TW201448340A - 用於多相電解質流控制之儲存槽 - Google Patents

用於多相電解質流控制之儲存槽 Download PDF

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Abstract

本發明係關於一種液流電池儲存槽，其包括儲存槽外殼、經組態以在該儲存槽下部之停滯區或向該停滯區提供包含液體金屬鹵化物電解質溶液及錯合鹵素相之電解質混合物之電解質入口、及經組態以使該液體金屬鹵化物溶液從該儲存槽流出之電解質出口。該電解質出口係經定位使得使用中該液體金屬鹵化物溶液逆著重力向上流動以到達該電解質出口而錯合鹵素相沉降於該停滯區中。

Description

用於多相電解質流控制之儲存槽
本發明係關於電化學系統及使用該等電化學系統之方法。
可再生能源之開發已振興對用於離峰值能量儲存之大型電池之需求。此應用之要求與其他類型可再充電電池(諸如鉛酸電池)之彼等要求不同。一般要求電力網中用於離峰值能量儲存之電池具有低資本成本、長循環壽命、高效、及低維修保養的特徵。
適於此能量儲存之一種電化學能量系統為所謂的「液流電池」，其使用在該電化學系統的標準操作期間在放電模式中在標準正電極處進行還原之鹵素組分及適於在標準負電極處被氧化之可氧化金屬。水性金屬鹵化物電解質用於補充鹵素組分之供給，因為鹵素組分在正電極處被還原。電解質在電極區域及儲存槽區域之間循環。此系統之一個實例係使用鋅作為金屬及使用氯作為鹵素。
該等電化學能量系統述於例如美國專利案號3,713,888、3,993,502、4,001,036、4,072,540、4,146,680、及4,414,292中，其揭示內容係以其全文引用方式併入本文中。
一個實施例係關於一種液流電池儲存槽，其包括儲存槽外殼、經組態以在儲存槽下部之停滯區或向該停滯區提供包含液體金屬鹵化 物電解質溶液及錯合鹵素相之電解質混合物之電解質入口、及經組態以使該液體金屬鹵化物溶液從該儲存槽流出之電解質出口。該電解質出口係經定位使得使用中該液體金屬鹵化物溶液逆著重力向上流動以到達該電解質出口而該錯合鹵素相沉降於該停滯區中。
另一個實施例係關於一種操作液流電池之方法，該方法包括在儲存槽下部之停滯區或向該停滯區提供來自液流電池堆疊之包含液體金屬鹵化物電解質溶液及錯合鹵素相之電解質混合物，及將該液體金屬鹵化物溶液自該儲存槽提供至該液流電池堆疊使得該液體金屬鹵化物溶液在該儲存槽中逆著重力向上流動而該錯合鹵素相沉降於該停滯區中。
另一個實施例係關於一種液流電池系統，其包括液流電池單元之堆疊、錯合鹵素相儲存槽、液體金屬鹵化物電解質溶液儲存槽、及位於該電化學電池堆疊及該等儲存槽之間之流動路徑中之包括一或多個聚結過濾器及一或多個沉降器之腔室。離開該腔室之液體金屬鹵化物電解質溶液引導至該液體金屬鹵化物電解質溶液儲存槽及離開該腔室之錯合鹵素相引導至該錯合鹵素相儲存槽。
另一個實施例係關於一種液流電池系統，其包括液流電池單元之堆疊、在該堆疊中之包括貧錯合鹵素相電解質出口之第一堆疊出口、及在該堆疊中之包括富錯合鹵素相電解質出口之第二堆疊出口。該系統亦包括儲存槽，其包括儲存槽外殼、位於該儲存槽之較低部分之第一電解質入口、及位於該儲存槽之較低部分之第二電解質入口、流體連接至該第一電解質入口之第一擴散器及流體連接至該第二電解質入口之第二擴散器。第一出口管道將第一堆疊出口與該儲存槽之第一電解質入口流體連接，及第二出口管道將第二堆疊出口與該儲存槽之第二電解質入口流體連接。
1‧‧‧歧管
4A‧‧‧歧管
4B‧‧‧歧管
10‧‧‧初始向下流動方向/向下垂直方向
12‧‧‧洞/孔(空隙/穿孔)
14A‧‧‧第一堆疊出口
14B‧‧‧第二堆疊出口
19‧‧‧流動通道
32‧‧‧反應區段
100‧‧‧電化學系統
100A‧‧‧電化學系統
100B‧‧‧電化學系統
100C‧‧‧電化學系統
100D‧‧‧電化學系統
101‧‧‧電池堆疊
102‧‧‧電化學電池
102A‧‧‧可滲透正電極
102B‧‧‧不可滲透負電極
104‧‧‧儲存槽
104A‧‧‧較低部分/停滯區
104B‧‧‧中間部分
104C‧‧‧上方部分
106A‧‧‧主要入口
106A’‧‧‧多孔管
106A”‧‧‧垂直管道
106B‧‧‧次要入口
106B’‧‧‧多孔管
106B”‧‧‧垂直管道
107A‧‧‧多孔水平彎曲延伸部
107B‧‧‧多孔水平彎曲延伸部
107b‧‧‧多孔水平彎曲延伸部
108A‧‧‧主要出口
108B‧‧‧次要出口
109‧‧‧管道
109H‧‧‧管道109之水平部分
109V‧‧‧管道109之垂直部分
110‧‧‧氣體出口
111‧‧‧泵
111A‧‧‧第一泵
112‧‧‧入口開口
113‧‧‧閥
113A‧‧‧第二泵或閥
114‧‧‧電解質混合物
115‧‧‧液體金屬鹵化物電解質溶液
116‧‧‧錯合鹵素相
116A‧‧‧較小液滴/小液滴
116B‧‧‧較大液滴/錯合鹵素相
120‧‧‧管道
122‧‧‧管道
124‧‧‧管道
125‧‧‧管道
126‧‧‧管道/第一出口管道
127‧‧‧控制系統
128‧‧‧管道
129‧‧‧溫度感測器
130‧‧‧擋板
130A‧‧‧第一擋板
130A2‧‧‧第二擋板
130A3‧‧‧第三擋板
131‧‧‧頂部部分
132‧‧‧聚結過濾器
133‧‧‧實質上圓柱形側壁部分
134‧‧‧精細結構/纖維
135‧‧‧通道
136‧‧‧沉降器
136B‧‧‧沉降器
137‧‧‧沉降器板
137B‧‧‧波紋板
138‧‧‧氣旋分離器
139‧‧‧加熱器或熱交換器
140‧‧‧子系統
142‧‧‧旋轉流體流
144‧‧‧傾斜式擋板
146‧‧‧外環形通道
148‧‧‧內環形通道
150‧‧‧外殼
200‧‧‧電化學系統
201‧‧‧獨立腔室
203‧‧‧錯合鹵素116儲存槽
204‧‧‧儲存槽
204A‧‧‧較低部分
204B‧‧‧中間部分
205‧‧‧液體金屬鹵化物電解質溶液115儲存槽
206‧‧‧入口
207‧‧‧入口
212‧‧‧第一出口
214‧‧‧第二出口
304‧‧‧儲存槽
305‧‧‧第二儲存槽
307‧‧‧入口
308A‧‧‧主要出口
308B‧‧‧出口
310‧‧‧氣體出口
320‧‧‧管道
404‧‧‧儲存槽
602a‧‧‧校準管限制件
602b‧‧‧校準管限制件
604‧‧‧儲存槽
604a‧‧‧開/關閥
604b‧‧‧開/關閥
604bv‧‧‧可變流動控制閥
604av‧‧‧可變流動控制閥
704‧‧‧儲存槽
1204‧‧‧儲存槽
1304‧‧‧儲存槽
1504‧‧‧第一儲存槽
1504A‧‧‧較低部分
1540‧‧‧儲存槽子系統
1640‧‧‧儲存槽子系統
1800‧‧‧電化學系統
1802‧‧‧多孔平行板
1804‧‧‧通道
1902A‧‧‧多孔板
1902B‧‧‧多孔板
1904A‧‧‧空間
1904B‧‧‧空間
1906A‧‧‧非水平壁
1906B‧‧‧非水平壁
2002‧‧‧板式擋板/擋板
2004‧‧‧桿
2100B‧‧‧次要入口管道
2100BV‧‧‧次要入口管道2100B之垂直部分
2100BH‧‧‧次要入口管道2100B之水平部分
2100A‧‧‧主要入口管道/管道
2100AV‧‧‧主要入口管道2100A之垂直部分
2100AH‧‧‧主要入口管道2100A之水平部分
2102A‧‧‧接合部
2102B‧‧‧接合部
2300‧‧‧管道
h‧‧‧距離
L‧‧‧長度
圖1A、1B、1D、2至4、6至9、12至16、17A、17C、18、19A、20、21、22及23顯示本發明各種實施例之裝置之橫截面側視圖。
