CN113036183A - 一种降低液流电池电解液迁移的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及液流电池及能量恢复领域，特别是涉及一种降低液流电池电解液迁移的方法，解决现有液流电池电解液迁移、容量衰减等问题。该方法通过调节正负极两侧电解液储罐内的压力，使两侧储罐内的压力不同，用物理的方式通过压力差来降低液流电池电解液的迁移。本发明通过调节正负极两侧电解液储罐内的压力来降低液流电池电解液的迁移，同时能够解决由电解液迁移带来的容量衰减等问题，实现电池的长期运行和电解液的高效利用。本发明工艺简单，操作简便，无需使用任何额外的化学品，成本低，且效果显著。

Description

一种降低液流电池电解液迁移的方法及装置
技术领域
本发明涉及液流电池及能量恢复领域，特别是涉及一种降低液流电池电解液迁移的方法及其装置。
背景技术
液流电池是一种新型的储能系统，与传统的储能方式相比，具有能量转换效率高、系统设计灵活、蓄电容量大、选址自由、可深度放电、安全环保、维护费用低等优点，可以广泛应用于风能、太阳能等可再生能源发电储能、应急电源系统、备用电站和电力系统削峰填谷等方面，在能源存储方面尤其是再生能源的固定存储具有突出的优势。电池正负极电解液是液流储能电池中的重要组成部分，它起着储存能量、导通电路，将电能转化为化学能的作用。电解液中活性物质的浓度和电解液的电导率等将直接影响电池的充放电容量和电池性能；因此要求电解液具有较高的活性物质浓度和电导率，同时还应具有较好的化学稳定性和较低的成本。
不同的液流电池体系电解液迁移原因不同，例如全钒液流电池中不同价态钒离子的迁移速率不同，并且，由于不同价态的钒离子携带的水合离子数不同，导致在长期的运行过程中正负电解液价态失衡，同时电解液有少量迁移。该体系只要控制住钒离子的迁移，就可极大程度抑制其水迁移。因此有在全钒液流电池中加入不同类型的添加剂或抑制剂，以抑制钒离子的迁移。而碱性锌铁液流电池所用隔膜能有效阻止活性物质的迁移，不存在活性物质的互串，只存在明显的水迁移现象。因此不同体系的液流电池水迁移原因不同，需要提供的解决的方案也不尽相同。如果能找到一种降低液流电池迁移的通用方法，将对液流电池电解液领域具有重要影响。
本发明旨在开发一种通用型的降低液流电池迁移的装置，通过调节正负极两侧电解液储罐内的压力，使两侧储罐内的压力不同，用物理的方式通过压力差来降低液流电池电解液的迁移。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种降低液流电池电解液迁移的方法及其装置，解决由此带来的容量衰减的问题，实现电池的长期运行和电解液的高效利用。
本发明的技术方案为：
一种降低液流电池电解液迁移的方法，液流电池包括液流电池(1)，正极、负极电解液驱动器(2和2’)，管路(3)，密闭的正极、负极电解液储罐(4和4’)；其特征在于：于密闭的正极电解液储罐(4)和/
或负极电解液储罐(4’)内电解液上方的腔室充入气体或进行抽真空操作，使正极电解液储罐(4)和负极电解液储罐(4’)内具有不同的压力，之间具有压差。
正极电解液储罐(4)和负极电解液储罐(4’)的压差范围为0.01-0.1MPa。
一种可实现权利要求1所述方法的降低液流电池电解液迁移的装置，
所述包括液流电池(1)，正极、负极电解液驱动器(2和2’)，管路(3)，密闭的正极、负极电解液储罐(4和4’)；
所述正极电解液驱动器(2)将电解液通过管路由正极电解液储罐(4)送至液流电池(1)的正极腔，再通过管路返回至正极电解液储罐(4)中，完成正极电解液循环过程；
所述负极电解液驱动器(2’)将电解液通过管路由负极电解液储罐(4’)送至液流电池(1)的负极腔，再通过管路返回至负极电解液储罐(4’)中，完成负极电解液循环过程；
于所述的密闭的正极电解液储罐(4)顶部设有第一气体压力调节器(9)、第一泄压阀(7)、第一压力显示器(6)，第一气体压力调节器(9)经管路开关调节器(8)与正极电解液储罐(4)的内部相连通；第一泄压阀(7)经管路与储罐连通，用于调控正极电解液储罐(4)的内部顶端的压力，第一压力显示器(6)经管路与储罐连通，用于显示正极电解液储罐(4)的内部顶端的压力；
和/或，于所述的密闭的负极电解液储罐(4’)顶部设有第二气体压力调节器(9’)、第二泄压阀(7’)、第二压力显示器(6’)，第二气体压力调节器(9’)经第二管路开关调节器(8’)与负极电解液储罐(4’)的内部相连通；第二泄压阀(7’)经管路与储罐连通，用于调控负极电解液储罐(4’)的内部顶端的压力，第二压力显示器(6’)经管路与储罐连通，用于显示负极电解液储罐(4’)的内部顶端的压力。
所述气体压力调节器为可抽真空装置或内部充填有压缩气体的容器中的一种。
电解液储罐的顶部设有加液口，加液口处设有储罐密封盖。
压力显示器为机械式压力表、数字式压力表中的一种或二种。
其中可抽真空装置为真空泵、真空机中的一种，内部充填有压缩气体的容器中为球形罐体、卧式罐体、钢瓶中的一种。
压缩气体储存装置中存储的气体介质为氩气、氮气、空气中的一种。
电解液驱动器为叶片泵、容积泵、电磁泵中的一种。
本发明的优点：
本发明通过调节正负极两侧电解液储罐内的压力来降低液流电池电解液的迁移，同时能够解决由电解液迁移带来的容量衰减等问题，实现电池的长期运行和电解液的高效利用。本发明工艺简单，操作简便，无需使用任何额外的化学品，成本低，且效果显著。不会对电池产生副作用，适合工业化生产和控制。
附图说明
图1本发明降低液流电池电解液迁移的装置示意图
其中：1液流电池、2和2’电解液驱动器、3管路、4和4’电解液储罐、5和5’储罐密封盖、6和6’压力显示器、7和7’泄压阀、8和8’管路开关调节器、9和9’气体压力调节器。
具体实施方式
降低液流电池电解液迁移的方法，所述包括液流电池、变频泵、管路、正负极电解液储罐；所述变频泵将电解液通过管路由电解液储罐送至液流电池，再通过管路返回至同一电解液储罐中，完成循环过程；所述的正负极电解液储罐分别设有一个独立的氮气气瓶、管路开关阀、泄压阀、压力表，电解液储罐的上部设有密封盖；所述氮气气瓶、管路开关阀、电解液储罐，依次经管路连通；所述压力表、泄压阀分别与电解液储罐经管路连通。
电池运行前，首先将正负极电解液分别装进电解液储罐中，然后用密封盖将电解液储罐密封。通过氮气气瓶调节正负极两侧储罐内的压力差，对压力表进行实时跟踪，同时设定泄压阀的阈值，当压力增大到设定值时，进行泄压保护。通过储罐内的压力差调节电解液的迁移。
对比例1
以全钒液流电池体系为例，组装10节电堆，其中电极为碳毡，电极面积为1000cm2，隔膜为Nafion115，正负极电解液体积分别为30L，正负极储罐的容积分别为50L。电池电压窗口为10V-15.5V，以100mA/cm2对电堆进行充放电，循环100次后，正极电解液体积变为33L，负极电解液体积变为27L，电池容量衰减45％。
实施例1
以全钒液流电池体系为例，组装10节电堆，其中电极为碳毡，电极面积为1000cm2，隔膜为Nafion115，正负极电解液体积分别为30L，正负极储罐的容积分别为50L。通过气体压力调节机构，将正极储罐内压力增大至0.12MPa，负极储罐内压力保持正常大气压，电池电压窗口为10V-15.5V，以100mA/cm2对电堆进行充放电，循环100次后，正极电解液体积变为31L，负极电解液体积变为29L，电池容量衰减20％。
对比例2
以锌铁液流电池体系为例，组装10节电堆，其中电极为碳毡，电极面积为1000cm2，隔膜为PBI离子交换膜，正负极电解液体积分别为30L，正负极储罐的容积分别为60L。以40mA/cm2对电堆充电1h，以40mA/cm2对电堆放电1h，循环50次后，正极电解液体积变为10L，负极电解液体积变为50L。
实施例2
以锌铁液流电池体系为例，组装10节电堆，其中电极为碳毡，电极面积为1000cm2，隔膜为PBI离子交换膜，正负极电解液体积分别为30L，正负极储罐的容积分别为60L。通过气体压力调节机构，将负极储罐内压力增大至0.15MPa，正极储罐内压力保持正常大气压，以40mA/cm2对电堆充电1h，以40mA/cm2对电堆放电1h，循环50次后，正极电解液体积变为25L，负极电解液体积变为35L。

Claims (9)

1.一种降低液流电池电解液迁移的方法，液流电池包括液流电池(1)，正极、负极电解液驱动器(2和2’)，管路(3)，密闭的正极、负极电解液储罐(4和4’)；其特征在于：于密闭的正极电解液储罐(4)和/或负极电解液储罐(4’)内电解液上方的腔室充入气体或进行抽真空操作，使正极电解液储罐(4)和负极电解液储罐(4’)内具有不同的压力，之间具有压差。
2.按照权利要求1所述方法，其特征在于：正极电解液储罐(4)和负极电解液储罐(4’)的压差范围为0.01-0.1MPa。
3.一种可实现权利要求1所述方法的降低液流电池电解液迁移的装置，
所述包括液流电池(1)，正极、负极电解液驱动器(2和2’)，管路(3)，密闭的正极、负极电解液储罐(4和4’)；
所述正极电解液驱动器(2)将电解液通过管路由正极电解液储罐(4)送至液流电池(1)的正极腔，再通过管路返回至正极电解液储罐(4)中，完成正极电解液循环过程；
所述负极电解液驱动器(2’)将电解液通过管路由负极电解液储罐(4’)送至液流电池(1)的负极腔，再通过管路返回至负极电解液储罐(4’)中，完成负极电解液循环过程；
其特征在于：
于所述的密闭的正极电解液储罐(4)顶部设有第一气体压力调节器(9)、第一泄压阀(7)、第一压力显示器(6)，第一气体压力调节器(9)经管路开关调节器(8)与正极电解液储罐(4)的内部相连通；第一泄压阀(7)经管路与储罐连通，用于调控正极电解液储罐(4)的内部顶端的压力，第一压力显示器(6)经管路与储罐连通，用于显示正极电解液储罐(4)的内部顶端的压力；
和/或，于所述的密闭的负极电解液储罐(4’)顶部设有第二气体压力调节器(9’)、第二泄压阀(7’)、第二压力显示器(6’)，第二气体压力调节器(9’)经第二管路开关调节器(8’)与负极电解液储罐(4’)的内部相连通；第二泄压阀(7’)经管路与储罐连通，用于调控负极电解液储罐(4’)的内部顶端的压力，第二压力显示器(6’)经管路与储罐连通，用于显示负极电解液储罐(4’)的内部顶端的压力。
4.根据权利要求3所述降低液流电池电解液迁移的装置，其特征在于：
所述气体压力调节器为可抽真空装置或内部充填有压缩气体的容器中的一种。
5.根据权利要求3所述降低液流电池电解液迁移的装置，其特征在于：电解液储罐的顶部设有加液口，加液口处设有储罐密封盖。
6.根据权利要求3所述降低液流电池电解液迁移的装置，其特征在于：压力显示器为机械式压力表、数字式压力表中的一种或二种。
7.根据权利要求4所述降低液流电池电解液迁移的装置，其特征在于：其中可抽真空装置为真空泵、真空机中的一种或二种以上，内部充填有压缩气体的容器中为球形罐体、卧式罐体、钢瓶中的一种或二种以上。
8.根据权利要求4或7所述降低液流电池电解液迁移的装置，其特征在于：压缩气体储存装置中存储的气体介质为氩气、氮气、空气中的一种或二种以上。
9.根据权利要求3所述降低液流电池电解液迁移的装置，其特征在于：电解液驱动器为叶片泵、容积泵、电磁泵中的一种或二种以上。
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