具有多個獨立堆的氧化還原液流電池系統(tǒng)的制作方法
具有多個獨立堆的氧化還原液流電池系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】提供了配備有專用于充電和放電功能的獨立堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，可以將充電堆組件的特性配置成在充電反應期間提供高效率，以及將放電堆配置成在放電反應期間提供高效率。除了分離充電和放電反應外，還可以將氧化還原液流電池堆組件針對其他變量進行配置，諸如電源或負載的功率可變性程度。使用模塊化方法來通過將充電功能和放電功能分開構建液流電池系統(tǒng)、以及針對其他變量配置堆組件提供了具有廣泛應用的大的靈活性的大規(guī)模儲能系統(tǒng)。
【專利說明】具有多個獨立堆的氧化還原液流電池系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2010年9月16日提交的美國專利申請12/883,551的繼續(xù)申請，美國專利申請12/883，551是2009年7月6日提交的美國專利申請12/498，103，目前美國專利7,820, 321的分案，要求2008年7月7日提交的美國臨時專利申請N0.61/078，691以及2008年8月29日提交的美國臨時申請N0.61/093,017的優(yōu)先權。本申請還要求2011年I月7日提交的美國臨時專利申請61/430，812的優(yōu)先權。上述專利申請的每一個的全部內(nèi)容在此通過引用而并入本文。
[0003]有關聯(lián)邦政府贊助的研究的聲明
[0004]在由美國能源部(USdepartment of Energy:D0E)給予的DE-0E0000225“Recovery Act-Flow Battery Solution for Smart Grid Renewable EnergyApplications”的政府支持下實現(xiàn)在提交包括在該繼續(xù)專利申請中的優(yōu)先申請(美國專利申請N0.12/498，103，2009年7月6日提交)后構想的發(fā)明。政府在這些發(fā)明中具有一定權利。然而，政府不具有沒有政府支持下構想和提交的美國專利7，820，321的權利，也不具有其直接繼續(xù)和分案申請的權利。
【技術領域】
[0005]本申請一般涉及氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)，更具體地說，涉及包括多個獨立目的配置的堆(stack)組件的氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)。
【背景技術】
[0006]目前美國電網(wǎng)受制于由于缺少任何存儲容量的主要限制。由發(fā)電廠生產(chǎn)的所有電力必須立即消耗。供需準確匹配的需要已經(jīng)創(chuàng)建了一個復雜的發(fā)電廠網(wǎng)絡，其能在任何指定時刻增加或減小其輸出以匹配需求。
[0007]許多經(jīng)濟可行且環(huán)境有利的可再生能源技術受制于周期性和不可預測的發(fā)電的不利條件。即使不是不可能，也非常難以控制這種間歇發(fā)電技術以便匹配電網(wǎng)需求。這些技術能用來向電網(wǎng)提供最小“基線”功率，但這限制了這種可替代發(fā)電技術的擴展可能性。為實現(xiàn)擴展可再生能源技術，要求大規(guī)模儲能系統(tǒng)以便允許將由間歇發(fā)電技術生成的電力可靠地輸送到電網(wǎng)以匹配需求。
[0008]此外，許多常規(guī)的發(fā)電技術如燃煤、燃氣和核電站、以及有希望的替代發(fā)電技術如燃料電池，在恒定功率下操作時功能最佳。因為電網(wǎng)需求的功率基于電力消費者的各種需要顯著地波動，這種發(fā)電廠通常在低效率模式下操作。由此，這些常規(guī)發(fā)電廠也能從在非峰值時間期間能夠儲能并且在峰值需求的時間期間輸送峰值功率的儲能系統(tǒng)受益。
[0009]還原/氧化或“氧化還原”液流電池代表有希望的大規(guī)模儲能技術。氧化還原液流電池是在液體電解質(zhì)中溶解陽極和陰極兩者的電化學系統(tǒng)。對于在液體中溶解的所有四種反應物狀態(tài)(即陰極和陽極的充電和放電狀態(tài))，這些系統(tǒng)的存儲容量隨罐尺寸而變換。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]為建立通用液流電池系統(tǒng)(S卩，能由各種電源充電并對各種負載放電的系統(tǒng))，通常做出許多工程折衷方案。在充電過程和放電過程的任何一個或兩者間，這些折衷方案通常導致犧牲效率。
[0011]液流電池的所有液體屬性提供了允許分離充電和放電過程的獨特優(yōu)點。因此，可以為充電操作提供電化學反應單元的單個集合(也稱為“堆組件”)，同時為放電操作提供電化學反應單元第二獨立的集合。在這種系統(tǒng)中，可以將充電堆組件的特征配置成在充電反應期間提供高效率，以及可以將放電堆配置成在放電反應期間提供高效率。除分離充電和放電反應外，也可以針對其他變量，諸如電源或負載的功率可變性程度配置堆組件特性。在此的系統(tǒng)和方法提供了模塊化方法來建立使充電功能和放電功能分離的液流電池系統(tǒng)。此夕卜，可以針對各種電源和/或負載類型配置系統(tǒng)和堆組件。例如，在一些實施例中，針對間歇或高度可變電源或負載配置系統(tǒng)部件。在其他實施例中，可以針對恒定電壓、恒定功率或最小可變電源或負載配置系統(tǒng)部件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]包括在說明書中并構成其一部分的【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的示例性實施例，并且與在此給出的概述和下文給出的詳細描述一起，用來說明本發(fā)明的特征。
[0013]圖1是從第一觀察視角，示出氧化還原電池堆的截面示意性示例的大堆氧化還原電池系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)圖。
[0014]圖2是從第二觀察視角的三個單元的氧化還原電池堆單元層實施例的截面示意性示例。
[0015]圖3A是從第三觀察視角的單個氧化還原電池單元的實施例的截面圖。
[0016]圖3B是單個氧化還原電池單元的實施例的分解圖。
[0017]圖4示例可以在氧化還原電池實施例內(nèi)采用的化學反應的兩個化學方程式。
[0018]圖5是可以在氧化還原電池系統(tǒng)實施例中實現(xiàn)的設計參數(shù)圖。
[0019]圖6是氧化還原電池的電勢與電流之間的關系圖。
[0020]圖7A是根據(jù)實施例的氧化還原液流電池堆的示意圖。
[0021]圖7B是示例如何將單元層組裝到根據(jù)實施例的液流電池堆中的組裝圖。
[0022]圖7C是示例如何將單元層組裝到根據(jù)另一實施例的液流電池堆中的組裝圖。
[0023]圖8是根據(jù)實施例的氧化還原電池單元的隔板部分的示例。
[0024]圖9是具有熱集成的風電場系統(tǒng)實現(xiàn)實施例的系統(tǒng)圖。
[0025]圖10是具有直接由太陽能電池板加熱的電解質(zhì)的太陽能電力系統(tǒng)實現(xiàn)實施例的系統(tǒng)圖。
[0026]圖11是具有經(jīng)在電力堆四周流動的二次流體的熱集成的另一太陽能電力系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)圖。
[0027]圖12是根據(jù)實施例的系統(tǒng)設計參數(shù)的表。
[0028]圖13A是包括用作AC至DC功率轉換/隔離直流電源的氧化還原液流電池的系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)框圖。
[0029]圖13B是包括用作對電動車輛再充電的浪涌電源的氧化還原液流電池的系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)框圖。
[0030]圖13C是包括用作對電動車輛再充電的浪涌電源的氧化還原液流電池的系統(tǒng)的另一實施例的系統(tǒng)框圖。
[0031]圖13D是包括用作使燃料電池向電網(wǎng)提供AC電力的電力儲存和負載跟蹤功率管理系統(tǒng)的氧化還原液流電池的系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)框圖。
[0032]圖14是重力驅動氧化還原液流電池的實施例的截面部件框圖。
[0033]圖15A-15C是示例從充電模式向放電模式的轉變的重力驅動氧化還原液流電池的實施例的一系列截面部件的框圖。
[0034]圖16A-16C是示出適合于用在三單元堆單元層氧化還原液流電池實施例的三個單元的每一個中的代表性隔板材料的顯微圖。
[0035]圖17是示出具有包括罐隔板的反應物儲罐的氧化還原電池堆的截面示意性示例的大堆氧化還原電池系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)圖。
[0036]圖19是示例混合充電和放電反應物的效果的電池單元電勢與時間的關系圖。
[0037]圖18A-18F是包括示例通過充電或放電周期的罐隔板的運動的罐隔板的電解質(zhì)儲罐的實施例的截面圖。
[0038]圖20A-20F是包括示例通過充電或放電操作的罐隔板的運動的罐隔板的電解質(zhì)儲罐的實施例的截面圖。
[0039]圖21是示例具有多個獨立堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的設計排列的例子的矩陣。
[0040]圖22A是用于液流電池堆組件的功率配置的示意性示例。
[0041]圖22B是用于液流電池堆組件的功率配置的示意性示例。
[0042]圖24A是示例匯聚級聯(lián)液流電池堆組件的實施例的框圖。
[0043]圖24B是示例雙向匯聚級聯(lián)液流電池堆組件的實施例的框圖。
[0044]圖25是具有配置成在兩罐模式中操作的一對獨立堆組件的氧化還原液流電池的實施例的示意性示例。
[0045]圖23是配置有可變數(shù)目的活性級聯(lián)級的級聯(lián)氧化還原液流電池堆組件的示意性示例。
[0046]圖26是示例配置用于特定應用的液流電池堆組件的通用過程的實施例的流程圖。
[0047]圖27是具有為充電配置的一個堆組件，以及為放電而配置的第二堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例。
[0048]圖28是具有為充電配置的兩個堆組件，以及為放電而配置的第三堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例。
[0049]圖29是具有為放電配置的兩個堆組件，以及為充電而配置的第三堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例。
[0050]圖30是具有為充電配置的兩個堆組件，以及為放電而配置的兩個堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例。
[0051]圖31是具有多個獨立堆，其中至少一個配置成在兩罐模式中操作的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例?！揪唧w實施方式】
[0052]將參考附圖，詳細地描述各個實施例。只要可能，將在所有附圖中使用相同的參考數(shù)字來表示相同或類似的部件。對特殊實例和實現(xiàn)方式的參考僅是示例目的，不試圖限制本發(fā)明或權利要求書的保護范圍。
[0053]如在此所使用的，用于任何數(shù)值或范圍的術語“大約”或“約”表示允許部件的一部分或集合發(fā)揮如在此所述的期望的目的的適當?shù)臏囟然虺叽绲娜莶睢?br> [0054]除非具體說明，術語“液流電池單元”、“單元”、“電化學單元”和類似的術語是指單個電化學反應單元。在大部分實施例中，液流電池單元包括由隔膜分開的正極和負極的液流電池單元。如在此所使用的，“塊”或“單元塊”是可以(但不一定)容納在共用單一殼體內(nèi)的電化學單元組或集。通常(但不一定)彼此類似地配置單一單元塊內(nèi)的電化學單元。如在此所使用的，術語“級”是指以液壓系列排列的多級的排列內(nèi)的一個單元塊以便流出一級的單元的電解質(zhì)被導入到另一級的單元中。這種級的排列也可以稱為“級聯(lián)”排列。
[0055]術語“工程級聯(lián)液流電池”或“工程級聯(lián)堆組件”在此用來通稱級聯(lián)液流電池或級聯(lián)液流電池堆組件，其中，基于期望的反應物條件(例如電解質(zhì)的充電狀態(tài))，就材料(包括材料屬性、數(shù)量和其他特性)、設計形狀和大小、反應物流和/或其他設計變量而言，配置電池內(nèi)的級(即，類似地配置的并經(jīng)受基本上類似的電解質(zhì)充電狀態(tài)的單元的塊或束))和/或陣列，以便與可在沿反應物流通路徑的所有單元、級和/或陣彼此基本上相同的級聯(lián)液流電池中實現(xiàn)的性能相比，增加電池的性能(例如儲能效率、發(fā)電效率、減少電解質(zhì)擊穿、減少氫氣生成、或其他性能)?？梢允惯@些單元或級配置優(yōu)化用于那一單元或級中的電解質(zhì)的期望的充電狀態(tài)的單元操作。
[0056]“優(yōu)化”或“最佳”的基準僅試圖表示在工程級聯(lián)液流電池中可以控制或改變以便提高性能的設計參數(shù)并且將實施例與沒有基于反應物的期望的局部特性的配置的設計區(qū)分開來。使用這些術語不試圖意指或要求對最佳可能或理論性能設計任何單元、級和/或其陣列或部件。
[0057]如在此所使用的，短語“充電狀態(tài)”及其縮寫“S0C”是指至少一個液體電解質(zhì)的化學種類成分。特別地，充電狀態(tài)或SOC是指已經(jīng)從“放電”狀態(tài)轉變(例如氧化或還原)成“充電狀態(tài)”的電解質(zhì)中的反應物的比例。例如，在基于Fe/Cr氧化還原對的氧化還原液流電池中，可以將陰極電解質(zhì)(正極電解質(zhì))的充電狀態(tài)定義為已經(jīng)從Fe2+狀態(tài)氧化成Fe3+狀態(tài)的全部Fe的百分比，以及可以將陽極電解質(zhì)(負極電解質(zhì))的充電狀態(tài)定義成從Cr3+狀態(tài)還原成Cr2+狀態(tài)的全部Cr的百分比。在一些實施例中，可以彼此無關地改變或測量兩種電解質(zhì)的充電狀態(tài)。由此，術語“充電狀態(tài)”或“S0C”可以指所有液體氧化還原液流電池系統(tǒng)中僅一種或兩種電解質(zhì)的化學組分。本領域的技術人員將意識到可以通過除電化學工藝外的工藝(例如，通過增加一種或多種反應物種類的數(shù)量)，改變一種或兩種電解質(zhì)的充電狀態(tài)。
[0058]實施例基于適用于在各種條件下，儲存和輸送電能的還原/氧化(氧化還原)液流電池系統(tǒng)，提供儲能系統(tǒng)。能由各種發(fā)電或轉換方法，包括水力發(fā)電、天然氣、煤、汽油、柴油或其他液態(tài)石油燃料、核、波能、潮汐能、太陽能、熱能、風能等等，產(chǎn)生由氧化還原液流電池系統(tǒng)儲存的電能。各種實施例的氧化還原液流電池系統(tǒng)還能將所儲存的能傳輸?shù)礁鞣N負載，包括分布式電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、灌溉泵、蜂窩電話站、另一儲能系統(tǒng)、車輛、車輛充電系統(tǒng)、建筑物或任何其他電力負載。
[0059]液流電池是電化學儲能系統(tǒng)，其中，在液體電解質(zhì)(有時統(tǒng)稱為“一個或多個反應物”)中溶解電化學反應物，通過向/從電池添加/提取能量的反應單元(在此稱為“單元”)泵送。在必須儲存和放電兆瓦特電能的應用中，通過增加罐尺寸，能將氧化還原液流電池系統(tǒng)擴展到所需的儲能容量并通過增加電化學單元或單元塊(即，有時在此稱為“單元陣列”的多個單元組)擴展成產(chǎn)生所需輸出功率。
[0060]在圖1中示例了氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)圖。圖1所示的實施例使用設計用于氧化還原液流電池的堆，其允許通過平常負擔得起的電池部件來實現(xiàn)大規(guī)模應用。在必須儲存和放電兆瓦特電能的應用中，例如在連接到電網(wǎng)的風力渦輪電場或太陽能電站的應用中，圖1所示的氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠通過增加罐尺寸而擴展至所需容量，并通過添加氧化還原液流電池堆組件或單元塊來擴展產(chǎn)生的電力。簡而言之，通過系統(tǒng)中儲存的電解質(zhì)量來確定能夠儲存的能量的量。因此，為了儲存較多的能量，使用較大電解質(zhì)儲罐。為了提高輸出功率，添加更多的氧化還原液流電池單元和/或堆組件。因此，在此所示和所述的系統(tǒng)在解決廣泛儲能需求中提供了大的靈活性。
[0061]參考圖1，氧化還原液流電池系統(tǒng)的主要部件包括氧化還原液流電池堆組件10，通過所述組件10，兩種電解質(zhì)流過由隔膜12隔開的多孔電極18、20。能夠在各個電解質(zhì)中發(fā)生的還原反應和氧化反應使得電力流過反應室，被多孔電極18、20捕獲并傳導到導電表面22、24。在一些實施例中，可在氧化還原液流電池堆組件10中包括流動通道14、16以減少通過堆的電解質(zhì)流動的限制。包括這種流通通道14、16能用來降低電解質(zhì)壓降。在實施例中，可以合并流通通道14、16，以便電解質(zhì)與多孔電極18、20充分相互作用，使得所需還原和氧化反應發(fā)生。
[0062]將導電表面22、24連接至導體42、43，其通過經(jīng)電氣開關44，在單個堆實施例中可選擇的電源45 (用于充電)或電力負載46 (用于放電)完成電路。將陰極電解液(“陰極電解質(zhì)”)和陽極電解液(“陽極電解質(zhì)”)儲存在電解質(zhì)罐26、28中，并通過泵30、32進行泵送而向氧化還原液流電池堆組件10提供輸入液流34、36，同時電池輸出液流體38、40返回電解質(zhì)罐26、28。該氧化還原液流電池堆組件10被設計為通過將堆的復雜性和部件數(shù)保持為最少而降低成本。氧化還原液流電池堆組件10進一步設計成最小化分路電流損失和最大化反應物利用。
[0063]氧化還原液流電池堆組件10配置成包括如圖2和3所示的獨立電池單元和組件框架的陣列。獨立電池單元排列成電解質(zhì)反應物在堆層48內(nèi)從一個單元流向下一個單元(見圖2)。電池單元的多個層48串聯(lián)連接地堆疊在一起以形成參考圖7A，在下文所述的堆組件10。此外，獨立電池單元配置成基于在反應物流通路徑內(nèi)的位置，增加它們的電化學性能，由此獲得了比可能通過相同的電池單元的氧化還原液流電池組件，具有較大整體電存儲性能的氧化還原液流電池組件。
[0064]圖2示出了如從垂直于電極18、20和隔膜12的平面的視角(即，層48的短軸進入并離開圖1的頁面)所看到的氧化還原電池堆組件10內(nèi)各個單一單元層48的截面。作為示例性實施例，所示單元層48包括三個獨立的單元52、54、56 ;在其它實施例中，每一單元層48都可包括較少或較多的獨立單元。在優(yōu)選實施例中，電解質(zhì)反應物以級聯(lián)的方式(即，在指定層內(nèi)從一個單元到下一個單元)流過陣列內(nèi)的單元層48中的全部單元(B卩，平行于圖2的圖像表面)。每一單元層內(nèi)的多個單元配置減輕了分路電流的問題。為了提高整體效率和電池性能，通過改變催化劑加載量、電極曲度、室體積和/或隔膜孔隙率或選擇性以處理沿流通路徑的反應物濃度變化、最小化不期望反應物以及優(yōu)化庫倫和電壓效率等來配置電池單元。例如，如圖2所示，在三單元氧化還原液流電池單元層組件48中，可以利用結構和材料性能來配置反應物入口流體34、36附近的第一單元52，從而在電池單元層組件的輸入處，利用電解質(zhì)的充電狀況的較高狀態(tài)提供較大效率。然后，可以利用結構和材料性能來配置第二單元54，從而利用在電解質(zhì)已經(jīng)通過第一單元52后而將存在的電解質(zhì)的充電條件的中間狀態(tài)來提供有效的操作。可以利用結構和內(nèi)部性能來配置第三單元56，從而利用在第一和第二單元52、54中反應后、在電解質(zhì)中將存在的充電狀況的相對低狀態(tài)來提供有效的操作。如在下文更詳細所述，以這種方式配置氧化還原液流電池單元層組件48提供了有效的操作，同時使得以較低成本的材料組裝電池。
[0065]隔膜選擇性是指限制顆粒、離子和/或化合物移過隔板的程度。如在此所使用的，“選擇性”是寬泛的術語，包含了可以單獨或組合起作用來限制離子和/或其他化合物的移動，防止通過隔膜從一個半電池進入另一個的若干可能材料特性。例如，薄膜的孔數(shù)、孔大小、路徑曲度、孔表面化學和其他物理特性可以用于薄膜的選擇性。由此，具有較高選擇性的隔膜限制較多離子的移動(即允許較少離子通過)，而具有較低選擇性的薄膜對某些離子的移動提供較少限制，允許較多離子通過。高選擇性薄膜可以包括任意多個離子交換膜，諸如Nafion? -117離子交換膜(DuPont，美國)，允許質(zhì)子通過，同時限制其他較大帶正電離子和帶負電離子通過。低選擇性薄膜可以包括任意多個微孔膜，可以允許基本上大于離子的顆粒通過。如在此所使用的，術語“選擇性”可以等效于另外的術語，諸如“逆透過率”。
[0066]當將流體加熱至最佳溫度時，一些類型的液流電池電解質(zhì)可更有效地操作(S卩，以較低損失保持和釋放電功率)。為利用該特性，可通過能循環(huán)加熱流體的管60、62、64、66或通道配置氧化還原液流電池單元層組件48。使加熱的流體在電池堆組件四周和/或內(nèi)部循環(huán)能夠使電解質(zhì)保持在受控溫度。通過在每一電池單元前后包括加熱流體管60、62、64、66，能夠單獨控制每一單元的操作溫度，從而使每一單元在對應于單元內(nèi)的電解質(zhì)的充電狀態(tài)的優(yōu)選或最佳溫度下操作。加熱流體的管是任選的，因為在實施例中，可以在罐26、28內(nèi)預熱電解質(zhì)，諸如經(jīng)循環(huán)加熱流體的換熱器，以便電解質(zhì)在足夠用于充電或放電操作的溫度下進入單元層48。如在下文更詳細所述，加熱流體可從通過充電電源45 (例如，來自發(fā)電機冷卻系統(tǒng))或負載46 (例如，來自設備冷卻系統(tǒng))所產(chǎn)生的廢熱獲得熱能。
