CN102089918A - 分布式储能用的氧化还原液流电池系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型堆氧化还原液流电池系统，所述系统为多种可更新能量系统的储能问题提供了解决方案。根据在各个电池单元中预期的充电状况的状态，对以串联构造布置的独立反应单元进行配置。所述大型堆氧化还原液流电池系统能够支持适于与电网应用一起使用的数兆瓦特的实施方式。与能量产生系统如燃料电池、风力系统和太阳能系统进行热集成，进一步使总能量效率最大化。所述氧化还原液流电池系统还能够缩小规模至更小的应用，如适用于小且偏远地点的应用的重力进料系统。

Description

分布式储能用的氧化还原液流电池系统

相关申请

本申请主张2008年7月7日提交的美国临时申请61/078,691号和2008年8月29日提交的美国临时申请61/093,017号两者的优先权，在此通过参考将两者的全部内容并入本文中。

技术领域

本发明主要涉及储能技术，更具体地，涉及氧化还原液流电池(redox flow battery)储能系统和应用。

背景技术

许多经济可行且环境有利的可更新能量技术受制于周期性和不可预测的发电的不利条件。为了使这种可更新能量技术能够扩展，需要大规模的储能系统。另外，许多常规发电技术如煤电站和核电站、以及有希望的替代能量产生技术如燃料电池，在恒定功率下运行时功能最佳，并因此能够从在需要时能够传递峰值功率并在非尖峰时间期间能够储存能量的储能系统中获益。

发明内容

氧化还原液流电池存储系统在电解质物质中储存电能。所述氧化还原液流电池存储系统包含至少一种氧化还原液流电池堆组件，所述堆组件包含多个层且同时各个层包含在沿反应物流动通道的串联方向上的多个独立单元。对所述氧化还原液流电池堆组件的单元进行配置并进行优化，从而在各个单元中利用预期的反应物充电状态提高电储存效率。可以对反应物进行加热以提高电池效率，利用源自能源的废热或使用来自提供热能的电池或系统的能量对反应物进行加热。通过调节储存反应物的槽的大小并添加氧化还原液流电池堆组件，能够确定存储系统的大小以支持适合与电网应用一起使用的数兆瓦特的实施方式。与能量产生系统如燃料电池、风能和太阳能系统进行热集成进一步使总能量效率最大化。所述氧化还原液流电池系统还能够缩小规模而应用于更小的用途中，例如适用于小且远端应用的重力进料系统。

附图说明

并入本文中并构成本说明书一部分的附图显示了本发明的示例性实施方案，并且所述附图与上述一般说明和下述详细说明一起对本发明的特征进行说明。

图1是一个实施方案的大堆氧化还原电池系统的系统图，其显示了源自第一观察视角(viewing perspective)的氧化还原电池堆的横截面示意图。

图2是源自第二观察视角的三个单元的实施方案的氧化还原电池堆单元层的横截面示意图。

图3A是源自第三观察视角的一个实施方案的单个氧化还原电池单元的横截面图。

图3B是一个实施方案的单个氧化还原电池单元的分解图。

图4显示了两个在氧化还原电池实施方案中可能使用的化学反应的化学方程式。

图5是在一个氧化还原电池系统实施方案中可以实施的设计参数的图。

图6是氧化还原电池的电势与电流之间的关系图。

图7A是根据一个实施方案的氧化还原液流电池堆的示意图。

图7B是显示如何根据一个实施方案将单元层组装成液流电池堆的组装图。

图7C是显示如何根据替代实施方案将单元层组装成液流电池堆的组装图。

图8是根据一个实施方案的氧化还原电池单元的隔膜部分的图。

图9是具有热集成的风力电场系统执行(implementation)的一个实施方案的系统图。

图10是具有通过太阳能电池板直接加热的电解液的太阳能系统执行的一个实施方案的系统图。

图11是经由绕电力堆(power stack)流动的第二液体的具有热集成的替代性太阳能系统实施方案的系统图。

图12是根据一个实施方案的系统设计参数的表。

图13A是包含氧化还原液流电池的一个实施方案系统的系统框图，所述氧化还原液流电池用作AC至DC电转换/隔离直流电源。

图13B是包含氧化还原液流电池的一个实施方案系统的系统框图，所述氧化还原液流电池用作对电动车辆再充电的脉冲电源。

图13C是包含氧化还原液流电池的替代实施方案系统的系统框图，所述氧化还原液流电池用作对电动车辆再充电的脉冲电源。

图13D是包含氧化还原液流电池的一个实施方案系统的系统框图，所述氧化还原液流电池用作遵循电力管理系统的电力储存和负载，所述管理系统使得燃料电池能够为电网提供AC电。

图14是重力驱动的氧化还原液流电池实施方案的横截面部件的框图。

图15A～15C是重力驱动的氧化还原液流电池实施方案的一系列横截面部件的框图，其显示了从充电模式向放电模式的转变。

图16A～16C为显示代表性隔膜材料的显微照片，所述材料适用于三单元堆单元层氧化还原液流电池实施方案的三个单元中的各个单元中。

图17是实施方案的大堆氧化还原电池系统的系统图，其显示了具有含槽隔板的反应物储槽的氧化还原电池堆的横截面示意图。

图18是电池单元电势与时间之间的关系图，其显示了充电反应物与放电反应物发生混合的影响。

图19A-19F是包含槽隔板的实施方案的电解质储槽的横截面图，其显示了槽隔板贯穿充电或放电循环的运动。

图20A-20F是包含槽隔板的实施方案的电解质储槽的横截面图，其显示了槽隔板贯穿充电或放电循环的运动。

具体实施方式

将参考附图，对各种实施方案进行详细说明。只要可能，将在所有附图中使用相同的参考数字来表示相同或类似的部件。对特殊实例和实施方式进行参考是出于示例性目的，且不是用于限制本发明的范围或权利要求书的范围。

如本文中所使用的，用于任意数值或范围的术语“大约”或“约”表示使得部件的部分或集合(collection)可发挥本文中所述期望用途的合适的温度或尺寸的公差。

各种实施方案提供了以还原/氧化(氧化还原)液流电池堆组件为基础的储能系统，其适用于广泛的能量用途和可更新的能量系统。

在图1中显示了氧化还原液流电池储能系统的实施方案的系统图。图1中所示的实施方案利用了用于氧化还原液流电池的堆设计，其使得能够利用大众负担得起的电池部件来实施大规模应用。在必须储存和释放兆瓦特电能的应用中，例如在连接到电网的风力涡轮电场或太阳能电站中，图1中所示的氧化还原液流电池系统能够通过增加槽尺寸而扩展至所需要的容量，并通过添加氧化还原液流电池堆来扩展产出电力。简而言之，通过系统中储存的电解质的量来决定能够储存的能量的量。因此，为了储存更多的能量，使用更大的电解槽。为了提高输出电力，添加更多的氧化还原液流电池堆组件。因此，图1中所示的系统在对付宽范围的储能需求中提供了大的灵活性。

参考图1，氧化还原液流电池系统的主要部件包含氧化还原液流电池堆组件10，通过所述组件10，两种电解质流过由隔膜12隔开的多孔电极18、20。能够在各个电解质中发生的还原反应和氧化反应使得被多孔电极18、20捕获的电流流过反应室并传导到导电表面22、24上。在一些实施方案中，可在氧化还原液流电池堆组件10中包含流动通道14、16以减少通过所述堆的电解质液流的限制。能够使用包含这种流动通道14、16来降低电解质的压降。在实施方案中，可以将流动通道14、16合并，使得电解质与多孔电极18、20具有足够的相互作用，从而能够发生所需要的还原和氧化反应。将导电表面22、24连接至导线42、43，从而通过电源45(用于充电)或电力负载46(用于放电)完成回路，可在单个堆的实施方案中通过电气开关44来选择电源或电力负载。将阴极电解质(阴极电解液)和阳极电解质(阳极电解液)储存在电解槽26、28中，并通过泵30、32进行泵送而向氧化还原液流电池堆组件10提供输入液流34、36，同时电池输出液流38、40返回电解槽26、28。

对所述氧化还原液流电池堆组件10进行设计，从而通过将堆的复杂性和部件数保持为最低而降低成本。对所述氧化还原液流电池堆组件10进行进一步的设计，从而使分流器的电流损耗最小化并使反应物的利用最大化。

对氧化还原液流电池堆组件10进行配置使得其包含独立电池单元的阵列和组件框架，如图2和3中所示。对独立的电池单元进行设置，使得电解质反应物在堆层48内从一个单元流向下一个单元(参见图2)。电池单元的多个层48串联连接地堆叠在一起而形成下面参考图7A所述的堆组件10。此外，根据独立的电池单元在反应物流动通道内的位置，对所述独立的电池单元进行配置以提高其电化学性能，由此获得了一种氧化还原液流电池组件，与利用相同的电池单元可能获得的总电储存性能相比，所述氧化还原液流电池组件的总电储存性能更高。

图2显示了从垂直于电极18、20和隔膜12的平面的视角(即，层48的短轴进入并离开图1的页面)观察到的氧化还原电池堆组件10内各个单一单元层48的横截面。所述单元层48包含三个独立的单元52、54、56作为实例实施方案(example embodiment)；在其它实施方案中，各个单元层48可包含更少或更多的独立单元。在优选实施方案中，电解质反应物液流以串联的方式流过阵列(即，平行于图2的图象表面)内单元层48中的全部单元(即，在给定的层内从一个单元流向下一个单元)。各个单元层内的这种多单元构造减轻了分流器电流的问题。为了提高总的效率和电池性能，利用不同的催化剂装载、电极曲度、室体积和/或隔膜的孔隙率或选择性对电池单元进行配置以处理反应物浓度沿流动通道的变化、使不期望的反应最小化并优化库伦效率和电压效率。例如，如图2中所示，在三单元氧化还原液流电池单元层组件48中，可以利用结构和材料性能对靠近反应物进口液流34、36的第一单元52进行配置，从而在至电池单元层组件的输入处，利用电解质充电状况的更高状态提供更大的效率。然后，可以利用结构和材料性能对第二单元54进行配置，从而在电解质经过第一单元52之后，利用存在的电解质的充电状况的中间状态提供有效操作。可以利用结构和内部性能对第三单元56进行配置，从而在电解质在第一和第二单元52、54中反应之后，利用电解质中存在的充电状况的相对低状态提供有效操作。如下面所更详细描述的，以这种方式对氧化还原液流电池单元层组件48进行配置提供了有效操作，同时使得能够利用更低成本的材料来组装电池。

在将流体加热至最佳温度时，一些类型的液流电池电解质可更有效地运行(即，利用更低的损耗保持和释放电力)。为了利用这种特性，可利用管60、62、64、66或通道对氧化还原液流电池单元层组件48进行配置，其中能够通过所述管或通道循环加热流体。加热流体绕和/或在电池堆组件中循环能够将电解质保持在受控温度下。通过在各个电池单元之前和之后包含加热流体管60、62、64、66，能够单独控制各单元的运行温度，从而使各单元能够在与所述单元内电解质的充电状态相对应的优选或最佳温度下运行。所述加热流体管是任选的，因为在实施方案中，可以例如通过循环加热流体的换热器在槽26、28内对电解质进行预热，从而使电解质在足以进行充电或放电操作的温度下进入单元层48中。如下面所更全面描述的，加热流体可提取由充电电源45(例如，源自发电机冷却系统)或负载46(例如，源自设备冷却系统)所产生的热能废热。

