一种降低电解液混合损失的储液罐装置的制作方法

1.本发明涉及液流电池技术领域，具体涉及一种降低电解液混合损失的储液罐装置。


背景技术：

2.随着化石能源的持续消耗以及环境问题的关注度日益提升，以风、光为代表的新能源越来越多的参与到当前能源系统中。但是新能源发电会受到自然条件变化的严重影响具有波动性，这种不稳定性不但会造成能源的浪费，在电网中新能源电力的比例提高之后还会影响电网的稳定性。在此情形之下为新能源发电设备建设配套的储能设备就显得必要且紧迫，而液流电池的功率与容量解耦的特点使得能够对液流电池电堆进行模块化设计，非常契合新能源储能的需求。
3.在液流电池的运行中，电解液从储液罐中流出流经电极发生反应后再流回储液罐，储液罐中的电解液的荷电状态与流回储液罐的电解液的荷电状态是不同的，不同荷电状态的电解液会在储液罐内发生混合，进而造成系统中额外的损。电解液的混合主要来自于两个方面，一方面是泵将储液罐内的电解液泵送出去的时候造成储液罐里面电解液的扰动产生的对流效应；另一方面是储液罐中离子在浓差驱动下的扩散，在运行过程中，储液罐中不同层中电解液的荷电状态可能都是不相同的，因此这种扩散效果会在储液罐内广泛存在。另外在电堆的运行过程中当进行充放电切换时，处于储液罐上层的电解液更有利于切换后的运行工况，传统的储液罐设计通常只能从下至上依次取用。
4.现有技术中，专利文献(cn107946617a)公开了一种提高电解液利用率的四储液罐液流电池结构及方法，在正极电解液进液口、负极电解液进液口、正极电解液出液口和负极电解液出液口分别连接一个独立的储液罐，此液流电池结构能够降低电堆与储液罐之间的浓差极化。专利文献(cn210200875u)公开了一种液流电池电解液储罐及液流电池系统，罐体本体之间通过可活动的连接件连接，从而实现相邻电解液储存空间之间的连通与闭合。通过四罐系统来减少电解液的混合损失，系统需要配备多一倍的泵或泵组与储罐及配套设施；而上述单罐设计(cn210200875u)对部分部件要求较高且不能变换取用处于不同荷电状态的电解液。
5.在液流电池的运行中，电解液从储液罐中流出流经电极发生反应后再流回储液罐，储液罐中的电解液的荷电状态与流回储液罐的电解液的荷电状态是不同的，不同荷电状态的电解液会在储液罐内发生混合，进而造成系统中额外的损失。电解液的混合主要来自于两个方面，一方面是泵将储液罐内的电解液泵送出去的时候造成储液罐里面电解液的扰动产生的对流效应；另一方面是储液罐中离子在浓差驱动下的扩散，在运行过程中，储液罐中不同层中电解液的荷电状态可能都是不相同的，因此这种扩散效果会在储液罐内广泛存在。另外在电堆的运行过程中当进行充放电切换时，处于储液罐上层的电解液更有利于切换后的运行工况，传统的储液罐设计通常只能从下至上依次取用。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是：提供一种能够减小电解液混合损失的储液罐结构。
7.为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种降低电解液混合损失的储液罐装置，其包括主罐体，主罐体设有泄压阀，主罐体的顶部设有电解液流入管道，底部设有电解液出口管道，主罐体内固定有内芯隔板，内芯隔板内部与电解液出口管道连通，内芯隔板的外侧套设有相互嵌套的转子隔板和静子隔板，所述转子隔板和静子隔板均为筒状，静子隔板固定于主罐体内，转子隔板由固定于主罐体外侧的电动机驱动；所述转子隔板、静子隔板上对应设有多个不同高度的通孔，当转子隔板相对于静子隔板转动时，对应的通孔根据重叠的状态相互连通或不连通。
8.优选地，所述静子隔板设于转子隔板内。隔板用于削弱罐体内部电解液的对流与扩散。
