采用氧化还原液流电池的燃料系统的制作方法

专利名称：采用氧化还原液流电池的燃料系统的制作方法
采用氧化还原液流电池的燃料系统相关申请本申请涉及2009年8月21日提交的名称为〃 Fuel System Using Redox Flow Battery"的序列号为61/235，859的美国临时申请和2009年4月6提交的名称为"Fuel System Using Redox Flow Battery"的序列号为61/166，958的美国临时申请。这些申请的全文以引用的方式并入。通过引用并入本文中引用的所有专利、专利申请和专利公开的全文据此以引用的方式并入，以便更充分地描述本领域的技术人员在截至本文所述的发明日期时已知的技术状态。
背景技术：
氧化还原液流电池，也称为液流电池或氧化还原电池或可逆燃料电池，是其中正极反应物和负极反应物在液体溶液中为可溶的金属离子的储能装置，上述金属离子在电池工作期间被氧化或还原。将两个可溶的氧化还原电对分别用于正极和负极来避免固相反应。氧化还原液流电池通常具有发电组件，该发电组件包括至少一个分隔正极反应物和负极反应物(也分别称为阴极浆料和阳极浆料)的离子输送膜，以及促进电子向外电路转移但不参与氧化还原反应(即集流体材料本身不进行法拉第活动(Faradaic activity))的正极集流体和负极集流体(也称为电极)。本文中提及了液流电池的部件和常规一次或二次电池的部件在术语上的差异。液流电池中的电极活性溶液通常称为电解质，并且具体地称为阴极浆料和阳极浆料，这与其中电解质仅为离子传输介质且不进行法拉第活动的锂离子电池的情况大不相同。在液流电池中，在其上发生氧化还原反应且电子在此传输到或传输自外电路的非电化学活性部件称为电极，而在常规一次或二次电池中，它们称为集流体。虽然氧化还原液流电池具有许多吸引人的特征，包括它们通过增加阴极浆料和阳极浆料贮存室的尺寸几乎可被构建到总充电容量的任意值的事实，但它们的缺陷之一在于其在很大程度上由金属离子氧化还原电对在液体溶剂中的溶解度决定的能量密度比较低。 可提高金属离子的溶解度的程度是有限的。在含水电解质电池，特别是利用锌作为电活性材料的电池的领域中，描述了含有金属颗粒悬浮液且其中该悬浮液流经膜和集流体的电解质。参见例如美国专利 No. 4，126，733和No. 5，368，952以及欧洲专利EP 0330290Β1ο此类电极的所述目的是防止有害的ai金属枝晶形成、防止有害的电极钝化、或提高电池放电时可溶解于正极中的锌酸盐的量。然而，此类含水电池的能量密度甚至在使用具有颗粒悬浮液的电解质时仍相对较低。此类电池不能提供足够高的比能来使电动车辆进行实际运行，也不能在比能或能量密度方面提供超过用于静止储能的常规氧化还原电池的极大改进，包括例如在网格服务或储存间歇式可再生能源(如风能和太阳能)中的应用
发明内容
描述了用于使用液流电池的燃料车辆的可交换式燃料槽。可交换式燃料槽包括可用于氧化还原液流电池中进行发电的阴极浆料和/或阳极浆料。如以下更详细地描述，所述阳极浆料和阴极浆料流经离子渗透膜和连接至外电路的电极，从而参与氧化还原化学过程。可交换式燃料槽和液流电池组电池(flow battery cell)(其组合称为“堆(stack)”) 的组合称为“电源系统”。燃料槽被构造为易于从电源系统中移除，并且易于排空和再填充。 因而，可更换废弃燃料和/或可在填充过程中改变质量或性质，以为电源系统提供更大的通用性或功能性。在其它实施方案中，电源系统配备有内部监测能力，从而可知晓电池状态。可监测的电源系统属性可提供关于阳极浆料和阴极浆料的充电状态的信息，即该槽是否为“满”或 “空”。监测系统也可提供关于该系统的其它性质的信息，以大体上提供关于电源系统的健康状态的信息且识别可能危险或需要校正的状态。在另一方面，电源系统可包括电能储存装置以及在一种一体化装置(integrated device)中同时为常规可充电电池和液流电池的电源。其适用于各种电池化学类型，包括含水电池(诸如，镍金属氢化物类型)以及非水电池(包括可充电锂电池、可充电钠电池或者基于其它碱性的或碱土的或非碱性的工作离子的电池)。鉴于基于锂离子化学的一个实施方案，此电池的基本构造具有隔板，如常规可充电锂电池中那样，该隔板的一侧为锂电池正极或负极或二者兼有。即，所述电极包含阴极活性材料或阳极活性材料，并且可包含该活性材料在金属集流体上的涂层，或可为独立式电极层(诸如包含该活性材料、任选地具有其它组分(如聚合物粘结剂或含碳导电剂或者金属添加剂或粘结剂)的密实层或烧结层)。 这些离子储存电极被称为静止电极。然而，与常规锂电池电极不同，所述静止电极中的一个或两个可渗透液流电池的阴极浆料或阳极浆料，从而在装置运行期间，可仅对静止电极上的活性材料、仅对液流电池的阴极浆料或阳极浆料或二者兼有进行充电或放电。在一个或多个实施方案中，氧化还原液流电池具有多电池堆设计，其包括阳极浆料或阴极浆料中的半固体反应物或稠密液体反应物。在一些实施方案中，通过流量阀和泵将氧化还原液流电池连接至阳极浆料储槽和阴极浆料储槽。在一些实施方案中，根据阳极浆料/阴极浆料的充电/放电阶段可使阳极浆料/阴极浆料的流动方向反向。在一些具体的实施方案中，储槽包括储存已放电的半固体反应物或稠密液体反应物的软外壳，可将该已放电的材料传送回装置中以进行充电。在一些实施方案中，通过歧管将半固体反应物或稠密液体反应物引入堆叠电池的每个电池隔室中。在一些实施方案中，可将阀门安装在歧管上。在一些实施方案中，可将阀门设置在电池隔室入口的正前方。在一些实施方案中，可将阀门设置在电池隔室出口的正后方。这些阀门可降低系统的短路风险。在一些实施方案中，一个或多个喷射器连接至半固体多堆叠电池的歧管，并且加压区域(充气室(plenum))形成于歧管内。可使用充气室将阴极浆料或阳极浆料递送至单个电池隔室或一组电池隔室中。在一些实施方案中，半固体氧化还原液流多电池堆或稠密液体氧化还原液流多电池堆可通过堆叠板来组装。所述氧化还原多电池堆的歧管通过将板堆叠在一起而形成。在一些具体的实施方案中，歧管的内表面可涂覆不导电材料，以使穿过液体的分路电流最小化。在一方面，包括设置在其内的电源系统的可移动装置的操作方法，包括
提供多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中正极集流体和离子渗透膜限定了容纳正电活性材料的正电活性区；其中负极集流体和离子渗透膜限定了容纳负电活性材料的负电活性区；其中正电活性材料和负电活性材料中的至少一种包含电活性区中的可流动的氧化还原组合物；至少一个用于将可流动的氧化还原组合物分配至正电活性区或负电活性区之一中的分配容器，其中该分配容器与多个液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该分配容器能够从液流电池处连接和断开；和至少一个用于从正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收容器，其中该接收容器与液流电池连接且与所述电活性区流体连通，并且该接收容器能够从液流电池处连接和断开；将分配容器中的可流动的氧化还原组合物引入电活性区中的至少一个中，以使液流电池放电，从而提供电能来操作装置；以及接收接收容器中的已放电的氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，该方法还包括通过将分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向电源系统补给燃料。在任何前述实施方案中，该方法还包括将接收容器更换为新的空接收容器。在任何前述实施方案中，可移动装置为车辆。在任何前述实施方案中，可移动装置为可移动发电机。在任何前述实施方案中，车辆为陆地、空中或水上运载工具。在任何前述实施方案中，氧化还原组合物包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，该组合物能够在电池工作期间吸收和释放离子。在任何前述实施方案中，该方法还包括通过将含有氧化还原组合物的分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向电源系统补给燃料。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于上述氧化还原组合物的特性。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的功率密度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的能量密度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的半固体粒度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的电活性材料浓度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物与上述氧化还原组合物相比具有较小的半固体粒度和较高的功率密度。
在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物与上述氧化还原组合物相比具有较高的电活性材料浓度和较高的能量密度。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成单体(unitary body)。在任何前述实施方案中，多个液流电池构成一组液流电池，并且分配容器和接收容器与液流电池堆可逆地连接。在任何前述实施方案中，液流电池并联连接。在任何前述实施方案中，液流电池串联连接。在任何前述实施方案中，该方法还包括提供设置于分配容器和接收容器中的一个或两个与液流电池堆之间的泵。在任何前述实施方案中，泵为可对两个方向上的流量进行操作的可逆式流量泵。在任何前述实施方案中，分配容器或接收容器包括柔性软外壳。在任何前述实施方案中，该方法还包括设置在每个燃料电池的入口处的阀门，以控制进入相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻液流电池之间的分路电流最小化。在任何前述实施方案中，该方法还包括提供多孔喷射系统，该系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。在任何前述实施方案中，多孔喷射系统包括多个隔室，每个隔室与液流电池堆中的液流电池的子组和用于将氧化还原组合物引入每个隔室中的喷射器流体连通。在任何前述实施方案中，多个隔室中的压力大于电活性区中的压力。在任何前述实施方案中，该方法还包括具有用于使液流电池堆中的冷却剂循环的冷却系统。在任何前述实施方案中，该方法还包括提供连接至分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测分配容器或接收容器中的一个或两个的氧化还原组合物的体积或含量。在任何前述实施方案中，该方法还包括用新鲜的氧化还原组合物来补充分配容器。在任何前述实施方案中，补充分配容器包括将新的氧化还原组合物引入分配容器中。在任何前述实施方案中，该方法还包括从接收容器中移除已放电的氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，从接收容器中移除已放电的氧化还原组合物包括排空接收容器中的已放电的氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成单体，该单体具有位于接收隔室和分配隔室之间的可移动膜，并且该方法还包括将单体更换为新的单体，该新的单体包括含有新鲜可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电力储存容器以及空的废弃的氧化还原组合物储存容器。在任何前述实施方案中，该方法还包括监测分配容器或接收容器中的可流动的氧化还原组合物的液位。在任何前述实施方案中，该方法还包括
