CN109546186B - 检测液流电池内电解液状态的soc检测装置、方法及具有soc检测装置的液流电池系统 - Google Patents

检测液流电池内电解液状态的soc检测装置、方法及具有soc检测装置的液流电池系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种检测液流电池内电解液状态的SOC检测装置、检测方法以及具有SOC检测装置的液流电池系统，包括端板、第一双极板、正/负极电解液检测腔、离子交换膜以及分别与所述正/负极电解液检测腔相连通的正极电解液进出口管路与负极电解液进出口管路；其特征在于，所述SOC检测装置还包括多个开设有第一通孔的绝缘板、参比检测腔以及置于所述参比检测腔内的作为电位测试电极的第二双极板，其中，所述绝缘板被分别设置于所述离子交换膜两侧以间隔参比检测腔与正/负极电解液检测腔；所述参比检测腔内充有参比溶液。本发明能够在保持检测装置的稳定的同时有效避免正极或负极电解液因价态失衡对电池系统可能造成的影响。

Description

检测液流电池内电解液状态的SOC检测装置、方法及具有SOC 检测装置的液流电池系统
技术领域
本发明涉及液流电池技术，具体地说是一种检测液流电池内电解液状态的SOC检测装置、方法及具有SOC检测装置的液流电池系统。
背景技术
现有技术中的液流电池电解液状态的在线监测方法存在如下问题：
1.在现有的SOC电池结构，即使用一块与液流电池（特别是全钒）电堆类似的电池接入系统中，通过监测该电池的电压评估电解液所含的电量；但是该方法，由于检测的仅为正负极电解液的电压差，因此只能粗略地预估电解液所含电量，而不能较为精确的分析出正极电解液或负极电解液的电解液状态，因此无法避免正极或负极电解液因价态失衡对电池系统可能造成的影响；
2. 采用参比电极的方法，即通过参比电极测试电解液的电位，评估电解液的状态；但是该方法，由于参比电极的原理是参比液需要与待测液进行实时的离子交换，因此很难长时间保持参比溶液的稳定，且容易对待测溶液造成污染，亦即采用此方法，参比电极很容易失效；
3. 通过电位滴定法或分光光度法分析电解液的组成及状态，虽然采用电位滴定法或分光光度法分析电解液的组成及状态可获得较为准确的结果，但其最大的问题是无法在现场时时监测电解液的状态，需要将溶液取出后再进行测量，因此无法时时获悉电解液中钒离子的浓度；
综上可知，现有的液流电池电解液状态的在线监测方法均一定的弊端，不能满足实时监测液流电池电解液状态的使用需求。
发明内容
鉴于现有技术存在的弊端，本发明一方面提供了检测液流电池内电解液状态的SOC检测装置，以有效解决背景技术中所提及的技术问题。
一种检测液流电池内电解液状态的SOC检测装置，包括端板、第一双极板、正/负极电解液检测腔、离子交换膜以及分别与所述正/负极电解液检测腔相连通的正极电解液进出口管路与负极电解液进出口管路；其特征在于，所述SOC检测装置还包括多个开设有第一通孔的绝缘板、参比检测腔以及置于所述参比检测腔作为电位测试电极的第二双极板，其中，所述绝缘板被分别设置于所述离子交换膜两侧以间隔参比检测腔与正/负极电解液检测腔；所述参比检测腔内充有参比溶液。
进一步的，所述SOC检测装置的检测腔由参比检测腔以及正极电解液检测腔、负极电解液检测腔中的至少一种电解液检测腔组成。
进一步的，所述参比检测腔开有供参比溶液流通更新的第二通孔。
进一步的，所述参比溶液为具有钒离子的电解液。
进一步的，所述电解液中钒离子的价态范围为3.5价的价态或者4价与5价的混合价态中的一种。
进一步的，所述第二双极板置于参比检测腔内部分开有空腔，所述空腔的开孔面积与参比检测腔腔体内电极总面积的比例范围为0~1。
进一步的，所述第二双极板的材质为碳材料、金属材料、导电聚合物中的任意一种。
进一步的，所述第一通孔的孔径内填充有高比表面积材料或亲水性材料。
进一步的，所述第一通孔为直通孔或者沿所述绝缘板厚度方向延伸弯折的弯折孔。
进一步的，所述绝缘板的材质为PP绝缘材料、PE绝缘材料、PVC绝缘材料、PVDF绝缘材料、PTFE绝缘材料中的任意一种。
本发明另一方面提供了基于所述SOC检测装置的液流电池系统。
本发明另一方面提供了基于所述SOC检测装置的液流电池内电解液状态的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定所要检测的测试参数，所述测试参数包括正极系统开路电压、负极系统开路电压以及系统开路电压；
S2、基于所确定的测试参数，配置SOC检测装置进行检测；若仅检测正极系统开路电压或者负极系统开路电压，则使得正极待测电解液流入对应的
正极电解液检测腔内或者负极待测电解液流入负极电解液检测腔内并将所述第二双极板调整为不具有空腔的板框结构，通过测量正极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定正极系统开路电压，通过测量负极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定负极系统开路电压；若检测系统开路电压，则使得正极待测电解液流入对应的正极电解液检测腔，负极待测电解液流入对应的负极电解液检测腔内，通过测量正极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定正极系统开路电压以及通过测量负极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定负极系统开路电压后，通过两者差值确定系统开路电压。