CN117916921A - 用于氧化还原液流电池系统的电极组件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

提供了用于组装和操作氧化还原液流电池系统的电极组件的系统和方法。在一个示例中，电极组件可以包括充气壳体，负极隔板和正极可以定位在充气壳体中，其中，充气壳体可以在氧化还原液流电池系统的工作期间响应于所施加的内部压力而充气。在一些示例中，电极组件可以通过卷对卷工艺来组装，并且可以机械地和流体地耦合到类似构造的电极组件。以这种方式，相对于用于电极组件制造的基于模制的工艺，可以减少公差堆叠，可以简化处理，并且可以降低成本。

Description

用于氧化还原液流电池系统的电极组件的系统和方法
相关领域的交叉引用
本申请要求于2021年5月11日提交的题为“用于氧化还原液流电池系统的电极组件的系统和方法”的美国临时申请No.63/187,358的优先权。上述申请的全部内容通过引用并入本文以用于所有目的。
技术领域
本说明书总体上涉及用于组装和操作电极组件的系统和方法，特别是用于氧化还原液流电池系统的系统和方法。
背景技术
氧化还原液流电池适合于电网规模存储应用，因为与传统电池技术相比，其具有独立地缩放功率和容量的能力以及数千次循环内充电和放电的能力，降低了性能损失。全铁混合氧化还原液流电池由于其低成本的掺入、地球上丰富的材料而特别有吸引力。一般来说，铁氧化还原液流电池(IFB)依赖于铁、盐和水来用于电解质，因此包括简单的、地球上丰富的以及廉价的材料，并且消除了劣质化学品的掺入，因而减少了其对环境的影响。
给定的IFB可包括具有正(氧化还原)电极和负(电镀)电极的液流电池，在正(氧化还原)电极处发生氧化还原反应，在负(电镀)电极处，电镀反应可以使得电解质中的亚铁(Fe2+)还原且电镀。用于氧化还原和电镀反应的电解质传输离子可以通过容纳正极和负极的隔室被泵送以循环用于氧化还原反应和电镀反应的离子，以及通过再平衡电池以还原过量的三价铁(Fe3+)并且再平衡用于随后泵送回到隔室中的电解质。在一些示例中，IFB可包括串联耦合的多个液流电池，通常采用复杂的流体分布系统通过IFB来泵送并且循环电解质。
在大型IFB中，可以使用相应的大型模制工具来制造组装部件。如果需要对组装部件进行微调，则这种模制工具可能是昂贵的、专用的并且难以修改或调整的。类似地，可以采用大型且昂贵的搬运设备来沿着生产线移动组装部件。相应地，模制工具和搬运设备单独占用过多的占地空间。此外，当这种大型IFB包括串联耦合的许多液流电池时，可能堆叠数百个部件，从而导致公差堆叠问题。由于修改模制工具的困难，在模制设置中这种公差堆叠问题实际上是不可避免的。
发明内容
在一个示例中，上述问题可以通过用于氧化还原液流电池的电极组件来解决，该电极组件包括充气壳体，该充气壳体至少部分地包围内部体积，该内部体积包括负极室和正极室、定位在负极室中的负极隔板以及定位在正极室中的正极，其中，充气壳体可以响应于所施加的内部压力而充气，以在氧化还原液流电池的工作期间增加电极组件的内部体积。在一些示例中，电极组件可以包括在电极组件的堆(堆叠、堆叠体，stack)中，其中，电极组件经由公共流体歧管彼此流体地耦合，该公共流体歧管由将设置在充气壳体中的电解质端口与相邻电解质组件的电解质端口对齐形成。在一个示例中，每个电解质端口可以包括电解质分配插入件，其可以与包括在相邻电解质组件的电解质端口中的对应电解质分配插入件互锁并且密封公共流体歧管。此外，在一些示例中，电极组件可以通过卷对卷工艺来制造，其中，挤出的热塑性片可以彼此焊接并且从辊上切割以形成充气壳体。在这样的示例中，电极组件的附加部件可以被焊接到挤出的热塑性片或设置在这样的卷对卷工艺过程中形成的腔或隔室中。以此方式，可以形成结构稳定且柔性的电极组件，其中，可以相对于基于模制的电极组件制造过程减小公差堆叠。
应当理解的是，提供以上概述是为了以简化形的式介绍在详细描述中进一步描述的概念的选择。这并不意味着要识别所要求保护的主题的关键或必要特征，其范围由遵循详细描述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述或在本公开的任何部分中提到的任何缺点的实现。
附图说明
图1示出了包括具有氧化还原电极和电镀电极的膜电极组件(MEA)的示例氧化还原液流电池系统的示意图。
图2A示出了MEA堆的分解图。
图2B示出了图2A的MEA堆的MEA的分解图。
图3示出了图2B的MEA的示意性截面图。
图4A和4B示出了图2B的MEA的电解质插入件的立体截面图。
图4C示出了图2B的MEA的电解质插入件之一的示意性截面图。
图5A和5B示出了图2B的MEA的电解质通道构造的立体截面图。
图5C示出了图2B的MEA的电解质通道构造的示意性俯视图。
图6示出了用于通过卷对卷工艺来组装MEA堆、将MEA堆作为氧化还原液流电池来操作以及测试MEA堆的方法的流程图。
图7示出了通过卷对卷工艺来组装MEA的方法的流程图。
图8示出了用于组装MEA堆的示例性卷对卷工艺构造的示意图。
具体实施方式
以下描述涉及用于通过卷对卷工艺来组装膜电极组件(MEA)并且将MEA作为氧化还原液流电池来操作的系统和方法。如本文所用，“膜电极组件”或“MEA”可以指包括壳体的电池构造，该壳体具有界定电极隔室、室或腔的集成膜。在示例性实施例中，MEA可以被包括在氧化还原液流电池系统的MEA堆(堆叠、堆叠体，stack)中并且经由至少一个公共流体歧管流体地耦合到电解质子系统。图1中示意性地示出了氧化还原液流电池系统，其中，MEA流体地耦合到具有单独的正电解质室和负电解质室的集成多腔室罐。在一些示例中，氧化还原液流电池系统可以是全铁液流电池(IFB)，其在IFB的正(氧化还原)极和负(电镀)极两者处均利用铁氧化还原化学。电解质室可以耦合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，电解质可以通过分别容纳正极和负极的正极室和负极室被泵送。
在一些示例中，氧化还原液流电池系统可以是混合氧化还原液流电池系统。混合氧化还原液流电池是氧化还原液流电池，其特征可以在于，在电极(例如，负极)上沉积一种或多种电活性材料作为固体层。例如，混合氧化还原液流电池可以包括一种化学物质，该化学物质可以在整个电池充电过程中作为固体经由电化学反应电镀在衬底上。在电池放电期间，被电镀的物质可以通过进一步的电化学反应电离，变得可溶于电解质。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，存储的能量的最大量)可能受到在电池充电期间被电镀的金属的量的限制，并且相应地可能取决于电镀系统的效率以及可用于电镀的体积和表面积。
然而，氧化还原液流电池系统被构造为，无论是作为IFB、混合氧化还原液流电池系统或其组合(例如，全铁混合氧化还原液流电池系统)，在一些示例中，许多氧化还原液流电池单元可以串联布置以实现所需的性能和输出。这样的布置可能导致所不期望的高公差堆叠，这在氧化还原液流电池系统的组装、操作和维修中可能是有问题的。为了减少这种公差堆叠，并且如本文的实施方案所述，氧化还原液流电池系统可以包括MEA堆，诸如图2A的MEA堆，包括多个MEA，诸如图2B的分解图和图3的示意性横截面中所示出的MEA，通过挤出热塑性塑料的卷对卷工艺来组装。图6和7中提供了用于通过这种卷对卷工艺来组装MEA堆、操作MEA堆和测试MEA堆的示例性方法。图8中示意性地提供了用于组装MEA堆的一个示例性卷对卷工艺构造。
当MEA堆中的MEA作为氧化还原液流电池系统的氧化还原液流电池单元来工作时，正电解质和负电解质可以循环通过其中，以补充和替换用于氧化还原液流电池系统的充电或放电的离子。相应地，MEA可包括流体地耦合到公共流体歧管的电解质端口，该公共流体歧管横跨MEA堆并且又流体地连接到电解质子系统以允许正电解质和负电解质的循环。在一些示例中，并且如图4A至图4C所示，给定的MEA的电解质端口可以分别包括电解质分配插入件，该电解质分配插入件可以与相邻MEA的电解质分配插入件机械地互锁，以流体地耦合MEA堆的MEA并且形成公共流体歧管(如本文所用，“相邻的”可以描述其间没有中间部件的任何两个部件)。正电解质和负电解质可以经由电解质分配插入件中的通道进入MEA堆的每个MEA的电解质端口，从而经由相应的正电解质通道和负电解质通道从其流动到相应的正极室和负极室。图5A-5C中示出了正电解质通道和负电解质通道的一个示例性构造，其中，正电解质通道和负电解质通道被示出为在MEA的挤出热塑性塑料之间形成。
如图1所示，在氧化还原液流电池系统10中，负极26可以被称为电镀电极，正极28可以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，负极室20)内的负电解质可以被称为电镀电解质，并且氧化还原液流电池单元18的氧化还原侧(例如，正极室22)上的正电解质可以被称为氧化还原电解质。
“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，负电解质在负极26处获得电子，并且负极26是电化学反应的阴极。在电池放电期间，负电解质失去电子，并且负极26是电化学反应的阳极。可替代地，在电池放电期间，负电解质和负极26可以分别被称为电化学反应的阳极电解质和阳极，而正电解质和正极28可以分别被称为电化学反应的阴极电解质和阴极。在电池充电期间，负电解质和负极26可以分别被称为电化学反应的阴极电解质和阴极，而正电解质和正极28可以分别被称为电化学反应的阳极电解质和阳极。为了简单起见，本文中的术语“正”和“负”用于指代氧化还原液流电池系统中的电极、电解质和电极隔室。
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，电解质包含铁盐形式的铁离子(例如，FeCl2、FeCl3等)，其中，负极26包含金属铁。例如，在负极26处，亚铁(Fe2+)在电池充电期间获得两个电子并且作为铁金属(Fe0)电镀在负极26上，并且Fe0在电池放电期间失去两个电子并且作为Fe2+重新溶解。在正极28处，Fe2+在电池充电期间失去电子以形成三价铁(Fe3+)，并且Fe3+在电池放电期间获得电子以形成Fe2+。电化学反应被概括在等式(1)和(2)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，而反向反应(从右到左)表示电池放电期间的电化学反应：
如上所述，IFB中使用的负电解质可以提供足够量的Fe2+，使得在电池充电期间，Fe2+可以接受来自负极26的两个电子以形成Fe0并且将其电镀到衬底上。在电池放电期间，电镀的Fe0可能失去两个电子，电离成Fe2+并且溶解回电解质中。上述反应的平衡电势为-0.44V，因此该反应为所需系统提供负端。在IFB的正侧，电解质可以在电池充电期间提供Fe2+，其失去电子并且氧化为Fe3+。在电池放电期间，由电解质提供的Fe3+通过吸收由正极28提供的电子而变为Fe2+。该反应的平衡电势为+0.77V，产生所需系统的正端。
与利用非再生电解质的其他电池类型相比，IFB可提供对其中的电解质充电和再充电的能力。可以通过分别经由端40和42跨电极26和28来施加电流从而实现充电。负极26可以经由端40电耦合到电压源的负极侧，使得电子可以经由正极28被递送到负电解质(例如，在正极室22中的正电解质中将Fe2+氧化为Fe3+时)。提供给负极26的电子可以还原负电解质中的Fe2+，以在(电镀)衬底处形成Fe0，从而使得Fe2+电镀到负极26上。
当Fe0保留在负电解质中用于氧化，并且当Fe3+保留在正电解质中用于还原时，可以持续放电。例如，可以通过增加氧化还原液流电池单元18的正极室22侧中的正电解质的浓度或体积来维持Fe3+可用性，以经由外部源(诸如外部正电解质室52)来提供额外的Fe3+离子。更通常地，在放电期间Fe0的可用性可能是IFB系统中的问题，其中，可用于放电的Fe0可能与负极衬底的表面积和体积以及电镀效率成比例。电荷容量可以取决于负极室20中Fe2+的可用性。例如，Fe2+的可用性可以通过经由外部源(诸如外部负电解质室50)提供附加的Fe2+离子来保持，以增加到氧化还原液流电池单元18的负极室20侧的负电解质的浓度或体积。
在IFB中，取决于IFB系统的荷电状态(SOC)，正电解质可以包括亚铁、三价铁、铁络合物或其任何组合，而负电解质可以包括亚铁或铁络合物。如上所述，在负电解质和正电解质中使用铁离子可以允许在氧化还原液流电池单元18的两侧上使用相同种类的电解物质，这可以减少电解质交叉污染并且可以提高IFB系统的效率，与其他氧化还原液流电池系统相比，导致更少的电解质替换。
IFB中的效率损失可由电解质穿过隔膜(分隔物、隔离物、seperator)24(例如，离子交换膜屏障、微孔膜等)引起。例如，正电解质中的Fe3+离子可以通过Fe3+离子浓度梯度和跨隔膜24的电泳力而朝向负电解质被驱动。随后，Fe3+离子穿透隔膜24并且交换到负极室20可能导致库仑效率损失。Fe3+离子从低pH氧化还原侧(例如，酸性更强的正极室22)交换到高pH电镀侧(例如，酸性较弱的负极室20)可能导致Fe(OH)3的沉淀。Fe(OH)3的沉淀可能使隔膜24劣化并且导致永久的电池性能损失和效率损失。例如，Fe(OH)3沉淀物可能化学地污染离子交换膜的有机官能团或物理地堵塞离子交换膜的微孔。在任一情况下，由于Fe(OH)3沉淀物，膜欧姆电阻可能会随着时间的推移而升高并且电池性能可能降低。可以通过用酸洗涤IFB来去除沉淀物，但是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，洗涤可能依赖于电解质的定期制备，从而导致额外的处理成本和复杂性。或者，响应于电解质pH变化将特定有机酸添加到正电解质和负电解质可以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。此外，实施抑制Fe3+离子渗透的膜屏障也可以减轻结垢。
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H2气体的形成以及负极室20中的质子与在负极26的镀铁金属处供应的电子的反应以形成H2气体而引起的。
