具有限制电解质的电化学系统的制作方法

具有限制电解质的电化学系统
1.相关申请的交叉引用
2.本技术要求于2019年2月1日提交的名称为“具有限制电解质的电化学系统(electrochemical system with confined electrolyte)”的美国临时专利申请62/799,966和2019年5月30日提交的名称为“具有热管理系统的水电解槽(water electrolyzers with thermal management systems)”的美国临时专利申请62/854,757的权益，在与本文不矛盾的范围内，将每个申请的全部内容通过引用并入本文。
发明领域
3.本发明总体而言涉及电化学系统，并且在一些实施例中更具体地涉及用于生产气态产物的电化学电池的电池、堆和操作。


背景技术：

4.分子形式的氢(h2)几十年来一直是有价值的商品。其用途通常包括氨生产、烃类催化裂化和其他工业应用。
5.人们已经认识到氢还可以作为能量存储介质，并将在未来能源经济中发挥作用。在此应用中使用氢气的一种预期方法是通过注射进入天然气电网中，在那里已经有巨大的氢气形式的能量存储能力。此应用称为电力转气(p2g)或绿色氢。随着p2g和绿色氢技术的普及，由电解槽所消耗的电力将会增加。
6.现有的电解槽系统具有许多缺点，这些缺点导致效率降低和系统复杂性增加，从而导致成本增加。


技术实现要素：

7.将参考附图详细描述各实施例。对特定示例和实现方式的引用是为了说明目的而不旨在排除包括其他实现方式。各实施例的各种组件、子系统和修改可以与其他实施例的组件、子系统或修改重新组合以形成另外的实施例。
8.用于生产氢气和其他气体的水电解目前在两种类型的系统中进行。聚合物电解质膜(或质子交换膜，两者均简称pem)电解槽利用固体聚合物电解质在正极和负极之间传导质子。此类系统通常涉及将纯去离子水泵入电池堆中，每个电池都包含固体聚合物电解质。固体聚合物电解质通常非常薄，历史上允许以低电阻进行更高电流密度操作。此外，固体聚合物电解质膜倾向于显著限制从一个半电池穿过该膜到另一个半电池的气体量，从而产生更高的气体纯度和减少的损失。
9.然而，固体聚合物电解质还倾向于比液体电解质或凝胶电解质对离子电导率更具抵抗力。较高的电阻导致效率损失增加。pem电解槽还倾向于要求昂贵的材料，诸如铂族金属催化剂和钛或金载体结构。因此，尽管pem电解槽具有优势，但其建造和运行成本可能非常高。
10.第二种类型的碱性电解槽使用碱性水性电解质溶液以在电极之间传导离子穿过
不导电的隔膜。碱性电解槽受益于较低成本的材料，并且由于电解质的高导电性可能会显示出改进的性能。与pem电解槽相比，碱性电解槽倾向于较不易受气体交叉(gas crossover)影响。尽管如此，碱性电解槽仍然容易受到其他复杂化的影响。碱性电解槽最大的缺点之一是由所谓的“分流电流”造成的寄生损耗。
11.在现有技术的常规碱性电解槽中，电解反应中分解的水是通过电池堆泵送的水性电解质溶液中的水。使电解质循环通过电池堆提供了各种益处，诸如将电极暴露在混合良好的电解质溶液中，允许去除电池外部的溶解气体，以及允许简单地维持氢氧化物(或其他电解质)的浓度。
12.此种碱性电解质系统通常使用歧管或其他公共的电解质流动通道来引导电解质进入并通过电池堆的所有电池。这些包含导电电解质的公共通道在电池之间形成导电路径，其中电流可以通过该路径流动。这些“分流电流”不支持电池中所需的电化学反应，并且因此代表了有时称为寄生损耗的低效率形式。
13.减轻或消除分流电流的大多数方法往往是最低限度有效的、昂贵的或引入另外的系统低效率。尽管如此，由分流电流造成的成本和低效率被广泛接受为操作碱性电解槽的不可避免的成本。
14.诸位申请人已经采取了不同的方法来避免分流电流，并且在该过程中实现了若干其他优点。申请人没有应对流动电解质系统架构的挑战，而是开发了一种电化学电池堆架构，其通过将“电厂辅机设备”的功能集成到电池堆的每一层中而消除了使电解质流过整个电池堆的需要。在此种系统中，每个电池或半电池包含一定量的电解质，该一定量的电解质被限制在电池或半电池内并且与任何其他电池中的电解质流体地分离。如此限制的电解质不能与电池堆内的其他电池产生不希望的导电路径。其结果是避免了寄生分流电流。分流电流的避免提供了传统碱性电解槽无法获得的好处，诸如在单个电池堆中结合入比传统碱性电解槽更多的电池的能力，从而实现更高的电池堆电压并提高整体效率。缺乏流动的电解质还允许通过减轻倾向于导致在一个半电池中产生的气体跨入反半电池(在本文中通常称为“气体交换”或简称为“交换”)的力来提高气体纯度。
15.尽管本文提及碱性电解系统，但技术人员将认识到本文所述的装置、系统和方法可应用于广泛范围的电化学电池和系统，包括各种化学品生产电解槽，电池系统，燃料电池系统，用于净化水、材料或化学品的电化学系统，以及其他电化学电池系统。
16.本文所述的独特结构包含若干组件和子系统，包括：电解质限制系统，用于将水性电解质实质上限制在每个电池或半电池内；电解质捕获系统，用于捕获从限制系统逸出的任何电解质；电解质返回系统，用于将逸出电池或半电池的电解质返回到该电池或半电池室中；被动压力驱动供水系统，用于向每个电池或半电池供应补充液体(例如，在一些实施例中为去离子水)以替换电池内电化学反应中消耗的液体(例如，水)，同时实质上最小化隔膜两侧的压差；高压气体收集系统，用于在不要求外部气体压缩的情况下收集高压下产生的气体；和体积膨胀系统，用于适应电池内流体的体积膨胀和收缩。
17.以上子系统的一些实施例还可以利用在本文中称为“心室”泵的独特泵配置。本文中的电化学系统的实施例还可以被配置为在系统内最少数量的点处在主动流体压力控制下消极地但自动地控制各个压力区域和压力梯度。
18.在一些实施例中，如本文所述的电化学系统可以在高绝对压力下操作，同时将各
个压力区域之间的相对压差保持在期望范围内。在高绝对压力下操作产气电化学电池可以允许在高压下产生和输送气体，而不需要(或减少需要)额外的压缩机来将气体加压到特定应用所要求的压力。
19.在各种实施例中，要在升高的压力下(即，在大于大气压的绝对压力下)操作的电化学系统可以包括在一个或多个压力容器内的电池堆和/或其他结构，或者通过使用被布置成相对于大气压保持所需程度的压力的板框式电池堆。在一些实施例中，在高绝对压力下操作可通过用惰性或最低反应性气体(例如，氮气、氩气、氦气、氖气或这些或其他气体的各种组合)对一个或多个电池区域进行预加压来实现。在其他实施例中，可以通过以期望的绝对压力将补充液体(例如，水)泵送到电池堆中来初始建立和/或维持高操作压力。例如，在一些实施例中，电化学系统可以在约10巴、20巴、30巴、40巴、50巴、60巴、70巴、80巴、90巴、100巴、10个大气压、20个大气压、30个大气压、40个大气压、50个大气压、60个大气压、70个大气压、80个大气压、90个大气压、100个大气压或更高大气压下进行预加压或操作。
20.在一个方面，提供了限制电解质电化学电池堆，每个单独的电化学电池独立地包括：a)第一半电池室，包含与第一电极接触的第一体积的电解质；b)第二半电池室，包含与反电极接触的第二体积的电解质；c)隔膜，将所述第一半电池室与所述第二半电池室隔开；和d)与所述第一半电池连通的第一电解质捕获和返回系统，所述电解质捕获和返回系统被配置为接收来自逸出所述第一半电池室的第一体积的电解质的捕获的电解质并且经由电解质返回导管将所捕获的电解质驱回到所述第一半电池室和所述第二半电池室中的至少一个中。在实施例中，单个电化学电池中的捕获和返回系统可以与所述堆中其他电化学电池中的捕获和返回系统流体地分离。在实施例中，所述堆可以包括双极堆，所述双极堆包括连接相邻电池的双极板。
21.电化学系统还可以包括与第二半电池室连通的第二电解质捕获和返回系统，所述第二电解质捕获和返回系统被配置为从逸出所述第二半电池室的第二体积的电解质中捕获电解质并将所捕获的电解质驱动回所述第一半电池室、所述第二半电池室或两者。
22.所述第一电解质捕获和返回系统和所述第二电解质捕获和返回系统可以包括液气分离室。所述液气分离室可以使用重力以允许捕获液体电解质，同时具有顶空以允许气体(包括产物气体)流动。所述第一电解质捕获和返回系统和第二电解质捕获和返回系统可以与气体去除歧管流体连通，并且所述气体去除歧管与所述堆中的每个电化学电池流体连通。所述第一电解质捕获和返回系统和第二电解质捕获和返回系统可以包括气体去除液体。所述气体去除液体可以保持在预定的流体压力范围内。
23.所述电化学系统还可以包括流体逸出元件，其中气体和液体电解质通过所述流体逸出元件逸出所述第一半电池室或第二半电池室分别进入所述第一电解质捕获和返回系统或第二电解质捕获和返回系统。所述流体逸出元件可以被配置为对流体流动施加阻力。所述流体逸出元件可以被配置为对流体流动施加非线性阻力，其中所述流体包括气体和液体。所述流体逸出元件可以包括出口通道，其中气体团块和液体团块仅可以串联流过所述出口通道。根据本文所述的实施例，流体逸出元件可以包括一个或多个出口通道和/或一个或多个膜。在一些实施例中，根据本文所述的实施例，流体逸出元件可以由一个或多个出口通道和/或一个或多个膜组成。
24.所述电解质捕获和返回系统可以包括电解质捕获体积。所述电解质捕获和返回系
统可以包括位于所述半电池和所述电解质捕获体积之间的膜。所述电解质捕获和返回系统可以包括促进产物气体流动同时保持电解质捕获和返回系统中的电解质的膜，例如，位于产物气体出口和电解质捕获体积之间。电解质捕获和返回系统可以包括一个或多个泵，所述泵被配置为将电解质返回到所述第一半电池或所述第二半电池。所述电解质捕获和返回系统被配置为允许，例如在电化学电池的两个半电池之间的电解质的混合。
25.所述电化学系统可以是蓄电池(battery)、液流电池或燃料电池。所述电化学系统可以是碱性电解槽。所述电化学电池产生氢气和氧气作为产物气体。所述电解质可以是碱性水溶液。电解质可以包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其任意组合。
26.电化学电池还可以包括与所述第一半电池和所述第二半电池流体连通的膨胀室，所述膨胀室被配置为允许所述半电池室中的一个或两个中的流体体积膨胀，因为电解液中的气泡会增加混合流体的体积。膨胀室被配置为减小所述第一半电池和第二半电池之间的压力梯度。膨胀室可以在所述第一半电池和所述第二半电池中保持基本相等的压力，例如小于2个大气压、小于1个大气压、小于0.5个大气压或任选地小于0.25个大气压。膨胀室可以与电解质捕获和返回系统流体连通。
27.所述电化学电池还可以包括与膨胀室可操作连通的膨胀电阻器。膨胀电阻可以是弹簧、波纹管、膜片、球囊、膨胀室的物理特性或其任意组合。所述膨胀室可以包括分隔器以保持电解质与所述第一半电池和所述第二半电池的分离。此种分隔器还可以被配置为允许两个半电池中的流体压力平衡。当膨胀室体积超过阈值体积时，膨胀室可以赋予导致流体压力增加的膨胀阻力。膨胀室可以赋予导致流体压力随着膨胀室体积的增加而线性地、几何地、指数地、逐步地或以其他方式增加的膨胀阻力。
28.所述电化学电池还包括与所述电化学电池流体连通的补充液体供应，以向所述第一半电池、所述第二半电池或两者提供补充液体。所述电化学系统还可以包括定位在所述补充液体供应和所述电化学电池之间的单向阀。可以通过与所述堆中的每个电化学电池流体连通的供应歧管将所述补充液体供应提供给电化学电池。所述单向阀可以基于所述供应歧管和所述电化学电池之间的压差来调节所述补充液体流入所述电化学电池的流量。补充液体可以是去离子水。
29.所述电化学系统还可以包括泵，例如心室泵或正排量泵，其可操作地连接到每个所述电化学电池并被布置成将所捕获的电解质从所述电解质捕获体积驱动到所述半电池室中的一个或两个中。所述泵能够驱动液体和气体两者通过电解质返回通道。所述泵可以包括由致动流体围绕的导管的可压缩部分。堆中的每个电化学电池可以包括在电化学电池外部的外壳体积中的至少一个可压缩导管区段。堆中的每个电化学电池的每个半电池室可以包括外壳体积中的可压缩导管区段。致动流体可以包含在围绕所有电化学电池的可压缩导管区段的连续外壳体积中。
30.堆可以被布置成棱柱状分层配置(例如，板框配置)、同心圆柱配置、螺旋果冻卷配置、棱柱形果冻卷配置或任何其他卷起的果冻卷配置。
31.在一个方面，提供一种电化学系统，其包括：至少一个限制电解质电化学电池，所述限制电解质电化学电池包括：a)电解质；b)第一半电池，包括与所述电解质的第一部分接触的第一电极以及第一电解质捕获和返回系统；c)第二半电池，包括与所述电解质的第二部分接触的第二电极以及第二电解质捕获和返回系统；d)隔膜，将所述第一半电池与所述
第二半电池隔开；其中所述第一电解质捕获和返回系统被配置为捕获从所述第一半电池置换的电解质并将被置换的电解质的至少一部分返回到所述第一半电池而不与来自任何其他电池的电解质混合；并且其中所述第二电解质捕获和返回系统被配置为捕获从所述第二半电池置换的电解质并将被置换的电解质的至少一部分返回到所述第二半电池而不与来自任何其他电池的电解质混合。
32.所述第一电解质捕获和返回系统可以与所述第二半电池流体地分离，并且其中所述第二电解质捕获和返回系统可以与所述第一半电池流体地分离。
33.在一个方面，提供一种产生至少一种产物气体的方法，包括：i)提供包括至少一个电化学电池的电化学系统，所述电化学电池包括：a)电解质；b)第一半电池，具有与所述电解质的第一部分连通的第一电极以及第一电解质捕获和返回系统；c)第二半电池，包括与所述电解质的第二部分连通的第二电极以及第二电解质捕获和返回系统；和d)隔膜，将所述第一半电池与所述第二半电池隔开；ii)经由所述第一电解质捕获和返回系统捕获从所述第一半电池置换的至少一部分电解质并将所捕获的电解质返回到所述第一半电池；iii)经由所述第二电解质捕获和返回系统捕获从所述第二半电池置换的至少一部分电解质并将所捕获的电解质返回到所述第二半电池；和iv)在至少一个电化学电池中使所述电解质反应从而产生至少一种产物气体。
34.在一个方面，提供一种产生氢气和氧气的方法，包括：i)提供包括多个电化学电池的电解槽，每个电化学电池各自独立地包括：a)水性电解质；b)第一半电池，具有与所述水性电解质的第一部分连通的第一电极、第一电解质捕获和返回系统以及氧气捕获系统；c)第二半电池，包括与所述水性电解质的第二部分的连通的第二电极、第二电解质捕获和返回系统以及氢气捕获系统；和d)隔膜，将所述第一半电池与所述第二半电池隔开；ii)经由所述第一电解质捕获和返回系统捕获从所述第一半电池置换的电解质的至少一部分，并将所捕获的电解液返回到所述第一半电池；iii)经由所述第二电解质捕获和返回系统捕获从所述第二半电池置换的至少一部分电解质并将所捕获的电解质返回到所述第二半电池；和iv)在每个电化学电池中电解所述水性电解质，从而产生氢气和氧气，其中每个氧气捕获系统彼此流体连通，每个氢气捕获系统彼此流体连通。在一些方面，所述捕获和返回系统可以被配置为以液体形式和/或雾状形式捕获80％、90％、95％、99％、99.9％、99.99％或99％至100％(质量百分比或体积百分比)的从所述半电池中置换的电解质，并且至少将所捕获的电解质返回到所述电池或从中捕获它的半电池中。
35.在每个电化学电池中，所述第一电解质捕获和返回系统可以与所述第二电解质捕获和返回系统流体连通。所述第一电解质捕获和返回系统和所述第二电解质捕获和返回系统可以与单独的电化学电池相关联并且与所述电解槽中其他电化学电池的电解质捕获和返回系统流体分离。
36.本领域技术人员将认识到，描述为电化学系统的各种实施例和特征可以与本文描述的各种方法、电解槽和其他系统集成。
37.在一个方面，提供一种心室泵，包括：a)含有致动流体的外壳室；b)多个导管，每个导管延伸穿过所述外壳的一部分，每个导管包括位于所述外壳内并被所述致动流体包围的可压缩区域；每个导管具有位于所述可压缩区域上游的上游单向阀和位于所述可压缩区域下游的下游单向阀；和c)与所述外壳室连通的致动器；其中所述致动器被配置为向所述致
动流体施加足以至少部分地压缩所述导管的可压缩区域的压缩力和/或膨胀力。
38.所述致动流体可以是不可压缩的液体或可压缩的气体。上游单向阀中的一些或全部和下游单向阀中的一些或全部可以位于所述外壳室之外。上游单向阀中的一些或全部和下游单向阀中的一些或全部可以位于所述外壳室内。
39.导管的一些或所有可压缩区域可以包括一段可压缩管道。本文所述的电化学系统和方法可以使用一些或所有电解质返回导管作为本文所述的心室泵的导管。所述心室泵外壳可以包括电化学堆外壳的一部分。
40.所述外壳室可以包括在堆的板框电池堆结构的层中的多个孔。所述心室泵还可以包括位于所述外壳内或邻近所述外壳的可压缩导管区段，所述可压缩导管区段被配置为允许所述外壳室内的致动流体驱动可压缩导管区段内的流体。
附图说明
41.下面的详细描述参照附图阐述了说明性实施例，其中：
42.图1是具有电池特异性电解质捕获和返回系统的电化学系统的示意图。
43.图2是具有电池特定电解质捕获和返回以及体积膨胀系统的电化学系统的示意图。
44.图3a是心室泵的示意性概念图。
45.图3b是在诸如电池框架结构的平面基底中实施的示例心室泵的示意性分解透视图。
46.图3c是图3b的示例心室泵的截面图。
47.图4是利用堆的电解槽系统的示意图。
48.图5a
‑
图5d是图示在具有电解质限制特征的电解槽的各个操作阶段期间的流体压力、流量和体积关系的示意图。
49.图6是电化学系统的示意图，其中补充液体可以被动地输送到电池中而不逸出电池。
50.图7是电化学系统的示意图，其中补充液体被动地输送到阳极和阴极之间的电极间空间中。
51.图8是被配置为由流动气体(包括由电池内的电化学反应产生的气体)冷却的电化学系统的示意图。
52.图9是电化学系统的示意图，该电化学系统包括电解质限制特征并且其中一个半电池充满电解质和/或补充液体，而反半电池仅包含气体(包括在反半电池中产生的气体和被驱动通过反半电池室的气体)。
53.图10是利用电解质限制特征的气冷pem(质子交换膜)或aem(阴离子交换膜)电化学电池的示意图。
54.图11是板框式电池堆中电化学电池的示例实施例组件的分解图。
55.图12a是平面图，示出了在被配置为包含在双极板框架电池堆中的平面电池框架的第一侧上的电解质限制特征的示例布置。
56.图12b是平面图，示出了在图12的平面电池框架的第二侧上的电解质限制特征的示例布置。
57.图13是沿图12a中所示的线x
‑
x截取的集成到电池堆中的两个相邻电池的电池框架中的膨胀体积的截面图。
58.图14a和图14b是具有独立于工艺水组件的热管理组件的电解槽系统的示例性实施例的示意图。
59.图15是根据某些实施例的具有冷却剂导管的示例性多层冷却双极板的示意性分解图，其中冷却剂可通过该冷却剂导管循环。
60.图16是根据某些实施例的示例性低流量pem电解槽中电化学电池的一些特征的示意图。
61.图17是根据某些实施例的示例性低流量aem电解槽中电化学电池的一些特征的示意图。
62.图18是根据某些实施例的lfie电解槽的一些特征的示意图。
63.图19是示意性示出计算机或电子控制器的组件的框图，其中计算机或电子控制器可用于自动执行本文所述的方法和过程以控制电化学系统的操作。
64.详细描述
65.下面将参考附图详细描述这些子系统中的每一个的原理、实施例和示例，附图示意性地示出了展示限制电解质特征和组件的电化学系统的各种示例。附图包括在以旨在促进理解和描述的方式示出组件的意义上的投影，但是事实是这样的系统的许多实际实现通常将利用各种组件的非常不同的相对取向、比例和位置。
66.例如，在此类系统的实际物理实现中，各种所示组件的相对尺寸和取向不一定与此类组件的实际尺寸或取向相关。作为一个具体的实例，图1示出了在公共截面平面中电池100的所有组件，包括电池电极102、104，隔膜106，电解质捕获体积110、112，电解质返回通道114、116和气体去除歧管122、124。任何电解质捕获体积在本文中可互换地称为电解质收集体积。在一些具体实施方式中，电池的隔膜106和电极102、104可以与所示定向成直角定向，使得它们的二维表面位于平行于所示截面的平面中。许多不同的取向和布置是可能的，包括这里参考图12和图13描述的示例布置，以及许多其他可能的布置。
67.在基于图1的系统的电池堆中，电池堆中的每个电池可以包括：半电池室142、132，隔膜106，电极102、104，流体逸出元件160、162、164，电解质收集体积110、112，气体收集体积186、188，电解质返回导管114、116。供应歧管178和气体去除歧管122、124可以连接到电池组中的所有其他电池和附加的处理设备，例如，如本文参考图4所描述的。在一些实施例中，电解质返回导管114、116中的流体流可以由连接到电池堆的几个(或所有)电池中的回流导管的单个泵致动器(例如，心室泵致动器)驱动。
68.所用术语的定义
69.如本文所用，术语“电池”或“全电池”是指一种电化学单元，其中负电极通过离子导电通路(例如，液体电解质、盐桥、固体聚合物电解质或其他离子电导途径)连接到正电极。电池可以是电解的(由施加在电极上的电压和/或电流驱动)或原电池的(其中自发反应在电极之间产生电压差，这可以通过外部电路驱动电流)。
70.如本文所用，术语“半电池”可以指电池的单个电极(正极或负极)或与该电极相关联的结构。因为全电池需要彼此电化学相互作用的两个电极，所以与识别的半电池相互作用的电极可以被称为相对于第一个识别的半电池的“反电极”或“反半电池”。可以相对于
“
参考电极”测量半电池的电压，从而提供“半电池电压”。全电池电压是全电池的两个半电池电极的半电池电压之和(通常为绝对值)。
71.通常，电化学电池包括第一半电池和第二半电池，其中第一半电池包括第一电极和第二半电池包括第二电极，第二电极相对于第一电极处于不同的电势。通常，与另一半电池相比，在一个半电池中发生相反极性反应。例如，在电化学电池运行期间，氧化(或还原)发生在第一半电池中，而还原(或氧化，分别)发生在第二半电池中。例如，当第一电极和第二电极在电化学电池运行期间彼此直接或间接电连通时，在电化学电池运行期间，电流流入第一个半电池的第一电极，电流流出第二个半电池的第二电极，反之亦然。
[0072]“半电池室”是包括半电池或其电极的室或体积和/或结构。例如，第一半电池室可以含有第一电极(或其至少一部分，诸如第一电极的表面)，任选地电解质，任选地反应物质(诸如反应气体或液体)，和任选地产生的物质(例如产生的气体)，以及任选地其他结构，诸如顺应导电气体出口层、流动通道或其他结构。例如，半电池室的壁或体积限制表面可以是电极、双极板、电池框架或其他结构的表面。半电池室的边界可以完全或部分对应于物理边界，诸如物理对象的物理表面。半电池室的边界可以完全或部分对应于非物理边界，诸如空间、平面、假想表面或半电池室与另一个室、体积、结构或导管之间的位置。通常，但并非必须，全电池的两个半电池室(例如，对应于负极和正极)由隔膜隔开。通常，任何两个半电池室都具有相互排斥的体积(不重叠体积)。
[0073]
如本文所用，术语“流体”是指处于能够流动的状态的物质。流体可包括纯液体、纯气体或气体和液体的混合物。在一些情况下，流体还可以包括高粘性液体或“凝胶”材料。如本文所用，“气体”是指在所描述的系统中获得的压力和温度条件下处于物质气相中的任何材料。例如，“气体”可包括氧气(o2)、氢气(h2)、氯气(cl2)、水蒸气或其他气体或气体混合物。
[0074]
如本文所用，被称为彼此“流体连通”的两个或更多个区域表示流体可以在这些区域之间行进的通路。这样的通路可以包括通道、管、膜、导管、体积、管道、软管或其他结构，流体(液体和/或气体)可以通过这些通路传输或被传输，诸如通过平流、对流、浮力、扩散、流动、或其他流体输送机制。除非另有说明，否则术语“流体连通”还可以包括流体通路，通过该通路的流动可以被阀或其他结构选择性地或间歇性地中断。流体连通的区域可以是直接流体连通或间接流体连通。间接流体连通的两个区域可以包括中间通路或结构，流体可以通过该中间通路或结构在两个区域之间流动。术语“流体连接”在本文中也用于指代流体连通的区域。
[0075]
如本文所用，术语“电解质”通常可以指存在于电化学电池的一个或两个半电池中的任何液体或液体状物质(例如，可流动的凝胶)。因此，“电解质”可以包括碱性电解质、酸性电解质、含有反应物诸如盐水或海水的溶液、去离子水或其他液体或溶液的溶液。示例性碱性电解质可以包括碱性水溶液，诸如氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其组合。示例性酸性电解质可以包括酸性水溶液，诸如盐酸、硫酸或其他。一些电解质可以包含中性ph水溶液，诸如未纯化水、纯化水、去离子水或高度纯化和/或去离子水。电解质还可以包括离子液体、熔盐或其他。
[0076]
用于特定电化学系统的电解质的选择可以基于其他系统组件。例如，如果选择包含离聚物层(也称为“固体电解质”层)的隔膜，则电解质可以基本上仅包含纯化水和/或去
离子水(尽管在一些实施例中，一些离聚物层膜，诸如aem，也可以与碱性或酸性电解质一起使用)。如果分隔膜包含多孔聚合物、陶瓷或其他膜，则电解质通常会包含碱性或酸性溶液。在本文所述的各种实施例中，除非另有说明，否则术语“电解质”一般用于涵盖所有这些配置。
[0077]
如本文所用，术语“补充液体”可以包括在诸如本文所述的那些电化学电池内的电化学反应中消耗的任何液体。正如该术语所暗示的，在许多实施例中，补充液体被供应到电化学电池以补充(即，替换)在该电池中的电化学反应中消耗的液体。在许多情况下，补充液体可以包括水，诸如高纯度去离子水或纯度较低的水。在一些实施例中，补充液体可以包括电解质溶液，该电解质溶液可以是与电池的其他部分中使用的电解质相同的电解质或者具有不同组成的电解质溶液。在其他实施例中，补充液体可以包括其他液体混合物(水性或非水性)，预计其中的至少一些组分将在电化学电池中消耗。
[0078]
如本文所用，术语“去离子水”可以指已经被处理以至少去除固体颗粒、溶解的或夹带的(如气泡)气体和溶解的离子的水。去离子水可以被去离子化到不同程度，这可以根据电导率(或电阻率)来测量或报告。据报道，完全去离子水通常具有超过18兆欧
‑
cm的电阻，或小于约0.05555microsiemen/cm的电导率。“超纯”水通常是指电阻至少为1兆欧
‑
cm(或电导率小于1microsiemen/cm)的水。这些测量通常在25℃下进行，因为温度对电导率(和电阻)有很大影响。描述的用于本文系统和方法的任何方面的去离子水可以具有小于约20microsiemen/cm的电导率(在25℃下)。在一些实施例或用途中，可以使用电导率小于约1microsiemen/cm或小于约0.06microsiemen/cm的去离子水。一些实施例或用途可以使用具有大约0.055microsiemen/cm的电导率的理论上的“纯”水。
[0079]
如本文所用，术语“隔膜”或“分隔膜”可以指位于普通电化学电池的正极和负极之间并执行在正极和负极之间产生非导电隔离的功能同时允许正极和负极之间的离子导电性的任何结构。隔膜可以包括对离子扩散产生基本上为零或最小的离子扩散阻力的开放结构的间隔物，或对离子扩散产生更大阻力的结构，诸如多孔、微孔或纳米多孔膜(例如，聚合物膜)、凝胶、微珠、固体电绝缘和离子导电片(例如，离聚物、“固体电解质”膜、质子交换膜或阴离子交换膜)、陶瓷或如本文中进一步详细描述和示例所述的其他结构或材料。在一些实施例中，术语“pem隔膜”是指包括单独或与其他层组合的质子交换膜(pem)离聚物层的隔膜。在一些实施例中，术语“aem隔膜”是指包括单独或与其他层组合的阴离子交换膜(aem)离聚物层的隔膜。
[0080]
如本文所用，术语“液
‑
气隔膜”可以指一种或多种能够将液