在图3A和3B中显示了液流电池堆的单元层48内单元部分的单个单元在概念上的构造。图3A显示了从垂直于图1和2中的横截面视角的视角观察的单个单元室50的单层的横截面视图。图3B显示了各个单一单元层的单个单元50的分解图。由第一和第二平面结构构件80、82形成的双极框架为氧化还原液流电池堆组件10提供了结构支持。所述平面结构构件80、82可由对电解质反应物的弱酸具有抵抗性的聚乙烯、聚丙烯或其它材料制成。在平面结构构件80、82之间形成含有多孔电极催化剂18、20的腔，阳极电解液反应物38和阴极电解液反应物40分别流过所述多孔电极催化剂18、20。所述多孔电极可由单独的碳纤维毡材料制成或者可以为双极框架自身的一部分。所述多孔电极催化剂18、20可以由包覆有催化剂层的碳毡材料制成。在一些实施方式中，表面催化剂层可以为铅(Pb)、铋(Bi)或碳化锆(ZrC)，从而有助于与电解质的还原-氧化反应并同时抑制了氢气的产生。在各个平面结构构件80、82内，可以为导体表面22、24提供剪切块(cutouts)或插入物(inserts)，如图3B中所示。导体表面22、24将电流从多孔电极催化剂流到单元层的外部。

通过平面隔膜12将阳极电解液和阴极电解液反应物分开，所述平面隔膜12通过框架构件84、86、88、90而悬浮在两个平面结构构件80、82之间。应注意，所述框架构件84、86、88、90可以为如图3B中所示的两个外部框架的形式，使得框架构件84和88是单个框架84的一部分且框架86和90是另一个单个框架86的一部分。所述隔膜12使得离子通过所述材料传输，同时抑制了反应物的大量混合。如下面参考图16A～16C所更全面描述的，所述隔膜12可以由不同的材料制成，从而具有不同的扩散选择性和电阻以适用于各个电池单元内充电的预期状态。

在各个电池单元50的反应物进口处，可提供歧管孔92、94，以引导引入的电解质液流流入单元50的反应区域内。在实施方案中，所述歧管可包含液流导向结构以使得电解质在进入各个反应单元50时进行适当混合。根据各个单元内充电的预期状态和其它流体性能可对这种液流导向结构进行配置，从而对氧化还原液流电池堆组件10内各个单元50中的反应物液流进行优化。

平面结构构件80、82、以及隔膜框架构件84、86、88、90可包含换热器流体管道60、62能够通过的通道。单元输入歧管92、94内设置任选的换热器流体管道60使得源自所述管道内热流体的热量能够在反应物进入单元室之前升高反应物液流的温度。类似地，在单元输出歧管96、98内设置换热器管道62使得热流体能够在反应物离开最后单元56之后从电解质中吸热，从而节约了热能并使得电解质能够在更低温度下返回储槽。在优选实施方案中，关于Fe/Cr反应物，将热流体加热至约40℃～65℃的温度。

通过以串联的方式对层48进行堆叠而形成电池堆，可以形成氧化还原液流电池堆组件10。在这种电池堆组件中，导电表面22、24提供了下面参考图7A所述的各个堆单元层中的单元之间的电连通性。

形成双极框架的平面结构构件80、82可以在其整个区域内都是导电的，或者可以以仅使与单元50的电化学活性部分直接相邻的导电表面22、24导电的方式制成，如图3B中所示。在后面的实施方案中，在导电表面22、24周围的区域可以是电绝缘的。使导电表面22、24周围的区域电绝缘使得可对氧化还原液流电池堆组件10中各种单元的电流或电势进行离散控制和监控。

为了形成如图2中所示的各个单元层48，将如图3A和3B中所示的多个单元50进行流体联接而在单层内形成单元的串联。因此，一个单元的单元输出歧管96、98与单元层48内下一个单元的单元输入歧管92、94对齐，因而电解质在各个单元层内从一个单元流向下一个单元。

在各种实施方案的氧化还原液流电池系统中，单元是可替换和可循环的。由于构造材料主要是塑料(例如聚丙烯或聚乙烯)、碳纤维毡和碳纤维电极，所以所述单元不含会造成环境影响的重金属或毒素。而且，反应物如Fe/Cr不比电池用酸的毒性或危险性高。因此，各种实施方案的氧化还原液流电池系统可理想地以靠近人口和负荷中心的分布式方式提供可更新能量系统所需要的储能容量。

如下面参考图8所更全面描述的，可在边缘周围将多孔隔膜12熔合成致密或部分致密的状态，从而防止电解质反应物通过密封的边缘区域渗出。这降低了氧化还原液流电池堆组件10的反应物混合和泄露。使通过多孔隔膜12的电解质反应物的混合最小化，因为在隔膜12两侧上反应物的浓度近乎相等，如下所述，具有类似的离子密度，由此跨越隔膜12消除了浓度梯度并降低了渗透压。

可将多种反应物和催化剂用于氧化还原液流电池系统中。电解质反应物的优选实施方案设置是以图4中所示的铁和铬的反应为基础的。Fe/Cr氧化还原液流电池系统中的反应物在电池单元内的正极处反应的阴极电解液中的FeCl₃(Fe³⁺)中以及在负极处反应的阳极电解液中的CrCl₂(Cr²⁺)中储存能量。

如果这些离子相互接近，则在Fe³⁺与Cr²⁺之间能够发生不宜的非感应电流的电子迁移反应。因此，为了保持高水平的库伦效率，应该使Fe/Cr氧化还原液流电池堆内电解质的交叉混合最小化。使电解质交叉混合最小化的一种方法是使用高选择性的隔膜12如

-117离子交换膜(杜邦(DuPont)，美国)。高选择性隔膜的劣势在于，它们的离子传导率低，这导致氧化还原液流电池堆中的电压效率更低。另外，离子交换膜很贵，价格大约为500美金/m²。由于氧化还原液流电池的DC能量储存效率是库伦效率和电压效率的乘积，所以存在最佳的折衷方案。

Fe/Cr系统的特殊实施方案是所谓的混合反应物系统，其中向阳极电解液添加FeCl₂(Fe²⁺)并向阴极电解液添加CrCl₃(Cr³⁺)，如在美国专利4,543,302中所述，通过参考将所述专利的完整内容并入本文中。混合反应物系统的优势在于，放电后的阳极电解液和放电后的阴极电解液相同。此外，当阳极电解液中Fe的总浓度与阴极电解液中相同且阴极电解液中Cr的总浓度与阳极电解液中相同时，消除了跨越隔膜12的浓度梯度。以这种方式，降低了阳极电解液和阴极电解液之间交叉混合的驱动力。当交叉混合的驱动力降低时，可使用选择性更低的隔膜，从而提供更低的离子阻力和更低的系统成本。选择性更低的隔膜的实例包含由Celgard LLC制造的多微孔隔膜和由戴瑞米克公司(Daramic LLC)制造的隔膜，两者的成本都约为5～10美金/m²。通过对充电的反应物状态的单元特性进行优化并在一次通过中完成充电和放电，本文中所述的实施方案在氧化还原液流电池堆中提供了适当的高效率，所述氧化还原液流电池堆由成本比常规氧化还原液流电池设计中的材料的成本低约两个数量级的材料构成。

在未混合和混合的反应物的实施方案两者中，将反应物溶于HCl中，所述HCl的浓度典型地为约1～3M。在负极处提供电催化剂，以提高在将阳极电解液中的Cr³⁺还原成Cr²⁺时的再充电的反应速率，从而减少或消除了析氢，所述电催化剂可以为Pb、Bi和Au或ZrC的组合。析氢是不受欢迎的，因为析氢使得阳极电解液与阴极电解液不平衡且对Cr³⁺的还原而言是竞争反应，从而导致库伦效率下降。

能够将本文中所述的单元、单元层和氧化还原液流电池堆设计与其它反应物组合一起使用，所述其它反应物组合包含溶于电解质中的反应物。一个实例是在负极(阳极电解液)处含有钒反应物V(II)/V(III)或V²⁺/V³⁺并在正极(阴极电解液)处含有V(IV)/V(V)或V⁴⁺/V⁵⁺的堆。将这种系统中的阳极电解液和阴极电解液反应物溶于硫酸中。通常将这种类型的电池称作全钒电池，因为阳极电解液和阴极电解液两者都含有钒物质。能够利用实施方案的单元和堆设计的液流电池中的其它反应物组合包含Sn(阳极电解液)/Fe(阴极电解液)、Mn(阳极电解液)/Fe(阴极电解液)、V(阳极电解液)/Ce(阴极电解液)、V(阳极电解液)/Br₂(阴极电解液)、Fe(阳极电解液)/Br₂(阴极电解液)和S(阳极电解液)/Br₂(阴极电解液)。在这些实例化学品的各种化学品中，反应物作为电解质中溶解的离子物质而存在，这使得可使用电池单元和堆设计，其中电解质沿流动通道流过多个单元组(即串联流动)，同时沿所述流动通道具有单元并具有不同的物理性质(单元尺寸、膜或隔板的类型、催化剂的类型和量)。在美国专利6,475,661中提供了可工作的氧化还原液流电池化学品和系统的其它实例，在此通过参考将所述专利的完整内容并入本文中。

在氧化还原液流电池堆阵列的各个双极框架中形成大量单元室。图2描述了1×3的阵列，但是可存在任意组合如2×2或1×4的阵列。如上所述，电解质反应物从一个单元52、54、56流向串联排列的下一个单元。这种串联流动是指，在放电模式中最接近进口的单元52的反应物浓度比下游单元54、56的浓度高。例如，关于放电模式中的Fe/Cr系统，Fe³⁺和Cr⁺²物质是如图4中所示的相关离子浓度。电池单元排列的这种串联提供了限制分流器电流和提高总的反应物利用率的优势。由于在液体反应物中短路，所以形成分流器电流。因此，在一个单元与下一个单元之间形成长的导电通道并限制堆电压是有利的。各种实施方案通过将反应物流过同一层内的多个单元而实现了两个目的。与每个层堆排列的单个单元相比，这种串联流动机制也提高了反应物的利用率。提高反应物的利用率有助于提高氧化还原液流电池堆组件10的往返DC效率并降低或消除再循环所述反应物的需要。再循环是不利的，因为其可涉及更多的每kW的泵送功率或储存容量，从而增大了附加损耗。

由于在反应物流过各个层中的多个单元时反应物离子浓度发生变化，所以可改变催化涂层的量以使得与各个相应单元中充电状况的状态相匹配。另外，在制剂中涂布至多孔电极18、20上的催化涂层构成可发生变化(例如，改变氧化锆或铋化合物的量)，从而更好地匹配各个单元中充电状况的状态。例如，典型地，具有更低反应物浓度的单元在多孔电极上需要更高的催化剂装载以获得最佳性能。

各种实施方案包含独特的氧化还原液流电池堆构造，如图2中所示，所述构造在流动通道内具有多个独立的单元，同时可在尺寸、形状、电极材料和隔膜12方面对各个独立的单元进行配置，从而使得在各个单元内反应物的充电状态具有最佳平均性能。图5对为了使氧化还原液流电池堆组件10中各个独立单元的电性能最大化而能够控制的一些设计构造参数和所述参数沿反应物流动通道变化的方式进行了总结。如设计趋势线112中所示，一些设计参数(如组A的参数所示)可从单元层48的一端到另一端下降以优化电池设计，从而使得所述值在放电模式中从单元层的反应物进口到出口下降而在充电模式中从单元层的反应物进口到出口升高。如设计趋势线116中所示，其它设计参数(如组B的参数所示)可从单元层48的一端到另一端增大以优化电池设计，从而使得所述值在放电模式中从单元层的反应物进口到出口升高而在充电模式中从单元层的反应物进口到出口下降。如图5中所示，可根据设计趋势线112进行变化以优化电池单元设计的设计参数包括：膜的选择性；充电催化剂的装载；充电催化剂的活性；温度(在对充电进行优化时)；室体积(在对充电进行优化时)；质量传输(在对充电进行优化时)。可根据设计趋势线116进行变化以优化电池单元设计的设计参数包括：离子传导率；放电催化剂的装载；放电催化剂的活性；温度(在对放电进行优化时)；放电催化剂的活性；温度(在对放电进行优化时)；室体积(在对放电进行优化时)；质量传输(在对放电进行优化时)。

