WO2022112599A1 - Drainage d'empilement pour batterie rédox à flux - Google Patents

Drainage d'empilement pour batterie rédox à flux Download PDF

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WO2022112599A1
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catholyte
anolyte
supply circuit
reservoir
drainage
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Jérémy ALLIX
Kevin PAVEC
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Kemiwatt
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    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to the field of flow redox batteries comprising a stack of several electrochemical cells, and implementing liquid electrolytes.
  • the present invention relates to a compact flow redox battery system incorporating electrolyte supply pumps and drain pumps.
  • the present invention also relates to a method implementing such a system and an assembly comprising this system, the assembly being compact and/or having a constrained vertical size.
  • Flow batteries consist of a system stacking electrochemical cells in series electrically and in parallel fluidically to form a stack using electrolytes to store energy. This stacking makes it possible to reach the voltage and power level necessary for the proper operation of power converters.
  • Energy is stored via a reversible electrochemical reaction within electrochemical cells.
  • the two electrolyte solutions are called anolyte and catholyte respectively and stored in two separate tanks.
  • the electrochemical reaction modifies the ionic state of the electrolytes circulating within the stack and pass to a charged state.
  • the reaction is reversible and the stored electrical energy is supplied to the “users”.
  • electrolytes are continuously pumped through the stacks.
  • the electrochemical reaction supplies direct current (DC) to the electrical circuit connected to bidirectional converters allowing charging and discharging in alternating current (AC). These converters allow connection to the network.
  • DC direct current
  • AC alternating current
  • the Flux Battery System switches from ON mode to OFF mode.
  • OFF mode liquid anolyte and liquid catholyte are emptied from the electrochemical cell into the respective storage tanks. This helps prevent self-discharge of the flow battery system due to diffusion of electrochemically active species through an ion exchange membrane into the electrochemical cell.
  • a disadvantage of switching to OFF mode is that if there is a demand to draw or store electrical energy from the flux battery system, the prior art flux battery system is slow to respond.
  • EP2795709A1 describes a flow battery system operating with an on mode (ON), an off mode (OFF) and a Pause mode (STANDBY).
  • ON on mode
  • OFF off mode
  • STANDBY Pause mode
  • a controller stops the pumps and closes the valves connecting the tanks to the electrochemical cell compartments.
  • STANDBY pause mode
  • the liquid anolyte and the liquid catholyte present in the electrochemical cell cannot flow back into the reservoirs.
  • the liquid anolyte and liquid catholyte portions are retained for a period of time in the electrochemical cell, during which time no energy is drawn from the liquid anolyte and liquid catholyte or stored.
  • the object of the present invention is to provide a flow battery system making it possible to reduce the currents within the electrolytes, in particular in electrochemical cells connected fluidically in parallel and during standby.
  • the object of the present invention is to provide an electrochemical cell having a good lifetime, and in particular improving the storage stability of the system by reducing the phenomenon of self-discharge, in particular during the pause phases (stand-by).
  • the aim of the present invention is to provide a compact electrochemical cell and/or a set of electrochemical cells and storage tanks for the electrolytes circulating within the electrochemical cells, the set having for example to be placed in a constrained vertical environment.
  • the aim of the present invention is to solve all of these technical problems in a reliable, industrial and low-cost manner, and preferably by providing a compact flow battery system and/or placed in a constrained vertical environment.
  • the prior art does not make it possible to solve these technical problems, in particular within the framework of the provision of a compact system and/or placed or intended to be placed in a constrained vertical environment.
  • the prior solutions relate to systems comprising reservoirs, pumps and large electrochemical cells.
  • the reservoirs are placed below the electrochemical cells so that the drainage of the electrolytes takes place by gravity.
  • This geometry does not make it possible to optimize the volume and/or the yield and/or the cost within the framework of an integration of the flow batteries in a container, in particular a compact container and/or placed or intended to be placed in a constrained vertical environment. Transport is also problematic for these prior techniques.
  • the invention relates to a comprising one or more flow redox batteries comprising a stack of several electrochemical cells 30, said electrochemical cells 30 comprising a cathode compartment and an anode compartment, the cathode compartment being in fluid communication via a power supply circuit 13 with one or more electrolyte reservoirs 10 called catholyte, the anode compartment being in fluid communication via a supply circuit 23 with one or more electrolyte reservoirs 20 called anolyte, the supply circuit 13, 23 of the catholyte, respectively of the anolyte, comprising a pump 15, 25 for circulating the catholyte, respectively of the anolyte, from the tank 10, 20 towards the cathodic, respectively anodic compartments, said system comprising a drainage pump 14 of catholyte and an anolyte drainage pump 24, the catholyte, respectively anolyte, drainage pump being slaved to a detector for the presence of catholyte, respectively anolyte, in at least part
  • the circulation authorization device 12, 22 is a three-way solenoid valve connecting either the reservoir 10, 20 to the circulation pump 15, 25, or connecting the electrochemical cells 30 to the drainage pump 14, 24 .
