CN115606025A - 氧化还原液流电池和电池系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种氧化还原液流电池和电池系统。在一个示例中，所述氧化还原液流电池包括电芯堆组件，所述电芯堆组件具有板组件，所述板组件定位在所述电芯堆组件的横向侧上，并且包括：弹性凸缘，所述弹性凸缘包括与导电板的一部分配合的凹槽，并且在横向方向和竖向方向中的至少一者上是顺性的；以及板框架，所述板框架耦接到所述弹性凸缘。

Description

氧化还原液流电池和电池系统
相关申请的交叉引用
本申请要求于2020年5月15日提交的标题为“REDOX FLOW BATTERY AND BATTERYSYSTEM”的美国临时申请号63/025,234的优先权。上列申请的全部内容在此以引用方式并入以用于所有目的。
技术领域
本说明书整体涉及一种氧化还原液流电池和电池系统。
背景技术和发明内容
氧化还原液流电池由于以下原因而适用于电网规模的存储应用：它们能够独立地缩放(scaling)功率和容量，并且能够充电和放电超过数千次循环，与常规电池技术相比具有降低的性能损失。铁混合氧化还原液流电池由于在电芯堆(cell stack)中加入低成本材料而特别有吸引力。铁氧化还原液流电池(IFB)依靠铁、盐和水作为电解质。在一些实施方案中，IFB中使用的这些地球丰富且廉价的材料以及刺激性化学物质的省却减少了电池的环境足迹。
铁氧化还原液流电池(IFB)依靠铁、盐和水作为电解质，因此包含地球丰富且廉价的材料，并且在一些实施方案中，放弃在铁氧化还原液流电池中加入刺激性化学物质，从而减少了电池的环境足迹。
电芯堆的热管理在氧化还原液流电池设计中提出各种挑战。例如，现有电芯堆可能无法充分适应堆叠体中的不同部件的不成比例的热膨胀/收缩。所以，电芯堆会在电池使用期间翘曲。进而，电解液的流型可能会受到影响，使得例如电池效率、电池输出和/或电池结构完整性降低。当电芯堆的尺寸增大或单个电池模块中包括多个堆叠体时，电芯堆翘曲可能加剧。此外，在某些电芯堆布局中，相邻部件可能由于压力和/或热应力而变形。具体地，在某些情况下，框架凸缘会由于交叉压力而偏转并妨碍电解液在电芯堆通道中的流动。
发明人已经认识到先前的氧化还原液流电池的上述缺点并且开发出至少部分地克服这些缺点的氧化还原液流电池。在一个示例中，所述氧化还原液流电池包括电芯堆组件，所述电芯堆组件具有板组件，所述板组件定位在所述电芯堆组件的横向侧上。所述板组件包括弹性凸缘，所述弹性凸缘具有与导电板的一部分配合的凹槽，并且被设计成具有纵向顺性(compliance)。所述板组件还包括板框架，所述板框架耦接到所述弹性凸缘。所述弹性凸缘适应所述堆叠体中的热梯度造成的电芯堆膨胀/收缩。所以，减少了不期望的堆叠翘曲的几率。
在一个示例中，所述弹性凸缘可热焊接到所述板框架。如果需要的话，将所述弹性凸缘热焊接到所述板框架可以省却所述凸缘与所述框架之间的粘合剂结合。所以，可在所述板框架与所述弹性凸缘之间形成更强的接合(interface)，从而降低框架和凸缘脱离的机会。
应当理解，提供以上发明内容以便以简化形式引入具体实施方式中进一步描述的一系列概念。这并不意味着识别所要求保护的主题的关键或本质特征，所要求保护的主题的范围由具体实施方式之后的权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上文或本公开的任何部分中提到的任何缺点的实现方式。
附图说明
图1示出示例性氧化还原液流电池系统的示意图。
图2示出具有压缩组件的氧化还原液流电池的示例的分解视图。
图3示出图2所示的氧化还原液流电池的组装视图。
图4示出图3所示的氧化还原液流电池中所包括的压力板。
图5示出图3所示的氧化还原液流电池的剖视图。
图6示出电池系统的示例，在电池系统中，第二氧化还原液流电池堆叠在图3所示的氧化还原液流电池上。
图7示出图3所示的氧化还原液流电池中所包括的侧螺栓凸轮组件的详细视图。
图8示出图7所示的侧螺栓凸轮组件的更详细视图。
图9示出图3所示的氧化还原液流电池的热负载的用例(use-case)示例。
图10示出包括多个电芯堆的氧化还原液流电池的第二示例。
图11示出图10所示的氧化还原液流电池的第二示例的侧视图。
图12示出图10所示的氧化还原液流电池的第二示例的剖视图。
图13示出电池系统的第二示例，在电池系统中，第二氧化还原液流电池堆叠在图10所描绘的氧化还原液流电池上。
图14示出氧化还原液流电池中的示例性电芯堆的一部分的剖视图。
图15至图16示出图14所示的电芯堆中的端板组件的详细视图。
图17示出双极板组件。
图18示出图17所示的双极板组件的分解视图。
图19示出图17所示的双极板组件的一部分的详细剖视图。
图20示出双极板组件的另一示例。
图21示出图20所示的双极板组件的热负载的用例示例。
图22至图25示出双极板组件的不同示例。
图26至图27示出不同凸缘材料和材料纹理化的用例示例。
图2至图27大致按比例绘制。然而，在其他实施方案中，可使用其他相对尺寸。
具体实施方式
以下描述涉及用于降低氧化还原液流电池的制造成本的系统和方法。为了实现降低的制造成本，电池系统可包括被设计成既压缩电芯堆又在结构上加固电池的空间有效压缩组件。压缩组件可通过沿压力板的侧面延伸并对电芯堆施加向内预紧力的板弹簧(leafspring)实现上述益处。板弹簧紧凑地提供电芯堆压缩，以减少(例如，阻止)电池中的有效区域在操作期间的偏转。压力板可包括能够在结构上加固压缩组件的加固肋。
氧化还原液流电池还可包括模块化特征，该模块化特征使得电池系统可以根据需要成本有效地缩放。例如，电池中的压力板可在压力板的凸缘中包括堆叠突起和棘爪。突起和棘爪与相邻电池中的对应突起和棘爪配合，以有利于电池单元堆叠。因此，如果需要的话，可实现有效的系统缩放(例如，功率和/或容量缩放)。
电池系统甚至还可包括具有与导电板(例如，双极板或单极板)配合的具有凹槽的弹性凸缘的板组件。弹性凸缘允许电芯堆中具有不同热膨胀系数(CTE)的部件在电池操作期间的热膨胀和收缩。所以，降低了电池操作期间所不期望的电芯堆变形的几率。在一个具体示例中，弹性凸缘可具有S形，其中凸缘的一部分在纵向偏移的部分之间延伸。S形凸缘能够实现更高的电芯堆压缩。增强的堆叠压缩在具有多个电芯堆的电池中可能特别有益。
如图1所示，在氧化还原液流电池系统10中，负极26可称为镀覆电极，正极28可称为氧化还原电极。第一电池电芯18的镀覆侧(例如，负极隔室20)内的负极电解液可称为镀覆电解液，第一电池电芯18的氧化还原侧(例如，正极隔室22)的正极电解液可称为氧化还原电解液。
混合氧化还原液流电池是特征在于将电活性材料中的一种或多种作为固体层沉积在电极上的氧化还原液流电池。混合氧化还原液流电池可例如包括化学物质，在整个电池充电过程中，化学物质通过电化学反应作为固体镀覆在基板上。在电池放电期间，镀覆的物质可通过电化学反应电离，从而变得可溶于电解液。在混合电池系统中，氧化还原电池的充电容量(例如，所存储能量的最大量)可受在电池充电期间镀覆的金属的量限制，并且可取决于镀覆系统的效率以及可用容积和可用于镀覆的表面积。
阳极是指电活性材料失去电子的电极，阴极是指电活性材料获得电子的电极。在电池充电期间，在负极26处，正极电解液得到电子，因此负极26是电化学反应的阴极。在放电期间，正极电解液失去电子；因此，负极26是反应的阳极。替代地，在放电期间，负极电解液和负极可分别称为电化学反应的阳极液和阳极，而正极电解液和正极可分别称为电化学反应的阴极液和阴极。在充电期间，负极电解液和负极可分别称为电化学反应的阴极液和阴极，而正极电解液和正极可分别称为电化学反应的阳极液和阳极。为简单起见，术语正极和负极在本文中用于指代氧化还原电池液流系统中的电极、电解液和电极隔室。
