СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКИ ПЕРЕЗАРЯЖАЕМЫХ МЕТАЛЛО-ВОЗДУШНЫХ БАТАРЕЙ И СПОСОБЫ
SYSTEMS OF ELECTRIC RECHARGEABLE METAL-AIR BATTERIES AND METHODS

Предпосылки изобретения
[0001] При сочетании стареющей инфраструктуры электрических сетей и интеграции непостоянных источников генерации, которые обусловлены масштабными возобновляемыми источниками энергии, такими как ветер, солнечная энергия и океанические волны, существует возрастающая и критическая потребность в разработке эффективных технологий хранения энергии для достижения устойчивости электроснабжения в сети и для сдвига подачи электроэнергии в периоды пиковой и непиковой нагрузки. Коммунальные предприятия ищут пути содействия подаче чистой энергии в сеть, предотвращения отключений электроэнергии и регулирования пиковых нагрузок экономически эффективным способом без добавления дополнительных генерирующих мощностей. Батареи считаются критическими элементами при расширении и внедрении в крупном масштабе возобновляемых источников энергии, таких как электростанции с использованием энергии ветра и солнца.
[0002] На данный момент не существует систем батарей, добившихся коммерческого успеха в данной области применения, по нескольким причинам. Одной из причин является то, что стоимость существующих систем батарей сейчас слишком высока. Как следствие, коммунальные предприятия в основном используют газовые турбины для покрытия при необходимости пиковой нагрузки. Тем не менее, они не настолько универсальны или применимы по сравнению с устройствами реального хранения энергии, такими как батареи. Циклический ресурс существующих батарей слишком мал, что делает реальные затраты за срок службы существенно большими по сравнению с начальной стоимостью. Кроме того, многие батареи (такие как натрий-серные батареи) работают при повышенных температурах, содержат опасные химические вещества, могут содержать воспламеняющиеся материалы или могут быть подвержены неконтролируемой реакции, такой как протекающие в батареях на основе лития. Вкратце, на данный момент не существует коммерческой технологии батарей, которая предлагала бы батареи крупногабаритного размера, с подходящими рабочими характеристиками и длительным ресурсом по числу циклов заряда-разряда (циклическим ресурсом) при коммерчески приемлемой стоимости и приемлемом для коммунальных предприятий сроке службы.
[0003] Таким образом, существует потребность в улучшенных системах батарей. Дополнительно существует потребность в конфигурациях перезаряжаемых батарей, которые будут коммерчески приемлемы.
Сущность изобретения
[0004] Для того чтобы преодолеть все эти проблемы, в соответствии с одним аспектом изобретения предусмотрены новые конструкция/химия электрически перезаряжаемой металло-воздушной системы. Конструкция металло-воздушного элемента включает значительное число новых и ранее неисследованных химических веществ, материалов, конструктивных и проектных изменений. Эти важные изменения и модификации будут более подробно описаны далее. В некоторых вариантах реализации этот металло-воздушный элемент может быть цинк-воздушным элементом. Независимое испытание третьей стороной на данный момент установило, что предложенный цинк-воздушный элемент может быть заряжен и разряжен более 200 раз без каких-либо свидетельств ухудшения воздушного катода, поэтому ожидается более длительный ресурс. Некоторые (или все) модификации, перечисленные в данном документе, могут быть скомбинированы для получения работы элемента с длительным циклическим ресурсом, что может сделать данную цинк-воздушную систему доступной и практичной.
[0005] Один аспект изобретения направлен на перезаряжаемый металло-воздушный элемент батареи, включающий в себя металлический электрод; воздушный электрод; водный электролит между металлическим электродом и воздушным электродом, причем металлический электрод непосредственно контактирует с электролитом и никакого сепаратора между воздушным электродом и металлическим электродом не предусмотрено. В некоторых дополнительных вариантах реализации не предусмотрено никакого сепаратора между воздушным электродом и электролитом.
[0006] Другой аспект изобретения направлен на систему перезаряжаемых металло-воздушных элементов батареи, включающую в себя металлический электрод; воздушный электрод; и водный раствор электролита, имеющий pH в интервале от примерно 3 до примерно 10, причем система элементов батареи способна на по меньшей мере 500 циклов разряда и перезаряда без физического ухудшения материалов или существенного ухудшения рабочих характеристик элемента батареи и системы.
[0007] В соответствии с еще одним аспектом изобретения может быть предусмотрен узел элементов батареи. Узел элементов батареи может включать в себя первый элемент, включающий в себя металлический электрод, воздушный электрод и электролит между ними; и второй элемент, также имеющий металлический электрод, воздушный электрод и электролит между ними. Эти два элемента соединены таким образом, что металлический электрод элемента №1 контактирует с воздушным электродом элемента №2. Это позволяет образоваться воздушному пространству или туннелю между металлическим электродом элемента №1 и воздушным электродом элемента №2. В этой конфигурации металлический электрод и воздушный электрод параллельны друг другу и ориентированы горизонтально. В некоторых вариантах реализации металлический электрод и воздушный электрод могут быть выровнены практически вертикально.
[0008] Дополнительный аспект данного изобретения предусматривает систему хранения энергии, включающую в себя: узел подачи электролита с деталью управления потоком, выполненной с возможностью распределения электролита по мере необходимости к нижележащему элементу металло-воздушной батареи; и один или более элементов металло-воздушной батареи, включающих в себя по меньшей мере один проем, имеющий участок перелива, при этом деталь управления потоком позволяет излишнему или избыточному электролиту переливаться в каждый элемент, если объемы электролита значительно увеличиваются, или заполнять отдельные элементы электролитом, если объемы электролита в определенных элементах уменьшаются. В некоторых вариантах реализации детали управления потоком могут быть выровнены вертикально над участком перелива.
[0009] Другой аспект изобретения может предусматривать способ хранения энергии. Способ может включать в себя прием электролита в резервуаре подачи электролита; обеспечение возможности, если происходит переполнение в резервуаре подачи электролита, некоторому количеству электролита стекать из резервуара подачи электролита в нижележащий первый элемент металло-воздушной батареи; и обеспечение возможности, если происходит переполнение нижележащего элемента металло-воздушной батареи, некоторому количеству электролита стекать из нижележащего первого элемента металло-воздушной батареи во второй элемент металло-воздушной батареи или сборный резервуар. Этот эффект каскадного переливания электролита гарантирует, что уровни электролита во всех элементах являются полными (для поддержания хорошего электрического контакта) и приблизительно равны, и выравнивает объемы электролита даже при расширении, сжатии или испарении электролита.
[0010] В соответствии с другими аспектами изобретения могут быть предусмотрены дополнительные способы. Способ хранения энергии может включать в себя обеспечение одного или более биполярных воздушных электродов с воздушным пространством между ними (которые можно называть «центродами»), более конкретно, с металлическим электродом первого элемента в контакте с воздушным электродом второго элемента, причем предусмотрен воздушный туннель между металлическим электродом и воздушным электродом; и обеспечение первой рамки, проходящей над упомянутыми одним или более центродами, и второй рамки, проходящей под упомянутыми одним или более центродами, причем первый элемент включает в себя пространство над металлическим электродом и закрытое первой рамкой для приема электролита, и второй элемент включает в себя пространство под воздушным электролитом и закрытое второй рамкой для приема электролита. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрен центрод, как описано или проиллюстрировано здесь еще где-либо.
[0011] Система хранения энергии коммунального масштаба, предусмотренная в соответствии с одним аспектом изобретения, может включать в себя множество вертикально уложенных металло-воздушных элементов, включающих в себя по меньшей мере одну рамку, причем между отдельными элементами предусмотрены один или более воздушных туннелей; систему управления потоком электролита, выполненную с возможностью распределения электролита к одному или более элементам или стопкам элементов; и воздухопроточный узел, выполненный с возможностью обеспечения потока воздуха через упомянутые один или более воздушных туннелей. В некоторых вариантах реализации система управления электролитом может быть интегрирована в одну или более рамок.
[0012] Другие цели и преимущества изобретения будут в дальнейшем оценены и поняты при рассмотрении совместно с последующим описанием и приложенными чертежами. Хотя последующее описание может содержать особые подробности, описывающие конкретные варианты реализации изобретения, это следует истолковывать не как ограничения объема изобретения, а как приведение примера потенциальных или предпочтительных вариантов реализации. Для каждого аспекта изобретения возможны множественные вариации в соответствии с тем, что здесь предложено, которые известны обычным специалистам в данной области техники. В рамках объема изобретения может быть проделано множество изменений и модификаций без отступления от его сути.
Включение по ссылке
[0013] Все публикации, патенты и заявки на патент, упомянутые в данном описании, включены сюда по ссылке в той же степени, как если бы каждая отдельная публикация, патент или заявка на патент были специально и отдельно указаны как включенные по ссылке.
Краткое описание чертежей
[0014] Новые признаки изобретения изложены в подробностях в приложенной формуле изобретения. Лучшее понимание признаков и преимуществ данного изобретения будет достигнуто при обращении к нижеследующему подробному описанию, в котором изложены пояснительные варианты реализации, в которых используются принципы изобретения, и к приложенным чертежам, на которых:
[0015] ФИГ. 1 изображает перезаряжаемые металло-воздушные элементы, расположенные в горизонтальной ориентации в соответствии с вариантом реализации изобретения.
[0016] ФИГ. 2 изображает пример отдельных элементов, которые могут быть уложены друг поверх друга.
[0017] ФИГ. 3 изображает изометрическое сечение единичного элемента в соответствии с вариантом реализации изобретения.
[0018] ФИГ. 4А изображает систему для поддержания практически постоянного и одинакового уровня электролита внутри структуры расположенных горизонтально элементов, которые могут иметь общий проем заполнения электролитом и рециркуляционный резервуар в соответствии с вариантом реализации изобретения.
[0019] ФИГ. 4В изображает дополнительную систему для поддержания уровней электролита внутри множества элементов, с расположенными бок о бок элементами, имеющими общие проемы заполнения, и отдельным резервуаром или устройством зарядки для замены отработанного электролита на заряженный электролит (с металлическим цинком или взвесью цинка) в соответствии с другим вариантом реализации изобретения.
[0020] ФИГ. 5 изображает пример конфигурации стопки (блока) батареи.
[0021] ФИГ. 6 изображает пример проема централизованного управления электролитом для системы хранения энергии, который делает возможным заполнение каждого элемента и каскадное стекание или переливание в другие элементы в соответствии с вариантом реализации изобретения.
[0022] ФИГ. 7 изображает дополнительный вид конфигурации стопки батареи с соединениями металлический электрод - воздушный электрод вертикально, а также с горизонтальным резервированием для обхода поврежденного элемента.
[0023] ФИГ. 8А изображает пример применения модуля батареи в изолированном грузовом контейнере и HVAC-машине с отдельной стопкой лотков с верхним резервуаром и нижним сливом, являющимися частью системы рециркуляции электролита в соответствии с вариантом реализации изобретения.
[0024] ФИГ. 8В изображает отдельные лотки элементов внизу модулей батареи с трубками, которые являются частью системы рециркуляции на дне контейнера в соответствии с вариантом реализации изобретения.
[0025] ФИГ. 8С изображает некоторое число модулей батареи, собранных в систему батареи с рециркуляционными резервуарами и инвертерами или другим оборудованием регулирования мощности.
[0026] ФИГ. 8D изображает вид сверху системы батареи, включающей в себя множество модулей батареи внутри контейнера.
[0027] ФИГ. 8Е предоставляет пример воздухопроточного узла.
[0028] ФИГ. 8F предоставляет дополнительный вид воздухопроточного узла.
[0029] ФИГ. 8G предоставляет альтернативный пример воздухопроточного узла.
[0030] ФИГ. 8H предоставляет пример системы батареи внутри контейнера.
[0031] ФИГ. 9А предоставляет вид снизу узла рамок элементов или лотка с электрическими соединениями в конце каждого ряда, которые горизонтально соединены.
[0032] ФИГ. 9В изображает вид узла рамок элементов или лотка и один или более центродов.
[0033] ФИГ. 10 предоставляет вид сверху четырех элементов в горизонтальном узле, расположенных так, чтобы пользоваться общим проемом заполнения и выхода, который может называться «четверкой».
[0034] ФИГ. 11А изображает вид сверху системы хранения энергии с общим заполнительным и переливным проемом среди элементов в соответствии с вариантом реализации изобретения.
[0035] ФИГ. 11В изображает вид сбоку или сечение системы хранения энергии с ФИГ. 11А, расположенной под углом, чтобы удалять или выпускать газ с помощью силы тяжести, с расположенным сверху резервуаром подачи воды за счет силы тяжести.
[0036] ФИГ. 12 предоставляет схему трехэлектродной конструкции для электрически перезаряжаемого металло-воздушного элемента.
[0037] ФИГ. 13 изображает пример напряжения элемента в зависимости от времени испытания в соответствии с вариантом реализации изобретения.
Подробное описание изобретения
[0038] Хотя здесь показаны и описаны предпочтительные варианты реализации, специалисту в данной области техники будет очевидно, что такие варианты реализации приведены только в качестве примера. Специалистам в данной области техники теперь придут на ум бесчисленные вариации, изменения и замены без выхода за рамки изобретения. Следует понимать, что при практическом осуществлении изобретения могут быть использованы различные альтернативы описанным здесь вариантам реализации изобретения.
[0039] Изобретение предоставляет электрически перезаряжаемые системы металло-воздушных батарей и способы. Различные аспекты описанного здесь изобретения могут быть применены к любому из изложенных далее конкретных применений или для любых других типов систем батарей. Изобретение может быть применено в качестве самостоятельных (автономных) системы или способа, или же в качестве части сети/коммунальной системы или системы или способа хранения возобновляемой энергии. Следует понимать, что различные аспекты изобретения могут быть уяснены по отдельности, совместно или в сочетании друг с другом.
Металло-воздушная батарея
[0040] Металло-воздушные батареи потенциально имеют очень высокие значения плотности энергии при низкой стоимости. Системы металло-воздушных батарей используют атмосферный кислород в качестве своего катодного реагента, отсюда и слово «воздушные» в их названии. Металло-воздушные батареи являются уникальными источниками энергии, в которых один из реагентов - кислород - не храниться внутри самой батареи. Вместо этого газообразный кислород, который составляет примерно 20 процентов окружающего воздуха, может быть по мере необходимости взят из неограниченного источника, представляющего собой окружающий воздух, и впущен в элемент, где он восстанавливается каталитическими поверхностями внутри воздушного электрода. Газообразный кислород может являться, по сути, неисчерпаемым катодным реагентом. Так как газообразный кислород не должен помещаться внутрь элемента, общий вес, объем или размер элемента могут быть относительно маленькими, а значения плотности энергии (значения емкостей элементов в ампер-часах в расчете на данный вес элемента) могут быть большими. Например, значения веса и объема могут быть меньше по сравнению со значениями веса элементов батарей других конструкций, и плотности энергии могут быть выше плотностей энергии у батарей других конструкций. Другим преимуществом является малый объем и вес, сокращенные за счет воздушных электродов, что может привести к более высоким удельным характеристикам системы (А·ч/кг и А·ч/л) по сравнению с другими электрохимическими источниками энергии.
[0041] Системы металло-воздушных батарей могут генерировать электричество путем объединения реакции окисления реакционноспособного металлического электрода, который в процессе разряда элемента может действовать в качестве анода, с реакцией восстановления кислорода на катоде, содержащем подходящие катализаторы восстановления кислорода. Генерируемые свободные электроны с цинкового анода могут перемещаться к воздушному электроду, действующему в качестве катода, через внешнюю нагрузку.