  • said drainage pump 14, 24 is positioned on a circuit at least partly dedicated to the drainage of the catholyte, respectively of the anolyte, said drainage circuit.
  • each catholyte or anolyte drainage pump is independently controlled by one or more electrolyte presence sensors.
  • said circulation pump 15, 25 is positioned on a circuit at least partly dedicated to the circulation of the catholyte, respectively of the anolyte, towards the electrochemical cells, said supply circuit 13, 23.
  • said measuring device is a device for measuring the liquid level of the catholyte, respectively of the anolyte, in at least part of the said supply circuit and/or of the cathodic compartments, respectively the anodic ones.
  • the drainage pump of the catholyte, respectively of the anolyte is in operation and the catholyte, respectively the anolyte, circulates in the drainage circuit of the catholyte, respectively of the anolyte, and feeds the inlet of the reservoir of the catholyte, respectively of the anolyte.
  • the invention also relates to a method for producing electricity using one or more flow redox batteries comprising a stack of several electrochemical cells, said electrochemical cells comprising a cathode compartment and an anode compartment, the cathode compartment being in fluidic communication via a supply circuit with one or more electrolyte reservoirs called catholyte, the anode compartment being in fluid communication via a supply circuit with one or more electrolyte reservoirs called anolyte, the circuit for supplying the catholyte, respectively the anolyte, comprising a pump for circulating the catholyte, respectively the anolyte from the reservoir towards the cathodic, respectively anodic compartments, the said system comprising a catholyte drainage pump and a drainage pump for anolyte, the catholyte, respectively anolyte, drainage pump being slaved to a device for measuring the presence of catholyte, respectively anolyte, in at least part of said catholyte,
  • the catholyte in charge or discharge mode of the flow batteries, the catholyte, respectively the anolyte, circulates from the reservoir of catholyte, respectively of anolyte, towards the cathodic compartments, respectively anodic, and advantageously, in pause mode (standby) of the flow batteries, the catholyte, respectively the anolyte, is drained from the supply circuit of the catholyte, respectively of the anolyte, and/or of the cathodic compartments, respectively anodic, towards the reservoir of catholyte, respectively of anolyte.
  • the catholyte in the charging or discharging mode of the flow batteries, the catholyte, respectively the anolyte, circulates from the outlet of the catholyte reservoir, respectively of anolyte, towards the cathodic compartments, respectively anodic, then towards the inlet of the reservoir of catholyte, respectively of anolyte, and in pause mode (stand-by) of the flow batteries, the catholyte, respectively the anolyte, circulates from the supply circuit of the catholyte, respectively of the anolyte, and/or of the cathodic compartments, respectively anodic, to a zone close to the inlet of the catholyte reservoir, respectively anolyte.
  • the drainage is activated when the measuring device detects the presence, for example by measuring the liquid level, of catholyte, respectively of anolyte, in at least part of said power supply circuit and/or cathodic compartments, respectively anodic.
  • the invention also relates to a set of compact electrochemical cells, comprising in a container a system as defined according to the invention or a system implementing a method according to the invention.
  • the set of compact electrochemical cells is transportable.
  • the invention advantageously consists in carrying out the drainage of the stacks mechanically so as not to depend on gravity, in particular in a compact system and/or placed or intended to be placed in a constrained vertical environment, preferably transportable.
  • a three-way solenoid valve in charge/discharge mode, is placed in position to supply the supply circuit, thus directing the electrolytes towards the stacks of electrochemical cells. It is then a completely classic operation for a flow battery.
  • the three-way solenoid valve in pause mode (stand-by) is put in position to supply the drainage circuit.
  • the drain pump when a level sensor detects electrolytes in a line of the supply circuit in the electrochemical cells, the drain pump is operated to direct the electrolyte or electrolytes concerned to the reservoirs of storage.
  • the drain pump in pause, when a level sensor does not detect the presence of electrolytes, the drain pump is stopped.
  • each electrolyte is independent in the sense that they do not communicate, in particular to physically separate the catholyte from the anolyte.
  • the feed pumps and the drainage pumps, the electrolyte reservoirs and the cathode compartments, respectively anode can operate independently.
  • each embodiment of the circuit for supplying and/or draining the catholyte can be independent of the circuit for supplying and/or draining the anolyte, in its structure and/or its operation.
  • the structures and functioning of the circulation and/or the drainage of the catholyte and of the anolyte can be coupled.
  • FIG 1 schematically illustrates an embodiment in on-mode operation.
  • the system comprises a catholyte reservoir 10, and an anolyte reservoir 20.
  • the catholyte reservoir 10 is in fluid communication, via a supply system 13, with the cathode compartments of a plurality of electrochemical cells 30.
  • the reservoir of anolyte 20 is in fluid communication, via a supply system 23, with the anode compartments of a plurality of electrochemical cells 30.