9.优选地，所述转子隔板、静子隔板上对应设有3个不同高度的通孔，分别位于上部、中部、下部。
10.优选地，所述电解液流入管道设于主罐体内的管口设有电解液出口喷嘴。电解液出口喷嘴用于降低流入电解液扰动效果。
11.优选地，所述泄压阀为单向阀，用于释放储液罐气体平衡压力，不允许外界气体进入储液罐。
12.优选地，所述转子隔板、静子隔板的高度均高于内芯隔板。
13.本发明还提供了另一种降低电解液混合损失的储液罐装置，其包括主罐体，主罐体设有泄压阀，主罐体的顶部设有电解液流入管道，底部设有电解液出口管道，主罐体内设有内芯隔板，其由固定于主罐体外侧的电动机驱动，内芯隔板内部与电解液出口管道连通；所述内芯隔板的外侧设有至少一块用于将主罐体内分隔为多个腔室的分室隔板，分室隔板固定于主罐体内；内芯隔板底部设有通孔，该通孔随着内芯隔板的转动与不同的腔室连通，电解液流入管道的出口处设有分流装置，该分流装置通过阀门控制与不同的腔室连通；所述内芯隔板底部开有通孔可经由电动机驱动旋转以将通孔与不同腔室连通来选择性取用处于不同腔室的不同荷电状态下的电解液。
14.优选地，所述内芯隔板的外侧均布有4块用于将主罐体内分隔为4个腔室的分室隔板。
15.优选地，所述分流装置的出口端设有电解液出口喷嘴，电解液出口喷嘴设有多根与不同的腔室连通的分嘴，每个分嘴上设有一电磁阀。
16.优选地，所述泄压阀为单向阀。
17.本发明提供了一种储液罐结构以实现减小储液罐中的不同荷电状态的电解液的混合以及选择性取用储液罐内处于不同荷电状态的电解液的功能以提升电堆运行效率。该储液罐能够减小储液罐中的电解液的对流与不同层电解液之间的浓差和扩散面积，进而减小不同荷电状态电解液之间的混合以降低储液罐内的混合损；通过转动部件可以选择性使用处于不同荷电状态下的电解液，在充放电切换时使得电推可以高效运行。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
19.1.隔板可以减缓泵将电解液从储液罐内抽出时对储液罐内电解液的扰动效果，电
解液流入管道出口处的喷嘴可以减缓流入的电解液对罐内电解液的扰动；隔板还延长了电解液在储液罐内的流经距离，减小了电解液之间的浓度梯度与不同层电解液之间扩散的横截面积；综上，从减小对流效应与电解液扩散两个方面减小了不同荷电状态电解液之间的混合效果，减小了不同荷电状态电解液之间的混合带来的损，提升了系统效率。
20.2.储液罐的顶部连接有泄压阀，可以即使排除可能生成的气体(例如铁铬液流电池的负极侧析氢)，以维持储液罐内外压力平衡，有利于储液罐的安全使用。
21.3.转子隔板和静子隔板在不同高度处开有通孔，设计有驱动部件驱动转子隔板转动，转子隔板通过转动可以其上通孔与静子隔板上处于不同高度的通孔对齐，电解液只能从二者对齐的通孔内流过；对于本发明的另一可选结构则在内芯隔板底部开有通孔，通过内芯隔板转动可使其底部通孔与不同腔室连通，通过上述操作可以实现选择性取用储液罐内不同区域中处于不同荷电状态的电解液，进而在电堆进行充放电切换时，可以实现优先使用更符合当前运行状态的电解液，有利于提升系统效率。
附图说明
22.图1为实施例1提供的储液罐装置的结构示意图；
23.图2为实施例1提供的储液罐装置的爆炸图；
24.图3为转子隔板与静子隔板底部通孔对齐时储液罐装置主视图的剖面图；
25.图4为图3左侧45
°
视角的剖面图；
26.图5为转子隔板与静子隔板中位通孔对齐时储液罐装置主视图的剖面图；
27.图6为图5左视图的剖面图；
28.图7为图6中ⅰ部分的局部放大图；
29.图8为图6中ⅱ部分的局部放大图；
30.图9为转子隔板与静子隔板高位通孔对齐时储液罐装置主视图的剖面图；
