3.1.3 电解液输送单元

电解液输送单元主要包含电解液循环泵、管道、阀门等。输送单元的主要功能和运行时有以下几个方面需要保证和考虑：

1）保证充放电过程中电解质溶液在功率单元和储能单元之间的循环，以便于实现充放电过程的连续进行；

2）根据电池充放电功率的需求，提供充足的用于参与电化学氧化还原反应的活性物质，降低浓差极化，降低损耗，提高电池能量转化效率；

3）通过优化管路设计，保证进入到每个电堆的正负极电解质溶液能够得到均匀分配，避免因为电解液分配不均而导致的电堆一致性变差，降低电堆运行风险，保证电池系统正常充放电，提高长期运行稳定性和可靠性；

4）完善电池管理系统关于电解液输送单元压力及流量等参数的监控，优化电解液循环泵运行策略，降低电池系统辅助功耗占比，提高系统能量效率。

全钒液流电池系统中含有电解液输送单元，是全钒液流电池区别于其他传统固态电池的主要方面之一。以下分别介绍电解液循环泵、管路结构、阀门等在设计和选型方面需要考虑的主要因素。

电解液循环泵是实现电解液循环的动力设备，用于克服电解液在功率单元和储能单元之间循环过程中的压力降，抽取全钒液流电池系统储能单元电解液储罐中的电解液，在循环泵的推动作用下，使其连续进入电堆，经过电堆后再经管路输送至电解液储罐，完成电解液的循环。一旦循环泵出现故障，液流电池系统因为在电堆内的电解液不能得到更新而无法进行连续充放电。由此可见，循环泵的稳定性和可靠性对于液流电池系统的重要性不言而喻。

电解液循环泵是全钒液流电池系统中主要的自耗电设备，循环泵的选型对于系统的辅助功耗及其对电池系统能量效率的损失具有非常重要的影响，选型是否合理，直接影响电池系统的自耗电率。循环泵的选型主要从以下几个方面开展工作：

1）确定电解液流体物性参数，比如密度、黏度、饱和蒸气压、腐蚀性等，根据上述特性确定泵的种类和型号，确定泵零部件的材料、密封件的类型以及防止泵腐蚀和气蚀的措施等；

2）根据全钒液流电池系统充放电对于活性物质的更新速率，计算确定电池系统的电解液流量运行范围，增加5%～10%的裕量后作为循环泵的流量；

3）计算电池系统整个管路系统在不同电解液流量情况下的流体压降，求出所需泵的扬程，增加5%～10%的裕量，作为泵扬程的选型依据；

4）结合泵压头-流量特性曲线、轴功率-流量特性曲线以及效率-流量特性曲线，选择实际电池系统流量和扬程情况下，具有较高效率点的泵。

另外需要注意的是，泵的工作特性曲线都是以水作为介质进行测量得到的，电解质溶液的密度、黏度等特性均与水有较大差异，因此在泵选型时要对工作特性曲线进行校正，以便进行更为准确的选型。

全钒液流电池系统的电解液循环泵一般采用磁力驱动的离心泵。磁力驱动泵是应用永磁传动技术原理实现力矩无接触传递的一种无密封泵。其主动轴和从动轴之间不存在机械联接，结构中不存在动密封，所以该类型泵无密封，可实现零泄漏。针对以硫酸作为支持电解质的电解液，泵头一般采用PP材质或聚四氟乙烯材质，而针对硫酸和盐酸的混合酸作为支持电解质的电解液，一般情况下采用聚四氟乙烯材质，以保证循环泵长期耐受性和寿命。

全钒液流电池系统由多个电堆经过串并联方式构成，为了保证每个电堆电解质溶液的供应和分配均匀，设计与之匹配的电解液输送管路系统至关重要。从流体管路设计角度出发，为保证电解质溶液的均匀分配，输送管路从主管路到分支管路多采取等距对分或等距多分的管道分配模式，如图3-18所示［27］。通过以上设计可以最大程度保证电池系统内每个电堆的进出液口位置的压力差（压降）基本保持一致，从而可以使得每个电堆的电解液分配均匀。

在电解液输送管路上，根据功能的不同，要配置不同形式的阀门。阀门的作用主要分为两大类：一是为了检修运维用；二是用于自动控制。针对检修运维用阀门多采用手动塑料球阀。正常运行时，球阀处于常开状态，不参与控制。只有当系统处于检修运维状态时，根据需要关闭部分球阀。比如当电堆需要检修时，通常将电堆进出电解液管路上的球阀关闭，使其断开与电解液管路的连通，从而为电堆拆装提供方便，并避免电堆内部电解液从电堆内泄漏出来，以免造成环境污染并对维护人员造成可能的人身伤害。控制用阀门多采用配置电动执行装置的电动阀，其开关信号上传至电池管理系统。电动阀门的开关控制主要和电池系统运行状态有关。当电池在正常充放电时，电动阀门维持当前的开关状态不变，而当电池系统状态发生变化时，比如充放电结束，电池系统停机后，电解液输送总管路上的电动阀门将在电池管理系统的调度下由常开状态自动调整为关闭状态，目的是防止电池系统停机情况下一旦管路、电堆等发生电解液泄漏后造成更为严重的漏液事故。另外，全钒液流电池系统在经历了长期运行后，根据正负极电解液体积情况，有可能需要进行正负极电解液的平衡调节，为实现上述功能，需要在电解液输送管路上设计配置一些电动阀门，通过电动阀门的开关状态组合，实现正负极电解液循环过程中进液或出液流动方向的调整，最终实现正负极电解质溶液的互混和体积调节。不同公司开发的全钒液流电池系统有着不尽相同的电池管理策略，因此在电解液输送管道设计及阀门配置方面均有着不同的设计理念，上述关于电解液输送管路及阀门相关的介绍仅供参考，供大家对全钒液流电池系统有一个初步概念的理解。