  • the supply system 13 of the catholyte comprises a supply pump 15 and a device for authorization of the passage of the fluid, for example from a three-way solenoid valve 12, directing the catholyte from the reservoir 10 towards the electrochemical cells 30 in charge/discharge operating mode.
  • the anolyte supply system 23 comprises a supply pump 25 and a fluid passage authorization device, for example a three-way solenoid valve 22, directing the anolyte from the reservoir 20 to the electrochemical cells 30 in charge/discharge mode.
  • a fluid passage authorization device for example a three-way solenoid valve 22 directing the anolyte from the reservoir 20 to the electrochemical cells 30 in charge/discharge mode.
  • This mode makes it possible to supply the stacks (plurality of electrochemical cells 30) with electrolyte, thus allowing normal operation of the battery in charge and discharge mode.
  • FIG 2 schematically illustrates an embodiment operating in pause mode (stand-by).
  • the tank outlet solenoid valves 12, 22 rotate independently so as to isolate the tanks 10, 20, respectively.
  • the solenoid valve 12, 22 rotates so as to bring the catholyte, respectively the anolyte, into contact with a drainage pump 14, 24, respectively.
  • the supply of the drainage pump 14, 24 is connected to one or more presence detectors of the electrolyte in question, for example it is one or more liquid level detectors.
  • the electrolyte presence detector(s) can typically be positioned between the solenoid valve 12, 22 and the supply pump 15, 25, respectively.
  • each drainage pump 14, 24 can be independently slaved to one or more electrolyte presence sensors.
  • the detector When the detector detects the presence of residual electrolyte in a supply circuit, the detector transmits a signal, typically via a battery management system (BMS - Battery Management System, not shown in the figures), to supply the pumps drainage 14, 24 to substantially empty the supply circuits 13, 23, respectively and the stacks 30 of residual electrolytes.
  • BMS Battery Management System
  • This system makes it possible not to have to position the stacks 30 above the 10.20 tanks to ensure drainage and isolation of the stacks 30, which reduces the self-discharge of the flow battery, in particular when the container is compact. and/or placed or intended to be placed in a constrained vertical environment.
  • containers are 20ft, 20ft FIC (High Cube), or 40ft containers. It can also be more generally container or height constrained environment. Such a constrained environment thus does not allow the electrolyte reservoirs to be positioned freely, and in particular below the level of the electrochemical cells.
  • the spatial positioning of the electrolyte reservoirs relative to the electrochemical cells does not allow liquid drainage by gravity of the catholyte, respectively of the anolyte, contained in the electrochemical cells.
  • the electrolyte reservoirs are positioned below the liquid level of catholyte, respectively anolyte, contained in the electrochemical cells.
  • system or method according to the invention means a system or method defined as in the present invention, including according to any one of the variants, particular or specific embodiments, independently or according to the any combination thereof, including preferred characteristics.

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Abstract

La présente invention concerne un système comprenant une ou plusieurs batteries rédox à flux comprenant un empilement de plusieurs cellules électrochimiques, lesdites cellules électrochimiques comprenant un compartiment cathodique et un compartiment anodique, le compartiment cathodique étant en communication fluidique via un circuit d'alimentation avec un ou plusieurs réservoirs d'électrolyte dit catholyte, le compartiment anodique étant en communication fluidique via un circuit d'alimentation avec un ou plusieurs réservoirs d'électrolyte dit anolyte, le circuit d'alimentation du catholyte, respectivement de l'anolyte, comprenant une pompe de circulation du catholyte, respectivement de l'anolyte, du réservoir vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, ledit système comprenant une pompe de drainage de catholyte et une pompe de drainage d'anolyte, la pompe de drainage de catholyte, respectivement d'anolyte, étant asservie à un détecteur de présence de catholyte, respectivement d'anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d'alimentation de catholyte, respectivement d'anolyte, le circuit d'alimentation du catholyte, respectivement de l'anolyte, comprenant un dispositif d'autorisation de la circulation ou non du catholyte, respectivement de l'anolyte, du réservoir de catholyte, respectivement d'anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques.

Description

TITRE : Drainage d’empilement pour batterie rédox à flux
La présente invention concerne le domaine des batteries rédox à flux comprenant un empilement de plusieurs cellules électrochimiques, et mettant en œuvre des électrolytes liquides.
La présente invention concerne un système de batteries rédox à flux compact intégrant des pompes d’alimentation des électrolytes et des pompes de drainage. La présente invention concerne également un procédé mettant en œuvre un tel système et un ensemble comprenant ce système, l’ensemble étant compact et/ou présentant un encombrement vertical contraint.
