CN108232269A - 一种钒电池的电解液循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种钒电池的电解液循环系统，其包括正极电解液储存罐、负极电解液储存罐、电池堆、输送管路、及开关装置，正极电检液储存罐内设有四价钒储存腔和五价钒储存腔，负极电检液储存罐内设有二价钒储存腔和三价钒储存腔，电池堆内设有离子交换膜，离子交换膜将电池堆分隔为正极电池堆及负极电池堆；正极电解液储存罐、负极电解液储存罐、及电池堆通过输送管路先连通，开关装置设置在输送管路上，用于控制五价钒/四价钒、三价钒/二价钒的流入及流出。本发明的钒电池的电解液循环系统，四价钒与五价钒，三价钒及二价的浓度增加，放电及充电反应更加充分，充电及放电的速度加快的钒电池的电解液循环系统。

Description

一种钒电池的电解液循环系统

技术领域

本发明属于钒电池技术领域，具体涉及一种钒电池的电解液循环系统。

背景技术

钒电池为全钒氧化还原液流电池，是一种活性物质呈循环流动液态的氧化还原电池。钒电池作为一种新兴的清洁能源存储装置，具有功率大、寿命长、支持频繁大电流充放电、绿色无污染等优势。

全钒氧化还原液流电池的化学能与电能相互转化的原理为：电解液由正极电解液、负极电解液组成，分别储存在相应的储存罐内，正极电解液、负极电解液和电堆相互独立。电解液中的活性物质为不同价态的钒，负极电解液含有二价、三价钒溶液，正极电检液含有四价、五价钒溶液。电池工作时，电解液有电解液循环系统输送，并在电池堆3和电解液储存罐之间循环流动；正极电解液及负极电检液在电堆内部由离子交换膜分隔开，分别在正、负极上进行电学反应，实现电能和化学能的转换。充电时负极电解液中的三价钒转换为二价钒，正极电解液中的四价钒转换为五价钒，同时吸收外部负载电源的电能；放电时负极电解液中二价钒转换为三价钒，正极电解液中五价钒转换为四价钒，同时放出储存的电流。

目前，现有的钒电池的电解液循环系统中，充电及放电时产生的四价钒及五价钒混合在正极电解液储存罐中，二价钒及三价钒混合在负极电解液储存罐内。混合的电解液在电池堆内进行电学反应时，一部分电解液不参与反应，使得反应不够充分，增加了充电/放电的时间。

同时，现有钒电池正极电解液中的五价钒在静置或温度高于45℃的情况下易析出五氧化二钒沉淀，析出的沉淀堵塞流道，包覆碳毡纤维，恶化电堆性能，直至电堆报废，而电堆在长时间运行过程中电解液温度很容易超过45℃。正极电解液中析出的五氧化二钒，是一种剧毒化学品，接触或是吸入会对人体健康带来危害。

因此，需要一种钒电池的电解液循环系统解决现有技术的缺陷。

发明内容

为克服现有技术的缺陷，本发明提供了一种四价钒与五价钒，三价钒及二价钒的浓度增加，放电及充电反应更加充分，充电及放电的速度加快的钒电池的电解液循环系统。

一种钒电池的电解液循环系统，包括正极电解液储存罐、负极电解液储存罐、电池堆、输送管路、及开关装置，所述正极电检液储存罐内设有四价钒储存腔和五价钒储存腔，所述四价钒储存腔上设有第一排气口、第一进液口及第二出液口，所述五价钒储存腔设有第二出液口，第二排气口及第二进液口；所述负极电检液储存罐内设有二价钒储存腔和三价钒储存腔，所述二价钒储存腔设有第三出液口，第三排气口及第三进液口，所述三价钒储存腔设有第四出液口，第四排气口及第四进液口；所述电池堆内设有离子交换膜，所述离子交换膜将所述电池堆分隔为正极电池堆及负极电池堆，所述正极电池堆的设有第五进液口及第五出液口，所述负极电池堆设有第六进液口及第六出液口；所述第一出液口、第一出液口及第五进液口通过输送管路相连通，所述第一进液口、第二进液口及第五出液口通过输送管路相连通，所述第三出液口、第四出液口及第六进液口通过输送管路相连通，所述第三进液口、第四进液口及第六出液口通过输送管路相连通；所述开关装置设置在输送管路上，所述开关装置为四组，用于控制五价钒/四价钒、三价钒/二价钒的流入及流出。

