用于金屬-鹵素液流電池組的流體性架構的制作方法
【專利說明】用于金屬-鹵素液流電池組的流體性架構
[0001]相關專利申請案的交叉參考
[0002]本申請案要求于2012年9月28日提交的標題為“用于金屬-鹵素液流電池組的流體性架構”的美國專利申請案第13/630，572號的權益，所述美國專利申請案第13/630，572號要求于2012年4月6日提交的標題為“用于金屬-鹵素液流電池組的流體性架構”的美國臨時專利申請案第61/621，257號的優先權益。兩個申請案的全部內容以引用的方式并入本文中。
技術領域
[0003]本發明是針對電化學系統和其使用方法。
【背景技術】
[0004]可再生能源的發展已經重新燃起了對用于非高峰能量儲存的大規模電池組的需求。對此類應用的需求不同于對例如鉛酸電池組等其它類型的可再充電電池組的需求。電網中用于非高峰能量儲存的電池組一般需要具有低資金成本、長循環壽命、高效率和低維護。
[0005]適合于此類能量儲存的一種類型的電化學能量系統是所謂的“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，和適于在電化學系統的正常操作期間在通常負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補給鹵素組分的供應。電解液在電極區域與儲槽區域之間循環。此類系統的一個實例使用鋅作為金屬和氯作為鹵素。
[0006]此類電化學能量系統描述于例如美國專利第3，713，888號、第3，993，502號、第4，001，036號、第4，072，540號、第4，146，680號和第4，414，292號以及日期為1979年4月的由美國電力研究協會(Electric Power Research Institute)公開的美國電力研究協會報告(EPRI Report)EM-1051(部分1-3)中，這些文獻的公開內容以全文引用的方式并入本文中。
【發明內容】
[0007]一個實施例涉及金屬-鹵素液流電池組系統，所述系統包括液流電池的堆疊、電解液儲槽和將所述堆疊以流體方式連接到所述儲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]另一個實施例涉及一種使用上述液流電池組系統的方法。
[0009]另一個實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由濃鹵素返回管線提供濃鹵素到儲槽下部的方法。
[0010]另一個實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區。所述方法包括以下步驟。
[0011](a)在充電模式中，通過以下，在所述反應區中將金屬層鍍覆在每個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槽流動，穿過入口管道，到所述堆疊中每個液流電池的所述反應區中，使得大部分的所述金屬鹵化物電解液從所述入口管道進入所述反應區，而不是首先流動穿過所述液流電池中所述可滲透的電極或穿過位于所述堆疊中相鄰的液流電池電極之間的流動通道；和(ii)所述金屬鹵化物電解液從所述堆疊中每個液流電池的所述反應區流動，穿過第一出口管道，到所述儲槽中，使得大部分的所述金屬鹵化物電解液在到達所述第一出口管道前不經過每個液流電池中所述可滲透的電極；以及
[0012](b)在放電模式中，通過以下，在所述反應區中將每個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物的混合物在所述第一方向上從所述儲槽流動，穿過所述入口管道，到所述堆疊中每個液流電池的所述反應區中，使得大部分的所述混合物從所述入口管道進入所述反應區，而不是首先流動穿過所述液流電池中所述可滲透的電極或穿過位于所述堆疊中相鄰的液流電池電極之間的所述流動通道；和(ii)所述混合物從所述堆疊中每個液流電池的所述反應區流動，穿過第二出口管道，到所述儲槽中，使得大部分的所述混合物在到達所述第二出口管道前經過每個液流電池中所述可滲透的電極。
【附圖說明】
[0013]圖1展示具有含有電化學電池堆疊的密封容器的電化學系統的一個實施例的側面橫截面圖。
[0014]圖2A展示實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0015]圖2B和2C展示圖2A系統的液流電池組電池中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[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面的平面圖。
[0017]圖3B為圖3A中所示的電池框架的下側面的平面圖。
[0018]圖3C和3D為相應頂部和底部三維圖，展示了圖2A的實施例系統的液流電池組電池的堆疊的細節。
[0019]圖3E示意性地展示通過圖3A中的線A’-A’，框架的堆疊中電化學電池的堆疊的一個實施例的側面橫截面圖。
[0020]圖4A為根據一個實施例的液流電池組系統的儲槽和輔助設備(balance ofplant)部分的示意性圖。
[0021]圖4B為根據一個實施例的液流電池組系統的輔助設備管路配置的示意圖。
[0022]圖4C為根據一個實施例的系統的輔助設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槽的濃鹵素回線接口。
[0023]圖4D為根據一個實施例的系統的輔助設備管路配置的示意性圖，其中微細過濾器放在電池組電池堆疊充電入口上。
[0024]圖4E為根據一個實施例的系統的輔助設備管路配置的示意性圖，其中充電入口微細過濾器的旁路出口和輸出都與儲槽的濃鹵素回線接口。
[0025]圖4F為根據一個實施例的系統的輔助設備管路配置的示意性圖，其中微細過濾器放在旁路出口上。
[0026]圖4G為根據一個實施例的系統的輔助設備管路配置的示意性圖，其中微細過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為根據一個實施例的系統的輔助設備管路配置的示意性圖，其中添加另一個泵以將濃鹵素引入電池堆疊中，代替通過主要系統泵直接抽取。
