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用于再平衡 氧化还原液流电池系统的 电解质的方法和系统

阅读：319发布：2020-05-14

专利汇可以提供用于再平衡氧化还原液流电池系统的电解质的方法和系统专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且用于氧化还原液流电池系统的再平衡反应器可以包括：氢气流过的第一侧，来自氧化还原液流电池系统的电解质流过的第二侧，以及分隔第一侧和第二侧并与第一侧和第二侧流体地耦接的多孔层，其中，氢气和电解质在多孔层的表面流体地接触，以及跨第二侧的压降小于跨多孔层的压降。以这种方式，与传统再平衡反应器相比，可以以提高的效率和成本效益来进行氧化还原液流电池系统中电解质电荷的再平衡。，下面是用于再平衡氧化还原液流电池系统的电解质的方法和系统专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于氧化还原液流电池系统的再平衡反应器，包括：
氢气流过的第一侧，
来自所述氧化还原液流电池系统的电解质流过的第二侧，以及
分隔所述第一侧和所述第二侧并与所述第一侧和所述第二侧流体地耦接的多孔层，其中，
所述氢气和所述电解质在所述多孔层的表面流体地接触，以及
跨所述第二侧的压降小于跨所述多孔层的压降。
2.如权利要求1所述的再平衡反应器，其中，跨所述第二侧的压降与跨所述第二侧的入口和出口的压降相对应。
3.如权利要求1所述的再平衡反应器，其中，跨所述第一侧的压降大于跨所述第二侧的压降。
4.如权利要求1所述的再平衡反应器，还包括喷射器，其中，离开所述第二侧的所述电解质流过所述喷射器，从而将离开所述第一侧的所述氢气吸入所述喷射器。
5.如权利要求1所述的再平衡反应器，还包括喷射器，其中，进入所述第二侧的所述电解质流过所述喷射器，从而将离开所述第一侧的所述氢气吸入所述喷射器。
6.如权利要求1所述的再平衡反应器，其中，所述第一侧包括使所述氢气流过的指状流场，从而促使进入所述第一侧的所述氢气在离开所述第一侧之前通过所述多孔层。
7.如权利要求1所述的再平衡反应器，其中，所述第二侧包括使所述电解质流过的指状流场，从而促使进入所述第二侧的所述电解质在离开所述第一侧之前通过所述多孔层。
8.如权利要求1所述的再平衡反应器，还包括导电地耦接到所述多孔层的负电极和正电极，其中，跨所述负电极和所述正电极施加的电流提高所述氢气和所述电解质之间的再平衡反应速率。
9.一种运行氧化还原液流电池的再平衡反应器的方法，包括：
使氢气流过所述再平衡反应器的第一侧，
使来自所述氧化还原液流电池的电解质流过所述再平衡反应器的第二侧而不使所述电解质流过所述反应器的所述第一侧，以及
使所述氢气和所述电解质在多孔层的表面流体地接触，所述多孔层插入在所述第一侧和所述第二侧之间。
10.如权利要求9所述的方法，其中，使氢气流过所述第一侧，包括：使氢气流过所述第一侧而不使氢气流过所述第二侧。
11.如权利要求9所述的方法，其中，使来自所述氧化还原液流电池的电解质流过，包括：使来自所述氧化还原液流电池的正电解质室的电解质流过。
12.如权利要求9所述的方法，其中，使来自所述氧化还原液流电池的电解质流过，包括：使来自所述氧化还原液流电池的负电解质室的电解质流过。
13.如权利要求9所述的方法，其中，使所述氢气和所述电解质在所述多孔层的所述表面流体地接触，包括：在所述多孔层的碳质表面上，利用所述氢气减少所述电解质中的金属离子。
14.如权利要求9所述的方法，还包括：维持跨所述第二侧的压降小于跨所述多孔层的压降。
15.如权利要求14所述的方法，其中，维持跨所述第二侧的压降小于跨所述多孔层的压降，包括：维持跨所述第一侧的压降小于所述多孔层的气泡压。
16.如权利要求14所述的方法，其中，维持跨所述第二侧的压降小于跨所述多孔层的压降，包括：维持跨所述第二侧的压降小于所述多孔层的气泡压。
17.如权利要求14所述的方法，其中，维持跨所述第二侧的压降小于跨所述多孔层的压降，包括：维持跨所述第二侧的压降比跨所述多孔层的压降小阈值压力差以上。
18.一种氧化还原液流电池系统，包括，
多个氧化还原液流电池单元，以及
流体地耦接到第二再平衡反应器的第一再平衡反应器，所述第一再平衡反应器和所述第二再平衡反应器各自包括，
氢气流过的第一侧，
来自所述多个氧化还原液流电池单元的电解质流过的第二侧，以及
分隔所述第一侧和所述第二侧并与所述第一侧和所述第二侧流体地耦接的多孔层，其中，
所述氢气和所述电解质在所述多孔层的表面流体地接触，以及
跨所述第二侧的压降比跨所述多孔层的压降小阈值压力差以下。
19.如权利要求18所述的氧化还原液流电池系统，还包括控制器，在所述控制器上的存储器中存储有可执行指令，响应于跨所述第一再平衡反应器的所述第二侧的压降比跨所述多孔层的压降小所述阈值压力差以下，所述控制器将所述电解质的流量的一部分从所述第一再平衡反应器重定向至所述第二再平衡反应器。
20.如权利要求19所述的氧化还原液流电池系统，其中，所述可执行指令包括：响应于跨所述第一再平衡反应器的所述第二侧的压降比跨所述多孔层的压降小所述阈值压力差以下，减少流向所述第一再平衡反应器的所述第二侧的所述电解质的流量。

说明书全文

用于再平衡氧化还原液流电池系统的 电解质的方法和系统

[0001] 相关申请的交叉引用

[0002] 本申请要求于2017年4月28日提交的题为“用于再平衡氧化还原液流电池系统的电解质的方法和系统”、申请号为No.62/491,966的美国临时申请的优先权。上述申请的全部内容出于所有目的通过引用并入本文。

[0003] 政府支持声明

[0004] 本发明是在政府支持下根据合同编号DEAR0000261做出的，由美国能源部的ARPA-E办公室授予。政府拥有本发明的某些权利。

技术领域

[0005] 本申请一般涉及液流电池系统的再平衡反应器。

[0006] 背景技术和发明内容

[0007] 典型填充床型再平衡反应器可表现出较差的反应动能，这主要是因为再平衡反应器系统处于两相流中。结果，填充床型再平衡反应器系统中的质量传递损失可能更高，从而需要使用更多的催化剂。传统上，补偿质量传递限制的一般方法是加大再平衡反应器的尺寸；然而，加大再平衡反应器的尺寸可能是昂贵的，并且可能进一步使催化剂利用较差。

[0008] 一种至少部分解决上述问题的系统，包括用于氧化还原液流电池系统的再平衡反应器，反应器包括氢气流过的第一侧，来自氧化还原液流电池系统的电解质流过的第二侧，以及分隔第一侧和第二侧并与第一侧和第二侧流体地耦接的多孔层。氢气和所述电解质在所述多孔层的表面流体地接触。此外，在一个示例中，跨第二侧的压降可以小于跨多孔层的压降。以这种方式，与填充床和其他传统设计相比，可以以提高的效率和成本效益来进行氧化还原液流电池系统中电解质电荷的再平衡。

