KR20160071432A - 입구/출구 전위를 사용하여 과도적 충전 상태를 측정하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

입구/출구 전위를 사용하여 과도적 충전 상태를 측정하기 위한 방법 및 장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20160071432A
KR20160071432A KR1020167012498A KR20167012498A KR20160071432A KR 20160071432 A KR20160071432 A KR 20160071432A KR 1020167012498 A KR1020167012498 A KR 1020167012498A KR 20167012498 A KR20167012498 A KR 20167012498A KR 20160071432 A KR20160071432 A KR 20160071432A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
flow
cell
inlet
outlet
potential difference
Prior art date
Application number
KR1020167012498A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102253905B1 (ko
Inventor
존 고엘츠
킨 더피
에반 알. 킹
Original Assignee
록히드 마틴 어드밴스드 에너지 스토리지, 엘엘씨
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 록히드 마틴 어드밴스드 에너지 스토리지, 엘엘씨 filed Critical 록히드 마틴 어드밴스드 에너지 스토리지, 엘엘씨
Publication of KR20160071432A publication Critical patent/KR20160071432A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102253905B1 publication Critical patent/KR102253905B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00—Electrodes
    • H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96—Carbon-based electrodes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04298—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems
    • H01M8/04313—Processes for controlling fuel cells or fuel cell systems characterised by the detection or assessment of variables; characterised by the detection or assessment of failure or abnormal function
    • H01M8/04537—Electric variables
    • H01M8/04544—Voltage
    • H01M8/04552—Voltage of the individual fuel cell
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/20—Indirect fuel cells, e.g. fuel cells with redox couple being irreversible
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells
    • Y02E60/528—

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Abstract

본 발명은 레독스 플로우 배터리, 및 그 내부의 전해질의 조성을 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플로우 셀 또는 플로우 배터리의 전해질 흐름의 충전상태를 모니터링하기 위한 방법 및 구성에 관한 것이다.

Description

입구/출구 전위를 사용하여 과도적 충전 상태를 측정하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR MEASURING TRANSIENT STATE-OF-CHARGE USING INLET/OUTLET POTENTIALS}
관련출원의 상호참조
본 출원은 2013년 10월 16일에 출원된 미국 특허출원 번호 61/891,483에 대한 우선권의 이익을 주장하고, 이 특허출원의 내용은 모든 목적을 위해 그 전체가 참조에 의해 포함된다.
기술 분야
본 발명은 레독스 플로우 배터리 및 그것을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다.
전기화학 셀 또는 스택으로 유입되거나 또는 유출되는 전해질의 상대적 충전상태(SOC)를 실시간 모니터링하는 것 및 측정하는 것의 결정적인 중요성에도 불구하고, 에너지 저장 및 활용의 종래 기술은 액체 시스템에서 이것을 실시하기 위한 견고한 방법 또는 장치를 교시하고 있지 않다. 이러한 측정을 실시하기 위한 종래의 모든 시도는 파울링(fouling)되거나, 드리프팅(drifting)되거나, 또는 아니면 경시적으로 신뢰성이 없어지게 되는 것으로 보인다. 더욱이, 종래의 시도는 개별적인 전기화학 하프-셀(half-cell)(즉, 양의 측 또는 음의 측)의 SOC보다는 배터리(즉, 양의 측 및 음의 측의 양자 모두)의 SOC를 측정하고 그리고/또는 표시한다. 본 발명은 이들 결점 중의 하나 이상에 대처하는 것에 관한 것이다.
본 발명(들)의 특정의 실시형태는 플로우 셀 또는 셀의 스택을 개별적으로 작동시키는 것에 관한 것으로, 각각의 셀 또는 스택은, (a) 입구 및 출구를 포함하는 하나 이상의 하프-셀 - 이것을 통해 플로우 셀의 작동 중에 전해질이 유동되고, 그 결과 그 하프-셀을 위한 전해질의 입구 흐름 및 출구 흐름을 각각 형성하고, 상기 입구 흐름 및 출구 흐름은 국부적 충전상태를 특징으로 함 -; 및 (b) 상기 입구 흐름 및 출구 흐름과 각각 접촉하여 전기화학적으로 연통되도록 위치되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 이 2 개의 전극 사이의 전위차의 검출을 허용하도록 구성되고, 상기 전위차는 상기 입구 흐름 및 출구 흐름 내의 전해질의 충전상태의 차이를 반영하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 이 2 개의 전극 사이의 전위차를 측정한다. 다른 실시형태는 충전상태 또는 스토이치(stoich)(이 용어들은 본 기술분야에 공지 및 정의된 것임, 이하 참조)를 나타내는 사전정의된 일련의 제어 조건과 모니터링된 전위차를 상호관련시키는 단계를 더 포함한다 다른 실시형태는 셀의 작동을 변조하기 위해 작동 전기화학 플로우 셀과 관련되는 하나 이상의 파라미터를 조절하는 단계를 더 포함한다.
다른 실시형태는 플로우 셀 또는 스택을 작동시키는 방법에 관한 것으로, 각각의 방법은 입구 및 출구를 포함하는 하나 이상의 하프-셀을 포함하고, 상기 입구 및 출구를 통해 셀의 작동 중에 전해질이 유동되고, 그 결과 그 하프-셀을 위한 전해질의 입구 흐름 및 출구 흐름을 각각 형성하고, 각각의 입구 흐름 및 출구 흐름은 하프-셀의 전해질의 상이한 국부적 충전상태를 갖고, 상기 방법은 하나 이상의 하프-셀의 입구 흐름과 출구 흐름 사이의 전기화학 전위차를 측정하는 단계를 포함한다.
본 출원은 첨부된 도면과 함께 읽으면 더 깊이 이해된다. 요지를 설명하기 위해, 도면에는 본 요지의 예시적인 실시형태가 도시되어 있으나, 본 요지는 개시된 특정의 방법, 장치 및 시스템에 제한되지 않는다. 또한, 도면은 반드시 축척에 따라 작도된 것은 아니다.
도 1은, 예를 들면, 플로우 배터리의 충전 중에, 전해질이 20℃에서 50% SOC에서 유입되고, 65% SOC에서 유출되는 가상의 하프-셀을 도시한다. 네른스트(Nernst) 전기화학적 거동에 의해 정의된 바와 같은 전압 감지 전극들 사이에서 - 16 mV의 전압이 예상된다.
도 2는 ORP(산화 환원 전위 프로브) 또는 유량계 또는 양자 모두가 충전상태, 스토이치, 또는 활성 물질 농도에 대한 정보를 산출하기 위해 E1과 E2 사이에서 감지된 전압과 결합될 수 있는 방법의 하나의 가능한 구성을 도시한다.
도 3은 다중의 셀 또는 스택이 유체적으로 병렬로(도시됨) 또는 직렬로(도시되지 않음) 접속될 수 있는 방법의 하나의 구성을 도시한다. 이 경우에, 다중의 셀 또는 스택 내의 하프-셀들 사이에 본 발명의 다수의 실시예가 사용될 수 있고, 경우에 따라, 다중의 ORP, 유량계, 또는 기타 디바이스의 필요성을 배제할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 예시적 실시형태를 도시한다. 도 4a에서, 양의 전해질(우측 사이클) 및 음의 전해질(좌측 사이클)은 활성 물질이 충전 및 방전되는 셀 또는 스택을 통해 순환되고, 임의의 주어진 작동 중에 일측은 산화되고, 타측은 환원된다. 도 4b에서, 2 개의 전압 감지 전극(2, 3)은 셀 또는 스택(1)의 하나 이상의 전기화학 하프-셀의 입구(5) 흐름 및 출구(6) 흐름과 전기화학적 접촉 상태로 위치되고, 전극(2, 3) 사이의 전위차는 디바이스(4)에 의해 측정된다.
도 5는 본 발명의 다른 예시적 실시형태를 도시한 것으로서, 여기서 2 개의 전압 감지 전극(2, 3)은 셀 또는 스택(1)의 하나 이상의 전기화학 하프-셀의 입구(5) 흐름 및 출구(6) 흐름과 전기화학적 접촉 상태로 위치되고, 전극(2, 3) 사이의 전위차는 디바이스(4)에 의해 측정된다. 이러한 구성에서, 세퍼레이터(7)를 포함하는 2차 "전압 감지 셀"은, 도 4b에서와 같이, 이온 경로를 제공하는 셀 또는 스택(1) 내의 하프-셀 전해질 매니폴드가 아니라 감지 전극(2, 3) 사이에 이온 경로를 제공한다.
도 6은 Fe(CN)6 4 -/3- 양의 하프-셀을 갖는 시스템을 사용하여 발생된 데이터를 도시한 것으로서, 이 포솔라이트(posolyte)를 구비하는 플로우 배터리의 입구와 출구 사이의 전압차를 도시한다. 이 경우에, 이 포솔라이트는 충전의 말기(플롯의 좌측 1/3)에서 제한 시약인 것으로 볼 수 있고, 스토이치가 일정한 전류 및 유량에서 충전의 말기를 향해 강하함에 따라 전압차는 비교적 커진다. 포솔라이트는 방전을 제한하지 않고(플롯의 중간의 1/3), 입구/출구 전압은 셀 전압이 급격하게 감소(점선의 곡선)되더라도 약간만 증가된다.
본 발명은 레독스 플로우 셀(플로우 배터리를 포함함), 및 그 내부의 전해질의 조성을 모니터링하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 플로우 셀, 플로우 배터리, 또는 그 스택의 전해질 흐름의 충전상태를 모니터링하기 위한 방법 및 구성에 관한 것이다.
본 발명은 모두가 본 개시의 일부를 형성하는 도면 및 실시예와 관련하여 취해진 이하의 설명을 참조함으로써 더 쉽게 이해될 수 있다. 본 발명은 본 명세서에 기재된 그리고/또는 설명된 특정의 생성물, 방법, 조건 또는 파라미터에 제한되지 않고, 본 명세서에서 사용되는 용어는 예시로서만 특정의 실시형태를 설명하는 목적을 위한 것이고, 임의의 청구된 발명의 내용을 제한하려는 의도를 갖지 않는다는 것을 이해해야 한다. 유사하게, 특별히 다르게 언급되지 않는 한, 가능한 메커니즘 또는 작용의 모드 또는 개선의 이유에 대한 임의의 설명은 단지 예시적인 것이 되도록 의도된 것이고, 본 명세서의 발명은 임의의 이러한 제안된 메커니즘 또는 작용의 모드 또는 개선의 이유의 정확성 또는 부정확성에 의해 구속되어서는 안 된다. 본 명세서의 전체를 통해, 설명은 장치 및 상기 장치를 사용하는 방법을 언급하는 것임이 인식된다. 즉, 본 개시가 시스템 또는 장치, 또는 시스템 또는 장치를 제조하거나 또는 사용하는 방법과 관련되는 기구 또는 실시형태를 설명하고 그리고/또는 청구하는 경우, 이러한 설명 및/또는 청구항은 이러한 각각의 상황(즉, 시스템, 장치, 및 사용 방법)의 실시형태까지 이들 기구 또는 실시형태를 확장하고자 하는 의도를 갖는다고 평가된다.
본 개시에서 단수 형태인 “하나의” 및 “이것”은 복수를 포함하고, 특정의 수치에 대한 언급은, 문맥이 명확하게 다른 것을 나타내지 않는 한, 적어도 그 특정의 값을 포함한다. 따라서, 예를 들면, "어떤 재료"에 대한 언급은 이러한 재료 및 이 재료의 본 기술분야의 당업자에게 공지된 균등물 중 적어도 하나에 대한 언급하는 따위이다.