Etat de la technique
Les batteries à flux consistent en un système empilant des cellules électrochimiques en série électriquement et en parallèle fluidiquement pour constituer un empilement (« stack en anglais ») utilisant des électrolytes pour stocker de l’énergie. Cet empilement permet d’atteindre le niveau de tension et de puissance nécessaire au bon fonctionnement des convertisseurs de puissance. L’énergie est stockée via une réaction électrochimique réversible au sein des cellules électrochimiques. Les deux solutions d’électrolyte sont respectivement appelées anolyte et catholyte et stockées dans deux réservoirs séparés. Durant la charge, la réaction électrochimique modifie l’état ionique des électrolytes circulant au sein de l’empilement et passent à un état chargé. Durant la décharge, la réaction est réversible et l’énergie électrique stockée est fournie aux « utilisateurs ». Afin d’assurer le bon fonctionnement du système, les électrolytes sont continuellement pompés à travers les empilements. La réaction électrochimique alimente en courant continu (DC) le circuit électrique relié à des convertisseurs bidirectionnels permettant charge et décharge en courant alternatif (AC). Ces convertisseurs permettent le branchement au réseau.
Lors de l’arrêt du système, afin d’éliminer tout phénomène d’autodécharge, il est nécessaire de s’assurer que les empilements soient vidés d’électrolytes résiduels et isolés des réservoirs de stockage. L’autodécharges est due à un courant résiduel dans l’empilement parcourant les électrolytes, entraînant ainsi une décharge lente mais continue de la batterie. Cette autodécharge pourrait entraîner sur le long terme une perte d’énergie emmagasinée par la batterie.
Actuellement, les méthodes conventionnellement utilisées pour surmonter cette problématique technique réside dans le design des cadres des empilements pour diminuer le courant de shunt, comme par exemple décrit par WO 2018095995 (KEMIWATT), ou encore le placement des réservoirs à une hauteur permettant la vidange des compartiments d’électrode par gravité. De tels systèmes de batterie à flux antérieur fonctionnent selon un Marche (ON) et un mode Arrêt (OFF). Dans le mode ON, un anolyte liquide et un catholyte liquide sont mis en circulation à partir des réservoirs de stockage respectifs dans et à travers une cellule électrochimique pendant laquelle l'énergie est tirée de l'anolyte liquide et du catholyte liquide ou stockée dans ces deux éléments. Pour éviter l'autodécharge du système de batterie de flux pendant une période où l'énergie n'est pas tirée du système de batterie de flux ou stockée dans celui-ci, le système de batterie de flux passe du mode ON au mode OFF. En mode OFF, l'anolyte liquide et le catholyte liquide sont vidés de la cellule électrochimique dans les réservoirs de stockage respectifs. Cela permet d'éviter l'autodécharge du système de batterie à flux en raison de la diffusion des espèces électrochimiquement actives à travers une membrane échangeuse d'ions dans la cellule électrochimique. Un inconvénient du passage en mode OFF est que s'il y a une demande de prélèvement ou de stockage d'énergie électrique dans le système de batterie de flux, le système de batterie de flux de l'art antérieur est lent à réagir. Ainsi, EP2795709A1 décrit un système de batterie en flux fonctionnant avec un mode marche (ON), un mode arrêt (OFF) et un mode Pause (STANDBY). Le système permet un accès plus rapide à une partie de la pleine capacité du système de batterie en flux lorsqu'il n'est ni en mode "ON" ni en mode "OFF". En mode Pause (STANDBY), un contrôleur arrête les pompes et ferme les vannes reliant les réservoirs aux compartiments de la cellule électrochimique. Ainsi, l'anolyte liquide et le catholyte liquide présents dans la cellule électrochimique ne peuvent pas refluer dans les réservoirs. Les portions d'anolyte liquide et de catholyte liquide sont conservées pendant un certain temps dans la cellule électrochimique, pendant lequel aucune énergie n'est tirée de l'anolyte liquide et du catholyte liquide ni stockée.
De tels systèmes demandent à être améliorés techniquement, en particulier dans le cadre de batterie à flux compactes, livrables sous la forme d’un container tout-en-un comprenant la ou les cellules électrochimiques et les réservoirs d’électrolytes.
Buts de l’invention
La présente invention a pour but de fournir un système de batterie à flux permettant de réduire les courants au sein des électrolytes, en particulier dans des cellules électrochimiques montées fluidiquement en parallèle et lors de la mise en pause (Stand- by). La présente invention a pour but de fournir une cellule électrochimique présentant une bonne durée de vie, et en particulier améliorant la stabilité de stockage du système en diminuant le phénomène d’autodécharge, en particulier lors des phases de pause (stand- by).
La présente invention a pour but de fournir une cellule électrochimique compacte et/ou un ensemble de cellules électrochimiques et des réservoirs de stockage des électrolytes circulant au sein des cellules électrochimiques, l’ensemble devant par exemple être placée dans un environnement vertical contraint.
La complexité de ces problèmes techniques est en particulier liée au fait d’être capable de les résoudre tous ensemble.
La présente invention a pour but de résoudre l’ensemble de ces problèmes techniques de manière fiable, industrielle et à faible coût, et de préférence en fournissant un système de batterie à flux compact et/ou placé dans un environnement vertical contraint.
