Batería de flujo redox y método de operación de la misma.

Una batería de flujo redox (1) en la que un electrolito de electrodo positivo almacenado en un depósito de electrodo positivo (106) y un electrolito de electrodo negativo almacenado en un depósito de electrodo negativo (107) son suministrados a un elemento de batería (100) incluyendo un electrodo positivo (104),

un electrodo negativo (105), y una membrana (101) interpuesta entre estos electrodos, para cargar y descargar la batería, conteniendo dicho electrolito de electrodo positivo un ion Mn como un material activo de electrodo positivo, conteniendo dicho electrolito de electrodo negativo al menos uno de un ion Ti, un ion V, y un ion Cr como un material activo de electrodo negativo, caracterizado porque:

dicha batería de flujo redox incluye

un conducto de introducción de lado de electrodo negativo (10) en comunicación con el interior de dicho depósito de electrodo negativo (107) desde fuera del mismo, para introducir gas oxidante a dicho depósito de electrodo negativo (107); y

un mecanismo de suministro de lado de electrodo negativo (11) para suministrar dicho gas oxidante a dicho depósito de electrodo negativo (107) mediante dicho conducto de introducción de lado de electrodo negativo (10); y porque dicho electrolito de electrodo positivo también contiene un ion Ti.

Batería de flujo redox y método de operación de la misma Campo técnico La presente invención se refiere a una batería de flujo redox y un método de operarla. Más en concreto, la presente invención se refiere a una batería de flujo redox capaz de generar una fuerza electromotriz alta.

Antecedentes de la invención Como una forma de combatir el calentamiento global, en los últimos años se ha promovido en todo el mundo la introducción de una energía nueva, tal como la generación de energía fotovoltaica solar y la generación de energía eólica. Dado que las salidas de estos medios de generación quedan afectadas por las condiciones meteorológicas, se prevé que la introducción a gran escala originará problemas en la operación de los sistemas de potencia tales como la dificultad de mantener las frecuencias y los voltajes. Como una forma de resolver tales problemas, se espera la instalación de baterías de gran capacidad de almacenamiento para alisar las variaciones de salida, almacenar la energía excedente, y nivelar la carga.

Una batería de flujo redox es una de las baterías de gran capacidad de almacenamiento. En una batería de flujo redox, un electrolito de electrodo positivo y un electrolito de electrodo negativo son suministrados a un elemento de batería que tiene una membrana interpuesta entre un electrodo positivo y un electrodo negativo, para cargar y descargar la batería. Como los electrolitos se usa de forma representativa una solución acuosa conteniendo un ion metal que tiene una valencia que cambia por oxidación-reducción. Las baterías de flujo redox representativas incluyen una batería de flujo redox a base de hierro-cromo conteniendo un ion hierro para un electrodo positivo y un ion Cr para un electrodo negativo, y una batería de flujo redox a base de vanadio conteniendo un ion V para los electrodos positivo y negativo (por ejemplo, la Patente japonesa publicada número 2006-147374 (literatura de patentes 1) ) .

US 4.362.791 se refiere a una batería redox. US 2008/0220318 se refiere a un sistema de almacenamiento de baterías de flujo redox inherentemente seguro.

Lista de citas Literatura de patentes PTL 1: Patente japonesa publicada número 2006-147374

Resumen de la invención Problema técnico La batería de flujo redox a base de vanadio ha sido comercializada, y se espera su uso continuado. No se puede afirmar, sin embargo, que la batería de flujo redox a base de hierro-cromo y la batería de flujo redox a base de vanadio convencionales tengan una fuerza electromotriz suficientemente alta. Al objeto de satisfacer la futura demanda mundial, se desea desarrollar una nueva batería de flujo redox que tenga una fuerza electromotriz más alta y que contenga un ion metal usado para un material activo que pueda ser suministrado establemente, y preferiblemente que pueda ser suministrado establemente a bajo costo.

Por lo tanto, un objeto de la presente invención es proporcionar una batería de flujo redox capaz de generar una fuerza electromotriz alta. Otro objeto de la presente invención es proporcionar un método de operar una batería de flujo redox capaz de mantener un estado donde la batería tenga excelentes propiedades.

