CN110546306B - 用于自清洁同心管状电化学电池的新的流动特征 - Google Patents

Abstract

公开了自清洁电化学电池、包括自清洁电化学电池的系统以及操作自清洁电化学电池的方法。自清洁电化学电池可以包括设置在外壳中的多个同心电极，例如阴极和阳极；界定在同心电极之间的流体通道；位于同心电极之间的分离器；耦接至外壳的相应端部的第一端盖和第二端盖；以及入口锥体。分离器可以被配置成定位电极，并且被设定尺寸为最小化在分离器下游出现的减速区。端盖和入口锥体可以被设定尺寸为保持完全展开的流动，并且最小化跨过电化学电池的压降。

Description

用于自清洁同心管状电化学电池的新的流动特征

相关申请的交叉引用

本申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2017年4月14日提交的标题为“NOVEL FLOWFEATURES FOR SELF-CLEANING CONCENTRIC TUBULAR ELECTROCHEMICAL CELLS”的美国临时申请序号 62/485,539的优先权，该美国临时申请为了所有目的通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本文公开的方面和实施方案总体上涉及电化学装置，并且更具体地涉及电氯化电池(electrochlorination cell)和电氯化装置、操作电氯化电池和电氯化装置的方法以及利用电氯化电池和电氯化装置的系统。

概述

根据一个方面，提供了自清洁电化学电池(self-cleaning electrochemicalcell)。该自清洁电化学电池可以包括围绕外壳的中心轴线被同心地设置在外壳中的阴极和阳极。自清洁电化学电池可以包括界定在阴极和阳极之间并且大体上平行于中心轴线延伸的流体通道。自清洁电化学电池可以包括位于阴极和阳极之间并且被配置成保持流体通道的分离器，该分离器具有保持流体通道的宽度的高度。分离器可以被设定尺寸为将在分离器的下游的流体通道内的减速区保持为小于预定长度。分离器可以被设定尺寸为将电解质溶液的速度与平均值的偏差保持在电解质溶液通过流体通道的平均流速的±18％内。

在一些实施方案中，在预定长度处速度与平均值的偏差可以小于电解质溶液的平均流速的±5％。在预定长度处速度与平均值的偏差可以小于电解质溶液的平均流速的±2％。

对于以在2m/s和2.5m/s之间的平均流速流过流体通道的海水，预定长度可以小于约120mm。预定长度可以小于约60mm。

根据某些实施方案，分离器可以包括环和从环延伸的多个突出部。突出部可以具有保持流体通道的宽度的高度。突出部的数目以及每个突出部的长度和宽度，可以被选择为将减速区保持在小于预定长度。

自清洁电化学电池可以包含围绕外壳的中心轴线同心地布置的多个阴极和多个阳极。多个流体通道中的相应一个可以被界定在每个相邻的阴极和阳极之间。每个流体通道可以大体上平行于中心轴线延伸。

自清洁电化学电池可以包括多个分离器。每个分离器可以被配置成保持多个流体通道中的相应一个，多个分离器可以各自包括环和从环延伸的多个突出部。在一些实施方案中，分离器可以被配置成与阴极和阳极中的至少一个配合。

根据另一个方面，提供了包括自清洁电化学电池和电解质溶液源的系统。自清洁电化学电池可以具有与流体通道流体连通的入口和出口。电解质溶液源可以具有流体地可连接至自清洁电化学电池的入口的出口，并且被配置成以2m/s或更大的通过流体通道的平均流速递送电解质溶液。自清洁电化学电池可以被配置成从电解质溶液产生产物化合物，并且输出包含产物化合物的产物溶液。自清洁电化学电池可以通过出口流体地可连接至使用点。

在一些实施方案中，电解质溶液源可以包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。系统可以包括串联地布置的多个自清洁电化学电池。

根据另一个方面，提供了自清洁电化学电池，该自清洁电化学电池包括围绕外壳的中心轴线同心地设置在外壳中的阴极和阳极，界定在阴极和阳极之间并且大体上平行于中心轴线延伸的流体通道，第一端盖和第二端盖以及入口锥体。第一端盖可以耦接至外壳的第一端部，并且第二端盖可以耦接至外壳的第二端部。第一端盖和第二端盖中的每个可以包括大体上位于中心的孔和与流体通道流体连通的流体导管。第一端盖的流体导管可以包括第一半径的区和大于第一半径的第二半径的区。入口锥体可以被设置在第一端盖的流体导管内，并且被配置成界定用于电解质溶液进入流体通道的流动路径。第二半径的区可以具有被选择成保持通过流动路径的完全展开的流动的长度。

第二半径的区可以具有流动路径的液压直径的在1倍和10倍之间的长度。第一端盖的流体导管可以被设定尺寸为将电解质溶液的入口压力保持在低于约120kPa。入口锥体可以被设定尺寸为将自清洁电化学电池内的压降保持在0kPa和19kPa之间。

入口锥体可以是具有在20°和90°之间的顶角的直圆锥。入口锥体可以是具有在40°和60°之间的顶角的直圆锥。自清洁电化学电池可以包括出口截头体，该出口截头体被设置在第二端盖的流体导管内，并且被配置成界定电解质溶液从流体通道流出自清洁电化学电池的流动路径。

根据另一个方面，提供了包括自清洁电化学电池和电解质溶液源的系统。自清洁电化学电池可以具有入口和出口。电解质溶液源可以具有流体地可连接至第一端盖的大体上位于中心的孔的出口，并且被配置成以2m/s 或更大的通过流体通道的平均流速递送电解质溶液。自清洁电化学电池可以被配置成从电解质溶液产生产物化合物，并且输出包含产物化合物的产物溶液。自清洁电化学电池可以通过第二端盖的大体上位于中心的孔流体地可连接至使用点。

在一些实施方案中，电解质溶液源可以包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。系统可以包括串联地布置的多个自清洁电化学电池。

根据另一个方面，提供了自清洁电化学电池，该自清洁电化学电池包括围绕外壳的中心轴线同心地设置在外壳中的阴极和阳极，界定在阴极和阳极之间并且大体上平行于中心轴线延伸的流体通道，以及位于阴极和阳极之间的分离器。分离器可以被配置成允许电解质溶液通过流体通道。分离器可以被设定尺寸为保持流体通道，并且具有水线型配置。

分离器可以包括环和从环延伸的多个突出部。每个突出部可以具有保持流体通道的宽度的高度和足以保持流体通道的宽度。在一些实施方案中，每个突出部可以具有高度的在0.5倍和2倍之间的宽度，以及大于宽度的长度。每个突出部可以具有水线型配置。多个突出部可以在环上大体上均匀地间隔开。

在一些实施方案中，分离器可以被设定尺寸为具有在流体通道的流动面积的约10％和约35％之间的横截面积。分离器可以被配置成与阴极和阳极中的至少一个配合。

根据另一个方面，提供了包括自清洁电化学电池和电解质溶液源的系统。自清洁电化学电池可以具有与流体通道流体连通的入口和出口。电解质溶液源可以具有流体地可连接至自清洁电化学电池的入口的出口，并且被配置成以2m/s或更大的通过流体通道的平均流速递送电解质溶液。自清洁电化学电池可以被配置成从电解质溶液产生产物化合物，并且输出包含产物化合物的产物溶液。自清洁电化学电池可以通过出口流体地可连接至使用点。

在一些实施方案中，电解质溶液源可以包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。系统可以包括串联地布置的多个自清洁电化学电池。

在另一个方面中，提供了操作电化学系统的方法。该方法可以包括：提供自清洁电化学电池；以约2m/s或更大的通过流体通道的平均流速将电解质溶液引入到自清洁电化学电池中；以一电压跨过阳极和阴极施加电流，所述电压足以从自清洁电化学电池中的电解质溶液产生产物化合物；以及连续地操作电化学系统持续预定的时间段。该方法可以包括连续地操作所述电化学系统持续至少6个月。在一些实施方案中，该方法可以包括提供多个自清洁电化学电池，并且将多个自清洁电化学电池串联地流体连接。

根据另一个方面，提供了自清洁电化学电池，该自清洁电化学电池包括设置在外壳中的多个电极、流体通道和多个同心分离器。多个电极可以包括围绕外壳的中心轴线设置的同心电极和沿着外壳的长度设置的连续的电极。流体通道可以界定在同心电极之间，并且大体上平行于中心轴线延伸。来自多个同心分离器的每个同心分离器可以被定位在连续的电极之间，并且被配置成与连续的电极中的至少一个配合。多个同心分离器可以被配置成保持连续的电极的同心度。

在一些实施方案中，同心分离器中的每个包括多个相邻的环。多个相邻的环中的相邻两个环之间的间隙的宽度可以被设定尺寸为将流体通道内的减速区保持为小于预定长度。

减速区的长度可以由其中平均电解质溶液流速比电解质溶液通过流体通道的平均流速小至少2％的区域界定。在一些实施方案中，减速区的长度可以由其中平均电解质溶液流速比电解质溶液通过流体通道的平均流速小至少5％的区域界定。根据某些实施方案，多个相邻的环中的相邻两个环之间的间隙的宽度可以是多个相邻的环中的至少一个的宽度的1.60 倍或更小。在一些实施方案中，多个相邻的环中的至少一个环可以包括从至少一个环延伸的多个突出部。

根据另一个方面，提供了包括自清洁电化学电池和电解质溶液源的系统。电解质溶液源可以具有流体地可连接至外壳的入口的出口，并且被配置成以2m/s或更大的通过流体通道的平均流速递送电解质溶液。自清洁电化学电池可以被配置成从电解质溶液产生产物化合物，并且输出包含产物化合物的产物溶液。自清洁电化学电池可以通过出口流体地可连接至使用点。

在一些实施方案中，电解质溶液源可以包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。系统可以包括串联地布置的多个自清洁电化学电池。

在另一个方面中，提供了操作电化学系统的方法。该方法可以包括：提供自清洁电化学电池；以约2m/s或更大的通过流体通道的平均流速将电解质溶液引入到自清洁电化学电池中；以一电压跨过多个电极施加电流，所述电压足以从自清洁电化学电池中的电解质溶液产生产物化合物；以及连续地操作电化学系统持续预定的时间段。该方法可以包括连续地操作所述电化学系统持续至少6个月。在一些实施方案中，该方法可以包括提供多个自清洁电化学电池，并且将多个自清洁电化学电池串联地流体连接。

本公开内容预期前述方面和/或实施方案中的任何一个或更多个的所有组合，以及与在详细描述和任何实例中阐述的实施方案中的任何一个或更多个的组合。

附图简述

附图并不意图是按比例绘制。在附图中，在各个图中图示出的每个相同的部件或近似相同的部件由类似的数字表示。为了清楚的目的，并非每个部件都可以在每个图中标记。在附图中：