圖1C為根據本發明一個實施例之裝置之平面圖。
圖5為聚結過濾器之一部分之示意性說明。
圖10及11為沉降器之示意性說明。
圖17B為根據本發明一個實施例之裝置之平面圖。
圖17D為根據本發明一個實施例之裝置之三維透視圖。
圖19B為根據本發明一個實施例之裝置之平面圖。
本發明之實施例係關於金屬-鹵素液流電池系統及使用此等系統之方法。該方法之實施例包括藉由在儲存槽外殼底部之停滯區或向該停滯區提供來自液流電池堆疊的具有液體金屬鹵化物電解質溶液及錯合鹵素相之電解質混合物及將該液體金屬鹵化物溶液自該儲存槽外殼提供至該液流電池堆疊使得該液體金屬鹵化物溶液在該儲存槽外殼中逆著重力向上流動而該錯合鹵素相沉降於該停滯區中來操作液流電池。更詳細地述於下文中之系統之實施例包括一或多個經組態以實施該等方法之儲存槽。
該等系統之實施例包括具有單一流動迴路之流動架構。習知金屬鹵素液流電池係藉由在各液流電池之正電極及負電極之間使用隔板及用於電解質及鹵素反應物之不同儲存槽而保持反應物流包含於兩個不同流動迴路中來維持電化學效率。下文組態描述用於反應物處理之結合單一流動迴路系統之簡易性及可靠性與反應物分離廠內其他系統(BOP)組件之系統及方法。較佳地，該單一流動迴路系統包括在各液流電池之正電極及負電極之間無隔板(亦即，未分割反應區段)之液流電池單元之堆疊及針對於電解質及濃縮(例如，錯合)鹵素反應物之常見儲存槽。
電化學(例如，液流電池)系統可包括其內體積中包含一或多個電化學電池(例如，液流電池單元之堆疊)之容器、金屬鹵化物電解質、電解質儲存槽及經組態以將金屬鹵化物電解質傳遞至該(等)電化學電池之流動迴路。該流動迴路可為使用泵以在儲存槽及電池之間傳遞電解質之閉環迴路。於許多實施例中，該環路迴路可為閉環迴路。
各個電化學電池可包括可作為正電極之流體可滲透第一電極、可作為負電極之流體不可滲透第二電極、及位於該等電極之間之反應區段。於某些實施例中，該第一電極可為多孔電極或包含至少一個多孔元件。例如，該第一電極可包括多孔或可滲透金屬電極，諸如經釕或銥塗覆之鈦或鉭，諸如經氧化釕塗覆之鈦。於放電模式中，該第一電極可作為正電極，鹵素可在此處被還原為鹵離子。在第一電極中使用多孔材料，可提高鹵素反應物之還原之效率。該第二電極可包括鍍覆鋅之金屬，諸如鈦或鍍釕鈦(即，經釕塗覆之鈦，其中釕被氧化以形成氧化釕)。或者，該第二電極可包括碳或碳浸漬塑料。
較佳地，該反應區段缺乏隔板及電解質於各電池中電極之間無間隔的情況下循環通過相同流動路徑(例如，單一迴路)。換言之，該反應區段可為使得其在不可滲透電解質中之鹵離子之相同電池之正電極及負電極之間不包含膜或隔板之其等。此外，電池可為混合液流電池單元而非氧化還原液流電池單元。因此，於混合液流電池單元中，金屬(諸如鋅)係經鍍覆至一個電極上，該反應區段缺乏容許離子通過之離子交換膜(亦即，在陰極電極及陽極電極之間無離子交換膜)及電解質未經離子交換膜分離成陰極電解質及陽極電解質。電解質儲存在一個儲存槽中而非儲存在獨立的陰極電解質及陽極電解質儲存槽中。
較佳地，該電化學系統可係可逆的，亦即，能夠以充電及放電操作模式工作。該可逆電化學系統通常會在電解質中使用至少一種金屬鹵化物，以致金屬鹵化物之金屬呈其還原形式時足夠強及穩定以便 形成電極。可用於可逆系統中之金屬鹵化物包括鋅鹵化物，因為元素鋅足夠穩定以便形成電極。較佳地，該電解質為至少一種金屬鹵化物電解質化合物(諸如ZnBr2及/或ZnCl2)之水溶液。例如，該溶液可為ZnBr2及/或ZnCl2之15至50%水溶液，諸如25%溶液。於某些實施例中，該電解質可包含一或多種可增強電解溶液之電導率之添加劑。當該電解質包含ZnBr2時，則該電解質亦可包含溴錯合劑，諸如溴化四級銨(QBr)，諸如溴化N-乙基-N-甲基嗎啉鎓(MEM)、溴化N-乙基-N-甲基吡咯啶鎓(MEP)或溴化四丁基銨(TBA)。
圖1A顯示根據一個實施例之電化學系統100。該實施例包括一或多個電化學電池102，諸如電池102之堆疊101。該堆疊可為(例如)水平電池之垂直堆疊。各電池102包含可滲透正電極102A及不可滲透負電極102B。堆疊101係流體連接至垂直定向儲存槽104(即，包括槽或另一個適宜液體容器形狀之儲存槽外殼)。於一個實施例中，儲存槽104包括三個部分：較低部分104A(例如，停滯區)、中間部分104B及上方部分104C。錯合鹵素相(諸如，與錯合劑錯合之溴(諸如溴化四級銨(QBr)，諸如溴化N-乙基-N-甲基-嗎啉(MEM)、溴化N-乙基-N-甲基-吡咯啶鎓(MEP)或溴化四丁基銨(TBA)))係儲存於儲存槽104之較低部分104A(例如，停滯區)中。較低部分104A除錯合鹵素相外亦可包含一些水性鹵素電解質。中間部分104B包含具有少量錯合劑或不具有錯合劑之水性鹵素電解質(例如，ZnCl2及/或ZnBr2液體金屬鹵化物電解質溶液)。氣態物質(諸如氣泡、鹵素(例如Cl2或Br2)及氫氣)係儲存於儲存槽104之上方部分104C(例如，頭部空間)中。
對部分104A、104B及104C之高度無特定限制，只是區域104B係位於區域104A與104C之間。例如，部分104A可包含儲存槽之體積之2至20%(諸如5至10%)，部分104C可包含儲存槽之體積之0.1至3%(諸如0.5至1%)及部分104B包含儲存槽104之體積之大部分剩餘體積(例如， 77至98%，諸如90至95%)。一般而言，自堆疊101經由管道126返送至儲存槽104之電解質流為可包含至多下列三個相之經徹底混合之均質流：包含大部分體積之液體電解質溶液、由錯合鹵素組成且包含小分率(約5至10體積%)之較高密度液體、及視需要之夾帶在該液流中或呈電化學反應之副產物形式產生且包含極小分率(一般小於1體積%)之氣體混合物。使該混合流之該等相分別分離成儲存槽104部分104B、104A及104C，如將於下文更詳細地論述。
較佳地，然非必須地，包含電池102之堆疊101及儲存槽104子系統140之整個電化學系統100位於相同外殼150中。然而，若需要，則堆疊101及子系統140可位於獨立外殼中。
於一個實施例中，儲存槽104包括主要入口106A，液體金屬鹵化物電解質溶液115及錯合鹵素相116之混合物114係自電化學電池102之堆疊101經由管道126通過該主要入口106A而被接收。於圖1之實施例中，主要入口106A係位於儲存槽104之停滯區104A上方，諸如，位於中間部分104B及/或上方部分104C中。入口106A可包括一或多個位於儲存槽104之頂壁及/或儲存槽之側壁中之開口。
儲存槽104之上方部分104C中亦包括氣體出口110。位於上方部分(或頭部空間)104C中之氣體可自儲存槽104經由氣體出口110移除。若需要，則可使自儲存槽110移除之所有或部分氣體再循環至管道126中。
儲存槽104亦可包括可選次要入口106B。於一個實施例中，次要入口106B可位於儲存槽104之較低部分104A中。視情況，來自電化學電池102之堆疊101之電解質混合物114之部分較重錯合鹵素相116可藉由流動通過堆疊101中之多孔電極102A自大量電解質混合物114分離出。錯合相116(其亦可包含部分電解質溶液115)經由可選管道128及次要入口106B傳遞至儲存槽104之較低部分104A。入口106B可包含一 或多個位於儲存槽104在停滯區104A中之底壁及/或側壁中之開口。
