專(zhuān)利名稱(chēng)：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(chǔ)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(gè)例子是使用鋅和氯的系統(tǒng)。這種類(lèi)型的電化學(xué)能系統(tǒng)在較早的專(zhuān)利中已被描述，所述專(zhuān)利包括專(zhuān)利號(hào)為 US3, 713，888、US3, 993，502、US4, 001，036、US4, 072，540、US4, 146，680 和 US4, 414，292 的美 國(guó)專(zhuān)利。這些系統(tǒng)也在電力研究學(xué)會(huì)(Erai)出版的日期為1979年4月電力研究學(xué)會(huì)報(bào)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(guò)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(diǎn)和缺陷。這些弱點(diǎn)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(chǔ)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(yùn)行制冷系統(tǒng)所帶來(lái)的復(fù)雜性和低效率，這會(huì)進(jìn)一步減少電容 量； 診斷故障癥狀中的不確定性，這會(huì)顯著增加故障幾率；以及 產(chǎn)生氫氣，這是一個(gè)顯著的而且代價(jià)高昂的安全問(wèn)題。用于備用的現(xiàn)有金屬鹵素系統(tǒng)的具體弱點(diǎn)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(méi)有明顯電容量損耗的準(zhǔn)備狀態(tài)； 由于具有不同電勢(shì)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(yùn)損耗，要求運(yùn)行期間的分路電流最小化的長(zhǎng)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(zhǎng)能夠永久損傷金屬鹵素系統(tǒng)并導(dǎo)致過(guò)早的 而且危險(xiǎn)的故障狀況。本發(fā)明旨在克服一些或者全部這些弱點(diǎn)和缺陷。本發(fā)明不限于事實(shí)上的確克服了 全部這些弱點(diǎn)和缺陷的實(shí)施方式。旨在克服一些或者全部這些弱點(diǎn)和缺陷的本發(fā)明的一些實(shí)施方式是金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)。這些實(shí)施方式優(yōu)選地包括至少一個(gè)正極和至少一個(gè)負(fù)極，一個(gè)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(guò)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(yùn)之前、抽運(yùn)時(shí)或者抽運(yùn) 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(shì)。一種優(yōu)選的實(shí)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(shí)施方式還包括計(jì)量閥或者正排量泵，所述計(jì)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(guò)所述反應(yīng)區(qū)之前經(jīng)過(guò)并流(concurring)第一 級(jí)二元分流(binary splits)、第二級(jí)二元分流和第三級(jí)二元分流，從而對(duì)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(shí)施方式還包括儲(chǔ)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(chǔ)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(chǔ)液器返回，所述向上流的電解液返回集合管促進(jìn)清除來(lái)自所述電池的氣體，所述電解 液從所述電池通過(guò)所述返回管向所述儲(chǔ)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(lái)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(gè)上述電池，其中每一個(gè)電池都是水平的并且多個(gè)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(gè)電池中的每一個(gè)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(gè)電池優(yōu)選地包括多個(gè)電池框架。所述電池框架為圓形以便于將所述多個(gè) 電池插入壓力容器。各個(gè)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(diǎn)、間隔突出物(spacer ledges)、合流節(jié)點(diǎn)、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(shí)，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(gè)電池框架中的每一個(gè)的進(jìn)料集合管元件與所述電池框架中的另一個(gè) 的進(jìn)料集合管元件對(duì)齊排列，從而形成進(jìn)料集合管； 所述電池框架中的每一個(gè)的分流槽和分流節(jié)點(diǎn)與所述電池框架中的另一個(gè)的 分流槽和分流節(jié)點(diǎn)對(duì)齊，從而形成分流區(qū)； 每個(gè)電池的所述正極位于各個(gè)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(gè)電池框架中的每一個(gè)的所述合流節(jié)點(diǎn)和所述收集通道與所述電池框 架中的另一個(gè)的所述合流節(jié)點(diǎn)和所述收集通道對(duì)齊，從而形成收集區(qū)；以及 所述電池框架中的每一個(gè)的返回集合管元件與所述電池框架中的另一個(gè)的所 述返回集合管元件對(duì)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(xiàn)或者電纜，并且所述電池框架 優(yōu)選地具有用于對(duì)齊和夾合元件的穿通孔以對(duì)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(wú)論是否使用電池框架，所述系統(tǒng)的優(yōu)選實(shí)施方式包括用于將電解液向所述多個(gè) 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(shí)施方式還包括用于收集來(lái)自所述多個(gè) 電池的電解液的收集區(qū)和返回集合管。每個(gè)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(shí)與每個(gè)電池中的電解液池 保持接觸。