[0042] Тем не менее, ключевым недостатком батарей металло-воздушного типа может являться то, что они обычно не были электрически перезаряжаемыми для большого числа циклов разряда и заряда. Цикл разряда-заряда определяется здесь как один полный электрический разряд с последующим полным электрическим зарядом. В некоторых вариантах реализации полный электрический разряд может длиться примерно 6 часов, при том, что последующий полный заряд может также длиться примерно 6 часов. Этот 12 часовой полный цикл разряда и заряда (с возможностью более кратковременного заряда и разряда для стабилизации или регулирования работы сети) может быть характерным и ожидаемым для типичного одного полного дня резервной эксплуатации на электрической сети. Электрическая перезаряжаемость может быть необходима или крайне желаема для любой батареи, которую собираются использовать в сети. Традиционные металло-воздушные батареи большого масштаба либо совершенно не могут электрически перезаряжаться, либо могут циклироваться лишь менее чем нескольких сотен циклов разряда-заряда. Более того, традиционные большие системы металло-воздушных батарей коммерчески не легкодоступны. Для того чтобы быть практичной для коммунальных применений, электрически перезаряжаемая батарея предпочтительно должна предоставлять от по меньшей мере 3500 до 10000 высокопроизводительных циклов разряда и заряда при хорошей общей эффективности. Это будет соответствовать приблизительно 10-30 годам службы.
[0043] Внутри батареи металло-воздушного типа электропроводный электролит, соединяющий металлический электрод и воздушный электрод, является обычно жидким раствором (в некоторых вариантах реализации - на водной основе, водным), содержащим растворенные соли. Металло-воздушные батареи можно считать сочетающими в себе желаемые свойства как топливных элементов, так и батарей: металл (например, цинк) является топливом, скорости реакции могут регулироваться путем изменения потока воздуха, а окисленный металл/электролитная паста могут быть заменены свежим металлом или пастой. Огромным преимуществом металло-воздушных элементов с точки зрения безопасности является тот факт, что они по своей природе защищены от короткого замыкания. Так как металло-воздушные элементы ограничены количеством кислорода, который они могут непрерывно забирать и использовать из окружающего воздуха, они, в итоге, ограничены величиной тока, который они могут генерировать. Когда внутри элемента происходит короткое замыкание, в отличие от других химических составов батарей, металло-воздушный элемент просто не выдает неограниченный ток - способность выдавать ток имеет максимум, верхний предел. Это является важным соображением относительно безопасности. Системы металло-воздушных батарей могут включать, но не ограничиваясь этим, алюминий-воздушные, магний-воздушные, железо-воздушные, литий-воздушные, натрий-воздушные, титан-воздушные, бериллий-воздушные и цинк-воздушные.
[0044] Цинк, в частности, имеет ряд преимуществ перед остальными металлами. Тем не менее, любой из вариантов реализации, обсуждаемых здесь где-либо еще, может также быть применен к любому типу системы металло-воздушной батареи, которая может включать или не включать цинк. Любые ссылки на цинк в качестве анода могут быть также использованы применительно к любому другому металлу, и наоборот. Любые ссылки на цинк-воздушные батареи могут быть также использованы применительно к любым другим металло-воздушным батареям, и наоборот.
[0045] Цинк может являться преимущественным материалом, так как он имеет малый вес, нетоксичен, недорог, легкодоступен и имеет высокие скорости электрохимических реакций для покрытия в процессе электрохимического заряда. В связи с этим цинк-воздушные элементы использовались как первичные (на выброс) и перезаряжаемые (повторно используемые) элементы. Цинк-воздушные элементы могут заряжаться либо механически, либо электрически. В механически перезаряжаемых (дозаправляемых) элементах израсходованный цинк может быть физически удален из элемента/батареи и механически заменен свежим цинком. Отработавший цинк может быть отдельно переработан в другом месте обратно в металлический цинк. Такие механически перезаряжаемые батареи могут быть в некоторых вариантах реализации применены по назначению хранения энергии в сети.
[0046] В предпочтительных вариантах реализации могут применяться электрически перезаряжаемые элементы. В более практичных электрически перезаряжаемых элементах электричество от внешнего источника может быть использовано для генерации кислорода на воздушном электроде, в то время как металлический цинк может быть электрохимически переосажден (нанесен) обратно на металлический электрод, чтобы восстановить изначальный металлический электрод. Обе эти цинк-воздушные системы обычно используют щелочные водные электролиты на основе сильно едкого гидроксида калия, KOH.
[0047] В процессе нормальной работы элемента в процессе разряда элемента кислород из окружающего воздуха может быть восстановлен (получает электроны), в то время как реакционноспособный металл претерпевает окисление (теряет электроны). В цинк-воздушных элементах, содержащих щелочной электролит, например, в элементе могут протекать следующие упрощенные реакции:
-
-
2
0
На аноде: 2Zn+4OH→2ZnO+2HO+4e E=1,25 В
2
2
0
-
-
На катоде: O+2HO+4e→4OHE=0,40 В
2
(НРЦ)
Суммарная реакция: 2ZnO+O→ZnO E=1,65 В
2
4
2-
[0048] В некоторых случаях реальными продуктами реакции на аноде являются не просто ZnO+HO, а скорее Zn(OH) . Суммарная реакция на аноде может поэтому быть записана так:
-
2-
-
4
2Zn+8OH→2Zn(OH) +4e
[0049] Получаемый продукт окисления цинка, цинкат калия, может оставаться в растворе.
