CN102721578A

CN102721578A - 一种液流电池电解液在线取样装置

Info

Publication number: CN102721578A
Application number: CN2012101990673A
Authority: CN
Inventors: 王保国; 宋士强; 刘云; 陈晓; 刘宗煜
Original assignee: CHENGDE WANLITONG INDUSTRIAL GROUP Co Ltd; Tsinghua University
Current assignee: CHENGDE WANLITONG INDUSTRIAL GROUP Co Ltd; Tsinghua University
Priority date: 2012-06-14
Filing date: 2012-06-14
Publication date: 2012-10-10

Abstract

本发明属于在线取样实验装置技术领域，特别涉及一种液流电池电解液在线取样装置。该装置包括取样器、旁路进口球阀、旁路出口球阀和主路球阀。在液流电池电解液输送管路中，设置内含取样器的旁路管道。该取样器与管路连接部位采用阶梯孔结构，保证取样过程中取样器内无积液。取样器取样孔为阶梯孔，上端为开有内螺纹的大孔，密封盖为外螺纹接头，取样器与密封盖之间通过添加一弹性垫圈固定密封。该取样装置在取样过程中通过调节管路阀门，采用注射器在取样孔取样，取样过程简单、快捷，排除了取样过程中外界环境的影响。本装置结构简单，实现了液流电池电解液的在线取样。

Description

一种液流电池电解液在线取样装置

技术领域

本发明属于在线取样实验装置技术领域，特别涉及一种液流电池电解液在线取样装置。

背景技术

氧化还原液流电池（RFB，Redox-Flow Battery），简称液流电池，是指电池正、负极活性物质主要存在于电解液中，且分别装在两个储液罐中，通过送液泵循环流过电池，电池内的正、负极电解液由离子交换膜隔开的电池装置。与抽水蓄能和压缩空气储能相比，液流电池不受地理环境的限制，具有较高的效率、很长的理论循环寿命，易于规模放大和运行，且维修成本较低，可用于电网调峰和可再生能源（风能、太阳能）大规模蓄电储能等方面。在液流电池充、放电过程中，电解液中的活性物质离子在惰性电极表面发生价态的变化，其反应可表示为：

离子交换膜分开的阴、阳两室中的离子可以为不同元素的离子（如Cr²⁺和Fe³⁺），也可以为相同元素的不同价态的离子（如V³⁺和V⁵⁺），研究较多的液流电池体系有：多硫化钠/溴体系、全钒体系、钒/溴体系和铁/铬体系。离子交换膜是液流电池的关键组件之一，目的是防止电活性物质的相互渗透，但又能使H⁺通过，从而形成导电回路。目前液流电池所采用的商业化离子交换膜的选择性较差，电池运行过程中一侧的活性物质离子会渗透过膜，发生交叉污染，影响液流电池的正常稳定运行。因此有必要建立一种简便、有效的液流电池电解液在线取样装置，以便实时分析电解液中活性物质的迁移变化。

目前液流电池电解液取样基本是在电池停止运行时，从储罐中取样，然后再对电解液活性物质进行分析和检测，无法实现活性物质的实时在线分析；取样过程完全在敞开环境下进行，由于活性物质易于被空气氧化，导致实验结果不准确；同时大容量的液流电池储罐也增加了取样的难度。

中国专利申请号201110053471.5公开的技术是，在全钒液流电池正、负极储液罐的进液口各引出一支路，在支路上安装微量进样控制器进行取样，通过电位滴定仪对电解液中钒离子浓度进行滴定。该专利技术基本上实现了液流电池电解液中活性物质的在线取样，但存在的问题是：引出的支路与主管路连通，如果支路发生泄露或者密封不严，将会导致电解液泄露；支路为单向流动，容易产生积液，导致取样不准确。

发明内容

针对现有技术不足，为在封闭条件下，对液流电池运行过程中电解液进行在线取样，避免外界环境对取样的干扰，实现电解液实时监测和分析，确保在取样过程中电解液不会发生泄露等安全事故，本发明提供了一种液流电池电解液在线取样装置。

一种液流电池电解液在线取样装置包括取样器、旁路进口球阀、旁路出口球阀和主路球阀；

其中取样器中部设置有取样孔，取样孔为阶梯孔结构，其上部为取样孔上部大孔，下部为取样孔下部小孔；取样孔上部大孔的上部设置有内螺纹，底部设置有弹性垫圈；取样孔下部小孔下端连接取样器内管，取样器内管的两端分别连接取样器外管；

弹性垫圈上设置有外螺纹密封盖；取样器的4个角上分别设置有1个定位孔；取样器的左右两端分别与旁路进口球阀和旁路出口球阀相连；旁路进口球阀、取样器和旁路出口球阀所构成的旁路管路与主路球阀管路并联。

取样器的材质为有机玻璃、聚氯乙烯或聚丙烯材料。

弹性垫圈的材料为硅橡胶、丁腈橡胶或聚氨酯材料。

取样孔下部小孔孔径是取样器内管管径的80%～100%；取样孔上部大孔孔径是取样孔下部小孔孔径的120%～150%。

取样器与旁路管路的连接部位采用阶梯孔结构，保证取样过程中取样器内无积液。

旁路管路与阶梯孔结构尺寸为：旁路管路采用公称直径为10 mm～30mm的管件，取样器内管孔径为连接管件公称直径的80%～95%，取样器外管孔径为连接管件的外径。

本发明的效果为：

本发明采用在线旁路，可以实现液流电池电解液的在线取样；取样器采用阶梯孔与旁路管路连接，确保取样器内无积液；取样器和密封盖之间添加弹性垫圈固定密封，通过注射器在取样孔取样，排除了取样过程中外界环境的影响；在取样过程中，通过调节管路阀门，取样过程简单、快捷。

附图说明

图1是一种液流电池电解液在线取样装置的结构示意图。

图2是一种液流电池电解液在线取样装置的取样器结构剖视图。

图中标号：1-取样器；2-外螺纹密封盖；3-弹性垫圈；4-取样孔；5-定位孔；6-旁路进口球阀；7-旁路出口球阀；8-主路球阀；9-取样孔上部大孔；10-取样孔下部小孔；11-取样器内管；12-取样器外管。

具体实施方式

本发明提供了一种液流电池电解液在线取样装置，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

取样器材质为有机玻璃，其长、宽、高分别为100mm、70mm、70mm；取样孔上部大孔为公称直径25mm的内螺纹孔，下部小孔孔径12mm；密封盖为公称直径DN25的外螺纹接头，弹性垫圈为直径16mm的硅橡胶制成；取样器内管直径13mm，取样器外管直径20mm，定位孔为直径8.4mm的通孔。

以本发明进行取样时，首先检查取样器1与外螺纹密封盖2之间是否有外部弹性垫圈3，确保取样器1完全处于密封状态；然后将主路球阀8流量调低，依次开启旁路进口球阀6和旁路出口球阀7，采用注射器在取样孔4取样；取样完毕，关闭旁路进口球阀6和旁路出口球阀7，调节主路球阀8至初始状态。在取样过程中电池始终处于运行状态，电解液未与空气接触，有效避免了活性物质的氧化，实现了液流电池电解液的在线取样。

在全钒液流电池充放电运行过程中，采用本发明分别在充电结束和放电结束时进行取样，采用电位滴定仪测定电解液中各价态钒离子浓度，具体步骤如下：

（1）分别配制0.1 mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液、0.02 mol·L^-1 K₂Cr₂O₇标准溶液、3 g·L^-1 KMnO₄溶液，质量分数为10 %的尿素溶液、8 g·L^-1NaNO₂溶液、2 mol·L^-1 H₂SO₄溶液、质量分数为30%的磷酸溶液。

（2）用0.02 mol·L^-1 K₂Cr₂O₇标准溶液标定Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标液：移取3 mL Fe(NH₄)₂(SO₄)₂溶液，加入2 mol/L H₂SO₄溶液和30%磷酸溶液各10 mL，搅匀，冷却，用0.02 mol·L^-1 K₂Cr₂O₇标准溶液进行滴定，由6CK₂Cr₂O₇×VK₂Cr₂O₇=CFe(NH₄)₂(SO₄)₂× VFe(NH₄)₂(SO₄)₂计算得到Fe(NH₄)₂(SO₄)₂的浓度。

