KR20240045224A - 흐름 배터리의 충전 상태, 몰농도 및 산화 상태의 결정, 및 흐름 배터리의 제어 - Google Patents
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Abstract
바나듐 산화 환원 흐름 배터리(VRFB)와 같은 흐름 배터리의 충전 상태(SOC), 활성 종의 몰농도 및 농도들, 및 산화 상태를 측정하기 위한 시스템 및 방법. 기준 전해질이 (각각의 도관들 내의) 하나 또는 둘 다의 충전된 전해질과 함께 기준 셀을 통해 순환된다. 기준 전해질에 대한 충전된 전해질의 전위가 측정된다. 이 측정치는 SOC로 직접 변환된다. 흐름 배터리의 애노드 액 및 캐소드 액 측들 둘 다에서의 바나듐 이온들의 몰농도, 농도, 및 산화 상태의 계산을 가능하게 하는 수학식도 교시된다. 흐름 배터리는 이러한 결정에 응답하여, 예를 들어 산화 상태를 관리하거나, 배터리를 충전 또는 방전하기 위해 제어될 수 있다.
Description
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 9월 3일에 출원되고 본 명세서와 동일한 발명의 명칭을 갖는 미국 가출원 제63/240,430호의 이익 및 우선권을 주장하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
분야
본 출원은 바나듐 산화 환원 흐름 배터리(vanadium redox flow battery: VRFB) 시스템들과 같은 흐름 배터리 시스템들에 관한 것으로서, 특히 흐름 배터리의 충전 상태, 몰농도 및 산화 상태의 결정 및 흐름 배터리의 제어에 관한 것이다.
산화 환원 흐름 배터리들 또는 산화 환원 흐름 셀들로도 알려진 흐름 배터리들은 대규모 에너지 저장에 유용하다. 흐름 배터리들은 전기 에너지를 저장을 위해 화학 에너지로 변환하고, 나중에 수요가 있을 때 전기 에너지로서 방출한다. 흐름 배터리들은 가역적 전기화학적 반응들에 참여하는 반응물들을 포함하는 외부 공급 유체 전해질 용액들을 사용한다. 충전 시, 공급된 전기 에너지는 하나의 전해질에서 화학적 환원 반응을 일으키고 다른 전해질에서 산화 반응을 일으킨다. 방전 시, 액체 전해질들에 포함된 화학 에너지는 역반응들에서 방출되고, 전극들로부터 전기 에너지가 인출될 수 있다. 흐름 배터리들은 그리드-연결형 에너지 저장 시스템들 및/또는 오프-그리드 에너지 저장 시스템들에 사용될 수 있다.
흐름 배터리의 충전 상태(state of charge: SOC)를 정확하게 측정하는 것은 배터리의 에너지 용량과 수명을 최대화하는 데 유용하다. 흐름 배터리에서는, 전해질들에서 활성 물질들의 농도를 정확하게 측정하기 위한 수단을 갖는 것이 바람직하다. 산화 환원 흐름 배터리(RFB)들에서 SOC 및 농도들을 측정하는 데 사용되는 적어도 일부 현재 방법들은 강건하지 못하다. 예를 들어, 광학 센서들이 빈번한 유지 보수 및 교정을 필요로 하기 때문에 광학 측정치들은 부정확할 수 있다.
본 명세서에서의 실시예들에 따르면, VRFB와 같은 흐름 배터리의 활성 종의 SOC, 몰농도 및 산화 상태를 간단하고 강건한 방식으로 결정하기 위한 시스템 및 방법이 제공된다. 본 명세서에서의 교시들 및 기술들에 따르면, (예를 들어, 전위차를 결정하기 위해) 기준 전해질에 대한 충전된 전해질의 전위가 측정된다. 이 측정치는 SOC로 직접 변환될 수 있다. 시스템의 애노드 액(anolyte) 및 캐소드 액(catholyte) 측들 둘 다에서의 바나듐 이온들의 몰농도 및 그로부터의 산화 상태의 계산을 가능하게 하는 수학식도 교시된다. 흐름 배터리는 이러한 결정에 응답하여 제어될 수 있다.
이익들은 음으로 충전된 전해질(애노드 액) 및 양으로 충전된 전해질(캐소드 액)의 충전 상태들 및 몰농도들을 독립적으로 측정할 수 있는 능력을 포함할 수 있다. 또한, 빈번한 교정 및 유지 보수를 또한 필요로 하는 상대적으로 고가의 광학 센서를 사용하는 현재의 SOC 측정 방법에 비해 상당한 비용 이점이 달성될 수 있다.
흐름 배터리가 제공되며, 흐름 배터리는 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질과 유체 연통하는 적어도 하나의 전기화학적 배터리 셀; 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 중 적어도 하나와 유체 연통하고, 알려진 전위를 갖는 기준 전해질과 유체 연통하는 기준 셀 - 기준 셀은 i) 기준 셀에 걸친, 애노드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 애노드 액 전위차, 및 ii) 기준 셀에 걸친, 캐소드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 측정하기 위한 것임 -; 및 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 흐름 배터리의 동작을 제어하기 위한 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질의 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하도록 구성된 회로를 포함하는 컴퓨팅 디바이스를 포함하고, 컴퓨팅 디바이스는 애노드 액 전해질과 캐소드 액 전해질 사이의 전위차의 측정 없이 각각의 SOC를 결정한다.
일 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스는 다음과 같은 형태의 네른스트 수학식(Nernst equation)에 따라 각각의 SOC를 결정하도록 구성되며:
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 이다.
일 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스는 i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 것; 및 ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된다.
일 실시예에서, 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 제1 SOC 결정 옵션을 정의하고, 컴퓨팅 디바이스는 제2 SOC 결정 옵션에서 각각의 SOC를 결정하도록 더 구성된다. 일 실시예에서, 제2 SOC 결정 옵션에서, 컴퓨팅 디바이스는 전해질 컬러를 측정하는 광학 신호에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 것; 및 애노드 액과 캐소드 액 사이의 전위차를 처리하고 이에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 것 중 하나를 수행하도록 구성된다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스는 제1 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하고, 각각의 SOC가 하이 또는 로우 값의 임계치 내에 있는 경우, 흐름 배터리의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하도록 구성된다.
일 실시예에서, 기준 셀은 전해질을 별개로 수용하기 위한 각각의 바디들을 포함한다.
일 실시예에서, 기준 셀은 애노드 액 및 캐소드 액 중 하나를 수용하도록 구성된 제1 기준 셀을 포함하고, 흐름 배터리는 제1 기준 셀과 별개인 제2 기준 셀을 포함하고, 제2 기준 셀은 애노드 액 및 캐소드 액 중 다른 하나를 수용하도록 구성된다. 일 실시예에서, 제1 기준 셀은 애노드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 애노드 액 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 기준 전해질 셀 바디를 포함하고; 제1 막이 제1 애노드 액 셀 바디와 제1 기준 전해질 셀 바디를 분리하고; 제2 기준 셀은 캐소드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 캐소드 액 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 제2 기준 전해질 셀 바디를 포함하고; 제2 막이 제1 캐소드 액 셀 바디와 제2 기준 전해질 셀 바디를 분리한다. 일 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스는 제1 기준 셀 및 제2 기준 셀 각각으로부터 전위차들의 측정치들을 수신한다. 일 실시예에서, 흐름 배터리는 애노드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제1 기준 셀로 순환시키기 위한 애노드 액 전해질 루프; 캐소드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제2 기준 셀로 순환시키기 위한 캐소드 액 전해질 루프; 및 기준 전해질을 제1 기준 셀 및 제2 기준 셀 각각으로 순환시키기 위한 기준 전해질 루프를 포함한다.
일 실시예에서, 기준 셀은 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 각각과의 유체 연통을 위해 구성되고; 기준 셀은 애노드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 셀 바디, 캐소드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제2 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 적어도 하나의 추가 셀 바디를 포함하고; 제1 막이 제1 셀 바디와 적어도 하나의 추가 셀 바디를 분리하고; 제2 막이 제2 셀 바디와 적어도 하나의 추가 셀 바디를 분리한다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 추가 셀 바디는 기준 전해질을 수용하기 위한 제1 추가 셀 바디 및 제2 추가 셀 바디를 포함하고, 제1 추가 셀 바디 및 제2 추가 셀 바디는 그 사이에 막을 포함한다. 일 실시예에서, 흐름 배터리는 애노드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제1 셀 바디로 순환시키기 위한 애노드 액 전해질 루프; 캐소드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제2 셀 바디로 순환시키기 위한 캐소드 액 전해질 루프; 및 기준 전해질을 하나의 추가 셀 바디로 순환시키기 위한 기준 전해질 루프를 포함한다.
일 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스는 SOC로부터 전해질 원자들에 대한 몰농도들 및 농도들을 결정하도록 더 구성된다.
일 실시예에서, 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 몰농도는 ; 및 로서 결정되며;
여기서, V = 부피; M = 몰농도; I = 전류; SOC = 충전 상태; = 아보가드로 수; C = 쿨롱 = 전자; 및 F = 패러데이 상수 = 이다.
일 실시예에서, 흐름 배터리는 바나듐 산화 환원 흐름 배터리(VRFB)를 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 황, 코발트, 주석 및 망간 또는 이들의 임의의 적합한 조합들로부터 선택된 전해질 용액 쌍들을 포함한다.
일 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스는 흐름 배터리를 충전하기 위해 외부 전력의 인가를 제어하는 것; 배터리를 방전하기 위해 배터리로부터의 전력의 인가를 제어하는 것; 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 서로 매칭시키는 것; 및 흐름 배터리 내의 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 스트링으로 결합되거나 동일한 사이트(site)에 병치된 다른 흐름 배터리의 충전 상태와 매칭시키는 것 중 적어도 하나에 의해 흐름 배터리를 제어하도록 구성된다.
흐름 배터리를 제어하기 위한 방법이 제공된다. 일 실시예에서, 방법은 적어도 하나의 전기화학적 배터리 셀을 통해 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질을 순환시키는 단계; 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 중 적어도 하나와 유체 연통하는 기준 셀을 통해, 알려진 전위를 갖는 기준 전해질을 순환시키는 단계; i) 기준 셀에 걸친, 애노드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 애노드 액 전위차, 및 ii) 기준 셀에 걸친, 캐소드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 및 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 흐름 배터리의 동작을 제어하기 위한 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질의 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 단계를 포함하고, 방법은 애노드 액 전해질과 캐소드 액 전해질 사이의 전위차의 측정 없이 각각의 SOC를 결정한다.