2
2
[0050] Перезаряжаемые цинк-воздушные элементы, которые используют щелочные электролиты, могут иметь ряд технических проблем. Первой проблемой является то, что, когда воздух попадает в элемент, CO, диоксид углерода (обычно присутствующий в окружающем воздухе) может также попадать внутрь и медленно реагировать с щелочным электролитом с образованием различных нерастворимых карбонатов. Эти нерастворимые карбонаты выпадают в осадок внутри пор воздушных электродов, а также в электролите. Этот образовавшийся осадок снижает электропроводность электролита, и, так как поры воздушного электрода заблокированы нерастворимым материалом, рабочие характеристики воздушного электрода существенно снижаются. Хотя для удаления (улавливания) CO из поступающего воздуха использовали системы поглощения диоксида углерода, дополнительный вес и сложность умаляют преимущества металло-воздушных систем, в которых используется щелочной электролит.
[0051] Кроме того, так как обычно используемые щелочные электролиты страдают из-за своей гигроскопичности (поглощения воды из воздуха) во влажных окружающих средах, излишняя вода может накапливаться в этих системах батарей, приводя к затоплению воздушного электрода водой. Так как воздух (кислород) не может легко диффундировать через воду, меньше кислорода поступает и восстанавливается на воздушном катоде. Это может привести к быстрой потере активных свойств воздушными катодами на щелочной основе.
-
[0052] Другая проблема с традиционными цинк-воздушными элементами на щелочной основе заключается в том, что, хотя ионная проводимость и энергетические характеристики элемента улучшаются с увеличением концентрации OH, также увеличивается растворимость образовавшихся соединений цинка. Это создает дилемму конструкции элемента. С одной стороны, более высокий pH желателен для улучшенной электропроводности электролита и хорошей емкости элемента. Платой за это является то, что более высокий pH электролита может привести к большей растворимости образовавшихся продуктов обмена цинка, что приводит к большим изменениям формы в процессе заряда элемента и, следовательно, к меньшему сроку службы. Другими словами, в типичной конструкции элемента можно выбрать либо хорошую емкость элемента при плохом сроке службы, либо хороший срок службы при плохой емкости элемента. Желаемое сочетание как хорошего срока службы, так и хорошей емкости элемента на данный момент недоступно в электрохимически перезаряжаемых металло-воздушных элементах.
[0053] Еще одна проблема типичных щелочных электролитов заключается в том, что в процессе электрической зарядки нанесенный цинк имеет тенденцию мигрировать и перераспределяться по цинковому электроду. После всего лишь нескольких циклов зарядки цинк может осаждаться с нежелательными морфологиями (например, в виде губчатых, ворсистых или волокнистых/дендритных отложений). Дендритное отложение представляет собой такое отложение, которое выступает из обычно гладкой поверхности цинка. Неравномерно нанесенные частицы цинка могут иметь большее электрическое сопротивление и хорошо не сцепляются механически друг с другом. Эти частицы цинка могут легко отколоться от металлических электродов, образуя изолированные отложения цинка. Все эти факторы вносят вклад в уменьшенную емкость батареи и уменьшенную отдачу мощности в традиционных цинк-воздушных батареях после непрерывных циклов разряда и заряда.
Электролит батареи
2
2
[0054] В соответствии с аспектом изобретения может быть выбран электролит батареи, который может улучшить рабочие характеристики металло-воздушной батареи, такой как цинк-воздушная батарея. В некоторых вариантах реализации электролит батареи может быть водным электролитом на хлоридной основе. В некоторых вариантах реализации электролит батареи может иметь pH примерно 6. Электролит может иметь значение pH примерно 10 или менее, или любое другое значение pH, упомянутое здесь или меньшее. В альтернативных вариантах реализации электролит может иметь pH в интервалах 3-10, 4-9, 5-7, 5,5-6,5 или 5,75-6,25. В некоторых вариантах реализации электролит может иметь pH примерно 3, 4, 5, 5,25, 5,5, 5,75, 5,8, 5,9, 5,95, 6, 6,1, 6,2, 6,3, 6,5, 6,75, 7, 8, 9 или 10. В некоторых вариантах реализации электролит может быть щелочным. Значение pH может быть относительно pH нейтральным. В некоторых вариантах реализации практически не образуется карбонатов в результате присутствия CO в воздухе. Электролит может быть недендритным с малым поглощением или вообще без поглощения CO.
[0055] Батарея, предусмотренная в соответствии с вариантом реализации изобретения, может использовать водный электролит на хлоридной основе. В связи с низким значением pH электролита диоксид углерода из воздуха не поглощается (или поглощается крайне низкий уровень диоксида углерода), а значит, нерастворимые карбонаты не образуются ни в электролите, ни на воздушном электроде. Кроме того, так как водные электролиты на хлоридной основе общеприняты в связанных с цинкованием отраслях промышленности для осаждения гладких и хорошо сцепленных осадков цинка, эффективности нанесения цинка (в процессе зарядки элемента) должны быть заметно улучшены.
[0056] Предпочтительным в соответствии с вариантом реализации изобретения является электролит на хлоридной основе в цинк-воздушном элементе. Электролит может включать в себя смесь растворимых хлоридных солей в водном растворе. Растворимые хлоридные соли могут иметь катион, подходящий для получения растворимых хлоридных солей в водном растворе. Катионы подходящих хлоридных солей могут включать цинк, аммоний, натрий или любой другой катион, который может давать растворимые хлоридные соли в водном растворе. Проводящий электролит может быть смесью растворимых солей на основе сульфатов, нитратов, карбонатов, гексафторсиликатов, тетрафторборатов, метансульфонатов, перманганата, гексафторфосфатов, боратов или фосфатов, либо отдельно, либо смешанных вместе в водном растворе. Если используется смесь хлоридных электролитов, например, этот новый цинк-воздушный элемент может быть описан так:
2
4
2
2
Zn/ZnCl, NHCl, HO/O (Углерод)
2
4
2
2
Здесь, читая слева направо, цинк может быть анодом. Он может быть отделен от электролита, содержащего ZnCl и NHCl и HO. Основанный на углероде воздушный электрод является тем местом, где O восстанавливается в процессе разряда и генерируется в процессе заряда.
2
2
[0057] В некоторых вариантах реализации могут быть использованы KOH или другие электролиты. Такая система может потребовать или использовать введение поглотителя (скруббера) CO, так как электролит на основе гидроксида калия поглощает CO. Любой электролит, известный в данной области техники, может быть использован в сочетании с вариантами реализации описанных здесь систем и способов.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
[0058] В некоторых вариантах реализации выделение кислорода может быть усилено путем зарядки элемента на малых плотностях тока. Такие плотности тока могут минимизировать или уменьшить выделение Cl. Примеры таких плотностей тока могут включать от примерно 1 мА/см до примерно 100 мА/см. Такие плотности тока могут быть примерно меньше, больше или между любыми из следующих плотностей тока: примерно 1 мА/см, 5 мА/см, 10 мА/см, 20 мА/см, 30 мА/см, 40 мА/см, 50 мА/см, 60 мА/см, 70 мА/см, 80 мА/см, 90 мА/см или 100 мА/см. Выделение кислорода может быть также усилено путем регулирования pH электролита. Более того, выделение кислорода может быть усилено путем использования электрода или катализатора, имеющих низкое перенапряжение выделения кислорода.
2
4
2
[0059] В некоторых вариантах реализации металлический электрод может быть сформирован из цинка, может являться нанесенным цинком или может включать цинк в любой другой форме, такой как сплав. В соответствии с одним вариантом реализации данного изобретения электролит может включать в себя смесь примерно 15% хлорида цинка (ZnCl) и примерно 15% хлорида аммония (NHCl) в воде в массовых %. Электролит может альтернативно включать в себя смесь примерно 15% хлорида цинка и примерно 20% хлорида аммония в воде в массовых %. В некоторых вариантах реализации водный электролит может содержать варьирующиеся количества хлорида цинка и хлорида аммония или других солей или хлоридов, таких как LiCl. Например, электролит может содержать примерно 10%, 12%, 13%, 14%, 14,5%, 15%, 15,5%, 16%, 17%, 18% или 20% хлорида цинка или хлорида аммония. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены примерно то же количество или сходные количества хлорида цинка и хлорида аммония. Другие материалы могут быть добавлены для буферизации электролита. Они могут включать цитрат аммония или другие совместимые буферы, такие как ацетат аммония, или гидроксид аммония в 1-2 масс. %. Пористый углеродный воздушный электрод (катод), содержащий катализаторы на основе Mn или Co, может способствовать реакции восстановления кислорода.
[0060] В процессе разряда элемента кислород из окружающего воздуха может поступать в элемент через пористый воздушный электрод и может претерпевать восстановление на специально предназначенных для этого местах катализатора в или на воздушном электроде. Воздушный электрод может быть электродом на основе углерода. В то же время, на металлическом электроде (который может быть цинком) цинк переходит в раствор в виде растворимых ионов цинка. В присутствии электролита на хлоридной основе хлорид цинка может быть отчасти растворим в водном электролите. При продолжении разряда элемента и создании большего количества ионов цинка, предел растворимости хлорида цинка может быть превышен. Это может вызвать выпадение в осадок части хлорида цинка. Способы решения проблемы выпадения в осадок в соответствии с вариантом реализации изобретения будут описаны более подробно далее. В процессе заряда элемента происходит обратная электрохимическая реакция. Газообразный кислород генерируется на воздушном электроде, в то время как металлический цинк может регенерироваться обратно на цинковом электроде (наносится на него).
[0061] Упрощенные процессы разряда/заряда в хлоридном электролите, который может иметь pH примерно 6, могут быть описаны следующими реакциями:
В процессе разряда элемента
+
-
2
2
Реакция на катоде: 2H+ЅO+2e→HO
2+
-
Реакция на аноде: Zn→Zn+2e
В процессе заряда элемента
2
2
-
-
Реакция на катоде: HO+2Cl→2HCl+ЅO+2e
2
+
-
Реакция на аноде: ZnCl+2H+2e→Zn+2HCl
3
2
2
Соединения цинка, образующиеся в процессе разряда элемента в электролите на основе хлорида аммония, могут быть более точно описаны как Zn(NH)Cl.