“약”이라는 용어를 사용하여 근사치로서 어떤 값이 표현되는 경우에, 특정의 값은 다른 실시형태를 형성한다는 것이 이해될 것이다. 일반적으로, 용어 “약”의 사용은 개시된 요지에 의해 얻어지도록 추구되는 원하는 특성에 따라 변화될 수 있는 근사치를 나타내고, 그 기능에 기초하여 이것이 사용되는 구체적 상황에서 해석되어야 한다. 본 기술분야의 당업자는 일상적인 문제로서 이것을 해석할 수 있을 것이다. 일부의 경우에, 특정의 값을 위해 사용되는 유효 숫자의 수는 용어 “약”의 범위를 결정하는 하나의 비제한적 방법이 될 수 있다. 기타의 경우에, 일련의 값에서 사용되는 단계적 변화는 각각의 값을 위한 용어 “약”에 대해 사용될 수 있는 의도된 범위를 결정하기 위해 사용될 수 있다. 존재하는 경우, 모든 범위는 포괄적이고, 조합가능하다. 즉, 범위로서 언급된 값에 대한 언급은 그 범위 내의 모든 값을 포함한다.
본 명세서에서 명확한 기재를 위해 별개의 실시형태로 기재된 본 발명의 특정의 특징들은 조합되어 단일의 실시형태로 제공될 수도 있다는 것이 이해될 것이다. 즉, 명백하게 모순되지 않거나 또는 구체적으로 배제되지 않는 한, 각각의 개별적인 실시형태는 임의의 다른 실시형태(들)과 조합될 수 있는 것으로 여겨지고, 이러한 조합은 다른 실시형태로 간주된다. 반대로, 간략한 기재를 위해 단일의 실시형태로 기재된 본 발명의 다양한 특징은 별개로 또는 임의의 하위 조합으로 제공될 수도 있다. 마지막으로, 어떤 실시형태가 일련의 단계의 일부로서 또는 더 일반적인 구조의 일부로서 설명될 수 있으나, 상기 단계는 그 자체로 다른 단계와 조합될 수 있는 독립적인 실시형태로서 간주될 수도 있다.
어떤 목록이 제시된 경우, 다르게 언급되지 않는 한, 이것은 그 목록의 각각의 개별 요소 및 그 목록의 모든 조합은 별개의 실시형태이다. 예를 들면, "A, B, 또는 C"로 표시된 실시형태의 목록은 "A", "B", "C", "A 또는 B", "A 또는 C", "B 또는 C", 또는 "A, B, 또는 C"의 실시형태를 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
본 명세서의 전체를 통해, 단어는 관련된 기술분야의 당업자가 이해하는 통상의 의미로서 제공된다. 그러나, 오해를 방지하기 위해, 특정 용어의 의미는 특별히 정의되거나 또는 한정될 것이다.
본 명세서에서 사용될 때, 용어 “네골라이트(negolyte)” 및 “포솔라이트”는 일반적으로 음극 및 양극에 관련되는 전해질을 말한다.
용어 “충전상태(SOC)”는 전기화학 기술분야, 에너지 저장 기술분야, 및 배터리의 기술분야의 당업자에 의해 주지되어 있다. SOC는 전극에서 환원종 대 산화종의 농도비(Xred/Xox)로부터 결정된다. 예를 들면, 개별적인 하프-셀의 경우, Xred = Xox(예를 들면, Xred/Xox = 1)일 때, 이 하프-셀은 50%의 SOC이고, 이 하프-셀의 전위는 표준 네른스트 값(E°)과 같다. 전극 표면에서의 농도비가 Xred/Xox = 0.25 또는 Xred/Xox = 0.75인 경우, 이 하프-셀은 각각 25% 또는 75%의 SOC이다. 풀 셀(full cell)의 SOC는 개별적인 하프-셀의 SOC에 의존되고, 특정의 실시형태에서 이 SOC는 양극 및 음극의 양자 모두에서 동일하다. 이러한 경우에, 자신의 개방 회로 전위에서 배터리의 셀 전위의 측정 및 식 2 및 식 3을 이용하여 각각의 전극에서 Xred/Xox의 비가 결정되고, 그러므로 배터리 시스템의 SOC가 결정될 수 있다.
또한 용어 “스토이치(stoich)”는 연료 전지의 기술분야에서 주지되어 있고, 전극에 공급되는 반응물 플럭스(flux) 대 주어진 전류 밀도에서 소모된 반응물 플럭스의 비로서 정의된다. 이것은 본 명세서에서 이러한 방식으로 사용된다. 스토이치는 입구에서 벌크 전해질 내의 반응물의 농도, 유량, 전극에서의 전류로부터 계산될 수 있다.
본 발명은 전기화학 하프-셀의 입구와 출구(즉, 셀/스택이 이를 통해 유동하는 전해질을 충전 또는 방전하기 전 및 후에)에서 용액 전위차의 측정을 가능하게 한다. 전기화학의 기술분야에 공지된 바와 같이, 네른스트 시스템의 경우, 전위는 다음의 식으로 정의된다.
E = E°- RT/nF ln(Q)
여기서, E는 주어진 기준에 대한 하프-셀의 전압이고, E°는 종종 반파 전위로서 근사되는 형식 전위이고, R은 기체 상수이고, T는 켈빈 온도이고, n은 전자의 수이고, F는 페러데이 상수이고, 그리고 Q는 반응 지수이다. Q는 전해질의 충전상태의 표현이고, 농도의 비, 예를 들면, [Red]/[Ox] 또는 몰분율의 당량비와 같다.
이하에서 더 설명되는 바와 같이, 특정의 실시형태에서, 탄소 봉(rod)과 같은 불활성 전극이 하프-셀의 입구 흐름과 출구 흐름 내에 삽입된다. 각각은 플로우 셀 자체(즉, 양자 모두의 하프-셀) 또는 기준 전극의 개방 회로 전압(OCV)과 대조적으로 하프-셀의 국부적 충전상태 및 위의 네른스트 식에 따라 유체적 접촉되는 용액의 전위에 피닝(pinning)된다. 본 명세서에서 사용될 때, 주어진 충전상태에서 전해질의 전위에의 전극의 “피닝”에 관련된 용어는 동적 평형으로 산화 반응 및 환원 반응의 양자 모두를 촉진시키는 전극에 기인되는 것으로 이해될 수 있다. 일반적으로 이 전위는 전극에서 산화된 종과 환원된 종의 상대적 농도를 이용하는 네른스트 식에 의해 정의되는 것으로 간주되지만, 또한 해당 시스템을 위해 실험적으로 결정될 수도 있다.
하프-셀의 입구 및 출구의 충전상태(SOC)가 (예를 들면, 충전 또는 방전 중에) 상이한 경우, 전압이 2 개의 전극 사이에서 감지될 수 있다. 그러면 이러한 차이는 정량적 정보(예를 들면, 스토이치, 사용효율, 등, 예를 들면, 도 1을 참조할 것)를 위해 주어진 하프-셀의 전해질에 대한 네른스트 식으로 매핑(mapping)될 수 있거나, 또는 더 정성적인 방식이나 또는 실험적 방식에서 사용될 수 있다.
특정의 실시형태에서, 본 발명은 플로우 셀 또는 스택을 작동시키는 방법에 관한 것으로, 각각의 방법은 입구 및 출구를 포함하는 하나 이상의 하프-셀을 포함하고, 상기 입구 및 출구를 통해 셀의 작동 중에 전해질이 유동되고, 그 결과 그 하프-셀을 위한 전해질의 입구 흐름 및 출구 흐름을 각각 형성하고, 각각의 입구 흐름 및 출구 흐름은 하프-셀의 전해질의 상이한 국부적 충전상태를 갖고, 상기 방법은 하나 이상의 하프-셀의 입구 흐름과 출구 흐름 사이의 전기화학 전위차를 측정하는 단계를 포함한다. 특정한 이들 실시형태에서, 입구 및 출구에서의 국부적 전기화학 전위차는 보정(calibration) 곡선과 비교된다.
이 특정한 실시형태가 개별적인 플로우 셀을 작동시키는 방법에 관련하여 설명되지만, 이들 실시형태는 복수의 플로우 셀, 또는 하나의 스택 또는 복수의 스택으로 선택적으로 구성되는 플로우 셀을 작동시키는 단계를 포함하는 방법을 포함한다는 것은 분명하다. 본 명세서에서 사용될 때, 용어 "스택" 또는 "셀 스택" 또는 "전기화학 셀 스택"은 전기적으로 접속되는 개별적인 전기화학 셀의 집적체를 말한다. 이 셀은 전기적으로 직렬 또는 병렬로 접속될 수 있다. 이 셀은 유체적으로 접속될 수 있거나 또는 접속될 수 없다.
본 발명(들)의 원리를 이해하는 것을 돕기 위해, 다음의 설명이 제공된다. 그러나, 본 발명의 범위가 그 전체로서나 또는 개별적인 실시형태에 관하여 이들 설명에 의해 제한되는 것으로 간주되어서는 안 된다.
네른스트 식의 1차 도함수는 다음의 식을 얻는다:
Figure pct00001
여기서, dE는 청구항 1에 기재된 바와 같이 전극들 사이의 전위의 변화를 나타내고, dS는 다음에 의해 계산될 수 있다:
Figure pct00002
여기서, I는 전류이고, F는 페러데이 상수이고, C는 활성종의 몰농도이고, Flow는 체적 유량이다. 다음에 본 발명을 포함하는 시스템에 의해 측정되는 이 dE/dS 값은 다음의 식을 이용하여 경시적으로 이 시스템의 가정된 충전상태에 대하여 플롯될 수 있다.
Figure pct00003
여기서, S2는 새로운 충전상태(SOC)이고, S1은 원래의 SOC이고, V는 대상으로 하는 시스템의 체적이다.
대안적으로, 경시적으로 변화하는 것으로 알려지거나 의심될 수 있는 시스템 내의 활성종의 농도를 결정하는 방법으로서, 데이터 세트와 이론적 곡선의 오차를 최소화하기 위해 S1을 변화시키는 것과 함께 C(몰농도)를 변화시킬 수 있다.
설명된 방법의 일부의 실시형태에서, 입구 및 출구에서의 국부적 전기화학 전위차는 하나 이상의 전해질 유량의 변화에 대한 정보를 준다. 다른 실시형태에서, 입구 및 출구에서의 국부적 전기화학 전위차는 셀, 스택, 또는 복수의 셀 또는 스택의 하나 이상의 작동 전류 밀도, 전력 밀도, 또는 전압의 변화에 대한 정보를 준다. 만일 (교정식 ORP 프로브와 같은 본 기술분야에 공지된 다른 방법을 사용하여) 시스템의 SOC를 알고 있다면, 본 명세서에 기재된 방법 및 이하에 기재된 디바이스를 사용하면 다음의 식에 기초하여 유량을 계산할 수 있다.
Figure pct00004
여기서, E2 - E1은 청구항 1의 시스템에 의해 제공되고, S1은 이 시스템의 SOC이다. 제 1 식은 셀(들)의 출구의 SOC인 S2의 값을 구하기 위해 사용되고, 그러면 S2 - S1의 차이는 시스템의 C(몰농도) 또는 Flow(체적 유량)을 계산하기 위해 또는 작동 스토이치를 유도하기 위해 사용될 수 있다.
