专利名称：带余能回收装置的液流电池系统及回收余能的方法
技术领域：
本发明涉及一种带余能回收装置的液流电池系统及回收余能的方法，属于液流电池领域。
背景技术：
现有技术中，由于锌溴液流电池可以克服传统铅酸电池在性能和环境上存在的缺陷，具有循环寿命长，受环境影响小的特点。因此越来越多的人开始研究并生产锌溴液流电池，但是目前锌溴液流电池技术还不成熟，还存在很多的问题。现有锌溴液流电池在充电时，正极产生单质溴。单质溴容易从电池隔膜的微孔渗漏到负极当中，与单质锌反应，发生自放电，使电池能量降低。因此通常采用在正极电解液中加入配合剂的做法，正极的溴单质生成溴配合物，降低其穿透隔膜的概率，使电流效率大大提高。在放电时，由于溴配合物和电解液比重相差过大，在静置的溶液里往往会因为密度比而分相。因此，在传统工艺中一般为溴配合物单独配置供液泵，以保证电堆可以顺利放电。其缺点是单独配置供液泵使系统功耗上升，能效下降，同时使系统复杂程度增加，稳定性降低。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种带余能回收装置的液流电池系统及回收余能的方法，它能够有效防止锌溴液流电池自放电，并且具有系统结构简单的优点，而且系统功耗低，能效和稳定性高。本发明的技术方案一种带余能回收装置的液流电池系统，包括电堆、负极储罐和正极储罐，负极储罐和正极储罐为一体化设计，负极储罐和正极储罐通过正负极隔板隔开； 负极储罐通过供液管路与负极供液泵连接，负极供液泵与换热器连接，换热器与电堆的负极连接，电堆通过排液管路与负极储罐上的负极电解液入口连接；正极供液泵通过供液管路与正极供液泵连接，正极供液泵与电堆的正极连接，电堆通过排液管路与正极储罐连接； 负极储罐和正极储罐内均设有余能回收装置。前述的带余能回收装置的液流电池系统中，所述正极储罐内的余能回收装置包括电解液回管A、电解液压力回收器A和电解液喷射口 A，两根对称设置的电解液回管A与电堆上的排液管路连接，电解液压力回收器A设置在电解液回管A的中部，电解液喷射口 A设置在电解液回管A的尾部。前述的带余能回收装置的液流电池系统中，电解液回管A的形状为“S”形，电解液回管A的第一拐角的角度a为0° 90°，电解液回管A的第二拐角的角度β为0° 90°。前述的带余能回收装置的液流电池系统中，电解液回管A的形状为“S”形，电解液回管A的第一拐角的角度a为45°，电解液回管A的第二拐角的角度β为60°。
前述的带余能回收装置的液流电池系统中，负极储罐内的余能回收装置包括电解液回管B、排液管、电解液压力回收器B、能量联动杆、正极加压器、变径管和电解液喷射口 B，电解液回管B设于负极储罐内，电解液回管B的一端与负极电解液入口连接，另一端与电解液压力回收器B连接，电解液压力回收器B上设有排液管，正极加压器设于正极储罐内， 电解液压力回收器B通过贯穿于正负极隔板的能量联动杆与正极加压器连接，正极加压器通过变径管与电解液喷射口 B连接。一种前述的带余能回收装置的液流电池系统回收余能的方法，正极储罐内的余能回收，正极电解液发生反应后进入电解液回管A，电解液回管A内的电解液压力回收器A回收压力后将正极电解液从电解液喷射口 A喷出，并搅拌正极储罐内的电解液；负极储罐内的余能回收，负极电解液从负极电解液入口进入电解液回管B，并对电解液压力回收器B做功，然后由排液管排出，负极电解液对电解液压力回收器B产生的能量通过能量联动杆传递给正极加压器，正极电解液在正极加压器内加压后，进入变径管，最终通过电解液喷射口 B喷出。与现有技术相比，本发明设置了余能回收装置，能够有效回收系统的余能，无需单独设置供液泵，极大的简化了系统，降低了系统的功耗，使系统的能效大幅提升。本发明能够有效防止锌溴液流电池自放电，正极电解液发生反应后进入电解液回管A8，电解液回管A8内的电解液压力回收器A9回收压力后将正极电解液从电解液喷射口 AlO以不低于0. lm/s的速度喷出；负极电解液从负极电解液入口 13进入电解液回管B14，并对电解液压力回收器 B15做功，然后由排液管12排出，负极电解液对电解液压力回收器B15产生的能量通过能量联动杆16传递给正极加压器17，正极电解液在正极加压器17内加压后，进入变径管18，最终通过电解液喷射口 B19以不低于0. lm/s的速度喷出。喷出的电解液在正极储罐6内形成稳定的环流(如图5所述)，并冲刷沉降在储罐底部的溴配合物，在升力和水动力的作用下，使溴配合物悬浮起来，且并保持悬浮状态。