液流电池用电流断流器及采用此电流断流器的液流电池

摘要

本发明公开一种液流电池用电流断流器，包括壳体、为电解液流入所述壳体提供通道的电解液进口管、为电解液流出所述壳体提供通道的电解液出口管以及将流入所述壳体的电解液通过旋转方式呈间歇式输出的电流断流部件。应用本发明的液流电池用电流断流器，整体结构精简；电流断流部件通过旋转方式让液流呈间歇式流动，这样就使电解液管路中的电解液成间歇式断开，即可消除旁路的泄漏电流。本发明还公开一种液流电池，在电泵的出口管道上增设液流电池用电流断流器，即可使闭合回路断开，让电解液呈间歇式一段一段的输入各电堆，使电解液管路中的电解液成间歇式断开，即可阻止液流电池因共用电解液而导致的旁路电流。

说明书

技术领域

本发明涉及电池技术领域，具体涉及一种液流电池用电流断流器及采用此电流断流器的液流电池。

背景技术

全钒液流电池的原理是：利用流动的钒电解质水溶液作为储能介质，将电能转化成化学能储存在不同价态的钒离子电对中，需要时将化学能转变为电能输出。具有容量大、寿命长、成本低、效率高、安全可靠等技术特点，有望在大规模储能领域发挥重要作用。

一般来讲，大规模储能液流电池往往包含几十个电堆，为了给每个电堆提供电解液，一般通过公共流道和分配管路来输送与分布电解液，如图1，具体是：包括为电路提供电源的电源组A1以及串联设置在电路中的电堆组A2，电源组A1包括存储电解液的正极液罐A11以及存储电解液的负极液罐A12，正极液罐A11和负极液罐A12的输出端均设有电泵A13，其性能参数详见表1。各个电堆之间使用公共流道的液流通道，把正极或者负极电解液均匀地分配到串联组成的各个电堆进行氧化-还原化学反应。该方式容易实现电堆间的电解液浓度均匀分布，但串联的电堆形成了电解液的闭合回路，且各电堆之间存在电势差，彼此连接的正极或者负极电解液管路中会有钒离子的定向移动，连通管路中就出现旁路电流(即支路，支路和电堆组A2串联在电路中)，该电流不经过有用负载，属于漏电流。其简化电路图，如图2所示，其中：外电源为E，总电流为I，各串联电堆内部的电阻为R，支路电阻为Rp，支路电流为Ip，负载为U。从图2中得出：为了使通过负载U的电流更大，就得减小支路电流Ip，则需增加支路电阻Rp即可。

相关技术人员做了深入研究，出现了以下技术：

申请号为201120249548.1的实用新型专利公开了一种液流电池旁路电流断流器，包括杠杆断流槽，所述杠杆断流槽通过轴铰接于支撑结构上，电解液流入时，可使所述杠杆断流槽两端的力矩改变，平衡破坏，其自动翻转，电解液流出，其自动复原到平衡位置，该液流电池旁路电流断流器安装在液流通道或储液罐中，能实现连续性流入的电解液间歇性流出，有效的阻止了进液总管和出液总管中电解液的连通，达到断流目的。此种结构的缺陷是：穿透储液罐加工、安装困难；重量过大，储液罐易变形；液体要流入上腔中，要求对中性好，否则直接落入储液罐里，不会起到断流的作用；同时，整个断流装置置于储液罐内，不便于人工调节维修。

申请号为201220609884.7的实用新型专利公开了一种液流电池用旁路电流断流器，其采用了回液管与断流装置配合，断流装置由支撑杆、储液腔、骨架油封及阻尼调节装置构成，其中，支撑杆水平穿透储液罐的侧壁，支撑杆两端均伸出储液罐的侧壁，支撑杆的一端上安装阻尼调节装置，储液腔均匀分布于支撑杆周围并与支撑杆为一体结构。此种结构缺陷是：1、由于其只有一个杠杆断流槽，当电解液从杠杆断流槽中流出时，电解液实际处于连续流动状态，不会使液体百分百断开；2、杠杆断流槽置于储液罐中，不便于人工调节维修。

