液流電池元電池的熱控制的製作方法

2023-10-10 21:43:34

專利名稱：液流電池元電池的熱控制的製作方法
技術領域：
本發明涉及對液流電池元電池(flow cell battery)進行控制，且更具體地，涉及液流電池元電池的熱控制。
背景技術：
還原氧化(氧化還原)液流電池按照化學形式來存儲電能，並隨後經由自發的反向氧化還原反應、按照電學形式來分發所存儲的能量。氧化還原液流電池是電氣化學的存儲裝置，其中包含一個或多個溶解的電活化粒種的電解液流經反應堆柵元(reactor cell)，在該反應堆柵元中將化學能轉換為電能。相反地，放電的電解液可以流經反應堆柵元，使得將電能轉換為化學能。例如，電解液外部地存儲在罐中，並且流經其中發生電氣化學反應的電池元組。外部存儲的電解液可以通過泵送、重力供給、或通過用於使流體流經電池系統的任何其他方法來流經該系統。液流電池中的反應是可逆的；可以對電解液進行再充電，而無需更換電活化材料。因此，氧化還原液流電池的能量與總電解液容積(即，存儲罐的尺寸)相關。全功率的氧化還原液流電池的放電時間也取決於電解液容積，並且可以從幾分鐘到許多天之間變化。無論在液流電池、燃料電池元、還是蓄電池的情況下，一般都將用於執行電氣化學能量轉換的最小單位稱為「電池元」。一般將以下裝置稱為「電池」，該裝置集成了串聯和/ 或並聯地電耦接以取得更高電流、電壓或兩者的許多這種電池元。然而，通常將包括獨自使用的單一電池元的耦接電池元的任何集合稱作電池。照這樣，可以將單一電池元互換地稱作「電池元」或「電池」。可以在需要存儲電能的許多技術中利用氧化還原液流電池。例如，可以利用氧化還原液流電池來存儲生產廉價的夜間電，並且隨後在生產電更為昂貴、或需求超出當前生產能力的峰值需求期間提供電。還可以利用這種電池來存儲綠色能量(即，從諸如風、太陽、波浪或其他非傳統資源之類的可再生資源所生成的能量)。可以利用液流氧化還原電池作為不間斷電源，來代替更為昂貴的備用發電機。電力存儲的高效方法可以用於構造具有內建備用設備的裝置，該備用設備用於緩解電力切斷或突然電力故障的影響。電力存儲裝置還可以減少發電站中故障的影響。其中不間斷電源可以重要的其他情形包括但不限於諸如醫院之類的建築物，其中不間斷電力是關鍵的。還可以利用這種電池來在發展中國家提供不間斷電源，許多發展中國家並不具有可靠的電功率源，這導致了間斷的電力可用性。在液流電池中，電解液典型地是多鹽溶液。在存在其他鹽的情況下每種鹽的可溶性取決於每種鹽的相對濃度和溫度。通常，所有鹽在某一溫度範圍內都是可溶的，並且在該範圍之外析出(precipitate)，這導致了對於液流電池系統的損壞和液流電池系統的降低效率。液流電池的內部電阻取決於電解液溶液溫度。典型地，隨著電解液溫度增加，內部電阻降低，並故此，該系統的效率增加。因此，為了高效地操作電池系統，可以在高溫度處操作液流電池系統。然而，在某些化學性質中，一種或多種電解液鹽可能在高溫度處在溶液中分解，這導致了對於該系統的永久破壞或該系統中的效率臨時降低。而且，在更高的溫度處，寄生反應(例如，H2或A生成)可能出現，其可以抵消上面提及的效率增益。因此，當電解液溫度維持在某一範圍(即，高效操作範圍)內時，液流電池元電池的操作是最優的。氧化還原液流電池在溫度範圍內(例如，在大約30°c和大約50°C之間) 高效地操作。然而，液流電池可經歷隨時間而廣泛變化的熱環境。例如，溫度可在白天炎熱而在夜晚寒冷，其在二十四小時時段的過程中變化幾十度。傳統的液流電池採用加熱器和製冷器來控制電解液的溫度。然而，這些技術導致了附加的裝備成本和更高的操作成本。故此，期望具有一種消耗最小數量的能量並且不使用加熱器和/或製冷器的用於維持電解液溫度的熱控制技術。

發明內容
與本發明的實施例相符地，一種液流電池元電池可以包括至少一個罐，用於保持電解液溶液；外殼，圍繞該至少一個罐，該外殼具有內部和外部，其中具有第一流體；以及總管(manifold)，在熱學上(thermally)耦接在該外殼和該至少一個罐之間，該總管允許流體環繞該至少一個罐而循環。下面，參考以下附圖來進一步描述本發明的這些和其他實施例。


