電化學(xué)電池中的水重捕獲/再循環(huán)系統(tǒng)的制作方法
【專利說明】
[0001] 先前申請的香叉引用
[0002] 本申請要求于2013年2月11日提交的美國臨時申請序列號61/763, 423的權(quán)益， 并通過引用方式將其整體并入于此。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明總體上設(shè)及電化學(xué)電池，且更具體地設(shè)及利用離子導(dǎo)電介質(zhì)的電化學(xué)電 池。
【背景技術(shù)】
[0004] 許多類型的電化學(xué)電池利用液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)來支持電池內(nèi)的電化學(xué)反應(yīng)。電 化學(xué)電池可利用禪合到燃料電極（包括任何合適的燃料）的吸氣式氧化劑電極。例如，金 屬-空氣電化學(xué)電池系統(tǒng)可包括多個電池，每個電池具有用作在該處金屬燃料被氧化的陽 極的燃料電極、W及在該處來自環(huán)境空氣的氧被還原的吸氣式氧化劑還原電極。在運種電 池中的液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)可在電極之間傳送被氧化/還原的離子。
[0005] 在各種液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)中，從離子導(dǎo)電介質(zhì)的蒸發(fā)、電解（例如在再充電時分 解水）或其它水分損耗對于電化學(xué)電池可能是有害的。例如，離子導(dǎo)電介質(zhì)的鹽化可阻塞 電化學(xué)電池的氧化劑電極，從而降低其性能或在極端情況下導(dǎo)致功能喪失。運種鹽化或其 它故障可能發(fā)生在例如氧化劑電極的空氣側(cè)或其部分過度干燥的情況下。另外，離子導(dǎo)電 介質(zhì)中含水量的減少會減少介質(zhì)的溶解容量（即它溶解溶質(zhì)的能力），或者增加介質(zhì)中溶 質(zhì)的百分比濃度。
[0006] 據(jù)此，本申請中的公開內(nèi)容力爭除控制與其吸氣式氧化劑電極關(guān)聯(lián)的濕度之外， 便于保持電化學(xué)電池中所期望的含水量。
[0007] 當(dāng)本公開內(nèi)容的最初示例設(shè)及包括吸氣式電極的電化學(xué)電池，但是運不旨在于用 任何方式進行限制。本發(fā)明可被采用于任何包括液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)的電化學(xué)電池中。例 如，容量和尺寸的寬范圍內(nèi)的富水式電池（例如鉛酸電池、儀儒電池）在本領(lǐng)域是已知的。 運些經(jīng)常是通氣電池，其包括通氣孔或低壓釋放閥W釋放由于電解在水分解時形成的氧氣 和氨氣。電解液的損耗（例如通過蒸發(fā)和/或電解）必須通過日常維護來定期替換。本 領(lǐng)域已知的向電池補充水的各種手段包含手動添加、高壓注入手動添加和單點電池供水系 統(tǒng)。單點電池供水系統(tǒng)包括經(jīng)由管道連接到與每個電化學(xué)電池關(guān)聯(lián)的水閥組件的液態(tài)水庫 或水槽。運種電池供水系統(tǒng)在本領(lǐng)域中是熟知的，例如美國專利或申請公開號4, 386, 141 ; 5, 284, 176 ;5, 453, 3：34 ;6, 164, 309 ;6, 786, 226 ;7, 040, 431 ;7, 556, 056 ;2006/0281000 和 2011/0236730。每個閥組件可包括機械級控制閥（通常為浮閥），W用于一旦到達預(yù)定的電 解液液面，就切斷水流。經(jīng)常，運些機械閥會故障或卡住，且液態(tài)水不受阻礙地流動。運尤 其對于含水堿性電池（例如儀儒電池）是成問題的，因為干燥的鹽經(jīng)常阻塞閥。為了避免 運樣，開發(fā)經(jīng)由高壓爆裂操作的閥是本領(lǐng)域已知的。然而，運種高壓系統(tǒng)通常對累的功率 和長期可靠性兩者有要求。
[0008] 據(jù)此，本申請中的公開內(nèi)容提供了無源水管理系統(tǒng)，W用于保持在包括液態(tài)離子 導(dǎo)電介質(zhì)的任何電化學(xué)電池中的含水量，而不需要累、液態(tài)水庫和機械液面控制閥。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009] 根據(jù)實施例，用于管理一個或更多電化學(xué)電池中的含水量的系統(tǒng)（每個電化學(xué)電 池包括多個電極和液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)）包含用于接收與電化學(xué)電池關(guān)聯(lián)的潮濕氣相的第 一氣相導(dǎo)管。系統(tǒng)還包含與第一空氣導(dǎo)管連通且配置用于從潮濕氣相中提取水的干燥器單 元。系統(tǒng)附加地包含加熱器，W用于選擇性地加熱干燥劑，W選擇性地從干燥器單元釋放提 取的水。系統(tǒng)進一步包含將干燥器單元與離子導(dǎo)電介質(zhì)連通的返回導(dǎo)管，W用于接收來自 干燥器單元的提取的水，并將被提取的水引導(dǎo)到離子導(dǎo)電介質(zhì)。
[0010] 根據(jù)另一個實施例，用于管理一個或更多電化學(xué)電池中的含水量的方法（每個電 化學(xué)電池包括多個電極和液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)）包含在干燥器單元中接收來自一個或更多 電化學(xué)電池的潮濕空氣。方法還包含經(jīng)由干燥器單元從潮濕空氣中提取水。方法附加地包 含選擇性地加熱干燥器單元，W選擇性地從干燥器單元釋放提取的水。方法進一步包含將 來自干燥器單元的提取的水引導(dǎo)到離子導(dǎo)電介質(zhì)。 W11] 根據(jù)另一個實施例，電化學(xué)電池系統(tǒng)包含電化學(xué)電池，電化學(xué)電池包括燃料電極、 液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)、空氣腔、W及具有面向離子導(dǎo)電介質(zhì)的一個表面和面向空氣腔的相反 表面的氧化劑還原電極。系統(tǒng)還包含用于從電化學(xué)電池的空氣腔接收潮濕空氣的第一空氣 導(dǎo)管。系統(tǒng)附加地包含與第一空氣導(dǎo)管連通且配置用于從潮濕空氣提取水的干燥器單元。 系統(tǒng)附加地包含加熱器，用于選擇性地加熱干燥器單元，W選擇性地從干燥器單元釋放提 取的水。系統(tǒng)進一步包含將干燥器單元與離子導(dǎo)電介質(zhì)連通的返回導(dǎo)管，W用于接收來自 干燥器單元的提取的水，且將被提取的水引導(dǎo)到離子導(dǎo)電介質(zhì)。
[0012] 根據(jù)另一個實施例，用于管理多個電化學(xué)電池中的含水量的系統(tǒng)（每個電化學(xué)電 池包括多個電極和液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)）包含用于儲存水的干燥器單元。系統(tǒng)還包含加熱 器，用于選擇性地加熱干燥器單元，W選擇性地從干燥器單元釋放水蒸氣。系統(tǒng)進一步包含 多個返回導(dǎo)管，每個返回導(dǎo)管與相應(yīng)電池關(guān)聯(lián)，W將干燥器單元連通到每個電池的離子導(dǎo) 電介質(zhì)，W用于接收來自干燥器單元的水蒸氣。每個返回導(dǎo)管被配置為通過液態(tài)離子導(dǎo)電 介質(zhì)的上升液面而被阻擋，從而向水蒸氣的流提供背壓，使得水蒸氣優(yōu)先地流到未被阻擋 的一個或多個返回導(dǎo)管。
[0013] 根據(jù)另一個實施例，用于管理多個電化學(xué)電池中的含水量的方法（每個電化學(xué)電 池包括多個電極和液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)）包含在干燥器單元中儲存水。方法還包含選擇性地 加熱干燥器單元，W選擇性地從干燥器單元釋放水蒸氣。方法進一步包含將來自干燥器單 元的水蒸氣引導(dǎo)到多個返回導(dǎo)管，每個返回導(dǎo)管與相應(yīng)電化學(xué)電池關(guān)聯(lián)。每個返回導(dǎo)管被 配置為通過液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)的上升液面而被阻擋，從而向水蒸氣的流提供背壓，使得水 蒸氣優(yōu)先地流到未被阻擋的一個或多個返回導(dǎo)管。
[0014] 本發(fā)明的其它方面將會從下面的【具體實施方式】、附圖和所附權(quán)利要求中變得顯而 易見。
【附圖說明】
[0015] 本發(fā)明的實施例現(xiàn)在將僅通過示例的方式來描述，參考所附示意圖，其中對應(yīng)的 參考符號指示對應(yīng)的部分，且其中：
[0016] 圖1示意性地圖示了具有配置為與水管理系統(tǒng)禪合的浸入式氧化劑還原電極的 電化學(xué)電池的實施例；
[0017] 圖2示意性地圖示了配置為與水管理系統(tǒng)禪合的電化學(xué)電池的另一實施例；
[001引圖3圖示了可與諸如圖1和圖2所示的那些電化學(xué)電池之類的電化學(xué)電池禪合的 水管理系統(tǒng)的實施例；W及
[0019] 圖4示意性地圖示了包含由共同水管理系統(tǒng)禪合的多個電化學(xué)電池的電化學(xué)電 池系統(tǒng)。
【具體實施方式】
[0020] 下面詳細(xì)描述的電池水管理系統(tǒng)是根據(jù)實施例的，其中電化學(xué)電池包括吸氣式的 氧化劑電極。根據(jù)運樣的實施例，水管理系統(tǒng)提供了保持電化學(xué)電池中的含水量和控制與 吸氣式電極關(guān)聯(lián)的濕度的兩個功能。然而，可被理解的是，有關(guān)的系統(tǒng)可被采用用于不包括 吸氣式電極的電化學(xué)電池中，其中主要功能是保持在電化學(xué)電池之內(nèi)的含水量。根據(jù)運樣 的實施例，控制吸氣式電極的濕度變得不必要。
