CN116364974B - 电解液储液罐及液流电池系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电解液储液罐及液流电池系统，涉及液流电池技术领域，其中，电解液储液罐包括储液罐本体、两个两位三通阀和两个循环泵；储液罐本体通过两位三通阀和循环泵分别与电堆的进液出液端口连接，储液罐本体内的两端设置有均液整流器，使电解液以层流的方式均匀流动。本发明提供的电解液储液罐，通过设置均液整流器降低充放电末期浓差极化影响；同时降低储液罐本体内的流动死区，提高电解液流体的整体利用率，降低成本；利用两位三通阀和循环泵构建循环系统，控制电解液流向，实现在储液罐内不同位置取得相对浓度更高的反应物，提高电解液中反应离子利用率，使得液流电池系统具有更高的瓦时容量及电池系统能量效率。
Description
技术领域
本发明涉及液流电池技术领域，特别涉及一种电解液储液罐及液流电池系统。
背景技术
氧化还原液流电池是一种新型化学电源，其储能单元与功率单元独立配置，能够实现大容量长时间储能。氧化还原液流电池的正极和负极均为溶解在电解液中不同价态的金属离子或单质，循环泵将电池中的活性物质输送至集成电堆的正负电极进行电化学反应，以实现电能和化学能的相互转换。
现有技术中，液流电池的循环系统始终保持单向流动，无法灵活切换，这也使得液流电池在大容量储能场景下进行充放电后，产物掺混导致所需反应物浓度不足，进而产生浓差极化现象。在调频的应用场景下，在液流电池处于30% ~70% SOC状态（荷电状态）时，面对充放电工况的频繁切换，所需反应物的高低价态互换，但电解液的流向受循环系统单一流向限制无法翻转，进而导致液流电池的电堆将瞬间受到浓差极化影响，严重影响液流电池的工作效率。同时，单向流动的液流电池循环系统与储液罐的管口连接较为简单，不能将流体均匀分布于储液罐的截面上，内部存在涡流以及流动死区，进一步降低了电解液的利用率以及电池整体的性能。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足之处，本发明提供了一种电解液储液罐及液流电池系统，解决了现有技术中液流电池内循环系统单向流动，液流电池内产物掺混引发的浓差极化现象，以及在储液罐内存在流动死区影响电池整体性能的技术问题。
本发明一方面提供了一种电解液储液罐，包括储液罐本体、第一两位三通阀、第二两位三通阀、第一循环泵和第二循环泵；
所述第一两位三通阀的第一端口通过所述第二循环泵与所述第二两位三通阀的第三端口连接，所述第一两位三通阀的第二端口通过所述第一循环泵与所述第二两位三通阀的第二端口连接；所述第一两位三通阀的第三端口与电堆的出液端连接，所述第二两位三通阀的第一端口与电堆的进液端连接；
所述储液罐本体内的顶部设置有第一均液整流器，所述第一均液整流器连接在所述第一两位三通阀的第二端口与所述第一循环泵之间；所述储液罐本体内的底部设置有第二均液整流器，所述第二均液整流器连接在所述第一两位三通阀的第一端口与所述第二循环泵之间；
所述第一均液整流器和所述第二均液整流器用于对流入所述储液罐本体内的电解液流体均匀分配，以使所述电解液流体在所述储液罐本体内以层流的方式均匀流动。
可选的，当所述电解液储液罐中的电解液流体正向流动时，所述第一两位三通阀的第一端口、所述第二两位三通阀的第二端口以及所述第一循环泵关闭，所述储液罐本体内的电解液流体经过所述第二均液整流器流出，并依次通过所述第二循环泵、所述第二两位三通阀的第三端口以及所述第二两位三通阀的第一端口流入所述电堆的进液端，所述电堆内反应后的电解液流体从所述电堆的出液端流出，依次通过所述第一两位三通阀的第三端口和所述第一两位三通阀的第二端口后，经过所述第一均液整流器流入所述储液罐本体内；
当所述电解液储液罐中的电解液流体逆向流动时，所述第一两位三通阀的第二端口、所述第二两位三通阀的第三端口以及所述第二循环泵关闭，所述储液罐本体内的电解液流体经过所述第一均液整流器流出，并依次通过所述第一循环泵、所述第二两位三通阀的第二端口以及所述第二两位三通阀的第一端口流入所述电堆的进液端，在所述电堆内反应后的电解液流体从所述电堆的出液端流出，依次通过所述第一两位三通阀的第三端口和所述第一两位三通阀的第一端口后，经过所述第二均液整流器流入所述储液罐本体内。
可选的，所述第一均液整流器和所述第二均液整流器由聚氯乙烯材料制备而成，且分别经过所述第一均液整流器和所述第二均液整流器流入所述储液罐本体内的电解液流体的雷诺数低于2000。
可选的，所述第一均液整流器和所述第二均液整流器均设置有第一连接口和第二连接口，所述第一均液整流器的所述第一连接口通过管路连接在所述第一两位三通阀的第二端口与所述第一循环泵之间，所述第二均液整流器的所述第一连接口通过管路连接在所述第一两位三通阀的第一端口与所述第二循环泵之间，所述第一均液整流器的所述第二连接口和所述第二均液整流器的所述第二连接口均设置在所述储液罐本体内，且两个所述第二连接口在所述储液罐本体内的高度均低于所述储液罐本体内的电解液流体液面高度。