為了更加全面地理解本發明，在理解這些附圖不意欲限制本發明的範圍的情況下，對這些附圖進行參考。圖1圖示了還原氧化電池元。圖2圖示了符合本發明實施例的外殼布局(enclosure layout)。圖3圖示了符合本發明實施例的熱管理系統的框圖。圖4圖示了符合本發明實施例的外殼。圖5A和5B圖示了符合本發明實施例的外殼的底部方框。圖6圖示了符合本發明實施例的熱控制器的框圖。圖7A和7B圖示了可以利用符合本發明的一些實施例而獲得的用於夏天溫度的熱循環。圖8A和8B圖示了可以利用符合本發明的一些實施例而獲得的用於冬天溫度的熱循環。在附圖中，具有相同附圖標記的元件具有相同的或實質上相似的功能。所述附圖僅僅是說明性的。在附圖中描繪的相對尺寸和距離僅僅是為了便於說明，並不具有進一步的含義。
具體實施例方式在以下描述中，為了解釋的目的，闡釋了特定細節，以便提供對本發明實施例的徹底理解。然而，將明顯的是，可以在沒有這些特定細節的情況下實踐本發明。還原氧化(氧化還原)液流電池元是氧化還原電池的最小組件。可以對多個液流電池元進行耦接(例如，「堆疊」)，以形成多電池元電池。電池元由通過隔膜分開的兩個半電池元組成，在氧化還原反應期間，離子轉移通過該隔膜。一個半電池元包含陽極電解液， 而另一半電池元包含陰極電解液，將該陽極電解液和陰極電解液統稱為電解液。經常利用外部泵送系統來使電解液(陽極電解液和陰極電解液)流經半電池元。每個半電池元中的至少一個電極提供了表面，氧化還原反應在該表面上發生，並且電荷從該表面轉移。氧化還原液流電池元通過在充電或放電期間改變其構件的氧化狀態來工作。通過導電電解液來串聯地連接基本氧化還原液流電池元的兩個半電池元，一個用於陽極反應而另一個用於陰極反應。每個半電池元中的電極包括所定義的表面區域，氧化還原反應在該表面區域上發生。當氧化還原反應發生時，電解液流經該半電池元。離子交換隔膜(IEM) 分開所述兩個半電池元，其中正離子或負離子穿過該隔膜。可以串聯地電耦接(例如，「堆疊」)多個這種電池元以實現更高的電壓，可以並聯地電耦接(例如，「堆疊」)多個這種電池元以便實現更高的電流，或可以實現兩者。反應物電解液存儲在單獨的罐中，並且當必要時按照受控方式分發到電池元中，以向負載供應電功率。圖1圖示了符合本發明一些實施例的氧化還原液流電池元100。氧化還原液流電池元100包括通過離子交換隔膜(IEM) 106分開的兩個半電池元102和104。半電池元102 和104分別包括分別與電解液130或132接觸的電極108和110，使得陽極反應在電極108 或110之一的表面處出現，而陰極反應在電極108或110中的另一個的表面處出現。當氧化還原反應發生時，電解液130或132流經半電池元102和104中的每一個。如圖1所示，泵116可以將半電池元102中的電解液130通過導管112泵送到保持罐(holding tank) 120。相似地，泵118可以將半電池元104中的電解液132通過導管 114泵送到保持罐122。在一些實施例中，保持罐120和122可以將已流經電池元100的電解液與尚未流經電池元100的電解液隔離。然而，還可以執行放電或部分放電的電解液的混合ο可以對電極108和110進行耦接，以供應電能或從負載/源IM接收電能。在負載/源1 中包括的其他監視和控制電子設備可以控制電解液經過半電池元102和104的流動。可以串聯地電耦接(「堆疊」)多個電池元100以實現更高的電壓，可以並聯地電耦接(例如，「堆疊」)多個電池元100以便實現更高的電流，或可以實現兩者。圖2圖示了符合本發明一些實施例的外殼布局200。如圖2所示，液流電池系統 210安置(house)於外殼212中。液流電池系統210包括電池元堆204，該電池元堆204耦接到保持罐120和122，使得電解液(未示出)流經電池元堆204中的每一個電池元，如結合圖1所描述的。電子設備202監視並控制堆204的充電和放電。與本發明的實施例相符地，電子設備202還可以包括熱控制器214，該熱控制器214監視並控制液流電池系統210 的溫度。