因此，次要入口106B容許流動混合物114或錯合鹵素相116之一部分穿過停滯區104A並更容易接觸位於停滯區104A中之錯合劑。若鹵素及錯合劑之擴散相當地慢，則與仰賴於混合物114流動通過停滯區104A之頂部相比，此組態可明顯地增進這兩者之混合。當然，應適宜地控制流入該次要入口106B之流體流速，因為其不穿過儲存槽之聚結區域及分離可能不如主要流。因此，使用回應於充電/放電循環、溫度、鹵素濃度等之流動控制裝置(諸如閥等(未顯示))主動地控制通過次要入口106B進入之液流之分率可能有利。
儲存槽104亦包括可使電解質115通過而供回至電化學電池102之堆疊之主要出口108A。於圖1之實施例中，主要出口108A位於儲存槽104之較低部分104A之中間(例如，儲存槽底壁中之開口)。然而，出口108A可位於其他位置(例如，儲存槽之側壁中之開口，如下文將所述)中。
於一個實施例中，主要出口108A係連接至管道109，管道109從儲存槽104之較低部分104A中之出口108A延伸貫穿儲存槽104之較低部分104A至儲存槽104之中間部分104B中。該管道之入口112位於儲存槽之中間部分104B中。管道109可為在除連接至儲存槽之主要出口108A者以外於其上端處具有開口(即，入口112)而於其位於部分104A中之下端中無開口之管或歧管。
利用該組態，液體金屬鹵化物電解質溶液115可自儲存槽104之中間部分104B移除，接著穿過管道109及出口108A及最後經由管道120及124提供至電化學電池102之堆疊101而不含來自儲存槽104之較低部分104A之過量錯合鹵素相116。
若堆疊101中需要額外錯合鹵素相116，則可提供以操作方式連接至儲存槽之較低部分104A之次要出口108B。錯合鹵素相116可從儲存 槽104之較低部分104A通過次要出口108B及相關管道122來提供並與從主要出口108A通過管道120提供之液體金屬鹵化物電解質溶液115在出口管道124中混合。一或多個連接至出口管道124之泵111可用於在儲存槽104及電化學電池102之堆疊101之間提供電解質115及/或錯合鹵素相116。另外，於管道122中之一或多個閥113可用於控制自儲存槽104提供至電化學電池102之堆疊101之錯合相116之量。
較佳地，於充電模式中，在單一流動迴路120-124-126中使用單一泵111以將金屬鹵化物電解質溶液115自儲存槽中間部分104B泵送至堆疊101且接著自該堆疊供回至儲存槽104，同時關閉管道122中之閥113以最小化提供錯合鹵素相到達堆疊101。於放電模式中，打開閥113及在單一流動迴路120-122-124-126中使用單一泵111以將液體金屬鹵化物電解質溶液115及錯合鹵素相116自儲存槽泵送至堆疊101及回至儲存槽104。
該一或多個泵111及該一或多個閥113可藉由控制系統127(諸如個人電腦或其他專用控制邏輯晶片或裝置)來控制。堆疊101及/或儲存槽104中之電解質之溫度可使用溫度感測器129(諸如熱電偶)來測量，及藉由改變可包括控制系統127之溫度控制裝置之設定來調整。可(例如)利用圖1A中示意性顯示之加熱器或熱交換器139來調整溫度。例如，熱交換器139可包括捲繞在電化學系統100之管道109、120、122、124、125(下文針對於圖1D及17D所述)、126、128中之一或多者之周圍線圈狀冷卻/加熱管道。該冷卻/加熱管道可包括捲繞在系統管道109、120、122、124、125、126及/或128周圍之具有熱交換流體(諸如乙二醇或聚矽氧流體)之管道。其他熱交換器，諸如板式熱交換器或同軸管式熱交換器(例如，熱交換器管係同軸位於系統管道(例如，管)109、120、122、124、125、126及/或128內側或外側)。或者，該加熱器可包括電阻性加熱線圈或另一個加熱元件。溫度感測器 129可位於堆疊101及/或儲存槽104中或位於如圖1A所示之管道120或124附近。
實施例包括一或多個內部結構，諸如於儲存槽104中之擋板130，以助於使錯合鹵素相116與液體金屬鹵化物電解質溶液115分離。於第一實施例中，該儲存槽包括位於儲存槽104內側中心且圍繞出口管道109之擋板130，如圖1中所示。儲存槽104之形狀可為大致圓柱形(例如，具有圓形水平截面)。然而，亦可使用其他形狀(例如，正方形、矩形或其他多邊形水平截面)。於該實施例中，擋板130可為大致圓柱形形狀，其中頂部部分131為大致圓錐形。亦即，擋板130包括與儲存槽104之縱軸軸向對齊之實質上圓柱形側壁部分133(例如，恰好圓柱形或略偏離圓形水平截面)及覆蓋圓柱形側壁部分133之頂部部分131。通過主要入口106A沿向下方向10進入儲存槽104之流體混合物114撞擊於擋板130之頂部部分131上及沿非平行方向(例如，垂直方向)重新引導至初始向下流動方向10。亦即，進入之電解質混合物114改變方向，從向下垂直方向10改為實質上環形(即，向外徑向)方向。
錯合鹵素相116通常比液體金屬鹵化物電解質溶液115稠及沉降於儲存槽104之較低部分104A中。因此，夾帶於非錯合水性電解質溶液115中之錯合鹵素相116之液滴116A將隨著電解質混合物114流入介於擋板130之側壁部分133及儲存槽104之側壁之間之外環形通道146中而繞儲存槽104之周邊沉降至儲存槽104之較低部分104A。
擋板130係經組態使得擋板130之側壁部分133之下緣位於儲存槽104之中間部分104B中。以此方式，液體金屬鹵化物電解質溶液115可向上流入介於擋板130之內側壁部分133及出口管道109之外壁之間之內環形通道148中。當液體金屬鹵化物電解質溶液115到達出口管道109之頂部時，其經由入口開口112進入出口管道109。液體金屬鹵化物電解質溶液115可接著沿出口管道109向下流動並經由儲存槽104底 壁中之主要出口108A離開儲存槽104。
大部分錯合鹵素相116沉降於停滯區104A中及不到達管道109之位於儲存槽部分104B中之入口開口112。擋板130阻擋包含錯合鹵素相116之混合物114以防直接從入口106A流至管道109之入口開口112中。
因此，儲存槽104被動地分離混合流(即，電解質混合物)114之三個相以便較稠液體沉降至底部之停滯區104A中，較不稠液體係從中間部分104B通過儲存槽主要出口108A泵送出來，及氣泡自流體逃逸至儲存槽中之頭部空間104C。分離不對通過儲存槽之液流增加顯著壓降及不阻礙液體在儲存槽中大量混合或翻轉。
於圖1A之實施例中，該分離係藉由其中混合流114從頂部進入儲存槽並藉由圓柱形擋板130引導至外圓環之環形流動設計達成。隨著混合流均勻地向下行進，較稠液體116之分散液滴聚結為較大液滴，其傾向於朝儲存槽之底部104A加速。類似地，分散氣泡聚結為較大氣泡，其朝儲存槽之頂部104C浮動。接近儲存槽底部之較輕電解質115流轉向及向上行進通過介於管道109及擋板130側壁133之間之內圓環148。流動方向之這種改變促進較稠液體116之液滴從液流115中落下並沉降於儲存槽之底部104A。其亦確保儲存槽底部104A之特定體積大致停滯且不會因儲存槽主要出口108A之吸力而被吸起。因此，通過主要出口108A出來的大部分液流將為電解質溶液115。
停滯區104A之體積分率可藉由選擇或改變擋板幾何形狀來改變。於一個實施例中，停滯區104A之體積分率可經動態調整以匹配較稠液體(即，錯合鹵素相)116之體積。動態調整將確保停滯區104A體積絕不過小(此將防止所有較稠液體116沉降出來)或過大(此將留存部分電解質115於停滯區104A中)。動態調整可係主動式及使用控制系統127來垂直移動(亦即，上下移動)擋板130而達成。或者，動態調整可係被動式及藉由將具有經調整之密度之浮動環形水平分離板置於儲 存槽中以使其始終浮動在介於兩個液相115、116之間之界面處(亦即，在介於儲存槽部分104A及104B之間之可變界面處)而達成。
