模块化且可扩展的液流电池系统的制作五分时时彩方法

文档序号:19128510发布日期:2019-11-13 02:22
模块化且可扩展的液流电池系统的制作五分时时彩方法

本申请要求于2016年12月19日提交的名称为“Modular and Scalable Flow Battery System”的美国临时申请号62/436,347的权益。本申请也要求于2016年12月19日提交的名称为“Systems and Methods For Electrolyte Storage and Detecting Faults In Flow Batteries”的美国临时申请号62/436,388和于2016年12月19日提交的名称为“Large Scale Flow Battery System”的美国临时申请号62/436,365的优先权。这些申请中的每个申请的整体通过引用的方式被并入。

技术领域

提供液流电池,并且具体地大规模模块化且可扩展的液流电池。



背景技术:

对大规模能量存储方案的需求正在增加。例如,随着更多的可再生能源(例如太阳能、风能等)加入电网,考虑到可再生能源的间歇性和通常不可预测的功率输出,平衡电力供给与需求的任务可能变得困难。这种短期的间歇性可以通过使用能量存储系统来有效地解决,能量存储系统能够在超过需求的情况下进行大规模能量存储,并在有更大需求的情况下释放存储的能量。

然而,不是每种能量存储系统都适合于大规模部署。明显地,成本、可靠性、安全和规章各自均是影响能量存储系统对具有应用的适用性的重要因素。

液流电池(也被称为氧化还原液流电池或者氧化还原液流单元)能够被用于大规模能量存储。液流电池能够被构造成将电能转换成化学能,该化学能能够被存储并且之后在需要时被释放。液流电池能够使用外部供给的液流电解质溶液,该溶液包括参与可逆电化学反应的反应物。在充电时,被供给的电能能够导致在一种电解质中的化学还原反应以及在另一电解质中的氧化反应。在放电时,液流电解质内包含的化学能能够在逆向反应中被释放并且能够从电极汲取电能。液流电池能够被用于电网连接的能量存储系统中和/或在离网型能量存储系统中。



技术实现要素:

提供包括模块化且可扩展的液流电池系统的各种五分时时彩方法和装置,所述液流电池系统包括电池堆叠容器,其装纳能够与至少一对电解质容器流体连通的多个氧化还原液流电池堆叠,所述电解质容器包括用于保持阳极液的阳极液容器和用于保持阴极液的阴极液容器。电池堆叠容器被构造成使得附加的成对电解质容器能够被连接到电池堆叠容器以便增加模块化液流电池系统能够存储的能量的量。在另外的实施例中,封装每个电池堆叠容器和电解质容器的相应壳体被构造成以堆叠构造操作。以此方式,模块化液流电池系统的功率和能量存储容量能够根据需要增加且基本上不增加系统占据的侧向面积。

在实施例中,提供模块化次要电池。模块化次要电池包括电池堆叠容器和至少一对电解质容器。电池堆叠容器包括壳体、阳极液导管网络和阴极液导管网络。壳体包括电连通的多个液流单元电池。阳极液导管网络能够与多个液流单元电池中的每个流体连通,并且包括至少一对阳极液返回导管和阳极液供给导管。阴极液导管网络能够与多个液流单元电池中的每个流体连通,并且包括至少一对阴极液返回导管和阴极液供给导管。至少一对电解质容器能够包括容器,其包括被构造成包含阳极液溶液的阳极液容器和被构造成包含阴极液溶液的阴极液容器。每个阳极液容器能够被构造成与阳极液返回和阳极液供给导管对可逆地耦合,并且每个阴极液容器能够被构造成与阴极液返回和阴极液供给导管对可逆地耦合,从而改变阳极液溶液和阴极液溶液的量和能够被存储和排放的电能的容量。

在实施例中,每个电池堆叠容器能够被构造成相对于另一个电池堆叠容器竖直堆叠,并且每个电解质容器能够被构造成相对于另一个罐容器竖直堆叠。

在实施例中,模块化次要电池能够包括至少两个竖直堆叠的电池堆叠容器、至少两个竖直堆叠的阳极液容器和至少两个竖直堆叠的阴极液容器。

在实施例中,所述至少一对电解质容器能够包括至少两对电解质容器。

在实施例中,阴极液导管能够不同于阳极液导管网络。

在实施例中,电池堆叠容器能够是大体细长的并且沿着纵向轴线延伸,并且其中相应的阳极液容器和阴极液容器沿着侧向于纵向轴线的侧面可耦合到电池堆叠容器。

在实施例中,所述至少一对阳极液返回导管和阳极液供给导管中的每个能够被定位在容器堆叠的第一侧向侧上,并且所述至少一对阴极液返回导管和阴极液供给导管中的每个能够被定位在容器堆叠的与容器堆叠的第一侧向侧相对的第二侧向侧上。

在另一实施例中,公开了提供可变能量存储和功率输出的五分时时彩方法。五分时时彩方法能够包括选择至少一对电解质容器来提供预定电能容量,其中每对电解质容器能够包括被构造成保持阳极液溶液的阳极液容器和被构造成保持阴极液溶液的阴极液容器。五分时时彩方法也能够包括选择至少一个电池堆叠容器中的液流单元电池的数量以便提供预定量的功率。五分时时彩方法能够另外包括将所述至少一对选定电解质容器与电池堆叠容器耦合,所述电池堆叠容器包括选定数量的液流单元电池以便产生包括预定电能容量和预定量的功率的液流电池系统。

在实施例中,每个阳极液容器能够被构造成与阳极液返回和阳极液供给导管对可逆地耦合,并且每个阴极液容器能够被构造成与阴极液返回和阴极液供给导管对可逆地耦合。

在实施例中,所述至少一对电解质容器包括两对电解质容器。

在实施例中,所述至少一对选定的电解质容器能够被耦合到电池堆叠容器,以致阳极液容器被耦合在电池堆叠容器的一侧上并且阴极液容器被耦合在电池堆叠容器的相对的另一侧上。

在实施例中,所述至少一对电解质容器能够包括至少两对电解质容器,并且至少一个电池堆叠容器能够包括至少两个电池堆叠容器。

在实施例中,所述至少两对电解质容器和所述至少一个电池堆叠容器能够被设置成使得阳极液容器被竖直堆叠且阴极液容器被竖直堆叠,并且其中电池堆叠容器被竖直堆叠。在实施例中,提供了提供可变能量存储和功率输出的五分时时彩方法。五分时时彩方法能够包括选择至少一对电解质容器来提供预定的电能容量,其中每对电解质容器包括被构造成保持阳极液溶液的阳极液容器和被构造成保持阴极液溶液的阴极液容器。五分时时彩方法也能够包括选择至少一个电池堆叠容器中的液流单元电池(例如氧化还原液流单元电池)的数量以便提供预定量的功率。五分时时彩方法能够另外包括将所述至少一对选定电解质容器与电池堆叠容器耦合,所述电池堆叠容器包括选定数量的液流单元电池以便产生包括预定电能容量和预定量的功率的液流电池系统。

在另一实施例中,公开了提供可变能量存储和功率输出的五分时时彩方法。五分时时彩方法能够包括提供包括电连通的多个液流单元电池的至少一个电池堆叠容器。五分时时彩方法也能够包括提供阳极液导管网络,其与所述多个液流单元电池和至少一对阳极液返回导管和阳极液供给导管流体连通。五分时时彩方法能够额外地包括提供阴极液导管网络,其与所述多个液流单元电池和至少一对阴极液返回导管和阴极液供给导管流体连通。五分时时彩方法能够进一步包括选择至少一对电解质容器。每对电解质容器能够包括被构造成包含阳极液溶液的阳极液容器和被构造成包含阴极液溶液的阴极液容器。每个阳极液容器能够被构造成与阳极液返回和阳极液供给导管对可逆地耦合,并且每个阴极液容器能够被构造成与阴极液返回和阴极液供给导管对可逆地耦合。能够选择电解质容器的数量以便改变与电池堆叠容器流体连通的阳极液溶液和阴极液溶液的量,并且从而提供能够被存储和排放的电能的所需容量。

在实施例中,每个电池堆叠容器能够被构造成相对于另一个电池堆叠容器竖直堆叠,并且每个电解质容器能够被构造成相对于另一个电解质容器竖直堆叠。

在五分时时彩方法的实施例中,所述至少一个电池堆叠容器能够包括至少两个竖直堆叠的电池堆叠容器,并且所述至少一对电解质容器能够包括至少两个竖直堆叠的阳极液容器和至少两个竖直堆叠的阴极液容器。

在实施例中,电池堆叠容器是大体细长的并且具有纵向轴线,并且其中相应的阳极液容器和阴极液容器能够被构造成沿着侧向于纵向轴线的侧面耦合到电池堆叠容器。

在实施例中,所述至少一对阳极液返回导管和阳极液供给导管中的每个能够被定位在容器堆叠的第一侧向侧上,并且所述至少一对阴极液返回导管和阴极液供给导管中的每个能够被定位在容器堆叠的与容器堆叠的第一侧向侧相对的第二侧向侧上。

