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氧化还原液流电池和运行氧化还原液流电池的方法

阅读：221发布：2020-05-08

专利汇可以提供氧化还原液流电池和运行氧化还原液流电池的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明涉及一种运行能够充电的氧化还原液流电池的方法和氧化还原液流电池。首先，提供氧化还原液流电池，所述氧化还原液流电池包括第一腔和第二腔，其中，第一腔与第二腔通过膜分离，并且其中，第一腔包括阴极，第二腔包括阳极。随后，将第一电解质作为阴极电解质导入第一腔内。将第二电解质作为阳极电解质导入第二腔内。第一电解质包括第一还原氧化对，并且第二电解质包括第二还原氧化对。此外，第一和/或第二电解质包括用于使还原氧化对化学稳定的稳定pH的缓冲液。随后，可以对氧化还原液流电池进行充电或放电。，下面是氧化还原液流电池和运行氧化还原液流电池的方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种运行能够充电的氧化还原液流电池(1)的方法，所述方法具有如下步骤：
-提供氧化还原液流电池(1)，所述氧化还原液流电池包括第一腔(4)和第二腔(5)，其中，通过膜(3)将所述第一腔(4)与所述第二腔(5)分离，以及其中，所述第一腔(4)包括阴极(15)，并且所述第二腔(5)包括阳极(16)，
-将第一电解质(13)作为阴极电解质引导到第一腔(4)中，并且将第二电解质(14)作为阳极电解质引导到第二腔(5)中，其中，所述第一电解质(13)包括第一还原氧化对，并且所述第二电解质(14)包括第二还原氧化对，并且第一和/或第二电解质包括用于使还原氧化对化学稳定的稳定pH的缓冲液，
-对所述氧化还原液流电池(1)进行充电或放电。
2.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，至少使用多金属氧酸盐，来作为第一还原氧化对。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述缓冲液设计为，使得所述缓冲液的pH缓冲范围包括第一和/或第二还原氧化对的电化学活性pH范围。
4.根据权利要求3所述的方法，其中，使用pH缓冲范围在1至6的pH范围内的缓冲液。
5.根据权利要求3所述的方法，其中，使用pH缓冲范围在6至8的pH范围内的缓冲液。
6.根据权利要求3所述的方法，其中，使用pH缓冲范围在8至12的pH范围内的缓冲液。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，使用包括盐酸、甘氨酸和氯化钠的第一缓冲液、包括盐酸和邻苯二甲酸氢钾的第二缓冲液、包括柠檬酸和柠檬酸钠的第三缓冲液、包括乙酸和乙酸钠的第四缓冲液或者包括氢氧化钠和邻苯二甲酸氢钠的第五缓冲液，来作为稳定pH的缓冲液。
8.根据权利要求1至3或5中任一项所述的方法，其中，使用包括磷酸二氢钠和磷酸二氢钠的第六缓冲液，来作为稳定pH的缓冲液。
9.根据权利要求1至3或6中任一项所述的方法，其中，使用包括四硼酸钠和氢氧化钠的第七缓冲液、包括碳酸钠和碳酸氢钠的第八缓冲液或包括磷酸一钠和氢氧化钠的第九缓冲液，来作为稳定pH的缓冲液。
10.一种能够充电的氧化还原液流电池(1)，包括通过膜(3)分离的第一腔(4)和第二腔(5)，其中，所述第一腔(4)包括阴极(15)，并且所述第二腔(5)包括阳极(16)，并且第一腔(4)具有第一电解质(13)作为阴极电解质，并且第二腔(5)具有第二电解质(14)作为阳极电解质，其中，第一电解质(13)具有第一还原氧化对，并且第二电解质(14)具有第二还原氧化对，并且第一和/或第二电解质(13、14)包括用于使还原氧化对化学稳定的稳定pH的缓冲液。
11.根据权利要求10所述的氧化还原液流电池(1)，具有用于泵送阴极电解质通过第一腔(4)的第一泵(8)和用于泵送阳极电解质通过第二腔(5)的第二泵(9)。
12.根据权利要求10或11所述的氧化还原液流电池(1)，所述氧化还原液流电池包括具有第一电解质(13)的第一预存箱(6)，其中，第一预存箱(6)借助第一线路(17)与第一腔(4)连接；并且所述氧化还原液流电池包括具有第二电解质(14)的第二预存箱(7)，其中，第二预存箱(7)借助第二线路(18)与第二腔(5)连接。

说明书全文

氧化还原液流电池和运行氧化还原液流电池的方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种氧化还原液流电池和运行氧化还原液流电池的方法。