混合氧化还原液流电池的一个示例是全铁氧化还原液流电池(IFB)，其中，电解液包含呈铁盐(例如，FeCl2、FeCl3等)形式的铁离子，且负极包含金属铁。例如，在负极26处，在电池充电期间，亚铁离子Fe2+接受两个电子并作为铁金属镀覆到负极26上，而在电池放电期间，铁金属Fe0失去两个电子并重新溶解为Fe2+。在正极处，在充电期间，Fe2+失去一个电子以形成三价铁离子Fe3+，而在放电期间，Fe3+得到一个电子以形成Fe2+。电化学反应汇总在方程式(1)和(2)中，其中，正向反应(从左到右)指示电池充电期间的电化学反应，反向反应(从右到左)指示电池放电期间的电化学反应：
Figure BDA0003944468030000051
Figure BDA0003944468030000052
如上所讨论，IFB中使用的负极电解液可提供足量的Fe2+，使得在充电期间，Fe2+可接受来自负极的两个电子以形成Fe0并且镀覆到基板上。在放电期间，镀覆的Fe0然后可失去两个电子，从而电离成Fe2+，并且可溶解回电解液中。上述反应的平衡电势为-0.44V，因此，此反应提供所期望系统的负极端子。在IFB的正极侧，电解液可提供Fe2+，在充电期间，Fe2+失去一个电子并氧化成Fe3+。在放电期间，电解液提供的Fe3+通过吸收电极提供的电子而变成Fe2+。此反应的平衡电势为+0.77V，产生所期望系统的正极端子。
与利用非再生电解液的其他电池类型相比，IFB提供对其电解液进行充电和再充电的能力。通过经由端子40和42在电极间施加电流来实现充电。负极26可通过端子40电耦接到电压源的负极侧，使得(例如，当正极隔室22中的正极电解液中的Fe2+氧化成Fe3+时)电子可通过正极递送到负极电解液。提供给负极26(例如，镀覆电极)的电子可还原负极电解液中的Fe2+以在镀覆基板处形成Fe0，从而使其镀覆到负极26上。
在Fe0保持可供负极电解液进行氧化且Fe3+保持可供正极电解液进行还原时，放电可持续进行。作为一个示例，可通过以下方式维持Fe3+可用率：经由外部源(诸如，外部正极电解液槽52)增加第一电池电芯18的正极隔室22侧的正极电解液的浓度或容积以提供额外的Fe3+离子。更常见的是，放电期间Fe0的可用率可能是IFB系统中的问题，在所述系统中，可供用于放电的Fe0可与负极基板的表面积和容积以及镀覆效率成正比。充电容量可取决于负极隔室20中的Fe2+的可用率。作为一个示例，可通过以下方式维持Fe2+的可用率：经由外部源(诸如，外部负极电解液室50)提供额外的Fe2+离子，以增加第一电池电芯18的负极隔室20侧的负极电解液的浓度或容积。
在IFB中，正极电解液包含亚铁离子、三价铁离子、三价铁络合物或它们的任何组合，负极电解液包含亚铁离子或亚铁络合物，这取决于IFB系统的充电状态。如前所述，在负极电解液和正极电解液中均使用铁离子允许在电池电芯的两侧上使用相同的电解物种，这可减少电解液交叉污染并且可提高IFB系统的效率，从而使电解液更换与其他氧化还原液流电池系统相比更少。
IFB中的效率损失可能是由于电解液渗透(crossover)隔离件24(例如，离子交换膜屏障、微孔膜等)导致的。例如，正极电解液中的三价铁离子可通过三价铁离子浓度梯度和跨隔离件的电泳力而被驱动朝向负极电解液。随后，三价铁离子穿透膜屏障并渗透至负极隔室20可能导致库仑效率损失。三价铁离子从低pH氧化还原侧(例如，酸性较强的正极隔室22)渗透至高pH镀覆侧(例如，酸性较弱的负极隔室20)可能导致Fe(OH)3的沉淀。Fe(OH)3的沉淀会使隔离件24劣化并且导致永久性电池性能和效率损失。例如，Fe(OH)3沉淀物会化学污染离子交换膜的有机官能团或物理堵塞离子交换膜的小微孔。在任一种情况下，由于Fe(OH)3沉淀，膜欧姆电阻会随着时间推移而升高，并且电池性能会下降。沉淀物可通过用酸清洗电池来去除，但持续的维护和停机时间对于商业电池应用可能是不利的。此外，清洗可能取决于电解液的定期制备，这导致另外的处理成本和复杂性。替代地，响应于电解液pH变化而向正极电解液和负极电解液添加特定的有机酸可减轻电池充电和放电循环期间的沉淀物形成，而不增加总成本。另外，实施抑制三价铁离子渗透的膜屏障也可减轻污染。
另外的库仑效率损失可能是由于H+(例如，质子)的还原和随后的H2(例如，氢气)的形成以及负极隔室20中的质子与在镀覆铁金属电极处提供的电子形成氢气的反应引起的。
IFB电解液(例如，FeCl2、FeCl3、FeSO4、Fe2(SO4)3等)可容易获得并且可以低成本生产。IFB电解液提供更高的回收价值，因为相同的电解液可用于负极电解液和正极电解液，所以与其他系统相比减少了交叉污染问题。此外，由于其电子构型，在负极基板上镀覆时，铁可凝固成大体均匀的固体结构。对于混合氧化还原电池中常用的锌和其他金属，在镀覆期间可形成固体枝晶结构。与其他氧化还原液流电池相比，IFB系统的稳定电极形态可提高电池的效率。更进一步，与其他氧化还原液流电池电解液相比，铁氧化还原液流电池减少了有毒原材料的使用并且可在相对中性的pH下操作。因此，与生产的所有其他目前先进氧化还原液流电池系统相比，IFB系统减少了环境影响。
继续参照图1，示出氧化还原液流电池系统10的示意图。氧化还原液流电池系统10可包括流体连接到多室电解液储罐110的第一氧化还原液流电池电芯18。第一氧化还原液流电池大体可包括负极隔室20、隔离件24和正极隔室22。隔离件24可包括电绝缘离子传导屏障，其防止正极电解液和负极电解液的整体混合，同时允许特定离子从中传导穿过。例如，隔离件24可包括离子交换膜和/或微孔膜。
负极隔室20可包括负极26，并且负极电解液可至少部分地由电活性材料形成。正极隔室22可包括正极28，并且正极电解液可包含电活性材料。在一些示例中，多个氧化还原液流电池电芯18可串联或并联结合以在氧化还原液流电池系统中产生更高的电压或电流。例如，在一些示例中，氧化还原液流电池系统10可包括两个电芯堆，如图10至图13所示，其中每个电芯堆由多个电池电芯形成。作为一个示例，氧化还原液流电池系统10在图1中被示出为具有第一电池电芯18以及与第一电池电芯18类似地配置的第二电池电芯19。因此，本文针对第一电池电芯18描述的所有部件和过程类似地可见于第二电池电芯19中。
第一电池电芯18可包括在第一电芯堆中，第二电池电芯19可包括在第二电芯堆中。第一电芯和第二电芯可流体耦接到彼此或不流体耦接到彼此，但各自流体耦接到电解液储罐110和再平衡反应器80、82。例如，如图1所示，第一电池电芯18和第二电池电芯19中的每一个可通过分支到第一电池电芯18和第二电池电芯19中的每一个的公共通道连接到负极电解液泵30和正极电解液泵32。类似地，电池电芯各自可具有合并到将电池电芯耦接到再平衡反应器80、82的公共通道中的通道。
图1中进一步示出负极电解液泵30和正极电解液泵32，两者都用于将电解质溶液泵送通过液流电池系统10。电解液储存在电池电芯外部的一个或多个罐中，并通过负极电解液泵30和正极电解液泵32分别泵送通过电池的负极隔室20侧和正极隔室22侧。
氧化还原液流电池系统10还可包括第一双极板36和第二双极板38，它们各自分别沿负极26和正极28的面向后的一侧(例如，与面向隔离件24的一侧相对)定位。第一双极板36可与负极26接触，第二双极板38可与正极28接触。然而，在其他示例中，双极板可布置成接近相应电极隔室内的电极但与电极隔开。在任一种情况下，第一双极板36和第二双极板38可分别与端子40和42通过与端子的直接接触或通过负极26和正极28而电耦接。由于第一双极板36和第二双极板38的材料的导电特性，IFB电解液可由第一双极板36和第二双极板38运输到负极26和正极28处的反应区域。负极电解液泵30和正极电解液泵32可辅助电解液流动，从而有利于穿过第一氧化还原液流电池电芯18的强制对流。通过强制对流与第一双极板36和第二双极板38的存在的结合，反应后的电化学物种可被引导远离反应区域。