‑
气混合物分成单独的液流和气流的结构。各种示例液
‑
气隔膜结构在下文中示出和描述。
[0081]
如本文所用，术语“被动控制”是指不依赖于电子控制器、传感器、电子控制致动器、电动机或泵(或其他控制)并且不消耗能量的控制方法和机制。“被动”控制方法和装置通常涉及使用自管理反馈回路，该回路包括具有特定特性的材料或装置，诸如阻尼特性、变形特性、弹性特性或其他。被动控制与此处定义的“主动”控制方法形成对比，后者通常涉及监测系统状态或状态变化(例如，温度、压力、ph等)的传感器和/或在电子控制器的控制下维持系统条件的动力致动器。这种主动控制方法消耗能量，因此在考虑整个系统的能量消耗时具有寄生特性。
[0082]“捕获和返回系统”是指被配置为收集逸出半电池室的电解质并将其返回到半电
池室和/或同一电池的反电极半电池室中的系统(包括导管、室、装置、膜、元件等)。在一个实施例中，例如，捕获和返回系统包括电解质收集体积(110、112)和气体分离体积(182、184)以促进产物气体和已经逸出半电池的电解质的分离。捕获和返回系统还可以包括被布置和构造为将所捕获的电解质返回到电解质从其逸出的电池的一个或两个半电池室中的电解质返回导管，以及被布置和构造为驱动所捕获的电解质通过电解质返回导管而不与来自堆的任何其他电池的电解质混合的隔离泵或泵组件。各种其他有用的组件可以包括在捕获和返回系统中或与捕获和返回系统结合使用并且在本文中描述。
[0083]
电池区域、结构或体积在本文中可以被称为与同一电池或不同电池中的一个或多个其他区域、结构或体积“流体分离”。在这种用法中，术语“流体分离”是指被一个或多个永久的、不可渗透的流体屏障分开的那些区域、结构或体积，这些屏障防止这些结构之间的直接流体(气体和/或液体)流动。类似地，两个或更多个区域、结构或体积可以被称为彼此“电隔离”，表明一种或多种不导电(或电绝缘)材料或结构阻止电流从一个流向另一个。在一些实施例中，即使从第一电池或半电池收集的气体与从其他电池或半电池收集的气体合并，和即使补充水从公共供应源输送到电池或半电池，第一电池或半电池的捕获和返回系统也可以与其他电池的捕获和返回系统流体和/或电隔离。在一些实施例中，即使共同的泵送或致动流体驱动两个电池或半电池中的心室泵，两个或更多个电池或半电池的电解质返回系统也可以彼此流体分离。系统还可以与其他电池流体分离，同时允许电池(例如，双极连接)之间或堆(例如，堆之间的串联或并联电连接)之间的电连通。当两个区域彼此流体分离时，它们彼此不流体连通。
[0084]“接触”是指电解质和电极之间的任何操作连通，包括例如物理连通、化学连通、电化学连通和/或离子连通等。例如，接触可以指电极和电解质之间的离子连通，使得电解质能够与电极中的物质、催化剂或结构发生化学或电化学反应。电解质可以与多个电极接触。电极可以部分或完全浸没在电解质中，或者电解质中存在的离子可以传导通过隔膜(例如润湿或凝胶隔膜或其他润湿/芯吸结构、固体离聚物或其他离子传导结构)。电极和电解质之间的接触可以涉及一种或多种中间结构，诸如界面层或材料，诸如氧化物层或固体电解质界面层。
[0085]
如本文所用，“堆”或“电池堆”是指在电、物理和/或逻辑结构中的多个电化学电池的任何分组。堆可以指任何物理几何形状或配置。例如，堆可以指串联、并联或更复杂配置的电化学电池。堆内的单个电化学电池可以被布置成棱柱状分层构造、同心圆柱构造、缠绕的“果冻卷”构造(螺旋状、棱柱状或其他卷状)或其他构造。尽管如此，将电解质限制在每个电池中的好处在串联连接的双极电池堆配置中最为有益。电池堆可以被配置为压滤机构造，也称为“板框”构造，由堆叠在一起的多层组成，并包括用于将流体输送到电池堆中的每个单独的电池中和从每个单独的电池中去除流体的歧管。
[0086]
一组电解电池可以以双极配置布置在电池堆中，其中相邻的电化学电池经由不透液体和气体的导电双极板串联电连接。每个双极板在与第一电池的正半电池相关联的一侧具有正电荷并且在与紧邻电池的负半电池相关联的相对面上具有负电荷。
[0087]
如本文所用，术语“歧管”通常是指延伸穿过电池堆并且为电池堆的所有单个电池共用的流体携带通道。被描述为对电池堆的所有电池“共用”的歧管或特征可以向每个电池输送流体或从每个电池去除流体。公共歧管以流体平行布置与每个单元流体连通。在此描
述的限制电解质系统的一个主要优点是广泛消除了含有导电流体的共用歧管，从而消除了寄生分流电流的通路。
[0088]
如本文所用，一些特征或结构被描述为对特定电池或半电池“独特的”，或者堆中的每个电池(或半电池)可以被称为具有对每个电池“独特的”特征。标识为对电池或半电池“独特的”结构或特征是这样的结构或特征，即可能仅分别与相应电池或半电池的其他结构或特征相互作用，而不与来自任何其他电池或半电池的任何结构、特征、气体或液体相互作用。
[0089]
如本文所用，水的“消耗”或“被消耗”的水是指水的电化学、电解、转化或分解成氢气和氧气。例如，在电池中消耗诸如工艺水的水的速率是指水在电池中电化学转化或分解为氢气和氧气的速率。电池中水消耗的速率取决于以下因素，包括但不限于：与电池相关的温度(例如，工艺水的温度、电极温度和/或其他固体电池组件)，与电池相关的压力(诸如电池的一个或两个室中的流体压力)，和/或施加到电池的电流，以及被工艺水充分润湿以允许电化学反应有效发生的电极反应位点的可用性。
[0090]
术语“离子交换电解槽”在本文中用作通用术语，包括利用被配置为交换阴离子和/或阳离子(包括质子)的固体聚合物电解质膜的电解槽。因此，术语“离子交换电解槽”包括利用pem(质子交换膜)(也称为阳离子交换膜，缩写为cem)、aem(阴离子交换膜)或包含离聚物材料、由离聚物材料组成或基本上离聚物材料组成的其他膜的电解槽。这种膜可以制成单独的独立结构(例如，一片材料)或可以与阳极或阴极集成，诸如通过用一层或多层离聚物(和任选的其他聚合物)涂覆一个或多个电极表面形成膜电极组件(mea)。
[0091]“离聚物”通常定义为由共价键合至聚合物骨架的电中性单元和电离单元的交替重复单元构成的聚合物。这种电离单元通常是羧酸基团。取决于化学连接到聚合物骨架上的离子基团的性质，离子聚合物(离聚物)可以分为阳离子聚合物、阴离子聚合物和含有阳离子和阴离子基团的两性电解质。尽管相对较少的离聚物膜商业上可获得，但已经研究了广泛的离聚物材料，例如在由m.r.tant、k.a.mauritz和g.l.wilkes编辑的“离聚物；合成、结构、性质和应用(ionomers；synthesis,structure,properties and applications)”(1997,isbn
‑
13:978
‑
0751403923)中所描述的。示例性离聚物包括乙烯丙烯酸共聚物(eaa)，以商品名和销售。
[0092]
示例性pem材料包括磺化的四氟乙烯基含氟聚合物
‑
共聚物(例如，全氟磺酸或pfsa)，诸如来自的膜类别，商标为示例性aem膜包括由dioxide materials以商标销售的各种膜。fumatech bwt gmbh公司还以商标和和和销售各种离聚物膜，其中任何一种都可以用于本文所述的离子交换电解槽中。包括任何其他pem、aem或其他离聚物材料的膜也可以用于如本文所述的离子交换电解槽。
[0093]
本文提及的催化剂，诸如析氢催化剂、析氧催化剂或其他，旨在包括任何已知能够催化确定的反应的催化剂，并且可以包括铂族金属、贵重金属、贵金属、贱金属、两种或多种金属的合金、高表面积碳、高表面积金属或金属合金结构、导电聚合物或其他被证明催化所需电化学或化学反应的材料。
[0094]
在各种实施例中，本文描述的架构、系统和方法可以应用于各种电化学系统和过
程。例如，在一些实施例中，具有本文所述特征的电化学系统可以是碱性电解槽系统，其中碱性氢氧化物水溶液电解质(例如氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或它们的组合)用于将电解质中的水在阴极分解为氢气，在阳极分解为氧气。在其他实施例中，如本文所述的电化学系统可以使用其他液体电解质，诸如酸性水溶液、中性ph水溶液、离子液体、熔盐等。
[0095]
虽然本文中的一些实施例是参考为将水电解分解成氢气和氧气而优化的系统进行描述的，但本文中描述的各种系统、方法、结构和实施例也可应用于具有与本文描述的系统结构或功能相似性的其他电化学系统。
[0096]
限制电解质系统组件和概念介绍
[0097]
图1示意性地示出了被配置为将电解质限制在电池100中的电解槽系统的一个电池和其他组件。所示电池100包括通过隔膜106彼此间隔开的正极104和负极102。示出了正极104在正半电池室132内，一定体积的正电解质131浸没正极104，正气体顶空134显示在电解质131的水平面136上方。类似地，负极102显示在负半电池室142内，负半电池室142含有浸没负极102的一定体积的负电解质130，负气体顶空144显示在电解质130的水平面146上方。如将在本文的各种实施例中描述的，气体顶空可以存在也可以不存在于一个或两个半电池室中。
[0098]
在一些实施例中，可以存在顶空分隔器150以将顶空分隔成单独的正顶空134(正极性半电池的顶空)和负顶空144(负极性半电池的顶空)区域，从而防止由电极104、102产生的气体混合。在各种实施例中，隔膜106或其他电池组件也可以被配置为最小化或防止气体从一个半电池室到另一个半电池室的交叉。
[0099]
在一些实施例中，负顶空区域144可以与负气体去除歧管122连通，并且正顶空134可以与正气体去除歧管124连通。在一些实施例中，一个或两个气体去除歧管122、124可以包含气体去除液体152。
[0100]
在各种实施例中，一个或多个流体逸出元件160、162、164可以提供每个半电池室132、142和对应的气体去除歧管124、122之间的通路。这样的流体逸出元件160、162、164可以被配置为允许气体从半电池室132、142逸出，同时基本上限制从半电池室132、142逸出的液体电解质130、131的量。在一些实施例中，流体逸出元件可以还被配置为在相应的半电池室和相应的气体去除歧管之间保持期望的压差。例如，各种气体逸出元件可以被配置为保持约0.01毫巴至约1巴或更大的压差。图1示出了多个流体逸出元件结构和位置，其细节将在下文进一步描述。
[0101]
在一些实施例中，负半电池室142和正半电池室132也可以与相应的电解质收集体积110、112连通。每个电解质收集体积110、112可以与相应的电解质返回导管114、116流体连通，电解质返回导管可以在一个或多个泵172、174的作用力下将电解质返回到相应的半电池室。
[0102]
图1还示出了供应入口176，其被配置为将补充液体从供应歧管178输送至电池100以替换消耗的或以其他方式从电池去除的液体，包括通过在电极102、104处转化为一种或多种气体而消耗的液体和经由气体去除歧管122、124从电池中去除的液体。补充液体也可以以蒸气形式(例如，水蒸气)替代从电池去除的液体。在用于从水生产氢的水电解槽系统的情况下，补充液体可以是基本上纯的水，诸如去离子水或对于特定应用具有足够纯度的其他水。在其他实施例中，补充液体可包括一定量的电解质液体或与水混合的其他液体。
[0103]
在各种实施例中，含有如本文所述的特征和优点的电化学系统可以以单极或双极堆配置构造。在一些实施例中，本文描述的特征和子系统可以被集成到电池堆内的单独层和电池中。在一些实施例中，一些特征或子系统可以被集成到堆中，而其他特征或子系统可以设置在堆外部。示例单极和双极堆配置在来自丹麦技术大学和丹麦riso的j.o.jensen、v.bandur.n.j.bjerrum、s.h.jensen、s.ebbesen、m.mogensen、n.trophoj、l.y的题为“水电解预研(pre
‑
investigation of water electrolysis)，pso
‑
f&u2006
‑1‑
6287，draft 04
‑
02
‑
2008”的第33
‑
39页中有所描述，该文献称为“jensen报告”。
[0104]
水电解槽传统上分为两类——单极和双极。在单极电解槽中，相同极性的电极彼此并联电连接。工业电解水的最古老形式使用罐式电解槽，在罐式电解槽中，交替的一系列电极、阳极和阴极垂直悬挂且彼此平行地在部分充满电解质的罐中。备用电极(通常是阴极)被防止气体从一个电极隔室流向另一个电极隔室的膜片包围。膜片不透气，但可渗透电池的电解质。整个组件悬挂在一系列集气器上。单个罐式电池通常含有多个电极，所有相同极性的电极都并联电连接。
[0105]
在双极电解槽中，电极以电串联的方式彼此连接。双极设计的电解槽可以包括相对大量电极的单个块状组件，每个电极在一侧是阴极而在另一侧是阳极。最近的电解槽设计使用堆，从而一个电池的正极直接连接到下一个电池的负极。电池的双极组件表面上与压滤机相似，因为电解质通过歧管平行流过每个电池，而氢气和氧气的出口管线也类似地通过堆形成歧管。该组件由许多重型纵向系紧螺栓固定在一起，其方式类似于板框压滤机。每个电极与其相邻电极绝缘并电串联；用膜片分离的每对电极形成一个单独的电池单元。在实践中，压滤式电池通常在每个电池中被构建有单独的电极，这些电极通过固体金属(或其他导电材料)隔板(“双极板”)进行电连接，该隔板充当电导体，同时保持一个电池的氢气室与下一个电池的氧气室分开。电流的方向是从“电池堆”的一端到另一端。因此，双极电解槽可以含有十到几百个串联的单个电池。由于压滤式电解槽的电池可能比较薄，因此可以用较小的设备实现大的气体输出。
[0106]
在如图2所示的一些实施例中，电解质返回导管114、116也可以与膨胀体积280流体连通，该膨胀体积280被配置为允许半电池室中的一个或两个的内容物的体积膨胀。在一些实施例中，流体导管可以允许正电解质131和负电解质130之间在膨胀体积280之外的位置处流体连通。具有其他电解质流体连通区域的一些示例性电池配置在本文中参照图6
‑
图9进行描述。
[0107]
在基于图2的系统的电池堆中，电池堆中的每个电池可以包括：半电池室242、232，隔膜206，电极202、204，流体逸出元件260、261，电解质捕获体积210、212，电解质返回导管214、216，气体收集体积286、288和膨胀体积280。供应歧管278和气体去除歧管222、224可以连接到堆中的所有其他电池和附加的处理设备，例如，如这里参考图4所描述的。在一些实施例中，电解质返回导管214、216中的流体流可以由连接到电池堆的几个(或所有)电池中的返回导管的单个泵致动器(例如，心室泵致动器)驱动。
[0108]
在各种实施例中，如本文所述的电化学系统可以被配置为自动管理各个压力区域之间的压力关系。通过维持和管理这些不同的压力区域，可以最小化倾向于驱动气体交叉的跨隔膜压差。这些压力区域包括补充液体供应歧管、半电池室、气体分离体积和气体去除歧管。在各种实施例中，这些压力区域可以由基于传感器输入操作的闭环电子控制器主动
维持，或者由具有倾向于抑制快速压力振荡的固有特性的结构和/或将响应于系统状态来执行期望操作的结构而被动维持。
[0109]
如本文所述的电化学系统的实施例可以被配置为使得电池中的压力通过气体发生反应增加，并且气体去除歧管和补充液体供应歧管中的压力可以由一个或多个主动控制器独立控制。如下文将进一步描述的，半电池室可以被配置为阻止流体流出半电池的流动，并且这种流动阻力可以抑制受控气体去除歧管中的压力变化对半电池压力的影响。
[0110]
电解质限制系统
[0111]
电解质限制系统通常包括被配置为将绝大多数电解质保留在每个电池或半电池室中同时允许产生的气体逸出该电池或半电池室的特征和结构。电解质限制系统的一些特征可以被配置为允许气体和电解质以压力平衡的方式逸出电池或半电池室，从而产生电池隔膜两侧的最小压差。
[0112]
如本文所用，术语“隔膜两侧压差”是指通常(但不一定)被隔膜隔开的公共电池的两个半电池室之间的流体压差。如本文所述，许多电池配置可以包括将电池分成半电池并在电池的正极和负极之间产生不导电隔离的分隔膜。另一方面，一些电池可以省略分隔膜或可以包括用于类似目的的其他结构。术语“隔膜两侧压差”并不意在一定意味着电池中存在分隔膜，而仅指两个区域之间的压差。
[0113]
参考图1，电解质限制系统可以包括至少一个限制的半电池室132或142，其中一个或多个流体逸出元件160、162、164被配置为允许产生的气体逸出半电池室132、142。在一些情况下，流体逸出元件160、162、164也可以被配置为允许一定量的液体电解质130、131逸出半电池室132、142。电解质限制系统还可以包括被配置为将正半电池室132与负半电池室142隔开的电池结构。这样的结构可以包括分隔膜106和顶空分隔器150。
[0114]
流体逸出元件160、162、164可以包括至少允许气体逸出半电池室132、142的结构。在一些实施例中，流体逸出元件可以被配置为当流体压力超过阈值时，仅允许气体或同时允许气体和液体流出半电池室132、142。在该上下文中，“流体压力”可以指液体电解质的压力、顶空气体的压力和/或在分散混合物中的气泡和液体电解质“泡沫”的压力。
[0115]
在传统的电解槽系统中，即使气体去除导管保持在高气压下，在正极和/或负极产生的气体也从半电池室被引导至几乎没有流动限制的气体去除导管。在大多数常规电解槽中，气体去除导管还用作流经每个电池的电解质(或工艺水)的流出导管。然而，如果一个电极相对于另一个电极产生不同的气泡(例如，明显不同的气泡大小、释放速率、体积等)，气体可能会以不可预测的不同速率与电解质混合。这可能会导致不可预测(因此无法控制)的瞬时隔膜两侧压差，这又可能导致液体和/或气体从瞬间高压半电池快速穿过隔膜到瞬间低压半电池。这种“晃动”效应可能导致产品气体无法接受地低的气体纯度，以及可能产生爆炸性气体混合物。
[0116]
如本文所用，术语“气体分离体积”、“气体分离器”、“气液分离器”或“气体收集体积”可以指半电池132、142外部的一个或多个体积，气体可以在被收集在气体去除歧管122、124中的途中流动，同时与流出半电池的任何液体(例如，电解质和/或补充液体)分离。例如，气液分离器，诸如气液分离器184，可以包括气体收集体积(例如，186)和电解质捕获(收集)体积，例如电解质收集/捕获体积110。在各种实施例中，气液分离器可以包括一个或多个体积，该体积通过一个或多个流体路径以流体连通的方式连接并且提供用于气体和液体
的单独出口。例如，在一些实施例中，除了气体去除歧管122、124和它们之间的任何导管或体积(例如，186、188)之外，气体收集体积还可以包括电解质捕获体积110、112(如本文进一步描述的)。如本文所用，术语“气液分离器”、“液气分离器”、“气/液分离器”和“液/气分离器”是可互换的。在一些实施例中，术语“气体分离器”和“气液分离器”是可互换的。
[0117]
虽然在本节中参考了图1，但该描述同样适用于本文建议或描述的任何其他实施例。在一些实施例中，流体逸出元件160、162、164可以对半电池室132、142和相应的气体去除歧管122、124之间的流动路径中的流动施加阻力。这种流动阻力可以是可测量为穿过流体逸出元件160、162、164的压降。例如，在一些实施例中，每个半电池室132、142可以通过产生对流出半电池室132、142的流体(气体和/或电解质)的阻力而保持在高于其各自气液分离器的流体压力。例如，在一些实施例中，这可以通过将流动限制流体逸出元件160放置在半电池室132、142和相应的气液分离器182、184之间的流动路径中来实现。限制通过流体逸出元件160的流体流速可以保持期望程度的背压或对流体流出半电池室132、142的阻力。这种流动阻力可以有益地在半电池室132、142的内部和相应的气液分离器182、184之间维持期望压差。这样的阻流结构可以防止气液分离器186、184经历的压力的瞬时波动被传送到半电池室132、142，从而减轻分隔膜两侧的压差波动。
[0118]
在其中产生气体的半电池室132、142的内部与被布置成收集产生的气体的气液分离器182、184之间的流体压差在本文中将被称为“出口压差”。在一些实施例中，电解质收集体积110、112和气液分离器182、184被称为电解质捕获和返回系统。在一些实施例中，电解质捕获和返回系统还可以包括附加组件，诸如泵、返回通道、阀等。在一些实施例中，电解质捕获和返回系统包括：一个或多个气液分离器，诸如气液分离器182和184；一个或多个流体逸出元件，和诸如一个或多个流出通道(例如，160，162)；以及一个或多个泵，优选地一个或多个对相应电化学电池或半电池独特的泵，诸如泵172和174，其可以是如本文参考图3a
–
3c所述的心室泵。
[0119]
在一些实施例中，如图1和图2(例如)所示，电解质捕获体积110可以是与气体收集体积186、188分开的体积。在一些实施例中，例如如图3所示(下面进一步详细描述)，电解质捕获体积110、112可以是与包括气体收集歧管122、124的体积体积的体积。
[0120]
流体逸出元件(例如，160)两侧的出口压差可以非常小(例如，小于1psi；例如，选自0.1巴至1psi的范围；例如，0.5
±
0.2巴；例如，小于或等于0.5巴但大于0巴)，只要半电池压力超过气液分离器(或气体去除歧管)的压力。实际上，较大的出口压差可以允许对受控排气歧管压力的变化进行更大的阻尼。在各种实施例中，半电池室132、142的内部与气液分离器182、184之间的出口压差的大小可以是从一(1)psi的几分之一到一个大气压(1atm)或约15psi)或更大。在一些特定实施例中，出口压差可小至约0.1巴直至约1巴或更大。在一些特定实施例中，出口压差可以是至少0.01巴、至少0.05巴、至少0.1巴、至少0.2巴、至少0.3巴、至少0.4巴、至少0.5巴、至少0.6巴、至少0.7巴、至少0.8巴、至少0.9巴、至少1巴、或高达2巴或更多。出口压差可以是0.05个大气压至0.35个大气压、0.35个大气压至0.7个大气压、1个大气压至2个大气压或更大。
[0121]
因此，在一些实施例中，流体逸出元件160可以被配置为限制流出半电池室132、134的流体的流速和/或在流体流过流体逸出元件160之前建立要超过的阈值流体压力。本文所述的流体逸出元件通常可以分为两类：“串联”元件和“并联”元件。
[0122]
串联流体逸出元件通常为流体(即，气体、液体或两者的混合物)的流出提供单个受限路径。在串联元件中，液体和气体必须遵循相同的路径从高压端到低压端。如本文所用，串联流体逸出元件可以广泛地称为“出口通道”。图1和图2示意性地图示了在160、260和261处的示例出口通道。
[0123]
出口通道(串联流体逸出元件)通常可以包括长而窄的通道，其一端位于相对高压区域(例如，半电池室132、142、232或242)，另一端位于相对低压区域(例如，气液分离器182、184、282或284)。出口通道可以是“长而窄的”，因为它们具有相对于它们的总路径长度较小的内部截面积(在垂直于其流动路径的平面中)。例如，出口通道可以具有为出口通道的截面尺寸(例如，直径)的5倍、10倍、100倍、500倍、1000倍(或更多)的总路径长度。在一些情况下，出口通道还可以包括曲折路径和/或机械限制的导管。因此，在各种实施例中，串联流体逸出元件(或“出口通道”)可以包括单向止回阀、“皮下”管、长而窄的通道、孔(例如，片或板结构中的小开口)或其他串联限流结构。
[0124]
在一些实施例中，出口通道形式的流体逸出元件可以包括一段长度为内部截面积数倍的刚性或柔性材料的管。限流通道可以由对流过它们的流体不可渗透的材料制成，诸如被热的、碱性的、酸性的和/或可以使用的其他电解质降解。
[0125]
当流体是液体和气体的混合物时，出口通道可以有利地提供对流动的非线性阻力。例如，出口通道可以对液体流动施加线性阻力，对气体流动施加不同的线性阻力，但是通过出口通道的液体和气体的随机分散混合物将经历非线性流动阻力。虽然不打算受任何特定理论的束缚，但据信气体和液体混合物可能倾向于作为随机体积的气体和液体的离散袋通过出口通道。由于与出口通道壁的表面张力相互作用，液体袋可能倾向于经历更大的流动阻力，而不直接与该壁经历表面张力的可压缩气体袋可能倾向于被液体袋阻挡。在一些情况下，可压缩气袋也可以在液体袋之间被压缩。这种非线性流阻可能有利于在半电池室和相应的气液分离器之间至少维持所需压差。
[0126]
在各种实施例中，出口通道的不同材料、材料特性和/或形状可以影响通过通道的液体流动阻力的程度。例如，流经通道的阻力可能与表面张力(或通过与材料的接触角测量的疏水性)有关，其中与电解质表现出更高表面张力(更亲水，更小的接触角)的材料可能比表现出较低表面张力(疏水性更强，接触角更大)的材料施加更大的流动阻力。表现出接触角小于90
°
的材料通常被称为相对于特定流体的“亲水性”，而接触角大于90
°
的材料通常被称为相对于该材料的“疏水性”。在一些实施例中，出口通道材料可以选择为相对于电解质是亲水的(表现出小于90
°
的接触角)。如果需要更大的流动阻力，出口通道材料可以选择为相对于电解质是疏水的(表现出大于90
°
的接触角)。在一些实施例中，出口通道可以包括圆形截面的管，其内部管直径大约等于(在大约10％的差异内)由静止地位于管中的电解质形成的弯液面曲线的直径。在非圆形截面的情况下(即，正方形或矩形截面通道的边长可以近似等于弯月面直径)，可以保持相同的近似关系。
[0127]
在一些实施方式中，出口通道可以被配置为产生“自校正”的非线性流动阻力，因为通过出口通道逸出的大量气体将倾向于引起半电池室中液位上升(例如，如下文进一步描述的，当液体被泵驱动到半电池室中和/或当补充液体进入半电池时)。当液位上升到出口通道入口的水平时，一定体积的液体可能进入出口通道，这将倾向于瞬间增加通过通道的流动阻力，并随着以与流动阻力上升之前相同的速度继续产生气体而相应地增加半电池
室中的压力。堆内每个半电池中发生的这些压力和液位变化可能非常小，并且可能发生得非常快(在一秒或更短的时间内)，这意味着这种自校正可能会自动校正太小而无法校正的压力变化，压力调节器用于控制堆级排气歧管中的压力。
[0128]
这种相同的行为也可以被描述为被动闭环控制系统，用于通过自动逆转瞬时压力变化来最小化分隔膜两侧的压差。通过这种方式，电解质充当机械传感器，将电解质液位转换为通过出口通道的压差。电解质液位充当压力传感器，因为半电池中流体压力的降低对应于液位的升高。进入出口通道的电解质(一旦电解质上升到出口通道入口的水平)增加通过出口通道的流动阻力，从而增加半电池中的压力以使半电池室恢复到更高的压力。通过在两个半电池室中提供这样的特征和功能，两个半电池中的瞬时压力变化可以迅速返回到平衡状态，从而平衡半电池之间的压差。
[0129]
因此，在其他实施例中，任何其他机构(包括数控机电装置或其他被动操作的控制装置)可以用于响应于半电池压力降低或半电池中电解质水平升高来增加对流出半电池室的气体(和/或液体)流的阻力。在一些实施例中，这样的控制系统可以被配置为实现期望的压力平衡，同时基本上防止电解质逸出半电池。例如，在一个实施例中，浮动阀可以被配置为当半电池中的液位上升时增加通过流体逸出元件(例如，通道、膜或孔)的压降(流动阻力)，和/或当半电池中的液位下降时减少通过流体逸出元件的压降(流动阻力)。在其他实施例中，机电控制阀(诸如电磁阀)可以由电子控制器驱动，该电子控制器被编程以响应于一个或多个指示半电池室内流体压力下降的电气或机械传感器信号来增加流动阻力。在一些这样的实施例中，可以在省略与每个半电池相关联的泵的同时实现这种压力平衡功能。
[0130]