IFB电解质(例如，FeCl2、FeCl3、FeSO4、Fe2(SO4)3等)可以容易地获得并且可以以低成本来生产。在一个示例中，IFB电解质可以由氯化亚铁(FeCl2)、氯化钾(KCl)、氯化锰(II)(MnCl2)和硼酸(H3BO3)形成。IFB电解质可以提供更高的回收价值，因为相同的电解质可以用于负电解质和正电解质，因此与其他系统相比减少了交叉污染问题。此外，由于铁的电子构造，铁可以在将其电镀在负极衬底上的期间固化成大致均匀的固体结构。对于混合氧化还原电池中常用的锌和其他金属，在电镀期间可能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以提高电池的效率。此外，与其他氧化还原液流电池电解质相比，铁氧化还原液流电池可以减少有毒原材料的使用并且可以在相对中性的pH下操作。相应地，与生产中的所有其他先进氧化还原液流电池系统相比，IFB系统可以减少环境危害。
继续参考图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可以包括流体地耦合到集成多腔室电解质储罐110的氧化还原液流电池单元18。氧化还原液流电池单元18可以包括负极室20、隔膜24和正极室22。隔膜24可以包括电绝缘的离子导电屏障，其防止正电解质和负电解质的大量混合，同时允许特定离子的电导通过。例如，并且如上所述，隔膜24可包括离子交换膜和/或微孔膜。
负极室20可以包括负极26，并且负电解质可以包括电活性材料。正极室22可以包括正极28，并且正电解质可以包括电活性材料。在一些示例中，多个氧化还原液流电池单元18可以串联组合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中还示出了负电解质泵30和正电解质泵32，两者均用于将电解质溶液泵送通过氧化还原液流电池系统10。电解质储存在单元外部的一个或多个罐中，并且经由负电解质泵30和正电解质泵32分别泵送通过氧化还原液流电池单元18的负极室20侧和正极室22侧。
氧化还原液流电池系统10还可以包括第一双极板36和第二双极板38，每个双极板分别沿着负极26和正极28的后向侧(例如，与面向隔膜24的一侧相对)定位。第一双极板36可以与负极26接触，并且第二双极板38可以与正极28接触。然而，在其他示例中，双极板36和38可以被布置成邻近电极26和28但与电极26和28间隔开，并且被容纳在相应的电极隔室20和22内。在任一情况下，双极板36和38可以分别经由与端40和42直接接触或分别通过负极26和正极28电耦合到端40和42。IFB电解质可以通过第一双极板36和第二双极板38传输到负极26和正极28处的反应位点，这由双极板36和38的材料的导电特性引起的。电解质流还可以由负电解质泵30和正电解质泵32辅助，从而促进通过氧化还原液流电池单元18的强制对流。还可以通过强制对流与第一双极板36和第二双极板38的存在的组合将反应的电化学物质引导远离反应位点。
如图1所示，氧化还原液流电池单元18还可以包括负电池端40和正电池端42。当充电电流被施加到电池端40和42时，正电解质可以在正极28处被氧化(失去一个或多个电子)，并且负电解质可以在负极26处被还原(获得一个或多个电子)。在电池放电期间，电极26和28上可能发生反向氧化还原反应。换句话说，正电解质可以在正极28处被还原(获得一个或多个电子)，并且负电解质可以在负极26处被氧化(失去一个或多个电子)。电池两端的电势差可以通过正极室22和负极室20中的电化学氧化还原反应来维持，并且可以在维持反应的同时通过集电器感应电流。根据电解质的总体积和电活性材料的溶解度，由氧化还原电池存储的能量的量可能受到电解质中可用于放电的电活性材料的量的限制。
在一些示例中，氧化还原液流电池单元18可以被构造为MEA堆(或下面参考图2A详细描述的MEA堆)的一个MEA 102(或下面参考图2B至图5C详细描述的MEA)。MEA 102可以包括挤出的热塑性壳体104，其包括作为隔膜24的集成膜片。集成膜片可以被焊接到挤出的热塑性壳体104的内表面，以便分离分别容纳负极26和正极28的负极室20和正极室22。挤出的热塑性壳体104还可包括电耦合到电池端40和42的集成导电片(例如，第一双极板36和第二双极板38和/或设置用于降低MEA堆的相邻MEA 102上的双极板36、38之间的电阻的附加导电片)。集成导电片可以被焊接到挤出的热塑性壳体104的外表面，以便形成负极室20和正极室22的与集成膜片相对的侧面，从而保持与分别循环通过负极室20和正极室22的正电解质和负电解质的电接触。
挤出的热塑性壳体104可以被构造为在氧化还原液流电池系统10的工作期间膨胀或充气，并且在氧化还原液流电池系统10不操作时收缩或放气。例如，在氧化还原液流电池系统10的工作期间，挤出的热塑性壳体104可以响应于所施加的内部压力(例如，由于泵送正电解质和负电解质而产生的内部压力)而膨胀，以增加MEA 102的内部体积。正电解质和负电解质可以经由公共流体歧管分布通过MEA堆，该公共流体歧管由机械互锁的电解质分配插入件的流体耦合形成，该流体地耦合被构造在MEA堆中所包括的MEA 102的电解质端口中。此外，由于挤出的热塑性壳体104可以相对容易地被切割和打开以接近容纳在其中的各种部件，挤出的热塑性壳体104的柔性可以有助于诊断、移除和/或更换挤出的热塑性壳体104内的劣化的或过时的部件。以这种方式，氧化还原液流电池系统10可以包括多个MEA102，多个MEA 102分别作为氧化还原液流电池单元18操作并且以柔性模块化的构造彼此流体地耦合(然而，在其他示例中，氧化还原液流电池系统10中可以仅包括一个MEA 102)。
氧化还原液流电池系统10还可以包括集成多腔室电解质储罐110。多腔室电解质储罐110可由隔板98分开。隔板98可以在多腔室电解质储罐110内形成多个腔室，使得正电解质和负电解质都可以包括在单个罐内。负电解质室50容纳包括电活性材料的负电解质，正电解质室52容纳包括电活性材料的正电解质。隔板98可以被定位在多腔室电解质储罐110内，以在负电解质室50和正电解质室52之间产生所需的体积比。在一个示例中，隔板98可以被定位成根据负氧化还原反应和正氧化还原反应之间的化学计量比来设定负电解质室50和正电解质室52的体积比。图1还示出了多腔室电解质储罐110的填充高度112，其可以指示每个储罐隔室中的液位。图1还示出了位于负电解质室50的填充高度112上方的气体顶部空间90以及位于正电解质室52的填充高度112上方的气体顶部空间92。气体顶部空间92可用于储存通过氧化还原液流电池的操作(例如，由于质子还原和铁腐蚀副反应)产生的H2气体，并且与来自氧化还原液流电池单元18的返回电解质一起输送到多腔室电解质储罐110。H2气体可以在多腔室电解质储罐110内的气液界面(例如，填充高度112)处自发地分离，从而排除具有作为氧化还原液流电池系统10的一部分的额外的气液隔膜。一旦与电解质分离，H2气体可以填充气体顶部空间90和92。因此，存储的H2气体可以帮助从多腔室电解质储罐110清除其他气体，从而充当用于减少电解质物质的氧化的惰性气体覆盖层，这可以有助于减少氧化还原液流电池的容量损失。以这种方式，利用集成多腔室电解质储罐110可以放弃具有常规氧化还原液流电池系统所共用的单独的负电解质储罐和正电解质储罐、氢储罐和气液隔膜，从而简化系统设计，减少氧化还原液流电池系统10的物理占地面积，并且降低系统成本。
图1还示出了溢出孔96，其可以在气体顶部空间90和92之间的隔板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法。溢出孔96可以定位在填充高度112上方的阈值高度处。溢出孔96还可以使得能够在电池渗透的情况下使每个负电解质室50和正电解质室52中的电解质自平衡。在全铁氧化还原液流电池系统的情况下，在负极室20和正极室22中使用相同的电解质(Fe2+)，因此在负电解质室50和正电解质室52之间的电解质溢出可能会降低整体系统效率，但可保持整体电解质组成、电池模块性能和电池模块容量。凸缘配件可以被用于进出多腔室电解质储罐110的入口和出口的所有管道连接，以保持连续加压状态而不泄漏。多腔室电解质储罐110可以包括来自每个负电解质室50和正电解质室52的至少一个出口，以及通向每个负电解质室50和正电解质室52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H2气体引导到再平衡反应器或单元80和82。
尽管在图1中未示出，集成多腔室电解质储罐110还可以包括热耦合到每个负电解质室50和正电解质室52中的一个或多个加热器。在可替代示例中，负电解质室50和正电解质室52中的仅一个可以包括一个或多个加热器。在仅正电解质室52包括一个或多个加热器的情况下，可以通过将在氧化还原液流电池单元18处产生的热量传递到负电解质来加热负电解质。以这种方式，氧化还原液流电池单元18可以加热并且促进负电解质的温度调节。一个或多个加热器可以由控制器88致动，以独立地或一起调节负电解质室50和正电解质室52的温度。例如，响应于电解质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，从而可以增加到电解质的热通量。电解质温度可以由安装在多腔室电解质储罐110处的一个或多个温度传感器(诸如传感器60和62)来指示。作为示例，一个或多个加热器可以包括浸入电解质流体中的线圈型加热器或其他浸没式加热器，或者通过负电解质室50和正电解质室52的壁传导地传递热量以加热其中的流体的表面覆盖型加热器。在不脱离本公开的范围的情况下，可以采用其他已知类型的罐加热器。此外，控制器88可以响应于液位降低到固体填充阈值水平以下而停用负电解质室50和正电解质室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可以仅响应于液位增加到固体填充阈值水平以上而激活负电解质室50和正电解质室52中的一个或多个加热器。以此方式，可以避免在负电解质室50和/或正电解质室52中没有足够液体的情况下激活一个或多个加热器，从而降低加热器过热或烧坏的风险。
此外，可以从场水化系统(未示出)向每个负电解质室50和正电解质室52提供一个或多个入口连接。以这种方式，场水化系统可以促进氧化还原液流电池系统10的调试，包括在最终使用位置处安装、填充和水合氧化还原液流电池系统10。此外，在最终使用位置处调试氧化还原液流电池系统10之前，在将氧化还原液流电池系统10输送到最终使用位置之前，可以在不同于最终使用位置的电池制造设施处对氧化还原液流电池系统10进行干式组装，而无需氧化还原液流电池系统10进行填充和水合。在一个示例中，最终使用位置可以对应于氧化还原液流电池系统10将被安装并且用于现场能量存储的位置。换句话讲，氧化还原液流电池系统10可以被设计为使得一旦在最终使用位置处被安装和水合，氧化还原液流电池系统10的位置可以变得固定，并且氧化还原液流电池系统10不再被视为便携式干燥系统。因此，从终端用户的角度来看，干燥的便携式氧化还原液流电池系统10可以现场交付，之后可以安装、水合和调试氧化还原液流电池系统10。在水合之前，氧化还原液流电池系统10可以被称为干燥的便携式系统，氧化还原液流电池系统10不含或不含水和湿电解质。一旦水合，氧化还原液流电池系统10可以被称为湿的、非便携式系统，氧化还原液流电池系统10包括湿电解质。
进一步如图1所示，主要储存在多腔室电解质储罐110中的电解质溶液可以经由负电解质泵和正电解质泵30和32泵送到整个氧化还原液流电池系统10中。储存在负电解质室50中的电解质可以经由负电解质泵30泵送通过氧化还原液流电池单元18的负极室20侧，并且储存在正电解质室52中的电解质可以经由正电解质泵32泵送通过氧化还原液流电池单元18的正极室22侧。
电解质再平衡反应器80和82可以分别在氧化还原液流电池系统10中的氧化还原液流电池单元18的负侧和正侧处与电解质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以在电池的负侧和正侧与电解质的再循环流动路径串联连接，并且用于冗余(例如，可以在不破坏电池和再平衡操作的情况下维修再平衡反应器)和用于增加再平衡容量，其他再平衡反应器可以并联连接。在一个示例中，电解质再平衡反应器80和82可以分别放置在从负极室20和正极室22到负电解质室50和正电解质室52的回流路径中。在一些示例中，电解质再平衡反应器80和82可以分别被构造为彼此堆叠和/或与MEA堆堆叠的再平衡电池组件80和82，并且流体地耦合(例如，经由公共流体歧管)到MEA 102，MEA 102作为其中的氧化还原液流电池单元18来操作。在某些示例中，电解质再平衡反应器80和82可以经由互锁的电解质分配插入件与相邻MEA 102机械地互锁。
如本文所述，电解质再平衡反应器80和82可用于再平衡由于副反应、离子渗透等而导致的氧化还原液流电池系统10中的电解质电荷失衡。在一个示例中，电解质再平衡反应器80和82可包括滴流床反应器，其中，H2气体和电解质可在填充床中的催化剂表面处接触以进行电解质再平衡反应。在其他示例中，再平衡反应器80和82可包括流通型反应器，其能够接触H2气体和电解质液体，并且在没有填充催化剂床的情况下进行电解质再平衡反应。
在氧化还原液流电池系统10的工作期间，传感器和探针可以监测和控制电解质的化学性质，例如电解质pH、浓度、SOC等。例如，如图1所示，传感器62和60可以被定位成分别监测正电解质室52和负电解质室50处的正电解质和负电解质状况。在另一示例中，传感器62和60可以各自包括一个或多个电解质水平传感器，以分别指示正电解质室52和负电解质室50中的电解质水平。作为另一示例，也在图1中示出的传感器72和70可以分别监测正极室22和负极室20处的正电解质和负电解质状况。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。应当理解的是，可以将传感器定位在整个氧化还原液流电池系统10的其他位置，以监测电解质化学性质和其他性质。
例如，传感器可以定位在外部酸罐(未示出)中以监测外部酸罐的酸体积或pH，其中，来自外部酸罐的酸可以经由外部泵(未示出)供应到氧化还原液流电池系统10，以便减少电解质中的沉淀物形成。可以安装额外的外部罐和传感器以向氧化还原液流电池系统10供应其他添加剂。例如，包括场水化系统的温度、电导率和液位传感器的各种传感器可以将信号传输到控制器88。此外，在氧化还原液流电池系统10的水合期间，控制器88可以向致动器(诸如场水化系统的阀和泵)发送信号。作为示例，传感器信息可以被传输到控制器88，控制器88可以进而致动泵30和32以控制通过氧化还原液流电池单元18的电解质流，或者执行其他控制功能。以这种方式，控制器88可以对传感器和探针中的一个或其组合作出响应。