일 실시예에서, 각각의 SOC를 결정하는 단계는 다음과 같은 형태의 네른스트 수학식에 따라 각각의 SOC를 결정하는 단계를 포함하고:
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 이다.
일 실시예에서, 방법은 i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 단계; ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
일 실시예에서, 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 제1 SOC 결정 옵션을 정의하고, 방법은 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하는 단계를 더 포함한다. 일 실시예에서, 제2 SOC 결정 옵션에 따라, 방법은 전해질 컬러를 측정하는 광학 신호에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 단계; 및 애노드 액과 캐소드 액 사이의 전위차를 처리하고, 이에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 단계 중 하나를 포함한다. 일 실시예에서, 방법은 제1 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하고, 각각의 SOC가 하이 또는 로우 값의 임계치 내에 있는 경우, 흐름 배터리의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정한다.
일 실시예에서, 방법은 각각의 SOC로부터 전해질 원자들에 대한 적어도 하나의 몰농도를 결정하는 단계를 더 포함한다.
일 실시예에서, 방법은 흐름 배터리를 충전하기 위해 외부 전력의 인가를 제어하는 것; 배터리를 방전하기 위해 배터리로부터의 전력의 인가를 제어하는 것; 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 서로 매칭시키는 것; 및 흐름 배터리 내의 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 스트링으로 결합되거나 동일한 사이트에 병치된 다른 흐름 배터리의 충전 상태와 매칭시키는 것 중 적어도 하나에 의해 흐름 배터리의 동작을 제어하는 단계를 포함한다.
도 1은 종래 기술에 따른 단순화된 흐름 배터리의 블록도이다.
도 2 및 도 3은 본 명세서의 각각의 실시예들에 따른 각각의 단순화된 흐름 배터리 시스템들, 특히 VRFB 시스템들의 블록도들이다.
도 4a는 흐름 배터리 시스템에서 사용하기 위한 셀 구성의 블록도이다.
도 4b는 흐름 배터리 시스템에서 사용하기 위한 셀 구성의 블록도이다.
도 4c는 흐름 배터리 시스템에서 사용하기 위한 셀 구성의 블록도이다.
도 5a는 본 명세서에서의 일 실시예에 따른 기준 셀의 예시이다.
도 5b는 도 5a의 기준 셀의 분해도이다.
도 6은 본 명세서에서의 일 실시예에 따른 동작들의 흐름도이다.
도 7a는 애노드 액 충전 상태 계산의 그래픽 표현이다.
도 7b는 캐소드 액 충전 상태 계산의 그래픽 표현이다.
도 8은 본 명세서에서의 일 실시예에 따른 동작들의 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 본 명세서의 각각의 실시예들에 따른 각각의 단순화된 흐름 배터리 시스템들, 특히 VRFB 시스템들의 블록도들이다.
도 4a는 흐름 배터리 시스템에서 사용하기 위한 셀 구성의 블록도이다.
도 4b는 흐름 배터리 시스템에서 사용하기 위한 셀 구성의 블록도이다.
도 4c는 흐름 배터리 시스템에서 사용하기 위한 셀 구성의 블록도이다.
도 5a는 본 명세서에서의 일 실시예에 따른 기준 셀의 예시이다.
도 5b는 도 5a의 기준 셀의 분해도이다.
도 6은 본 명세서에서의 일 실시예에 따른 동작들의 흐름도이다.
도 7a는 애노드 액 충전 상태 계산의 그래픽 표현이다.
도 7b는 캐소드 액 충전 상태 계산의 그래픽 표현이다.
도 8은 본 명세서에서의 일 실시예에 따른 동작들의 흐름도이다.
도 1은 종래 기술에 따른 단순화된 흐름 배터리 시스템(100)의 블록도이다. 시스템(100)은 (예를 들어, 펌프(도시되지 않음)를 포함하는) 애노드 액 흐름 조절기(106)에 의해 보조되고 제어되는 파이핑(104)을 통해 저장 용기(102)로부터 애노드 액(도시되지 않음)이 순환되는 단순화된 VRFB를 예시한다. 파이핑은 애노드 액을 용기(102)로 반환하기 전에 애노드 액을 기준 셀(108)로 그리고 하나 이상의 흐름 배터리 셀(예를 들어, 110) - 2개 이상의 셀이 스택(111)에 배열됨 -로 순환시킨다. 유사하게, 캐소드 액(도시되지 않음)이 (예를 들어, 펌프(도시되지 않음)를 포함하는) 캐소드 액 흐름 조절기(116)에 의해 보조되고 제어되는 파이핑(114)을 통해 저장 용기(112)로부터 순환된다. 캐소드 액은 또한 용기(112)로 반환되기 전에 기준 셀(108) 및 스택(111)으로 순환된다.
도 1은 또한 애노드 액을 광학적으로 측정하기 위해 파이핑(104)에 결합된 광학 센서(118)를 도시한다. 애노드 액의 컬러는 그의 산화에 따라 변하며, 광학 센서(118)는 컬러를 결정하고 컬러로로부터 충전 상태를 추론하기 위한 신호를 제공한다. 광학 센서(118)는 데이터 획득 시스템(118)에 신호를 제공하도록 결합된다. 데이터 획득 시스템(118)은 제어 시스템(120)과 통신한다. 제어 시스템(120)은 또한, 예를 들어, 배터리 시스템(100)의 컴포넌트들과 또는 원격 디바이스(예를 들어, 원격 컴퓨팅 디바이스, 도시되지 않음)와 또는 둘 다와 국지적으로 통신하는 통신 기능들을 제공할 수 있다.
용기(102), 파이핑(104) 및 흐름 조절기(106)는 제1 또는 애노드 액 전해질 순환 루프(124)를 포함한다. 용기(112), 파이핑(114) 및 흐름 조절기(116)는 제2 또는 캐소드 액 전해질 순환 루프(126)를 포함한다.
도 1은 언급된 바와 같이 단순화된 것이며, 배터리 시스템(100)의 다른 컴포넌트들은 이해되는 바와 같이 데이터 획득 시스템(118) 및/또는 제어 시스템(120)에 결합될 수 있다. 예를 들어, 다른 컴포넌트들 중에서, 에너지 입력(예를 들어, 전원) 또는 에너지 출력(예를 들어, 전기 부하) 또는 스택(111)에 결합된 전력 또는 제어 요소들이 도시되어 있지 않다. 셀들(110)은 충전된 전해질들 사이의 전기화학적 반응에 따라 제어 시스템(120)의 제어 하에 에너지를 방전 또는 저장한다는 것이 이해된다.
도시되지는 않았지만, 여러 개의 배터리 스택들이 (직렬 또는 병렬로) 연결되어, 배터리 시스템(100) 내의 스택들의 스트링을 형성할 수 있다.
도 1의 실시예에서, 제어 시스템(120)은 컬러 데이터로부터 충전 상태를 결정한다. 제어 시스템(120)은, 제어들의 예들로서, 충전 상태에 응답하여, 배터리 스택에 공급되는 전압 및 전류(예를 들어, 전력)를 제어하도록 구성된다. 컬러 측정은 부정확하므로, 검출된 컬러로부터 SOC를 추론하는 것은 부정확하다. 광학 센서들은 교정 및 유지 보수를 필요로 하며 부정확한 컬러 측정치들을 제공할 수 있다.
도 2 및 도 3은 본 명세서에서의 각각의 실시예들에 따른 각각의 산화 환원 흐름 배터리 시스템들(200 및 300), 특히 VRFB 시스템들의 블록도이다. 시스템들(200, 300)의 일부를 형성하는 시스템(100)의 컴포넌트들과 유사한 컴포넌트들은 용기들(102 및 112), 각각의 파이핑(104 및 114), 기준 셀(108), 및 스택들(110)과 같이 유사하게 번호가 매겨진다. 시스템들(200 및 300) 내의 파이핑은 시스템(200) 내의 일 실시예에 따른 기준 셀(202) 및 시스템(300) 내의 일 실시예에 따른 기준 셀들(302A 및 302B)을 설명하기 위해 상이하게 구성될 수 있다.
시스템들(200 및 300)에서, 기준 전해질(도시되지 않음)은 (예를 들어, 펌프(도시되지 않음)를 포함하는) 기준 전해질 흐름 조절기(208)에 의해 보조되고 제어되는 파이핑(206)을 통해 기준 전해질 용기(204)로부터 순환된다. 시스템(200) 내의 기준 셀(202)는 제어 시스템(222)에 결합되는 데이터 획득 시스템(220)에 결합된다. 기준 셀들(302A 및 302B)은 제어 시스템(222)에 결합되는 데이터 획득 시스템(220)에 결합된다. 용기(204), 파이핑(206) 및 흐름 조절기(208)는 제3 또는 기준 전해질 순환 루프(224)를 포함한다.
기준 셀(202)는 3개의 전해질에 결합되어, 기준 전해질에 대한 각각의 충전된 전해질들의 전위의 측정을 가능하게 한다. 즉, 기준 셀(202)는 각각의 전위차들을 측정하기 위한 단자들/커플링을 포함한다(예를 들어, 애노드 액 전위를 위한 2개 및 캐소드 액 전위를 위한 2개를 포함하는 총 4개). 시스템(300)에서, 기준 셀들(302A 및 302B) 각각은 단일의 각각의 전위차에 대한 각각의 단자들/커플링들(예를 들어, 셀당 2개)을 제공한다(애노드 액/기준 전해질 전위에 대한 302A 내의 2개의 단자 및 캐소드 액/기준 전해질 전위에 대한 302B 내의 2개의 단자).
일 실시예에서, 데이터 획득 시스템(220)은 데이터 획득 시스템(120)과 동일한 컴포넌트들을 갖지만, 본 명세서에서 설명된 바와 같이 전위차들을 측정(즉, 전압 측정)하도록 구성되고 결합된다. 유사하게, 일 실시예에서, 제어 시스템(222)은 제어 시스템(122)과 동일한 컴포넌트들을 갖지만, SOC를 결정하기 위해, 이하에서 설명되는 교시 및 기술들에 따라, 예를 들어 프로그래밍을 통해 구성된다. 일 실시예에서, 제어 시스템(222)은 SOC 결정들로부터 원자들의 몰농도 및 농도들을 추가로 결정할 수 있다. 제어 시스템 구성들의 예들은 마이크로프로세서(예를 들어, 다른 집적 회로들/구조들 상의 RAM/ROM, I/O, 주변기기들 등에 대한 인터페이스(들)를 갖는 칩 상의 중앙 처리 유닛(CPU))를 포함할 수 있으며, 이는 예를 들어 프로그래머블 로직 컨트롤러(PLC), 마이크로컨트롤러(MCU 또는 마이크로컨트롤러 유닛)(예를 들어, 단일 칩 상에 RAM/ROM, 주변기기들, I/O를 갖는 중앙 처리 유닛(CPU)), 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 및 주문형 집적 회로(ASIC) 등을 정의할 수 있다. 명령어들은 SOC, 몰농도 등을 결정하고 결정된 SOC에 응답하여 배터리(예를 들어, 이에 대한 전력 공급)를 제어하는 것과 같은 제어 시스템의 특징들 및 기능들을 제공하기 위해 프로세서 등에 의해 저장되고 실행될 수 있다.
도 2 및 도 3은 스택(111)을 서빙하는 루프들(124 및 126)에서 결합된 각각의 기준 셀(202) 및 기준 셀들(302A 및 302B)을 도시한다. 대안적인 순환 배열들이 고려된다. 일 실시예(도시되지 않음)에서, 각각의 추가적인 별개의 루프가 각각의 용기들(102 및 112)에 결합되어 각각의 충전된 전해질을 기준 셀(들)로 순환시키지만, 이러한 전해질을 스택(111)으로 순환시키지는 않는다. 일 실시예(도시되지 않음)에서, 충전된 전해질들 중 하나만이 추가 루프에서 별개로 순환된다. 각각의 추가 루프는 그 자신의 흐름 조절기(도시되지 않음)를 가질 수 있다. 일 실시예(도시되지 않음)에서, 충전된 전해질들은 루프들(124 및 126) 중 하나에 각각 결합된 바이패스 루프들을 통해 기준 셀(들)로 순환되며, 따라서 바이패스 루프들은 루프들(124 및 126)과 동일한 흐름 조절기들(예를 들어, 106 및 116)로부터 연장되지만, 바이패스 루프들은 전해질을 스택(111)을 통해 순환시키지 않고 각각의 용기로 반환한다.
일 실시예에서, 복수의 흐름 배터리 시스템(예를 들어, 이들 각각은 예를 들어 각각의 스트링들을 정의하는 하나 이상의 스택을 가짐)은 적어도 제어 목적들을 위해, 정의된 크기(예를 들어, 1MW, 10MW 등)의 사이트를 제공하기 위해 결합될 수 있다. 각각의 스트링은 각각의 스트링의 컴포넌트들을 제어하기 위해 로컬 인터페이스를 갖는 각각의 제어 시스템(222)을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 제어 시스템(222)은 (예를 들어, 네트워크 구성에서) 사이트 제어 시스템(도시되지 않음)에 결합되어, 개별 배터리 및/또는 사이트 전체에 기초하여 배터리 용량 등을 관리할 수 있다. 일례로, 배터리 성능은 배터리들의 스트링에서 SOC를 매칭시킴으로써 관리된다. 개별 배터리 시스템에서 충전된 전해질들의 SOC를 매칭시키는 것도 유용하다. 따라서, 각각의 배터리 스택에 대한 SOC를 측정하는 것은 배터리들을 개별적으로, 스트링으로 또는 사이트 전체에 기초하여 관리하는 데 유용하다.
도 4a 내지 도 4c는 본 명세서에서의 각각의 실시예들에 따른 흐름 배터리 시스템에서 사용하기 위한 단순화된 형태의 각각의 기준 셀 구성들(400A, 400B, 및 400C)의 블록도들이다. 예를 들어, 기준 셀(202)는 구성들(400A 및 400B) 중 하나에 따라 구성될 수 있다. 기준 셀들(302A 또는 302B)은 구성(400C)으로 구성될 수 있다.
구성(400A)은 기준 셀(400A)을 통해, 그리고 막(408)에 의해 애노드 액 도관 바디(402)로부터 분리된 기준 전해질 바디(404)에서 셀(400A)을 통해 전달되는 기준 전해질을 지나서, 애노드 액을 전달하기 위한 애노드 액 도관 바디(402)를 나타낸다. 유사하게, 구성(400A)은 기준 셀(400A)을 통해, 그리고 막(410)에 의해 캐소드 액 도관 바디(402)로부터 분리된 기준 전해질 바디(404)에서 셀(400A)를 통해 전달되는 기준 전해질을 지나서, 캐소드 액을 전달하기 위한 캐소드 액 도관 바디(406)를 나타낸다. 구성(400A)의 실시예에서, 기준 전해질 바디(400)는 막(412)에 의해 분할된다. 각각의 전위차들을 측정하기 위한 배선을 연결하기 위한 단자들은 도시되지 않는다.
구성(400A)에서, 전위차는 3개의 막 각각에 걸쳐 측정된다. 이러한 측정은 중간 막에 걸친 전위(명목상 0)를 모니터링하여 (예를 들어, 크로스오버로 인한) V3.5+ 용액들의 변화들을 검출하는 것을 가능하게 한다.
구성(400B)은 400A와 유사하지만, 막(412)이 도관 바디(404)에 존재하지 않는다. 구성(400B)에서, 전위차는 2개의 막 각각에 걸쳐 측정된다.
각각의 셀 부재들(416A 및 416B)을 포함하는 구성(400C)은 막(410)에 의해 분리된 바디들(404 및 406) 또는 셀 부재(416B)와 별개인 셀 부재(416A) 내의 막(408)을 갖는 각각의 도관 바디들(402, 404)을 나타낸다. 구성(400C)에서, 셀 부재들(416A 및 416B)은 기능적으로 동일하며, 사용되는 충전된 전해질에 의해 사용 동안에만 다르다는 것을 이해한다. 전위차는 각각 막을 갖는 2개의 셀 부재 각각에 걸쳐 측정된다.
도 5a는 본 명세서에서의 일 실시예에 따른 기준 셀(500)의 예시이고, 도 5b는 도 5a의 기준 셀(500)의 분해도이다. 기준 셀(500)은 구성(416A 또는 416B)의 일 실시예를 제공한다. 기준 셀은 각각의 전해질이 기준 셀(500) 안팎으로 흐르는 각각의 입구/출구 쌍들(504A/504B 및 506A/506B)을 갖는 도관 바디들(502A 및 502B)를 포함한다. 도 5a 및 도 5b에서, 기준 셀(500)은 중심 축 A-A를 중심으로 180도 회전되고, 축 A-A를 따라 분해되어 있다. 일 실시예에서, 바디들(502A 및 502B)은 플라스틱 재질로 이루어진다.
바디들(502A 및 502B)은 이들을 통해 각각 연장되는 복수의 패스너 컴포넌트(예를 들어, 하나의 패스너 컴포넌트(508))를 통해 함께 결합된다. 각각의 패스너 컴포넌트는 일례에서 볼트, 너트 및 2개의 와셔와 같은 나사형 패스너를 포함할 수 있다. 단자들은 애퍼처(512) 및 바디(502B)에서 보이지 않는 다른 하나의 애퍼처를 통해 축 라인 A-A를 따라 커플링을 갖는 각각의 컴포넌트들(510A/511A 및 510B/511B)를 통해 제공된다. 바디들(502A 및 502B) 사이에는 2개의 전극에 의해 샌드위치된 양성자 교환 막을 갖는 막 전극 조립체(도시되지 않음)를 포함하는 막 시스템(514)이 장착된다. 여기가 셀에서 산화/환원 반응들이 발생하는 곳이다. 막 시스템(514)은 개스킷들(예를 들어, 516) 또는 다른 밀봉 디바이스들을 포함할 수 있다. 원통형 바디들(517A 및 517B)은 막의 각각의 전극을 각각의 단자(510A/511A 및 510B/511B)에 결합한다.
일 실시예에서, 바디들(502A 및 502B)은 각각 장착 하드웨어(520A 및 520B)를 수용하기 위한 측면 애퍼처들(518A 및 518B)을 형성한다. 일 실시예에서, 장착 하드웨어는 예를 들어 셀(500)을 고정구에 장착하기 위한 나사형 러그 볼트들 또는 스크류들이다.
언급했듯이, 전위는 수학식을 사용하여 SOC를 결정하기 위해 측정된다. 몰농도도 결정될 수 있다. 다음은 제어 시스템(220)을 구성하는 데 사용되는 원리들 및 수학식(들)을 개략적으로 설명한다.
일례에 따르면, 도 6의 동작들(600)의 흐름도에 예시된 바와 같이, 다음의 단계들이 수행된다. 602에서, 기준 전해질, 즉 바나듐(V), 특히 가 전위 측정치들을 사용하여 SOC를 결정하기 위해 제공된다. 사용된 기준 전해질은 옵션으로서 그 조성을 결정하기 위해 시스템 밖에서 측정될 수 있다.
604에서, 적정 의 부피(예를 들어, 500ml)의 폐쇄 루프가 기준 셀의 하나의 도관 바디를 통해(예를 들어, 셀(500)의 바디(502B)를 통해) 순환된다. 다른 도관 바디(예를 들어, 500A)에서, 606에서, 충전된 전해질들 중 하나(애노드 액 및 캐소드 액 전해질 중 하나)가 기준 셀을 통해 순환된다. 608에서, 셀에 걸친 전압이 (예를 들어, 기준 셀의 각각의 단자들을 통해 데이터 획득 시스템에서) 전위차를 결정하기 위해 측정된다.
610에서, 제어 시스템(전위차를 처리하도록 구성된 회로를 포함하는 컴퓨팅 디바이스)은 측정치를 사용하여 추가로 설명되는 바와 같은 네른스트 수학식에 따라 각각의 애노드 액 또는 캐소드 액 SOC를 결정한다. 즉, 제어 시스템은 애노드 액과 캐소드 액 사이의(예를 들어, 막에 의해 분리된 애노드 액과 캐소드 액을 갖는 셀에 걸친) 전위차를 측정하지 않고 SOC를 결정한다. 612에서, 제어 시스템은 결정된 SOC에 응답하여 흐름 배터리를 동작시킨다. 제어들의 예들은 i) 충전의 경우 스택에 제공되는 전력을 제어하는 것, ii) 방전의 경우 스택으로부터 전달되는 전력을 제어하는 것, 및 iii) 배터리 내의 전해질들의 SOC를 매칭시키는 것을 포함한다.
일 실시예(도시되지 않음)에서, 바나듐 종의 몰농도는 추가로 설명되는 바와 같은 SOC의 시간 변화율에 따라 결정된다. 예를 들어, SOC의 결정은 제어 시스템(222)에 의한 다양한 제어들을 구동하는 데 유용하다.
네른스트 수학식은 다음과 같다.
[수학식 1]
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 이다.
따라서, 수학식 1은 다음과 같이 다시 작성될 수 있다.
[수학식 2]
SOC 계산들
완전히 충전되지 않은 전해질은 S.H.E.(표준 수소 전극)에 대해 0.397V의 전위를 가지며, 따라서 에 대한 = 0.397V이다.
이하에서는 애노드 액 충전 상태 계산 및 캐소드 액 충전 상태 계산에 대해 설명하며, 이들의 그래픽 표현들(700 및 710)을 제공하는 도 7a 및 도 7b를 참조할 수 있고, 각각의 각자의 도면에는 SOC에 대한 전위가 그래프로 표시되어 있다.
애노드 액 SOC 계산
애노드 액에 대하여, (예를 들어, 도 7a 및 도 7b의 그래픽 표현들이 생성되는 온도인 실온에서) 및 이다. 또한,
따라서, 애노드 액에 대한 네른스트 수학식인 수학식 3은 수학식 2으로부터 다음과 같이 도출된다:
[수학식 3]
SOC와 관련하여 및 의 농도들을 작성하면, SOC를 애노드 액 전위와 직접 관련시키는 수학식 4를 획득한다:
[수학식 4]
이어서, 애노드 액 전위와 관련하여 다음과 같이 SOC에 대해 풀 수 있다:
[수학식 5]
캐소드 액 SOC 계산
캐소드 액에 대하여, 및 이다. 또한,
따라서, 캐소드 액에 대한 네른스트 수학식인 수학식 6은 다음과 같이 수학식 1 및 2로부터 도출된다:
[수학식 6]
SOC와 관련하여 , , 및 의 농도들을 작성하면, SOC를 캐소드 액 전위와 직접 관련시키는 수학식 7을 획득한다:
[수학식 7]
이어서, 캐소드 액 전위와 관련하여 다음과 같이 SOC에 대해 풀 수 있지만, 이는 수치적으로 수행된다:
일 실시예에서, 네른스트 수학식을 사용하는 풀이 동작들을 통해 전위 측정치로부터 SOC를 계산하기보다는, 흐름 배터리는 각각의 전위들을 미리 계산된 각각의 SOC들에 연관시키는 탐색표를 사용하여 애노드 액 및 캐소드 액 SOC 중 하나 또는 둘 다를 결정하도록 구성된다. 탐색표를 사용하는 것은 예를 들어, 측정된 전위가 각각의 표 내의 두 전위 사이에 있을 때 필요할 수 있는 바와 같이, 보간을 포함할 수 있다. 예를 들어, 컴퓨팅 디바이스는 i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 애노드 액에 대한 각각의 SOC를 결정하는 것; 및 ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 캐소드 액에 대한 각각의 SOC를 결정하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된다.
흐름 배터리는 2개 이상의 방식으로 SOC를 결정하도록 구성될 수 있다. 네른스트 수학식(탐색 동작을 사용할 수 있음)에 따라 설명된 대로 SOC를 결정하는 것은 (예를 들어, 100% 또는 0%를 향하는) 하이 또는 로우 SOC 값들에 대해 덜 정확한 결과들을 산출할 수 있다. 이러한 값들에서는 SOC를 결정하기 위한 대안적인 또는 추가적인 방식이 유용할 수 있다. 언급된 바와 같이, SOC를 측정하기 위한 한 가지 추가적인 방식은 전해질 컬러를 제공하는 광학 신호에 응답하는 것이다. 즉, 흐름 배터리는 도 1에 도시된 바와 같은 광학 센서를 포함할 수 있다. 전해질의 컬러 측정치는 예를 들어 탐색표에서 각각의 SOC에 연관될 수 있다(이는 이 분야의 통상의 기술자에 의해 이해되는 바와 같은 보간 동작들을 수반할 수 있음). 다른 하나의 방식에서, 상대적인 애노드 액 및 캐소드 액 전위차들이 SOC에 연관될 수 있고 탐색을 위해 표에 저장될 수 있다(예를 들어, 기준 셀(108)을 통해 결정됨). 따라서, 일 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스는 SOC를 결정하기 위한 옵션들을 갖도록 구성될 수 있다. 하나의(예를 들어, 제1) 옵션은 네른스트 수학식에 따라 (기준 전해질에 대한) 애노드 액 전위차 및 (기준 전해질에 대한) 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하는 것을 포함한다(이는 탐색 동작을 사용하여 수행될 수 있음). 다른(예를 들어, 제2) 옵션은 SOC를 결정하기 위해 컬러 측정치들을 사용하는 것을 포함한다. 다른(예를 들어, 제3) 옵션은 상대적인 애노드 액 캐소드 액 전위차들을 사용하는 것을 포함한다(이는 탐색 동작을 사용하여 수행될 수 있음). 일 실시예에서, 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 222)는 제1 옵션, 및 제2 및 제3 옵션들 중 하나에 따라 SOC를 결정하도록 구성된다. 여기서, 라벨 "제1", "제2" 및 "제3"은 반드시 동작들의 순서 또는 선호도를 따르는 것이 아니라, 상이한 옵션들을 구별하기 위해 사용된다.
일 실시예에서, 도 8에 도시된 바와 같이, 컴퓨팅 디바이스(예를 들어, 222)는 방법(800)을 수행하도록 구성되며, 802에서 디바이스는 제1 옵션에 따라 SOC를 결정한다. 804에서, SOC가 하이 값(예를 들어, 100%) 또는 로우 값(예를 들어, 0%)의 임계치 내에 있는지가 결정된다. 동등하게, SOC가 각각의 끝의 양을 제외하고 100%와 0% 사이의 중간 범위 내에 있는지가 결정된다. 결과가 하이 또는 로우 SOC의 임계량 내에 있으면, 806으로의 "예" 분기를 통해, 흐름 배터리는 다른 옵션을 사용하여 SOC를 결정하고, 808에서, 예를 들어, (예를 들어, SOC에 응답하여 흐름 배터리를 동작시키는) 제어 동작을 결정할 때 다른 옵션을 사용하여 결정된 SOC를 사용한다. 결과가 하이 또는 로우 SOC의 임계량 내에 있지 않을 경우, 808로의 "아니오" 분기를 통해, 흐름 배터리는 예를 들어, 제어 동작을 결정할 때 제1 옵션을 사용하여 결정된 SOC를 사용한다.
SOC로부터의 바나듐 원자들의 농도들의 결정
일 실시예에서, 제어 시스템(222)은 SOC로부터 바나듐 원자들에 대한 몰농도들 및 농도들을 결정하도록 구성된다. 다음과 같은 정의들이 유용하며, 여기서:
V = 부피;
M = 몰농도;
I= 전류;
SOC = 충전 상태;
= 아보가드로 수;
C = 쿨롱 = 전자;
F= 패러데이 상수 =
일 실시예에서, 몰농도는 다음과 같이 결정된다:
; 및
.
측정을 통한 정전류는 정확한 농도 측정들을 보장한다는 점에 유의한다. 일 실시예에서, 제어 시스템(222)(배터리 셀에서 전력을 제어하는 디바이스)은 원하는 전류에 도달할 때까지 전압을 조정함으로써 전류를 일정하게 유지하도록 구성된다. 또한, 이러한 계산은 이상적인 경우에 대해 사용될 수 있다. 보다 정확한 측정들을 위해, 션트 전류 및 이온 크로스오버로 인한 쿨롱 손실들이 고려될 수 있다.
대안적으로, 일 실시예에서, 시스템의 애노드 액 및 캐소드 액 측들 모두에서의 SOC의 변화율들을 비교하여 각각의 몰 백분율을 결정하며, 여기서:
;
;
;
및
측정을 통한 정전류는 정확한 농도 측정들을 보장한다는 점에 유의한다. 일 실시예에서, 제어 시스템(222)(배터리 셀에서 전력을 제어하는 디바이스)은 원하는 전류에 도달할 때까지 전압을 조정함으로써 전류를 일정하게 유지하도록 구성된다. 또한, 이러한 계산은 이상적인 경우에 대해 사용될 수 있다. 보다 정확한 측정들을 위해, 션트 전류 및 이온 크로스오버로 인한 쿨롱 손실들이 고려될 수 있다.
활성 종 농도들 및 산화 상태의 계산
애노드 액 및 캐소드 액에 대한 SOC들 및 몰농도들을 획득한 후, 일 실시예에서, , , 및 의 농도들이 계산되며, 여기서:
;
;
; 및
.
획득된 몰농도들 및 SOC들을 이용하여, 전해질의 전반적인 산화 상태도 측정할 수 있다. 일 실시예에서, 이는 다음 수학식에 의해 수행된다:
[수학식 8]
일 실시예에서, 산화 상태는 각각의 종 농도들을 이용하여, 예를 들어 수학식 8을 재작성하여 결정된다.
배터리 시스템의 원치 않는 부반응들은 전반적인 산화 상태의 점진적 상승을 유발할 수 있다. 이러한 반응의 예는 음 전극에서의 수소의 촉매 작용이며, 이는 반응당 2개의 전자를 소비하여 전자들이 유용한 작업을 수행할 가능성이 있는 시스템에서 전자들을 제거한다. 어느 하나의 방향으로 +3.5로부터 너무 멀리 벗어나는 산화 상태는 배터리의 에너지 저장 용량을 감소시킬 것이다. 일 실시예에서, 제어 시스템(222)은 시스템의 전반적인 산화 상태를 모니터링하여, 흐름 배터리를 그의 초기 조건으로 복귀시키기 위한 보정 액션을 수행할 수 있도록 구성된다. 보정 액션의 하나의 예는 전해질의 전체 부피를 교체하는 것을 포함할 수 있지만, 이는 상당한 추가 비용을 유발하므로 바람직하지 않다.
발명의 명칭이 "Distribution of Electrolytes in a Flow Battery"이고 2017년 12월 26일에 허여된 Darling 등의 US 9853310 B2(본 명세서에 참고로 포함됨)는 흐름 배터리 내의 전해질들의 분포를 결정하는 방법을 개시하고 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 것과 같은 실시예에서, 흐름 배터리에는 바나듐, 철, 크롬 등과 같은 일반적인 전기화학적 활성 종을 갖는 고정량의 유체 전해질이 제공된다. 전해질은 애노드 액 및 캐소드 액으로서 비례하여 분할된다. 일반적인 전기화학적 활성 종의 평균 산화 상태(AOS)는 애노드 액 및 캐소드 액에서 결정된다. 본 명세서에서의 일 실시예에 따르면, AOS는 본 명세서에서 설명된 바와 같이 측정되고 결정된 바와 같은 SOC를 사용하여 설명된 바와 같이 결정된다. 결정된 AOS에 응답하여, 애노드 액과 캐소드 액 사이의 일반적인 전기화학적 활성 종의 몰 비율을 조정하여, 결정된 평균 산화 상태(또는 몰 비율들)에 대한 흐름 배터리의 에너지 방전 용량을 증가시킬 수 있다.
본 명세서에서의 일 실시예에서, 인스턴트 AOS는 예컨대 본 명세서에서 새롭게 설명되는 바와 같은 SOC를 사용하여 결정된다. "인스턴트"라는 용어는 특정 결정의 현재 인스턴스 또는 값을 의미한다. 흐름 배터리는 예를 들어, 애노드 액과 캐소드 액 사이의 일반적인 전기화학적 활성 종의 인스턴트 몰 비율(예를 들어, 몰 비율의 현재 값)를 조정하기 위해 그의 동작들을 제어하도록 구성된다. 비율을 제어하는 것은 AOS의 현재 값에 대한 상대적인 에너지 방전 용량을 증가시키려고 시도한다. 상대적 에너지 방전 능력은 최대 용량에 대한 몰 비율의 현재 값에 기초하는 에너지 방전 용량의 현재 값임을 이해할 것이다. 최대 용량은 애노드 액과 캐소드 액 사이의 완전히 균형화된 몰 비율에 기초한다. 일 실시예에서, 조정은 애노드 액 및 캐소드 액을 흐름 배터리 내의 애노드 액 및 캐소드 액의 동일하지 않은 부피들로 함께 부분적으로 혼합하는 것을 포함한다.
"Method of maintaining health of a flow battery"라는 발명의 명칭으로 2016년 2월 25일 공개된 Darling 등의 US20160056487A1(본 명세서에 참고로 포함됨)은 흐름 배터리의 건강을 유지하는 방법을 개시한다. 이러한 방법은 흐름 배터리의 전기화학적 셀의 음성 측 및 양성 측 각각에서 제1 및 제2 유체 전해질들(예를 들어, 애노드 액 및 캐소드 액)에서의 일반적인 전기화학적 활성 원소 종의 평균 산화 상태를 결정하는 단계, 및 미리 정의된 평균 산화 상태 값에서 벗어나는 평균 산화 상태에 응답하여 평균 산화 상태를 조정하는 단계를 포함한다.
본 명세서에서의 일 실시예에서, 인스턴트 AOS는 본 명세서에서 새롭게 설명된 바와 같은 SOC를 사용하여 결정되며, 흐름 배터리는 미리 정의된 평균 산화 상태 값(평균 산화 상태 범위일 수 있음)에서 벗어나는 평균 산화 상태에 응답하여 평균 산화 상태를 조정하여 건강을 유지하기 위해 그의 동작들을 제어하도록 구성된다. 일 실시예에서, 종은 바나듐, 철, 및 크롬으로부터 선택된다. 본 명세서에서의 일 실시예에서, 평균을 조정하는 것은 캐소드 액 내의 일반적인 전기화학적 활성 원소 종의 원자가 상태를 감소시키기 위해 캐소드 액에 환원제를 첨가하는 것을 포함한다. 환원제는 옥살산 또는 포름산과 같은 산, 및 대안적으로 또는 추가적으로 알코올을 포함할 수 있다. 본 명세서에서의 일 실시예에서, 평균을 조정하는 것은 애노드 액 내의 일반적인 전기화학적 활성 원소 종의 원자가 상태를 증가시키기 위해 애노드 액에 산화제를 첨가하는 것을 포함한다. 산화제는 공기와 같은 산소 가스 및/또는 과산화수소를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 평균 산화 상태는 평균 산화 상태가 미리 정의된 평균 산화 상태 값을 향해 천천히 이동할 것이라는 예상에 응답하여 미리 정의된 평균 산화 상태 값보다 높거나 낮도록 조정된다. 일 실시예에서, 미리 정의된 평균 산화 상태 또는 범위는 일반적인 전기화학적 활성 종의 유형에 기초할 수 있다. 값 범위에 대한 예로서, 일반적인 전기화학적 활성 종이 완전히 균형화될 때, 값 범위는 AOS의 +/-10%일 수 있다.
따라서, 일 실시예에서, 흐름 배터리(예를 들어, 그 제어 시스템)는 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하는 것; 및 산화 상태를 관리하기 위해 흐름 배터리를 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성된다. 산화 상태를 관리하는 것은 설명된 바와 같이 애노드 액과 캐소드 액을 혼합하는 것을 포함할 수 있다. 산화 상태를 관리하는 것은 설명된 바와 같이 환원제를 첨가하는 것을 포함할 수 있다. 산화 상태를 관리하는 단계는 설명된 바와 같이 산화제를 첨가하는 것을 포함할 수 있다.
VRFB를 참조하여 설명되었지만, 다른 전해질들이 사용될 수 있다. 적합한 전해질 용액 쌍들의 비제한적인 예들은 바나듐 및 바나듐 용액들, 브롬 및 폴리설파이드 용액들, 바나듐 및 브롬화물 용액들, 및 임의의 다른 용액들을 포함할 수 있다. 전해질 용액들은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 황, 코발트, 주석 및 망간 또는 이들의 임의의 적합한 조합들에 기초할 수 있다. 본 명세서에 설명된 바와 같은 수학식들 및 그에 대한 값들에 대해 적합한 적응들이 이루어질 수 있다.
흐름 배터리는 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질과 유체 연통하는 적어도 하나의 전기화학적 배터리 셀; 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 중 적어도 하나와 유체 연통하고, 알려진 전위를 갖는 기준 전해질과 유체 연통하는 기준 셀 - 기준 셀은 i) 기준 셀에 걸친, 애노드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 애노드 액 전위차, 및 ii) 기준 셀에 걸친, 캐소드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 측정하기 위한 것임 -; 및 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 흐름 배터리의 동작을 제어하기 위한 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질의 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하도록 구성된 회로를 포함하는 컴퓨팅 디바이스를 포함할 수 있고, 컴퓨팅 디바이스는 애노드 액 전해질과 캐소드 액 전해질 사이의 전위차의 측정 없이 각각의 SOC를 결정한다. 컴퓨팅 디바이스는 다음과 같은 형태의 네른스트 수학식에 따라 각각의 SOC를 결정하도록 구성될 수 있다:
[수학식 1]
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 이다.
컴퓨팅 디바이스는 i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 것; 및 ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성될 수 있다. 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 제1 SOC 결정 옵션을 정의할 수 있고, 컴퓨팅 디바이스는 제2 SOC 결정 옵션에서 각각의 SOC를 결정하도록 더 구성될 수 있고, 제2 SOC 결정 옵션에서, 컴퓨팅 디바이스는 a) 전해질 컬러를 측정하는 광학 신호에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 것; 및 b) 애노드 액과 캐소드 액 사이의 전위차를 처리하고, 이에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 것 중 하나를 수행하도록 구성될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 제1 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하고, 각각의 SOC가 하이 또는 로우 값의 임계치 내에 있는 경우, 흐름 배터리의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하도록 구성될 수 있다. 기준 셀은 전해질을 별개로 수용하기 위한 각각의 바디들을 포함할 수 있다. 기준 셀은 애노드 액 및 캐소드 액 중 하나를 수용하도록 구성된 제1 기준 셀을 포함할 수 있고, 흐름 배터리는 제1 기준 셀과 별개인 제2 기준 셀을 포함하고, 제2 기준 셀은 애노드 액 및 캐소드 액 중 다른 하나를 수용하도록 구성되고, 제1 기준 셀은 애노드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 애노드 액 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 기준 전해질 셀 바디를 포함할 수 있고; 및 제1 막이 제1 애노드 액 셀 바디와 제1 기준 전해질 셀 바디를 분리할 수 있고; 제2 기준 셀은 캐소드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 캐소드 액 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하는 제2 기준 전해질 셀 바디를 포함할 수 있으며; 제2 막이 제1 캐소드 액 셀 바디와 제2 기준 전해질 셀 바디를 분리할 수 있고, 컴퓨팅 디바이스는 제1 기준 셀 및 제2 기준 셀 각각으로부터 전위차들의 측정치들을 수신할 수 있다. 흐름 배터리는 애노드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제1 기준 셀로 순환시키기 위한 애노드 액 전해질 루프; 캐소드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제2 기준 셀로 순환시키기 위한 캐소드 액 전해질 루프; 및 기준 전해질을 제1 기준 셀 및 제2 기준 셀 각각으로 순환시키기 위한 기준 전해질 루프를 포함할 수 있다. 흐름 배터리의 기준 셀은 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 각각과의 유체 연통을 위해 구성될 수 있고; 기준 셀은 애노드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 셀 바디, 캐소드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제2 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 적어도 하나의 추가 셀 바디를 포함할 수 있으며; 제1 막이 제1 셀 바디와 적어도 하나의 추가 셀 바디를 분리할 수 있고; 제2 막이 제2 셀 바디와 적어도 하나의 추가 셀 바디를 분리할 수 있다. 적어도 하나의 추가 셀 바디는 기준 전해질을 수용하기 위한 제1 추가 셀 바디 및 제2 추가 셀 바디를 포함할 수 있고, 제1 추가 셀 바디 및 제2 추가 셀 바디는 그 사이의 막을 포함할 수 있다. 흐름 배터리는 애노드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제1 셀 바디로 순환시키기 위한 애노드 액 전해질 루프; 캐소드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제2 셀 바디로 순환시키기 위한 캐소드 액 전해질 루프; 및 기준 전해질을 적어도 하나의 추가 셀 바디로 순환시키기 위한 기준 전해질 루프를 포함할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 SOC로부터 전해질 원자들에 대한 몰농도들 및 농도들을 결정하도록 추가로 구성될 수 있으며, 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도는 다음과 같이 결정될 수 있다:
; 및 ;
여기서, V = 부피; M = 몰농도; I = 전류; SOC = 충전 상태; = 아보가드로 수; C = 쿨롱 = 전자; 및 F = 패러데이 상수 = 이다.
