本技术涉及液流电池系统，诸如钒氧化还原液流电池(vrfb)系统，并且更具体地，涉及确定液流电池中的荷电状态、摩尔浓度和氧化状态并控制液流电池。
背景技术：
1、液流电池，也称为氧化还原液流电池或氧化还原液流电芯，可用于大规模能量存储。液流电池将电能转换成化学能用于存储，并且在需要时稍后作为电能释放。液流电池使用外部供应的流体电解质溶液，其包含参与可逆电化学反应的反应物。在充电时，所供应的电能引起一种电解质中的化学还原反应以及另一种电解质中的氧化反应。在放电时，包含在液体电解质中的化学能在逆反应中释放并且可以从电极获取电能。液流电池可以用在并网能量存储系统和/或离网能量存储系统中。
2、具有液流电池的荷电状态(soc)的准确测量有利于使电池的能量容量和寿命最大化。在液流电池中，期望具有精确测量电解质中的活性材料的浓度的装置。至少一些当前用于测量氧化还原液流电池(rfb)中的soc和浓度的方法并不健全。例如，光学测量可能是不精确的，因为光学传感器需要频繁的维护和校准。
技术实现思路
1、根据本文的实施例，提供了以简单且健全的方式确定液流电池(诸如vrfb)的活性组分的soc、摩尔浓度和氧化状态的系统和方法。根据本文的教导和技术，测量带电电解质相对于参考电解质的电位(例如，用于确定电位差)。该测量可直接转换为soc。还教导了允许计算系统的阳极液和阴极液侧上的钒离子的摩尔浓度及其氧化状态的方程。可响应于此确定来控制液流电池。
2、优点可以包括独立地测量带负电的电解质(阳极液)和带正电的电解质(阴极液)的荷电状态和摩尔浓度的能力。进一步地，相比于当前的测量soc的方法，可以实现显著的成本优势，当前方法涉及使用相对昂贵的光学传感器，而其也需要频繁校准和维护。
3、本发明提供了一种液流电池，包括：至少一个电化学电池电芯，其与阳极电解质和阴极电解质流体连通；参考电芯，其与阳极电解质和阴极电解质中的至少一者流体连通并且与具有已知电位的参考电解质流体连通，该参考电芯用于测量以下各项中的至少一项：i)在阳极电解质与参考电解质之间的跨参考电芯的阳极液电位差，以及ii)在阴极电解质与参考电解质之间的跨参考电芯的阴极液电位差；以及计算设备，该计算设备包括电路，该电路被配置为：处理阳极液电位差和阴极液电位差中的至少一者以确定阳极电解质和阴极电解质的相应的荷电状态(soc)以用于控制液流电池的操作，计算设备在不测量阳极电解质与阴极电解质之间的电位差的情况下确定相应的soc。
4、在实施例中，计算设备被配置为，根据能斯特方程确定相应的soc：其中，e＝还原电位；e0＝标准电位；r＝气体常数；t＝温度；z＝离子电荷；f＝法拉第常数；q＝反应商；以及
5、在实施例中，计算设备被配置为进行以下各项中的至少一项：i)存储使阳极液电位差与阳极液soc相关联的阳极液查找表，并且利用该查找表确定相应的soc；以及ii)存储使阴极液电位差与阴极液soc相关联的阴极液查找表，并且利用该查找表确定相应的soc。
6、在实施例中，处理阳极液电位差和阴极液电位差中的至少一者以确定相应的荷电状态(soc)限定第一soc确定选项，并且其中，计算设备还被配置为在第二soc确定选项中确定相应的soc。在实施例中，在第二soc确定选项中，计算设备被配置为执行以下各项中的一项：响应于测量电解质颜色的光信号确定相应的soc；以及处理阳极液和阴极液之间的电位差，并且作为响应确定相应的soc。在实施例中，计算设备配置为根据第一soc确定选项确定相应的soc，并且如果相应的soc在高值或低值的阈值内，则根据第二soc确定选项确定相应的soc以用于控制液流电池的操作。
7、在实施例中，参考电芯包括单独接收电解质的相应的体部。
8、在实施例中，参考电芯包括第一参考电芯，该第一参考电芯被配置为接收阳极液和阴极液中的一者，并且液流电池包括第二参考电芯，该第二参考电芯与第一参考电芯分离，第二参考电芯被配置为接收阳极液与阴极液中的另一者。在实施例中，第一参考电芯包括单独接收阳极电解质的第一阳极液电芯体部和单独接收参考电解质的第一参考电解质电芯体部，并且第一膜使第一阳极液电芯体部与第一参考电解质电芯体部分离；并且第二参考电芯包括用于单独接收阴极电解质的第一阴极液电芯体部和用于单独接收参考电解质的第二参考电解质电芯体部，并且第二膜使第一阴极液电芯体部与第二参考电解质电芯体部分离。在实施例中，计算设备从第一参考电芯和第二参考电芯中的每一者接收电位差的测量。在实施例中，液流电池包括：阳极电解质回路，其用于使阳极电解质循环到至少一个电池电芯和第一参考电芯；阴极电解质回路，其用于使阴极电解质循环到至少一个电池电芯和第二参考电芯；以及参考电解质回路，其用于使参考电解质循环到第一参考电芯和第二参考电芯中的每一者。