图1A是同心管电化学电池的实施方案的等距视图；

图1B是图1A的同心管电化学电池的横截面图；

图1C包括图1A的同心管电化学电池的正视图和横截面图；

图1D是图1A的同心管电化学电池的可选择的等距视图；

图2A图示出了流过同心管电化学电池的实施方案的电流；

图2B图示出了流过同心管电化学电池的另一个实施方案的电流；

图2C图示出了流过同心管电化学电池的另一个实施方案的电流；

图3A是根据一个实施方案的电化学电池的横截面图；

图3B是图3A的电化学电池的一部分的放大的横截面图；

图3C是图3A的示例性电化学电池的横截面图；

图4是根据一些实施方案的沿着电化学电池的流体通道的速度分布 (velocityprofile)的等高线图；

图5是根据可选择的实施方案的沿着电化学电池的流体通道的速度分布的等高线图；

图6A是根据一个实施方案的分离器的等距视图；

图6B是根据一个实施方案的分离器上的突出部(projection)的正视图；

图6C是根据一个实施方案的分离器上的突出部的平面图；

图6D是根据一个实施方案的分离器上的突出部的等距视图；

图7A是根据一个实施方案的被定位在电极管之间的分离器的等距视图；

图7B是图7A的分离器和电极的正视图；

图7C是根据一个实施方案的分离器的等距视图；

图7D包含图7C的分离器的正视图；

图8A是根据一个实施方案的电化学电池的正视图；

图8B是图8A的电化学电池的横截面图；

图9A是根据一个实施方案的从端盖的顶部看的平面图；

图9B是从图9A的端盖的底部看的平面图；

图9C是图9A的端盖的正视图；

图9D是图9A的端盖的横截面图；

图10A是根据一个实施方案的电化学电池的一部分的横截面图；

图10B是图10A的电化学电池的部分的分解图；

图11A是根据一个实施方案的电化学电池的一部分的横截面图；

图11B是根据另一个实施方案的电化学电池的一部分的等距视图；

图12是根据一个实施方案的跨过电化学电池的压降的等高线图；

图13A是根据一个实施方案的电化学电池的入口端盖中的入口压力的等高线图；

图13B是根据另一个实施方案的电化学电池的入口端盖中的入口压力的可选择的等高线图；

图13C是根据另一个实施方案的电化学电池的入口端盖中的入口压力的可选择的等高线图；

图14A是具有不同的入口锥体实施方案的电化学电池的入口端盖中的入口压力的等高线图的集合；

图14B是图14A的入口锥体实施方案的压降相对于锥角的图；

图15A是根据一个实施方案的电化学电池的横截面图；

图15B是根据一个实施方案的具有出口截头体(frustrum)的电化学电池的出口盖中的出口压力的等高线图；

图16是根据一个实施方案的电化学电池的一部分的等距视图；

图17A是根据一个实施方案的电化学电池的一部分的等距视图；

图17B是图17A的电化学电池的另一部分的等距视图；

图17C是图17A的电化学电池的另一部分的等距视图；

图18A是根据一个实施方案的电化学电池的一部分的等距视图；

图18B是图18A的电化学电池的部分的平面图；

图19A是根据一个实施方案的分离器的分解图；

图19B是图19A的分离器的平面图；

图19C是图19A的分离器的横截面图；

图20A是根据一个实施方案的分离器的一部分的等距视图；

图20B是图20A的分离器的正视图；

图20C是图20A的分离器的横截面图；

图21A是根据一个实施方案的分离器的等距视图；

图21B是图21A的分离器的正视图；

图21C是图21A的分离器的横截面图；

图21D是图21A的分离器的分解图；

图22是根据一个实施方案的在分离器下游的速度与平均值的偏差的图；

图23A是根据一个实施方案的电化学电池的横截面图；

图23B是图23A的电化学电池的一部分的放大视图；

图23C是根据一个实施方案的电化学电池的电连接器的正视图；

图23D是图23C的电连接器的等距视图；

图24A是根据一个实施方案的电连接器的正视图；

图24B是图24A的电连接器的一部分的放大视图；

图24C是图24A的电连接器的一部分的侧视图；

图25A是根据一个实施方案的电化学电池的一部分的等距视图；

图25B包括跨过图25A的电化学电池的部分的电流分布的等高线图；

图25C是根据一个实施方案的电化学电池的电连接器周围的温度的等高线图；

图25D是根据一个实施方案的电化学电池的电连接器下游的速度的等高线图；

图26A是根据一个实施方案的电化学电池的电连接部的正视图；

图26B是根据另一个实施方案的电化学电池的可选择的电连接部的正视图；

图26C是围绕图26A的电连接部(左)和图26B的电连接部(右)的电流分布的俯视等高线图；

图26D是围绕图26A的电连接部(左)和图26B的电连接部(右)的电流分布的侧视等高线图；

图27A是根据一个实施方案的电化学电池的电连接部的正视图；

图27B是根据另一个实施方案的电化学电池的可选择的电连接部的正视图；

图27C是围绕图27A的电连接部(左)和图27B的电连接部(右)的电流分布的俯视等高线图；

图27D是围绕图27A的电连接部(左)和图27B的电连接部(右)的电流分布的侧视等高线图；

图28A是通过包括图26A的电连接器的电化学电池的流速的等高线图；

图28B是通过包括图26B的电连接器的电化学电池的流速的等高线图；

图28C是通过包括图27A的电连接器的电化学电池的流速的等高线图；

图28D是通过包括图27B的电连接器的电化学电池的流速的等高线图；

图29A是根据一个实施方案的电化学电池的电连接器和分离器组件的等距视图；

图29B是图29A的电连接器和分离器组件的平面图；

图30包括根据一个实施方案的通过电化学电池的流速的等高线图；

图31包括根据一个实施方案的通过电化学电池的流速的等高线图；以及

图32包括根据一个实施方案的通过电化学电池的流速的等高线图。

详细描述

本文公开的方面和实施方案不限于在以下描述中阐述的或在附图中图示的部件的构造和布置的细节。本文公开的方面和实施方案能够以各种方式实践或实施。本公开内容描述了电氯化电池和电氯化装置的各种实施方案，然而，本公开内容不限于电氯化电池或电氯化装置，并且本文公开的方面和实施方案可应用于被用于多种目的中的任何一种的电解电池和电化学电池。

基于在电极处的化学反应的电化学装置被广泛地用于工业实施和市政实施。反应的实例包括：

由氯化钠和水生成次氯酸钠的电氯化：

在阳极处的反应：2Cl^-→C1₂+2e^-

在阴极处的反应：2Na⁺+2H₂O+2e^-→2NaOH+H₂

在溶液中：C1₂+2OH^-→ClO^-+Cl^-+H₂O

总反应：NaCl+H₂O→NaOCl+H₂

由氯化钠和水生成氢氧化钠和氯气，其中阳离子交换膜将阳极和阴极隔开：

在阳极处的反应：2Cl^-→C1₂+2e^-

在阴极处的反应：2H₂O+2e^-→2OH^-+H₂

总反应：2NaC1+2H₂O→2NaOH+C1₂+H₂

用于能量储存的钒氧化还原电池，其中质子可渗透膜将电极隔开：

在充电期间：

在第1电极处的反应：V³⁺+e^-→V²⁺

在第2电极处的反应：V⁴⁺→V⁵⁺+e^-

在放电期间：

在第1电极处的反应：V²⁺→V³⁺+e^-

在第2电极处的反应：V⁵⁺+e^-→V⁴⁺

电氯化电池可以用于海洋实施、离岸实施、市政实施、工业实施以及商业实施。电化学装置的设计参数，例如电极间间距、电极的厚度以及涂层密度、电极面积、电连接的方法等可以针对不同的实施来优化。

除去在阴极处产生的H₂气体是在电化学装置和整个系统的设计中的主要挑战。气体必须在管道中的选定位置处或在产品罐处被安全地排出。在一些实施方案中，可以引入氧化剂以减轻H₂气体产生，任选地通过产生 H₂O₂。

本文公开的方面和实施方案总体上涉及产生消毒剂诸如次氯酸钠的电化学装置。术语“电化学装置”和“电化学电池”及其语法变型被理解为涵盖“电氯化装置”和“电氯化电池”及其语法变型。

如本文所公开的，方面和实施方案涉及同心管状电化学电池(CTE)。图1A示出了示例性的电化学电池100，其中同心管被设置在外壳116内。外管的内表面和内管的外表面包括有效电极面积(active electrode area)。如在图1B中所看到的，进料电解质溶液在同心管102、104之间流过电化学电池100的长度。流动通道由同心管之间的间隙产生，如图1D所示。

在该示例性的实施方案中，电极之间的间隙为约3.5mm。对于以海水作为进料的某些应用(例如，海洋应用和离岸应用)，通过流体通道的液体速度可以大于2.0m/s，例如，约2.1m/s、高达3m/s、高达3.5m/s、高达 6m/s或高达10m/s，导致高度湍流，这减小了电极表面上的结垢和积垢的可能性。

电化学电池100可以包括端盖106、108和中心盖110，如图1C所示。电化学电池可以包括锥体112、114，如图1B和图1C所示。锥体112、114 可以设置在内电极上，以将进料电解质溶液朝向同心管102、104之间的间隙引导。分离器(对齐特征)可以被定位在入口、出口和中心盖中的一个或更多个处，以保持同心管的内部位置并且界定间隙。端盖、锥体和分离器对通过电化学电池的流速和压降具有影响。降低流速可以增加结垢和积垢的可能性，导致更大的维护需求。在具有多个串联布置的电化学电池的系统中，跨过每个电化学电池的压降对系统具有累积效应。根据本文公开的某些实施方案，一个或更多个特征可以被设计成减少对电化学电池内的流速和压降的影响。另外，可以设计一个或更多个特征以简化电化学电池及其部件的制造。如本文中所公开的，特征可以通过数学函数来设计或自由产生。在一些实施方案中，特征可以使用计算流体动力学(CFD)软件凭经验被产生或设计。

本文公开的方面和实施方案被描述为包括一个或更多个电极。如本文所使用的术语“金属电极”或其语法变型被理解为涵盖由以下形成、包含以下或由以下组成的电极：一种或更多种金属例如钛、铝或镍，尽管术语“金属电极”不排除包括其他金属或合金或者由其他金属或合金组成的电极。在一些实施方案中，“金属电极”可以包括多种不同金属的层。在本文公开的实施方案中的任一个或更多个中使用的金属电极可以包括高导电性金属例如铜或铝的芯，所述芯涂覆有对通过电解质溶液的化学侵蚀具有高的抗性的金属或金属氧化物，例如钛、铂、混合的金属氧化物(MMO)、磁铁矿、铁氧体、钴尖晶石、钽、钯、铱、银、金或其他涂层材料的层。

“金属电极”可以涂覆有耐氧化涂层，例如但不限于铂、混合的金属氧化物(MMO)、磁铁矿、铁氧体、钴尖晶石、钽、钯、铱、银、金或其他涂层材料。在本文公开的实施方案中使用的混合的金属氧化物可以包括以下中的一种或更多种的一种或更多种氧化物：钌、铑、钽(任选地与锑和/或锰合金化)、钛、铱、锌、锡、锑、钛-镍合金、钛-铜合金、钛-铁合金、钛 -钴合金或其他适当的金属或合金。在本文公开的实施方案中使用的阳极可以涂覆有铂、和/或铱、钌、锡、铑或钽(任选地与锑和/或锰合金化)中的一种或更多种的一种或更多种氧化物。在本文公开的实施方案中使用的阴极可以涂覆有铂、和/或铱、钌和钛中的一种或更多种的一种或更多种氧化物。在一些实施方案中，阳极和阴极两者被类似地涂覆，以允许电极的周期性极性反转。在本文公开的实施方案中使用的电极可以包括以下中的一种或更多种的基底(base)：钛、钽、锆、铌、钨和/或硅。用于本文公开的任何电化学电池中的电极可以被形成为板、片材、箔、挤出物和/或烧结物或者由板、片材、箔、挤出物和/或烧结物形成。

如本文所使用的术语“管”包括圆柱形导管，然而，不排除具有其他横截面几何形状的导管，例如具有正方形、矩形、椭圆形或长圆形几何形状或被成形为任何规则的或不规则的多边形的横截面几何形状的导管。

如本文所使用的术语“同心管”或“同心螺旋”包括共用大体上公共的中心轴线的管或交错的螺旋，但不排除围绕大体上公共轴线的管或交错的螺旋，所述公共轴线不一定在一组同心管或交错的螺旋中的每个同心管或交错的螺旋的中心。

根据一个方面，电化学电池包括同心管电极。同心管电极中的至少一些可以是单极的或双极的。内管电极可以是具有耐氧化涂层例如铂或 MMO的阳极。外管电极可以没有涂层，充当阴极。可选择地，内管电极可以充当阴极，并且外管电极可以充当阳极。在一些实施方案中，两个电极都被涂覆以允许极性反转。

示例性的实施方案中的电极可以是单极的，使得电流穿过电解质，每个电极一次。电极中的每个可以包括钛管。阳极电连接器可以与外管电极电连通。阴极电连接器可以与内管电极电连通。如果存在中间管电极，则其可以与内管电极、外管电极或两者电连通。在一些实施方案中，中间管电极可以是在内表面和外表面两者上均具有耐氧化涂层例如铂或MMO的阳极，以充分利用表面。中间管阳极可以被两个充当阴极的电极包围。

图2A-图2C 示出了在CTE电化学电池中的电极的一些可能的示例性布置。图2A图示出了其中电流从阳极一程(in one pass)流动至阴极的示例性布置。两个电极都可以由钛制成，其中阳极涂覆有铂或混合的金属氧化物(MMO)。这样的电极被称为“单极的”。

