CN117712436A - 用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元的电解液流场 - Google Patents

用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元的电解液流场 Download PDF

Info

Publication number
CN117712436A
CN117712436A CN202311188097.9A CN202311188097A CN117712436A CN 117712436 A CN117712436 A CN 117712436A CN 202311188097 A CN202311188097 A CN 202311188097A CN 117712436 A CN117712436 A CN 117712436A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electrolyte
electrode
cell
flow field
positive
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311188097.9A
Other languages
English (en)
Inventor
C·埃文斯
S·基西克
宋漾
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ESS Technology Inc
Original Assignee
ESS Technology Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from PCT/US2022/073693 external-priority patent/WO2023288251A1/en
Application filed by ESS Technology Inc filed Critical ESS Technology Inc
Publication of CN117712436A publication Critical patent/CN117712436A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/026—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant characterised by grooves, e.g. their pitch or depth
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0263—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant having meandering or serpentine paths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0202—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • H01M8/0265—Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant the reactant or coolant channels having varying cross sections
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0297—Arrangements for joining electrodes, reservoir layers, heat exchange units or bipolar separators to each other
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0606—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues with means for production of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/06—Combination of fuel cells with means for production of reactants or for treatment of residues
    • H01M8/0662—Treatment of gaseous reactants or gaseous residues, e.g. cleaning
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/241—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells with solid or matrix-supported electrolytes
    • H01M8/2425—High-temperature cells with solid electrolytes
    • H01M8/2432—Grouping of unit cells of planar configuration
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/2483—Details of groupings of fuel cells characterised by internal manifolds
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/24—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells
    • H01M8/249—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies
    • H01M8/2495—Grouping of fuel cells, e.g. stacking of fuel cells comprising two or more groupings of fuel cells, e.g. modular assemblies of fuel cells of different types
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04089—Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of gaseous reactants
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04276—Arrangements for managing the electrolyte stream, e.g. heat exchange
    • H01M8/04283—Supply means of electrolyte to or in matrix-fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Landscapes

  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)

Abstract

提供了用于氧化还原液流电池的再平衡电池单元的系统和方法。在一个实例中，用于氧化还原液流电池的再平衡电池单元包括电池单元外壳和由电池单元外壳包围的电极组件堆叠体，其中电极组件堆叠体的每个电极组件包括与流场板相接的正极。流场板的与正极相接的面具有多个通路，多个通路包括锥形入口和出口、以及被配置为从流过其中的电解液中去除气体的部分通道。

