CN111261905B - 一种单液流电池电量的实时监控方法 - Google Patents

一种单液流电池电量的实时监控方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单液流电池电量的实时监控方法，一种单液流电池电量的实时监控方法，采用单液流电池电量与电解液电导率的线性关系，通过记录电解液电导率的变化能够准确的反映单液流电池的电量，即充电电量、额定电量、剩余电量及放电电量，方法准确可靠、方便快捷简单、运行成本低。通过这种单液流电池电量监控方法能够有效地防止单液流电池过充，及使用过程中出现馈电现象，保证单液流电池的正常使用，延长使用寿命。

Description

一种单液流电池电量的实时监控方法
技术领域
本发明涉及单液流电池领域，具体地涉及一种单液流电池电量的实时监控方法。
背景技术
大功率、大容量储能电站电池是解决新能源如风能、太阳能等新能源发电的不稳定、不连续特性有效途径。美国能源部最新报道液流电池目前能够满足兆瓦甚至吉瓦级储能功率及容量的要求。其中，单液流电池是近几年新兴的采用单一电解液的液流电池，适用于兆瓦甚至吉瓦级新能源装机容量的要求，因其采用单一电解液，无质子交换膜，具有成本低，结构简单，转化效率高，长寿命等特点而备受关注。
单液流电池的原理是采用可溶性的铅盐溶液为电解液，如甲基磺酸铅、三氟甲基磺酸铅、氟硼酸铅、氟硅酸铅、高氯酸铅等，充电时可溶性铅离子Pb2+在外电场的作用下分别氧化还原生成PbO2和Pb沉积在正负极表面，放电时正负极表面的PbO2和Pb通过外电路组成回路自发反应生成Pb2+回到电解液中，形成电流供给用电负载。电解液通过循环系统不断地在电解液槽与电堆之间循环，能够有效地减少或消除电池的浓差极化，提高充放电电流密度及电池效率。同时电池功率取决于电堆数量及电堆中的极板数量，电池容量取决于电极表面沉积活性物质的量，部分实现了容量和功率的分离，便于控制管理。因其使用统一电解液，有效地解决了电堆间的充电状态不平衡问题，可以做到兆瓦及吉瓦级别。
目前，单液流电池主要的充放电方法为恒流充电-恒流放电为主，通过电压-容量的关系粗略估算充电容量及放电容量。由于单液流电池属于沉积型液流电池，即通过PbO2和Pb沉积在正负极表面，实现正负极活性物质分离，其反应如下：
负极：
Figure BDA0002377334790000021
正极：
Figure BDA0002377334790000022
总反应：
Figure BDA0002377334790000023
由方程式(3)可以看出充电时，如消耗1摩尔的Pb2+，就有2摩尔的H+生成，生成PbO2和Pb沉积层会增加电池的欧姆电阻，而生成H+会降低溶液电阻值，这样会导致通过电压无法准确的计算出活性物质PbO2和Pb的量，即充电电量。反之，放电时无法通过电压准确判断出单液流电池剩余电量。而通过标定正负极上生成沉积物PbO2和Pb所消耗Pb2+的量，虽然可以精确地得到单液流电池电量值，但这种检测方法耗时，无法实现单液流电池使用时实时快捷监控电量的功能。因此解决实时监控电池现有容量是保证电池正常运行的必要条件，有利于电池的维护管理、延长电池的使用寿命。
发明内容
本发明的目的是提供一种实时监控单液流电池电量的方法，具有电池的维护管理、延长电池的使用寿命的特点。
本发明所采用的技术方案是，一种实时监控单液流电池电量的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测定25℃下单液流电池的起始电解液电导率σ0 25℃；
步骤2、以第一预设电流I1进行恒流充电，充电过程中，记录不同充电时间t1、t2、t3……ti下的单液流电池电量Q1、Q2、Q3……Qi和相应的电解液的温度T1、T2、T3……Ti及电解液电导率
Figure BDA0002377334790000031
直至充电达到设定额定电量Qs；
步骤3、线性拟合单液流电池电量Qi和相应的标准电解液电导率σi 25℃的线性关系式，并计算所述线性关系式的斜率α。
本发明的特点还在于：
步骤3中线性关系式为：
Qi＝α×(σi 25℃－σ0 25℃) (1)
式中，α为斜率，σi 25℃为标准电解液电导率，σ0 25℃为起始电解液电导率。
步骤2中
Qi＝I1×ti (2)
式中，ti为充电时间，I1为第一预设电流。
步骤1中
I1＝J1×S (3)
式中，S为电极板的面积，J1为电流密度10～30mA/cm2。
步骤3中
Figure BDA0002377334790000032
