專利名稱：電化學(xué)能電池系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
發(fā)明涉及金屬鹵素電化學(xué)能系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
一種電化學(xué)能系統(tǒng)在其正常的分配中通常使用鹵素成分在正極起還原反應(yīng)，并通常在負(fù)極使用適合被氧化的可氧化金屬。隨著鹵素成分在正極被還原，水系電解液用于補(bǔ) 充鹵素成分。所述電解液包括溶解的被氧化的金屬離子和被還原的鹵素離子，并且所述電 解液在電極區(qū)、儲液區(qū)和鹵素注入和混合區(qū)之間循環(huán)以在所述負(fù)極被消耗。這種系統(tǒng)的一 個例子是使用鋅和氯的系統(tǒng)。這種類型的電化學(xué)能系統(tǒng)在較早的專利中已被描述，所述專利包括專利號為 US3, 713，888、US3, 993，502、US4, 001，036、US4, 072，540、US4, 146，680 和 US4, 414，292 的美 國專利。這些系統(tǒng)也在電力研究學(xué)會(Erai)出版的日期為1979年4月電力研究學(xué)會報告 ΕΜ-Ι051(1-3部分)中進(jìn)行了描述。前述引用的參考文獻(xiàn)的詳細(xì)教導(dǎo)在此通過引用并入本文。

發(fā)明內(nèi)容
用于備用的現(xiàn)有電化學(xué)能系統(tǒng)存在一定的弱點和缺陷。這些弱點和缺陷包括但不 限于如下方面 在不給所述系統(tǒng)充電的情況下不能存儲足夠的能量，而在放電條件下排除了可 用性； 在放電期間需要運行制冷系統(tǒng)所帶來的復(fù)雜性和低效率，這會進(jìn)一步減少電容 量； 診斷故障癥狀中的不確定性，這會顯著增加故障幾率；以及 產(chǎn)生氫氣，這是一個顯著的而且代價高昂的安全問題。用于備用的現(xiàn)有金屬鹵素系統(tǒng)的具體弱點或者缺陷同樣包括但不限于如下方 面 由自放電導(dǎo)致的不能維持沒有明顯電容量損耗的準(zhǔn)備狀態(tài)； 由于具有不同電勢的電池之間的內(nèi)部分路電流，鋅金屬的異常分布進(jìn)一步降低 了有效電容量； 由于抽運損耗，要求運行期間的分路電流最小化的長距離小直徑槽進(jìn)一步降低 了系統(tǒng)電容量； 在充電模式期間的金屬的枝狀生長能夠永久損傷金屬鹵素系統(tǒng)并導(dǎo)致過早的 而且危險的故障狀況。本發(fā)明旨在克服一些或者全部這些弱點和缺陷。本發(fā)明不限于事實上的確克服了 全部這些弱點和缺陷的實施方式。旨在克服一些或者全部這些弱點和缺陷的本發(fā)明的一些實施方式是金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)。這些實施方式優(yōu)選地包括至少一個正極和至少一個負(fù)極，一個位于所述 正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)，至少一種包括金屬和鹵素的電解液，以及將所述電解液輸 送通過所述反應(yīng)區(qū)的循環(huán)泵，其中，所述電解液和鹵素反應(yīng)物在抽運之前、抽運時或者抽運 之后被混合。優(yōu)選地，所述正極是由多孔的碳材料制成，所述負(fù)極是由鋅制成，所述金屬包 括鋅，所述鹵素包括氯，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包括氯反 應(yīng)物。這種布置的一種效果是產(chǎn)生電勢。一種優(yōu)選的實施方式還包括將所述電解液和所述鹵素反應(yīng)物混合的混合文氏管， 該實施方式還包括計量閥或者正排量泵，所述計量閥或者正排量泵用于控制流向所述混合 文氏管的鹵素反應(yīng)物流。所述電解液流優(yōu)選地在被輸送通過所述反應(yīng)區(qū)之前經(jīng)過并流(concurring)第一 級二元分流(binary splits)、第二級二元分流和第三級二元分流，從而對于到達(dá)所述反應(yīng) 區(qū)的不同的通路提供相同的流阻。所述系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式還包括儲液器、向上流的電解液返回集合管，和返回管，所述電解液被所述循環(huán)泵從所述儲液器向所述電池輸送并且所述電解液從所述電池向所 述儲液器返回，所述向上流的電解液返回集合管促進(jìn)清除來自所述電池的氣體，所述電解 液從所述電池通過所述返回管向所述儲液器返回。所述鹵素反應(yīng)物優(yōu)選地從外部源提供并且優(yōu)選地受壓供應(yīng)。在本文中“外部”是指位于所述系統(tǒng)之外。來自所述外部源的所述鹵素的膨脹焓有助于冷卻所述系統(tǒng)?？蛇x地， 所述鹵素反應(yīng)物可由位于所述系統(tǒng)內(nèi)部的源提供。所述系統(tǒng)優(yōu)選地包括多個上述電池，其中每一個電池都是水平的并且多個這種電 池在所述系統(tǒng)中縱向堆疊。電池布局的縱向階狀結(jié)構(gòu)(vertical step)有助于導(dǎo)致所述多 個電池中的每一個的電解液流通路被中斷，從而使分路電流中斷，否則所述分路電流在電
解液流停滯后繼續(xù)產(chǎn)生。所述多個電池優(yōu)選地包括多個電池框架。所述電池框架為圓形以便于將所述多個 電池插入壓力容器。各個所述電池框架的優(yōu)選形式包括進(jìn)料集合管元件、分流槽、分流節(jié) 點、間隔突出物(spacer ledges)、合流節(jié)點、收集通道以及返回集合管元件。當(dāng)具有這種形 式的電池框架被堆疊時，這些結(jié)構(gòu)在所述系統(tǒng)內(nèi)形成附加的構(gòu)造。具體而言 所述多個電池框架中的每一個的進(jìn)料集合管元件與所述電池框架中的另一個 的進(jìn)料集合管元件對齊排列，從而形成進(jìn)料集合管； 所述電池框架中的每一個的分流槽和分流節(jié)點與所述電池框架中的另一個的 分流槽和分流節(jié)點對齊，從而形成分流區(qū)； 每個電池的所述正極位于各個電池的所述負(fù)極之上或之下以形成所述正極和 所述負(fù)極的交替層，所述正極和所述負(fù)極放置于所述電池框架的間隔突出物上； 所述多個電池框架中的每一個的所述合流節(jié)點和所述收集通道與所述電池框 架中的另一個的所述合流節(jié)點和所述收集通道對齊，從而形成收集區(qū)；以及 所述電池框架中的每一個的返回集合管元件與所述電池框架中的另一個的所 述返回集合管元件對齊，從而形成返回集合管。所述電池框架可包括用于流體流的旁路元件和電線或者電纜，并且所述電池框架 優(yōu)選地具有用于對齊和夾合元件的穿通孔以對齊和保持所述電池框架在一起。
本發(fā)明不限于帶有包括電池框架的電池的系統(tǒng)。無論是否使用電池框架，所述系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式包括用于將電解液向所述多個 電池傳輸?shù)倪M(jìn)料集合管和分流區(qū)，所述系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式還包括用于收集來自所述多個 電池的電解液的收集區(qū)和返回集合管。每個電池的正極和負(fù)極優(yōu)選地被設(shè)置以當(dāng)電解液流 停滯并且所述進(jìn)料集合管、分流區(qū)、收集區(qū)和返回集合管排盡時與每個電池中的電解液池 保持接觸。在一些實施方式中，可施加平衡電壓以抑制電化學(xué)反應(yīng)從而當(dāng)所述系統(tǒng)處于待用 模式或者靜止模式時維持系統(tǒng)的可用性。也可在所述系統(tǒng)的輸出端使用阻塞二極管以抑制 所述系統(tǒng)內(nèi)的反向電流。所述系統(tǒng)的優(yōu)選實施方式的基本操作如下水系電解液被從儲液器吸出并穿過混 合文氏管，在所述文氏管中將諸如氯元素的鹵素定量添加到電解液。所述鹵素與所述電解 液混合并溶解，同時所述鹵素的液化潛熱也冷卻所述混合物。所述經(jīng)冷卻和鹵化的水系電 解液通過所述泵并向堆疊結(jié)構(gòu)的裝置(stackassembly)中的正極遞送。所述正極優(yōu)選地由 諸如多孔石墨-氯的多孔碳材料制成。所述電解液通過所述正極，還原溶解的鹵素。富含 鹵素離子的電解液接著經(jīng)過一個或者更多的優(yōu)選由諸如鋅的金屬制成的負(fù)極，在負(fù)極處產(chǎn) 生電極分解。這些反應(yīng)產(chǎn)生的能量來自所述電極堆疊結(jié)構(gòu)的終端，并且通過所述金屬和所 述鹵素的反應(yīng)在所述電解液中生成金屬_鹵素。本發(fā)明還包括由根據(jù)所述發(fā)明的金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)的實施方式實施的 方法，本發(fā)明也包括其他的系統(tǒng)和方法。以上提供了本發(fā)明的簡要總結(jié)，這樣可快速理解本發(fā)明的本質(zhì)。通過本文的描述、 顯示優(yōu)選實施方式的附圖和所附的權(quán)利要求書，本發(fā)明的其他發(fā)明目的、特征和優(yōu)點將變 得清晰。


圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的一種金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)；圖2示出了穿過圖1中所示系統(tǒng)的實施方式的電池板的電解液流通路；圖3示出了可被用在圖1和圖2中所示的系統(tǒng)中的電池框架。
具體實施例方式電解液能量電池系統(tǒng)圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)。旨在克服這些弱點和缺陷中的一些或者全部的本發(fā)明的一種實施方式是金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)。該實施方式包括至少一個正極和至少一個負(fù)極，一個位于所述正極 和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)，至少一種包括金屬和鹵素的電解液，以及將所述電解液輸送通 過所述反應(yīng)區(qū)的循環(huán)泵。將所述電解液和鹵素反應(yīng)物在所述抽運之前、抽運時或者抽運之 后被混合，例如使用混合文氏管(mixing venture)混合。優(yōu)選地，所述正極是由多孔的碳 材料制成，所述負(fù)極是由鋅制成，所述金屬包括鋅，所述商素包括氯，所述電解液包括氯化 鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包括氯反應(yīng)物。這種布置的一種效果是產(chǎn)生電勢。這種實施方式的基本操作如下從儲液器吸取水系電解液并且通過混合文氏管，在該混合文氏管中，例如氯元素的鹵素被定量輸入電解液。鹵素與所述電解液混合并溶解 進(jìn)所述電解液中，同時所述鹵素的液化潛熱也冷卻所述混合物。被冷卻并被鹵化的水系電 解液流經(jīng)所述泵并向堆疊結(jié)構(gòu)的裝置的正極被遞送。所述正極優(yōu)選由諸如多孔石墨-氯多 孔碳材料制成。電解液通過正極，還原所述被溶解的鹵素。富含鹵素離子的電解液接著通 過一個或者更多的優(yōu)選由諸如鋅的金屬制成的負(fù)極，在負(fù)極處產(chǎn)生電極分解。這些反應(yīng)從 電極堆疊結(jié)構(gòu)終端產(chǎn)生能量，并且通過金屬與鹵素的反應(yīng)在電解液中生成金屬-鹵素。圖1示出在容器11中容納的電化學(xué)能系統(tǒng)，該電化學(xué)能系統(tǒng)被設(shè)計用來實現(xiàn)前述內(nèi)容。圖2中的系統(tǒng)包括兩個基本部分如圖1所示的堆疊結(jié)構(gòu)的裝置12和儲液器19。堆疊結(jié)構(gòu)的裝置12由多個電池或電池組件13組成，所述電池或電池組件13包括至少一個多孔電極和至少一個金屬電極。優(yōu)選地縱向堆疊這些電池。受壓的鹵素反應(yīng)物通 過進(jìn)料管15從所述系統(tǒng)的外部源經(jīng)過計量閥17輸送至混合文氏管18。循環(huán)泵16循環(huán)電 解液，使電解液從儲液器19經(jīng)過混合文氏管18、堆疊結(jié)構(gòu)的裝置12，并且通過返回管返回 儲液器19。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)電解液從電池返回儲液器時，一些鹵素反應(yīng)物會殘留在電解液中。在一種優(yōu)選的實施方式中，所述多孔電極包括碳材料，所述金屬包括鋅，所述金屬 電極包括鋅電極，所述鹵素包括氯，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng) 物包括氯反應(yīng)物。在一種優(yōu)選的實施方式中，這種布置導(dǎo)致各個電池具有2伏特的電勢，使得21個 電池的堆疊結(jié)構(gòu)的裝置達(dá)到42伏特的電勢。來自外部源的鹵素的膨脹焓更好地冷卻系統(tǒng)。 因此，在沒有產(chǎn)生過度熱量的情況下能夠提供強(qiáng)大電勢。電解液流圖2示出流經(jīng)在圖1中示出的系統(tǒng)的實施方式中的電池板的電解液流通路。在圖 2中，箭頭表示電解液流通路28。這些通路從進(jìn)料集合管21到分流區(qū)22，通過多孔電極23、 越過金屬電極25到收集區(qū)26，經(jīng)過返回集合管27并到返回管29。在一種優(yōu)選的實施方式中，在金屬電極25底部上的薄膜24阻止電解液流在通過 所述多孔電極前與所述金屬電極接觸。這些薄膜優(yōu)選地是用粘合劑固定在金屬電極底部的 塑料薄膜。也可以采用其它的方式固定其它類型的薄膜?？蛇x地，薄膜可以被省略。采用圖2中示出的布置，各個電池中的多孔電極和金屬電極被設(shè)置為當(dāng)電解液流 停滯并且進(jìn)料集合管、分流區(qū)、收集區(qū)和返回集合管排盡時，維持與每個電池中電解液池的 接觸。此外，縱向堆疊結(jié)構(gòu)的電池和電池布局導(dǎo)致所述多個電池中的每一個電池內(nèi)的電 解液流通路，該流通路可以中斷分路電流，否則當(dāng)電解液流停滯時會產(chǎn)生分路電流。因為這 些分路電流會導(dǎo)致金屬板之間的反應(yīng)從而腐蝕金屬板而不產(chǎn)生任何有用的電勢，所以不希 望產(chǎn)生這些分路電流。在輸送通過多孔電極之前，與鹵素反應(yīng)物混合的電解液優(yōu)選地經(jīng)過第一級分流、 第二級分流和第三級分流以提供到達(dá)多孔電極的不同通路的相同流阻。每一次分流優(yōu)選地 將流體劃分為二，雖然不是必須是這種情形。圖3示出一種能夠?qū)崿F(xiàn)這些分流的可能的電 池設(shè)計。電池框架圖3示出一種電池設(shè)計，該電池設(shè)計采用電池框架以實現(xiàn)圖2中所示的結(jié)構(gòu)和流 動。這些電池框架優(yōu)選包括進(jìn)料集合管元件31、分流槽32、分流節(jié)點33、間隔突出物35、合流節(jié)點36、收集通道37、返回集合管元件38和旁路元件34。當(dāng)這些電池框架縱向堆疊并且各電極就位時，這些元件結(jié)合以形成圖2所示的元件，該元件如下所述■所述多個電池框架中的每一個的進(jìn)料集合管元件與所述電池框架中的另一個 的進(jìn)料集合管元件對齊，從而形成進(jìn)料集合管；■所述電池框架中的每一個的分流槽和分流節(jié)點與另一個所述電池框架中的分 流槽和分流節(jié)點對齊，從而形成分流區(qū)；■每個電池的所述正極位于各個電池的所述負(fù)極之上或之下以形成所述正極和 所述負(fù)極的交替層，所述正極和所述負(fù)極放置于所述電池框架的間隔突出物上；■所述多個電池框架中的每一個的合流節(jié)點和分流槽與所述電池框架中的另一 個的合流節(jié)點和分流槽對齊，從而形成分流區(qū)；■所述電池框架中的每一個的返回集合管元件與所述電池框架中的另一個的返 回集合管元件對齊，從而形成返回集合管；以及■所述電池框架中的每一個的所述旁路管元件與所述電池框架中的另一個的旁 路管元件對齊，從而形成用于流體流的旁路和/或電線或電纜。電池框架優(yōu)選為圓形以便于將多個電池插入到例如容器11的壓力容器中。基于電池框架的設(shè)計通過均勻分布、雙極電設(shè)計、易于制造、內(nèi)部旁通路和能實現(xiàn) 靜止運行模式(下文所述)的元件有助于電解液流的低損耗。所述電池框架的創(chuàng)新包括 但不限于在分流區(qū)的分流設(shè)計，所述分流設(shè)計包括在流體槽中的第一級分流、第二級分流 和第三級分流以向反應(yīng)區(qū)每個電池輸送八個進(jìn)料通道。借助進(jìn)入各個分流之前的全程層 流(laminar flow)和均勻?qū)恿鳎@種設(shè)計試圖確保反應(yīng)區(qū)的各個出口通過相同長度的槽、 相同數(shù)目和半徑的彎曲。這種設(shè)計促使平均劃分流量，不依賴電解液中的流速、粘度均勻或 者密度均勻。這些特征已經(jīng)被發(fā)現(xiàn)當(dāng)通過系統(tǒng)供給氣體和液相的混合物時具有特別的重要 性?？蛇x地，沒有采用電池框架也能實現(xiàn)相同類型的結(jié)構(gòu)和流動(即，如圖2中所示)。操作模式根據(jù)本發(fā)明的能電池系統(tǒng)優(yōu)選具有三種操作模式關(guān)閉模式、功率模式和靜止模 式。這些模式在下文的鋅-氯系統(tǒng)的環(huán)境中描述。然而，也可采用其他的金屬-鹵素系統(tǒng) 來執(zhí)行所述模式。關(guān)閉模式一般用于存儲或者運輸。在關(guān)閉模式期間，循環(huán)泵關(guān)閉。在堆疊結(jié)構(gòu)的 裝置中的少量的元素氯被還原并且與鋅離子結(jié)合形成氯化鋅。堆疊結(jié)構(gòu)的終端優(yōu)選通過短 路電阻連接，產(chǎn)生零電壓的堆積電勢(stack potential)。優(yōu)選使用阻塞二極管以阻止反向 電流通過任何外部電壓源流經(jīng)所述系統(tǒng)。在功率模式期間啟用電解液循環(huán)泵。使包含被溶解的氯的陰極電解液(即，電解 液)循環(huán)通過包含鋅陽極板的堆疊結(jié)構(gòu)的裝置。隨著鋅離子的形成，電子被釋放，優(yōu)選地每 個電池產(chǎn)生2. 02伏特電勢，從而在所述集電板的終端產(chǎn)生電能，該集電板優(yōu)選位于堆疊結(jié) 構(gòu)的裝置的每一端。對來自系統(tǒng)的用電需求消耗氯并且降低了儲液器中的壓力，這導(dǎo)致計 量閥釋放高壓氯到混合文氏管中。這種設(shè)計特征對加速氯氣在電解液中的液化以及均勻地 冷卻電解液而不存在在注入點凍結(jié)的風(fēng)險兩方面都有幫助。注入速率優(yōu)選地由堆疊結(jié)構(gòu)的裝置中的電化學(xué)反應(yīng)速率確定。計量閥和循環(huán)泵優(yōu)選地提供足夠的響應(yīng)速度以匹配快速改 變的瞬時能量的需求。隨著被壓縮的氯被釋放到系統(tǒng)中，它的膨脹焓應(yīng)在熱能運行限度內(nèi) 吸收充足的熱量以維持能量電池。 在靜止模式或者待用模式期間，應(yīng)該幾乎沒有或者沒有電解液流或氯注入。通過 使用用于維持系統(tǒng)可用性的平衡電壓，系統(tǒng)的可用性被更好地維持。平衡電壓可以通過在 電池堆疊結(jié)構(gòu)上維持精確的電勢以抵消與循環(huán)泵關(guān)閉一起出現(xiàn)的電化學(xué)反應(yīng)力來阻止自 放電。電池板的特殊設(shè)計有助于中斷分路電流，否則，當(dāng)經(jīng)由雙極電極板維持電池與電池的 電連續(xù)性的時候，所述分路電流會流經(jīng)進(jìn)料管和返回管。雖然這些是優(yōu)選的操作模式，但本發(fā)明不限于這些模式或者這些模式的細(xì)節(jié)。更 確切地說，某些實施方式可能具有這些模式中的一些，或者完全不具有這些模式，或者具有 不同的運行模式。發(fā)明_既述應(yīng)該以最普遍的可能的形式來理解本申請。這包括但不限于以下方面 關(guān)于具體的技術(shù)，其包括可選的和更普遍的技術(shù)，尤其是當(dāng)討論本發(fā)明的各方 面或者討論如何制造或使用本發(fā)明的時候。 關(guān)于“優(yōu)選的”技術(shù)，其通常意味著發(fā)明人預(yù)期使用的那些技術(shù)，并且發(fā)明人認(rèn) 為這些“優(yōu)選的”技術(shù)最適合于預(yù)期的應(yīng)用。這不排除用于本發(fā)明的其他技術(shù)，并且也不意 味著那些技術(shù)必然是必要的或者在所有情況下都是優(yōu)選的。 關(guān)于對某些實施所涉及到的原因和效果，其并不排除可能在其它實施中出現(xiàn)的 其它的原因或效果。 關(guān)于使用特殊的技術(shù)的原因，其并不排除其他原因或技術(shù)，即使其他原因或技 術(shù)是完全相反的，此時這種情況會暗示出指定的原因或技術(shù)是不適用的。 此外，本發(fā)明絕不局限于任何特殊實施方式和本文公開的實施例的細(xì)節(jié)。在屬于 本發(fā)明的內(nèi)容、范圍和構(gòu)思之內(nèi)的許多其他的改變是可能的，并且在本領(lǐng)域技術(shù)人員研讀 本申請之后，這些改變對于他們來說是清楚的。
權(quán)利要求
一種產(chǎn)生電勢的金屬鹵素電化學(xué)能產(chǎn)生系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個電池，所述電池包括至少一個正極(多孔＝多孔碳材料)；至少一個負(fù)極(金屬＝鋅)；位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)；至少一種電解液，所述電解液包括金屬元素和鹵素元素；以及循環(huán)泵，所述循環(huán)泵輸送所述電解液通過所述反應(yīng)區(qū)，其中所述電解液和鹵素反應(yīng)物在抽運之前、抽運時或抽運之后混合。
2.如權(quán)利要求(出錯！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，其中所述正極包括多孔碳材料。
3.如權(quán)利要求(出錯！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)極包括鋅，所述金屬 包括鋅，所述鹵素包括氯，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包括氯 反應(yīng)物。
4.如權(quán)利要求(出錯！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括混合文氏管，所 述混合文氏管混合所述電解液和所述鹵素反應(yīng)物。
5.如權(quán)利要求(出錯！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，其中所述電解液流在被輸送通 過所述反應(yīng)區(qū)之前經(jīng)過并流的第一級二元分流、第二級二元分流和第三級二元分流以實現(xiàn) 到所述反應(yīng)區(qū)的不同通路的相同流阻。
6.如權(quán)利要求(出錯！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括儲液器，所述電 解液由所述循環(huán)泵從所述儲液器向所述電池輸送并從所述電池向所述儲液器返回。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括向上流的電解液返回集合管以促進(jìn)從所 述電池處的氣體清除。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括返回管，所述電解液從所述電池通過所 述返回管向所述儲液器返回。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述鹵素反應(yīng)物由外部源提供。
10.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其中所述鹵素反應(yīng)物受壓提供，并且其中來自于所述外 部源的所述鹵素的膨脹焓增加使得所述系統(tǒng)冷卻。
11.如權(quán)利要求(出錯！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括計量閥或正排 量泵，所述計量閥或所述正排量泵控制鹵素反應(yīng)物流。
12.如權(quán)利要求(出錯！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括多個所述電池。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中多個水平的所述電池在系統(tǒng)中縱向堆疊。
14.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中所述多個電池還包括多個電池框架。
15.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述電池框架為圓形以便于所述多個電池插入壓 力容器。
16.如權(quán)利要求145所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括所述壓力容器。
17.如權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其中所述電池框架中的每一個還包括進(jìn)料集合管元 件、分流槽、分流節(jié)點、間隔突出物、合流節(jié)點、收集槽和返回集合管元件。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中，所述多個電池框架中的每一個的進(jìn)料集合管元件都與所述電池框架中的另一個的進(jìn)料集合管元件對齊從而形成進(jìn)料集合管；所述多個電池框架中的每一個的分流槽和分流節(jié)點都與所述電池框架中的另一個的 分流槽和分流節(jié)點對齊從而形成分流區(qū)；每個電池的正極位于每個電池的負(fù)極之上或之下以形成所述正極和所述負(fù)極的交替 層，所述正極和所述負(fù)極放置于所述電池框架的間隔突出物上；所述多個電池框架中的每一個的所述合流節(jié)點和所述收集槽與另一個的所述合流節(jié) 點和所述收集槽對齊以形成收集區(qū)；以及所述電池框架中的每一個的所述返回集合管元件與所述電池框架中的另一個的所述 返回集合管元件對齊從而形成返回集合管。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述電池框架中的每一個還包括用于流體流的旁 路導(dǎo)管元件和電線或電纜。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述電池框架中的每一個還具有用于對齊和夾合 元件的穿通孔以對齊和保持所述電池框架在一起，并且每個所述電池框架還包括所述對齊 和夾合元件。
21.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中電池布局中的縱向階狀結(jié)構(gòu)在所述多個電池中的 每一個內(nèi)導(dǎo)致被中斷的電解液流通路，從而中斷分路電流，否則分路電流則會在電解液流 停滯后繼續(xù)產(chǎn)生。
22.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括 進(jìn)料集合管和將所述電解液導(dǎo)向所述多個電池的分流區(qū)； 收集區(qū)和用于收集來自所述多個電池的電解液的返回集合管。
23.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，其中各個所述電池中的正極和負(fù)極被設(shè)置以當(dāng)電解液 流停滯并且所述進(jìn)料集合管、所述分流區(qū)、所述收集區(qū)和所述返回集合管排盡時維持與電 解液池的接觸。
24.如權(quán)利要求22所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括儲液器，所述電解液由所述循環(huán)泵從 所述儲液器向所述進(jìn)料收集管輸送并從所述返回集合管向所述儲液器返回。
25.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括向上流的電解液返回集合管以便于來 自于所述電池的氣體的清除。
26.如權(quán)利要求24所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括返回管，所述返回管位于所述電池框 架的內(nèi)部，所述電解液通過所述返回管從所述電池向所述儲液器返回。
27.一種金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括至少一個電池，所述電池包括正極、負(fù)極、位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)和分 流區(qū)；水系電解液，所述水系電解液包括金屬元素和鹵素元素； 儲液器，所述儲液器收集電解液；以及 循環(huán)泵，所述循環(huán)泵輸送所述電解液通過所述系統(tǒng)；其中，所述分流區(qū)包含分流節(jié)點，流體槽在所述分流節(jié)點并流且重復(fù)地分為兩支流以 實現(xiàn)到所述反應(yīng)區(qū)的不同通路的相同流阻。
28.如權(quán)利要求27所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)極包括鋅，所述鹵素包括氯，所述正極包括 多孔碳材料，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包括氯反應(yīng)物。
29.一種金屬鹵素能電池系統(tǒng)，包括至少一個電池，所述電池包括正極、負(fù)極和位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)；水系電解液，所述水系電解液包括金屬元素和鹵素元素；儲液器，所述儲液器收集電解液；循環(huán)泵，所述循環(huán)泵輸送所述電解液通過所述系統(tǒng)；以及鹵素計量元件，所述鹵素從外部源通過所述鹵素計量元件予以補(bǔ)充。
30.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)極包括鋅，所述金屬包括鋅，所述鹵素包括 氯，所述正極包括多孔碳材料，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包 括氯反應(yīng)物。
31.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中所述鹵素計量元件是閥門或是正排量泵。
32.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中氯從所述外部源供給所述鹵素計量元件。
33.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中來自于所述外部源的鹵素的膨脹焓使得所述系統(tǒng) 冷卻。
34.一種金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)，包括至少一個電池，所述電池包括正極、負(fù)極和位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)； 水系電解液，所述水系電解液包括金屬元素和鹵素元素； 儲液器，所述儲液器收集電解液；以及 循環(huán)泵，所述循環(huán)泵輸送所述電解液通過所述系統(tǒng)；其中，平衡電壓被施加以抑制電化學(xué)反應(yīng)從而當(dāng)所述系統(tǒng)處于待用模式或靜止模式時 維持系統(tǒng)的可用性。
35.如權(quán)利要求34所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)極包括鋅，所述鹵素包括氯，所述正極包括 多孔碳材料，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包括氯反應(yīng)物。
36.一種金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)，包括至少一個電池，所述電池包括正極、負(fù)極和位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)；水系電解液，所述水系電解液包括金屬元素和鹵素元素；鹵素反應(yīng)物，所述鹵素反應(yīng)物與所述電解液混合；儲液器，所述儲液器收集電解液；循環(huán)泵，所述循環(huán)泵輸送所述電解液通過所述系統(tǒng)；輸出端，所述輸出端與所述至少一個電池連接；以及阻塞二極管，所述阻塞二極管應(yīng)用于所述輸出端以抑制所述系統(tǒng)內(nèi)的反向電流。
