CN102593490B - 一种液流电池系统及电池储罐 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种液流电池系统及电池储罐，包括电堆(1)、换热器(2)和一体化储罐(7)，一体化储罐(7)包括负极储罐(5)和正极储罐(6)，负极储罐(5)通过供液管路与负极供液泵(3)连接，负极供液泵(3)通过与换热器(2)连接，换热器(2)与电堆(1)的负极连接，电堆(1)通过排液管路与负极储罐(5)连接；正极供液泵(4)通过供液管路与正极供液泵(4)连接，正极供液泵(4)与电堆(1)的正极连接，电堆(1)通过排液管路与正极储罐(6)连接。本发明具有系统结构简单，对温度敏感度低的优点，另外还能够使系统实现在无络合溴供液泵的环境下运行，同时系统对压力能进行余能回收，并用于强化系统传热，使液流电池系统稳定运行。

Description

一种液流电池系统及电池储罐

技术领域

本发明涉及一种液流电池系统及电池储罐，属于电池领域。

背景技术

现有技术中，独立的能源系统如分布式能源系统中所用的蓄电池通常是铅酸电池。而铅酸电池在性能和环境上都存在着致命的缺陷。比如在炎热气候的环境中通常寿命很短，尤其在深度放电时更加严重。同时，铅酸电池亦对环境有害，因为铅酸电池的一个主要成分为铅，可能在生产和弃置时引致严重的环境问题。

液流电解质电池，例如锌溴电池和全钒液流电池等可以克服上述铅酸电池的缺点，具有循环寿命长，环境污染小的特点。特别地，液流电解质电池可以实现深度放电，且电池的能量密度是比铅酸电池的数倍。

但目前液流电池也存在着一些问题，如对温度相对敏感，系统相对复杂等，如锌溴液流电池，一般为避免溴分压过高而降低电解液容量和腐蚀管路，往往采取在电解液中加入络合剂的方法。但是络合溴溶液由于与水相不相容，且密度差较大，为保证其供应，往往需要在系统中加入单独的络合溴系统供液泵，使系统复杂性提高，稳定性相应下降。同时由于络合溴密度和粘度较大，介于其流动阻力的影响，往往不集成相应的散热系统，从而使热量积聚，造成电解液温度上升，最终使得电池性能下降。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种液流电池系统及电池储罐，它具有系统结构简单，对温度敏感度低的优点，另外还能够使系统实现在无络合溴供液泵的环境下运行，同时系统对压力能进行余能回收，并用于强化系统传热，使液流电池系统稳定运行。

本发明的技术方案：一种液流电池系统，包括电堆、换热器、负极供液泵、正极供液泵和一体化储罐，一体化储罐包括负极储罐和正极储罐，负极储罐通过供液管路与负极供液泵连接，负极供液泵通过与换热器连接，换热器与电堆的负极连接，电堆通过排液管路与负极储罐连接；正极供液泵通过供液管路与正极供液泵连接，正极供液泵与电堆的正极连接，电堆通过排液管路与正极储罐连接。

前述的液流电池系统中，所述电堆采用双电堆结构。

一种应用于前述的液流电池系统的液流电池储罐，包括一体化储罐、正负极隔板、储罐正极内腔和储罐负极内腔，一体化储罐的内部被正负极隔板分为储罐正极内腔和储罐负极内腔两部分；储罐正极内腔的顶部设有“L”形正极突台和正极电解液出口，“L”形正极突台上设有正极电解液入口，储罐负极内腔的顶部设有“L”形负极突台和负极电解液出口，“L”形负极突台上设有负极电解液入口。“L”形正极突台的作用是保证正极电解液静态液位高于泵入口处液位，从而使得非自吸泵在不灌泵的条件下可以正常工作。同时”L”形正极突台对系统结构其支撑作用，L型的结构使其强度更高。”L”形正极突台具有脱离体系的单质溴及其他副反应气体产物的收集功能，可根据情况进行气体回收或排空操作。“L”形负极突台的作用是保证正极电解液静态液位高于泵入口处液位，从而使得非自吸泵在不灌泵的条件下可以正常工作。同时”L”形负极突台对系统结构其支撑作用，L型的结构使其强度更高。”L”形负极突台具有氢气及其他副反应气体产物的收集功能，可根据情况进行气体回收或排空操作。