在充电过程中，正极产生大量的溴单质，其中一部分与配合剂发生反应，生成配合物。但受化学平衡的影响，随着电堆和管路内溴配合物浓度的提高，使得配合剂与单质溴的反应能力下降，导致仍有少量的单质溴以游离状态存在，此部分单质溴在循环过程中容易穿透隔膜到电池负极电解液中，与单质锌发生反应造成较严重的自放电。同时单质溴已挥发，可从电解液液相体系中脱离至气相，造成系统不可逆的容量损失，同时气相中溴分压的上升也给管路和环境带来压力。利用余能回收进行液力搅拌，充电过程中未被配合剂捕捉的单质溴由电解液出口喷射而出，以较高的流速与储罐内的配合剂发生反应后，迅速分散， 保证在出口附近不产生溴配合物的高浓度边界层，同时增大了单质溴与配合剂的接触面积，使得配合剂对溴的捕捉更加彻底。在放电时，溴配合物在正极电极附近发生还原反应，即单质溴得电子生成溴离子， 配合剂由有机相重新回到水相当中，形成均一的溶液，使得溶液出口处粘度与入口处相比， 黏度有所降低，因此喷射口处的射流能量高于充电，此时电解液罐底部水相与有机相的混合更加充分，保证电解液入口处附近始终保持某一均一比例的水相和有机相混合溶液，且随着放电程度的加深，此比例一直保持相对稳定的状态。如图5所示为锌溴液流电池系统电解液水相和有机相组分比例关系图。从图中可见，在电堆运行过程中，正极电解液入口处抽入的始终为有机相和水相的混合溶液，且有机相的占比始终保持在33 % 41 %之间，相对比较稳定。
图1为液流电池系统结构示意图；图2为正极储罐内余能回收装置的结构示意图；图3为负极储罐内余能回收装置的结构示意图；图4为压力能回收原理示意图；图5为电解液搅拌效果示意图；图6为锌溴液流电池系统电解液水相和有机相组分比例关系图。附图中的标记为1-电堆，2-换热器，3-负极供液泵，4-正极供液泵，5-负极储罐，6-正极储罐，7-余能回收装置，8-电解液回管A，9-电解液压力回收器A，10-电解液喷射口 A，11-正负极隔板，12-排液管，13-负极电解液入口，14-电解液回管B，15-电解液压力回收器B，16-能量联动杆，17-正极加压器，18-变径管，19-电解液喷射口 B。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。本发明的实施例1 如图1所示，一种带余能回收装置的液流电池系统，包括电堆 1、负极储罐5和正极储罐6，负极储罐5和正极储罐6为一体化设计，负极储罐5和正极储罐6通过正负极隔板11隔开；负极储罐5通过供液管路与负极供液泵3连接，负极供液泵 3与换热器2连接，换热器2与电堆1的负极连接，电堆1通过排液管路与负极储罐5上的负极电解液入口 13连接；正极供液泵4通过供液管路与正极供液泵4连接，正极供液泵4 与电堆1的正极连接，电堆1通过排液管路与正极储罐6连接；负极储罐5和正极储罐6内均设有余能回收装置7。如图2所示，正极储罐6内的余能回收装置7包括电解液回管A8、电解液压力回收器A9和电解液喷射口 A10，两根对称设置的电解液回管A8与电堆1上的排液管路连接，电解液压力回收器A9设置在电解液回管A8的中部，电解液喷射口 AlO设置在电解液回管A8 的尾部。电解液回管A8的形状为“S”形，电解液回管A8的第一拐角的角度a为0°，电解液回管A8的第二拐角的角度β为0°。如图3所示，负极储罐5内的余能回收装置7包括电解液回管Β14、排液管12、电解液压力回收器Β15、能量联动杆16、正极加压器17、变径管18和电解液喷射口 Β19，电解液回管Β14设于负极储罐5内，电解液回管Β14的一端与负极电解液入口 13连接，另一端与电解液压力回收器Β15连接，电解液压力回收器Β15上设有排液管12，正极加压器17设于正极储罐6内，电解液压力回收器Β15通过贯穿于正负极隔板11的能量联动杆16与正极加压器17连接，正极加压器17通过变径管18与电解液喷射口 Β19连接。一种前述带余能回收装置的液流电池系统回收余能的方法，正极储罐6内的余能回收，正极电解液发生反应后进入电解液回管Α8，电解液回管Α8内的电解液压力回收器Α9 回收压力后将正极电解液从电解液喷射口 AlO喷出，并搅拌正极储罐6内的电解液；
负极储罐5内的余能回收，负极电解液从负极电解液入口 13进入电解液回管B14， 并对电解液压力回收器B15做功，然后由排液管12排出，负极电解液对电解液压力回收器 B15产生的能量通过能量联动杆16传递给正极加压器17，正极电解液在正极加压器17内加压后，进入变径管18，最终通过电解液喷射口 B19喷出。本发明的实施例2 如图1所示，一种带余能回收装置的液流电池系统，包括电堆 1、负极储罐5和正极储罐6，负极储罐5和正极储罐6为一体化设计，负极储罐5和正极储罐6通过正负极隔板11隔开；负极储罐5通过供液管路与负极供液泵3连接，负极供液泵 3与换热器2连接，换热器2与电堆1的负极连接，电堆1通过排液管路与负极储罐5上的负极电解液入口 13连接；正极供液泵4通过供液管路与正极供液泵4连接，正极供液泵4 与电堆1的正极连接，电堆1通过排液管路与正极储罐6连接；负极储罐5和正极储罐6内均设有余能回收装置7。如图2所示，正极储罐6内的余能回收装置7包括电解液回管A8、电解液压力回收器A9和电解液喷射口 A10，两根对称设置的电解液回管A8与电堆1上的排液管路连接，电解液压力回收器A9设置在电解液回管A8的中部，电解液喷射口 AlO设置在电解液回管A8 的尾部。电解液回管A8的形状为“S”形，电解液回管A8的第一拐角的角度a为45°，电解液回管A8的第二拐角的角度β为60°。如图3所示，负极储罐5内的余能回收装置7包括电解液回管Β14、排液管12、电解液压力回收器Β15、能量联动杆16、正极加压器17、变径管18和电解液喷射口 Β19，电解液回管Β14设于负极储罐5内，电解液回管Β14的一端与负极电解液入口 13连接，另一端与电解液压力回收器Β15连接，电解液压力回收器Β15上设有排液管12，正极加压器17设于正极储罐6内，电解液压力回收器Β15通过贯穿于正负极隔板11的能量联动杆16与正极加压器17连接，正极加压器17通过变径管18与电解液喷射口 Β19连接。—种前述带余能回收装置的液流电池系统回收余能的方法，正极储罐6内的余能回收，正极电解液发生反应后进入电解液回管Α8，电解液回管Α8内的电解液压力回收器Α9 回收压力后将正极电解液从电解液喷射口 AlO喷出，并搅拌正极储罐6内的电解液；负极储罐5内的余能回收，负极电解液从负极电解液入口 13进入电解液回管Β14， 并对电解液压力回收器Β15做功，然后由排液管12排出，负极电解液对电解液压力回收器 Β15产生的能量通过能量联动杆16传递给正极加压器17，正极电解液在正极加压器17内加压后，进入变径管18，最终通过电解液喷射口 Β19喷出。本发明的实施例3 如图1所示，一种带余能回收装置的液流电池系统，包括电堆 1、负极储罐5和正极储罐6，负极储罐5和正极储罐6为一体化设计，负极储罐5和正极储罐6通过正负极隔板11隔开；负极储罐5通过供液管路与负极供液泵3连接，负极供液泵 3与换热器2连接，换热器2与电堆1的负极连接，电堆1通过排液管路与负极储罐5上的负极电解液入口 13连接；正极供液泵4通过供液管路与正极供液泵4连接，正极供液泵4 与电堆1的正极连接，电堆1通过排液管路与正极储罐6连接；负极储罐5和正极储罐6内均设有余能回收装置7。如图2所示，正极储罐6内的余能回收装置7包括电解液回管Α8、电解液压力回收器Α9和电解液喷射口 Α10，两根对称设置的电解液回管Α8与电堆1上的排液管路连接，电解液压力回收器A9设置在电解液回管A8的中部，电解液喷射口 AlO设置在电解液回管A8 的尾部。电解液回管A8的形状为“S”形，电解液回管A8的第一拐角的角度a为90°，电解液回管A8的第二拐角的角度β为90°。如图3所示，负极储罐5内的余能回收装置7包括电解液回管Β14、排液管12、电解液压力回收器Β15、能量联动杆16、正极加压器17、变径管18和电解液喷射口 Β19，电解液回管Β14设于负极储罐5内，电解液回管Β14的一端与负极电解液入口 13连接，另一端与电解液压力回收器Β15连接，电解液压力回收器Β15上设有排液管12，正极加压器17设于正极储罐6内，电解液压力回收器Β15通过贯穿于正负极隔板11的能量联动杆16与正极加压器17连接，正极加压器17通过变径管18与电解液喷射口 Β19连接。一种前述带余能回收装置的液流电池系统回收余能的方法，正极储罐6内的余能回收，正极电解液发生反应后进入电解液回管Α8，电解液回管Α8内的电解液压力回收器Α9 回收压力后将正极电解液从电解液喷射口 AlO喷出，并搅拌正极储罐6内的电解液；负极储罐5内的余能回收，负极电解液从负极电解液入口 13进入电解液回管Β14， 并对电解液压力回收器Β15做功，然后由排液管12排出，负极电解液对电解液压力回收器 Β15产生的能量通过能量联动杆16传递给正极加压器17，正极电解液在正极加压器17内加压后，进入变径管18，最终通过电解液喷射口 Β19喷出。如图4所示，储罐内能量回收量采用下面的公式进行计算
