一种千瓦级锌铁液流电池性能测试系统的制作方法

1.本发明涉及液流电池技术领域，尤其涉及一种千瓦级锌铁液流电池性能测试系统。


背景技术：

2.锌铁液流电池以其优异的安全性，作为最具前景的可大规模应用的储能电池之一，受到越来越多研究者的关注。而锌铁液流电池的组成不同于传统电池，其需要泵来驱动电解液在电堆内部循环，以实现电能和化学能之间的转化。这种结构形式，使得锌铁液流电池除需要监测运行期间电池的电流、电压、温度等数据外，还需要对电解液的压力，流量，温度等参数进行实时监控，以实现对电池性能的综合评估。目前针对千瓦级锌铁液流电池系统的性能测试方法未见有相关研究报道，本发明将就锌铁液流电池的性能测试提供一种可行性解决方案。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的在于提供一种千瓦级锌铁液流电池性能测试系统，以解决现有技术中的问题。
4.为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
5.提供一种千瓦级锌铁液流电池性能测试系统，所述测试系统包括液流电池堆、正极电解液容器、负极电解液容器，第一液流管道、第二液流管道、第三液流管道、第四液流管道、第一动力泵、第二动力泵、第三动力泵和第四动力泵，所述液流电池性能测试系统还包括：
6.第一集流容器，所述液流电池堆的正极反应腔外侧的第一液流口均与所述第一集流容器连通，所述第一集流容器通过所述第一液流管道与所述正极电解液容器连通，所述第一动力泵设置在所述第一液流管道上；
7.第二集流容器，所述液流电池堆的正极反应腔外侧的第二液流口均与所述第二集流容器连通，所述第二集流容器通过所述第二液流管道与所述正极电解液容器连通，所述第二动力泵设置在所述第二液流管道上；
8.第三集流容器，所述液流电池堆的负极反应腔外侧的第一液流口均与所述第三集流容器连通，所述第三集流容器通过所述第三液流管道与所述负极电解液容器连通，所述第三动力泵设置在所述第三液流管道上；
9.第四集流容器，所述液流电池堆的负极反应腔外侧的第二液流口均与所述第四集流容器连通，所述第四集流容器通过所述第四液流管道与所述负极电解液容器连通，所述第四动力泵设置在所述第四液流管道上。
10.优选的，所述液流口均通过单独连接管道与所述第一集流容器、所述第二集流容器、所述第三集流容器或所述第四集流容器连通。
11.优选的，还包括有电压监测模块，用于监测单电池的电压。
12.优选的，还包括有搅拌桨，所述正极电解液容器和所述负极电解液容器内均设置有搅拌桨。
13.优选的，还包括设置在所述正极电解液容器和所述负极电解液容器顶部的排气口。
14.优选的，还包括有第一温度传感器，用于实时监控环境温度。
15.优选的，还包括有加热器，所述正极电解液容器和所述负极电解液容器均设置有所述加热器，用于实时控制电解液温度。
16.优选的，所述第一液流管道和所述第三液流管道的电解液进管处均设置有旁路预留口，用于后期对所述测试系统进行功率扩容。
17.优选的，还包括设置在所述液流电池堆口的第二温度传感器和液流传感器，用于测量电解液经过所述液流电池堆后的压力和温度变化。
18.优选的，还包括有流量计，设置在所述第一液流管道和所述第三液流管道的进液口，用于测量电解液流量值。
19.本发明实施例中上述的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
20.本发明实施例，通过提供一种千瓦级锌铁液流电池性能测试系统，本测试系统，将实现对电池性能的全方面测试，包括流量、温度和电压，可以全面的评估电池各方面性能参数，对大规模储能系统集成将带来全面的保障。应用了该测试方法的锌铁液流电池电堆，针对电堆泄露、充放电效率、电池容量衰减等参数，均可获得较为全面的测试数据。
附图说明
21.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
22.图1为本发明实施例提供的测试系统的示意图；
23.图2为本发明实施例提供的液流电池堆的结构示意图；
24.图3为本发明实施例提供的液流电池堆部分的剖视图；
25.图4为本发明实施例提供的液流电池堆部分的剖视图；
