一种液流电池电堆和储能系统

本发明属于储能，尤其涉及一种液流电池电堆和储能系统。

背景技术：

1、源网荷储一体化新型电力系统的建立成为电网侧减碳的重要核心，其中储能技术起着关键的支撑作用。因此如何发展大规模储能技术，充分发挥不同储能技术在不同场景的融合应用，体现出储能的关键作用成为众多学者和企业研究的焦点。近年来，物理储能和化学储能技术均有了长足的进步，尤其是化学储能中的电化学储能，因其可设计能力强、适应能力强、技术成熟度高逐渐扩大了市场规模。液流电池是电化学储能技术中的一种，其具有本征安全、功率与容量解耦、响应速度快、可深度充放电、寿命长的优点，逐渐应用于大规模长时储能项目中。在储能系统运行过程中，停机备电是最常用的功能之一。系统充满电之后，循环泵停机，电解液停止流动。液流电池电堆因为其中的单电池在电路中是串联连接，而电解液是通过电解液供应主管路分配到每一节单电池中。因电解液为导体且单电池中的电压，在电堆内部由电路和液路共同组成了电路网络，该网络可在单电池存在电压时产生电流，形成漏电电流。漏电电流不仅在电堆运行期间影响每一节单电池的实际充/放电电流的大小和容量，更是在停机备电时，在电极框的流道内产生热量而加热电解液。当温度过高时，会对塑料制成的电极框、双极板以及密封件产生破坏性的影响，严重降低电堆的使用寿命。尤其对于电解液稳定性不高的液流电池，例如全钒液流电池：电解液在满充时正极的五价钒离子浓度较高，在温度＞40℃时容易析出五氧化二钒固体，不仅堵塞流道，也会对电极和离子传导膜造成不可逆的氧化和破坏。因此，在停机备电时对电堆内漏电电流造成的发热控制是保证储能系统能否长期稳定运行的关键。

2、目前，在大多液流电池储能项目中上述情况都是采用停机放电的策略，即在系统充满电且停止循环泵之后，对电堆进行小功率放电处理，将剩余电量全部或部分放出来降低电堆电压，减小漏电电流和温升的影响。但大规模储能电站停机放电的功率和容量不低，需要找到合适的负载或者直接在电网中进行消纳，不仅是一笔不小的成本开销，电网也难以随时消纳这部分能量。

技术实现思路

1、鉴于此，本发明提供了一种液流电池电堆和储能系统，主要目的是解决液流电池大功率、多节数电堆在充满电停机备电状态下的漏电电流导致电堆内发热，温度剧烈升高，电堆部件损坏、电解液析出，电堆无法工作的技术问题。

2、一方面，本发明提供了一种液流电池电堆，其包括电堆端板i和电堆端板ii以及夹设在两个电堆端板之间的n节单电池；

3、所述液流电池电堆包括m个功能板，m个所述功能板将所述n节单电池分成m+1个电池组；

4、其中，所述功能板上设置包括用于正极电解液流入的压力通断元件i(正极电解液流入口)、用于正极电解液流出的压力通断元件ii(正极电解液流出口)、用于负极电解液流入的压力通断元件iii(负极电解液流入口)和用于负极电解液流出的压力通断元件iv(负极电解液流出口)；

5、当所述液流电池电堆中的电解液流动时，所述压力通断元件i、所述压力通断元件ii、所述压力通断元件iii和所述压力通断元件iv的开口打开且开口方向和电解液流动方向相同；

6、当所述液流电池电堆中的电解液静止时，所述压力通断元件i、所述压力通断元件ii、所述压力通断元件iii和所述压力通断元件iv开口关闭且阻隔电解液流通。

7、本发明的功能板数量可根据单电池的数量来设置；功能板的位置是在两个相邻单电池之间，即设在前一级单电池的双极板i(负极)和后一级单电池的双极板ii(正极)之间。

8、本发明的压力通断元件是通过两侧的压力差打开；该压力通断元件在功能板上设置的位置必须和其两侧的双极板上的电解液流进/流出的通孔一一对应，可使电解液从上一级的双极板i流经功能板的压力阻断元件后，再流入下一级的双极板ii；功能板和其两侧的双极板之间通过各自的电解液进出孔连通。

9、可选地，2≤n≤100或2≤n≤80或2≤n≤60或8≤n≤60或10≤n≤60或18≤n≤60或20≤n≤50或20≤n≤40或20≤n≤30。

10、可选地，1≤m≤20或1≤m≤15或1≤m≤10或1≤m≤8或1≤m≤6或1≤m≤5或1≤m≤4或1≤m≤3或1≤m≤2。

11、可选地，所述压力通断元件i、所述压力通断元件ii、所述压力通断元件iii和所述压力通断元件iv在所述功能板上的布设位置，与正极电解液流入口、正极电解液流出口、负极电解液流入口和负极电解液流出口在所述单电池的双极板上的布设位置分别同轴对应设置(即依次对应设置)，使电解液在所述功能板与所述双极板间流通。

