TWI491094B - 具有一元件用於分離反應物之電化學系統 - Google Patents

Description

具有一元件用於分離反應物之電化學系統

本發明係關於電化學系統(諸如液流電池組)及使用該等電化學系統之方法。

本申請案主張2009年7月24日申請之美國專利申請案第12/458,853號及2010年7月15日申請之美國臨時專利申請案第61/364,631號的權利，該兩個專利申請案以全文引用的方式併入本文中。

再生性能源的開發已使對用於離峰能量儲存之大規模電池組的需要復興。對此應用之要求不同於其他類型之可再充電電池組(諸如鉛酸電池組)的要求。大體要求用於電力柵格中之離峰能量儲存的電池組為低資本成本、長循環壽命、高效率及低維護。

一種類型之適用於此能量儲存的電化學能量系統為所謂之「液流電池組」，其使用用於在通常正電極處還原的鹵素組份及經調適以在電化學系統之正常操作期間在通常負電極處變成被氧化的可氧化金屬。含水金屬鹵化物電解質用以在鹵素組份在正電極處變成被還原時補充鹵素組份之供應。電解質在電極區域與儲集器區域之間循環。此系統之一實例將鋅用作金屬且將氯用作鹵素。

此等電化學能量系統描述於(例如)美國專利第3,713,888號、第3,993,502號、第4,001,036號、第4,072,540號、第4,146,680號及第4,414,292號中以及由電力研究所發表的日期為1979年4月之EPRI報告EM-I051(部分1-3)中，該等專利及該EPRI報告EM-I051之揭示內容以全文引用的方式併入本文中。

在一實施例中，一種電化學系統(諸如液流電池組)包括一器皿。該器皿含有：(a)至少一電池，其包括第一電極、第二電極及位於該第一電極與該第二電極之間的反應區；(b)一儲集器，其含有經組態以選擇性地聚積金屬鹵化物電解質組份的第一容積及經組態以選擇性地聚積液化鹵素反應物的第二容積；(c)一分離元件，其將第一容積與第二容積分離；及(d)一液流環路，其經組態以在該儲集器與該至少一電池之間傳遞鹵素反應物及金屬鹵化物電解質。

在一較佳實施例中，該分離元件包含分子篩或選擇性多孔隔膜。

在另一實施例中，一種操作一電化學系統之方法包括：提供一包含器皿之系統，該器皿含有：(a)至少一電池，其包含第一電極、第二電極及位於該第一電極與該第二電極之間的反應區；及(b)一儲集器，其含有由一分離元件分離的第一容積及第二容積。該方法進一步包括：將來自第一容積之金屬鹵化物電解質組份與來自第二容積之液化鹵素反應物混合以形成電解質混合物；在放電模式下將電解質混合物提供至該至少一電池以產生電；及使電解質混合物自該至少一電池返回至儲集器中之第一容積，以使得來自返回之電解質混合物的未用液化鹵素反應物自第一容積穿過分離元件滲透至第二容積。

在又一實施例中，該方法進一步包括：在充電模式下將金屬鹵化物電解質組份自第一容積提供至該至少一電池以對電化學系統充電；及使電解質自該至少一電池返回至儲集器中之第一容積，以使得在返回之電解質中之任何液化鹵素反應物自第一容積穿過分離元件滲透至第二容積。

在另一實施例中，該分離元件包含集液板(sump plate)，諸如平坦集液板或具有至少兩個開口之彎曲薄板。

在一組態中，該分離元件為大體上截頭圓錐或漏斗狀薄板。截頭圓錐或漏斗狀分離器具有圓形或橢圓形水平橫截面形狀且第一端上之開口具有比相對第二端上之開口大的大小。截頭圓錐形狀可具有自第二端至第一端之橫截面大小的穩定增加及一相對恆定之傾斜之側壁。漏斗形狀可具有自第二端至第一端之橫截面大小的非穩定增加(亦即，跳躍)及傾斜之側壁中的一或多個曲線。

以下文獻(其揭示內容以全文引用的方式併入本文中)可用於理解並實踐本文中所描述之實施例：美國專利申請案第12/523,146號。

本文中所揭示之實施例係關於一種電化學系統(有時亦稱為「液流電池組」)。該電化學系統可利用金屬鹵化物電解質及諸如分子氯之鹵素反應物。金屬鹵化物電解質及鹵素反應物中之鹵化物可為同一類型。舉例而言，當鹵素反應物為分子氯時，金屬鹵化物電解質可含有至少一金屬氯化物。

該電化學系統可包括一密封器皿，該密封器皿含有位於其內容積中的電化學電池、金屬鹵化物電解質及鹵素反應物以及經組態以將金屬鹵化物電解質及鹵素反應物傳遞至該電化學電池的液流環路。該密封器皿可為含有電化學電池之壓力器皿。鹵素反應物可為(例如)分子氯反應物。

在許多實施例中，可以液化形式來使用鹵素反應物。密封器皿使得其可維持一高於在給定周圍溫度下鹵素反應物之液化壓力的內部壓力。可自鹵素反應物之相位圖判定給定溫度之特定鹵素反應物之液化壓力。舉例而言，圖4呈現元素氯之相位圖，可自該相位圖判定給定溫度的液化壓力。在密封容器中利用液化鹵素反應物的系統不需要壓縮器，而壓縮器常用於其他電化學系統中以用於壓縮氣態鹵素反應物。利用液化鹵素反應物之系統不需要用於鹵素反應物之單獨儲存器，該儲存器可位於密封器皿之內容積的外部。術語「液化鹵素反應物」指代以下各者中之至少一者：溶解於水中之分子鹵素，其亦稱為濕式鹵素或含水鹵素；及「乾式」液態分子鹵素，其未溶解於水中。類似地，術語「液化氯」可指代以下各者中之至少一者：溶解於水中之分子氯，其亦稱為濕式氯或氯水；及「乾式」液態氯，其未溶解於水中。

在許多實施例中，該系統將液化分子氯用作鹵素反應物。液化分子氯具有比水之重力大約兩倍的重力。

密封容器中所含有之液流環路可為封閉迴路環路，其經組態以將鹵素反應物(較佳呈液化或液體狀態)及至少一電解質傳遞至該(等)電池及自該(等)電池傳遞鹵素反應物(較佳呈液化或液體狀態)及至少一電解質。在許多實施例中，迴路環路可為密封迴路環路。儘管穿過封閉迴路循環之組份(諸如鹵素反應物及金屬鹵化物電解質)較佳呈液化狀態，但封閉迴路可在其中含有某一量之氣體(諸如氯氣)。

較佳地，迴路環路使得金屬鹵化物電解質及鹵素反應物在電池中無分離件的情況下循環穿過同一液流路徑。

電化學電池中之每一者可包含：第一電極，其在標準放電模式下可充當正電極；及第二電極，其在標準放電模式下可充當負電極；及位於該等電極之間的反應區。

在許多實施例中，反應區可使得在反應區中不發生鹵素反應物(諸如溶解於電解質溶液之水中的鹵素反應物或離子化鹵素反應物)之分離。舉例而言，當鹵素反應物為液化氯反應物時，反應區可使得在反應區中不發生氯反應物(諸如溶解於電解質溶液之水中的氯反應物或氯離子)之分離。反應區可使得其在同一電池之正電極與負電極之間不含有不能滲透鹵素反應物(諸如溶解於電解質溶液之水中的鹵素反應物或離子化鹵素反應物)的隔膜或分離器。舉例而言，反應區可使得其在同一電池之正電極與負電極之間不含有不能滲透液化氯反應物(諸如溶解於電解質溶液之水中的氯反應物或氯離子)的隔膜或分離器。

在許多實施例中，反應區可使得在反應區中不發生鹵素離子(諸如藉由在該等電極中之一者處使鹵素反應物還原所形成的鹵素離子)與液流之剩餘部分的分離。換言之，反應區可使得其在同一電池之正電極與負電極之間不含有不能滲透鹵素離子(諸如氯離子)的隔膜或分離器。

在某些實施例中，第一電極可為多孔電極或含有至少一多孔零件。舉例而言，第一電極可包含多孔含碳材料(諸如多孔碳發泡體)。在放電模式下，第一電極可充當正電極，在該電極處鹵素可被還原為鹵素離子。在第一電極中使用多孔材料可提高鹵素反應物之還原的效率。

在許多實施例中，第二電極可包含可氧化金屬(亦即，可在放電模式期間被氧化以形成陽離子的金屬)。在許多實施例中，第二電極可包含與金屬鹵化物電解質之組份中之一者中的金屬離子為同一類型的金屬。舉例而言，當金屬鹵化物電解質包含鹵化鋅(諸如氯化鋅)時，第二電極可包含金屬鋅。在此狀況下，電化學系統可充當可逆系統。

因此，在一些實施例中，電化學系統可為可逆的(亦即，能夠在充電操作模式與放電操作模式兩者下工作)或為非可逆的(亦即，僅能夠在放電操作模式下工作)。可逆電化學系統通常利用電解質中之至少一金屬鹵化物，以使得金屬鹵化物之金屬在其還原形式下足夠強大且穩定以能夠形成電極。可用於可逆系統中之金屬鹵化物包括鹵化鋅，因為元素鋅足夠穩定以能夠形成電極。另一方面，非可逆電化學系統不利用滿足上述要求之金屬鹵化物。用於非可逆系統中之金屬鹵化物的金屬通常在其還原、元素形式下不穩定且強大的以能夠形成電極。此等不穩定金屬及其對應金屬鹵化物的實例包括鉀(K)與鹵化鉀及鈉(Na)與鹵化鈉。金屬鹵化物電解質可為電解水溶液。電解質可為至少一金屬鹵化物電解質化合物(諸如ZnCl)之水溶液。舉例而言，該溶液可為ZnCl之15%至50%水溶液(諸如ZnCl之25%溶液)。在某些實施例中，電解質可含有一或多種添加劑，其可增強電解溶液之導電率。舉例而言，當電解質含有ZnCl時，此添加劑可為鈉或鉀之一或多種鹽(諸如NaCl或KCl)。

圖1說明電化學系統100，其包括密封容器101中所含有的至少一電化學電池、電解質及鹵素反應物。密封容器101較佳為壓力圍阻器皿，其經組態以維持其內容積102中高於一個大氣壓的壓力。較佳地，密封容器101經組態以維持其內容積中高於鹵素反應物(諸如元素氯)之液化壓力的壓力。為在諸如10℃至40℃之常溫下起作用，密封容器可經組態以維持至少75 psi或至少100 psi或至少125 psi或至少150 psi或至少175 psi或至少200 psi或至少250 psi或至少300 psi或至少350 psi或至少400 psi或至少450 psi或至少500 psi或至少550 psi或至少600 psi(諸如75至650 psi或75至400 psi及先前所描述之所有子範圍)的內部壓力。密封容器之壁可包含能夠經受住所需壓力的結構材料。此材料之一非限制性實例為不鏽鋼。

密封容器101內部所含有之至少一電化學電池較佳為水平定位型電池，其可包括藉由一間隙而分離之水平正電極及水平負電極。水平定位型電池可為有利的，因為當液體之循環歸因於(例如)關斷排放泵或充填泵而停止時，某一量之液體(電解質及/或鹵素反應物)可保留於電池之反應區中。液體之量可使得其在同一電池之正電極與負電極之間提供電接觸。反應區中之液體之存在可允許在金屬鹵化物電解質及鹵素試劑之循環恢復時較快速地重新啟動電化學系統(與利用垂直定位型電池之系統相比)，同時提供分路中斷。反應區中之電解質之存在可允許電池在不存在循環的情況下保持電荷且因此確保系統提供不中斷電源(UPS)。水平定位型電池與用作鹵素反應物之液化氯反應物結合亦可防止或減少在操作期間形成氯氣泡。

在許多實施例中，密封容器可含有一個以上之電化學電池。在某些實施例中，密封容器可含有可串聯連接之複數個電化學電池。在一些實施例中，串聯連接之複數個電化學電池可配置成一堆疊。舉例而言，圖1中之零件103表示串聯連接之水平定位型電化學電池之一垂直堆疊。水平定位型電池之堆疊可類似於WO2008/089205之第7頁至第11頁及圖1至圖3所揭示的堆疊，該案以全文引用的方式併入本文中。單一水平定位型電池之優點亦適用於堆疊。

電化學系統可包括一饋送管或歧管，該饋送管或歧管可在標準放電操作模式下組態以將包含金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物的混合物傳遞至該至少一電池。電化學系統亦可包括一返回管或歧管，該返回管或歧管可在放電模式下組態以自該至少一電化學電池收集電化學反應之產物。此等產物可為包含金屬鹵化物電解質及/或液化鹵素反應物之混合物，但與進入電池之混合物相比，該混合物中之鹵素反應物的濃度可歸因於放電模式下之鹵素反應物之消耗而降低。

舉例而言，在圖1中，饋送管或歧管115經組態以將包含金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物之混合物傳遞至該堆疊103之水平定位型電池。返回管或歧管120經組態以自該堆疊之電池收集電化學反應之產物。如將進一步論述，在一些實施例中，饋送管或歧管及/或返回管或歧管可為用於水平定位型電池之堆疊的堆疊總成之一部分。在一些實施例中，可直接由器皿101之壁支撐堆疊103。在又一些實施例中，可由連接至器皿101及/或儲集器119之壁的一或多個管、支柱或管柱(string)支撐堆疊103。

饋送管或歧管及返回管或歧管可連接至儲集器119，該儲集器119可含有液化(例如，液態)鹵素反應物及/或金屬鹵化物反應物。此儲集器可位於密封容器101內。儲集器、饋送管或歧管、返回管或歧管及該至少一電池可形成迴路環路以用於將金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物循環。

金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物可在充電模式及放電模式下以相反方向流動穿過迴路環路。在放電模式中，饋送管或歧管115可用於將金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物自儲集器119傳遞至該至少一電池103，且返回管或歧管120可用於將金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物自該至少一電池傳遞回至儲集器。在充電模式下，返回管或歧管120可用於將金屬鹵化物電解質及/或液化鹵素反應物自儲集器119傳遞至該至少一電池103，且饋送管或歧管115可用於將金屬鹵化物電解質及/或液化鹵素反應物自該至少一電池103傳遞回至儲集器119。

在一些實施例中，當系統利用水平定位型電池之垂直堆疊時，返回管或歧管120可為向上行進之返回管或歧管。管120包括向上延伸區段121及向下延伸區段122。金屬鹵化物電解質及液化鹵素電解質之液流在放電模式下離開堆疊103的電池向上穿過區段121，且接著向下穿過區段122直至儲集器。向上行進之返回管或歧管可防止液流大部分穿過堆疊103的底部電池，藉此在該堆疊的電池之間提供較均一的液流路徑阻力。

電化學系統可包括用於抽汲金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物的一或多個泵。此泵可位於或可不位於密封容器之內容積內。舉例而言，圖1展示排放泵123，該排放泵123以流體方式連接儲集器119與饋送管或歧管115，且其經組態以在放電模式下穿過饋送管或歧管115，將金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物傳遞至電化學電池103。在一些實施例中，電化學發電系統可包括在圖1中被描繪為零件124的充填泵。該充填泵以流體方式將返回管或歧管120連接至儲集器119，且可用以在充電模式下穿過返回管或歧管，將金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物傳遞至電化學電池。在一些實施例中，電化學系統可包括充填泵與排放泵兩者。充填泵及排放泵可經組態以在相反方向上穿過包括饋送管或歧管及返回泵或歧管的迴路環路抽汲金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物。充填泵及排放泵宜以一方式組態，使得在一給定時間僅一個泵操作。此配置可改良系統的可靠性並提高系統的使用壽命。相反泵配置亦可允許吾人在系統中不使用一用於在充電模式與放電模式之間切換的閥。此切換閥的成本通常可能大於一額外泵。因此，相反泵配置可降低系統的總成本。用於系統中之泵可為向心泵。在一些實施例中，宜使用能夠提供至少30 L/min之抽汲速率的泵。