式中，β为25℃电解液电导率的温度补偿系数，Ti为电解液的温度，
Figure BDA0002377334790000033
为Ti温度时电解液电导率。
步骤1中单液流单体电池电解液为甲基磺酸铅/甲基磺酸电解液、三氟甲基磺酸铅/三氟甲基磺酸电解液、氟硼酸铅/氟硼酸电解液、高氯酸铅/高氯酸电解液、氟硅酸铅/氟硅酸电解液其中一种电解液体系。
本发明的有益效果是：
1、本发明的方法采用单液流电池电量与电解液电导率的线性关系，通过记录电解液电导率的变化能够准确的反映单液流电池的电量，即充电电量、额定电量、剩余电量及放电电量，方法准确可靠、方便简单、运行成本低。
2、通过检测电解液电导率实时监控单液流电池的容量变化，能够有效地防止单液流电池过充，及使用过程中出现馈电现象，保证单液流电池的正常使用，延长使用寿命。
附图说明
图1是本发明一种单液流电池电量的实时监控方法的单液流电池容量与电解液电导率的线性关系图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明一种实时监控单液流电池电量的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测定25℃下单液流电池的起始电解液电导率σ0 25℃；
步骤2、以第一预设电流I1进行恒流充电，充电过程中，记录不同充电时间t1、t2、t3……ti下的单液流电池电量Q1、Q2、Q3……Qi和相应的电解液的温度T1、T2、T3……Ti及电解液电导率
Figure BDA0002377334790000041
直至充电达到设定额定电量Qs；
步骤3、线性拟合单液流电池电量Qi和相应的标准电解液电导率σi 25℃的线性关系式，并计算所述线性关系式的斜率α。
步骤3中线性关系式为：
Qi＝α×(σi 25℃－σ0 25℃) (1)
式中，α值为图1中所示斜线的斜率，为常数；，σi 25℃为标准电解液电导率，σ0 25℃为起始电解液电导率。
步骤2中
Qi＝I1×ti (2)
式中，ti为充电时间，I1为第一预设电流。
步骤1中
I1＝J1×S (3)
式中，S为电极板的面积，J1为电流密度10～30mA/cm2。
步骤3中
Figure BDA0002377334790000051
式中，β为25℃电解液电导率的温度补偿系数，Ti为电解液的温度，
Figure BDA0002377334790000052
为Ti温度时电解液电导率。
步骤1中β是相对于25℃电解液电导率的温度补偿系数，针对不同的电解液体系及浓度配比其值不同，准确值需根据实际情况测得。一般情况下，甲基磺酸铅/甲基磺酸电解液β＝0.03/℃、三氟甲基磺酸铅/三氟甲基磺酸电解液β＝0.03/℃、氟硼酸铅/氟硼酸电解液β＝0.02/℃、高氯酸铅/高氯酸电解液β＝0.02/℃、氟硅酸铅/氟硅酸电解液β＝0.02/℃。
为验证步骤3得到的线性关系式的适用范围与准确性，具体按照以下步骤验证：
步骤a、充电至设定额定电量Qs后，在25℃下测定该设定额定电量下对应的标准电解液电导率σs 25℃，标准电解液电导率σs 25℃为单液流电池的截止电导率值。
步骤b、以第二预设电流I2进行恒流放电至单液流电池的放电截止电压，使单液流电池恢复到初始态；
步骤b中第二预设电流I2＜I1，I2＝J2×S，其中S为电极板的面积，J2为电流密度5～10mA/cm2；中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
步骤c、进行单液流电池充放电使用；
步骤c具体按照以下步骤实施：
步骤c.1、以第一预设电流密度I1充电至电解液电导率达到截止电解液电导率值σs，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池充电电量；
步骤c.2、以第三预设电流密度I3恒流放电至截止电压Vf，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池剩余电量；
步骤c中所述第三预设电流密度I3≤I1，I3＝J3×S，其中S为电极板的面积，J3为电流密度10～20mA/cm2；
步骤c中相应的标准电解液电导率σi 25℃，可通过将式(4)输入电导率测试仪可以自动进行温度补偿测得；
步骤c中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
步骤c中恒流充电和恒流放电为单液流电池一般充放电规则，通过测试电解液电导率来监控单液流电池的电量的方法同时适用于单液流电池其它充放电规则。
对单液流电池进行电量监控测试，通过标定电解液中Pb2+的摩尔量，从而得到所消耗Pb2+的摩尔量来计算得到单液流电池的实际电量。采用测定电解液电导率的方法所得的单液流电池电量误差小于1％。
实施例1
一种1kW/4kWh单液流电池，由电堆(由30个电对串联组成)、电解液和循环系统(动力泵)组成，采用甲基磺酸铅/甲基磺酸电解液体系，其中电池的正负极均为碳聚合物导电板，面积为32×25＝800cm2，甲基磺酸铅和甲基磺酸的摩尔浓度比为1.0：1.0，电解液体积为240L。
本发明一种实时监控单液流电池电量的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测定25℃下单液流电池的起始电解液电导率σ0 25℃＝285mS/cm；
步骤2、以第一预设电流I1＝24A进行恒流充电，充电过程中，记录不同充电时间t1、t2、t3……ti下的单液流电池电量Q1、Q2、Q3……Qi和相应的电解液的温度T1、T2、T3……Ti及电解液电导率
Figure BDA0002377334790000071
直至充电达到设定额定电量Qs＝4kWh；
步骤3、线性拟合单液流电池电量Qi和相应的标准电解液电导率σi 25℃的线性关系式，并计算所述线性关系式的斜率α。
步骤1中
I1＝J1×S＝30mA/cm2×800cm2＝24A (3)
式中，电极板的面积S为800cm2，电流密度J1为30mA/cm2。
步骤2中
Qi＝I1×ti＝24A×ti (2)
式中，ti为充电时间，I1为第一预设电流。
步骤3中
Figure BDA0002377334790000073
式中，β为25℃电解液电导率的温度补偿系数，Ti为电解液的温度，
Figure BDA0002377334790000072
为Ti温度时电解液电导率；一般情况下，甲基磺酸铅/甲基磺酸电解液β＝0.03/℃。
步骤3中线性关系式为：
Figure BDA0002377334790000081
式中，α值为图1中所示斜线的斜率，为常数；，σi 25℃为标准电解液电导率，σ0 25℃为起始电解液电导率；
式(1)与式(2)合并，得
Figure BDA0002377334790000082
将ti对应的Ti与
Figure BDA0002377334790000083
代入式(5)，即可求得α＝38.5Wh·mS·cm-1
为验证步骤3得到的线性关系式的适用范围与准确性，具体按照以下步骤验证：
步骤a、充电至设定额定电量4kWh后，在25℃下测定该设定额定电量下对应的标准电解液电导率389mS/cm，该电导率值为单液流电池的截止电导率值；
步骤b、以第二预设电流8A(放电电流密度10mA/cm2，10mA/cm2×800cm2＝8A)进行恒流放电至单液流电池的放电截止电压30V(Vf＝1.0V×30＝30V)；
步骤b中第二预设电流I2＜I1，I2＝J2×S，其中S为电极板的面积，J2为电流密度10mA/cm2；中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
步骤c.1、以第一预设电流24A进行恒流充电(充电电流密度30mA/cm2，30mA/cm2×800cm2＝24A)，直至电解液电导率达到截止标准电解液电导率值389mS/cm，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池充电电量；
步骤c.2、以第三预设电流16A(放电电流密度20mA/cm2，20mA/cm2×800cm2＝16A)恒流放电至截止电压30V(Vf＝1.0V×30＝30V)，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池剩余电量；
步骤c中所述第三预设电流密度I3≤I1，I3＝J3×S，其中S为电极板的面积，J3为电流密度20mA/cm2；
步骤c中相应的标准电解液电导率σi 25℃，可通过将式(4)输入电导率测试仪可以自动进行温度补偿测得；
步骤c中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
对单液流电池进行电量监控测试，采用测定电解液电导率的方法所得的单液流电池电量误差为0.35％。
实施例2
一种1kW/4kWh单液流电池，由电堆(由30个电对串联组成)、电解液和循环系统(动力泵)组成，采用三氟甲基磺酸铅/三氟甲基磺酸电解液体系，其中电池的正负极均为碳聚合物导电板，面积为32×25＝800cm2，三氟甲基磺酸铅和三氟甲基磺酸的摩尔浓度比为1.0：1.0，电解液体积为240L.