示例性的实施方案中的电极可以是双极的，使得电流穿过电解质，每个电极多于一次。在示例性的实施方案中，双极管电极的一个端部(在一些实施方案中，约电极的一半)可以未被涂覆以用作阴极而另一个端部部分 (在一些实施方案中，约电极的一半)可以涂覆有耐氧化涂层，例如铂或 MMO，以用作阳极。双极管电极可以嵌套在阳极管电极和阴极管电极内，每个管电极围绕双极电极的一个端部部分。具有共同直径的阳极管电极和阴极管电极可以沿着电化学电池的长度横向地位移。双极管电极可以被定向成使电流能够双程(in two passes)流过在双极管电极、阳极管电极和阴极管电极之间经过的电解质溶液。

通过插入另外的双极管电极并且使相应的阳极管电极和阴极管电极重叠，使得阳极管电极和阴极管电极沿着通过电化学电池的轴向方向被设置在多个双极管电极的可选择的侧上，电池可以被装配成提供三个或更多个电流通道，示意地类似于多通道平行板电极(PPE)。

图2B图示出了其中电流以两程流过具有两个外电极和一个内电极的装置的示例性布置。外电极中的一个被涂覆在内表面上以例如充当阳极；另一个未被涂覆。内电极的外表面的一部分被涂覆，以例如也充当阳极，并且剩余部分未被涂覆。电流通过电解质从涂覆的外电极流动至内电极的未涂覆的部分，沿着内电极流动至涂覆的部分，然后最终跨过电解质流动回到未涂覆的外电极。内电极还被称为“双极”电极。

图2C图示出了其中电流多程(in multiple passes)流过具有多个外电极和一个内电极的装置的布置。通过使阴极部分和阳极部分交替并且在必要时涂覆电极，电流可以多程来回地流过电解质。程的数目可以相应地增加。

根据一个方面，电化学电池包括多个同心管电极。在本文公开的包括多个阳极管电极或阴极管电极的实施方案中，多个阳极管电极可以被统称为阳极或阳极管，并且多个阴极管电极可以被统称为阴极或阴极管。在包括多个阳极管电极和/或多个阴极管电极的实施方案中，多个阳极管电极和 /或多个阴极管电极在本文中可以被统称为阳极-阴极对。

电化学电池可以包括例如三个、四个或五个同心管。在一些实施方案中，电化学电池可以包括三个或四个同心管电极，具有两个外管电极和一个或两个内管电极。四管电化学电池可以以类似于三管电化学电池的方式工作，除了电解质溶液可以流过三个流体通道而不是两个流体通道。额外的电极管可以提供另外的阴极电极表面、阳极电极表面和流体通道。类似地，包括五个管电极的电化学电池可以包括两个外管、三个内管和四个流体通道。第五电极管还可以提供另外的阴极电极表面、阳极电极表面和流体通道。管的数量、程的数目和电极配置(单极的或双极的)可以变化。管的数量、程的数目和电极配置可以基于电化学电池的期望用途来选择。

如本文所公开的多管电极布置逐渐增加每单位体积的有效面积(active area)。随着在包括多个同心管电极的电化学电池和装置或电氯化电池和装置中使用的多管的数量增加，最内部的管的直径将变得越来越小，其中每个管的有效表面积更小。然而，，总体结果是，当与其他CTE电极装置相比时，多管电极将具有明显更多的有效表面。

如本文中所使用的术语，电化学电池的“有效密度(active density)”被定义为在电化学电池中正经历处理的流体可以流过的有效或功能性电极表面(有助于电化学电池中的流体的电化学处理的电流从其流出或流动至其的电极的表面)之间的横截面积(电化学电池的“有效面积”)与在电化学电池的外壳内的总横截面积的比率。如所定义的“有效密度”是正交于流体可以流过的中心轴线的平面内的面积除以正交于中心轴线的总横截面积。度量的单位是无量纲的分数或百分比。本文所公开的方面和实施方案包括具有在约46％和约52％之间、大于约50％、在一些实施方案中大于约75％、在一些实施方案中大于85％、在一些实施方案中大于90％、并且在一些实施方案中多达约95％的有效密度的电化学电池。

如本文所使用的术语，电化学电池的“总填装密度(overall packing density)”被定义为在正交于流体流过电化学电池的流动的平面内的总功能性电极路径长度，其对应于在电化学电池的外壳内的总横截面积。“填装密度”是电化学装置中的电极的“有效表面积”除以装置的总内部体积。度量的单位是1/长度(例如m^-1)。电极的“有效表面积”是这样的电极的表面积，有助于电化学装置内的电化学反应的电流从该表面积流出或者流入该表面积中。具有相对的表面的电极可以在单个表面上或在两个表面上具有有效表面积。“阳极填装密度”是电化学装置中的阳极的“有效表面积”除以装置的总内部体积。“阴极填装密度”是电化学装置中的阴极的“有效表面积”除以装置的总内部体积。“总电极填装密度(overall electrode packing density)”或“总电极填装密度(total electrode packingdensity)”是电化学装置的阳极填装密度和阴极填装密度的总和。本文公开的电化学电池的方面和实施方案可以具有2mm^-1或更大的阳极填装密度、阴极填装密度和/或总电极填装密度。

根据某些实施方案，电化学电池的阳极管和/或阴极管可以具有孔 (aperture)，以允许电化学反应中产生的氢气更容易地流过电极并且减少在电极表面处的氢气掩蔽效应。氢气掩蔽减小了可用的阳极面积和随后地次氯酸钠输出。另外地或可选择地，阳极和/或阴极可以包括流体可渗透材料和/或穿孔的材料或网状物材料，例如，穿孔的钛或钛网状物。电化学电池可以包括用于氧化剂递送的气体导管，以与电池中通过例如电氯化反应产生的氢气组合，并且产生水或过氧化氢。在一些实施方案中，催化剂例如被提供在阴极上和/或阴极中以有助于在电池中氧化剂和氢气的反应。

可以通过使用波纹(corrugation)来增加电极的表面积。电化学电池可以包括波纹状的阳极或阴极中的一个，而阳极或阴极中的另一个是非波纹状的。电化学电池可以包括多通道波纹状电极几何形状。在其他实施方案中，阳极和阴极可以具有与所图示的不同的曲率的形式，以提供增大的电极表面积。然而，应注意的是，波纹可以增加湍流，相应地降低通过电化学电池的平均流速。因此，波纹状电极电池可能需要增加的入口流速来补偿。

通过每个阳极使用多个气体扩散阴极，可以增加阴极处或阴极中的用于氢气减少的表面积。多个气体扩散阴极可以通过轴向的或平行的气体导管被供应有气体(氧化剂)，例如氧气。

本文公开的电化学电池的方面和实施方案可以包括阳极和阴极(或阳极-阴极对)，其被配置且被布置成在大体上或完全平行于外壳的中心轴线的方向上引导大体上所有的流体或所有的流体穿过阳极和阴极之间的有效面积或间隙。在一些实施方案中，间隙可以被称为流体通道。流体通道可以具有在0.5m和2.0m之间，例如约1.0m的长度。在一些实施方案中，流体通道可以延伸至少3.0m。大体上或完全平行于有效面积的方向可以平行于或大体上平行于阳极和阴极(或阳极-阴极对)。流过有效面积的流体仍然可以被认为在大体上或完全平行于有效面积的方向上流动，即使流体流动在流过有效面积期间呈现出湍流和/或涡流。

在包括同心管电极例如如本文公开的一个或更多个阳极和/或阴极的电化学电池的一些方面和实施方案中，电极被配置且被布置成在平行于电化学电池的中心轴线(在图3B中作为虚线示出)的方向上引导流体通过电极之间的一个或更多个间隙。在一些方面和实施方案中，电极被配置且被布置成在平行于电化学电池的中心轴线的方向上引导被引入到电化学电池中的所有流体通过电极之间的一个或更多个间隙。

电极之间的间隙的宽度可以是恒定的或可变的。电极之间的间隙的宽度可以是例如跨过在约1mm和约7mm之间，跨过在约1mm和约5mm 之间，或者跨过在约3mm和约5mm之间。在一些实施方案中，电极之间的间隙的宽度可以是约2.0mm、约2.5mm、约3.0mm、约3.5mm或约 4.0mm。间隙的宽度和电化学电池设计可以基于电化学电池中待处理的电解质的类型来选择。

在示例性的实施方案中，进料电解质溶液流过在三个管电极之间形成的两个环形间隙(即流体通道)。恒定的或可变的DC电压或在一些实施方案中AC电流可以跨过阳极电连接器和阴极电连接器被施加。电流可以从阳极(中间管电极)的内表面和外表面同时流动至内阴极和外阴极(内管电极和外管电极)。可以通过一个或更多个导电桥在管电极之间进行电连接，所述一个或更多个导电桥可以由与电极相同的材料形成，例如钛。电化学反应和化学反应可以在电极的表面处和在本体溶液(bulk solution)中发生以产生产物溶液。例如，电化学反应和化学反应可以在电极的表面处和在本体溶液中发生，以在管电极之间形成的流体通道中产生产物溶液。

电化学系统通常可以被进料盐水、微咸水或海水，尽管进料溶液不是限制性的。电化学电池的设计参数通常可以基于进料溶液的组成和/或产物溶液的期望组成来选择。海水通常具有在约3.0％和4.0％之间的盐度，例如，海水可以具有约3.5％、3.6％或3.7％的盐度。海水包含溶解的离子，包括钠、氯化物、镁、硫酸盐和钙。海水还可以包括硫、钾、溴化物、碳和钒中的一种或更多种。海水可以具有约35,000mg/l的总溶解固体(TDS) 含量。盐水通常具有大于约3.5％的盐度。例如，盐水可以具有约4.0％、 4.5％、5.0％、7.5％或约10％的盐度。盐水可以具有大于约35,000mg/l的 TDS含量。饱和盐水可以具有高达约25.0％的盐度。微咸水通常具有低于 3.5％的盐度。微咸水可以具有约3.0％、2.5％、2.0％或1.0％的盐度。微咸水可以具有低于约35,000mg/l的TDS含量。例如，微咸水可以具有在约 1,000mg/l至约10,000mg/l之间的TDS含量。

通常，电解质溶液的电导率可以在约0S/cm和25S/cm之间，这取决于盐度。具有在约0.5％和2.0％之间的盐度的微咸水可以具有在约0.5S/cm 和约4.0S/cm之间，例如，约0.8S/cm或约3.0S/cm的电导率。具有约3.5％的盐度的海水可以具有在约4.5S/cm和5.5S/cm之间，例如，约5.0S/cm 或约4.8S/cm的电导率。具有在约5.0％和10％之间的盐度的盐水可以具有在约7S/cm和13.0S/cm之间，例如约12.6S/cm的电导率。具有约25％的盐度的饱和盐水可以具有在约20.0S/cm和约23.0S/cm之间，例如约22.2 S/cm的电导率。盐度和电导率可以遵循线性关系：y＝0.9132x+1.6332，其中y是电导率(S/cm)，并且x是盐度百分比(％NaCl)。

积垢和结垢通常可以发生在电化学电池内的低速的区域中。常规上，可能需要酸洗涤来除去积垢。酸洗涤要求电化学电池离线，限制了生产和使用。如本文中所公开的，电化学电池的部件可以被设计成减少低速的区域，减少积垢和结垢。保持自清洁性质所需的平均流体速度可以取决于电解质溶液的品质。如本文中所使用的，自清洁流体速度是平均本体流体速度，通过所述平均本体流体速度，积垢形成可以被大体上最小化。自清洁流体速度可以被选择成最小化、限制或大体上减少电化学电池中的积垢形成。保持自清洁流体速度和/或最小化任何减速区可以大体上减少或消除对装置的酸洗涤的需求。因此，装置可以保持连续使用持续更长的时间段，通常直到电极或其涂层降解。