[0067]在圖3A和3B中示出了液流電池堆的單元層48內(nèi)單元部分的單個單元的原理構造。圖3A示出了從垂直于圖1和2中的截面視角的視角所看到的單個單元室50的單層的截面視圖。圖3B示出了各個單一單元層的單個單元50的分解圖。由第一和第二平面結構化構件80、82形成的雙極框架為氧化還原液流電池堆組件10提供了結構化支持。平面結構化構件80、82可由耐電解質(zhì)反應物的弱酸的聚乙烯、聚丙烯或其它材料制成。在平面結構化構件80、82間形成含有陽極和陰極反應物流體38、40分別流過的多孔電極催化劑18、20的腔。多孔電極可由單獨的碳纖維氈材料制成或者可以為雙極框架本身的一部分。多孔電極催化劑18、20可以由包覆有催化劑層的碳氈材料制成。在一些實施方式中，表面催化劑層可以為鉛(Pb)、鉍(Bi)或碳化鋯(ZrC)，以便于與電解質(zhì)的氧化-還原反應，同時抑制氫氣的生成。在每一平面結構化構件80、82內(nèi)，可以為導體表面22、24提供剪切塊(cutouts)或插入物(inserts)，如圖3B所示。導體表面22、24將電流從多孔電極催化劑流到單元層的外部。
[0068]通過框架構件84、86、88、90，懸浮在兩個平面結構化構件80、82間的平面隔膜(或膜隔離部件)12，將陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)反應物分開。應注意到，框架構件84、86、88、90可能以如圖3B所示的兩個外部框架的形式，以便框架構件84和88是單框架84的一部分以及框架構件86和90是另一個單框架86的一部分。隔膜12允許離子通過材料傳輸，同時禁止反應物的大量混合。如下文參考圖16A-16C更全面所述，隔膜12可以由不同的材料制成，以便對于每一電池單元內(nèi)的期望的充電狀態(tài)，適當?shù)爻尸F(xiàn)不同的擴散選擇性和電阻。
[0069]在每一電池單元50的反應物入口處，可提供歧管孔92、94，以引導進入的電解質(zhì)流體進入單元50的反應區(qū)域中。在實施例中，歧管可包括流體導向結構以使得電解質(zhì)在進入每一反應單元50時進行適當混合。可以基于每一單元內(nèi)期望的充電狀態(tài)和其它流體性能來配置這種流體導向結構，以便調(diào)整或控制氧化還原液流電池堆組件10內(nèi)的每一單元50中的反應物流體。
[0070]平面結構化構件80、82、以及隔板框架構件84、86、88、90可包括換熱器流體管道60,62能夠通過的通路。單元輸入歧管92、94內(nèi)放置任選的換熱器流體管道60使得來自管道內(nèi)熱流體的熱在反應物進入單元室前提升反應物流體的溫度。類似地，在單元輸出歧管96、98內(nèi)放置換熱器管道62使得熱流體在反應物離開最后單元56后從電解質(zhì)中吸熱，由此保存熱能并使得電解質(zhì)以較低溫度回到儲罐。在優(yōu)選實施例中，對Fe/Cr反應物，將熱流體加熱至約40° C至65° C的溫度。
[0071]通過串聯(lián)堆疊層48來形成電池堆，可以形成氧化還原液流電池堆組件10。在該種電池堆組件中，如在下文參考圖7A所述，導電表面22、24在每一堆單元層中的單元間提供電連通性。
[0072]形成雙極框架的平面結構化構件80、82可以在其整個區(qū)域內(nèi)都是導電的，或者可以以僅使與單元50的電化學活性部分直接相鄰的導電表面22、24導電的方式制成，如圖3B所示。在后一實施例中，導電表面22、24四周的區(qū)域可以是電絕緣的。電絕緣導電表面22、24四周的區(qū)域允許離散控制和監(jiān)控氧化還原液流電池堆組件10中的每種單元的電流或電勢。
[0073]為形成如圖2所示的每一單元層48，使如圖3A和3B所示的多個單元50流體連接以便在單層內(nèi)形成單元的級聯(lián)。由此，一個單元的單元輸出歧管96、98與單元層48內(nèi)的下一單元的單元輸入歧管92、94對齊，因而電解質(zhì)從每一單元層內(nèi)的一個單元流向下一個單
J Li ο
[0074]在各種實施例的氧化還原液流電池系統(tǒng)中，單元是可替換和可再循環(huán)的。由于構造材料主要是塑料(例如聚丙烯或聚乙烯)、碳纖維氈和碳纖維電極，所以單元不含有會造成環(huán)境影響的重金屬或毒素。此外，反應物，如Fe/Cr不比電池酸的毒性或危險性高。因此，各種實施例的氧化還原液流電池系統(tǒng)可理想地以接近人口和負載中心的分布式方式提供可再生能量系統(tǒng)所需的儲能容量。
[0075]如下文參考圖8更全面的闡述，可在邊緣四周將多孔隔板12熔合成致密或部分致密的狀態(tài)，從而防止電解質(zhì)反應物通過密封的邊緣區(qū)域滲漏。這降低了氧化還原液流電池堆組件10的反應物混合和泄露。因為在隔膜12兩側上反應物的濃度近乎相等，如下文所述，具有類似的離子密度，因此最小化了通過多孔隔膜12的電解質(zhì)反應物混合，由此消除了濃度梯度并降低了隔膜12兩端的滲透壓。
[0076]可將多種反應物和催化劑用在氧化還原液流電池系統(tǒng)中。電解質(zhì)反應物的優(yōu)選實施例集基于圖4中所示的鐵和鉻的反應物。Fe/Cr氧化還原液流電池系統(tǒng)中的反應物在正電極處反應的陰極電解質(zhì)中的FeCl3 (Fe3+)中以及在電池單元內(nèi)的負電極處反應的陽極電解質(zhì)中的CrCl2 (Cr2+)中儲存能量。
[0077]如果這些離子相互接近，則在Fe3+與Cr2+間會發(fā)生不期望的非感應電流的電子遷移反應。因此，為保持高水平的庫倫效率，應當最小化Fe/Cr氧化還原液流電池堆內(nèi)的電解質(zhì)的交叉混合。最小化電解質(zhì)交叉混合的一種方法是使用高選擇性的隔膜12，諸如Nafumt-117離子交換膜(DuPont，美國)。高選擇性隔膜的缺點在于它們具有低離子傳導率，導致氧化還原液流電池堆內(nèi)的較低電壓效率。另外，離子交換膜昂貴，價格大約為$500/m2。由于氧化還原液流電池的DC儲能效率是庫倫效率和電壓效率的乘積，存在最佳的折衷方案。
[0078]Fe/Cr系統(tǒng)的特定實施例是所謂的混合反應物系統(tǒng)，其中向陽極電解質(zhì)添加FeCl2(Fe2+)并向陰極電解質(zhì)添加CrCl3(Cr3+),如在美國專利4，543，302中所述，其全部內(nèi)容在此通過引用并入于此?；旌戏磻锵到y(tǒng)的優(yōu)點在于放電陽極電解質(zhì)和放電陰極電解質(zhì)相同。此外，當陽極電解質(zhì)中Fe的總濃度與陰極電解質(zhì)相同且陰極電解質(zhì)中Cr的總濃度與陽極電解質(zhì)相同時，消除了隔膜12兩端的濃度梯度。以這種方式，降低了用于陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)間的交叉混合的驅動力。當用于交叉混合的驅動力降低時，可使用較小選擇性隔膜，由此提供了較低離子阻力和較低系統(tǒng)成本。較小選擇性隔膜的例子包括由Celgard LLC制造的微孔隔膜和Daramic LLC制造的隔膜，兩者的售價均為約$5至10/m2。通過對充電的反應物狀態(tài)的單元特性進行優(yōu)化并在一個過程中完成充電或放電，在此所述的實施例在氧化還原液流電池堆中提供適當?shù)母咝剩渲?，該氧化還原液流電池堆由比常規(guī)氧化還原液流電池設計中的成本低約兩個數(shù)量級的材料構成。
[0079]在未混合和混合后的反應物的實施例中，反應物溶解在通常為約1-3M濃度的HCl中。在負電極處提供可以是Pb、Bi和Au或ZrC的組合的電催化劑，以便當陽極電解質(zhì)中的Cr3+還原成Cr2+時，提高再充電的反應速率，由此減少或消除氫形成。氫形成是不期望的，因為氫形成使得陽極電解質(zhì)與陰極電解質(zhì)不平衡且對Cr3+的還原而言是競爭反應，導致庫倫效率下降。
[0080]在此所述的單元、單元層和氧化還原液流電池堆設計與包括溶解在電解質(zhì)中的反應物的其它反應物組合一起使用。一個例子是在負電極(陽極電解質(zhì))含有釩反應物V(II)/V (III)或v2+/v3+并在正電極(陰極電解質(zhì))含有V (IV)/V (V)或v4+/v5+的堆。將該系統(tǒng)中的陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)反應物溶解在硫酸中。通常將這種電池稱作全釩電池，因為陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)均含有釩物質(zhì)。能利用該實施例單元和堆設計的液流電池中的反應物的其他組合包括Sn (陽極電解質(zhì))/Fe (陰極電解質(zhì))、Mn (陽極電解質(zhì))/Fe (陰極電解質(zhì))、V (陽極電解質(zhì))/Ce (陰極電解質(zhì))、V (陽極電解質(zhì))/Br2 (陰極電解質(zhì))、Fe (陽極電解質(zhì))/Br2 (陰極電解質(zhì))和S (陽極電解質(zhì))/Br2 (陰極電解質(zhì))。在這些示例性化學物質(zhì)的每一個中，反應物作為電解質(zhì)中的溶解離子物質(zhì)而存在，這允許使用電解質(zhì)沿流通路徑流過多個電池單元系列(即級聯(lián)流通)的電池單元和堆設計，其中，帶有單元并具有沿流通路徑的不同的物理特性(單元尺寸、膜或隔板的類型、催化劑的類型和量)。在美國專利6，475，661中提供了可工作的氧化還原液流電池化學物質(zhì)和系統(tǒng)的另一實例，其全部內(nèi)容在此通過引用并入本文。
[0081]在氧化還原液流電池堆陣列的每一雙極框架中形成大量單元室。圖2描述了 1x3的陣列，但任意組合是可能的，例如2x2或1x4陣列。如上所述，電解質(zhì)反應物從一個單元52、54和56流向級聯(lián)排列的下一個單元。該級聯(lián)流通是指在放電模式中最接近入口的單元52的反應物濃度比下游單元54、56高。例如，對放電模式中的Fe/Cr系統(tǒng)，F(xiàn)e3+和Cr2+類是相關離子濃度，如圖4所示。電池單元排列的這種級聯(lián)提供了限制分路電流和提高整體反應物利用的優(yōu)點。由于液體反應物內(nèi)的短路導致形成分路電流。因此，在一個單元與下一個單元間形成長導電路徑并限制堆電壓是有利的。各種實施例通過使反應物流過同一層內(nèi)的多個單元來實現(xiàn)兩個目的。與每個層堆排列的單個單元相比，這種級聯(lián)流通機制還提高了反應物的利用。提高反應物利用有助于提高氧化還原液流電池堆組件10的往返DC效率并降低或消除再循環(huán)反應物的需要。再循環(huán)是不利的，因為這可能涉及較多的每kW的泵送功率或儲存容量，從而增大了寄生損失。
[0082]由于反應物流過每一層中的不同單元時反應物離子濃度變化，可改變催化涂層的量以便與各個單元的每一個中的充電狀況的狀態(tài)匹配。另外，可以在配方中改變施加到多孔電極18、20的催化涂層組成(例如，改變氧化鋯或鉍化合物的量)，從而更好地匹配每一單元中充電狀況的狀態(tài)。例如，通常，具有較低反應物濃度的單元要求在多孔電極上較高的催化劑加載量來實現(xiàn)最佳性能。
[0083]各種實施例包括包含在流通路徑內(nèi)的多個獨立的單元的獨特的氧化還原液流電池堆配置，如圖2所示，可就尺寸、形狀、電極材料和隔膜層材料來配置每一獨立單元，從而使得在每一單元內(nèi)反應物的充電狀態(tài)具有最佳平均性能。圖5概述能控制的一些設計配置參數(shù)和沿反應物流通路徑改變的參數(shù)以便最大化氧化還原液流電池堆組件10中的每一獨立單元的電性能。如在設計趨勢線112中所示,一些設計參數(shù)-示為組A參數(shù)-可從單元層48的一端下降到另一端來配置該電池設計，以便在放電模式中值從單元層的反應物入口向出口下降，以及在充電模式中從單元層的反應物入口向出口增加。
[0084]如在設計趨勢線116中所示,其它設計參數(shù)-示為組B參數(shù)-可從單元層48的一端向另一端增加來配置該電池設計，以便在放電模式中值從單元層的反應物入口向出口增力口，以及在充電模式中從單元層的反應物入口向出口下降。如圖5所示，可改變的以根據(jù)設計趨勢線112來配置電池單元設計的設計參數(shù)包括:膜選擇性、充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度(當優(yōu)化充電時)、室體積(當優(yōu)化充電時)、傳質(zhì)(當優(yōu)化充電時)?？筛淖兊囊愿鶕?jù)設計趨勢線116來配置電池單元設計的設計參數(shù)包括:離子傳導率、放電催化劑加載量；放電催化劑活性、溫度(當優(yōu)化放電時)、室體積(當優(yōu)化放電時)、質(zhì)量傳遞(傳質(zhì))(當優(yōu)化放電時)。
[0085]例如，如上所述，放電催化劑加載量和放電催化劑活性(均為組B設計參數(shù))，可在放電模式中，從入口到出口，沿氧化還原液流電池堆組件10的流通路徑，在每一單元中增力口，以及在充電模式中，從入口到出口，沿氧化還原液流電池堆組件10的流通路徑，在每一單元中下降，從而補償減小的反應物濃度，如設計趨勢線116所示。
[0086]類似地，充電催化劑加載量和充電催化劑活性(均為組A設計參數(shù))，可在放電模式中，從入口到出口，沿氧化還原液流電池堆組件10的流通路徑，在每一單元中下降，以及在充電模式中，從入口到出口，沿氧化還原液流電池堆組件10的流通路徑，在每一單元中增力口，從而補償減小的反應物濃度，如由設計趨勢線112所示。能使用關于放電的設計趨勢線116、關于充電的趨勢線112和路徑內(nèi)單元數(shù)量，確定沿流通路徑的每一單元內(nèi)實現(xiàn)的具體催化劑加載量和催化劑活性。
[0087]使用圖5所示的設計趨勢線112、116，在一些氧化還原液流電池實施例中，通過在通過電池堆的任一方向中，優(yōu)化每一層中的設計參數(shù)，諸如充電和放電催化劑加載量和/或催化劑活性，并在用于放電的一個方向中和在用于充電的相反方向中，使反應物流過電池堆，提供改進的電化學性能。在一些實施例中，諸如在下文參考圖14-15C所述，在充電模式中的一個方向中以及在放電模式中的相反方向中，引導反應物通過氧化還原液流電池。在其它實施例中，諸如在下文參考圖13A-13D所述，為充電和放電提供單獨的充電氧化還原液流電池堆，因此，反應物在與單元配置一致的單一方向中流動。在下文參考圖1所述的第三實施例中，在用于充放電的單一方向中，電解質(zhì)反應物流過氧化還原液流電池堆，以及電池單元配置成充放電間的折衷(例如，優(yōu)選地配置用于充電或放)，以便系統(tǒng)能通過簡單地使氧化還原液流電池堆組件10與充電電源電氣斷開(例如，通過電氣開關)以及使堆連接到負載，非?？焖俚卦诔潆姾头烹娔Ｊ介g切換，或反之亦然。
[0088]類似的，各種實施例可在反應物流過氧化還原液流電池堆時控制反應物的溫度，這取決于堆充電還是放電。圖5示出了在設計曲線112和116中如何在實施例中沿通過氧化還原液流電池單元層48和堆組件10的流通路徑控制溫度。對選定的優(yōu)化半周期，在放電模式中沿反應物流通路徑的每一單元處溫度升高，因此與最接近入口的單元相比，反應物濃度最低的最接近出口的單元以較高溫度操作。采用指定氧化還原液流電池單元層48和堆組件10的設計曲線可以是基于通過優(yōu)化放電反應或充電反應，是否實現(xiàn)電池效率的較大提高。在Fe/Cr系統(tǒng)中，陽極電解質(zhì)充電反應具有最有限的反應速率，因此對溫度分布設計參數(shù)，應選擇設計趨勢線112。如同催化劑加載量和催化劑活性，能將氧化還原液流電池單元層48和堆組件10配置成使得反應物在充電時在一個方向上流動以及在放電時在另一個方向上流動，或者可以使用兩個單獨的氧化還原液流電池堆，一個配置成用于充電而另一個配置成用于放電。
[0089]以類似方式，各種實施例通過配置氧化還原液流電池堆組件10以便反應物傳質(zhì)速率沿流通路徑從一個單元到另一個單元改變來提高電化學性能。圖5還示出在設計曲線116中，如何配置單元，以便反應物傳質(zhì)速率在放電模式中從入口到出口在沿流通路徑的每一單元中增大，而在充電模式中從入口到出口在沿流通路徑的每一單元中下降。通過減小每一單元的物理尺寸并選擇電極催化劑材料來改變電極孔隙率，可提高傳質(zhì)速率。由此，氧化還原液流電池堆組件10的實施例可在一端具有受限的流動區(qū)域并在另一端具有更開放和較少受限的流動區(qū)域，同時當在放電模式中操作時，反應物傳質(zhì)速率在沿反應物流通路徑的每一單元中增加，而在充電模式中操作時在沿反應物流通路徑的每一單元中下降。
[0090]以類似的方式，可利用沿反應物流通路徑具有不同的隔膜12材料來配置氧化還原液流電池單元的實施例。圖5示出了在設計曲線112中，沿反應物流通路徑,如何改變每一單元中的隔膜12的選擇性(即，限制反應物移過隔膜的程度)。在放電模式中，在氧化還原液流電池堆組件10的入口附近的單元將經(jīng)歷高反應物濃度(例如Cr2+和Fe3+)，由此，與組件出口附近的單元的情形相比，通過隔膜12的反應物的混合將導致儲存的能量的較大損失。因此，通過限制電池入口附近、通過隔膜12的反應物擴散，各種實施例實現(xiàn)較大的充電/放電效率。另一方面，具有高膜選擇性的隔膜材料通常還呈現(xiàn)出高歐姆損失(即電阻)，由于內(nèi)部電阻，增加了通過電池的能量損失。抵消特性導致用于選擇隔膜材料的圖5的圖表110所示的設計曲線112取決于反應物流通路徑內(nèi)單元的數(shù)量。
[0091]因此，在實施例中，氧化還原液流電池堆組件10可包括:在流通路徑的一端的單元具有由以較大歐姆損失為代價的高膜選擇性的材料制成的隔膜12，而在流通路徑另一端的單元具有由低歐姆損失的材料制成的隔膜12。該設計方法可行，因為由于在放電模式中的出口端以及在充電模式中的入口端的自發(fā)反應活性物質(zhì)的濃度低，所以用于交叉混合的驅動力大大降低。在Fe/Cr氧化還原液流電池的情況(圖4)中，在放電模式的出口端以及在充電模式的入口端，Cr2+和Fe3+物質(zhì)的濃度最低。
[0092]如上所述，通過將在圖5中所示的設計趨勢線應用于組件內(nèi)沿反應物流通路徑的多個單元，可確定特定氧化還原液流電池堆組件10內(nèi)的每一單元的特定設計配置?？赏ㄟ^為各個單元內(nèi)期望的的平均電解質(zhì)濃度選擇的設計參數(shù)來配置各單元，提供近似圖5中所示的設計趨勢線的階梯(stair step)。通過增加沿反應物流通路徑的獨立單元的數(shù)量，單元設計參數(shù)可以與設計趨勢線更好地匹配。然而，增加獨立單元的數(shù)量可能增添設計的復雜性，這會增加系統(tǒng)成本。因此，可以基于特定實現(xiàn)方式的設計目標和性能要求，來改變單元數(shù)量和應用于每一單元的設計配置。
[0093]通過改變沿穿過氧化還原液流電池單元層48和堆組件10的反應物流通路徑的獨立單元的設計配置，與常規(guī)氧化還原液流電池設計相比，各種實施例能夠實現(xiàn)明顯的充電/放電性能提高。在圖6中示例該性能提高，圖6示出了不包括實施例提高的常規(guī)氧化還原液流電池的極化曲線122 (輸出電壓為輸出電流的函數(shù))。這種性能差的曲線122明顯落在通過實施上述的實施例配置的氧化還原液流電池設計的實施例可以接近的理想性能曲線120的下方。
[0094]通過僅在如圖3B所示的雙極框架的活性區(qū)域上形成導電區(qū)域(例如導電表面22，24)，能使氧化還原液流電池堆組件10非常靈活。通過一個在另一個之上的方式組裝層能夠將多個單元層140-148形成為堆，使得單元層48 (在圖3A和圖3B中示出了其中的一個)中的每一單元室的導電表面22、24串聯(lián)電連接，并使堆變?yōu)槿鐖D7A所示的垂直定向。將氧化還原液流電池堆組件10設置在垂直定向上，使得層內(nèi)的一個單元52在底部且相對的單元56在頂部有助于排出可能在充電或放電反應期間形成的所有氫氣?？蓪为毜亩俗舆B接到外部導電表面22、24，如圖7A所示，從而將電池連接到負載。以圖7A所示的方式連接大量端子能夠分開沿流通路徑的單元列(即，跨越堆串聯(lián)電聯(lián)接的單元)的每一個的監(jiān)控，這能夠更好地控制堆。通過監(jiān)視沿垂直長度的單元列的每一個兩端的電壓，能夠確定充電的精確狀態(tài)。借助于對氧化還原液流電池堆組件10的功率需求，能夠在峰值需求時完全利用電池或在需求小時僅部分利用電池。能夠在電流負載方面單獨地控制每一堆，從而提供較長的壽命或較高的效率。
[0095]圖7B示出了氧化還原液流電池堆組件10的實施例，其中通過堆疊以單體式框架48a、48b、48c形成的單元層48來形成堆。如圖7B所示，在該實施例中，在跨過單元層長度的框架內(nèi)形成單個的單元。如上所述，根據(jù)每一單元152a、52b、52c中反應物的充電狀態(tài)，配置上述單元的設計參數(shù)，由此可以區(qū)別于堆10的單元層48a、48b、48c內(nèi)的每一單元256a、56b、56c的設計參數(shù)。
[0096]取代將單元組裝在用于每一單元層的單體式框架內(nèi)，可以將每一單元組裝在圖7C和圖3B所示的實施例中的單元框架52a-56c內(nèi)。在該實施例中，通過將單元52a、54a、56a(例如圖3B的電極18、隔膜12和電極20)裝配在單元框架(例如，圖3B的框架84和86)中，然后通過交錯的雙極板(例如圖3B的框架82內(nèi)的導電區(qū)域22)堆疊類似設計的框架單元(例如如圖3A的配置中的所有單元52)以形成單元列72、74、76，其然后被裝配在一起以完成堆10，能組裝氧化還原液流電池堆。
[0097]如上所述，氧化還原液流電池中的一種損失來源是沿隔膜12的邊緣反應物的混合或泄漏。如圖8所示，通過密封隔膜材料的邊緣160、162，可消除這些損失。通過將材料加熱至升高的溫度同時諸如利用熨斗或臺鉗壓縮它來熔合材料，可以實現(xiàn)這種邊緣密封?；蛘撸梢栽诿恳粏卧业耐鈬車褂妹芊鈮|進行密封。
