專利名稱：一種液流電池旁路電流斷流器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型是一種液流電池旁路電流斷流器，涉及液流電池中電池自放電問題的解決， 特別涉及到液流電池中旁路電流的消除。
背景技術(shù)：
隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)電能的需求越來越高。而電力需求晝夜相差很大，但發(fā)電 廠的建設(shè)規(guī)模必須與高峰用電相匹配，投資大利用率較低。另一方面，隨著化石能源的不斷 枯竭，人們對(duì)風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能等可再生能源的開發(fā)和利用越來越廣泛。為保證太陽(yáng)能、 風(fēng)能等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定供電，就必須開發(fā)高效、廉價(jià)、污染少和安全可靠的儲(chǔ)能 技術(shù)，電網(wǎng)的調(diào)峰填谷、平衡負(fù)荷也迫切需要開發(fā)大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)?？v觀各種不同類型的化 學(xué)蓄電池，液流電池以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)而成為最適宜大規(guī)模儲(chǔ)能的蓄電池之一。
液流蓄電池又稱液流氧化還原電池，可簡(jiǎn)稱液流蓄電站或液流電池，是1974年Thaller L. H. (NASALewis Research Center, Cleveland, US)提出的一種電化學(xué)儲(chǔ)能概念。液流蓄電池的核 心是進(jìn)行氧化-還原反應(yīng)、實(shí)現(xiàn)充、放電過程的活性物質(zhì)存在于電解液中，單電池或半電池電 極只是作為發(fā)生反應(yīng)的場(chǎng)所，而不是活性物質(zhì)儲(chǔ)存的地點(diǎn)。由于活性物質(zhì)儲(chǔ)存在電解液中， 液流電池具有功率與容量分離、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。如全釩液流電池(US006764789)，正極反應(yīng)是 VS+和V"之間的氧化還原，負(fù)極反應(yīng)是V^和vS+之間的氧化還原，正負(fù)電極的活性物質(zhì)均溶 解在溶液中，正負(fù)極的氧化還原反應(yīng)發(fā)生在惰性集流體上(如碳?xì)?。正極電解液(包含V5，n V"的溶液)與負(fù)極電解液(包含V2, V"的溶液)分別儲(chǔ)存，電池單體的正負(fù)電極之間用離子 交換膜分隔，以避免正負(fù)區(qū)的電解液在電池內(nèi)混合。
在大規(guī)模液流電池儲(chǔ)能體系中，常需要將一系列單電池串、并聯(lián)，其串聯(lián)方式共有兩類 結(jié)構(gòu)。其一是單液流電池，其正負(fù)電極共用一個(gè)電解液；其二是雙液流電池，其正極和負(fù)極 各有一個(gè)電解液，正負(fù)電解液之間用離子交換膜分隔。在這兩種結(jié)構(gòu)中，電池體系都需要電 解液在整個(gè)電堆系統(tǒng)中循環(huán)流動(dòng)，即電解液由進(jìn)口總管流入電堆，經(jīng)過電堆后由出口總管流 出進(jìn)入儲(chǔ)罐中，即采用統(tǒng)一供應(yīng)電解液給各單電池的方法。采用統(tǒng)一供應(yīng)電解液的電堆體系
有很多優(yōu)點(diǎn)，主要包括體系中每個(gè)單電池反應(yīng)物的供應(yīng)非常均一，且產(chǎn)物易于移除；熱傳 導(dǎo)效率高，使得系統(tǒng)的冷卻和熱管理系統(tǒng)簡(jiǎn)單；可以采用低成本的電子控制系統(tǒng)；另外，對(duì) 于金屬沉積體系可以得到均一的金屬沉積。但是，統(tǒng)一供應(yīng)電解液給各單電池時(shí)存在共用電
解液進(jìn)出口總管，他們的存在使得電池內(nèi)部產(chǎn)生旁路電流(shunt current or leakage current),導(dǎo)致電池自放電，造成電池容量部分損失。旁路電流的產(chǎn)生還造成其他問題由于終端陽(yáng)極和 陰極間電位差大，又有直接電解液通道，此時(shí)會(huì)在兩極上產(chǎn)生不同于電池體系本身的電化學(xué) 反應(yīng)。這些反應(yīng)在高電流密度處發(fā)生，處于正極端的電極發(fā)生氧化反應(yīng)，處于負(fù)極端的電極 發(fā)生還原反應(yīng)。反應(yīng)物涉及到惰性電極表面物質(zhì)、電池體系的反應(yīng)物和產(chǎn)物，另外還有溶劑 本身發(fā)生氧化還原反應(yīng)。涉及電極的氧化還原反應(yīng)將導(dǎo)致電極材料的腐蝕，電極的損害。如 果旁路電流的氧化還原反應(yīng)涉及到了電化學(xué)體系的溶劑，則無(wú)機(jī)體系會(huì)從水中產(chǎn)生氫氣和氧 氣，形成混合爆炸氣體。對(duì)于非水體系，有機(jī)溶劑分解可以污染電池體系本身的電化學(xué)反應(yīng)。 旁路電流的產(chǎn)生還削弱了電池體系的容量，特別是處于電池體系中間部分的單電池。旁路電 流的產(chǎn)生是液流電池體系中的一個(gè)缺陷和難點(diǎn)，在電堆中應(yīng)當(dāng)予以消除。
