用于金屬-鹵素液流電池組的流體性架構(gòu)的制作方法
【專利說(shuō)明】用于金屬-鹵素液流電池組的流體性架構(gòu)
[0001]相關(guān)專利申請(qǐng)案的交叉參考
[0002]本申請(qǐng)案要求于2012年9月28日提交的標(biāo)題為“用于金屬-鹵素液流電池組的流體性架構(gòu)”的美國(guó)專利申請(qǐng)案第13/630，572號(hào)的權(quán)益，所述美國(guó)專利申請(qǐng)案第13/630，572號(hào)要求于2012年4月6日提交的標(biāo)題為“用于金屬-鹵素液流電池組的流體性架構(gòu)”的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)案第61/621，257號(hào)的優(yōu)先權(quán)益。兩個(gè)申請(qǐng)案的全部?jī)?nèi)容以引用的方式并入本文中。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003]本發(fā)明是針對(duì)電化學(xué)系統(tǒng)和其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0004]可再生能源的發(fā)展已經(jīng)重新燃起了對(duì)用于非高峰能量?jī)?chǔ)存的大規(guī)模電池組的需求。對(duì)此類應(yīng)用的需求不同于對(duì)例如鉛酸電池組等其它類型的可再充電電池組的需求。電網(wǎng)中用于非高峰能量?jī)?chǔ)存的電池組一般需要具有低資金成本、長(zhǎng)循環(huán)壽命、高效率和低維護(hù)。
[0005]適合于此類能量?jī)?chǔ)存的一種類型的電化學(xué)能量系統(tǒng)是所謂的“液流電池組”，其使用在放電模式中在通常正電極還原的鹵素組分，和適于在電化學(xué)系統(tǒng)的正常操作期間在通常負(fù)電極被氧化的可氧化金屬。水性金屬鹵化物電解液用于在鹵素組分在正電極被還原時(shí)補(bǔ)給鹵素組分的供應(yīng)。電解液在電極區(qū)域與儲(chǔ)槽區(qū)域之間循環(huán)。此類系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)例使用鋅作為金屬和氯作為鹵素。
[0006]此類電化學(xué)能量系統(tǒng)描述于例如美國(guó)專利第3，713，888號(hào)、第3，993，502號(hào)、第4，001，036號(hào)、第4，072，540號(hào)、第4，146，680號(hào)和第4，414，292號(hào)以及日期為1979年4月的由美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)(Electric Power Research Institute)公開(kāi)的美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)報(bào)告(EPRI Report)EM-1051(部分1-3)中，這些文獻(xiàn)的公開(kāi)內(nèi)容以全文引用的方式并入本文中。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]一個(gè)實(shí)施例涉及金屬-鹵素液流電池組系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括液流電池的堆疊、電解液儲(chǔ)槽和將所述堆疊以流體方式連接到所述儲(chǔ)槽的濃鹵素返回管線、文氏管(venturi)、混合器、濃鹵素泵或濃鹵素管線加熱器中的一或多者。
[0008]另一個(gè)實(shí)施例涉及一種使用上述液流電池組系統(tǒng)的方法。
[0009]另一個(gè)實(shí)施例涉及一種在堆疊外部將堆疊出口流分成濃鹵素與水性金屬鹵化物電解液并經(jīng)由濃鹵素返回管線提供濃鹵素到儲(chǔ)槽下部的方法。
[0010]另一個(gè)實(shí)施例涉及一種操作液流電池組的方法，所述液流電池組包含液流電池的堆疊，其中所述堆疊中的每個(gè)液流電池都包括流體可滲透的電極、流體不可滲透的電極和在可滲透與不可滲透的電極之間的反應(yīng)區(qū)。所述方法包括以下步驟。
[0011](a)在充電模式中，通過(guò)以下，在所述反應(yīng)區(qū)中將金屬層鍍覆在每個(gè)電池的所述不可滲透的電極上:(i)金屬鹵化物電解液在第一方向上從儲(chǔ)槽流動(dòng)，穿過(guò)入口管道，到所述堆疊中每個(gè)液流電池的所述反應(yīng)區(qū)中，使得大部分的所述金屬鹵化物電解液從所述入口管道進(jìn)入所述反應(yīng)區(qū)，而不是首先流動(dòng)穿過(guò)所述液流電池中所述可滲透的電極或穿過(guò)位于所述堆疊中相鄰的液流電池電極之間的流動(dòng)通道；和(ii)所述金屬鹵化物電解液從所述堆疊中每個(gè)液流電池的所述反應(yīng)區(qū)流動(dòng)，穿過(guò)第一出口管道，到所述儲(chǔ)槽中，使得大部分的所述金屬鹵化物電解液在到達(dá)所述第一出口管道前不經(jīng)過(guò)每個(gè)液流電池中所述可滲透的電極；以及