Solución del problema Una forma posible de mejorar la fuerza electromotriz es usar un ion metal que tenga un alto potencial de oxidaciónreducción estándar para un material activo. Los iones metal Fe2+/Fe3+ y V4+/Vs+ para un material activo de electrodo positivo usado en una batería de flujo redox convencional tienen potenciales de oxidación-reducción estándar de 0, 77V y 1, 0V, respectivamente. Los autores de la presente invención han estudiado una batería de flujo redox conteniendo, como un ion metal para un material activo de electrodo positivo, manganeso que es un ion metal soluble en agua, tiene un potencial de oxidación-reducción estándar más alto que los de los iones metal convencionales, es relativamente menos caro que el vanadio, y también se considera más preferible en términos del suministro de recursos. Mn2+/Mn3+ tiene un potencial de oxidación-reducción estándar de 1, 51V, y un ion Mn tiene propiedades deseables para constituir un acoplamiento redox que tenga una fuerza electromotriz más alta.

Una batería de flujo redox usa una solución acuosa como un electrolito. Por lo tanto, en la batería de flujo redox,

como reacción colateral de la reacción de carga y descarga, se puede generar gas hidrógeno en el electrodo negativo y se puede generar gas oxígeno en el electrodo positivo debido a la descomposición del agua. Los estudios realizados por los autores de la presente invención han hallado que, en una batería de flujo redox que usa un electrolito de electrodo positivo conteniendo un ion Mn como un material activo de electrodo positivo, la reacción colateral en el electrodo positivo es dominante porque Mn que actúa como el material activo de electrodo positivo tiene un potencial de oxidación-reducción más noble que el de Fe o V usados convencionalmente como un material activo de electrodo positivo. En este caso, el estado de carga (SOC; también denominado profundidad de carga) del electrolito de electrodo negativo es gradualmente más alto que el del electrolito de electrodo positivo. Cuando la diferencia de SOC tiene lugar entre los electrolitos de esta manera, la capacidad de la batería de flujo redox disminuye de forma significativa en comparación con la del estado inicial. Hay que resolver este problema.

La presente invención se define a continuación en base a los estudios y conclusiones descritos anteriormente.

La presente invención proporciona una batería de flujo redox según la reivindicación 1.

Un método de operar una batería de flujo redox de la presente invención usa la batería de flujo redox de la presente invención descrita anteriormente, e incluye el paso de introducir el gas oxidante al depósito de electrodo negativo con el fin de oxidar el material activo de electrodo negativo contenido en el electrolito de electrodo negativo.

Según la batería de flujo redox y el método de operarla de la presente invención, cuando tiene lugar una diferencia en el estado de carga entre el electrolito de electrodo positivo y el electrolito de electrodo negativo como resultado de cargas y descargas repetidas, el gas oxidante es introducido al electrolito de electrodo negativo para oxidar el electrolito de electrodo negativo, reduciendo por ello la diferencia. Reduciendo la diferencia en el estado de carga entre ambos electrolitos, la capacidad de la batería de flujo redox puede ser restablecida casi a la capacidad inicial de la batería.

Se describirán realizaciones preferidas de la batería de flujo redox y el método de operarla de la presente invención.

Como una realización de la batería de flujo redox de la presente invención, preferiblemente, el gas oxidante contiene oxígeno.

El gas oxidante no está limitado en particular a condición de que pueda oxidar el electrolito de electrodo negativo, y puede ser cloro, por ejemplo. Sin embargo, en consideración a la seguridad del manejo del gas oxidante, es preferible emplear gas conteniendo oxígeno, tal como oxígeno puro, ozono o aire.

Preferiblemente, la batería de flujo redox de la presente invención incluye un tubo de comunicación de fase gas que pone una fase gas del depósito de electrodo positivo en comunicación con una fase gas del depósito de electrodo negativo.

Como ya se ha mencionado, se genera gas oxígeno como la reacción colateral en el lado del electrodo positivo. Por lo tanto, proporcionando el tubo de comunicación de fase gas, el gas oxígeno generado en el lado del electrodo positivo puede ser utilizado para oxidar el electrolito de electrodo negativo. El gas oxígeno puede ser introducido desde el depósito de electrodo positivo al depósito de electrodo negativo abriendo normalmente el tubo de comunicación de fase gas. Naturalmente, el tubo de comunicación de fase gas puede estar normalmente cerrado, y abrirse al introducir el gas oxidante al depósito de electrodo negativo mediante el conducto de introducción de lado de electrodo negativo.

Preferiblemente, la batería de flujo redox de la presente invención incluye un mecanismo supervisor para supervisar un estado de carga de la batería de flujo redox.