旁路電流的產(chǎn)生主要是因?yàn)橛泄灿秒娊庖和ǖ浪斐傻?，因此，消除共用電解液通道?者將電解液通道打斷成為研究者考慮解決旁路電流問題的思路切入點(diǎn)。降低旁路電流常采取 的方法是設(shè)計(jì)電池結(jié)構(gòu)使得電解液的導(dǎo)電通路的阻抗足夠大， 一般是設(shè)計(jì)給每個(gè)電池的進(jìn)料 管既長(zhǎng)又窄以增加電阻，在進(jìn)液管和出液管設(shè)置氣泡段、設(shè)置旋轉(zhuǎn)閥等也是增加電阻的思路， 然而這增加了流體的阻力和泵的能量消耗。另外一種方法是采取保護(hù)電極的方法，即在第三 電極上產(chǎn)生和旁路電流相同方向和大小的電位梯度。但是這些方法都只是減小旁路電流，而 并不能完全消除旁路電流。減少電堆中的單體數(shù)目、增加液流電池系統(tǒng)中泵和儲(chǔ)罐的數(shù)量， 可以降低參與旁路的單體和電堆個(gè)數(shù)，從而降低旁路電流。但這種方法增加了泵和儲(chǔ)罐的數(shù) 量，成本增加、效能降低。
考慮到截?cái)嘁毫麟姵氐碾娊庖毫鲃?dòng)可以完全消除旁路電流，我們?cè)O(shè)計(jì)了本發(fā)明，以氣隙 將流動(dòng)的電解質(zhì)溶液上下游分隔，從而使電解質(zhì)溶液上下游電絕緣。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是提出一種完全消除液流電池旁路電流的方裝置，即一種液流電池旁 路電流斷流器，在各單電池電解液進(jìn)出管處加裝一個(gè)液流電池旁路電流斷流器，采用電解液 斷流進(jìn)入，氣體隔斷的方式，阻止進(jìn)液總管或者出液總管中電解液之間的連通。本發(fā)明采用 的原理是控制液體的流速，造成液體向下或向上噴灑流動(dòng)而呈液滴狀，利用氣隙將連續(xù)液 體變成不連續(xù)狀態(tài)，這樣就使電解質(zhì)溶液上下游電絕緣，可以完全阻止液流電池因共用電解 液而導(dǎo)致的旁路電流。
本實(shí)用新型的目的是通過下述方式實(shí)現(xiàn)的
一種液流電池旁路電流斷流器，由導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、分流結(jié)構(gòu)和氣柱室構(gòu)成，其中導(dǎo)流結(jié)構(gòu)是 液流流入及流出旁路電流斷流器的通道，分流結(jié)構(gòu)是將流入液流分成多股流體的結(jié)構(gòu)，氣柱室使從分流結(jié)構(gòu)流入的液流產(chǎn)生氣隙，從而在液流流動(dòng)的情況下使上下兩部分流體電絕緣。 當(dāng)電解質(zhì)溶液由液流電池旁路電流斷流器的分流結(jié)構(gòu)流入氣柱室時(shí)，流體處于向上噴灑
或向下噴灑的狀態(tài)，即液體噴灑方向和重力方向一致或相反。
制備液流電池旁路電流斷流器的材料是絕緣材料，且能夠耐受化學(xué)和電化學(xué)腐蝕。 當(dāng)液流電池旁路電流斷流器的導(dǎo)流結(jié)構(gòu)出口和入口封閉時(shí)，整個(gè)液流電池旁路電流斷流
器是密封空腔，不透氣，也不透溶液。
在液流電池旁路電流斷流器的氣柱室的適當(dāng)位置可以有進(jìn)氣閥，以調(diào)節(jié)氣柱室內(nèi)的氣液
界面，在氣液界面調(diào)整完成時(shí)，進(jìn)氣閥需處于關(guān)閉狀態(tài)。
在液流電池旁路電流斷流器的氣柱室的適當(dāng)位置可以有出氣閥，以調(diào)節(jié)氣柱室內(nèi)的氣液
界面高低，在氣液界面調(diào)整完成時(shí)，出氣閥需處于關(guān)閉狀態(tài)。進(jìn)氣閥和出氣閥可以同時(shí)具備，
此時(shí)液流電池旁路電流斷流器的氣柱室能夠填充特定的氣氛以滿足特定的需求。
在液流電池旁路電流斷流器的氣柱室的底端有氣液分離器，以使溶液流出氣柱室時(shí)不會(huì)
將氣體不斷帶走。
本實(shí)用新型可以完全消除液流電池旁路電流，克服了采用長(zhǎng)窄進(jìn)料管增加液體電阻造成 流體阻力增大和增加泵能量消耗的缺點(diǎn)。該液流電池旁路電流斷流器具有制造工藝簡(jiǎn)單、成 本低等優(yōu)點(diǎn)，可以用于消除液流電池各單體、各電堆之間的通過共用電解質(zhì)溶液引起的旁路 電流，也可以用于任何需要使不間斷流動(dòng)的電解質(zhì)溶液上下游之間電絕緣的場(chǎng)合。


圖1 一種液流電池旁路電流斷流器