雖然圖1A之實施例中顯示圓柱形擋板，但可使用其他擋板組態，諸如於圖2中所顯示及於下文所述之板式擋板。另外，如圖13及14所顯示，可完全省略擋板。因此，液體流動路徑不需要為環形及可使用替代組件幾何結構。
視情況，如圖1B及1C所示，次要入口106B可包括使入口物流擴散於儲存槽104之較低部分104A內部之擴散器。該擴散器可包括位於儲存槽104內部之任何管道，其使該流體逐漸釋放或擴散通過入口106B供至儲存槽中。例如，該擴散器可包括多孔管道，諸如多孔管、多孔板或由通道間隔之多孔板。如本文所用，術語多孔包括由穿孔無孔材料製成之管道及由多孔材料製成之管道。例如，管可包括對用於液流電池中之化學品耐受之多孔塑料或金屬材料，諸如聚乙烯(例如，高密度聚乙烯(HDPE))、氟聚合物(諸如聚偏二氟乙烯(PVDF))、全氟烷氧基(PFA)或聚四氟乙烯(PTFE)等。於圖1B及1C之實例中，該擴散器為延伸至儲存槽之較低部分中並流體連接至入口106B之多孔管106B’。如本文所用，術語流體連接意指使得流體從初始連接點通過一或多個管道、歧管、擋板、擴散器等直接或間接流動至第二連接點之直接或間接連接。
電解質係藉由通過多孔管106B’中之孔隙或穿孔12進入儲存槽104。以此方式提供至儲存槽104之電解質相較於自無孔管之單一出口提供之電解質在儲存槽104中產生較小湍流。於一個實施例中，多孔管106B’包括連接至次要入口106B之非水平段(諸如垂直段(亦即，具有與重力平行之軸))及非垂直多孔延伸段(諸如水平延伸107B段)。例如，延伸部可包括可至少部分圍繞主要出口管道109延伸(例如，彎曲或捲曲)之彎曲或捲曲延伸部107B。電解質可通過延伸部107B較均勻 地分佈至儲存槽104之較低部分104A。請注意可使用其他延伸組態，諸如筆直延伸及/或具有沿介於垂直及水平之間之方向定位之部分之傾斜延伸。
於圖1D所示之另一個實施例中，電解質之貧錯合鹵素相部分(該部分或者稱為「水性」相)通過與電解質之富錯合相部分(該部分或者稱為「錯合」相)不同之出口離開堆疊101。於該實施例中，傳遞至電化學電池102之堆疊101之電解質可經由輸入歧管1分佈至堆疊101中之電池102。於一個實施例中，離開電化學電池102之堆疊101之電解質於輸送至儲存槽104之前在電化學電池102之堆疊101中分流。
電解質之貧錯合鹵素相之第一部分(即，「水性」相)穿過介於不可滲透負電極102B及可滲透正電極102A之間之反應區32。該水性相係經通道引導通過第一出口歧管4A到達連接至第一出口管道126之第一堆疊出口14A。電解質接著從第一堆疊出口14A經由第一出口管道126及主要入口106A進入儲存槽104。因此，第一出口管道126將第一堆疊出口14A流體連接至儲存槽之主要電解質入口。
電解質之富錯合鹵素相之第二部分(「錯合物」相)穿過可滲透正電極102A到達可滲透正電極102A下方之流動通道19。錯合相係經通道引導通過第二歧管4B到達連接至第二出口管道125之第二堆疊出口14B。電解質接著從第二堆疊出口14B經由第二出口管道125及次要入口106B進入儲存槽104。因此，第二出口管道125將第二堆疊出口14B流體連接至儲存槽之次要電解質入口。電解質之第一部分(即，「水性」相)包含該電解質之多數(例如，60至95體積%，諸如80至85體積%)及電解質之第二部分(即，「錯合相」)包含該電解質之少數(例如，5至40體積%，諸如15至20體積%)。
於圖1D所示之實施例中，電解質之第二富錯合物部分係經由管道125及次要入口106B提供至儲存槽104之較低部分104A，及電解質 之第一貧錯合物部分係經由管道126及入口106A經由儲存槽104之上方部分104C提供至儲存槽104。於下文中更詳細論述及圖17A至17C所顯示之替代實施例中，在入口106A、106B均位於儲存槽之較低部分(例如，停滯區)中時，電解質之第一及第二部分二者均可提供至儲存槽104之較低部分104A。
視情況，管道125及126可提供有校準管限制件602a、602b及/或開/關閥604a、604b，以控制離開流物流之流量比。管限制件包括寬度或直徑比管道125、126小的狹窄管或孔口。
圖2顯示可與電化學系統100併用之儲存槽204之另一個實施例。與前一實施例相比，該實施例中儲存槽104中之電解質流不為環形。於該實施例中，儲存槽可包括一或多個板式擋板，諸如一串叉指形擋板130。擋板130可包括一或多個藉由熔接、栓接等附接於儲存槽104內側之板或其可包括儲存槽壁之向內彎曲以在內儲存槽體積內側建立分流之部分。
電解質混合物114經由儲存槽204之部分中之主要入口106A進入儲存槽204並向下流入形成於儲存槽204之側壁與第一擋板130A之間之通道中，第一擋板130A自儲存槽204之頂壁延伸並終止於儲存槽204之中間部分204B中。換言之，電解質混合物114沿垂直板式擋板130A之第一(例如，左)側向下流動。較稠錯合鹵素相116沉降至儲存槽204之較低部分204A。由於泵111驅使電解質通過出口108A及管道120、124朝向泵111之作用，非錯合水性電解質115穿過擋板130A下緣下方並逆著重力向上流動。因此，液體金屬鹵化物溶液115沿擋板130A之第二(例如，右)側逆著重力向上流動，同時錯合鹵素相116沉降於擋板130A下方之停滯區204A中。於一個實施例中，若自混合物114移除所需量的錯合鹵素相116，則非錯合水性電解質115可自儲存槽204之中間部分204B經由位於擋板130之向上流動側之出口管道109 移除。
視情況，若希望自混合物114移除額外錯合鹵素相116，則可如圖2所示般提供額外擋板130A2、130A3。較佳地，第二擋板130A2不是一直延伸至儲存槽204之底壁或在儲存槽204之較低部分204A中包括開口以使錯合鹵素流動穿過儲存槽204之較低部分204A。第二擋板130A2亦不一直延伸至儲存槽之上方部分104C或在部分104C下方之部分104B中包含開口。同樣地，第一130A及第三130A3擋板不一直延伸至儲存槽之較低部分(即，停滯區)104A或在部分104A上方之部分104B中包含開口。
在逆著重力向上流動之後，混合物114流過第二擋板130A2上方並沿著形成於第二擋板130A2及第三擋板130A3之間之通道向下流動。混合物114中之較稠錯合鹵素相116沉降至儲存槽204之較低部分204A。非錯合水性電解質115穿過擋板130A3下緣並逆著重力向上流動。
因此，電解質混合物114沿複數個叉指形板式擋板之第一擋板130A之第一(例如，左)側向下流動。接著，液體金屬鹵化物溶液115沿第一擋板130A之第二(例如，右)側逆著重力向上流動，接著流過其餘叉指形板式擋板130A2、130A3之間、上方或下方，同時錯合鹵素相116沉降於擋板下方之停滯區204A中。
若自混合物114移除所需量的錯合鹵素相116，則可自儲存槽204之中間部分204B經由位於擋板130A3之向上流動側之出口管道109移除非錯合水性電解質115。於替代實施例中，如上所述，可增加額外擋板130A。
視情況，儲存槽204可包括位於儲存槽204之較低部分204A中之次要入口106B，錯合鹵素相116或液體金屬鹵化物電解質溶液115及錯合鹵素相116之混合物114可通過該次要入口106B提供至儲存槽204之 較低部分204A。儲存槽204亦可視需要包括可使複合鹵素相通過而自儲存槽204移除之位於儲存槽204之較低部分204A中之次要出口108B。另外，儲存槽204可包括可使氣體通過而自儲存槽204移除之位於儲存槽204之上方部分204C之氣體出口。
