CN106030885B - 具有分流电流对电极的流动池 - Google Patents

Abstract

对电极应用在流动池的范围内以在作业时吸引分流电流沉积。对电极可以与流动池的样积淀连接以吸引沉积，然后与流动池的阴极电连接以消除沉积。

Description

具有分流电流对电极的流动池

技术领域

本公开涉及流动池内的分流电流管理。

背景技术

典型的电化学电池通常包括由分离器结构隔开的阴极侧和阳极侧。阴极侧通常包括阴极集流器、正极活性材料(放电时减少)和电解质。阳极侧可包括阳极集流器、阳极活性材料(放电时被氧化)和电解液。分离器结构将阴极侧和阳极侧分开，除了其他物质以外，仅允许离子在之间流动。进而集流器、电活性材料、电解质和分离器结构形成将化学能转换为电能的电化学反应器。集流器可以(外部地)电连接在一起，以形成电路。

发明内容

一种具有流动池的流体电池，所述流动池包括：阴极、阳极和对电极，所述对电极可以在电势约等于所述阳极以吸引分流电流沉积和电势约等于所述阴极以去除分流电流沉积间之间转换。

一种流体电池，具有流动池。所述流动池包括：阴极，部分地限定了阴极室；阳极，部分地限定了阳极室；分离器结构，夹在所述阴极室和所述阳极室之间，并配置为允许离子在流动通过所述阴极室和所述阳极室的电活性材料之间流动；所述流动池还包括对电极，所述对电极可以在与所述阳极电连接和与所述阴极电连接之间切换。

一种电池控制方法包括：通过控制器控制设置在电活性材料流动路径中的对电极，使得所述对电极具有约等于电池的阳极的电势，以在所述对电极上吸引分流电流沉积；随后，通过控制器控制所述对电极，使得所述对电极具有约等于电池的阴极的电势以去除分流电流沉积。

附图说明

图1为流动池系统的示意图；

图2A和图2B为带有分流电流电极的流动池系统的示意图；

图3和图4为另一分流电流电极结构的示意图。

具体实施方式

下面描述本公开的实施方式。然而需要理解的是，本公开的实施方式仅仅是示例，其他的实施方式可具有不同以及可替换的形式。附图不必要按比例绘制；某些特征可能被放大或缩小以显示特定部件细节。因此，在此公开的特定结构和功能细节不应被解释为限制，而仅用作教导本领域技术人员以不同方式实施本发明的代表基础。因为本领域的普通技术人员可以理解，参照多个附图中的任一附图示出和描述的各种特征可与一个或多个其他附图中示出的特征结合，以产生未明确示出或描述的实施例。示出的特征组合提供用于通常应用的代表实施例。然而，与本公开中的教导一致的特征的各种组合和修改，可能需要特定的应用或实现方式。

流动池是可再充电电池，在其中，包含一种或多种溶解电活性物质的电解质流经(流入和流出)电化学反应器，电化学反应器将化学能转化为电能。含有一种或多种溶解电活性物质的附加电解质存储于外部，通常在罐中，并且通常被抽出通过该电化学反应器(或多个电化学反应器)。因此，流动池可以具有取决于外部存储罐的尺寸的可变容量。

参见图1，流动池10可以包括由分离器16(例如，离子交换膜)隔开的阴极侧12和阳极侧14。阴极侧12包括阴极室18、阴极集流器20和阴极电解液贮存器22。同样地，阳极侧14包括阳极室24、阳极集流器26和阳极电解液贮存器28。分离器16允许离子在阴极室18和阳极室24中的电活性材料之间流动，这样阴极室18、阳极室24、阴极集流器20、阳极集流器26和分离器16构成电化学反应器29，将化学能转换成电能(并且在特定结构中，电能转化为化学能)。这样，阴极20和阳极26可以通过(外部)电连接(在一起或分别与其他的阳极和阴极连接)以形成电路。