l.流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，2.液流方向，3.分流結(jié)構(gòu)，4.氣液界面，5.氣柱室，6.氣液分離器，7.流 出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，8.進(jìn)氣閥，9.出氣閥
圖2 —種液流電池旁路電流斷流器
l.流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，2.液流方向，3.分流結(jié)構(gòu)，4.氣液界面，5.氣柱室，6.氣液分離器，7.流 出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)
圖3 —種液流電池旁路電流斷流器
l.流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，2.液流方向，3.分流結(jié)構(gòu)，4.氣液界面，5.氣柱室，6.氣液分離器，7.流 出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，8.進(jìn)氣閥，9.出氣閥
圖4 一種液流電池旁路電流斷流器
l.流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，2.液流方向，3.分流結(jié)構(gòu)，4.氣液界面，5.氣柱室，6.氣液分離器，7.流 出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，8.進(jìn)氣閥，9.出氣閥圖5 —種液流電池旁路電流斷流器
l.流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，2.液流方向，3.分流結(jié)構(gòu)，4.氣液界面，5.氣柱室，6.氣液分離器，7.流 出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)
圖6 —種液流電池旁路電流斷流器
l.流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，2.液流方向，3.分流結(jié)構(gòu)，4.氣液界面，5.氣柱室，6.氣液分離器，7.流 出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，8.進(jìn)氣閥，9.出氣閥
具體實(shí)施方式
實(shí)施例
如圖l，可用有機(jī)玻璃來加工液流電池旁路電流斷流器，以說明本實(shí)用新型的具體實(shí)施。
流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1的制作用有機(jī)玻璃管作為流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1引流入氣柱室5的引流管。用圓 柱形有機(jī)玻璃加工一個(gè)喇叭口結(jié)構(gòu)，其中一端的直徑和引流管的外徑配合并粘接在一起，喇
叭口端內(nèi)徑約為引流圓管內(nèi)徑的1.5-5倍，并在喇叭口端粘接一個(gè)有多個(gè)網(wǎng)孔的有機(jī)玻璃片
以使溶液流經(jīng)流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1后可噴入氣柱室5。流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)7的制作以與流入導(dǎo)流結(jié) 構(gòu)1的引流管相同的有機(jī)玻璃管作為流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)7。氣柱室5的制作取一個(gè)內(nèi)徑約為流
入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1的引流管外徑3-10倍的圓柱形有機(jī)玻璃管作為氣柱室5的主體，制兩個(gè)圓形密 封板，密封上板上帶有兩個(gè)閥門作為進(jìn)氣閥8和出氣閥9，密封下板帶有與流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1 的引流管外徑相配合的孔。在氣柱室5的圓柱筒側(cè)壁開孔，孔徑與流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)7的外徑配 合。氣液分離器6的制作取比氣柱室5的圓柱筒內(nèi)徑略小的有機(jī)玻璃圓片，在圓片中心加
工與流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1的引流管相配合的孔，在圓片上加工出密布小孔。裝配順序?qū)庖悍?br> 離器6粘接在流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1的引流管的合適位置，將流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1的引流管粘接在氣柱 室5的密封下板的孔上，而后將密封下板粘接在氣柱室5的圓柱筒上，將密封上板粘接在氣 柱室5的圓柱筒上，最后將流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)7粘接在氣柱室5的圓柱筒側(cè)壁上。這樣制備的液 流電池旁路電流斷流器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的特點(diǎn)，可以用于消除液流電池各單體、各電 堆之間的通過共用電解質(zhì)溶液引起的旁路電流，也可以用于任何需要使不間斷流動(dòng)的電解質(zhì) 溶液上下游之間電絕緣的場(chǎng)合。