圖3顯示可與電化學系統100併用之儲存槽304之另一個實施例。 本發明之儲存槽304類似於圖1A所說明之儲存槽104。然而，於該實施例中，儲存槽304進一步包括一或多個位於儲存槽104之壁與圓柱形擋板130之側壁133之間之聚結過濾器132。因此，過濾器132可具有將擋板130包圍於中間之環形，因此過濾器132位於電解質混合物114向下流動方向路徑中之外環形通道146中。
聚結過濾器132之操作係顯示於圖5中。聚結過濾器132包括收集錯合鹵素相116之小液滴116A之精細結構134，諸如纖維。纖維134可包括聚合物纖維，諸如鐵氟龍(Teflon)基纖維，例如聚丙烯纖維。亦即，精細結構134之材料係經選擇使得錯合鹵素116之液滴116A選擇性地吸附至精細結構134之表面。當若干小液滴116A彼此觸及時，液滴116A之表面張力引起若干小液滴116A聚結為單一較大液滴116B。當該等較大液滴116B變得足夠大時，重力超過吸附力及液滴116B從聚結過濾器132之精細結構134落下及向下流至停滯區104A。
圖4顯示可與電化學系統100併用之儲存槽404之另一個實施例。該實施例之儲存槽404類似於圖2所示之儲存槽304。然而，於該實施例中，儲存槽404進一步在擋板130之間沿向下及/或向上電解質流動方向包括一或多個聚結過濾器132。以此方式，錯合鹵素116可更快速地從液體金屬鹵化物電解質溶液115及錯合鹵素相116之混合物114分離。
圖6及7顯示可與電化學系統100併用之儲存槽604及704之替代實施例。此等實施例之儲存槽604及704類似於分別如圖3及4所示之儲存 槽304及404。然而，於此等實施例中，除了聚結過濾器132以外，儲存槽604、704進一步包括一或多個可選沉降器136。較佳地，該等沉降器136位於該等過濾器132下游。圖8及9顯示類似於分別如圖6及7所示之儲存槽604及704之儲存槽804及904之實施例。然而，圖8及9所示之實施例包括一或多個沉降器136，然不包括聚結過濾器132。因此，可選沉降器136可與或不與一或多個聚結過濾器132一起使用。
該一或多個沉降器136之操作係顯示於圖10及11中。圖10所顯示之沉降器136通常包括兩個或更多個以間距h固定在一起以形成通道135之大致平行板137，通道135可流通液體金屬鹵化物電解質溶液115及錯合鹵素相116之混合物114。與聚結過濾器132類似，沉降器板137係由錯合鹵素116較佳會吸附的材料製成。因混合物114在該等通道135之間流動，故錯合鹵素116之小液滴116A吸附至該等沉降器板137。當若干小液滴116A觸及時，表面張力引起該等較小液滴116A聚結為較大液滴116B。沉降器板137之長度L係經選擇以使較小液滴116A有足夠的時間聚結為較大液滴或錯合鹵素相116B之連續物流。錯合鹵素相116B接著沉降至停滯區104A。
圖11顯示沉降器136B之一個替代實施例。於該實施例中，沉降器136B包括波紋板137B。較佳地，混合物114係沿不與波紋軸平行的方向(例如，垂直方向)流動。因此，混合物流過板中波紋之上方及下方。以此方式，使混合物114曝露至較利用圖10實施例所示之沉降器板137大之跨整個距離L之表面積。
圖12顯示另一個實施例。於該實施例中，氣旋分離器138係以操作方式連接至主要入口106A。於一個態樣中，氣旋分離器138係經組態使得旋轉流體流142以非平行(例如，垂直)於重力方向及重力流體流動方向的方式形成。於此態樣中，旋轉流體流產生離心力而促進較稠流體之分離，例如錯合鹵素116處在旋轉流體流外側及電解質115處 在其內側。於另一個態樣中，儲存槽1204視需要包括一或多個傾斜式擋板144或沉降器136，其使儲存槽1204之朝向儲存槽1204底部之有效直徑相較於朝向儲存槽1204頂部之有效直徑減小。該一或多個擋板144或沉降器136進一步加速該流體及增進分離。與上述實施例相比，於該態樣中，擋板144或沉降器136降低儲存槽1204中的體積包裝效率。
圖13顯示另一個實施例系統100A。於該實施例中，儲存槽1304缺乏任何擋板130或其他液流分離器。較佳地，儲存槽1304亦缺乏過濾器132及沉降器136。於該實施例中，可省去於停滯區104A上方之主要入口106A，及電解質混合物114係從堆疊101通過管道126經位於停滯區104A中之次要入口106B提供至儲存槽1304中。次要入口106B將電解質混合物114提供於儲存槽外殼底部之停滯區之處(亦即，直接提供至停滯區中)(而非如前述實施例中由主要入口106A提供朝向停滯區)。液體金屬鹵化物電解質溶液115藉由泵111吸力從停滯區104A逆著重力向上流動到達管道109之上方部分之入口開口112，同時較重錯合鹵素相116保留並沉降於停滯區104A中。因此，金屬鹵化物電解質溶液115順著管道109外側向上流動直到其到達開口112且接著向下流動通過管道109及經由儲存槽1304之較低部分104A中之電解質出口108A流出儲存槽1304。
圖14顯示另一個實施例系統100B。系統100B類似於圖13之系統100A，只是系統100B中省去管道109及出口108A係位於中間部分104B中而非位於儲存槽1404之較低部分104A。因此，於系統100B中，液體金屬鹵化物電解質溶液115藉由泵111吸力從停滯區104A逆著重力向上流動到達儲存槽1404中間部分104B之電解質出口108A，同時較重錯合鹵素相116保留並沉降於停滯區104A中。
圖15顯示根據另一個實施例之電化學系統100C。於此實施例 中，電化學系統100C之儲存槽子系統1540包含複數個儲存槽，諸如，與上述儲存槽104、204、304、404、605、704、804、904、1204、1304或1404相同或類似之第一儲存槽1504及用於儲存水性電解質115之額外第二儲存槽305。
例如，系統100C包括第一儲存槽1504，其包括圖2所顯示之單一板式擋板130A及視需要之聚結過濾器132及/或沉降器136。第一儲存槽1504包括其中可儲存錯合鹵素相116之較低部分(例如，停滯區)1504A。自錯合鹵素相116分離之金屬鹵化物電解質溶液115可從第一儲存槽1504經由位於儲存槽1504之於較低部分1504A上方之部分中之主要出口308A移除。
然而，於該實施例中，從第一儲存槽1504之出口308A移除之金屬鹵化物電解質溶液115經由管道320提供至第二儲存槽305而非供回堆疊101中。較佳地，電解質溶液115經由第二儲存槽305之上方部分中之入口307提供至第二儲存槽中。如果需要，則可利用來自泵111之吸力，使儲存於第二儲存槽305中之金屬鹵化物電解質溶液115經由第二儲存槽305中之出口308B提供至電化學電池102之堆疊101。位於第二儲存槽305中之氣體可從第二儲存槽305經由位於第二儲存槽305之上方部分中之氣體出口310移除。
