CN1765027A - 由可调节电池面积的堆叠电池组件组成的多电压分接头的氧化还原液流电池组 - Google Patents

由可调节电池面积的堆叠电池组件组成的多电压分接头的氧化还原液流电池组 Download PDF

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Abstract

一种氧化还原液流电池组包括多个电串联在电池组的两端端子之间、由都具有一定有效面积且可以压滤排列堆叠的元件组成的电池。正极和负极电解质溶液并行和/或级联地分别流过电池的正极电解液流动隔室和负极电解液流动隔室。电池是包括单极电极的可压滤堆叠多隔室电池组件，每个组件由被奇整数n个永久电离隔膜分离器分隔的交替地所述正极电解质溶液和所述负极电解质溶液的某偶整数n+1个流动隔室组成，并且流动隔室交替地容纳正和负电极。氧化还原液流电池组具有所述电极的外部凸出接头形式的多个中间电压分接头。用于共同地连接组成电池组件的可选数目正或负电极的电池面积分部化开关被控制。

Description

由可调节电池面积的堆叠电池组件组成的 多电压分接头的氧化还原液流电池组
技术领域
本发明涉及基于氧化还原液流电池组存储和/或转换能量的系统。
背景技术
蓄电池组，特别是氧化还原液流电池组经常在可再生能源的开采、负载均衡以及电能的产生和分配网络中使用。蓄电池组的使用在没有连接到任何配电网格的“独立”光生伏打(太阳能电池)板系统中是必需的。与其他类型的蓄电池组相比较，氧化还原液流电池组为这些类型的应用提供许多优点。
在氧化还原液流电池组中，全钒电池组，也就是在负极电解液以及正极电解液中使用钒-钒氧化还原电对的电池组，特别有利。
使用钒氧化还原液流电池组的蓄能电站的性能在DaiichiKaisuda和Tetsuo Sasaki IEEE 2000的论文“Evaluation of controlmaintaining electrical power quality by use of rechargeable batterysystem(使用可再充电的电池系统维持电力质量的控制评估)”中报告和分析。
关于氧化还原液流电池组特别是关于钒氧化还原液流电池组存在大量文献。因此，这种电池组相对于其他类型电池组的特性和优点的详细描述似乎对于充分描述本发明是不必要的。
在氧化还原液流电池组的许多优点中，值得注意的是以不同的充电电压充电，尽管它们的适应性强。为了实现这一点，沿着构成电池组的电串联单元电池链的中间电压分接头可以使用。依赖于可用电源的电压，用于将适当数目的电池连接到再充电电压电源的最适当的分接头被选择。这是可能的，因为不像其他类型的蓄电池组，氧化还原液流电池系统将能量存储在循环通过电池并且存储在相隔箱中、包含氧化还原电对的电解质溶液(简要地电解液)中。电池组专有地代表电能转换成化学能反之亦然，并且电池的电极在充电和放电过程期间不经受任何化学变化的电化设备。
在可再生能量系统中，通常存在可变特性的情况，这可能影响转换过程和最后的能量存储。
在风力发电机的情况下，存在提供供给到电力负载的电能的恒定特性的问题。在使用DC发电机(直流发电机)的情况下，产生的电压随着旋转速度而变化，并且每个风力发电机经常提供有机械装置以增加风力情况的有效范围。在交流发电机用来产生AC电压的情况下，速度变化引起产生的AC电压的频率变化，并且整流器DC-DC变换器和逆变器可能是必需的。如果必须将电能存储在电池组中，电池充电器必须连接到交流发电机。
类似的问题也在水电发电站中遭遇。
当关注到本地电源的互连时，现场产生的电力必须与配电网具有相同的电压和频率。这适用于例如从可再生能源产生的电力仅部分地满足本地能量需求，并且差通过从电力公共事业网中吸收电力来补充，或者在有利的天气期间，电力超过需求并且超出量供给到配电网中的所有那些应用。
在这些发电站中氧化还原电池组用于能量存储的使用中，到配电网的互连可以显著增加自然可再生能源的开采，允许即使在不会产生由本地电力负载所需的标准电压和频率特性或者允许超出电力到配电网的上载(为了获得能量信用)的次优情况下电力的产生。
清楚地，开采具有不可预知特性的可再生能源的这些发电站的设计暗示着有用条件范围的识别。在该基础上，整流器，DC-DC变换器，变压器，逆变器，机械传动比转换器等为允许更长时期并且以相对于投资的经济便利的水平开采可再生能源所需要。如已经陈述的，蓄电池组的使用是增强开采的必要条件。
在许多情况下，这些辅助设备和配件的成本可能胜过发电机和/或最后蓄电池组的成本。而且，这些设备的低效率值可能严重地降低整个可再生能源发电站的总体效率值。
通常，配电网，从而电力机械和设备，使用AC电压工作，因为使用简单的静电起电器例如电力变压器更改相对容易。
这也强迫了标准(50或60Hz)电源频率(AC)的建立，并且常见家用的所有电机和设备通常以该固定电源频率设计和/或工作。
相反地，电池组典型地存储和输送DC电源。
这两种系统之间的连接问题是明显的并且通常通过在一侧使用电池充电器而在另一侧使用逆变器来解决。这些辅助设备显著降低能量转换过程(电池组充电和放电过程)的总体效率。
技术进步的一个重要领域是关于下述的技术问题的解决，即AC电源的产生和/或分配的电力系统和/或使用氧化还原液流电池组以将能量有效地存储在电池组中的电力的存储和连续释放的电力系统的连接，不管电源在电压和/或频率方面的电气特性。
在先PCT专利发表WO 03/007464号公开一种基于氧化还原液流电池组的混合无电感器或无变压器的逆变器系统，该电池组提供有沿着用在电池组两端端子之间电串联的单元电池组成电池组的单元电池堆以间隔建立的许多中间电压分接头。
输出AC波形通过以期望频率在输出线上顺序且循环地切换中间电压分接头来重建。
在先PCT专利申请PCT/IT02/00653号公开一种通过功能上切换DC电源或已整流AC波形输出到适当中间电压分接头以便以适当的充电条件充电包括在电路中的单元电池，来从任何DC或AC电源有效地充电氧化还原液流电池组的方法和相关结构，该电池组提供有沿着组成电池组、在电池组的两端端子之间电串联的单元电池堆而建立的一列中间电压分接头。
该文献也公开一种基于相同多电压分接头氧化还原液流电池组的电池充电器与逆变器的完全混合系统，其能够将来自具有任何频率的任何DC或AC电源的电能转换成可以指定AC电压和频率输送到电力负载的电能。这种系统理想地适用于开采可再生能源的发电站。
在先PCT专利发表WO 99/39397号公开一种由电串联的多个单元电池组成、双极型压滤电解装置形式的氧化还原液流电池组，其实现包含氧化还原电对的正极和负极电解质溶液从堆一端的第一个电池到堆另一端的最后一个电池的级联流动，从而阻止旁路(寄生)电流以及导电元件(电极)表面上相关点蚀及腐蚀问题的临界条件。
正极和负极电解质溶液(电解液)的级联流动由通孔和槽的适当配合来实现，该通孔和槽通常在一般由模制塑料材料(基本上不导电材料)制成的可堆叠元件框架部分中形成，当组成堆的各种元件以所谓压滤排列装配时，其形成用于电解质溶液循环的电池组的内部管道。
另一方面，氧化还原液流电池组操作员众所周知，电压倾向于基本上作为两个变量的函数而变化，也就是：在电池组的电池中循环的电解质溶液以及电力负载的电荷状态(流过电池组的电流)。
虽然电池组电压因正极和负极电解质溶液的电荷状态的变化相对小并且可以容易地控制，电压因电力负载的变化可能相当大。
在电池系统放电阶段中因电解液电荷状态的变化而引起的电压变化可以容易地通过因此调节通过电池组的电解液从充电电解质溶液的储液器到消耗电解质溶液回收到其中的储液器的泵送速率以自动方式校正。
在充电和放电阶段中因电流变化而引起的电池组电压(或最显著地内电压降)的变化取决于因组成电池组的氧化还原液流电池的内电阻参数，电池组电压随着电力负载或充电电流的变化而变化的事实。
