CN109546183A - 一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统及其方法，该调平共混系统，包括正极储液罐、负极储液罐以及电堆，正极储液罐与电堆连接并向电堆输送正极电解液，负极储液罐与电堆连接并向电堆输送负极电解液；电堆通过第五管道和第六管道分别与正极储液罐和负极储液罐连接；正极储液罐通过在第一管道上开设的支路第三管道与共混管连接，负极储液罐通过在第二管道开设的支路第四管道与共混管连接，共混管分别通过第七管道和第八管道与正极储液罐和负极储液罐连接。本发明提供的调平共混系统及其方法，避免了正负极电解液的长期接触，从而减少自放电容量损失，实现系统的容量恢复，保障电解液容量不衰减。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池领域，尤其涉及一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统及其方法。
背景技术
全钒液流电池是一种技术较为年轻的新型储能电池，特别适用于大容量储能的应用场合，其基本原理为：将具有不同价态的钒离子溶液正极VO2+/VO2+、负极V2+/V3+分别储存正极和负极电解液储罐中，通过外接泵单独向电池模块提供正、负极电解液，正负极电解液在电池内部由隔膜隔开，在发生氧化还原反应后，各自返回储罐，如此不断循环，完成电能与化学能的相互转换。
在实际运行中，离子膜上的钒离子与水分子穿透不可避免，将导致正、负极两侧储液罐内电解液液位不平衡、钒离子总浓度不相等、钒离子综合价态不匹配等后果，这些问题将与电池内的副反应一起共同导致电解液容量的衰减；在实际运行中，需采用技术手段定期完成正、负极电解液的调平，避免正负极电解液体积偏差过大，影响安全运行；同时需定期进行共混维护，保持正极与负极电解液的钒离子浓度相当。
美国专利US 6764789提出了两种方法，第一种方法是在若干次充放电循环后，将液面升高的正极或负极电解液用泵抽到液面降低的负极或正极电解液中，实现液位调平；第二种方法是在正极和负极电解液储罐之间设置溢流管，当正负极电解液液位差达到初始设定值时，一方电解液通过溢流管流向另一方，保障液位差不会超高设定初始值；美国专利US 20110300417提出了正负极电解液储罐连通的方法，长时间保持液位的平衡，但无论是哪种方法，钒电池系统长期运行时，离子膜上的钒离子与水分子的穿透将导致正负极电解液体积与浓度不平衡，从而降低系统的可用容量，当达到一定的程度时，系统将无法进行充放电；上述两者专利主要解决的问题是：当正负极电解液体积偏差达到一定程度时，通过输送泵、溢流管或连通管以达到液位调平的效果，可以调整正极与负极的电解液体积，但对于浓度的调整作用并不明显；同时，长时间保持正极和负极电解液的连通，会造成漏电的产生，导致系统的整体效率与容量下降。
综上，现有电解液的调平共混系统普遍存在以下问题：1.对于浓度的调整作用不明显；2.会造成漏电的产生，导致系统的整体效率与容量下降。
因此，针对现有电解液的调平共混系统对于浓度的调整作用不明显以及会造成漏电的产生，导致系统的整体效率与容量下降等问题，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明为解决现有电解液的调平共混系统对于浓度的调整作用不明显以及会造成漏电的产生，导致系统的整体效率与容量下降等问题，提供了全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统及其方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的第一个方面是提供了一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，包括正极储液罐、负极储液罐以及电堆，所述正极储液罐通过第一管道与所述电堆连接并向所述电堆输送正极电解液，所述负极储液罐通过第二管道与所述电堆连接并向所述电堆输送负极电解液；所述电堆通过第五管道和第六管道分别与所述正极储液罐和负极储液罐连接以实现正极电解液和负极电解液的循环输送；所述正极储液罐通过在所述第一管道上开设的支路第三管道与所述共混管连接，所述负极储液罐通过在所述第二管道开设的支路第四管道与所述共混管连接，所述共混管分别通过第七管道和第八管道与所述正极储液罐和负极储液罐连接以实现正极电解液和负极电解液的循环输送。
