一種液流儲能電池或電堆的運(yùn)行方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種液流儲能電池或電堆的運(yùn)行方法，電池或電堆完成第一次充電或第一個充放電循環(huán)后，進(jìn)行正負(fù)極電解液的互混，使兩極電位差達(dá)到0V后，將正負(fù)極電路反接，使電池系統(tǒng)在正負(fù)極互換模式下繼續(xù)運(yùn)行。本發(fā)明使得長時間、多循環(huán)的液流電池（或電池系統(tǒng)）的電壓效率有所提高，進(jìn)而提高了液流電池（或電池系統(tǒng)）的整體效率和電解質(zhì)溶液的利用率；方法簡單可行，能有效地保證液流電池（或電池系統(tǒng)）長時間、多循環(huán)運(yùn)行時的效率、電解質(zhì)溶液利用率和穩(wěn)定性。
【專利說明】一種液流儲能電池或電堆的運(yùn)行方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種液流儲能電池或電堆的運(yùn)行方法，更具體而言，本發(fā)明提供一種 液流儲能電池在長時間、多循環(huán)運(yùn)行時提高電極電化學(xué)活性的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著人類經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源短缺和環(huán)境污染的現(xiàn)狀日趨嚴(yán)峻。為實現(xiàn)可持續(xù) 發(fā)展，必須大力發(fā)展太陽能和風(fēng)能等可再生能源。而這些可再生能源發(fā)電受地域、氣象等 條件的影響具有明顯的不連續(xù)、不穩(wěn)定性。為了平滑和穩(wěn)定可再生能源發(fā)電輸出及解決發(fā) 電與用電的時差矛盾，提高電力品質(zhì)和電網(wǎng)可靠性，必須發(fā)展高效儲能技術(shù)。液流儲能電池 (Redox Flow Battery,簡稱FB)由于具有系統(tǒng)容量和功率相互獨立可調(diào)、響應(yīng)迅速，安全可 靠，循環(huán)壽命長，操作維護(hù)簡單，環(huán)境友好等突出優(yōu)勢而成為可再生能源發(fā)電，電網(wǎng)削峰填 谷，應(yīng)急及備用電站等規(guī)模化儲能中最有發(fā)展前景的技術(shù)之一。
[0003] 目前，液流儲能電池或電堆在長時間、多循環(huán)運(yùn)行時存在的問題主要有以下幾個 方面：電解質(zhì)溶液穩(wěn)定性差；正、負(fù)極離子及水的遷移、擴(kuò)散；電池或電堆電壓效率下降。作 為全釩液流儲能電池關(guān)鍵材料之一的電極材料，起著提供電解質(zhì)溶液活性物質(zhì)反應(yīng)場所和 電化學(xué)活性的雙重作用。
[0004] 由于液流電池大多在強(qiáng)酸介質(zhì)中運(yùn)行，因此其電極材料要求具備：化學(xué)穩(wěn)定性好、 機(jī)械強(qiáng)度高、電化學(xué)活性優(yōu)良以及低成本的特點。目前液流電池電極材料主要分為兩類：金 屬類電極和非金屬類電極。
[0005] 金屬類電極在電化學(xué)反應(yīng)過程中表面容易形成鈍化膜，阻礙電極反應(yīng)的繼續(xù)進(jìn) 行，顯示出電化學(xué)可逆性差的問題，并且金屬類電極大都較昂貴。因此金屬類電極不太適合 在液流電池中應(yīng)用。
[0006] 在非金屬類電極中，碳素類電極受到了更多的青睞，碳素類電極主要包括石墨氈、 碳?xì)?、碳紙、碳布等。其中碳?xì)质怯筛呔畚锔邷靥蓟笾瞥傻臍譅疃嗫仔圆牧希哂心透?溫、耐腐蝕，良好的機(jī)械強(qiáng)度，表面積大和導(dǎo)電性好，且價格相對低廉等優(yōu)點，在液流電池 研究中被廣泛用作電極材料。
[0007] 然而，隨著液流電池或電堆在長時間、多循環(huán)運(yùn)行時，由于整個液流電池(或電池 系統(tǒng)）溫度的升高或其他原因，導(dǎo)致電解質(zhì)溶液中會有一定量的金屬離子(或其他物質(zhì)）析 出，并附著在電極表面，進(jìn)而使電極的活性點位減少，降低電極的電化學(xué)活性，致使液流電 池或電堆在長時間、多循環(huán)運(yùn)行時電壓效率會有所下降。而且隨著液流電池或電堆更長時 間、更多循環(huán)的運(yùn)行，此類問題會越來越明顯，嚴(yán)重影響液流電池或電堆的整體效率。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008] 本發(fā)明目的在于提供一種隨著液流電池或電堆在長時間、多循環(huán)運(yùn)行時，提高或 恢復(fù)液流電池或電堆電壓效率的方法，進(jìn)而改善液流電池或電堆的整體效率。
[0009] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0010] 一種液流儲能電池或電堆的運(yùn)行方法，
[0011] 1)于液流儲能電池或電堆完成第一次充電或第一個充放電循環(huán)后，進(jìn)行正負(fù)極電 解液的互混，使兩極電位差達(dá)到ον后，將正負(fù)極電路反接，使電池系統(tǒng)在正負(fù)極互換模式 下繼續(xù)運(yùn)行；
[0012] 2 )液流儲能電池或電堆完成第N次充電或第N個充放電循環(huán)后，其中N > 2，再進(jìn) 行正負(fù)極電解液的互混，使兩極電位差達(dá)到0V后，將正負(fù)極電路反接，使電池系統(tǒng)再次進(jìn) 入正負(fù)極互換模式下繼續(xù)運(yùn)行。
[0013] 所述液流儲能電池或電堆包括與正極電路相連的正極集流板、與負(fù)極電路相連的 負(fù)極集流板，所述正負(fù)極電路反接是指將正極電路與負(fù)極集流板相連、作為正極，負(fù)極電路 與正極集流板相連，作為負(fù)極。
[0014] 繼續(xù)運(yùn)行是指液流儲能電池或電堆進(jìn)行充放電循環(huán)。
[0015] 通常液流電池或電堆的電解質(zhì)溶液由循環(huán)泵將其從正極電解液儲罐導(dǎo)入電池或 電堆的正極，并再返回正極電解液儲罐中；或是由循環(huán)泵將其從負(fù)極電解液儲罐導(dǎo)入電池 或電堆的負(fù)極，并再返回負(fù)極電解液儲罐中。
[0016] 本發(fā)明通過對管路設(shè)計的改進(jìn)，使每個循環(huán)泵都具備可以將電解質(zhì)溶液任意導(dǎo)入 電池或電堆正極和電池或電堆負(fù)極兩種功能，并再返回到電池或電堆正極或負(fù)極電解液儲 罐中。使每個循環(huán)泵都可以靈活地將正極或負(fù)極電解液儲罐中的電解質(zhì)溶液任意導(dǎo)入液流 電池或電堆的正極或負(fù)極，并再返回正極或負(fù)極電解液儲罐中。
[0017] 當(dāng)在液流電池或電堆正常運(yùn)行時，每個循環(huán)泵只需將正極儲液罐中的電解質(zhì)溶液 導(dǎo)入電池或電堆的正極，并再返回正極電解液儲罐中；或是將負(fù)極儲液罐中的電解質(zhì)溶液 導(dǎo)入電池或電堆的負(fù)極，并再返回負(fù)極電解液儲罐中。
[0018] 但是，當(dāng)液流電池或電堆運(yùn)行一定的時間或循環(huán)時，電池的電壓效率會有一定的 下降，這時就需要將原本負(fù)責(zé)導(dǎo)入正極電解質(zhì)溶液的磁力泵，使其將正極儲液罐中的電解 質(zhì)溶液導(dǎo)入電池或電堆的負(fù)極，并流入負(fù)極電解液儲罐中；同時的將原本負(fù)責(zé)導(dǎo)入負(fù)極電 解質(zhì)溶液的磁力泵，使其將負(fù)極儲液罐中的電解質(zhì)溶液導(dǎo)入電池或電堆的正極，并流入正 極電解液儲罐中。進(jìn)而達(dá)到正、負(fù)極電解質(zhì)溶液互混的目的。待正負(fù)極電解質(zhì)溶液混合均 勻后，將電路反接，這樣就使電池或電堆原本的正極變?yōu)樨?fù)極，原本的負(fù)極變?yōu)檎龢O。然后 再對電池或電堆進(jìn)行充放電循環(huán)，利用化學(xué)反應(yīng)的方法將析出的金屬離子重新溶解到電解 質(zhì)溶液中，進(jìn)而恢復(fù)電極原有的活性點位，提高電池的電壓效率。所以，每當(dāng)電池或電堆運(yùn) 行一定的時間或循環(huán)時，重復(fù)上述方法可以有效提高液流電池或電堆的電壓效率，進(jìn)而提 高液流電池或電堆的整體效率。
[0019] 本發(fā)明提到的"液流電池"包括：全釩液流儲能電池、全鐵液流儲能電池等正、負(fù)極 電解質(zhì)溶液為同一種(或多種混合）物質(zhì)的液流儲能電池體系。
[0020] 本發(fā)明提到液流電池系統(tǒng)是指由多個電池組成的電池群體系統(tǒng)。
[0021] 本發(fā)明提到的"液流電池或電堆運(yùn)行一定的時間或循環(huán)時"，其中的"一定的時間" 包括電池或電堆運(yùn)行的任意時間，"一定的循環(huán)"包括電池或電堆運(yùn)行的任意循環(huán)。
[0022] 本發(fā)明的有益結(jié)果：
[0023] (1)本發(fā)明在液流電池或電堆第一次充電(或充放電）完成時，對其進(jìn)行正、負(fù)極互 換，再進(jìn)行充放電循環(huán)，將正、負(fù)極都經(jīng)過活化電位的提高，從而提高了液流電池正、負(fù)電極 的電化學(xué)活性，進(jìn)而提高液流電池或電堆的電壓效率。
[0024] (2)本發(fā)明在電池或電堆運(yùn)行一定的時間或循環(huán)時，對其進(jìn)行正、負(fù)極互換，再進(jìn) 行充放電循環(huán)，這樣通過化學(xué)反應(yīng)的手段，將析出的金屬離子重新溶解到電解質(zhì)溶液中，進(jìn) 而恢復(fù)電極原有的活性點位，提高液流電池或電堆的電壓效率。
[0025] (3)本發(fā)明使得長時間、多循環(huán)的液流電池或電堆的電壓效率有所提高，進(jìn)而提高 了液流電池或電堆的整體效率和電解質(zhì)溶液的利用率。
[0026] (4)本發(fā)明所采用的方法簡單可行，能有效地保證液流電池或電堆長時間、多循環(huán) 運(yùn)行時的效率、電解質(zhì)溶液利用率和穩(wěn)定性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0027] 圖1示出一種采用雙功能泵的液流電池系統(tǒng)；該電池系統(tǒng)由9電堆，7正極電解質(zhì) 溶液儲罐，8負(fù)極電解質(zhì)溶液儲罐，5、6雙功能泵(每個磁力泵都可以靈活低將正極或負(fù)極 電解液儲罐中的電解質(zhì)溶液導(dǎo)入液流電池或電堆的正極或負(fù)極，并再返回正極或負(fù)極電解 液儲罐中)，1、2、3、4閥門等部件組成。液流電池或電堆運(yùn)行時，開啟1、2閥門，同時關(guān)閉3、4 閥門，此時液流電池或電堆處在正常運(yùn)行模式；液流電池或電堆運(yùn)行一定的時間或循環(huán)時， 關(guān)閉1、2閥門，同時開啟3、4閥門，溶液混合均勻后將電路反接，此時液流電池或電堆處在 正、負(fù)極互換模式；
[0028] 圖2示出一種傳統(tǒng)的液流電池或電堆裝置。
【具體實施方式】
[0029] 下面的實施例是對本發(fā)明的進(jìn)一步說明，而不是限制本發(fā)明的范圍。
[0030] 下面實施例中所選用的液流電池體系為全鑰;氧化還原液流電池 （Vanadium Redox Flow Battery,簡稱VFB)，具體說明如下：
[0031] 1.該電池由10節(jié)單電池組成；
[0032] 2.釩電解質(zhì)溶液濃度為1. 5mol/L。
[0033] 3.電池恒流充放電的電流密度為80mA/cm2。
[0034] 4.單節(jié)電池充放電截止電池分別為1. 55V和1. 0V。
[0035] 5.正、負(fù)極電解液儲液罐內(nèi)各裝入40L釩電解質(zhì)溶液。
[0036] 電池系統(tǒng)包括電堆，正極電解液儲罐、負(fù)極電解液儲罐，循環(huán)泵、閥門、管路；正極 電解液儲罐7通過循環(huán)泵5經(jīng)第二閥門2與電堆9正極入口相連，電堆9正極出口通過管 路與正極電解液儲罐7相連；負(fù)極電解液儲罐8通過循環(huán)泵6經(jīng)第一閥門1與電堆9負(fù)極 入口相連，電堆9負(fù)極出口通過管路與負(fù)極電解液儲罐相連；循環(huán)泵5與第二閥門2之間的 管路設(shè)置一條分支管路與第一閥門1和電堆9負(fù)極入口之間的管路相連通，連通管路間設(shè) 置有第三閥門3 ;循環(huán)泵6與閥門1之間的管路設(shè)置一條分支管路與第二閥門2和電堆9正 極入口之間的管路相連通，連通管路間設(shè)置有第四閥門4。
[0037] 包括正常運(yùn)行和正負(fù)極互換兩種運(yùn)行模式下交替運(yùn)行工作，電池系統(tǒng)初運(yùn)行時， 開啟第一閥門1和第二閥門2,同時關(guān)閉第三閥門3和第四閥門4,此時電池系統(tǒng)處在正常 運(yùn)行模式下；
[0038] 當(dāng)電池系統(tǒng)運(yùn)行完成第一次充電或第一個充放電循環(huán)后，關(guān)閉第一閥門1和第二 閥門2,同時開啟第三閥門3和第四閥門4,使正負(fù)極電解液進(jìn)行互混，待溶液混合均勻后將 電路反接，使電池系統(tǒng)正、負(fù)極進(jìn)入互換模式；
[0039] 液流儲能電池或電堆完成第N次充電或第N個充放電循環(huán)后，其中N > 2,再進(jìn)行 正負(fù)極電解液的互混，使兩極電位差達(dá)到0V后，將正負(fù)極電路反接，使電池系統(tǒng)再次進(jìn)入 正負(fù)極互換模式下繼續(xù)運(yùn)行。
[0040] 實施例1
[0041] 電池運(yùn)行第2個循環(huán)結(jié)束時，使電池進(jìn)入正、負(fù)極互換模式運(yùn)行，繼續(xù)運(yùn)行2個循 環(huán)，記錄數(shù)據(jù)。
[0042] 實施例2
[0043] 電池運(yùn)行第20個循環(huán)結(jié)束時，使電池進(jìn)入正、負(fù)極互換模式運(yùn)行，繼續(xù)運(yùn)行2個循 環(huán)，記錄數(shù)據(jù)。
[0044] 實施例3
[0045] 電池運(yùn)行第50個循環(huán)結(jié)束時，使電池進(jìn)入正、負(fù)極互換模式運(yùn)行，繼續(xù)運(yùn)行2個循 環(huán)，記錄數(shù)據(jù)。
[0046] 實施例4