[0098]如上所述，通過在電池流通路徑內(nèi)，在各階段將反應物加熱至最佳溫度，能夠提高氧化還原液流電池堆組件10的性能。各種實施例通過使用廢熱或替代的能量熱源來實現(xiàn)這種加熱，從而提高了電性能同時降低了寄生損耗。在能量生成應用以及使用電力并生成廢熱(例如，來自空調(diào)和設備冷卻系統(tǒng)的散熱器)的工業(yè)應用中，各種實施例具有大量的有用用途。如下面實施例中所述，替代能源如風力渦輪和太陽能電池板需要冷卻以提高性能并防止機械故障。能夠將使用Fe/Cr氧化還原液流電池技術的較大儲能系統(tǒng)與圖9-11所示的風力發(fā)電場和光伏太陽能發(fā)電場熱集成，從而以免費的方式使用低級廢熱。例如，能夠將lMWh/4MWh的氧化還原液流電池系統(tǒng)熱連接并電連接至少量風力渦輪機。
[0099]集成風力渦輪系統(tǒng)與氧化還原液流電池系統(tǒng)提供了比不具有儲能容量的風力渦輪發(fā)電場更有效和更經(jīng)濟操作的可再生發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只要吹風就能儲存電力，并滿足電網(wǎng)的電力需求，而不考慮當前的風力條件。這使得風力渦輪/氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠滿足公用契約義務而為電網(wǎng)提供一致的電力，從而避免了在風小或無風期間因難以提供合同規(guī)定的功率水平而受到的經(jīng)濟懲罰。另外，系統(tǒng)允許在峰值需求的周期期間向電網(wǎng)供應電力，使得系統(tǒng)所有者能夠以最有利的費率出售電力而不考慮最大風力何時發(fā)生。
[0100]圖9中示出了將風力渦輪發(fā)電場170與氧化還原液流電池結合的能量生成和儲存系統(tǒng)的實施例。如上所述，風力渦輪機通常需要冷卻水系統(tǒng)以確保機械系統(tǒng)在如所述的設計溫度范圍內(nèi)操作。能夠將通過渦輪配置170循環(huán)的冷卻水用作用于氧化還原液流電池系統(tǒng)172的加熱流體174。因此，在總能量輸出性能方面，通過使用將液流電池系統(tǒng)172中的反應物保持在最佳操作溫度的能量，能部分回收由風力渦輪機中機械摩擦生成的廢熱。能夠將由風力渦輪發(fā)電場170生成的電力176儲存在氧化還原液流電池系統(tǒng)172中，電力176通常是在不與峰值功率需求相對應的時間內(nèi)生成的。然后，能夠響應需求，如在峰值功率需求期間，使用儲存的電力178來向電網(wǎng)提供可調(diào)整的峰值功率。圖9描述了與三個600kW風力渦輪機集成的IMW的液流電池系統(tǒng)。因此，氧化還原液流電池堆組件10為不一致的能量發(fā)生器的儲能難題提供了理想的解決方案，同時利用了冷卻這種替代能量系統(tǒng)所需要的廢熱。
[0101]與參考圖10所述的風力渦輪/氧化還原液流電池系統(tǒng)類似，集成太陽能轉換系統(tǒng)和氧化還原液流電池系統(tǒng)比不具有儲能容量的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，提供了更有效且更經(jīng)濟地操作的可再生發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只要太陽光照射就能對電池進行充電來儲存電力，并滿足了電網(wǎng)的功率需求，與一天的時間段或天氣狀況無關。這使得這種太陽能發(fā)電機/氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠滿足為電網(wǎng)提供一致功率的公用契約義務，從而避免了因多云天氣或在夜間期間難以提供合同規(guī)定的功率水平而受到的經(jīng)濟懲罰。另外，這種系統(tǒng)允許在峰值需求期間向電網(wǎng)供應電力，使得系統(tǒng)所有者能夠以最有利費率出售電力而不考慮一天的時間或天氣。
[0102]能夠將太陽能轉換系統(tǒng)如光伏(PV)陣列、聚光光伏(CPV)陣列、太陽能熱能電站、或太陽能熱水系統(tǒng)與氧化還原液流電池系統(tǒng)熱電集成，以便提供如圖10和11所示的更經(jīng)濟且更有效的可再生能量生成系統(tǒng)180、190。太陽能集熱器183可發(fā)電并捕獲太陽的熱能。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，可通過光伏電池板或在光伏電池板下循環(huán)水，從而將光伏電池保持在設計操作溫度內(nèi)?？梢詫⒂商柲芗療崞?83接收的熱能儲存在熱儲罐182中。如上所述，F(xiàn)e/Cr氧化還原液流電池在約40° C至65° C的范圍中的溫度以最佳效率操作。能使用來自熱儲罐182的加熱流體(例如水)來提供所需熱能，從而在氧化還原液流電池堆組件10中保持該溫度，而不會如在電加熱系統(tǒng)或煤氣加熱系統(tǒng)的情況下出現(xiàn)高昂的寄生損耗或附加操作成本(和溫室氣體的排放)。太陽能集熱器和熱儲存系統(tǒng)代表了非常成熟的技術，特別是在住宅市場。在實施例中，電解質(zhì)本身可以是熱對流熱水系統(tǒng)中的工作流體。
[0103]能以至少兩種配置實現(xiàn)太陽熱能收集系統(tǒng)與氧化還原液流電池系統(tǒng)的熱集成。在圖10所示的第一配置中，將太陽能集熱器183和熱儲罐182設計成容納電解質(zhì)反應物，在Fe/Cr系統(tǒng)的情況中，電解質(zhì)反應物為HCl溶液。在該配置中，在太陽能集熱器183和熱儲罐182中將反應物升至約40-65° C的溫度，使得流出熱儲罐182的反應物被直接泵送到(通過泵186)氧化還原液流電池堆組件10中，在此反應物參與電化學反應。排出氧化還原液流電池堆組件10的反應物返回熱儲罐182中以再加熱。或者，如在閉環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)實施例中，能夠將閉環(huán)加熱流體用在太陽能集熱器183中，同時在罐內(nèi)的換熱器中將熱從加熱流體傳遞至在熱儲罐182中儲存的電解質(zhì)。
[0104]在圖11所示的第三配置中，可以將由太陽能集熱器183產(chǎn)生的熱水(或另一種流體)用作熱儲罐182中儲存的加熱流體，可諸如通過換熱器管將加熱流體泵送到氧化還原液流電池堆組件10中和四周。在這種配置中，來自熱儲罐182的加熱流體不與電解質(zhì)反應物混合。
[0105]太陽能集熱器或太陽能轉換系統(tǒng)與氧化還原液流電池系統(tǒng)的熱集成能夠使用如圖10所示的泵循環(huán)或如圖11所示的自然循環(huán)(熱對流)。通過氧化還原液流電池堆組件10泵送加熱流體(作為反應物或作為流過換熱器管的加熱流體)能夠提供改進的熱性能，但是代價為來自由泵186消耗的電力的寄生損耗。在圖11所示的自然循環(huán)配置中，使用加熱的水或反應物的浮力來使流體循環(huán)通過氧化還原液流電池堆組件10而不需要泵。熱水從熱儲罐182的頂部上升并通過氧化還原液流電池堆組件10，在此被冷卻，增大了其密度。沒有移動部件或化石燃料的需求，太陽能加熱的自然循環(huán)配置不會遭受會限制儲能系統(tǒng)的整體往返效率的寄生損耗。自然循環(huán)配置避免了與操作冷卻泵相關的寄生損耗并提供具有單一工作流體的非常簡單的系統(tǒng)，這也會因為受約束的罐體積的較小系統(tǒng)的良好解決方案。另一方面，使得自然循環(huán)流動可以要求配置折衷，諸如將氧化還原液流電池堆組件10放在熱儲罐182上方，如在非常接近太陽能集熱器183或熱儲罐182的建筑物的屋頂上。[0106]關于圖10和11所示的兩種實施例，熱對流太陽能加熱系統(tǒng)以閉環(huán)配置操作。對于較大的儲能系統(tǒng)，熱儲罐182能夠具有可管理的尺寸，因為當用于保持氧化還原液流電池堆組件10的溫度時其正好循環(huán)高熱容流體(例如水)。
[0107]圖12中的表例示了用于適合與各種配置的氧化還原液流電池系統(tǒng)一起使用的商業(yè)上可獲得的太陽能熱水系統(tǒng)的尺寸調(diào)整參數(shù)。
[0108]氧化還原液流電池系統(tǒng)與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)如核電站和燃煤電站的熱集成能夠提供明顯的能量效率和經(jīng)濟效率，因為這種系統(tǒng)生成大量低級廢熱。如上所述，氧化還原液流電池系統(tǒng)與廢熱源的熱集成提高了電池操作效率而不會造成電加熱器或化石燃料加熱器的花費或寄生損耗。氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的電集成還提供了明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，因為電池系統(tǒng)能使基荷電站適應電網(wǎng)支持(輔助服務)或峰值功率需求而不改變其輸出。眾所周知，在恒定功率水平操作時，核電站和燃煤電站最有效且最經(jīng)濟地操作。通過在降低的需求期間(例如深夜的非峰值時間)充電氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)，然后在峰值功率需求期間通過從電池系統(tǒng)中提取的電來增加電站的電力輸出，滿足峰值功率的需求。這種組合的電站/儲能系統(tǒng)在經(jīng)濟上是有利的，因為能以最經(jīng)濟方式生成電力(即，每天24小時恒定輸出)然后當電價最高時的峰值需求時出售。通過向建立的常規(guī)電站添加氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)以滿足峰值功率的增長需求而不建造額外的電站，能夠獲得額外的經(jīng)濟優(yōu)勢。氧化還原液流電池系統(tǒng)的尺寸調(diào)整靈活性是指能夠獲得向常規(guī)電站添加液流電池存儲系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)勢而不必對用于未來需求而調(diào)整尺寸的系統(tǒng)進行投資，其中在氧化還原液流電池系統(tǒng)中，簡單地通過增加反應物儲罐的尺寸或數(shù)量，能夠提高儲能容量。
[0109]還能夠使用地熱能來加熱反應物儲罐。這種方法可提供具有大量熱慣性的穩(wěn)定系統(tǒng)。能夠使用低級的地熱能來向氧化還原液流電池堆組件10或向反應物儲罐供熱。在該實施例中，從地球深處的地熱能獲得熱量，通過反應物儲罐四周的熱流體和/或在電池堆前后的換熱器能夠傳送熱量。
[0110]氧化還原液流電池存儲系統(tǒng)不必需要放在發(fā)電系統(tǒng)附近。例如，如果有來自用于建筑物的工業(yè)過程或太陽能陣列(PV或CPV)的低成本廢熱源，將氧化還原液流電池放在實施該過程或放置太陽能陣列的建筑物內(nèi)或附近在經(jīng)濟上和效率上會是有利的。以這種方式，可以使用來自工業(yè)過程或現(xiàn)場電力或熱能生成的廢熱來提高電池效率，同時使用電池的儲能容量來滿足峰值功率需求或使得能夠在電費較低時的非峰值時間期間購買電力。因此，如果工業(yè)過程使用大量電，則將過程與氧化還原液流電池系統(tǒng)熱電集成能夠滿足過程對電力的需求，同時在電費較低時的非峰值時間期間購買電來充電電池系統(tǒng)。在電費高時，這種實現(xiàn)方式可降低整個期間內(nèi)工業(yè)過程的冷卻成本，由此進一步節(jié)省了成本。
[0111]還能夠將所有上述低級熱源用于加熱反應物罐，以作為加熱氧化還原液流電池堆組件10的替代或補充。加熱反應物罐使得系統(tǒng)能夠對負載變化非?？焖俚仨憫粫斐扇魏螣峁芾韱栴}，因為使反應物流體恒定地保持在準備用在液流電池中的操作溫度。通過簡化氧化還原液流電池堆設計的成本優(yōu)勢，可抵消加熱和絕緣反應物儲罐的成本和復雜性，因為這種方法消除了電池堆組件內(nèi)換熱器元件的需要。此外，將這些替代實施例如加熱儲罐和在堆內(nèi)提供換熱器結可以提供用于向氧化還原液流電池提供清潔、低成本且可靠的熱量的最佳設計方法。
[0112]在圖13A-13D中示出了用在電池儲能系統(tǒng)(BESS)中的氧化還原液流電池系統(tǒng)的四個其它示例性系統(tǒng)實施例。這些示例性實施例旨在示出如何將各種電池系統(tǒng)部件組裝成能量生成系統(tǒng)，從而為不同用途提供儲存的電力。
[0113]在圖13A所示的第一示例性實施例中，使用與圖1所示系統(tǒng)不同的氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)配置來提供與公用電網(wǎng)的波動和浪涌完全隔離的可靠的直流(DC)電源200。該實施例系統(tǒng)使用雙氧化還原液流電池堆210、212來支持同時進行充電和放電操作。在該實施例系統(tǒng)200中，可從常規(guī)公用電網(wǎng)202、從現(xiàn)場可再生能源204，如風力渦輪發(fā)電場或太陽能光伏電池板、和/或從現(xiàn)場分布的發(fā)電機(DG) 205,如燃料電池352、丙燒發(fā)電機(未不出)、天然氣微型渦輪機(未示出)、或柴油發(fā)電機組(未示出)接收電力?？梢哉鱽碜噪娋W(wǎng)202、一些可再生能源204或分布式發(fā)電機205的電力以便在電力轉換系統(tǒng)208中生成DC功率，而來自燃料電池352、光伏太陽能源183 (參見圖10)、或其它DC發(fā)電機的DC功率不需要整流器?？上蚺渲貌⒂糜诔潆娧趸€原液流電池反應物的第一氧化還原液流電池堆210提供接收的DC電力。由于向第一(充電)氧化還原液流電池堆210提供DC電力，所以通過泵226、228，陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)反應物被泵送到充電氧化還原液流電池堆210中。通過將Fe+2離子轉換成Fe+3態(tài)以及將Cr+3離子轉換成Cr+2態(tài)(參見圖4)，DC電力使得對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)的反應物充電。這種帶電反應物從分別導入陽極電解質(zhì)罐214和陰極電解質(zhì)罐216的出口液流230、232中的第一氧化還原液流電池堆210中排出。因此，將電力儲存在儲罐214、216中的Fe+3和Cr+2的電解質(zhì)濃縮液中。
[0114]從儲存在第二(放電)氧化還原液流電池堆212中的電解質(zhì)中的化學能生成電能。經(jīng)入口液流218、220，將來自儲罐214、216的電解質(zhì)導向第二氧化還原液流電池堆212。在第二氧化還原液流電池堆212內(nèi)，通過將Fe+3離子轉換成Fe+2態(tài)以及將Cr+2離子轉換成Cr+3態(tài)(參見圖4)來生成電。將所生成的電輸出234供給到DC負載206。
[0115]可以將從第二氧化還原液流電池堆212流出的反應物(流出物222、224)泵送到第一氧化還原液流電池堆210中以進行再充電，從而提供單一的充電和放電回路。由于從第二氧化還原液流電池堆212中的電解質(zhì)生成供給DC負載206的電，所以使輸出的電流與充電電源完全隔離，從而使得輸出功率能夠可靠跟蹤DC負載而不會發(fā)生功率峰值或功率下降。這種布置確保了來自電網(wǎng)、現(xiàn)場可再生能量發(fā)電機或現(xiàn)場分布式發(fā)電機的功率變化不會干擾到DC負載206的功率。相反，與大且廣泛變化的負載如電動車輛充電站或工業(yè)間歇過程(例如混合器)相關的功率波動保持與公用電網(wǎng)202和其它能源的隔離。對于公用事業(yè)這是有利的，因為這降低了對電網(wǎng)的壓力，且對充電站所有者也是有利的，因為其避免了大功率需求的充電。通過適當選擇每一堆內(nèi)串聯(lián)連接的單元的數(shù)量，氧化還原液流電池系統(tǒng)的獨特特性還使得能夠以高的總系統(tǒng)效率完成DC-DC轉換，從而在充電堆中獲得Vl并在放電堆中獲得V2。此外，設施所有者能夠選擇何時對系統(tǒng)充電，以便選擇最低成本的電來最大化毛利率。
[0116]如上所述，通過使用來自設備或設施冷卻系統(tǒng)或地熱加熱系統(tǒng)236的現(xiàn)場廢熱將反應物加熱至升高的溫度如約40° C-65° C，能夠提高第一和第二氧化還原液流電池堆210、212的電效率。如上所述，可以將來自廢熱回收系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、或地熱加熱系統(tǒng)236的加熱流體提供給氧化還原液流電池堆210、212內(nèi)的換熱器(如液流238所示)和/或加熱反應物儲罐214、216 (如液流240所示)。
[0117]圖13A所示的實施例為與輸入功率如公用電網(wǎng)202、現(xiàn)場可再生能源204或現(xiàn)場分布式發(fā)電機205的可變性電隔離的負載206提供電源。如果設計目標是簡單提供電隔離，系統(tǒng)200可使用小的電解質(zhì)反應物罐214、216 (例如，容納電解質(zhì)的熱膨脹的并當進行維護，將氧化還原液流電池堆組件210、212排干時，儲存電解質(zhì)的足夠的罐容量)。這是因為能夠以反應物放電的相同速率對其進行充電。然而，通過使用較大的電解質(zhì)反應物罐214、216，系統(tǒng)還能夠用作備用電源，從而在輸入功率(例如來自公用電網(wǎng)202)不可用時對負載206提供電力。
[0118]針對圖13A所示的Fe/Cr氧化還原液流電池系統(tǒng)200的實施例的特別有吸引力的應用是用作數(shù)據(jù)中心的功率隔離器/不間斷電源。數(shù)據(jù)中心需要特別高品質(zhì)的DC電力且還放出大量廢熱。目前，將基于鉛-酸電池的不間斷電源(UPS)用在數(shù)據(jù)中心中以確保高品質(zhì)DC電力和短持續(xù)時間的備用電源。熱加劇了鉛-酸電池的正柵極腐蝕和硫酸鹽化失效機制，從而必須在溫度受控環(huán)境中操作這種UPS系統(tǒng)。與鉛-酸電池UPS相反，圖13A所示實施例的Fe/Cr氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠提供可靠的電源，同時利用數(shù)據(jù)中心的廢熱來提高總系統(tǒng)效率，從而在基于鉛-酸的UPS基礎上提供實在的優(yōu)勢。
[0119]如上所述，參考圖2和圖5，將圖13A中的第一和第二氧化還原液流電池堆210、212配置成在堆的每一單元層中具有多個單元，將每一單元層內(nèi)的單元配置成對沿反應物流通路徑的每一單元中期望的電解質(zhì)濃度設計參數(shù)如匹配的催化劑加載量、催化劑活性、溫度、反應物傳質(zhì)速率和隔膜選擇性。圖13A中所示的Fe/Cr氧化還原液流電池實施例中，第一氧化還原液流電池堆210配置成用于充電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度、傳質(zhì)速率和隔膜選擇性增力卩。相反，第二氧化還原液流電池堆212配置成用于放電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中放電催化劑加載量、放電催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率增加且隔膜選擇性下降。
[0120]在圖13B所示的第二示例性實施例中，能使用氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)為電動車(EV)或插入式混合電動車輛(PHEV)充電站250提供電力。除了在第一氧化還原液流電池堆210與電解質(zhì)儲罐214、216間提供單獨的充電回路252，以及在第二氧化還原液流電池堆210、212與電解質(zhì)儲罐214、216間提供單獨的放電回路254之外，該實施例利用如上參考圖13A所述的許多部件。例如，一組放電回路泵260、262將電解質(zhì)入口液流256、258從電解質(zhì)儲罐214、216泵送到第二氧化還原液流電池堆212中，以及一組充電回路泵268、270將電解質(zhì)入口液流264、266泵送到第一氧化還原液流電池堆210中。這使得充放電過程能夠相互獨立地操作。因此,如果放電系統(tǒng)的需求要求放電回路254中比充電回路252中較高的電解質(zhì)質(zhì)量流量，則放電回路泵260、262可以以不同于充電回路泵268、270的速度操作。類似地，如果不要求放電，可操作充電回路泵268、270而繼續(xù)充電系統(tǒng)，同時放電回路254保持閑置。因此，在非峰值的夜晚時間期間，能夠操作充電回路252以在反應物中儲能，同時按需要間歇操作放電回路以滿足負載需求。
[0121]圖13B所示的車輛充電站250的實施例為車輛充電器272提供輸出功率234，該充電器272配置成以充電電動車輛274所需要的電壓和電流密度來提供電力。該實施例利用跟蹤氧化還原液流電池系統(tǒng)容量的負載，因為可以期望的，電動車輛的快速充電會要求大功率需求。因為電動車輛的充電不太可能是一個恒定過程，且更可能是在車輛到達充電站時隨機發(fā)生，這種對大量功率的定期需求會導致對公用電網(wǎng)202、可再生能源204、和/或分布式發(fā)電機源205如燃料電池352的不可接受的需求。簡單地通過經(jīng)由放電回路254來增加電解質(zhì)的質(zhì)量流量，氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠滿足充電功率的需求。因此，在充電回路252從公用電網(wǎng)202、可再生能源204、和/或分布式發(fā)電機源205提取恒定量功率的同時，能夠操作放電回路254及其第二氧化還原液流電池堆212以滿足為電動車輛再充電的周期性需求。該實施例確保從電網(wǎng)202或現(xiàn)場可再生能源接收的功率的變化不會干擾車輛充電或損害車輛的蓄電池。氧化還原液流電池系統(tǒng)的獨特特性使得能夠以高的總系統(tǒng)效率進行DC-DC轉換，進一步提供經(jīng)濟的車輛充電系統(tǒng)。此外，充電站操作員能夠在電費較低的非峰值時間期間對電解質(zhì)充電，從而提高了操作員的總毛利率。
