CN113889639A - 一种高效转动式漏电流阻断器及其应用 - Google Patents

一种高效转动式漏电流阻断器及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及液流电池技术领域，具体涉及一种高效转动式漏电流阻断器及其应用。本发明通过在液流电池的双极板或电极框上的进/出液口到反应区之间的主流道上安装转动式漏电流阻断器，利用转轮实现电解液在主流道中的间歇性流动，从而阻断了液流电堆内部的漏电流网络，消除了液流电堆的漏电流。本发明仅需在液流电池双极板或电极框的主流道上安置一个转动式漏电流阻断器，并不会改变液流电堆其他部分的结构，就可以基本消除漏电流的影响，进而实现液流电池效率和电解液利用率的大幅提高。本发明简单易行，效果显著，有望广泛应用于液流电池领域。

Description

一种高效转动式漏电流阻断器及其应用
技术领域
本发明涉及液流电池技术领域，具体涉及一种高效转动式漏电流阻断器及其应用。
背景技术
近年来，随着可再生能源的发展，太阳能、风能等新能源发电在国家能源结构中的比例越来越大。但可再生能源本身的不稳定特性给新能源的稳定和持续供电带来了严峻的挑战，而高效的规模储能技术则是解决这一问题的关键所在。其中，液流电池作为一种新型的电池技术，以高效、安全可靠、长循环寿命、结构设计灵活等优点取得了广泛的关注。液流电池不同于传统的二次电池，它将电能存储在流动的电解液中，通过活性物质的氧化还原反应实现电能的存储和释放。由于电池反应不涉及相变，因此具有超长的使用寿命。而在液流电池中，全钒液流电池的正极和负极均采用含有不同价态钒离子的硫酸溶液作为电解液，不存在离子跨膜传输造成电解液污染的问题。因此成为一种非常有前景的应用于大规模储能的液流电池系统。
由于全钒液流电池的单体电压和功率较小，因此在实际应用中经常将多个单电池组成电堆，甚至将多个电堆组合成电堆系统，从而满足用户端的各种电压和功率需求。由于电堆中各组电池的电解液是相连的，而它们之间由于本体的差异或电解液的不均匀分布会造成一定的电势差，从而不可避免会产生漏电流。漏电流不仅存在于电堆中的各组电池之间，还存在于由电解液相连的不同电堆之间，而且它在系统运行及备用状态下都会存在，因此会导致电池的库仑效率和能量效率显著下降。对于液流电池常用于大规模储能，通常单电堆就包含几十组串联的单电池，而单个系统也需要串联数个甚至数十个电堆。因此，漏电流对液流电池的性能的负面影响不可忽视。
考虑到漏电流对液流电池规模储能的重要影响，相关技术人员也对液流电池的漏电流做了深入研究。其中：
吕嵬等公开了一种液流电池旁路电流断流器(公开号CN202178330U)。该装置是安装于储液罐内的支撑杆上的一个杠杆断流槽，储液罐的进液管向其注入电解液，当电解液在断流槽中积累到一定程度时，杠杆断流槽的力矩会发生改变，平衡被破坏后杠杆断流槽会自动翻转，其中的电解液会全部流出，断流槽再复回原位。该装置的安装于储液罐内部，仅能阻断电堆与储液罐之间的电解液通路，并不会降低电堆内部和电堆之间的漏电流。
李爱魁等也公开了一种液流电池的旁路电流断流器(公开号CN202917585U)，他们采用了储液罐的进液口与安装于储液罐内的转轮形储液腔的组合，其中转轮储液腔由水平杆穿过并支撑，支撑杆的一段上安装有阻尼调节装置，储液腔均匀呈环形的安装在支撑杆上。储液腔能够随支撑管的旋转而转动。电解液回流到储液腔中使回流电解液与储液罐中的电解液隔断，从而阻断电堆与储液罐之间的漏电流。同样的，该结构也是安装于储液罐中，不方便检修，并且只能阻断电堆与储液罐之间的管路中的漏电流。
此外，余辰光等也公开了一种漏电流断流器(公开号CN106207240A)。该断流器包含壳体、进液口和出液口管道以及将流入壳体的电解液通过旋转方式呈间歇方式输出的漏电流断流部件。与之前的不同之处在于他们将该装置安装在电堆之间以及电堆与储液罐之间的管路上，可以在一定程度上减小电堆之间、电堆与储液罐之间的管路中的漏电流，但它却无法消除电堆内的漏电流。而对于含有多组电池的液流电池电堆，其电堆内部产生的漏电流会大幅降低电堆的效率，因此必须采用更先进的技术来消除电堆内部的漏电流。
另外，邢枫等公开了一种防止液流电池电堆在备电状态下漏电的方法(公开号CN109841871A)，通过分别在液流电池电堆中相邻单电池的正极或者负极电解液腔进/出口之间的主管路上设有阀门，或者两个以上单电池的正极或者负极电解液腔进/出口经阀门与一主管路相连后再经泵与正极电解液储罐相连通，从而消除备用状态下的漏电流。
总的来说，现有技术均未能很好的解决电堆内部的漏电流问题。因此，如何通过一种简易的装置，实现电堆内部各组单电池之间的漏电流，是迫切需要解决的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单的高效转动式漏电流阻断器及其应用，能通过阻断电堆内部电解液通道的途径阻断电堆内部漏电流的导电网络，从而消除整个电堆系统的漏电流的方法。
本发明的技术方案如下：
一种高效转动式漏电流阻断器，转动式漏电流阻断器(6)由如下组件构成：壳体(9)、外转轮(10)、月形组件(11)、内转轮(12)、内转轮轴(13)、外转轮轴(14)，具体结构如下：
壳体(9)中形成拐角形内腔，所述内腔的一端为壳体进口(15)，所述内腔的另一端为壳体出口(16)，所述内腔的中部为圆柱形结构，所述圆柱形结构的下部通过外转轮轴(14)安装外转轮(10)，所述圆柱形结构的上部设有安装于外转轮轴(14)上端的内转轮(12)、月形组件(11)，内转轮(12)通过内转轮轴(13)安装于外转轮轴(14)上方，内转轮轴(13)偏于外转轮轴(14)的中心，月形组件(11)位于内转轮(12)的一侧。
所述的高效转动式漏电流阻断器，外转轮(10)有10个叶片，内转轮(12)有7个叶片，内转轮(12)的叶片于所述内腔的中部内侧与外转轮(10)的叶片间隙相对应。
所述的高效转动式漏电流阻断器，转动式漏电流阻断器(6)的材质为防腐蚀的绝缘材料。
所述的高效转动式漏电流阻断器，防腐蚀的绝缘材料为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。
所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，在液流电池双极板(1)或电极框(2)的进液口(3)到反应区(4)之间的第一主流道(5)，以及反应区(4)到出液口(7)之间的第二主流道(8)上安装转轮式漏电流阻断器(6)，实现电解液在主流道中的间歇性流动，阻断液流电池电堆内部的漏电流网络，消除液流电池电堆的漏电流。
所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，转动式漏电流阻断器(6)通过粘结或者卡槽的方式固定于液流电池双极板(1)或电极框(2)上进液口(3)到反应区(4)的第一主流道(5)，以及反应区(4)到出液口(7)的第二主流道(8)内；特别地，将转动式漏电流阻断器(6)通过粘结或者卡槽的方式固定于第一主流道(5)和第二主流道(8)的拐角处。
所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，当电解液从壳体进口(15)流入，冲击外转轮(10)的叶片，使外转轮(10)转动，同时通过内转轮轴(13)带动内转轮(12)转动；在所述内腔的中部外侧，外转轮(10)和内转轮(12)分离，其间的空隙增大，电解液进入；在所述内腔的中部内侧，外转轮(10)和内转轮(12)接触，其间的空隙减小，电解液被排出。
所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，转动式漏电流阻断器(6)的叶片将会隔断第一主流道(5)、第二主流道(8)内的电解液，使其非连续的流过流道，增加流道内的电阻。
所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，效转动式漏电流阻断器适用于穿流型液流电池，即将所述转动式漏电流阻断器(6)固定于电极框(2)上的第一主流道(5)、第二主流道(8)内。