Description

用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元的电解液流场
相关申请的交叉引用
本申请是2022年7月13日提交的题为“用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元”的国际申请号PCT/US22/73693的部分继续申请，其要求2021年7月13日提交的题为“用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元”的美国临时申请号63/221,325和2021年7月13日提交的题为“用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元”的美国临时申请号63/221,330的优先权。上述各申请的全部内容均以引用方式并入本申请中。
技术领域
本说明书总体上涉及氧化还原液流电池系统中使用的再平衡电池单元的系统以及操作此类再平衡电池单元的方法。
背景技术和发明内容
氧化还原液流电池适合于电网规模的存储应用，因为它们能够独立地调节功率和容量，并且能够进行数千次循环充放电，与传统电池技术相比性能损失较少。全铁混合氧化还原液流电池由于采用了低成本、地球资源丰富的材料而特别具有吸引力。一般来说，铁氧化还原液流电池(IFB)依赖于铁、盐和水作为电解液，因此包括简单、地球资源丰富且廉价的材料，消除了刺激性化学物质的加入并减少了其对环境的影响。
IFB可包括发生氧化还原反应的正(氧化还原)电极和可还原和电镀电解液中的二价铁(Fe2+)的负(电镀)电极。各种副反应可与Fe2+还原竞争，包括质子还原、铁腐蚀和镀铁氧化：
由于大多数副反应发生在电镀电极上，IFB循环能力可能受到电镀电极上可用铁镀的限制。减少铁镀损失的示例性尝试集中在催化电解液再平衡上，以解决方程式(1)和(2)产生的氢气(H2)和方程式(3)的电解液电荷不平衡(例如，过量的Fe3+)以及方程式(4)的离子渗透(crossover)：
Fe3++1/2H2→Fe2++H+ (电解液再平衡) (4)
在一些实例中，电解液再平衡可以通过滴流床或胶辊反应器装置来实现，其中氢气和电解液可以在催化剂表面接触，以进行方程式(4)的电解液再平衡反应。然而，此类装置的较低Fe3+还原速率对于较高性能的应用可能是不希望的。在其他例子中，燃料电池单元装置可以类似地在催化剂表面接触氢气和电解液，同时在正负极对之间施加直流电(DC)。然而，由于无意的反向电流尖峰中断DC流动，燃料电池单元可能出现可靠性问题。
在一个实例中，上述问题可以通过用于氧化还原液流电池的再平衡电池单元来解决，该再平衡电池单元包括电池单元外壳和由该电池单元外壳包围的电极组件堆叠体，该电极组件堆叠体的每个电极组件包括与流场板相接的正极。流场板的与正极相接的面具有多个通路，通路包括锥形入口和锥形出口、以及被配置为从流经其中的电解液中去除气体的部分通道。在一些示例中，电极组件堆叠体的每个电极组件可以是内部短路的。以这种方式，再平衡电池单元中的电解液再平衡可以通过正极和负极的相接对的内部电短路来驱动，同时实现正极电解液的有效再平衡。
具体地，在一些实例中，流场板具有被集成到流场板的面中的由多个通路形成的流场。流场可以控制流场板上的压力，从而调节通过电极组件的电解液流并提高电极上的反应速率。这样，相对于没有流场板的非内部短路电池单元，可以提高再平衡电池单元中的电化学性能。
应当理解，提供以上概述是为了以简化的形式介绍将在具体实施方式中进一步描述的一些概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，其范围由具体实施方式后的权利要求唯一限定。此外，所要求保护的主题不限于解决上述或本公开的任何部分中的任何缺点的实现。
附图说明
图1示出了示例性氧化还原液流电池系统的示意图，该系统包括具有流体耦接到相应的再平衡反应器的氧化还原电极和电镀电极的电池单元。
图2A和2B示出了包括内部短路的电极组件的堆叠体的再平衡电池单元的立体视图。
图3示出了用于图2A和2B的再平衡电池单元的电极组件的分解图。
图4A和4B分别示出了图2A和2B的再平衡电池单元中的氢气流动的截面图和放大插图。
图5A-5E示出了用于使氢气对流穿过再平衡电池单元(例如图2A和2B的再平衡电池单元)的负极的各个示例性流场结构的示意图。
图6A示出了具有集成流场的流场板的示例，其可以包括在再平衡电池单元的电极组件中。
图6B示出了具有带集成流场的插件的流场板的示例，其可以包括在再平衡电池单元的电极组件中。
图7A和7B分别示出了可以集成到图6A-6B的流场板中的部分交叉型流场的示意图和放大插图。
图8示出了用于操作包括内部短路的电极组件的堆叠体的再平衡电池单元的方法的流程图。
具体实施方式
以下描述涉及用于通过其包括的电极组件的内部电短路驱动的再平衡电池单元的系统和方法。在示例性实施例中，再平衡电池单元可以流体耦接到氧化还原液流电池的电解液子系统。氧化还原液流电池示意性示于图1中，其具有集成的多室槽，该多室槽具有分开的正负极电解液室。在一些示例中，氧化还原液流电池可以是在IFB的正(氧化还原)电极和负(电镀)电极都利用铁氧化还原化学反应的全铁液流电池。电解液室可以耦接到一个或多个电池单元，每个电池单元包括正极和负极。由此，电解液可以被泵送通过分别容纳正极和负极的正极隔室和负极隔室。
在一些示例中，氧化还原液流电池可以是混合氧化还原液流电池。混合氧化还原液流电池是特征在于一种或多种电活性材料作为固体层沉积在电极(例如负极)上的氧化还原液流电池。例如，混合氧化还原液流电池可以包括可在整个电池充电过程中通过电化学反应作为固体电镀在基板上的化学物质。在电池放电过程中，电镀物质可通过进一步的电化学反应电离，变得可溶于电解液。在混合氧化还原液流电池系统中，氧化还原液流电池的充电容量(例如，存储的最大能量)可能受限于电池充电期间电镀的金属量，并可能因此取决于电镀系统的效率以及可用于电镀的体积和表面积。
在一些示例中，氧化还原液流电池的电解不平衡可能由与期望的氧化还原化学反应竞争的许多副反应导致，包括产生氢气(H2)气体的反应，例如质子还原和铁腐蚀：
以及在镀铁氧化过程中产生的过量三价铁(Fe3+)的电荷不平衡：
方程式(1)至(3)的反应会限制铁的电镀，从而降低整体电池容量。为了解决这种不平衡，可以利用电解液的再平衡通过单一的氧化还原反应来减少Fe3+和消除过量的氢气：
Fe3++1/2H2→Fe2++H+ (电解液再平衡) (4)
如本文实施例所述，通过包括内部短路的电极组件(例如图3的示例性电极组件)堆叠体的再平衡电池单元(例如图2A和2B的示例性再平衡电池单元)，可以可靠地实现足以用于相对高性能应用的Fe3+还原速率。图4A和4B示出了再平衡电池单元中氢气流动的方面，其中氢气可以通过包括对应流场结构(例如图5A-5E的示例性流场结构)的流场板(例如图6A-6B的示例性流场板)对流穿过内部短路的电极组件的负极。图6A-6B示出了可以配置有集成流场的流场板的例子，图7A-7B示出了集成流场的示例性结构。图8示出了操作再平衡电池单元的方法。
如图1所示，在氧化还原液流电池系统10中，负极26可被称为电镀电极，正极28可被称为氧化还原电极。氧化还原液流电池单元18的电镀侧(例如，负极隔室20)内的负极电解液可被称为电镀电解液，氧化还原液流电池单元18的氧化还原侧(例如，正极隔室22)的正极电解液可被称为氧化还原电解液。
“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，负极电解液在负极26获得电子，负极26是电化学反应的阴极。在电池放电期间，负极电解液失去电子，负极26是电化学反应的阳极。或者，在电池放电期间，负极电解液和负极26可分别称为阳极电解液和电化学反应的阳极，正极电解液和正极28可分别称为阴极电解液和电化学反应的阴极。在电池充电期间，负极电解液和负极26可分别称为阴极电解液和电化学反应的阴极，正极电解液和正极28可分别称为阳极电解液和电化学反应的阳极。为简单起见，术语“正极”和“负极”在本文中用于指氧化还原液流电池系统中的电极、电解液和电极隔室。
混合氧化还原液流电池的一个例子是全铁氧化还原液流电池(IFB)，其中电解液包括铁盐形式的铁离子(例如，FeCl2、FeCl3等)，负极26包括金属铁。例如，在负极26处，在电池充电期间，二价铁(Fe2+)获得两个电子并作为铁金属(Fe0)电镀在负极26上，在电池放电期间，Fe0失去两个电子并重新溶解为Fe2+。在正极28处，在电池充电期间，Fe2+失去一个电子形成三价铁(Fe3+)，在电池放电期间，Fe3+获得一个电子形成Fe2+。电化学反应总结在方程式(5)和(6)中，其中正向反应(从左到右)表示电池充电期间的电化学反应，逆向反应(从右到左)表示电池放电期间的电化学反应：
如上所述，在IFB中使用的负极电解液可以提供足够量的Fe2+，使得在电池充电期间Fe2+可以从负极26接受两个电子以形成Fe0并电镀在基板上。在电池放电期间，电镀的Fe0可能会失去两个电子，电离成Fe2+并溶解回电解液中。上述反应的平衡电位为-0.44V，因此该反应为所需系统提供了负极端子。在IFB的正极侧，在电池充电期间，电解液可以提供Fe2 +，该Fe2+失去一个电子并氧化成Fe3+。在电池放电期间，电解液提供的Fe3+通过吸收由正极28提供的电子变成Fe2+。该反应的平衡电位为+0.77V，为所需系统生成了正极端子。
与使用非再生电解液的其他电池类型相比，IFB可提供对其电解液进行充电和再充电的能力。可以通过经由端子40和42分别对电极26和28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的正极电解液中的Fe2+被氧化成Fe3+时)电子可经由正极28传递到负极电解液。提供给负极26的电子可以还原负极电解液中的Fe2+，以在(电镀)基板上形成Fe0，从而使Fe2+电镀到负极26上。
当负极电解液中的Fe0仍可用于氧化，且正极电解液中的Fe3+仍可用于还原时，放电可以持续。作为示例，可通过以下方式来维持Fe3+的可用性：经由外部源(例如外部正极电解液室52)提供额外的Fe3+离子，以增加氧化还原液流电池单元18的正极隔室22侧中的正极电解液的浓度或体积。更常见的是，Fe0在放电期间的可用性可能是IFB系统中的问题，其中可用于放电的Fe0可能与负极基板的表面积和体积以及电镀效率成正比。充电容量可能取决于负极隔室20中Fe2+的可用性。作为示例，可通过以下方式来维持Fe2+的可用性：经由外部源(例如外部负极电解液室50)提供额外的Fe2+离子，以增加氧化还原液流电池单元18的负极隔室20侧的负极电解液的浓度或体积。
在IFB中，根据IFB系统的充电状态(SOC)，正极电解液可包括二价铁离子、三价铁离子、三价铁络合物或其任意组合，负极电解液可包括二价铁离子或二价铁络合物。如前所述，在负极电解液和正极电解液中均使用铁离子可允许在氧化还原液流电池单元18的两侧使用相同的电解物种，这可减少电解液交叉污染并可提高IFB系统的效率，从而使得与其他氧化还原液流电池系统相比电解液更换更少。
IFB中的效率损失可能是由于电解液渗透通过隔离件24(例如，离子交换膜屏障、微孔膜等)造成的。例如，正极电解液中的Fe3+离子可以被Fe3+离子浓度梯度和跨隔离件24的电泳力朝向负极电解液驱动。随后，Fe3+离子穿透隔离件24并跨越到负极隔室20可能导致库仑效率损失。Fe3+离子从低pH氧化还原侧(例如，酸性较强的正极隔室22)跨越到高pH电镀侧(例如，酸性较弱的负极隔室20)可能导致Fe(OH)3沉淀。Fe(OH)3的沉淀会使隔离件24劣化，并导致永久性的电池性能和效率损失。例如，Fe(OH)3沉淀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微孔。在任一种情况下，由于Fe(OH)3沉淀，膜欧姆电阻会随时间推移而升高，电池性能可能下降。可以通过用酸洗涤IFB来去除沉淀物，但是持续的维护和停工对于商业电池应用可能是不利的。此外，洗涤可能依赖于电解液的定期制备，这增加了额外的处理成本和复杂性。或者，响应于电解液pH变化而向正极电解液和负极电解液中加入特定的有机酸，可以减轻电池充电和放电循环期间沉淀物的形成，而不会增加总成本。此外，使用抑制Fe3+离子渗透的膜屏障也可以减轻污染。
额外的库仑效率损失可能是由于H+(例如，质子)的还原和随后氢气的形成以及负极隔室20中的质子与在负极26的电镀铁金属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。在一个示例中，IFB电解液可以由氯化亚铁(FeCl2)、氯化钾(KCl)、氯化锰(II)(MnCl2)和硼酸(H3BO3)形成。IFB电解液可以提供更高的回收价值，因为相同的电解液可以用于负极电解液和正极电解液，因此与其他系统相比减少了交叉污染问题。此外，由于铁的电子构型，在负极基板上电镀时，铁可固化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，在电镀过程中可形成固体树枝状结构。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。此外，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可减少有毒原料的使用，并可在相对中性的pH下运行。因此，与生产的所有其他当前先进氧化还原液流电池系统相比，IFB系统可减少环境危害。
继续参照图1，示出了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可以包括流体耦接到集成的多室电解液储罐110的氧化还原液流电池单元18。氧化还原液流电池单元18可包括负极隔室20、隔离件24和正极隔室22。隔离件24可以包括电绝缘的离子传导屏障，其防止正极电解液和负极电解液的大量混合，同时允许特定离子从中传导通过。例如，如上所述，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，负极电解液可包括电活性材料。正极隔室22可包括正极28，正极电解液可包括电活性材料。在一些示例中，多个氧化还原液流电池单元18可串联或并联组合，以在氧化还原液流电池系统10中产生更高的电压或电流。
图1中还示出了负极电解液泵30和正极电解液泵32，两者都用于将电解液溶液泵送通过氧化还原液流电池系统10。电解液储存在电池单元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分别泵送通过氧化还原液流电池单元18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的后向侧定位，例如，与面向隔离件24的一侧相对。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36和38可以布置成靠近电极26和28但与电极26和28间隔开，并且容纳在相应的电极隔室20和22内。在任一种情况下，双极板36和38可以分别通过与端子40和42直接接触电耦接到端子40和42，或者分别通过负极26和正极28电耦接到端子40和42。由于双极板36和38的材料的导电特性，IFB电解液可以通过第一和第二双极板36和38被输送到负极26和正极28处的反应位置。负极电解液泵30和正极电解液泵32也可辅助电解液流动，从而有利于穿过氧化还原液流电池单元18的强制对流。通过强制对流与第一和第二双极板36和38的存在的组合，反应后的电化学物种也可被引导远离反应位置。
如图1所示，氧化还原液流电池单元18还可以包括负极电池端子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，正极电解液可在正极28处被氧化(失去一个或多个电子)，负极电解液可在负极26处被还原(获得一个或多个电子)。在电池放电期间，在电极26和28上可发生逆向氧化还原反应。换句话说，正极电解液可在正极28处被还原(获得一个或多个电子)，负极电解液可在负极26处被氧化(失去一个或多个电子)。可以通过正极隔室22和负极隔室20中的电化学氧化还原反应来维持电池两端的电位差，并且电位差可以在反应持续进行的同时诱导电流通过集电器。取决于电解液的总体积和电活性材料的溶解度，氧化还原电池储存的能量的量受电解液中可用于放电的电活性材料的量限制。
氧化还原液流电池系统10还可包括集成的多室电解液储罐110。多室电解液储罐110可由隔壁98分开。隔壁98可在多室电解液储罐110内形成多个室，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容纳包括电活性材料的负极电解液，正极电解液室52容纳包括电活性材料的正极电解液。隔壁98可位于多室电解液储罐110内，以产生负极电解液室50和正极电解液室52之间所需的容积比。在一个示例中，隔壁98可被定位以根据负极氧化还原反应和正极氧化还原反应之间的化学计量比来设定负极电解液室50和正极电解液室52的体积比。图1还示出了多室电解液储罐110的填充高度112，该填充高度可指示每个罐隔室中的液位。图1还示出了位于负极电解液室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可用于存储通过氧化还原液流电池的运行(例如，由于质子还原和铁腐蚀副反应)产生并随着从氧化还原液流电池单元18返回的电解液一起输送到多室电解液储罐110的氢气。氢气可在多室电解液储罐110内的气-液界面(例如，填充高度112)处自发分离，从而排除了具有额外的气液隔离件作为氧化还原液流电池系统10的一部分。一旦与电解液分离，氢气可以填充气体顶部空间90和92。换句话说，气体顶部空间90和92可以形成负极电解液室50和正极电解液室52中的每一个所共有的连续气体顶部空间。因此，储存的氢气可以帮助从多室电解液储罐110清除其他气体，从而作为用于减少电解液物种的氧化的惰性气体覆盖层，这可以帮助减少氧化还原液流电池容量损失。这样，利用集成的多室电解液储罐110可以放弃传统氧化还原液流电池系统常见的单独的负极电解液储罐和正极电解液储罐、储氢罐和气液隔离件，从而简化系统设计，减小氧化还原液流电池系统10的物理占用空间，并降低系统成本。
图1还示出了溢出孔96，该溢出孔96可以在气体顶部空间90和92之间的隔壁98中形成开口，并且可以提供平衡室50和52之间的气体压力的方式。溢出孔96可位于填充高度112上方的阈值高度处。溢出孔96还可以使得在电池渗透的情况下能够自平衡负极和正极电解液室50和52中的每一个的电解液。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和正极电解液室52之间的电解液溢出会降低整体系统效率，但是可以保持总电解液组成、电池模块性能和电池模块容量。法兰配件可用于进出多室电解液储罐110的入口和出口的所有管道连接，以保持连续加压状态而无泄漏。多室电解液储罐110可包括来自负极电解液室50和正极电解液室52中的每一个的至少一个出口，以及通向负极电解液室50和正极电解液室52中的每一个的至少一个入口。此外，可以从气体顶部空间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或电池单元80和82，使得再平衡反应器或电池单元80和82可以分别流体耦接至气体顶部空间90和92。