흐름 배터리는 바나듐 산화 환원 흐름 배터리(VRFB)를 포함할 수 있다. 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 황, 코발트, 주석, 및 망간, 또는 이들의 임의의 적합한 조합들로부터 선택된 전해질 용액 쌍들을 포함할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 흐름 배터리를 충전하기 위해 외부 전력의 인가를 제어하는 것; 배터리를 방전하기 위해 배터리로부터의 전력의 인가를 제어하는 것; 애노드 액과 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 서로 매칭시키는 것; 및 흐름 배터리 내의 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 스트링으로 결합되거나 동일한 사이트에 병치된 다른 흐름 배터리의 충전 상태와 매칭시키는 것 중 적어도 하나에 의해 흐름 배터리의 동작을 제어하도록 구성될 수 있다. 컴퓨팅 디바이스는 i) 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하는 것; 및 ii) 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하고; 산화 상태를 관리하기 위해 흐름 배터리를 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성될 수 있다.
흐름 배터리를 제어하기 위한 방법은 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질을 적어도 하나의 전기화학적 배터리 셀을 통해 순환시키는 단계; 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 중 적어도 하나와 유체 연통하는 기준 셀을 통해, 알려진 전위를 갖는 기준 전해질을 순환시키는 단계; i) 기준 셀에 걸친, 애노드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 애노드 액 전위차, 및 ii) 기준 셀에 걸친, 캐소드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여, 흐름 배터리의 동작을 제어하기 위한 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질의 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 단계를 포함할 수 있으며, 방법은 애노드 액 전해질과 캐소드 액 전해질 사이의 전위차의 측정 없이 각각의 SOC를 결정한다. 각각의 SOC를 결정하는 것은 다음과 같은 형태의 네른스트 수학식에 따라 각각의 SOC를 결정하는 것을 포함한다:
[수학식 1]
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 이다.
방법은 i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 단계; 및 ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 제1 SOC 결정 옵션을 정의할 수 있고, 방법은 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있고, 제2 SOC 결정 옵션에 따라, 방법은 a) 전해질 컬러를 측정하는 광학 신호에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 단계; 및 b) 애노드 액과 캐소드 액 사이의 전위차를 처리하고, 이에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 단계 중 하나를 포함할 수 있다. 방법은 제1 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정할 수 있고, 각각의 SOC가 하이 또는 로우 값의 임계치 내에 있는 경우, 흐름 배터리의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정할 수 있다. 방법은 각각의 SOC로부터 전해질 원자들에 대한 적어도 하나의 몰농도를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도는 다음과 같이 결정될 수 있다:
; 및 ;
여기서, V = 부피; M = 몰농도; I = 전류; SOC = 충전 상태; = 아보가드로 수; C = 쿨롱 = 전자; 및 F = 패러데이 상수 = 이다.
방법은 i) 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하는 단계; 및 ii) 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하고; 산화 상태를 관리하기 위해 흐름 배터리를 제어하는 단계 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 흐름 배터리는 바나듐 산화 환원 흐름 배터리(VRFB)를 포함할 수 있다. 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 황, 코발트, 주석, 및 망간, 또는 이들의 임의의 적합한 조합들로부터 선택된 전해질 용액 쌍들을 포함할 수 있다. 방법은 흐름 배터리를 충전하기 위해 외부 전력의 인가를 제어하는 것; 배터리를 방전하기 위해 배터리로부터의 전력의 인가를 제어하는 것; 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 서로 매칭시키는 것; 및 흐름 배터리 내의 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 스트링으로 결합되거나 동일한 사이트에 병치된 다른 흐름 배터리의 충전 상태와 매칭시키는 것 중 적어도 하나에 의해 흐름 배터리의 동작을 제어하는 단계를 포함할 수 있다.
컴퓨터 프로그램 제품은 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 전술한 방법들 중 임의의 방법에 따른 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 판독가능 명령어들을 저장한 비일시적 저장 매체를 포함할 수 있다.
본 개시는 하기 실시예들을 더 포함한다.
실시예 1: 흐름 배터리로서, 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질과 유체 연통하는 적어도 하나의 전기화학적 배터리 셀; 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 중 적어도 하나와 유체 연통하고, 알려진 전위를 갖는 기준 전해질과 유체 연통하는 기준 셀 - 기준 셀은 i) 기준 셀에 걸친, 애노드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 애노드 액 전위차, 및 ii) 기준 셀에 걸친, 캐소드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 측정하기 위한 것임 -; 및 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 흐름 배터리의 동작을 제어하기 위한 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질의 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하도록 구성된 회로를 포함하는 컴퓨팅 디바이스를 포함하고, 컴퓨팅 디바이스는 애노드 액 전해질과 캐소드 액 전해질 사이의 전위차의 측정 없이 각각의 SOC를 결정하는, 흐름 배터리.
실시예 2: 실시예 1에 있어서, 컴퓨팅 디바이스는 다음과 같은 형태의 네른스트 수학식에 따라 각각의 SOC를 결정하도록 구성되며:
[수학식 1]
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 인, 흐름 배터리.
실시예 3: 실시예 2에 있어서, 컴퓨팅 디바이스는 i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 것; 및 ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는, 흐름 배터리.
실시예 4: 실시예 1 내지 3 중 어느 하나에 있어서, 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 제1 SOC 결정 옵션을 정의하고, 컴퓨팅 디바이스는 제2 SOC 결정 옵션에서 각각의 SOC를 결정하도록 더 구성되는, 흐름 배터리.
실시예 5: 실시예 4에 있어서, 제2 SOC 결정 옵션에서, 컴퓨팅 디바이스는 a) 전해질 컬러를 측정하는 광학 신호에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 것; 및 b) 애노드 액과 캐소드 액 사이의 전위차를 처리하고, 이에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 것 중 하나를 수행하도록 구성되는, 흐름 배터리.
실시예 6: 실시예 4 또는 5에 있어서, 컴퓨팅 디바이스는 제1 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하고, 각각의 SOC가 하이 또는 로우 값의 임계치 내에 있는 경우, 흐름 배터리의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하도록 구성되는, 흐름 배터리.
실시예 7: 실시예 1 내지 6 중 어느 하나에 있어서, 기준 셀은 전해질을 별개로 수용하기 위한 각각의 바디들을 포함하는, 흐름 배터리.
실시예 8: 실시예 1 내지 7 중 어느 하나에 있어서, 기준 셀은 애노드 액 및 캐소드 액 중 하나를 수용하도록 구성된 제1 기준 셀을 포함하고, 흐름 배터리는 제1 기준 셀과 별개인 제2 기준 셀을 포함하고, 제2 기준 셀은 애노드 액 및 캐소드 액 중 다른 하나를 수용하도록 구성되는, 흐름 배터리.
실시예 9: 실시예 8에 있어서, 제1 기준 셀은 애노드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 애노드 액 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 기준 전해질 셀 바디를 포함하고; 제1 막이 제1 애노드 액 셀 바디와 제1 기준 전해질 셀 바디를 분리하고; 제2 기준 셀은 캐소드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 캐소드 액 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 제2 기준 전해질 셀 바디를 포함하고; 제2 막이 제1 캐소드 액 셀 바디와 제2 기준 전해질 셀 바디를 분리하는, 흐름 배터리.
실시예 10: 실시예 8 또는 9에 있어서, 컴퓨팅 디바이스는 제1 기준 셀 및 제2 기준 셀 각각으로부터 전위차들의 측정치들을 수신하는, 흐름 배터리.
실시예 11: 실시예 8 내지 10 중 어느 하나에 있어서, 애노드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제1 기준 셀로 순환시키기 위한 애노드 액 전해질 루프; 캐소드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제2 기준 셀로 순환시키기 위한 캐소드 액 전해질 루프; 및 기준 전해질을 제1 기준 셀 및 제2 기준 셀 각각으로 순환시키기 위한 기준 전해질 루프를 포함하는, 흐름 배터리.
실시예 12: 실시예 7에 있어서, 기준 셀은 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 각각과의 유체 연통을 위해 구성되고; 기준 셀은 애노드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 셀 바디, 캐소드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제2 셀 바디 및 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 적어도 하나의 추가 셀 바디를 포함하고; 제1 막이 제1 셀 바디와 적어도 하나의 추가 셀 바디를 분리하고; 제2 막이 제2 셀 바디와 적어도 하나의 추가 셀 바디를 분리하는, 흐름 배터리.
실시예 13: 실시예 12에 있어서, 적어도 하나의 추가 셀 바디는 기준 전해질을 수용하기 위한 제1 추가 셀 바디 및 제2 추가 셀 바디를 포함하고, 제1 추가 셀 바디 및 제2 추가 셀 바디는 그 사이에 막을 포함하는, 흐름 배터리.
실시예 14: 실시예 12 또는 13에 있어서, 애노드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제1 셀 바디로 순환시키기 위한 애노드 액 전해질 루프; 캐소드 액 전해질을 적어도 하나의 배터리 셀 및 제2 셀 바디로 순환시키기 위한 캐소드 액 전해질 루프; 및 기준 전해질을 적어도 하나의 추가 셀 바디로 순환시키기 위한 기준 전해질 루프를 포함하는, 흐름 배터리.
실시예 15: 실시예 1 내지 14 중 어느 하나에 있어서, 컴퓨팅 디바이스는 SOC로부터 전해질 원자들에 대한 몰농도들 및 농도들을 결정하도록 더 구성되는, 흐름 배터리.
실시예 16: 실시예 15에 있어서, 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도는
; 및
로서 결정되며;
여기서, V = 부피; M = 몰농도; I = 전류; SOC = 충전 상태; = 아보가드로 수; C = 쿨롱 = 전자; 및 F = 패러데이 상수 = 인, 흐름 배터리.
실시예 17: 실시예 1 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 바나듐 산화 환원 흐름 배터리(VRFB)를 포함하는, 흐름 배터리.
실시예 18: 실시예 1 내지 16 중 어느 하나에 있어서, 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 황, 코발트, 주석 및 망간 또는 이들의 임의의 적합한 조합들로부터 선택된 전해질 용액 쌍들을 포함하는, 흐름 배터리.