例如，如上所述，放电催化剂的装载和放电催化剂的活性(两者都是组B的设计参数)，可在放电模式中在沿氧化还原液流电池堆组件10的流动通道的各个单元中从进口到出口升高，而在充电模式中在沿氧化还原液流电池堆组件10的流动通道的各个单元中从进口到出口下降，从而抵消了反应物浓度的下降，如通过设计趋势线116所示。类似地，所述充电催化剂的装载和充电催化剂的活性(两者都为组A的设计参数)，可在放电模式中在沿氧化还原液流电池堆组件10的流动通道的各个单元中从进口到出口下降，而在充电模式中在沿氧化还原液流电池堆组件10的流动通道的各个单元中从进口到出口升高，从而抵消了反应物浓度的下降，如通过设计趋势线112所示。使用关于放电的设计趋势线116、关于充电的趋势线112和通道内单元的数目，能够确定沿流动通道上各个单元内实施的具体催化剂的装载和催化剂的活性。

使用图5中所示的设计趋势线112、116，在一些氧化还原液流电池实施方案中，通过对在通过电池堆的任一方向上的各个层中的设计参数如充电和放电催化剂的装载和/或催化剂的活性进行优化，并使得反应物对于放电在一个方向上流过电池堆且对于充电在相反方向上流过电池堆，而提供了改进的电化学性能。在一些实施方案中，如同下面参考图14～15C所述的，在充电模式中在一个方向上且在放电模式中在相反方向上引导反应物通过氧化还原液流电池。在其它实施方案中，如同下面参考图13A～13D所述的，关于充电和放电，提供了单独充电的氧化还原液流电池堆，因此反应物在与单元构造一致的单一方向上流动。在下面参考图1所述的实施方案3中，对于利用对充电和放电之间进行折衷(例如，优先对充电或放电进行优化)而配置的电池单元进行充电和放电两者，电解质反应物都在单一方向上流过氧化还原液流电池堆，从而使得通过将氧化还原液流电池堆组件10从充电电源电断开(例如，利用电气开关)并将其连接到负载上，或倒过来，所述系统能够在充电和放电模式之间进行非常快速简单的转换。

类似的，各种实施方案可在反应物流过氧化还原液流电池堆时对反应物的温度进行控制，这取决于对所述堆进行充电还是放电。图5显示了在设计曲线112和116中如何在实施方案中沿通过氧化还原液流电池单元层48和堆组件10的流动通道对温度进行控制。关于选定的优化的半循环，在放电模式中沿反应物流动通道的各个单元处温度升高，因此与最接近进口的单元相比，反应物浓度最低的最接近出口的单元在更高温度下运行。使用给定氧化还原液流电池单元层48和堆组件10的设计曲线可基于是否通过对放电反应或充电反应进行优化而大大提高了电池效率。在Fe/Cr系统中，阳极电解液充电反应具有最受限的反应速率，因此应选择设计趋势线112以用于温度分布设计参数。如同催化剂的装载和催化剂的活性，能够对氧化还原液流电池单元层48和堆组件10进行配置，使得反应物在充电时在一个方向上流动并在放电时在另一个方向上流动，或者可以使用两个单独的氧化还原液流电池堆，一种构造用于充电且另一种构造用于放电。

以类似方式，各种实施方案通过对氧化还原液流电池堆组件10进行配置使得反应物质量传输速率沿流动通道从一个单元到另一个单元发生变化而提高了电化学性能。图5还显示，在设计曲线116中，如何对单元进行配置，使得反应物质量传输速率在放电模式中从进口到出口在沿流动通道的各个单元中增大，而在充电模式中从进口到出口在沿流动通道的各个单元中下降。通过降低各个单元的物理尺寸并选择电极催化剂材料来改变电极孔隙率，可提高质量传输速率。由此，实施方案的氧化还原液流电池堆组件10可在一端具有受限的流动区域并在另一端具有更开放和更少受限的流动区域，同时反应物质量传输速率在放电模式中运行时在沿反应物流动通道的各个单元中增大，而在充电模式中运行时在沿反应物流动通道的各个单元中下降。

以类似的方式，可对实施方案的氧化还原液流电池单元进行配置，使得沿反应物流动通道具有不同的隔膜12材料。图5显示了在设计曲线112中，各个单元中隔膜12的选择性(即，限制反应物移动通过隔膜的程度)是如何沿反应物流动通道发生变化的。在放电模式中，靠近氧化还原液流电池堆组件10的进口的单元将经历高浓度的反应物(例如Cr²⁺和Fe³⁺)，因此，与靠近所述组件出口的单元的情况相比，通过隔膜12的反应物的混合将导致储存的能量的损耗更多。因此，通过限制反应物通过靠近电池进口的隔膜12的扩散，使得各种实施方案实现了更大的充电/放电效率。另一方面，膜选择性高的隔膜材料典型地还显示高欧姆损失(即电阻)，这增大了在通过电池时因内阻而造成的能量损失。抵消性能导致用于选择隔膜材料的图5的图110中所示的设计曲线112取决于反应物流动通道内单元的数目。

因此，在实施方案中，氧化还原液流电池堆组件10可包含在流动通道一端的单元，所述单元包含由以较大欧姆损失为代价的膜选择性高的材料制成的隔膜12，而在流动通道另一端的单元包含由欧姆损失较低的材料制成的隔膜12。这种设计方法可行，因为用于交叉混合的驱动力大大降低，这是因为在放电模式中的出口处且在充电模式中的进口处自发反应的活性物质的浓度低。在Fe/Cr氧化还原液流电池的情况(图4)中，在放电模式中的出口处和在充电模式中的进口处，Cr²⁺和Fe³⁺物质的浓度最低。

如上所述，通过在组件内沿反应物流动通道对多个单元应用图5中所示的设计趋势线，可确定特殊氧化还原液流电池堆组件10内各个单元的特殊设计构造。可利用为了各个单元内预期的平均电解质浓度而选择的设计参数对单元进行配置，这可提供接近图5中所示的设计趋势线的阶梯(stair step)。通过增大沿反应物流动通道的独立单元的数目，所述单元的设计参数可以与设计趋势线更好地匹配。然而，增大独立单元的数目可增加设计的复杂性，这会提高系统的成本。因此，单元数和应用于各个单元的设计构造将随特殊实施方式的设计目标和性能要求而变化。

通过改变沿穿过氧化还原液流电池单元层48和堆组件10的反应物流动通道的独立单元的设计构造，与常规氧化还原液流电池设计相比，多个实施方案能够获得明显的充电/放电性能提高。将这种性能的提高示于图6中，所述图6显示了不包括实施方案的提高的常规氧化还原液流电池的极化曲线122(输出电压为输出电流的函数)。这种性能差的曲线122明显落在理想性能曲线120的下方，通过实施上述实施方案构造的实施方案的氧化还原液流电池设计可接近所述理想性能曲线120。

通过仅在如图3B中所示的双极框架的活性区域上形成导电区域(例如导电表面22、24)，能够使得氧化还原液流电池堆组件10非常灵活。通过一个在另一个之上的方式组装层能够将多个单元层140～148形成为堆，使得单元层48中各个单元室(其中一个示于图3A和3B中)的导电表面22、24串联电联接，并使所述堆变为如图7A中所示的垂直方向。将氧化还原液流电池堆组件10设置在垂直方向上，使得层内的一个单元52在底部且相反的单元56在顶部有助于将可能在充电或放电反应期间形成的所有氢气排出。可将单独的端子连接到如图7A中所示的外部导电表面22、24上，从而将电池连接到负载上。以图7A中所示的方式连接大量端子能够在沿流动通道对每个单元列(即，跨越堆串联电联接的单元)进行单独监控，这能够更好地控制所述堆。通过沿垂直长度对越过各个单元列的电压进行监控，能够确定充电的精确状态。根据放置在氧化还原液流电池堆组件10上的功率需求，能够在峰值需求时完全利用所述电池或在需求小时仅部分利用所述电池。能够在电流负载方面对各个堆进行单独控制，从而提供更长的寿命或更高的效率。

图7B显示了氧化还原液流电池堆组件10的实施方案，其中通过堆叠单元层48形成所述堆，并以单片式框架48a、48b、48c的方式形成所述单元层48。如图7B中所示，在该实施方案中，在跨过单元层长度的框架内形成单独的单元。如上所述，根据各个单元152a、52b、52c中反应物的充电状态，对上述单元的设计参数进行配置，由此所述设计参数可能与堆10的单元层48a、48b、48c内各个单元256a、56b、56c的设计参数不同。

不是在用于各个单元层的单片式框架内组装单元，而是可以在图7C和图3B中所示实施方案中的单元框架52a～56c内组装各个单元。在该实施方案中，通过将单元52a、54a、56a(例如图3B的电极18、隔膜12和电极20)装配入单元框架(例如，图3B的框架84和86)，然后利用插入的双极板(例如图3B的框架82内的导电区域22)对类似设计的框架单元(例如在与图3A类似的构造中的所有单元52)进行堆叠而形成单元列72、74、76，然后将其装配在一起而完成堆10，能够组装氧化还原液流电池堆。

如上所述，在氧化还原液流电池中的一种损失来源是沿隔膜12的边缘反应物发生混合或泄漏。如图8中所示，通过对隔膜材料的边缘160、162进行密封，可消除这种损失。通过将材料加热至升高的温度而同时诸如利用铁或虎头钳对其压缩而将所述材料熔合可完成这种边缘密封。或者，可以在各个单元室的外围周围使用密封垫进行密封。

如上所述，通过在各阶段在电池流动通道内将反应物加热至最佳温度能够提高氧化还原液流电池堆组件10的性能。各种实施方案通过使用废热或替代的能量热源来完成这种加热，从而提高了电性能并同时降低了附加损耗。在能量产生应用以及使用电力并产生废热的工业应用(例如，源自空调和设备冷却系统的散热器)中，各种实施方案具有大量的有用用途。如下面实施方案中所述，替代能源如风力涡轮和太阳能电池板需要冷却以提高性能并防止机械故障。能够将使用Fe/Cr氧化还原液流电池技术的更大的储能系统与图9～11中所示的风力涡轮电场和光伏太阳能电场热集成在一起，从而以免费的方式使用低级废热。例如，能够将1MWh/4MWh的氧化还原液流电池系统热连接并电联接至少量的风力涡轮机。

将风力涡轮系统与氧化还原液流电池系统集成在一起提供了可更新的发电系统，这与不具有储能容量的风力涡轮电场相比，能够更有效且更经济地运行。这种系统能够将风在任何时候吹动时的电力进行储存，并满足电网的电力需求，而不考虑当前的风力条件。这使得风力涡轮/氧化还原液流电池系统能够满足公用契约义务而为电网提供一致的功率，从而避免了在风小或无风期间因难以提供合同规定的功率水平而受到的经济惩罚。另外，所述系统使得在峰值需求期间能够向电网供应电力，使得系统所有者能够在最有利的速率下出售电力而不考虑风力最大的时间。

图9中显示了将风力涡轮电场170与氧化还原液流电池合并在一起的实施方案的能量产生和存储系统。如上所述，风力涡轮机通常需要冷却水系统以确保机械系统在所述设计温度范围内运行。能够将通过涡轮结构170循环的冷却水用作用于氧化还原液流电池系统172的加热流体174。因此，在总能量输出性能方面，通过使用风力涡轮机中机械摩擦产生的废热将液流电池系统172中的反应物保持在最佳运行温度下，能够对所述废热进行部分回收。能够将因风力涡轮电场170产生的电力176储存在氧化还原液流电池系统172中，所述电力176通常是在不与峰值功率需求相对应的时间内产生的。然后，能够响应需求如在峰值功率需求期间的需求，使用储存的电力178来向电网迅速提供峰值功率。图9描述了与三个600kW风力涡轮机集成在一起的1MW的液流电池系统。因此，氧化还原液流电池堆组件10为不一致的发电机的能量储存问题提供了理想的解决方案，同时对冷却这种替代能量系统所需要的废热进行了利用。

类似于上面参考图10所述的风力涡轮/氧化还原液流电池系统，将太阳能转换系统与氧化还原液流电池系统集成在一起提供了可更新的发电系统，与不具有储能容量的太阳能发电系统相比，其能够更有效且更经济地运行。这种系统能够在太阳发光的任何时候对电池进行充电而储存电力，并满足了电网的功率需求而不考虑白天的时间或天气状况。这使得这种太阳能发电机/氧化还原液流电池系统能够满足为电网提供一致功率的公用契约义务，从而避免了因多云天气或在夜间期间难以提供合同规定的功率水平而受到的经济惩罚。另外，这种系统使得在峰值需求期间向电网供应电力，使得系统所有者能够在最有利速率下出售电力而不考虑白天的时间或天气。