37.如權(quán)利要求36所述的系統(tǒng)，其中所述負(fù)極包括鋅，所述金屬包括鋅，所述鹵素包括 氯，所述正極包括多孔碳材料，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包 括氯反應(yīng)物。
38.一種使用金屬鹵素電化學(xué)能系統(tǒng)產(chǎn)生電勢的方法，包括如下步驟 混合電解液和鹵素反應(yīng)物，其中所述電解液包括金屬元素和鹵素元素；以及輸送所述電解液通過至少一個電池，所述至少一個電池包括至少一個正極和至少一個 負(fù)極，其中所述電解液通過所述正極并越過所述負(fù)極。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述正極包括多孔碳材料。
40.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述負(fù)極包括鋅，所述金屬包括鋅，所述鹵素包括氯，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包括氯反應(yīng)物。
41.如權(quán)利要求38所述的方法，其中所述電解液和所述鹵素反應(yīng)物由混合文氏管混I=I ο
42.如權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括在輸送所述電解液通過所述正極之前 使所述電解液進(jìn)入并流的第一級分流、第二級分流和第三級分流，從而實現(xiàn)到位于所述正 極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)的不同通路的相同流阻。
43.如權(quán)利要求38所述的方法，其中電解液從儲液器流至所述電池并且從所述電池返 回所述儲液器。
44.如權(quán)利要求43所述的方法，所述方法還包括使所述電解液在返回集合管內(nèi)向上流 以便于來自所述電池的氣體的清除的步驟。
45.如權(quán)利要求43所述的方法，所述方法還包括使所述電解液通過管子向所述儲液器 返回的步驟。
46.如權(quán)利要求43所述的方法，所述方法還包括從外部源向所述系統(tǒng)提供所述鹵素反 應(yīng)物的步驟。
47.如權(quán)利要求43所述的方法，其中來自于所述外部源的鹵素的膨脹焓使得所述系統(tǒng) 冷卻。
48.如權(quán)利要求38所述的方法，所述方法還包括使用計量閥或正排量泵控制所述鹵素 反應(yīng)物流的步驟。
49.如權(quán)利要求38所述的方法，其中輸送所述電解液通過至少一個電池還包括輸送所 述電解液通過多個所述電池。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述多個水平的電池在所述系統(tǒng)中縱向堆疊。
51.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述多個電池還包括多個電池框架。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其中所述電池框架為圓形以便于所述多個電池插入壓 力容器。
53.如權(quán)利要求51所述的方法，其中所述多個電池容納在所述壓力容器內(nèi)。
54.如權(quán)利要求51所述的方法，其中輸送所述電解液通過所述多個電池框架還包括輸 送所述電解液通過進(jìn)料集合管元件、分流槽、分流節(jié)點、間隔突出物、合流節(jié)點、收集槽和返 回集合管元件。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其中所述多個電池框架中的每一個的進(jìn)料集合管元件與所述多個電池框架中的另一個的 進(jìn)料集合管元件對齊從而形成進(jìn)料集合管；所述電池框架中的每一個的分流槽和分流節(jié)點都與所述電池框架中的另一個的分流 槽和分流節(jié)點對齊從而形成分流區(qū)；每個電池的所述正極位于各個電池的所述負(fù)極之上或之下以形成所述正極和所述負(fù) 極的交替層，所述正極和所述負(fù)極放置于所述電池框架的間隔突出物上；所述多個電池框架中的每一個的所述合流節(jié)點和所述收集槽與所述多個電池框架中 的另一個的所述合流節(jié)點和所述收集槽對齊以形成收集區(qū)；以及所述電池框架中的每一個的所述返回集合管元件與所述電池框架中的另一個的所述 返回集合管元件對齊從而形成返回集合管。
56.如權(quán)利要求54所述的方法，其中各個所述電池框架還包括用于流體流的旁路導(dǎo)管 元件和電線或電纜。
57.如權(quán)利要求54所述的方法，其中，所述電池框架中的每一個還具有用于對齊和夾 合元件的穿通孔以對齊和保持所述電池框架在一起，并且所述電池框架中的每一個還包括 所述對齊和夾合元件。
58.如權(quán)利要求49所述的方法，所述方法還包括如下步驟使用在電池布局中的縱向階狀結(jié)構(gòu)以中斷所述多個電池中的每一個電池內(nèi)的電解液 流通路，從而中斷分路電流，否則分路電流則會在電解液流停滯后繼續(xù)產(chǎn)生。
59.如權(quán)利要求49所述的方法，其中輸送所述電解液通過所述多個電池還包括通過進(jìn) 料集合管和分流區(qū)向所述多個電池輸送所述電解液并從所述多個電池通過收集區(qū)和返回集合管。