氧化还原液流电池系统10还可包括H2气体源。在一个示例中，H2气体源可以包括单独的专用氢气储罐。在图1的示例中，H2气体可以储存在集成多腔室电解质储罐110中并且从其供应。集成多腔室电解质储罐110可以向正电解质室52和负电解质室50供应额外的H2气体。集成多腔室电解质储罐110可以交替地向电解质再平衡反应器80和82的入口供应额外的H2气体。作为示例，质量流量计或其他流量控制装置(其可以由控制器88控制)可以调节来自集成多腔室电解质储罐110的H2气体的流量。集成多腔室电解质储罐110可以补充在氧化还原液流电池系统10中产生的H2气体。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气分压下还原反应速率太低时，可以从集成多腔室电解质储罐110供应H2气体，以便重新平衡正电解质和负电解质中的电活性材料的SOC。作为示例，控制器88可以响应于所测量的pH变化或响应于所测量的电解质或电活性材料的SOC变化而从集成多腔室电解质储罐110供应H2气体。
例如，负电解质室50或负极室20的pH的升高可能表明H2气体从氧化还原液流电池系统10泄漏和/或反应速率对于可用的氢气分压太慢，并且控制器88响应于pH的升高可以增加从集成多腔室电解质储罐110到氧化还原液流电池系统10的H2气体供应。作为另一示例，控制器88可响应于pH变化而从集成多腔室电解质储罐110供应H2气体，其中，pH升高超过第一阈值pH或减小低于第二阈值pH。在IFB的情况下，控制器88可以供应额外的H2气体以增加Fe3+离子的还原速率和质子的产生速率，从而降低正电解质的pH。此外，通过从正电解质穿过到负电解质的Fe3+离子的氢还原，或者由于质子浓度梯度和电泳力，通过在正侧产生的穿过到负电解质的质子，可以降低负电解质的pH。以这种方式，可以将负电解质的pH维持在稳定区域内，同时降低Fe3+离子(从正极室22越过)沉淀为Fe(OH)3的风险。
可以实施其他控制方案，用于响应于由其他传感器(例如氧还原电势(ORP)计或光学传感器)检测的电解质pH的变化或电解质SOC的变化而控制来自集成多腔室电解质储罐110的H2气体的供应速率。此外，控制器88的pH或SOC触发动作的变化可以基于在一段时间内测量的变化率或变化。可以基于氧化还原液流电池系统10的时间常数来预先确定或调整变化率的时间段。例如，如果再循环速率高，则可以缩短该时间段，并且可以快速测量浓度的局部变化(例如，由于副反应或气体泄漏)，因为时间常数可能很小。
控制器88还可以基于氧化还原液流电池系统10的操作模式来执行控制方案。例如，控制器88可以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处引起铁预成形(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的电化学性能的操作模式)。也就是说，在系统调节期间，控制器88可以调节氧化还原液流电池系统10的一个或多个操作条件，以在负极26上电镀铁金属，从而在随后的电池循环期间提高电池充电容量(因此，铁金属可以预成形以用于电池循环)。控制器88可以进一步执行如上所述的电解质再平衡，以去除氧化还原液流电池系统10的过量氢气并且降低Fe3+离子浓度。以这种方式，在系统调节期间在负极26处预先形成铁以及运行电解质再平衡可以通过减轻铁电镀损失来增加电池循环期间氧化还原液流电池单元18的总容量。如本文所用，电池循环(也称为“充电循环”)可包括在氧化还原液流电池系统10的充电模式和放电模式之间交替。
应当理解的是，除了传感器60和62以及集成多腔室电解质储罐110之外的所有部件(以及其中所包括的部件)可以被视为包括在功率模块120中。因此，氧化还原液流电池系统10可以被描述为包括流体地耦合到集成多腔室电解质储罐110并且可通信地耦合到传感器60和62的功率模块120。在一些示例中，功率模块120和多腔室电解质储罐110中的每一个可以被包括在单个壳体(未示出)中，使得氧化还原液流电池系统10可以作为单个单元而被包含在单个位置中。还应当理解的是，正电解质、负电解质、传感器60和62、电解质再平衡反应器80和82以及集成多腔室电解质储罐110(以及其中所包括的部件)可以被认为包括在电解质子系统130中。因此，电解质子系统130可以向氧化还原液流电池单元18(以及包括在其中的部件)供应一种或多种电解质。
现在参考图2A，示出了用于氧化还原液流电池系统(诸如图1的氧化还原液流电池系统10)的MEA堆202的分解图200。在示例性实施例中，MEA堆202可包括MEA 204的顺序堆叠，其可作为氧化还原液流电池单元工作。相应地，每个MEA 204可以被构造为能够作为图1的氧化还原液流电池单元18来操作的MEA 102。还提供一组参考轴线201，用于描述所示部件的相对定位以及用于图2A至图5C的视图之间的比较，轴线201指示x轴、y轴和z轴。例如，在本文中限定相对部件定位时，术语“上”和“下”可以分别指代z轴以上位置和z轴以下位置。
在一些示例中，MEA 204可以通过卷对卷工艺来形成。在这样的示例中，由于由卷对卷工艺提供的减小的公差堆叠，MEA堆202中的MEA 204的数量可以相对于经由基于模制的电极组件工艺制造的电极组件堆增加。例如，MEA堆202在分解图200中示出为50个MEA204的顺序堆叠。然而，包括在MEA堆202中的MEA 204的数量没有特别限制，并且根据特定应用的性能需求，可以在MEA堆202中包括更多或更少的MEA 204。然而，在一些示例中，相对大量的MEA 204可以包括相应地更大的分流保护(例如，通过增加其中的防分流流动路径的有效长度，诸如下面参考图5A至图5C详细讨论的防分流流动路径)和更大的封装。相应地，在这样的示例中，MEA 204的数量的上限可以取决于归因于过长的防分流流动路径的增加的压降的性能问题(防分流流动路径又可能受到实际封装约束的限制)。
如图所示，每个MEA 204可以包括至少部分地包围MEA 204的各种部件的外壳或壳体210。壳体210可以由具有低导电性的材料组成，诸如塑料或其他聚合物，以便减少不期望的短路事件。例如，壳体210可以由彼此焊接或以其他方式粘附的挤出热塑性片或框架构成(如本文所用，“粘附”可以指两个部件之间的结合)。在一些示例中，挤出的热塑性片或框架可以由选自高密度聚乙烯(HDPE)、聚丙烯和任何前述材料的纤维增强制剂的材料构成(例如，以赋予额外的结构强度)。在其他示例中，可以增加挤出的热塑性片或框架的厚度和纤维增强程度中的每一个以相应地增加挤出的热塑性片或框架的刚度或结构强度(例如，对于外部承载片或框架，诸如下面参考图2B和图3详细描述的上导电片260和/或下导电片290)。类似地，在一些情况下，可以减小挤出的热塑性片或框架的厚度和纤维增强程度中的每一个以相应地增加挤出的热塑性片或框架的柔性(例如，对于内部片，诸如下面参考图2B和图3详细描述的膜片270)。
挤出的热塑性片或框架可以可逆地膨胀，使得当MEA 204作为氧化还原液流电池单元操作时，形成内部体积的隔室、室或其他腔可以从基础构造膨胀或充气到充气构造。当MEA 204不作为氧化还原液流电池单元工作时，MEA 204也可以从充气构造收缩或放气回到基础构造。在一些示例中，形成壳体210的挤出的热塑性片或框架可以彼此粘附并且粘附到其他部件，使得MEA 204的内部体积(诸如下面参考图3详细描述的内部体积310)在壳体210，除了多个电解质端口(下面详细描述)之外的膨胀或充气期间被气密地密封。
例如，每个MEA 204的导电片可以被焊接到或以其他方式粘附到壳体210的相对侧212a和212b，导电片密封围绕壳体210的周边设置在壳体210内的上开口和下开口(诸如下面参考图2B详细描述的中心开口265和295)。在一个示例中，导电片可以围绕壳体210的周边气密地密封设置在壳体210内的上开口和下开口，以便防止电解质在该处泄漏。导电片可以由导电材料构成，该导电材料可以为壳体210提供额外的结构稳定性，例如碳纤维，并且可以电耦合到氧化还原液流电池系统的端。在分解图200中，仅一些MEA 204的上导电片260是可见的，其定位在相应MEA 204的壳体210的(上)侧212a上；然而，下导电片可以包括在相应MEA 204的壳体210的(下)侧212b上(诸如下面参考图2B和图3详细描述的下导电片290)。此外，所有MEA 204可以在其相应侧212a上包括相应的上导电片260(无论在分解图200中是否可见)。
每个MEA 204的导电片可以分别形成形成MEA 204的内部体积的隔室、室或其他腔的侧。例如，每个MEA 204的上导电片260可以形成对应的正极室(诸如下面参考图3详细描述的正极室312)的一侧，并且每个MEA 204的下导电片(在图2A中未示出；参见图2B和图3)可以形成对应的负极室(诸如下面参考图3详细描述的负极室314)的一侧。此外，在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间，可以经由导电片电耦合的氧化还原液流电池系统的端(诸如上面关于图1详细描述的端40和42)跨导电片施加电流。以这种方式，导电片可以与MEA 204的内部体积流体连通和电连通(例如，与内部体积中的液体或其他流体，诸如与导电片接触的正电解质和负电解质)。
在一些示例中，相邻的MEA 204对的相应导电片可以彼此共面接触。作为示例，MEA堆202的上端214a处(例如，沿着z轴的最高值处)的MEA 204的下导电片可以与相邻MEA 204的上导电片260(例如，沿着z轴在负方向上最近的MEA 204)共面接触。作为另一示例，在MEA堆202的下端214b处(例如，在沿着z轴的最低值处)的MEA 204的上导电片260可以与相邻MEA 204的下导电片(例如，在沿着z轴的正方向上最近的MEA 204)共面接触。作为又一示例，对于在MEA堆202的上端214a处的MEA 204和在MEA堆202的下端214b处的MEA 204之间的每个给定的MEA 204，给定的MEA 204的下导电片可以与相邻MEA 204的上导电片260共面接触(例如，在沿着z轴的正方向上最近的MEA 204)，并且给定的MEA 204的上导电片260可以与另一相邻MEA 204的下导电片共面接触(例如，在沿着z轴的负方向上最近的MEA 204)。
在一些示例中，当MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作时(例如，当每个MEA204的壳体210可以膨胀或充气，使得相邻的MEA 204对的相应导电片彼此压靠时)，相邻的MEA 204对的相应导电片可以仅彼此共面接触。相应地，在这样的示例中，当MEA 204不作为氧化还原液流电池单元工作时(例如，当每个MEA 204的壳体210可以收缩或放气时，使得相邻的MEA 204对的相应导电片不彼此压靠并且其间存在空间)，相邻的MEA 204对的相应导电片可以不彼此共面接触。在另外的或可替代的示例中，当MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作时相邻的MEA 204对之间的电接触电阻可以低于当MEA 204不作为氧化还原液流电池单元工作时相邻的MEA 204对之间的电接触电阻(例如，因为相邻的MEA 204对的相应导电片可以在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间彼此压靠)。相应地，彼此物理接触并且其间具有相对低的电接触电阻的相邻MEA 204的导电片可以串联地导电。
每个给定的MEA 204可以包括通过对齐给定的MEA 204的每个挤出的热塑性片或框架中的开口而形成的一个或多个电解质端口。例如，在分解图200中，每个MEA 204可以包括流体地耦合到内部体积的第一正电解质端口206a、第二正电解质端口206b、第一负电解质端口208a和第二负电解质端口208b中的每一个。在一个示例中，第一正电解质端口206a和第二正电解质端口206b中的每一个可以流体地耦合到正极室(例如，经由形成在两个挤出的热塑性片或框架之间的相应正电解质通道，如下面参考图5C所详细讨论的)，并且第一负电解质端口208a和第二负电解质端口208b中的每一个可以流体地耦合到负极室(例如，经由形成在两个挤出的热塑性片或框架之间的相应负电解质通道，如下面参考图5C所详细讨论的)。
在一些示例中，第一正电解质端口206a和第二正电解质端口206b中的一个可以用作正电解质入口，而第一正电解质端口206a和第二正电解质端口206b中的另一个可以用作正电解质出口，其中，正电解质可以经由正电解质入口进入给定的MEA 204，流过给定的MEA204的正极室，并且经由正电解质出口离开给定的MEA 204。类似地，在一些示例中，第一负电解质端口208a和第二负电解质端口208b中的一个可以用作负电解质入口，而第一负电解质端口208a和第二负电解质端口208b中的另一个可以用作负电解质出口，其中，负电解质可以经由负电解质入口进入给定的MEA 204，流过给定的MEA 204的负极室，并且经由负电解质出口离开给定的MEA 204。
每个MEA 204的一个或多个电解质端口可以对齐以分别形成将每个MEA 204(例如，每个MEA 204的内部体积)彼此流体地耦合的一个或多个电解质歧管。例如，在分解图200中，可以通过沿着z轴对齐MEA 204的每个第一正电解质端口206a来形成第一正电解质歧管216a，可以通过沿着z轴对齐MEA 204的每个第二正电解质端口206b来形成第二正电解质歧管216b，可以通过沿着z轴对齐MEA 204的每个第一负电解质端口208a来形成第一负电解质歧管218a，并且可以通过沿着z轴对齐MEA 204的每个第二负电解质端口208b来形成第二负电解质歧管218b。在一些示例中，第一正电解质歧管216a和第二正电解质歧管216b中的一个可以用作正电解质入口歧管，而第一正电解质歧管216a和第二正电解质歧管216b中的另一个可以用作正电解质出口歧管，其中，正电解质可以经由正电解质入口歧管进入MEA堆202，流过每个MEA 204的正极室，并且经由正电解质出口歧管离开MEA堆202。类似地，在一些示例中，第一负电解质歧管218a和第二负电解质歧管218b中的一个可以用作负电解质入口歧管，而第一负电解质歧管218a和第二负电解质歧管218b中的另一个可以用作负电解质出口歧管，其中，负电解质可以经由负电解质入口歧管进入MEA堆202，流过每个MEA 204的负极室，并且经由负电解质出口歧管离开MEA堆202。