이들 특정의 방법에서, 하나 이상의 입구와 하나 이상의 출구의 국부적 전기화학 전위차는 작동 시스템에 대한 정보를 제공하기 위해 다른 센서 출력과 조합될 수 있다. 이러한 센서 출력은 pH, ORP, 유량계, 전도율, 점도, 분광학적인(UV/vis, NIR, IR, Raman 등) 기타의 SOC 확인 방법, 셀 전압, 스택 전압, 분권 전류, 또는 이들의 조합을 포함하지만, 이것에 한정되지 않는다. 이러한 구성은 도 2에 도시되어 있다.
본 발명(들)에서 하나 이상의 입구와 하나 이상의 출구의 국부적 전기화학 전위차는 하나 이상의 셀, 스택, 또는 복수의 셀 또는 스택의 상대적인 성능을 평가하기 위해 사용된다. 이것은 도 3에 도시되어 있고, 여기서 각각의 스택에 대해 이 시스템의 입구의 SOC가 일회 측정되고, 단일 스택의 출구 유량이 측정된다. 이것은 또한 각각의 스택의 전류가 명확하게 정의되거나 또는 측정된다는 것을 의미한다. 이 경우에, 다수의 다른 셀 또는 스택과 유체적으로 병렬로 배관된 단일의 셀 또는 스택을 위해 본 명세서에 기재된 바와 같이 특정의 식 및 시스템 측정이 실시될 수 있고, 또는 이하에 기재된 시스템 중 하나 이상이 (일부의 실시형태에서 단일의 탄소 전극을 각각의 셀 또는 스택 하프-셀의 출구에 추가함으로써) 이 병렬 시스템 내의 모든 다른 셀 또는 스택을 위해 이러한 동일한 파라미터에 관련되도록 사용될 수 있다.
이들 발명적 방법 중 일부는 충전상태 또는 스토이치를 나타내는 사전정의된 제어 조건의 세트와 모니터링된 전위차를 상호관련시키는 단계를 더 포함한다. 이들 단계에 의해 조작자는 전해질의 유량을 조절하여 독립적인 화학적 또는 전기적 산화제 또는 환원제에 의해 하나 또는 양자 모두의 전해질의 SOC를 변조함으로써, 또는 충전으로부터 방전으로 절환시킴으로써(또는 방전으로부터 충전으로 절환시킴으로써), 또는 정전류 작동에서 전류 밀도 또는 정전압 작동에서 전압을 증가시키거나 또는 감소시킴으로써, 또는 셀(들)의 전류 입력 또는 출력을 조절함으로써 구현된 디바이스의 작동 파라미터를 변조하는 것이 필요한 때를 알 수 있다. 다른 단계는 이하에서 제공된다. 일부의 다른 실시형태는 셀의 작동을 변조하기 위해 작동 전기화학 플로우 셀과 관련되는 하나 이상의 파라미터를 조절하는 단계를 더 제공한다.
이 점에 대해, 본 발명은 주로 전기화학 하프-셀, 플로우 셀, 또는 플로우 셀의 스택의 충전상태를 결정하거나 모니터링하고, 이러한 결정 또는 모니터링의 결과에 기초하여 선택적으로 조치를 취하는 방법에 대해 주로 설명하였다. 그러나 본 발명은 또한 본 명세서에 기재된 이들 방법들 중 임의의 것을 사용하는 전기화학 하프-셀, 플로우 셀, 또는 플로우 셀의 스택에 관련되는 실시형태를 포함한다. 또한 특정한 실시형태는 개별적인 작동 플로우 셀을 제공하고, 각각의 플로우 셀은, (a) 입구 및 출구를 포함하는 하나 이상의 하프-셀 - 이것을 통해 플로우 셀의 작동 중에 전해질이 유동되고, 그 결과 그 하프-셀을 위한 전해질의 입구 흐름 및 출구 흐름을 각각 형성하고, 상기 입구 흐름 및 출구 흐름은 국부적 충전상태를 특징으로 함 -; 및 (b) 상기 입구 흐름 및 출구 흐름과 각각 접촉하여 전기화학적으로 연통되도록 위치되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 이 2 개의 전극 사이의 전위차의 검출을 허용하도록 구성되고, 상기 전위차는 상기 입구 및 출구 내의 전해질의 충전상태의 차이를 반영하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 이 2 개의 전극 사이의 전위차를 측정하고, 상기 차이는 상기 입구 및 출구에서 상기 하프-셀의 전해질의 충전상태를 반영한다. 일부의 실시형태에서, 전극은 셀 또는 스택 중 하나 이상을 통해 전기화학적 연통되는 하나 이상의 입구 및 하나 이상의 출구 유체 경로 내에 위치된다. 하나의 예시적인 비제한적 구성은 도 4b를 참조할 것. 일부의 실시형태에서, 입구 전해질 흐름 및 출구 전해질 흐름과 접촉되는 전극은 전기화학 셀을 구성하도록 세퍼레이터를 사이에 두고 위치된다. 하나의 예시적인 비제한적 구성은, 예를 들면, 도 5를 참조할 것.
전극은 전술한 방법에서 사용하기에 적합한 임의의 재료를 포함할 수 있으나, 이들 전극은 전기화학적으로 불활성인 것이 바람직하다. 바람직한 실시형태에서, 전극은 탄소, 예를 들면, 흑연상 탄소 또는 유리(glass) 탄소를 포함한다. 다른 실시형태에서, 전극 중 하나 이상은 티타늄, 강, 알루미늄, 아연, 백금, 이리듐, 루테늄, 또는 이들의 합금이나 산화물을 포함한다.
플로우 셀에 관련하여 특정한 실시형태가 설명되지만, 또한 이들 실시형태는, 예를 들면, 하나의 스택 또는 복수의 스택으로 선택적으로 구성되는 복수의 플로우 셀을 포함하는 더 큰 시스템을 포함하는 것이 명백하다. 하나의 이러한 에너지 저장 시스템은 도 4a에 도시되어 있다. 도 4a에서, 양의 전해질(우측 사이클) 및 음의 전해질(좌측 사이클)은 활성 물질이 충전 및 방전되는 셀 또는 스택을 통해 순환되고, 임의의 주어진 작동 중에 일측은 산화되고, 타측은 환원된다. 이러한 작동 중에, 셀/스택의 상태에 무관하게 온도, pH, 전도율, 및 충전상태(즉, 충전된 물질 대 충전되지 않은 물질의 비)를 포함하는 각각의 전해질의 많은 파라미터를 아는 것이 요망된다. 이러한 파라미터 중 많은 것을 측정하는 일부의 방법이 본 기술분야에 공지되어 있으나, 액체 시스템에서 셀/스택 내의 각각의 전해질의 스토이치(또는 사용효율)를 직접적으로 측정하기 위한 방법은 본 기술분야에 공지되어 있지 않다.
에너지 저장 및 연료 전지의 기술분야에서, 일반적으로 불필요하게 높은 유량으로 전해질을 펌핑하는 것에 손실되는 에너지가 최소화되는 것이 바람직하다. 따라서, 셀/스택을 통해 최소의 전해질을 펌핑함으로써 높은 사용효율로 작동하는 것이 바람직하다. 다른 한편, 또한 일반적으로 더 낮은 스토이치는 전해질의 조성에 따라 수소 발생, 산소 발생, 염소 발생, 또는 기타 반응을 포함하는 문제의 전극에서 질량 수소 분극 손실, 증가된 기생 반응, 또는 양자 모두를 유발할 수 있다는 것이 알려져 있다. 따라서, 예를 들면, 일단 스토이치가 특정 레벨 이하로 하락되면 충전을 정지시키도록, 또는 일관된 또는 최적의 사용효율을 달성하기 위해 충전/방전 사이클의 과정에 걸쳐 펌프 유량을 조절하도록 이들 파라미터를 제어 시스템에서 사용할 수 있도록, 작동 중에 실시간으로 스토이치 또는 사용효율을 측정하는 것이 바람직할 수 있다. 예를 들면, 만일 입구와 출구 사이에서 15 mV의 전압차를 초과하여 기생 반응 또는 분극 손실이 우세하다면, 이 시스템은 이러한 반응에 응답하여 이러한 반응을 완화시킬 수 있고, 예를 들면, 충전 또는 방전이 정지될 수 있고, 펌프 유량이 증대될 수 있다. 다른 실시예는 연료 전지 및 HBr 플로우 배터리의 기술분야에서 공지된 바와 같이 전극의 좌측의 다량의 다른 전해질이 쇼트닝(shorting) 또는 크로스오버(crossover) 메커니즘에 의해 완전히 방전될 때까지 하나의 전해질이 좌측 유동하는 작동개시/작동정지 프로시저를 포함한다. 본 발명에 의해 입구/출구 사이의 전압이 실질적으로 0이되는 경우에, 전해질이 활성 영역을 통해 통과할 때 충전되거나 방전되지 않고, 반응은 효과적으로 일어나는 이러한 종점(endpoint)이 결정될 수 있다.
추가의 실시형태에서, 이 작동 플로우 셀은 연료 전지 및 플로우 배터리를 포함하는 전기화학 장치 내에 결합될 수 있고, 이 전기화학 장치 자체는, 예를 들면, 셀 스택, 저장 탱크 및 전해액을 수용 및 이송하기 위한 파이프, 제어 하드웨어 및 소프트웨어(이것은 안전 시스템을 포함할 수 있음), 및 에너지 저장 시스템의 부품으로서의 적어도 하나의 전력 조정 장치를 포함하는 더 큰 시스템에 결합된다. 이러한 시스템에서, 저장 탱크는 전기활성 재료를 수용한다. 제어 소프트웨어, 하드웨어, 및 선택적인 안전 시스템은 플로우 배터리 또는 기타 에너지 저장 시스템의 안전한, 자동적인, 그리고 효율적인 작동을 보장하기 위해 모든 센서, 완화 설비 및 전자/하드웨어 제어기 및 안전장치를 포함한다.
