一种多功能锌溴液流电池电堆测试装置及其测试方法与流程

1.本发明涉及一种电池电堆测试装置及其测试方法，尤其是一种多功能锌溴液流电池电堆测试装置及其测试方法。


背景技术：

2.储能是智能电网、可再生能源接入、分布式发电、微网以及电动汽车发展必不可少的支持技术。中国电网运营当前面临着最高用电负荷持续增加、间歇式能源接入比例扩大、调峰手段有限等诸多挑战，而优质、安全、清洁、经济、互动是我国智能电网的设定目标，储能技术尤其是大规模储能技术具备的诸多优势得以在发电、输电、配电、用电四个环节得到广泛应用。储能环节作为构建智能电网中不可或缺的关节环节，被誉为“智能电网第五元素”。目前，全球新能源在持续高速发展，而先进储能技术能够在很大程度上解决新能源发电的波动性问题，不但能实现新能源电量的平稳输出，还能有效调节新能源电量上网引起的电网电压、频率及谐波等“异动”，使风电及太阳能发电大规模的安全并入电网。储能产品因此具有巨大的市场空间。基于工程实施，运行维护方面考虑，储能需要10kwh-30mw以内，时间在2小时以上的大规模系统，锌溴储能系统功率范围在20kw-20mw级别，时间在2小时以上，是最佳的储能方式之一。
3.锌溴液流储能电池是一种新型、高效的电化学储能设备，又被称为氧化还原液流储能电池(flow redox cell)。该储能电池的电解质溶液(储能介质)存储在电池外部的电解液储罐中，电池内部正负极之间由微孔膜分隔成彼此相互独立的两室(正极侧与负极侧)，电池工作时正负极电解液由各自的动力泵强制在储液罐和电池构成的闭合回路中进行循环流动。
4.充电时：电解液中的锌离子(zn2 )在电池的阳极得到2个电子，被还原成锌单质(zn)，镀在阳极板上；阴极侧溴离子(br-)在电池的阴极失去电子，被氧化成溴单质(br2)，与此同时溴单质被溶液中的络合物(mep)捕获，形成多溴络合物(mepbrn)，从电解液中沉淀下来，储存在电堆外部的储液罐内。
5.放电时：沉积在负极板上的锌单质(zn)失去2个电子，生成锌离子(zn2 )，溶解在电解液中。同时，在正极附近，络合物进入反应区域，其中的溴被还原，生成溴离子(br-)。如此循环往复，溶液中的活性物质不断相互转换，从而实现电能的存储与应用。因此，锌溴电池具备如下显著特点：
6.(1)安全可靠：电池的活性物质的反应场所和储存场所相互独立，不起火、不爆炸，具有天然的安全属性；(2)使用寿命长：系统寿命10～20年，循环寿命3000次以上；(3)能量密度高：电池的理论能量密度可达435wh/kg，实际可达60wh/kg；(4)电解液简单：正负极电解液组分完全一致的，不存在电解液的交叉污染，理论使用寿命无限；(5)易于热管理：电解液的流动有利于电池系统的热管理，传统电池很难做到；(6)深度放电：可100％的深度放电，且不会对电池的性能和寿命造成影响；(7)材料环保易得：所使用的电极及隔膜材料主要成分均为塑料，不含重金属，价格低廉，可回收利用且对环境友好：(8)经济性能卓越：系
统总体造价低，具有良好的商业应用前景；(9)配置灵活：电池模块化设计，功率和容量相互独立，现场调度灵活。
7.然而，在实际产业化过程中，该技术还存在一些问题，如电堆的泄漏问题。泄漏包括外部泄漏和内部泄漏，外部泄漏为电堆内部电解液穿过密封面，渗透到电堆外部；内漏是指电堆内部因隔离膜破损等原因导致正负极电解液相互渗透，进而导致电池自放电率加剧甚至报废。相较于外部泄漏，内漏现象更加隐蔽，难以察觉，因此在电池出厂前，电池的泄漏检测尤为重要。另外当多个锌溴电池电堆并联运行时，流经各电堆内的电解液流量会因电堆阻力特性的差异而不同，电堆的流体特性参数需要亟待定量分析。


技术实现要素：

8.发明目的：提供一种多功能锌溴液流电池电堆测试装置及其测试方法，能够对电池电堆的泄漏进行检测，从而确保锌溴液流电池电堆的可靠性。
9.技术方案：本发明所述的多功能锌溴液流电池电堆测试装置，包括下储液罐、上储液罐、液体循环系统、压力表、流量计以及渗透测量器；