还有其他相近技术，如下：

申请号为201410241236.4的发明申请公开了一种锂离子液流电池的液流泵间歇工作自动控制器，本发明为锂离子液流电池系统增加一个液流泵间歇工作自动控制器，它能自动判断锂离子液流电池使用情况，完全自动地使液流泵启动与停止，间歇工作，减少液流泵工作时间，从而减少能源损耗，减少整个系统的机械磨损，延长系统寿命；使电池电压在设定的最小工作电压与最大工作电压之间循环变化，工作稳定可靠；使锂离子液流电池的正负极悬浮液间歇循环，进入电池正负极反应腔反应完成后才被循环出去，放电充分达到节能效果。

申请号为201410027599.8的发明申请公开了一种新型锂离子液流电池，包括：正极集流层、负极集流层、正极反应腔、负极反应腔、隔离层、正极悬浮液和负极悬浮液，其中，正极集流层和负极集流层分别位于隔离层的两侧且与隔离层紧密接触，构成正极集流层、隔离层与负极集流层的夹心复合结构层；若干个夹心复合结构层按照相同极性集流层相对放置的顺序依次排列，电极悬浮液在相邻夹心复合结构层之间的电池反应腔内连续或间歇流动。本发明使得电池反应腔的大小可以根据电极悬浮液的粘度灵活设计而不会增加电池的极化内阻，解决了现有锂离子液流电池在电池反应腔大小和电池极化内阻之间存在的制约矛盾。

现有技术均未能很好地解决增加支路电阻的问题，因此，发明一种结构精简且能起到很好地增加支路电阻从而消除旁路的泄漏电流的装置具有重要意义。

发明内容

本发明提供一种结构精简、能起到很好地增加支路电阻从而消除旁路的泄漏电流的液流电池用电流断流器，具体技术方案如下：

一种液流电池用电流断流器，包括壳体、为电解液流入所述壳体提供通道的电解液进口管、为电解液流出所述壳体提供通道的电解液出口管以及将流入所述壳体的电解液通过旋转方式呈间歇式输出的电流断流部件。

以上技术方案中优选的，所述壳体包括流入导流结构和流出导流结构，所述流入导流结构包括与所述电解液进口管连通的第一筒体以及将流入第一筒体内的电解液导入所述电流断流部件的进液口；所述流出导流结构包括与所述电解液出口管连通的第二筒体以及将经过所述电流断流部件的电解液导入所述第二筒体的排液口；

所述电流断流部件包括与所述排液口重合时能密封所述排液口的尾部结构。

以上技术方案中优选的，所述流入导流结构的中心轴线与所述流出导流结构的中心轴线重叠设置；

所述电流断流部件包括与所述流入导流结构同中心轴线设置的旋转柱以及呈螺旋上升式设置在所述旋转柱上且从所述进液口流入的电解液能带动其进行旋转的叶片部件，所述叶片部件包括所述尾部结构。