如图1所示，第一氧化还原液流电池电芯18还可包括负极电池端子40和正极电池端子42。当对电池端子40和42施加充电电流时，在正极28处，正极电解液被氧化(失去一个或多个电子)，并且在负极26处，负极电解液被还原(得到一个或多个电子)。在电池放电期间，电极上发生反向氧化还原反应。换句话讲，在正极28处，正极电解液被还原(得到一个或多个电子)，并且在负极26处，负极电解液被氧化(失去一个或多个电子)。正极隔室22和负极隔室20中的电化学氧化还原反应维持电池两端的电势差，并且电势差可在反应持续进行的同时诱导电流通过集流体。氧化还原电池存储的能量的量受电解液中可供用于放电的电活性材料的量限制，取决于电解液的总容积和电活性材料的溶解度。
液流电池系统10还可包括集成多室电解液储罐110。多室储罐110可由隔壁98分隔。隔壁98可在储罐内产生多个室，使得正极电解液和负极电解液可包括在单个罐内。负极电解液室50容纳包含电活性材料的负极电解液，正极电解液室52容纳包含电活性材料的正极电解液。隔壁98可定位在多室储罐110内以产生负极电解液室50与正极电解液室52之间的期望容积比。在一个示例中，隔壁98可定位以根据负极氧化还原反应与正极氧化还原反应之间的化学计量比设置负极电解液室与正极电解液室的容积比。图1还示出储罐110的填充高度112，所述填充高度可指示每个罐隔室中的液位。图1示出位于负极电解液室50的填充高度112上方的气体顶部空间90，以及位于正极电解液室52的填充高度112上方的气体顶部空间92。气体顶部空间92可用于储存氢气，氢气通过氧化还原液流电池的运行(例如，由于质子还原和腐蚀副反应)产生并且随着从第一氧化还原液流电池电芯18返回的电解液一起输送到多室储罐110。氢气可在多室储罐110内的气-液界面(例如，填充高度112)处自然地分离，从而排除具有另外的气液分离器作为氧化还原液流电池系统的一部分。一旦与电解液分离，氢气就可填充气体顶部空间90和92。因此，储存的氢气可帮助从多室储罐110清除其他气体，从而充当用于减少电解液物种的氧化(这可帮助减少氧化还原液流电池容量损失)的惰性气体覆盖层。这样，利用集成多室储罐110可放弃具有常规氧化还原液流电池系统常见的单独的正极电解液储罐和负极电解液储罐、储氢罐和气液分离器，从而简化系统设计，减小系统的物理占用空间，并且降低系统成本。
图1示出溢出孔96，所述溢出孔在气体顶部空间90与92之间的隔壁98中形成开口，并且提供使两个室之间的气体压力平衡的方式。溢出孔96可定位在填充高度112上方的阈值高度。溢出孔还实现在电池渗透(battery crossover)的情况下使正极和负极电解液室中的每一个中的电解液自平衡的能力。在全铁氧化还原液流电池系统的情况下，在负极隔室20和正极隔室22中使用相同的电解液(Fe2+)，因此虽然负极电解液室50与正极电解液室52之间的电解液溢出会降低整体系统效率，但可维持总体电解液组成、电池模块性能和电池模块容量。凸缘配件可用于进出多室储罐110的入口和出口的所有管道连接，以维持持续加压状态而没有泄漏。多室储罐110可包括来自负极和正极电解液室中的每一个的至少一个出口，以及通向负极和正极电解液室中的每一个的至少一个入口。此外，可从气体顶部空间90和92提供一个或多个出口连接，以用于将氢气引导至再平衡反应器80和82。
尽管图1未示出，但集成多室电解液储罐110还可包括一个或多个加热器，所述加热器热耦接到负极电解液室50和正极电解液室52中的每一个。在替代示例中，仅负极和正极电解液室中的一个可包括一个或多个加热器。在仅正极电解液室52包括一个或多个加热器的情况下，负极电解液可通过将在功率模块的电池电芯处产生的热量传输到负极电解液来加热。这样，功率模块的电池电芯可加热负极电解液并且有利于对负极电解液进行温度调节。一个或多个加热器可由控制器88致动以独立地或一起地调节负极电解液室50和正极电解液室52的温度。例如，响应于电解液温度下降到低于阈值温度，控制器88可增加供应给一个或多个加热器的功率，使得增加到电解液的热通量。电解液温度可由安装在多室电解液储罐110处的一个或多个温度传感器(包括传感器60和62)指示。一个或多个加热器可包括浸没在电解液中的盘管式加热器或其他浸没式加热器，或通过负极和正极电解液室的壁传导地传递热量以加热其中的流体的表面罩式加热器。在不脱离本公开的范围的情况下，可采用其他已知类型的罐加热器。此外，控制器88可响应于液位下降到低于固体填充阈值水平而停用负极和正极电解液室50、52中的一个或多个加热器。换句话讲，控制器88可仅响应于液位上升到高于固体填充阈值水平而启用负极和正极电解液室50、52中的一个或多个加热器。这样，可避免在正极和/或负极电解液室中没有足够液体的情况下启用一个或多个加热器，从而降低加热器过热或烧坏的风险。
更进一步，可从现场水化系统(未示出)到负极和正极电解液室50、52中的每一个提供一个或多个入口连接。这样，现场水化系统可有利于调试氧化还原液流电池系统，包括在最终使用位置处对系统进行安装、填充和水化。此外，在于最终使用位置处调试氧化还原液流电池系统之前，可在与最终使用位置不同的电池制造设施处对氧化还原液流电池系统进行干组装而不对系统进行填充和水化，之后将系统运送到最终使用位置。在一个示例中，最终使用位置可对应于其中将安装氧化还原液流电池系统10并且利用其进行现场能量存储的位置。换句话讲，预期一旦在最终使用位置处安装并水化，氧化还原液流电池系统10的位置就变成固定的，并且氧化还原液流电池系统10不再被视为便携的、干燥的系统。因此，从氧化还原液流电池系统最终用户的角度来看，可现场递送干燥的便携的氧化还原液流电池系统10，之后可对氧化还原液流电池系统10进行安装、水化和调试。在水化之前，氧化还原液流电池系统10可称为干燥的便携的系统，氧化还原液流电池系统10不含或没有水和湿电解液。一旦水化，氧化还原液流电池系统10就可称为湿式非便携系统，氧化还原液流电池系统10包括湿电解液。
图1还示出：通常存储在多室储罐110中的电解质溶液通过负极电解液泵30和正极电解液泵32泵送遍及整个液流电池系统10。存储在负极电解液室50中的电解液通过负极电解液泵30泵送通过负极隔室20侧，并且存储在正极电解液室52中的电解液通过正极电解液泵32泵送通过电池的正极隔室22侧。
在氧化还原液流电池系统10中，两个电解液再平衡反应器80和82可分别与第一电池电芯18的负极侧和正极侧处的电解液的再循环流动路径串联或并联连接。一个或多个再平衡反应器可与在电池的负极侧和正极侧处的电解液的再循环流动路径串联连接，并且其他再平衡反应器可并联连接，用于冗余(例如，可在不中断电池和再平衡操作的情况下维修再平衡反应器)和增加的再平衡能力。在一个示例中，电解液再平衡反应器80和82可分别放置在从正极隔室20和负极隔室22到正极电解液室50和负极电解液室52的返回流动路径中。电解液再平衡反应器80和82可用来使氧化还原液流电池系统中由于副反应、离子渗透等而发生的电解液电荷不平衡再平衡，如本文所述。在一个示例中，电解液再平衡反应器80和82可包括滴流床反应器，其中氢气和电解液在填充床中的催化剂表面处接触以用于进行电解液再平衡反应。在其他示例中，再平衡反应器80和82可包括流通型反应器，所述流通型反应器能够使氢气和电解液液体接触并且在没有填充催化剂床的情况下进行再平衡反应。
在氧化还原液流电池系统10的操作期间，传感器和探针可监测和控制电解液的化学性质，诸如电解液pH、浓度、充电状态等。例如，如图1所示，传感器62和60可定位以分别监测正极电解液室52和负极电解液室50处的正极电解液和负极电解液状况。在另一示例中，传感器62和60各自可包括一个或多个电解液液位传感器以分别指示正极电解液室52和负极电解液室50中的电解液液位。作为另一示例，图1所示的传感器72和70可分别监测正极隔室22和负极隔室20处的正极电解液和负极电解液状况。传感器72、70可以是pH探针、光学探针、压力传感器、电压传感器等。传感器可遍及氧化还原液流电池系统10定位在其他位置处以监测电解液化学性质和其他性质。
例如，传感器可定位在外部酸罐(未示出)中以监测外部酸罐的酸体积或pH，其中来自外部酸罐的酸通过外部泵(未示出)供应到氧化还原液流电池系统10以便减少电解液中的沉淀物形成。可安装另外的外部罐和传感器以用于向氧化还原液流电池系统10供应其他添加剂。例如，包括现场水化系统的温度、导电率和液位传感器的各种传感器可将信号输出到控制器88。此外，控制器88可在氧化还原液流电池系统10的水化期间向现场水化系统的致动器(诸如，阀和泵)发送信号。作为一个示例，传感器信息可输出到控制器88，所述控制器继而可致动泵30和32以控制穿过第一电池电芯18的电解液流量或执行其他控制功能。这样，控制器88可对传感器和探针中的一个或它们的组合作出响应。
氧化还原液流电池系统10还可包括氢气源。在一个示例中，氢气源可包括单独的专用氢气储罐。在图1的示例中，氢气可存储在集成多室电解液储罐110中并从其供应。集成多室电解液储罐110可向正极电解液室52和负极电解液室50供应另外的氢气。集成多室电解液储罐110可交替地向电解液再平衡反应器80和82的入口供应另外的氢气。作为一个示例，质量流量计或其他流量控制装置(其可由控制器88控制)可调节来自集成多室电解液储罐110的氢气的流量。集成多室电解液储罐110可补充氧化还原液流电池系统10中产生的氢气。例如，当在氧化还原液流电池系统10中检测到气体泄漏时或当在低氢分压下还原反应速率太低时，可从集成多室电解液储罐110供应氢气以便使正极电解液和负极电解液中的电活性物种的电荷状态再平衡。作为一个示例，控制器88可响应于电解液或电活性物种的测量pH变化或响应于电解液或电活性物种的测量电荷状态变化而从集成多室电解液储罐110供应氢气。
例如，负极电解液室50或负极隔室20的pH升高可指示氢从氧化还原液流电池系统10泄漏和/或在可用氢分压下反应速率太慢，并且响应于pH升高，控制器88可增加从集成多室电解液储罐110到氧化还原液流电池系统10的氢气供应。作为另一示例，控制器88可响应于pH变化而从集成多室电解液储罐110供应氢气，其中pH升高到超过第一阈值pH或下降到超过第二阈值pH。在IFB的情况下，控制器88可供应另外的氢以提高三价铁离子的还原速率和质子的产生速率，从而降低正极电解液的pH。此外，可通过从正极电解液渗透至负极电解液的三价铁离子的氢还原，或通过在正极侧产生的质子由于质子浓度梯度和电泳力而渗透至负极电解液，来降低负极电解液pH。这样，可将负极电解液的pH维持在稳定区域内，同时降低(从正极隔室渗透的)三价铁离子沉淀为Fe(OH)3的风险。
可实施用于响应于由其他传感器(诸如，氧还原电势(ORP)计或光学传感器)检测到的电解液pH变化或电解液电荷状态变化而控制来自集成多室电解液储罐110的氢气供应速率的其他控制方案。更进一步，触发控制器88的动作的pH或电荷状态的变化可基于在一定时间段内测量的变化率或变化。变化率的时间段可以是预定的或基于氧化还原液流电池系统10的时间常数来调整。例如，如果再循环速率高，则可以缩短时间段，并且由于时间常数可很小，可快速测量浓度(例如，由于副反应或气体泄漏)的局部变化。
图2示出氧化还原液流电池200(例如，铁氧化还原液流电池(IFB))的示例，所述氧化还原液流电池具有第一压力板202和第二压力板204，电芯堆206定位在第一压力板与第二压力板之间。具体地，压力板的内侧205可被设计成与电芯堆206的相对侧对接。应当理解，图2所示的氧化还原液流电池200以及本文所述的其他氧化还原液流电池和系统是图1所示的氧化还原液流电池系统10的示例。因此，图1所示的氧化还原液流电池系统10的结构和/或功能特征可在本文所述的其他氧化还原液流电池和电池系统中展现，或反之亦然。
继续参照图2，氧化还原液流电池200可不依赖外部壳体来在结构上加固电池部件，外部壳体会增加电池的重量和成本。相反，氧化还原液流电池提供协同地支撑并且压缩电池中的电芯堆的紧凑型系统。因此，液流电池的成本和轮廓可减小。所以，可更加成本有效且空间有效地制造包括多个电池模块的电池系统，从而允许有效的电池系统缩放，如果需要的话。
图2至图25中提供轴系统201以供参考。z轴可平行于重力轴。y轴可以是纵轴，和/或x轴可以是横轴。然而，在其他实施方案中，可使用轴的其他取向。
电芯堆206包括第一端板208，所述第一端板定位在第一压力板202内侧并且与第一压力板202的内表面共面接触。被配置为使电流流动的第一集流体210可布置在第一端板208与第一压力板202之间。第一压力板202和第二压力板204定位在氧化还原液流电池200的相对终端(terminal end)212上。
在电芯堆206中，第一双极板组件214布置在第一电芯堆206的第一端板208与第二端板216之间。另外，双极板组件219被示出为沿y轴堆叠。双极板组件包括沿y轴堆叠的多个框架板215。多个框架板215为电芯堆206提供结构支撑。多个框架板215中的每个框架板可类似地被配置为框住电芯堆的电芯。每个电芯包括插入到每个框架板的至少一个开口中的至少一个双极板217。此外，双极板定位在每个电芯的负极与正极之间，这些电极沿双极板的相对面布置。此外，负极定位在双极板与膜隔离件(例如，图1的隔离件24)之间。这样，每个框架板组件都具有包括膜隔离件、负极、双极板和正极的部件堆叠体，并且部件堆叠体与电芯堆206中的每个连续框架板组件一起重复。然而，应当理解，在其他示例中，可部署其他合适的电芯堆布置。
第二端板216可与第二压力板204共面接触。第二集流体218可布置在第二端板216与第二压力板204之间。
图2示出多个流动端口220。流动端口220被设计成使电解液(例如，正极或负极电解液)流入和流出电芯堆206。因此，流动端口220被示出为穿过第二压力板204中的开口延伸。
第一压力板202和第二压力板204被设计成在组装好时在结构上加固氧化还原液流电池200并且对电芯堆施加预紧力。为了实现结构加固，肋222(以下称为加固肋)沿着第一压力板202和第二压力板204的外侧224延伸。详细来讲，加固肋222可根据最终使用设计目标在板各处(across the plates)横向和/或竖向延伸以调谐结构支撑。此外，加固肋222被示出为彼此相交以提高肋布置的结构完整性并且提供紧凑型板布置。在一些示例中，由于压力板提供的结构加固，可从系统省却另外的加固结构，诸如装架组件。这样，压力板可以是自支撑的。
第一压力板202和/或第二压力板204可由金属(例如，铝、钢、钛等)制造而成。在一个具体示例中，压力板可由铝构造而成，以例如与钢板相比时增加板的强度重量比。因此，在一个用例示例中，可使用铝压力板以降低电池重量，同时维持目标结构完整性。与钢板相比，铝压力板的使用可显著减少(例如，阻止)压力板与电芯堆之间的电磁交互作用。另外，在一些示例中，压力板可以是铸造的，以与将多个板部分焊接到彼此的制造方法相比甚至进一步提高板结构完整性。然而，在其他示例中，可使用铣削和/或其他合适的板制造技术。应当理解，铸造或铣削压力板能够使得板形成单片结构，从而提供提高的部件强度。
压力板202、204被示出为包括上凸缘226和下凸缘228，它们各自远离电芯堆206向外延伸。具体地，在例示的示例中，凸缘226和228是水平布置的。然而，已经料想到其他凸缘轮廓。例如，凸缘可具有非平面轮廓和/或可以不是水平对齐的。上凸缘226中包括突起230。下凸缘228中包括图3所示的棘爪(detent)232。然而，在其他示例中，下凸缘可包括突起并且上凸缘可包括棘爪，或者每个凸缘可包括突起和棘爪。应当理解，突起230和棘爪232被配置为与放置在氧化还原液流电池200上方或下方的电池中的对应突起和棘爪配合。突起和棘爪在水平截面中可为圆形的，以允许突起和棘爪的平滑配合。然而，已经设想到突起和棘爪的其他形状，诸如多边形形状。
