CN109713350A - 自带电解池的钒电池系统及钒电池液的再平衡方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钒电池系统,包括电堆(1)、正极储液罐(2)和负极储液罐(3),电堆正极与正极储液罐(2)之间通过第一阀(V1)连通,电堆负极与负极储液罐(3)之间通过第二阀(V2)连通,其特征在于,所述正极储液罐和负极储液罐之间通过阀连通,并且在所述钒电池系统的管路上设有静态电解槽(6)。本发明还涉及一种钒电池液的再平衡方法。采用本发明的系统或方法,可直接在钒电池系统内对钒电解液进行电解还原初始化,避免引入杂质,可同时有效解决电池容量衰减问题和体积失衡问题。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池,更具体涉及钒电池系统。
背景技术
全钒液流电池是通过不同价态钒离子氧化还原电对的相互转化,来实现电能的储存和释放。正极是由VO2+/VO2 +氧化还原电对组成,负极是由V3+/V2+组氧化还原电对组成,通过离子交换膜进行质子交换完成充放电。由于具备容量与功率相对独立且可调节、相对长的循环寿命、能量转换效率高、安全性能高、环境友好等优点,全钒液流储能系统被广泛应用于风能、太阳能等可再生能源的供电系统配套蓄电储能设备、电网的调峰填谷、不间断电源和应急电源系统等领域。
目前,钒电池通常以V3+/VO2+为1:1的电解液为初始电解液,按等体积分别注入钒电池正负极。经过多次充放电循环后,由于钒离子跨膜迁移以及各种副反应(析氢、析氧以及气密性差导致的低价态钒离子被空气氧化),将出现正负极电解液钒离子总量不平衡、正负极混合价态偏离(理想充放电情况下正负极电解液混合价态为3.5价)等问题,导致电池容量衰减,极大地影响了电池的综合性能,降低了钒电池的循环使用寿命。同时在电池的运行过程中,常伴随着水的定向跨膜迁移,导致正负极电解液体积失衡,严重影响了电池性能,甚至对系统造成威胁。
针对上述问题,现有技术的一种解决方案是,将钒电池系统内的电解液进行更换,更换下的电解液返厂再还原成初始态(V3+/VO2+为1:1)。这种方法操作成本高,几轮下来,就相当于换掉整个钒电池。另一种方法是通过化学法直接对钒电池系统内电解液的钒离子进行氧化或还原。CN 104471772A公开了一种钒电池系统,其中将甲醇、乙二醇、甘油、有机酸、甲酸、草酸或甘油等还原剂引入电解液,以校正正不平衡,或者将过氧化氢等氧化剂引入电解液中,以校正负不平衡。该方法的不足是,还原剂或氧化剂的加入量难以控制,且向电解液中引入了新的杂质,也无法解决钒离子迁移造成的容量衰减和正负极体积失衡的问题。
CN 103762377A公开一种钒电池及其电解液再平衡的方法,通过提供低价钒离子溶液和回收高价钒离子溶液来减少正负极电解液中钒离子的摩尔量之差。该方法操作简单,不易引入新的杂质。但低价钒离子易被氧化,不易长时间存储在低价钒离子溶液供应装置中,且该方法无法恢复由于负极钒离子浓度和溶液体积的变化造成的容量衰减。
发明内容
本发明的目的是提出一种钒电池系统,以解决现有技术中电解液再平衡操作不简便或者容易引进杂质的问题。
本发明的第一方面,提供一种钒电池系统,包括电堆、正极储液罐和负极储液罐,电堆正极与正极储液罐之间通过第一阀连通,电堆负极与负极储液罐之间通过第二阀连通,所述正极储液罐和负极储液罐之间通过阀连通,并且在所述钒电池系统的管路上设有静态电解槽。
在一个具体实施方式中,所述电解槽设于电堆正极的连接管路上,并且所述电解槽与所述正极储液罐之间通过第三阀连通,所述电解槽通过第四阀与电堆负极出液管相连,所述负极储液罐通过第五阀与电堆正极出液管相连。
进一步地,所述正极储液罐和负极储液罐的底部通过液位平衡阀连通。
进一步地,所述正极储液罐和负极储液罐的的顶部通过气压平衡阀连通。
在一个具体实施方式中,所述钒电池系统的管路是连接到所述电解槽的阴极室。
在一个具体实施方式中,所述电解槽的阳极室设有进酸口、排酸口和排气口。
本发明的第二方面,提供一种钒电池液的再平衡方法。包括下面的步骤:
(1)在钒电池系统放电完毕后,连通正、负极储液罐,使储液罐内的电解液混合均匀;
(2)向设于钒电池系统管路内的电解池的阴极室装入预订量的电解液;
(3)检测电解液平均价态,预算电解时间,进行电解;
(4)对系统内的电解液进行再混合;
(5)将混合均匀的电解液分至正、负极储罐。
采用本发明的系统或方法,可直接在钒电池系统内对钒电解液进行电解还原初始化,避免引入杂质,可同时有效解决电池容量衰减问题和体积失衡问题。
附图说明
图1是本发明一个实施例的钒电池系统的管路图;
图2是本发明一个实施例中使用的电解池的示意图。
图中示出:电堆1、正极储液罐2、负极储液罐3、正极循环泵4、负极循环泵5、电解池6、正极极板61、负极极板62、端板63、隔膜64、进酸口65、排酸口66、排气口67。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明,但是本发明可以由权利要求限定和
如图1所示,该钒电池系统包括电堆1、正极储液罐2和负极储液罐3,电堆正极与正极储液罐2之间通过第一阀V1连通,电堆负极与负极储液罐3之间通过第二阀V2连通。电解槽6设于电堆正极的连接管路上,并且电解槽6与正极储液罐2之间通过第三阀V3连通,电解槽6与电堆负极之间还通过第四阀V4连通,负极储液罐3与电堆正极之间还通过第五阀V5连通。
通过上述连接方式,在钒电池工作状态下,打开第一阀V1、第二阀V2、第三阀V3,关闭其余的阀,钒电池系统的正负极电解液在正极循环泵4和负极循环泵5的驱动下各自循环,进行充电和放电。当需要进行钒离子价位平衡时,关闭第一阀V1和第二阀V2,打开第四阀V4、第五阀V5,在循环泵的驱动下,正、负极电解液进行混合。当混合均匀后,关闭第三阀V3,将电解池的阴极室灌满电解液,进行电解还原。当达到预定还原程度后,再打开各相关阀,将阴极室的电解液与系统的中电解液混合均匀,最后,将混合均匀的电解液分配到电堆正负极中。
图1中的实施例中,对管路还进行了优化,在正极储液罐2和负极储液罐3的底部之间连了一个液位平衡阀V6,该阀的作用是在恢复好电位并且混合均匀的电解液等体积地分配到两个储液罐2和3中。更优选在储液罐的顶部连一个气压平衡阀V7,该阀可以加速电解液的分配。在不设置该阀的情况下,打开其他的相关阀,使得储液罐2、3气压平衡也是可以的,例如打开阀V3、V1、V5,或者打开V3、V4和V2。
图2是示出电解池的具体结构和连接关系图。钒电池系统的管路是连接到电解槽6的阴极室。电解槽6的阳极室设有进酸口65和排酸口66,用于输入和放出稀硫酸,排气口67用于在稀硫酸进、出时的气压平衡。
图1实施例的钒电池系统的工作过程为:根据本发明钒电解液在钒电池系统内部的还原处理方法包括以下步骤:在钒电池系统放电完毕后,关闭回流阀V1、V2,打开阀V4、V5及气压平衡阀V7,启动正负极循环泵4、5,使正极储液罐2、负极储液罐3内的电解液完全混合,然后使电解池阴极槽(需要还原的情况)内充满电解液,关闭V3、正负极循环泵;由取样阀V8取样,检测混合价态,预算电解时间;进行电解还原,还原完成后,打开阀V3,启动正负极循环泵,对系统内的电解液进行全混,然后打开液位平衡阀V6使电解液完全均分至正、负极储罐,待液位平衡后关闭液位平衡阀V6、气压平衡阀V7,关闭混液阀V4、V5,开启回流阀V1、V2,完成电解液的再平衡处理。
上述仅仅实现本发明意图的一个具体实施例或者优选实施例。容易理解,对各部件的连通关系可以做出多种变化,也可以实现本发明的基本或者较佳的意图。例如电解池也可以连接在电堆负极的管路中,即连接在电堆负极和负极储液罐之间。
在本发明的各种实施方式必须满足一个要求,即将钒电池系统的正、负极之间可选择地连通,以允许在需要的时候实现正、负极电解液的混合,在钒电池充放电的时候隔离正负极。
本发明还涉及一种钒电池液再平衡的方法。该方法包括下面的步骤:(1)在钒电池系统放电完毕后,通过使正、负极储液罐内的电解液完全混合;(2)向设于钒电池系统管路内的电解池的阴极室装入预订量的电解液;(3)检测电解液平均价态,预算电解时间,进行电解;(4)对系统内的电解液进行再混合;(5)将混合均匀的电解液分至正、负极储罐。
步骤(2)中,将电解液导入阳极室,导入的体积优选采用规定的体积,例如装满阴极室,或者达到一个设定的液位。步骤(3)中,确定电解时间需要进行计算,计算时需要电解液平均价态、钒离子总浓度(各种价态钒离子浓度的总和)、电解室电解液的体积、电解液的总体积,以全系统钒离子的V(Ⅲ):V(Ⅳ)=1:1作为电解终点,这样计算得到电解时间。通常,由于电解液在钒电池系统内部处理,总钒浓度和电解液总体积不会改变,因此仅首次再平衡处理时需要检测。
本发明中,对正、负极电解液进行全混均分后,通过直接安装在钒电池系统内的槽式静态电解还原装置对电解液进行电解还原处理,再全混并均分至正、负极储罐内,完成电解液的再平衡处理。该方法具备操作简单、效率高、环境友好等特点。
在本发明中,正、负极储液罐、电解池槽体及相关管道阀门均采用高分子耐腐蚀材料。电解池主要结构包括阳极槽、阴极槽、隔膜。阳极槽、隔膜及阴极槽通过螺栓固定连接。螺栓依次穿过阳极槽螺栓孔、橡胶垫片、隔膜、橡胶垫片、阴极槽螺栓孔。
阳极槽内安装有阳极复合电极,由铅板、石墨板、DSA电极板中的一种与碳毡、泡沫镍、不锈钢纤维毡中的一种复合而成。槽体上端分别设有进酸口和排气口,排气口连通至酸雾吸收装置。槽体下端设有排酸口。阳极槽内注入硫酸溶液,硫酸溶液与电解液硫酸根浓度一致。
以上结合具体实施例阐述了本发明的构思。本领域人员可以对这些具体实施例做出诸多惯用手段的替换从而实现本发明的构思。这些替换应该被视为落入本发明权利要求书所限定的范围之内。
Claims (9)
1.一种钒电池系统,包括电堆(1)、正极储液罐(2)和负极储液罐(3),电堆正极与正极储液罐(2)之间通过第一阀(V1)连通,电堆负极与负极储液罐(3)之间通过第二阀(V2)连通,其特征在于,所述正极储液罐和负极储液罐之间通过阀连通,并且在所述钒电池系统的管路上设有静态电解槽(6)。
2.根据权利要求1所述的钒电池系统,其特征在于,所述电解槽设于电堆正极的连接管路上,并且所述电解槽(6)与所述正极储液罐(2)之间通过第三阀(V3)连通,所述电解槽(6)通过第四阀(V4)与电堆负极出液管相连,所述负极储液罐(3)通过第五阀(V5)与电堆正极出液管相连。
3.根据权利要求2所述的钒电池系统,其特征在于,所述正极储液罐(2)和负极储液罐(3)的底部通过液位平衡阀(V6)连通。
4.根据权利要求3所述的钒电池系统,其特征在于,所述正极储液罐(2)和负极储液罐(3)的的顶部通过气压平衡阀(V7)连通。
5.根据权利要求1所述的钒电池系统,其特征在于,所述钒电池系统的管路是连接到所述电解槽(6)的阴极室(63)。
6.根据权利要求1所述的钒电池系统,其特征在于,所述电解槽的阳极室设有进酸口(65)、排酸口(66)和排气口(67)。
7.一种钒电池液的再平衡方法。包括下面的步骤:
(1)在钒电池系统放电完毕后,连通正、负极储液罐,使储液罐内的电解液混合均匀;
(2)向设于钒电池系统管路内的电解池的阴极室装入预订量的电解液;
(3)检测电解液平均价态,预算电解时间,进行电解;
(4)对系统内的电解液进行再混合;
(5)将混合均匀的电解液分至正、负极储罐。
8.根据权利要求7所述的方法,其中,步骤(1)中,使电堆正极出液管与负极电解液储液罐相连,电堆负极出液管与正极电解液储液罐相连,通过阀门控制电解液流向。
9.根据权利要求7所述的方法,其中,步骤(5)中,将正、负极电解液储罐顶端以气压平衡阀相连,底端以液位平衡阀相连。
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