CN110036141A - 用于同轴电解电池的电极支撑结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于适于以单极和双极两种配置操作的同轴电解电池的电极支撑结构。该电极支撑结构包括由隔离材料制成的支撑平面以及由绝缘材料制成的分隔构件，该支撑平面设有适于安置彼此同位相似地布置的多个电极的多个安置座，该分隔构件与支撑平面成一体或机械连接到支撑平面并且与支撑平面正交地布置，并且设有多个电极定位装置。

Description

用于同轴电解电池的电极支撑结构
技术领域
本发明涉及一种用于电极的支撑结构，电极彼此同位相似，旨在用于同轴电解和/或同心电池。
背景技术
配备具有相同表面面积的相对电极的电解同轴和/或同心电池(诸如例如专利申请WO2013189670和WO2015082527中描述的电解电池)设想使用至少两个电极对：外对和内对。这些电极对中的每一对被划分为具有相同尺寸的第一电极和第二电极，其具有面向彼此并且彼此电绝缘的侧边缘。理想地，在这种类型的电池中的电解反应发生在外电极对的每个电极与面对其的内电极对的电极之间。但是，在每个电极对的第一和第二电极之间不应当发生反应。
在上述同轴电池中，适合于以单极或双极配置操作并且为了在以周期性极性反转执行的电化学过程中使用，每个电极通常定位在包括由电绝缘材料制成的支撑基座的结构内，该结构设有适合的安置座。
为了确保最优电池功能，当被插入其安置中时，每个电极必须沿着暴露的侧边缘的部分电绝缘，以便消除或减少涡流和电极间短路。绝缘材料的上板(通常还设有电极支撑装置)位于其上方，以确保机械稳定定位并保证电极的上边缘的(至少部分)绝缘。
上述系统的组装常常是漫长而费力的操作。实际上，由于电极缺少适当的侧支撑，因此位于安置座中的阳极和阴极一般经受足以阻碍电池闭合的小的位置变化，这是因为上板支撑装置和与之对应的电极的边缘的不对准。
还观察到，在现有技术的同轴电解电池中，由于电极的非平面形状，有时难以将它们插入相应的安置座中。
因此，同轴电解电池的组装一般是不方便、费力和耗时的。
因此，期望的是具有克服现有技术的缺点的电极支撑结构，特别是通过更好地控制电极的位置来简化和帮助电池组装操作，从而确保其预确定的位置并保证电极间距离控制。因此，还期望的是具有一种电极支撑结构，其允许促进接近安置座，并且同时保证电极的侧边缘的电绝缘，而不需要对每个电极的边缘进行专门干预。
发明内容
在所附权利要求中阐述了本发明的各个方面。
一方面，本发明涉及一种同轴电解电池的电极支撑结构，其适合于容纳多个电极并且包括：i)由绝缘材料制成的支撑平面，该支撑平面设有适合于安置所述多个电极的多个安置座和ii)由绝缘材料制成的分隔构件，其与支撑平面正交地布置。根据本发明的分隔构件设有多个定位装置，该定位装置适合于当电池阳极和阴极被安置在支撑平面的安置座中时，在与支撑平面正交的方向上定位、驱动或支撑多个电极。
术语“支撑平面”是指由电绝缘材料制成的构件，其适合于在被浸入用于生产氧化剂的电解溶液(碱性pH或酸性pH)中时不会降解，并且配备有至少一个平坦表面，上面提到的安置座被布置在其中。
上述分隔构件可以与支撑平面成一体，它可以例如借助于挤压技术或使用传统模具制成；或者，它也可以一件式制造，例如通过从固体机加工或使用3D打印机。分隔构件也可以是相对于支撑平面物理分离的构件，只要其适合于机械连接到支撑平面即可。例如，分隔构件可以适合于凭借其几何形状和/或任何外部力(重力或压力)粘附到支撑平面，或者经由固定或耦合装置连接到支撑平面。
观察到的是，旨在用于同轴电解电池的所参考的多个电极设想每个电极都被容纳或者容纳至少一个附加电极，本文的术语“容纳”实际上涉及包住每个电极的凸形封套(envelope)。
术语“座”应该指适合于在支撑平面中安置、承载或支撑多个电极的一个或多个装置。每个座可以例如包括一个或多个支架、夹子、一个或多个L形轮廓和/或一个或多个凹槽或者其它固定或支撑装置。