能够将太阳能转换系统如光伏(PV)阵列、聚光光伏(CPV)阵列、太阳能热能电站、或太阳能热水系统与氧化还原液流电池系统热集成并电集成在一起，从而提供如图10和11中所示的更经济且更有效的可更新能量产生系统180、190。太阳能集热器183可发电并捕获太阳的热能。在太阳能发电系统中，可通过光伏电池板或在光伏电池板下对水进行循环，从而将光伏电池保持在设计运行温度内。可以将通过太阳能集热器183接收的热能储存在热储槽182中。如上所述，所述Fe/Cr氧化还原液流电池在约40℃～65℃的温度下在最佳效率下运行。能够使用来自热储槽182的加热流体(例如水)来提供所需要的热能，从而在氧化还原液流电池堆组件10中保持该温度，而不会如同在电加热系统或煤气加热系统中的情况，带来昂贵的附加损耗或其它运行成本(和温室气体的排放)。太阳能集热器和热存储系统代表了非常成熟的技术，特别是在住宅市场中。在实施方案中，电解质自身能够作为温差环流热水系统中的工作流体。

在至少两种构造中能够完成太阳热能收集系统与氧化还原液流电池系统的热集成。在图10中所示的第一构造中，对太阳能集热器183和热储槽182进行设计以容纳电解质反应物，在Fe/Cr系统的情况中，所述电解质反应物为HCl溶液。在该构造中，在太阳能集热器183和热储槽182中将反应物升至约40℃～65℃的温度，使得从热储槽182流出的反应物被直接泵送到(通过泵186)氧化还原液流电池堆组件10中，在所述氧化还原液流电池堆组件10中，所述反应物参加电化学反应。排出所述氧化还原液流电池堆组件10的反应物返回热储槽182中以再加热。或者，如同在闭合环路太阳能热水系统实施方案中，能够将闭合环路加热流体用于太阳能集热器183中，同时在槽内的换热器中将热从加热流体传递至在热储槽182中储存的电解质上。

在图11中所示的第三构造中，可以将通过太阳能集热器183产生的热水(或另一种流体)用作热储槽182中储存的加热流体，可诸如通过换热管将所述加热流体泵送到氧化还原液流电池堆组件10中并围绕所述组件10。在这种构造中，源自热储槽182的加热流体不与电解质反应物混合。

太阳能集热器或太阳能转换系统与氧化还原液流电池系统的热集成能够使用如图10中所示的泵循环或如图11中所示的自然循环(热流)。对加热流体进行泵送而通过氧化还原液流电池堆组件10(作为反应物或作为加热流体流过换热管)能够提供最佳的热性能，但是代价为因泵186消耗电力而造成的附加损耗。在如图11中所示的自然循环构造中，使用受热的水或反应物的浮力来使得流体循环通过氧化还原液流电池堆组件10而不需要泵。热水从热储槽182的顶部上升并通过氧化还原液流电池堆组件10，在所述组件10中对热水进行冷却，从而增大了其密度。在不含移动部件或不需要化石燃料的条件下，太阳能加热的自然循环构造不会遭受附加损耗，这将限制储能系统的总的往返效率。所述自然循环构造避免了与运行冷却泵相关的附加损耗并利用单一工作流体提供了非常简单的系统，因为槽体积受约束，所以这有可能是更小系统的良好解决方案。另一方面，能够进行自然循环流动可要求构造折衷，诸如在热储槽182上方，如在非常接近太阳能集热器183或热储槽182的建筑物的顶上设置氧化还原液流电池堆组件10。

关于图10和11中所示的两种实施方案，温差环流太阳能加热系统以闭合环路构造运行。对于更大的储能系统，所述热储槽182能够具有可管理的尺寸，因为在将热储槽182用于保持氧化还原液流电池堆组件10的温度时其恰好循环高热容流体(例如水)。

图12中的表例示了用于商购获得的太阳能热水系统的定型参数，其应适合与氧化还原液流电池系统的各种构造一起使用。

氧化还原液流电池系统与常规发电系统如核电站和烧煤电站的热集成能够提供明显的能量效率和经济效率，因为这种系统产生大量低级废热。如上所述。氧化还原液流电池系统与废热源的热集成提高了电池运行效率而不会造成电加热器或化石燃料加热器的损失或附加损耗。氧化还原液流电池储能系统与常规发电系统的电集成还提供了明显的经济优势，因为所述电池系统使得基荷电站能够提供电网支持(辅助服务)或峰值功率需求而不改变其输出。如同所熟知的，在恒定功率水平下运行时，核电站和烧煤电站最有效且最经济地运行。通过在降低的需求期间(例如深夜中的非尖峰时间)对氧化还原液流电池储能系统进行充电并然后在峰值功率需求期间利用从电池系统中提取的电增强电站的电力输出，能够满足峰值功率的需求。这种合并的电站/储能系统在经济上是有利的，因为能够在最经济方式下产生电力(即，每天恒定输出24小时)而在电价最高时的峰值需求时销售。通过向建立的常规电站添加氧化还原液流电池储能系统以满足增长的峰值功率需求而不建造另外的电站，能够获得进一步的经济优势。氧化还原液流电池系统定型的灵活性是指能够获得向常规电站中添加液流电池存储系统的经济优势而不必对用于未来需求而定型的系统进行投资，其中在所述氧化还原液流电池系统中通过增大反应物储槽的尺寸或数量能够简单地提高储能容量。

还能够使用地热能对反应物储槽进行加热。这种方法可提供具有大量热惯性的稳定系统。能够使用低级地热能为氧化还原液流电池堆组件10或为反应物储槽提供热量。在该实施方案中，从地球深处的地热能获得热量，通过围绕所述反应物储槽的热流体和/或在电池堆之前和之后的换热器能够对所述热量进行传送。

氧化还原液流电池存储系统不必与发电系统放置地很近。例如，如果将源自工业过程或太阳能阵列(PV或CPV)的低成本来源的废热用于建筑物中，将氧化还原液流电池设置在建筑物内或在建筑物附近在经济上和效率上可能是有利的，在所述建筑物内完成所述过程或设置所述太阳能阵列。以这种方式，可以使用来自工业过程或现场电力或热能产生的废热来提高电池效率，同时使用电池的储能容量来满足峰值功率需求或使得能够在电费更低时的非尖峰时间期间购买电力。因此，如果工业过程使用大量的电，则将所述过程与氧化还原液流电池系统热集成和电集成能够满足所述过程对电力的需求，同时在电费更低时的非尖峰时间期间购买电来为电池系统充电。在电费高时，这种实施方式可降低整个期间内工业过程的冷却成本，由此进一步节省了成本。

还能够将所有上述低级热源用于加热反应物槽，以作为加热氧化还原液流电池堆组件10的替代或补充。加热所述反应物槽使得所述系统能够对负载变化作出非常快速的响应而不会造成任何热管理问题，因为将反应物流体恒定地保持在准备用于液流电池中的运行温度下。通过简化氧化还原液流电池堆设计的成本优势，可抵消对反应物槽进行加热和绝缘的成本和复杂性，因为这种方法在电池堆组件中不需要换热器部件。而且，将这些替代实施方案如加热储槽和在堆内提供换热器合并可提供最佳设计方法，从而为氧化还原液流电池提供清洁、低成本且可靠的热量。

在图13A～13D中显示了用于电池储能系统(BESS)中氧化还原液流电池系统的四个其它实例系统实施方案。这些实例实施方案旨在显示如何将各种电池系统部件组装成能量产生系统，从而为不同用途提供储存的电力。

在图13A中所示的第一实例实施方案中，使用与图1中所示系统不同的氧化还原液流电池储能系统构造，从而提供了直流(DC)电力200的可靠来源，所述可靠来源与公用电网的波动和脉冲完全隔离。这种实施方案的系统使用双氧化还原液流电池堆210、212，从而使得能够同时进行充电和放电操作。在这种实施方案的系统200中，可从常规公用电网202、从现场可更新的能源204如风力涡轮电场或太阳能光伏电池板、和/或从现场分布的发电机(DG)205如燃料电池352、丙烷发电机(未示出)、天然气微型涡轮机(未示出)、或柴油发电机组(未示出)接收电力。可对源自电网202、一些可更新能源204或分布式发电机205的电力进行整流而在电力转换系统208中产生DC电力，同时源自燃料电池352、光伏太阳热源183(参见图10)、或其它DC发电机的DC电力不需要整流器。可向第一氧化还原液流电池堆210提供接收的DC电力，对所述第一氧化还原液流电池堆210进行配置并将其用于为氧化还原液流电池反应物进行充电。由于向第一(充电)氧化还原液流电池堆210提供DC电力，所以通过泵226、228将阳极电解液和阴极电解液反应物泵送到充电氧化还原液流电池堆210中。所述DC电力使得通过将Fe⁺²离子转化成Fe⁺³态并将Cr⁺³离子转化成Cr⁺²态而对阳极电解液和阴极电解液的反应物进行充电(参见图4)。这种带电反应物从出口液流230、232中的第一氧化还原液流电池堆210中排出，可将所述出口液流230、232分别引向阳极电解液槽214和阴极电解液槽216。由此，将电力储存在储槽214、216中的Fe⁺³和Cr⁺²的电解质浓缩液中。

从储存在第二(放电)氧化还原液流电池堆212中的电解质中的化学能中产生电能。通过进口液流218、220将源自储槽214、216的电解质导向第二氧化还原液流电池堆212。在所述第二氧化还原液流电池堆212内，通过将Fe⁺³离子转化成Fe⁺²态并将Cr⁺²离子转化成Cr⁺³态而产生电(参见图4)。为DC负载206提供产生的电输出234。

可以将从第二氧化还原液流电池堆212流出的反应物(流出物222、224)泵送到第一氧化还原液流电池堆210中以进行再充电，从而提供单一的充电和放电回路。由于从第二氧化还原液流电池堆212中的电解质产生为DC负载206提供的电，所以输出的电流与充电电源完全隔离，从而使得输出功率能够可靠遵循DC负载而不会发生功率尖峰或功率下降。这种设置确保了源自电网、现场可更新能量发电机或现场分布式发电机的功率变化不会干扰对DC负载206的功率。相反，与大且广泛变化的负载如电动车辆充电站或工业分批加工(例如混合器)相关的功率波动保持与公用电网202和其它能源的隔离。对于公用事业这是有利的，因为其降低了对电网的压力，且对充电站所有者也是有利的，因为其避免了大功率需求的充电。通过适当选择各个堆内串联连接的单元的数目，所述氧化还原液流电池系统的独特特性还使得能够在高的总系统效率下完成DC→DC转换，从而在充电堆中获得V1并在放电堆中获得V2。此外，设施所有者能够选择何时为系统进行充电，从而选择最低成本的电而使得毛利率最大化。

如上所述，通过使用来自设备或设施冷却系统或地热加热系统236的现场废热将反应物加热至升高的温度如约40℃～65℃，能够提高第一和第二氧化还原液流电池堆210、212的电效率。如上所述，可以将源自废热回收系统、太阳能热水系统、或地热加热系统236的加热流体提供给氧化还原液流电池堆210、212内的换热器(如液流238中所示)和/或对反应物储槽214、216进行加热(如液流240中所示)。

图13A中所示的实施方案提供了用于负载206的电源，所述负载206与输入功率如公用电网202、现场可更新能源204或现场分布式发电机205的变异性电隔离。如果设计目标是简单提供电隔离，则系统200可使用小的电解质反应物槽214、216(例如，在将氧化还原液流电池堆组件210、212排干以进行维护时，提供足够的槽容量以接受电解质的热膨胀并储存电解质)。这是因为能够在反应物放电的相同速率下对其进行充电。然而，通过使用更大的电解质反应物槽214、216，所述系统还能够用作备用电源，从而在输入功率(例如源自公用电网202)不可用时对负载206提供电力。

