金属-空气电池组的设备架构的制作方法

金属-空气电池组的设备架构
1.相关申请
2.本技术要求于2019年6月28日提交的发明名称为“金属-空气电池组的设备架构”的美国临时专利申请no.62/868,479和于2020年5月7日提交的发明名称为“金属-空气电池组的设备架构”的美国临时专利申请no.63/021,301的优先权权益，两份申请的全部内容在此通过引用并入本文以用于所有目的。


背景技术：

3.储能技术在电网中发挥着越来越重要的作用；在最基本的层面上，这些储能资源提供平滑化以更好地匹配电网的发电和需求。由储能设备提供的服务有利于跨越多个时间尺度的电网，从毫秒到数年。今天，现有的储能技术可以支持从毫秒到小时的时间尺度，但仍需要长时和超长时(总的来说，至少≥8h)的储能系统。
4.金属-空气电池组是电化学储能的有吸引力的选择，这是由于作为其储能反应的试剂的空气的成本低且丰富。与金属-空气电池组开发相关的许多挑战都与机械电池架构(mechanical cell architecture)相关。某些架构适合小规模储存，例如用于锌-空气的助听器电池组，而不适合如并网发电应用的大规模储能。
5.本背景部分旨在介绍本领域的各个方面，其可以与本发明的实施方案相关联。因此，本部分中的前述讨论提供了用于更好地理解本发明的框架，并且不应被视为对现有技术的承认。


技术实现要素：

6.各种实施方案的系统和方法可以提供用于电池组的设备架构。在各种实施方案中，这些可以是一次电池组或二次电池组。在各种实施方案中，这些设备可以用于储能。
7.各种实施方案可以提供一种电池组，所述电池组包括氧还原反应(orr)电极、析氧反应(oer)电极、金属电极；以及电解质，所述电解质将所述orr电极和所述oer电极与所述金属电极分隔开。在各种实施方案中，所述orr电极和所述oer电极是同一单个空气电极的部分。在各种实施方案中，所述orr电极和所述oer电极是分开的电极。在各种实施方案中，所述orr电极漂浮在电解质的表面上，并且所述oer电极浸没在所述电解质中。在各种实施方案中，所述电池组包括可堆叠容器，所述可堆叠容器支撑所述orr电极、所述oer电极、所述金属电极以及所述电解质，其中，所述可堆叠容器配置为在其他可堆叠容器上自堆叠。在各种实施方案中，所述orr电极是波浪状或波纹状的。在各种实施方案中，所述电池组的外壳用作所述金属电极的电流导体。在各种实施方案中，所述orr电极和所述oer电极浸没在所述电解质中。在各种实施方案中，所述orr电极被支撑在框架中，所述框架移动电解质以在所述电解质表面以下的深度产生气体容积。在各种实施方案中，所述orr电极包括填充有空气的盒形构造。在各种实施方案中，所述orr电极供应有空气。在各种实施方案中，所述orr电极是弯曲的。在各种实施方案中，所述orr电极被支撑在框架中，所述框架将供应的空气捕获在由所述orr电极的表面界定的空气腔室中。在各种实施方案中，所述orr电极是管
形的。在各种实施方案中，所述orr电极是浸没在所述电解质中的一系列的两个或更多个orr电极，所述一系列的orr电极在堆叠中彼此垂直布置，并且所述供应的空气泡从所述堆叠中每个较低的orr电极向上移动到下一个更高的orr电极。在各种实施方案中，所述orr电极在所述堆叠中相对于彼此成角度。在各种实施方案中，所述orr电极包括位于较高边缘的挡板。在各种实施方案中，在所述orr电极中包括允许气泡向上流动到下一个orr电极的通道。在各种实施方案中，所述堆叠是垂直对齐的。在各种实施方案中，所述堆叠是垂直交错的。在各种实施方案中，orr电极配置为被所述金属电极围绕的圆柱核心，并且所述oer电极配置为围绕并包含其中具有所述orr电极的所述金属电极的六边形管。在各种实施方案中，所述orr电极、所述oer电极和所述金属电极配置为在所述电池组中布置为电池阵列的一系列类似电池中的一个电池。在各种实施方案中，所述电解质是电解质池，并且所述电池阵列浸没在所述电解质池中。在各种实施方案中，所述金属电极配置为改变相对于所述orr电极和所述oer电极的位置。在各种实施方案中，所述金属电极是直接还原铁球团床。
附图说明
8.并入本文并构成本说明书的一部分的附图示出了权利要求的示例的实施方案，并且与上文所述的一般描述和下文所述的详细描述一起用于解释权利要求的特征
9.图1a示出了实施方案的电池组的一部分。
10.图1b-图1d示出了根据各种实施方案的具有浮动orr电极的电池架构(cell architectures)。
11.图1e和图1f示出了可以与各种电池架构一起使用的容器设计。
12.图2a-图2b示出了根据各种实施方案的具有浮动orr电极的电池架构。
13.图3示出了图2a-图2b中实施方案的电池组的附加细节。
14.图4a-图4c示出了根据各种实施方案的具有垂直orr电极的替代电池架构。
15.图5a示出了根据各种实施方案的电池组的横截面侧视图，图5b示出了根据各种实施方案的替代配置。
16.图6示出了根据各种实施方案的包括垂直orr电极的电池组。
17.图7a和图7b示出了根据各种实施方案的包括垂直orr电极的电池。
18.图8和图9b分别示出了根据各种实施方案的垂直架构和水平架构。
19.图9a示出了实施方案的用于容器的盖系统。
20.图10a-图10c分别示出了根据各种实施方案的平坦、波纹状和波浪状的orr电极架构。
21.图11示出了根据各种实施方案的具有金属容器-负极和槽的电池组。
22.图12a-图12f示出了根据各种实施方案的用于提供机械完整性的碟形电池架构。
23.图13示出了根据各种实施方案的可堆叠架构。
24.图14示出了根据各种实施方案的反向吸气架构。
25.图15示出了根据各种实施方案的一个反向吸气orr电极组件。
26.图16示出了根据各种实施方案的另一个反向吸气式orr电极组件。
27.图17和图18示出了根据各种实施方案的浸没有凸出的氧气袋结构的吸气式电极。
28.图19a和图19b分别示出了根据各种实施方案的另一种反向吸气式电池组设计的
侧视图和俯视图。
29.图20a-图23示出了根据各种实施方案的管形orr电极组件。
30.图24示出了根据各种实施方案的底部开口反向吸气式orr电极设计。
31.图25a-图25b示出了根据各种实施方案的柱设计的方面。
32.图26a-图26b示出了根据各种实施方案的柱设计的替代方面。
33.图27-图34示出了根据各种实施方案的进一步堆叠的核心orr电极配置。
34.图35a-图35c示出了根据各种实施方案的堆叠的核心orr电极配置的方面。
35.图36a-图36b示出了根据各种实施方案的堆叠的核心orr电极配置的方面。
36.图37-图43示出了根据各种实施方案在空气喷射电极上施加不同程度的气压的影响。
37.图44示出了根据各种实施方案的螺旋式orr电极设计。
38.图45-图47b示出了根据各种实施方案的各种直线orr电极配置。
39.图48-图49示出了根据各种实施方案的图表和通气管杯(snorkel cup)设计。
40.图50示出了根据各种实施方案的试管设计的横截面侧视图。
41.图51示出了根据各种实施方案的orr电极的休止角变化的横截面侧视图。
42.图52示出了根据各种实施方案的可移动阳极设计。
43.图53a和图53b分别示出了根据各种实施方案的电池组的横截面侧视图和俯视图。
44.图54示出了根据各种实施方案的吸气式电极的横截面侧视图。
45.图55示出了根据各种实施方案的浸没式电极的反向吸气式电极的横截面侧视图。
46.图56示出了根据各种实施方案的喷射空气(sparged air)电极的横截面侧视图。
47.图57示出了堆叠的喷射空气电极组件的横截面侧视图。
48.图58示出了根据各种实施方案的堆叠且交错的喷射空气电极组件的横截面侧视图。
49.图59示出了根据各种实施方案的矩形管式orr电极设计的透视图。
50.图60示出了根据各种实施方案的圆柱形管式orr电极设计的透视图。
51.图61示出了根据各种实施方案的在容器中的圆柱形管式orr电极阵列的透视图。
52.图62示出了根据各种实施方案的由包裹单片材形成的具有垂直接缝的圆柱形管式orr电极设计的透视图。
53.图63a和图63b示出了实施方案的刚性oer阴极和柔性orr阴极。
54.图64示出了根据各种实施方案的堆叠的orr电极配置。
55.图65示出了根据各种实施方案的包括多孔隔件的orr电极。
56.图66a示出了与电解质不在同一水平面的水平orr电极。
57.图66b-图66e示出了根据各种实施方案的被动水平控制系统和主动水平控制系统实施例。
58.图67a示出了垂直对齐的电极组件。
59.图67b和图67c示出了各种实施方案的交叉指型电极组件。
60.图68示出了双orr和oer电极配置的实施方案，其中oer电极被弯曲以产生用于orr电极的空气袋容积。
61.图69a-图69n示出了根据各种实施方案的气泡控制方法实施例。
62.图70a-图70c示出了oer和分离器配置。
63.图71a和图71b示出了实施方案的气体多支管配置。
64.图72a示出了根据一种实施方案的未密封的垂直浸没式阴极。
65.图72b示出了图72a的阴极的压差。
66.图72c和图72d示出了用于控制图72a的腔室或其他未密封的空气腔室中的气压的方法。
67.图73示出了实施方案的密封的水平浸没式电极。
68.图74a和图74b示出了实施方案的共定位的orr电极和oer电极配置。
69.图75示出了根据一种实施方案的orr电极的包装配置。
70.图76a-图76d示出了各种实施方案的凹水平orr电极的截面图。
71.图77a、图77b和图77c示出了平衡orr电极处的电解质压力的增压的空气腔室的不同配置的比较。
72.图78a-图85c示出了根据各种实施方案的未密封的、水平的、浸没的orr电极和反应器设计的方面。
73.图86a-图87c示出了实施方案的uhs反应器中气泡流特征和实施方案的uhs反应器配置。
74.图88a-图88s示出了根据各种实施方案的示例性密封垂直浸没式orr电极的方面，包括可以在那些实施方案中使用的流场。
75.图89示出了根据各种实施方案的示例性未密封水平浸没式orr电极的方面。
76.图90示出了重复orr电极组件的示例性容器。
77.图91a、图91b和图91c示出了根据各种实施方案的密封orr电极的压力梯度减轻的实例。
78.图92示出了使用被动机械锁紧特征将大型dri球团床压缩到阳极-集流体组件中的设计和处理。
79.图93示出了使用螺纹杆和螺纹螺母或锁紧螺母将大型dri球团床压缩到阳极-集流体组件中的设计和处理。
80.图94-图102示出了各种示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。
具体实施方式
81.将参考附图详细描述各种实施方案。在可能的情况下，将在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的组件。对特定实施例和实现方式的引用是为了说明的目的，并不旨在限制权利要求的范围。以下对本发明实施方案的描述，并不旨在将本发明限制在这些实施方案中，而是为了使本领域技术人员能够制作和使用本发明。
82.如本文所用，除非另有说明，室温为25℃。并且，标准温度和压力为25℃和1个大气压。除非另有明确说明，所有测试，测试结果，物理特性，和温度依赖、压力依赖或两者均依赖的值均在标准环境温度和压力下提供。
83.通常，除非另有说明，如本文所用的术语“约”意在包含
±
10％的方差或范围、与获得所述值相关的实验或仪器误差，并且优选地包含这些中的较大者。
84.如本文所用，除非另有说明，本文中对值的范围的详细列举仅旨在用作单独提及落入该范围的每个单独值的简写方法。除非本文另有说明，范围中的每个单独的值都被并入说明书中，就好像它在本文中被单独列举一样。
85.提供以下实施例来说明本发明的系统和方法的各种实施方案。这些实施方案是为了说明的目的，可以是预示的，不应被视为限制性的，也不以其他方式限制本发明的范围。
86.应当注意，不需要提供或解决作为本发明的实施方案的主题或与本发明的实施方案相关联的新型和开创性工艺、材料、性能或其他有益特征和特性的理论基础。然而，本说明书中提供了各种理论以进一步推进该领域的技术。本说明书中提出的理论，除非另有明确说明，不以任何方式限制、约束或缩小所要求保护的发明所要求的保护范围。使用本发明并不需要或不实践这些理论。还应理解，本发明可能会引出新的、迄今为止未知的理论来解释本发明的方法、物品、材料、设备和系统的实施方案的功能特征；并且这些后来发展的理论不应限制本发明要求的保护范围。
87.本说明书中阐述的系统、设备、技术、方法、活动和操作的各种实施方案可用于除本文阐述的那些之外的各种其他活动和其他领域。此外，例如，这些实施方案可用于：未来可能开发的其他设备或活动；以及可以部分根据本说明书的指导进行修改的现有的设备或活动。此外，本说明书中阐述的各种实施方案和实施例可以全部或部分地相互结合使用，并且可以以不同的各种组合使用。因此，例如，在本说明书的各种实施方案中提供的配置可以相互使用；并且本发明要求的保护范围不应限于在具体实施方案、实施例，或在具体附图中实施方案中阐述的具体实施方案、配置或布置。
88.本发明的实施方案包括用于长时和超长时、低成本储能的装置、系统和方法。在本文中，“长时”和/或“超长时”可以指8小时或更长的储能周期，例如8小时的储能周期、8小时至20小时的储能周期、20小时的储能周期、20小时至24小时的储能周期、24小时的储能周期、24小时至一周的储能周期、一周至一年(例如，几天到几周到几个月)的储能周期等。换言之，“长时”和/或“超长时”储能电池可以指电化学电池，其可配置为在数天、数周、或数个季节的时间跨度中储存能量。例如，电化学电池可以配置为在夏季阳光充足且太阳能发电超过电网要求时储存太阳能电池产生的能量，并在冬季阳光不足时释放储存的能量以满足电网需求。长时储能系统也可被称为lodes。
89.图1a显示了实施方案的电池组100的一部分，例如金属空气电池组。电池组100(例如，金属空气电池组)包括第一负极(通常称为阳极)110、第一正极120(通常称为阴极)、电解质140和外壳170。
90.在各种实施方案中，电解质140是液体。在各种实施方案中，阳极110是固体，并且电解质140被排除在阳极之外。在各种其他实施方案中，阳极110是多孔的，并且电解质140与阳极110呈几何散布，从而产生更大的用于反应的界面表面积。在各种实施方案中，阴极120是多孔的，并且电解质与阳极110呈几何散布，从而产生更大的用于反应的界面表面积。在各种实施方案中，阴极120位于电解质和气体(gaseous)顶部空间105的界面处。在各种实施方案中，气体顶部空间密封在外壳170中。在各种其他实施方案中，外壳170是未密封的，并且气态顶部空间是可以与环境自由交换物质的开放系统。
91.阳极110可以由金属或金属合金形成，例如锂(li)、钠(na)、钾(k)、镁(mg)、钙(ca)、硅(si)、铝(al)、锌(zn)或铁(fe)；或基本上由一种或多种前述金属元素组成的合金，
例如铝合金或铁合金(例如，feal、fezn、femg等)，它们可以进行氧化反应以进行放电。因此，阳极110在本文中可被称为金属电极。在某些实施方案中，电池组是可充电的，并且当电池组充电时金属电极进行还原反应。阳极110可以是固体(包括致密或多孔的固体)，或网状物或泡沫，或颗粒或颗粒的集合，或者可以是沉积在外壳170内的浆液、油墨、悬浮液或糊剂。在各个实施方案中，可以选择阳极110的组成，使得阳极110和一定体积的液体电解质140不会混合在一起。例如，阳极110可以是金属电极，所述金属电极可以是块状固体。作为另一个实施例，阳极110可以是悬浮液内的颗粒(例如小颗粒或大颗粒)的集合，其浮力不足以使其从悬浮液逸出到电解质中。作为另一个实施例，阳极110可以由在电解质中不漂浮的颗粒形成。
92.阴极电极(有时称为空气电极)120支持在正极上与氧的反应。阴极120可以是所谓的气体扩散电极(gde)，其中阴极是固体，并且位于气体顶部空间105和电解质140的界面处。在放电过程中，阴极120支持来自气体顶部空间170的氧气的还原，即所谓的氧还原反应(orr)。在某些实施方案中，电池组100是可充电的并且发生逆反应，其中阴极120支持氧从电池组中的析出，即所谓的析氧反应(oer)。oer和orr反应是本领域技术人员公知的。
93.在某些实施方案中，阴极120是仅支持orr的单个电极，并且电池组是一次(仅放电)金属-空气电池组。在某些其他实施方案中，阴极120是同时支持orr(放电反应)和oer(充电反应)的单个电极，并且金属-空气电池组是可充电的(二次电池组)。阴极120可以是单个空气电极，即“双功能电极”，其以oer和orr模式运行，或者它可以是两个电极的组合，即“双电极”，其中一个电极配置为以oer模式运行和另一个电极配置为以orr模式运行。
94.在各种实施方案中，电解质140是液体。在某些实施方案中，电解质140是水溶液、非水溶液或其组合。在各种实施方案中，电解质140是可以是酸性(低ph)、中性(中等ph)或碱性(basic)(高ph；也称为碱性(alkaline)或苛性碱)的水溶液。在某些实施方案中，液体电解质140可以包括正电元素，例如li、k、na或其组合。在一些实施方案中，液体电解质可以是碱性的，即ph大于7。在一些实施方案中，电解质的ph大于10，并且在其他实施方案中，电解质的ph大于12。例如，电解质140可以包括6m(摩尔/升)浓度的氢氧化钾(koh)。在某些实施方案中，电解质140可以包括例如5.5m的氢氧化钾(koh)和0.5m的氢氧化锂(lioh)的成分的组合。在某些实施方案中，电解质140可以包括6m(摩尔/升)浓度的氢氧化钠(naoh)。在某些实施方案中，电解质140可以包括5m(摩尔/升)浓度的氢氧化钠(naoh)和1m的氢氧化钾(koh)。
95.在某些实施方案中，电池组100(例如，金属-空气电池组)通过还原通常来自空气的氧气(o2)来进行放电。这需要气态氧、为还原反应提供电子的电子活性导体和包含还原步骤产物的电解质140之间的三相接触。例如，在涉及含水碱性电解质的某些实施方案中，来自空气的氧通过半反应o2 h2o 4e-→
4oh-被还原为氢氧根离子。因此，向金属-空气电池组输送氧气需要气体处理和三相点的维持。在称为“标准吸气式(normal air-breathing)”配置的某些实施方案中，阴极120机械地定位在气-液界面处以促进和维持三相边界。阴极120可以相对于重力垂直放置或水平放置，或成任何中间角度放置，并保持“标准吸气式”配置。在这些“标准吸气式”配置中，气相处于大气压力下(即在重力作用之外未加压)。
96.图1b-图1e和图2a-图2b示出了根据各种实施方案的电池架构，其在顶部具有浮动orr电极。作为一个实施例，图1b-图1d和图2a-图2b中架构的配置可以是参考图1a描述的一
个或多个电池组100(例如金属空气电池组)的电池组系统的组件。在各种实施方案中，电池组100可以在如图1b、图1c和图1d所示出的可堆叠容器配置中，其中每个电池组100可以代表可堆叠容器150，其中外壳170配置为当堆叠在一起时支撑其他容器150。容器150的自堆叠性质可以提供增加工厂功率密度(mw/英亩)的系统架构。堆叠容器可以设计有导电接触点，允许堆叠电池彼此电接触和串联。在一个实施方案中，所述容器比它们的高度更宽和更长，从而得到增强的结构稳定性、减小的容器内的压力梯度和增加的用于热管理的表面积。在其他实施方案中，容器可以大致与其宽度或长度一样高，从而得到最大容器表面积，或者可以比其宽度或长度高得多，从而节省地板空间。
97.包含电池组组件的容器可以在单个经济部件(economical part)中实现多种功能。主要功能是容纳电解质。所述电解质是一种危险的液体，需要二级安全壳来捕获一级容器损坏时的任何泄漏。所述容器的其他功能可以是传导废热或隔热电化学组件，或电绝缘所述组件。在一些实施方案中，容器可以包括双壁容器，例如通过旋转成型形成的双壁容器。在一个实施方案中，其实施例在图1e和1f中示出，内壁160是主电池容器。图1e示出了主电池容器的透视局部剖视图，图1f示出了在图1f的左手侧有组件165插入的运行中的电池的侧剖视图，以及在图1f的右手侧有组件165被更换的处于维护模式中的电池的侧剖视图。外壁162通过腔161与内壁160隔开。外壁162用作内容器的二级安全壳。腔161还可以用于其他附加功能，例如提供额外的气隙用于电池组件165的电绝缘或热管理。热管理可以通过使流体(例如空气)流过腔161来完成。内壁160和外壁160可以与挡边163连接。这些挡边163以提供用于热管理的最佳流体流动的方式形成。双壁容器的总材料使用量低于单壁容器和附加的二级安全壳。如果腔161不用作唯一的二级安全壳，则它还可以填充不同的流体以提供其他功能，例如通过填充液体(例如水)增加热质量或使液体流过腔161用于热管理。第三，腔161也可以用于维护目的。如果必须排出电解质164以维护电池组件165，则在维护组件165的同时，合理尺寸的腔容纳来自电池的电解质164。在维护之后，电解质164被泵回主容器166中。其优点是不需要为了维护目的而在现场保留额外的储存容量或管道。
98.在一些实施方案中，所述容器的结构和安全壳功能由不同的部分实现。在一个实施方案中，用于容纳电解质和电池内容物的结实袋位于结构容器中。该袋的强度足以承受电解质的压力，而盒的强度足以承受袋的重量。这种“盒中袋”容器无需昂贵的结构容器。如果袋泄漏或破裂，盒也可以用作临时的二级安全壳容器。
99.电解质140和阳极110可以支撑在容器150中。如图2a所示，在一些实施方案中，电池组100可以配置以使得阴极120是双电极，其具有漂浮在阳极110上方的电解质140上的吸气式的orr电极230和浸没在电解质140中的oer电极220。图2b示出了漂浮orr电极230的另一视图。图3示出了容器150的横截面侧视图。如图3所示，阳极可以是球团(或弹珠)的填充床，例如由铁形成，例如由直接还原铁(dri)形成。
100.图4a示出了根据各种实施方案的具有用于“中性吸气式”的垂直orr的替代电池架构。图4a所示的容器400可以类似于参考图1b-图2b描述的容器，除了容器400可以具有两个阳极床410(例如，两个dri弹珠阳极床)。oer阴极420和集流体可以设置在床410之间。容器可以包括电极间隔件416(例如，orr-阳极、阳极-oer)、阳极安全壳和集流体结构415、面密封件450(例如，epdm垫片)、两个orr阴极430、orr集流体432、以及电解质管道和排气通道460。在某些实施方案中，电极间隔件可以阻止溶解的氧气或氧气气泡到达阳极，而不会显
著增加电化学电池的电阻。在某些实施方案中，阻氧隔件可以保持合适的亲水性和大孔隙率，以不妨碍阳极和空气电极之间的离子传输。在另外的实施方案中，orr电极可以包括嵌入有导电碳颗粒的疏水层，其可以为orr电极的气体扩散层引入导电性。在这样的实施方案中，可以将片状集流体放置在orr电极的两侧以将电子传导出反应器，这可以降低电池电阻。
101.在一些实施方案中，orr电极可以密封在电解质(例如，6m的koh)的室中，通过将柔性橡胶垫片452(例如，epdm)夹在刚性电极453和集流体451(例如，ni涂层钢)中，例如如图4b所示。在这样的实施方案中，压缩力可以被施加到组件454，使垫片452被压缩变形以在电极453和集流体451之间形成密封和电连接。在压缩负载(l)下，垫圈452变形一段距离(dx)，产生压缩密封并使集流体451与电极453接触，如显示了orr电极部分的三个剖视图的图4c所示。额外的压缩力改善了集流体451与电极453的接触，这可以降低电化学电池中出现的接触电阻。
102.图5a示出了根据各种实施方案的电池组500的横截面侧视图。电池组500可以类似于上述电池组100。电池组500可以是双阴极电池组，包括机械上不同的充电阴极和放电阴极，即，一对oer电极520和orr电极530。双阴极设计可以实现充电和放电的长度尺度的分离。图5b示出了另一种配置，其中电极520、530彼此分离。参考图5a和图5b所示，oer和orr电极不需要彼此共定位或电连接。如果需要，oer和orr电极可以通过切换开关550实现电隔离。将oer电极与orr电极电隔离将防止orr电极暴露于可能损坏或氧化orr电极的高工作电位。在这样的实施方案中，oer和orr电极可以由分别针对oer或orr单独优化的不同材料构成。每个电极的几何形状可以独立定制，以对oer和orr电极的性能和成本进行单独优化。oer和orr电极不需要体现出相同的物理尺寸或微观结构。oer电极520可以沿着阳极110的长度向下延伸浸入电解质140中。oer电极可以浸没在电解质中以使oer电极和电解质之间的界面接触面积最大化。orr电极530可以漂浮和/或悬浮在电解质140的液相线141处。orr电极可以位于气/液界面处以最大化电极材料内的三相边界(气-固-电解质边界)的长度。阳极110的厚度可能受离子或电子和/或电化学动力学的限制。对于离子/电子传输极限的情况，lc(l充电)可以是垂直于oer电极520的阳极的长度尺度，而ld(l放电)可以是垂直于orr电极530的阳极的长度尺度。lc和ld不需要相等。对于对称的充电/放电持续时间(以恒定ma/cm2)，lc可以等于ld的两倍。
103.电池组电极的长度尺度(例如厚度)通过电极的传输特性(例如电导率、离子电导率)、结构特性(活性材料容积负载、孔隙率、弯曲度)和运行条件(电流密度、温度、空气流速)来确定，并进行优化以满足某些成本/性能/寿命条件。在某些实施方案中，oer和orr阴极被配置为平行的。在这些情况下，电极有一个特征的长度尺度(厚度)。具有垂直orr和oer电极的第二个示例架构体现了这种设计。阳极的另外两个长度尺度由其他考虑因素决定，例如容器尺寸、集流成本、发热等。
104.在某些其他实施方案中，oer和orr阴极是不平行的，甚至是垂直的。在这些配置中，有两个独立确定的长度尺度。放电方向的长度尺度由放电持续时间决定，而充电方向的长度尺度由充电持续时间决定。这使得能够制造通过在两个独立维度上调整电极的厚度而具有独立可调充电持续时间和放电持续时间的金属-空气电池组。例如，具有平行的oer和orr电极，具有koh电解质和300小时的持续时间，阳极可以约3cm至5cm厚；其他两个维度不
受约束。对于垂直的oer和orr电极，阳极可以在垂直于orr电极的方向上为约3cm至5cm，在oer电极之间的维度上为约10cm；第三维度是不受约束的。这称为“对称持续时间”配置。在某些其他实施方案中，该设备被设计成使充电持续时间和放电持续时间不相等；这称为“非对称持续时间”配置。例如，所述设备可以配置为使得阳极具有5cm
×
5cm的方形横截面。在该配置中，所述设备具有例如约100小时的充电持续时间，而放电持续时间为约300小时。对于独立可调的充电持续时间和放电持续时间，许多其他示例配置是可能的。
105.在某些其他实施方案中，对气相加压以支持氧分压(po2)的增加，这为放电反应提供了更大的驱动力。在某些其他实施方案中，压力是可调节的，使得po2可以在放电时增加而在充电时减少，从而始终最大化所需反应的热力学驱动力。在某些实施方案中，放电时的po2可以0.01atm至100atm。在某些实施方案中，充电时的po2可以0.001atm至100atm。
106.虽然“标准吸气式”配置在机械上是简单的，但它们具有若干缺点。最具体地说，因为金属-空气系统必须相对于气体质量传输开放，所以它们容易发生电解质干涸。随着电解质从电池中蒸发，液位移动，这对保持空气阴极中稳定的三相边界的能力提出了挑战。因此，“标准吸气式”设计对系统稳定性提出了挑战。此外，带有疏水涂层的空气电极只能承受有限的压差，否则“突破压力”将导致跨越涂层的泄漏。在具有垂直或接近垂直的空气电极的配置中，重力液压压头可能显著，为通过空气电极的液体迁移产生很大的驱动力，导致空气电极溢流。另外，在二次电池组的实施方案中，析氧反应(oer)过程产生氧气泡，氧气泡可能被限制在空气电极和液体电解质之间，使电极干燥并消除三相点。因此，空气电极在空气-电解质界面的定位是至关重要的，但保持薄电极的一侧湿润和一侧干燥是具有挑战性的。
107.图6、图7a和图7b示出了根据各种实施方案的包括垂直orr电极730的双阴极电池组。具体地，可以将吸气式阴极放置在电解质140的顶部，但是如果需要更多来接近浸没更深地铁阳极750，则可以垂直放置阴极，只要其疏水层能够承受电解质的压力140。如图6-图7b所示，orr电极730垂直放置在凹形电极结构732中，因此仍然可以接触电解质140上方的环境空气。图7a和图7b的电池组中的阳极可以是堆叠750，例如dri弹珠的堆叠750，并且oer电极720可以浸没在电解质140中。图6示出了一个orr电极730的近视图，图7a是线a处剖视图，图7b是俯视图。
108.图8和图9b分别示出了根据各种实施方案的垂直805和水平905架构。垂直805布置可以支持气泡释放，降低orr干涸的风险，允许orr溢流，并且可以允许相对较高的电池。垂直805布置可能面临与以下相关的挑战：基于压力的针孔泄漏、基于力的穿透泄漏、需要面密封或其他边缘密封、需要排水管以及存在许多密封接口。水平905布置可以使用少量(或不使用)密封件，orr电极几乎不需要压力保持，并且允许进行加注维修。水平905布置可以作为气泡陷阱，可能面临orr干涸或orr溢流问题，并且可能需要电池到电池的堆叠。
109.电池组系统由串联和/或并联在共享的电解质浴140中的多个电池组成，并包含在容器970中，图9a中示出的其示例需要多个辅助支撑系统，并且需要与类似结构的相邻设备串联和/或并联电连接。可能还需要保护此包含容器970的电池免受外部环境的影响。要求安装和调试这些设备的成本可以较低，以支持系统级经济性。一个解决实施方案是多功能盖902，其执行所有相关的支持系统功能，同时还与相邻反应器建立dc电连接，并在环境上保护容器970的内容物。所述容器970可以是简单的电解质140和电池容器，而盖902根据需
要保持更多的复杂性。由盖902和包含在盖902内的装置执行的功能可以包括空气分配、经由排气口903的处理气体排放、热管理、集流、反应器控制和传感以及dc电连接。所述盖可以包括把手902，用于将盖从容器970上提起。
110.在具有垂直架构的实施方案中，可以通过以下装置提供容易接近电极的方法，例如用于维修。覆盖电解质140并且可以执行其他电功能和机械功能的盖900可以额外地用于电极支撑。正极组件(例如oer 520或orr 530电极组件)可以自由地或刚性地悬挂在附接到盖900的支架上。自由悬挂的电极允许重力以保持垂直对齐并保持电极组件处于拉伸状态而不是压缩状态，这可能有利于机械设计。所述电极组件可以滑入槽中，例如t形槽，或者类似于普通文件柜架的操作方式挂在架上。负极可以安装到容器970上，与盖900相对，以便在盖900和附接的正极从容器970提起和移开时(例如，为了便于维修正极组件)，保持电极浸没在电解质中并防止与空气接触。当盖900从容器970上提起时，正极组件附接其上并且单个电极组件可以更容易地更换或移除以进行单独维护。这种设计可以具有额外的益处，即允许更多的电解质140在反应器的底部和侧面流动，例如，以减轻材料中热膨胀常数不匹配的影响；限制热循环对材料的影响；并为电解质连续定向流过反应器创建通道。
111.具有相对于自由液体界面的可调节电极高度、空气电极相对于重力的角度可变的浮动空气电极组件仅需要轻微的疏水性就可以提供稳定的气-液界面，并促进气泡溢出自由液体界面电极表面。这种浮动空气电极组件天然地自定位在液-气界面处，并且可以移动以适应由于蒸发等引起的电解质高度变化。这种适应电解质高度变化的能力使该设备能够抵抗溢流和干涸问题，维持所需的三相点。为此，orr电极可以漂浮或有浮力，从而使其始终与自由界面对齐并维持三相边界。在一个实施方案中，orr电极可以使用低密度材料或“浮子(float)”以使其具有浮力。在另一个实施方案中，orr电极或orr电极外壳可以使用与船浮力相同的原理用空气代替电解质。
112.在某些实施方案中，可以通过用惰性塑料球体覆盖电解质的表面来减少电解质从电化学电池蒸发到周围环境。在这样的实施方案中，惰性塑料球体可以由聚合物组成，例如聚丙烯或hdpe。在某些实施方案中，球体可以是实心的、多孔的或中空的，使得球体的有效密度小于电解质的密度，这可以使球体漂浮在电解质的顶部。在另一个实施方案中，惰性球体可以降低从电解质到周围环境的碱雾化速率。