圖1將儲集器描繪為零件119。儲集器119可由對鹵素反應物為惰性的材料製成。此惰性材料之一非限制性實例可為聚合物材料，諸如聚氯乙稀(PVC)。儲集器119亦可儲存金屬鹵化物電解質。在此狀況下，若將液化氯用作液化鹵素反應物，則氯可歸因於其較高密度(比重)及/或藉由如下文參看圖7及圖8所描述之分離元件而與金屬鹵化物電解質分離。圖1展示位於儲集器之下方部分處的液化氯(零件126)及位於儲集器中之液化氯上方的金屬鹵化物電解質(零件125)。

儲集器119可含有一用於液化鹵素反應物之饋送管線，其可將鹵素反應物126供應至系統之饋送管或歧管115。可在排放泵123前、在排放泵123處或在排放泵123後發生鹵素反應物饋送管線與系統之饋送歧管之間的連接。在一些實施例中，鹵素反應物饋送管線與系統之饋送歧管之間的連接可包含一混合文氏管。圖1將用於液化鹵素反應物之饋送管線呈現為零件127。饋送管線127(諸如管或管道)之入口可延伸至儲集器119之可儲存有液化鹵素反應物(諸如液化氯反應物)的下方部分126。饋送管線127之出口連接至排放泵123之入口。電解質引入饋送管線(諸如管或管道132)可延伸至金屬鹵化物電解質所在之上方部分125。

在一些實施例中，儲集器119可包括一或多個集液板，其可為(例如)其中具有孔之水平板。當液化鹵素反應物(諸如液化氯反應物)在放電模式下(例如)自返回管或歧管120返回至儲集器119時，集液板可促進使該液化鹵素反應物在儲集器之下方部分126處沈降。儲集器119較佳地(但未必)位於電池103之堆疊下方。

在一些實施例中，儲集器119可包括一或多個隔板。此等隔板可為位於儲集器之頂部及底部的垂直板。該等隔板可減少及/或防止金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物之返回液流中的渦流，藉此增強儲集器中液化鹵素與金屬鹵化物電解質的分離。

在某些實施例中，排放泵可相對於儲集器而定位以使得其入口/出口位於儲集器中之金屬鹵化物電解質的上水平面下方。在某些實施例中，排放泵之入口/出口可水平地或基本上水平地定位。在此配置中，金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物之液流在排放泵中可形成自入口中之水平方向至饋送歧管或管115中之垂直方向的90度轉向。在一些實施例中，排放泵123之入口可包括鐘口件，該鐘口件可減慢液流且藉此防止/減少儲集器中之紊流之形成。

充填泵亦可經定位而使其入口/出口位於儲集器中之金屬鹵化物電解質的上水平面下方。在某些實施例中，充填泵之入口/出口可位於比排放泵之入口/出口低的水平面處。充填泵之入口/出口亦可具有鐘口件，該鐘口件可減慢液流且藉此防止/減少儲集器中之紊流之形成。

圖6說明儲集器119，其具有：下方部分126，其可含有液化鹵素反應物(諸如液化分子氯反應物)；上方部分125，其可含有金屬鹵化物反應物；分離元件，諸如水平集液板603、垂直隔板604、排放泵之水平入口605、充填泵之水平出口606及液化鹵素反應物之饋送管線607，該饋送管線607具有位於儲集器之下方部分126中的入口且連接至排放泵之入口605。集液板603大致定位於預期金屬鹵化物電解質與鹵素反應物之間的邊界所在的水平面處。線608示意性地描繪儲集器中之金屬鹵化物電解質的上水平面。排放泵之入口605及充填泵之出口606可穿過儲集器之壁突起。

在一些實施例中，電化學系統可包括一控制零件，該控制零件可用於(例如)控制排放泵之速率、充填泵之速率及/或將鹵素反應物饋送至電解質中的速率。此控制零件可為類比電路。圖1將控制零件描繪為零件128，其可控制以下參數中之一或多者：充填泵124及排放泵123之速率及液化氯反應物穿過饋送管線127之饋送速率。

密封容器之內容積可具有若干加壓區，每一加壓區具有一不同壓力。舉例而言，內容積可包括第一區及第二區，該第二區具有高於第一區之壓力的壓力。在一些實施例中，第一區可由第二較高壓力區包封或包圍。第一區可含有電解質/液化鹵素反應物迴路(亦即，儲集器119、電池103、泵123及124、歧管115、120)，而第二包圍或包封區可為位於第一區與密封容器101之壁之間的空間。在圖1中，電池103、饋送歧管或管115、儲集器119(包括位於儲集器之上方部分125中的金屬鹵化物反應物及位於其下方部分126中的液化鹵素反應物)及返回歧管或管120皆可位於第一壓力區中，而較高壓力之第二區可由器皿101之內容積的區域129、130及131表示。

在此配置中，第一區中之壓力可為足以在一給定溫度下使鹵素反應物液化的壓力。此壓力可為至少75 psi或至少100 psi或至少125 psi或至少150 psi或至少175 psi或至少200 psi或至少250 psi或至少300 psi或至少350 psi或至少400 psi(諸如75至450 psi或75至400 psi及之間的所有子範圍)。同時，第二壓力區中之周圍壓力可高於第一區之最大操作壓力。此周圍壓力可為至少75 psi或至少100 psi或至少125 psi或至少150 psi或至少175 psi或至少200 psi或至少250 psi或至少300 psi或至少350 psi或至少400 psi或至少450 psi或至少500 psi或至少550 psi或至少600 psi(諸如75至650 psi或200至650 psi或400至650 psi及之間的所有子範圍)。

該包封配置可提供若干優點。舉例而言，若發生自第一區/迴路環路之洩漏，則包圍之第二區中之較高壓力可導致洩漏之組份向第一區內流動，而非朝外流動。且，包圍之較高壓力區可降低/防止在第一區/迴路環路之組件(包括由塑膠製成的組件(諸如歧管及儲集器之壁))上傳播疲勞裂縫。加壓包封配置亦可允許將較薄外壁用於密封容器/器皿，儘管如此，該等外壁仍可防止可負面地影響金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物之內部液流幾何形狀的變形。在缺乏加壓之第二區的情況下，可能需要較厚外壁以防止此(等)變形(歸因於對抗內部較高壓力之膨脹力的未支撐結構)。

在某些實施例中，密封容器/器皿之外壁可由一圓柱形組件及兩個圓形端板形成，該等圓形端板中之一者可置放於圓柱形組件頂部且另一者可置放於底部以便密封該器皿。與在外壁暴露至在系統操作期間所產生之可變壓力時的狀況相比，將加壓包封配置用於此等外壁允許使用較薄端板而不暴露金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物之內部液流幾何形狀。

第二壓力區可被填充惰性氣體(諸如氬或氮)。在一些實施例中，第二壓力區亦可含有額外組份，其可中和自第一區洩漏之試劑(諸如鹵素反應物)及/或修復第一區/迴路環路之壁。此額外材料可為(例如)蘇打灰。因此，空間129、130及131可被填充蘇打灰。

可如下製造呈加壓包封配置之電化學系統。首先，可製造用於金屬鹵化物電解質及液化鹵素試劑之密封迴路環路。該密封迴路環路可使得其能夠維持一高於給定溫度之液化鹵素之液化壓力的內壓。該密封迴路環路可包括以下零件中之一或多者：一或多個電化學電池；一儲集器用於儲存金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物；一饋送歧管或管，其用於將金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物自儲集器傳遞至該一或多個電池；一返回歧管，其用於將金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物自一或多個電池傳遞回至儲集器；及一或多個泵。在製造迴路環路之後，可將其置放於器皿或容器的內部，該器皿或容器稍後可加壓至一高於迴路環路之最大操作壓力的壓力且密封。可藉由抽入惰性氣體(諸如氬氣或氮氣)及視情況一或多種額外組份來執行器皿之加壓。當器皿之壁由一圓柱形組件及兩個端板形成時，密封程序可包括位於圓柱形組件之頂部及底部的端板。