10.上储液罐的安装高度高于电堆的安装高度，下储液罐的安装高度低于电堆的安装高度；液体循环系统用于将下储液罐与电堆的各个对应腔室的进液口相连通，以及将上储液罐与电堆的各个对应腔室的出液口相连通，并在下储液罐与上储液罐之间构成循环通路，且使得电堆的各个对应腔室的进液口和出液口的通断状态分别可控；压力表以及流量计均串接在液体循环系统中，用于测量对应位置处的液体压力以及流量；渗透测量器用于与电堆的各个对应腔室的出液口相连通，用于接收并测量渗透的液体体积。
11.作为本发明测试装置的进一步限定方案，液体循环系统包括循环泵、分支管道、渗透出液管道以及输液管道；流量计包括第一流量计以及第二流量计；渗透测量器包括第一测量器以及第二测量器；上储液罐的溢流口通过输液管道与下储液罐的进液口相连通，上储液罐的进液口通过输液管道与循环泵的出液口相连通，循环泵的进液口通过输液管道与下储液罐的出液口相连通，压力表安装在循环泵出液口处的输液管道上；在上储液罐进液口处的输液管道上串接有第一阀门；分支管道连通设置在循环泵出液口处，并在分支管道的入口处串接有第二阀门；分支管道的出口处连通设置有用于与电堆的正极腔室进液口以及负极腔室进液口相连接的输液管道；上储液罐的出液口通过输液管道与分支管道相连通，并在上储液罐出液口处的输液管道上串接有第三阀门；下储液罐的进液口处连通设置有用于与电堆的正极腔室出液口以及负极腔室出液口相连通的输液管道；在电堆的正极腔室进液口处的输液管道上串接有第四阀门，在电堆的负极腔室进液口处的输液管道上串接有第五阀门，在电堆的正极腔室出液口处的输液管道上串接有第六阀门以及第一流量计，在电堆的负极腔室出液口处的输液管道上串接有第七阀门以及第二流量计；第一测量器通过渗透出液管道用于与电堆的负极腔室出液口相连通，并在第一测量器入口处的渗透出液管道上串接有第八阀门；第二测量器通过渗透出液管道用于与电堆的正极腔室出液口相连通，并在第二测量器入口处的渗透出液管道上串接有第九阀门。
12.作为本发明测试装置的进一步限定方案，第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门、第六阀门、第七阀门、第八阀门以及第九阀门均为电控阀门，且均由一个控制器模块统一协调控制。
13.作为本发明测试装置的进一步限定方案，上储液罐的溢流口高度与电堆的中心高度的高度差为h，且h的范围为2.8～4.2米。
14.本发明还提供了一种多功能锌溴液流电池电堆测试装置的测试方法，包括流量测试步骤，具体测试步骤包括：
15.首先，将电堆的各个对应腔室的进液口和出液口与对应的管道相连通，再关闭第一阀门、第三阀门、第九阀门以及第八阀门，开启第二阀门、第五阀门、第四阀门、第六阀门以及第七阀门；
16.然后，再启动循环泵，将下储液罐中的液体吸入并加压，升压后的液体通过第二阀门后通过第五阀门以及第四阀门分别进入电堆的正极腔室进液口以及负极腔室进液口，再从电堆的正极腔室出液口以及负极腔室出液口流出后分别经过第六阀门以及第七阀门流回下储液罐，由压力表、第一流量计以及第二流量计分别测量循环泵在不同输出功率下对应位置处的液体压力值、正极流量值以及负极流量值；
17.最后，再利用不同输出功率下对应的各组液体压力值、正极流量值以及负极流量值构建实测阻力曲线，并将实测阻力曲线与标准阻力曲线进行对比，若实测阻力曲线位于标准阻力曲线构成的合格压力区间内，则表明流量测试合格，否则为不合格。
18.作为本发明测试方法的进一步限定方案，实测阻力曲线以及标准阻力曲线均建立在以液体压力值和流量值分别作为横坐标和纵坐标的直角坐标系中，且标准阻力曲线为两条边界曲线，位于两条边界曲线之间的区域为合格区域，位于两条边界曲线之外的区域为不合格区域。
19.作为本发明测试方法的进一步限定方案，还包括正向交叉流量测试以及反向交叉流量测其中，正向交叉流量测试的具体步骤为：
