CN116960408B - 一种全钒液流电池电解液调平混液***及其混液方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及全钒液流电池应用领域，特别是涉及一种全钒液流电池电解液调平混液***及其混液方法，包括正极储液罐、负极储液罐和电堆，正极储液罐和电堆通过管道形成电解液回路，负极储液罐和电堆连通通过管道形成电解液回路，还包括第一调平混液管路；第一调平混液管路包括设置在第一回液管路和第二回液管路出液端的混液管道，混液管道与负极储液罐连接；第二调平混液管路；第二调平混液管路包括设置在正极储液罐和负极储液罐下方的液位平衡管道，液位平衡管路上安装有电位检测元件；本发明公开的混液***及其混液方法不仅可以解决现有技术中正极电解液和负极电解液调平问题，还可以提高两者的混合效率，同时还可以提高整个电池中阀门的使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及全钒液流电池应用领域，特别是涉及一种全钒液流电池电解液调平混液***及其混液方法。
背景技术
随着“双碳”目标成为全球共识，新能源在整个能源体系中的比重将快速增加，但由于风力、光伏发电存在天然的不稳定性，需要配套相应的储能***。电化学储能中的全钒液流电池储能***具有容量和功率可单独设计、安全性高、使用寿命长等独特的技术优势，近年来得到广泛的应用。
电解液作为全钒液流电池的能量存储单元，在长时间运行后，电解液中钒离子跨膜运输等造成正负极电解液浓度、体积不均衡等问题，从而导致电解液容量衰减、效率降低。因此，需通过技术手段使正、负极电解液达到平衡。
专利CN109546183 A提出一种全钒液流电池正、负极电解液的调平共混***及其方法，通过液位探测器和电位值控制阀门启停，使电解液浓度达到平衡。但在混液时，无法控制进入正、负极电解液的流量，仍会造成正、负极电解液液位不平衡，并持续混液，降低混液效率，此外，频繁开启阀门还会造成结构件的疲劳损坏，降低使用寿命。因此，针对现有电解液的混液方式无法达到平衡且效率较低问题，成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种全钒液流电池电解液调平混液***及其混液方法，以解决现有技术存在的问题，不仅可以解决现有技术中正极电解液和负极电解液调平问题，还可以提高两者的混合效率，同时还可以提高整个电池中阀门的使用寿命。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种全钒液流电池电解液调平混液***，包括正极储液罐、负极储液罐和电堆，所述正极储液罐通过第一管道与所述电堆连通并向所述电堆输送正极电解液，所述负极储液罐通过第四管道与所述电堆连通并向所述电堆输送负极电解液，所述电堆与所述正极储液罐通过第一回液管路连接，所述电堆与所述负极储液罐通过第二回液管路连接，所述第一回液管路和第二回液管路的设置以实现正极电解液和负极电解液的循环输送；还包括第一调平混液管路；所述第一调平混液管路包括设置在所述第一回液管路和第二回液管路出液端的混液管道，所述混液管道与所述负极储液罐连接；
第二调平混液管路；所述第二调平混液管路包括设置在所述正极储液罐和负极储液罐下方的液位平衡管道，所述液位平衡管道上安装有电位检测元件，所述混液管道和所述液位平衡管道配合实现双重混液以及对所述正极储液罐和负极储液液位的调平。
优选的，所述第一回液管路包括第二管道，所述第二管道的出液端连接有第七管道，所述第一回液管路还包括与第二管道连接且连通的第三管道一端，所述第三管道上安装有第一阀门，所述第三管道的另一端与正极储液罐连接；
所述第二回液管路包括第五管道，所述第五管道的出液端连接有第八管道，所述第七管道与第八管道的出液管与所述混液管道的进液端连接；所述第二回液管路还包括与第五管道连接且连通的第六管道一端，所述第六管道上安装有第二阀门，所述第六管道的另一端与负极储液罐连接。
