一种钒液流电池系统的氮封排氢系统及氮封排氢控制方法

技术领域

本发明属于电化学技术领域，具体涉及一种钒液流电池系统的氮封排氢系统及氮封排氢控制方法。

背景技术

钒液流电池储能系统在工作时，由于超过设定工作电压或材料质量等各种原因，有可能发生水电解副反应，产生氢气(同步产生氧气)。而系统氢气含量，需要控制在国家标准的安全范围内。氧气会造成电解液等的氧化或材料的腐蚀，因此氧气含量也需要低于一定值。

氮气密封是一种较为常用的隔绝氧化的防护手段。在钒液流电池系统中，通过氮封来控制系统电解液的氧化速度。但如果维持长期氮封，需要氮气发生器不断工作，这会造成能量浪费和成本上升。如果采用氮气吹扫策略，则必须确定合适的吹扫策略，使系统在安全范围内工作，同时能耗最低。根据国家标准，系统氢气含量需要低于一定值，因此也需要在氢气达到一定浓度后定期排出。

现有钒液流电池系统，氮封系统是为了隔绝氧气与电解液发生副反应，导致电解液价态偏移，降低总容量。排氢系统是安全设施，国标要求需要保证水电解的副反应产生的氢气含量不超过1％，远离可产生安全风险的4％含量值。氮封和排氢这两套系统往往相互独立。对氮封系统来说，确认何时需要启动吹扫是一个巨大的问题。吹扫频繁甚至长期氮封，会造成很大的能量浪费，而吹扫不足，可能造成氧气氧化电解液。如何确认最合适的吹扫方案，使既不浪费能量和氮气，也不会造成电解液氧化，这是钒液流电池系统的一个难点。同时，由于氢气含量在电解液罐内可能产生一定的分布，顶部含量、中间部分和电解液面含量会略有区别，这导致使用电解液罐内哪个位置的氢气含量值作为排氢标准，也会有一定困惑。

为了解决以上问题，提出本发明。

发明内容

本发明第一方面提供一种钒液流电池系统的氮封排氢系统，所述氮封排氢系统包括：

正极电解液罐1、负极电解液罐2和集气罐3；

所述集气罐3内设置有测氢仪器4，以测量所述集气罐3内氢气的浓度；

所述正极电解液罐1的顶部分别连通有第一氮气入口管道01和第一氮气出口管道02；

所述负极电解液罐2的顶部分别连通有第二氮气入口管道03和第二氮气出口管道04；

所述第一氮气出口管道02和第二氮气出口管道04共同连通到氢气入口管道05；

所述氢气入口管道05与所述集气罐3底部连通，所述集气罐3顶部连通有所述气体排出管道06。

优选地，所述集气罐3与所述气体排出管道06之间设置有呼吸阀5，以使得所述集气罐3内的气压与外界气压的压差在设定范围内。

优选地，所述集气罐3与所述气体排出管道06之间设置有电磁阀6，用于在启动氮气吹扫时开启，以加快气体交换。

优选地，所述测氢仪器4设置在所述集气罐3顶部、中部或底部。

本发明第二方面提供一种钒液流电池系统的氮封排氢控制方法，所述氮封排氢控制方法使用第一方面任一项所述的氮封排氢系统进行。

优选地，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、将氮气通过所述第一氮气入口管道01和所述第二氮气入口管道03分别通入所述正极电解液罐1和所述负极电解液罐2内并使得氮气从所述气体排出管道06排出，则氮气将第一氮气入口管道01、第二氮气入口管道03、所述正极电解液罐1、所述负极电解液罐2、所述第一氮气出口管道02、所述第二氮气出口管道04、所述氢气入口管道05、所述集气罐3和所述气体排出管道06内预存的气体挤出，然后停止氮气输入，所述正极电解液罐1和负极电解液罐2保持氮封状态；