本发明提供的电解液储液罐，将两个均液整流器分别设置在储液罐本体内的两端，经电堆反应后的电解液流体通过均液整流器流入储液罐本体，使得充放电末期组分较小的反应物集中聚集在储液罐本体两端出口附近，无需提高流量即可获得浓度较高的反应物，节约功耗；并且均液整流器将电解液流体均匀配给为层流状态，有效减少产物掺混，改善了浓差极化现象，提高了系统效率；同时，均液整流器的设置减少了储液罐本体内的流动死区，提高电解液流体的整体利用率，从而降低成本；而利用两个两位三通阀和两个循环泵构建的电解液储液罐与电堆之间的循环系统，通过控制两位三通阀端口以及循环泵在充放电不同阶段下的开闭状态进而改变流向，实现在充放电过程中分别从储液罐本体内不同位置进行取液，进一步改善储液罐本体内离子浓度分布不均带来的充放电后期离子扩散速率过小导致的浓差极化等现象，且扩大了理论荷电状态的可利用区间。
本发明另一方面提供了一种液流电池系统，包括电堆模块和两个如上述所述电解液储液罐，其中一所述电解液储液罐作为负极储液罐，另一所述电解液储液罐作为正极储液罐；
所述负极储液罐通过所述第一两位三通阀的第三端口与所述电堆模块的负极出液端连接，所述负极储液罐通过所述第二两位三通阀的第一端口与所述电堆模块的负极进液端连接；
所述正极储液罐通过所述第一两位三通阀的第三端口与所述电堆模块的正极出液端连接，所述正极储液罐通过所述第二两位三通阀的第一端口与所述电堆模块的正极进液端连接。
可选的，所述液流电池系统还包括负极出液管路、正极出液管路、负极进液管路和正极进液管路，所述电堆模块包括至少一个电堆；
所述负极储液罐中所述第一两位三通阀的第三端口通过所述负极出液管路与每一所述电堆的负极出液端连接，所述负极储液罐中所述第二两位三通阀的第一端口通过所述负极进液管路与每一所述电堆的负极进液端连接；
所述正极储液罐中所述第一两位三通阀的第三端口通过所述正极出液管路与每一所述电堆的正极出液端连接，所述正极储液罐中所述第二两位三通阀的第一端口通过所述正极进液管路与每一所述电堆的正极进液端连接。
可选的，所述液流电池系统还包括逆变器，所述逆变器与所述电堆模块连接。
可选的，所述液流电池系统还包括电池管理模块，所述电池管理模块与所述电堆模块连接，所述电池管理模块基于安时积分法对所述液流电池系统的荷电状态进行估算。
可选的，所述电堆模块的安装高度高于所述正极储液罐和所述负极储液罐。
可选的，所述液流电池系统应用于多种液流储能电池，所述多种液流储能电池包括全钒液流储能电池、铁铬液流储能电池和锌溴液流储能电池。
本发明提供的液流电池系统，在正负极两端配置有完全一致的电解液储液罐，每一电解液储液罐的两端分别与电堆模块的进出液端连接，且每一电解液储液罐内的两端分别配置有均液整流器，使得电解液流体以层流的状态流入电解液储液罐，能够有效减少产物掺混，改善浓差极化现象，并且能够减少两个储液罐本体内的流动死区，整体上提高了液流电池系统内电解液流体的利用率；利用每个电解液储液罐配置的循环泵和两位三通阀，搭建液流电池系统的循环体系，能够实现液流电池系统在充放电不同状态下，在正极储液罐以及负极储液罐两个均液整流器所处位置附近抽取电解液流体，并控制电解液流体的流动方向，防止产生因离子浓度分布不均带来的浓差极化等现象，且扩大了液流电池系统理论荷电状态的可利用区间。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本申请提供的电解液储液罐的一个实施例的连接关系示意图；
图2为本申请提供的液流电池系统的一个实施例的连接关系示意图；
图3为本申请提供的液流电池系统的一个实施例的整体结构示意图；
图4为本申请提供的液流电池系统的一个实施例的整体结构侧视图；
图5为本申请提供的液流电池系统的一个实施例的整体结构主视图；
图6为本申请提供的液流电池系统应用于全钒液流储能电池的一个实施例中充电循环过程中电解液流体的流动示意图；
图7为本申请提供的液流电池系统应用于全钒液流储能电池的一个实施例中放电循环过程中电解液流体的流动示意图；
图8为本申请提供的液流电池系统应用于铁铬液流储能电池的一个实施例中充电循环过程中电解液流体的流动示意图；
图9为本申请提供的液流电池系统应用于铁铬液流储能电池的一个实施例中放电循环过程中电解液流体的流动示意图；
图10为本申请提供的液流电池系统应用于锌溴液流储能电池的一个实施例中充电循环过程中电解液流体的流动示意图；
图11为本申请提供的液流电池系统应用于锌溴液流储能电池的一个实施例中放电循环过程中电解液流体的流动示意图。
图中：
1、储液罐本体；2、第一两位三通阀；3、第二两位三通阀；4、第一循环泵；5、第二循环泵；6、第一均液整流器；7、第二均液整流器；8、正极储液罐；9、负极储液罐；10、电堆模块；11、负极出液管路；12、正极出液管路；13、负极进液管路；14、正极进液管路；15、逆变器；
A、第一端口；B、第二端口；C、第三端口。
具体实施方式
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本发明提供了一种电解液储液罐，如图1所示，包括储液罐本体1、第一两位三通阀2、第二两位三通阀3、第一循环泵4和第二循环泵5；第一两位三通阀2的第一端口A通过第二循环泵5与第二两位三通阀3的第三端口C连接，第一两位三通阀2的第二端口B通过第一循环泵4与第二两位三通阀3的第二端口B连接；第一两位三通阀2的第三端口C与电堆的出液端连接，第二两位三通阀3的第一端口A与电堆的进液端连接；储液罐本体1内的顶部设置有第一均液整流器6，第一均液整流器6连接在第一两位三通阀2的第二端口B与第一循环泵4之间；储液罐本体1内的底部设置有第二均液整流器7，第二均液整流器7连接在第一两位三通阀2的第一端口A与第二循环泵5之间；第一均液整流器6和第二均液整流器7用于对流入储液罐本体1内的电解液流体均匀分配，以使电解液流体在储液罐本体1内以层流的方式均匀流动。
本发明提供的电解液储液罐，将两个均液整流器分别设置在储液罐本体1内的两端，经电堆反应后的电解液流体通过均液整流器流入储液罐本体1，使得充放电末期组分较小的反应物集中聚集在储液罐本体1两端出口附近，无需提高流量即可获得浓度较高的反应物，节约功耗；并且均液整流器将电解液流体均匀配给为层流状态，有效减少产物掺混，改善了浓差极化现象，提高了系统效率；同时，均液整流器的设置减少了储液罐本体1内的流动死区，提高电解液流体的整体利用率，从而降低成本；而利用两个两位三通阀和两个循环泵构建的电解液储液罐与电堆之间的循环系统，通过控制两位三通阀端口以及循环泵在充放电不同阶段下的开闭状态进而改变流向，实现在充放电过程中分别从储液罐本体1内不同位置进行取液，进一步改善储液罐本体1内离子浓度分布不均带来的充放电后期离子扩散速率过小导致的浓差极化等现象，且扩大了理论荷电状态的可利用区间。
其中，两位三通阀为双线圈电磁式阀门，可长时间保持关闭或打开的状态，电耗更低、线圈寿命更长，具有结构简单、安装简便、响应迅速、可靠性高的特点，且具有较强的抗腐蚀性。在本申请中，第一两位三通阀2和第二两位三通阀3型号相同。
具体地，在上述实施例中，当电解液储液罐中的电解液流体正向流动时，第一两位三通阀2的第一端口A、第二两位三通阀3的第二端口B以及第一循环泵4关闭，储液罐本体1内的电解液流体经过第二均液整流器7流出，并依次通过第二循环泵5、第二两位三通阀3的第三端口C以及第二两位三通阀3的第一端口A流入电堆的进液端，电堆内反应后的电解液流体从电堆的出液端流出，依次通过第一两位三通阀2的第三端口C和第一两位三通阀2的第二端口B后，经过第一均液整流器6流入储液罐本体1内；而当电解液储液罐中的电解液流体逆向流动时，第一两位三通阀2的第二端口B、第二两位三通阀3的第三端口C以及第二循环泵5关闭，储液罐本体1内的电解液流体经过第一均液整流器6流出，并依次通过第一循环泵4、第二两位三通阀3的第二端口B以及第二两位三通阀3的第一端口A流入电堆的进液端，电堆内反应后的电解液流体从电堆的出液端流出，依次通过第一两位三通阀2的第三端口C和第一两位三通阀2的第一端口A后，经过第二均液整流器7流入储液罐本体1内。
在本实施方式中，每一电解液储液罐配备有两个两位三通阀以及两个循环泵，通过控制两位三通阀各个端口以及循环泵的开闭状态，实现循环系统中电解液流体流向的改变。具体地，当电解液流体正向流动时，关闭第一两位三通阀2的第一端口A，使得第一两位三通阀2的第二端口B以及第三端口C之间为导通状态；关闭第二两位三通阀3的第二端口B，使得第二两位三通阀3的第一端口A以及第三端口C之间为导通状态；同时关闭第一循环泵4，开启第二循环泵5；在第二循环泵5作为动力源的带动下，电解液储液罐中的电解液流体从第二均液整流器7中流出，经过第二循环泵5以及第二两位三通阀3的导通通道进入电堆，在电堆中反应过后的电解液流体再通过第一两位三通阀2的导通通道流入第一均液整流器6中，最终进入储液罐本体1内，完成电解液流体在一端电解液储液罐中的整个流动过程。而当电解液流体逆向流动时，关闭第一两位三通阀2的第二端口B，使得第一两位三通阀2的第一端口A以及第三端口C之间为导通状态；关闭第二两位三通阀3的第三端口C，使得第二两位三通阀3的第一端口A以及第二端口B之间为导通状态；同时关闭第二循环泵5，开启第一循环泵4；在第一循环泵4作为动力源的带动下，电解液储液罐中的电解液流体从第一均液整流器6中流出，经过第一循环泵4以及第二两位三通阀3的导通通道进入电堆，在电堆中反应过后的电解液流体再通过第一两位三通阀2的导通通道流入第二均液整流器7中，最终进入储液罐本体1内，完成电解液流体在一端电解液储液罐中的整个流动过程。而利用本申请提供的循环泵以及两位三通阀构建循环系统，使得储液罐本体1内的电解液流体在充放电循环过程中根据阀门端口以及循环泵的开闭控制流向，进而提高电池整体的调频能力，并且在任意荷电状态下改变充放电状态均能瞬间供给上相对浓度较高的反应物，提高电池系统整体的灵活性。
其中，电解液储液罐在当前工况下采用正向流动还是逆向流动取决于以下三个因素：1、电解液储液罐作为正极电解液储液罐还是负极电解液储液罐；2、充电前后反应物与生成物的理化性质；3、当前处于充电工况还是放电工况。具体可通过下列表格进行区分：
具体地，在上述实施例中，第一均液整流器6和第二均液整流器7由聚氯乙烯管材制备而成，且分别经过第一均液整流器6和第二均液整流器7流入储液罐本体1内的电解液流体的雷诺数低于2000。
在本实施方式中，第一均液整流器6和第二均液整流器7分别设置在储液罐本体1内的两端，并且与进出储液罐本体1的管路直接连接。均液整流器作为对流体均流的常用装置，在本申请中能够对流入储液罐本体1内的电解液流体起到均流导液的作用，使得电解液流体在储液罐本体1内以层流的状态流动，流动状态平稳顺滑，相较于湍流的流动状态，能够减少储液罐本体1内的流动死区，提升电解液整体的利用率，而均液整流器的散流长度，和开孔尺寸根据不同流体的黏度来计算，目的是平衡流体的速度分布梯度，减少出口扰流，以降低湍流导致的掺混现象。具体地，电解液流体内通常包含各类金属离子及支持电解质，具有一定的腐蚀性，而在酸性、碱性或有机溶剂作为支持电解质的不同液流电池体系下，聚氯乙烯(PVC)材质具有耐腐性，不与电解液体系发生反应，因此均液整流器的材质选择耐腐蚀的聚氯乙烯(PVC)材质，确保均液整流器长时间浸泡在电解液流体下仍然能够稳定使用，具有较长的使用寿命且成本低。此外，均液整流器自身作为均流导液的常用装置，其自身的结构以及形状在本申请中并不做限制，具体可根据其所处的电解液储液罐的形状而进行设计，如图3所示，当电解液储液罐为圆柱形储液罐时，均液整流器可以为以电解液储液罐的中心为圆心的多个相连接的同心正多边形结构或是同心圆结构，第一均液整流器6与第二均液整流器7的结构完全一致，且分别与圆柱形储液罐的两端端面平行设置，确保通过均液整流器流出的电解液流体为层流状态，流动稳定。而具体判定电解液流体的流动状态则是基于流体的雷诺数，雷诺数具体表征流体流动情况的无量纲数，其中当流体的雷诺数小于2000时，流体的流动状态为层流；而向湍流过渡的流体的雷诺数在2000～4000之间；当流体的雷诺数大于4000时，流体的流动状态为湍流，因此在本申请中，无论选用何种结构形式的均液整流器，均需要控制经过均液整流器流入储液罐本体1内的电解液流体的雷诺数低于2000，确保电解液流体为层流的流动状态。
具体地，在上述实施例中，第一均液整流器6和第二均液整流器7均设置有第一连接口和第二连接口，第一均液整流器6的第一连接口通过管路连接在第一两位三通阀2的第二端口与第一循环泵4之间，第二均液整流器7的第一连接口通过管路连接在第一两位三通阀2的第一端口与第二循环泵5之间，第一均液整流器6的第二连接口和第二均液整流器7的第二连接口均设置在储液罐本体1内，且两个第二连接口在储液罐本体1内的高度均低于储液罐本体1内的电解液流体液面高度。
在本实施方式中，每个均液整流器均设置有两个连接口，电解液流体分别通过每个连接口流入或流出均液整流器，具体地，当电解液储液罐内的电解液流体逆向流动时，储液罐本体1内的电解液流体被第一循环泵4抽取，进而从第二连接口流入第一均液整流器6，再通过第一连接口流出第一均液整流器6，之后进入电堆，因此需要确保第一均液整流器6的第二连接口在储液罐本体1内的高度低于储液罐本体1内的电解液流体液面，才能使得电解液流体顺利进入第一均液整流器6中；而当电解液储液罐正向流动时，电堆反应过后的电解液流体通过第一连接口流入第一均液整流器6，再经过第二连接口排出第一均液整流器6后，流入储液罐本体1内，若第一均液整流器6的第二连接口在储液罐本体1内的高度高于储液罐本体1内的电解液流体液面，则从第一均液整流器6流出的电解液流体将以喷洒或垂直下落的方式流入储液罐本体1内，则电解液流体无法保持层流的流动效果，而只有将第一均液整流器6的第二连接口设置在储液罐本体1内的电解液流体液面之下，即使得第一均液整流器6的第二连接口始终浸泡在电解液流体中，才能使得第一均液整流器6流出的电解液流体稳定地流入储液罐本体1内的电解液流体中，且以层流状态流动，同理，第二均液整流器7的第二连接口的高度同样低于储液罐本体1内的电解液流体液面。
具体地，两个均液整流器上的第一连接口为均液整流器的接管口，接管口设置在储液罐本体1的外部，并通过管路与其他元器件连接，而第二连接口为均液整流器的布液口，设置在储液罐本体1的内部，通常在均液整流器的底部均布设置有多个布液口，以确保电解液流体以层流状态流动，本申请设置第一均液整流器6的第二连接口的高度低于储液罐本体1内的电解液流体液面，使得电解液流体能够始终稳定地进出第一均液整流器6，确保流动状态的稳定性。
本发明还提供了一种液流电池系统，如图2至图5所示，包括电堆模块10和两个如上述任一电解液储液罐，其中一电解液储液罐作为负极储液罐9，另一电解液储液罐作为正极储液罐8；负极储液罐9通过第一两位三通阀2的第三端口C与电堆模块10的负极出液端连接，负极储液罐9通过第二两位三通阀3的第一端口A与电堆模块10的负极进液端连接；正极储液罐8通过第一两位三通阀2的第三端口C与电堆模块10的正极出液端连接，正极储液罐8通过第二两位三通阀3的第一端口A与电堆模块10的正极进液端连接。
本发明提供的液流电池系统，在正负极两端配置有完全一致的电解液储液罐，每一电解液储液罐的两端分别与电堆模块10的进出液端连接，且每一电解液储液罐内的两端分别配置有均液整流器，使得电解液流体以层流的状态流入电解液储液罐，能够有效减少产物掺混，改善浓差极化现象，并且能够减少两个储液罐本体1内的流动死区，整体上提高了液流电池系统内电解液流体的利用率；利用每个电解液储液罐配置的循环泵和两位三通阀，搭建液流电池系统的循环体系，能够实现液流电池系统在充放电不同状态下，在正极储液罐8以及负极储液罐9两个均液整流器所处位置附近抽取电解液流体，并且控制电解液流体的流动方向，防止产生因离子浓度分布不均带来的浓差极化等现象，且扩大了液流电池系统理论荷电状态的可利用区间。
具体地，在上述实施例中，如图2所示，液流电池系统还包括负极出液管路11、正极出液管路12、负极进液管路13和正极进液管路14，电堆模块10包括多个电堆；负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C通过负极出液管路11与每一电堆的负极出液端连接，负极储液罐9中第二两位三通阀3的第一端口A通过负极进液管路13与每一电堆的负极进液端连接；正极储液罐8中第一两位三通阀2的第三端口C通过正极出液管路12与每一电堆的正极出液端连接，正极储液罐8中第二两位三通阀3的第一端口A通过正极进液管路14与每一电堆的正极进液端连接。