为进一步实现本发明，所述输送管路包括第一主管路、第二主管路、第三主管路、第四主管路及与第一主管路相连通的第一分支管路、第二分支管路，与第二主管路相连通的第三分支管路、第四分支管路，与第三主管路相连通的第五分支管路、第六分支管路，与第四主管路相连通的第七分支管路、第八分支管路；所述第一分支管路的一端与第一出液口相连通，所述第二分支管路的一端与第二出液口相连通，所述第一主管路的一端与第五进液口相连通，所述第一主管路的另一端与第一分支管路、第二分支管路相连通；所述第三分支管路的一端与第一进液口相连通，所述第四分支管路的一端与第二进液口相连通，所述第二主管路的一端与第五出液口相连通，所述第二主管路的另一端与第三分支管路、第四分支管路相连通；所述第五分支管路的一端与第三出液口相连通，所述第六分支管路的一端与第四出液口相连通，所述第三主管路的一端与第六进液口相连通，所述第三主管路的另一端与第五分支管路、第六分支管路相连通；所述第七分支管路的一端与第三进液口相连通，所述第八分支管路的一端与第四进液口相连通，所述第四主管路的一端与第六出液口相连通，所述第四主管路的另一端与第七分支管路、第八分支管路相连通。

为进一步实现本发明，还包括防腐蚀泵，所述防腐蚀泵的数量设置为两个，所述防腐蚀泵分别设置在第一主管路及第三主管路上。

为进一步实现本发明，所述开关装置为三通阀，所述三通阀的数量设置为四个，所述第一主管路与第一分支管路、第二分支管路的连接处设有所述三通阀；所述第二主管路与第三分支管路、第四分支管路的连接处设有所述三通阀；所述第三主管路与第五分支管路、第六分支管路的连接处设有所述三通阀；所述第四主管路与第七分支管路、第八分支管路的连接处设有所述三通阀。

为进一步实现本发明，所述开关装置为电磁阀，所述电磁阀的数量设置为八个，所述电磁阀分别设置在第一进液口、第二进液口、第三进液口、第四进液口、第一出液口、第二出液口、第三出液口、第四出液口的开口处。

为进一步实现本发明，还包括搅拌装置，所述搅拌装置设置在正极电解液储存罐上，所述搅拌装置包括驱动电机、变速器、轴封、转轴、及框式搅拌桨，所述驱动电机通过机架设置在五价钒储存腔的顶部，所述变速器设置在驱动装置的下端，所述变速器与驱动装置的输出轴相连接，所述变速器的下端与转轴的上端相连接，所述转轴的下端穿正极电解液储存罐延伸至五价钒储存腔内，所述转轴与正极电解液储存罐顶部的连接处设有轴封，所述框式搅拌桨设置在转轴的下端。

本发明的有益效果：

1)本发明的钒电池的电解液循环系统，包括正极电解液储存罐、负极电解液储存罐、电池堆、输送管路、及开关装置，正极电检液储存罐内设有四价钒储存腔和五价钒储存腔，负极电检液储存罐内设有二价钒储存腔和三价钒储存腔；充电时，四价钒进入电池堆发生电学反应后，生成五价钒进入五价钒储存腔，三价钒进入电池堆发生电学反应后生成二价钒进入二价钒储存腔；放电时，五价钒转换为四价钒进入四价钒储存腔，二价钒转换为三价钒进入三价钒储存腔内。如此循环往复，使得四价钒与五价钒，三价钒及二价钒的浓度增加，放电及充电时反应更加充分，有效加快了充电及放电的速度。

2)本发明的钒电池的电解液循环系统，还包括防腐蚀泵，所述防腐蚀泵的数量设置为两个，所述防腐蚀泵分别设置在第一主管路及第三主管路上；正常情况下正极电解液储存罐、负极电解液储存罐内的电解液可依靠自身重力流出罐体，实现电解液的循环，当罐体内的压力不足或电解液的流速较慢时，打开防腐蚀泵有利于加快电解液循环的速度，加快了钒电池充电及放电的速度。