以上技术方案中优选的，所述叶片部件包括一组呈螺旋上升式设置的叶片，所述叶片包括所述尾部结构；

或者是，所述叶片部件包括上下并列设置的至少两组叶片单件，所述叶片单件包括一组呈螺旋上升式设置的叶片，位于最下方的所述叶片包括所述尾部结构。

以上技术方案中优选的，所述电解液进口管通过连接管与所述第一筒体连通；

所述连接管包括设置在所述旋转柱内部的导管以及位于所述第一筒体内且与所述导管连通的连接接头。

以上技术方案中优选的，所述连接接头为半球形结构，且其上设有多个通孔，多个所述通孔的中心轴线呈放射状布置。

以上技术方案中优选的，所述壳体为阀体结构；

所述电流断流部件为活动设置在所述壳体内的叶轮，所述叶轮包括至少两片叶轮片。

以上技术方案中优选的，多片所述叶轮片的连接件的中心与所述壳体的中心重叠设置，且多片所述叶轮片尺寸和结构均相同；

或者是，所述多个所述叶轮片的连接件的中心与所述壳体的中心不重叠，且多片所述叶轮片均为沿其长度方向可伸缩的叶轮片。

以上技术方案中优选的，所述电流断流部件为设置在所述壳体内的转子组，所述转子组包括两个旋转方向相反的转子。

应用本发明的技术方案，具有以下有益效果：

(1)本发明液流电池用电流断流器包括壳体、为电解液流入所述壳体提供通道的电解液进口管、为电解液流出所述壳体提供通道的电解液出口管以及将流入所述壳体的电解液呈间歇式输出的电流断流部件。整体结构精简；电流断流部件通过旋转方式让液流呈间歇式流动，这样就使电解液管路中的电解液成间歇式断开，从而无限大增加支路的电阻，继而消除旁路的泄漏电流。

(2)本发明中电流断流部件的结构设计多样化，满足不同的需求，详情如下：

第一种、壳体包括流入导流结构和流出导流结构，所述流入导流结构包括与所述电解液进口管连通的第一筒体(电解液进口管直接连通第一筒体)以及将流入第一筒体内的电解液导入所述电流断流部件的进液口；所述流出导流结构包括与所述电解液出口管连通的第二筒体以及将经过所述电流断流部件的电解液导入所述第二筒体的排液口；

电流断流部件包括与所述流入导流结构同中心轴线设置的旋转柱以及呈螺旋上升式设置在所述旋转柱上的叶片部件，所述叶片部件包括与所述排液口重合时能密封所述排液口的尾部结构，且述叶片部件包括一组呈螺旋上升式设置的叶片。此种结构的叶片单件为单叶片结构。

此种结构的原理是：当电解液从由流入导流结构的进液口进入电流断流部件时，电解液流动驱动叶片转动，当叶片转动到一定位置，叶片的尾部结构与流出导流结构的排液口重合时，会封闭住排液口，使得电解液出现短暂的断流现象，从而使得泄漏电流得以减少。

第二种、与第一种不同之处仅在于：所述叶片部件包括上下并列设置的至少两组叶片单件，所述叶片单件包括一组呈螺旋上升式设置的叶片。最好是：多组叶片单件沿上下方向等间距设置。此种结构叶片单件为双螺旋以及多螺旋结构，原理同单螺旋结构。

第三种、与第一种不同仅在于：电解液进口管通过连接管与所述第一筒体连通，连接管包括设置在所述旋转柱内部的导管以及位于所述第一筒体内且与所述导管连通的连接接头。即仅仅是电解液进口的方向不同，其工作原理同第一种。

第四种、与第二种不同仅在于：电解液进口管通过连接管与所述第一筒体连通，连接管包括设置在所述旋转柱内部的导管以及位于所述第一筒体内且与所述导管连通的连接接头。即仅仅是电解液进口的方向不同，其工作原理同第二种。

第五种、壳体为阀体结构，所述电流断流部件为活动设置在所述壳体内的叶轮，所述叶轮包括至少两片叶轮片；多片所述叶轮片的连接件的中心与所述壳体的中心重叠设置，且多片所述叶轮片尺寸和结构均相同。即采用阀体和叶轮片的组合，其工作原理是：电解液流进阀体后，随着电解液的继续流动，会推动阀体内的叶轮片转动；随着叶轮片转动，使得电解液出现短暂的断流现象，从而使得泄漏电流得以减少。

第六种、与第五种不同之处仅在于：多个所述叶轮片的连接件的中心与所述壳体的中心不重叠，且多片所述叶轮片均为沿其长度方向可伸缩的叶轮片，即为偏心伸缩叶轮。其工作原理同第五种结构。

第七种、所述电流断流部件为设置在所述壳体内的转子组，所述转子组包括两个旋转方向相反的转子。其工作原理是：电解液进入到阀体后，随着电解液的流动，会推动阀体内的转子转动；当转子转到一定角度，使得电解液出现短暂的断流现象，从而使得泄漏电流得以减少。

以上七种结构的电流断流部件结合壳体的设计，具有以下特点：(1)结构精简，便于生产制造；(2)电流断流部件均能起到很好地断流作用，使得电解液呈间歇式输出，使电解液管路中的电解液成间歇式断开，消除旁路的泄漏电流效果好。

本发明还提供一种液流电池，包括为电路提供电源的电源组以及串联设置在电路中的电堆组和支路；

所述电源组包括存储电解液的正极液罐以及存储电解液的负极液罐，所述正极液罐和所述负极液罐的输出端均设有电泵，位于所述正极液罐的输出端的所述电泵的出口管路上以及位于所述负极液罐的输出端的所述电泵的出口管路上均至少设有一个如上述的液流电池用电流断流器。

应用本发明的液流电池，在电泵的出口管道上增设液流电池用电流断流器，即可使闭合回路断开，让电解液呈间歇式一段一段的输入各电堆，使电解液管路中的电解液成间歇式断开，从而无限增大支路电阻，即可阻止液流电池因共用电解液而导致的旁路电流。

除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。

附图说明

构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1是现有技术液流电池的结构示意图；

图2是图1的简化电路图；

图3是本发明实施例1的液流电池的结构示意图；

图4是图1中液流电池用电流断流器的结构示意图；

图5是图4另一状态的结构示意图；

图6是本发明实施例2的液流电池用电流断流器的结构示意图；

图7是图6另一状态的结构示意图；

图8是本发明实施例3的液流电池用电流断流器的结构示意图；

图9是本发明实施例4的液流电池用电流断流器的结构示意图；

图10是本发明实施例5的液流电池用电流断流器的结构示意图；

图11是图10另一状态的结构示意图；

图12是本发明实施例6的液流电池用电流断流器的结构示意图；

图13是图12另一状态的结构示意图；

图14是本发明实施例7的液流电池用电流断流器的结构示意图；

图15是图14另一状态的结构示意图；

其中，A1、电源组，A11、正极液罐，A12、负极液罐，A13、电泵，A2、电堆组，A3、液流电池用电流断流器；

1、壳体，1.1、流入导流结构，1.11、第一筒体，1.12、进液口，1.2、流出导流结构，1.21、第二筒体，1.22、排液口，2、电解液进口管，3、电解液出口管，4、电流断流部件，4.1、柱形筒体，4.2、旋转柱，4.3、叶片部件，4.31、叶片单件，A、尾部结构，B、叶片，4.4、叶轮，4.41、叶轮片，Q1、第一腔体，Q2、第二腔体，4.5、转子组，4.51、转子，5、连接管，5.1、导管，5.2、连接接头，5.21、通孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以根据权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1：

一种液流电池，其结构示意图详见图3，具体是：包括为电路提供电源的电源组A1以及串联设置在电路中的电堆组A2和支路；

所述电源组A1包括存储电解液的正极液罐A11以及存储电解液的负极液罐A12，所述正极液罐A11和所述负极液罐A12的输出端均设有电泵A13，位于所述正极液罐A11的输出端的所述电泵A13的出口管路上以及位于所述负极液罐A12的输出端的所述电泵A13的出口管路上均至少设有一个液流电池用电流断流器A3(即两台所述电泵A13的出口管路上均设有液流电池用电流断流器A3，液流电池用电流断流器A3的数量可以是一台，也可以是多台)。

所述液流电池用电流断流器A3的结构详见图4和图5，具体是：包括壳体1、为电解液流入所述壳体1提供通道的电解液进口管2、为电解液流出所述壳体1提供通道的电解液出口管3以及将流入所述壳体1的电解液通过旋转方式呈间歇式输出的电流断流部件4，详情是：

所述壳体1包括流入导流结构1.1和流出导流结构1.2，所述流入导流结构1.1包括与所述电解液进口管2连通的第一筒体1.11以及将流入第一筒体1.11内的电解液导入所述电流断流部件3的进液口1.12；所述流出导流结构1.2包括与所述电解液出口管3连通的第二筒体1.21以及将经过所述电流断流部件3的电解液导入所述第二筒体1.21的排液口1.22。所述流入导流结构1.1的中心轴线与所述流出导流结构1.2的中心轴线重叠设置。

所述电流断流部件4包括其上端通过所述进液口1.12与所述第一筒体1.11连通且其下端通过所述排液口1.22与所述第二筒体1.21连通的柱形筒体4.1、与所述流入导流结构1.1同中心轴线设置的旋转柱4.2以及呈螺旋上升式设置在所述旋转柱4.2上且从所述进液口1.12流入的电解液能带动其进行旋转的叶片部件4.3；所述旋转柱4.2和所述叶片部件4.3均设置在所述柱形筒体4.1的内部；所述叶片部件4.3包括与所述排液口1.22重合时能密封所述排液口1.22的尾部结构A(具体是：所述叶片部件4.3包括一组呈螺旋上升式设置的叶片B，所述叶片B包括所述尾部结构A)。

应用本实施例的液流电池用电流断流器，其原理是：电解液经电解液进口管2进入流入导流结构1.1的第一筒体1.11内，再经进液口1.12流进柱形筒体4.1内，此时电解液落至呈螺旋上升式设置的叶片B上，带动叶片B以旋转柱4.2为轴线进行旋转，当叶片B旋转至其尾部结构A与排液口1.22重叠时，会封闭住排液口1.22，使得电解液出现短暂的断流现象；在电解液作用下叶片B继续旋转，叶片B的尾部结构A与排液口1.22错开，电解液从排液口1.22流入流出导流结构1.2的第二筒体1.21内，电解液由电解液出口管3流出。电流断流部件使得电解液呈间歇式一段一段流出。

应用本实施例的液流电池，在电泵出口管上增设液流电池用电流断流器，即可使闭合回路断开，让电解液呈间歇式一段一段的输入各电堆，使电解液管路中的电解液成间歇式断开，即可阻止液流电池因共用电解液而导致的旁路电流，减少电荷损失，提高库伦效率和电池容量，详细参数详见表1。

实施例2

一种液流电池，其与实施例1不同之处仅在于液流电池用电流断流器不同，详见图6和图7，详情如下：所述叶片部件4.3包括上下并列设置的三组叶片单件4.31，所述叶片单件4.31包括一组呈螺旋上升式设置的叶片B，位于最下方的所述叶片B包括所述尾部结构A。

本实施例的液流电池用电流断流器其工作原理与实施例1不同之处在于：经进液口1.12流进柱形筒体4.1的电解液落至位于最上方的叶片B，带动位于最上方的叶片B旋转；接着落入位于下一层的叶片B并带动其旋转，按照此原理，电解液落入位于最下方的叶片B上且带动其旋转，位于最下方的叶片B上的尾部结构A与排液口1.22重叠时，会封闭住排液口1.22，位于最下方的叶片B继续旋转，其上的尾部结构A与排液口1.22错开。

本实施例所得液流电池的工作原理同实施例1，其性能参数详见表1。

实施例3

一种液流电池，其与实施例1不同之处仅在于液流电池用电流断流器不同，详见图8，详情如下：所述电解液进口管2通过连接管5与所述第一筒体1.11连通，所述连接管5包括设置在所述旋转柱4.2内部的导管5.1以及位于所述第一筒体1.11内且与所述导管5.1连通的连接接头5.2。

所述连接接头5.2为半球形结构，且其上设有多个通孔5.21，多个所述通孔5.21的中心轴线呈放射状布置。

液流电池用电流断流器的工作原理与实施例1不同之处仅在于：电解液经设置在旋转柱4.2内的导管5.1以及设置在所述导管5.1端部的连接接头5.2后进入流入导流结构1.1的第一筒体1.11内。

本实施例所得液流电池的工作原理同实施例1，其性能参数详见表1。

实施例4

一种液流电池，其与实施例2不同之处在于液流电池用电流断流器不同，详见图9，详情如下：所述电解液进口管2通过连接管5与所述第一筒体1.11连通，所述连接管5包括设置在所述旋转柱4.2内部的导管5.1以及位于所述第一筒体1.11内且与所述导管5.1连通的连接接头5.2。

所述连接接头5.2为半球形结构，且其上设有多个通孔5.21，多个所述通孔5.21的中心轴线呈放射状布置。

液流电池用电流断流器的工作原理与实施例2不同之处仅在于：电解液经设置在旋转柱4.2内的导管5.1以及设置在所述导管5.1端部的连接接头5.2后进入流入导流结构1.1的第一筒体1.11内。

本实施例所得液流电池的工作原理同实施例2，其性能参数详见表1。

实施例5

一种液流电池，其与实施例1不同之处仅在于液流电池用电流断流器不同，详见图10和图11，具体是：所述壳体1为阀体结构；所述电流断流部件4为活动设置在所述壳体1内的叶轮4.4，所述叶轮4.4包括六片叶轮片4.41，叶轮4.4和壳体1形成的腔体包括相对设置的第一腔体Q1和第二腔体Q2。

多片所述叶轮片4.41的连接件的中心与所述壳体1的中心重叠设置，且多片所述叶轮片4.41尺寸和结构均相同。

本实施例液流电池用电流断流器的工作原理是：电解液从电解液进口管2的第一腔体Q1进入到阀体里，随着电解液的流动，会推动阀体内的叶轮转动；随着叶轮转动，电解液从第二腔体Q2进入到阀体里，使得电解液出现短暂的断流现象；叶轮继续转动，电解液通过电解液出口管3流出阀体。

本实施例所得液流电池的工作原理同实施例1，其性能参数详见表1。

实施例6

一种液流电池，其与实施例5不同之处仅在于电流断流部件不同，详见图12和图13，具体是：所述多个所述叶轮片4.41的连接件的中心与所述壳体1的中心不重叠，且多片所述叶轮片4.41均为沿其长度方向可伸缩的叶轮片。

本实施例液流电池用电流断流器的工作原理同实施例5。

本实施例所得液流电池的工作原理同实施例5，其性能参数详见表1。

实施例7

一种液流电池，其与实施例5不同之处仅在于电流断流部件不同，详见图14和图15，具体是：所述电流断流部件4为设置在所述壳体1内的转子组4.5，所述转子组4.5包括两个旋转方向相反的转子4.51(具体是：位于左侧的转子逆时针旋转，位于右侧的转子顺时针旋转)。

本实施例液流电池用电流断流器的工作原理是：电解液从电解液进口管2进入到阀体里，随着电解液的流动，会推动阀体内的转子转动；随着叶轮转动，两组转子中的一组处于竖直状态且另一组处于水平状态(相互卡合)，使得电解液出现短暂的断流现象；两组转子继续转动，电解液通过电解液出口管3流出阀体。

本实施例所得液流电池的工作原理同实施例5，其性能参数详见表1。

表1现有技术和实施例1-实施例7所得液流电池的性能参数统计表

从表1可以看出：本发明的技术方案(实施例1-7)的支路电流消耗(1.5-2.2A)明显低于现有技术(2.8A)；本发明技术方案(实施例1-7)的电池储能系统的效率(77.3％-80.5％)，有明显提高；本发明技术方案(实施例1-7)的电压一致性(0.21％-0.42％)明显优于现有技术(0.60％)。

综上所述，本发明采用独特的液流电池用电流断流器设计，整体结构精简，且起到很好地断流作用，使得电解液呈间歇式输出，使电解液管路中的电解液成间歇式断开。本发明液流电池采用上述液流电池用电流断流器，可使闭合回路断开，让电解液呈间歇式一段一段的输入各电堆，使电解液管路中的电解液成间歇式断开，即可阻止液流电池因共用电解液而导致的旁路电流，提高电池储能系统的效率和优化电压一致性。

除此之外，基于此原理的其他结构的技术方案也属于本发明保护的范围。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。