如圖2所示，外殼212包括下部206和上部208。下部206可以安置例如保持罐120和122。上部208可以安置例如堆204、電子設備202、以及液流電池系統210的所有其他布線、管件(plumbing)、和其他組件(未示出)。與本發明相符地，外殼212是液流電池系統210的熱管理的整體部件。如圖2所示，環繞下部206中的保持罐120和122並且環繞堆204來創建流體包層(blanket) 216， 並且環繞上部208中的電子設備202來創建流體包層218。流體包層216和218可以是被利用來對溫度進行熱控制的空氣包層。然而，在一些實施例中，流體包層216和218可以是水、油、或可以被利用來對外殼212的內部進行熱調節的其他流體。在一些實施例中，流體包層216和218可以流體性地耦接，使得環繞下部206的罐120和122的流體流動和環繞上部208的電子設備202的流體流動耦接。由於液流電池系統210可以具有任何尺寸，所以外殼212可以具有可安置液流電池系統210的任何維度或形狀。液流電池在(例如，在大約30 V和大約50 V之間的)溫度範圍內高效地操作。然而，液流電池可能經歷隨時間而廣泛變化的熱環境。例如，溫度可能在白天炎熱而在夜晚寒冷，其在M小時時段的過程中變化數十度。不過，應該將保持罐120和122中電解液的溫度以及電子設備202和堆204的溫度維持在液流電池系統210的高效操作範圍內。圖3圖示了液流電池元電池系統210的熱考慮因素300。如圖3所示，在液流電池系統210的充電和放電期間，堆204和電子設備202生成熱。在操作期間，例如液流電池由於能量轉換中的低效而生成熱。當電解質流體流經堆204時，熱被罐120和122保留並發射。此外，熱從外界308並且從直接太陽能加熱306轉移到液流電池系統210之中和之外。 典型地，太陽能加熱306具有在正午時達到峰值的正弦曲線分布圖(profile)。外界308由於溫度在整個一天之中上升並且下降而典型地具有三角形分布圖。外殼212可以是熱障， 該熱障在外部可以是反射性的，並且在外殼212的內部和外部兩者都可以包括隔熱材料， 所述隔熱材料有助於在外界308的溫度低於液流電池系統210的操作範圍時保留熱、並且在外界308的溫度高於液流電池系統210的操作範圍時防止來自外界308的加熱。罐120 和122中的電解液通過堆204中的電阻損耗、由於再化合(recombination)而產生的熱損耗、以及由於泵送而產生的加熱而加熱。罐120和122典型地是熱的首要輻射體和外殼212 內部的最大散熱器。如圖3所圖示，流體包層216和218將熱傳導到外殼212之中和之外。電子設備 202中的熱控制器214對流體包層216和218中的流體流動進行控制。本發明的一些實施例可以包括相變材料(PCM) 302，以增加液流電池系統210的特定熱容量。在溫度變化在二十四小時時段中很大的環境中，PCM302可以在溫度可以較高的日間期間存儲熱能，並且在溫度可以較低的夜間期間消散(dissipate)熱能。因而，PCM 302可以促使在夜晚將液流電池系統210維持在其高效操作範圍內，而無需不必要地使用能量來操作單獨的加熱系統。PCM 302可以依靠某一溫度處的相位轉變的潛熱來存儲每單位質量的大量的熱能。PCM 302可以是在吸收或發射熱時經歷相變(例如典型地，液態到固態或者固態到液態)的任何材料。PCM 302可以經歷包括液流電池系統210的高效操作範圍內的溫度的、任何溫度處的轉變。PCM 302的示例包括基於有機物和脂肪酸的材料、鹽、或其他材料。磷酸氫二鈉(Na2HPO4)例如具有大約48°C的轉變溫度，並且可以利用它來在轉變溫度之處或之