[0047] 電池運(yùn)行第100個循環(huán)結(jié)束時，使電池進(jìn)入正、負(fù)極互換模式運(yùn)行，繼續(xù)運(yùn)行2個 循環(huán)，記錄數(shù)據(jù)。
[0048] 實施例5
[0049] 電池運(yùn)行第200個循環(huán)結(jié)束時，使電池進(jìn)入正、負(fù)極互換模式運(yùn)行，繼續(xù)運(yùn)行2個 循環(huán)，記錄數(shù)據(jù)。
[0050] 實施例6
[0051] 電池運(yùn)行第400個循環(huán)結(jié)束時，使電池進(jìn)入正、負(fù)極互換模式運(yùn)行，繼續(xù)運(yùn)行2個 循環(huán)，記錄數(shù)據(jù)。
[0052] 對比例1
[0053] 電池運(yùn)行第2個循環(huán)結(jié)束時，記錄第2個循環(huán)數(shù)據(jù)。
[0054] 對比例2
[0055] 電池運(yùn)行第20個循環(huán)結(jié)束時，記錄第20個循環(huán)數(shù)據(jù)。
[0056] 對比例3
[0057] 電池運(yùn)行第50個循環(huán)結(jié)束時，記錄第50個循環(huán)數(shù)據(jù)。
[0058] 對比例4
[0059] 電池運(yùn)行第100個循環(huán)結(jié)束時，記錄第100個循環(huán)數(shù)據(jù)。
[0060] 對比例5
[0061] 電池運(yùn)行第200個循環(huán)結(jié)束時，記錄第200個循環(huán)數(shù)據(jù)。
[0062] 對比例6
[0063] 電池運(yùn)行第400個循環(huán)結(jié)束時，記錄第400個循環(huán)數(shù)據(jù)。
[0064] 測試
[0065] 采用Arbin BT-2000電池充放電儀器(美國Arbin公司制造）測試電池性能；
[0066] 測試結(jié)果如表一所不。
[0067] 表一
[0068]
[0069]
【權(quán)利要求】
1. 一種液流儲能電池或電堆的運(yùn)行方法，其特征在于： 1) 于液流儲能電池或電堆完成第一次充電或第一個充放電循環(huán)后，進(jìn)行正負(fù)極電解液 的互混，使兩極電位差達(dá)到ον后，將正負(fù)極電路反接，使電池系統(tǒng)在正負(fù)極互換模式下繼 續(xù)運(yùn)行； 2) 液流儲能電池或電堆完成第N次充電或第N個充放電循環(huán)后，其中N > 2,再進(jìn)行正 負(fù)極電解液的互混，使兩極電位差達(dá)到0V后，將正負(fù)極電路反接，使電池系統(tǒng)再次進(jìn)入正 負(fù)極互換模式下繼續(xù)運(yùn)行。
2. 按照權(quán)利要求1所述的運(yùn)行方法，其特征在于： 所述液流儲能電池或電堆包括與正極電路相連的正極集流板、與負(fù)極電路相連的負(fù)極 集流板，所述正負(fù)極電路反接是指將正極電路與負(fù)極集流板相連、作為正極，負(fù)極電路與正 極集流板相連，作為負(fù)極。
3. 按照權(quán)利要求1所述的運(yùn)行方法，其特征在于：繼續(xù)運(yùn)行是指液流儲能電池或電堆 進(jìn)行充放電循環(huán)。
【文檔編號】H01M8/18GK104143646SQ201310169699
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2013年5月9日 優(yōu)先權(quán)日:2013年5月9日
【發(fā)明者】史丁秦, 張華民, 鐘和香, 孫佳偉, 劉鑫, 段寅琦 申請人:中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所