[0009] 应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍在详细描述中进一步描述的一些概念。其并不意味着所要求保护的主题的关键或必要特征，其范围由具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实施方式。附图说明

[0010] 图1示出了氧化还原液流电池系统的实施例。

[0011] 图2至图3示出了示例性燃料电池再平衡反应器的示意图。

[0012] 图4示出了图2至图3的燃料电池再平衡反应器的第一实施例。

[0013] 图5示出了图2至图3的燃料电池再平衡反应器的第二实施例。

[0014] 图6示出了图2至图3的燃料电池再平衡反应器的第三实施例。

[0015] 图7示出了通过图2至图3的燃料电池再平衡反应器来再平衡图1的氧化还原液流电池系统中的电解质的方法的示例性流程图。

[0016] 图8示出了图2至图3的燃料电池再平衡反应器的正电极侧和负电极侧指状流场(IDFF)配置的示例性平面图和横截面图。

具体实施方式

[0017] 混合氧化还原液流电池是这样的氧化还原液流电池：其特征在于将一种或多种电活性材料作为固体层沉积在电极上。例如，混合氧化还原液流电池可包括在整个电池充电过程中通过电化学反应以固体形式镀在基板上的化学品。在电池放电期间，镀上的物质可通过电化学反应电离，变得可溶于电解质中。在混合电池系统中，氧化还原电池的充电容量(例如，存储的能量的量)可能受限于电池充电期间镀上的金属的量，并且因此可能取决于电镀系统的效率以及可用于电镀的可用的体积和表面积。

[0018] 在氧化还原液流电池系统中，负电极26可以被称为电镀电极，且正电极28可以被称为氧化还原电极。电池的电镀侧(例如，负电极室20)内的负电极可以被称为电镀电极，并且电池的氧化还原侧(例如正电极室22)上的正电极可以被称为氧化还原电极。

[0019] 阳极是指电活性材料失去电子的电极，阴极是指电活性材料得到电子的电极。在电池充电期间，正电解质在负电极26处获得电子；因此，负电极26是电化学反应的阴极。在放电期间，正电解质失去电子，因此负电极26是反应的阳极。因此，在充电期间，负电解质和负电极可以分别被称为电化学反应的阴极电解质和阴极，而正电解质和正电极可以分别被称为电化学反应的阳极电解质和阳极。可选地，在放电期间，负电解质和负电极可分别称为电化学反应的阳极电解质和阳极，而正电解质和正电极可分别称为电化学反应的阴极电解质和阴极。为简单起见，术语“正”和“负”在本文中用于指氧化还原液流电池系统中的电极、电解质和电极室。

[0020] 混合氧化还原液流电池的一个示例是全铁氧化还原液流电池(IFB)，其中电解质包含铁盐形式(例如，FeCl2，FeCl3等)的铁离子，其中负电极包含金属铁。例如，在负电极处，亚铁离子Fe2+在电池充电期间接收两个电子并作为铁金属镀到负电极26上，并且铁金属Fe0在电池放电期间失去两个电子并作为Fe2+重新溶解。在正电极上，Fe2+在充电过程中失去一个电子形成铁离子Fe3+，在放电过程中Fe3+得到一个电子形成Fe2+：电化学反应总结在等式(1)和等式(2)中，其中正向反应(从左到右)表示电池充电期间的电化学反应，而逆向反应(从右到左)表示电池放电期间的电化学反应：

[0021]

[0022]

[0023] 如上所述，全铁氧化还原液流电池(IFB)中使用的负电解质可以提供足够量的Fe2+，使得在充电期间，Fe2+可以从负电极接受两个电子以形成Fe0并镀到基板上。然后在放电期间，镀上的Fe0可能失去两个电子被电离成Fe2+并重新溶解到电解质中。上述反应的平衡电位为-0.44V，因此该反应提供了期望系统的负端子。在IFB的正电极侧，电解质可在充电期间提供Fe2+，其失去电子并被氧化成Fe3+。在放电期间，由电解质提供的Fe3+通过吸收由电极提供的电子而变成Fe2+。该反应的平衡电位为+0.77V，产生了期望系统的正端子。

[0024] 与使用非再生电解质的其他电池类型相比，IFB能够为其电解质充电和再充电。通过经由端子40和42跨电极施加电流来实现充电。负电极可以经由端子40耦接到电压源的负电极侧，使得电子可以经由正电极传递到负电解质(例如，当Fe2+在正电极室22的正电解质中被氧化成Fe3+时)。提供给负电极26(例如电镀电极)的电子可以减少负电解质中的Fe2+，从而在电镀基板上形成Fe0，使其镀在负电极上。

[0025] 可以在维持放电的同时使Fe0仍然可用于负电解质进行氧化，且Fe3+仍然可用于在正电解质中进行还原。例如，可以通过经由例如外部正电解质罐或正电解质室52的外部源提供额外的Fe3+离子来提高至电池单元18的正电极室22侧的正电解质的浓度或量，从而维持Fe3+的可用量。更常见的是，在放电期间Fe0的可用量可能是IFB系统中的问题，其中可用于放电的Fe0可能与负电极基板的表面积和体积以及电镀效率成比例。充电容量可取决于负电极室20中Fe2+的可用量。例如，通过经由例如外部负电解质室50的外部源提供额外的Fe2+以提高至电池单元18的负电极室20侧的负电解质的浓度或量来维持Fe2+的可用量。

[0026] 在IFB中，正电解质包括亚铁离子、铁离子、铁络合物或其任何组合，而负电解质包括亚铁离子或亚铁络合物，这取决于IFB系统的电荷状态。如前所述，在负电解质和正电解质中使用铁离子允许在电池单元的两侧使用相同类型的电解质，这可以减少电解质交叉污染并且可以提高IFB系统的效率，从而与其他氧化还原液流电池系统相比，减少了电解质的更换。

[0027] IFB中的效率损失可能是由于电解质跨越分隔件24(例如，离子交换膜屏障、微孔膜等)。例如，正电解质中的铁离子可以通过铁离子浓度梯度和跨分隔件的电泳力被驱动至负电解质。随后，跨越膜屏障并交叉渗透至负电极室20的铁离子可导致库仑效率损失。从低pH氧化还原侧(例如，酸性较强的正电极室22)交叉渗透到高pH电镀侧(例如，酸性较弱的负电极室20)的铁离子可导致Fe(OH)3的沉淀。Fe(OH)3的沉淀会损坏分隔件24并导致永久的电池性能和效率损失。例如，Fe(OH)3沉淀物可化学上污染离子交换膜的有机官能团或物理上堵塞离子交换膜的小微孔。在任何一种情况下，由于Fe(OH)3沉淀，薄膜欧姆电阻可能随时间升高并且电池性能可能降低。可以通过用酸洗涤电池来除去沉淀物，但是持续的维护和停机时间对于商业电池应用可能是不利的。此外，洗涤可能取决于电解质的常规制备，这增大了工艺成本和复杂性。响应于电解质pH变化将特定有机酸添加到正电解质和负电解质中，还可以减少电池充电和放电循环期间的沉淀物形成。

[0028] 额外的库仑效率损失可能由H+(例如，质子)的减少和随后的H2(例如，氢气)的形成、以及负电极室20中的质子与镀上的铁金属电极处提供的电子反应形成氢气引起。

[0029] IFB电解质(例如FeCl2，FeCl3，FeSO4，Fe2(SO4)3等)容易获得并且可以低成本生产。IFB电解质提供更高的回收价值，因为相同的电解质可用于负电解质和正电解质，因此与其他系统相比减少了交叉污染问题。此外，由于其电子构成，铁在镀到负电极基板上时可以凝固成大致均匀的固体结构。对于通常用于混合氧化还原电池的锌和其他金属，在电镀期间可能形成固体树枝状结构。与其他氧化还原液流电池相比，IFB系统的稳定电极形态可以提高电池的效率。此外，铁氧化还原液流电池减少了有毒原料的使用，并且可以在与其他氧化还原液流电池电解质相比相对中性的pH下运行。因此，与所有其他当前量产中的先进的氧化还原液流电池系统相比，IFB系统降低了对环境的危害。

[0030] 图1提供了氧化还原液流电池系统10的示意图。氧化还原液流电池系统10可包括流体地连接到多室电解质存储罐110的氧化还原液流电池单元18。氧化还原液流电池单元18通常可包括负电极室20、分隔件24和正电极室22。分隔件24可包括电绝缘离子导电屏障，其防止正电解质和负电解质的大量混合，同时允许特定离子通过其传导。例如，分隔件24可包括离子交换膜和/或微孔膜。负电极室20可包括负电极26和包含电活性材料的负电解质。
正电极室22可包括正电极28和包含电活性材料的正电解质。在一些示例中，多个氧化还原液流电池单元18可以串联或并联组合以在氧化还原液流电池系统中产生更高的电压或电流。图1中进一步示出负电解质泵30和正电解质泵32，两者都用于将电解质溶液泵送通过液流电池系统10。电解质存储在电池单元外部的一个或多个罐中，并分别通过负电解质泵30和正电解质泵32泵送通过电池的负电极室20侧和正电极室22侧。

[0031] 如图1所示，氧化还原液流电池单元18还可包括负电池端子40和正电池端子42。当充电电流施加到电池端子40和42时，正电解质在正电极28处被氧化(失去一个或多个电子)，并且负电解质在负电极26处被还原(得到一个或多个电子)。在电池放电期间，在电极上发生逆向氧化还原反应。换句话说，正电解质在正电极28处被还原(得到一个或多个电子)，并且负电解质在负电极26处被氧化(失去一个或多个电子)。通过正电极室22和负电极室20中的电化学氧化还原反应维持跨电池的电势差，并且在反应持续时可产生电流通过导体。由氧化还原电池存储的能量的量受限于用于放电的电解质中电活性材料的可用量，该可用量取决于电解质的总量和电活性材料的溶解度。

[0032] 液流电池系统10还可包括集成的多室电解质存储罐110。多室存储罐110可以由隔壁98分开。隔壁98可以在存储罐内形成多个腔室，使得正电解质和负电解质都可以包括在单个罐内。负电解质室50保存包含电活性材料的负电解质，并且正电解质室52保存包含电活性材料的正电解质。隔壁98可以定位在多室存储罐110内，以在负电解质室50和正电解质室52之间产生期望的体积比。在一个示例中，隔壁98可以定位成根据逆向氧化还原反应和正向氧化还原反应之间的化学计量比来设定负电解质室和正电解质室的体积比。附图进一步示出了存储罐110的填充高度112，其可以指示每个存储罐室中的液位。附图还示出了位于负电解质室50的填充高度112上方的气体顶部空间90，以及位于正电解质室52的填充高度112上方的气体顶部空间92。气体顶部空间92可用于存储氢气，该氢气是通过氧化还原液流电池的运行产生(例如，由于质子还原和腐蚀副反应)的，并且与从氧化还原液流电池单元18返回的电解质一起被输送到多室存储罐110。氢气可以在多室存储罐110内的气-液界面(例如，填充高度112)处自发分离，从而无需额外的气液分隔器作为氧化还原液流电池系统的一部分。一旦与电解质分离，氢气可填充气体顶部空间90和92。因此，存储的氢气可以帮助挤出多室存储罐110中的其他气体，从而用作惰性气体覆盖层以减少电解质物质的氧化，这可以帮助减少氧化还原液流电池容量损失。以这种方式，利用集成的多室存储罐110可以无需具有常规氧化还原液流电池系统所常用的单独的负电解质存储罐和正电解质存储罐、储氢罐和气液分隔器，从而简化了系统设计，减少了系统的物理占地面积，并降低了系统成本。

[0033] 图1还示出了溢出孔96，其在气体顶部空间90和92之间的隔壁98中形成开口，并提供均衡两个腔室之间的气体压力的装置。溢出孔96可定位在填充高度112上方的阈值高度处。溢出孔进一步使得电池在发生交叉的情况下能够自平衡正电解质室和负电解质室中的每一个内的电解质。在全铁氧化还原液流电池系统的情况下，在负电极室20和正电极室22中使用相同的电解质(Fe2+)，因此在负电解质室50和正电解质室52之间溢出电解质可能降低整体系统效率，但整体电解质成分、电池模块性能和电池模块容量得以保持。法兰配件可用于出入多室存储罐110的入口和出口的所有管道连接，以保持持续加压状态而不泄漏。多室存储罐可包括来自负电解质室和正电解质室中的每一个导入的至少一个出口，以及至负电解质室和正电解质室中的每一个的至少一个入口。此外，可以从气体顶部空间90和92提供一个或多个出口连接，用于将氢气引导至再平衡反应器80和82。

[0034] 尽管未在图1中示出，但是集成的多室存储罐110可以进一步包括热耦合到负电解质室50和正电解质室52中的每一个的一个或多个加热器。在可选示例中，仅负电解质室和正电解质室之一可包括一个或多个加热器。在仅正电解质室包括一个或多个加热器的情况下，可以通过将在电源模块的电池单元处产生的热传递到负电解质来加热负电解质。以这种方式，电源模块的电池单元可以加热并促进负电解质的温度调节。一个或多个加热器可以由控制器88致动，以独立地或一起调节负电解质室50和正电解质室的温度。例如，响应于电解质温度降低到阈值温度以下，控制器可以提高提供给一个或多个加热器的功率，使得到电解质的热通量增大。电解质温度可以由安装在多室电解质存储罐110处的一个或多个温度传感器指示，包括传感器60和62。作为示例，一个或多个加热器可包括线圈型加热器或浸入电解质液中的其他浸入式加热器、或使热量传导通过负电解质室和正电解质室的壁以加热其中的流体的表面套式加热器。在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用其他已知类型的罐加热器。此外，控制器88可以响应于液位降低到固体填充阈值水平以下而停用负电解质室和正电解质室中的一个或多个加热器。换句话说，控制器88可以仅响应于液体水平增大到固体填充阈值水平以上而激活负电解质室和正电解质室中的一个或多个加热器。以这种方式，可以避免在正电解质室和/或负电解质室中没有足够液体的情况下激活一个或多个加热器，从而降低过热或烧毁加热器的风险。在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用其他已知类型的罐加热器。

