一种高电压大功率全钒液流电池储能模块及制造控制方法与流程

1.本发明涉及一种电池储能模块，尤其是一种高电压、大功率的全钒液流电池储能模块。


背景技术：

2.钒液流电池是一种以钒为活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，在机械动力作用下，使其在不同的储液罐和半电池的闭合回路中循环流动，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而成电能和化学能的相互转化，实现电池的充电和放电。
3.目前市面上的钒液流储能系统模块最高直流电压＜1000v，使得双向储能变流器交流侧额定电压值局限在较低值，导致不能配套能效更高的升压变压器。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供一种高电压大功率全钒液流电池储能模块及制造控制方法，其功率和电压都超过市面上现有的电池储能模块。
5.为解决以上技术问题，本发明的技术方案为采用一种高电压大功率全钒液流电池储能模块，包括用于存户电流的储能模块本体、用于管理储能模块充放电并进行交直流转换的储能变流器以及电池管理系统；所述储能模块本体由若干电堆模块串联而成；所述电堆模块由若干电堆先串联后再并联而成。
6.作为一种改进，所述储能模块本体由3个电堆模块串联而成；所述电堆模块由8个电堆四四一组串联后再进行并联而成。
7.作为一种进一步的改进，所述单个电堆的功率≥47kw，电压≥108.5v，使得全钒液流电池储能模块的功率≥1125kw，电压≥1300v。
8.作为另一种更进一步的改进，所述电堆由若干电堆单元堆叠而成；所述电堆单元包括离子交换膜，所述离子交换膜两侧对称设置有碳毡、导流框和双极板；所述导流框和双极板在离子交换膜两侧拼合成容纳电解液的空腔；所述流道口设置在导流框上。
9.作为一种改进，所述双极板由热塑性高分子材料与导电碳材料均匀混合后的复合材料制作；所述复合材料中以热塑性高分子材料为基体材料，其含量为20～50％，所述复合材料中以碳粉、石墨粉、碳纳米管为导电材料，其含量为50～80％。
10.作为一种改进，所述双极板的制造方法为：
11.将热塑性高分子材料以及碳粉、石墨粉、碳纳米管在150～250℃的温度下均匀混合；
12.将混合后的材料破碎成直径1～10mm的颗粒料；
13.将颗粒料在150～250℃的温度下挤压成板材并裁剪成双极板。
14.作为一种改进，所述电堆的电极为石墨毡电极；所述石墨毡电极表面附着有金属
阳离子。
15.本发明还提供一种高电压大功率全钒液流电池储能模块的制造方法，包括：
16.制造电堆，包括：制造电堆单元；将若干电堆单元焊接堆叠；将电堆单元端面镗铣平整；对电堆进行封装；进行气密性检测；进行整体封装；进行性能检测；
17.将电堆组装成电堆模块；
18.将电堆模块串联成电池模块本体；
19.将电池模块本体、储能变流器、电池管理系统组装成电堆模块。
20.作为一种改进，所述将电堆组装成电堆模块包括：
21.对电堆模块进行三维建模，并划分网格模型，设定input、output及wall；
22.设定入口压力、温度、流速，选择求解模型方程，进行求解，并将得到的结果应用到电堆模块中。
23.本发明还提供一种高电压大功率全钒液流电池储能模块的控制方法，包括：
24.根据电解液在电堆内部的流场数据，计算电池储能模块本体所需的目标流量值；
25.根据电池储能模块本体所需的目标流量值控制调节泵运行；
26.调节泵运行时，采用恒压力闭环控制，通过控制进入电堆的电解液压力以保证电堆运行在目标流量值下。
27.本发明的有益之处在于：
28.1、电堆模块集成电功率获得大幅度提升，设备容量密度同时获得提升；
29.2、储能模块直流电压提高非常明显，使得储能转换效率可获得进一步提高；
30.3、储能模块集成电功率提升，进一步提高储能站的设备容量密度。
附图说明
31.图1为本发明的结构原理图。
32.图2为电堆模块的结构原理图。
33.图3为电堆单元的结构图。
34.图4为控制系统的原理图。
35.图中标记：
36.21离子交换膜、22碳毡、23导流框、24聚合物框体、25双极板、
具体实施方式
37.为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。