通常，为了保持电化学电池(例如，用于处理海水的电化学电池)的自清洁性质，本体流体速度可以保持在高于2m/s的平均速度。例如，在室温(20℃-25℃)具有约1000ppm-1400ppm的镁浓度和约300ppm-450 ppm的钙浓度的海水或水可以需要约2m/s或更大的平均流速来保持自清洁性质。具有较大的硬度例如高达约500ppm的Ca和1800ppm的Mg的海水或水(来自红海的水)可以需要较大的平均流速来保持自清洁性质。这样的海水可以需要约2.5m/s或3.0m/s的平均流速来保持自清洁性质。具有较小的硬度例如约200ppm的Ca和约700ppm的Mg的海水或水(来自阿拉伯湾的水)可以以较低的平均流速保持自清洁性质。例如，这样的海水可以以约1.5m/s或1.8m/s的平均流速保持自清洁性质。

具有高于约20℃或25℃的温度的海水(例如，来自阿拉伯湾的可以具有约40℃的温度的水)或具有低于约20℃或25℃的温度的海水(例如，来自北海的可以具有约0℃的温度的水)也可以分别以较低的平均流速或较高的平均流速保持自清洁性质。另外，微咸水和盐水可以以较低的平均流速保持自清洁性质。

可以根据需要保持平均流速，以保持电化学电池的自清洁性质。例如，流速可以根据需要保持在大于约1.5m/s、在约1.5m/s和约2m/s之间、大于约2m/s、在约2m/s和约2.5m/s之间、大于约2.5m/s、在约2.5m/s和 3.0m/s之间、或大于约3.5m/s，以用特定的电解质溶液保持自清洁性质。对于某些进料流，流速可以保持在4m/s、5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s 或10m/s或接近4m/s、5m/s、6m/s、7m/s、8m/s、9m/s或10m/s。低于自清洁速度的任何平均速度都可以在预定的长度内解析(resolve)，如下文更详细地描述的。

在本文公开的一些实施方案中，电极，例如阴极和阳极，可以围绕外壳的中心轴线被同心地设置在外壳中。电极可以被插入到非金属外壳中并且通过防水连接器被连接至DC或AC电源，使得没有电活性部件 (electrically live component)被暴露于外部环境。此设计对于操作者通常是更安全的并且在装置和外部接地部件或液体之间不存在短路的风险。

电极可以被定位在非金属外壳的内部，该非金属外壳被设计成将电极与外部环境电隔离并且承受穿过电化学电池的电解质的流体压力。外壳可以是非导电的，对于电解质溶液化学上非反应性的，并且具有足够的强度以承受系统压力、系统高频振动和环境低频振动(例如，在船上)。外壳可以具有足够的强度以承受高达16巴的压力。外壳可以具有足够的强度以承受高达10m/s的电解质溶液流速。外壳可以包括聚氯乙烯(PVC)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、高密度聚乙烯(HDPE)、纤维增强聚合物(FRP)或其他适当的材料中的一种或更多种，并且在一些实施方案中可以包括增强元件，例如嵌入在聚合物基质中的玻璃或碳纤维。电极连接器可以在外壳的端部处延伸到外壳的壁之外。在一些实施方案中，电极连接器可以在外壳的相对端部处延伸到外壳的壁之外。

如图3A-图3C所示，电化学电池1000可以包含一个或更多个分离器 1180，分离器1180被配置成保持电极1020和1040之间的间隙。分离器 1180可以被定位成位于电极1020和1040之间(如图3C所示)，例如在阴极和阳极之间。为了保持流体通道(如图3C所示，在电极1020和1040之间)，分离器1180可以被设定尺寸为具有一高度，所述高度保持电极1020和1040之间的间隙的宽度，定位电极1020和1040，并且保持管的同心度 (如图3B所示)。分离器1180可以被设定尺寸为允许流体流过通道。

图7A-图7B示出了分离器1180的另一个实施方案。如图7A所示，每个分离器1180可以被构造和布置成附接至电极管1020、1040的端部。分离器可以被定位在电极管1020、1040内，如图7B所示。分离器1180 可以包含一个或更多个与电极或电连接器配合的特征1186。如本文中所使用的，“配合”指的是两个或更多个元件之间的连接。该连接可以是机械的和/或电的。配合的特征可以用于保持对齐并且防止分离器相对于电极或电连接器的旋转。如图7C-图7D所示，模制的特征1186可以通过减少对其他附接元件的需求来促进电化学电池的组装。在一些实施方案中，分离器可以包括被配置成与电极管配合并且保持同心电极管的同心度的狭槽、夹具或整体附接特征。

分离器可以由能够承受高压的化学惰性的非导电材料构成。在一些实施方案中，分离器可以被构造成承受高达16巴的压力、系统高频振动和环境低频振动(例如，在船上)。分离器可以被构造成承受高达10m/s的电解质溶液流速。分离器可以由塑料或陶瓷构成。分离器可以包含PVC、PTFE、 PVDF、ABS、HDPE、FRP或其他适当的材料中的一种或更多种。在一些实施方案中，为了便于制造和组装，分离器可以被注射模制。

诸如分离器的流动特征倾向于在流动的电解质溶液上产生阻力，导致分离器下游的减速区(area of reduced velocity)(在本文中也被描述为“减速区(zone of reducedvelocity)”)。如先前所描述的，平均流速的降低可以损害电化学电池的自清洁性质。因此，任何低于自清洁速度的平均速度都应该在从分离器沿流体通道向下的预定长度内解析。没有分离器的自清洁电化学电池可以解析减速区，例如，在离电化学电池的入口20mm内。在一些示例性的实施方案中，当减速区在离分离器140mm内被解析时，满足自清洁性质，如图4所示。根据一些实施方案，分离器可以被设定尺寸为在 20mm内(图4)或60mm内(图5)解析减速区。

减速区可以由其中电解质溶液流速低于溶液通过通道的平均流速或自清洁速度的区域来界定。由分离器产生的减速区通常位于分离器的下游，但在电化学电池中可以存在其他减速区。在一些实施方案中，减速区由其中平均电解质溶液流速比自清洁速度或通过流体通道的平均速度小至少 2％、5％、10％、15％、20％或25％的区域界定。对于具有至少2m/s的自清洁流速或平均流速的示例性电化学电池，减速区可以由低于2m/s的任何流速、由比2m/s低至少25％的流速(例如，1.5m/s)、由比2m/s低至少 20％的流速(例如，1.6m/s)、由比2m/s低至少15％的流速(例如，1.7m/s)、由比2m/s低至少10％的流速(例如，1.8m/s)、由比2m/s低至少5％的流速(例如，1.9m/s)、由比2m/s低至少2％的流速(例如，1.96m/s)、或者由比2m/s低至少任何其他百分比的流速来界定。

对于减速区内的任何平均流速，当流体速度解析为等于自清洁流体速度或等于电化学电池内的平均流体速度的平均本体速度时，该区域可以结束。例如，减速区可以具有给定的速度分布，当平均流体速度达到2m/s(或任何其他期望的自清洁速度)时，解析该速度分布。在一些实施方案中，当平均流体速度达到自清洁速度或电化学电池内的平均速度的1％、2％、5％或10％内的速度时，减速区结束。因此，对于具有2m/s的自清洁速度的示例性电化学电池，当平均流体速度解析为2m/s、1.98m/s(在1％内)、1.96 m/s(在2％内)、1.9m/s(在5％内)或1.8m/s(在10％内)时，减速区可以结束。在一些实施方案中，当平均流体速度解析为入口流体速度，例如分离器上游的流体速度时，减速区结束。当平均流体速度解析为入口流体速度的1％、2％、5％或10％内的流体速度时，减速区可以结束。

减速区也可以通过与通过电化学电池的本体电解质溶液的平均流速的速度偏差来表征。减速区内的速度零散(velocity spread)通常在减速区和分离器的边界处(即，分离器的紧下游)最大。速度零散倾向于向下游标准化，直到它在电化学电池的平均流速的百分比内。在示例性的实施方案中，速度零散遵循图22的图中的曲线。在一些实施方案中，减速区内的速度偏差不超过平均流速的±20％，例如不超过平均流速的±18％，不超过平均流速的±15％。当速度零散在平均流速的±5％内、在平均流速的±2％内、在平均流速的±1％内时，减速区可以终止。因为根据定义，平均流速是平均速度，所以可以想象，在电化学电池的整个长度上，速度零散可以保持在自清洁速度的小的百分比内。

分离器可以被设计成最小化在分离器下游的流体通道中自然出现的减速区。减速区被最小化以保持电化学电池的自清洁性质。分离器可以被设定尺寸为将减速区保持在预定的长度内。通常，基于通过流体通道的平均流速和/或电解质溶液的组成，可以选择减速区的预定长度以最小化或消除积垢。预定的长度可以是例如在流体通道的长度的约2％和5％之间，例如小于约5％。在一些实施方案中，预定的长度是流体通道的约5％、4％、 3％、2％或小于1％。某些电解质溶液可以比其他电解质溶液耐受更长的预定长度。电解质溶液的组成、硬度和温度可以在确定电化学电池对积垢的耐受方面起作用。

在一些实施方案中，相对于流动通道的宽度来描述预定的长度。例如，减速区的长度与流体通道的宽度的比率可以小于120比3.5。该比率对应于这样的减速区：对于3.5mm的通道宽度，其具有小于120mm的长度，对于3.0mm的通道宽度，其具有小于102.8mm的长度，对于2.5mm的通道宽度，其具有小于85.7mm的长度，等等。减速区的长度与流体通道的宽度的比率可以小于100比3.5、60比3.5或20比3.5。在一些实施方案中，对于以在2.0m/s和2.5m/s之间(例如，2.0m/s、2.1m/s、2.2m/s、 2.3m/s、2.3m/s、2.4m/s或2.5m/s)的平均流速流过流体通道的电解质溶液，预定的长度可以在140mm、120mm、100mm、60mm或20mm内。

在一些实施方案中，分离器被设计成通过仅允许预定的流动面积通过通道来最小化减速区。分离器可以被设定尺寸为具有覆盖流体通道的流动面积的预定百分比的横截面积。例如，分离器可以被设定尺寸为具有在流体通道的流动面积的10％和35％之间的横截面积。分离器可以被设定尺寸为具有小于流体通道的流动面积的约10％、15％、20％、25％、30％或35％的横截面积。通常，分离器可以被设计成具有尽可能小的横截面积(即，允许最大的溶液流动)，同时支撑流体通道。分离器的横截面积可以被设计成向电极管提供足够的支撑以保持同心度，同时减小在分离器的下游出现的减速区以保持电化学电池的自清洁性质。

分离器可以被设计成将电解质溶液的速度与平均值的偏差保持在电解质溶液通过流体通道的平均流速的±20％内，例如±18％或±15％内。分离器可以被设定尺寸为最小化速度与分离器下游的平均值的偏差。例如，分离器可以最小化速度与紧邻分离器的平均值的偏差。在一些实施方案中，分离器可以是水线型的，以最小化速度与平均值的偏差。如本文中所描述的，“水线型的”可以指的是具有针对溶液的流动的流线型配置的部件。水线型可以包括形成与平均值的最小下游速度偏差的配置。在一些实施方案中，水线型配置不在下游形成涡流或大体上不在下游形成涡流。水线型配置不需要局限于提供层流，而是可以被湍流包围。在一些实施方案中，水线型配置大体上不促进电解质流过电化学电池的湍流。

根据某些实施方案，如图6A所示，分离器可以包括环1182和从环1182 延伸的多个突出部1184。分离器可以允许流体在突出部1182之间流动(例如，如图3C所示)。为分离器的对齐而提供的特征1186可以被定位在环 1182上，例如，在相邻的突出部之间。突出部1184可以被提供以保持电极管之间的间隙，同时允许流体流过通道。因此，突出部可以被设定尺寸为具有保持流体通道的宽度的高度。如图6B-图6D所示，H是突出部的高度，基本上等于流体通道的宽度，W是突出部的宽度，并且L是沿着流体通道的突出部的长度。突出部1184可以在一端被附接至环1182，并且从环径向向外延伸或者从环径向向内延伸。在其中突出部从环径向向外延伸并且从环径向向内延伸的实施方案中，如图6A所示，高度可以基本上等于流体通道的宽度的一半。