在一些实施例中，被配置为用作流体逸出元件的流出通道可以一体地形成在电池中的其他结构内，诸如半电池室壁(例如，电池框架板)、双极板、电池结构原件或其他特征。在一些实施例中，出口通道可以通过机械加工、激光切割、光刻技术、增材制造技术(例如，3d打印)或其他方法形成在电池结构中(例如，电池框架、盖板或其他电池框架结构)。在其他实施例中，出口通道可以通过将由不同材料制成的单独结构(和诸如管、阀、通道或其他)固定(例如，嵌入、附接、包覆成型或以其他方式)到电池框架结构来形成。出口通道可以包括直线路径、曲线路径或直线路径和曲线路径的组合。
[0131]
在其他实施例中，出口通道可以包括一段弯曲或以其他方式形成为所需形状并嵌入或附接到电池结构诸如电池框架板、双极板、电池结构元件、或其他特征的管。例如，这样的管可以是圆形截面管，由电解质不可渗透的材料制成并且对电解质表现出所需程度的疏水性或亲水性。在一些特定示例中，这种管可以是金属或包含金属诸如镍、钛、铝或其他的金属合金。可替代地，这种管可以包括一种或多种聚合物材料或由一种或多种聚合物材料制成，所述聚合物材料诸如聚酰胺(pa)、聚(四氟乙烯)(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚(氯乙烯)(pvc)、聚砜(psu)、聚苯砜(ppsu)、聚醚醚酮(peek)、fep(氟化乙烯丙烯)、pfa(全氟烷氧基烷烃)、etfe(乙烯四氟乙烯)或其他。管可以通过包覆成型、粘合剂、溶剂、焊接或其他技术嵌入到电池框架中。
[0132]
例如，在一些实施例中，出口通道可具以有盘旋形或螺旋形截面，诸如盘管。在其他实施例中，出口通道可以具有弯曲段和直段两者、直段和锐角转弯(例如，任何锐角或钝角的弯曲)或仅直段。出口通道也可以相对于重力以任何配置定向。换句话说，出口通道可以被定向成使得流体在从半电池室内部行进到半电池室外部的点时向上、向下、水平或方
向的各种组合流动。在一些实施例中，过滤器可以定位在出口通道的入口端。这种过滤器可以包括多孔金属(例如，金属网或泡沫)、聚合物或其他适合于允许液体和气体通过同时将固体颗粒捕集在多孔过滤器中的材料。
[0133]
在一些实施例中，流体逸出元件可以包括一个或多个单向止回阀，诸如鸭嘴阀、提升阀、球形止回阀、隔膜止回阀、倾斜盘止回阀、挡板阀、升降式止回阀、伞形止回阀、活塞止回阀、旋启式止回阀、双板(双门)止回阀或其他。单向止回阀可以由任何合适的材料制成，诸如被选择为抵抗与阀接触的液体电解质和气体的损坏的聚合物、金属、陶瓷，或其他材料或材料组合。止回阀可以配置有开启压力——即阀的下游侧和上游侧之间的阈值压差，在流体将流过阀之前必须超过该阈值压差。在一些实施例中，可以选择止回阀的开启压力以维持半电池室和气液分离器之间的期望出口压差。
[0134]
图1还示出了负半电池室142与其相应的电解质捕获体积110之间的出口通道流体逸出元件160。出口通道元件160被示出为允许少量液体190通过通道并滴入电解质中捕获体积110。
[0135]
在一些实施例中，流体逸出元件可以对称地布置，使得每个半电池具有与其反半电池相同的流体逸出元件的数量和/或流速容量。在其他实施例中，电池可以配置有不对称的流体逸出元件，使得一个半电池比其反半电池具有更大的流体逸出流动能力。
[0136]
图2示意性地示出了一个电池200的另一个实施例，该电池被配置为将电解质限制在电池200中。每个半电池室232、242被示为与各自的气液分离器282、284分开，仅通过提供从半电池室232、242进入气液分离器282、284的唯一出口通道260、261连接。
[0137]
提供流体从半电池室流入气液分离器的唯一通路的出口通道260、261可以允许出口通道高度在半电池室242内建立液位高度232、232，从而限定每个半电池室242、232中的顶空244、234的高度和体积。因此，半电池室242、232内的出口通道开口262、263的垂直位置可以被定位在半电池室242、232内被选择为半电池室242、232内的电解质液面的期望近似最大高度的高度处。当电解质液面上升到出口通道262、263的开口之上时，流过出口通道260、261的流体将倾向于完全或主要是液体电解质。当液体电解质水平下降到出口通道开口262、263的高度时，流过出口通道260、261的流体将倾向于完全或主要是气体。除其他优点外，通过建立近似最大液体电解质水平来建立最小顶空可以有利地使顶空保持畅通以添加消耗性补充液体，并且可以帮助防止电解质通过补充液体入口276向上倒流。
[0138]
在一些实施例中，出口通道出口264、265可以被配置为将电解质滴入电解质捕获体积210、212中，同时允许气体流到气体去除歧管222、224。
[0139]
在各种实施例中，正半电池中的流体逸出元件配置可以与相应的负半电池中的流体逸出元件配置相同，或者流体逸出元件配置在共同电池的相对的半电池中可以是不同的。类似地，就流体逸出元件或其他特征而言，相邻电池可以相对于彼此具有相同或不同的配置。
[0140]
例如，正半电池室232和正气液分离器284中的出口通道入口263和出口265可以被定位在与负半电池室242和同一电池200的负气液分离器282中的出口通道入口262和出口264基本相同的高度处。可替代地，与同一电池200的负半电池室242和负气液分离器282相比，正半电池室232和正气液分离器284中的出口通道入口263和出口265可以被定为在更高或更低的位置。
[0141]
并联流体逸出元件可以包括多孔结构，诸如膜、过滤器、网、多孔块，或具有从一侧到另一侧的多个曲折或小直径通路的其他结构。任何特定量的流体可以通过的平行路径中的哪一条可能倾向于受多孔结构的物理结构、其他电池组件的结构和/或电池中发生的动作的物理特性的影响。由于液体和气体与多孔流体逸出元件的物理相互作用的差异，液体可能会更慢地通过一些孔(例如，由于摩擦、表面张力、粘度等)，而一些通路可能至少暂时被液体阻塞(或充满液体)，导致气体通过未堵塞的孔或通道。
[0142]
一些流体逸出元件还可以被配置为“相区分的”，使得仅允许物质的一个相(例如，液体或气体但不是两者)通过。在一些实施例中，可以用高度疏水的材料实现至少一定程度的相辨别。在一些示例中，这样的疏水材料可以包括多孔膜，其可以允许气态物质的传输同时防止液体的传输。图1在162和164处图示了示例性膜流体逸出元件。在一些实施例中，不一定具有相辨别的膜可以用作流体逸出元件。
[0143]
除了防止大量液体流的传输之外，具有足够小的和/或曲折的疏水孔的膜还可以防止液滴或雾的传输。例如，合适的膜可以具有小至0.1μm或更小的孔径。合适的流体逸出元件膜可以由各种材料制成，包括聚四氟乙烯(ptfe)、膨体ptfe(eptfe)、聚醚砜(pes)、fep(氟化乙烯丙烯)、pfa(全氟烷氧基)、etfe(乙烯四氟乙烯)、聚丙烯、聚乙烯、聚碳酸酯、聚偏二氟乙烯、醋酸纤维素、聚丙烯腈、聚醚酰亚胺、聚酰胺、交联聚醚、聚丙烯或这些和其他聚合物的各种组合。在其他示例中，并联的流体逸出元件可以包括多孔复合材料或陶瓷材料的块、片或板。这种材料可以是天然疏水的，或者可以通过处理或添加剂改性以赋予疏水特性。在其他实施例中，疏水材料可以与亲水材料组合以形成复合膜结构以用作并联的流体逸出元件。
[0144]
在一些实施例中，可以组合两个或更多个流体逸出元件结构。例如，一个或多个单向阀或孔可以与出口通道组合以形成具有两个或更多个彼此串联的串联流体逸出元件的流体逸出元件。在另一示例中，一个或多个串联的流体逸出元件(例如，出口通道、阀、孔等)可以与一个或多个并联的流体逸出元件(例如，膜或多孔块)组合。
[0145]
在各种实施例中，相同或不同类型的一个、两个、三个或更多个流体逸出元件可以定位在半电池室与气液分离器之间的流体路径中。例如，图1示出了将每个半电池室与其各自的气体去除歧管122、124分开的三个流体逸出元件。第一膜型流体逸出元件164被示为定位在负半电池室132、142和电解质捕获体积110、112之间(下面进一步详细描述)，第二膜型流体逸出元件164将电解质捕获体积110、112与气体去除歧管122、124分开。在各种实施例中，膜162、164的一者或两者可以是由能够仅允许气体通过的材料和结构制成的相
‑
辨别疏水膜，导致液体或雾收集并滴回高压室。在一些实施例中，膜162、164中的一者或两者可为非相辨别的。
[0146]
在各种实施例中，电池200可以包括顶空分隔器250，其被配置为将一个半电池232的气体顶空234与其反半电池242的顶空244分开。这样的顶空分隔器250可以由任何合适的材料和结构制成，使得它具有不可渗透任一半电池中产生的气体降解并且不可渗透液体电解质降解的特性。合适的实例可以包括电解质不可渗透的聚合物、金属、金属氧化物、金属氢氧化物、陶瓷或复合材料的固体无孔片。在一些实施例中，顶空分隔器250可以由不渗透电解质和半电池室中的气体的柔性材料制成。这种灵活的顶空分隔器可能会由于分隔器界面处的流体压差异而偏转，从而允许在半电池室之间进行一定程度的被动自动压力平衡。
在顶空234、244下方，半电池室232、242可以被隔膜206分开。
[0147]
在各种实施例中，隔膜(图1中的106、图2中的206，或本文描述的电化学系统中的任何其他隔膜)可以由各种材料中的一种或多种制成，包括尼龙、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚烯烃(po)、聚酰胺(pa)、聚(四氟乙烯)(ptfe)、聚偏氟乙烯(pvdf)、聚(氯乙烯)(pvc)、聚砜(psu)、聚苯砜(ppsu)、聚醚醚酮(peek)、石棉、氧化锆布、棉布、聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯(pva)、乙基纤维素、甲基纤维素、乙烯
‑
甲基丙烯酸共聚物、氟化聚合物、磺化聚合物、羧基聚合物、织物或非织物纤维素、nafion或其他。在一些实施例中，隔膜材料可以通过添加交联剂或通过后处理诸如用于改性材料的表面特征(诸如改性材料的亲水性或疏水性)的电晕放电处理来改性。膜材料的亲水性和/或疏水性程度也可以通过包含一种或多种倾向于影响这些参数的添加剂材料来改变。例如，亲水性添加剂诸如氧化锆、二氧化钛或其他材料可以嵌入到聚合物膜中或与聚合物膜共挤出。在一些实施例中，也可以使用陶瓷膜、金属陶瓷膜或复合陶瓷/聚合物膜。us4898699、us4445994和us20150118592中描述了示例陶瓷和金属陶瓷隔膜。
[0148]
在一些实施例中，隔膜可以由合适的材料和构造制成，以便基本上是亲水和/或对一种或多种气体是不可渗透的。在一些实施例中，隔膜可以由来自称为离聚物的材料类别的材料制成，包括阴离子交换膜和质子交换膜，它们通常是能够传导离子而不允许液体或溶解物质扩散或直接流动的固体无孔材料。离聚物的实例包括诸如由生产的商标为和的乙烯
‑
甲基丙烯酸共聚物，诸如由生产的商标为的含氟聚合物共聚物，或其他。
[0149]
在一些实施例中，隔膜可以包括固体凝胶材料或复合材料，诸如在美国专利申请公开us20020012848、us20020010261、us20030099872和us20120148899、美国专利us3953241、us6358651和us6183914，或欧洲专利ep0624283b1。例如，复合材料隔板膜可以包括浸渍有金属氧化物或金属氢氧化物(例如，诸如锆、铝、锂、钛、镁等金属的氧化物、二氧化物、低价氧化物或氢氧化物)的聚合物膜(例如，由一种或多种上述材料制成)。
[0150]
在各种实施例中，电极102、104、202、204可以包括适合于在电化学电池中实现所需反应的任何结构、材料和催化剂。电极通常包括导电基材(例如，金属、碳、石墨、导电聚合物或其他导电材料的片、毡、泡沫、网或其他结构)和直接负载在导电基材上或接触或附着于导电基材的单独层的催化剂。一些电极还可以包括含有疏水聚合物的气体扩散层。在上面引用的jensen报告中提供了一些示例性电极结构、催化剂和材料。其他示例性电极结构在美国专利9,938,627、美国专利申请公开2015/0292094和美国专利10,026,967中有所描述，这些专利中的每一个均通过引用整体并入本文。
[0151]
在各种实施例中，由限制电解质电池构成的电池堆最初可以以多种方式中的任何一种填充有电解质。例如，电池体积的一部分可以填充有干粉，该干粉可以被经由补充液体供应歧管输送的补充液体水合和溶解。在其他实施例中，电解质可以作为在电池堆组装期间包括的固体冷冻电解质块被添加。在其他实施例中，电解质可以经由补充液体供应歧管、气体吹扫歧管或专门提供的电解质填充歧管而被输送到电池堆中的每个电池体积中。
[0152]
电解质捕获和返回系统
[0153]
图1和图2示出了在本文中被称为电解质捕获和返回系统的一部分的示例特征和
结构，其中每个半电池室132、142、232、242可以连接到被布置和构造成接收和保留一定体积的从半电池室132、142、232、242逸出的电解质130、131的电解质捕获体积110、112、210、212，以将所捕获的液体电解质与流出半电池室的气体分离，并将所捕获的电解质返回到半电池室中的一者或两者。电解质捕获体积110、112、210、212可以包括连接到返回路径导管114、116的出口导管118、119和用于将电解质130、131返回到电解液从中逸出的电池100的泵172、174。
[0154]
在一些实施例中，电解质捕获体积110、112、210、212可以与气体收集体积186、188、286、288流体连通，气体收集体积186、188、286、288可以与气体去除歧管122、124、222、224流体连通。电解质捕获体积和气体去除体积，可以被一起构造成将流出半电池室134、132、242、232的流体混合物基本上分离成气体收集体积186、188、286中的气体和电解质捕获体积110、112、210、212中的液体电解质。
[0155]
在一些实施例中，例如如图1所示，电解质捕获和返回系统可以被配置为将所捕获的电解质130或131专门返回到其所捕获的半电池室132、142，而不允许与从反电极半电池室132、142捕获的电解质131或130混合。
[0156]
在一些实施例中，例如如图2所示，电解质捕获和返回系统可以被配置为允许从公共电池200的相对的半电池室232、242捕获的电解质混合在诸如膨胀体积的公共体积中(下面进一步详细描述)。
[0157]
在各种实施例中，捕获体积可以被配置有多种合适的结构和材料。例如，在一些实施例中，每个半电池室132、142、232、242的捕获体积可以被集成到一个或多个双极或单极堆配置中的电池框架或结构中。在其他实施例中，捕获体积和导管可设置在电池框架的外部并且被配置为将所捕获的电解质引导回到电池中。
[0158]
在一些实施例中，捕获体积110、112、210、212可以是仅含有气体和/或液体电解质的空体积。在其他实施例中，捕获体积110、112、210、212可以含有一种或多种适合于从逸出相关联的半电池的流体混合物冷凝液体电解质液滴的冷凝材料。冷凝材料通常可以具有不受电解质降解影响的高表面积材料。这种冷凝材料可以包括金属和/或非金属材料的多孔结构，诸如具有三维结构的织物或非织物聚合物或金属网、片材、泡沫、网格或膨胀材料。在其他示例中，冷凝材料可以包括松散的、聚合物结合的或作为烧结结构的一种或多种材料(例如，陶瓷、金属或金属氧化物)的颗粒。液气分离器182、184、282、284的捕获体积110、112、210、212可以包括在液体区域中的液位上方的气袋区域。
[0159]
通常，捕获体积的体积容量可以被确定大小以提供足够的体积来捕获足够的电解质以适应从半电池室的最大电解质流出速率。如本文别处所述，在任何给定时间逸出半电池室的流体的液体含量可以取决于当时电池的操作阶段。在一些实施例中，电解质捕获体积的理想尺寸还可以取决于所捕获的电解质返回其逸出的电池的速率。电解质返回的速率可以是泵送速率的函数。
[0160]
在一些实施例中，捕获体积可以被构造成具有可变体积，诸如通过使用可移动的活塞或可膨胀的隔膜、可膨胀的膜、或弹性可膨胀的管或随着更多的电解质被引入捕获体积110、112、210、212而可移位或膨胀的导管。
[0161]
在一些实施例中，可能需要从捕获体积110、112、210、212的底部部分220排除气体，以确保仅液体电解质被吸入泵172、174、272、274并返回到半电池室132、142、232、242。
例如，在一些实施例中，多孔亲水材料126、226的一部分可以定位在捕获体积110、112、210、212的底部部分附近以便基本上限制与捕获体积出口118、119、218、219相邻的气袋的形成。可以使用泡点大于泵172、174的入口压力的多孔亲水材料或膜126、226。泡点是气泡通过膜时的气体压力，是诸如水过滤等行业中使用的膜的目录中经常列出的指标。膜或材料的泡点也可以凭经验确定。
[0162]
示例性材料或膜126、226可以包括聚砜膜、聚醚砜膜、磺化聚醚砜膜、聚丙烯腈膜、聚偏二氟乙烯膜、由混合纤维素酯制成的膜、醋酸纤维素、尼龙、聚酯、多孔陶瓷结构、三维多孔金属结构诸如网、网格或泡沫(例如，镍、钛或其他金属或金属合金)、陶瓷、金属陶瓷金、复合材料或这些或其他材料的组合。
[0163]
可以用浮动分隔器实现类似的目的，该浮动分隔器被配置为漂浮在捕获体积110、112、210、212内的任何电解质130、131的顶部。在一些实施例中，浮动分隔器可以被配置为密封捕获体积出口118、119、218、219以防止当捕集体积不含有液体电解质或含有小于阈值体积的液体电解质时气体流出捕集体积出口。在其他实施例中，其他相分离材料或结构可以用于允许基本上仅液体电解质占据与出口118、119、218、219相邻的电解质捕获体积110、112、210、212的底部区域220。
[0164]
在其他实施例中，可以省略亲水膜、漂浮物或其他结构，以允许气体通过出口118、119、218、219流出捕获体积110、112、210、212。经由出口118、119、218、219流出捕获体积110、112、210、212的任何气体可以被泵送到半电池室132、142、232、242中的一者或两者中。
[0165]
捕获体积110、112、210、212的一些实施例可以包括具有单向阀221的出口118、119、218、219，以防止电解质从回流管道114、116、214、216回流回到电解质捕获体积110、112、210、212中。可以使用任何类型的单向阀(或止回阀)，诸如鸭嘴阀、提升阀、球形止回阀、隔膜止回阀、倾斜盘止回阀、挡板阀、升降式止回阀、伞形止回阀、活塞止回阀、旋启式止回阀、双板(双门)止回阀或其他。单向止回阀可以由任何合适的材料制成，诸如被选择为抵抗与阀接触的液体电解质和气体的损坏的聚合物、金属、陶瓷，或其他材料或材料组合。在一些实施例中，单向阀可以被集成到泵中，该泵被布置成将流体从电解质捕获体积110、112、210、212通过回流导管114、116、214、216移动到半电池室132、142、232、242中。
[0166]
在一些实施例中，电解质捕获和返回系统和/或补充液体供应系统可以在没有液位传感器的情况下运行。在一些常规电化学电池中，液位传感器通常用于控制补充流体添加的速率、电解质流过电池的速率和/或从电池中提取气体的速率。相反，所描述的系统和方法利用压差、流体逸出元件和止回阀来精确但被动地管理电解质水平和补充流体添加速率，而无需电子控制器、传感器、液位传感器等。这可能的优势在于它降低了成本并消除了与传感器、机电致动器和电子控制系统相关的故障模式和错误，从而减少了维护、停机和更换的需要。
[0167]
泵172、174、272、274可以沿着用于将流体(例如，电解质、气体和/或其他流体)从电解质捕获体积110、112、210、212输送到半电池室132、142、232、242的电解质返回导管布置。在实施例中，泵172、174、272、274可以包括一种或多种正排量泵类型，诸如活塞泵、蠕动泵、旋转凸轮泵、腔式泵、螺杆泵、旋转齿轮泵、隔膜泵、齿轮泵、叶片泵或其他正排量泵或其他泵类型。在各种实施例中，可以使用任意数量的泵将所捕获的电解质返回到堆的电池中。在一些实施例中，系统可以每个电池使用一个泵、每个半电池使用一个泵、整个电池堆使用
一个泵、或堆的所有正半电池使用一个泵和堆的所有负半电池使用第二个泵。其他配置也是可能的。
[0168]
在一些实施例中，泵172、174、272、274可以被配置和布置成以“压力平衡”的方式将电解质返回到电池或半电池室，即，不将半电池室132、142、232、242中的流体压力高于预定阈值。在一些实施例中，这可以通过使用传感器和闭环控制系统的主动控制来实现，而在一些实施例中，泵/电池系统的“压力平衡”可以通过使用压力平衡泵类型被动地实现。
[0169]
一种非常适合与本文所述的各种系统和方法一起使用的“压力平衡”泵在本文中被称为“心室泵”，其示例在图3中示出。
[0170]
平衡压力的“心室”泵
[0171]
图3a示意性地图示了示例“心室泵”300，其可以用于如本文所述的电化学系统实施例的各个方面。心室泵有利地允许对泵送流体进行被动压力调节，并且还可以通过单个简单的致动机构同时驱动大量平行或同时流动通道中的流体流动。心室泵还可以包括最少的运动部件，可以由与要泵送的腐蚀性流体高度兼容的廉价材料制成，并且可以集成到双极或单极电池堆中。
[0172]
心室泵通过向与一个或多个可压缩“驱动器”元件接触的致动流体(即，可压缩或不可压缩流体)施加压力来操作。所施加的压力同时传递到可压缩驱动器元件(例如，可压缩管、隔膜或其他可偏转结构)，从而将流体驱出或远离可压缩元件。通过心室泵的流动的方向可以由单向止回阀被动控制。
[0173]
图3a是其中心室泵300可以包括具有多个流体驱动管312的外壳310的示意图，所述流体驱动管312延伸穿过填充有围绕管312的致动流体320的外壳310的内部。每个管312可以偶接到外壳310的第一端壁332外部的上游流体导管324和第二端壁334外部的下游流体导管326。上游单向阀342和下游单向阀344可以放置在每个管312或导管324、326中。上游阀342和下游阀344都可以被布置成允许流体沿第一方向流过管(例如，沿图3a所示的方向向下)，并防止流体沿相反的方向流动。心室泵300还可以包括致动器350，该致动器350被布置成将流体压力施加到容纳在外壳310内并围绕管312的致动流体320。
[0174]
如本文所用，术语“驱动器元件”、“流体驱动器”或简称“驱动器”是指包括可压缩或可偏转结构的结构心室泵组件，该可压缩或可偏转结构在被致动流体压缩或偏转时驱动输送流体通过流体输送导管。在图3a的示意性示例中，管312包括可偏转结构(可压缩管壁)和流体输送导管(管内的腔体积)。因此，图3a的管312可以被描述为“驱动器”和导管的一部分两者，流体通过驱动器的致动(压缩或偏转)被驱动通过该管。术语“驱动器”旨在等同于其他术语，诸如“可压缩元件”、“可偏转元件”、“可压缩导管区段”或暗示类似结构的其他术语。
[0175]
在一些实施例中，在图3a中表示为管312的流体驱动器可以由不可压缩的材料制成，诸如硬塑料、金属、陶瓷等，但被布置成允许压缩室的配置，和诸如活塞、波纹管、隔膜等。流体驱动器可以包括任何形状的任何结构或能够将由致动器350施加的(正或负)压力传递到流体输送导管312以便将导管312内的流体从上游端352驱动到下游端354的布置。
[0176]
当致动器350压缩致动流体320时，心室泵300可以操作以将流体从由管312和对应的上游导管324和下游导管326限定的每个流动通道的上游端352输送到下游端354。施加到致动流体320的增加的压力将被传递到流体内的每个可压缩元件312的部分，从而通过下游
单向止回阀344排出一定体积的流体。上游单向阀342将阻止管312中的流体向后流动。在释放致动流体320和管312上的压缩压力后，如果上游阀342上游的流体压力大于外壳310内(因此在管312内)的减压压力，则流体可以沿下游方向流动通过上游阀342进入相应的内管段312。在一些实施例中，负压可以应用于致动流体以将上游流体吸入管段312中。
[0177]
在一些实施例中，可压缩元件312(或单向阀、隔膜或本文所述的其他柔性结构)可以由一种或多种具有橡胶状特性的弹性可压缩材料中的任一种制成，诸如乳胶橡胶、硫化橡胶、硅酮、天然橡胶、异戊二烯、异丁烯异戊二烯、环氧氯丙烷、聚氯丁二烯、全氟弹性体丁苯橡胶(sbr)、其他丁基橡胶、三元乙丙橡胶(epdm)、其他乙丙橡胶、丁腈橡胶、氯丁橡胶(聚氯丁二烯或pc
‑
橡胶)、氯磺化聚乙烯(cspe或hypalon)、含氟弹性体或其他。
[0178]
虽然图3a示出了圆形截面的管，但管或其他可压缩元件根据需要可以是任何截面形状。在一些实施例中，可压缩元件可以由本身基本上不可压缩、但是具有能够被压缩或偏转以减少含有要泵送的流体的内部体积的截面或其他形状的材料制成。在其他实施例中，管、可压缩元件或其他流体驱动器元件可以由可压缩材料制成。
[0179]
虽然弹性可压缩流体驱动器材料可能是有益的，因为它们可以由正驱动压力或负驱动压力驱动，并且可以在驱动压力释放时自膨胀，但流体驱动器只需要能够被致动流体320压缩或偏转。弹性不是管的必要特性。因此，可以使用其他非弹性或弹性最小的可压缩材料，诸如聚四氟乙烯管、聚乙烯管或其他。
[0180]
可由心室泵300控制的独立流(即，流入和流出导管324、326和导管312的组合)的数量仅受可装配在外壳310内的流体驱动器和导管312的数量的限制。因此，心室泵300可以被配置为通过选择外壳尺寸和导管或流体驱动器尺寸来保持任意数量的平行泵送流。
[0181]
在各种实施例中，外壳310应该被密封以防止致动流体320的泄漏。因此，附接到或延伸穿过外壳310的任何导管312或导管324、326可以被密封到外壳310。在一些实施例中，管312和/或导管324、326可以诸如通过焊接、粘合剂、配件、联接件或其他机制或方法密封到端板。例如，在一些实施例中，外壳端盖332、334可以具有连接到端盖或与端盖一体形成的直的、螺纹的或倒钩的连接器。例如，连接器可以作为端盖(或其他外壳部件)的一部分进行模制、机加工、3d打印等。
[0182]
在各种实施例中，外壳310内的流体驱动器312可以是与位于外壳310外部的流体输送导管332、334不同的材料。因此，在一些示例中，上游流体输送导管324可以由第一材料制成并且可以连接到外部联接件，该外部联接件可以附接到外壳部分或与外壳部分一体地形成。相应的流体驱动器部分312可以连接到内部联接器，该内部联接器可以附接到内部外壳部分或与内部外壳部分一体形成。在一些实施例中，上游流体输送导管324和/或下游流体输送导管326可以与外壳310的一部分或者一个或多个附接到外壳310的部件诸如端盖或侧壁一体地形成。
[0183]
虽然图3a示出了以直线延伸通过外壳310的相对端部332、334的流体导管324、326和流体驱动器导管(管)312，但不必在所有实施例中都是这种情况。在一些实施例中，流入(上游)导管324和相应的流出(下游)导管326可以彼此穿过相同的外壳壁(例如，端壁、端盖或侧壁)。在一些实施例中，上游流入导管324和相应的下游流出导管326可以彼此垂直地或相对于彼此以任何其他取向穿过外壳壁。在此类实施例中，外壳内的可压缩流体驱动器导管(例如管)312或其他导管结构可以在外壳310内弯曲或弯折。
[0184]
在一些实施例中，外壳310内的流体驱动器312的仅一部分可以是可压缩的，而流体输送导管的其他部分可以由仅引导流体流动的不可压缩材料制成。在一些实施例中，心室泵可以配置有两个或更多个上游流入导管324或下游流出导管326，这些导管以歧管或允许两个或更多个流动流在入口端和/或出口端结合的其他配置彼此结合。
[0185]
