[发明专利]氧化还原液流电池系统及控制其的方法

说明书

技术领域

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。

背景技术

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,WO99/39397,WO01/03213,WO01/03224,WO01/76000,WO02/15317，WO03/003483，WO03/007464，WO03/043170，WO2004/079849,EPRI，Technical Update Report，“Vanadium Redox Flow Batteries”(An In-depth analysis)，-2007–电力研究所公司，US-2012/0156535-A1，WO2012/001446，WO2012/020277，WO2012/032368，WO2012/042288以及特别地文章“State of charge monitoring methods for vanadium redox flow battery control”，Maria Skyllas-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 of Power Sources)：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、O₂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OH-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(WO2004/079849)，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)。