在本实施方式中，电堆模块10作为液流电池系统的核心部分，是发生电化学反应的场所，通常包括至少一个电堆，当存在多个电堆时，多个电堆之间可以通过串联或并联的方式连接，而每一个电堆是由多个液流单体电池以串联方式连接，其结构通常采用将双极板与膜电极交替叠合，各液流单体电池之间嵌入密封件，经前、后端板压紧后用螺杆紧固拴牢构成。在本申请中，电堆模块10包括多个独立的电堆，而每一电堆各自均具有正负极的进出液端，而每一电解液储液罐均需要与每一独立电堆上对应所处电极的进出液端连接，使得电解液流体通过进出液管路进行传输。具体地，以电堆模块10的负极出液端为例，电堆模块10的负极出液端需要与负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C连接，以使得电堆模块10反应后的电解液流体流回至负极储液罐9中，而电堆模块10又包括多个独立的电堆，因此每一电堆的负极出液端均连接有各自的出液管路，所有的出液管路最终又汇聚到一根单独的管路上以连接至负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C，负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C与各个独立电堆之间的所有连接管路即为负极出液管路11，负极出液管路11的支路数量由电堆模块10的电堆数量而定，而正极出液管路12、负极进液管路13和正极进液管路14的布置方式与负极出液管路11同理，上述各个管路均具备耐腐蚀的特性，以确保管路能够稳定输送电解液流体，使得液流电池系统能够长时间稳定使用。
具体地，在上述实施例中，液流电池系统还包括逆变器15，逆变器15与电堆模块10连接。
在本实施方式中，逆变器15是一种将低压直流电转换为220伏交流电的常用转换器。在本申请中，液流电池系统自身能够产生低压直流电，以供所连接的电子设备所使用，但其输出低压直流电的应用场景以及应用范围有限，因此本申请在电堆模块10上还连接有逆变器15，将液流电池系统自身能够产生的低压直流电转换为220伏交流电，以对更多不同领域内的各种设备进行供电使用，具有更广泛的应用范围。
具体地，在上述实施例中，液流电池系统还包括电池管理模块，电池管理模块分别与电堆模块10连接，电池管理模块基于安时积分法对液流电池系统的荷电状态进行估算。
在本实施方式中，液流电池系统广泛应用于电网调峰、应急发电装置以及电动车车用电源等各种领域内，而对于液流电池的荷电状态（SOC）估算已成为液流电池系统中电池管理的重要环节，因此设置电池管理模块与电堆模块10连接用于进行电池管理。目前，对于液流电池荷电状态常用的估算方法包括开路电压法、内阻法、神经网络、卡尔曼滤波法以及安时积分法，具体地，由于开路电压法需要引出一条细小液路并设置小电池来实时检测开路电压，而本发明基于控制液流掺混使得电解液反应物分层得到相对较高浓度反应物，其浓度梯度的不均匀性导致开路电压法无法准确描述荷电状态（SOC）；内阻法需要计算微观上动态变化的内阻数值，在硬件上难以实现；神经网络和卡尔曼滤波法由于系统设置的困难，而且在电池管理系统中应用时成本较高。上述各种估算方法不适用于本申请提供的液流电池系统，因此本申请采用安时积分法对液流电池系统的荷电状态进行估算，安时积分法具体是在电池的充放电过程中，通过累积充进或放出的电量来估算电池的荷电状态，同时根据充电过程中电池达到满充条件，或者电池达到一定时间的静态条件后对电池的荷电状态进行校正，无需大量调整参数，简单方便，适用于液流电池系统。
具体地，在上述实施例中，电堆模块10的安装高度高于正极储液罐8和负极储液罐9。
在本实施方式中，液流电池系统广泛应用于风力发电、光伏发电、电网调峰、电动汽车电源、不间断电源和应急电源、供电系统以及军用蓄电等多种领域，上述场景对液流电池系统的规模有一定要求，而液流电池系统中的电解液储罐与电堆模块10相对独立，这也使得无论是液流电池系统中电解液储罐和电堆自身体积相对较大，具体将液流电池系统应用在电站中，受用地限制，对液流电池系统整体采用多层布置的方式，通常将电堆模块10的安装在高于正极储液罐8和负极储液罐9的地方，例如将电解液储罐布置在一层，将电堆模块10布置在二层，以节省安装空间，同时由于电堆模块10的高位设置在停机状态受重力作用正负极电解液自然断流也避免了发生自放电损失能量。
具体地，在上述实施例中，液流电池系统应用于多种液流储能电池，多种液流储能电池包括全钒液流储能电池、铁铬液流储能电池和锌溴液流储能电池。
在本实施方式中，液流电池系统具有较为广泛的应用范围，能够适用于各类液流储能电池中，具体可应用于全钒液流储能电池、铁铬液流储能电池、锌溴液流储能电池等，本申请具体给出液流电池系统应用于全钒液流储能电池、铁铬液流储能电池和锌溴液流储能电池三种液流储能电池的实施例。
具体地，全钒液流储能电池在国内的应用范围最广，技术相对成熟，本申请所提供的液流电池系统应用于全钒液流储能电池时的具体实施例如下：
在全钒液流储能电池中，正极储液罐8、负极储液罐9以及电堆模块10的电化学反应、标准电极电位和标准电动势如下：
负极反应式： V2+-e-= V3+；E0 =-0.25V；
正极反应式： VO2++2H++e-= VO2 ++H2O；E0 = 1.00V；
总反应式：V2++VO2++2H+= V3++VO2 ++H2O；E0 = 1.25V；
在全钒液流储能电池进行充电循环前，需要将负极储液罐9中的第一两位三通阀2执行至第三端口C至第一端口A方向，将负极储液罐9中的第二两位三通阀3执行至第二端口B至第一端口A方向，将正极储液罐8中第一两位三通阀2执行至第三端口C至第一端口A方向，将正极储液罐8中第二两位三通阀3执行至第二端口B至第一端口A方向，进一步的，开启负极储液罐9中的第一循环泵4和正极储液罐8中的第一循环泵4，以使负极储液罐9内的电解液流体逆向流动，以使正极储液罐8内的电解液流体逆向流动，形成充电循环回路。