在一些示例中，并且如下面参考图2B和图4A至图4C所详细讨论的，第一正电解质歧管216a和第二正电解质歧管216b以及第一负电解质歧管218a和第二负电解质歧管218b可以通过机械地互锁分别包括在每个MEA 204的一个或多个电解质端口中的电解质分配插入件来形成。在示例性实施例中，相邻MEA 204对的电解质分配插入件可以彼此机械地互锁，从而气密地密封由其形成的电解质歧管(例如，使得正或负电解质可以在机械地互锁的电解质分配插入件对之间不泄漏)。相应地，通过以这种方式气密地密封电解质歧管，MEA204之间的空间或界面可以是干燥的并且基本上没有正电解质和负电解质。
通过将MEA 204构造为彼此机械地互锁(例如，经由成对的电解质分配插入件)，MEA堆202可以以模块化方式形成，从而可以根据给定应用被添加、移除、替换或代替MEA204。作为示例，如果确定MEA 204劣化，则MEA 204可以与MEA堆202机械地去耦并且用新的(未劣化的)MEA 204来替换。作为另一示例，具有与MEA 204不同的构造的组件可以堆叠在MEA堆202内或上。
例如，氧化还原液流电池系统可以包括与MEA 204布置成顺序堆叠(例如，堆叠在MEA堆202上)的一个或多个再平衡电池组件(例如，其中一个或多个再平衡电池中的至少一些可以独立地被构造为图1的再平衡反应器80、82中的任一个)，其中，一个或多个再平衡电池组件中的至少一个可以经由电解质分配插入件对与MEA 204中的至少一个机械地互锁(从而经由电解质歧管中的至少一个将一个或多个再平衡电池组件流体地耦合到MEA堆202)。例如，在给定再平衡电池组件的一侧上，给定再平衡电池组件的电解质分配插入件可以与相邻MEA 204(或相邻再平衡电池组件)的相应电解质分配插入件机械地互锁。在给定再平衡电池组件的相对侧上，给定再平衡电池组件的电解质分配插入件可以与另一相邻再平衡电池组件的相应电解质分配插入件机械地互锁(或者给定再平衡电池组件的相对侧上的电解质分配插入件可以直接流体地耦合，例如，没有中间再平衡电池组件，与氧化还原液流电池系统的电解质子系统耦合)。
相应地，在一些示例中，一个或多个再平衡电池组件可以堆叠在与MEA堆202分离的再平衡电池组件子堆中，使得一个或多个再平衡电池组件中的仅一个(例如，在再平衡电池组件子堆的下端或上端处)可以与仅一个MEA 204(例如，在MEA堆202的上端或下端处)机械地互锁。以这种方式将一个或多个再平衡电池组件定位成紧邻MEA堆202可能是有利的，因为可以通过避免MEA堆202与一个或多个再平衡电池组件之间的长的电解质流动路径来快速地再稳定或维持在操作pH水平下可能不稳定的电解质中的副反应。MEA堆202的MEA204可以以对于一个或多个再平衡电池组件而言不切实际的水平来驱动相对大的电流从其穿过。相应地，在示例性实施例中，一个或多个再平衡电池可以与MEA堆202电去耦，同时保持流体地耦合到MEA堆202(例如，在MEA堆202的上端或下端处)。
在某些示例中，一个或多个再平衡电池组件可以不直接机械耦合到MEA堆202(例如，氧化还原液流电池系统的管道和/或其他部件可以定位在一个或多个再平衡电池组件和MEA堆202之间)，使得一个或多个再平衡电池组件可以与MEA堆202分开封装。在这样的示例中，与其中一个或多个再平衡电池组件经由成对的电解质分配插入件与MEA堆202机械地互锁的示例相比，可以实施额外的硬件(例如，管道、容纳过量流体压力的压力板等)并且可以利用更大的占地空间。
现在参考图2B，示出了描述MEA 204的分解图250。在示例性实施例中，MEA 204可以是图2A的MEA堆202的MEA 204中的一个。相应地，在一些示例中，MEA 204可以作为氧化还原液流电池系统中的氧化还原液流电池单元来操作。
MEA 204可以包括由彼此焊接或以其他方式粘附的一个或多个挤出的热塑性片或框架而形成的壳体(例如，图2A的壳体210)。在一些示例中，一个或多个挤出的热塑性片或框架可以包括上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292。在这样的示例中，上热塑性框架262可以被焊接到或以其他方式粘附到中热塑性框架272以形成正极室(如下面参考图3所详细描述的)。类似地，在这样的示例中，下热塑性框架292可以被焊接到或以其他方式粘附到中热塑性框架272以形成负极室(如下面参考图3所详细描述的)。
一个或多个挤出的热塑性片或框架中的每一个可以包括设置在其中，并且沿着z轴延伸穿过其中的一个或多个开口。例如，并且如分解图250所示，上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292可以分别包括中心开口265、275和295。中心开口265、275和295被示出为具有矩形形状(例如，在垂直于z轴的平面中)。然而，应当理解的是，根据给定应用的需要，中心开口265、275和295中的每一个的形状可以独立地被构造成其他多边形形状或圆形、椭圆形或不规则形状。此外，尽管中心开口265、275和295在分解图250中示出为具有基本上相等的尺寸，但是在其他示例中，中心开口265、275和295的尺寸可以变化。
在一些示例中，每个中心开口265、275和295中可以通过对应的片围绕其相应的周边密封。作为示例，上导电片260可以被焊接到或以其他方式粘附到上热塑性框架262，使得中心开口265可以围绕其周边密封(例如，气密地密封)。作为另一示例，下导电片290可以被焊接到或以其他方式粘附到下热塑性框架292，使得中心开口295可以围绕其周边密封(例如，气密地密封)。在一些示例中，上导电片260和下导电片290中的每一个可以对应于相同的结构构造和组成(尽管上导电片260和下导电片290的相对定位可以彼此不同)。相应地，在这样的示例中，上导电片260及下导电片290中的每一个可包含上文参考图2A所描述的每个结构及组成特征。例如，每个上导电片260和下导电片290可以由碳纤维构成。
作为又一示例，膜片270可以被焊接到或以其他方式粘附到中热塑性框架272，使得中心开口275可以围绕其周边密封(例如，气密地密封)。在这样做时，膜片270可以将MEA204的内部体积二等分，以便形成正极室和负极室。相应地，膜片270可以定位在正极室和负极室之间，形成每个正极室和负极室的侧面。膜片270可以由电绝缘离子传导屏障(例如，离子交换膜屏障、微孔膜、柔性多孔陶瓷隔膜等，可选地涂覆有NafionTM以减轻流体渗透)组成，该电绝缘离子传导屏障防止正电解质和负电解质的大量混合，同时允许特定离子通过其传导。可以进一步选择电绝缘离子传导屏障以承受在膜片270粘附到中热塑性框架272期间所承受的结合力和温度。
上导电片260、膜片270和下导电片290中的每一个的最小尺寸可以垂直于z轴，并且上导电片260、膜片270和下导电片290中的每一个在垂直于z轴的平面上的正投影可以分别具有类似于并且略大于中心开口265、275和295的形状的形状。例如，上导电片260、膜片270和下导电片290中的每一个的正投影的形状可以是矩形的并且分别略大于中心开口265、275和295的矩形形状。然而，应当理解的是，上导电片260、膜片270和下导电片290中的每一个的正投影的形状可以根据给定应用的需要独立地被构造为其他多边形形状或圆形、椭圆形或不规则形状(例如，分别符合非矩形中心开口265、275或295)。此外，尽管在分解图250中上导电片260、膜片270和下导电片290被示出为具有基本上相等的尺寸，但是在其他示例中，上导电片260、膜片270和下导电片290的尺寸可以变化。
如分解图250中进一步所示，上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292中的每一个还可以包括设置在其中，并且沿着z轴延伸穿过其中的一个或多个端口开口。在一个示例中，上热塑性框架262可以包括第一正电解质端口开口266a、第二正电解质端口开口266b、第一负电解质端口开口268a和第二负电解质端口开口268b。中热塑性框架272可以包括第一正电解质端口开口276a、第二正电解质端口开口276b、第一负电解质端口开口278a和第二负电解质端口开口278b。下热塑性框架292可以包括第一正电解质端口开口296a、第二正电解质端口开口296b、第一负电解质端口开口298a和第二负电解质端口开口298b。
上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292可以沿着z轴对齐，使得上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292中的每一个中的一个或多个端口开口可以分别形成一个或多个电解质端口。在一个示例中，第一正电解质端口开口266a、276a和296a可以对齐以形成第一正电解质端口(例如，图2A的第一正电解质端口206a)，第二正电解质端口开口266b、276b和296b可以对齐以形成第二正电解质端口(例如，图2A的第二正电解质端口206b)，第一负电解质端口开口268a、278a和298a可以对齐以形成第一负电解质端口(例如，图2A的第一负电解质端口208a)，并且第二负电解质端口开口268b、278b和298b可以对齐以形成第二负电解质端口(例如，图2A的第二负电解质端口208b)。
端口开口被示出为具有圆形形状(例如，在垂直于z轴的平面中)。然而，应当理解的是，每个端口开口的形状可以根据给定应用的需要独立地被构造成椭圆形、多边形或不规则形状。此外，尽管在分解图250中端口开口被示出为具有基本上相等的尺寸，但是在其他示例中，端口开口的尺寸可以变化。在一些示例中，并且如分解图250中所示，每个端口开口(例如，266a、266b、268a、268b、276a、276b、278a、278b、296a、296b、298a、298b)的尺寸可以小于中心开口265、275和295中的每个。
如分解图250中进一步所示，电解质分配插入件282可以分别定位在相邻挤出的热塑性片或框架的端口开口之间，电解质分配插入件282通过相邻挤出的热塑性片或框架彼此粘附而保持就位。在一个示例中，电解质分配插入件282的至少一部分可以定位在上热塑性框架262和中热塑性框架272之间。例如，电解质分配插入件282中的一个可以定位在第一负电解质端口开口268a、278a之间，并且电解质分配插入件282中的另一个可以定位在第二负电解质端口开口268b、278b之间。类似地，在附加或可替代示例中，电解质分配插入件282的至少一部分可以定位在中热塑性框架272和下热塑性框架292之间。例如，电解质分配插入件282中的一个可以定位在第一正电解质端口开口276a、296a之间，并且电解质分配插入件282中的另一个可以定位在第二正电解质端口开口276b、296b之间。
每个给定的电解质分配插入件282可以围绕两个端口开口周向地设置，给定的电解质分配插入件282定位在两个端口开口之间。例如，当端口开口具有圆形形状时，电解质分配插入件可以相应地是环形的。以这种方式，每个电解质分配插入件282可以围绕电解质端口中的所对应的一个。
如下面参考图4A-4C更详细描述的，多个电解质通道可以围绕每个电解质分配插入件282的圆周设置，将电解质端口流体地耦合到MEA 204的电解质通道。在正电解质或负电解质经由相应的正电解质端口或负电解质端口流入MEA 204时，正电解质或负电解质可以经由多个电解质通道均匀地分布到相应的正电解质通道或负电解质通道中。以这种方式，正电解质和负电解质可以经由每个电解质分配插入件282的多个通道进入和离开MEA204的内部体积。
如下面参考图5A-5C所更详细描述的，每个正电解质端口可以流体地耦合到形成在中热塑性框架272和下热塑性框架292之间的相应正电解质通道，并且每个负电解质端口可以流体地耦合到形成在上热塑性框架262和中热塑性框架272之间的相应负电解质通道。在一个示例中，形成在中热塑性框架272中的上凹陷274a、274b与下热塑性框架292的上表面组合可以形成正电解质通道。如进一步所示，形成在上热塑性框架262中的上凹陷264a、264b可以分别接收上凹陷274a、274b。类似地，在一个示例中，形成在中热塑性框架中的下凹陷284a、284b与上热塑性框架262的下表面组合可以形成负电解质通道。如进一步所示，形成在下热塑性框架292中的下凹陷294a、294b可以分别接收下凹陷284a、284b。
现在参考图3，示出了图2B的MEA 204的示意性截面图300。在示例性实施例中，MEA204可包括壳体210，壳体210至少部分地封闭至少被分割成正极室312和负极室314的内部体积310。正极室312和负极室314可以由集成膜(例如，膜片270)分开，这可以允许正极室312和负极室314之间的离子移动。此外，MEA 204可以流体地耦合到电解质子系统，该电解质子系统可以使正电解质322和负电解质324分别循环通过正极室312和负极室314(例如，经由泵送)。以这种方式，MEA 204可以作为氧化还原液流电池系统中的氧化还原液流电池单元来操作。
如示意性截面图300所示，上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292可以至少沿着其相应周边彼此焊接或以其他方式粘附。在一个示例中，上热塑性框架262可以沿着其相应周边在粘附区域330a处被焊接到或以其他方式粘附到中热塑性框架272，并且中热塑性框架272可以沿着其相应周边在粘附区域330a处被焊接到或以其他方式粘附到下热塑性框架292。如示意性截面图300中进一步所示，上热塑性框架262和下热塑性框架292中的每一个可以从其相应周边(例如，从粘附区域330a)沿着z轴在彼此相反的方向上延伸离开。相应地，正极室312可以形成在上热塑性框架262和中热塑性框架272之间，并且负极室314可以形成在中热塑性框架272和下热塑性框架292之间。在一些示例中，正极室312的相对侧可以至少部分地由上导电片260(例如，在粘附区域330b处被焊接到或以其他方式粘附到上热塑性框架262)和膜片270(例如，在粘附区域330c处被焊接到或以其他方式粘附到中热塑性框架272)形成。类似地，在一些示例中，负极室314的相对侧可以至少部分地由膜片270(例如，在粘附区域330c处焊接或粘附到中热塑性框架272)和下导电片290(例如，在粘附区域330d处焊接或粘附到下热塑性框架292)形成。
