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A10 以不低于0.1m/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0.1m/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。

附图说明

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A10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B14、排液管12、电解液 压力回收器B15、能量联动杆16、正极加压器17、变径管18和电解液喷射口B19，电解液 回管B14设于负极储罐5内，电解液回管B14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B15连接，电解液压力回收器B15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B15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B19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A10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A10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B14、排液管12、电解液 压力回收器B15、能量联动杆16、正极加压器17、变径管18和电解液喷射口B19，电解液 回管B14设于负极储罐5内，电解液回管B14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B15连接，电解液压力回收器B15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B15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B19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A10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A10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B14、排液管12、电解液 压力回收器B15、能量联动杆16、正极加压器17、变径管18和电解液喷射口B19，电解液 回管B14设于负极储罐5内，电解液回管B14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B15连接，电解液压力回收器B15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B15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B19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A10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。

如图4所示，储罐内能量回收量采用下面的公式进行计算：

$\mathrm{\Delta E}=[(\frac{1}{2}{\mathrm{\rho \Delta Vv}}_2^2+{\mathrm{\rho \Delta Vgh}}_2)-(\frac{1}{2}{\mathrm{\rho \Delta Vv}}_1^2+{\mathrm{\rho \Delta Vgh}}_1)]\times \eta$

$=[\frac{1}{2}\mathrm{\rho \Delta V}(v_2^2-v_1^2)+\mathrm{\rho \Delta Vg}(h_2-h_1)]\times \eta$

上式中的字母各代表：

ρ-电解液密度，kg·m³

ΔV-电解液循环量，m³

v₂-能量回收后的电解液流速，m·s

v₁-能量回收前的电解液流速，m·s

h₂-能量回收后电解液的液位高度，m

h₁-能量回收前电解液的液位高度，m

g-重力加速度，m·s²

η-总能量回收效率，％

当能量回收前后液位差较小时，即h₂-h₁≈0，上述公式可简化为：

$\mathrm{\Delta E}=\frac{1}{2}\mathrm{\rho \eta \Delta V}(v_2^2-v_1^2).$

以20kW锌溴液流电池系统为例，充放电时间为6小时，因此电解液体积约为800L。电 堆之间为并联连接。经过测量，干路管道内正极电解液流速为2.1m/s。负极电解液流速为 3.8m/s，在对余能回收器9做功后，流速下降为0.6m/s。总能量回收效率为75％，能量损失 项为管道阻力项、能量传动损失等。

带入数据，可知电解液每循环一次后电解液回收能量为3.33KJ。