背景技术

[0002] 对电力的需求在一天的过程中剧烈波动。随着来自可再生能源的电力的份额越来越大，电力产生也在一天的过程中波动。为了能够在对电力的需求低的情况下，在具有大太阳和强风的时间，对电力的过剩进行平衡，需要可调节的发电站或存储器，来存储这些能量。

[0003] 电池是以电化学为基础的电能存储器，并且适合用于存储多余的能量。如果电池是能够充电的存储器，则该存储器也称为蓄电池。单个的能够充电的存储元件也称为次级元件。

[0004] 在氧化还原液流电池的情况下，与一般的次级元件不同，电极活性材料是液态的。将该液态的电解质存储在箱中，并且泵送到具有阴极的阴极空间内和/或具有阳极的阳极空间内。阴极空间和阳极空间通常通过膜彼此分离。在电极上，电极活性材料被还原或氧化。液态的电解质适宜包括还原氧化对，来作为电极活性材料。

[0005] 电解质通常包括盐，以便在阳极与阴极之间实现足够高的导电性。在这些电解质中，随着运行时间持续，一些新的还原氧化对、特别是过渡金属的氧化物的活性降低，因此，在氧化还原液流电池运行期间，这些电解质系统中的氧化还原液流电池的容量也不利地减小。

发明内容

[0006] 因此，本发明要解决的技术问题是，给出一种氧化还原液流电池和运行氧化还原液流电池的方法，其中，在运行期间，保持还原氧化对、特别是新的还原氧化对、例如过渡金属的氧化物的活性。

[0007] 上述技术问题利用根据权利要求1的方法和根据权利要求10的氧化还原液流电池来解决。

[0008] 根据本发明的用于运行能够充电的氧化还原液流电池的方法包括多个步骤。首先，提供氧化还原液流电池。氧化还原液流电池包括第一腔和第二腔，其中，第一腔与第二腔通过膜分离。第一腔包括阴极，并且第二腔包括阳极。将第一电解质作为阴极电解质导入第一腔内。将第二电解质作为阳极电解质导入第二腔内。第一电解质包括第一还原氧化对。第二电解质包括第二还原氧化对。第一和/或第二电解质还包括用于使还原氧化对化学稳定的稳定pH的缓冲液。然后，对氧化还原液流电池进行充电或放电。

[0009] 根据本发明的能够充电的氧化还原液流电池包括第一和第二腔，第一和第二腔通过膜分离，其中，第一腔包括阴极，并且第二腔包括阳极。第一腔具有第一电解质作为阴极电解质，并且第二腔具有第二电解质作为阳极电解质。第一电解质包括第一还原氧化对，并且第二电解质包括第二还原氧化对。第一和/或第二电解质还包括用于使还原氧化对化学稳定的稳定pH的缓冲液。

[0010] 一些还原氧化对非常敏感地对电解质的小的pH改变做出反应。特别是由于通过膜的质子和/或氢氧离子引起的pH值的这些小的改变，不利地导致电解质发生改变，这些改变导致还原氧化对去活，因此导致氧化还原液流电池的容量损失。根据本发明，根据本发明的方法和根据本发明的氧化还原液流电池包括具有至少一种稳定pH的缓冲液的至少一种电解质。因此，有利地防止在氧化还原液流电池运行期间，还原氧化对发生化学改变，使得活性和容量降低。换言之，更长时间地保持氧化还原液流电池的容量恒定，这使得氧化还原液流电池的使用寿命更长，因此使得运行成本更低。

[0011] 在本发明的一个有利的设计方案和扩展方案中，至少使用多金属氧酸盐，来作为第一还原氧化对。

[0012] 通过可以将多种不同的金属融入多金属氧酸盐的结构中，多金属氧酸盐使得能够设置期望的化学特性。由此，特别是在氧化还原液流电池中，有利地预期非常高的反应速率。有利地，特别是在多金属氧酸盐上也可以进行多级电子转移。

[0013] 在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中，稳定pH的缓冲液设计为，使得缓冲液的pH缓冲范围包括第一和/或第二还原氧化对的电化学活性pH范围。将如下范围称为电化学活性pH范围，即，在该范围内，还原氧化对的分子结构是活跃的，即，以还原氧化对可以被还原或氧化的方式存在。因此，有利地，可以将氧化还原液流电池与特定的还原氧化对单独匹配。因此有利地实现容量和使用寿命的保持。

