本發(fā)明涉及鐵鉻液流電池，具體涉及一種即時響應的鐵鉻液流電池定量再平衡系統(tǒng)及再平衡方法。

背景技術：

1、鐵鉻液流電池作為一種新型儲能技術，被稱為儲能時間最長、最安全的電化學儲能技術之一，其電解質(zhì)溶液為水系溶液，穩(wěn)定性高，不會發(fā)生爆炸，且電解液毒性較低，對生態(tài)環(huán)境的威脅較小。此外，鐵鉻液流電池環(huán)境適應能力強，可以在很寬的溫度區(qū)間內(nèi)使用，并且電池成本低廉，適合大規(guī)模、長時間儲能需求的新型電力系統(tǒng)。

2、鐵鉻液流電池的電解液性能決定了儲能系統(tǒng)運行的壽命、穩(wěn)定性以及成本。電解液正、負極反應活性物質(zhì)分別為fe2+/fe3+和cr2+/cr3+電對，通常采用鹽酸作為支持電解質(zhì)。近年來，鐵鉻液流電池技術在研發(fā)和商業(yè)化方面都取得了顯著進展，但仍存在一些技術瓶頸。電解液cr2+/cr3+電對的氧化還原可逆性差，電池工作過程中負極易發(fā)生析氫反應，同時造成正極的fe3+積累，隨著電池長期運行，正極fe3+含量越來越高，導致電池容量衰減。為了恢復液流電池的容量，需要專門的電解液再平衡系統(tǒng)，現(xiàn)有的再平衡技術工藝路線復雜、效率偏低，因此開發(fā)一種高效、低成本的再平衡系統(tǒng)及再平衡剛發(fā)具有重要意義。

技術實現(xiàn)思路

1、為解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供了一種即時響應的鐵鉻液流電池定量再平衡系統(tǒng)及再平衡方法，可實現(xiàn)隨時進料對正極電解液進行再平衡，且不影響鐵鉻液流電池的正常運行，在篩板塔中將正極電解液成分恢復到原始狀態(tài)，降低累積的三價鐵濃度，同時補充負極析氫反應損耗的氫離子，恢復電池容量，并且對反應剩余有毒氣體進行尾氣吸收，減少危害，解決了上述背景技術中提到的問題。

2、為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術方案：一種即時響應的鐵鉻液流電池定量再平衡系統(tǒng)，所述再平衡系統(tǒng)包括鐵鉻液流電池電堆、正極儲罐、負極儲罐、控制系統(tǒng)、篩板塔、酸儲罐、氣體發(fā)生器、增壓泵、吸收罐、旋流分離器、過濾器、再平衡電解液儲罐、固體回收罐以及空氣壓縮機；

3、所述控制系統(tǒng)是帶有計算機或工作站的控制系統(tǒng)，與管路閥門電性連接，用于控制管路閥門的閉合、監(jiān)控再平衡系統(tǒng)狀態(tài)以及鐵鉻液流電池充放電管理；

4、所述正極儲罐、負極儲罐分別用于儲存正極和負極電解液，并通過管路與鐵鉻液流電池電堆相連接。

5、優(yōu)選的，所述篩板塔為氣液反應器，作為再平衡反應發(fā)生的場所，篩板塔頂部設置有液體噴淋裝置，電解液自頂部噴淋而下，篩板塔中部設置有若干層篩板，每層篩板上存在若干小孔，篩板塔底部設置有還原氣體入口；

6、所述篩板塔與正極儲罐通過第一管路相連，第一管路上設置有液泵和閥門。

7、優(yōu)選的，所述酸儲罐，用于作為酸溶液的儲存裝置，所述酸儲罐通過管路與氣體發(fā)生器相連，管路上設置有閥門和液泵，通過閥門和液泵控制通入的酸溶液以控制產(chǎn)生h2s氣體的量；

8、所述酸溶液是鹽酸、硫酸中的一種。

9、優(yōu)選的，所述氣體發(fā)生器，用于作為再平衡反應物的發(fā)生裝置，氣體發(fā)生器上端設置有進料口，再平衡反應前，從進料口向氣體發(fā)生器中加入金屬硫化物；所述氣體發(fā)生器內(nèi)部設置有攪拌槳，通過攪拌槳攪拌金屬硫化物和酸溶液反應生成h2s氣體；

10、所述金屬硫化物是cas、fes、zns、na2s或k2s中的一種。

11、優(yōu)選的，所述氣體發(fā)生器與篩板塔通過第二管路相連，并在第二管路上設置有閥門和增壓泵；

12、所述增壓泵用于將氣體發(fā)生器產(chǎn)生的再平衡反應物h2s氣體增壓通入篩板塔內(nèi)；

13、所述篩板塔上端還設置有一個氣體出口，該氣體出口通過第三管路與增壓泵前端相連，h2s氣體通過第三管路返回增壓泵前端再增壓進入篩板塔內(nèi)，在篩板塔內(nèi)循環(huán)反應；

14、篩板塔上端的氣體出口還通過第六管路與吸收罐底端相連，第六管路上設置有閥門，所述吸收罐中儲存有吸收液，吸收篩板塔內(nèi)過量的再平衡反應h2s氣體，內(nèi)部設置有攪拌槳；所述吸收液是fecl3、fe2(so4)3中的任意一種，fe3+吸收h2s反應生成fe2+和硫單質(zhì)顆粒，直至完全反應檢測無h2s氣體。