在实施例中,五分时时彩方法能够进一步包括通过使用在电解质容器内的泄漏传感器系统探测在所述一对电解质容器中的至少一个中的泄漏。泄漏传感器系统能够被置于容器壁和被构造成包含电解质的罐之间,并且泄漏传感器系统能够包括集液槽、被构造成探测电解质的传感器和被构造成提供在集液槽和传感器之间的流体连通的配件。

在实施例中,五分时时彩方法也能够包括使用低传导性液体填充在容器壁和罐之间的间隙空间,其中低传导性液体与从罐泄漏的电解质混合来形成电解质混合物,提供足够体积的低传导性液体以致电解质混合物填充集液槽并且接触传感器。五分时时彩方法能够额外地包括基于与传感器接触的电解质混合物的传导性探测电解质泄漏。

附图说明

结合附图从以下详细描述将更全面地理解本公开,在附图中:

图1A是示出液流电池系统的实施例的示意图;

图1B是示出图1A的液流电池的电池单元堆叠的电化学电池单元的实施例的示意图;

图2A-2B是包括与多个电解质容器流体连通的电池堆叠容器的模块化液流电池系统的实施例的剖切视图;

图2C-2E示出了使用不同数量的电解质容器的图2A-2B的模块化液流电池系统的实施例;

图3A是示出图2A-2B的模块化液流电池系统的电解质容器的实施例的等轴视图;

图3B是示出供给和返回管的实施例的图3A的电解质容器的横截面视图;

图4A-4B是示出用于返回管的管支撑件的实施例的图3A的电解质容器的横截面视图;

图4C是示出人行道的实施例的图3A的电解质容器的横截面视图;

图5A-5B呈现出图3A的电解质容器的横截面视图,其示出了将电池堆叠容器耦合到电解质容器的连接的实施例;

图6A-6B是图3A的罐容器的横截面视图,其示出了氮递送系统:(A)整体视图;(B)喷嘴细节;

图7是示出泄漏传感器的实施例的图3A的电解质容器的横截面视图;

图8是示出电解质排放部的实施例的图3A的电解质容器的横截面视图;

图9A-9C是图3A的罐容器的横截面视图,其示出了被构造成与堆叠的罐容器构造一起使用的电解质罐水平传感器的实施例;

图10A-10B示出了图2A-2B的堆叠容器的实施例:(A)等轴视图;(B)端视图;

图11A-11D呈现了被装纳在图2A-2B的电池堆叠容器内的电池堆叠和流体导管网络的实施例的各种视图:(A)端视图;(B)16个电池单元堆叠的剖切视图;(C)4个电池单元堆叠的等轴视图;(D)示出从容器堆叠移除电池单元堆叠的等轴端视图;

图12示出图2A-2B的电池堆叠容器的泵的实施例;

图13A-13B示出与流体导管网络连通的阀和传感器的实施例;

图14是图2A-2B的堆叠容器的剖切视图,其示出了主要电解质歧管支撑系统;和

图15A-15B示出图2A-2B的堆叠容器的热交换器组件的实施例。

具体实施方式

现在将描述特定示例性实施例以便提供对本文公开的结构、功能、制造以及装置和五分时时彩方法的使用的原理的全面理解。附图中示出了这些实施例中的一个或更多个示例。本领域技术人员将理解,本文具体描述且在附图中被示出的装置和五分时时彩方法是非限制性示例性实施例并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施例示出或描述的特征可以与其它实施例的特征相结合。这样的修改和变形旨在被包括在本发明的范围内。

进一步,在本公开中,实施例的被类似命名的部件能够大体具有类似特征。因此,在具体实施例中,每个类似命名的部件的每个特征可以不必被充分阐述。此外,在所公开的系统、装置和五分时时彩方法的描述中使用线性或圆形尺寸的范围内,这样的尺寸并不旨在限制能够与这样的系统、装置和五分时时彩方法结合使用的形状类型。本领域技术人员将意识到,针对任何几何形状能够容易地确定这些线性和圆形尺寸的等价物。系统和装置及其部件的大小和形状能够至少取决于将使用所述系统和装置的物体的结构、系统和装置将使用的部件的大小和形状以及将使用系统和装置的五分时时彩方法和过程。

大体而言,提供用于能量存储的系统和五分时时彩方法。

液流电池能够包括氧化还原液流电池单元,其具有被例如离子交换膜的分隔件隔开的负电极和正电极。负流体电解质(有时被称为阳极液)能够被递送到负电极并且正流体电解质(有时被称为阴极液)能够被递送到正电极。阳极液和阴极液能够被构造成驱动电化学可逆的氧化还原反应。分隔件能够被构造成防止电解质自由并快速地混合,不过其也能够被构造成允许选定离子通过以完成氧化还原反应。

氧化还原液流电池的概述

参考图1,其是示出氧化还原液流电池系统10的实施例的示意图。液流电池系统10能够包括第一电解质存储罐12、第二电解质存储罐14、第一电解质环路16、第二电解质环路18、第一流量调节器19、第二流量调节器21、被布置在堆叠22中的一个或更多个液流电池单元20、功率转换器25、控制器(未示出)、能量输入部27和能量输出部29。第一和第二电解质存储罐12和14各自均能够适于保持和存储一对电解质溶液中的一种。适当电解质溶液对的示例能够基于钒、溴、铁、铬、锌、铈、铅、硫或其任何适当组合。

在液流电池系统10的操作期间,包含氧化还原活性物质的液体电解质能够循环通过堆叠22的一个或更多个液流电池单元20以便将化学能转化成电能来发电。本领域技术人员将意识到,氧化还原反应能够是可逆的以便将电能转化成化学能来进行能量存储。例如,第一和第二电解质环路16和18能够各自包括相应源导管24、26和返回导管28、30。第一和第二流量调节器19和21能够各自适于响应于来自控制器的控制信号选择性地调节通过电解质环路16、18中的相应一个的电解质溶液中的一种的流量。根据液流电池系统10的具体设计要求,每个流量调节器19、21能够包括单个装置(例如变速泵或者电子致动阀)或者多个这样的装置。不过,本公开的实施例不限于任何具体类型的流量调节器。

图1B是示出堆叠22的电池单元20的一个示例性实施例和能够将液态电解质的化学能转化成电能的代表氧化还原反应的示意图。电池单元20能够包括多孔负电极(阳极)50、多孔正电极(阴极)52和介于其间的分隔件或膜54。多孔负电极50能够与存储罐12的液体电解质(被称为阳极液)流体连通,并且多孔正电极52能够与存储罐14的液体电解质(被称为阴极液)流体连通。正和负电极进一步与外部电路电连通。

在一些实施方式中,电池单元20能够形成钒-钒(例如,全钒)氧化还原液流电池的一部分。钒氧化还原液流电池的液体电解质能够是溶解在硫磺酸中的硫酸钒。硫酸钒和硫磺酸的浓度分别能够选自大约1-2M至大约4-5M的范围。在下文的等式1和等式2中呈现了全钒系统的氧化还原电对。为了简明没有示出硫酸盐旁观物质(SO4):

阳极液(-):V+2 ↔ V+3 + e,Uº = -.25 V (1)

阴极液(+):VO+2 + 2H+ e- ↔ VO2+ H2O,Uº = 1.00 V (2)。

负和正半电池单元反应能够各自发生在阳极50和阴极52的表面处,所述阳极50和阴极52能够由碳基纸形成并且它们能够被分隔件54隔开,该分隔件54能够采用基于PFSA(全氟磺酸)的质子交换膜的形式。分隔件52能够允许质子在电池单元20之间转移电荷同时最小化钒的交叉。在堆叠22中,电池单元20能够通过石墨双极板(未示出)被串联电连接,该石墨双极板也能够包含液流通道以用于电解质批量运输到每个电池单元20并从每个电池单元20运输出来。电池单元20能够通过被集成到电池单元堆叠22中的公共歧管被并行地馈送电解质。

液流电池系统10能够以三种模式操作:充电、放电和电解质维持。在充电和放电操作期间,通过以足以支持电化学的量将反应物从存储罐12、14泵送到电池单元堆叠22,能够由电解质供给或提取能量。

在电解质维持期间,至少一部分钒通过分隔件54的交叉效果可以被逆转。作为示例,阴极液中的钒浓度能够随时间的推移(即随着充电/放电循环的次数增加)而增加。横穿分隔件54的净水运输也能够导致钒浓度的变化。这两种过程均能够影响每个罐12、14中的电解质总体积。在没有这种维持的情况下,能量容量和效率会随着循环而减小。如果钒浓度和/或温度超过预定阈值(例如,浓度大于或者等于大约2M,温度大于或者等于大约40℃),则钒沉淀也会在电池单元20的阴极侧出现问题。

本文讨论的系统和技术的实施例能够使用全钒氧化还原液流电池。不过,也可以使用其它的液流电池。全钒氧化还原液流电池能够提供优于其它类型的氧化还原液流电池的优点。作为示例,其它的氧化还原化学物能够呈现这两种电解质流与来自另一种的污染物的不相容和/或敏感性。如果一种物质交叉并且与相对流中的元素不可逆反应,则这能够导致特定充电/放电循环的效率损失以及液流电池系统10的容量损失和整体性能劣化。因此,能够需要昂贵的维护来隔开电解质并复原反应物。相比之下,因为全钒系统在阳极液和阴极液二者中均使用钒,所以交叉最差仅会导致效率损失,这是因为没有物质被不可逆地消耗或从其反应性电解溶液中被去除。

