專利名稱：采用氧化還原液流電池的燃料系統的制作方法
采用氧化還原液流電池的燃料系統相關申請本申請涉及2009年8月21日提交的名稱為〃 Fuel System Using Redox Flow Battery"的序列號為61/235，859的美國臨時申請和2009年4月6提交的名稱為"Fuel System Using Redox Flow Battery"的序列號為61/166，958的美國臨時申請。這些申請的全文以引用的方式并入。通過引用并入本文中引用的所有專利、專利申請和專利公開的全文據此以引用的方式并入，以便更充分地描述本領域的技術人員在截至本文所述的發明日期時已知的技術狀態。
背景技術：
氧化還原液流電池，也稱為液流電池或氧化還原電池或可逆燃料電池，是其中正極反應物和負極反應物在液體溶液中為可溶的金屬離子的儲能裝置，上述金屬離子在電池工作期間被氧化或還原。將兩個可溶的氧化還原電對分別用于正極和負極來避免固相反應。氧化還原液流電池通常具有發電組件，該發電組件包括至少一個分隔正極反應物和負極反應物(也分別稱為陰極漿料和陽極漿料)的離子輸送膜，以及促進電子向外電路轉移但不參與氧化還原反應(即集流體材料本身不進行法拉第活動(Faradaic activity))的正極集流體和負極集流體(也稱為電極)。本文中提及了液流電池的部件和常規一次或二次電池的部件在術語上的差異。液流電池中的電極活性溶液通常稱為電解質，并且具體地稱為陰極漿料和陽極漿料，這與其中電解質僅為離子傳輸介質且不進行法拉第活動的鋰離子電池的情況大不相同。在液流電池中，在其上發生氧化還原反應且電子在此傳輸到或傳輸自外電路的非電化學活性部件稱為電極，而在常規一次或二次電池中，它們稱為集流體。雖然氧化還原液流電池具有許多吸引人的特征，包括它們通過增加陰極漿料和陽極漿料貯存室的尺寸幾乎可被構建到總充電容量的任意值的事實，但它們的缺陷之一在于其在很大程度上由金屬離子氧化還原電對在液體溶劑中的溶解度決定的能量密度比較低。 可提高金屬離子的溶解度的程度是有限的。在含水電解質電池，特別是利用鋅作為電活性材料的電池的領域中，描述了含有金屬顆粒懸浮液且其中該懸浮液流經膜和集流體的電解質。參見例如美國專利 No. 4，126，733和No. 5，368，952以及歐洲專利EP 0330290Β1ο此類電極的所述目的是防止有害的ai金屬枝晶形成、防止有害的電極鈍化、或提高電池放電時可溶解于正極中的鋅酸鹽的量。然而，此類含水電池的能量密度甚至在使用具有顆粒懸浮液的電解質時仍相對較低。此類電池不能提供足夠高的比能來使電動車輛進行實際運行，也不能在比能或能量密度方面提供超過用于靜止儲能的常規氧化還原電池的極大改進，包括例如在網格服務或儲存間歇式可再生能源(如風能和太陽能)中的應用
發明內容
描述了用于使用液流電池的燃料車輛的可交換式燃料槽。可交換式燃料槽包括可用于氧化還原液流電池中進行發電的陰極漿料和/或陽極漿料。如以下更詳細地描述，所述陽極漿料和陰極漿料流經離子滲透膜和連接至外電路的電極，從而參與氧化還原化學過程。可交換式燃料槽和液流電池組電池(flow battery cell)(其組合稱為“堆(stack)”) 的組合稱為“電源系統”。燃料槽被構造為易于從電源系統中移除，并且易于排空和再填充。 因而，可更換廢棄燃料和/或可在填充過程中改變質量或性質，以為電源系統提供更大的通用性或功能性。在其它實施方案中，電源系統配備有內部監測能力，從而可知曉電池狀態。可監測的電源系統屬性可提供關于陽極漿料和陰極漿料的充電狀態的信息，即該槽是否為“滿”或 “空”。監測系統也可提供關于該系統的其它性質的信息，以大體上提供關于電源系統的健康狀態的信息且識別可能危險或需要校正的狀態。在另一方面，電源系統可包括電能儲存裝置以及在一種一體化裝置(integrated device)中同時為常規可充電電池和液流電池的電源。其適用于各種電池化學類型，包括含水電池(諸如，鎳金屬氫化物類型)以及非水電池(包括可充電鋰電池、可充電鈉電池或者基于其它堿性的或堿土的或非堿性的工作離子的電池)。鑒于基于鋰離子化學的一個實施方案，此電池的基本構造具有隔板，如常規可充電鋰電池中那樣，該隔板的一側為鋰電池正極或負極或二者兼有。即，所述電極包含陰極活性材料或陽極活性材料，并且可包含該活性材料在金屬集流體上的涂層，或可為獨立式電極層(諸如包含該活性材料、任選地具有其它組分(如聚合物粘結劑或含碳導電劑或者金屬添加劑或粘結劑)的密實層或燒結層)。 這些離子儲存電極被稱為靜止電極。然而，與常規鋰電池電極不同，所述靜止電極中的一個或兩個可滲透液流電池的陰極漿料或陽極漿料，從而在裝置運行期間，可僅對靜止電極上的活性材料、僅對液流電池的陰極漿料或陽極漿料或二者兼有進行充電或放電。在一個或多個實施方案中，氧化還原液流電池具有多電池堆設計，其包括陽極漿料或陰極漿料中的半固體反應物或稠密液體反應物。在一些實施方案中，通過流量閥和泵將氧化還原液流電池連接至陽極漿料儲槽和陰極漿料儲槽。在一些實施方案中，根據陽極漿料/陰極漿料的充電/放電階段可使陽極漿料/陰極漿料的流動方向反向。在一些具體的實施方案中，儲槽包括儲存已放電的半固體反應物或稠密液體反應物的軟外殼，可將該已放電的材料傳送回裝置中以進行充電。在一些實施方案中，通過歧管將半固體反應物或稠密液體反應物引入堆疊電池的每個電池隔室中。在一些實施方案中，可將閥門安裝在歧管上。在一些實施方案中，可將閥門設置在電池隔室入口的正前方。在一些實施方案中，可將閥門設置在電池隔室出口的正后方。這些閥門可降低系統的短路風險。在一些實施方案中，一個或多個噴射器連接至半固體多堆疊電池的歧管，并且加壓區域(充氣室(plenum))形成于歧管內。可使用充氣室將陰極漿料或陽極漿料遞送至單個電池隔室或一組電池隔室中。在一些實施方案中，半固體氧化還原液流多電池堆或稠密液體氧化還原液流多電池堆可通過堆疊板來組裝。所述氧化還原多電池堆的歧管通過將板堆疊在一起而形成。在一些具體的實施方案中，歧管的內表面可涂覆不導電材料，以使穿過液體的分路電流最小化。在一方面，包括設置在其內的電源系統的可移動裝置的操作方法，包括
提供多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中正極集流體和離子滲透膜限定了容納正電活性材料的正電活性區；其中負極集流體和離子滲透膜限定了容納負電活性材料的負電活性區；其中正電活性材料和負電活性材料中的至少一種包含電活性區中的可流動的氧化還原組合物；至少一個用于將可流動的氧化還原組合物分配至正電活性區或負電活性區之一中的分配容器，其中該分配容器與多個液流電池連接且與電活性區流體連通，并且該分配容器能夠從液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從正電活性區或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收容器，其中該接收容器與液流電池連接且與所述電活性區流體連通，并且該接收容器能夠從液流電池處連接和斷開；將分配容器中的可流動的氧化還原組合物引入電活性區中的至少一個中，以使液流電池放電，從而提供電能來操作裝置；以及接收接收容器中的已放電的氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，該方法還包括通過將分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向電源系統補給燃料。在任何前述實施方案中，該方法還包括將接收容器更換為新的空接收容器。在任何前述實施方案中，可移動裝置為車輛。在任何前述實施方案中，可移動裝置為可移動發電機。在任何前述實施方案中，車輛為陸地、空中或水上運載工具。在任何前述實施方案中，氧化還原組合物包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，該組合物能夠在電池工作期間吸收和釋放離子。在任何前述實施方案中，該方法還包括通過將含有氧化還原組合物的分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向電源系統補給燃料。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物具有至少一種不同于上述氧化還原組合物的特性。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的功率密度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的能量密度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的半固體粒度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的電活性材料濃度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物與上述氧化還原組合物相比具有較小的半固體粒度和較高的功率密度。
在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物與上述氧化還原組合物相比具有較高的電活性材料濃度和較高的能量密度。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器構成單體(unitary body)。在任何前述實施方案中，多個液流電池構成一組液流電池，并且分配容器和接收容器與液流電池堆可逆地連接。在任何前述實施方案中，液流電池并聯連接。在任何前述實施方案中，液流電池串聯連接。在任何前述實施方案中，該方法還包括提供設置于分配容器和接收容器中的一個或兩個與液流電池堆之間的泵。在任何前述實施方案中，泵為可對兩個方向上的流量進行操作的可逆式流量泵。在任何前述實施方案中，分配容器或接收容器包括柔性軟外殼。在任何前述實施方案中，該方法還包括設置在每個燃料電池的入口處的閥門，以控制進入相應液流電池的氧化還原組合物的流量且使相鄰液流電池之間的分路電流最小化。在任何前述實施方案中，該方法還包括提供多孔噴射系統，該系統被構造且被布置成控制遞送至每個液流電池的每個電活性區的氧化還原組合物的量。在任何前述實施方案中，多孔噴射系統包括多個隔室，每個隔室與液流電池堆中的液流電池的子組和用于將氧化還原組合物引入每個隔室中的噴射器流體連通。在任何前述實施方案中，多個隔室中的壓力大于電活性區中的壓力。在任何前述實施方案中，該方法還包括具有用于使液流電池堆中的冷卻劑循環的冷卻系統。在任何前述實施方案中，該方法還包括提供連接至分配容器和接收容器中的一個或兩個的監測儀，以監測分配容器或接收容器中的一個或兩個的氧化還原組合物的體積或含量。在任何前述實施方案中，該方法還包括用新鮮的氧化還原組合物來補充分配容器。在任何前述實施方案中，補充分配容器包括將新的氧化還原組合物引入分配容器中。在任何前述實施方案中，該方法還包括從接收容器中移除已放電的氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，從接收容器中移除已放電的氧化還原組合物包括排空接收容器中的已放電的氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器構成單體，該單體具有位于接收隔室和分配隔室之間的可移動膜，并且該方法還包括將單體更換為新的單體，該新的單體包括含有新鮮可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電力儲存容器以及空的廢棄的氧化還原組合物儲存容器。在任何前述實施方案中，該方法還包括監測分配容器或接收容器中的可流動的氧化還原組合物的液位。在任何前述實施方案中，該方法還包括
將氧化還原組合物的流動方向反向，以使得廢棄的氧化還原組合物從接收容器流向電活性區；以及向電源系統施加反向電壓，以對已放電的氧化還原組合物進行再充電。在任何前述實施方案中，該方法還包括使再充電的氧化還原組合物從電活性區前移至分配容器中，以進行儲存。在任何前述實施方案中，廢棄的氧化還原組合物的流量由可逆泵控制。在任何前述實施方案中，選擇已放電的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物的粒度，以提供預選的功率密度。在任何前述實施方案中，選擇已放電的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物的以重量％計的荷載，以提供氧化還原組合物的預選的能量容量。在任何前述實施方案中，該方法還包括在放電之前、之中或之后監測氧化還原組合物的狀態。在任何前述實施方案中，監測的狀態包括陰極氧化還原組合物或陽極氧化還原組合物的溫度、流速或相對量。在任何前述實施方案中，該方法還包括根據監測結果來改變氧化還原組合物的性質。在任何前述實施方案中，該方法還包括增加氧化還原組合物沿著電活性區的流速，以增加液流電池的功率。在任何前述實施方案中，該方法還包括重新調整可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，上述重新調整包括從氧化還原組合物中分離殘余水；添加附加鹽以提高離子電導性；添加溶劑或電解質添加劑；添加包括用于離子儲存的活性材料或導電添加劑的附加固相；從液體電解質中分離固相；添加助凝劑；更換液體電解質；或其任意組合。在任何前述實施方案中，液流電池中的至少一個包括包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電極，該組合物能夠在電池工作期間吸收和釋放離子；和靜止電極。在另一方面，包括設置在其內的電源系統的靜止裝置的操作方法，包括提供多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中正極集流體和離子滲透膜限定了容納正電活性材料的正電活性區；
其中負極集流體和離子滲透膜限定了容納負電活性材料的負電活性區；其中正電活性材料和負電活性材料中的至少一種包含電活性區中的可流動的氧化還原組合物；至少一個用于將可流動的氧化還原組合物分配至正電活性區或負電活性區之一中的分配容器，其中該分配容器與多個液流電池連接且與電活性區流體連通，并且該容器能夠從液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從正或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收容器，其中該接收容器與液流電池連接且與電活性區流體連通，并且該容器能夠從液流電池處連接和斷開；將分配容器中的可流動的氧化還原組合物引入電活性區中的至少一個中，以使液流電池放電，從而提供電能來操作裝置；以及接收接收容器中的已放電的氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，該方法還包括通過將分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向電源系統補給燃料。在任何前述實施方案中，該方法還包括將接收容器更換為新的空接收容器。在任何前述實施方案中，靜止裝置為靜止發電機。在任何前述實施方案中，氧化還原組合物包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，該組合物能夠在電池工作期間吸收和釋放離子。在任何前述實施方案中，該方法還包括通過將含有氧化還原組合物的分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向電源系統補給燃料。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物具有至少一種不同于上述氧化還原組合物的特性。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的功率密度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的能量密度。在任何前述實施方案中，多個液流電池構成一組液流電池，并且分配容器和接收容器與液流電池堆可逆地連接。在任何前述實施方案中，該方法還包括提供連接至分配容器和接收容器中的一個或兩個的監測儀，以監測分配容器或接收容器中的一個或兩個的氧化還原組合物的體積或含量。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器構成單體，該單體具有位于接收隔室和分配隔室之間的可移動膜，并且該方法還包括將單體更換為新的單體，該新的單體包括含有新鮮可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電力儲存容器以及空的廢棄的氧化還原組合物儲存容器。在任何前述實施方案中，該方法還包括將氧化還原組合物的流動方向反向，以使得廢棄的氧化還原組合物從接收容器流向電活性區；以及向電源系統施加反向電壓，以對已放電的氧化還原組合物進行再充電。
在另一方面，描述了包括設置在其內的電源系統的車輛，該電源系統包括多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中正極集流體和離子滲透膜限定了容納正電活性材料的正電活性區；其中負極集流體和離子滲透膜限定了容納負電活性材料的負電活性區；其中正電活性材料和負電活性材料中的至少一種包含電活性區中的可流動的氧化還原組合物；至少一個用于將可流動的氧化還原組合物分配至正電活性區或負電活性區之一中的分配容器，其中該分配容器與多個液流電池連接且與電活性區流體連通，并且該容器能夠從液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從正電活性區或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收容器，其中該接收容器與液流電池連接且與電活性區體連通，并且該容器能夠從液流電池處連接和斷開；其中設置分配容器以提供移除和更換途徑。在任何前述實施方案中，電源系統能夠通過將含有可流動的氧化還原組合物的分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來補給燃料。在任何前述實施方案中，接收容器能夠被更換為新的空接收容器。在任何前述實施方案中，氧化還原組合物包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，該組合物能夠在電池工作期間吸收和釋放離子。在任何前述實施方案中，電源系統能夠通過將含有可流動的氧化還原組合物的分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來補給燃料。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物具有至少一種不同于上述氧化還原組合物的特性。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的功率密度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的能量密度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的半固體粒度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的電活性材料濃度。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器構成單體。在任何前述實施方案中，多個液流電池構成一組液流電池，并且分配和接收容器與液流電池堆可逆地連接。在任何前述實施方案中，電源系統還包括設置于分配容器和接收容器中的一個或兩個與液流電池堆之間的泵。在任何前述實施方案中，泵為可對兩個方向上的流量進行操作的可逆式流量泵。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器包括柔性軟外殼。
在任何前述實施方案中，車輛還包括設置在每個燃料電池的入口處的閥門，以控制進入相應液流電池的氧化還原組合物的流量且使相鄰燃料電池之間的分路電流最小化。在任何前述實施方案中，車輛還包括多孔噴射系統，該系統被構造且被布置成控制遞送至每個液流電池的每個電活性區的氧化還原組合物的量。在任何前述實施方案中，車輛還包括連接至分配容器和接收容器中的一個或兩個的監測儀，以監測分配容器或接收容器中的一個或兩個的氧化還原組合物的體積或含量。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器構成單體，該單體具有位于接收隔室和分配隔室之間的可移動膜，并且該方法還包括將單體更換為新的單體，該新的單體包括含有新鮮可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電力儲存容器以及空的廢棄的氧化還原組合物儲存容器。在另一方面，電源系統包括多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中正極集流體和離子滲透膜限定了容納正極的正電活性區；其中負極集流體和離子滲透膜限定了容納負極的負電活性區；其中正極和負極中的至少一個包含電活性區中的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，該組合物能夠在電池工作期間吸收和釋放離子；至少一個用于將可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物分配至正電活性區或負電活性區之一中的分配儲存容器，其中該分配儲存容器與多個液流電池連接且與電活性區流體連通，并且該分配容器能夠從液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從正電活性區或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收儲存容器，其中該接收容器與液流電池連接且與電活性區流體連通，并且該接收容器能夠從液流電池處連接和斷開。在任何前述實施方案中，正極具有包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的陰極漿料，并且負極具有包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的陽極漿料。在任何前述實施方案中，電力儲存容器和廢棄的氧化還原組合物儲存容器構成單體。在任何前述實施方案中，多個液流電池構成一組液流電池，其中每個液流電池包括至少一個包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電極，該組合物能夠在電池工作期間吸收或釋放離子；并且分配容器和接收容器與液流電池堆可逆地連接。在任何前述實施方案中，液流電池并聯連接。在任何前述實施方案中，液流電池串聯連接。在任何前述實施方案中，電源系統還包括設置于分配容器和接收容器中的一個或兩個與液流電池之間的泵。
在任何前述實施方案中，泵為可逆式流量泵。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器包括柔性軟外殼。在任何前述實施方案中，電源系統還包括設置在每個燃料電池的入口處的閥門， 以控制進入相應液流電池的氧化還原組合物的流量且使相鄰燃料電池之間的分路電流最小化。在任何前述實施方案中，電源系統還包括多孔噴射系統，該系統被構造且被布置成控制遞送至每個液流電池的每個電活性區的氧化還原組合物的量。在任何前述實施方案中，多孔噴射系統包括用于將氧化還原組合物引入隔室中的噴射器，該隔室向所有液流電池的子部分提供氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，多孔噴射系統提供的隔室壓力大于電活性區的壓力，以使每個液流電池之間的分路電流最小化。在任何前述實施方案中，電源系統還包括用于使液流電池中的冷卻劑循環的冷卻系統。在任何前述實施方案中，電源系統還包括連接至電力儲存容器的液位計，以監測可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的充電狀態。在另一方面，描述了操作電源系統的方法，包括提供電源系統，其包括多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中正極集流體和離子滲透膜限定了容納正極的正電活性區；其中負極集流體和離子滲透膜限定了容納負極的負電活性區；其中正極和負極中的至少一個包含電活性區中的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，該組合物能夠在電池工作期間吸收和釋放離子；至少一個用于將可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物分配至正電活性區或負電活性區之一中的分配儲存容器，其中該分配儲存容器與多個液流電池連接且與電活性區流體連通，并且該分配容器能夠從液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從正電活性區或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收儲存容器，其中該接收容器與液流電池連接且與電活性區流體連通，并且該接收容器能夠從液流電池處連接和斷開；將分配容器中的可流動的氧化還原組合物引入至少一個電活性區中，以使液流電池放電，從而提供電能來操作裝置；以及接收接收容器中的已放電的氧化還原組合物。通過將含有氧化還原組合物的分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向電源系統補給燃料。在任何前述實施方案中，該方法還包括將接收容器更換為新的空接收容器。
在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物具有至少一種不同于上述氧化還原組合物的特性。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的功率密度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的能量密度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的半固體粒度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物和上述氧化還原組合物具有不同的電活性材料濃度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物與上述氧化還原組合物相比具有較小的半固體粒度和較高的功率密度。在任何前述實施方案中，新鮮的氧化還原組合物與上述氧化還原組合物相比具有較高的電活性材料濃度和較高的能量密度。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器構成單體。在任何前述實施方案中，多個液流電池構成一組液流電池，并且分配容器和接收容器與液流電池堆可逆地連接。在任何前述實施方案中，液流電池并聯連接。在任何前述實施方案中，液流電池串聯連接。在任何前述實施方案中，電源系統還包括設置于分配容器和接收容器中的一個或兩個與液流電池堆之間的泵。在任何前述實施方案中，泵為可對兩個方向上的流量進行操作的可逆式流量泵。在任何前述實施方案中，分配容器或接收容器包括柔性軟外殼。在任何前述實施方案中，該方法還包括設置在每個燃料電池的入口處的閥門，以控制進入相應液流電池的氧化還原組合物的流量且使相鄰液流電池之間的分路電流最小化。在任何前述實施方案中，該方法還包括提供多孔噴射系統，該系統被構造且被布置成控制遞送至每個液流電池的每個電活性區的氧化還原組合物的量。在任何前述實施方案中，多孔噴射系統包括多個隔室，每個隔室與液流電池堆中的液流電池的子組和用于將氧化還原組合物引入每個隔室中的噴射器流體連通。在任何前述實施方案中，多個隔室中的壓力大于電活性區中的壓力。在任何前述實施方案中，該方法還包括具有用于使液流電池堆中的冷卻劑循環的冷卻系統。在任何前述實施方案中，該方法還包括提供連接至分配容器和接收容器中的一個或兩個的監測儀，以監測分配容器或接收容器中的一個或兩個的氧化還原組合物的體積或含量。在任何前述實施方案中，該方法還包括用新鮮的氧化還原組合物來補充分配容
ο在任何前述實施方案中，補充分配容器包括將新的氧化還原組合物引入分配容器中。在任何前述實施方案中，該方法還包括從接收容器中移除已放電的氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，從接收容器中移除已放電的氧化還原組合物包括排空接收容器中的已放電的氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，分配容器和接收容器構成單體，該單體具有位于接收隔室和分配隔室之間的可移動膜，并且該方法還包括將單體更換為新的單體，該新的單體包括含有新鮮可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電力儲存容器以及空的廢棄的氧化還原組合物儲存容器。在任何前述實施方案中，該方法還包括監測分配容器或接收容器中的可流動的氧化還原組合物的液位。在任何前述實施方案中，該方法還包括將氧化還原組合物的流動方向反向，以使得廢棄的氧化還原組合物從接收容器流向電活性區；以及向電源系統施加反向電壓，以對已放電的氧化還原組合物進行再充電。在任何前述實施方案中，該方法還包括使再充電的氧化還原組合物從電活性區前移至分配容器中，以進行儲存。在任何前述實施方案中，所述廢棄的氧化還原組合物的流量由可逆泵控制。在任何前述實施方案中，選擇已放電的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物的粒度，以提供預選的功率密度。在任何前述實施方案中，選擇已放電的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物的以重量％計的荷載，以提供氧化還原組合物的預選的能量容量。在任何前述實施方案中，該方法還包括在放電之前、之中或之后監測氧化還原組合物的狀態。在任何前述實施方案中，監測的狀態包括陰極氧化還原組合物或陽極氧化還原組合物的溫度、流速或相對量。在任何前述實施方案中，該方法還包括根據監測結果來改變氧化還原組合物的性質。在任何前述實施方案中，該方法還包括增加氧化還原組合物沿著電活性區的流速，以增加液流電池的功率。在任何前述實施方案中，該方法還包括重新調整可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物。在任何前述實施方案中，上述重新調整包括從氧化還原組合物中分離殘余水；添加附加鹽以提高離子電導性；添加溶劑或電解質添加劑；添加包括用于離子儲存的活性材料或導電添加劑的附加固相；從液體電解質中分離固相；添加助凝劑；
更換液體電解質；或其任意組合。在任何前述實施方案中，液流電池中的至少一個包括包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電極，該組合物能夠在電池工作期間吸收和釋放離子；和靜止電極。
參照以下附圖描述該主題，以下附圖僅出于說明目的而示出而并不旨在限制本發明。圖1為根據一個或多個實施方案的電源系統的圖示，該系統具有能量堆和可互換式燃料容器。圖2為根據一個或多個實施方案的能量堆的橫截面圖示，其示出了將陽極漿料和陰極漿料引入該堆中。圖3為根據一個或多個實施方案的具有并聯電連接電池的能量堆的橫截面圖示。圖4為根據一個或多個實施方案的多個串聯電連接的能量堆的橫截面圖示。圖5為根據一個或多個實施方案的可拆卸式燃料儲存系統的圖示。圖6A-6B為根據一個或多個實施方案的具有可移動膜的燃料槽的圖示。圖7A-C為根據一個或多個實施方案的含有不同等級的陽極漿料或陰極漿料的燃料槽的圖示。圖8A-C為根據一個或多個實施方案的含有不同功率等級的陽極漿料或陰極漿料的燃料槽的圖示。圖9A-9B示出了根據多個實施方案的陽極漿料燃料槽和陰極漿料燃料槽的再充電和更換情況。圖10示出了根據一個或多個實施方案的多氧化還原液流電池堆裝置。圖11示出了根據一個或多個實施方案的多氧化還原液流電池堆，其中陰極漿料和陽極漿料的流動方向是可逆的。圖12A-12E示出了根據一個或多個實施方案的多電池半固體液流電池堆設計和可并入該設計中的各種閥門類型。圖13示出了根據一個或多個實施方案的用于半固體液流多電池堆的多孔噴射系統。圖14示出了根據一個或多個實施方案的由堆疊板組裝的具有多氧化還原液流電池堆設計的雙極板之一的平面圖。圖15示出了根據一個或多個實施方案的半固體液流多電池堆設計，其中歧管通過將這些板堆疊在一起而形成。
具體實施例方式描述了汽車或其它電源系統(包括液流電池)，其中提供電源的堆易于與容納陰極漿料和陽極漿料(或者稱為“燃料”)的儲存容器隔離。還提供了一種使用方法，其中“燃料”槽可拆卸且在充電站中分別充電，并且已充電的燃料以及槽被放回車輛或其它電源系統中，以允許快速補給燃料。該技術還提供了一種對已放電的燃料進行充電的充電系統。可將已充電的燃料置于電源處的儲槽中或返回車輛中。在一些實施方案中，儲槽中的已充電的燃料可在以后使用。可輸送或儲存已充電的燃料，以在不同的地方或時間使用。
根據一個或多個實施方案的電源系統包括氧化還原液流電池，其中燃料的正極漿料或陽極漿料中的至少一種為半固體反應物或稠密液體反應物，并且其中至少一種電極活性材料被輸送到或輸送自發生電化學反應的組件，以產生電能。“半固體”是指該材料是液相與固相的混合物，此混合物也稱為漿料、顆粒懸浮液、膠態懸浮液、乳液或膠束。在一些實施方案中，半固體的固體組分包含至少一種材料，該材料與電池的工作離子發生反應或形成合金或發生插層反應，以產生或儲存電能。從而，在電池工作期間，氧化還原電對的電活性材料可以其兩種氧化狀態保留在半固體中，而不進入溶液中。因此，電活性材料的溶解度不再限制其在電活性區中的濃度，從而導致電活性材料在液流電池中的有效濃度大幅度增加。從而，極大地增加了使用半固體氧化還原組合物的電池的能量密度。負載電活性組分的液體可為含水或無水。在一些實施方案中，氧化還原液流電池包括非水電池，包括(但不限于)堿離子可充電電池，其中工作離子為堿離子。通常用作電解質溶劑的溶劑可用作半固體陰極漿料或半固體陽極漿料中的液體。如本文所用，稠密液體或稠密離子存儲液體是指如在含水液流電池的陰極電解質或陽極電解質中那樣不僅為溶劑的液體，而是該液體本身具有氧化還原活性。該液體形式還可被另一種非氧化還原活性液體(其為稀釋劑或溶劑)稀釋或與之混合，包括與此類稀釋劑混合以形成較低熔點的液相、乳液或膠束(包括該離子存儲液體)。相似地，在電池工作期間，氧化還原電對的工作離子可以其兩種氧化狀態保留在稠密的液相中，而不進入溶液中。因此，電活性材料的溶解度不再限制其在電活性區中的濃度，從而導致電活性材料在液流電池中的有效濃度大幅度增加。從而，極大地增加了使用稠密液體氧化還原組合物的電池的能量密度。 在一些實施方案中，氧化還原液流電池為一次或可充電鋰電池。在一些實施方案中，至少一個儲能電極包含氧化還原活性材料的稠密液體，包括(但不限于)鋰金屬、鎵和銦合金、熔融的過渡金屬氯化物、亞硫酰氯等。關于氧化還原電池的更多信息可存在于2008 年6月12曰提交的名稱為"High Energy Density Redox Flow Battery"的共同待審的臨時專利申請號61/060972中，該申請的全文以引用的方式并入本文。
常規的液流電池陽極電解質和陰極電解質與本文中舉例說明的離子存儲固相或液相之間的一個區別為存儲化合物中氧化還原物質的克分子濃度或摩爾濃度。例如，具有溶于水溶液的氧化還原物質的常規陽極電解質或陰極電解質以摩爾濃度計通常可限制在 2M至8M的濃度內。為了達到該濃度范圍的較高限值，強酸性溶液可能是必要的。相比之下，本文所述的任何可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物在按每升摩爾數或摩爾濃度計時，可具有至少10M、優選地至少12M、再優選地至少15M和更優選地至少20M的氧化還原物質的濃度，因為電活性材料的溶解度不再限制其在液流電池中的濃度。該電化學活性材料可為離子存儲材料或能夠進行法拉第反應以便儲存能量的任何其它化合物或離子絡合物。該電活性材料也可為多相材料，包括與非氧化還原活性相混合的上述氧化還原活性固相或液相，包括固-液懸浮液或液-液多相混合物，包括具有與負載液相緊密混合的液體離子存儲材料的膠束或乳液。對于用于可流動的離子存儲氧化還原組合物的半固體存儲化合物和稠密液體存儲化合物二者而言，考慮了利用多種工作離子的體系，包括其中H+或OH—為工作離子的含水體系、非水體系，該非水體系中Li+、 Na+或其它堿離子為工作離子，甚至有堿土金屬工作離子(諸如，Ca2+和Mg2+或Al3+)。在每個這些情況下，可能需要負極存儲材料和正極存儲材料，負極在比正極更低的絕對電勢下儲存感興趣的工作離子。可通過兩種離子存儲電極材料的離子存儲電勢差來大致確定電池電壓。在一些實施方案中，電池的“堆”或發電部分可逆地耦接至容納陰極漿料和陽極漿料的容器。電源系統在圖1中示出。電源系統包括容納用于陽極漿料和陰極漿料流動的電極和室的能量堆100。陽極漿料通過泵(未示出)經由入口導管130從容器120抽吸到能量堆中。導管130和容器120配有快速斷開配件140，該配件使得容器與電源系統脫開和連接。相似地，陰極漿料通過泵(未示出)經由入口導管160從容器150抽吸到能量堆中。 導管160和容器150配有快速斷開配件170，該配件使得容器與電源系統脫開和連接。分別用出口導管135和165將耗盡或“廢棄”的陽極漿料和陰極漿料從該堆中移除。出口導管還配有快速脫開配件(未示出)。能量堆100還可任選地具有快速斷開配件155、155。因而，該容器或燃料容器可從系統中移除且在陽極漿料或陰極漿料耗盡或“廢棄”時可易于更換或再填充。在一些實施方案中，氧化還原組合物流體通過液流電池不斷循環，同時在每次流過時進行輕微充電和放電。導管可為剛性或柔性的，并且可由能夠承受一系列溫度條件且在與漿料接觸時化學穩定的常規材料制備。示例性材料包括金屬(諸如銅或黃銅或不銹鋼)、彈性體、聚烯烴以及含氟聚合物(諸如Teflon )。這些配件可為任何常規配件，其用于連接和斷開管子或管道，選其以提供密封且在與本發明漿料接觸時是化學穩定的。示例性配件包括通常稱為快速斷開軟管配件或液壓快速斷開聯軸器的那些配件。圖2為能量堆的內部的剖視圖，其示出了陽極漿料和陰極漿料的進入歧管。能量堆包括多個電池，每個電池包含與陰極漿料210接觸的正極200、與陽極漿料230接觸的負極220以及將陽極漿料與陰極漿料分離的離子導電膜M0。在一個或多個實施方案中，這些電極與電極兩面上的相應陽極漿料和陰極漿料接觸。因而，電池可以固體電池領域中已知的相向布置方式有效地布置。每個電池包括使陽極漿料流入的陽極漿料入口 250和使陰極漿料流入的陰極漿料入口沈0。陽極漿料入口可為具有來自陽極漿料容器120的單入口源 270的歧管的一部分。陰極漿料入口可為具有來自陽極漿料容器120的單入口源觀0的歧管的一部分。分流可發生在能量堆的內部或外部。能量堆可被布置用于提供并聯或串聯電連接的多個電化學電池，以提供具有一組所需性質的電源系統。電池組通過串聯連接多個電池獲得其所需的工作電壓。例如，串聯連接的電化學電池將產生一種電池，其中系統的總電壓為各個電池電壓的總和。如果需要較高的容量和電流處理，則并聯連接電池。一些電池組具有串聯和并聯的結合。圖3為其電池為并聯電連接的電堆的剖視圖。包括多個正極集流體200的堆連接在正極端子300處。同樣，多個負極集流體220連接在負極端子310處。還可串聯或并聯連接各個能量堆，以提供所需的電池性能。圖4為串聯連接的多個能量堆400、410、420的透視圖。該能量堆的各個電池可串聯或并聯連接。電源系統可包括任何數量的單獨的能量堆，以提供所需電壓。
在操作中，每個能量堆均具有歧管，以向如圖2和3所示的各個電池分配輸入的陰極漿料和陽極漿料。如果存在多個堆，則會有通向每個堆上的陰極輸入的主陰極漿料流送管線。同樣可使用具有陽極漿料的主陽極漿料流送管線。根據一個或多個實施方案，液流電池堆結合在能量系統中。圖10示出了多氧化還原液流電池堆裝置1001。如圖10所示，多電池堆裝置包括位于該裝置末端的端電極 1019(陽極)和端電極1020(陰極)以及一個或多個雙極性電極(諸如1021)。在電極之間，該多電池堆裝置還包括陽極漿料隔室(如1015)和陰極漿料隔室(如1016)。這兩個隔室通過離子導電膜(如102 分隔。重復該布置方式，以將多電池設計包括在該裝置中。陽極漿料隔室和陰極漿料隔室中陽極漿料和陰極漿料中的至少一種含有如上所述的半固體或稠密液體。雙極性電極1021包括朝向陰極漿料電池隔室1016的陰極(陰極集流體)1025 和朝向陽極漿料電池隔室1027的陽極(陽極集流體)1(^6。散熱器或絕緣體層10 設置在陰極1025和陽極10 之間。在一些實施方案中，該散熱器包括冷卻劑。圖10中描述的電極布置方式與圖2中不同，并且表示多氧化還原液流電池堆的替代設計，即單獨的電池代替相向的電池。集流體(電極)具有電子導電性，并且在電池的操作條件下應具有電化學惰性。用于鋰氧化還原液流電池的典型集流體包括以片材或網片形式的用于負極集流體的銅、鋁或鈦和用于正極集流體的鋁，或者集流體可分布在電解質中且使得流體流動的任何構造。集流體材料的選擇為本領域的技術人員所熟知。在一些實施方案中，鋁被用作正極的集流體。 在一些實施方案中，銅被用作負極的集流體。膜可為能夠進行離子傳輸的任何常規膜。在一個或多個實施方案中，該膜為可使離子由其傳輸的液體不可滲透的膜，即固體或凝膠離子導電體。在其它實施方案中，該膜為注入液體電解質的多孔聚合物膜，其使得離子在陽極電活性材料和陰極電活性材料之間往復運動，同時防止電子轉移。在一些實施方案中，該膜為防止構成正極和負極的可流動組合物的顆粒穿過其中的微孔膜。示例性膜材料包括其中將鋰鹽絡合以提供鋰導電性的聚氧化乙烯(PEO)聚合物，或為質子導體的Nafion 膜。例如，PEO基電解質可用作不含針孔且為固體離子導電體的膜，該膜任選地通過其它膜(諸如，作為支撐層的玻璃纖維隔板)來穩定。PEO也可用作正極或負極的可流動氧化還原組合物中的漿料穩定劑、分散劑等。PEO在與典型的基于碳酸烷基酯的電解質接觸時是穩定的。這尤其可用于正極的電池電勢比Li 金屬低約3. 6V的磷酸鹽基電池化學中。必要時可提高氧化還原電池的工作溫度，以提高膜的離子電導性。在一些實施方案中，雙極性電極包括由冷卻劑區域分隔的陰極和陽極，以通過雙極性電極引入冷卻劑。冷卻劑的非限制性實例包括乙二醇和水。多電池堆裝置連接至儲存陽極漿料的陽極漿料儲槽1002。如圖10所示，正排量泵 1004用于通過流量計1006和止回閥1007將陽極漿料抽吸到歧管1013中，該歧管將陽極漿料遞送至多個陽極漿料電池隔室(如1015)中。通過歧管1017、流量閥1011將已放電的陽極漿料移除，并且使其回到槽1002中。相似地，正排量泵1005用于通過流量計1023和止回閥IOM將儲槽1003中的陰極漿料抽吸到歧管1014中，該歧管將陰極漿料遞送至陰極漿料電池隔室(如1016)中。通過歧管1018、流量閥1012將已放電的陰極漿料移除，并且使其回到槽1003中。
正排量泵通過捕集固定量的流體使流體移動，然后促使(迫使)該捕集的量穿過泵。正排量泵1004或正排量泵1005可通過該泵使流體損耗最小化，并且可使用本領域中已知的任何正排量泵。另外，可采用其它流體傳輸方式。流量計1006或流量計1023測量和控制抽吸到電池隔室中的陽極漿料或陰極漿料的量。可使用本領域中已知的任何類型的流量計。流量計的非限制性實例包括電動流量計、渦輪流量計、質量流量計和容積式流量計。 止回閥1007和止回閥IOM用于防止流體回流。可使用本領域中已知的任何止回閥。流量閥1011和流量閥1012的非限制性實例包括任何機械閥或電氣閥。在圖13中更詳細地進一步討論流量閥。任選地，液位計1008可連接至儲槽1002或儲槽1003，以監測該槽內陰極漿料或陽極漿料的液位。溫度監測器1010和壓力監測器1009也可連接至儲槽，以監測槽內的溫度和壓力。圖11示出了多氧化還原液流電池堆裝置1101，其中陰極漿料和陽極漿料的流動方向是可逆的。泵的可逆性質使得電活性漿料的放電和再充電可現場發生。該多電池堆裝置還包括陽極漿料隔室(如1115)和陰極漿料隔室(如1116)。這兩個隔室通過離子導電膜(如1122)分隔。陽極漿料隔室和陰極漿料隔室中的陽極漿料和陰極漿料中的至少一種含有如上所述的半固體或稠密液體。如圖11所示，多氧化還原液流電池1101連接至陽極漿料儲槽1102和陰極漿料儲槽1104。陽極漿料儲槽1102還包含軟外殼1103。在操作(裝置放電)期間，通過使用可逆式流量泵1106按箭頭1108指示的方向抽吸儲槽1102中已充電的陽極漿料。陽極漿料經過流量計1117、流量閥1118，并且進入歧管1110。歧管1110將已充電的陽極漿料遞送至陽極漿料電池隔室(如1115)中。使用后，已放電的陽極漿料可通過歧管1115移除，并且通過閥門1119抽吸到軟外殼1103中，以進行儲存。在裝置充電期間，可逆式流量泵1106內的流動方向反向，并且可通過閥門1119按箭頭1109指示的方向將軟外殼1103中已放電的陽極漿料抽吸到歧管1115中，該歧管將已放電的陽極漿料遞送至陽極漿料隔室(如1115) 中。然后向裝置施加電壓，并且可對已放電的陽極漿料進行再充電。相似地，陰極漿料儲槽1104還包含軟外殼1105。在操作(裝置放電)期間，通過使用可逆式流量泵1107按箭頭1111指示的方向抽吸儲槽1104中已充電的陰極漿料。陰極漿料經過流量計1120、流量閥1121，并且進入歧管1113。歧管1113將已充電的陰極漿料遞送至陰極漿料電池隔室(如1116)中。使用后，已放電的陰極漿料可通過歧管1114移除，并且通過閥門1123抽吸到軟外殼1105中，以進行儲存。在裝置充電期間，可逆式流量泵 1107內的流動方向反向，并且可通過閥門1123按箭頭1112指示的方向將軟外殼1105中已放電的陰極漿料抽吸到歧管1114中，該歧管將已放電的陰極漿料遞送至陰極漿料隔室(如 1116)中。然后向裝置施加電壓，并且可對已放電的陰極漿料進行再充電。流量閥和流量計為如上所述。如上所述的半固體或稠密液體的陽極漿料或陰極漿料為導電材料。因而，在裝置運行期間，可產生分路電流，以繞過裝置中的一個或多個電池隔室和/或雙極性電極。例如，電流可流過歧管中的陰極漿料或陽極漿料，以繞過裝置中的一個或多個電池隔室和/ 或雙極性電極。當使用包括多個單獨的電池的雙極電池堆時，從陰極到陰極以及從陽極到陽極發生分路電流將降低該堆的電壓。在一個或多個實施方案中，可在歧管的入口位置或出口位置引入不導電閥，以降低或抑制分路電流。
圖12示出了多電池半固體液流電池堆設計和可并入該設計中的各種閥門類型。 圖12A示出了多電池半固體液流電池堆設計1201，其包括端電極1209和端電極1211、雙極性電極(如1210和1212)、分隔陽極漿料電池隔室1215和陰極漿料電池隔室1214的膜 (如1213)。閥門(如1202)設置在歧管1204的入口位置之一處，該歧管將陰極漿料遞送至陰極漿料電池隔室1214中。閥門(如1216)設置在歧管1203的入口位置之一處，該歧管將陽極漿料遞送至陽極漿料電池隔室1215中。閥門(如1202和1216)不導電，因而可防止分路電流穿過歧管。在一個或多個實施方案中，此類閥門為脈動閥，并且打開僅持續較短的時間以使得陽極漿料或陰極漿料快速穿過，而不產生任何分路電流。在一個或多個實施方案中，附加閥門設置在歧管1206的出口位置1207和歧管1205的出口位置1208處。上述閥門為任何機械或電氣操作閥。在一些實施方案中，閥門為電磁閥。適當的不導電閥的非限制性實例在圖12B-12E中示出。圖12B示出了閥門的打開和關閉形式，包括球形開關。閥門通過這些閥門兩側的壓力差來啟動。圖12C示出了閥門的打開和關閉形式，包括硬幣形開關。閥門通過這些閥門兩側的壓力差來啟動。圖12D示出了閥門的打開和關閉形式，包括舌門形(flapper-like)開關。閥門可通過彈簧機構來啟動，以使得流體流動。閥門還可通過雙彈簧機構來啟動，以使流動方向反向。可機械或電氣控制此彈簧機構。還可使用不同類型的心形機械閥。圖12E示出了閥門的打開和關閉形式，包括薄膜開關。所述膜由在啟動時改變其形狀的“形狀記憶膜材料”制成。可電氣啟動薄膜開關。其它實例包括可電氣啟動的組織狀閥門(tissue valve) 0還可考慮本領域中已知的其它閥門。圖13示出了用于半固體液流多電池堆的多孔噴射系統。多孔噴射系統可精確地控制遞送至每個“充氣室”或電池隔室中的流體量。如果一組電池需要更多的流體來增加電壓，則多孔噴射將能夠實現該目的，而不影響其它隔室。提高流體流動準確性和控制性。 如圖13所示，多液流電池設計包括噴射器，諸如1301 (在歧管1302中)和1305 (在歧管 1307中)。在操作中，將陽極漿料引入歧管1302中，并且通過噴射器(如1301)注入充氣室區域1303中。加壓充氣室區域1303，以使得陽極漿料一旦注入陽極漿料電池隔室1308 中將不會回流到歧管1303中。相似地，將陰極漿料引入歧管1307中，并且通過噴射器(如 1305)注入充氣室區域1306中。加壓充氣室區域1306，以使得陰極漿料一旦注入陰極漿料電池隔室1309中將不會回流到歧管1307中。因為控制了流動方向，也使通過歧管的分路電流最小化。此構造可減少不同“充氣室”中流體之間的分路電流或使其最小化。將壓力傳感器(如1304)并入歧管中，以監測和控制歧管內的壓力。在一個或多個實施方案中，用于遞送陰極漿料和陽極漿料以及任選地冷卻劑的歧管的內部被涂覆有不導電材料，以使穿過流體的分路電流最小化。在一個或多個實施方案中，歧管本身由電絕緣材料(諸如，聚合物或陶瓷)制成。圖14示出了由堆疊板組裝的具有多氧化還原液流電池堆設計(諸如，以上參照圖 10描述的)的雙極板之一的平面圖。如圖14所示，該板包括包含陰極集流體或陽極集流體的活性區1401。區域1402包括用作歧管的一部分的開口 1404，以將陽極漿料遞送至陽極漿料電池隔室中。區域1402還包括用作歧管的一部分的開口 1405，以將陰極漿料遞送至陰極漿料電池隔室中。區域1402還任選地包括用作歧管的一部分的開口 1406，以將冷卻劑遞送至雙極性電極中。區域1403包括用作歧管的一部分的開口 1407，以將陰極漿料從陰極漿料電池隔室中移除。區域1403包括用作歧管的一部分的開口 1409，以將已放電的陽極漿料從陽極漿料電池隔室中移除。區域1403還任選地包括用作歧管的一部分的開口 1408，以將冷卻劑從雙極性電極中移除。任選地，設置在雙極性電極的兩個電極之間的溝槽(未示出) 用于容納冷卻劑且與開口 1406和開口 1408連接。包括位于電極之間的電池隔室和膜的板還包括類似的開口(如圖14中所述的那些開口)。雙極板(如1410)和所述端電極板被排列在一起，通過中間的電池隔室和膜堆疊且構成了如圖15中示出的半固體液流多電池堆 1501，并且不同板的所有對應開口均適當排列。歧管1502通過將這些板堆疊在一起且將類似的開口相應地排列在每個板上而形成。歧管1502用于將陽極漿料引入陽極漿料電池隔室中。相似地，形成歧管1503以將陰極漿料引入陰極漿料電池隔室中。同樣形成歧管1505 和歧管1504以分別將陽極漿料和陰極漿料從電池隔室中移除。任選地，還形成了用于分別將冷卻劑從裝置中引入和移除的溝槽或歧管(如1506和1507)。開口 1405、開口 1406、開口 1407、開口 1408、開口 1409和開口 1410的內部可涂覆有不導電材料。因而，形成用于陽極漿料、陰極漿料以及任選地冷卻劑的所有歧管均具有不導電內部，從而使流過陽極漿料、 陰極漿料和冷卻劑的不需要的寄生分路電流最小化。可使用本領域中已知的任何不導電涂層。不導電涂層的非限制性實例包括不導電聚合物，諸如環氧樹脂、聚酰胺酰亞胺、聚醚酰亞胺、多酚、含氟彈性體、聚酯、苯氧基酚醛樹脂、環氧化酚醛樹脂(印oxicbphenolics)、丙烯酸類樹脂和聚氨酯。參照圖5，將氧化還原液流電池用作能源和電源的電源系統的一個特征在于可以高的充電狀態將陽極漿料和陰極漿料引入能量堆中，即該系統的電活性組分已完全充電。 在操作中，將陽極漿料流和陰極漿料流(例如)分別從燃料儲存容器510和520中抽吸到能量堆500中，并且進入各個電池中且流經集流體。氧化還原活性離子或離子絡合物在非常接近或接觸通常本身不發生氧化還原作用的導電電極或集流體時，發生氧化反應或還原反應。在這些反應期間，氧化還原活性材料放電，例如充電狀態減弱。隨著陽極漿料和陰極漿料從能量堆中排出，充電狀態減弱且陽極漿料和陰極漿料被“廢棄”。然后分別將廢棄的懸浮液收集在廢棄燃料儲存容器530和廢棄燃料儲存容器540中。當燃料電池510和燃料電池520為空，并且廢棄的燃料槽530和廢棄的燃料槽540為滿時，可將廢棄的懸浮液換出且更換為新燃料容器和空廢棄燃料容器。這樣，向由電源系統(例如，電動車或混合電動機動車)供電的裝置補給燃料。在一些實施方案中，燃料容器適于遞送新鮮燃料和接收廢棄燃料，如圖6A所示。 圖6A為可用于將陽極漿料或陰極漿料遞送至能量堆中且接收廢棄燃料的槽600的透視圖。 槽600包括頂室610和底室620。頂室通過導管615與陰極漿料或陽極漿料的進入歧管流體連通。一旦能量堆中的燃料已耗盡，燃料便從該堆中排出且通過導管625返回到底室620 中。槽600包括可移動內壁或膜628，其可在槽內上移和下移以增加或減小兩個內室的尺寸，從而針對這兩個室中液體的不斷變化的相對體積進行調整。在一些實施方案中，選擇的膜在使用的溫度范圍內為柔性的，足以牢固以承受使用中經受的力和壓力，在與陰極漿料和陽極漿料的組分接觸時是化學穩定的，并且不可滲透或可滲透電解質。在另一個實施方案中，單個槽700用于流出和吸收陽極漿料和陰極漿料。在圖6B 中，槽700包括用于分別容納新鮮的陽極漿料和陰極漿料的頂室710和頂室720。該槽還包括用于分別接收廢棄的陽極漿料和陰極漿料的底室750和底室760。正如圖6A中描述的單個燃料罐，該槽可包括響應于新鮮燃料和廢棄燃料的相對體積變化而移動的可移動膜或壁730、740。這兩個膜可一起或分別移動。使用時，從導管765將新鮮的陽極漿料供至能量堆中；相似地，從導管775將新鮮的陰極漿料供至能量堆中。使用后，廢棄的陽極漿料和陰極漿料分別通過導管785和導管795返回到槽700中。壁715將陽極漿料與陰極漿料分離， 并且可為固定壁或可移動壁。使用的特定類型的槽可能取決于電源系統的預期用途。對于發動機中具有足夠儲存空間的系統而言，可使用圖5中描述的四槽系統，并且該系統可能最適用于提供大量燃料，這允許在補給燃料之前完成較長距離。另一方面，那個槽，即圖6B中描述的四隔室槽緊湊且占據較小的空間。可易于在單個步驟中將其換出。該槽及其附加元件和運動機件在制造和使用上更為昂貴。氧化還原組合物的另一個特征為“燃料”或漿料的各個“等級”的可用性。例如，高級燃料可包括以相同的“燃料”體積提供較高功率或較長運行時間及由此產生較長的驅動范圍或二者兼有的陰極漿料或陽極漿料或二者兼有。與內燃機動力驅動的車輛相比，其中 “常規”汽油和“高級”汽油之間的功率差異對于消費者而言通常不可檢測或略有不同，而設計適當的漿料提供的功率和范圍的差異卻非常顯著-對于尺寸相同的“儲氣罐”而言，一種漿料的功率可能比另一種大10%或20%或50%或甚至100%，驅動范圍也可能如此。因而，本發明的一種使用模式為在相同體積或尺寸的“燃料槽”或總系統尺寸(包括堆)內提供極其不同的性能。圖7示出了尺寸相同的槽中的不同燃料等級。燃料可在具有低燃料里程范圍(7A)的低級燃料到具有中等里程范圍(7B)的中等級中的“較高”級燃料的范圍內，并且甚至可包括提供最佳里程范圍(7C)的較高級中的“最高”級燃料。這些燃料等級可通過改變陰極漿料和陽極漿料中的多個變量來調整。例如，可調整漿料中電極顆粒的數量或密度，以便調整每單位體積漿料的充電容量，其中較高的顆粒密度具有較大的充電容量和較長的驅動范圍。這在圖7A-7C中示出，其示出了具有較大的顆粒密度和增加的燃料等級的尺寸相同的燃料槽。舉例來說，可以提供漿料中活性材料的總體積百分比 (范圍為約20體積％至約70體積％ )的顆粒密度來制備基于磷酸鐵鋰或氧化鋰鈷的燃料系統。其它顆粒密度通常伴有漿料的粘度或流變性變化，這可能需要改變抽吸工序，諸如抽吸速率或抽吸間歇性。在其它實施方案中，常規、較大和最大燃料范圍的范圍可通過使用具有不同充電能力的不同電活性材料來獲得。在另一個實施方案中，改變了燃料的功率，并且消費者可在常規功率、較大功率和最大功率電池之間進行選擇。在圖8中，示出了基于功率的燃料等級。電源系統也許能夠使用具有不同功率的陽極漿料和陰極漿料來操作，例如在每單位時間內輸送較多量或較少量的能量。陽極或陰極漿料的功率可通過改變漿料中電活性顆粒的粒度來改變。較小的粒度將具有較大的表面積，因此在每單位質量中可獲得更多數量的工作面，以及導致發生鋰的固相輸送的較小尺寸，從而提供較高的放電功率。因而，舉例來說，可將磷酸鐵鋰基陰極制備成30nm、50nm和IOOnm的平均微晶尺寸，并且相應的石墨基陽極漿料可含有1微米、5 微米和20微米的粒度。微晶尺寸未必與粒度相同，因為顆粒可能由單個晶粒的凝聚物或聚集體組成。在其它實施方案中，可改變漿料的電活性材料，以向不同的燃料系統提供不同的功率能力。另一種使用模式為向消費者提供各種槽尺寸。與在制造時確定燃料槽尺寸的常規車輛不同，在本發明中，能夠易于更換補給燃料的漿料槽，可為不同需求提供不同尺寸的槽。例如，消費者可購買較大的燃料槽，并且在長途旅行時放棄汽車中的一些儲存空間。便于更換燃料槽的能力提供了若干再充電選擇，如圖9A-9B中所示。廢棄的陰極漿料和陽極漿料通常含有用于標準二次電池的電活性材料，并且可在類似于標準二次電池形式中的那些材料所采用的條件下進行再充電。因而，消費者可在燃料連接至電源系統時通過將電源系統插入替代電源(例如，壁裝電源插座)中且啟動電源系統中的再充電循環來對廢棄的陽極漿料和陰極漿料進行再充電。充電時，反向抽吸這兩種漿料，并且可能將其儲存在原槽中。只要泵/閥門在兩個方向上運行，則無需添加其它部件。在其它實施方案中，如果需要使用單向閥，則可具有單獨的漿料流路，以在充電時通過堆將漿料帶回。在其它實施方案中，例如在旅行或時間不夠時，用戶可在再充電站更換燃料槽。用戶在再充電站返回廢棄燃料且接收新鮮的漿料。充電站可更換燃料槽(如用于再填充丙烷儲罐的模式)或僅將現有槽排空和再填充。更換燃料槽的能力將提供如下所述用戶可用的燃料類型和燃料容量的靈活性。用戶可在再填充過程中改變等級、功率或槽容量。在常規電池中，陰極/陽極比率在制造時確定，并且如果電池的運行條件需要，則不能改變，諸如如果在高功率下電極中的一個具有較慢的動力，因此該電極中的多個將會有利。在本文所述的電源系統中，可按需要改變或更改電源系統的性質。在一個或多個實施方案中，陰極漿料和陽極漿料的流速可以不同。例如，與石墨陽極懸浮液一起使用的磷酸鋰基陰極懸浮液的速率可能受陽極的鋰吸收能力限制，這是因為過快的充電速率可能在陽極形成Li鍍層。然而，通過在此類高功率充電條件下以高于陰極漿料的速率使陽極漿料流動，可避免形成鍍層。另外，電池的電壓將保持較高，這是因為陽極漿料將在較高的充電狀態下從該堆中排出。在另一個實施方案中，可改變陰極漿料和陽極漿料的流速或現場陰極/陽極比率，以適應電極漿料在使用中發生的任何降解。不是簡單地更換或丟棄漿料，而是可在不同流速下使用漿料，以提高電池性能，例如將性能保持在規格內，即使該性能低于使用新漿料的性能。即，電池的工作壽命可通過增加一種或兩種漿料的流速或通過上調或下調陰極/ 陽極比率來提高和延長。對氧化還原組合物有利的另一種操作模式為在需要時可提高功率。在一個或多個實施方案中，通過增加兩種漿料的流速將電池電壓維持在相對較高水平，從而在較高功率需求期間每種漿料均在高充電狀態下運行。在此類運行期間，可能未充分利用漿料中可用的能量，但可提高功率。當然，這也可通過增加僅僅一種電極漿料的流速來實現，以將該漿料保持在較高速率下。在一個或多個實施方案中，堆包括向電源系統或電源管理系統提供關于電源系統狀況的信息的監測裝置。可實時或在使用前使用該信息，以選擇電源系統的最佳運行條件。 舉例來說，可控制陰極漿料和陽極漿料的溫度、流速和相對量。另一種使用模式為在燃料漿料的壽命期間一次或多次地評估、補充或重新調整服務供應商或制造商處的燃料漿料。在常規電池中，在電池壽命期間不能重新調整電極。在氧化還原電源系統中，可重新調整每種漿料以恢復或延長電池壽命。當將電源系統首次引入服務站時，可首先在服務供應商處對燃料進行測試，以評估其在返回到充電或使用時的狀況。其次，可以若干方式對其進行重新調整。例如，可從懸浮液中分離殘余水。可添加附加鹽以提高離子電導性。可添加溶劑或電解質添加劑。可添加包括用于離子存儲的活性材料或導電添加劑的附加固相。(例如)通過過濾離心或添加助凝劑以使固相懸浮不盡良好可將這些固相與液體電解質分離。可單獨處理或甚至更換固體或固體富集懸浮液以及分離的液體電解質。當然，也可實施補充或重新調整步驟的任意組合。這樣，可通過選擇性更換或重新調整具體失效部件來減少系統在其使用壽命上的費用、在發現新的添加劑或組分時提高壽命或性能，或者有助于這些材料的回收利用。另一種使用模式為分別更換燃料槽或其它部件中液流電池的電源“堆”。與常規電池不同，在某些部件質量降低或需要升級時，僅將其更換的能力向用戶和服務供應商或制造商提供了經濟優勢。因而，在一個或多個實施方案中，將能量堆從電源系統中移除且將其更換或維修。在另一方面，電源系統可包括電能儲存裝置以及在一種一體化裝置中同時為常規可充電電池和液流電池的電源。其適用于各種電池化學類型，包括含水電池(諸如，鎳金屬氫化物類型)以及非水電池(包括可充電鋰電池、可充電鈉電池或者基于其它堿性的或堿土的或非堿性的工作離子的電池)。鑒于基于鋰離子化學的一個實施方案，此電池的基本構造具有隔板，如常規可充電鋰電池中那樣，該隔板的一側為鋰電池正極或負極或二者兼有。 即，電極包含陰極活性材料或陽極活性材料，并且可包含該活性材料在金屬集流體上的涂層，或可為獨立式電極層(諸如包含該活性材料、任選地具有其它組分(如聚合物粘結劑或含碳導電添加劑或者金屬添加劑或粘結劑)的密實層或燒結層)。這些離子儲存電極被稱為靜止電極。然而，與常規鋰電池電極不同，靜止電極中的一個或兩個可滲透液流電池的陰極漿料或陽極漿料，從而在裝置運行期間，可僅對靜止電極上的活性材料、僅對液流電池的陰極漿料或陽極漿料或二者兼有進行充電或放電。本發明的一個實施方案使用了陰極漿料或陽極漿料，其為如先前的申請中描述的半固體流體或懸浮液或漿料。在一個實施方案中，靜止電極中的一個或兩個緊鄰隔板層(包括涂覆在隔板上的隔板層)。如常規電池中，這通過儲存在靜止電極中的工作離子使得電池較快地充電和放電。另外，裝置還可使用儲存在陰極漿料和陽極漿料中的離子，并且這些離子可充電和放電，盡管這可能以不同于靜止電極的動力學速率發生。此設計使得單個裝置在較短時段內提供高功率的充電或放電，同時還具有由該設計的液流電池方面提供的高能量。因而，靜止電極位于隔板和液流電池反應物之間，并且任選地還可用作用于液流電池反應物中的一種或多種的集流體。此設計的另一優點在于靜止電極在陰極漿料和陽極漿料以半固體流體或懸浮液或漿料的形式存在時可向隔板層提供機械支撐或者減少隔板的磨耗或磨損。在另一個實施方案中，液流電池反應物中的一種或多種流入隔板層和靜止電極之間。在任一種情況下，當靜止電極充電或放電時，液流電池的陰極漿料或陽極漿料可從靜止電極中添加或移除工作離子。例如，在高功率放電脈沖后，對于工作離子，靜止負電極可能相對耗盡，而靜止正電極卻相對飽和。液流電池的陰極漿料和陽極漿料可與靜止電極交換離子，以將整個電池帶回充電狀態，從而其能夠提供另一個高功率放電脈沖。因此， 該設計可提供電動車輛所需的高脈沖功率容量，同時還可提供液流電池的高儲能特性。回顧本發明的描述和實施方案時，本領域的技術人員將理解到，在不脫離本發明實質的情況下可在實施本發明時進行修改和等效替代。因此，本發明并不受以上明確描述的實施方案限制，而僅受以下權利要求限制。
權利要求
1.一種操作包括設置在其內的電源系統的可移動裝置的方法，包括提供多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔所述正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中所述正極集流體和所述離子滲透膜限定了容納正電活性材料的正電活性區；其中所述負極集流體和所述離子滲透膜限定了容納負電活性材料的負電活性區；其中所述正電活性材料和負電活性材料中的至少一種包含所述電活性區中的可流動的氧化還原組合物；至少一個用于將可流動的氧化還原組合物分配至所述正電活性區或負電活性區之一中的分配容器，其中所述分配容器與所述多個液流電池連接且與所述電活性區流體連通， 并且所述分配容器能夠從所述液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從所述正電活性區或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收容器，其中所述接收容器與所述液流電池連接且與所述電活性區流體連通，并且所述接收容器能夠從所述液流電池處連接和斷開；將所述分配容器中的所述可流動的氧化還原組合物引入所述電活性區中的至少一個中，以使所述液流電池放電，從而提供電能來操作所述裝置；以及接收所述接收容器中的已放電的氧化還原組合物。
2.根據權利要求1所述的方法，還包括通過將所述分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向所述電源系統補給燃料。
3.根據權利要求1所述的方法，還包括將所述接收容器更換為新的空接收容器。
4.根據權利要求1所述的方法，其中所述可移動裝置為車輛。
5.根據權利要求1所述的方法，其中所述可移動裝置為可移動發電機。
6.根據權利要求5所述的方法，其中所述車輛為陸地、空中或水上運載工具。
7.根據權利要求1所述的方法，其中所述氧化還原組合物包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，所述組合物能夠在所述電池的工作期間吸收和釋放所述離子。
8.根據權利要求7所述的方法，還包括通過將含有所述氧化還原組合物的所述分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向所述電源系統補給燃料。
9.根據權利要求8所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物具有至少一種不同于所述氧化還原組合物的特性。
10.根據權利要求9所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的功率密度。
11.根據權利要求9所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的能量密度。
12.根據權利要求9所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的半固體粒度。
13.根據權利要求9所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的電活性材料濃度。
14.根據權利要求9所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物與所述氧化還原組合物相比具有較小的半固體粒度和較高的功率密度。
15.根據權利要求9所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物與所述氧化還原組合物相比具有較高的電活性材料濃度和較高的能量密度。
16.根據權利要求1所述的方法，其中所述分配容器和接收容器構成單體。
17.根據權利要求1所述的方法，其中所述多個液流電池構成一組液流電池，并且所述分配容器和接收容器與所述液流電池堆可逆地連接。
18.根據權利要求17所述的方法，其中所述液流電池并聯連接。
19.根據權利要求17所述的方法，其中所述液流電池串聯連接。
20.根據權利要求17所述的方法，還包括提供設置于所述分配和接收容器中的一個或兩個與所述液流電池堆之間的泵。
21.根據權利要求17所述的方法，其中所述泵為可對兩個方向上的流量進行操作的可逆式流量泵。
22.根據權利要求1所述的方法，其中所述分配容器或接收容器包括柔性軟外殼。
23.根據權利要求17所述的方法，還包括設置在每個燃料電池的入口處的閥門，以控制進入相應液流電池的氧化還原組合物的流量且使相鄰液流電池之間的分路電流最小化。
24.根據權利要求17所述的方法，還包括提供多孔噴射系統，所述系統被構造且被布置成控制遞送至每個液流電池的每個電活性區的氧化還原組合物的量。
25.根據權利要求M所述的方法，其中所述多孔噴射系統包括多個隔室，每個隔室與所述液流電池堆中的所述液流電池的子組和用于將氧化還原組合物引入每個隔室中的噴射器流體連通。
26.根據權利要求25所述的方法，其中所述多個隔室中的壓力大于所述電活性區中的壓力。
27.根據權利要求17所述的方法，還包括用于使所述液流電池堆中的冷卻劑循環的冷卻系統。
28.根據權利要求1所述的方法，還包括提供連接至所述分配容器和接收容器中的一個或兩個的監測儀，以監測所述分配容器或接收容器中的一個或兩個的所述氧化還原組合物的體積或含量。
29.根據權利要求1所述的方法，還包括用新鮮的氧化還原組合物來補充所述分配容ο
30.根據權利要求四所述的方法，其中補充所述分配容器包括將新的氧化還原組合物引入所述分配容器中。
31.根據權利要求1所述的方法，還包括從所述接收容器中移除所述已放電的氧化還原組合物。
32.根據權利要求31所述的方法，其中從所述接收容器中移除所述已放電的氧化還原組合物包括排空所述接收容器中的已放電的氧化還原組合物。
33.根據權利要求1所述的方法，其中所述分配容器和接收容器構成單體，所述單體具有位于所述接收隔室和分配隔室之間的可移動膜，并且所述方法還包括將所述單體更換為新的單體，所述新的單體包括含有新鮮可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電力儲存容器以及空的廢棄的氧化還原組合物儲存容器。
34.根據權利要求1所述的方法，還包括監測所述分配容器或接收容器中的所述可流動的氧化還原組合物的液位。
35.根據權利要求1所述的方法，還包括將所述氧化還原組合物的流動方向反向，以使得廢棄的氧化還原組合物從所述接收容器流向所述電活性區；以及向所述電源系統施加反向電壓，以對所述已放電的氧化還原組合物進行再充電。
36.根據權利要求35所述的方法，還包括使所述再充電的氧化還原組合物從所述電活性區前移至所述分配容器中，以進行儲存。
37.根據權利要求35所述的方法，其中所述廢棄的氧化還原組合物的流量由可逆泵控制。
38.根據權利要求7所述的方法，其中選擇所述已放電的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物的粒度，以提供預選的功率密度。
39.根據權利要求1所述的方法，其中選擇所述已放電的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物的以重量％計的荷載，以提供所述氧化還原組合物的預選的能量容量。
40.根據權利要求1所述的方法，還包括在放電之前、之中或之后監測所述氧化還原組合物的狀態。
41.根據權利要求18所述的方法，其中所述監測的狀態包括所述陰極氧化還原組合物或陽極氧化還原組合物的溫度、流速或相對量。
42.根據權利要求41所述的方法，還包括根據所述監測結果來改變所述氧化還原組合物的性質。
43.根據權利要求1所述的方法，還包括增加所述氧化還原組合物沿著所述電活性區的流速，以增加所述液流電池的功率。
44.根據權利要求7所述的方法，還包括重新調整所述可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物。
45.根據權利要求44所述的方法，其中所述重新調整包括 從所述氧化還原組合物中分離殘余水；添加附加鹽以提高離子電導性； 添加溶劑或電解質添加劑；添加包括用于離子存儲的活性材料或導電添加劑的附加固相； 從液體電解質中分離固相； 添加助凝劑； 更換液體電解質；或其任意組合。
46.根據權利要求7所述的方法，其中所述液流電池中的至少一個包括電極，其包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，所述組合物能夠在所述電池的工作期間吸收和釋放所述離子；和靜止電極。
47.一種操作包括設置在其內的電源系統的靜止裝置的方法，包括提供多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔所述正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中所述正極集流體和所述離子滲透膜限定了容納正電活性材料的正電活性區；其中所述負極集流體和所述離子滲透膜限定了容納負電活性材料的負電活性區；其中所述正電活性材料和負電活性材料中的至少一種包含所述電活性區中的可流動的氧化還原組合物；至少一個用于將可流動的氧化還原組合物分配至所述正電活性區或負電活性區之一中的分配容器，其中所述分配容器與所述多個液流電池連接且與所述電活性區流體連通， 并且所述容器能夠從所述液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從所述正電活性區或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收容器，其中所述接收容器與所述液流電池連接且與所述電活性區流體連通，并且所述容器能夠從所述液流電池處連接和斷開；將所述分配容器中的所述可流動的氧化還原組合物引入所述電活性區中的至少一個中，以使所述液流電池放電，從而提供電能來操作所述裝置；以及接收接收容器中的所述已放電的氧化還原組合物。
48.根據權利要求47所述的方法，還包括通過將所述分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向所述電源系統補給燃料。
49.根據權利要求47所述的方法，還包括將所述接收容器更換為新的空接收容器。
50.根據權利要求47所述的方法，其中所述靜止裝置為靜止發電機。
51.根據權利要求47所述的方法，其中所述氧化還原組合物包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，所述組合物能夠在所述電池的工作期間吸收和釋放所述離子。
52.根據權利要求51所述的方法，還包括通過將含有所述氧化還原組合物的所述分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向所述電源系統補給燃料。
53.根據權利要求52所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物具有至少一種不同于所述氧化還原組合物的特性。
54.根據權利要求53所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的功率密度。
55.根據權利要求53所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的能量密度。
56.根據權利要求53所述的方法，其中所述多個液流電池構成一組液流電池，并且所述分配容器和接收容器與所述液流電池堆可逆地連接。
57.根據權利要求47所述的方法，還包括提供連接至所述分配容器和接收容器中的一個或兩個的監測儀，以監測所述分配容器或接收容器中的一個或兩個的所述氧化還原組合物的體積或含量。
58.根據權利要求47所述的方法，其中所述分配容器和接收容器構成單體，所述單體具有位于所述接收隔室和分配隔室之間的可移動膜，并且所述方法還包括將所述單體更換為新的單體，所述新的單體包括含有新鮮可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電力儲存容器以及空的廢棄的氧化還原組合物儲存容器。
59.根據權利要求47所述的方法，還包括將所述氧化還原組合物的流動方向反向，以使得所述廢棄的氧化還原組合物從所述接收容器流向所述電活性區；以及向所述電源系統施加反向電壓，以對所述已放電的氧化還原組合物進行再充電。
60.一種包括設置在其內的電源系統的車輛，其中所述電源系統包括多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔所述正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中所述正極集流體和所述離子滲透膜限定了容納正電活性材料的正電活性區；其中所述負極集流體和所述離子滲透膜限定了容納負電活性材料的負電活性區；其中所述正電活性材料和負電活性材料中的至少一種包含所述電活性區中的可流動的氧化還原組合物；至少一個用于將可流動的氧化還原組合物分配至所述正電活性區或負電活性區之一中的分配容器，其中所述分配容器與所述多個液流電池連接且與所述電活性區流體連通， 并且所述容器能夠從所述液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從所述正電活性區或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收容器，其中所述接收容器與所述液流電池連接且與所述電活性區流體連通，并且所述容器能夠從所述液流電池處連接和斷開；其中設置所述分配容器以提供移除和更換途徑。
61.根據權利要求60所述的車輛，其中所述電源系統能夠通過將含有所述可流動的氧化還原組合物的所述分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來補給燃料。
62.根據權利要求60所述的車輛，其中所述接收容器能夠被更換為新的空接收容器。
63.根據權利要求60所述的車輛，其中所述氧化還原組合物包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，所述組合物能夠在所述電池的工作期間吸收和釋放所述離子。
64.根據權利要求63所述的車輛，其中所述電源系統能夠通過將含有所述可流動的氧化還原組合物的所述分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來補給燃料。
65.根據權利要求64所述的車輛，其中所述新鮮的氧化還原組合物具有至少一種不同于所述氧化還原組合物的特性。
66.根據權利要求65所述的車輛，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的功率密度。
67.根據權利要求65所述的車輛，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的能量密度。
68.根據權利要求65所述的車輛，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的半固體粒度。
69.根據權利要求65所述的車輛，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的電活性材料濃度。
70.根據權利要求60所述的車輛，其中所述分配容器和接收容器構成單體。
71.根據權利要求60所述的車輛，其中所述多個液流電池構成一組液流電池，并且所述分配容器和接收容器與所述液流電池堆可逆地連接。
72.根據權利要求71所述的車輛，其中所述電源系統還包括設置于所述分配容器和接收容器中的一個或兩個與所述液流電池堆之間的泵。
73.根據權利要求72所述的車輛，其中所述泵為可對兩個方向上的流量進行操作的可逆式流量泵。
74.根據權利要求60所述的車輛，其中所述分配容器和接收容器包括柔性軟外殼。
75.根據權利要求71所述的車輛，還包括設置在每個燃料電池的所述入口處的閥門， 以控制進入所述相應液流電池的氧化還原組合物的流量且使相鄰燃料電池之間的分路電流最小化。
76.根據權利要求75所述的車輛，還包括多孔噴射系統，所述系統被構造且被布置成控制遞送至每個液流電池的每個電活性區的氧化還原組合物的量。
77.根據權利要求60所述的車輛，還包括連接至所述分配容器和接收容器中的一個或兩個的監測儀，以監測所述分配容器或接收容器中的一個或兩個的所述氧化還原組合物的體積或含量。
78.根據權利要求60所述的車輛，其中所述分配容器和接收容器構成單體，所述單體具有位于所述接收隔室和分配隔室之間的可移動膜，并且所述方法還包括將所述單體更換為新的單體，所述新的單體包括含有新鮮可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電力儲存容器以及空的廢棄的氧化還原組合物儲存容器。
79.一種電源系統，其包括多個液流電池，每個液流電池包括正極集流體；負極集流體；分隔所述正極集流體和負極集流體的離子滲透膜；其中所述正極集流體和所述離子滲透膜限定了容納所述正極的正電活性區；其中所述負極集流體和所述離子滲透膜限定了容納所述負極的負電活性區；其中所述正極和負極中的至少一個包含所述電活性區中的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物，所述組合物能夠在所述電池的工作期間吸收和釋放所述離子；至少一個用于將所述可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物分配至所述正電活性區或負電活性區之一中的分配儲存容器，其中所述分配儲存容器與所述多個液流電池連接且與所述電活性區流體連通，并且所述分配容器能夠從所述液流電池處連接和斷開；和至少一個用于從所述正電活性區或負電活性區之一中接收可流動的氧化還原組合物的接收儲存容器，其中所述接收容器與所述液流電池連接且與所述電活性區流體連通，并且所述接收容器能夠從所述液流電池處連接和斷開。
80.根據權利要求79所述的電源系統，其中所述正極具有包含所述可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的陰極漿料，并且所述負極具有包含所述可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的陽極漿料以及所述
81.根據權利要求79所述的電源系統，其中所述電力儲存容器和所述廢棄的氧化還原組合物儲存容器構成單體。
82.根據權利要求79所述的電源系統，其中所述多個液流電池構成一組液流電池，其中每個液流電池包括至少一個包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電極，所述組合物能夠在所述電池的工作期間吸收或釋放所述離子；并且所述分配容器和接收容器與所述液流電池堆可逆地連接。
83.根據權利要求82所述的電源系統，其中所述液流電池并聯連接。
84.根據權利要求82所述的電源系統，其中所述液流電池串聯連接。
85.根據權利要求79所述的電源系統，還包括設置于所述分配容器和接收容器中的一個或兩個與所述液流電池堆之間的泵。
86.根據權利要求85所述的電源系統，其中所述泵為可逆式流量泵。
87.根據權利要求79所述的電源系統，其中所述分配容器和接收容器包括柔性軟外tJXi O
88.根據權利要求82所述的電源系統，還包括設置在每個燃料電池的所述入口處的閥門，以控制進入所述相應液流電池的氧化還原組合物的流量且使相鄰燃料電池之間的分路電流最小化。
89.根據權利要求82所述的電源系統，還包括多孔噴射系統，所述系統被構造且被布置成控制遞送至每個液流電池的每個電活性區的氧化還原組合物的量。
90.根據權利要求89所述的電源系統，其中所述多孔噴射系統包括用于將氧化還原組合物引入隔室中的噴射器，所述隔室向所述所有液流電池的子部分提供氧化還原組合物。
91.根據權利要求89所述的電源系統，其中所述多孔噴射系統提供的隔室壓力大于電活性區的壓力，以使每個液流電池之間的分路電流最小化。
92.根據權利要求79所述的電源系統，還包括用于使所述液流電池中的冷卻劑循環的冷卻系統。
93.根據權利要求79所述的電源系統，還包括連接至所述電力儲存容器的液位計，以監測所述可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的充電狀態。
94.一種操作根據權利要求79所述的電源系統的方法，包括提供根據權利要求79所述的電源系統；將所述分配容器中的所述可流動的氧化還原組合物引入所述電活性區中的至少一個中，以使所述液流電池放電，從而提供電能來操作所述裝置；以及接收接收容器中的所述已放電的氧化還原組合物。
95.根據權利要求94所述的方法，還包括通過將含有所述氧化還原組合物的所述分配容器更換為含有新鮮可流動的氧化還原組合物的新分配容器來向所述電源系統補給燃料。
96.根據權利要求94所述的方法，還包括將所述接收容器更換為新的空接收容器。
97.根據權利要求95所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物具有至少一種不同于所述氧化還原組合物的特性。
98.根據權利要求97所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的功率密度。
99.根據權利要求97所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的能量密度。
100.根據權利要求97所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的半固體粒度。
101.根據權利要求97所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物和所述氧化還原組合物具有不同的電活性材料濃度。
102.根據權利要求97所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物與所述氧化還原組合物相比具有較小的半固體粒度和較高的功率密度。
103.根據權利要求97所述的方法，其中所述新鮮的氧化還原組合物與所述氧化還原組合物相比具有較高的電活性材料濃度和較高的能量密度。
104.根據權利要求94所述的方法，其中所述分配容器和接收容器構成單體。
105.根據權利要求94所述的方法，其中所述多個液流電池構成一組液流電池，并且所述分配容器和接收容器與所述液流電池堆可逆地連接。
106.根據權利要求94所述的方法，其中所述液流電池并聯連接。
107.根據權利要求94所述的方法，其中所述液流電池串聯連接。
108.根據權利要求94所述的方法，其中所述電源系統還包括設置于所述分配容器和接收容器中的一個或兩個與所述液流電池堆之間的泵。
109.根據權利要求108所述的方法，其中所述泵為可對兩個方向上的流量進行操作的可逆式流量泵。
110.根據權利要求94所述的方法，其中所述分配容器或接收容器包括柔性軟外殼。
111.根據權利要求94所述的方法，還包括設置在每個燃料電池的所述入口處的閥門， 以控制進入所述相應液流電池的氧化還原組合物的流量且使相鄰液流電池之間的分路電流最小化。
112.根據權利要求111所述的方法，還包括提供多孔噴射系統，所述系統被構造且被布置成控制遞送至每個液流電池的每個電活性區的氧化還原組合物的量。
113.根據權利要求112所述的方法，其中所述多孔噴射系統包括多個隔室，每個隔室與所述液流電池堆中的所述液流電池的子組和用于將氧化還原組合物引入每個隔室中的噴射器流體連通。
114.根據權利要求113所述的方法，其中所述多個隔室中的壓力大于所述電活性區中的壓力。
115.根據權利要求108所述的方法，還包括用于使所述液流電池堆中的冷卻劑循環的冷卻系統。
116.根據權利要求94所述的方法，還包括提供連接至所述分配容器和接收容器中的一個或兩個的監測儀，以監測所述分配容器或接收容器中的一個或兩個的所述氧化還原組合物的體積或含量。
117.根據權利要求94所述的方法，還包括用新鮮的氧化還原組合物來補充所述分配容器。
118.根據權利要求117所述的方法，其中補充所述分配容器包括將新的氧化還原組合物引入所述分配容器中。
119.根據權利要求94所述的方法，還包括從所述接收容器中移除所述已放電的氧化還原組合物。
120.根據權利要求119所述的方法，其中從所述接收容器中移除所述已放電的氧化還原組合物包括排空所述接收容器中的已放電的氧化還原組合物。
121.根據權利要求94所述的方法，其中所述分配容器和接收容器構成單體，所述單體具有位于所述接收隔室和分配隔室之間的可移動膜，并且所述方法還包括將所述單體更換為新的單體，所述新的單體包括含有新鮮可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電力儲存容器以及空的廢棄的氧化還原組合物儲存容器。
122.根據權利要求94所述的方法，還包括監測所述分配容器或接收容器中的所述可流動的氧化還原組合物的液位。
123.根據權利要求94所述的方法，還包括將所述氧化還原組合物的流動方向反向，以使得所述廢棄的氧化還原組合物從所述接收容器流向所述電活性區；以及向所述電源系統施加反向電壓，以對所述已放電的氧化還原組合物進行再充電。
124.根據權利要求123所述的方法，還包括使所述再充電的氧化還原組合物從所述電活性區前移至所述分配容器中，以進行儲存。
125.根據權利要求123所述的方法，其中所述廢棄的氧化還原組合物的所述流量由可逆泵控制。
126.根據權利要求94所述的方法，其中選擇所述已放電的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物的粒度，以提供預選的功率密度。
127.根據權利要求94所述的方法，其中選擇所述已放電的可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物的以重量％計的荷載，以提供所述氧化還原組合物的預選的能量容量。
128.根據權利要求94所述的方法，還包括在放電之前、之中或之后監測所述氧化還原組合物的狀態。
129.根據權利要求1 所述的方法，其中所述監測的狀態包括所述陰極氧化還原組合物或陽極氧化還原組合物的溫度、流速或相對量。
130.根據權利要求1 所述的方法，還包括根據所述監測結果來改變所述氧化還原組合物的性質。
131.根據權利要求94所述的方法，還包括增加所述氧化還原組合物沿著所述電活性區的流速，以增加所述液流電池的功率。
132.根據權利要求94所述的方法，還包括重新調整所述可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物。
133.根據權利要求133所述的方法，其中所述重新調整包括從所述氧化還原組合物中分離殘余水；添加附加鹽以提高離子電導性； 添加溶劑或電解質添加劑；添加包括用于離子存儲的活性材料或導電添加劑的附加固相； 從液體電解質中分離固相； 添加助凝劑； 更換液體電解質；或其任意組合。
134.根據權利要求94所述的電源系統，其中所述液流電池中的至少一個包括 包含可流動的半固體離子存儲氧化還原組合物或稠密液體離子存儲氧化還原組合物的電極，所述組合物能夠在所述電池的工作期間吸收和釋放所述離子；和靜止電極。
全文摘要
本發明描述了汽車或其它的電源系統(包括液流電池)，其中提供電源的堆易于與容納陰極漿料和陽極漿料(或者稱為“燃料”)的儲存容器隔離。還提供了一種使用方法，其中“燃料”槽可拆卸且在充電站中分別充電，并且已充電的燃料以及槽被放回車輛或其它電源系統中，以允許快速補給燃料。該技術還提供了一種對已放電的燃料進行充電的充電系統。可將已充電的燃料置于電源處的儲槽中或返回到車輛中。在一些實施方案中，儲槽中的已充電的燃料可在以后使用。可輸送或儲存已充電的燃料，以在不同的地方或時間使用。
文檔編號H01M8/04GK102576893SQ201080025219
公開日2012年7月11日 申請日期2010年4月6日 優先權日2009年4月6日
發明者R·巴澤瑞拉, Y·M·張 申請人:24M技術公司