虽然图3a中的外壳310被示为具有独立于其他结构的圆柱形状，但在各种实施例中，外壳310可以根据需要具有任何其他形状，诸如球形或棱柱形状，诸如矩形或其他棱柱。在各种实施例中，外壳可以由任何材料或材料组合制成，包括塑料、金属、陶瓷或适合于致动流体和所需的致动压力的复合材料。
[0186]
在一些实施例中，外壳310可以集成到电化学电池堆中，诸如通过连接多个堆叠层形成外壳体积。例如，外壳310可以包括歧管、导管或将多个电池堆层的部分连接成公共体积的其他结构，该公共体积可以含有用于多个单独电池或半电池中的每一个的致动流体和流体驱动器312。下面参考图3b
‑
图3c描述一个示例。
[0187]
在各种实施例中，心室泵300中的单向阀342、344可以包括任何单向止回阀类型，诸如鸭嘴阀、提升阀、球形止回阀、隔膜止回阀、倾斜盘止回阀、挡板阀、升降式止回阀、伞形止回阀、活塞止回阀、旋启式止回阀、双板(双门)止回阀或其他。单向止回阀可以由任何合适的材料制成，诸如被选择为抵抗与阀接触的液体电解质和气体的损坏的聚合物、金属、陶瓷，或其他材料或材料组合。尽管单向阀342、344被示为位于外壳310的外部，但它们也可以替代地位于外壳体积内部或外壳本身的联接件、端盖或其他结构内。虽然图3a示出了每个导管仅一个上游阀342和一个下游阀344，但心室泵300可以在单个管或导管中包括任意数量的阀。
[0188]
图3a示出了呈简单活塞356形式的致动器350，其可以随着活塞356朝向外壳310移动施加正压，并且在一些实施例中可以通过将活塞356移离外壳310来施加负压。在各种实施方式中，可以使用任何类型的致动器来代替活塞或与活塞结合使用。例如，在一些实施例中，致动器350可以包括活塞泵，其中活塞由旋转或线性马达驱动。在其他实施例中，致动器350可以包括能够间歇地向流体施加增加的压力的任何其他泵类型。这种泵的一些示例可以包括注射泵、蠕动泵或其他类型的间歇致动正排量泵。在其他实施例中，致动器350可以包括电子控制的螺线管、伺服系统或其他机电装置。在其他实施例中，致动器350可以包括压力调节器，该压力调节器是可致动的以将来自高压(或低压)源(诸如压缩气体源或加压液体源)的压力间歇地施加到致动流体。
[0189]
在各种实施例中，可以基于期望的泵送速率(例如，在每单位时间的流体体积或质量方面)来选择致动频率(即，每单位时间施加致动压力的频率)，这可以基于心室泵要移动的流体体积来选择。也可以基于其他系统参数，诸如预期或期望的下游压力，来选择由致动器施加的压力大小。
[0190]
然而，致动压力不需要被严格控制，因为在每次致动期间从每个流体驱动器312驱出的流体体积可以简单地是管或其他可压缩或可偏转驱动器部分的可压缩内部体积。通过选择能够承受超压的可压缩材料，可以容忍流体驱动器312的过度压缩。另一方面，可以基于期望的最大下游压力来选择最大致动压力。如果在下游阀344下游的特定导管326中的压力超过(或等于)经历致动压力的流体驱动器312中的压力，则在该致动期间流体将根本不会流出相应的管。
[0191]
在一些实施例中，心室泵可以以开环控制的方式操作，独立于任何其他系统状态。心室泵的性质使得，如果上游流体不可用(即处于低压下)或者如果下游压力超过由致动压力引起的流体驱动器312中的压力，则流体将根本不流过泵，但泵不一定会因继续向驱动器施加驱动压力而损坏。在一些情况下，流体可以在一些驱动器/导管312和导管324、326中流动，而没有流体在同一泵300中的其他驱动器/导管312和导管324、326中流动。因此，单个致动器350可以以不同的速率驱动流体通过各种驱动器/导管112和导管324、326，而不会对泵300或系统的其他部分产生不利影响。
[0192]
致动器350通常可以被配置为在“低”施加致动压力和“高”施加致动压力之间循环。当“高”施加致动压力超过下游阀344下游的流体压力时，流体将从流体驱动器312排出。当上游阀342上游的压力大于外壳310内致动流体的“低”压力时，流体将被拖入流体驱动器导管312。。“高”和“低”压力在绝对值方面可以是正的或负的(即，相对于大气条件)，并且当前述压力关系存在时是可操作的。因此，与心室泵外壳310和/或流体驱动器312上游和下游的预期或设计压力相比，施加到致动流体的绝对压力不如相对压力重要。
[0193]
在各种实施例中，由致动器350施加到致动流体320的压力可以是绝对正压或绝对负压。在一些实施例中，所施加的致动压力可以在“低”正绝对压力和“高”正绝对压力之间循环。可替代地，所施加的致动压力可以在正绝对压力和负绝对压力之间循环。在进一步的实施例中，所施加的致动压力可以在“低”(更负的)负绝对压力和“高”(接近零)绝对压力之间循环。
[0194]
在各种实施例中，致动器350可以被布置成同时或交替地将致动压力施加到单个心室泵外壳310或多个心室泵外壳310。例如，致动压力的交替施加可以包括在活塞循环的相对端施加致动压力，通过阀配置将压力引导至交替导管，或通过其他机构。对多个心室泵同时施加致动压力可以通过向多个分支共用的导管中的致动流体施加压力来实现，每个分支通向一个或多个心室泵外壳和/或流体驱动器。
[0195]
在各种实施例中，致动流体可以是可压缩流体诸如空气、氮气、氩气或其他气体或气体混合物，或者是不可压缩流体诸如水、油或其他不可压缩液体。如果使用可压缩的致动流体，则在向致动流体施加致动压力期间，施加到流体驱动器312的压力可能比致动压力低克服流体驱动器312压缩或偏转的任何阻力所需的压力量。因此，可以向可压缩流体施加超压(大于期望压力)以将期望压力施加到流体驱动器312。
[0196]
心室泵类型在如本文所述的电化学系统中提供若干优点。除了是具有极少可穿戴移动部件的低成本泵之外，心室泵还允许基于流体体积(包括气
‑
液流体混合物)的相对压力对流体流动进行简单的被动控制。此外，因为心室泵可以控制大量(例如，数百甚至数千)平行流动，所以单个泵可以用于控制大量独立体积中的流体流动，诸如可能含有数百个电池的电化学电池堆的单个半电池。
[0197]
参考图1和图2可以理解在电化学系统中操作心室泵的示例。电解质捕获体积110、112、210、212中的电解质130、131可以通过心室泵300被泵送到单元100、200中。心室泵300可以以足以将电解质以所需的速率返回到电池100、200的频率被周期性地致动。例如，在一些实施例中，电解质可以以大致等于电解质从半电池室232、242逸出进入捕获体积110、112、210、212的预期速率的速率返回到电池100、200。捕获电池110、112、210、212的出口118可以在心室泵300的入口端连接到导管，并且一个或多个管或其他流体驱动器312可以连接
到捕获体积出口导管。
[0198]
在心室泵300的每次致动时，捕获体积出口118下游的一定体积的电解质可以通过流体驱动器的致动向下游朝向返回导管114、116、214、216被驱动。返回导管114、116、214、216中的流体压力可能受膨胀体积280(如果存在)和半电池室232、242内的流体压力的影响。如果返回导管114、116、214、216中的压力小于由心室泵致动施加的流体压力，则来自管312的流体体积将被驱动到返回导管114、116、214、216中。当心室泵致动压力被释放(或降低)时，如果捕获体积110、112、210、212中的流体压力超过流体驱动器部分172、174、272、274中的“低”流体压力，则一定体积的流体将流过上游阀221以填充心室泵300内的流体驱动器导管。
[0199]
图1和图2示意性地图示了与每个半电池电解质捕获体积110、112、210、212相关联的单个心室泵流体驱动器172、174、272、274。然而，在各种实施例中，单个心室泵流体驱动器可以与任何数量的半电池电解质捕获体积相关联。例如，在一些实施例中，整个电池堆中的所有电解质返回泵管可以与一个心室泵流体驱动器或与一个公共外壳体积相关联。在其他实施例中，所有正半电池电解质返回泵流体驱动器可以在一个心室泵外壳中(由第一公共流体体积驱动)，并且所有负半电池返回泵管可以在第二外壳中(由第二个公共流体体积驱动)。在一些实施例中，单个致动器可以向驱动正半电池心室泵的第一致动流体和驱动负半电池心室泵的第二致动流体两者施加致动压力。在其他实施例中，流体驱动器可以被捆绑成电池或半电池的各种其他组合。在一些实施例中，可以为每个单独的电化学电池或替代地为每个单独的半电池提供“泵”或泵部件，例如作为单独的导管或单独的导管部分。
[0200]
在各种实施例中，心室泵外壳可以包括由堆叠的板框电池堆结构的层中的孔限定的体积。在此类实施例中，流体驱动器部分可以定位在外壳内或邻近外壳以允许外壳内的致动流体驱动流体驱动器下游的导管部分内的流体。
[0201]
图3b和图3c示出了心室泵的示例实施例平面实施方式，该心室泵可以被集成到如下面参考图11
‑
图12b进一步描述的可堆叠电池框架中。尽管基底和泵特征在图3b和图3c中的水平平面中示出，但在电池堆的各种实施方式中，电池框架和泵特征可以定向在垂直平面(或任何其他平面)中。
[0202]
在图3b和图3c所示的示例实施例中，心室泵360可以包括形成为基底364内的特征的泵室362(其可以执行类似于图3a的外壳310的功能)，基底364可以是电池堆中的电池框架的一部分。泵室362包括流入(上游)孔366和流出(下游)孔368，每一个都被配置为接收单向阀367、369。图3b和图3c示出了伞型阀的单向阀，但如本文所述可以使用任何其他单向阀类型。流入(上游)孔366可以流体连接到基底364中的流入(上游)导管370。类似地，流出(下游)孔368可以流体连接到衬底364中的流出(下游)导管372。
[0203]
泵360还可以包括呈柔性隔膜374形式的流体驱动器(尽管如本文所述也可以使用其他流体驱动器类型)。在图示的实施例中，还可以提供盖376以在组件被压缩时将压缩力传递到隔膜374抵靠基底的外围。盖376还可以包括各种开口377、通道378或其他结构以允许致动流体围绕盖376流动以接触隔膜374。在一些实施例中，盖376可以包括其他结构，诸如具有孔或槽的实心盘以允许致动流体通过。盖374可以由比隔膜374更硬或更不易压缩的材料制成，以确保密封同时保持致动流体流动通道。
[0204]
还可以设置垫圈或o形环380以在压靠基底364中的通道381时将泵室362与周围体
积密封。在各种实施例中，垫圈或o形环380可以密封靠在相邻平面结构(图3b中未示出)，诸如相邻的电池框架或压在盖376和o形环380上的盖板。
[0205]
图3b还示出了第一致动流体导管382和第二致动流体导管384。在一些实施例中，致动流体导管382、384可以分别用作流入(上游)和净化导管。例如，可以通过将致动流体驱动到第一导管382中来执行致动，同时防止流出第二致动导管384，从而导致两个导管中和隔膜374上方的泵外壳362中的压力增加。在这样的示例中，当致动完成时，可以通过允许流出第二致动流体导管384来降低压力。在一些实施例中，导管382、384中的一个或两个可以用于向隔膜374上方的致动流体施加致动压力，和/或压力可以通过导管382、384释放。在一些实施例中，可以存在单个致动流体导管366或368，省略第二导管。
[0206]
图3b还示出了从动流体流入(上游)导管370，从动流体(例如，本文一些实施例中的电解质)可以通过该导管流入泵室362。从动流体也可以经由从动流体流出(下游)导管372流出泵室362。在各种实施方式中，从动流体流入导管370、驱动流体流出(下游)导管372、流入(上游)孔370和流出(下游)孔372中的一个或多个可以位于远离泵室362的基底区域，同时通过导管或通道流体连接到泵室362。本文参考图11
‑
图12b描述了这种配置的示例。
[0207]
图3c是图3b通过剖面线c
‑
c的组装的心室泵360的截面。图3c组装泵还包括抵靠o形环380密封的顶盖板390，以限制泵室362和致动流体导管382、384。底盖板392被包括以限制和容纳单向阀367、369以及从动流体流入(上游)导管370和从动流体流出(下游)导管372。在一些实施例中，致动流体导管382、384可以通过电池堆的所有电池框架连续地连接(即，导管382、384可以穿过顶盖板或相邻电池框架中的开口)。
[0208]
当致动流体在致动流体导管382中被驱动朝向泵室362时，压力(和/或流体流)可以通过致动流体导管382、通过盖376中的通道378传输，并与隔膜374的致动侧(如图所示的顶侧)接触。在致动压力的影响下，隔膜374可以朝单向阀369、370向下偏转，从而增加隔膜374下方的泵室362中的流体压力。流出(下游)单向阀369可以在增加的压力的影响下打开，从而允许流体通过从动流体流出(下游)导管372流出泵室362。
[0209]
当致动压力被释放或反向时，从动流体流入(上游)导管370中的压力可以超过隔膜374下方的泵室362中的压力，从而允许从动流体通过流入(上游)单向阀367流入泵室362。
[0210]
体积膨胀系统
[0211]
如图2所示，在如本文所述的电化学系统的一些实施例中，每个电池100、200可以配置有膨胀体积280，该膨胀体积280被配置为允许电池体积内的流体体积膨胀，同时被动地控制电池压力。在一些实施例中，膨胀体积280也可以被配置为提供一个区域，在该区域，电池的正电解质131和负电解质132的流体压力“结合在一起”，因为低压电解质可以直接降低膨胀体积内的高压流体和与其相连的导管的压力。
[0212]
当被配置用于产生气体的电化学反应的电解槽100、200最初从空闲状态通电时，气泡迅速形成并取代液体电解质130、131。在尺寸不变的体积中，这种气态流体增加将导致半电池中的流体压力迅速增加。每个半电池中产生气体的速率差异会导致明显的跨隔膜压差异，这可以驱动液体电解质和/或气泡穿过隔膜或围绕密封件，从而导致气体交叉和/或泄漏。此外，如果电池中的电化学反应是放热的，则半电池室中的气体和液体电解质将趋于
膨胀。如果体积受到限制，则热膨胀反而会增加半电池室中的流体压力。在传统的电解槽中，通过让电解质流过每个电解槽来控制这种压力波动，从而带走多余的液体体积。
[0213]
通过为每个电池提供流体可以膨胀到其中的膨胀体积，可以被动地控制每个半电池内的压力而无需使电解质流过电池。允许来自两个半电池室的电解质膨胀到一个公共体积可以允许半电池中的压力被动均衡，从而最小化隔膜两侧的压差。
[0214]
在图2的示例中，膨胀体积280被图示为可膨胀波纹管283，其由于由弹簧281示意性表示的弹力而抵抗膨胀。在各种实施方式中，膨胀体积可以由能够容纳流体体积同时允许膨胀。例如，膨胀体积可以包括球状结构、一个或多个柔性隔膜、一个或多个波纹管或其他结构。
[0215]
在一些实施例中，膨胀体积280可以被配置为对膨胀施加一定程度的阻力，当流体体积膨胀时迫使压力至少有一些增加。这由图2中的弹簧281示意性地示出。在各种实施例中，膨胀阻力可以被实施为诸如波纹管、隔膜、球囊等的可膨胀构件的弹簧常数。在一些实施例中，膨胀阻力可以通过使用在膨胀体积边界(例如，隔膜或球囊壁)的另一侧的工作流体(液体或气体)来控制。在一些实施例中，膨胀阻力可以是膨胀位移的函数，从而随着体积膨胀施加增加的膨胀阻力。例如，膨胀阻力可以是膨胀的线性、面积或体积度量的线性函数或非线性函数(例如，几何、阶跃函数、指数等)。
[0216]
在一些实施例中，膨胀体积可以被分成单独的区域或隔室，这些单独的区域或隔室被配置为防止正电解质131和负电解质130混合但允许两种电解质一起膨胀。例如，柔性可膨胀隔膜可以用于分隔正电解质和负电解质。在其他示例中，膨胀体积可以被非柔性分隔物分成两个室。在这样的实施例中，每个膨胀体积室可以通过一个或多个流体导管分别连接到相应的半电池室。
[0217]
在更进一步的实施例中，电池可以配置有用于正电解质131、231和负电解质130、230的单独且独立的膨胀体积。例如，在一些实施例中，电解质返回导管114、214、116 216可以由可膨胀导管制成或连接到可膨胀导管，诸如弹性可膨胀管的一部分或诸如上述那些的其他膨胀体积结构。
[0218]
在一些实施例中，无论电解质131、130是否结合在诸如膨胀体积280的公共压力体积中，都可以在电池100、200中提供公共压力的单独区域。例如，在一些实施例中，正顶空134、234可以通过共同的补充液体供应导管179、279或滴注室(下文进一步描述)连接到负顶空144、244。可替代地，可以在电池的任何其他区域提供对来自单个电池的正电解质和负电解质共有的压力区域。在各种实施例中，公共压力区域可以被配置为允许或防止正电解质和负电解质的混合。下文进一步详细描述的图13示出了了在作为多个电化学电池的电池堆的组件的基本平坦的电池框架中实施的示例膨胀体积。
[0219]
气体收集系统
[0220]
参考图2(但同样适用于其他图中的示例)，电化学系统中的每个电化学半电池232、242可以与气体去除歧管222、224流体连通，气体去除流体252可以在气体去除歧管222、224中流动。经由一个或多个流体逸出元件260、261逸出半电池室232、242的气体可以在与气体去除歧管连通的气
‑
液分离器282、284内建立压力，其可以维持在低于半电池压力并且低于如上所述的补充液体供应歧管压力的压力下。接触气体去除液体252的气体可以在气体去除液体252中溶解和/或形成气泡，然后可以被流动的气体去除液体252从电池200
带走。
[0221]
在一些实施例中，气体去除液体252可以与经由供应歧管278输送到电池200中以替换在电池200内的电化学反应中消耗的液体相同的液体。例如，在其中电化学系统是碱性电解槽的实施例中，气体去除液体252和补充液体可以是(至少主要是)去离子水。在其他实施例中，气体去除液体252可以是与供应给电池的液体不同的液体。气体去除液体优选是不导电的液体，优选不比本文定义的去离子水导电。例如，气体去除液体252可以是水溶液、熔盐、离子液体、油、非水电解质溶液等。任选地，气体去除液体可以具有与半电池中使用的任何电解质相比不同的或基本上不同的组成。任选地，例如，气体去除液体包含与电池的电解质中使用的溶剂相同的溶剂，但不含或基本上不含电解质中使用的溶质。气体去除液体可包含一种或多种化学物质，诸如一种或多种液体物质，以及任选的一种或多种溶解物质。通常，气体去除液体对应于用于(任选地、主要地、基本地或仅用于)从区域，诸如气体去除歧管去除气体的一定体积的液体，诸如通过溶解和/或气泡夹带去除液体中的气体，任选地随后将气体去除液体输送流出所述区域。
[0222]
在一些实施例中，气体去除歧管可以基本上仅含有产生的气体(即，可以省略气体去除液体)。然而，使用液态气体去除介质(或气体去除液体)提供了几个优点。例如，随气体行进的任何电解质雾可以溶解或结合到气体去除液体252中，并因此从气流中去除，从而洗涤气体中的电解质杂质。此外，进入气体去除液体的气泡可能导致气体诸如co2或溶解在气体去除液体中的其他气体杂质从液体中去除(例如，喷射效应)。气体去除液体还可以有益地防止电解质沉积物在气体去除歧管222、224或气体去除液体流经的其他管或导管的壁上的持续积聚。
[0223]
在一些实施例中，气体去除液体252可以是水，诸如去离子水。在一些实施例中，正气体去除歧管224中的气体去除液体和负气体去除歧管222中的气体去除液体可以是来自共同来源的相同液体。在一些实施例中，气体去除液体252可以是与经由补充液体供应歧管278供应到电池的液体相同的液体。在其他实施例中，正气体去除歧管224中的补充液体可以是与负气体去除歧管222中的气体去除液体不同的成分和/或来自不同的来源。类似地，供应到供应歧管278的补充液体可以与用于正气体去除歧管224和负气体去除歧管222之一者或两者中的补充液体具有不同的成分和/或来自不同的来源。
[0224]
在一些实施例中，气体去除歧管中的流体压力和流量可以由一个或多个泵施加或维持，诸如正排量泵、心室泵或任何其他泵类型，包括本文别处描述的那些。在一些实施例中，向气体去除歧管供应气体去除液体的泵可以由在闭环控制系统中操作的一个或多个电子控制器控制，该闭环控制系统基于气体去除歧管内部的或与气体去除歧管连通的压力传感器或流量传感器(或其他传感器)。在一些实施例中，输送到两个气体去除歧管的气体去除液体的压力可以通过将气体去除液体输送到电化学电池堆的公共泵来控制。在一些实施例中，气体去除歧管的压力可以由电池堆出口下游区域处的背压调节器控制。
[0225]
在一些实施例中，正气体去除歧管124、224的压力可以独立于负气体去除歧管122、222的压力而被控制。在一些实施例中，可以期望保持正气体去除歧管124、224和负气体去除歧管在基本相同的压力下。然而，实际上，气体去除歧管中的实际压力可能与目标控制压力略有不同，这意味着在正气体去除歧管压力和负气体去除歧管压力之间预计会有一些变化。如上所述，合适的流体逸出元件可以抑制这种变化，从而最小化它们对半电池室中
的压力的影响。
[0226]
补充液体供应
[0227]
在各种实施例中，可以经由供应歧管278被动地或主动地将补充液体输送至电池200。例如，在被动输送配置的一些实施例中，补充液体供应歧管278可以被维持在恒定流体压力下，该压力大约等于要被输送的补充液体的电池或半电池室的稳态工作压力。当电池或半电池压力超过供应歧管压力时，补充液体供应出口处的单向止回阀176、276可以防止补充液体被输送。当电池或半电池室中的压力下降(例如，由于流体经由流体逸出元件流出半电池)至低于供应歧管压力时，一定量的补充液体可以通过止回阀176、276输送，直到压力平衡并且单向阀再次关闭。
[0228]
补充液体的组成可以取决于如本文别处所述的待进行的反应的细节。例如，在水分解碱性电解槽的情况下，补充液体可以主要由去离子水组成，可能含有小浓度的碱性氢氧化物。为描述简单起见，该补充液体在本文中可以简称为“水”，但是可以使用其他补充液体组合物代替水或除水之外使用其他补充液体组合物。
[0229]
如图1和图2示意性所示，补充液体可以经由供应导管179、279而从供应歧管178、278供应至电池100、200，供应导管179、279可以包括单向阀176、276。单向阀176、276可以提供多种好处。
[0230]
如本文别处所述，电池内的流体压力可以取决于操作阶段而显著改变。尽管如此，在操作的“稳态”下，半电池室内的压力可能只会波动很小。因此，“稳态”操作期间的平均电池压力可以凭经验和/或通过设计来建立。如本文所用，“稳态”操作是指在此期间电池的操作变量(例如，电压、压力、温度等)波动最小或不超过约10％的操作阶段。
[0231]
特别地，电池或半电池室的稳态压力是变化不超过约20％的压力，在一些实施例中不超过约10％，在一些实施例中不超过约5％，在一些实施例中小于约3％，并且在一些实施例中小于约1％。在一些实施例中，稳态压力是变化小于约2巴、小于约1巴、小于约0.5巴、小于约0.3巴、小于约0.2巴、小于约0.15巴、小于约0.1巴、或小于约0.07巴的压力。在一些实施例中，稳态半电池压力可以变化小于约5psi，在一些实施例中小于约3psi，在一些实施例中小于约2psi，并且在一些实施例中小于约1psi。稳态压力可以是变化小于约2个大气压、小于约1个大气压、或小于约0.5个大气压、小于0.25个大气压或小于0.05个大气压的压力。
[0232]
在操作的稳态下，电池内的流体压力也将趋于具有最小的变化并且可以被称为电池或半电池室的“稳态压力”。在一些实施例中，半电池压力在稳态操作期间可以彼此最小地变化，因此稳态电池压力也可以与两个半电池内的稳态压力基本相同。
[0233]
除了操作的“稳态”之外，电化学系统的一些实施例可以经历“空闲”状态、“启动”状态和“关闭”状态。取决于电化学系统的应用，系统从启动、稳态运行、关闭和空闲循环所需的速率或频率可能会有很大差异。例如，用于生产氢气作为能量存储器的电解槽的一些实施例可以每天启动、运行、关闭和空闲数次。在一些实施例中，电解槽可以在设计电解槽的最小和最大操作电流之间的各种电流下操作。例如，由太阳能电池阵供电的电解槽可能会由于电力的瞬间变化而经历供应电流的快速变化，电力的瞬间变化因云覆盖或其他条件的变化而由太阳能电池板产生。电流的这种变化可能导致电池或半电池内压力的瞬时变化。
[0234]
在一些实施例中，供应歧管178、278中的补充液体可以保持在大约等于或略大于补充液体被输送到的半电池内的预期稳态压力的压力下。当半电池室232、242中的压力降低到供应歧管178、278中保持的压力时，这允许被动输送补充液体到电池100、200。
[0235]
另一方面，当半电池室232、242中的压力超过供应歧管178、278中的压力时，单向阀176、276防止气体和电解质回流到供应歧管中。可以使用任何单向阀，包括本文别处描述的各种单向阀示例。
[0236]
在各种实施例中，供应歧管中的压力可以保持在大约等于电池中中值稳态流体压力的压力。在其中电化学系统在高于大气压力的绝对压力下操作的实施例中，供应歧管补充液体的压力可以保持在期望的绝对压力或参考预期的、施加的或测量的电池压力定义的期望的相对压力。
[0237]
虽然图1和图2示出了将补充液体输送到负半电池的供应歧管178、278，但补充液体可以可替代地添加到正半电池，或添加到两个半电池。在替代配置中，电池可以被布置成允许将补充流体添加到正极和负极102、104、202、204之间的电极间空间。
[0238]
在一些实施例中，供应歧管压力可以由泵施加或维持，例如正排量泵、心室泵或任何其他泵类型，包括本文别处描述的那些。在一些实施例中，向供应歧管供应补充液体的泵可以由在基于压力传感器或流量传感器的闭环控制系统中操作的电子控制器控制。在其他实施例中，供应歧管压力可以通过能够向流体(诸如提高供应储器、压缩气体等)施加压力的任何其他机构施加或维持。在一些实施例中，特定压力可以通过使用压缩气体和/或背压调节器来维持或调节。
[0239]
流体压力控制
[0240]
图4是用于将补充液体输送到电池堆412中的电化学电池410和用于使用气体去除液体从电池400去除产生的气体的流体管理系统400的示意图。在图4的系统中，补充液体和气体去除液体可以是基本相同的液体，诸如去离子水。为简单起见，将使用术语“水”来描述流体流动，但气体去除液体和/或补充液体的实际组成可以与本文别处所述的不同。
[0241]
如图4所示，第一泵420可以将水从储罐422输送至电池堆412的供应歧管426的入口424。供应歧管426可以将水输送至如本文所述的电池堆412的每个电池410。在一些实施例中，第一泵420可以基于来自一个或多个传感器428的测量值由电子控制器控制。在一些实施例中，传感器428可以包括一个或多个压力传感器，控制器可以包含将进入堆供应歧管426的水保持在所需的压力范围内的数字或模拟编程。
[0242]
可替代地，传感器428可以包括一个或多个流量传感器(例如，用于检测体积流速或质量流速的传感器)，控制器可以包含将流入供应歧管426的水维持在所需范围内的数字或模拟程序。在一些实施例中，控制器可以基于压力和流量传感器来控制第一泵。在其他实施例中，传感器428可以是或包括被配置为通过在电池堆412下游的一个点处施加背压来控制供应歧管426中的压力的背压调节器。
[0243]
在一些实施例中，流出供应歧管426的水可以由第二泵(未示出)泵送到气体去除歧管432、434中。可替代地，流出供应歧管426的水可以在由第一泵420产生的压力下流入气体去除歧管。在一些实施例中，水导管可以在电池堆412的入口436处分为正气体去除歧管432和负气体去除歧管434。在一些实施例中，第二泵(如果存在)可以由电子控制器基于来自气体去除歧管432入口处的一个或多个传感器438(例如，如上所述的压力传感器和/或流
量传感器)的测量值来控制。可替代地，传感器438可以包括被配置为将气体去除歧管内的压力保持在期望的压力范围内的背压控制器。
[0244]