在全钒液流储能电池进行充电循环过程中，如图6所示，聚集在负极储液罐9上半部分的三价钒离子通过第一均液整流器6被第一循环泵4抽出，流经第二两位三通阀3的第二端口B至第一端口A方向并送至电堆模块10的负极进液口，三价钒离子作为反应物进入电堆模块10进行充电反应后，得到的二价钒离子流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第一端口A方向，经过负极储液罐9中第二均液整流器7整流，并以层流的方式均匀的输送至负极储液罐9的下半部分。
与之相应的，聚集在正极储液罐8上半部分的四价钒离子通过第一均液整流器6被第一循环泵4抽出，流经第二两位三通阀3的第二端口B至第一端口A方向，使得四价钒离子作为反应物进入电堆模块10的正极进液口，在电堆模块10进行充电反应后，得到的五价钒离子流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第一端口A方向，经过正极储液罐8中第二均液整流器7整流，并以层流的方式均匀的输送至正极储液罐8的下半部分。
在全钒液流储能电池进行放电循环前，需要将负极储液罐9中的第一两位三通阀2执行至第三端口C至第二端口B方向，将负极储液罐9中的第二两位三通阀3执行至第三端口C至第一端口A方向，将正极储液罐8中第一两位三通阀2执行至第三端口C至第二端口B方向，将正极储液罐8中第二两位三通阀3执行至第三端口C至第一端口A方向，进一步的，开启负极储液罐9中的第二循环泵5和正极储液罐8中的第二循环泵5，以使负极储液罐9内的电解液流体正向流动，以使正极储液罐8内的电解液流体正向流动，形成放电循环回路。
在全钒液流储能电池进行放电循环过程中，如图7所示，聚集在负极储液罐9下半部分的二价钒离子通过第二均液整流器7被第二循环泵5抽出，流经第二两位三通阀3的第三端口C至第一端口A方向并送至电堆模块10的负极进液口，二价钒离子作为反应物进入电堆模块10进行放电反应后，得到的三价钒离子流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第二端口B方向，经过负极储液罐9中第一均液整流器6整流，并以层流的方式均匀的输送至负极储液罐9的上半部分。
与之相应的，聚集在正极储液罐8下半部分的五价钒离子通过第二均液整流器7被第二循环泵5抽出，流经第二两位三通阀3的第三端口C至第一端口A方向并送至电堆模块10的正极进液口，五价钒离子作为反应物进入电堆模块10进行放电反应后，得到的四价钒离子流经正极储液罐8中第一两位三通阀2的第三端口C至第二端口B方向，经过正极储液罐8中第一均液整流器6整流，并以层流的方式均匀的输送至正极储液罐8的上半部分。
具体地，本申请所提供的液流电池系统应用于铁铬液流储能电池时的具体实施例如下：
在铁铬液流电池系统中，正极储液罐8、负极储液罐9以及电堆模块10的电化学反应、标准电极电位和标准电动势如下：
负极反应式： Cr3++ e-= Cr2+；E0 =-0.41V；
正极反应式： Fe2+- e-= Fe3+；E0 =+0.77V；
总反应式： Cr3++ Fe2+= Cr2++ Fe3+；E0 = 1.18V；
在铁铬液流储能电池进行充电循环前，需要将负极储液罐9中的第一两位三通阀2执行至第三端口C至第二端口B方向，将负极储液罐9中的第二两位三通阀3执行至第三端口C至第一端口A方向，将正极储液罐8中第一两位三通阀2执行至第三端口C至第一端口A方向，将正极储液罐8中第二两位三通阀3执行至第二端口B至第一端口A方向，进一步的，开启负极储液罐9中的第二循环泵5和正极储液罐8中的第一循环泵4，以使负极储液罐9内的电解液流体正向流动，以使正极储液罐8内的电解液流体逆向流动，形成充电循环回路。
在铁铬液流储能电池进行充电循环过程中，如图8所示，聚集在负极储液罐9下半部分的三价铬离子通过第二均液整流器7被第二循环泵5抽出，流经第二两位三通阀3的第三端口C至第一端口A方向并送至电堆模块10的负极进液口，三价铬离子作为反应物进入电堆模块10进行充电反应后，得到的二价铬离子流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第二端口B方向，经过负极储液罐9中第一均液整流器6整流，并以层流的方式均匀的输送至负极储液罐9的上半部分。
与之相应的，聚集在正极储液罐8上半部分的二价铁离子通过第一均液整流器6被第一循环泵4抽出，流经第二两位三通阀3的第二端口B至第一端口A方向并送至电堆模块10的正极进液口，二价铁离子作为反应物进入电堆模块10进行充电反应后，得到的三价铁离子流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第一端口A方向，经过正极储液罐8中第二均液整流器7整流，并以层流的方式均匀的输送至正极储液罐8的下半部分。
在铁铬液流储能电池进行放电循环前，需要将负极储液罐9中的第一两位三通阀2执行至第三端口C至第一端口A方向，将负极储液罐9中的第二两位三通阀3执行至第二端口B至第一端口A方向，将正极储液罐8中第一两位三通阀2执行至第三端口C至第二端口B方向，将正极储液罐8中第二两位三通阀3执行至第三端口C至第三端口A方向，进一步的，开启负极储液罐9中的第一循环泵4和正极储液罐8中的第二循环泵5，以使负极储液罐9内的电解液流体逆向流动，以使正极储液罐8内的电解液流体正向流动，形成放电循环回路。