通过检查单元电池级别的问题，空负载时电池电压等于作为电池隔室中电解液电荷状态函数的断路电压。十足额定负载时电压因电池的不可忽略内电阻而比断路电压低得多。在全钒氧化还原液流电池的情况下，通过例如将电池电压等于其断路电压80％的负载定义为十足额定负载，(大约50％的电荷状态将对应于大约1.2V(放电阶段期间)和1.5V(充电阶段期间))，因此，在放电过程期间，电池电压将从空负载时的1.35V变成十足额定负载时的1.2V。这代表大约11％的电压变化。
因此，电池电压变化的全范围是0.3V(从放电阶段期间1.2V的最小值到充电阶段期间1.5V的最大值)，这是大约包括在20～25％之间的变化。
对于许多应用，这种相对大范围的电压变化可能不是可接受的。例如，在电信交换站的情况下，混合能量转换和存储系统，如在所述在先专利申请PCT/IT02/00653中公开的基于氧化还原液流电池组的一种，可能因过大范围的电池组电压变化而引起问题。
相关参数是定义为ηv＝Vd/Vc的电池组的所谓电压效率，其中Vd是放电电池组电压而Vc是充电电池组电压。该品质因数说明作为有效电池面积(也就是电极和/或隔膜面积)上电流密度的函数的电池组中欧姆损耗的不可逆性。
在对大电压摆幅敏感的应用中，备选方案是回到电子DC/DC变换器的使用以提供电池组电压的基本恒定性。
当然氧化还原液流电池以及任何其他类型蓄电池组的另一个重要品质因数是定义为ηF＝Qd/Qc的法拉第(电流)效率，其中Qd是放电期间输送到负载的电荷而Qc是充电期间由电池组接收的电荷。在氧化还原液流电池组中，它可以高达99.8％。
总体能量存储效率ηE是上述指定效率的乘积：
ηE＝ηvηF
假定压滤型双极氧化还原液流电池组可能经常便利地作为具有水平放置元件(电极、隔膜)的垂直堆叠装配放置和工作，在电池组电压的极限压降经历之前可由电池组输送的最大电流的任何升级需要垂直堆叠电池组的电池面积因此“占地面积(footprint)”的增加。因为不可能如此扩大电池组的占地面积，这在现有装置中可能是问题。
发明内容
现在我们已经发现对由氧化还原液流电池组的端子和/或中间电压分接头处过大范围的电压变化而引起的问题的解决办法。
本发明的新结构显著地减小电池组电压的变化范围，同时保持电池组的压滤堆构造的优点以及实现包含相关氧化还原电对的正极和负极电解质溶液通过组成电池组的单元电池的各自正电极和负电极隔室的级联流动的可能性。
基本地，根据本发明，在电池组的两端端子之间电串联并且由可以压滤排列堆叠的元件组成的单元电池中至少一些具有彼此不同的面积。沿着电池堆一个单元电池与另一个的面积差通过以多隔室单极电池组件的形式制造至少某些电池，其具有分别包含正或负电极的相反极性的流动隔室来确定。
多隔室单极电池组件的单极电极可以根据需要经由外部开关选择性地连接到电池组的电路中。这样，电池组的任何单极组件的有效(工作)电池面积可以通过选择或撤销选择最终共同地连接到电池组的电路中、具有每种极性的某些单极电极来增大或减小。
基本上，组成电池组堆的所有可堆叠电极元件、所有永久电离隔膜元件以及可选地甚至任何双极电极元件具有相同的面积以及根据压滤堆装配模式提供电池隔室密封性的非导电材料的几何类似框架部分。
组成电池组的不同可堆叠元件的框架部分提供有协同匹配的通孔、钻孔和/或槽，其定义用于使正极和负极电解质溶液级联或并行地分别流过单元电池或多隔室单极电池组件的正极电解液流动隔室和负极电解液流动隔室的内部管道。
每个多隔室单极电池组件的至少一个端电极可以有利地与电池组堆的一个中间电压分接头重合，优选地，每个多隔室单极电池组件的每个单极电极与可外部连接的中间电压分接头重合，从而提供将有效电池面积与流过电池组的电流最好匹配的其他适应性可能，以便满足电池组电压变化的限制。
将电池组的任何一个中间电压分接头切换到电能源的节点(用于充电电池组)和/或到为电力负载供电的输出节点(从电池组中释放能量时)的可能性，除了如在先专利申请PCT/IT02/00635中公开的允许波形离散化之外，也允许维持所选单元电池中的电流密度在将通过所选电池的内电压降维持在可接受范围内的适当值。