9、在实施例中，参考电芯被配置为与阳极电解质和阴极电解质中的每一者流体连通；参考电芯包括用于单独接收阳极电解质的第一电芯体部、用于单独接收阴极电解质的第二电芯体部、以及用于单独接收参考电解质的至少一个附加电芯体部；第一膜使第一电芯体部与至少一个附加电芯体部分离；以及第二膜使第二电芯体部和至少一个附加电芯体部分离。在实施例中，至少一个附加电芯体部包括用于接收参考电解质的第一附加电芯体部和第二附加电芯体部，并且其中，第一附加电芯体部和第二附加电芯体部包括其间的膜。在实施例中，液流电池包括：阳极电解质回路，其用于使阳极电解质循环到至少一个电池电芯和第一电芯体部；阴极电解质回路，其用于使阴极电解质循环到至少一个电池电芯和第二电芯体部；以及参考电解质回路，其用于使参考电解质循环到至少一个附加电芯体部。
10、在实施例中，计算设备还被配置为从soc确定电解质原子的摩尔浓度和浓度。
11、在实施例中，阳极液和阴极液的相应的摩尔浓度被确定为：以及其中，v＝体积；m＝摩尔浓度；i＝电流；soc＝荷电状态；na＝阿伏伽德罗常数；c＝库伦＝6.24*1018个电子；以及
12、在实施例中，液流电池包括钒氧化还原液流电池(vrfb)。
13、在实施例中，阳极电解质和阴极电解质包括选自钒、溴、铁、铬、锌、铈、铅、硫、钴、锡及锰或其任何合适组合的电解质溶液对。
14、在实施例中，计算设备被配置为通过以下各项中的至少一项来控制液流电池：控制外部电力的施加以使液流电池充电；控制来自电池的电力的施加以使电池放电；使阳极液和阴极液的相应的荷电状态互相匹配；以及使液流电池中的阳极液和阴极液的相应的荷电状态与串联或共同位于相同站点的另一液流电池的荷电状态匹配。
15、本发明提供了一种控制液流电池的方法。在实施例中，该方法包括：使阳极电解质和阴极电解质循环通过至少一个电化学电池电芯；使具有已知电位的参考电解质循环通过参考电芯，该参考电芯与阳极电解质和阴极电解质中的至少一者流体连通；测量以下中的至少一者：i)在阳极电解质和参考电解质之间的跨参考电芯的阳极液电位差，以及ii)在阴极电解质和参考电解质之间的跨参考电芯的阴极液电位差；以及处理阳极液电位差和阴极液电位差中的至少一者，以确定阳极电解质和阴极电解质的相应的荷电状态(soc)，用于控制液流电池的操作，该方法在不测量阳极电解质与阴极电解质之间的电位差的情况下确定相应的soc。
16、在实施例中，确定相应的soc包括根据能斯特方程来确定相应的soc；其中，e＝还原电位；e0＝标准电位；r＝气体常数；t＝温度；z＝离子电荷；f＝法拉第常数；q＝反应商；以及
17、在实施例中，该方法包括以下各项中的至少一项：i)存储使阳极液电位差与阳极液soc相关联的阳极液查找表，并且利用查找表确定相应的soc；以及ii)存储使阴极液电位差与阴极液soc相关联的阴极液查找表，并且利用查找表确定相应的soc。
18、在实施例中，处理阳极液电位差和阴极液电位差中的至少一者以确定相应的荷电状态(soc)限定第一soc确定选项，并且其中，该方法还包括根据第二soc确定选项来确定相应的soc。在实施例中，根据第二soc确定选项，该方法包括以下各项中的一项：响应于测量电解质颜色的光学信号来确定相应的soc；以及处理阳极液和阴极液之间的电位差，并且作为响应确定相应的soc。在实施例中，该方法根据第一soc确定选项确定相应的soc，并且如果相应的soc在高值或低值的阈值内，则根据第二soc确定选项确定相应的soc以用于控制液流电池的操作。
19、在实施例中，该方法还包括确定来自相应的soc的电解质原子的至少一个摩尔浓度。
20、在实施例中，该方法包含通过以下各项中的至少一项来控制液流电池的操作：控制外部电力的施加以使液流电池充电；控制来自电池的电力的施加以使电池放电；使阳极液和阴极液的相应的荷电状态互相匹配；以及使液流电池中的阳极液和阴极液的相应的荷电状态与串联或共同位于相同站点的另一液流电池的荷电状态匹配。
1.一种液流电池，包括：