通常，如图6C和图6D所示，突出部可以具有大于宽度W的长度L(界定在沿着流动通道的方向上)。另外，突出部可以具有流线型配置或水线型配置以减少对流动的电解质的阻力。在一些实施方案中，突出部可以是球形的、圆柱形的、卵形的、泪珠形的、杏仁形的、菱形的(长形的或对称的) 或圆形三角形。突出部可以具有圆形的横截面形状、椭圆形的横截面形状、三角形的横截面形状、菱形的横截面形状或泪珠形的横截面形状。

分离器通常可以具有足够的突出部来为电极管提供支撑。在一些实施方案中，分离器可以具有在2个和8个之间的突出部，例如在3个和6个之间的突出部。分离器可以具有例如3个、4个、5个或6个突出部。环和突出部可以被设定尺寸为减小减速区。例如，可以选择突出部的数量和布置，以最小化减速区，或者以其他方式将减速区保持在预定的长度内。因此，分离器可以具有导致分离器横截面积在流体通道的流动面积的10％和35％之间的突出部的数量和宽度。在一些实施方案中，突出部可以在环上大体上均匀地间隔开，以提供均匀的支撑(例如，如图6A所示)。类似地，可以选择突出部的长度和宽度，以最小化减速区，或者以其他方式将减速区保持在预定的长度内。突出部可以被设定尺寸为具有为电极提供足够的结构支撑的宽度(例如，基于突出部的数量)，同时大体上不超过将提供太大阻力的宽度。对于某些材料，突出部可以具有能够制造的最小宽度，该最小宽度也提供了足够的支撑。在一些实施方案中，突出部可以被设定尺寸为具有在0.5倍和2倍高度之间的宽度，例如在0.5倍和1倍高度之间或在1倍和2倍高度之间的宽度。

典型的电氯化电池可以具有在1mm和5mm之间的通道宽度。这样的电化学电池可以包含：具有在0.5mm和3mm之间的环宽度的分离器；具有在1mm和5mm之间的高度(与通道宽度相关)的突出部；具有在1mm 和10mm之间的宽度的突出部；以及具有在1mm和10mm之间的长度的突出部。示例性的电化学电池可以具有3.0mm至3.5mm的通道宽度。这样的电化学电池可以包括具有1mm的宽度的环以及具有2.5mm至7mm 的宽度和5mm至10mm的长度的突出部，其中长度不短于宽度。环可以大体上位于流体通道的中心，其中突出部从环在两个方向上延伸。在该示例性的环中突出部的高度可以从端部到端部地测量。在一些实施方案中，环可以针对电极中的一个定位，其中突出部在大体上一个方向上朝向相对的电极延伸。

如先前所描述的，电化学电池可以包括多个同心管电极，例如三个、四个或五个同心管电极。利用每个增加的同心管电极，提供了另外的阴极电极表面、另外的阳极电极表面和另外的流体通道。每个流体通道可以界定在每个相邻的阴极和阳极之间，并且每个流体通道可以大体上平行于其他流体通道和外壳的中心轴线延伸。每个流体通道可以另外地与位于电极之间的分离器相关联，以保持流体通道。因此，电化学电池可以包括位于同心电极之间的多个同心分离器。

在一些实施方案中，例如，如图16所示，电化学电池1000可以包括多个连续的电极1020、1022。连续的电极1020、1022可以沿着外壳的长度布置(在图16中未示出)。如图17A-图17C所示，电化学电池1000可以包括被定位在连续的电极1020、1022之间的一个或更多个分离器1200。分离器1200可以被定位、布置和配置成与连续的电极1020、1022配合(例如，通过诸如狭槽、夹具或电连接部的特征)，将电极定位在电化学电池 1000内。另外，在存在同心电极1020、1040和连续的电极1020、1022的情况下，多个同心分离器1200可以被定位在连续的电极1020、1022之间，并且被配置成保持连续的电极的同心度，例如，如图18A和图18B中所示。

被定位在连续的电极之间的分离器可以包括多个相邻的环(contiguous ring)1220。在图19-图21中示出了相邻的环1220的若干个实施方案。例如，分离器可以包括两个、三个或四个相邻的环。在一些实施方案中，相邻的环中的至少一个包括多个突出部，如先前所描述的。相邻的环可以被配置成彼此配合和/或与相邻的连续电极配合。在相邻的环之间存在的任何间隙可以被最小化，以减小在分离器的下游存在的减速区。例如，相邻的环之间的间隙可以被设定尺寸为将减速区保持在预定的长度内，如先前所描述的。在一些实施方案中，可以在相邻的环之间实施密封件，以减小有效间隙，并且由此减小减速区。

相邻的环之间的间隙可以小于分离器的宽度(例如，分离器的环的宽度) 的1.60倍。例如，分离器可以包括具有在1mm和3mm之间的宽度的环。相邻的环之间的间隙可以小于4.80mm、小于3.20mm或小于1.60mm。间隙的宽度可以在0.5mm和4.80mm之间、在0.5mm和3.20mm之间或在0.5mm和1.60mm之间。在示例性的实施方案中，分离器可以包括多个具有1mm的宽度的相邻的环，其中多个环中的每两个环之间的间隙具有在0.5mm和1.60mm之间的宽度。通常，相邻的环之间的间隙的宽度可以被设定尺寸为物理上尽可能小。如果可能制造，则相邻的环在它们之间可以大体上没有间隙。

根据某些实施方案，例如，如图8A和图8B所示，电化学电池1000 可以包括入口端盖1060和出口端盖1080，每个都被耦接至外壳1160的远端。端盖1060、1080可以具有大体上位于中心的孔1062(如图9A和图9B 所示，图9A和图9B分别是端盖的俯视图和仰视图)。如图8B的横截面图所示，孔可以与电化学电池内部的阳极和阴极之间的流体通道流体连通。端盖还可以包括流体导管1064(如图9D的横截面图所示)，流体导管1064 在孔和电化学电池的流体通道之间提供流体连通。流体，例如电解质溶液，因此可以通过入口端盖的一个或更多个流体导管被引入到电化学电池中，并且继续通过电极之间的间隙，即，流体通道。流体可以通过出口端盖的流体导管离开电化学电池，并且流出大体上位于中心的孔。

端盖内的流体导管可以被设计成最小化跨过电化学电池的压降。在圆柱形管道中，由于粘性效应引起的压力损失与长度成比例，并且通过 Darcy-Weisbach方程来表征：

其中：

Δp是压力损失(Pa)，

L是导管的长度(m)，

D是液压直径(hydraulic diameter)(m)，

f_D是摩擦因子(由雷诺数、材料的绝对粗糙度和相对粗糙度以及摩擦系数确定)，

ρ是流体的密度(kg/m³)，以及

<v>是平均流速(m/s)。

因此，压降可以随着导管的长度、液压直径和材料而变化。在一些实施方案中，流体导管的半径和/或长度可以被设定尺寸为最小化电化学电池内的压降。另外，流体密度和流速也可以对压降具有影响。

压降可以由通过电化学电池的入口压力和出口压力之间的差异来确定。在一些实施方案中，最小化压降包括最小化入口压力。因此，在一些实施方案中，入口端盖的流体导管的半径和/或长度可以被设定尺寸为保持期望的入口压力。入口压力可以保持在低于例如125kPa、122kPa、120kPa、 118kPa、117kPa、116kPa或115kPa。然而，入口压力应当被保持在促进电化学电池的适当使用的范围内。入口压力可以保持在约115kPa和125 kPa之间，例如保持在约117kPa和121kPa之间。出口压力可以保持在约 100kPa和105kPa之间，例如保持在约101kPa和103kPa之间。最小化的压降可以接近制造和材料限制所允许的大体上无压降，例如，低于25kPa、 24kPa、23kPa、22kPa、21kPa、20kPa、低于19kPa、低于18kPa、低于17kPa、低于16kPa、低于15kPa或更低。最小化的压降可以取决于电解质溶液的流体密度和平均流速(例如，用于这样的流体的自清洁流速)。

在一些实施方案中，流体导管包括第一半径的区和大于第一半径的第二半径的区。第一半径的区可以邻近大体上位于中心的孔，而第二半径的区可以邻近流体通道。在示例性的实施方案中，入口端盖的流体导管具有第一线性区域、径向增大区域和第二线性区域，其中第一线性区域可以对应于第一半径，并且第二线性区域可以对应于第二半径。端盖可以包括用于与外壳的端部配合的特征。

端盖可以由能够承受高压的化学惰性的非导电材料构成。在一些实施方案中，端盖可以被构造成承受高达16巴的压力、系统高频振动和环境低频振动(例如，在船上)。端盖可以被构造成承受高达10m/s的电解质溶液流速。端盖可以由塑料或陶瓷构成。端盖可以包含PVC、PTFE、PVDF、 ABS、HDPE、FRP或其他适当的材料中的一种或更多种。

如图10A和图10B所示，电化学电池还可以包括锥体1120，锥体1120 被设置在端盖1060的流体导管内，并且被配置成界定用于溶液进入流体通道的流动路径。锥体1120可以耦接至外壳1160，以界定进入流体通道的流动路径。在一些实施方案中，锥体可以耦合至电极1020(如图11A所示)、电连接器1240(如图11B所示)或电化学电池的其他元件，以界定进入流体通道的流体流动路径。因此，锥体可以具有等于或大体上等于流体通道的内径的底部直径(base diameter)。

如先前所描述的，跨过电化学电池的压降可以随液压直径而变化。入口锥体1120、出口锥体1140或两者(如图8B所示)可以被设计成最小化跨过电化学电池的压降，例如通过改变流动路径的液压直径。图12是跨过示例性的电化学电池的压降的等高线图。如图12所示，跨过流体通道存在压差。改变入口端盖流体通道的尺寸可以对入口压力具有影响，如图13A-图13C所示。另外，改变入口锥体的尺寸可以对压降具有影响，如图 14A和图14B的图中呈现的数据所示。

最小化压降可以包括例如在流体导管和锥体之间保持大体上恒定的流动面积。通常，锥体可以具有尺寸被设计成与流体通道相对应的基部 (base)。对于环形流体通道，基部可以具有大体上对应于环形流体通道的内径的直径。除了设计流体导管的尺寸以减小压降之外，锥体的高度、顶角、底角和倾斜高度中的一个或更多个可以被设定尺寸为最小化跨过电化学电池的压降。入口锥体、出口锥体或两者可以独立地具有在20°和90°之间，例如在30°和80°之间或在40°和60°之间的顶角。入口锥体、出口锥体或两者可以独立地具有10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°、90°或根据需要最小化跨过电化学电池的压降的顶角。

在一些实施方案中，例如，如图15A和图15B所示，电化学电池包括代替出口锥体的出口截头体1122。出口截头体1122可以设置在出口端盖 1080的流体导管1064内，并且被配置成界定用于溶液流出电化学电池的流动路径。出口截头体1122可以被设定尺寸为进一步最小化跨过电化学电池的压降，如等高线图所示。通过修改出口锥体以产生出口截头体，出口端盖的总流动面积增加，导致进一步减小的压降。

端盖的流体导管可以被设定尺寸为允许溶液的完全展开的流动。另外，界定在流体导管和锥体之间的流动路径可以被设定尺寸为保持溶液的完全展开的流动。如本文中所使用的，当通过流体导管的流动的边界层扩张以填充整个导管时，完全展开的流动发生，使得流动特性在导管的整个剩余长度中保持大体上相同。入口长度(entrance length)是使得流体流动变得完全展开所需的导管长度。流动路径的长度可以大于特定溶液的入口长度，使得在导管和锥体之间行进的流动变得和/或保持完全展开。

流动路径可以具有由锥体和流体导管之间的空间所界定的液压直径。在一些实施方案中，流动路径可以具有在流体导管的较大线性区域(即第二半径的区)的长度的2倍和10倍之间的液压直径，以保持完全展开的流动。流动路径可以具有是第二半径的区的长度的至少2倍、3倍、4倍、5倍、 6倍、7倍、8倍、9倍或10倍的，或者根据需要保持特定电解质溶液的完全展开的流动的液压直径。通常，第二半径的区的长度可以尽可能大，同时保持足够的入口压力和跨过电化学电池的压降。