阴极电解液30和阳极电解液32通常结合用于通过可溶性中间体分别输送离子与阴极活性材料以及离子与阳极活性材料的电解质。阴极电解液30和阳极电解液32在电池10的各自侧循环，以驱使电化学反应器29内的反应。因此，阴极电解液30和阳极电解液32是流动的。为此目的，阴极侧12还包括与阴极室18和阴极电解液贮存器22流体连通的多个入口/出口管路34，并且循环泵36、热交换器38和阀40分别可操作地设置在入口/出口管路34上。循环泵36，顾名思义，使阴极电解液30在阴极室18、电解液贮存器22和入口/出口管34之间循环。热交换器38可被操作，用以控制阴极电解液30的温度。阀40可被操作，用以控制阴极电解液30流入和/或流出阴极室18。

阳极侧14包括入口/出口管路42、循环泵44、热交换器46和阀48。入口/出口管路42与阳极室24和阳极液贮存器28流体连通。循环泵44、热交换器46和阀48分别可操作地设置在每个入口/出口管路42上。循环泵44使阳极电解液32在阳极室24、阳极液贮存器28和入口/出口管路42之间循环。热交换器46可被操作，以控制阳极电解液32的温度。阀48可以被操作，以控制流阳极液32流入和/或流出阳极室24。

阳极侧14可以包括在阳极液贮存器28内的氧化锌(ZnO)和氢氧化钠(NaOH)的混合浆液，以确保溶液中的活性物质(锌酸盐)尽可能大地溶解。该溶液可以用作流动池10的阳极电解液32。在充电时，可溶性锌酸盐在阳极26的表面反应，以在靠近阳极室24的阳极表面沉积锌金属49。在放电时，加载物逆反应，将锌金属49氧化，从阳极26的表面脱落。锌酸盐类仅略微溶解于阳极电解液32中，因此排出的材料大部分被沉淀为氧化锌(ZnO)。该放电产物通常存储在贮存器28内，但应对其进行管理，以确保它不会沉积在系统中的其他地方，并可能堵塞流动通道或遮住表面区域，从而改变电流分布。

一个或多个控制器50可以操作循环泵36、循环泵44、阀40、阀48以使阴极电解液30流入和流出阴极室18和阴极电解液贮存器22，使阳极电解液32流入和流出阳极室24和阳极电解液贮存器28，如粗虚线表示。这样的流动往往需要复杂的流量和温度控制。用多个池(cell)(如在电池中)，典型的流动系统可能会变得更加复杂，因为相同的贮存器可能被用于多个池(cell)。

使用具有多个池的单个贮存器可能会导致在池之间出现离子路径(或分流电流)。不希望在充电期间多处分流电流导致锌重新分布。例如，分流电流沉积52可能出现在入口/出口管路42中，限制入口/出口管路42中的流动并且可能使阳极室24电势不足。

本文所述的特定实施例试图以可持续的方式应对这种不期望的沉积。隔开的对电极可被放置于池内。在一个示例中，对电极被放置在电极表面上(但与其绝缘)，并位于入口和出口的阳极电解液路径上，该阳极电解液路径位于电极上的常规沉积区域和所述入口和出口管路之间。在另一示例中，对电极被与临近入口和出口管路的阳极隔开。在任一情况下，对电极应当被与阳极间隔足够远，以避免与分流沉积接触。也可以考虑其他结构，例如，可使用单个对电极等。

例如，对电极可包括任何不会被电解质消耗(腐蚀)的金属或合金(例如，镍、锡、不锈钢)。在某些情况下，选择具有寄生放电沉积倾向性的材料也较为有利。此外，相比较小的面积，更大的对电极的表面面积较为有利。

初始，两个对电极均与基电极(例如，阳极)电连接，使它们与基电极具有相同的电势。(当然，作为替代，对电极还可以以约等于基电极的电势电连接)。由于具有与基电极相等的电势，在基电极与分流电流的离子流的来源之间，这些对电极吸引了大量的分流电流沉积，以防止分流电流沉积在基电极或系统中其它地方显著地形成。