上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292可以焊接或以其他方式彼此粘附，并且以各种方式粘附到上导电片260、膜片270和下导电片290，使得正极室312和负极室314在该处被气密地密封。相应地，粘附区域330a的宽度332a、粘附区域330b的宽度332b、粘附区域330c的宽度332c和粘附区域330d的宽度332d中的每一个可以至少是最小宽度，该最小宽度被指定为确保在预期力的范围(例如，直到MEA的内部压力可以预期为最高值时)、组成和整体结构构造下在MEA作为氧化还原液流电池单元的工作期间的气密密封。例如，宽度332a、332b、332c和332d中的每一个可以是至少3mm。然而，可以根据MEA 204的具体结构和组成考虑来选择其他最小宽度值。附加地或可替代地，宽度332a、332b、332c和332d中的每一个可以略大于最小宽度，以考虑在极端操作条件下(例如，相对高的温度、与在低pH状态下和在再平衡操作之前的氧化还原液流电池系统的初始充电期间的过量氢气产生相关的相对高的压力等)MEA 204的过高内部压力。例如，宽度332a、332b、332c和332d中的每一个可以高达1cm。
在一些示例中，上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292可以仅焊接到彼此并且以各种方式焊接到上导电片260、膜片270和下导电片290，使得在MEA 204的部件之间不包括胶水或其他粘合剂。以这种方式，因为可以消除相对昂贵的粘合剂，因此在制造MEA 204期间可以进一步降低成本。
当MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作时，MEA 204可以从基本(放气)构造膨胀或充气到充气构造。例如，壳体210可以沿着z轴的正方向和负方向向外膨胀(如双向虚线320所示)，使得上导电片260、膜片270和下导电片290中的一个或多个可以相对于其初始位置沿着z轴偏移。在一个示例中，壳体210沿着z轴的正方向和负方向的向外膨胀可以基本上均匀地分布在上热塑性框架262和下热塑性框架292的暴露于围绕MEA 204的外部环境的部分上[除了粘附区域(例如，330a)之外，其中，壳体210可以是柔性较小的并且相应地可膨胀较小或基本上不可膨胀的]。因此，内部体积310(例如，正极室312和负极室314中的每一个)可以响应于内部体积310内的流体压力而随着正电解质322和负电解质324循环通过而从第一体积膨胀或充气到第二体积。壳体210沿x轴和y轴的收缩/膨胀实际上可以忽略不计。例如，尽管在沿z轴的膨胀期间壳体被拉紧(例如，在粘附区域330a处)时可能导致沿x轴和y轴的相对小的收缩，但是对于氧化还原液流电池系统的实际操作，这种收缩可以被认为是无关紧要的。
相应地，当MEA 204不作为氧化还原液流电池单元工作时，MEA 204可以从充气构造收缩或放气到基本(放气)构造。例如，壳体210可以沿着z轴的正方向和负方向向内收缩(与由双向虚线320指示的向外膨胀相反)，使得上导电片260、膜片270和下导电片290中的一个或多个可以相对于返回到其初始位置沿着z轴偏移。在一个示例中，壳体210沿着z轴的正方向和负方向的向内收缩可以基本上均匀地分布在上热塑性框架262和下热塑性框架292的暴露于围绕MEA 204的外部环境的部分上[除了粘附区域(例如，330a)之外，其中，壳体210可以更刚性并且相应地更不可收缩或基本上不可收缩]。因此，当正电解质322和负电解质324减少或停止通过其中的循环时，内部体积310(例如，正极室312和负极室314中的每一个)可以响应于内部体积310内的流体压力从第二流体压力下降到第一流体压力而从第二体积收缩或放气到第一体积。
在一些示例中，内部体积310可以通过沿着z轴的物理约束保持低于最大体积，例如，当内部体积310膨胀到第二体积时，内部体积被定位成处于共面接触。作为示例，并且现在参考图2A，物理约束可以包括沿着z轴将MEA 204夹在其间的一对相邻MEA 204(例如，当MEA 204定位在MEA堆202的中间时，与其上端214a和下端214b相反)。作为另一示例，物理约束可以包括相邻的MEA 204和压力板(例如，当MEA 204定位在MEA堆202的上端214a或MEA堆202的下端214b处时)。在这样的示例中，上压力板可以定位成在MEA堆202的上端214a处与MEA 204共面接触，并且下压力板可以定位成在MEA堆202的下端214b处与MEA 204共面接触，使得上压力板和下压力板可以约束沿着整个MEA堆202的沿z轴的膨胀。在其中一个或多个再平衡电池组件堆叠在MEA堆202上的可替代示例中，一个或多个再平衡电池组件可以定位在MEA堆202的上端214a处的上压力板和MEA 204之间，或者定位在MEA堆202的下端214b处的下压力板和MEA 204之间。
现在参考图3，在一些示例中，到MEA 204的电解质流可以是可控制地可调节的(例如，基于在图1的控制器88处执行的指令)，使得施加在其中的流体压力可以承受到最大流体压力，而不会使部件劣化或部件对之间的气密密封破裂。在一个示例中，可以独立地调节正电解质322和负电解质324中的每一个的流速，以便维持其间的流体压力差小于最大流体压力。可以选择最大流体压力以防止横跨膜片270的液压渗透。这种液压渗透可能不期望地阻碍MEA 204的电化学性能和寿命。在一个示例中，最大流体压力可以是10kPa。
在附加或可替代示例中，收缩特征(例如，可调节隔膜)可以沿着正电解质322和/或负电解质324的流动路径来定位，以动态地限制电解质流。例如，收缩特征可以在内部体积310的膨胀和收缩期间(例如，在氧化还原液流电池系统的各种操作模式期间)被动地控制电解质流，以便平衡和维持正电解质322和负电解质324之间的压差，从而使得膜片270可以选自可以包括或可以不包括流体渗透缓解特征(例如，NafionTM涂层)的更宽范围的组合物。在这样的示例中，膜片270可以在没有任何附加涂层(例如，类似于静态系统，诸如也可以使用未涂覆膜的铅酸电池)的情况下形成，这可以降低MEA 204的整体制造成本，同时基本上保持氧化还原液流电池系统的电化学性能。
可以进一步选择上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292的相应厚度342、344和346以向壳体210提供结构稳定性和强度。在一些示例中，中热塑性框架272的厚度344可以小于上热塑性框架262的厚度342和下热塑性框架292的厚度346中的每一个，因为上热塑性框架262和下热塑性框架292可以构成壳体210的更大比例的外表面(并且因此，在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间，上热塑性框架262和下热塑性框架292可以比中热塑性框架272经受更大的聚集力)。例如，中热塑性框架272的厚度344可以是至少0.07mm，而每个上热塑性框架262的厚度342和下热塑性框架292的厚度346可以是至少1mm。相应地，在这样的示例中，中热塑性框架272可以比上热塑性框架262和下热塑性框架292更具柔性。
各种部件可定位在正极室312内以促进式(2)的氧化还原反应。例如，并且如示意性截面图300所示，正极302可以定位在上导电片260和膜片270之间的正电解质322中。在一些示例中，正极302可以由毡(诸如碳毡)构成，当在氧化还原液流电池系统的充电期间与正电解质322接触时，该毡可以有助于Fe2+的氧化，并且当在氧化还原液流电池系统的放电期间与正电解质322接触时，该毡可以有助于Fe3+的还原。
类似地，各种部件可以定位在负极室314内以促进式(1)的电镀反应。例如，并且如示意性截面图300所示，负极隔板304可以定位在膜片270和下导电片290之间的负电解质324中。在一些示例中，负极隔板304可以由非导电网格(诸如塑料网)组成，该非导电网格可以限定流动通道(例如，沿着负极的表面，在图3中未示出)以用于负电解质324的分布和从其电镀Fe2+，并且可以进一步用作隔膜以防止膜片270进入下导电片290的阈值附近(在某些示例中，这可能导致电短路)。在一些示例中，下导电片290的面向沿着z轴的正方向的面(例如，在氧化还原液流电池系统的工作期间与负电解质324流体接触)可以被纹理化以增加可能发生化学反应(例如，式(1)的电镀反应)的表面积。
在附加的或可替代的示例中，非导电毡条可以定位在负极室314中，例如，在负电解质324的入口处或附近，以用于经由在进入负极室314的负电解质324中产生相对少量的流体背压(并由此产生压降)来进一步改善负电解质324的流动分布。在这样的示例中，非导电毡条沿着y轴的长度可以基本上等于用于Fe0电镀的负极室314内的活性区域沿着y轴的长度(例如，与负电解质324流体接触的下导电片290的部分的长度)，而非导电毡条沿着x轴的宽度可以相对较小(例如，～1cm)。
正极室312和负极室314可分别填充有正电解质322和负电解质324，从而将各种部件分别浸入其中，诸如正极302和负极隔板304。在示例性实施例中，在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间，正电解质322可以循环通过正极室312，使得正极室312的可用体积基本上完全被正电解质322填充。相应地，在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间，正极室312中的流体压力可以增加，从而使壳体210膨胀或充气。类似地，在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间，负电解质324可以循环通过负极室314，使得负极室314的可用体积基本上完全被负电解质324填充。相应地，在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间，负极室314中的流体压力可能增加，从而使壳体210膨胀或充气。
现在参考图4A至图4C，分别示出了描述电解质分配插入件282的示例性构造的立体截面图400和440以及示意性截面图480(图4C的示意性截面图480由图4B的立体截面图440中的由切割线4C-4C限定的分割平面指示)。在示例性实施例中，电解质分配插入件282可以形成为模制塑料环，其包括设置在多个电解质通道分隔件406之间的多个电解质通道408。电解质分配插入件282可以定位在MEA 204的电解质端口内，诸如由分别设置在上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292中的第一负电解质端口开口268a、278a和298a形成的第一负电解质端口208a(如图4A的立体截面图400所示)或由分别设置在上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292中的第一正电解质端口开口266a、276a和296a形成的第一正电解质端口206a(如图4B的立体截面图292所示)。相应地，电解质分配插入件282可以在给定的电解质端口和形成在壳体210的热塑性片之间的电解质通道之间形成流体耦合。
作为示例，电解质分配插入件282可以经由多个电解质通道408将第一负电解质端口208a流体地耦合到负电解质通道414。作为另一示例，电解质分配插入件282可以经由多个电解质通道408将第一正电解质端口206a流体地耦合到正电解质通道412。如下面所详细讨论的，电解质分配插入件282可以彼此机械地互锁，使得可以通过例如沿着z轴堆叠并且经由电解质分配插入件282机械地互锁多个MEA 204来形成公共流体歧管(例如，图2A的第一负电解质歧管218a、图2A的第一正电解质歧管216a等)。以这种方式，正电解质和负电解质(例如，图3的正电解质322和负电解质324；图4A至图4C中未示出)可以经由由包括在每个MEA 204中的一个或多个电解质分配插入件282而形成的公共流体歧管被泵送到MEA 204的堆中并且循环通过MEA 204的堆，MEA 204作为氧化还原液流电池系统中的氧化还原液流电池单元工作。
电解质分配插入件282可以包括分别形成多个电解质通道408的上表面和下表面的上板402和下板404。在一些示例中，电解质分配插入件282可以被模制成使得上板402和下板404具有比电解质分配插入件282定位在其中的电解质端口更大的相应内径403、405。此外，如图4A-4B所示，上板402的内径403可以大于下板的内径405。相应地，在一些示例中，在将电解质分配插入件282定位在壳体210的给定对的热塑性片之间并且将给定对的热塑性片彼此焊接时，电解质分配插入件282可以密封地固定在给定的电解质端口处的位置。
在一些示例中，并且如分别在图4A和图4B的立体截面图400和440中所示，电解质分配插入件282可以在粘附区域430处被焊接到或以其他方式粘附到壳体210。在一个示例中(例如，当电解质分配插入件282定位在负电解质端口中的一个(诸如第一负电解质端口208a)时，上板402可以在围绕电解质分配插入件282的圆周延伸的粘附区域430中的一个粘附区域处被焊接到或以其他方式粘附到上热塑性框架262，以便在该处形成气密密封，并且下板404可以在围绕电解质分配插入件282的圆周延伸的粘附区域430中的另一个粘附区域处被焊接到或以其他方式粘附到中热塑性框架272，以便在该处形成气密密封。类似地，在一个示例中(例如，当电解质分配插入件282定位在正电解质端口中的一个处，诸如第一正电解质端口206a时)，上板402可以在围绕电解质分配插入件282的圆周延伸的粘附区域430中的一个粘附区域处被焊接到或以其他方式粘附到中热塑性框架272，以便在该处形成气密密封，并且下板404可以在围绕电解质分配插入件282的圆周延伸的粘附区域430中的另一个粘附区域处被焊接到或以其他方式粘附到下热塑性框架292，以便在该处形成气密密封。
相应地，每个粘附区域430的宽度432(如图4A所示)可至少为指定的最小宽度，以确保在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间(例如，当预期MEA 204的内部压力为最高值时)的气密密封。例如，每个宽度432可以是至少3mm。然而，可以根据MEA 204的具体结构和组成考虑来选择其他最小宽度值。附加地或可替代地，每个宽度432可以稍微大于最小宽度，以考虑在极端操作条件下(例如，相对高的温度、与在低pH条件下和在再平衡操作之前的氧化还原液流电池系统的初始充电期间的过量氢气产生相关的相对高的压力等)MEA 204的过高的内部压力。例如，每个宽度432可以高达1cm。