이러한 저장 시스템은 또한 들어오는 전력 및 나가는 전력을 이 에너지 저장 시스템 또는 용도를 위해 적합한 전압 및 전류로 변환시키기 위해 에너지 저장 시스템의 전단부에 전력 조정 장치를 포함할 수 있다. 배전망에 접속되는 에너지 저장 시스템의 실시예의 경우, 충전 사이클에서 전력 조절 장치는 들어오는 AC 전기를 전기화학 스택을 위해 적절한 전압 및 전류의 DC 전기로 변환시킨다. 방전 사이클에서, 스택은 DC 전력을 생성하고, 전력 조절 장치는 배전망용으로 적절한 전압 및 주파수의 AC 전력으로 변환시킨다. 본 발명의 이러한 에너지 저장 시스템은 수 시간 동안 지속되는 충전 사이클 또는 방전 사이클에 적합하다. 그러므로, 본 발명의 시스템은 원활한 에너지 공급/수요 프로파일에 적합하고, (예를 들면, 재생가능한 에너지원으로부터의) 단속적인 전력 생산 자산을 안정화시키기 위한 메커니즘을 제공한다. 그러므로 본 발명의 실시형태는 이러한 긴 충전 또는 방전 지속시간이 중요한 전기 에너지 저장의 용도를 포함한다는 것을 이해해야 한다. 예를 들면, 이러한 용도의 비제한적 실시예는 본 발명의 시스템이 배전망에 접속되는 경우에, 재생가능에너지 결집, 최대 부하 시프팅, 배전망 안정화, 베이스로드 전력 생산/소비, 에너지 차익거래, 송전 및 분포 자산 집행연기, 취약 배전망의 지지, 및/또는 주파수 조절을 포함하는 실시예를 포함한다. 또한 본 발명의 장치 또는 시스템은, 예를 들면, 원격 캠프, 전진 작전 기지, 오프-그리드 원격통신, 또는 원격 센서용 전원과 같은 배전망이나 마이크로 배전망에 접속되지 않은 용도를 위한 안정한 전력을 제공하기 위해 사용될 수 있다.
추가의 열거된 실시형태
다음의 실시형태는 이미 설명된 실시형태를 대신하기 보다 이것을 보완하기 위한 목적을 갖는다.
실시형태 1. 작동 플로우 배터리 셀로서,
(a) 입구 및 출구를 포함하는 하나 이상의 하프-셀 - 상기 입구 및 출구를 통해 플로우 배터리 셀의 작동 중에 전해질이 유동하고, 그 결과 전해질의 입구 흐름 및 출구 흐름을 각각 형성하고, 상기 입구 흐름 및 출구 흐름의 각각은 국부적 충전상태를 특징으로 함 -; 및
(b) 상기 입구 흐름 및 출구 흐름과 접촉되도록, 그리고 전기화학적으로 연통되도록 각각 위치되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 이 2 개의 전극 사이의 전위차의 검출을 허용하도록 구성되고, 상기 전위차는 상기 입구 흐름 및 출구 흐름에서 전해질의 충전상태의 차이를 반영하고,
상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 이 2 개의 전극 사이의 전위차를 측정한다.
실시형태 2. 실시형태 1의 플로우 셀로서, 여기서 상기 전극은 상기 셀 또는 스택 중 하나 이상을 통해 전기화학적으로 연통되는 하나 이상의 입구 및 하나 이상의 출구 유체 경로 내에 위치된다.
실시형태 3. 실시형태 1 또는 실시형태 2의 플로우 셀로서, 여기서 상기 입구 전해질 흐름 및 출구 전해질 흐름과 접촉된 전극은 전기화학 셀을 구성하도록 세퍼레이터를 사이에 두고 위치된다.
실시형태 4. 실시형태 1 내지 실시형태 3 중 어느 하나의 플로우 셀로서, 여기서 상기 전극은 탄소를 포함한다.
실시형태 5. 실시형태 1 내지 실시형태 4 중 어느 하나의 플로우 셀로서, 상기 플로우 셀은 플로우 배터리 셀이다.
실시형태 6. 실시형태 1 내지 실시형태 5 중 어느 하나의 하나 이상의 플로우 셀을 포함하는 작동 전기화학 스택.
실시형태 7. 실시형태 1 내지 실시형태 5 중 어느 하나의 플로우 셀을 포함하는 작동 전기화학 시스템.
실시형태 8. 플로우 셀을 작동시키는 방법으로서, 상기 방법은 입구 및 출구를 포함하는 하나 이상의 하프-셀을 포함하고, 상기 입구 및 출구를 통해 셀의 작동 중에 전해질이 유동되고, 그 결과 그 하프-셀을 위한 전해질의 입구 흐름 및 출구 흐름을 각각 형성하고, 각각의 입구 흐름 및 출구 흐름은 하프-셀의 전해질의 상이한 국부적 충전상태를 갖고, 상기 방법은 하나 이상의 하프-셀의 입구 흐름과 출구 흐름 사이의 전기화학 전위차를 측정하는 단계 및 선택적으로 수정 작용을 취하는 단계를 포함한다.
실시형태 9. 실시형태 1 내지 실시형태 5 중 임의의 하나의 플로우 셀, 실시형태 6의 스택, 또는 실시형태 7의 시스템을 작동시키는 방법으로서, 상기 방법은 하나 이상의 하프-셀의 입구 흐름과 출구 흐름 사이의 전기화학 전위차를 측정하는 단계를 포함한다.
실시형태 10. 실시형태 8 또는 실시형태 9의 방법으로서, 여기서 상기 입구 및 출구에서의 국부적 전기화학 전위차가 보정 곡선과 비교된다.
실시형태 11. 실시형태 8 내지 실시형태 10 중 임의의 하나의 방법으로서, 여기서 입구와 출구의 국부적 전기화학 전위차는 하나 이상의 전해질 유량의 변화에 대한 정보를 준다.
실시형태 12. 실시형태 8 내지 실시형태 11 중 임의의 하나의 방법으로서, 여기서 상기 입구 및 출구에서의 국부적 전기화학 전위차는 셀, 스택, 또는 복수의 셀 또는 스택의 하나 이상의 작동 전류 밀도, 전력 밀도, 또는 전압의 변화에 대한 정보를 준다.
실시형태 13. 실시형태 8 내지 실시형태 12 중 임의의 하나의 방법으로서, 여기서 하나 이상의 입구와 하나 이상의 출구의 국부적 전기화학 전위차는 하나 이상의 셀, 스택, 또는 복수의 셀 또는 스택의 상대적인 성능을 평가하기 위해 사용된다.
실시형태 14. 실시형태 8 내지 실시형태 13 중 임의의 하나의 방법으로서, 여기서 상기 하나 이상의 입구와 하나 이상의 출구의 국부적 전기화학 전위차는 작동 시스템에 대한 정보를 제공하기 위해 다른 센서 출력과 조합된다.
실시형태 15. 실시형태 8 내지 실시형태 14 중 임의의 하나의 방법으로서, 상기 플로우 셀을 작동시키는 방법은 충전상태 또는 스토이치를 나타내는 사전정의된 일련의 제어 조건과 모니터링된 전위차를 상호관련시키는 단계를 더 포함한다.
실시형태 16. 실시형태 8 내지 실시형태 15 중 임의의 하나의 방법으로서, 상기 플로우 셀을 작동시키는 방법은 셀의 작동을 변조하기 위해 상기 작동 전기화학 플로우 셀과 관련되는 하나 이상의 파라미터를 조절하는 단계를 더 포함한다.
실시예
다음의 실시예는 본 개시 내에서 설명되는 개념의 일부를 설명하기 위해 제공된다. 각각의 실시예는 조성, 제조 방법 및 용도의 특정의 개별적인 실시형태를 제공하는 것으로 생각되지만, 이들 실시예는 본 명세서에 기재된 더 일반적인 실시형태를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다.
실시예 1: 단지 하나의 예시적 실시예에서, 0.1 A/cm2에서 Fe2 +를 Fe3 +로 하전시키는 100 cm2 전극은 10 암페어의 전류를 산출한다. 이것은 또한 1 쿨롱/초로 표현될 수 있다. 만일 전해질이 0.1 L/분으로 공급되고, 0.5 몰/L의 Fe3 +(예를 들면, 50% 충전상태의 1 M의 Fe3 +/2+ 용액)이라면, 이것은 0.05 몰/분, 또는 0.00083 몰/초를 산출한다. 페러데이 상수 96485 C/몰을 사용하여 쿨롱으로 변환되는 경우에, 이것은 Fe3+로 하전될 수 있는 Fe2 +의 형태로 전극에서 80 쿨롱/초에 상당하는 전자 등가로서 표현될 수 있다. 전류 밀도는 10 C/초가 요구되고, 80 C/초가 얻어질 수 있다.. "스토이치"는 얻어지는 양을 요구되는 양으로 나눈 것으로 정의되고, 이 경우에 스토이치는 8이다. 반대로, "사용효율"은 전해질이 셀/스택을 통과할 때 소모되는 Fe2+의 양으로서 정의되고, 이 경우에 사용효율은 10/80 또는 12.5%가 된다. 동일한 유량, 총 철 농도, 및 전류 밀도의 경우에 스토이치는 전해질이 충전됨에 따라 변화된다는 것을 쉽게 알 수 있다. 0.1 M의 Fe2 +에 불과한 90% SOC의 1 M의 Fe 용액(에너지 저장 시스템을 “완전히 충전”되도록 충전하기 위한 전형적인 종점)을 위한 동일한 계산을 수행하면 1.6에 불과한 스토이치 및 62.5%의 더 높은 사용효율이 산출된다.
도 6은 Fe(CN)6 4 -/3- 양의 하프-셀을 갖는 시스템을 사용하여 발생된 데이터를 도시한 것으로서, 이 포솔라이트를 구비하는 플로우 배터리의 입구와 출구 사이의 전압차를 도시한다. 이 경우에, 이 포솔라이트는 충전의 말기(플롯의 좌측 1/3)에서 제한 시약인 것으로 볼 수 있고, 스토이치가 일정한 전류 및 유량에서 충전의 말기를 향해 강하함에 따라 전압차는 비교적 커진다. 포솔라이트는 방전을 제한하지 않고(플롯의 중간의 1/3), 포솔라이트 흐름을 위한 입구/출구 전압은 셀 전압이 급격하게 감소(점선의 곡선)되더라도 약간만 증가된다. 이 포솔라이트는 충전의 말기(실선, 플롯의 좌측 1/3)에서 제한 시약이고, 스토이치가 일정한 전류 및 유량에서 충전의 말기를 향해 강하함에 따라 전압차는 비교적 커진다. 포솔라이트는 방전을 제한하지 않고, 입구/출구 전압은 셀 전압이 급격하게 감소(점선의 곡선)되더라도 약간만 증가된다.
본 기술분야의 당업자는 이들 교시에 비추어 본 발명의 많은 개조 및 변경이 가능하고, 이러한 모든 것은 여기서 고찰된다. 예를 들면, 본 명세서에 기재된 실시형태에 더하여, 본 발명은 본 명세서에 기재된 발명과 본 발명의 특징을 보충하는 인용된 종래기술의 특징의 조합으로부터 얻어지는 발명을 고찰하고 청구한다. 유사하게, 임의의 기재된 재료, 기구, 또는 제품은 임의의 기타의 재료, 기구, 또는 제품과 조합되어 사용될 수 있고, 이러한 조합은 본 발명의 범위 내에 속하는 것으로 간주된다는 것이 이해될 것이다.
본 명세서에 인용되거나 기재된 각각의 특허, 특허출원 및 특허공보의 개시내용은 참조에 의해 그 전체가 본 명세서에 포함된다.