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、本发明通过设置三类腔室（正极电解液检测腔、负极电解液检测腔以及参比检测腔）实现了同时分别测量正极电极液的电位和负极电解液的电位以及电解液总电位的目的，即通过测量正极电解液检测腔侧常规电极-第一双极板与参比检测腔中的电位测试电极-第二双极板之间的电压差得到正极电解液的电位，通过测量负极电解液检测腔侧-第一双极板与第二双极板间的电压差可得到负极电解液的电位，进而能够实时监测电池内电解液的状态，且能够在保持检测装置的稳定的同时有效避免正极或负极电解液因价态失衡对电池系统可能造成的影响；2、相比于扩散的含量，本发明参比检测腔内的参比溶液体积很大，因此能够在相当长一段时间内保持稳定，无需进行更换，同时本发明还配置了更换结构以无需取液就能便捷更新参比检测腔内的参比溶液。因此本发明特别适合应用于全钒液流电池电解液状态的在线监测过程。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例对应的SOC检测装置结构示意图；
图2是本发明实施例对应的SOC检测装置-第一种第二双极板结构示意图；
图3是本发明实施例对应的SOC检测装置-第二种第二双极板结构示意图；
图4是本发明实施例对应的SOC检测装置-绝缘板结构示意图；
图5是本发明实施例对应的SOC检测装置-参比溶液流通更新结构示意图；
图6是本发明实施例对应的SOC检测装置-检测对比图。
图中：1、端板，2、第一双极板，3、正极电解液检测腔，4、负极电解液检测腔空腔，5、离子交换膜、6、正极电解液进出口管路，7、负极电解液进出口管路，8、绝缘板，801、第一通孔，9、参比检测腔，10、第二双极板，1001、空腔，11、 第二通孔，13、正极电解液储罐，14、负极电解液储罐，15、参比储罐，16、阀门与管路。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
鉴于现有的液流电池电解液状态的在线监测方法存在的诸多弊端。本发明设计了一种检测液流电池内电解液状态的SOC检测装置，包括端板、第一双极板、所述正/负极电解液检测腔、离子交换膜、分别与所述正/负极电解液检测腔相连通的正极电解液进出口管路与负极电解液进出口管路；其特征在于，所述SOC检测装置还包括，多个开设有第一通孔的绝缘板、参比检测腔以及置于所述参比检测腔作为电位测试电极的第二双极板，其中，所述绝缘板被分别设置于所述离子交换膜两侧以间隔参比检测腔与正/负极电解液检测腔；所述参比检测腔内充有参比溶液。
在一种可选的实施方式中，所述SOC检测装置的检测腔由具有如下几种组合形式：由参比检测腔以及正极电解液检测腔两种检测腔组成；或者由参比检测腔以及负极电解液检测腔两种检测腔组成；或者由参比检测腔、正极电解液检测腔、负极电解液检测腔以及3种电解液检测腔组成。
在一种可选的实施方式中， 所述参比检测腔开有供参比溶液流通更新的第二通孔。
在一种可选的实施方式中，所述参比溶液为具有钒离子的电解液。优选的，所述电解液中钒离子的价态范围为3.5价的价态或者4价与5价的混合价态中的任意一种价态范围。
在一种可选的实施方式中，所述第二双极板置于参比检测腔内的部分开有空腔，所述空腔的形状不限，但其开孔面积与参比检测腔腔体内电极总面积的比例范围为0~1。
在一种可选的实施方式中，所述第二双极板的材质为碳材料、金属材料、导电聚合物中的任意一种。
在一种可选的实施方式中，由于所述第一通孔需要灌满溶液，因此第一通孔的孔径内填充有高比表面积材料或亲水性材料，优选采用碳毡、活性炭等材料。
在一种可选的实施方式中，所述第一通孔为直通孔或者沿所述绝缘板厚度方向延伸弯折的弯折孔以形成毛细孔结构使得参比检测腔与正极参比检测腔和参比检测腔与负极参比检测腔均通过该毛细孔结构相连。
在一种可选的实施方式中，所述绝缘板的材质为PP绝缘材料、PE绝缘材料、PVC绝缘材料、PVDF绝缘材料、PTFE绝缘材料中的任意一种。
本发明另一方面提供了基于所述SOC检测装置的液流电池系统。
本发明另一方面提供了基于所述SOC检测装置的液流电池内电解液状态的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定所要检测的测试参数，所述测试参数包括正极系统开路电压、负极系统开路电压以及系统开路电压；
S2、基于所确定的测试参数，配置SOC检测装置进行检测；若仅检测正极系统开路电压或者负极系统开路电压，则使得正/负极待测电解液流入对应的
正极电解液检测腔或者负极电解液检测腔内并将所述第二双极板调整为不具有空腔的板框结构，通过测量正极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定正极系统开路电压，通过测量负极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定负极系统开路电压；若检测系统开路电压，则使得正极待测电解液流入对应的正极电解液检测腔，负极待测电解液流入对应的负极电解液检测腔内，通过测量正极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定正极系统开路电压以及通过测量负极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定负极系统开路电压后，通过两者差值确定系统开路电压。