前述的这种液流电池系统的液流电池储罐中，储罐正极内腔内设有正极电解液输出管道、正极电解液输入管道、压力回收管和正极喷射口，正极电解液输出管道的一端与正极电解液出口连接，另一端上设有有机相计量阀和水相计量阀；正极电解液输入管道的一端与正极电解液入口连接，另一端通过压力回收管与正极喷射口连接。

前述的这种液流电池系统的液流电池储罐中，储罐正极内腔的底部设有斜坡，储罐正极内腔内设有有机相计量阀的一侧低于另一侧。

前述的这种液流电池系统的液流电池储罐中，正极喷射口上设有正极螺旋桨。

前述的这种液流电池系统的液流电池储罐中，储罐负极内腔内设有负极电解液输出管道、负极电解液输入管道、压力回收管和负极喷射口，负极电解液输出管道与负极电解液出口连接，负极电解液输入管道的一端与负极电解液入口连接，另一端通过压力回收管与负极喷射口连接。

前述的这种液流电池系统的液流电池储罐中，负极喷射口上设有负极螺旋桨。

前述的这种液流电池系统的液流电池储罐中，一体化储罐的形状为长方体。

与现有技术相比，本发明既简化了液流电池系统结构，同时还加强了液流电池系统的稳定性。

本发明通过计量阀代替有机相泵，并通过一定结构保证其正常工作。电池系统不同的充放电状态，改换阀的通断和开度，同时储罐在正极电解液口外侧有溢流槽结构，保证系统稳定运行。

本发明则利用一体化储罐结构，储罐外观为矩形结构，中间隔板在对角线隔开。这样的技术效果有两点，首先便于正极电解液有机相的收集，同时使隔板面积即换热面积增加，使换热效果提高。利用模具加工工艺，在保证稳定性的前提下，降低隔板厚度，减少隔板热阻，使得换热效率进一步提高。电解液出口处的压力能得到回收，并用于正负极电解液混匀，使储罐内的电解液温度和浓度均一，使系统稳定性增加。通过优化参数，本系统正负极电解液温差可控制在1℃以内。

附图说明

图1为液流电池系统的结构示意图；

图2为液流电池的立体结构示意图；

图3为液流电池储罐的结构示意图；

图4为液流电池储罐的俯视图；

图5为液流电池储罐的A-A剖面结构示意图；

图6为液流电池储罐的B-B剖面结构示意图；

图7为液流电池储罐的C-C剖面结构示意图；

图8为液流电池储罐的D-D剖面结构示意图；

图9为液流电池储罐的E-E剖面结构示意图。

附图中的标记为：1-电堆，2-换热器，3-负极供液泵，4-正极供液泵，5-负极储罐，6-正极储罐，7-一体化储罐，8-储罐正极内腔，9-储罐负极内腔，1O-正负极隔板，71-“L”形正极突台，72-“L”形负极突台，73-正极电解液出口，74-负极电解液出口，75-负极电解液入口，76-正极电解液入口，81-正极电解液输出管道，82-有机相计量阀，83-水相计量阀，84-正极喷射口，85-正极电解液输入管道，86-压力回收管，87-斜坡，88-正极螺旋桨，91-负极电解液输出管道，92-压力回收管，93-负极喷射口，94-负极螺旋桨，95-负极电解液输入管道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

