CN111969234B - 含有平衡装置的铁铬氧化还原液流电池系统及其生产和操作方法 - Google Patents

含有平衡装置的铁铬氧化还原液流电池系统及其生产和操作方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111969234B
CN111969234B CN202010332938.9A CN202010332938A CN111969234B CN 111969234 B CN111969234 B CN 111969234B CN 202010332938 A CN202010332938 A CN 202010332938A CN 111969234 B CN111969234 B CN 111969234B
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrolyte
cell
flow battery
redox flow
ions
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010332938.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111969234A (zh
Inventor
韦葵
李利宇
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Kuge Xiaoxi Technology Co ltd
Original Assignee
Kuge Xiaoxi Technology Co ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Kuge Xiaoxi Technology Co ltd filed Critical Kuge Xiaoxi Technology Co ltd
Publication of CN111969234A publication Critical patent/CN111969234A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111969234B publication Critical patent/CN111969234B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G31/00—Compounds of vanadium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B3/00—Extraction of metal compounds from ores or concentrates by wet processes
    • C22B3/20—Treatment or purification of solutions, e.g. obtained by leaching
    • C22B3/44—Treatment or purification of solutions, e.g. obtained by leaching by chemical processes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
    • G01R31/392—Determining battery ageing or deterioration, e.g. state of health
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/36—Accumulators not provided for in groups H01M10/05-H01M10/34
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/368—Liquid depolarisers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/36—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids
    • H01M4/38—Selection of substances as active materials, active masses, active liquids of elements or alloys
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/02—Electrodes composed of, or comprising, active material
    • H01M4/64—Carriers or collectors
    • H01M4/66—Selection of materials
    • H01M4/661—Metal or alloys, e.g. alloy coatings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04201—Reactant storage and supply, e.g. means for feeding, pipes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04276—Arrangements for managing the electrolyte stream, e.g. heat exchange
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04447—Concentration; Density of anode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04455—Concentration; Density of cathode reactants at the inlet or inside the fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/0444—Concentration; Density
    • H01M8/04477—Concentration; Density of the electrolyte
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M2300/00—Electrolytes
    • H01M2300/0002—Aqueous electrolytes
    • H01M2300/0005—Acid electrolytes
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P20/00—Technologies relating to chemical industry
    • Y02P20/10—Process efficiency
    • Y02P20/133—Renewable energy sources, e.g. sunlight

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Geology (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

一种包括氧化还原液流电池的系统，该系统包括：含有铬离子的负极电解液，含有铁离子的正极电解液，具有与负极电解液接触的第一电极的第一半电池，具有与正极电解液接触的第二电极的第二半电池，以及将第一半电池与第二半电池分开的第一分离隔膜。该系统还包括一个平衡装置，该平衡装置包括含有钒离子的平衡电解液，具有与负极电解液或正极电解液接触的第三电极的第三半电池，具有与平衡电解液接触的第四电极的第四半电池，以及在平衡电解液中，或可引入平衡电解液中的还原剂，以还原二氧化钒离子。