Claims (14)

  1. 작동 플로우 배터리 셀로서,
    (a) 각각 국부적 충전상태를 특징으로 하는 입구 흐름 및 출구 흐름을 포함하는 하나 이상의 하프-셀(half-cell); 및
    (b) 상기 입구 흐름 및 출구 흐름과 전기화학적으로 연통되도록 각각 위치되는 제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하고, 상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 이 2 개의 전극 사이의 전위차의 검출을 허용하도록 구성되고, 상기 전위차는 상기 입구 흐름 및 출구 흐름에서 전해질의 충전상태의 차이를 반영하고,
    상기 제 1 전극 및 제 2 전극은 이 2 개의 전극 사이의 전위차를 측정하는, 작동 플로우 배터리 셀.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 전극은 상기 셀 또는 스택 중 하나 이상을 통해 전기화학적으로 연통되는 하나 이상의 입구 및 하나 이상의 출구 유체 경로 내에 위치되는, 작동 플로우 배터리 셀.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 입구 전해질 흐름 및 출구 전해질 흐름과 접촉된 전극은 전기화학 셀을 구성하도록 세퍼레이터를 사이에 두고 위치되는, 작동 플로우 배터리 셀.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전극은 탄소를 포함하는, 작동 플로우 배터리 셀.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 하나 이상의 플로우 셀을 포함하는 작동 전기화학 스택.
  6. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항의 플로우 셀을 포함하는 작동 전기화학 시스템.
  7. 하나 이상의 하프-셀의 입구 흐름과 출구 흐름 사이의 전기화학 전위차를 측정하는 단계를 포함하는 제 1 항의 플로우 셀을 작동시키는 방법.
  8. 제 8 항에 있어서,
    상기 입구 및 출구에서의 국부적 전기화학 전위차가 보정(calibration) 곡선과 비교되는, 플로우 셀을 작동시키는 방법.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 입구 및 출구에서의 국부적 전기화학 전위차는 하나 이상의 전해질 유량의 변화에 대한 정보를 주는, 플로우 셀을 작동시키는 방법.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 입구 및 출구에서의 국부적 전기화학 전위차는 하나의 셀 또는 스택, 또는 복수의 셀 또는 스택의 하나 이상의 작동 전류 밀도, 전력 밀도, 또는 전압의 변화에 대한 정보를 주는, 플로우 셀을 작동시키는 방법.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 입구와 하나 이상의 출구의 국부적 전기화학 전위차는 하나 이상의 셀 또는 스택, 또는 복수의 셀 또는 스택의 상대적인 성능을 평가하기 위해 사용되는, 플로우 셀을 작동시키는 방법.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 입구와 하나 이상의 출구의 국부적 전기화학 전위차는 작동 시스템에 대한 정보를 제공하기 위해 다른 센서 출력과 조합되는, 플로우 셀을 작동시키는 방법.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플로우 셀을 작동시키는 방법은 충전상태 또는 스토이치(stoich)를 나타내는 사전정의된 일련의 제어 조건과 모니터링된 전위차를 상호관련시키는 단계를 더 포함하는, 플로우 셀을 작동시키는 방법.
  14. 제 7 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 플로우 셀을 작동시키는 방법은 상기 셀의 작동을 변조하기 위해 상기 작동 전기화학 플로우 셀과 관련되는 하나 이상의 파라미터를 조절하는 단계를 더 포함하는, 플로우 셀을 작동시키는 방법.
KR1020167012498A 2013-10-16 2014-10-13 입구/출구 전위를 사용하여 과도적 충전 상태를 측정하기 위한 방법 및 장치 KR102253905B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201361891483P 2013-10-16 2013-10-16
US61/891,483 2013-10-16
PCT/US2014/060236 WO2015057550A1 (en) 2013-10-16 2014-10-13 Method and apparatus for measuring transient state-of-charge using inlet/outlet potentials