圖16顯示根據另一個實施例之其中儲存槽子系統1640包含三個腔室之電化學系統200。於該實施例中，電化學系統200包括容納聚結過濾器132及/或沉降器136之獨立腔室(例如，流管、槽、儲存槽等)201。電化學系統200亦包括獨立錯合鹵素116儲存槽203及獨立液體金屬鹵化物電解質溶液115儲存槽205。獨立腔室201包括經組態以從電化學電池之堆疊101接收液體金屬鹵化物電解質溶液115及錯合鹵素相116之混合物114之入口206。獨立腔室201亦包括第一出口212，其經組態以將液體金屬鹵化物電解質溶液115從獨立腔室201經由金屬 鹵化物電解質溶液115儲存槽205中之入口207提供至金屬鹵化物電解質溶液115儲存槽205。獨立腔室201亦包括經組態以將錯合鹵素116提供至錯合鹵素116儲存槽203之第二出口214。第二出口214位於第一出口212下方。其他元件類似於彼等針對前述實施例所述者。如圖所示，獨立腔室201係呈水平組態(例如，其中流動軸與重力垂直)形式定向。或者，獨立腔室201可組態成垂直定向(例如，其中流動軸與重力平行)。
圖17A至17D顯示電化學系統1800之替代實施例。為簡潔起見，系統1800類似於圖1D所顯示之系統100D及此等系統間共同的類似編號元件將不再作描述。
然而，於該實施例中，儲存槽104之主要入口106A及儲存槽104之次要入口106B均位於儲存槽104之較低部分104A中。主要入口106A經由第一出口管道126連接至堆疊101中之第一出口歧管4A及第一堆疊出口14A，而次要入口106B經由第二出口管道125連接至第二出口歧管4B及第二堆疊出口14B。類似於圖1D中所示實施例之系統100D，電解質之貧錯合鹵素相之部分從第一出口歧管4A及第一堆疊出口14A經由管道126及入口106A提供至儲存槽104。電解質之富錯合鹵素相之部分從第二出口歧管4B及第二堆疊出口14B經由管道125及入口106B提供至儲存槽104。
雖然圖17A中基於例示方便性而將第一及第二堆疊出口14A、14B顯示於堆疊101之底部，但應理解一個或兩個堆疊出口14A、14B均可位於堆疊101之頂部及/或側部。另外，雖然圖17A及17C中例示圓柱形擋板130，但該擋板係可選及可省去或改由圖20中所示及下文所闡述之板式擋板2002替代。
較佳地，如圖17B、17C及17D所顯示，主要入口106A及次要入口106B可與各自的擴散器(諸如多孔管106A’、106B’)或其他適宜擴散 器一起提供。類似於圖1B及1C中所示實施例，多孔管106A’、106B’可包括非垂直延伸部，諸如分別為多孔水平彎曲延伸部107A、107B。多孔水平彎曲延伸部107A、107B可位於儲存槽104之較低部分104A中之相同平面(例如，並列)中、位於不同平面中(例如，一者於另一者上方，如圖17C及17D所顯示)或部分位於相同平面而部分位於不同平面中。例如，如圖17D所顯示，延伸部107A可位於延伸部107B上方。
於一個實施例中，來自電化學電池102之堆疊101之大部分電解質係藉由第一出口歧管4A提供。於該實施例中，多孔水平彎曲延伸部107A較佳比多孔水平彎曲延伸部107B長且/或寬(亦即，假若其為具有圓形截面之管，則具有更大直徑)。如圖17D所顯示，延伸部107A可具有相較延伸部107B具有更長長度及/或更大曲率半徑之圓形或半圓形形狀。延伸部107A亦可比延伸部107B具有更大的內部寬度(即，內部/截面直徑)。或者，若大部分電解質係由第二歧管4B提供，則多孔水平彎曲延伸部107B可比多孔水平彎曲延伸部107A長且/或寬，如圖17B所顯示。
延伸部107A、107B可捲繞在管道109周圍，及可捲繞在彼此周圍。此外，如圖17D所顯示，上述熱交換器139可位於儲存槽104內側，例如，如圖1D所顯示，除了位於儲存槽104外側之外或代替位於儲存槽104外側，捲繞在管道109周圍。最後，位於儲存槽之中間部分104B中之管道109之上方部分可視需要具有複數個開口112(例如，在管道之側壁及/或頂部部分)，如圖17D所顯示。較佳地，管道109不含位於儲存槽之較低部分104A中之停滯區中之開口112。
因此，如圖17B至17D所顯示，電解質流藉由兩個獨立擴散器(諸如多孔擴散管)返送至儲存槽之底部。電解質通過多孔管之表面之流動速度相當慢(例如，低於15mm/s，諸如10mm/s或更低，例如低於5 mm/s，諸如約1至4mm/s，包括約3mm/s)，從而使得所有流量返送至儲存槽之底部而未使兩個分離流體層(即，水性相及錯合相)明顯再混合。所有返送的電解質流緩慢地通過包含錯合物之層之停滯區，此增強從堆疊流出之水性溴在返送至堆疊之前經錯合劑螯合之程度。整體儲存槽截面可用於流動，因而平均速度會減至最小且進一步增進該等兩個流體層之分離。多孔擴散器之新增應使得液流電池系統效率提高至少3%(例如，電壓性效率提高約4至5%，庫倫效率提高約3至4%，及DC能量效率提高約5至6%)。
圖18顯示其中擴散器包括多孔板1802而非多孔管106A’、106B’及多孔水平彎曲延伸部107A、107B之一個替代實施例。該板式擴散器包括由一或多個通道1804間隔之板1802。較佳地，該等板1802相互平行且水平定位於儲存槽104之較低部分104A中。入口106A、106B係藉由各自的可為多孔或無孔之垂直管道106A”及106B”連接至通道1804。供應至主要入口106A及/或次要入口106B之電解質經由管道106A”及106B”提供至位於多孔平行板1802之間之通道1804。電解質通過平行板1802中之洞/孔12而進入儲存槽104。
圖19A及19B顯示包括一或多個多孔板1902A、1902B(含有孔1903)替代平行板1802之擴散器之一個替代實施例。於該實施例中，該等板之間不存在通道。而是，該等板以非垂直方向(諸如以水平方向)分割儲存槽，以致儲存槽104之較低部分104A中之所有或部分空間1904A、1904B位於多孔板下方。於多孔板下方之空間經非水平壁1906A、1906B(諸如垂直壁)分割成至少兩個部分1904A、1904B。較佳地，該等壁為無孔及延伸在儲存槽104之底表面及板1902A、1902B之底表面之間。
因此，空間1904A的界限為由儲存槽104之各別底部及側壁構成底部及外側，由多孔板1902A構成頂部及由壁1906A、1906B及視需要之管道109構成內側。空間1904B的界限為由儲存槽104之各別底部及 側壁構成底部及外側，由多孔板1902B構成頂部及由壁1906A、1906B及視需要之管道109構成內側。
主要入口106A係定位於儲存槽中以將貧錯合物電解質(「水性」相)提供至空間1904A中及次要入口106B係定位於儲存槽中以將富錯合物電解質(「錯合」相)提供至空間1904B中。以此方式，空間1904A中之水性相可藉由壁而與空間1904B中之錯合相隔開。電解質接著穿過多孔板中之孔12從空間1904A及1904B中流出及流入位於儲存槽104之中間部分104B中之管道109之入口112。
由於水性相之體積大於錯合相之體積，故空間1904A較佳大於空間1904B。於該實施例中，板1902A之表面積大於板1902B之表面積。雖然例示兩個板1902A、1902B，但應理解可改用單一多孔板(例如，圓形板)，而於板下方之空間1904A、1904B係由壁1906A、1906B所界定。
圖20顯示另一個實施例。於該實施例中，使用擋板2002替代圓柱形擋板130。擋板2002位於儲存槽104之低於儲存槽104中電解質之填充液面但高於通向主要出口108A之管道109之入口112之中間部分104B中。擋板2002會減少氣相的量，或若流至管道109頂部入口112中之電解質形成旋渦，則防止儲存槽104之上方部分104C中之氣相被吸入管道/管109中。擋板2002係藉由一或多個支撐元件(諸如一或多個桿2004)支撐於儲存槽中。擋板2002可用於上述實施例中及於圖1至19B中任一圖中進行說明(例如，替代圓柱形擋板130)。