15、優(yōu)選的，所述篩板塔底部與旋流分離器通過第四管路相連，第四管路上設置有閥門；所述旋流分離器用于分離再平衡反應后的電解液和固體沉淀物；篩板塔內(nèi)再平衡完成的電解液經(jīng)過旋流分離器，在離心力的作用下，固體顆粒旋轉至底部排出，儲存于與旋流分離器連接的固體回收罐中，分離后的電解液從上端溢流管流出至與旋流分離器連接的過濾器中，過濾器對電解液進行過濾后儲存于再平衡電解液儲罐中。

16、優(yōu)選的，所述再平衡電解液儲罐與正極儲罐通過第五管路相連，第五管路上設置有液泵和閥門；通過液泵將再平衡電解液儲罐內(nèi)的電解液泵回正極儲罐，與正極儲罐中的電解液充分混合均勻，使正極儲罐中電解液容量恢復。

17、優(yōu)選的，所述吸收罐與旋流分離器進口通過第七管路相連，第七管路上設置有閥門，吸收罐氣體吸收反應完成后帶有硫單質(zhì)顆粒的溶液通過第七管路通入旋流分離器中，分離出的固體硫單質(zhì)顆粒儲存于固體回收罐中，分離后的溶液經(jīng)過過濾器過濾后，通過第八管路返回到吸收罐中。

18、優(yōu)選的，所述吸收罐與空氣壓縮機相連，通過空氣壓縮機向吸收罐中通入空氣，將fe2+重新氧化為fe3+，使吸收液可再生循環(huán)使用。

19、另一方面，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了如下技術方案：一種即時響應的鐵鉻液流電池定量再平衡方法，包括如下步驟：

20、s1、當控制系統(tǒng)檢測到電池容量衰減后，判斷是否需要進行再平衡，判斷條件設定為衰減率在10%~20%區(qū)間內(nèi)的任意值；

21、s2、判斷為需要進行再平衡時，打開第一管路上的閥門，通過液泵將正極儲罐中需要再平衡的電解液泵入篩板塔頂部的液體噴淋裝置中，電解液自頂部噴淋而下；

22、s3、向氣體發(fā)生器中加入過量金屬硫化物并密封容器，再通過酸儲罐向氣體發(fā)生器中泵入酸溶液，通過攪拌槳攪拌金屬硫化物和酸溶液反應生成h2s氣體；

23、s4、將生成的h2s氣體經(jīng)過第二管路和增壓泵從篩板塔底部通入，通過篩板上的小孔增加氣液反應接觸時間；

24、s5、再平衡開始后，保持開啟篩板塔上端氣體出口連接的第三管路的閥門，過量的h2s從通過第三管路返回到增壓泵前端，實現(xiàn)循環(huán)反應；

25、反應過程中通過加入酸溶液的量控制h2s氣體產(chǎn)生量，從而控制再平衡反應速率；反應過程中控制氣體發(fā)生器和篩板塔內(nèi)壓力保持低于0.5mpa，超壓的氣體通過第六管路進入吸收罐反應去除；

26、檢測篩板塔中fe3+濃度，fe3+全部被還原為fe2+且h+濃度增加后再平衡完成；

27、s6、再平衡完成的電解液自篩板塔底部經(jīng)過第四管路通入旋流分離器中，固體硫單質(zhì)顆粒從分離器下端排出至固體回收罐中儲存，洗滌干燥后回收；

28、分離后的電解液經(jīng)過過濾器過濾后儲存在再平衡電解液儲罐中，再通過第五管路和液泵回到正極儲罐中，與正極儲罐中電解液充分混合均勻后，電解液容量恢復至原始狀態(tài)；

29、s7、再平衡結束后，關閉第二管路和第三管路的閥門，打開篩板塔上端氣體出口連接的第六管路的閥門，將剩余的h2s氣體通入吸收罐中進行尾氣處理，直至檢測無h2s氣體；

30、檢測吸收罐中的fe3+濃度，若吸收罐中的fe3+含量過低，開啟空氣壓縮機，向吸收罐中通入空氣，將fe2+氧化為fe3+，使吸收液可重復利用；

31、尾氣處理完成后，將吸收罐中帶有硫單質(zhì)顆粒的溶液經(jīng)過第七管路通入旋流分離器中，分離的硫單質(zhì)顆粒儲存于固體回收罐中，經(jīng)過分離的溶液通過過濾器過濾后，再通過第八管路返回吸收罐中。

32、本發(fā)明的有益效果是：

33、1）本發(fā)明通過向加入金屬硫化物的氣體發(fā)生器中泵入酸即可開始再平衡反應，通過控制酸的加入以控制產(chǎn)生氣體的量，進而控制再平衡反應速率，系統(tǒng)可控度高，還原效果好，工藝流程簡單；并且可實現(xiàn)定量再平衡正極電解液中過量的三價鐵離子，同時補充負極析氫反應損耗的氫離子，恢復電池容量，并且對反應剩余有毒氣體進行尾氣吸收，減少危害，提高鐵鉻液流電池系統(tǒng)工作效率；

34、2）本發(fā)明通過檢測和計算對定量的電解液進行再平衡，且再平衡過程不影響電池正常運行，提升系統(tǒng)效率，節(jié)約成本；本發(fā)明再平衡過程中可通過吸收罐去除過量的硫化氫氣體，降低風險；再平衡完成后吸收罐可用于尾氣吸收，減少危害和污染，反應后的吸收液可利用空氣壓縮機通入空氣再生循環(huán)使用，吸收液價格低廉并且可循環(huán)利用，減少浪費。