維持液流電池健康的方法
【專利說明】維持液流電池健康的方法
[000。 背景 液流電池，也被稱為氧化還原液流電池或氧化還原液流電池單元，被設(shè)計成將電能轉(zhuǎn) 換成可W存儲并且之后當(dāng)存在需求時釋放的化學(xué)能。例如，液流電池可W與可再生能量系 統(tǒng)(諸如風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)）一起使用W存儲超出消費者需求的能量，并且之后當(dāng)存在較大需求 時釋放此能量。
[0002] 典型的液流電池包括具有由電解質(zhì)層隔開的負(fù)電極和正電極的氧化還原液流電 池單元，所述電解質(zhì)層可包括隔膜，諸如離子交換膜。負(fù)流體電解質(zhì)（有時被稱為陽極電解 質(zhì)）被輸送到負(fù)電極，并且正流體電解質(zhì)巧時被稱為陰極電解質(zhì)）被輸送到正電極，W驅(qū)動 電化學(xué)可逆氧化還原反應(yīng)。在充電時，供給的電能引起在一種電解質(zhì)中的化學(xué)還原反應(yīng)，W 及在另一種電解質(zhì)中的氧化反應(yīng)。隔膜防止電解質(zhì)自由和快速地混合，但允許經(jīng)選擇的離 子通過W完成氧化還原反應(yīng)。在放電時，在逆反應(yīng)中釋放包含在液體電解質(zhì)中的化學(xué)能，并 且可W從電極中得到電能。通過尤其使用外部供給的包括參與可逆電化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物的 流體電解質(zhì)溶液，液流電池與其它電化學(xué)裝置區(qū)別開。
[0003] 概述 所公開的是維持液流電池健康的方法，所述方法包括確定分別在液流電池的電化學(xué)電 池單元的正極側(cè)和負(fù)極側(cè)上的第一流體電解質(zhì)和第二流體電解質(zhì)中的常見電化學(xué)活性元 素物質(zhì)的平均氧化態(tài)，并且響應(yīng)于偏離平均氧化態(tài)值的預(yù)定范圍的平均氧化態(tài)調(diào)整平均氧 化態(tài)。
[0004] 附圖簡述 對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，本公開的各種特征和優(yōu)點將從W下詳述中變得顯而易見。結(jié) 合詳述的附圖可W簡要描述如下。
[0005] 圖1示出示例液流電池。
[0006] 圖2示出維持液流電池健康的示例方法。
[0007] 詳述 圖1示意性示出用于選擇性地存儲和釋放電能的示例液流電池20的部分。例如，液流 電池20可W用于將在可再生能量系統(tǒng)中生成的電能轉(zhuǎn)換為化學(xué)能，所述化學(xué)能存儲直到 當(dāng)稍后存在較大需求時，在那時液流電池20隨后將化學(xué)能轉(zhuǎn)換回電能。例如，液流電池20 可W為電網(wǎng)供給電能。
[0008] 液流電池20包括具有電化學(xué)活性物質(zhì)24的流體電解質(zhì)22,所述電化學(xué)活性物質(zhì) 24在相對于具有電化學(xué)活性物質(zhì)28的另外流體電解質(zhì)26的氧化還原對中起作用。電化 學(xué)活性物質(zhì)24/28是常見的，并且基于例如饑、鐵或銘。目P，在一個實例中，電化學(xué)活性物質(zhì) 24/28是不同氧化態(tài)或價態(tài)的饑，并且在另一個實例中，電化學(xué)活性物質(zhì)24/28是不同氧化 態(tài)或價態(tài)的鐵，并且在另一個實例中，電化學(xué)活性物質(zhì)24/28是不同氧化態(tài)或價態(tài)的銘。流 體電解質(zhì)22/26是包括電化學(xué)活性物質(zhì)24/28的液體溶液。第一流體電解質(zhì)22 (例如，負(fù) 電解質(zhì)）和第二流體電解質(zhì)26 (例如，正電解質(zhì)）包含在包括第一和第二容器32/34W及累 35的供給/存儲系統(tǒng)30中。
[0009] 使用累35將流體電解質(zhì)22/26通過各自進(jìn)料管線38從第一和第二容器32/34輸 送到液流電池20的至少一個電池單元36。使流體電解質(zhì)22/26經(jīng)由返回管線40從電池單 元36返回到容器32/34。進(jìn)料管線38和返回管線40將容器32/34與電池單元的第一和第 二電極42/44連接?？蒞提供多電池單元36作為堆疊。
[0010] 電池單元36各自包括第一電極42、與第一電極42間隔開的第二電極44,W及布 置在第一電極42和第二電極44之間的電解質(zhì)隔膜層46。例如，電極42/44是多孔碳結(jié)構(gòu)， 諸如碳紙或拉（felt)。一般來講，電池單元36可包括雙極板，歧管等用于將流體電解質(zhì) 22/26通過流場通道輸送到電極42/44。例如，雙極板可W是碳板。然而，應(yīng)該理解可W使 用其它配置。例如，電池單元36可可選地被配置用于其中流體電解質(zhì)22/26被直接累送到 電極42/44中而不使用流場通道的流通（flow-t虹OU曲）操作。
[0011] 電解質(zhì)隔膜層46可W是離子交換膜、惰性微孔性聚合物膜或材料(諸如碳化娃 (SiC))的電絕緣微孔性基質(zhì)，所述電解質(zhì)隔膜層防止流體電解質(zhì)22/26自由和快速地混合 但允許經(jīng)選擇的離子通過W完成氧化還原反應(yīng)同時電隔離電極42/44。就運一點而言，流體 電解質(zhì)22/26在正常操作期間諸如在充電、放電和關(guān)閉狀態(tài)通?；ハ喔綦x。
[0012] 將流體電解質(zhì)22/26輸送到電池單元36W將電能轉(zhuǎn)換成化學(xué)能或在逆反應(yīng)中將 化學(xué)能轉(zhuǎn)換成可W被釋放的電能。將電能通過與電極42/44電禪合的電路48傳輸?shù)诫姵?單元36及自電池單元36傳輸。
[0013] 液流電池20可經(jīng)歷自放電反應(yīng)。例如，當(dāng)在流體電解質(zhì)22/26中的電化學(xué)活性物 質(zhì)24/28滲透入電解質(zhì)隔膜層46時可發(fā)生自放電。滲透是不期望的但可發(fā)生，因為電解質(zhì) 隔膜層46對流體電解質(zhì)22/26的運輸不是完全阻隔的。另外，由于跨越隔膜層46存在的 不同物質(zhì)的濃度梯度，所W電化學(xué)活性物質(zhì)24/28可W通過電解質(zhì)隔膜層46擴(kuò)散。此外， 如在任何電池中的情況下，也可發(fā)生不期望的副反應(yīng)，運會導(dǎo)致氨或氧的放出，尤其是在含 水電解質(zhì)中，并且在一個電極上的運些不良副反應(yīng)也可導(dǎo)致在相對電極上電化學(xué)活性物質(zhì) 24/28的氧化或還原。隨時間推移，運些反應(yīng)可引起在不利于（debit)液流電池20的性能 和最大能量容量的電化學(xué)活性物質(zhì)24/28之間的不平衡。而且，此類不平衡可指示液流電 池20不健康，W及需要重新平衡電化學(xué)活性物質(zhì)24/28。
[0014] 圖2示出維持液流電池20的健康的示例方法50。例如，液流電池20的健康可W 由電化學(xué)活性物質(zhì)24/28的平均氧化態(tài)表示。平均氧化態(tài)提供了流體電解質(zhì)22/26并且因 而液流電池20的健康的良好指示的方便的單個值。
[0015] 如圖所示，方法50通常包括確定步驟52和調(diào)整步驟54,但應(yīng)該理解步驟52/54可 W視情況與其它步驟或工序的組合使用。確定步驟52包括確定在流體電解質(zhì)22/26中的 電化學(xué)活性物質(zhì)24/28的平均氧化態(tài)。調(diào)整步驟54包括然后響應(yīng)于偏離平均氧化態(tài)值的 預(yù)定范圍的平均氧化態(tài)調(diào)整平均氧化態(tài)。
[0016] 預(yù)定平均氧化態(tài)值可W是單個值或值范圍。如果電化學(xué)活性物質(zhì)24/28的平均氧 化態(tài)偏離單個值或在值范圍之外，那么調(diào)整所述平均氧化態(tài)。例如，值范圍可W基于常見電 化學(xué)活性物質(zhì)24/28的類型。在進(jìn)一步實例中，當(dāng)常見電化學(xué)活性物質(zhì)24/28完全平衡時， 值范圍可W是平均氧化態(tài)的+/-10%。對于饑，基于使用v27v3+和v47v5乂其也可W表示為V (ii)/V(iii)和V(iv)/V(V)，但帶有4和5的氧化態(tài)的饑物質(zhì)的價不一定為4+和5+) 作為電化學(xué)活性物質(zhì)24/28,完全平衡的平均氧化態(tài)為+3. 5。例如，如果電解質(zhì)溶液是含水 硫酸，那么V(iv)/V(V)物質(zhì)將分別呈現(xiàn)為VO2+和VO/。
[0017] 可W直接地或間接地確定電化學(xué)活性物質(zhì)24/28的平均氧化態(tài)。如果直接確定， 那么平均氧化態(tài)可W從電化學(xué)活性物質(zhì)24/28的不同價態(tài)的摩爾濃度的測量來確定。在 一個實例中，基于饑作為常見電化學(xué)活性物質(zhì)24/28,價態(tài)包括y27v3+和v47v5\在一個進(jìn) 一步實例中，電化學(xué)活性物質(zhì)24/28的不同價態(tài)的摩爾濃度可W使用光學(xué)檢測器設(shè)備來獲 得，所述光學(xué)檢測器設(shè)備收集在使用光學(xué)測量的容器32/34中的一個或兩個中電化學(xué)活性 物種24/28的摩爾濃度測量。例如，光學(xué)檢測器設(shè)備利用光W檢測摩爾濃度。一旦獲得摩 爾濃度，平均氧化態(tài)就可W作為摩爾濃度除W電化學(xué)活性物質(zhì)24/28的總摩爾量的函數(shù)進(jìn) 行確定。在基于饑的一個實例中，平均價態(tài)可W根據(jù)等式I進(jìn)行