基于上述设计方案，以如图1-图5所示实施例为例进行进一步说明以及论证，该例采用SOC检测装置的检测腔由参比检测腔、正极电解液检测腔、负极电解液检测腔以及3种电解液检测腔组成；具体的，如图1所示的一种检测液流电池内电解液状态的SOC检测装置，其包括端板1、第一双极板2、正极电解液检测腔3、负极电解液检测腔4、离子交换膜5、分别与所述正/负极电解液检测腔相连通的正极电解液进出口管路6（连接正极电解液储罐13）与负极电解液进出口管路7（连接负极电解液储罐14）；4个开设有第一通孔801的绝缘板8、开有供参比溶液流通更新的第二通孔11的参比检测腔9以及置于所述参比检测腔作为电位测试电极的第二双极板10，所述绝缘板9被分别设置于所述离子交换膜5两侧以间隔参比检测腔9与正/负极电解液检测腔（即使得正极电解液检测腔和/或负极电解液检测腔通过离子膜和绝缘板与参比腔室隔开）；所述参比检测腔内充有参比溶液。其中，所述参比溶液为具有钒离子的电解液，所述钒离子的价态范围为4价与5价的混合价态中；所述第二双极板置于参比检测腔内的部分开有如图2所示的方形空腔1001，也可如图3所示结构；所述第二双极板的材质为碳材料；所述第一通孔的孔径内填充有碳毡材料；如图4所示，所述第一通孔为毛细孔结构（开孔的长度越长越好）；所述绝缘板的材质为PVC绝缘材料；如图5所示，所述参比检测腔开有供参比溶液流通更新的第二通孔，通过阀门与管路16将参比溶液自参比储罐15通过第二通孔送至参比检测腔。
如图6，基于所述SOC检测装置的液流电池内电解液状态的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定所要检测的测试参数，所述测试参数包括正极系统开路电压、负极系统开路电压以及系统开路电压；
S2、基于所确定的测试参数，配置SOC检测装置进行检测系统开路电压，则使得正极待测电解液流入对应的正极电解液检测腔，负极待测电解液流入对应的负极电解液检测腔内，通过测量正极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定正极系统开路电压以及通过测量负极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定负极系统开路电压后，通过两者差值确定系统开路电压。
综上，本发明能够在保持检测装置的稳定的同时有效避免正极或负极电解液因价态失衡对电池系统可能造成的影响；因此本发明特别适合应用于全钒液流电池电解液状态的在线监测过程。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种检测液流电池内电解液状态的SOC检测装置，包括端板、第一双极板、正/负极电解液检测腔、离子交换膜以及分别与所述正/负极电解液检测腔相连通的正极电解液进出口管路与负极电解液进出口管路；其特征在于，所述SOC检测装置还包括多个开设有第一通孔的绝缘板、参比检测腔以及置于所述参比检测腔内的作为电位测试电极的第二双极板，其中，所述绝缘板被分别设置于所述离子交换膜两侧以间隔参比检测腔与正/负极电解液检测腔；所述参比检测腔内充有参比溶液；
所述参比检测腔开有供参比溶液流通更新的第二通孔；
所述第二双极板置于参比检测腔内部分开有空腔，所述空腔的开孔面积与参比检测腔腔体内电极总面积的比例范围为0~1；
所述第一通孔的孔径内填充有碳毡或活性炭；
所述第一通孔为直通孔或者沿所述绝缘板厚度方向延伸弯折的弯折孔；
所述绝缘板的材质为PP绝缘材料、PE绝缘材料、PVC绝缘材料、PVDF绝缘材料、PTFE绝缘材料中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的SOC检测装置，其特征在于：所述参比溶液为具有钒离子的电解液。
3.一种液流电池系统，其特征在于：具有如权利要求1-2任意一项所述的SOC检测装置。
4.一种基于权利要求1-2任意一项所述SOC检测装置的液流电池内电解液状态的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、确定所要检测的测试参数，所述测试参数包括正极系统开路电压、负极系统开路电压以及系统开路电压；
S2、基于所确定的测试参数，配置SOC检测装置进行检测；若仅检测正极系统开路电压或者负极系统开路电压，则使得正极待测电解液流入对应的正极电解液检测腔内或者负极待测电解液流入负极电解液检测腔内并将所述第二双极板调整为不具有空腔的板框结构，通过测量正极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定正极系统开路电压，通过测量负极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定负极系统开路电压；若检测系统开路电压，则使得正极待测电解液流入对应的正极电解液检测腔，负极待测电解液流入对应的负极电解液检测腔内，通过测量正极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定正极系统开路电压以及通过测量负极电解液检测腔侧的第一双极板与第二双极板间的电压差确定负极系统开路电压后，通过两者差值确定系统开路电压。
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