具有分流電流對(duì)電極的流動(dòng)池的制作方法
【專利摘要】對(duì)電極應(yīng)用在流動(dòng)池的范圍內(nèi)以在作業(yè)時(shí)吸引分流電流沉積。對(duì)電極可以與流動(dòng)池的樣積淀連接以吸引沉積，然后與流動(dòng)池的陰極電連接以消除沉積。
【專利說明】
具有分流電流對(duì)電極的流動(dòng)池
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本公開涉及流動(dòng)池內(nèi)的分流電流管理?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]典型的電化學(xué)電池通常包括由分離器結(jié)構(gòu)隔開的陰極側(cè)和陽極側(cè)。陰極側(cè)通常包括陰極集流器、正極活性材料(放電時(shí)減少)和電解質(zhì)。陽極側(cè)可包括陽極集流器、陽極活性材料(放電時(shí)被氧化)和電解液。分離器結(jié)構(gòu)將陰極側(cè)和陽極側(cè)分開，除了其他物質(zhì)以外，僅允許離子在之間流動(dòng)。進(jìn)而集流器、電活性材料、電解質(zhì)和分離器結(jié)構(gòu)形成將化學(xué)能轉(zhuǎn)換為電能的電化學(xué)反應(yīng)器。集流器可以(外部地)電連接在一起，以形成電路。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]—種具有流動(dòng)池的流體電池，所述流動(dòng)池包括:陰極、陽極和對(duì)電極，所述對(duì)電極可以在電勢(shì)約等于所述陽極以吸引分流電流沉積和電勢(shì)約等于所述陰極以去除分流電流沉積間之間轉(zhuǎn)換。
[0004]—種流體電池，具有流動(dòng)池。所述流動(dòng)池包括:陰極，部分地限定了陰極室；陽極， 部分地限定了陽極室;分離器結(jié)構(gòu)，夾在所述陰極室和所述陽極室之間，并配置為允許離子在流動(dòng)通過所述陰極室和所述陽極室的電活性材料之間流動(dòng);所述流動(dòng)池還包括對(duì)電極， 所述對(duì)電極可以在與所述陽極電連接和與所述陰極電連接之間切換。
[0005]—種電池控制方法包括:通過控制器控制設(shè)置在電活性材料流動(dòng)路徑中的對(duì)電極，使得所述對(duì)電極具有約等于電池的陽極的電勢(shì)，以在所述對(duì)電極上吸引分流電流沉積； 隨后，通過控制器控制所述對(duì)電極，使得所述對(duì)電極具有約等于電池的陰極的電勢(shì)以去除分流電流沉積?！靖綀D說明】
[0006]圖1為流動(dòng)池系統(tǒng)的不意圖；
[0007]圖2A和圖2B為帶有分流電流電極的流動(dòng)池系統(tǒng)的示意圖；
[0008]圖3和圖4為另一分流電流電極結(jié)構(gòu)的示意圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0009]下面描述本公開的實(shí)施方式。然而需要理解的是，本公開的實(shí)施方式僅僅是示例， 其他的實(shí)施方式可具有不同以及可替換的形式。附圖不必要按比例繪制;某些特征可能被放大或縮小以顯示特定部件細(xì)節(jié)。因此，在此公開的特定結(jié)構(gòu)和功能細(xì)節(jié)不應(yīng)被解釋為限制，而僅用作教導(dǎo)本領(lǐng)域技術(shù)人員以不同方式實(shí)施本發(fā)明的代表基礎(chǔ)。因?yàn)楸绢I(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解，參照多個(gè)附圖中的任一附圖示出和描述的各種特征可與一個(gè)或多個(gè)其他附圖中示出的特征結(jié)合，以產(chǎn)生未明確示出或描述的實(shí)施例。示出的特征組合提供用于通常應(yīng)用的代表實(shí)施例。然而，與本公開中的教導(dǎo)一致的特征的各種組合和修改，可能需要特定的應(yīng)用或?qū)崿F(xiàn)方式。