31.图10为图9中的主罐体隐藏后的左视图；
32.图11为实施例2提供的储液罐装置的主视图；
33.图12为图11的左视图；
34.图13为图11横截面的俯视图；
35.图14为分流装置的结构示意图；
36.上述附图中，箭头为电解液的流通路径。
具体实施方式
37.为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
38.实施例1
39.如图1、2所示，为本实施例提供的一种降低电解液混合损失的储液罐装置，其包括主罐体5，主罐体5设有泄压阀2(采用单向阀)，主罐体5的顶部设有电解液流入管道31(电解液流入管道31设于主罐体5内的管口设有电解液出口喷嘴4)，底部设有电解液出口管道32，主罐体5内固定有内芯隔板8，内芯隔板8内部与电解液出口管道32连通，内芯隔板8的外侧套设有相互嵌套的转子隔板6和静子隔板7(所述静子隔板7设于转子隔板6内)，所述转子隔板6和静子隔板7均为筒状，静子隔板7固定于主罐体5内，转子隔板6由固定于主罐体5外侧
的电动机1驱动；所述转子隔板6、静子隔板7上对应设有3个不同高度的通孔(分别位于上部、中部、下部，且不同高度的通孔各自在不同的垂直线上，即当其中一组通孔对应时，其它两组通孔不连通，当设有3个以下或3个以上组的通孔时，仍然优选为适用此规则)，当转子隔板6相对于静子隔板7转动时，对应的通孔根据重叠的状态相互连通或不连通。所述转子隔板6、静子隔板7的高度均高于内芯隔板8。
40.主罐体上所开连接孔，其大小取决于系统与所连接部件要求，且主罐体所有与外界连接处分别要密封配合；静子隔板与转子隔板上所开设底部通孔应尽量贴近储液罐底部，以最大限度的利用储液罐内储存的电解液；转子隔板的直径要求略大与静子隔板，二者的夹层间距只需保证转子隔板的旋转不会受到来自静子隔板的阻力，不宜过大；电解液出口喷嘴为固定高度，其安装高度为略高于主罐体内电解液液面。
41.上述装置的操作过程如下：
42.1、当电堆处于持续的充电或者放电状态时，转子隔板与静子隔板底部通孔的对齐的，当二者下部的通孔对齐时，中部与上部的对应通孔相互不连通，此时电解液只能从下部的通孔通过。电解液的流通路径参阅附图3、4，此时的电解液由电解液流入管道进入主罐体后先进入转子隔板与主罐体之间的夹层空间，然后通过转子隔板与静子隔板在底部的通孔进入静子隔板与内芯隔板之间的夹层，之后通过上方内芯隔板与转子隔板之间的缝隙进入内芯隔板内的空间最后经过电解液流出管道离开主罐体。以充电状态为例，在运行过程中储液罐内电解液的荷电状态沿着电解液流动方向是逐渐降低的，因此电堆使用的始终是储液罐内荷电状态最低的那部分电解液，最有利于当前的充电过程。
43.假设当前处于充电工况，此时储液罐内电解液的荷电状态沿着电解液流动方向逐渐降低，如果系统此时由充电工况转为放电工况，那么靠近电解液入口处的荷电状态更高的电解液是更符合此时的电堆的需求的。按照传统设计的电堆此时只能取用储液罐内此时处于较低荷电状态的电解液，本实施例所设计电堆结构此时可以通过电动机驱动转子隔板旋转至顶部通孔与静子隔板的顶部通孔连通，此时储液罐内电解液的流通路径如图9、10所示；内芯隔板的体积是相对较小的，当驱替掉内芯隔板与静子隔板夹层内的少量电解液后，就能够取用转子隔板上端开口以上区域转子隔板与主罐体壁夹层内处于高荷电状态的电解液。
44.电堆在运行过程中需要临时改变工况，例如电堆在充电过程中短暂的一段时间内改为放电，在放电任务完成后继续之前的充电过程。