Description de l’invention
L’art antérieur ne permet pas de résoudre ces problèmes techniques, en particulier dans le cadre de la fourniture d’un système compact et/ou placé ou destiné à être placé dans un environnement vertical contraint. En effet, les solutions antérieures concernent des systèmes comprenant des réservoirs, pompes et cellules électrochimiques de grande dimension. Dans ces techniques antérieures, les réservoirs sont déposés en dessous des cellules électrochimiques de sorte que le drainage des électrolytes se réalise par gravité. Cette géométrie ne permet pas d’optimiser le volume et/ou le rendement et/ou le coût dans le cadre d’une intégration des batteries à flux dans un container, en particulier un container compact et/ou placé ou destiné à être placé dans un environnement vertical contraint. Le transport est également problématique pour ces techniques antérieures.
La présente invention permet de résoudre ces problèmes techniques, de préférence de manière simultanée. Les références ci-après sont données à titre illustratif au regard des figures 1 et 2, te en sont donc nullement limitatifs de l’invention.
Ainsi, l’invention concerne un comprenant une ou plusieurs batteries rédox à flux comprenant un empilement de plusieurs cellules électrochimiques 30, lesdites cellules électrochimiques 30 comprenant un compartiment cathodique et un compartiment anodique, le compartiment cathodique étant en communication fluidique via un circuit d’alimentation 13 avec un ou plusieurs réservoirs d’électrolyte 10 dit catholyte, le compartiment anodique étant en communication fluidique via un circuit d’alimentation 23 avec un ou plusieurs réservoirs 20 d’électrolyte dit anolyte, le circuit d’alimentation 13, 23 du catholyte, respectivement de l’anolyte, comprenant une pompe de circulation 15, 25 du catholyte, respectivement de l’anolyte, du réservoir 10, 20 vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, ledit système comprenant une pompe de drainage 14 de catholyte et une pompe de drainage 24 d’anolyte, la pompe de drainage de catholyte, respectivement d’anolyte, étant asservie à un détecteur de présence de catholyte, respectivement d’anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d’alimentation 13, 23 de catholyte, respectivement d’anolyte, le circuit d’alimentation 13, 23 du catholyte, respectivement de l’anolyte, comprenant un dispositif 12, 22 d’autorisation de la circulation ou non du catholyte, respectivement de l’anolyte, du réservoir 10, 20 de catholyte, respectivement d’anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques.
Selon une variante, le dispositif d’autorisation 12, 22 de la circulation est une électrovanne trois voies reliant soit le réservoir 10, 20 à la pompe de circulation 15, 25, soit reliant les cellules électrochimiques 30 à la pompe de drainage 14, 24.
Selon une variante, ladite pompe de drainage 14, 24 est positionnée sur un circuit au moins en partie dédié au drainage du catholyte, respectivement de l’anolyte, dit circuit de drainage.
Typiquement, chaque pompe de drainage du catholyte, respectivement de l’anolyte, est indépendamment asservie à un ou plusieurs capteurs de présence d’électrolyte.
Selon une variante, ladite pompe de circulation 15, 25 est positionnée sur un circuit au moins en partie dédié à la circulation du catholyte, respectivement de l’anolyte, vers les cellules électrochimiques, dit circuit d’alimentation 13, 23.
Typiquement, ledit dispositif de mesure est un dispositif de mesure du niveau liquide du catholyte, respectivement de l’anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d’alimentation et/ou des compartiments cathodiques, respectivement anodiques.
Avantageusement, lorsque le dispositif de mesure détecte la présence du catholyte, respectivement de l’anolyte, la pompe de drainage du catholyte, respectivement de l’anolyte, est en fonctionnement et le catholyte, respectivement l’anolyte, circule dans le circuit de drainage du catholyte, respectivement de l’anolyte, et alimente l’entrée du réservoir du catholyte, respectivement de l’anolyte.
L’invention concerne également un procédé de production d’électricité mettant en œuvre une ou plusieurs batteries rédox à flux comprenant un empilement de plusieurs cellules électrochimiques, lesdites cellules électrochimiques comprenant un compartiment cathodique et un compartiment anodique, le compartiment cathodique étant en communication fluidique via un circuit d’alimentation avec un ou plusieurs réservoirs d’électrolyte dit catholyte, le compartiment anodique étant en communication fluidique via un circuit d’alimentation avec un ou plusieurs réservoirs d’électrolyte dit anolyte, le circuit d’alimentation du catholyte, respectivement de l’anolyte, comprenant une pompe de circulation du catholyte, respectivement de l’anolyte du réservoir vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, ledit système comprenant une pompe de drainage de catholyte et une pompe de drainage d’anolyte, la pompe de drainage de catholyte, respectivement d’anolyte, étant asservie à un dispositif de mesure de la présence de catholyte, respectivement d’anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d’alimentation de catholyte, respectivement d’anolyte, ladite pompe de drainage étant en fonctionnement lorsque la présence de catholyte, respectivement d’anolyte est détectée par le dispositif de mesure, le circuit d’alimentation du catholyte, respectivement de l’anolyte comprenant un dispositif d’autorisation de la circulation ou non du catholyte, respectivement de l’anolyte, du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques.
