【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术整体涉及氧化还原液流电池组，并且更具体地涉及具有电化学平衡电池的氧化还原液流电池组，该电化学平衡电池组联接在允许直接混合电解液的电解液存储罐之间。
技术介绍
1、储能系统在从各种来源收集能量方面起关键作用。这些储能系统可用于储存能量并将其转化以用于许多不同应用中，诸如建筑、运输、公共服务和工业。商业上已经使用了多种储能系统，并且当前正在开发新系统。储能系统可被分类为电化学和电池组、热、热化学、飞轮、压缩空气、抽水蓄能、磁、生物、化学和氢能储存。需要开发成本有效且生态友好的储能系统来解决能源危机并克服发电和最终使用之间的不匹配。
2、可再生能源，诸如风能和太阳能，具有瞬变特性，因为它们依赖于环境条件并且因此需要相关的储能器。电池组储能系统(bess)，诸如氧化还原液流电池组(rfb)在大规模固定应用(诸如电网规模的电力存储)中引起了显著关注。rfb是电化学储能系统，其将化学能可逆地直接转化为电力并且通常由两个外部存储罐、两个循环泵和具有分离膜的流动电池组成，该外部存储罐填充有包含金属离子的活性材料，该金属离子可以处于不同价态，该分离膜位于阳极和阴极之间并且用于分离阳极电解液和阴极电解液，以及通过允许平衡离子的转移来利用电流回路。阳极电解液、阴极电解液、阳极和阴极通常分别被称为负电解液、正电解液、负电极和正电极。
3、在迄今为止开发的所有氧化还原液流电池组中，全钒氧化还原液流电池组(vrfb)已被最广泛地研究。vrfb在两个半电池中使用相同的活性物质(钒)，从而防止电解液通过在膜处的交叉而从一个半电
4、全铁氧化还原液流电池组(ifb)由于使用低成本和大量可用的铁、盐和水作为电解质以及该系统的无毒性，而对于电网规模的储存应用特别有吸引力。ifb具有不同价态的铁，分别作为正电极和负电极的正极电解质和负极电解质。存储在外部存储罐中的铁基正极电解质溶液和铁基负极电解质溶液流过电池组的堆叠体。阴极侧半电池反应涉及在充电期间fe2+失去电子以形成fe3+并且在放电期间fe3+获得电子以形成fe2+；该反应由式1给出。阳极侧半电池反应涉及固体板形式的铁的沉积和溶解；该反应由式2给出。总反应示于式3中。
5、氧化还原电极：
6、电镀电极：
7、总：
8、全铁rfb通常与酸性电解液一起操作，该酸性电解液在阳极处产生氢气作为寄生副反应。该反应从负电解液中除去质子以形成氢气，其具有产生电池组的荷电状态的不平衡的净效应，并导致电解液系统的ph连续增加。最终，如果没有补救措施，则电池组的荷电状态的这种不平衡或电解液的ph增加将导致电池故障。
9、在rfb的正常操作期间，小的低效率可在电池组的寿命期间产生大问题。这些问题可能源于许多原因，诸如：活性物质跨膜交叉、寄生副反应或电池组的不完全放电。即使小的低效率也可能最终导致在被设计成持续多于20,000次循环的产品中性能差的电池组。因此，需要一种能够校正这些低效率的方法。这些问题的一个解决方案是将电解液混合在一起以重新平衡和更新系统。典型地，这可以涉及完全混合电解质溶液(阳极电解液和阴极电解液)。然后将电解液适当地再分配成初始体积。该过程通常矫正rfb中的许多问题，包括由渗透压驱动的体积差异、活性物质和支持电解质的再分布以及两侧上的ph调节。一旦将阳极电解液和阴极电解液混合在一起，所得溶液就含有初始阳极电解液和阴极电解液中的组分的平均浓度。
10、维持氧化还原液流电池组内的最佳操作条件通常需要工程控制以管理电池组的健康和相对的电解液的健康。在全铁氧化还原液流电池组中，与电池组循环相关联的系统低效性可导致阴极电解液中的铁阳离子的累积，其如果不受管理则可导致电池组容量降低。
11、40多年来，h2(g)的寄生进化一直是与氧化还原液流电池组技术相关联的技术挑战。在1979年，thaller报道了铁-铬rfb中的再平衡电池对于解决铬电极处的微量反应(氢析出)的重要性。收集所有电池内生成的h2并将其引导至再平衡电池的氢(阳极)电极，并且再平衡电池的阴极接收来自系统其余部分的fe2+/fe3+流。在再平衡电池中发生的电化学反应与在氧化还原电池中发生的和自调节(受总h2可用性限制)的不期望反应相反。h2/fe3+再平衡电池的开路电压为0.7v，因此在再平衡过程中产生能量而不是消耗能量，从而展示出h2的电化学重组。在2005年，noah报道了使用相同的再平衡原理来改善常规电积铜工艺的效率，该工艺使用水解反应作为阳极电子源。为了改善能量效率，提出了亚铁离子氧化的另选阳极反应，并且使用h2作为铁阳离子的有效还原剂。在thaller的成果中，电解液中的铁阳离子和h2气体在电化学电池中彼此相邻通过、由膜分开，而noah则不同，其利用滴流床柱反应器，展示出催化还原铁阳离子，通过将电解质溶液从储存器泵送到反应器顶部来循环铁离子电解液。电解液在重力作用下通过床排出并进入反应器正下方的储存器中。通过底部处的小管将h2引入到床，并向上流过床并通过出口管排出。
12、用于再平衡全铁rfb电池的当前工艺和系统涉及将fe3+还原为fe2+以控制阴极电解液的荷电状态。不同的工程化方法(电化学或催化)已经展示出全铁氧化还原液流电池组内的电解液再平衡，然而铁离子还原的基本原理与thaller和noah所教导的基本原理在很大程度上保持不变，其中h2(g)被氧化成质子(h+)并且阴极电解液中的fe3+被还原成fe2+。当发生反应时，荷电状态被平衡，然而质子(h+)迁移到正极电解液中。该方法基本上从负极电解液中获得质子(h+)(在氢气生成期间)并且将它们释放到正极电解液中(在再平衡期间)。从阳极电解液中去除质子(h2析出)以及插入到阴极电解液中(h2重组)的结果是电解液ph与最佳操作值的偏差(阴极电解液酸性增强，而阳极电解液酸性减弱)。增加阳极电解液的ph可导致不能将镀覆的铁完全氧化成亚铁阳离子，或者fe0以氢氧化铁、氧化铁或铁薄片的形式从电池氧化或损失。这可能导致阳极电解液的容量降低。将fe3+阳离子直接引入到较高ph的阳极电解液将导致氢氧化铁或氧化铁副产物的沉淀，这可导致电池组阻塞和故障。