通过气体去除歧管432、434的水将收集由电池410产生的气体，并且还可以收集少量呈液滴、雾或蒸气形式的电解质。在流出气体去除歧管432、434之后，从电池堆412收集的水和流体的单独混合物可以被引导至产品分离、过滤、纯化或其他处理系统，在这里水可以在被引导进入储罐和/或返回到电池堆412之前进行处理。在一些实施例中，可以省略储罐、处理系统或其他元件。
[0245]
包括本文所述特征的电化学系统可以被配置成主要在被动控制下维持各种流体压力区域之间的压力关系。参考图2(但也适用于其他配置)，可以参考四个压力区域来描述电池200中的压力关系。第一压力区域被限定为包括正半电池室232和负半电池室242、电解质返回导管214、216和膨胀体积280的全电池体积。第二压力区域被限定为负气体收集体积282，负流体逸出元件260限定第一压力区域和第二压力区域之间的边界。第三压力区域被限定为正气体收集体积284，正流体逸出元件261限定第一压力区域和第三压力区域之间的边界。第四压力区域被限定为补充液体供应歧管278，供应入口阀276限定第四压力区域和第一压力区域之间的边界。在一些实施例中，还可以存在额外的压力区域。例如，心室泵致动流体可以限定第五压力区域，对膨胀体积产生阻力的工作流体可以限定第六压力区域。
[0246]
在一些实施例中，可以通过仅在一些区域中主动控制压力来保持上述压力区域之间的压力关系，从而允许响应于压差而操作的部件被动地保持压力关系。如上所述，补充液体供应歧管278中的压力可以保持在恒定压力下，该压力大约等于或略大于全电池200中(或补充液体被输送到的半电池244中)的稳态流体压力。正气体去除歧管222和负气体去除歧管224可以保持在低于全电池或半电池中的最小压力的压力，从而确保流体将流出如上所述的半电池室。全电池中的流体压力可以取决于电池200的操作阶段而波动。
[0247]
图5a
‑
图5d提供了从供应歧管278进入电池(例如，图2中的200)的补充流体的流速、全电池中的一定体积的流体(即，膨胀体积280的膨胀程度)、以及在电池的四个操作阶段的四个上述压力区域的相对压力的示意图。图5a
‑
图5d示出了相对值(不一定按比例)并且因此不包括数值。四个压力区域的压力相对于左侧垂直轴显示，而补充液体的流速相对于单独的右侧垂直轴显示。四个压力区域中的每一个中的压力和补充液体流速以表示在水平轴上的不同值的全电池流体体积显示。
[0248]
所有的图5a
‑
图5d显示了全电池压力随着膨胀体积增加而增加，在零体积膨胀或接近零体积膨胀的点处，全电池压力与补充液体供应压力(其可以在所有膨胀体积下保持恒定)相交。正气体去除歧管和负气体去除歧管也可以在所有膨胀体积下保持恒定压力。在一些实施例中，正气体去除歧管压力可以保持基本等于负气体去除歧管压力。正气体去除歧管压力和负气体去除歧管压力也可以有意地保持在不同的压力下，正气体去除液体或负气体去除液体保持在相对于另一个更高的压力。正气体去除压力和负气体去除压力在图5a
‑
图5d中示出为不同的线，以便清楚地显示两条线。
[0249]
图5a表示“空闲”状态下的压力和补充液体流速。在“空闲”状态下，压力区域已被加压到所需的相对(和/或绝对)压力，但没有向电池输送电力，因此没有产生气体。在空闲状态下，电解质返回泵272、274可以操作以将所捕获的电解质从电解质捕获体积210、212返回到半电池室242、232和/或膨胀体积280。作为返回电解质流动的结果，一个或两个半电池
中的电解质可能倾向于从半电池室242、232流过流体逸出元件260、261进入电解质捕获体积210、212。
[0250]
如图5a所示，在空闲状态下，全电池流体体积将处于其最小值(即，膨胀体积280的膨胀最小或没有膨胀)，因此全电池流体压力大于或等于补充液体供应歧管278中的压力，因此补充液体进入电池的流速为零。
[0251]
在启动之前，气
‑
液分离器282、284可以被预加压到高于去除歧管432、438中的受控液体压力。同样在启动之前，半电池室可以被预加压到所需的最小值电池操作压力和/或其他区域可以被预加压至所需压力。
[0252]
当电池启动时，电池中气体的形成将导致半电池室内的流体体积膨胀，并通过膨胀体积的偏转来适应，伴随着由于由如上所述的膨胀体积施加的阻力引起的压力增加。当流体膨胀到膨胀体积时，允许在电池中建立压力，但压力将随着气体的产生而增加，直到气体和电解质通过流体逸出元件逸出。气体去除歧管中的压力可以被控制为大约等于电池中预期的最小压力，这意味着气体压力将在气
‑
液分离器中建立，直到气体进入溶液和/或在流入气体去除歧管的气体去除流体中形成气泡。
[0253]
在图5b所示的“启动”状态期间，由于一个或两个半电池室中的气体形成反应，电池流体体积可能增加(如箭头所示)，并且增加的流体体积可能膨胀到膨胀体积，从而增加半电池室中的液体和气体的全电池压力。由于全电池压力超过补充液体供应压力，因此在启动时段期间不会有补充液体流动。随着流体流出半电池室242、232进入电解质捕获体积210、212和气体去除歧管222、224，半电池中流体的体积和压力将下降。
[0254]
如图5c所示，一旦电池达到稳态运行操作，电池液体体积将返回到最小值，此时补充液体可能会流动。在稳态操作期间，电池中的流体的总体积和/或在电池内的流体压力将倾向于在补充流体可以流动的低压点和全电池压力超过补充液体供应压力的稍高压力点(此时没有补充液体流动)之间振荡。
[0255]
如图5d所示，当电池关闭时，气体生产的停止将导致全电池压力和体积迅速回落至图5d的“空闲”状态，并且随着驱动允许流体流动的偶然的压差的压力振荡消散，补充液体流速将下降到零。
[0256]
单向止回阀，诸如将补充液体供应歧管和半电池体积242分开的阀276，在它们将打开以允许单向流体流动之前通常需要超过“开启压力(cracking pressure)”的压差。此处描述的各种示例假设“理想”止回阀显示为需要零开启压力。在实际实施中，单向止回阀将具有非零开启压力，并且各个压力区域之间的压差将需要在流体流动之前足以克服开启压力。在一些实施例中，可以基于所需的性能特性来选择止回阀开启压力。
[0257]
在一些实施例中，本文描述的电化学系统(包括低流量离子交换电解槽(lfie)和本文描述的其他电解槽)中的工艺水的流动可以通过监测和管理系统中各个点的压力而基本上完全得到控制。例如，在一些实施例中，通过电化学电池堆的工艺水的流动可以通过影响以下三个点处的流体压力的压力调节器来控制：工艺水供应歧管、正气体去除歧管和负气体去除歧管。
[0258]
如图14a和图14b所示，工艺水供应歧管1440中的压力可以由位于供应歧管1440入口下游的背压调节器1464控制。在替代实施例中，供应歧管1440中的压力可以由位于供应歧管1440上游的压力调节器控制。可替代地，供应歧管1440中的压力可以通过闭环或开环
控制系统中的泵1452的操作来控制。
[0259]
在其他实施例中，泵1452可以通过简单地将足够流量的工艺水输送到供应歧管1440以供压力调节器1464、1466、1642通过调节背压控制各自的压力来以不受控制或最小控制的方式操作。
[0260]
类似地，在一些实施例中，第一气体去除歧管1422中的压力可以由位于第一气体去除歧管1442下游的背压调节器1462控制，第二气体去除歧管1444中的压力可以由位于歧管1444下游的背压调节器1466控制。
[0261]
示例配置
[0262]
在电化学系统的各种实施例中，上述各种系统和子系统可以被修改、省略或不同地配置。下面参考图6
‑
图18描述这种配置的一些示例。图6
‑
图18(或其部分)可以以不同方式彼此组合或与本文描述的其他配置或实施例组合。
[0263]
图6表示一种替代配置，其中补充液体被同时被动地输送到两个半电池室中。图6示意性地示出了电化学电池600，其具有由隔膜606隔开的正半电池室632和负半电池室642，并且被配置为将电解质630、631保持在电池600或半电池室632、642内。图6的的系统与图1和图2的实施例的不同之处在于气体去除体积和电解质捕获体积是单个重合体积686、684。在一些实施例中，流体逸出元件665、667可以是膜，例如基本上防止液体电解质的传输同时允许气体逸出到气体去除歧管622、624携带的气体去除液体652中的疏水性相鉴别膜。通过膜665、667逸出的任何液体或蒸汽形式的电解质630、631可以经由补充液体供应歧管678返回到电池。
[0264]
图6还示意性地示出了改进的补充液体供应系统670，其包括由供应歧管678供应的滴注进料672。值得注意的是，滴注进料672省略了图1和图2的实施例的单向阀，从而从其中补充液体671可以保持在受控压力下的供应歧管678供应恒定滴注流量的补充液体。
[0265]
图6的补充液体供应系统670还包括从滴注进料672供应的滴液储器674。补充液体671可以通过供应导管676从滴液储器674引导至电池600。如上所述，补充液体671可以包含小浓度的可能已逸出电池600的电解质。在各种实施例中，补充液体可以通过重力(例如，通过将滴液储器674在垂直方向上定位在电池600上方而产生的静压头压力)、通过一个或多个泵、或通过由供应歧管678中的流体压力建立的滴液储器674内的压力和/或储器674本身中的压力，而被从滴液储器672驱动到电池600中。
[0266]
在一些实施例中，如图6所示，供应导管676可以连接到电池600，与提供负电解质630和正电解质631之间的流体连通的交叉区域691相邻。这可以在如上所述的正电解质631和负电解质630之间允许一定程度的压力平衡，并且可以允许补充液体被相等地输送到两个半电池室632、642。在一些实施例中，交叉区域691处的压力可以稍微超过半电池室632、642中的稳态压力(例如，通过储器674和/或供应歧管678中的受控压力建立)，从而通常最小化电解质从一个半电池室到另一个半电池室的交叉，同时也最小化半电池室之间的压差。
[0267]
在基于图6的系统的电池堆中，电池堆中的每个电池可以包括：半电池室642、632，隔膜606，电极602、604，流体逸出元件665、667，气体去除/电解质捕获体积686、684，滴液储器674，滴注进料672和供应导管676。供应歧管678和气体去除歧管622、624可以连接到堆中的所有其他电池和附加的处理设备，例如，如本文参考图4所描述的。在一些实施例中，补充
液体供应导管中的流体流动可以由连接到电池堆的若干(或所有)电池中的补充液体供应导管的单个泵致动器(例如，心室泵致动器)驱动。
[0268]
图7示意性地示出了电池700的替代配置，其中补充液体771(其可能包含一些电解质)被驱入负电解质702和正电解质704之间的电极间空间711中。在图7的配置中，每个电极702、704可以具有固定到电极外侧的气体去除膜723、725。每个电极702、704还可以包括在面向电极间空间711的内侧上的分隔膜706、707。
[0269]
如图1和图2所示，图7的电池700可以包括单独的电解质捕获体积710、712和气体去除体积786、788，并且电解质返回导管714、716可以在一个或多个泵772、774(诸如上述的那些)的力下将所捕获的电解质引导到电极间空间中。虽然流体逸出元件未在图7中示出，但任何流体逸出元件都可以与诸如图7所示的电池组合使用。
[0270]
随着电解质和补充液体被驱入电极间空间711，压力可能建立，并且电解质可能通过从电极间空间延伸到填充有电解质730、731的半电池室742、732的滴管760、761滴下。在一些实施例中，滴管760、761可以被配置为类似于上文其他地方描述的出口通道或其他串联或并联的流体逸出元件。
[0271]
在基于图7的系统的电池堆中，电池堆中的每个电池可以包括：半电池室742、732，分隔膜606、707，电极702、704，滴管760、761，电解质捕获体积710、712，电解质返回导管714、716，气体去除体积786、788，滴液储器774，滴注进料772和供应导管776。供应歧管771和气体去除歧管722、724可以连接到堆中的所有其他电池和附加的处理设备，例如参考图4在本文中描述的那些。在一些实施例中，补充液体供应导管中的流体流动可以由连接到电池堆的若干(或所有)电池中的补充液体供应导管的单个泵致动器(例如，心室泵致动器)驱动。
[0272]
图8示意性地示出了组合图7的电池700的特征的电池800。图7的电池700具有允许对电池800进行气体冷却的特征。图8的电池800包括内侧具有分隔膜806和外侧具有疏水膜823的负电极802，以及类似构造的具有分隔膜807和疏水膜825的正电极804。在每个电极802、804处产生的气体可以通过相应的疏水膜823、825进入气流空间854、856。
[0273]
冷却气体855、857可以从流入歧管856、858被引导通过气流空间854、856，在那里它将与在相应的电极802、804处产生的气体结合。然后组合的气流可以流入相应的气体去除歧管822、824。在一些实施例中，流入歧管856、858可以接收循环通过电池堆或多个电池堆的所有电池的气体。
[0274]
在一些实施例中，气流空间854、856可以通过相鉴别疏水膜823、825保持为主要无液体(除了可以流过滴管860、860或可渗过膜823、825的液体电解质之外)。可替代地或另外地，通过保持气流空间854、856中的气体压力超过(或等于)电极间空间811中的液体电解质的压力，气流空间854、856可以保持为基本无液体。
[0275]
图8的电池800还可以包括从电极间空间811内延伸到气流空间854、856的流体流出通道860、861。电解质830可以经由出口通道860、861或经由通过疏水膜823、825的泄漏从电极间空间811逸出到气流空间854、856。从电极间空间811(通过任一路径)逸出的电解质830可以收集在相应的气流空间854、856底部的电解质捕获体积810、812中。所捕获的电解质可以在一个或多个泵872、874的动力下返回到电极间空间811，泵872、874可以包括心室泵或如上所述的其他泵类型。
[0276]
在基于图8的系统的电池堆中，电池堆中的每个电池可以包括：气流空间854、856，隔膜806、807，膜823、825，电极802、804，流体逸出元件860、861，电解质捕获体积810、812，滴注室874，滴注进料872、供应导管876和电解质返回导管。供应歧管878，气体流入歧管856、857和气体去除歧管822、824可以连接到堆中的所有其他电池和附加的处理设备，例如，如本文参考图4所描述的。在一些实施例中，补充液体供应导管中的流体流动可以由连接到电池堆的若干(或所有)电池中的补充液体供应导管的单个泵致动器(例如，心室泵致动器)驱动。
[0277]
图9示意性地示出了组合图1和图8的特征以形成其中一个半电池可以被气冷而相对的半电池由另一机构(未示出)冷却的电池的电池900。图9的负半电池942被配置为类似于图8所示的负半电池，包括与在内侧邻接分隔膜906的负电极902相邻的疏水膜923。负半电池942还包括气体流入歧管956、气体去除歧管922、连接到电解质捕获体积910的气流空间954和电解质返回导管914。
[0278]
图9的正半电池932包括浸没在电解质930中的正电极904，电解质930可以使正电极902和负电极904之间的分隔膜906饱和。正半电池932可以通过一个或多个流体逸出元件诸如流体流出通道961和/或膜962连接到电解质捕获体积912和气体去除体积988。电解质捕获体积910、912可以连接到相应的电解质返回导管914、916，电解质可以由一个或多个泵972、974驱动穿过电解质返回导管。
[0279]
图10表示利用本文所述的某些特征的电化学电池的实施例。在一些实施例中，图10表示利用本文所述的某些特征的气冷pem(质子交换膜)电化学电池的实施例，诸如低流量pem电化学电池。在一些实施例中，图10表示利用本文所述的某些特征的气冷aem(阴离子交换膜)电化学电池的实施例，诸如低流量aem电化学电池。图10示意性地示出了具有将气体侧电极1002与液体侧电极1004隔开的分隔膜1006的电池1000。在一些实施例中，分隔膜1006可以是离子交换膜(即质子交换膜或阴离子交换膜)。在一些实施例中，离子交换膜可以是液体不可渗透的和/或气体不可渗透的。任选地，本技术中描述的任何电化学电池和任何电池堆可以包括根据图10和本文所述的电池1000的特征。
[0280]
出于本说明的目的，含液体半电池及其组件将被称为“右侧”组件，而含气体半电池及其组件将被称为“左侧”组件，但是实际实现可能采用许多其他位置配置。如果使用质子交换膜(pem)，则含液体(右侧)半电池可以是正极性半电池。如果使用阴离子交换膜(aem)，则含液体(右侧)半电池可以是负极性半电池。
[0281]
右侧半电池室1032可以充满液体1029，液体1029可以是电解质或补充液体，诸如但不限于工艺水。液体1029可以使隔膜或接触膜1006饱和，从而在左侧电极1002处或其内部产生三相固
‑
液
‑
气界面。相辨别疏水膜1062(或其他流体逸出元件)可以将右侧半电池室1032与右侧气体收集体积1088和右侧气体去除歧管1024分离。在图示的配置中，右侧气体去除歧管1024省略了结合上述各种实施例描述的气体去除液体。
[0282]
图10的电池可以包括压力控制的气体注入器歧管1056，其将第一气体引导到左侧半电池室1042中。被注入到左侧半电池室中的第一气体可以与在与右侧反电极1004发生电化学反应期间由左侧电极1002产生的气体的组分相同，或可与所述气体混合。然后组合的注入气体和在左侧电极产生的气体可以被收集在气体去除歧管1022中。
[0283]
图10的左侧排气歧管1022还省略了结合以上各种实施例描述的气体去除液体。在
图10的实施例中，左侧半电池室1042是“无液体”或“仅气体”。因此，从左侧半电池室1042去除的气体混合物可以单独作为气体去除。左侧半电池室的仅气体状态可以通过将注射歧管1056处的气体压力控制到足以防止液体1029滴入左侧半电池室1042的压力来维持。
[0284]
流过左侧半电池室1042的气体可以有利地冷却电池1000。例如，在其中电池是在左侧电极1002处产生氢气而在右侧电极1004处产生氧气的水电解槽的实施例中，氢气可以从再循环系统流过左侧半电池，并且可以将多余的热量带出电池。例如，在图10的气冷pem配置中，负半电池室1042(左侧)是“无液体”或“仅气体”。因此，从负半电池室1042去除的气体或气体混合物可以单独作为气体去除。负半电池室的仅气体状态可以通过将注入歧管1056处的气体压力控制到足以防止液体1029通过或围绕隔膜1006滴入负半电池室1042的压力来维持。如果气体压力大约等于或大于充满液体的半电池室中的液体压力，则该气体压力可能是足够的。在其他实施例中，如果气体压力小于正半电池中的液体压力不超过分隔膜1006的润湿压力(或液体入口压力或“泡点”)，则该气体压力可能是足够的。膜的润湿压力是膜的实验确定的特性(通常列为一些分隔膜材料的材料特性)，定义为从膜的一侧到另一侧的液体压差，在该处液体穿透膜和穿过对面。
[0285]
在各种实施例中，图10的配置可以通过反转电极的极性来修改。因此，在这样的实施例中，正(左侧)半电池室1032将是无液体的，而负(右侧)半电池室可以充满补充液体或电解质(右侧)。例如，在图10的气冷aem配置中，负半电池室充满水或其他补充液体1029，并且正半电池室可以通过使产生的氧气流过正半电池室来冷却。在一些实施例中，正半电池室中的氧气可以通过使补充的氧气或另一种气体或气体混合物流入和通过正半电池室而被稀释。这种稀释气体可以是非反应性气体，诸如氮气、氩气或其他基本上非反应性的气体或气体混合物。
[0286]
在基于图10的系统的电池堆中，电池堆中的每个电池可以包括右侧半电池室1032、右侧电极1004、左侧半电池室1042、左侧电极1002、流体逸出元件1062和隔膜1006。供应歧管1078和气体去除歧管1022、1024可以连接到堆中的所有其他电池和连接到附加的处理设备，例如如本文参考图4所描述的。在一些实施例中，补充液体(诸如但不限于工艺水)供应导管中的流体流动可以由连接到电池堆的几个(或所有)电池中的补充液体供应导管的单个泵致动器(例如，心室泵致动器)驱动。
[0287]
在各种实施例中，参考附图之一示出和描述的特征可以与在单独的图中示出和描述的特征组合，并且这样的附加组合旨在在本公开的范围内。例如，可以修改图6
‑
图9的任何配置以包括如参考图1和图2所描述的补充液体供应配置。
[0288]
尽管上面提供的各种示例和实施例描述了被配置为用于电解水以产生氢气和氧气的电化学系统，但是本文描述的装置、系统和方法也可以适用于和/或应用于各种其他电化学系统。在一些实施例中，具有本文所述特征的电化学系统可以是被配置为用于生产一种或多种化学品的电解槽。
[0289]
一个示例是氯碱工艺，其中含有氯化钠的水性电解质被电解以产生氯气和氢氧化钠。在这样的示例中，补充液体可以包括含有氯化钠的溶液，并且所产生的化学品(例如，氯气和氢氧化钠)可以经由产物去除导管(例如，如上所述的“气体去除歧管”)以气态和/或液态形式从每个电池去除。
[0290]
在另一个示例中，具有本文所述特征的电化学系统可以用于电解含有氯化钾的溶
液以产生氢氧化钾和氯气。在这样的系统中，供应歧管可以输送包含含有氯化钾的溶液的补充液体，并且所产生的化学品(例如，氯气和氢氧化钠)可以经由产物去除导管(例如，如上所述的“气体去除歧管”)以气态和/或液态形式从每个电池去除。
[0291]
在其他示例中，包括本文所述的装置、系统和/或方法的电化学系统可以包括用于从含有金属作为溶解物质的溶液中提取金属的电解槽。例如，一些电解槽可以被配置为生产锌、铂、金或其他金属。在实施例中，此类电解提取系统可以被配置为经由供应歧管输送包含待提取为补充液体的溶解金属的溶液(例如，酸性或碱性含金属水溶液)。
[0292]
在更进一步的示例中，具有本文所述的装置、系统和/或方法的电化学系统可以适用于执行电渗析，其中通过在施加的电场下去除离子污染物来净化水。电渗析池通常包括流体串联的多个室，每个室或一些室可以具有本文所述的特征。
[0293]
板框式电池堆示例
[0294]
能够实现限制电解质电解槽系统的各种特征和组件在上面示意性地示出和描述，但是它们可以在由多个电池框架组成的板框电池堆中实施，该电池框架结合了如本文所述的电解质限制、电解质捕获和返回、体积膨胀和其他特征。图11
‑
图13示出了一些示例性板框电池堆组件，这些组件体现了上述限制电解质特征中的一些的平面实施方式。电解质限制特征、电解质捕获和返回特征和系统、膨胀体积以及参考图11
‑
图13描述的其他特征可以在功能上类似于以上参考图1
‑
图10中的一个或多个所描述的特征。
[0295]
现在将参照图11
‑
图12b描述电池框架结构的各种示例特征。图11是以分解图在下方并且与第二电池1104的组件对齐的第一组装电池1102的透视图。图12a示出了电池框架1200的第一侧1202(第一半电池室1202部分填充有可见的顺应导电层1112和顺应导电层1112后面的电极1114)，而图12b同一电池框架1200的相对侧1204(第二半电池室1204部分填充有可见的顺应导电层1122和顺应导电层1122后面的电极1120)。一些特征(或部分特征)仅在电池框架1106的一侧可见，因此在描述各种特征时，可以参考单个图或同时参考所有三个图。在各种实施例中，第一半电池可以是负半电池，而第二半电池可以是正半电池。在其他实施例中，所示的半电池的极性可以颠倒。
[0296]
图11以分解图示出完整电池1104的一些部件，双极板1111位于部件的中央组件的顶部。为便于描述，本文描述的其他特征被示出为组装在电池框架1106中。上电池1104的分解部件包括双极板1110、第一顺应导电层1112、第一电极1114、分隔窗1116、分隔膜1118、电池框架1106(包含本文所述的各种其他部件)、第二电极1120和第二顺应导电层1122。组装时，各种结构形成相对薄的电池组件1102。在一些实施例中，顺应导电层1112、1122在被压缩时可以轻微变形，从而施加一致的压缩力跨过电极1114、1120、隔膜1118和双极板1110、1111的表面。顺应导电层1112、1122也可以有利地提供非反应性区域，气体可以通过该非反应性区域在电极表面上产生之后逸出，因此顺应导电层在本文中也可被称为“气体出口层”。在其他实施例中，可以省略顺从导电气体出口层1112、1122。双极电池堆可以通过在刚性端板(未示出)之间压缩多个电池组件1102来形成。
[0297]
图11
‑
图13示出了平面电池框架元件，每个电池框架元件包括如上所述的电化学电池结构和电解质限制结构。虽然图11
‑
图12b的特征被示为以圆盘形结构实施，但相同或相似的特征可以以任何外形的平面元件实施，诸如椭圆形、长方形、正方形、矩形、多边形等。在一些实施例中，保持环1130可以围绕一个或多个电池框架1106以保持电池框架1106
内部的压力。例如，在一些实施例中，电池框架1106的电池堆可以在相对于电池框架周界外的压力几巴到几百巴的压力下操作(即，数百kpa到数千kpa)。保持环1130可以由具有足够抗拉强度的金属、聚合物或复合材料制成，从而即使电池框架材料本身不能承受这样的压力，其也保持电池框架1106内的压力。
[0298]
在一些实施例中，每个电池框架1106可以包含支持单个电化学电池的特征，包括：第一半电池电极1114和第二半电池电极1120和半电池室1202、1204(由电极1114、1120和顺应导电层1112、1122填充)，连接到两个半电池室1202、1204的膨胀体积1206，用于两个半电池的气体去除歧管1210、1211，连接到将补充液体供应到至少一个半电池室1202的供应入口1214的补充液体供应液体歧管1212，以及用于两个半电池的电解质捕获和返回系统。可替代地，每个电池框架可以支持单独的全电池的半电池的特征。即，全电池可以由第一电池框架中的第一半电池和第二相邻电池框架中的第二半电池形成。
[0299]
参考图11，单个电池框架组件1202可以包括电池框架1106、正电极1120、隔膜1118、负电极1120和双极板1110。多个电池的双极堆可以通过在每对相邻的电池框架1106之间组装多个电池
‑
框架组件1102和一个双极板1110、1111来制成。电池堆可以用螺栓固定或以其他方式夹在端板(未示出)之间以将电池框架1106彼此压紧和密封。在各种实施例中，每个双极板1110、1111可以包括本文参考图15描述的多层双极板，或适合作为双极板1110的任何其他可用的单层或多层结构。
[0300]
在图11
‑
图12b中示出的示例实施例中，如下文进一步描述的，盖板(未示出)可以用于密封各种通道和体积。例如，可以将盖板固定到图12b所示的电池框架面上以限制各种结构、歧管等。o形环、垫圈或其他结构也可以用于密封各种导管、歧管和其他结构抵靠相邻电池框架的盖板或电池框架层。为了便于说明，没有示出盖板，因为示出它会使所描述的结构变得模糊。盖板根据需要可以包括一片或多片材料以密封各种结构。盖板可以通过粘合剂(例如环氧树脂、溶剂、硅树脂等)、焊接(例如超声波焊接、激光焊接、溶剂焊接等)、压缩或其他方法固定到每个电池框架上。
[0301]
