[发明专利]一种铁基氧化还原液流电池系统

摘要

本发明揭示了一种铁基氧化还原液流电池系统，包括电镀电极、氧化还原电极、电镀电解质储罐、氧化还原电解质储罐、第一反应器、第二反应器、控制系统、监测装置；所述电镀电解质储罐用以储存电镀电解液，所述氧化还原电解质储罐用以储存氧化还原电解液；所述氧化还原电极将流体耦合到氧化还原电解质储罐，所述电镀电极将流体耦合到电镀电解质储罐；所述电镀电解质储罐通过第一输送管路连接第一反应器，氧化还原电解质储罐通过第二输送管路连接第二反应器；所述控制系统连接监测装置。本发明提出的铁基氧化还原液流电池系统，可提升电池系统的性能、提高电池系统的效率。

主权项

一种铁基氧化还原液流电池系统，其特征在于，所述电池系统包括：控制系统、电镀电解质储罐、氧化还原电解质储罐、第一传感器、第二传感器、第一外部储罐、第二外部储罐、阴极添加剂泵、阳极添加剂泵、阴极、阳极、阴极镀铁层、隔膜、阴极反应器、阳极反应器、第一探针、第二探针、第一泵体、第二泵体；所述控制系统分别连接第一传感器、第二传感器、第一探针、第二探针、阴极添加剂泵、阳极添加剂泵、第一泵体、第二泵体，所述控制系统接收第一传感器、第二传感器、第一探针、第二探针感应的数据，控制阴极添加剂泵、阳极添加剂泵、第一泵体、第二泵体的动作；电解质通过第一泵体、第二泵体能从反应器中泵出；所述第一传感器、第二传感器用于确定电解质的化学性质，包括pH值，并且作为光学传感器来使用；第一探针、第二探针用于测定电解质的化学性质；所述电镀电解质储罐、氧化还原电解质储罐的作用是储存电解液；电解质的作用是在充电过程中发生化学反应，储存电量，在放电过程中再将电解质中的电荷释放出去；所述第一外部储罐和第二外部储罐的作用是分别存储电镀电解液添加剂、氧化还原电解质添加剂，用以在电镀电解质储罐、氧化还原电解质储罐内的电解液pH值发生变化时，泵入添加剂，来调节pH值；所述第一外部储罐、第二外部储罐分别储存阴极添加剂、阳极添加剂；所述第一外部储罐通过阴极添加剂泵连接阴极反应器，第二外部储罐通过阳极添加剂泵连接阳极反应器；第一外部储罐、第二外部储罐能分别将流体耦合到电池系统的阴极反应器、阳极反应器；电解液添加剂能分别从第一外部储罐、第二外部储罐泵入对应的电镀电解质储罐、氧化还原电解质储罐；所述电镀电解质储罐通过两条管路连接阴极反应器，在其中一条管路设置第一泵体，在其中一条管路设置第一传感器；所述氧化还原电解质储罐通过两条管路连接阳极反应器，在其中一条管路设置第二泵体，在其中一条管路设置第二传感器；所述阴极、阴极镀铁层、阴极反应器、隔膜、阳极反应器、阳极依次设置；所述隔膜用以隔离阴反应器、阳反应器及其各自的电解质；所述隔膜为膜屏障，为离子交换膜或微孔膜，置于在氧化还原电解液和电镀电解液之间，以防止电解液交叉并提供离子导电性；所述电镀电解质储罐用以储存电镀电解液，氧化还原电解质储罐用以储存氧化还原电解液；所述电镀电解液和氧化还原电解液均采用相同的金属盐，只是其浓度不同；所述阳极为氧化还原电极，将流体耦合到氧化还原电解质储罐；所述阴极为电镀电极，将流体耦合到电镀电解质储罐；所述电池系统为全铁液流电池IFB系统；这些可能含有不同的添加剂并由不同的程序控制；全铁液流电池IFB有阳极添加剂或阴极添加剂；电池运行过程中，隔膜两侧的浓度梯度驱动了大量的Fe3+从氧化还原电解液到电镀电解液；从电镀电解液到氧化还原电解液，pH值的急剧变化导致Fe(OH)3物种的形成和沉淀；这些沉淀物通过毒化离子交换膜的有机官能团或堵塞微孔膜的小孔来降解交换膜，从而导致电池的欧姆电阻上升；用酸清洗电池除去沉淀物，但经常的维护限制了电池的商业应用中，它也依赖于电解质的定期制备；通过对电解质pH值的相应，向电解液中加入特定的有机酸来抑制上述反应；电解液通过全铁液流电池IFB系统内各自的电极进行泵送；电池的电解液pH值使用铁探针测量电解质电位与参考电极测定，包括电镀电极的Ag/AgCl或H2电极；另外，通过使用光学传感器测量电解质的反射光谱来监测pH值；其他指定的pH传感装置也用于pH测定；传感器和/或探针向控制系统传达电解质的pH值；如果发现镀液的pH值高于设定第一阈值，则控制系统促动预处理的酸的释放量，该预酸可加到电镀电解质中；如果发现氧化还原电解质的pH高于设定第二阈值，则控制系统促动预先制备的酸的释放量到氧化还原电解质；添加到阴极和阳极的酸性添加剂相同或不同，包括硼酸、抗坏血酸、乙醇酸，或它们的任意组合；该过程可能重复，直到pH值低于阈值；如果pH值低于阈值的IFB会继续充电或放电；使用有机酸添加剂的组合来实现最佳的镀铁层，以提高其性能、效率和稳定性；在FeCl2和NaCl电解质溶液中，添加硼酸来抑制H2副反应和提高库仑效率；此外，添加抗坏血酸以提高铁离子的稳定性，并加入乙醇酸以减少碳的生成；在全铁液流电池IFB系统的负极侧，在充电过程中Fe2+接受两个电子形成Fe0；在电池负极侧的竞争反应，H+接受一个电子形成H2，会导致全铁液流电池IFB负极侧的电解液pH值从2逐步上升到6，通过上述的探头和传感器监测pH值的变化；pH变化可能导致电池由于高度平衡电位漂移而导致高达100毫伏的表观性能损失。为了减轻性能损失，Fe电位探头或光学传感器用于监测电池的充电状态和电解质的pH值水平；电池电镀电解液的操作窗口pH值介于3和4之间；当Fe电位探针或光学传感器显示pH值在4以上时，将少量预先计算的酸加入到电镀电解质溶液中，以将电镀电极返回到最佳pH范围。