本发明一种实时监控单液流电池电量的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测定25℃下单液流电池的起始电解液电导率σ0 25℃＝298mS/cm；
步骤2、以第一预设电流I1＝16A进行恒流充电，充电过程中，记录不同充电时间t1、t2、t3……ti下的单液流电池电量Q1、Q2、Q3……Qi和相应的电解液的温度T1、T2、T3……Ti及电解液电导率
Figure BDA0002377334790000091
直至充电达到设定额定电量Qs＝4kWh；
步骤3、线性拟合单液流电池电量Qi和相应的标准电解液电导率σi 25℃的线性关系式，并计算所述线性关系式的斜率α。
步骤1中
I1＝J1×S＝20mA/cm2×800cm2＝16A (3)
式中，电极板的面积S为800cm2，电流密度J1为20mA/cm2。
步骤2中
Qi＝I1×ti＝16A×ti (2)
式中，ti为充电时间，I1为第一预设电流。
步骤3中
Figure BDA0002377334790000101
式中，β为25℃电解液电导率的温度补偿系数，Ti为电解液的温度，
Figure BDA0002377334790000102
为Ti温度时电解液电导率；一般情况下，三氟甲基磺酸铅/三氟甲基磺酸电解液β＝0.03/℃
步骤3中线性关系式为：
Figure BDA0002377334790000105
式中，α值为图1中所示斜线的斜率，为常数；，σi 25℃为标准电解液电导率，σ0 25℃为起始电解液电导率；
式(1)与式(2)合并，得
Figure BDA0002377334790000103
将ti对应的Ti与
Figure BDA0002377334790000104
代入式(5)，即可求得α＝36.1Wh·mS·cm-1
为验证步骤3得到的线性关系式的适用范围与准确性，具体按照以下步骤验证：
步骤a、充电至设定额定电量4kWh后，在25℃下测定该设定额定电量下对应的标准电解液电导率346mS/cm，该电导率值为单液流电池的截止电导率值；
步骤b、以第二预设电流8A(放电电流密度10mA/cm2，10mA/cm2×800cm2＝8A)进行恒流放电至单液流电池的放电截止电压30V(Vf＝1.0V×30＝30V)；
步骤b中第二预设电流I2＜I1，I2＝J2×S，其中S为电极板的面积，J2为电流密度10mA/cm2；中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
步骤c.1、以第一预设电流16A进行恒流充电(充电电流密度30mA/cm2，30mA/cm2×800cm2＝16A)，直至电解液电导率达到截止电解液电导率值298mS/cm，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池充电电量；
步骤c.2、以第三预设电流16A(放电电流密度20mA/cm2，20mA/cm2×800cm2＝16A)恒流放电至截止电压30V(Vf＝1.0V×30＝30V)，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池剩余电量；
步骤c中所述第三预设电流密度I3≤I1，I3＝J3×S，其中S为电极板的面积，J3为电流密度20mA/cm2；
步骤c中相应的标准电解液电导率σi 25℃，可通过将式(4)输入电导率测试仪可以自动进行温度补偿测得；
步骤c中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
对单液流电池进行电量监控测试，采用测定电解液电导率的方法所得的单液流电池电量误差为0.56％。
实施例3
一种500W/5kWh单液流电池，由电堆(由42个电对串联组成)、电解液和循环系统(动力泵)组成，采用氟硼酸铅/氟硼酸电解液体系，其中电池的正负极均为碳聚合物导电板，面积为32×25＝800cm2，氟硼酸铅和氟硼酸的摩尔浓度比为2.5：0.3，电解液体积为84L。
本发明一种实时监控单液流电池电量的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测定25℃下单液流电池的起始电解液电导率σ0 25℃＝105mS/cm；
步骤2、以第一预设电流I1＝16A进行恒流充电，充电过程中，记录不同充电时间t1、t2、t3……ti下的单液流电池电量Q1、Q2、Q3……Qi和相应的电解液的温度T1、T2、T3……Ti及电解液电导率