실시예 19: 실시예 1 내지 18 중 어느 하나에 있어서, 컴퓨팅 디바이스는 흐름 배터리를 충전하기 위해 외부 전력의 인가를 제어하는 것; 배터리를 방전하기 위해 배터리로부터의 전력의 인가를 제어하는 것; 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 서로 매칭시키는 것; 및 흐름 배터리 내의 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 스트링으로 결합되거나 동일한 사이트에 병치된 다른 흐름 배터리의 충전 상태와 매칭시키는 것 중 적어도 하나에 의해 흐름 배터리의 동작을 제어하도록 구성되는, 흐름 배터리.
실시예 20: 실시예 1 내지 19 중 어느 하나에 있어서, 컴퓨팅 디바이스는 i) 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하는 것; 및 ii) 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하고; 산화 상태를 관리하기 위해 흐름 배터리를 제어하는 것 중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는, 흐름 배터리.
실시예 21: 흐름 배터리를 제어하기 위한 방법으로서, 적어도 하나의 전기화학적 배터리 셀을 통해 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질을 순환시키는 단계; 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질 중 적어도 하나와 유체 연통하는 기준 셀을 통해, 알려진 전위를 갖는 기준 전해질을 순환시키는 단계; i) 기준 셀에 걸친, 애노드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 애노드 액 전위차, 및 ii) 기준 셀에 걸친, 캐소드 액 전해질과 기준 전해질 사이의 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 측정하는 단계; 및 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 흐름 배터리의 동작을 제어하기 위한 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질의 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 단계를 포함하고, 방법은 애노드 액 전해질과 캐소드 액 전해질 사이의 전위차의 측정 없이 각각의 SOC를 결정하는, 방법.
실시예 22: 실시예 21에 있어서, 각각의 SOC를 결정하는 단계는 다음과 같은 형태의 네른스트 수학식에 따라 각각의 SOC를 결정하는 단계를 포함하고:
[수학식 1]
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 인, 방법.
실시예 23: 실시예 22에 있어서, i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 단계; 및 ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 탐색표를 이용하여 각각의 SOC를 결정하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
실시예 24: 실시예 21 내지 23 중 어느 하나에 있어서, 애노드 액 전위차 및 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 제1 SOC 결정 옵션을 정의하고, 방법은 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 25: 실시예 24에 있어서, 제2 SOC 결정 옵션에 따라, 방법은 a) 전해질 컬러를 측정하는 광학 신호에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 단계; 및 b) 애노드 액과 캐소드 액 사이의 전위차를 처리하고, 이에 응답하여 각각의 SOC를 결정하는 단계 중 하나를 포함하는, 방법.
실시예 26: 실시예 24 또는 25에 있어서, 방법은 제1 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하고, 각각의 SOC가 하이 또는 로우 값의 임계치 내에 있는 경우, 흐름 배터리의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 제2 SOC 결정 옵션에 따라 각각의 SOC를 결정하는, 방법.
실시예 27: 실시예 21 내지 26 중 어느 하나에 있어서, 각각의 SOC로부터 전해질 원자들에 대한 적어도 하나의 몰농도를 결정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
실시예 28: 실시예 27에 있어서, 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도는
; 및
로서 결정되며;
여기서, V = 부피; M = 몰농도; I = 전류; SOC = 충전 상태; = 아보가드로 수; C = 쿨롱 = 전자; 및 F = 패러데이 상수 = 인, 방법.
실시예 29: 실시예 21 내지 28 중 어느 하나에 있어서, i) 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하는 단계; 및 ii) 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하고; 산화 상태를 관리하기 위해 흐름 배터리를 제어하는 단계 중 적어도 하나를 포함하는, 방법.
실시예 30: 실시예 21 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 흐름 배터리는 바나듐 산화 환원 흐름 배터리(VRFB)를 포함하는, 방법.
실시예 31: 실시예 21 내지 29 중 어느 하나에 있어서, 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 황, 코발트, 주석 및 망간 또는 이들의 임의의 적합한 조합들로부터 선택된 전해질 용액 쌍들을 포함하는, 방법.
실시예 32: 실시예 21 내지 31 중 어느 하나에 있어서, 흐름 배터리를 충전하기 위해 외부 전력의 인가를 제어하는 것; 배터리를 방전하기 위해 배터리로부터의 전력의 인가를 제어하는 것; 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 서로 매칭시키는 것; 및 흐름 배터리 내의 애노드 액 및 캐소드 액의 각각의 충전 상태를 스트링으로 결합되거나 동일한 사이트에 병치된 다른 흐름 배터리의 충전 상태와 매칭시키는 것 중 적어도 하나에 의해 흐름 배터리의 동작을 제어하는 단계를 포함하는, 방법.
실시예 33: 프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 방법 실시예 21 내지 32 중 어느 하나에 따른 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 판독가능 명령어들을 저장한 비일시적 저장 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
실제 구현은 본 명세서에서 설명된 임의의 또는 모든 특징들을 포함할 수 있다. 이들 및 다른 양태들, 특징들 및 다양한 조합들은 방법들, 장치들, 시스템들, 기능들을 수행하기 위한 수단들, 프로그램 제품들, 그리고 다른 방식들에서, 본 명세서에 설명된 특징들을 조합하는 것으로 표현될 수 있다. 다수의 실시예가 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 본 명세서에 설명된 프로세스들 및 기술들의 사상 및 범위를 벗어나지 않고서 다양한 수정들이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다. 또한, 다른 단계들이 제공될 수 있거나, 설명된 프로세스로부터 단계들이 제거될 수 있고, 다른 컴포넌트들이 설명된 시스템들에 추가되거나 제거될 수 있다. 따라서, 다른 실시예들은 하기 청구항들의 범위 내에 있다.
본 명세서의 설명 및 청구항들 전체에 걸쳐, 단어 "포함한다(comprise)" 및 "포함한다(contain)" 및 이들의 변형들은 "포함하지만 이에 제한되지 않는"을 의미하며, 이들은 다른 컴포넌트들, 정수들 또는 단계들을 배제하기 위한 것이 아니다(그리고 배제하지 않는다). 본 명세서 전반에서, 단수는 문맥에서 달리 요구하지 않는 한 복수를 포함한다. 특히, 부정관사가 사용되는 경우, 문맥에서 달리 요구하지 않는 한, 본 명세서는 단수뿐만 아니라 복수도 고려하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명의 특정 양태, 실시예 또는 예와 관련하여 설명된 특징들, 정수들, 특성들 또는 그룹들은 이와 양립할 수 없는 경우를 제외하고는 임의의 다른 양태, 실시예 또는 예에 적용 가능한 것으로 이해되어야 한다. (임의의 첨부된 청구항들, 요약서 및 도면들을 포함하는) 본 명세서에 개시된 모든 특징들, 및/또는 그렇게 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 모든 단계들은 이러한 특징들 및/또는 단계들 중 적어도 일부가 상호 배타적인 조합들을 제외한 임의의 조합으로 조합될 수 있다. 본 발명은 임의의 전술한 예들 또는 실시예들의 세부사항들로 한정되지 않는다. 본 발명은 (임의의 첨부된 청구항들, 요약서 및 도면들을 포함하는) 본 명세서에 개시된 특징들의 임의의 새로운 것 또는 임의의 새로운 조합으로 또는 개시된 임의의 방법 또는 프로세스의 단계들의 임의의 새로운 것 또는 임의의 새로운 조합으로 확장된다.
참고문헌들(허용되는 경우 본 명세서에 참고로 포함됨).
Claims (27)
- 흐름 배터리(flow battery)로서,
애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질과 유체 연통하는 적어도 하나의 전기화학적 배터리 셀;
상기 애노드 액 전해질 및 상기 캐소드 액 전해질 중 적어도 하나와 유체 연통하고, 알려진 전위를 갖는 기준 전해질과 유체 연통하는 기준 셀 - 상기 기준 셀은 i) 상기 기준 셀에 걸친, 상기 애노드 액 전해질과 상기 기준 전해질 사이의 애노드 액 전위차, 및 ii) 상기 기준 셀에 걸친, 상기 캐소드 액 전해질과 상기 기준 전해질 사이의 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 측정하기 위한 것임 -; 및
상기 애노드 액 전위차 및 상기 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 상기 흐름 배터리의 동작을 제어하기 위한 상기 애노드 액 전해질 및 상기 캐소드 액 전해질의 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하도록 구성된 회로를 포함하는 컴퓨팅 디바이스
를 포함하고, 상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 애노드 액 전해질과 상기 캐소드 액 전해질 사이의 전위차의 측정 없이 상기 각각의 SOC를 결정하는, 흐름 배터리. - 제1항에 있어서, 상기 컴퓨팅 디바이스는 다음과 같은 형태의 네른스트 수학식에 따라 상기 각각의 SOC를 결정하도록 구성되며:
[수학식 1]
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 인, 흐름 배터리. - 제2항에 있어서, 상기 컴퓨팅 디바이스는:
i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 상기 탐색표를 이용하여 상기 각각의 SOC를 결정하는 것; 및
ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 상기 탐색표를 이용하여 상기 각각의 SOC를 결정하는 것
중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는, 흐름 배터리. - 제1항에 있어서,
상기 애노드 액 전위차 및 상기 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 처리하여 상기 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 제1 SOC 결정 옵션을 정의하고, 상기 컴퓨팅 디바이스는 제2 SOC 결정 옵션에서 상기 각각의 SOC를 결정하도록 더 구성되며,
바람직하게는, 상기 제2 SOC 결정 옵션에서, 상기 컴퓨팅 디바이스는,
a. 전해질 컬러를 측정하는 광학 신호에 응답하여 상기 각각의 SOC를 결정하는 것; 및
b. 상기 애노드 액과 상기 캐소드 액 사이의 전위차를 처리하고, 이에 응답하여 상기 각각의 SOC를 결정하는 것
중 하나를 수행하도록 구성되는, 흐름 배터리. - 제4항에 있어서, 상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 제1 SOC 결정 옵션에 따라 상기 각각의 SOC를 결정하고, 상기 각각의 SOC가 하이 또는 로우 값의 임계치 내에 있는 경우, 상기 흐름 배터리의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 상기 제2 SOC 결정 옵션에 따라 상기 각각의 SOC를 결정하도록 구성되는, 흐름 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 기준 셀은 전해질을 별개로 수용하기 위한 각각의 바디들을 포함하는, 흐름 배터리.