图13A中所示的Fe/Cr氧化还原液流电池系统200的实施方案的特别有吸引力的用途是用作数据中心的功率隔离器(power isolator)/不间断电源。数据中心需要特别高品质的DC电力且还放出大量废热。目前，将铅-酸电池基不间断电源(UPS)用于数据中心中以确保高品质DC电力和短持续时间的备用电源。热加剧了铅-酸电池的正栅极腐蚀和硫酸盐化失效机制，从而必须在温度受控环境中运行这种UPS系统。与铅-酸电池UPS相反，图13A中所示实施方案的Fe/Cr氧化还原液流电池系统能够提供可靠的电力供应，同时利用数据中心的废热来提高总系统效率，从而在铅-酸基UPS上提供了大量优势。

如上所述，参考图2和图5，对图13A中的第一和第二氧化还原液流电池堆210、212进行配置以在所述堆的各个单元层中具有多个单元，同时对各个单元层中的单元进行配置而为沿反应物流动通道的各个单元中预期的电解质浓度设计参数如匹配的催化剂的装载、催化剂的活性、温度、反应物质量传输速率和隔膜的选择性。在图13A中所示的Fe/Cr氧化还原液流电池实施方案中，对第一氧化还原液流电池堆210进行配置以用于充电，因此在从进口到出口沿流动通道的随后单元中充电催化剂的装载、充电催化剂的活性、温度、质量传输速率和隔膜的选择性提高。相反，对第二氧化还原液流电池堆212进行配置以用于放电，因此在从进口到出口沿流动通道的随后单元中放电催化剂的装载、放电催化剂的活性、温度和质量传输速率增大且隔膜的选择性下降。

在图13B中所示的第二实例实施方案中，可以使用氧化还原液流电池储能系统为电动车辆(EV)或插入式混合电动车辆(PHEV)充电站250提供电力。除了在第一氧化还原液流电池堆210与电解质储槽214、216之间提供单独的充电回路252并在第二氧化还原液流电池堆210、212与电解质储槽214、216之间提供单独的放电回路254之外，该实施方案利用了上面参考图13A所述的许多部件。例如，一组放电回路泵260、262将电解质进口液流256、258从电解质储槽214、216泵送到第二氧化还原液流电池堆212内，且一组充电回路泵268、270将电解质进口液流264、266泵送到第一氧化还原液流电池堆210内。

这使得充电过程和放电过程能够相互独立地运行。因此，如果放电系统的需求需要放电回路254中的电解质质量流速比在充电回路252中的电解质质量流速高，则可以在与充电回路泵268、270不同的速度下运行放电回路泵260、262。类似地，如果不需要放电，则可运行充电回路泵268、270而继续对系统充电，同时放电回路254仍保持闲置。因此，在非尖峰的夜晚时间期间，能够运行充电回路252以在反应物中储存能量，同时按需要间歇运行放电回路以满足负载需求。

图13B中所示的车辆充电站250的实施方案为车辆充电器272提供输出功率234，对所述充电器272进行配置从而在为电动车辆274充电所需要的电压和电流密度下提供电力。该实施方案利用遵循氧化还原液流电池系统容量的负载，因为可以预期，电动车辆的快速充电会需要大功率需求。因为对电动车辆进行充电不太可能是一个恒定过程，且更可能是在车辆到达充电站时随机发生，所以对大量功率的这种定期需求会对公用电网202、可更新能源204、和/或分布式发电机源205如燃料电池352造成不能接受的需求。简单地通过经由放电回路254来增加电解质的质量流速，使得氧化还原液流电池系统能够满足充电的需求。因此，在充电回路252从公用电网202、可更新能源204、和/或分布式发电机源205提取恒定量功率的同时，能够运行放电回路254及其第二氧化还原液流电池堆212以满足为电动车辆再充电的定期需求。该实施方案确保了，从电网202或现场可更新能量电源接收的功率的变化不会干扰车辆的充电或损害车辆的储存电池。氧化还原液流电池系统的独特特性使得能够在高的总系统效率下进行DC→DC转换，从而进一步提供了经济的车辆充电系统。此外，充电站的操作员能够在电费更低的非尖峰时间期间对电解质充电，从而提高了操作员的总毛利率。

与参考图13A的上述实施方案类似，在对第一和第二氧化还原液流电池堆210、212各自的充电和放电功能进行设计时，对其进行优化。在图13B中所示的Fe/Cr氧化还原液流电池实施方案中，对第一氧化还原液流电池堆210进行配置以用于充电，因此在从进口到出口沿流动通道的随后单元中充电催化剂的装载、充电催化剂的活性、温度、质量传输速率和隔膜的选择性增大。相反，对第二氧化还原液流电池堆212进行配置以用于放电，因此在从进口到出口沿流动通道的随后单元中放电催化剂的装载、放电催化剂的活性、温度和质量传输速率增加且隔膜的选择性下降。

图13C显示了替代实施方案的电动车辆充电站300。除了使用阀302、304来控制通过充电回路252和放电回路254的电解质反应物液流使得通过单组电解质泵260、262将电解质反应物泵送通过一个或两个回路之外，该实施方案还利用了上面参考图13A和13B所述的许多部件。该实施方案可具有成本优势，因为其需要的泵更少。

与上面参考图13A和13B所述的实施方案类似，在对第一和第二氧化还原液流电池堆210、212各自的充电和放电功能进行设计时，对其进行优化。在图13C中所示的Fe/Cr氧化还原液流电池实施方案中，对第一氧化还原液流电池堆210进行配置以用于充电，因此在从进口到出口沿流动通道的随后单元中充电催化剂的装载、充电催化剂的活性、温度、质量传输速率和隔膜的选择性增大。相反，对第二氧化还原液流电池堆212进行配置以用于放电，因此在从进口到出口沿流动通道的随后单元中放电催化剂的装载、放电催化剂的活性、温度和质量传输速率增加且隔膜的选择性下降。

在图13D中所示的第四实例实施方案中，能够将氧化还原液流电池储能系统与燃料电池一起使用而提供燃料电池/氧化还原液流电池发电系统350，以用于为电网或工业设施提供可靠的遵循负载的功率。该实施方案利用了上面参考图13A所述的许多部件。在该实施方案中，从燃料电池352接收电能，所述燃料电池352从接收自燃料源356的燃料如氢的化学转化产生电能。燃料电池是非常有效的电力发生器，其比大部分其它燃料基能量发生系统产生更少的污染。如同所熟知的，在恒定输出功率水平下运行时，燃料电池最有效地运行且持续更长的时间。然而，在整个白天期间，对典型公用电网202或工业设施359的功率需求波动很大。因此，尽管燃料电池可代表电能的有希望且有效的替代源，但是其特征不适用于公用电网用途。该实施方案的燃料电池/氧化还原液流电池系统350通过使用双氧化还原液流电池堆210、212而能够同时进行充电和放电操作，使得能够在满足电网202或工业设施359的波动需求的同时在固定功率水平下从燃料电池352接收电力，从而克服了燃料电池的这种限制。

在该实施方案中，可通过燃料管道354从燃料源356向燃料电池352中提供化学燃料如氢或天然气。例如，所述燃料电池/氧化还原液流电池系统350可位于或靠近天然气源如在油田中，使得能够将从地面提取的天然气提供给燃料电池。燃料电池352将燃料转化成电力和流出物(例如水和二氧化碳)。将从燃料电池352输出的电力提供给第一氧化还原液流电池堆210，在所述第一氧化还原液流电池堆210中使用所述电力对储存在电解质储槽214、216中的电解质进行充电。如上所述，将储存在电解质物质中的电能转化成第二氧化还原液流电池堆212中的电力。能够将源自第二氧化还原液流电池堆212的电力输出234提供给逆变器358，所述逆变器358将由电池产生的DC电流转换成与公用电网202或工业设施359相容的AC电流。所述逆变器358可以为本领域所熟知的固态电动DC→AC逆变器或电动发电机。在该实施方案中，通过调节泵226、228的速度能够对通过第二氧化还原电池堆212的电解质的流动进行控制，从而产生可满足电网202的需求的电力。当公用电网202或工业设施359的需求超过燃料电池252的稳态输出时，使用电解质中储存的能量来满足另外的需求。当公用电网202的需求小于燃料电池252的稳态输出时，超出的能量储存在电解质中。因此，系统350能够遵循公用电网202或工业设施359的峰值需求而不必以低效或可能造成损害的方式运行燃料电池352。以类似但替代的方式，能够将系统350用作现场分布式发电机以遵循相同位置的工业设施负载359的峰值需求。通过公用电网202或单独的独立式燃料电池系统352能够满足工业设施359的基本负载需求。

与参考图13A～13C的上述实施方案类似，在对第一和第二氧化还原液流电池堆210、212各自的充电和放电功能进行设计时，对其进行优化。在图13D中所示的Fe/Cr氧化还原液流电池实施方案中，对第一氧化还原液流电池堆210进行配置以用于充电，因此在从进口到出口沿流动通道的随后单元中充电催化剂的装载、充电催化剂的活性、温度、质量传输速率和隔膜的选择性增大。相反，对第二氧化还原液流电池堆212进行配置以用于放电，因此在从进口到出口沿流动通道的随后单元中放电催化剂的装载、放电催化剂的活性、温度和质量传输速率增加且隔膜的选择性下降。

在图14中所示的其它实施方案中，对氧化还原液流电池系统400进行配置，从而使用重力使反应物流过电池单元，由此减少或消除了泵的需要。与其它液流电池系统相比，重力驱动的氧化还原液流电池系统400具有更少的部件且更简单，从而降低了其购置成本。消除所述泵还降低了附加损耗，从而导致更有效的总储能系统。将能量储存在槽404、406中储存的电解质中的化学物质浓缩物中。所述电解质通过所述氧化还原液流电池堆410，所述氧化还原液流电池堆410根据流动方向和施加的功率或负载对电解质充电或对电解质放电。然后将排出氧化还原液流电池堆410的电解质流体收集在位于所述氧化还原液流电池堆410下方的一套匹配的槽414、416中。所示实例实施方案包含四个反应物槽404、406、414、416，两个(404、414)用于阳极电解液反应物且两个(406、416)用于阴极电解液反应物。可包含任选的阀418、420、424、422以能够对流过氧化还原液流电池堆410的反应物进行控制或节流。可以将氧化还原液流电池堆410和四个反应物槽404、406、414、416集成在支撑结构402如圆筒内。当阀418、420、422、424打开时，反应物通过重力从顶槽404、406流过氧化还原液流电池堆410并流入底槽414、416中。在充电模式中，在与电解质流速一致的速率下并在电解质的充电状态下通过氧化还原液流电池堆410消耗电力。一旦对储存在反应物中的能量进行补充或在其它时间对系统放电，则重力驱动的氧化还原液流电池系统400旋转180°，从而能够开始放电操作。因此，氧化还原液流电池堆410的充电/放电操作取决于系统的取向。

由于图14中所示的实施方案的目标是简化操作和设计，所以将单个氧化还原液流电池堆410用于充电和放电两种模式中，尽管可使用分开的电池堆。如同上面参考图5所述的，对单一氧化还原液流电池堆410进行配置以在充电和放电模式中使得催化剂的装载、催化剂的活性、温度、反应物质量传输速率和隔膜的选择性与在沿反应物流动通道的各个独立单元中预期的电解质浓度相匹配。具体地，对单一氧化还原液流电池堆410进行配置，使得在从电池堆一端到另一端的随后单元中催化剂的装载、催化剂的活性、温度和质量传输速率随半循环(充电或放电)需要优化而变化且隔膜的选择性提高。在运行中，反应物在用于充电的一个方向上并在用于放电的相反反向上流过氧化还原液流电池堆410。

另外，由于图14中所示的实施方案的目标是对操作和设计进行简化，所以氧化还原液流电池堆410和槽404、406、414、416可不包括用于控制反应物温度的热管理或换热器。

