具有限制电解质的电化学系统的制作方法

技术特征：
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，包含与第一电极接触的第一体积的电解质；第二半电池室，与反电极接触；隔膜，将所述第一半电池室与所述第二半电池室隔开；和第一电解质捕获和返回系统，与所述第一半电池连通，所述电解质捕获和返回系统被配置为从逸出所述第一半电池室的所述第一体积的电解质捕获电解质并将所捕获的电解质经由电解质返回导管驱动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。2.根据权利要求1所述的电化学系统，其中所述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。3.根据权利要求1或2所述的电化学系统，其中所述第一电解质捕获和返回系统将捕获的电解质与所述电池堆的任何其他电池中的电解质的流体连通流体分离。4.根据权利要求1
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3中任一项所述的电化学系统，还包括与所述第二半电池室连通的第二电解质捕获和返回系统；其中所述第二半电池室包括第二体积的电解质；并且其中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所述第二体积的电解质捕获电解质并将所捕获的电解质驱动回到所述第一半电池室中、所述第二半电池室或两者。5.根据权利要求1
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4中任一项所述的电化学系统，其中所述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，所述液气分离室对于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所在的各个单独的电化学电池来说是唯一的。6.根据权利要求1
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5中任一项所述的电化学系统，其中所述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/或所述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，所述第一气体去除歧管和如果存在的话所述第二气体去除歧管中的每一个与所述堆中的所述电化学电池中的每一个流体连通。7.根据权利要求6所述的电化学系统，其中所述第一气体去除歧管和/或所述第二气体去除歧管包含气体去除液体。8.根据权利要求7所述的电化学系统，其中所述气体去除液体是非导电液体。9.根据权利要求1
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8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所述第一电解质捕获和返回系统，气体和液体电解质通过如果存在的话所述第二流体逸出元件逸出所述第二半电池室进入所述第二电解质捕获和返回系统。10.根据权利要求9所述的电化学电池，其中所述流体逸出元件是串联流体逸出元件，其特征是至少为0.1巴的压降。11.根据权利要求1
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10中任一项所述的电化学系统，其中所述第一电解质捕获和返回系统包括所述第一半电池独有的第一液气分离器和/或其中所述第二电解质捕获和返回系统包括所述第二半电池独有的第二液气分离器。12.根据权利要求11所述的电化学系统，其中所述第一液气分离器和/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彼此流体连通地连接的室。
13.根据权利要求11
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12中任一项所述的电化学系统，其中每个电池包括在所述第一液气分离器和所述第一气体去除歧管之间的第一单向阀和/或每个电池包括在所述第二液气分离器和所述第二气体去除歧管之间的第二单向阀；其中所述第一单向阀被定向成当所述第一液气分离器中的气体压力超过所述第一气体去除歧管中的流体压力时允许气体从所述第一液气分离器流入所述第一气体去除歧管中；并且其中所述第二单向阀被定向成当所述第二液气分离器中的气体压力超过所述第二气体去除歧管中的流体压力时允许气体从所述第二液气分离器流入所述第二气体去除歧管。14.根据权利要求1
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13中任一项所述的电化学系统，其中所述第一电解质捕获和返回系统和/或所述第二电解质捕获和返回系统包括用于促进产物气体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。15.根据权利要求1
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14中任一项所述的电化学系统，其中所述第一电解质捕获和返回系统和/或所述第二电解质捕获和返回系统包括一个或多个泵，所述泵被配置为将相应地捕获的电解质分别返回到所述第一半电池室或所述第二半电池室。16.根据权利要求1
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15中任一项所述的电化学系统，其中所述第一电解质捕获和返回系统和/或所述第二电解质捕获和返回系统被配置为捕获以液体、雾或它们的组合从所述相应的半电池置换的电解质的至少80质量％。17.根据权利要求1
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16中任一项所述的电化学系统，其中所述电化学系统是蓄电池、液流电池或燃料电池。18.根据权利要求1
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17中任一项所述的电化学系统，其中所述电化学系统是碱性电解槽；并且其中所述电解质是碱性水溶液。19.根据权利要求1
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18中任一项所述的电化学系统，其中所述电化学电池产生氢气和氧气作为产物气体。20.根据权利要求19所述的电化学系统，其中所述隔膜是质子交换膜(pem)或阴离子交换膜(aem)，并且其中所述电解质是去离子水。21.根据权利要求1