38.如图1、图2、图3所示，本发明提供一种高电压大功率全钒液流电池储能模块，包括用于存户电流的储能模块本体、用于管理储能模块充放电并进行交直流转换的储能变流器以及电池管理系统；所述储能模块本体由若干电堆模块串联而成；所述电堆模块由若干电堆先串联后再并联而成。
39.具体地，所述储能模块本体由3个电堆模块串联而成；所述电堆模块由8个电堆四四一组串联后再进行并联而成。所述单个电堆的最大功率≥47kw，最大电压≥108.5v，最大电流≥700a；从而使得全钒液流电池储能模块的最大功率≥1125kw，最大电压≥1300v，最
大电流≥1400a。
40.另外，电堆的具体由若干电堆单元堆叠而成；所述电堆单元包括离子交换膜21，所述离子交换膜21两侧对称设置有碳毡22、导流框23和双极板25；所述导流框23和双极板25在离子交换膜21两侧拼合成容纳电解液的空腔；所述流道口设置在导流框上。双极板25与导流框23之间设置有便于激光焊接的聚合物框体24。
41.为了提高单个电堆的性能，将单电堆功率从现有的≦30kw提升到≥47kw，本发明对电堆做出了如下优化：
42.1、提高双极板的电导率。
43.本发明中，双极板由热塑性高分子材料与导电碳材料均匀混合后的复合材料制作；所述复合材料中以热塑性高分子材料为基体材料，其含量为20～50％，所述复合材料中以碳粉、石墨粉、碳纳米管为导电材料，其含量为50～80％。将短程导电的颗粒状碳粉、石墨粉与长程导电的10～100nm管状碳纳米管结合，解决单纯使用碳粉和石墨粉时双极板电导率低的问题。
44.其制造方法为：
45.将热塑性高分子材料以及碳粉、石墨粉、碳纳米管在密炼机中150～250℃的温度下均匀混合；
46.将混合后的材料破碎成直径1～10mm的颗粒料；
47.将颗粒料在150～250℃的温度下通过螺杆挤出机挤压成板材并裁剪成双极板。
48.2、通过电极改性增加电流密度。
49.本发明中，通过电镀、高温吸附等工艺将特定的金属阳离子与石墨毡电极纤维表面键合，来增加石墨毡电极电化学活性，从而将石墨毡电极电流密度由160ma/cm2提升至180a/cm2。
50.3、增加电堆反应面积，将单反应区改为左右相等的双反应区。
51.4、通过流体仿真设计、流场结构保证电流密度的一致性和电压均匀性，具体包括：
52.首先在单进单出流道基础上改为双进双出，改进后单口供应流道长度缩小为原来的62.5％。
53.其次通过对新导流板流场进行三维建模和建立网格模型，设置状态参数、选择求解模型方程进行流体分析，针对速度场压力场等分布状态进行针对性反复建模、建立网格模型和设置状态参数选择求解方程，直至达到最佳的流场分布，从而实现电流密度一致性和电压均匀性。
54.本发明还提供一种高电压大功率全钒液流电池储能模块的制造方法，包括：
55.s11制造电堆，包括：制造电堆单元；将若干电堆单元焊接堆叠；将电堆单元端面镗铣平整；对电堆进行封装；进行气密性检测；进行整体封装；进行性能检测；
56.s12将电堆组装成电堆模块；为了提高电堆模块的性能，对电堆模块进行三维建模，并划分网格模型，设定input、output及wall；设定入口压力、温度、流速，选择求解模型方程，进行求解，并将得到的结果应用到电堆模块中。
57.依据电堆参数进行多物理场耦合机理模型构建，对储能模块进行成组特性分析和检测，对储能模块旁路电流建模与最优化分析，保证大电功率的电堆模块电流密度的一致性和电压均匀性，使集成模块在保证性能的前提下获得更大功率，同时获得更大电功率的
电堆模块集成，将电堆模块功率由现有的250kw提升到375kw以上。
58.s13将电堆模块串联成电池模块本体；
59.s14将电池模块本体、储能变流器、电池管理系统组装成电堆模块。
60.如图4所示，本发明还提供一种一种高电压大功率全钒液流电池储能模块的控制系统，基于该控制系统的控制方法包括：
61.s21根据电解液在电堆内部的流场数据，计算电池储能模块本体所需的目标流量值；
62.s22根据电池储能模块本体所需的目标流量值控制调节泵运行；
63.s23调节泵运行时，采用恒压力闭环控制，通过控制进入电堆的电解液压力以保证电堆运行在目标流量值下。
64.以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，上述优选实施方式不应视为对本发明的限制，本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围内，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。