20.开启第一阀门、第三阀门、第四阀门以及第八阀门，关闭第二阀门以及第五阀门，上储液罐内的液体通过第三阀门以及第四阀门后送入电堆的正极腔室，液体在压差作用下由正极腔室透过微孔膜渗透到负极腔室内，再由电堆的负极腔室出液口流出，经过第八阀门后流入第一测量器内，再测量出一定时间内第一测量器内积累的液体体积，从而测算出隔膜液体的正向渗透量；
21.反向交叉流量测试的具体步骤为：
22.开启第一阀门、第三阀门、第五阀门以及第九阀门，关闭第二阀门以及第四阀门，上储液罐内的液体通过第三阀门以及第五阀门后送入电堆的负极腔室，液体在压差作用下由负极腔室透过微孔膜渗透到正极腔室内，再由电堆的正极腔室出液口流出，经过第九阀门后流入第二测量器内，再测量出一定时间内第二测量器内积累的液体体积，从而测算出隔膜液体的反向渗透量；
23.若正向渗透量以及反向渗透量均在渗透合格量的区间范围内，则正向交叉流量测试以及反向交叉流量测试合格，否则为不合格。
24.作为本发明测试方法的进一步限定方案，在进行正向交叉流量测试以及反向交叉流量测试前，还包括液位准备步骤，具体步骤为：
25.关闭第二阀门、第三阀门、第五阀门、第四阀门、第九阀门、第八阀门、第六阀门以及第七阀门，开启第一阀门，再启动循环泵，将下储液罐中的液体吸入并加压，升压后的液体通过第一阀门进入上储液罐，当罐内液位到达溢流口位置时，液体将从溢流口流出并进
入下储液罐，此液路循环维持上储液罐内的液位恒定，电堆位于液位下方，使得上储液罐的溢流口与电堆的中心保持恒定高差h。
26.本发明与现有技术相比，其有益效果是：利用压力表以及流量计串接在液体循环系统中，能够测量对应位置处的液体压力以及流量，从而判断电堆的液体在使用时的流动阻力以及隔膜液体的渗透量，从而快速判断出电堆是否合格，确保电池的出厂合格率；利用将下储液罐、电堆以及上储液罐分别设置在上中下三个高度位置处，从而能够在使用时通过液位高度差形成自然且稳定的液体流动，确保电堆测试时的可靠性；利用液体循环系统在下储液罐与上储液罐之间构成循环通路，从而使得测试时下储液罐与电堆之间形成稳定的液位差，确保测试的稳定性。
附图说明
27.图1为本发明的测试装置整体结构示意图；
28.图2为本发明的标准阻力曲线示意图；
29.图3为本发明的渗透测量结果示意图；
30.图4为本发明的电堆组合结构示意图；
31.图5为本发明的电堆检测方法流程图。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。
33.实施例1：
34.如图1所示，本发明所述的多功能锌溴液流电池电堆测试装置包括：下储液罐1、上储液罐6、液体循环系统、压力表3、流量计以及渗透测量器；
35.上储液罐6的安装高度高于电堆10的安装高度，下储液罐1的安装高度低于电堆10的安装高度；液体循环系统用于将下储液罐1与电堆10的各个对应腔室的进液口相连通，以及将上储液罐6与电堆10的各个对应腔室的出液口相连通，并在下储液罐1与上储液罐6之间构成循环通路，且使得电堆10的各个对应腔室的进液口和出液口的通断状态分别可控；压力表3以及流量计均串接在液体循环系统中，用于测量对应位置处的液体压力以及流量；渗透测量器用于与电堆10的各个对应腔室的出液口相连通，用于接收并测量渗透的液体体积。
36.利用压力表3以及流量计串接在液体循环系统中，能够测量对应位置处的液体压力以及流量，从而判断电堆10的液体在使用时的流动阻力以及隔膜液体的渗透量，从而快速判断出电堆10是否合格，确保电池的出厂合格率；利用将下储液罐1、电堆10以及上储液罐6分别设置在上中下三个高度位置处，从而能够在使用时通过液位高度差形成自然且稳定的液体流动，确保电堆10测试时的可靠性；利用液体循环系统在下储液罐1与上储液罐6之间构成循环通路，从而使得测试时下储液罐1与电堆10之间形成稳定的液位差，确保测试的稳定性。
37.作为本发明测试装置的进一步限定方案，液体循环系统包括循环泵2、分支管道、渗透出液管道以及输液管道；流量计包括第一流量计15以及第二流量计16；渗透测量器包
括第一测量器13以及第二测量器14；上储液罐6的溢流口通过输液管道与下储液罐1的进液口相连通，上储液罐6的进液口通过输液管道与循环泵2的出液口相连通，循环泵2的进液口通过输液管道与下储液罐1的出液口相连通，压力表3安装在循环泵2出液口处的输液管道上；在上储液罐6进液口处的输液管道上串接有第一阀门4；分支管道连通设置在循环泵2出液口处，并在分支管道的入口处串接有第二阀门5；分支管道的出口处连通设置有用于与电堆10的正极腔室进液口以及负极腔室进液口相连接的输液管道；上储液罐6的出液口通过输液管道与分支管道相连通，并在上储液罐6出液口处的输液管道上串接有第三阀门7；下储液罐1的进液口处连通设置有用于与电堆10的正极腔室出液口以及负极腔室出液口相连通的输液管道；在电堆10的正极腔室进液口处的输液管道上串接有第四阀门9，在电堆10的负极腔室进液口处的输液管道上串接有第五阀门8，在电堆10的正极腔室出液口处的输液管道上串接有第六阀门17以及第一流量计15，在电堆10的负极腔室出液口处的输液管道上串接有第七阀门18以及第二流量计16；第一测量器13通过渗透出液管道用于与电堆10的负极腔室出液口相连通，并在第一测量器13入口处的渗透出液管道上串接有第八阀门12；第二测量器14通过渗透出液管道用于与电堆10的正极腔室出液口相连通，并在第二测量器14入口处的渗透出液管道上串接有第九阀门11。
38.利用第一阀门4、第二阀门5、第三阀门7、第四阀门9、第五阀门8、第六阀门17、第七阀门18、第八阀门12、第九阀门11的配合设置，能够使得液体循环系统可以切换进行流量测试以及交叉流量测试，满足多功能测试需要；利用第一流量计15以及第二流量计16能够对正极和负极的流量进行分别独立测量，从而确保测试的可靠性；利用第一测量器13以及第二测量器14能够对正向和反向渗透量进行分别测量，从而判断隔膜是否合格，第一测量器13以及第二测量器14可以采用现有的电子量杯对渗透的液体进行渗透量测量，或者采用现有的电子秤对液体储罐内的渗透液体进行称重测量来实现渗透量测量，或者采用现有的液位传感器对液体储罐内的渗透液体进行液位测量来实现渗透量测量，实施时将电子量杯、电子秤或者液位传感器与控制器模块电连接即可。
39.作为本发明测试装置的进一步限定方案，第一阀门4、第二阀门5、第三阀门7、第四阀门9、第五阀门8、第六阀门17、第七阀门18、第八阀门12以及第九阀门11均为电控阀门，且均由一个控制器模块统一协调控制。通过控制器模块对各个电控阀门进行协调控制，从而使得测量能够自动化进行，提高测试效率。
40.作为本发明测试装置的进一步限定方案，上储液罐6的溢流口高度与电堆10的中心高度的高度差为h，且h的范围为2.8～4.2米。通过设定的高度差h能够满足测试时稳定液体压力的要求，确保正、反交叉测试的可靠性。
41.本发明还提供了一种多功能锌溴液流电池电堆测试装置的测试方法，包括流量测试步骤，具体测试步骤包括：
42.首先，将电堆的各个对应腔室的进液口和出液口与对应的管道相连通，再关闭第一阀门4、第三阀门7、第九阀门11以及第八阀门12，开启第二阀门5、第五阀门8、第四阀门9、第六阀门17以及第七阀门18；
43.然后，再启动循环泵2，将下储液罐1中的液体吸入并加压，升压后的液体通过第二阀门5后通过第五阀门8以及第四阀门9分别进入电堆10的正极腔室进液口以及负极腔室进液口，再从电堆10的正极腔室出液口以及负极腔室出液口流出后分别经过第六阀门17以及
第七阀门18流回下储液罐1，由压力表3、第一流量计15以及第二流量计16分别测量循环泵2在不同输出功率下对应位置处的液体压力值、正极流量值以及负极流量值；
44.最后，再利用不同输出功率下对应的各组液体压力值、正极流量值以及负极流量值构建实测阻力曲线，并将实测阻力曲线与标准阻力曲线进行对比，若实测阻力曲线位于标准阻力曲线构成的合格压力区间内，则表明流量测试合格，否则为不合格。
45.通过液体在电堆10内部的加压循环，可检测电池内部液体是否渗透到电堆10的外部，以此评估电堆10对电解液的密封性能；通过测量不同压力下电堆10的正、负电解液的流量数据，以此获得每一台锌溴电池电堆的流体阻力特性数据，可以为各个电堆10的流体一致性评估提供定量依据，当电堆10的液体阻力数据一致时，流经各个电堆10的电解液的流量就是一定的，因此通过流量可以反应出各个电堆10的液体阻力，从而可以将流体阻力特性一致的电堆10配置在一组，如图4所示；利用测试结果构建实测阻力曲线，从而与标准阻力曲线的合格压力区间进行比对，能够快速判断出流量测试是否合格，从而快速判断出电堆10对电解液的密封性能，此外在实测阻力曲线与标准阻力曲线偏差过大时，可以精确识别，剔除因阻力问题引起的电池故障，提高电池出厂的可靠性。
46.作为本发明测试方法的进一步限定方案，实测阻力曲线以及标准阻力曲线均建立在以液体压力值和流量值分别作为横坐标和纵坐标的直角坐标系中，如图2所示，且标准阻力曲线为两条边界曲线，位于两条边界曲线之间的区域为合格区域，位于两条边界曲线之外的区域为不合格区域。通过图像曲线的方式进行结果判断更加直观，提高测试效率和可靠性。
47.作为本发明测试方法的进一步限定方案，还包括正向交叉流量测试以及反向交叉流量测试；
48.其中，正向交叉流量测试的具体步骤为：
49.开启第一阀门4、第三阀门7、第四阀门9以及第八阀门12，关闭第二阀门5以及第五阀门8，上储液罐6内的液体通过第三阀门7以及第四阀门9后送入电堆10的正极腔室，液体在压差作用下由正极腔室透过微孔膜渗透到负极腔室内，再由电堆10的负极腔室出液口流出，经过第八阀门12后流入第一测量器13内，再测量出一定时间内第一测量器13内积累的液体体积，从而测算出隔膜液体的正向渗透量；
50.反向交叉流量测试的具体步骤为：
51.开启第一阀门4、第三阀门7、第五阀门8以及第九阀门11，关闭第二阀门5以及第四阀门9，上储液罐6内的液体通过第三阀门7以及第五阀门8后送入电堆10的负极腔室，液体在压差作用下由负极腔室透过微孔膜渗透到正极腔室内，再由电堆10的正极腔室出液口流出，经过第九阀门11后流入第二测量器14内，再测量出一定时间内第二测量器14内积累的液体体积，从而测算出隔膜液体的反向渗透量；
52.若正向渗透量以及反向渗透量均在渗透合格量的区间范围内，则正向交叉流量测试以及反向交叉流量测试合格，否则为不合格，如图3所示。
53.通过交叉流量测试，能够获得电解液在恒压差下穿过隔膜的渗透量数据，并以此评估电池电堆是否有内部泄漏的风险，消除电堆10的内漏风险，提高产品出厂可靠性。
54.作为本发明测试方法的进一步限定方案，在进行正向交叉流量测试以及反向交叉流量测试前，还包括液位准备步骤，具体步骤为：
55.关闭第二阀门5、第三阀门7、第五阀门8、第四阀门9、第九阀门11、第八阀门12、第六阀门17以及第七阀门18，开启第一阀门4，再启动循环泵2，将下储液罐1中的液体吸入并加压，升压后的液体通过第一阀门4进入上储液罐6，当罐内液位到达溢流口位置时，液体将从溢流口流出并进入下储液罐1，此液路循环维持上储液罐6内的液位恒定，电堆10位于液位下方，使得上储液罐6的溢流口与电堆10的中心保持恒定高差h。
56.通过液位准备步骤能够为交叉流量测试步骤提供一个稳定的液体压力，从而确保交叉流量测试的可靠性。
57.如图5所示，本发明的电堆10在先后进行了流量测试和交叉流量测试后，若两次测试均合格，那么就可以判定电堆10为合格的，则可以进入出货步骤；若在进行流量测试时存在外部泄露或者阻力测试不合格，则进入修复步骤，在进入修复步骤时首先判断当前电堆10是否已经进行过修复了，若已经修复过了，则不进行二次修复了，直接作报废处理；若在进行交叉流量测试时存在内部泄露，则进行修复步骤，在进入修复步骤时首先判断当前电堆10是否已经进行过修复了，若已经修复过了，则不进行二次修复了，直接作报废处理；若当前电堆10为首次修复，则允许进行修复，并在电堆10修复完成后同样还需要进行流量测试和交叉流量测试。
58.如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。