铁-铬氧化还原液流电池系统和使用该系统的方法技术方案

一种氧化还原液流电池系统，其包括：溶液中具有铬离子的阳极电解液，其中至少一部分铬离子与以下中的至少一种形成铬络合物：NH3、NH

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】铁
‑
铬氧化还原液流电池系统和使用该系统的方法
[0001]相关专利申请
[0002]本专利申请要求美国临时专利申请序列号63/120,204、63/126,408、63/127,048、63/131,738、63/147,182、63/154,547、63/174,352和63/114,160的权益；并且是美国专利申请序列号17/362,610、17/362,543、17/362,521、17/362,499和17/362,468中每一个的部分延续，所有这些通过引用整体并入本文。


[0003]本专利技术涉及氧化还原液流电池系统领域以及制造和使用氧化还原液流电池系统的方法。

技术介绍

[0004]在过去十年中，可再生能源发电的成本迅速降低，并且随着更多可再生能源发电元件(如太阳能电池板)的使用，成本将继续降低。然而，可再生能源，例如太阳能、水力发电和风力资源，通常是间歇性的，并且用户负载的模式通常与这些资源的间歇性不一致。需要一种价格合理且可靠的能源存储系统，以在可再生能源可用时存储由可再生能源产生的电力，并在可再生能源产生的电力不足时向用户提供电力。