[0012](b)在放電模式中，通過(guò)以下，在所述反應(yīng)區(qū)中將每個(gè)電池的所述不可滲透的電極上的所述金屬層脫除:(i)所述金屬鹵化物電解液與濃鹵素反應(yīng)物的混合物在所述第一方向上從所述儲(chǔ)槽流動(dòng)，穿過(guò)所述入口管道，到所述堆疊中每個(gè)液流電池的所述反應(yīng)區(qū)中，使得大部分的所述混合物從所述入口管道進(jìn)入所述反應(yīng)區(qū)，而不是首先流動(dòng)穿過(guò)所述液流電池中所述可滲透的電極或穿過(guò)位于所述堆疊中相鄰的液流電池電極之間的所述流動(dòng)通道；和(ii)所述混合物從所述堆疊中每個(gè)液流電池的所述反應(yīng)區(qū)流動(dòng)，穿過(guò)第二出口管道，到所述儲(chǔ)槽中，使得大部分的所述混合物在到達(dá)所述第二出口管道前經(jīng)過(guò)每個(gè)液流電池中所述可滲透的電極。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1展示具有含有電化學(xué)電池堆疊的密封容器的電化學(xué)系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)面橫截面圖。
[0014]圖2A展示實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0015]圖2B和2C展示圖2A系統(tǒng)的液流電池組電池中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0016]圖3A為盛放圖2A-2C中所示的水平放置的電池的電池框架的上側(cè)面的平面圖。
[0017]圖3B為圖3A中所示的電池框架的下側(cè)面的平面圖。
[0018]圖3C和3D為相應(yīng)頂部和底部三維圖，展示了圖2A的實(shí)施例系統(tǒng)的液流電池組電池的堆疊的細(xì)節(jié)。
[0019]圖3E示意性地展示通過(guò)圖3A中的線A’-A’，框架的堆疊中電化學(xué)電池的堆疊的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)面橫截面圖。
[0020]圖4A為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的液流電池組系統(tǒng)的儲(chǔ)槽和輔助設(shè)備(balance ofplant)部分的示意性圖。
[0021]圖4B為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的液流電池組系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意圖。
[0022]圖4C為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意圖，其中電池堆疊的旁路出口直接與電解液儲(chǔ)槽的濃鹵素回線接口。
[0023]圖4D為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中微細(xì)過(guò)濾器放在電池組電池堆疊充電入口上。
[0024]圖4E為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中充電入口微細(xì)過(guò)濾器的旁路出口和輸出都與儲(chǔ)槽的濃鹵素回線接口。
[0025]圖4F為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中微細(xì)過(guò)濾器放在旁路出口上。
[0026]圖4G為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中微細(xì)過(guò)濾器放在液流電池組電池堆疊的接合的共同和旁路出口上。
[0027]圖5A為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中添加另一個(gè)泵以將濃鹵素引入電池堆疊中，代替通過(guò)主要系統(tǒng)泵直接抽取。
[0028]圖5B為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中濃鹵素被抽吸到水性電解液回線，在儲(chǔ)槽內(nèi)產(chǎn)生濃鹵素反應(yīng)物與水性電解液的混合物。
[0029]圖5C為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中文氏噴頭用于將流體從濃鹵素抽取移到水性電解液回線。
[0030]圖為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中濃鹵素噴射點(diǎn)移到放電入口。
[0031]圖5E為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中混合放在電池組電池堆疊的接合的出口上。
[0032]圖5F為根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的系統(tǒng)的輔助設(shè)備管路配置的示意性圖，其中直插式加熱器元件位于濃鹵素噴射管線上。
[0033]圖6A展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0034]圖6B展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0035]圖6C展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0036]圖6D展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0037]圖6E展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0038]圖6F展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0039]圖6G展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0040]圖6H展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
[0041]圖61展示替代實(shí)施例電化學(xué)系統(tǒng)中流動(dòng)路程的示意性側(cè)面橫截面圖。
【具體實(shí)施方式】
[0042]本發(fā)明的實(shí)施例涉及金屬-鹵素液流電池組系統(tǒng)和這些系統(tǒng)的使用方法。所述系統(tǒng)包括具有單一流動(dòng)回路的流動(dòng)結(jié)構(gòu)。常規(guī)的金屬鹵素液流電池組通過(guò)在每個(gè)液流電池的正和負(fù)電極之間使用隔板并對(duì)電解液和鹵素反應(yīng)物使用分開(kāi)的儲(chǔ)槽保持反應(yīng)物流含于兩個(gè)不同的流動(dòng)環(huán)路中，來(lái)維持電化學(xué)效率。以下配置描述了用于反應(yīng)物處置的系統(tǒng)和方法，其將單一流動(dòng)環(huán)路系統(tǒng)的簡(jiǎn)單性和可靠性與反應(yīng)物分離輔助設(shè)備(BOP)組件組合。優(yōu)選地，單一流動(dòng)環(huán)路系統(tǒng)包括液流電池組電池的堆疊，并在每個(gè)液流電池的正電極與負(fù)電極之間沒(méi)有隔板(即反應(yīng)區(qū)未分開(kāi))且電解液和濃鹵素反應(yīng)物有共同的儲(chǔ)槽。
[0043]電化學(xué)(例如液流電池組)系統(tǒng)可包括在內(nèi)部體積內(nèi)含有一或多個(gè)電化學(xué)電池(例如液流電池組電池的堆疊)的容器、金屬-鹵化物電解液和被配置成將金屬-鹵化物電解液傳遞到電化學(xué)電池的流動(dòng)回路。流動(dòng)回路可為閉合環(huán)路，其被配置成將電解液傳遞到電池和從電池傳遞電解液。在許多實(shí)施例中，環(huán)路可為密封環(huán)路。
[0044]每個(gè)電化學(xué)電池可包含可充當(dāng)正電極的第一流體可滲透的電極、可充當(dāng)負(fù)電極的第二流體不可滲透的電極和在電極之間的反應(yīng)區(qū)。第一電極可為多孔電極或含有至少一個(gè)多孔元件。第一電極可包含多孔或可滲透的碳、金屬或金屬氧化物電極。舉例來(lái)說(shuō)，第一電極可包含多孔泡沫碳、金屬網(wǎng)或經(jīng)金屬氧化物涂布的多孔混合電極，例如涂有氧化釕的多孔鈦電極(即釕化鈦)。在放電和充電模式中，第一電極可充當(dāng)其中鹵素可被還原成鹵素離子的正電極。第二電極可包含原生可沉積和可氧化金屬，即可在放電模式期間氧化形成陽(yáng)離子的金屬。舉例來(lái)說(shuō)，第二電極可包含與金屬鹵化物電解液的一種組分中的金屬離子屬于相同類型的金屬。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)金屬鹵化物電解液包含例如氯化鋅或溴化鋅等鹵化鋅時(shí)，第二電極可包含金屬鋅?；蛘?，第二電極可包含另一材料，例如鍍鋅的鈦。
[0045]優(yōu)選地，反應(yīng)區(qū)缺乏隔板并且電解液穿過(guò)相同的流動(dòng)路程(例如單一環(huán)路)循環(huán)，在每個(gè)電池中的電極之間沒(méi)有間隔。換句話說(shuō)，反應(yīng)區(qū)可使得其在同一電池的正電極與負(fù)電極之間不含電解液中的鹵素離子不可滲透的膜或隔板。此外，電池可為混雜液流電池組電池，而不是氧化還原液流電池組電池。因此，在混雜液流電池組電池中，例如鋅等金屬鍍覆到一個(gè)電極上，反應(yīng)區(qū)缺乏允許離子穿過(guò)其的離子交換膜(即在陰極電極與陽(yáng)極電極之間不存在離子交換膜)，并且電解液未被離子交換膜分成陰極電解液和陽(yáng)極電解液。電解液儲(chǔ)存在一個(gè)儲(chǔ)槽中而不是儲(chǔ)存在分開(kāi)的陰極電解液與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)槽中。
[0046]優(yōu)選地，電化學(xué)系統(tǒng)可為可逆的，即能夠以充電和放電操作模式工作。所述可逆的電化學(xué)系統(tǒng)通常在電解液中利用至少一種金屬鹵化物，使得金屬鹵化物的金屬呈其還原形式足夠強(qiáng)且穩(wěn)定而能夠形成電極?？赡嫦到y(tǒng)中可使用的金屬鹵化物包括鹵化鋅，因?yàn)樵劁\足夠穩(wěn)定而能夠形成電極。優(yōu)選地，電解液為例如ZnBrjP /或ZnCl 2等至少一種金屬鹵化物電解液化合物的水溶液。舉例來(lái)說(shuō)，溶液可為ZnBrJP /或ZnCl 2的15% -50%水溶液，例如25%溶液。在某些實(shí)施例中，電解液可含有一或多種添加劑，所述添加劑可增強(qiáng)電解溶液的導(dǎo)電性。舉例來(lái)說(shuō)，當(dāng)電解液含有211(:12時(shí)，此類添加劑可為鈉或鉀的一或多種鹽，例如NaCl或KCl。當(dāng)電解液含有ZnBr2時(shí)，電解液還可含有溴復(fù)合劑，例如季銨溴化物(QBr)，例如溴化N-乙基-N-甲基-嗎啉鎗(MEM)、溴化N-乙基-N-甲基-吡咯烷鎗(MEP)或四丁基溴化銨(TBA)。
[0047]圖1圖解說(shuō)明電化學(xué)系統(tǒng)100，其在密封容器102中包括液流電池組電池的堆疊。在密封容器102內(nèi)的液流電池組電池優(yōu)選地為水平放置的電池，其可包括被間隙分隔開(kāi)的水平正電極和水平負(fù)電極。舉例來(lái)說(shuō)，圖1中的元件103表示串聯(lián)電連接的水平放置的電化學(xué)電池(即液流電池)的垂直堆疊。
[0048]如圖1中所示，進(jìn)料(例如入口 )管道(例如導(dǎo)管