本发明涉及钒电池电解液储存设备领域，进一步来说是通过利用气体和电解液自重力做推力并增大电解液输出流量的钒电池电解液储液罐，最终实现钒电池的节能和稳定性。
背景技术：
随着传统能源的日渐枯竭以及相应的环境问题，风能、太阳能等可再生能源的利用引起人们广泛的关注并得到快速发展，同时为保证可再生能源的稳定供电，克服其固有问题，越来越多的蓄电储能技术得到开发及使用，其中液流电池作为大规模储能技术的一种解决方案。由于钒电池具有使用寿命长、能量转化率高、安全环保等优点，全钒液流电池作为最具代表性的一种液流电池类型近年来成为研究热点，成为了现今最具发展潜能的规模化储能方式。
钒电池是以钒离子溶液为正、负极活性物质的二次电池。正、负极室通过隔膜分开，电极由电极活性物质和集流板构成；正极由V(V)和V(IV)离子硫酸溶液组成，负极有V(III)和V(II)离子硫酸溶液组成。电池充电后，正极物质为V(V)离子溶液，负极为V(II)离子溶液；放电后，正、负极分别为V(IV)和V(III)离子溶液，电池内部通过H+导电。钒电池的正负极反应可表述如下：
正极：
正极：
钒电池在长期的充电过程中，电解液容易发生失水。钒电池在充电过程中，容易过充，过充会对钒电池的电解液及电池组件产生不利影响，因为过充超过一定电压时会产生水的电解而发生析氢和析氧现象，由于钒电池液中有硫酸，因此水的电解速率会较快，水电解产生的气体相应较多，大多数钒电池都会设计为可将生成气体快速排放到大气中，尽量降低在电池中累积的危险。但在电解水的过程中，由于氢气和氧气被释放到大气中，造成浪费。钒电池在反应时还会产生二氧化碳气体，其产生的二氧化碳气体也会被释放到大气中。
此外，钒电池中的正极泵由于长期置于酸性环境下，若长期运行，容易影响使用寿命。
钒电池在使用过程中，由于需要将储液罐中的气体释放到外界，因而会与外界接触，其二价钒离子在空气中极易氧化，造成电解液的不稳定，严重影响钒电解液的性能，降低钒电池充放电效率。
在电解液输送过程中，钒电池只是利用正极泵作为输送的动力发生装置，钒电池的电解液自身的重力势能没有被利用到，造成能量的浪费。
技术实现要素：
针对以上的不足，本发明提供了一种节能且可提高电池稳定性的钒电池，包括正极半电池、负极半电池和电池堆，其中正极半电池和负极半电池均与电池堆连接，所述正极半电池包括正极储液罐，所述负极半电池包括负极储液罐，所述正极半电池还包括第一出气管、第一输送管、第二输送管、正极泵、第三输送管和第四输送管，所述第一出气管的一端连通外界，所述第一出气管的另一端与正极储液罐的顶部连通，所述第一出气管上设有第一流量控制阀，所述第一输送管的一端与正极储液罐的下部连通，所述第一输送管的另一端与第三输送管连接，所述第一输送管上设有第一阀门，所述第二输送管的一端与正极储液罐的下部连通，所述第二输送管的另一端与正极泵连接，所述第二输送管上设有第二阀门，所述第二阀门设置在正极泵之前，所述第三输送管的一端与正极泵连接，所述第三输送管的另一端与电池堆连接，所述第四输送管的一端与电池堆连接，所述第四输送管的另一端与正极储液罐连通；
所述负极半电池还包括第三出气管、第五输送管、第六输送管、负极泵、第七输送管和第八输送管，所述第三出气管的一端连通外界，所述第三出气管的另一端与负极储液罐的顶部连通，所述第三出气管上设有第二流量控制阀，所述第五输送管的一端与负极储液罐的下部连通，所述第五输送管的另一端与第七输送管连接，所述第五输送管上设有第四阀门，所述第六输送管的一端与负极储液罐的下部连通，所述第六输送管的另一端与负极泵连接，所述第六输送管上设有第五阀门，所述第五阀门设置在负极泵之前，所述第七输送管的一端与负极泵连接，所述第七输送管的另一端与电池堆连接，所述第八输送管的一端与电池堆连接，所述第八输送管的另一端与负极储液罐连通。
为了进一步实现本发明，所述第三输送管上设有第一流量计，所述第一流量计设置在第三输送管和第一输送管的相接处与电池堆之间；所述第七输送管上设有第二流量计，所述第二流量计设置在第七输送管和第五输送管的相接处与电池堆之间。