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160071432A true KR20160071432A (ko) 2016-06-21
KR102253905B1 KR102253905B1 (ko) 2021-05-18

Family

ID=52828576

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020167012498A KR102253905B1 (ko) 2013-10-16 2014-10-13 입구/출구 전위를 사용하여 과도적 충전 상태를 측정하기 위한 방법 및 장치

Country Status (11)

Country Link
US (1) US10186726B2 (ko)
EP (1) EP3058608B1 (ko)
JP (1) JP6549566B2 (ko)
KR (1) KR102253905B1 (ko)
CN (1) CN105794021B (ko)
CA (1) CA2926795C (ko)
DK (1) DK3058608T3 (ko)
ES (1) ES2776355T3 (ko)
MX (1) MX2016004824A (ko)
PL (1) PL3058608T3 (ko)
WO (1) WO2015057550A1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020091902A1 (en) * 2018-11-02 2020-05-07 Ess Tech, Inc. System and method for determining state of charge for an electric energy storage device

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CA2927793C (en) 2013-11-01 2023-10-24 Lockheed Martin Advanced Energy Storage, Llc Apparatus and method for determining state of charge in a redox flow battery via limiting currents
CA2927993C (en) * 2013-11-15 2021-10-26 Lockheed Martin Advanced Energy Storage, Llc Methods for determining state of charge and calibrating reference electrodes in a redox flow battery
EP3109931B1 (en) * 2014-02-17 2019-01-02 Sumitomo Electric Industries, Ltd. Redox flow battery system and method for operating redox flow battery
CA2967458A1 (en) 2014-12-08 2016-06-16 Lockheed Martin Advanced Energy Storage, Llc Electrochemical systems incorporating in situ spectroscopic determination of state of charge and methods directed to the same
US10903511B2 (en) 2016-11-29 2021-01-26 Lockheed Martin Energy, Llc Flow batteries having adjustable circulation rate capabilities and methods associated therewith
WO2018237181A1 (en) * 2017-06-21 2018-12-27 Unienergy Technologies, Llc VOLTAGE REFERENCE VOLTAGE CELL FOR OXIDIZED BATTERY
US10418622B2 (en) * 2017-10-26 2019-09-17 GM Global Technology Operations LLC Battery state estimation control logic and architectures for electric storage systems
US11302996B2 (en) 2019-08-19 2022-04-12 GM Global Technology Operations LLC Battery modules with integrated interconnect board assemblies having cell tab comb features
US11207982B2 (en) 2019-12-11 2021-12-28 GM Global Technology Operations LLC Electronic power module assemblies and control logic with direct-cooling heat pipe systems
US11375642B2 (en) 2019-12-23 2022-06-28 GM Global Technology Operations LLC Electronic power module assemblies and control logic with direct-cooling vapor chamber systems
US11801574B2 (en) 2020-03-06 2023-10-31 GM Global Technology Operations LLC Welding systems and methods with knurled weld interfaces for metallic workpieces
US11387525B2 (en) 2020-03-09 2022-07-12 GM Global Technology Operations LLC Two-stage plunger press systems and methods for forming battery cell tabs
US11600842B2 (en) 2020-03-16 2023-03-07 GM Global Technology Operations LLC Multistage plunger press systems and methods with interlocking fingers for forming battery cell tabs
KR102246503B1 (ko) * 2020-05-18 2021-04-30 주식회사 에코스 바나듐 레독스 흐름 전지 스택 평가 시스템
US11804639B2 (en) 2020-07-23 2023-10-31 GM Global Technology Operations LLC Multistage plunger systems and methods for forming battery cell tabs
US11799149B2 (en) 2020-08-26 2023-10-24 GM Global Technology Operations LLC Energy storage assembly
US11581618B2 (en) 2020-11-18 2023-02-14 GM Global Technology Operations LLC Thermomechanical fuses for heat propagation mitigation of electrochemical devices
WO2023219648A1 (en) 2022-05-09 2023-11-16 Lockheed Martin Energy, Llc Flow battery with a dynamic fluidic network

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008148148A1 (en) * 2007-06-07 2008-12-11 V-Fuel Pty Ltd Efficient energy storage systems using vanadium redox batteries for electricity trading, fossil fuel reduction and electricity power cost savings for consumers
US20110223450A1 (en) * 2008-07-07 2011-09-15 Enervault Corporation Cascade Redox Flow Battery Systems

Family Cites Families (40)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1990003666A1 (en) 1988-09-23 1990-04-05 Unisearch Limited State of charge of redox cell
US6413410B1 (en) 1996-06-19 2002-07-02 Lifescan, Inc. Electrochemical cell
AUPN661995A0 (en) 1995-11-16 1995-12-07 Memtec America Corporation Electrochemical cell 2
US20030170906A1 (en) 2002-01-23 2003-09-11 Board Of Trustees Of Michigan State University Conductive diamond spectrographic cells and method of use
JP4140691B2 (ja) * 2002-04-23 2008-08-27 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池の運転方法
WO2004042116A1 (en) 2002-11-04 2004-05-21 Janssen Pharmaceutica N.V. Process for electrochemical oxidation of ferrocyanide to ferricyanide
JP2004336734A (ja) 2003-04-17 2004-11-25 Sharp Corp 無線端末、ベース機器、ワイヤレスシステム、無線端末の制御方法、無線端末の制御プログラム、およびそれを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体
US8277964B2 (en) 2004-01-15 2012-10-02 Jd Holding Inc. System and method for optimizing efficiency and power output from a vanadium redox battery energy storage system
GB0405823D0 (en) 2004-03-15 2004-04-21 Evanesco Ltd Functionalised surface sensing apparatus and methods
JP2006351346A (ja) 2005-06-15 2006-12-28 Kansai Electric Power Co Inc:The レドックスフロー電池システム
KR101359169B1 (ko) 2006-03-16 2014-02-05 구라시키 보세키 가부시키가이샤 전반사 감쇠형 광학 프로브 및 그것을 이용한 수용액 분광 측정 장치
US7846571B2 (en) 2006-06-28 2010-12-07 Robert Bosch Gmbh Lithium reservoir system and method for rechargeable lithium ion batteries
US7866026B1 (en) 2006-08-01 2011-01-11 Abbott Diabetes Care Inc. Method for making calibration-adjusted sensors
US7855005B2 (en) 2007-02-12 2010-12-21 Deeya Energy, Inc. Apparatus and methods of determination of state of charge in a redox flow battery
US20090026094A1 (en) 2007-05-11 2009-01-29 Home Diagnostics, Inc. Two-pulse systems and methods for determining analyte concentration
CN104103851B (zh) 2007-09-14 2018-10-09 A123系统有限责任公司 具有用于健康状态监视的参考电极的锂可再充电电池
CN102119461B (zh) * 2008-06-12 2016-08-03 麻省理工学院 高能量密度氧化还原液流装置
US20130011702A1 (en) * 2008-07-07 2013-01-10 Enervault Corporation Redox Flow Battery System with Divided Tank System
US20130011704A1 (en) 2008-07-07 2013-01-10 Enervault Corporation Redox Flow Battery System with Multiple Independent Stacks
US9041923B2 (en) 2009-04-07 2015-05-26 Rare Light, Inc. Peri-critical reflection spectroscopy devices, systems, and methods
US8587255B2 (en) 2009-05-28 2013-11-19 Deeya Energy, Inc. Control system for a flow cell battery
US8877365B2 (en) 2009-05-28 2014-11-04 Deeya Energy, Inc. Redox flow cell rebalancing
CN101614794B (zh) * 2009-07-14 2011-08-17 清华大学 一种基于电位差参数的液流电池荷电状态在线检测方法
RU2013136826A (ru) 2011-01-07 2015-02-20 Те Юниверсити Оф Квинсленд Детекция протеолиза
JP5007849B1 (ja) 2011-03-25 2012-08-22 住友電気工業株式会社 レドックスフロー電池、及びその運転方法
US8980484B2 (en) 2011-03-29 2015-03-17 Enervault Corporation Monitoring electrolyte concentrations in redox flow battery systems
US8916281B2 (en) 2011-03-29 2014-12-23 Enervault Corporation Rebalancing electrolytes in redox flow battery systems
US20130029185A1 (en) 2011-07-27 2013-01-31 Primus Power Corporation Electrochemical System Having a System for Determining a State of Charge
JP2013083639A (ja) 2011-09-26 2013-05-09 Toto Ltd 被検物質の特異的検出方法
IN2014CN02817A (ko) 2011-10-14 2015-07-03 Deeya Energy Inc
US8789473B2 (en) 2012-02-24 2014-07-29 Electro-Motive Diesel Inc. Flow battery control system for a locomotive
US9300000B2 (en) 2012-02-28 2016-03-29 Uchicago Argonne, Llc Organic non-aqueous cation-based redox flow batteries
DE102012006776A1 (de) 2012-04-04 2013-10-10 Bozankaya BC&C Ladestandsüberwachung einer Durchflussbatterie
US9027483B2 (en) 2012-04-11 2015-05-12 Electro-Motive Diesel, Inc. Flow battery power converter
US9865893B2 (en) 2012-07-27 2018-01-09 Lockheed Martin Advanced Energy Storage, Llc Electrochemical energy storage systems and methods featuring optimal membrane systems
WO2014184617A1 (en) 2013-05-16 2014-11-20 Hydraredox Technologies Holdings Ltd. Estimation of the state of charge of a positive electrolyte solution of a working redox flow battery cell without using any reference electrode
CA2927793C (en) 2013-11-01 2023-10-24 Lockheed Martin Advanced Energy Storage, Llc Apparatus and method for determining state of charge in a redox flow battery via limiting currents
CA2927993C (en) 2013-11-15 2021-10-26 Lockheed Martin Advanced Energy Storage, Llc Methods for determining state of charge and calibrating reference electrodes in a redox flow battery
JP6572211B2 (ja) 2013-12-02 2019-09-04 ユニバーシティ・オブ・リムリック バナジウムレドックスフロー電池の充電状態の判定方法
CA2967458A1 (en) 2014-12-08 2016-06-16 Lockheed Martin Advanced Energy Storage, Llc Electrochemical systems incorporating in situ spectroscopic determination of state of charge and methods directed to the same

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2008148148A1 (en) * 2007-06-07 2008-12-11 V-Fuel Pty Ltd Efficient energy storage systems using vanadium redox batteries for electricity trading, fossil fuel reduction and electricity power cost savings for consumers
US20110223450A1 (en) * 2008-07-07 2011-09-15 Enervault Corporation Cascade Redox Flow Battery Systems

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020091902A1 (en) * 2018-11-02 2020-05-07 Ess Tech, Inc. System and method for determining state of charge for an electric energy storage device
US10879544B2 (en) 2018-11-02 2020-12-29 Ess Tech, Inc. System and method for determining state of charge for an electric energy storage device
US11631872B2 (en) 2018-11-02 2023-04-18 Ess Tech, Inc. System and method for determining state of charge for an electric energy storage device
US11811110B2 (en) 2018-11-02 2023-11-07 Ess Tech, Inc. System and method for determining state of charge for an electric energy storage device

Also Published As

Publication number Publication date
CA2926795A1 (en) 2015-04-23
PL3058608T3 (pl) 2020-06-29
DK3058608T3 (da) 2020-03-23
EP3058608A4 (en) 2017-05-03
US20160293991A1 (en) 2016-10-06
CA2926795C (en) 2022-04-12
US10186726B2 (en) 2019-01-22
JP2016535395A (ja) 2016-11-10
WO2015057550A1 (en) 2015-04-23
EP3058608A1 (en) 2016-08-24
CN105794021A (zh) 2016-07-20
KR102253905B1 (ko) 2021-05-18
JP6549566B2 (ja) 2019-07-24
EP3058608B1 (en) 2019-12-25
ES2776355T3 (es) 2020-07-30
CN105794021B (zh) 2020-05-19
MX2016004824A (es) 2016-06-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102253905B1 (ko) 입구/출구 전위를 사용하여 과도적 충전 상태를 측정하기 위한 방법 및 장치
US10388978B2 (en) Methods for determining state of charge and calibrating reference electrodes in a redox flow battery
Becker et al. Polarization curve measurements combined with potential probe sensing for determining current density distribution in vanadium redox-flow batteries
CN101657922B (zh) 确定氧化还原液流电池中的荷电状态的设备和方法
Ngamsai et al. Measuring the state of charge of the electrolyte solution in a vanadium redox flow battery using a four-pole cell device
CN101839964B (zh) 一种实时测量全钒液流电池荷电状态的方法及装置
JP6271742B2 (ja) フローバッテリにおける電解質の分配
CA3036798A1 (en) Determining the state of charge of an all-vanadium redox flow battery using uv/vis measurement
US7397217B2 (en) Measuring fuel by counting coulombs
JP2013037857A (ja) レドックスフロー電池
CN109417184B (zh) 氧化还原液流电池、电量测量系统和电量测量方法
CA2927793A1 (en) Apparatus and method for determining state of charge in a redox flow battery via limiting currents
JP2016517160A (ja) フロー電池の健全性維持方法
Choi et al. Resistor design for the use of dynamic hydrogen electrode in vanadium redox flow batteries
CN107014856A (zh) 用于测量氧化还原液流电池的电解质平衡的方法和装置
Li State‐of‐Charge Monitoring for Vanadium Redox Flow Batteries
EP3723178A1 (en) Cell for electrochemically determining active species concentrations in redox flow batteries
WO2023120449A1 (ja) レドックスフロー電池
US20140170519A1 (en) Flow Battery System and Method Thereof
Poli Design and development of an electrolyte regeneration process for vanadium redox flow batteries
KR20150062657A (ko) 레독스 플로우 전지의 전해질 분석 방법 및 장치

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant