CN110391439B - 一种绝缘滴流管及其用途 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种绝缘滴流管及其用途，一种绝缘滴流管，包括管体，所述管体中从上往下依序设有进液口、横隔板、管腔和出液口；所述横隔板与管体的管壁密封连接，横隔板的中部设置有一个或一个以上的滴孔，所述滴孔将进液口和管腔连通；所述管腔内注有惰性气体；所述管腔的腔壁由绝缘材料制成。本装置可以使连续流动的导电液体在装置内改变为非连续的相互绝缘的液滴，在保证导电液体均匀流动的前提下保持各种导电液体输送过程的电气绝缘，且体积小，无活动部件，无需驱动，无控制回路，结构简单，性能可靠，易于与设备集成。

Description

一种绝缘滴流管及其用途

技术领域

本发明涉及一种输送装置，具体涉及一种绝缘滴流管及其用途。

背景技术

进入21世纪以来，随着人类活动对能源的需求日益增加，能源危机和环境问题己经成为全球关注的两大焦点。为满足电动汽车及大规模储能电站的需要，世界各国都在积极开展动力储能电池领域的创新性研究。如液态金属燃料电池、液流电池是一类具有功率密度高、能量密度高、安全性高、成本低的新型动力储能电池，其基本结构原理如图1所示，阴极供料管11将阴极活性物送入阴极，反应后的阴极余料回流到阴极回料管12；阳极供料管13将阳极活性物送入阳极，反应后的阳极余回流到阳极回料管14。只要保持阴极活性物、阳极活性物的连续供应，单体电池15就会连续发电。为了得到需要的功率，一般由多个单体电池15并联接在供、回料管上；另外，由于一般的单体电池只能提供0.6-3V的电压，为了获得需要的电压，必须将单体电池的电极进行串联。因为有些流动的活性物为液体，含有电解液，具有离子导电性，其产生的旁路电流严重降低电池堆的发电效率，尤其是液态金属燃料电池的阳极活性物液态金属，其电子导电性将不可忽略，因此，在电池堆的组装上出现了单体电池供料方式的并联与供电方式的串联的矛盾，严重制约着电池堆的组装。

另外，在涉及导电液体连续输送的一些工业装置中也存在导电液体电气绝缘问题，目前现有技术和文献资料还没有公开的解决这类问题技术手段。

发明内容

基于现有液流电池、半液流电池、燃料电池以及涉及导电液体连续输送的一些工业装置中存在的技术瓶颈，本发明提供了一种绝缘滴流管，以解决电池单体电极与供、回料管之间以及各种导电液体连续输送装置的电气绝缘问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种绝缘滴流管，包括管体，所述管体中从上往下依序设有进液口、横隔板、管腔和出液口；所述横隔板与管体的管壁密封连接，横隔板的中部设置有一个或一个以上的滴孔，所述滴孔将进液口和管腔连通；所述管腔内注有惰性气体；所述管腔的腔壁由绝缘材料制成。

进一步方案，所述管腔的内壁面涂覆有聚四氟乙烯。

进一步方案，所述滴孔的外周和管腔的内壁面之间设有凹槽。

进一步方案，所述管体横截面形状为圆形、椭圆形、多边形或不规则形。

进一步方案，所述多边形包括长方形，位于长方形两短边侧的管体中各设有一凹槽，所述凹槽介于滴孔的外周和管腔的内壁面之间。

更进一步方案，所述管腔内沿轴向设有至少一个竖隔板，该竖隔板置于凹槽侧下方且靠近管腔的内壁面一侧，并与同侧的管腔内壁面围合构成气体通道，该气体通道的一端与管腔的顶部相通、另一端与管腔的中下部相通。

优选的，所述竖隔板的材质为绝缘材料，其外表面涂覆有聚四氟乙烯。

本发明的第二个发明目的是提供上述一种绝缘滴流管的用途，所述的绝缘滴流管用于电池、电池堆或电解装置中导电液体的输送装置。

本发明的第三个发明目的是提供一种液态金属燃料电池堆，包括电池单体、阴极供料管、阴极回料管、阳极供料管、阳极回料管，所述阳极供料管与所述电池单体阳极进料口之间以及所述阳极回料管与所述电池单体阳极出料口之间还分别接入了上述的绝缘滴流管。

