氧化还原液流电池系统及控制其的方法技术方案

一种新型的多电池电堆架构，具有特定特征允许关键的水力学、电学和电化学量的数据采集/监测的简单的电学仪器仪表的部署，基于此，操作者或电子控制器能够收集/处理有深度和增强的可靠性的关键信息，用于立即确定处于“忍耐状态”的任何电池，以及最终将它从系统中排除并且用空闲的电池可能地替换它。还公开一种监测/控制全钒氧化还原液流电池系统的操作的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及用于能量存储的氧化还原液流电池系统，该系统采用由系列"压滤"组 装平面元件构成的多电池电化学反应器以形成电池电堆，以及用于监测多电池电堆的每个 电极的操作条件和控制多电池电堆的每个电极的工作的方法。
技术介绍
作为有效的节能系统，氧化还原液流电池系统越来越倍受关注。在众多的氧化还 原对候选者中，全钒氧化还原系统是最优选之一。 已经提出用于氧化还原液流电池系统的电化学反应器，在结构上源自于为一般的 电解过程研制的电化学反应器结构，仅有的适应性考虑的是关于用作电极的材料。 文献GB-A-2, 030, 349,US-A-4, 786, 567,W099/39397,W001/03213,W001/03224,W 001/76000,W002/15317,W003/003483,W003/007464,W003/043170,W02004/079849,EPRI, TechnicalUpdateReportVanadiumRedoxFlowBatteries^(AnIn-depthanalysis), ? _2〇〇7 -电力研宄所公司，US-2〇l2/0156535_Al，W〇2〇l2/001446,W〇2〇l2/〇2〇277， W02012/032368,TO2012/042288 以及特别地文章"Stateofchargemonitoringmethods forvanadiumredoxflowbatterycontrol"，MariaSkyllas-Kazacos，Michael Kazacos，澳大利亚，新南威尔士 2052,悉尼，新南威尔士大学化工学院，能源杂志（Journal ofPowerSources) :196(2011)8822 _ 8827,对本领域的状态提供充分的评论以及对全钒 氧化还原液流系统的控制的特定的仪器装置提供讨论。 典型地，在氧化还原液流存储系统中，除了不考虑在正确的操作条件下气体（h2、 〇2或其它元素）在电极处的排放，除了必须绝对防止或者以微乎其微的程度发生的少数意 外寄生现象，电极自身是化学懒性的（即在它们被电解质溶液浸润的表面处不参与任何改 性）。这些条件使得氧化还原过程支持的离子至活性电极位点的物质传递以及影响在电化 学电池的各个电极处的离子氧化还原作用的动力的电极材料的浸润表面的电化学和物理 特征一起成为最关键的参数。对于这些系统中的很多而言，例如对于全钒（V/V)氧化还原 液流电池系统和类似系统（Fe/V，V/Br，Cr/Fe，Zn/Ce，多硫化物/Br)，为了支持经济上可接 受的电流密度，多孔和液体可渗透的电极是必需的。 此外，在氧化还原存储系统的充电和放电周期的过程中，当从阴极极化向阳极极 化转换时，需要保持电极材料的化学惰性，当关于电解质溶液正极极化时，需要具有相对高 的H+放电过电压，以及当关于电解质溶液负极极化时，需要具有相对高的0H-放电过电压， 使得必须使用碳基电极。 典型的电堆电池组件考虑液体不可渗透的离子渗透膜电池分离器，在膜分离器的 两侧上的相同的多孔和液体可渗透碳毡电极与各个碳基电导性背板电接触，与非导电性框 架（通常由塑料制造）一起分别限定正电解质溶液以及负电解质溶液的各个液流室。 根据在两个端子元件之间电串联的多个电池的双极电堆的通常的架构方式，导电 背板常常为电池内分离器元件。根据可替代的架构方式（W02004/079849)，多电池电堆组件 的导电背板分离交错的多个相同符号的液流室，并行电连接的两面电极。 至电极的物质传递必须由经由各个多孔电极室的两种电解质溶液的强制液流来 辅助。当然，泵抽电解质溶液表示"无源功率"，"无源功率"大大地减损能量存储的每个完 整周期的总功率产量。 一般地，由于氧化还原液流存储系统的不直接将存储容量限制为电化学反应器的 大小特性，它们理想地适宜于电网操作者的大型存储设备，电网操作者必须管理越来越大 量的连接至电网的非连续的可再生能源（如光伏和风力发电机）。 然而，大额定功率不可避免地要求大电池（即规划的电极区域）为电池的操作的 最大电流密度，最大电流密度由影响在电极处的离子充电和放电反应动力学的因素以及由 于电池内阻导致的内部电压降所限制，电池内阻趋向在过度高的电流密度处急剧增加。 当电流密度增加或者当电池电压降低时，电解质溶液的强制流速增加，以通过增 加部分压缩的碳毡的多孔物质的冲洗而增强在电极处的反应动力，尽管耗费更多的功率 (无源功率）。 通常地，电解质溶液经由一个或多个入口端口进入电池室，一个或多个入口端口 沿大体上矩形的非导电框架或者模塑背板的非导电的（空载的塑料）框架部分的一侧分 布，模塑背板具有由可模塑的碳载导电聚集体制得的中心部分（电池区域），以及电解质 溶液经由一个或多个出口端口退出电池室，一个或多个出口端口沿非导电框架的相对侧分 布。泵辅助循环强制溶液经由可渗透的碳毡电极，可渗透的碳毡电极充分地填充整个电池 区域，以不留下不由部分压缩的毡阻塞的分流路径。 尽管增加了压降，离子渗透膜电池分离器和电导性背板之间的部分压缩的毡电极 在保持整个电池区域上足够的电接触方面是必需的，整个电池区域能够提升工作电极的实 质等电位，尽管还有其它方式尝试提供好的接触。 由于电化学和化学耐性的考虑，众多不同的必需条件的影响和对可用导体的选择 的严格限制使得从业者在透气性方面（耐液体流）对抗压缩毡固有的非匀质性，不可避 免地在多孔电极体材中创建了优先流径，使得部分电极对还原（或氧化）离子处于"缺失 (starved)"状态，造成其他部分在不同比例增加的电流密度下工作并由此在不可预测变化 的方式下开始缺失。电解质溶液的过量泵抽，除了显著降低能源效率外，几乎不解决该问 题，并且在一定条件下甚至可能没有效果。 急剧地降低电池的最大额定电流密度可以大大地缓解这些问题，但是增加电池区 域的要求对投资具有较大影响，这个要求可以使氧化还原液流系统的选择在竞争上不合 算。 负电解质溶液的过充导致氢气的排放，正电解质的过充导致氧气的排放，氧气对 于碳毡电极是有破坏性的，此外通常使用的离子渗透膜阻止明显循环的溶液的不可避免的 体积和离子非平衡，这要求两个电路的周期性再平衡。 已经提出很多仪器来提供关于电化学过程在碳毡电极处发生的条件的信息，其中 可能提到： a)通过普通的电压计或等效的仪器测量的个体电池的操作电压（在双极电池电 堆的情况下，提供专用的外部电动电压探针线接触每个电池内导电板）。实践对于测试是可 行的，但是因为采用这种布线有腐蚀和/或漏电的联合风险，很难在商业设备中兼容； b)通过普通的电流计或等效的仪器测量的经由串联工作的电池的电流； c)典型地通过在测量电池中循环两种电解质溶液测量的电池的开路电压； d)通过测量浸没在电解质溶液中的探针和浸没在实质上处于零电荷状态的参考 溶液中的参考探针之间的电压差，或者通过电解质溶液的比色分析，或者通过电导率测量 得到的电解质溶液的电荷状态； e)通过化学分析得到的在两种不同的电解质溶液中的溶剂和离子种类的物质平 衡的修正。 到目前为止，即使最大量地部署精密仪器和电学、化学和电化学参数的评估技术， 其会影响充电和放电过程在电池中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于能量存储的氧化还原液流电池系统，包括：电解质溶液的强制循环的不同的正电解质溶液电路和负电解质溶液电路，所述电解质溶液经由多个单极电池电堆的各个液流室入出存储罐，所述各个液流室分别容纳被液体不可渗透的离子渗透膜分离开的正毡电极和负毡电极，所述多个单极电池电堆在正DC端子和负DC端子之间电串连，其中的每个单极电池电堆或者每个单位电池具有液动地连接至所述两种电解质溶液的各个分配线的入口喷嘴和出口喷嘴，每个单极电池电堆包括交错的多个正极背板和负极背板，每个背板具有从各个液流室突出的电连接柄或尾部，所述电连接柄或尾部连接至各个外部DC母线，组装以构成多电极多室的单极电池电堆，其特征在于，所述系统包括：特征类似于所述电池电极的特征的探针电极，所述探针电极浸没在所述两种流动式电解质溶液中的每一种中，在其中的单极电池电堆或单位电池的各个入口和/或出口处，用于测量工作电池的开路电压(OCV)；所述单极电池电堆的总电池电压(TCV)的外部测量器具；分别测量浸没在所述流动式负电解质溶液中的探针电极和所述单极电池电堆的所述正极背板之间，以及浸没在所述流动式正电解质溶液中的探针电极和所述单极电池电堆的所述负极背板之间的两个电压差(pV，nV)的外部测量器具；分别测量所述工作电压(TCV)和所述两个电压差(pV，nV)之间的差的外部测量器具；所述测量的量和电压差的数据处理装置，所述数据处理装置适于发信号显示在任何所述单极电池电堆中的临界阈值的异常超出。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】

【专利技术属性】
技术研发人员：普拉西多·玛利亚·斯帕齐安特，迈克尔·蒂山德，
申请(专利权)人：海卓瑞道克斯技术控股有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB