CN110679023A - 所有钒液流电池的先进电解液混合方法 - Google Patents

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Abstract

液流电池具有电化学电池组、正极电解液、负极电解液、正极电解液槽和负极电解液槽。所述正极电解液和所述负极电解液分别储存在所述正极槽和负极槽中。正极电解液泵、负极电解液泵、混合泵嵌入旁路管道或专用回路中。所述正极槽和所述负极槽借助于连接管相互连接，所述连接管嵌入紧靠电解液液面的正上方。

Description

所有钒液流电池的先进电解液混合方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月27日提交的、标题为“所有钒液流电池的先进电解液混合方法”的临时申请号62/476,936的优先权。本临时专利申请的全部披露内容特此通过援引方式以其全文并入本文。
技术领域
本发明涉及一种液流电池，并且具体地涉及一种新颖的液流电池模块，其中设备的平衡被强烈简化。
发明背景
液流电池是一种可再充电电池类型，其中含有一种或多种溶解的电活性物质的电解液流过电化学电芯，所述电化学电芯将化学能直接转换为电能。电解液储存在外部槽中并被泵送通过反应器的电芯。
氧化还原液流电池具有的优点是具有灵活的布局(由于在电力组件与能量组件之间的分开)、长的寿命周期、快速响应时间、无需平稳充电以及无有害排放。
液流电池用于具有能量需求在1kWh与几MWh之间的固定应用：它们用于使输电网的负载平稳，在夜间，其中电池用于以低成本积累能量，并在其更昂贵时将其返回到输电网，还积累来自可再生源(如太阳能和风能)的电力，然后在能源需求高峰期期间提供它。
特别地，钒氧化还原电池包括一组电化学电芯，其中两种电解液通过质子交换膜分开。两种电解液均基于钒：正极半电芯中的电解液含有VO4<+>和VO<5+>离子，而负极半电芯中的电解液含有V<3+>和V<2+>离子。可以以几种方式来制备电解液，例如通过将五氧化二钒(V2O5)电解溶解在硫酸(H2SO4)中。使用的溶液保持强酸性。在钒液流电池中，此外两个半电芯连接到含有非常大体积的电解液的储槽，所述电解液借助于泵循环通过电芯。液体电解液的此种循环需要一定的空间占用，并限制了在移动应用中使用钒液流电池的可能性，实际上将它们限制在大型固定设施中。
在电池充电时，在正极半电芯中，钒被氧化，从而将VO4<+>转换为VO<5+>。被移除的电子被转移到负极半电芯，在所述负极半电芯中，它们将钒从V<3+>还原为V<2+>。在运行期间，所述过程相反地发生，并且在25℃下在开路中获得1.41V的电势差。
钒氧化还原电池是在电解液中并且不是在板或电极(如通常发生在所有其他电池技术中)上积累电能的唯一电池。
与所有其他电池不同，在钒氧化还原电池中，槽中含有的电解液一旦充电，就不经受自动放电，而固定在电化学电芯内的那部分电解液随时间推移经受自动放电。
电池中储存的电能量由槽中含有的电解液的体积决定。
根据特别有效的特定构造解决方案，钒氧化还原电池包括一组电化学电芯，通过聚合物膜相互分开的两种电解液在其中流动。两种电解液均由溶解的钒的酸性溶液构成。正极电解液含有V<5+>和V<4+>离子，而负极电解液含有V<2+>和V<3+>离子。在电池充电时，在正极半电芯中，钒氧化，而在负极半电芯中，钒被还原。在放电步骤期间，过程相反。以电串联连接多个电芯允许增加电池两端的电压，所述电压等于电芯数目乘以1.41V。
在充电阶段期间，为了储存能量，打开泵，使电解液在电化学相关电芯内流动。施加到电化学电芯的电能借助于膜促进质子交换，从而为电池充电。
在放电阶段期间，打开泵，使电解液在电化学电芯内部流动，在相关电芯中产生正压，从而释放积累的能量。
在电池的运行期间，存在由过程的电动势促进的电解液从构成电池组的电芯的组中的一个隔室迁移到另一个隔室。这引起槽中电解液的液面变化，其中一个槽中的液面升高，并且另一个槽中的液面降低。
目的是保持槽中的电解液的液面平衡，在液位下面放置连接两个槽的连接旁路管。
当电池长期运行时，构成电解液的钒物质的浓度不平衡发生。因此，必要的是以预定的周期间隔混合两种电解液，以确保阳极和阴极中钒的浓度相等。显然，通过混合两种电解液，电池进入非运行状态，并且递送的电压等于零(电池两端的电势没有差异)，因为两个隔室均含有处于3.5氧化态的钒。为了返回到V3+和V4+的已放电的电池状态，能量消耗必需等于一半电荷以调节两个槽中的电解液。仅在调节后，才可能对电池再充电。
为了进行这种电解液混合操作，必需具有嵌入的液压回路，所述液压回路将槽的引入口和出口相互联接，以便允许电解液流混合在一起。
液压混合回路由几个手动或电动操作的阀构成，所述阀可经受的确由其有限用途引起的故障，并且除此之外，上述液压混合回路增加了电池的总成本。
本发明的目的是解决以上描述的问题，设计一种液流电池，所述液流电池完全消除了阀并且包括有限的液压回路。此设计还比已知技术的电池更便宜，并且不太可能经受失效和故障。
背景技术：
图1是示出常规钒氧化还原液流电池的示意图。如图1中示出的，常规钒氧化还原液流电池包括电化学电池组1、正极电解液5、负极电解液4、正极电解液槽3和负极电解液槽2。正极电解液5和负极电解液4分别储存在槽3和槽2中。同时，正极电解液5和负极电解液4分别经由连接管道穿过电化学电池组1，以形成图1中用箭头指示的各自回路。正极电解液和负极电解液由图1中的不同阴影指示。典型地将泵6和泵7安装在连接管道上以将电解液连续地输送到电池组1中的电极。阳极三通阀8和阴极三通阀9嵌入管道中，目的是交换两条路线的流动方向，以便再混合在各自槽3和槽2中含有的正极电解液和负极电解液。旁路管13嵌入在电解液液面下面，以将正极电解液槽3连接到负极电解液槽2，目的是维持槽内含有的两种电解液的液面平衡。旁路管道13中的流动可以在任一方向上进行，如沿着图1中的旁路管道13通过箭头指示的。
此外，可以在钒氧化还原液流电池中使用电力转换单元11，例如DC/AC转换器，并且电力转换单元11分别经由正极和负极连接线电连接到电池组1，并且电力转换单元11还可以分别电连接到外部输入电源12和外部负载10，以便将由外部输入电源12产生的AC电力转换为DC电力以对钒氧化还原液流电池进行充电，或者将由钒氧化还原液流电池放电的DC电力转换成AC电力以输出到外部负载10。
在图1中，所述图是根据现有技术的常规液流电池的示意图，示出了一种运行模式，其中正极三通阀9已切换以将从泵6接收的正极电解液流引导到电池组1的阴极回路，并示出其返回到各自的正极槽3。
同样在图1中，所述图是示出根据现有技术的常规液流电池的示意图，示出了所述运行模式，其中负极三通阀8已切换以将从泵7接收的负极电解液流引导到所述电池组的阳极回路并返回到各自的负极槽2。
图2是根据现有技术的常规液流电池的示意图，类似于图1的示意图，示出了一种混合模式，其中负极三通阀8已将负极电解液流从泵7切换到正极槽3中，从而绕过电池组1的阳极回路，而是将其返回到相反的正极槽3中，引起负极电解液和正极电解液两者(负极电解液和正极电解液由图2中的不同阴影示出)的混合。
然而，由于如以上讨论的三通阀和各自的嵌入管，存在由设备的复杂性引起的根据现有技术的上述常规液流电池设计的缺点。
根据现有技术的上述常规液流电池设计的附加缺点是，上述三通阀和各自管适时经受来自其存在于管回路中的几个连接点的泄漏，可能引起整个电池的损害。
因此，需要提供一种更简单的钒氧化还原液流电池设计，以便解决由以上描述的常规液流电池设计所呈现的问题，以实现改进的可靠性并降低制造成本，从而缩短投资的回收期。
发明内容
本发明的目的是提供一种钒氧化还原液流电池模块，所述模块具有电化学电池组1、正极电解液5、负极电解液4、正极电解液槽3、和负极电解液槽2，正极电解液5和负极电解液4分别储存在槽2和槽3中。同时，正极电解液5和负极电解液4分别经由连接管道穿过电化学电池组1，以形成图3中还用箭头指示的各自回路。典型地将泵6和泵7安装在连接管道上以将各自的电解液连续地输送到电池组1中的电极。旁路管13嵌入在电解液液面下面，以将正极电解液槽3连接到负极电解液槽2，目的是维持各自的槽2和槽3中含有的两种电解液的液面平衡。在旁路管13中，嵌入混合泵14，所述混合泵在运行模式下被关闭，而在混合模式下，混合泵14被打开，将在负极电解液槽2中含有的负极电解液4在由图3中指向右边的箭头所指示的方向上泵送到正极电解液槽3内，将两种电解液混合在一起。在此混合阶段期间，发生正极电解液槽3中的电解液液面的增加。正极槽3和负极槽2通过连接管15相互连接，并且连接管15布置在紧靠电解液液面的正上方，例如在电解液液面的上方2cm。