技术实现思路

[0005]一个实施方案是氧化还原液流电池系统，其包括：溶液中具有铬离子的阳极电解液，其中至少一部分铬离子与以下中的至少一种形成铬络合物：NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
‑
或CS(NH2)2；溶液中具有铁离子的阴极电解液；第一半电池，其包括与阳极电解液接触的第一电极；第二半电池，其包括与阴极电解液接触的第二电极；和将第一半电池与第二半电池分开的第一膜。
[0006]在至少一些实施方案中，铬络合物包括具有式[Cr
3+
(J)
x
(M)
y
(H2O)
z
]的化合物或离子，其中x、y和z为非负整数，x+y+z＝6，且x至少为1，J选自由以下组成的组：NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
‑
或CS(NH2)2，且每个M不同于J，且独立地选自由以下组成的组：Cl
‑
、F
‑
、Br
‑
、I
‑
、NH
4+
、NH3、乙二胺四乙酸(EDTA)、CN
‑
、SCN
‑
、S2‑
、O
‑
NO2‑
、OH
‑
、NO2‑
、CH3CN、C5H5N、NC5H4‑
C5H4N、C
12
H8N2、CO(NH2)2、CS(NH2)2、P(C6H5)3、
‑
CO、CH3‑
CO
‑
CH2‑
CO
‑
CH3、NH2‑
CH2‑
CH2‑
NH2、NH2CH2COO
‑
、O
‑
SO
22
‑
或P(邻甲苯基)3。
[0007]在至少一些实施方案中，J是NH3或NH
4+
，并且至少一个M是CO(NH2)2。在至少一些实施方案中，铬络合物进一步包括至少一种选自由铵、氯化物、溴化物、碘化物、氟化物、硫酸盐或硝酸盐组成的组的反离子。在至少一些实施方案中，J是NH3或NH
4+
。在至少一些实施方案中，J是CO(NH2)2或CS(NH2)2。在至少一些实施方案中，铬络合物原位形成。
[0008]在至少一些实施方案中，氧化还原液流电池系统进一步包括：包含平衡电解液的平衡装置，该平衡电解液包括溶液中的钒离子；第三半电池，其包括与阳极电解液或阴极电解液接触的第三电极；第四半电池，其包括与平衡电解液接触的第四电极；和平衡电解液中
或可引入平衡电解液中用于还原二氧钒离子的还原剂。在至少一些实施方案中，还原剂为NH3、NH
4+
、CO(NH2)2或CS(NH2)2。在至少一些实施方案中，还原剂是有机化合物。
[0009]另一个实施方案是氧化还原液流电池系统，其包括：阳极电解液，该阳极电解液具有溶液中的铬离子和至少一种选自以下的含氮化合物：NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
‑
或CS(NH2)2；溶液中具有铁离子的阴极电解液；第一半电池，其包括与阳极电解液接触的第一电极；第二半电池，其包括与阴极电解液接触的第二电极；和将第一半电池与第二半电池分开的第一隔膜。
[0010]在至少一些实施方案中，含氮化合物是NH3或包括NH
4+
。在至少一些实施方案中，含氮化合物是CO(NH2)2或CS(NH2)2。在至少一些实施方案中，至少一部分铬离子与以下中的至少一种形成铬络合物：NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
‑
或CS(NH2)2。
[0011]在至少一些实施方案中，铬络合物包括具有式[Cr
3+
(J)
x
(M)
y
(H2O)
z
]的化合物或离子，其中x、y和z为非负整数，x+y+z＝6，且x至少为1，J选自由以下组成的组：NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
‑
或CS(NH2)2，且每个M不同于J，且独立地选自由以下组成的组：Cl
‑
、F
‑
、Br
‑
、I
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、NH
4+
、NH3、乙二胺四乙酸(EDTA)、CN
‑
、SCN
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、S2‑
、O
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NO2‑
、OH
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、NO2‑
、CH3CN、C5H5N、NC5H4‑
C5H4N、C
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H8N2、CO(NH2)2、CS(NH2)2、P(C6H5)3、
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CO、CH3‑
CO
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CH2‑
CO
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CH3、NH2‑
CH2‑
CH2‑
NH2、NH2CH2COO
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、O
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或P(邻甲苯基)3。
[0012]在至少一些实施方案中，J是NH3或NH
4+
，并且至少一个M是CO(NH2)2。在至少一些实施方案中，J是NH3或NH
4+
。
[0013]在至少一些实施方案中，氧化还原液流电池系统进一步包括：包含平衡电解液的平衡装置，该平衡电解液包括溶液中的钒离子；第三半电池，其包括与阳极电解液或阴极电解液接触的第三电极；第四半电池，其包括与平衡电解液接触的第四电极；和平衡电解液中或可引入平衡电解液中用于本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种氧化还原液流电池系统，其包括：阳极电解液，其包含溶液中的铬离子，其中至少一部分铬离子与以下中的至少一种形成铬络合物：NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
‑
或CS(NH2)2；阴极电解液，其包含溶液中的铁离子；第一半电池，其包括与阳极电解液接触的第一电极；第二半电池，其包括与阴极电解液接触的第二电极；和第一隔膜，其将第一半电池与第二半电池分开。2.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其中所述铬络合物包含具有式[Cr
3+
(J)
x
(M)
y
(H2O)
z
]的化合物或离子，其中x、y和z为非负整数，x+y+z＝6，且x至少为1，J选自由NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
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或CS(NH2)2组成的组，并且每个M不同于J，并且独立地选自由Cl
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、F
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、Br
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、I
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、NH
4+
、NH3、乙二胺四乙酸(EDTA)、CN
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、SCN
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、S2‑
、O
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NO2‑
、OH
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、NO2‑
、CH3CN、C5H5N、NC5H4‑
C5H4N、C
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H8N2、CO(NH2)2、CS(NH2)2、P(C6H5)3、
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CO、CH3‑
CO
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CH2‑
CO
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CH3、NH2‑
CH2‑
CH2‑
NH2、NH2CH2COO
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、O
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或P(邻甲苯基)3组成的组。3.根据权利要求2所述的氧化还原液流电池系统，其中J是NH3或NH
4+
，且至少一个M是CO(NH2)2。4.根据权利要求2所述的氧化还原液流电池系统，其中所述铬络合物进一步包括至少一种选自由铵、氯化物、溴化物、碘化物、氟化物、硫酸盐或硝酸盐组成的组的反离子。5.根据权利要求2所述的氧化还原液流电池系统，其中J是NH3或NH
4+
。6.根据权利要求2所述的氧化还原液流电池系统，其中J是CO(NH2)2或CS(NH2)2。7.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其中所述铬络合物原位形成。8.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池系统，其进一步包括：平衡装置，其包括：平衡电解液，其包含溶液中的钒离子，第三半电池，其包括与阳极电解液或阴极电解液接触的第三电极；第四半电池，其包括与平衡电解液接触的第四电极，和所述平衡电解液中或可引入所述平衡电解液用于还原二氧钒离子的还原剂。9.根据权利要求8所述的氧化还原液流电池系统，其中所述还原剂为NH3、NH
4+
、CO(NH2)2或CS(NH2)2。10.根据权利要求8所述的氧化还原液流电池系统，其中所述还原剂为有机化合物。11.一种氧化还原液流电池系统，其包括：阳极电解液，其包含溶液中的铬离子和至少一种选自以下的含氮化合物：NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
‑
或CS(NH2)2；阴极电解液，其包含溶液中的铁离子；第一半电池，其包括与所述阳极电解液接触的第一电极；第二半电池，其包括与所述阴极电解液接触的第二电极；和第一隔膜，其将所述第一半电池与所述第二半电池分开。12.根据权利要求11所述的氧化还原液流电池系统，其中所述含氮化合物是NH3或包括NH
4+
。
13.根据权利要求11所述的氧化还原液流电池系统，其中所述含氮化合物是CO(NH2)2或CS(NH2)2。14.根据权利要求11所述的氧化还原液流电池系统，其中至少一部分铬离子与以下中的至少一种形成铬络合物：NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
‑
或CS(NH2)2。15.根据权利要求11所述的氧化还原液流电池系统，其中所述铬络合物包含具有式[Cr
3+
(J)
x
(M)
y
(H2O)
z
]的化合物或离子，其中x、y和z为非负整数，x+y+z＝6，且x至少为1，J选自由NH3、NH
4+
、CO(NH2)2、SCN
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或CS(NH2)2组成的组，并且每个M不同于J，并且独立地选自由Cl
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、F
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、Br
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、I
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、NH
4+
、NH3、乙二胺四乙酸(EDTA)、CN
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、SCN
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、S2‑
、O
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NO2‑
、OH
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、NO2‑
、CH3CN、C5H5N、NC5H4‑
C5H4N、C
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H8N2、CO(NH2)2、CS(NH2)2、P(C6H5)3、
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CO、CH3‑
CO
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CH2‑
CO
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CH3、NH2‑
CH2‑
CH2‑
NH2、NH2CH2COO
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、O
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或P(邻甲苯基)3组成的组。16.根据权利要求15所述的氧化还原液流电池系统，其中J是NH3或NH
4+
，且至少一个M是CO(NH2)2。17.根据权利要求15所述的氧化还原液流电池系统，其中J是NH3或NH
4+
。18.根据权利要求11所述的氧化还原液流电池系统，其进一步包括：平衡装置，其包括：平衡电解液，其包含溶液中的钒离子，第三半电池，其包括与所述阳极电解液或所述阴极电解液接触的第三电极；第四半电池，其包括与所述平衡电解液接触的第四电极，和所述平衡电解液中或可引入所述平衡电解液中用于还原二氧钒离子的还原剂。19.根据权利要求18所述的氧化还原液流电池系统，其中所述还原剂为NH3、NH
4+
、CO(NH2)2或CS(NH2)2。20.根据权利要求18所述的氧化还原液流电池系统，其中所述还原剂为有机化合物。21.一种用于制备氧化还原液流电池的电解液的方法，所述方法包括：使用碳源还原铬矿石，以将铬矿石转化成具有碳颗粒的铁/铬合金；将具有碳颗粒的铁/铬合金溶解在硫酸中以形成第一溶液；向第一溶液中加入氯化钙或氯化钡以产生包含FeCl3和CrCl3的第二溶液；和向第二溶液中加入酸以形成电解液。22.根据权利要求21所述的方法，其中所述铬矿石包含至少一种金属杂质，并且所述方法进一步包括：使用氧化还原液流电池的电极还原电解液中的至少一种金属杂质，以形成至少一种金属杂质的颗粒；收集至少一种金属杂质的颗粒；和使用清洗溶液去除收集的颗粒。23.根据权利要求22所述的方法，其中收集颗粒包括在氧化还原液流电池系统的电极上收集至少一部分颗粒。24.根据权利要求23所述的方法，其中所述电极包括用于收集颗粒的叉指状开口或缺口。25.根据权利要求22所述的方法，其中所述至少一种金属杂质包括镍、锑、铋、锌、铂、
钯、金或铜中的至少一种。26.根据权利要求22所述的方法，其中所述清洗溶液包含三价铁离子。27.根据权利要求22所述的方法，其中所述清洗溶液为氧化还原液流电池系统的阴极电解液的至少一部分。28.根据权利要求22所述的方法，其中所述清洗溶液包含过氧化氢或氯化铁。29.根据权利要求21所述的方法，其中所述碳源包括石墨、活性炭、煤、木炭或一氧化碳气体。30.根据权利要求21所述的方法，其进一步包括添加FeCl3或CrCl3以获得电解液中的FeCl3/CrCl3的预选比率。31.一种用于制备氧化还原液流电池的电解液的方法，所述方法包括：将铬废料溶解在HCl或H2SO4中，以产生分别包含CrCl3或Cr2(SO4)3和至少一种金属杂质的电解液；使用氧化还原液流电池的电极还原电解液中的至少一种金属杂质，以形成至少一种金属杂质的颗粒；收集至少一种金属杂质的颗粒；和使用清洗溶液去除收集的颗粒。32.根据权利要求31所述的方法，其中收集颗粒包括在氧化还原液流电池系统的电极上收集至少一部分颗粒。33.根据权利要求32所述的方法，其中所述电极包括用于收集颗粒的叉指状开口或缺口。34.根据权利要求31所述的方法，其中所述至少一种金属杂质包括镍、锑、铋、锌、铂、钯、金或铜中的至少一种。35.根据权利要求31所述的方法，其中所述清洗溶液包含三价铁离子。36.根据权利要求31所述的方法，其中所述清洗溶液为氧化还原液流电池系统的阴极电解液的至少一部分。37.根据权利要求31所述的方法，其中所述清洗溶液包含过氧化氢或氯化铁。38.根据权利要求31所述的方法，其进一步包括添加FeCl2、Fe+FeCl3、Fe(OH)2或Fe+Fe(OH)3以获得电解液中的FeCl3/CrCl3的预选比率。39.根据权利要求31所述的方法，其中所述铬废料包含Cr(OH)3。40.一种用于氢气生产的方法，所述方法包括：提供氧化还原液流电池，其包括包含溶液中的铬离子的阳极电解液、包含溶液中的铁离子的阴极电解液、包含与阳极电解液接触的第一电极的第一半电池、包含与阴极电解液接触的第二电极的第二半电池和将第一半电池与第二半电池分开的第一隔膜；将电解池连接到氧化还原液流电池，所述电解池包括第三和第四电极以及水；使氧化还原液流电池向电解池中放电，以通过电解池中水的电解产生氢气；从电解池中除去氢气；和将氢气储存在容器中。41.一种氧化还原液流电池系统，其包括：阳极电解液；
阴极电解液；第一半电池，其包括与所述阳极电解液接触的第一电极；第二半电池，其包括与所述阴极电解液接触的第二电极；隔膜，其将所述第一半电池中的阳极电解液与所述第二半电池中的阴极电解液分开；至少一个状态测量装置，其被配置用于分别在进入所述第一半电池或所述第二半电池之前或离开其之后，间歇地、周期性地或连续地测量指示阳极电解液或阴极电解液的充电状态的值；和连接到所述至少一个状态测量装置的控制器，用于使用测量值分别生成阳极电解液或阴极电解液的时间能量曲线。42.根据权利要求41所述的氧化还原液流电池系统，其中所述至少一个状态测量装置包括阳极电解液状态测量装置和阴极电解液状态测量装置，所述阳极电解液状态测量装置被配置用于在进入第一半电池之前或离开其之后，间歇地、周期性地或连续地测量指示阳极电解液充电状态的值，所述阴极电解液状态测量装置被配置用于在进入第二半电池之前或离开其之后，间歇地、周期性地或连续地测量指示阴极电解液充电状态的值。43.根据权利要求41所述的氧化还原液流电池系统，其进一步包括被配置用于将阳极电解液泵入和泵出第一半电池的阳极电解液泵，以及被配置用于将阴极电解液泵入或泵出第二半电池的阴极电解液泵。44.根据权利要求43所述的氧化还原液流电池系统，其中所述控制器被配置为使用时间能量曲线来改变阳极电解液泵和阴极电解液泵的泵送速度。45.根据权利要求41所述的氧化还原液流电池系统，其中所述至少一个状态测量装置被配置为测量阳极电解液或阴极电解液的电压。46.根据权利要求41所述的氧化还原液流电池系统，其中所述控制器被配置为根据由至少一个状态测量装置进行的测量来确定阳极电解液或阴极电解液的充电状态，并在时间能量曲线中使用所述充电状态。47.根据权利要求41所述的氧化还原液流电池系统，其中所述控制器被配置为根据由至少一个状态测量装置进行的测量来确定阳极电解液或阴极电解液的平均氧化状态，并在时间能量曲线中使用所述平均氧化状态。48.根据权利要求41所述的氧化还原液流电池系统，其中所述控制器被配置为使用测量值和阳极电解液或阴极电解液内的带电物质扩散的估计值来生成时间能量曲线。49.一种操作根据权利要求41所述的氧化还原液流电池系统的方法，所述方法包括：分别在进入所述第一半电池或所述第二半电池之前或离开其之后，间歇地、周期性地或连续地测量指示阳极电解液或阴极电解液的充电状态的值；和使用测量值分别生成阳极电解液或阴极电解液的时间能量曲线。50.根据权利要求49所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：李丽玉，罗庆涛，
申请(专利权)人：美洲狮溪储能技术有限公司，
类型：发明
国别省市：