包括空气电极的具有蒸气返回的电化学电池中的水管理系统的制作方法

包括空气电极的具有蒸气返回的电化学电池中的水管理系统的制作方法
【专利摘要】公开了用于管理一个或多个电化学电池中的水含量的系统和方法。系统包括用于接收与电化学电池相关联的潮湿气相的气相导管、被连接至各电化学电池并且被配置用于从潮湿气相提取水的干燥器单元、用于选择性地加热干燥器单元的加热器和被连接至干燥器单元的二氧化碳(CO2)洗涤器。系统可以在干燥器单元处从离开各电化学电池的潮湿气相捕获水蒸气或者借助加热器的致动释放干燥器单元中的水蒸气，取决于操作的模式水蒸气被输送到电化学电池内。CO2洗涤器也可以基于操作的模式用来捕获水蒸气。
【专利说明】
包括空气电极的具有蒸气返回的电化学电池中的水管理系统
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本专利申请要求2015年3月30日提交的临时专利申请号62/140,257的优先权，并 且该申请通过引用全部合并于此。
技术领域
[0003] 本发明大体涉及电化学电池，并且更特别地涉及包括空气呼吸阴极（air breathing cathode)并利用液体离子导电介质的电化学电池。
【背景技术】
[0004] 很多类型的电化学电池都利用液体离子导电介质来支持电池内的电化学反应。电 化学电池可以利用被联接至包括任何合适的燃料在内的燃料电极的空气呼吸电极。例如， 金属-空气电化学电池系统可以包括多个电池，各具有用作阳极的燃料电极(在该处金属燃 料被氧化)和空气呼吸氧化剂还原电极(在该处来自环境空气的氧被还原）。这样的电池中 的液体离子导电介质可以在电极之间将被氧化/还原的离子连通。
[0005] 在各种离子导电介质中，蒸发、电解(例如，再充电时的水分解)或者来自离子导电 介质的其他水分损失可能对电化学电池特别是针对要求水来操作的电池是有害的。例如， 离子导电介质的盐析可能会堵塞电化学电池的氧化剂电极，降低其性能或者在极端情况 中，导致完全的电池故障。这样的盐析或其他故障可能在例如氧化剂电极的空气侧或其一 部分过度地干燥时发生。另外，离子导电介质中的水含量上的减少可能会降低介质的溶解 能力、即它使溶质溶解的能力，或者增加介质中的溶质的百分比浓度。
[0006] 已开发出用于管理电化学电池的系统。2014年2月10日提交的并且来自相同申请 人的美国专利公开号20140227615提供了蓄电池水管理系统的示例，特此通过引用将其全 部并入。
[0007] 该公开提供了一种水管理系统，以维持包括液体离子导电介质的任何电化学电池 中的水含量而不需要栗、液体水储蓄器和机械液位控制阀。

【发明内容】

[0008] 在该公开的一个方面中，提供有一种用于管理一个或多个电化学电池中的水含量 的系统。各电化学电池具有多个电极和液体离子导电介质。系统包括:气相导管，用于接收 与电化学电池相关联的潮湿气相;干燥器单元，被连接至各电化学电池并且被配置用于从 潮湿气相提取水;加热器，用于选择性地加热干燥器单元以将提取的水从干燥器单元选择 性地释放;和二氧化碳洗涤器，被连接至干燥器单元、被配置成吸收二氧化碳，其中，在水捕 获模式期间，系统被配置成在干燥器单元处从离开各电化学电池的潮湿气相捕获水蒸气。 在电池加湿模式期间，系统被配置成借助加热器的致动使干燥器单元中的水蒸气释放，以 产生被输送到各电化学电池内的潮湿气相。
[0009] 该公开的另一方面提供了一种用于管理一个或多个电化学电池中的水含量的方 法。电池中的每一个包括多个电极和液体离子导电介质。方法包括:在干燥器单元中接收来 自一个或多个电化学电池的潮湿空气;使用加热器选择性地加热干燥器单元;使用被连接 至干燥器单元的二氧化碳洗涤器吸收来自潮湿空气的二氧化碳;和使来自二氧化碳洗涤器 的潮湿空气导向至离子导电介质。
[0010]该公开的又另一方面提供了一种用于管理包括一个或多个电化学电池的系统中 的水含量的方法。电池中的每一个包括多个电极和液体离子导电介质。系统还具有二氧化 碳洗涤器。方法包括:使来自外部大气源的空气输入至二氧化碳洗涤器;使用二氧化碳洗涤 器吸收来自外部大气空气的二氧化碳;使来自二氧化碳洗涤器的输出空气导向至一个或多 个电化学电池的离子导电介质;和在干燥器单元中接收来自一个或多个电化学电池的潮湿 空气。干燥器单元和二氧化碳洗涤器被配置成被选择性连通地联接。
[0011] 本发明的其他方面将从以下详细描述、附图和随附权利要求中变得显而易见。
【附图说明】
[0012] 以下附图以示例并且非限制的方式图示出。为了简洁和清楚起见，所给出的结构 的每个特征并不总是在那个结构出现的每个图中都标出。一样的附图标记并不一定指示出 一样的结构。而是，相同的附图标记可以用来指示出类似的特征或者具有类似功能的特征， 也可以是不一样的附图标记。
[0013]图1示意性地图示出被配置成待联接至水管理系统的具有浸没式氧化剂还原电极 的电化学电池的实施例；
[0014]图2示意性地图示出被配置成待联接至水管理系统的电化学电池的另一实施例；
[0015] 图3是可以被联接至诸如图1和图2中所图示出的那些电化学电池的水管理系统的 实施例的图；
[0016] 图4是包括具有串联连接的干燥器单元和C02洗涤器(Scrubber)的多个电化学电 池的水管理系统的实施例的图；和
[0017] 图5是包括具有并联连接的干燥器单元和⑶2洗涤器的多个电化学电池的水管理 系统的实施例的图。
【具体实施方式】
[0018] 除控制与电化学电池的空气呼吸电极相关联的湿度之外，该公开还努力地有助于 维持电化学电池中的期望的水含量。更特别地，本申请公开了用于通过空气呼吸电极维持 电化学电池的水含量的系统和方法。
[0019] 下面详细描述的蓄电池水管理系统是根据其中电化学电池包括空气呼吸氧化剂 电极的实施例。根据这样的实施例，水管理系统提供了维持电化学电池中的水含量和控制 与空气呼吸电极相关联的湿度的两个功能。
[0020] 图1图示出电化学电池100的实施例的示意性截面图。如图所示，电化学电池100的 组成部件可以至少部分地被包含在相关联的壳体110中。电池100利用被包含在壳体110内 并且被配置成在其中循环以传导电池100内的离子的液体离子导电介质。虽然有时离子导 电介质可能在壳体110内、诸如在停滞区中或者是其他数量的离子导电介质大体是静止不 动的，但可以领会的是电池100可以被配置成创建离子导电介质的对流流动。在一些实施例 中，这样的流动可以通过凭借电池内的电化学过程、凭借起泡装置(sparger)或凭借任何其 他气泡生成过程所生成的受控方向的气泡而生成。在一些实施例中，流动可以通过任何其 他流动发生器而生成，包括但不限于栗。在一些实施例中，局部加热引起液体的对流。
[0021] 电化学电池100的各个部分可以是任何合适的结构或组成的，包括但不限于由塑 料、金属、树脂或者其组合形成。于是，电池1〇〇可以以任何方式组装，包括由多个元件形成、 一体模制成型等等。在各种实施例中，电池和/或壳体110可以包括来自美国专利号8,168， 337、8,309,259、8,491，763、8,492,052、8,659,268、8,877,391、8,895，197、8,906,563、8， 911，910、9，105,910、9，105,946、9，178,207、9,214,708、9,269,995、9,269,996和美国专利 申请公开号 20100316935、20110070506、20110250512、20120321969、20130115523 及 20130115525中的一个或多个的元件或布置，这些文献中的每一个通过引用全部合并于此。
[0022] 虽然电化学电池100可以在实施例间有差异，但是图1的图示实施例在截面中示意 性地描绘了在壳体110内的电池室120。离子导电介质可以大体集结在电池室120内，然而可 以在电池室120内流动，或者可以流过电池室120(例如，从一个电化学电池100到另一电化 学电池100,或者从储蓄器流到电化学电池100和从电化学电池100流入）。电池100的燃料电 极130可以被支撑在电池室120以便由离子导电介质接触。在实施例中，燃料电极130是当电 池100在放电（即，电力生成)模式中操作时充当阳极的金属燃料电极，如下面进一步详细地 讨论的。如图所示，在一些实施例，燃料电极130可以包括多个可渗透电极体130a至130e。尽 管在图示实施例中使用了五个可渗透电极体130a至130e，但在其他实施例中任何数量都是 可能的。各可渗透电极体130a至130e可以包括由任何构成所制成的丝网（screen)，所述构 成能够通过电沉积或以其他方式捕获和保留来自流过或以其他方式存在于电池室120内的 离子导电介质的金属燃料的颗粒或离子。在实施例中，电极体130a可以是端子电极体，被配 置成使得当充电时，金属燃料大体可以在从电极体130a朝向电极体130e所限定出的方向上 生长在电极体130a至130e上。尽管在图示实施例中，可渗透电极体130a至130e可以具有不 同尺寸使得可以使用台阶支架（scaffold)配置，如美国专利8，659，268所描述并且通过引 用合并于上文中的那样，但是在其他实施例中可渗透电极体130a至130e可以具有大致相同 的尺寸。
