一种应用于高效储能的全钒液流电池系统的制作方法

本发明涉及一种应用于高效储能的全钒液流电池系统。

背景技术：

随着人们对燃煤和石油等造成大气污染等环境问题的日益关注和全球普遍面临的能源紧张困境，能源材料的研究一直成为材料科学的前沿和热点，尤其是利用绿色可再生的风能和太阳能，由于其不连续发电等特点，所以需要大容量储电装置，全钒液流电池因其所具有的可规模化储能、环境友好，可深度充放电、长寿命和维护简单等优点，已成为储能行业行业开发的热点。

如图1所示，全钒液流储能系统是由7——电堆系统，电解液及输送系统(1——正极液储罐、3——负极液储罐等)，8——管理和检测系统组成。通常整个系统在一个平面上，正负极分别采用泵送系统将电解液在充放电过程中闭合回路里面进行输送达到充放电；在运行过程中，泵需持续的运行，泵消耗整个系统3-7％的能量，泵发热严重且在充放电过程中持续使用，使得泵的寿命大大降低，且系统充电至满电且暂时不使用时，隔膜中离子的迁移导致自放电严重，导致5-10％左右能量的消耗。系统一般从7——电堆系统的下口进入，上口出来，正负极分别配备一个储罐。

在整个系统充放电过程中，正负极泵均需实时运行来保证充电或放电反应的进行，且在运行时，储罐里面电解液的荷电态随着充放电的进行，实时改变，无法较为准确的检测；当系统充至满电状态且短期不使用时，由于隔膜的原因，导致自放电严重，同时在系统充放电时，均需要消耗能量来进行泵的驱动，所以使得系统的效率很低，一般综合储电效率低于70％；且由于泵持续使用，泵发热严重，寿命大大降低，一般1-3年左右就需更换，导致系统维护及更换费用上升，且可靠性大大降低。另外，系统的进液方式一般采用下进上出，导致系统内部压力较大，对密封要求较高，同时存在两侧压力不平衡，导致正负极间离子迁移严重等问题。

钒液流电池使用的泵送系统，使得电解液分别在整个闭合的正负极电堆和管路系统里面运行，但由于钒电池电解液为腐蚀性液体，同时电解液的粘度较大，所以钒电池所需的泵需耐酸防腐，且在连续运行时，泵的功耗较大，发热严重，导致泵的寿命较短，严重影响了整个系统的可靠稳定。同时，钒电池储能系统的泵需自消耗整个储能系统3-7％的能量，另外在充放电过程中，荷电态处于不断的变化中，在目前的系统里面，存在着反应不充分，荷电态实时变化，无法有效监控等不足；在充电至满电状态而短期不用时，自放电严重。同时，液流从电堆下口低位进，高位出，导致电堆内部压力较大，对电堆的密封及两侧的压力平衡均有较大影响。所以对目前系统配置进行优化，对提高泵的使用寿命，减小发热，降低泵对整个系统能量的消耗，正负极充分反应，降低自放电，正负极压力平衡，将提高整个储能系统的可靠稳定，延长使用寿命及降低能量的自消耗，提高能量效率，对发挥钒电池储能系统的优势至关重要。

技术实现要素：

本发明涉及一种应用于高效储能的全钒液流电池系统，其包括电堆系统，位于电堆系统上方的第一上位正极储罐和第二上位正极储罐以及第一上位负极储罐和第二上位负极储罐，位于电堆系统下方的下位正极储罐和下位负极储罐，

其中，第一上位正极储罐的出口通过设有电磁阀的管道连接于第二上位正极储罐的进口，第二上位正极储罐的出口经由设有电磁阀的管道连接电堆系统的正极进液口，第一上位负极储罐的出口通过设有电磁阀的管道连接第二上位负极储罐的进口，第二上位负极储罐的出口经由设有电磁阀的管道连接电堆系统的负极进液口，

电堆系统的正极出液口连接下位正极储罐的进口，下位正极储罐通过设有泵(耐酸泵)和电磁阀的管道连接第一上位正极储罐的进口，

电堆系统的负极出液口连接下位负极储罐的进口，下位负极储罐通过设有泵(耐酸泵)和电磁阀的管道连接第一上位负极储罐的进口。

进一步，应用于高效储能的全钒液流电池系统进一步包括监控检测系统，其控制管道上的所有电磁阀。

进一步，第一和第二上位正负极储罐的出口高于电堆系统的进液口(上口)。

进一步，在电堆系统的正极出液口(下口)和负极出液口(下口)之间设有电池管理系统。

进一步，电堆高度为H，第一和第二上位正负极储罐与下位正负极储罐的高度差h大于电堆高度H。

使用上述全钒液流电池系统的充放电方法如下：

正极在上位分别设计的两个第二正负极储罐，分别和系统的正负极通过电磁阀来相连，在中位放置电堆系统，在下位放置分别连接一对下位正负极储罐，在充电时；同时打开正负极电磁阀，系统开始进行充电，充电完全的电解液随着重力左右流入下位正负极储罐；

当下位正负极储罐中液位传感器检测到储存至电解液储罐时，则第一正负极储罐到第二正负极储罐的管路中的电磁阀关闭，下位正负极储罐到第一上位正负极储罐的管路中的电磁阀打开，泵自动启动，将下位正负极储罐中的电解液分别泵送到高位另外的第一正负极储罐中；

当充电完全(即第二正负极储罐中电解液流出完毕时)，下位电解液刚好泵至第一上位正负极储罐里面，然后根据系统所需，直接进行放电，在此过程中，关闭，打开第一上位正负极储罐和第二上位正负极储罐之间的管路中的电磁阀，当放电完全(通过检测电压)的电解液由压力传感器检测到需泵送时，则启动，向上位泵送，依次根据充放电需要，进行周期性操作。如果系统暂时不需要放电，则关闭电磁阀，等需要放电时，自动打开，进行放电操作。

通过两个上位第一和第二正负极储罐，让正极的放电电解液或充电电解液彻底的分开，避免混合，具体以一个完整的充放电来说明，在充电时，在控制好流量和电流的情况下，依靠重力作用，流入下位正极罐里面的电解液为四五价或五价的混合液，负极为二三价或二价，此时，如果开始放电，则需要很快将下位电解液依靠泵将下位电解液泵入上位的另外一个正极或负极储罐里面，上位采用的两个储罐，其中一个相当于原液储罐，另外一个为反应后液储罐。

通过使用上位第一和第二正负极储罐，当放完电时，下位的电解液能够基本全部泵入上位和反应液不同的另外一个罐子里面，当上位反应液罐(储罐)里面的电解液基本没有时，能够在检测系统的作用下，将电磁阀打开，快速的补充到反应液罐里面。

附图说明

图1为现有技术全钒液流电池系统。

1—正极储液罐 3—负极储液罐

7—电池系统 8—管理及检测系统

图2为本发明的全钒液流电池系统。

1—第一上位正极储罐 2—第二上位正极储罐

3—第二上位负极储罐 4—第一上位负极储罐

5—下位正极储罐 6—下位负极储罐

7—电堆系统 8—电池管理系统

9—监测检测系统 10—上位区

20—中位区 30—下位区。

具体实施方式

以下结合附图通过具体的实施方式来说明本发明；这些说明仅用于示例，不构成对本发明范围的任何限制。

如图1所示，一种应用于高效储能的全钒液流电池系统，其包括电堆系统7，位于电堆系统上方的第一上位正极储罐1和第二上位正极储罐2以及第一上位负极储罐4和第二上位负极储罐3，位于电堆系统下方的下位正极储罐5和下位负极储罐6，

其中，第一上位正极储罐1的出口通过设有电磁阀V2的管道连接于第二上位正极储罐2的进口，第二上位正极储罐的出口经由设有电磁阀V3的管道连接电堆系统7的正极进液口，第一上位负极储罐4的出口通过设有电磁阀V5的管道连接第二上位负极储罐3的进口，第二上位负极储罐3的出口经由设有电磁阀V4的管道连接电堆系统7的负极进液口，