[0035] 进一步在图1中示出，通常存储在多室存储罐110中的电解质溶液通过负电解质泵30和正电解质泵32泵送到整个液流电池系统10中。存储在负电解质室50中的电解质通过负电解质泵30泵送通过负电极室20侧，并且存储在正电解质室52中的电解质通过正电解质泵
32泵送通过电池的正电极室22侧。

[0036] 在氧化还原液流电池系统10中，两个电解质再平衡反应器80和82可以分别在电池的负电极侧和正电极侧与电解液的再循环流路串联或并联连接。一个或多个再平衡反应器可以在电池的负电极侧和正电极侧与电解液的再循环流路串联连接，并且其他再平衡反应器可以并联连接，以实现冗余(例如，再平衡反应器可以在不中断电池和再平衡运行的情况被服务)并提高再平衡能力。在一个示例中，电解质再平衡反应器80和82可以分别放置在从正电极室22到正电解质室52和从负电极室20到负电解质室50的返回流路中。如本文所述，电解质再平衡反应器80和82可用于再平衡氧化还原液流电池系统中因副反应、离子交叉渗透等而发生的电解质电荷不平衡。在一个示例中，电解质再平衡反应器80和82可包括滴流床反应器，其中氢气和电解质在填充床中的催化剂表面处接触以进行电解质再平衡反应。在其他示例中，再平衡反应器80和82可包括流通型反应器，其能够在没有填充催化剂床的情况下使氢气和电解质液体接触并进行再平衡反应。

[0037] 发生在负电极的副反应可能有助于在氧化还原液流电池系统中产生电解质电荷不平衡。在负电极上，与等式(1)给出的氧化还原反应同时发生，亚铁还原反应与质子H+的还原竞争，其中两个质子各自接受单个电子以形成氢气H2和铁金属的腐蚀，以产生亚铁离2+
子Fe 。通过氢质子的还原和金属铁的腐蚀生成氢气在等式(3)和(4)中分别示出：

[0038]

[0039]

[0040] 结果，负电解室20中的负电解质趋于稳定在3至6的pH范围内，其中氢氧化亚铁离子(FeOH+)、氢氧化铁沉淀、Fe(OH)3和析氢的形成全部减少。在正电极室22中，铁离子Fe3+具有比亚铁离子Fe2+更低的酸解离常数(pKa)。因此，随着更多的亚铁离子被氧化成铁离子，正电解质趋于稳定在小于2的pH值，特别是在接近1的pH值。

[0041] 因此，将正电解质pH维持在使正电解质(正电极室22)维持稳定的第一范围内以及将负电解质pH维持在使负电解质(负电极室20)维持稳定的第二范围内可以减少低循环性能并提高氧化还原液流电池的效率。例如，将IFB中的负电解质的pH值维持在3至4之间可以减少铁腐蚀反应并提高镀铁效率，而保持正电解质的pH值小于2，特别是小于1，可以促进铁/亚铁离子的氧化还原反应，并减少氢氧化铁的形成。

[0042] 如等式(3)和(4)所示，氢的释放可导致氧化还原液流电池系统中的电解质失衡。例如，在充电期间，从正电极流向负电极的电子(例如，由于亚铁离子的氧化)可能会经由等式(3)通过氢释放而消耗，从而减少了由等式(1)给出的可用于电镀的电子。由于电镀减少，因此降低了电池充电容量。另外，铁金属的腐蚀进一步降低了电池容量，因为减少的铁金属量可用于电池放电。因此，由于经由反应(3)和(4)而产生氢，在正电解室22和负电解室20之间的电解质的电荷状态不平衡可能出现。此外，由铁金属腐蚀和质子还原引起的氢气产生均消耗质子，这可导致负电解质pH增加。如以上参考图1所讨论的，pH的增加可会使氧化还原液流电池系统中的电解质不稳定，从而进一步导致电池容量和效率的损失。

[0043] 解决由氧化还原液流电池系统中的氢气产生可引起的电解质再平衡问题的方法包括利用由副反应产生的氢来还原正电解质中的不平衡离子。例如，在IFB系统中，可以根据等式(5)通过氢气来还原包括铁离子的正电解质：

[0044] Fe3++1/2H2→Fe2++H+ (5)

[0045] 在IFB系统示例中，通过使铁离子与氢气反应，氢气可以被转换回质子，从而在负电解室20和正电解室22中维持基本恒定的pH。此外，通过将铁离子转化为亚铁离子，可以使正电解室22中的正电解质的电荷状态与负电解室20中的负电解质的电荷状态再平衡。尽管给出等式(5)来平衡IFB系统中的电解质，但是可以用公式(6)来概括用氢气还原电解质的方法：

[0046]

[0047] 在等式(6)中，Mx+表示具有离子电荷x的正电解质M，Mz+表示具有离子电荷z的被还原的电解质M。

[0048] 包括石墨或包括支持性贵金属(例如，碳支持的铂、钯、铑、钌、铱、钽或它们的合金)的催化剂可以提高由等式(5)描述的反应速率，以在氧化还原液流电池系统中实际应用。例如，在氧化还原液流电池系统中产生的氢气可以被引导至催化剂表面，并且氢气和电解质(例如，包括铁离子)可以在催化剂表面处流体地接触，其中氢气以化学方式将铁离子还原为亚铁离子，并产生正氢离子(例如质子)。如上所述，催化剂表面可以包括石墨。在一些实例中，当催化剂包括基于贵金属的催化剂，例如碳支持的铂、钯、铑、钌、铱、钽或它们的合金时，等式(5)描述的反应可以以更快的速率进行。例如，在氢气的分压(例如氢气浓度)较高并且可以容许较慢的反应速率的情况下，可以使用成本较低的石墨催化剂。另一方面，与使用石墨催化剂相比，支持在碳上的少量的贵金属催化剂(例如0.2至大于0.5的wt％)可以提高反应速率。取决于任何特定电池系统的反应速度，可以使用不同类型的催化剂，例如上述的铂、钯、铑、钌、铱、钽或它们的合金等，并且可以使用不同量的上述催化剂(0.2至大于0.5的wt％)。此外，可以利用催化剂的合金来降低成本并提高催化剂的腐蚀稳定性。例如，在铂中添加10％的铑可以使铁离子对铂的腐蚀降低98％以上(Bruce D.Craig，David S.Anderson的《腐蚀数据手册》)。

[0049] 在氧化还原液流电池系统运行期间，传感器和探针可以监测和控制电解质的化学性质，例如电解质pH、浓度、电荷状态等。例如，如图1所示，传感器62和60可以定位成分别监测正电解质室52和负电解质室50的正电解质状况和负电解质状况。作为另一个示例，也在图1中示出的传感器72和70可以分别监测正电极室22和负电极室20的正电解质状况和负电解质状况。在一个示例中，传感器70和72可以包括向控制器88传输信号的压力传感器，该信号指示氧化还原液流电池单元18的分隔件24的负电极侧和正电极侧的压力。分隔件24的负电极室20和正电极室22的压力可以分别通过控制至此的负电解质和正电解质的入口和出口的流量来调节。例如，控制器可以通过增大与其流体地耦接的真空泵的泵速、降低负电解质泵30的泵速以及通过对背压流量调节器进行节流来增大来自负电极室的出口流量中的一个或多个来降低负电极室20处的压力。