所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，高效转动式漏电流阻断器适用于流经型液流电池，即将所述转轮式漏电流阻断器(6)固定于液流电池双极板(1)上的第一主流道(5)、第二主流道(8)内。
本发明的设计思想是：
液流电池内部产生漏电的原理：单组液流电池的电压和功率较小，因此通常将多个单电池以串联的方式形成一个电堆。由于电堆内部的电解液相互连通，而单电池之间具有电势差，因此在电堆内部连通各组单电池的电解液流道内会产生漏电流，从而造成电能的消耗。
基于此，本发明通过引入转动式漏电流阻断器，将其安装于双极板或者电极框的进/出液口到反应区之间的主流道中，利用转轮实现电解液在主流道中的间歇性流动，从而阻断了液流电堆内部的漏电流网络，消除了整个系统的漏电流。
应用本发明的技术方案，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明采用的转动式漏电流阻断器，通过间歇通过电解液的方式能够极大的提升进液口、出液口与电极反应区之间的流道的电阻，从而阻断了电堆内部的漏电流电路网络，基本消除了整个电堆的漏电流，使电堆的库伦效率显著提高。
(2)本发明采用的转动式漏电流阻断器，安置在双极板或者电极框的主流道中，非常方便安装和检修。
附图说明
图1为转动式漏电流阻断器在电堆上的安装方式图。其中，(a)流经型液流电池双极板，(b)穿流型液流电池双极板。图中，(1)液流电池双极板，(2)电极框，(3)进液口，(4)反应区，(5)第一主流道，(6)转动式漏电流阻断器，(7)出液口，(8)第二主流道。
图2为转动式漏电流阻断器的内部结构图。图中，(9)壳体，(10)外转轮，(11)月形组件，(12)内转轮，(13)内转轮轴，(14)外转轮轴，(15)壳体进口，(16)壳体出口。
图3为多电堆燃料电池系统的结构(上图)及电堆内的等效电路图(下图)。图中，(17)电堆，(18)储液罐，(19)管道，(20)泵，(21)电源/荷载，(22)导线，(23)正极歧管电阻，(24)正极主流道电阻，(25)负极主流道电阻，(26)负极歧管电阻，(27)电池电压源。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下面将对本发明进行更全面的描述。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
下面，通过附图和实施例对本发明进一步详细描述。
如图1所示，在液流电池双极板(1)或电极框(2)的进液口(3)到反应区(4)之间的第一主流道(5)，以及反应区(4)到出液口(7)之间的第二主流道(8)上安装转轮式漏电流阻断器(6)，实现电解液在主流道中的间歇性流动，从而阻断了液流电池电堆内部的漏电流网络，消除了液流电池电堆的漏电流。
如图2所示，转动式漏电流阻断器(6)由如下组件构成：壳体(9)、外转轮(10)、月形组件(11)、内转轮(12)、内转轮轴(13)、外转轮轴(14)，具体结构如下：
壳体(9)中形成拐角形内腔，所述内腔的一端为壳体进口(15)，所述内腔的另一端为壳体出口(16)，所述内腔的中部为圆柱形结构，所述圆柱形结构的下部通过外转轮轴(14)安装外转轮(10)，所述圆柱形结构的上部设有安装于外转轮轴(14)上端的内转轮(12)、月形组件(11)，内转轮(12)通过内转轮轴(13)安装于外转轮轴(14)上方，内转轮轴(13)偏于外转轮轴(14)的中心，月形组件(11)位于内转轮(12)的一侧。外转轮(10)有10个叶片，内转轮(12)有7个叶片，内转轮(12)的叶片于所述内腔的中部内侧与外转轮(10)的叶片间隙相对应。
转动式漏电流阻断器(6)的工作过程如下：
当电解液从壳体进口(15)流入，冲击外转轮(10)的叶片，使外转轮(10)转动，同时通过内转轮轴(13)带动内转轮(12)转动。在所述内腔的中部外侧，外转轮(10)和内转轮(12)分离，其间的空隙增大，电解液进入；在所述内腔的中部内侧，外转轮(10)和内转轮(12)接触，其间的空隙减小，电解液被排出。从图2可以看出，从壳体进口(15)到壳体出口(16)，电解液没有形成连续的连接，使电流没有通路流过。