合适的盖板材料可以包括与用于形成电池框架相同的一种材料(或多种材料)。电池框架和盖板中的任一个或两者可以由聚合物、金属、陶瓷或耐电解质降解的其他材料制成，包括本文别处列出的各种示例材料。例如，电池框架和盖板中的任一个或两者可以由以下制成：(i)金属或包括镍、钛、铝或这些的任何组合的金属合金；(ii)聚合物材料，包括尼龙、聚乙烯(pe)、聚丙烯(pp)、聚烯烃(po)、聚酰胺(pa)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚偏二氟乙烯(pvdf)、聚氯乙烯(pvc)、聚砜(psu)、聚苯砜(ppsu)、聚醚醚酮(peek)、fep(氟化乙烯丙烯)、pfa(全氟烷氧基)、etfe(乙烯四氟乙烯)、聚乙烯醇或聚醋酸乙烯酯(pva)、聚碳酸酯、聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚醚酰亚胺、聚酰胺、交联聚醚、乙烯
‑
甲基丙烯酸共聚物、氟化聚合物、磺化聚合物、羧酸聚合物、nafion，或这些的任何组合；(iii)石棉、氧化锆布、棉、乙基纤维素、甲基纤维素、编织或非编织纤维素、醋酸纤维素，或这些的任何组合；或(iv)任意这些的任意组合。
[0302]
参考图12a和图12b，示出了电解质捕获和返回特征。第一半电池室1202形成在隔膜1118的一侧、中心区域内，在该中心区域中可见顺应导电层1112。第一半电池室显示为部分填充有顺应导电层和电极(不可见，在顺应导电层后面)。第二半电池室以相同方式形成在电池框架的第二侧上(如图12b所示)。与每个半电池相关联的电解质限制特征以及捕获
和返回特征可以在功能上彼此基本相似，但具有一些几何变化。因此，虽然与两个半电池相关的特征在图12a和图12b中示出，尽管与相对的半电池相关的特征在功能上与所描述的特征基本相似，但通常将参考与一个半电池相关的特征进行以下描述。每个出口通道1220、顶空区域1222、滴注室1224、主气体分离室1226、心室泵1234、电解质返回通道1252、1254、1256、气体去除歧管1210、气体吹扫歧管1244等中的每一个可以独立地存在并与第一半电池相关联以及相应特征与第二半电池相关联。可替代地，这些或其他特征中的一个或多个可以存在并且仅与一个半电池相关联，对于第二半电池省略这种结构。
[0303]
如图12a所示，示出了从第一半电池室1202的顶空区域1222延伸并且在双室液气分离器的滴液室1224中具有第二端的第一出口通道1220。由出口通道1220从第一半电池室1202输送到第一滴注室1224的液体和气体可以通过气体分离器导管1225(在图12b中可见)从滴注室1224流到主气体分离室1226。主气体分离室1226的上部区域形成经由气体出口1228中的单向阀和导管1229(在图12b中可见)通向气体去除歧管1210的气体收集体积1258。在典型的操作中，气袋可以在主气体分离室中的液位上方的气体收集体积中形成。
[0304]
在一些实施例中，滴注室1224和主气体分离室1226可以基本上填充有金属泡沫或金属网冷凝器结构1230、1231，其可用于如下所述的多种目的。主气体分离室1226的下部区域可以包括亲水元件1232以收集通过心室泵1234经由电解质去除端口1246和导管1248(图12b)要被引导至膨胀体积1206或第一半电池室1202的液体电解质。膨胀体积1206可以通过导管连接到第一半电池室1202和第二半电池室1204。
[0305]
用于第一半电池室1202(例如，负半电池)的出口通道1220在图1212a中可见(被小盖片部分遮挡)。用于第二半电池室1204(例如，正半电池)的出口通道1236的一部分在图12b中可见，但一部分穿过电池框架1106中的孔到达图12a所示的第一侧。如12b图最佳可见，出口通道1220、1236被示为具有细长的体育场形状(具有半圆形端部的矩形)。图12a和图12b的出口通道通常是围绕体育场形状多次缠绕的长管段，形成具有弯曲段和直线段的长路径，气体和电解质在逸出半电池室1202、1204之后、进入滴注室1224之前可以通过这些路径。如上所述，出口通道的总路径长度、曲折度、截面积和材料特性可以变化，以便为通过出口通道的液体和气体实现所需程度的压降。
[0306]
在一些实施例中，如图12a和图12b所示，过滤器1238可以设置在出口通道1220、1236的入口端以防止任何小颗粒堵塞出口通道1220、1236。如果存在，这种过滤器1238可以由适当地抵抗电解质降解的多孔材料制成，例如金属或聚合物网、泡沫或膨胀材料。
[0307]
在图12a和图12b的实施例中，液气分离器可以分为滴注室1224和主气体分离室1226。在一些实施例中，两个室1224、1226可以基本上由一个或多个多孔冷凝器1230、1231填充。一个或多个冷凝器1230、1231可以由多孔材料(例如，泡沫、网或膨胀材料)制成。多孔冷凝器材料提供液体电解质可以在其上冷凝的表面，从而允许液体电解质在重力作用下落至滴注室1224和主气体分离室1226的下部区域。在滴注室底部收集的液体电解质可以通过导管1225(图12b)流到主气体分离室1226。气体也可以沿着相同的路径1225流动，但是将倾向于作为电解质中的气泡或作为液体电解质中或其上方的连续气体通道漂浮。
[0308]
冷凝器1230、1231还可以有利地由导电材料(例如，金属、碳、石墨或导电聚合物)制成，其可以允许对流出出口通道1220进入滴注室1224的电解质的每个“滴液”进行电子检测。该“滴液检测”操作可以允许连续监测电池堆中每个半电池(以及每个全电池)的操作状
态，如下文进一步描述的。在各种实施例中，冷凝器1230、1231可以由单件连续材料制成或可以包括多件材料，这些材料可以通过一个或多个电导体彼此直接物理和/或电接触。
[0309]
主气体分离器室1226的下部区域可以包括用于收集通过心室泵1235要泵回到电池中的电解质的电解质收集体积1240和电解质出口1246(图12b)。电解质收集体积1240在功能上类似于上面参考图1和图2描述的用于收集电解质的示意性结构。电解质收集体积1240可以包括亲水结构1232(在图12a中通过气体分离冷凝器1231中的开口1242部分可见)，诸如一段分隔膜材料(如本文所述)，以基本上防止或最小化通过电解质出口1246的单向阀的气体流出。
[0310]
如图12a所示，气体分离室1226中的冷凝器1231可以包括在其他多孔的材料中的多个相对大体积的空隙1242。这种空隙1242可以提供用于收集气体的区域或通路，而液体将倾向于在空隙1242之间的区域中冷凝在多孔冷凝器1231的表面上。然后气体可以收集在主气体分离室1226的与气体出口1228相邻的最上部区域1224中，该气体出口可以包括单向阀。如图12b所见，气体出口1228可以通过电池框架1106中的导管通道1244连接到气体去除歧管1210。气体出口1228中的单向阀可以通常被配置为防止气体或气体去除液体从气体去除歧管1210回流到主气体分离室1226。
[0311]
在所示的一些实施例中，每个半电池可以包括用于将电解质从气体分离室1226、1227的电解质收集体积1240、1241泵送到其相应的半电池室1202、1204和/或泵送到膨胀体积1206的心室泵1134、1135。如图12b所示，心室泵1134、1135的从动流体入口1246、1247可以位于远离各自心室泵1234、1235的泵室并通过电池框架1106中的导管1248、1249连接。因此，在气体分离室1226的电解质收集体积1240、1241中捕获的电解质可以被吸入心室泵1234、1235，然后被心室泵驱动进入泵出口1250、1251到达泵出口流动通道1252，1253。泵出口流动通道1252、1253可以分支成通向收集电解质的半电池的第一导管段1254、1255和通向膨胀体积1206的第二导管段1256、1257。
[0312]
图12b示出了示例性膨胀通道1255、1257、1254、1256，其经由膨胀体积端口1286将每个半电池室1202、1204连接到膨胀体积1206。图12a中可见的第一半电池膨胀通道1254的端部1158可以通过电池框架1106中的孔连接到图12b中可见的膨胀通道1254。类似地，在图12b中可见的第二半电池膨胀出口1289通过被盖板1287(图12a)覆盖的电池框架1106穿过两个孔连接到膨胀通道1255的端部1259。
[0313]
膨胀体积1206可以保持在大于半电池室1202、1204的稳态压力的压力下，因此导致电解质优先从心室泵1134、1135被驱动到电解质所捕获的相应的半电池中，除非半电池室1202、1204中的压力类似于或大于膨胀体积1206中的压力。
[0314]
如以下将参考图13进一步描述的，膨胀体积1206的压力可由经由工作流体歧管1320输送的工作流体控制。在一些实施例中，一个或多个工作流体吹扫歧管1288(图12a和图12b)可以延伸穿过电池堆以促进从膨胀体积1206的工作流体侧吹扫或去除多余的工作流体。
[0315]
在一些实施例中，电池框架1106和电池堆可以包括用于每组半电池的一个或多个气体吹扫歧管1260、1261。气体吹扫歧管1260、1261可以用于在组装电池堆和初始引入电解质、补充液体和/或工作流体(如下面进一步所述)之后吹扫每个半电池中剩余的任何空气或其他气体。气体吹扫歧管1260、1261可以经由单向阀1262、1263连接到滴注室1224、1223，
单向阀1262、1263被布置成允许流体从气体吹扫歧管1260、1261流入滴注室1224、1223(在图12b最佳地看到)。
[0316]
可以在电池堆的初始组装之后或在遵循一些维护程序重新组装之后执行气体吹扫操作。气体吹扫操作(参考第一半电池1202描述但适用于其中存在气体吹扫歧管的任何半电池)可以包括气体吹扫液体(例如，补充液体、电解质或工作流体诸如去离子水)引导(例如，泵送或以其他方式驱动)进入气体净化歧管1260，通过单向阀1262，进入滴注室1224，并进入气体分离室1226。心室泵1234也可以在气体吹扫操作期间操作，驱动气体吹扫液体从气体分离室1226进入半电池室1202。结果，存在于半电池室1202、滴注室1224或气体分离室1226中的任何气体将最终趋向于经由气体去除歧管1210被驱出电池组。在一些实施例中，气体吹扫操作可以用于用所需体积的电解质初始填充电池组的每个半电池。在其他实施例中，在执行气体吹扫操作之前，电解质可能已经存在于半电池室中(和/或在膨胀体积1206、滴注室1224和气体分离室1226中的一个或多个中)。
[0317]
如图12a和图12b所示，补充液体供应歧管1212可以通过电池框架1106的第二侧(图12b)上的导管通道1268连接到第一半电池室1202中的入口端口1214。入口端口1214可以包括单向阀，该单向阀被布置成当第一半电池室1202中的压力下降到低于补充液体供应歧管1212中的受控压力时允许补充液体从供应歧管1212流入第一半电池室1202。如上文所述，在其他实施例中，补充液体供应歧管可以被配置为将补充液体输送至半电池室1202、1204之一或两者。
[0318]
在一些实施例中，由电池框架1106组成的电池堆可以被配置为每个半电池的电监测部分。在图11
‑
图12b所示的实施例中，每个电池框架1106可以包括被布置为监测电池的各种部件之间的电势的电引线1270、1272、1273。在一些实施例中，双极板引线1270可以电连接(例如，通过一根或多根导线或其他电导体)到双极板1110、1111。例如，在图11最佳示出的实施例中，接头1176可以从双极板1110、1111连接到相邻电池框架1106上的电触点。第一半电池引线1272可以电连接(例如，通过一根或多根导线或其他电导体)到滴注室1224中的冷凝器1230、1231和/或第一半电池的气体分离室1226。类似地，第二半电池引线1273可以电连接(例如，通过一根或多根电线或其他电导体)到滴注室1223中的冷凝器1277、1275和/或第二个半电池的气体分离室1227。
[0319]
可以监测双极板引线1270和第一半电池引线1272之间的电势(电压)的变化。双极板引线1270和第一半电池引线1272之间的电路将由于在每个出口通道1220、1236和各自的滴注室1224、1223中的电容器1230、1277之间的物理间隙1278、1279中的电不连续性而是开路的。出口通道可以通过由导电材料制成或包括导电材料和/或借助于导电电解质而是导电的。当一滴导电电解质从出口通道1220、1236滴落到滴注室1224、1223中的导电冷凝器1230、1277上从而桥接间隙1278、1279和关闭电不连续性时，电路可以暂时闭合。
[0320]
通过监测这些闭路事件(“滴液”)的频率、持续时间、电压和其他方面，可以确定或估计半电池健康或操作的各种指标。通过监测两个半电池中的滴液，可以获得电池堆中每个电池的两个半电池的此类指标。因此，在这样的实施例中，完整电池堆的每个半电池(并且因此在每个全电池中)中的“滴液检测器”可以被单独监测以识别单个电池或半电池中的故障。
[0321]
例如，一个半电池的滴注室中的连续闭合回路(或异常长持续时间的闭合回路)可
能表示心室泵功能不正常。类似地，滴液之间异常长的间隙或异常高的电压可能表明电极(或催化剂)工作不正常或出口通道出现故障。在另一个示例中，半电池引线1272或1273与双极板引线1270之间的异常高的电压可以指示工作流体泄漏到半电池室中(如下文进一步描述的)。许多其他度量和指标可以类似地从从电引线获得的信号或图案中推导出来。
[0322]
图13图示了电池堆中的两个相邻电池框架1106a、1106b的“平面”膨胀体积1300a、1300b。在示出的示例中，膨胀体积1300a、1300b可以包括将膨胀体积侧1312a、1312b(示出为收缩的，即膨胀的0％)与“工作流体”侧1314a、1314b隔开的隔膜1310a、1310b。膨胀体积1300a、1300b的工作流体侧1314a、1314b可以经由电池堆中的所有电池框架1106共用的工作流体歧管1320(也在图12a和图12b中可见)填充有工作流体。在各种实施例中，工作流体可以是任何气体或液体，诸如去离子水、氮气、氩气等。工作流体可以保持在期望的工作压力下，通常为大于电池的半电池室的稳态工作压力的压力。工作流体压力可以被建立、机电控制和保持以对如本文所述的每个膨胀体积1300a、1300b的膨胀施加阻力。
[0323]
工作流体可以经由公共工作流体歧管1320并通过固定到每个电池框架1106的第二半电池侧的盖板1330a、1330b中的开口1325a、1325b进入每个膨胀体积1300a、1300b的工作流体。在一些实施例中，每个膨胀体积1300a、1300b的电解质侧1312a、1312b可以由隔膜1310a、1310b、电池框架1106a、1106b的部分和盖板1330a、1330b限定。在其他实施例中，每个膨胀体积1300a、1300b的电解质侧1312a、1312b可以仅由隔膜1310a、1310b和电池框架1106a、1106b限定(在每个电池框架延伸穿过膨胀体积的情况下)。
[0324]
如果经由电解质入口端(图12b中的1286，在图13的截面中不可见)进入每个膨胀体积1300a、1300b的电解质侧1312a、1312b的电解质和/或气体的压力大于建立的工作流体压力，则电解质和/或气体将趋于膨胀膨胀体积1300a或1300b。在一些实施例中，在电化学系统的不同操作阶段期间，工作流体压力可以被控制在不同的压力。
[0325]
在一些实施例中，电池框架1106还可以包括冷却剂流入歧管1292和冷却剂流出歧管1294，它们被配置为引导冷却剂进入、通过和流出如在本文一些实施例中描述的双极板结构中的冷却剂通道。在其他实施例中，可以省略或不同地配置冷却剂歧管。在各种实施例中，冷却剂可以沿任一方向流动通过冷却剂通道，因此在一些实施例中，冷却剂流入1292和流出1294可以相反。
[0326]
独立热管理
[0327]
在常规电解槽中，通常需要通过使电解质循环通过电池来冷却电池，并且流出电池的电解质携带产生的气体。在许多设计中，气体与电解质的分离在电解槽外部的分离鼓中完成。不含气体的电解质然后再循环通过电池。在本文描述的各种限制电解质系统中，气体和电解质的分离在每个电池框架内进行，并且电解质不被泵出电池。在这样的系统中，用于从电池堆去除热量的单独机制可能是有益的。
[0328]
本部分中描述的系统和方法的实施例，诸如与电化学系统(诸如电解槽)中的热管理相关联的实施例，可以任选地与本技术中其他地方描述的系统和方法的其他实施例组合。例如，本技术通篇描述的任何限制电解质电化学电池可以包括本部分中描述的各种实施例中的任何实施例或与该任何实施例一起使用，诸如热管理部件。
[0329]
图14a和图14b示出了具有独立于工艺水部件的热管理部件的电解槽系统1400、1401的示例实施例。图14a中的冷却剂回路1430示出为与图14b中的冷却剂回路1431基本相
同。
[0330]
在各种实施例中，冷却剂回路1430、1431可以包括泵，该泵被配置和布置成驱动冷却流体通过冷却剂导管和堆1410内部的一个或多个热交换器1432以及堆1410外部的一个或多个排热热交换器1434。在一些实施例中，例如如图14a所示，堆热交换器可以包括双极板结构1416，其配置有冷却剂导管1432以在相邻电池1415之间的界面处(和/或在堆1410的端部处)冷却双极堆1410。在其他实施例中，堆1410中的热交换器可以被配置为从堆中的每个电化学电池1410的边缘去除热量，代替经由双极板冷却剂导管1432去除热量或者另外经由双极板冷却剂导管1432去除热量。
[0331]
图14a示出了包括双极配置的电池堆1410的电解槽系统1400。每个电池1415包括第一半电池室1422中的第一电极1412和第二半电池室1424中的第二电极1414。第一电极1412和第二电极1414的极性可以取决于离子交换膜的类型或本文所述的其他因素。相邻电池1415之间的双极板1416可以包含冷却剂导管1432。冷却剂循环泵1436可以被配置为使冷却剂流体循环通过双极板1432、通过外部热交换器1434，并且将冷却剂返回到双极板1416。单独地，工艺水循环泵1452可以被配置为将工艺水经由供应歧管1440供应到每个电池1415，和如下文进一步描述的，将工艺水引导至可以从电池去除产生的气体的气体收集歧管1442、1444。
[0332]
在替代的电解槽系统中，冷却剂导管可以被布置成围绕或邻近电池堆1410的每个电池1415的外部而不是穿过双极板1416。在这样的实施例中，热量可以在电极中传导，并且由电池外围的冷却剂导管中的冷却剂流体收集。如在前面的实施例中，冷却剂循环系统可以被配置为在冷却剂导管和外部热交换器之间循环冷却剂。在一些实施例中，这种冷却剂导管可以被集成到一个或多个电池和/或堆框架结构或电池堆中的其他结构中。
[0333]
冷却流体可以是适合于将热量带出电池堆的任何液体或气体。在各种实施例中，冷却流体可以是诸如水(包括去离子水或不太纯的水)、二醇(例如，乙二醇和/或丙二醇)、介电流体(例如，全氟化碳、聚α烯烃、或油)的液体，或诸如空气、氢气、氧气、氮气、氩气、这些的任意组合等的气体。
[0334]
热管理：双极板式换热器
[0335]
图15提供了具有冷却剂导管1510的多层冷却双极板1500的示意性分解图，冷却剂可以循环通过该冷却剂导管。在所示示例中，双极板1500包括三层导电材料1522、1524、1526。通道层1526可以夹在两个外层1522、1524之间。通道层1526可以包括一个或多个流动通道1510，该流动通道1510被布置为引导冷却剂通过外层1522、1524之间的空间。在一些实施例中，流动通道1510可以以被选择以最小化到接触外层1522、1524之一的电极的所有部分的导电路径的图案被布置。在其他实施例中，流动通道1510可以布置成优化冷却剂流过通道1510的流动速率或其他特性。
[0336]
三层1522、1524、1526可以通过焊接(例如，激光焊接、声波焊接、电阻焊接或其他焊接技术)至少围绕板1522、1524、1526的周边密封和固定，的留下至少一个流入端口1532和流出端口1534。可替代地，层1522、1524、1526可以根据需要通过其他技术或材料诸如粘合剂、o形环或其他方法密封和/或固定。
[0337]
至少外层1522、1524、1526可以由与高纯度工艺水和/或将被引导通过通道1510的冷却剂流体相容的材料制成。例如，层的一些或所有可以由镍或其他导电材料(例如钢)制
成，其被涂覆、镀覆或以其他方式覆盖有镍或在电解槽环境中无反应性的其他导电材料。
[0338]
在替代实施例中，冷却双极板1500可以仅由两层制成，其中一层或两层经机械加工、冲压或以其他方式改进以在层之间产生一个或多个流动通道。
[0339]
示例性离子交换膜配置：低流量离子交换电解槽
[0340]
将冷却电池堆的功能与供应待分解水的功能去耦，人们可以通过消除循环和冷却工艺水所需的高成本设备部件来实现显著的成本节约。本文描述了用于实现这种去耦的各种方法、系统和组件。在一些实施例中，可以通过使用第二种单独的冷却剂流体从电池/堆去除热量同时以基本上不大于水消耗速率的速率将工艺水引入电池/电池堆来实现这种去耦。这种系统在本文中将被称为“低流量离子交换”(或“lfie”)电解槽。
[0341]
lfie电解槽系统的实施例也可以受益于包括本技术通篇描述的电解槽系统的各种特征或元件。例如，lfie电解槽可以包括补充液体供应系统、流体逸出元件、气体去除歧管或通道、和/或膨胀室。这些元件中的每一个都可以包括本技术描述的结构和方法。在进一步的实施例中，本技术通篇描述的任何其他兼容结构或方法可以并入如本文所述的一个或多个lfie电解槽中。例如，在一些实施例中，lfie电解槽中的流体逸出元件可以被配置为对逸出每个半电池的液体或气体赋予最小或零流动阻力。在这样的实施例中，流体出口通道可以基本上是开放的并且不受限制。在一些实施例中，流体出口通道可以包括“瀑布”，该“瀑布”被布置成在水流出半电池室之前需要特定体积的水来克服水位。在这种布置中，气体可以自由地流出半电池，而水只会以超过瀑布水位的速率流出。因此，在这样的实施例中，水流出速率将等于水供应速率和水消耗速率之间的正差。在具有瀑布式流体出口的lfie电解槽中，如本文所述，可以通过以超过预期消耗速率所需流速(或置换速率)的速率供应水来控制通过电池的水流速。
[0342]
在一些实施例中，lfie电解槽可以包括补充液体供应系统和被布置为以仅略大于水分解为组成气体而消耗的速率的速率将基本上由去离子水组成的补充液体供应到电池中的其他元件。与单独的热管理系统相结合，这种lfie电解槽系统与传统的离子交换电解槽相比，可以以低得多的成本制造和操作。
[0343]
图14a和图14b示意性地示出了显示工艺水和冷却剂通过电池堆1410的示例流动的高级系统图。图14a和图14b的lfie电解槽系统各自包括由多个电化学电池1415组成的电池堆1410，每个电池具有由各自的离子交换膜1418隔开的第一半电池1422和第二半电池1424。如下文进一步详细描述，取决于所使用的离子交换膜的类型，工艺水和/或另一种电解质或补充液体可以供应给正半电池或负半电池。半电池1422、1424将在此处不参考极性进行一般性地描述，但将参考电极性在pem和aem分隔膜的上下文中进一步描述。
[0344]
电解槽系统1400、1401各自包括具有泵1436的冷却剂回路1430、1431，泵1436被配置为引导冷却剂流体通过电池内热交换器1432以从电池堆1410去除热量并通过外部热交换器1434以将热量从冷却剂液体排放到较低温度的散热器。值得注意的是，冷却剂回路1430、1431独立于工艺水供应导管1436和返回导管1438。在电化学系统诸如lfie电解槽中有用的独立热管理系统的更多细节在上文和本技术全文中进行了更详细的描述。
[0345]
图14a示出了被布置成将工艺水引导到每个电池1415的第一半电池1422中的工艺水供应歧管1440。然后工艺水可以在每个电池中分解，并且产生的气体可以收集在第一气体去除歧管1442和第二1444气体去除歧管中。少量过量的工艺水可以与在第一半电池1422
中产生的气体一起流出每个电池。流出电池堆1410的少量过量水可以在液气分离器1450处与收集的气体分离。收集的气体可以被进一步处理(例如，干燥、冷却等)，并且过量的水可以通过泵1452与来自补充水储器1454的水一起返回到工艺水供应歧管1440。
[0346]
图14b示出了工艺水供应歧管1440，其被布置成将工艺水引导到每个电池1415的第一半电池1422中，同时还使一部分工艺水流过第一气体收集歧管1442。如图14b所示，在第一半电池中产生的气体可以被收集在水流中，从而允许收集的气体被工艺水冷却。组合的水/气体流可以在液气分离器1450处分离，并且过量的水可以通过泵1452与来自补充水储器1454的水一起返回到工艺水供应歧管1440。
[0347]
图14b所示的工艺水回路1461还可以包括烟道旁通导管1456，一定量的工艺水在流出供应歧管1440之后可以流过该导管以保持第一气体去除歧管1442中的液体体积，其流体压力可以在压力调节器1462调节。
[0348]
图14a所示的工艺水回路1460中省略了图14b的工艺水回路1461中的旁通导管1456。结果，工艺水从供应歧管到液气分离器1450的唯一路径是通过电池堆1410的第一半电池1422。因此，在图14a的布置中，通过工艺水回路1460的工艺水的流速受到流出第一半电池122的水的流速的限制。
[0349]
值得注意的是，如也在本技术通篇中描述的，根据图14a和图14b的系统中的每一个可以被配置：通过将正极性应用于第一半电池1422而作为pem系统，或通过将负极性应用于其中供应工艺水的第一半电池1422而作为aem系统。
[0350]
示例性离子交换膜配置：lf
‑
pem电池配置
[0351]
图16示意性地示出了低流量pem电解槽中的电化学电池1600的部件。电池1600可以包括填充有经由供应歧管1610供应的工艺水1606(例如，要在电解槽中分解的去离子水)的正半电池室1602。包括析氧催化剂的正电极1612可以定位在正半电池室1602中并浸没在工艺水1606中。质子交换膜(pem)隔膜1620可以将正半电池室1602与负半电池室1604隔开并且可以与负电极1614和正电极1612接触。负电极1614可以包括析氢催化剂。本技术通篇描述了各种示例正催化剂材料和负催化剂材料。在典型的pem配置中，负半电池室1604可以基本上是气体填充的，因为pem隔膜1620可以防止水在正常条件下进入负半电池室1604。
[0352]
在操作期间，工艺水1606在正半电池室1602中被电化学分解以在正半电池室1602中产生氧气。在正电极1612处产生的氧气可以经由正气体去除歧管1630从正半电池室1602流出。在一些实施例中，氧气和过量工艺水的混合流可以经由布置在正半电池室1602和正气体去除歧管1630之间的公共流体逸出元件1636流出正半电池室1602。流体逸出元件1636可以包括如本技术通篇所述的任何流体逸出元件结构，包括其中描述的“出口通道”或疏水膜。
[0353]
来自水分解反应的氢原子(质子)可以被驱动穿过pem隔膜1620朝向负电极1614，在那里它们将被电化学结合以形成氢气。氢气可以经由负气体去除歧管1640从负半电池室1604流出。在一些实施例中，负气体去除歧管1640可以通过压力调节器1642调节至所需压力。在各种实施例中，可以操作压力调节器1642以将负气体去除歧管1640保持在高达50巴或更高的压力下。例如，负气体去除歧管的压力可以调节为20、30、40、50、60、70、80、90或100巴。
[0354]
在各种实施例中，正气体去除歧管1630中的压力可以由压力调节器1644调节至略
低于供应歧管1610中的流体压力，该流体压力可以由压力调节器1646调节。在各种实施例中，压力调节器1644可以被配置为将负气体去除歧管中的流体(气体去除液体和/或仅气体)保持在至少10巴、高达30巴、40巴、50巴、60巴、70巴、80巴、90巴、100巴或更大的压力下。
[0355]