对于流过电池组的一定数目单极电池组件，或者甚至流过单个单极电池组件的一定电流，通过增大或减小实际工作电池面积来解决一定电池组电压将使得内电阻成比例地变小或变大。
当充电和/或放电电池组时，每个单极电池组件的单元电池的适当分组，或连接的单极电极的数目的选择，将依赖于由提供充电电流的电源的电气特性和/或由电池组供电的电力负载确定的各自(通常可变且不同)的功率电平而进行。
由于将电池组的单个单元电池的操作条件适应于外部电力需求的该灵活性，在电池组使用的任何情况下，本发明的电池组构造对于实现所述在先PCT专利发表WO 03/007464号中以及在所述在先专利申请PCT/IT02/00653中公开的混合系统特别有效。
实际上，AC波形的离散化暗示着为连接到外部电路中(用于充电和/或输送电流到电力负载)而顺序且循环选择的电池组的单元电池的不同分组经受不同电平的相电流，如在上面标识的文献中清楚说明的。在这种特殊操作条件下，由本发明提供的、根据在AC波形的解构(当从AC电源充电时)和重构(当对AC负载供电时)的不同相位转换中存在的不同负载条件(电流)而“调节”形成多中间电压分接头电池组的电串联电池的有效电池面积的可能性，允许优化或最佳适应电池系统特性并且敏感地限制电池组电压变化范围的杰出灵活性。
附图说明
本发明的氧化还原液流电池组的特性方面和特征将通过参考附加附图在下面几种实施方案的描述中进一步阐明，其中：
图1是根据本发明的四隔室单极电池组件的基本电气图；
图2是显示有效电池面积的分部化(面积调整)的开关的图1组件的功能电气图；
图3是显示电解液流动管道的图1和2组件的液压图；
图4是电串联的、具有可更改有效面积的四个单极电池组件的电池组的功能电气图；
图5是多隔室单极电池组件的透视截面图；
图6是由专有地使用单极电极的四个单极电池组件组成的电池组堆的放大功能图，其电池面积可以增大100％以及一定基本(最小)电池面积的另外50％；
图7是对于有效电池面积的分部化的不同情况，单极电池组件的电压电流特性的曲线；
图8是对于有效电池面积的分部化的不同配置，由四个堆叠单极电池组件组成的电池组的电压电流特性的曲线；
图9是与图5的电池组堆等价但是使用单极电极和双极电极的电池组堆的功能图；
图10和11是图5中所示组件的可堆叠单极电极元件的分别顶视图和底视图；
图12～18是显示其各种特征的、图10和11可堆叠元件的框架部分的横截面。
具体实施方式
如示出的，作为实例，在图1，2，3和4中，可堆叠单极电池组件MM由某奇整数n个隔膜1(在上述图中n＝3)划分成如图3中所示正极电解质溶液和负极电解质溶液交替的n+1个流动隔室，并且正电极2和负电极3交替安装于其中。
通过将单极电池组件的具有相同极性的一个或多个电极电连接到电池组的电路中，有效电池面积有效地分部化(partialize)。在图中所示的实例中，单极电池组件的有效电池面积可以通过关闭图2的开关a1或图4的开关a1，b1，c1和d1而加倍，或者通过也关闭图2的开关a2或图4的开关a2，b2，c2，d2而变成三倍。
依赖于所实现的互连方案，有效(工作)电池面积可以高达与奇数n，也就是多隔室单极电池组件的永久电离隔膜分离器的数目相对应的最大倍数的整数倍增大/减小(分部化)。
多隔室单极电池组件的简化三维横截面视图在图5中显示。
在图5中所示的实施方案中，组件MM包括n＝5个隔膜1，其定义每个交替容纳正电极2或负电极3的n+1＝6个流动隔室。除正极端电极2和负极端电极3之外，其间的所有电极具有“两面”结构。
通常，在图中整个用2或3标识的每个电极包括由对电解质溶液化学稳定的导电材料制成的可渗透或不可渗透基板2a和3a，该材料可能是金属材料，导电金属陶瓷材料，玻璃碳，石墨或者粘合剂(典型地可模制塑料粘合剂)与所述导电材料的颗粒和/或纤维的导电聚合体。基板2a和3a主要具有基本刚性和机械强度的集电器的功能，以在从可堆叠电极元件的模制塑料框架4的外围凸出的“舌片”或“接头”部分(图5的横截面中不可见)中构成适合于通常由常见夹具与电池组电路中的铜布线连接的电端子。
最优地，如图5中所示，每个电极具有通常多孔三维导电结构形式的有效或主要工作部分2b，3b，各自的电解质溶液可以通过其开孔容易地流动或循环。例如，每个电极的工作三维多孔部分2b，3b可以是与集电(或分配)基板2a，3a电接触，并且可以延伸以在多点支撑到永久电离隔膜分离器1表面上、由碳纤维制成的垫或毡。当压滤装配利用碳毡以弹性方式适度压缩的能力而上紧时，隔膜1实际上可以夹在由隔膜分隔的两个流动隔室的正和负电极的多孔垫之间。
由化学稳定合成橡胶制成的普通冲压垫圈(图中没有显示)可以放置在可堆叠电极元件的两个相邻塑料框架4的相对表面中至少一个上，以根据压滤装配常规提供流动隔室的防漏液压密封。
每个包含各自氧化还原电对、具有相反极性的两种电解质溶液通过单极电池组件的各自电极(流动)隔室的流动，通过经由孔7和8与各自流动隔室相通的各自进入和排出歧管5和6而发生。
在图5的横截面中，箭头示意地指示负极电解质溶液(负极电解液)的流动通路。根据本领域常规，进入歧管5，排出歧管6，入口孔7和出口孔8可能全部由在可堆叠单极电极元件的塑料框架4中制造的适当对准的孔和钻孔或槽来定义。
当然，用于在多隔室单极电池组件的其他流动隔室中操作地流动正电解液的类似进入和排出歧管以及各自的入口和出口孔也存在。
在图5中所示的实施方案中，组件包括使得可堆叠组件完全“整装”的两个端板9和10，可用作装配以实现特定必需额定电池组电压(其是单极或单元电池电压的倍数)的电池组堆的分立元件(单元或单元电池)。
如图5中所示，根据本领域常规，端板9和10以及组成组件MM的所有框架4可以提供有在液压密封外围外部区域中的通孔11和12，用于以压滤模式上紧电池组堆的拉杆可以通过通孔。
框架4以及端板9和10全部可以由模制塑料，例如聚乙烯，聚丙烯和同等可模制非导电且化学稳定材料制成。
例如，具有等于单元电池电压四倍的额定电压的电池组堆可以通过将四个图5中所示类型的多隔室单极电池组件堆叠在一起来实现。
堆可以具有图6中描绘的功能方案。
在图6中，为了便于附图的阅读，单极电极或者更确切地其多孔垫部分用不同的阴影描绘，以便区分负电极和正电极，如也由各自电解液流动隔室的相关符号标识的。
负和正电极可以假设具有相同的组成，虽然它们可能甚至由不同的材料制成和/或具有不同的结构和/或形态，考虑到在正电极(氧化)和负电极(还原)上发生的不同半电池反应。
在图6中，示意地显示在电池组的放电以及再充电期间，允许将有效电池面积适应于电流电平的开关a1，a2，b1，b2，c1，c2，作为该图中描绘的实例结构的结果。
通过仅关闭开关a1，b1，c1和d1，电池面积可以加倍。
通过仅关闭a2，b2，c2和d2，相关单极电池组件MM(i)的电池面积可以增大25％。
通过关闭全部开关，电池面积可以增大一又二分之一个基本面积，在至此在图中说明的实例中，其对应于电极/隔膜/电极装配的投影面积的两倍。
可以由本发明的电池组构造提供的分部化可能性实现的效果现在将对于实例实施方案分析。假设V0为电池的断路电压。假设I为电流，且假设A为电池的工作或有效面积。那么充电期间跨越电池的电压是
Vc＝V0+kI/A，
其中k是由电池性质确定的常数。
在例如根据图4的电气方案实施方案电路的多隔室电池组件电池组的情况下，有效电池面积由下面给出：
A＝(n+1)A0，
其中A0是基本电池(最小)面积，并且n是关闭的面积分部化开关的数目。跨越电池的放电电压是
Vd＝V0-kI/A＝V0-kI/(n+1)A0。
假设电解质溶液的电荷状态为50％；那么V0＝1.35V。假设设计电压效率Vd/Vc为0.85，当n＝0时。那么kI/A0＝0.11V，Vc＝1.46V且Vd＝1.24V。对于给定基本(最小)电池面积A0，存在这些电池电压被验证的电流I0。
在这些计算中，假设与电解质溶液和隔膜的电阻相比较，电极结构(与离子电流运载介质不同的电子流运载结构)的欧姆电阻可以忽略。
在用于试验的电池组中：A0＝0.1m×0.1m＝0.01m2且I0＝4A；因此k＝2.75×10-4Ωm2。
当从电池组吸入的电流I变化时，每个电池的放电电压Vd以基本上线性方式变化，如图7中所示。
所示三个曲线的公式为：
Vd＝V0-(kI0/A0)(I/I0)     当两个开关都打开(n＝0)时，
Vd＝V0-(kI0/2A0)(I/I0)    当a1关闭而a2打开(n＝1)时，
Vd＝V0-(kI0/3A0)(I/I0)    当两个开关都关闭(n＝2)时。
设计放电电压1.24V在I＝I0处出现当n＝0时，在I＝2I0处出现当n＝1时，在I＝3I0处出现当n＝2时。
通过自动地配置电池面积分部化开关，例如通过监控电池组电压，将它与指定阈值相比较，能够将放电电压保持在指定变化范围也就是Vd(min)＝1.20V和Vd(max)＝1.28V之间，当由负载吸收的电流在最小值I(min)＝0.67I0和最大值I(max)＝4.09I0之间变化时。
假设na，nb，nc和nd是组成图4电池组的各自多隔室单极电池组件MMa，MMb，MMc和MMd、在某一时刻关闭的电池面积分部化开关的数目。那么电池组的放电电压vd由下面给出：
Vd＝Vd(a)+Vd(b)+Vd(c)+Vd(d)
= 4 V 0 ~ - [ 1 / ( n a + 1 ) + 1 / ( n b + 1 ) + 1 / ( n c + 1 ) + 1 / ( n d + 1 ) ] ( k I 0 / A 0 ) ( I / I 0 )
该电压取决于四个参数na，nb，nc和nd的组合，但不取决于它们的排列。
表格1显示图4的考虑实例实施方案的全部可能开关配置以及当电流为I0时它们产生的电池组电压。
断路电池组电压是4V0＝5.4V，且kI0/A0＝0.11V。因此，每个电池组件具有电压效率85％，但是四组件电池组的总体电压效率随着电池面积分部化(增大)开关逐渐关闭上升到85％以上。
表格1
  na   nb   nc   nd   电池组电压   电压效率
  0   0   0   0   4.960   0.85
  1   0   0   0   5.015   0.87
  1   1   0   0   5.070   0.88
  1   1   1   0   5.125   0.90
  1   1   1   1   5.180   0.92
  2   0   0   0   5.033   0.87
  2   1   0   0   5.088   0.89
  2   1   1   0   5.143   0.91
  2   1   1   1   5.198   0.93
  2   2   0   0   5.107   0.90
  2   2   1   0   5.162   0.92
  2   2   1   1   5.217   0.93
  2   2   2   0   5.180   0.92
  2   2   2   1   5.235   0.94
  2   2   2   2   5.253   0.95
当然，放电电池组电压Vd与电流(表示为比值I/I0)的曲线可以对上面配置中每个而绘制，如图8中描绘的。
电池面积分部化开关的适当配置允许将放电电压保持在指定范围Vd(min)＝4.93V和Vd(max)＝4.99V之间，同时电流在值I(min)＝0.92I0和I(max)＝3.20I0之间变化。