[0023]在一些实施例中，多个间隔件可以将可渗透电极体130a至130e分离以便在燃料电 极130中创建流道。尽管在一些实施例中多个间隔件可以被连接至壳体110使得燃料电极 130可以相对于壳体110被保持在适当位置，但在其他实施例中间隔件可以模制成型在可渗 透电极体130a至130e之间并且潜在地在燃料电极130与充电电极140之间，使得可渗透电极 体130a至130e (和潜在的充电电极140)是组合的电极模块的一部分。这样的配置被描述在 通过引用被全部合并于上文的美国专利8,492,052中。在各种实施例中，间隔件可以是非导 电的并且是电化学惰性的，因此它们相对于电池100中的电化学反应是非活性的。在一些实 施例中，间隔件可以由合适的塑料材料制成，诸如聚丙烯、聚乙烯、聚酯、改性聚苯醚、ABS、 含氟聚合物、环氧树脂等等。燃料电极130中的流道可以是三维的，并且具有大致等于间隔 件的高度的高度。尽管通常间隔件将被竖直地定向以便创建平行于生成气泡的充电电极的 流道，但在诸如但不限于如下面描述的当燃料电极130的顶部被阻塞时等的其他实施例中， 间隔件可以被定向为使得创建定向通过可渗透电极体130a至130e的流道。然而，应该领会 的是，间隔件和/或流道是可选择的，并且在一些实施例中可以省略。
[0024] 在电池100的一些实施例中，诸如图示出的，充电电极140可以远离端子电极体 130a(即，接近电极体130e)与燃料电极130间隔开地定位。在一些实施例中，充电电极140可 以是燃料电极130的一部分(包括例如是可渗透电极体130b至130e中的一个或多个）。如与 燃料电极130-样，充电电极140可以被定位在电池室120内，以便与离子导电介质接触。在 图示实施例中，充电电极140处于与可渗透电极体130a至130e类似的台阶配置中。然而在其 他实施例中，当这些电极体130a至130e处于台阶支架配置或者以其他方式在尺寸上有差异 时，充电电极140可以延伸至少远到可渗透电极体130a至130e中的最长的。如下面更详细地 描述的，充电电极140可以被配置成参与存在于液体离子导电介质中的可氧化的氧化剂种 属的氧化，以便在电池100的充电期间促进被氧化的金属燃料种属的还原和金属燃料在燃 料电极130上的生长。于是，在一些实施例中，充电电极140可以被表征为析氧电极，归因于 在电化学电池1 〇〇的充电期间来自充电电极140的氧气的气泡溢出，如下面更详细地描述 的。
[0025] 图1中进一步示出的是氧化剂还原电极150,其远离端子电极体130a、与燃料电极 130和充电电极140间隔开。如图所示，氧化剂还原电极150可以被密封或者以其他方式组装 到浸没在电池室120中的离子导电介质145中的氧化剂还原电极模块160内。用165代表的连 通通道延伸到氧化剂还原电极模块160内，以便将空气或另一其他氧化剂提供至形成在氧 化剂还原电极模块160的壳体与氧化剂还原电极150之间的空气空间170，并且以提供出口。 可以领会的是，空气空间170中的空气或其他氧化剂将氧化剂供给至氧化剂还原电极150。 于是，氧化剂还原电极150具有面对着离子导电介质145的一个表面和面对着气态氧化剂接 收空间170的相反表面。这样的配置的附加细节被描述在题为"用于电化学电池系统的可浸 没的气态氧化剂阴极"并通过引用合并于上文的美国申请号20130115523中。可以领会的 是，连通通道165可以包括管状或类似配置，其可以有助于在允许离子导电介质越过氧化剂 还原电极模块160的状态下将氧化剂供给至氧化剂还原电极150(例如，至通道165的任一 侧)。
[0026] 尽管图1中未图示出，但在诸如图3至图5中所示等的一些实施例中，连通通道165 可以包括分别延伸到空气空间170内和从空气空间延伸出来的单独的空气通道入口和空气 通道出口，允许了通道165形成通过空气空间170的空气流动路径的一部分。空气流动路径 在下面更详细地描述。虽然在一些实施例中空气入口和空气出口可以共享穿过离子导电介 质延伸到氧化剂还原电极模块160内的共用的壳体，但在其他实施例中连通通道165可以包 括穿过离子导电介质延伸到氧化剂还原电极模块160内的一对间隔的空气路径。
[0027] 如图所示，在包含单独的充电电极140的实施例中，单独的充电电极140可以被定 位在氧化剂还原电极150与燃料电极130之间。在缺乏单独的充电电极140的电池100的实施 例中，氧化剂还原电极150可以在电池100的充电和放电两者期间都被利用（即，在充电期间 作为阳极并且在放电期间作为阴极）。
[0028]电池100的组成部件，包括例如燃料电极130、其可渗透电极体130a至130e、单独的 充电电极140和氧化剂还原电极150,可以是任何合适的构造或配置的，包括例如由镍或镍 合金(包括镍-钴、镍-铁、镍-铜（即蒙乃尔）或超合金）、铜或铜合金、黄铜、青铜、碳、铂、银、 银-钯或任何其它合适的金属或合金中的一个或多个构成。在一些实施例中，电池100的一 个或多个组成部件，诸如燃料电极130、单独的充电电极140和氧化剂还原电极150等，可以 包括镀有更耐降解的材料的高导电材料。例如，在一些实施例中，电池的一个或多个组成部 件可以包括镀有镍、锡、银、金或任何其他化学上兼容的材料的铜。如上面所提到的，在一些 实施例中燃料电极130可以由可渗透金属丝网（即，可渗透电极体130a至130e)形成，其可被 配置成捕获、保持并提供用于金属燃料的生长平台。同样，在一些实施例中单独的充电电极 140可以是与可渗透电极体130a至130e中的一个类似的配置的。在其他实施例中，充电电极 140可以是可被配置成创建与燃料电极130的电位差以便鼓励在电化学电池100的充电期间 在燃料电极上的燃料生长的另一配置。如下面更详细地讨论的，充电电极140可以被配置成 在充电过程期间发出气态氧的气泡，这些气泡可以归因于它们在离子导电介质中的浮力而 在电池100中向上升高，这可以驱动离子导电介质的对流流动。
[0029]与燃料电极130和充电电极140-样，氧化剂还原电极150也可以是任何适当的构 造或配置的。例如，氧化剂还原电极150通常可以被配置成提供电化学电池100中的氧还原， 以在电池100的放电期间创建与燃料电极130的电位差。在实施例中，氧化剂还原电极150可 以包含具有可被表征为有助于电化学反应的"活性材料"的网目（mesh)或涂层的活性层。于 是，在实施例中，氧化剂还原电极150被以如下方式定位在电池壳体110中使得:活性材料接 触离子导电介质使得离子可以从中穿过被引导至燃料电极130和/或被从燃料电极传导。在 一些实施例中，活性材料可以通过催化剂颗粒或材料、导电基质和疏水性材料的混合物被 烧结以形成复合材料或以其他方式层叠到一起而形成。在各种实施例中，活性材料可以由 一个或多个金属构成，诸如但不限于上面列出的那些。在一些实施例中，活性材料可以包括 催化剂膜，其在各种实施例中可以通过包括但不限于热喷涂、等离子体喷涂、电沉积或任何 其他颗粒涂覆方法的技术来形成。
[0030]被电联接至活性材料的可以是集流体(current collector)，其可以被配置成当 电池100处于放电模式时通过氧化剂还原反应从用于消耗的负载接收电子。同样，集流体可 以被配置成从活性材料处的氧化反应收集电子（即，如果氧化剂还原电极150用作充电电极 的话）用于传递至功率供给PS，以当电池100处于充电模式时参与活性材料处的电化学反 应。集流体可以是任何适当的构造或配置的，包括但不限于可以在其中具有间隙的金属丝 网。在各种实施例中集流体可以由诸如但不限于在上面针对活性层所描述的那些金属或合 金构成。
[0031] 被另外地包括在氧化剂还原电极150中的可以是一个或多个疏水性材料，其可以 是通常可渗透气体但不可渗透液体的任何材料，以便包含电池壳体110内的离子导电介质， 或者以其他方式维持与氧化剂还原电极150相关联(即，在氧化剂还原电极模块160中）的空 气空间。尽管疏水性可以在一些情况下被理解为"厌水的"，但应该领会的是，如这里使用 的，疏水性暗示着它抵抗作为整体的离子导电介质的渗透或排斥作为整体的离子导电介 质，并且并不一定只是离子导电介质中的水。这样，疏水性材料也可以被视为疏液体性 (hy grophob i c)或"厌液体的"材料。氧化剂还原电极150作为整体因此可以是不可渗透液体 的，但对气态氧化剂是可渗透的，使得气态氧化剂可以接触氧化剂还原电极150的活性材 料，以便在电池100的放电期间所发生的电化学反应过程中用作氧化剂。在各种实施例中， 疏水性材料可以是有助于支持其上活性材料的任何合适的构造或配置的，通常对气态氧化 剂是可渗透的，并且通常对离子导电介质是不可渗透的。