端盖可以潜在地具有双重用途，因为它们还可以并入用于向电极递送电流的电连接器，并且为电化学电池提供气动密封。例如，端盖在被紧固至电化学电池的相对的端部时可以形成气动密封的室。盖可以为气体导管的气动路由和电气路由提供配置。

如图23A-图23D所示，电化学电池1000可以包括被定位在电极的远端并且电连接至电极的电连接器1240。电流可以通过电连接器被施加至电化学电池，在内部行进通过电极和工艺流体，并且通过相应的接地连接离开电化学电池。施加至电化学电池的最大电流可以由其操作电流密度来界定，该操作电流密度通常小于约3000A/m²。操作电流密度可以随着电极涂层和内部电极表面积而变化。在电化学电池的设计期间，电阻可以随着电连接器的表面积、施加的电流、电池材料的电阻率和电池的热容率而变化。

电连接器可以由任何导电的耐腐蚀材料制成。在一些实施方案中，电连接器可以由与电极中的一个或更多个相同的材料(例如钛)制成。电连接器可以例如经由配合特征或焊接被固定至电极。电连接器可以由连续导电片材制造，或者可以包含焊接的或以其他方式导电连接在一起的特征。常规上，电连接器易于制造，但不被设计成水线型的。因此，常规的电连接器通常在下游产生大的低流速的区域。

第一电连接器可以被设置在如本文公开的多管电化学电池的第一端部上，以提供与阳极电极管的电接触，并且第二电连接器可以被设置在如本文公开的多管电化学电池的第二端部上，以提供与阴极电极管的电接触。孔可以被设置在电连接器中以允许流体流过同心电极管之间的间隙。电连接器的轮辐可以具有定位元件，例如间隔开的狭槽、突出片(tab)、销(pin) 和/或突出部，以接合电极管和/或间隔件。电连接器的外缘可以利用单个连接器或多个连接器被连接至电源。

为了安全和防腐蚀，在电连接器和来自电源的电线之间的连接部可以用例如垫圈、螺丝和/或螺栓密封并且与环境隔离。防水连接器(例如，IP54 连接器)可以被用于将电连接器连接至电源。某些实施方案还可以提供高进入防护(IP)等级，其保护操作者免受电击危害并且免除了对昂贵的防风雨外罩的需求。在示例性的实施方案中，使用例如ABS材料、U-PVC材料、 C-PVC材料和/或PVDF材料的高密度塑料管道部件可以被用于密封和隔离电连接器，这是由于它们对例如次氯酸钠的耐化学性和在约5巴至约15 巴的范围内的高的可实现的压力等级。可商购的高IP等级电缆连接器可以被用于将电流转移至电极并且从电极转移电流。

电连接器可以被设计成最小化电阻和热量产生。通常，电阻是装置几何形状和材料电阻率的函数。根据Joule-Lenz定律，热量产生随着电阻的增加而增加，Joule-Lenz定律规定，由电导体产生的热功率与其电阻和电流的平方的乘积成比例。当串联操作时，在每个电化学电池内产生的热量跨过串联累积，并且应被最小化。然而，施加的电流应当被保持在适当的范围内，以产生期望的产物。因此，在一些实施方案中，电连接器可以被设定尺寸为最小化给定材料的电阻(并且因此最小化热量产生)，同时提供足够的电流。

在示例性的实施方案中，电连接器可以是基于钛的。电连接器可以被操作以向电极传输在25W和1.5kW之间的功率，例如在25W和100W 之间、在100W和1kW之间或在1kW和1.5kW之间的功率。电连接器可以被设定尺寸为产生小于约100W的热量，例如小于约75W的热量、小于约50W的热量或小于约25W的热量。在一些实施方案中，电连接器可以被设定尺寸为当向多个电极中的至少一个传输至少100W的功率时产生小于约25W的热量。在这样的实施方案中，电连接器可以被设定尺寸为当传输至少100W的功率时产生小于1℃，例如小于约0.5℃或小于约 0.1℃。图25C是在电连接器处产生的热量的等高线图。如图25C的示例性实施方案中所示，流体的温度从在入口处的约20.05℃增加到在电连接器之后的高达20.10℃以及在电化学电池的出口处的约20.07℃。在其他实施方案中，电连接器可以被设定尺寸为当传输至少1kW的功率时产生小于约25W的热量，其尺寸可以被设计成当传输至少1kW的功率时产生小于约100W的热量，或者其尺寸可以被设计成当传输至少1.5kW的功率时产生小于约100W的热量。传输的功率可以取决于操作要求。

电连接器可以被设计成最小化出现在电连接器的下游的减速区。图 25D是示例性的电连接器下游的速度的等高线图。如先前关于分离器所提及的，减速区被最小化以保持电化学电池的自清洁性质。电化学连接部可以被设定尺寸为将减速区保持在预定的长度内，如先前所描述的。

电连接器可以另外被设计成在同心电极周围提供大体上均匀的电流分布。在图25B中示出了内电极1020和外电极1040周围的电流分布。电连接器可以具有对称的或大体上对称的几何形状，以提供大体上均匀的电流分布。

如图24A-图24C所示，电连接器1240可以包括轮1242和轮辐1244。每个轮1242可以被配置成提供与相应的电极管的电连接。因此，对于具有多个同心电极管的实施方案，电连接器可以包括相应的同心轮。轮辐可以被配置成在同心轮之间提供电连接。在一些实施方案中，为了便于制造和减小电阻，轮辐可以是直线的，但也可以是任何期望的几何形状。轮辐的电阻可以由以下等式定义：

R＝ρH/(W×L)

其中：

R是电阻，

ρ是材料电阻率，

H是轮辐高度，由同心轮之间的间隙确定，

W是轮的圆周周围的轮辐宽度，以及

L是沿流体通道的轮辐长度。

轮辐的数量和尺寸可以被选择成最小化由电连接器产生的电阻、热量产生和减速区。单个轮辐的电阻应当导致小于约50W，例如小于约25W 或小于约10W的欧姆损失。轮辐和电连接器的最大容许欧姆损失可以基于期望的电化学反应连同流过电化学电池的特定电解质溶液的热容率来选择。

通常，轮辐的高度，在图24B中由H标识，可以由同心轮之间的间隙来确定。因此，高度可以大体上对应于流体通道的宽度。在其中交替电极被电连接的一些实施方案中，高度可以大体上对应于两个或更多个同心流体通道的宽度。高度可以在约1mm和20mm之间，例如约20mm、约16 mm、约14mm、约10mm、约8mm、约7mm、约6mm、约5mm、约 3.5mm、约3mm，或者大体上等于一个或更多个流体通道的宽度。在其中电连接器的轮具有比电极更小的宽度的实施方案中，轮辐的高度可以大于一个或更多个流体通道的宽度，这对于提供同心的相邻的轮或非相邻的轮之间的连接是必要的。

轮辐的宽度，在图24B中由W标识，可以被设定尺寸以最小化减速区的长度(如上文关于分离器所描述的)，同时在同心轮之间提供足够的电连接。在一些实施方案中，轮辐的宽度可以是在轮辐的高度的0.25倍和2 倍之间。例如，轮辐的宽度可以在约0.5mm和约10mm之间，在约0.5mm 和约7mm之间，在约0.5mm和约5mm之间，在约0.5mm和约3mm 之间，在约0.5mm和约2mm之间，或者在约0.5mm和约1mm之间。轮辐的宽度可以在约1mm和约20mm之间，在约1mm和约15mm之间，在约1mm和约12mm之间，或者在约1mm和约10mm之间。轮辐的宽度可以尽可能小，以减少流体的阻力，但是足以在同心轮之间提供电连接。在一些实施方案中，可以选择材料以在小体积中提供足够的电阻。常规上，制造限制已经限制了电连接器的尺寸的选择。然而，钛可以在小体积内提供较大的电阻率，减小减速区。此外，轮辐和/或轮可以是水线型的，以进一步减小减速区。

轮辐的长度，在图24C中由L标识，可以被设定尺寸以最小化电阻和热量产生，同时保持期望的功率耗散。对于给定的高度(同心轮之间的间隙) 和宽度(被选择成最小化减速区的宽度)，长度可以基于阈值电阻使用上文的等式来选择。此外，可以选择电阻以最小化热量产生，如上文所描述的。在一些实施方案中，长度可以在约1mm和约15mm之间，例如在约5mm 和15mm之间或者在约7.5mm和15mm之间。

电连接器的电阻、热量产生、功率耗散和减速区也可以取决于所提供的轮辐的数量。在一些实施方案中，轮辐的数量被选择成最小化电阻、最小化热量产生、最小化减速区或提供足够的功率耗散。电连接器可以包括在相邻的轮之间的约1个和8个之间的轮辐，例如在约2个和6个之间的轮辐或者在约3个和6个之间的轮辐，或者满足期望的要求所必要的轮辐。

通常，通过轮辐的电流的量可以由施加的电流、管状电极的表面积以及轮辐的数量和分布来确定。电连接器上轮辐的布置可以对跨过轮的电流分布具有影响。在一些实施方案中，轮辐可以大体上均匀地分布，以提供均匀的电流分布。在示例性的实施方案中，电流分布随着轮辐数量的增加而改善，其中轮辐跨过轮大体上均匀地分布。因此，轮辐的数量和布置可以被选择以提供足够的电流分布，同时将减速区保持在预定的长度内，以保持电化学电池的自清洁性质，如上文所描述的。

此外，第一轮上的轮辐相对于相邻的同心轮上的轮辐的布置可以对电流分布具有影响。相邻的轮上的轮辐可以共线地布置(即彼此对齐)，或者可以彼此成角度地偏移。在一些实施方案中，设置在相邻的同心轮上的轮辐可以大体上均匀地彼此偏移，以提供均匀的电流分布。在示例性的实施方案中，电流分布随着轮辐数量的增加而改善，其中设置在相邻的同心轮上的轮辐大体上均匀地偏移。

电连接器的示例性实施方案在图26A、图26B、图27A和图27B中示出。跨过图26A和图26B的示例性实施方案的电流分布在图26C和图26D 中示出(分别为左图像和右图像)。跨过图27A和图27B的示例性实施方案的电流分布在图27C和图27D中示出(分别为左图像和右图像)。在图28A- 图28D的等高线图中示出了由图26A、图26B、图27A和图27B的示例性电连接器中的每个产生的减速区，其中图28A对应于图26A的示例性实施方案，图28B对应于图26B的示例性实施方案，图28C对应于图27A 的示例性实施方案，并且图28D对应于图27B的示例性实施方案。图26 和图28的示例性等高线图中的每个是针对以2.0m/s的平均速度流动的海水的样品电解质溶液来计算的。

在一些实施方案中，如图29A-图29B所示，电连接器1240可以包含与分离器1180配合的特征。分离器和电连接器可以被设定尺寸为考虑到元件的组合可以产生的对减速区的影响。在一些实施方案中，分离器的突出部可以与电连接器的一个或更多个轮辐共线，以减小减速区。在其他实施方案中，分离器的突出部可以从电连接器的轮辐成角度地偏移。

另外，在电化学电池的操作期间，经常期望的是，即使当较高的电流的流动经过电化学电池时仍保持操作温度为低的。常规的电化学电池通常包括被焊接至钛外部壳体的纯钛电连接器(titanium only electrical connector)。钛电连接器通常提供高程度的耐化学性，但是对于向电化学电池提供电流而不产生不期望的量的热量(和浪费的能量)可以不是最优的。由于钛连接器的高电阻率，所以被供应至传统的钛连接器的电流可能必须受限制，因此连接器在空气中的温度升高不过度地升高。然而，这限制由电化学电池产生的产物的输出，因为产物生成与电流输入成正比。由于传统钛连接器中的热量产生，连接器不能完全被封装在具有IP54或更大的高进入防护水平的电绝缘材料中。这种布置通常导致对昂贵的电气外罩的需求，这些电气外罩不捕获像封装的电连接器一样多的热量。为了克服这些问题，传统的钛连接器通常由较大的横截面材料制成，这显著地增加了电连接器和电化学电池的成本。

铜的电阻率是1.707×10^-8欧姆-m，而钛的电阻率是7.837×10^-7欧姆-m。铜具有比钛小近46倍的电阻率。因此，在一些实施方案中，电连接器可以至少部分地由低电阻率的铜制成。然而，铜比钛更易于受到化学腐蚀，并且因此应当避免与流经电化学电池的电解质接触。