- 제1항에 있어서,
상기 기준 셀은 상기 애노드 액 및 캐소드 액 중 하나를 수용하도록 구성된 제1 기준 셀을 포함하고, 상기 흐름 배터리는 상기 제1 기준 셀과 별개인 제2 기준 셀을 포함하고, 상기 제2 기준 셀은 상기 애노드 액 및 캐소드 액 중 다른 하나를 수용하도록 구성되며,
바람직하게는, 상기 제1 기준 셀은 상기 애노드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 애노드 액 셀 바디 및 상기 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 기준 전해질 셀 바디를 포함하고; 제1 막이 상기 제1 애노드 액 셀 바디와 상기 제1 기준 전해질 셀 바디를 분리하며;
상기 제2 기준 셀은 상기 캐소드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 캐소드 액 셀 바디 및 상기 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 상기 제2 기준 전해질 셀 바디를 포함하고; 제2 막이 상기 제1 캐소드 액 셀 바디와 상기 제2 기준 전해질 셀 바디를 분리하며,
상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 제1 기준 셀 및 상기 제2 기준 셀 각각으로부터 전위차들의 측정치들을 수신하는, 흐름 배터리. - 제7항에 있어서,
상기 애노드 액 전해질을 상기 적어도 하나의 배터리 셀 및 상기 제1 기준 셀로 순환시키기 위한 애노드 액 전해질 루프;
상기 캐소드 액 전해질을 상기 적어도 하나의 배터리 셀 및 상기 제2 기준 셀로 순환시키기 위한 캐소드 액 전해질 루프; 및
상기 기준 전해질을 상기 제1 기준 셀 및 상기 제2 기준 셀 각각으로 순환시키기 위한 기준 전해질 루프
를 포함하는, 흐름 배터리. - 제6항에 있어서,
상기 기준 셀은 상기 애노드 액 전해질 및 상기 캐소드 액 전해질 각각과의 유체 연통을 위해 구성되고;
상기 기준 셀은 상기 애노드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제1 셀 바디, 상기 캐소드 액 전해질을 별개로 수용하기 위한 제2 셀 바디 및 상기 기준 전해질을 별개로 수용하기 위한 적어도 하나의 추가 셀 바디를 포함하고;
제1 막이 상기 제1 셀 바디와 상기 적어도 하나의 추가 셀 바디를 분리하고;
제2 막이 상기 제2 셀 바디와 상기 적어도 하나의 추가 셀 바디를 분리하는, 흐름 배터리. - 제9항에 있어서, 상기 적어도 하나의 추가 셀 바디는 상기 기준 전해질을 수용하기 위한 제1 추가 셀 바디 및 제2 추가 셀 바디를 포함하고, 상기 제1 추가 셀 바디 및 상기 제2 추가 셀 바디는 그 사이에 막을 포함하는, 흐름 배터리.
- 제9항에 있어서,
상기 애노드 액 전해질을 상기 적어도 하나의 배터리 셀 및 상기 제1 셀 바디로 순환시키기 위한 애노드 액 전해질 루프;
상기 캐소드 액 전해질을 상기 적어도 하나의 배터리 셀 및 상기 제2 셀 바디로 순환시키기 위한 캐소드 액 전해질 루프; 및
상기 기준 전해질을 상기 적어도 하나의 추가 셀 바디로 순환시키기 위한 기준 전해질 루프
를 포함하는, 흐름 배터리. - 제1항에 있어서,
상기 컴퓨팅 디바이스는 상기 SOC로부터 전해질 원자들에 대한 몰농도들 및 농도들을 결정하도록 더 구성되고,
바람직하게는, 상기 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도는
; 및
로서 결정되며;
여기서, V = 부피; M = 몰농도; I = 전류; SOC = 충전 상태; = 아보가드로 수; C = 쿨롱 = 전자; 및 F = 패러데이 상수 = 인, 흐름 배터리. - 제1항에 있어서, 바나듐 산화 환원 흐름 배터리(VRFB)를 포함하는, 흐름 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 황, 코발트, 주석 및 망간 또는 이들의 임의의 적합한 조합들로부터 선택된 전해질 용액 쌍들을 포함하는, 흐름 배터리.
- 제1항에 있어서, 상기 컴퓨팅 디바이스는,
상기 흐름 배터리를 충전하기 위해 외부 전력의 인가를 제어하는 것;
상기 배터리를 방전하기 위해 상기 배터리로부터의 전력의 인가를 제어하는 것;
상기 애노드 액 및 상기 캐소드 액의 상기 각각의 충전 상태를 서로 매칭시키는 것; 및
상기 흐름 배터리 내의 상기 애노드 액 및 상기 캐소드 액의 상기 각각의 충전 상태를 스트링으로 결합되거나 동일한 사이트에 병치된 다른 흐름 배터리의 충전 상태와 매칭시키는 것
중 적어도 하나에 의해 상기 흐름 배터리의 동작을 제어하도록 구성되는, 흐름 배터리. - 제1항에 있어서, 상기 컴퓨팅 디바이스는,
i) 상기 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 상기 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하는 것; 및
ii) 상기 애노드 액 및 캐소드 액의 상기 몰농도에 따라 상기 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하고; 상기 산화 상태를 관리하기 위해 상기 흐름 배터리를 제어하는 것
중 적어도 하나를 수행하도록 구성되는, 흐름 배터리. - 흐름 배터리를 제어하기 위한 방법으로서,
적어도 하나의 전기화학적 배터리 셀을 통해 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질을 순환시키는 단계;
상기 애노드 액 전해질 및 상기 캐소드 액 전해질 중 적어도 하나와 유체 연통하는 기준 셀을 통해, 알려진 전위를 갖는 기준 전해질을 순환시키는 단계;
i) 상기 기준 셀에 걸친, 상기 애노드 액 전해질과 상기 기준 전해질 사이의 애노드 액 전위차, 및 ii) 상기 기준 셀에 걸친, 상기 캐소드 액 전해질과 상기 기준 전해질 사이의 캐소드 액 전위차 중 적어도 하나를 측정하는 단계;
상기 애노드 액 전위차 및 상기 캐소드 액 전위차 중 상기 적어도 하나를 처리하여 상기 흐름 배터리의 동작을 제어하기 위한 상기 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질의 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 단계
를 포함하고, 상기 방법은 상기 애노드 액 전해질과 상기 캐소드 액 전해질 사이의 상기 전위차의 측정 없이 상기 각각의 SOC를 결정하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 각각의 SOC를 결정하는 단계는 다음과 같은 형태의 네른스트 수학식에 따라 상기 각각의 SOC를 결정하는 단계를 포함하고:
[수학식 1]
여기서, E = 환원 전위; = 표준 전위; R = 기체 상수; T = 온도; z = 이온 전하; F = 패러데이 상수; Q = 반응 계수; 및 인, 방법. - 제18항에 있어서,
i) 애노드 액 전위차를 애노드 액 SOC에 연관시키는 애노드 액 탐색표를 저장하고, 상기 탐색표를 이용하여 상기 각각의 SOC를 결정하는 단계; 및
ii) 캐소드 액 전위차를 캐소드 액 SOC에 연관시키는 캐소드 액 탐색표를 저장하고, 상기 탐색표를 이용하여 상기 각각의 SOC를 결정하는 단계
중 적어도 하나를 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서,
상기 애노드 액 전위차 및 상기 캐소드 액 전위차 중 상기 적어도 하나를 처리하여 상기 각각의 충전 상태(SOC)를 결정하는 것은 제1 SOC 결정 옵션을 정의하고, 상기 방법은 제2 SOC 결정 옵션에 따라 상기 각각의 SOC를 결정하는 단계를 더 포함하며,
바람직하게는, 상기 제2 SOC 결정 옵션에 따라, 상기 방법은
a. 전해질 컬러를 측정하는 광학 신호에 응답하여 상기 각각의 SOC를 결정하는 단계; 및
b. 상기 애노드 액과 캐소드 액 사이의 전위차를 처리하고, 이에 응답하여 상기 각각의 SOC를 결정하는 단계
중 하나를 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서, 상기 방법은 상기 제1 SOC 결정 옵션에 따라 상기 각각의 SOC를 결정하고, 상기 각각의 SOC가 하이 또는 로우 값의 임계치 내에 있는 경우, 상기 흐름 배터리의 동작을 제어하는 데 사용하기 위해 상기 제2 SOC 결정 옵션에 따라 상기 각각의 SOC를 결정하는, 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 각각의 SOC로부터 전해질 원자들에 대한 적어도 하나의 몰농도를 결정하는 단계를 더 포함하고,
바람직하게는, 상기 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도는
; 및
로서 결정되며;
여기서, V = 부피; M = 몰농도; I = 전류; SOC = 충전 상태; = 아보가드로 수; C = 쿨롱 = 전자; 및 F = 패러데이 상수 = 인, 방법. - 제17항에 있어서,
i) 상기 애노드 액 및 캐소드 액의 몰농도에 따라 상기 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하는 단계; 및
ii) 상기 애노드 액 및 캐소드 액의 상기 몰농도에 따라 상기 흐름 배터리의 산화 상태를 결정하고; 상기 산화 상태를 관리하기 위해 상기 흐름 배터리를 제어하는 단계
중 적어도 하나를 포함하는, 방법. - 제17항에 있어서, 상기 흐름 배터리는 바나듐 산화 환원 흐름 배터리(VRFB)를 포함하는, 방법.
- 제17항에 있어서, 상기 애노드 액 전해질 및 캐소드 액 전해질은 바나듐, 브롬, 철, 크롬, 아연, 세륨, 납, 황, 코발트, 주석 및 망간 또는 이들의 임의의 적합한 조합들로부터 선택된 전해질 용액 쌍들을 포함하는, 방법.
- 제17항에 있어서,
상기 흐름 배터리를 충전하기 위해 외부 전력의 인가를 제어하는 것;
상기 배터리를 방전하기 위해 상기 배터리로부터의 전력의 인가를 제어하는 것;
상기 애노드 액 및 상기 캐소드 액의 상기 각각의 충전 상태를 서로 매칭시키는 것; 및
상기 흐름 배터리 내의 상기 애노드 액 및 상기 캐소드 액의 상기 각각의 충전 상태를 스트링으로 결합되거나 동일한 사이트에 병치된 다른 흐름 배터리의 충전 상태와 매칭시키는 것
중 적어도 하나에 의해 상기 흐름 배터리의 동작을 제어하는 단계를 포함하는, 방법. - 컴퓨터 프로그램 제품으로서,
프로세서에 의해 실행될 때 프로세서로 하여금 제17항에 따른 방법에 따른 방법을 수행하게 하는 컴퓨터 판독가능 명령어들을 저장한 비일시적 저장 매체를 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품.
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