CN115047044A - 一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置及方法，检测装置包括上位端控制系统、微流控气体传感器及警报系统，所述上位端控制系统固定在电解液罐表面，通过无线信号控制微流控气体传感器和警报系统工作；所述微流控气体传感器设置于电解液储存罐内顶部，通过微流控传感器对电解液罐中电解液反应过程中的副作用所生成的O2或H2浓度进行检测，来反映电解液内钒离子稳定性；所述警报系统包括两个分别安装在正极电解液罐和负极电解液罐上的警报器，警报系统通过接收控制系统发出的警报信号开启。本发明检测装置体积小、功耗低，整体造价成本低，检测精度高，能提前检测到电解液罐中副反应产生的气体。
Description
技术领域
本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置及方法。
背景技术
随着新能源及储能技术的加速发展，大规模储能系统已经成为保证电力系统可靠供电的一个重要手段，其中电化学储能系统因其独特的性能已成为优先发展方向之一。液流电池以其容量高，使用领域、循环使用寿命长的特点在众多储能方法中脱颖而出。全钒氧化还原液流电池(钒电池)作为一种新型的储能系统，具有能效高、寿命长、设计灵活、稳定性好以及低维护成本和环境友好等特性，被认为是风能、太阳能等新能源中最有可行性的大规模储能技术。钒电池电能以化学能的方式存储在不同价态钒离子的硫酸电解液中，通过外接泵把电解液压入电池堆体内，采用质子交换膜作为电池组的隔膜，电解质溶液平行流过电极表面并发生电化学反应，通过双电极板收集和传导电流，从而使得储存在溶液中的化学能转换成电能。
电解液是钒电池能量存储与释放的核心，电解液中总钒离子浓度、不同价态钒离子浓度、硫酸浓度以及氢离子浓度，在很大程度上决定钒电池内阻、电池容量、能量效率等关键性能。现有的检测电解液工作状态的方式是通过测量全钒液流电池电解液中各价态的钒离子浓度来监测钒电池正负极是否串液以及充放电进行的程度。钒电池中正负极电极液的钒离子主要有V2+、V3+、VO2+和VO2+4种价态。而可用于测定钒离子浓度(总钒及不同价态钒离子)的方法主要包括氧化还原滴定法、重量法、比色法、分光光度法、电流滴定法以及电位滴定法等，其中最常用的是氧化还原滴定法和分光光度法。这些方法均需要从电解液罐中取样，耗时耗力。目前为止，行业内暂未出现对液流电池电解液工作状态的在线检测方法。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明基于通过检测电解液副反应产生的气体(O2，H2)，提出一种基于微流控气体传感器技术的钒电池电解液中气体检测装置及其检测方法，来间接实现对电解液工作状态的检测。
本发明为解决现有技术中存在的问题采用的技术方案如下：
一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，包括上位端控制系统、微流控气体传感器及警报系统，所述上位端控制系统固定在电解液罐表面，通过无线信号控制微流控气体传感器和警报系统工作；所述微流控气体传感器设置于电解液储存罐内顶部，通过微流控传感器对电解液罐中电解液反应过程中的副作用所生成的O2或H2浓度进行检测，来反映电解液内钒离子稳定性；所述警报系统包括两个分别安装在正极电解液罐和负极电解液罐上的警报器，警报系统通过接收控制系统发出的警报信号开启。
正极电解液罐中产生的正极副反应方程式为：2H2O-4e-→O2+4H+；负极电解液罐中产生的负极副反应方程式为：4H+2e-→H2；正常工作的电解液罐中存在的氧气和氢气是动态平衡的，副反应产生时会增加这两种气体的浓度，破坏掉该平衡，由此本发明根据由微流控传感器检测到的电解液罐中电解液反应过程中的副作用所生成的O2或H2浓度，来判断电解液罐中钒离子稳定性。
所述上位端控制系统包括内部数据处理器和外部显示屏，数据处理器包括微流控气体传感器控制模块及警报触发模块，通过无线信号控制微流控气体传感器及警报器。
所述正极电解液罐和负极电解液罐内顶部均安装有三个微流控气体传感器，避免因电解液储存罐太大，气体分布不均降低微流控气体传感器灵敏度，且微流控气体传感器装置体积较小，能较易固定于电解液罐中，无需对电解液罐做较大改动。
所述微流控气体传感器的安装位置远离电解液罐上的电解质溶液流动管道口，避免电解质溶液在流动过程中的飞溅液体沾染微流控气体传感器器件，造成其腐蚀。
所述微流控气体传感器外部设有保护罩，保护罩侧边开设有若干小孔，便于气体进入；内部为PCB电路板，电路板上设有气敏材料传感器阵列芯片，储能电池，数据处理模块及通讯模块PCB电路板底部为基底，通过保护罩和基底将PCB电路板进行保护。
所述保护罩及基底均选用聚四氟乙烯材质，质量轻，便于固定安装，耐酸碱，避免在长期工作状态下，复杂环境对其造成腐蚀。
所述数据处理模块对气敏材料传感器检测到的数据进行初步处理，通过通讯模块将初步处理后的数据传送到上位端控制系统进行进一步的处理和输出显示。
一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置的检测方法，包括如下步骤：
步骤1：将微流控气体传感器置于液流电池电解液罐的内部顶部固定；
步骤2：通过上位端控制系统，无线控制微流控气体传感器开启并对其所处环境进行气体种类及对应浓度检测，并将检测数据传输至上位端控制系统；
步骤3：操作人员在上位端控制系统端根据微流控气体传感器所获得的气体种类，对应浓度等初始环境数据结合既往液流电池电解液罐数据设置安全运行区间，并设定警戒阈值；
步骤4：初始设置完毕后重新启动微流控气体传感器，开启对电解液罐中气体的实时在线检测，检测数据持续反馈至控制系统；
步骤5：在持续检测电解液罐中气体浓度期间，若微流控气体传感器检测出密闭环境中某一种或多种气体浓度变化或捕捉到其他痕量气体，控制系统将根据初始设置进行判定，若气体种类、气体浓度变化超出设定阈值则判定发出警告信号；
步骤6：巡查工作人员得到警告信号进行维修排除故障。
微流控气体传感器将通过检测正负极电解液析出的O2与H2浓度数据实时反馈至上位端控制系统中，数据处理模块对数据进行不间断分析，一旦有数据超出警戒阈值，上位端控制系统即自动开启警报系统对工作人员进行警告。
其中，微流控气体传感器能检测痕量气体，其内部传感阵列与电解液中析出的O2，H2发生表面相互作用，改变气敏传感材料电阻，控制系统获取电阻变化(电信号)作为激励；
本发明具有如下优点：
本发明提供了一种液流电池钒离子工作状态间接检测方法，其有益效果为：在造价方面，微流控气体传感器成本低；在性能上，微流控气体传感器能精准检测痕量气体，大大缩短故障检测周期，且体积小，功耗低，能实现长时间在线工作。相比于现有技术，本发明能提前检测到电解液罐中副反应产生的气体，大大降低了因电解液副反应导致的液流电池运行稳定性降低等问题的发生机率。
附图说明
图1为本发明气体检测装置结构示意图；
图2为微流控气体传感器拆解图；
图3为实施例1电解液罐中气体浓度随时间变化线条图；
其中：101-正极电解液罐，储存正极电解液；106-负极电解液罐，储存负极电解液；102-气体检测装置：包括微流控气体传感器和上位端控制系统，上位端控制系统包括电脑，内部联控在一起的微流控气体传感器控制模块及警报触发模块，通过无线信号控制微流控气体传感器及警报器；103-警报器A，105-警报器B，收到上位机控制系统发送的指令信号后发出警报声，提醒工作人员；104-微流控气体传感器所在的液流电池电堆，图1电池堆为仅绘出三个电池单元的简易结构示意图；107-正极电解液罐压力泵，108-负极电解液罐压力泵，通过泵将正负极电解液送入电池堆中；201-传感器保护罩；202-储能电池；203-PCB电路板；204-通讯模块；205-传感器阵列芯片；206-数据处理模块；207-基底；t1，t2分别为电解液异常工作时间范围刻度；a，b分别为上下限浓度阈值。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
本实施例提供了一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，如图1和图2所示，包括上位端控制系统、微流控气体传感器及警报系统，所述上位端控制系统固定在电解液罐表面，通过无线信号控制微流控气体传感器和警报系统工作；所述微流控气体传感器设置于电解液储存罐内顶部，通过微流控传感器对电解液罐中电解液反应过程中的副作用所生成的O2或H2浓度进行检测，来反映电解液内钒离子稳定性；所述警报系统包括两个分别安装在正极电解液罐和负极电解液罐上的警报器，警报系统通过接收控制系统发出的警报信号开启。
正极电解液罐中产生的正极副反应方程式为：2H2O-4e-→O2+4H+；负极电解液罐中产生的负极副反应方程式为：4H+2e-→H2；正常工作的电解液罐中存在的氧气和氢气是动态平衡的，副反应产生时会增加这两种气体的浓度，破坏掉该平衡，由此本发明根据由微流控传感器检测到的电解液罐中电解液反应过程中的副作用所生成的O2或H2浓度，来判断电解液罐中钒离子稳定性。
上位端控制系统包括内部数据处理器和外部显示屏，数据处理器包括微流控气体传感器控制模块及警报触发模块，通过无线信号控制微流控气体传感器及警报器。
正极电解液罐和负极电解液罐内顶部均安装有三个微流控气体传感器，避免因电解液储存罐太大，气体分布不均降低微流控气体传感器灵敏度，且微流控气体传感器装置体积较小，能较易固定于电解液罐中，无需对电解液罐做较大改动。
微流控气体传感器的安装位置远离电解液罐上的电解质溶液流动管道口，避免电解质溶液在流动过程中的飞溅液体沾染微流控气体传感器器件，造成其腐蚀。
微流控气体传感器外部设有保护罩，保护罩侧边开设有若干小孔，便于气体进入；内部为PCB电路板，电路板上设有气敏材料传感器阵列芯片，储能电池，数据处理模块及通讯模块PCB电路板底部为基底，通过保护罩和基底将PCB电路板进行保护。
保护罩及基底均选用聚四氟乙烯材质，质量轻，便于固定安装，耐酸碱，避免在长期工作状态下，复杂环境对其造成腐蚀。
数据处理模块对气敏材料传感器检测到的数据进行初步处理，通过通讯模块将初步处理后的数据传送到上位端控制系统进行进一步的处理和输出显示。
还提供了一种基于微流控气体传感器技术的钒电池电解液中气体检测方法，包括以下步骤：
步骤一：将微流控气体传感器置于液流电池电解液罐的顶部固定；
步骤二：连接上位端控制系统，无线控制微流控气体传感器开启并对其所处环境进行气体种类及其对应浓度检测，并将数据传输至控制系统；
步骤三：操作人员在控制系统端根据微流控气体传感器所获得的气体种类，对应浓度等初始环境数据结合既往液流电池电解液罐数据设置安全运行区间，设定上限阈值为a，下限阈值为b，并将其均设定警戒阈值；
步骤四：初始设置完毕后重新启动微流控气体传感器，开启对电解液罐中气体的实时在线检测，检测数据持续反馈至控制系统；
步骤五：在持续检测电解液罐中气体浓度期间，若微流控气体传感器在某一时刻(t1)检测出密闭环境中某一种或多种气体浓度变化或捕捉到其他痕量气体，控制系统将根据初始设置进行判定，若气体种类、气体浓度变化超出设定阈值则判定发出警告信号；
步骤六：t2时刻巡查工作人员得到警告信号进行维修，t3时刻排除故障，电解液罐中气体浓度含量下降。
图3示出了电解液罐中气体浓度不同时间的线条图。在时间t1之前，电解液罐中气体浓度保持在相对恒定的水平，对应于在正常运行区域中工作的电解液。在时间t1和时间t2之间，气体浓度开始增加，在此时间间隔内，电解液开始出现副反应状况。在t2时刻，气体浓度超过上限阈值，触发警报系统，工作人员介入维护，t3时刻电解液罐中气体浓度下降，对应于工作人员维护工作完成，t4时刻，电解液罐中气体浓度恢复稳定，电解液恢复正常工作状态。