如圖2，流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1可制成由頂部引流入氣柱室5，其噴淋口可制成多管向下噴淋； 根據(jù)需要可將流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)7制成液流向下流出；氣柱室5上可不設(shè)進(jìn)氣閥8和出氣閥9。 如圖3，流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)1的噴淋口可制成多孔球面向下噴淋。如圖4，可在氣柱室5上設(shè)進(jìn)氣 閥8和出氣閥9(與圖2相比)。如圖5，氣柱室5上可不設(shè)進(jìn)氣閥8和出氣閥9(與圖3相比)。 如圖6，根據(jù)需要可將流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)7制成液流向上流出。
權(quán)利要求1、一種液流電池旁路電流斷流器，其特征在于該斷流器由流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(1)、分流結(jié)構(gòu)(3)、氣柱室(5)、氣液分離器(6)和流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(7)構(gòu)成，其中流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(1)是液流流入旁路電流斷流器的通道，流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(7)是液流流出旁路電流斷流器的通道，分流結(jié)構(gòu)(3)是將流入液流分成多股流體的結(jié)構(gòu)，氣柱室(5)使從分流結(jié)構(gòu)(3)流入的液流產(chǎn)生氣隙，從而在液流流動(dòng)的情況下使上下兩部分流體電絕緣；氣柱室(5)的底端有氣液分離器(6)，以使溶液流出氣柱室(5)時(shí)不會(huì)將氣體不斷帶走，氣柱室(5)的頂端有進(jìn)氣閥(8)、出氣閥(9)，以調(diào)節(jié)氣柱室(5)內(nèi)的氣液界面(4)的高低。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液流電池旁路電流斷流器，其特征在于流體由液流電池旁 路電流斷流器的分流結(jié)構(gòu)(3)流入氣柱室(5)時(shí)，流體處于向上噴灑或向下噴灑的狀態(tài)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種液流電池旁路電流斷流器，其特征在于當(dāng)液流電池旁路電 流斷流器的流出導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(7)的出口和流入導(dǎo)流結(jié)構(gòu)(1)的入口封閉時(shí)，整個(gè)液流電池旁 路電流斷流器是密封空腔，不透氣，也不透溶液。
專利摘要一種液流電池旁路電流斷流器，由導(dǎo)流結(jié)構(gòu)、分流結(jié)構(gòu)和氣柱室構(gòu)成，其中導(dǎo)流結(jié)構(gòu)是液流流入及流出旁路電流斷流器的通道，分流結(jié)構(gòu)是將流入液流分成多股流體的結(jié)構(gòu)，氣柱室使從分流結(jié)構(gòu)流入的液流產(chǎn)生氣隙，從而在液流流動(dòng)的情況下使上下兩部分流體電絕緣。在液流電池的運(yùn)行過程中，電解液在儲(chǔ)罐和電池單體之間不斷流動(dòng)，旁路電流斷流器設(shè)置在電池單體之間和電堆之間可以阻止由于電解液在單體間的串行導(dǎo)致的旁路電流。該液流電池旁路電流斷流器具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)，可以用于消除液流電池各單體、各電堆之間的通過共用電解質(zhì)溶液引起的旁路電流，也可以用于任何需要使不間斷流動(dòng)的電解質(zhì)溶液上下游之間電絕緣的場(chǎng)合。
文檔編號(hào)H01M8/04GK201383523SQ20082013676
公開日2010年1月13日 申請(qǐng)日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者立 張, 文越華, 曹高萍, 楊裕生, 杰 程, 謝自立 申請(qǐng)人:中國(guó)人民解放軍63971部隊(duì)