Description

含有平衡装置的铁铬氧化还原液流电池系统及其生产和操作 方法
相关专利申请
本专利申请要求2019年5月20日申报的美国临时专利申请62/849，959的权益，其通过整体引用并入本文。
技术领域
本发明属于氧化还原液流电池系统及其制造和使用领域。本发明特别是关于铁铬(Fe-Cr)氧化还原液流电池系统及其制造和使用。
背景技术
在过去的十年中，可再生能源的发电成本迅速下降，并且随着部署更多的可再生能源发电组件(例如太阳能电池板)，其成本会进一步下降。但是，可再生能源发电(例如太阳能、水力发电和风能)通常是间歇性的，不能为用户负载提供稳定的电力供给。这就需要生产制造一种低成本且可靠的电能存储系统，以存储由可再生能源产生的电力，并在可再生能源产生的电力不足时向用户供电。
发明内容
一种实施方案是一个系统，其中包括一个铁铬氧化还原液流电池系统，该系统包括具有铬离子的负极电解液，具有铁离子的正极电解液，第一半电池和第二半电池，第一半电池具有与负极电解液接触的第一电极，第二半电池具有与正极电解液接触的第二电极，以及将第一半电池与第二半电池分开的第一分离隔膜。该系统还包括一个平衡装置，该平衡装置中包括具有钒离子的平衡电解液，具有与负极电解液或正极电解液接触的第三电极的第三半电池，具有与平衡电解液接触的第四电极的第四半电池，以及加在或引入到平衡电解液中的还原剂，以还原其中的二氧化钒离子。
在至少一些实施方案中，系统还包括第二分离隔膜，其将第三半电池与第四半电池分开。在至少一些实施方案中，系统还包括加在或可加在第三和第四电极上的电势源，以在第三和第四电极之间提供电势。
在至少一些实施方案中，该系统还进一步包括：一种中间电解液，该中间电解液含有a)V3+和V2+或b)Fe3+和Fe2+，或a)和b)的任何组合；第五半电池，其具有与中间电解液接触的第五电极，和在第三半电池和第五半电池之间的第二分离隔膜；第六半电池，其具有与中间电解液接触的第六电极，以及在第四半电池和第六半电池之间的第三分离隔膜。在至少一些实施方案中，该系统还进一步包括至少一个电源，该电源加在或可加在a)第三和第五电极以在第三和第五电极之间提供电势，以及b)第四和第六电极以在第四和第六电极之间提供电势。
在至少一些实施方案中，第三半电池与正极电解液接触。在至少一些实施方案中，还原剂包括一种有机化合物。在至少一些实施方案中，还原剂包括糖、羧酸、醛或醇。在至少一些实施方案中，还原剂包括氢气。在至少一些实施方案中，还原剂包括果糖、葡萄糖或蔗糖。
在至少一些实施方案中，系统被配置为在氧化还原液流电池系统的操作期间连续地操作平衡装置。在至少一些实施方案中，系统被配置为在氧化还原液流电池系统的操作期间间歇地或周期性地操作平衡装置。
在至少一些实施方案中，系统被配置成独立于氧化还原液流电池系统来操作平衡装置。在至少一些实施方案中，平衡装置和氧化还原液流电池系统被进一步集成并使用至少一个公共部件。
另一个实施方案是一种操作上述任何系统的方法。该方法包括将平衡电解液中的钒离子氧化成二氧化钒离子以产生氢离子；并通过使用还原剂还原二氧化钒离子来再生钒离子。
在至少一些实施方案中，再生钒离子包括将还原剂添加到平衡装置的平衡电解液储罐中，平衡电解液储罐至少包含一部分平衡电解液。至少在一些实施方案中，再生钒离子包括将还原剂间歇地或周期性地或连续地添加到平衡电解液中。
在至少一些实施方案中，再生钒离子包括从平衡装置中移出至少一部分的平衡电解液；将还原剂引入移出的平衡电解液中；然后将移出的平衡电解液返回到平衡装置中。
附图说明
以下附图用来描述本发明的各种非限制性和非穷举性的实施方案。在附图中，除非特别指明，各个附图中相同的参考标号表示相同的系统部件。
为了更好地理解本发明，请将下文的详细说明部分和这些附图一起阅读使用，其中：
图1是本发明中氧化还原液流电池系统的一个实施方案的示意图；
图2是本发明中用于氧化还原液流电池系统的电极的一个实施方案的示意图；
图3是本发明中从氧化还原液流电池系统中去除或减少杂质的一个实施方案的流程图；
图4是本发明中氧化还原液流电池系统的另一个实施方案的示意图，其中正极电解液被转移到第二半电池中进行维护；
图5A是本发明中系统的一个实施方案的示意图，该系统包括与平衡装置结合的氧化还原液流电池系统；
图5B是本发明中图5A系统中平衡装置的一个实施方案的示意图；
图5C是本发明中系统的另一实施方案的示意图，该系统包括与平衡装置结合的氧化还原液流电池系统；
图5D是本发明中图5C系统中平衡装置的一个实施方案的示意图；
图5E是根据本发明的平衡装置的另一实施方案的示意图；
图6A是本发明中具有释压阀的氧化还原液流电池系统电解液储罐的示意图；
图6B是本发明中氧化还原液流电池系统的电解液储罐的示意图，该电解液储罐具有一个用于减压的包含液体的U形管布置；
图6C是本发明中氧化还原液流电池系统的电解液罐的示意图，具有在电解液罐之间的气体迁移布置；
图7是本发明中具有二次容器的氧化还原液流电池系统的另一实施方案的示意图；和
图8是根据本发明的具有不同温度区域的氧化还原液流电池系统的另一实施方案的示意图。
具体实施方式
本发明涉及的领域是氧化还原液流电池系统以及制造和使用氧化还原液流电池系统的方法。本发明特别涉及铁铬(Fe-Cr)氧化还原液流电池系统以及制造和使用Fe-Cr氧化还原液流电池系统的方法。
氧化还原液流电池系统是一种很有前途的储能技术，用于存储由可再生能源(例如太阳能、风能和水力资源)以及不可再生能源和其他能源产生的电能。如本文所述，在至少一些实施方案中，氧化还原液流电池系统可具有以下一种或多种性能：长寿命，可多次重复使用，可任意调整的功率和存储容量比例。
图1示出了氧化还原液流电池系统100的一个实施方案。其他氧化还原液流电池系统100可以包括更多或更少的组件，并且这些组件可以与所给出的实施方案中所示的布置不同。以下对组件、方法、系统等的描述也可以适用于不同于所示出的实施方案的其他氧化还原液流电池系统。
图1的氧化还原液流电池系统100包括两个电极102、104和相关的半电池106、108，它们由分离隔膜110隔开。电极102、104可以与分离隔膜接触或分离。电解液流过半电池106、108，并称为负极电解液112和正极电解液114。氧化还原液流电池系统100还包括负极电解液罐116、正极电解液罐118、负极电解液泵120、正极电解液泵122、负极电解液分配装置124和正极电解液分配装置126。负极电解液112储存在负极电解液罐116中，并至少部分地通过负极电解液泵120的作用流经负极电解液分配装置124，流到半电池106中。正极电解液114存储在正极电解液罐118中，并至少部分地通过正极电解液泵122的作用流经正极电解液分配装置126，流到半电池108中。尽管图1的实施方案中只包括单个组件，其他实施方案中可以包括多个组件。例如，其他实施方案可以包括多个电极102、多个电极104、多个负极电解液罐116、多个正极电解液罐118、多个半电池112或多个半电池114，或它们的任意组合。
负极电解液和正极电解液都是电解质溶液，可以是相同的电解质溶液，也可以是不同的电解质溶液。在能量流入或流出氧化还原液流电池系统100期间，半电池106、108中的一个中的电解质溶液被氧化并失去电子，而另一个半电池中的电解质溶液被还原并获得电子。
如图1所示，氧化还原液流电池系统100可以连接到负载/电源130/132上。在充电模式下，可以通过将液流电池连接到电源132来对氧化还原液流电池系统100进行充电或再充电。电源132可以是任何种类的电源，包括但不限于化石燃料电源、核电源、其他电池或电池组以及可再生电源，例如风能、太阳能或水力电源。在放电模式下，氧化还原液流电池系统100可以向负载130提供电能。在充电模式下，氧化还原液流电池系统100将来自电源132的电能转换为化学势能。在放电模式下，氧化还原液流电池系统100将化学势能转换回电能，并提供给负载130。