不像常规双极电池组的情况，其中单元电池具有相同的隔膜和电极面积，并且当电池组上的负载变化时恒定的电池组电压不能被维持，根据本发明制造的、具有电池面积分部化开关的多隔室单极电池组件的堆的形式的电池组，可以提供基本上恒定的电池组电压，电池组电压的基本恒定性可以提供，尽管由负载吸收的电流在某个最小和最大值之间变化。
虽然电池组堆的总电压对应于组成电池组的各个单极电池组件的电压的总和，每个单极电池组件的工作电压可以通过独立于其他电池改变其有效面积以相对小的步幅调节。由于电池组堆的串联的任何各个电池可以具有以产生不同于堆中其他各个电池的电池电压的这种方式配置的面积分部化开关的事实，可以执行的电压控制的分辨率特别精细，并且作为结果的电池组电压可以在宽范围电流上保持在相对狭窄的范围内。
对于每个单极电池组件的隔膜和隔室的数目不存在实际限制。因此，即使可堆叠元件的面积(占地面积)小，适当设计的电池组堆支持大的电流是可能的。
堆中的组件可以具有不同数目的流动(电极)隔室和面积分部化开关。这是在根据所述在先专利WO 03/007464和PCT/IT02/00653中公开的系统，设计注定用于关注AC波形离散化/重构过程的应用的电池组堆时可以利用的大优点。
例如，支持与重构的离散化AC波形的峰重合的相对大相电流的单极电池组件(通常在堆的一端)可以比位于电池组堆另一端、支持相对较小相电流的电池具有成比例较大数目的可选择元件，其一些甚至可以是具有固定面积的普通双极电池。
虽然根据本发明的电池组堆如图6中示意描绘地可以通过堆叠四个图5中描述的整装型组件来构成，电池组堆可以使用可堆叠双极电极元件作为相邻堆叠的单极电池组件之间的连接元件来实现。
电池组堆结构形式的该备选实施方案在图9中示意描绘，对于由五个具有可分部化电池面积的单极电池组件组成的电池组堆的情况。
双极电极在其相对面上可用不同的阴影辨识，其指示与基板(集电器)电接触的多孔三维电极垫的极性，其中在这种情况下，基板当然一定是固体(没有孔)并且对接触且流过集电基板相对面上各个电极垫的孔、具有相反极性的电解质溶液通过那里的任何流动不可渗透。
当然，电池面积分部化开关的位置也适合于结构上且电连接两个相邻多隔室单极电池组件的双极电极的使用。
根据图9的实施方案的双极电极的使用通过消除在图6的堆装配中存在的塑料端板9和10的并置对的存在而有利于减小堆的总高度。
组成本发明的多隔室单极电池组件的典型可堆叠元件可以如图10～18中所示的实例中构造。
导电基板2a(或3a)可以是玻璃碳板的形式，优选地具有可以是锌扩展金属板或者铝或另一种高度导电金属或合金的金属芯。
基板应当具有良好的导电性(由金属芯薄板增强)并且完全抗与其接触的电解质溶液(通常强酸)的化学侵蚀。在所示实例中，元件具有正方形面积并且基板3a具有永久嵌入在模制于其上的塑料框架4中的周长(至少两个对边)的基本部分。基板3a的至少一个且优选地两个舌片部分3t延伸到模制在基板正方形周长上的框架部分4外部，以构成单极电极的电可连接端子。
模制框架部分4具有四个角孔13，用于容纳压滤装配的拉杆。
而且，塑料框架部分4具有沿着其四边分布并且位于从嵌入的导电基板3a周长开通的模制塑料框架4外侧部分中的多个通孔14。
依赖于可堆叠单极电极元件是正电极还是负电极，通过在模制塑料框架中产生多个与由来自塑料框架同一侧(入口侧)的通孔14定义的进入歧管相通的进入槽或口15，以及与由位于塑料框架对边侧上的通孔14形成的排出歧管相通的排出槽或口16，相应电解质溶液在包含电极的单极电池组件的隔室中循环。
图10中从一侧以及图11中从相反侧显示的可堆叠元件作为实例是包含负电极3a的元件。当然，相邻可堆叠电极元件将包含正电极2a，并且入口和出口将使得各自的流动隔室与由存在于模制框架底边中的通孔14构成的进入歧管和由位于模制塑料框架顶边上的通孔14构成的排出歧管连接。
在两种情况下，进入和排出歧管由电解质溶液并行流过的几个通孔构成的事实，以及结果孔使得部分电解液流过容纳相关单极电极的电池隔室的事实，提供电解液在电极隔室中以及通过在导电基板3a的整个表面上电接触的多孔碳毡有效电极的均匀分布。