2.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述计算设备被配置为根据以下形式的能斯特方程确定所述相应的soc：
3.根据权利要求2所述的液流电池，其中，所述计算设备被配置为用于以下各项中的至少一项：
4.根据权利要求1所述的液流电池，其中，处理所述阳极液电位差和所述阴极液电位差中的至少一者以确定相应的荷电状态(soc)限定第一soc确定选项，并且其中，所述计算设备还被配置为在第二soc确定选项中确定相应的soc，优选地，其中，在所述第二soc确定选项中，所述计算设备被配置为执行以下各项中的一项：
5.根据权利要求4所述的液流电池，其中，所述计算设备被配置为根据所述第一soc确定选项确定相应的soc，并且如果所述相应的soc在高值或低值的阈值内，则根据所述第二soc确定选项确定相应的soc以用于控制所述液流电池的操作。
6.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述参考电芯包括相应体部，以分别接收电解质。
7.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述参考电芯包括第一参考电芯，所述第一参考电芯被配置为接收所述阳极液和所述阴极液中的一者，并且其中，所述液流电池包括第二参考电芯，所述第二参考电芯与所述第一参考电芯分离，所述第二参考电芯被配置为接收所述阳极液和所述阴极液中的另一者，
8.根据权利要求7所述的液流电池，包括：
9.根据权利要求6所述的液流电池，其中：
10.根据权利要求9所述的液流电池，其中，所述至少一个附加电芯体部包括用于接收所述参考电解质的第一附加电芯体部和第二附加电芯体部，并且其中所述第一附加电芯体部和所述第二附加电芯体部包括其间的膜。
11.根据权利要求9所述的液流电池，包括：
12.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述计算设备还被配置为从soc确定电解质原子的摩尔浓度和浓度，
13.根据权利要求1所述的液流电池，包括钒氧化还原液流电池(vrfb)。
14.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述阳极电解质和所述阴极电解质包括选自钒、溴、铁、铬、锌、铈、铅、硫、钴、锡和锰或其任何合适的组合的电解质溶液对。
15.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述计算设备被配置为通过以下各项中的至少一项来控制所述液流电池的操作：
16.根据权利要求1所述的液流电池，其中，所述计算设备被配置为用于以下各项中的至少一项：
17.一种控制液流电池的方法，所述方法包括：
18.根据权利要求17所述的方法，其中，确定所述相应的soc包括根据以下形式的能斯特方程确定所述相应的soc：
19.根据权利要求1 8所述的方法，包括以下各项中的至少一项：
20.根据权利要求17所述的方法，其中，处理所述阳极液电位差和所述阴极液电位差中的至少一者以确定相应的荷电状态(soc)限定第一soc确定选项，并且其中所述方法还包括根据第二soc确定选项来确定相应的soc，
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述方法根据所述第一soc确定选项确定相应的soc，并且如果所述相应的soc在高值或低值的阈值内，则根据所述第二soc确定选项确定相应的soc，用于控制所述液流电池的操作。
22.根据权利要求17所述的方法，还包括：从相应的soc确定电解质原子的至少一种摩尔浓度，
23.根据权利要求1 7所述的方法，包括以下各项中的至少一项：
24.根据权利要求17所述的方法，其中，所述液流电池包括钒氧化还原液流电池(vrfb)。
25.根据权利要求17所述的方法，其中，所述阳极电解质和所述阴极电解质包括选自钒、溴、铁、铬、锌、铈、铅、硫、钴、锡和锰或其任何合适的组合的电解质溶液对。
26.根据权利要求17所述的方法，包括通过以下各项中的至少一项来控制所述液流电池的操作：
27.一种计算机程序产品，其包括存储计算机可读指令的非暂时性存储介质，所述计算机可读指令在由处理器执行时使所述处理器执行根据权利要求17所述的方法的方法。