本发明的实施例：如图1和图2所示，一种液流电池系统，包括电堆1、换热器2、负极供液泵3、正极供液泵4和一体化储罐7，一体化储罐7包括负极储罐5和正极储罐6，负极储罐5通过供液管路与负极供液泵3连接，负极供液泵3通过与换热器2连接，换热器2与电堆1的负极连接，电堆1通过排液管路与负极储罐5连接；正极供液泵4通过供液管路与正极供液泵4连接，正极供液泵4与电堆1的正极连接，电堆1通过排液管路与正极储罐6连接。所述电堆1采用双电堆结构。

负极电解液储存于负极储罐5当中，在负极供液泵3的作用下，进入换热器2降温后，进入电堆1负极，发生电化学反应后，回到负极储罐5。

正极电解液储存于正极极储罐6当中，在正极供液泵4的作用下，进入电堆1正极，发生电化学反应后，回到正极储罐6。

如图3和图9所示，一种应用于前述的液流电池系统的液流电池储罐，包括一体化储罐7、正负极隔板10、储罐正极内腔8和储罐负极内腔9，一体化储罐7的内部被正负极隔板10分为储罐正极内腔8和储罐负极内腔9两部分；储罐正极内腔8的顶部设有“L”形正极突台71和正极电解液出口73，“L”形正极突台71上设有正极电解液入口76，储罐负极内腔9的顶部设有“L”形负极突台72和负极电解液出口74，“L”形负极突台72上设有负极电解液入口75。

如图4所示，在泵的作用下，正极电解液由一体化储罐7上的正极电解液出口73被抽出，在外循环后，由正极电解液入口76回到一体化储罐7；负极电解液由一体化储罐7上的负极电解液出口74被抽出，在外循环后，由正极电解液入口75回到一体化储罐7。

如图5所示，储罐正极内腔8内设有正极电解液输出管道81、正极电解液输入管道85、压力回收管86和正极喷射口84，正极电解液输出管道81的一端与正极电解液出口73连接，另一端上设有有机相计量阀82和水相计量阀83；正极电解液输入管道85的一端与正极电解液入口76连接，另一端通过压力回收管86与正极喷射口84连接。储罐正极内腔8的底部设有斜坡87，储罐正极内腔8内设有有机相计量阀82的一侧低于另一侧。

在储罐正极内腔8内，水相正极电解液由水相计量阀83进入正极电解液输送管道81，有机相正极电解液通过有机相计量阀82进入正极电解液输送管道81，并在正极电解液输送管道81内与水相正极电解液混合，由正极供液泵4输送至电堆1。经过电化学反应后，正极电解液由正极电解液入口76回到储罐正极内腔8内。在出口处进入压力回收管86回收压力传动至正极喷射口84，正极喷射口84产生水平驱动力，推动正极电解液在储罐正极内腔内流动，使电解液充分混匀，无浓度和温度的梯度。同时回流的正极电解液从正极喷射口84中流出，在重力的作用下自然分成上层水相和下层有机相。有机相沿正极储罐地面87倾斜方向流动到正极电解液吸入口即有机相计量阀82附近。

有机相计量阀82在不同的充放电状态处于不同状态，在电池系统充电时，计量阀82为关闭状态，在电池系统额定功率放电时，计量阀82为开启状态，在电池系统低于额定功率放电时，计量阀82为部分开启状态。

如图6所示，储罐负极内腔9内设有负极电解液输出管道91、负极电解液输入管道95、压力回收管92和负极喷射口93，负极电解液输出管道91与负极电解液出口74连接，负极电解液输入管道95的一端与负极电解液入口75连接，另一端通过压力回收管92与负极喷射口93连接。

在储罐负极内腔9内，负极电解液由负极电解液输送管道91被抽取至换热器2内，发生热交换后进入电堆1内，在电堆1内发生电化学反应后，负极电解液由负极电解液入口75和负极电解液输入管道95回到储罐负极内腔9内。在出口处进入压力回收管92回收压力传动至负极喷射口93，负极喷射口93产生水平驱动力，推动负极电解液在储罐正极内腔内流动，使电解液充分混匀，无浓度和温度的梯度。同时回流的负极电解液从负极喷射口93中流出。