[0010]流動(dòng)池是可再充電電池，在其中，包含一種或多種溶解電活性物質(zhì)的電解質(zhì)流經(jīng) (流入和流出)電化學(xué)反應(yīng)器，電化學(xué)反應(yīng)器將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能。含有一種或多種溶解電活性物質(zhì)的附加電解質(zhì)存儲(chǔ)于外部，通常在罐中，并且通常被抽出通過該電化學(xué)反應(yīng)器(或多個(gè)電化學(xué)反應(yīng)器)。因此，流動(dòng)池可以具有取決于外部存儲(chǔ)罐的尺寸的可變?nèi)萘俊?br>[0011]參見圖1，流動(dòng)池10可以包括由分離器16(例如，離子交換膜)隔開的陰極側(cè)12和陽極側(cè)14。陰極側(cè)12包括陰極室18、陰極集流器20和陰極電解液貯存器22。同樣地，陽極側(cè)14 包括陽極室24、陽極集流器26和陽極電解液貯存器28。分離器16允許離子在陰極室18和陽極室24中的電活性材料之間流動(dòng)，這樣陰極室18、陽極室24、陰極集流器20、陽極集流器26 和分離器16構(gòu)成電化學(xué)反應(yīng)器29,將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能(并且在特定結(jié)構(gòu)中，電能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能)。這樣，陰極20和陽極26可以通過(外部)電連接(在一起或分別與其他的陽極和陰極連接)以形成電路。
[0012]陰極電解液30和陽極電解液32通常結(jié)合用于通過可溶性中間體分別輸送離子與陰極活性材料以及離子與陽極活性材料的電解質(zhì)。陰極電解液30和陽極電解液32在電池10 的各自側(cè)循環(huán)，以驅(qū)使電化學(xué)反應(yīng)器29內(nèi)的反應(yīng)。因此，陰極電解液30和陽極電解液32是流動(dòng)的。為此目的，陰極側(cè)12還包括與陰極室18和陰極電解液貯存器22流體連通的多個(gè)入口/ 出口管路34,并且循環(huán)栗36、熱交換器38和閥40分別可操作地設(shè)置在入口/出口管路34上。 循環(huán)栗36，顧名思義，使陰極電解液30在陰極室18、電解液貯存器22和入口 /出口管34之間循環(huán)。熱交換器38可被操作，用以控制陰極電解液30的溫度。閥40可被操作，用以控制陰極電解液30流入和/或流出陰極室18。[0〇13]陽極側(cè)14包括入口 /出口管路42、循環(huán)栗44、熱交換器46和閥48。入口 /出口管路42 與陽極室24和陽極液貯存器28流體連通。循環(huán)栗44、熱交換器46和閥48分別可操作地設(shè)置在每個(gè)入口/出口管路42上。循環(huán)栗44使陽極電解液32在陽極室24、陽極液貯存器28和入口/出口管路42之間循環(huán)。熱交換器46可被操作，以控制陽極電解液32的溫度。閥48可以被操作，以控制流陽極液32流入和/或流出陽極室24。[〇〇14]陽極側(cè)14可以包括在陽極液貯存器28內(nèi)的氧化鋅(ZnO)和氫氧化鈉(NaOH)的混合漿液，以確保溶液中的活性物質(zhì)(鋅酸鹽)盡可能大地溶解。該溶液可以用作流動(dòng)池10的陽極電解液32。在充電時(shí)，可溶性鋅酸鹽在陽極26的表面反應(yīng)，以在靠近陽極室24的陽極表面沉積鋅金屬49。在放電時(shí)，加載物逆反應(yīng)，將鋅金屬49氧化，從陽極26的表面脫落。鋅酸鹽類僅略微溶解于陽極電解液32中，因此排出的材料大部分被沉淀為氧化鋅(ZnO)。該放電產(chǎn)物通常存儲(chǔ)在貯存器28內(nèi)，但應(yīng)對(duì)其進(jìn)行管理，以確保它不會(huì)沉積在系統(tǒng)中的其他地方，并可能堵塞流動(dòng)通道或遮住表面區(qū)域，從而改變電流分布。[〇〇15] 一個(gè)或多個(gè)控制器50可以操作循環(huán)栗36、循環(huán)栗44、閥40、閥48以使陰極電解液30 流入和流出陰極室18和陰極電解液貯存器22，使陽極電解液32流入和流出陽極室24和陽極電解液貯存器28,如粗虛線表示。這樣的流動(dòng)往往需要復(fù)雜的流量和溫度控制。用多個(gè)池 (cell)(如在電池中)，典型的流動(dòng)系統(tǒng)可能會(huì)變得更加復(fù)雜，因?yàn)橄嗤馁A存器可能被用于多個(gè)池(cell)。
[0016]使用具有多個(gè)池的單個(gè)貯存器可能會(huì)導(dǎo)致在池之間出現(xiàn)離子路徑(或分流電流)。 不希望在充電期間多處分流電流導(dǎo)致鋅重新分布。例如，分流電流沉積52可能出現(xiàn)在入口 /出口管路42中，限制入口/出口管路42中的流動(dòng)并且可能使陽極室24電勢(shì)不足。
[0017]本文所述的特定實(shí)施例試圖以可持續(xù)的方式應(yīng)對(duì)這種不期望的沉積。隔開的對(duì)電極可被放置于池內(nèi)。在一個(gè)示例中，對(duì)電極被放置在電極表面上(但與其絕緣)，并位于入口和出口的陽極電解液路徑上，該陽極電解液路徑位于電極上的常規(guī)沉積區(qū)域和所述入口和出口管路之間。在另一示例中，對(duì)電極被與臨近入口和出口管路的陽極隔開。在任一情況下，對(duì)電極應(yīng)當(dāng)被與陽極間隔足夠遠(yuǎn)，以避免與分流沉積接觸。也可以考慮其他結(jié)構(gòu)，例如， 可使用單個(gè)對(duì)電極等。
[0018]例如，對(duì)電極可包括任何不會(huì)被電解質(zhì)消耗(腐蝕)的金屬或合金(例如，鎳、錫、不銹鋼)。在某些情況下，選擇具有寄生放電沉積傾向性的材料也較為有利。此外，相比較小的面積，更大的對(duì)電極的表面面積較為有利。
[0019]初始，兩個(gè)對(duì)電極均與基電極(例如，陽極)電連接，使它們與基電極具有相同的電勢(shì)。(當(dāng)然，作為替代，對(duì)電極還可以以約等于基電極的電勢(shì)電連接)。由于具有與基電極相等的電勢(shì)，在基電極與分流電流的離子流的來源之間，這些對(duì)電極吸引了大量的分流電流沉積，以防止分流電流沉積在基電極或系統(tǒng)中其它地方顯著地形成。
[0020]當(dāng)對(duì)電極上積累了大量的由分流沉積形成的鋅時(shí)，它們與基電極之間的連接被斷開。并且，對(duì)電極另行連接到電池的有問題的陰極(或約等于陰極的電勢(shì))。這有效地在由兩個(gè)對(duì)電極和陰極形成的池的一部分內(nèi)形成短路。對(duì)電極被短路連接到陰極，并且定位成接近其表面(由膜分離)，高強(qiáng)度電流將快速流動(dòng)，使每個(gè)對(duì)電極放電以去除分流沉積的鋅。在相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)，新的分流沉積可能會(huì)附著到對(duì)電極上，但可通過相同的放電過程予以消除。一旦對(duì)電極的放電電流被檢測(cè)到是零(或超過一預(yù)定時(shí)間段，等等)，與陰極的連接被斷開，與陽極的連接被重新建立，恢復(fù)各基電極的分流電流保護(hù)。
[0021]在其它實(shí)例中，可執(zhí)行測(cè)試，來確定對(duì)電極(或多個(gè)電極)在電勢(shì)約等于陰極和電勢(shì)約等于陽極之間轉(zhuǎn)換的頻率。室流率、系統(tǒng)化學(xué)、池?cái)?shù)量、罐容積等可能影響分流沉積形成和去除的速率。然后，該時(shí)間可以通過與用于執(zhí)行上述轉(zhuǎn)換任務(wù)的控制器實(shí)現(xiàn)。[〇〇22] 參照?qǐng)D2A和2B，其中對(duì)編號(hào)相同的元件的描述相同，流動(dòng)池110可以包括通過分離器116隔開的陰極側(cè)112及陽極側(cè)114。陰極側(cè)112包括陰極室118、陰極集流器120和陰極電解液貯存器122。同樣地，陽極側(cè)114包括陽極室124、陽極集流器126和陽極電解液貯存器 128。分離器116允許離子在陰極室118和陽極室124中的電活性材料之間流動(dòng)。由此，陰極室 118、陽極室124,陰極集流器120、陽極集流器126和分離器116形成電化學(xué)反應(yīng)器129,電化學(xué)反應(yīng)器129將化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能(以及，在某些特定結(jié)構(gòu)中，將電能轉(zhuǎn)化成化學(xué)能)。
[0023]陰極電解液130和陽極電解液132通常結(jié)合用于通過可溶性中間體分別輸送離子與陰極活性材料以及離子與陽極活性材料的電解質(zhì)。陰極電解液130和陽極電解液132在電池110的各自側(cè)循環(huán)，以驅(qū)使電化學(xué)反應(yīng)器129內(nèi)的反應(yīng)。為此目的，陰極側(cè)112還包括與陰極室118和陰極電解液貯存器122流體連通的入口/出口管路134,并且循環(huán)栗136、熱交換器 138和閥140分別可操作地設(shè)置在入口 /出口管路134上。[〇〇24]陽極側(cè)114包括進(jìn)口/出口管路142(例如，管路(manifolds))、循環(huán)栗144、熱交換器146和閥148。進(jìn)口/出口管路142與陽極室124和陽極電解液貯存器128流體連通，循環(huán)栗 144、熱交換器146和閥148分別可操作地設(shè)置在入口/出口管路142上。[〇〇25]陽極側(cè)可以包括在陽極液貯存器128內(nèi)的氧化鋅(ZnO)和氫氧化鈉(NaOH)的混合漿液，以確保在溶液中活性物質(zhì)(鋅酸鹽)的最大溶解(然而，也可以采用其他合適的化學(xué)物質(zhì))。這種溶液可以用作流動(dòng)池110的陽極電解液132。在充電時(shí)，可溶性鋅酸鹽在陽極126的表面反應(yīng)，以在靠近陽極室124的陽極表面沉積鋅金屬149。在放電時(shí)，加載物逆反應(yīng)，將鋅金屬149氧化，從陽極126的表面脫落。
[0026] —個(gè)或多個(gè)控制器150可以操作循環(huán)栗136、循環(huán)栗144和閥140、閥148,分別帶動(dòng)陰極電解液130流入和流出陰極室118與陰極電解液貯存器122以及帶動(dòng)陽極電解液132流入和流出陽極室124與陽極電解液貯存器128,如用粗虛線表示。[〇〇27]在本示例中，對(duì)電極154(例如，鎳箱)設(shè)置在電化學(xué)反應(yīng)器129附近的進(jìn)口 /出口管路142內(nèi)。切換電路155選擇性地將對(duì)電極154與陽極126(圖2A)或者陰極120(圖2B)電連接。 在本示例中，一個(gè)或者多個(gè)控制器150依照時(shí)間表控制切換電路155動(dòng)作，該時(shí)間表通過測(cè)試而開發(fā)并為特殊設(shè)計(jì)和操作條件而優(yōu)化。
[0028]在圖3中，具有相同附圖標(biāo)記的部件的描述相同。流動(dòng)池210可以包括通過分離器 216隔開的陰極側(cè)212及陽極側(cè)214。陰極側(cè)212包括陰極室218和陰極集流器220。相似地，陽極側(cè)214包括陽極室224和陽極集流器226。以上結(jié)構(gòu)構(gòu)成了電化學(xué)反應(yīng)器229。
[0029]對(duì)電極254設(shè)置在陽極室224內(nèi)并與進(jìn)口設(shè)置在同一壁上，并與陽極226隔開足夠遠(yuǎn)，使得分流沉積不會(huì)與陽極226接觸。
[0030]在圖4中，其中對(duì)編號(hào)相同的部件的描述相同。流動(dòng)池310可以包括通過分離器316 隔開的陰極側(cè)312及陽極側(cè)314。陰極側(cè)312包括陰極室318和陰極集流器320。相似地，陽極偵014包括陽極室324和陽極集流器326。以上結(jié)構(gòu)構(gòu)成了電化學(xué)反應(yīng)器329。[0〇31] 對(duì)電極354設(shè)置在陽極室224內(nèi)，并與陽極326設(shè)置在同一壁上，并與陽極326隔開足夠遠(yuǎn)，使得分流沉積不會(huì)與陽極326接觸。
[0032]雖然描述了上述示例性實(shí)施例，但并不意味著這些實(shí)施例中描述了由權(quán)利要求所覆蓋的所有可能的形式。例如，本文所設(shè)想的對(duì)電極可以設(shè)置在流動(dòng)池內(nèi)，在流動(dòng)池中，陰極室中的電活性材料在操作期間不流入和流出陰極室，并且電活性材料在操作期間流入和流出陽極室。其他方案也是可能的。[〇〇33]在說明書中使用的詞語是文字描述而不應(yīng)理解為限制，并且應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本公開的精神和范圍的情況下，可以做出各種變化。如前所述，各種實(shí)施方式的特征可以被組合，以形成沒有被明確地示出或描述的更多的本發(fā)明實(shí)施方案。雖然各種實(shí)施例可能已被描述為具有優(yōu)點(diǎn)或較其它實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在一個(gè)或多個(gè)特性方面更優(yōu)，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員可以領(lǐng)會(huì)，可以將一個(gè)或多個(gè)特征或特性折中，以實(shí)現(xiàn)期望的整個(gè)系統(tǒng)的屬性，這依賴于特定的應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)方式。這些屬性可包括，但不限于成本、強(qiáng)度、耐久性、生命周期成本、市場(chǎng)性、外觀、包裝、大小、可維護(hù)性重量、可制造性、易于裝配等。因此，被描述為較其它實(shí)施例或現(xiàn)有技術(shù)的實(shí)現(xiàn)在一個(gè)或多個(gè)特性方面不甚理想的實(shí)施方式不超出本公開的范圍之外，對(duì)特定的應(yīng)用可能是期望的。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種流體電池，包括:流動(dòng)池，包括陽極和陰極；以及對(duì)電極，配置為在電勢(shì)約等于陽極以吸引分流電流沉積和電勢(shì)約等于陰極以消除分流 電流沉積之間切換。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體電池，其特征在于，所述流動(dòng)池還包括陽極室、陰極室和 管路；所述管路被配置為輸送活性材料至陽極室；所述對(duì)電極設(shè)置在所述管路內(nèi)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體電池，其特征在于，所述流動(dòng)池還包括陽極室；所述對(duì)電極設(shè)置在陽極室內(nèi)。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體電池，其特征在于，還包括與所述陽極、所述陰極和所述 對(duì)電極電連接的電路。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的流體電池，其特征在于，所述對(duì)電極包括鎳、錫或不銹鋼。6.—種流體電池，包括:流動(dòng)池，包括陰極、陽極和分離器結(jié)構(gòu)，所述陰極部分地限定了一個(gè)陰極室，所述陽極 部分地限定了一個(gè)陽極室，所述分離器結(jié)構(gòu)夾在所述陰極室和所述陽極室之間，并被配置 為允許離子在流動(dòng)通過所述陰極室和所述陽極室的電活性材料之間流動(dòng)；對(duì)電極，配置為在與所述陽極電連接和與所述陰極電連接之間切換。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流體電池，其特征在于，所述對(duì)電極設(shè)置在所述陽極室內(nèi)。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流體電池，其特征在于，還包括管路，所述管路被配置為輸送 電活性材料至所述陽極室;所述對(duì)電極設(shè)置在所述管路內(nèi)。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的流體電池，其特征在于，所述對(duì)電極包括鎳、錫或不銹鋼。10.—種電池的控制方法，包括:通過控制器使得設(shè)置在電活性材料流動(dòng)路徑中的對(duì)電極具有約等于電池的陽極的電 勢(shì)，以在所述對(duì)電極上吸引分流電流沉積；以及隨后通過控制器使得所述對(duì)電極具有約等于電池的陰極的電勢(shì)，以去除分流電流沉 積。11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于:所述通過控制器使得設(shè)置在電活性材料 流動(dòng)路徑中的對(duì)電極具有約等于電池的陽極的電勢(shì)，以在對(duì)電極上吸引分流電流沉積包 括:將對(duì)電極與所述陽極電連接。12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其特征在于:所述隨后通過控制器使得所述對(duì)電極具 有約等于電池的陰極的電勢(shì)，以去除分流電流沉積包括:將對(duì)電極與所述陰極電連接。
【文檔編號(hào)】H01M8/18GK106030885SQ201580010852
【公開日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2015年2月26日
【發(fā)明人】德里克·C·塔蘭特, 理查德·M·本德特, 杰拉樂德·P·柏克
【申請(qǐng)人】維智能源系統(tǒng)公司