转动式漏电流阻断器(6)，其材质为防腐蚀的绝缘材料，如：聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸脂(PC)等；优选地，其材质为PTFE。
转动式漏电流阻断器(6)通过粘结或者卡槽的方式固定于液流电池双极板(1)或电极框(2)上进液口(3)到反应区(4)的第一主流道(5)，以及反应区(4)到出液口(7)的第二主流道(8)内；特别地，将转动式漏电流阻断器(6)通过粘结或者卡槽的方式固定于第一主流道(5)和第二主流道(8)的拐角处。
转动式漏电流阻断器(6)会隔断第一主流道(5)和第二主流道(8)内的电解液，使其非连续的流过流道，极大的增加了流道内的电阻，从而阻断了液流电堆内部的漏电流网络，消除了液电堆的漏电流。
如图1(a)所示，转动式漏电流阻断器(6)既适用于穿流型液流电池，即将所述转动式漏电流阻断器(6)固定于电极框(2)上的第一主流道(5)和第二主流道(8)内；如图1(b)所示，转动式漏电流阻断器(6)也适用于流经型液流电池，即将所述转动式漏电流阻断器(6)固定于液流电池双极板(1)上的第一主流道(5)和第二主流道(8)内。
实施例1：
如图1-图2所示，本实施例为用于转动式漏电流阻断器的具体制作过程，具体步骤如下：
1.根据流道的大小，确定转动式漏电流阻断器的尺寸和形状，制作内转轮(12)、外转轮(10)、内转轮轴(13)、外转轮轴(14)、月形组件(11)、壳体(9)的模具，内转轮轴(13)和月形组件(11)固定于外转轮轴(14)之上，其中壳体(9)模具应该分割为上下两半，以便于之后的安装。
2.取防腐蚀的绝缘材料，如：聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等；优选地，其材质为PTFE，熔融浇铸于模具中，待其自然冷却，然后脱模，将不平整的地方打磨至光滑。
3.将外转轮轴(14)粘合至下半部分壳体上，再将外转轮(10)安装于外转轮轴(14)之上，再将内转轮(12)安装于内转轮轴(13)之上，形成转轮结构。将整个转轮封装于壳体(9)内部，最后将上半部分壳体与下半部分壳体粘合。
实施例2：
如图1-图2所示，本实施例为用于转动式漏电流阻断器的具体制作过程，具体步骤如下：
1.根据流道的大小，确定转动式漏电流阻断器的尺寸和形状，在制图软件中建立内转轮(12)、外转轮(10)、内转轮轴(13)、外转轮轴(14)、月形组件(11)、壳体(9)的三维转轮模型。
2.采用成形的防腐蚀的绝缘材料，如：聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)等；优选地，其材质为PTFE。采用激光切割方法，切割出内转轮(12)、外转轮(10)、内转轮轴(13)、外转轮轴(14)、月形组件(11)、壳体(9)。
3.组装方法与实施例1的方法相同。
实施例3：
与实施例1相同的方法，不同的是步骤2采用3D打印的方法。
安装上转动式漏电流阻断器以后，库伦效率可从常规电堆的93％～97％提升至96％～99％。
如图3所示，多电堆燃料电池系统的结构及电堆内的等效电路图，电堆(17)的电路是通过导线(22)串联，最后连接到电源/荷载(21)。电解液通过泵(20)中从储液罐(18)中抽出，经过管道(19)进入电堆(17)。对于单个电堆内部，由于电解液将各个电池连通形成电路，可以等效为一个等效电路，其中包含单电池电压源(27)、正极主流道电阻(24)、负极主流道电阻(25)、正极歧管电阻(23)、负极歧管电阻(26)，等效电路中上述各个元件之间的位置和连接关系如下：在该等效电路中，正极电解液和负极电解液分别属于不同的回路。正极电解液从正极主流道流经正极歧管流到电极内部，正极主流道内阻(24)和正极歧管电阻(23)为串联关系；负极电解液从负极主流道流经负极歧管流到电极内部，负极主流道内阻(25)和负极歧管电阻(26)为串联关系。
当加入转动式漏电流阻断器(6)后，图3所示的下图，正极主流道电阻(24)和负极主流道电阻(25)会急剧增大，使得流过该电阻的电流几乎为零，直接从每个电堆(17)内部切断了电流网络，消除了整个系统的漏电流。