7上的溫度處吸收熱、並在轉變溫度之下的溫度處發射熱。PCM 302的某些實施例在10°C和 40°C之間改變狀態，例如磷酸二氫鉀(KH2PO4)。如圖2和3所圖示，通過使流體流經流體包層216和218來環繞外殼212傳導熱。 符合本發明的一些實施例利用流體包層216和218中的空氣。在這些實施例中，鼓風機或風扇使流體包層216和218中的空氣移動。在利用除了空氣之外的流體的系統中，可以利用適當的泵送系統和熱交換系統。如上所述，包層216和218可以彼此進行流體傳遞。圖4圖示了符合本發明實施例的外殼布局212。如圖4所示，外殼212的頂部208 包括具有風扇406和410的通風口 408和412。在一些實施例中，風扇406和410可以是可變速風扇。此外，在一些實施例中，風扇406和410可以使空氣流動到外殼212之中和之外兩者。照這樣，空氣的流動可以將熱從外界308運送到外殼212之中或者從外殼212向外運送到外界308。圖5A沿著圖4所圖示的方向A-A』而示出了外殼212的視圖。因此，圖5A圖示了外殼212的底部206的自頂向下的視圖。照這樣，利用允許環繞罐120和122的氣流的空氣包層216來定位罐120和122。肋材(rib) 506位於外殼212的各邊與罐120和122之間。 例如，可以將肋材506焊接到外殼212的各邊，並且肋材506可以包括與罐120和122接觸的襯墊類型材料，以便形成密封。如圖5B所示，肋材506被拉長、被定位使得長維度在底部 206中垂直地定向，並且肋材506包括通路508，空氣(或在一些實施例中，另一流體)可以流經該通路508。如圖5A所示，沿著矩形外殼212的每一邊來定位三個肋材506，然而，可以在外殼212的每一邊上利用任何數目的肋材506。一般地，外殼212可以具有適於安置液流電池系統210的任何幾何形狀。如圖5A所示，鼓風機502和504環繞下部206沿著相反方向吹動空氣。位於鼓風機502和504的夾角以及對角的阻止器(stopper) 510防止鼓風機502所驅動的空氣幹擾鼓風機504所驅動的空氣，並且反之亦然。在一些實施例中，使底部206與頂部208之間密封，使得防止環繞底部206而循環的空氣在出口孔512之外處進入上部208。位於鼓風機 502和504對面的出口孔512允許空氣從下部206排出到上部208中。在一些實施例中，從流體包層218抽入到鼓風機502和504的流體用作流體包層216，並且通過出口孔512而從流體包層216排出的流體進入流體包層218。具有空氣通路508的肋材506和垂直自由空間518允許空氣環繞罐122和124的均勻流動。肋材506操作為阻流器，使得對於肋材506之間的垂直自由空間518中的流體流動的阻力比對於通過肋材506中的通路508的流動的阻力低得多，這導致了均勻的流動分布。在一些實施例中，肋材506可以是空心的，並且具有多個通路508。在一些實施例中， 可能存在沿著每一個肋材506均勻間隔的十五個通路508。在肋材506之間是用於傳播該流體的垂直自由空間518。儘管肋材506阻礙了水平方向中的氣流，但是垂直自由空間518 允許流體在垂直方向中均化(homogenize)。肋材和垂直自由空間518形成用於提供環繞罐 120和122的均勻流體流動的總管(manifold)。在上述外殼的一些實施例中，利用沿著肋材506均勻間隔的5mm直徑的十五個通路508，利用外殼212每一邊的五個肋材506、以及其每一個以15立方英尺每分鐘(CFM) 而操作的鼓風機502和504，在鼓風機502和504與出口孔512之間的壓降大約為4毫巴 (mbar)。對通路508的數目和直徑進行設計，以避免創建在罐120和122與外殼212之間的滯留(stagnant)空氣間隙，該滯留空氣間隙可能導致這個區域中的熱加熱。可以通過肋材506來使罐120和122與外殼212之間接觸。現在參考圖5B (空氣包層216的剖面圖)，鼓風機502或504首先將流體514 (例如，空氣)推入到垂直自由空間518中，該垂直自由空間518比通路508具有更低的阻力。 然後，氣柱(air column)交替地通過肋材506中的通路508和垂直自由空間518而環繞罐 120和122移動。本發明的一些實施例高效地將熱能或熱從罐120和122移動到外殼212的外部 (即，外界)。空氣或其他流體以高速在罐120和122的外表面上移動。更高的速度導致了更大的轉移比。參考圖5A-B，本發明的實施例包括總管結構(即，肋材506和垂直自由空間518)，該總管結構在大量罐120和122表面上分布流體。