尽管图1未示出，但集成的多室电解液储罐110还可包括一个或多个加热器，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，负极和正极电解液室50和52中只有一个可以包括一个或多个加热器。在只有正极电解液室52包括一个或多个加热器的情况下，可以通过将氧化还原液流电池单元18产生的热量传递给负极电解液来加热负极电解液。这样，氧化还原液流电池单元18可以加热负极电解液并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启动，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，响应于电解液温度降低到阈值温度以下，控制器88可以增加供应给一个或多个加热器的功率，使得给电解液的热通量增加。电解液温度可由安装在多室电解液储罐110上的一个或多个温度传感器(例如传感器60和62)指示。作为例子，一个或多个加热器可以包括浸入电解液流体中的线圈型加热器或其他浸入式加热器，或者通过负极和正极电解液室50和52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，可以使用其他已知类型的罐式加热器。此外，控制器88可响应于液位降低到固体填充阈值水平以下而停用负极和正极电解液室50和52中的一个或多个加热器。换句话说，在一些示例中，控制器88可以仅响应于液位上升到固体填充阈值水平以上而启动负极和正极电解液室50和52中的一个或多个加热器。这样，可以避免在负极和/或正极电解液室50、52中没有足够液体的情况下启动一个或多个加热器，从而降低加热器过热或烧坏的风险。
此外，可以从现场水合系统(未示出)向负极和正极电解液室50和52中的每一个提供一个或多个入口连接。这样，现场水合系统可便于调试氧化还原液流电池系统10，包括在最终使用位置安装、填充和水合氧化还原液流电池系统10。此外，在于最终使用位置处调试氧化还原液流电池系统10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10进行干组装而不对氧化还原液流电池系统10进行填充和水合，之后将氧化还原液流电池系统10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氧化还原液流电池系统10将被安装和用于现场能量存储的位置。换句话说，氧化还原液流电池系统10可被设计成，一旦在最终使用位置安装并水合，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不再被视为干燥的便携式系统。因此，从最终用户的角度来看，干燥的便携式氧化还原液流电池系统10可以现场运送，之后氧化还原液流电池系统10可以被安装、水合和调试。在水合之前，氧化还原液流电池系统10可称为干燥的便携式系统，氧化还原液流电池系统10不含或没有水和湿电解液。一旦水合，氧化还原液流电池系统10就可称为湿的非便携式系统，氧化还原液流电池系统10包括湿电解液。
图1还示出，主要储存在多室电解液储罐110中的电解液溶液通过负极和正极电解液泵30和32泵送通过整个氧化还原液流电池系统10。存储在负极电解液室50中的电解液可经由负极电解液泵30泵送通过氧化还原液流电池单元18的负极隔室20侧，存储在正极电解液室52中的电解液可经由正极电解液泵32泵送通过氧化还原液流电池单元18的正极隔室22侧。
在氧化还原液流电池系统10中，电解液再平衡反应器80和82可分别与氧化还原液流电池单元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，其它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运行的情况下维修再平衡反应器)和增加的再平衡容量。在一个示例中，电解液再平衡反应器80和82可分别放置在从负极隔室20和正极隔室22到负极电解液室50和正极电解液室52的回流路径中。如本文所述，电解液再平衡反应器80和82可用于再平衡氧化还原液流电池系统10中由于副反应、离子渗透等而发生的电解液电荷失衡。
在一些实例中，再平衡反应器80和82中的一个或两个可以包括滴流床反应器，其中氢气和(流体)电解液可以在填充床中的催化剂表面接触以进行电解液再平衡反应。附加地或替代地，再平衡反应器80和82中的一个或两个可以具有配置在胶辊中的催化剂床。在另外或替代的实例中，再平衡反应器80和82中的一个或两个可以包括流通型反应器，其能够使氢气和电解液接触并且在没有填充催化剂床的情况下进行电解液再平衡反应。然而，在电解液再平衡过程中，较低的Fe3+还原速率(例如，大约1-3mol/m2hr)可能会妨碍在更高性能应用中实施这种再平衡反应器配置。
在其他示例中，再平衡反应器80和82中的一个或两个可以包括燃料电池单元，其中氢气和电解液可以在催化剂表面接触以进行电解液再平衡反应，并且其中可以通过将来自燃料电池单元的电流引导通过外部负载来形成闭合回路。然而，在这种燃料电池单元中，反向电流尖峰(例如，反向电流的瞬时增加，其中“反向电流”在本文中可用来指沿电路以与预期相反的方向(即，与“向前”方向相反)行进的任何电流)在某些情况下可能是不可避免的，破坏了这种再平衡反应配置的可靠性。
为了增加Fe3+还原速率而不牺牲再平衡反应器80和82的整体可靠性，本公开的示例提供了包括内部短路的电极组件(例如图3的电极组件)的堆叠体的再平衡电池单元(例如图2A和2B的再平衡电池单元)，其被配置为通过内部电流、对流、重力供给和毛细作用的组合来驱动氢气和电解液在催化剂表面反应。在本公开描述的示例中，内部短路的电极组件的堆叠体中的电极组件可以被称为“内部短路的”，因为在再平衡电池单元的运行期间，没有电流被引导离开内部短路的电极组件的堆叠体。这种内部电短路可以减少或消除反向电流尖峰，同时显著增加Fe3+还原速率(例如，高达约50-70mol/m2hr)并降低副反应速率(例如，方程式(1)-(3)的反应速率)。此外，内部短路的电极组件的堆叠体中的每个电极组件可以与内部短路的电极组件的堆叠体中的每个其他电极组件电解耦，使得在一个电极组件处的电流尖峰期间内部短路的电极组件的堆叠体的劣化可以被限制在该电极组件(例如，反向电流可以不被从一个电极组件驱动通过其他电极组件)。在这种情况下，单个劣化的电极组件可以容易地从内部短路的电极组件的堆叠体中移除，并用未劣化的电极组件替换。
为了实现内部短路，内部短路的电极组件的堆叠体中的每个电极组件可包括(例如，被配置为彼此共面接触以便连续导电的)正极和负极的相接对(interfacing pair)。如本文所使用的，当第一部件与第二部件邻近布置使得第一部件和第二部件彼此共面接触时(其中“邻近”在本文中用于指任两个部件间没有中间部件)，这一对第一部件和第二部件(例如，电极组件的正极和负极)可以被描述为彼此“相接(interfacing)”。此外，如本文所使用的，当描述多个电极的电导率时，“连续”可以指电路在多个电极的任何共面界面处具有有效或实际为零的电阻。
在示例性实施例中，(正极)再平衡反应器82可以是包括内部短路的电极组件的堆叠体的再平衡电池单元。较高的Fe3+还原速率可能是再平衡正极电解液所希望的，因为在电池充电期间，在正极28处可能会产生大量的Fe3+(参见方程式(6))。在附加的或替代的实施例中，(负极)再平衡反应器80可以是类似的配置(在镀铁氧化期间，Fe3+可以在负极26产生(参见方程式(3)))。
在氧化还原液流电池系统10的运行期间，传感器和探针可以监测和控制电解液的化学性质，例如电解液的pH、浓度、SOC等。例如，如图1所示，传感器62和60可以定位成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的状态。在另一个例子中，传感器62和60可各自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。作为另一个例子，在图1中示出的传感器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的状态。传感器72和70可以是pH探针、光学探针、压力传感器、电压传感器等。应理解，传感器可位于氧化还原液流电池系统10的其他位置，以监控电解液化学性质和其他性质。
例如，传感器可位于外部酸罐(未示出)中，以监控外部酸罐的酸体积或pH，其中来自外部酸罐的酸可通过外部泵(未示出)供应至氧化还原液流电池系统10，以减少电解液中沉淀物形成。可安装额外的外部罐和传感器，用于向氧化还原液流电池系统10供应其他添加剂。例如，包括现场水合系统的温度、电导率和液位传感器的各种传感器可以向控制器88发送信号。此外，在氧化还原液流电池系统10的水合过程中，控制器88可向现场水合系统的致动器(例如阀和泵)发送信号。例如，传感器信息可被传输到控制器88，控制器88继而可启动泵30和32来控制通过氧化还原液流电池单元18的电解液流量，或执行其他控制功能。以这种方式，控制器88可对传感器和探针之一或其组合作出响应。
氧化还原液流电池系统10还可包括氢气源。在一个例子中，氢气源可以包括单独的专用储氢罐。在图1的示例中，氢气可存储在集成的多室电解液储罐110中并从其供应。集成的多室电解液储罐110可以向正极电解液室52和负极电解液室50供应额外的氢气。集成的多室电解液储罐110可交替地向电解液再平衡反应器80和82的入口供应额外的氢气。举例来说，质量流量计或其它流量控制装置(其可由控制器88控制)可调节来自集成的多室电解液储罐110的氢气的流量。集成的多室电解液储罐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，或者当在低氢分压下还原反应速率(例如，Fe3+还原速率)太低时，可以从集成的多室电解液储罐110供应氢气，以便使正极电解液和负极电解液中电活性材料的SOC再平衡。作为一个例子，控制器88可以响应于电解液或电活性材料的测量pH变化或响应于电解液或电活性材料的测量SOC变化，从集成的多室电解液储罐110供应氢气。
例如，负极电解液室50或负极隔室20的pH增加可指示氢气从氧化还原液流电池系统10泄漏和/或在可用的氢分压下反应速率太慢，并且响应于pH增加，控制器88可增加从集成的多室电解液储罐110到氧化还原液流电池系统10的氢气的供应。作为另一个例子，控制器88可以响应于pH变化而从集成的多室电解液储罐110供应氢气，其中pH增加超过第一阈值pH或降低超过第二阈值pH。在IFB的情况下，控制器88可以供应额外的氢气以增加Fe3+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，可以通过从正极电解液向负极电解液迁移的Fe3+离子的氢还原或者通过在正极侧产生的质子由于质子浓度梯度和电泳力而迁移到负极电解液，来降低负极电解液的pH。这样，负极电解液的pH可以保持在稳定的范围内，同时降低(从正极隔室22迁移的)Fe3+离子沉淀为Fe(OH)3的风险。
可以实施用于响应于由其他传感器(例如，氧还原电位(ORP)计或光学传感器)检测到电解液pH变化或电解液SOC变化来控制来自集成的多室电解液储罐110的氢气供应速率的其他控制方案。此外，触发控制器88的动作的pH或SOC的变化可以基于在一段时间内测量的变化率或变化。变化率的时间段可基于氧化还原液流电池系统10的时间常数预先确定或调整。例如，如果再循环速率高，则可以减少时间段，并且因为时间常数可以很小，可以快速测量(例如，由于副反应或气体泄漏)浓度的局部变化。
控制器88还可基于氧化还原液流电池系统10的运行模式执行控制方案。例如，如下面参考图1详细讨论的，与如上所述的控制流向再平衡反应器80和82的氢气的流量相结合，控制器88可以在氧化还原液流电池单元18的充放电期间分别控制流向再平衡反应器80和82的负极和正极电解液的流量，以便同时清除氧化还原液流电池系统10中的过量氢气并降低Fe3+离子浓度。在电解液再平衡之后，控制器88可以将任意过量或未反应的H2与(例如，包括浓度降低的Fe3+和浓度增加的Fe2+)再平衡的负极和正极电解液一起从再平衡反应器80和82引导回多室电解液储罐110相应的电解液室50和52中。另外或可选地，未反应的氢气可以返回单独的专用储氢罐(图1中未示出)。
作为另一个例子，控制器88还可控制氧化还原液流电池单元18的充电和放电，以便在系统调节期间在负极26处引起铁预形成(其中系统调节可以包括用于在电池循环之外优化氧化还原液流电池系统10的电化学性能的运行模式)。也就是说，在系统调节期间，控制器88可调节氧化还原液流电池系统10的一个或多个运行条件，以在负极26上电镀铁金属，从而提高后续电池循环期间的电池充电容量(因此，可以为电池循环预形成铁金属)。这样，在负极26处预形成铁和在系统调节期间运行电解液再平衡可以通过减少铁镀损失来增加氧化还原液流电池单元18在电池循环期间的总容量。如本文所用，电池循环(也称为“充电循环”)可包括氧化还原液流电池系统10的充电模式和放电模式之间的交替。
应当理解，除了传感器60和62以及集成的多室电解液储罐110(以及其中包括的部件)之外的所有部件都可以被认为包括在电源模块120中。这样，氧化还原液流电池系统10可被描述为包括流体耦接到集成的多室电解液储罐110并可通信地耦接到传感器60和62的电源模块120。在一些示例中，电源模块120和多室电解液储罐110中的每一个可包括在单个外壳或包装(未示出)中，使得氧化还原液流电池系统10可作为单个单元包含在单个位置。还应当理解，正极电解液、负极电解液、传感器60和62、电解液再平衡反应器80和82以及集成的多室电解液储罐110(以及其中包括的部件)可被认为包括在电解液子系统130中。这样，电解液子系统130可以向氧化还原液流电池单元18(以及其中包括的部件)提供一种或多种电解液。
现在参考图2A和2B，分别示出了立体视图200和250，立体视图200和250均示出了用于氧化还原液流电池系统(例如图1的氧化还原液流电池系统10)的再平衡电池单元202。在示例性实施例中，再平衡电池单元202可包括内部短路的电极组件(例如下面参照图3详细描述的电极组件)的堆叠体，其可通过促进氢气和来自氧化还原液流电池(例如图1的氧化还原液流电池单元18)的正极或负极隔室的电解液在该内部短路的电极组件的堆叠体的负极的催化表面处的接触来驱动电解液再平衡反应。因此，再平衡电池单元202可以是图1的再平衡反应器80和82中的一个或两个。提供一组参考轴201用于描述所示部件的相对定位，图2A-4B的视图之间的比较，轴201指示x轴、y轴和z轴。如图2A和2B的虚线进一步所示，附加轴g可与重力方向(例如，沿着轴g的正方向)和垂直方向(例如，沿着轴g的负方向且与重力方向相反)平行。
氧化还原液流电池系统中包括的再平衡电池单元202的数量和内部短路的电极组件的堆叠体中包括的电极组件的数量没有特别限制，并且可以增加以适应相应的更高性能的应用。例如，75kW氧化还原液流电池系统可以包括两个再平衡电池单元202，再平衡电池单元202包括20个电极组件的堆叠体(例如，19个双极组件的堆叠体，其中2个端板位于堆叠体的相对端)。
如图所示，内部短路的电极组件的堆叠体可以可移除地封装在外部电池单元外壳(例如，壳体)204内。因此，在一些实例中，电池单元外壳204可包括可移除地附接到外壳底座的顶盖，使得顶盖可被暂时移除以更换或诊断内部短路的电极组件的堆叠体的一个或多个电极组件。在附加的或替代的示例中，在图2A和2B中被示出为矩形棱柱的电池单元外壳204可被模制成与氧化还原液流电池系统的其他部件间隙配合，使得再平衡电池单元202可以与这些部件共面接触。在一些示例中，电池单元外壳204可由具有低电导率的材料构成，例如塑料或其他聚合物，以便减少不期望的短路事件。
电池单元外壳204还可以被配置为包括用于再平衡电池单元202的界面部件的开口或腔。例如，电池单元外壳204可包括多个入口端口和出口端口，其被配置成流体耦接到氧化还原液流电池系统的其他部件。在一个例子中，如图所示，多个入口端口和出口端口可以包括熔焊到聚丙烯(PP)管道上的PP法兰配件。
在示例性实施例中，多个入口端口和出口端口可包括用于使电解液流入电池单元外壳204的电解液入口端口206和用于使电解液从电池单元外壳204排出的电解液出口端口208。在一个实例中，电解液入口端口206可位于电池单元外壳204的上半部，电解液出口端口208可位于电池单元外壳204的下半部(其中，电池单元外壳204的上半部和下半部沿z轴被平行于x轴和y轴的平面分开)。因此，相对于重力方向(例如，沿着轴g)，电解液出口端口208可定位成低于电解液入口端口206。
具体地，在电解液经由电解液入口端口206进入电池单元外壳204时，电解液可分布内部短路的电极组件的堆叠体上，其通过电极组件堆叠体供给重力，通过内部短路的电极组件的堆叠体的正极(例如，逆着重力方向)被向上芯吸，以在阴极半反应中在负极的催化表面处反应，并经由电解液出口端口208排出电池单元外壳204。为了有助于电解液的重力供给并增加其压降，再平衡电池单元202可以通过耦接到电池单元外壳204的倾斜支撑件220相对于重力方向进一步倾斜。在一些示例中，以这种方式倾斜电池单元外壳204可进一步有助于(例如，在氧化还原液流电池系统的空闲模式期间)再平衡电池单元202的电解液排出并保持催化表面相对干燥(在一些示例中，因为催化表面在电解液中浸泡足够长的时间后可能会腐蚀)。
如图所示，倾斜支撑件220可以使电池单元外壳204倾斜角度222，使得内部短路的电极组件的堆叠体的电极片的平面相对于倾斜支撑件220所在的下表面(未示出)倾斜角度222。在一些示例中，(例如，电池单元外壳204相对于下表面的)角度222可以在0°和30°之间。尽管将电池单元外壳204倾斜大于0°的角度可使得压降更大并减少电解液向负极渗透，但在角度222基本上为0°的示例中，再平衡电池单元202仍可起作用。在一些示例中，角度222可以在2°和30°之间。在一些示例中，角度222可以在2°和20°之间。在一个示例中，角度222可以是大约8°。因此，电解液在例如通过电解液入口端口206进入电池单元外壳204时的压降可通过增大角度222而增大，并通过减小角度222而减小。下面参照图2A和2B更详细地描述倾斜支撑件220的其他方面。
附加地或替代地，一个或多个支撑轨224可以耦接到(例如，与倾斜支撑件220相对的)电池单元外壳204的上半部。在一些示例中，如图2A的立体视图200所示，一个或多个支撑轨224可以相对于电池单元外壳204以角度222倾斜，使得一个或多个支撑轨224可以可移除地将再平衡电池单元202紧固到位于下表面上方且与下表面平行的上表面。这样，基于几何考虑，z轴同样可以以角度222偏离轴g(例如，电池单元外壳204可以相对于与重力方向相反的垂直方向倾斜角度222，如图2A和2B所示)。在一些示例中，通过将再平衡电池单元202相对于与重力方向相反的垂直方向定位在氧化还原液流电池系统的电解液储罐(例如，图1的多室电解液储罐110)上方，可以进一步辅助电解液通过再平衡电池单元202的重力供给。下面将参照图2A-2B更详细地讨论电解液流动的其他方面。
如进一步示出的，电解液出口端口208可以包括在电池单元外壳204中的多个开口，这些开口被配置为排出至少一部分电解液(多个开口中的每一个包括熔焊到PP管道的PP法兰配件)。例如，在图2A和2B中，电解液出口端口208示出为包括五个开口。这样，电解液可以均匀地分布在内部短路的电极组件的堆叠体上，并且可以基本上畅通无阻地从电池单元外壳204流动排出(“基本上”在本文中可用作意指“有效地”的限定词)。在其他示例中，电解液出口端口208可包括多于五个开口或少于五个开口。在一个示例中，电解液出口端口208可包括单个开口。在额外或替代示例中，电解液出口端口208可相对于z轴定位在电池单元外壳204下方(例如，在电池单元外壳204面向z轴负方向的面上)。
电解液入口端口206和电解液出口端口208可基于电解液通过内部短路的电极组件的堆叠体的(例如，从电解液入口端口206到电解液出口端口208，包括电池单元外壳204内的流体耦接到电解液入口端口206和电解液出口端口208的通道、通路、集气室、井等)流动路径定位在电池单元外壳204上。在一些示例中，如图所示，电解液入口端口206和电解液出口端口208可位于电池单元外壳204的相邻侧(例如，电池单元外壳204的共享公共边的面上)。在其他示例中，电解液入口端口206和电解液出口端口208可以位于电池单元外壳204的相对侧。在其他示例中，电解液入口端口206和电解液出口端口208可以位于电池单元外壳204的同一侧。
在一些实例中，电解液入口端口206可位于电池单元外壳204面向x轴负方向的面上。在额外或替代实例中，电解液入口端口206可位于电池单元外壳204的面向x轴正方向的面上。在一个实例中，如图所示，电解液入口端口206的一个开口可位于电池单元外壳204面向x轴负方向的面上，电解液入口端口206的另一个开口可位于电池单元外壳204面向x轴正方向的面上。
在一些实例中，多个入口端口和出口端口还可包括用于使氢气流入电池单元外壳204的氢气入口端口210和用于使氢气从电池单元外壳204排出的氢气出口端口212(如图2B所示)。在一个实例中，如图所示，氢气入口端口210和氢气出口端口212中的每一个可以位于电池单元外壳204的下半部(例如，在沿着z轴的内部短路的电极组件的堆叠体的最下面的电极组件)。在另一个例子中，氢气入口端口210和氢气出口端口212中的每一个可以位于电池单元外壳204的上半部(例如，在沿着z轴的内部短路的电极组件的堆叠体的最上面的电极组件)。在又一个例子中，氢气入口端口210可以位于电池单元外壳204的下半部，氢气出口端口212可以位于电池单元外壳204的上半部。在这样的示例中，相对于重力方向(例如，沿着轴g)，氢气入口端口210可以定位成低于氢气出口端口212。
具体地，在氢气经由氢气入口端口210进入电池单元外壳204时，氢气可经由强制对流(例如，由相应流场板的流场结构引起，如以下参考图5A-5E和6A-6B更详细地讨论的)分布在内部短路的电极组件的堆叠体上，并在阳极半反应中在负极的催化表面分解。然而，在一些示例中，在与催化表面接触之后，过量的未反应氢气可能保留在再平衡电池单元202中。在一些例子中，至少一部分没有在催化表面反应的氢气可以进入电解液。在这样的例子中，为了避免不希望的压力累积，从而防止电解液汇集在正极上以及伴随的负极的电解液溢流，多个入口端口和出口端口还可以包括压力释放出口端口214(如图2A所示)，以从电解液中排出未反应的氢气。此外，在一些示例中，氢气出口端口212可以被配置为排出至少一部分未在催化表面反应且未流过负极进入电解液的氢气。下面将参照图4A-5E更详细地讨论氢气流动的其他方面。
氢气入口端口210和氢气出口端口212可以基于氢气通过内部短路的电极组件的堆叠体的流动路径定位在电池单元外壳204上。例如，流动路径可以是从氢气入口端口210到氢气出口端口212(当包括时)，并且包括在电池单元外壳204内的流体耦接到氢气入口端口210和氢气出口端口212(当包括时)的通道、通路、集气室等。在一些示例中，如图所示，氢气入口端口210和氢气出口端口212可以位于电池单元外壳204的相对侧。在其他示例中，氢气入口端口210和氢气出口端口212可以位于电池单元外壳204的相邻侧。在其他示例中，氢气入口端口210和氢气出口端口212可以位于电池单元外壳204的同一侧。此外，尽管氢气入口端口210在图2A和2B中示为位于电池单元外壳204面向x轴负方向的面上，氢气出口端口212在图2A和2B中示为位于电池单元外壳204面向x轴正方向的面上，但是在其他示例中，氢气入口端口210可位于电池单元外壳204面向x轴正方向的面上，氢气出口端口212可位于电池单元外壳204面向x轴负方向的面上。
在一个实例中，氢气入口端口210、氢气出口端口212、电解液入口端口206和电解液出口端口208可以交叉配置定位在电池单元外壳204上。交叉配置可包括氢气出口端口212和电解液入口端口206位于电池单元外壳204上半部的不同侧(例如，面)，氢气入口端口210和电解液出口端口208位于电池单元外壳204下半部的不同侧。
在其他实例中，可以不存在用于排出未在负极的催化表面上反应且没有通过负极流入电解液中的氢气的氢气出口端口212。然而，在这样的实例中，用于从电解液中排出未反应的氢气的压力释放出口端口214仍可存在，未反应的氢气仅可在流过负极进入电解液并流过压力释放出口端口214之后从电池单元外壳204中排出。缺少氢气出口端口212的示例性再平衡电池单元结构，无论是否包括压力释放出口端口214，都可称为“闭端结构(deadended configurations)”。在闭端结构中，基本上所有的氢气可被迫与负极的催化表面接触，在催化表面氢气可以通过阳极半反应分解和/或氢气可以在穿过负极后进入电解液(例如，不在负极的催化表面反应)。
现在参考图3，示出了用于再平衡电池单元的电极组件302的分解图300，例如图2A和2B的再平衡电池单元202。相应地，电极组件302可能是内部短路的(例如，流经电极组件302的电流没有被引导通过外部负载)。在示例性实施例中，电极组件302可被包括在电池单元外壳中的类似构造的电极组件堆叠体中，以便形成再平衡电池单元。电极组件302可包括板304，其上顺序堆叠有活性泡沫炭306、正极308(在某些示例中也称为“阴极”)和负极310(在某些示例中也称为“阳极”)。电极组件302可位于再平衡电池单元内，以便通过泡沫炭306接收电解液，电解液可通过毛细作用从泡沫炭306进入正极308的孔中，并与负极310接触。电极组件302还可位于再平衡电池单元内，以便通过对流接收穿过与正极308相对的负极310的催化表面的氢气。与催化表面相接的流场板(图3中未示出)有助于氢气在催化表面上的对流。在催化表面通过阳极半反应分解氢气时，质子和电子可以流向负极310和正极308的界面，在此电解液中的离子可以通过阴极半反应被还原(例如，Fe3+可以被还原成Fe2 +)。这样，电极组件302可以被配置用于氧化还原液流电池的电解液再平衡，例如图1的氧化还原液流电池单元18，其流体耦接到包括电极组件302的再平衡电池单元。
在一些示例中，板304可以由具有低电导率的材料构成，例如塑料或其他聚合物，以便减少不期望的短路事件。因此，在一个示例中，板304可以由与图2A和2B的电池单元外壳204相同的材料形成。
如图所示，板304可包括穿过其中的多个入口和出口。例如，多个入口和出口可包括电解液出口通道部分316、氢气入口通道部分318a和氢气出口通道部分318b。具体地，板304可包括用于将电解液导出再平衡电池单元的电解液出口通道部分316、用于将氢气导入再平衡电池单元并穿过负极310的氢气入口通道部分318a、以及用于将氢气导出再平衡电池单元的氢气出口通道部分318b。板304还可包括电解液入口井312，用于在电极组件302处接收电解液，电解液入口井312流体耦接到多个电解液入口通路314a，该多个电解液入口通路314a设置在位于泡沫炭306附近的平台314b中，用于将接收的电解液分布在泡沫炭306上。在一些实例中，电解液入口井312可从与其(例如，通过电解液入口通道，图3中未示出)流体耦接的电解液入口端口(例如，图2A和2B的电解液入口端口206)接收电解液，电解液出口通道部分316可通过与其流体耦接的电解液出口端口(例如，图2A和2B的电解液出口端口208)排出电解液，氢气入口通道部分318a可从与其流体耦接的氢气入口端口(例如，图2A和2B的氢气入口端口210)接收氢气，氢气出口通道部分318b可通过与其流体耦接的氢气出口端口(例如，图2A和2B的氢气出口端口212)排出氢气。
应理解，尽管氢气入口通道部分318a在本文中被描述为氢气入口通道的一部分，氢气出口通道部分318b在本文中被描述为氢气出口通道的一部分，但是在其他示例中，通道部分318b可以是氢气入口通道的一部分(例如，用于在从氢气入口端口接收氢气之后将氢气引导到再平衡电池单元中并穿过负极310)，气体入口通道部分318a可以是氢气出口通道的一部分(例如，用于通过经由氢气出口端口排出氢气来将氢气引导出再平衡电池单元)。在其他示例中，再平衡电池单元可被配置为闭端结构，并且没有氢气出口端口可流体耦接到氢气出口通道部分318b。在这样的例子中，氢气出口通道部分318b可以引导氢气返回穿过负极310，或者氢气出口通道部分318b可替代地被配置为另一个氢气入口通道部分(例如，用于在从氢气入口端口接收氢气的一部分之后，引导该部分氢气进入再平衡电池单元并穿过负极310)。
所述多个入口和出口可以被配置成便于电解液和氢气流过所述再平衡电池单元。作为一个例子，氢气入口通道部分318a和氢气出口通道部分318b中的每一个的尺寸可以被选择以最小化通过其中的压降，从而有助于流量分配到内部短路的电极组件的堆叠体的每个电极组件302中。作为另一个例子，可以选择每个电解液入口通路314a的尺寸和多个电解液入口通路314a相对于平台314b的总数，以产生相对小的压降，从而基本上均匀地分配电解液流。在这样的示例中，每个电解液入口通路314a的尺寸和多个电解液入口通路314a的总数的选择可以取决于特定于再平衡电池单元的给定配置的多个因素，例如电解液流场的尺寸和期望的电解液流速。
在附加的或替代的例子中，电解液出口通道部分316还可被配置用于通过包括在电解液出口端口中的多个开口分配电解液。例如，在图3的分解图300中，电解液出口通道部分316显示为包括两个开口。在一些实例中，包括在电解液出口通道部分316的开口的数量可以等于包括在电解液出口端口的开口的数量，使得电解液出口通道部分316的开口可以分别对应于电解液出口端口的开口。以这种方式，电解液可以均匀地分布在电极组件302上，并且可以以基本上不受阻碍的流动从再平衡电池单元中排出。在其他示例中，电解液出口通道部分316可包括多于两个开口或少于两个开口(例如，单个开口)。
此外，当电极组件302被包括在电极组件堆叠体中时，电解液出口通道部分316、氢气入口通道部分318a和氢气出口通道部分318b可以对齐以分别形成连续的电解液出口通道、连续的氢气入口通道和连续的氢气出口通道(如图4A、4B所示，如下所述)。这样，电极组件堆叠体可以以模块化方式形成，从而可以堆叠任何实际数量的电极组件302并将其包括在再平衡电池单元中。
如进一步示出的，多个密封插件可被附接(如本文所使用的，“附接(affix)”、“被附接(affixed)”或“附接的(affixing)”包括但不限于粘合、粘贴、连接、紧固、接合、链接或通过直接或间接关系将一个部件固定到另一个部件)或以其他方式耦接到板304。作为示例，多个密封插件可包括氢气入口通道密封插件320a和氢气出口通道密封插件320b，用于通过减少氢气旁路来引导氢气流过负极310。具体地，氢气入口通道密封插件320a和氢气出口通道密封插件320b可以在包括泡沫炭306、正极308和负极310的板304的一侧上分别附接或以其他方式耦接到氢气入口通道部分318a和氢气出口通道部分318b附近。在一些实例中，如参考图4A和4B更详细讨论的，氢气入口通道密封插件320a和氢气出口通道密封插件320b可以与负极310的x-y平面重合，使得氢气入口通道密封插件320a和氢气出口通道密封插件320b可以从与板304附接或耦接的位置延伸，并且与正极308部分重叠。
作为另一个例子，多个密封插件还可以包括氢气入口通道O形环322a和氢气出口通道O形环322b中的每一个，用于分别密封氢气入口通道部分318a与另一个电极组件的氢气入口通道部分的界面以及氢气出口通道部分318b与另一个电极组件的氢气出口通道部分的界面。具体地，氢气入口通道O形环322a和氢气出口通道O形环322b可以附接或以其他方式耦接到板304，以便分别限定氢气入口通道部分318a和氢气出口通道部分318b。
作为另一个例子，多个密封插件还可以包括板外(overboard)O形环324，用于密封电极组件302与另一个电极组件在其外边缘处的界面。具体地，板外O形环324可以被附接或以其他方式耦接到板304，以便包围电解液入口井312、多个电解液入口通路314a、平台314b、电解液出口通道部分316、氢气入口通道部分318a和氢气出口通道部分318b中的每一个。
泡沫炭306可沿y轴位于平台314b和电解液出口通道部分316之间以及沿x轴位于氢气入口通道部分318a和氢气出口通道部分318b之间的板304的腔326中。具体地，泡沫炭306可定位成与形成腔326的底部的板304的一侧共面接触。在一些示例中，泡沫炭306可以形成为连续的单片，而在其他示例中，泡沫炭306可以形成为两个或更多个泡沫炭部分。在一个示例性实施例中，泡沫炭306可以是导电的、可渗透的和多孔的，为从多个电解液入口通路314a通过重力供给的电解液提供分布场。在一些示例中，泡沫炭306的孔分布可以在10到100PPI之间。在一个实例中，孔隙分布可以是30PPI。在附加或替代示例中，泡沫炭306的渗透率可以在0.02和0.5mm2之间。这样，除了总尺寸之外，可以选择泡沫炭306的孔分布和渗透率中的每一个以相对小的压降为目标，从而引导电解液从泡沫炭306对流进入正极308。例如，压降的目标可以是电解液顶部上升2至3mm。
在一些实例中，泡沫炭306可以用流场板代替，该流场板被配置成通过由流场板的流场结构引起的对流将电解液输送到正极308中。例如，流场通道可以集成到流场板或流场板的插件中。当集成到流场板中时，流场几何形状的例子在图7A-7B中示出，并在下面进一步描述。具体地，流场板可以流体耦接到多个电解液入口通路314a和电解液出口通道部分316中的每一个。在一个实例中，流场板可以整体形成在电极组件302的板304中，相对于z轴位于正极308下方。在其他例子中，流场板可以是单独的、可拆卸的部件。
在一些示例中，如下参考图5A-5E详细描述的，流场结构可以是嵌入板304的泡沫炭306中的交叉型流场结构、部分交叉型流场结构或蛇形流场结构。在一些示例中，每个电极组件302可以与和每个其他电极组件302类似结构(如交叉型、部分交叉型、蛇形等)的流场结构相接。在其他示例中，根据给定电极组件302在图2A和2B的再平衡电池单元202中的位置，可在电极组件堆叠体中的电极组件302间提供许多不同的流场结构。这杨，电解液可从电解液入口端口(例如，图2A和2B的电解液入口端口206)被引导到分别与电极组件堆叠体中的正极308相接的流场板，流场板被配置成交叉型流场结构、部分交叉型流场结构、蛇形流场结构或其组合。
在某些实例中，如下面参考图4A和4B更详细讨论的，除了泡沫炭306被流场板(本文也称为“电解液流场板”)代替之外，另一个流场板(本文也称为“氢气流场板”)可以与相对于z轴与正极308相对的负极310相接。然而，在其他示例中，可包括电解液流场板(例如，代替泡沫炭306)，并可以不存在氢气流场板。在其他示例中，可包括氢气流场板(例如，与负极310相接)，并可以不存在电解液流场板。
正极308可以位于腔326中，与泡沫炭306沿着z轴与板304相对的一侧共面接触。在示例性实施例中，正极308可以是芯吸导电碳毡、海绵或网，其可以通过毛细作用使流过泡沫炭306的电解液与负极310接触。因此，在一些示例中，正极308可以是导电且多孔的(尽管在这些示例中，其多孔性不如泡沫炭306)。在一个实例中，当泡沫炭306的孔隙率可在预定范围内(例如，低于上阈值孔隙率以便保留足够的固体材料来促进向上芯吸并进入正极308，高于下阈值孔隙率以便不阻碍电解液流过泡沫炭306)时，电解液可被芯吸到正极308。
在附加的或替代的示例中，随着正极308的孔隙率增加，正极308的吸附性可降低，正极308的渗透率可增加(例如，至少直到正极308的固体材料太少而不能促进电解液的芯吸，例如达到正极308的阈值孔隙率时)。在一些示例中，正极308的表面可以足够亲水，以用于期望的再平衡电池单元运行(例如，通过促进电解液的彻底润湿，从而形成离子导电介质)。在这样的例子中，可以通过对正极308的表面进行涂覆或处理来提高其整体亲水性。此外，尽管除了被芯吸到正极308中的电解液的一部分之外，至少一些氢气可以进入正极308，但是正极308可以被认为是其上方大量氢气和其下方大量电解液之间的隔离件。
在一些实例中，正极308和负极310中的每一个可以形成为(例如，与离散颗粒或多个片相对)连续的单片，从而当使电解液与负极310的催化表面处的氢气接触时，可以减少跨边界层膜的相间传质损失，从而促进离子和质子运动。相反，包括离散填充的催化剂颗粒的填充床结构可包括围绕每个单独颗粒的传质限制边界层膜，从而降低电解液从其本体到颗粒表面的传质速率。
负极310可以位于腔326中，与正极308和泡沫炭306相对的一侧沿z轴共面接触，使得可以在(芯吸的)电解液、负极310的催化表面和氢气之间形成三相接触界面，用于质子(例如，H+)和离子(H3O+)移动通过其中。同时地，正极308可为电子移动到电解液前沿并还原其中的Fe3+离子提供导电路径，从而降低总电阻。
在示例性实施例中，负极310可以是多孔非导电材料或其上涂覆有金属催化剂的导电碳基板。在一些示例中，多孔非导电材料可包括聚四氟乙烯(PTFE)、聚丙烯等。在一些示例中，导电碳基板可包括碳布或碳纸。在一些例子中，金属催化剂可包括贵金属催化剂。在一些例子中，贵金属催化剂可包括Pt。在另外的或替代的例子中，贵金属催化剂可包括Pd、Rh、Ru、Ir、Ta或它们的合金。在一些实例中，出于成本考虑，可以使用相对少量(例如，0.2至0.5重量％)的负载在导电碳基板上的贵金属催化剂。然而，在实践中，贵金属催化剂的量可以不受特别限制，并且可以基于再平衡电池单元的期望反应速率和再平衡电池单元的预期寿命中的一个或多个来选择。此外，贵金属催化剂中包含的合金可以用于降低成本和增加贵金属催化剂的腐蚀稳定性。例如，向Pt中添加10％的Rh，可以将Fe3+对Pt的腐蚀减少98％以上。在其他实例中，金属催化剂可以包括非贵金属催化剂，其被选择用于在铁溶液和其他这样的酸性环境(例如，硫化钼)中的稳定性。在一个示例中，负极310可以包括涂覆有1.0mg/cm2 Pt的碳布，并且可以包括(例如，为了疏水性)用聚四氟乙烯(PTFE)粘合剂粘合的微孔层。事实上，相对于使用其他粘合剂形成的电极组件，包含PTFE粘合剂可增加电池单元性能在延长的持续时间内再平衡的持久性。