45.参阅图3，在变工况之前，电堆处于持续的充电过程，由上述持续充电下的操作描述可知此时转子隔板与静子隔板时下端通孔对齐的而且此时储液罐内电解液的荷电状态沿着电解液流动方向逐渐降低，对于短暂一段的放电工况来说，更想取用的时靠近电解液入口处的荷电状态更高的电解液。所以第一步需要控制电动机驱动转子隔板旋转至顶部通孔与静子隔板的顶部通孔连通处，此时储液罐内电解液的流通路径如图9所示；在短暂的放电工况完成之后，电堆继续进行之前的充电工况，此时先不需要将转子隔板与静子隔板恢复到底部连通的状态，因为在稍前一段时间的放电过程中，靠近电解液流入入口处的一段空间内的电解液是经过放电过程后流回的电解液，此处的电解液的荷电状态低于储液罐内其它区域的电解液的荷电状态，所以在电堆进行放电到充电的切换后，储液罐内仍保持第一步改变后的状态直至放电过程中流入的低荷电状态的电解液消耗完毕。第二步则是控制
电动机驱动转子隔板旋转至底部通孔与静子隔板的底部通孔连通处，在后续的持续充电过程中储液罐内状态保持不变。
46.2、电堆在运行的过程中临时改变工况，仍以充电过程中临时改为放电为例，此段放电时间持续的时间较长即此段放电过程中储液罐中循环的电解液的量高于顶端通孔以上区域内所储存的电解液的量，且放电工况时长未知。
47.在放电时长未知的情况下，第一步需要控制电动机驱动转子隔板与静子隔板的顶部通孔连通，此时储液罐内电解液的流通路径如图3所示。如果在放电过程中流入储液罐的处于较低荷电状态的电解液流入顶部通孔之前放电过程就已经结束，则后续只需执行与上述1相同的步骤。如果在上述处于较低荷电状态的电解液流至顶部通孔处放电过程还没有结束，第二步需要控制电动机驱动转子隔板旋转至其与静子隔板的中部通孔连通(如图5-8所示)，因为此时在顶部通孔与中部通孔之间的转子隔板与主罐体内壁的夹层空间内的电解液当前在储液罐内的荷电状态最高，此时储液罐内电解液的流通路径如图5所示。在第二步之后的放电过程中，如果在放电过程中流入储液罐的电解液到达中部通孔之前放电过程能够结束，则在放电过程结束后保持当前状态一段时间直到充电工况将中部通孔上方的处于较低荷电状态的电解液消耗完，第三步再调节转子隔板使其与静子隔板底部通孔对齐；如果再放电过程中流入储液罐内的电解液到达中部通孔时放电过程仍未结束，则第三步为在处于较低荷电状态的电解液到达中部通孔之时立即调整转子隔板使其与静子隔板的底部通孔对齐。参阅图1，在转子隔板与静子隔板顶部、中部、底部开设有三个通孔，实际运行中可以根据需要开设更多通孔，当通孔数量更多时，可参考上述三个通孔的操作进行调整。
48.当放电工况时长已知时，可直接由放电时间所需要的电解液直接调整转子隔板与静子隔板对应位置的通孔对齐。
49.实施例2
50.如图11-13所示，为本实施例提供的一种降低电解液混合损失的储液罐装置，其包括主罐体5，主罐体5设有泄压阀2(采用单向阀)，主罐体5的顶部设有电解液流入管道31，底部设有电解液出口管道32，主罐体5内设有内芯隔板8，其由固定于主罐体5外侧的电动机1驱动，内芯隔板8内部与电解液出口管道32连通；所述内芯隔板8的外侧均布有4块用于将主罐体5内分隔为4个腔室(分别为a、b、c、d腔室)的分室隔板9，分室隔板9固定于主罐体5内；内芯隔板8底部设有通孔，该通孔随着内芯隔板8的转动与不同的腔室连通，电解液流入管道31的出口处设有分流装置(如图14所示)，该分流装置设有4个出口端(分别位于4个腔室的上方)，不同的出口端通过电磁阀控制与不同的腔室连通，4个出口端均设有电解液出口喷嘴4，电解液出口喷嘴4设有多根与不同的腔室连通的分嘴，每个分嘴上设有一电磁阀，通过控制电磁阀来控制对应分嘴端口的开闭，正常工况下电磁阀处于常闭状态，当电解液需要从对应端口流出时，其上的电磁阀打开；所述内芯隔板8底部开有通孔可经由电动机驱动旋转以将通孔与不同腔室连通来选择性取用处于不同腔室的不同荷电状态下的电解液。
51.内芯隔板8底部所开设的通孔应尽量贴近储液罐底部，以最大限度的利用储液罐内储存的电解液。电解液出口喷嘴还可以设置为可调节高度的安装结构。
52.初始状态下电解液处于a、b、c三个腔室内，d为空腔。在进行连续充放电时，第一阶段：电动机驱动内芯隔板旋转使得其下所开通孔与a腔室连通，此时电堆使用的为a腔室中的电解液，经电解液流入管道进入储液罐的电解液此时流入d腔室中，由此可以避免d腔室
中与a、b、c腔室中处于不同荷电状态的电解液接触混合，当a腔室中的电解液均通过电堆后流入d腔室后进入第二阶段：电动机驱动内芯隔板旋转使得其下所开通孔与b腔室连通，此时电堆使用的为b腔室中的电解液而流入储液罐的电解液此时流入a腔室中；在连续充电或者放电的工况中后续阶段流出腔室可以按照c、d、a、b、c
……
腔室以及流入腔室可以按照b、c、d、a、b
……
腔室的顺序依次进行。在遇到充放电切换时则需要改变相应的循序。
53.电堆在运行过程中需要临时改变工况，例如电堆在充电过程中短暂的一段时间内改为放电，在放电任务完成后继续之前的充电过程。内芯隔板通过旋转将其下端通孔依次与c、d、a、b、c
……
腔室连通，连通后的腔室即为电解液流出腔室，对应的电解液流入腔室为b、c、d、a、b
……
腔室随意选取假设此时电堆由充电工况转换为放电工况时电解液的流出为c腔室、电解液流入为b腔室。在电堆转换充放电工况时进行第一步操作：控制电动机驱动内芯隔板旋转使所述隔板下端通孔与b腔室连通，同时调节电解液流入管道与电解液流出喷嘴使电解液流入腔室由b改为c腔室。当放电过程与充电过程的电流和电解液流速相同时，在放电条件下流回c腔室的电解液的荷电状态与c腔室中剩余的电解液的荷电状态是完全相同的，因此不会造成不同荷电状态电解液混合带来的损失。当放电过程完成之后进行第二步操作：控制电动机驱动内芯隔板旋转使所述隔板下端通孔与c腔室连通，同时调节电解液流入管道与电解液流出喷嘴使电解液流入腔室由c改为b腔室，然后流入腔室和流出腔室可以按照之前充电过程中的顺序依次改变进行后续充电。
54.电堆在运行的过程中临时改变工况，仍以充电过程中临时改为放电为例，此段放电时间持续的时间较长即此段放电过程中储液罐中循环的电解液的量高于顶端通孔以上区域内所储存的电解液的量，且放电工况时长未知。在持续充电过程中内芯隔板下端通孔依次与c、d、a、b、c
……
腔室连通，电解液依次流入b、c、d、a、b
……
腔室假设在充放电切换的时候电解液流出腔室为c腔室，电解液流入腔室为b腔室，此时四个腔室中电解液的荷电状态的从高到低的排序为：b、a、d、c、b
……
腔室在电堆由充电状态转化为放电时，应供给电堆的电解液应该优先供应荷电状态更高的电解液，则在转化为放电状态时的电解液流出腔室为b、a、d、c、b
……
腔室电解液流出腔室为c、b、a、d、c
……
腔室当放电工况结束时开启充电工况时再将此时的电解液流出腔室与电解液流入腔室对调，电解液流入腔室和电解液流出腔室的依次转换顺序则与上述放电工况时相反而与第一段的充电过程相同。
55.当放电工况时长已知时，对于本实施例的装置，与上述放电工况时长未知时相同。

技术特征：
1.一种降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，包括主罐体(5)，主罐体(5)设有泄压阀(2)，主罐体(5)的顶部设有电解液流入管道(31)，底部设有电解液出口管道(32)，主罐体(5)内固定有内芯隔板(8)，内芯隔板(8)内部与电解液出口管道(32)连通，内芯隔板(8)的外侧套设有相互嵌套的转子隔板(6)和静子隔板(7)，所述转子隔板(6)和静子隔板(7)均为筒状，静子隔板(7)固定于主罐体(5)内，转子隔板(6)由固定于主罐体(5)外侧的电动机(1)驱动；所述转子隔板(6)、静子隔板(7)上对应设有多个不同高度的通孔，当转子隔板(6)相对于静子隔板(7)转动时，对应的通孔根据重叠的状态相互连通或不连通。