如图4中示出的，在其中混合泵14被打开的混合模式下，正极电解液槽3中的电解液液面增加，并且借助于连接管15，槽3中过量的电解液返回到负极电解液槽2内。正极电解液和负极电解液通过不同的阴影进行区分，如见于图4中。当混合模式结束并且泵14被关闭时，借助于旁路管13，在两个槽中的液面的平衡发生，从而维持电解液液面平衡并提供有效的电解液混合物。
如图5中示出的，混合泵14可替代地嵌入在电解液液面上方的专用管道回路16中。管道回路16具有槽2中的一端18以及槽3中的相对端17。在电池运行期间，混合泵14被关闭，并且管道回路16不用作用于电解液液面平衡的旁路。在此视图中，端18用作抽吸端。如见于图5中的抽吸管端18在电解液槽2中比槽3中的排放管端17更深，其中端17以默认液面接触电解液的顶部。
如图6中示出的，在完成当混合泵14被关闭时的混合模式之后，液面的平衡经由如由返回箭头示出的管道回路16发生，直到电解液5的液面达到端17(导管17)。空气将进入管道回路16中，引起排空，从而结束电解液平衡。如见于图6中的抽吸管端18在电解液槽2中比槽3中的排放管端17更深，其中端17以默认液面接触电解液的顶部。
本发明的另一个目的是提供一种液流电池，所述液流电池相对简单且更便宜并且在应用中更安全。
附图说明
本发明的另外的特征和优点从通过附图中的非限制性实例说明的根据本发明的液流电池的优选但非排他性实施例的描述将变得更明显，其中：
图1是示出运行模式下常规钒氧化还原液流电池的示意图；
图2是示出混合模式下常规钒氧化还原液流电池的示意图；
图3是运行模式下根据本发明的钒液流电池的示意图，其中混合泵嵌入旁路中；
图4是混合模式下根据本发明的钒液流电池的示意图，其中混合泵嵌入旁路中；
图5是根据本发明的钒液流电池的示意图，所述钒液流电池具有顶置管，所述顶置管具有两端，其中一端是在电解液槽2中靠近底部的更深的抽吸管，并且槽3中的排放管17以默认液面接触电解液的顶部；并且
图6是根据本发明的钒液流电池的示意图，其中电解液的流平经由另一顶置管道发生。
具体实施方式
在图3中，示出了根据本发明的液流电池模块，所述模块至少包括电化学电池组1、正极电解液5、负极电解液4、正极电解液槽3和负极电解液槽2。正极电解液5和负极电解液4分别储存在槽3和槽2中。设置正极电解液泵6和负极电解液泵7。旁路管13嵌入在电解液液面下方，以将正极电解液槽3连接到负极电解液槽2，并且将混合泵14嵌入旁路管13中。正极槽3和负极槽2借助于连接管15相互连接，其中连接管15布置在紧靠电解液液面的正上方，例如上方2cm。
在旁路管13中，嵌入混合泵14，所述混合泵在运行模式下被关闭，而在混合模式下，混合泵14被打开，将在负极电解液槽2中含有的负极电解液4在由图3中指向右边的箭头所指示的方向上泵送到正极电解液槽3内，将两种电解液混合在一起。在此混合阶段期间，发生正极电解液槽3中的电解液液面的增加。正极槽3和负极槽2通过连接管15相互连接，并且连接管15布置在紧靠电解液液面的正上方，例如在电解液液面的上方2cm。
在图3中，在根据本发明的液流电池模块中，目的是保持槽中的电解液液面平衡，可以将旁路管道13放置在液位下方，连接电解液槽2和电解液槽3两者，允许电解液流在两个相反的方向中的任一个上流动。
在图3中，在根据本发明的液流电池模块中，在运行模式期间混合泵14被关闭。
如图4中示出的，在其中混合泵14被打开的混合模式下，正极电解液槽3中的电解液液面增加，并且借助于连接管15，槽3中过量的电解液返回到负极电解液槽2内。正极电解液和负极电解液通过不同的阴影进行区分，如见于图4中。当混合模式结束并且泵14被关闭时，借助于旁路管13，在两个槽中的液面的平衡发生，从而维持电解液液面平衡并提供有效的电解液混合物。
在图4中，在根据本发明的液流电池模块中，在混合模式期间混合泵14被打开，将在负极电解液槽2中含有的负极电解液泵送到正极电解液槽3内，将两种电解液混合在一起。
在图4中，在根据本发明的液流电池模块中，在混合模式期间，发生正极电解液槽3中的电解液液面的增加。
在图4中，在根据本发明的液流电池模块中，正极槽3和负极槽2借助于连接管15相互连接，并且连接管15嵌入在紧靠电解液液面的正上方，例如上方2cm。
在图4中，在根据本发明的液流电池模块中，在混合模式期间，借助于连接管15将在正极电解液槽3中泵送的过量混合电解液返回负极电解液槽2中。当混合模式结束并且泵14被关闭时，借助于旁路13，在两个槽中的液面的平衡发生，从而维持电解液液面平衡并提供有效的电解液混合物。
如图5中示出的，混合泵14可替代地嵌入在电解液液面上方的专用管道回路16中。管道回路16具有槽2中的一端18以及槽3中的相对端17。在电池运行期间，混合泵14被关闭，并且管道回路16不用作用于电解液液面平衡的旁路。在此视图中，端18用作抽吸端。如见于图5中的抽吸管端18在电解液槽2中比槽3中的排放管端17更深，其中端17以默认液面接触电解液的顶部。
在图5中，在根据本发明的液流电池模块中，在替代方案中，混合泵14布置在专用管道回路16中，不一定在电解液液面下方(在图5中，水平部分布置在电解液液面上方，并且两端17和18分别布置靠近电解液液面的顶部(端17)和靠近电解液液面的底部(端18)。正极槽3和负极槽2借助于连接管15相互连接。连接管15布置在紧靠电解液液面的正上方，例如上方2cm。
此外，可以在钒氧化还原液流电池中使用电力转换单元11，例如DC/AC转换器，并且电力转换单元11分别经由正极和负极连接线电连接到电池组1，并且电力转换单元11还可以分别电连接到外部输入电源12和外部负载10，以便将由外部输入电源12产生的AC电力转换为DC电力以对钒氧化还原液流电池进行充电，或者将由钒氧化还原液流电池放电的DC电力转换成AC电力以输出到外部负载10。
如图6中示出的，在完成当混合泵14被关闭时的混合模式之后，液面的平衡经由如由返回箭头示出的管道回路16发生，直到电解液5的液面达到端17(导管17)。空气将进入管道回路16中，引起排空，从而结束电解液平衡。如见于图6中的抽吸管端18在电解液槽2中比槽3中的排放管端17更深，其中端17以默认液面接触电解液的顶部。将维持电解液液面的平衡，也提供有效的电解液混合物。
在任何权利要求中提及的技术特征后跟参考符号的情况下，出于增加权利要求的可理解性的唯一目的而已经包括了这些参考符号，并且因此，此类参考符号对通过此类参考符号通过举例确定的每种要素的解释没有任何限制作用。
如此描述了本发明，显然，可应用领域技术人员可以许多方式改变本发明。此类变型不被视为背离本发明的精神和范围，并且所有此类修改旨在被包括在权利要求的范围内。

Claims (3)

1.一种以下类型的液流电池，所述液流电池至少包括电化学电池组1、正极电解液5、负极电解液4、正极电解液槽3和负极电解液槽2，其中所述正极电解液5储存在所述正极电解液槽3中并且其中所述负极电解液4储存在所述负极电解液槽2中；并且所述液流电池进一步包括正极电解液泵6、负极电解液泵7、嵌入电解液液面下方的旁路管13、以及布置在所述旁路管13中的混合泵14，所述旁路管13将所述正极电解液槽3连接到所述负极电解液槽2；并且其中所述正极槽3和所述负极槽2借助于连接管15相互连接，所述连接管15嵌入紧靠所述电解液液面的正上方。
2.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述正极槽3和所述负极槽2借助于紧靠所述电解液液面的正上方例如上方2cm的连接管15相互连接，目的是使在混合模式期间积累的过量的电解液返回。
3.一种以下类型的液流电池，所述液流电池至少包括电化学电池组1、正极电解液5、负极电解液4、正极电解液槽3和负极电解液槽2，其中所述正极电解液5储存在所述正极电解液槽3中并且其中所述负极电解液4储存在所述负极电解液槽2中；改进包括嵌入专用管道16中的混合泵14，所述专用管道具有抽吸端18和排放端17，并且其中所述抽吸端18布置在所述负极电解液槽2的深处，并且其中安置所述排放端17以在所述正极电解液槽3中的设定液面处接触所述正极电解液的顶部。
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