一种全钒液流电池及其在停止运行时的保护方法

1.本发明涉及用于直接转变化学能为电能的方法或装置技术领域，具体涉及一种全钒液流电池及其在停止运行时的保护方法。


背景技术：

2.全钒液流电池(vfb)由于具有系统容量和功率相互独立可调、响应迅速，安全可靠，环境友好，循环寿命长、易维护和再生等突出优势而成为可再生能源发电，电网削峰填谷，应急及备用电站等规模化储能中最有发展前景的技术之一。
3.电解液是vfb的重要组成部分，其浓度和体积直接决定了电池的容量，电解液的稳定性直接影响到vfb长期运行过程中的可靠性和稳定性。但实际上运行过程中，钒离子在支持电解质中的溶解度和稳定性有限，例如：当vfb系统稳定运行时，电解液温度不会低于20℃；当vfb系统处于停机状态，且外界温度较低时，电解液温度会持续下降，当温度降低到达一定阈值时，负极电解液中的低价态钒离子容易析出固体，造成电池及管路损坏，影响vfb系统的实际应用。
4.现有技术中，虽然对于电解液中的低价态钒离子析出的问题，可通过在电解液中添加少量的添加剂来提高低价态钒离子的低温稳定性，使其在较低温度下能够稳定存在，但是该方法仅能使负极电解液在数小时内保持稳定，一旦低温时间较长，负极电解液仍然会析出固体。因此亟需解决低温条件下负极电解液对系统可能造成的损坏问题，尤其是在高寒地区下运行的vfb系统。