60.如權(quán)利要求49所述的方法，所述方法還包括如下步驟當(dāng)電解液流停滯并且所述進(jìn)料集合管、所述分流區(qū)、所述收集區(qū)和所述返回集合管排 盡時維持與電解液池的接觸。
61.如權(quán)利要求59所述的方法，其中輸送所述電解液通過所述多個電池還包括從儲液 器向所述進(jìn)料收集管輸送所述電解液以及從所述返回集合管向所述儲液器輸送所述電解 液。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，所述方法還包括使電解液向上流進(jìn)入所述返回集合管 以便于來自所述電池的氣體的清除的步驟。
63.如權(quán)利要求61所述的方法，所述方法還包括將所述電解液通過內(nèi)置于所述電池框 架內(nèi)的管子向所述儲液器返回的步驟。
64.一種使用金屬鹵素電化學(xué)能系統(tǒng)產(chǎn)生電勢的方法，包括如下步驟輸送包括金屬元素和鹵素元素的水系電解液通過至少一個電池，所述電池包括正極、 負(fù)極、位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)和分流區(qū)；以及在儲液器中收集所述電解液；其中所述分流區(qū)包含分流節(jié)點，分流槽在所述分流節(jié)點并流且重復(fù)地分為兩支流以實 現(xiàn)到所述反應(yīng)區(qū)的不同通路的相同流阻。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中所述負(fù)極包括鋅，所述金屬包括鋅，所述鹵素包括 氯，所述正極包括多孔碳材料，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包 括氯反應(yīng)物。
66.一種使用金屬鹵素電化學(xué)能系統(tǒng)產(chǎn)生電勢的方法，包括如下步驟輸送包括金屬元素和鹵素元素的水系電解液通過至少一個電池，所述電池包括正極、 負(fù)極和位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)；在儲液器中收集所述電解液；以及使用鹵素計量元件從外部源補(bǔ)充所述鹵素。
67.如權(quán)利要求66所述的方法，其中所述負(fù)極包括鋅，所述金屬包括鋅，所述鹵素包括 氯，所述正極包括多孔碳材料，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包 括氯反應(yīng)物。
68.如權(quán)利要求66所述的方法，其中所述鹵素計量元件是閥門或是正排量泵。
69.如權(quán)利要求66所述的方法，其中鹵素從所述外部源輸入所述鹵素計量元件。
70.如權(quán)利要求66所述的方法，其中來自所述外部源的鹵素的膨脹焓使得所述系統(tǒng)冷卻。
71.一種使用金屬鹵素電化學(xué)能系統(tǒng)產(chǎn)生電勢的方法，包括如下步驟輸送包括金屬元素和鹵素元素的水系電解液通過至少一個電池，所述電池包括正極、 負(fù)極、位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)； 在儲液器中收集所述電解液；以及施加平衡電壓以抑制電化學(xué)反應(yīng)從而當(dāng)所述系統(tǒng)處于待用模式或靜止模式時維持系 統(tǒng)的可用性。
72.如權(quán)利要求71所述的方法，其中所述負(fù)極包括鋅，所述金屬包括鋅，所述鹵素包括 氯，所述正極包括多孔碳材料，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包 括氯反應(yīng)物。
73.一種使用金屬鹵素電化學(xué)能系統(tǒng)產(chǎn)生電勢的方法，包括如下步驟輸送包括金屬元素和鹵素元素的水系電解液通過至少一個電池，所述電池包括正極、 負(fù)極、位于所述正極和所述負(fù)極之間的反應(yīng)區(qū)； 混合鹵素反應(yīng)物和所述電解液； 在儲液器中收集所述電解液；以及在所述系統(tǒng)的輸出端使用阻塞二極管以抑制所述系統(tǒng)內(nèi)的反向電流。
74.如權(quán)利要求73所述的方法，其中所述負(fù)極包括鋅，所述金屬包括鋅，所述鹵素包括 氯，所述正極包括多孔碳材料，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且所述鹵素反應(yīng)物包 括氯反應(yīng)物。
全文摘要
一種產(chǎn)生電勢的金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)。所述系統(tǒng)的一種實施方式包括至少一個電池，所述電池包括至少一個正極和至少一個負(fù)極；至少一種電解液；將所述電解液與鹵素反應(yīng)物混合的混合文氏管和循環(huán)泵，所述循環(huán)泵將與所述鹵素反應(yīng)物混合的電解液輸送通過所述正極并越過金屬電極。優(yōu)選地，所述正極包括多孔碳材料，所述負(fù)極包括鋅，所述金屬包括鋅，所述鹵素包括氯，所述電解液包括氯化鋅水系電解液，并且，所述鹵素反應(yīng)物包括氯反應(yīng)物。此外，本發(fā)明也公開了所述系統(tǒng)的各種變化和一種操作所述系統(tǒng)的方法。
文檔編號H01M4/02GK101803087SQ200880003067
公開日2010年8月11日 申請日期2008年1月16日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月16日
發(fā)明者里克·溫特 申請人:普里默斯電力公司