[0122]與如上參考圖13A所述的實施例類似，在對第一和第二氧化還原液流電池堆210、212各自的充放電的功能進行設計時，對其進行配置。在圖13B所示的Fe/Cr氧化還原液流電池實施例中，第一氧化還原液流電池堆210配置成用于充電，因此在沿從進口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度、傳質(zhì)速率和隔膜選擇性增加。相反，第二氧化還原液流電池堆212配置成用于放電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中放電催化劑加載量、放電催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率增加且隔膜選擇性下降。
[0123]圖13C示出了電動車輛充電站300的又一實施例。除使用閥302、304來控制通過充電回路252和放電回路254的電解質(zhì)反應物液流使得通過單組電解質(zhì)泵260、262將電解質(zhì)反應物泵送通過一個或兩個回路之外，該實施例利用與如上參考圖13A和13B所述的許多部件。該實施例具有成本優(yōu)勢，因為其需要較少的泵。
[0124]與如上參考圖13A和13B所述的實施例類似，第一和第二氧化還原液流電池堆210、212配置成用于它們各自的充放電的功能。在圖13C所示的Fe/Cr氧化還原液流電池實施例中，第一氧化還原液流電池堆210配置成用于充電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度、傳質(zhì)速率和隔膜選擇性增力口。相反，第二氧化還原液流電池堆212配置成用于放電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中放電催化劑加載量、放電催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率增加且隔膜選擇性下降。
[0125]在圖13D所示的第四示例性實施例中，能使氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)與燃料電池一起使用來提供燃料電池/氧化還原液流電池發(fā)電系統(tǒng)350，用于為電網(wǎng)或工業(yè)設施提供可靠的負載跟蹤功率。該實施例利用如上參考圖13A所述的許多部件。在該實施例中，從由接收自燃料源356的燃料如氫的化學轉換生成電力的燃料電池352接收電能。燃料電池是非常有效的電力發(fā)生器，其比大部分基于其它燃料的能量發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生較少的污染。眾所周知，燃料電池當以恒定輸出功率水平操作時，操作最有效且持續(xù)時間較長。然而，在整個白天期間，對典型公用電網(wǎng)202或工業(yè)設施359的功率需求波動很大。因此，盡管燃料電池可代表有前途且有效的替代電源，但其特性不適用于公用電網(wǎng)應用。該燃料電池/氧化還原液流電池系統(tǒng)350的實施例通過使用雙氧化還原液流電池堆210、212來支持同時充放電操作，使得在滿足電網(wǎng)202或工業(yè)設施359的波動需求的同時，以固定功率水平從燃料電池352接收電力，從而克服燃料電池的這種局限性。
[0126]在該實施例中，可經(jīng)燃料管道354，從燃料源356向燃料電池352提供化學燃料如氫或天然氣。例如，燃料電池/氧化還原液流電池系統(tǒng)350可位于或靠近天然氣源如在油田中，使得能夠將從地下提取的天然氣提供給燃料電池。燃料電池352將燃料轉換成電力和廢水(例如水和二氧化碳)。將從燃料電池352輸出的電力提供給第一氧化還原液流電池堆210，在此使用電力來充電儲存在電解質(zhì)儲罐214、216中的電解質(zhì)。如上所述，將儲存在電解質(zhì)物質(zhì)中的電能轉換成第二氧化還原液流電池堆212中的電力。能夠將來自第二氧化還原液流電池堆212的電力輸出234提供給逆變器358，逆變器358將由電池生成的DC電流轉換成與公用電網(wǎng)202或工業(yè)設施359兼容的AC電流。逆變器358可以為本領域所熟知的固態(tài)電氣DC-AC逆變器或電動機-發(fā)電機。在該實施例中，通過調(diào)節(jié)泵226、228的速度能夠控制通過第二氧化還原電池堆212的電解質(zhì)的流動，從而生成滿足電網(wǎng)202的需求的電力。當公用電網(wǎng)202或工業(yè)設施359的需求超過燃料電池252的穩(wěn)態(tài)輸出時，使用電解質(zhì)中儲存的能量來滿足額外的需求。當公用電網(wǎng)202的需求小于燃料電池252的穩(wěn)態(tài)輸出時，超出的能量儲存在電解質(zhì)中。因此，系統(tǒng)350能夠跟蹤公用電網(wǎng)202或工業(yè)設施359的峰值需求而不必以低效或可能造成損害的方式操作燃料電池352。以類似的但替代的方式，能夠將系統(tǒng)350用作現(xiàn)場分布式發(fā)電機以跟蹤位于同一位置的工業(yè)設施負載359的峰值需求。通過公用電網(wǎng)202或單獨的獨立式燃料電池系統(tǒng)352能夠滿足工業(yè)設施359的基本負載需求。
[0127]類似于如上參考圖13A-13C所述的實施例，第一和第二氧化還原液流電池堆210、212配置成用于它們各自的充電和放電功能。在圖13D所示的Fe/Cr氧化還原液流電池實施例中，第一氧化還原液流電池堆210配置成用于充電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度、傳質(zhì)速率和隔膜選擇性增加。相反，第二氧化還原液流電池堆212配置成用于放電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中放電催化劑加載量、放電催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率增加且隔膜選擇性下降。
[0128]在圖14所示的其它實施例中，氧化還原液流電池系統(tǒng)400配置成使用重力來使反應物流過電池單元，由此減少或消除了泵的需要。與其它液流電池系統(tǒng)相比，重力驅動的氧化還原液流電池系統(tǒng)400具有較少的部件且更簡單，從而降低了其購置成本。消除泵還降低了寄生損耗，從而導致更有效的總儲能系統(tǒng)。將能量儲存在罐404、406中儲存的電解質(zhì)中的化學物質(zhì)濃縮物中。電解質(zhì)通過取決于流動方向和施加的功率或負載，充電電解質(zhì)或放電電解質(zhì)的氧化還原液流電池堆410。然后將排出氧化還原液流電池堆410的電解質(zhì)流體收集在位于氧化還原液流電池堆410下方的一套匹配罐414、416中。所示的示例性實施例包括四個反應物罐404、406、414、416，兩個(404、414)用于陽極電解質(zhì)反應物以及兩個(406、416)用于陰極電解質(zhì)反應物?？砂ㄈ芜x的閥418、420、424、422以能夠對流過氧化還原液流電池堆410的反應物進行控制或節(jié)流?？梢詫⒀趸€原液流電池堆410和四個反應物罐404、406、414、416集成在支撐結構402如圓筒內(nèi)。當閥418、420、422、424打開時，反應物經(jīng)重力從頂罐404、406流過氧化還原液流電池堆410并流入底罐414、416中。在充電模式中，以與電解質(zhì)流量一致的速率以及電解質(zhì)的充電狀態(tài)通過氧化還原液流電池堆410消耗電力。一旦對儲存在反應物中的能量進行補充或在其它時間對系統(tǒng)放電，則重力驅動的氧化還原液流電池系統(tǒng)400被旋轉180°，從而能夠開始放電操作。因此，氧化還原液流電池堆410的充電/放電操作取決于系統(tǒng)的定向。
[0129]由于圖14所示的實施例的目標是簡化操作和設計，所以將單個氧化還原液流電池堆410用于充放電兩種模式，盡管可使用分開的電池堆。如上參考圖5所述，配置單一氧化還原液流電池堆410來在充放電模式中使得催化劑加載量、催化劑活性、溫度、反應物傳質(zhì)速率和隔膜選擇性與在沿反應物流通路徑的各個獨立單元中期望的的電解質(zhì)濃度相匹配。具體地，配置單一氧化還原液流電池堆410，以便在從電池堆一端到另一端的后續(xù)單元中，催化劑加載量、催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率取決于哪個半周期(充電或放電)需要優(yōu)化而變化且隔膜選擇性增加。在操作中，反應物在用于充電的一個方向中并在用于放電的相反方向中流過氧化還原液流電池堆410。
[0130]另外，由于圖14所示的實施例的目標是操作和設計簡化，所以氧化還原液流電池堆410和罐404、406、414、416可以不包括用于控制反應物溫度的熱管理或換熱器。
[0131]在圖15A-15C中示出了重力驅動的氧化還原液流電池系統(tǒng)400的操作。在圖15A所示的充電模式中，反應物經(jīng)重力從頂罐404、406流過氧化還原液流電池堆410并流入底罐414、416中，同時向電池堆供應電力。使用閥418、420、422、424可對通過氧化還原液流電池堆410的反應物的流動進行控制，從而與施加到堆上的充電功率的量相匹配。因此，當不能獲得用于充電的功率時，閥418、420、422、424可保持關閉，以及當可獲得小于全充電功率的功率時，可以部分打開閥418、420、422、424以提供通過電池堆410的計量的液流。氧化還原液流電池堆410和罐404、406、414、416與流通導向管道管道連接并被配置成反應物在充電期間，在從入口到出口的催化劑加載量、催化劑活性和傳質(zhì)減小以及隔膜選擇性增加的方向中流過電池堆。
[0132]如圖15A-15C所示，可將氧化還原液流電池系統(tǒng)400集成在支撐在輥430、432或輪軸(未示出)上的圓筒形支撐結構402內(nèi)，以便該系統(tǒng)能夠繞其長軸旋轉而從充電模式變?yōu)榉烹娔Ｊ交驈姆烹娔Ｊ阶優(yōu)槌潆娔Ｊ?。例如，在一實施例中，一個或多個棍430、432可以裝配有驅動機構如電驅動的電動機(未示出)、鏈驅動機構(例如可以將其連接到電動機或自行車踏板上)或簡單的手搖柄434以便支持圓筒形支撐結構402的旋轉。在圖15B中示出了該操作，圖15B示出閥418、420、422、424關閉，以及通過連接到輥432中的一個上的手搖柄434驅動機構的旋轉，在順時針方向中旋轉圓筒形支撐結構402。圖15A-15C所示的手搖柄434僅用于說明性目的，因為可以將多種機械動力源用作驅動機構，例如連接到自行車的鏈驅動、電動機或內(nèi)燃機、水車等。
[0133]如圖15C所示，將氧化還原液流電池系統(tǒng)400旋轉180°使該系統(tǒng)處于放電操作的配置中，以便來自罐414、416的充電反應物經(jīng)重力流過氧化還原液流電池堆410并流入底罐404、406中，由此從電池堆410生成電力。由于該系統(tǒng)的配置，反應物在與充電期間相反的方向中流過氧化還原液流電池堆410?？墒褂瞄y418、420、422、424控制通過氧化還原液流電池堆410的反應物的流動以便匹配生成的電功率的量。因此，當不需要功率時，閥418、420、422、424可以保持關閉，以及當需要小于全容量功率的功率時，可以部分打開閥418、420、422、424以便提供通過電池堆410的計量的液流。
[0134]從圖14-15C所示的實施例中的液流電池系統(tǒng)消除泵的優(yōu)勢為多方面的。首先，該實施例使得系統(tǒng)可全密封。對氧化還原液流電池系統(tǒng)來說全密封非常重要，因為任意一點空氣漏入電解質(zhì)罐或管道中都將使反應物氧化，從而降低性能并可能生成危險氣體。因此，非常良好密封的系統(tǒng)很重要。消除對泵的需要確保了更結實和簡單封閉的系統(tǒng)。其次，消除泵提高了總系統(tǒng)效率。泵是直接降低系統(tǒng)的往返效率的寄生損耗源。因此，該實施例最大化往返效率，特別是如果通過廉價能量如手搖柄434執(zhí)行旋轉。第三，消除對泵的需要降低了成本和維護要求，因為電解質(zhì)反應物的酸特性要求特殊的泵和泵材料。第四，用來旋轉結構402的方法不接觸反應物，因此能使用包括人力的低成本、可靠的機構來旋轉系統(tǒng)，從而改變操作模式。第五，系統(tǒng)可安靜地操作，因為系統(tǒng)在操作時，無移動的部件。
[0135]除了旋轉機構外，控制閥418、420、422、424是僅有的移動機械部件。通過隨時在充放電模式間切換，能夠靈活地操作系統(tǒng)。例如，一旦系統(tǒng)放電通過一個周期，則通過旋轉系統(tǒng)180°而將反應物流回合適的罐中以用于放電而未向電池堆410施加電力，并然后將系統(tǒng)旋轉另一個180°以重新開始放電過程而進行第二次放電可能是有利的。盡管輸出的功率會比第一放電周期低，但是這樣做將生成在反應物中儲存的較多電能。同樣地，以類似的過程，通過多個周期，能夠對該系統(tǒng)充電。此外，如果必要，系統(tǒng)能夠從充電模式變換到放電模式而不需要旋轉罐，但會降低系統(tǒng)的效率。
[0136]如上參考圖14和15A-15C所述的實施例的設計和操作的簡化，以及Fe/Cr電解質(zhì)反應物的安全性，使得實施例的系統(tǒng)可理想地用于小型電力儲存應用中。例如，這種實施例可理想地適用于偏遠的電力應用中，例如不能使用公用電網(wǎng)而使用太陽能光伏陣列和/或風力渦輪發(fā)電機來發(fā)電的偏遠城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村。例如，添加類似于該實施例的氧化還原液流電池系統(tǒng)會允許在夜間向偏遠城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村供應電力。類似地，可以將根據(jù)該實施例的一個或兩個系統(tǒng)用在不需要對車輛充電時，使用公用電網(wǎng)的電力或當?shù)乜稍偕茉磳ο到y(tǒng)進行充電，并在需要時旋轉存儲系統(tǒng)以提供用于充電電動車輛的偏遠的電動車輛充電站中。
[0137]可調(diào)整該實施例系統(tǒng)的尺寸以便裝配在標準尺寸的集裝箱內(nèi)部。因為這些系統(tǒng)完全密封且是整裝的，所以可以在集裝箱內(nèi)安全地對其進行操作，使得要包裝的系統(tǒng)能夠快速地部署。出于運輸目的，電解質(zhì)可以作為鹽如氯化鐵來運輸，可將其儲存在罐中。這能夠大大降低針對運輸?shù)南到y(tǒng)的重量。然后，一旦系統(tǒng)就位，即添加水以達到操作所需要的濃度。以這種方式，能夠以準備好直接運輸?shù)臈l件構建和存放諸如如上參考圖14-15C所述的實施例的系統(tǒng)，并在需要時移至需要儲能的場所。例如，可以將這種可部署的儲能系統(tǒng)建立在發(fā)生自然災害的地點如颶風著陸或地震中心，以幫助提供應急電力，直至可靠的公用服務恢復為止。
[0138]圖14和15A-15C示出了與罐404、406、414、416完全集成并在支撐結構402內(nèi)固定的管道連接的電池堆410。然而，在另一個實施例中，可以將罐404、406、414、416與電池堆410分開，以便可以旋轉罐來通過保持靜止的電池堆410獲得期望的重力供料。該替代實施例在易于添加較多罐/儲存容量的能力方面可能更靈活。該替代實施例要求靈活的布管或包括適應旋轉而不會泄露的流體聯(lián)接。
[0139]如上所述，各種實施例利用沿反應物流通通道的具有不同配置的獨立單元來提高總電性能。圖16A-16C示出了適合用在圖2所示的三單元氧化還原液流電池配置的獨立反應單元中的示例性的隔膜材料的顯微照片。圖16A所示的隔膜材料由膜孔隙率小于約0.1微米的多微孔材料制成，其適合用于在放電模式中與堆入口相鄰以及在充電模式中與堆出口相鄰的單元中。該多微孔材料具有約0.8ohm-cm2的面積比電阻并具有約2000 y gFe/hr-cm/M的反應物選擇性。圖16B所示的隔板材料由膜孔隙率為約2-約5微米的熔體吹材料制成，其適合用于在堆入口和堆出口之間半途的單元中，該材料顯示出約0.5ohm-cm2的面積比電阻并具有約4000 u gFe/hr-cm/M的反應物選擇性。圖16C所示的隔板材料由膜孔隙率為約15-約30微米的紡結合材料制成，其適合用于在放電模式中與堆出口相鄰且在充電模式中與堆入口相鄰的單元中，該材料具有約0.2ohm-cm2的面積比電阻并具有約12，OOO μ gFe/hr-cm/M的反應物選擇性。
[0140]在下表1中列出了用于三單元配置的其它代表性堆設計參數(shù)和性能特征。所有值都為近似值。
[0141]表1
[0142]
【權利要求】
1.一種氧化-還原液流電池系統(tǒng)，包括: 電解質(zhì)儲存和泵送系統(tǒng)，用于提供至少一個電解質(zhì)液流； 氧化-還原單元的第一堆組件，其與所述至少一個電解質(zhì)液流液壓連通并且配置成用于僅從隨時間變化的第一功率可變性的電源充電；以及 氧化-還原單元的第二堆組件，其與所述至少一個電解質(zhì)液流液壓連通并且配置成僅用于向不同于所述第一功率可變性的、隨時間變化的第二功率可變性的負載放電。
2.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第一和第二堆組件不同地配置成用于由總功率、操作電壓、操作電壓范圍、操作電流、操作溫度、電解質(zhì)流量、單元伏打效率、單元庫侖效率、分路電流、待機時間、響應時間、緩變率，以及充電/放電循環(huán)頻率和極限負荷比構成的功率可變性的一個或多個選擇的條件。
3.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第一和第二堆組件的至少一個配置成用于分別在單個通道中的充電或放電反應。
4.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，進一步包括氧化-還原單元的第三堆組件，其與所述至少一個電解質(zhì)液流液壓連通并且配置成僅用于通過比所述第一功率可變性隨時間變化較大的第三功率可變性的電源來充電。
5.根據(jù)權利要求4的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第一和第三堆組件配置成用于從由光伏陣列、光伏聚光器陣列、太陽熱發(fā)電系統(tǒng)、風力渦輪、水力發(fā)電廠、波能發(fā)電廠、潮汐發(fā)電廠、分布式電網(wǎng)和本地電網(wǎng)組成的組選擇的電源。
6.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，進一步包括氧化-還原單元的第三堆組件，其與所述至少一個電解質(zhì)液流液壓連通并且配置成僅用于通過比所述第二功率可變性隨時間變化較大的第三功率可變性的負載來放電。`
7.根據(jù)權利要求6的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第二和第三堆組件配置成用于從由電動車輛充電站、電動車輛電池更換站、電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、蜂窩電話站、另一儲能系統(tǒng)、車輛、灌溉泵、食品加工廠和本地電網(wǎng)構成的組選擇的負載。
8.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第一和第二堆組件的至少一個包括: 排列在第一塊中的第一多個電化學反應單元； 排列在第二塊中的第二多個電化學反應單元；以及 排列在第三塊中的第三多個電化學反應單元， 其中，沿所述至少一個電解質(zhì)液流，液壓串聯(lián)地排列第一、第二和第三塊，以及 其中，每一塊中的多個電化學反應單元都包括匯聚級聯(lián)。
9.一種氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，包括: 排列在第一塊中的第一多個電化學反應單元； 排列在第二塊中的第二多個電化學反應單元；以及 排列在第三塊中的第三多個電化學反應單元， 其中，沿結合到液體電解質(zhì)源的流通路徑、液壓串聯(lián)地排列所述第一、第二和第三塊，以及 其中，每一塊的組合的電解質(zhì)液流體積都基于以上游塊的期望的反應物消耗為基礎的所述液體電解質(zhì)中的電化學反應物的期望的可用性。
10.根據(jù)權利要求9的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，其中，所述第一塊包括比所述第三塊較大的總電解質(zhì)液流體積。
11.根據(jù)權利要求10的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，其中，所述第一塊包括比所述第三塊較多數(shù)目的電化學單元。
12.—種氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，包括: 經(jīng)第一液壓流通路徑連通的第一對電解質(zhì)罐； 經(jīng)第二液壓流通路徑連通的第二對電解質(zhì)罐； 電化學反應單元的第一堆組件； 電化學反應單元的第二堆組件； 第一中間電解質(zhì)罐；以及 第二中間電解質(zhì)罐， 其中，通過所述第一對電解質(zhì)罐間的第一液壓流通路徑，液壓串聯(lián)地排列所述第一堆組件、所述第一中間電解質(zhì)罐和所述第二堆組件，以及 其中，通過所述第二對電解質(zhì)罐間的第二液壓流通路徑，液壓串聯(lián)地排列所述第一堆組件、第二中間電解質(zhì)罐和所述第二堆組件。
13.根據(jù)權利要求12的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，進一步包括電化學單元的第三堆組件，其由所述第一和第二中間電解質(zhì)罐間的第三液壓流通路徑供應。
14.根據(jù)權利要求13的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，其中，所述第三堆組件配置成用于在兩罐模式中快速響應。
15.根據(jù)權利要求12的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，其中，所述第一和第二堆組件的至少一個包括: 排列在第一塊中的第一多個電化學反應單元； 排列在 第二塊中的第二多個電化學反應單元；以及 排列在第三塊中的第三多個電化學反應單元， 其中，沿第一和第二流通路徑，液壓串聯(lián)地排列所述第一、第二和第三塊，以及其中，所述第一、第二和第三塊包括:根據(jù)在每一塊中的電解質(zhì)的期望的充電狀態(tài)的反應的反應效率而單獨在結構上配置的多個電化學反應單元。