技术实现要素：

5.因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的全钒液流电池，在较低温度下停止运行无法保持稳定的缺陷，从而提供一种全钒液流电池及其在停止运行时的保护方法。
6.为了解决上述技术问题，本发明提供一种全钒液流电池，包括：正极循环系统和负极循环系统，所述正极循环系统包括：正极储罐、正极泵和正极半电池，所述负极循环系统包括：负极储罐、负极泵和负极半电池；
7.所述负极储罐的出液口设置有出液阀门，所述负极储罐的回流口设置有回液阀门；
8.所述出液阀门的出口管道上通过第一连通管道与所述正极储罐的出口连通，所述回液阀门的进口管道上通过第二连通管道与所述正极储罐的进口连通；
9.所述第一连通管道上设置有第一隔离阀，所述第二连通管道上设置有第二隔离阀。
10.可选地，所述第一连通管道的一端通过第一三通连接在正极储罐和正极泵之间的正极电解液管道上。
11.可选地，所述第二连通管道的一端通过第二三通连接在正极储罐和正极半电池之
间的正极电解液管道上。
12.可选地，所述第一连通管道和所述第二连通管道的一端分别通过三通阀与所述负极循环系统连通。
13.可选地，所述第一隔离阀设置在所述第一连通管道的靠近所述负极循环系统的一端，所述第二隔离阀设置在所述第二连通管道的靠近所述负极循环系统的一端。
14.可选地，所述负极循环系统中设有温度传感器。
15.可选地，所述温度传感器设置在所述负极半电池的出口管道上。
16.可选地，所述第一隔离阀和所述第二隔离阀为电控阀门。
17.可选地，所述出液阀门和所述回液阀门为电控阀门。
18.可选地，还包括：控制器，所述控制器分别与所述负极泵、所述温度传感器、所述第一隔离阀、所述第二隔离阀、所述出液阀门和所述回液阀门电连接。
19.本发明还提供一种上述方案中任一项所述的全钒液流电池在停止运行时的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：
20.在全钒液流电池停止运行状态下，关闭负极储罐的出液阀门和回液阀门；
21.然后开启第一连通管道上的第一隔离阀和第二连通管道上的第二隔离阀；
22.启动负极泵，从正极储罐内将正极电解液导向负极电解液管道和负极半电池中；
23.当负极电解液管道和负极半电池内充满正极电解液后，关闭负极泵。
24.本发明技术方案，具有如下优点：
25.1.本发明提供的全钒液流电池，通过在负极储罐的进、出口分别设置阀门，以将负极储罐能够进行隔离，然后通过第一连通管道和第二连通管道，使负极循环系统中除了负极储罐以外的其他设备及管道和正极储罐连通，从而当全钒液流电池停止运行时，可将正极储罐内的正极电解液导流至负极循环系统中，以将负极循环系统中的负极电解液进行混合，从而避免了由于低温环境导致负极电解液析出固体的问题，对负极循环系统进行有效的保护。
26.2.本发明提供的全钒液流电池在停止运行时的保护方法，可通过阀门的启闭，以及负极泵的驱动，将正极储罐内的正极电解液掺混至负极循环系统中除了负极储罐以外的其他设备内，从而避免由于环境温度过低导致负极电解液析出固体对负极循环系统中管道及设备的损坏问题。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，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。
28.图1为本发明的实施例中提供的全钒液流电池的一种实施方式的原理图。
29.附图标记说明：
30.1、正极储罐；2、正极泵；3、正极半电池；4、负极储罐；5、负极泵；6、负极半电池；7、出液阀门；8、回液阀门；9、第一连通管道；10、第二连通管道；11、第一隔离阀；12、第二隔离阀；13、第一三通；14、第二三通；15、第三三通；16、第四三通；17、温度传感器。
具体实施方式
31.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例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。
32.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
33.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”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。
34.此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
35.如图1所示，为本实施例提供的全钒液流电池的一种具体实施方式，包括：正极循环系统和负极循环系统，所述正极循环系统包括：正极储罐1、正极泵2和正极半电池3，所述负极循环系统包括：负极储罐4、负极泵5和负极半电池6。在正极循环系统中，正极电解液在正极泵2的驱动下从正极储罐1通过正极泵2到达正极半电池3，然后再从正极半电池3回流至正极储罐1内。在负极循环系统中，负极电解液在负极泵5的驱动下从负极储罐4通过负极泵5到达负极半电池6，然后再从负极半电池6回流至负极储罐4内。
36.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述负极储罐4的出液口设置有出液阀门7，所述负极储罐4的回流口设置有回液阀门8。当关闭所述出液阀门7和所述回液阀门8时，可将负极储罐4与负极循环系统隔离，从而便于对负极循环系统中的其他设备进行冲洗。
37.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述出液阀门7的出口管道上通过第一连通管道9与所述正极储罐1的出口连通，所述回液阀门8的进口管道上通过第二连通管道10与所述正极储罐1的进口连通；从而实现当电池停止运行时，可通过正极储罐1对负极循环系统中的管道、负极泵5及负极半电池6进行冲洗，从而使正极电解液与负极循环系统中的负极电解液进行掺混，避免在长期低温下，负极电解液析出固体的问题。
38.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述第一连通管道9上设置有第一隔离阀11，所述第二连通管道10上设置有第二隔离阀12。当电池正常工作时，通过关闭第一隔离阀11和第二隔离阀12，可保证正极循环系统和负极循环系统的单独运行，互不干扰。