在一些實(shí)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(shí)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(shí)施方式的基本操作如下水系電解液被從儲(chǔ)液器吸出并穿過(guò)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(shí)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(guò)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(guò)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(guò)一個(gè)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(lái)自所述電極堆疊結(jié)構(gòu)的終端，并且通過(guò)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(shí)施方式實(shí)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(jiǎn)要總結(jié)，這樣可快速理解本發(fā)明的本質(zhì)。通過(guò)本文的描述、 顯示優(yōu)選實(shí)施方式的附圖和所附的權(quán)利要求書(shū)，本發(fā)明的其他發(fā)明目的、特征和優(yōu)點(diǎn)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(guò)圖1中所示系統(tǒng)的實(shí)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(shí)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(diǎn)和缺陷中的一些或者全部的本發(fā)明的一種實(shí)施方式是金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)。該實(shí)施方式包括至少一個(gè)正極和至少一個(gè)負(fù)極，一個(gè)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(guò)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(yùn)之前、抽運(yùn)時(shí)或者抽運(yùn)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(shì)。這種實(shí)施方式的基本操作如下從儲(chǔ)液器吸取水系電解液并且通過(guò)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(shí)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(guò)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(guò)一個(gè)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(guò)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(jì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)前述內(nèi)容。圖2中的系統(tǒng)包括兩個(gè)基本部分如圖1所示的堆疊結(jié)構(gòu)的裝置12和儲(chǔ)液器19。堆疊結(jié)構(gòu)的裝置12由多個(gè)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(gè)多孔電極和至少一個(gè)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(guò)進(jìn)料管15從所述系統(tǒng)的外部源經(jīng)過(guò)計(jì)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(chǔ)液器19經(jīng)過(guò)混合文氏管18、堆疊結(jié)構(gòu)的裝置12，并且通過(guò)返回管返回 儲(chǔ)液器19。應(yīng)當(dāng)理解，當(dāng)電解液從電池返回儲(chǔ)液器時(shí)，一些鹵素反應(yīng)物會(huì)殘留在電解液中。在一種優(yōu)選的實(shí)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(shí)施方式中，這種布置導(dǎo)致各個(gè)電池具有2伏特的電勢(shì)，使得21個(gè) 電池的堆疊結(jié)構(gòu)的裝置達(dá)到42伏特的電勢(shì)。來(lái)自外部源的鹵素的膨脹焓更好地冷卻系統(tǒng)。 因此，在沒(méi)有產(chǎn)生過(guò)度熱量的情況下能夠提供強(qiáng)大電勢(shì)。電解液流圖2示出流經(jīng)在圖1中示出的系統(tǒng)的實(shí)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(guò)多孔電極23、 越過(guò)金屬電極25到收集區(qū)26，經(jīng)過(guò)返回集合管27并到返回管29。在一種優(yōu)選的實(shí)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(guò) 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(lèi)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(gè)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(shí)，維持與每個(gè)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(gè)電池中的每一個(gè)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(shí)會(huì)產(chǎn)生分路電流。因?yàn)檫@ 些分路電流會(huì)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(shì)，所以不希 望產(chǎn)生這些分路電流。在輸送通過(guò)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(guò)第一級(jí)分流、 第二級(jí)分流和第三級(jí)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(jì)。電池框架圖3示出一種電池設(shè)計(jì)，該電池設(shè)計(jì)采用電池框架以實(shí)現(xiàn)圖2中所示的結(jié)構(gòu)和流 動(dòng)。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(diǎn)33、間隔突出物35、合流節(jié)點(diǎn)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(shí)，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(gè)電池框架中的每一個(gè)的進(jìn)料集合管元件與所述電池框架中的另一個(gè) 的進(jìn)料集合管元件對(duì)齊，從而形成進(jìn)料集合管；■所述電池框架中的每一個(gè)的分流槽和分流節(jié)點(diǎn)與另一個(gè)所述電池框架中的分 流槽和分流節(jié)點(diǎn)對(duì)齊，從而形成分流區(qū)；■每個(gè)電池的所述正極位于各個(gè)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(gè)電池框架中的每一個(gè)的合流節(jié)點(diǎn)和分流槽與所述電池框架中的另一 個(gè)的合流節(jié)點(diǎn)和分流槽對(duì)齊，從而形成分流區(qū)；■所述電池框架中的每一個(gè)的返回集合管元件與所述電池框架中的另一個(gè)的返 回集合管元件對(duì)齊，從而形成返回集合管；以及■所述電池框架中的每一個(gè)的所述旁路管元件與所述電池框架中的另一個(gè)的旁 路管元件對(duì)齊，從而形成用于流體流的旁路和/或電線(xiàn)或電纜。電池框架優(yōu)選為圓形以便于將多個(gè)電池插入到例如容器11的壓力容器中?；陔姵乜蚣艿脑O(shè)計(jì)通過(guò)均勻分布、雙極電設(shè)計(jì)、易于制造、內(nèi)部旁通路和能實(shí)現(xiàn) 靜止運(yùn)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(jì)，所述分流設(shè)計(jì)包括在流體槽中的第一級(jí)分流、第二級(jí)分流 和第三級(jí)分流以向反應(yīng)區(qū)每個(gè)電池輸送八個(gè)進(jìn)料通道。借助進(jìn)入各個(gè)分流之前的全程層 流(laminar flow)和均勻?qū)恿?，這種設(shè)計(jì)試圖確保反應(yīng)區(qū)的各個(gè)出口通過(guò)相同長(zhǎng)度的槽、 相同數(shù)目和半徑的彎曲。這種設(shè)計(jì)促使平均劃分流量，不依賴(lài)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(guò)系統(tǒng)供給氣體和液相的混合物時(shí)具有特別的重要 性。可選地，沒(méi)有采用電池框架也能實(shí)現(xiàn)相同類(lèi)型的結(jié)構(gòu)和流動(dòng)(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(lái)執(zhí)行所述模式。關(guān)閉模式一般用于存儲(chǔ)或者運(yùn)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(guò)短 路電阻連接，產(chǎn)生零電壓的堆積電勢(shì)(stack potential)。優(yōu)選使用阻塞二極管以阻止反向 電流通過(guò)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(guò)包含鋅陽(yáng)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(gè)電池產(chǎn)生2. 02伏特電勢(shì)，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(duì)來(lái)自系統(tǒng)的用電需求消耗氯并且降低了儲(chǔ)液器中的壓力，這導(dǎo)致計(jì) 量閥釋放高壓氯到混合文氏管中。這種設(shè)計(jì)特征對(duì)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(diǎn)凍結(jié)的風(fēng)險(xiǎn)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(jì)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(shí)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(yùn)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(méi)有或者沒(méi)有電解液流或氯注入。通過(guò) 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(guò)在 電池堆疊結(jié)構(gòu)上維持精確的電勢(shì)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(lái)阻止自 放電。電池板的特殊設(shè)計(jì)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(shí)候，所述分路電流會(huì)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(shuō)，某些實(shí)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(yùn)行模式。發(fā)明_既述應(yīng)該以最普遍的可能的形式來(lái)理解本申請(qǐng)。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(shí)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(duì)某些實(shí)施所涉及到的原因和效果，其并不排除可能在其它實(shí)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(shí)這種情況會(huì)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(shí)施方式和本文公開(kāi)的實(shí)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(qǐng)之后，這些改變對(duì)于他們來(lái)說(shuō)是清楚的。
權(quán)利要求
一種產(chǎn)生電勢(shì)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(gè)電池，所述電池包括至少一個(gè)正極(多孔＝多孔碳材料)；至少一個(gè)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(guò)所述反應(yīng)區(qū)，其中所述電解液和鹵素反應(yīng)物在抽運(yùn)之前、抽運(yùn)時(shí)或抽運(yùn)之后混合。
2.如權(quán)利要求(出錯(cuò)！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(cuò)！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(cuò)！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(cuò)！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(guò)所述反應(yīng)區(qū)之前經(jīng)過(guò)并流的第一級(jí)二元分流、第二級(jí)二元分流和第三級(jí)二元分流以實(shí)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(cuò)！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括儲(chǔ)液器，所述電 解液由所述循環(huán)泵從所述儲(chǔ)液器向所述電池輸送并從所述電池向所述儲(chǔ)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(guò)所 述返回管向所述儲(chǔ)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(lái)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(cuò)！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括計(jì)量閥或正排 量泵，所述計(jì)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(cuò)！未找到引用基礎(chǔ))所述的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)還包括多個(gè)所述電池。