术语“定位装置”应该指放置在所述分隔构件上的一个或多个装置，其适合于相对于支撑平面正交地驱动、安置、承载或定位多个电极。每个定位装置可以例如包括一个或多个鞍座(saddle)、一个或多个L形轮廓和/或一个或多个凹槽或者其它固定或定位装置。
根据本发明的电极支撑结构可以具有促进同轴电解电池的组装操作的优点，特别是配备有表面面积相同的相对电极的同轴电池或者电极彼此同位相似地(homothetically)布置并且在支撑平面中没有封闭横截面的同轴电池。实际上在这些情况下，根据本发明的分隔构件可以促进将电极插入其安置座中并在与支撑平面正交的方向上支撑或约束电极，从而在组装电解电池期间防止(或衰减)电极的振荡及其可能的位移。而且，分隔构件可有助于使电极的侧边缘电绝缘，从而降低涡流、电边缘效应和/或电极间短路的风险。
在一个实施例中，用于电极支撑结构的电极的安置座是凹槽。每个凹槽被布置成使得其至少一个端部位于分隔构件的至少一个定位装置处。定位装置可以可选地是相对于支撑平面正交布置的狭缝。
表述“位于”应该指凹槽的端部至少部分地位于由分隔构件的定位装置的支撑平面上方的正交投影识别出的区域中。
这种布置可以具有进一步促进将多个电极插入其座中的优点。在组装期间，每个电极的至少一个边缘插入分隔构件中的狭缝中(或分隔构件的其它定位装置中)，并且在由适当成形的凹槽组成的安置座中与支撑平面正交地被驱动。在这种情况下，有利的是，每个狭缝在分隔构件与安置座相交的点处在安置座的切线方向上穿入分隔构件内部，以便安置包围该形状的非平面电极。
附加地或可替代地，分隔构件的垂直狭缝可以具有锥形区段，以便进一步促进电极的插入并且更有效地将其保持在适当位置。
在一个实施例中，根据本发明的任何实施例的电极支撑结构的多个安置座包括多个凹槽，这些凹槽具有彼此同位相似的形状(直接或反向)。在本发明的另一个实施例中，电极支撑结构的分隔构件具有可选地相对于穿过其中心的垂直轴对称的复合和连续的形状，并且包括配备有中心对称的圆形、椭圆形、卵形或多边形基座的直角棱柱构件。在这个实施例中，棱柱构件被定向成使基座平行于支撑平面，并且被放置在所述分隔构件的基座的中心处。可以有利地选择所述直角棱柱构件的基座，以便具有与所述多个电极相似或同位相似的周边形状。特别地，根据一个实施例，电极支撑结构具有至少一个安置座，所述安置座沿着所述直角棱柱构件的基座边缘的一部分布置。这种布置可以具有以下优点：保证直接在分隔构件前面的内部电极的表面几乎与其接触，并且因此由于其与周围环境的绝缘而不具有电化学活性或减少其可能的电化学活性。
根据本发明的另一个实施例，分隔构件具有穿过其两个相对表面的至少一个通孔，诸如以允许电解溶液通过其中。例如，分隔构件可以具有穿过平行于支撑平面的表面的至少一个通孔。在这种情况下，支撑平面可以有利地在所述至少一个通孔处具有至少一个开口。可以确定开口和通孔的大小，以防止电极支撑结构在被浸入电解质中时漂浮。为此，棱柱构件(如果存在的话)可以被制成中空的，其中腔体被放置在支撑平面中的开口处。
可替代地，分隔构件可以具有穿过其厚度的至少一个通孔，以允许电解质在电池的由所述分隔构件分开的区段之间流动。
根据一个实施例，支撑平面上的电极安置座由一个或多个通口嵌入(intercalate)，以允许电解溶液通过支撑平面。
根据本发明的另一个实施例，支撑平面设有至少两对安置座，包括：
i)安置座的外部对，被细分为第一外部安置座和第二外部安置座，所述第一外部安置座和所述第二外部安置座由根据本发明任何实施例的分隔构件分开并且适合于安置相同尺寸的电极对；
ii)安置座的内部对，被细分为第一内部安置座和第二内部安置座，所述第一内部安置座和所述第二内部安置座适合于安置相同尺寸的电极对并且由所述分隔构件彼此分开。
该实施例可以具有以下优点：还被布置为安置相同尺寸的相对电极对，诸如例如在专利申请WO2013189670和WO2015082527中所描述的用于同轴电池的电极。根据另一方面，本发明涉及一种同轴电解电池，其包括下面列出的构件(a)-(d)：
(a)根据上述任一实施例的电极支撑结构；
(b)插入上面提到的电极支撑结构的多个电极，电极垂直于支撑平面安置在其多个安置座中，并位于分隔构件的多个定位装置中；
(c)平行于所述支撑平面布置的可选的绝缘容纳平面；