压力板202、204可包括多个叉车开口234，从而允许叉车在电池构造、安装、维修等期间接合压力板。所以，如果需要的话，可通过叉车有效地操控电池单元。叉车开口的大小可设定以容纳叉车机器中的叉的伸出部以与其配合。然而，在其他示例中，可将适配器放置在叉车中的叉的端部上，以有利于使用压力板抬升电池。叉车开口被示出为纵向延伸穿过压力板。然而，已经设想到叉车开口的其他取向。棘爪232被示出为与叉车开口234竖向对齐。以这种方式对齐棘爪和叉车开口能够在电芯堆叠期间容易地对齐棘爪和突起。然而，在其他示例中，棘爪和叉车开口可具有交替的相对位置。
氧化还原液流电池200包括压缩组件236，所述压缩组件被设计成对电芯堆206施加预紧力以减小电芯堆(例如，电芯堆的有效区域)在电池运行期间的偏转。压缩组件236包括沿压力板202、204的外侧224延伸的板弹簧238。具体地，在例示的示例中，板弹簧238沿着板的侧面竖向延伸。然而，在其他示例中，弹簧可跨板横向延伸或以其中弹簧既竖向又横向延伸的对角布置延伸。应当理解，堆叠体变形的预期方向可影响板弹簧238的布置。因此，在一种用例中，板弹簧竖向对齐以适应堆叠体的纵向膨胀。在一种情况下，板弹簧238可由钢构造而成。然而，弹簧可由其他合适的材料(诸如，钛或其他金属、聚合物材料、它们的组合)构造而成。当选择用于构造板弹簧的材料时，可考虑材料成本、强度和挠曲特性。因此，在某些用例中，用钢构造弹簧可以比其他金属以更低的成本提供期望的挠曲特性。
氧化还原液流电池200还包括多个贯穿螺栓(tie rod)240。贯穿螺栓240被设计成穿过板弹簧238、压力板202、204和电芯堆206延伸。其他贯穿螺栓可穿过压力板202、204以及电芯堆206延伸并且可不穿过板弹簧238。氧化还原液流电池200中包括螺母242，所述螺母被设计成以螺纹方式接合贯穿螺栓240以允许对电芯堆206施加压缩。
图3示出处于组装构型的氧化还原液流电池200。贯穿螺栓240中的一部分被示出为穿过板弹簧238延伸。详细来讲，贯穿螺栓240穿过板弹簧238的上部部分和下部部分延伸以有利于弹簧挠曲。另外的贯穿螺栓240被示出为穿过压力板202、204和电芯堆206延伸。本文更详细描述的侧螺栓300被示出为穿过压力板202、204延伸。贯穿螺栓240的头部302和耦接到贯穿螺栓的如图2所示的螺母242可拧紧，以允许在电池组装期间设定电芯堆压缩。
叉车开口234在图3中被示出为从电芯堆206竖向偏移，从而避免电芯堆妨碍叉车。这样，叉可在电芯堆206的一部分的下方或上方滑动。因此，降低了叉车中的叉撞击电芯堆的几率。替代地，叉车开口可与电芯堆对齐，然而这可对使用叉车或其他机械有效移动电芯堆构成障碍。
图3示出使得电解液能够流入和流出电芯堆206的流动端口220。具体地，在一个示例中，端口304可以是流入端口，端口306可以是流出端口。然而，已经设想到其他电池流入和流出方案。详细来讲，可在氧化还原液流电池200中设置正极电解液流入端口和负极电解液流入端口。同样，可在氧化还原液流电池200中设置正极电解液流出端口和负极电解液流出端口。图3示出第一压力板202中的上凸缘226和下凸缘228。图3中示出下凸缘228中的棘爪232。图4中示出指示图5的截面的剖切面A-A'。
图4示出第一压力板202的详细视图。再次示出加固肋222、上凸缘226、下凸缘228、棘爪232和叉车开口234。图4示出用于图3所示出的贯穿螺栓240的开口400。图4还描绘用于图3所示的侧螺栓300的狭槽402。狭槽402允许更大的堆叠宽度容差范围，并且在本文中参考图7和图8更详细地讨论。
图5示出氧化还原液流电池200的剖视图。再次描绘压力板202、204、电芯堆206、板弹簧238、贯穿螺栓240和螺母242。贯穿螺栓240可具体地穿过板弹簧238中的开口500延伸以用于电芯堆压缩。为了适应板弹簧挠曲，贯穿螺栓可定位在板弹簧的相对侧上。
板弹簧238在图5中被示出为管式板弹簧，这可提供结构完整性和挠曲的所需平衡。然而，在替代示例中，可使用扁条型板弹簧。管式板弹簧包括界定内部腔体504的壁502。壁厚和轮廓可被选择以实现不同的弹簧常数。在电池中使用管式板弹簧使得能够以空间有效的方式压缩电芯堆。管式板弹簧可具有比其他类型的弹簧更高的惯性矩，并且在偏转下经历相较于其他类型的弹簧减少的应力量，从而提供更稳固的弹簧。然而，在其他示例中，可在电池中部署其他合适类型的板弹簧，诸如具有顺序堆叠成层的板(leaves)的板弹簧。
压力板202、204可具有支点506。支点506充当电芯堆压缩期间用于反作用力的位置。这样，电芯堆加载可在目标位置发生。具体地，支点506竖向定位在穿过弹簧238中的每一个延伸的贯穿螺栓240对之间。图5还示出压力板204的凸缘228中的棘爪232。应当理解，在一个示例中，压力板202、204中的加固肋222和支点506可通过铸造同步构造以精简制造并降低成本。这样，可进一步简化制造以压低成本。然而，在其他示例中，可使用铣削或其他合适的制造技术来形成支点。
图6示出在电池系统600中堆叠在氧化还原液流电池200的顶部的第二氧化还原液流电池602的示例。第二氧化还原液流电池602可在形式和功能上类似于氧化还原液流电池200。因此，第二氧化还原液流电池602包括具有凸缘606的压力板604，凸缘具有棘爪以及突起。如前所讨论，不同电池中的压力板的凸缘中的棘爪和突起的配合允许单元可堆叠性。以这种方式堆叠电池能够根据需要有效地扩大电池系统的尺寸。因此，电池系统可快速适配以满足最终使用设计参数(例如，在混合氧化还原液流电池的情况下，功率目标、存储容量目标等参数)。应当理解，可在系统使用多个电池以实现多种应用(诸如电网存储、住宅能量存储、工业能量存储等)的能量需求。因此，在一个示例中，系统可为常见的能量消耗装置供应能量。
电池系统600的放大侧视图示于610。放大视图示出与第二氧化还原液流电池602中的对应棘爪612配合的氧化还原液流电池200中的突起230中的一个。
突起230和棘爪612可在竖向方向上渐缩。突起和棘爪的渐缩能够引导部件进行配合接合，从而降低堆叠时电池错位的机会。因此，降低了电池安装、维修等期间用户出错的可能性。换句话讲，配合的棘爪和突起充当“防差错装置”(错误减少机制)。
图6所描绘的突起230和棘爪612还被示出为具有对齐(例如，竖向对齐)的通孔614。示意性示出的附接装置616(例如，螺栓诸如销钉螺栓、螺钉等)可穿过通孔614延伸，从而使得能够更牢固地附接氧化还原液流电池200和第二液流电池602，进而进一步降低电池单元错位的几率并且在结构上加固系统。
图7至图8示出氧化还原液流电池200中的侧螺栓凸轮组件700的详细视图。侧螺栓凸轮组件700被设计成减小框架板215的侧壁702在电池使用期间的偏转。侧螺栓凸轮组件700被设计成具有横向顺性以适应电芯堆中的电芯的横向变化。狭槽402定位在每个压力板的相对横向侧上，用于可操作地接收侧螺栓300穿过其中。以螺纹方式接合侧螺栓300的螺母710允许由侧螺栓凸轮组件700施加的纵向压缩。狭槽402各自可包括在它们的相应压力板中的类似竖向和横向位置中，以允许侧螺栓跨电池纵向延伸。然而，已经设想到压力板上的不类似的狭槽位置。侧螺栓300与狭槽402配合，所述狭槽具有一定角度和长度，所述角度和长度被选择来允许较大的电芯堆宽度公差范围，同时也减小电芯堆(例如，电芯堆中的框架)在电池操作期间的横向偏转。应当理解，横向堆叠偏转可能是由热膨胀和/或电芯堆加压引起的。适应电芯堆宽度的变化使得能够更容易地组装电池，而无需修改或更换堆叠体中例如横向宽度大于预期的电芯。当如前所述组装氧化还原液流电池200时，狭槽402相对于横轴800成角度。狭槽角度在图8中以802指示。在一个示例中，狭槽角度802可在70度与89度之间的范围内。应当理解，狭槽角度可通过评估横向顺性与压力板移动之间的权衡来选择。例如，增加狭槽角度增加了压缩结构的横向顺性，同时还增大了所不想要的压力板移动的机会。在一些情况下，上述角度范围可在这两个相互矛盾的设计参数之间提供期望的平衡。
侧螺栓300可沿狭槽402向上并远离离堆叠体行进，使得重力将凸轮向下偏置并推动到接合电芯堆的侧面的中性位置。螺母710将侧螺栓300固定到相邻的压力板。随着拧紧螺母710以将侧螺栓固定到压力板，沿狭槽移动凸轮所需的力增加。因此，侧螺栓300提供预定的夹紧力，从而允许调谐将侧螺栓300从它们的位置移动所需的力。
参考图9，示出显示氧化还原液流电池200在被加压和/或热加载时的示例变形的用例变形图。在电池操作期间，电芯堆的侧壁702趋于向外朝向侧螺栓300延伸。电芯堆的膨胀侧壁将侧螺栓向外推动，而侧螺栓抵抗此向外的力。这样，侧螺栓300限制侧壁的过度偏转。所以，电池可在使用期间符合期望的轮廓。
图10示出氧化还原液流电池1000的另一示例。应当理解，图10所示的氧化还原液流电池1000包括与图2至图9所示的氧化还原液流电池200类似的特征。因此，为简明起见省略冗余的描述。
氧化还原液流电池1000包括第一电芯堆1002和第二电芯堆1004，它们通过子堆隔离板1006分开。这样，可增加电池中电芯的数量，从而允许有效地提高电池系统的功率并且在一些情况下有效地提高存储容量。在一个示例中，电芯堆中的每一个可在功能和形式上类似。然而，在其他示例中，电芯堆可在尺寸、功能等方面具有差异。
氧化还原液流电池1000包括压力板1008以及压缩组件1012中的板弹簧1010。压缩组件1012和对应的部件可类似于图2至图9所示的压缩组件236。针对单电芯堆和双电芯堆电池布置使用类似的压缩组件可允许相对于规模经济利用制造成本降低。然而，在其他示例中，部署在单堆电池和双堆电池构型中的压缩组件可不同。双电芯堆电池构型允许多个电芯堆使用公共硬件(诸如，压缩组件、压力板和贯穿螺栓)来压缩电芯堆和在结构上支撑电芯堆。这样，如果想要的话，可降低系统中的冗余度以压低制造成本并且减小电池系统的轮廓和重量。
图11示出氧化还原液流电池1000的侧视图。再次示出压力板1008和具有板弹簧1010的压缩组件1012。图11中描绘压力板1008中所包括的叉车开口1100。然而，在其他示例中，可省却叉车开口。图11中还示出电解液流动端口1102。详细来讲，入口端口1104设置在压力板1008的下侧上。应当理解，入口端口包括正极电解液入口端口和负极电解液入口端口。然而，已经设想到替代的入口和/或出口端口位置。氧化还原液流电池1000的相对侧上的压力板可具有类似的电解液流动端口构型。图11中描绘指示图12的截面的剖切面B-B'。入口端口1104包括正极电解液入口流动端口和负极电解液入口流动端口。同样，出口端口1106包括正极电解液出口流动端口和负极电解液出口流动端口。
图12示出氧化还原液流电池1000的剖视图，其中示出第一电芯堆1002和第二电芯堆1004中的总体电解液流动路径。详细来讲，示出负极电解液的流动路径。然而，正极电解液的流动路径可具有与负极电解液的路径类似的方向性。在其他示例中，可使用正极电解液和负极电解液的不类似的流动路径。
箭头1200指示电解液从入口端口1201沿纵向方向流入第一电芯堆1002的初始方向。因此，电解液行进穿过堆叠体中的连续电芯。箭头1202指示电解液竖向流动穿过电芯堆的方向。因此，电解液在竖向穿越第一电芯堆1002的平行通道中流动。箭头1204指示电解液沿纵向方向朝向出口端口1206流动的方向。这样，负极电解液可在第一电芯堆1002中循环。图12示出表现出与第一电芯堆1002类似的流型的第二电芯堆1004。
另外，泵可与入口端口1104流体连通以使得电解液流量变化。第二电芯堆可耦接到泵以实现电解液流量可调整性。在一个示例中，第一泵和第二泵可以是独立地控制的。然而，已经设想到用于两个泵的协调泵送控制策略。
图13描绘电池系统1300，其中第二双堆电池1302堆叠在氧化还原液流电池1000的顶部。这样，可进一步扩大电池系统的功率，并且在一些情况下进一步扩大容量。应当理解，图11所示的压力板1008中的突起1152有利于电池模块的有效堆叠，类似于图6所示的电池系统600。详细来讲，图11所示的突起1152与第二双堆电池1302中的对应棘爪配合。
图14示出示例性电芯堆1400的一部分的剖视图。应当理解，在一些示例中，图14所示的电芯堆1400可与本文所述的其他电芯堆中的一个或多个共享共同的功能和/或结构特征，或反之亦然。
电芯堆1400包括压力板1402。压力板1402可被设计成对堆叠体中的内部电芯施加压缩力，类似于本文所述的其他压力板。电芯堆1400包括集流体1404，从而允许从电池到选定外部系统的能量传递，或反之亦然。在例示的示例中，电芯堆1400还包括端板框架1406和凸缘垫片支撑件1408。然而，在其他示例中，可从堆叠体省却凸缘垫片。
电芯堆1400可包括多个弹性特征，从而适应堆叠体中不同材料/部件的热膨胀/收缩差异。因此，电芯堆可表现出调谐的顺性以降低所不想要的电芯堆翘曲的可能性。堆叠翘曲可能影响电芯中的流型，有可能降低电池效率、输出和结构完整性。因此，包括弹性特征以适应电芯堆翘曲减弱(例如，避免)了这些影响。
弹性特征可包括端板弹性凸缘1410。电芯堆1400还可包括与端板弹性凸缘1410配合的导电板1412(例如，石墨板)。电芯堆1400还可包括与导电板1412共面接触的另一导电板1414。应当理解，在一些情况下，导电板1412、1414可以是单极板。
电芯堆1400还可包括与导电板1414相邻的毡层1416。然而，在其他情况下，可从电芯堆省却毡层。
电芯堆1400还包括与端板框架1406堆叠(例如，对应地配合)的膜框架板1418。电芯堆还包括与膜框架板1418相邻并堆叠在膜框架板上的框架板1420(例如，双极框架板)。弹性凸缘1422可定位在膜框架板1418与双极框架板1420之间。导电板1424(例如，双极导电板)被示出为定位在弹性凸缘1422与膜框架板1418之间。这样，电芯堆1400可支撑导电板1414。双极框架板1420、弹性凸缘1422和双极导电板1414可形成双极板组件1426。弹性凸缘1422允许堆叠体中的端板框架的调谐顺性。因此，可使用堆叠部件之间的顺性接合(compliant interfaces)来管理电芯堆组成部分的不相等的膨胀/收缩。
如图14所示，电芯堆1400还包括膜框架板、双极框架板、弹性凸缘、双极导电板、毡等的连续层。堆叠体中的层数可基于期望的系统功率和/或容量、由堆叠加压以及堆叠热加载引起的预期的电芯堆变形、偏转等来选择。
图15示出端板框架1406、端板弹性凸缘1422和导电板1412、1414的详细视图。如图所示，端板弹性凸缘1422位于端板框架1406的凹槽1500中。端板弹性凸缘1422围绕导电板1412、1414的周边延伸。在一些示例中，弹性凸缘1422可从端板框架1406的周边凸缘1502偏移。这样，弹性凸缘就不会妨碍框架板堆叠。
图16示出端板框架1406、端板弹性凸缘1422和导电板1412、1414(例如，单极板)的一部分的更详细视图，并且图16中示出毡层1416。端板弹性凸缘1422被示出为包括与导电板1412的一部分配合的凹槽1600。如具体所示，端板弹性凸缘1422的凹槽1600部分地围绕导电板1412的三个侧面1602。因此，可在端板弹性凸缘1422与导电板1412之间的接合处之间形成双搭接接头。因此，可增强弹性凸缘与导电板之间的连接。然而，在其他示例中，端板弹性凸缘1422可具有另一合适的轮廓，诸如其中凸缘部分地围绕导电板的仅两个侧面的轮廓。
弹性凸缘的厚度1604可基于各种参数(诸如，电芯堆中的其他部件的大小、布局和材料构造)来选择以实现期望的顺性量。在一个用例示例中，厚度1604可在0.2毫米(mm)至2mm之间的范围内，和/或弹性凸缘可具有在30A与80A之间的硬度值(durometer)范围以实现期望的挠性。然而，可利用众多合适的凸缘厚度和/或硬度。
端板弹性凸缘1422是为通过箭头1606指示的方向上的顺性而设计的。因此，可降低堆叠体以所不想要的方式翘曲的可能性。
端板框架1406和端板弹性凸缘1422可热焊接到彼此，这在1608示出。在这种示例中，端板框架1406和端板弹性凸缘1422都可具有在热焊接部件时实现更强的化学键合的单体。另外地或替代地，可使用粘合剂结合来将端板框架附接到端板弹性凸缘。
端板框架1406与端板弹性凸缘1422之间可保持间隙1610，以允许不同部件的不相等的热膨胀/收缩。间隙1610使得能够策略性地管理堆叠翘曲。
导电板1412可在凹槽1600处粘合地附接到端板弹性凸缘1422。另外，导电板1412、1414可通过合适的导电粘合剂耦接到彼此。
端板弹性凸缘1422的顺性可通过弹性材料诸如弹性体聚合物(例如，合成橡胶、天然橡胶等)来实现。在一个示例中，弹性材料可以是热塑性硫化橡胶(TPV)(例如，
Figure BDA0003944468030000221
)，并且双极板弹性凸缘和框架都可具有热塑性聚合物(例如，聚丙烯(PP)，诸如玻璃纤维填充的PP)。在一些情况下，TPV凸缘构造可提供目标回弹量。此外，用PP构造框架提供更化学惰性且更低成本的构造。然而，在其他示例中，可使用其他框架材料。
图17示出包括双极板1702、弹性凸缘1704和双极框架板1706的双极板组件1700的示例。应当理解，双极板组件1700可包括在图14所示的电芯堆1400中。双极板组件1700包括电解液端口1708和流动通道1710以用于将电解液引导至双极板1702。
图18示出双极板组件1700的分解视图。图18中示出双极板1702、弹性凸缘1704和双极框架板1706。当组装时，双极板1702可嵌套在双极框架板1706的凸缘1704中。此布置可提高电芯堆紧凑性，并且在结构上加固双极板，以避免板变形。
图19示出双极板组件1700的详细剖视图。描绘了双极框架板1706、弹性凸缘1704中的一个和双极板1702中的一个。图19中示出膜框架板1900。粘合剂层1901可施加在双极板1702与弹性凸缘1704之间。图19所示的弹性凸缘1704呈S形。因此，当形成为S形时，凸缘1704的部分1903在凸缘的沿y轴偏移的两个部分之间延伸。将弹性凸缘1704成形为“S”形允许在凸缘的施加粘合剂层的一侧上凸缘的剥离强度是低的。此外，将凸缘成形为S形可允许压缩力路径采用使得能够实现更高的电芯堆压缩(如果想要的话)所期望的穿过堆叠的路径。S形板可降低凸缘卧入膜框架板的相邻通道中并限制电解液流动的可能性。
另外，弹性凸缘1704可热焊接到双极框架板1706，这在1906示出。这样，可在框架与导电板之间形成增强的连接。在一些示例中，将框架热焊接到凸缘可允许放弃部件之间的粘合剂结合。然而，在其他示例中，可使用粘合剂结合和热焊接来将框架耦接到凸缘。图19中示出定位在膜框架板1900中的网1902和膜1904。
图20示出双极板组件2000的另一示例的侧视图。双极板组件2000同样包括双极框架2002、双极板2004以及在框架与双极板之间的接合处的弹性凸缘2006。粘合剂层2008被示出为将双极板2004结合到弹性凸缘2006。弹性凸缘2006同样被成型为具有S形，从而提供上述关于堆叠压缩、剥离强度等方面的益处。
图21示出当对双极板组件2000进行热加载时的组件。如图所示，弹性凸缘2006并且具体地部分2100基本上不偏转并且并不以不可取的方式影响电芯堆中的电解液通道中的流动。
图22至图25示出双极板组件的其他示例。具体地转到示出双极板组件2200的图22。双极板组件2200包括双极框架2202和双极板2204，以及在框架与板之间延伸的弹性凸缘2206。弹性凸缘2206具有可简化安装的平面形状。与本文所述的其他双极板组件相比，图22所描绘的双极板组件2200的模制几何更容易制造并且可具有更便宜的零件。
图23示出包括双极框架2302、双极板2304和弹性凸缘2306的双极板组件2300。弹性凸缘2306部分地包围双极板2304的一部分，并且粘合剂2305可施加在凸缘与板之间。弹性凸缘2306沿双极框架2302的侧面2308延伸并且在双极板2304与框架之间形成间隙2310。与本文所述的其他双极板组件相比，图23所示的双极板组件2300可具有更复杂的模制几何并且可使用更昂贵的零件但提供更大的密封表面。
图24描绘包括双极框架2402、双极板2404和弹性凸缘2406的双极板组件2400。粘合剂(例如，环氧树脂)2408被示出为施加在弹性凸缘2406的两个竖向侧面上。与本文所述的其他双极板组件相比，图24所描绘的双极板组件2400具有更不复杂的模制几何并且可使用更便宜的零件。
图25示出包括双极框架2502、双极板2504和多个弹性凸缘2506的双极板组件2500。在图25所示的示例中，双极板2504与双极框架2502之间形成有气隙2508。虽然使用与本文所述的其他双极板组件类似的零件和制造模制工具，但图25所示的双极板组件2500具有更大的密封表面(例如，两倍的密封表面)。
图26至图27描绘可用于构造弹性凸缘(诸如，图14所示的弹性凸缘1422，或图20至图25所描绘的弹性凸缘)的材料2600和2700的示例。材料被示出为包括纹理化表面以提高双极板与弹性凸缘之间的粘合强度。在一个示例中，可在其中计划施加粘合剂的区域中对弹性凸缘进行纹理化。
图26描绘具有纹理化表面2602的弹性材料2600。纹理化表面被示出为具有正方形图案。然而，已经料想到其他图案，诸如图27所示的弹性材料2700的纹理化表面2702上的菱形图案。对弹性凸缘的表面进行纹理化通过增加可施加在凸缘与板之间的粘合剂的量来提高凸缘与双极板之间的粘合强度。纹理化表面可通过将金属锉抵靠计划用于纹理化的表面进行按压来产生。
具体地，在一个用例示例中，可将金属板(例如，钛网)抵靠弹性材料(例如，TPV橡胶)层进行按压。另外，在这种示例中，可将泡沫(诸如，硅酮泡沫)层定位在弹性材料下方，并且可在凸缘压缩期间施加热量以产生纹理化表面。然而，已经设想到用于对凸缘表面进行纹理化的其他合适的技术。
在压力板中为氧化还原液流电池提供可堆叠棘爪和突起的技术效应是提高电池模块性并且允许有效地缩放电池系统的功率和/或存储容量。在氧化还原液流电池中提供弹性凸缘的技术效应是适应电芯堆翘曲并降低翘曲限制电池中的电解液流动的机会。
图2至图27示出具有各种部件的相对定位的示例构型。至少在一个示例中，如果被示出为直接接触彼此或直接耦接，则此类元件可分别称为是直接接触或直接耦接的。类似地，至少在一个示例中，被示出为彼此相连或相邻的元件可分别是彼此相连或相邻的。作为一个示例，铺设成彼此共面接触的部件可称为是共面接触的。作为另一示例，在至少一个示例中，彼此分开定位、使得其间仅存在一定空间且无其他部件的元件可称为是这样的。作为又一示例，被示出为在彼此的上方/下方的、在彼此的相对侧的、或在彼此的左侧/右侧的元件可以称为是相对于彼此这样的。此外，如图所示，在至少一个示例中，最顶部元件或元件的最顶点可以称为部件的“顶部”，而最底部元件或元件的最底点可以称为部件的“底部”。如本文所使用，顶部/底部、上/下、上方/下方可以是相对于附图的纵轴的，并且用于描述附图的元件相对于彼此的定位。因此，在一个示例中，被示出为在其他元件上方的元件在竖直方向上定位在其他元件上方。作为又一示例，附图中描绘的元件的形状可以称为具有那些形状(例如，诸如是圆形的、笔直的、平面的、弯曲的、浑圆的、倒角的、成角度的等)。此外，在至少一个示例中，被示出为彼此相交的元件可以称为相交元件或彼此相交。更进一步，在一个示例中，被示出为在另一个元件内的元件或被示出为在另一个元件外的元件可以称为是这样的。
以下段落中将进一步描述本公开。在一个方面，提供一种氧化还原液流电池，其包括电芯堆组件，所述电芯堆组件包括板组件，所述板组件定位在所述电芯堆组件的横向侧上，并且包括：弹性凸缘，所述弹性凸缘包括与导电板的一部分配合的凹槽，并且在横向方向和竖向方向中的至少一个方向上是顺性的；以及板框架，所述板框架耦接到所述弹性凸缘。
在另一个方面，提供一种氧化还原液流电池，其包括电芯堆组件，所述电芯堆组件包括板组件，所述板组件定位在所述电芯堆组件的横向侧上，并且包括：弹性凸缘，所述弹性凸缘包括与导电板的一部分配合的凹槽，并且在竖向方向和/或横向方向上是顺性的；以及板框架，所述板框架耦接到所述弹性凸缘；其中所述板框架的一部分与所述弹性凸缘之间形成有纵向对齐的间隙。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述凹槽可包围所述导电板的两侧的至少一部分。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述弹性凸缘可热焊接到所述板框架。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述导电板可包含石墨。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述导电板可以是单极板。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述导电板可以是双极板。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述导电板可粘合地耦接到所述弹性凸缘。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述导电板可不粘合地耦接到所述弹性凸缘。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述弹性凸缘可包括纹理化表面，所述纹理化表面粘合地附接到所述导电板的表面。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述弹性凸缘可包含橡胶。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述板组件可以是端板组件，并且所述板框架是耦接到压力板的端板框架。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述弹性凸缘可与所述导电板配合以形成双搭接接头。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述弹性凸缘可从所述板框架的周边凸缘纵向偏移。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述板组件可以是端板组件，并且所述板框架可以是耦接到压力板的端板框架。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述凹槽与所述导电板之间的所配合的接合处可形成双搭接接头。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述弹性凸缘可包含橡胶并且所述导电板可包含石墨。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述弹性凸缘可包括具有纹理化图案的纹理化表面，所述纹理化表面与所述导电板的表面共面接触。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述导电板可以是单极板。
在这些方面或这些方面的组合中的任一个中，所述导电板可以是双极板。
以下权利要求特别地指出被认为新颖且并非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以是指“一个”要素或“第一”要素或其等效物。此类权利要求应当理解为包括一个或多个此类要素的合并，既不需要也不排除两个或更多个此类要素。所公开的特征、功能、元素和/或特性的其他组合和子组合可通过修改本权利要求或通过在本申请或相关申请中呈现新的权利要求来要求保护。无论与原始权利要求相比在范围上是更宽、更窄、相同还是不同，此类权利要求也被认为是包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种氧化还原液流电池，包括：
电芯堆组件，包括：
板组件，所述板组件定位在所述电芯堆组件的横向侧上，并且包括：
弹性凸缘，所述弹性凸缘包括与导电板的一部分配合的凹槽，并且在横向方向和竖向方向中的至少一个方向上是顺性的；以及
板框架，所述板框架耦接到所述弹性凸缘。
2.如权利要求1所述的氧化还原液流电池，其中，所述凹槽包围所述导电板的两侧的至少一部分。
3.如权利要求1至2中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述弹性凸缘热焊接到所述板框架。
4.如权利要求1至3中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述导电板包含石墨。
5.如权利要求1至4中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述导电板是单极板。
6.如权利要求1至5中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述导电板是双极板。
7.如权利要求1至6中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述导电板粘合地耦接到所述弹性凸缘。
8.如权利要求1至7中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述导电板不粘合地耦接到所述弹性凸缘。
9.如权利要求1至8中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述弹性凸缘包括纹理化表面，所述纹理化表面粘合地附接到所述导电板的表面。
10.如权利要求1至9中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述弹性凸缘包含橡胶。
11.如权利要求1至10中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述板组件是端板组件，并且所述板框架是耦接到压力板的端板框架。
12.如权利要求11所述的氧化还原液流电池，其中，所述弹性凸缘与所述导电板配合以形成双搭接接头。
13.一种氧化还原液流电池，包括：
电芯堆组件，包括：
板组件，所述板组件定位在所述电芯堆组件的横向侧上，并且包括：
弹性凸缘，所述弹性凸缘包括与导电板的一部分配合的凹槽，并且在竖向方向和/或横向方向上是顺性的；以及
板框架，所述板框架耦接到所述弹性凸缘；
其中所述板框架的一部分与所述弹性凸缘之间形成有纵向对齐的间隙。
14.如权利要求13所述的氧化还原液流电池，其中，所述弹性凸缘从所述板框架的周边凸缘纵向偏移。
15.如权利要求13至14中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述板组件是端板组件，并且所述板框架是耦接到压力板的端板框架。
16.如权利要求13至15中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述凹槽与所述导电板之间的所配合的接合处形成双搭接接头。
17.如权利要求13至16中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述弹性凸缘包含橡胶，并且所述导电板包含石墨。
18.如权利要求13至17中任一项所述的氧化还原液流电池，其中所述弹性凸缘包括具有纹理化图案的纹理化表面，所述纹理化表面与所述导电板的表面共面接触。
19.如权利要求13至18中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述导电板是单极板。
20.如权利要求13至19中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述导电板是双极板。
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