13.如權(quán)利要求12所述的系統(tǒng)，其中多個(gè)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(gè)電池還包括多個(gè)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(gè)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(gè)還包括進(jìn)料集合管元 件、分流槽、分流節(jié)點(diǎn)、間隔突出物、合流節(jié)點(diǎn)、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(gè)電池框架中的每一個(gè)的進(jìn)料集合管元件都與所述電池框架中的另一個(gè)的進(jìn)料集合管元件對(duì)齊從而形成進(jìn)料集合管；所述多個(gè)電池框架中的每一個(gè)的分流槽和分流節(jié)點(diǎn)都與所述電池框架中的另一個(gè)的 分流槽和分流節(jié)點(diǎn)對(duì)齊從而形成分流區(qū)；每個(gè)電池的正極位于每個(gè)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(gè)電池框架中的每一個(gè)的所述合流節(jié)點(diǎn)和所述收集槽與另一個(gè)的所述合流節(jié) 點(diǎn)和所述收集槽對(duì)齊以形成收集區(qū)；以及所述電池框架中的每一個(gè)的所述返回集合管元件與所述電池框架中的另一個(gè)的所述 返回集合管元件對(duì)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(gè)還包括用于流體流的旁 路導(dǎo)管元件和電線(xiàn)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(gè)還具有用于對(duì)齊和夾合 元件的穿通孔以對(duì)齊和保持所述電池框架在一起，并且每個(gè)所述電池框架還包括所述對(duì)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(gè)電池中的 每一個(gè)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(huì)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(gè)電池的分流區(qū)； 收集區(qū)和用于收集來(lái)自所述多個(gè)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(gè)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(shí)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(chǔ)液器，所述電解液由所述循環(huán)泵從 所述儲(chǔ)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(chǔ)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(lái) 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(guò)所述返回管從所述電池向所述儲(chǔ)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(gè)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(chǔ)液器，所述儲(chǔ)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(guò)所述系統(tǒng)；其中，所述分流區(qū)包含分流節(jié)點(diǎn)，流體槽在所述分流節(jié)點(diǎn)并流且重復(fù)地分為兩支流以 實(shí)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(gè)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(chǔ)液器，所述儲(chǔ)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(guò)所述系統(tǒng)；以及鹵素計(jì)量元件，所述鹵素從外部源通過(guò)所述鹵素計(jì)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(jì)量元件是閥門(mén)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(jì)量元件。
33.如權(quán)利要求29所述的系統(tǒng)，其中來(lái)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(gè)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(chǔ)液器，所述儲(chǔ)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(guò)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(shí) 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(gè)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(chǔ)液器，所述儲(chǔ)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(guò)所述系統(tǒng)；輸出端，所述輸出端與所述至少一個(gè)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(shì)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(guò)至少一個(gè)電池，所述至少一個(gè)電池包括至少一個(gè)正極和至少一個(gè) 負(fù)極，其中所述電解液通過(guò)所述正極并越過(guò)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(guò)所述正極之前 使所述電解液進(jìn)入并流的第一級(jí)分流、第二級(jí)分流和第三級(jí)分流，從而實(shí)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(chǔ)液器流至所述電池并且從所述電池返 回所述儲(chǔ)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(lái)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(guò)管子向所述儲(chǔ)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(lái)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(jì)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(guò)至少一個(gè)電池還包括輸送所 述電解液通過(guò)多個(gè)所述電池。
50.如權(quán)利要求49所述的方法，其中所述多個(gè)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(gè)電池還包括多個(gè)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(gè)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(gè)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(guò)所述多個(gè)電池框架還包括輸 送所述電解液通過(guò)進(jìn)料集合管元件、分流槽、分流節(jié)點(diǎn)、間隔突出物、合流節(jié)點(diǎn)、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(gè)電池框架中的每一個(gè)的進(jìn)料集合管元件與所述多個(gè)電池框架中的另一個(gè)的 進(jìn)料集合管元件對(duì)齊從而形成進(jìn)料集合管；所述電池框架中的每一個(gè)的分流槽和分流節(jié)點(diǎn)都與所述電池框架中的另一個(gè)的分流 槽和分流節(jié)點(diǎn)對(duì)齊從而形成分流區(qū)；每個(gè)電池的所述正極位于各個(gè)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(gè)電池框架中的每一個(gè)的所述合流節(jié)點(diǎn)和所述收集槽與所述多個(gè)電池框架中 的另一個(gè)的所述合流節(jié)點(diǎn)和所述收集槽對(duì)齊以形成收集區(qū)；以及所述電池框架中的每一個(gè)的所述返回集合管元件與所述電池框架中的另一個(gè)的所述 返回集合管元件對(duì)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(gè)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(xiàn)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(gè)還具有用于對(duì)齊和夾 合元件的穿通孔以對(duì)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(gè)還包括 所述對(duì)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(gè)電池中的每一個(gè)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(huì)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(guò)所述多個(gè)電池還包括通過(guò)進(jìn) 料集合管和分流區(qū)向所述多個(gè)電池輸送所述電解液并從所述多個(gè)電池通過(guò)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(shí)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(guò)所述多個(gè)電池還包括從儲(chǔ)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(chǔ)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(lái)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(guò)內(nèi)置于所述電池框 架內(nèi)的管子向所述儲(chǔ)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(shì)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(guò)至少一個(gè)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(chǔ)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(diǎn)，分流槽在所述分流節(jié)點(diǎn)并流且重復(fù)地分為兩支流以實(shí) 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(shì)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(guò)至少一個(gè)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(chǔ)液器中收集所述電解液；以及使用鹵素計(jì)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(jì)量元件是閥門(mén)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(jì)量元件。
70.如權(quán)利要求66所述的方法，其中來(lái)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(shì)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(guò)至少一個(gè)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(chǔ)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(shí)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(shì)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(guò)至少一個(gè)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(chǔ)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(shì)的金屬鹵素電化學(xué)能電池系統(tǒng)。所述系統(tǒng)的一種實(shí)施方式包括至少一個(gè)電池，所述電池包括至少一個(gè)正極和至少一個(gè)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(guò)所述正極并越過(guò)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(kāi)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(hào)H01M4/02GK101803087SQ200880003067
公開(kāi)日2010年8月11日 申請(qǐng)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(qǐng)人:普里默斯電力公司