[0062] На воздушном электроде кислород, получаемый из окружающего воздуха, может поступать в элемент через проницаемую для воздуха, гидрофобную мембрану. В процессе зарядки элемента газообразный кислород может генерироваться путем электролиза воды на воздушном электроде.
[0063] Один из эффектов использования водных электролитов на хлоридной основе в технологиях перезаряжаемой цинк-воздушной батареи заключается в том, что в процессе зарядки элемента (при анодных потенциалах), возможно, может проходить нежелательная побочная реакция с выделением хлора:
-
-
2
0
(1) 2Cl→Cl(г)+2e E=1,36 В.
[0064] Генерация хлора может являться нежелательной реакцией в данной системе электролита, так как он может снизить общую эффективность зарядки элемента. Например, электрическая энергия может пойти на генерацию хлора вместо выделения кислорода. Таким образом, может быть желательно, чтобы система батареи была сконструирована таким образом, чтобы в процессе зарядки элемента анодные потенциалы способствовали выделению кислорода и минимизировали выделение хлора.
2
2
0
+
-
(2) 2HO→4H+O(г)+4e E=1,23 В
[0065] Хотя выделение кислорода (реакция 2) с его меньшим потенциалом окисления, как ожидается, преимущественно протекает потому, что оно термодинамически выгоднее по сравнению с выделением хлора (реакция 1), выделение хлора является гораздо более простой химической реакцией и имеет более низкое перенапряжение. Это означает, что в хлоридных средах нежелательное выделение хлора может, на самом деле, стать более вероятным, чем выделение кислорода.
[0066] Генерируемый хлор может растворяться в воде с образованием гипохлористой кислоты, HClO. Ионы гипохлорита могут затем разлагаться на хлорид, несколько известных окисленных соединений хлора, или даже свободный растворенный газообразный хлор, в зависимости от условий. Даже хотя газообразный хлор сам по себе остается нетронутым, эта реакция может быть также нежелательна в нашем элементе, так как она снижает общую эффективность зарядки.
2
2
[0067] Существует определенное число практических путей минимизации или уменьшения нежелательного выделения хлора (или гипохлорита) (или увеличения эффективности генерации кислорода). Так как выделение кислорода становится более выгодным в условиях малой плотности тока, одной из возможностей может являться уменьшение плотностей тока заряда для усиления выделения кислорода. В некоторых вариантах реализации желаемые плотности тока заряда могут быть от примерно 10 мА/см до примерно 200 мА/см и могут изменяться в зависимости от применения вплоть до максимального тока заряда или разряда, который выдержит батарея.
2
2
[0068] Другим подходом может являться регулирование pH электролита. При определенных значениях pH генерация кислорода может становится более выгодной, чем выделение хлора. Более высокий pH способствует преобладанию выделения O над выделением Cl. pH электролита можно немного увеличить и забуферить добавлением гидроксида аммония, цитрата аммония. Выделение хлора становится более выгодным при pH менее 2. В то время как хлорид аммония действует в качестве pH буфера в данной системе, добавление водного гидроксида аммония увеличит pH электролита без негативного влияния на проводимость электролита или другие рабочие свойства.
2
2
[0069] Другой подход может заключаться в использовании воздушных электродов или выбранных катализаторов в воздушном электроде, которые имеют высокие перенапряжения выделения хлора и очень низкие перенапряжения выделения кислорода. Таким образом, в процессе заряда элемента выделение кислорода становится более выгодным. Это может быть достигнуто либо путем модификации поверхностей электродов (что будет более подробно описано далее), либо путем добавления таких материалов, как MnO, которые хорошо известны как имеющие низкие перенапряжения выделения кислорода. Аналогично, добавление различных солей электролита продемонстрировало минимизацию выделения хлора. Примеры таких солей или химических веществ могут включать хлорид кобальта, оксид иридия (IrO) или растворимые соли Mn. Кроме того, существуют водорастворимые добавки, такие как мочевина, которые, как известно, реагируют с хлором (если он образуется) с выделением нетоксичных, легко отводящихся газов.
[0070] Следует, тем не менее, понимать, что применение щелочного электролита может быть использовано как часть раскрытой здесь системы, если диоксид углерода удаляется из воздуха. В этом случае все преимущества описанного здесь элемента все еще могут быть реализованы.
Цинк-воздушный элемент с третьим электродом
[0071] Аспект изобретения может относиться к обратимой или перезаряжаемой батарее, такой как воздушно-цинковый элемент, имеющей цинковый электрод и катод на основе углерода для электрохимического восстановления газообразного кислорода. Этот тип катода может быть также известен как воздушный катод, так как химически восстанавливающийся кислород получают обычно из окружающего воздуха.
[0072] В традиционных ограниченно электрически перезаряжаемых металло-воздушных элементах воздушные электроды, как предполагается, выполняют две противоположные функции (отсюда и иногда применяемое название «бифункциональный воздушный электрод»). Первой функцией является восстановление кислорода (в процессе разряда элемента); второй функцией является выделение газообразного кислорода (в процессе заряда элемента).
