采用氧化还原液流电池的燃料系统的制作方法
【专利说明】采用氧化还原液流电池的燃料系统
[0001]相关申请
[0002]本申请涉及2009年8月21日提交的名称为〃Fuel System Using Redox FlowBattery"的序列号为61/235，859的美国临时申请和2009年4月6提交的名称为〃FuelSystem Using Redox Flow Battery〃的序列号为61/166，958的美国临时申请。这些申请的全文以引用的方式并入。
[0003]通过引用并入
[0004]本文中引用的所有专利、专利申请和专利公开的全文据此以引用的方式并入，以便更充分地描述本领域的技术人员在截至本文所述的发明日期时已知的技术状态。
【背景技术】
[0005]氧化还原液流电池，也称为液流电池或氧化还原电池或可逆燃料电池，是其中正极反应物和负极反应物在液体溶液中为可溶的金属离子的储能装置，上述金属离子在电池工作期间被氧化或还原。将两个可溶的氧化还原电对分别用于正极和负极来避免固相反应。氧化还原液流电池通常具有发电组件，该发电组件包括至少一个分隔正极反应物和负极反应物(也分别称为阴极浆料和阳极浆料)的离子输送膜，以及促进电子向外电路转移但不参与氧化还原反应(即集流体材料本身不进行法拉第活动(Faradaic activity))的正极集流体和负极集流体(也称为电极)。
[0006]本文中提及了液流电池的部件和常规一次或二次电池的部件在术语上的差异。液流电池中的电极活性溶液通常称为电解质，并且具体地称为阴极浆料和阳极浆料，这与其中电解质仅为离子传输介质且不进行法拉第活动的锂离子电池的情况大不相同。在液流电池中，在其上发生氧化还原反应且电子在此传输到或传输自外电路的非电化学活性部件称为电极，而在常规一次或二次电池中，它们称为集流体。
[0007]虽然氧化还原液流电池具有许多吸引人的特征，包括它们通过增加阴极浆料和阳极浆料贮存室的尺寸几乎可被构建到总充电容量的任意值的事实，但它们的缺陷之一在于其在很大程度上由金属离子氧化还原电对在液体溶剂中的溶解度决定的能量密度比较低。可提高金属离子的溶解度的程度是有限的。
[0008]在含水电解质电池，特别是利用锌作为电活性材料的电池的领域中，描述了含有金属颗粒悬浮液且其中该悬浮液流经膜和集流体的电解质。参见例如美国专利N0.4，126，733和N0.5，368，952以及欧洲专利EP 0330290B1。此类电极的所述目的是防止有害的Zn金属枝晶形成、防止有害的电极钝化、或提高电池放电时可溶解于正极中的锌酸盐的量。然而，此类含水电池的能量密度甚至在使用具有颗粒悬浮液的电解质时仍相对较低。此类电池不能提供足够高的比能来使电动车辆进行实际运行，也不能在比能或能量密度方面提供超过用于静止储能的常规氧化还原电池的极大改进，包括例如在网格服务或储存间歇式可再生能源(如风能和太阳能)中的应用。
【发明内容】
[0009]描述了用于使用液流电池的燃料车辆的可交换式燃料槽。可交换式燃料槽包括可用于氧化还原液流电池中进行发电的阴极浆料和/或阳极浆料。如以下更详细地描述，所述阳极浆料和阴极浆料流经离子渗透膜和连接至外电路的电极，从而参与氧化还原化学过程。可交换式燃料槽和液流电池组电池(flow battery cell)(其组合称为“堆(stack)”)的组合称为“电源系统”。燃料槽被构造为易于从电源系统中移除，并且易于排空和再填充。因而，可更换废弃燃料和/或可在填充过程中改变质量或性质，以为电源系统提供更大的通用性或功能性。
[0010]在其它实施方案中，电源系统配备有内部监测能力，从而可知晓电池状态。可监测的电源系统属性可提供关于阳极浆料和阴极浆料的充电状态的信息，即该槽是否为“满”或“空”。监测系统也可提供关于该系统的其它性质的信息，以大体上提供关于电源系统的健康状态的信息且识别可能危险或需要校正的状态。
[0011]在另一方面，电源系统可包括电能储存装置以及在一种一体化装置(integrateddevice)中同时为常规可充电电池和液流电池的电源。其适用于各种电池化学类型，包括含水电池(诸如，镍金属氢化物类型)以及非水电池(包括可充电锂电池、可充电钠电池或者基于其它碱性的或碱土的或非碱性的工作离子的电池)。鉴于基于锂离子化学的一个实施方案，此电池的基本构造具有隔板，如常规可充电锂电池中那样，该隔板的一侧为锂电池正极或负极或二者兼有。即，所述电极包含阴极活性材料或阳极活性材料，并且可包含该活性材料在金属集流体上的涂层，或可为独立式电极层(诸如包含该活性材料、任选地具有其它组分(如聚合物粘结剂或含碳导电剂或者金属添加剂或粘结剂)的密实层或烧结层)。这些离子储存电极被称为静止电极。然而，与常规锂电池电极不同，所述静止电极中的一个或两个可渗透液流电池的阴极浆料或阳极浆料，从而在装置运行期间，可仅对静止电极上的活性材料、仅对液流电池的阴极浆料或阳极浆料或二者兼有进行充电或放电。
[0012]在一个或多个实施方案中，氧化还原液流电池具有多电池堆设计，其包括阳极浆料或阴极浆料中的半固体反应物或稠密液体反应物。在一些实施方案中，通过流量阀和栗将氧化还原液流电池连接至阳极浆料储槽和阴极浆料储槽。在一些实施方案中，根据阳极浆料/阴极浆料的充电/放电阶段可使阳极浆料/阴极浆料的流动方向反向。在一些具体的实施方案中，储槽包括储存已放电的半固体反应物或稠密液体反应物的软外壳，可将该已放电的材料传送回装置中以进行充电。在一些实施方案中，通过歧管将半固体反应物或稠密液体反应物引入堆叠电池的每个电池隔室中。在一些实施方案中，可将阀门安装在歧管上。在一些实施方案中，可将阀门设置在电池隔室入口的正前方。在一些实施方案中，可将阀门设置在电池隔室出口的正后方。这些阀门可降低系统的短路风险。
[0013]在一些实施方案中，一个或多个喷射器连接至半固体多堆叠电池的歧管，并且加压区域(充气室(plenum))形成于歧管内。可使用充气室将阴极浆料或阳极浆料递送至单个电池隔室或一组电池隔室中。
[0014]在一些实施方案中，半固体氧化还原液流多电池堆或稠密液体氧化还原液流多电池堆可通过堆叠板来组装。所述氧化还原多电池堆的歧管通过将板堆叠在一起而形成。在一些具体的实施方案中，歧管的内表面可涂覆不导电材料，以使穿过液体的分路电流最小化。
[0015]在一方面，包括设置在其内的电源系统的可移动装置的操作方法，包括:
[0016]提供多个液流电池，每个液流电池包括:
[0017]正极集流体；
[0018]负极集流体；
[0019]分隔正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；
[0020]其中正极集流体和离子渗透膜限定了容纳正电活性材料的正电活性区；
[0021]其中负极集流体和离子渗透膜限定了容纳负电活性材料的负电活性区；其中正电活性材料和负电活性材料中的至少一种包含电活性区中的可流动的氧化还原组合物；
[0022]至少一个用于将可流动的氧化还原组合物分配至正电活性区或负电活性区之一中的分配容器，其中该分配容器与多个液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该分配容器能够从液流电池处连接和断开；和
[0023]至少一个用于从正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收容器，其中该接收容器与液流电池连接且与所述电活性区流体连通，并且该接收容器能够从液流电池处连接和断开；
[0024]将分配容器中的可流动的氧化还原组合物引入电活性区中的至少一个中，以使液流电池放电，从而提供电能来操作装置；以及
[0025]接收接收容器中的已放电的氧化还原组合物。
[0026]在任何前述实施方案中，该方法还包括通过将分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向电源系统补给燃料。
[0027]在任何前述实施方案中，该方法还包括将接收容器更换为新的空接收容器。
[0028]在任何前述实施方案中，可移动装置为车辆。
[0029]在任何前述实施方案中，可移动装置为可移动发电机。
[0030]在任何前述实施方案中，车辆为陆地、空中或水上运载工具。
[0031]在任何前述实施方案中，氧化还原组合物包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，该组合物能够在电池工作期间吸收和释放离子。
[0032]在任何前述实施方案中，该方法还包括通过将含有氧化还原组合物的分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向电源系统补给燃料。
[0033]在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于上述氧化还原组合物的特性。
[0034]在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的功率密度。
[0035]在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的能量密度。
[0036]在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的半固体粒度。
[0037]在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的电活性材料浓度。
[0038]在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物与上述氧化还原组合物相比具有较小的半固体粒度和较高的功率密度。
[0039]在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物与上述氧化还原组合物相比具有较高的电活性材料浓度和较高的能量密度。
[0040]在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成单体(unitary body)。
[0041]在任何前述实施方案中，多个液流电池构成一组液流电池，并且分配容器和接收容器与液流电池堆可逆地连接。
[0042]在任何前述实施方案中，液流电池并联连接。
[0043]在任何前述实施方案中，液流电池串联连接。
[0044]在任何前述实施方案中，该方法还包括提供设置于分配容器和接收容器中的一个或两个与液流电池堆之间的栗。
[0045]在任何前述实施方案中，栗为可对两个方向上的流量进行操作的可逆式流量栗。
[0046]在任何前述实施方案中，分配容器或接收容器包括柔性软外壳。
[0047]在任何前述实施方案中，该方法还包括设置在每个燃料电池的入口处的阀门，以控制进入相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻液流电池之间的分路电流最小化。
[0048]在任何前述实施方案中，该方法还包括提供多孔喷射系统，该系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。
[0049]在任何前述实施方案中，多孔喷射系统包括多个隔室，每个隔室与液流电池堆中的液流电池的子组和用于将氧化还原组合物引入每个隔室中的喷射器流体连通。
[0050]在任何前述实施方案中，多个隔室中的压力大于电活性区中的压力。
[0051 ] 在任何前述实施方案中，该方法还包括具有用于使液流电池堆中的冷却剂循环的冷却系统。
[0052]在任何前述实施方案中，该方法还包括提供连接至分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测分配容器或接收容器中的一个或两个的氧化还原组合物的体积或含量。
[0053]在任何前述实施方案中，该方法还包括用新鲜的氧化还原组合物来补充分配容器。
[0054]在任何前述实施方案中，补充分配容器包括将新的氧化还原组合物引入分配容器中。
[0055]在任何前述实施方案中，该方法还包括从接收容器中移除已放电的氧化还原组合物。
[0056]在任何前述实施方案中，从接收容器中移除已放电的氧化还原组合物包括排空接收容器中的已放电的氧化还原组合物。
[0057]在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成