3)本发明的钒电池的电解液循环系统，还包括搅拌装置，搅拌装置设置在正极电解液储存罐上，搅拌装置包括驱动电机、变速器、轴封、转轴、及框式搅拌桨。搅拌装置可以有效避免五价钒储存罐内电解液的长时间静置或温度过高，避免了五氧化二钒的析出。

附图说明

图1是本发明的钒电池的电解液循环系统的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体方式进行阐释，本发明的实施方向以图1的方向为标准。

如图1所示，本发明的一种钒电池的电解液循环系统，包括正极电解液储存罐1、负极电解液储存罐2、电池堆3、输送管路4、防腐蚀泵5、开关装置6及搅拌装置7，其中：

正极电解液储存罐1用于储放含有四价钒及五价钒的正极电解液。正极电检液储存罐呈纵向设置，正极电检液储存罐内设有左右两个体积相同的密封空腔，分别为四价钒储存腔11和五价钒储存腔12。四价钒储存腔11用于储存含有四价钒的电解液，四价钒储存腔11的底端设有第一出液口111，四价钒储存腔11的顶端设有第一排气口及第一进液口112。五价钒储存腔12用于储存含有五价钒的电解液，五价钒储存腔12的底端设有第二出液口121，五价钒储存腔12的顶端设有第二排气口及第二进液口122。

负极电解液储存罐2用于储放含有二价钒及三价钒的负极电解液。负极电检液储存罐呈纵向设置，负极电检液储存罐设置在正极电检液储存罐的一侧。负极电检液储存罐内设有左右两个体积相同的密封空腔，分别为二价钒储存腔21和三价钒储存腔22。二价钒储存腔21用于储存含有二价钒的电解液，二价钒储存腔21的底端设有第三出液口211，二价钒储存腔21的顶端设有第三排气口及第三进液口212。三价钒储存腔22用于储存含有三价钒的电解液，三价钒储存腔22的底端设有第四出液口221，三价钒储存腔22的顶端设有第四排气口及第四进液口222。

电池堆3用于实现电能和化学能的转换，决定了钒液流电流的工作效率。电池堆3设置在正极电解液储存罐1与负极电解液储存罐2之间，电池堆3内纵向设置有离子交换膜，将电池堆3分隔为左右两个体积相同的密封空腔，分别为正极电池堆31及负极电池堆32。其中，正极电池堆31内设有正极石墨毡，正极石墨毡与电池堆3外部的AC/DC转换器连接，正极石墨毡用于正极电解液进行电学反应，实现电能与化学能的转换；正极电池堆31的底部设有第五进液口312，正极反应堆的顶部设有第五出液口311。负极电池堆32内设有负极石墨毡，负极石墨毡与电池堆3外部的AC/DC转换器连接，负极石墨毡用于负极电解液进行电学反应，实现电能与化学能的转换；负极电池堆32的底部设有第六进液口322，负极反应堆的顶部设有第六出液口321。

输送管路4用于连接正极电解液储存罐1、负极电解液储存罐2及电池堆3，实现电解液在正极电解液储存罐1、负极电解液储存罐2及电池堆3之间的循环。输送管路4包括第一主管路41、第二主管路42、第三主管路43、第四主管路44及与第一主管路41相连通的第一分支管路401、第二分支管路402，与第二主管路42相连通的第三分支管路403、第四分支管路404，与第三主管路43相连通的第五分支管路405、第六分支管路406，与第四主管路44相连通的第七分支管路407、第八分支管路408。

其中，第一分支管路401的一端与四价钒储存腔11的第一出液口111相连通，第二分支管路402的一端与五价钒储存腔12的第二出液口121相连通，第一主管路41的一端与正极电池堆31的第五进液口312相连通，第一主管路41的另一端与第一分支管路401、第二分支管路402相连通。第三分支管路403的一端与四价钒储存腔11的第一进液口112相连通，第四分支管路404的一端与五价钒储存腔12的第二进液口122相连通，第二主管路42的一端与正极电池堆31的第五出液口311相连通，第二主管路42的另一端与第三分支管路403、第四分支管路404相连通。第五分支管路405的一端与二价钒储存腔21的第三出液口211相连通，第六分支管路406的一端与三价钒储存腔22的第四出液口221相连通，第三主管路43的一端与负极电池堆32的第六进液口322相连通，第三主管路43的另一端与第五分支管路405、第六分支管路406相连通。第七分支管路407的一端与二价钒储存腔21的第三进液口212相连通，第八分支管路408的一端与三价钒储存腔22的第四进液口222相连通，第四主管路44的一端与负极电池堆32的第六出液口321相连通，第四主管路44的另一端与第七分支管路407、第八分支管路408相连通。