将氧化还原组合物的流动方向反向，以使得废弃的氧化还原组合物从接收容器流向电活性区；以及向电源系统施加反向电压，以对已放电的氧化还原组合物进行再充电。在任何前述实施方案中，该方法还包括使再充电的氧化还原组合物从电活性区前移至分配容器中，以进行储存。在任何前述实施方案中，废弃的氧化还原组合物的流量由可逆泵控制。在任何前述实施方案中，选择已放电的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物的粒度，以提供预选的功率密度。在任何前述实施方案中，选择已放电的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物的以重量％计的荷载，以提供氧化还原组合物的预选的能量容量。在任何前述实施方案中，该方法还包括在放电之前、之中或之后监测氧化还原组合物的状态。在任何前述实施方案中，监测的状态包括阴极氧化还原组合物或阳极氧化还原组合物的温度、流速或相对量。在任何前述实施方案中，该方法还包括根据监测结果来改变氧化还原组合物的性质。在任何前述实施方案中，该方法还包括增加氧化还原组合物沿着电活性区的流速，以增加液流电池的功率。在任何前述实施方案中，该方法还包括重新调整可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，上述重新调整包括从氧化还原组合物中分离残余水；添加附加盐以提高离子电导性；添加溶剂或电解质添加剂；添加包括用于离子储存的活性材料或导电添加剂的附加固相；从液体电解质中分离固相；添加助凝剂；更换液体电解质；或其任意组合。在任何前述实施方案中，液流电池中的至少一个包括包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电极，该组合物能够在电池工作期间吸收和释放离子；和静止电极。在另一方面，包括设置在其内的电源系统的静止装置的操作方法，包括提供多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中正极集流体和离子渗透膜限定了容纳正电活性材料的正电活性区；
其中负极集流体和离子渗透膜限定了容纳负电活性材料的负电活性区；其中正电活性材料和负电活性材料中的至少一种包含电活性区中的可流动的氧化还原组合物；至少一个用于将可流动的氧化还原组合物分配至正电活性区或负电活性区之一中的分配容器，其中该分配容器与多个液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该容器能够从液流电池处连接和断开；和至少一个用于从正或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收容器，其中该接收容器与液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该容器能够从液流电池处连接和断开；将分配容器中的可流动的氧化还原组合物引入电活性区中的至少一个中，以使液流电池放电，从而提供电能来操作装置；以及接收接收容器中的已放电的氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，该方法还包括通过将分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向电源系统补给燃料。在任何前述实施方案中，该方法还包括将接收容器更换为新的空接收容器。在任何前述实施方案中，静止装置为静止发电机。在任何前述实施方案中，氧化还原组合物包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，该组合物能够在电池工作期间吸收和释放离子。在任何前述实施方案中，该方法还包括通过将含有氧化还原组合物的分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向电源系统补给燃料。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于上述氧化还原组合物的特性。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的功率密度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的能量密度。在任何前述实施方案中，多个液流电池构成一组液流电池，并且分配容器和接收容器与液流电池堆可逆地连接。在任何前述实施方案中，该方法还包括提供连接至分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测分配容器或接收容器中的一个或两个的氧化还原组合物的体积或含量。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成单体，该单体具有位于接收隔室和分配隔室之间的可移动膜，并且该方法还包括将单体更换为新的单体，该新的单体包括含有新鲜可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电力储存容器以及空的废弃的氧化还原组合物储存容器。在任何前述实施方案中，该方法还包括将氧化还原组合物的流动方向反向，以使得废弃的氧化还原组合物从接收容器流向电活性区；以及向电源系统施加反向电压，以对已放电的氧化还原组合物进行再充电。
在另一方面，描述了包括设置在其内的电源系统的车辆，该电源系统包括多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中正极集流体和离子渗透膜限定了容纳正电活性材料的正电活性区；其中负极集流体和离子渗透膜限定了容纳负电活性材料的负电活性区；其中正电活性材料和负电活性材料中的至少一种包含电活性区中的可流动的氧化还原组合物；至少一个用于将可流动的氧化还原组合物分配至正电活性区或负电活性区之一中的分配容器，其中该分配容器与多个液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该容器能够从液流电池处连接和断开；和至少一个用于从正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收容器，其中该接收容器与液流电池连接且与电活性区体连通，并且该容器能够从液流电池处连接和断开；其中设置分配容器以提供移除和更换途径。在任何前述实施方案中，电源系统能够通过将含有可流动的氧化还原组合物的分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来补给燃料。在任何前述实施方案中，接收容器能够被更换为新的空接收容器。在任何前述实施方案中，氧化还原组合物包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，该组合物能够在电池工作期间吸收和释放离子。在任何前述实施方案中，电源系统能够通过将含有可流动的氧化还原组合物的分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来补给燃料。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于上述氧化还原组合物的特性。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的功率密度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的能量密度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的半固体粒度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的电活性材料浓度。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成单体。在任何前述实施方案中，多个液流电池构成一组液流电池，并且分配和接收容器与液流电池堆可逆地连接。在任何前述实施方案中，电源系统还包括设置于分配容器和接收容器中的一个或两个与液流电池堆之间的泵。在任何前述实施方案中，泵为可对两个方向上的流量进行操作的可逆式流量泵。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器包括柔性软外壳。
在任何前述实施方案中，车辆还包括设置在每个燃料电池的入口处的阀门，以控制进入相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻燃料电池之间的分路电流最小化。在任何前述实施方案中，车辆还包括多孔喷射系统，该系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。在任何前述实施方案中，车辆还包括连接至分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测分配容器或接收容器中的一个或两个的氧化还原组合物的体积或含量。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成单体，该单体具有位于接收隔室和分配隔室之间的可移动膜，并且该方法还包括将单体更换为新的单体，该新的单体包括含有新鲜可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电力储存容器以及空的废弃的氧化还原组合物储存容器。在另一方面，电源系统包括多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中正极集流体和离子渗透膜限定了容纳正极的正电活性区；其中负极集流体和离子渗透膜限定了容纳负极的负电活性区；其中正极和负极中的至少一个包含电活性区中的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，该组合物能够在电池工作期间吸收和释放离子；至少一个用于将可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物分配至正电活性区或负电活性区之一中的分配储存容器，其中该分配储存容器与多个液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该分配容器能够从液流电池处连接和断开；和至少一个用于从正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收储存容器，其中该接收容器与液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该接收容器能够从液流电池处连接和断开。在任何前述实施方案中，正极具有包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的阴极浆料，并且负极具有包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的阳极浆料。在任何前述实施方案中，电力储存容器和废弃的氧化还原组合物储存容器构成单体。在任何前述实施方案中，多个液流电池构成一组液流电池，其中每个液流电池包括至少一个包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电极，该组合物能够在电池工作期间吸收或释放离子；并且分配容器和接收容器与液流电池堆可逆地连接。在任何前述实施方案中，液流电池并联连接。在任何前述实施方案中，液流电池串联连接。在任何前述实施方案中，电源系统还包括设置于分配容器和接收容器中的一个或两个与液流电池之间的泵。
在任何前述实施方案中，泵为可逆式流量泵。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器包括柔性软外壳。在任何前述实施方案中，电源系统还包括设置在每个燃料电池的入口处的阀门， 以控制进入相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻燃料电池之间的分路电流最小化。在任何前述实施方案中，电源系统还包括多孔喷射系统，该系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。在任何前述实施方案中，多孔喷射系统包括用于将氧化还原组合物引入隔室中的喷射器，该隔室向所有液流电池的子部分提供氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，多孔喷射系统提供的隔室压力大于电活性区的压力，以使每个液流电池之间的分路电流最小化。在任何前述实施方案中，电源系统还包括用于使液流电池中的冷却剂循环的冷却系统。在任何前述实施方案中，电源系统还包括连接至电力储存容器的液位计，以监测可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的充电状态。在另一方面，描述了操作电源系统的方法，包括提供电源系统，其包括多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中正极集流体和离子渗透膜限定了容纳正极的正电活性区；其中负极集流体和离子渗透膜限定了容纳负极的负电活性区；其中正极和负极中的至少一个包含电活性区中的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，该组合物能够在电池工作期间吸收和释放离子；至少一个用于将可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物分配至正电活性区或负电活性区之一中的分配储存容器，其中该分配储存容器与多个液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该分配容器能够从液流电池处连接和断开；和至少一个用于从正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收储存容器，其中该接收容器与液流电池连接且与电活性区流体连通，并且该接收容器能够从液流电池处连接和断开；将分配容器中的可流动的氧化还原组合物引入至少一个电活性区中，以使液流电池放电，从而提供电能来操作装置；以及接收接收容器中的已放电的氧化还原组合物。通过将含有氧化还原组合物的分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向电源系统补给燃料。在任何前述实施方案中，该方法还包括将接收容器更换为新的空接收容器。
在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于上述氧化还原组合物的特性。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的功率密度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的能量密度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的半固体粒度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物和上述氧化还原组合物具有不同的电活性材料浓度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物与上述氧化还原组合物相比具有较小的半固体粒度和较高的功率密度。在任何前述实施方案中，新鲜的氧化还原组合物与上述氧化还原组合物相比具有较高的电活性材料浓度和较高的能量密度。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成单体。在任何前述实施方案中，多个液流电池构成一组液流电池，并且分配容器和接收容器与液流电池堆可逆地连接。在任何前述实施方案中，液流电池并联连接。在任何前述实施方案中，液流电池串联连接。在任何前述实施方案中，电源系统还包括设置于分配容器和接收容器中的一个或两个与液流电池堆之间的泵。在任何前述实施方案中，泵为可对两个方向上的流量进行操作的可逆式流量泵。在任何前述实施方案中，分配容器或接收容器包括柔性软外壳。在任何前述实施方案中，该方法还包括设置在每个燃料电池的入口处的阀门，以控制进入相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻液流电池之间的分路电流最小化。在任何前述实施方案中，该方法还包括提供多孔喷射系统，该系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。在任何前述实施方案中，多孔喷射系统包括多个隔室，每个隔室与液流电池堆中的液流电池的子组和用于将氧化还原组合物引入每个隔室中的喷射器流体连通。在任何前述实施方案中，多个隔室中的压力大于电活性区中的压力。在任何前述实施方案中，该方法还包括具有用于使液流电池堆中的冷却剂循环的冷却系统。在任何前述实施方案中，该方法还包括提供连接至分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测分配容器或接收容器中的一个或两个的氧化还原组合物的体积或含量。在任何前述实施方案中，该方法还包括用新鲜的氧化还原组合物来补充分配容
ο在任何前述实施方案中，补充分配容器包括将新的氧化还原组合物引入分配容器中。在任何前述实施方案中，该方法还包括从接收容器中移除已放电的氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，从接收容器中移除已放电的氧化还原组合物包括排空接收容器中的已放电的氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，分配容器和接收容器构成单体，该单体具有位于接收隔室和分配隔室之间的可移动膜，并且该方法还包括将单体更换为新的单体，该新的单体包括含有新鲜可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电力储存容器以及空的废弃的氧化还原组合物储存容器。在任何前述实施方案中，该方法还包括监测分配容器或接收容器中的可流动的氧化还原组合物的液位。在任何前述实施方案中，该方法还包括将氧化还原组合物的流动方向反向，以使得废弃的氧化还原组合物从接收容器流向电活性区；以及向电源系统施加反向电压，以对已放电的氧化还原组合物进行再充电。在任何前述实施方案中，该方法还包括使再充电的氧化还原组合物从电活性区前移至分配容器中，以进行储存。在任何前述实施方案中，所述废弃的氧化还原组合物的流量由可逆泵控制。在任何前述实施方案中，选择已放电的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物的粒度，以提供预选的功率密度。在任何前述实施方案中，选择已放电的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物的以重量％计的荷载，以提供氧化还原组合物的预选的能量容量。在任何前述实施方案中，该方法还包括在放电之前、之中或之后监测氧化还原组合物的状态。在任何前述实施方案中，监测的状态包括阴极氧化还原组合物或阳极氧化还原组合物的温度、流速或相对量。在任何前述实施方案中，该方法还包括根据监测结果来改变氧化还原组合物的性质。在任何前述实施方案中，该方法还包括增加氧化还原组合物沿着电活性区的流速，以增加液流电池的功率。在任何前述实施方案中，该方法还包括重新调整可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物。在任何前述实施方案中，上述重新调整包括从氧化还原组合物中分离残余水；添加附加盐以提高离子电导性；添加溶剂或电解质添加剂；添加包括用于离子储存的活性材料或导电添加剂的附加固相；从液体电解质中分离固相；添加助凝剂；
更换液体电解质；或其任意组合。在任何前述实施方案中，液流电池中的至少一个包括包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电极，该组合物能够在电池工作期间吸收和释放离子；和静止电极。


参照以下附图描述该主题，以下附图仅出于说明目的而示出而并不旨在限制本发明。图1为根据一个或多个实施方案的电源系统的图示，该系统具有能量堆和可互换式燃料容器。图2为根据一个或多个实施方案的能量堆的横截面图示，其示出了将阳极浆料和阴极浆料引入该堆中。图3为根据一个或多个实施方案的具有并联电连接电池的能量堆的横截面图示。图4为根据一个或多个实施方案的多个串联电连接的能量堆的横截面图示。图5为根据一个或多个实施方案的可拆卸式燃料储存系统的图示。图6A-6B为根据一个或多个实施方案的具有可移动膜的燃料槽的图示。图7A-C为根据一个或多个实施方案的含有不同等级的阳极浆料或阴极浆料的燃料槽的图示。图8A-C为根据一个或多个实施方案的含有不同功率等级的阳极浆料或阴极浆料的燃料槽的图示。图9A-9B示出了根据多个实施方案的阳极浆料燃料槽和阴极浆料燃料槽的再充电和更换情况。图10示出了根据一个或多个实施方案的多氧化还原液流电池堆装置。图11示出了根据一个或多个实施方案的多氧化还原液流电池堆，其中阴极浆料和阳极浆料的流动方向是可逆的。图12A-12E示出了根据一个或多个实施方案的多电池半固体液流电池堆设计和可并入该设计中的各种阀门类型。图13示出了根据一个或多个实施方案的用于半固体液流多电池堆的多孔喷射系统。图14示出了根据一个或多个实施方案的由堆叠板组装的具有多氧化还原液流电池堆设计的双极板之一的平面图。图15示出了根据一个或多个实施方案的半固体液流多电池堆设计，其中歧管通过将这些板堆叠在一起而形成。
具体实施例方式描述了汽车或其它电源系统(包括液流电池)，其中提供电源的堆易于与容纳阴极浆料和阳极浆料(或者称为“燃料”)的储存容器隔离。还提供了一种使用方法，其中“燃料”槽可拆卸且在充电站中分别充电，并且已充电的燃料以及槽被放回车辆或其它电源系统中，以允许快速补给燃料。该技术还提供了一种对已放电的燃料进行充电的充电系统。可将已充电的燃料置于电源处的储槽中或返回车辆中。在一些实施方案中，储槽中的已充电的燃料可在以后使用。可输送或储存已充电的燃料，以在不同的地方或时间使用。
根据一个或多个实施方案的电源系统包括氧化还原液流电池，其中燃料的正极浆料或阳极浆料中的至少一种为半固体反应物或稠密液体反应物，并且其中至少一种电极活性材料被输送到或输送自发生电化学反应的组件，以产生电能。“半固体”是指该材料是液相与固相的混合物，此混合物也称为浆料、颗粒悬浮液、胶态悬浮液、乳液或胶束。在一些实施方案中，半固体的固体组分包含至少一种材料，该材料与电池的工作离子发生反应或形成合金或发生插层反应，以产生或储存电能。从而，在电池工作期间，氧化还原电对的电活性材料可以其两种氧化状态保留在半固体中，而不进入溶液中。因此，电活性材料的溶解度不再限制其在电活性区中的浓度，从而导致电活性材料在液流电池中的有效浓度大幅度增加。从而，极大地增加了使用半固体氧化还原组合物的电池的能量密度。负载电活性组分的液体可为含水或无水。在一些实施方案中，氧化还原液流电池包括非水电池，包括(但不限于)碱离子可充电电池，其中工作离子为碱离子。通常用作电解质溶剂的溶剂可用作半固体阴极浆料或半固体阳极浆料中的液体。如本文所用，稠密液体或稠密离子存储液体是指如在含水液流电池的阴极电解质或阳极电解质中那样不仅为溶剂的液体，而是该液体本身具有氧化还原活性。该液体形式还可被另一种非氧化还原活性液体(其为稀释剂或溶剂)稀释或与之混合，包括与此类稀释剂混合以形成较低熔点的液相、乳液或胶束(包括该离子存储液体)。相似地，在电池工作期间，氧化还原电对的工作离子可以其两种氧化状态保留在稠密的液相中，而不进入溶液中。因此，电活性材料的溶解度不再限制其在电活性区中的浓度，从而导致电活性材料在液流电池中的有效浓度大幅度增加。从而，极大地增加了使用稠密液体氧化还原组合物的电池的能量密度。 在一些实施方案中，氧化还原液流电池为一次或可充电锂电池。在一些实施方案中，至少一个储能电极包含氧化还原活性材料的稠密液体，包括(但不限于)锂金属、镓和铟合金、熔融的过渡金属氯化物、亚硫酰氯等。关于氧化还原电池的更多信息可存在于2008 年6月12曰提交的名称为"High Energy Density Redox Flow Battery"的共同待审的临时专利申请号61/060972中，该申请的全文以引用的方式并入本文。
常规的液流电池阳极电解质和阴极电解质与本文中举例说明的离子存储固相或液相之间的一个区别为存储化合物中氧化还原物质的克分子浓度或摩尔浓度。例如，具有溶于水溶液的氧化还原物质的常规阳极电解质或阴极电解质以摩尔浓度计通常可限制在 2M至8M的浓度内。为了达到该浓度范围的较高限值，强酸性溶液可能是必要的。相比之下，本文所述的任何可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物在按每升摩尔数或摩尔浓度计时，可具有至少10M、优选地至少12M、再优选地至少15M和更优选地至少20M的氧化还原物质的浓度，因为电活性材料的溶解度不再限制其在液流电池中的浓度。该电化学活性材料可为离子存储材料或能够进行法拉第反应以便储存能量的任何其它化合物或离子络合物。该电活性材料也可为多相材料，包括与非氧化还原活性相混合的上述氧化还原活性固相或液相，包括固-液悬浮液或液-液多相混合物，包括具有与负载液相紧密混合的液体离子存储材料的胶束或乳液。对于用于可流动的离子存储氧化还原组合物的半固体存储化合物和稠密液体存储化合物二者而言，考虑了利用多种工作离子的体系，包括其中H+或OH—为工作离子的含水体系、非水体系，该非水体系中Li+、 Na+或其它碱离子为工作离子，甚至有碱土金属工作离子(诸如，Ca2+和Mg2+或Al3+)。在每个这些情况下，可能需要负极存储材料和正极存储材料，负极在比正极更低的绝对电势下储存感兴趣的工作离子。可通过两种离子存储电极材料的离子存储电势差来大致确定电池电压。在一些实施方案中，电池的“堆”或发电部分可逆地耦接至容纳阴极浆料和阳极浆料的容器。电源系统在图1中示出。电源系统包括容纳用于阳极浆料和阴极浆料流动的电极和室的能量堆100。阳极浆料通过泵(未示出)经由入口导管130从容器120抽吸到能量堆中。导管130和容器120配有快速断开配件140，该配件使得容器与电源系统脱开和连接。相似地，阴极浆料通过泵(未示出)经由入口导管160从容器150抽吸到能量堆中。 导管160和容器150配有快速断开配件170，该配件使得容器与电源系统脱开和连接。分别用出口导管135和165将耗尽或“废弃”的阳极浆料和阴极浆料从该堆中移除。出口导管还配有快速脱开配件(未示出)。能量堆100还可任选地具有快速断开配件155、155。因而，该容器或燃料容器可从系统中移除且在阳极浆料或阴极浆料耗尽或“废弃”时可易于更换或再填充。在一些实施方案中，氧化还原组合物流体通过液流电池不断循环，同时在每次流过时进行轻微充电和放电。导管可为刚性或柔性的，并且可由能够承受一系列温度条件且在与浆料接触时化学稳定的常规材料制备。示例性材料包括金属(诸如铜或黄铜或不锈钢)、弹性体、聚烯烃以及含氟聚合物(诸如Teflon )。这些配件可为任何常规配件，其用于连接和断开管子或管道，选其以提供密封且在与本发明浆料接触时是化学稳定的。示例性配件包括通常称为快速断开软管配件或液压快速断开联轴器的那些配件。图2为能量堆的内部的剖视图，其示出了阳极浆料和阴极浆料的进入歧管。能量堆包括多个电池，每个电池包含与阴极浆料210接触的正极200、与阳极浆料230接触的负极220以及将阳极浆料与阴极浆料分离的离子导电膜M0。在一个或多个实施方案中，这些电极与电极两面上的相应阳极浆料和阴极浆料接触。因而，电池可以固体电池领域中已知的相向布置方式有效地布置。每个电池包括使阳极浆料流入的阳极浆料入口 250和使阴极浆料流入的阴极浆料入口沈0。阳极浆料入口可为具有来自阳极浆料容器120的单入口源 270的歧管的一部分。阴极浆料入口可为具有来自阳极浆料容器120的单入口源观0的歧管的一部分。分流可发生在能量堆的内部或外部。能量堆可被布置用于提供并联或串联电连接的多个电化学电池，以提供具有一组所需性质的电源系统。电池组通过串联连接多个电池获得其所需的工作电压。例如，串联连接的电化学电池将产生一种电池，其中系统的总电压为各个电池电压的总和。如果需要较高的容量和电流处理，则并联连接电池。一些电池组具有串联和并联的结合。图3为其电池为并联电连接的电堆的剖视图。包括多个正极集流体200的堆连接在正极端子300处。同样，多个负极集流体220连接在负极端子310处。还可串联或并联连接各个能量堆，以提供所需的电池性能。图4为串联连接的多个能量堆400、410、420的透视图。该能量堆的各个电池可串联或并联连接。电源系统可包括任何数量的单独的能量堆，以提供所需电压。
在操作中，每个能量堆均具有歧管，以向如图2和3所示的各个电池分配输入的阴极浆料和阳极浆料。如果存在多个堆，则会有通向每个堆上的阴极输入的主阴极浆料流送管线。同样可使用具有阳极浆料的主阳极浆料流送管线。根据一个或多个实施方案，液流电池堆结合在能量系统中。图10示出了多氧化还原液流电池堆装置1001。如图10所示，多电池堆装置包括位于该装置末端的端电极 1019(阳极)和端电极1020(阴极)以及一个或多个双极性电极(诸如1021)。在电极之间，该多电池堆装置还包括阳极浆料隔室(如1015)和阴极浆料隔室(如1016)。这两个隔室通过离子导电膜(如102 分隔。重复该布置方式，以将多电池设计包括在该装置中。阳极浆料隔室和阴极浆料隔室中阳极浆料和阴极浆料中的至少一种含有如上所述的半固体或稠密液体。双极性电极1021包括朝向阴极浆料电池隔室1016的阴极(阴极集流体)1025 和朝向阳极浆料电池隔室1027的阳极(阳极集流体)1(^6。散热器或绝缘体层10 设置在阴极1025和阳极10 之间。在一些实施方案中，该散热器包括冷却剂。图10中描述的电极布置方式与图2中不同，并且表示多氧化还原液流电池堆的替代设计，即单独的电池代替相向的电池。集流体(电极)具有电子导电性，并且在电池的操作条件下应具有电化学惰性。用于锂氧化还原液流电池的典型集流体包括以片材或网片形式的用于负极集流体的铜、铝或钛和用于正极集流体的铝，或者集流体可分布在电解质中且使得流体流动的任何构造。集流体材料的选择为本领域的技术人员所熟知。在一些实施方案中，铝被用作正极的集流体。 在一些实施方案中，铜被用作负极的集流体。膜可为能够进行离子传输的任何常规膜。在一个或多个实施方案中，该膜为可使离子由其传输的液体不可渗透的膜，即固体或凝胶离子导电体。在其它实施方案中，该膜为注入液体电解质的多孔聚合物膜，其使得离子在阳极电活性材料和阴极电活性材料之间往复运动，同时防止电子转移。在一些实施方案中，该膜为防止构成正极和负极的可流动组合物的颗粒穿过其中的微孔膜。示例性膜材料包括其中将锂盐络合以提供锂导电性的聚氧化乙烯(PEO)聚合物，或为质子导体的Nafion 膜。例如，PEO基电解质可用作不含针孔且为固体离子导电体的膜，该膜任选地通过其它膜(诸如，作为支撑层的玻璃纤维隔板)来稳定。PEO也可用作正极或负极的可流动氧化还原组合物中的浆料稳定剂、分散剂等。PEO在与典型的基于碳酸烷基酯的电解质接触时是稳定的。这尤其可用于正极的电池电势比Li 金属低约3. 6V的磷酸盐基电池化学中。必要时可提高氧化还原电池的工作温度，以提高膜的离子电导性。在一些实施方案中，双极性电极包括由冷却剂区域分隔的阴极和阳极，以通过双极性电极引入冷却剂。冷却剂的非限制性实例包括乙二醇和水。多电池堆装置连接至储存阳极浆料的阳极浆料储槽1002。如图10所示，正排量泵 1004用于通过流量计1006和止回阀1007将阳极浆料抽吸到歧管1013中，该歧管将阳极浆料递送至多个阳极浆料电池隔室(如1015)中。通过歧管1017、流量阀1011将已放电的阳极浆料移除，并且使其回到槽1002中。相似地，正排量泵1005用于通过流量计1023和止回阀IOM将储槽1003中的阴极浆料抽吸到歧管1014中，该歧管将阴极浆料递送至阴极浆料电池隔室(如1016)中。通过歧管1018、流量阀1012将已放电的阴极浆料移除，并且使其回到槽1003中。
正排量泵通过捕集固定量的流体使流体移动，然后促使(迫使)该捕集的量穿过泵。正排量泵1004或正排量泵1005可通过该泵使流体损耗最小化，并且可使用本领域中已知的任何正排量泵。另外，可采用其它流体传输方式。流量计1006或流量计1023测量和控制抽吸到电池隔室中的阳极浆料或阴极浆料的量。可使用本领域中已知的任何类型的流量计。流量计的非限制性实例包括电动流量计、涡轮流量计、质量流量计和容积式流量计。 止回阀1007和止回阀IOM用于防止流体回流。可使用本领域中已知的任何止回阀。流量阀1011和流量阀1012的非限制性实例包括任何机械阀或电气阀。在图13中更详细地进一步讨论流量阀。任选地，液位计1008可连接至储槽1002或储槽1003，以监测该槽内阴极浆料或阳极浆料的液位。温度监测器1010和压力监测器1009也可连接至储槽，以监测槽内的温度和压力。图11示出了多氧化还原液流电池堆装置1101，其中阴极浆料和阳极浆料的流动方向是可逆的。泵的可逆性质使得电活性浆料的放电和再充电可现场发生。该多电池堆装置还包括阳极浆料隔室(如1115)和阴极浆料隔室(如1116)。这两个隔室通过离子导电膜(如1122)分隔。阳极浆料隔室和阴极浆料隔室中的阳极浆料和阴极浆料中的至少一种含有如上所述的半固体或稠密液体。如图11所示，多氧化还原液流电池1101连接至阳极浆料储槽1102和阴极浆料储槽1104。阳极浆料储槽1102还包含软外壳1103。在操作(装置放电)期间，通过使用可逆式流量泵1106按箭头1108指示的方向抽吸储槽1102中已充电的阳极浆料。阳极浆料经过流量计1117、流量阀1118，并且进入歧管1110。歧管1110将已充电的阳极浆料递送至阳极浆料电池隔室(如1115)中。使用后，已放电的阳极浆料可通过歧管1115移除，并且通过阀门1119抽吸到软外壳1103中，以进行储存。在装置充电期间，可逆式流量泵1106内的流动方向反向，并且可通过阀门1119按箭头1109指示的方向将软外壳1103中已放电的阳极浆料抽吸到歧管1115中，该歧管将已放电的阳极浆料递送至阳极浆料隔室(如1115) 中。然后向装置施加电压，并且可对已放电的阳极浆料进行再充电。相似地，阴极浆料储槽1104还包含软外壳1105。在操作(装置放电)期间，通过使用可逆式流量泵1107按箭头1111指示的方向抽吸储槽1104中已充电的阴极浆料。阴极浆料经过流量计1120、流量阀1121，并且进入歧管1113。歧管1113将已充电的阴极浆料递送至阴极浆料电池隔室(如1116)中。使用后，已放电的阴极浆料可通过歧管1114移除，并且通过阀门1123抽吸到软外壳1105中，以进行储存。在装置充电期间，可逆式流量泵 1107内的流动方向反向，并且可通过阀门1123按箭头1112指示的方向将软外壳1105中已放电的阴极浆料抽吸到歧管1114中，该歧管将已放电的阴极浆料递送至阴极浆料隔室(如 1116)中。然后向装置施加电压，并且可对已放电的阴极浆料进行再充电。流量阀和流量计为如上所述。如上所述的半固体或稠密液体的阳极浆料或阴极浆料为导电材料。因而，在装置运行期间，可产生分路电流，以绕过装置中的一个或多个电池隔室和/或双极性电极。例如，电流可流过歧管中的阴极浆料或阳极浆料，以绕过装置中的一个或多个电池隔室和/ 或双极性电极。当使用包括多个单独的电池的双极电池堆时，从阴极到阴极以及从阳极到阳极发生分路电流将降低该堆的电压。在一个或多个实施方案中，可在歧管的入口位置或出口位置引入不导电阀，以降低或抑制分路电流。
图12示出了多电池半固体液流电池堆设计和可并入该设计中的各种阀门类型。 图12A示出了多电池半固体液流电池堆设计1201，其包括端电极1209和端电极1211、双极性电极(如1210和1212)、分隔阳极浆料电池隔室1215和阴极浆料电池隔室1214的膜 (如1213)。阀门(如1202)设置在歧管1204的入口位置之一处，该歧管将阴极浆料递送至阴极浆料电池隔室1214中。阀门(如1216)设置在歧管1203的入口位置之一处，该歧管将阳极浆料递送至阳极浆料电池隔室1215中。阀门(如1202和1216)不导电，因而可防止分路电流穿过歧管。在一个或多个实施方案中，此类阀门为脉动阀，并且打开仅持续较短的时间以使得阳极浆料或阴极浆料快速穿过，而不产生任何分路电流。在一个或多个实施方案中，附加阀门设置在歧管1206的出口位置1207和歧管1205的出口位置1208处。上述阀门为任何机械或电气操作阀。在一些实施方案中，阀门为电磁阀。适当的不导电阀的非限制性实例在图12B-12E中示出。图12B示出了阀门的打开和关闭形式，包括球形开关。阀门通过这些阀门两侧的压力差来启动。图12C示出了阀门的打开和关闭形式，包括硬币形开关。阀门通过这些阀门两侧的压力差来启动。图12D示出了阀门的打开和关闭形式，包括舌门形(flapper-like)开关。阀门可通过弹簧机构来启动，以使得流体流动。阀门还可通过双弹簧机构来启动，以使流动方向反向。可机械或电气控制此弹簧机构。还可使用不同类型的心形机械阀。图12E示出了阀门的打开和关闭形式，包括薄膜开关。所述膜由在启动时改变其形状的“形状记忆膜材料”制成。可电气启动薄膜开关。其它实例包括可电气启动的组织状阀门(tissue valve) 0还可考虑本领域中已知的其它阀门。图13示出了用于半固体液流多电池堆的多孔喷射系统。多孔喷射系统可精确地控制递送至每个“充气室”或电池隔室中的流体量。如果一组电池需要更多的流体来增加电压，则多孔喷射将能够实现该目的，而不影响其它隔室。提高流体流动准确性和控制性。 如图13所示，多液流电池设计包括喷射器，诸如1301 (在歧管1302中)和1305 (在歧管 1307中)。在操作中，将阳极浆料引入歧管1302中，并且通过喷射器(如1301)注入充气室区域1303中。加压充气室区域1303，以使得阳极浆料一旦注入阳极浆料电池隔室1308 中将不会回流到歧管1303中。相似地，将阴极浆料引入歧管1307中，并且通过喷射器(如 1305)注入充气室区域1306中。加压充气室区域1306，以使得阴极浆料一旦注入阴极浆料电池隔室1309中将不会回流到歧管1307中。因为控制了流动方向，也使通过歧管的分路电流最小化。此构造可减少不同“充气室”中流体之间的分路电流或使其最小化。将压力传感器(如1304)并入歧管中，以监测和控制歧管内的压力。在一个或多个实施方案中，用于递送阴极浆料和阳极浆料以及任选地冷却剂的歧管的内部被涂覆有不导电材料，以使穿过流体的分路电流最小化。在一个或多个实施方案中，歧管本身由电绝缘材料(诸如，聚合物或陶瓷)制成。图14示出了由堆叠板组装的具有多氧化还原液流电池堆设计(诸如，以上参照图 10描述的)的双极板之一的平面图。如图14所示，该板包括包含阴极集流体或阳极集流体的活性区1401。区域1402包括用作歧管的一部分的开口 1404，以将阳极浆料递送至阳极浆料电池隔室中。区域1402还包括用作歧管的一部分的开口 1405，以将阴极浆料递送至阴极浆料电池隔室中。区域1402还任选地包括用作歧管的一部分的开口 1406，以将冷却剂递送至双极性电极中。区域1403包括用作歧管的一部分的开口 1407，以将阴极浆料从阴极浆料电池隔室中移除。区域1403包括用作歧管的一部分的开口 1409，以将已放电的阳极浆料从阳极浆料电池隔室中移除。区域1403还任选地包括用作歧管的一部分的开口 1408，以将冷却剂从双极性电极中移除。任选地，设置在双极性电极的两个电极之间的沟槽(未示出) 用于容纳冷却剂且与开口 1406和开口 1408连接。包括位于电极之间的电池隔室和膜的板还包括类似的开口(如图14中所述的那些开口)。双极板(如1410)和所述端电极板被排列在一起，通过中间的电池隔室和膜堆叠且构成了如图15中示出的半固体液流多电池堆 1501，并且不同板的所有对应开口均适当排列。歧管1502通过将这些板堆叠在一起且将类似的开口相应地排列在每个板上而形成。歧管1502用于将阳极浆料引入阳极浆料电池隔室中。相似地，形成歧管1503以将阴极浆料引入阴极浆料电池隔室中。同样形成歧管1505 和歧管1504以分别将阳极浆料和阴极浆料从电池隔室中移除。任选地，还形成了用于分别将冷却剂从装置中引入和移除的沟槽或歧管(如1506和1507)。开口 1405、开口 1406、开口 1407、开口 1408、开口 1409和开口 1410的内部可涂覆有不导电材料。因而，形成用于阳极浆料、阴极浆料以及任选地冷却剂的所有歧管均具有不导电内部，从而使流过阳极浆料、 阴极浆料和冷却剂的不需要的寄生分路电流最小化。可使用本领域中已知的任何不导电涂层。不导电涂层的非限制性实例包括不导电聚合物，诸如环氧树脂、聚酰胺酰亚胺、聚醚酰亚胺、多酚、含氟弹性体、聚酯、苯氧基酚醛树脂、环氧化酚醛树脂(印oxicbphenolics)、丙烯酸类树脂和聚氨酯。参照图5，将氧化还原液流电池用作能源和电源的电源系统的一个特征在于可以高的充电状态将阳极浆料和阴极浆料引入能量堆中，即该系统的电活性组分已完全充电。 在操作中，将阳极浆料流和阴极浆料流(例如)分别从燃料储存容器510和520中抽吸到能量堆500中，并且进入各个电池中且流经集流体。氧化还原活性离子或离子络合物在非常接近或接触通常本身不发生氧化还原作用的导电电极或集流体时，发生氧化反应或还原反应。在这些反应期间，氧化还原活性材料放电，例如充电状态减弱。随着阳极浆料和阴极浆料从能量堆中排出，充电状态减弱且阳极浆料和阴极浆料被“废弃”。然后分别将废弃的悬浮液收集在废弃燃料储存容器530和废弃燃料储存容器540中。当燃料电池510和燃料电池520为空，并且废弃的燃料槽530和废弃的燃料槽540为满时，可将废弃的悬浮液换出且更换为新燃料容器和空废弃燃料容器。这样，向由电源系统(例如，电动车或混合电动机动车)供电的装置补给燃料。在一些实施方案中，燃料容器适于递送新鲜燃料和接收废弃燃料，如图6A所示。 图6A为可用于将阳极浆料或阴极浆料递送至能量堆中且接收废弃燃料的槽600的透视图。 槽600包括顶室610和底室620。顶室通过导管615与阴极浆料或阳极浆料的进入歧管流体连通。一旦能量堆中的燃料已耗尽，燃料便从该堆中排出且通过导管625返回到底室620 中。槽600包括可移动内壁或膜628，其可在槽内上移和下移以增加或减小两个内室的尺寸，从而针对这两个室中液体的不断变化的相对体积进行调整。在一些实施方案中，选择的膜在使用的温度范围内为柔性的，足以牢固以承受使用中经受的力和压力，在与阴极浆料和阳极浆料的组分接触时是化学稳定的，并且不可渗透或可渗透电解质。在另一个实施方案中，单个槽700用于流出和吸收阳极浆料和阴极浆料。在图6B 中，槽700包括用于分别容纳新鲜的阳极浆料和阴极浆料的顶室710和顶室720。该槽还包括用于分别接收废弃的阳极浆料和阴极浆料的底室750和底室760。正如图6A中描述的单个燃料罐，该槽可包括响应于新鲜燃料和废弃燃料的相对体积变化而移动的可移动膜或壁730、740。这两个膜可一起或分别移动。使用时，从导管765将新鲜的阳极浆料供至能量堆中；相似地，从导管775将新鲜的阴极浆料供至能量堆中。使用后，废弃的阳极浆料和阴极浆料分别通过导管785和导管795返回到槽700中。壁715将阳极浆料与阴极浆料分离， 并且可为固定壁或可移动壁。使用的特定类型的槽可能取决于电源系统的预期用途。对于发动机中具有足够储存空间的系统而言，可使用图5中描述的四槽系统，并且该系统可能最适用于提供大量燃料，这允许在补给燃料之前完成较长距离。另一方面，那个槽，即图6B中描述的四隔室槽紧凑且占据较小的空间。可易于在单个步骤中将其换出。该槽及其附加元件和运动机件在制造和使用上更为昂贵。氧化还原组合物的另一个特征为“燃料”或浆料的各个“等级”的可用性。例如，高级燃料可包括以相同的“燃料”体积提供较高功率或较长运行时间及由此产生较长的驱动范围或二者兼有的阴极浆料或阳极浆料或二者兼有。与内燃机动力驱动的车辆相比，其中 “常规”汽油和“高级”汽油之间的功率差异对于消费者而言通常不可检测或略有不同，而设计适当的浆料提供的功率和范围的差异却非常显著-对于尺寸相同的“储气罐”而言，一种浆料的功率可能比另一种大10%或20%或50%或甚至100%，驱动范围也可能如此。因而，本发明的一种使用模式为在相同体积或尺寸的“燃料槽”或总系统尺寸(包括堆)内提供极其不同的性能。图7示出了尺寸相同的槽中的不同燃料等级。燃料可在具有低燃料里程范围(7A)的低级燃料到具有中等里程范围(7B)的中等级中的“较高”级燃料的范围内，并且甚至可包括提供最佳里程范围(7C)的较高级中的“最高”级燃料。这些燃料等级可通过改变阴极浆料和阳极浆料中的多个变量来调整。例如，可调整浆料中电极颗粒的数量或密度，以便调整每单位体积浆料的充电容量，其中较高的颗粒密度具有较大的充电容量和较长的驱动范围。这在图7A-7C中示出，其示出了具有较大的颗粒密度和增加的燃料等级的尺寸相同的燃料槽。举例来说，可以提供浆料中活性材料的总体积百分比 (范围为约20体积％至约70体积％ )的颗粒密度来制备基于磷酸铁锂或氧化锂钴的燃料系统。其它颗粒密度通常伴有浆料的粘度或流变性变化，这可能需要改变抽吸工序，诸如抽吸速率或抽吸间歇性。在其它实施方案中，常规、较大和最大燃料范围的范围可通过使用具有不同充电能力的不同电活性材料来获得。在另一个实施方案中，改变了燃料的功率，并且消费者可在常规功率、较大功率和最大功率电池之间进行选择。在图8中，示出了基于功率的燃料等级。电源系统也许能够使用具有不同功率的阳极浆料和阴极浆料来操作，例如在每单位时间内输送较多量或较少量的能量。阳极或阴极浆料的功率可通过改变浆料中电活性颗粒的粒度来改变。较小的粒度将具有较大的表面积，因此在每单位质量中可获得更多数量的工作面，以及导致发生锂的固相输送的较小尺寸，从而提供较高的放电功率。因而，举例来说，可将磷酸铁锂基阴极制备成30nm、50nm和IOOnm的平均微晶尺寸，并且相应的石墨基阳极浆料可含有1微米、5 微米和20微米的粒度。微晶尺寸未必与粒度相同，因为颗粒可能由单个晶粒的凝聚物或聚集体组成。在其它实施方案中，可改变浆料的电活性材料，以向不同的燃料系统提供不同的功率能力。另一种使用模式为向消费者提供各种槽尺寸。与在制造时确定燃料槽尺寸的常规车辆不同，在本发明中，能够易于更换补给燃料的浆料槽，可为不同需求提供不同尺寸的槽。例如，消费者可购买较大的燃料槽，并且在长途旅行时放弃汽车中的一些储存空间。便于更换燃料槽的能力提供了若干再充电选择，如图9A-9B中所示。废弃的阴极浆料和阳极浆料通常含有用于标准二次电池的电活性材料，并且可在类似于标准二次电池形式中的那些材料所采用的条件下进行再充电。因而，消费者可在燃料连接至电源系统时通过将电源系统插入替代电源(例如，壁装电源插座)中且启动电源系统中的再充电循环来对废弃的阳极浆料和阴极浆料进行再充电。充电时，反向抽吸这两种浆料，并且可能将其储存在原槽中。只要泵/阀门在两个方向上运行，则无需添加其它部件。在其它实施方案中，如果需要使用单向阀，则可具有单独的浆料流路，以在充电时通过堆将浆料带回。在其它实施方案中，例如在旅行或时间不够时，用户可在再充电站更换燃料槽。用户在再充电站返回废弃燃料且接收新鲜的浆料。充电站可更换燃料槽(如用于再填充丙烷储罐的模式)或仅将现有槽排空和再填充。更换燃料槽的能力将提供如下所述用户可用的燃料类型和燃料容量的灵活性。用户可在再填充过程中改变等级、功率或槽容量。在常规电池中，阴极/阳极比率在制造时确定，并且如果电池的运行条件需要，则不能改变，诸如如果在高功率下电极中的一个具有较慢的动力，因此该电极中的多个将会有利。在本文所述的电源系统中，可按需要改变或更改电源系统的性质。在一个或多个实施方案中，阴极浆料和阳极浆料的流速可以不同。例如，与石墨阳极悬浮液一起使用的磷酸锂基阴极悬浮液的速率可能受阳极的锂吸收能力限制，这是因为过快的充电速率可能在阳极形成Li镀层。然而，通过在此类高功率充电条件下以高于阴极浆料的速率使阳极浆料流动，可避免形成镀层。另外，电池的电压将保持较高，这是因为阳极浆料将在较高的充电状态下从该堆中排出。在另一个实施方案中，可改变阴极浆料和阳极浆料的流速或现场阴极/阳极比率，以适应电极浆料在使用中发生的任何降解。不是简单地更换或丢弃浆料，而是可在不同流速下使用浆料，以提高电池性能，例如将性能保持在规格内，即使该性能低于使用新浆料的性能。即，电池的工作寿命可通过增加一种或两种浆料的流速或通过上调或下调阴极/ 阳极比率来提高和延长。对氧化还原组合物有利的另一种操作模式为在需要时可提高功率。在一个或多个实施方案中，通过增加两种浆料的流速将电池电压维持在相对较高水平，从而在较高功率需求期间每种浆料均在高充电状态下运行。在此类运行期间，可能未充分利用浆料中可用的能量，但可提高功率。当然，这也可通过增加仅仅一种电极浆料的流速来实现，以将该浆料保持在较高速率下。在一个或多个实施方案中，堆包括向电源系统或电源管理系统提供关于电源系统状况的信息的监测装置。可实时或在使用前使用该信息，以选择电源系统的最佳运行条件。 举例来说，可控制阴极浆料和阳极浆料的温度、流速和相对量。另一种使用模式为在燃料浆料的寿命期间一次或多次地评估、补充或重新调整服务供应商或制造商处的燃料浆料。在常规电池中，在电池寿命期间不能重新调整电极。在氧化还原电源系统中，可重新调整每种浆料以恢复或延长电池寿命。当将电源系统首次引入服务站时，可首先在服务供应商处对燃料进行测试，以评估其在返回到充电或使用时的状况。其次，可以若干方式对其进行重新调整。例如，可从悬浮液中分离残余水。可添加附加盐以提高离子电导性。可添加溶剂或电解质添加剂。可添加包括用于离子存储的活性材料或导电添加剂的附加固相。(例如)通过过滤离心或添加助凝剂以使固相悬浮不尽良好可将这些固相与液体电解质分离。可单独处理或甚至更换固体或固体富集悬浮液以及分离的液体电解质。当然，也可实施补充或重新调整步骤的任意组合。这样，可通过选择性更换或重新调整具体失效部件来减少系统在其使用寿命上的费用、在发现新的添加剂或组分时提高寿命或性能，或者有助于这些材料的回收利用。另一种使用模式为分别更换燃料槽或其它部件中液流电池的电源“堆”。与常规电池不同，在某些部件质量降低或需要升级时，仅将其更换的能力向用户和服务供应商或制造商提供了经济优势。因而，在一个或多个实施方案中，将能量堆从电源系统中移除且将其更换或维修。在另一方面，电源系统可包括电能储存装置以及在一种一体化装置中同时为常规可充电电池和液流电池的电源。其适用于各种电池化学类型，包括含水电池(诸如，镍金属氢化物类型)以及非水电池(包括可充电锂电池、可充电钠电池或者基于其它碱性的或碱土的或非碱性的工作离子的电池)。鉴于基于锂离子化学的一个实施方案，此电池的基本构造具有隔板，如常规可充电锂电池中那样，该隔板的一侧为锂电池正极或负极或二者兼有。 即，电极包含阴极活性材料或阳极活性材料，并且可包含该活性材料在金属集流体上的涂层，或可为独立式电极层(诸如包含该活性材料、任选地具有其它组分(如聚合物粘结剂或含碳导电添加剂或者金属添加剂或粘结剂)的密实层或烧结层)。这些离子储存电极被称为静止电极。然而，与常规锂电池电极不同，静止电极中的一个或两个可渗透液流电池的阴极浆料或阳极浆料，从而在装置运行期间，可仅对静止电极上的活性材料、仅对液流电池的阴极浆料或阳极浆料或二者兼有进行充电或放电。本发明的一个实施方案使用了阴极浆料或阳极浆料，其为如先前的申请中描述的半固体流体或悬浮液或浆料。在一个实施方案中，静止电极中的一个或两个紧邻隔板层(包括涂覆在隔板上的隔板层)。如常规电池中，这通过储存在静止电极中的工作离子使得电池较快地充电和放电。另外，装置还可使用储存在阴极浆料和阳极浆料中的离子，并且这些离子可充电和放电，尽管这可能以不同于静止电极的动力学速率发生。此设计使得单个装置在较短时段内提供高功率的充电或放电，同时还具有由该设计的液流电池方面提供的高能量。因而，静止电极位于隔板和液流电池反应物之间，并且任选地还可用作用于液流电池反应物中的一种或多种的集流体。此设计的另一优点在于静止电极在阴极浆料和阳极浆料以半固体流体或悬浮液或浆料的形式存在时可向隔板层提供机械支撑或者减少隔板的磨耗或磨损。在另一个实施方案中，液流电池反应物中的一种或多种流入隔板层和静止电极之间。在任一种情况下，当静止电极充电或放电时，液流电池的阴极浆料或阳极浆料可从静止电极中添加或移除工作离子。例如，在高功率放电脉冲后，对于工作离子，静止负电极可能相对耗尽，而静止正电极却相对饱和。液流电池的阴极浆料和阳极浆料可与静止电极交换离子，以将整个电池带回充电状态，从而其能够提供另一个高功率放电脉冲。因此， 该设计可提供电动车辆所需的高脉冲功率容量，同时还可提供液流电池的高储能特性。回顾本发明的描述和实施方案时，本领域的技术人员将理解到，在不脱离本发明实质的情况下可在实施本发明时进行修改和等效替代。因此，本发明并不受以上明确描述的实施方案限制，而仅受以下权利要求限制。
权利要求
1.一种操作包括设置在其内的电源系统的可移动装置的方法，包括提供多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔所述正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中所述正极集流体和所述离子渗透膜限定了容纳正电活性材料的正电活性区；其中所述负极集流体和所述离子渗透膜限定了容纳负电活性材料的负电活性区；其中所述正电活性材料和负电活性材料中的至少一种包含所述电活性区中的可流动的氧化还原组合物；至少一个用于将可流动的氧化还原组合物分配至所述正电活性区或负电活性区之一中的分配容器，其中所述分配容器与所述多个液流电池连接且与所述电活性区流体连通， 并且所述分配容器能够从所述液流电池处连接和断开；和至少一个用于从所述正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收容器，其中所述接收容器与所述液流电池连接且与所述电活性区流体连通，并且所述接收容器能够从所述液流电池处连接和断开；将所述分配容器中的所述可流动的氧化还原组合物引入所述电活性区中的至少一个中，以使所述液流电池放电，从而提供电能来操作所述装置；以及接收所述接收容器中的已放电的氧化还原组合物。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括通过将所述分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向所述电源系统补给燃料。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述接收容器更换为新的空接收容器。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述可移动装置为车辆。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述可移动装置为可移动发电机。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述车辆为陆地、空中或水上运载工具。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述氧化还原组合物包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，所述组合物能够在所述电池的工作期间吸收和释放所述离子。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括通过将含有所述氧化还原组合物的所述分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向所述电源系统补给燃料。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于所述氧化还原组合物的特性。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的功率密度。
11.根据权利要求9所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的能量密度。
12.根据权利要求9所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的半固体粒度。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的电活性材料浓度。
14.根据权利要求9所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物与所述氧化还原组合物相比具有较小的半固体粒度和较高的功率密度。
15.根据权利要求9所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物与所述氧化还原组合物相比具有较高的电活性材料浓度和较高的能量密度。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述分配容器和接收容器构成单体。
17.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个液流电池构成一组液流电池，并且所述分配容器和接收容器与所述液流电池堆可逆地连接。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述液流电池并联连接。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述液流电池串联连接。
20.根据权利要求17所述的方法，还包括提供设置于所述分配和接收容器中的一个或两个与所述液流电池堆之间的泵。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述泵为可对两个方向上的流量进行操作的可逆式流量泵。
22.根据权利要求1所述的方法，其中所述分配容器或接收容器包括柔性软外壳。
23.根据权利要求17所述的方法，还包括设置在每个燃料电池的入口处的阀门，以控制进入相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻液流电池之间的分路电流最小化。
24.根据权利要求17所述的方法，还包括提供多孔喷射系统，所述系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。
25.根据权利要求M所述的方法，其中所述多孔喷射系统包括多个隔室，每个隔室与所述液流电池堆中的所述液流电池的子组和用于将氧化还原组合物引入每个隔室中的喷射器流体连通。
26.根据权利要求25所述的方法，其中所述多个隔室中的压力大于所述电活性区中的压力。
27.根据权利要求17所述的方法，还包括用于使所述液流电池堆中的冷却剂循环的冷却系统。
28.根据权利要求1所述的方法，还包括提供连接至所述分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测所述分配容器或接收容器中的一个或两个的所述氧化还原组合物的体积或含量。
29.根据权利要求1所述的方法，还包括用新鲜的氧化还原组合物来补充所述分配容ο
30.根据权利要求四所述的方法，其中补充所述分配容器包括将新的氧化还原组合物引入所述分配容器中。
31.根据权利要求1所述的方法，还包括从所述接收容器中移除所述已放电的氧化还原组合物。
32.根据权利要求31所述的方法，其中从所述接收容器中移除所述已放电的氧化还原组合物包括排空所述接收容器中的已放电的氧化还原组合物。
33.根据权利要求1所述的方法，其中所述分配容器和接收容器构成单体，所述单体具有位于所述接收隔室和分配隔室之间的可移动膜，并且所述方法还包括将所述单体更换为新的单体，所述新的单体包括含有新鲜可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电力储存容器以及空的废弃的氧化还原组合物储存容器。
34.根据权利要求1所述的方法，还包括监测所述分配容器或接收容器中的所述可流动的氧化还原组合物的液位。
35.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述氧化还原组合物的流动方向反向，以使得废弃的氧化还原组合物从所述接收容器流向所述电活性区；以及向所述电源系统施加反向电压，以对所述已放电的氧化还原组合物进行再充电。
36.根据权利要求35所述的方法，还包括使所述再充电的氧化还原组合物从所述电活性区前移至所述分配容器中，以进行储存。
37.根据权利要求35所述的方法，其中所述废弃的氧化还原组合物的流量由可逆泵控制。
38.根据权利要求7所述的方法，其中选择所述已放电的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物的粒度，以提供预选的功率密度。
39.根据权利要求1所述的方法，其中选择所述已放电的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物的以重量％计的荷载，以提供所述氧化还原组合物的预选的能量容量。
40.根据权利要求1所述的方法，还包括在放电之前、之中或之后监测所述氧化还原组合物的状态。
41.根据权利要求18所述的方法，其中所述监测的状态包括所述阴极氧化还原组合物或阳极氧化还原组合物的温度、流速或相对量。
42.根据权利要求41所述的方法，还包括根据所述监测结果来改变所述氧化还原组合物的性质。
43.根据权利要求1所述的方法，还包括增加所述氧化还原组合物沿着所述电活性区的流速，以增加所述液流电池的功率。
44.根据权利要求7所述的方法，还包括重新调整所述可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物。
45.根据权利要求44所述的方法，其中所述重新调整包括 从所述氧化还原组合物中分离残余水；添加附加盐以提高离子电导性； 添加溶剂或电解质添加剂；添加包括用于离子存储的活性材料或导电添加剂的附加固相； 从液体电解质中分离固相； 添加助凝剂； 更换液体电解质；或其任意组合。
46.根据权利要求7所述的方法，其中所述液流电池中的至少一个包括电极，其包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，所述组合物能够在所述电池的工作期间吸收和释放所述离子；和静止电极。
47.一种操作包括设置在其内的电源系统的静止装置的方法，包括提供多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔所述正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中所述正极集流体和所述离子渗透膜限定了容纳正电活性材料的正电活性区；其中所述负极集流体和所述离子渗透膜限定了容纳负电活性材料的负电活性区；其中所述正电活性材料和负电活性材料中的至少一种包含所述电活性区中的可流动的氧化还原组合物；至少一个用于将可流动的氧化还原组合物分配至所述正电活性区或负电活性区之一中的分配容器，其中所述分配容器与所述多个液流电池连接且与所述电活性区流体连通， 并且所述容器能够从所述液流电池处连接和断开；和至少一个用于从所述正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收容器，其中所述接收容器与所述液流电池连接且与所述电活性区流体连通，并且所述容器能够从所述液流电池处连接和断开；将所述分配容器中的所述可流动的氧化还原组合物引入所述电活性区中的至少一个中，以使所述液流电池放电，从而提供电能来操作所述装置；以及接收接收容器中的所述已放电的氧化还原组合物。
48.根据权利要求47所述的方法，还包括通过将所述分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向所述电源系统补给燃料。
49.根据权利要求47所述的方法，还包括将所述接收容器更换为新的空接收容器。
50.根据权利要求47所述的方法，其中所述静止装置为静止发电机。
51.根据权利要求47所述的方法，其中所述氧化还原组合物包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，所述组合物能够在所述电池的工作期间吸收和释放所述离子。
52.根据权利要求51所述的方法，还包括通过将含有所述氧化还原组合物的所述分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向所述电源系统补给燃料。
53.根据权利要求52所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于所述氧化还原组合物的特性。
54.根据权利要求53所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的功率密度。
55.根据权利要求53所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的能量密度。
56.根据权利要求53所述的方法，其中所述多个液流电池构成一组液流电池，并且所述分配容器和接收容器与所述液流电池堆可逆地连接。
57.根据权利要求47所述的方法，还包括提供连接至所述分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测所述分配容器或接收容器中的一个或两个的所述氧化还原组合物的体积或含量。
58.根据权利要求47所述的方法，其中所述分配容器和接收容器构成单体，所述单体具有位于所述接收隔室和分配隔室之间的可移动膜，并且所述方法还包括将所述单体更换为新的单体，所述新的单体包括含有新鲜可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电力储存容器以及空的废弃的氧化还原组合物储存容器。
59.根据权利要求47所述的方法，还包括将所述氧化还原组合物的流动方向反向，以使得所述废弃的氧化还原组合物从所述接收容器流向所述电活性区；以及向所述电源系统施加反向电压，以对所述已放电的氧化还原组合物进行再充电。
60.一种包括设置在其内的电源系统的车辆，其中所述电源系统包括多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔所述正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中所述正极集流体和所述离子渗透膜限定了容纳正电活性材料的正电活性区；其中所述负极集流体和所述离子渗透膜限定了容纳负电活性材料的负电活性区；其中所述正电活性材料和负电活性材料中的至少一种包含所述电活性区中的可流动的氧化还原组合物；至少一个用于将可流动的氧化还原组合物分配至所述正电活性区或负电活性区之一中的分配容器，其中所述分配容器与所述多个液流电池连接且与所述电活性区流体连通， 并且所述容器能够从所述液流电池处连接和断开；和至少一个用于从所述正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收容器，其中所述接收容器与所述液流电池连接且与所述电活性区流体连通，并且所述容器能够从所述液流电池处连接和断开；其中设置所述分配容器以提供移除和更换途径。
61.根据权利要求60所述的车辆，其中所述电源系统能够通过将含有所述可流动的氧化还原组合物的所述分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来补给燃料。
62.根据权利要求60所述的车辆，其中所述接收容器能够被更换为新的空接收容器。
63.根据权利要求60所述的车辆，其中所述氧化还原组合物包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，所述组合物能够在所述电池的工作期间吸收和释放所述离子。
64.根据权利要求63所述的车辆，其中所述电源系统能够通过将含有所述可流动的氧化还原组合物的所述分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来补给燃料。
65.根据权利要求64所述的车辆，其中所述新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于所述氧化还原组合物的特性。
66.根据权利要求65所述的车辆，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的功率密度。
67.根据权利要求65所述的车辆，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的能量密度。
68.根据权利要求65所述的车辆，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的半固体粒度。
69.根据权利要求65所述的车辆，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的电活性材料浓度。
70.根据权利要求60所述的车辆，其中所述分配容器和接收容器构成单体。
71.根据权利要求60所述的车辆，其中所述多个液流电池构成一组液流电池，并且所述分配容器和接收容器与所述液流电池堆可逆地连接。
72.根据权利要求71所述的车辆，其中所述电源系统还包括设置于所述分配容器和接收容器中的一个或两个与所述液流电池堆之间的泵。
73.根据权利要求72所述的车辆，其中所述泵为可对两个方向上的流量进行操作的可逆式流量泵。
74.根据权利要求60所述的车辆，其中所述分配容器和接收容器包括柔性软外壳。
75.根据权利要求71所述的车辆，还包括设置在每个燃料电池的所述入口处的阀门， 以控制进入所述相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻燃料电池之间的分路电流最小化。
76.根据权利要求75所述的车辆，还包括多孔喷射系统，所述系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。
77.根据权利要求60所述的车辆，还包括连接至所述分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测所述分配容器或接收容器中的一个或两个的所述氧化还原组合物的体积或含量。
78.根据权利要求60所述的车辆，其中所述分配容器和接收容器构成单体，所述单体具有位于所述接收隔室和分配隔室之间的可移动膜，并且所述方法还包括将所述单体更换为新的单体，所述新的单体包括含有新鲜可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电力储存容器以及空的废弃的氧化还原组合物储存容器。
79.一种电源系统，其包括多个液流电池，每个液流电池包括正极集流体；负极集流体；分隔所述正极集流体和负极集流体的离子渗透膜；其中所述正极集流体和所述离子渗透膜限定了容纳所述正极的正电活性区；其中所述负极集流体和所述离子渗透膜限定了容纳所述负极的负电活性区；其中所述正极和负极中的至少一个包含所述电活性区中的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物，所述组合物能够在所述电池的工作期间吸收和释放所述离子；至少一个用于将所述可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物分配至所述正电活性区或负电活性区之一中的分配储存容器，其中所述分配储存容器与所述多个液流电池连接且与所述电活性区流体连通，并且所述分配容器能够从所述液流电池处连接和断开；和至少一个用于从所述正电活性区或负电活性区之一中接收可流动的氧化还原组合物的接收储存容器，其中所述接收容器与所述液流电池连接且与所述电活性区流体连通，并且所述接收容器能够从所述液流电池处连接和断开。
80.根据权利要求79所述的电源系统，其中所述正极具有包含所述可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的阴极浆料，并且所述负极具有包含所述可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的阳极浆料以及所述
81.根据权利要求79所述的电源系统，其中所述电力储存容器和所述废弃的氧化还原组合物储存容器构成单体。
82.根据权利要求79所述的电源系统，其中所述多个液流电池构成一组液流电池，其中每个液流电池包括至少一个包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电极，所述组合物能够在所述电池的工作期间吸收或释放所述离子；并且所述分配容器和接收容器与所述液流电池堆可逆地连接。
83.根据权利要求82所述的电源系统，其中所述液流电池并联连接。
84.根据权利要求82所述的电源系统，其中所述液流电池串联连接。
85.根据权利要求79所述的电源系统，还包括设置于所述分配容器和接收容器中的一个或两个与所述液流电池堆之间的泵。
86.根据权利要求85所述的电源系统，其中所述泵为可逆式流量泵。
87.根据权利要求79所述的电源系统，其中所述分配容器和接收容器包括柔性软外tJXi O
88.根据权利要求82所述的电源系统，还包括设置在每个燃料电池的所述入口处的阀门，以控制进入所述相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻燃料电池之间的分路电流最小化。
89.根据权利要求82所述的电源系统，还包括多孔喷射系统，所述系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。
90.根据权利要求89所述的电源系统，其中所述多孔喷射系统包括用于将氧化还原组合物引入隔室中的喷射器，所述隔室向所述所有液流电池的子部分提供氧化还原组合物。
91.根据权利要求89所述的电源系统，其中所述多孔喷射系统提供的隔室压力大于电活性区的压力，以使每个液流电池之间的分路电流最小化。
92.根据权利要求79所述的电源系统，还包括用于使所述液流电池中的冷却剂循环的冷却系统。
93.根据权利要求79所述的电源系统，还包括连接至所述电力储存容器的液位计，以监测所述可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的充电状态。
94.一种操作根据权利要求79所述的电源系统的方法，包括提供根据权利要求79所述的电源系统；将所述分配容器中的所述可流动的氧化还原组合物引入所述电活性区中的至少一个中，以使所述液流电池放电，从而提供电能来操作所述装置；以及接收接收容器中的所述已放电的氧化还原组合物。
95.根据权利要求94所述的方法，还包括通过将含有所述氧化还原组合物的所述分配容器更换为含有新鲜可流动的氧化还原组合物的新分配容器来向所述电源系统补给燃料。
96.根据权利要求94所述的方法，还包括将所述接收容器更换为新的空接收容器。
97.根据权利要求95所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物具有至少一种不同于所述氧化还原组合物的特性。
98.根据权利要求97所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的功率密度。
99.根据权利要求97所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的能量密度。
100.根据权利要求97所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的半固体粒度。
101.根据权利要求97所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物和所述氧化还原组合物具有不同的电活性材料浓度。
102.根据权利要求97所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物与所述氧化还原组合物相比具有较小的半固体粒度和较高的功率密度。
103.根据权利要求97所述的方法，其中所述新鲜的氧化还原组合物与所述氧化还原组合物相比具有较高的电活性材料浓度和较高的能量密度。
104.根据权利要求94所述的方法，其中所述分配容器和接收容器构成单体。
105.根据权利要求94所述的方法，其中所述多个液流电池构成一组液流电池，并且所述分配容器和接收容器与所述液流电池堆可逆地连接。
106.根据权利要求94所述的方法，其中所述液流电池并联连接。
107.根据权利要求94所述的方法，其中所述液流电池串联连接。
108.根据权利要求94所述的方法，其中所述电源系统还包括设置于所述分配容器和接收容器中的一个或两个与所述液流电池堆之间的泵。
109.根据权利要求108所述的方法，其中所述泵为可对两个方向上的流量进行操作的可逆式流量泵。
110.根据权利要求94所述的方法，其中所述分配容器或接收容器包括柔性软外壳。
111.根据权利要求94所述的方法，还包括设置在每个燃料电池的所述入口处的阀门， 以控制进入所述相应液流电池的氧化还原组合物的流量且使相邻液流电池之间的分路电流最小化。
112.根据权利要求111所述的方法，还包括提供多孔喷射系统，所述系统被构造且被布置成控制递送至每个液流电池的每个电活性区的氧化还原组合物的量。
113.根据权利要求112所述的方法，其中所述多孔喷射系统包括多个隔室，每个隔室与所述液流电池堆中的所述液流电池的子组和用于将氧化还原组合物引入每个隔室中的喷射器流体连通。
114.根据权利要求113所述的方法，其中所述多个隔室中的压力大于所述电活性区中的压力。
115.根据权利要求108所述的方法，还包括用于使所述液流电池堆中的冷却剂循环的冷却系统。
116.根据权利要求94所述的方法，还包括提供连接至所述分配容器和接收容器中的一个或两个的监测仪，以监测所述分配容器或接收容器中的一个或两个的所述氧化还原组合物的体积或含量。
117.根据权利要求94所述的方法，还包括用新鲜的氧化还原组合物来补充所述分配容器。
118.根据权利要求117所述的方法，其中补充所述分配容器包括将新的氧化还原组合物引入所述分配容器中。
119.根据权利要求94所述的方法，还包括从所述接收容器中移除所述已放电的氧化还原组合物。
120.根据权利要求119所述的方法，其中从所述接收容器中移除所述已放电的氧化还原组合物包括排空所述接收容器中的已放电的氧化还原组合物。
121.根据权利要求94所述的方法，其中所述分配容器和接收容器构成单体，所述单体具有位于所述接收隔室和分配隔室之间的可移动膜，并且所述方法还包括将所述单体更换为新的单体，所述新的单体包括含有新鲜可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电力储存容器以及空的废弃的氧化还原组合物储存容器。
122.根据权利要求94所述的方法，还包括监测所述分配容器或接收容器中的所述可流动的氧化还原组合物的液位。
123.根据权利要求94所述的方法，还包括将所述氧化还原组合物的流动方向反向，以使得所述废弃的氧化还原组合物从所述接收容器流向所述电活性区；以及向所述电源系统施加反向电压，以对所述已放电的氧化还原组合物进行再充电。
124.根据权利要求123所述的方法，还包括使所述再充电的氧化还原组合物从所述电活性区前移至所述分配容器中，以进行储存。
125.根据权利要求123所述的方法，其中所述废弃的氧化还原组合物的所述流量由可逆泵控制。
126.根据权利要求94所述的方法，其中选择所述已放电的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物的粒度，以提供预选的功率密度。
127.根据权利要求94所述的方法，其中选择所述已放电的可流动的半固体离子存储氧化还原组合物的以重量％计的荷载，以提供所述氧化还原组合物的预选的能量容量。
128.根据权利要求94所述的方法，还包括在放电之前、之中或之后监测所述氧化还原组合物的状态。
129.根据权利要求1 所述的方法，其中所述监测的状态包括所述阴极氧化还原组合物或阳极氧化还原组合物的温度、流速或相对量。
130.根据权利要求1 所述的方法，还包括根据所述监测结果来改变所述氧化还原组合物的性质。
131.根据权利要求94所述的方法，还包括增加所述氧化还原组合物沿着所述电活性区的流速，以增加所述液流电池的功率。
132.根据权利要求94所述的方法，还包括重新调整所述可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物。
133.根据权利要求133所述的方法，其中所述重新调整包括从所述氧化还原组合物中分离残余水；添加附加盐以提高离子电导性； 添加溶剂或电解质添加剂；添加包括用于离子存储的活性材料或导电添加剂的附加固相； 从液体电解质中分离固相； 添加助凝剂； 更换液体电解质；或其任意组合。
134.根据权利要求94所述的电源系统，其中所述液流电池中的至少一个包括 包含可流动的半固体离子存储氧化还原组合物或稠密液体离子存储氧化还原组合物的电极，所述组合物能够在所述电池的工作期间吸收和释放所述离子；和静止电极。
全文摘要
本发明描述了汽车或其它的电源系统(包括液流电池)，其中提供电源的堆易于与容纳阴极浆料和阳极浆料(或者称为“燃料”)的储存容器隔离。还提供了一种使用方法，其中“燃料”槽可拆卸且在充电站中分别充电，并且已充电的燃料以及槽被放回车辆或其它电源系统中，以允许快速补给燃料。该技术还提供了一种对已放电的燃料进行充电的充电系统。可将已充电的燃料置于电源处的储槽中或返回到车辆中。在一些实施方案中，储槽中的已充电的燃料可在以后使用。可输送或储存已充电的燃料，以在不同的地方或时间使用。
文档编号H01M8/04GK102576893SQ201080025219
公开日2012年7月11日 申请日期2010年4月6日 优先权日2009年4月6日
发明者R·巴泽瑞拉, Y·M·张 申请人:24M技术公司