实施例结果表明，本发明仅需在液流电池双极板或电极框的主流道上安置一个转动式漏电流阻断器，并不会改变液流电堆其他部分的结构，就可以基本消除漏电流的影响，进而实现液流电池效率和电解液利用率的大幅提高，且本发明简单易行，效果显著，有望广泛应用于液流电池领域。

Claims (10)

1.一种高效转动式漏电流阻断器，其特征在于，转动式漏电流阻断器(6)由如下组件构成：壳体(9)、外转轮(10)、月形组件(11)、内转轮(12)、内转轮轴(13)、外转轮轴(14)，具体结构如下：
壳体(9)中形成拐角形内腔，所述内腔的一端为壳体进口(15)，所述内腔的另一端为壳体出口(16)，所述内腔的中部为圆柱形结构，所述圆柱形结构的下部通过外转轮轴(14)安装外转轮(10)，所述圆柱形结构的上部设有安装于外转轮轴(14)上端的内转轮(12)、月形组件(11)，内转轮(12)通过内转轮轴(13)安装于外转轮轴(14)上方，内转轮轴(13)偏于外转轮轴(14)的中心，月形组件(11)位于内转轮(12)的一侧。
2.按照权利要求1所述的高效转动式漏电流阻断器，其特征在于，外转轮(10)有10个叶片，内转轮(12)有7个叶片，内转轮(12)的叶片于所述内腔的中部内侧与外转轮(10)的叶片间隙相对应。
3.按照权利要求1所述的高效转动式漏电流阻断器，其特征在于，转动式漏电流阻断器(6)的材质为防腐蚀的绝缘材料。
4.按照权利要求3所述的高效转动式漏电流阻断器，其特征在于，防腐蚀的绝缘材料为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚碳酸酯(PC)。
5.一种权利要求1至4之一所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，其特征在于，在液流电池双极板(1)或电极框(2)的进液口(3)到反应区(4)之间的第一主流道(5)，以及反应区(4)到出液口(7)之间的第二主流道(8)上安装转轮式漏电流阻断器(6)，实现电解液在主流道中的间歇性流动，阻断液流电池电堆内部的漏电流网络，消除液流电池电堆的漏电流。
6.按照权利要求5所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，其特征在于，转动式漏电流阻断器(6)通过粘结或者卡槽的方式固定于液流电池双极板(1)或电极框(2)上进液口(3)到反应区(4)的第一主流道(5)，以及反应区(4)到出液口(7)的第二主流道(8)内；特别地，将转动式漏电流阻断器(6)通过粘结或者卡槽的方式固定于第一主流道(5)和第二主流道(8)的拐角处。
7.按照权利要求5所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，其特征在于，当电解液从壳体进口(15)流入，冲击外转轮(10)的叶片，使外转轮(10)转动，同时通过内转轮轴(13)带动内转轮(12)转动；在所述内腔的中部外侧，外转轮(10)和内转轮(12)分离，其间的空隙增大，电解液进入；在所述内腔的中部内侧，外转轮(10)和内转轮(12)接触，其间的空隙减小，电解液被排出。
8.按照权利要求7所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，其特征在于，转动式漏电流阻断器(6)的叶片将会隔断第一主流道(5)、第二主流道(8)内的电解液，使其非连续的流过流道，增加流道内的电阻。
9.按照权利要求5所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，其特征在于，高效转动式漏电流阻断器适用于穿流型液流电池，即将所述转动式漏电流阻断器(6)固定于电极框(2)上的第一主流道(5)、第二主流道(8)内。
10.按照权利要求5所述的高效转动式漏电流阻断器的应用，其特征在于，高效转动式漏电流阻断器适用于流经型液流电池，即将所述转轮式漏电流阻断器(6)固定于液流电池双极板(1)上的第一主流道(5)、第二主流道(8)内。
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