图2A-2E示出模块化且可扩展的液流电池系统200的实施例。如下文更具体讨论的,系统200能够包括模块化设计,其完全利用液流电池将(堆叠提供的)功率与(被远程存储的电解质提供的)能量分离开的能力。系统200的功率能够由其含有的电池单元堆叠的数量决定,而系统200存储的能量能够由多少电解质可用于被电池单元堆叠使用来决定。系统200也能够提供具有能够易于运输、存储和部署的外形的电池单元堆叠和电解质存储。因此,公开的模块化液流电池系统200的实施例能够提供能够以快速且成本有效的方式可扩展的大规模能量存储能力。

如图2A-2B中所示,系统200的实施例能够包括至少一个电池堆叠202、一个或更多个阳极液存储204和一个或更多个阴极液存储206。如下文更具体讨论的,每个电池堆叠202能够被构造成与相应对的阳极液和阴极液存储204、206流体连通。作为示例,电池堆叠202能够与在电池堆叠202和阳极液和阴极液存储204、206之间传输电解质所需的任何电解质泵、支撑管道、阀和控制电子装置一起被装纳。因此,可变数量的成对阳极液和阴极液存储204、206能够被耦合到每个电池堆叠202。

在某些实施例中,电池堆叠202能够被构造成通过使用不同的阳极液和阴极液产生功率。因此,被存储在阳极液存储和阴极液存储中的电解质能够是不同的。在其它实施例(例如,全钒液流电池)中,电池堆叠202能够被构造成通过针对阴极和电解质使用相同电解质来产生功率。因此,被存储在阳极液存储和阴极液存储中的液体电解质能够是相同的。

每个电池堆叠202、阳极液存储204、和阴极液存储206能够具有易于运输且在现场部署的外形。作为示例,每个电池堆叠202、阳极液存储204和阴极液存储206能够被设置在具有满足国际标准化组装(ISO)针对船运容器(集装箱)制定的标准尺寸的外形的相应容器中。在某些实施例中,电池堆叠202能够采用第一外形并且阳极液和阴极液存储204、206能够被独立选择成不同的外形。作为示例,电池堆叠202能够被设置在ISO标准尺寸40英尺船运容器内,并且阳极液和阴极液存储204、206能够被设置在ISO标准尺寸20英尺船运容器内。虽然关于电池堆叠202、阳极液存储204和阴极液存储206的特定尺寸讨论的系统200的实施例可以在本文中讨论,不过系统的另外的实施例能够不受限地使用任何ISO标准尺寸船运容器大小。因此,电池堆叠202、阳极液存储204和阴极液存储206能够在本文中被互换地称为电池堆叠容器202、阳极液存储容器204和阴极液存储容器206。

有利地,容器外形能够允许快速扩展系统200的功率和能量存储能力,这能够是在大规模部署时的重要考量。在一方面,每个电池堆叠容器202和阳极液和阴极液存储容器204、206的标准尺寸能够有助于通过船、轨道和卡车从制造商至场地的运输以及通过使用现有的基础设施进行的现场存储和部署。

在实施例中,系统200能够包括至少一个电池堆叠容器202和至少一对阳极液和阴极液存储容器204、206。例如,假定每个电池堆叠容器202在10英尺x40英尺容器内,并且每个阳极液和阴极液存储容器204、206在10英尺x20英尺容器内,则系统能够提供等价于每小时0.5 MW的能量存储。

由于系统的模块化方面,附加的电池堆叠容器和/或成对电解质存储容器能够被添加以扩展系统提供的功率和能量存储而系统占据的面积不会有大变化。在图2C的实施例中,系统能够包括两个堆叠水平,每个水平各自包括与三对电解质容器流体连通的大约10英尺乘以40英尺的电池堆叠容器,每个电解质容器均是10英尺乘以20英尺容器的形式。图2C的系统的总面积能够是大约40英尺乘以大约50英尺(2000平方英尺)并且能量容量能够是大约6小时1MW。与图2C相比,图2D的系统向图2D中的每层增加了一对附加的阳极液和阴极液容器,并且图2E的系统向每层增加了两对附加的阳极液和阴极液容器。图2D的系统的总面积能够是大约42英尺乘以50英尺(2100平方英尺)并且器能量容量能够是大约8小时1MW。附加的100平方英尺的面积能够通过在电池堆叠容器的前方悬垂一对阳极液和阴极液存储容器而被占据。图2E示出了包括两个堆叠水平的系统的实施例,每个水平各自包括与四对阳极液和阴极液容器流体连通的电池堆叠容器。图2E的系统的总面积能够是大约44英尺乘以大约50英尺(2200平方英尺)并且其能量容量能够是大约10小时大约1MW。附加的100平方英尺的面积能够通过在电池堆叠容器的前方和后方悬垂一对电解质存储容器而被占据。明显地,在图2D和图2E的每个实施例中,能够在其占地面积具有相对小的增加的情况下(例如,相对于图2C的实施例的大约平方英尺)提供大约2小时大约1 MW的附加能量存储。

在另外的实施例(未示出)中,两个或更多个模块化液流电池系统能够以并联构造被电耦合在直流(DC)总线上。例如,两个模块化液流电池系统(每个单独提供1 MW DC)能够被并联放置以提供2 MW系统。在另外的实施例中,为了提供更高功率的系统,数个1 MW或者2 MW模块化液流电池系统能够在隔离变压器的公用电力侧并联。

另外,模块化液流电池系统200的实施例能够被提供成与一个或更多个下列外部系统电连通以促进与电网的集成:逆变器(功率转换系统)、变压器、电池系统控制器、电网控制器、互连和保护设备以及冷却器-加热器单元。下面详细讨论关于这些外部系统的附加信息。在附加实施例中,模块化液流电池系统200能够被现场安装,其能够被构造成容纳从电解质容器逸出的液体电解质。例如,在一个实施例中,位于液流电池系统底下和/或附近的地面能够被构造成吸收液体电解质的材料覆盖,从而放置污染地面。在电解质泄漏的情况下,能够移除已经吸收电解质的任何被容纳材料。在另一实施例中,位于液流电池系统底下和/或附近的地面能够被基本不渗透液体电解质的屏障层覆盖。能够在这个屏障层内进一步形成通道以便将液体电解质引导到容纳器皿。在任一情况下,地面和/或地下水污染能够被缓解或被完全避免。

图3A-3B中示出了电解质容器300形式的阳极液和/或阴极液容器204、206的实施例。参考图3A,电解质容器300能够包括被成尺寸为在其内接收罐304的电解质容器壳体302。电解质容器壳体302能够包括基部302a、侧壁302b-302e和盖302f,它们形成电解质容器300的外壁。在某些实施例中,电解质容器壳体302能够由钢形成且具有增强基部。电解质容器壳体302也能够是基本液体密封的以便在从罐304逸出的情况下为液体电解质提供次要容纳装置。例如,电解质容器壳体302能够被构造成支持大约-1 psig的压力。

如上文讨论的,大体而言,电解质容器壳体302的大小能够被选择成有助于国内和国际运输。例如,电解质容器壳体302的长度能够是近似19英尺10.5英寸,即对于海上运输而言在正常船运位置中的标准长度。容器壳体的宽度能够是近似8.5英尺,这是目前在无超大许可的情况下美国国内道路运输的最大宽度。容器壳体302的高度能够是近似9.5英尺,这目前是在具有标准底盘且无超大许可的情况下美国国内道路运输的最大高度。不过,可以理解的是,在替代性实施例中,电解质容器壳体的尺寸能够基于特定行业和/或法律管辖区(如国家、州/省等)采用的容器运输标准而变化。

罐304能够被构造成在其内包含液体电解质。在一方面,罐304能够由抵抗液体电解质侵蚀的任何材料形成。形成罐304的适当材料能够包括但不限于中密度和高密度聚乙烯(HDPE)。罐材料能够模制成电解质容器壳体302的形状(例如,矩形形状)并且被定位在其内。在这样的实施例中,罐304能够被粘结(例如,焊接)到电解质容器壳体302以便基本禁止罐304相对于电解质容器壳体滑动。在替代性实施例(未示出)中,罐能够是被施加到容器壳体的内部表面的衬套。

罐304的尺寸能够变化。在某些实施例中,罐的一个或更多个外壁(例如,基部、侧壁和盖)能够是近似0.25英寸厚。假设罐是ISO标准20英寸船运容器(例如,近似20英尺x 8.5英尺x 9.5英尺)的形状,则罐的体积能够是近似10,000加仑。在另一方面,罐能够被构造成提供在电解质和接地容器框架之间的高度电压隔离。例如,罐能够至少提供高达20年大约20 kV DC和大约400 TΩ/in2

电解质容器在图3B中以横截面视图示出,以显示被构造成提供液体电解质与电池堆叠容器202的流体连通的部件。如所示,电解质容器300能够包括供给管350和返回管352。供给凸缘354a和返回凸缘354b能够被分别地耦合到供给管350和返回管352。在某些实施例中,管凸缘354a、354b能够被形成在电解质容器300的侧壁中。在另外的实施例中,管凸缘354a、354b能够被形成在短壁(例如,面向端部的壁)上以便有助于邻近电池堆叠容器202的数个电解质容器300的高效空间分布。