当对电极上积累了大量的由分流沉积形成的锌时，它们与基电极之间的连接被断开。并且，对电极另行连接到电池的有问题的阴极(或约等于阴极的电势)。这有效地在由两个对电极和阴极形成的池的一部分内形成短路。对电极被短路连接到阴极，并且定位成接近其表面(由膜分离)，高强度电流将快速流动，使每个对电极放电以去除分流沉积的锌。在相对较短的时间内，新的分流沉积可能会附着到对电极上，但可通过相同的放电过程予以消除。一旦对电极的放电电流被检测到是零(或超过一预定时间段，等等)，与阴极的连接被断开，与阳极的连接被重新建立，恢复各基电极的分流电流保护。

在其它实例中，可执行测试，来确定对电极(或多个电极)在电势约等于阴极和电势约等于阳极之间转换的频率。室流率、系统化学、池数量、罐容积等可能影响分流沉积形成和去除的速率。然后，该时间可以通过与用于执行上述转换任务的控制器实现。

参照图2A和2B，其中对编号相同的元件的描述相同，流动池110可以包括通过分离器116隔开的阴极侧112及阳极侧114。阴极侧112包括阴极室118、阴极集流器120和阴极电解液贮存器122。同样地，阳极侧114包括阳极室124、阳极集流器126和阳极电解液贮存器128。分离器116允许离子在阴极室118和阳极室124中的电活性材料之间流动。由此，阴极室118、阳极室124，阴极集流器120、阳极集流器126和分离器116形成电化学反应器129，电化学反应器129将化学能转换成电能(以及，在某些特定结构中，将电能转化成化学能)。

阴极电解液130和阳极电解液132通常结合用于通过可溶性中间体分别输送离子与阴极活性材料以及离子与阳极活性材料的电解质。阴极电解液130和阳极电解液132在电池110的各自侧循环，以驱使电化学反应器129内的反应。为此目的，阴极侧112还包括与阴极室118和阴极电解液贮存器122流体连通的入口/出口管路134，并且循环泵136、热交换器138和阀140分别可操作地设置在入口/出口管路134上。

阳极侧114包括进口/出口管路142(例如，管路(manifolds))、循环泵144、热交换器146和阀148。进口/出口管路142与阳极室124和阳极电解液贮存器128流体连通，循环泵144、热交换器146和阀148分别可操作地设置在入口/出口管路142上。

阳极侧可以包括在阳极液贮存器128内的氧化锌(ZnO)和氢氧化钠(NaOH)的混合浆液，以确保在溶液中活性物质(锌酸盐)的最大溶解(然而，也可以采用其他合适的化学物质)。这种溶液可以用作流动池110的阳极电解液132。在充电时，可溶性锌酸盐在阳极126的表面反应，以在靠近阳极室124的阳极表面沉积锌金属149。在放电时，加载物逆反应，将锌金属149氧化，从阳极126的表面脱落。

一个或多个控制器150可以操作循环泵136、循环泵144和阀140、阀148，分别带动阴极电解液130流入和流出阴极室118与阴极电解液贮存器122以及带动阳极电解液132流入和流出阳极室124与阳极电解液贮存器128，如用粗虚线表示。

在本示例中，对电极154(例如，镍箔)设置在电化学反应器129附近的进口/出口管路142内。切换电路155选择性地将对电极154与阳极126(图2A)或者阴极120(图2B)电连接。在本示例中，一个或者多个控制器150依照时间表控制切换电路155动作，该时间表通过测试而开发并为特殊设计和操作条件而优化。

在图3中，具有相同附图标记的部件的描述相同。流动池210可以包括通过分离器216隔开的阴极侧212及阳极侧214。阴极侧212包括阴极室218和阴极集流器220。相似地，阳极侧214包括阳极室224和阳极集流器226。以上结构构成了电化学反应器229。

