JP7121045B2 - 電解液の健全性とシステム性能を維持するためのフロー電池洗浄サイクル - Google Patents
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Description
本出願は、「電解液の健全性とシステム性能を維持するためのフロー電池洗浄サイクル」と題され、2017年4月28日に出願された米国仮出願第62/491,964号の優先権を主張する。上記出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、DOE、ARPA-Eオフィスによって与えられた嘱託番号DEAR0000261の下で政府の支援を受けてなされた。政府は、本発明に所定の権利を有する。
本明細書では、レドックスフロー電池システムの例示的な電解液洗浄方法を説明する。洗浄方法(または洗浄モード(mode))は、電解液の健全性とシステム性能を維持するために、図1に示すレドックスフロー電池システムとともに使用されてもよい。この方法は、正極電解液及び負極電解液の両方で同じ電解液化学物質が使用されるレドックスフロー電池システムで作動するように設計されており、電池容量の低下を経験せずに無制限の再充電サイクルで作動できるシステムとなる。少なくとも1つの実施形態において、洗浄方法は、電池容量を特定(determined)し、特定された電池容量とプリセットされた目標とを比較することに基づいて、システムに一連のステップを実行させる制御機構を含み得る。
Fe2++2e-⇔Fe0 -0.44V (負極) (1)
2Fe2+⇔2Fe3++2e- +0.77V (正極) (2)
同時に負極では、第一鉄の還元反応がプロトンH+の還元と競合し、2つのプロトンはそれぞれ単一の電子を受け取って水素ガスH2を形成し、金属鉄の腐食により第一鉄イオンFe2+が生成される。水素プロトンの還元と金属鉄(iron metal)の腐食による水素ガスの生成は、それぞれ式(3)と(4)に示されている:
例えば、IFBの負極電解液のpHを3~4に維持すると、鉄腐食反応を低減でき、鉄めっき効率を向上できる一方で、正極電解液のpHを2未満、特に1未満に維持すると、第二鉄イオン/第一鉄イオンの酸化還元反応を促進でき、水酸化第二鉄の形成を低減できる。
式(6)で、Mx+はイオン電荷xを有する正極電解液Mを表し、Mz+はイオン電荷zを有する還元された電解液Mを表す。
よって、470の後、混合バルブ210及び310は両方とも完全に閉位置となり、電解液は、正極電解液チャンバ52と負極電解液チャンバ50との間を含む、第1の電解液回路280と第2の電解液回路282との間の流れがブロックされる。次に474で、コントローラは洗浄サイクルを終了し、レドックスフロー電池システム10の作動を充電/放電/アイドルモードに戻すことができる。レドックスフロー電池システム10の作動を充電/放電/アイドルモードに戻すには、1つまたは複数の電解液ポンプ30及び32を作動させ、負極電解液チャンバ50及び正極電解液チャンバ52の間と、負極室20及び正極室22との間でそれぞれ電解液を再循環させるコントローラを含むことができる。474及び415の後、方法400は終了する。
Claims (18)
- 正極電解液ポンプによる正極室と正極電解液チャンバとの間における正極電解液の循環と、
負極電解液ポンプによる負極室と負極電解液チャンバとの間における負極電解液の循環と、を含み、
レドックスフロー電池容量が閾値電池容量未満である場合、及び前記正極電解液のSOCが閾値放電SOC未満である場合のうち、1つ以上を含む第1の条件に応じて、レドックスフロー電池の充電状態(SOC)が閾値SOC未満となるまで前記正極電解液と前記負極電解液とを混合することを含む電池洗浄サイクルの実施、を含む、
レドックスフロー電池システムの作動方法。 - 前記第1の条件は、前記正極電解液のpHが閾値pH未満である場合をさらに含む、請求項1に記載の方法。
- 前記正極電解液と前記負極電解液との混合は、前記正極電解液チャンバから前記負極電解液チャンバへと前記正極電解液の流れを誘導するために、第1の混合バルブを開けることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記正極電解液と前記負極電解液との混合は、前記第1の混合バルブが開いている間、前記負極電解液ポンプを作動することを含む、請求項3に記載の方法。
- 前記正極電解液と前記負極電解液との混合は、前記第1の混合バルブが開いている間、前記正極電解液ポンプを停止することを含む、請求項4に記載の方法。
- 前記正極電解液と前記負極電解液との混合は、第1の閾値持続時間の間、前記第1の混合バルブを開けることを含む、請求項5に記載の方法。
- 前記電池洗浄サイクルの実施は、前記正極電解液のSOCが前記閾値放電SOCよりも大きい場合、前記レドックスフロー電池システムの作動を放電モードに切り替えることを含む、請求項1に記載の方法。
- 前記電池洗浄サイクルの実施は、前記正極電解液のpHが前記閾値pHよりも大きい場合に、前記正極電解液の流れをリバランス反応器へと誘導することを含む、請求項2に記載の方法。
- 前記第1の閾値持続時間の経過に応じて、電解液を前記負極電解液チャンバから前記正極電解液チャンバへと誘導するため、前記第1の混合バルブを閉じ、第2の混合バルブを開けることをさらに含む、請求項6に記載の方法。
- 充電モード、放電モード、又はアイドルモードにおけるレドックスフロー電池システムの作動を含み、
レドックスフロー電池容量が閾値電池容量未満であることに応じて、
前記レドックスフロー電池システムを前記放電モードで作動するように切り替え、
正極電解液及び負極電解液をリバランス反応器へと流すことにより、電解液の充電状態(SOC)を減らすことを含む、
レドックスフロー電池システムの洗浄方法。 - 前記正極電解液のSOC及びpHがそれぞれ閾値正極電解液SOC未満及び閾値pH未満であることに応じて、前記正極電解液と前記負極電解液とを混合することをさらに含む、請求項10に記載の方法。
- 前記正極電解液と前記負極電解液との混合は、第1の閾値持続時間の間、正極室から負極室へ電解液を流すことを含む、請求項11に記載の方法。
- 前記第1の閾値持続時間の経過後、第2の閾値持続時間の間、前記負極室から前記正極室へ電解液を流すことをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記第1の閾値持続時間の後であって前記第2の閾値持続時間の前の遅延時間の間、前記負極室と前記正極室とを流体的に隔離することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- 前記第1の閾値持続時間は、前記レドックスフロー電池容量と前記閾値電池容量との差に伴って増加する、請求項14に記載の方法。
- 正極室及び負極室を備えたレドックスフロー電池セルと、
前記正極室と前記負極室との間に流体接続された混合バルブと、
前記正極室を通って電解液を循環させるための正極電解液ポンプ及び負極電解液ポンプと、
メモリに記憶された実行可能な命令を含むコントローラと、を含み、
レドックスフロー電池容量が閾値電池容量未満であることに応じて、正極電解液と負極電解液との混合を含む電池洗浄サイクルを実施することと、レドックスフロー電池の充電状態(SOC)が閾値SOC未満である場合、前記電池洗浄サイクルを停止させることを含む、
レドックスフロー電池システム。 - 前記正極電解液と前記負極電解液とを混合するための前記実行可能な命令は、前記負極電解液ポンプを作動させ、前記正極電解液ポンプを停止させつつ、第1の閾値持続時間の間、前記混合バルブを開けることを含む、請求項16に記載のレドックスフロー電池システム。
- 前記実行可能な命令は、前記第1の閾値持続時間の後、前記負極電解液ポンプを停止させ、前記正極電解液ポンプを作動させつつ、前記混合バルブを閉じることをさらに含む、請求項17に記載のレドックスフロー電池システム。
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