现各电堆状态的一致性。

优选的，每个液流电堆行的管道上设置有一个正极泵和一个负极泵，例如第一正极泵P11，第一负极泵P21，第二正极泵P12,第二负极泵P22，第m正极泵P1m，第m负极泵P2m。

优选的，每个液流电堆列单独电学接入一个直流/交流转换器。例如图2中，每个液流电堆列单独电学接入第一储能变流器PCS1～第n储能变流器PCS N。这目的是消除不同液流电堆列之间的环流。

优选的，每个液流电堆列的电流在直流/交流转换器之后汇流并给电学负载供电。例如图2中，每个液流电堆列的电流接入隔离变压器或开关柜L的电源输入母排ds。

优选地，在每个液流电堆的正极室和负极室的上游或下游配备盘管，以调节位于该液流电堆的正极室出口-正极电解液槽-正极室入口之间的正极电解液流路的电流和位于该液流电堆的负极室出口-负极电解液槽-负极室入口之间的负极电解液流路的电流均不高于某个规定的阈值，该盘管的长度小于单个液流电堆电压相同的条件下，电流同样达到不高于该阈值的常规液流电堆布置下的盘管长度；

所述常规液流电堆布置是指：同样是矩阵式排布的m×n个同样的液流电堆，同一液流电堆列内的各液流电堆在电学上彼此串联且在流体学上彼此并联，各液流电堆列之间在电学上彼此并联且在流体学上也彼此并联；上述的电流为位于同一液流电堆列的正极室出口-正极电解液槽-同一液流电堆列的正极室入口之间的正极电解液流路的电流和位于同一液流电堆列的负极室出口-负极电解液槽-同一液流电堆列的负极室入口之间的负极电解液流路的电流。

同一液流电堆列的正极室出口指的是此电堆列的第一个电堆的正极室出口，例如图1中，电堆11的正极室出口。

同一液流电堆列的负极室出口指的是此电堆列的第一个电堆的负极室出口，例如图1中，电堆11的负极室出口。

同一液流电堆列的正极室入口指的是此电堆列的最后一个电堆的正极室入口，例如图1中，电堆m1的正极室入口。

同一液流电堆列的负极室入口指的是此电堆列的最后一个电堆的负极室入口，例如图1中，电堆m1的负极室入口。

常规液流电堆布置可如图1所示，图1中类似于电路图中电阻标志的白框代表盘管。图1中箭头示意出了第一个电堆串(即电堆11、21…m1)与正极电解液罐形成的液路回路(电堆11正极室出口-正极电解液罐-电堆m1正极室入口)中的电流方向，此电流记为I1。

图2中白框代表盘管。图2中箭头示意出了第一个电堆(即电堆11)与正极电解液罐形成的液路回路(正极室出口-正极电解液罐-正极室入口)中的电流方向，此电流记为I2。

图1或图2中示意的电流所在液路回路的简化电路图如图3所示。计图1中单个盘管电阻为R1，图2中单个盘管电阻为R2。计图1和图2中单个电堆的电压均为V。则图1中，I1＝mV/2R1。图2中，I2＝V/2R2。

因此，要控制图1和图2中液路回路的电流相等，即I1＝I2，则图2中单个盘管电阻为R2仅需为图1中单个盘管电阻R1的1/m。

因此，本发明的方法可以大幅度降低单个盘管电阻，即不再需要大幅度增大盘管长度。同理，降低单个盘管电阻后，则可以明显降低液路上的泵功率损耗和盘管的电路损耗，大大提高液流电池系统的效率。

以下以一种具体实施情况为例，说明本发明的内容：

例如图1系统中，电堆数量为矩阵式排布的3×4个液流电堆，液流电池系统提供总电压为750V。正极总泵P1和负极总泵P2的出口压力为180kpa，泵的功率需5.5kW。要控制I1实际标准值0.4A，则每个电堆串入口处盘管长度需要10米(盘管直径为1寸)。盘管材质为PVC等耐酸塑料。

使用图2的系统后，在液流电池系统提供目标总电压和单个电堆进出的电解液流量相同的情况下，每个泵出口压力降低30kPa，每个泵功率变为4kW，I2控制为0.4A。若使用相同材质、相同直径的盘管，则每个电堆入口处盘管降低为3.3米。