39.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述第一连通管道9的一端通过第一三通13连接在正极储罐1和正极泵2之间的正极电解液管道上。当电池停止运行后，关闭出液阀门7和回液阀门8，打开第一隔离阀11和第二隔离阀12，然后同时启动正极泵2和负极泵5，可使正极储罐1内的正极电解液在管道内进行分流，部分进入正极泵2方向，部分进入到负极循环系统方向，进而使正极电解液在负极循环系统中除了负极储罐4以外的其他设
备内进行循环，从而通过正极电解液对负极循环系统中的负极电解液进行掺混，避免负极循环系统中残存的负极电解液在长期低温环境中析出固体损坏设备的问题。另外，作为一种可替换实施方式，所述第一连通管道9的一端还可以直接伸入至正极储罐1内。
40.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述第二连通管道10的一端通过第二三通14连接在正极储罐1和正极半电池3之间的正极电解液管道上。如此设置，当正极电解液在负极循环系统流出后，会在回流至正极储罐1之前与从正极循环系统中流出的正极电解液在管道内进行混合，然后共同回流至正极储罐1内。另外，作为一种可替换实施方式，所述第二连通管道10也可以直接通向正极储罐1内。
41.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述第一连通管道9的另一端通过第三三通15连接在出液阀门7与负极泵5之间的负极电解液管道上。所述第二连通管道10的另一端通过第四三通16连接在回液阀门8与负极半电池6之间的负极电解液管道上。另外，作为一种可替换实施方式，所述第三三通15和所述第四三通16可以采用三通阀，通过三通阀控制两路进行通断，进而在电池正常运行时，避免在第一连通管道9和第二连通管道10内涌入过多的负极电解液。另外，作为一种可替换实施方式，可将所述第一隔离阀11和所述第二隔离阀12设置在所述第一连通管道9和所述第二连通管道10的靠近负极循环系统的一端，以避免第一连通管道9和第二连通管道10在电池正常运行时，管道内进入过多的负极电极液。
42.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述负极循环系统中设有温度传感器17。通过该温度传感器17，可在电池停机时，对负极循环系统中的温度进行实时检测，从而判断是否启动冲洗作业。另外，作为一种可替换实施方式，所述温度传感器17可以省略，可以根据外界温度变化以及经验判断，以确定是否开启冲洗工作。
43.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述温度传感器17设置在所述负极半电池6的出口管道上。在该位置为负极半电池6的回流管道，可准确检测到负极循环系统中的最低温度，从而为是否开启冲洗工作给出判断依据。另外，作为一种可替换实施方式，所述温度传感器17可以设置在负极系统中的任一段管道上即可。
44.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述出液阀门7和所述回液阀门8为电控阀门，例如可为电磁阀，从而可通过远控操作。另外，作为一种可替换实施方式，所述出液阀门7和所述回液阀门8也可以采用手动阀门。
45.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，所述第一隔离阀11和所述第二隔离阀12为电控阀门，例如可为电磁阀，从而可通过远控操作。另外，作为一种可替换实施方式，所述第一隔离阀11和所述第二隔离阀12也可以采用手动阀门。
46.如图1所示，本实施例提供的全钒液流电池中，当所述出液阀门7、所述回液阀门8、所述第一隔离阀11和所述第二隔离阀12均为电控阀门时，还包括：控制器。所述控制器分别与所述负极泵5、所述温度传感器17、所述第一隔离阀11、所述第二隔离阀12、所述出液阀门7和所述回液阀门8电连接。在电池处于停机状态下，当温度传感器17检测到负极循环系统中的温度低于设定温度阈值时，控制器接收温度传感器17的信号，然后控制所述出液阀门7和所述回液阀门8关闭，并控制所述第一隔离阀11和所述第二隔离阀12开启，然后控制负极泵5启动，使正极电解液充满负极循环系统中的管道及设备，以对负极循环系统中的负极电解液进行掺混，可以避免负极电解液在长期低温环境下析出固体的问题。
47.需要说明的是，所述设定温度阈值高于负极电解液结晶温度，优选设定温度阈值比负极电解液结晶温度高0.1-5℃，更优选为高于负极电解液结晶温度0.5-2℃。
48.本实施提供的全钒液流电池在停止运行时的保护方法，包括以下步骤：
49.在全钒液流电池停止运行状态下，关闭负极储罐4的出液阀门7和回液阀门8，从而将负极储罐4与负极循环系统的其他设备进行隔离。
50.然后开启第一连通管道9上的第一隔离阀11和第二连通管道10上的第二隔离阀12，从而使负极循环系统中的其他设备与正极储罐1形成循环通道。
51.启动负极泵5，从正极储罐1内将正极电解液导向负极电解液管道和负极半电池6中，从而使正极电解液充满负极循环系统中的设备及管道，使负极循环系统中的设备和管道内的负极电解液被正极电解液掺混，从而避免了负极电解液在长期低温环境下容易析出固体的问题。
52.当负极电解液管道和负极半电池6内充满正极电解液后，关闭负极泵5，从而便于对电池整体进行长时间保存，不会由于环境温度过低而出现设备从内部损坏的问题。其中，可以通过检测所述负极半电池6出口处管路中电解液内电解质的价态判定，所述负极半电池6的出口处管路的电解液中不能含有二价和三价钒离子，即不含有二价和/或三价钒离子后，可关闭负极循环泵。
53.需要说明的是，上述方法，适用的环境温度范围为：小于负极电解液结晶温度至大于正极电解液结晶温度之间的温度。
54.其中，所述负极电解液组成包含钒离子总浓度为1-3mol/l，氢离子浓度为1-10mol/l，其中钒离子价态为二价和/或三价，其结晶温度为10℃至零下20℃。
55.所述正极电解液组成包含钒离子总浓度为1-3mol/l，氢离子浓度为1-10mol/l，其中钒离子价态为四价和/或五价，其结晶温度为零下21℃至零下60℃。
56.显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