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20中任一项所述的电化学系统，其中所述堆的每个电化学电池还包括相应的化学电池独有的并且与所述相应电化学电池的所述第一半电池室和所述第二半电池室流体连通的膨胀室，所述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。22.根据权利要求21所述的电化学系统，其中所述膨胀室被配置为经由所述膨胀室的体积的膨胀和/或收缩来减小所述第一半电池室和所述第二半电池室之间的压差。23.根据权利要求21
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22中任一项所述的电化学系统，其中所述膨胀室与所述第一电解质捕获和返回系统和如果存在的话所述第二电解质捕获和返回系统流体连通。24.根据权利要求21
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23中任一项所述的电化学系统，其中所述堆的每个电化学电池还包括与所述膨胀室可操作连通的膨胀电阻器。25.根据权利要求21
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24中任一项所述的电化学系统，其中所述膨胀室包括分隔物以保持第一体积的电解质与所述第一半电池室和第二体积的电解质与所述第二半电池室的分离。26.根据权利要求1
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25中任一项所述的电化学系统，其中所述电化学电池还包括与所述电化学电池流体连通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的补充
液体供应。27.根据权利要求26所述的电化学系统，还包括位于所述补充液体供应和所述电化学电池之间的单向阀，所述单向阀被布置成允许流体流入但不允许流出所述电化学电池。28.根据权利要求26或27所述的电化学系统，其中所述补充液体通过供应歧管提供给所述电化学电池，并且其中所述供应歧管与所述堆中的每个电化学电池流体连通。29.根据权利要求28所述的电化学系统，其中所述单向阀基于所述供应歧管和所述电化学电池之间的压差来调节补充液体流入所述电化学电池。30.根据权利要求27
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29中任一项所述的电化学系统，其中所述补充液体是去离子水。31.根据权利要求1
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30中任一项所述的电化学系统，还包括泵，所述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。32.根据权利要求31所述的电化学系统，其中所述泵是心室泵或正排量泵。33.根据权利要求1
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32中任一项所述的电化学系统，其中所述堆被布置为棱柱状分层配置、圆形电池框架的圆柱形堆、螺旋果冻卷配置、棱柱状果冻卷配置或任何其他卷起的果冻卷或堆叠棱柱形配置。34.根据权利要求1
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33中任一项所述的电化学系统，其中所述第二半电池室包含在所述第二半电池室中产生的产物气体，并且其中在所述电化学系统的操作期间所述第二半电池室不含电解质。35.根据权利要求34所述的电化学系统，其中每个电化学电池包括气体注入器歧管，所述气体注入器歧管被配置为在所述第二半电池室中维持足以防止液体电解质进入所述第二半电池室的气体压力；并且其中所述气体注入器歧管将第二气体注入到所述第二半电池室中。36.根据权利要求34
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35所述的电化学系统，其中所述电化学系统被配置为使得来自每个电化学电池的所述第二半电池室的产物气体用于冷却所述堆中的所述电化学电池；其中所述堆包括至少一个接收并冷却所述产物气体的热交换器；并且其中在所述产物气体经由一个或多个热交换器冷却之后，所述产物气体经由气体注入器歧管被注入到每个电化学电池中。37.根据权利要求1
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36中任一项所述的电化学系统，其中所述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，所述流动通道层限定一个或多个冷却剂流动通道并且所述流动通道层被密封到所述第一外层和所述第二外层。38.一种电化学系统，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，将所述第一半电池室与所述第二半电池室隔开；和补充液体入口，包括单向阀，所述单向阀被布置成提供补充液体流入所述第一半电池室并防止液体通过所述补充液体入口流出所述半电池；补充液体供应歧管，与所述堆的所有电池的所述补充液体入口流体连通，所述补充液
体供应歧管包含处于第三流体压力的补充液体，所述第三流体压力是大于所述第一压力且小于所述第二压力的控制压力。39.一种操作电化学系统的方法；其中所述电化学系统包括：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，将所述第一半电池室与所述第二半电池室隔开；和补充液体入口，包括单向阀；和补充液体供应歧管，与所述堆的所有电池的补充液体入口流体连通，所述补充液体供应歧管包含处于第三流体压力的补充液体；和所述方法包括以下步骤：经由所述单向阀提供补充液体流入所述第一半电池室；经由所述单向阀阻止液体通过所述补充液体入口流出所述半电池；和控制所述第三流体压力使其大于所述第一压力且小于所述第二压力。40.一种电化学系统，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，包括与第一电极接触的第一体积的液体；第二半电池室，包括反电极；分隔膜，将所述第一半电池室与所述第二半电池室隔开；第一液气分离器，其在所述第一半电池室外部并且经由第一流体逸出元件与所述第一半电池室流体连通；和第一泵，被布置成经由与所述流体逸出元件分离的液体返回通道将液体从所述第一液气分离器驱动到所述第一半电池室中。41.根据权利要求40所述的电化学系统，其中所述泵是平面的心室泵。42.根据权利要求40
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41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所述第一半电池室流体连通的膨胀体积。43.一种电化学系统，其包括：电化学电池的双极堆，其中相邻的电池共享在它们之间的一个双极板，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，将所述第一半电池连接到第一滴注室，所述第一出口通道的出口端和所述第一滴注室之间存在不导电间隙；第二半电池室，包含第二电极；第二导电出口通道，将所述第二半电池连接到第二滴注室，所述第二出口通道的出口端和所述第二滴注室之间存在不导电间隙；分隔膜，将所述第一半电池室与所述第二半电池室隔开；第一电引线，连接到双极板；第二电引线，连接到所述第一滴注室；和
第三电引线，连接到所述第二滴注室；和电子控制器，其被配置为监测所述第一电引线、所述第二电引线和所述第二电引线的对之间的电势、电流或电压。44.一种电化学系统，其包括：至少一个限制电解质电化学电池，其包括：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和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和第二电解质捕获和返回系统；和隔膜，其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逸出的电解质并将所捕获的电解质的至少一部分返回到所述第一半电池而不将其与来自任何其他电池的电解质混合；和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逸出的电解质并将所捕获的电解质的至少一部分返回到所述第二半电池而不将其与来自任何其他电池的电解质混合。45.一种产生至少一种产物气体的方法，包括：提供电化学系统，所述电化学系统包括：至少一个电化学电池，其包括：电解质；第一半电池，其具有与第一体积的电解质连通的第一电极和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，将所述第一半电池与所述第二半电池隔开；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逸出的电解质并将所捕获的电解质返回到所述第一半电池；和使所述电解质在所述至少一个电化学电池中反应从而产生至少一种产物气体。46.根据权利要求45所述的方法，其中所述第二半电池还包括第二电解质捕获和返回系统；并且其中所述方法还包括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逸出的电解质并将所捕获的电解质返回到所述第二半电池。47.一种产生氢气和氧气的方法，其包括：提供电解槽，所述电解槽包括：多个电化学电池，每个电池独立地包括：水性电解质；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和第一气体捕获系统；第二半电池，包括与所述水性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，将所述第一半电池与所述第二半电池隔开；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并将所述电解质返回到所述第一半电池；和在每个所述电化学电池中电解所述水性电解质，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。48.根据权利要求47所述的方法，其中所述第二半电池还包括第二电解质捕获和返回系统；并且其中所述方法还包括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电解质并将所述电解质返回到所述第二半电池。49.根据权利要求47
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48中任一项所述的方法，其中所述第一气体是氧气并且所述第一气体捕获系统是氧气气体捕获系统，并且其中所述第二气体是氢气并且所述第二气体捕获系统是氢气气体捕获系统。50.根据权利要求47
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49中任一项所述的方法，其中所述隔膜是质子交换膜(pem)或阴离子交换膜(aem)。51.根据权利要求47
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49中任一项所述的方法，其中所述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所述第一半电池和所述第二半电池流体连通的膨胀体积。52.根据权利要求47
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51中任一项所述的方法，其中单个电化学电池的任何电解质捕获和返回系统与所述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。53.一种心室泵，包括：泵室，包含在流体驱动器的第一侧的致动流体，和在所述流体驱动器的与所述第一侧相对的第二侧的从动流体；上游单向阀，被布置成允许流经从动流体流入孔进入所述流体驱动器的所述第一侧上的所述泵室中；下游单向阀，被布置成允许从所述流体驱动器的所述第一侧上的所述泵室流经从动流体流出孔；致动流体入口，与所述流体驱动器的所述第一侧上的所述泵室流体连通；致动流体，在所述致动流体入口中和在所述流体驱动器的所述第一侧上的所述泵室中；和致动器，被配置为向所述致动流体施加足以至少部分地偏转所述流体驱动器的压缩力和/或膨胀力。54.根据权利要求53所述的心室泵，其中所述致动流体是不可压缩液体。55.根据权利要求54所述的心室泵，其中所述致动流体是可压缩气体。56.根据权利要求53所述的心室泵，其中所述泵室形成在电池堆中的多个电池框架之一的电池框架中。57.根据权利要求56所述的心室泵，其中所述致动流体入口与延伸穿过所述电池堆的致动流体歧管流体连通。

技术总结
本文描述了用于管理和控制例如在电解槽中的限制电化学电池或连接的电化学电池组(例如堆)内的电解质的系统和方法。系统和方法的各种实施例提供了消除电池之间的寄生导电路径和/或在电池内的流体压力的精确被动控制。在一些实施例中，固定体积的电解质实质上保留在每个电池内，同时有效地从电池收集并去除产生的气体或其他产物。生的气体或其他产物。生的气体或其他产物。


技术研发人员：埃里克
受保护的技术使用者：阿酷海德里克斯公司
技术研发日：2020.01.31
技术公布日：2021/11/19