CN201383523Y - 一种液流电池旁路电流断流器 - Google Patents

一种液流电池旁路电流断流器 Download PDF

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Abstract

一种液流电池旁路电流断流器，由导流结构、分流结构和气柱室构成，其中导流结构是液流流入及流出旁路电流断流器的通道，分流结构是将流入液流分成多股流体的结构，气柱室使从分流结构流入的液流产生气隙，从而在液流流动的情况下使上下两部分流体电绝缘。在液流电池的运行过程中，电解液在储罐和电池单体之间不断流动，旁路电流断流器设置在电池单体之间和电堆之间可以阻止由于电解液在单体间的串行导致的旁路电流。该液流电池旁路电流断流器具有制造工艺简单、成本低等优点，可以用于消除液流电池各单体、各电堆之间的通过共用电解质溶液引起的旁路电流，也可以用于任何需要使不间断流动的电解质溶液上下游之间电绝缘的场合。

Description

一种液流电池旁路电流断流器
技术领域
本实用新型是一种液流电池旁路电流断流器，涉及液流电池中电池自放电问题的解决，特别涉及到液流电池中旁路电流的消除。
背景技术
随着社会经济的发展，人们对电能的需求越来越高。而电力需求昼夜相差很大，但发电厂的建设规模必须与高峰用电相匹配，投资大利用率较低。另一方面，随着化石能源的不断枯竭，人们对风能、水能、太阳能等可再生能源的开发和利用越来越广泛。为保证太阳能、风能等可再生能源发电***的稳定供电，就必须开发高效、廉价、污染少和安全可靠的储能技术，电网的调峰填谷、平衡负荷也迫切需要开发大规模储能技术。纵观各种不同类型的化学蓄电池，液流电池以其独特的优势而成为最适宜大规模储能的蓄电池之一。
液流蓄电池又称液流氧化还原电池，可简称液流蓄电站或液流电池，是1974年Thaller L.H.(NASA Lewis Research Center，Cleveland，US)提出的一种电化学储能概念。液流蓄电池的核心是进行氧化-还原反应、实现充、放电过程的活性物质存在于电解液中，单电池或半电池电极只是作为发生反应的场所，而不是活性物质储存的地点。由于活性物质储存在电解液中，液流电池具有功率与容量分离、寿命长等优点。如全钒液流电池(US006764789)，正极反应是V5+和V4+之间的氧化还原，负极反应是V2+和V3+之间的氧化还原，正负电极的活性物质均溶解在溶液中，正负极的氧化还原反应发生在惰性集流体上(如碳毡)。正极电解液(包含V5+和V4+的溶液)与负极电解液(包含V2+和V3+的溶液)分别储存，电池单体的正负电极之间用离子交换膜分隔，以避免正负区的电解液在电池内混合。
在大规模液流电池储能体系中，常需要将一系列单电池串、并联，其串联方式共有两类结构。其一是单液流电池，其正负电极共用一个电解液；其二是双液流电池，其正极和负极各有一个电解液，正负电解液之间用离子交换膜分隔。在这两种结构中，电池体系都需要电解液在整个电堆***中循环流动，即电解液由进口总管流入电堆，经过电堆后由出口总管流出进入储罐中，即采用统一供应电解液给各单电池的方法。采用统一供应电解液的电堆体系有很多优点，主要包括：体系中每个单电池反应物的供应非常均一，且产物易于移除；热传导效率高，使得***的冷却和热管理***简单；可以采用低成本的电子控制***；另外，对于金属沉积体系可以得到均一的金属沉积。但是，统一供应电解液给各单电池时存在共用电解液进出口总管，他们的存在使得电池内部产生旁路电流(shunt current or leakage current)，导致电池自放电，造成电池容量部分损失。旁路电流的产生还造成其他问题：由于终端阳极和阴极间电位差大，又有直接电解液通道，此时会在两极上产生不同于电池体系本身的电化学反应。这些反应在高电流密度处发生，处于正极端的电极发生氧化反应，处于负极端的电极发生还原反应。反应物涉及到惰性电极表面物质、电池体系的反应物和产物，另外还有溶剂本身发生氧化还原反应。涉及电极的氧化还原反应将导致电极材料的腐蚀，电极的损害。如果旁路电流的氧化还原反应涉及到了电化学体系的溶剂，则无机体系会从水中产生氢气和氧气，形成混合***气体。对于非水体系，有机溶剂分解可以污染电池体系本身的电化学反应。旁路电流的产生还削弱了电池体系的容量，特别是处于电池体系中间部分的单电池。旁路电流的产生是液流电池体系中的一个缺陷和难点，在电堆中应当予以消除。