113.图10a-图10c分别示出了根据各种实施方案的平坦1030、波纹1032和波浪1034orr电极架构。图10a-图10c的每个都示出了通过密封件1070附接到外壳170的不同几何形状的orr电极1030、1032、1034。为了最大化系统的封装密度和能量密度，吸气式电极可以机械地波纹化1034或折叠1032以增加三相边界的区域，同时保留天然的吸气式架构。在这样的实施方案中，orr电极1032、1034必须能够承受较小的液压压头(相对于垂直方向)，但保留了垂直orr电极的许多优点(气泡耐受性)。电极1030、1032和1034可以具有相同的足迹(即，从密封件1070到密封件1070的直线长度)，但是电极1032和1034可以具有比电极1030更大的与电解质140接触的表面积。电极1032和1034的不同路径长度可以导致电极1032和1034的三相边界点比电极1030多。
114.orr电极的溢流减少了氧气进入，从而导致低效率运行。可以为水平吸气式orr电极设计自缓冲系统，以使电解质或积聚的水从吸气表面被动去除。
115.在一些系统配置中，吸气式orr电极可以漂浮在电解质的表面上以维持三相边界。
电极需要自定位在自由液体表面，这证明了集流是困难的。在一些实施方案中，弹簧和/或其他形状的集流材料可以向电极提供电流和迁移率。
116.在某些实施方案中，外壳170由聚合物制成，例如聚乙烯、高密度聚乙烯(hdpe)、超高分子量聚乙烯(uhmw)、聚丙烯或其他聚合物。在某些其他实施方案中，外壳170由金属制成，例如镍、钢、阳极氧化铝、镀镍钢、镀镍铝或其他金属。在某些实施方案中，当外壳由金属制成时，负极被放置成与外壳电连通，形成所谓的“金属容器-负极”设计。在某些实施方案中，金属外壳或外壳的一部分允许堆叠电池之间的电连续性，从而形成重力驱动的串联或并联连接。
117.图11示出了根据各种实施方案的具有金属容器-负极和槽(trough)的电池组。在该实施方案的某些配置中，外壳170可以充当阳极110的集流体。该金属足够硬以容纳电池内的全部活性材料，并且足够厚以低电阻损耗地传导电流，但保持足够薄以保持成本合理。出于安全原因，该电池的外部可能需要足够的绝缘体1170，但外部导电表面可以允许电池之间的电接触。
118.在具有两个空气电极而不是一个双功能空气电极的系统中，每个空气电极可以独立于另一个被优化以获得最佳性能，包括但不限于每个电极的材料和实施方案。例如，为了优化每个oer和orr电极的实施方案，每个电极的尺寸可以基于相互独立的比较性能和成本来确定。两个阴极不必共定位或彼此相邻。在某些实施方案中，oer电极(电荷阴极)完全浸入液体电解质中以最大化用于反应的界面面积，而orr电极沿气-液界面定位以最大化三相边界的量。两个阴极可以始终电连接、始终电隔离、或通过开关设备连接以允许对电气配置进行动态调整。
119.在某些实施方案中，单个外壳中可以包含多个电池，这些电池可以通过分隔壁彼此离子分隔，分隔壁可以是电绝缘的。
120.在各种实施方案中，容器在一个维度上被加长，类似于槽(trough)或沟(gutter)。在某些实施方案中，底面呈碟形以提供额外的机械完整性。图12a-12f示出了根据各种实施方案的用于提供机械完整性的碟形电池架构。图12a和图12b分别示出了容器1270的透视图和前视图，容器1270在一个维度l上加长以形成从前视图(即，图12b)观察的具有倒v形横截面的槽。容器1270可以容纳液体电解质1240，其中oer电极1220浸没或部分浸没在其中。图12c-图12e分别示出了v形容器1271的顶视图、侧视图和透视图。图12f示出了如图12c-12e所示的v形容器1271的透视图，其中oer电极1221沿所述容器的折痕(即，弯曲)垂直延伸。
121.图13示了根据各种实施方案的可堆叠架构。在某些实施方案中，单个外壳1352中包含多个电池1350，它们通过电绝缘的分隔壁彼此离子分隔。每个电池1350可以在顶部设计有orr电极，在边缘周围设计有oer电极(像床裙)，但每个容器/外壳1352有多个电池1350。内部的电池1350可以全部离子连接(渗透电解质)或者可以液压/离子分隔。外壳1352可以彼此堆叠以形成模块1300。图13示出了其中具有40个外壳1352的模块1300。
122.图14示出了根据各种实施方案的反向吸气式架构。图14示出了“反向吸气式设计”，其中orr电极块1430可以是内部填充有空气的orr电极盒。阳极1410夹在一起，并且oer电极1420将orr电极1430与阳极1410分隔开。整个单元充满液体电解质。
123.图15示出了根据各种实施方案的反向吸气式orr电极组件1500。组件1500可以用作图14的orr电极块1430。阴影区域是orr电极区域，而无阴影区域可以是结构支撑。空气被
供应到“盒”的内部容积，并且液体电解质可以围绕组件1500。
124.图16示出了根据各种实施方案的另一个反向吸气式orr电极组件。该组件可以包括阳极1610、orr电极盒1625和oer电极1620。反向吸气式orr盒1625的密封不必是完整的，即底部可以是敞开的。这具有以下优点：如果orr电极泄漏，则液体电解质140可以流回整体电解质储囊1650。空气管线1625可以向orr盒1625提供空气。
125.天然吸气式的实施方案可能具有几个重要的限制。在orr电极垂直的情况下，电池的高度受限于orr电极上的液压压头(即电极也必须充当结构元件)，从而不会发生泄漏到外部环境的情况。相反，对于水平orr配置，电池高度受限于阳极厚度，100h约为3cm至5cm，300h约为4cm至6cm。因此，要实现高系统级能量密度(kwh/m2或kw/m2)，必须堆叠多倍的核心机械重复单元，并允许顶部空间将气体输送到电池。
126.因此，在某些实施方案中，将orr电极浸没在电池的液面以下是有利的。在这些实施方案中，三相边界是通过将空气(氧气)强制输送到位于液面下方的orr电极而产生的。这具有几个优点。首先，orr电极通常是润湿的，这降低了电极干涸和盐结壳于电极上的风险。其次，通过电极的泄漏可以纯粹发生在电池内部，不会导致电解质泄漏到外部环境。第三，电池的深度可以明显更大(主外壳的高度尺寸)。
127.图17和图18示出了根据各种实施方案的浸没有凸出的氧气袋结构的吸气式电极1720。吸气式电极1720可以完全浸没并垂直放置在凸出的电极结构中，因此可以维持连续的“氧气袋”。随着氧气耗尽，需要通过鼓泡或恒压来补充。疏水层可以配置为承受从袋中逸出的气体的压力。
128.图19a和图19b分别示出了根据各种实施方案的另一种反向吸气式设计的侧视图和俯视图。图19a和19b所示的电池与图7a和图7b所示的电池组类似。在图19a和19b所示的电池组中，弯曲的(下凹的)orr片可以截留电极下方的空气。orr电极1720可以由鼓泡器1902或其他空气源供给。使用装有水下鼓泡器的浸没式orr电极1720的一个优点是，在随后的充电半周期期间，任何结壳的形成都可以被电解质140“冲走”。
129.在一个实施方案中，该空气可以密封在空气腔室中，使得空气仅接触固体表面。在另一个实施方案中，空气形成气泡使得气泡的至少一侧接触空气电极，而另一侧与电解质形成气液界面。在任一个实施方案中，空气容积可以垂直堆叠以允许电池垂直发展。
130.在一个实施方案中，电极可以具有高的密封壁，以及未密封的底部。加压空气供应到内部容积，由出口处的压力调节器、位于容积底部附近的出口或通过其他方式控制。任何通过orr电极的泄漏都可以通过暴露于电解质的开口底部来容纳。容积内的正压可以有助于防止通过电极的泄漏。
131.图20a-图23示出了根据各种实施方案的管形orr组件。在一个实施方案中，电极可以具有如图20c所示的管形2130。所述电极可以由如图20a所示的片状电极制成，其通过螺旋焊接(例如，图20b和图22a)自密封、边缘焊接(在接头处具有密封件2200的图22b或图22d)自密封、用安装体2202或外部外壳(图22c)密封。管形2130可以是圆形、椭圆形或泪珠形，或者是多边形。如图22e所示，电极可以被挤压成预成型的几何形状并且连接(例如通过焊接)到一个或多个固体集流体2212，[4]。与集流体的连接可以仅在管的顶部(例如，2211到2212)，或在顶部和底部(例如，2213到2214)。如图22e元件2215和2216所示，通过这种方法将单个部分彼此连接起来，可以将平面形成为一系列管。可以在将电极连接到集流体或
母线(bus bars)之前或之后施用额外的密封剂。该密封剂可以是热熔密封剂，其以固体形式2217引入到空气电极内部，或在连接之前涂覆到集流体2217a上并在与集流体连接之后或期间熔化以涂覆内部连接表面2218。可以水平固定(图23)或垂直固定(图21a、图21b、图21c)所述管，并且可以将其端部密封以使其不透液体，或者可以将其端部置于电解质之外，使得端部密封件不必须是不透液体的。
[0132]
如图21b和图21c所示，在某些实施方案中，圆柱形电池2150架构可以允许各种阳极形式，以完成具有粉末或片状阴极2152的电化学电池。阳极2153形成圆柱形电池2150的中心，通过由半渗透隔件和结构框架/定位特征组成的圆柱形“保持器”特征2151定位。粉末或球团可以形成阳极2153。阴极2154是填充在阳极2153周围的粉末/粒状材料。阴极2154也可以是卷成管的片材。通过密封并压缩电池2150的电隔离盖从阳极收集电流。通过电池2150的外圆柱体2155从阴极收集电流。
[0133]
图24示出了根据各种实施方案的底部开口的反向吸气式orr电极设计。可以将正压施加到吸气式电极的吸气侧，减少电极两端的压差，使其不必保持压力。orr电极2430的壁可以支撑在框架2432中，并且空气2465可以流过框架2432的中心和orr电极2430。开口的底部可以使液体电解质140有出口。
[0134]
在需要向空气电极输送空气的配置中，活性表面积具有很高的价值。必须充分利用发电组件如空气电极以摊销其成本。为了最大限度地提高这些组件的功效，可以通过为高利用率设计几何形状和反应器布局而优化空气输送。在该实施方案中，圆柱形或其他形状的管提供外壳中的空气通路和与活性材料的界面。调整活性材料厚度和气流以优化性能。通过控制气体通道和气流以最大限度地提高性能，使有价值的表面积变得最有效。
[0135]
图25a示出了根据各种实施方案的蒸馏柱设计。图25a显示了三层堆叠的核心orr电极2510的堆叠2500。空气/气体/氧气可以从一层移动到下一层(向上)。如图25b所示，每个电极2510层可以表现出延伸特征2515a或2515b，例如壁架、下垂件(lop)、拐角或着陆平台(landing platform)等，以捕获气泡2514并防止它们上升到上面的下一层。图25b示出了用这种延伸特征2515a或2515b捕获的气泡2514可以改善至orr电极2510的层之下的气泡层2512中的气泡收集，从而提高空气利用率。
[0136]
图26a示出了根据各种实施方案的替代的蒸馏柱设计。orr电极2620的堆叠2600可以成角度。气体通过电解质140向上冒泡到堆叠2600。每个orr电极2620可以通过挡板2621延伸。挡板2621可以使气泡的停留时间达到气体在电极2620上获得反应的足够停留时间；即没有挡板，气泡会弹开。
[0137]
如图26b所示，在浸没的orr电极2620下方维持均匀的空气套(sheath)(或“空气厚层”)2612足够长的停留时间以允许氧气与orr电极2620反应可能具有挑战性。在一些实施方案中，orr电极2620会用电解质140冲洗，吹扫气体，以冲洗掉可能在orr电极2620上形成的氢氧化物或碳酸盐晶体。在某些实施方案中，orr电极2620可以机械地固定到位于orr电极2620中心的支点2650，使得orr电极2620能够前后摇摆或倾斜。orr电极2620的摇摆运动可以使气体向上释放并且随后溢满电解质140以冲洗掉盐晶体。orr摇摆会接触并定期冲洗orr电极2620。在一些实施方案中，摇摆运动可以允许在空气电极下方保留一些气泡，从而在orr电极2620的保留气泡的部分上维持电化学功能。
[0138]
图27-图34示出了根据各种实施方案的另外的堆叠的核心orr电极的配置。图27示
出了电池2710的同轴设计。在一些实施方案中，所述电池是配置为以阵列竖直布置在一起的管。图27是一个电池2710的俯视图。图28和图29是一个电池2710的截面图。图30是电池2710阵列的视图。图31示出了单个电池2710。图32示出了电池阵列2710。图33示出了电池3310的替代配置，并且图34示出了电池3310的替代阵列3320。每个电池2700可以包括浸没的圆柱形orr电极核心2700，其被填充有阳极材料2702(例如dri弹珠)的六边形管围绕。多孔阳极集流体2704可以围绕阳极材料2702，并且oer电极2712网可以在阳极集流体2704的外面。阳极集流体可以是多功能的，例如，如果通过阳极床的中心放置。它可以为所述床提供结构支撑，阳极材料可以安装到或压紧在床上。它还有助于将阳极定位在电池内、分隔相邻电池或堆叠电压。电池的堆叠被浸没在电解质140池中，并且空气可以由浸没的空气鼓泡器2705通过orr阵列供给。
[0139]
图35a示出了根据各种实施方案的另一个堆叠的核心orr电极的配置。如图35a所示，不同密封容积的空气和orr电极3520和2510可以一起布置在电解质140中。如图35b所示，在某些实施方案中，orr电极2510下方的气泡3571、3572、3573、3574的厚度可以不同。例如，如图35b所示，orr电极2510下方的气泡或层3571可以从最小的3571增加到最大的3574。orr电极2510可以支撑在支架3580中，使得一些空气从每个支撑件逸出并且气泡向上流动到下一个更大/更高的气泡3571或层。增加气泡厚度可以增加氧气在特定orr层下的停留时间，从而增加该层的空气利用率。改变或增加气泡厚度可以改善气泡流动。随着堆叠核心中的垂直高度增加而增加气泡厚度可以增加堆叠核心orr电极的实施方案中的整体空气利用率。
[0140]
如图35c所示，在某些实施方案中，流过堆叠的核心orr电极2510的空气3582采取流过orr柱的连续空气套的形式，使得在orr电极下方捕获的每个空气袋与其他气袋彼此串联连接。连续空气通道可以由支撑orr电极2510的支架381形成。连续的空气套可以减少不连续的气泡流对orr电极耐久性的影响，包括电解质飞溅或盐结壳，尤其是在orr电极的空气侧。减少盐结壳可以在orr电极的整个寿命期间增加有效的电化学活性面积。在一个实施方案中，连续的空气套是这样实现的：使用管作为一个气袋的气体出口，并将气体插入下一个气袋，防止气泡冲击和电解质飞溅。将气体包含在连续的套中还可以防止气体从orr电极层柱中水平逸出。
[0141]
图36a示出了根据各种实施方案的另一个堆叠核心orr电极的配置3600。穿过组件3600的虚线3660展示了空气从一层移动到下一层以及在电极下侧形成“空气厚层”。
[0142]
如图36b所示，在某些实施方案中，堆叠的核心orr电极的配置3615可以包裹在孔径范围为1μm至1cm的多孔隔件材料3616中。多孔隔件3616可以防止气泡从柱中水平逸出。防止气泡水平逸出可以增加空气利用率并防止相邻金属阳极由于阳极与氧气接触而导致的自放电。图36b还显示了orr层2510和集流体3618的示例性放置。
[0143]
图37-图43示出了根据各种实施方案在空气喷射电极上施加不同程度的气压的影响。空气喷射可以提高浸没的orr电极中溶解氧饱和的性能。在各种实施方案中，可通过鼓泡、喷射或其他类似方式将氧气带入电池。氧还原反应电极需要通常可以由环境空气提供的氧气供应。一面需要暴露于氧气，另一面需要暴露于液体电解质，这对密封和清除残留气泡提出了挑战。吸气式电极可以浸没在几何结构中，使其能够捕获气泡。气泡提供氧气并由提供给组件的空气补充。组件可以垂直重复，允许空气从较低的水平连续传递到较高的水
平。气泡可能很容易反弹或不粘附在浸没的空气电极上，这意味着在它们离开之前没有足够的时间发生反应。在一个实施方案中，可以使用机械唇缘或挡板来使气泡在空气电极上停留更长时间。如果膜orr电极以交替方式堆叠，疏水面朝下，并且空气通过容积式围堵(containment)供应，空气将在疏水面上流动并形成一个袋，同时在亲水面上留下电解质。在膜层中设置孔会进一步增强通过反应器的这种流动。在一个实施方案中，空气电极和/或支撑外壳可以配置使得它形成螺旋(例如螺旋钻形(augur)、螺旋形或螺旋楼梯形)。这类形状将允许空气向上流动或在orr电极的催化层上形成气泡的连续传递。图37和图38示出了用于进行喷射orr电极实验的样品架的顶视图和底视图。图39示出了在使用样品架进行的实验中气泡流和样品的角度之间的关系。图40-图43是示出那些实验结果的图。
[0144]
图44示出了根据各种实施方案的螺旋钻型orr电极4420设计。空气电极420和/或支撑外壳470可以配置使得它形成螺旋(例如螺旋钻形、螺旋形或螺旋楼梯形)。这类形状可以允许空气向上流动或在orr电极的催化层上形成气泡的连续传递。
[0145]
吸气式氧还原反应(orr)电极在暴露于电解质时必须供氧。在orr电极上定位固-气-液三相边界会很复杂，因为orr电极不能承受较大的压差等。此外，为了允许电池垂直发展，将这种三相点定位在自由电解质的上表面以下是有利的。倒杯会捕获空气袋，这些空气袋为二维(2d)或片状orr电极的疏水底面提供氧气。该电极的顶面被周围的电解质润湿。气体以足以补充电极处orr消耗的氧气的流速供应。这些杯可以体现为圆形几何形状，如先前所公开的。然而，这些圆形实施方案得到环形电极布置，从而导致改变的电流密度、电池之间的死区或几何不变性。将orr杯“拉伸”成一个延长的“托盘”并将这些托盘堆叠在垂直的厚“板”中，会允许直线的电池几何形状。orr“板”的侧面是阳极“板”，阳极“板”的侧面又是oer“板”，依此类推。这些平面几何形状允许恒定的电流密度、高容积利用率、大幅减少的零件数量和更少的组装步骤。
[0146]
在另一个实施方案中，空气喷射电极阵列的高度自动化的、角度可控可以用于增加气泡在空气电极上的停留时间。
[0147]
图45-图47b示出了根据各种实施方案的各种直线orr电极4620配置。图45显示了根据实施方案的orr电极块4502、阳极材料块4503和oer电极块4504的布置。orr电极块4502可以包括orr电极的直线堆叠，例如图46-图47b的orr电极4620。图46a示出了侧视图。图46b示出了端视图。图47a示出了气流的侧视图。图47b示出了顶视图。orr电极4620可以是支撑在框架4621中的平行板，所述框架4621在一侧具有空气入口4622并且在另一侧具有空气出口4623。空气可以流过orr电极4620并向上移动通过电解质140。
[0148]
图48-图49示出了根据各种实施方案的图表和通气管杯(snorkel cup)设计。
[0149]
图50示出了根据各种实施方案的试管设计的横截面侧视图。提供空气供应5002的浸没的氧还原电极5001(例如，亲水性多孔电极)会需要对所提供的空气进行显著加压以克服流体压力。可以控制浸没的空气通道的几何形状以提供通向环境大气的混合的空气/电解质的通道。这种混合相通道降低了向浸没的电极提供空气所需的压力。
[0150]
吸气式电极对保持液体压力的耐受性是有限的，例如在垂直电极配置中，其中吸气式电极充当保持电解质的静水压力的壁。在一个实施方案中，电解质与可以是纳米多孔的隔件保持在一起。电解质可能会开始漏过隔件并进入隔件和吸气式电极之间的非常狭窄的间隙。电极底部可能有一个出口，用于电解质流出间隙并进入下一个电池。与电解质的静
水压力相比，这种缓慢的流动会在吸气式电极上产生较小的压力。在另一个实施方案中，隔件直接放置在吸气式电极的电解质侧，以通过表面张力或其他减压机制减小吸气式电极两端的压差。隔件的厚度或孔隙率可以随深度变化，例如隔件在吸气式电极“壁”上的静水压力最大的底部处增厚。在另一个实施方案中，吸气式电极具有分段的压力释放点，在该点处允许电解质流动和泄漏，将电解质的静水压力重置为大气压。在另一个实施方案中，吸气式电极是自修复的，例如软木状材料，其中小针孔或泄漏点在被液体电解质润湿时重新自密封。在另一个实施方案中，使用电解质添加剂密封小针孔或泄漏点，例如小板。
[0151]
在各种实施方案中，电池组(例如，电池组100)可以包括三个电极，阳极(例如，110)和双阴极(例如，由两部件(例如第一阴极和第二阴极)构成的阴极120)。电极可以具有有限的使用寿命，并且可以是可机械更换的。例如，阳极可以季节性更换。第一阴极可以分为两部分，第一部分具有亲水表面，第二部分具有疏水表面。例如，疏水表面可以具有聚四氟乙烯(ptfe)(例如，)疏水表面。例如，第二部分可以是聚四氟乙烯(ptfe)和高表面积碳的微孔层(mpl)，而第一部分可以是部分涂覆有ptfe的碳纤维。作为另一个实例，第二部分可以是聚四氟乙烯和炭黑的mpl，以及第一部分可以是大约33重量％的聚四氟乙烯。作为进一步的实例，第二部分可以是23重量％的ptfe和77重量％的炭黑的mpl，并且第一部分可以是低负载mpl。阳极可以是铁(fe)电极或铁合金(fe-合金)电极(例如，feal、fezn、femg等)。第二阴极可以具有亲水表面。第二阴极可以具有涂覆有镍(ni)的金属基底，例如碳(c)、钛(ti)、钢等。电解质(例如，电解质140)可以设置在三个电极之间。电解质可以渗透到三个电极中的一个或多个中。
[0152]
在使用碱性(高ph)电解质的某些实施方案中，二氧化碳(co2)暴露于并溶解在液体电解质140的体积中会导致电解质中的ph值的变化、电解质离子电导率的变化，并且电解质中碳酸盐固体的沉淀会堵塞空气电极120和/或金属电极110中的孔。为了解决液体电解质140体积中的二氧化碳和/或碳酸根离子(co
32-)的堆积，洗涤或过滤可以用于处理液体电解质140的体积，并去除二氧化碳和/或碳酸盐。作为示例，过滤器单元可以用于从液体电解质140的体积中洗涤或过滤二氧化碳和/或碳酸盐。作为一个实例，过滤器单元可以包括使电解质循环通过过滤器以从液体电解质140的体积中去除二氧化碳和/或碳酸盐的泵。二氧化碳可以被排出到空气105中。或者，二氧化碳和/或碳酸盐可以被捕获在过滤器单元中，并且可以定期更换过滤器单元。例如，过滤器单元可以包含与二氧化碳和/或碳酸盐强烈反应以结合和捕获不需要的物质的化学试剂或洗涤器。例如，气相过滤器可以使用氢氧化钠(naoh)、氢氧化锂(lioh)、氢氧化钾(koh)、氢氧化钙(ca(oh)2)、氢氧化镁(mg(oh)2)、氢氧化钡(ba(oh)2)、或这些试剂的混合物，以在二氧化碳到达电池之前以化学方式捕获二氧化碳。或者，过滤器单元可以流过溶解了二氧化碳和/或碳酸盐的电解质，并将该电解质暴露于反应介质，所述反应介质与碳酸根离子结合和/或反应以将它们从溶液中去除。例如，如果电解质主要是氢氧化钾，则过滤器可以包含固体氢氧化钙。碳酸钙的溶解度远低于碳酸钾的溶解度，所以溶解的碳酸盐会与氢氧化钙反应生成碳酸钙，碳酸钙会从电解质中沉淀出来，并积聚在过滤单元中。过滤器单元可以定期更换、或更新、或翻新以使其复原。过滤器单元可以以各种间隔运行，例如与二氧化碳在电池中的扩散速度相匹配的间隔，以从液体电解质140的体积中滤出二氧化碳和/或碳酸盐。这可以维持液体电解质140的体积具有足够低的二氧化碳和/或碳酸盐水平，以防止或减轻电解质中ph值的变化、电解质离子电导率
的变化、和/或电解质中碳酸盐固体的沉淀。
[0153]
在一个实施方案中，创建了co2洗涤反应器，其中空气被泵送通过含有一种或多种浓碱金属氢氧化物盐(即naoh)的电解质浴。在该具体实施方案中，设计所述反应器使得通过反应器的总压低，但通过创建具有正垂直斜率的长缠绕通道增加了气体停留时间。可以添加挡板、挡边、脊或类似物以改善反应器中的对流混合。这允许较小的能量损失，同时最大限度地从空气中去除co2。
[0154]
在一些实施方案中，通过使用密封或部分密封的围隔(enclosure)来减轻或防止在本文任何电池组设计中的液体电解质中积聚的二氧化碳和/或碳酸根离子(co
32-)，以便防止或限制气态co2从环境大气进入液体电解质。例如，本文所述的电池组可以具有围隔，其中端口、排气口或单向阀允许围隔内产生的气体逸出但限制电池组内部的围隔暴露于大气co2。在一些实施方案中，所述单向阀是含液体的气闸、鼓泡器或捕集器，其设计类似于通常用于酿造啤酒和葡萄酒的设计。
[0155]
由于阳极处的化学反应，铁阳极材料产生气泡。这些气泡会干扰电化学电池的其他组件。在一个实施方案中，垫片或固定装置用于将产生气泡的电极定位在可能对气泡敏感的其他部件上方。然后气泡通道不会与气泡敏感部件接触，因为气泡在液体中向上移动。通常，这种方法将产生向上移动的产品(例如液体中的气泡)的组件定位在对这些产品敏感的组件的上方。类似地，产生向下移动的产物(例如沉淀物)的组件可以位于对这些产物敏感的其他组件的下方。
[0156]
电解质中的带电金属电极可以自放电。例如，碱性溶液中的还原铁(fe)电极会根据自发反应fe 2h2o
□
fe(oh)2 h2进行自放电。在开放式金属空气电池组(即非密封电池组)中，例如铁空气(fe-空气)电池组，可以提供从电解质中移除金属电极以防止金属电极自放电。在各种实施方案中，泵可以将液体电解质泵入和泵出电池组的容器，使得当液体电解质被泵入容器时金属电极浸没在液体电解质中，并且当当将液体电解质被泵出容器时金属电极从液体电解质中移除。在各种实施方案中，充气气囊可以充气和放气以移动液体电解质，使得当气囊充气时金属电极浸没在液体电解质中，并且当气囊放气时金属电极从液体电解质中移除。在各种实施方案中，一个或多个提升系统可以将金属电极从液体电解质中升高和降低。从电解质中移除金属电极可以防止金属电极的自放电。
[0157]
图51示出了根据各种实施方案的orr电极5100的休止角的变化的横截面侧视图。在一些具有吸气式电极的系统配置中，将吸气式电极放置在气液边界处是有用的。然而，气液边界会在电池间的角度和高度上有所不同。在一个实施方案中，吸气式电极5100可具有波纹表面以解决电池之间的角度和高度差异。在另一个实施方案中，空气电极是体积海绵型电极，其厚度足以解决电池之间的角度和高度差异。
[0158]
停滞的电解质产生的两个问题是充电和放电期间气泡的形成和ph梯度的产生。气泡可能无法从电解质中逸出，并可能会粘在电极上，从而导致性能下降。电解质中的ph梯度也可能导致电极性能下降或腐蚀。气泡和ph梯度问题的一种解决方案可能是以低流速(例如小于1ml/min/cm2)循环电解质。这种电解质流可以使气泡更容易逸出来从而提供方便甚至自动的气泡管理。此外，流动的电解质可以提供ph值控制，从而不会形成梯度。
[0159]
如上所述，在各种实施方案中，电池组(例如，电池组100)可以包括三个电极，阳极(例如，110)和双阴极(例如，由两部件如第一阴极和第二个阴极构成的阴极120)。在再充电
运行模式中，可以降低电解质(例如，电解质140)的液位以将第二阴极暴露于空气中。电池组中电解质的液位可以由泵、阀和/或其他系统控制，以分别在放电和再充电模式下将电解质的液位转变为淹没或不淹没第二阴极。在再充电模式下，干式氢氧化反应(hor)可以发生在第二阴极，而双相析氧反应(oer)可以发生在第一阴极。当阳极是fe阳极时，氢(h2)气泡可以在附加过程中由阳极在再充电模式下产生。氢(h2)气泡可以在第二阴极被氧化(即，电子被重新俘获)。在再充电模式下，两个阴极相对于阳极可以具有不同的正电位，例如分别为0.1v和1.5v，而阳极可以处于-0.5v。这可以使第二阴极保持在更有利的0.1v电位，因为它会氧化由阳极产生的氢(h2)气泡。
[0160]
在低成本的储能系统中，使用每单位成本具有高导电性的集流金属(例如铜)会是有利的。然而，这些低成本集流体中的一些(例如铜)在碱性水性电解质中不稳定。为了保持集流体与电解质分隔，吸气式电极可以具有将电解质吸入其中以促进必要的三相边界分布，同时防止电解质接触集流体的结构。
[0161]
集流体是架构中最昂贵的组件之一，即使在使用低成本金属(例如不锈钢)时也是如此。利用dri球团的球形和高导电性，一种具有成本效益的锥形集流策略可以应用于dri弹珠基阳极。如图所示，锥体底部的“活性”集流体(或集流涂层)占锥形弹珠围隔的一小部分；靠近“导电壁”的自对齐的dri弹珠的重力充当“压缩力”，以确保dri弹珠和集流体之间的良好电接触。通过优化集流体的厚度、集流体的高度、锥角和dri弹珠的尺寸分布，可以实现在电阻和成本方面的最佳集流。
[0162]
电化学储能系统会需要采用电极切换。在电极之间切换需要某种切换机制。虽然这可以通过电子设备完成，但这些电子设备必须能够在恶劣的化学环境中留存，在系统的整个生命周期内都必须可靠，并且成本可能很高。电子通路的机械切换可能是一种更强大、更可靠和耐化学环境的解决方案。当电池准备好在充电或放电模式之间切换时，可以采用机械触点的切换，例如继电器或照明开关(light switch)。这些开关可能需要采用灵活的电子连接或导体，但这是其他领域的标准做法。
[0163]
dri的磁性可以用于组装阳极床。fe的这种特殊性质增加了电极和架构的设计空间。例如，永磁体可用作集流体的一部分(在集流体上方或下方)，以在球团床上提供额外压力。可以使用磁体来对齐球团，从而使球团可以对齐并且可以产生一串球团。
[0164]
在一些实施方案中，阳极可以在阴极区之间移动。例如，如图52所示，阳极110(例如dri球团床)可以在外壳170内的电解质140中从第一位置移动到第二位置。一个位置可以在第一阴极5230之下，并且第二位置可以在第二阴极5210之下。例如，第一阴极5230可以是oer电极并且第二阴极5210可以是orr电极。外壳170可以包括在orr电极5210位置处的开口。根据电池组的运行模式，阳极110可以来回移动以定位在适当的阴极类型5230、5210下方。
[0165]
碱性铁电极电池组通常与电解质和/或电池中的某些添加剂一起时运行得最好。例如，硫有助于铁电极的去钝化，但其会被电池消耗。硫的消耗会在许多循环后导致容量逐渐减弱。因此，需要一个输送系统来补充硫供应，以保持电池组性能。这种系统的一个实施方案可以是将含硫液体输送到电池组电池的泵。另一个实施方案可以是将多硫化物盐输送到封闭或开放的电池组电池的干料斗。
[0166]
电解质添加剂可以具有一定范围的溶解度，并且当它们与固体电极紧密混合时，
一些可以具有最有益的效果。在某些实施方案中，电极可以是球团状的，或者由多个球团状子单元构成。输送添加剂的一种方法可以是制造包括添加剂的球团或完全由添加剂构成的球团。这种添加剂可以是fes或fes2。其他球团可以主要由其他活性材料构成。可以混合不同类型的球团以产生混合电极。
[0167]
气泡、电解质成分或固体从储能系统的一部分通过电解质迁移到另一部分可能是不合需要的。可以使用具有足够化学和机械相容性的低成本多孔隔件来防止这种迁移。在一个实施方案中，可以在储能系统的阳极和阴极之间使用超低成本隔件，例如聚苯并咪唑隔件和聚丙烯隔件(例如celgard 3501)。两种隔件都显示出与目标系统的足够的化学和机械兼容性。
[0168]
可以设计金属-空气电池组系统使得充电过程中产生的氧气被捕获和储存。在金属-空气电池组放电期间，该氧气然后可以被引导至orr电极。收集和再利用氧气可以提高整体的系统效率并且还可以提高orr电极的倍率能力。氧气可以储存在罐、顶部空间或气球中。这种系统级方法可以应用于锌-空气电池组、铁-空气电池组、铝-空气电池组、或锂-空气电池组。
[0169]
orr电极效率随氧浓度的增加而增加。因此，优选收集oer期间产生的氧气，以便稍后在orr期间使用。氧气的储存可以通过以下组合来实现：充气式储气囊、气体压缩、气体吸附和氧气液化，然后在放电期间将氧气输送到orr电极。
[0170]
图53a和图53b分别示出了根据各种实施方案的电池组的横截面侧视图和俯视图。所述电池组可以包括位于液体/气体界面处的orr电极5302，在该界面处电解质140与空气105相遇。orr电极5302可以漂浮在电解质140上(即，被动地自定位在界面处)或被刚性支撑在液体/气体界面。电池组可以包括任选的隔件5304以防止空气到达阳极110(例如，金属电极)。
[0171]