El mecanismo supervisor puede ser implementado por una celda de supervisión que tenga una estructura similar a la del elemento de batería, por ejemplo. La celda de supervisión puede estar estructurada para recibir los electrolitos positivo y negativo realmente usados del depósito de electrodo positivo y el depósito de electrodo negativo, respectivamente. Alternativamente, se puede emplear un mecanismo supervisor que permita la inspección... [Seguir leyendo]

1. Una batería de flujo redox (1) en la que un electrolito de electrodo positivo almacenado en un depósito de electrodo positivo (106) y un electrolito de electrodo negativo almacenado en un depósito de electrodo negativo (107) son suministrados a un elemento de batería (100) incluyendo un electrodo positivo (104) , un electrodo negativo (105) , y una membrana (101) interpuesta entre estos electrodos, para cargar y descargar la batería, conteniendo dicho electrolito de electrodo positivo un ion Mn como un material activo de electrodo positivo, conteniendo dicho electrolito de electrodo negativo al menos uno de un ion Ti, un ion V, y un ion Cr como un material activo de electrodo negativo, caracterizado porque:

dicha batería de flujo redox incluye un conducto de introducción de lado de electrodo negativo (10) en comunicación con el interior de dicho depósito de electrodo negativo (107) desde fuera del mismo, para introducir gas oxidante a dicho depósito de electrodo negativo (107) ; y un mecanismo de suministro de lado de electrodo negativo (11) para suministrar dicho gas oxidante a dicho depósito de electrodo negativo (107) mediante dicho conducto de introducción de lado de electrodo negativo (10) ; y porque dicho electrolito de electrodo positivo también contiene un ion Ti.

2. La batería de flujo redox (1) según la reivindicación 1, donde dicho gas oxidante contiene oxígeno.

3. La batería de flujo redox (1) según la reivindicación 1, incluyendo un tubo de comunicación de fase gas (13) que pone una fase gas de dicho depósito de electrodo positivo (106) en comunicación con una fase gas de dicho depósito de electrodo negativo (107) .

4. La batería de flujo redox (1) según la reivindicación 1, incluyendo un mecanismo supervisor para supervisar un estado de carga de dicha batería de flujo redox (1) .

5. La batería de flujo redox (1) según la reivindicación 1, donde dicho conducto de introducción de lado de electrodo negativo (10) se abre a una fase líquido de dicho depósito de electrodo negativo (107) .

6. La batería de flujo redox (1) según la reivindicación 1, incluyendo un mecanismo de agitación (12) dispuesto en dicho depósito de electrodo negativo (107) para agitar dicho electrolito de electrodo negativo.

7. La batería de flujo redox (1) según la reivindicación 1, donde dicho electrolito de electrodo negativo contiene un ion Ti como el material activo de electrodo negativo, y además contiene un ion Mn.

8. La batería de flujo redox (1) según la reivindicación 7, incluyendo un tubo de comunicación de fase líquido (14) que pone una fase líquido de dicho depósito de electrodo positivo (106) en comunicación con una fase líquido de dicho depósito de electrodo negativo (107) .

9. La batería de flujo redox (1) según la reivindicación 8, incluyendo:

un conducto de introducción de lado de electrodo positivo (15) en comunicación con el interior de dicho depósito de electrodo positivo (106) desde fuera del mismo, para introducir gas oxidante a dicho depósito de electrodo positivo (106) ; y un mecanismo de suministro de lado de electrodo positivo (16) para suministrar dicho gas oxidante a dicho depósito de electrodo positivo (106) mediante dicho conducto de introducción de lado de electrodo positivo (15) .

10. Un método de operar una batería de flujo redox (1) usando la batería de flujo redox (1) según la reivindicación 1, incluyendo el paso de introducir dicho gas oxidante a dicho depósito de electrodo negativo (107) con el fin de oxidar el material activo de electrodo negativo contenido en dicho electrolito de electrodo negativo.

11. El método de operar una batería de flujo redox (1) según la reivindicación 10, donde dicho gas oxidante es introducido cuando tiene lugar una diferencia en el estado de carga entre dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo.

12. El método de operar una batería de flujo redox (1) según la reivindicación 11, donde los estados de carga de dicho electrolito de electrodo positivo y dicho electrolito de electrodo negativo casi se igualan uno con otro controlando una cantidad de dicho gas oxidante a introducir.

13. El método de operar una batería de flujo redox (1) según la reivindicación 12, donde un grado de transparencia de dicho electrolito de electrodo negativo se usa como un criterio para controlar dicha cantidad a introducir.

14. El método de operar una batería de flujo redox (1) según la reivindicación 10, donde la operación se realiza mientras se supervisa un estado de carga de dicha batería de flujo redox (1) .