在一些实施方案中，与工艺流体或电解质(例如，包含等效氯的腐蚀性微量物(corrosive trace)的海水)接触的电连接器部分可以是钛。由流过该材料的电流产生的热量通过流动的工艺流体被有效地去除。由于工艺流体的自清洁流速可能超过2m/s，因此电连接器的钛部分中的温度升高通常保持在可忽略的值。与空气接触的电连接器部分可以是铜(或具有比钛低的电阻率的另一种金属或合金)。

包括由不同的金属例如钛和铜(或具有比钛低的电阻率的另一种金属或合金)形成的部分的空气-液体冷却的电连接器可以克服由传统的钛连接器所呈现的问题。较低电阻的金属(例如铜)可以形成暴露于空气的电连接器的一部分或者可以被包括在暴露于空气的电连接器的一部分中。应当理解，铜是高电导率材料的实例，并且本文公开的电连接器可以用另一种高电导率材料或合金替代铜。因此，为了方便起见，在本文中使用术语“铜部分”和“铜”，但是应当理解，这些术语不将这些元件限制为由铜形成。

由于铜的优越的低电阻，温度升高可以限于小的且可接受的值。该外部导体可以被连接至与工艺液体(例如，海水)接触的连接器的内部较高耐化学(例如，钛)部分。由于工艺液体的水-冷却效应，连接器的内部较高耐化学部分(例如，钛)的温度升高可以有效地限于小的且可接受的值。

对于可比较的电流等级，整个双金属电连接器可以比传统的纯钛连接器更加成本有效。双金属电连接器的外部导体可以呈现低的温度升高并且可以被封装在电绝缘材料中，因此消除对昂贵的电气外罩的需求。另外，与将另外作为具有传统的纯钛电池连接器的情况相比，空气-液体冷却的双金属电连接器的实施方案可以为正在开发的电化学电池提供更高的电流的供应。

钛部分和铜部分可以被物理地和电地连接在电化学电池的凸缘中，所述凸缘在连接器部分的周围提供气密密封并且使用例如垫圈，将电化学电池的内部与外部环境密封。在一些实施方案中，钛部分可以通过机械紧固件例如螺栓被耦接至铜部分。螺栓1420可以由与钛部分或铜部分相同的材料形成。钛部分可以包括：臂或轮辐，所述臂或轮辐与电化学装置中的阳极或阴极中的一个进行电接触；和孔，所述孔允许工艺流体例如电解质流入电化学装置中或流出电化学装置。臂或轮辐可以包括特征例如狭槽，以有助于与电化学装置中的电极接合。钛部分可以另外地或可选择地通过过盈配合(interference fit)被耦接至铜部分。铜部分可以从钛部分延伸或者可以完全包围钛部分。

另外地，钛部分可以包括带螺纹的外缘，所述带螺纹的外缘可以通过接合铜部分中的孔的内缘上的互补螺纹而被旋拧到铜部分中的适当的位置。铜部分可以包括被旋拧到钛部分的孔中的下部圆柱形螺纹部分。

在另外的实施方案中，铜部分可以由多金属电连接器替代，例如钛和铜或一种或更多种其他高电导率金属的合金。多金属电连接器可以具有比钛低的电阻率。多金属电连接器可以与钛部分焊接或以其他方式在物理上连续。

可以提供固体中心芯元件或流体流动引导器(fluid flow director)，以防止流体沿着电化学电池的中心管流动并且绕过间隙。芯可以由非导电材料形成，所述非导电材料例如PVC、PTFE、PVDF、ABS、HDPE或其他适当的材料中的任一种或更多种。芯可以不机械地连接至阳极和阴极。在其他实施方案中，可以提供一个或更多个机械紧固件以将芯固定在适当的位置和/或将芯附接至外壳或电化学电池的另一元件，例如电极或端盖。在其他实施方案中，芯通过摩擦配合(friction fit)被保持在最内部的电极中的适当的位置。在一些实施方案中，芯可以仅接触阳极电极和阴极电极中的单个电极。阳极电极和阴极电极中的一个可以不连接至芯并且不接触芯。

在其他实施方案中，中心芯元件可以是被电耦接至阳极电极和阴极电极中的一个的导电构件并且可以被用于将电流递送至阳极电极和阴极电极中的一个。在另外的实施方案中，中心芯元件可以包括轴向汇流条(axial busbar)和/或具有第一轴向汇流条的彼此绝缘的其他导电中心元件和/或被电耦接至阳极和第二轴向汇流条的其他导电中心元件和/或与第一轴向汇流条电绝缘并且被电耦接至阴极的其他导电中心元件。

电化学电池可以包括内部挡板。挡板可以被用于控制或修改穿过电化学电池的流体的流动方向和/或混合，并且与在没有挡板的存在下的电化学电池相比可以为流体流动通道提供另外的路径长度。流过电化学电池的流体可以从入口孔流向流体导管，或者从流体导管流向出口孔。

如本文所公开的电化学电池可以作为较大系统的一部分被包括。在一些实施方案中，系统可以是基于海的系统，例如船舶或石油钻机，并且在其他实施方案中是基于陆地的建筑物，例如发电厂，石油钻井设施或系统或其他工业设施。在其他实施方案中，系统可以是或可以包括游泳池或用于饮用水、废水或工业水处理工艺的处理系统，其使用电化学装置的一种或更多种产品，例如消毒剂，以处理水或将水消毒。

系统可以包括一个或更多个电氯化系统，所述电氯化系统可以包括如本文所公开的一个或更多个电化学电池或装置或者电氯化电池或装置。系统可以包括电解质溶液源，该电解质溶液源可以例如通过入口端盖的大体上位于中心的孔流体地可连接至电化学电池。电解质溶液源可以被配置成以等于或大于如本文公开的自清洁速度的通过流体通道的平均流速来递送电解质溶液。在一些实施方案中，电解质溶液源被配置成以约2m/s或更大的平均流速递送溶液。

电解质溶液源可以包括工艺液体，该工艺液体在一些实施方案中是来自系统外部和/或内部的源的海水、盐水或微咸水。例如，如果系统是基于海的系统，那么外部源可以是海洋，并且内部源可以是例如船舶中的压载舱。在基于陆地的系统中，外部源可以是海洋，并且内部源可以是来自在系统中进行的工业工艺的微咸废水。

系统可以被配置成从电解质溶液产生产物化合物，并且输出包含产物化合物的产物溶液。一个或更多个电化学系统可以由水产生经处理的或氯化的水和/或包含例如次氯酸钠的溶液，并且将其分配至使用点。系统可以例如通过电化学电池出口端盖的大体上位于中心的孔流体地可连接至使用点。使用点可以包括储存容器或分配场所。使用点可以是用于系统的冷却水源、用于船舶的压载舱的消毒剂源、石油钻井系统的井底或其中经处理的或氯化的水可以是有用的任何其他系统。使用点可以包括浓缩容器，例如，用于产物的批量再循环。各个泵可以控制通过系统的流体的流动。一个或更多个传感器可以监测流过系统的流体的一个或更多个参数，例如离子浓度、氯浓度、温度或感兴趣的任何其他参数。

泵和传感器可以与控制系统或控制器连通，控制系统或控制器与传感器和泵连通并且控制泵和系统的其他元件的操作以实现期望的操作参数。被用于监测和控制系统的各种元件的操作的控制器可以包括计算机控制系统。输出装置还可以包括阀、泵或开关，它们可以被用于将来自源的产物水(例如，微咸水或海水)引入到电化学系统或使用点中和/或用于控制泵的速度。

一个或更多个传感器还可以向计算机系统提供输入。这些传感器可以包括例如可以是例如流量传感器、压力传感器、化学浓度传感器、温度传感器或用于系统的感兴趣的任何其他参数的传感器的传感器。这些传感器可以位于其中它们将是有用的系统的任何部分中，例如使用点和/或电化学系统的上游，或者与源流体连通。

系统可以包括串联布置的多个电化学电池。在一些实施方案中，系统可以包含串联布置的在约2个和约10个之间的电化学电池。可以根据需要选择串联的电化学电池的数量，以产生具有所需性质的产物化合物。串联布置的电化学电池可以具有被设计成最小化压降的部件，如先前所描述的。压降对后续串联的电化学电池的影响通常是累积的。

根据另一个方面，提供了操作电化学电池的方法。该方法可以用于操作如本文所公开的一个或更多个电化学电池。该方法可以包括以如本文公开的自清洁速度，例如通过入口端盖的大体上位于中心的孔，将电解质溶液引入到电化学电池中。该方法还可以包括将多个电化学电池流体地连接并且串联地操作电化学电池。在一些实施方案中，该方法可以包括以约2 m/s或更大的通过流体通道的平均流速引入电解质溶液。

该方法可以包括由自清洁电化学电池中的电解质溶液产生产物化合物。为了产生产物化合物，电化学电池可以通过跨过电极施加电压，例如足以产生产物化合物的电压来操作。足以产生产物化合物的电压通常可以取决于电解质溶液的组成、产物溶液中产物化合物的期望的组成、通过电化学电池的平均流速以及串联地操作的多个电化学电池。在示例性的实施方案中，电极在恒定的电流密度操作，并且控制平均流速以产生期望的产物化合物的组成。例如，电化学电池可以根据需要在低于10m/s、低于6m/s、低于3.5m/s、低于3m/s或低于2.5m/s的平均流速下操作，以产生期望的组成的产物。在相同的示例性实施方案中，可以选择可以串联地布置的多个电化学电池以产生期望的产物，例如，根据需要，可以串联地布置少于 10个、少于8个、少于6个、少于4个或至少2个电化学电池。

该方法还可以包括连续地操作电化学电池或系统持续预定的时间段。如先前所描述的，以自清洁流速连续地操作的电化学电池可以减少积垢，并且由此减少对电化学电池的酸洗涤的需求。在一些实施方案中，电化学系统可以连续地操作持续至少6个月而不积垢。这样的电化学系统可以连续地操作持续6个月、12个月、18个月、24个月或36个月而不积垢。

实施例：

实施例1：跨过电化学电池的压降

电化学电池的流体导管和锥体可以被设计成最小化跨过电化学电池的压降。在示例性的实施方案中，针对跨过若干个入口流体导管尺寸的入口压力生成CFD数据。数据假设海水的电解质溶液和2m/s的平均流速，但其他电解质溶液和它们相应的自清洁流速也可以用于获得期望的条件。在图13A-图13C中示出了若干个流体导管尺寸的等高线图。图13A的示例性实施方案具有20mm的线性区域。图13B的示例性实施方案具有50 mm的线性区域，导致119kPa的平均入口压力。图13C的示例性实施方案具有75mm的线性区域，导致117kPa的平均入口压力。如从图中可以示出的，线性过渡区域的增加具有压降的同时降低。

另外，在恒定流体导管线性长度(40mm)针对若干个入口锥角生成 CFD数据。数据呈现在图14A的速度等高线图和图14B的图中。锥体相对于中心线的旋转角度(即，顶角的一半)从10度增加到45度，并且评估压降。对于具有50°的顶角的锥体观察到最低压降(约18.8kPa或2.725psi)。

对于具有40mm的线性区域的示例性流体导管，50°的入口锥体顶角使跨过电化学电池的压降最小化。对于其他流体导管和/或锥体尺寸，可以确定类似的条件。对于其他电解质溶液和/或平均流速，也可以确定类似的条件。

实施例2：分离器和/或电连接器下游的再循环效应

在电解质溶液的平均流速低于阈值的情况下，可以形成积垢。分离器可以被设计成最小化下游的低流速的区域，例如，通过具有水线型配置。如图30-图31的幅值速度等高线图(magnitude velocity contour map)所示，直接在直边分离器的下游的流速接近0m/s，这增加了在该位置出现的积垢的可能性。箭头指向流动的方向，并且具有表示流速的大小的长度。图30 示出了流体通道的侧视的等高线图，而图31示出了相同的流体通道的俯视的等高线图。

图32是水线型分离器的幅值速度等高线图。如图32所示，下游流动更加均匀，并且具有较小的与平均值的速度偏差。在图22的图中绘出了图32所示的实施方案的与平均值的速度偏差。假设海水的电解质溶液和2 m/s的平均流速，在约100mm的流动距离(离分离器)处，速度零散百分比可能超过平均阈值的±5％。

因此，分离器可以被设计成产生更均匀的下游流动，该下游流动具有更小的与平均值的速度偏差以减少积垢。这样的设计还可以减小减速区的长度，增加在较低的平均流速下操作的能力(需要较少的能量)，并且减少或消除对于电化学电池的酸洗涤的需求。对于其他电解质溶液和/或平均流速，可以确定类似的条件。

实施例3：电化学电池内的流动参数

对于管道中的流动，雷诺数通常被定义为：

其中：

D_H是管道的液压直径，

Q是体积流量(m³/s)，

A是管道的横截面积(m²)，

u是流体的平均速度(m/s)，

μ是流体的动态粘度(kg/(m*s)，

v是运动粘度(m²/s)，以及

ρ是流体的密度(kg/m³)。

对于具有多个流体通道的示例性电化学电池，流过入口锥体和流体导管之间的流动面积的流体的雷诺数被确定为57,847。通过这样的导管的近似入口长度为约380mm。对于完全展开的流动，湍流倾向于在大于约2600 的雷诺数时发生。因此，通过流体导管的流动是高度湍流的。

对于相同的电化学电池，流过每个同心流体通道的流体的雷诺数被确定为14,581。流体通道的近似入口长度为约70mm。通过流体通道和分离器下游的流动类似于层流。

这些值假设20℃的海水的电解质溶液和2m/s的平均流速。对于其他电解质溶液和/或平均流速，可以确定类似的条件。

本文使用的措辞和术语是为了描述的目的并且不应当被认为是限制性的。如本文所使用的，术语“多个(plurality)”指的是两个或更多个项目或部件。术语“包括(comprising)”、“包括(including)”、“携带(carrying)”、“具有(having)”、“包含(containing)”和“涉及(involving)”无论在书面描述还是权利要求及类似物中，是开放式术语，即意指“包括但不限于”。因此，这样的术语的使用意指涵盖其后列出的项目及其等同物，以及另外的项目。关于权利要求，仅过渡短语“由......组成”和“基本上由......组成”分别是封闭的或半封闭的过渡短语。在权利要求中使用序数术语例如“第一”、“第二”、“第三”等来修饰权利要求要素本身并不暗示一个权利要求要素相对于另一个权利要求要素的任何优先、在先或顺序或者其中方法的动作被进行的时间顺序，而是仅仅用作标记以区分具有某个名称的一个权利要求要素与具有相同名称的另一个要素(但是为了使用序数术语)以区分权利要求要素。

已经由此描述了至少一个实施方案的若干个方面，应当理解，本领域技术人员将容易地想到各种改变、修改和改进。在任何实施方案中描述的任何特征都可以被包括在任何其他实施方案的任何特征中或者替代任何其他实施方案的任何特征。这样的改变、修改和改进意图是本公开内容的一部分，并且意图在本发明的范围内。因此，前述描述和附图仅仅是举例。

Claims (39)

1.一种自清洁电化学电池，包括：

阴极和阳极，所述阴极和阳极围绕外壳的中心轴线同心地设置在所述外壳中；

流体通道，所述流体通道界定在所述阴极和所述阳极之间并且大体上平行于所述中心轴线延伸；以及

分离器，所述分离器位于所述阴极和所述阳极之间并且被配置成保持所述流体通道，所述分离器具有保持所述流体通道的宽度的高度，

所述分离器被设定尺寸为将在所述分离器的下游的所述流体通道内的减速区保持为小于预定长度，并且

所述分离器被设定尺寸为将电解质溶液的速度与平均值的偏差保持在所述电解质溶液通过所述流体通道的平均流速的±18％内。

2.如权利要求1所述的自清洁电化学电池，其中在所述预定长度处速度与平均值的偏差小于所述电解质溶液的平均流速的±5％。

3.如权利要求2所述的自清洁电化学电池，其中在所述预定长度处速度与平均值的偏差小于所述电解质溶液的平均流速的±2％。

4.如权利要求1所述的自清洁电化学电池，其中对于以在2m/s和2.5m/s之间的平均流速流过所述流体通道的海水，所述预定长度小于120mm。

5.如权利要求4所述的自清洁电化学电池，其中所述预定长度小于60mm。

6.如权利要求1所述的自清洁电化学电池，其中所述分离器包括环和从所述环延伸的多个突出部，每个突出部具有保持所述流体通道的宽度的高度。

7.如权利要求6所述的自清洁电化学电池，其中突出部的数目以及每个突出部的长度和宽度，被选择为将所述减速区保持在小于所述预定长度。

8.如权利要求1所述的自清洁电化学电池，包括多个阴极和多个阳极，所述多个阴极和所述多个阳极围绕所述外壳的所述中心轴线同心地布置，并且多个流体通道中的相应一个被界定在每个相邻的阴极和阳极之间，每个流体通道大体上平行于所述中心轴线延伸。

9.如权利要求8所述的自清洁电化学电池，包括多个分离器，每个分离器被配置成保持所述多个流体通道中的相应一个，所述多个分离器各自包括环和从所述环延伸的多个突出部。

10.如权利要求1所述的自清洁电化学电池，其中所述分离器被配置成与所述阴极和所述阳极中的至少一个配合。

11.一种系统，包括：

权利要求1所述的自清洁电化学电池，所述自清洁电化学电池具有与流体通道流体连通的入口和出口；以及

电解质溶液源，所述电解质溶液源具有能够流体地连接至所述自清洁电化学电池的所述入口的出口，并且被配置成以2m/s或更大的通过所述流体通道的平均流速递送电解质溶液，

所述自清洁电化学电池被配置成从所述电解质溶液产生产物化合物，并且输出包含所述产物化合物的产物溶液，

所述自清洁电化学电池通过所述自清洁电化学电池的所述出口能够流体地连接至使用点。

12.如权利要求11所述的系统，其中所述电解质溶液源包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。

13.如权利要求11所述的系统，包括串联地布置的多个自清洁电化学电池。

14.一种自清洁电化学电池，包括：

阴极和阳极，所述阴极和所述阳极围绕外壳的中心轴线同心地设置在所述外壳中；

流体通道，所述流体通道界定在所述阴极和所述阳极之间并且大体上平行于所述中心轴线延伸；

第一端盖和第二端盖，所述第一端盖耦接至所述外壳的第一端部，所述第二端盖耦接至所述外壳的第二端部，所述第一端盖和所述第二端盖中的每个包括大体上位于中心的孔和与所述流体通道流体连通的流体导管，所述第一端盖的所述流体导管包括第一半径的区和大于所述第一半径的第二半径的区；以及

入口锥体，所述入口锥体被设置在所述第一端盖的所述流体导管内，并且被配置成界定用于电解质溶液进入所述流体通道的流动路径，

所述第二半径的区具有被选择成保持通过所述流动路径的完全展开的流动的长度。

15.如权利要求14所述的自清洁电化学电池，其中所述第二半径的区具有所述流动路径的液压直径的在1倍和10倍之间的长度。

16.如权利要求14所述的自清洁电化学电池，其中所述第一端盖的所述流体导管被设定尺寸为将所述电解质溶液的入口压力保持在低于120kPa。

17.如权利要求14所述的自清洁电化学电池，其中所述入口锥体被设定尺寸为将所述自清洁电化学电池内的压降保持在0kPa和19kPa之间。

18.如权利要求17所述的自清洁电化学电池，其中所述入口锥体是具有在20°和90°之间的顶角的直圆锥。

19.如权利要求18所述的自清洁电化学电池，其中所述入口锥体是具有在40°和60°之间的顶角的直圆锥。

20.如权利要求14所述的自清洁电化学电池，还包括出口截头体，所述出口截头体被设置在所述第二端盖的所述流体导管内，并且被配置成界定用于所述电解质溶液从所述流体通道流出所述自清洁电化学电池的流动路径。

21.一种系统，包括：

权利要求14所述的自清洁电化学电池，所述自清洁电化学电池具有入口和出口；以及

电解质溶液源，所述电解质溶液源具有能够流体地连接至第一端盖的大体上位于中心的孔的出口，并且被配置成以2m/s或更大的通过流体通道的平均流速递送电解质溶液，

所述自清洁电化学电池被配置成从所述电解质溶液产生产物化合物，并且输出包含所述产物化合物的产物溶液，

所述自清洁电化学电池通过第二端盖的大体上位于中心的孔能够流体地连接至使用点。

22.如权利要求21所述的系统，其中所述电解质溶液源包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。

23.如权利要求21所述的系统，包括串联地布置的多个自清洁电化学电池。

24.一种操作电化学系统的方法，包括：

提供权利要求1或14所述的自清洁电化学电池；

以2m/s或更大的通过流体通道的平均流速将电解质溶液引入到所述自清洁电化学电池中；

以一电压跨过阳极和阴极施加电流，所述电压足以从所述自清洁电化学电池中的所述电解质溶液产生产物化合物；以及

连续地操作所述电化学系统持续预定的时间段。

25.如权利要求24所述的方法，包括连续地操作所述电化学系统持续至少6个月。

26.如权利要求24所述的方法，还包括提供多个自清洁电化学电池，并且将所述多个自清洁电化学电池串联地流体连接。

27.一种自清洁电化学电池，包括：

设置在外壳中的多个电极，所述多个电极包括围绕所述外壳的中心轴线设置的同心电极和沿着所述外壳的长度设置的连续的电极；

流体通道，所述流体通道界定在同心电极之间并且大体上平行于所述中心轴线延伸；以及

多个同心分离器，每个同心分离器被定位在连续的电极之间，并且被配置成与所述连续的电极中的至少一个配合，所述多个同心分离器被配置成保持所述连续的电极的同心度。

28.如权利要求27所述的自清洁电化学电池，其中所述同心分离器中的每个包括多个相邻的环。

29.如权利要求28所述的自清洁电化学电池，其中所述多个相邻的环中的相邻两个环之间的间隙的宽度被设定尺寸为将所述流体通道内的减速区保持为小于预定长度。

30.如权利要求29所述的自清洁电化学电池，其中所述减速区的长度由其中平均电解质溶液流速比电解质溶液通过所述流体通道的平均流速小至少2％的区域界定。

31.如权利要求30所述的自清洁电化学电池，其中所述减速区的长度由其中平均电解质溶液流速比所述电解质溶液通过所述流体通道的平均流速小至少5％的区域界定。

32.如权利要求29所述的自清洁电化学电池，其中所述多个相邻的环中的所述相邻两个环之间的所述间隙的所述宽度是所述多个相邻的环中的至少一个的宽度的1.60倍或更小。

33.如权利要求28所述的自清洁电化学电池，其中所述多个相邻的环中的至少一个环包括从所述至少一个环延伸的多个突出部。

34.一种系统，包括：

权利要求27所述的自清洁电化学电池；以及

电解质溶液源，所述电解质溶液源具有能够流体地连接至外壳的入口的出口，并且被配置成以2m/s或更大的通过流体通道的平均流速递送电解质溶液，

所述自清洁电化学电池被配置成从所述电解质溶液产生产物化合物，并且输出包含所述产物化合物的产物溶液，并且

所述自清洁电化学电池通过所述外壳的出口能够流体地连接至使用点。

35.如权利要求34所述的系统，其中所述电解质溶液源包括海水、微咸水和盐水中的至少一种。

36.如权利要求34所述的系统，包括串联地布置的多个自清洁电化学电池。

37.一种操作电化学系统的方法，包括：

提供权利要求27所述的自清洁电化学电池；

以2m/s或更大的通过流体通道的平均流速将电解质溶液引入到所述自清洁电化学电池中；

以一电压跨过多个电极施加电流，所述电压足以从所述自清洁电化学电池中的所述电解质溶液产生产物化合物；以及

连续地操作所述电化学系统持续预定的时间段。

38.如权利要求37所述的方法，包括连续地操作所述电化学系统持续至少6个月。

39.如权利要求37所述的方法，还包括提供多个自清洁电化学电池，并且将所述多个自清洁电化学电池串联地流体连接。

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