多个电解质通道分隔件406可以设置在上板402和下板404之间，并且围绕电解质分配插入件282的圆周基本上均匀地间隔开，以便形成多个电解质通道408。相应地，多个电解质通道分隔件406的数量可以等于多个电解质通道408的数量。尽管电解质分配插入件282在视图400、440和480中被示出为具有12个电解质通道分隔件406和12个电解质通道408，但是根据特定应用的性能需求，包括在电解质分配插入件282中的多个电解质通道分隔件406的数量和多个电解质通道408的数量可以没有特别限制，并且可以在电解质分配插入件282中包括更多或更少的电解质通道分隔件406和电解质通道408。
作为一个示例，可以选择多个电解质通道分隔件406的数量和多个电解质通道408的数量，以便允许尽可能多的电解质流，同时保持电解质分配插入件282的结构完整性。多个电解质通道分隔件406和多个电解质通道408中的每一个的尺寸可以取决于类似的考虑，例如，平衡具有结构完整性的电解质流。作为示例，如图4C所示，多个电解质通道分隔件406中的每一个的宽度482(例如，大致平行于电解质分配插入件282的圆周)可以具有特定于电解质分配插入件282的组成的下限，在该下限处可以可靠地保持结构完整性。作为另一示例，如图4C所示，多个电解质通道408中的每一个的宽度484(例如，大致平行于电解质分配插入件282的圆周)可以具有下限，使得可以减轻多个电解质通道408的堵塞。
MEA 204可以经由流体地耦合到氧化还原液流电池系统的电解质子系统的电解质端口接收正电解质和负电解质。通过将电解质分配插入件282密封地固定在相应的电解质端口处，在一些示例中，正电解质和负电解质可以仅经由多个电解质通道408进入MEA 204。作为示例，并且如图4A中的箭头410所示，负电解质可以从第一负电解质端口208a经由多个电解质通道408流入负电解质通道414。作为另一个示例，并且如图4B中的箭头450所示，正电解质可以从第一正电解质端口206a经由多个电解质通道408流入正电解质通道412。
电解质分配插入件282可以包括上凸缘416和下凸缘418，用于将电解质分配插入件282与其他电解质分配插入件282机械地互锁。在一个示例中，一对电解质分配插入件282的上凸缘416和下凸缘418可以在互锁界面或区域452处彼此配合地接合，例如成形为彼此配合，如图4B所示，使得一对电解质分配插入件282彼此机械地互锁。作为示例，一对电解质分配插入件282中的一个电解质分配插入件282的下凸缘418可以在互锁界面或区域452处配合地接合一对电解质分配插入件282中的另一个电解质分配插入件282的上凸缘416。换句话说，第一电解质分配插入件的下凸缘418可以沿着z轴向下滑动到直接定位在第一电解质分配插入件正下方的第二电解质分配插入件282的上凸缘416中，并且紧密地装配在上凸缘416的内径403内。
作为另一个示例，并且如图4B的立体截面图440所示，一对电解质分配插入件282中的一个电解质分配插入件282的上凸缘416可以在互锁界面或区域452处配合地接合一对电解质分配插入件282中的另一个电解质分配插入件282的下凸缘418。应当理解的是，在一些示例中，被示出为与定位在第一正电解质端口206a中的电解质分配插入件282机械地互锁的电解质分配插入件282可以定位在另一MEA 204的电解质端口中(图4B中未示出)。以这种方式，电解质分配插入件282可以被构造为经由上凸缘416和下凸缘418机械地互锁，从而机械地和流体地耦合相邻的一对MEA 204(例如，在MEA堆中，诸如图2A的MEA堆202)。
现在参考图5A-5C，分别示出了图2A的MEA 204之一的立体截面图500和540，以及描绘正电解质通道412和负电解质通道414的示例性构造的示意性俯视图580。图5B的立体截面图540是图5A中指示的区域501的详细视图。在示例性实施例中，正电解质通道412和负电解质通道414可以形成在壳体210的相邻的热塑性片之间，经由防分流流动路径将电解质端口206a、206b、208a和208b流体地耦合到正极室和负极室(例如，图3的正极室和负极室312、314；图5A至图5C中未示出)。
例如，如图5B所示，正电解质通道412可以形成在下热塑性框架292的上表面297a和中热塑性框架272的上凹陷(例如，上凹陷274a)之间，并且负电解质通道414可以形成在上热塑性框架262的下表面267b和中热塑性框架272的下凹陷(例如，下凹陷284a)之间。相应地，正电解质通道412可以从上热塑性框架262的上表面267a向外挤出(例如，沿着z轴的正方向)，并且负电解质通道414可以从下热塑性框架292的下表面297b向外挤出(例如，沿着z轴的负方向)。
正电解质通道412和负电解质通道414可以沿着粘附区域530处形成的正电解质通道412和负电解质通道414的热塑性片的界面被气密地密封，使得正电解质和负电解质(例如，图3的正电解质322和负电解质324；图5A至图5C中未示出)可以仅经由电解质端口206a、206b、208a和208b以及正电极隔室和负电极隔室进入和离开正电解质通道412和负电解质通道414。以这种方式，当MEA 204作为氧化还原液流电池系统中的氧化还原液流电池单元工作时，正电解质可以经由第一正电解质端口206a和第二正电解质端口206b中的一个进入MEA 204，沿着正电解质通道412中的一个流动到正极室，并且从其沿着正电解质通道412中的另一个流动，以经由第一正电解质端口206a和第二正电解质端口206b中的另一个离开MEA 204。类似地，当MEA 204作为氧化还原液流电池系统中的氧化还原液流电池单元工作时，负电解质可以经由第一负电解质端口208a和第二负电解质端口208b中的一个进入MEA204，沿着负电解质通道414中的一个流动到负极室，并且从其沿着负电解质通道414中的另一个流动，以经由第一负电解质端口208a和第二负电解质端口208b中的另一个离开MEA204。
由于MEA 204的模块性(例如，容易的机械/流体耦合/彼此分离)，可以根据需要通过从氧化还原液流电池系统(例如，从MEA堆，诸如图2A的MEA堆202)移除和替换MEA 204来容易地修改正电解质通道412和负电解质通道414的整体构造的方面(例如，防分流流动路径的形状、包括在MEA 204中的正电解质通道412和负电解质通道414的数量等)。例如，尽管正电解质通道412和负电解质通道414在视图500、540和580中被描绘为具有带两个弯曲部的防分流流动路径，但是可以根据特定应用的性能需求来选择其他流动路径构造，包括更短、更直接的流动路径(例如，具有一个弯曲部或没有弯曲部)或更长、更不直接的流动路径(例如，具有多于两个弯曲部)。
例如，减少每个防分流流动路径中的弯曲部的数量可以相应地减少正电解质和负电解质(例如，正电解质322和负电解质324；图5A至图5C中未示出)的背压，从而减少氧化还原液流电池系统的电解质泵(例如，图1的负电解质泵30和正电解质泵32；图5A至图5C中未示出)处的寄生功耗。然而，每个防分流流动路径中的弯曲部的数量可以选择得足够大，以在给定的MEA 204的封装约束下实现给定防分流流动路径的最小长度。这种分流保护考虑可以随着包括在MEA堆202中的MEA 204的总数量的减少而减少，使得在某些示例中，每个防分流流动路径的最小长度可以相应地减少，并且在其中，可以包括更少的弯曲部或不包括弯曲部。
此外，尽管MEA 204在视图500、540和580中被示出为具有两个正电解质通道412和两个负电解质通道414，但是正电解质通道412的数量和负电解质通道414的数量没有特别限制，只要至少两个正电解质通道412被提供用于正电解质的相应入口和出口，并且至少两个负电解质通道414被提供用于负电解质的相应入口和出口，并且根据特定应用的性能需求，更大的正电解质通道412和负电解质通道414可以被包括在MEA 204中。
分别如图5A和图5B的立体截面图500和540所示，上热塑性框架262、中热塑性框架272和下热塑性框架292可以至少在正电解质通道412和负电解质通道414的在由x轴和y轴限定的平面中延伸的密封边缘处彼此焊接或以其他方式粘附。在一个示例中，上热塑性框架262可以被焊接到或以其他方式粘附到中热塑性框架272，并且中热塑性框架272可以在沿着正电解质通道412和负电解质通道414的密封边缘设置的粘附区域530处被焊接到或以其他方式粘附到下热塑性框架292，使得正电解质通道412和负电解质通道414可以在该处被气密地密封。相应地，每个粘附区域530的宽度532可以至少是指定的最小宽度，以确保在MEA 204作为氧化还原液流电池单元工作期间(例如，当预期MEA 204的内部压力是最高值时)的气密密封。例如，每个宽度532可以是至少3mm。然而，可以根据MEA 204的具体结构和组成考虑来选择其他最小宽度值。
附加地或可替代地，每个宽度532可以稍微大于最小宽度，以考虑在极端操作条件下(例如，相对高的温度、与在低pH条件下和在再平衡操作之前的氧化还原液流电池系统的初始充电期间的过量氢气产生相关的相对高的压力等)MEA 204的过量内部压力。例如，每个宽度532可以高达1cm。在附加的或可替代的示例中，每个宽度532可以小于图3的宽度332a、332b、332c、332d中的每一个，因为在MEA的膨胀/收缩期间，相对于图3的粘附区域330a、330b、330c、330d，在粘附区域530处可以维持较低的总力。
在一些示例中，正电解质通道412和负电解质通道414可各自具有在相应电解质通道内彼此串联流体地耦合的不同部分。例如，如图5C所示，正电解质通道412可以由充气室564a(其可以进一步流体地耦合到第一正电解质端口206a和第二正电解质端口206b中的一个)、第一纵向通道部分564b、第一通道弯曲部564c、第二纵向通道部分564d和第二通道弯曲部564e(其可以进一步流体地耦合到正极室，第二通道弯曲部564e与上导电片260部分重叠)的顺序流体耦合地形成。类似地，负电解质通道414可由充气室594a(其可进一步流体地耦合到第一负电解质端口208a和第二负电解质端口208b中的一个)、第一纵向通道部分594b、第一通道弯曲部594c、第二纵向通道部分594d和第二通道弯曲部594e(其可进一步流体地耦合到负极室，第二通道弯曲部594e至少部分地由图2B的下导电片290(图5C中未示出)重叠)的顺序流体耦合地形成。图5C的示意性俯视图580示出了由上凹陷264a、264b包围的正电解质通道412的每个不同部分(以实线描绘)和由下凹陷294a、294b包围的负电解质通道414的每个不同部分(以虚线描绘，位于MEA 204的与示意性俯视图580中可见的特征相对的一侧上)。
在正电解质通道412和负电解质通道414形成在不同部分中的示例中，正电解质和负电解质可以相应地按顺序(例如，从充气室564a或594a到第二通道弯曲部564e或594e)或按相反顺序(例如，从第二通道弯曲部564e或594e到充气室564a或594a)流过不同部分。在一个示例中，并且如图5A中的箭头550所示，正电解质可以经由第一正电解质端口206a进入MEA 204，并且从其流过正电解质通道412中的一个，按顺序经由充气室564a、第一纵向通道部分564b、第一通道弯曲部564c、第二纵向通道部分564d和第二通道弯曲部564e(如图5C所示)而连接到正极室。此外，正电解质可以从正极室通过正电解质通道412中的另一个，按顺序经由第二通道弯曲部564e、第二纵向通道部分564d、第一通道弯曲部564c、第一纵向通道部分564b和充气室564a流到第二正电解质端口206b，以离开MEA 204。
类似地，在一个示例中，并且如图5A中的箭头510所示，负电解质可以经由第一负电解质端口208a进入MEA 204，并且从中流过负电解质通道414中的一个，按顺序经由充气室594a、第一纵向通道部分594b、第一通道弯曲部594c、第二纵向通道部分594d和第二通道弯曲部594e(如图5C所示)到达负极室。此外，负电解质可以从负极室经由负电解质通道414中的另一个，按顺序经由第二通道弯曲部594e、第二纵向通道部分594d、第一通道弯曲部594c、第一纵向通道部分594b和充气室594a流到第二负电解质端口208b，以离开MEA 204。在其他示例中，正电解质和负电解质可以以交叉构造来流过MEA 204(例如，正电解质可以经由第一正电解质端口206a进入MEA 204并且经由第二正电解质端口206b离开MEA 204，并且负电解质可以经由第二负电解质端口208b进入MEA 204并且经由第一负电解质端口208a离开MEA 204，反之亦然)。
现在参考图6，示出了用于通过卷对卷工艺来组装MEA堆、将MEA堆作为氧化还原液流电池进行操作以及测试和诊断MEA堆的方法600的示例的流程图。可以通过卷对卷工艺来组装MEA堆的各个MEA，这可以减少或减轻归因于基于模制的电极组件制造工艺的问题。例如，相对于这种基于模制的电极组件制造工艺，卷对卷工艺可以减小MEA的公差堆叠，降低总成本和占地空间，并且便于替换劣化的、有缺陷的、过时的或过大的制造部件(从而允许制造用于更大规格电池的MEA，这可能受到基于模制的工艺中的模压尺寸限制的限制)。此外，通过采用卷对卷工艺，可以在形成每个MEA的壳体时采用相对柔性的材料，诸如挤出的热塑性片，这可以允许更容易地诊断和再循环每个MEA中包括的劣化组分。以此方式，可通过采用卷对卷工艺而非基于模制的工艺来改进MEA的制造工艺以及最终形成的MEA的操作及测试中的每一个的总体灵活性。
在一些示例中，MEA堆可以在氧化还原液流电池系统中实施并且流体地耦合到其中的电解质子系统，使得正电解质和负电解质可以在其作为氧化还原液流电池进行工作期间循环通过MEA堆。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MEA堆可以是图2A的MEA堆202。相应地，可以参考图1至图5C的实施例来考虑方法600(但是应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，类似的方法可以应用于上述或其他实施例)。例如，利用方法600，至少一些步骤或部分步骤(例如，涉及作为氧化还原液流电池的MEA堆的操作和测试)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合到控制器88的非瞬态存储介质(例如，存储器)处。参考图6描述的其他组件可以是图1至图5C所对应组件的示例。
在602处，方法600包括通过卷对卷工艺按顺序堆叠层以形成MEA(如参考通过卷对卷工艺来形成MEA所使用的，“按顺序堆叠层”可以指定位和/或焊接或以其他方式粘附MEA的各种层、片或部件)。在一个示例中，可以通过焊接或以其他方式粘附多个挤出的热塑性片或框架来形成MEA壳体。导电片可以被焊接到或以其他方式粘附到MEA壳体的外表面，以便流体地和电子地耦合到MEA的内部。膜片可以被焊接到或以其他方式粘附到MEA壳体的内表面，以便将MEA的内部体积分成正极室和负极室，同时允许其间的离子传导。各种电极部件(诸如正极和负极隔板)可以定位在正极室和负极室内。下面参考图7的方法700来描述这种卷对卷工艺的进一步细节。作为一个实施例，图7的方法700可以部分或完全替代602。然而，应了解的是，图7的方法700构成MEA的卷对卷工艺的一个示例性实施例，并且可以在本公开的范围内实施附加的或可替代的卷对卷工艺方法。
在604处，方法600包括对MEA进行气动压力测试。气动压力测试可以包括诊断MEA的气密密封件中是否存在任何泄漏或者气密密封件是否具有在气动压力测试期间破裂的相对较弱的密封区域。
在606处，方法600包括确定MEA是否通过气动压力测试(例如，是否为用于MEA所生成的通过标志)。如果确定MEA劣化(例如，如果MEA由于存在或形成一个或多个泄漏而未通过气动压力测试)，则方法600进行到608，其中，方法600包括重新密封(例如，点焊或以其他方式重新粘附一个或多个泄漏)或用成功通过气动压力测试(例如，在602、604和606处形成、测试和诊断)的MEA来替换劣化的MEA。如果在608处确定MEA未劣化(例如，如果MEA通过气动压力测试并且确定在其粘附区域处被气密地密封)或者如果劣化的MEA被重新密封或替换，则方法600进行到610，其中，方法600包括将MEA添加到MEA堆。
在一些示例中，MEA堆的每个相应的MEA可以包括带通道的电解质分配插入件，带通道的电解质分配插入件将相应的MEA与相邻的MEA机械地互锁(例如，在MEA堆的上端或下端处)。在这样的示例中，带通道的电解质分配插入件还可以将相应的MEA的内部流体地耦合到MEA堆的流体歧管，从而使得正电解质和负电解质可以分别经由带通道的电解质分配插入件的通道从一个或多个流体歧管进入相应的MEA的内部。
在612处，方法600包括确定最近组装和添加的MEA(例如，在602处组装并且在604处测试并且在606处诊断之后，在610处添加到MEA堆的MEA)是否是待添加到MEA堆的最后一个MEA。如果最近组装和添加的MEA不是要添加到MEA堆的最后一个MEA，则方法600返回到602，其中方法600包括通过卷对卷工艺来组装另一个MEA。
如果最近组装和添加的MEA是要添加到MEA堆的最后一个MEA，则可以认为通过卷对卷工艺而对MEA堆(包括602、604、606、608、610和612)进行的组装完成，并且方法600进行到614，其中，方法600包括在MEA堆不作为氧化还原液流电池进行操作时将测试探针耦合(例如，电耦合)到MEA堆的一个或多个MEA。作为一个示例，当MEA堆中所包括的MEA充分收缩或放气时(例如，在MEA堆作为氧化还原液流电池进行操作之前)，测试探针可以插入MEA堆的相邻MEA对之间和/或MEA堆的上端或下端。在一个示例中，对于被测试的给定的MEA，一个测试探针可以被定位成电耦合到给定的MEA的一侧，而另一个测试探针可以被定位成电耦合到给定的MEA的相对侧。
在616处，方法600包括将MEA堆作为氧化还原液流电池进行操作，同时通过一个或多个流体歧管将正电解质和负电解质分别泵送到MEA堆中。在一些示例中，流体歧管可以将MEA堆的每个MEA彼此流体地耦合，使得在MEA堆作为氧化还原液流电池进行工作期间，正电解质和负电解质可以分布到MEA堆的每个MEA。在附加的或可替代的示例中，在MEA堆作为氧化还原液流电池进行工作期间，正电解质和负电解质可以经由带通道的电解质分配插入件的通道从流体歧管进入MEA堆的每个MEA的内部并且从流体歧管排出(其中一些带通道的电解质分配插入件允许正电解质和负电解质进入MEA堆的MEA的内部，而其他带通道的电解质分配插入件从MEA堆的MEA的内部排出正电解质和负电解质)。
由于形成MEA堆中包括的MEA的壳体的挤出的热塑性片或框架的柔性，当MEA堆作为氧化还原液流电池进行操作时，MEA堆可能膨胀或充气，并且当MEA堆不作为氧化还原液流电池进行操作时，MEA堆可能收缩或放气。在一个示例中，当MEA堆作为氧化还原液流电池进行操作时，MEA堆可以经由第一流体压力(例如，来自通过MEA堆泵送的正电解质和负电解质)膨胀到第一体积，并且当MEA堆不作为氧化还原液流电池进行操作时，MEA堆可以经由第二流体压力(例如，来自具有相对低的流速或基本上静止的正电解质和负电解质)收缩到第二体积，第一体积大于第二体积，并且第一流体压力大于第二流体压力。以这种方式，挤出的热塑性片或框架可以在MEA堆作为氧化还原液流电池进行工作期间，通过允许MEA堆中包括的MEA的内部的相对大的体积变化来提供所增加的柔性。此外，通过增加MEA堆的体积，MEA堆的相邻MEA可以彼此物理接触，使得当MEA堆作为氧化还原液流电池进行操作时，相邻MEA之间(例如，被迫彼此共面接触的相邻MEA的导电片之间)的电接触电阻可以比MEA堆不作为氧化还原液流电池进行操作时更低。
在618处，方法600包括确定是否已经满足一个或多个测试条件。作为一个示例，一个或多个测试条件可以包括自制造或最近测试以来已经过去的作为氧化还原液流电池的MEA堆的操作的预定累积持续时间。如果尚未满足一个或多个测试条件，则方法600进行到620，其中，方法600包括继续将MEA堆为氧化还原液流电池进行操作。相应地，方法600返回到616。
如果已经满足一个或多个测试条件，则方法600进行到622，其中，方法600包括经由测试探针对给定的MEA进行电压测试。电压测试可以包括在作为氧化还原液流电池的MEA堆在其工作期间被充电和放电时利用测试探针测试给定的MEA两端的电势差。可以继续进行电压测试，直到为给定的MEA收集到足够的数据以生成其诊断。
如果确定测试完成，则方法600可以进行到624，其中，方法600包括确定MEA堆的所有MEA是否通过了电压测试(例如，是否为用于MEA堆的所有MEA所生成的通过标志)。如果确定MEA堆的至少一个MEA劣化(例如，如果MEA堆的至少一个MEA未通过测试)，则方法600进行到626，其中，方法600包括停止将MEA堆作为氧化还原液流电池进行操作以降低MEA堆的流体压力。在一个示例中，当MEA堆中包括的MEA收缩或放气时，MEA堆的流体压力可以从第一流体压力减小到第二流体压力，并且MEA堆的体积可以同时从第一体积减小到第二体积。一旦MEA堆中包括的MEA充分收缩或放气(例如，当MEA堆不作为氧化还原液流电池进行操作时)，在628处，方法600包括替换至少一个劣化的MEA。例如，可以分别用成功通过电压测试的至少一个MEA来替换至少一个劣化的MEA。
如果MEA堆的所有MEA被确定为未劣化(例如，如果MEA堆的所有MEA通过电压测试)或者如果MEA堆的一些MEA被确定为未劣化并且MEA堆的至少一个剩余(劣化)MEA已经在628处被替换，则方法600前进到630，其中，方法600包括恢复MEA堆作为氧化还原液流电池的操作。
现在参考图7，示出了用于通过卷对卷工艺来组装MEA的方法700的示例的流程图。在一个示例中，可以通过以下方式组装MEA：将多个挤出的热塑性片或框架、两个导电片和膜片彼此以各种方式焊接或以其他方式粘附，将正极部件和负极部件定位成分别对应于最终形成的正极室和负极室，以及从(最终)辊上切割多个挤出的热塑性片或框架。以这种方式，与基于模制的电极组件制造工艺相比，可以更紧密地遵守制造公差，并且可以更容易地进行制造调整。
在一些示例中，可以将MEA添加到将在氧化还原液流电池系统中实现的MEA堆。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MEA可以是图2A-4B和图5A-5C的MEA 204。相应地，可以参考图1至图5C的实施例来考虑方法700(但是应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，类似的方法可以应用于上述或其他实施例)。
在702处，方法700包括将第一导电片(例如，碳纤维片)焊接到或以其他方式粘附到第一热塑性片。在将第一导电片焊接到或以其他方式粘附到第一热塑性片时，第一导电片可以气密地密封设置在第一热塑性片内的开口。
在704处，方法700包括将负极隔板(例如，非导电网格状垫片)定位在第一导电片上。在一些示例中，可将另外的负极部件与负极隔板堆叠在第一导电片上，诸如非导电毡条(例如，定位成增加压降并且改善最终形成的MEA中的负电解质的流动分布)。
在706处，方法700包括将第二热塑性片焊接到或以其他方式粘附到第一热塑性片。第二热塑性片可以被焊接到或以其他方式粘附到第一热塑性片，使得第一导电片和第一热塑性片的粘附区域被第一热塑性片和第二热塑性片的粘附区域所包围。
在708处，方法700包括将膜片焊接到或以其他方式粘附到第二热塑性片。在将膜片焊接到或以其他方式粘附到第二热塑性片时，膜片可以气密地密封设置在第二热塑性片内的开口，使得形成容纳负极隔板(以及任何其他负极部件)的负极室。
在710处，方法700包括将正极(例如，碳毡电极)定位在膜片上。
在712处，方法700包括将第三热塑性片焊接到或以其他方式粘附到第二热塑性片。作为一个示例，第三热塑性片可以被焊接到或以其他方式粘附到第二热塑性片，使得第一热塑性片和第二热塑性片的粘附区域的正投影与第二热塑性片和第三热塑性片的粘附区域的正投影重叠。
在714处，方法700包括将第二导电片(例如，碳纤维片)焊接到或以其他方式粘附到第三热塑性片。在将第二导电片焊接到或以其他方式粘附到第三热塑性片时，第二导电片可以气密地密封设置在第三热塑性片内的开口。此外，第二导电片可以被焊接到或以其他方式粘附到第三热塑性片，使得第二导电片和第三热塑性片的粘附区域被第二热塑性片和第三热塑性片的粘附区域所包围。
在716处，方法700包括从(最终)辊上切割第一热塑性片、第二热塑性片和第三热塑性片中的每一个以形成MEA。随后可将MEA添加到MEA叠中，诸如在方法600的610处(如上文参考图6所详细描述的)。
现在参考图8，示出了描述用于组装MEA堆804的示例性卷对卷工艺构造802的示意图800。在示例性实施例中，在卷对卷工艺构造802内，MEA堆804的每个MEA 806可以经由从相应的辊808供给的原材料片810的卷对卷工艺来单独组装，原材料片810可以在其粘附区域(例如，用于最终形成的MEA 806的气密密封或结构完整性的预定焊接区域)处经由热焊机812彼此焊接814，可选地在将一个或多个电极部件适当放置在待焊接814的原材料片810对之间之后，一旦所有原材料片810已经焊接814到对应的原材料片810，则切割816，并且与MEA堆804的其他MEA 806对齐和堆叠。在一些示例中，原材料片810可以由在经受典型的热焊接温度时可以保持结构完整性的材料组成，诸如挤出的热塑性片或框架、导电片和膜片。以这种方式，由于由示例性卷对卷工艺构造802提供的简单的制造设计、可再现的高精度公差和容易的部件替换，MEA堆804的制造可以比基于模制的电极组件制造工艺更高效、更准确和更灵活。
在一些示例中，在经由示例性卷对卷工艺构造802组装之后，MEA堆804可以在氧化还原液流电池系统中实现。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MEA堆804的每个MEA 806可以被构造为图2A-4B和5A-5C的MEA204。附加地或可替代地，图6的方法600或图7的方法700的一个或多个步骤可以经由示例性卷对卷工艺构造802来执行。例如，图6的方法600的602和/或图7的702、704、706、708、710、712、714和716中的每一个可经由示例性卷对卷工艺构造802来执行。相应地，可以参考图1-7的实施例来考虑示例性卷对卷工艺构造802(但是应当理解的是，在不脱离本公开的范围的情况下，类似的卷对卷工艺构造可以用于上述或其他实施例)。还应当理解的是，图8的示意图800中所示的MEA 806、辊808、原材料片810和热焊机812的相对数量是示例性的，并且在MEA堆804中可以包括更多或更少的MEA 806，并且在不脱离本公开的范围的情况下，在示例性卷对卷工艺构造802中可以独立地包括更多或更少的辊808、原材料片810和热焊机812。
以这种方式，用于氧化还原液流电池系统的电极组件可以经由挤出的热塑性塑料的卷对卷工艺形成。在一个示例中，挤出的热塑性塑料的片可以沿着一系列辊彼此粘附(例如，焊接)，以及粘附到电极组件的其他部件(例如，膜片和导电片)，以形成各种隔室(其中，其他部件可以在处理期间定位)。一旦形成，电极组件可以被切割并且被添加到类似构造的电极组件的堆中。通过卷对卷工艺形成电极组件的一个示例性技术结果是，相对于用于电极组件制造的基于模制的工艺，可以减小公差堆叠(不仅因为卷对卷工艺避免了给定模具中的像差的复制，而且因为可以容易且便宜地调整卷对卷工艺以进一步减小公差堆叠)。因此，可以避免昂贵的、专用的和相对大的模制工具和搬运设备，以有利于辊设置。
一旦形成，电极组件可以经由位于电极组件的相应电解质端口处的互锁电解质分配插入件彼此附接。一旦互锁，互锁的电解质分配插入件可以被气密地密封，从而形成公共流体歧管，电解质可以通过该公共流体歧管分布在整个电极组件中。在氧化还原液流电池系统的工作期间，挤出的热塑性塑料可以响应于循环电解质的流体压力的增加而膨胀或充气。相应地，在制造电极组件时采用挤出的热塑性塑料的一个示例性技术结果是在形成氧化还原液流电池系统时可以实现更大的柔性(例如，电极组件的容纳或存储可以变化，测试探针可以在放气时定位在电极组件之间，循环电解质的动态流动限制等)。此外，电极组件的模块化可以允许容易地更换劣化的电极组件，以及经由互锁的电解质分配插入件将附加的电池(例如，电解质再平衡电池)耦合到公共流体歧管。
在一个示例中，一种用于氧化还原液流电池的电极组件，该电极组件包括：充气壳体，该充气壳体至少部分地封闭内部体积，内部体积包括负极室和正极室；负极隔板，该负极隔板定位在该负极室中；以及正极，该正极定位在该正极室中，其中，该充气壳体响应于所施加的内部压力而充气，以在该氧化还原液流电池的工作期间增加该电极组件的内部体积。电极组件的第一示例还包括，其中，充气壳体包括上挤出热塑性框架、中挤出热塑性框架和下挤出热塑性框架，其中，下挤出热塑性框架粘附到中挤出热塑性框架以形成负极室，并且其中，上挤出热塑性框架粘附到中挤出热塑性框架以形成正极室。电极组件的第二示例，可选地包括电极组件的第一示例，还包括，粘附到下挤出热塑性框架的第一碳纤维片；粘附到中挤出热塑性框架的膜片；以及粘附到上挤出热塑性框架的第二碳纤维片，其中，负极隔板定位在第一碳纤维片和膜片之间，并且其中，正极定位在第二碳纤维片和膜片之间。该电极组件的第三示例，可选地包括该电极组件的第一示例和第二示例中的一个或多个，还包括，其中，上挤出热塑性框架、中挤出热塑性框架和下挤出热塑性框架被对齐以形成多个电解质端口，多个电解质端口包括负电解质端口和正电解质端口，其中，负电解质端口流体地耦合到负极室，其中，正电解质端口流体地耦合到正极室，并且其中，除了在多个电解质端口处之外，内部体积在充气壳体的充气期间被气密地密封。电极组件的第四示例，可选地包括电极组件的第一至第三示例中的一个或多个，还包括分别限定多个电解质端口的电解质分配插入件。电极组件的第五示例，可选地包括电极组件的第一示例至第四示例中的一者或多者，还包括，其中，负电解质端口经由形成在上挤出热塑性框架和中挤出热塑性框架之间的相应负电解质通道而流体地耦合到负极室，并且其中，正电解质端口经由形成在下挤出热塑性框架和中挤出热塑性框架之间的相应正电解质通道而流体地耦合到正极室。电极组件的第六示例，可选地包括电极组件的第一示例至第五示例中的一个或多个，还包括，其中通过将上挤出热塑性框架焊接到中挤出热塑性框架来密封负电解质通道，并且其中，通过将下挤出热塑性框架焊接到中挤出热塑性框架来密封正电解质通道。电极组件的第七示例，可选地包括电极组件的第一示例至第六示例中的一个或多个，还包括，其中，负极隔板由非导电网格形成，并且其中，正极由碳毡形成。电极组件的第八示例，可选地包括电极组件的第一示例至第七示例中的一个或多个，还包括，其中，在电极组件的部件之间不包括粘合剂。
在另一个示例中，氧化还原液流电池系统，包括：多个膜电极组件，多个膜电极组件中的每一个包括：可膨胀热塑性壳体，可膨胀热塑性壳体具有焊接到其相对侧上的碳纤维片；毡电极，毡电极被容纳在可膨胀热塑性壳体内；网状电极隔板，网状电极隔板被容纳在可膨胀热塑性壳体内；以及膜片，膜片被焊接到可膨胀热塑性壳体的内表面，膜片定位在毡电极和网状电极隔板之间。氧化还原液流电池系统的第一示例还包括将多个膜电极组件中的每一个的电解质端口对齐以形成将多个膜电极组件中的每一个彼此流体地耦合的电解质歧管。氧化还原液流电池系统的第二示例，可选地包括氧化还原液流电池系统的第一示例，还包括，其中，每个电解质端口包括周向电解质分配插入件，并且其中，多个膜电极组件中的成对相邻膜电极组件的相应的周向电解质分配插入件彼此机械地互锁。氧化还原液流电池系统的第三示例，可选地包括氧化还原液流电池系统的第一和第二示例中的一个或多个，还包括，其中，多个膜电极组件按顺序堆叠布置，并且其中，多个膜电极组件中的成对的相邻膜电极组件的各自的碳纤维片彼此共面接触。氧化还原液流电池系统的第四示例，可选地包括氧化还原液流电池系统的第一示例至第三示例中的一个或多个，还包括一个或多个再平衡电池组件，其中，一个或多个再平衡电池组件与多个膜电极组件按顺序堆叠布置，并且其中，一个或多个再平衡电池组件与多个膜电极组件流体地耦合。氧化还原液流电池系统的第五示例，可选地包括氧化还原液流电池系统的第一至第四示例中的一个或多个，还包括，其中，氧化还原液流电池系统是全铁混合氧化还原液流电池系统。
在又一示例中，一种方法，包括：通过卷对卷工艺来按顺序堆叠层以形成膜电极组件的堆中的每个膜电极组件；以及将膜电极组件的堆作为氧化还原液流电池进行操作，同时通过相应的流体歧管将正电解质和负电解质泵送到膜电极组件的堆中，流体歧管将膜电极组件的堆中的每个膜电极组件彼此流体地耦合。该方法的第一示例还包括，其中，通过卷对卷工艺来按顺序堆叠层以形成膜电极组件的堆中的每个膜电极组件包括，对于膜电极组件的堆中的每个相应的膜电极组件：将第一导电片焊接到第一热塑性片；将负极隔板定位在第一导电片上；将第二热塑性片焊接到第一热塑性片；将膜片焊接到第二热塑性片；将正极定位在膜片上；将第三热塑性片焊接到第二热塑性片；以及将第二导电片焊接到第三热塑性片；以及此后从辊上切割第一热塑性片、第二热塑性片和第三热塑性片以形成相应的膜电极组件。该方法的第二示例，可选地包括方法的第一示例，还包括，其中，当膜电极组件的堆作为氧化还原液流电池进行操作时，膜电极组件的堆的相邻膜电极组件之间的电接触电阻比当膜电极组件的堆不作为氧化还原液流电池进行操作时更低，其中，当膜电极组件的堆作为氧化还原液流电池进行操作时，膜电极组件的堆经由第一流体压力膨胀到第一体积，其中，当膜电极组件的堆不作为氧化还原液流电池进行操作时，膜电极组件的堆经由第二流体压力收缩到第二体积，其中，第一体积大于第二体积，并且其中，第一流体压力大于第二流体压力。该方法的第三示例，可选地包括该方法的第一示例和第二示例中的一个或多个，还包括在膜电极组件的堆不作为氧化还原液流电池进行操作时，将测试探针电耦合到膜电极组件的堆中的至少一个膜组件；经由测试探针进行膜电极组件的堆中的至少一个膜电极组件进行电压测试；以及响应于在电压测试期间识别出膜电极组件的堆中的一个或多个劣化的膜电极组件，替换一个或多个劣化的膜电极组件。该方法的第四示例，可选地包括方法的第一示例至第三示例中的一个或多个，还包括，其中，膜电极组件的堆的每个相应膜电极组件包括将相应膜电极组件的内部流体地耦合到流体歧管的带通道的电解质分配插入件，并且其中，正电解质和负电解质被允许经由带通道的电解质分配插入件的通道从流体歧管进入膜电极组件的堆的每个膜电极组件的内部。
图2A-5C示出了具有各种部件的相对定位的示例构造。如果被示出为彼此直接接触或直接耦合，那么至少在一个示例中，这样的元件可以分别被称为直接接触或直接耦合。类似地，至少在一个示例中，被示出为彼此邻接或相邻的元件可以分别彼此邻接或相邻。作为示例，彼此共面接触放置的组件可以被称为共面接触。作为另一示例，在至少一个示例中，彼此分开定位的元件之间仅具有空间并且没有其他部件可以被称为这样的元件。作为又一示例，在彼此上方/下方、在彼此的相对侧处或在彼此的左侧/右侧示出的元件可以相对于彼此被称为这样的元件。此外，在至少一个示例中，如图所示，最顶部元件或元件点可以被称为部件的“顶部”，并且最底部元件或元件点可以被称为部件的“底部”。如本文所用，顶部/底部、上/下、上方/下方可相对于附图的竖直轴线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竖直地定位在其他元件上方。作为又一示例，附图中所示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)。此外，在至少一个示例中，被示出为彼此相交的元件可以被称为相交元件或彼此相交。此外，在一个示例中，在另一元件内被示出或在另一元件外部被示出的元件可以被称为这样的元件。图2A-5C大致按比例绘制，但是可以使用其他尺寸或相对尺寸。
以下权利要求特别地指出了被视为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。这样的权利要求应当被理解为包括一个或多个这样的元件的结合，既不需要也不排除两个或更多个这样的元件。所公开的特征、功能、元件和/或特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新权利要求的呈现来要求保护。这样的权利要求，无论在范围上与原始权利要求更宽、更窄、相等或不同，也被视为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种氧化还原液流电池的电极组件，包括：
充气壳体，所述充气壳体至少部分地封闭内部体积，所述内部体积包括负极室和正极室；
负极隔板，所述负极隔板位于所述负极室中；以及
正极，所述正极定位在所述正极室中，
其中，所述充气壳体响应于所施加的内部压力进行充气，从而在所述氧化还原液流电池的工作期间增加所述电极组件的所述内部体积。
2.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述充气壳体包括上挤出热塑性框架、中挤出热塑性框架和下挤出热塑性框架，
其中，所述下挤出热塑性框架粘附到所述中挤出热塑性框架以形成所述负极室，并且
其中，所述上挤出热塑性框架粘附到所述中挤出热塑性框架以形成所述正极室。
3.根据权利要求2所述的电极组件，还包括：
第一碳纤维片，所述第一碳纤维片粘附到所述下挤出热塑性框架；
膜片，所述膜片粘附到所述中挤出热塑性框架；以及
第二碳纤维片，所述第二碳纤维片粘附到所述上挤出热塑性框架，
其中，所述负极隔板位于所述第一碳纤维片和所述膜片之间，并且
其中，所述正极位于所述第二碳纤维片和所述膜片之间。
4.根据权利要求2所述的电极组件，其中，所述上挤出热塑性框架、所述中挤出热塑性框架和所述下挤出热塑性框架对齐以形成多个电解质端口，所述多个电解质端口包括负电解质端口和正电解质端口，
其中，所述负电解质端口流体地耦合到所述负极室，
其中，所述正电解质端口流体地耦合到所述正极室，并且
其中，除了在所述多个电解质端口处之外，所述内部体积在所述充气壳体的充气期间被气密地密封。
5.根据权利要求4所述的电极组件，还包括分别限定所述多个电解质端口的电解质分配插入件。
6.根据权利要求5所述的电极组件，其中，所述负电解质端口经由形成在所述上挤出热塑性框架和所述中挤出热塑性框架之间的相应的负电解质通道而流体地耦合到所述负极室，并且
其中，所述正电解质端口经由形成在所述下挤出热塑性框架和所述中挤出热塑性框架之间的相应的正电解质通道而流体地耦合到所述正极室。
7.根据权利要求6所述的电极组件，其中，通过将所述上挤出热塑性框架焊接到所述中挤出热塑性框架来密封所述负电解质通道,并且
其中，通过将所述下挤出热塑性框架焊接到所述中挤出热塑性框架来密封所述正电解质通道。
8.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述负极隔板由非导电网格形成，并且
其中，所述正极由碳毡形成。
9.根据权利要求1所述的电极组件，其中，所述电极组件的部件之间不含有粘合剂。
10.一种氧化还原液流电池系统，包括：
多个膜电极组件，所述多个膜电极组件中的每一个包括：
可膨胀热塑性壳体，所述可膨胀热塑性壳体具有被焊接到其相对侧的碳纤维片；
毡电极，所述毡电极被容纳在所述可膨胀热塑性壳体内；
网状电极隔板，所述网状电极隔板被容纳在所述可膨胀热塑性壳体内；以及
膜片，所述膜片被焊接到所述可膨胀热塑性壳体的内表面，所述膜片位于所述毡电极和所述网状电极隔板之间。
11.根据权利要求10所述的氧化还原液流电池系统，其中，将所述多个膜电极组件中的每一个的电解质端口对齐以形成电解质歧管，所述电解质歧管将所述多个膜电极组件中的每一个彼此流体地耦合。
12.根据权利要求11所述的氧化还原液流电池系统，其中，每个所述电解质端口包括周向电解质分配插入件，并且
其中，所述多个膜电极组件中的成对相邻膜电极组件的相应的周向电解质分配插入件彼此机械地互锁。
13.根据权利要求10所述的氧化还原液流电池系统，其中，所述多个膜电极组件按顺序堆叠布置，并且
其中，所述多个膜电极组件中的成对的相邻膜电极组件的各碳纤维片彼此共面接触。
14.根据权利要求13所述的氧化还原液流电池系统，还包括一个或多个再平衡电池组件，
其中，所述一个或多个再平衡电池组件与所述多个膜电极组件按所述顺序堆叠布置，并且
其中，所述一个或多个再平衡电池组件与所述多个膜电极组件流体地耦合。
15.根据权利要求10所述的氧化还原液流电池系统，其中，所述氧化还原液流电池系统是全铁混合氧化还原液流电池系统。
16.一种方法，包括：
通过卷对卷工艺来按顺序堆叠层以形成膜电极组件的堆的每个膜电极组件；并且
将膜电极组件的所述堆作为氧化还原液流电池进行操作，同时通过相应的流体歧管将正电解质和负电解质泵送到膜电极组件的所述堆中，所述流体歧管将膜电极组件的所述堆中的每个膜电极组件彼此流体地耦合。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述通过卷对卷工艺来按顺序堆叠所述层以形成膜电极组件的所述堆中的每个膜电极组件包括，具体对于膜电极组件的所述堆中的每个相应的膜电极组件，所述卷对卷工艺包括：
将第一导电片焊接到第一热塑性片上；
将负极隔板定位在所述第一导电片上；
将第二热塑性片焊接到所述第一热塑性片上；
将膜片焊接到所述第二热塑性片上；
将正极定位在所述膜片上；
将第三热塑性片焊接到第所述二热塑性片上；并且
将第二导电片焊接到所述第三热塑性片上；并且随后
从每个相应的热塑性片的辊上切割所述第一热塑性片、所述第二热塑性片和所述第三热塑性片以形成所述相应的膜电极组件。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，当膜电极组件的所述堆作为所述氧化还原液流电池工作时，膜电极组件的所述堆的相邻膜电极组件之间的电接触电阻低于当膜电极组件的所述堆不作为所述氧化还原液流电池工作时的电接触电阻，
其中，当膜电极组件的所述堆作为所述氧化还原液流电池工作时，膜电极组件的所述堆经由第一流体压力膨胀到第一体积，
其中，当膜电极组件的所述堆不作为所述氧化还原液流电池工作时，膜电极组件的所述堆经由第二流体压力收缩到第二体积，
其中，所述第一体积大于所述第二体积，并且
其中，所述第一流体压力大于所述第二流体压力。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在膜电极组件的所述堆不作为所述氧化还原液流电池工作时，将测试探针电耦合到膜电极组件的所述堆的至少一个膜组件；
经由所述测试探针对膜电极组件的所述堆中的所述至少一个膜电极组件进行电压测试；并且
响应于在所述电压测试期间识别膜电极组件的所述堆中的一个或多个劣化的膜电极组件，替换所述一个或多个劣化的膜电极组件。
20.根据权利要求16所述的方法，其中，膜电极组件的所述堆中的每个相应的膜电极组件包括将所述相应的膜电极组件的内部流体地耦合到所述流体歧管的带通道的电解质分配插入件，并且
其中，所述正电解质和负电解质从所述流体歧管经由所述带通道的电解质分配插入件的通道进入膜电极组件的所述堆的每个膜电极组件的内部。
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