在图15A～15C中显示了重力驱动的氧化还原液流电池系统400的运行。在图15A中所示的充电模式中，反应物通过重力从顶槽404、406流过氧化还原液流电池堆410并流入底槽414、416中，同时向电池堆供应电力。使用阀418、420、422、424可对通过氧化还原液流电池堆410的反应物的流动进行控制，从而与施加到所述堆上的充电功率的量相匹配。因此，当不能获得用于充电的功率时，阀418、420、422、424可保持关闭，且当可获得小于全充电功率的功率时，可以将阀418、420、422、424部分打开以提供通过电池堆410的计量液流。氧化还原液流电池堆410和槽404、406、414、416与流动导向管道垂直并对其进行配置使得反应物在充电期间在从进口到出口催化剂的装载、催化剂的活性和质量传输下降且隔膜的选择性提高的方向上流过电池堆。

如图15A～15C中所示，可将氧化还原液流电池系统400集成在支撑在辊子430、432或轮轴(未示出)上的圆筒形支撑结构402中，使得所述系统能够绕其长轴旋转而从充电模式变为放电模式或从放电模式变为充电模式。例如，在实施方案中，可为辊子430、432中的一个或多个安装驱动机构如电驱动的电动机(未示出)、链驱动机构(例如可以将其连接到电动机或自行车踏板(peddle)上)或简单的手摇柄434以使得圆筒形支撑结构402能够旋转。将这种操作显示在图15B中，图15B表明，阀418、420、422、424关闭，且通过连接到辊子432中的一个上的手摇柄434驱动机构的旋转，使得圆筒形支撑结构402以顺时针方向旋转。图15A～15C中所示的手摇柄434仅用于说明性目的，因为可以将多种机械动力源用作驱动机构，例如连接到自行车、电动发动机或内燃机、水车等的链驱动。

如图15C中所示，将氧化还原液流电池系统400旋转180°，将所述系统放入用于放电操作的构造中，使得源自槽414、416的充电反应物通过重力流过氧化还原液流电池堆410并流入底槽404、406中，从而从电池堆410中产生电力。由于所述系统的构造，使得反应物在与充电期间的方向相反的方向上流过氧化还原液流电池堆410。可使用阀418、420、422、424对通过氧化还原液流电池堆410的反应物的流动进行控制，从而与产生的电功率的量相匹配。因此，当不需要功率时，阀418、420、422、424可以保持关闭，且当需要小于全容量(capacity)功率的功率时，可以将阀418、420、422、424部分打开以提供通过电池堆410的计量液流。

从图14～15C中所示实施方案中的液流电池系统消除泵的优势为数倍的。首先，实施方案使得系统可完全密封。对氧化还原液流电池系统进行完全密封是非常重要的，因为任意一点空气漏入电解槽或管道中将氧化反应物，从而降低性能并可能产生有害气体。因此，非常良好密封的系统是重要的。消除泵的需要确保了更结实和简单封闭的系统。其次，消除泵提高了总系统效率。泵是附加损耗的来源，所述附加损耗可直接降低系统的往返效率。因此，该实施方案使往返效率最大化，特别是在利用廉价能量如手摇柄434进行旋转时。第三，消除泵的需要降低了成本和维护要求，因为电解质反应物的酸特性需要特殊的泵和泵材料。第四，用于旋转结构402的方法不接触反应物，所以能够使用包括人力的低成本、可靠的机制来旋转系统，从而改变运行模式。第五，系统可安静地运行，因为系统在运行时，无移动的部件。

除了旋转机制之外，控制阀418、420、422、424是仅有的移动机械部件。通过随时在充电与放电模式之间变换，能够灵活的运行所述系统。例如，一旦通过一个循环对系统放电，则通过将所述系统旋转180°而将反应物流回合适的槽中以用于放电而未向电池堆410施加电力，并然后将所述系统旋转另一个180°以重新开始放电过程而进行第二次放电可能是有利的。尽管输出的功率会比第一放电循环中的低，但是这样做将产生在反应物中储存的更多电能。同样地，通过多个类似过程的循环，能够对所述系统充电。此外，如果必要，所述系统能够从充电模式变换到放电模式而不需要旋转所述槽，但会降低系统的效率。

上面参考图14和15A～15C所述的实施方案的设计和操作的简化、以及Fe/Cr电解质反应物的安全性，使得实施方案的系统可理想地用于小型电力储存应用中。例如，这种实施方案可理想地适用于偏远的电力应用中，例如不能使用公用电网而使用太阳能光伏阵列和/或风力涡轮发电机来发电的偏远城镇和乡村。例如，添加类似于该实施方案的氧化还原液流电池系统会使得可在夜间向偏远城镇和乡村供应电力。类似的，可以将根据该实施方案的一个或两个系统用于偏远的电动车辆充电站中，所述充电站可在不需要为汽车充电时使用公用电网的电力或当地可更新能源对所述系统进行充电，并在需要时旋转所述存储系统以提供电力而为电动车辆进行再充电。

可确定该实施方案系统的尺寸以安装在标准尺寸的集装箱内部。因为这些系统完全密封且是整装的，所以可以在集装箱内安全地对其进行操作，使得要包装的系统能够快速地展开。出于运输目的，电解质可以作为盐如氯化铁来运输，可将其储存在罐中。这能够大大降低用于运输的系统的重量。然后，一旦系统就绪，立即添加水以达到运行所需要的浓度。以这种方式，能够以准备直接运输的条件对诸如上面参考图14～15C中所述的实施方案的系统进行建造和储存，并在必要时移至需要储存能量的场所。例如，可以将这种可展开的储能系统设置在发生自然灾害的地点如飓风着陆或地震中心，从而有助于提供应急电力，直至能够恢复可靠的公用服务。

图14和15A～15C显示了与槽404、406、414、416完全集成在一起并垂直固定在支撑结构402内的电池堆410。然而，在另一个实施方案中，可以将槽404、406、414、416与电池堆410分开，使得所述槽可旋转而获得期望的重力进料，以通过保持静止的电池堆410。这种替代实施方案在易于添加更多槽/储存容量的能力方面可能更灵活。这种替代实施方案需要灵活的管道或包括可适应旋转而不会泄露的流体联接。

如上所述，各种实施方案利用沿反应物流动通道具有不同构造的独立单元来提高总的电性能。图16A～16C显示了实例的隔膜材料的显微照片，所述隔膜材料适用于图2中所示三单元氧化还原液流电池构造中的独立反应单元。图16A中所示的隔膜材料由膜孔隙率小于约0.1微米的多微孔材料制成，其适合用于在放电模式中与堆进口相邻并在充电模式中与堆出口相邻的单元中。这种多微孔材料具有约0.8ohm-cm²的面积比电阻并具有约2000μgFe/hr-cm/M的反应物选择性。图16B中所示的隔膜材料由膜孔隙率为约2～约5微米的熔喷材料制成，其适合用于在堆进口和堆出口中途的单元中，所述材料具有约0.5ohm-cm²的面积比电阻并具有约4000μg Fe/hr-cm/M的反应物选择性。图16C中所示的隔膜材料由膜孔隙率为约15～约30微米的纺粘材料制成，其适合用于在放电模式中与堆出口相邻且在充电模式中与堆进口相邻的单元中，所述材料具有约0.2ohm-cm²的面积比电阻并具有约12000μg Fe/hr-cm/M的反应物选择性。

在下表1中列出了用于三单元构造的其它代表性堆设计参数和性能特征。所有值都为近似值。

表1

充电状态(％)	90→62	62→34	34→6
				利用率(％)	31％	45％	82％
电解质浓度[M]
				[Cr2+]	1.80→1.24	1.24→0.68	0.68→0.12
[Cr3+]	0.20→0.76	0.76→1.32	1.32→1.88
				[Fe3+]	1.80→1.24	1.24→0.68	0.68→0.12
[Fe2+]	0.20→0.76	0.76→1.32	1.32→1.88

电极表面积	较低	中等	较高
				电极放电催化剂的装载量	较低	中等	较高
电极充电催化剂的装载量	较高	中等	较低
				电极停留时间	较高	中等	较低
隔膜的选择性(ug Fe/hr-cm/M)	2000	4000	12000
				隔膜的面积比电阻(ohm-cm2)	0.8	0.5	0.2
隔膜的孔隙率(μm)	＜0.1微米	2～5微米	15～30微米

各种系统的实施方案可使用如下所述的多种电解质储槽构造。在简单的实施方案中，可使用单个槽来储存各种电解质，如图1中所示。这种构造减少了槽的数目并能够快速地从充电模式转换为放电模式(且反之亦然)。然而，这种系统的实施方案会因为充电的电解质与放电的电解质的混合而造成效率损失。

在第二种方法中，通过使用用于各种电解质的分开的槽，能够将充电和放电的电解质分开储存在图1和13中所示的系统实施方案中，从而导致系统中总共有四个槽(即，各个分别用于充电的阳极电解液、放电的阳极电解液、充电的阴极电解液和放电的阴极电解液)。将电池系统中的四个槽的使用示于图14～15C中。在所述系统内可使用另外的泵和阀以使得电解质流入/流出适当的槽，这取决于图1和13A～13D中所示的实施方案的充电/放电模式。

在图17中所示的其它实施方案中，可以为氧化还原液流电池系统配置使充电电解质和放电电解质的混合最小化的电解质储槽。在这种系统中，将电解质储槽26、28和液流系统流体联接到氧化还原液流电池堆组件10上，使得从电解质储槽26、28中的各个槽中泵出的电解质流体流过氧化还原液流电池堆组件10并然后流回相同的槽26、28中而不会稀释充电电解质。在该实施方案中，各个电解槽26、28将储存充电反应物504、514和放电反应物506、516两者，同时在各个槽中包含槽隔板502、512，这阻止或至少抑制了充电电解质504、514与放电电解质506、516的混合。该实施方案降低了系统中需要的电解质储槽的数量，同时提高了系统的效率。

槽隔板502、506抑制了供应至氧化还原液流电池堆组件10的充电电解质504、514与流回电解槽26、28的放电电解质506、516的混合。这在整个放电循环中阻止了充电电解质的稀释并将充电电解质的浓度保持在恒定水平上，从而保持了电池单元电势的恒定。如果发生混合，则随着时间的推移，随着越来越多的放电电解质506、516返回槽内，电解槽26、28中的电解质浓度会下降。图18显示了与随时间的推移将充电和放电的电解质保持分离时的单元电压(线550)相比，随时间的推移使充电和放电的电解质混合时对单元电压(线552)的影响。通过包含槽隔板502、512，能够将单个电解槽用于阳极电解液反应物和阴极电解液反应物的各种反应物，同时确保在整个放电循环期间电池电势保持恒定。这节省了额外一套槽的成本。另外，通过在整个过程或充电或放电期间保持更恒定的电压，与将充电电解质与放电电解质混合的设计相比，输入/输出氧化还原液流电池堆的电力的所有DC-DC、DC-AC或AC-DC转换效率都高。这是因为这些类型的转换器在更窄的电压范围内可更有效地运行。最后，与将充电电解质与放电电解质混合的设计相比，氧化还原液流电池堆的输出功率更恒定。

尽管图18显示了对电池放电电势的影响，但是如果在充电循环期间使充电电解质与放电电解质混合则将对系统效率造成类似影响。因此，槽隔板502用于阻止或减少在充电和放电循环两者期间充电电解质与放电电解质的混合，从而导致系统成本更低、输出功率更恒定、且DC效率更高。

槽隔板的实施方案包含两种形式的可移动的槽隔板设计：一种槽隔板具有能够打开而使得电解质能够流过隔板的流动通道，且一种为不含流动通道的槽隔板。下面参考图19A～19F和20A～20F，对这两种实施方案的构造的操作进行说明。

在图19A～19F中所示的第一实施方案中，由能够浮在电解质反应物上的有浮力的结构或材料形成槽隔板502，所述槽隔板502包含流动通道，所述流动通道当关闭时会阻止隔板上方和下方的流体发生混合，且可以打开所述流动通道从而使得槽隔板上方和下方的流体发生混合。所述槽隔板502可以由例如聚丙烯或聚乙烯材料制成，与酸性电解质流体相比，所述聚丙烯或聚乙烯材料具有更低的密度且因所述优点而耐腐蚀。所述槽隔板502包含阀机构如天窗(louver)503(如图19A～19F中所示)、可关闭的开口、一系列阀、或能够打开而使得流体通过隔板结构的类似结构。打开这种阀结构将使得在放电循环结束时槽隔板502浮动至电解槽26的顶部。在图19A～19F中所示的实例实施方案中，所述槽隔板502包含大量天窗503，所述天窗503可以为一排板，在将所述板旋转至关闭位置时，形成密封，且在旋转至打开位置时可使得流体从所述板之间流过。在另一个实例实施方案中，槽隔板502可在表面上包含可滑动的面板，所述面板能够滑动而暴露出穿过所述隔板结构的孔，这使得流体通过。

图19A～19F显示了电解槽26的横截面，其显示了在氧化还原液流电池系统的全放电或全充电循环的整个过程中槽隔板502的运动。图19A显示了槽隔板502浮动在电解质液体504顶上同时其天窗503处于完全封闭的构造的电解槽26。这种构造反映了充电或放电循环的开始。

在充电或放电循环期间，从槽26的槽隔板502下方抽取初始(充电或放电的)电解质504并使其通过氧化还原液流电池堆组件10，同时将排出电池506的电解质泵送至槽隔板502上部的槽26内。将这示于图19B中，所述图19B显示了电解槽26和槽隔板502部分地通过充电或放电循环的构造，此时将引入的电解质506泵送到槽隔板502顶上的电解槽26中，同时从槽隔板502下方抽取被供应至氧化还原液流电池堆组件10的电解质504(液流34)。如图19B中所示，槽隔板502抑制了初始(充电的或放电的)电解质液体504与引入的(放电的或充电的)电解质液体506的混合。

图19C显示了具有靠近电解槽26底部的槽隔板502的充电或放电循环的一部分，在接近充电或放电循环的最后时会发生这种情况。在这个时候，槽隔板502中的天窗503保持关闭，从而保持充电和放电的电解质504、506分离。

图19D显示了位于靠近槽26底部的槽隔板502，其在充电或放电循环的最后将处于这个位置。在这个时候，可以将天窗503打开，从而使得槽隔板502上方的电解质506通过隔板结构。由于槽26充满了相同类型的电解质506(充电的或放电的)，所以可以将阀机构打开且可以移动槽隔板502而不会造成电性能损失。图19D显示了其中通过将天窗503旋转至打开位置而将其打开的实施方案，但是另一个实施方案可以通过滑动面板而暴露出穿过槽隔板502的孔或通过打开阀而使得流体通过穿过隔板结构的管道，来使得流体通过隔板。

由于槽隔板502是能漂浮的，所以打开天窗503(或其它阀结构)使得所述槽隔板502能够开始向槽顶部浮动。将这示于图19E中，所述图19E显示了在电解质506流过打开的天窗503时，浮动回电解槽26顶部的槽隔板502。尽管槽隔板502可简单地浮动至顶部，但是也可以提供磁耦合来帮助槽隔板502移动回顶部。

如图19F中所示，当槽隔板502到达电解质506的顶部时，通过在将源自氧化还原液流电池堆组件的电解质506泵送回电解槽26内之前按图19A中所示将槽隔板502中的天窗503关闭，能够开始下一个循环(充电或放电)。

通过外部驱动能够控制槽隔板502阀结构的关闭或打开，可以将所述外部驱动磁力连接至阀机构如天窗503上。以这种方式，在外部控制器或电源与隔板之间不需要导线或其它连接。在氧化还原液流电池系统中，电解质流过完全封闭的系统以避免与空气接触。这使得难以长期对电解槽26内的阀机构进行维护。因此，例如使用磁力作为连接机制的外部控制机构可以在控制电解槽26内的槽隔板502方面具有优势。

或者，可以通过因槽26内槽隔板502的位置而激活的机械装置来控制阀机构或天窗503。例如，可以对阀机构如天窗503进行配置，使得在结构表面如浮动杆升至液面上方时，闩上天窗的所述结构表面关闭而将所述阀机构关闭，或者可以对阀机构进行配置，使得其在所述结构的一部分与槽底部接触时打开，诸如插销释放机制。

在替代实施方案中，所述槽隔板602可垂直取向并对其进行配置而使其越过水平布置的电解槽600的长度，如图20A～20F中所示。在该实施方案中，垂直的槽隔板602不包含天窗或阀结构，而是对其进行配置以抑制在任一侧上的流体发生随时混合。图20A显示了具有靠近电解槽600左端设置的垂直槽隔板602的电解槽26，所述槽隔板602将放电电解质606与充电电解质液体604分开。这反映了充电循环的开始。图20B显示了充电循环的一部分，此时，将新的充电电解质604从氧化还原液流电池堆组件10泵送到垂直槽隔板602一侧上的电解槽600内，同时排出电解槽600的放电电解质606流过所述氧化还原液流电池堆组件10。如图20B中所示，垂直的槽隔板602抑制了充电电解质604与放电电解质606的混合。图20C显示了在部分接近充电循环结束的点处的系统，此时垂直的槽隔板602靠近电解槽600的右端。

为了开始对电池进行放电，将流过氧化还原液流电池堆组件10的电解质的方向翻转，如图20D中所示。随着将放电的电解质泵送到电解槽600内，垂直的槽隔板602在沿电解槽600的长度方向上往回移动，如图20E中所示。因此，随着对氧化还原液流电池系统进行放电，例如，垂直的槽隔板602在另一个方向上越过电解槽600。

在任何时候，能够将流过氧化还原液流电池堆组件10的液流的方向翻转以从充电转变为放电、或从放电转变为充电。因此，如图20F中所示，在电池完全放电之前，通过将源自电解槽600的放电电解质606泵送通过氧化还原液流电池堆组件10并泵送回在垂直的槽隔板602另一侧上的电解槽600内如返回以储存能量，能够将液流翻转。

在图20A～20F中所示的实施方案中，所述垂直的槽隔板602可以为将充电的流体与放电的流体分开而防止稀释的塑料构件。该实施方案中的垂直的槽隔板602不需要外部控制，因为其在电解槽600内的位置可通过流过氧化还原液流电池堆组件10的流动方向来控制。因此，所述垂直的槽隔板602能够为相对简单的塑料板，可将所述塑料板悬浮或对其进行配置而在水平方向上自由移动从而通过所述电解槽600。

在槽隔板502、602与电解槽26、600之间不需要进行密封以特别地防泄露，因为如果槽体积足够大，则在边缘附近的少量泄露对总系统效率的影响非常小。此外，一些泄露，尽管是不可取的，但是不会对液流电池系统造成任何威胁，只是稍微降低了其总效率。

由于所述槽隔板因在处于充电状态时从槽中抽出且在放电状态时再注入的电解质而发生移动，所以槽隔板的位置能够用作充电状态的指示器。通过并入被动或主动的发信号装置如RFID芯片或大片金属，通过源自RFID芯片或由金属片的磁场诱发的信号的位置灵敏阅读器能够确定槽隔板的位置并因此能够确定系统的充电状态。能够使用多个RFID芯片或金属片来提高信号强度和/或提供冗余。

能够将图17、19和20中所述的水平或垂直槽的实施方案用于上面参考图13A、13B、13C和13D所述的系统设计中，从而在所述系统内产生备用功率容量。

如上所述，储存在图13A中的槽214、218内的电解质也在功率系统中提供了备用功率容量。作为实例，当将图13A中用于充电堆(堆1)的电源断开或下降时，能够通过3向阀引导源自放电堆212的放电电解质沿管道(未示出)向下，所述管道绕过充电堆210并将放电电解质引入位于槽隔板后面的槽的后端(如图17、19和20中所示)。可从槽214、218的前端并因此在槽隔板的前面将向放电堆供应的充电电解质抽出。

可使用其它设计方法来保持充电电解质与放电电解质的分离。在第一种替代方法中，能够在用于各种电解质的各个槽内部提供囊(bladder)。可将所述囊密封至槽上并可适当确定其尺寸以容纳全部体积的充电电解质和放电电解质。可将放电电解质泵送到槽的囊部分中，同时所述囊阻止了放电电解质与充电电解质在槽的剩余部分中发生混合。槽内囊的用途类似于上面参考图19和20所述的可移动隔板的实施方案，同时折衷了用于移动部件的密封部件。

在第二种替代方法中，将一系列槽用于各种电解质，所述槽总体的体积比电解质的体积大。将用于电解质的槽连接到氧化还原电池堆组件上，使得在电池系统的各个半循环期间，将放电电解质和充电电解质分布在槽中。这种“N+1”构造消除了可移动隔板或密封部件的需求，并折衷了其它管道、阀和控制复杂性。

其它替代设计可影响如下事实，在放电状态中，Fe/Cr混合反应物系统中的两种电解质具有相同的化学组成。因此，关于为了在可全放电的充电状态范围(即零充电状态)内运行而设计的系统，可使用三槽系统，其中第一槽容纳充电的阳极电解液，第二槽容纳充电的阴极电解液，且第三个更大的槽容纳合并的放电电解质。在其它替代设计中，可确定一个槽的尺寸以最少容纳阳极电解液和阴极电解液两者。在另外的方法中，一个槽可包含在所述槽内从槽中间向两端移动的两个隔板。在这种替代中，将充电的阳极电解液泵入/泵出槽的一端，同时将充电的电解质泵入/泵出槽的另一端，并将放电的阳极电解液和阴极电解液泵入/泵出槽的中间。因为放电电解质填充内部，所以其膨胀体积将隔板推向各端，从而抵消了充电电解质体积的下降。在另外的替代中，可使用囊代替隔板以在单个槽内产生三个分开的体积。

上述氧化还原液流电池系统实施方案中的全部槽(图14和15中所示的除外)能够独立在建筑物内部、独立在户外、放在基准标高以下的存储室(below-grade vault)内或者被掩埋。另外，能够对所述槽进行设计以安装在标准集装箱的体积内。这不仅使得槽易于运输，且在对容器的外层进行适当密封时还可充当电解质的第二密封。

用集装箱装上述电解槽，可使得与现场建造或需要必须现场制造的海关基地的槽相比，它们更容易展开。此外，对堆、氧化还原液流电池控制系统和标准集装箱内的功率调节系统进行包装，能够产生完整的系统构造，所述构造易于通过铁轨和/或拖拉机拖车装运并利用相对相对最少的现场工作而展开。因此，用集装箱装的氧化还原液流电池系统能够提供仅需要连接到公用电网或其它电力来源即可使用的电能储存系统。将容纳氧化还原液流电池堆、控制系统和功率调节系统的容器放在容纳电解质储槽的容器上方的系统设计，可获得易于运输并在目的地易于装配的储能系统，且在所述电池系统短期或长期闲置时，所述储能系统有助于控制电解质的液流和堆的全部或部分排液。

在另外的方案中，可对氧化还原液流电池堆组件进行配置，使得反应物在单一方向上流动时所述电池能够实施充电和放电操作。在一种构造中，可以使用如图1中所示的使得充电电解质和放电电解质混合的电解槽26、28，从而使得能够通过使用电气开关44而在短时间内在充电模式和放电模式之间快速转换。尽管可以在设计参数中进行折衷，诸如对于充电和放电更有利于充电以能够实施这种操作，但是这种实施方案简单地通过在堆和充电电源45或负载46之间的电转换连接(例如通过开关)就能够非常迅速地从充电转换成放电或从放电转换成充电。通过将反应物液流保持在一个方向上穿过氧化还原液流电池堆组件，能够避免与反应物液流转向相关的转换模式中的延迟。在替代构造中，可将多个槽(例如上面参考图14所述的)或隔板槽(例如上面参考图17～19E所述的)用于这种实施方案中，同时对阀、泵和管道进行配置以引导充电或放电电解质(取决于运行模式)在单一方向上通过氧化还原液流电池堆组件。