(d)至少一个侧容纳壁，与支撑平面成一体或连接到支撑平面，并且与支撑平面正交，并且与所述容纳平面成一体或连接到所述容纳平面，并且与所述容纳平面正交；
包括构件(a)-(d)的系统被构造为使得支撑平面的分隔构件和多个电极被容纳在由电极支撑结构、任何绝缘容纳平面和至少一个侧容纳壁限定的体积内。
绝缘容纳平面可以可选地设有固定座，用于固定多个电极的平行于支撑平面的暴露的边缘。绝缘容纳平面(当存在时)还可以可选地设有以下构件中的一个或两个：i)导电插入物或开口，适合于向电池的多个电极供电，ii)至少一个入口开口和至少一个出口开口，用于在包括上述构件(a)-(d)的系统内循环电解溶液。
根据上述同轴电解电池的一个实施例，包括构件(a)-(d)的系统的支撑平面包括另一个构件(e)，该构件由以下组成：
(e)由绝缘材料制成的至少一个垂直支撑壁，该垂直支撑壁是连续的或设有通孔，适合于保持上述系统(a)-(d)升高。通过保持系统(a)-(d)升高，构件(e)可以具有提供适合于容纳另外的电解溶液和/或适合于另外的电解溶液通过的空间的体积的优点。这可以允许电池性能提高，从而增加所处理的液体的体积。例如，在系统(a)-(d)被浸入另一个容纳电解溶液的设备中的情况下，保持系统(a)-(d)被升高并被浸入溶液中，适当地设有孔的构件(e)可以具有促进电解溶液通过支撑平面在系统(a)-(d)中通过和循环的优点。
以下附图被包括以展示本发明的特定实施例，其可行性已在所要求保护的实施例的集合中被彻底验证。根据本说明书，本领域技术人员必须认识到的是，在不脱离本发明的范围的情况下，可以对所公开的具体实施例进行许多改变，同时仍然获得相似或类似的结果。
在附图中，除非另有说明，否则相同的数字与具有相同或等同功能的构件对应。附图不是按比例绘制的。
附图说明
图1图示了根据本发明一个实施例的电极支撑结构。
图2图示了根据本发明一个实施例的电极支撑结构。
图3图示了根据本发明一个实施例的同轴电解电池。
图4图示了根据本发明一些实施例的电极支撑结构和同轴电解电池。
图5图示了根据本发明一些实施例的电极支撑结构和同轴电解电池。
图6图示了根据本发明一个实施例的电极支撑结构。
具体实施方式
图1的面板I示出了根据本发明一个实施例的电极支撑结构(100)的总体视图，并且包括均由绝缘材料制成的支撑平面(200)和分隔构件(300)。
面板II提供了支撑平面(200)的顶视图的图示，该支撑平面(200)设有凹槽(210)，所述凹槽(210)适合于安置彼此同位相似地布置的多个电极。支撑平面还可选地设有嵌入凹槽(210)的通孔(220)以及适合于安置可选的侧容纳壁(未示出)的座(230)。相反，空间(240)被成形为安置由绝缘材料(300)制成的分隔构件。
面板III图示了由绝缘材料(300)制成的分隔构件，其设有狭缝(310)。在这个实施例中，分隔构件配备有复合形状，该复合形状包括具有圆柱形状的直角棱柱构件(350)，适合于放置在与支撑平面(200)的内部凹槽的边缘接近或粘附到该边缘的位置。
图2的面板I示出了根据本发明一个实施例的电极支撑结构(100)的总体视图，并且包括均由绝缘材料制成的支撑平面(200)和分隔构件(300)。分隔构件(300)包括一些狭缝(310)、具有圆柱形状的直角棱柱构件(350)、穿过与支撑平面正交的分隔构件的较大表面的一些通孔(320)。面板II示出了面板I的支撑结构(100)的顶视图。在支撑平面(200)中，用于电极的安置座(210)和适合于安置可选的侧容纳壁(未示出)的座(230)是可识别的。在分隔构件中还可以识别的是狭缝(310)的轮廓，在这个实施例中，狭缝相对于与其对应的凹槽(210)在切线方向上定向，以便促进电极的插入，在这种配置中所述电极必须具有半圆形状。