进一步地，所述第三管道和第四管道上分别设有第三阀门和第四阀门。
进一步地，所述正极储液罐内正极电解液通过正极泵输送至所述电堆，所述第一管道上设有第一阀门，所述第一阀门和所述正极泵之间开设有所述第三管道。
进一步地，所述负极储液罐内负极电解液通过负极泵输送至所述电堆，所述第二管道上设有第二阀门，所述第二阀门和所述负极泵之间开设有所述第四管道。
进一步地，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门以及第四阀门均为电动调节阀门。
进一步地，所述正极储液罐和负极储液罐内均设有液位探测器。
进一步地，所述正极储液罐和负极储液罐的出液口处均设有电位传感器。
进一步地，所述共混管为蛇形共混管或直管。
本发明的第二个方面是提供了一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混方法，包括以下步骤：
步骤一、通过所述液位探测器得到所述正极储液罐的液位LT01和所述负极储液罐的液位LT02,根据所述LT01和LT02分别计算所述正极储液罐和负极储液罐的体积并得到V01和V02；
步骤二、计算偏离值|V01-V02|，当所述|V01-V02|大于预设值，关闭所述第一阀门和第二阀门，同时打开所述第三阀门和第四阀门，当所述|V01-V02|小于预设值，所述第三阀门和第四阀门的开度保持一致；
步骤三、通过所述电位传感器分别探测所述正极储液罐和负极储液罐出液口处的电位值CT01和CT02；
步骤四、计算偏离值|CT01-CT02|，当所述|CT01-CT02|小于预设值，关闭所述第三阀门和第四阀门，同时打开所述第一阀门和第二阀门；
步骤五、进入下一放电循环。
进一步地，步骤二中当所述|V01-V02|大于预设值且所述V01＞V02，调节所述第三阀门和第四阀门的开度至所述第三阀门的开度大于第四阀门的开度；当所述|V01-V02|大于预设值且所述V01＜V02，调节所述第三阀门和第四阀门的开度至所述第三阀门的开度小于第四阀门的开度。
本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：
(1)相比与溢流管调平技术，本发明调平的精度更高，达到液位计的检测精度，一般为±10mm；当系统配置的电解液量增加或减少时，溢流管调平可能失效，而本发明不受此影响；
(2)相比于连通管调平技术，本发明避免了正负极电解液的长期接触，从而减少自放电容量损失；
(3)本发明可以精确实现正负极电解液的调平与共混，实现系统的容量恢复，保障电解液容量不衰减。
附图说明
图1为本发明全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统的布置连接示意图；
图2为本发明全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统的工作流程图；
其中，各附图标记为：
1-电堆，2-正极储液罐，3-负极储液罐，4-第一管道，5-第二管道，6-第五管道，7-第六管道，8-共混管，9-第三管道，10-第四管道，11-第七管道，12-第八管道，13-第三阀门，14-第四阀门，15-第一阀门，16-第二阀门，17-正极泵，18-负极泵。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，包括正极储液罐2、负极储液罐3以及电堆1，正极储液罐2通过第一管道4与电堆1连接并向电堆1输送正极电解液，负极储液罐3通过第二管道5与电堆1连接并向电堆1输送负极电解液；电堆1通过第五管道6和第六管道7分别与正极储液罐2和负极储液罐3连接以实现正极电解液和负极电解液的循环输送；正极储液罐2通过在第一管道4上开设的支路第三管道9与共混管8连接，负极储液罐3通过在第二管道5开设的支路第四管道10与共混管8连接，共混管8分别通过第七管道11和第八管道12与正极储液罐2和负极储液罐3连接以实现正极电解液和负极电解液的循环输送。
本实施例的一方面，如图1所示，第三管道9和第四管道10上分别设有第三阀门13和第四阀门14。
本实施例的一方面，如图1所示，正极储液罐2内正极电解液通过正极泵17输送至电堆1，第一管道4上设有第一阀门15，第一阀门15和正极泵17之间开设有第三管道9。
本实施例的一方面，如图1所示，负极储液罐3内负极电解液通过负极泵18输送至电堆1，第二管道5上设有第二阀门16，第二阀门16和负极泵18之间开设有第四管道10.
本实施例的一方面，如图1所示，第一阀门15、第二阀门16、第三阀门13以及第四阀门14均为电动调节阀门。
本实施例的一方面，如图1所示，正极储液罐2和负极储液罐3内均设有液位探测器。
本实施例的一方面，如图1所示，正极储液罐2和负极储液罐3的出液口处均设有电位传感器。
本实施例的一方面，共混管8为直管。
如图2所示，本发明实施例根据上述调平共混系统提供了一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混方法，包括以下步骤：
步骤一、通过液位探测器得到正极储液罐2的液位LT01和负极储液罐3的液位LT02,根据LT01和LT02分别计算正极储液罐2和负极储液罐3的体积并得到V01和V02；
步骤二、计算偏离值|V01-V02|，当|V01-V02|大于预设值，关闭第一阀门15和第二阀门16，同时打开第三阀门13和第四阀门14，当|V01-V02|小于预设值，第三阀门13和第四阀门14的开度保持一致；
步骤三、通过电位传感器分别探测正极储液罐2和负极储液罐3出液口处的电位值CT01和CT02；
步骤四、计算偏离值|CT01-CT02|，当|CT01-CT02|小于预设值，关闭第三阀门13和第四阀门14，同时打开第一阀门15和第二阀门16；
步骤五、进入下一放电循环。
本实施例的一方面，如图2所示，步骤二中当|V01-V02|大于预设值且V01＞V02，调节第三阀门13和第四阀门14的开度至第三阀门13的开度大于第四阀门14的开度；当|V01-V02|大于预设值且V01＜V02，调节第三阀门13和第四阀门14的开度至第三阀门13的开度小于第四阀门14的开度。
实施例2
如图1所示，本实施例提供了一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，包括正极储液罐2、负极储液罐3以及电堆1，正极储液罐2通过第一管道4与电堆1连接并向电堆1输送正极电解液，负极储液罐3通过第二管道5与电堆1连接并向电堆1输送负极电解液；电堆1通过第五管道6和第六管道7分别与正极储液罐2和负极储液罐3连接以实现正极电解液和负极电解液的循环输送；正极储液罐2通过在第一管道4上开设的支路第三管道9与共混管8连接，负极储液罐3通过在第二管道5开设的支路第四管道10与共混管8连接，共混管8分别通过第七管道11和第八管道12与正极储液罐2和负极储液罐3连接以实现正极电解液和负极电解液的循环输送。
本实施例的一方面，如图1所示，第三管道9和第四管道10上分别设有第三阀门13和第四阀门14。
本实施例的一方面，如图1所示，正极储液罐2内正极电解液通过正极泵17输送至电堆1，第一管道4上设有第一阀门15，第一阀门15和正极泵17之间开设有第三管道9。
本实施例的一方面，如图1所示，负极储液罐3内负极电解液通过负极泵18输送至电堆1，第二管道5上设有第二阀门16，第二阀门16和负极泵18之间开设有第四管道10。
本实施例的一方面，如图1所示，第一阀门15、第二阀门16、第三阀门13以及第四阀门14均为电动调节阀门。
本实施例的一方面，如图1所示，正极储液罐2和负极储液罐3内均设有液位探测器。
本实施例的一方面，如图1所示，正极储液罐2和负极储液罐3的出液口处均设有电位传感器。
本实施例的一方面，共混管8为蛇形管。
如图2所示，本实施例根据上述调平共混系统提供了一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混方法，包括以下步骤：
步骤一、通过液位探测器得到正极储液罐2的液位LT01和负极储液罐3的液位LT02,根据LT01和LT02分别计算正极储液罐2和负极储液罐3的体积并得到V01和V01；
步骤二、计算偏离值|V01-V02|，当|V01-V02|大于预设值，关闭第一阀门15和第二阀门16，同时打开第三阀门13和第四阀门14，当|V01-V02|小于预设值，第三阀门13和第四阀门14的开度保持一致；
步骤三、通过电位传感器分别探测正极储液罐2和负极储液罐3出液口处的电位值CT01和CT02；
步骤四、计算偏离值|CT01-CT02|，当|CT01-CT02|小于预设值，关闭第三阀门13和第四阀门14，同时打开第一阀门15和第二阀门16；
步骤五、进入下一放电循环。
本实施例的一方面，如图2所示，步骤二中当|V01-V02|大于预设值且V01＞V02，调节第三阀门13和第四阀门14的开度至第三阀门13的开度大于第四阀门14的开度；当|V01-V02|大于预设值且V01＜V02，调节第三阀门13和第四阀门14的开度至第三阀门13的开度小于第四阀门14的开度。
本发明针对现有电解液的调平共混系统对于浓度的调整作用不明显以及会造成漏电的产生，导致系统的整体效率与容量下降等问题，本发明相比与溢流管调平技术，本发明调平的精度更高，达到液位计的检测精度，一般为±10mm；当系统配置的电解液量增加或减少时，溢流管调平可能失效，而本发明不受此影响；相比于连通管调平技术，本发明避免了正负极电解液的长期接触，从而减少自放电容量损失；可以精确实现正负极电解液的调平与共混，实现系统的容量恢复，保障电解液容量不衰减。