如先前图10和11中所示，模制塑料框架可以提供有具有区别形状的匹配凹入和凸起17，18，以便于一个元件以精确对准在另一个上的堆叠，并且防止方向错误。
适当的垫圈可以置于框架之间。
永久电离隔膜分离器通常放置在相邻框架的垫圈表面之间。备选且优选地，使用将堆叠元件上紧到一起时将隔膜推入凹槽18中的挡圈(附图中没有显示)，精确按尺寸切割的隔膜可以具有保持于在每个电极框架的一面上故意切去的环形凹槽18中的外围部分。
图12-18的组是图10和11的可堆叠元件框架部分的截面图，所有这些各个剖面由图中的大写字母标识。

Claims (11)

1.一种氧化还原液流电池组，包括在电池组两端端子之间电串联并且由都具有一定有效面积且可以压滤排列堆叠的元件组成的多个电池，以及位于所述两端端子之间的多个可外部连接的中间电压分接头，正极和负极电解质溶液并行和/或级联地分别流过所述电池的正极电解液流动隔室和负极电解液流动隔室，其特征在于
所述堆叠压滤电池组装配的所述各电池中至少一个具有等于由所述可堆叠元件尺寸所限定的所述一定有效面积的整数倍的电池面积。
2.根据权利要求1的氧化还原液流电池组，其中具有不同面积的所述电池是可压滤堆叠的多隔室单极电池组件，每个由某偶整数n+1个交替地用于所述正极电解质溶液和用于所述负极电解质溶液的流动隔室组成，它们被某奇整数n个永久电离隔膜分离器所分隔，并且流动隔室交替地容纳正和负电极。
3.根据权利要求2的氧化还原液流电池组，其特征在于包括多个中间电压分接头，所述分接头中一个与所述多隔室单极电池组件中的一个的至少一个端电极重合。
4.根据权利要求2的氧化还原液流电池组，其特征在于所述多隔室单极电池组件的每个使用包括导电基板、具有第一极性的至少一个两面复合电极，在其相对面上布置有多孔流体可渗透三维电极垫，多孔流体可渗透三维电极垫在至少多个点上接触所述永久电离隔膜，所述永久电离隔膜将包含所述两面电极的流动隔室与包含具有第二或相反极性的电极的流动隔室相分隔。
5.根据权利要求2的氧化还原液流电池组，其特征在于所述电池组装配的所述可压滤堆叠多隔室单极电池组件中的两个的背对背并置端电极构成将一个单极电池组件电连接到电池组的所述电序列中另一个单极电池组件的流体不可渗透双极电极。
6.根据权利要求5的氧化还原液流电池组，其中所述流体不可渗透双极电极构成电池组的所述中间电压分接头的一个。
7.根据权利要求2的氧化还原液流电池组，其特征在于每个单极电池组件具有电池面积分部化开关，用于共同地连接组成电池组件的可选数目的正或负电极。
8.根据权利要求2的氧化还原液流电池组，其特征在于每个多隔室单极电池组件的所有电极都具有延伸到所述压滤堆装配的可堆叠元件的流动电解质溶液的液压密封外围之外的接头部分，用于电极的电连接。
9.根据先前权利要求中任何一个的氧化还原液流电池组，其特征在于它由多个压滤装配的可堆叠电极元件组成，每个元件包括导电基板，其外围部分嵌入在由非导电材料制成的模制框架部分中并且具有凸出到所述模制框架部分外围外部的一个或多个接头部分，具有电极基板的可连接外部端子的功能。
10.一种操作电池压滤堆形式的氧化还原液流电池组的方法，该电池组包括具有等于由所述压滤装配的可堆叠元件尺寸限定的一定有效面积的倍数的电池面积的至少一个电池，其特征在于该方法包括作为流过电池组的电流的函数，改变具有多倍面积的所述一个或多个电池的有效电池面积，以限制电池组电压的变化。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于有效电池面积作为通过电池组的电流的监控电平的函数，通过关闭或打开电池面积分部化开关来自动地增大或减小，每个开关将所述一定有效面积的正或负电极共同地与属于多倍面积的所述电池的、相同极性的其它电极连接。
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