圖21顯示另一個實施例。於該實施例中，主要入口106A及次要入口106B均位於儲存槽104之頂壁中。與上述實施例相反，主要出口108A及次要出口108B均位於儲存槽104之側壁中而非位於儲存槽104之底壁中。此點可例如藉由在儲存槽104中使用「L」型管道109而達成。金屬鹵化物電解質114順著管道109之垂直部分109V(通常位於儲 存槽104之中間部分)流動，且接著流至管道109之水平部分109H(其連接至位於儲存槽104之側壁上之主要出口108A)。
與上述實施例類似，於充電模式中，可在單一流動迴路(例如，單一流動迴路120-124-126)中使用第一泵111A，以將金屬鹵化物電解質溶液115自儲存槽中間部分104B泵送至堆疊101且接著從該堆疊供回至儲存槽104。於該實施例中，管道122中連接至次要出口108B之第二泵或閥113A可經閉合或關閉以最小化提供錯合鹵素相到達充電模式中之堆疊101。於放電模式中，在單一流動迴路120-122-124-126中第二泵或閥113A經開放或打開及第一泵111A經打開以將液體金屬鹵化物電解質溶液115及錯合鹵素相116從儲存槽泵送至堆疊101繼而供回至儲存槽104。
於一個實施例中，可使來自主要出口108A之金屬鹵化物電解質溶液115及來自次要電解質出口108B之錯合鹵素相116在泵出儲存槽104後組合，以形成富錯合鹵素相電解質混合物。於一個實施例中，來自主要出口108A之金屬鹵化物電解質溶液115及來自次要出口108B之錯合鹵素相116係在到達第一泵111A(例如，上游)之前於接合部2102A處進行組合。或者，來自主要出口108A之金屬鹵化物電解質溶液115及來自次要出口108B之錯合鹵素相116可在到達泵111A(例如，下游)之後於接合部2102B處進行組合，尤其在裝置113A為裝置之情況下。
如同上述一些實施例，本實施例亦包括擴散器。本實施例中之擴散器為可將入口物流擴散於儲存槽104之較低部分104A內部之多孔管道(例如，管(tube/pipe))106B’。於該實施例中，複數個多孔管106B’係附接至分別與主要入口106A及次要入口106B連接之主要入口管道2100A及次要入口管道2100B。於一個實施例中，主要入口管道2100A包括連接至主要入口106A之垂直部分2100AV及附接複數個多 孔管106B’之水平部分2100AH。主要入口管道2100A之水平部分2100AH可具有板形狀或複數個水平管。以此方式，可提供具有複數個多孔管106B’之多個列以使入口物流更好地擴散於儲存槽104之較低部分104A內部。與主要入口管道2100A類似，次要入口管道2100B包括連接至次要入口106B之垂直部分2100BV及附接複數個多孔管106B’之水平部分2100BH。次要入口管道2100B之水平部分2100BH可具有板形狀或複數個水平管。
圖22示意性顯示另一個替代實施例。與圖1D所示之實施例類似，液流電池堆疊101之入口係藉由可使電解質通過而從儲存槽104流至歧管1的管道124。於該實施例中，在各電池中，可滲透電極102B位於不可滲透電極102A下方。於儲存槽104底部之次要出口108B係連接至管道122。管道122之出口係連接至第二泵及/或閥113A之入口。管道109之入口開口112之入口係位於儲存槽104之較輕金屬鹵化物電解質(例如，水性溴化鋅)所處在的中間部分中。於圖22所示之實施例中，管道109穿過主要出口108A離開儲存槽104之底壁。然而，管道109可經組態以穿過儲存槽104之側壁離開，如同圖21所示。管道109係連接至泵111A之入口。於充電模式中，泵或閥113A係經閉合/關閉以致在充電模式期間無濃縮鹵素反應物經由管道122流至堆疊101中。於放電模式中，泵及/或閥113A係經開放(例如，打開泵)以使濃縮鹵素反應物經由管道122流至堆疊101中。與上一個實施例類似，來自主要出口108A之金屬鹵化物電解質溶液115及來自次要出口108B之錯合鹵素相116可在到達第一泵111A(例如，上游)之前於接合部2102A處進行組合。或者，來自主要出口108A之金屬鹵化物電解質溶液115及來自次要出口108B之錯合鹵素相116可在到達泵111A(例如，下游)之後進行組合。
另外，與圖1D所示之實施例類似，管道125及126分開地將離開 流物流自堆疊101之各別主要出口歧管4A及次要出口歧管4B提供至儲存槽104。於該實施例中，然而，管道125及126可經組態含有可變流動控制閥604av、604bv，以控制通過各自入口106A、106B進入各自管道2100A、2100B中而提供至儲存槽104中之離開流物流之流量比。管道2100A、2100B可終止於針對圖21之上述擴散器。
因此，於圖22之實施例中，在充電及放電模式中，存在一個共同的入口管道124及入口歧管1用於將液流提供至堆疊101中各電池之反應區段32中。可變閥604av及/或604bv可經組態以在充電及放電模式中迫使大部分流體流量(例如，>50%，諸如60至90%，例如80%)從反應區段32通過多孔電極102A及區域19至歧管4A及管道125而進入入口106A，同時迫使少量流體流量(例如，<50%，諸如10至40%，例如20%)從反應區段32通過歧管4B及管道126離開進入入口106B而不會流動通過多孔電極102A。或者，可變閥604av及/或604bv可經組態以在充電及放電模式中迫使少量流體流量(例如，<50%，諸如10至40%，例如20%)從反應區段32通過多孔電極102A及流動通道19至歧管4A、管道125及入口106A，同時迫使大部分流體流量(例如，>50%，諸如60至90%，例如80%)從反應區段32通過歧管4B、管道126及入口106B離開而不會流過多孔電極102A。
圖23顯示另一個替代實施例。圖23所示之實施例類似於圖21所示之實施例。然而，圖23之實施例包括至少一個將第一及第二入口106A、106B流體連接之管道2300。管道2300可在儲存槽中以任何一個或多個適宜方向延伸。例如，管道2300可為連接主要及次要入口管道2100A、2100B之水平部分2100AH、2100BH之水平管道。視情況，可提供多個管道2300以連接主要及次要入口管道2100A、2100B之水平部分2100AH、2100BH。在主要入口流量比大於次要入口流量比(及反之亦然)的情況下，額外水平管道2300容許來自主要入口106A的液 體金屬鹵化物電解質溶液115與錯合鹵素相116之混合物114流分配至次要入口106B之多孔管106B’中。此有助於在液流離開多孔管106A’、106B’及進入儲存槽104之整體體積時維持多孔管106A’、106B’表面的相對均勻流量分配及相應之均勻速度。
本實施例可結合圖22所示之實施例，其中主要或次要入口106A、106B中之任何一者可根據流動控制閥604av、604bv之狀態作為較高流量入口。較佳地，雖然本實施例中主要及次要入口106A、106B係連接的，但不迫使液流在離開多孔管106A’、106B’之前組合。來自主要入口106A之最低流體阻力路徑仍舊係通過第一組多孔管106A’(及對次要入口106B及多孔管106B’而言亦相同)。因此，該等兩股流體物流之間或之中可能已發生之任何相分離將得到相當好的保持。
雖然前述係關於尤佳的實施例，但應明瞭本發明不因此受限制。一般技術者可想到對所揭示實施例進行多種修改及該等修改意欲屬於本發明之範疇。本文引述之所有公開案、專利申請案及專利案係以其全文引用方式併入本文中。
104‧‧‧儲存槽
104A‧‧‧較低部分/停滯區
106A‧‧‧主要入口
106B‧‧‧次要入口
108A‧‧‧主要出口