Avantageusement, en mode de charge ou décharge des batteries à flux, le catholyte, respectivement l’anolyte, circule du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, et avantageusement, en mode pause (standby) des batteries à flux, le catholyte, respectivement l’anolyte, est drainé du circuit d’alimentation du catholyte, respectivement de l’anolyte, et/ou des compartiments cathodiques, respectivement anodiques, vers le réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte.
Selon une variante, en mode de charge ou décharge des batteries à flux le catholyte, respectivement l’anolyte, circule de la sortie du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, puis vers l’entrée du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte, et en mode pause (stand-by) des batteries à flux, le catholyte, respectivement l’anolyte, circule du circuit d’alimentation du catholyte, respectivement de l’anolyte, et/ou des compartiments cathodiques, respectivement anodiques, vers une zone à proximité de l’entrée du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte.
Selon une variante, en mode pause (stand-by) des batteries à flux, le drainage est activé lorsque le dispositif de mesure détecte la présence, par exemple par une mesure du niveau liquide, de catholyte, respectivement d’anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d’alimentation et/ou des compartiments cathodiques, respectivement anodiques.
L’invention concerne également un ensemble de cellules électrochimiques compact, comprenant dans un container un système tel que défini selon l’invention ou un système mettant en œuvre un procédé selon l’invention.
Avantageusement, l’ensemble de cellules électrochimiques compact est transportable. Ainsi, avantageusement l’invention consiste à effectuer le drainage des stacks de manière mécanique afin de ne pas dépendre de la gravité, en particulier dans un système compact et/ou placé ou destiné à être placé dans un environnement vertical contraint, de préférence transportable.
Ainsi, selon un mode de réalisation, en mode charge/décharge, une électrovanne trois voies est mise en position pour alimenter le circuit d’alimentation dirigeant ainsi les électrolytes vers les empilements de cellules électrochimiques. Il s’agit alors d’un fonctionnement tout à fait classique pour une batterie à flux. Selon un mode de réalisation, en mode pause (stand-by) l’électrovanne trois voies est mise en position pour alimenter le circuit de drainage. Selon ce mode de réalisation en pause, lorsqu’un capteur de niveau détecte des électrolytes dans une conduite du circuit d’alimentation dans les cellules électrochimiques, la pompe de drainage est mise en fonctionnement pour diriger l’électrolyte ou les électrolytes concernés vers les réservoirs de stockage. Selon ce mode de réalisation en pause, lorsqu’un capteur de niveau ne détecte pas la présence d’électrolytes, la pompe de drainage est en arrêt.
Dans la présente description, il est fait référence de manière indifférente aux électrolytes, en particulier au catholyte ou à l’anolyte. Les circuits de chaque électrolyte sont indépendants dans le sens où ils ne communiquent pas, notamment pour séparer physiquement le catholyte de l’anolyte. Ainsi les pompes d’alimentation et les pompes de drainage, les réservoirs d’électrolytes et les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, peuvent fonctionner de manière indépendante. Ainsi, chaque mode de réalisation du circuit d’alimentation et/ou de drainage du catholyte peut être indépendant du circuit d’alimentation et/ou de drainage de l’anolyte, dans sa structure et/ou son fonctionnement. Toutefois, selon un mode de réalisation, les structures et fonctionnement de la circulation et/ou du drainage du catholyte et de l’anolyte peuvent être couplés.
L’invention va être décrite plus précisément en relation avec les figures, sans limitation de la portée de l’invention. Dans la présente invention, il est fait référence indépendamment aux différents éléments par leur numéro de référence sur les figures, sans aucune limitation de la portée de l’invention. Les références à un élément avec plusieurs numéros de référence signifient que la description s’applique généralement à l’élément portant le signe de référence. Ainsi par exemple une référence au réservoir 10, 20 signifie que la description s’applique généralement et indépendamment ou simultanément au réservoir 10 et au réservoir 20.
[Fig 1] La Figure 1 illustre schématiquement un mode de réalisation en fonctionnement en mode marche. Le système comprend un réservoir de catholyte 10, et un réservoir d’anolyte 20. Le réservoir de catholyte 10 est en communication fluidique, via un système d’alimentation 13, avec les compartiments cathodiques d’une pluralité de cellules électrochimiques 30. Le réservoir d’anolyte 20 est en communication fluidique, via un système d’alimentation 23, avec les compartiments anodiques d’une pluralité de cellules électrochimiques 30. Le système d’alimentation 13 du catholyte comprend une pompe d’alimentation 15 et un dispositif d’autorisation du passage du fluide, par exemple d’une électrovanne trois voies 12, dirigeant le catholyte du réservoir 10 vers les cellules électrochimiques 30 en mode de fonctionnement charge/décharge. Le système d’alimentation 23 de l’anolyte comprend une pompe d’alimentation 25 et un dispositif d’autorisation du passage du fluide, par exemple d’une électrovanne trois voies 22, dirigeant l’anolyte du réservoir 20 vers les cellules électrochimiques 30 en mode de fonctionnement charge/décharge. Ce mode permet d’alimenter les stacks (pluralité de cellules électrochimiques 30) en électrolyte permettant ainsi le fonctionnement normal de la batterie en mode charge et décharge.
