CN204330411U - 一种全钒液流电池电解液取样分析装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种全钒液流电池电解液取样分析装置，涉及在线取样实验装置技术领域，为解决无法准确对全钒液流电池实时在线取样的问题而设计。其包括取样装置和分析装置，前者包括取样器、三通阀、与三通阀并联连接的取样管、取样进样管和送样管，取样进样管与取样器连接，送样管上分支出排液管；取样器包括活塞和推杆，当拉动推杆时，液体样品通过取样管、三通阀和取样进样管被抽进取样器内；当推动推杆时，液体样品通过取样进样管、三通阀和送样管被排出；后者包括与送样管连接的罐体、与罐体连接的进气管、排气管和固定电极的电极支座。本实用新型结构简单，操作方便，能够快速、准确的对全钒液流电池进行实时在线取样分析，可靠性强。

Description

一种全钒液流电池电解液取样分析装置

技术领域

本实用新型涉及在线取样实验装置技术领域，尤其涉及一种全钒液流电池电解液取样分析装置。

背景技术

目前，全钒液流电池由质子传导膜、正、负极电解液、碳素材料电极、集流板等部件构成，正、负极电解液通过泵在存储罐和电堆之间循环输送，电堆内部正、负极电解液由质子传导膜隔开。质子传导膜应具备电导率高、阻钒性能好、水迁移速率低等特点，而实际应用中水和钒离子的跨膜迁移，为电堆安全、稳定运行造成一定风险，有必要对全钒液流电池正、负极电解液中各价钒离子进行实时定量分析。

然而，在全钒液流电池系统运行过程中不能简便的进行取样分析：一方面，运行过程中电解液有压力，这就造成在线取样困难，而泄压取样系统装置复杂、操作困难；另一方面，全钒液流电池在充放电过程中正、负极电解液中各价态钒离子浓度时时变化，负极电解液活性物质极易被空气中的氧气氧化，造成各价态钒离子分析结果与真值偏差较大，无法及时准确的反映全钒液流电池真实的运行状态。因此，有必要建立一种可靠的、实用性较强的实时在线取样与分析装置。

实用新型内容

本实用新型的目的是提出一种结构简单，操作方便，快速、准确的对全钒液流电池进行实时在线取样分析，可靠性强，实用性强的全钒液流电池电解液取样分析装置。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

本实用新型提供了一种全钒液流电池电解液取样分析装置，包括取样装置和分析装置，所述取样装置包括带有刻度的取样器、三通阀、与所述三通阀相连且呈并联设置的取样管、取样进样管和送样管，所述取样进样管与所述取样器连接，所述送样管上分支出排液管，所述取样管、送样管和排液管上均设置有阀门；

所述取样器包括位于其内部的活塞和与所述活塞连接的推杆，当拉动所述推杆时，液体样品依次通过所述取样管、所述三通阀和所述取样进样管被抽进所述取样器内；当推动所述推杆时，液体样品依次通过所述取样进样管、所述三通阀和所述送样管被排出；

所述分析装置包括罐体、进气管、排气管和用于固定电极的电极支座，所述进气管和所述排气管分别与所述罐体连接，所述罐体与所述送样管连接。

进一步的，所述分析装置还包括顶盖，所述顶盖与所述罐体密闭连接，所述电极支座与所述顶盖螺纹连接，所述电极支座与所述顶盖的螺纹连接处设置有弹性密封件。

进一步的，所述罐体与所述送样管之间连接有分析进样管，所述分析进样管通过阀门与所述送样管连接。

进一步的，所述分析进样管与所述罐体螺纹连接，且两者之间采用弹性密封件进行密封，或采用粘结材料进行密封固定连接。

进一步的，所述电极与所述电极支座之间采用弹性密封件或粘结材料进行密封。

进一步的，所述进气管和所述排气管与所述顶盖螺纹连接，且所述进气管与所述顶盖之间和所述排气管与所述顶盖之间采用弹性密封件进行密封，或采用粘结材料进行密封固定连接。

进一步的，所述进气管伸入所述罐体内的底端到所述罐体的底部的距离不大于所述罐体高度的六分之一。

进一步的，所述活塞位于所述推杆的顶部，并通过卡口或粘结材料与所述推杆连接。

进一步的，所述罐体、所述进气管、所述排气管、所述电极支座、所述分析进样管和所述顶盖的制作材料为聚乙烯或聚四氟乙烯或聚丙烯或聚苯乙烯或ABS树脂或聚氯乙烯或有机玻璃或聚偏氟乙烯。