在一些实施例中，低流量pem电解槽堆的每个正半电池可以包括液气分离器(例如，如图1或图11
‑
图12b所示)以从经由流体逸出元件1636从正半电池逸出的液态水捕获气体和使它们分离。所捕获的液态水可以通过导管和电池(例如，如图3a
‑
图3c等中所示)独有的泵(例如心室泵)返回到正半电池。可替代地，如本文参考图14a和图14b所描述的，液
‑
气分离和水返回可以在堆级或系统级上执行。
[0356]
如图16所示，低流量pem电解槽的一些实施例还可以包括与正半电池室1602流体连通地连接的膨胀室1650。如本技术通篇所述，膨胀室1650可以被配置为允许半电池室1602中的液体/气体混合物体积膨胀，同时将流体压力保持在所需范围内。在低流量pem电解槽的各种实施例中，膨胀室1650可以根据需要定位成与一个或两个半电池室流体连通。膨胀室1650可以被配置为赋予膨胀阻力，从而需要增加压力以进一步膨胀体积。可替代地，膨胀体积可以被配置为允许基本上不受限制的体积膨胀直至体积极限。
[0357]
参考图14a和图14b，低流量pem电解槽系统可以包括两个独立的流体循环回路：工艺水回路1460、1461和冷却剂回路1430、1431。工艺水回路1460、1461可以被配置为将新鲜的工艺水输送到电池堆的正半电池1410(在这种情况下第一半电池1422具有正极性)。过量的工艺水和氧气的混合物可以从电池堆1410的第一半电池1422的出口排出。氧气可以与液体/气体分离器1450中过量的工艺水分离，并且过量的工艺水可以与来自补充水源1454(例如，由市政水源或其他水库提供的去离子水系统)一起返回到电池堆1410。
[0358]
在一些实施例中，工艺水回路1460、1461可包括泵1452以驱动来自液/气分离器1450和补充水供应1454的过量工艺水。泵1452和/或位于供应歧管1440下游的压力调节器1464可以用于控制供应至电池堆1410的工艺水的压力。位于第一气体收集歧管1442下游的单独的压力调节器1466可以被配置为控制电池堆1410的出口处的气体收集歧管1442中的压力。压力调节器1462、1464中的每一个可以是可用的并且适用于应用的任何类型的压力调节器，诸如背压调节阀或其他。
[0359]
氢气可以被收集在流出电池堆1410的第二半电池1424的导管和气体去除歧管1444中。在一些实施例中，第二气体去除歧管1444中的流体压力可以通过位于第二气体去除歧管1444下游的压力调节器来调节1466。氢气可以被引导至气体收集系统1470，该气体收集系统被配置为处理(例如，纯化、干燥、压缩、冷却等)和存储或使用由堆1410产生的氢气。在一些实施例中，气体收集系统1470还可以包括额外的气体处理部件，诸如热交换器、压缩机、干燥器等。
[0360]
当与其中工艺水用于冷却的pem和aem电解槽系统相比时，工艺水回路1460、1461通常可以被配置为以非常慢的流速(例如，如下读取)循环工艺水。例如，在低流量电解槽中，水可以以比工艺水冷却系统低数百或数千倍的流速泵入(或以其他方式驱动)pem电池堆中。在lfie电解槽中，工艺水只需要以足以替代被消耗的水并保持电池组件润湿足以维持有效三相界面(或三相点)的速率供应到电化学电池组。
[0361]
兆瓦级的典型pem水电解槽可以以数百加仑/分钟/电池的工艺水流速运行，但消耗水的速率接近小于一加仑/分钟/电池。换句话说，利用工艺水进行冷却的离子交换膜电
解槽需要工艺水流速是工艺水通过分解被消耗的速率的数百倍。需要如此高的流速以便经由工艺水充分去除热量。通过使用独立于工艺水的单独的冷却剂流体，可以避免这种高流速。
[0362]
相比之下，进入lfie电解槽的工艺水流速可以理想地大致等于工艺水通过分解被消耗的速率。在一些情况下，驱动工艺水流速略大于消耗速率以保持电池组件的润湿，考虑电池之间的消耗速率差异并确保堆中的所有电池接收水至少与水被消耗的速率一样快，或出于其他原因都可能是有益的。流速可以是可控的，使得流速匹配或超过消耗速率，从而电极孔保持被足够的水润湿以继续有效分解。
[0363]
通过水分解产生气体的速率通常是水温、压力和施加的电流的函数，其中每一个都可以是电解槽系统内的受控参数，因此电池堆的每个电池的水消耗速率至少基于这些可控因素可以是至少近似已知的。因此，在各种实施例中，工艺水可以以定义为相对于水消耗速率的百分比的速率输送到lfie电池中。例如，工艺水可以以比消耗率高约0.01％至约400％之间的速率(即，以消耗率的约100.01％至约500％的速率)输送。在一些特定实施例中，工艺水输送速率可以有利地介于预期消耗速率的约101％和约150％之间。在特定实施例中，可以以预期水消耗速率的约100.01％、100.05％、100.1％、100.5％、101％、105％、110％、125％、150％、175％、200％、300％、400％或500％的速率供应水。在其他实施例中，可以使用更高的工艺水输送流速(例如，高达消耗速率的100倍或消耗速率的1000％)，同时仍显著低于使用工艺水作为唯一传热流体时所需的流速。因此，在一些实施例中，低流量离子交换电解槽可以利用不超过水消耗速率的1000％的工艺水供应速率。
[0364]
在一些实施例中，可以基于工艺水通过水分解反应被消耗的速率来限定和/或控制流入lfie电解槽的工艺水的流速。例如，可以根据所施加的电流、根据气体收集率或与水消耗率相关的其他可测量变量来控制工艺水的流速。
[0365]
在各种实施例中，可以基于输送到电池堆的工艺水的速率来控制这样的流速。例如，基于流量的控制可以通过闭环控制器来实现，该闭环控制器被配置为基于进入电池堆的质量流率或体积流率的测量值的反馈来控制水输送流率。可替代地或另外地，工艺水流速可以基于将水输送到电池堆的工艺水供应歧管中的工艺水压力。例如，基于压力的控制可以由闭环控制器执行，该闭环控制器被配置为基于来自一个或多个压力传感器的反馈维持供应歧管中的流体压力。可替代地，基于流量或基于压力的控制可以包括没有反馈测量值的开环控制系统。下面描述基于压力的流量控制系统和方法的一些示例。
[0366]
在如此低的置换率下，流过含氧的第二气体去除歧管1444和流出电池堆的相关导管的液态水的体积将非常小。结果，液气分离器1450可以非常小且简单。例如，液气分离器1450可以简单地包括具有向上流动以带走气体的竖直腿和向下流动以收集液态水的竖直腿的竖直t形连接导管。在一些实施例中，液气分离器还可包括干燥器，诸如干燥剂床或水蒸气冷凝器，以从流动气体中去除水蒸气。
[0367]
示例性离子交换膜配置：lf
‑
aem电池配置
[0368]
图17示意性地示出了低流量aem电解槽中的电化学电池1700的部件。如图所示，低流量aem电解槽系统可以与低流量pem电解槽系统中的电池1600基本相似，主要区别在于将工艺水1708引入到aem情况下的负半电池室1704中而不是在pem情况下的正半电池室1602。
[0369]
如图17所示，电池1700可以包括填充有经由供应歧管1710供应的工艺水1708(例
如，要在电解槽中分解的去离子水)的负半电池室1704。包括析氢催化剂的负电极1714可以位于负半电池室1704内并浸没在工艺水1708中。阴离子交换膜(aem)隔膜1720可以将负半电池室1704与正半电池室1702隔开并且可以与负电极1714和正电极1712接触。正电极1712可以包括析氧催化剂。正半电池室1702可以基本上填充有产生的气体(例如，氧气)，因为aem隔膜1720可以在正常条件下防止水进入正半电池室1702。
[0370]
在操作期间，工艺水1708在负半电池室1704中被电化学分解以在负半电池室1704中产生氢气。在负电极1714处产生的氢气可以经由负气体去除歧管1740从负半电池1704流出。在一些实施例中，氢气和过量工艺水的混合流可以经由布置在半电池室1704和负气体去除歧管1740之间的流体逸出元件1736流出负半电池室1704。本文通篇描述了用作流体逸出元件的示例结构和配置，其中任何一个都可以用在如图17所示的电池中。
[0371]
来自水分解反应的氧原子将倾向于穿过aem隔膜1720朝向形成氧气的正极1712。氧气可以经由正气体去除歧管1730从正半电池室流出。
[0372]
为了在高压下产生产生的氢气，可以在略高于所需氢气压力的绝对压力下注入工艺水。在一些实施例中，压力调节器1746可以用于调节经由供应歧管1710供应到负半电池室1704的工艺水的压力。在一些实施例中，工艺水供应歧管1710中的水可以保持在高压下以在负半电池室1704中保持高流体压力，从而在高压下产生氢气和氧气。例如，在一些实施例中，可能需要在30巴或更高，或在一些情况下高达100巴或更高的压力下收集产生的氢气(和/或氧气)。在这样的实施例中，可以在从大气压至高达100巴或更高的压力下供应工艺水，诸如约1巴、10巴、20巴、30巴、40巴、50巴、60巴、70巴、80巴、90巴、100巴或更大。在这种压力下通过分解水产生的气体可以在仅略低于工艺水压力的压力下收集，例如0.5巴。
[0373]
在一些实施例中，负气体去除歧管1740可以通过压力调节器1742调节为期望压力。在各种实施例中，压力调节器1742可以被操作以将负气体去除歧管1740维持在略低于由压力调节器1746调节的供应歧管1710中的压力的压力，工艺水在该压力调节器1746处被供应到负半电池室1704。
[0374]
在一些实施例中，从正半电池1702去除的氧气可以通过正气体去除歧管1730中的压力调节器1744保持在期望压力。在各种实施例中，压力调节器1744可以被配置为将正气体去除歧管中的流体(气体去除液体和/或仅气体)保持在至少10巴、高达30巴、40巴、50巴、60巴、70巴、80巴，90巴、100巴或更大的压力。
[0375]
在一些实施例中，低流量aem电解槽堆的每个负半电池可以包括液气分离器(例如，如图1或图11
‑
图12b所示)以捕获经由流体逸出元件1736逸出负半电池的液态水中的产生气体并与其和分离。所捕获的液态水可以通过导管和电池独有的泵(例如心室泵)(例如，除其他外，图3a
‑
图3c中所示)返回到负半电池。可替代地，如本文参考图14a和图14b所描述的，液气分离和水返回可以以堆水平或系统水平执行。
[0376]
如图17所示，低流量aem电解槽的一些实施例还可以包括与负半电池室1704流体连通地连接的膨胀室1750。如本文通篇所述，膨胀室1750可以被配置为允许半电池室1704中的液体/气体混合物体积膨胀，同时将流体压力保持在所需范围内。下面描述体积膨胀系统的各种示例和实施例。
[0377]
参考图14a和图14b，低流量aem电解槽系统可以包括两个独立的流体循环回路：工艺水回路1460、1461和冷却剂回路1430、1431。工艺水回路1460、1461可以被配置为将新鲜
的工艺水输送到电池堆1410的负半电池(在这种情况下第一半电池1422具有负极性)。过量的工艺水和氢气的混合物可以从电池堆1410的第一半电池1422的出口排出。氢气可以在液体/气体分离器1450中与过量的工艺水分离，并且过量的工艺水可以与来自补充水源1454(例如，由市政水源或其他水库提供的去离子水系统)的额外的水一起返回到电池堆1410。
[0378]
在一些实施例中，工艺水回路1460、1461可以包括泵1452以驱动来自液/气分离器1450和来自补充水供应1454的过量工艺水。泵1452和/或第一压力调节器1464可以用于控制供应给电池堆1410的工艺水的压力。第二压力调节器162可以被配置为控制在电池堆1410出口处的第一气体收集歧管1442中的压力。在一些实施例中，压力调节器1466可以用于调节第二气体去除歧管1444中的压力。压力调节器1462、1464、1466中的每一个可以是可用的并且适用于应用的任何类型的压力调节器，诸如背压调节阀或其他。
[0379]
氧气可以被收集在第二气体去除歧管1444和流出电池堆1410的第二半电池1424的相关导管中。氧气可以被引导到被配置为处理(例如，净化、干燥、压缩、冷却等)并储存、使用或排出由堆1410产生的氧气。在一些实施例中，气体收集系统1470还可以包括额外的气体处理部件，诸如热交换器、压缩机、烘干机等。
[0380]
在一些实施例中，从电池堆排出的过量氧气可以处于比负半电池室1422中的工艺水的压力略低的高压下。在这样的实施例中，可以利用高压氧气对从补充水源1454排出的工艺水进行预加压。例如，流体压力交换装置(未示出)可以用于将氧气的高压传送到要被输送到电池堆1410的补充水1454。合适的流体压力交换器的示例可以包括美国专利7,306,437和其中的参考文献教导的那些。在其他实施例中，从电池堆收集的氧气可以处于或接近大气压，并且如果不需要用于其他目的，可以简单地排放到大气中。
[0381]
工艺水回路通常可以被配置为以相对慢的流速循环工艺水。例如，水可以以与上文关于pem系统描述的相同的流速或替换速率被泵送(或以其他方式驱动)到aem电池堆1410中。虽然aem系统中的工艺水可以以更高的绝对压力输送，但相对压力和流速可以在与上述相同的范围和值内。
[0382]
在各种实施例中，工艺水可以如上所述以相对“低”的流速输送到电池堆1410并分配到每个电池1415。在一些实施例中，可以通过控制如本文通篇参考补充液体供应结构和方法所描述的水供应导管或歧管中的流体压力来实现工艺水的供应。在低流量离子交换电解槽的各种实施例中，工艺水供应入口可以包括一个或多个单向阀，该单向阀被布置成当阀两侧的压差超过预定的开启压力时将大剂量水输送到电池(或电池堆)，从而导致间歇性地向电池或堆输送水。在其他实施例中，在进水口处的图16的单向阀1660或图17的单向阀1760可以省略，并且水可以自由地双向流动通过供应歧管和半电池室之间的入口。
[0383]
lfie电解槽的一些实施例可以被配置为将工艺水输送到半电池室1802、1804，如图18中示意性示出的。这样的系统可以包括pem或aem隔膜，并且可以在大气压或更高的压力下操作。图18的系统包括：半电池室1802、1804；pem或aem分隔膜1820；气体去除歧管1840、1843；流体逸出元件1835、1836；膨胀室1850；和液体电解质1806、1807。如上所述，取决于所使用的离子交换膜的性质，水的电化学分解将倾向于在一个半电池中优先发生。结果，一个半电池中的水消耗率可能比另一半电池中的消耗率低很多(甚至为零)。在各种实施方式中，具有低消耗率的半电池中的水可以保持静止(例如，通过仅允许气体通过的相鉴别流体逸出膜)，或者可以与产生的气体一起以慢速去除。
[0384]
电子控制器
[0385]
接下来参考图19，示出了描绘电子控制器的物理组件的框图，所述物理组件可以用于实现与本文的系统和方法组合公开或使用的电子控制器的一个或多个方面或实施例。例如，用于指导本文描述的方法和操作的控制器的方面可以通过图19的组件来实现。
[0386]
在图19的示意图中，显示部分1912和非易失性存储器1920耦合到总线1922，该总线也耦合到随机存取存储器(“ram”)1924、处理部分(包括n个处理组件)1926、现场可编程门阵列(fpga)1927，以及包括n个收发器的收发器部件1928。
[0387]
虽然图19中描绘的组件表示物理组件，但图19不是详细的硬件图；因此，图19中描述的许多组件可以通过共同的构造来实现或分布在附加的物理组件中。在一些实施方式中可以省略图19的一些组件。此外，预期可以利用其他现有的和有待开发的物理组件和架构来实现参考图19描述的功能组件。
[0388]
显示部分1912可以操作以为这里描述的系统的操作员提供用户界面。显示器可以例如通过液晶显示器、amoled显示器或其他来实现，并且在一些实施方式中，显示器可以通过触摸屏显示器来实现以使操作员修改控制方面和查看所公开的电化学系统的操作参数值(例如，电池或堆电流、电池或堆电压、无功功率、操作趋势、流速、压力等)。一般而言，非易失性存储器1920可以是用于储存(例如，持久地储存)数据和处理器可执行代码(包括与实现本文所述的方法相关联的可执行代码)的非暂时性存储器。在一些实施例中，非易失性存储器1920可以包括引导加载程序代码、操作系统代码、文件系统代码和非暂时性处理器可执行代码以促进本文描述的逻辑和控制组件的功能的执行。
[0389]
在一些实施方式中，非易失性存储器1920可以由快闪存储器(例如，nand或onenand存储器)来实现，但是预期也可以利用其他存储器类型。尽管可以执行来自非易失性存储器1920的代码，但非易失性存储器中的可执行代码通常可以被加载到ram 1924中并由处理部分1926中的n个处理组件中的一个或多个执行。
[0390]
与ram 1924相关的n个处理组件通常可以操作以执行储存在非易失性存储器1920中的指令以促进本文公开的方法的执行。例如，实现本文所述方法的各方面的非暂时性处理器可执行指令可以持久地储存在非易失性存储器1920中并且由与ram 1924相关的n个处理组件执行。如本领域普通技术人员将理解的，处理部分1926可以包括视频处理器、数字信号处理器(dsp)、图形处理单元(gpu)和其他处理组件。
[0391]
此外，或在替代方案中，fpga 1927可以被配置为实现本文描述的方法的一个或多个方面。例如，非暂时性fpga配置指令可以持久地储存在非易失性存储器1920中并且由fpga 1927访问(例如，在启动期间)以配置fpga 1927以实现本文所描述的控制和逻辑组件的一个或多个功能。
[0392]
鉴于本公开，本领域普通技术人员将理解，所描绘的输入和输出模块可以用于若干不同目的。例如，传感器可以耦合到输入模块，并且输出模块可以产生用于操作本文描述的各种电气、电子或机电组件中的任一个的控制信号。
[0393]
所描绘的收发器组件1928可以包括可以用于经由无线或有线网络与外部装置通信的n个收发器链。n个收发器链中的每一个都可以表示与特定通信方案(例如，scada、dnp3、wifi、以太网、modbus、cdma、蓝牙、nfc等)相关联的收发器。
[0394]
使用的术语
[0395]
虽然参考水电解槽描述了本文中的许多示例和实施例，但是相同的一般结构、系统和方法可以应用于涉及电化学电池堆诸如燃料电池(其中气体反应产生能量)和液流电池(其中能量以一种或多种离子物质的形式储存在水溶液或非水溶液中)。
[0396]
虽然本发明已在某些优选实施例和示例的上下文中公开，但本领域技术人员将理解，本发明超出具体公开的实施例扩展到本发明的其他替代实施例和/或用途以及它们明显的修改和等价物。对上述实施例的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本发明的精神或范围的情况下，这里定义的一般原理可以应用于其他实施例。因此，本文所公开的本发明的范围不应受上述具体公开的实施例限制，而应仅由对所附权利要求的合理阅读来确定。
[0397]
特别地，可以在相关领域技术人员的水平内采用材料和制造技术。此外，提及单数术语包括存在多个相同术语的可能性。更具体地，如本文和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“和”、“所述”和“该”包括复数对象。如本文所用，除非另有明确说明，否则术语“或”包括所有呈现的替代方案，并且与短语“和/或”的含义基本相同。进一步注意，权利要求可以被起草以排除任何可选元素。因此，该陈述旨在作为与权利要求要素的叙述相关联的诸如“仅仅”、“只”等专有术语的使用或“否定”限制的使用的先行基础。除非本文另有定义，否则本文使用的所有技术和科学术语与本发明所属领域的普通技术人员通常理解的含义相同。
[0398]
附加实施例
[0399]
附加实施例可以包括：
[0400]
实施例1.一种电化学系统，其包括：限制电解质电化学电池的堆，每个单独的电化学电池独立地包括：第一半电池室，包含第一体积的电解质、与第一电极接触；第二半电池室，与反电极接触；隔膜，将第一半电池室与第二半电池室隔开；和第一电解质捕获和返回系统，与第一半电池连通，该电解质捕获和返回系统被配置为从正在逸出第一半电池室的第一体积的电解质捕获电解质并驱动所捕获的电解质经由电解质返回导管返回到第一半电池室和第二半电池室中的至少一个中。
[0401]
实施例2.根据实施例1所述的电化学系统，其中堆的每个单独电化学电池中的电解质与堆的每个其他单独电化学电池中的电解质流体分离。
[0402]
实施例3.根据实施例1或2所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统流体分离所捕获的电解质与电池堆的任何其他电池中的电解质的流体连通。
[0403]
实施例4.根据实施例1
‑
3中任一项所述的电化学系统，还包括与第二半电池室连通的第二电解质捕获和返回系统；其中第二半电池室包括第二体积的电解质；并且其中第二电解质捕获和返回系统被配置为从正在逸出第二半电池室的第二体积的电解质中捕获电解质并且将所捕获的电解质驱动回到第一半电池室、第二半电池室或两者。
[0404]
实施例5.根据实施例1
‑
4中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统和/或第二电解质捕获和返回系统中的每一个独立地包括液
‑
气分离室，液
‑
气分离室对于它们所在的相应的单独电化学电池来说是独特的。实施例5b：根据实施例1
‑
4中任一项所述的电化学系统，其中每个第一电解质捕获和返回系统包括液
‑
气分离室，该液
‑
气分离室对于它们所在的相应的单独电化学电池是独特的。
[0405]
实施例6.根据实施例1
‑
5中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返
回系统与第一气体去除歧管流体连通和/或第二电解质捕获和返回系统与第二气体去除歧管流体连通；并且其中，第一气体去除歧管和第二气体去除歧管(如果存在)中的每一个与堆中的电化学电池中的每一个流体连通。实施例6b：实施例1
‑
5中任一项的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统与第一气体去除歧管流体连通；并且其中第一气体去除歧管与堆中的每个电化学电池流体连通。
[0406]
实施例7.根据实施例6所述的电化学系统，其中第一气体去除歧管和/或第二气体去除歧管包含气体去除液体。实施例7b：实施例6的电化学系统，其中第一气体去除歧管包含气体去除液体。
[0407]
实施例8.根据实施例7所述的电化学系统，其中气体去除液体保持在预定范围的流体压力内。
[0408]
实施例9.根据实施例7或8所述的电化学系统，其中气体去除液体是非导电液体。
[0409]
实施例10.根据实施例1
‑
9中任一项所述的电化学系统，还包括第一流体逸出元件和/或第二流体逸出元件，气体和液体电解质通过所述第一流体逸出元件逸出所述第一半电池室进入第一电解质捕获和返回系统，气体和液体电解质通过所述第二流体逸出元件逸出第二半电池室进入第二电解质捕获和返回系统(如果存在)。实施例10b：根据实施例1
‑
9中任一项所述的电化学系统，还包括第一流体逸出元件，气体和液体电解质通过所述第一流体逸出元件逸出第一半电池室所述第一电解质捕获和返回系统。
[0410]
实施例11.根据实施例10所述的电化学电池，其中流体逸出元件是特征在于压降为至少0.1巴的串联流体逸出元件。
[0411]
实施例12.根据实施例1
‑
11中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统包括第一半电池独有的第一液气分离器和/或其中第二电解质捕获和返回系统包括第二半电池独有的第二液气分离器。实施例12b：根据实施例1
‑
11中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统包括第一半电池独有的第一液气分离器。
[0412]
实施例13.根据实施例12所述的电化学系统，其中第一液气分离器和/或第二液气分离器被包含在电池框架内并且包括至少两个以流体连通的方式彼此连接的室。实施例13b：根据实施例12所述的电化学系统，其中第一液气分离器包含在电池框架内并且包括至少两个以流体连通的方式连接的室。
[0413]
实施例14.根据实施例12
‑
13中任一项所述的电化学系统，其中每个电池包括在第一液气分离器和第一气体去除歧管之间的第一单向阀和/或每个电池包括在第二液气分离器和第二气体去除歧管之间的第二单向阀；其中第一单向阀被定向成当第一液气分离器中的气体压力超过第一气体去除歧管中的流体压力时允许气体从第一液气分离器流入第一气体去除歧管中；并且其中第二单向阀被定向成当第二液气分离器中的气体压力超过第二气体去除歧管中的流体压力时允许气体从第二液气分离器流入第二气体去除歧管。实施例14b：根据实施例12
‑
13中任一项所述的电化学系统，其中每个电池包括在第一液气分离器和第一气体去除歧管之间的第一单向阀；其中第一单向阀被定向成当第一液气分离器中的气体压力超过第一气体去除歧管中的流体压力时允许气体从第一液气分离器流入第一气体去除歧管。
[0414]
实施例15.根据实施例1
‑
14中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统和/或第二电解质捕获和返回系统包括促进产物气体的流动同时将电解质保持在
相应的电解质捕获和返回系统中的膜。实施例15b：根据实施例1
‑
14中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统包括促进产物气体流动同时将电解质保持在第一电解质捕获和返回系统中的膜。
[0415]
实施例16.根据实施例1
‑
15中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统和/或第二电解质捕获和返回系统包括一个或多个泵，该泵被配置为分别将所捕获的电解质分别返回到第一半电池室或第二半电池室。实施例16b：根据实施例1
‑
15中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统包括一个或多个泵，该泵被配置为将所捕获的电解质返回到第一半电池室。
[0416]
实施例17.根据实施例1
‑
16中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统和/或第二电解质捕获和返回系统被配置为允许电解质的混合。实施例17b：根据实施例1
‑
16中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统被配置为允许电解质的混合。
[0417]
实施例18.根据实施例1
‑
17中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统和/或第二电解质捕获和返回系统被配置为捕获至少80质量％的从相应的半电池中作为液体、雾或它们的组合置换的电解质。实施例18b：根据实施例1
‑
17中任一项所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统被配置为捕获至少80质量％的从相应半电池中作为液体、雾或作为它们的组合置换的电解质。
[0418]
实施例19.根据实施例1
‑
18中任一项所述的电化学系统，其中电化学系统是蓄电池、液流电池或燃料电池。
[0419]
实施例20.根据实施例1
‑
19中任一项所述的电化学系统，其中电化学系统是碱性电解槽。
[0420]
实施例21.根据实施例1
‑
20中任一项所述的电化学系统，其中电化学电池产生氢气和氧气作为产物气体。
[0421]
实施例22.根据实施例21所述的电化学系统，其中隔膜是质子交换膜(pem)或阴离子交换膜(aem)，并且其中电解质是去离子水。