优选的，所述第七管道上安装有第三阀门，所述第八管道上安装有第四阀门。
优选的，接近所述正极储液罐的所述液位平衡管道一侧上安装有第五阀门，接近所述负极储液罐的所述液位平衡管道一侧上安装有第六阀门。
优选的，所述电位检测元件为电位传感器。
优选的，所述正极储液罐的侧壁上设置有正极液位观测管道，所述负极储液罐的侧壁上设置有负极液位观测管道。
优选的，所述正极储液罐上设置有正极液位传感器，所述负极储液罐上设置有负极液位传感器。
为实现上述目的，本发明还提供了如下方案：一种全钒液流电池电解液调平混液方法，运用前述所述的全钒液流电池电解液调平混液***，其调平混液步骤如下：
步骤一、计算放电容量的比值：通过BMS得到每次循环放电容量Q，计算第n次放电容量Qn与首次放电容量Q1比值Qn/ Q1；
步骤二、计算所述正极储液罐和负极储液罐内液体的体积及差值：所述正极液位传感器和所述负极液位传感器通过电信号将所述正极储液罐和负极储液罐的液位BL正和BL负传递给BMS，BMS计算得到所述正极储液罐和负极储液罐的体积V正和V负，并计算偏离值|V正-V负|；
步骤三、调平混液：当Qn/ Q1小于预设值a，且| V正-V负|大于预设值b，关闭安装在所述第一回液管路上的第一阀门和安装在所述第二回液管路上的第二阀门，同时打开第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，进入调平和混液流程；
步骤四、调平混液停止：通过所述电位传感器探测到所述液位平衡管道中的电位值EP达到预设值c，关闭第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门，同时打开安装在所述第一回液管路上的第一阀门和安装在所述第二回液管路上的第二阀门；
步骤五、进入下一次充放电循环。
优选的，所述步骤三中所述第三阀门和第四阀门的开度保持一致；所述第五阀门和第六阀门的开度保持一致。
本发明公开了以下技术效果：本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：
（1）相比与储液罐上部连通管调平技术，本发明避免在充放电循环时正负极电解液长期接触，从而减少自放电容量损失，而本发明不受此影响；
（2）相比与CN109546183A的调平与共混技术，本发明提高正负极电解液混液效率；
（3）本发明通过混液管道和液位平衡管道进行双重混液，即可实现精确调平，又可提高混液效率，达到容量恢复效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明中调平混液***的结构示意图；
图2为本发明中调平混液方法的流程图；
其中，1、电堆；2、负极储液罐；3、正极储液罐；4、第一管道；5、第二管道；6、第三管道；7、第四管道；8、第五管道；9、第六管道；10、第七管道；11、第八管道；12、混液管道；13、液位平衡管道；14、正极液位观测管道；15、负极液位观测管道；16、正极泵；17、负极泵；18、第一阀门；19、第二阀门；20、第三阀门；21、第四阀门；22、第五阀门；23、第六阀门；24、电位传感器；25、正极液位传感器；26、负极液位传感器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参照图1，本发明提供一种全钒液流电池电解液调平混液***，包括正极储液罐3、负极储液罐2和电堆1，正极储液罐3通过第一管道4与电堆1连通并向电堆1输送正极电解液，负极储液罐2通过第四管道7与电堆1连通并向电堆1输送负极电解液，电堆与正极储液罐3通过第一回液管路连接，电堆1与负极储液罐2通过第二回液管路连接，第一回液管路和第二回液管路的设置以实现正极电解液和负极电解液的循环输送；还包括第一调平混液管路；第一调平混液管路包括设置在第一回液管路和第二回液管路出液端的混液管道12，混液管道12与负极储液罐2连接；
第二调平混液管路；第二调平混液管路包括设置在正极储液罐3和负极储液罐2下方的液位平衡管道13，液位平衡管道13上安装有电位检测元件，混液管道12和液位平衡管道13配合实现双重混液以及对正极储液罐3和负极储液液位的调平，其中电位检测元件为电位传感器24。
具体的，如图1所示，第一回液管路还包括与第二管道5连接且连通的第三管道6一端，第三管道6上安装有第一阀门18，第三管道6的另一端与正极储液罐3连接，第二管道5、第三管道6的设置使得正极电解液形成回路，第二回液管路还包括与第五管道8连接且连通的第六管道9一端，第六管道9上安装有第二阀门19，第六管道9的另一端与负极储液罐2连接，第五管道8、第六管道9的设置使得负极电解液形成回路；为了使得正负极电解液可以顺利进入至电堆1内，在第一管道4上安装有正极泵16，在第四管道7上安装有负极泵17，且正极储液罐3上设置有正极液位传感器25，负极储液罐2上设置有负极液位传感器26。
进一步优化方案，第一回液管路包括第二管道5，第二管道5的出液端连接有第七管道10，第二回液管路包括第五管道8，第五管道8的出液端连接有第八管道11，第七管道10与第八管道11的出液管与混液管道12的进液端连接。
更进一步说，第七管道10上安装有第三阀门20，第八管道11上安装有第四阀门21。
再进一步说，接近正极储液罐3的液位平衡管道13一侧上安装有第五阀门22，接近负极储液罐2的液位平衡管道13一侧上安装有第六阀门23，其中第一阀门18、第二阀门19、第三阀门20、第四阀门21、第五阀门22和第六阀门23为可调控电磁阀门。
具体的，如图1所示，当进行正、负极电解液调平混液时，通过检测电池容量衰减比例和正极储液罐3、负极储液罐2液位差来控制是否进行调平混液，当两个值达到规定要求时，需要对正、负极电解液调平混液时，首先控制关闭第一阀门18和第二阀门19，同时打开第三阀门20、第四阀门21、第五阀门22和第六阀门23，然后电堆1内的正负极电解液便分别由第二管道5、第三管道6和第五管道8、第六管道9进入至混液管道12内进行混合，然后再进入至负极储液罐2内，同时，由于第五阀门22和第六阀门23处于打开状态，这样正极储液罐3和负极储液罐2处于连通状态，进而两个储液罐内的液体液位会自动调平，同时还可以在液位平衡管道13内进行混液，这样不仅可以实现调平，同时提高了混液的效率，由于混液管道12和液位平衡管道13的配合使用，这样可以实现自动调平，而不用像现有技术中的调平方式一样，如果想要实现调平，需要频繁进行阀门的调整，不仅没办法保证精准度，还会使得阀门出现疲劳损坏的现象，进而降低结构件的使用寿命；本申请通过混液管道12和液位平衡管道13的配合，阀门开启一次之后便会自动调平，同时还能够使得正负极电解液双重混合，不仅提高了混液效率，还可以保证调平的精度，同时还提高了结构件的使用寿命；相比与CN109546183A的调平与共混技术，本发明提高正负极电解液混液效率；具体如下：
①在MW/GW级储能***应用中，电堆中残余电解液占电解液总量的10%-15%，混液管道设置在电堆出液端中，电堆中残余电解液充分进行混合；
②正极储液罐和负极储液罐底部低于正极泵和负极泵进液口高度的电解液，此部分电解液占电解液总量的12%-15%，可通过液位平衡管道进行充分混合；
③在混液操作过程中，利用连通管原理，通过正极储液罐和负极储液罐底部设置液位平衡管道进行实时调平，避免因流量不均衡频繁调节阀门，减少结构件使用，而延长使用寿命；
④正、负极储液罐液位差仅反应电解液发生偏移，偏移量通常为经验值，无法准确判断混液时机。通过电池容量衰减比例和正、负极储液罐液位差共同控制，作为调平和混液的前提，避免进行无效调平和混液。
