[发明专利]使用入口/出口电势测量瞬时荷电状态的方法和设备

说明书

本发明涉及氧化还原液流电池组以及用于监测其中电解质的组成的方法和设备。特别地，本发明涉及用于监测液流电池或液流电池组的电解质流的荷电状态的方法和配置。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2013年10月16日提交的申请序列号为61/891,483的美国专利申请的优先权的权益，其全部内容通过引入并入本文，以用于任何和所有目的。

技术领域

本发明涉及氧化还原液流电池组以及用于操作其的方法。

背景技术

尽管实时监测和测量进出电化学电池或堆的电解质的相对荷电状态(SOC)非常重要，但是能量存储和利用的现有技术没有教导用于在液体系统中这样做的稳健的方法或设备。进行这种测量的先前所有尝试似乎经历污垢、漂移或另外随着时间变得不可靠。此外，先前尝试测量和/或指示电池组(即，正极侧和负极侧)的SOC而不是单独电化学半电池(即，正极侧或负极侧)的SOC。本发明旨在解决这些不足中的至少一个。

发明内容

本发明的一些实施例涉及单独操作的液流电池(flow cell)或电池堆，每个电池或堆包括：(a)至少一个半电池，其包括入口和出口，电解质通过入口和出口在液流电池的操作期间流动，从而分别限定用于半电池的电解质的入口流和出口流，每个所述的入口流和出口流的特征是局部荷电状态；以及(b)第一电极和第二电极，其被定位以分别与入口流和出口流接触且电化学连通并且被配置以允许检测两个电极之间的电势差，所述电势差反映在所述入口流和出口流中的电解质的荷电状态之差；所述第一电极和第二电极测量两个电极之间的电势差。其它实施例进一步包括将监测的电势差与指示荷电状态或化学计量(在本领域中已知并且参见下文定义的术语)的预定义的控制条件组相关联。其它实施例还进一步包括调节与操作的电化学液流电池相关联的至少一个参数以便改变电池的操作。

其它实施例涉及操作液流电池或堆的方法，每个方法包括至少一个半电池，半电池包括入口和出口，电解质通过入口和出口在电池的操作期间流动，从而分别限定用于半电池的电解质的入口流和出口流，每个入口流和出口流具有半电池电解质的不同的局部荷电状态，所述方法包括测量至少一个半电池的入口流和出口流之间的电化学电势差。

附图说明

当结合附图阅读时，进一步理解本申请。为了说明主题的目的，主题的示例性实施例在附图中示出；然而，目前公开的主题不限于公开的具体方法、装置和系统。另外，附图不一定按比例绘制。在附图中：

图1描绘例如在液流电池组的充电期间其中电解质在20℃时在50％SOC下进入并且在65％SOC下退出的假想半电池。如能斯特(Nernstian)电化学行为所限定，-16mV的电压被期望横跨电压感测电极。

图2说明ORP(氧化还原电势探针)或流量计或两者可与横跨E1和E2感测的电压如何联接以产生关于荷电状态、化学计量或活性材料浓度的信息的一种可能配置。

图3说明多个电池或堆可如何并联(示出)或串联(未示出)流体连接的一个配置。在这种情况下，可使用横跨多个电池或堆中的半电池的本发明的多个示例，在一些情况下，避免需要多个ORP、流量计或其它装置。

图4A和图4B说明本发明的示例性实施例。在图4A中，正极(右循环)和负极(左循环)电解质通过活性材料在任何给定操作期间被充电和放电以氧化一侧并且还原另一侧的电池或堆循环。在图4B中，两个电压感测电极2和3被定位为与电池或堆1的至少一个电化学半电池的入口(5)流和出口(6)流电化学接触，电极2和3之间的电势差通过装置4测量。

图5说明本发明的另一个示例性实施例，其中两个电压感测电极2和3被定位为与电池或堆1的至少一个电化学半电池的入口(5)流和出口(6)流电化学接触，电极2和3之间的电势差通过装置4测量。在该配置中，包括隔板7的第二“电压感测电池”提供感测电极2和3之间的离子路径，而不是如在图4B中的电池或堆1内的半电池电解质歧管提供离子路径。