通過改變流體包層的速度，可以有效地控制熱轉移的速率。這被稱為「活化流體包層」。返回參考圖3，可以將罐120和122 中的電解液130和132的溫度維持在從顯著高於外殼212外面的溫度到剛剛在該外殼212 外面的溫度之上的溫度範圍內的溫度處。圖6圖示了熱控制器214的實施例。如圖6所圖示，可以遍布外殼212來定位溫度傳感器，以便監視溫度。例如，溫度傳感器可以是溫度計、熱電偶、熱敏電阻器、電阻式溫度檢測器等。在圖6所示的實施例中，溫度傳感器602監視罐120中的電解液的溫度，溫度傳感器604監視罐122中的電解液的溫度，溫度傳感器606監視上部外殼208內部的溫度， 而溫度傳感器608監視外界308的溫度。此外，可以從控制電子設備202的剩餘部分接收輸入信號610。例如，輸入信號610可以向熱控制器214警告待處理的充電和放電事件，以便可以預測熱事件。繼而，基於輸入信號610以及來自溫度傳感器602、604、606和608的信號，熱控制器214操作風扇406和410、鼓風機502和504、以及加熱器612。在一些實施例中，在外殼外部的溫度使得不能以別的方式維持最小的期望電解液溫度時，加熱器612可以維持電解液溫度。在一些實施例中，熱控制器214可以是用於執行軟體(例如，代碼、程序和指令) 的微控制器、硬體或其組合。該軟體可以存儲在計算機可讀介質上。在一些實施例中，一旦溫度傳感器602和604達到預定電平，控制器214就接通鼓風機502和504，並且一旦溫度傳感器602和604低於另一預定電平，控制器214就關斷鼓風機502和504，這創建了滯後效應。相似地，當溫度傳感器606達到第一預定電平時，控制器214接通風扇406和410，並且當溫度傳感器606減少到第二預定電平時，控制器214 關斷風扇406和410，這創建了滯後效應。在一些實施例中，可以將電解液溫度維持在35°C 和55°C之間，並且將上部208中的溫度維持在25°C和45°C之間。照這樣，例如當溫度傳感器606檢測到大約40°C的溫度時，控制器214可以接通風扇406和410，並且當溫度傳感器 602和604檢測到大約50°C的電解液溫度時，控制器214可以接通鼓風機502和504。相似地，當上部208中的溫度下降到所設置的溫度之下時，可以切斷風扇406和410，並且當下部 206的溫度下降到另一所設置的溫度之下時，可以切斷鼓風機502和504。於是，控制器214可以作為如溫度傳感器602、604和606所測量的溫度的函數來控制風扇406和410以及鼓風機502和504。圖7A和7B圖示了在包括每天幾個充電/放電循環的幾天的操作中的溫度控制器214。圖7A圖示了炎熱氣候的夏天狀況，其中通過曲線702來圖示外界溫度308。通過曲線704來圖示電解液的溫度。圖7B圖示了風扇406和410的操作。圖8A-B圖示了在冬天狀況期間熱控制器214的操作。在溫度控制器214的一些實施例中，溫度控制器214可以預期外殼212中的溫度改變，並且相應地進行動作。溫度控制器214可以基於來自過去趨勢、過去測量、當前測量、 衛星圖像等的氣候數據，使用預報來預期溫度狀況。溫度控制器可以訪問本地存儲的氣候數據或者通過有線和/或無線通信來訪問氣候數據。例如，溫度控制器214可以預期日均外界溫度改變，並且例如在預期到特別寒冷的夜間溫度的情況下，允許稍微提升的溫度。相反地，在預期到白天期間的升溫的情況下，溫度控制器214可以在夜晚期間使溫度下降。另外，溫度控制器214可以預期充電和放電事件所生成的熱，並相應地進行動作。在一些實施例中，溫度控制器214可以響應於溫度傳感器602、604、606和606並且響應於信號610來適應性地控制風扇406和410以及鼓風機502和504，使得可以更加準確地預測外殼212的熱響應。對於本領域技術人員將明顯的是，可以對於用於測量流體的多種屬性的傳感器做出各種修改和變化。在考慮到在這裡公開的本發明的說明書和實踐的情況下，符合本發明的其他實施例對於本領域技術人員而言將是明顯的。僅僅意欲將說明書和示例看作示範性的。相應地，本發明應該僅僅通過以下權利要求來限定。