氧化还原液流电池系统100还可以连接到控制器128上，该控制器可以控制氧化还原液流电池系统的各种操作。例如，控制器128可以将氧化还原液流电池系统100与负载130或电源132连接或断开。控制器128可以控制负极电解液泵120和正极电解液泵122的操作。控制器128可以控制与以下组件相关联的阀门的操作：负极电解液罐116，正极电解液罐118，负极电解液分配系统124，正极电解液分配系统126或半电池106、108。控制器128也可用于控制氧化还原液流电池系统100的一般操作，包括在充电模式，放电模式，以及任选地维护模式(或系统操作的任何其他合适的模式)之间切换。在至少一些实施方案中，控制器或氧化还原液流电池系统可以控制半电池或系统中其他组件的温度。在至少一些实施方案中，在操作期间，将半电池(或通常的系统或系统的一部分)的温度控制为不超过65、60、55或50℃。
可以使用任何合适的控制器128，包括但不限于，一台或多台计算机、笔记本计算机、服务器、任何其他计算设备等或其任何组合，并且可以包括诸如一个或多个处理器、一个或多个存储器、一个或多个输入设备、一个或多个显示设备等组件。控制器128可以通过任何有线或无线连接或其任何组合连接到氧化还原液流电池系统。控制器128(或控制器的至少一部分)可以位于氧化还原液流电池系统100本地，或者部分地或完全地远程化。
电极102、104可以由任何合适的材料制成，包括但不限于石墨或其他碳基材料(包括由石墨或碳制成的固体、毡、纸或布电极)、金、钛、铅或其他类似材料。电极102、104可以由相同或不同的材料制成。在至少一些实施方案中，氧化还原液流电池系统100在负极电解液或正极电解液或两者中不包括用于氧化还原反应的任何均质或金属催化剂。这可能会限制可用于电极的材料类型。
分离隔膜110将两个半电池106、108分离。在至少一些实施方案中，分离隔膜110允许在氧化还原液流电池系统100的充放电期间传输某些特定离子(例如，H+、Cl-或铁离子或铬离子或其任何组合)。在某些实施方案中，分离隔膜110是微孔膜。可以使用任何合适的分离隔膜110，合适的分离隔膜包括但不限于，离子转移膜、阴离子转移膜、阳离子转移膜、微孔隔膜等或其任何组合。
总体来讲，氧化还原液流电池系统安全可靠，并使用可重复利用的储能介质。然而，开发出一个具有所需存储能量且寿命长的氧化还原液流电池系统(例如，液流电池系统能够在许多充电/放电循环中保持其存储容量不变)还是具有挑战性的，并且该系统使用的原材料应具有丰富的可用性(例如，地球储量丰富，可低成本商业开采且现产能相对较大)。当前的锂和钒电池都使用了可用性有限的材料。当进行10、50或100次或更多充电/放电循环时，许多电池系统的存储容量也会降低。水系氧化还原液流电池系统的另一挑战是如何管理好或避免从水中释放出氢气或氧气。
如本文所述，一种合适且有用的氧化还原液流电池系统是利用Fe3+/Fe2+和Cr3+/Cr2+作为氧化还原化学物质的铁铬(Fe-Cr)氧化还原液流系统。铁和铬通常很容易从市场上买到，并且至少在某些本发明实施方案中，Fe-Cr氧化还原液流电池系统的存储容量在至少100、200、250或500次充放电循环后不会降低超过10％或20％，或者可以通过使用合适的维护操作，在至少100、200、250或500个充放电循环后系统可以保持至少70％、80％或90％的存储容量。
在至少一些实施方案中，Fe-Cr氧化还原液流电池系统的电解液(即正极电解液或负极电解液)包括溶解在溶剂中的含铁化合物或含铬化合物(或两者)。在一些实施方案中，负极电解液和正极电解液同时包含含铁化合物和含铬化合物。负极电解液和正极电解液中这两种化合物的浓度可以相同或不同。在其他实施方案中，正极电解液仅包括含铁化合物，而负极电解液仅包括含铬化合物。
含铁化合物可以是，例如氯化铁、硫酸铁、溴化铁等或其任意组合。含铬化合物可以是，例如氯化铬、硫酸铬、溴化铬等或其任意组合。溶剂可以是水，也可以是含水酸，例如盐酸、氢溴酸、硫酸等。在至少一些实施方案中，Fe-Cr氧化还原液流电池系统的正极电解液和负极电解液都包括溶解在盐酸中的氯化铁和氯化铬。在至少一些实施方案中，Fe-Cr氧化还原液流电池系统的正极电解液包括溶解在盐酸中的氯化铁，而负极电解液包括溶解在盐酸中的氯化铬。
在至少某些情况下，已经发现与氯离子络合的铬离子(例如Cr(H2O)5Cl2+/+)比至少某些其他铬离子络合物(例如Cr(H2O)6 3+/2+)具有更快的反应动力学和更低的氢气产生量。因此，在负极电解液中包含氯化物(例如，来自含铬化合物、溶剂或两者)可能是有益的。
在至少一些实施方案中，在正极电解液或负极电解液或两者中的铁的摩尔浓度控制在0.5至2的范围内。在至少一些实施方案中，在负极电解液或正极电解液或两者中的铬的摩尔浓度控制在0.5至2的范围内。在至少一些实施方案中，盐酸或其他含水酸的摩尔浓度控制在0.5至4的范围内。
先前的Fe-Cr氧化还原液流电池的一个挑战是氧化还原反应在负极产生或释放出氢气(H2)。在至少某些情况下，增加氧化还原液流电池中铬的利用率可以增加氢气的产生。通常都希望限制或减少氧化还原液流电池中氢气的产生。
本工作发现，限制铬的利用率会有效地降低氢气的产生，同时也可以在氧化还原液流电池系统中保持足够的能量密度。在至少一些实施方案中，氧化还原液流电池系统的负极电解液中的铬的利用率被限制为不超过80％、70％或60％或更少。在至少一些实施方案中，负极电解液中铬的利用率受到正极电解液中铁的量的限制或受到正极电解液中铁的100％利用率的限制。
铬的利用率至少可以部分地通过管理氧化还原液流电池系统中铬和铁的相对含量来管理。如本文所用，术语“摩尔比”是指一种组分的摩尔量相对于第二组分的摩尔量之比。在至少一些实施方案中，负极电解液中的铬与正极电解液中的铁的摩尔比(Cr(负极电解液)/Fe(正极电解液))不是1，而是至少为1.25或更高(例如，至少为1.43、1.67或更高)。在至少一些实施方案中，正极电解液中铁的摩尔量不大于负极电解液中铬的摩尔量的80％、70％或60％或更少。在至少一些实施方案中，较少量的可用铁将可用铬的利用率限制为不超过80％、70％或60％。在至少一些实施方案中，负极电解液和正极电解液都是混合的铁/铬溶液。
在至少一些实施方案中，正极电解液中的铁浓度与负极电解液中的铬浓度不同以产生所需的摩尔比。在至少一些实施方案中，正极电解液中的铁浓度不超过负极电解液中铬的浓度的80％、70％或60％或更少。
在至少一些实施方案中，正极电解液中的铁浓度和负极电解液中的铬浓度是相同的。在这样的实施方案中，可以通过选择负极电解液和正极电解液的体积来达到需要的负极电解液和正极电解液中铬和铁的摩尔比。在至少一些实施方案中，负极电解液与正极电解液的体积比为至少1.25：1或更大(例如，至少为1.43：1或1.67：1或更大)，当负极电解液中的铬浓度和正极电解液中的铁浓度相同时，负极电解液与正极电解液的体积比等于负极电解液中的铬和正极电解液中的铁的摩尔比。在至少一些实施方案中，正极电解液的体积不超过负极电解液的体积的80％、70％或60％。
在一些实施方案中，负极电解液和正极电解液的体积可以基于相应的半电池106、108的体积。在一些实施方案中，负极电解液和正极电解液的体积可以基于氧化还原液流电池系统100的相应正极电解液和负极电解液部分的体积。例如，正极电解液部分可包括半电池108、正极电解液罐118和正极电解液分配装置126。负极电解液部分可包括半电池106、负极电解液槽116和负极电解液分配装置124。