26.图5为本发明实施例提供的液流电池堆部分的主视图；
27.图6为本发明实施例提供的液流框的结构示意图；
28.图7为本发明实施例提供的液流框的俯视图；
29.图8为图7中a的放大示意图；
30.图9为本发明实施例提供的离子交换膜的结构示意图；
31.图10为本发明实施例提供的集流板和电极的结构示意图；
32.其中，图中各附图标记：
33.1、正极电解液容器，2、负极电解液容器，3、液流电池堆，31、液流框，3101、围形板，3102、第一侧板，3103、第二侧板，301、正极液流框，302、负极液流框，32、集流板，33、电极，34、固定框，35、离子交换膜，36、第一液流口，37、第二液流口，38、液流腔，39、膜瓣，310、聚集区，311、扩散区，312、安装板，313、正极反应腔，314、负极反应腔，4、第一液流管道，5、第
二液流管道，6、第三液流管道，7、第四液流管道，8、第一动力泵，9、第二动力泵，10、第三动力泵，11、第四动力泵，12、第一集流容器，13、第二集流容器，14、第三集流容器，15、第四集流容器。
具体实施方式
34.下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
35.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
36.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
37.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
38.本发明实施例提供液流电池堆及液流电池系统，属于液流电池技术领域，应用场景可以为：锌铁液流电池及其系统等场景中。可以理解的是，现有技术中，由于电极的各部位反应的电解液的离子浓度不同而导致液流电池的电化学极化，进而使得锌枝晶生长而对电池的高效性能造成不利影响，例如锌枝晶生长刺穿离子膜引起电池内部短路等不利影响。
39.基于此，如何使得电极的各部位反应的电解液的离子浓度保持一致，为了亟需解决的技术问题。
40.以下结合附图及具体实施例对本发明技术方案做进一步详细阐述。
41.参考图2-图10，本实施例提供了一种液流电池堆3，包括安装板312和阵列设置在所述安装板312之间的单电池，所述单电池，包括离子交换膜35、集流板32、液流框、电极33和液流口；所述集流板32设置在所述离子交换膜35的两侧；所述液流框包括正极液流框301和负极液流框302，分别设置在所述离子交换膜35的两侧，与所述集流板32在所述离子交换膜35两侧形成两个反应腔，其中一个是正极反应腔313，另一个是负极反应腔314；所述电极33包括正电极33和负电极33，分别设置在所述离子交换膜35的两侧的所述集流板32上，所述正电极33位于所述正极反应腔313内，所述负电极33位于所述负极反应腔314内；所述液流口包括第一液流口36和第二液流口37，所述液流框31外侧均交错设置有所述第一液流口36和所述第二液流口37，所述第一液流口36和所述第二液流口37穿过所述液流框31与所述
正极反应腔313或所述负极反应腔314连通。
42.在一些实施例中，所述安装板312对夹挤压设置在阵列叠放在一起的单电池堆两侧。
43.在一些实施例中，所述离子交换膜35为多孔膜。
44.在一些实施例中，所述电极33是石墨板、金属板或者碳布。
45.在一些实施例中，所述正极反应腔313内的正极电解液是软化水、强碱和十水合六氰合铁酸四钠的混合物。
46.在一些实施例中，所述负极反应腔314内的负极电解液是软化水、锌化合物、强碱和酒石酸钾钠的混合物。
47.具体的，参考图3，本实施例的一节单电池的负电极33与相邻的一节单电池的正电极33通过集流板32连接，其正电极33则与相邻的另一单电池负电极33通过另一块集流板32连接，电极33外侧的液流框31则层压在离子交换膜35与集流板32之间，如此构成电池堆的结构。
48.示例性的，参考图7，液流框31为环形状结构，里面是反应腔，液流框31外侧交错设置有第一液流口36和第二液流口37，电解液从第一液流口36流入反应腔内，电解液与电极33反应后，从第一液流口36两侧的第二液流口37流出，在电极33各个部位形成局部均匀的电解液循环，使得电极33的各部位反应的电解液的离子浓度保持一致，防止了液流电池的电化学极化，避免了锌枝晶生长而对电池的高效性能造成不利影响。