在铁铬液流储能电池进行放电循环过程中，如图9所示，聚集在负极储液罐9上半部分的二价铬离子通过第一均液整流器6被第一循环泵4抽出，流经第二两位三通阀3的第二端口B至第一端口A方向并送至电堆模块10的负极进液口，二价铬离子作为反应物进入电堆模块10进行放电反应后，得到的三价铬离子流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第一端口A方向，经过负极储液罐9中第二均液整流器7整流，并以层流的方式均匀的输送至负极储液罐9的下半部分。
与之相应的，聚集在正极储液罐8下半部分的三价铁离子通过第二均液整流器7被第二循环泵5抽出，流经第二两位三通阀3的第三端口C至第一端口A方向并送至电堆模块10的正极进液口，三价铁离子作为反应物进入电堆模块10进行放电反应后，得到的二价铁离子流经正极储液罐8中第一两位三通阀2的第三端口C至第二端口B方向，经过正极储液罐8中第一均液整流器6整流，并以层流的方式均匀的输送至正极储液罐8的上半部分。
具体地，本申请所提供的液流电池系统应用于锌溴液流储能电池时的具体实施例如下：
在锌溴液流储能电池中，正极储液罐8、负极储液罐9以及电堆模块10的电化学反应、标准电极电位和标准电动势如下：
负极反应式： Zn2++ 2e-= Zn；E0 = - 0.763V；
正极反应式： 2Br-- 2e-= Br2；E0 =1.087V；
总反应式：ZnBr2= Zn + Br2；E0 = 1.85V；
在锌溴液流储能电池进行充电循环前，需要将负极储液罐9中的第一两位三通阀2执行至第三端口C至第二端口B方向，将负极储液罐9中的第二两位三通阀3执行至第三端口C至第一端口A方向，将正极储液罐8中第一两位三通阀2执行至第三端口C至第一端口A方向，将正极储液罐8中第二两位三通阀3执行至第二端口B至第一端口A方向，进一步的，开启负极储液罐9中的第二循环泵5和正极储液罐8中的第一循环泵4，以使负极储液罐9内的电解液流体正向流动，以使正极储液罐8内的电解液流体逆向流动，形成充电循环回路。
在锌溴液流储能电池进行充电循环过程中，如图10所示，聚集在负极储液罐9下半部分的二价锌离子通过第二均液整流器7被第二循环泵5抽出，流经第二两位三通阀3的第三端口C至第一端口A方向并送至电堆模块10的负极进液口，二价锌离子作为反应物进入电堆模块10进行充电反应后，得到的析出的锌单质流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第二端口B方向，经过负极储液罐9中第一均液整流器6整流，并以层流的方式均匀的输送至负极储液罐9的上半部分。
与之相应的，聚集在正极储液罐8上半部分的负一价溴离子通过第一均液整流器6被第一循环泵4抽出，流经第二两位三通阀3的第二端口B至第一端口A方向并送至电堆模块10的正极进液口，负一价溴离子作为反应物进入电堆模块10进行充电反应后，得到的溴单质络合物流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第一端口A方向，经过正极储液罐8中第二均液整流器7整流，并以层流的方式均匀的输送至正极储液罐8的下半部分。
在锌溴液流储能电池进行放电循环前，需要将负极储液罐9中的第一两位三通阀2执行至第三端口C至第一端口A方向，将负极储液罐9中的第二两位三通阀3执行至第二端口B至第一端口A方向，将正极储液罐8中第一两位三通阀2执行至第三端口C至第二端口B方向，将正极储液罐8中第二两位三通阀3执行至第三端口C至第一端口A方向，进一步的，开启负极储液罐9中的第一循环泵4和正极储液罐8中的第二循环泵5，以使负极储液罐9内的电解液流体逆向流动，以使正极储液罐8内的电解液流体正向流动，形成放电循环回路。
在锌溴液流储能电池进行放电循环过程中，如图11所示，聚集在负极储液罐9上半部分的锌单质通过第一均液整流器6被第一循环泵4抽出，流经第二两位三通阀3的第二端口B至第一端口A方向并送至电堆模块10的负极进液口，锌单质作为反应物进入电堆模块10进行放电反应后，得到的二价锌离子流经负极储液罐9中第一两位三通阀2的第三端口C至第一端口A方向，经过负极储液罐9中第二均液整流器7整流，并以层流的方式均匀的输送至负极储液罐9的下半部分。
与之相应的，聚集在正极储液罐8下半部分的溴单质络合物通过第二均液整流器7被第二循环泵5抽出，流经第二两位三通阀3的第三端口C至第一端口A方向并送至电堆模块10的正极进液口，溴单质络合物作为反应物进入电堆模块10进行放电反应后，得到的负一价溴离子流经正极储液罐8中第一两位三通阀2的第三端口C至第二端口B方向，经过正极储液罐8中第一均液整流器6整流，并以层流的方式均匀的输送至正极储液罐8的上半部分。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (9)
1.一种电解液储液罐，其特征在于，包括储液罐本体(1)、第一两位三通阀(2)、第二两位三通阀(3)、第一循环泵(4)和第二循环泵(5)；
所述第一两位三通阀(2)的第一端口通过所述第二循环泵(5)与所述第二两位三通阀(3)的第三端口连接，所述第一两位三通阀(2)的第二端口通过所述第一循环泵(4)与所述第二两位三通阀(3)的第二端口连接；所述第一两位三通阀(2)的第三端口与电堆的出液端连接，所述第二两位三通阀(3)的第一端口与电堆的进液端连接；
