具有箱内电解质再平衡的密封的水相液流电池系统技术方案

一种包括采用无源的、箱内电解液复合系统的密封的水相液流电池的电池系统。该复合系统允许在其中氢析出可以作为副反应发生而不必使用任何外部供应的再平衡反应物的电池中的电解液稳定。该系统是无源系统，其不需要控制系统、额外的泵或泵送能量。

Sealed aqueous phase liquid flow battery system with electrolyte rebalance in the box

A battery system including a sealed aqueous phase liquid flow battery using a passive, in tank electrolyte composite system. The composite system allows the stability of the electrolyte in the battery in which hydrogen can be precipitated as a side reaction without the use of any rebalance reactant from any external supply. The system is a passive system, which does not require control system, additional pumps or pumping energy.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】具有箱内电解质再平衡的密封的水相液流电池系统相关申请和政府权利此申请要求于2015年10月9日提交的美国临时专利申请序列号62/239,469的优先权。在由美国能源部授予的合同号DE-AC04-94AL85000下在政府的支持下完成了此专利技术。政府具有本专利技术的某些权利。
此专利技术涉及包括采用无源、箱内电解液复合系统的密封的水相液流电池(battery)的电池系统。该复合系统允许在其中氢析出可以作为副反应发生而不必使用任何外部供应的再平衡反应物的电池中的电解液稳定。该系统是无源系统，其不需要控制系统、额外的泵或泵送能量。
技术介绍
液流电池以化学形式存储电能并且随后经由自发的逆向氧化还原反应以电的形式分配存储的能量。还原-氧化(氧化还原)电池是电化学存储装置，其中，含有一个或多个溶解的电活性物质的电解液流过其中化学能被转换为电能的反应器单元(cell)。相反地，可以使经放电的电解液流过反应器单元，使得电能被转换为化学能。液流电池中所使用的电解液一般由离子化的金属盐组成，离子化的金属盐被存储在大的外部箱中并且根据施加的充电/放电电流通过单元的每侧来泵送。可以通过泵送、重力馈送或者通过使流体通过该系统移动的任何其他方法使外部存储的电解液流过该电池系统。液流电池中的反应是可逆的，并且电解液可以被再充电而无需更换电活性材料。因此，氧化还原液流电池的能量容量与总电解液容积(例如，储存箱的尺寸)有关。在全功率下氧化还原液流电池的放电时间还取决于电解液容积并且通常从数分钟至许多天变化。无论是在液流电池、燃料单元还是二次电池的情况下，执行电化学能量转换的最小单位一般被称为“单元”。集成串联或并联电耦合的许多此类单元以取得较高电流或电压或两者的装置一般被称为“电池”。如本文所使用的，术语“电池”可以指单个电化学单元或多个电耦合的单元。如同传统电池，在液流电池系统中，单元可以被“堆叠”在一起以实现期望的功率输出。因此，术语“单元”和“电池”在本文中可以被可互换地使用。由于电解液被外部存储，所以可以由液流电池存储的能量的量主要由化学物质的溶解度和箱的尺寸来确定。箱的尺寸和存储容量可以被容易地缩放。真正的液流电池将所有化学物质流过该电池并存储在外部箱中，并且因此能量和容积容量可以被独立地定尺寸。钒氧化还原液流电池是真正液流电池的示例，并且近年来受到最多关注。在混合液流电池中，化学状态中的至少一个诸如通过析出为金属而驻留在堆叠内。混合液流电池的一个示例是锌-溴电池，其中析出锌金属。在这些系统中，功率和能量容量是耦合的，并且电镀密度(platingdensity)影响能量/功率容量比率。在要求电能存储的许多技术中可以利用氧化还原液流电池。例如，可以利用氧化还原液流电池用于夜间电力(其生产是廉价的)的存储，以随后在当电力生产成本较高或者需求超过当前生产能力时的高峰需求期间提供电力。还可以利用此类电池用于绿色能量(即，从诸如风、太阳能、波浪或者其他非常规能源生成的能量)的存储。靠电力操作的许多装置受到其电源突然去除的不利影响。液流氧化还原电池可以被用作代替较昂贵的备用发电机的不间断电源。有效率的功率存储方法可以被用于构造具有内置备用的装置，内置备用减轻功率切断或突然功率故障的影响。功率存储装置还可以减少发电站处故障的影响。其中不间断电源可以具有重要性的其他情况包括但不限于其中不间断功率至关紧要的建筑，诸如医院。还可以利用此类电池用于在发展中国家提供不间断电源，发展中国家中的许多没有可靠的电功率源，这造成间歇式功率可用性。针对氧化还原液流电池的其他可能使用是在电动车辆中的使用。电动车辆通过更换电解液可以被迅速地“再充电”。电解液可以独立于该车辆而被再充电并再利用。存在对可靠的、低成本能量存储的显著需求。例如，对于风和太阳能发电站来说，需要大规模能量存储来提供连续的输出功率。由于相比于其他能量存储形式的许多优点，水相液流电池技术已受到再次关注。在开发水相液流电池系统时主要难题中的一个是由不期望的氢生成(其根据以下方程式1可以发生在负电极处)引起的电解液不平衡。特别是在全铁混合液流电池中，氢生成和关联的电解液不平衡(例如，潜在反应在pH变化中)是待解决的关键问题。见L.W.Hruska和R.F.Savinell“InvestigationofFactorsAffectingPerformanceoftheIron-RedoxBattery”电化学学会杂志，卷423，期1976，页18，1981。全铁液流电池根据方程式2中示出的总反应操作，全铁液流电池与当前主流的系统(例如，全-钒、铁-铬、锌-溴)相比具有显著的成本和安全优势。2H++2e→H2E0＝0.0V(1)当氢生成导致pH升得过高时(即，当从溶液中去除过多质子时)，电池反应物(Fe2+和Fe3+)可以反应形成铁的氢氧化物，其从溶液中沉淀析出。此类现象导致性能劣化并且必须被避免以便实现长的装置寿命。临界pH值是大约pH＝2.0，超过该值，Fe3+反应形成由化学式Fe(OH)3近似给出的氢氧化物。那些反应由方程式3和4示出。氢氧化物物质从溶液沉淀析出，形成固体颗粒，其可以通过堵塞表面和孔隙而使膜和电极中毒。对于长期电池操作来说，必须使用电解液再平衡方法以便将氢(即，质子)带回到溶液中，以保持pH受控制。除维持可接受的质子平衡以外，为了平衡三价铁离子(Fe3+)的浓度也需要再平衡。没有此类再平衡，产生通常与作为氢损失掉的质子量成比例的过量的三价铁离子。由于由氢导致的这种不平衡的双重性质(即，同时性的质子损失和三价铁离子增加)，通过添加酸诸如盐酸(HCl)的体pH(bulkpH)控制不是彻底的或有效的策略，因为其并不减少三价铁离子。因此，全面的且更优选的方法是包括经由以下反应(5)的完全再平衡：Fe2++2OH-→Fe(OH)2(3)Fe3++3OH-→Fe(OH)3(4)2Fe3++H2→Fe2++2H+(5)已经在该文献中描述了用于电解液再平衡的数种方法，但其全都增加相当多的成本和复杂性，并且大多数系统涉及将化学物质从外部供应引入到该系统中。这些反应物需要被泵送(用于液体)或者用压力调节器(用于气体)来控制，这要求大量的额外的硬件和控制系统。此类构造非常不适合用于意图以最少的维护和低成本持续长时间的装置。
技术实现思路
本技术提供电池系统，其包括被设计用于无源、箱内电解液复合的反应器和被设计用于密封的液流电池系统的无源的、基于扩散的复合过程。在一个方面，本专利技术包括用于使该系统中的电解液再平衡的密封的水相电池系统。该液流电池系统包括电解液系统(其生成作为充电/放电反应的部分的氢)和被布置在正电解液贮液器中的反应器。反应器被配置为将由电池系统生成的氢转换为质子。在一个实施例中，密封的水相液流电池包括被设计用于箱内电解液复合的反应器。在一个实施例中，反应器包括用于与氢反应的电极。在一个实施例中，反应器被部分浸没在正电解液贮液器中。在一个实施例中，反应器包括膜电极组件，其被部分浸没在正电解液贮液器中。在另一实施例中，反应器包括膜电极组件的阵列。在又一实施例中，反应器包括毛细作用电流池反应器(capillaryactiongalvanicreactor，CGR)。在另一实施例中，反应器包括C本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种密封的水相液流电池系统，其包括：电解液系统，其包括含有负电解液的负电解液贮液器和含有正电解液的正电解液贮液器；充电/放电反应单元，其具有被布置在反应腔室内的隔离件和所述隔离件的相对侧上的独立的流体连接件，以从所述负电解液贮液器接收所述负电解液并从所述贮液器接收所述正电解液；以及氧化反应器，其被定位成至少部分地与所述正电解液贮液器中含有的流体接触，其中，所述氧化反应器接收由所述电池系统的充电/放电反应生成的氢气，并且向所述电池系统供应质子。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.09 US 62/239,4691.一种密封的水相液流电池系统，其包括：电解液系统，其包括含有负电解液的负电解液贮液器和含有正电解液的正电解液贮液器；充电/放电反应单元，其具有被布置在反应腔室内的隔离件和所述隔离件的相对侧上的独立的流体连接件，以从所述负电解液贮液器接收所述负电解液并从所述贮液器接收所述正电解液；以及氧化反应器，其被定位成至少部分地与所述正电解液贮液器中含有的流体接触，其中，所述氧化反应器接收由所述电池系统的充电/放电反应生成的氢气，并且向所述电池系统供应质子。2.根据权利要求1所述的液流电池系统，其中，包括多个反应器。3.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述反应器是毛细作用电流反应器和膜电极组件中的一个。4.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述反应器包括多个膜电极组件。5.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述反应器与以下呈流体接触：a)向所述正电解液贮液器的顶空提供的氢气和b)所述正电解液。6.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述反应器包括多孔材料。7.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述反应器处于以下中的至少一个：自由浮在所述正电解液上和部分浸没在所述正电解液中。8.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述反应器包括氢电极和铁电极。9.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，催化剂承载在多孔的电极的单个端部上。10.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述反应器包括催化剂，所述催化剂包括铂、钯、铱和钌中的至少一种。11.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述反应器包括暴露于所述正电解液中的金属离子的溶液相反应的碳材料。12.根据任意一项前述权利要求所述的液流电池系统，其中，所述正电解液贮液器的顶空经由氢气导管而被连接，以接收从所述负电解液贮液器上方的顶空提供的...

【专利技术属性】
技术研发人员：史蒂文·塞尔韦斯通，杰西·S·温赖特，罗伯特·萨维内尔，
申请(专利权)人：凯斯西储大学，
类型：发明
国别省市：美国,US