[Fig 2] La Figure 2 illustre schématiquement un mode de réalisation en fonctionnement en mode pause (stand-by). En mode pause, les électrovannes 12, 22 de sortie des réservoirs tournent indépendamment de manière à isoler les réservoirs 10, 20, respectivement. L’électrovanne 12, 22 tourne de manière à mettre le catholyte, respectivement l’anolyte, en contact avec une pompe de drainage 14, 24, respectivement. L’alimentation de la pompe de drainage 14, 24 est connectée à un ou plusieurs détecteurs de présence de l’électrolyte considéré, par exemple il s’agit d’un ou plusieurs détecteurs de niveau liquide. Le ou les détecteurs de présence de l’électrolyte peuvent-être typiquement positionnés entre l’électrovanne 12, 22 et la pompe d’alimentation 15, 25, respectivement. De manière générique, chaque pompe de drainage 14, 24 peut-être indépendamment asservie à un ou plusieurs capteurs de présence d’électrolyte. Lorsque le détecteur détecte la présence d’électrolyte résiduel dans un circuit d’alimentation, le détecteur transmet un signal, typiquement via un système de mangement de la batterie (BMS - Battery Managment System, non représenté sur les figures), pour alimenter les pompes de drainage 14, 24 pour sensiblement vider les circuits d’alimentation 13, 23, respectivement et les stacks 30 des électrolytes résiduels. Ce système permet de ne pas avoir à positionner les stacks 30 au-dessus des réservoirs 10,20 pour assurer un drainage et un isolement des stacks 30, ce qui diminue l’autodécharge de la batterie à flux, en particulier lorsque le containeur est compact et/ou placé ou destiné à être placé dans un environnement vertical contraint.
Typiquement, les containers sont de containers 20 pieds, 20 pieds FIC (High Cube), ou 40 pieds. Il peut également s’agir de manière plus générale de container ou environnement contraint en hauteur. Un tel environnement contraint ne permet ainsi pas de positionner les réservoirs d’électrolytes de manière libre, et en particulier en-dessous du niveau des cellules électrochimiques.
Typiquement, selon l’invention, le positionnement dans l’espace des réservoirs d’électrolytes par rapport aux cellules électrochimiques ne permet pas un drainage liquide par gravité du catholyte, respectivement de l’anolyte, contenus dans les cellules électrochimiques.
Avantageusement, selon l’invention, les réservoirs d’électrolytes sont positionnés en-dessous du niveau liquide de catholyte, respectivement d’anolyte, contenus dans les cellules électrochimiques.
Des expérimentations ont été réalisées. Selon un système de l’art antérieur, sans la mise en œuvre d’un drainage asservi à un détecteur de présence d’électrolyte et l’isolation fluidique des électrolytes, on observe une perte de 420 Ah. Avec un système selon la présente invention, incluant un circuit de drainage asservi à un détecteur de présence d’électrolyte et isolé permet de diminuer la perte à 234 Ah. Les inventeurs ont pu ainsi améliorer la stabilité de stockage du système de batterie rédox en flux en diminuant le phénomène d’autodécharge lors des phases de pause (stand-by).
On entend par système ou procédé « selon l’invention » ou des termes équivalents, un système ou procédé défini tel que dans la présente invention, y compris selon l’une quelconques des variantes, modes de réalisation particuliers ou spécifiques, indépendamment ou selon l’une quelconque de leurs combinaisons, y compris selon les caractéristiques préférées.
D'autres buts, caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront clairement à l'homme de l'art suite à la lecture de la description explicative qui fait référence aux figures qui sont donnés seulement à titre d'illustration et qui ne sauraient en aucune façon limiter la portée de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS
1. Système comprenant une ou plusieurs batteries rédox à flux comprenant un empilement de plusieurs cellules électrochimiques (30), lesdites cellules électrochimiques (30) comprenant un compartiment cathodique et un compartiment anodique, le compartiment cathodique étant en communication fluidique via un circuit d’alimentation (13) avec un ou plusieurs réservoirs d’électrolyte (10) dit catholyte, le compartiment anodique étant en communication fluidique via un circuit d’alimentation (23) avec un ou plusieurs réservoirs (20) d’électrolyte dit anolyte, le circuit d’alimentation (13, 23) du catholyte, respectivement de l’anolyte, comprenant une pompe de circulation (15, 25) du catholyte, respectivement de l’anolyte, du réservoir (10, 20) vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, ledit système comprenant une pompe de drainage (14) de catholyte et une pompe de drainage (24) d’anolyte, la pompe de drainage de catholyte, respectivement d’anolyte, étant asservie à un détecteur de présence de catholyte, respectivement d’anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d’alimentation (13, 23) de catholyte, respectivement d’anolyte, le circuit d’alimentation (13, 23) du catholyte, respectivement de l’anolyte, comprenant un dispositif (12, 22) d’autorisation de la circulation ou non du catholyte, respectivement de l’anolyte, du réservoir (10, 20) de catholyte, respectivement d’anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques.
