[发明专利]一种全钒液流电池各离子浓度的在线检测方法和系统

说明书

技术领域

本发明属于测量技术领域，特别是涉及一种全钒液流电池各离子浓度的在线检测方法。

背景技术

全钒氧化还原液流电池(vanadiumredoxflowbattery,简称VRFB、VRB或钒电池)发明于上个世纪八十年代(J.Electrochem.Soc.1986,133:1057)，因其易规模化、使用寿命长、环境友好等优点，已经成为最受关注的储能技术之一。

钒电池中，正负极的电解液都是含有钒离子、硫酸根离子和氢离子的电解液，只是钒离子的价态不相同。充电过程中，正极的四价钒离子转变为五价钒离子，负极中的三价钒离子转变为二价钒离子；放电过程反之。钒电池中正负极电解液由一种特殊的离子交换膜隔开。理想状况下，钒电池正负极电解液的价态改变相同，平均价态不变。

理论上钒电池电解液的寿命是无限的。但是实际使用中，由于存在各种副反应和各种离子对离子交换膜的渗透等原因，正负极电解液存在价态、浓度和体积的失衡，从而导致钒电池的充放电容量随着电池进行充放电循环而越来越小。为了解决这一问题，需要能够实时在线检测钒电池电解液各离子浓度的方法，掌握失衡程度，从而制定策略对失衡的电解液进行调整。

钒电池正极电解液中含有离子：四价钒离子(VO²⁺)、五价钒离子(VO₂⁺)、氢离子(H⁺)、硫酸根离子(SO₄^2-)。钒电池负极电解液中含有离子：三价钒离子(V³⁺)、二价钒离子(V²⁺)、氢离子(H⁺)、硫酸根离子(SO₄^2-)。这样正负极总共8种离子。

由于钒电池电解液中具有多个变化的离子浓度(5个以上未知数)，因此常规的检测方法都不能够分析出钒电池电解液中的全部离子浓度。

本专利中，我们提出一种全钒液流电池各离子浓度的在线检测方法，能够实时在线检测钒电池正负极各离子浓度，为解决电解液失衡和研究电化学过程提供了条件。

发明内容

本发明的一个目的，是提供一种能够实时在线检测钒电池正负极各离子浓度的方法。

本发明的另一个目的，是提供一种能够实时在线检测钒电池正负极各离子浓度的系统。

本发明通过如下技术手段实现：

一种在线检测全钒液流电池各离子浓度的方法，其包括步骤：

步骤A、在线测量正负极电解液的折射率；

步骤B、在线测量正负极电解液的开路电压；

步骤C、测量正负极电解液的体积；

步骤D、根据上述在线测量结果，在线获得全钒液流电池中的各离子浓度。

优选的，全钒液流电池中的各离子浓度包括负极电解液中二价钒离子的浓度、负极电解液中三价钒离子的浓度、正极电解液中四价钒离子的浓度、正极电解液中五价钒离子的浓度和正极电解液中氢离子浓度、负极电解液中氢离子浓度、正极电解液中硫酸根离子浓度、负极电解液中硫酸根离子浓度。

优选的，步骤A中，通过光学检测装置在线测量正负极电解液的折射率；

步骤B中，通过电化学装置在线测量正负极电解液的开路电压；

步骤C中，通过体积监控装置在线测量正负极电解液的体积；

步骤D中，用数值方法求解含有全钒液流电池各离子浓度的方程组，实现各离子浓度的在线检测。

优选的，步骤D中，根据下述公式

(C₂+C₃)·V₊+(C₄+C₅)·V_-＝M₀(1)

(2C₄+C₅+C_H+)·V₊+(2C₂+3C₃+C_H-)·V_-＝Q₀(2)