CN102306814A - 液流电池系统及其控制方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种液流电池系统及其控制方法和装置。该液流电池系统的控制方法包括：监测液流电池系统的温度；判断液流电池系统的温度是否超出预设温度值范围；以及当液流电池系统的温度超出预设温度值范围时，调节液流电池系统的温度以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内。通过本发明，能够使液流电池系统在预设的温度值范围内运行，从而提高液流电池系统充放电效率。

Description

液流电池系统及其控制方法和装置

技术领域

本发明涉及液流电池领域，具体而言，涉及一种液流电池系统及其控制方法和装置。

背景技术

液流电池系统是一种以不同价态的金属离子电解液进行氧化还原的电化学反应的系统，能够高效地实现化学能与电能之间的相互转化。该类电池系统具有使用寿命长，能量转化效率高，安全性好，环境友好等优点，能用于风能发电和光伏发电配套的大规模储能系统，是电网削峰填谷、平衡负载的主要选择之一。因此，近年来液流电池系统逐渐成为大容量储能电池研究的重点。

以全钒氧化还原液流电池系统为例，该电池系统分别以钒离子V2+/V3+和V4+/V5+作为电池的正负极氧化还原电对，将正负极电解液分别存储于两个储液罐中，由耐酸液体泵驱动活性电解液至反应场所(电池堆)再回至储液罐中形成循环液流回路，以实现充放电过程。在全钒氧化还原液流电池储能系统中，电池堆性能的好坏决定着整个系统的充放电性能，尤其是充放电功率及效率。电池堆是由多片单电池依次叠放压紧，串联而成。其中，如图1所示，传统的单片液流电池包括液流框1′，集流板2′，电极3′，隔膜4′，通过N个单片液流电池的堆叠组成电池堆5′。

在液流电池系统中，不同价态的电解质溶解度随温度的变化趋势有所不同，如全钒氧化还原液流电池系统中，V5+在高温下易沉淀析出结晶，其他价态的钒离子在低温下易沉淀析出结晶。这些析出物可能引起石墨毡、管道及液体泵等的堵塞，降低电池系统的充放电效率，甚至导致电池无法正常工作。另外，伴随温度的升高，电池材料腐蚀及副反应产生的速度会加快，对电池的密封以及防腐等要求更高。

针对相关技术中由于液流电池系统温度过高或过低，导致系统中电解液析出结晶，进而降低充放电效率的问题，目前尚未提出有效的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种液流电池系统及其控制方法和装置，以解决液流电池系统充放电效率低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种液流电池系统的控制方法。

根据本发明的液流电池系统的控制方法包括：监测液流电池系统的温度；判断液流电池系统的温度是否超出预设温度值范围；以及当液流电池系统的温度超出预设温度值范围时，调节液流电池系统的温度以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内。

进一步地，监测液流电池系统的温度包括：在液流电池系统运行前，监测液流电池系统的外部温度；以及在液流电池系统运行中，监测液流电池系统的内部温度。

进一步地，监测液流电池系统的内部温度包括：监测液流电池系统的电池堆的温度；和/或监测流出电池堆的电解液的温度。

进一步地，调节液流电池系统的温度包括：调节液流电池系统的电解液的输入量；和/或调节温控介质，其中，液流电池系统内部设置有介质流道，温控介质位于介质流道中。

进一步地，调节液流电池系统的电解液的输入量包括采用以下任意一种或多种方式调节：调节液流电池系统的电解液流速；以及调节液流电池系统的电解液的入口或出口管径。

进一步地，通过调节温控介质以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内包括：调节温控介质的温度；和/或调节温控介质在介质流道中的流速。

进一步地，温控介质包括以下任意一种介质：水、乙醇、防冻液、冷却油、空气以及氮气。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种液流电池系统的控制装置。

根据本发明的液流电池系统的控制装置包括：监测装置，用于监测液流电池系统的温度；判断装置，用于判断液流电池系统的温度是否超出预设温度值范围；以及调节装置，用于当液流电池系统的温度超出预设温度值范围时，调节液流电池系统的温度以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内。

进一步地，监测装置包括：第一监测子装置，用于在液流电池系统运行前，监测液流电池系统的外部温度；以及第二监测子装置，用于在液流电池系统运行中，监测液流电池系统的内部温度。

进一步地，调节装置包括：第一调节子装置，用于调节液流电池系统的电解液的输入量；和/或第二调节子装置，用于调节温控介质，其中，液流电池系统内部设置有介质流道，温控介质位于介质流道中。

进一步地，第一调节子装置用于采用以下任意一种或多种方式调节液流电池系统的电解液的输入量：调节液流电池系统的电解液流速；以及调节液流电池系统的电解液的入口或出口管径。

进一步地，第二调节子装置用于采用以下任意一种方式调节温控介质：调节温控介质的温度；和/或调节温控介质在介质流道中的流速。

进一步地，介质流道设置于集流板或液流框中。

为了实现上述目的，根据本发明的另一方面，提供了一种液流电池系统。

根据本发明的液流电池系统包括：本发明提供的任一种液流电池系统的控制装置。

通过本发明，采用包括以下步骤的液流电池系统的控制方法：监测液流电池系统的温度；判断液流电池系统的温度是否超出预设温度值范围；以及当液流电池系统的温度超出预设温度值范围时，调节液流电池系统的温度以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内，使得液流电池系统在预设的温度值范围内运行，解决了由于液流电池系统温度过高或过低，导致系统中电解液析出结晶，进而降低充放电效率的问题，进而提高了液流电池系统充放电效率。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是根据相关技术的全钒氧化还原液流电池系统的示意图；

图2是根据本发明实施例的液流电池系统的控制装置的框图；

图3是根据本发明实施例的液流电池系统的结构图；

图4是根据本发明第一实施例的液流电池系统的集流板的主视图；

图5是根据本发明第一实施例的液流电池系统的集流板的立体图；

图6是根据本发明第一实施例的液流电池系统的集流板的侧视图；

图7是根据本发明第二实施例的液流电池系统的集流板的立体图；以及

图8是根据本发明实施例的液流电池系统的控制方法的流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

首先介绍本发明实施例所提供的液流电池系统。

该液流电池系统包括一种用于监测和控制液流电池系统温度的控制装置，通过该控制装置，可以高效快速的对液流电池系统的温度进行调整，确保电池工作温度处于适宜的温度值范围，避免在充放电过程中，由于液流电池系统温度过高或过低而导致电解液析出结晶，从而提高电池的充放电效率和使用寿命。

以下对本发明实施例所提供的液流电池系统的控制装置进行描述。

图2是根据本发明实施例的液流电池系统的控制装置的框图，该液流电池系统的控制装置包括：监测装置20，用于监测液流电池系统的温度；判断装置40，用于判断液流电池系统的温度是否超出预设温度值范围；以及调节装置60，用于当液流电池系统的温度超出预设温度值范围时，调节液流电池系统的温度以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内。

要实现对电池组的温度控制，首先需要对其温度进行监测。在该实施例中，通过监测装置20实时的监测液流电池系统的温度，根据温度的监测结果反馈给判断装置40，这种反馈控制可以是手动实现，也可以为自动控制，判断装置40判断监测装置20监测到的温度是否在预设的温度范围之内，此处的预设温度范围是指液流电池系统处于良好工作状态时的温度范围，可以根据液流电池系统的具体使用条件测定或人为确定，当判断装置40判断液流电池系统的温度在预设的温度范围之外，也即液流电池系统处于较差的工作状态时，调节装置60，调节液流电池系统的温度以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内，使得液流电池系统持续工作在适宜的温度条件下，不会由于温度过高或过低而析出结晶堵塞石墨毡、管道及液体泵等，提高了液流电池系统充放电效率低，延长液流电池系统的使用寿命。

优选地，监测装置20包括：第一监测子装置22，用于在液流电池系统运行前，监测液流电池系统的外部温度；以及第二监测子装置24，用于在液流电池系统运行中，监测液流电池系统的内部温度。

在该实施例中，第一监测子装置22在系统运行前，监测系统的外部温度，能够实时获知系统在使用前的环境温度。可选地，当外部温度很低时，对系统的外部环境进行合理升温控制，使得系统能够处于良好的使用状态。第二监测子装置24在系统运行中，监测系统的内部温度，能够实时获知系统在使用过程中的温度变化。在监测液流电池系统的内部温度时，可以对电池组进行直接测量，也可以对刚流出电池组的电解液温度进行测量。

图3是根据本发明实施例的液流电池系统的结构图，如图3所示，图中箭头方向表示工作状态下电解液的流向，液流电池系统包括电池堆正极1、正极储液罐4和正极液体泵6组成的正极循环回路，电池堆负极2、负极储液罐3和负极液体泵5组成的负极循环回路；还包括第一测温装置7和第二测温装置8，分别监测负极循环回路和正极循环回路的环境温度；还包括第三测温装置9和第四测温装置10，分别监测电池堆负极和电池堆正极流出电解液温度(该温度反映电池组温度)；还包括第一控制装置11，根据第一测温装置7和第三测温装置9测得的温度，判断温度是否超过系统工作的最佳温度范围，并且在系统温度超过其工作的最佳温度范围时，通过调节负极液体泵5的输入速度，从而调节电解液的流量，达到控制电池组工作温度的目的；还包括第二控制装置12，根据第二测温装置8和第四测温装置10测得的温度，判断各温度是否超过系统工作的最佳温度范围，并且在系统温度超过其工作的最佳温度范围时，通过调节正极液体泵6的输入速度，从而调节电解液的流量，达到控制电池组工作温度的目的。

优选地，调节装置60包括：第一调节子装置62，用于调节液流电池系统的电解液的输入量；和/或第二调节子装置64，用于调节温控介质，其中，液流电池系统内部设置有介质流道，温控介质位于介质流道中。

在该实施例中，当液流电池系统的温度超出预设温度值范围时，可以通过第一调节子装置调节液流电池系统的电解液的输入量，当液流电池系统的温度过高时，提高电解液的输入量，通过电解液的冷却作用实现对电池组的降温作用，当然，提高电解液的输入量需保证系统的正常运行。也可以通过第二调节子装置调节温控介质将液流电池系统的温度调节回预设温度值范围内，通过温控介质带入或带出热量，起到升温或降温的作用。

优选地，第一调节子装置用于采用以下任意一种或多种方式调节液流电池系统的电解液的输入量：调节液流电池系统的电解液流速；以及调节液流电池系统的电解液的入口或出口管径。

在该实施例中，改变电解液输入量的方式，包括改变全部或部分电池组及电堆中电解液流速、电解液入口或出口管径等方式得以实现，但需保证电池中正负极电解液流量相同。

优选地，第二调节子装置用于采用以下任意一种方式调节温控介质：调节温控介质的温度；和/或调节温控介质在介质流道中的流速。

在该实施例中，在外部温度即环境温度很低时，调节温控介质的温度，例如在液流电池系统运行前对温控介质进行合理的加热，使得温控介质的温度升高，从而使液流电池系统处于良好的使用状态，或在液流电池系统运行前，首先对温控介质进行升温，然后增加温控介质在介质流道中的流速以使液流电池系统处于良好的使用状态；当液流电池系统在使用过程中的温度上升较快时，调节温控介质的温度，例如在液流电池系统运行中对温控介质进行合理的降温，电池组可以实现快速降温，使液流电池系统处于良好的使用状态，或增加温控介质在介质流道中的流速以使液流电池系统处于良好的使用状态。在实际使用中，温控介质带出的热量还可以通过适当的方法加以利用。

优选地，介质流道设置于集流板或液流框中。

在单电池的集流板或液流框中设置介质流道可以实现温度的控制，根据使用需求及操作条件等的不同，在所搭建的电池堆中部分或全部使用这种具有介质流道的单电池。当部分使用时，带介质流道的单电池可以均匀分布于电池堆内部，也可以非均匀分布在电池组内部，若为非均匀分布时，带介质流道的单电池可以位于电池堆中的任意位置。

通过在集流板中设置介质流道，在介质流道中加入温控介质，如循环冷却液，所使用的冷却液为水、乙醇、防冻液、冷却油、空气以及氮气等，实现对电池组的冷却控制。一种较为典型的方式，将介质流道均匀设置于单电池内部的单个集流板中，其结构如图4至图6所示，单个集流板设置有三个介质流道：第一介质流道A，第二介质流道B和第三介质流道C，其中，介质流道通过各种方法如模压方法等在集流板内部获得，此外，当集流板所用材料导热性较好时，介质流道仅通过集流板的部分位置即可提供足够的冷却效率，其结构如图7所示，第五介质流道D、第六介质流道E、第七介质流道F仅通过集流板的上部；另一种方式将介质流道设置于多个集流板之间，使用组合集流板，这种组合集流板由两块以上的组件组成，这些组件相互配合安装成集流板后可在其内部形成相应的介质流道。集流板可以选用包含且不仅限于石墨板材、导电高分子、导电复合材料、导电陶瓷、耐蚀性金属板材等材料制得。可以根据材料的选取和加工方法的不同，集流板中介质流道的成型可以置于集流板制备前、制备中或制备后。上述介质流道的开口位置及形状、通道形状、位置、分布、形式和材质等参数在能够满足使用条件和要求的前提下可以进行任意的调整或组合。例如，根据需要集流板内部的介质流道可以均匀分布，也可以为非均匀分布。这种具有介质流道的集流板的两个表面可以为平板，也可以根据电池结构设计选择在其表面进行相应的电解液流道设计。在实际使用过程中，具有介质流道的部分可以选择装装配在电池堆内部，也可以单独外露于电池外部，从而方便冷却液的管理。

最后，对本发明实施例所提供的液流电池系统的控制方法进行描述。

图8是根据本发明实施例的液流电池系统的控制方法的流程图，如图8所示，该方法包括如下的步骤S102至步骤S106：

步骤S102，监测液流电池系统的温度。

优选地，监测液流电池系统的温度包括：在液流电池系统运行前，监测液流电池系统的外部温度；以及在液流电池系统运行中，监测液流电池系统的内部温度。

在系统运行前，监测系统的外部温度，能够实时获知系统在使用前的环境温度。可选地，当外部温度很低时，对系统的外部环境进行合理升温控制，使得系统能够处于良好的使用状态。在系统运行中，监测系统的内部温度，能够实时获知系统在使用过程中的温度变化。在监测液流电池系统的内部温度时，可以对电池组进行直接测量，即监测液流电池系统的电池堆的温度，也可以对刚流出电池组的电解液温度进行测量。

步骤S104，判断液流电池系统的温度是否超出预设温度值范围，该预设温度值范围为液流电池系统工作在最佳状态时的温度值范围。当液流电池系统的温度超出预设温度值范围时，执行步骤S106，否则返回步骤S102。

其中，预设温度范围是指液流电池系统处于良好工作状态时的温度范围，可以根据液流电池系统的具体使用条件测定或人为确定。

步骤S106，调节液流电池系统的温度以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内。

优选地，调节液流电池系统的温度包括：调节液流电池系统的电解液的输入量；和/或调节温控介质，液流电池系统内部设置有介质流道，温控介质位于介质流道中。

当液流电池系统的温度超出预设温度值范围时，可以调节液流电池系统的电解液的输入量，当液流电池系统的温度过高时，提高电解液的输入量，通过电解液的冷却作用实现对电池组的降温作用，当然，提高电解液的输入量均需保证系统的正常运行。也可以调节温控介质将液流电池系统的温度调节回预设温度值范围内，通过温控介质带入或带出热量，起到升温或降温的作用。

优选地，调节液流电池系统的电解液的输入量包括采用以下任意一种或多种方式调节：调节液流电池系统的电解液流速；以及调节液流电池系统的电解液的入口或出口管径。

改变电解液输入量的方式，包括改变全部或部分电池组及电堆中电解液流速、电解液入口或出口管径等方式得以实现，但需保证电池中正负极电解液流量相同。

优选地，通过调节温控介质以使液流电池系统的温度在预设温度值范围内包括：调节温控介质的温度；和/或调节温控介质在介质流道中的流速。

在外部温度即环境温度很低时，调节温控介质的温度，例如在液流电池系统运行前对温控介质进行合理的加热，使得温控介质的温度升高，从而使液流电池系统处于良好的使用状态，或在液流电池系统运行前增加温控介质在介质流道中的流速以使液流电池系统处于良好的使用状态；当液流电池系统在使用过程中的温度上升较快时，调节温控介质的温度，例如在液流电池系统运行中对温控介质进行合理的降温，电池组可以实现快速降温，使液流电池系统处于良好的使用状态，或增加温控介质在介质流道中的流速以使液流电池系统处于良好的使用状态。在实际使用中，温控介质带出的热量还可以通过适当的方法加以利用。

其中，液流电池系统的内部部件中设置有介质流道，温控介质位于介质流道中，温控介质包括以下任意一种介质：水、乙醇、防冻液、冷却油、空气以及氮气。

在该实施例中，实时监测并调节液流电池系统的温度，使得液流电池系统持续工作在适宜的温度条件下，液流电池系统在最合适的内外温度环境中完成充放电，从而使液流电池系统工作在最佳状态，提高了液流电池系统的充放电效率，延长液流电池系统的使用寿命。

采用本发明实施方式设计的液流电池系统，举例如下：

例1：制备具有新型温控技术的全钒氧化还原液流电池系统。选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，导电复合材料作为集流板，使用Nafion膜作为离子交换膜，在集流板中间制备冷却液通道，冷却液为蒸馏水。测量工作前的电池温度为20摄氏度，当电池组温度大于40摄氏度时温控系统自动启动液泵驱动冷却水开始循环，对电池组进行降温。当电池组工作温度降低到35摄氏度以内时，温控系统控制液泵停止冷却水的循环。

例2：制备具有新型温控技术的全钒氧化还原液流电池系统。选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，导电复合材料作为集流板，使用Nafion膜作为离子交换膜，在集流板中间制备温控介质流道，温控介质为防冻液。测量工作前的电池温度为-10摄氏度，启动电池系统后先对防冻液进行加热。将防冻液温度维持于20摄氏度后驱动液泵启动防冻液的循环，当电池温度高于10摄氏度时启动电池组开始工作。

例3：制备具有新型温控技术的全钒氧化还原液流电池系统。选用高导电性多孔石墨毡作为电极材料，石墨板作为集流板，使用Nafion膜作为离子交换膜，以30摄氏度为电池系统工作的设定温度值，测量环境温度为20摄氏度，当电池组温度升幅度大于10摄氏度时，提高电解液流速3～15％，以增强其冷却作用；当温升幅度回落至5摄氏度以内后，调整电解液流速恢复正常。测量环境温度为26摄氏度，当电池组温升为5摄氏度时，提高电解液流速3～15％，以增强其冷却作用。

从以上的描述中，可以看出，本发明实现了如下技术效果：使液流电池系统能够持续工作在在最合适的内外温度环境中，提高了液流电池系统的充放电效率，延长了液流电池系统的使用寿命。

显然，本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种液流电池系统的控制方法，其特征在于，包括：

监测所述液流电池系统的温度；

判断所述液流电池系统的温度是否超出预设温度值范围；以及

当所述液流电池系统的温度超出所述预设温度值范围时，调节所述液流电池系统的温度以使所述液流电池系统的温度在所述预设温度值范围内。

2.根据权利要求1所述的液流电池系统的控制方法，其特征在于，监测所述液流电池系统的温度包括：

在所述液流电池系统运行前，监测所述液流电池系统的外部温度；以及

在所述液流电池系统运行中，监测所述液流电池系统的内部温度。

3.根据权利要求2所述的液流电池系统的控制方法，其特征在于，监测所述液流电池系统的内部温度包括：

监测所述液流电池系统的电池堆的温度；和/或

监测流出所述电池堆的电解液的温度。

4.根据权利要求1所述的液流电池系统的控制方法，其特征在于，调节所述液流电池系统的温度包括：

调节所述液流电池系统的电解液的输入量；和/或

调节温控介质，其中，所述液流电池系统内部设置有介质流道，所述温控介质位于所述介质流道中。

5.根据权利要求4所述的液流电池系统的控制方法，其特征在于，调节所述液流电池系统的电解液的输入量包括采用以下任意一种或多种方式调节：

调节所述液流电池系统的电解液流速；以及

调节所述液流电池系统的电解液的入口或出口管径。

6.根据权利要求4所述的液流电池系统的控制方法，其特征在于，调节温控介质包括：

调节所述温控介质的温度；和/或

调节所述温控介质在所述介质流道中的流速。

7.根据权利要求4所述的液流电池系统的控制方法，其特征在于，所述温控介质包括以下任意一种介质：

水、乙醇、防冻液、冷却油、空气以及氮气。

8.一种液流电池系统的控制装置，其特征在于，包括：

监测装置，用于监测所述液流电池系统的温度；

判断装置，用于判断所述液流电池系统的温度是否超出预设温度值范围；以及

调节装置，用于当所述液流电池系统的温度超出所述预设温度值范围时，调节所述液流电池系统的温度以使所述液流电池系统的温度在所述预设温度值范围内。

9.根据权利要求8所述的液流电池系统的控制装置，其特征在于，所述监测装置包括：

第一监测子装置，用于在所述液流电池系统运行前，监测所述液流电池系统的外部温度；以及

第二监测子装置，用于在所述液流电池系统运行中，监测所述液流电池系统的内部温度。

10.根据权利要求8所述的液流电池系统的控制装置，其特征在于，所述调节装置包括：

第一调节子装置，用于调节所述液流电池系统的电解液的输入量；和/或

第二调节子装置，用于调节温控介质，其中，所述液流电池系统内部设置有介质流道，所述温控介质位于所述介质流道中。

11.根据权利要求10所述的液流电池系统的控制装置，其特征在于，所述第一调节子装置用于采用以下任意一种或多种方式调节所述液流电池系统的电解液的输入量：

调节所述液流电池系统的电解液流速；以及

调节所述液流电池系统的电解液的入口或出口管径。

12.根据权利要求10所述的液流电池系统的控制装置，其特征在于，所述第二调节子装置用于采用以下任意一种方式调节温控介质：

调节所述温控介质的温度；和/或

调节所述温控介质在所述介质流道中的流速。

13.根据权利要求10所述的液流电池系统的控制装置，其特征在于，所述介质流道设置于集流板或液流框中。

14.一种液流电池系统，其特征在于，包括权利要求8至13中任一项所述的液流电池系统的控制装置。

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