圖2說明在放電模式下金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物之液流穿過堆疊(諸如圖1之堆疊103)之水平定位型電池的路徑。圖2中之電解質液流路徑由箭頭表示。對於該堆疊中之電池中的每一者而言，液流可自饋送管或歧管21(圖1中之零件115)行進至分佈區22中，穿過多孔「氯」電極23行進於金屬電極25(其可包含基材(其可為(例如)鈦基材或鍍釕之鈦基材)及基材上之可氧化金屬(其可為(例如)鋅))上，行進至收集區26，穿過向上之返回歧管27(圖1中之零件121)，且行進至返回管29(圖1中之零件122)。

在一些實施例中，零件24可置放於金屬電極25之底部。在又一些其他實施例中，可省略此零件。零件24之目的可為防止金屬鹵化物電解質之液流在通過位於下方之鄰近電池的多孔電極時接觸活性金屬電極。在一些狀況下，零件24可包含聚合物或塑膠材料。

圖2亦展示障壁30。每一障壁30可為下文予以更詳細論述之電池框架的一部分。障壁30可將同一電池之正電極與負電極分離。障壁30可包含電絕緣材料，其可為聚合材料(諸如聚氯乙稀(PVC))。

在圖2中所描繪之組態中，金屬鹵化物電解質可向下流動穿過多孔電極且接著向上流動而離開電池。此向下及向上液流路徑可實現每一電池中之多孔電極與金屬電極之電接觸，而使得當電解質液流停止且饋送歧管、分佈區、收集區及返回歧管排空時一池金屬鹵化物電解質保留於每一電池中。此接觸可允許在液流停止時維持電池堆疊中之電連續性且可在無連續泵操作的情況下提供不中斷電源(UPS)應用。每一電池內之向下及向上液流路徑亦可中斷原本在電解質液流停止時將出現的分路電流。該等分路電流並非為所要的，因為其可導致儲存於系統中之能量的不良自放電及遍及該堆疊之一或多種活性材料(諸如可氧化金屬(諸如Zn))之不利的非均一分佈。

圖5進一步說明穿過堆疊式電池之液流路徑，該等堆疊式電池將ZnCl₂ 用作例示性金屬鹵化物電解質且將Cl₂ 用作例示性鹵素反應物。圖5中之堆疊包括：電池521，其在正電極504(例如，多孔碳「氯」電極)與負電極502(例如，鋅電極)之間具有反應區506；及電池522，其在正電極505與負電極503之間具有反應區507。電池522之負電極502電連接至電池521之正電極505，藉此在堆疊之電池之間提供電連續性。該等負電極中之每一者可包含導電、不能滲透之零件，其類似於圖2中之零件24。此零件被展示為電極502之零件509及電極503之零件510。

圖5亦展示定位於電池521之正電極504上方的電極501或終端板。當電池521為頂部終端電池時，電極501可為該堆疊之終端正電極。若電池521並非終端電池，則電極521可為堆疊之鄰近電池的負電極。正電極504及505較佳為多孔電極(諸如多孔含碳電極(諸如碳發泡體電極))。

該等電池可以一方式配置於該堆疊中以使得電池間距離可顯著大於該堆疊之一特定電池的正電極與負電極之間的距離(電極間距離)。該電極間距離可為(例如)0.5至5 mm(諸如1至2 mm)。在一些實施例中，電池間距離可比電極間距離大至少3倍或至少5倍或至少8倍或至少10倍(諸如3至15倍)。電池間距離可定義為在兩個鄰近電池中的兩個類似表面之間的距離。舉例而言，電池間距離可為電池521之負電極502的上表面與電池522之負電極503的上表面之間的距離。電池間距離可為5至20 mm(諸如10至15 mm)。圖5中之一特定電池的正電極與負電極之間的距離為電池521之正電極504的下表面與同一電池之負電極502的上表面之間的距離。

為達成電池間距離與一特定電池中之電極間距離之間的顯著差異，正電極或負電極中之至少一者可包含一或多個導電間隔物，該等導電間隔物(i)與電極間距離相比增加電池間距離；且(ii)提供鄰近電池之正電極與負電極之間的電接觸。

在圖5中，電池522之正電極505具有一多孔部分525及兩個導電間隔物523及524，該等導電間隔物523及524電連接至鄰近電池521之負電極502。導電間隔物523及524可由多孔材料製成或可並非由多孔材料製成。在某些實施例中，導電間隔物(諸如間隔物523及524)可由含碳材料(諸如石墨)製成。類似於電極505，電池521之電極504含有一多孔部分520及兩個導電間隔物518及519。

除電池521及522之外，圖5展示：儲集器119；饋送管線115，其包括泵123；及返回歧管120，其包括上延伸部分121及與儲集器119連接的部分122。饋送管線115、返回歧管120及反應區506與507連同儲集器119形成一用於金屬鹵化物電解質(其在圖5中說明為ZnCl₂ )及鹵素反應物(其在圖5中說明為Cl₂ )之封閉迴路(例如，液流循環)。

在放電模式下，金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物之混合物自儲集器119到達一電池之各別正電極(諸如電池521之電極504及電池522之電極505)的頂部。鹵素反應物在正電極處還原。在混合物穿透正電極之多孔部分(電池521之部分520及電池522之部分525)之後，其變得富含鹵素陰離子(在分子氯被用作鹵素反應物的狀況下為Cl^- )。

電池之反應區(諸如電池521之區506或電池522之區507)不含有經組態以將鹵素陰離子(諸如Cl^- )與金屬鹵化物電解質分離的隔膜或分離器。因此，富含鹵素陰離子之混合物自正電極向下行進至負電極(諸如電池521之電極502及電池522之電極503)。在放電模式下，負電極之金屬被氧化，從而形成被釋放至富含鹵素陰離子之混合物中的陽離子。

舉例而言，若負電極包含金屬Zn(如圖5中所示)，則該金屬鋅被氧化為鋅離子，同時釋放兩個電子。在接觸負電極之後富含鹵素陰離子與金屬陽離子兩者之電解質混合物穿過上延伸之返回歧管而離開電池且回至儲集器，在該儲集器中該混合物可被重新供應新劑量之液化鹵素反應物。總之，在圖5中所說明之系統中，可在放電模式下發生以下化學反應：

Cl_2(Aq) +2e^- →2Cl^- (正電極)

Zn_(s) →Zn²⁺ +2e^- (負電極)。

由於此等反應，可產生每電池2.02 V。

在放電模式下，電化學系統可消耗鹵素反應物及構成負電極之金屬且可產生電化學電位。在充電模式下，可藉由將電位施加至該堆疊之終端電極來補充鹵素反應物及電極之金屬。在充電模式下，來自儲集器之電解質在與放電模式之方向相反的方向上移動。

對圖5而言，此相反之移動意謂電解質逆時針方向移動。在充電模式下，電解質在通過返回歧管520之後在電極處進入電池(諸如電池521或522)，該電極在放電模式下充當負電極但在充電模式下充當正電極。圖5中之此等電極為電池521之電極502及電池522之電極503。在此電極處，電解質之金屬離子可被還原為可沈積回於該電極處的元素金屬。舉例而言，對於圖5中之系統而言，鋅離子可被還原且沈積於電極502或503處(Zn²⁺ +2e^- →Zn)。電解質接著可通過多孔電極(諸如圖5中之電極505及504)，在該多孔電極處，電解質之鹵素離子可氧化而形成分子鹵素反應物。

對於圖5中所說明之狀況而言，金屬鹵化物電解質之氯離子在電極505及504處氧化而形成分子氯。由於圖5中所說明之系統係置於一高於鹵素反應物之液化壓力的壓力下，所以形成於電極505及504處的鹵素反應物呈液態形式。電解質以與所形成之鹵素反應物之混合物的形式穿過管或或歧管115離開電池(諸如電池521或522)。混合物中之金屬鹵化物電解質的濃度可低於自管120進入電池之電解質的濃度。混合物可自管115進入儲集器，在該儲集器中該混合物可本質上使用(例如)重力及任選之集液板而分離為鹵素反應物及金屬電解質。