[0032] 在一些实施例中，疏水性材料或多个材料用作用于活性材料和/或集流体的背衬 材料。尽管疏水性材料可以在实施例间有差异，但在一些实施例中疏水性材料可以由含氟 聚合物构成或者以其他方式包括含氟聚合物。作为示例，在各种实施例中，疏水性材料可以 包括聚四氟乙烯（也称作ptfe，或Teflon? )，其可以在一些实施例中是可热机械膨胀的 (也称作ePTFE，或Gore-Tex?)。在其他实施例中，疏水性材料可以包括氟化乙烯丙烯共 聚物(也称作FEP)、含氟聚合物或者任何其他的疏水性粘合剂(例如聚丙烯和/或聚乙烯）。 在一些实施例中，疏水性材料可以具有细孔隙尺寸，诸如但不限于在小于1微米的数量级上 的疏水性材料，或者在更特别的示例中，可以是在近似50纳米至200纳米的数量级上。可以 领会的是，在一些实施例中，疏水性材料可以通过氧化剂还原电极150的厚度具有有限的拉 伸强度。于是，在一些实施例中疏水性材料可以用氧化剂可渗透的加强层来加强，诸如题为 "用于氧化剂电极的外部PTFE层加强"的通过引用合并于上文的美国专利申请公开号 20130115525中所公开的。
[0033] 在实施例中，电池100中所使用的燃料可以是金属，诸如铁、锌、铝、镁、锰、镉、铅、 锗、钠或锂。关于金属，该术语意味着涵盖被视作周期表上的金属或半金属的所有元素，包 括但不限于碱金属、碱土金属、镧系元素、锕系元素、过渡后和过渡金属，或者是在原子、分 子(包括金属氢化物）中，或者是当收集在电极体上时的合金形式。然而，本发明不意在限于 任何特定燃料，并且可以使用其他的。在实施例中，燃料可以作为悬置在离子导电介质中的 颗粒被提供至电池100。
[0034] 离子导电介质可以是水溶液。合适的介质的示例包括包含硫酸、磷酸、三氟甲磺 酸、硝酸、氢氧化钾、氢氧化钠、氯化钠、硝酸钾或氯化锂的水溶液。在实施例中，离子导电介 质可以包括有机溶剂，诸如例如碳酸亚乙酯（ethylene carbonate)、碳酸二甲酯或其它适 当的有机溶剂。在一些实施例中，离子导电介质是氢氧化钾水溶液。在实施例中，离子导电 介质可以包括电解质。例如，可以使用传统的液体电解质溶液，或者可以使用室温离子液 体，如通过引用全部合并于上文的美国专利8，895，197中所提及的。在一些实施例中，添加 剂可以被添加至离子导电介质，包括但不限于增强金属燃料在燃料电极130上的电沉积过 程的添加剂，诸如通过引用全部合并于上文的美国专利8,877,391和美国专利申请公开号 20120321969中所描述的。这样的添加剂可以减少燃料颗粒的松散枝晶生长，并因此可以降 低例如这样的燃料颗粒从燃料电极130上分离的可能性。在一些实施例中，离子导电介质可 以包括任何合适的分离件或离子交换膜，诸如'969公开中所公开的。
[0035] 操作相对湿度范围例如除环境空气和电池的温度之外可以取决于特别的离子导 电介质。可以领会的是，含水盐电解质、例如氢氧化钾可以被表征为吸湿性的。例如，对于包 括含水Κ0Η电解质的电池，小于大约50%的相对湿度可以导致通过氧化剂还原电极或空气 电极的水损失。大于80% (或大于大约80%)的环境相对湿度可以导致通过氧化剂还原电极 或空气电极的进入电池内的水摄取。通过阴极的水释放可以在50摄氏度至80摄氏度的空气 温度范围中在大于大约50%的相对湿度时发生（对于阴极/氧化物还原模块160)。从50% (含)到80% (含)或在中间范围的相对湿度可以被表征为中性。例如，在70%相对湿度进入 电池内时，在50摄氏度时可能损失250毫升的水，并且在25摄氏度时仅损失15毫升(这在具 有8升总容积的电池中被视为可忽略不计）。应该领会的是，范围也可以取决于离子导电介 质及其吸湿性/疏液体性特征和/或可选地取决于离子导电介质及其吸湿性/疏液体性特征 而改变。
[0036] 在电池100的操作中，当燃料电极130作为阳极操作时燃料可以在燃料电极130处 被氧化，并且当氧化剂还原电极150作为阴极操作时，氧化剂、诸如氧气(0 2)、C12或任何其他 适当的氧化剂可以在氧化剂还原电极150处被还原，这是当电池100被连接至负载并且电池 100处于放电或电力生成模式时，如下面进一步详细地讨论的。在放电模式期间发生的反应 可以在离子导电介质中生成副产品沉淀、例如可还原的燃料种属。例如，在燃料是锌的实施 例中，氧化锌可以作为副产品沉淀/可还原的燃料种属而生成。被氧化的锌或其他金属也可 以通过被用电解质溶液氧化或者被溶解在电解质溶液中来支持，而不形成沉淀(例如，锌酸 盐可以是留在燃料中的溶解的可还原燃料种属）。在下面进一步详细讨论的再充电模式期 间，可还原的燃料种属、例如氧化锌或锌酸盐离子可以被可逆地还原并且作为燃料、例如锌 被沉积到充当阴极的燃料电极130的至少一部分上。同时，氧化剂还原电极150或者单独的 充电电极140、和/或燃料电极130的另一部分充当阳极，并且使离子导电介质中的可氧化的 氧种属(例如，0?Γ离子)氧化以发出气态氧。在实施例中，可氧化的氧种属可以是电池100中 的在其放电期间所创建的被还原的氧化剂种属。
[0037] 尽管在一些实施例中氧化剂可以通过可充分地允许例如来自空气的氧气扩散或 渗透到氧化剂还原电极150内的被动系统被传递至氧化剂还原电极150,但在其他实施例中 可以利用用于将氧化剂带至氧化剂还原电极的不同的氧化剂的源或机制。例如，在实施例 中，诸如空气栗ΑΡ等的栗可以被用于在压力下将氧化剂传递至氧化剂还原电极150。空气栗 ΑΡ可以是任何合适的构造或配置的，包括但不限于被配置成产生空气或其他氧化剂的恒定 或脉冲流动的风扇或其他空气移动装置。氧化剂源可以是装在容器中的氧化剂的源。在实 施例中，氧气可以被从电化学电池模块100回收，诸如通过引用全部合并于上文的美国专利 8,491，763中所公开的。同样，当氧化剂是来自环境空气的氧气时，氧化剂源可以被宽泛地 视作传递机制，无论他是被动的还是主动的（例如，栗、鼓风机等），通过该机制空气被准许 流动至氧化剂还原电极150。因此，术语"氧化剂源"意在涵盖装在容器中的氧化剂和/或用 于被动或主动地将氧气从环境空气传递至氧化剂还原电极150的布置两者。
[0038] 在各种实施例中，可渗透电极体130a至130e、单独的充电电极140和氧化剂还原电 极150可以通过开关系统连接，开关系统可以被配置成将电池100串联地连接至功率供给 PS、负载或其他电池100。在放电期间，燃料电极130被连接至负载，并且作为阳极操作使得 当燃料在燃料电极130处被氧化时由金属燃料所放出的电子流动至外部负载。氧化剂还原 电极150在放电期间充当阴极，并且被配置成从外部负载接收电子并且使接触到氧化剂还 原电极150的氧化剂、具体为电池100周围的空气中的氧、被给送至电池100内的氧或者从电 池100回收的氧还原。
[0039] 开关系统的操作可以在实施例间有差异，并且在一些实施例中操作可以类似于通 过引用合并于上文的'910专利中所描述的那些。作为另一示例，在实施例中，外部负载可以 被并联地联接至可渗透电极体130a至130e中的一些，如通过引用合并于上文的'259专利中 详细描述的那样。在其他实施例中，外部负载可以远离氧化剂还原电极150仅被联接至端子 可渗透电极体130a，使得燃料消耗可以与可渗透电极体130a至130e中的每一个之间串联地 发生。在一些实施例中，电池100可以被配置用于充电/放电模式开关，如2010年9月17日提 交的先前通过引用合并于上文的' 197专利中那样。
[0040] 在一些实施例中，电极体130a至130e、氧化剂还原电极150和/或充电电极140中的 一些或多个可以通过开关系统或任何其他电路互连，以便选择性地有助于电池100的充电 和放电的控制。与开关系统相关联的开关可以由控制器控制，控制器可以是任何合适的构 造和配置的，包括但不限于在一些实施例中大体符合所合并的'910和'207专利及'512公开 中所公开的那些。在各种实施例中，开关系统的开关的控制可以基于用户选择、传感器读数 或通过任何其他输入来确定。在一些实施例中，控制器也可以起到管理负载和功率供给PS 与多个电池100之间的连接的功能。在一些实施例中，控制器可以包括用于响应于检测到达 预定阈值(诸如低于预定阈值的下降）的电压来致动与各电池100相关联的旁通开关的适当 的逻辑或电路。
[0041 ]如图1中图示出的，离子导电介质可以被填充至电池室120内的液位L。如下面更详 细地描述的，离子导电介质的液位L可以被以不同模式、例如水摄取模式或者加湿(或除湿） 模式进行更改。如图1所示，水管理系统WMS可以被联接至氧化剂还原电极模块160并且可以 被配置成管理空气空间170内的湿度水平，以及重新捕获湿度作为水，将水导向至干燥器单 元122和/或⑶2洗涤器190,这可以重新补足电池室120中的离子导电介质。水管理系统WMS 是本公开的特征，并且在下面更详细地描述。