图3示出了根据本发明一个实施例的用于气举过程(通过在电极表面处产生的气体的作用的自然循环)的未划分开的单极或双极电池的一些部件，其采用已经在图1中描述的支撑结构(100)，配备有支撑平面(200)和与其正交的分隔构件(300)。支撑平面(200)设有凹槽(210)，用于安置具有彼此同位相似的形状的电极(400)和嵌入到所述凹槽中的通孔(220)。电池还包括侧容纳壁(500)，在这个实施例中，所述侧容纳壁(500)具有圆柱形和中空的几何形状。电解电池还包括绝缘容纳平面(600)，其适合于划定容纳电极的区域的上部体积的界限并适合于使其上边缘绝缘。在这个实施例中，绝缘容纳平面设有通孔(620)，所述通孔允许电极通过接触件(800)与外部电源系统的电连接以及与能够允许电解溶液通过平面的另外的通孔(图中未示出)的电连接。
绝缘容纳平面(600)还设有凹槽(630)，该凹槽(630)与侧容纳壁(500)的边缘配合，以约束其中发生电解反应的电池的体积并允许良好的电解质循环。
支撑平面(200)被放置在另一个壁(700)上方，该壁设有孔(720)，以允许电解槽的电解溶液向上循环。电解槽将包括本文所示并如所述布置的部件，以及适合于装入电解质或使电解质循环的至少一个另外的容器。
图4示出了根据本发明一个实施例的未划分开的单极或双极电池的一些部件。该电池采用电极支撑结构(100)，该电极支撑结构(100)在面板I中示意性地图示并且包括支撑平面(200)和分隔构件(300)，该支撑平面(200)设有用于具有圆弧形状的电极的凹槽(210)，该分隔构件(300)的横截面被示出。该分隔构件(300)设有以狭缝(310)、棱柱构件(350)的形式的电极插入物和支撑装置，该棱柱构件(350)这里以横截面示出，具有圆柱形状并且配备有也穿过支撑平面(200)的通孔(370)。
参考面板II，布置在支撑结构(100)的凹槽(210)中的电解电池的电极(400)被插入到包括在支撑平面(200)、侧容纳壁(500)和绝缘容纳平面(600)之间的中央腔室中。绝缘容纳平面(600)进而配备有凹槽(630)以安置壁(500)的边缘。本文所述的系统被升高并搁置在壁(700)上，该壁(700)限定了由基座(900)封闭的下部腔室。上部腔室置于上述系统上方，由容纳平面(600)、壁(750)和盖(950)界定。
电极到外部电源系统的电连接借助于接触件(800)进行，该接触件(800)借助于适合的通孔(图中未示出)穿过表面(950)和(600)。
观察到的是，棱柱构件(300)在上述所有三个腔室中在支撑平面(200)的上方和下方延伸。棱柱构件(300)设有通孔(370)，该通孔(370)适合于将电解质的进口(1000)放置为与下部腔室直接连通。电解质到达中心腔室并穿过它，通过在容纳平面(600)上形成的通孔(620)到达上部腔室，在该中心腔室中电解反应通过在支撑平面(200)上形成的通孔(220)发生。因此，溶液通过出口(1100)被引向外面。
图5的面板I示出了根据本发明的电极支撑结构(100)的正视图，其适合于在面板II中图示的划分开的单极电池中采用。电极支撑结构配备有设有半圆形凹槽(210)的支撑平面(200)以安置类似形状的电极，以及适合于允许电解溶液的出入的四个通孔(220)。在凹槽(210)处形成通孔(未示出)，以允许电极到电源的电连接。分隔构件(300)配备有穿过其主表面的孔(诸如图2的分隔构件)，并且设有放置在凹槽(210)的每个端部处的垂直狭缝(310)。所述狭缝具有弯曲轮廓，该弯曲轮廓具有与它们对应的凹槽相同的曲率半径，以便有助于在包围该形状的同时插入半圆形电极。面板II示出了根据本发明一个实施例的单极的并且被划分开的双同轴电池的侧视图。允许产生两种不同溶液(具有不同组成和pH的阳极电解液和阴极电解液)的电池集成了面板(I)中图示的电极支撑结构(100)。搁置在支撑平面(600)上的侧容纳壁(500)连接到支撑平面(200)。入口(1000、1050)和相应的出口(1100、1150)允许阴极电解液和阳极电解液通过通孔(220)在由与其对应的电极(400)界定的电池的两个区域中循环。适当支撑的膜或隔膜可以位于电极之间。阳极电解液和阴极电解液都通过在分隔构件(300)中形成的通孔穿过分隔构件(300)。通过接触件(800)向电极供电。