也可以使用不同的铁和铬浓度以及不同的正极电解液和负极电解液体积的组合，以实现负极电解液中铬和正极电解液中铁的所需摩尔比。至少在一些这类实施方案中，正极电解液的体积不超过负极电解液体积的95％、90％、80％、70％或60％。
至少在某些情况下，负极电解液中较高的H+浓度会促进氢气的产生。为了减少通过负极电解液产生的氢，初始负极电解液中的H+浓度可以低于初始正极电解液中的H+浓度。在至少一些实施方案中，初始负极电解液中的H+浓度比初始正极电解液中的H+浓度低至少10％、20％、25％或50％。
表1给出了在不同的荷电状态(SOC)下，具有1：1体积比的负极电解液与正极电解液，其中荷电状态表示负极电解液和正极电解液中的初始活性离子到还原/氧化后离子的转化百分比。可以看到，H+的浓度在改变以维持负极电解液和正极电解液之间的电荷平衡。在表1中，初始负极电解液为1.25M Fe2+、1.25M Cr3+和1.25M H+，初始正极电解液为1.25MFe2+、1.25M Cr3+和2.5M H+。通过选择这些特定的起始浓度，可以使双方的H+浓度在50％的荷电状态下相等。
表1
Figure BDA0002465624830000071
Figure BDA0002465624830000081
表2给出了在不同的荷电状态(SOC)下，具有2：1体积比的负极电解液与正极电解液。在表2中，初始负极电解液为1.25M Fe2+、1.25M Cr3+和1.5625M H+，初始正极电解液为1.25M Fe2+、1.25M Cr3+和2.5M H+。选择这些特定的浓度是为了在负极电解液的SOC为25％，正极电解液的SOC为50％时，二者的H+浓度相等。负极电解液和正极电解液之间的SOC差异是由于负极电解液的体积是正极电解液的两倍。
表2
Figure BDA0002465624830000082
Figure BDA0002465624830000091
Fe-Cr氧化还原液流电池系统以及其他氧化还原液流电池系统的另一个挑战是存在金属杂质，例如镍、锑和铜。在至少一些情况下，这些金属杂质可增加负电极表面上的氢气产生。这些金属杂质可能是铁和铬化合物中的天然杂质，也可能是从铁和铬化合物的精炼或制造工艺中掺入，或从氧化还原液流电池系统的其他部分通过任何其他机制引入。
在至少一些实施方案中，氧化还原液流电池系统100被用来去除或减少这些杂质的水平。如图3中所示，在至少一些实施方案中，为了去除或减少这些杂质的水平，氧化还原液流电池系统100被用来将至少一些杂质电化学还原为金属形式(步骤350)，使用微粒过滤器或其他装置(例如以下所述的叉指式电极)收集所得的金属颗粒(步骤352)，并使用含有氧化性物质的清洁溶液除去这些杂质(步骤354)。
在至少一些实施方案中，作为氧化还原反应的一部分，杂质在负极电解液中被还原。当在充电期间被还原时，杂质会形成金属颗粒或微粒。氧化还原液流电池系统100可以在半电池106处或其他地方设置微粒过滤器，以捕获金属微粒或微粒。在一些实施方案中，负电极102可以帮助过滤金属颗粒或微粒。为了便于去除杂质，负电极102可以具有叉指状结构，如图2所示。叉指状结构包括空的或凹进的通道240，用于在氧化还原液流电池系统100的操作期间收集金属杂质的颗粒。然后，可以在系统维护操作时从电极上除去这些颗粒，具体方法如下所述。
在至少一些实施方案中，可以使用本文所述的Fe-Cr氧化还原液流电池系统和具有氧化性的物质例如含有Fe3+的溶液来去除这些杂质。作为氧化还原液流电池系统100维护操作的一部分，在维护操作周期中，使含有Fe3+(或其他氧化性物质)的溶液流过系统的负极电解液部分，以从负电极102或系统中其他位置除去杂质。在至少一些实施方案中，Fe3+溶液可以是正极电解液或正极电解液的一部分。备选的氧化性溶液包括但不限于过氧化氢溶液、三氯化铁溶液、硝酸等。
在至少一些实施方案中，金属杂质的去除或减少操作可以在氧化还原液流电池系统的制造过程中进行，也可以在氧化还原液流电池系统的操作开始之前进行，或在氧化还原液流电池系统的操作期间进行，或以上任何组合中进行。这些用于去除金属杂质的方法和系统不限于Fe-Cr氧化还原液流电池系统，也可以用于其他氧化还原液流电池系统，例如全钒、钒溴、钒铁、锌溴和有机氧化还原液流电池系统中。
还经发现，在至少一些实施方案中，负电极102偶尔暴露于正极电解液114中可以促进负电极102表面的钝化并减少氢的产生。例如，在一个Fe-Cr氧化还原液流电池系统中，在经过17个充放电循环后，用正极电解液114对负电极102进行处理1小时，系统的氢气生成速度从38.9ml/min降低至10.2ml/min。在至少一些实施方案中，氧化还原液流电池系统的常规操作中包括周期性(或在操作者发起或请求时)的维护操作，在该维护操作期间，将半电池106或负电极102暴露于正极电解液(或含有上述对于正极电解液指定成分的电解质溶液)中并持续一段时间(例如5、10、15、30、45、60分钟或更长时间)。在维护操作期间，可以一次性地将正极电解液引入半电池106或负电极102中，也可以间歇性地、周期性地或持续性地将正极电解液引入半电池106或负电极102中。在这些实施方案中的至少一些实施方案中，可以在维护操作后将正极电解液114返回至正极电解液罐118。在至少一些实施方案中，在负极电解液的荷电状态为至少50％、75％或90％时执行维护操作。
图4给出了氧化还原液流电池系统的一个实施方案，该系统包括多个开关434，其可用于将负极电解液分配系统124与半电池106断开，将正极电解液分配系统126连接至半电池106以使正极电解液114流入半电池106。这样的布置可以用于减少或去除金属杂质或钝化负电极102或其任何组合。电解液泵122可用于使正极电解液114流入半电池106中，或当维护完成时，从半电池106中移出正极电解液114。
Fe-Cr氧化还原液流电池系统的储存容量会随着运行时间的增加而降低，这至少部分是因为Cr2+/Cr3+电对的低标准电势会导致在系统的负极电解液侧持续产生少量氢气。这一副反应会使系统中活性物质的平均氧化态(AOS)增加，系统正负极两侧变得不平衡，存储容量下降。因此，需要有一种可以至少部分地恢复系统AOS和存储容量的方法或装置。
在至少一些实施方案中，用于Fe-Cr氧化还原液流电池系统的AOS可以由以下公式得出：AOS＝((正负极电解液中Fe3+的摩尔数)*3+(正负极电解液中Fe2+的摩尔数)*2+(正负极电解液中Cr3+的摩尔数)*3+(正负极电解液中Cr2+的摩尔数)*2)/(正负极电解液中Fe2+和Fe3+离子的摩尔数+正负极电解液中Cr2+和Cr3+离子的摩尔数)。
为了重新平衡氧化还原液流电池系统，至少在一些实施方案中，氧化还原液流电池系统包括一个与负极电解液或正极电解液结合的平衡装置，以重新平衡系统并恢复存储容量。至少在一些实施方案中，平衡装置利用钒化合物(以产生氧钒(VO2+)和二氧钒(VO2+)离子)和某种还原剂(例如可被氧化的碳水化合物)来重新平衡系统并恢复存储容量。以下实施方案给出了一个含有平衡装置的Fe-Cr氧化还原液流电池系统。值得提出的是，这样的平衡装置也可以与其他氧化还原液流电池系统或其他化学和/或电化学系统一起使用。
图5A示出了氧化还原液流电池系统100的有关局部和平衡装置500的一个实施方案。图5B示出了平衡装置500的一个实施方案。在该实施方案中，正极电解液114与平衡电解液562(例如，包含VO2+/VO2 +的电解液)和还原剂563结合使用，以重新平衡氧化还原液流电池系统100。平衡装置500包括：正极电解液储罐118；平衡电极552、554；平衡半电池556、558；平衡电池分离隔膜560；正极电解液平衡泵572；正极电解液平衡分配系统576；平衡电解液储罐566；还原剂储罐567；平衡电解液泵570；平衡电解液分配装置574；和平衡装置电势源561。
以下反应方程式举例说明了Fe-Cr氧化还原液流电池系统的一个重新平衡示例，该示例使用含铁离子正极电解液114，含钒氧酸正离子的平衡电解液562和含果糖的还原剂563，以及施加来自电势源561的外部电势(至少是0.23V)：
VO2++H2O+Fe3+→VO2 ++Fe2++2H+
24VO2 ++24H++C6H12O6→24VO2++6CO2+18H2O。
通过这些反应，可以降低氧化还原液流电池系统100的AOS，并且可以恢复在氢气产生中损失的H+离子。在至少一些实施方案中，这种再平衡(或AOS的恢复或存储容量的恢复)不利用任何金属催化剂，因为金属催化剂通常会增加系统氢气的产生。在至少一些实施方案中，由于使用还原剂563再生VO2+离子，因此可以认为平衡电解液562中的VO2+是一种均相催化剂。在至少一些实施方案中，在平衡半电池566中发生了VO2 +离子的还原。
在至少一些实施方案中，还原剂563的氧化也可以在平衡电解液储罐566中进行，而不是只在半电池556中进行，并且只要平衡电解液中有VO2 +离子，可用就可以不需要施加外部电势。合适的还原剂包括：糖(例如果糖、葡萄糖、蔗糖等或其任何组合)，羧酸(例如甲酸、乙酸、丙酸、草酸等或其任何组合)，醛(例如甲醛、乙醛等或其任何组合)，醇(例如甲醇、乙醇、丙醇等或其任何组合)，其他碳水化合物或氢气。在至少一些实施方案中，还原剂可溶于水或至少部分可溶于水。
在至少一些实施方案中，平衡操作过程包括周期性地，或间断性地或连续性地将还原剂563从还原剂储罐567添加到平衡电解液562中。在至少一些实施方案中，平衡操作过程(用于恢复存储容量或恢复AOS)是连续地，或间歇地或定期地实施。例如，正极电解液平衡泵572和平衡电解液泵570可以是连续地，间歇地或周期性地操作。在至少一些实施方案中，正极电解液泵122也可以用作正极电解液平衡泵572。此外，正极电解液平衡分配装置576可以包括阀门，以联接至或断开正极电解液储罐118。
图5C和5D示出了具有平衡装置500’的氧化还原液流电池系统100的另一实施方案，该平衡装置500’与负极电解液112(以及对应的负极电解液泵572’和负极电解液平衡分配装置576’)一起操作而不是正极电解液。在至少一些实施方案中，负极电解液泵120也可以用作负极电解液平衡泵572'。
下列反应方程式举例说明了系统的一个重新平衡示例：使用含铬离子的负极电解液112，含钒氧正离子的平衡电解液562和含果糖的还原剂563，以及施加来自电势源561的外部电势(至少是1.40V)：
VO2++H2O+Cr3+→VO2 ++Cr2++2H+
24VO2 ++24H++C6H12O6→24VO2++6CO2+18H2O
图5E示出了平衡装置500”的另一实施方案，其可以与正极电解液或负极电解液以及相应的联接到氧化还原液流电池系统100的其余部分的正极电解液/负极电解液储罐118/116一起使用。该实施方案在正极电解液/负极电解液储罐118/116与平衡电解液储罐562以及相应的半电池556/558之间包括一个中间电解液储罐584和两个中间半电池586、588。(与平衡电解液储罐一样，中间电解液储罐也可以有一个中间电解液泵和中间电解液分配装置，在两个半电池586/588之间可以有分离隔膜，以及在两个半电池586/588的电极之间可以有外部电源)在一实施方案中，中间电解液储罐584中的中间电解液包含V2+/V3+离子。
下列反应方程式说明了使用平衡装置500”和氧化还原液流电池系统100(图1)的正极电解液114进行系统重新平衡的一个示例。
VO2++H2O–e-→VO2 ++2H+(半电池556)
V3++e-→V2+(半电池558)
V2+-e-→V3+(半电池586)
Fe3++e-→Fe2+(半电池588)
24VO2 ++24H++C6H12O6→24VO2++6CO2+18H2O(平衡电解液罐562或/和半电池556)
另一个实施方案是与中间电解液和平衡电解液结合使用的是负极电解液(Cr2+/Cr3+)，而不是正电解液。另一个实施方案是仍然使用负极电解液，但是用含有Fe2+/Fe3+的中间电解液代替含有V2+/V3+的中间电解液。
本文所述的平衡装置也可以用于其他氧化还原液流电池系统，尤其是那些在操作过程中也产生少量氢气的系统。此类氧化还原液流电池系统包括但不限于：Zn-Br或Zn-Cl氧化还原液流电池系统，含钒氧化还原液流电池系统(例如，全钒系统、V-Br系统、V-Cl或V-多卤化物系统)；Fe-V系统或其他铁基氧化还原液流电池系统(例如，全铁氧化还原液流电池系统)；或有机氧化还原液流电池系统。
在一些实施方案中，在Fe2+过度充电的条件下，可在氧化还原液流电池系统100的正极电解液侧产生氯气(Cl2)。氯气可被限制在例如正极电解液罐118或半电池108等或其任何组合的正极电解液的顶部空间内。持续产生氯气会增加正极电解液顶部空间的压力。在至少一些实施方案中，这可以导致氯气经由连接件638c(图6C)迁移到负极电解液顶部空间中。该连接件638c可以包括一个或多个阀或开关639以控制气体流量。在至少一些实施方案中，至少一部分氯气可以被负极电解液吸收。在至少一些实施方案中，以下反应可在氯气和负极电解液之间发生，以通过化学反应来抵消系统的过度充电：
2Cr2++Cl2→2Cr3++2Cl-
2Fe2++Cl2→2Fe3++2Cl-
在至少一些实施方案中，氧化还原液流电池系统100可以包括一个压力释放系统，以管理正极电解液或负极电解液顶部空间的压力。例如，可以将减压阀638a(图6A)或含液体的U形管结构638b(图6B)连接至正极电解液顶部空间以控制储罐内气体压力。类似地，减压阀或含液体的U形管结构也可以联接至负极电解液储罐的顶部空间。在至少一些实施方案中，负极电解液或正阴极电解液顶部空间中的气体可以经由诸如U型管结构的双向气压控制系统与环境大气交换。在至少一些实施方案中，U形管结构也可以用作气体泄漏监测器。在至少一些实施方案中，U形管结构中的液体可包含酸水平指示剂，用来估计由氧化还原液流电池系统释放到环境中的含酸气体量。
在至少一些情况下，由于氧化还原反应的电解液和相关化学产物的泄漏而产生的的酸性溶液和化学蒸气会损坏电池系统100中的电子设备(例如，控制器128、开关、阀、泵、传感器等)。此外，泄漏也可能会导致环境破坏或污染。
在至少一些实施方案中，包含负极电解液或正极电解液或包含负极电解液和正极电解液两者的氧化还原液流电池系统100的全部或一部分可以位于包含酸性吸收剂材料(例如碳酸钠、碳酸氢钠、碳酸钙或氧化钙等)的二级容器790(图7)中。在至少一些实施方案中，该二级容器可容纳足够的酸吸收剂材料，以中和至少10％、25％、40％、50％、60％、70％、75％、90％或更多的负极电解液或正极电解液或负极电解液和正极电解液两者。
在一些实施方案中，氧化还原液流电池系统100中包含负极电解液和正极电解液的组件，例如负极电解液或正极电解液储罐116、118，半电池106、108，至少一部分负极电解液或正极电解液分配系统124、126，电极102、104等，被设置在高温度区域892，以保证这些组件在充电或放电期间保持在至少50、60、70或80℃或更高的温度，如图8所示。可以使用一个或多个加热装置894来维持这些组件的温度。此外，氧化还原液流电池系统中的一个或多个电子组件，例如控制器128，泵120、122，一个或多个传感器，一个或多个阀门等等，被保持在不超过40、35、30、25或20℃或更低的温度下。可以使用一个或多个冷却装置896来保持这些组件的温度。
以上说明书提供了对本发明的制造和使用的总体性描述。由于可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出本发明的许多实施方案，因此本发明还存在于所附权利要求书中。

Claims (20)

1.一种系统，包括
一种氧化还原液流电池系统，包括
溶液中含有铬离子的负极电解液，
溶液中含有铁离子的正极电解液，
第一半电池，其包括与负极电解液接触的第一电极，
第二半电池，其包括与正极电解液接触的第二电极，和
第一分离隔膜，其将第一半电池与第二半电池分开，以及
包括
一个平衡装置，包括
溶液中含有钒离子的平衡电解液，
第三半电池，其包括与负极电解液或正极电解液接触的第三电极，
第四半电池，其包括与平衡电解液接触的第四电极，和
平衡电解液中的还原剂，或能够引入平衡电解液中的还原剂，以还原二氧化钒离子。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括第二分离隔膜，所述第二分离隔膜将所述第三半电池与所述第四半电池分开。
3.根据权利要求1所述的系统，还包括连接到或能够连接到所述第三和第四电极的电势源，以在所述第三和第四电极之间提供电势。
4.根据权利要求1所述的系统，进一步包括
包含a)V3+和V2+离子或b)Fe3+和Fe2+离子中的任意组合的中间电解液；
第五半电池，其包括与中间电解液接触的第五电极，
在第三半电池和第五半电池之间的第二分离隔膜，
第六半电池，其包括与所述中间电解液接触的第六电极，和
在第四半电池和第六半电池之间的第三分离隔膜。
5.根据权利要求4所述的系统，还包括至少一个电势源，其连接到或能够连接到a)所述第三和第五电极以在所述第三和第五电极之间提供电势，以及b)所述第四和第六电极以在所述第四和第六电极之间提供电势。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述第三半电池与所述正极电解液接触。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述第三半电池与所述负极电解液接触。
8.根据权利要求1所述的系统，其中所述还原剂包括有机化合物。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述还原剂包括糖、羧酸、醛或醇。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述还原剂包括氢气。
11.根据权利要求1所述的系统，其中所述还原剂包括果糖、葡萄糖或蔗糖。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为在所述氧化还原液流电池系统的操作期间连续地操作所述平衡装置。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为在所述氧化还原液流电池系统的操作期间间歇地或周期性地操作所述平衡装置。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述系统被配置为独立于所述氧化还原液流电池系统来操作所述平衡装置。
15.根据权利要求1所述的系统，其中所述平衡装置和所述氧化还原液流电池系统集成在一起并至少利用一个公共组件。
16.一种操作根据权利要求1所述系统的方法，所述方法包括：
将平衡电解液中的钒离子氧化成二氧化钒离子，以产生氢离子；和
通过使用还原剂还原二氧化钒离子来再生钒离子。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述还原剂包括有机化合物。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述还原剂包括糖、羧酸、醛或醇。
19.根据权利要求16所述的方法，其中再生钒离子包括将还原剂添加到所述平衡装置的平衡电解液储罐中，其中，所述平衡电解液储罐容纳一部分所述的平衡电解液。
20.根据权利要求16所述的方法，其中再生钒离子包括将所述还原剂间歇地或周期性地添加到所述平衡电解液中。
CN202010332938.9A 2019-05-20 2020-04-24 含有平衡装置的铁铬氧化还原液流电池系统及其生产和操作方法 Active CN111969234B (zh)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201962849959P 2019-05-20 2019-05-20
US62/849,959 2019-05-20
US16/824,195 US10777836B1 (en) 2019-05-20 2020-03-19 Fe—Cr redox flow battery systems including a balance arrangement and methods of manufacture and operation
US16/824,195 2020-03-19

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111969234A CN111969234A (zh) 2020-11-20
CN111969234B true CN111969234B (zh) 2022-12-13

Family

ID=72425813

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010332938.9A Active CN111969234B (zh) 2019-05-20 2020-04-24 含有平衡装置的铁铬氧化还原液流电池系统及其生产和操作方法

Country Status (7)

Country Link
US (8) US11626607B2 (zh)
EP (1) EP3973585A1 (zh)
JP (1) JP7491951B2 (zh)
CN (1) CN111969234B (zh)
AU (1) AU2020279121A1 (zh)
WO (1) WO2020236700A1 (zh)
ZA (1) ZA202109301B (zh)

Families Citing this family (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11552351B2 (en) * 2018-04-04 2023-01-10 The Chinese University Of Hong Kong Electrical cells and batteries, method for manufacturing the same and method for improving the performances of electrical cells and batteries
EP3830890A4 (en) * 2018-11-20 2022-05-11 ESS Tech, Inc. ELECTROLYTE HEALTH MANAGEMENT FOR REDOX FLOW BATTERY
US11735756B2 (en) 2020-11-16 2023-08-22 Cougar Creek Technologies, Llc Redox flow battery systems and methods utilizing a temporal energy profile
CN113270624B (zh) * 2021-04-14 2022-03-22 上海交通大学 具备催化剂管理与电解液容量再平衡的液流电池子系统
CN114824369B (zh) * 2022-05-12 2024-03-26 北京化工大学 一种全铁液流电池的电解液再平衡方法
US20240039025A1 (en) * 2022-07-28 2024-02-01 Uop Llc Rebalancing methods and systems for redox flow batteries
EP4345954A1 (en) * 2022-09-14 2024-04-03 ESS Tech, Inc. Electrolyte flow field for rebalancing cell of redox flow battery system

Family Cites Families (71)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3996064A (en) 1975-08-22 1976-12-07 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Electrically rechargeable REDOX flow cell
US4159366A (en) 1978-06-09 1979-06-26 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Electrochemical cell for rebalancing redox flow system
US4192910A (en) 1978-11-29 1980-03-11 Nasa Catalyst surfaces for the chromous/chromic redox couple
US4270984A (en) 1978-11-29 1981-06-02 Nasa Catalyst surfaces for the chromous/chromic REDOX couple
US4485154A (en) 1981-09-08 1984-11-27 Institute Of Gas Technology Electrically rechargeable anionically active reduction-oxidation electrical storage-supply system
US4454649A (en) 1982-02-26 1984-06-19 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Chromium electrodes for REDOX cells
US4543302A (en) 1984-08-20 1985-09-24 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Negative electrode catalyst for the iron chromium REDOX energy storage system
US4576878A (en) 1985-06-25 1986-03-18 The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration Method and apparatus for rebalancing a redox flow cell system
US4732827A (en) 1985-07-05 1988-03-22 Japan Metals And Chemical Co., Ltd. Process for producing electrolyte for redox cell
US4786567A (en) 1986-02-11 1988-11-22 Unisearch Limited All-vanadium redox battery
JPS62216176A (ja) 1986-03-15 1987-09-22 Agency Of Ind Science & Technol レドツクス電池用電解液
EP0312875B1 (de) 1987-10-23 1992-03-25 Siemens Aktiengesellschaft Redoxbatterie
JPH0679491B2 (ja) 1988-02-04 1994-10-05 千代田化工建設株式会社 レドックスフロー電池電解液の調製方法
JP2649700B2 (ja) 1988-06-03 1997-09-03 関西電力株式会社 レドックスフロー電池の電解液再生装置
US6770483B2 (en) 2000-12-15 2004-08-03 Irving Lyon Determination of multi-valent metal contamination and system for removal of multi-valent metal contaminants from water
AUPR722101A0 (en) 2001-08-24 2001-09-13 Skyllas-Kazacos, Maria Vanadium chloride/polyhalide redox flow battery
AU2003901763A0 (en) 2003-04-14 2003-05-01 Michael Kazacos Novel bromide redox flow cells and batteries
CN101213700B (zh) 2005-06-20 2012-11-21 新南创新私人有限公司 用于氧化还原电池和电池组的改进的全氟化膜和改进的电解液
US7820312B2 (en) 2006-03-31 2010-10-26 Honeywell International Inc. Variable power micro power generator
US7855005B2 (en) 2007-02-12 2010-12-21 Deeya Energy, Inc. Apparatus and methods of determination of state of charge in a redox flow battery
US8587150B2 (en) 2008-02-28 2013-11-19 Deeya Energy, Inc. Method and modular system for charging a battery
US7927731B2 (en) 2008-07-01 2011-04-19 Deeya Energy, Inc. Redox flow cell
US8785023B2 (en) 2008-07-07 2014-07-22 Enervault Corparation Cascade redox flow battery systems
US7820321B2 (en) 2008-07-07 2010-10-26 Enervault Corporation Redox flow battery system for distributed energy storage
US8236463B2 (en) 2008-10-10 2012-08-07 Deeya Energy, Inc. Magnetic current collector
CN102246385B (zh) 2008-10-10 2015-07-29 艾默吉电力系统股份有限公司 用于确定电池的荷电状态的方法和设备
WO2010042895A1 (en) 2008-10-10 2010-04-15 Deeya Energy Technologies, Inc. Thermal control of a flow cell battery
US8230736B2 (en) 2008-10-10 2012-07-31 Deeya Energy, Inc. Level sensor for conductive liquids
WO2010065938A1 (en) * 2008-12-05 2010-06-10 Deeya Energy Technologies, Inc. Preparation of electrolytes for redox flow batteries
US8587255B2 (en) 2009-05-28 2013-11-19 Deeya Energy, Inc. Control system for a flow cell battery
WO2010138949A2 (en) 2009-05-28 2010-12-02 Deeya Energy, Inc. Optical leak detection sensor
CN102844925B (zh) * 2009-05-28 2015-11-25 艾默吉电力系统股份有限公司 电解质组合物
US8877365B2 (en) 2009-05-28 2014-11-04 Deeya Energy, Inc. Redox flow cell rebalancing
US8394529B2 (en) 2009-05-28 2013-03-12 Deeya Energy, Inc. Preparation of flow cell battery electrolytes from raw materials
CN102460810B (zh) 2009-05-29 2016-03-16 艾默吉电力系统股份有限公司 用于液流电池组的控制系统
US8551299B2 (en) 2009-05-29 2013-10-08 Deeya Energy, Inc. Methods of producing hydrochloric acid from hydrogen gas and chlorine gas
US8951665B2 (en) 2010-03-10 2015-02-10 Imergy Power Systems, Inc. Methods for the preparation of electrolytes for chromium-iron redox flow batteries
US8771856B2 (en) 2010-09-28 2014-07-08 Battelle Memorial Institute Fe-V redox flow batteries
US9960443B2 (en) 2010-09-28 2018-05-01 Battelle Memorial Institute Redox flow batteries having multiple electroactive elements
US8628880B2 (en) 2010-09-28 2014-01-14 Battelle Memorial Institute Redox flow batteries based on supporting solutions containing chloride
WO2012097340A1 (en) 2011-01-13 2012-07-19 Deeya Energy, Inc. Flow battery start-up and recovery management
US8541121B2 (en) 2011-01-13 2013-09-24 Deeya Energy, Inc. Quenching system
US8609270B2 (en) 2011-03-25 2013-12-17 Battelle Memorial Institute Iron-sulfide redox flow batteries
US8916281B2 (en) 2011-03-29 2014-12-23 Enervault Corporation Rebalancing electrolytes in redox flow battery systems
US8980484B2 (en) * 2011-03-29 2015-03-17 Enervault Corporation Monitoring electrolyte concentrations in redox flow battery systems
IN2014CN02817A (zh) 2011-10-14 2015-07-03 Deeya Energy Inc
US9130218B2 (en) 2012-04-04 2015-09-08 Battelle Memorial Institute Hybrid energy storage systems utilizing redox active organic compounds
US20130316199A1 (en) * 2012-05-25 2013-11-28 Deeya Energy, Inc. Electrochemical balance in a vanadium flow battery
US9236620B2 (en) 2012-11-05 2016-01-12 Battelle Memorial Institute Composite separators and redox flow batteries based on porous separators
US8993183B2 (en) 2012-12-31 2015-03-31 Enervault Corporation Operating a redox flow battery with a negative electrolyte imbalance
US10044058B2 (en) 2013-03-15 2018-08-07 United Technologies Corporation Reactivation of flow battery electrode by exposure to oxidizing solution
US8980454B2 (en) 2013-03-15 2015-03-17 Enervault Corporation Systems and methods for rebalancing redox flow battery electrolytes
US9153832B2 (en) 2013-03-15 2015-10-06 Unienergy Technologies, Llc Electrochemical cell stack having a protective flow channel
US9853310B2 (en) 2013-12-23 2017-12-26 United Technologies Corporation Distribution of electrolytes in a flow battery
US9846116B2 (en) 2014-04-21 2017-12-19 Unienergy Technologies, Llc Methods for determining and/or adjusting redox-active element concentrations in redox flow batteries
US10333159B2 (en) 2014-07-07 2019-06-25 Unienergy Technologies, Llc Charge capacity management in redox flow battery string
AU2015297746B2 (en) 2014-08-01 2020-01-30 Sumitomo Electric Industries, Ltd. electrolyte for redox flow battery and redox flow battery system
WO2016070794A1 (zh) 2014-11-03 2016-05-12 大连融科储能技术发展有限公司 液流电池系统荷电状态监测方法及其系统、基于soc检测装置冗余设计的液流电池、液流电池实际容量确定方法及其装置、以及液流电池交流侧输入输出特性估算方法及其系统
US10411285B2 (en) * 2015-04-14 2019-09-10 Lockheed Martin Energy, Llc Flow battery balancing cells having a bipolar membrane for simultaneous modification of a negative electrolyte solution and a positive electrolyte solution
CN107615546A (zh) * 2015-05-27 2018-01-19 住友电气工业株式会社 氧化还原液流电池
CN105702997A (zh) 2016-04-11 2016-06-22 苏州久润能源科技有限公司 一种液流电池再平衡系统与液流电池系统以及液流电池循环容量再平衡的方法
EP3523851A4 (en) 2016-10-07 2020-07-15 VionX Energy Corporation ELECTROCHEMICAL-BASED PURIFICATION OF ELECTROLYTE SOLUTIONS AND RELATED SYSTEMS AND METHODS
EP3544103B1 (en) * 2016-11-16 2023-06-07 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Cell frame, cell stack, and redox flow battery
WO2018105092A1 (ja) * 2016-12-08 2018-06-14 住友電気工業株式会社 枠体、セルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池
US10135087B2 (en) 2016-12-09 2018-11-20 Unienergy Technologies, Llc Matching state of charge in a string
US11309554B2 (en) 2017-02-10 2022-04-19 Lg Chem, Ltd. Method and device for recycling electrolyte of flow battery
US10461352B2 (en) * 2017-03-21 2019-10-29 Lockheed Martin Energy, Llc Concentration management in flow battery systems using an electrochemical balancing cell
AU2018258694B2 (en) 2017-04-28 2023-11-30 Ess Tech, Inc. Methods and systems for rebalancing electrolytes for a redox flow battery system
WO2020006436A1 (en) 2018-06-29 2020-01-02 Form Energy Inc. Aqueous polysulfide-based electrochemical cell
CN109713350A (zh) * 2018-12-26 2019-05-03 湖南钒谷新能源技术有限公司 自带电解池的钒电池系统及钒电池液的再平衡方法
EP4348743A1 (en) * 2021-07-13 2024-04-10 ESS Tech, Inc. Rebalancing cell for redox flow battery system