12、本发明的上述“分别依次对应”是指正极电解液依次流经双极板和功能板上的正极进口或出口，负极电解液依次流经双极板和功能板上的负极进口或出口。

13、本发明压力通断元件(止逆阀)的通孔位于前一级单电池的双极板i(负极)的对应通孔和后一级单电池的双极板ii(正极)的对应通孔之间。正极电解液依次流经上述双极板和功能板上的正极电解液流入或流出口；负极电解液依次流经上述双极板和功能板上的负极电解液流入或流出口。

14、本发明双极板的通孔与功能板设置止逆阀的通孔同轴对应，且大小相同。止逆阀的通孔位于前一级单电池的双极板i(负极)的对应通孔和后一级单电池的双极板ii(正极)的对应通孔之间。

15、可选地，所述功能板上的止逆阀打开后的阀瓣长度小于所述功能板的厚度；避免遮挡相邻电池的电解液流入。

16、可选地，所述功能板与其两侧相邻的单电池的双极板通过紧固件叠合。

17、本发明功能板与其两侧的双极板之间通过多种密封方式实现密封，可以为橡胶密封或者焊接密封。防止电解液的外漏。

18、本发明的功能板和相邻两侧的双极板的叠合方式可从现有技术选用，例如功能板和双极板的叠合手段，与双极板和其他电堆组件叠合采用的手段相同或相似。

19、可选地，所述压力通断元件i、所述压力通断元件ii、所述压力通断元件iii和所述压力通断元件iv均为止逆阀。

20、可选地，所述止逆阀为液相止逆阀。

21、本发明的止逆阀只要能满足液体流通或隔断，其型号、材质可根据实际需求选用。

22、可选地，所述功能板为平板状；所述功能板的尺寸大于等于所述单电池的双极板的尺寸。

23、可选地，所述功能板中安装压力通断元件(止逆阀)的电解液流通孔与电解液相接触部位的材料为不导电的塑料材质(如pp、pe等)，所述功能板中与双极板接触部位的材料为导电材料(如石墨或者金属板)。

24、本发明所述功能板的厚度可根据实际需要设计；所述功能板的材质可根据实际需要选用。

25、可选地，每个电池组包括的单电池的数量相同或不同。

26、可选地，所述电池组包括s节单电池，s≤20。

27、可选地，所述s≤10。

28、可选地，所述1≤s≤10或2≤s≤10。

29、可选地，m个所述功能板将所述n节单电池平均分成m+1个电池组；即每一个电池组中包括的单电池数量均相等。

30、本发明中当n个单电池不能被均分组时，尽量使每组单电池数量接近相等，即尽量接近平均值，可以使整个电堆漏电情况减少，当可平均分组时，漏电情况大大减弱，发热温度明显降低。

31、可选地，所述液流电池电堆包括1个功能板；

32、当n为偶数时，所述功能板设置在第n/2和第n/2+1节单电池之间；

33、当n为奇数时，所述功能板设置在第(n－1)/2节和第(n－1)/2+1节单电池之间，或设置在第(n+1)/2节和第(n+1)/2－1节单电池之间。

34、本技术上述功能板的位置最优是将整个电堆的电池均分，每一组电池组内的最大漏电电流大小相同，分布也相同，且最大漏电电流是最小值。如果不均分，电池节数多的那一组的最大漏电电流会变大。至于安装多少功能板，取决于可接受的漏电电流的大小是多少。功能板越多，漏电控制越好。但是电堆更复杂，成本会越高。

35、可选地，所述电解液流动包括所述液流电池电堆运行时的状态；所述电解液静止包括所述液流电池电堆满充停机备电时的状态。

36、本发明的电解液静止状态是指电堆停机备电时，当不加功能板时，电堆会出现漏电情况，漏电电流会导致电堆内发热，温度剧烈升高，电堆部件会损坏，电解液析出，电堆无法工作；当在电堆中加入一定数量的功能板，电堆停机时，功能板的止逆阀在液体不流动时不会打开呈关闭状态，整个电堆中电流会被功能板隔断，大幅度减少了电堆整体漏电情况，进而减少了发热情况，降低了温度；本发明通过在电堆中增加可开启/关闭电解液通道的功能板，可在系统运行时取消停机放电工序或减少停机放电时长。

37、可选地，所述液流电池电堆依次包括所述电堆端板i、集流板i、n个相邻串联的单电池、集流板ii和所述电堆端板ii且依次叠合而成。

38、本发明中的液流电池电堆的各部分组件之间的连接、密封均为现有技术；本发明中的n个单电池为多级串联关系。

39、可选地，所述单电池依次包括双极板i、正电极、离子传导膜、负电极、双极板ii和相邻部件之间的密封件且依次叠合而成。

40、本发明中单电池的结构及其组件间的连接关系均为现有技术。

41、可选地，所述液流电池电堆包括全钒液流电池电堆。

42、第二方面，本发明提供了一种储能系统，包括储液装置、输送装置和液流电池电堆；所述液流电池电堆包括上述液流电池电堆。

43、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

44、本发明提出的液流电池电堆结构，可在电堆满充停机备电过程中显著降低漏电电流，缓解或解决漏电电流发热造成的材料破坏和正极电解液析出问题。通过漏电计算可知，在电堆中合理的设置功能板可以在停机期间降低漏电电流超过90％，实测单位时间内温升大幅度降低；可在系统运行时取消停机放电工序或减少停机放电时长。