为了使本领域技术人员可制造或使用本发明而提供了各种实施方案的上述说明。这些实施方案的各种变化对本领域技术人员而言是显而易见的，且在不背离本发明主旨和范围的情况下，可将本文中所定义的基本原理应用于其它实施方案中。因此，不应将本发明限制为本文中所示的实施方案，相反，权利要求书应符合与本文中公开的原理和新颖特征一致的最宽范围。

Claims (31)

1.一种氧化还原液流电池储能系统，其包含：

氧化还原液流电池堆组件，所述组件包含：

单元层阵列，所述单元层各自包含沿穿过所述层的反应物流动通道布置的多个单元，其中根据所述多个单元中的各个单元沿所述反应物流动通道的位置，对所述各个单元进行配置。

2.如权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其中所述多个单元中的各个单元配有选定的隔膜，使得位于所述反应物流动通道第一端的单元的孔隙率低于位于所述反应物流动通道第二端的单元中隔膜的孔隙率，其中对所述氧化还原液流电池储能系统进行配置，使得所述反应物在放电时从所述第一端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第二端，或在充电时从所述第二端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第一端。

3.如权利要求2所述的氧化还原液流电池系统，其中所述多个单元中的各个单元配置有电极材料，所述电极材料在其表面上具有充电催化剂，所述充电催化剂具有选定的装载量，使得与位于所述反应物流动通道第二端的单元中的电极材料相比，位于所述反应物流动通道第一端的单元的电极材料具有更大的充电催化剂装载量，其中对所述氧化还原液流电池储能系统进行配置，使得反应物在放电时从所述第一端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第二端，或在充电时从所述第二端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第一端。

4.如权利要求3所述的氧化还原液流电池系统，其中所述多个单元中的各个单元配置有电极材料，所述电极材料在其表面上具有充电催化剂，所述充电催化剂具有选定的活性，使得与位于所述反应物流动通道第二端的单元中的电极材料相比，位于所述反应物流动通道第一端的单元的电极材料具有更大的充电催化剂活性，其中对所述氧化还原液流电池储能系统进行配置，使得反应物在放电时从所述第一端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第二端，或在充电时从所述第二端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第一端。

5.如权利要求4所述的氧化还原液流电池系统，其中对所述多个单元中的各个单元进行配置，使得与位于所述反应物流动通道第二端的单元中的隔膜相比，位于所述反应物流动通道第一端的单元显示更小的反应物质量传输速率，其中对所述氧化还原液流电池储能系统进行配置，使得反应物在放电时从所述第一端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第二端，或在充电时从所述第二端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第一端。

6.如权利要求5所述的氧化还原液流电池系统，其中对所述氧化还原液流电池堆组件进行配置，使得与位于所述反应物流动通道第二端的单元相比，位于所述反应物流动通道第一端的单元显示更大的充电反应物质量传输速率，其中对所述氧化还原液流电池储能系统进行配置，使得反应物在放电时从所述第一端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第二端，或在充电时从所述第二端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第一端。

7.如权利要求6所述的氧化还原液流电池系统，其中所述氧化还原液流电池堆组件还包含换热器，对所述换热器进行配置，使得进入所述反应物流动通道第一端处单元中的反应物的温度高于进入所述反应物流动通道第二端处单元中的反应物的温度，其中对所述氧化还原液流电池储能系统进行配置，使得反应物在放电时从所述第一端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第二端，或在充电时从所述第二端经过所述氧化还原液流电池堆组件流到所述第一端。

8.如权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其中将各个堆单元层中的各个单元配置为在堆中组装的平面部件，包含：

第一双极框架，其中除了所述单元的活性区域之外，所述第一双极框架是电绝缘的；

与所述第一双极框架相邻设置的第一电极材料；

与所述第一电极材料相邻设置的隔膜；

与所述隔膜相邻设置的第二电极材料；和

与所述第二电极材料相邻设置的第二双极框架，其中除了所述单元的活性区域之外，所述第二双极框架是电绝缘的。

9.如权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其中所述隔膜在其边缘周围处是密封的。

10.如权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，还包含流体联接至所述氧化还原液流电池堆组件的四个电解质储槽，对所述四个电解槽进行配置，使得第一槽容纳充电的阴极电解液，第二槽容纳放电的阴极电解液，第三槽容纳充电的阳极电解液，且第四槽容纳放电的阳极电解液。

11.如权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，还包含流体联接至所述氧化还原液流电池堆组件的电解质储槽，所述电解质储槽包含以将所述电解质加热至约40℃～约65℃的范围的方式配置的换热器。

12.如权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，还包含：

包围所述氧化还原液流电池堆组件的圆筒形支撑结构；

在所述圆筒形支撑结构内、在所述氧化还原液流电池堆组件的第一侧上设置的第一阴极电解液槽；

在所述圆筒形支撑结构内、在所述氧化还原液流电池堆组件的第一侧上设置的第一阳极电解液槽；

在所述圆筒形支撑结构内、在所述氧化还原液流电池堆组件的第二侧上设置的第二阴极电解液槽；

在所述圆筒形支撑结构内、在所述氧化还原液流电池堆组件的第二侧上设置的第二阳极电解液槽；和

管道，所述管道将所述第一阴极电解液槽流体联接至所述氧化还原液流电池堆组件和所述第二阴极电解液槽，并将所述第一阳极电解液槽流体联接至所述氧化还原液流电池堆组件和所述第二阳极电解液槽，

其中对所述管道和所述氧化还原液流电池堆组件进行配置，使得在所述氧化还原液流电池堆组件的第一侧向上时阳极电解液和阴极电解液反应物发生充电，以及在所述氧化还原液流电池堆组件的第一侧向下时阳极电解液和阴极电解液反应物发生放电。

13.如权利要求12所述的氧化还原液流电池系统，还包含：

支撑所述圆筒形支撑结构的至少两个辊子；和

联接至所述至少两个辊子中的一个的驱动机构，

其中对所述至少两个辊子和所述驱动机构进行配置，以通过旋转手摇柄能够旋转所述圆筒形支撑结构。

14.如权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，还包含：

流体联接至所述氧化还原液流电池堆组件的反应物储槽，所述反应物储槽包含以抑制充电反应物与放电反应物混合的方式配置的槽隔板。

15.如权利要求14所述的氧化还原液流电池系统，其中所述槽隔板是能漂浮的；所述槽隔板包含阀机构，在所述阀机构打开时，使得反应物流过所述槽隔板；并在所述反应物储槽内对所述槽隔板进行配置，使得在所述阀机构关闭且放电反应物进入所述槽隔板顶上的槽时，抑制充电反应物与放电反应物的混合，以及当所述阀机构打开时，所述槽隔板会浮动至所述反应物的顶面上。

16.如权利要求14所述的氧化还原液流电池系统，其中在所述反应物储槽内垂直设置所述槽隔板，并对所述反应物储槽和所述槽隔板进行配置，使得在将反应物泵送到所述槽隔板一侧的反应物储槽内并从所述槽隔板另一侧的反应物储槽内抽取反应物时所述槽隔板移动，从而抑制充电反应物与放电反应物的混合。

17.一种电力系统，其包含：

电源；和

以从所述电源接收电力并为电力负载提供电力的方式配置的氧化还原液流电池系统，所述氧化还原液流电池系统包含：

用于储存阴极电解液反应物的第一槽；

用于储存阳极电解液反应物的第二槽；和

第一氧化还原液流电池堆组件，其包含：

单元层阵列，所述单元层各自包含沿穿过所述单元层的反应物流动通道布置的多个单元，所述流动通道具有第一端和第二端，其中根据所述多个单元中的各个单元沿所述反应物流动通道的位置，对所述各个单元进行配置。

18.如权利要求17所述的电力系统，还包含以加热反应物的方式配置的换热器，其中所述电源包含输出热流体的冷却系统，并对所述换热器进行配置，以使用来自所述电源冷却系统的热流体将流过所述第一氧化还原液流电池堆的反应物加热至约40℃～约65℃的范围。

19.如权利要求17所述的电力系统，还包含以加热反应物的方式配置的换热器，其中所述电力负载包含输出热流体的冷却系统，并对所述换热器进行配置，以使用来自所述负载冷却系统的热流体将储存在所述槽内的反应物加热至约40℃～65℃。

20.如权利要求17所述的电力系统，还包含：

输出热水的地热能源；和

以加热反应物的方式配置的换热器，

其中对所述换热器进行配置，以使用来自所述地热系统的热水将反应物加热至约40℃～约65℃的范围。

21.如权利要求17所述的电力系统，还包含以加热反应物的方式配置的换热器，其中：

所述电源包含具有冷却系统的风力涡轮机；以及

对所述换热器进行配置以接收来自所述风力涡轮机的冷却系统的流体。

22.如权利要求17所述的电力系统，还包含以加热反应物的方式配置的换热器，其中：

所述电源包含具有冷却系统的太阳能转换系统；

对所述换热器进行配置以接收来自所述太阳能转换系统的冷却系统的流体。

23.如权利要求17所述的电力系统，其中所述电源包含燃料电池。

24.如权利要求17所述的电力系统，其中所述电力负载选自电联接至公用电网的电动车辆充电系统、数据中心、制造中心和逆变器。

25.如权利要求17所述的电力系统，其中：

所述氧化还原液流电池系统还包含第二氧化还原液流电池堆组件，所述电池堆组件包含单元层的阵列，所述单元层各自包含沿穿过所述单元层的反应物流动通道布置的多个单元，所述流动通道具有第一端和第二端，其中根据所述多个单元的各个单元沿所述反应物流动通道的位置，对所述各个单元进行配置；

所述第一氧化还原液流电池堆组件连接至所述电源，并对所述第一氧化还原液流电池堆组件进行配置以对阴极电解液和阳极电解液反应物充电；以及

所述第二氧化还原液流电池堆组件连接至所述电力负载，并对所述第二氧化还原液流电池堆组件进行配置以使阴极电解液和阳极电解液放电，从而为所述电力负载提供电力。

26.如权利要求17所述的电力系统，其中所述第一槽和所述第二槽各自包含以抑制充电反应物与放电反应物混合的方式配置的槽隔板。

27.如权利要求26所述的电力系统，其中各个槽隔板是能漂浮的，所述各个槽隔板包含阀机构，并在所述阀机构打开时，使得反应物流过所述槽隔板，并分别在所述第一槽或第二槽内对所述各个槽隔板进行配置，使得当所述阀机构关闭时，抑制充电反应物与放电反应物的混合，且在所述阀机构打开时，所述槽隔板会浮动至所述反应物的顶面上。

28.如权利要求26所述的电力系统，其中分别在所述第一槽或第二槽内垂直设置各个槽隔板，并分别对第一槽或第二槽及其相应的槽隔板进行配置，使得在将反应物泵送到相应的第一槽或第二槽中的所述槽隔板一侧以及从相应的第一槽或第二槽中的所述槽隔板另一侧抽取反应物时所述槽隔板移动，从而抑制充电反应物与放电反应物的混合。

29.如权利要求17所述的电力系统，还包含：

用于储存放电的阴极电解液反应物的第三槽；和

用于储存放电的阳极电解液反应物的第四槽，

其中对所述系统进行配置，以在放电模式下运行的同时使充电的阴极电解液从所述第一槽经过所述第一氧化还原液流电池堆组件流入到所述第三槽中，并使充电的阳极电解液从所述第二槽经过所述第一氧化还原液流电池堆组件流入到第四槽中。

30.如权利要求17所述的电力系统，还包含：

用于储存放电的阴极电解液和阳极电解液反应物的第三槽，

其中对所述系统进行配置，以在放电模式下运行的同时使充电的阴极电解液从所述第一槽经过所述第一氧化还原液流电池堆组件流入到所述第三槽中，并使充电的阳极电解液从所述第二槽经过所述第一氧化还原液流电池堆组件流入到第三槽中，以及在充电模式下运行的同时使电解质从所述第三槽经过所述第一氧化还原液流电池堆组件流入到所述第一槽和第二槽中的各个槽中。

31.如权利要求17所述的电力系统，其中对所述氧化还原液流电池系统进行配置，以在充电模式和放电模式两种模式下、以使所述阴极电解液反应物和所述阳极电解液反应物在相同方向上流动的方式运行。

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