108B‧‧‧次要出口
109‧‧‧管道
109V‧‧‧管道109之垂直部分
109H‧‧‧管道109之水平部分
111A‧‧‧第一泵
113A‧‧‧第二泵或閥
114‧‧‧電解質混合物
115‧‧‧液體金屬鹵化物電解質溶液
116‧‧‧錯合鹵素相
122‧‧‧管道
2102A‧‧‧接合部
2102B‧‧‧接合部
2100B‧‧‧次要入口管道
2100BV‧‧‧次要入口管道2100B之垂直部分
2100BH‧‧‧次要入口管道2100B之水平部分
2100A‧‧‧主要入口管道
2100AV‧‧‧主要入口管道2100A之垂直部分
2100AH‧‧‧主要入口管道2100A之水平部分

Claims (29)

  1. 一種液流電池儲存槽，其包括：儲存槽外殼；經組態以在該儲存槽之較低部分之停滯區或向該停滯區提供包含液體金屬鹵化物電解質溶液及錯合鹵素相之電解質混合物之電解質入口；及經組態以使該液體金屬鹵化物電解質溶液從該儲存槽流出之電解質出口，其中該電解質出口係經定位使得使用中該液體金屬鹵化物溶液逆著重力向上流動以到達該電解質出口而該錯合鹵素相沉降於該停滯區中。
  2. 如請求項1之儲存槽，其進一步包括從該儲存槽之較低部分中之電解質出口延伸通過儲存槽之較低部分進入儲存槽之中間部分之出口管道，其中該出口管道之入口位於該儲存槽之該中間部分。
  3. 如請求項2之儲存槽，其中於使用中該液體金屬鹵化物溶液係利用來自泵之吸力逆著重力向上流動進入該出口管道之入口而該錯合鹵素相沉降於停滯區中。
  4. 如請求項1之儲存槽，其進一步包括位於該儲存槽較低部分之停滯區中之次要電解質出口，該次要電解質出口係經組態以從停滯區移除錯合鹵素相。
  5. 如請求項4之儲存槽，其進一步包括位於該儲存槽之較低部分之停滯區中之次要電解質入口，該次要電解質入口係經組態以提供該電解質混合物至該停滯區。
  6. 如請求項1之儲存槽，其中該儲存槽進一步包括次要電解質入口及該電解質入口及該次要電解質入口均位於該儲存槽之上方部 分中。
  7. 如請求項6之儲存槽，其中該儲存槽進一步包括流體連接至該儲存槽之電解質入口之第一擴散器及流體連接至該儲存槽之次要電解質入口之第二擴散器。
  8. 如請求項7之儲存槽，其中該第一擴散器包括含有連接至第一非垂直延伸段之非水平段之第一多孔管，及其中該第二擴散器包括含有連接至第二非垂直延伸段之非水平段之第二多孔管。
  9. 如請求項8之儲存槽，其進一步包括至少一個將該第一非垂直延伸段及該第二非垂直延伸段連接之管道。
  10. 如請求項7之儲存槽，其進一步包括從該儲存槽之較低部分中之電解質出口延伸通過該儲存槽之較低部分進入儲存槽之中間部分中之出口管道，其中該出口管道之入口位於該儲存槽之中間部分中及該出口管道之出口位於該儲存槽之側壁中。
  11. 如請求項7之儲存槽，其中該第一擴散器包括複數個第一多孔管道及該第二擴散器包括複數個第二多孔管道。
  12. 如請求項11之儲存槽，其中該等複數個第一多孔管道包括複數個第一垂直定向管道，其等流體連接至一或多個第一水平定向管道，該一或多個第一水平定向管道流體連接至一個連通該儲存槽頂部中之電解質入口之第一垂直定向管道，及該等複數個第二多孔管道包括複數個第二垂直定向管道，其等流體連接至一或多個第二水平定向管道，該一或多個第二水平定向管道流體連接至一個連通該儲存槽頂部中之次要電解質入口之第二垂直定向管道。
  13. 一種液流電池系統，其包括：如請求項6之儲存槽；液流電池單元之堆疊； 在堆疊中之包括貧錯合鹵素相電解質出口之第一堆疊出口；在堆疊中之包括富錯合鹵素相電解質出口之第二堆疊出口；將該第一堆疊出口流體連接至該儲存槽之電解質入口之第一出口管道；及將該第二堆疊出口流體連接至該儲存槽之次要電解質入口之第二出口管道。
  14. 如請求項13之系統，其進一步包括：第一泵；第二泵或閥；位於該儲存槽之較低部分中之停滯區中之第二電解質出口；及在該堆疊及該儲存槽之間之單一流動迴路。
  15. 如請求項14之系統，其中：在該堆疊中各液流電池單元之正電極及負電極之間之反應區段缺乏隔板，以致該電解質混合物在各液流電池單元中正電極及負電極之間無間隔的情況下循環通過單一流動迴路；該第二泵或閥係連接至該第二電解質出口；及該電解質出口係經組態以使該液體金屬鹵化物電解質溶液流出；且第二電解質出口係經組態以使該錯合鹵素相流出。
  16. 一種操作液流電池之方法，該方法包括：在該儲存槽之較低部分之停滯區或向該停滯區提供來自液流電池堆疊的包含液體金屬鹵化物電解質溶液及錯合鹵素相之電解質混合物；及將該液體金屬鹵化物溶液從該儲存槽提供至該液流電池堆疊，以致該液體金屬鹵化物溶液在儲存槽中逆著重力向上流動而錯合鹵素相沉降於該停滯區中。
  17. 如請求項16之方法，其中該電解質混合物係從該儲存槽之較低部分上方提供通向該停滯區。
  18. 如請求項16之方法，該方法進一步包括將該電解質混合物從儲存槽之中間部分通過出口管道提供至位於該儲存槽之較低部分中之電解質出口中。
  19. 如請求項18之方法，該方法進一步包括通過位於該儲存槽較低部分之停滯區中之次要電解質出口自該停滯區移除複合鹵素相。
  20. 如請求項19之方法，該方法進一步包括：使來自該出口管道之電解質混合物及來自次要電解質出口之錯合鹵素相在從該儲存槽移除之後組合以形成富錯合鹵素相電解質混合物；及將該富錯合鹵素相電解質混合物提供至液流電池堆疊。
  21. 如請求項20之方法，其中該富錯合鹵素相電解質混合物係藉由泵提供至該液流電池堆疊及該富錯合鹵素相係在提供至泵之前形成於該儲存槽之外部。
  22. 如請求項19之方法，該方法進一步包括通過次要電解質入口將該電解質混合物提供至該停滯區。
  23. 如請求項16之方法，該方法進一步包括從該儲存槽之上方部分通過氣體出口移除一部分氣體。
  24. 如請求項16之方法，其中該液體金屬鹵化物電解質溶液逆著重力向上流動進入位於該停滯區上方之出口管道之入口中且接著流動通過該管道及利用來自泵之吸力通過位於該停滯區中之出口而流出儲存槽同時該錯合鹵素相沉降於該停滯區中。
  25. 如請求項16之方法，該方法進一步包括在單一流動迴路中使用泵以將該液體金屬鹵化物電解質溶液從該儲存槽泵送至充電模 式中之液流電池堆疊，及將該液體金屬鹵化物電解質溶液及錯合鹵素相從該儲存槽泵送至放電模式中之液流電池堆疊。
  26. 如請求項25之方法，該方法進一步包括第二泵或閥，其中該第二泵或閥係經閉合以最小化提供錯合鹵素相至充電模式中之液流電池堆疊及係經打開以將錯合鹵素相提供至放電模式中之液流電池堆疊。
  27. 如請求項26之方法，該方法進一步包括：使液流電池堆疊中之電解質混合物分流成具有第一濃度之錯合鹵素相之第一部分及具有第二濃度之錯合鹵素相之第二部分，其中該第一濃度係小於該第二濃度；及將該電解質混合物之該第一及第二部分均提供至該儲存槽之較低部分。
  28. 如請求項27之方法，其中該電解質混合物之第一部分係通過第一擴撒器提供至該儲存槽之較低部分中及該電解質之第二部分係通過第二擴散器提供至該儲存槽之較低部分中。
  29. 如請求項28之方法，其中：該電解質混合物之第一部分穿過堆疊中不可滲透負電極及可滲透正電極之間之反應區段且接著通過第一堆疊出口進入儲存槽頂部之第一入口中；及該電解質混合物之第二部分穿過可滲透正電極至可滲透正電極下方之流動通道且接著通過第二堆疊出口進入該儲存槽頂部之第二入口中。
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