[发明专利]流过式电极单元及其用途、氧化还原液流电池系统及其用途、制造流过式电极单元的方法、操作氧化还原液流电池系统的方法

说明书

提供了一种流过式电极单元，其特别用于氧化还原液流电池，并包括流过式电极，该流过式电极包括基材并且具有至少一个开放通量表面结构。还描述了流过式电极单元的用途、制造流过式电极单元的方法、氧化还原液流电池系统及其用途、以及操作氧化还原液流电池系统的方法。

技术领域

本发明涉及流过式电极单元及其用途、氧化还原液流电池系统及其用途，制造流过式电极单元的方法、以及操作氧化还原液流电池系统的方法。

背景技术

氧化还原液流电池(RFB)是一种电化学存储装置，用于以分子和/或离子中包含的化学能的形式存储电能，该分子和/或离子形成可逆的氧化还原对。这意味着分子和/或离子可以可逆地还原和氧化。在以下描述中，术语“分子”的定义包含中性或带电分子和/或离子。

氧化还原液流电池的原理在本领域中是已知的。一种特定类型的氧化还原液流电池，全钒氧化还原液流电池在1980年代由新南威尔士大学的Maria Skyllas-Kazacos开发并获得专利(AU575247)。从那时起，RFB已用于小众应用。在过去几年中，由于对可再生能源的关注日益增加以及由此产生的对能量存储/供应应用的需求，人们越来越关注对RFB技术的商业利用。

与其他电池相比，RFB在用于大规模储能装置时具有多个优点。与其他电池相比，RFB显示出低程度的自放电、对深度放电的高度抵抗，并且基本上没有不可逆的容量损失。与其他电池技术相比的决定性差异是存储介质与将化学能转换为电能(反之亦然)的电池部分在空间上是分离的。这还允许调换RFB的各个部件。

图1示意性地示出了RFB的结构。能量的转换在由两个不同液体的空间，即所谓的半电池12、14，组成的电池10中实现。半电池12、14各自包括电极16、18并且由选择性离子渗透膜20隔开。储存能量的化学物质溶解在离子导电的流体中，特别是液体中，因此允许电荷载体的转移。对于RFB，这些存储物质和离子导电流体的溶液简称为电解质。两个半电池的组合需要两种不同的电解质，其包括不同的分子和/或离子的氧化还原对。两种氧化还原对之间的氧化还原电位的差异产生电池的空载电压。具有较高氧化还原电位的半电池代表电池的正电极，称为正电极侧。具有较低氧化还原电位的半电池表示负电极，称为负电极侧。

在RFB的操作期间，两种电解质途经相应的半电池12、14(参见图1中的箭头)，从而在两个电极16、18之间产生电压。对于电解质路径，每个半电池12、14通常经由包括泵26、28的管道22、24连接到电解质储存器，例如容器30、32。在通过外部电路(未示出)连接电极之后，在负半电池中，来自化学物质的电子转移到电极，电子通过外部电路从该电极传导到正半电池的电极，在正半电池的电极中电子转移至具有较高氧化还原电位的化学物质。经由外部电路的这种电荷转移可以用作电流。为了在两种电解质中实现电中性，需要离子或带电分子的电荷同时流过分隔两个半电池的膜。通过将电源连接到外部电路，且电源的电压大于两个电极的电位差，该过程是可逆的。因此，电荷的转移反转并且电能存储到了电池中，直至电解质中的基本上所有电物质都改变了它们的氧化态。所得电解质分别储存在外部容器30、32中，在充电或放电期间，所得电解质使用管道22、24和泵26、28经过各自的半电池12、14从该外部容器30、32中分开循环。

几个电池(cell)10可以电串联组合形成堆叠，类似于普通电池组(battery)。图2a示出了RFB中使用的电池堆叠40的现有技术结构。在堆叠40内，电池10被双极板42分开。堆叠40由两个端板44限制。堆叠40的总电压U由各个电池电压U₁至U_n的总和获得，如图2a所示。通常，以与各个电池并联的方式供应电解质。这意味着所有正半电池以流体和/或液体方式并联连接，并且在正半电池中电解质通常以相同的流动方向流动(参见图2a中的箭头)。对于所有负半电池也是如此。在每个电池10中，正半电池和负半电池的电解质流可以沿如图2a所示的相同流动方向(同向)或沿相反的流动方向(反向)流动。