图6图示了根据本发明的支撑结构(100)的两个可能实施例。面板I和II都具有分隔构件(300)，该分隔构件(300)被制造成将支撑平面(200)细分为偶数个区域，用于在其座(210)中安置大于2个电极。分隔构件还包括一些狭缝(310)，这些狭缝沿着由支撑平面的与该狭缝对应的凹槽的端部处相切的直线限定的方向布置。在面板II中，中央棱柱构件(350)具有方形横截面并且靠近较短长度的安置座的边缘放置。
前面的描述并不旨在限制本发明，本发明可以根据不同的实施例使用，而不脱离其目的，并且其范围由所附权利要求唯一地限定。
在本申请的描述和权利要求书中，词语“包括”及其变体(诸如“包括有”和“包含了”)不排除存在其它附加构件、部件或过程阶段。
在文本中包括对文件、记录、材料、装置、物品等的讨论，其唯一目的是为本发明提供背景；但是，不应当理解为，在本申请所附的每项权利要求的优先权日之前，该事项或其部分构成本发明领域的常识。

Claims (11)

1.一种适于安置多个电极的用于同轴电解电池的电极支撑结构，包括：
-由绝缘材料制成的支撑平面，设有适于安置所述多个电极的多个安置座；
-由绝缘材料制成的分隔构件，与所述支撑平面成一体或机械连接到所述支撑平面；
所述分隔构件与所述支撑平面正交地布置；所述分隔构件设有适于定位所述多个电极的多个定位装置。
2.如权利要求1所述的电极支撑结构，其中每个安置座包括凹槽，并且所述分隔构件具有布置在所述凹槽中的每一个的至少一个端部处的至少一个定位装置。
3.如权利要求2所述的电极支撑结构，其中所述定位装置是与所述支撑平面正交的狭缝，每个狭缝布置在一个所述安置座的一个端部处，每个狭缝在所述安置座的所述端部处在所述安置座的切线方向上穿入所述分隔构件。
4.如权利要求1至3中的一项所述的电极支撑结构，其中所述多个安置座包括多个凹槽，所述凹槽具有彼此同位相似的形状。
5.如权利要求1至4中的一项所述的电极支撑结构，其中所述分隔构件是复合且连续成形的构件，所述分隔构件包括直角棱柱构件，所述直角棱柱构件配备有中心对称的圆形、椭圆形、卵形或多边形的基座；所述直角棱柱构件具有平行于所述支撑平面定向并且定位在所述分隔构件的基座的中心处的所述基座，所述分隔构件放置在所述支撑平面处。
6.如权利要求5所述的电极支撑结构，其中所述多个安置座中的至少一个安置座沿着所述直角棱柱构件的所述基座的边缘部分布置。
7.如权利要求1-6中的一项所述的电极支撑结构，其中所述分隔构件具有穿过所述分隔构件的两个相对表面的至少一个通孔，所述至少一个通孔适于电解溶液的通过。
8.如权利要求1-7中的一项所述的电极支撑结构，其中所述多个安置座中的至少两个安置座由穿过所述支撑平面的一个或多个开口嵌入。
9.如权利要求1-8中的一项所述的电极支撑结构，其中所述支撑平面设有至少两对安置座，包括：
-安置座的外部对，所述外部对被划分为第一外部安置座和第二外部安置座，所述第一外部安置座和所述第二外部安置座适于安置一对相同尺寸的电极，所述第一外部安置座和所述第二外部安置座通过所述分隔构件彼此分开；
-安置座的内部对，所述内部对被划分为第一内部安置座和第二内部安置座，所述第一内部安置座和所述第二内部安置座适于安置一对相同尺寸的电极，所述第一内部安置座和所述第二内部安置座通过所述分隔构件彼此分开。
10.一种同轴电解电池，包括：
-如权利要求1-8中的一项所述的电极支撑结构；
-绝缘容纳平面，与所述支撑平面平行布置；
-至少一个容纳侧壁，与所述支撑平面成一体或连接到所述支撑平面，并且与所述绝缘容纳平面成一体或连接到所述绝缘容纳平面，并且正交地插入到所述绝缘容纳平面中；
-多个电极，被安置在所述多个安置座中并被定位在所述电极支撑结构的所述多个定位装置中；
所述分隔构件和所述多个电极被容纳在包括所述电极支撑结构、所述容纳平面和所述至少一个容纳侧壁的系统内。
11.如权利要求9所述的同轴电解电池，其中所述绝缘表面设有：
-至少一个入口开口和至少一个出口开口，用于在包括所述电极支撑结构、所述绝缘表面和所述至少一个侧容纳壁的系统内循环电解溶液，
-多个开口，适于使用于向所述多个电极供电的一个或多个电连接通过。
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