进一步方案，所述电池单体的数量大于1；所述阳极供料管及阳极回料管中的物料包括液态金属；所述阴极供料管及阴极回料管中的物料包括增湿空气或增湿氧气。

使用时，将本装置安装在需要电气隔离的流道中，将本装置的进液口水平向上并与流道的出液口连通，本装置的出液口水平向下并与流道的进液口连通。然后向管腔中充入惰性气体（如氮气或氩气），然后从进液口注入液体（如电极活性物）。由于液体的自身表面张力的作用，在滴孔处逐渐形成近球形的液滴；当液滴增大到一定体积时，液滴所受重力大于表面张力时，液滴便下落至管腔的下部，并在流道的压力作用下，从出液口流出。接着，滴孔处又逐渐形成新的液滴，如此往复，液滴与液滴之间在下落时保持一定间距。

其中，管腔中注入了惰性气体，由于惰性气体（如氮气或氩气）的性能比空气化学性质稳定，不易与导电液体反应，且可以提高绝缘效果。另外，管腔的腔壁由绝缘材料构成，使管体两端构成电气绝缘；还可在管腔的内壁面涂覆聚四氟乙烯层，因为聚四氟乙烯为低表面能材料，具有防粘作用，避免液滴在晃动时粘附于管壁导致绝缘失效。所以整个管体在工作状态下 具有电子绝缘性能，液滴与液滴之间被惰性气体隔离绝缘，因此管腔的两端在电气上也被隔离绝缘，使液体在该装置的进液口与出液口之间形成电气隔离状态。

滴孔的外周和管腔的内壁面之间设有凹槽，凹槽的位置高于滴孔的出口，且凹槽内被惰性气体所填充，对液滴无吸附力，当液滴增大到一定体积时，因吸附力不能同步增大而失去力学平衡，液滴脱离滴孔下落至管腔的底部。因为过大的液滴易吸附管壁，不利于保证绝缘效果，凹槽具有限制液滴过大的作用。

本装置可以使连续流动的导电液体在装置内改变为非连续且相互绝缘的液滴，在保证导电液体均匀流动的前提下保持各种导电液体在输送过程中的电气绝缘；本装置具有体积小、无活动部件、无需驱动、无控制回路、结构简单、性能可靠和易于与设备集成等优点。

附图说明

图1是现有技术中液态金属燃料电池的结构示意图，

图2是本发明的第一种结构示意图，

图3是图2中A-A剖视图，

图4是本发明的第二种结构示意图，

图5是图4中B-B剖视图，

图6是本发明的第三种结构示意图，

图7是图6中C-C剖视图，

图8是本发明的应用示意图。

图中：1-管体，2-进液口，3-横隔板，4-滴孔，5-管腔，6-凹槽，7-出液口，8-竖隔板，9-气体通道，10-绝缘滴流管，11-阴极供料管，12-阴极回料管，13-阳极供料管，14-阳极回料管，15-电池单体。

具体实施方式

实施例1：

如图2、3所示，一种绝缘滴流管，包括管体1，所述管体1中从上往下依序设有进液口2、横隔板3、管腔5和出液口7；所述横隔板3与管体1的管壁密封连接，横隔板3的中部设置有一个滴孔4，所述滴孔4将进液口2和管腔5连通，所述滴孔4的外周和管腔5的内壁面之间设有凹槽6。所述管腔5内注有惰性气体；所述管腔5的腔壁由绝缘材料制成。

进一步方案，所述管腔5的内壁面涂覆有聚四氟乙烯。所述惰性气体包括氮气、氩气，所述绝缘材料包括玻璃材料、陶瓷材料、聚合物材料。

进一步方案，所述管体1横截面形状为圆形。

当导电液体通过进液口2流到其滴孔4时，由于液体自身表面张力的作用，在滴孔4处逐渐形成近球形的液滴。当液滴增大到一定重量，液滴所受重力大于表面张力时，液滴便下落至管腔5的下部，并在管道的压力作用下，从出液口7流出。接着，滴孔处又逐渐形成新的液滴，如此往复，液滴与液滴之间下落时保持一定间距。其中凹槽6具有限制液滴过大的作用，因为凹槽6位置高于液滴，且被气体填充，对液滴无吸附力，当液滴增大到一定体积时，因吸附力不能同步增大而失去力学平衡，液滴便脱离滴孔而下落，避免过大的液滴吸附管壁、堵塞管孔和不利于保证绝缘效果的缺陷。