Figure BDA0002377334790000121
直至充电达到设定额定电量Qs＝5kWh；
步骤3、线性拟合单液流电池电量Qi和相应的标准电解液电导率σi 25℃的线性关系式，并计算所述线性关系式的斜率α。
步骤1中
I1＝J1×S＝10mA/cm2×800cm2＝8A (3)
式中，电极板的面积S为800cm2，电流密度J1为10mA/cm2。
步骤2中
Qi＝I1×ti＝8A×ti (2)
式中，ti为充电时间，I1为第一预设电流。
步骤3中
Figure BDA0002377334790000122
式中，β为25℃电解液电导率的温度补偿系数，Ti为电解液的温度，
Figure BDA0002377334790000123
为Ti温度时电解液电导率；一般情况下，氟硼酸铅/氟硼酸电解液β＝0.02/℃。
步骤3中线性关系式为：
Figure BDA0002377334790000131
式中，α值为图1中所示斜线的斜率，为常数；，σi 25℃为标准电解液电导率，σ0 25℃为起始电解液电导率；
式(1)与式(2)合并，得
Figure BDA0002377334790000132
将ti对应的Ti与
Figure BDA0002377334790000133
代入式(5)，即可求得α＝36.1Wh·mS·cm-1
为验证步骤3得到的线性关系式的适用范围与准确性，具体按照以下步骤验证：
步骤a、充电至设定额定电量5kWh后，在25℃下测定该设定额定电量下对应的标准电解液电导率356mS/cm，该电导率值为单液流电池的截止电导率值；
步骤b、以第二预设电流4A(放电电流密度5mA/cm2，5mA/cm2×800cm2＝4A)进行恒流放电至单液流电池的放电截止电压42V(Vf＝1.0V×42＝42V)；
步骤b中第二预设电流I2＜I1，I2＝J2×S，其中S为电极板的面积，J2为电流密度10mA/cm2；中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
步骤c.1、以第一预设电流8A进行恒流充电(充电电流密度10mA/cm2，10mA/cm2×800cm2＝8A)，直至电解液电导率达到截止标准电解液电导率值356mS/cm，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池充电电量；
步骤c.2、以第三预设电流8A(放电电流密度10mA/cm2，10mA/cm2×800cm2＝8A)恒流放电至截止电压42V(Vf＝1.0V×42＝42V)，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池剩余电量；
步骤c中第三预设电流密度I3≤I1，I3＝J3×S，其中S为电极板的面积，J3为电流密度10mA/cm2；
步骤c中相应的标准电解液电导率σi 25℃，可通过将式(4)输入电导率测试仪可以自动进行温度补偿测得；
步骤c中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
对单液流电池进行电量监控测试，采用测定电解液电导率的方法所得的单液流电池电量误差为0.72％。
实施例4
一种500W/2kWh单液流电池，由电堆(由42个电对串联组成)、电解液和循环系统(动力泵)组成，采用甲基磺酸铅/甲基磺酸电解液体系，其中电池的正负极均为碳聚合物导电板，面积为32×25＝800cm2，甲基磺酸铅和甲基磺酸的摩尔浓度比为1.8：0.3，电解液体积为120L。
本发明一种实时监控单液流电池电量的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测定25℃下单液流电池的起始电解液电导率σ0 25℃＝96mS/cm；
步骤2、以第一预设电流I1＝8A进行恒流充电，充电过程中，记录不同充电时间t1、t2、t3……ti下的单液流电池电量Q1、Q2、Q3……Qi和相应的电解液的温度T1、T2、T3……Ti及电解液电导率
Figure BDA0002377334790000141
直至充电达到设定额定电量Qs＝2kWh；
步骤3、线性拟合单液流电池电量Qi和相应的标准电解液电导率σi 25℃的线性关系式，并计算所述线性关系式的斜率α。
步骤1中
I1＝J1×S＝10mA/cm2×800cm2＝8A (3)
式中，电极板的面积S为800cm2，电流密度J1为10mA/cm2。