如图7所示，负极喷射口93上设有负极螺旋桨94。储罐正极内腔8与储罐负极内腔9由正负极隔板10隔开。负极电解液由负极电解液入口75回到储罐负极内腔9内。在出口处进入压力回收管92回收压力传动至负极喷射口93，由负极螺旋桨94作用，推动负极电解液流动。

如图8所示，正极喷射口84上设有正极螺旋桨88。正极电解液由正极电解液入口76回到储罐正极内腔8内。在出口处进入压力回收管86回收压力传动至正极喷射口84，由正极螺旋桨88作用，推动正极电解液流动。

如图9所示，在储罐正极内腔8中，正极喷射口84产生推动力，使正极电解液在储罐正极内腔8流动。在储罐负极内腔9中，负极喷射口93产生推动力，使负极电解液在储罐负极内腔9流动。图中箭头为电解液流动的示意。

正负极隔板10把正负极电解液隔开。由于负极电解液粘度相对低，流动阻力小，因此在负极循环系统中有换热结构，以降低液流电池系统的热量累积。而正极电解液因为粘度高，流动阻力大，腐蚀性强，且为多相混合溶液，因此集成换热结构在实际操作中有许多困单，正极电解液再循环过程中，随着热量的累积而温度上升，使得另一个电堆效率降低，同时使系统中的溴分压上升，使电池容量下降，系统稳定性下降。本方案中，利用正负极电解液的温差，在正负极隔板10两侧发生换热，使得系统温度保持稳定。

Claims (7)

1.一种液流电池系统的液流电池储罐，其特征在于：包括一体化储罐（7）、正负极隔板（10）、储罐正极内腔（8）和储罐负极内腔（9），一体化储罐（7）的内部被正负极隔板（10）分为储罐正极内腔（8）和储罐负极内腔（9）两部分；储罐正极内腔（8）的顶部设有“L”形正极突台（71）和正极电解液出口（73），“L”形正极突台（71）上设有正极电解液入口（76），储罐负极内腔（9）的顶部设有“L”形负极突台（72）和负极电解液出口（74），“L”形负极突台（72）上设有负极电解液入口（75）。

2.根据权利要求1所述的一种液流电池系统的液流电池储罐，其特征在于：储罐正极内腔（8）内设有正极电解液输出管道（81）、正极电解液输入管道（85）、压力回收管（86）和正极喷射口（84），正极电解液输出管道（81）的一端与正极电解液出口（73）连接，另一端上设有有机相计量阀（82）和水相计量阀（83）；正极电解液输入管道（85）的一端与正极电解液入口（76）连接，另一端通过压力回收管（86）与正极喷射口（84）连接。

3.根据权利要求2所述的一种液流电池系统的液流电池储罐，其特征在于：储罐正极内腔（8）的底部设有斜坡（87），储罐正极内腔（8）内设有有机相计量阀（82）的一侧低于另一侧。

4.根据权利要求2所述的一种液流电池系统的液流电池储罐，其特征在于：正极喷射口（84）上设有正极螺旋桨（88）。

5.根据权利要求1所述的一种液流电池系统的液流电池储罐，其特征在于：储罐负极内腔（9）内设有负极电解液输出管道（91）、负极电解液输入管道（95）、压力回收管（92）和负极喷射口（93），负极电解液输出管道（91）与负极电解液出口（74）连接，负极电解液输入管道（95）的一端与负极电解液入口（75）连接，另一端通过压力回收管（92）与负极喷射口（93）连接。

6.根据权利要求5所述的一种液流电池系统的液流电池储罐，其特征在于：负极喷射口（93）上设有负极螺旋桨（94）。

7.根据权利要求1所述的一种液流电池系统的液流电池储罐，其特征在于：一体化储罐（7）的形状为长方体。

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