图3描绘了两个浓度阈值，下限阈值a和上限阈值b。在实际工况中，当气体浓度跨过上限阈值b，或低于下限阈值a时，可宣告该电解液罐中电解液的状况失衡。
本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。
Claims (8)
1.一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，其特征在于：包括上位端控制系统、微流控气体传感器及警报系统，所述上位端控制系统固定在电解液罐表面，通过无线信号控制微流控气体传感器和警报系统工作；所述微流控气体传感器设置于电解液储存罐内顶部，检测装置通过微流控传感器对电解液罐中电解液反应过程中的副作用所生成的O2或H2浓度进行检测，来反映电解液内钒离子稳定性；所述警报系统包括两个分别安装在正极电解液罐和负极电解液罐上的警报器，警报系统通过接收控制系统发出的警报信号开启。
2.如权利要求1所述的一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，其特征在于：所述上位端控制系统包括内部数据处理器和外部显示屏，内部数据处理器包括微流控气体传感器控制模块及警报触发模块，通过无线信号控制微流控气体传感器及警报器。
3.如权利要求1所述的一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，其特征在于：所述正极电解液罐和负极电解液罐内顶部均安装有三个微流控气体传感器。
4.如权利要求3所述的一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，其特征在于：所述微流控气体传感器的安装位置远离电解液罐上的电解质溶液流动管道口。
5.如权利要求1所述的一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，其特征在于：所述微流控气体传感器外部设有保护罩，保护罩侧边开设有若干小孔；内部为PCB电路板，电路板上设有气敏材料传感器阵列芯片，储能电池，数据处理模块及通讯模块，PCB电路板底部为基底。
6.如权利要求5所述的一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，其特征在于：所述保护罩及基底均选用聚四氟乙烯材质。
7.如权利要求5所述的一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置，其特征在于：所述数据处理模块对气敏材料传感器检测到的数据进行初步处理，通过通讯模块将初步处理后的数据传送到上位端控制系统进行进一步的处理和输出显示。
8.如权利要求1-7任一项所述的一种微流控气体传感器技术的电解液气体检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：将微流控气体传感器置于液流电池电解液罐的内部顶部固定；
步骤2：通过上位端控制系统，无线控制微流控气体传感器开启并对其所处环境进行气体种类及对应浓度检测，并将检测数据传输至上位端控制系统；
步骤3：操作人员在上位端控制系统端根据微流控气体传感器所获得的气体种类和对应浓度，将初始环境数据结合既往液流电池电解液罐数据设置安全运行区间，并设定警戒阈值；
步骤4：初始设置完毕后重新启动微流控气体传感器，开启对电解液罐中气体的实时在线检测，检测数据持续反馈至控制系统；
步骤5：在持续检测电解液罐中气体浓度期间，若微流控气体传感器检测出密闭环境中某一种或多种气体浓度变化或捕捉到其他痕量气体，控制系统将根据初始设置进行判定，若气体种类、气体浓度变化超出设定阈值则判定发出警告信号；
步骤6：巡查工作人员得到警告信号进行维修排除故障。
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