[0050] 类似地，控制器可以通过增大正电解质泵32的泵速以及通过对背压流量调节器进行节流来减少来自负电极室的出口流量中的一个或多个来提高正电极室22处的压力。背压流量调节器可以包括孔口、阀门等。例如，控制器88可以发送信号以将阀定位到打开得更多的位置，以引发来自负电极室20更大的出口流量，从而降低负电极室压力。提高正电极室压力和降低负电极室压力可有助于增大跨分隔件24的渗透压(正向或负向)。通过增大正电解质泵32的泵速来增大正电解质的流速以及增大正电极室22的出口处的背压，从而增大渗透压的方法，可能不如其他提高渗透压的方法有利，因为泵寄生损失可能会增大。

[0051] 传感器可以位于整个氧化还原液流电池系统的其他位置，以监测电解质的化学性质和其他性质。例如，传感器可以位于外部酸罐(未示出)中以监测外部酸罐的酸量或pH，其中来自外部酸罐的酸通过外部泵(未示出)供应到氧化还原液流电池系统以减少电解质中沉淀物的形成。可以安装附加的外部罐和传感器，以向氧化还原液流电池系统10供应其他添加剂。作为示例，传感器信息可以被传输到控制器88，控制器88反过来可以负电解质泵30和正电解质泵32以控制电解质流过电池单元18或者执行其他控制功能。以这种方式，控制器88可以对传感器和探针之一或组合作出响应。氧化还原液流电池单元18可以被定位在用于氧化还原液流电池系统的电源模块的多个氧化还原液流电池单元堆之一内。氧化还原液流电池单元堆中的每个氧化还原液流电池单元18可以与该氧化还原液流电池单元堆中的多个其他氧化还原液流电池单元串联和/或并联电连接。此外，每个氧化还原液流电池单元堆可以与电源模块中的多个其他氧化还原液流电池单元堆串联和/或并联电连接。以这种方式，氧化还原液流电池单元堆可以电结合以从电源模块供电。

[0052] 氧化还原液流电池系统10还可包括氢气源。在一个示例中，氢气源可包括单独的专用氢气存储罐。在图1的示例中，氢气可以存储在集成的多室电解质存储罐110中并从集成的多室电解质存储罐110供应。集成的多室电解质存储罐110可以向正电解质室52和负电解质室50供应额外的氢气。集成的多室电解质存储罐110可以交替地将额外的氢气供应到电解质再平衡反应器80和82的入口。作为示例，质量流量计或其他流量控制装置(其可以由控制器88控制)可以调节来自集成的多室电解质存储罐110的氢气的流量。

[0053] 集成的多室电解质存储罐110可补充在氧化还原液流电池系统10中产生的氢气。例如，当在氧化还原液流电池系统10中检测到气体泄漏时或者当在低氢分压下的还原反应速率太低时，可以从集成的多室电解质存储罐110供应氢气以便重新平衡正电解质和负电解质中的电活性物质的电荷状态。作为示例，控制器88可响应于测量的pH变化或者响应于测量的电解质或电活性物质的电荷状态变化，而从集成的多室电解质存储罐110供应氢气。
例如，负电解质室50或负电极室20的pH的增大可以指示氢正从氧化还原液流电池系统10中泄漏和/或通过可用的氢分压获得反应速率太低。响应于pH增大，控制器88可以增大从集成的多室电解质存储罐110到氧化还原液流电池系统10的氢气供应。作为另一示例，控制器88可响应于pH变化，其中pH上升超过第一阈值pH或下降超过第二阈值pH，而从集成的多室电解质存储罐110供应氢气。在IFB的情况下，控制器88可以提供额外的氢以提高铁离子的还原速率和质子的产生速率，从而降低正电解质的pH。此外，负电解质的pH可能由于铁离子从正电解质交叉渗透到负电解质的氢还原或由于正电极侧生成的质子因质子浓度梯度和电泳力交叉渗透至负电解质而降低。以这种方式，负电解质的pH可以保持在稳定区间内，同时降低铁离子(从正电极室交叉渗透)作为Fe(OH)3沉淀的风险。

[0054] 可以实现用于响应于由诸如氧还原电位(ORP)计或光学传感器等的其他传感器检测仪检测到的电解质pH的变化或电解质电荷状态的变化控制来自集成的多室电解质存储罐110的氢气供应速率的其它控制方案。此外，触发控制器88动作的pH变化或电荷状态变化可以基于持续一段时间测量的变化率或变化量。可以基于氧化还原液流电池系统的时间常数预先确定或调整变化率的时间段。例如，如果再循环率高，则可以缩短时间段，并且可以因为时间常数可能很小而快速测量浓度的局部变化(例如，由于副反应或气体泄漏)。

[0055] 转向图2，提供了燃料电池在平衡反应器200的流程图的示例。燃料电池再平衡反应器200被设计成使氢气与来自氧化还原液流电池的负电极隔室或正电极隔室的电解质在催化剂表面处接触。包括石墨和/或包括支持性贵金属(例如，碳支持的铂、钯、铑、钌或它们的合金)催化剂的催化剂可以提高由等式(5)描述的反应速率，以在氧化还原液流电池系统中实际应用。例如，在氧化还原液流电池系统中产生的氢气可以被引导至催化剂表面，并且氢气和电解质(例如，包括铁离子)可以在催化剂表面处流体地接触，其中，氢气以化学方式将铁离子还原为亚铁离子，并产生正氢离子(例如质子)。如上所述，催化剂表面可以包括石墨。在一些示例中，当催化剂包括基于贵金属的催化剂，例如碳支持的铂、钯、铑、钌或它们的合金时，等式(5)描述的反应可以以更快的速率进行。在一个示例中，氧化还原液流电池可以包括IFB，但是在不脱离本文的范围的情况下，也可以包括其他类型的液流电池化学物质。

[0056] 燃料电池再平衡反应器200可以对应于图1的氧化还原液流电池系统中的再平衡反应器80和/或再平衡反应器82。燃料电池再平衡反应器200包括负电极侧210和正电极侧240以及插入在负电极侧210和正电极侧240之间并在空间上隔开负电极侧210和正电极侧
240的多孔层230。负电极侧210也可以被称为氢侧，而正电极侧240也可以被称为电解质侧。
在一个示例中，多孔层230可以传导离子，因此质子可通过其传输，并且该多孔层230是电传导的以通过内部电流驱动反应。氢气可从电解质存储罐(例如多室电解质存储罐110)的气体顶部空间、从氧化还原液流电池系统的气/液间隔件或从外部氢气源引导至负电极侧210的负电极入口212。电解质可以从多级电解质存储罐110的负电解质室50或正电解质室52或者分别从分开的负电解质存储罐和正电解质存储罐被引导至燃料电池再平衡反应器的正电极侧240处的正电极入口242。在一个示例中，电解质泵250可将电解质从负电解质室50或正电解质室52供应至正电极侧240。以这种方式，电解质泵250可以对应于氧化还原液流电池系统10的泵30或32。