以上对本发明全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统及方法的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (10)
1.一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，其特征在于，包括正极储液罐(2)、负极储液罐(3)以及电堆(1)，所述正极储液罐(2)通过第一管道(4)与所述电堆(1)连接并向所述电堆(1)输送正极电解液，所述负极储液罐(3)通过第二管道(5)与所述电堆(1)连接并向所述电堆(1)输送负极电解液；所述电堆(1)通过第五管道(6)和第六管道(7)分别与所述正极储液罐(2)和负极储液罐(3)连接以实现正极电解液和负极电解液的循环输送；所述正极储液罐(2)通过在所述第一管道(4)上开设的支路第三管道(9)与所述共混管(8)连接，所述负极储液罐(3)通过在所述第二管道(5)开设的支路第四管道(10)与所述共混管(8)连接，所述共混管(8)分别通过第七管道(11)和第八管道(12)与所述正极储液罐(2)和负极储液罐(3)连接以实现正极电解液和负极电解液的循环输送。
2.根据权利要求1所述的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，其特征在于，所述第三管道(9)和第四管道(10)上分别设有第三阀门(13)和第四阀门(14)。
3.根据权利要求1所述的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，其特征在于，所述正极储液罐(2)内正极电解液通过正极泵(17)输送至所述电堆(1)，所述第一管道(4)上设有第一阀门(15)，所述第一阀门(15)和所述正极泵(17)之间设有所述第三管道(9)。
4.根据权利要求1所述的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，其特征在于，所述负极储液罐(3)内负极电解液通过负极泵(18)输送至所述电堆(1)，所述第二管道(5)上设有第二阀门(16)，所述第二阀门(16)和所述负极泵(18)之间设有所述第四管道(10)。
5.根据权利要求3或4所述的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，其特征在于，所述第一阀门(15)、第二阀门(16)、第三阀门(13)以及第四阀门(14)均为电动调节阀门。
6.根据权利要求1所述的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，其特征在于，所述正极储液罐(2)和负极储液罐(3)内均设有液位探测器。
7.根据权利要求1所述的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，其特征在于，所述正极储液罐(2)和负极储液罐(3)的出液口处均设有电位传感器。
8.根据权利要求1所述的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混系统，其特征在于，所述共混管(8)为蛇形管或直管。
9.一种如权利要求1-8任一项所述调平共混系统的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、通过所述液位探测器得到所述正极储液罐(2)的液位LT01和所述负极储液罐(3)的液位LT02根据所述LT01和LT02分别计算所述正极储液罐(2)和负极储液罐(3)的体积并得到V01和V02；
步骤二、计算偏离值|V01-V02|，当所述|V01-V02|大于预设值，关闭所述第一阀门(15)和第二阀门(16)，同时打开所述第三阀门(13)和第四阀门(14)，当所述|V01-V02|小于预设值，所述第三阀门(13)和第四阀门(14)的开度保持一致；
步骤三、通过所述电位传感器分别探测所述正极储液罐(2)和负极储液罐(3)出液口处的电位值CT01和CT02；
步骤四、计算偏离值|CT01-CT02|，当所述|CT01-CT02|小于预设值，关闭所述第三阀门(13)和第四阀门(14)，同时打开所述第一阀门(15)和第二阀门(16)；
步骤五、进入下一放电循环。
10.根据权利要求9所述的全钒液流电池正、负极电解液的调平共混方法，其特征在于，步骤二中当所述|V01-V02|大于预设值且所述V01＞V02，调节所述第三阀门(13)和第四阀门(14)的开度至所述第三阀门(13)的开度大于第四阀门(14)的开度；当所述|V01-V02|大于预设值且所述V01＜V02，调节所述第三阀门(13)和第四阀门(14)的开度至所述第三阀门(13)的开度小于第四阀门(14)的开度。
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