为了进一步实现本发明，所述正极半电池还包括第二出气管，所述第二出气管的一端连通外界，所述第二出气管的另一端与正极储液罐的顶部连通，所述第二出气管上设有第三阀门；所述负极极半电池还包括第四出气管，所述第四出气管的一端连通外界，所述第四出气管的另一端与负极储液罐的顶部连通，所述第四出气管上设有第六阀门。
为了进一步实现本发明，所述第一阀门、第二阀门、第三阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门均为开关阀。
为了进一步实现本发明，所述第一阀门和第三阀门为流量控制阀，所述第二阀门、第四阀门、第五阀门和第六阀门均为开关阀。
本发明的有益效果：
1、本发明利用电解液自身的重力作为动力推动电解液的输出，相比于现有的泵输出可多出一种选择，在同等输出条件下，可直接使用电解液的自重力输出，节省了泵输出需要的能量，达到节能的效果；在同等输出条件下，若需要输出的流量大于自重力的输出流量，可使用泵，将流量控制到指定流量，此时相比于只用泵输出达到指定流量，使用本发明可将部分流量分到自重力输出，节省了泵输出的部分能量，达到节能的效果。
2、本发明将钒电池反应产生的气体收集到储液罐中，作为气体的动力推力，可提高电解液的输出流量及反应速度，其与电解液的自重力一起作用，进一步提高电解液的输出流量及反应速度。
3、本发明由于气体在储液罐中，将电解液和外界空气隔绝，当阀门打开时，外界空气的进入量不多，随着阀门关闭，储液罐中的气体增多，则储液罐中的氧气含量相对减少，因此二价钒离子不易氧化，有利于电解液的稳定，提高钒电池的性能，提高钒电池充放电效率。
4、本发明设置的第一出气管、第二出气管、第三出气管和第四出气管，用于防止气体在储液罐中压力过大造成危险的情况，其第一出气管和第三出气管分别设置在正极储液罐和负极储液罐上，通过流量控制阀可随时控制钒电池反应产生气体的速度与气体排出的速度平衡，使储液罐始终处于安全的使用环境；其第二出气管和第四出气管分别设置在正极储液罐和负极储液罐上，可防止由于第一出气管或/和第三出气管发生意外不能及时排出气体造成危险的情况。
5、本发明的正极半电池和负极半电池的储液罐下部均设置有两条输送管，其输送管上各设有阀门，通过阀门的开关，可选择有三种模式，根据实际需要，可选择其中的一种模式。若要增大电解液的输出流量，增大电解液的反应速度，则两个输送管上的阀门可均打开；若要节能，可减小泵的输出或关闭泵的输出，利用电解液的自重力和储液罐中的气体推力作为动力推动电解液的输出；也可只使用泵输出。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
附图标记说明：1.正极半电池；11.正极储液罐；12.正极电解液；
13.正极输送部分；131.第一阀门；132.第一输送管；133.第二阀门；
134.第二输送管；135.正极泵；136.第三输送管；137.第四输送管；
138.第一流量计；14.第一流量控制阀；15.第一出气管；
16.第二出气管；17.第三阀门；2.负极半电池；21.负极储液罐；
22.负极电解液；23.负极输送部分；231.第四阀门；
232.第五输送管；233.第五阀门；234.第六输送管；235.负极泵；
236.第七输送管；237.第八输送管；238.第二流量计；
24.第二流量控制阀；25.第三出气管；26.第四出气管；
27.第六阀门；3.电池堆。
具体实施方式
参照图1对本发明做进一步说明。
实施例一
如图1所示，本实施例包括正极半电池1、负极半电池2和电池堆3，正极半电池1和负极半电池2均与电池堆3连接，其中电池堆3为现有技术。
正极半电池1包括正极储液罐11、正极电解液12、正极输送部分13、第一出气管15和第二出气管16。正极储液罐11为正极电解液12的放置容器，正极储液罐11相对为密闭容器，在各阀门不打开时，正极储液罐11为密闭容器，正极电解液12为钒电池的重要组成部分。
正极输送部分13为电解液的输送流道，正极输送部分13可控制电解液的流量，包括第一阀门131、第一输送管132、第二阀门133、第二输送管134、正极泵135、第三输送管136、第四输送管137和第一流量计138。第一输送管132上设有第一阀门131，第一输送管132的一端连通正极储液罐11的下部，优选地，第一输送管132的一端连通正极储液罐11的底部，第一输送管132的另一端与第三输送管136连接；第二输送管134上设有第二阀门133，第二阀门133位于正极泵135的前面，正极泵135设置在第二输送管134和第三输送管136之间，第二输送管134的一端连通正极储液罐11的下部，优选地，第二输送管134的一端连通正极储液罐11的底部，第二输送管134的另一端与正极泵135连接，第三输送管136的一端与负极泵235连接，第三输送管136的另一端与电池堆3连接，第三输送管136上设有第一流量计138，第一流量计138设置在第三输送管136和第一输送管132的相接处的后边，第一流量计138用于测量正极电解液12的输出流量，根据正极电解液12的流量控制正极泵135的开关以及正极泵135的转速，还可以控制第一输送管132和第二输送管134的阀门开关；第四输送管137的一端与电池堆3连接，另一端连通正极储液罐11。
第一出气管15设在正极储液罐11的上部，优选地，第一出气管15设在正极储液罐11的顶部，第一出气管15的一端连通正极储液罐11内部，第一出气管15的另一端连通外界；第一出气管15上设有第一流量控制阀14，第一流量控制阀14用于控制钒电池的正极储液罐11中的气体排出的流量大小，当正极储液罐11中的气体压力达到正极储液罐11额定承压值时，第一流量控制阀14打开，并根据罐内气压相应控制气体排出的流量，使正极储液罐11内的气压保持恒定值，保证正极储液罐11的安全性，还可保证正极储液罐11内的气体的稳定形，有利于正极储液罐11中电解液的稳定，在工作时，可使第一流量控制阀14处于打开状态，并随气体的产生速度相应控制气体的排出速度；正极储液罐11中还设有用于检测正极储液罐11中的气体压力的压力传感器(图中没有显示)，通过压力传感器的压力反馈可相应控制第一流量控制阀14。第一出气管15用于防止正极储液罐11中的气体气压过大而造成危险，同时，采用第一流量控制阀14可根据电池在反应过程中产生的气体的速度控制气体的排出量，使气体在正极储液罐11中保持较稳定的压力，进而对电解液产生推力，增大电解液的输送流量，提高钒电池反应速率。
第二出气管16至少设有一个，第二出气管16设在正极储液罐11的上部，优选地，第二出气管16设在正极储液罐11的顶部，第二出气管16的一端连通正极储液罐11内部，第二出气管16的另一端连通外界。第二出气管16为进一步的安全防护设施，防止第一出气管15不能将气体及时排出而造成危险，在一般情况下，第二出气管16中的第三阀门17处于关闭状态，当第一出气管15发生意外或是第一出气管15不能将正极储液罐11中的气体及时排出时，第二出气管16的第三阀门17打开，将正极储液罐11中的气体排出。
正极储液罐11还设有进料管和出料管(图中没有显示)，进料管用于电解液的进料，进料管的开关通过进料管上的阀门控制；出料管用于电解液的出料，出料管的开关通过出料管上的阀门控制。
负极半电池2与正极半电池1结构相同。
负极半电池2包括负极储液罐21、负极电解液22、负极输送部分23、第三出气管25和第四出气管26。负极储液罐21为负极电解液22的放置容器，负极储液罐21相对为密闭容器，在各阀门不打开时，负极储液罐21为密闭容器，负极电解液22为钒电池的重要组成部分。
负极输送部分23为电解液的输送流道，负极输送部分23可控制电解液的流量，包括第四阀门231、第五输送管232、第五阀门233、第六输送管234、负极泵235、第七输送管236、第八输送管237和第二流量计238。第五输送管232上设有第四阀门231，第五输送管232的一端连通负极储液罐21的下部，优选地，第五输送管232的一端连通正极储液罐11的底部，第五输送管232的另一端与第七输送管236连接；第六输送管234上设有第五阀门233，第五阀门233位于负极泵235的前面，负极泵235设置在第六输送管234与第七输送管236之间，第六输送管234的一端连通负极储液罐21的下部，优选地，第六输送管234的一端连通正极储液罐11的底部，第六输送管234的另一端与负极泵235连接；第七输送管236的一端与负极泵235连接，第七输送管236的另一端与电池堆3连接，第七输送管236上设有第二流量计238，第二流量计238设置在第七输送管236和第五输送管232的相接处的后边，第二流量计238用于测量负极电解液22的输出流量，根据负极电解液22的流量控制负极泵235的开关以及负极泵235的转速，还可以控制第五输送管232和第六输送管234的阀门开关；第八输送管237的一端与电池堆3连接，另一端连通负极储液罐21。
第三出气管25设在负极储液罐21的上部，优选地，第三出气管25设在负极储液罐21的顶部，第三出气管25的一端连通负极储液罐21内部，第三出气管25的另一端连通外界；第三出气管25上设有第二流量控制阀24，第二流量控制阀24用于控制钒电池的负极储液罐21中的气体排出的流量大小，当负极储液罐21中的气体压力达到负极储液罐21额定承压值时，第二流量控制阀24打开，并根据罐内气压相应控制气体排出的流量，使负极储液罐21内的气压保持恒定值，保证负极储液罐21的安全性，还可保证负极储液罐21内的气体的稳定形，有利于负极储液罐21中电解液的稳定，在工作时，可使第二流量控制阀24处于打开状态，并随气体的产生速度相应控制气体的排出速度；负极储液罐21中还设有用于检测负极储液罐21中的气体压力的压力传感器(图中没有显示)，通过压力传感器的压力反馈可相应控制第二流量控制阀24。第三出气管25用于防止负极储液罐21中的气体气压过大而造成危险，同时，采用第二流量控制阀24可根据电池在反应过程中产生的气体的速度控制气体的排出量，使气体在负极储液罐21中保持较稳定的压力，进而对电解液产生推力，增大电解液的输送流量，提高钒电池反应速率。
第四出气管26至少设有一个，第四出气管26设在负极储液罐21的上部，优选地，第四出气管26设在负极储液罐21的顶部，第四出气管26的一端连通负极储液罐21内部，第四出气管26的另一端连通外界。第四出气管26为进一步的安全防护设施，防止第三出气管25不能将气体及时排出而造成危险，在一般情况下，第四出气管26中的第六阀门27处于关闭状态，当第三出气管25发生意外或是第三出气管25不能将负极储液罐21中的气体及时排出时，第四出气管26的第六阀门27打开，将负极储液罐21中的气体排出。
负极储液罐21还设有进料管和出料管(图中没有显示)，进料管用于电解液的进料，进料管的开关通过进料管上的阀门控制；出料管用于电解液的出料，出料管的开关通过出料管上的阀门控制。
电池堆3为现有技术，图中未显示其具体结构，其靠近正极储液罐11一侧为正极，靠近负极储液罐21为负极，正极与负极之间设有隔膜，其隔膜用于交换反应离子，其他不做具体描述。
钒电池在反应时，会产生二氧化碳气体，在过充时，还会产生氢气和氧气，其产生的氢气通过第四输送管137流向正极储液罐11中，其产生的氧气通过第八输送管237流向负极储液罐21中，由于二氧化碳在硫酸中不反应，且钒电池电解液中的浓硫酸水含量较少，因此二氧化碳大部分还是处于气体状态，而氢气不容于水，氧气难容于水，则正极储液罐11和负极储液罐21中的气体随着反应时间的增加而增加，相应的储液罐所受的压力会上升，电解液在气压的作用下流到输送管，而后流到电池堆3，反应过后，产生的气体随电解液分别流向正极储液罐11和负极储液罐21中，循环流动。为使储液罐能更好的承受气体压力，可将储液罐的不锈钢材料部分的厚度加厚，增强储液罐的耐压力。
初始状态的钒电池储液罐处于密闭状态，正、负极储液罐的各阀门均处于关闭状态。
需要说明的是，阀门种类有多种，可为流量控制阀，也可为开关阀，本实施例中，第一阀门131、第二阀门133、第三阀门17、第四阀门231、第五阀门233和第六阀门27均为开关阀。
另外，还需要说明的是，各阀门，包括第一阀门131、第二阀门133、第三阀门17、第四阀门231、第五阀门233和第六阀门27，以及第一流量控制阀14和第二流量控制阀24，均为自动控制阀门，其自动控制方式有多种，本实施例采用电控方式。
工作时，正、负极半电池2同步操作，有三种情况：
1)若想要控制电解液的流量，则第一阀门131关闭，第二阀门133打开，启动正极泵135，正极电解液12从正极储液罐11中流向第二输送管134，经由正极泵135的输送，正极电解液12的流量通过第一流量计138控制，经第一流量计138的流量反馈可控制正极泵135的输出量从而控制正极电解液12的流量，正极电解液12继而从第三输送管136流向电池堆3，与此同时，负极半电池2与正极半电池1做相应的同步操作，这里不做赘述，正极电解液12和负极电解液22在电池堆3中反应，此时的正、负极电解液经电池堆3反应后，产生的二氧化碳气体随正、负极电解液分别分别经过第四输送管137和第八输送管237流向正、负极储液罐，正、负极储液罐中的压力传感器感应储液罐中的气体压力，若气压没有达到指定值，则第一流量控制阀14和第二流量控制阀24均处于关闭状态，若气压达到指定值，则第一流量控制阀14和第二流量控制阀24打开，并根据反应的气体产生速度相应控制气体排出到外界的流量，使正、负极储液罐内的气压保持恒定值；
2)若要节能，可将第一阀门131打开，第二阀门133关闭，此时，关闭正极泵135，正极电解液12在重力作用下，由正极储液罐11中流出，经过第一输送管132和第三输送管136，流向电池堆3反应，与此同时，负极半电池2与正极半电池1做相应的同步操作，这里不做赘述，此时的正、负极电解液经电池堆3反应后，产生的二氧化碳气体随正、负极电解液分别分别经过第四输送管137和第八输送管237流向正、负极储液罐，正、负极储液罐中的压力传感器感应储液罐中的气体压力，若气压没有达到指定值，则第一流量控制阀14和第二流量控制阀24均处于关闭状态，若气压达到指定值，则第一流量控制阀14和第二流量控制阀24打开，并根据反应的气体产生速度相应控制气体排出到外界的流量，使正、负极储液罐内的气压保持恒定值；
3)若要提高电解液的流量，增强电解液的反应速率，则将第一阀门131打开，第二阀门133打开，启动正极泵135，此时，正极电解液12分别流向第一输送管132和第二输送管134，汇聚在第三输送管136，正极电解液12的流量通过第一流量计138控制，经第一流量计138的流量反馈可控制正极泵135的输出量从而控制正极电解液12的流量，而后第三输送管136的电解液流向电池堆3反应，与此同时，负极半电池2与正极半电池1做相应的同步操作，这里不做赘述，此时的正、负极电解液经电池堆3反应后，产生的二氧化碳气体随正、负极电解液分别分别经过第四输送管137和第八输送管237流向正、负极储液罐，正、负极储液罐中的压力传感器感应储液罐中的气体压力，若正、负极储液罐的气压没有达到指定值，则第一流量控制阀14和第二流量控制阀24均处于关闭状态，若气压达到指定值，则第一流量控制阀14和第二流量控制阀24打开，并根据反应的气体产生速度相应控制气体排出到外界的流量，使正、负极储液罐内的气压保持恒定值。
在这三种情况中，钒电池可能会过充，过充的正极半电池1产生氢气，负极半电池2产生氧气，正、负极半电池2中的第一流量控制阀14和第二流量控制阀24分别控制两边的气体压力，使正、负极储液罐中的气压保持稳定状态，使正、负极电解液的流速保持一致。
针对过充情况，可有以下措施：
1)第一阀门131关闭，第二阀门133打开，启动正极泵135，过充时，可加大正极泵135的输出，提高正极电解液12的输送流量和反应速率，来防止钒电池过充，若加大正极泵135的输出不能解决过充情况，则可打开第一阀门131，利用正极储液罐11中的气体压力以及正极电解液12的重力作用，正极电解液12流向第一输送管132，与第二输送管134中的正极电解液12汇聚在第三输送管136中，此时，正极电解液12的流量更大，因而可提高正极电解液12的反应速率，则由于正极电解液12的钒离子多了，相应的水的电解量则会减少，则可防止钒电池过充，在正极半电池1操作的同时，负极半电池2也在做相应的操作，以使整个钒电池的反应速度达成一致；
2)第一阀门131打开，第二阀门133关闭，关闭正极泵135，过充时，可打开第二阀门133，打开正极泵135，通过正极泵135的输出调节，正极电解液12从第二输送管134流出与第一输送管132中的正极电解液12汇聚在第三输送管136中，此时，正极电解液12的流量更大，因而可提高正极电解液12的反应速率，则由于正极电解液12的钒离子多了，相应的水的电解量则会减少，则可防止钒电池过充，在正极半电池1操作的同时，负极半电池2也在做相应的操作，以使整个钒电池的反应速度达成一致；
3)第一阀门131打开，第二阀门133打开，启动正极泵135，过充时，可加大正极泵135的输出，提高正极电解液12的输送流量和反应速率，若最终加大正极泵135的输出不能解决过充情况，则可通过进料管向储液罐加入水，防止因水分的减少造成氧化钒的析出，在正极半电池1操作的同时，负极半电池2也在做相应的操作，以使整个钒电池的反应速度达成一致。
当正极储液罐11和负极储液罐21中的气体过多，而其对应的第一出气管15或/和第三出气管25不能及时排出，此时第二出气管16和第四出气管26的阀门打开，将多余的气体排出。当然，正常情况下，钒电池反应的气体产生的速度均小于第一出气管15和第三出气管25的排出速度。若第一出气管15和第三出气管25其中一个或二者均出现意外或者来不及排出储液罐中的气体，则相应的有第二出气管16和第四出气管26排出气体。在整个排气过程中，需要控制正极储液罐11和负极储液罐21中的气压平衡，并通过流量计的反馈控制，使正极半电池1和负极半电池2在电池堆3中的反应一致。
在钒电池反应过程中，需控制正极半电池1和负极半电池2中电解液的输出流量，使正极半电池1和负极半电池2在电池堆3中的反应一致，可通过控制各半电池中两条输送管的阀门开关和泵的输出使正极电解液12和负极电解液22的输出流量一致。
另外，由于电解液为酸性很强的化学溶液，且其电解液有毒，因此各阀门、管道以及连接处应做好密封防漏措施，防止电解液渗露。
在使用过程中，会出现不同于以上说明的使用情况，本实施例仅以其中较为常见情况做以说明，根据具体情况采取相应措施。
实施例二
由于实施例一中，第一阀门131和第四阀门231为开关阀，不可控制电解液的输出流量，本实施例中，第一阀门131和第四阀门231均为流量控制阀，其余结构没有变化。使用了流量控制阀后，可控制第一输送管132和第五输送管232中电解液的输出流量，可进一步利用电解液的自重力和气体的推力，此时在实施例一中需要泵控制流量的操作可直接由流量控制阀控制电解液在第一输送管132和第五输送管232中的流量，达到实施例一中泵控制的流量，进一步达到节能作用，还可有更多选择。本实施例的使用情况与实施例一类似，通过使用需求，控制各开关阀及流量控制阀的开关和流量，通过流量计的反馈控制，最终使正极半电池1和负极半电池2的电解液的流量一致，保证正极电解液12和负极电解液22在电池堆3中的反应一致。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明并不局限于上述实施方式，在实施过程中可能存在局部结构的改动，如果对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，且属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型。