旁路电流的产生主要是因为有共用电解液通道所造成的，因此，消除共用电解液通道或者将电解液通道打断成为研究者考虑解决旁路电流问题的思路切入点。降低旁路电流常采取的方法是设计电池结构使得电解液的导电通路的阻抗足够大，一般是设计给每个电池的进料管既长又窄以增加电阻，在进液管和出液管设置气泡段、设置旋转阀等也是增加电阻的思路，然而这增加了流体的阻力和泵的能量消耗。另外一种方法是采取保护电极的方法，即在第三电极上产生和旁路电流相同方向和大小的电位梯度。但是这些方法都只是减小旁路电流，而并不能完全消除旁路电流。减少电堆中的单体数目、增加液流电池***中泵和储罐的数量，可以降低参与旁路的单体和电堆个数，从而降低旁路电流。但这种方法增加了泵和储罐的数量，成本增加、效能降低。
考虑到截断液流电池的电解液流动可以完全消除旁路电流，我们设计了本发明，以气隙将流动的电解质溶液上下游分隔，从而使电解质溶液上下游电绝缘。
发明内容
本实用新型的目的是提出一种完全消除液流电池旁路电流的方装置，即一种液流电池旁路电流断流器，在各单电池电解液进出管处加装一个液流电池旁路电流断流器，采用电解液断流进入，气体隔断的方式，阻止进液总管或者出液总管中电解液之间的连通。本发明采用的原理是：控制液体的流速，造成液体向下或向上喷洒流动而呈液滴状，利用气隙将连续液体变成不连续状态，这样就使电解质溶液上下游电绝缘，可以完全阻止液流电池因共用电解液而导致的旁路电流。
本实用新型的目的是通过下述方式实现的：
一种液流电池旁路电流断流器，由导流结构、分流结构和气柱室构成，其中导流结构是液流流入及流出旁路电流断流器的通道，分流结构是将流入液流分成多股流体的结构，气柱室使从分流结构流入的液流产生气隙，从而在液流流动的情况下使上下两部分流体电绝缘。
当电解质溶液由液流电池旁路电流断流器的分流结构流入气柱室时，流体处于向上喷洒或向下喷洒的状态，即液体喷洒方向和重力方向一致或相反。
制备液流电池旁路电流断流器的材料是绝缘材料，且能够耐受化学和电化学腐蚀。
当液流电池旁路电流断流器的导流结构出口和入口封闭时，整个液流电池旁路电流断流器是密封空腔，不透气，也不透溶液。
在液流电池旁路电流断流器的气柱室的适当位置可以有进气阀，以调节气柱室内的气液界面，在气液界面调整完成时，进气阀需处于关闭状态。
在液流电池旁路电流断流器的气柱室的适当位置可以有出气阀，以调节气柱室内的气液界面高低，在气液界面调整完成时，出气阀需处于关闭状态。进气阀和出气阀可以同时具备，此时液流电池旁路电流断流器的气柱室能够填充特定的气氛以满足特定的需求。
在液流电池旁路电流断流器的气柱室的底端有气液分离器，以使溶液流出气柱室时不会将气体不断带走。
本实用新型可以完全消除液流电池旁路电流，克服了采用长窄进料管增加液体电阻造成流体阻力增大和增加泵能量消耗的缺点。该液流电池旁路电流断流器具有制造工艺简单、成本低等优点，可以用于消除液流电池各单体、各电堆之间的通过共用电解质溶液引起的旁路电流，也可以用于任何需要使不间断流动的电解质溶液上下游之间电绝缘的场合。
附图说明
图1一种液流电池旁路电流断流器
1.流入导流结构，2.液流方向，3.分流结构，4.气液界面，5.气柱室，6.气液分离器，7.流出导流结构，8.进气阀，9.出气阀
图2一种液流电池旁路电流断流器
1.流入导流结构，2.液流方向，3.分流结构，4.气液界面，5.气柱室，6.气液分离器，7.流出导流结构
图3一种液流电池旁路电流断流器
1.流入导流结构，2.液流方向，3.分流结构，4.气液界面，5.气柱室，6.气液分离器，7.流出导流结构，8.进气阀，9.出气阀
图4一种液流电池旁路电流断流器
1.流入导流结构，2.液流方向，3.分流结构，4.气液界面，5.气柱室，6.气液分离器，7.流出导流结构，8.进气阀，9.出气阀
图5一种液流电池旁路电流断流器
1.流入导流结构，2.液流方向，3.分流结构，4.气液界面，5.气柱室，6.气液分离器，7.流出导流结构
图6一种液流电池旁路电流断流器
1.流入导流结构，2.液流方向，3.分流结构，4.气液界面，5.气柱室，6.气液分离器，7.流出导流结构，8.进气阀，9.出气阀
具体实施方式
实施例
如图1，可用有机玻璃来加工液流电池旁路电流断流器，以说明本实用新型的具体实施。流入导流结构1的制作：用有机玻璃管作为流入导流结构1引流入气柱室5的引流管。用圆柱形有机玻璃加工一个喇叭口结构，其中一端的直径和引流管的外径配合并粘接在一起，喇叭口端内径约为引流圆管内径的1.5～5倍，并在喇叭口端粘接一个有多个网孔的有机玻璃片以使溶液流经流入导流结构1后可喷入气柱室5。流出导流结构7的制作：以与流入导流结构1的引流管相同的有机玻璃管作为流出导流结构7。气柱室5的制作：取一个内径约为流入导流结构1的引流管外径3-10倍的圆柱形有机玻璃管作为气柱室5的主体，制两个圆形密封板，密封上板上带有两个阀门作为进气阀8和出气阀9，密封下板带有与流入导流结构1的引流管外径相配合的孔。在气柱室5的圆柱筒侧壁开孔，孔径与流出导流结构7的外径配合。气液分离器6的制作：取比气柱室5的圆柱筒内径略小的有机玻璃圆片，在圆片中心加工与流入导流结构1的引流管相配合的孔，在圆片上加工出密布小孔。装配顺序：将气液分离器6粘接在流入导流结构1的引流管的合适位置，将流入导流结构1的引流管粘接在气柱室5的密封下板的孔上，而后将密封下板粘接在气柱室5的圆柱筒上，将密封上板粘接在气柱室5的圆柱筒上，最后将流出导流结构7粘接在气柱室5的圆柱筒侧壁上。这样制备的液流电池旁路电流断流器具有结构简单、成本低的特点，可以用于消除液流电池各单体、各电堆之间的通过共用电解质溶液引起的旁路电流，也可以用于任何需要使不间断流动的电解质溶液上下游之间电绝缘的场合。
如图2，流入导流结构1可制成由顶部引流入气柱室5，其喷淋口可制成多管向下喷淋；根据需要可将流出导流结构7制成液流向下流出；气柱室5上可不设进气阀8和出气阀9。如图3，流入导流结构1的喷淋口可制成多孔球面向下喷淋。如图4，可在气柱室5上设进气阀8和出气阀9(与图2相比)。如图5，气柱室5上可不设进气阀8和出气阀9(与图3相比)。如图6，根据需要可将流出导流结构7制成液流向上流出。

Claims (3)

1、一种液流电池旁路电流断流器，其特征在于该断流器由流入导流结构(1)、分流结构(3)、气柱室(5)、气液分离器(6)和流出导流结构(7)构成，其中流入导流结构(1)是液流流入旁路电流断流器的通道，流出导流结构(7)是液流流出旁路电流断流器的通道，分流结构(3)是将流入液流分成多股流体的结构，气柱室(5)使从分流结构(3)流入的液流产生气隙，从而在液流流动的情况下使上下两部分流体电绝缘；气柱室(5)的底端有气液分离器(6)，以使溶液流出气柱室(5)时不会将气体不断带走，气柱室(5)的顶端有进气阀(8)、出气阀(9)，以调节气柱室(5)内的气液界面(4)的高低。
2、根据权利要求1所述的一种液流电池旁路电流断流器，其特征在于流体由液流电池旁路电流断流器的分流结构(3)流入气柱室(5)时，流体处于向上喷洒或向下喷洒的状态。
3、根据权利要求1所述的一种液流电池旁路电流断流器，其特征在于当液流电池旁路电流断流器的流出导流结构(7)的出口和流入导流结构(1)的入口封闭时，整个液流电池旁路电流断流器是密封空腔，不透气，也不透溶液。
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