在被傳遞至電池之前，與液化鹵素反應物混合之金屬鹵化物電解質可經歷一或多次液流分裂，其可產生至多孔電極的多個液流路徑。此等液流路徑可具有相同液流阻力。該一或多次分裂中之每一者可將液流劃分為兩個。舉例而言，圖3說明一種可能的電池設計，其具有第一級分裂節點340，該第一級分裂節點340將穿過饋送歧管331提供的金屬鹵化物電解質，且液化鹵素反應物之液流分裂為子液流341及342。該等子液流341及342中之每一者可分別在第二級分裂節點343及344處進一步分裂為兩個下一級子液流。形成於第二級節點處的四個子液流345、346、347及348中的每一者分別在第三級節點349、350、351及352處進一步分裂為兩個第三級子液流。

由於該三個層級之分裂，金屬鹵化物電解質及液化鹵素反應物之液流可穿過八個獨立路徑353、354、355、356、357、358、359、360進入電池，該等獨立路徑中之每一者具有相同液流阻力，因為其具有相同長度及相同數目之轉向，該等轉向具有相同半徑(亦即，相同幾何形狀)。該等液流分裂節點可分裂該堆疊之每一電池之電解質及鹵素反應物的液流。電解質及液化鹵素反應物可穿過多個液流路徑或穿過單一液流路徑而離開電池。

在一些實施例中，多個液流路徑可在到達返回歧管或管之前合併為較少數目的液流。舉例而言，圖3展示電解質及液化鹵素反應物可穿過八個液流路徑361至368而離開電池。鄰近液流路徑361及362、363及364、365及366、367及368在第一級合併節點369至372處分別合併為第二級液流路徑373、374、375及376。該等第二級液流路徑在四個第二級合併節點377及378處進一步合併而形成兩個第三級液流路徑381及382，該等第三級液流路徑381及382在第三級節點383處進一步合併而形成單一液流384，該單一液流384進入返回歧管338。液流路徑361至368中之每一者在其返回歧管的路途上具有相同液流阻力，因為其具有相同長度及相同數目的轉向，該等轉向具有相同半徑。

圖3說明包含電池框架之電化學電池。此電化學電池可用以達成圖2中所示之結構及液流。電池框架可包括饋送歧管零件331、分佈通道、液流分裂節點、間隔物突出部分335、液流合併節點、收集通道、返回歧管零件338及旁路管道零件334。

在一些實施例中，複數個電池框架(其各自與圖3中所描繪之框架相同或類似)可垂直堆疊並使電極位於適當位置，以形成圖2中所示之堆疊。為形成此堆疊，該複數個電池框架中之每一者中的饋送歧管零件(諸如圖3中之零件331)可與該等電池框架中之另一者中的饋送歧管零件對準，藉此形成該系統之饋送歧管。該等電池框架中之每一者中的分佈通道及液流分裂節點可與該等電池框架中之另一者中的分佈通道及液流分裂節點對準，藉此形成該系統之分佈區。電池中之每一者中的正電極(放電模式)在電池框架之間隔物突出部分上位於每一電池之負電極(放電模式)上方或下方，藉此形成正電極與負電極之交替層。

該複數個電池框架中之每一者中的液流合併節點及收集通道可與該等電池框架中之另一者中的液流合併節點及收集通道對準，藉此形成該系統之收集區。該等電池框架中之每一者中的返回歧管零件(諸如圖3中之零件338)可與該等電池框架中之另一者中的返回歧管零件對準，藉此形成該系統之返回歧管。該等電池框架中之每一者中的旁路管道零件(諸如圖3中之零件334)可與該等電池框架中之另一者中的旁路管道零件對準，藉此形成該系統之旁路管道。該旁路管道可用於流體液流及/或電線或電纜。

在一些實施例中，該電池框架可具有圓形形狀。此形狀可促進將該複數個電池插入至具有圓柱形形狀之壓力圍阻器皿中，藉此降低該系統之生產成本。該等框架可包含電絕緣材料，其可為聚合物材料(諸如PVC)。

基於電池框架之設計可促進：電解質及鹵素反應物之低損耗液流(具有均一分佈)；雙極電設計；內部旁路路徑及可藉以達成操作靜態平衡模式(描述於下文)之零件之製造容易性。

電池框架之優點可包括(但不限於)分佈區中之液流分裂設計，其可包括多個階層分裂(諸如圖3中之液流通道中的第一階層分裂、第二階層分裂及第三階層分裂)，該等階層分裂產生各自具有相同液流阻力之多個通道，因為該等通道中之每一者具有相同長度及彎曲之數目與半徑。圖3展示每電池八個饋送通道，該等饋送通道各自具有相同液流阻力。此具有多次液流分裂之設計可允許維持穿過該多個通道中之每一者的層流。該設計可允許獨立於液流速度、黏度之均一性或電解質中之密度之均一性而在該多個通道之間相等地劃分液流體積。

操作模式

關斷模式可用於儲存或傳送電化學系統。在關斷模式期間，金屬鹵化物電解質及鹵素反應物未傳遞至電池。少量之鹵素反應物(其可維持於水平定位)可被還原並與金屬離子組合而形成金屬鹵化物。舉例而言，剩餘液化氯反應物可還原為鹵素陰離子並與鋅離子組合而形成氯化鋅。

在關斷模式下，該系統之一或多個電池之終端電極可經由短路電阻器連接，從而產生該系統之電池的零伏特電位。在一些實施例中，一阻斷二極體較佳可用以防止經由任何外部電壓源而穿過系統之反向電流。

在放電模式期間，排放泵可開啟且金屬鹵化物電解質及鹵素反應物之混合物可循環穿過該系統之電池。當自構成負電極之可氧化金屬形成金屬陽離子時，可釋放電子。所釋放之電子可由鹵素反應物俘獲，藉此將該反應物還原為鹵素陰離子且在該系統之電池的終端電極上產生電位。對來自該系統之電力的需要可消耗鹵素反應物，從而導致額外劑量之液化鹵素反應物自儲集器釋放至該系統之饋送管或歧管中。

在靜態平衡或待用模式期間，可存在極少的金屬鹵化物電解質及鹵素反應物之液流或不存在液流。可經由平衡電壓來維持該系統之可用性。此平衡電壓可藉由維持該系統之電池上的精確電位來防止該系統之自放電以抵制可在不存在金屬鹵化物電解質及鹵素反應物之循環時出現的電化學反應力。所揭示之電池板之特定設計可中斷原本流經饋送歧管及返回歧管的分路電流，同時維持電池間電連續性。

分離元件之第一實施例

圖6說明具有分離元件603之儲集器119的第一實施例。在此實施例中，分離元件包含圖6中所示且上文所描述之集液板603。該集液板603較佳為具有開口之平板，其機械地及/或使用重力來分離電解質之較重組份及較輕組份。

分離元件之第二實施例

圖7說明具有分離元件703之儲集器119的另一實施例。圖7之實施例之儲集器119可用於上文所描述之實施例中之任一者的系統及方法。隔板604為任選的且未展示於儲集器119之底部部分中。分離元件703可為(例如)分子篩、選擇性隔膜或能夠將電解質混合物之一組份與該電解質之其他組份分離藉此促進液流電池組之操作模式(例如，充電及放電)的其他元件。具有用於分離所要組份之適當幾何形狀及特性的分離元件703較佳安置於儲集器119中位於至饋送管線607之入口與泵入口/出口605及606之間以在液流電池組操作期間將儲集器119中之電解質混合物分離為兩個容積705、707。

第一容積705經提供以用於選擇性電解質組份聚積且第二容積707經提供以用於選擇性液化鹵素(諸如氯水)聚積。第二容積707可位於第一容積下方，藉此利用具有高於剩餘電解質組份之密度的液化鹵素。然而，取決於分離元件703之類型及操作以及特定電解質及鹵素組份，容積707可位於容積705上方或側方。適當之分子篩或隔膜可選擇性地允許所要分子通過。該選擇性可基於(例如)一組份之分子大小及/或電荷。