[0422]
实施例23.根据实施例20或21所述的电化学系统，其中电解质是碱性水溶液。
[0423]
实施例24.根据实施例23所述的电化学系统，其中电解质包括氢氧化钾、氢氧化钠、氢氧化锂或其任何组合。
[0424]
实施例25.根据实施例1
‑
24中任一项所述的电化学系统，其中堆的每个电化学电池还包括相应电化学电池所独有的并且与相应电化学电池的第一半电池室和第二半电池流体连通的膨胀室，膨胀室具有可膨胀和可收缩的体积并且被配置为允许半电池室中的一个或两个中的液体和气体的体积膨胀。
[0425]
实施例26.根据实施例25所述的电化学系统，其中膨胀室被配置为经由膨胀室体积的膨胀和/或收缩来减小第一半电池室和第二半电池室之间的压差。
[0426]
实施例27.根据实施例25或26所述的电化学电池，其中膨胀室的体积基于第一半电池室中的压力和第二半电池室中的压力而改变。
[0427]
实施例28.根据实施例25
‑
27中任一项所述的电化学系统，其中膨胀室与第一电解质捕获和返回系统和第二电解质捕获和返回系统(如果存在)流体连通。
[0428]
实施例29.根据实施例25
‑
28中任一项所述的电化学系统，其中堆的每个电化学电
池还包括与膨胀室可操作地连通的膨胀电阻器。
[0429]
实施例30.根据实施例29所述的电化学系统，其中膨胀电阻器是弹簧、波纹管、横隔膜、球囊、保持在预定压力下的一定体积的工作流体、膨胀室的物理特性或任何其组合。
[0430]
实施例31.根据实施例25
‑
30中任一项所述的电化学系统，其中膨胀室包括分隔器以保持第一体积的电解质与第一半电池室和第二体积的电解质与第二半电池室的分离。
[0431]
实施例32.根据实施例1
‑
31中任一项所述的电化学系统，其中电化学电池还包括与所述电化学电池流体连通以向第一半电池、第二半电池或两者提供补充液体的补充液体供应。
[0432]
实施例33.根据实施例32所述的电化学系统还包括位于补充液体供应和电化学电池之间的单向阀，所述单向阀布置成允许流体流入电化学电池但不流出电化学电池。
[0433]
实施例34.根据实施例32或33所述的电化学系统，其中补充液体通过供应歧管提供给电化学电池，并且其中供应歧管与堆中的每个电化学电池流体连通。
[0434]
实施例35.根据实施例34所述的电化学系统，其中单向阀基于供应歧管和电化学电池之间的压差来调节流入电化学电池的补充液体的流量。
[0435]
36.根据实施例35所述的电化学系统，其中单向阀仅基于供应歧管和电化学电池之间的压差来调节流入电化学电池的补充液体的流量。
[0436]
实施例37.根据实施例32
‑
36中任一项所述的电化学系统，其中补充液体是去离子水。
[0437]
实施例38.根据实施例
‑
37中任一项所述的电化学系统还包括泵，该泵可操作地连接到每个电化学电池并被布置成将所捕获的电解质驱动到半电池室中的一个或两个中。
[0438]
实施例39.实施例12
‑
38中任一项的电化学系统还包括泵，该泵可操作地连接到每个电化学电池并被布置成将所捕获的电解质从液气分离器驱动到半电池室中的一个或两个中。
[0439]
实施例40.根据实施例38或37所述的电化学系统，其中泵是心室泵或正排量泵。
[0440]
实施例41.根据实施例38
‑
40中任一项所述的电化学系统，其中泵能够驱动液体和气体两者通过电解质返回通道。
[0441]
实施例42.根据实施例1
‑
41中任一项所述的电化学系统，其中堆被布置成棱柱状分层配置、圆形电池框架的圆柱形堆、螺旋状果冻卷状配置、棱柱状果状卷状配置或任何其他成卷的果冻卷或堆棱柱形配置。
[0442]
实施例43.根据实施例1
‑
42中任一项所述的电化学系统，其中第二半电池室包含在第二半电池室中产生的产物气体，并且其中第二半电池室在电化学系统的操作期间不含电解质。
[0443]
实施例44.根据实施例43所述的电化学系统，其中每个电化学电池包括气体注射器歧管，该气体注入器歧管被配置为维持第二半电池室中的气体压力足以防止液体电解质进入第二半电池室。
[0444]
实施例45.根据实施例44所述的电化学系统，其中气体注入器歧管将第二气体注入到第二半电池室中。
[0445]
实施例46.根据实施例45所述的电化学系统，其中第二气体不同于产物气体。
[0446]
实施例47.根据实施例43
‑
46所述的电化学系统，其中电化学系统被配置为使得来
自每个电化学电池的第二半电池室的产物气体用于冷却堆中的电化学电池。
[0447]
实施例48.根据实施例47所述的电化学电池，其中堆包括一个或多个接收并冷却产物气体的热交换器；并且其中在产物气体经由一个或多个热交换器冷却之后经由气体注入器歧管注入到每个电化学电池中。
[0448]
实施例49.根据实施例1
‑
48中任一项所述的电化学电池，其中堆是双极堆。
[0449]
实施例50.根据实施例1
‑
48中任一项所述的电化学系统，其中堆是包括在相邻电池之间的双极板的双极堆，并且其中每个双极板包括夹在第一外层和第二外层之间的流动通道层，流动通道层限定一个或多个冷却剂流动通道，并且流动通道层被密封到第一外层和第二外层。
[0450]
实施例51.一种电化学系统，其包括：电化学电池的堆，每个单独的电化学电池独立地包括：第一半电池室，包含第一电极并且包含在第一流体压力和第二流体压力之间波动的一定体积的流体；第二半电池室，包含第二电极；隔膜，将第一半电池室与第二半电池室隔开；和补充液体入口，包括单向阀，该单向阀被布置成提供补充液体流入第一半电池室并防止液体通过补充液体入口流出半电池；补充液体供应歧管，与堆的所有电池的补充液体入口流体连通，补充液体供应歧管包含处于第三流体压力的补充液体，第三流体压力是大于第一压力且小于第二压力的受控压力。在一些实施例中，一定体积的流体可以是气体和液体的混合物。在一些实施例中，受控压力由可由电子控制器操作或控制的机电调节器控制。
[0451]
实施例52.根据实施例51所述的电化学系统，其中第三压力在第一半电池室中的一定体积的流体的平均稳态操作压力的0.5
±
0.2巴以内。
[0452]
实施例53.根据实施例51所述的电化学系统，其中堆的每个单独的电化学电池中的电解质与所述堆的每个其他单独的电化学电池中的电解质流体分离。
[0453]
实施例54.一种操作电化学系统的方法；其中电化学系统包括：电化学电池的堆，每个单独的电化学电池独立地包括：第一半电池室，包含第一电极并包含在第一流体压力和第二流体压力之间波动的一定体积的流体；第二半电池室，包含第二电极；隔膜，将第一半电池室与第二半电池室隔开；和补充液体入口，包括单向阀；以及与组的所有电池的补充液体入口流体连通的补充液体供应歧管，该补充液体供应歧管包含处于第三流体压力的补充液体；该方法包括以下步骤：经由单向阀提供补充液体流入第一半电池室；经由单向阀阻止液体通过补充液体入口流出半电池；控制第三流体压力使其大于第一压力并小于第二压力。在一些实施例中，一定体积的流体可以是例如气体和液体的混合物。
[0454]
实施例55.根据实施例54所述的方法，其中堆的每个单独的电化学电池中的电解质与所述堆的每个其他单独的电化学电池中的电解质流体分离。
[0455]
实施例56.一种电化学系统，其包括：电化学电池的堆，每个单独的电化学电池独立地包括：第一半电池室，包含第一体积的液体、与第一电极接触；第二半电池室，包括反电极；分隔膜，将第一半电池室与第二半电池室隔开；第一液气分离器，在第一半电池室外部并且经由第一流体逸出元件与第一半电池室流体连通；和第一泵，被布置成经由与流体逸出元件分离的液体返回通道将液体从第一液气分离器驱动到第一半电池室中。在一些实施例中，液体是去离子水。
[0456]
实施例57.根据实施例56所述的电化学系统，其中堆的每个单独的电化学电池中
的电解质与所述堆的每个其他单独的电化学电池中的电解质流体分离。
[0457]
实施例58.根据实施例56或57所述的电化学电池，其中第二半电池室还包括第二体积的液体。
[0458]
实施例59.根据实施例56
‑
58中任一项所述的电化学系统，其中泵是平面心室泵。
[0459]
实施例60.根据实施例56
‑
59中任一项所述的电化学系统，其中每个单独的电池独立地还包括与第一半电池室流体连通的膨胀体积。
[0460]
实施例61.一种电化学系统，其包括：电化学电池的双极堆，其中相邻的电池在它们之间共享一个双极板，每个单独的电化学电池独立地包括：第一半电池室，包含第一电极；第一导电出口通道，将第一半电池连接到第一液滴室，第一出口通道的出口端和第一液滴室之间存在非导电间隙；第二半电池室，包含第二电极；第二导电出口通道，将第二半电池连接到第二液滴室，第二出口通道的出口端和第二液滴室之间存在非导电间隙；分隔膜，将第一半电池室与第二半电池室隔开；第一电引线，连接到双极板；第二电引线，连接到第一液滴室；和第三电引线连接到第二液滴室；以及电子控制器，被配置为监测第一电引线、第二电引线和第二电引线对之间的电势、电流或电压。
[0461]
实施例62.根据实施例61所述的电化学系统，其中堆的每个单独的电化学电池中的电解质与所述堆的每个其他单独的电化学电池中的电解质流体分离。
[0462]
实施例63.一种电化学系统，其包括：至少一个限制电解质电化学电池，包括：电解质；第一半电池，包括与第一体积的电解质接触的第一电极，以及第一电解质捕获和返回系统；第二半电池，包括与第二体积的电解质接触的第二电极，以及第二电解质捕获和返回系统；以及隔膜，分隔第一半电池与第二半电池；其中第一电解质捕获和返回系统被配置为捕获从第一半电池逸出的电解质并将所捕获的电解质的至少一部分返回到第一半电池而不使其与来自任何其他电池的电解质混合；并且其中第二电解质捕获和返回系统被配置为捕获从第二半电池逸出的电解质并将所捕获的电解质的至少一部分返回到第二半电池而不使其与来自任何其他电池的电解质混合。
[0463]
实施例64.根据实施例63所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统与第二半电池流体分离，并且其中第二电解质捕获和返回系统与第一半电池流体分离。
[0464]
实施例65.根据实施例63或64所述的电化学系统，其中堆的每个单独的电化学电池中的电解质与所述堆的每个其他单独的电化学电池中的电解质流体分离。
[0465]
实施例66.根据实施例65所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统以及第二电解质捕获和返回系统中的每一个独立地流体分离各自捕获的电解质，使其不与电池堆的任何其他电池中的电解质流体连通。
[0466]
实施例67.一种产生至少一种产物气体的方法，包括：提供一种电化学系统，该系统包括：至少一个电化学电池，该电化学电池包括：电解质；第一半电池，具有与第一体积的电解质连通的第一电极以及第一电解质捕获和返回系统；第二半电池，包括与第二体积的电解质连通的第二电极；和隔膜，分隔第一半电池与第二半电池；经由第一电解质捕获和返回系统捕获从第一半电池逸出的电解质并将所捕获的电解质返回到第一半电池；和使电解质在至少一个电化学电池中反应从而产生至少一种产物气体。
[0467]
实施例68.根据实施例67所述的方法，其中第二半电池还包括第二电解质捕获和返回系统；并且其中该方法还包括经由第二电解质捕获和返回系统捕获从第二半电池逸出
的电解质并将所捕获的电解质返回到第二半电池。
[0468]
实施例69.根据实施例68所述的电化学系统，其中第一电解质捕获和返回系统与第二半电池流体分离，并且其中第二电解质捕获和返回系统与第一半电池流体分离。
[0469]
实施例70.根据实施例67
‑
69中任一项所述的电化学系统，其中堆的每个单独的电化学电池中的电解质与所述堆的每个其他单独的电化学电池中的电解质流体分离。
[0470]
实施例70.一种产生氢气和氧气的方法，包括：提供电解槽，该电解槽包括：多个电化学电池，每个电化学电池独立地包括：水性电解质；第一半电池，具有与含水电解质的第一部分连通的第一电极、第一电解质捕获和返回系统和第一气体捕获系统；第二半电池，包括与含水电解质的第二部分连通的第二电极和第二气体捕获系统；和隔膜，分隔第一半电池与第二半电池；经由第一电解质捕获和返回系统捕获从第一半电池置换的电解质并将电解质返回到第一半电池；以及在每个电化学电池中电解水性电解质，从而产生第一气体和第二气体，其中每个第一气体捕获系统彼此流体连通并且每个第二气体捕获系统彼此流体连通。
[0471]
实施例72.根据实施例71所述的方法，其中第二半电池还包括第二电解质捕获和返回系统；并且其中该方法还包括经由第二电解质捕获和返回系统捕获从第二半电池置换的电解质并将电解质返回到第二半电池。
[0472]
实施例73.根据实施例70或72所述的方法，其中第一气体是氧气并且第一气体捕获系统是氧气气体捕获系统，或者其中第一气体是氢气并且第一气体捕获系统是氢气气体捕获系统。
[0473]
实施例74.根据实施例71
‑
73中任一项所述的方法，其中第一气体是氧气且第一气体捕获系统是氧气气体捕获系统，并且其中第二气体是氢气且第二气体捕获系统是氢气气体捕集系统。
[0474]
实施例75.根据实施例71
‑
74中任一项所述的方法，其中隔膜是质子交换膜(pem)或阴离子交换膜(aem)。
[0475]
实施例76.根据实施例71
‑
75中任一项所述的方法，其中多个电化学电池中的每个单独的电化学电池独立地还包括与第一半电池和第二半电池流体连通的膨胀体积。
[0476]
实施例77.根据实施例71
‑
76中任一项所述的方法，其中第一电解质捕获和返回系统与每个电化学电池中的第二电解质捕获和返回系统流体连通。
[0477]
实施例78.根据实施例71
‑
76中任一项所述的方法，其中单独的电化学电池的任何电解质捕获和返回系统与电解槽中的每个其他电化学电池的任何电解质捕获和返回系统流体分离。
[0478]
实施例79：根据实施例71
‑
78中任一项所述的方法，其中堆的每个单独的电化学电池中的电解质与所述堆的每个其他单独的电化学电池中的电解质流体分离。
[0479]
实施例80.一种心室泵，包括：泵室，在流体驱动器的第一侧上包含致动流体，和在流体驱动器的与第一侧相对的第二侧上包含从动流体；上游单向阀，被布置成允许流经从动流体流入孔进入流体驱动器第一侧上的泵室；下游单向阀，被布置成允许从流体驱动器的第一侧上的泵室；流经从动流体流出孔；致动流体入口，与流体驱动器第一侧上的泵室流体连通；致动流体入口中和流体驱动器第一侧上的泵室中的致动流体；和致动器，被配置为向致动流体施加足以至少部分地偏转流体驱动器的压缩力和/或膨胀力。
[0480]
实施例81.根据实施例80所述的心室泵，其中致动流体是不可压缩的液体。
[0481]
实施例82.根据实施例81所述的心室泵，其中致动流体是可压缩的气体。
[0482]
实施例83.根据实施例80所述的心室泵，其中泵室形成在电池堆中的多个电池框架之一的电池框架中。
[0483]
实施例84.根据实施例83所述的心室泵，其中致动流体入口与延伸穿过电池堆的致动流体歧管流体连通。
[0484]
实施例85.一种操作包括电池堆中的多个电化学电池的电解槽系统的方法，每个电池包括通过质子交换膜(pem)与负半电池室隔开的正半电池室，该方法包括：使工艺水以不大于工艺水在电池堆中的每个电化学电池的正半电池中通过被分解成氢气和氧气而被消耗的第二速率的1000％的第一速率流入正半电池室中；使冷却剂流过电池堆中的一个或多个热交换器；经由负气体去除歧管从每个电化学电池的负半电池室中抽出气体；将负气体去除歧管保持在至少10巴绝对压力的压力下；和通过每个电化学电池的正半电池室中的公共出口从每个电化学电池的正半电池室中抽出氧气和液体工艺水的混合物。
[0485]
实施例86.根据实施例85所述的方法，还包括调节供应歧管中的第一流体压力，从而将工艺水引导到电池堆中。
[0486]
实施例87.根据实施例86所述的方法，还包括调节流体去除歧管中的第二流体压力，通过该流体去除歧管从电池堆的正半电池去除氧气和工艺水的混合物。
[0487]
实施例88.根据实施例85
‑
87中任一项所述的方法，其中电池堆中的一个或多个热交换器中的每一个包括在相邻电化学电池之间的双极板结构内的一个或多个流动通道。
[0488]
实施例89.根据实施例88所述的方法，其中每个双极板结构包括夹在第一外层和第二外层之间的流动通道层，该流动通道层限定一个或多个冷却剂流动通道并且密封到第一外层和第二外层。
[0489]
实施例90.根据实施例85所述的方法，还包括从电池堆中抽出工艺水并且包括将工艺水返回到电池堆；其中从电池堆抽出的工艺水在电池堆之后和返回到电池堆之前不被引导通过热交换器。
[0490]
实施例91.根据实施例85
‑
90中任一项所述的方法，其中电池堆中的每个电化学电池包括与正半电池室流体连通的膨胀室。
[0491]
实施例92.一种操作包括电池堆中的多个电化学电池的电解槽系统的方法，每个电池包括通过阴离子交换膜(aem)与负半电池室隔开的正半电池室，该方法包括：使工艺水以不大于工艺水在电池堆中的每个电化学电池的负半电池室中通过被分成氢气和氧气而被消耗的第二速率的1000％的第一速率流入每个电化学电池的负半电池室；使冷却剂流过电池堆中的一个或多个热交换器；经由正气体去除歧管从每个电化学电池的正半电池室中抽出气体；将每个电化学电池的负半电池室保持在至少10巴绝对压力的流体压力下；和通过每个电化学电池的负半电池室中的公共出口从每个电化学电池的负半电池室中抽出氢气和液体工艺水的混合物。
[0492]
实施例93.根据实施例92所述的方法，还包括调节供应歧管中的第一流体压力，以将工艺水引导到电池堆中。
[0493]
实施例94.根据实施例93所述的方法，还包括调节流体去除歧管中的第二流体压力，通过该流体去除歧管从电池堆的正半电池去除氧气和工艺水的混合物。
[0494]
实施例95.根据实施例92
‑
94中任一项所述的方法，其中电池堆中的一个或多个热交换器中的每一个包括在相邻电池之间的双极板结构内的一个或多个流动通道。
[0495]
实施例96.根据实施例95所述的方法，其中每个双极板结构包括夹在第一外层和第二外层之间的流动通道层，该流动通道层限定一个或多个冷却剂流动通道并且密封到第一外层和第二外层。
[0496]
实施例97.根据实施例92
‑
95中任一项所述的方法，还包括从电池堆中抽出工艺水并且包括将工艺水返回到电池堆；其中，从电池堆抽出的工艺水在电池堆之后和返回到电池堆之前不被引导通过热交换器。
[0497]
实施例98.根据实施例92
‑
97中任一项所述的方法，其中电池堆中的每个电化学电池包括与正半电池室流体连通的膨胀室。
[0498]
实施例99.一种水电解槽系统，包括：包含多个电化学电池的电池堆，每个电池包括通过阴离子交换膜(aem)与负半电池室隔开的正半电池室；每个负半电池室包括具有流体逸出元件的流体出口，该流体逸出元件被配置为允许氢气和水的混合流流出；负流体去除歧管，与电池堆中每个电化学电池的负半电池室连通，负流体去除歧管包含处于第一调节流体压力的氢气和水的混合物；供应歧管，被配置为将工艺水输送到电池堆中的每个电化学电池的负半电池室，其中供应歧管中的工艺水处于大于第一调节流体压力的第二调节流体压力；正流体去除歧管，与电池堆的每个正半电池室连通，正流体去除歧管包含处于第三流体压力的氧气。
[0499]
实施例100.根据实施例99所述的系统，还包括电池堆中相邻的电池之间的至少一个双极板热交换器，每个双极板热交换器包括在导电外层之间的冷却剂通道。
[0500]
实施例101.根据实施例99
‑
100中任一项所述的系统，还包括负流体去除歧管下游的气液分离器，并且该系统包括将水从气液分离器引导至供应歧管的导管，并且其中在负流体去除歧管和供应歧管之间不存在热交换器。
[0501]
实施例102.根据实施例101所述的系统，其中气液分离器包括气液分离室中液位上方的气袋区域。
[0502]
实施例103.根据实施例99
‑
102中任一项所述的系统，还包括与每个电池的负半电池室流体连通的膨胀室。
[0503]
实施例104.根据实施例99
‑
103中任一项所述的系统，还包括将一定量的工艺水从供应歧管引导至负流体去除歧管的堆旁通导管。
[0504]
实施例105.根据实施例99
‑
104中任一项所述的系统，其中至少一个流体逸出元件包括一个或多个出口通道，所述出口通道被配置为向流出负半电池室的混合流体赋予非线性流动阻力。
[0505]
实施例106.根据实施例99
‑
10005中任一项所述的系统，其中至少一个流体逸出元件包括一个或多个相鉴别膜。
[0506]
实施例107.一种水电解槽系统，包括：包含多个电化学电池的电池堆，每个电池包括通过质子交换膜(pem)与负半电池室隔开的正半电池室；每个正半电池室包括具有流体逸出元件的流体出口，该流体逸出元件被配置为允许氧气和水的混合流排出；正流体去除歧管，与电池堆中每个电化学电池的正半电池室连通，正流体去除歧管包含处于第一调节流体压力的氧气和水的混合物；供应歧管，被配置为将工艺水输送到电池堆中的每个电化
学电池的正半电池室，其中供应歧管中的工艺水处于大于第一调节流体压力的第二调节流体压力；负流体去除歧管，与电池堆中每个电化学电池的负半电池室连通，负流体去除歧管包含处于第三调节流体压力下的氢气，该第三调节流体压力大于第二流体压力。
[0507]
实施例108.根据实施例107所述的系统，还包括电池堆中相邻的电池之间的至少一个双极板热交换器，每个双极板热交换器包括在导电外层之间的冷却剂通道。
[0508]
实施例109.根据实施例107
‑
108中任一项所述的系统，还包括在正流体去除歧管下游的气液分离器，并且该系统包括将水从气液分离器引导至供应歧管的导管，并且其中在正流体去除歧管和供应歧管之间不存在热交换器。
[0509]
实施例110.根据实施例107
‑
109中任一项所述的系统，还包括与每个电化学电池的正半电池室流体连通的膨胀室。
[0510]
实施例111.根据实施例107
‑
110中任一项所述的系统，还包括将一定量的工艺水从供应歧管引导至正流体去除歧管的堆旁通导管。
[0511]
实施例112.根据实施例107
‑
111中任一项所述的系统，其中每个流体逸出元件包括出口通道，该出口通道被配置为向流出负半电池室的混合流体赋予非线性流动阻力。
[0512]
实施例113.根据实施例107
‑
112中任一项所述的系统，其中每个流体逸出元件包括一个或多个相鉴别膜。
[0513]
实施例114.根据实施例85
‑
91中任一项所述的方法，其中每个电化学电池的正半电池室中的氧气通过消耗相应电池中的工艺水而在正半电池室中形成。
[0514]
实施例115.根据实施例92
‑
98中任一项所述的方法，其中每个电化学电池的负半电池室中的氢气经由消耗相应电池中的工艺水而在负半电池室中形成。
[0515]
实施例116.根据实施例99
‑
106中任一项所述的系统，其中负流体去除歧管中的氢气在电池堆的负半电池室中形成，并且其中正流体去除歧管中的氧气经由消耗多个电化学电池中的工艺水而在电池堆的正半电池室中形成。
[0516]
实施例117.根据实施例85
‑
91中任一项所述的方法，其中负气体去除歧管仅从每个电化学电池的负半电池室中抽取气体。
[0517]
实施例118.根据实施例92
‑
98中任一项所述的方法，其中正气体去除歧管仅从每个电化学电池的正半电池室中抽取气体。
[0518]
关于通过引用的合并和变更的声明
[0519]
贯穿本技术的所有参考文献，例如专利文件，包括已发布或授权的专利或等同物；专利申请出版物；和非专利文献文件或其他来源材料；在此通过引用以其整体并入本文。
[0520]
本文中使用的术语和表达被用作描述性术语而非限制性术语，并且在使用这些术语和表达时无意排除所示和描述的特征或其部分的任何等同物，但应认识到，在要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应当理解，虽然本发明已经通过优选实施例、示例性实施例和任选的特征而被具体公开，但是本领域技术人员可以对这里公开的概念进行修改和变化，并且这样的修改和变化被认为在由所附权利要求限定的本发明的范围内。本文提供的具体实施例是本发明的有用实施例的示例，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以使用本说明书中所阐述的装置、装置组件、方法步骤的大量变体来实施本发明。如本领域技术人员显而易见的，可用于本方法的方法和装置可以包括大量任选的组合物和处理元件和步骤。
[0521]
当本文公开一组取代基时，应理解该组和所有亚组的所有个体成员是分开公开的。当本文使用马库什基团或其他分组时，该基团的所有个体成员以及该基团的所有可能的组合和子组合旨在单独地包括在本公开中。化合物的具体名称旨在作为示例，因为本领域普通技术人员可以不同地命名相同的化合物。
[0522]
除非另有说明，否则本文描述或举例说明的每种制剂或组分的组合均可用于实施本发明。
[0523]
无论何时在说明书中给出范围，例如温度范围、压力范围或者组成或浓度范围，所有中间范围和子范围，以及包括在给定范围内的所有单个值都旨在被包括在本公开中。应当理解，包括在本文的描述中的任何子范围或者范围或子范围中的单个值可以从本文的权利要求中排除。
[0524]
说明书中提到的所有专利和出版物都表明了本发明所属领域技术人员的技术水平。本文引用的参考文献通过引用整体并入本文以指示截至其公布或申请日期的现有技术状态，并且如果需要，该信息在本文中可用于排除现有技术中的特定实施例。例如，当要求保护物质的组成时，应当理解，在本技术人的发明之前本领域已知和可获得的化合物，包括在本文引用的参考文献中提供的能够公开的化合物，不旨在包括在此处要求保护的物质的组成。
[0525]
如本文所用，“包括”与“包含”、“含有”或“特征在于”同义，并且是包含性的或开放式的，并且不排除额外的、未列举的要素或方法步骤。如本文所用，“由
……
组成”排除权利要求要素中未指定的任何要素、步骤或成分。如本文所用，“基本上由
……
组成”不排除对权利要求的基本特征和新颖特征没有实质性影响的材料或步骤。在本文的每个实例中，术语“包括”、“基本上由
……
组成”和“由
……
组成”中的任何一个都可以被其他两个术语中的任何一个替换。本文说明性描述的本发明可以在不存在本文未具体公开的任何一个或多个元素、限制或限制的情况下适当地实施。
[0526]
本文、说明书和权利要求中使用的术语“和/或”是指单独的单个元素或来自该术语“和/或”出现在其中的列表的元素的任何组合。换句话说，具有术语“和/或”的两个或更多个元素的列表旨在涵盖具有单独元素中的任何单独元素或具有所列出元素的任何组合的实施例。例如，短语“元素a和/或元素b”旨在涵盖具有仅元素a、仅元素b或同时具有元素a和b两者的实施例。例如，短语“元素a、元素b和/或元素c”旨在涵盖仅具有元素a、仅具有元素b、仅具有元素c、具有一起的元素a和b、具有一起的元素a和c、具有一起的元素b和c，或者具有一起的元素a、b和c。
[0527]
本领域普通技术人员将理解，除具体例举的那些之外的起始材料、生物材料、试剂、合成方法、纯化方法、分析方法、测定方法和生物方法可用于本发明的实践无需采取过度的试验。任何此类材料和方法的所有本领域已知的功能等效物都旨在包括在本发明中。已使用的术语和表达被用作描述而非限制，并且在使用此类术语和表达时无意排除所示和描述的特征或其部分的任何等效物，但应认识到在要求保护的本发明的范围内可以进行各种修改。因此，应当理解，虽然本发明已经通过优选实施例和可选特征具体公开，但是本领域技术人员可以对这里公开的概念进行修改和变化，并且这种修改和变化被认为是属于所附权利要求书所限定的本发明范围。