[0057] 多孔层230可以包括诸如石墨或碳/石墨复合物的碳质材料，并且可以包括诸如碳毡、碳海绵和碳网的多孔碳结构。多孔层230的孔的表面可以是亲水的，以促进多孔层230被电解质彻底润湿从而产生传导离子的介质。碳质多孔层的亲水性可通过对其表面进行涂覆或处理来提高。换句话说，多孔层可以包括导电的、多孔的、亲水的碳质基底。此外，多孔层230可以包括连续的一体式材料而没有离散的颗粒或碎片，以减少当使氢气和电解质液体在间隔件的表面处接触时跨多孔层230的边界层膜的相间质量传递损失。例如，包括离散填充的催化剂颗粒的填充床可以包括围绕每个单个颗粒的质量传递限制边界层膜，从而降低了氢气和液体电解质从块状区域到颗粒表面区域的质量传递速率。

[0058] 燃料电池再平衡反应器200可包括分别位于负电极入口212和正电极入口242以及负电极出口214和正电极出口244处的一个或多个压力传感器215和217。以这种方式，可以由控制器88监控在负电极入口212和负电极出口214、正电极入口242和正电极出口244之间的压降(pressure drop)以及在入口和出口处的跨多孔层的压降。可以根据正电极入口242和负电极入口212、正电极出口244和负电极出口214以及正电极出口244和负电极入口212之间的压力差来确定跨多孔层的压降。燃料电池再平衡反应器200的运行可包括维持正电极出口244和正电极入口242之间的压降小于跨多孔层的压降(例如，负电极侧210的压力大于正电极侧240的压力)，以降低氢气从负电极侧210穿越到正电极侧240的风险。从负电极侧210穿越到正电极侧240的气体可以阻碍电解质液体进入多孔层230的孔，从而降低多孔层230的离子传导率。在一个示例中，可以将跨正电极侧240的压降维持在比跨多孔层230的压降小阈值压力差以上。此外，可以将跨负电极侧210的压降维持在比跨多孔层230的压降小阈值压力差以上。阈值压力差可以对应于相对于跨多孔层230的压降的压力差，在该压力差之上，可以减小氢气从负电极侧210穿越到正电极侧240的风险。控制器88可以响应于跨正电极侧240和/或负电极侧210中的压降比跨多孔层230的压降小阈值压力差，将电解质流和氢气流重定向至另一个燃料电池再平衡反应器，并切断通向当前燃料电池再平衡反应器的氢气和/或电解质流。

[0059] 燃料电池再平衡反应器可进一步包括：插入在负电极侧210和多孔层230之间的负电极220以及插入在正电极侧240和多孔层230之间的正电极。在一些示例中，多孔层230可以用作负电极和/或正电极。在电极上施加电流可以帮助驱动再平衡反应器200的催化表面处的正电解质的还原。例如，负电极可以耦接到电压源的负电极侧，使得可以经由正电极产生电子(例如，当氢气H2被氧化成氢质子H+时)。提供给负电极的电子可以还原电解质中的Fe3+以在正电极形成Fe2+，从而帮助再平衡电解质电荷。

[0060] 燃料电池再平衡反应器的负电极侧和正电极侧可包括结构化的通道或流场，以将整个界面区域的氢气和电解质分别从负电极侧210引导和分布到多孔层230以及从正电极侧240引导和分布到多孔层230。例如，流场可包括指状流场(IDFF)或非指状流场，例如蛇形流场、平行流场、销流场等。终止的IDFF流道可有助于将流体挤入并推入多孔层230，从而促进流体从再平衡反应器200的负电极侧210或正电极侧240到多孔层230的孔中的分布增加。以这种方式，燃料电池再平衡反应器200可以促进来自负电极侧的氢气与来自正电极侧的电解质液的接触。

[0061] 图8中示出了由具有指状肋1812和1822的指状流场(IDFF)板1800促进的结构化流场的示例。将IDFF板1800定位在正电极侧240可以帮助引导在正电极侧的电解质流过多孔层230，而将IDFF板1800定位在负电极侧210可以帮助引导在负电极侧的氢气流过多孔层230。特别地，可以将电解质和/或氢流体流从正流场板2010的入口1810引导到出口1820。如指状正电极流场板的横截面图1850所示，通过多孔层230，可以发生从指状肋1812的指状入口通道到指状肋1822的出口通道的流体流动(由箭头1830指示)，因此提供了电介质的强制对流。在其他示例中，结构化流场板可以是非IDFF流板，例如蛇形流板、螺旋流板、销流板或具非指状肋的平行流板。由于无出口通道，IDFF流场可能是有利的，因为电解质流体可以更彻底地分布在整个流场上，从而在从入口通道扩散跨多孔层230到出口通道之前填充指状的无出口通道。

[0062] 燃料电池再平衡反应器200可以进一步包括位于燃料电池再平衡反应器200的氢侧(图2)的出口侧或位于燃料电池再平衡反应器200的电解质侧(图3)的入口侧的喷射器260。当喷射器260位于燃料电池再平衡反应器200的氢侧的出口侧时，来自正电极出口244的电解质的出口流抽吸或吸出离开负电极出口214的氢气，该氢气被夹带并返回到正电解质室52或负电解质室50。未使用的氢在多室电解质存储罐110中与液态电解质分离，分离出的氢气占据正电极气体顶部空间90和负电极气体顶部空间92，它们通过溢出孔96达到压力平衡。在喷射器260位于燃料电池再平衡反应器200的电解质侧的入口侧(图3)的情况下，来自正电极入口242的电解质的入口流抽吸或吸出离开负电极出口214的氢气，该氢气被夹带并流过燃料电池再平衡反应器，然后被返回到正电解质室52或负电解质室50，然后分离。在这种配置中，喷射器260可以帮助将氢气分散到液体电解质中，从而辅助燃料电池再平衡反应器200内部的再平衡反应。对于多室电解质存储罐110的情况而言，夹带的气体可以在返回正电解质室52或负电解质室50时自发地或者通过附加的气/液间隔件流体地耦合到正电解质室52和负电解质室50，从液体电解质中分离出来。

[0063] 根据等式(6)，在氢气在燃料电池再平衡反应器200内的滞留时间期间，氢气可以还原多孔层230表面处的液体电解质中的金属离子，其中，碳质多孔层230可以用作催化剂(例如，催化表面)。在IFB的情况下，根据等式(5)，氢气可以还原在多孔层230的表面处的液体电解质内的金属离子。为了提高电解质的再平衡速率，可以将多个燃料电池再平衡反应器堆叠并流体地并联连接，使得可以将较高流速的氢气和电解质引导至燃料电池再平衡反应器堆。以这种方式，控制器88可以响应于压降差小于阈值压力差，将电解质流和氢气流重定向到另一燃料电池再平衡反应器，并且切断流向当前燃料电池再平衡器反应器的氢气流和电解质流，而不会破坏电解质的再平衡或氧化还原液流电池系统的运行。例如，响应于控制器88。

[0064] 现在转到图4，其示出了燃料电池再平衡反应器200的第一实施例400。负电极侧410包括结构化的流道，例如IDFF或蛇形流场，来自正电极入口242的入口氢气被引导通过该流道。结构化的负电极流道有助于促使氢气在负电极侧410和负电极420之间共享的界面表面区域上均匀分布和流动。在一个示例中，负电极流道包括塑料流道。负电极可以包括碳、石墨或包括石墨纸和毡的碳/石墨复合材料。在一个示例中，负电极可与多孔层430(也具有与负电极相同的材料和结构)集成在一起。负电极420可以进一步包括其上涂覆有5-
50％特氟隆并使用诸如铂、钯、铑、钌、铱、钽或它们的合金的金属催化剂进行处理的表面层。正电极可以与正电极侧440集成在一起，并且可以包括碳、石墨或碳/石墨复合材料，例如碳泡沫、碳或石墨毡。多孔层430可以包括碳、石墨和/或碳/石墨复合物，例如石墨纸或毡，并且可以被处理为亲水的表面。尽管未在图4中示出，类似于燃料电池再平衡反应器
200，燃料电池再平衡反应器220的第一实施例400可以进一步包括位于燃料电池再平衡反应器200的氢侧(图2)的出口侧或位于燃料电池再平衡反应器200的电解质侧(图3)的入口侧的喷射器260。

[0065] 现在转到图5，其示出了燃料电池再平衡反应器200的第二实施例500。正电极侧550和负电极侧510都包括结构化的流道，例如IDFF或蛇形流场，来自正电极入口242的入口电解质和来自负电极入口212的氢气分别被引导通过该流道。结构化的正电极流道和负电极流道有助于促使氢气均匀地分布并流过分别在正电极侧550和正电极540之间以及在负电极侧510和负电极520之间共享的界面表面区域。在一个示例中，负电极流道和正电极流道包括塑料流道。负电极520可以包括碳、石墨或包括石墨纸和毡的碳/石墨复合材料。在一个示例中，负电极520可与多孔层530(也具有与负电极相同的材料和结构)集成在一起。负电极520可以进一步包括其上涂覆有5-50％特氟隆并使用诸如铂、钯、铑、钌、铱、钽或它们的合金的金属催化剂进行处理的表面层。正电极540可以包括碳、石墨或碳/石墨复合物，例如碳泡沫、碳或石墨毡。多孔层可以包括碳、石墨和/或碳/石墨复合物，例如石墨纸或毡，并且可以被处理为亲水的表面。尽管未在图5中示出，类似于燃料电池再平衡反应器200，燃料电池再平衡反应器实施例500可以进一步包括位于燃料电池再平衡反应器200的氢侧(图2)的出口侧或位于燃料电池再平衡反应器200的电解质侧(图3)的入口侧的喷射器260。

[0066] 现在转向图6，其示出了燃料电池再平衡反应器200的第三实施例600。正电极侧650和负电极侧610都包括结构化的流道，例如IDFF或蛇形流场，来自正电极入口242的入口电解质和来自负电极入口212的氢气分别被引导通过该流道。结构化的正电极流道和负电极流道有助于促使氢气均匀地分布并流过分别在正电极侧550和多孔层630之间以及在负电极侧610和多孔层630之间共享的界面表面区域。在一个示例中，负电极流道和正电极流道包括塑料流道。负电极和正电极可以与多孔层630(也具有与负电极相同的材料和结构)集成在一起。换句话说，多孔层630可以包括也可以用做负电极和正电极。多孔层630可以包括碳、石墨和/或碳/石墨复合物，例如石墨纸或毡，并且可以被处理为亲水的表面。在燃料电池再平衡反应器200的第三实施例600中，燃料电池再平衡反应器在没有金属催化剂的情况下进行再平衡反应。尽管未在图6中示出，类似于燃料电池再平衡反应器200，燃料电池再平衡反应器200的第三实施例600可以进一步包括位于燃料电池再平衡反应器200的氢侧(图2)的出口侧或位于燃料电池再平衡反应器200的电解质侧(图3)的入口侧的喷射器260。

[0067] 因此，一种氧化还原液流电池系统的再平衡反应器可以包括：氢气流过的第一侧，来自所述氧化还原液流电池系统的电解质流过的第二侧，以及分隔第一侧和第二侧并与第一侧和第二侧流体地耦接的多孔层，其中氢气和电解质在多孔层的表面流体地接触，以及跨第二侧的压降小于跨多孔层的压降。在再平衡反应器的第一示例中，跨第二侧的压降与跨第二侧的入口和出口的压降相对应。再平衡反应器的第二示例可选地包括第一示例，并且还包括其中跨第一侧的压降大于跨第二侧的压降。再平衡反应器的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且还包括喷射器，其中离开第二侧的电解质流过喷射器，从而将离开第一侧的氢气吸入喷射器。再平衡反应器的第四示例可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个，并且还包括喷射器，其中进入第二侧的电解质流过喷射器，从而将离开第一侧的氢气吸入喷射器。再平衡反应器的第五示例可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个，并且还包括其中第一侧包括使氢气流过的指状流场，从而促使进入第一侧的氢气在离开第一侧之前通过多孔层。再平衡反应器的第六示例可选地包括第一示例至第五示例中的一个或多个，并且还包括其中第二侧包括使电解质流过的指状流场，从而促使进入第二侧的电解质在离开第一侧之前通过多孔层。再平衡反应器的第七示例可选地包括第一示例至第六示例中的一个或多个，并且还包括导电地耦接到多孔层的负电极和正电极，其中跨负电极和正电极施加的电流提高氢气和电解质之间的再平衡反应速率。

[0068] 因此，一种氧化还原液流电池系统包括多个氧化还原液流电池单元，以及流体地耦接到第二再平衡反应器的第一再平衡反应器，第一再平衡反应器和第二再平衡反应器各自包括，氢气流过的第一侧，来自多个氧化还原液流电池单元的电解质流过的第二侧，以及分隔第一侧和第二侧并与第一侧和第二侧流体地耦接的多孔层，其中，氢气和电解质在多孔层的表面流体地接触，并且跨第二侧的压降比跨多孔层的压降小阈值压力差以下。氧化还原液流电池系统的第一示例包括控制器，在控制器上的存储器中存储有可执行指令，响应于跨第一再平衡反应器的第二侧的压降比跨多孔层的压降小阈值压力差以下，控制器将电解质的流量的一部分从第一再平衡反应器重定向至第二再平衡反应器。氧化还原液流电池系统的第二示例可选地包括第一示例，其中还包括其中，可执行指令包括：响应于跨第一再平衡反应器的第二侧的压降比跨多孔层的压降小阈值压力差以下，减少流向第一再平衡反应器的第二侧的电解质的流量。