所述储液罐本体(1)内的顶部设置有第一均液整流器(6)，所述第一均液整流器(6)连接在所述第一两位三通阀(2)的第二端口与所述第一循环泵(4)之间；所述储液罐本体(1)内的底部设置有第二均液整流器(7)，所述第二均液整流器(7)连接在所述第一两位三通阀(2)的第一端口与所述第二循环泵(5)之间；
所述第一均液整流器(6)和所述第二均液整流器(7)用于对流入所述储液罐本体(1)内的电解液流体均匀分配，以使所述电解液流体在所述储液罐本体(1)内以层流的方式均匀流动；
所述第一均液整流器(6)和所述第二均液整流器(7)均设置有第一连接口和第二连接口，所述第一均液整流器(6)的所述第一连接口通过管路连接在所述第一两位三通阀(2)的第二端口与所述第一循环泵(4)之间，所述第二均液整流器(7)的所述第一连接口通过管路连接在所述第一两位三通阀(2)的第一端口与所述第二循环泵(5)之间，所述第一均液整流器(6)的所述第二连接口和所述第二均液整流器(7)的所述第二连接口均设置在所述储液罐本体(1)内，且两个所述第二连接口在所述储液罐本体(1)内的高度均低于所述储液罐本体(1)内的电解液流体液面高度。
2.根据权利要求1所述的电解液储液罐，其特征在于，当所述电解液储液罐中的电解液流体正向流动时，所述第一两位三通阀(2)的第一端口、所述第二两位三通阀(3)的第二端口以及所述第一循环泵(4)关闭，所述储液罐本体(1)内的电解液流体经过所述第二均液整流器(7)流出，并依次通过所述第二循环泵(5)、所述第二两位三通阀(3)的第三端口以及所述第二两位三通阀(3)的第一端口流入所述电堆的进液端，所述电堆内反应后的电解液流体从所述电堆的出液端流出，依次通过所述第一两位三通阀(2)的第三端口和所述第一两位三通阀(2)的第二端口后，经过所述第一均液整流器(6)流入所述储液罐本体(1)内；
当所述电解液储液罐中的电解液流体逆向流动时，所述第一两位三通阀(2)的第二端口、所述第二两位三通阀(3)的第三端口以及所述第二循环泵(5)关闭，所述储液罐本体(1)内的电解液流体经过所述第一均液整流器(6)流出，并依次通过所述第一循环泵(4)、所述第二两位三通阀(3)的第二端口以及所述第二两位三通阀(3)的第一端口流入所述电堆的进液端，在所述电堆内反应后的电解液流体从所述电堆的出液端流出，依次通过所述第一两位三通阀(2)的第三端口和所述第一两位三通阀(2)的第一端口后，经过所述第二均液整流器(7)流入所述储液罐本体(1)内。
3.根据权利要求1所述的电解液储液罐，其特征在于，所述第一均液整流器(6)和所述第二均液整流器(7)由聚氯乙烯材料制备而成，且分别经过所述第一均液整流器(6)和所述第二均液整流器(7)流入所述储液罐本体(1)内的电解液流体的雷诺数低于2000。
4.一种液流电池系统，其特征在于，包括电堆模块(10)和两个如权利要求1至3中任一所述电解液储液罐，其中一所述电解液储液罐作为负极储液罐(9)，另一所述电解液储液罐作为正极储液罐(8)；
所述负极储液罐(9)通过所述第一两位三通阀(2)的第三端口与所述电堆模块(10)的负极出液端连接，所述负极储液罐(9)通过所述第二两位三通阀(3)的第一端口与所述电堆模块(10)的负极进液端连接；
所述正极储液罐(8)通过所述第一两位三通阀(2)的第三端口与所述电堆模块(10)的正极出液端连接，所述正极储液罐(8)通过所述第二两位三通阀(3)的第一端口与所述电堆模块(10)的正极进液端连接。
5.根据权利要求4所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池系统还包括负极出液管路(11)、正极出液管路(12)、负极进液管路(13)和正极进液管路(14)，所述电堆模块(10)包括至少一个电堆；
所述负极储液罐(9)中所述第一两位三通阀(2)的第三端口通过所述负极出液管路(11)与每一所述电堆的负极出液端连接，所述负极储液罐(9)中所述第二两位三通阀(3)的第一端口通过所述负极进液管路(13)与每一所述电堆的负极进液端连接；
所述正极储液罐(8)中所述第一两位三通阀(2)的第三端口通过所述正极出液管路(12)与每一所述电堆的正极出液端连接，所述正极储液罐(8)中所述第二两位三通阀(3)的第一端口通过所述正极进液管路(14)与每一所述电堆的正极进液端连接。
6.根据权利要求4所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池系统还包括逆变器(15)，所述逆变器(15)与所述电堆模块(10)连接。
7.根据权利要求4所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池系统还包括电池管理模块，所述电池管理模块与所述电堆模块(10)连接，所述电池管理模块基于安时积分法对所述液流电池系统的荷电状态进行估算。
8.根据权利要求4所述的液流电池系统，其特征在于，所述电堆模块(10)的安装高度高于所述正极储液罐(8)和所述负极储液罐(9)。
9.根据权利要求4所述的液流电池系统，其特征在于，所述液流电池系统应用于多种液流储能电池，所述多种液流储能电池包括全钒液流储能电池、铁铬液流储能电池和锌溴液流储能电池。
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