在实施例中,在装船之前能够由罐卖主安装供给和返回管350、352。当模块化液流电池系统200处于使用中时,每个供给和返回管350、352能够浸没在液体电解质中,并且液体电解质能够分别经由供给和返回管350、352流向电池堆叠容器并从电池堆叠容器流走(见箭头S和R,其指明了进入电解质容器300中的电解质供给液流和离开电解质容器300的电解质返回液流)。供给管350能够包括成角度向下的一部分并且返回管352能够在罐304内近似水平地延伸。供给和返回管350、352的该构造能够基本消除对双层壁外部管道的需求,并且其能够允许电解质容器300被堆叠而不用考虑会损坏供给和返回管350、352。类似于罐304,返回和供给管350、352中的每个均能够由能够承受液体电解质的化学侵蚀的材料(例如,HDPE)形成。

在另外的实施例中,电解质容器300能够包括填充系统306。例如,电解质容器300能够被空着船运,并且在现场被液体电解质填充。填充系统306能够被构造成允许液体电解质在不暴露于大气的情况下被添加到罐304。例如,填充系统306能够包括延伸通过罐304的壁的通道和反虹吸阀(未示出)。如此构造下,电解质能够通过通道被引入到罐304中,并且反虹吸阀能够抑制电解质从罐304流出。

每个供给和返回管350、352能够进一步接合相应的供给和返回管支撑件360a、360b以便在运输期间为供给和返回管350、352提供机械支撑。类似于罐304,每个管支撑件360a、360b均能够由能够承受液体电解质的化学侵蚀的材料(例如,HDPE)形成。

如图4A-4B中更具体示出的,每个返回管支撑件260b能够被形成为中空管,其具有从中延伸通过的横向开口以接收返回管352。支撑凸缘362能够(例如通过熔焊)被固定到返回管支撑件360b的末端。返回管支撑件360b能够在支撑凸缘362处通过多个螺栓被固定到电解质容器壳体302。例如,如图4B中所示,螺栓环364(例如,聚乙烯封装的不锈钢螺栓环)能够被定位在罐304的内表面上,并且螺栓环364的一个或更多个螺栓能够延伸通过罐304的壁以接合支撑凸缘362。密封件366(例如,垫圈)也能够被定位在螺栓的每侧上(例如,在罐304和支撑凸缘362之间以及在罐304和螺栓环364之间)以便禁止电解质在凸缘处从罐泄漏。贝勒维尔弹簧垫圈(也被称为盘形弹簧370)能够围绕每个螺栓定位(例如,在密封件366和螺栓的对应螺母之间),以便向密封件366施加预载荷。

罐304能够进一步包括人行道372(例如,在罐304的顶板)以用于维护进入,如图4C中具体所示。人行道372能够被成尺寸为允许工人进入罐304以便在其内安装部件,包括但不限于供给和返回管350、352、供给和返回支撑件360a、360b、人行道372等等。人行道372能够由能够承受液体电解质的化学侵蚀的材料(例如,HDPE)形成。人行道372能够通过多个螺栓被固定到罐304的面向外的壁。例如,如图4C中所示,螺栓环374能够被定位在罐304的内表面上(例如,聚乙烯封装的不锈钢螺栓环),并且螺栓环374的多个螺栓能够延伸通过罐304的壁来接合人行道372。密封件376也能够围绕螺栓环374的每个螺栓定位,并且它们能够介于螺栓的每侧上之间(例如,在罐304和人行道372之间以及在罐304和螺栓环374之间)以便禁止电解质在人行道372处从罐304泄漏。盘形弹簧(未示出)能够围绕每个螺栓定位(例如在人行道372和螺栓环374的对应螺母之间)以便向密封件376施加预载荷。能够在船运之前通过罐卖主来安装人行道372。

图5A-5B是经由一个或更多个管连接500流体连通的电池堆叠容器202和电解质容器300的实施例的横截面视图。如下文具体讨论的,管连接500能够被构造成允许在电池堆叠容器202和电解质容器300之间的阳极液和阴极液溶液的流动。如所示,管连接500能够是在第一端500a和第二端500b之间延伸的管状结构,并且其能够被构造成在电池堆叠容器202和电解质容器300之间形成基本流体密封的密封件。第一端500a能够(例如,通过焊接)被固定到电池堆叠容器202的电解质导管网络502的末端。第二端500b能够包括管连接凸缘504,其被构造成经由返回凸缘354b(例如,经由螺栓环,从而在管连接500和返回凸缘354b之间提供基本流体密封的密封件)耦合到返回管352。在某些实施例中,管连接500和返回凸缘354b的直径能够是近似相等的(例如,大约4英寸)。

管连接500能够沿着在电池堆叠容器202和电解质容器300之间延伸的间隙G延伸。间隙G能够被成尺寸为针对管连接500的安装和维护提供足够的空隙。能够提供容纳套筒506来保护管连接500(例如,免于撞击损坏)。如所示,容纳套筒506被成尺寸为跨过间隙G(例如,水平地)并且侧向包围管连接(例如,竖直地)。容纳套筒506的一端能够被耦合到(例如焊接)电解质容器300。容纳套筒506的相对端能够被接收在通过电池堆叠容器202的侧壁形成的浮动面板510内并且被密封件(例如,垫圈)围绕。管连接500、管连接凸缘504和容纳套筒506的实施例能够由能够承受液体电解质的化学侵蚀的材料(例如,HDPE)形成。

如图5A中进一步所示,流体导管网络502还能够包括多个应力释放特征512,例如“狗腿(dog-leg)”连接。例如,狗腿连接能够被构造成为流体导管网络502提供足够的顺应性以适应由于热膨胀/收缩以及制造公差导致的尺寸变化。

虽然在图5A-5B中的返回管352、返回凸缘260的背景下示出,不过管连接500和容纳套筒506的实施例也能够被实施成将电解质容器的供给管和供给管凸缘耦合到电池堆叠容器。在另外的实施例中,电解质容器能够是含阴极液的电解质容器或者含阳极液的电解质容器。

图6A-6B示出了电解质容器300的氮系统的实施例。与罐304本身的液体密封性质相结合,氮系统能够基本禁止液体电解质与电解质容器300外部的环境(例如,大气)接触。例如,氮系统能够供给处于低压的氮来填充在罐304的顶部处的空的空间600,也被称为“氮封层”。这种设置能够是期望的,因为当被置于与环境氧接触时,带电荷的阳极液能够变成被氧化,从而转变成具有较高氧化状态的物质。

氮能够从外部源提供给电解质容器300。在某些实施例中,外部氮源能够被装纳在电池堆叠容器202内。氮源的示例能够包括但不限于多个氮容器、铺管的公共液氮(LN2)系统或者氮发生器(单独地或者组合地)中的任何。氮系统使用的氮体积能够是相对小的,不过一些氮能够在热膨胀-收缩循环期间通过减压阀流出。

氮能够通过管道602被递送到电解质容器300,所述管道602包括一个或更多个阀(未示出),例如针对每个电解质容器具有单个PAD阀和单个DEPAD阀。PAD阀能够通过确保在电解质容器300的正常使用期间维持在空间600中的最小压力来有助于形成氮封层。DEPAD阀也能够通过在电解质容器300的正常使用期间将罐压力限制成最大值来有助于蒸汽恢复。虽然未示出,不过在电解质从罐回流的情况下在电池堆叠容器中的氮管道能够倾斜到低点排放和泄漏传感器(未示出)。氮导管602能够由能够承受液体电解质的化学侵蚀的材料(例如,HDPE)形成并且(例如通过焊接)被耦合到喷嘴。

在实施例中,从电池堆叠容器202接收的氮能够被引导通过电解质容器300的切口区域604,其位于罐304和电解质容器壳体302之间。氮管道602能够在返回凸缘354b和氮喷嘴606之间延伸。氮喷嘴606能够经由氮凸缘610延伸通过罐的壁。氮凸缘610能够与氮喷嘴606进一步流体连通。氮能够流动通过氮管道602至氮喷嘴606以便在罐304内提供氮封层。

图6B更具体地示出了氮喷嘴606。氮导管602能够通过使用低轮廓(例如,90度)氮凸缘610被连结到氮喷嘴606。有利地,这种低轮廓设计能够允许基本整个氮系统被装纳在电解质容器300内并且这能够有助于电解质容器堆叠叠。

氮喷嘴606能够包括排放端口612以用于在罐304内分配氮。在氮凸缘610处接收的氮能够经由具有低点排放部的迷宫型路径614被引导到排放端口612以缓解电解质泄漏。排放端口612能够被氮螺栓环616固定到氮凸缘610(例如,HDPE封装的不锈钢螺栓环能够被用于固定)。相应的密封件620(例如,垫圈)能够介于螺栓环616和氮凸缘610之间以便禁止从罐304泄漏电解质。