[0021] 圖1圖示了電化學(xué)電池100的實施例的截面示意圖。如圖所示，電化學(xué)電池100的 部件可至少部分容納在關(guān)聯(lián)的外殼110中。電池100利用液態(tài)離子導(dǎo)電介質(zhì)，液態(tài)離子導(dǎo) 電介質(zhì)被容納在外殼110之內(nèi)，且被配置為在其中循環(huán)W傳導(dǎo)在電池100之內(nèi)的離子。雖 然有時離子導(dǎo)電介質(zhì)可W在外殼110內(nèi)大體上靜止，諸如在停滯區(qū)中或其它數(shù)量的離子導(dǎo) 電介質(zhì)，可被理解的是，電池100可被配置為創(chuàng)建離子導(dǎo)電介質(zhì)的對流。在一些實施例中， 運種流可通過受控制方向的氣泡而生成，氣泡通過電池內(nèi)的電化學(xué)過程、通過噴霧器、或通 過任何其它氣泡生成過程而生成。在一些實施例中，流可通過任何其它流生成器而被生成， 包含但不限于累。在一些實施例中，局部加熱引起了液體的對流。
[0022] 電化學(xué)電池100的各種部分可W是任何合適的結(jié)構(gòu)或組分的，包含但不限于由塑 料、金屬、樹脂或其組合形成。據(jù)此電池100可用任何方式被裝配，包含由多個元件形成、 一體成型等。在各種實施例中，電池100和/或外殼110可包含來自美國專利申請序列號 12/385, 217、12/385, 489、12/549, 617、12/631，484、12/776, 962、12/885, 268、12/901，410、 13/028, 496、13/083, 929、13/167, 930、13/185, 658、13/230, 549、13/299, 167、13/362, 775、 13/526, 432、13/531，962、13/532, 374、13/566, 948 和 13/668, 180 中的一個或多個的元件 或布置，其中每個通過引用方式將其整體并入于此。
[0023] 雖然電化學(xué)電池100可W跨實施例變化，圖1的圖示的實施例示意性地描繪了截 面中的在外殼110之內(nèi)的電池腔120。離子導(dǎo)電介質(zhì)通常可聚集在電池腔120之內(nèi)，然而 可在電池腔120之內(nèi)流動，或可流過電池腔120 (例如從一個電化學(xué)電池100到另一個電化 學(xué)電池100,或從庫到電化學(xué)電池100且來自電化學(xué)電池100)。電池100的燃料電極130 可被支撐在電池腔120中W便由離子導(dǎo)電介質(zhì)接觸。在實施例中，當(dāng)電池100操作在放電 (即發(fā)電）模式時，燃料電極130是起陽極作用的金屬燃料電極，如下文進一步詳細(xì)討論的。 如圖所示，在一些實施例中，燃料電極130可包括多個可滲透電極體130a-130e。雖然在圖 示的實施例中使用了 5個可滲透電極體130a-130e，但是在其它的實施例中任何數(shù)目都是 可能的。每個可滲透電極體130a-130e可包含屏障（screen),該屏障由能夠通過電沉積或 者W其它方式捕獲并保持來自流過電池腔120或者W其它方式存在于電池腔120之內(nèi)的離 子導(dǎo)電介質(zhì)的金屬燃料的粒子或離子的任何形成制成。在實施例中，電極體130a可W是終 端電極體，其被配置為使得當(dāng)充電時，金屬燃料通?？稍陔姌O體130a-e上W從電極體130a 朝向電極體130e限定的方向生長。雖然在圖示的實施例中，可滲透電極體130a-130e可具 有不同的尺寸，使得階梯式的支架配置可被使用，如美國專利申請序列號13/167, 930所描 述的，且通過引用被并入在上面，但是在其它實施例中可滲透電極體130a-130e可具有大 體相同的尺寸。
[0024] 在一些實施例中，多個間隔件可分開可滲透電極體130a-130e，W在燃料電極130 中創(chuàng)建流動道。雖然在一些實施例中，多個間隔件可連接到外殼110使得燃料電極130 可固定在與外殼110有關(guān)的適當(dāng)位置，但是在其它實施例中，間隔件可被成型在可滲透電 極體130a-130e之間，且可能在燃料電極130和充電電極140之間，因此可滲透電極體 130a-e(和可能的充電電極140)是組合電極模塊的一部分。運種配置在作為美國專利申請[0026] 圖1進一步所示的是氧化劑還原電極150,其與燃料電極130和充電電極140隔 開，在終端電極體130a的遠(yuǎn)端。如圖所示，氧化劑還原電極150可被密封或W其它方式裝 配成浸入到電池腔120中的離子導(dǎo)電介質(zhì)中的氧化劑還原電極模塊160。至少一個空氣通 道165延伸到氧化劑還原電極模塊160中，W提供空氣或另一其它氧化劑到空氣空間170， 空氣空間170形成在氧化劑還原電極模塊160的外殼和氧化劑還原電極150之間?？杀焕?解的是在空氣空間170中的空氣或其它氧化劑向氧化劑還原電極150供應(yīng)氧化劑。運種配 置的附加細(xì)節(jié)在題為"ImmersibleGaseousOxidantCatho