电堆系统7的正极出液口连接下位正极储罐5的进口，下位正极储罐5通过设有泵M和电磁阀V1的管道连接第一上位正极储罐1的进口，

电堆系统7的负极出液口连接下位负极储罐6的进口，下位负极储罐6通过设有泵M和电磁阀V6的管道连接第一上位负极储罐4的进口。

第一上位正极储罐1和第二上位正极储罐2以及第一上位负极储罐4和第二上位负极储罐3位于上位区10，电堆系统7位于中位区20，下位正极储罐5和下位负极储罐6位于下位区30。

进一步，应用于高效储能的全钒液流电池系统进一步包括监控检测系统9，其控制管道上的所有电磁阀。

进一步，第一和第二上位正负极储罐的出口高于电堆系统的进液口(上口)。

进一步，在电堆系统的正极出液口(下口)和负极出液口(下口)之间设有电池管理系统8。

进一步，电堆高度为H，第一和第二上位正负极储罐与下位正负极储罐的高度差h大于电堆高度H。

使用上述全钒液流电池系统的充放电方法如下：

正极在上位分别设计的两个第二正负极储罐2、3，分别和系统的正负极通过电磁阀来相连，在中位放置电堆系统7，在下位放置分别连接一对下位正负极储罐5、6，在充电时；同时打开正负极电磁阀V3、V4，系统开始进行充电，充电完全的电解液随着重力左右流入下位正负极储罐5、6；

当下位正负极储罐5、6中液位传感器检测到储存至电解液储罐时，则第一正负极储罐到第二正负极储罐的管路中的电磁阀V2、V5关闭，下位正负极储罐到第一上位正负极储罐的管路中的电磁阀V1、V6打开，泵M自动启动，将下位正负极储罐5、6中的电解液分别泵送到高位另外的第一正负极储罐1、4中；

当充电完全(即第二正负极储罐中电解液流出完毕时)，下位电解液刚好泵至第一上位正负极储罐里面，然后根据系统所需，直接进行放电，在此过程中，关闭，打开第一上位正负极储罐和第二上位正负极储罐之间的管路中的电磁阀V2、V5，当放电完全(通过检测电压)的电解液由压力传感器检测到需泵送时，则启动，向上位泵送，依次根据充放电需要，进行周期性操作。如果系统暂时不需要放电，则关闭电磁阀，等需要放电时，自动打开，进行放电操作。

通过两个上位第一和第二正负极储罐，让正极的放电电解液或充电电解液彻底的分开，避免混合，具体以一个完整的充放电来说明，在充电时，在控制好流量和电流的情况下，依靠重力作用，流入下位正极罐里面的电解液为四五价或五价的混合液，负极为二三价或二价，此时，如果开始放电，则需要很快将下位电解液依靠泵将下位电解液泵入上位的另外一个正极或负极储罐里面，上位采用的两个储罐，其中一个相当于原液储罐，另外一个为反应后液储罐。

通过使用上位第一和第二正负极储罐，当放完电时，下位的电解液能够基本全部泵入上位和反应液不同的另外一个罐子里面，当上位反应液罐(储罐)里面的电解液基本没有时，能够在检测系统的作用下，将电磁阀打开，快速的补充到反应液罐里面。

分别增加两套正负极储罐，其中将两套正负极储罐放在高位，储罐的出口高于电堆上口是进液口，通过自然重力作用，正负极电解液分别通过阀门控制，均匀的在电堆电堆系统里面流动并发生反应，从电堆下口出来，已充至满电的电解液流入低位的储罐里面，然后采用耐酸泵将充至满电的正负极电解液泵入高位的另外储罐里面，并采用电磁阀控制和电堆的进液，整个系统完成充电，充电至满电的电解液完全泵入高位的储罐里面。放电时，则依靠重力作用，打开阀门，电解液通过电堆系统完成放电，放电完全后，则电解液再次泵入高位罐体里；

本发明的方案使得泵在整个充放电循环过程中，仅在充电或放电阶段使用，使得泵的功耗降40-45％，大大提高了泵的使用寿命；同时，此种充放电过程中可以使得充电或放电完全，在充满电、短期内不使用期间，电堆里面没有满电的电解液，系统自放电的损耗仅为传统储能系统的10％左右；同时，在实际实施时，可将电堆系统及低位储罐放置在地下，使得系统不占地，易于系统的保温和防护。