Also Published As

Publication number Publication date
US11189854B2 (en) 2021-11-30
JP7491951B2 (ja) 2024-05-28
JP2022535691A (ja) 2022-08-10
CN111969234A (zh) 2020-11-20
US20220069328A1 (en) 2022-03-03
AU2020279121A1 (en) 2021-11-18
US11626608B2 (en) 2023-04-11
WO2020236700A9 (en) 2021-01-07
US11626607B2 (en) 2023-04-11
US11233263B2 (en) 2022-01-25
US20200373594A1 (en) 2020-11-26
ZA202109301B (en) 2023-10-25
US20200373602A1 (en) 2020-11-26
US20230231171A1 (en) 2023-07-20
US20200373601A1 (en) 2020-11-26
US20200373600A1 (en) 2020-11-26
EP3973585A1 (en) 2022-03-30
WO2020236700A1 (en) 2020-11-26
US10777836B1 (en) 2020-09-15
US20200373595A1 (en) 2020-11-26
US10826102B1 (en) 2020-11-03
US11201345B2 (en) 2021-12-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111969234B (zh) 含有平衡装置的铁铬氧化还原液流电池系统及其生产和操作方法
US11043686B2 (en) Systems and methods of long-duration energy storage and regeneration of energy-bearing redox pairs
US11955677B2 (en) Redox flow battery systems and methods utilizing primary and secondary redox flow battery arrangements
JP6189327B2 (ja) 再生燃料電池
Ashurov et al. Solving the problem of energy storage for solar photovoltaic plants
Savinell et al. Fe/Fe Flow Battery
US20230282861A1 (en) Redox flow battery systems and methods of making and using
Skyllas‐Kazacos The History of the UNSW All‐Vanadium Flow Battery Development
WO2023049751A1 (en) Ferric ion reduction system to enable electrolyte rebalance within an iron flow battery
KR20140120392A (ko) 바나듐 산화환원쌍을 포함하는 재생 연료 전지 및 그 구동 방법

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
TA01 Transfer of patent application right
TA01 Transfer of patent application right

Effective date of registration: 20221118

Address after: Washington State

Applicant after: Kuge Xiaoxi Technology Co.,Ltd.

Address before: Washington State

Applicant before: Xiaoxi Energy Storage Technology Co.,Ltd.

GR01 Patent grant
GR01 Patent grant