權利要求
1.一種液流電池元電池，包括 至少一個罐，用於保持電解液溶液；外殼，圍繞該至少一個罐，該外殼具有內部和外部，其中具有第一流體；以及總管，在熱學上耦接在該外殼和該至少一個罐之間，該總管允許環繞該至少一個罐的流體的循環。
2.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該流體是空氣。
3.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該外殼進一步包含液流電池元堆。
4.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該外殼包含溫度控制器，該溫度控制器指示通過該總管的流體的流動。
5.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該外殼進一步包含相變材料(PCM)，該PCM 增加該液流電池元電池的特定熱。
6.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該外殼進一步包含加熱器，該加熱器能夠升高該液流電池元電池的溫度。
7.根據權利要求1的液流電池元電池，進一步包括第一溫度傳感器，用於測量該至少一個罐內部的電解液溶液的溫度；以及第二溫度傳感器，耦接到該外殼，並且測量該外殼外部的溫度。
8.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該總管包括在具有通路的肋材之間的垂直自由空間。
9.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該外殼具有上部和下部，該上部包含電池元堆，並且該下部包含該至少一個罐。
10.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該外殼包括下部，其包含該至少一個罐； 以及上部，其包含電池元堆和熱控制電子設備，該液流電池元電池進一步包括至少一個鼓風機，耦接到該總管，用於使該流體循環通過該總管； 至少一個風扇，位於該上部中，用於使該流體循環到該外殼之中或之外； 第一溫度傳感器，用於監視該下部的溫度；以及第二溫度傳感器，用於監視該上部的溫度，其中該溫度控制器響應於該第一溫度傳感器和該第二溫度傳感器來控制該至少一個鼓風機和該至少一個風扇的操作。
11.根據權利要求1的液流電池元電池，其中該溫度控制器進一步響應於所預期的熱事件來控制該至少一個鼓風機和該至少一個風扇的操作。
12.一種用於液流電池元電池的熱控制方法，該方法包括當在罐附近的溫度大於第一預定值時，促使流體環繞該罐流動；以及當該溫度小於第二預定值時，阻止該流體流動。
13.根據權利要求12的用於液流電池元電池的熱控制方法，該方法進一步包括 響應於該外殼外部的外界溫度，促使流體環繞該罐流動。
14.一種用於液流電池元電池的熱控制方法，該方法包括 基於所預報的氣候來促使第一流動和/或第二流動，使得當預報了第一預定值之上的高溫度時，降低外殼內部的溫度，以及當預報了第二預定值之下的低溫度時，升高該外殼內部的溫度。
15.根據權利要求13的用於液流電池元電池的熱控制方法，進一步包括當該外殼內部的溫度小於第三預定值或大於第四預定值時，阻止該第一流動和/或第二流動。
16.根據權利要求14的用於液流電池元電池的熱控制方法，其中所預報的氣候基於過去的氣候數據和目前的氣候數據中的至少一個。
17.根據權利要求14的用於液流電池元電池的熱控制方法，進一步包括 接收所預報的氣候。
全文摘要
提出了一種具有熱管理的液流電池。該液流電池安置於外殼中，其中環繞電解液的保持罐來均勻地循環流體，以控制該外殼內部的溫度。
文檔編號H01M8/04GK102246338SQ200980149507
公開日2011年11月16日 申請日期2009年10月9日 優先權日2008年10月10日
發明者薩羅傑.K.薩胡 申請人:迪亞能源股份有限公司