维持液流电池健康的方法
【专利说明】维持液流电池健康的方法
[000。 背景 液流电池，也被称为氧化还原液流电池或氧化还原液流电池单元，被设计成将电能转 换成可W存储并且之后当存在需求时释放的化学能。例如，液流电池可W与可再生能量系 统(诸如风力发电系统）一起使用W存储超出消费者需求的能量，并且之后当存在较大需求 时释放此能量。
[0002] 典型的液流电池包括具有由电解质层隔开的负电极和正电极的氧化还原液流电 池单元，所述电解质层可包括隔膜，诸如离子交换膜。负流体电解质（有时被称为阳极电解 质）被输送到负电极，并且正流体电解质巧时被称为阴极电解质）被输送到正电极，W驱动 电化学可逆氧化还原反应。在充电时，供给的电能引起在一种电解质中的化学还原反应，W 及在另一种电解质中的氧化反应。隔膜防止电解质自由和快速地混合，但允许经选择的离 子通过W完成氧化还原反应。在放电时，在逆反应中释放包含在液体电解质中的化学能，并 且可W从电极中得到电能。通过尤其使用外部供给的包括参与可逆电化学反应的反应物的 流体电解质溶液，液流电池与其它电化学装置区别开。
[0003] 概述 所公开的是维持液流电池健康的方法，所述方法包括确定分别在液流电池的电化学电 池单元的正极侧和负极侧上的第一流体电解质和第二流体电解质中的常见电化学活性元 素物质的平均氧化态，并且响应于偏离平均氧化态值的预定范围的平均氧化态调整平均氧 化态。
[0004] 附图简述 对本领域技术人员来说，本公开的各种特征和优点将从W下详述中变得显而易见。结 合详述的附图可W简要描述如下。
[0005] 图1示出示例液流电池。
[0006] 图2示出维持液流电池健康的示例方法。
[0007] 详述 图1示意性示出用于选择性地存储和释放电能的示例液流电池20的部分。例如，液流 电池20可W用于将在可再生能量系统中生成的电能转换为化学能，所述化学能存储直到 当稍后存在较大需求时，在那时液流电池20随后将化学能转换回电能。例如，液流电池20 可W为电网供给电能。
[0008] 液流电池20包括具有电化学活性物质24的流体电解质22,所述电化学活性物质 24在相对于具有电化学活性物质28的另外流体电解质26的氧化还原对中起作用。电化 学活性物质24/28是常见的，并且基于例如饥、铁或铭。目P，在一个实例中，电化学活性物质 24/28是不同氧化态或价态的饥，并且在另一个实例中，电化学活性物质24/28是不同氧化 态或价态的铁，并且在另一个实例中，电化学活性物质24/28是不同氧化态或价态的铭。流 体电解质22/26是包括电化学活性物质24/28的液体溶液。第一流体电解质22 (例如，负 电解质）和第二流体电解质26 (例如，正电解质）包含在包括第一和第二容器32/34W及累 35的供给/存储系统30中。
[0009] 使用累35将流体电解质22/26通过各自进料管线38从第一和第二容器32/34输 送到液流电池20的至少一个电池单元36。使流体电解质22/26经由返回管线40从电池单 元36返回到容器32/34。进料管线38和返回管线40将容器32/34与电池单元的第一和第 二电极42/44连接。可W提供多电池单元36作为堆叠。
[0010] 电池单元36各自包括第一电极42、与第一电极42间隔开的第二电极44,W及布 置在第一电极42和第二电极44之间的电解质隔膜层46。例如，电极42/44是多孔碳结构， 诸如碳纸或拉（felt)。一般来讲，电池单元36可包括双极板，歧管等用于将流体电解质 22/26通过流场通道输送到电极42/44。例如，双极板可W是碳板。然而，应该理解可W使 用其它配置。例如，电池单元36可可选地被配置用于其中流体电解质22/26被直接累送到 电极42/44中而不使用流场通道的流通（flow-t虹OU曲）操作。