在一些实例中，例如当贵金属催化剂包括Pt时，负极310的浸泡可能最终导致贵金属催化剂的腐蚀。在其他实例中，如以上参考图2A和2B更详细讨论的，电极组件302(连同电极组件堆叠体和整个再平衡电池单元)可以相对于再平衡电池单元所在的表面倾侧或倾斜(例如，z轴可以不平行于重力方向)，使得当电解液流经由重力供给通过泡沫炭306被引向电解液出口通道部分316时，贵金属催化剂可以保持相对干燥。因此，在一些实施例中，电极组件302可以是水平的，或者相对于再平衡电池单元放置的表面以0°到30°的角度倾斜。
在示例性实施例中，包括泡沫炭306、正极308和负极310中的每一个的电极组件302可以沿着z轴受到压缩，在给定的压缩压力下，正极308比泡沫炭306和负极310具有更大的偏转。因此，可以基于泡沫炭306的厚度、正极308的厚度、正极308的期望压缩量和负极310的厚度来选择腔326的深度。具体地，腔326的深度可被选择为大于泡沫炭306基本上完全压缩后的厚度与正极308基本上完全压缩后的厚度之和的下限阈值深度(以避免泡沫炭306的过度应力和挤压，这可能阻碍电解液流动)且小于泡沫炭306的厚度和正极308的厚度之和的上限阈值深度(以避免正极308的零压缩和可能的间隙，这可能导致氢气和电解液的接触不足)。
例如，在泡沫炭306的厚度为6mm、正极308的厚度为3.4mm、正极308的期望压缩为0.4mm(以实现0.01MPa的期望压缩压力)、负极310的厚度为0.2mm的示例中，腔326的深度可以是9.2mm(＝3.4mm+6mm+0.2mm-0.4mm)。作为另一个例子，泡沫炭306的厚度可以在2mm和10mm之间，正极308的厚度可以在1mm和10mm之间，正极308的期望压缩可以在0mm和2.34mm之间(以实现0MPa到0.09MPa的期望压缩压力)，负极310的厚度可以在0.2mm和1mm之间，使得腔326的深度可以在0.86mm和21mm之间。在附加的或替代的示例中，正极308的厚度可以是泡沫炭306的厚度的20％至120％。在一个实例中，正极308的厚度可以是泡沫炭306的厚度的100％至110％。在一个示例中，腔326的深度还可取决于泡沫炭306的压碎强度(例如，腔326的深度可以随着压碎强度的降低而增加)。
例如，当腔326的深度为9.2mm时(例如，当正极的期望压缩为0.4mm时)，泡沫压碎安全系数(FOS)可以是5.78。在一些实例中，泡沫压碎FOS可以具有0.34的最小值，其中小于1的泡沫压碎FOS值可以指示至少一些压碎是预期的。在一些示例中，泡沫炭306的压碎强度可以通过在泡沫炭306制造期间对其进行热处理而降低(在一个示例中，从0.08MPa到0.03MPa)。应当理解的是，电极组件302可以被配置为使得腔326的深度尽可能低(例如，在上述限制内)，因为通常更薄的电极组件302可以使得再平衡电池单元的整体尺寸减小以及电极组件302上的电阻减小(例如，因为电解液流可以更靠近负极310)。
这样，电极组件302可包括泡沫炭306以及正极308和负极310的相接对的顺序堆叠，它们彼此共面接触并且连续导电。具体地，正极308和泡沫炭306之间可形成第一界面，正极308和负极310之间可形成第二界面，第二界面与第一界面跨正极308相对，泡沫炭306、正极308和负极310中的每一个都可导电。因此，电极组件302可内部短路使得流经电极组件302的电流不会被引导通过外部负载。
在示例性实施例中，如上所述，强制对流可引起氢气流入电极组件302并穿过负极310(例如，通过与负极310相接的流场板，图3中未示出)。因此，氢气可以经由方程式(4a)与负极310的催化表面反应(例如，方程式(1)的逆反应)：
1/2H2→H++e- (阳极半反应) (4a)
质子(H+)和电子(e-)可以被传导穿过负极310并进入正极308。经由泡沫炭306被引导穿过电极组件302的电解液可以被芯吸到正极308中。在正极308和负极310之间的第二界面处和附近，电解液中的Fe3+可以通过方程式(4b)被还原：
Fe3++e-→Fe2+ (阴极半反应) (4b)
将方程式(4a)和(4b)相加，电解液再平衡反应可以获得方程式(4)：
Fe3++1/2H2→Fe2++H+(电解液再平衡) (4)
由于电极组件302内部短路，电极组件302的电池单元电位可以被驱动为零，如下：
0＝(Epos-Eneg)-(ηact+ηmt+ηohm) (7)
其中Epos是正极308的电位，Eneg是负极310的电位，ηact是活化过电位，ηmt是质量传输过电位，ηohm是欧姆过电位。对于如图3所示的电极组件302，ηmt和ηact可以假设为可忽略不计。此外，ηohm可取决于电解液的过电位η电解液和形成正极308的碳毡的过电位η毡，如下：
ηohm＝η电解液+η毡 (8)
因此，电极组件302的性能可能至少受到电解液的电阻率σ电解液和碳毡的电阻率σ毡的限制。电解液的电导率和碳毡的电导率还可分别取决于电解液的电阻R电解液和碳毡的电阻R毡，其可以被给定为：
R电解液＝σ电解液×t电解液/A电解液 (9)
R毡＝σ毡×t毡/A毡 (10)
其中t电解液是电解液的厚度(例如，电解液前沿的高度)，t毡是碳毡的厚度(例如，正极308的厚度)，A电解液是电解液(前沿)的有效面积，A毡是碳毡的有效面积。因此，电极组件302的性能还可基于碳毡内电解液的前沿位置而受到限制，因此电解液在泡沫炭306上的分布以及被芯吸到形成正极308的碳毡中的电解液的量也受到限制。
在确定R电解液和R毡之后，电极组件302的电流I组件可以确定为：
I组件＝(Epos-Eneg)/(R电解液+R毡) (11)
电解液再平衡反应的速率v再平衡(例如，Fe3+的还原速率)可进一步确定为：
v再平衡＝I组件/(nFA再平衡) (12)
其中n是流过负极310的电子数，F是法拉第常数，A再平衡是电解液再平衡反应的有效面积(例如，电解液前沿和负极310之间的界面面积)。例如，对于t毡＝3mm的未压缩碳毡，v再平衡可具有113mol/m2hr的最大值。
现在参考图4A和4B，分别示出了截面图400和放大插图450，截面图400和放大插图450中的每一个示出了再平衡电池单元202内的氢气流动的示例性方面。具体地，放大插图450放大了由虚线椭圆410界定的截面图400的一部分。如图4A和4B所示，再平衡电池单元202可包括电极组件堆叠体402，该电极组件堆叠体402形成为对齐的各个电极组件302的堆叠体，使得每个电极组件302的氢气入口通道部分318a与每个其他电极组件302的氢气入口通道部分318a形成连续的氢气入口通道404。氢气入口通道404还可包括氢气入口集气室406，氢气入口集气室406将氢气入口通道404与氢气入口端口210流体耦接。相应的氢气入口通道O形环322a和板外O形环324可在成对电极组件302间的界面处密封氢气入口通道404。应理解，再平衡电池单元202的切割部分在截面图400和放大插图450中详细示出，并且(例如，图2A和2B所示)再平衡电池单元202的附加特征可能没有示出。此外，应当理解，对于给定的应用，电极组件堆叠体402中可包括比截面图400中所示更多或更少的电极组件302(然而，在一些示例中，在氢气利用率等于或低于50％时，放大性能对H2气流基本不敏感)。此外，尽管参照图4A和4B详细描述了氢气入口通道404和相邻组件的结构特征，但应当理解，相应的氢气出口通道(例如，通过对准每个电极组件302的氢气出口通道部分318b(参见图3)形成)和相邻组件的结构特征也可以被类似地配置(除了氢气出口通道可以是闭端的或包括在氢气出口通道中的氢气出口集气室可以沿着x轴和z轴与氢气入口集气室406相对定位外)。
如图所示，如箭头408a所示，氢气可经由氢气入口端口210进入氢气入口通道404，首先流入氢气入口集气室406，然后沿z轴的正方向顺序通过氢气入口通道部分318a。尽管可以选择氢气入口集气室406的最小尺寸(例如，最小体积、最小流动路径宽度)以避免相对高的流速和压降导致氢气分布较差，但氢气入口集气室406的尺寸和形状并没有特别限制。此外，倾斜支撑件220可以倾斜再平衡电池单元202，使得氢气入口通道404沿着z轴的正方向远离重力方向延伸(尽管不直接与重力方向相反，如上面参考图2A和2B详细讨论的)，氢气可以沿着z轴的正方向沿着氢气入口通道404对流。
如进一步示出的，并且如箭头408b所示，至少一些氢气可以从氢气入口通道404流过每个相应电极组件302的氢气入口通道密封插件320a，并且进入与氢气入口通道404流体耦接并与每个相应电极组件302相接的一个或多个氢气入口通路452。在一个实例中，与给定电极组件302的一个或多个氢气入口通路452相对的给定电极组件302的氢气入口通道密封插件320a的表面可以和与给定电极组件的一个或多个氢气入口通路452相对的给定电极组件302的负极310的表面相同的x-y平面重合。此外，在一些示例中，给定电极组件302的氢气入口通道密封插件320a可以从给定电极组件302的板304的附接或耦接位置延伸，并且沿着z轴与给定电极组件302的正极308部分重叠，从而有助于在其边缘密封正极308。
在示例性实施例中，一个或多个氢气入口通路452可以不完全包括在任何给定的电极组件302中，而是可以形成为电极组件堆叠体402中相邻电极组件302对之间的一个或多个间隙。在一些示例中，与给定电极组件302相接的一个或多个氢气入口通路452可以被配置为流场结构，使得氢气可以被强制对流进入与给定电极组件302相接的一个或多个氢气入口通路452。具体地，在流场结构中配置的一个或多个氢气入口通路452可以由与给定电极组件302的负极310相接的流场板形成。在一个实例中，与给定电极组件302的负极310相接的流场板可以整体形成在相邻电极组件302的板304中，相对于z轴位于相邻电极组件302的泡沫炭306的下方。在其他实例中，与给定电极组件302的负极310相接的流场板可以是单独的、可移除的部件。此外，相对于z轴的最上面的流场板可以不与任何电极组件302整体形成，而是可以作为单独的、可移除的部件或另一部件(例如，图2A和2B的电池单元外壳204)的整体特征包含在再平衡电池单元202中。
在一些实例中，如下面参考图5A-5E详细描述的，流场结构可以是交叉型流场结构、部分交叉型流场结构或蛇形流场结构。在一些示例中，每个电极组件302可以与和每个其他电极组件302类似结构(例如，交叉型、部分交叉型、蛇形等)的流场结构相接。在其他示例中，可以在电极组件堆叠体402的电极组件302之间提供许多不同的流场结构(例如，取决于给定电极组件302在再平衡电池单元202中的位置)。这样，氢气可以从氢气入口端口210被引导到分别与电极组件堆叠体402的负极310相接的流场板，流场板被配置成交叉型流场结构、部分交叉型流场结构、蛇形流场结构或其组合。
如进一步所示，如箭头408c所示，氢气可以对流穿过电极组件堆叠体402的负极310(例如，以每平方米负极310的催化表面10至50升/分钟的流速)。在一些示例中，与相应电极组件302相接的流场板可有助于对流并将氢气分布在相应负极310上。氢气可以在阳极半反应(参见方程式(4a))中与电极组件堆叠体402的负极310的催化表面反应，以产生质子和电子，然后这些质子和电子可以流向相应的正极308和泡沫炭306。在一些示例中，至少一些氢气可以保持未反应，并且也可以沿着箭头408c流过电极组件堆叠体402的负极310。
现在参考图5A-5E，分别示出了示意图500、520、540、560和580，示意图500、520、540、560和580分别描述了示例性交叉型流场结构、示例性部分交叉型流场结构、第一示例性蛇形流场结构、第二示例性蛇形流场结构和线性流场结构。交叉型流场结构包括不连续的电解液通道或通路，这促进了强制对流并减轻了溢流和气体扩散限制。部分交叉型流场结构包括连续的电解液通道，电解液通道的狭窄部分位于电解液通道的入口和/或出口附近。这使得流场具有与交叉型流场结构相似的强制对流效果，而且允许电解液连续流过流场。例如，狭窄的部分可以是为气体离开流场(例如，离开流场板)提供低限制路径的旁路通道，同时电解液仍然被迫进入正极。结果，减少了气体在电解液通道中的积聚，否则由于在电极组件的正侧的压力积聚，这可能导致流体流动分布不均匀和在电极组件负极侧的溢流。
在一个例子中，图5A-5E所示的流场结构可以在图3-4B的泡沫炭306中、在与正极308相接的泡沫炭的面上形成。在附加或替代实施例中，如下面参考图6A-7B进一步描述的，对于给定的电极组件，泡沫炭和分离板可以由具有集成流场的流场板代替，该集成流场具有图5A-5E的任何示例性流场结构。
提供一组参考轴501用于描述所示部件的相对定位，并用于图5A-5E的视图之间的比较，轴501指示x轴、y轴和z轴。应当理解，图5A-5E中所示的相对尺寸是示例性的，并且在本公开的范围内可以考虑(例如，其中具有更宽的通路、更多数量的通道或弯道等)其他流场结构。例如，形成流场结构的通路可包括一系列台阶(例如，八个台阶，尽管台阶的总数可增加或减少以改变流体扩散，从而增强给定应用的性能)，从通路的入口到通路的出口或端部在高度上递增延伸(例如，从基本为零的高度到通路的总深度或接近总深度)。
如图5A的示意图500所示，示例性交叉型流场结构可以包括入口通道506a和出口通道506b。流体(例如，氢气、电解液)可通过第一入口通道506a并平行于z轴进入流场，并沿箭头504所示的x轴流入多个交叉型通路502。根据多个交叉型通路502的几何形状，流体最初可能遇到端壁508，并且可能在端壁508上平行于x轴被强制对流。可选地，流体可能遇到出口通道506b附近的端壁508，并且在流过这些通路之后可以类似地在端壁508上被强制对流。
例如，流体可以不受阻碍地从入口通道506a流入多个交叉型通路502的第一通路502a。在第一通路502a靠近出口通道506b的一端，流体可被强制在端壁508之一上平行于z轴流动。相比之下，在多个交叉型通路502的第二通路502b处，来自入口通道506a的流体在流入第二通路502b之前，也可以被强制越过位于入口通道506a附近的端壁508之一(沿着z轴)。
在一些实例中，当示例性交叉型流场结构与多孔介质(如图3-4B的正极308或负极310)相接时，一部分流体在端壁508上强制对流后可进入多孔介质(例如，而不是从入口通道506a流到出口通道506b)。在一个示例中，该部分流体可基本上是全部流体。如图所示，每个通路502可以向入口通道506a或出口通道506b开放(例如，与其连续)。然而，在一些示例中，出口通道506b可以在别处流体耦接到入口通道506a。因此，在一个示例中，出口通道506b可替代地用作流体的附加入口通道(例如，流体可通过入口通道506a和出口通道506b中的每一个进入流场)。在附加的或替代的示例中，流体的出口通道可以不是通道506a、506b中的任何一个。例如，出口通道可以是压力释放出口端口，例如图2A的压力释放出口端口214，在流体通过多孔介质之后，流体可以流过该压力释放出口端口。在流体是氢气并且多孔介质是图3-4B的负极310的某些示例中，流体可顺序地穿过负极310，进入负极310另一侧的流动电解液，并经由(流体耦接到流动电解液的)压力释放出口端口214排出。
如图5B的示意图520所示，示例性部分交叉型流场结构可以包括入口通道526a和出口通道526b。流体(例如，氢气、电解液)可通过平行于z轴的入口通道526a流入流场，并沿x轴流过多个部分交叉型通路522，如箭头524所示。一般而言，除了在将端壁528一分为二的多个部分交叉型通路522的收缩部分523处，流体可以以与上文参照图5A所述类似的方式行进。
在一些实例中，当示例性部分交叉型流场结构与多孔介质(例如图3-4B的正极308或负极310)相接时，尽管多个部分交叉型通路522中的每一个可以向入口通道526a和出口通道526b中的每一个开放(例如，与其连续)，但是一部分流体可以在端壁528上强制对流之后进入多孔介质。例如，该部分可以大于流体的50％。虽然流体的一部分可能被迫进入多孔介质，但是收缩部分522a的存在可以允许气体扩散出流体，并继续通过多个交叉型通路522到达出口通道526b。每个收缩部分522a的厚度可以是可变的，范围从相应通路522的最大厚度(例如，直通道流场结构，其中入口基本上未被构造，如图5E所示)到基本上零厚度(例如，完全交叉型流场结构，例如图5A的示例性交叉型流场结构)。
如图5C的示意图540所示，第一示例性蛇形流场结构可包括入口通道546a和出口通道546b。流体(如氢气、电解液)可平行于z轴流过入口通道546a，流体可从入口通道546a被强制对流进入平行于x轴的第一示例性流场结构的蛇形通路542的入口542a。如箭头544所示，流体可沿着平行于x轴和y轴的蛇形通路542流动，在其中以90°弯曲改变方向，直到流体从蛇形通路542的出口542b排出到出口通道546b中。如进一步示出的，第一示例性蛇形流场结构可包括平行于y轴的蛇形通路542的较长直线部分和平行于x轴的蛇形通路542的较短直线部分(如U形弯曲的底部)。在附加的或替代的例子中，相似或类似构造的多个蛇形通路542可将入口通道546a流体耦接到出口通道546b。在一些实例中，当第一示例性蛇形流场结构与多孔介质(例如图3-4B的正极308或负极310)相接时，尽管蛇形通路542可向入口通道546a和出口通道546b中的每一个开放，但是基本上所有流体在经由入口542a强制对流进入蛇形通路542之后可进入多孔介质(例如，而不是从入口通道546a进入出口通道546b)。然而，在一个实施例中，蛇形通路542可不包括出口542b，因此可不与出口通道546b流体耦接(如，当第一示例性蛇形流场结构是闭端的时)。
如图5D的示意图560所示，第二示例性蛇形流场结构可包括入口通道566a和出口通道566b。流体(如氢气、电解液)可平行于z轴流过入口通道566a，流体可以从入口通道566a被强制对流进入平行于x轴的第二示例性流场结构的蛇形通路562的入口562a。如箭头564所示，流体可以沿着平行于x轴和y轴的蛇形通路562流动，在其中以90°弯曲改变方向，直到流体从蛇形通路562的出口562b排出到出口通道566b中。如进一步所示，第二示例性蛇形流场结构可包括平行于x轴的蛇形通路562的较长直线部分和平行于y轴的蛇形通路562的较短直线部分(如U形弯曲的底部)。在附加的或替代的例子中，相似或类似构造的多个蛇形通路562可将入口通道566a流体耦接到出口通道566b。在一些实例中，当第二示例性蛇形流场结构与多孔介质(如图3-4B的正极308或负极310)相接时，尽管蛇形通路562可向入口通道566a和出口通道566b中的每一个开放，但基本上所有流体在经由入口562a强制对流进入蛇形通路562之后可进入多孔介质(例如，而不是从入口通道566a进入出口通道566b)。在一个实施例中，蛇形通路562可不包括出口562b，因此可以不与出口通道566b流体耦接(例如，当第二示例性蛇形流场结构是闭端的时)。
现在转到图5E，示意图580示出了具有多个通路582的线性流场结构。多个通路582在入口通道584a和出口通道584b之间线性延伸，多个通路582彼此平行对齐，并且沿着y轴跨流场均匀间隔开。流体(例如，氢气、电解液)可以平行于z轴流过入口通道584a，流体可以从该入口通道584a强制对流进入多个通路582中的每一个的入口588a。如箭头586所示，流体可以继续流过平行于x轴的多个通路582，直到流体在多个通路582中的每一个的出口588b处从多个通路582排出到出口通道584b中。在出口通道584b中，流体可以平行于z轴流动。在一些实例中，当线性流场结构与多孔介质(例如图3-4B的正极308或负极310)相接时，尽管多个通路582可以向入口通道584a和出口通道584b中的每一个开放，但是基本上所有流体在经由多个通路582中的每一个的入口588a强制对流进入多个通路582之后可以进入多孔介质(例如，而不是从入口通道584a进入出口通道584a。然而，在一个示例中，多个通路582可以不包括出口588b，因此可以不流体耦接到出口通道584b(例如，诸如当线性流场结构是闭端的时)。
如上所述，配置有泡沫炭的电极组件的板，例如图3-4B的板304和泡沫炭306，可以用具有集成电解液通道的流场板代替。使用具有集成电解液通道的流场板可以降低成本，提供不易破裂的流场板，并提供对压力损失的增强控制。图6A-6B中示出了流场板的例子，其可以以类似于图3所示的板304和泡沫炭306的组合的方式定位在电极组件中。提供了一组参考轴601，指示x轴、y轴和z轴。
首先转到图6A，流场板600可以由与图3-4B的板304类似的材料形成，例如塑料或其他聚合物。流场板600可以具有面602，该面602被配置为与正极604相接(示为与流场板600间隔开)，该正极604还与负极606共面接触。流场板600的面602具有中心区域608，在该中心区域608中可以形成包括多个电解液通道或通路的流场610。例如，在制造流场板600的过程中，流场可以被模制或加工到流场板600的中心区域608中。
可选地，如图6B所示，流场板650可适用于插件652(在图6B中示为与流场板650间隔开)，插件652可位于流场板650的中心区域656。中心区域656可以是面658中的区域，其被配置为接收并耦接到插件652。在这样的例子中，流场可以替代地被模制或加工到插件652的面向正极的表面中，其中，插件652可以由化学和物理兼容的聚合物形成，例如聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯等。插件652可以通过粘合剂、焊接等耦接到中心区域656，或者当流场板650组装在电极组件中时通过压缩来耦接到中心区域656。在需要用流场改造现有板的例子中，插件652可以用于实现与图6A的具有直接集成流场的流场板600类似的流体流动和压力控制。
在一些示例中，流场板(例如，图6A的流场板600或图6B的流场板650)的流场可具有类似于图5A-5E所示的任何结构的结构。或者，在另一个例子中，部分交叉型流场可集成到具有锥形通道或通路的流场板中，该锥形通道或通路成形为控制锥形通路的入口和出口处的压力，以及部分通道驱动气体(例如H2)从流场逸出。这样，流场板可耦接到电极组件的正极并与之相接。图7A示出了具有部分交叉型通路的正交叉型流场(PIDFF)700的例子，该部分交叉型通路可直接集成到流场板的表面中或者集成到用于流场板的插件的面中。图7B示出了流场的入口区的详细视图。
PIDFF 700包括多个部分交叉型通路702，这些部分交叉型通路702平行于z轴在PIDFF 700上线性延伸。流过入口通道704的流体(例如，正极电解液、氢气)可以对流进入分配歧管706，分配歧管706将入口通道704流体耦接到多个交叉型通路702的入口710，如箭头708所示。如箭头714所示，流体可以从入口710流到多个部分交叉型通路702的出口712，以被排入出口通道716。此外，流体还可以沿着正y轴流入正极，以及沿着负y轴返回到多个部分交叉型通路702，以通过出口712离开流场。
多个交叉型通路702包括两种通路几何形状，例如第一组通路和第二组通路，它们沿着x轴以交替的模式布置。第一组通路的第一通路702a可以具有锥形的第一入口710a和线形的第一出口712a，第二组通路的第二通路702b可以具有线形的第二入口710b和锥形的第二出口712b。应当理解，第一入口710a的几何形状可以类似于第二出口712b的几何形状，但是方向相反，第二入口710b的几何形状可以类似于第一出口712b的几何形状。图7B中更详细地示出了多个部分交叉型通路702的入口710。
图7B示出了PIDFF 700的区域750的放大图，示出了入口710的第一入口710a和第二入口710b的细节。每个第一入口710a具有漏斗形几何形状，第一入口710a的口部直径752比第一入口710a的颈部直径754宽，第一入口710a的颈部是每个第一入口710a与第一通路702a的合并区域。换句话说，第一入口710a之一的直径可以在第一入口710a的入口处最宽。相应地，每个第二出口712b的直径(如图7A所示)可以在每个第二出口712b的入口(例如，颈部)处最窄，并且可以朝着第二出口712b的出口(例如，口部)变宽。第一通路702a的直径在第一入口710a和第一出口712a之间可以是一致的，类似地，第二通路702b的直径在第二入口710b和第二出口712b之间可以是一致的。例如，入口和出口的口部直径752可以是1.5mm-5mm，入口和出口的颈部直径754可以根据漏斗形几何形状的角度而变化。例如，第一入口710a和第二出口712b的每一侧的角度α可以相对于z轴形成5至20度的角度。
通过将第一通路702a配置成具有第一入口710a，可以例如相对于非锥形入口降低在第一入口710a处进入第一通路702a的流体的渗透压力。如图7A所示，第二通路702b的第二出口712b可以类似地降低离开第二通路702b的流体的出口压力。锥形入口和出口可以一起保持通过流场板的低电解液压降。降低电解液压力的下降可以减少H2通道在包含流场板的电极组件的负极处的溢流。
第二入口710b(和第一出口712a)由部分通道756形成，当正极电解液流经部分通道756时，部分通道756从正极电解液中去除气体(例如，H2)。例如，正极可以位于部分通道756和第二通路702b之间的界面758处。换句话说，(可由毡形成的)正极可以直接位于PIDFF700的多个交叉型通路702的顶部。当正极被流体饱和时，流体中的气体渗入正极的压力会增加(例如，突破压力)。在第二入口710b和第一出口712a处都不存在部分通道756的情况下，气体可能被截留在多个交叉型通路702中，直到压力上升到足以达到突破压力。在这种情况下，截留的气体可能会在电极组件的正极侧造成较差的流量分布和压力积累。为了克服(例如，达到和/或超过)突破压力，压力累积可能导致在电极组件的负极侧的溢流。
通过在多个部分交叉型通路702的入口710和出口712处引入部分通道756，为气体离开流场提供了限制较少的路径，同时剩余的流体被迫流入正极。部分通道756相对于多个部分交叉型通路702减小的直径抑制了剩余流体通过部分通道756的流动，这是由于在给定流速下液体所需的渗透压力高于气体所需的渗透压力。因此，气体可以通过部分通道756逸出，而剩余的流体被强制对流到正极，从而避免了流场板上的压降。
在多个部分交叉型通路702的出口712处，第一通路702a的第一出口712a可以包括第一通路702a和正极之间的界面758以及部分通道756。第二通路702b的第二出口712b可以具有与第一入口710a相似的漏斗形状。这样，流出第一通路702a的正极电解液可被强制对流进入正极，同时气体通过部分通道756逸出，如上所述。在第二通路702b的第二出口712b处，第二出口712b的直径变宽可增加流出第二通路702b的正极电解液的流量，这可减轻由表面张力效应引起的背压。以这种方式，第一通路702a和第二通路702b的配置的组合可以驱动正极电解液流过多个部分交叉型通路702并进入正极，其中该流量在流场板上保持小的压降。结果，可以避免电极组件的负极的负通道的溢流。此外，当正极电解液进入多个部分交叉型通路702时，正极电解液中存在的至少一部分气体可以从正极电解液中去除。
多个部分交叉型通路702的尺寸可以被设计成使上述效果最大化。例如，如图7B所示，多个部分交叉型通路702可以具有2mm-10mm的通道深度(例如，沿着y轴)。多个部分交叉型通路702的通道壁760的厚度762可以是0.5mm-4mm。部分通道756可以具有0.5mm-2mm的直径764，并且多个部分交叉型通路702中的每一个可以具有1.5mm-5mm的直径766。部分通道756(沿着z轴限定)的长度768可以是3mm-20mm，第一入口710a和第二出口712b的长度770可以是3mm-15mm。
现在参考图8，示出了用于操作包括内部短路的电极组件的堆叠体的再平衡电池单元的方法800的流程图(例如，其中流过该内部短路的电极组件的堆叠体的电流不被引导通过外部负载)。具体地，再平衡电池单元可在氧化还原液流电池系统中实现，用于减少过量的氢气并使其电解液中的电荷不平衡再平衡。在示例性实施例中，氧化还原液流电池系统可以是图1的氧化还原液流电池系统10，并且再平衡电池单元可以是图2A和2B的再平衡电池单元202。因此，方法800可以单独参考图1-2B的实施例考虑，或者结合图3-7B的实施例和考虑因素来考虑(尽管可以理解，在不脱离本公开的范围的情况下，类似的方法可以应用于其他系统)。例如，对于方法800，至少一些步骤或步骤的一部分(例如，涉及接收氢气和电解液以在再平衡电池单元处分配的步骤)可以经由图1的控制器88来执行，并且可以作为可执行指令存储在可通信地耦接到控制器88的非暂时性存储介质(例如，存储器)中。参考图8描述的其他部件可以是图1-7B的对应部件的示例。
在802，方法800包括在再平衡电池单元处通过其相应的入口端口接收氢气和电解液。电解液可以通过第一入口端口被接收在再平衡电池单元，氢气可以通过第二入口端口被接收在再平衡电池单元。在一个示例中，第一入口端口相对于重力方向位于第二入口端口的上方。
在804，方法800包括将氢气和电解液分布在整个内部短路的电极组件的堆叠体中。具体地说，电解液可以通过入口歧管分配，该入口歧管包括分别连接到内部短路的电极组件的堆叠体的电极组件的多个第一入口通道，氢气可以通过第二入口通道分配，该第二入口通道由内部短路的电极组件的堆叠体形成并流体耦接到内部短路的电极组件的堆叠体的每个电极组件。在一些示例中，在通过入口歧管分配之后，电解液可以通过分别与内部短路的电极组件的堆叠体的正极相接的第一流场板来分配。在其他示例中，在通过入口歧管分配之后，电解液可以通过分别与正极相接的活性泡沫炭来分配。在一些示例中，在通过第二入口通道分配之后，氢气可以通过分别与内部短路的电极组件的堆叠体的负极相接的第二流场板来分配。
在806，方法800包括引导氢气和电解液的流动(例如，交叉、平行或相对的流动)，以在内部短路的电极组件的堆叠体的负极和正极处执行电解液再平衡反应。负极和正极可以正极和负极的相接对的形式分布在内部短路的电极组件的堆叠体中。如上所述，正极和负极的相接对的每个正极还可以与相应的活性泡沫炭或相应的第一流场板相接。在一个实例中，负极可以是其上涂覆有Pt催化剂的导电碳基板，正极可以是碳毡。在一些示例中，引导氢气和电解液的流动可以包括：(I)在808，通过对流(例如，通过与内部短路的电极组件的堆叠体的负极相接的第二流场板的强制对流)引导氢气流过内部短路的电极组件的堆叠体的负极；以及(ii)在810，经由重力供给(例如，通过相对于重力方向倾斜再平衡电池单元)、毛细作用(例如，将电解液芯吸到内部短路的电极组件的堆叠体的正极中)和对流(例如，经由与内部短路的电极组件的堆叠体的正极相接的第一流场板的强制对流)中的一个或多个，引导电解液流过内部短路的电极组件的堆叠体的正极。在一个实例中，可以通过对流引导氢气在负极上的流动，可以通过重力供给和毛细作用中的每一个来引导电解液在正极上的流动。当氢气和电解液流过内部短路的电极组件的堆叠体的负极和正极时，可以执行电解液再平衡反应，包括在812，使氢气与电解液中的带正电荷的离子反应，以还原带正电荷的离子(参见方程式(4))。
在814，方法800包括经由再平衡电池单元的出口端口从再平衡电池单元排出(具有减少的带正电荷的离子，例如，比在802在第一入口端口接收时更低的Fe3+浓度)电解液和任何未反应的氢气。具体地，在816，电解液可以经由第一出口端口从再平衡电池单元排出，并且在一些示例中，在818，未反应的氢气可以经由第二出口端口从再平衡电池单元排出。然而，在其他示例中，再平衡电池单元可以包括用于流动氢气的闭端结构，并且可以不包括第二出口端口。在任一情况下，至少一些未反应的氢气会流过内部短路的电极组件的堆叠体的负极并进入电解液。因此，从再平衡电池单元中排出未反应的氢气可以包括，在820，经由压力释放出口端口排出电解液中未反应的氢气(例如，以防止电解液中的压力增加并淹没内部短路的电极组件的堆叠体的负极)。
这样，为氧化还原液流电池提供了包括内部短路的电极组件的堆叠体的再平衡电池单元。具体地，来自氧化还原液流电池的氢气流和电荷不平衡的电解液流可被提供给再平衡电池单元，并被引导穿过内部短路的电极组件的堆叠体的负极和正极。在一些示例中，正极可以与流场板共面接触，流场板配置有用于使电解液从中流过的集成通道或通路。电解液通道可以直接嵌入到流场板的表面中，或者嵌入到可以耦接到流场板的插件中。电解液通道的几何形状可促进气体从正极电解液中逸出，并减少可能由氧化问题引起的跨流场板压降。此外，通过将电解液通道集成到流场板中，而不是依赖于单独的多孔泡沫炭，可以降低再平衡电池单元的制造成本和组装时间，电极组件可以更抗劣化，并且可以实现再平衡电池单元的更一致的性能。
图2A-4B和6A-6B示出了各种组件的相对定位的示例结构。如果显示为彼此直接接触或直接耦接，则至少在一个示例中，这样的元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，至少在一个示例中，示出为彼此邻接或相邻的元件可以分别彼此邻接或相邻。作为一个例子，彼此共面接触的组件可以被称为共面接触。作为另一个例子，在至少一个例子中，彼此分开放置的元件之间只有空间，并且没有其他部件组件，可以被称为这样。作为另一个例子，彼此上下、彼此相对侧或彼此左/右示出的元件可以被称为彼此相对。此外，如图所示，在至少一个示例中，最顶端的元件或元件的点可以被称为组件的“顶部”，而最底端的元件或元件的点可以被称为组件的“底部”。如这里所使用的，顶部/底部、上/下、上方/下方可以相对于附图的垂直轴，并且用于描述附图的元件相对于彼此的定位。这样，在一个示例中，在其他元件上方示出的元件垂直地位于其他元件上方。作为又一个例子，附图中示出的元件的形状可以被称为具有那些形状(例如，诸如圆形、直的、平面的、弯曲的、圆形的、倒角的、成角度的等等)。此外，在至少一个示例中，彼此交叉示出的元件可以被称为交叉元件或彼此交叉。此外，在一个示例中，在另一个元件内示出的元件或在另一个元件外示出的元件可以被称为这样。图2A-4B和6A-6B是近似按比例绘制的，尽管可以使用其他尺寸或相对尺寸。
本公开还提供了氧化还原液流电池的再平衡电池单元，该再平衡电池单元包括：电池单元外壳和由该电池单元外壳包围的电极组件堆叠体，该电极组件堆叠体的每个电极组件包括与流场板相接的正极，其中流场板的与正极相接的面具有多个通路，多个通路包括锥形入口和/或锥形出口、以及被配置为从流经其中的电解液中去除气体的部分通道。在该系统的第一实例中，多个通路直接形成在流场板的面中。在该系统的第二个实例中，可选地包括第一实例，多个通路形成在插件中，该插件被配置为耦接到流场板的面。在系统的第三实例中，可选地包括第一和第二实例中的一个或两个，多个通路布置为部分交叉型结构。在系统的第四实例中，可选地包括第一至第三实例中的一个或多个或每一个，多个通路包括：第一组通路，包括锥形入口和带有部分通道的出口，以及第二组通路，包括锥形出口和带有部分通道的入口。在系统的第五实例中，可选地包括第一至第四实例中的一个或多个或每一个，第一组通路和第二组通路以交替方式布置在流场板上。在系统的第六实例中，可选地包括第一至第五实例中的一个或多个或每一个，部分通道具有狭窄的直径，以允许气体离开流场板、但不允许电解液离开流场板，并且其中电解液被强制对流到正极。在系统的第七实例中，可选地包括第一至第六实例中的一个或多个或每一个，电解液是从正极所在的正极隔室循环的正极电解液。在系统的第八实例中，可选地包括第一至第七实例中的一个或多个或每个，每个电极组件还包括与正极相接的负极，并且其中每个电极组件是内部短路的。在系统的第九实例中，可选地包括第一至第八实例中的一个或多个或每一个，该系统还包括：用于使氢气流入电池单元外壳的氢气入口，用于使电解液流入电池单元外壳的电解液入口端口，以及用于将电解液从电池单元外壳排出的电解液出口端口。在系统的第十实例中，可选地包括第一至第九实例中的一个或多个或每一个，该系统还包括：耦接到电池单元外壳的倾斜支撑件，以使所述电池单元外壳相对于所述倾斜支撑件所在的表面倾斜。
本公开还提供了氧化还原液流电池系统，包括：分别容纳氧化还原电极和电镀电极的正极隔室和负极隔室，分别包括用于泵送到正极隔室的正极电解液和用于泵送到负极隔室的负极电解液的正极电解液室和负极电解液室，其中正极电解液室和负极电解液室还包括公共气体顶部空间，以及用于正极电解液的电解液再平衡的再平衡电池单元，所述再平衡电池单元与所述正极隔室和所述公共气体顶部空间流体耦接，其中所述正极电解液的电解液再平衡通过以下来驱动：第一再平衡电池单元的正极和负极的相接对的内部电短路，以及正极电解液被引导通过与正极相接的流场板的集成通道。在该系统的第一实例中，集成通道包括用于从流场板的正流场去除气体的部分通道。在该系统的第二实例中，任选地包括第一实例，集成通道布置为部分交叉型结构，以迫使正极电解液对流到正极。在系统的第三实例中，可选地包括第一和第二实例中的一个或两个，集成通道包括锥形入口和锥形出口，其中锥形入口的直径在锥形入口的入口处最宽，锥形出口的直径在锥形出口的入口处最窄。在该系统的第四实例中，可选地包括第一至第三实例中的一个或多个或每一个，集成通道被加工或模制到与正极相接的流场板的表面，并且其中流场板由聚合物形成。在系统的第五实例中，可选地包括第一至第四实例中的一个或多个或每一个，集成通道被加工或模制到由聚合物形成的插件中，并且其中插件耦接到与正极相接的流场板的表面。
本公开还提供了用于再平衡电池单元的电极组件，该电极组件包括：内部短路的正极和负极的相接对，以及和与负极相对的正极的表面共面接触的流场板，其中流场板的面向正极的面具有多个部分交叉型电解液通道，多个部分交叉型电解液通道具有锥形入口和出口、以及用于从流过流场板的多个部分交叉型电解液通道的正极电解液中去除气体收缩部。在该系统的第一实例中，收缩部被配置成通过提供用于气体离开流场板的流动路径来去除气体。在该系统的第二实例中，可选地包括第一实例，从正极电解液中去除的气体经由再平衡电池单元的气体出口端口从再平衡电池单元中排出。
下面的权利要求特别指出了被认为是新颖和非显而易见的某些组合和子组合。这些权利要求可以指“一个”元件或“第一”元件或其等同物。这样的权利要求应该被理解为包括一个或多个这样的元件的组合，既不要求也不排除两个或多个这样的元件。所公开的特征、功能、元素和/或属性的其他组合和子组合可以通过修改本权利要求或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求来要求保护。这样的权利要求，无论在范围上比原始权利要求更宽、更窄、相等或不同，也被认为包括在本公开的主题内。

