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，被設計成將電能轉 換成可W存儲并且之后當存在需求時釋放的化學能。例如，液流電池可W與可再生能量系 統(諸如風力發電系統）一起使用W存儲超出消費者需求的能量，并且之后當存在較大需求 時釋放此能量。
[0002] 典型的液流電池包括具有由電解質層隔開的負電極和正電極的氧化還原液流電 池單元，所述電解質層可包括隔膜，諸如離子交換膜。負流體電解質（有時被稱為陽極電解 質）被輸送到負電極，并且正流體電解質巧時被稱為陰極電解質）被輸送到正電極，W驅動 電化學可逆氧化還原反應。在充電時，供給的電能引起在一種電解質中的化學還原反應，W 及在另一種電解質中的氧化反應。隔膜防止電解質自由和快速地混合，但允許經選擇的離 子通過W完成氧化還原反應。在放電時，在逆反應中釋放包含在液體電解質中的化學能，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反應的反應物的 流體電解質溶液，液流電池與其它電化學裝置區別開。
[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電 池單元的正極側和負極側上的第一流體電解質和第二流體電解質中的常見電化學活性元 素物質的平均氧化態，并且響應于偏離平均氧化態值的預定范圍的平均氧化態調整平均氧 化態。
[0004] 附圖簡述 對本領域技術人員來說，本公開的各種特征和優點將從W下詳述中變得顯而易見。結 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中生成的電能轉換為化學能，所述化學能存儲直到 當稍后存在較大需求時，在那時液流電池20隨后將化學能轉換回電能。例如，液流電池20 可W為電網供給電能。
[0008] 液流電池20包括具有電化學活性物質24的流體電解質22,所述電化學活性物質 24在相對于具有電化學活性物質28的另外流體電解質26的氧化還原對中起作用。電化 學活性物質24/28是常見的，并且基于例如饑、鐵或銘。目P，在一個實例中，電化學活性物質 24/28是不同氧化態或價態的饑，并且在另一個實例中，電化學活性物質24/28是不同氧化 態或價態的鐵，并且在另一個實例中，電化學活性物質24/28是不同氧化態或價態的銘。流 體電解質22/26是包括電化學活性物質24/28的液體溶液。第一流體電解質22 (例如，負 電解質）和第二流體電解質26 (例如，正電解質）包含在包括第一和第二容器32/34W及累 35的供給/存儲系統30中。
[0009] 使用累35將流體電解質22/26通過各自進料管線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22/26經由返回管線40從電池單 元36返回到容器32/34。進料管線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。可W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之間的電解質隔膜層46。例如，電極42/44是多孔碳結構， 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 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，所述電解質隔膜層防止流體電解質22/26自由和快速地混合 但允許經選擇的離子通過W完成氧化還原反應同時電隔離電極42/44。就運一點而言，流體 電解質22/26在正常操作期間諸如在充電、放電和關閉狀態通常互相隔離。
[0012] 將流體電解質22/26輸送到電池單元36W將電能轉換成化學能或在逆反應中將 化學能轉換成可W被釋放的電能。將電能通過與電極42/44電禪合的電路48傳輸到電池 單元36及自電池單元36傳輸。
[0013] 液流電池20可經歷自放電反應。例如，當在流體電解質22/26中的電化學活性物 質24/28滲透入電解質隔膜層46時可發生自放電。滲透是不期望的但可發生，因為電解質 隔膜層46對流體電解質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 不同物質的濃度梯度，所W電化學活性物質24/28可W通過電解質隔膜層46擴散。此外， 如在任何電池中的情況下，也可發生不期望的副反應，運會導致氨或氧的放出，尤其是在含 水電解質中，并且在一個電極上的運些不良副反應也可導致在相對電極上電化學活性物質 24/28的氧化或還原。隨時間推移，運些反應可引起在不利于（debit)液流電池20的性能 和最大能量容量的電化學活性物質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活性物質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 由電化學活性物質24/28的平均氧化態表示。平均氧化態提供了流體電解質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和調整步驟54,但應該理解步驟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22/26中的 電化學活性物質24/28的平均氧化態。調整步驟54包括然后響應于偏離平均氧化態值的 預定范圍的平均氧化態調整平均氧化態。
[0016] 預定平均氧化態值可W是單個值或值范圍。如果電化學活性物質24/28的平均氧 化態偏離單個值或在值范圍之外，那么調整所述平均氧化態。例如，值范圍可W基于常見電 化學活性物質24/28的類型。在進一步實例中，當常見電化學活性物質24/28完全平衡時， 值范圍可W是平均氧化態的+/-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的氧化態的饑物質的價不一定為4+和5+) 作為電化學活性物質24/28,完全平衡的平均氧化態為+3. 5。例如，如果電解質溶液是含水 硫酸，那么V(iv)/V(V)物質將分別呈現為VO2+和VO/。
[0017] 可W直接地或間接地確定電化學活性物質24/28的平均氧化態。如果直接確定， 那么平均氧化態可W從電化學活性物質24/28的不同價態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活性物質24/28,價態包括y27v3+和v47v5\在一個進 一步實例中，電化學活性物質24/28的不同價態的摩爾濃度可W使用光學檢測器設備來獲 得，所述光學檢測器設備收集在使用光學測量的容器32/34中的一個或兩個中電化學活性 物種24/28的摩爾濃度測量。例如，光學檢測器設備利用光W檢測摩爾濃度。一旦獲得摩 爾濃度，平均氧化態就可W作為摩爾濃度除W電化學活性物質24/28的總摩爾量的函數進 行確定。在基于饑的一個實例中，平均價態可W根據等式I進行