开关装置6设置在输送管路4上，用于控制四价钒/五价钒、三价钒/二价钒的流出及流入。开关装置可以为三通阀，该三通阀的数量设置为四个，分别设置在第一主管路41与第一分支管路401、第二分支管路402的连接处，用于切换第一分支管路401/第二分支管路402与第一主管路41的连通，使得正极电解液储存罐1内的四价钒/五价钒留入电池堆3内；第二主管路42与第三分支管路403、第四分支管路404的连接处，用于切换第三分支管路403/第四分支管路404与第二主管路42的连通，使得正极电池堆31内的液体流入四价钒储存腔11/五价钒储存腔12内；第三主管路43与第五分支管路405、第六分支管路406的连接处，用于切换第五分支管路405/第六分支管路406与第三主管路43的连通，使得二价钒/三价钒流入电池堆3内；第四主管路44与第七分支管路407、第八分支管路408的连接处，用于切换第七分支管路407/第八分支管路408与第四主管路44的连通，使得负极电池堆32内的液体流入二价钒储存腔21/三价钒储存腔22内。该开关装置还可以为电磁阀，该电磁阀的数量为8个，分别设置在第一进液口、第二进液口、第三进液口、第四进液口、第一出液口、第二出液口、第三出液口、第四出液口的开口处。

防腐蚀泵5的数量设置为两个，分别设置在第一主管路41及第三主管路43上，用于加快正极电解液储存罐1及负极电解液储存罐2内的液体流出流速。

搅拌装置7设置在正极电解液储存罐1上，搅拌装置7包括驱动电机、变速器、轴封、转轴、及框式搅拌桨。驱动电机通过机架设置在五价钒储存腔12的顶部，驱动电机用于带动搅拌装置7进行转动，驱动装置采用现有技术实现；变速器设置在驱动装置的下端，变速器与驱动装置的输出轴相连接，变速器的下端与转轴的上端相连接，驱动装置通过变速器带动转轴旋转；转轴的下端穿正极电解液储存罐延伸至五价钒储存腔12内，转轴与正极电解液储存罐顶部的连接处设有轴封，框式搅拌桨设置在转轴的下端。

充电时，正极电解液储存罐1内的四价钒从第一分支管路401、第一主管路41进入正极电池堆31，负极电解液储存罐2内的三价钒从第六分支管路406、第三主管路43进入负极电池堆32；四价钒、三价钒分别在正极电池堆31、负极电池堆32内进行电学反应，四价钒转化为五价钒，三价钒转化为二价钒；正极电池堆31内的五价钒通过第二主管路42、第四分支管路404进入正极电解液储存罐1内的五价钒储存腔12内，负极电池堆32内的二价钒通过第四主管路44、第七分支管路407进入负极电解液储存罐2内的二价钒储存腔21。

放电时，正极电解液储存罐1内的五价钒从第二分支管路402、第一主管路41进入正极电池堆31，负极电解液储存罐2内的二价钒从第五分支管路405、第三主管路43进入负极电池堆32，五价钒、二价钒分别在正价电池堆3、负极电池堆32内进行电学反应，五价钒转化为四价钒、二价钒转化为三价钒；正极电池堆31内的四价钒通过第二主管路42、第三分支管路403进入正极电解液储存罐1的四价钒储存腔11内，负极电池堆32内的三价钒通过第四主管路44、第八分支管路408进入负极电解液储存罐2内的三价钒储存腔22。如此循环往复，实现钒电池的充电机放电的功能。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部微小的结构改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。

Claims (6)

1.一种钒电池的电解液循环系统，包括正极电解液储存罐、负极电解液储存罐、电池堆、输送管路、及开关装置，其特征在于，所述正极电检液储存罐内设有四价钒储存腔和五价钒储存腔，所述四价钒储存腔上设有第一排气口、第一进液口及第一出液口，所述五价钒储存腔设有第二出液口，第二排气口及第二进液口；所述负极电检液储存罐内设有二价钒储存腔和三价钒储存腔，所述二价钒储存腔设有第三出液口，第三排气口及第三进液口，所述三价钒储存腔设有第四出液口，第四排气口及第四进液口；所述电池堆内设有离子交换膜，所述离子交换膜将所述电池堆分隔为正极电池堆及负极电池堆，所述正极电池堆的设有第五进液口及第五出液口，所述负极电池堆设有第六进液口及第六出液口；所述第一出液口、第二出液口及第五进液口通过输送管路相连通，所述第一进液口、第二进液口及第五出液口通过输送管路相连通，所述第三出液口、第四出液口及第六进液口通过输送管路相连通，所述第三进液口、第四进液口及第六出液口通过输送管路相连通；所述开关装置设置在输送管路上，所述开关装置为四组，用于控制五价钒/四价钒、三价钒/二价钒的流入及流出。

2.根据权利要求1所述的钒电池的电解液循环系统，其特征在于，所述输送管路包括第一主管路、第二主管路、第三主管路、第四主管路及与第一主管路相连通的第一分支管路、第二分支管路，与第二主管路相连通的第三分支管路、第四分支管路，与第三主管路相连通的第五分支管路、第六分支管路，与第四主管路相连通的第七分支管路、第八分支管路；所述第一分支管路的一端与第一出液口相连通，所述第二分支管路的一端与第二出液口相连通，所述第一主管路的一端与第五进液口相连通，所述第一主管路的另一端与第一分支管路、第二分支管路相连通；所述第三分支管路的一端与第一进液口相连通，所述第四分支管路的一端与第二进液口相连通，所述第二主管路的一端与第五出液口相连通，所述第二主管路的另一端与第三分支管路、第四分支管路相连通；所述第五分支管路的一端与第三出液口相连通，所述第六分支管路的一端与第四出液口相连通，所述第三主管路的一端与第六进液口相连通，所述第三主管路的另一端与第五分支管路、第六分支管路相连通；所述第七分支管路的一端与第三进液口相连通，所述第八分支管路的一端与第四进液口相连通，所述第四主管路的一端与第六出液口相连通，所述第四主管路的另一端与第七分支管路、第八分支管路相连通。

3.根据权利要求2所述的钒电池的电解液循环系统，其特征在于，还包括防腐蚀泵，所述防腐蚀泵的数量设置为两个，所述防腐蚀泵分别设置在第一主管路及第三主管路上。

4.根据权利要求2所述的钒电池的电解液循环系统，其特征在于，所述开关装置为三通阀，所述三通阀的数量设置为四个，所述第一主管路与第一分支管路、第二分支管路的连接处设有所述三通阀；所述第二主管路与第三分支管路、第四分支管路的连接处设有所述三通阀；所述第三主管路与第五分支管路、第六分支管路的连接处设有所述三通阀；所述第四主管路与第七分支管路、第八分支管路的连接处设有所述三通阀。

5.根据权利要求2所述的钒电池的电解液循环系统，其特征在于，所述开关装置为电磁阀，所述电磁阀的数量设置为八个，所述电磁阀分别设置在第一进液口、第二进液口、第三进液口、第四进液口、第一出液口、第二出液口、第三出液口、第四出液口的开口处。

6.根据权利要求1-5任一所述的钒电池的电解液循环系统，其特征在于，还包括搅拌装置，所述搅拌装置设置在正极电解液储存罐上，所述搅拌装置包括驱动电机、变速器、轴封、转轴、及框式搅拌桨，所述驱动电机通过机架设置在五价钒储存腔的顶部，所述变速器设置在驱动装置的下端，所述变速器与驱动装置的输出轴相连接，所述变速器的下端与转轴的上端相连接，所述转轴的下端穿正极电解液储存罐延伸至五价钒储存腔内，所述转轴与正极电解液储存罐顶部的连接处设有轴封，所述框式搅拌桨设置在转轴的下端。