电解质容器300的实施例能够进一步包括泄漏传感器系统700以用于探测已经从罐304逸出的液体电解质。如图7中所示,在一个实施例中,泄漏传感器系统700能够被定位成邻近电解质容器壳体302的基部302a、在位于电解质容器壳体302和罐304之间的自由空间702内。泄漏传感器系统700能够包括集液槽704、传感器706和允许在集液槽704和传感器706之间的流体连通的配件710。每个电解质容器300能够包括在电解质容器300的不同位置处(例如,在相对侧面上)的多个泄漏传感器系统700,以便允许探测在不同位置处的电解质泄漏和/或允许在一个泄漏传感器系统700故障的情况下具有冗余度。

集液槽704能够被定位在电解质容器300的低点处。这种定位能够确保较早地探测到电解质泄漏,因为在电解质泄漏的情况下电解质能够在重力影响下流到电解质容器300内的最低点。集液槽704能够被设计成通过包括抵抗电解质的化学侵蚀的表面涂层或者衬里长时间地接收泄漏的电解质。随着泄漏的电解质填充集液槽704,电解质的最高水平能够进入配件710并且将电解质引导到传感器706。

大体而言,传感器706能够是能够探测水和/或电解质的存在的任何装置。例如,传感器706能够是包括碳元素的传导型传感器。在某些实施例中,传感器706能够被装纳在形成于电解质容器壳体302中的舱壁712内并且配件710能够延伸通过舱壁712。

在另外的实施例中,小泄漏可能具有非常小的体积,以致它们不会填充集液槽704且不会被传感器706探测到。在这样的情况下,能够通过以超过集液槽704的体积的体积使得具有相对低的导电性的另一液体(例如,乙二醇)回流到在电解质容器壳体302和罐304之间的空间702来执行泄漏探测。当该液体与小泄漏的电解质混合时,最终混合物的导电性能够被提高到高于添加的液体自身的导电性。因此,当液体混合物填充集液槽704时,其能够与传感器接触。传感器706能够被构造成基于液体混合物的导电性来探测该液体混合物,从而感测小泄漏。在某些实施例中,这种回流能够在维修间隔期间被手动执行。

在另外的实施例中,电解质容器300能够包括排放部800以用于从电解质容器受控地释放泄漏的电解质。如图8中所示,排放部800能够被定位在舱壁712内,从而延伸通过电解质容器壳体302,并且其能够包括塞802、阀804(例如,锁定球阀)和配件806。配件806能够提供通道,从而允许在阀804和集液槽704之间的流体连通。在电解质泄漏的情况下,电解质能够在重力影响下流到集液槽704。阀能够被打开或者关闭以便允许或者禁止流体经由阀804离开电解质容器300。塞802能够被可移除地定位在阀804的末端处。因此,阀804和塞802能够被构造成根据需要允许或者禁止在排放部800和大气之间的流体连通。

为了检查罐304内的电解质水平,电解质容器300的实施例能够包括罐水平传感器。大体而言,水平传感器能够被构造成在电解质容器300一个堆叠在另一个上面的同时插入电解质容器300和从其移除。在某些实施例中,罐水平传感器能够是基于电容的传感器、超声传感器或者基于压力的传感器中的任何一种。在另外的实施例中,罐水平传感器能够被构造成延伸通过罐304并且到罐304内的选定竖直位置(例如,罐304的最低点)。以此方式,罐水平传感器能够有效地测量在预选最小和最大水平(例如,从罐304的大约基部到罐304的高度的大约75%)之间的罐水平。

图9A-9C中示出了基于电容的罐水平传感器900的实施例。为了简明,省略了与罐水平传感器相关联的电子装置。罐水平传感器900能够包括非传导性外部套筒902(例如,聚合物,如HDPE)和被完全封装在外部套筒902内的传导性管904(例如,铝或者铜)。图9A示出了罐水平传感器900,其中传导性管904被省略以便更好地显示外部套筒902的特征。如所示,外部套筒902能够包括在末端处(例如顶端处)的水平传感器凸缘906。能够提供通过罐304的开口910以便容纳水平传感器凸缘906,并且水平传感器凸缘906能够在开口910处被密封地接合(例如,被熔焊)到罐304。以此方式,罐水平传感器900能够访问罐304的顶部并且接触被存储在其内的电解质912而没有被捕获的气穴。

电解质容器300的实施例能够被构造成当堆叠至少两个电解质容器300(例如上部电解质容器300a和下部电解质容器300b)时有助于罐水平传感器900的使用。例如,每个电解质容器300a、300b的盖302f能够包括通过其形成的第一水平传感器开口912a以及延伸通过一个侧壁302b-302e的第二水平传感器开口912b。在另外的实施例中,罐水平传感器900能够是成角度的以便允许通过下部电解质容器300b的第一水平传感器开口912a和上部电解质容器300a的第二水平传感器开口912b来插入下部电解质容器300b。在另外的实施例中,能够在电解质容器300的不同位置处(例如,在相对侧面处)提供两个或更多个罐水平传感器900,以便允许测量不同位置处的和/或允许在一个罐水平传感器故障的情况下具有冗余度。

图10A-10C示出电池堆叠容器1000形式的电池堆叠容器202的实施例。电池堆叠容器1000能够包括电池堆叠容器壳体1002,其包括基部1002a、侧壁1002b、1002c、1002d、1002e和顶板1002f,该顶板1002f封装电池堆叠容器1000的部件(例如,电池堆叠、用于将阳极液和阴极液运输通过电池堆叠容器202的包括管、泵、阀等等的流体导管网络、电连接和其它系统)。安全额定故障保护传感器(如泄漏感测传感器系统700)能够被放置在电池堆叠容器1000内的一个或更多个位置,并且它们能够被构造成在探测到泄漏的情况下关闭泵和阀。可以在电池堆叠容器外部和/或内部提供摄像机(未示出)来提供远程监测。

在电解质从电池堆叠或者流体导管网络逸出的情况下,电池堆叠容器1000也能够包括次要容纳装置1004。例如,如图10B中所示,次要容纳装置1004能够包括密封的底部盘。底部盘能够具有抵抗电解质的涂层,并且其能够从电池堆叠容器1000的近似基部1002a延伸到进出门1006(例如,近似30英寸高)。假定电池堆叠容器1000具有ISO标准40英尺容器的外形和30%设备位移,则次要容纳装置1004能够保持近似4000加仑的电解质。

电池堆叠容器1000能够被构造成有助于最小化现场劳动以及迅速调试。例如,电池堆叠容器1000能够在两端上包括进出门1006以用于维修(例如,48英寸宽且54英寸高)。在某些实施例中,所有的现场功率(AC、DC、辅助)和冷却连接能够连到在电池堆叠容器1000的一端上的连接面板1008而不会进入电池堆叠容器。可经由带有环境额定的MIL型圆形连接器的预制电缆线束提供到相应电解质容器300的布线。

电池堆叠容器1000能够被构造成当在维修中被部署时被放置在成对电解质容器300之间。每个电池堆叠容器1000能够包括成对连接1010以用于与电解质容器300流体连通。作为示例,一对连接1010能够包括用于在电解质容器300和电池堆叠容器1000之间的电解质流动的供给管1010s和返回管1010r。在某些实施例中,供给管1010s和返回管1010r能够各自是管连接500的形式,如上文参考图5讨论的。在某些实施例中,对于被设置在电池堆叠容器1000的一侧(例如,长边,如1002b)上的每对连接1010,能够在电池堆叠容器1000的相对侧(例如,长边1002d)上提供对应的一对连接1010。为了有助于模块化液流电池系统200的模块化设计,电池堆叠容器1000能够包括至少两对连接1010,其中每个连接对1010能够支持相关联的电解质容器300(例如,每个电解质容器300具有一个连接对)。在某些实施例中,供给和返回管1010s、1010r能够是近似4英寸直径的管。

连接对1010的准确数量能够基于系统200的所需运行时间被选择。例如,如图10A的实施例中所示,电池堆叠容器1000在每侧(例如,1002b、1002d)上包括五个由供给和返回管1010s、1010r构成的连接对。与电解质容器300流体连通的连接对能够被封堵和密封以防天气影响。

连接对1010s、1010r的实施例能够经由相应孔口1012延伸通过电池堆叠容器壳体1002以用于与电解质容器300的供给管350和返回管352耦合。例如,每个孔口能够是在上文关于图5讨论的浮动面板510的形式。孔口能够成尺寸为考虑到所需量的径向浮动(例如,0.5英寸),从而允许一定程度的容器未对齐和公差偏差。

电池堆叠容器1000的电池堆叠组和相关联的流体导管网络的实施例被示于图11A-11D中。每个电池堆叠容器1000能够包括一个或更多个电池堆叠1100,并且电池堆叠1100能够彼此电气连线以便形成电池堆叠组1102。电池堆叠组1102能够进而相对于彼此以选定的电气构造被布线以便形成能够提供所需电压和电流水平的电池堆叠组件1104。在某些实施例中,电池堆叠组1100能够包括根据如下中一者实施的电池单元和/或电池堆叠:美国专利号9,774,044(2011年9月21日提交的“Flow Battery Stack With An Integrated Heat Exchanger”);美国专利公开号2013/0029196(2011年7月29日提交的“Flow Battery Cells Arranged Between An Inlet Manifold And An Outlet Manifold”);美国专利号9166243(2009年12月18日提交的“Flow Battery With Interdigitated Flow Field”);美国专利公开号2015/0263358(2011年12月20日提交的“Flow Battery With Mixed Flow”);以及美国专利号8884578(2011年2月7日提交的“Method And System For Operating A Flow Battery System Based On Energy Costs”),每篇文献的全部内容通过引用的方式被并入本文。例如,在图11B中所示的实施例中,电池堆叠容器1000包括电池堆叠组1100(例如,1100a、1100b、1100c、1100d),在一侧上具有两组(1100a、1100b)并且在相对侧上具有两组(1100c、1100d)。每个电池堆叠组1100a、1100b、1100c、1100d能够具有电气并联元件(例如,1S4P构造)。每侧上的电池堆叠组1102彼此串联布线(例如,整体2S4P构造)。这些构造中的每个进一步被并联布线(例如,16个堆叠的总体2S8P构造)以形成电池堆叠组件1104。