[0042]尽管在图1的图示实施例中电池壳体110被配置成使得氧化剂还原电极150与氧化 剂还原电极模块160-起被浸没到电池室120内，但可以领会的是在各种实施例中，电池100 的其他配置或布置也是可能的。例如，在图2中，呈现出电池100 (具体地，电池100*)的另一 实施例，其中氧化剂还原电极150*限定了用于电池室120的边界壁，并且被密封至壳体110* 的一部分以便防止其间的离子导电介质的泄漏（seepage)。尽管这样的配置具有氧化剂还 原电极150*的故障将导致离子导电介质从电池100*中泄漏出来的担忧，但在一些这样的实 施例中电池室120中的离子导电介质的流动可以是横跨燃料电极130的顶部在从氧化剂还 原电极150*向上并远离氧化剂还原电极150*的方向上。不管具有氧化剂还原电极150*的边 界壁配置的电化学电池100*的下侧如何，可以领会的是电化学电池100*的这样的配置可以 存在，并且可以被改造以接合水管理系统WMS。
[0043]如图2所示，在实施例中，电化学电池100*的这样的改造可以包括用外部空气室 190包围氧化剂还原电极150*的空气面对侧。虽然在图示实施例中，外部空气室190被密封 至电池壳体110*，但在其他实施例中外部空气室190可以被密封至氧化剂还原电极150*，或 者可以被大体配置成大体包围电化学电池100*。其他配置也是可能的。可以进一步领会的 是，虽然外部空气室190在一些实施例中可以被密封至电化学电池100*的一部分，但在其他 实施例中外部空气室190可以更简单地抵靠电化学电池100*，或者更松地被固定至电化学 电池100*。在图示实施例中，外部空气室190在氧化剂还原电极150*与外部空气室190之间 形成了空气空间170。与从图1的氧化剂还原电极模块160延伸的实施例类似地，连通通道 165可以从外部空气室190延伸，以便在空气空间170与水管理系统WMS之间形成用于空气流 动的路径。
[0044]图3示意性地图示出用于管理诸如图1和图2中所图示出的那些的一个或多个电化 学电池中的水含量的水管理系统(WMS) 102的实施例。图3还大体图示出电化学电池100的代 表。如图所示，电池壳体110限定了包含一定量离子导电介质145(例如，被填充至液位L)的 电池室120。燃料电极130和单独的充电电极140(图3中未示出140,但它可以在实施例中被 设置在燃料电极130与氧化剂还原电极模块160之间，如现有的描述所理解的那样)被浸没 在离子导电介质中。氧化剂还原电极150也被浸没在离子导电介质145中、被密封至氧化剂 还原电极模块160以在其中维持空气空间（170)。如图3所示，连通通道包括连接穿过气态氧 化剂接收空间170的气态氧化剂入口 112和气态氧化剂出口 114,由此允许气体的进入和离 开气态氧化剂接收空间170的输送。这样，包括氧化剂的空气的流动可以从外部源(例如，环 境空气，或者装在容器中的氧化剂源)接收，并且在经由离开出口 114而流出气态氧化剂接 收空间170之前可以通过入口 112被给送到空气空间/气态氧化剂接收空间170内，如下面更 详细地讨论的。氧化剂还原电极150被配置成借助氧化剂面对侧吸收气态氧化剂并且在电 化学电池100的放电模式期间使气态氧化剂还原。虽然入口和出口在图3的示意图中被示出 为相对于氧化剂还原电极150被不同地间隔开，但可以领会的是这样的图示可以被简化为 图示出流动的移动，并且在一些实施例中入口 112和出口 114可以在与氧化剂还原电极150 的平面平行的平面中彼此对齐。
[0045] 图3的水管理系统102可以从其中的空气的流动方面进行讨论。如图所示，空气入 口 142可以从电化学电池100和水管理系统102的外侧接收空气。虽然在一些实施例中如这 里所描述的，空气可以来自水管理系统102外部大气中的环境空气，但可设想的是在一些实 施例中空气可以来自装在容器中的氧化剂源(例如，纯氧气或氧气混合物的罐）。在一些实 施例中，诸如其中空气来自周围大气的所图示出的，空气入口 142可以包括被配置成从空气 中去除颗粒或其他污染物的空气过滤器或者其他过滤结构。然而这样的过滤器是可选择 的，并且可以在一些实施例中不存在。来自空气入口 142的入口空气可以经过下面更详细地 描述的可选择性地关闭的阀146。在实施例中，阀146可以定位在入口 112之前在空气流动路 径中的任何地方。另外，阀146可以是任何适当的构造或配置的，并且在一些实施例中可以 包括止回阀或簧片阀(reed valve)。阀146的一些实施例的操作(例如，当它被选择性地打 开和关闭时)在下面更详细地进行讨论。如图所示，水管理系统102可以包括风扇132或其他 空气流动发生器，被定位成生成从空气入口 142到与氧化剂还原电极150相关联的连通通道 的入口 112的空气的流动。在实施例中，阀146可以在空气流动路径中设置在风扇132之前。
[0046] 尽管疏液体性涂层或其他机制可以试图防止离子导电介质渗透离子还原电极 150,但可以领会的是来自离子导电介质的水(例如，水蒸气)仍然可以慢慢地通过氧化剂还 原电极150,增加了空气空间170中的空气的湿度。不是由任何特别的理论界定的，而是水可 以通过空气电极蒸发，电解质盐可以被沉淀到电极内由此驱动电极的润湿和/或泄漏，并且 渗透力可以引起水从氧化剂还原电极150的离子导电介质接触侧渗透至氧化剂还原电极的 空气侧。这些现象可以在当空气空间中的相对湿度低（即，近似10%)时更常见地发生。 [0047]尽管经由入口 112进入空间170内的空气流动的相对湿度可以在如先前所描述的 一些实施例中有差异，但通过气态氧化剂入口 112被输送到气态氧化剂接收空间170内的潮 湿气相的相对湿度可以基于所使用的电解质、（其中的）环境空气的温度、相对湿度和/或电 池温度而有差异。此外，在横穿空气空间170并且由于其中的水分含量而湿度上增加之后， 空气流动可以经由出口 114离开氧化剂还原电极模块160。再次，超过出口 114的空气流动的 相对湿度可以有差异，离开空气空间170的相对湿度也是，并且可以基于变化的条件(诸如 上面提到的那些)而更改。可以领会的是，诸如风扇132等的风扇可以进一步帮助将气体从 气态氧化剂出口 114输送出来。
[0048] 离开空气通道出口 114的潮湿空气可以通过可选择性地关闭的阀148，经由空气出 口 144作为排气进入大气内或者经由出口路径179进入干燥器单元122,下面更详细地描述。 在实施例中，阀148可以位于超过出口 114在空气流动路径中的任何地方，并且在一些实施 例中阀148可以位于干燥器单元122内。另外，阀148可以是任何适当的构造或配置的，并且 在一些实施例中可以包括止回阀或簧片阀，并且可以简单地配置成防止不期望的回流。阀 148的一些实施例的操作(例如，当它被选择性地打开和关闭时)在下面更详细地进行讨论。 可以领会的是，图示实施例的阀148仅仅是示例性的，并且在其他实施例中可以利用将出口 114选择性地联接至干燥器单元122或者空气出口 144的多个阀和路径。
[0049] 干燥器单元122也可以是任何适当的构造或配置的，并且被配置成从通过了阀148 并经由出口路径179进入了单元内的潮湿空气选择性地捕获和释放水。在一些实施例中，干 燥器单元122包括被连通至气态氧化剂入口 112和气态氧化剂出口 114的在其中具有干燥剂 材料的室。虽然在实施例中干燥器单元122包括硅胶，但其他吸湿性物质可以被可选地利用 以吸收来自潮湿空气的水。例如，在一些实施例中干燥器单元122可以包括硅胶、活性炭、氧 化铝、硫酸钙、氯化钙、蒙脱粘土和/或分子筛中的一个或多个。可以另外地或可选地利用具 有放热水吸收和吸热水脱附性质的其他构造或配置。另外地，可以可选地利用用于隔离来 自干燥器中的空气的湿度的其他机制。作为一个非限制性示例，干燥器单元可以包括被成 形为使来自其中的空气的水冷凝并隔离的太阳能蒸馏(solar sti 11)。还有，在一些实施例 中，可以采用被动或主动冷却的冷凝单元。例如，主动冷却可以通过珀耳帖/热电元件来实 现。在干燥器单元122被配置成在干燥剂中吸收并存储来自潮湿空气的水的实施例中，可以 领会的是水可以通加热干燥剂被选择性地释放。这样，在图示实施例中，干燥器单元122包 括加热器124,其可以被选择性地激活以借助加热干燥器单元122来加热干燥剂以将提取的 水从干燥器单元122选择性地释放。虽然图3的示意图未示出被加热和释放的水/蒸汽如何 可以流出干燥器单元122,但可以领会的是，可允许水进入外流路径155的多种配置在实施 例间都是可能的。例如，干燥器单元122可以被成形具有通向外流路径155的带角度的壁或 基部。作为另一示例，加热器124可以被配置成对水进行充分地加热以使水变成蒸汽，并且 将蒸汽导向至外流路径155。
[0050] 如图3所示，可选择性地关闭的阀146可以经由内流路径（inf low path) 177被连接 至干燥器单元122。阀146可以被配置成将内流路径177选择性地连接至干燥器单元122或空 气入口 142(以接收来自外侧的空气）、至电化学电池100的入口 112。在实施例中，阀146可以 位于在入口 112之前的在空气流动路径中的任何地方。另外，阀146可以是任何适当的构造 或配置的，并且在一些实施例中可以包括止回阀或簧片阀，并且可以被简单地配置成防止 不期望的回流。阀146的一些实施例的操作(例如，当它被选择性地打开和关闭时)在下面更 详细地进行讨论。可以领会的是，图示实施例的阀146仅仅是示例性的，并且在其他实施例 中可以利用将干燥器单元122选择性地联接至空气入口 142或者内流路径177的多个阀和路 径。
[0051 ]可以领会的是，电化学电池 100的操作可以修改水管理系统102的操作。具体地，水 管理系统102可以在当电化学电池100处于放电模式时与在当电化学电池100处于再充电模 式时相比不同地操作。例如，在电化学电池100被配置用于放电时的实施例中，可以在燃料 电极130与氧化剂电极150之间形成电位差，使得燃料电极130上的金属燃料被氧化，而氧化 剂(例如，空气入口 142中所接收的空气中的氧气)在氧化剂还原电极150处被还原。当电化 学电池100处于再充电模式时，氧离子可以被氧化以将气态氧发出至单独的充电电极140 和/或燃料电极130的一部分，而燃料离子可以至少在燃料电极130的另一部分处被还原成 在燃料电极130的至少该另一部分上的镀层金属燃料。可选地，水管理系统102可以被配置 成以不管电化学电池100的操作模式如何的模式来操作。
[0052]用于操作电化学电池的模式和条件的附加示例在下面参照所公开的实施例以及 其他操作场景进一步地进行描述。
[0053]在实施例中，水管理系统102处于电池加湿模式。加热器124被致动（或被打开）以 通过来自干燥剂材料的水的吸热脱附将水分提供至正被输入到电化学电池100内的空气。 干燥器单元122通过外侧或大气入口 175接收输入环境空气，使得它将水蒸气释放到输入空 气内，并且该潮湿空气通过对入口 112是打开的（并且对经由空气入口 142的环境空气的接 收是关闭的）阀146行进通过内流路径177。这样，系统102被配置成释放干燥器单元122中的 水蒸气(借助加热器124的致动）以产生通过气态氧化剂入口 112被输送到电池100的气态氧 化剂接收空间170内的潮湿气相，由此电化学电池100的水含量通过将具有受控湿度的气相 经由气态氧化剂接收空间170提供至氧化剂还原电极150来管理。在实施例中，当湿气被转 移到通过空气空间170的空气流动内时，阀148可以是打开的使得离开空气通道出口 114的 空气流动可以经由通向空气出口 144的路径被打开至大气。风扇132可以可选择地使用以使 空气的流动移动。
[0054]以上所描述的加湿模式可以在电化学电池100的放电模式、电池充电或再充电模 式、电池空闲模式或它们的组合期间同时发生。
[0055] 可选地，系统102可以被配置成在水捕获模式期间在干燥器单元122处从通过气态 氧化剂出口 114离开电化学电池100的潮湿气相捕获水蒸气。例如，在这样的模式中，环境空 气可以通过对大气是打开的（并且对从干燥器单元122的空气的接收是关闭的）阀146被接 收。当空气被导向到入口 122内并且流动通过空气空间170时，阀148可以是打开的（对大气 封闭）使得离开空气通道出口 114的空气流动可以进入干燥器单元122。在一些实施例中，可 以领会的是，外流路径155对空气出口是打开的，使得当从干燥器单元122中的潮湿空气吸 收湿气时，经过干燥的空气可以排放至大气。干燥器单元122可以因此吸收否则会通过氧化 剂还原电极150逸出至大气的最初来自离子导电介质的水分，引起了蒸发，并因此引起了离 子导电介质的增加的浓度。离开电化学电池1 〇〇的潮湿排气由干燥器单元122中的干燥剂介 质捕获以保持系统中的湿度(与随时间推移会使离子导电介质中的水含量下降的经由外流 路径155直接排气至环境空气相反）。风扇132可以可选择地使用以使空气的流动从中移动 通过。系统102因此仍然使来自电化学电池100的排放蒸汽在干燥器单元122中的水蒸气(单 元122摄取水分)释放。
[0056] 在实施例中，系统102被配置成如上面所提到的与电池放电期间同时地在干燥器 单元122处捕获水蒸气。
[0057]在实施例中，例如当电化学电池100是空闲或关着的并且处于再充电模式时，加热 器122和风扇132可以两者都是开着的以使水移动到电池内。阀146可以是打开的并且加热 器124可以将干燥器单元122加热以从那里释放水。于是，在通过加热器124进行加热期间， 选择器阀148可以对干燥器单元122是关闭的并且对大气(和空气出口 144)是打开的。这样， 被加热的水可以被导向通过入口 112，冷凝在离子导电介质的表面上，或者以其他方式与离 子导电介质重新组合。干燥器单元120中所吸收的水分可以被释放回到电池100的离子导电 介质内，并且可以在此被检测到时使加热器124去激活。
[0058]在实施例中，阀146可以对空气入口 112是关闭的（当氧化剂还原电极150可以是空 闲时），并且打开以使来自空气入口 142的环境空气导向通过内流路径177并进入干燥器单 元122内，使得干燥器单元122捕获其中的水蒸气。加热器124可以可选择地加热干燥器单元 122以从那里释放水，并且经由外流路径155排气至大气。可以领会的是，通过关闭阀146,来 自干燥器单元122的水可以被防止释放(例如，作为蒸汽)至空气入口 112。
[0059] 于是，与传统的蓄电池供水系统相反，液体水不是被直接供给回到电池内，而是经 由接触空气电极的潮湿气相被添加至电化学电池100。
[0060] 在一些实施例中，多个电化学电池可以共享共用的水管理系统。可以领会的是，这 样的水管理系统可以被配置成以便确保与之相关联的电化学电池中的每一个都维持其中 的离子导电介质的期望的量。还可以领会的是可以在其他实施例中利用附加的电化学电池 100。此外，可以在其他实施例中另外地或可选地利用其他电化学电池（例如，电化学电池 100*) 〇
[0061] 另外，可设想的是，在一些实施例中所公开的系统可以包括二氧化碳(C02)洗涤 器。在实施例中，二氧化碳洗涤器是继干燥器单元之后并且在电池的气态氧化剂入口之前 设置。如下面参照图4和图5的示例性实施例所图示和描述的，二氧化碳(C02)洗涤器被设计 成在被输入(例如，经由内流路径）到干燥器单元和/或空气入口内的空气被导向至电池的 入口之前使用二氧化碳洗涤器介质或多个介质从该空气中吸收二氧化碳(C02)。在实施例 中，二氧化碳洗涤器与干燥器单元串联并且在气态氧化剂入口之前设置(参见图4)。在实施 例中，二氧化碳洗涤器与干燥器单元并联并且在气态氧化剂入口之前设置(参见图5)。 [0062]当例如来自包含大约400ppmC02的常规空气的二氧化碳(C02)与电解质接触时，结 果是碳酸盐的形成。电解质中的碳酸盐的形成和存在可以使电池的电压减小，并最终引起 低循环寿命和/或故障。例如，C0 2可以与氢氧化钾(Κ0Η)电解质反应以根据等式1形成碳酸 钾，
[0063] 2K0H+C02 = K2CO3+H2O (1)
[0064] 碳酸盐、例如K2C03会在碱性电解质中逐渐积聚，降低了Κ0Η的电导率和碱度，由此 导致差的电池极化特性。此外，碳酸盐会在空气电极孔隙中沉积碳酸盐晶体，由此阻塞了氧 输送，并引起泄漏和缩短空气电极的寿命期。因此，本领域技术人员可以领会的是，在电池 的气态氧化剂入口（例如，112)之前设置C02洗涤器的一些优点包括较大的电池电压、较长 的电池循环寿命和较大的效率。
[0065] 在实施例中，图4或图5的二氧化碳洗涤器利用了从以下物质构成的组中选择出的 二氧化碳洗涤器介质或材料:苏打石灰、氢氧化钠、氢氧化钾、和氢氧化锂、过氧化锂、氧化 钙、碳酸钙、蛇纹岩、硅酸镁、氢氧化镁、橄榄石、分子筛、胺和单乙醇胺和/或它们的衍生物 和/或组合。
[0066] 二氧化碳(C02)洗涤器中的C02洗涤器介质可以被选择成具有较大的⑶2捕获效率 与较高的水含量。于是，将二氧化碳(C02)洗涤器与干燥器单元集成允许了 C02捕获介质的 效率上的增加以及C02捕获介质的"预润湿"（pre-wetting)(即，在电池放电之前）的选项两 者，使得被给送到放电电化学电池(100)内的空气蒸汽具有低C02浓度和高湿度两者。
[0067]现在参见示例性图示，图4是依照一个实施例的包括具有串联连接的干燥器单元 220和C02洗涤器240的多个电化学电池202a、202b和202c的水管理系统200的图。图4中图示 出的电池的数量仅是示例性的并且不意在限制性的。应该理解的是，电化学电池202a、202b 和202c中的每一个包括诸如参照图1和图2等先前在上面所提到的特征。例如，各电化学电 池202a至202c可以包括离子导电介质145和具有面对离子导电介质145的一个表面和面对 气态氧化剂接收空间170的相反表面的氧化剂接收电极150。各电池202a、202b、202c可以进 一步包括分别用于接收包括氧化剂的空气的气态氧化剂入口 210a、210b和210c及分别连接 穿过气态氧化剂接收空间170的气态氧化剂出口 212a、212b和212c，由此允许了气体的进入 和离开气态氧化剂接收空间170的输送。氧化剂被允许经由气态氧化剂入口 210a、210b和 210c进入气态氧化剂接收空间170并经由气态氧化剂出口 212a、212b和212c离开气态氧化 剂接收空间。与各电池202a至202c相关联的氧化剂还原电极150被配置成借助氧化剂面对 侧吸收气态氧化剂并且例如在电化学电池的放电模式期间减少气态氧化剂。
[0068]在图4的水管理系统200中，环境空气借助诸如入口通道202等的输入和阀224从大 气进入干燥器单元220。可选择地，风扇204可以设置以将空气拉入或推入干燥器单元220。 空气经由输入通道206被从干燥器单元220导向至与干燥器单元220串联连接的⑶2洗涤器 240。从C02洗涤器240,空气经由电池202a、202b和202c中的每一个的入口 210a、210b和210c 被输出。尽管经由入口 210a、210b和210c进入空间170内的空气流动的相对湿度可以有差 异，但在一些实施例中，通过气态氧化剂入口 210a、210b和210c被输送到气态氧化剂接收空 间170内的潮湿气相的相对湿度大于50%。
[0069] 在实施例中，风扇230a、230b和230c(分别）与系统200中的各电池202a、202b和 202c相关联。各风扇230a、230b和230c当被激活时诱发或创建具有氧化剂的空气的通过气 态氧化剂入口 210a、210b和210c进入气态氧化剂接收空间170内的流动，由此有助于独立地 对各电池的水含量的管理。在横穿各电池202a、202b和202c中的空气空间170并且由于其中 的水分含量而在湿度上增加（或者当期望降低电解质水平时、例如当空气呼吸电池在潮湿 区域中操作时去除水含量)之后，空气流动可以经由出口 212a、212b和212c离开与各电池 202a、202b和202c相关联的氧化剂还原电极模块160。再次，超过出口 212a、212b和212c的空 气流动的相对湿度可以例如取决于操作的模式而有差异。在一些实施例中，离开空气空间 170的相对湿度可以大于输入;在其他实施例中，离开空气空间170的相对湿度可以小于输 入的空气的湿度。可以领会的是，风扇230a、230b和230c可以进一步帮助将气体从气态氧化 剂出口 212a、212b和212c输送出来。可选地，在其他实施例中，用于整个电池块或系统的风 扇可以被设置用于将气体输送到气态氧化剂入口 210a、210b和210c内（和从气态氧化剂出 口 212a、212b 和 212c 输送出来）。
[0070] 离开空气通道出口 212a、212b和212c的潮湿空气可以通过可选择性地关闭的阀 218,例如经由空气出口216作为排气进入大气内或者经由出口路径214进入干燥器单元220 内。在实施例中，输出空气流动可以在通过空气出口 216被排气之前在水管理系统200的离 开空气歧管(未示出）处重新组合。
[0071] 在干燥器单元220被配置成在干燥剂中吸收和存储来自潮湿空气的水的实施例 中，可以领会的是水可以选择性地通过加热干燥剂来释放。这样，在图示实施例中，干燥器 单元220具有与之相关联的加热器225,其可以被选择性地激活以借助加热干燥器单元220 来加热干燥器以将提取的水从干燥器单元200选择性地释放。
[0072]在实施例中，干燥剂单元被旁通在输入上，但从离开电池的潮湿气相摄取水分。这 可以在环境空气的相对湿度小于大约50%并且电解质水平高时进行，使得水被从电池（多 个)去除。接着参见图4,环境空气经由入口通道202输入、经由输入通道207和阀224进入C02 洗涤器240内。从⑶2洗涤器240,空气经由电池202a、202b和202c中的每一个的入口 210a、 210b和210c被输出。风扇230a、230b和230c可以诱发或创建具有氧化剂的空气的通过气态 氧化剂入口 210a、210b和210c进入气态氧化剂接收空间170内的流动，由此有助于独立地对 各电池的水含量的管理。在横穿各电池202a、202b和202c中的空气空间170并且由于其中的 水分含量而在湿度上增加之后，空气流动可以经由出口 212a、212b和212c离开与各电池 202a、202b和202c相关联的氧化剂还原电极模块160。可以领会的是，风扇230a、230b和230c 可以进一步帮助将气体从气态氧化剂出口 212a、212b和212c输送出来。空气可以被导向至 干燥器单元220。在一个实施例中，空气可以经由出口216被从干燥器单元220排气。
[0073]在另一实施例中，空气可以以其潮湿气相作为输入经由输入通道206被输送到C02 洗涤器240内、例如用于水的摄取。在这样的情况中，可以理解的是，电池可能不是以放电模 式操作，因为潮湿相将与进入电池内的入口空气混合，这可以降低进入电池内的总体氧气。 [0074]在图4中的水管理系统200的图示实施例中，单独的流动路径从C02洗涤器240延 伸，这并不意味着限制性的。也就是，C02洗涤器240可以包括将空气导向至空气歧管（未示 出）的一个输出，该空气歧管接着将空气重新导向至电池202a、202b和202c的入口 210a、 210b和210c。
[0075]可以领会的是，在其他实施例中可以利用将通向或来自干燥器单元220、⑶2洗涤 器240的入口和出口及路径、和/或空气出口 216、222选择性地联接的多个阀和路径。
[0076]图5是依照另一实施例的包括具有并联连接的干燥器单元320和⑶2洗涤器240的 多个电化学电池302a和302b的水管理系统300的图。图5中图示出的电池的数量仅是示例性 的并且不意在限制性的。例如，各电化学电池302a、302b可以包括离子导电介质145和具有 面对离子导电介质145的一个表面和面对气态氧化剂接收空间170的相反表面的氧化剂还 原电极150。各电池302a、302b可以进一步包括分别用于接收包括氧化剂的空气的气态氧化 剂入口 310a、310b和分别连接穿过气态氧化剂接收空间170的气态氧化剂出口 312a、312b， 由此允许了气体的进入和离开气态氧化剂接收空间170的输送。与各电池302a、302b相关联 的氧化剂还原电极150被配置成借助氧化剂面对侧吸收气态氧化剂并且例如在电化学电池 的放电模式期间减少气态氧化剂。
[0077]在图5的水管理系统300中，二氧化碳洗涤器340与干燥器单元320并联并且在电池 302a、302b的气态氧化剂入口 310a、310b之前设置。环境空气经由诸如入口通道330等的输 入进入系统300。可选择地，风扇332可以被设置以将空气拉入或推入干燥器单元320内或者 C02洗涤器340内。例如，三通阀VI可以被设置以将环境空气从入口通道330导向至干燥器单 元或者⑶2洗涤器340,或两者。空气被从干燥器单元320或C02洗涤器340导向至电池302a、 302b中的每一个的入口 310a、310b。三通阀V2可以被设置并控制成允许来自干燥器单元320 的潮湿气相空气被输入到入口 310a、310b内以及经由打开的导管被输入到二氧化碳洗涤器 340内。通过释放干燥器单元320中的水蒸气(借助下面提到的加热器322的激活）以产生连 通至二氧化碳洗涤器340的潮湿气相，产生了二氧化碳洗涤器340的"预润湿"。在实施例中， 潮湿气相经由打开的导管(打开的阀V2)被从干燥器单元320连通至二氧化碳洗涤器340。 [0078]在图5中示出的实施例中，液体水储蓄器360可以可选择地被设置作为水管理系统 300的一部分。液体水储蓄器360可以被连接至⑶2洗涤器340和干燥器单元320。在实施例 中，液体水储蓄器360被配置成收集离开干燥器单元320的水用于(通过滴落或以其他方式） 传递至二氧化碳洗涤器340。例如，该过程可以在系统空闲或充电期间进行。在随后的放电 时，空气被导向至C02洗涤器(通过阀VI)，在那里相对湿度归因于在C02洗涤器介质上吸收/ 吸附的水的蒸发而增加，由此将空气加湿。空气接着通过阀V 2被导向到电池入口 310 a和 310b内。这允许了入口空气在放电期间被加湿而不用运行加热器322(这会减少系统输出功 率）。还有，它允许干燥器320在放电期间从离开电池的空气吸收水分。
[0079] 尽管经由入口 310a进入空间170内的空气流动的相对湿度可以有差异，但在一些 示例中，通过气态氧化剂入口 310a、310b被输送到气态氧化剂接收空间170内的潮湿气相的 相对湿度大于50 %。
[0080]在实施例中，风扇330a、330b(分别）与系统300中的各电池302a、302b相关联。各风 扇330a、330b当被激活时诱发或创建具有氧化剂的空气的通过气态氧化剂入口 310a、310b 进入气态氧化剂接收空间170内的空气的流动，由此有助于独立地对各电池的水含量的管 理。在横穿各电池302a、302b中的空气空间170并且由于其中的水分含量而湿度上增加之 后，空气流动可以经由出口 312a、312b离开与各电池302a、302b相关联的氧化剂还原电极模 块160。尽管超过出口 312a、312b的空气流动的相对湿度可以有差异，但在一些实施例中，离 开空气空间170的相对湿度可以是近似70%。当然，如先前所提到的，在横穿空气空间170并 且由于其中的水分含量而在湿度上增加之后，空气流动可以经由出口离开氧化剂还原电极 模块。再次，超过出口 312a、312b的空气流动的相对湿度可以有差异，离开空气空间170的相 对湿度也是，并且可以基于变化的条件(诸如上面提到的那些)而更改。可以领会的是，风扇 330a、330b可以进一步帮助将气体从气态氧化剂出口 312a、312b输送出来。可选地，在另一 实施例中，用于整个电池块或系统的风扇可以被设置用于将气体输送到气态氧化剂入口 310a、310b内（和从气态氧化剂312a、312b输送出来）。
[00811 离开空气通道出口 312a、312b的潮湿空气的剩余部分可以通过可选择性地关闭的 阀V3经由空气出口 344作为排气进入大气内或者经由出口路径379进入干燥器单元320内， 在下面更详细地描述。在实施例中，阀V3可以位于超过出口312a、312b的在空气流动路径中 的任何地方，并且在一些实施例中阀V3可以位于干燥器单元320内。另外，阀V3可以是任何 适当的构造或配置的，并且在一些实施例中可以包括止回阀或簧片阀，并且可以简单地配 置成防止不期望的回流。阀V3的一些实施例的操作(例如，当它被选择性地打开和关闭时） 在下面更详细地讨论。可以领会的是，图示实施例的阀V3仅仅是示例性的，并且在其他实施 例中可以利用将出口 312a、312b选择性地联接至干燥器单元320或者空气出口 344的多个阀 和路径。
[0082]在干燥器单元320被配置成在干燥剂中吸收并存储来自潮湿空气的水的实施例 中，可以领会的是水可以通过加热干燥剂被选择性地释放。这样，在图示实施例中，干燥器 单元320具有与之相关联的加热器322,其可以被选择性地激活以借助加热干燥器单元320 来加热干燥剂以将提取的水从干燥器单元320选择性地释放。例如，加热器322可以被配置 成对干燥剂材料进行充分地加热以使吸收的水变成蒸汽，并且将蒸汽导向至外流路径335， 由此绕过(bypass)将水分摄取到干燥剂单元320内的电池302a、302b。在实施例中，离开干 燥器单元320的潮湿气相的一小部分被导向至加湿电池302。
[0083]可以领会的是，例如可允许二氧化碳洗涤器340的"预润湿"的多种配置在实施例 间都是可能的。在实施例中，潮湿气相经由打开的导管、例如经由打开的阀V2被从干燥器单 元320连通至二氧化碳洗涤器340。在另一实施例中，潮湿气相经由液体水储蓄器360被连通 至二氧化碳洗涤器340。液体水储蓄器360被配置成收集离开干燥器单元320的水(例如，通 过借助来自加热器322的加热的蒸汽;通过滴落或以其他方式)用于传递至二氧化碳洗涤器 340 〇
[0084]可以领会的是，电化学电池302a、302b的操作可以修改水管理系统300的操作。具 体地，水管理系统300可以在当电化学电池302a、302b处于放电模式时与当电化学电池 302a、302b处于再充电模式时相比不同地操作。可选地，水管理系统300可以被配置成以不 管电化学电池302a、302b的操作模式如何的模式操作。
[0085]在实施例中，水管理系统300处于电池加湿模式。加热器322被致动（或被打开）以 加湿被输入到电化学电池100内的空气以使水移动到电池内。更具体地，干燥器单元133通 过入口通道330(和风扇332)接收输入空气，由于阀VI对干燥器单元320被打开并且对C02洗 涤器340封闭。于是，水蒸气被释放到空气内，并且该潮湿气相空气通过打开的V2被连通至 电池302a、302b的入口 310a、310b。在一些实施例中，该潮湿气相空气通过V2被连通至电池 302a、302b的入口 310a、310b以及经由打开的导管被连通至二氧化碳洗涤器340。这样，系统 300被配置成释放干燥器单元320中的水蒸气(借助加热器322的致动）以产生通过气态氧化 剂入口 310a、310b被输送到电池302a、302b的气态氧化剂接收空间170内的潮湿气相，由此 电化学电池302a、302b的水含量通过将潮湿气相经由气态氧化剂接收空间170供给至氧化 剂还原电极150来管理。在实施例中，风扇330a、330b可以可选择地使用以使空气的流动移 动到电池302a、302b内。
[0086]以上描述的加湿模式可以在电化学电池302a、302b的放电模式、电池充电或再充 电模式、电池空闲模式或它们的组合期间同时发生。在实施例中，洗涤器加湿模式在当外部 电网功率可得到时发生。
[0087]可选地，系统300可以被配置成在水捕获模式中在干燥器单元320处从通过气态氧 化剂出口 312a、312b离开电化学电池302a、302b、100的潮湿气相空气捕获水蒸气，由此捕获 离开电化学电池302的水蒸气。环境空气通过入口通道330被从大气接收并且被导向至C02 洗涤器340(并且对干燥器单元320是关闭的）。当空气被从洗涤器340导向到入口 310a、310b 内并且流动通过空气空间170时，阀V3可以是打开的（对大气或出口 344封闭）使得离开空气 通道出口 312a、312b的空气流动可以进入干燥器单元320。在一些实施例中，可以领会的是 外流路径355对空气出口是打开的，使得当从干燥器单元320中的潮湿空气吸收湿气时，经 过干燥的空气可以排放至大气。干燥器单元320因此可以吸收否则会通过氧化剂还原电极 150逸出至大气的最初来自离子导电介质的水分，引起了蒸发，并因此引起了离子导电介质 的增加的浓度。离开电化学电池302a、302b的潮湿排气由干燥器单元320中的干燥剂介质捕 获以保持系统中的湿度(与随时间推移会使离子导电介质中的水含量下降的经由排气355 直接排气至环境空气相反）。风扇330a、330b可以可选择地使用以使空气的流动从中移动通 过。系统300因此仍然使来自电化学电池302a、302b的排放蒸汽在干燥器单元320中的水蒸 气(单元320摄取水分)释放。
[0088]此外，在实施例中，系统300也被配置成释放干燥器单元320中的水蒸气(借助加热 器322的致动）以产生被连通至二氧化碳洗涤器340的潮湿气相，由此"预润湿"二氧化碳洗 涤器340。
[0089] 在另一实施例中，在电池放电模式期间，系统300被配置成将环境氧化剂输送通过 二氧化碳洗涤器340至电化学电池 302a、302b的气态氧化剂入口310a、310b，由此有助于气 态氧化剂的湿度和二氧化碳浓度的管理。
[0090] 在实施例中，系统300被配置成如上面提到的在电池放电模式期间同时地在干燥 器单元320处捕获水蒸气（电网关）。
[0091] 再次，应该领会的是，处于如参照图3至图5所描述的以上模式中的任何一个的电 化学电池的操作可以被选择以修改相关联的水管理系统的操作。水管理系统可以在当电化 学电池处于放电模式时与当处于再充电模式时相比不同地操作。可以在如这里所公开的电 化学电池中利用的操作的示例性模式被总结在下面的图表中：
[0092] 没有C02洗涤器时(例如，参见图3)
[0094] 具有C02洗涤器时(例如，参见图4和/或图5)
[0095]
[0096] 在一些实施例中，电化学电池的充电可以被配置成使风扇脱开，而在其他实施例 中风扇可以保持接合以使潮湿空气循环。在一些实施例中，风扇的操作可以是脉冲的或者 以其他方式呈间歇性，而在其他实施例中风扇可以连续地操作。此外，风扇的操作可以通过 与电化学电池相关联的定时电路、控制逻辑(或者与之相关联的人工控制器)和/或通过与 水管理系统相关联的传感器来控制。在其他实施例中其他配置也是可能的。
[0097] 可以领会的是，在其他实施例中可以利用将通向或来自干燥器单元320、⑶2洗涤 器340的入口和出口及路径、和/或空气出口 355或入口选择性地联接的多个阀和路径。还 有，尽管在实施例中的每一个中没有图示性地示出，但空气歧管可以设置在水管理系统中、 例如用于通向/来自电化学电池(多个)的输入和/或排气空气。
[0098]水管理系统的自矫平（self-leveling)特征可以参照图1中图示出的电化学电池 100来领会。如图所示，提供了在电化学电池100中的离子导电介质的液位L。可以领会的是， 在一些实施例中，电化学电池100可以在其中包含被配置成查明离子导电介质的液位的液 位传感器。控制可以基于液位传感器、环境温度、环境相对湿度、离开电池的相对湿度或它 们的组合。液位传感器可以是任何构造或配置的，包括但不限于浮力/浮球传感器、光学传 感器、热传感器、电导率传感器等等。在实施例中，当离子导电介质下降低于针对电化学电 池中的一个或多个的期望液位或预定下限时，系统进入并以除湿模式操作。也就是，加热器 124可以被激活以从干燥器单元122释放水。在其他实施例中，重新填充可以是基于定时器 电路或类似的控制机制自动的。在一些实施例中，与干燥器单元122相关联的传感器可以确 定何时激活加热器124。例如，液位传感器可以被联接至加热器124,并且激活加热器以从干 燥器单元122释放捕获的水。作为一个非限制性示例，如果传感器确定干燥剂完全饱和，然 而干燥器单元122内的湿度水平升高（指示出附加的水不能在干燥剂中被吸收），则加热器 124可以使水蒸发以试图重新补足电池室。当液位L大于预定上限时，系统进入水捕获模式。 其他配置也是可能的，并且可以在实施例间有差异。
[0099] 这里所描述的结构、构造和配置是示例性的，并且可以在实施例间有差异。在一些 实施例中，阀是被动的，不需要用于操作的外部控制。在一些实施例中，可以采用具有致动 的外部部件的主动阀。例如，这里所利用的阀可以是任何适当的配置的，包括但不限于三通 阀、簧片阀、双金属扣止回阀（bimetal snap check valve)、等等。阀可以通过任何适当的 源来激活，包括但不限于伺服系统、电子控制器、热（例如，来自加热器，例如元件124)或压 力(例如，来自通过风扇、例如元件132生成的空气流动，或来自与被加热的水蒸气相关联的 压力）。另外，歧管、管道、软管、连接或其他空气/水流动路径可以是任何适当的构造或配置 的，包括但不限于金属、塑料和/或橡胶。电化学电池(例如，电化学电池100)或水管理系统 (例如，水管理系统330)的其他组成部件可以类似地是有差异的构造或配置的。
[0100] 还有，尽管一个示例性实施例提到了作为燃料的锌的使用（以生成氧化锌），但依 照实施例，所公开的系统可以与任何类型的蓄电池电池(任何类型的碱性蓄电池和/或使用 氧化剂电极/阴极的蓄电池)一起使用以管理水。例如，各种类型的电化学电池、包括但不限 于金属-空气、Ni-Zn、Ni-Cd、铅-酸、Ag-Zn和/或Ni-MH蓄电池可以如先前所描述地利用所公 开的系统来捕获和释放水蒸气。取决于蓄电池的类型，气体的输送可以通过氧化剂还原电 极或通过另一类型的空气可渗透膜(例如，多孔含氟聚合物、多孔金属、多孔陶瓷等）。
[0101] 前述图示实施例只是用于说明本发明的结构和功能原理而提供的并且不意在限 制性。例如，本发明可以使用不同的燃料、不同的氧化剂、不同的电解质和/或不同的整体结 构配置或材料来实践。因此，本发明意在涵盖在前面随附权利要求的精神和范围内的所有 修改、替换、更改和等同物。
【主权项】
1. 一种用于管理一个或多个电化学电池中的水含量的系统，各电化学电池包括多个电 极和液体离子导电介质，所述系统包括： 气相导管，用于接收与所述电化学电池相关联的潮湿气相； 干燥器单元，被连接至各电化学电池并且被配置用于从所述潮湿气相提取水； 加热器，用于选择性地加热所述干燥器单元以将提取的水从所述干燥器单元选择性地 释放;和 二氧化碳洗涤器，被连接至所述干燥器单元、被配置成吸收二氧化碳， 其中，在水捕获模式期间，所述系统被配置成在所述干燥器单元处从离开电化学电池 的潮湿气相捕获水蒸气;并且其中，在电池加湿模式期间，所述系统被配置成借助加热器的 致动使干燥器单元中的水蒸气释放，以产生被输送到所述电化学电池内的潮湿气相。2. 权利要求1所述的系统，其中所述电化学电池包括燃料电极、气态氧化剂接收空间、 和具有面对所述离子导电介质的一个表面和面对所述气态氧化剂接收空间的相反表面的 氧化剂还原电极，气态氧化剂入口和气态氧化剂出口连接穿过所述气态氧化剂接收空间， 由此允许气体的进入和离开所述气态氧化剂接收空间的输送。3. 权利要求2所述的系统，其中所述二氧化碳洗涤器继所述干燥器单元之后并且在所 述气态氧化剂入口之前设置。4. 权利要求2所述的系统，其中所述二氧化碳洗涤器与所述干燥器单元并联并且在所 述气态氧化剂入口之前设置。5. 权利要求1所述的系统，其中所述水捕获模式与电池放电模式同时发生。6. 权利要求1所述的系统，其中所述加湿模式与电池充电模式、电池空闲模式、电池放 电模式或者它们的组合同时地发生。7. 权利要求1所述的系统，进一步包括用于将氧化剂的流动输送通过各电化学电池的 风扇。8. 权利要求7所述的系统，进一步包括与各电化学电池相关联的风扇，用于创建进入气 态氧化剂接收空间内的氧化剂的流动，由此有助于独立地对各电池的水含量的管理。9. 权利要求1所述的系统，进一步包括与各电化学电池相关联的液位传感器，所述液位 传感器感测所述离子导电介质的液位使得当所述液位低于预定下限时，所述电化学电池进 入除湿模式。10. 权利要求1所述的系统，进一步包括与各电化学电池相关联的液位传感器，所述液 位传感器感测所述离子导电介质的液位使得当所述液位大于预定上限时，所述电化学电池 进入所述水捕获模式。11. 权利要求1所述的系统，进一步包括与电化学电池相关联的液位传感器，其中所述 液位传感器被联接至所述加热器，并且激活所述加热器以将捕获的水从所述干燥器单元释 放。12. 权利要求1所述的系统，其中通过气态氧化剂入口被输送到气态氧化剂接收空间内 的所述潮湿气相的相对湿度大于50%。13. 权利要求1所述的系统，其中在洗涤器加湿模式期间，所述系统被配置成将干燥器 单元中的水蒸气释放，以产生被连通至所述二氧化碳洗涤器的潮湿气相，由此预润湿所述 二氧化碳洗涤器。14. 权利要求1所述的系统，其中在电池放电模式期间，所述系统被配置成将环境氧化 剂输送通过二氧化碳洗涤器至各电化学电池，由此有助于所述气态氧化剂的湿度和二氧化 碳浓度的管理。15. 根据权利要求13所述的系统，其中所述潮湿气相经由打开的导管被从所述干燥器 单元连通至所述二氧化碳洗涤器。16. 根据权利要求13所述的系统，其中所述潮湿气相经由液体水储蓄器被连通至所述 二氧化碳洗涤器，所述液体水储蓄器被配置成收集离开干燥器单元的水，用于传递至所述 二氧化碳洗涤器。17. 根据权利要求13所述的系统，其中离开所述干燥器单元的潮湿气相的一部分被导 向以加湿各电化学电池。18. 根据权利要求13所述的系统，其中所述洗涤器加湿模式在电池空闲模式期间发生。19. 根据权利要求13所述的系统，其中所述洗涤器加湿模式在当外部电网功率可用时 发生。20. 根据权利要求13所述的系统，其中离开电化学电池的潮湿气相被导向至干燥器单 元，由此捕获离开电化学电池的水蒸气。21. 根据权利要求1所述的系统，其中所述二氧化碳洗涤器包括从以下材料构成的组中 选择的材料:苏打石灰、氢氧化钠、氢氧化钾、和氢氧化锂、过氧化锂、氧化钙、碳酸钙、蛇纹 岩、硅酸镁、氢氧化镁、橄榄石、分子筛、胺和单乙醇胺、衍生物及其组合。22. -种用于管理一个或多个电化学电池中的水含量的方法，各电化学电池包括多个 电极和液体离子导电介质，所述方法包括： 在干燥器单元中接收来自所述一个或多个电化学电池的潮湿空气； 使用加热器选择性地加热所述干燥器单元； 使用被连接至所述干燥器单元的二氧化碳洗涤器吸收来自所述潮湿空气的二氧化碳； 和 使来自所述二氧化碳洗涤器的所述潮湿空气导向至所述离子导电介质。23. 根据权利要求22所述的方法，其中所述一个或多个电化学电池具有与之相关联的 风扇，并且其中所述方法进一步包括： 使用所述风扇用于使氧化剂的流动通过各电化学电池。24. 根据权利要求22所述的方法，进一步包括： 使用液体水储蓄器选择性地收集离开所述干燥器单元的水，和 借助所述液体水储蓄器选择性地将水传递至所述二氧化碳洗涤器。25. -种用于管理包括一个或多个电化学电池的系统中的水含量的方法，各电化学电 池包括多个电极和液体离子导电介质，所述系统进一步包括二氧化碳洗涤器，所述方法包 括： 使来自外部大气源的空气输入至所述二氧化碳洗涤器； 使用所述二氧化碳洗涤器吸收来自所述外部大气空气的二氧化碳； 使来自所述二氧化碳洗涤器的输出空气导向至所述一个或多个电化学电池的所述离 子导电介质;和 在干燥器单元中接收来自所述一个或多个电化学电池的潮湿空气， 其中所述干燥器单元和所述二氧化碳洗涤器被配置成被选择性连通地联接。26. 根据权利要求25所述的方法，其中所述一个或多个电化学电池具有与之相关联的 风扇，并且其中所述方法进一步包括： 使用所述风扇用于将氧化剂的流动输送通过各电化学电池。27. 根据权利要求25所述的方法，进一步包括： 使来自所述干燥器单元的潮湿空气选择性地输入至所述二氧化碳洗涤器和所述一个 或多个电化学电池的所述离子导电介质。28. 根据权利要求25所述的方法，进一步包括： 使用液体水储蓄器选择性地收集离开所述干燥器单元的水，和 借助所述液体水储蓄器将水选择性地传递至所述二氧化碳洗涤器。
【文档编号】H01M8/04276GK106025311SQ201610193287
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年3月30日
【发明人】R·克里施南, J·海耶斯, G·弗里森, S·芬克
【申请人】流体公司