步骤2、开启所述钒液流电池系统，电解水副反应发生，所述正极电解液罐1和所述负极电解液罐2中分别产生氧气和氢气，至少氢气进入到所述集气罐3中；

当所述测氢仪器4显示氢气含量达到设定阈值时，开启氮气吹扫程序，氮气重新按照所述步骤1的方式将第一氮气入口管道01、第二氮气入口管道03、所述正极电解液罐1、所述负极电解液罐2、所述第一氮气出口管道02、所述第二氮气出口管道04、所述氢气入口管道05、所述集气罐3和所述气体排出管道06内预存的气体挤出，则所述钒液流电池系统的氧气和氢气被排出，然后停止氮气输入，所述正极电解液罐1和负极电解液罐2重新保持氮封状态。

优选地，开启氮气吹扫程序时，打开所述电磁阀6，以加快气体交换。在氮气吹扫程序结束后，关闭所述电磁阀6。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

1、本发明的钒液流电池系统的氮封排氢系统中，将氮封管路和排氢管路合并，通过一次氮气吹扫，同时可将系统内的氢气和氧气赶走，达到了氮封且排氢排氧的目的。管路合并后可节省管路。

2、由于氢气是由水电解副反应产生的，通过测试氢气含量，可对应得到系统集气罐3内的氧气大致含量。因此，通过测氢仪器的结果，可获得合理的吹扫策略。

具体的：氢气比氮气更轻，因此氢气主要上升到集气罐3内并在集气罐3内有一定的分布。可以在集气罐3中下部设置测氢仪器，当测量结果达到1％(此时集气罐上部氢气含量一般不超过1.5％)，就可认为副反应已积累足够多的氧气和氢气，需要氮气吹扫，使系统重新得到保护。

3、优选的技术方案中，为防止气体体积增大较多或产生负压(因电解液温度变化，会导致电解液罐内气体体积变化)，所述集气罐3与所述气体排出管道06之间设置有呼吸阀5。呼吸阀5的控制压力通常设置为1.5～3kPa，以保证集气罐3内气体体积变化较大时，可交换气体，恢复集气罐3内压力。

4、优选的技术方案中，所述集气罐3与所述气体排出管道06之间设置有电磁阀6。氮气吹扫时压力较大，可开启电磁阀6，加快气体交换。

附图说明

图1为第一种实施方式的钒液流电池系统的氮封排氢系统结构示意图。

图2为现有技术中钒液流电池系统的氮封排氢系统结构示意图。

附图标记列表：

01、第一氮气入口管道，02、第一氮气出口管道、03、第二氮气入口管道，04、第二氮气出口管道，05、氢气入口管道，06、气体排出管道，1、正极电解液罐，2、负极电解液罐，3、集气罐，4、测氢仪器，5、呼吸阀，6、电磁阀，A1、氮气吹扫管路，A2、氢气排出管路，A3、排气阀。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述。

本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限定本发明的范围。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用材料或设备未注明生产厂商者，均为可以通过购买获得的常规产品。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”到另一元件时，它可以直接连接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”可以包括无线连接。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。术语“内”、“上”、“下”等指示的方位或状态关系为基于附图所示的方位或状态关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“设有”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语包括技术术语和科学术语具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