Claims (10)

1.一种用于氧化还原液流电池的再平衡电池单元，所述再平衡电池单元包括：
电池单元外壳；和
由所述电池单元外壳包围的电极组件堆叠体，所述电极组件堆叠体中的每个电极组件包括与流场板相接的正极；
其中，所述流场板的与所述正极相接的面具有多个通路，所述多个通路包括锥形入口和/或锥形出口、以及被配置为从流经其中的电解液中去除气体的部分通道。
2.根据权利要求1所述的再平衡电池单元，其中，
所述多个通路直接形成在所述流场板的所述面中，或者，所述多个通路形成在插件中，所述插件被配置为耦接至所述流场板的所述面，
并且其中所述多个通路布置为部分交叉型结构。
3.根据权利要求1所述的再平衡电池单元，其中，所述多个通路包括：
第一组通路，包括所述锥形入口和带有所述部分通道的出口；以及
第二组通路，包括所述锥形出口和带有所述部分通道的入口；
并且其中，所述第一组通路和所述第二组通路以交替模式布置在所述流场板上。
4.根据权利要求1所述的再平衡电池单元，其中，
所述部分通道具有狭窄的直径以允许气体离开所述流场板、但不允许所述电解液离开所述流场板，
并且其中所述电解液被强制对流到所述正极，从所述电解液中去除的所述气体通过所述再平衡电池单元的气体出口端口排出所述再平衡电池单元。
5.根据权利要求1所述的再平衡电池单元，其中，所述电解液是从所述正极所在的正极隔室循环的正极电解液，
每个电极组件还包括与所述正极相接的负极，并且每个电极组件是内部短路的。
6.根据权利要求1所述的再平衡电池单元，还包括：
氢气入口，用于使氢气流入所述电池单元外壳；
电解液入口端口，用于使电解液流入所述电池单元外壳；
电解液出口端口，用于使电解液从所述电池单元外壳排出；以及
耦接到所述电池单元外壳的倾斜支撑件，以使所述电池单元外壳相对于所述倾斜支撑件所在的表面倾斜。
7.一种氧化还原液流电池系统，包括：
正极隔室和负极隔室，分别容纳氧化还原电极和电镀电极；
正极电解液室和负极电解液室，分别包括用于泵送到所述正极隔室的正极电解液和用于泵送到所述负极隔室的负极电解液，其中所述正极电解液室和所述负极电解液室还包括公共气体顶部空间；和
再平衡电池单元，用于所述正极电解液的电解液再平衡，所述再平衡电池单元与所述正极隔室和所述公共气体顶部空间流体耦接，
其中，所述正极电解液的电解液再平衡通过以下来驱动：
所述再平衡电池单元的正极和负极的相接对的内部电短路，以及
所述正极电解液被引导通过与所述正极相接的流场板的集成通道。
8.根据权利要求7所述的氧化还原液流电池系统，其中，所述集成通道包括用于从所述流场板的正流场移除气体的部分通道；
所述集成通道布置为部分交叉型结构，以迫使所述正极电解液对流到所述正极。
9.根据权利要求7所述的氧化还原液流电池系统，其中，所述集成通道包括锥形入口和锥形出口，并且其中所述锥形入口的直径在所述锥形入口的入口处最宽，所述锥形出口的直径在所述锥形出口的入口处最窄。
10.根据权利要求7所述的氧化还原液流电池系统，其中，所述集成通道被加工或模制到与所述正极相接的所述流场板的表面，并且其中，所述流场板由聚合物形成，或者，
所述集成通道被加工或模制到由聚合物形成的插件中，并且其中，所述插件耦接到与所述正极相接的所述流场板的所述表面。
CN202311188097.9A 2021-07-13 2023-09-14 用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元的电解液流场 Pending CN117712436A (zh)

Applications Claiming Priority (5)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163221330P 2021-07-13 2021-07-13
US202163221325P 2021-07-13 2021-07-13
PCT/US2022/073693 WO2023288251A1 (en) 2021-07-13 2022-07-13 Rebalancing cell for redox flow battery system
US17/932,245 US20230016796A1 (en) 2021-07-13 2022-09-14 Electrolyte flow field for rebalancing cell of redox flow battery system
US17/932,245 2022-09-14

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117712436A true CN117712436A (zh) 2024-03-15

Family

ID=84891242

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311188097.9A Pending CN117712436A (zh) 2021-07-13 2023-09-14 用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元的电解液流场

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20230016796A1 (zh)
EP (1) EP4348743A1 (zh)
JP (1) JP2024041740A (zh)
CN (1) CN117712436A (zh)
AU (1) AU2022311848A1 (zh)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11626607B2 (en) * 2019-05-20 2023-04-11 Cougar Creek Technologies, Llc Methods and systems for determining average oxidation state of redox flow battery systems

Also Published As

Publication number Publication date
EP4348743A1 (en) 2024-04-10
JP2024041740A (ja) 2024-03-27
AU2022311848A1 (en) 2024-02-01
US20230016796A1 (en) 2023-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110574200B (zh) 用于再平衡氧化还原液流电池系统的电解质的方法和系统
US8273472B2 (en) Shunt current interruption in electrochemical energy generation system
JP2023526343A (ja) レドックスフロー電池及び電池システム
CN117712436A (zh) 用于氧化还原液流电池系统的再平衡电池单元的电解液流场
US20230261238A1 (en) Electrode assembly for a redox flow battery
JP2023526344A (ja) レドックスフロー電池及び電池システム
EP4345954A1 (en) Electrolyte flow field for rebalancing cell of redox flow battery system
CN117916921A (zh) 用于氧化还原液流电池系统的电极组件的系统和方法
US20240063416A1 (en) Rebalancing cell system for redox flow battery
AU2023229572A1 (en) Rebalancing Cell For Redox Flow Battery System
CN117859223A (zh) 用于氧化还原液流电池系统的再平衡单元
US20230246219A1 (en) Electrolyte management for a rebalancing cell
CN117897837A (zh) 用于氧化还原液流电池系统的再平衡单元
EP4391125A1 (en) Rebalancing cell system for redox flow battery
WO2023288251A1 (en) Rebalancing cell for redox flow battery system
US20230062739A1 (en) Systems and methods for flowing, storing, and rebalancing electrolyte in redox flow battery system
US20230061531A1 (en) Systems and methods for circulating electrolyte and electric current in series coupled redox flow battery cells
JP2024084739A (ja) レレドックスフロー電池システム内でリバランシングセルを動作させる方法、及びレドックスフロー電池システム
US20240178430A1 (en) Tank enclosed injection system
AU2023278089A1 (en) Rebalancing Cell System For Redox Flow Battery

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication