一种液流电池用压力平衡阀的制作方法

本发明属于电化学液流电池技术领域，具体涉及一种液流电池用压力平衡阀。

背景技术：

液流电池是通过反应活性物质的价位变化实现存储功能，即通过电荷穿越正负极间的电解质隔膜的方式来实现电池充放电。电解质隔膜是一种具有离子选择透过的高分子功能膜，隔膜的材料性能要求通过其两侧的流体压力差不能超过某一数值，需要对流经隔膜两侧的流体压力进行平衡处理。增加压力平衡阀后，可以有效地对电池电解液进口压力进行平衡，消除压力尖点，补偿压力低点，保证电池两侧压力差在可接受范围内波动，起到平衡电池两侧压力的作用，以及保护正负极昂贵的离子交换膜的作用。

常规的流体压力平衡方式可采用稳压阀结构，稳压阀是采用控制阀体内的启闭件的开度来调节介质的流量，将介质的压力稳定于一定范围内，在进口压力不断变化的情况下，保持出口压力在设定的范围内。常规的稳压阀主要由调节弹簧、膜片、活塞、阀座、阀瓣等零件组成，利用膜片驱动阀瓣，控制阀瓣开度完成流体的减压稳压功能。

除此之外，中国专利CN201010604524.3中也提供了一种压力平衡阀，主要用于冷热水管路的压力平衡。该结构在冷热水之间增加一个可移动滑块，冷热进水管的压力变化促使滑块在冷热水管之间移动，以此来实现冷热水之间的压力平衡。但该压力平衡阀主要用于对的出口压力进行减压平衡，不能实现两路管路间的压力实时平衡，稳压阀一般结构较复杂，成本较高，且通常不能应用于高温酸性环境中。专利CN201010604524.3的结构主要用于冷热水压力平衡，不能应用于酸碱性环境中，且通过滑块的移动来试验压力的平衡有一定的滞后性，不能满足压力实时平衡要求。滑块移动摩擦会降低其使用寿命，且摩擦产生的粉末及颗粒物会污染电池堆的电解液，进而堵塞电池堆的流道。

技术实现要素：

本发明为解决现有技术中的上述问题，提出一种结构简单、性能安全可靠且生产成本低的液流电池用压力平衡阀。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种液流电池用压力平衡阀，包括：

两对称设置的阀体，所述阀体分别具有一腔室，两腔室的开口呈相对设置；

电解液流道，其设置于所述腔室两端侧，分别包括设置于一腔室两端侧的正极电解液进口和正极电解液出口，以及设置于另一腔室两端侧的负极电解液进口和负极电解液出口；和

柔性隔膜，其密封设置于两阀体之间，以将两相对设置的腔室进行封闭隔离，使得所述正极电解液进口、一阀体、柔性隔膜和正极电解液出口形成正极电解液流道，所述负极电解液进口、另一阀体、柔性隔膜和负极电解液出口形成负极电解液流道；

使用时，所述正极电解液流道和负极电解液流道中的电解液流体相隔所述柔性隔膜柔性接触，当柔性隔膜两侧的电解液流体出现流体压力差时，高压侧的电解液流体迫使所述柔性隔膜向低压侧发生形变，直至所述柔性隔膜两侧的电解液流体压力平衡。

进一步地，在所述液流电池用压力平衡阀上，所述正极电解液进口和所述负极电解液进口分别位于所述阀体的同一侧，所述正极电解液出口和所述负极电解液出口分别位于所述阀体的另一侧。

进一步地，在所述液流电池用压力平衡阀上，所述柔性隔膜与两阀体之间通过环形密封件进行密封连接。

进一步地，在所述液流电池用压力平衡阀上，所述两对称设置的阀体之间通过紧固件连接。

进一步地，在所述液流电池用压力平衡阀上，所述柔性隔膜采用三元乙丙橡胶材质。

进一步地，在所述液流电池用压力平衡阀上，所述柔性隔膜的厚度为0.8-1.0mm。

进一步地，在所述液流电池用压力平衡阀上，所述柔性隔膜的中部为波纹状结构，构成所述柔性隔膜的变形区。

进一步地，在所述液流电池用压力平衡阀上，所述正极电解液出口对应连通于液流电池的正极电解液进液口；以及所述负极电解液出口对应连通于液流电池的负极电解液进液口。

进一步地，在所述液流电池用压力平衡阀上，所述正极电解液进口通过循环泵与正极电解液储罐连通；以及所述负极电解液进口通过循环泵与负极电解液储罐连通。

本发明采用上述技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

本发明液流电池用压力平衡阀通过对常规的压力平衡阀的改进创新，率先使用于液流电池中，能较好地满足液流电池对流体压力需要瞬时平衡的要求，同时能够提高电池性能，延长电池寿命；首先，将柔性隔膜与两组腔室之间分别通过环形密封件密封，腔室之间通过紧固件紧固，可以完全实现两组腔室间的隔绝密封，同时还能保证腔室与外界密封要求，确保电解液无泄漏无渗漏；其次，柔性隔膜中间区域的波纹状结构能够保证平衡阀腔室体积随流体压力变化进行快速地跟随变化，流体压力变化瞬时转化为体积变化，进一步再转化为平衡阀的出口压力变化，可以真正地瞬时做到对正负极流体压力进行平衡，确保液流电池结构及性能不受进口的流体压力变化影响；最后，采用三元乙丙橡胶等材质的柔性隔膜能够完全适用于液流电池中具有酸碱性质的流体介质环境，同时也适用于其它常规无腐蚀性流体介质环境，以及适用于-20～100℃温度环境要求。

此外，经过100小时运行测试，压力平衡阀实现液流电池的正负极两侧压力基本平衡，满足液流电池堆正负极进口压差不超过15kPa要求，电池充放电性能稳定。

综上所述，本发明的液流电池用压力平衡阀结构简单、工艺可行、安装方便、性能稳定、成本低廉，可以有效地提高液流电池运行的安全性，保证其功能的稳定与可靠，延长使用寿命，有利于液流电池的大规模工业生产和运营。

附图说明

图1为本发明一种液流电池用压力平衡阀的外形结构示意图；

图2为采用本发明液流电池用压力平衡阀的液流电池系统布局示意图；

图3为本发明一种液流电池用压力平衡阀的剖面结构示意图；

图4为本发明一种液流电池用压力平衡阀中柔性隔膜的结构示意图。

其中，11-正极电解液进口，12-负极电解液进口，13-正极电解液出口，14-负极电解液出口，15-阀体，16-紧固件；20-压力平衡阀，201a-正极电解液进口，201b-负极电解液进口，202a-正极电解液出口，202b-负极电解液出口，22-阀体，221a-正极平衡腔室，221b-负极平衡腔室，222a-上环形密封件，222b-下环形密封件，223-柔性隔膜，223a-平面区，223b-波纹面区；101a-正极电解液储罐，101b-负极电解液储罐，102a-正极循环泵，102b-负极循环泵，301a-液流电池正极，301b-液流电池负极，301c-液流电池电解质隔膜。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍，以使更好的理解本发明，但是下述实施例并不限制本发明范围。

实施例1

如图1所示的液流电池用压力平衡阀，包括两对称设置的阀体15，，并通过紧固件16连接；阀体15分别具有一腔室，分别为正极压力平衡腔室221a和负极压力平衡腔室221b，两腔室221a和221b的开口呈相对设置；电解液流道，其设置于腔室两端侧，分别包括设置于一腔室两端侧的正极电解液进口11和正极电解液出口13，以及设置于另一腔室两端侧的负极电解液进口12和负极电解液出口14，并将正极电解液进口11和负极电解液进口12分别位于阀体的同一侧设置，以及将正极电解液出口13和负极电解液出口14分别位于阀体的另一侧设置；还包括柔性隔膜(图中未示出)，其密封设置于两阀体15之间，以将两相对设置的腔室进行封闭隔离，使得正极电解液进口11、一阀体15、柔性隔膜和正极电解液出口13形成正极电解液流道，负极电解液进口12、另一阀体15、柔性隔膜和负极电解液出口14形成负极电解液流道。

在本实施例中，阀体15上开设的腔室为筒状或长方体状结构或其他结构形状。其中，在该液流电池用压力平衡阀上，柔性隔膜与两阀体之间通过环形密封件进行密封连接。此外，柔性隔膜采用三元乙丙橡胶材质，柔性隔膜的厚度为0.8-1.0mm。

本实施例的液流电池用压力平衡阀在使用时，正极电解液流道和负极电解液流道中的电解液流体相隔柔性隔膜柔性接触，当柔性隔膜两侧的电解液流体出现流体压力差时，高压侧的电解液流体迫使柔性隔膜向低压侧发生形变，直至柔性隔膜两侧的电解液流体压力平衡。

实施例2

如图2所示结构的液流电池用压力平衡阀，从该液流电池用压力平衡阀20的剖面来看，包括两对称设置的阀体22，并通过紧固件连接；两阀体分别具有正极平衡腔室221a和负极平衡腔室221b，两个平衡腔室221a和221b的开口呈相对设置；电解液流道，其设置于腔室221a和221b的两端侧，分别包括设置于正极平衡腔室221a两端侧的正极电解液进口201a和正极电解液出口202a，以及设置于负极平衡腔室221b两端侧的负极电解液进口201b和负极电解液出口202b，并将正极电解液进口201a和负极电解液进口201b分别位于两阀体22的同一侧设置，以及将正极电解液出口202a和负极电解液出口202b分别位于阀体22的另一侧设置；如图2所示，还包括柔性隔膜，其密封设置于两阀体22之间，以将两相对设置的腔室221a和221b进行封闭隔离，使得正极电解液进口201a、正极平衡腔室221a、柔性隔膜和正极电解液出口202a形成正极电解液流道，负极电解液进口201b、负极平衡腔室221b、柔性隔膜和负极电解液出口202b形成负极电解液流道；

同样地，在本实施例中，正极平衡腔室221a和负极平衡腔室221b为筒状或长方体状结构或其他结构形状，任选的可根据实际生产需要进行设计。而且柔性隔膜223分别通过上环形密封件222a和下环形密封件222b与上下两个阀体22之间进行密封连接，从而实现通过柔性隔膜223将两个相对设置的腔室221a和221b分割成两个独立的腔室。此外，柔性隔膜采用三元乙丙橡胶材质，柔性隔膜的厚度为0.8-1.0mm。

如图3所示为平衡柔性隔膜的结构。柔性隔膜223表面形状由平面区223a和波纹面区223b组成，其中平面区223a为柔性隔膜223的固定密封区，波纹面区223b为柔性隔膜223变形区，柔性隔膜通过平面区223a、上下环形密封件(222a、222b)与平衡腔体(221a、221b)贴合接触密封。

该实施例的液流电池用压力平衡阀在使用时，正极电解液流道和负极电解液流道中的电解液流体相隔柔性隔膜223柔性接触，当柔性隔膜223两侧的电解液流体出现流体压力差时，柔性隔膜223对其中一侧的流体压力进行平衡补偿，当其中一路流体突然出现高压或低压波动时，高压侧的电解液流体迫使柔性隔膜223的波纹面区223b向低压侧发生形变，柔性隔膜223会通过自身变形把高压侧向低压侧释放，其结果是高压侧平衡腔体体积变大，低压侧平衡腔体体积变小，对应流出平衡阀后的高压流体压力降低，低压流体压力升高，直至柔性隔膜223两侧的电解液流体压力平衡，即流出正负极出口通道中的流体间的压力差趋于稳定在允许范围内。

应用实例

如图4所示结构的液流电池系统，其采用本发明的液流电池用压力平衡阀，该带压力平衡阀的液流电池系统包括正负极电解液储罐101a、101b，正负极循环泵102a、102b，压力平衡阀20，液流电池301。其中液流电池由正极组件301a、负极组件301b和电解质隔膜301c构成。正负极储罐101a、101b中的电解液分别通过正负极循环泵102a、102b注入压力平衡阀20中，经过压力平衡20后的电解液注入液流电池301电解液通道内，在液流电池301中完成充放电后回流至电解液储罐101a、101b，以上各部件通过管路连接。

其中压力平衡阀20包括两对称设置的阀体22，并通过紧固件连接；两阀体分别具有正极平衡腔室221a和负极平衡腔室221b，两个平衡腔室221a和221b的开口呈相对设置；电解液流道，其设置于腔室221a和221b的两端侧，分别包括设置于正极平衡腔室221a两端侧的正极电解液进口201a和正极电解液出口202a，以及设置于负极平衡腔室221b两端侧的负极电解液进口201b和负极电解液出口202b，并将正极电解液进口201a和负极电解液进口201b分别位于两阀体22的同一侧设置，以及将正极电解液出口202a和负极电解液出口202b分别位于阀体22的另一侧设置；如图2所示，还包括柔性隔膜，其密封设置于两阀体22之间，以将两相对设置的腔室221a和221b进行封闭隔离，使得正极电解液进口201a、正极平衡腔室221a、柔性隔膜和正极电解液出口202a形成正极电解液流道，负极电解液进口201b、负极平衡腔室221b、柔性隔膜和负极电解液出口202b形成负极电解液流道；

在本实施例中，所采用的柔性隔膜223表面形状由平面区223a和波纹面区223b组成，其中平面区223a为柔性隔膜223的固定密封区，波纹面区223b为柔性隔膜223变形区，柔性隔膜通过平面区223a、上下环形密封件(222a、222b)与平衡腔体(221a、221b)贴合接触密封。

压力平衡阀包括正负极压力平衡阀体15、柔性平衡隔膜、一组用于正负极阀体相互密封的环形密封件、一组正负极进口通道11和12、一组正负极出口通道13和14。柔性隔膜采用三元乙丙橡胶，该三元乙丙橡胶是一种柔性耐温绝缘材料，柔性隔膜厚度控制在0.8-1.0mm。柔性隔膜中间区的波纹面区为变形区，为增大压力平衡阀的压力平衡范围以及压力平衡精度，柔性隔膜中间区域预制为波纹结构形状。波纹结构形状可以较大幅度地增加正负极平衡腔室体积变化量，同时可以实现柔性隔膜自由地向任一方向平衡腔室变形，且柔性隔膜在变形过程中产生的反向收缩张力较小，极大地提高了压力平衡阀的压力平衡灵敏度。本实施例在压力平衡阀的作用是最大程度上消除正负极电解液流体间的压力差波动，抵消流体中的压力峰值，补偿压力谷值。保护液流电池电解质隔膜不被损坏或变形，有利于提高电池寿命。

本实施例的工作原理为：正负极电解液储罐101a和101b中的电解液分别通过正负极循环泵102a、102b注入压力平衡阀20中，经过压力平衡阀20平衡后的正负极电解液匀速恒压注入液流电池301正负极电解液通道内，在液流电池中完成充放电后分别回流至正负极电解液储罐101a、101b中。具体地，正负极电解液分别通过平衡阀进口通道流入压力平衡阀后，柔性隔膜对流体压力进行平衡补偿，当其中一路流体突然出现高压或低压波动时，柔性隔膜会通过自身变形把高压向低压释放，其结果是高压侧平衡腔室体积变大，低压侧平衡腔室体积变小，对应流出平衡阀后的高压流体压力降低，低压流体压力升高，即流出正负极出口通道中的流体间的压力差趋于稳定在允许范围内。

本发明通过在电池电解液进口处增加压力平衡阀，可有效解决液流电池正负极进口电解液压力不平衡的技术问题，提高电池寿命和电池性能的稳定性。解决了现有技术中由于液流电池正负极电解液循环泵出口压力有波动，造成液流电池电解质隔膜两侧存在较大压力差波动，导致隔膜塑性变形或疲劳破损，最终致使电池充放电效率降低甚至短路损坏的问题。

以上对本发明的具体实施例进行了详细描述，但其只是作为范例，本发明并不限制于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言，任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此，在不脱离本发明的精神和范围下所作的均等变换和修改，都应涵盖在本发明的范围内。