用于平衡充电状态的氧化还原液流电池阵列和方法技术

公开了氧化还原液流电池阵列的设计和用于平衡阵列内的充电状态的方法。通过测量公共电解液对的充电状态并适当调节一个或多个相关阳极电解液和阴极电解液回路中的流量，以平衡液流电池组串中的充电状态，使得包括液流电池组串(其中组共享一个共同的电解液对)的阵列中的液流电池组串被平衡。所需的设备，即充电状态测量装置、流量调节器和控制器，代表了对现有技术方法的显著简化。对现有技术方法的显著简化。对现有技术方法的显著简化。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于平衡充电状态的氧化还原液流电池阵列和方法


[0001]本专利技术涉及氧化还原液流电池阵列以及用于平衡阵列中的液流电池组串和串内的液流电池组的充电状态的方法。

技术介绍

[0002]氧化还原液流电池，例如钒氧化还原液流电池，继续显示出用于存储大量电能的前景，例如用于负载均衡应用。它们将电能转化为可以储存的化学能，然后再转化为电能，从而在需要时释放出来。在操作中，液体电解液被输送到液流电池中，以将电能转换为化学能或将化学能转换为电能，电能可以通过电连接释放到电力负载。
[0003]单个氧化还原液流电池单元(cell)包括由隔板隔开的阳极和阴极。负极液体电解液或阳极电解液从阳极电解液储罐输送(流动)到阳极，而正极液体电解液或阴极电解液从阴极电解液储罐输送(流动)到阴极，以驱动电化学可逆的氧化还原反应。隔板可以是微孔隔板或离子交换膜，它将电极隔开并防止电解液混合，但允许选定的离子通过以完成氧化还原反应。在允许发生氧化还原反应后，阳极电解液和阴极电解液返回各自的储罐。因此，操作这种氧化还原液流电池既需要阳极电解液回路又需要阴极电解液回路，每个都包括将阳极电解液罐和阴极电解液罐分别连接到液流电池单元中的阳极和阴极的供应管线和返回管线。单元的充电状态由两部分电解液(即阳极电解液和阴极电解液)的化学成分或状态决定。
[0004]在许多应用中，尤其是负载均衡应用中，需要大量液流电池单元来分别存储和/或输送大量能量和功率。通常采用大而复杂的单元阵列，其中单元以各种串联和并联组合互连。理想地，这些阵列中的许多单独的液流电池单元将共享共同的阳极电解液和阴极电解液供应。在本文中，这样的单元组合被称为液流电池组。液流电池组中的单元可以串联和/或并联互连，但都共享公共的阳极电解液和阴极电解液供应。因此，液流电池组中的所有单元都处于相同的充电状态。
[0005]在大型阵列中，液流电池组可理想地进一步互连成串联和/或并联的液流电池组串。这种组合的液流电池组串通过一个或多个可控双向功率转换器传送和接收用于预期应用的电力(例如，DC/DC和/或AC/DC转换器将工作DC增加到通常>800V以连接到商用AC/DC转换器)。
[0006]到目前为止，由于无法有效和成本有效地管理它们之间的容量平衡，具有共享的公共电解液供应的液流电池组尚未有效地用于电气串联和/或并联布置。在过去的一种方法中，流量电池组内串联单元的最大电压通常可能限制在<400V DC，以最大限度地减少分流损耗并最大限度地提高往返能源效率。在另一种方法中，前述可以与在每个液流电池组上使用双向DC/DC转换器一起使用，以便单独控制流向每个液流电池组的电流，以实现串中所有液流电池组之间的容量匹配和平衡，同时将直流电压增加到>800V以连接到商用AC/DC转换器。此外，前述方法可以与使用电接触器一起使用以在某些液流电池组中打开和关闭一些串联连接的单元堆叠，从而以离散的步骤改变充电/放电电流以实现容量平衡。DC/DC
转换器仍可像以前一样用于管理电流和增加电压。
[0007]增加单个液流电池组内串联单元堆叠的电压会增加系统成本，因为分流缓解措施会增加成本并降低整体效率(单元和堆叠之间的流道更长、更薄，流体阳极电解液/阴极电解液所需的泵送功率增加等)。
[0008]不幸的是，所有上述方法都限制了每个液流电池组产生的最大直流电压，使得液流电池难以与最先进的AC/DC转换器的>800V直流连接要求集成。在主电源流电路中使用大量DC/DC转换器会增加成本并降低系统的整体往返效率，从而降低可能从液流电池获得的最大性能和成本效益。此外，使用多个接触器来打开/关闭堆栈是昂贵的。在负载下切换时，接触器的使用寿命也很短，并且单元堆叠将继续在堆叠内释放电解液，从而降低系统效率。
[0009]在另一种方法中，可以使用检测串中液流电池组之间不平衡的子系统来实现液流电池组串联串内的容量平衡，然后通过流体互连和混合阳极电解液罐和阴极电解液罐的一部分来适当地调整一个或多个组中的充电状态，以将充电状态降低到一个共同的目标(类似于使用泄放电阻器对该组内的单元进行放电)。这样的子系统显然增加了不希望的成本和复杂性。
[0010]尽管在开发用于大规模商业应用的实用氧化还原液流电池阵列方面取得了许多进展，但仍需要进一步简化、提高效率和降低成本。在液流电池组的串联和并联串中提供充电平衡状态和能量存储容量平衡的改进将是特别有用的。本专利技术解决了这些需求并提供了如下所公开的其他益处。

技术实现思路

[0011]本专利技术公开了改进的氧化还原液流电池阵列和用于平衡阵列内的充电状态的方法。平衡包括液流电池组串的阵列中的液流电池组串，其中组共享一个公共电解液对是通过测量所涉及的公共电解液对的充电状态，然后通过适当地调节一个或多个相关阳极电解液和阴极电解液回路中的流量来实现的。实施例需要充电状态测量装置、流量调节器和控制器，但是与现有技术的方法相比，本专利技术的整个阵列显著简化。例如，本氧化还原液流电池阵列对于并联电连接的每一组液流电池组串只需要一个可控双向功率转换器(即可能不存在电连接到任何涉及的液流电池组串的任何附加可控双向功率转换器)。此外，该阵列可以不存在任何子系统，如在一些现有技术方法中，用于流体互连和混合阳极电解液罐和阴极电解液罐以实现充电状态平衡。
[0012]具体地，本专利技术涉及一种氧化还原液流电池阵列，包括至少两个并联电连接的液流电池组串，其中每个液流电池组串包括至少一个液流电池组。这种液流电池组包括液流电池串，该液流电池串包括至少一个液流电池单元。然而，液流电池串通常可以包括以串联和/或并联组合互连的多个单元。每个单元包括阳极、阴极和包含阳极电解液和阴极电解液的液流电池组电解液。液流电池组还包括用于分别储存液流电池组电解液的阳极电解液和阴极电解液的阳极电解液罐和阴极电解液罐。在一些实施方案中，可以对阳极电解液或阴极电解液中的每一种使用多于一个的罐。尽管如此，给定液流电池组中的阳极电解液和阴极电解液对于该给定单元中的所有电池都是通用的。液流电池组还包括阳极电解液回路，该阳极电解液回路包括将阳极电解液罐连接到液流电池串中的液流电池单元中的阳极的供应管线和返回管线，并且以类似的方式，阴极电解液回路包括将阴极电解液罐连接到液
流电池串中的液流电池单元中的阴极的供应管线和返回管线。液流电池阵列另外包括电连接到所涉及的每个液流电池组串的可控双向功率转换器。然而，如上所述，所涉及的液流电池组串只需要一个这样的可控双向功率转换器。
[0013]在本专利技术中，每个液流电池组包括能够测量组内液流电池组电解液的充电状态的充电状态测量装置。此外，所述阵列包括在所述阳极电解液和所述阴极电解液回路中的至少一个中的流量调节器，所述流量调节器调节所述阳极电解液和所述阴极电解液中的至少一种在所述至少两个液流电池组串中的至少一个液流电池组中通过其中的流量。虽然这可以允许在一些实施例中实现可接受的平衡，但在优选实施例中，流量调节器设置在所涉及的每个液流电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种氧化还原液流电池阵列，包括：并联电连接的至少两个液流电池组串，其中每个液流电池组串包括至少一个液流电池组，所述至少一个液流电池组包括：液流电池串，所述液流电池串包括至少一个液流电池单元，其中每个单元包括阳极、阴极和包含阳极电解液和阴极电解液的液流电池组电解液；阳极电解液罐和阴极电解液罐，分别用于储存液流电池组电解液的阳极电解液和阴极电解液；阳极电解液回路，所述阳极电解液回路包括将所述阳极电解液罐连接到所述液流电池串中的液流电池单元中的阳极的供应管线和返回管线；阴极电解液回路，所述阴极电解液回路包括将所述阴极电解液罐连接到所述液流电池串中的液流电池单元中的阴极的供应管线和返回管线；以及能够测量液流电池组中的液流电池组电解液的充电状态的充电状态测量装置；流量调节器，所述流量调节器在阳极电解液回路和阴极电解液回路中的至少一个中，用于调节阳极电解液和阴极电解液中的至少一个在所述至少两个液流电池组串中的至少一个液流电池组中的流量；可控双向功率转换器，所述可控双向功率转换器电连接到所述至少两个液流电池组串中的每一个；以及控制器，其输入端连接到液流电池组中的每个充电状态测量装置，输出端连接到流量调节器，其中，根据所述液流电池组中的液流电池组电解液的充电状态，所述控制器的输出端控制所述流量调节器以调节所述阳极电解液和阴极电解液中的至少一个到所述液流电池串中液流电池单元的阳极和阴极的流量，从而平衡所述至少两个液流电池组串中的充电状态。2.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池阵列，其中，所述阵列不存在与任何液流电池组串电连接的任何附加可控双向功率转换器。3.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池阵列，其中，所述阵列不存在用于根据所述液流电池组中的所述液流电池组电解液的充电状态流体互连和混合所述阳极电解液罐和所述阴极电解液罐的任何子系统。4.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池阵列，其中，所述阵列包括并联电连接的多个液流电池组串。5.根据权利要求4所述的氧化还原液流电池阵列，包括跨过每个液流电池组串中的至少一个液流电池组的电压传感器和与每个液流电池组串中的至少一个液流电池组串联的电流传感器。6.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池阵列，其中，每个所述液流电池组串包括串联电连接的至少两个液流电池组。7.根据权利要求6所述的氧化还原液流电池阵列，其中，每个所述液流电池组串包括电流旁路装置，所述电流旁路装置与所述液流电池组串中的至少一个液流电池组并联电连接。8.根据权利要求7所述的氧化还原液流电池阵列，其中，电流旁路装置与每个液流电池组串中的每个液流电池组并联电连接。
9.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池阵列，包括在每个液流电池组串中的每个液流电池组中的阳极电解液回路和阴极电解液回...

【专利技术属性】
技术研发人员：A，
申请(专利权)人：英维尼迪能源系统加拿大有限公司，
类型：发明
国别省市：