技术特征：
1.一种全钒液流电池，其特征在于，包括：正极储罐(1)、正极泵(2)和正极半电池(3)，所述负极循环系统包括：负极储罐(4)、负极泵(5)和负极半电池(6)；所述负极储罐(4)的出液口设置有出液阀门(7)，所述负极储罐(4)的回流口设置有回液阀门(8)；所述出液阀门(7)的出口管道上通过第一连通管道(9)与所述正极储罐(1)的出口连通，所述回液阀门(8)的进口管道上通过第二连通管道(10)与所述正极储罐(1)的进口连通；所述第一连通管道(9)上设置有第一隔离阀(11)，所述第二连通管道(10)上设置有第二隔离阀(12)。2.根据权利要求1所述的全钒液流电池，其特征在于，所述第一连通管道(9)的一端通过第一三通(13)连接在正极储罐(1)和正极泵(2)之间的正极电解液管道上。3.根据权利要求2所述的全钒液流电池，其特征在于，所述第二连通管道(10)的一端通过第二三通(14)连接在正极储罐(1)和正极半电池(3)之间的正极电解液管道上。4.根据权利要求1所述的全钒液流电池，其特征在于，所述第一连通管道(9)和所述第二连通管道(10)的一端分别通过三通阀与所述负极循环系统连通。5.根据权利要求1所述的全钒液流电池，其特征在于，所述第一隔离阀(11)设置在所述第一连通管道(9)的靠近所述负极循环系统的一端，所述第二隔离阀(12)设置在所述第二连通管道(10)的靠近所述负极循环系统的一端。6.根据权利要求1-5中任一项所述的全钒液流电池，其特征在于，所述负极循环系统中设有温度传感器(17)。7.根据权利要求6所述的全钒液流电池，其特征在于，所述第一隔离阀(11)和所述第二隔离阀(12)为电控阀门。8.根据权利要求7所述的全钒液流电池，其特征在于，所述出液阀门(7)和所述回液阀门(8)为电控阀门。9.根据权利要求8所述的全钒液流电池，其特征在于，还包括：控制器，所述控制器分别与所述负极泵(5)、所述温度传感器(17)、所述第一隔离阀(11)、所述第二隔离阀(12)、所述出液阀门(7)和所述回液阀门(8)电连接。10.一种权利要求1-9中任一项所述的全钒液流电池在停止运行时的保护方法，其特征在于，包括以下步骤：在全钒液流电池停止运行状态下，关闭负极储罐(4)的出液阀门(7)和回液阀门(8)；然后开启第一连通管道(9)上的第一隔离阀(11)和第二连通管道(10)上的第二隔离阀(12)；启动负极泵(5)，从正极储罐(1)内将正极电解液导向负极电解液管道和负极半电池(6)中；当负极电解液管道和负极半电池(6)内充满正极电解液后，关闭负极泵(5)。

技术总结
本发明提供一种全钒液流电池及其在停止运行时的保护方法，属于用于直接转变化学能为电能的方法或装置技术领域，其中，全钒液流电池包括：正极循环系统和负极循环系统，正极循环系统包括：正极储罐、正极泵和正极半电池，负极循环系统包括：负极储罐、负极泵和负极半电池；本发明的全钒液流电池，通过在负极储罐的进、出口分别设置阀门，以将负极储罐能够进行隔离，通过第一连通管道和第二连通管道，使负极循环系统和正极储罐连通，当全钒液流电池停止运行时，可将正极储罐内的正极电解液导流至负极循环系统中，以将负极循环系统中的负极电解液进行混合，从而避免了由于低温环境导致负极电解液析出固体的问题，对负极循环系统进行有效的保护。有效的保护。有效的保护。


技术研发人员：毕然 孙佳伟 尹立坤 刘延超 蔺新星 李先锋 刘涛 史丁秦
受保护的技术使用者：中国科学院大连化学物理研究所
技术研发日：2022.03.24
技术公布日：2023/10/6