[0014] 在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中，缓冲液的pH缓冲范围处于1至6的pH范围内。处于酸的范围内的缓冲液是特别合适的。特别是，在该范围内，可以使用包括盐酸、甘氨酸和氯化钠的第一缓冲液。该缓冲液的pH范围在1至3.5的范围内。替换地，在该范围内，可以使用包括盐酸和邻苯二甲酸氢钾的第二缓冲液。该缓冲液的pH范围在2.2至3.8的范围内。替换地，在该pH范围内，可以使用包括柠檬酸和柠檬酸钠的第三缓冲液。该第三缓冲液的范围处于3.0至6.2的范围内。此外，替换地，可以使用包括乙酸和乙酸钠的第四缓冲液。第四缓冲液的pH范围处于3.6至5.6的范围内。替换地，同样可以使用包括氢氧化钠和邻苯二甲酸氢钠的第五缓冲液。该缓冲液的缓冲范围处于4.2至6.0的pH范围内。

[0015] 在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中，缓冲液的pH范围处于6至8的范围内。然后，特别是，使用包括磷酸二氢钠和磷酸二氢钠的第六缓冲液，来作为稳定pH的缓冲液。该缓冲液的pH范围处于5.7至8.0的范围内。

[0016] 在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中，缓冲液的pH范围处于8至12的范围内。特别是使用包括四硼酸钠和氢氧化钠的第七缓冲液，来作为稳定pH的缓冲液。该缓冲液的pH范围处于9.2至10.6的范围内。替换地，在该范围内，可以使用包括碳酸钠和碳酸氢钠的第八缓冲液。该缓冲液的pH范围处于9.2至10.7的范围内。替换地，可以使用包括磷酸一钠和氢氧化钠的第九缓冲液。该缓冲液的pH范围处于11.0至11.9的范围内。

[0017] 在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中，氧化还原液流电池包括用于泵送阴极电解质通过第一腔的第一泵和用于泵送阳极电解质通过第二腔的第二泵。通过泵送电解质，可以有利地通过电解质的流速来调节氧化还原液流电池的容量。

[0018] 在本发明的另一个有利的设计方案和扩展方案中，氧化还原液流电池包括具有第一电解质的第一预存箱，其中，第一预存箱借助第一线路与第一腔连接。氧化还原液流电池还包括具有第二电解质的第二预存箱，其中，第二预存箱借助第二线路与第二腔连接。有利地，可以通过预存箱的大小，来改变电解质的量。由此，可以有利地可以调整氧化还原液流电池的能量功率比。此外，预存箱的大小可以有利地与氧化还原液流电池的比容量(spezifische )匹配，氧化还原液流电池的比容量定义为每升电解质安培小时(单位：Ah/l)。附图说明

[0019] 参考附图，本发明的其它特征、特性和优点从下面的描述中得到。

[0020] 图1示出了能够充电的氧化还原液流电池，其具有电解质，电解质具有缓冲液；

[0021] 图2示出了运行氧化还原液流电池的方法的示意性概览。

具体实施方式

[0022] 图1示出了能够充电的氧化还原液流电池1。能够充电的氧化还原液流电池1包括氧化还原液流单元2。氧化还原液流单元2包括膜3，其中，膜3将第一腔4和第二腔5彼此分离。在第一腔4中布置有阴极15。在第二腔5中布置有阳极16。阴极15和阳极16通过电能连接12与电源系统连接。能够充电的氧化还原液流电池1还包括第一箱6，第一箱6借助第一泵8，通过第一线路与具有阴极15的第一腔4连接。第一腔4又通过第三线路10与第一箱6连接。能够充电的氧化还原液流电池1包括第二箱7，第二箱7通过第二泵9，通过第二线路与具有阳极16的第二腔5连接。第二腔5又利用第四线路11与第二箱7连接。

[0023] 在第一腔4中存在第一电解质13，其具有多金属氧酸盐作为第一还原氧化对。此外，在第一腔中，在第一电解质13中存在缓冲液。在该示例中，使用包括甘氨酸和氯化钠的缓冲液，作为缓冲液。在第二腔5中，存在包括氯化锂的第二电解质14。第一泵8和第二泵9的流速处于800ml/min/m2至4000ml/min/m2之间的范围内，特别优选处于1200ml/min/m2至3600ml/min/m2之间的范围内。在氧化还原液流电池1在室温下运行期间，还原氧化对、即多金属氧酸盐保持活性，因此保持氧化还原液流电池1的容量。这有利地使得氧化还原液流电池1的使用寿命长。

[0024] 图2示出了运行氧化还原液流电池1的方法的示意性概览。首先，提供20氧化还原液流电池。然后，将第一和第二电解质引导到第一腔4和第二腔5中。这在氧化还原液流电池1运行期间连续进行。因此，在图2中，利用包括方法步骤22和23的框21示出了该步骤。在氧化还原液流电池1可以放电23之前，对氧化还原液流电池充电22。充电22和放电23通常可以作为循环过程来执行。

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