【文檔編號】H01M8/18GK103563150SQ201280004859
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年1月9日 優(yōu)先權日:2011年1月7日
【發(fā)明者】克雷格·霍納, 蘇米塔·杜萊拉杰, 達恩·?；? 羅恩·摩梭, 迪帕克·鮑斯 申請人:伊奈沃特公司
【專利摘要】提供了配備有專用于充電和放電功能的獨立堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，可以將充電堆組件的特性配置成在充電反應期間提供高效率，以及將放電堆配置成在放電反應期間提供高效率。除了分離充電和放電反應外，還可以將氧化還原液流電池堆組件針對其他變量進行配置，諸如電源或負載的功率可變性程度。使用模塊化方法來通過將充電功能和放電功能分開構建液流電池系統(tǒng)、以及針對其他變量配置堆組件提供了具有廣泛應用的大的靈活性的大規(guī)模儲能系統(tǒng)。
【專利說明】具有多個獨立堆的氧化還原液流電池系統(tǒng)
[0001]相關申請的交叉引用
[0002]本申請是2010年9月16日提交的美國專利申請12/883,551的繼續(xù)申請，美國專利申請12/883，551是2009年7月6日提交的美國專利申請12/498，103，目前美國專利7,820, 321的分案，要求2008年7月7日提交的美國臨時專利申請N0.61/078，691以及2008年8月29日提交的美國臨時申請N0.61/093,017的優(yōu)先權。本申請還要求2011年I月7日提交的美國臨時專利申請61/430，812的優(yōu)先權。上述專利申請的每一個的全部內(nèi)容在此通過引用而并入本文。
[0003]有關聯(lián)邦政府贊助的研究的聲明
[0004]在由美國能源部(USdepartment of Energy:D0E)給予的DE-0E0000225“Recovery Act-Flow Battery Solution for Smart Grid Renewable EnergyApplications”的政府支持下實現(xiàn)在提交包括在該繼續(xù)專利申請中的優(yōu)先申請(美國專利申請N0.12/498，103，2009年7月6日提交)后構想的發(fā)明。政府在這些發(fā)明中具有一定權利。然而，政府不具有沒有政府支持下構想和提交的美國專利7，820，321的權利，也不具有其直接繼續(xù)和分案申請的權利。
【技術領域】
[0005]本申請一般涉及氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)，更具體地說，涉及包括多個獨立目的配置的堆(stack)組件的氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)。
【背景技術】
[0006]目前美國電網(wǎng)受制于由于缺少任何存儲容量的主要限制。由發(fā)電廠生產(chǎn)的所有電力必須立即消耗。供需準確匹配的需要已經(jīng)創(chuàng)建了一個復雜的發(fā)電廠網(wǎng)絡，其能在任何指定時刻增加或減小其輸出以匹配需求。
[0007]許多經(jīng)濟可行且環(huán)境有利的可再生能源技術受制于周期性和不可預測的發(fā)電的不利條件。即使不是不可能，也非常難以控制這種間歇發(fā)電技術以便匹配電網(wǎng)需求。這些技術能用來向電網(wǎng)提供最小“基線”功率，但這限制了這種可替代發(fā)電技術的擴展可能性。為實現(xiàn)擴展可再生能源技術，要求大規(guī)模儲能系統(tǒng)以便允許將由間歇發(fā)電技術生成的電力可靠地輸送到電網(wǎng)以匹配需求。
[0008]此外，許多常規(guī)的發(fā)電技術如燃煤、燃氣和核電站、以及有希望的替代發(fā)電技術如燃料電池，在恒定功率下操作時功能最佳。因為電網(wǎng)需求的功率基于電力消費者的各種需要顯著地波動，這種發(fā)電廠通常在低效率模式下操作。由此，這些常規(guī)發(fā)電廠也能從在非峰值時間期間能夠儲能并且在峰值需求的時間期間輸送峰值功率的儲能系統(tǒng)受益。
[0009]還原/氧化或“氧化還原”液流電池代表有希望的大規(guī)模儲能技術。氧化還原液流電池是在液體電解質(zhì)中溶解陽極和陰極兩者的電化學系統(tǒng)。對于在液體中溶解的所有四種反應物狀態(tài)(即陰極和陽極的充電和放電狀態(tài))，這些系統(tǒng)的存儲容量隨罐尺寸而變換。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0010]為建立通用液流電池系統(tǒng)(S卩，能由各種電源充電并對各種負載放電的系統(tǒng))，通常做出許多工程折衷方案。在充電過程和放電過程的任何一個或兩者間，這些折衷方案通常導致犧牲效率。
[0011]液流電池的所有液體屬性提供了允許分離充電和放電過程的獨特優(yōu)點。因此，可以為充電操作提供電化學反應單元的單個集合(也稱為“堆組件”)，同時為放電操作提供電化學反應單元第二獨立的集合。在這種系統(tǒng)中，可以將充電堆組件的特征配置成在充電反應期間提供高效率，以及可以將放電堆配置成在放電反應期間提供高效率。除分離充電和放電反應外，也可以針對其他變量，諸如電源或負載的功率可變性程度配置堆組件特性。在此的系統(tǒng)和方法提供了模塊化方法來建立使充電功能和放電功能分離的液流電池系統(tǒng)。此夕卜，可以針對各種電源和/或負載類型配置系統(tǒng)和堆組件。例如，在一些實施例中，針對間歇或高度可變電源或負載配置系統(tǒng)部件。在其他實施例中，可以針對恒定電壓、恒定功率或最小可變電源或負載配置系統(tǒng)部件。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]包括在說明書中并構成其一部分的【專利附圖】
【附圖說明】本發(fā)明的示例性實施例，并且與在此給出的概述和下文給出的詳細描述一起，用來說明本發(fā)明的特征。
[0013]圖1是從第一觀察視角，示出氧化還原電池堆的截面示意性示例的大堆氧化還原電池系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)圖。
[0014]圖2是從第二觀察視角的三個單元的氧化還原電池堆單元層實施例的截面示意性示例。
[0015]圖3A是從第三觀察視角的單個氧化還原電池單元的實施例的截面圖。
[0016]圖3B是單個氧化還原電池單元的實施例的分解圖。
[0017]圖4示例可以在氧化還原電池實施例內(nèi)采用的化學反應的兩個化學方程式。
[0018]圖5是可以在氧化還原電池系統(tǒng)實施例中實現(xiàn)的設計參數(shù)圖。
[0019]圖6是氧化還原電池的電勢與電流之間的關系圖。
[0020]圖7A是根據(jù)實施例的氧化還原液流電池堆的示意圖。
[0021]圖7B是示例如何將單元層組裝到根據(jù)實施例的液流電池堆中的組裝圖。
[0022]圖7C是示例如何將單元層組裝到根據(jù)另一實施例的液流電池堆中的組裝圖。
[0023]圖8是根據(jù)實施例的氧化還原電池單元的隔板部分的示例。
[0024]圖9是具有熱集成的風電場系統(tǒng)實現(xiàn)實施例的系統(tǒng)圖。
[0025]圖10是具有直接由太陽能電池板加熱的電解質(zhì)的太陽能電力系統(tǒng)實現(xiàn)實施例的系統(tǒng)圖。
[0026]圖11是具有經(jīng)在電力堆四周流動的二次流體的熱集成的另一太陽能電力系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)圖。
[0027]圖12是根據(jù)實施例的系統(tǒng)設計參數(shù)的表。
[0028]圖13A是包括用作AC至DC功率轉換/隔離直流電源的氧化還原液流電池的系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)框圖。
[0029]圖13B是包括用作對電動車輛再充電的浪涌電源的氧化還原液流電池的系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)框圖。
[0030]圖13C是包括用作對電動車輛再充電的浪涌電源的氧化還原液流電池的系統(tǒng)的另一實施例的系統(tǒng)框圖。
[0031]圖13D是包括用作使燃料電池向電網(wǎng)提供AC電力的電力儲存和負載跟蹤功率管理系統(tǒng)的氧化還原液流電池的系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)框圖。
[0032]圖14是重力驅動氧化還原液流電池的實施例的截面部件框圖。
[0033]圖15A-15C是示例從充電模式向放電模式的轉變的重力驅動氧化還原液流電池的實施例的一系列截面部件的框圖。
[0034]圖16A-16C是示出適合于用在三單元堆單元層氧化還原液流電池實施例的三個單元的每一個中的代表性隔板材料的顯微圖。
[0035]圖17是示出具有包括罐隔板的反應物儲罐的氧化還原電池堆的截面示意性示例的大堆氧化還原電池系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)圖。
[0036]圖19是示例混合充電和放電反應物的效果的電池單元電勢與時間的關系圖。
[0037]圖18A-18F是包括示例通過充電或放電周期的罐隔板的運動的罐隔板的電解質(zhì)儲罐的實施例的截面圖。
[0038]圖20A-20F是包括示例通過充電或放電操作的罐隔板的運動的罐隔板的電解質(zhì)儲罐的實施例的截面圖。
[0039]圖21是示例具有多個獨立堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的設計排列的例子的矩陣。
[0040]圖22A是用于液流電池堆組件的功率配置的示意性示例。
[0041]圖22B是用于液流電池堆組件的功率配置的示意性示例。
[0042]圖24A是示例匯聚級聯(lián)液流電池堆組件的實施例的框圖。
[0043]圖24B是示例雙向匯聚級聯(lián)液流電池堆組件的實施例的框圖。
[0044]圖25是具有配置成在兩罐模式中操作的一對獨立堆組件的氧化還原液流電池的實施例的示意性示例。
[0045]圖23是配置有可變數(shù)目的活性級聯(lián)級的級聯(lián)氧化還原液流電池堆組件的示意性示例。
[0046]圖26是示例配置用于特定應用的液流電池堆組件的通用過程的實施例的流程圖。
[0047]圖27是具有為充電配置的一個堆組件，以及為放電而配置的第二堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例。
[0048]圖28是具有為充電配置的兩個堆組件，以及為放電而配置的第三堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例。
[0049]圖29是具有為放電配置的兩個堆組件，以及為充電而配置的第三堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例。
[0050]圖30是具有為充電配置的兩個堆組件，以及為放電而配置的兩個堆組件的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例。
[0051]圖31是具有多個獨立堆，其中至少一個配置成在兩罐模式中操作的氧化還原液流電池系統(tǒng)的示意性示例?！揪唧w實施方式】
[0052]將參考附圖，詳細地描述各個實施例。只要可能，將在所有附圖中使用相同的參考數(shù)字來表示相同或類似的部件。對特殊實例和實現(xiàn)方式的參考僅是示例目的，不試圖限制本發(fā)明或權利要求書的保護范圍。
[0053]如在此所使用的，用于任何數(shù)值或范圍的術語“大約”或“約”表示允許部件的一部分或集合發(fā)揮如在此所述的期望的目的的適當?shù)臏囟然虺叽绲娜莶睢?br> [0054]除非具體說明，術語“液流電池單元”、“單元”、“電化學單元”和類似的術語是指單個電化學反應單元。在大部分實施例中，液流電池單元包括由隔膜分開的正極和負極的液流電池單元。如在此所使用的，“塊”或“單元塊”是可以(但不一定)容納在共用單一殼體內(nèi)的電化學單元組或集。通常(但不一定)彼此類似地配置單一單元塊內(nèi)的電化學單元。如在此所使用的，術語“級”是指以液壓系列排列的多級的排列內(nèi)的一個單元塊以便流出一級的單元的電解質(zhì)被導入到另一級的單元中。這種級的排列也可以稱為“級聯(lián)”排列。
[0055]術語“工程級聯(lián)液流電池”或“工程級聯(lián)堆組件”在此用來通稱級聯(lián)液流電池或級聯(lián)液流電池堆組件，其中，基于期望的反應物條件(例如電解質(zhì)的充電狀態(tài))，就材料(包括材料屬性、數(shù)量和其他特性)、設計形狀和大小、反應物流和/或其他設計變量而言，配置電池內(nèi)的級(即，類似地配置的并經(jīng)受基本上類似的電解質(zhì)充電狀態(tài)的單元的塊或束))和/或陣列，以便與可在沿反應物流通路徑的所有單元、級和/或陣彼此基本上相同的級聯(lián)液流電池中實現(xiàn)的性能相比，增加電池的性能(例如儲能效率、發(fā)電效率、減少電解質(zhì)擊穿、減少氫氣生成、或其他性能)?？梢允惯@些單元或級配置優(yōu)化用于那一單元或級中的電解質(zhì)的期望的充電狀態(tài)的單元操作。
[0056]“優(yōu)化”或“最佳”的基準僅試圖表示在工程級聯(lián)液流電池中可以控制或改變以便提高性能的設計參數(shù)并且將實施例與沒有基于反應物的期望的局部特性的配置的設計區(qū)分開來。使用這些術語不試圖意指或要求對最佳可能或理論性能設計任何單元、級和/或其陣列或部件。
[0057]如在此所使用的，短語“充電狀態(tài)”及其縮寫“S0C”是指至少一個液體電解質(zhì)的化學種類成分。特別地，充電狀態(tài)或SOC是指已經(jīng)從“放電”狀態(tài)轉變(例如氧化或還原)成“充電狀態(tài)”的電解質(zhì)中的反應物的比例。例如，在基于Fe/Cr氧化還原對的氧化還原液流電池中，可以將陰極電解質(zhì)(正極電解質(zhì))的充電狀態(tài)定義為已經(jīng)從Fe2+狀態(tài)氧化成Fe3+狀態(tài)的全部Fe的百分比，以及可以將陽極電解質(zhì)(負極電解質(zhì))的充電狀態(tài)定義成從Cr3+狀態(tài)還原成Cr2+狀態(tài)的全部Cr的百分比。在一些實施例中，可以彼此無關地改變或測量兩種電解質(zhì)的充電狀態(tài)。由此，術語“充電狀態(tài)”或“S0C”可以指所有液體氧化還原液流電池系統(tǒng)中僅一種或兩種電解質(zhì)的化學組分。本領域的技術人員將意識到可以通過除電化學工藝外的工藝(例如，通過增加一種或多種反應物種類的數(shù)量)，改變一種或兩種電解質(zhì)的充電狀態(tài)。
[0058]實施例基于適用于在各種條件下，儲存和輸送電能的還原/氧化(氧化還原)液流電池系統(tǒng)，提供儲能系統(tǒng)。能由各種發(fā)電或轉換方法，包括水力發(fā)電、天然氣、煤、汽油、柴油或其他液態(tài)石油燃料、核、波能、潮汐能、太陽能、熱能、風能等等，產(chǎn)生由氧化還原液流電池系統(tǒng)儲存的電能。各種實施例的氧化還原液流電池系統(tǒng)還能將所儲存的能傳輸?shù)礁鞣N負載，包括分布式電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、灌溉泵、蜂窩電話站、另一儲能系統(tǒng)、車輛、車輛充電系統(tǒng)、建筑物或任何其他電力負載。
[0059]液流電池是電化學儲能系統(tǒng)，其中，在液體電解質(zhì)(有時統(tǒng)稱為“一個或多個反應物”)中溶解電化學反應物，通過向/從電池添加/提取能量的反應單元(在此稱為“單元”)泵送。在必須儲存和放電兆瓦特電能的應用中，通過增加罐尺寸，能將氧化還原液流電池系統(tǒng)擴展到所需的儲能容量并通過增加電化學單元或單元塊(即，有時在此稱為“單元陣列”的多個單元組)擴展成產(chǎn)生所需輸出功率。
[0060]在圖1中示例了氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)的實施例的系統(tǒng)圖。圖1所示的實施例使用設計用于氧化還原液流電池的堆，其允許通過平常負擔得起的電池部件來實現(xiàn)大規(guī)模應用。在必須儲存和放電兆瓦特電能的應用中，例如在連接到電網(wǎng)的風力渦輪電場或太陽能電站的應用中，圖1所示的氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠通過增加罐尺寸而擴展至所需容量，并通過添加氧化還原液流電池堆組件或單元塊來擴展產(chǎn)生的電力。簡而言之，通過系統(tǒng)中儲存的電解質(zhì)量來確定能夠儲存的能量的量。因此，為了儲存較多的能量，使用較大電解質(zhì)儲罐。為了提高輸出功率，添加更多的氧化還原液流電池單元和/或堆組件。因此，在此所示和所述的系統(tǒng)在解決廣泛儲能需求中提供了大的靈活性。
[0061]參考圖1，氧化還原液流電池系統(tǒng)的主要部件包括氧化還原液流電池堆組件10，通過所述組件10，兩種電解質(zhì)流過由隔膜12隔開的多孔電極18、20。能夠在各個電解質(zhì)中發(fā)生的還原反應和氧化反應使得電力流過反應室，被多孔電極18、20捕獲并傳導到導電表面22、24。在一些實施例中，可在氧化還原液流電池堆組件10中包括流動通道14、16以減少通過堆的電解質(zhì)流動的限制。包括這種流通通道14、16能用來降低電解質(zhì)壓降。在實施例中，可以合并流通通道14、16，以便電解質(zhì)與多孔電極18、20充分相互作用，使得所需還原和氧化反應發(fā)生。
[0062]將導電表面22、24連接至導體42、43，其通過經(jīng)電氣開關44，在單個堆實施例中可選擇的電源45 (用于充電)或電力負載46 (用于放電)完成電路。將陰極電解液(“陰極電解質(zhì)”)和陽極電解液(“陽極電解質(zhì)”)儲存在電解質(zhì)罐26、28中，并通過泵30、32進行泵送而向氧化還原液流電池堆組件10提供輸入液流34、36，同時電池輸出液流體38、40返回電解質(zhì)罐26、28。該氧化還原液流電池堆組件10被設計為通過將堆的復雜性和部件數(shù)保持為最少而降低成本。氧化還原液流電池堆組件10進一步設計成最小化分路電流損失和最大化反應物利用。
[0063]氧化還原液流電池堆組件10配置成包括如圖2和3所示的獨立電池單元和組件框架的陣列。獨立電池單元排列成電解質(zhì)反應物在堆層48內(nèi)從一個單元流向下一個單元(見圖2)。電池單元的多個層48串聯(lián)連接地堆疊在一起以形成參考圖7A，在下文所述的堆組件10。此外，獨立電池單元配置成基于在反應物流通路徑內(nèi)的位置，增加它們的電化學性能，由此獲得了比可能通過相同的電池單元的氧化還原液流電池組件，具有較大整體電存儲性能的氧化還原液流電池組件。
[0064]圖2示出了如從垂直于電極18、20和隔膜12的平面的視角(即，層48的短軸進入并離開圖1的頁面)所看到的氧化還原電池堆組件10內(nèi)各個單一單元層48的截面。作為示例性實施例，所示單元層48包括三個獨立的單元52、54、56 ;在其它實施例中，每一單元層48都可包括較少或較多的獨立單元。在優(yōu)選實施例中，電解質(zhì)反應物以級聯(lián)的方式(即，在指定層內(nèi)從一個單元到下一個單元)流過陣列內(nèi)的單元層48中的全部單元(B卩，平行于圖2的圖像表面)。每一單元層內(nèi)的多個單元配置減輕了分路電流的問題。為了提高整體效率和電池性能，通過改變催化劑加載量、電極曲度、室體積和/或隔膜孔隙率或選擇性以處理沿流通路徑的反應物濃度變化、最小化不期望反應物以及優(yōu)化庫倫和電壓效率等來配置電池單元。例如，如圖2所示，在三單元氧化還原液流電池單元層組件48中，可以利用結構和材料性能來配置反應物入口流體34、36附近的第一單元52，從而在電池單元層組件的輸入處，利用電解質(zhì)的充電狀況的較高狀態(tài)提供較大效率。然后，可以利用結構和材料性能來配置第二單元54，從而利用在電解質(zhì)已經(jīng)通過第一單元52后而將存在的電解質(zhì)的充電條件的中間狀態(tài)來提供有效的操作。可以利用結構和內(nèi)部性能來配置第三單元56，從而利用在第一和第二單元52、54中反應后、在電解質(zhì)中將存在的充電狀況的相對低狀態(tài)來提供有效的操作。如在下文更詳細所述，以這種方式配置氧化還原液流電池單元層組件48提供了有效的操作，同時使得以較低成本的材料組裝電池。
[0065]隔膜選擇性是指限制顆粒、離子和/或化合物移過隔板的程度。如在此所使用的，“選擇性”是寬泛的術語，包含了可以單獨或組合起作用來限制離子和/或其他化合物的移動，防止通過隔膜從一個半電池進入另一個的若干可能材料特性。例如，薄膜的孔數(shù)、孔大小、路徑曲度、孔表面化學和其他物理特性可以用于薄膜的選擇性。由此，具有較高選擇性的隔膜限制較多離子的移動(即允許較少離子通過)，而具有較低選擇性的薄膜對某些離子的移動提供較少限制，允許較多離子通過。高選擇性薄膜可以包括任意多個離子交換膜，諸如Nafion? -117離子交換膜(DuPont，美國)，允許質(zhì)子通過，同時限制其他較大帶正電離子和帶負電離子通過。低選擇性薄膜可以包括任意多個微孔膜，可以允許基本上大于離子的顆粒通過。如在此所使用的，術語“選擇性”可以等效于另外的術語，諸如“逆透過率”。
[0066]當將流體加熱至最佳溫度時，一些類型的液流電池電解質(zhì)可更有效地操作(S卩，以較低損失保持和釋放電功率)。為利用該特性，可通過能循環(huán)加熱流體的管60、62、64、66或通道配置氧化還原液流電池單元層組件48。使加熱的流體在電池堆組件四周和/或內(nèi)部循環(huán)能夠使電解質(zhì)保持在受控溫度。通過在每一電池單元前后包括加熱流體管60、62、64、66，能夠單獨控制每一單元的操作溫度，從而使每一單元在對應于單元內(nèi)的電解質(zhì)的充電狀態(tài)的優(yōu)選或最佳溫度下操作。加熱流體的管是任選的，因為在實施例中，可以在罐26、28內(nèi)預熱電解質(zhì)，諸如經(jīng)循環(huán)加熱流體的換熱器，以便電解質(zhì)在足夠用于充電或放電操作的溫度下進入單元層48。如在下文更詳細所述，加熱流體可從通過充電電源45 (例如，來自發(fā)電機冷卻系統(tǒng))或負載46 (例如，來自設備冷卻系統(tǒng))所產(chǎn)生的廢熱獲得熱能。
[0067]在圖3A和3B中示出了液流電池堆的單元層48內(nèi)單元部分的單個單元的原理構造。圖3A示出了從垂直于圖1和2中的截面視角的視角所看到的單個單元室50的單層的截面視圖。圖3B示出了各個單一單元層的單個單元50的分解圖。由第一和第二平面結構化構件80、82形成的雙極框架為氧化還原液流電池堆組件10提供了結構化支持。平面結構化構件80、82可由耐電解質(zhì)反應物的弱酸的聚乙烯、聚丙烯或其它材料制成。在平面結構化構件80、82間形成含有陽極和陰極反應物流體38、40分別流過的多孔電極催化劑18、20的腔。多孔電極可由單獨的碳纖維氈材料制成或者可以為雙極框架本身的一部分。多孔電極催化劑18、20可以由包覆有催化劑層的碳氈材料制成。在一些實施方式中，表面催化劑層可以為鉛(Pb)、鉍(Bi)或碳化鋯(ZrC)，以便于與電解質(zhì)的氧化-還原反應，同時抑制氫氣的生成。在每一平面結構化構件80、82內(nèi)，可以為導體表面22、24提供剪切塊(cutouts)或插入物(inserts)，如圖3B所示。導體表面22、24將電流從多孔電極催化劑流到單元層的外部。
[0068]通過框架構件84、86、88、90，懸浮在兩個平面結構化構件80、82間的平面隔膜(或膜隔離部件)12，將陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)反應物分開。應注意到，框架構件84、86、88、90可能以如圖3B所示的兩個外部框架的形式，以便框架構件84和88是單框架84的一部分以及框架構件86和90是另一個單框架86的一部分。隔膜12允許離子通過材料傳輸，同時禁止反應物的大量混合。如下文參考圖16A-16C更全面所述，隔膜12可以由不同的材料制成，以便對于每一電池單元內(nèi)的期望的充電狀態(tài)，適當?shù)爻尸F(xiàn)不同的擴散選擇性和電阻。
[0069]在每一電池單元50的反應物入口處，可提供歧管孔92、94，以引導進入的電解質(zhì)流體進入單元50的反應區(qū)域中。在實施例中，歧管可包括流體導向結構以使得電解質(zhì)在進入每一反應單元50時進行適當混合。可以基于每一單元內(nèi)期望的充電狀態(tài)和其它流體性能來配置這種流體導向結構，以便調(diào)整或控制氧化還原液流電池堆組件10內(nèi)的每一單元50中的反應物流體。
[0070]平面結構化構件80、82、以及隔板框架構件84、86、88、90可包括換熱器流體管道60,62能夠通過的通路。單元輸入歧管92、94內(nèi)放置任選的換熱器流體管道60使得來自管道內(nèi)熱流體的熱在反應物進入單元室前提升反應物流體的溫度。類似地，在單元輸出歧管96、98內(nèi)放置換熱器管道62使得熱流體在反應物離開最后單元56后從電解質(zhì)中吸熱，由此保存熱能并使得電解質(zhì)以較低溫度回到儲罐。在優(yōu)選實施例中，對Fe/Cr反應物，將熱流體加熱至約40° C至65° C的溫度。
[0071]通過串聯(lián)堆疊層48來形成電池堆，可以形成氧化還原液流電池堆組件10。在該種電池堆組件中，如在下文參考圖7A所述，導電表面22、24在每一堆單元層中的單元間提供電連通性。
[0072]形成雙極框架的平面結構化構件80、82可以在其整個區(qū)域內(nèi)都是導電的，或者可以以僅使與單元50的電化學活性部分直接相鄰的導電表面22、24導電的方式制成，如圖3B所示。在后一實施例中，導電表面22、24四周的區(qū)域可以是電絕緣的。電絕緣導電表面22、24四周的區(qū)域允許離散控制和監(jiān)控氧化還原液流電池堆組件10中的每種單元的電流或電勢。
[0073]為形成如圖2所示的每一單元層48，使如圖3A和3B所示的多個單元50流體連接以便在單層內(nèi)形成單元的級聯(lián)。由此，一個單元的單元輸出歧管96、98與單元層48內(nèi)的下一單元的單元輸入歧管92、94對齊，因而電解質(zhì)從每一單元層內(nèi)的一個單元流向下一個單
J Li ο
[0074]在各種實施例的氧化還原液流電池系統(tǒng)中，單元是可替換和可再循環(huán)的。由于構造材料主要是塑料(例如聚丙烯或聚乙烯)、碳纖維氈和碳纖維電極，所以單元不含有會造成環(huán)境影響的重金屬或毒素。此外，反應物，如Fe/Cr不比電池酸的毒性或危險性高。因此，各種實施例的氧化還原液流電池系統(tǒng)可理想地以接近人口和負載中心的分布式方式提供可再生能量系統(tǒng)所需的儲能容量。
[0075]如下文參考圖8更全面的闡述，可在邊緣四周將多孔隔板12熔合成致密或部分致密的狀態(tài)，從而防止電解質(zhì)反應物通過密封的邊緣區(qū)域滲漏。這降低了氧化還原液流電池堆組件10的反應物混合和泄露。因為在隔膜12兩側上反應物的濃度近乎相等，如下文所述，具有類似的離子密度，因此最小化了通過多孔隔膜12的電解質(zhì)反應物混合，由此消除了濃度梯度并降低了隔膜12兩端的滲透壓。
[0076]可將多種反應物和催化劑用在氧化還原液流電池系統(tǒng)中。電解質(zhì)反應物的優(yōu)選實施例集基于圖4中所示的鐵和鉻的反應物。Fe/Cr氧化還原液流電池系統(tǒng)中的反應物在正電極處反應的陰極電解質(zhì)中的FeCl3 (Fe3+)中以及在電池單元內(nèi)的負電極處反應的陽極電解質(zhì)中的CrCl2 (Cr2+)中儲存能量。
[0077]如果這些離子相互接近，則在Fe3+與Cr2+間會發(fā)生不期望的非感應電流的電子遷移反應。因此，為保持高水平的庫倫效率，應當最小化Fe/Cr氧化還原液流電池堆內(nèi)的電解質(zhì)的交叉混合。最小化電解質(zhì)交叉混合的一種方法是使用高選擇性的隔膜12，諸如Nafumt-117離子交換膜(DuPont，美國)。高選擇性隔膜的缺點在于它們具有低離子傳導率，導致氧化還原液流電池堆內(nèi)的較低電壓效率。另外，離子交換膜昂貴，價格大約為$500/m2。由于氧化還原液流電池的DC儲能效率是庫倫效率和電壓效率的乘積，存在最佳的折衷方案。
[0078]Fe/Cr系統(tǒng)的特定實施例是所謂的混合反應物系統(tǒng)，其中向陽極電解質(zhì)添加FeCl2(Fe2+)并向陰極電解質(zhì)添加CrCl3(Cr3+),如在美國專利4，543，302中所述，其全部內(nèi)容在此通過引用并入于此?；旌戏磻锵到y(tǒng)的優(yōu)點在于放電陽極電解質(zhì)和放電陰極電解質(zhì)相同。此外，當陽極電解質(zhì)中Fe的總濃度與陰極電解質(zhì)相同且陰極電解質(zhì)中Cr的總濃度與陽極電解質(zhì)相同時，消除了隔膜12兩端的濃度梯度。以這種方式，降低了用于陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)間的交叉混合的驅動力。當用于交叉混合的驅動力降低時，可使用較小選擇性隔膜，由此提供了較低離子阻力和較低系統(tǒng)成本。較小選擇性隔膜的例子包括由Celgard LLC制造的微孔隔膜和Daramic LLC制造的隔膜，兩者的售價均為約$5至10/m2。通過對充電的反應物狀態(tài)的單元特性進行優(yōu)化并在一個過程中完成充電或放電，在此所述的實施例在氧化還原液流電池堆中提供適當?shù)母咝剩渲?，該氧化還原液流電池堆由比常規(guī)氧化還原液流電池設計中的成本低約兩個數(shù)量級的材料構成。
[0079]在未混合和混合后的反應物的實施例中，反應物溶解在通常為約1-3M濃度的HCl中。在負電極處提供可以是Pb、Bi和Au或ZrC的組合的電催化劑，以便當陽極電解質(zhì)中的Cr3+還原成Cr2+時，提高再充電的反應速率，由此減少或消除氫形成。氫形成是不期望的，因為氫形成使得陽極電解質(zhì)與陰極電解質(zhì)不平衡且對Cr3+的還原而言是競爭反應，導致庫倫效率下降。
[0080]在此所述的單元、單元層和氧化還原液流電池堆設計與包括溶解在電解質(zhì)中的反應物的其它反應物組合一起使用。一個例子是在負電極(陽極電解質(zhì))含有釩反應物V(II)/V (III)或v2+/v3+并在正電極(陰極電解質(zhì))含有V (IV)/V (V)或v4+/v5+的堆。將該系統(tǒng)中的陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)反應物溶解在硫酸中。通常將這種電池稱作全釩電池，因為陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)均含有釩物質(zhì)。能利用該實施例單元和堆設計的液流電池中的反應物的其他組合包括Sn (陽極電解質(zhì))/Fe (陰極電解質(zhì))、Mn (陽極電解質(zhì))/Fe (陰極電解質(zhì))、V (陽極電解質(zhì))/Ce (陰極電解質(zhì))、V (陽極電解質(zhì))/Br2 (陰極電解質(zhì))、Fe (陽極電解質(zhì))/Br2 (陰極電解質(zhì))和S (陽極電解質(zhì))/Br2 (陰極電解質(zhì))。在這些示例性化學物質(zhì)的每一個中，反應物作為電解質(zhì)中的溶解離子物質(zhì)而存在，這允許使用電解質(zhì)沿流通路徑流過多個電池單元系列(即級聯(lián)流通)的電池單元和堆設計，其中，帶有單元并具有沿流通路徑的不同的物理特性(單元尺寸、膜或隔板的類型、催化劑的類型和量)。在美國專利6，475，661中提供了可工作的氧化還原液流電池化學物質(zhì)和系統(tǒng)的另一實例，其全部內(nèi)容在此通過引用并入本文。
[0081]在氧化還原液流電池堆陣列的每一雙極框架中形成大量單元室。圖2描述了 1x3的陣列，但任意組合是可能的，例如2x2或1x4陣列。如上所述，電解質(zhì)反應物從一個單元52、54和56流向級聯(lián)排列的下一個單元。該級聯(lián)流通是指在放電模式中最接近入口的單元52的反應物濃度比下游單元54、56高。例如，對放電模式中的Fe/Cr系統(tǒng)，F(xiàn)e3+和Cr2+類是相關離子濃度，如圖4所示。電池單元排列的這種級聯(lián)提供了限制分路電流和提高整體反應物利用的優(yōu)點。由于液體反應物內(nèi)的短路導致形成分路電流。因此，在一個單元與下一個單元間形成長導電路徑并限制堆電壓是有利的。各種實施例通過使反應物流過同一層內(nèi)的多個單元來實現(xiàn)兩個目的。與每個層堆排列的單個單元相比，這種級聯(lián)流通機制還提高了反應物的利用。提高反應物利用有助于提高氧化還原液流電池堆組件10的往返DC效率并降低或消除再循環(huán)反應物的需要。再循環(huán)是不利的，因為這可能涉及較多的每kW的泵送功率或儲存容量，從而增大了寄生損失。
[0082]由于反應物流過每一層中的不同單元時反應物離子濃度變化，可改變催化涂層的量以便與各個單元的每一個中的充電狀況的狀態(tài)匹配。另外，可以在配方中改變施加到多孔電極18、20的催化涂層組成(例如，改變氧化鋯或鉍化合物的量)，從而更好地匹配每一單元中充電狀況的狀態(tài)。例如，通常，具有較低反應物濃度的單元要求在多孔電極上較高的催化劑加載量來實現(xiàn)最佳性能。
[0083]各種實施例包括包含在流通路徑內(nèi)的多個獨立的單元的獨特的氧化還原液流電池堆配置，如圖2所示，可就尺寸、形狀、電極材料和隔膜層材料來配置每一獨立單元，從而使得在每一單元內(nèi)反應物的充電狀態(tài)具有最佳平均性能。圖5概述能控制的一些設計配置參數(shù)和沿反應物流通路徑改變的參數(shù)以便最大化氧化還原液流電池堆組件10中的每一獨立單元的電性能。如在設計趨勢線112中所示,一些設計參數(shù)-示為組A參數(shù)-可從單元層48的一端下降到另一端來配置該電池設計，以便在放電模式中值從單元層的反應物入口向出口下降，以及在充電模式中從單元層的反應物入口向出口增加。
[0084]如在設計趨勢線116中所示,其它設計參數(shù)-示為組B參數(shù)-可從單元層48的一端向另一端增加來配置該電池設計，以便在放電模式中值從單元層的反應物入口向出口增力口，以及在充電模式中從單元層的反應物入口向出口下降。如圖5所示，可改變的以根據(jù)設計趨勢線112來配置電池單元設計的設計參數(shù)包括:膜選擇性、充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度(當優(yōu)化充電時)、室體積(當優(yōu)化充電時)、傳質(zhì)(當優(yōu)化充電時)?？筛淖兊囊愿鶕?jù)設計趨勢線116來配置電池單元設計的設計參數(shù)包括:離子傳導率、放電催化劑加載量；放電催化劑活性、溫度(當優(yōu)化放電時)、室體積(當優(yōu)化放電時)、質(zhì)量傳遞(傳質(zhì))(當優(yōu)化放電時)。
[0085]例如，如上所述，放電催化劑加載量和放電催化劑活性(均為組B設計參數(shù))，可在放電模式中，從入口到出口，沿氧化還原液流電池堆組件10的流通路徑，在每一單元中增力口，以及在充電模式中，從入口到出口，沿氧化還原液流電池堆組件10的流通路徑，在每一單元中下降，從而補償減小的反應物濃度，如設計趨勢線116所示。
[0086]類似地，充電催化劑加載量和充電催化劑活性(均為組A設計參數(shù))，可在放電模式中，從入口到出口，沿氧化還原液流電池堆組件10的流通路徑，在每一單元中下降，以及在充電模式中，從入口到出口，沿氧化還原液流電池堆組件10的流通路徑，在每一單元中增力口，從而補償減小的反應物濃度，如由設計趨勢線112所示。能使用關于放電的設計趨勢線116、關于充電的趨勢線112和路徑內(nèi)單元數(shù)量，確定沿流通路徑的每一單元內(nèi)實現(xiàn)的具體催化劑加載量和催化劑活性。
[0087]使用圖5所示的設計趨勢線112、116，在一些氧化還原液流電池實施例中，通過在通過電池堆的任一方向中，優(yōu)化每一層中的設計參數(shù)，諸如充電和放電催化劑加載量和/或催化劑活性，并在用于放電的一個方向中和在用于充電的相反方向中，使反應物流過電池堆，提供改進的電化學性能。在一些實施例中，諸如在下文參考圖14-15C所述，在充電模式中的一個方向中以及在放電模式中的相反方向中，引導反應物通過氧化還原液流電池。在其它實施例中，諸如在下文參考圖13A-13D所述，為充電和放電提供單獨的充電氧化還原液流電池堆，因此，反應物在與單元配置一致的單一方向中流動。在下文參考圖1所述的第三實施例中，在用于充放電的單一方向中，電解質(zhì)反應物流過氧化還原液流電池堆，以及電池單元配置成充放電間的折衷(例如，優(yōu)選地配置用于充電或放)，以便系統(tǒng)能通過簡單地使氧化還原液流電池堆組件10與充電電源電氣斷開(例如，通過電氣開關)以及使堆連接到負載，非?？焖俚卦诔潆姾头烹娔Ｊ介g切換，或反之亦然。
[0088]類似的，各種實施例可在反應物流過氧化還原液流電池堆時控制反應物的溫度，這取決于堆充電還是放電。圖5示出了在設計曲線112和116中如何在實施例中沿通過氧化還原液流電池單元層48和堆組件10的流通路徑控制溫度。對選定的優(yōu)化半周期，在放電模式中沿反應物流通路徑的每一單元處溫度升高，因此與最接近入口的單元相比，反應物濃度最低的最接近出口的單元以較高溫度操作。采用指定氧化還原液流電池單元層48和堆組件10的設計曲線可以是基于通過優(yōu)化放電反應或充電反應，是否實現(xiàn)電池效率的較大提高。在Fe/Cr系統(tǒng)中，陽極電解質(zhì)充電反應具有最有限的反應速率，因此對溫度分布設計參數(shù)，應選擇設計趨勢線112。如同催化劑加載量和催化劑活性，能將氧化還原液流電池單元層48和堆組件10配置成使得反應物在充電時在一個方向上流動以及在放電時在另一個方向上流動，或者可以使用兩個單獨的氧化還原液流電池堆，一個配置成用于充電而另一個配置成用于放電。
[0089]以類似方式，各種實施例通過配置氧化還原液流電池堆組件10以便反應物傳質(zhì)速率沿流通路徑從一個單元到另一個單元改變來提高電化學性能。圖5還示出在設計曲線116中，如何配置單元，以便反應物傳質(zhì)速率在放電模式中從入口到出口在沿流通路徑的每一單元中增大，而在充電模式中從入口到出口在沿流通路徑的每一單元中下降。通過減小每一單元的物理尺寸并選擇電極催化劑材料來改變電極孔隙率，可提高傳質(zhì)速率。由此，氧化還原液流電池堆組件10的實施例可在一端具有受限的流動區(qū)域并在另一端具有更開放和較少受限的流動區(qū)域，同時當在放電模式中操作時，反應物傳質(zhì)速率在沿反應物流通路徑的每一單元中增加，而在充電模式中操作時在沿反應物流通路徑的每一單元中下降。
[0090]以類似的方式，可利用沿反應物流通路徑具有不同的隔膜12材料來配置氧化還原液流電池單元的實施例。圖5示出了在設計曲線112中，沿反應物流通路徑,如何改變每一單元中的隔膜12的選擇性(即，限制反應物移過隔膜的程度)。在放電模式中，在氧化還原液流電池堆組件10的入口附近的單元將經(jīng)歷高反應物濃度(例如Cr2+和Fe3+)，由此，與組件出口附近的單元的情形相比，通過隔膜12的反應物的混合將導致儲存的能量的較大損失。因此，通過限制電池入口附近、通過隔膜12的反應物擴散，各種實施例實現(xiàn)較大的充電/放電效率。另一方面，具有高膜選擇性的隔膜材料通常還呈現(xiàn)出高歐姆損失(即電阻)，由于內(nèi)部電阻，增加了通過電池的能量損失。抵消特性導致用于選擇隔膜材料的圖5的圖表110所示的設計曲線112取決于反應物流通路徑內(nèi)單元的數(shù)量。
[0091]因此，在實施例中，氧化還原液流電池堆組件10可包括:在流通路徑的一端的單元具有由以較大歐姆損失為代價的高膜選擇性的材料制成的隔膜12，而在流通路徑另一端的單元具有由低歐姆損失的材料制成的隔膜12。該設計方法可行，因為由于在放電模式中的出口端以及在充電模式中的入口端的自發(fā)反應活性物質(zhì)的濃度低，所以用于交叉混合的驅動力大大降低。在Fe/Cr氧化還原液流電池的情況(圖4)中，在放電模式的出口端以及在充電模式的入口端，Cr2+和Fe3+物質(zhì)的濃度最低。
[0092]如上所述，通過將在圖5中所示的設計趨勢線應用于組件內(nèi)沿反應物流通路徑的多個單元，可確定特定氧化還原液流電池堆組件10內(nèi)的每一單元的特定設計配置?？赏ㄟ^為各個單元內(nèi)期望的的平均電解質(zhì)濃度選擇的設計參數(shù)來配置各單元，提供近似圖5中所示的設計趨勢線的階梯(stair step)。通過增加沿反應物流通路徑的獨立單元的數(shù)量，單元設計參數(shù)可以與設計趨勢線更好地匹配。然而，增加獨立單元的數(shù)量可能增添設計的復雜性，這會增加系統(tǒng)成本。因此，可以基于特定實現(xiàn)方式的設計目標和性能要求，來改變單元數(shù)量和應用于每一單元的設計配置。
[0093]通過改變沿穿過氧化還原液流電池單元層48和堆組件10的反應物流通路徑的獨立單元的設計配置，與常規(guī)氧化還原液流電池設計相比，各種實施例能夠實現(xiàn)明顯的充電/放電性能提高。在圖6中示例該性能提高，圖6示出了不包括實施例提高的常規(guī)氧化還原液流電池的極化曲線122 (輸出電壓為輸出電流的函數(shù))。這種性能差的曲線122明顯落在通過實施上述的實施例配置的氧化還原液流電池設計的實施例可以接近的理想性能曲線120的下方。
[0094]通過僅在如圖3B所示的雙極框架的活性區(qū)域上形成導電區(qū)域(例如導電表面22，24)，能使氧化還原液流電池堆組件10非常靈活。通過一個在另一個之上的方式組裝層能夠將多個單元層140-148形成為堆，使得單元層48 (在圖3A和圖3B中示出了其中的一個)中的每一單元室的導電表面22、24串聯(lián)電連接，并使堆變?yōu)槿鐖D7A所示的垂直定向。將氧化還原液流電池堆組件10設置在垂直定向上，使得層內(nèi)的一個單元52在底部且相對的單元56在頂部有助于排出可能在充電或放電反應期間形成的所有氫氣?？蓪为毜亩俗舆B接到外部導電表面22、24，如圖7A所示，從而將電池連接到負載。以圖7A所示的方式連接大量端子能夠分開沿流通路徑的單元列(即，跨越堆串聯(lián)電聯(lián)接的單元)的每一個的監(jiān)控，這能夠更好地控制堆。通過監(jiān)視沿垂直長度的單元列的每一個兩端的電壓，能夠確定充電的精確狀態(tài)。借助于對氧化還原液流電池堆組件10的功率需求，能夠在峰值需求時完全利用電池或在需求小時僅部分利用電池。能夠在電流負載方面單獨地控制每一堆，從而提供較長的壽命或較高的效率。
[0095]圖7B示出了氧化還原液流電池堆組件10的實施例，其中通過堆疊以單體式框架48a、48b、48c形成的單元層48來形成堆。如圖7B所示，在該實施例中，在跨過單元層長度的框架內(nèi)形成單個的單元。如上所述，根據(jù)每一單元152a、52b、52c中反應物的充電狀態(tài)，配置上述單元的設計參數(shù)，由此可以區(qū)別于堆10的單元層48a、48b、48c內(nèi)的每一單元256a、56b、56c的設計參數(shù)。
[0096]取代將單元組裝在用于每一單元層的單體式框架內(nèi)，可以將每一單元組裝在圖7C和圖3B所示的實施例中的單元框架52a-56c內(nèi)。在該實施例中，通過將單元52a、54a、56a(例如圖3B的電極18、隔膜12和電極20)裝配在單元框架(例如，圖3B的框架84和86)中，然后通過交錯的雙極板(例如圖3B的框架82內(nèi)的導電區(qū)域22)堆疊類似設計的框架單元(例如如圖3A的配置中的所有單元52)以形成單元列72、74、76，其然后被裝配在一起以完成堆10，能組裝氧化還原液流電池堆。
[0097]如上所述，氧化還原液流電池中的一種損失來源是沿隔膜12的邊緣反應物的混合或泄漏。如圖8所示，通過密封隔膜材料的邊緣160、162，可消除這些損失。通過將材料加熱至升高的溫度同時諸如利用熨斗或臺鉗壓縮它來熔合材料，可以實現(xiàn)這種邊緣密封?；蛘撸梢栽诿恳粏卧业耐鈬車褂妹芊鈮|進行密封。
[0098]如上所述，通過在電池流通路徑內(nèi)，在各階段將反應物加熱至最佳溫度，能夠提高氧化還原液流電池堆組件10的性能。各種實施例通過使用廢熱或替代的能量熱源來實現(xiàn)這種加熱，從而提高了電性能同時降低了寄生損耗。在能量生成應用以及使用電力并生成廢熱(例如，來自空調(diào)和設備冷卻系統(tǒng)的散熱器)的工業(yè)應用中，各種實施例具有大量的有用用途。如下面實施例中所述，替代能源如風力渦輪和太陽能電池板需要冷卻以提高性能并防止機械故障。能夠將使用Fe/Cr氧化還原液流電池技術的較大儲能系統(tǒng)與圖9-11所示的風力發(fā)電場和光伏太陽能發(fā)電場熱集成，從而以免費的方式使用低級廢熱。例如，能夠將lMWh/4MWh的氧化還原液流電池系統(tǒng)熱連接并電連接至少量風力渦輪機。
[0099]集成風力渦輪系統(tǒng)與氧化還原液流電池系統(tǒng)提供了比不具有儲能容量的風力渦輪發(fā)電場更有效和更經(jīng)濟操作的可再生發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只要吹風就能儲存電力，并滿足電網(wǎng)的電力需求，而不考慮當前的風力條件。這使得風力渦輪/氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠滿足公用契約義務而為電網(wǎng)提供一致的電力，從而避免了在風小或無風期間因難以提供合同規(guī)定的功率水平而受到的經(jīng)濟懲罰。另外，系統(tǒng)允許在峰值需求的周期期間向電網(wǎng)供應電力，使得系統(tǒng)所有者能夠以最有利的費率出售電力而不考慮最大風力何時發(fā)生。
[0100]圖9中示出了將風力渦輪發(fā)電場170與氧化還原液流電池結合的能量生成和儲存系統(tǒng)的實施例。如上所述，風力渦輪機通常需要冷卻水系統(tǒng)以確保機械系統(tǒng)在如所述的設計溫度范圍內(nèi)操作。能夠將通過渦輪配置170循環(huán)的冷卻水用作用于氧化還原液流電池系統(tǒng)172的加熱流體174。因此，在總能量輸出性能方面，通過使用將液流電池系統(tǒng)172中的反應物保持在最佳操作溫度的能量，能部分回收由風力渦輪機中機械摩擦生成的廢熱。能夠將由風力渦輪發(fā)電場170生成的電力176儲存在氧化還原液流電池系統(tǒng)172中，電力176通常是在不與峰值功率需求相對應的時間內(nèi)生成的。然后，能夠響應需求，如在峰值功率需求期間，使用儲存的電力178來向電網(wǎng)提供可調(diào)整的峰值功率。圖9描述了與三個600kW風力渦輪機集成的IMW的液流電池系統(tǒng)。因此，氧化還原液流電池堆組件10為不一致的能量發(fā)生器的儲能難題提供了理想的解決方案，同時利用了冷卻這種替代能量系統(tǒng)所需要的廢熱。
[0101]與參考圖10所述的風力渦輪/氧化還原液流電池系統(tǒng)類似，集成太陽能轉換系統(tǒng)和氧化還原液流電池系統(tǒng)比不具有儲能容量的太陽能發(fā)電系統(tǒng)，提供了更有效且更經(jīng)濟地操作的可再生發(fā)電系統(tǒng)。這種系統(tǒng)只要太陽光照射就能對電池進行充電來儲存電力，并滿足了電網(wǎng)的功率需求，與一天的時間段或天氣狀況無關。這使得這種太陽能發(fā)電機/氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠滿足為電網(wǎng)提供一致功率的公用契約義務，從而避免了因多云天氣或在夜間期間難以提供合同規(guī)定的功率水平而受到的經(jīng)濟懲罰。另外，這種系統(tǒng)允許在峰值需求期間向電網(wǎng)供應電力，使得系統(tǒng)所有者能夠以最有利費率出售電力而不考慮一天的時間或天氣。
[0102]能夠將太陽能轉換系統(tǒng)如光伏(PV)陣列、聚光光伏(CPV)陣列、太陽能熱能電站、或太陽能熱水系統(tǒng)與氧化還原液流電池系統(tǒng)熱電集成，以便提供如圖10和11所示的更經(jīng)濟且更有效的可再生能量生成系統(tǒng)180、190。太陽能集熱器183可發(fā)電并捕獲太陽的熱能。在太陽能發(fā)電系統(tǒng)中，可通過光伏電池板或在光伏電池板下循環(huán)水，從而將光伏電池保持在設計操作溫度內(nèi)?？梢詫⒂商柲芗療崞?83接收的熱能儲存在熱儲罐182中。如上所述，F(xiàn)e/Cr氧化還原液流電池在約40° C至65° C的范圍中的溫度以最佳效率操作。能使用來自熱儲罐182的加熱流體(例如水)來提供所需熱能，從而在氧化還原液流電池堆組件10中保持該溫度，而不會如在電加熱系統(tǒng)或煤氣加熱系統(tǒng)的情況下出現(xiàn)高昂的寄生損耗或附加操作成本(和溫室氣體的排放)。太陽能集熱器和熱儲存系統(tǒng)代表了非常成熟的技術，特別是在住宅市場。在實施例中，電解質(zhì)本身可以是熱對流熱水系統(tǒng)中的工作流體。
[0103]能以至少兩種配置實現(xiàn)太陽熱能收集系統(tǒng)與氧化還原液流電池系統(tǒng)的熱集成。在圖10所示的第一配置中，將太陽能集熱器183和熱儲罐182設計成容納電解質(zhì)反應物，在Fe/Cr系統(tǒng)的情況中，電解質(zhì)反應物為HCl溶液。在該配置中，在太陽能集熱器183和熱儲罐182中將反應物升至約40-65° C的溫度，使得流出熱儲罐182的反應物被直接泵送到(通過泵186)氧化還原液流電池堆組件10中，在此反應物參與電化學反應。排出氧化還原液流電池堆組件10的反應物返回熱儲罐182中以再加熱。或者，如在閉環(huán)太陽能熱水系統(tǒng)實施例中，能夠將閉環(huán)加熱流體用在太陽能集熱器183中，同時在罐內(nèi)的換熱器中將熱從加熱流體傳遞至在熱儲罐182中儲存的電解質(zhì)。
[0104]在圖11所示的第三配置中，可以將由太陽能集熱器183產(chǎn)生的熱水(或另一種流體)用作熱儲罐182中儲存的加熱流體，可諸如通過換熱器管將加熱流體泵送到氧化還原液流電池堆組件10中和四周。在這種配置中，來自熱儲罐182的加熱流體不與電解質(zhì)反應物混合。
[0105]太陽能集熱器或太陽能轉換系統(tǒng)與氧化還原液流電池系統(tǒng)的熱集成能夠使用如圖10所示的泵循環(huán)或如圖11所示的自然循環(huán)(熱對流)。通過氧化還原液流電池堆組件10泵送加熱流體(作為反應物或作為流過換熱器管的加熱流體)能夠提供改進的熱性能，但是代價為來自由泵186消耗的電力的寄生損耗。在圖11所示的自然循環(huán)配置中，使用加熱的水或反應物的浮力來使流體循環(huán)通過氧化還原液流電池堆組件10而不需要泵。熱水從熱儲罐182的頂部上升并通過氧化還原液流電池堆組件10，在此被冷卻，增大了其密度。沒有移動部件或化石燃料的需求，太陽能加熱的自然循環(huán)配置不會遭受會限制儲能系統(tǒng)的整體往返效率的寄生損耗。自然循環(huán)配置避免了與操作冷卻泵相關的寄生損耗并提供具有單一工作流體的非常簡單的系統(tǒng)，這也會因為受約束的罐體積的較小系統(tǒng)的良好解決方案。另一方面，使得自然循環(huán)流動可以要求配置折衷，諸如將氧化還原液流電池堆組件10放在熱儲罐182上方，如在非常接近太陽能集熱器183或熱儲罐182的建筑物的屋頂上。[0106]關于圖10和11所示的兩種實施例，熱對流太陽能加熱系統(tǒng)以閉環(huán)配置操作。對于較大的儲能系統(tǒng)，熱儲罐182能夠具有可管理的尺寸，因為當用于保持氧化還原液流電池堆組件10的溫度時其正好循環(huán)高熱容流體(例如水)。
[0107]圖12中的表例示了用于適合與各種配置的氧化還原液流電池系統(tǒng)一起使用的商業(yè)上可獲得的太陽能熱水系統(tǒng)的尺寸調(diào)整參數(shù)。
[0108]氧化還原液流電池系統(tǒng)與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)如核電站和燃煤電站的熱集成能夠提供明顯的能量效率和經(jīng)濟效率，因為這種系統(tǒng)生成大量低級廢熱。如上所述，氧化還原液流電池系統(tǒng)與廢熱源的熱集成提高了電池操作效率而不會造成電加熱器或化石燃料加熱器的花費或寄生損耗。氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)與常規(guī)發(fā)電系統(tǒng)的電集成還提供了明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢，因為電池系統(tǒng)能使基荷電站適應電網(wǎng)支持(輔助服務)或峰值功率需求而不改變其輸出。眾所周知，在恒定功率水平操作時，核電站和燃煤電站最有效且最經(jīng)濟地操作。通過在降低的需求期間(例如深夜的非峰值時間)充電氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)，然后在峰值功率需求期間通過從電池系統(tǒng)中提取的電來增加電站的電力輸出，滿足峰值功率的需求。這種組合的電站/儲能系統(tǒng)在經(jīng)濟上是有利的，因為能以最經(jīng)濟方式生成電力(即，每天24小時恒定輸出)然后當電價最高時的峰值需求時出售。通過向建立的常規(guī)電站添加氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)以滿足峰值功率的增長需求而不建造額外的電站，能夠獲得額外的經(jīng)濟優(yōu)勢。氧化還原液流電池系統(tǒng)的尺寸調(diào)整靈活性是指能夠獲得向常規(guī)電站添加液流電池存儲系統(tǒng)的經(jīng)濟優(yōu)勢而不必對用于未來需求而調(diào)整尺寸的系統(tǒng)進行投資，其中在氧化還原液流電池系統(tǒng)中，簡單地通過增加反應物儲罐的尺寸或數(shù)量，能夠提高儲能容量。
[0109]還能夠使用地熱能來加熱反應物儲罐。這種方法可提供具有大量熱慣性的穩(wěn)定系統(tǒng)。能夠使用低級的地熱能來向氧化還原液流電池堆組件10或向反應物儲罐供熱。在該實施例中，從地球深處的地熱能獲得熱量，通過反應物儲罐四周的熱流體和/或在電池堆前后的換熱器能夠傳送熱量。
[0110]氧化還原液流電池存儲系統(tǒng)不必需要放在發(fā)電系統(tǒng)附近。例如，如果有來自用于建筑物的工業(yè)過程或太陽能陣列(PV或CPV)的低成本廢熱源，將氧化還原液流電池放在實施該過程或放置太陽能陣列的建筑物內(nèi)或附近在經(jīng)濟上和效率上會是有利的。以這種方式，可以使用來自工業(yè)過程或現(xiàn)場電力或熱能生成的廢熱來提高電池效率，同時使用電池的儲能容量來滿足峰值功率需求或使得能夠在電費較低時的非峰值時間期間購買電力。因此，如果工業(yè)過程使用大量電，則將過程與氧化還原液流電池系統(tǒng)熱電集成能夠滿足過程對電力的需求，同時在電費較低時的非峰值時間期間購買電來充電電池系統(tǒng)。在電費高時，這種實現(xiàn)方式可降低整個期間內(nèi)工業(yè)過程的冷卻成本，由此進一步節(jié)省了成本。
[0111]還能夠將所有上述低級熱源用于加熱反應物罐，以作為加熱氧化還原液流電池堆組件10的替代或補充。加熱反應物罐使得系統(tǒng)能夠對負載變化非?？焖俚仨憫粫斐扇魏螣峁芾韱栴}，因為使反應物流體恒定地保持在準備用在液流電池中的操作溫度。通過簡化氧化還原液流電池堆設計的成本優(yōu)勢，可抵消加熱和絕緣反應物儲罐的成本和復雜性，因為這種方法消除了電池堆組件內(nèi)換熱器元件的需要。此外，將這些替代實施例如加熱儲罐和在堆內(nèi)提供換熱器結可以提供用于向氧化還原液流電池提供清潔、低成本且可靠的熱量的最佳設計方法。
[0112]在圖13A-13D中示出了用在電池儲能系統(tǒng)(BESS)中的氧化還原液流電池系統(tǒng)的四個其它示例性系統(tǒng)實施例。這些示例性實施例旨在示出如何將各種電池系統(tǒng)部件組裝成能量生成系統(tǒng)，從而為不同用途提供儲存的電力。
[0113]在圖13A所示的第一示例性實施例中，使用與圖1所示系統(tǒng)不同的氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)配置來提供與公用電網(wǎng)的波動和浪涌完全隔離的可靠的直流(DC)電源200。該實施例系統(tǒng)使用雙氧化還原液流電池堆210、212來支持同時進行充電和放電操作。在該實施例系統(tǒng)200中，可從常規(guī)公用電網(wǎng)202、從現(xiàn)場可再生能源204，如風力渦輪發(fā)電場或太陽能光伏電池板、和/或從現(xiàn)場分布的發(fā)電機(DG) 205,如燃料電池352、丙燒發(fā)電機(未不出)、天然氣微型渦輪機(未示出)、或柴油發(fā)電機組(未示出)接收電力?？梢哉鱽碜噪娋W(wǎng)202、一些可再生能源204或分布式發(fā)電機205的電力以便在電力轉換系統(tǒng)208中生成DC功率，而來自燃料電池352、光伏太陽能源183 (參見圖10)、或其它DC發(fā)電機的DC功率不需要整流器?？上蚺渲貌⒂糜诔潆娧趸€原液流電池反應物的第一氧化還原液流電池堆210提供接收的DC電力。由于向第一(充電)氧化還原液流電池堆210提供DC電力，所以通過泵226、228，陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)反應物被泵送到充電氧化還原液流電池堆210中。通過將Fe+2離子轉換成Fe+3態(tài)以及將Cr+3離子轉換成Cr+2態(tài)(參見圖4)，DC電力使得對陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)的反應物充電。這種帶電反應物從分別導入陽極電解質(zhì)罐214和陰極電解質(zhì)罐216的出口液流230、232中的第一氧化還原液流電池堆210中排出。因此，將電力儲存在儲罐214、216中的Fe+3和Cr+2的電解質(zhì)濃縮液中。
[0114]從儲存在第二(放電)氧化還原液流電池堆212中的電解質(zhì)中的化學能生成電能。經(jīng)入口液流218、220，將來自儲罐214、216的電解質(zhì)導向第二氧化還原液流電池堆212。在第二氧化還原液流電池堆212內(nèi)，通過將Fe+3離子轉換成Fe+2態(tài)以及將Cr+2離子轉換成Cr+3態(tài)(參見圖4)來生成電。將所生成的電輸出234供給到DC負載206。
[0115]可以將從第二氧化還原液流電池堆212流出的反應物(流出物222、224)泵送到第一氧化還原液流電池堆210中以進行再充電，從而提供單一的充電和放電回路。由于從第二氧化還原液流電池堆212中的電解質(zhì)生成供給DC負載206的電，所以使輸出的電流與充電電源完全隔離，從而使得輸出功率能夠可靠跟蹤DC負載而不會發(fā)生功率峰值或功率下降。這種布置確保了來自電網(wǎng)、現(xiàn)場可再生能量發(fā)電機或現(xiàn)場分布式發(fā)電機的功率變化不會干擾到DC負載206的功率。相反，與大且廣泛變化的負載如電動車輛充電站或工業(yè)間歇過程(例如混合器)相關的功率波動保持與公用電網(wǎng)202和其它能源的隔離。對于公用事業(yè)這是有利的，因為這降低了對電網(wǎng)的壓力，且對充電站所有者也是有利的，因為其避免了大功率需求的充電。通過適當選擇每一堆內(nèi)串聯(lián)連接的單元的數(shù)量，氧化還原液流電池系統(tǒng)的獨特特性還使得能夠以高的總系統(tǒng)效率完成DC-DC轉換，從而在充電堆中獲得Vl并在放電堆中獲得V2。此外，設施所有者能夠選擇何時對系統(tǒng)充電，以便選擇最低成本的電來最大化毛利率。
[0116]如上所述，通過使用來自設備或設施冷卻系統(tǒng)或地熱加熱系統(tǒng)236的現(xiàn)場廢熱將反應物加熱至升高的溫度如約40° C-65° C，能夠提高第一和第二氧化還原液流電池堆210、212的電效率。如上所述，可以將來自廢熱回收系統(tǒng)、太陽能熱水系統(tǒng)、或地熱加熱系統(tǒng)236的加熱流體提供給氧化還原液流電池堆210、212內(nèi)的換熱器(如液流238所示)和/或加熱反應物儲罐214、216 (如液流240所示)。
[0117]圖13A所示的實施例為與輸入功率如公用電網(wǎng)202、現(xiàn)場可再生能源204或現(xiàn)場分布式發(fā)電機205的可變性電隔離的負載206提供電源。如果設計目標是簡單提供電隔離，系統(tǒng)200可使用小的電解質(zhì)反應物罐214、216 (例如，容納電解質(zhì)的熱膨脹的并當進行維護，將氧化還原液流電池堆組件210、212排干時，儲存電解質(zhì)的足夠的罐容量)。這是因為能夠以反應物放電的相同速率對其進行充電。然而，通過使用較大的電解質(zhì)反應物罐214、216，系統(tǒng)還能夠用作備用電源，從而在輸入功率(例如來自公用電網(wǎng)202)不可用時對負載206提供電力。
[0118]針對圖13A所示的Fe/Cr氧化還原液流電池系統(tǒng)200的實施例的特別有吸引力的應用是用作數(shù)據(jù)中心的功率隔離器/不間斷電源。數(shù)據(jù)中心需要特別高品質(zhì)的DC電力且還放出大量廢熱。目前，將基于鉛-酸電池的不間斷電源(UPS)用在數(shù)據(jù)中心中以確保高品質(zhì)DC電力和短持續(xù)時間的備用電源。熱加劇了鉛-酸電池的正柵極腐蝕和硫酸鹽化失效機制，從而必須在溫度受控環(huán)境中操作這種UPS系統(tǒng)。與鉛-酸電池UPS相反，圖13A所示實施例的Fe/Cr氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠提供可靠的電源，同時利用數(shù)據(jù)中心的廢熱來提高總系統(tǒng)效率，從而在基于鉛-酸的UPS基礎上提供實在的優(yōu)勢。
[0119]如上所述，參考圖2和圖5，將圖13A中的第一和第二氧化還原液流電池堆210、212配置成在堆的每一單元層中具有多個單元，將每一單元層內(nèi)的單元配置成對沿反應物流通路徑的每一單元中期望的電解質(zhì)濃度設計參數(shù)如匹配的催化劑加載量、催化劑活性、溫度、反應物傳質(zhì)速率和隔膜選擇性。圖13A中所示的Fe/Cr氧化還原液流電池實施例中，第一氧化還原液流電池堆210配置成用于充電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度、傳質(zhì)速率和隔膜選擇性增力卩。相反，第二氧化還原液流電池堆212配置成用于放電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中放電催化劑加載量、放電催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率增加且隔膜選擇性下降。
[0120]在圖13B所示的第二示例性實施例中，能使用氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)為電動車(EV)或插入式混合電動車輛(PHEV)充電站250提供電力。除了在第一氧化還原液流電池堆210與電解質(zhì)儲罐214、216間提供單獨的充電回路252，以及在第二氧化還原液流電池堆210、212與電解質(zhì)儲罐214、216間提供單獨的放電回路254之外，該實施例利用如上參考圖13A所述的許多部件。例如，一組放電回路泵260、262將電解質(zhì)入口液流256、258從電解質(zhì)儲罐214、216泵送到第二氧化還原液流電池堆212中，以及一組充電回路泵268、270將電解質(zhì)入口液流264、266泵送到第一氧化還原液流電池堆210中。這使得充放電過程能夠相互獨立地操作。因此,如果放電系統(tǒng)的需求要求放電回路254中比充電回路252中較高的電解質(zhì)質(zhì)量流量，則放電回路泵260、262可以以不同于充電回路泵268、270的速度操作。類似地，如果不要求放電，可操作充電回路泵268、270而繼續(xù)充電系統(tǒng)，同時放電回路254保持閑置。因此，在非峰值的夜晚時間期間，能夠操作充電回路252以在反應物中儲能，同時按需要間歇操作放電回路以滿足負載需求。
[0121]圖13B所示的車輛充電站250的實施例為車輛充電器272提供輸出功率234，該充電器272配置成以充電電動車輛274所需要的電壓和電流密度來提供電力。該實施例利用跟蹤氧化還原液流電池系統(tǒng)容量的負載，因為可以期望的，電動車輛的快速充電會要求大功率需求。因為電動車輛的充電不太可能是一個恒定過程，且更可能是在車輛到達充電站時隨機發(fā)生，這種對大量功率的定期需求會導致對公用電網(wǎng)202、可再生能源204、和/或分布式發(fā)電機源205如燃料電池352的不可接受的需求。簡單地通過經(jīng)由放電回路254來增加電解質(zhì)的質(zhì)量流量，氧化還原液流電池系統(tǒng)能夠滿足充電功率的需求。因此，在充電回路252從公用電網(wǎng)202、可再生能源204、和/或分布式發(fā)電機源205提取恒定量功率的同時，能夠操作放電回路254及其第二氧化還原液流電池堆212以滿足為電動車輛再充電的周期性需求。該實施例確保從電網(wǎng)202或現(xiàn)場可再生能源接收的功率的變化不會干擾車輛充電或損害車輛的蓄電池。氧化還原液流電池系統(tǒng)的獨特特性使得能夠以高的總系統(tǒng)效率進行DC-DC轉換，進一步提供經(jīng)濟的車輛充電系統(tǒng)。此外，充電站操作員能夠在電費較低的非峰值時間期間對電解質(zhì)充電，從而提高了操作員的總毛利率。
[0122]與如上參考圖13A所述的實施例類似，在對第一和第二氧化還原液流電池堆210、212各自的充放電的功能進行設計時，對其進行配置。在圖13B所示的Fe/Cr氧化還原液流電池實施例中，第一氧化還原液流電池堆210配置成用于充電，因此在沿從進口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度、傳質(zhì)速率和隔膜選擇性增加。相反，第二氧化還原液流電池堆212配置成用于放電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中放電催化劑加載量、放電催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率增加且隔膜選擇性下降。
[0123]圖13C示出了電動車輛充電站300的又一實施例。除使用閥302、304來控制通過充電回路252和放電回路254的電解質(zhì)反應物液流使得通過單組電解質(zhì)泵260、262將電解質(zhì)反應物泵送通過一個或兩個回路之外，該實施例利用與如上參考圖13A和13B所述的許多部件。該實施例具有成本優(yōu)勢，因為其需要較少的泵。
[0124]與如上參考圖13A和13B所述的實施例類似，第一和第二氧化還原液流電池堆210、212配置成用于它們各自的充放電的功能。在圖13C所示的Fe/Cr氧化還原液流電池實施例中，第一氧化還原液流電池堆210配置成用于充電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度、傳質(zhì)速率和隔膜選擇性增力口。相反，第二氧化還原液流電池堆212配置成用于放電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中放電催化劑加載量、放電催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率增加且隔膜選擇性下降。
[0125]在圖13D所示的第四示例性實施例中，能使氧化還原液流電池儲能系統(tǒng)與燃料電池一起使用來提供燃料電池/氧化還原液流電池發(fā)電系統(tǒng)350，用于為電網(wǎng)或工業(yè)設施提供可靠的負載跟蹤功率。該實施例利用如上參考圖13A所述的許多部件。在該實施例中，從由接收自燃料源356的燃料如氫的化學轉換生成電力的燃料電池352接收電能。燃料電池是非常有效的電力發(fā)生器，其比大部分基于其它燃料的能量發(fā)生系統(tǒng)產(chǎn)生較少的污染。眾所周知，燃料電池當以恒定輸出功率水平操作時，操作最有效且持續(xù)時間較長。然而，在整個白天期間，對典型公用電網(wǎng)202或工業(yè)設施359的功率需求波動很大。因此，盡管燃料電池可代表有前途且有效的替代電源，但其特性不適用于公用電網(wǎng)應用。該燃料電池/氧化還原液流電池系統(tǒng)350的實施例通過使用雙氧化還原液流電池堆210、212來支持同時充放電操作，使得在滿足電網(wǎng)202或工業(yè)設施359的波動需求的同時，以固定功率水平從燃料電池352接收電力，從而克服燃料電池的這種局限性。
[0126]在該實施例中，可經(jīng)燃料管道354，從燃料源356向燃料電池352提供化學燃料如氫或天然氣。例如，燃料電池/氧化還原液流電池系統(tǒng)350可位于或靠近天然氣源如在油田中，使得能夠將從地下提取的天然氣提供給燃料電池。燃料電池352將燃料轉換成電力和廢水(例如水和二氧化碳)。將從燃料電池352輸出的電力提供給第一氧化還原液流電池堆210，在此使用電力來充電儲存在電解質(zhì)儲罐214、216中的電解質(zhì)。如上所述，將儲存在電解質(zhì)物質(zhì)中的電能轉換成第二氧化還原液流電池堆212中的電力。能夠將來自第二氧化還原液流電池堆212的電力輸出234提供給逆變器358，逆變器358將由電池生成的DC電流轉換成與公用電網(wǎng)202或工業(yè)設施359兼容的AC電流。逆變器358可以為本領域所熟知的固態(tài)電氣DC-AC逆變器或電動機-發(fā)電機。在該實施例中，通過調(diào)節(jié)泵226、228的速度能夠控制通過第二氧化還原電池堆212的電解質(zhì)的流動，從而生成滿足電網(wǎng)202的需求的電力。當公用電網(wǎng)202或工業(yè)設施359的需求超過燃料電池252的穩(wěn)態(tài)輸出時，使用電解質(zhì)中儲存的能量來滿足額外的需求。當公用電網(wǎng)202的需求小于燃料電池252的穩(wěn)態(tài)輸出時，超出的能量儲存在電解質(zhì)中。因此，系統(tǒng)350能夠跟蹤公用電網(wǎng)202或工業(yè)設施359的峰值需求而不必以低效或可能造成損害的方式操作燃料電池352。以類似的但替代的方式，能夠將系統(tǒng)350用作現(xiàn)場分布式發(fā)電機以跟蹤位于同一位置的工業(yè)設施負載359的峰值需求。通過公用電網(wǎng)202或單獨的獨立式燃料電池系統(tǒng)352能夠滿足工業(yè)設施359的基本負載需求。
[0127]類似于如上參考圖13A-13C所述的實施例，第一和第二氧化還原液流電池堆210、212配置成用于它們各自的充電和放電功能。在圖13D所示的Fe/Cr氧化還原液流電池實施例中，第一氧化還原液流電池堆210配置成用于充電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中充電催化劑加載量、充電催化劑活性、溫度、傳質(zhì)速率和隔膜選擇性增加。相反，第二氧化還原液流電池堆212配置成用于放電，因此在沿從入口到出口的流通路徑的后續(xù)單元中放電催化劑加載量、放電催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率增加且隔膜選擇性下降。
[0128]在圖14所示的其它實施例中，氧化還原液流電池系統(tǒng)400配置成使用重力來使反應物流過電池單元，由此減少或消除了泵的需要。與其它液流電池系統(tǒng)相比，重力驅動的氧化還原液流電池系統(tǒng)400具有較少的部件且更簡單，從而降低了其購置成本。消除泵還降低了寄生損耗，從而導致更有效的總儲能系統(tǒng)。將能量儲存在罐404、406中儲存的電解質(zhì)中的化學物質(zhì)濃縮物中。電解質(zhì)通過取決于流動方向和施加的功率或負載，充電電解質(zhì)或放電電解質(zhì)的氧化還原液流電池堆410。然后將排出氧化還原液流電池堆410的電解質(zhì)流體收集在位于氧化還原液流電池堆410下方的一套匹配罐414、416中。所示的示例性實施例包括四個反應物罐404、406、414、416，兩個(404、414)用于陽極電解質(zhì)反應物以及兩個(406、416)用于陰極電解質(zhì)反應物?？砂ㄈ芜x的閥418、420、424、422以能夠對流過氧化還原液流電池堆410的反應物進行控制或節(jié)流?？梢詫⒀趸€原液流電池堆410和四個反應物罐404、406、414、416集成在支撐結構402如圓筒內(nèi)。當閥418、420、422、424打開時，反應物經(jīng)重力從頂罐404、406流過氧化還原液流電池堆410并流入底罐414、416中。在充電模式中，以與電解質(zhì)流量一致的速率以及電解質(zhì)的充電狀態(tài)通過氧化還原液流電池堆410消耗電力。一旦對儲存在反應物中的能量進行補充或在其它時間對系統(tǒng)放電，則重力驅動的氧化還原液流電池系統(tǒng)400被旋轉180°，從而能夠開始放電操作。因此，氧化還原液流電池堆410的充電/放電操作取決于系統(tǒng)的定向。
[0129]由于圖14所示的實施例的目標是簡化操作和設計，所以將單個氧化還原液流電池堆410用于充放電兩種模式，盡管可使用分開的電池堆。如上參考圖5所述，配置單一氧化還原液流電池堆410來在充放電模式中使得催化劑加載量、催化劑活性、溫度、反應物傳質(zhì)速率和隔膜選擇性與在沿反應物流通路徑的各個獨立單元中期望的的電解質(zhì)濃度相匹配。具體地，配置單一氧化還原液流電池堆410，以便在從電池堆一端到另一端的后續(xù)單元中，催化劑加載量、催化劑活性、溫度和傳質(zhì)速率取決于哪個半周期(充電或放電)需要優(yōu)化而變化且隔膜選擇性增加。在操作中，反應物在用于充電的一個方向中并在用于放電的相反方向中流過氧化還原液流電池堆410。
[0130]另外，由于圖14所示的實施例的目標是操作和設計簡化，所以氧化還原液流電池堆410和罐404、406、414、416可以不包括用于控制反應物溫度的熱管理或換熱器。
[0131]在圖15A-15C中示出了重力驅動的氧化還原液流電池系統(tǒng)400的操作。在圖15A所示的充電模式中，反應物經(jīng)重力從頂罐404、406流過氧化還原液流電池堆410并流入底罐414、416中，同時向電池堆供應電力。使用閥418、420、422、424可對通過氧化還原液流電池堆410的反應物的流動進行控制，從而與施加到堆上的充電功率的量相匹配。因此，當不能獲得用于充電的功率時，閥418、420、422、424可保持關閉，以及當可獲得小于全充電功率的功率時，可以部分打開閥418、420、422、424以提供通過電池堆410的計量的液流。氧化還原液流電池堆410和罐404、406、414、416與流通導向管道管道連接并被配置成反應物在充電期間，在從入口到出口的催化劑加載量、催化劑活性和傳質(zhì)減小以及隔膜選擇性增加的方向中流過電池堆。
[0132]如圖15A-15C所示，可將氧化還原液流電池系統(tǒng)400集成在支撐在輥430、432或輪軸(未示出)上的圓筒形支撐結構402內(nèi)，以便該系統(tǒng)能夠繞其長軸旋轉而從充電模式變?yōu)榉烹娔Ｊ交驈姆烹娔Ｊ阶優(yōu)槌潆娔Ｊ?。例如，在一實施例中，一個或多個棍430、432可以裝配有驅動機構如電驅動的電動機(未示出)、鏈驅動機構(例如可以將其連接到電動機或自行車踏板上)或簡單的手搖柄434以便支持圓筒形支撐結構402的旋轉。在圖15B中示出了該操作，圖15B示出閥418、420、422、424關閉，以及通過連接到輥432中的一個上的手搖柄434驅動機構的旋轉，在順時針方向中旋轉圓筒形支撐結構402。圖15A-15C所示的手搖柄434僅用于說明性目的，因為可以將多種機械動力源用作驅動機構，例如連接到自行車的鏈驅動、電動機或內(nèi)燃機、水車等。
[0133]如圖15C所示，將氧化還原液流電池系統(tǒng)400旋轉180°使該系統(tǒng)處于放電操作的配置中，以便來自罐414、416的充電反應物經(jīng)重力流過氧化還原液流電池堆410并流入底罐404、406中，由此從電池堆410生成電力。由于該系統(tǒng)的配置，反應物在與充電期間相反的方向中流過氧化還原液流電池堆410?？墒褂瞄y418、420、422、424控制通過氧化還原液流電池堆410的反應物的流動以便匹配生成的電功率的量。因此，當不需要功率時，閥418、420、422、424可以保持關閉，以及當需要小于全容量功率的功率時，可以部分打開閥418、420、422、424以便提供通過電池堆410的計量的液流。
[0134]從圖14-15C所示的實施例中的液流電池系統(tǒng)消除泵的優(yōu)勢為多方面的。首先，該實施例使得系統(tǒng)可全密封。對氧化還原液流電池系統(tǒng)來說全密封非常重要，因為任意一點空氣漏入電解質(zhì)罐或管道中都將使反應物氧化，從而降低性能并可能生成危險氣體。因此，非常良好密封的系統(tǒng)很重要。消除對泵的需要確保了更結實和簡單封閉的系統(tǒng)。其次，消除泵提高了總系統(tǒng)效率。泵是直接降低系統(tǒng)的往返效率的寄生損耗源。因此，該實施例最大化往返效率，特別是如果通過廉價能量如手搖柄434執(zhí)行旋轉。第三，消除對泵的需要降低了成本和維護要求，因為電解質(zhì)反應物的酸特性要求特殊的泵和泵材料。第四，用來旋轉結構402的方法不接觸反應物，因此能使用包括人力的低成本、可靠的機構來旋轉系統(tǒng)，從而改變操作模式。第五，系統(tǒng)可安靜地操作，因為系統(tǒng)在操作時，無移動的部件。
[0135]除了旋轉機構外，控制閥418、420、422、424是僅有的移動機械部件。通過隨時在充放電模式間切換，能夠靈活地操作系統(tǒng)。例如，一旦系統(tǒng)放電通過一個周期，則通過旋轉系統(tǒng)180°而將反應物流回合適的罐中以用于放電而未向電池堆410施加電力，并然后將系統(tǒng)旋轉另一個180°以重新開始放電過程而進行第二次放電可能是有利的。盡管輸出的功率會比第一放電周期低，但是這樣做將生成在反應物中儲存的較多電能。同樣地，以類似的過程，通過多個周期，能夠對該系統(tǒng)充電。此外，如果必要，系統(tǒng)能夠從充電模式變換到放電模式而不需要旋轉罐，但會降低系統(tǒng)的效率。
[0136]如上參考圖14和15A-15C所述的實施例的設計和操作的簡化，以及Fe/Cr電解質(zhì)反應物的安全性，使得實施例的系統(tǒng)可理想地用于小型電力儲存應用中。例如，這種實施例可理想地適用于偏遠的電力應用中，例如不能使用公用電網(wǎng)而使用太陽能光伏陣列和/或風力渦輪發(fā)電機來發(fā)電的偏遠城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村。例如，添加類似于該實施例的氧化還原液流電池系統(tǒng)會允許在夜間向偏遠城鎮(zhèn)和鄉(xiāng)村供應電力。類似地，可以將根據(jù)該實施例的一個或兩個系統(tǒng)用在不需要對車輛充電時，使用公用電網(wǎng)的電力或當?shù)乜稍偕茉磳ο到y(tǒng)進行充電，并在需要時旋轉存儲系統(tǒng)以提供用于充電電動車輛的偏遠的電動車輛充電站中。
[0137]可調(diào)整該實施例系統(tǒng)的尺寸以便裝配在標準尺寸的集裝箱內(nèi)部。因為這些系統(tǒng)完全密封且是整裝的，所以可以在集裝箱內(nèi)安全地對其進行操作，使得要包裝的系統(tǒng)能夠快速地部署。出于運輸目的，電解質(zhì)可以作為鹽如氯化鐵來運輸，可將其儲存在罐中。這能夠大大降低針對運輸?shù)南到y(tǒng)的重量。然后，一旦系統(tǒng)就位，即添加水以達到操作所需要的濃度。以這種方式，能夠以準備好直接運輸?shù)臈l件構建和存放諸如如上參考圖14-15C所述的實施例的系統(tǒng)，并在需要時移至需要儲能的場所。例如，可以將這種可部署的儲能系統(tǒng)建立在發(fā)生自然災害的地點如颶風著陸或地震中心，以幫助提供應急電力，直至可靠的公用服務恢復為止。
[0138]圖14和15A-15C示出了與罐404、406、414、416完全集成并在支撐結構402內(nèi)固定的管道連接的電池堆410。然而，在另一個實施例中，可以將罐404、406、414、416與電池堆410分開，以便可以旋轉罐來通過保持靜止的電池堆410獲得期望的重力供料。該替代實施例在易于添加較多罐/儲存容量的能力方面可能更靈活。該替代實施例要求靈活的布管或包括適應旋轉而不會泄露的流體聯(lián)接。
[0139]如上所述，各種實施例利用沿反應物流通通道的具有不同配置的獨立單元來提高總電性能。圖16A-16C示出了適合用在圖2所示的三單元氧化還原液流電池配置的獨立反應單元中的示例性的隔膜材料的顯微照片。圖16A所示的隔膜材料由膜孔隙率小于約0.1微米的多微孔材料制成，其適合用于在放電模式中與堆入口相鄰以及在充電模式中與堆出口相鄰的單元中。該多微孔材料具有約0.8ohm-cm2的面積比電阻并具有約2000 y gFe/hr-cm/M的反應物選擇性。圖16B所示的隔板材料由膜孔隙率為約2-約5微米的熔體吹材料制成，其適合用于在堆入口和堆出口之間半途的單元中，該材料顯示出約0.5ohm-cm2的面積比電阻并具有約4000 u gFe/hr-cm/M的反應物選擇性。圖16C所示的隔板材料由膜孔隙率為約15-約30微米的紡結合材料制成，其適合用于在放電模式中與堆出口相鄰且在充電模式中與堆入口相鄰的單元中，該材料具有約0.2ohm-cm2的面積比電阻并具有約12，OOO μ gFe/hr-cm/M的反應物選擇性。
[0140]在下表1中列出了用于三單元配置的其它代表性堆設計參數(shù)和性能特征。所有值都為近似值。
[0141]表1
[0142]
【權利要求】
1.一種氧化-還原液流電池系統(tǒng)，包括: 電解質(zhì)儲存和泵送系統(tǒng)，用于提供至少一個電解質(zhì)液流； 氧化-還原單元的第一堆組件，其與所述至少一個電解質(zhì)液流液壓連通并且配置成用于僅從隨時間變化的第一功率可變性的電源充電；以及 氧化-還原單元的第二堆組件，其與所述至少一個電解質(zhì)液流液壓連通并且配置成僅用于向不同于所述第一功率可變性的、隨時間變化的第二功率可變性的負載放電。
2.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第一和第二堆組件不同地配置成用于由總功率、操作電壓、操作電壓范圍、操作電流、操作溫度、電解質(zhì)流量、單元伏打效率、單元庫侖效率、分路電流、待機時間、響應時間、緩變率，以及充電/放電循環(huán)頻率和極限負荷比構成的功率可變性的一個或多個選擇的條件。
3.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第一和第二堆組件的至少一個配置成用于分別在單個通道中的充電或放電反應。
4.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，進一步包括氧化-還原單元的第三堆組件，其與所述至少一個電解質(zhì)液流液壓連通并且配置成僅用于通過比所述第一功率可變性隨時間變化較大的第三功率可變性的電源來充電。
5.根據(jù)權利要求4的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第一和第三堆組件配置成用于從由光伏陣列、光伏聚光器陣列、太陽熱發(fā)電系統(tǒng)、風力渦輪、水力發(fā)電廠、波能發(fā)電廠、潮汐發(fā)電廠、分布式電網(wǎng)和本地電網(wǎng)組成的組選擇的電源。
6.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，進一步包括氧化-還原單元的第三堆組件，其與所述至少一個電解質(zhì)液流液壓連通并且配置成僅用于通過比所述第二功率可變性隨時間變化較大的第三功率可變性的負載來放電。`
7.根據(jù)權利要求6的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第二和第三堆組件配置成用于從由電動車輛充電站、電動車輛電池更換站、電網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心、蜂窩電話站、另一儲能系統(tǒng)、車輛、灌溉泵、食品加工廠和本地電網(wǎng)構成的組選擇的負載。
8.根據(jù)權利要求1的氧化-還原液流電池系統(tǒng)，其中，所述第一和第二堆組件的至少一個包括: 排列在第一塊中的第一多個電化學反應單元； 排列在第二塊中的第二多個電化學反應單元；以及 排列在第三塊中的第三多個電化學反應單元， 其中，沿所述至少一個電解質(zhì)液流，液壓串聯(lián)地排列第一、第二和第三塊，以及 其中，每一塊中的多個電化學反應單元都包括匯聚級聯(lián)。
9.一種氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，包括: 排列在第一塊中的第一多個電化學反應單元； 排列在第二塊中的第二多個電化學反應單元；以及 排列在第三塊中的第三多個電化學反應單元， 其中，沿結合到液體電解質(zhì)源的流通路徑、液壓串聯(lián)地排列所述第一、第二和第三塊，以及 其中，每一塊的組合的電解質(zhì)液流體積都基于以上游塊的期望的反應物消耗為基礎的所述液體電解質(zhì)中的電化學反應物的期望的可用性。
10.根據(jù)權利要求9的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，其中，所述第一塊包括比所述第三塊較大的總電解質(zhì)液流體積。
11.根據(jù)權利要求10的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，其中，所述第一塊包括比所述第三塊較多數(shù)目的電化學單元。
12.—種氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，包括: 經(jīng)第一液壓流通路徑連通的第一對電解質(zhì)罐； 經(jīng)第二液壓流通路徑連通的第二對電解質(zhì)罐； 電化學反應單元的第一堆組件； 電化學反應單元的第二堆組件； 第一中間電解質(zhì)罐；以及 第二中間電解質(zhì)罐， 其中，通過所述第一對電解質(zhì)罐間的第一液壓流通路徑，液壓串聯(lián)地排列所述第一堆組件、所述第一中間電解質(zhì)罐和所述第二堆組件，以及 其中，通過所述第二對電解質(zhì)罐間的第二液壓流通路徑，液壓串聯(lián)地排列所述第一堆組件、第二中間電解質(zhì)罐和所述第二堆組件。
13.根據(jù)權利要求12的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，進一步包括電化學單元的第三堆組件，其由所述第一和第二中間電解質(zhì)罐間的第三液壓流通路徑供應。
14.根據(jù)權利要求13的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，其中，所述第三堆組件配置成用于在兩罐模式中快速響應。
15.根據(jù)權利要求12的氧化-還原液流電池儲能系統(tǒng)，其中，所述第一和第二堆組件的至少一個包括: 排列在第一塊中的第一多個電化學反應單元； 排列在 第二塊中的第二多個電化學反應單元；以及 排列在第三塊中的第三多個電化學反應單元， 其中，沿第一和第二流通路徑，液壓串聯(lián)地排列所述第一、第二和第三塊，以及其中，所述第一、第二和第三塊包括:根據(jù)在每一塊中的電解質(zhì)的期望的充電狀態(tài)的反應的反應效率而單獨在結構上配置的多個電化學反應單元。
【文檔編號】H01M8/18GK103563150SQ201280004859
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2012年1月9日 優(yōu)先權日:2011年1月7日
【發(fā)明者】克雷格·霍納, 蘇米塔·杜萊拉杰, 達恩·?；? 羅恩·摩梭, 迪帕克·鮑斯 申請人:伊奈沃特公司
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