[0011] 电解质隔膜层46可W是离子交换膜、惰性微孔性聚合物膜或材料(诸如碳化娃 (SiC))的电绝缘微孔性基质，所述电解质隔膜层防止流体电解质22/26自由和快速地混合 但允许经选择的离子通过W完成氧化还原反应同时电隔离电极42/44。就运一点而言，流体 电解质22/26在正常操作期间诸如在充电、放电和关闭状态通常互相隔离。
[0012] 将流体电解质22/26输送到电池单元36W将电能转换成化学能或在逆反应中将 化学能转换成可W被释放的电能。将电能通过与电极42/44电禪合的电路48传输到电池 单元36及自电池单元36传输。
[0013] 液流电池20可经历自放电反应。例如，当在流体电解质22/26中的电化学活性物 质24/28渗透入电解质隔膜层46时可发生自放电。渗透是不期望的但可发生，因为电解质 隔膜层46对流体电解质22/26的运输不是完全阻隔的。另外，由于跨越隔膜层46存在的 不同物质的浓度梯度，所W电化学活性物质24/28可W通过电解质隔膜层46扩散。此外， 如在任何电池中的情况下，也可发生不期望的副反应，运会导致氨或氧的放出，尤其是在含 水电解质中，并且在一个电极上的运些不良副反应也可导致在相对电极上电化学活性物质 24/28的氧化或还原。随时间推移，运些反应可引起在不利于（debit)液流电池20的性能 和最大能量容量的电化学活性物质24/28之间的不平衡。而且，此类不平衡可指示液流电 池20不健康，W及需要重新平衡电化学活性物质24/28。
[0014] 图2示出维持液流电池20的健康的示例方法50。例如，液流电池20的健康可W 由电化学活性物质24/28的平均氧化态表示。平均氧化态提供了流体电解质22/26并且因 而液流电池20的健康的良好指示的方便的单个值。
[0015] 如图所示，方法50通常包括确定步骤52和调整步骤54,但应该理解步骤52/54可 W视情况与其它步骤或工序的组合使用。确定步骤52包括确定在流体电解质22/26中的 电化学活性物质24/28的平均氧化态。调整步骤54包括然后响应于偏离平均氧化态值的 预定范围的平均氧化态调整平均氧化态。
[0016] 预定平均氧化态值可W是单个值或值范围。如果电化学活性物质24/28的平均氧 化态偏离单个值或在值范围之外，那么调整所述平均氧化态。例如，值范围可W基于常见电 化学活性物质24/28的类型。在进一步实例中，当常见电化学活性物质24/28完全平衡时， 值范围可W是平均氧化态的+/-10%。对于饥，基于使用v27v3+和v47v5乂其也可W表示为V (ii)/V(iii)和V(iv)/V(V)，但带有4和5的氧化态的饥物质的价不一定为4+和5+) 作为电化学活性物质24/28,完全平衡的平均氧化态为+3. 5。例如，如果电解质溶液是含水 硫酸，那么V(iv)/V(V)物质将分别呈现为VO2+和VO/。
[0017] 可W直接地或间接地确定电化学活性物质24/28的平均氧化态。如果直接确定， 那么平均氧化态可W从电化学活性物质24/28的不同价态的摩尔浓度的测量来确定。在 一个实例中，基于饥作为常见电化学活性物质24/28,价态包括y27v3+和v47v5\在一个进 一步实例中，电化学活性物质24/28的不同价态的摩尔浓度可W使用光学检测器设备来获 得，所述光学检测器设备收集在使用光学测量的容器32/34中的一个或两个中电化学活性 物种24/28的摩尔浓度测量。例如，光学检测器设备利用光W检测摩尔浓度。一旦获得摩 尔浓度，平均氧化态就可W作为摩尔浓度除W电化学活性物质24/28的总摩尔量的函数进 行确定。在基于饥的一个实例中，平均价态可W根据等式I进行