由于管腔5内注入了惰性气体，且其内壁是由绝缘材料构成，具电子绝缘性能，液滴与液滴之间则被惰性气体隔离绝缘，因此管腔5的两端在电气上也被隔离绝缘，使液体在该装置的流入端与流出端之间形成电气隔离状态。

实施例2：

如图4、5所示，一种绝缘滴流管，包括管体1，所述管体1中从上往下依序设有进液口2、横隔板3、管腔5和出液口7；所述横隔板3与管体1的管壁密封连接，横隔板3的中部设置有四个滴孔4，四个滴孔4阵列排布形成滴孔阵列，所述滴孔阵列的外周与管腔5的内壁面之间设有凹槽6。所述滴孔4将进液口2和管腔5连通；所述管腔5内注有惰性气体；所述管腔5的腔壁由绝缘材料制成。

进一步方案，所述管腔5的内壁面涂覆有聚四氟乙烯。

进一步方案，所述管体1横截面形状为圆形。

当导电液体通过进液口2流到四个滴孔4时，由于液体自身表面张力的作用，各个滴孔4处逐渐形成近球形的液滴。当液滴增大到一定体积时，液滴之间相互融合并形成一个大液滴，当大液滴进一步增大，直到液滴所受重力大于吸附力时，液滴便下落至管腔5的下部，并在管道的压力作用下，从出液口7流出。接着，滴孔处又逐渐形成新的液滴，如此往复，液滴与液滴之间下落时保持一定间距。凹槽6具有限制液滴过大的作用，因为凹槽6位置高于液滴，且被气体填充，对液滴无吸附力，当液滴增大到一定体积时，因吸附力不能同步增大而失去力学平衡，液滴便脱离滴孔而下落，避免过大的液滴易吸附管壁、堵塞管腔和不利于保证绝缘效果的缺陷。

由于管腔5内注入了惰性气体，且其内壁是由绝缘材料构成，具电子绝缘性能，液滴与液滴之间则被惰性气体隔离绝缘，因此管腔5的两端在电气上也被隔离绝缘，使液体在该装置的流入端与流出端之间形成电气隔离状态。

实施例3：

如图6、7所示，一种绝缘滴流管，包括管体1，所述管体1中从上往下依序设有进液口2、横隔板3、管腔5和出液口7；所述横隔板3与管体1的管壁密封连接，横隔板3的中部设置有一个滴孔4，所述滴孔4将进液口2和管腔5连通，所述管腔5内注有惰性气体；所述管腔5的腔壁由绝缘材料制成。

进一步方案，所述管腔5的内壁面涂覆有聚四氟乙烯。

进一步方案，进一步方案，所述管体1横截面形状为长方形，如图6、7所示，位于长方形两短边侧的管体1中各设有一凹槽6，所述凹槽6介于滴孔4的外周和管腔5的内壁面之间。

更进一步方案，所述管腔5内沿轴向设有至少一个竖隔板8，该竖隔板8置于凹槽6侧下方，并与同侧的管腔5内壁面围合构成气体通道9，该气体通道9的一端与管腔5的顶部相通、另一端与管腔5的中下部相通。

优选的，所述竖隔板8的材质为绝缘材料，其外表面涂覆有聚四氟乙烯。

使用时，管体竖向连接在需要绝缘的流道中，首先向管腔5内充入惰性气体（如氮气或氩气），然后再从进液口2注入导电液体。流道中流体从上往下依次通过进液口2、滴孔4、管腔5和出液口7。

当导电液体通过进液口2流到滴孔4时，由于液体自身表面张力的作用，滴孔4处逐渐形成近球形的液滴。由于液体自身表面张力的作用以及管腔空间的限制，逐渐形成的液滴会向两侧延伸。当液滴增大到一定重量，液滴所受重力大于表面张力时，液滴便沿着管腔5内壁和竖隔板8之间的空腔滑落至管腔5底部，并在管道的压力作用下，从出液口7流出，同时，液滴下部的气体从气体通道9由下向上流向管腔5的上部。

其中，在滴孔4正下面的管腔5与竖隔板8围合成的孔道狭窄，液滴由封闭孔道延侧壁向下滑行，而液滴下面的气体在液滴压力作用下通过气体通道9由下向上流向管腔5的上部，从而形成气体的循环。接着，滴孔4处又逐渐形成新的液滴，如此往复，液滴与液滴之间下落时保持一定间距。