图54示出了根据各种实施方案的吸气式电极(例如，阴极120)的横截面侧视图。在“标准”配置中，当阴极120是吸气式电极(例如，orr电极)时，所述阴极可以停留在电解质140的表面。如图55所示的“反向”吸气式配置中，阴极120可以浸没在电解质140中低于电解质140的液位。在这种“反向”配置中，阴极120可以由密封容器5502支撑。当阴极120是吸气式电极(例如，orr电极)时，密封容器5502内部的容积可以有空气推入/穿过它以向阴极120提供空气。阴极120可以浸入电解质140中，但空气和密封容器5502框架可以确保阴极120处于三相边界处。在各种实施方案中，为了确保orr反应有稳定的三相边界，必须以有效且成本效率的方式将空气输送到该表面。
[0172]
图56示出了根据各种实施方案的喷射空气电极(“反向”配置的另一个实例)的横截面侧视图。通过将空气从鼓泡器5602泵入电解质140中，喷射空气配置可以将阴极120(例如，吸气式电极，例如orr电极)放置在三相边界处。支撑阴极120的框架5603(例如带挡板的框架)可以浸没在电解质140中。然而，来自鼓泡器5602的阴极120下侧的气泡可以产生局部的三相边界。即使orr电极低于电解质140的液位，气泡也会在orr电极后面形成储气囊。图57示出了根据各种实施方案的图56的堆叠的喷射空气电极组件的横截面侧视图。图58示出了根据各种实施方案的图56的堆叠且交错的喷射空气电极组件的横截面侧视图。在图57中，喷射组件直接彼此堆叠在一起，其间有空气通道以提供气泡泄漏通道。在图58中，所述喷射组件彼此偏移(即，交错)并且气泡在组件中的间隙中间移动。
[0173]
在任何未密封的orr架构中，例如图56、图57和图58所示的架构中，输送的空气的压力必须至少为ρ*g*h，其中h从电解质140的顶部延伸到鼓泡器5602的进气表面，无论来自电解质的空气流速如何。相比之下，通过密封三相边界的表面，例如处于图55的浸没的配置中，输送空气和实现该电化学反应所需的压力可以远低于未密封的三相边界(例如图56、图57和图58所示的)所需的压力。在垂直密封的orr配置中，例如图55的配置中，这种减少的空气压力(例如，低压(lp)空气需求)可以减少泵送空气所需的辅助动力负载，如果与未密封的三相边界(例如图56、图57和图58所示的)所需的较高压力相比压力低得多的话。
[0174]
反向吸气式电极可以以许多不同的形状形成，如图59-图62所示。图59示出了根据各种实施方案的矩形管式orr电极设计的透视图。所述矩形设计可以提供管的四个外表面和四个内表面。在一些实施方案中，所有面可以是orr电极，或者面的子集可以是orr电极。图60示出了另一种圆形管形设计。管形orr电极可以是单个延伸管，或者可以是由orr材料的包裹片材(wrapped sheet)制成的螺旋管。如图61所示，管阵列可以布置在支撑电解质140和阳极110的单个容器中。空气可以通过所述管。在各种实施方案中，管的数量和布置可以变化。图62示出了在各种实施方案中管可以由orr电极材料的压紧片材(pinched sheet)形成。片材本身可以弯曲并在顶端密封。
[0175]
浸没的水平电极上的气泡倾向于表现出混乱的段塞流。各种实施方案可以为浸没的电极提供斜坡和孔阵列空气流量调节。在各种实施方案中，斜坡和孔阵列可以最小化气泡通过电极保持杯中的孔逸出的能量屏障，促进连续流动模式和从空气袋分离出小气泡的以用于层间传输。水平取向的orr电极中的气体和气泡流量管理很困难。各种实施方案提供使空气流过每一单独层处的水平堆叠的orr电极以实现更容易的空气控制。
[0176]
生产长持续时间的双功能空气电极的主要限制之一可能是通常用作氧还原反应(orr)阴极的催化剂载体的碳基材在氧析出反应(oer)阴极中所处的电位下不稳定。为了制造长持续时间的电极，两个阴极应该是可电子分离的。
[0177]
各种实施方案可以提供依赖于刚性oer电极和柔性orr电极的机械机制，所述柔性orr电极配置为使oer电极和orr电极可电子分离，如图63a和图63b所示。在一些实施方案中，柔性orr阴极631可以放置在刚性金属oer阴极630内。orr阴极631形成其自有的空气袋，使空气在其内部供给。以此方式，orr阴极631形成orr腔。当供应空气到orr腔时，orr阴极631膨胀抵靠oer阴极630，使其与负载电连接，如图63a所示。当气流关闭时，电解质的流体动力将orr阴极631推离oer阴极630，从而保持orr阴极631和oer阴极630分离。
[0178]
当orr电极溢流时，三相边界的丢失意味着orr电极失效。各种实施方案可以包括在orr室的底部提供排放阀以允许移除过量的电解质。通过排放阀移除多余的电解质可以防止orr电极由于三相边界的丢失而失效。
[0179]
orr电极的一侧需要电解质，另一侧需要气态氧，所述气态氧可以是空气的形式。在较深的电解质体积中，电极底部上的电解质压力会与顶部的压力显著不同。对于这种压力梯度，单片电极片可能不是最佳选择。
[0180]
在各种实施方案中，可以将连续电解质深度的垂直尺寸分割成更小的部分，每个部分具有其自己的orr电极。图64示出了这种堆叠的orr电极6401、6404、6405配置的实施例。电极6401、6404、6405中的每一个可以是调整到不同运行压力的orr电极。电极6401、6404、6405中的每一个可以针对各个电极6401、6404、6405在电解质140中运行的压力进行
定制。电极6401、6404、6405可以是通过集流体6402支撑在垂直平面上的orr片状电极的水平条带，使得电极6401、6404、6405堆叠在彼此的顶部，以使得每个电极6401、6404、6405上的垂直压力变化最小化，并且每个高度电极可以针对其指定高度进行优化。集流和密封可容纳多个条带。集流体6402可以包括集流体接线片6403。电极6401、6404、6405上的压力变化可以相同。虽然图63示出了三个堆叠电极6401、6404、6405，但在各种实施方案中可以使用更多或更少的堆叠电极，其中每个电极根据其各自的深度进行调整，从而在电解质140中承受压力。
[0181]
在铁-空气电池中，orr电极的水平位置可能是有益的。然而，空气必须被限制在orr电极下方才能进行orr反应。图65示出了根据各种实施方案的包括多孔隔板6501的orr电极6500。各种实施方案可以包括支撑在orr电极6500下方的多孔隔板6501，其允许空气进入但截留空气直到达到某个压力(即，高于空气被迫通过多孔隔板6501的压力)。包括多孔隔板6501设计的orr电极6500则是耐压的，因为空气直接通过隔板6501逸出。
[0182]
基于水平阴极的系统对orr电极的水平高度是敏感的。如果电极没有得到支撑，使得orr电极平面与电解质水平，则暴露于空气中的活性区域的面积会减少。例如，图66a示出了与电解质140不在同一水平的水平orr电极6600，这使得空气没有完全被限制在orr电极6600的所有部分之下。相反，由于浸没的orr电极6600不是水平的，空气仅被限制在orr电极6600的一部分6602之下，并且没有空气暴露于另一部分6601。因此，暴露于空气的部分6602可以是活性部分，而另一部分6601是惰性的。保持orr电极6600处于水平位置可以确保整个电极6600(即，部分6601和部分6602)均可以暴露于空气并且是活性部分。各种实施方案可以提供用于orr电极的水平组件，例如水平orr电极6611的堆叠。减小orr电极的总宽度可以改善这种角度公差。
[0183]
图66b-图66e示出了根据各种实施方案的示例性被动水平控制系统和主动水平控制系统。图66b示出了作为被动悬挂控制系统的orr电极支撑系统。图66c示出了作为主动致动控制系统的orr电极支撑系统。图66d示出了作为被动浮力控制系统的orr电极支撑系统。图66e示出了作为被动滚动控制系统的orr电极支撑系统。
[0184]
在图66b的悬挂控制系统中，支撑电解质140和水平orr电极6111的堆叠的外壳6610可以结合至支撑臂6613，所述支撑臂6613连接到铰接件6612，所述铰接件6612悬挂在支撑杆6614上。支撑杆6614可以悬挂支撑臂6613、铰接件6612和外壳6610，所述外壳6610在空间中自由地支撑电解质140和水平orr电极6111的堆叠。铰接件6612可以配置为提供相对于支撑杆6614的支撑臂6613的独立移动，使得随着支撑杆6614所附接的整个系统移动(例如，不在水平面上)，支撑臂6613和支撑电解质140和水平orr电极6111的堆叠的外壳6610由于在它们之上的重力作用而保持水平。
[0185]
在图66c的主动致动控制系统中，支撑电解质140和水平orr电极6111的堆叠的外壳6610可以布置在一系列致动器6615、6616(例如起重器)之上。致动器6615和6616可以被独立地控制以升高和/或降低外壳6610的角，使得外壳6610保持水平。
[0186]
在图66d的被动浮力控制系统中，支撑电解质140和水平orr电极6111堆叠的外壳6610可以自由移动，但水平orr电极6111的堆叠可以由连接到浮子6620(例如，中空塑料浮子、泡沫浮子等)的臂6621支撑。即使外壳6610可以移动位置，浮子6620也可以漂浮在电解质140的表面上并且将水平orr电极6111的堆叠保持在水平位置上。
[0187]
在图66e的被动滚动控制系统中，支撑电解质140和水平orr电极6111的堆叠的外壳6630的底部可以弯曲。外壳6630可以自由移动，但水平orr电极6111的堆叠可以由连接到轮(或滚筒)6631的臂6632支撑，所述轮(或滚筒)6631沿着外壳6630的弯曲底部自由移动。当外壳6630移动时，轮6631可以使重力将水平orr电极6111的堆叠推到外壳6630的弯曲底部的最低点，从而保持水平orr电极6111的堆叠水平。
[0188]
向orr电极输送空气的必要性可能导致阴极电极和阳极电极之间的间距过大，这可能导致orr和阳极电极之间的离子电阻增加。通过以一定角度而不是垂直地间隔电极组件，各种实施方案能够同时最大限度地利用容器容积并减小阳极到orr电极的间距。以一定角度(即，非垂直)放置电极可以允许连续连接的阳极床或非连续的阳极。
[0189]
图67a示出了垂直对齐的电极组件，其包括在支撑orr电极6702的阴极外壳6703外侧的垂直阳极6704。orr电极6702的表面和阳极6704的表面之间的间距可以相对较大。
[0190]
图67b和图67c示出了各种实施方案的交叉指型的电极组件。图67b示出了非连续性配置，其中阳极6704布置在阴极外壳6703之间，使得orr电极6702的表面和阳极6704的表面之间的间距可以相对较小。图67c示出了连续性配置，其中阳极6704是成角度的，并且包括朝向阴极外壳6703延伸的成角度的突起。阴极外壳6703在阳极6704之间是成角度的，使得orr电极6702的表面和阳极6704的表面之间的间距可以相对较小。
[0191]
图68示出了双orr和oer电极配置的实施方案，其中oer电极6803被弯曲以产生用于orr电极6804的气袋容积。图68的配置可以为电极提供从阳极6802到阴极的更直接的离子通道。此外，图68的配置可以提供更轮廓分明的、稍深且对角度不太敏感的气体容积。如图68所示，当orr电极6804从oer电极6803延伸出来时，oer电极6803可以纵向折叠以产生三角形横截面。这个三角形横截面可以配置为使得三角形下方的区域专用于空气容积。
[0192]
各种实施方案可以包括电池组配置，其中未密封的气泡可以存在于orr电极下方。在这样的配置中，控制orr电极下方气泡的流动和通道可能很重要，以便提供足够的流动，并防止气泡与电池组反应容器(例如，反应器)外的通道中的其他电极接触。各种实施方案方法可以用于控制气泡流动/通路，包括orr电极中的出口孔、斜坡、斜坡和出口孔的组合、多个出口孔、不同的孔尺寸、喷嘴形孔、局部表面粗糙特征、止回阀出口、瓣阀出口、浮力控制阀、海绵/网状出口、和/或槽/非圆形几何形状出口。图69a-图69n示出了根据各种实施方案的示例性气泡控制方法。图69a示出了orr电极6902，其配置为使得orr电极6902中存在出口孔6901a，以允许气泡6903通过orr电极6902逸出。图69a可以用作讨论图69a-图69n所示的其他配置的基准配置。图69b示出了orr电极6904，其配置为使得orr电极6904中存在多个出口孔6901b以允许气泡通过orr电极6904逸出。图69c示出了orr电极6905，其配置为使得orr电极6905中存在相对大的出口孔6901c(例如，与图69a中的较小孔6901a相比)，以允许气泡通过orr电极6905逸出。图69d示出了orr电极6906，其配置为使得在orr电极6906中存在的出口孔6901d的边缘处存在局部表面粗糙特征，以允许气泡通过orr电极6906逸出。图69e示出了orr电极6907，其配置为使得orr电极6907中存在止回阀出口6901e，以允许气泡通过orr电极6907逸出。图69f示出了orr电极6908，其配置为使得orr电极6908中存在瓣阀出口6901f，以允许气泡通过orr电极6908逸出。图69g示出了orr电极6909，其配置为使得orr电极6909中存在海绵/网状出口6901g，以允许气泡通过orr电极6909逸出。图69h示出了orr电极6910，其配置为使得orr电极6910中存在斜坡出口6901h，以允许气泡通过orr电极
6910逸出。图69i示出了orr电极6911，其配置为使得orr电极6911在斜坡部分中存在有孔的斜坡出口6901i，以允许气泡通过orr电极6911逸出。图69j是orr电极6912的顶视图，所述orr电极6912配置为使得orr电极6912中存在具有槽/非圆形几何形状的出口6901j，以允许气泡通过orr电极6912逸出。图69k-图69n显示了上面列举的特征的组合和对上面列举的特征的补充。图69k示出了如图69h所示的斜坡出口6901k与喷嘴形出口孔的结合。图69l示出了如图69h所示的斜坡出口6901l，其具有如图69b所示的多个出口孔6902l，其中孔的直径可以设计成在所需气压下提供气泡释放。图69m示出了出口孔6902m在阶梯式特征6901m上的放置，使得气袋在超过阶梯时才会释放。图69n示出了如图69m所示的阶梯式特征6901n与如图69e所示的浮力控制阀6902n的组合。
[0193]
在运行期间，由于在堆叠的核心设计中的给定层处快速引入具有更高o2含量的气体，气泡垂直穿过orr层可能导致orr的不连续的电流响应，从而产生电流峰值或电压峰值。在某些实施方案中，可以通过使电功率通过整流器来平滑从反应器输出的功率，这可以降低来自反应器的功率峰值的强度。在这样的实施方案中，周围的电力系统可以增加气泡耐受性，从而在堆叠的核心orr电极内部产生不一致的电化学反应速率。
[0194]
在运行过程中，oer电极从基底和催化剂的表面释放氧气。如果多孔隔件太靠近释放气体的表面，碱性水性电解质就会失去与电极表面的接触并使其无法运行。最佳的隔件间距要求将允许气泡逸出oer电极的表面和孔隙，但也允许电解质充分接触以继续将离子输送到该表面并促进oer反应。例如，图70a示出了次优间距，其中由oer 7003产生的气泡7002在电解质140表面积聚并粘附在隔件7004上。例如，图70b示出了最佳间距，其中隔件7004距离oer 7003更远，并且由oer 7003产生的气泡7002自由上升并在电解质140表面爆裂。此外，机械硬件(例如图70c所示的保持oer电极7003的外壳7005)与图70c所示的次优配置相反，不阻止气泡7002逸出到电解质140的自由表面。在图70c所示的次优配置中，气泡7002积聚在外壳7005下方，使得oer电极7003不暴露于电解质140。
[0195]
在多层orr电极堆叠中，每一层都需要向orr电极供应的空气。因此，必须采取措施将空气输送到堆叠的每一层。在一些实施方案中，可以使用一个公共进气口并且具有以横向垂直方式的逐层连续传输气体。例如，图71a示出了单个多支管7102将气体6903供给到堆叠中最低的orr电极6902，并且气体6903通过orr电极中的偏移出口孔6901a向上冒泡通过更上一层。图72d示出了通过利用管道存水弯(p型-存水弯)特征7250，逐层连续传输的空气在每个orr室、室1-室4的出口处保持液-气密封。当气体从气体入口7255到气体出口7256鼓泡进入每个空气腔室时，每个室的液位降低，直到气泡从空气腔室的p型-存水弯部分7250逸出。然后气体被前一个orr室上方的orr室的入口多支管(不允许气体从外壳逸出)捕获。在每个p型-存水弯之后，需要一个端口(或液体排放口7252)以允许多支管外部和多支管内部的电解质之间的连通。这个端口使得气泡从一个orr室垂直上升到下一个时能够平衡压力。这些端口的位置必须确保气泡不能通过端口进入外部电解质。可以在气体通道中添加流量限制器7251，以减缓orr室之间不稳定的空气流速。流量限制器7251可以设计为在所有腔室之间产生均匀的气流。
[0196]
在一些实施方案中，公共的气体多支管可以将气体分配到orr堆叠的每一层。为每一层提供独有的空气输送以允许对每一层的流速和气体速度进行更精细的控制。图71b示出了向每个orr电极7105单独提供气体6903的多支管7108。当气泡通过电解质140上升时，
挡板或通道7109可以使气泡向上偏转并远离下一个orr电极7105层。
[0197]
各种实施方案可以提供未密封的垂直orr阴极。例如，图72a示出了根据一个实施方案的未密封的垂直浸没式orr阴极7202。orr电极上必须维持三相边界。带有orr壁和内部气体容积的密封腔室可以实现这一点，但已知传统的orr电极会泄漏，并且泄漏的电解质会填满这个腔室的内部容积。此外，用电解质淹没泄漏的orr电极可能会逆转泄漏问题，但这在密封腔室中可能很难做到。具有开放底部的高壁、内部密封的腔室可以提供密封的和未密封的orr机械实施方案的优点。带有内部加压气体容积的高且半密封的壁为orr电极提供氧气。开放的底部为泄漏的电解质提供了离开腔室的通道。内部压力可有助于减少通过orr电极的电解质泄漏。未密封的垂直浸没式orr阴极7202可以保持电极彼此平行以获得更好的电化学性能。未密封的垂直浸没式orr阴极7202腔的内部可以通过底部对电解质开放的腔实现自动调节压力。在另一个实施方案中，可以通过管道存水弯或流场引导空气到orr电极以引导空气穿过orr电极。相同的设计特征可以用于将气流连续传输穿过机械分离的orr电极的多个部分。由于腔内部和腔外部的电解质410之间的压差，未密封的垂直浸没式orr阴极7202可以是防泄漏的。例如，图72b示出了当未密封的垂直浸没式orr阴极7202更深地延伸到电解质410中时，电解质410中与未密封的垂直浸没式orr阴极7202的内腔中的压力之间的压差。具体地，腔中的压力在未密封的垂直浸没式orr阴极7202的深度(或高度h)处可以是恒定的，而电解质410的压力随深度增加。由于底部开放，未密封的垂直浸没式orr阴极7202可以是防溢流的。未密封的垂直浸没式orr阴极7202的内部压力(ph)可以设置为电解质410在未密封的垂直浸没式orr阴极7202的开口深度处的压力(即未密封的垂直浸没式orr阴极7202从电解质410的表面延伸的高度(h))。电解质410在开口深度处的压力可以等于电解质的密度(ρ)乘以重力(g(例如，9.8m/s2))乘以高度(h)。因此，ph可以等于ρ*g*h。在一些实施方案中，气泡/气流可以从未密封的垂直浸没式orr阴极7202的底部流出到电解质410中。在一些实施方案中，与电解质的压力平衡通过端口来调节，其中空气可以作为气泡从所述端口逸出。实例如图72c中示出。这个端口的尺寸和形状可以控制离开腔室所需的压力，从而设置腔室内的压力。这种压力控制还用于控制体积流量。这也可以通过端口周围的局部几何形状来执行。例如，向下的u形弯曲可以形成类似“管道存水弯”局部几何形状，通过这个装置，气体必须克服小的静水压头才能逸出腔室。这个管道疏水阀或其他几何形状的长度、面积和形状可以调整气流特性以满足需求。气体可以排入电池的电解质中，或通过连接到另一个液体体积的管排出，其中相关端口尺寸和形状是在管的末端。
[0198]
在各种实施方案中，未密封的垂直浸没式orr阴极的特征在于已通过空气侧的连续传输腔室输送空气的一个面。所述orr阴极可以具有从电极的任一侧水平延伸出的嵌入式集流体。为了密封暴露的网使其不接触电解质，所述组件可以包括将集流体与其余电解质隔离的垂直密封条。隔离区域可以由塑料片构成，这些塑料片在具有导电机制的网周围形成翻盖状或卷曲以连接集流体。
[0199]
相对于阳极的阴极取向(无论是垂直的还是水平的)可能在组装和运行期间导致强烈的电短路。在各种实施方案中，可以通过使用多孔的或实心的聚合物材料的薄片以使集流体和/或活性材料彼此电绝缘，来降低在组装和运行期间发生电短路的风险。例如，可以在电极之间设置塑料以防止电极短路。在一些实施方案中，orr外壳可以充当绝缘体以防止短路。使用聚合物薄片和/或绝缘外壳可以减小电极组件的总宽度，因为分隔电极的物理
间距可以减小。
[0200]
各种实施方案可以包括密封的水平浸没式电极。密封的水平浸没式电极可以包括多达两个密封的水平电极，其间具有密封的空气腔。许多的这些组件可以堆叠在一起。密封的水平浸没式电极溶液的好处可能在于电极在整个区域中会处于均匀压力下，从而在电极上提供均匀的压差。图73示出了示例性密封的水平浸没式电极7300，其包括第一orr电极7301和第二orr电极7302。在一些实施方案中，密封的水平浸没式电极可以仅包括顶部orr电极，例如仅包括orr电极7301。在一些实施方案中，密封的水平浸没式电极可以包括侧面的orr电极。
[0201]
图74a和图74b示出了实施方案的共定位的orr电极7402和oer电极7403配置。orr电极7402需要输送给它的氧气(例如，空气中所含的氧气)。在同时使用orr电极7402和oer电极7403的电化学系统中，oer电极7403可以产生可用于orr电极7402的氧气。在各种实施方案中，可以水平放置orr电极7402层，并且在其下方放置oer电极7403材料，使得由oer电极7403产生的可以是气泡形式的氧在orr电极7402的下方被捕获。例如，图74a示出了一种这样的配置，其中orr电极7402与oer电极7403间隔放置并且所述orr电极7402放置在oer电极7403上方。电极7402和7403之间的距离可以变化。其他特征也可以帮助捕获氧气，例如从orr电极7402延伸出来的裙部7404或形成为倒杯的orr电极7402。图74b示出了另一实施方案的配置，其中oer电极7403是多孔的并且与orr电极7402接触。补充气体(例如，空气)可以通过oer电极7403(在多孔电极的情况下)或围绕电极7403进入orr电极7402下方的腔室中。在各种实施方案中，oer电极7403可以非常靠近orr电极7402的气体扩散侧，甚至接触orr电极7402。
[0202]
图75示出了根据实施方案的orr电极7502的封装配置7500。orr电极7502可以通过二次成型处理封装成大型配置。配置7500可以包括多个窄的orr电极片7502和集流体条7503，通过塑料或环氧树脂7504二次成型在一起以成为自支撑结构。二次成型或其他密封方法(环氧树脂等)允许在单个步骤中以较少的部件数量密封和集成子组件。配置7500的优点可能包括部件数量少、组装时间短、非常薄的几何形状以获得高能量密度，以及为架构几何形状的变化提供灵活性。
[0203]
图76a-图76d示出了各种实施方案的凹水平orr电极的截面图。如图76a-图76d所示，orr电极片7603可以通过接合点与集流体7602连接，或在集流体上延伸，并且形成直径朝下的近似半圆形或其他大体凹形的形状(例如，a型框架等)，以在orr电极和电解质140之间的orr电极的表面下方捕获空气。近似半圆形的形状可以具有3个、4个或5个或更多个的顶点。在各种实施方案中，集流体7602可以存在于每个顶点处。图76a示出了包括orr电极片7603的orr电极，所述orr电极片7603形成为以a型框架截面构造连接在一起的横向构件，并且具有三个集流体7602，其中各有一个集流体7602位于orr电极片7603的每一端，一个集流体7602位于orr电极片7603之间。图76b示出了包括orr电极片7603的orr电极，所述orr电极片7603形成为以大体半圆形构造连接在一起的横向构件，并且具有四个集流体7602，其中各有一个集流体7602位于orr电极片7603的每一端，两个集流体7602位于orr电极片7603之间。图76c示出了包括orr电极片7603的orr电极，所述orr电极片7603形成为以大体半圆形构造连接在一起的横向构件，并且具有五个集流体7602，其中各有一个集流体7602位于orr电极片7603的每一端，三个集流体7602位于orr电极片7603之间。图76d示出了包括orr电极
片7603的orr电极，所述orr电极片7603形成为以作为半管的大体半圆形构造连接在一起的横向构件。
[0204]
图77c示出了不同的加压空气腔室配置7700和7703平衡orr电极7702处的电解质140压力的比较。orr电极7702的相对两侧上的压力不平衡可以导致应变或泄漏或通过多孔orr电极7702厚度的三相边界的移动。气室的使用，例如图77左侧所示的一个气室，或多个气室(例如图77右侧所示的四个气室7705、7706、7707和7708)，沿着orr空气腔室可以允许可调节的压力以平衡来自电解质140的压力。这可以使用压缩空气、氧气、无co2空气或这些中的任意组合来完成，并且可以在变化的湿度下进行。这可以只是平衡压力，或者在空气侧的压力可以在每个点略微升高以防止电解质140泄漏到空气腔室中。单个电极中的这些腔室可以与如图77a所示的其他的独立电极中具有相同电解质深度的腔室共享空气，其中每个腔室p1、p2和p3分别彼此共享空气。这些压力的实现可以通过使腔室(例如7705、7706、7707、7708)排气到它们的局部电解质中、驱动它们气体压力到腔室附近所经历的压力，或驱动它们气体压力进入在具体深度的单独的液体腔室中以匹配与如图77b图所示的设定长度的管的静水压力，其中管长度h1、h2和h3与各自的腔室p1、p2和p3相关联。通过利用第二容器的静水压力控制气室的压力可以使气流与电解质分离，从而最大限度地减少碳酸化作用和氧化作用。
[0205]
图78a-图85c示出了根据各种实施方案的未密封的水平浸没式orr电极和反应器设计的方面。未密封的水平浸没式orr电极和反应器也可以称为uhs反应器。在一些实施方案中，uhs反应器架构可配置为安装在重复的阳极-阴极-阳极-阴极阵列中，其中，在各种实施方案中重复单元的数量和精确尺寸不同。uhs反应器可以包括由金属片制成的集流体，所述金属片可以被冲压、冲孔、轧制、成型、卷曲、焊接。集流体的材料可以包括镀镍碳钢或任何其他合适的材料。各种实施方案的uhs反应器设计可以允许在不进行重大拆卸的情况下移除阳极或阴极。在各种实施方案中，阴极可以是orr/orr层的垂直夹层。uhs反应器中使用的塑料可以包括聚丙烯、hdpe和/或xlpe(交联聚乙烯(pe))，这对于需要抗蠕变性的情况可能是有利的。塑料可用于通过注塑成型、挤出、热板焊接、吹塑/旋转真空成型和/或以任何其他适合于选定塑料类型的方式产生的部件中。
[0206]
图78a-图78c示出了根据实施方案的uhs配置。在图78a-图78c的配置中，所述uhs可以包括具有卷压件(roll crimp)7807的orr电极，所述卷压件7807将orr密封于orr集流体7802。uhs可以具有弓形框架7800、注模框架7803，并且oer可以由顶部挡边7804和底部挡边7805约束。卷压件7807可以将orr密封于orr集流体7802。orr集流体7802可以是冲压的orr集流体7802。图78b示出了图78a的uhs的下侧视图。图78c示出了适合与图78a和78b的uhs一起使用的示例性卷压件配置。
[0207]
图79a-图79c示出了根据另一个实施方案的uhs配置，其中orr集流体7902是堆叠的。在图79a-图79c的配置，所述uhs可以包括堆叠在卷压的orr集流体7902中的orr电极。uhs可以具有注塑框架7903，并且oer可以由框架的顶部挡边和底部挡边约束。orr集流体7902的卷压件可以将orr密封于orr集流体7902。orr集流体7902可以是冲压的orr集流体7902。图79b示出了图79a的uhs的下侧视图。图79c示出了适合与图79a和79b的uhs一起使用的示例性卷压件和间距配置。
[0208]
图80a-图80b示出了根据另一个实施方案的uhs配置，其中所述uhs具有不对称的
集流体框架。在图80a-图80b的配置中，uhs可以包括堆叠在卷压的orr集流体8002中的orr电极。卷压件将orr密封于orr集流体8002。uhs可以包括弓形框架8000。类似地，可以将辊压成型的oer集流体8005卷压到oer电极上。uhs可能具有挤压成型的框架。
[0209]
图81a-图81b示出了根据另一个实施方案的uhs配置。在图81a-图81b的配置中，所述uhs可以包括堆叠在卷压的orr集流体8102中的orr电极。卷压件将orr密封于orr集流体8102。类似地，可以将oer集流体8005卷压到oer。oer集流体8105可以位于orr集流体8102的内侧，并且绝缘体8106(例如聚丙烯绝缘体等)可以将集流体8105和8102分隔开。图82示出了如图81a-图81b所示的uhs的不同配置，其中oer与orr通过集流体8105和8102中卷压件的间距和绝缘体8106的尺寸进一步分离。
[0210]
图83a-图83d示出了根据另一个实施方案的uhs配置。在图83a-图83d的配置中，所述uhs可以包括堆叠在楔形的卷压的orr集流体8302中的orr电极。楔形卷压使orr密封于orr集流体8302上。orr集流体8302可以被冲压或辊压，并且例如可以由xple形成。类似地，可以将oer集流体8305卷压到oer。oer集流体8305可以位于orr集流体8302的内侧，并且绝缘体8306(例如聚丙烯绝缘体等)可以形成内部支架/楔子，其可以支撑oer集流体8305并且可以分隔集流体8305的和8302。uhs可以包括用于组装预卷压的搭扣配合件8310。uhs可以具有弓形框架8300。
[0211]
图84示出了图83a-图83d的uhs的端部状态(或帽)，其中orr集流体8302可焊接到垂直总线8412。端部状态(或帽)可以包括挤出的oer/orr绝缘体支架楔子8418，其可以包括一系列用于空气管理的孔8416。
[0212]
图85a-图85c示出了根据各种实施方案的用于uhs的阳极配置。所述阳极可以由阳极部件8500形成，所述阳极部件8500形成为折叠平板，其一部分在图85a中示出。所述平板可以是实心平板、穿孔平板和/或膨胀型平板，例如具有图85b所示的具有部分8501或8502的膨胀型平板。在一些实施方案中，可以将阳极部件(例如部件8500a和8500b)填充然后压缩在一起并焊接在一起。例如，可以填充第一部件8500a，并且所述第二部分8500b可以压缩该第一部件8500a。可以焊接所述部件8500a和8500b，并且焊缝8506(或点焊)可以将部件8500a和8500b保持在一起。可以对其他阳极部件重复该处理，直到阳极完全堆叠。
[0213]
图86a-图87b示出了uhs反应器中实施方案的气泡流特征和实施方案的uhs反应器配置。图86a示出了剧烈的气泡流设计8602。图86b示出了剧烈的气泡流设计8603。图86c示出了堆叠核心型反应器8604，其中气泡从堆叠的侧面逸出。图86d示出了uhs网8605，其中在杯的斜坡边缘中钻有孔，例如4深5宽1/16英寸(4deep 5wide1/16inch holes)的孔。图86e示出了uhs瓣阀8606，其中低碳钢网8607在uhs杯的开口上方联接到特氟龙(teflon)网8608。图87a示出了uhs的直线设计8702，包括定制的阳极。图87b示出了具有标准缩比(subscale)的阳极的直线设计的组件8703的设计。图87c示出了匹配对称设计的组件8704的设计。
[0214]
图88s示出了根据各种实施方案的示例性密封的垂直浸没式(svs)orr电极的方面。如图88s的顶部所示，svs重复单元可以包括在整个组件中线性重复的oer、阳极、orr、阳极模式。示出了示例性orr膜组件，并且也示出了进气口、出气口和orr膜之间相互作用的实施例。
[0215]
在各种实施方案中，密封的垂直浸没式(svs)orr电极可以与流场结合，所述流场
将空气流或氧气流从多支管引导至orr电极片。图88a-图88e示出了这种实施方案的svs orr电极配置的示例性方面。所述流场8801可由塑料(例如聚丙烯、hdpe)或金属(例如钢、镍)构成。所述流场8801还可以用作集流体和/或可以包括嵌入式集流体8804。流场可以相对于orr电极8820压缩，以使得气体能够从空气流动通道8801直接输送到orr电极。所述流场可以集流和引导空气流。所述流场8801可以由金属和塑料绝缘材料构成。所述流场8801可以放置在片状orr电极的疏水涂层侧。所述流场8801可以由一系列通道8802构成，所述一系列通道8802宽度为0.1mm至5cm，深度为0.1mm至1cm。所述流场8801可以包括气体扩散层(gdl)8805。如图88fa所示，流动通道可以采用平行、交叉指型、蛇形或螺旋几何图案的形式。在某些实施方案中，所述流场中的流动通道可以呈现允许orr电极和流场之间的小的着陆接触(landing contacts)的椭圆形横截面，这可以在低压降下实现高流速。所述流场可以允许控制气流穿过和/或进入orr电极，通过不同的设计模式来针对不同的运行功率和不同的溢流缓解措施。所述流场可以允许使用更广泛的orr电极设计阵列，尤其是关于通过orr电极的厚度并进入催化剂层的氧气传输。在某些实施方案中，导电流场可以允许使用没有嵌入集流体的空气电极。为了在碱性电解质系统中使用，导电流场可以由碳、石墨、镍或镀镍钢构成。
[0216]
蛇形流场允许反应气体在电化学系统中具有较长的停留时间，这会有助于增加空气利用率(或降低化学计量)。然而，众所周知，蛇形流场由于存在细而弯曲的气体输送通道而表现出很大的压降。如图88fb所示，在某些实施方案中，将蛇形通道分成多个段可以实现空气利用和压降的共同优化。蛇形流动通道可以分成多个段，具有位于更大的进口多支管和出口多支管的多个进口气体输送点和出口气体输送点。连接的蛇形段的数量可以在设计中进行调整，以优化空气利用率和压降。较多连接的蛇形段可以产生较高的空气利用率和较高的压降，而较少连接的蛇形节段可能产生较低的空气利用率和较低的压降。
[0217]
在某些实施方案中，所述流场中的所述流动通道可以是锥形的，这可以调节空气流动通道8810内的气压。图88g示出了锥形空气流动通道。当空气从流场的进口(电池底部)流向出口(电池顶部)时，锥形流动通道可以通过施加更高的压降来限制气流。在某些实施方案中，空气体积流量保持恒定，并且在流动通道内产生的增加的气压可以平衡电池底部处的液压。如图88h所示，在某些实施方案中，流场的几何形状，例如通道的宽度、它们如蛇形、交叉指型的配置等，被用于改变单个子组件内沿空气通道的压力，从而得到所需的压力梯度模式。这种模式可以与电极深度上的周围静水压力相匹配。例如，压力最高的空气可以进入腔室底部，周围的电解质压力在那里最高。当气体向上穿过流场时，流场中的阻力(类似于管道摩擦力)会降低空气压力。如果设计流场阻力是为了以适当的速率降低气流中的压力，则可以将其设计为与容器中向上移动的较小的电解质压力相匹配，以维持恒定的跨电极压力梯度。减压几何特征(例如孔(orifice))也可用于改变沿如图88i所示的orr电极子组件内的空气流动通道的压力。在某些实施方案中，在orr电极后面可以只有一个的大的流动腔。在另外的实施方案中，在orr电极后面可以有多个流动通道来引导气流。锥形空气流动通道可以通过增材制造技术(additive manufacturing technique，例如3d打印)经济地制造。锥形空气流动通道也可以通过挤出或注塑成型来制造。
[0218]
如图88j-图88l所示，在各种实施方案中，密封的垂直浸没式(svs)orr电极可以由片/膜空气电极组件构成。所述空气电极8853可以由单片电极材料8852构成，所述电极材料
8852围绕机械限定的空气流场8850折叠到自身上并且通过边缘卷压密封件8854在产生的两个垂直边缘处密封或卷压。在这样的实施方案中，所述组件可以形成用于将空气输送到电极结构内部的封闭的蜿蜒曲折的通道，从而有效地形成可以浸入金属-空气电池组的电解质浴中的袋状组件。电解质的静水压力可以部分地或全部地将组件保持在一起。在某些实施方案中，以使内部腔室与外部电解质液压隔离的这样的方式建立组件，从而使得空气流过组件的内部并且与可控地润湿到电极材料的外表面的电解质发生反应。在某些实施方案中，所述空气电极材料可以具有足够的机械强度和完整性以承受自身折叠和在边缘处密封。在某些实施方案中，所述组件可以包括附加的顶部密封件8860，并辅以卷压结构、具有紧固件的翻盖、粘合剂或垫片材料。在某些实施方案中，所述附加的顶部密封件可包括热熔焊或超声波焊接。所述顶部密封件8860还可以充当与orr电极材料的电接触。在某些实施方案中，电极材料可具有高的平面内导电性，使得由导电材料制成的流场可代替原本嵌入orr电极材料中的集流体起作用。
[0219]
由泡沫金属或多孔烧结金属板组成的，设计用于垂直取向的oer电极的集流体会易于产生大的电阻损耗(即ir压降)。与集流体机械配合的oer电极部分也会发生机械失效。随着反应器和电极的几何尺寸的增加，大的电阻损耗和机械失效的发生率都会变得更加普遍。如图88m-图88q所示，在一些实施方案中，oer集流体设计可以包括小的尖刺(spike)，所述尖刺垂直于板的平面外被切割和压铸。所述集流体可以夹紧在oer电极上，其中所述尖刺插入oer电极以提供与泡沫更大的接触面积，同时所述集流体具有多孔结构以允许电解质流过它。在另一个实施方案中，通过将如图88r所示的两个金属板固定在oer电极的两侧，可以将所述集流体机械地配合到oer电极上。在这样的实施方案中，两个板可以压紧和闭合在夹持区域中的oer电极的孔隙，从而可以随后降低oer电极和集流体之间的接触电阻。在另一个实施方案中，可以在金属集流体板之间引入金属或塑料间隔件以限制oer电极上的最大允许应变。
[0220]
图89示出了根据各种实施方案的示例性的未密封的水平浸没式(uhs)orr电极的方面。如图89的上图所示，orr和oer电极对可以被空气隔开并且排列在彼此的顶部，其中电极柱或orr和oer电极被阳极结构分隔开。图89的下图示出了uhs orr电极的剖视图。图90示出了重复的orr电极组件的示例性容器。图90的容器可以包括svs型电极组件，例如图88所示的那些，或uhs电极组件，例如图89所示的那些。svs orr电极组件和uhs orr电极组件都适用于相同容器类型中的重复电极组件(并联)。
[0221]
图91c示出了根据各种实施方案的密封的orr电极的压力梯度减轻的实例。由于物理或电化学老化机制，分布不匀的压力会损坏orr电极或导致orr电极过早老化。为了在orr电极的三相边界上保持稳定和恒定的压力梯度，可以使用空气分配多支管、渗滤器、一系列孔和/或多孔板系统来改变不同深度的空气压力。图91示出了这种多孔板系统和orr电极高度上的压力梯度。
[0222]
orr电极可以设计为引入到金属-空气电池组组件的组件，使其机械结构类似于板框式热交换器，并具有如图91b所示的交替的orr板和非活性阻隔板。在这样的实施方案中，一种流体是电解质而另一种流体是空气。在另一个实施方案中，orr电极组件可以设计为类似于螺旋缠绕膜滤筒，其具有交替的orr层和非活性阻隔层，其中如图91a所示，一种流体是电解质而另一种流体是空气。在另一个实施方案中，orr电极组件可以类似于螺旋缠绕式热
交换器，其具有交替的orr板和非活性阻隔板，其中一种流体是电解质而另一种流体是空气。
[0223]
用于碱性电池的由dri球团构成的铁阳极，例如铁-空气、铁-镍或铁-mno2可能需要压缩dri球团以提高球团间的导电性和可使用的容量。机械压缩方法通常可以显著增加组件的硬件和组装成本。通过以图92所示的下列方法要点在恒定应变下同时压缩和保留dri球团的大型组件。多孔金属集流体笼填充有dri球团。在足以将dri球团应变到超过所需最终值的负载下，将集流体盖压入dri球团床。集流体盖和笼采用机械锁紧特性机械配合在一起。释放负载后，机械锁紧特性将盖和笼保持在配合配置。负载的释放能够释放一些dri球团中现在被盖机械保留下来的弹性应变。dri球团因此保持在压缩负载和应变下，由机械锁紧机构固定在适当的位置。
[0224]
可以通过如图93所示的附加方法要点在恒定应变下同时压缩和保留dri球团的大型组件。多孔金属集流体笼填充有dri球团。螺纹杆通过焊接或机械紧固件机械与集流体笼的底部配合。集流体盖包含与螺栓样式匹配的孔样式，装载在dri球团床的顶部，螺纹杆上方。用螺纹螺母将盖压下并对dri球团施加压缩负载。螺纹螺母可以是锁紧螺母。
[0225]
各种实施方案可以提供用于大容量储能系统中的装置和/或方法，例如长时储能(lodes)系统、短时储能(sdes)系统等。作为示例，各种实施方案可以提供用于大容量储能系统的电池组(例如，电池组100、400、500等)，例如用于lodes系统的电池组。可再生能源正变得越来越普遍且具有成本效益。然而，许多可再生能源面临着阻碍可再生能源采用的间歇性问题。通过将可再生能源与大容量储能系统(例如lodes系统、sdes系统等)配对，可以减轻可再生能源的间歇性趋势的影响。为了支持组合的发电、传输和储存系统(例如，具有可再生发电源的发电厂与大容量储能系统和位于任一发电厂和/或大容量储能系统的传输设施配对)的采用，需要支持这种组合的发电、传输和储存系统的设计和运行的设备和方法，例如本文描述的各种实施方案的设备和方法。
[0226]
组合的发电、传输和储存系统可以是发电厂，其包括一个或多个发电源(例如，一个或多个可再生发电源、一个或多个不可再生发电源、可再生和不可再生发电源的组合等)、一个或多个传输设施和一个或多个大容量储能系统。在任何发电厂和/或大容量储能系统的传输设施可以与发电和储存系统共同优化，或者可以对发电和储存系统的设计和运行施加约束。在各种设计和运行的约束下，组合的发电、传输和储存系统可以配置以满足各种输出目标。
[0227]
图94-图102示出了各种示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统(例如lodes系统、sdes系统等)的一部分。例如，如图1a-图93所示的本文描述的各种实施方案的电池组可以用作大容量储能系统(例如lodes系统、sdes系统等)的电池组，和/或本文所述的各种电极可以用作大容量储能系统的组件。如本文所用，术语“lodes系统”可以意指配置为可具有24小时(h)或更长的额定持续时间(能量/功率比)的大容量储能系统，例如24h的持续时间、24h至50h的持续时间、大于50h的持续时间、24h至150h的持续时间、大于150h的持续时间、24h至200h的持续时间、大于200h的持续时间、24h至500h的持续时间、大于500h的持续时间等。
[0228]
图94示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统
可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案电池组、本文描述的各种电极等。lodes系统9404可以电连接到风电场9402和一个或多个传输设施9406。风电场9402可以电连接到传输设施9406。传输设施9406可以电连接到电网9408。风电场9402可以产生电力并且风电场9402可以向lodes系统9404和/或传输设施9406输出所产生的电力。lodes系统9404可以储存从风电场9402和/或传输设施9406接收的电力。lodes系统9404可以将储存的电力输出到传输设施9406。传输设施9406可以将从风电场9402和lodes系统9404中的一者或两者接收的电力输出到电网9408，和/或可以从电网9408接收电力并将该电力输出到lodes系统9404。风电场9402、lodes系统9404和传输设施9406一起可以构成发电厂9400，所述发电厂9400可以是组合的发电、传输和储存系统。风电场9402产生的电力可以通过传输设施9406直接供应给电网9408，或者可以首先储存在lodes系统9404中。在某些情况下，供应给电网9408的电力可以完全来自风电场9402、完全来自lodes系统9404，或来自风电场9402和lodes系统9404的组合。来自发电厂9400的组合的风电场9402和lodes系统9404的电力调度可以根据确定的长期(多日或甚至多年)计划进行控制，或可以根据日前(24小时预告)行情控制，或可以根据小时行情控制，或可以响应于实时定价信号控制。
[0229]
作为电厂9400运行的一个实例，lodes系统9404可以用于重塑和“巩固”由风电场9402产生的电力。在一个这样的实施例中，风电场9402可以具有260兆瓦(mw)的峰值发电输出(容量)和41％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有106mw的额定功率(容量)、150小时(h)的额定持续时间(能量/功率比)和15,900兆瓦时(mwh)的能效。在另一个这样的实例中，风电场9402可以具有300mw的峰值发电输出(容量)和41％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有106mw的额定功率、200h的额定持续时间(能量/功率比)和21,200mwh的能效。在另一个这样的实例中，风电场9402可以具有176mw的峰值发电输出(容量)和53％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有88mw的额定功率(容量)、150h的额定持续时间(能量/功率比)和13,200mwh的能效。在另一个这样的实例中，风电场9402可以具有277mw的峰值发电输出(容量)和41％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有97mw的额定功率(容量)、50h的额定持续时间(能量/功率比)和4,850mwh的能效。在另一个这样的实例中，风电场9402可以具有315mw的峰值发电输出(容量)和41％的容量因数(cf)。lodes系统9404可具有110mw的额定功率(容量)、25h的额定持续时间(能量/功率比)和2,750mwh的能效。
[0230]
图95示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案的电池组、本文描述的各种电极等。图95的系统可以类似于图94的系统，除了风电场9402可以被光伏(pv)场9502代替。lodes系统9404可以电连接到pv场9502和一个或多个传输设施9406。pv场9502可以电连接到传输设施9406。传输设施9406可以电连接到电网9408。pv场9502可以产生电力并且pv场9502可以将所产生的电力输出到lodes系统9404和/或传输设施9406。lodes系统9404可以储存从pv场9502和/或传输设施9406接收的电力。lodes系统9404可以向传输设施9406输出储存的电力。传输设施9406可以将从pv场9502和lodes系统9404中的一者或两者接收的电力输出到电网9408和/或可以从电网9408接收电力并将该电力输出到lodes系统9404。pv场9502、lodes系统9404和传输设施9406一起可以构成发电厂9500，所述
发电厂9500可以是组合的发电、传输和储存系统。pv场9502产生的电力可以通过传输设施9406直接供应给电网9408，或者可以首先储存在lodes系统9404中。在某些情况下，供应给电网9408的电力可以完全来自pv场9502、完全来自lodes系统9404、或来自pv场9502和lodes系统9404的组合。来自发电厂9500的组合的pv场9502和lodes系统9404的电力调度可以根据确定的长期(多日或甚至多年)计划控制，或可以根据日前(24小时预告)行情控制，或可以根据小时行情控制，或可以响应于实时定价信号控制。
[0231]
作为发电厂9500运行的一个实例，lodes系统9404可以用于重塑和“巩固”由pv场9502产生的电力。在一个这样的实施例中，pv场9502可以具有490mw的峰值发电输出(容量)和24％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有340mw的额定功率(容量)、150h的额定持续时间(能量/功率比)和51,000mwh的能效。在另一个这样的实例中，pv场9502可以具有680mw的峰值发电输出(容量)和24％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有410mw的额定功率(容量)、200h的额定持续时间(能量/功率比)和82,000mwh的能效。在另一个这样的实例中，pv场9502可以具有330mw的峰值发电输出(容量)和31％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有215mw的额定功率(容量)、150h的额定持续时间(能量/功率比)和32,250mwh的能效。在另一个这样的实例中，pv场9502可以具有510mw的峰值发电输出(容量)和24％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有380mw的额定功率(容量)、50h的额定持续时间(能量/功率比)和19,000mwh的能效。在另一个这样的实例中，pv场9502可以具有630mw的峰值发电输出(容量)和24％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有380mw的额定功率(容量)、25h的额定持续时间(能量/功率比)和9,500mwh的能效。
[0232]
图96示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案的电池组、本文描述的各种电极等。图96的系统可以类似于图94和图95的系统，除了风电场9402和光伏(pv)场9502都可以是在发电厂9600中一起工作的发电机。光伏场9502、风电场9402、lodes系统9404和传输设施9406一起可以构成发电厂9600，所述发电厂9600可以是组合的发电、传输和储存系统。pv场9502和/或风电场9402产生的电力可以通过传输设施9406直接供应给电网9408，或者可以首先储存在lodes系统9404中。在某些情况下，供应给电网9408的电力可完全来自pv场9502、完全来自风电场9402、完全来自lodes系统9404，或来自pv场9502、风电场9402和lodes系统9404的组合。来自发电厂9600的组合的风电场9402、pv场9502和lodes系统9404的电力调度可以根据确定的长期(多日或甚至多年)计划控制，或可以根据日前(24小时预告)行情控制，或可以根据小时行情控制，或可以响应于实时定价信号控制。
[0233]
作为发电厂9600运行的一个实例，lodes系统9404可以用于重塑和“巩固”由风电场9402和pv场9502产生的电力。在一个这样的实施例中，风电场9402可以具有126mw的峰值发电输出(容量)和41％的容量因数(cf)，并且pv场9502可以具有126mw的峰值发电输出(容量)和24％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有63mw的额定功率(容量)、150h的额定持续时间(能量/功率比)和9,450mwh的能效。在另一个这样的实例中，风电场9402可以具有170mw的峰值发电输出(容量)和41％的容量因数(cf)，并且pv场9502可以具有110mw的峰值发电输出(容量)和24％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有57mw的额定功率(容量)、
200h的额定持续时间(能量/功率比)和11,400mwh的能效。在另一个这样的实例中，风电场9402可以具有105mw的峰值发电输出(容量)和51％的容量因数(cf)，并且pv场9502可以具有70mw的峰值发电输出(容量)和31％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有61mw的额定功率(容量)、150h的额定持续时间(能量/功率比)和9,150mwh的效。在另一个这样的实例中，风电场9402可以具有135mw的峰值发电输出(容量)和41％的容量因数(cf)，并且pv场9502可具有90mw的峰值发电输出(容量)和24％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有68mw的额定功率(容量)、50h的额定持续时间(能量/功率比)和3,400mwh的能效。在另一个这样的实例中，风电场9402可以具有144mw的峰值发电输出(容量)和41％的容量因数(cf)，并且pv场9502可以具有96mw的峰值发电输出(容量)和24％的容量因数(cf)。lodes系统9404可以具有72mw的额定功率(容量)、25h的额定持续时间(能量/功率比)和1,800mwh的能效。
[0234]
图97示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案的电池组、本文描述的各种电极等。lodes系统9404可以电连接到一个或多个传输设施9406。以此方式，lodes系统9404可以以“独立”方式运行，以围绕市场价格仲裁能源和/或避免传输约束。lodes系统9404可以电连接到一个或多个传输设施9406。传输设施9406可以电连接到电网9408。lodes系统9404可以储存从传输设施9406接收的电力。lodes系统9404可以将其储存的电力输出到传输设施9406。传输设施9406可以将从lodes系统9404接收的电力输出到电网9408和/或可以从电网9408接收电力并将该电力输出到lodes系统9404。
[0235]
lodes系统9404和传输设施9406可以一起构成发电厂900。作为示例，发电厂900可以位于传输约束的下游，靠近电力消耗。在这样的位于下游的发电厂9700的实例中，lodes系统9404可以具有24h至500h的持续时间，并且可以在一年中经历一次或多次完全放电以在传输容量不足以为客户服务时支持峰值电力消耗。另外，在这样的位于下游的发电厂9700的实施例中，lodes系统9404可以经历几次浅放电(每天或以更高频率)，以仲裁夜间和白天电价之间的差异并降低对客户的电力服务的总成本。作为进一步的实例，发电厂9700可以位于传输约束的上游，靠近电力产生。在这样的位于上游的发电厂9700的实例中，lodes系统9404可以具有24h至500h的持续时间，并且可以在一年中经历一次或多次完全充电以在传输容量不足以将电力分配给顾客时吸收多余的发电。另外，在这样的位于上游的发电厂9700的实例中，lodes系统9404可以经历几次浅充电和放电(每天或以更高的频率)以仲裁夜间和日间电价之间的差异并使发电设施的输出价值最大化。
[0236]
图98示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案的电池组、本文描述的各种电极等。lodes系统9404可以电连接到商业和工业(c&i)客户9802，例如数据中心、工厂等。lodes系统9404可以是电连接到一个或多个传输设施9406。传输设施9406可以电连接到电网9408。传输设施9406可以从电网9408接收电力并且将该电力输出到lodes系统9404。lodes系统9404可以储存从传输设施9406接收到的电力。lodes系统9404可以将其储存的电力输出到c&i客户9802。以此方式，lodes系统9404可以运行以重塑从电网
608购买的电力以匹配c&i客户9802的消耗模式。
[0237]
lodes系统9404和传输设施9406可以一起构成发电厂9800。作为示例，发电厂9800可以靠近电力消耗，即靠近c&i客户9802，例如在电网9408和c&i客户9802之间。在这样的实施例中，lodes系统9404可以具有24h至500h的持续时间，并且可以从市场购买电力从而在电力较便宜的时候向lodes系统9404充电。然后lodes系统9404可以在市场价格昂贵时放电以向c&i客户9802提供电力，因此抵消c&i客户9802的市场购买。作为替代配置，发电厂9800可以位于可再生能源例如光伏场、风电场等之间，而不是位于电网9408和c&i客户9802之间，并且传输设施9406可以连接到可再生能源。在这样的替代实施例中，lodes系统9404可以具有24h至500h的持续时间，并且lodes系统9404可以在可再生输出可用时充电。然后lodes系统9404可以放电以向c&i客户9802提供可再生发电，从而满足c&i客户9802电力需求的一部分或全部。
[0238]
图99示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案的电池组、本文描述的各种电极等。lodes系统9404可以电连接到风电场9402和一个或多个传输设施9406。风电场9402可以电连接到传输设施9406。传输设施9406可以电连接到c&i客户9802。风电场9402可以发电，并且风电场9402可以将所产生的电力输出到lodes系统9404和/或传输设施9406。lodes系统9404可以储存接收的来自风电场9402的电力。
[0239]
lodes系统9404可以向传输设施9406输出储存的电力。传输设施9406可以将从风电场9402和lodes系统9404中的一者或两者接收的电力输出给c&i客户9802。风电场9402、lodes系统9404和传输设施9406一起可以构成发电厂9900，发电厂9900可以是组合的发电、传输和储存系统。由风电场9402产生的电力可以通过传输设施9406直接供应给c&i客户9802，或者可以首先储存在lodes系统9404中。在某些情况下，供应给c&i客户9802的电力可以完全来自风电场9402、完全来自lodes系统9404、或来自风电场9402和lodes系统9404的组合。lodes系统9404可以用于重塑风场9402产生的电力以匹配c&i客户9802的消耗模式。在一个这样的实例中，lodes系统9404可以具有24h至500h的持续时间，并且可以在风电场9402的可再生发电超过c&i客户9802的负载时充电。然后lodes系统9404可以在风电场9402的可再生发电低于c&i客户9802的负载时放电，以便为c&i客户9802提供可靠的可再生配置，以抵消部分或全部c&i客户9802的电力消耗。
[0240]
图12示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案的电池组、本文描述的各种电极等。lodes系统9404可以是发电厂10000的一部分，所述发电厂10000用于整合微电网中的大量可再生能源，并协调可再生发电(通过例如pv场9502和风电场9402)和现有的热发电(例如通过热电厂10002，例如，燃气电厂、燃煤电厂、柴油发电机组等，或热发电方法的组合)的输出，同时可再生发电和热发电为c&i客户9802提供高可用性的负载。微电网(例如由发电厂10000和热电厂10002构成的微电网)可以提供90％或更高的可用性。pv场9502和/或风电场9402产生的电力可以直接供应给c&i客户9802，或者可以首先储存在lodes系统9404中。
[0241]
在某些情况下，供应给c&i客户9802的电力可以完全来自pv场9502，完全来自风电场9402，完全来自lodes系统9404，完全来自热电厂10002，或来自pv场9502、风电场9402、lodes系统9404和/或热发电厂10002的任意组合。作为示例，发电厂10000的lodes系统9404可以具有24h至500h的持续时间。作为具体实例，c&i客户9802的负载可以具有100mw的峰值，lodes系统9404可以具有14mw的额定功率和150h的持续时间，天然气的价格可以为$6/百万英热单位(mmbtu)，并且可再生占有率可以为58％。作为另一个具体实例，c&i客户9802的负载可以具有100mw的峰值，lodes系统9404可以具有25mw的额定功率和150h的持续时间，天然气的价格可以为$8/mmbtu，并且可再生占有率可以为65％。
[0242]
图101示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案的电池组、本文描述的各种电极等。lodes系统9404可以用于补充核电站10102(或其他不灵活的发电设施，例如热发电设施、生物质发电设施等，和/或具有一小时内低于额定功率50％的斜坡率以及80％或更高的高容量因数的任何其他类型的电厂)，以增加由组合的lodes系统9404和核电厂10102构成的电厂10100的组合输出的灵活性。核电站10102可以高容量因数和最高效率点运行，而lodes系统9404可以充电和放电以有效地重塑核电站10102的输出，以匹配客户电力消耗和/或市场电价。作为示例，发电厂10100的lodes系统9404可以具有24h至500h的持续时间。在一个具体实例中，核电站10102可以具有1,000mw的额定输出，并且核电站10102可以由于电力的市场价格低迷而被迫进入长时间的最小稳定发电甚至停工。lodes系统9404可以在市场价格低迷时避免设施关闭并且充电；并且随后lodes系统9404可以在市场价格膨胀时放电并提高总输出发电量。
[0243]
图102示出了示例性系统，其中各种实施方案的一个或多个方面可以用作大容量储能系统的一部分。作为具体实例，结合各种实施方案的一个或多个方面的大容量储能系统可以是lodes系统9404。作为示例，lodes系统9404可以包括本文描述的各种实施方案的电池组、本文描述的各种电极等。lodes系统9404可以与sdes系统10202协同运行。lodes系统9404和sdes系统10202一起可以构成发电厂10200。例如，lodes系统9404和sdes系统10202可以共同优化，由此lodes系统9404可以提供各种服务，包括长时备份和/或通过多日波动(例如，市场价格、可再生发电、电力消耗等的多日波动)而分流(bridging)，并且sdes系统10202可以提供各种服务，包括快速辅助服务(例如，电压控制、频率调节等)和/或通过日内波动(例如，市场价格、可再生发电、电力消耗等的日内波动)而分流。sdes系统10202可以具有小于10小时的持续时间和大于80％的往返效率。lodes系统9404可以具有24h至500h的持续时间和大于40％的往返效率。在一个这样的实例中，lodes系统9404可以具有150小时的持续时间并且支持长达一周的可再生发电不足的客户电力消耗。lodes系统9404还可以支持日内发电不足事件期间的客户电力消耗，补充sdes系统10202的容量。此外，sdes系统10202可以在日内发电不足事件期间向客户供电，并提供电力调节和例如电压控制和频率调节等的优质服务。
[0244]
上述方法描述仅作为示例性的实施例提供，并不旨在要求或暗示各种实施方案的步骤必须按所呈现的顺序执行。如本领域技术人员将理解的，前述实施方案中的步骤顺序可以以任何顺序执行。诸如“之后”、“然后”、“下一步”等词语不一定是为了限制步骤的顺
序；这些词可用于通过对方法的描述指导读者。此外，以单数形式对权利要求要素的任何引用，例如使用冠词“a”、“an”或“the(所述)”，不应被解释为将要素限制为单数。
[0245]
此外，本文描述的任何实施方案的任何步骤可以用于任何其他实施方案中。提供上述公开的方面的描述以使任何本领域技术人员能够制造或使用本发明。对这些方面的各种修改对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不偏离本发明的范围的情况下，这里定义的一般原理可以应用于其他方面。因此，本发明不旨在局限于本文所示的方面，而是符合与本文公开的原理和新颖特征一致的最广泛范围。