（3）总钒离子浓度测定

采用本发明分别在充电结束和放电结束时，取待测钒电解液 V mL于烧杯中，依次加入适量水、磷酸溶液，进行搅拌，滴加高锰酸钾溶液至过量，5 min后不退色，加入一定量尿素溶液，滴加亚硝酸钠溶液至红色退去，呈亮黄色，然后用硫酸亚铁铵标准溶液进行滴定，记录消耗硫酸亚铁铵溶液的体积V₁ mL，则电解液的总钒离子浓度为：

，

其反应原理为：V(Ⅴ) + Fe (Ⅱ) →V(Ⅳ) + Fe (Ⅲ)。

（4）V⁵⁺溶液浓度的测定

采用本发明分别在充电结束或放电结束时，取待测钒电解液V mL于烧杯中，搅拌中依次加入适量水、浓磷酸后进行滴定，终点后记下消耗硫酸亚铁铵溶液的体积V₀ mL，则V⁵⁺的浓度为：

。

（5）V²⁺溶液浓度的测定

在烧杯中加入定量的V⁵⁺溶液V’ mL，搅拌中依次加入适量水、浓磷酸后，采用本发明在充电结束或放电结束时，取待测钒电解液V mL于烧杯中，应用电位滴定仪进行测定，记下消耗硫酸亚铁铵溶液的体积V₃mL，则电解液中二价钒的浓度为：

，

其反应原理为：

V(Ⅴ) + V(Ⅲ) →V(Ⅳ)，

V(Ⅴ) + V(Ⅱ)→ V(Ⅳ)，

V(Ⅴ) + Fe (Ⅱ) →V(Ⅳ) + Fe (Ⅲ)。

（6）实验结果如表1所示

表1实验结果记录表

Claims

1.一种液流电池电解液在线取样装置，其特征在于：所述液流电池电解液在线取样装置包括取样器（1）、旁路进口球阀（6）、旁路出口球阀（7）和主路球阀（8）；

其中取样器（1）中部设置有取样孔（4），取样孔（4）为阶梯孔结构，其上部为取样孔上部大孔（9），下部为取样孔下部小孔（10）；取样孔上部大孔（9）的上部设置有内螺纹，底部设置有弹性垫圈（3）；取样孔下部小孔（10）下端连接取样器内管（11），取样器内管（11）的两端分别连接取样器外管（12）；

所述弹性垫圈（3）上设置有外螺纹密封盖（2）；取样器（1）的4个角上分别设置有1个定位孔（5）；取样器（1）的左右两端分别与旁路进口球阀（6）和旁路出口球阀（7）相连；旁路进口球阀（6）、取样器（1）和旁路出口球阀（7）所构成的旁路管路与主路球阀（8）管路并联。

2.根据权利要求1所述的一种液流电池电解液在线取样装置，其特征在于：所述取样器（1）的材质为有机玻璃、聚氯乙烯或聚丙烯材料。

3.根据权利要求1所述的一种液流电池电解液在线取样装置，其特征在于：所述弹性垫圈（3）的材料为硅橡胶、丁腈橡胶或聚氨酯材料。

4.根据权利要求1所述的一种液流电池电解液在线取样装置，其特征在于：所述取样孔下部小孔（10）孔径是取样器内管（11）管径的80%～100%；取样孔上部大孔（10）孔径是取样孔下部小孔（10）孔径的120%～150%。

5.根据权利要求1所述的一种液流电池电解液在线取样装置，其特征在于：所述取样器（1）与旁路管路的连接部位采用阶梯孔结构。

6.根据权利要求5所述的一种液流电池电解液在线取样装置，其特征在于：所述旁路管路与阶梯孔结构尺寸为：旁路管路采用公称直径为10mm～30 mm的管件，取样器内管（11）孔径为连接管件公称直径的80%～95%，取样器外管（12）孔径为连接管件的外径。