液流电池系统规模一般指的是功率、容量,其性能通过能量转换效率来衡量。液流电池系统由多个电堆在电路上通过串联、并联或者串并联相结合的方式构建电路电压,达到一定功率,满足应用需求。

液流电池构建电路电压比较灵活,可以满足不同等级的应用要求,电路电压等级一般包括48V、110V、220V和380V等。液流电池系统容量与功率独立设计,与其他储能电池相比,容量设置相对灵活,不受储能电池功率的影响,通过增减电解液的体积就可以实现液流电池系统容量的变化。

液流电池系统设计的6大要点

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液流电池系统能量转换效率为放电容量与充电容量的比值,主要受电堆能量转换效率、漏电电流损耗和成组效应等因素的影响。能量效率越高,充放电能量损失越小。

一、运行控制参数 

(1) 充放电截止电压液流电池的适宜电压范围为1.0~1.6V,尤其是充电截止电压上限必须得到严格控制,否则会增加析氢等副反应发生的概率。
(2) 电解质溶液温度液流电池电解质溶液的运行温度范围一般为0~40℃,适宜的运行温度为20~40℃。超过运行温度上限,容易引起电解质溶液五价钒的析出,造成管路堵塞,严重影响液流电池系统的使用;电解质溶液温度低于运行温度,容易引起负极电解质溶液中的V2+生成沉淀而析出。
国家能源行业液流电池标准《通用技术条件报批稿》规定,液流电池电堆的能量转化效率不低于75%,根据能量守恒定律,能量损失大部分以热量的形式释放,热量使得电解质溶液温度不断升高自然散热已经不能满足热量排放的需要,必须采用强制散热的方式,使电解质溶液的温度保持在最佳运行温度范围内。

二、电解质溶液充电状态及其控制

液流电池电解质溶液的充电状态称为SOC(stateofcharge),充电状态可实时监测是液流电池的重要特点,这对提高液流电池系统的稳定性、可靠性及跟踪计划发电极为重要。
在液流电池系统中,通常都专门配有监控电解质溶液充电(荷电)状态的电池,一般称为SOC电池。电解质溶液SOC电池与组成电堆的单体电池结构一致,只是尺寸较小,电极面积一般为5~100cm²。
SOC电池接入电解液循环管道,从储罐流经电堆的电解液同时流经SOC电池,此时SOC电池正、负极两端不加外部电源,产生的电压为开路电压(open circuit voltage)。

开路电压反映了正、负极电解液不同价态离子的变化,可通过质量守恒定律和法拉第定律获得液流电池的荷电状态。一般液流电池的SOC状态(0~100%)所对应的开路电压的范围是1.2~1.5V。SOC电池正、负极两端预留开路电压监测接线端,液流电池管理系统对开路电压实时监测,从而保证液流电池按照设定的SOC状态进行工作。

液流电池系统设计的6大要点
SOC电池结构如图6-23所示。
三、低功耗辅助技术

电解质溶液流量的大小不仅直接影响循环泵的功耗及液流电池系统的能量效率和容量,而且影响电池内电解质溶液的分布均匀性,从而影响液流电池的性能。

电解质溶液流量的选择应在保证液流电池系统的能量效率和容量的前提下,尽量降低电解质溶液流量,从而降低循环泵功耗,提高液流电池系统的综合能量效率。

四、液流电池系统热管理
液流电池系统的能量转化效率为70%~80%,因此,有20%左右的热量需要排出,以维持液流电池电解质溶液的最佳运行温度。可设置换热器将电解质溶液的热量移出,保证电解质溶液温度恒定。

换热方式可分为风冷和水冷两种。由于全钒液流电池电解质溶液具有很强的酸腐蚀性和氧化还原性。因此,换热器的材质应为PP、PTFE等耐腐蚀材料。

五、正、负极电解质溶液调平技术

液流电池在充放电循环工作过程中,由于正、负极之间的离子和水通过膜产生迁移,电池长期运行会导致正、负极电解液的体积、浓度和组成逐渐失衡,使得液流电池系统的能量效率和储能容量降低。

为了恢复液流电池系统性能,通常在其运行相当长一段时间之后,将正、负极电解液混合至初始状态,但是该操作本身非常烦琐,并且需要额外的电能以实现混液。

六、氢安全技术
电池系统在运行过程中,由于副反应的发生,会在负极产生微量氢气,长年运行累积,存在安全隐患。为保证使用安全万无一失,一般采用惰性气体置换技术,及时排出电解液储罐中的氢气,并且要求全钒液流电池室内应设置可燃气体检测报警仪,电池系统装有自然或机械通风装置。
通常,采用以钢瓶盛装的N进行吹扫的方式进行氢气置换。但对于大型系统而言,这种操作不易进行。该项目采用制氮机和特殊的管路设计,能够自动、准确、安全地进行氢气置换,适于大型系统操作。
本文节选自《液流电池技术》-张华民
液流电池(Flow Battery)是一种可充电电池,它通过液体电解质的流动来存储电能。与传统的固态电池(如锂离子电池)不同,液流电池的能量存储组件(电解质)是分离的,通常储存在外部容器中,在充放电过程中通过电池单元循环。
液流电池是一种活性物质存在于液态电解质中的电池技术,电解液在电堆外部,在循环泵的推动下流经电堆,实现化学能与电能的转换。国际上液流电池主要有全钒液流电池、锌溴电池、铁铬电池、多硫化钠溴电池4种技术路线。
其中全钒液流电池目前产业链建设和技术成熟度相对较高。全钒液流电池系统由功率单元(电堆),能量单元(电解液和电解液储罐),电解液输送单元(管路、阀、泵、传感器等辅助部件)以及电池管理系统等组成。其中,电堆由离子交换膜、电极、双极板、电极框、密封等材料构成。液流电池生产线包括(双极板,膜裁切,碳毡裁切,电堆堆叠组装)等。欢迎申请加入微信群。
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作者 808, ab