[0028]圖5B為根據一個實施例的系統的輔助設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，在儲槽內產生濃鹵素反應物與水性電解液的混合物。
[0029]圖5C為根據一個實施例的系統的輔助設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]圖為根據一個實施例的系統的輔助設備管路配置的示意性圖，其中濃鹵素噴射點移到放電入口。
[0031]圖5E為根據一個實施例的系統的輔助設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為根據一個實施例的系統的輔助設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展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0034]圖6B展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0035]圖6C展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0036]圖6D展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0037]圖6E展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0038]圖6F展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0039]圖6G展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0040]圖6H展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
[0041]圖61展示替代實施例電化學系統中流動路程的示意性側面橫截面圖。
【具體實施方式】
[0042]本發明的實施例涉及金屬-鹵素液流電池組系統和這些系統的使用方法。所述系統包括具有單一流動回路的流動結構。常規的金屬鹵素液流電池組通過在每個液流電池的正和負電極之間使用隔板并對電解液和鹵素反應物使用分開的儲槽保持反應物流含于兩個不同的流動環路中，來維持電化學效率。以下配置描述了用于反應物處置的系統和方法，其將單一流動環路系統的簡單性和可靠性與反應物分離輔助設備(BOP)組件組合。優選地，單一流動環路系統包括液流電池組電池的堆疊，并在每個液流電池的正電極與負電極之間沒有隔板(即反應區未分開)且電解液和濃鹵素反應物有共同的儲槽。
[0043]電化學(例如液流電池組)系統可包括在內部體積內含有一或多個電化學電池(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電池的流動回路。流動回路可為閉合環路，其被配置成將電解液傳遞到電池和從電池傳遞電解液。在許多實施例中，環路可為密封環路。
[0044]每個電化學電池可包含可充當正電極的第一流體可滲透的電極、可充當負電極的第二流體不可滲透的電極和在電極之間的反應區。第一電極可為多孔電極或含有至少一個多孔元件。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。舉例來說，第一電極可包含多孔泡沫碳、金屬網或經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離子的金屬。舉例來說，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。舉例來說，當金屬鹵化物電解液包含例如氯化鋅或溴化鋅等鹵化鋅時，第二電極可包含金屬鋅。或者，第二電極可包含另一材料，例如鍍鋅的鈦。
[0045]優選地，反應區缺乏隔板并且電解液穿過相同的流動路程(例如單一環路)循環，在每個電池中的電極之間沒有間隔。換句話說，反應區可使得其在同一電池的正電極與負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電極上，反應區缺乏允許離子穿過其的離子交換膜(即在陰極電極與陽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極電解液。電解液儲存在一個儲槽中而不是儲存在分開的陰極電解液與陽極電解液儲槽中。
[0046]優選地，電化學系統可為可逆的，即能夠以充電和放電操作模式工作。所述可逆的電化學系統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且穩定而能夠形成電極。可逆系統中可使用的金屬鹵化物包括鹵化鋅，因為元素鋅足夠穩定而能夠形成電極。優選地，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。舉例來說，溶液可為ZnBrJP /或ZnCl 2的15% -50%水溶液，例如25%溶液。在某些實施例中，電解液可含有一或多種添加劑，所述添加劑可增強電解溶液的導電性。舉例來說，當電解液含有211(:12時，此類添加劑可為鈉或鉀的一或多種鹽，例如NaCl或KCl。當電解液含有ZnBr2時，電解液還可含有溴復合劑，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圖解說明電化學系統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內的液流電池組電池優選地為水平放置的電池，其可包括被間隙分隔開的水平正電極和水平負電極。舉例來說，圖1中的元件103表示串聯電連接的水平放置的電化學電池(即液流電池)的垂直堆疊。
[0048]如圖1中所示，進料(例如入口 )管道(例如導管