权利要求
1.一种带余能回收装置的液流电池系统，包括电堆(1)、负极储罐( 和正极储罐(6)， 其特征在于负极储罐(5)和正极储罐(6)为一体化设计，负极储罐(5)和正极储罐(6)通过正负极隔板(11)隔开；负极储罐( 通过供液管路与负极供液泵C3)连接，负极供液泵 (3)与换热器( 连接，换热器( 与电堆(1)的负极连接，电堆(1)通过排液管路与负极储罐( 上的负极电解液入口(1 连接；正极供液泵(4)通过供液管路与正极供液泵(4) 连接，正极供液泵(4)与电堆(1)的正极连接，电堆(1)通过排液管路与正极储罐(6)连接； 负极储罐( 和正极储罐(6)内均设有余能回收装置(7)。
2.根据权利要求1所述的带余能回收装置的液流电池系统，其特征在于所述正极储罐(6)内的余能回收装置(7)包括电解液回管A(8)、电解液压力回收器A(9)和电解液喷射口 A(IO)，两根对称设置的电解液回管A (8)与电堆(1)上的排液管路连接，电解液压力回收器A(9)设置在电解液回管A(8)的中部，电解液喷射口 A(IO)设置在电解液回管A(8)的尾部。
3.根据权利要求2所述的带余能回收装置的液流电池系统，其特征在于电解液回管 A(S)的形状为“S”形，电解液回管A(8)的第一拐角的角度a为0° 90°，电解液回管 A(S)的第二拐角的角度β为0° 90°。
4.根据权利要求3所述的带余能回收装置的液流电池系统，其特征在于电解液回管 A(S)的形状为“S”形，电解液回管Α(8)的第一拐角的角度a为45°，电解液回管A(8)的第二拐角的角度β为60°。
5.根据权利要求1所述的带余能回收装置的液流电池系统，其特征在于负极储罐(5) 内的余能回收装置⑵包括电解液回管Β(14)、排液管(12)、电解液压力回收器Β(15)、能量联动杆(16)、正极加压器(17)、变径管(18)和电解液喷射口 Β(19)，电解液回管Β(14)设于负极储罐(5)内，电解液回管Β(14)的一端与负极电解液入口(13)连接，另一端与电解液压力回收器B(M)连接，电解液压力回收器B(1 上设有排液管(12)，正极加压器(17) 设于正极储罐(6)内，电解液压力回收器B (15)通过贯穿于正负极隔板(11)的能量联动杆 (16)与正极加压器(17)连接，正极加压器(17)通过变径管(18)与电解液喷射口 B (19)连接。
6.一种权利要求1 5中任意一项所述带余能回收装置的液流电池系统回收余能的方法，其特征在于正极储罐(6)内的余能回收，正极电解液发生反应后进入电解液回管 A(8)，电解液回管A(8)内的电解液压力回收器A(9)回收压力后将正极电解液从电解液喷射口 A(IO)喷出，并搅拌正极储罐(6)内的电解液；负极储罐(5)内的余能回收，负极电解液从负极电解液入口(1 进入电解液回管 B(14)，并对电解液压力回收器B(15)做功，然后由排液管(12)排出，负极电解液对电解液压力回收器B(M)产生的能量通过能量联动杆(16)传递给正极加压器(17)，正极电解液在正极加压器(17)内加压后，进入变径管(18)，最终通过电解液喷射口 B(19)喷出。
全文摘要
本发明公开了一种带余能回收装置的液流电池系统及回收余能的方法，包括电堆、负极储罐和正极储罐，负极储罐和正极储罐为一体化设计，二者通过正负极隔板隔开；负极储罐通过供液管路与负极供液泵连接，负极供液泵与换热器连接，换热器与电堆的负极连接，电堆通过排液管路与负极储罐上的负极电解液入口连接；正极供液泵通过供液管路与正极供液泵连接，正极供液泵与电堆的正极连接，电堆通过排液管路与正极储罐连接；负极储罐和正极储罐内均设有余能回收装置。本发明能够有效防止液流电池自放电，并且具有系统结构简单的优点，而且系统功耗低，能效和稳定性高。
文档编号H01M8/04GK102544556SQ20121005730
公开日2012年7月4日 申请日期2012年3月6日 优先权日2012年3月6日
发明者孟琳, 张祺, 陆克 申请人:北京百能汇通科技股份有限公司