13、[h+]管理可在某种程度上通过循环电池组实现，因此[h+]可在电池组循环时穿过膜。另一种解决方案是使用具有选择性质子交换膜的被动扩散电池，其中电解液彼此相邻地通过，并且质子从阴极电解液跨pem扩散到阳极电解液。
14、rfb所经历的另一故障机制是电解液跨膜交叉(液压跨越或活性物质的跨越或两者的组合)，其可由充电和放电期间的浓度变化、电解液流速、压力和渗透压差驱动。电解液特性(诸如密度、粘度和电导率)随活性物质的氧化态而变化。在混合rfb(诸如全铁rfb)的情况下，电解液中铁离子浓度的显著差异可导致阴极电解液和阳极电解液中渗透压的严重差异，这继而可导致电解液迁移穿过膜。
15、存在减少电解液交叉的策略，诸如对于每种电解液使用不同的和变化的流速以补偿任何跨本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种铁氧化还原液流电池组系统(10)，所述铁氧化还原液流电池组系统包括：
2.根据权利要求1所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述第二再平衡电池(50)为氢重组反应器，并且其中所述氢重组反应器为化学反应器、催化反应器或电化学反应器。
3.根据权利要求1所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述阴极电解液(30)和所述阳极电解液(32)两者均包含铁离子，并且
4.根据权利要求1所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述阳极电解液(32)包含浓度介于1.0M至4.5M之间的Fe2+，并且任选地，还包含NaCl、KCl、NH4Cl、硼酸、甘氨酸、FeCl3或它们的组合中的一者或多者。
5.根据权利要求1所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述阴极电解液(30)包含浓度介于0.5M至4.0M之间的Fe2+，并且任选地还包含NaCl、KCl、NH4Cl、HCl、甘氨酸、硼酸、FeCl3或它们的组合中的一者或多者。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，所述铁氧化还原
7.根据权利要求6所述的铁氧化还原液流电池组系统，所述铁氧化还原液流电池组系统还包括：
8.根据权利要求1至5中任一项所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述第二再平衡电池(50)包括至少两个室(38,42,100,102,104)，其中所述至少两个室中的第一室(38,42,100)被配置为接收所述阴极电解液(30)的一部分并且向所述第二电解液罐(36)提供还原的阴极电解液，并且其中所述至少两个室中的第二室(38,42,102)被配置为接收所述阴极电解液(30)的第二部分。
9.根据权利要求8所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中来自所述第二室(38,42,102)的流出物流包含H+离子。
10.根据权利要求8所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述第二再平衡电池(50)包括被配置为氧化氢气的第三室(104)。
...【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】
1.一种铁氧化还原液流电池组系统(10)，所述铁氧化还原液流电池组系统包括：
2.根据权利要求1所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述第二再平衡电池(50)为氢重组反应器，并且其中所述氢重组反应器为化学反应器、催化反应器或电化学反应器。
3.根据权利要求1所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述阴极电解液(30)和所述阳极电解液(32)两者均包含铁离子，并且
4.根据权利要求1所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述阳极电解液(32)包含浓度介于1.0m至4.5m之间的fe2+，并且任选地，还包含nacl、kcl、nh4cl、硼酸、甘氨酸、fecl3或它们的组合中的一者或多者。
5.根据权利要求1所述的铁氧化还原液流电池组系统(10)，其中所述阴极电解液(30)包含浓度介于0.5m至4.0m之间的fe2+，并且任选地还包含nacl、kcl、nh4cl、hcl、甘氨酸、硼酸、fecl3或它们的组合中的一者或多者。
...【专利技术属性】
技术研发人员：斯图尔特·R·米勒，克里斯托弗·D·迪吉利奥，W·T·肯德，
申请(专利权)人：环球油品有限责任公司，
类型：发明
国别省市：
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