例如,假设每个电池堆叠1100具有125个电池单元,这种构造提供每个均由250个电池单元串联构成的八个并联串,以提供电池堆叠组件1104的额定功率。进一步假设使用具有1.4V标称电位的钒液流电池单元,则每个电池堆叠1100能够具有175V的标称电位,并且每个电池容器具有350V的标称电位。

在另外的实施例中,电池堆叠1100能够被划分成多个区段。继续每个电池堆叠1100均包括串联电气布线的125个电池单元的上述示例,电池堆叠1100能够被划分成两个电解质区段(例如,近似对半,其中一个电解质区段包括62个电池单元并且剩下的电池电解质区段包括63个电池单元)。有利地,这样的设置能够提供对通过外部管件的分流的改善的缓解。

每个电池堆叠1100能够包括闭合安装的接触器,其能够谨慎地处理整个系统电压和最大堆叠电流。这允许交错连接以及电隔离任何电池堆叠1100。在电池堆叠组件1104的每侧上的电池堆叠1100的最正极侧能够被单独地熔断,从而产生八个熔断器。熔断器能够被设计成在灾难性短路且不仅是过载状况的情况下保护电池堆叠组件1104的配线,因为最大额定电流落入其额定范围内。例如,假定熔断器各自均是400安培的额定值,则电池堆叠组件1104能够在总共3200安培的情况下受保护。

每个电池堆叠组1102能够通过铜母线被总线连接在一起并且通过使用铜线缆与其它套互连。所有的母线和线缆的额定值能够是保护性熔断的总值,以便满足NEC配线要求并最小化配线损失。能够进一步提供精确的电流分路来测量流入或流出电池堆叠组件1104的电流以及每个组的电压测量值。这些值能够被报告给电池堆叠控制器,如下文讨论的。

在附加的实施例中,电池堆叠容器1000能够包括可锁定的DC断路开关(未示出)。接近进出门1006提供DC断路开关,并且其能够被构造成将电池堆叠容器1000内部的DC功率部件与电池堆叠容器1000外部的任何部件隔离。这样的外部部件能够包括但不限于其它电池堆叠容器、逆变器和成形电源(如已连接)。DC断路开关能够进一步被构造成提供接触器处于开路条件的直接视觉校验。如此构造的话,DC断路开关能够有助于对电池堆叠容器1000的部件的安全维修,特别是在电池堆叠容器1000被维修而模块化且可扩展的液流电池系统200的其它部分保持操作的情况下。

每个电池堆叠1100能够被安装在电池堆叠容器1000内部的支架1106内。如图11C中所示,支架1106包括竖直支撑件1106a和水平支撑件1106b。在实施例中,竖直支撑件1106a能够被形成为3英尺的C形通道构造。支架1106的一侧(例如,后侧)能够被定位成抵靠电池堆叠容器1006、1100,并且支架1106的相对另一侧(例如,前侧)能够面向电池堆叠容器1000的中间。在替代性实施例(未示出)中,具有与其安装在一起的电池堆叠的支架能够被放置在外部,而不是在电池堆叠容器内部,并且通向环境。

电池堆叠容器1000的实施例也能够被构造成允许从电池堆叠容器1000移除选定电池堆叠1100以便维护或者更换。例如,如图11A和图11D中所示,电池堆叠组1102被定位在电池堆叠容器1000内以致提供进出空间1110。该进出空间1160能够被成尺寸为为给定电池堆叠1100提供足够空隙以允许其从其支架1106侧向移出并被纵向引导出电池堆叠容器1000,而基本不会接触相邻支架或流体导管网络的管,如下文更具体讨论的。电池堆叠容器1000也能够包括吊车1112,其被安装到可移除横梁延伸部1114以便纵向移动给定电池堆叠1100以有助于从电池堆叠容器1000移除。

每个电池堆叠1100能够被连接到流体导管网络502以便允许阳极液和阴极液从中流过。流体导管网络502能够包括相应的主要电解质歧管1200、电解质泵1202、分路歧管1204和电池堆叠歧管1206以用于阳极液和阴极液中每者的供给和返回。例如,关于供给,每个电解质能够通过一个或更多个相应的供给管1010s进入电池堆叠容器1000,如上文讨论的,每个供给管均能够被耦合到相应的供给主要电解质歧管1200s。供给主要电解质歧管1200s能够是足够大的以致进入和离开供给主要电解质歧管1200s的电解质液流能够近似平衡(例如,10英寸的管)。在供给主要电解质歧管1200s内的电解质供给液流能够被引导到供给电解质泵1202s(例如,以200-400 gpm的流动速率),并且通过至相应电池堆叠1100的供给分路歧管1204s(例如2英寸的管)和供给电池堆叠歧管1206s中的相应歧管被馈送到电池堆叠1100。针对每种电解质,返回电解质液流能够逆向前进通过流体导管网络502的单独的返回部分,从电池堆叠1100通过返回电池堆叠歧管1206r、返回分路歧管1204r、返回泵1202r和返回主要电解质歧管1200r。从返回主要电解质歧管1200r,电解质能够经由相应的返回管1010r离开电池堆叠容器1000。

分路歧管1204能够包括被设计成缓解在电池堆叠1100中的单元之间的过量分流损失的管件长度。电池堆叠容器1000能够装纳将与分流相关的损失减小到可接受水平所必须的所有分路歧管1204。每个分路歧管1204能够用于容纳至相关联的电池堆叠1000的阳极液供给、至相关联的电池堆叠1100的阴极液供给,来自相关联的电池堆叠1000的阳极液返回和来自相关联的电池堆叠1100的阴极液返回中的一者。在某些实施例中,分路歧管1204能够是近似2英寸直径的管并且提供近似19英尺的分路距离。在另外的实施例中,支架1106的竖直支撑件1106a能够是可移除的(例如,在面向电池堆叠容器1000的中间的前侧上的竖直支撑件)以便允许安装分路歧管1204。

在实施例中,泵1202能够被变频驱动器(VFD)驱动。这种构造能够允许独立、精确地控制阳极液和阴极液的速度且因此控制流量和压力。也能够提供平稳启动和马达功率参数的具体反馈。这些VFD能够由受堆叠容器控制器控制的辅助电源面板提供动力,这在下文被具体讨论。

流体导管网络502的实施例能够进一步包括一个或更多个阀(例如,平衡阀、截止阀等等)。大体而言,阀能够被用于控制液流来再平衡水平,从而在系统200关闭时关断主要馈送,并且隔离特定电池堆叠1100。阀能够包括用于维修功能的手动阀和用于当堆叠容器控制器控制下操作停机、启动和各种系统功能的构造的自动阀,下文被更具体讨论。例如,如图12B中所示,能够可选地在横拉杆歧管1208内提供阀1210a,其在相应的泵1202和分路歧管1204之间分配电解质以用于关断或平衡。阀1210b能够进一步被设置在供给和返回管1010s、1010r和主要电解质歧管1200r、1200s之间(图12B、图13A)。阀1210c能够被设置在分路歧管1204和电池堆叠1100之间(图13B)。阀1210a、1210b、1210c的自动致动能够由与电池堆叠控制器通信的马达1209提供。

当使用自动阀时,反馈能够被提供以确保恰当操作。在一个实施例中,流体导管网络502能够进一步包括一个或更多个传感器(例如,温度传感器、流量传感器、压力传感器、光学传感器等等),其被构造成用于监测和/或反馈控制阀1210a、1210b、1210c并且调节操作期间从中通过的阳极液和阴极液的液流。图13A、图13B中示出了阳极液和阴极液流量传感器1212a、1212b以及阳极液和阴极液压力传感器1214a、1214b的示例。

图14中示出了主要电解质歧管1200的支撑结构1400。支撑横梁1402(例如,5 x 16横梁)能够跨过电池堆叠容器1000的宽度。支撑杆1404(例如,7/8英寸直径)能够成对地从支撑横梁1402悬下。辊子管支撑件1406能够被固定到每对支撑杆1404。在某些实施例中,能够为每个主要电解质歧管1200提供辊子管支撑件1406。抗震撑杆1410可以被进一步固定到支撑杆1404以便在地震情况下进行稳定。

电池堆叠容器1000的实施例能够进一步包括热管理系统。大体而言,电解质能够具有通常在大约15℃至大约40℃之间的特定操作温度范围。如果电解质的温度下降到大约15℃以下,则电解质能够冻结,并且因此系统200会不能够提供全功率操作。因此,如果系统200处于冷环境中,则向电解质供给外部热量的能力会是有益的。

替代性地,在热天,这个问题会相反。系统损失能够驱动电解质温度超过50℃,高于电解质操作温度范围的上限。当电解质处于高荷电状态和高温时,这种情况会是有问题的,因为会发生电解质的一个或更多个成分的沉淀,这会导致系统200由于堵塞而关停。虽然这种现象是可逆的,但是它会负面地影响系统的可用性。因此,会需要冷却电解质的能力。

为了加热和冷却电解质,电池堆叠容器1000的实施例能够进一步包括液体-液体热交换器1500。如图15A-15B中所示,热交换器1500能够通过使用例如夹持件1502的机械装置被安装到电池堆叠容器1000。在某些实施例中,夹持件1502能够是滑动装配以适应热交换器1500的热膨胀的单管夹持件。热交换器1500能够包括一个或更多个端口1504以用于连接到冷却器-加热器系统(未示出)。冷却器-加热器系统能够被构造成将热交换流体(例如,水-乙二醇混合物)加热或者冷却到预定温度并且将热交换流体递送到热交换器1500。电池系统控制器能够进一步汇总来自相应电池堆叠1100的请求并且根据需要命令冷却器-加热器系统来加热或冷却电池堆叠1100。在某些实施例中,八个热交换器1500能够被构造成并联构造以实现较高的能力。

下文讨论了能够被用于操作电池堆叠容器1000的实施例的附加系统。

辅助电源

AC辅助电源能够经由AC辅助电源面板(未示出)被连接到电池堆叠容器1000。该面板能够特征在于主要可锁定断开开关并且根据工业标准(例如,UL 508标准)构建。能够提供各个电路断路器以保护至这两个泵VFD、风扇、控制面板电源、照明和其它当地AC负载中每个的馈送。该面板也能够包括线路反应器(如果需要的话)。除了VFD和导管配线之外的所有的配线和部件能够被装纳在该面板内,从而增强维修安全性问题,这是因为大部分AC电气危险被限制于面板的体积。该面板能够被互锁以便有助于在电池堆叠容器1000的进出门1006打开时阻止操作。该面板也能够供应可选的人员环境加热器。

堆叠容器控制器

在实施例中,每个电池堆叠容器1000 能够进一步包括堆叠容器控制器(SCC)。SCC能够包括能够执行数据获取的计算装置以及控制程序,该控制程序被构造成监测电池堆叠容器1000中的所有传感器和仪表以及控制阀1210a、1210b、1210c和马达1209。该控制器与位于外部的主要电池系统控制器通信。能够提供备用电池以便允许SCC在系统断电之后立即操作。这允许SCC将阀设定成保存条件并且将电力故障状态与其它电流情况一起传达给外部世界。传感器输入能够设置有自测试和内部校准能力。在需要时能够提供隔离,并且能够保护输入以免受过载电流和射频干涉(RFI)的影响。SCC能够连接外部传感器和其它连接件以便最小化其故障时的平均维修时间(MTTR)。

照明、互锁和安全

为了维修人员能在电池堆叠容器内提供LED照明。其也能够在安全要求规定要进行摄像机监测时被使用。照明能够通过位于每个进入门处的开关控制且也能够通过远程命令控制。每个门能够被绑定到安全互锁系统的互锁开关监测。在系统通电时打开门能够使得电池堆叠容器掉线,通过电池系统控制器发送警报到监测网络,并且根据构造可以关停整个模块化液流电池系统。

电池堆叠容器能够进一步包括独立的安全系统。这个系统能够使用安全等级的部件,如泄漏传感器、互锁开关和控制继电器,以便在危险情况(如严重泄漏)、接入互锁条件或某些故障时关闭系统。这个系统能够被构造成完全独立于任何软件或远程超驰命令运行。

本领域的技术人员基于上述实施例将了解公开的系统和五分时时彩方法的另外的特征和优点。因此,除了所附权利要求所指示的以外,本公开并不受到特定图示和描述的内容的限制。本文所引用的所有出版物和参考文献的整体内容通过引用的方式被明确地并入本文。

附录 I

外部系统

模块化液流电池系统的实施例能够被设置成与一个或更多个下列外部系统电连通以便有助于与电网集成。

逆变器(功率调节系统:PCS)

功率调节系统(PCS)是在主要DC总线和中间3相AC电压之间的双向DC-AC转换器。中间电压被传递通过隔离变压器以便通常提供中压3相功率至电网。逆变器DC总线相对于地是浮动的;根据需要,变压器的地侧被接地或者不接地。

当电网连接时,逆变器用作AC电流源,其中控制实部功率和无功功率(实部-无功功率模式)。逆变器也能够在微电网的主电源处以独立模式操作,或作为不间断电源(UPS),从而能够支持负载(电压-频率模式)。通过控制AC电压和频率下降行为,逆变器也能够参与包括多个分布式发电企业和负载的微电网。在独立模式中,逆变器是唯一发电机,并且以所需固定电压和频率输出功率以支持被连接的负载直至其额定功率。当电网连接时,逆变器能够实现全四象限功率控制。其能够提供超前或滞后的无功功率,同时输出或输入实部功率。因为这是能量存储系统,所以逆变器必须也输入实部功率以给模块化液流电池系统充电。

变压器、计量、开关设备和保护

在实施例中,与PCS一起使用的隔离变压器可以被紧密耦合到PCS。这种连接可能在系统中具有一些最大电流,并且因此可能具有最大电缆成本。紧密耦合还减少PCS开关瞬态的被传导和被发射的EMI、减少损耗并为系统建模提供更好的特征阻抗。

变压器能够解决下列系统设计问题:

i.大多数电网互连处于中压(例如,大约13.8 kV至大约34.5 kV)。大型工业用户会在480伏特下互连。电池系统DC电压需要近似315伏特的PCS AC接口电压,并且变压器进行向所需互连电压的转变;

ii.电流隔离。PCS本质上在DC侧和AC侧之间具有电流连接。如果PCS被直接连接到电网,则DC总线上可能会叠加危险的AC电压,从而需要增加绝缘的系统并导致额外的人员危险;

iii.谐波滤波。PCS是PWM开关模式转换器并且因此在AC侧上包含重要的开关频率分量。在PCS中滤波会是有益的以便满足UL和IEEE要求(欧盟中的CE)并且变压器的阻抗是这个滤波网络设计的一部分;

iv.通过阻抗的稳定性。大部分PCS设备被设计成在其自身和电网之间需要一定量的阻抗以便维持它们内部控制回路的稳定性。

计量(经常是“收益等级”)通常被安装在公共连接点(PCC)处,在此模块化液流电池系统连接到电网。对于中压系统,这通常包括PT(电势变换器)、CT(电流变换器)和计量器本身。计量器通常是网络连接的装置(有线或者无线),例如Shark或者SEL制造的装置。收益等级计量通常被规定为具有0.5%准确性并且当PT和CT被使用时必须在误差计算中考虑这些因素。

为了将变压器的中压侧连接到电网,存在通常包括保护的一些开关设备的形式。这可能与具有保险丝的联动杆安装式断路器一样简单,不过也可以是使用复杂控制器(如SEL-651R)的具有专门设置的跳闸参数的重合闸。对于较大系统,可以存在具有集成的计量和保护的中压开关板面板。

由于公用设施互连规则通常需要冗余的电网保护,所以当使用UL 1741额定的逆变器时,将需要另一个保护“继电器”。SEL 351S是用于此功能的典型装置并且被布线成使逆变器主断路器并联跳闸。当逆变器未在UL 1741中列出时,将需要使用两个单独的保护继电器,并且每个继电器都将需要被硬接线至逆变器并联跳闸断路器。

辅助电力系统

操作模块化液流电池系统的部件(如泵、冷却器、灯等)的电力由辅助电力系统提供。在实施例中,模块化液流电池系统能够被设计成由480伏特3相4线Y形电源操作。由于保持电力的该电站以零售价收费,所以电网至480伏的变压器通常能够由当地公用事业公司自费提供。模块化液流电池系统包括480伏特主分配面板,其针对每个电池堆叠容器、电力调节系统、冷却器和所有其它需要电力的本地负载均具有断路器。

各个单独的电池堆叠容器能够被构造成通过使用120安培480伏特馈送操作。在这些情况下,最大汲电将约为81安培,其中所有泵以最大功率运行且所有负载处于最大汲电。典型的操作汲电将是近似50安培。电解质容器不装纳任何动力装置并且因此不需要任何AC电力。每个电池堆叠容器能够被构造成包括480至120伏特的变压器以便供给用于测试和维修设备的本地公用电源插座。控制和网络设备能够包括本地电池电力备份,以便允许将阀移动到安全位置,并将状态传达给系统的其它部分。

PCS的电力要求能够由制造商改变。480伏特3相能够用于PCS,并且如果PCS需要较低电压,则为此,能够在PCS内部或外部提供降压变压器。

冷却器和加热器子系统也由辅助电力系统提供动力。由于加热和冷却负载,这种子系统能够是重要的电力汲取,并且在使用时会对整个系统效率产生重大影响。

当需要黑启动或极低电压穿越(LVRT)时,可使用不间断电源(UPS)来操作电池系统泵和控制系统、PCS辅助电源馈送以及所有网络和保护设备。

电池系统控制器(BSC)