对电极254设置在阳极室224内并与进口设置在同一壁上，并与阳极226隔开足够远，使得分流沉积不会与阳极226接触。

在图4中，其中对编号相同的部件的描述相同。流动池310可以包括通过分离器316隔开的阴极侧312及阳极侧314。阴极侧312包括阴极室318和阴极集流器320。相似地，阳极侧314包括阳极室324和阳极集流器326。以上结构构成了电化学反应器329。

对电极354设置在阳极室224内，并与阳极326设置在同一壁上，并与阳极326隔开足够远，使得分流沉积不会与阳极326接触。

虽然描述了上述示例性实施例，但并不意味着这些实施例中描述了由权利要求所覆盖的所有可能的形式。例如，本文所设想的对电极可以设置在流动池内，在流动池中，阴极室中的电活性材料在操作期间不流入和流出阴极室，并且电活性材料在操作期间流入和流出阳极室。其他方案也是可能的。

在说明书中使用的词语是文字描述而不应理解为限制，并且应当理解，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种变化。如前所述，各种实施方式的特征可以被组合，以形成没有被明确地示出或描述的更多的本发明实施方案。虽然各种实施例可能已被描述为具有优点或较其它实施例或现有技术的实现在一个或多个特性方面更优，但是本领域技术人员可以领会，可以将一个或多个特征或特性折中，以实现期望的整个系统的属性，这依赖于特定的应用和实现方式。这些属性可包括，但不限于成本、强度、耐久性、生命周期成本、市场性、外观、包装、大小、可维护性重量、可制造性、易于装配等。因此，被描述为较其它实施例或现有技术的实现在一个或多个特性方面不甚理想的实施方式不超出本公开的范围之外，对特定的应用可能是期望的。

Claims (12)

1.一种流电池，包括：

流动池，包括阳极和阴极；

对电极；以及

控制器，被配置为将所述对电极在电势约等于阳极以吸引分流电流沉积和电势约等于阴极以消除分流电流沉积之间切换。

2.根据权利要求1所述的流电池，其特征在于，所述流动池还包括阳极室、阴极室和管路；

所述管路被配置为输送活性材料至阳极室；

所述对电极设置在所述管路内。

3.根据权利要求1所述的流电池，其特征在于，所述流动池还包括阳极室；

所述对电极设置在阳极室内。

4.根据权利要求1所述的流电池，其特征在于，还包括与所述阳极、所述阴极和所述对电极电连接的电路。

5.根据权利要求1所述的流电池，其特征在于，所述对电极包括镍、锡或不锈钢。

6.一种流电池，包括：

流动池，包括阴极、阳极和分离器结构，所述阴极部分地限定了一个阴极室，所述阳极部分地限定了一个阳极室，所述分离器结构夹在所述阴极室和所述阳极室之间，并被配置为允许离子在流动通过所述阴极室和所述阳极室的电活性材料之间流动；

对电极；以及

控制器，被配置为将所述对电极在与所述阳极电连接和与所述阴极电连接之间切换。

7.根据权利要求6所述的流电池，其特征在于，所述对电极设置在所述阳极室内。

8.根据权利要求6所述的流电池，其特征在于，还包括管路，所述管路被配置为输送电活性材料至所述阳极室；所述对电极设置在所述管路内。

9.根据权利要求6所述的流电池，其特征在于，所述对电极包括镍、锡或不锈钢。

10.一种电池的控制方法，包括：

通过控制器使得设置在电活性材料流动路径中的对电极具有约等于电池的阳极的电势，以在所述对电极上吸引分流电流沉积；以及

随后通过控制器使得所述对电极具有约等于电池的阴极的电势，以去除分流电流沉积。

11.根据权利要求10的方法，其特征在于：所述通过控制器使得设置在电活性材料流动路径中的对电极具有约等于电池的阳极的电势，以在对电极上吸引分流电流沉积包括：将对电极与所述阳极电连接。

12.根据权利要求10的方法，其特征在于：所述随后通过控制器使得所述对电极具有约等于电池的阴极的电势，以去除分流电流沉积包括：将对电极与所述阴极电连接。