2. Système selon la revendication 1 , caractérisé en ce que le dispositif d’autorisation (12, 22) de la circulation est une électrovanne trois voies reliant soit le réservoir (10, 20) à la pompe de circulation (15, 25), soit reliant les cellules électrochimiques (30) à la pompe de drainage (14, 24).
3. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 2, caractérisé en ce que ladite pompe de drainage (14, 24) est positionnée sur un circuit au moins en partie dédié au drainage du catholyte, respectivement de l’anolyte, dit circuit de drainage.
4. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que ladite pompe de circulation (15, 25) est positionnée sur un circuit au moins en partie dédié à la circulation du catholyte, respectivement de l’anolyte, vers les cellules électrochimiques, dit circuit d’alimentation (13, 23).
5. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 4, caractérisé en ce que ledit détecteur de présence de catholyte, respectivement d’anolyte est un dispositif de mesure du niveau liquide du catholyte, respectivement de l’anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d’alimentation et/ou des compartiments cathodiques, respectivement anodiques.
6. Système selon l’une quelconque des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que lorsque le dispositif de mesure détecte la présence du catholyte, respectivement de l’anolyte, la pompe de drainage du catholyte, respectivement de l’anolyte, est en fonctionnement et le catholyte, respectivement l’anolyte, circule dans le circuit de drainage du catholyte, respectivement de l’anolyte, et alimente l’entrée du réservoir du catholyte, respectivement de l’anolyte.
7. Procédé de production d’électricité mettant en œuvre un système comprenant une ou plusieurs batteries rédox à flux comprenant un empilement de plusieurs cellules électrochimiques, lesdites cellules électrochimiques comprenant un compartiment cathodique et un compartiment anodique, le compartiment cathodique étant en communication fluidique via un circuit d’alimentation avec un ou plusieurs réservoirs d’électrolyte dit catholyte, le compartiment anodique étant en communication fluidique via un circuit d’alimentation avec un ou plusieurs réservoirs d’électrolyte dit anolyte, le circuit d’alimentation du catholyte, respectivement de l’anolyte, comprenant une pompe de circulation du catholyte, respectivement de l’anolyte du réservoir vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, ledit système comprenant une pompe de drainage de catholyte et une pompe de drainage d’anolyte, la pompe de drainage de catholyte, respectivement d’anolyte, étant asservie à un dispositif de mesure de la présence de catholyte, respectivement d’anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d’alimentation de catholyte, respectivement d’anolyte, ladite pompe de drainage étant en fonctionnement lorsque la présence de catholyte, respectivement d’anolyte est détectée par le dispositif de mesure, le circuit d’alimentation du catholyte, respectivement de l’anolyte comprenant un dispositif d’autorisation de la circulation ou non du catholyte, respectivement de l’anolyte, du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques.
8. Procédé selon la revendication 7, caractérisé en ce qu’en mode de charge ou décharge des batteries à flux, le catholyte, respectivement l’anolyte, circule du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, et en ce qu’en mode pause (standby) des batteries à flux, le catholyte, respectivement l’anolyte, est drainé du circuit d’alimentation du catholyte, respectivement de l’anolyte, et/ou des compartiments cathodiques, respectivement anodiques, vers le réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte.
9. Procédé selon la revendication 7 ou 8, caractérisé en ce qu’en mode de charge ou décharge des batteries à flux le catholyte, respectivement l’anolyte circule de la sortie du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte, vers les compartiments cathodiques, respectivement anodiques, puis vers l’entrée du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte, et en ce qu’en mode pause (stand-by) des batteries à flux, le catholyte, respectivement l’anolyte, circule du circuit d’alimentation du catholyte, respectivement de l’anolyte, et/ou des compartiments cathodiques, respectivement anodiques, vers une zone à proximité de l’entrée du réservoir de catholyte, respectivement d’anolyte.
10. Procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 9, caractérisé en ce le qu’en mode pause (stand-by) des batteries à flux, le drainage est activé lorsque le dispositif de mesure détecte la présence, par exemple par une mesure du niveau liquide, de catholyte, respectivement d’anolyte, dans au moins une partie dudit circuit d’alimentation et/ou des compartiments cathodiques, respectivement anodiques.
11. Ensemble de cellules électrochimiques compact, comprenant dans un container un système tel que défini selon l’une quelconque des revendications 1 à 6 ou un système mettant en œuvre un procédé selon l’une quelconque des revendications 7 à 10.
12. Ensemble selon la revendication 11 , caractérisé en ce qu’il est transportable.
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