[0069] 现在转到图7，其示出了用于具有一个或多个燃料电池再平衡反应器200的氧化还原液流电池系统10中的电解质再平衡的示例性方法1100的流程图。燃料电池再平衡反应器200可以包括参考图2至图3描述的组件以及参考图4至图6描述的实施例。方法1100可以作为贮存在控制器88上的非暂时性存储器中的可执行指令来执行。方法1100在1100处开始，其中控制器1100确定氧化还原液流电池系统的运行条件，例如pH、燃料电池再平衡入口和出口的压力、流向燃料电池再平衡反应器的氢气流和电解质流等。在1120，方法1100将氢气引导至燃料电池再平衡反应器的负电极侧。氢气可以从电解质存储罐的负电解质室内的气体顶部空间或外部氢气源提供。在1130，将液体电解质引导至燃料电池再平衡反应器的正电极侧。液体电解质可包括来自正电解质室52的正电解质或来自负电解质室50的负电解质。因此，液体电解质可以通过负电解质泵30或正电解质泵32或者仅通过用于这些反应器的单独的泵供应到燃料再平衡反应器。在步骤1120和1130，可以将氢气和液体电解质引导至流体地并联连接的多个燃料电池再平衡反应器，以实现更高的电荷再平衡流速容量。

[0070] 然后，在步骤1140，氢气和液体电解质可以在燃料电池再平衡反应器内流体地接触。使氢气和液体电解质流体地接触可以包括引导氢气和/或液体电解质跨结构化的流道(例如，指状或非指状的)，以将氢气和/或液体电解质均匀地分布在正电极和负电极的多孔层的界面区域。使氢气和液体电解质流体地接触可以进一步包括将氢气和液体电解质引导至连续多孔层230的孔中。多孔层230的连续性质可以帮助减少当氢气和电解质液体在间隔件的表面接触时跨多孔层230的边界层膜的相间质量传递损失。

[0071] 然后，在1150，控制器可以确定跨燃料电池再平衡反应器的正电极侧和负电极侧的压降(ΔP)是否比跨多孔层的压降小阈值压力差以上。此外，可以维持跨负电极侧的压降大于跨正电极侧的压降。在一个示例中，阈值压力差基于燃料电池再平衡反应器的多孔层230上的气泡压力。多孔层230的气泡压力可以是非原位确定的，并且可以对应于一压力，在该压力以上，可以促使气泡跨多孔层230。附加地或可选地，该阈值压力差基于跨多孔层230的压降，并且可以根据正电极入口242和负电极入口212、正电极出口244和负电极出口214以及正电极出口244和负电极入口212之间的压力差之一或其组合(例如，平均值或加权平均值)确定。在一个示例中，可以维持跨正电极侧240和负电极侧210的压降小于多孔层230的气泡压力。该阈值压力差可以对应于一压力差，在该压力差之上，可以减小氢气从负电极侧210穿越到多孔层230的风险，或者可以减小氢气从多孔层230置换液体的风险，从而导致更高的离子电阻。对于跨燃料电池正电极侧的压降(ΔP)小于跨多孔层的压降的情况，方法
1100可以继续到1160，其中控制器继续将氢气引导至燃料电池再平衡反应器的负电极侧，并将液体电解质引导至燃料电池再平衡反应器的正电极侧。

[0072] 对于跨燃料电池正电极侧的压降大于跨多孔层的压降的情况，方法1100可以继续到1170，其中调节所述压降。在一个示例中，氢气流和液体电解质流可以被引导至并联的另一燃料电池再平衡反应器。该方法可以进行以将跨正电极侧和负电极侧的压降与阈值压力差(例如，多孔层的气泡压)进行比较。

[0073] 在一些示例中，在1170处，可以关闭并维护当前的燃料电池再平衡反应器，包括清洁正电极侧流道、更换多孔层和更换正电极中的一个或多个。

[0074] 因此，一种运行氧化还原液流电池的再平衡反应器的方法，包括：使氢气流过再平衡反应器的第一侧，使来自氧化还原液流电池的电解质流过再平衡反应器的第二侧而不使电解质流过反应器的第一侧，以及使氢气和电解质在多孔层的表面流体地接触，多孔层插入在第一侧和第二侧之间。在所述方法的第一示例中，使氢气流过第一侧包括使氢气流过第一侧而不使氢气流过第二侧。所述方法的第二示例可选地包括第一示例，并且还包括其中使来自氧化还原液流电池的电解质流过包括使来自氧化还原液流电池的正电解质室的电解质流过。所述方法的第三示例可选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且还包括其中来自氧化还原液流电池的流动电解质包括来自氧化还原液流电池的负电解质室的流动电解质。所述方法的第四示例可选地包括第一示例至第三示例中的一个或多个，并且还包括其中使氢气和电解质在多孔层的表面流体地接触包括在多孔层的碳质表面上，利用氢气减少电解质中的金属离子。所述方法的第五示例可选地包括第一示例至第四示例中的一个或多个，并且还包括维持跨第二侧的压降小于跨多孔层的压降。所述方法的第六示例可选地包括第一示例至第五示例中的一个或多个，并且还包括其中维持跨第二侧的压降小于跨多孔层的压降包括维持跨第一侧的压降小于多孔层的气泡压。所述方法的第七示例可选地包括第一示例至第六示例中的一个或多个，并且还包括其中维持跨第二侧的压降小于跨多孔层的压降包括维持跨第二侧的压降小于多孔层的气泡压。所述方法的第八示例可选地包括第一示例至第七示例中的一个或多个，并且还包括其中维持跨第二侧的压降小于跨多孔层的压降包括维持跨第二侧的压降比跨多孔层的压降小阈值压力差以上。

[0075] 以这种方式，相比于填充床再平衡反应器或其他传统再平衡反应器，本文描述的燃料电池再平衡反应器可以实现更有效地再平衡氧化还原液流电池系统的电解质电荷的技术效果。此外，燃料电池再平衡反应器是与填充床反应器相比设计更简单的流通型反应器，可并联堆叠并连接以增加容量和灵活性以及电解质再平衡的冗余。例如，在氧化还原液流电池系统的充电和放电期间，在燃料电池再平衡反应器性能下降的情况下(例如，跨正电极侧的压降大于跨多孔层的压降)，氢气和液体电解质可以很容易地被重定向到另一个燃料电池再平衡反应器，而性能较低的再平衡反应器被维修或更换，而不会经历氧化还原液流电池系统的停机时间。

[0076] 注意，本文包括的示例控制和估计例程可以与各种电池和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可以作为可执行指令存储在非暂时性存储器中，并且可以由包括控制器的控制系统结合各种传感器，致动器和其他电池硬件来执行。这里描述的特定例程可以表示任何数量的处理策略中的一个或多个，例如事件驱动、中断驱动、多任务、多线程等。这样，所示的各种动作、操作和/或功能可以以所示顺序执行、并行执行、或者在某些情况下省略。同样地，处理顺序不一定是实现本文描述的示例实施例的特征和优点所必需的，而是为了便于说明和描述而提供的。可以根据所使用的特定策略重复执行所示动作、操作和/或功能中的一个或多个。此外，所描述的动作、操作和/或功能可以图形地表示要编程到引擎控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时性存储器中的代码，其中所描述的动作通过执行系统中的指令来执行，所述系统包括与电子控制器组合的各种电池硬件组件。

[0077] 以下权利要求特别指出了被认为是新颖和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以提到“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这些权利要求应理解为包括一个或多个这样的元件的结合，既不要求也不排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求或通过在该申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护。这些权利要求，无论是否与原始权利要求的范围相比更宽、更窄、相同或不同，也被认为包括在本公开的主题内。

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