2.如权利要求1所述的降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，所述静子隔板(7)设于转子隔板(6)内。3.如权利要求1所述的降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，所述转子隔板(6)、静子隔板(7)上对应设有3个不同高度的通孔，分别位于上部、中部、下部。4.如权利要求1所述的降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，所述电解液流入管道(31)设于主罐体(5)内的管口设有电解液出口喷嘴(4)。5.如权利要求1所述的降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，所述泄压阀(2)为单向阀。6.如权利要求1所述的降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，所述转子隔板(6)、静子隔板(7)的高度均高于内芯隔板(8)。7.一种降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，包括主罐体(5)，主罐体(5)设有泄压阀(2)，主罐体(5)的顶部设有电解液流入管道(31)，底部设有电解液出口管道(32)，主罐体(5)内设有内芯隔板(8)，其由固定于主罐体(5)外侧的电动机(1)驱动，内芯隔板(8)内部与电解液出口管道(32)连通；所述内芯隔板(8)的外侧设有至少一块用于将主罐体(5)内分隔为多个腔室的分室隔板(9)，分室隔板(9)固定于主罐体(5)内；内芯隔板(8)底部设有通孔，该通孔随着内芯隔板(8)的转动与不同的腔室连通，电解液流入管道(31)的出口处设有分流装置，该分流装置通过阀门控制与不同的腔室连通。8.如权利要求7所述的降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，所述内芯隔板(8)的外侧均布有4块用于将主罐体(5)内分隔为4个腔室的分室隔板(9)。9.如权利要求7述的降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，所述分流装置的出口端设有电解液出口喷嘴(4)，电解液出口喷嘴(4)设有多根与不同的腔室连通的分嘴，每个分嘴上设有一电磁阀。10.如权利要求7所述的降低电解液混合损失的储液罐装置，其特征在于，所述泄压阀(2)为单向阀。

技术总结
本发明公开了一种降低电解液混合损失的储液罐装置，其包括主罐体，主罐体设有泄压阀，主罐体的顶部设有电解液流入管道，底部设有电解液出口管道，主罐体内固定有内芯隔板，内芯隔板内部与电解液出口管道连通，内芯隔板的外侧套设有相互嵌套的转子隔板和静子隔板，所述转子隔板和静子隔板均为筒状，静子隔板固定于主罐体内，转子隔板由固定于主罐体外侧的电动机驱动；所述转子隔板、静子隔板上对应设有多个不同高度的通孔。本发明通过旋转转子隔板可以选择性使用储液罐中处于不同层的不同荷电状态下的电解液，进而实现在充放电切换的时候可以优先使用更加利于当下运行工况的电解液，从而实现电堆更高效的运行。从而实现电堆更高效的运行。从而实现电堆更高效的运行。


技术研发人员：王志文 郭加海
受保护的技术使用者：上海金雨新能储能科技有限公司
技术研发日：2023.04.26
技术公布日：2023/8/28