分子篩或隔膜之滲透率可隨諸如壓力、溫度、化學濃度等之參數而為可變的。分子篩之一實例包含中孔碳隔膜，該隔膜提供可穿過其擴散之分子的基於大小之選擇性。較大分子較難以穿透微孔。此舉對液化鹵素反應物(例如，氯水)提供比金屬鹵化物電解質組份(例如，氯化鋅)高的滲透率。另外，分離元件可進一步包含一經組態以在隔膜或分子篩上施加電場的元件。外部施加之電場可促進穿過隔膜之分子擴散且輔助基於電荷之選擇性擴散。

取決於所使用之特定液化鹵素及金屬鹵化物電解質，可選擇分子篩以具有適合於使預定分子通過的微孔大小。分子篩之一些實例描述於(例如)美國專利第3,939,118號中。分子篩可包括：粒狀天然或合成二氧化矽-氧化鋁材料，其可具有沸石類型之晶格結構(例如，見O. Grubner、P. Jiro及M. Ralek之專論Molekularsiebe(分子篩)，VEB-Verlag der Wissenschaften，1968年，柏林)，具有2至10之微孔寬度(例如，沸石粉末或珠篩，諸如Grace Davison牌粉末)；矽膠，其具有40至100之微孔寬度，其視情況被吸收於玻璃珠中；及根據W. Haller(J. Chem. Phys. 42,686(1965))之經改質硼矽玻璃，其具有在75與2,400之間的微孔寬度。亦可使用基於有機產品之分子篩。此等產品包括：三維交聯多糖，諸如葡聚糖凝膠(Sephadex級，其為由GE Healthcare Life Sciences銷售之產品)，其可視情況被烷基化(Sephadex-LH級，其為由GE Healthcare Life Sciences銷售之產品)；瓊脂糖凝膠(Sepharose，其為由GE Healthcare Life Sciences銷售之產品)；纖維素凝膠；及瓊脂凝膠。合成有機凝膠之其他實例包括交聯聚丙烯醯胺及經由丙烯酸酯基團交聯之聚氧化乙烯(商標名為Merckogel OR)。亦可使用離子交換凝膠，諸如具備磺酸基之三維交聯聚苯乙烯及上文已提及之葡聚糖凝膠，其中其擁有離子交換所需之酸基或銨基(葡聚糖凝膠離子交換劑)。

分離元件可包括固持隔膜或分子篩材料之多孔容器或托盤。該等分子篩材料可呈粒狀或粉末形式。該容器可包括用於將電場施加至該隔膜或該等分子篩材料的電極或導電板。可將來自該液流電池組之電壓輸出或來自一不同電源(例如，柵格電力、位於液流電池組器皿101內部或外部的小型電池組等)的電壓施加至該等電極或導電板。施加至該分離元件之電壓促進液化鹵素反應物選擇性地穿過該分離元件擴散。該分離元件可永久性地耦接(例如，焊接、膠合等)或可移除地耦接(例如，栓接、夾住等)至儲集器119之壁。或者，僅粒狀分子篩材料或隔膜可自多孔容器或托盤移除，而容器或托盤可永久性地耦接至該儲集器之壁。

應注意，第一容積705不必排他地僅含有剩餘電解質組份且第二容積707不必排他地僅含有液化鹵素(諸如氯水)。跨越分離元件703之鹵素反應物或剩餘電解質組份之實質濃度差異係足夠的。因此，第一容積705除剩餘電解質組份之外可含有液化鹵素且第二容積707除液化鹵素之外可含有剩餘電解質組份，只要容積707中之液化鹵素濃度高於容積705中之液化鹵素濃度，及/或只要容積705中之剩餘電解質組份濃度高於容積707中之剩餘電解質組份濃度。該濃度差異可為(例如)第一容積與第二容積之間的鹵素反應物之濃度的至少10%之差異，諸如至少50%之差異，諸如至少100%之差異，諸如至少200%之差異(例如，10%至500%之差異)。可選擇(例如，可選擇特定微孔大小)及/或操作(例如，藉由施加特定電壓)分離元件703以提供所要之濃度差異。

在圖7中所說明之液流電池組操作的放電模式下，饋送管線607具有位於分離元件703下方之儲集器119之第二容積707中的入口，且將具有較高濃度之鹵素反應物的流體(亦即，用於排放液流功能之具有較高濃度之所要元素的流體)自容積707饋送至液流迴路中。排放泵之入口605引入來自第一容積705之流體，該第一容積705之剩餘電解質組份的濃度高於容積707之剩餘電解質組份的濃度。視情況，排放泵之入口605可省略或可在足夠之電解質存在於第二容積707中的情況下在放電模式期間保持不操作。電解質及液態鹵素在液流迴路中混合且在流經電池並在其中經歷反應之後，流體混合物被排放回至儲集器119中。較佳地，該混合物自充填泵入口/出口606排放至第一容積705中。然而，可使用一不同的獨立出口以將該混合物自該液流迴路排放至容積705中。未用之鹵素反應物選擇性地或優先地滲透穿過分離元件703(亦即，鹵素反應物以比剩餘電解質組份高的速率滲透穿過元件703)且選擇性地或優先地聚積於第二容積707中。其他電解質組份具有比鹵素低的穿過分離元件703的滲透率且優先地保留於第一容積705中。因而，在分離元件703的幫助下建立並維持上文所描述之濃度差異。

在圖8中所說明之充電模式下，藉由位於分離元件703上方之第一容積705中的充填泵入口606而將第一容積705中之剩餘電解質組份饋送至液流迴路中。第二容積707中之經濃縮鹵素較佳被排除被吸入至液流迴路中或最小化被吸入至液流迴路中。在流經電池並在其中經歷反應之後，該流體被排放回至儲集器119中。較佳地，該流體自排放泵入口/出口605排放至第一容積705中。然而，可使用一不同的獨立出口以將該流體自該液流迴路排放至容積705中。所排放之流體藉由分離元件703而分離，鹵素反應物選擇性地滲透至第二容積707中，從而保持第一容積705中之電解質組份之濃度高於第二容積707中之電解質組份之濃度。

分離元件之第三實施例

圖9說明具有分離元件903之儲集器119的另一實施例。圖9之實施例之儲集器119可用於上文所描述之實施例中之任一者的系統及方法。如圖所示之分離元件903經組態以利用諸如以下各者之機制之一組合來分離電解質之較重組份及較輕組份：使用網篩或穿孔板進行之機械分離；降低液流速度(因為分離元件903亦可充當隔板)；由於採用軸對稱幾何形狀(例如，大體上關於軸(諸如垂直軸)而對稱的漏斗或截頭圓錐903)所產生的離心力；及重力。

分離元件903包含在其側壁中具有開口之彎曲薄板，諸如網篩或多孔篩或彎曲穿孔板。較佳地，該薄板具有截頭圓錐或漏斗形狀。截頭圓錐或漏斗狀分離器具有圓形或橢圓形水平橫截面形狀且第一端(例如，圖9中之上端)上之開口具有比相對第二端(例如，下端)上之開口大的大小。圖9中所示之截頭圓錐形狀可具有自第二端至第一端之橫截面大小的穩定增加及一相對恆定地傾斜之側壁(例如，具有朝儲集器119之下方部分漸尖的大體上圓錐之形狀)。漏斗形狀(未圖示)可具有自第二端至第一端之橫截面大小的非穩定增加(亦即，跳躍)及傾斜側壁中之一或多個曲線。分離元件903將儲集器119劃分為兩個容積905、907，其中第一容積905經提供以用於聚積電解質之較輕組份，且第二容積907經提供以用於聚積較重組份(諸如氯水)。

排放液流909/911、913/915可在鄰近於分離元件903之上表面處形成流體之旋轉液流，如藉由在大體上沿分離元件903之彎曲表面的方向上彎曲的出口805A、805B所促進。出口805A及805B面向截頭圓錐狀薄板903之內容積中且在薄板903之曲率的方向上彎曲以向出口流體液流提供角分量，以使得流體液流在薄板903之上表面周圍盤旋。所得離心力連同重力幫助該流體中之較重組份沈降至第二容積907中。穿孔板、網或篩903中之孔隙917不僅使較重組份進入第二容積907中，而且幫助減慢該流體之液流。

入口/出口805A及805B可類似於可逆地操作之系統中之先前實施例的圖6至圖8中的入口及出口605、606起作用。如關於先前實施例所描述，當系統在放電模式下操作時，返回(亦即，排放或出口)液流913將自該堆疊行進穿過放電模式返回管道822(類似於圖1中之管道122)且作為液流915自出口805B離開而進入至截頭圓錐形狀之分離元件903內部的第一容積905中。來自下方第二容積907的氯饋送(亦即，吸取)921穿過放電模式饋送管道815(類似於圖1中之管道115)自饋送管線807提供至該堆疊中。同樣地，來自上方第一容積905的電解質饋送(亦即，吸取)穿過管道815自入口805A提供至該堆疊中。氯及電解質在入口805A上方的管道815中混合。為清晰起見未展示提供吸取之泵。在圖9中所示之非限制性組態中，放電模式饋送管道815沿著截頭圓錐薄板903之中心軸垂直延伸且在截頭圓錐薄板903之底部開口下方延伸的管道815之底部部分充當氯饋送管線807。至管道815中之入口805A位於截頭圓錐薄板903之頂部開口與底部開口之間。放電模式返回管道822可遠離薄板903之中心軸垂直延伸且終止於板表面903上方之圓錐體內部的開口805B處。當該系統在充電模式下操作時，出口液流909將自該堆疊行進穿過管道815(其現充當充電模式出口管道)且作為液流911自出口805A(其在放電模式下充當入口)離開而進入截頭圓錐形狀分離元件903內部之第一容積905中。位於分離元件903上方之充電模式饋送管道822中的引入開口806可用以在充電模式下將流體919提供至該堆疊，其類似於圖8中之入口606。開口805B亦可在充電模式下用作入口。在此實施例中，分離元件903使用現有之流體液流動力性質及重力以促進分離電解質組份，且不存在額外的移動部分，藉此降低額外之固定成本及操作成本。

分離元件之第四實施例

圖10說明具有分離元件1003之儲集器119的另一實施例。圖10中之實施例之儲集器119可用於上文所描述之實施例中之任一者的系統及方法。如圖所示之分離元件1003經組態以利用類似於上文參看圖9所描述之機制(除了圖10中所示之截頭圓錐或漏斗狀板1003自圖9中之薄板903之定向翻轉180度(亦即，顛倒)之外)的機制來分離電解質之較重組份及較輕組份。

在一實施例中，分離元件1003包含在一些組態中在其側壁中含有開口的彎曲薄板(諸如網篩或多孔篩或者彎曲穿孔板)。較佳地，如上文所描述，薄板具有截頭圓錐或漏斗形狀。在其他組態中，薄板1003在其側壁中缺乏開口。如圖10中所示，元件1003具有朝儲集器119之頂部部分漸尖的截頭圓錐形狀(亦即，第一端(例如，圖10中之上端)上之開口具有比相對第二端(例如，下端)上之開口小的大小)。分離元件1003將儲集器119劃分為兩個容積1005、1007，其中第一容積1005經提供以用於聚積電解質之較輕組份，且第二容積1007經提供以用於聚積較重組份(諸如氯水)。

排放液流911、915可在鄰近於分離元件1003之下表面處形成流體之旋轉液流，如藉由位於鄰近於薄板1003之底表面(而非圖9中之薄板903之上表面)之處的出口805A及805B所促進。出口805A、805B在大體上沿分離元件1003之彎曲下表面的方向上彎曲。所得離心力連同重力幫助流體中之較重組份較好地沈降至第二容積1007中。因此，在圖10之實施例中，藉由電解質自容積1007向上流動至容積1005中而發生將電解質及氯分別分離至容積1005及1007中。相反，在圖9之實施例中，藉由氯自容積905向下流動至容積907中而發生分離。

有利地，分離元件實現具有簡化之單一液流迴路管道設計、閥設計、泵佈局等的架構。替代液流電池組設計通常需要兩個獨立液流系統，其較複雜、成本較高且較傾向於發生交叉洩漏等。

儘管上述內容參考特定較佳實施例，但應理解，本發明不限於此。一般熟習此項技術者將瞭解，可對所揭示之實施例作出各種修改且此等修改意欲在本發明之範疇內。本文中所引用之所有公開案、專利申請案及專利以全文引用的方式併入本文中。

21．．．饋送管或歧管

22．．．分佈區

23．．．多孔氯電極

24．．．零件

25．．．金屬電極

26．．．收集區

27．．．返回歧管

29．．．返回管

30．．．障壁

100．．．電化學系統

101．．．密封容器/器皿

102．．．內容積

103．．．堆疊

115．．．饋送管或歧管

119．．．儲集器

120．．．返回管或歧管

121．．．向上延伸區段

122．．．向下延伸區段

123．．．排放泵

124．．．充填泵

125．．．上方部分

126．．．下方部分

127．．．饋送管線

128．．．零件

129．．．區域/空間

130．．．區域/空間

131．．．區域/空間

132．．．管或管道

331．．．饋送歧管

334．．．旁路管道零件

335．．．間隔物突出部分

338．．．返回歧管零件

340．．．第一級分裂節點

341．．．子液流

342．．．子液流

343．．．第二級分裂節點

344．．．第二級分裂節點

345．．．子液流

346．．．子液流

347．．．子液流

348．．．子液流

349．．．第三級分裂節點

350．．．第三級分裂節點

351．．．第三級分裂節點

352．．．第三級分裂節點

353．．．分離路徑

354．．．分離路徑

355．．．分離路徑

356．．．分離路徑

357．．．分離路徑

358．．．分離路徑

359．．．分離路徑

360．．．分離路徑

361．．．液流路徑

362．．．液流路徑

363．．．液流路徑

364．．．液流路徑

365．．．液流路徑

366．．．液流路徑

367．．．液流路徑

368．．．液流路徑

369．．．第一級合併節點

370．．．第一級合併節點

371．．．第一級合併節點

372．．．第一級合併節點

373．．．第二級液流路徑

374．．．第二級液流路徑

375．．．第二級液流路徑

376．．．第二級液流路徑

377．．．第二級合併節點

378．．．第二級合併節點

381．．．第三級液流路徑

382．．．第三級液流路徑

383．．．第三級節點

384．．．單一液流

501．．．電極

502．．．負電極

503．．．負電極

504．．．正電極

505．．．正電極

506．．．反應區

507．．．反應區

509．．．零件

510．．．零件

518．．．導電間隔物

519．．．導電間隔物

520．．．部分

521．．．電池

522．．．電池

523．．．導電間隔物

524．．．導電間隔物

525．．．部分

603．．．分離元件

604．．．隔板

605．．．泵入口

606．．．泵出口

607．．．饋送管線

608．．．線

703．．．分離元件

705．．．容積

707．．．容積

805A．．．出口

805B．．．出口

806．．．引入開口

807．．．饋送管線

815．．．放電模式饋送管道

822．．．放電模式返回管道

903．．．截頭圓錐薄板

905．．．第一容積

907．．．容積

909．．．排放液流

911．．．排放液流

913．．．排放液流

915．．．排放液流

917．．．孔隙

919．．．流體

921．．．氯饋送

1003．．．分離元件

1005．．．第一容積

1007．．．第二容積

圖1說明電化學系統之一實施例之側視橫截面圖，該電化學系統具有一含有電化學電池之堆疊的密封容器。

圖2說明水平定位型電池之堆疊中之液流路徑的側視橫截面圖。

圖3說明可用於電化學系統之某些實施例中之電池框架的三維視圖。

圖4為如美國專利第3,940,283號中所呈現之分子氯的先前技術相位圖。

圖5示意性地說明在放電模式下之電化學系統中之液流路徑的三維視圖。

圖6示意性地說明儲集器之側視橫截面圖，該儲集器具有集液板分離元件及隔板。

圖7示意性地說明在電化學系統之放電操作中的具有分離元件之儲集器的側視橫截面圖。

圖8示意性地說明在電化學系統之充電操作中的具有分離元件之儲集器的側視橫截面圖。

圖9說明根據本發明之一實施例之儲集器的三維剪切圖，該儲集器具有安置於其中之分離元件。

圖10說明根據本發明之另一實施例之儲集器的三維剪切圖，該儲集器具有安置於其中之分離元件。

119．．．儲集器

125．．．上方部分

126．．．下方部分

603．．．分離元件

604．．．隔板

605．．．泵入口

606．．．泵出口

607．．．饋送管線

608．．．線

Claims (14)

1. 一種電化學系統，其包含一器皿，其中該器皿含有：(a)至少一電池，其包含：一第一電極；一第二電極；及一位於該第一電極與該第二電極之間的反應區；(b)一儲集器，其含有一經組態以選擇性地聚積金屬鹵化物電解質組份的第一容積及一經組態以選擇性地聚積一液化鹵素反應物的第二容積；(c)一分離元件，其將該第一容積與該第二容積分離；及(d)一液流環路，其經組態以在該儲集器與該至少一電池之間傳遞該鹵素反應物及該金屬鹵化物電解質。
2. 如請求項1之系統，其中該分離元件對該液化鹵素反應物之一滲透率高於對該金屬鹵化物電解質組份之一滲透率。
3. 如請求項1之系統，其中該分離元件包含一具有至少兩個開口之彎曲薄板。
4. 一種操作一電化學系統之方法，其包含：(A)提供一包含一器皿之系統，該器皿含有：(a)至少一電池，其包含：一第一電極；一第二電極；及一位於該第一電極與該第二電極之間的反應 區；及(b)一儲集器，其含有由一分離元件分離之一第一容積及一第二容積；(B)將來自該第一容積之一金屬鹵化物電解質組份與來自該第二容積之一液化鹵素反應物混合以形成一電解質混合物；(C)在一放電模式下將該電解質混合物提供至該至少一電池以產生電；及(D)使該電解質混合物自該至少一電池返回至該儲集器中之該第一容積，使得來自該返回之電解質混合物的未用液化鹵素反應物自該第一容積穿過該分離元件滲透至該第二容積。
5. 如請求項4之方法，其中該第一容積之該金屬鹵化物電解質組份的濃度高於該第二容積之該金屬鹵化物電解質組份的濃度，且該第二容積之鹵素反應物的濃度高於該第一容積之鹵素反應物的濃度。
6. 如請求項5之方法，進一步包含：(E)在一充電模式下，將該金屬鹵化物電解質組份自該第一容積提供至該至少一電池，以對該電化學系統充電；及(F)使該電解質自該至少一電池返回至該儲集器中之該第一容積，使得在該返回之電解質中之該任何液化鹵素反應物選擇性地自該第一容積穿過該分離元件而至該第二容積。
7. 一種電化學系統，其包含一器皿，其中該器皿含有：(a)至少一電池，其包含：一第一電極；一第二電極；及一位於該第一電極與該第二電極之間的反應區；(b)一儲集器，其含有一經組態以選擇性地聚積一金屬鹵化物電解質組份的第一容積，及一經組態以選擇性地聚積一液化鹵素反應物的第二容積；及(c)液流環路，其經組態以在該儲集器與該至少一電池之間傳遞該鹵素反應物及該金屬鹵化物電解質，其中該液流環路包含：(i)一饋送歧管，其經組態以將該金屬鹵化物電解質組份及該鹵素反應物分別自該第一容積及該第二容積傳遞至該至少一電池，該饋送歧管包含一位於該第一容積中之第一入口及一位於該第二容積中之第二入口；及(ii)一返回歧管，其經組態以將該鹵素反應物及該金屬鹵化物電解質組份自該至少一電池傳遞至該儲集器。
8. 一種電化學系統，其包含一密封器皿，該密封器皿含有：(a)至少一電池，其包含：一第一金屬電極；一第二多孔電極；及 一位於該第一電極與該第二電極之間的反應區；(b)一液化氯反應物；(c)至少一金屬氯化物電解質；及(d)一封閉迴路液流環路，其經組態以將該氯反應物及該至少一金屬氯化物電解質傳遞至該反應區，及自該反應區傳遞該氯反應物及該至少一金屬氯化物電解質，其中該氯反應物及該金屬鹵化物反應物在該至少一電池中之該封閉迴路液流環路中具有同一液流路徑。
9. 一種金屬鹵素電化學系統，其包含：(A)一壓力圍阻器皿，其含有：(a)水平定位型電池之一垂直堆疊，其中該堆疊中之每一電池包含：至少一正電極；至少一負電極；及一位於該正電極與該負電極之間的反應區；及(b)一電解質混合物，其包含(i)至少一含水電解質，其包含一金屬及一鹵素；及(ii)一加壓鹵素反應物；及(B)一循環泵，其經組態以輸送該電解質混合物之一液流穿過該反應區，使得該鹵素反應物在該正電極處被還原以形成一富含鹵素離子之電解質混合物，該富含鹵.素離子之電解質混合物繞過該負電極。
10. 一種電化學系統，其包含： 一加壓密封器皿，其具有一內容積，該內容積包含一第一壓力區及一包圍該第一壓力區之第二壓力區，其中：(A)該第一壓力區含有：(a)至少一電池，其包含：一第一電極；一第二電極；及一位於該第一電極與該第二電極之間的反應區；(b)一液化鹵素反應物；(c)至少一金屬鹵化物電解質；及(d)一液流環路，其經組態以將該鹵素反應物及該至少一電解質傳遞至該至少一電池；且(B)該第一壓力區中之一壓力高於該鹵素反應物之一液化壓力，而該第二壓力區中之一壓力高於該第一壓力區中之該壓力。
11. 一種電化學系統，其包含：一加壓密封器皿，其含有：(a)至少一電池，其包含：一第一電極；一第二電極；及一位於該第一電極與該第二電極之間的反應區；(b)一液化鹵素反應物； (c)至少一金屬鹵化物電解質；(d)一儲集器，其含有該至少一金屬鹵化物電解質及該液化鹵素反應物；及(e)一液流環路，其經組態以在該儲集器與該至少一電池之間傳遞該鹵素反應物及該金屬鹵化物電解質；其中該器皿之一內容積中之一壓力高於該鹵素反應物之一液化壓力；且其中該電池之該反應區不含有不能滲透該鹵素反應物的隔膜或分離器。
12. 如請求項11之系統，其中該系統不包含一壓縮器。
13. 如請求項11之系統，其中該液流環路為一迴路環路，其經組態以將該鹵素反應物及該至少一電解質自該儲集器傳遞至該至少一電池，及自該至少一電池傳遞至該儲集器。
14. 一種電化學系統，其包含一器皿，其中該器皿含有：(a)串聯連接之水平電池之一垂直堆疊；(b)一儲集器，其經組態以聚積一金屬鹵化物電解質組份及一液化鹵素反應物；及(c)一液流環路，其經組態以在該儲集器與該堆疊之間傳遞該鹵素反應物及該金屬鹵化物電解質；其中：(i)該堆疊中之一第一電池包含：一多孔電極； 一金屬電極；及一位於該多孔電極與該金屬電極之間的反應區；(ii)該堆疊中之一第二電池包含：一多孔電極；一金屬電極；及一位於該多孔電極與該金屬電極之間的反應區；(iii)導電間隔物，其電接觸該第一電池之該多孔電極及該第二電池之該金屬電極；及(iv)該等導電間隔物經組態使得該鹵素反應物及該金屬鹵化物電解質在一位於該等導電間隔物之間的空間中流動，穿過該第一電池之該多孔電極，並流動至該第一電池之該反應區中。