进一步优化方案，为了可以对正极储液罐3和负极储液罐2内的液位进行观察，正极储液罐3的侧壁上设置有正极液位观测管道14，负极储液罐2的侧壁上设置有负极液位观测管道15，其中负极储液罐2可以分别固接在正极储液罐3和负极储液罐2的侧壁上，也可以扣接在其上，正极液位观测管道14和负极液位观测管道15可以为透明结构，且为了观察其液位值，也可以在正极液位观测管道14和负极液位观测管道15上刻蚀刻度值，以方便直观地观察其液位值。
参照图2，本发明还提供一种全钒液流电池电解液调平混液方法，运用前述的全钒液流电池电解液调平混液***，其调平混液步骤如下：
步骤一、计算放电容量的比值：通过BMS（电池***）得到每次循环放电容量Q，计算第n次放电容量Qn与首次放电容量Q1比值Qn/ Q1；
步骤二、计算正极储液罐3和负极储液罐2内液体的体积及差值：正极液位传感器25和负极液位传感器26通过电信号将正极储液罐3和负极储液罐2的液位BL正和BL负传递给BMS，BMS计算得到正极储液罐3和负极储液罐2的体积V正和V负，并计算偏离值|V正-V负|；
步骤三、调平混液：当Qn/ Q1小于预设值a，且| V正-V负|大于预设值b，关闭安装在第一回液管路上的第一阀门18和安装在第二回液管路上的第二阀门19，同时打开第三阀门20、第四阀门21、第五阀门22和第六阀门23，进入调平和混液流程，为了保证调平混液的精准度，步骤三中第三阀门20和第四阀门21的开度保持一致；第五阀门22和第六阀门23的开度保持一致；
步骤四、调平混液停止：通过电位传感器24探测到液位平衡管道13中的电位值EP达到预设值c，关闭第三阀门20、第四阀门21、第五阀门22和第六阀门23，同时打开安装在第一回液管路上的第一阀门18和安装在第二回液管路上的第二阀门19；
步骤五、进入下一次充放电循环。
本发明的使用效果：全钒液流电池在使用一段时间后，正极储液罐3和负极储液罐2内液体的体积便会出现差值，这样便需要对其内的电解液进行调平混液，而使用现有的调平***调平后，混液后首次充电能量与理论能量比为85%，而按照上述步骤进行混液调平后，其混液后首次充电能量与理论能量比为92%；同时现有的调平***的混液后首次放电能量与理论能量比也要低于使用以上本发明调平***后的，其具体可以为现有的调平***的混液后首次放电能量与理论能量比是72%，而本发明的混液后首次放电能量与理论能量比为78%；由此可见，本发明公开的调平混液***即可实现精确调平，又可提高混液效率，达到容量恢复效果。再者，全钒液流电池使用时当正极储液罐3和负极储液罐2内液体的体积出现偏差到达一定值时，调平混液***便会混液，而当首次混液后，间隔一段时间后会再次进行混液，如果是现有技术的调平***其二次混液与首次混液间隔循环次数为503次，而采用本发明的调平混液***其二次混液与首次混液间隔循环次数为610次，可以充分看出相比与CN109546183A的调平与共混技术，本发明提高正负极电解液混液效率，更有利于全钒液流电池的容量恢复和使用。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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，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。
以上的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (8)
1.一种全钒液流电池电解液调平混液***，包括正极储液罐(3)、负极储液罐(2)和电堆(1)，所述正极储液罐(3)通过第一管道(4)与所述电堆(1)连通并向所述电堆(1)输送正极电解液，所述负极储液罐(2)通过第四管道(7)与所述电堆(1)连通并向所述电堆(1)输送负极电解液，所述电堆(1)与所述正极储液罐(3)通过第一回液管路连接，所述电堆(1)与所述负极储液罐(2)通过第二回液管路连接，所述第一回液管路和第二回液管路的设置以实现正极电解液和负极电解液的循环输送；其特征在于：还包括第一调平混液管路；所述第一调平混液管路包括设置在所述第一回液管路和第二回液管路出液端的混液管道(12)，所述混液管道(12)与所述负极储液罐(2)连接；
第二调平混液管路；所述第二调平混液管路包括设置在所述正极储液罐(3)和负极储液罐(2)下方的液位平衡管道(13)，所述液位平衡管道(13)上安装有电位检测元件，所述混液管道(12)和所述液位平衡管道(13)配合实现双重混液以及对所述正极储液罐(3)和负极储液液位的调平；
所述第一回液管路包括第二管道(5)，所述第二管道(5)的出液端连接有第七管道(10)，所述第一回液管路还包括与第二管道(5)连接且连通的第三管道(6)一端，所述第三管道(6)上安装有第一阀门(18)，所述第三管道(6)的另一端与正极储液罐(3)连接；所述第二回液管路包括第五管道(8)，所述第五管道(8)的出液端连接有第八管道(11)，所述第七管道(10)与第八管道(11)的出液管与所述混液管道(12)的进液端连接；所述第二回液管路还包括与第五管道(8)连接且连通的第六管道(9)一端，所述第六管道(9)上安装有第二阀门(19)，所述第六管道(9)的另一端与负极储液罐(2)连接。
2.根据权利要求1所述的全钒液流电池电解液调平混液***，其特征在于：所述第七管道(10)上安装有第三阀门(20)，所述第八管道(11)上安装有第四阀门(21)。
3.根据权利要求2所述的全钒液流电池电解液调平混液***，其特征在于：接近所述正极储液罐(3)的所述液位平衡管道(13)一侧上安装有第五阀门(22)，接近所述负极储液罐(2)的所述液位平衡管道(13)一侧上安装有第六阀门(23)。
4.根据权利要求1所述的全钒液流电池电解液调平混液***，其特征在于：所述电位检测元件为电位传感器(24)。
5.根据权利要求1所述的全钒液流电池电解液调平混液***，其特征在于：所述正极储液罐(3)的侧壁上设置有正极液位观测管道(14)，所述负极储液罐(2)的侧壁上设置有负极液位观测管道(15)。
6.根据权利要求3所述的全钒液流电池电解液调平混液***，其特征在于：所述正极储液罐(3)上设置有正极液位传感器(25)，所述负极储液罐(2)上设置有负极液位传感器(26)。
7.一种全钒液流电池电解液调平混液方法，其特征在于：运用前述权利要求6中所述的全钒液流电池电解液调平混液***，其调平混液步骤如下：
步骤一、计算放电容量的比值：通过BMS得到每次循环放电容量Q，计算第n次放电容量Qn与首次放电容量Q1比值Qn/Q1；
步骤二、计算所述正极储液罐(3)和负极储液罐(2)内液体的体积及差值：所述正极液位传感器(25)和所述负极液位传感器(26)通过电信号将所述正极储液罐(3)和负极储液罐(2)的液位BL正和BL负传递给BMS，BMS计算得到所述正极储液罐(3)和负极储液罐(2)的体积V正和V负，并计算偏离值|V正-V负|；
步骤三、调平混液：当Qn/Q1小于预设值a，且|V正-V负|大于预设值b，关闭安装在所述第一回液管路上的第一阀门(18)和安装在所述第二回液管路上的第二阀门(19)，同时打开第三阀门(20)、第四阀门(21)、第五阀门(22)和第六阀门(23)，进入调平和混液流程；
步骤四、调平混液停止：通过所述电位传感器(24)探测到所述液位平衡管道(13)中的电位值EP达到预设值c，关闭第三阀门(20)、第四阀门(21)、第五阀门(22)和第六阀门(23)，同时打开安装在所述第一回液管路上的第一阀门(18)和安装在所述第二回液管路上的第二阀门(19)；
步骤五、进入下一次充放电循环。
8.根据权利要求7所述的全钒液流电池电解液调平混液方法，其特征在于：所述步骤三中所述第三阀门(20)和第四阀门(21)的开度保持一致；所述第五阀门(22)和第六阀门(23)的开度保持一致。
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