位于堆叠容器外部、在逆变器或者辅助控件箱中的是电池系统控制器(BSC)。BSC控制模块化液流电池系统的操作,以致无论堆叠容器和相关电解质容器的数量如何(例如2、4、6、8等),模块化液流电池系统都充当待被连接到单个逆变器的统一的单个DC能量存储系统。在包含多个逆变器的较大系统中,每个逆变器与一个BSC相关联。BSC软件被构造到若干相关联的堆叠容器:

·管理所有相关联的堆叠容器的启动和停机;

·管理并传递警告和故障条件的通知;

·处理由于故障和互锁条件造成的系统停机;

·汇总所有被连接的堆叠容器以呈现自身并用作一个系统;

·计算整体系统荷电状态(SOC);

·管理处于串联和并联串的SOC平衡;

·计算充电和放电电流极限;

·命令冷却器-加热器系统;

·维护系统操作和故障数据的详细日志文件;

·收集来自堆叠容器的详细日志信息以便通过网络传递;

·为本地或远程监测和控制提供可网络访问的图形用户界面;

·管理至相关联的堆叠容器的软件更新。

BSC能够被设置为安装在支架上的工业温度范围的计算装置,其安装有其它的系统网络设备(例如,网络路由器、电网控制器等等)。

电网控制器

电网控制器(GC)能够被构造成用于模块化液流电池系统被安装所处的整个场地的整体操作。例如,GC能够执行下述中的一个或更多个:

·协调一个或更多个BMC、逆变器和冷却器在现场的操作;

·监测本地和/或远程电力质量计;

·管理和运行整个模块化液流电池系统的各种可能的“使用情况”(模式);

·记录整个系统性能指标;

·使用DNP3、IEC 61850和其它的电网可兼容协议来通信;

·为本地或远程监测和控制提供可网络访问的图形用户界面;

·传递管理信息,例如固件更新至逆变器和BMC;

·提供与安全路由器相结合的信息安全服务。

冷却器/加热器系统

液体电解质的操作温度限制可以从冷却器-加热器系统的使用获益。应用工程可以根据本地现场条件和操作可用性要求确定所需构造。

冷却剂可以包括任何合适的冷却剂。例如,冷却剂可以包括去离子的水和乙二醇的50-50混合。可以向冷却剂中添加抑制剂,因为冷却器和加热器两者中都有金属湿润部件。由于在发生液-液热交换器泄漏的情况下可能与充能电解质接触,所以冷却剂应保持是不导电的。

冷却剂系统能够包括传导性监测器,其被构造成在传导性增加到高于选定阈值(例如,10微西门子每平方厘米)时触发至监测系统的警报。由于每年更换一次冷却系统中的去离子水过滤器,所以最可能由冷却剂传导性指示的故障是热交换器泄漏。

冷却器-加热器系统能够被构造成通过使用现场的480 V辅助电源面板来操作。冷却剂泵送、管道、泄压、排放和隔离阀、管道绝缘、膨胀箱和系统控件可作为冷却器-加热器系统的一部分被进一步提供。

在某些实施例中,液体-空气热交换器可以被提供,因为这是在温和气候下一年中大部分时间最节能的冷却五分时时彩方法。

附录 II

操作模式

下面示出了代表性操作模式。特定操作模式可根据客户要求确定,并可与PV、风或负载控制系统集成。

1.电网连接操作模式

模块化液流电池系统的主要操作模式之一是电网连接。这种操作模式允许客户执行VAR支持、需求管理和负载均衡。所有这些应用均在被持续连接且同步于公用电网的情况下被实现。模块化液流电池系统被认为是电网上的次要参与者(功率方面)。

1a.可再生能源固定化

可以根据不同的太阳能PV或风力发电,主动控制能量存储输出,使其上升/下降,以在指定时间内保持组合功率输出水平恒定,并管理可再生的上升率。

1b.需求电荷管理

能量存储将与不同的客户负载相配合地操作,以将需求限制成预设水平。客户负载将被监测,并且存储单元被调度以补偿在实际负载和预设限制之间的差。系统可以被设定成预定值或被设定成获悉随时间推移的需求曲线。

1c.负载跟随

能量存储能够被调度成跟随可再生能源的组合输出功率和分配线路负载的变化。这可以用来管理可再生经济,如在上面的需求荷电管理中或处理分配极限。

1d.用时能源成本管理(仲裁)

能够基于用时电价来制定最优的能量存储调度方案。方案能够包括充电和放电二者。在某些实施例中,这可能仅在峰值和非峰值之间的能源成本存在显著差异或由于“鸭形曲线”而出现负价格时才可行。

1e.电压支持

逆变器能够被调度成根据包括基于时间的控制、人工调度和实时有功监测的场景向分配回路注入无功功率。

2.微电网操作模式

微电网是由分布式发电机和负载组成的网络,其中模块化液流电池系统可以是多个电源中的一个,这些电源可以被命令输入功率进行充电,或输出功率以支持负载。为了充分参与微电网,逆变器被构造为实现AC频率和电压降控制。动态设定点由系统操作器(微电网控制器)来调整以调谐在微电网中的模块化液流电池系统角色。

3.独立操作模式

在独立操作模式中,模块化液流电池系统能够作为独立发电机操作以给已知负载提供电力。在这个模式下,模块化液流电池系统仅连接到负载,并且仅能够放电,因为没有其它电源给其充电。通常,这个模式发生于被构造为备用电力(下文)时,否则将没有办法给模块化液流单元电池系统再次充电。

4.备用功率(独立)

逆变器能够可选地装备有孤岛重合闸。使用这种构造,模块化液流电池系统能够向负载提供动态备用功率。在电网故障条件下,重合闸打开以从电网断开,并且功率持续从模块化液流电池系统流向客户负载。不要将其与不间断电源混淆,因为将存在模块化液流电池系统必须进行调整以适应负载的突然变化的过渡。

当恢复电网功率时,PCS在重新闭合电网重合闸之前同步其电压和相位。这通常由重合闸控制继电器结合特殊的逆变器功能来处理。此功能可以与上述任何负载均衡和需求管理应用结合使用。

5.黑启动

如果现场安装有足够的UPS能力,则一个或更多个模块化液流电池系统可被构造为黑启动操作。一旦一个模块化液流电池系统被置于联网时,则其它相关联的系统于是将通过使用来自第一个系统的功率输出启动。因此整个大型系统可以被置于联网。电网负载应该处于系统的能力范围内,并且这需要现场和专用的工程设计。

附录 III

紧急断电(EPO)/紧急停止(ESTOP)

最佳实践和安全法规要求在紧急或其它异常事件中隔离或停机模块化液流电池系统。下面列出了不同级别的停机,可根据客户要求或具有管辖权的机构(AHJ)法规进行构造。通过最小化“硬停机”次数来延长系统寿命,因此应努力使停机/隔离级别与异常事件/紧急情况的严重程度相匹配。

下表表明在每一停机级别时哪些系统被断电/禁用。接下来是对每个状态、发生何种措施以及什么物理触发了每个状态的描述:

1.电网EPO

·描述:电网电源输出启用信号被移除。PCS与电网隔离;

·措施:打开PCS中的AC输出接触器。DC总线激活并且泵运转。系统将执行有序停机;

·物理:干触点继电器以用于远程客户端使用。如果不使用,其将跳线;

2.系统EPO——全系统电源EPO

·描述:PCS发出EPO,AC电网接触器打开,所有电池容器DC总线接触器打开。电池容器在零DC负载的辅助电源下运行;

·措施:从电池容器移除DC总线启用信号。AC接触器启用信号被移除。维持208VAC辅助电源。开始有序停机。所有泵保持激活;

·物理:使用来自控制软件的输入分离硬接线信号(与ESTOP并联);

3.ESTOP——全系统ESTOP

·描述:所有的AC和DC高压电源被隔离,仅控制活动;

·措施:移除至所有的电池容器和PCS的启用信号。打开PCS中的AC输出接触器并且打开所有DC总线接触器。所有泵停止。所有UPS单元发出EPO;

·物理:在PCS封装件上的1个防护蘑菇按钮、1个软件继电器、用于远程客户端使用的1个干触点继电器、位于每个电池容器处的1个防护蘑菇按钮。所有按钮均为N/C,所有继电器均为N/O;

4.紧急情况/OFF开关

·描述:完成系统停机;

·措施:关停至所有电池容器和PCS的480V辅助电力。EPO所有UPS单元。所有接触器打开并且功率转换器关停。除了网络装置电池电力之外没有电力;

·物理:在主辅助电源面板上的一个防护主断路开关;

5.本地ESTOP——电池模块ESTOP

·描述:关停特定电池容器的操作。PCS和所有其它的电池容器仍然正常操作。相关联的成对电池容器进入待机空闲条件;

·措施:打开DC总线接触器。所有泵停止;

·物理:通过电池容器封装件上的按钮或者通过打开电池容器DC断开开关(经由AUX接触器)激活;

6.本地OFF开关

·描述:关闭本地单个电池容器操作;

·措施:电池容器控制器丧失电力。打开DC总线接触器。所有泵停止;

·物理:通过在电池容器封装件上的开关激活。注意:如果UPS被安装,则UPS必须被关停。

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