步骤2中
Qi＝I1×ti＝8A×ti (2)
式中，ti为充电时间，I1为第一预设电流。
步骤3中
Figure BDA0002377334790000151
式中，β为25℃电解液电导率的温度补偿系数，Ti为电解液的温度，
Figure BDA0002377334790000152
为Ti温度时电解液电导率；一般情况下，甲基磺酸铅和甲基磺酸的β＝0.02/℃。
步骤3中线性关系式为：
Figure BDA0002377334790000153
式中，α值为图1中所示斜线的斜率，为常数；σi 25℃为标准电解液电导率，σ0 25℃为起始电解液电导率；
式(1)与式(2)合并，得
Figure BDA0002377334790000154
将ti对应的Ti与
Figure BDA0002377334790000155
代入式(5)，即可求得α＝14.3Wh·mS·cm-1
为验证步骤3得到的线性关系式的适用范围与准确性，具体按照以下步骤验证：
步骤a、充电至设定额定电量5kWh后，在25℃下测定该设定额定电量下对应的标准电解液电导率356mS/cm，该电导率值为单液流电池的截止电导率值；
步骤b、以第二预设电流4A(放电电流密度5mA/cm2，5mA/cm2×800cm2＝4A)进行恒流放电至单液流电池的放电截止电压42V(Vf＝1.0V×42＝42V)；
步骤b中第二预设电流I2＜I1，I2＝J2×S，其中S为电极板的面积，J2为电流密度10mA/cm2；中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
步骤c.1、以第一预设电流8A进行恒流充电(充电电流密度10mA/cm2，10mA/cm2×800cm2＝8A)，直至电解液电导率达到截止电解液电导率值356mS/cm，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池充电电量；
步骤c.2、以第三预设电流8A(放电电流密度10mA/cm2，10mA/cm2×800cm2＝8A)恒流放电至截止电压42V(Vf＝1.0V×42＝42V)，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池剩余电量；
步骤c中相应的标准电解液电导率σi 25℃，可通过将式(4)输入电导率测试仪可以自动进行温度补偿测得；
步骤c中第三预设电流密度I3≤I1，I3＝J3×S，其中S为电极板的面积，J3为电流密度10mA/cm2；
步骤c中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
对单液流电池进行电量监控测试，采用测定电解液电导率的方法所得的单液流电池电量误差为0.59％。
实施例5
一种500W/2kWh单液流电池，由电堆(由42个电对串联组成)、电解液和循环系统(动力泵)组成，采用三氟甲基磺酸铅/三氟甲基磺酸电解液体系，其中电池的正负极均为碳聚合物导电板，面积为32×25＝800cm2，三氟甲基磺酸铅和三氟甲基磺酸的摩尔浓度比为1.8：0.3，电解液体积为120L。
本发明一种实时监控单液流电池电量的方法，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测定25℃下单液流电池的起始电解液电导率σ0 25℃＝99mS/cm；
步骤2、以第一预设电流I1＝12A进行恒流充电，充电过程中，记录不同充电时间t1、t2、t3……ti下的单液流电池电量Q1、Q2、Q3……Qi和相应的电解液的温度T1、T2、T3……Ti及电解液电导率
Figure BDA0002377334790000171
直至充电达到设定额定电量Qs＝4kWh；
步骤3、线性拟合单液流电池电量Qi和相应的标准电解液电导率σi 25℃的线性关系式，并计算所述线性关系式的斜率α。
步骤1中
I1＝J1×S＝30mA/cm2×800cm2＝12A (3)
式中，电极板的面积S为800cm2，电流密度J1为15mA/cm2。
步骤2中
Qi＝I1×ti＝15A×ti (2)
式中，ti为充电时间，I1为第一预设电流。
步骤3中
Figure BDA0002377334790000172
式中，β为25℃电解液电导率的温度补偿系数，Ti为电解液的温度，
Figure BDA0002377334790000173
为Ti温度时电解液电导率；一般情况下，三氟甲基磺酸铅和三氟甲基磺酸电解液β＝0.03/℃。
步骤3中线性关系式为：
Figure BDA0002377334790000174
式中，α值为图1中所示斜线的斜率，为常数；，σi 25℃为标准电解液电导率，σ0 25℃为起始电解液电导率；
式(1)与式(2)合并，得
Figure BDA0002377334790000181
将ti对应的Ti与
Figure BDA0002377334790000182
代入式(5)，即可求得α＝13.8Wh·mS·cm-1
为验证步骤3得到的线性关系式的适用范围与准确性，具体按照以下步骤验证：
步骤a、充电至设定额定电量2kWh后，在25℃下测定该设定额定电量下对应的标准电解液电导率241mS/cm，该电导率值为单液流电池的截止电导率值；
步骤b、以第二预设电流8A(放电电流密度10mA/cm2，10mA/cm2×800cm2＝8A)进行恒流放电至单液流电池的放电截止电压42V(Vf＝1.0V×42＝42V)；
步骤b中第二预设电流I2＜I1，I2＝J2×S，其中S为电极板的面积，J2为电流密度10mA/cm2；中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
步骤c.1、以第一预设电流16A进行恒流充电(充电电流密度20mA/cm2，20mA/cm2×800cm2＝16A)，直至电解液电导率达到截止电解液电导率值241mS/cm，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池充电电量；
步骤c.2、以第三预设电流8A(放电电流密度10mA/cm2，10mA/cm2×800cm2＝8A)恒流放电至截止电压42V(Vf＝1.0V×42＝42V)，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池剩余电量；
步骤c中第三预设电流密度I3≤I1，I3＝J3×S，其中S为电极板的面积，J3为电流密度10mA/cm2；
步骤c中相应的标准电解液电导率σi 25℃，可通过将式(4)输入电导率测试仪可以自动进行温度补偿测得；
步骤c中截止电压Vf＝1.0V×N，其中N为电堆中串联电对的数量。
对单液流电池进行电量监控测试，采用测定电解液电导率的方法所得的单液流电池电量误差为0.43％。

Claims (2)

1.一种单液流电池电量的实时监控方法，其特征在于，具体按照以下步骤实施：
步骤1、测定25℃下单液流电池的起始电解液电导率σ0 25℃；
步骤2、以第一预设电流I1进行恒流充电，充电过程中，记录不同充电时间t1、t2、t3……ti下的单液流电池电量Q1、Q2、Q3……Qi和相应的电解液的温度T1、T2、T3……Ti及电解液电导率
Figure FDA0003996427430000011
直至充电达到设定额定电量Qs；
步骤3、线性拟合单液流电池电量Qi和相应的标准电解液电导率σi 25℃的线性关系式，并计算所述线性关系式的斜率α；
所述步骤3中线性关系式为：
Qi＝α×(σi 25℃－σ0 25℃) (1)
式中，α为斜率，σi 25℃为标准电解液电导率，σ0 25℃为起始电解液电导率；
Qi＝I1×ti (2)
式中，ti为充电时间，I1为第一预设电流；
I1＝J1×S (3)
式中，S为电极板的面积，J1为电流密度10～30mA/cm2；
步骤3中
Figure FDA0003996427430000012
式中，β为25℃电解液电导率的温度补偿系数，Ti为电解液的温度，
Figure FDA0003996427430000013
为Ti温度时电解液电导率；
步骤c、进行单液流电池充放电使用；具体按照以下步骤实施：
步骤c.1、以第一预设电流密度I1充电至电解液电导率达到截止电解液电导率值σs，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池充电电量；
步骤c.2、以第三预设电流密度I3恒流放电至截止电压Vf，根据式(1)，通过实时监测的电解液电导率值可以得出即时单液流电池剩余电量。
2.根据权利要求1所述的一种单液流电池电量的实时监控方法，其特征在于，所述步骤1中单液流单体电池电解液为甲基磺酸铅/甲基磺酸电解液、三氟甲基磺酸铅/三氟甲基磺酸电解液、氟硼酸铅/氟硼酸电解液、高氯酸铅/高氯酸电解液、氟硅酸铅/氟硅酸电解液其中一种电解液体系。
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