实施例1

一种钒液流电池系统的氮封排氢系统，所述氮封排氢系统包括：

正极电解液罐1、负极电解液罐2和集气罐3；

所述集气罐3内设置有测氢仪器4，以测量所述集气罐3内氢气的浓度；

所述正极电解液罐1的顶部分别连通有第一氮气入口管道01和第一氮气出口管道02；

所述负极电解液罐2的顶部分别连通有第二氮气入口管道03和第二氮气出口管道04；

所述第一氮气出口管道02和第二氮气出口管道04共同连通到氢气入口管道05；

所述氢气入口管道05与所述集气罐3底部连通，所述集气罐3顶部连通有所述气体排出管道06。

优选地，所述集气罐3与所述气体排出管道06之间设置有电磁阀6，电磁阀6用于在启动氮气吹扫时开启，以加快气体交换。

优选地，所述集气罐3与所述气体排出管道06之间设置有呼吸阀5，以使得所述集气罐3内的气压与外界气压的压差在设定范围内。

所述呼吸阀5和电磁阀6并联设置。

优选地，所述测氢仪器4设置在所述集气罐3顶部、中部或底部。

所述集气罐3的体积，通常不超过正极电解液罐1或负极电解液罐2罐体顶部空间(即未填充电解液部分)的10％。由于需要一定的安全保证，集气罐3材质通常需要耐酸耐氢。

优选地，所述氮封排氢系统还包括氮源，以提供氢气到第一氮气入口管道01和第二氮气入口管道03。

第一种实施方式的钒液流电池系统的氮封排氢系统结构示意图如图1所示。所述正极电解液罐1的顶部分别连通有第一氮气入口管道01和第一氮气出口管道02。所述负极电解液罐2的顶部分别连通有第二氮气入口管道03和第二氮气出口管道04。所述第一氮气出口管道02和第二氮气出口管道04共同连通到氢气入口管道05。所述氢气入口管道05与所述集气罐3底部连通，所述集气罐3顶部连通有所述气体排出管道06。集气罐3可存储一定体积的气体。集气罐3罐体中间偏下位置大致在1/2到1/3，装有测氢仪器4。测氢仪器4具体为测量氢气浓度的传感器，用于测量罐内的氢气含量。集气罐3的罐体顶部通过呼吸阀5和电磁阀6并联连接到气体排出管道06。

实施例2

一种钒液流电池系统的氮封排氢控制方法，所述氮封排氢控制方法使用实施例1所述的氮封排氢系统进行。

优选地，所述控制方法包括以下步骤：

步骤1、将氮气通过所述第一氮气入口管道01和所述第二氮气入口管道03分别通入所述正极电解液罐1和所述负极电解液罐2内并使得氮气从所述气体排出管道06排出，则氮气将第一氮气入口管道01、第二氮气入口管道03、所述正极电解液罐1、所述负极电解液罐2、所述第一氮气出口管道02、所述第二氮气出口管道04、所述氢气入口管道05、所述集气罐3和所述气体排出管道06内预存的气体挤出，然后停止氮气输入，所述正极电解液罐1和负极电解液罐2重新保持氮封状态；

步骤2、开启所述钒液流电池系统，电解水副反应发生，所述正极电解液罐1和所述负极电解液罐2中分别产生氧气和氢气，至少氢气进入到所述集气罐3中；

当所述测氢仪器4显示氢气浓度达到设定阈值时，启动氮气吹扫，氮气重新按照所述步骤1的方式将第一氮气入口管道01、第二氮气入口管道03、所述正极电解液罐1、所述负极电解液罐2、所述第一氮气出口管道02、所述第二氮气出口管道04、所述氢气入口管道05、所述集气罐3和所述气体排出管道06内预存的气体挤出，系统内的氧气和氢气被排出，然后停止氮气输入，所述正极电解液罐1和负极电解液罐2重新保持氮封状态。

优选地，上述设定阈值为1％，默认为体积浓度。

步骤1中，首次使用时，必须完整吹扫，通常氮气用量为3倍系统预存气体体积以上，才可基本使系统氧气含量降低到不影响电解液(氧气含量低于3％)。

钒电池系统，不涉及相反应，唯一可能的副反应是水电解反应。因此，当氮气首次将电解液罐和管路内的气体挤出后，氢气含量和氧气含量将基本固定。在集气罐3中间偏下部位有测氢仪器4，当氢气含量达到1％时，系统可认为副反应发生了足够多次，需要一次吹扫，重新氮封。此时，由于排氢管路和氮封管路合并，一次吹扫，同时也将系统内的氢气和氧气赶走。

图2为现有技术中钒液流电池系统的氮封排氢系统结构示意图。氮封和排氢这两套系统是独立的。氮气吹扫管路A1和氢气排出管路A2是彼此独立的。氢气排出管路A2上设置排气阀A3。此种系统无法确定何时启动氮气吹扫程序，也无法确定何时排氢。