49.在一些实施例中，参考图7与图8，所述液流框31内设有液流腔38，所述第一液流口36穿入到所述液流框31内与所述液流腔38连通，所述第二液流口37穿过所述液流框31与所述反应腔连通；位于所述反应腔内的所述第二液流口37一端的两侧均设置有膜瓣39，相邻所述膜瓣39之间形成聚集区310和扩散区311，所述扩散区311位于相邻所述聚集区310之间；所述扩散区311一端连通所述液流腔38，另一端连通所述反应腔，用于扩散从所述液流腔38内流入所述反应腔内的电解液；所述聚集区310一端包裹在位于所述反应腔内的所述第二液流口37的一端周围，另一端连通所述反应腔，用于聚集从所述第二液流口37流入所述反应腔内的电解液。
50.示例性的，当电解液的例子浓度在阈值之上时，第一液流口36为电解液进入口，第二液流口37为电解液流出口，高例子浓度的电解液从第一液流口36流入液流腔38内，反应过后从相邻的膜瓣39之间的缝隙流出(参考图7中的箭头指向即为电解液的流向)，然后通过挤过膜瓣39之间的缝隙流入到扩散区311内，挤过膜瓣39之间的缝隙的电解液流速会被加速，进而在进入到扩散区311时呈扩散流动与电极33接触反应，进一步保证了电极33各个部位电解液的例子浓度的均匀一致性。
51.这里需要说明的时，第一液流口36为电解液进入口时，高离子浓度的电解液呈扩散流动进入到反应腔内的速度可以降低，使得高离子浓度的电解液与电极33有足够的时间充分接触反应，保证了反应的充分进行；相反，若高子浓度的电解液从反应腔快进快出的话，虽然反应也可以顺利进行，但是每次的反应都不充分，只反应了一小部分的高离子浓度的电解液，需要多次反应才能达到呈扩散流动进入到反应腔内的一次反应量，这样的效率无疑是较低的。
52.示例性的，当电解液的离子浓度在阈值时或之下时，第二液流口37为电解液进入
口，第一液流口36为电解液流出口，低离子浓度的电解液从第二液流口37流入聚集区310内，然后聚集区310内的低离子浓度的电解液挤过膜瓣39之间的缝隙流入到反应腔内，挤过膜瓣39之间的缝隙的电解液流速会被加速，进而快速的与电极33各个部位流过反应，然后从扩散区311之间的膜瓣39之间的缝隙流出，被加速而流过电极33的低离子浓度的电解液能够保证单位时间内与电极33反应有足够离子量，进而保证电池在较低电解液的离子浓度下也能的输出稳定的电压。
53.在一些实施例中，参考图6和图7，所述液流框31包括围形板3101、第一侧板3102和第二侧板3103，所述围形板3101为两块同心设置的环形板；所述第一侧板3102设置在所述环形板靠近所述离子交换膜35的一侧；所述第二侧板3103设置在所述环形板远离所述离子交换膜35的一侧；所述围形板3101与所述第一侧板3102和所述第二侧板3103之间形成的空间为所述液流腔38，所述膜瓣39与所述第一侧板3102和所述第二侧板3103之间形成的若干个空间为所述聚集区310或所述扩散区311。
54.需要说明的是，聚集区310和扩散区311的膜瓣39为交替设置的“八”字形膜瓣39，聚集区310“八”字形膜瓣39头部的靠近电极33，而扩散区311“八”字形膜瓣39头部位于液流腔38内，因此从扩散区311“八”字形膜瓣39头部流入的电解液有足够的空间进行扩散，而从聚集区310“八”字形膜瓣39头部流出的电解液则直接与电极33接触反应，因此在电解液的离子浓度相同时，聚集区310流出的电解液不会扩散后才与电极33反应，是直接与电极33反应的，也就是说从聚集区310流出的与电极33反应的电解液的离子浓度高于从扩散区311流入的与电极33反应的电解液的离子浓度，这就使得在电解液的离子浓度在阈值时或之下时，相对来说聚集区310可以起到提高电解液的离子浓度的作用，进一步保证电池在较低电解液的离子浓度下也能的输出稳定的电压。
55.在一些实施例中，参考图2-图10，所述第一侧板3102和所述第二侧板3103均为环形板；所述集流板32嵌入式设置在所述第二侧板3103的内壁之间，用于隔绝相邻所述单电池的所述反应腔；相邻所述液流框31的所述第二侧板3103为同一块侧板。优选的，所述离子交换膜35包括离子交换膜35本体和设置在所述离子交换膜35本体外侧的固定框34；所述固定框34为弹性密封框，层压在其两侧的所述第一侧板3102之间。
56.安装时，将带有电极33板的集流板32安装在第二侧板3103的内壁之间，第二侧板3103、液流框31与第一侧板3102为一体成型制成的，然后在两个液流框31之间放置离子交换膜35，两个液流框31层压在固定框34两侧，然后一次叠放一定数量的单电池，形成电池堆，最后在电池堆两侧加压设置两块安装板312，将所有单电池层压在一起，使得本实施例的电池堆安装非常方便。
57.本发明还提供一种千瓦级锌铁液流电池性能测试系统，参考图1，所述液流电池系统包括所述的液流电池堆3、正极电解液容器1、负极电解液容器2，第一液流管道4、第二液流管道5、第三液流管道6、第四液流管道7、第一动力泵8、第二动力泵9、第三动力泵10和第四动力泵11，所述液流电池系统还包括：
58.第一集流容器12，所述正极反应腔313外侧的所述第一液流口36均与所述第一集流容器12连通，所述第一集流容器12通过所述第一液流管道4与所述正极电解液容器1连通，所述第一动力泵8设置在所述第一液流管道4上；
59.第二集流容器13，所述正极反应腔313外侧的所述第二液流口37均与所述第二集
流容器13连通，所述第二集流容器13通过所述第二液流管道5与所述正极电解液容器1连通，所述第二动力泵9设置在所述第二液流管道5上；
60.第三集流容器14，所述负极反应腔314外侧的所述第一液流口36均与所述第三集流容器14连通，所述第三集流容器14通过所述第三液流管道6与所述负极电解液容器2连通，所述第三动力泵10设置在所述第三液流管道6上；
61.第四集流容器15，所述负极反应腔314外侧的所述第二液流口37均与所述第四集流容器15连通，所述第四集流容器15通过所述第四液流管道7与所述负极电解液容器2连通，所述第四动力泵11设置在所述第四液流管道7上。
62.示例性的，当电解液的离子浓度高于阈值时，第一动力泵8和第三动力泵10将电解液泵出，使得电解液从第一液流口36流入，反之，当电解液的离子浓度等于或低于阈值时，则第二动力泵9和第四动力泵11将电解液泵出，使得电解液从第二液流口37流出。
63.在一些实施例中，所述液流口均通过单独连接管道与所述第一集流容器12、所述第二集流容器13、所述第三集流容器14或所述第四集流容器15连通。
64.在一些实施例中，还包括有电压监测模块，用于监测所述单电池的电压。
65.示例性的，在本实施例中，通过监测单电池的电压来判断反应的电解液离子浓度是否低于阈值，一旦监测到一定时间内电压持续下降，则可以判断出反应的电解液离子浓度低于阈值，则启动第二动力泵9和第四动力泵11作为电解液的输出泵，使得电解液从第二液流口37流出。
66.在一些实施例中，还包括有搅拌桨，所述正极电解液容器1和所述负极电解液容器2内均设置有搅拌桨，以电解液容器内电解液均匀。
67.在一些实施例中，还包括设置在所述正极电解液容器1和所述负极电解液容器2顶部的排气口，以便于副反应气体及时排出。
68.在一些实施例中，还包括有第一温度传感器，用于实时监控环境温度。
69.在一些实施例中，还包括有加热器，所述正极电解液容器和所述负极电解液容器均设置有所述加热器，用于实时控制电解液温度。
70.在一些实施例中，第一液流管道4和第三液流管道6的电解液进管处均设置有旁路预留口，用于后期对所述测试系统进行功率扩容。
71.在一些实施例中，还包括设置在液流电池堆3口的第二温度传感器和液流传感器，用于测量电解液经过液流电池堆3后的压力和温度变化。
72.在一些实施例中，还包括有流量计，设置在第一液流管道4和第三液流管道6的进液口，用于测量电解液流量值。
73.本测试系统，将实现对电池性能的全方面测试，包括流量、温度和电压，可以全面的评估电池各方面性能参数，对大规模储能系统集成将带来全面的保障。应用了该测试方法的锌铁液流电池电堆，针对电堆泄露、充放电效率、电池容量衰减等参数，均可获得较为全面的测试数据
74.在一个实施例中，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。