进一步的，所述取样器、所述取样管、所述取样进样管、所述送样管和所述排液管的制作材料为聚乙烯或聚四氟乙烯或聚丙烯或聚苯乙烯或ABS树脂或聚氯乙烯或有机玻璃或聚偏氟乙烯；

所述活塞的制作材料为全氟橡胶或硅橡胶或丁腈橡胶或氟素橡胶或氟硅橡胶或聚氨酯橡胶或三元乙丙橡胶或氯丁橡胶或丁基橡胶。

本实用新型的有益效果为：

本实用新型提供了一种全钒液流电池电解液取样分析装置，该取样分析装置结构简单，能够快速、准确的对全钒液流电池进行实时在线取样分析，不但可以取样各种不易被氧化液体样品，而且能够取样极易被氧化液体样品，整个操作过程避免电解液与空气接触，取样精确，操作方便，可靠性和实用性强，不会污染待取样品。

附图说明

图1是本实用新型实施例一的全钒液流电池电解液取样分析装置的剖视图；

图2是本实用新型实施例一的全钒液流电池电解液取样分析装置的分体式结构示意图；

图3是本实用新型实施例二的全钒液流电池电解液取样分析装置的剖视图；

图4是本实用新型实施例二的全钒液流电池电解液取样分析装置的分体式结构示意图。

图中，1、取样装置；10、取样器；101、活塞；102、推杆；11、三通阀；12、取样管；13、取样进样管；14、送样管；15、排液管；2、分析装置；21、罐体；22、进气管；23、排气管；24、电极支座；25、分析进样管；26、顶盖。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。

实施例一：

本实施例提供了一种全钒液流电池电解液取样分析装置，该全钒液流电池电解液取样分析装置的结构如图1和图2所示，其包括取样装置1和分析装置2，取样装置1包括带有刻度的取样器10、位于取样器10顶部半封闭筒体内的三通阀11、与三通阀11相连且呈并联设置的取样管12、取样进样管13和送样管14。取样管12与待取样品储存装置连接。取样进样管13与取样器10的顶部连接。送样管14上分支出排液管15。取样管12上设置有取样阀，送样管14上设置有送样阀，排液管15上设置有排液阀。

取样器10包括位于其内部的活塞101和推杆102，活塞101位于推杆102的顶部，并通过卡口或粘结材料与推杆102连接。当拉动推杆102时，液体样品依次通过取样管12、三通阀11和取样进样管13被抽进取样器10内；当推动推杆102时，液体样品依次通过取样进样管13、三通阀11和送样管14被排出。

为了防止电解液内的活性物质对取样装置进行腐蚀而损坏取样装置，取样器10、取样管12、取样进样管13、送样管14和排液管15的制作材料为聚乙烯或聚四氟乙烯或聚丙烯或聚苯乙烯或ABS树脂或聚氯乙烯或有机玻璃或聚偏氟乙烯等，活塞101的制作材料为全氟橡胶或硅橡胶或丁腈橡胶或氟素橡胶或氟硅橡胶或聚氨酯橡胶或三元乙丙橡胶或氯丁橡胶或丁基橡胶等，从而有效延长了取样装置的使用寿命。

分析装置2包括罐体21、罐体21顶部连接的顶盖26、位于顶盖26上方的进气管22、排气管23和用于固定电极的电极支座24。电极支座24与顶盖26螺纹连接，电极支座24与顶盖26的螺纹连接处设置有弹性密封件。顶盖26与罐体21之间采用螺纹配合弹性密封垫(圈)方式密闭连接。电极与电极支座24之间采用弹性密封件进行密封，拆卸和清洗方便，两者还可以采用粘结材料连接密封。进气管22和排气管23与顶盖26螺纹连接，且进气管22与顶盖26之间和排气管23与顶盖26之间采用弹性密封件进行密封，或采用粘结材料进行密封固定连接。以上部件之间的密封连接方式能够有效避免外部空气进入罐体21内氧化电解液中的活性物质，造成电解液中各价态钒离子浓度的分析结果与真值偏差较大，准确且可靠的实现了对电解液各价态钒离子的定量分析。

另外，进气管22伸入罐体21内的底端到罐体21的底部的距离不大于罐体21高度的六分之一。通入的惰性气体能够将罐体21内原有的空气充分赶出，使得电解液避免与氧气接触而氧化，从而获得准确的各价态钒离子浓度值。

罐体21与送样管14之间连接有分析进样管25，且分析进样管25通过进样阀与送样管14连接。分析进样管25与罐体21螺纹连接，且两者之间采用弹性密封件进行密封，或采用粘结材料进行密封固定连接。

同理，为了防止电解液内的活性物质对分析装置进行腐蚀而损坏分析装置，罐体21、进气管22、排气管23、电极支座24、分析进样管25和顶盖26的制作材料为聚乙烯或聚四氟乙烯或聚丙烯或聚苯乙烯或ABS树脂或聚氯乙烯或有机玻璃或聚偏氟乙烯等，进而延长了分析装置的使用寿命。

当使用本实用新型中取样装置采样不易被氧化的样品时，利用推杆102将活塞101推至取样器10的顶部，关闭送样管14的送样阀和排液管15的排液阀，将取样管12连接待取样品储存装置，打开取样管12的取样阀，开启三通阀11的b侧和c侧，关闭a侧，利用推杆102拉动活塞101通过取样管12和取样进样管13将样品抽进带有精密刻度的取样器10中，关闭三通阀11的b侧，开启a侧和c侧，开启送样管14的送样阀和排液管15的排液阀，推动推杆102，使取样器10中的样品通过送样管14和排液管15排出，将以上操作反复几次，充分润洗和排尽取样装置内的空气，保证取样精度，最后按此操作取样。

当使用本实用新型取样装置采样极易被氧化的负极电解液时，需要隔绝空气取出。使用时，将活塞101推至取样器10的顶部，关闭送样管14的送样阀、排液管15的排液阀和取样管12的取样阀，将取样管12通过取样阀连接于负极管路取样口，打开取样管12的取样阀，开启三通阀11的b侧和c侧，关闭a侧，利用推杆102拉动活塞101通过取样管12和取样进样管13将负极电解液抽进带有精密刻度的取样器10中，关闭取样管12的取样阀，关闭三通阀11的b侧，开启a侧和c侧，开启送样管14的送样阀和排液管15的排液阀，推动推杆102，使取样器10中负极电解液通过送样管14和排液管15排出，将以上操作反复几次，充分润洗和排尽取样装置内的空气，保证取样精度，最后按此操作取样。

将分析装置电极固定于电极支座24上，并将电极支座24与顶盖26连接密闭、顶盖26与罐体21连接密闭，关闭进样管25的进样阀，打开排气管23的排气阀，通过进气管22将惰性气体输入罐体21内，以排尽空气为目标，惰性气体输入量以下面公式进行计算：

$V=V_T\ln \frac{C_1-C_0}{C_2-C_0}$

式中：V为置换时所需要的惰性气体量；

C₁为罐体21中最初的氧含量，％(体积分数)

C₂为罐体21中最终的氧含量，％(体积分数)

若惰性气体很纯，不含有氧，则C₀为0。

最后关闭排气管23上的排气阀，保证分析装置内惰性气氛。

将取样装置送样管14和分析装置进样管25通过进样阀连接密封，将取样装置中所取各个样品按需求量定量打入分析装置内进行滴定。

例如，使用透明聚氯乙烯材料制造分析装置和取样装置，使用前，充分洗净取样装置和分析装置，并将电极固定于电极支座24上，进一步固定于分析装置顶盖26上，加入磁力转子后，将顶盖26与罐体21密封、进行气体置换(分析正极电解液时无需置换)，待用。

以分析全钒液流电池系统正、负极电解液为例进行详细说明，具体步骤如下：

1.精确量取300mL硫酸和100mL磷酸，将两者混合摇匀，配制硫磷(3+1)混酸，再分别配制30g·L^-1KMnO₄溶液，10g·L^-1NaNO₂溶液，80g·L^-1尿素溶液，30g·L^-1K₂Cr₂O₇溶液，0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂溶液，0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂溶液使用前以K₂Cr₂O₇溶液进行精确标定。

2.V⁴⁺/V⁵⁺体系总钒浓度的测定

(a)利用取样装置准确量取V mL待测正极电解液置于分析装置中、边搅拌边滴加一定量的去离子水、硫磷(3+1)混酸，滴加30g·L^-1KMnO₄溶液至烧杯内溶液呈红色5min内不褪色，加入适量的80g·L^-1尿素溶液，搅拌2min后，滴加10g·L^-1NaNO₂溶液至呈现亮黄色，使用标定好的0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液滴定，滴定到终点后记下消耗的Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液的体积V₁，则阳极电解液总钒浓度为：

3.V⁵⁺/V⁴⁺体系各浓度的测定

(a)V⁵⁺溶液的测定

准确量取V mL待测溶液于分析装置中，搅拌过程中依次加入一定量的去离子水和硫磷(3+1)混酸，冷却后，用0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液进行滴定，滴定到终点后记下消耗0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液体积V₂，则电解液V⁵⁺钒溶液浓度为：

$C_{V^{5+}}=\frac{0.03\×V_2}{V}$

(b)V⁴⁺溶液的测定

4.V⁵⁺标准溶液浓度和价态的测定

(a)V⁵⁺标准溶液的获取：V⁵⁺标准溶液由V₂O₅与NaOH溶液配制得到，用Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液进行标定，通常情况下，V⁵⁺比例在95％～98％范围内。

(b)V⁵⁺标准溶液的测定：取待测V⁵⁺标准溶液V mL于分析装置中，搅拌中依次加入一定量的离子水和和硫磷(3+1)混酸，冷却后，用0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液进行滴定，滴至终点记下消耗0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液体积V^*，则V⁵⁺标准溶液的浓度为：

5.V²⁺/V³⁺体系的浓度测定

首先采用与步骤2相同的方法测定V²⁺/V³⁺体系总钒浓度C_总′，滴定过程中消耗0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液体积为V_总′mL，然后滴定体系中的V²⁺与V³⁺浓度，步骤如下：

在分析装置中氧气完全被惰性气体置换后，搅拌过程中依次用取样装置加入一定量的去离子水、硫磷(3+1)混酸，V〞mL V⁵⁺标准溶液，然后在在密闭条件下准确量取待测负极电解液V′mL置于分析装置中，进行滴定，终点时记下消耗0.03mol·L^-1Fe(NH₄)₂(SO₄)₂标准溶液体积V₃mL，则测出电解液中V²⁺的浓度为：

则V³⁺浓度为：

6.以上V⁵⁺/V⁴⁺体系的测定与V²⁺/V³⁺体系的测定中均进行三次平行实验，测试结果如表所示；

分析结束后，可扭开顶盖26，将分析装置中的废液排出，并可反复抽推推杆102通过脉冲的气体将取样装置中的残余液体排净。

实施例二：

本实施例提供了一种全钒液流电池电解液取样分析装置，如图3和图4所示，该全钒液流电池电解液取样分析装置的结构与实施例一所述的取样分析装置的结构基本相同，在此不再赘述。

其区别之处在于：三通阀11、与三通阀11相连且呈并联设置的取样管12、取样进样管13和送样管14均位于取样器10的外部上方。

本实用新型结构简单，能够快速、准确的对全钒液流电池进行实时在线取样分析，且取样装置不但可以取样各种不易被氧化液体样品，而且能够取样极易被氧化液体样品，整个操作过程避免电解液与空气接触，取样精确、安全可靠、操作方便，不会污染待取样品。

本实用新型的取样分析装置可以进行频繁操作，而不会随取样次数增加而引起增大的误差。

以上结合具体实施例描述了本实用新型的技术原理。这些描述只是为了解释本实用新型的原理，而不能以任何方式解释为对本实用新型保护范围的限制。基于此处解释，本领域技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本实用新型的其它具体实施方式，这些方式都将落入本实用新型保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：包括取样装置(1)和分析装置(2)，所述取样装置(1)包括带有刻度的取样器(10)、三通阀(11)、与所述三通阀(11)相连且呈并联设置的取样管(12)、取样进样管(13)和送样管(14)，所述取样进样管(13)与所述取样器(10)连接，所述送样管(14)上分支出排液管(15)，所述取样管(12)、送样管(14)和排液管(15)上均设置有阀门；

所述取样器(10)包括位于其内部的活塞(101)和与所述活塞(101)连接的推杆(102)，当拉动所述推杆(102)时，液体样品依次通过所述取样管(12)、所述三通阀(11)和所述取样进样管(13)被抽进所述取样器(10)内；当推动所述推杆(102)时，液体样品依次通过所述取样进样管(13)、所述三通阀(11)和所述送样管(14)被排出；

所述分析装置(2)包括罐体(21)、进气管(22)、排气管(23)和用于固定电极的电极支座(24)，所述进气管(22)和所述排气管(23)分别与所述罐体(21)连接，所述罐体(21)与所述送样管(14)连接。

2.根据权利要求1所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述分析装置(2)还包括顶盖(26)，所述顶盖(26)与所述罐体(21)密闭连接，所述电极支座(24)与所述顶盖(26)螺纹连接，所述电极支座(24)与所述顶盖(26)的螺纹连接处设置有弹性密封件。

3.根据权利要求1或2所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述罐体(21)与所述送样管(14)之间连接有分析进样管(25)，所述分析进样管(25)通过阀门与所述送样管(14)连接。

4.根据权利要求3所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述分析进样管(25)与所述罐体(21)螺纹连接，且两者之间采用弹性密封件进行密封，或采用粘结材料进行密封固定连接。

5.根据权利要求1所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述电极与所述电极支座(24)之间采用弹性密封件或粘结材料进行密封。

6.根据权利要求2所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述进气管(22)和所述排气管(23)与所述顶盖(26)螺纹连接，且所述进气管(22)与所述顶盖(26)之间和所述排气管(23)与所述顶盖(26)之间采用弹性密封件进行密封，或采用粘结材料进行密封固定连接。

7.根据权利要求1所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述进气管(22)伸入所述罐体(21)内的底端到所述罐体(21)的底部的距离不大于所述罐体(21)高度的六分之一。

8.根据权利要求1所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述活塞(101)位于所述推杆(102)的顶部，并通过卡口或粘结材料与所述推杆(102)连接。

9.根据权利要求2所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述罐体(21)、所述进气管(22)、所述排气管(23)、所述电极支座(24)、所述分析进样管(25)和所述顶盖(26)的制作材料为聚乙烯或聚四氟乙烯或聚丙烯或聚苯乙烯或ABS树脂或聚氯乙烯或有机玻璃或聚偏氟乙烯。

10.根据权利要求1所述的全钒液流电池电解液取样分析装置，其特征在于：所述取样器(10)、所述取样管(12)、所述取样进样管(13)、所述送样管(14)和所述排液管(15)的制作材料为聚乙烯或聚四氟乙烯或聚丙烯或聚苯乙烯或ABS树脂或聚氯乙烯或有机玻璃或聚偏氟乙烯；

所述活塞(101)的制作材料为全氟橡胶或硅橡胶或丁腈橡胶或氟素橡胶或氟硅橡胶或聚氨酯橡胶或三元乙丙橡胶或氯丁橡胶或丁基橡胶。