本实施例中的滴流绝缘管，外形为扁平状，其目的是减小厚度，使其与一些超薄、小型装置配合使用，尤其适合于与液态金属燃料电池膜电极、双级板集成。

实施例4：

一种绝缘滴流管的用途，所述的绝缘滴流管用于电池、电池堆或电解装置中导电液体的输送装置。

具体如图8所示，一种液态金属燃料电池堆，包括电池单体15、阴极供料管11、阴极回料管12、阳极供料管13、阳极回料管14，其特征在于，所述阳极供料管13与所述电池单体15阳极进料口之间以及所述阳极回料管14与所述电池单体15阳极出料口之间还分别接入了上述的绝缘滴流管10。其中绝缘滴流管10是竖向放置的。

进一步方案，所述电池单体15的数量大于1；所述阳极供料管13及阳极回料管14中的物料包括液态金属；所述阴极供料管11及阴极回料管12中的物料包括增湿空气或增湿氧气。

进一步方案，所述液态金属包括钠、锂或钾单质。

其中, 电池单体15为液态金属燃料电池单体，其基本结构为依次由阴极流场板、气体阴极、电解质膜和阳极流场板组装而成，电解质膜将电池单体的阴极和阳极分开，通过在阴极流场板与气体阴极之间的腔体内注入氧化剂、在阳极流场板与电解质膜之间的腔体内注入燃料（液态金属），使电池单体发电；阴极供料管11、阴极回料管12、阳极供料管13、阳极回料管14为流体通道。

该电池堆在工作时，首先将电池堆温度设置在液态金属的熔点以上，然后向阴极供料管11内注入氧化剂（增湿空气或增湿氧气），向阳极供料管13内注入液态金属，所注入的物料分别进入电池单体的阴极和阳极进行电化学反应并释放电能。反应后的余料或产物分别进入阴极回料管12和阳极回料管14，然后流向外循环。其中，阳极活性物（燃料）为液态金属，是电子良导体，本方案在阳极供料管13与所述电池单体15的阳极进料口之间、以及阳极回料管14与电池单体15的阳极出料口之间分别接入了绝缘滴流管10，阻断了液态金属的电子通路，使电池单体在电气上处于独立状态，可以按照使用要求对电池单体任意串、并联组合，以获得满足要求的电池堆总电压和总电流。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (5)

1.一种绝缘滴流管的用途，其特征在于：所述的绝缘滴流管用于电池、电池堆或电解装置中导电液体的输送装置，所述绝缘滴流管包括管体（1），所述管体（1）中从上往下依序设有进液口（2）、横隔板（3）、管腔（5）和出液口（7）；所述横隔板（3）与管体（1）的管壁密封连接，横隔板（3）的中部设置有一个或一个以上的滴孔（4），所述滴孔（4）将进液口（2）和管腔（5）连通；所述管腔（5）内注有惰性气体；所述管腔（5）的腔壁由绝缘材料制成；

所述管体（1）横截面形状为长方形，位于长方形两短边侧的管体（1）中各设有一凹槽（6），所述凹槽（6）介于滴孔（4）的外周和管腔（5）的内壁面之间；

所述管腔（5）内沿轴向设有至少一个竖隔板（8），该竖隔板（8）置于凹槽（6）侧下方，并与同侧的管腔（5）内壁面围合构成气体通道（9），该气体通道（9）的一端与管腔（5）的顶部相通、另一端与管腔（5）的中下部相通。

2.根据权利要求1所述的一种绝缘滴流管的用途，其特征在于：所述管腔（5）的内壁面涂覆有聚四氟乙烯。

3.根据权利要求1所述的一种绝缘滴流管的用途，其特征在于：所述竖隔板（8）的材质为绝缘材料，其外表面涂覆有聚四氟乙烯。

4.一种液态金属燃料电池堆，包括电池单体（15）、阴极供料管（11）、阴极回料管（12）、阳极供料管（13）、阳极回料管（14），其特征在于，所述阳极供料管（13）与所述电池单体（15）阳极进料口之间以及所述阳极回料管（14）与所述电池单体（15）阳极出料口之间还分别接入了如权利要求1-3任一项所述的绝缘滴流管（10）。

5.根据权利要求4所述的液态金属燃料电池堆，其特征在于：所述电池单体（15）的数量大于1；所述阳极供料管（13）及阳极回料管（14）中的物料包括液态金属；所述阴极供料管（11）及阴极回料管（12）中的物料包括增湿空气或增湿氧气。

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