[0073] Так как бифункциональный воздушный электрод служит различным целям - восстановлению и окислению - существуют две основных проблемы у этих воздушных электродов. Во-первых, существует всего лишь несколько проводящих материалов, которые не будут быстро корродировать в водных электролитах при таких широких сдвигах приложенного электрического потенциала. Это делает выбор токоотвода воздушного электрода более сложным. Во-вторых, генерация пузырьков газообразного кислорода в процессе заряда элемента может вызывать давление и механические напряжения в пористой углеродной структуре, что ослабляет этот воздушный электрод.
[0074] Один возможный подход заключается в том, чтобы не требовать, чтобы один и тот же пористый воздушный электрод осуществлял реакции как восстановления кислорода, так и генерации кислорода. Вместо этого в некоторых вариантах реализации вместо стандартного воздушного электрода может быть предусмотрен третий или вспомогательный электрод. Вспомогательный электрод может осуществлять исключительно зарядку элемента и связанную с ней генерацию кислорода. Таким образом, один воздушный электрод может быть предназначен исключительно для разряда элемента, тогда как второй, вспомогательный, воздушный электрод сконструирован и используется исключительно для заряда элемента. Этот вспомогательный электрод может быть либо расположен между нормально используемым воздушным электродом и металлическим электродом, либо расположен на обеих сторонах металлического электрода. Так как вспомогательный электрод будет обычно использоваться только в процессе перезарядки элемента и генерации кислорода, то он может быть оптимизирован для перезаряда (получения кислорода), в то время как традиционный воздушный электрод будет оптимизирован для разряда (восстановления кислорода).
[0075] ФИГ. 12 изображает пример этой новой конфигурации электродов. ФИГ. 12 предоставляет схему трехэлектродной конструкции электрически перезаряжаемого цинк-воздушного элемента. Здесь традиционный пористый воздушный электрод (СС) и твердый цинковый электрод (АА) разделены жидким электролитом. Между электродом СС и электродом АА может быть расположен третий, вспомогательный электрод (ВВ), который используется только в процессе заряда элемента и электрически изолирован от электрода АА. В некоторых вариантах реализации вспомогательный электрод ВВ может быть электрически изолирован от электрода АА либо изолятором, либо зазором.
[0076] Электрод АА может быть стандартным пористым углеродным воздушным электродом или воздушным электродом любого другого типа. Электрод СС может быть цинковым металлическим электродом или любым другим металлическим электродом или анодом, как писано здесь где-либо еще. Третий электрод (ВВ), который может быть металлическим ситом, фольгой, сеткой или пеной, или же спрессованным или спеченным металлическим порошком, используется только в процессе зарядки элемента.
[0077] В процессе разряда элемента подсоединены электроды АА и СС и генерируются электрические токи.
[0078] В процессе заряда элемента могут быть автоматически подсоединены электроды ВВ и СС с помощью электрического переключателя, и на эти электроды могут подаваться электрические токи из внешней цепи.
[0079] За счет применения структуры со вспомогательным электродом может быть получен другой (возможно, более дешевый и более эффективный) зарядный электрод. В процессе разряда элемента подсоединенные через внешнюю цепь электроды СС и АА могут выдавать электрическую энергию. Ток может проходить в том же направлении, что и в традиционных элементах. Кислород из окружающего воздуха может быть электрохимически восстановлен электронами, генерируемыми на цинковом электроде.
2
[0080] Перед зарядкой элемента этот третий электрод (ВВ) может быть автоматически электрически включен в цепь элемента, а электрод АА отсоединен от металлического электрода (СС), такого как цинковый электрод. Теперь, в процессе заряда, электроды ВВ и АА электрически подсоединены и используются. Токоотводы могут быть выполнены имеющими увеличенные площади поверхности. Эти токоотводы могут быть в виде сетки, пористых пластин, проволок, сит, пены, спрессованного или спеченного порошка, полос или других подходящих открытых или обладающих большой площадью поверхности структур. Это может сделать возможным лучший контакт с электролитом для реакции генерации кислорода. Пористая природа этого электрода позволяет электролиту проходить через него, а также позволяет легко выходить генерируемому газообразному кислороду. Так как газообразный O генерируется на этом пористом вспомогательном электроде, углеродная сажа не будет становиться поврежденной.
2
[0081] Этот вспомогательный, третий электрод может быть также сконструирован содержащим специальные катализаторы для усиления выделения O (катализаторы с низкими перенапряжениями выделения кислорода). Кроме того, этот третий электрод может быть затем защищен от обратных токов в процессе разряда путем применения переключательных диодов, которые допускают использование этого электрода только в процессе заряда элемента.
[0082] После того, как элемент полностью заряжен, третий (зарядный) электрод может быть отсоединен от цепи элемента и могут быть обратно подсоединены стандартный металлический электрод и традиционный воздушный электрод.
[0083] В процессе разряда могут быть подсоединены электроды АА и СС.
[0084] В процессе заряда могут быть подсоединены электроды ВВ и СС.
[0085] Для обеспечения желаемых соединений в процессе заряда и разряда может быть использован любой механизм переключения или подсоединения/отсоединения, известный в данной области техники. Такие соединения могут осуществляться в ответ на команды, выдаваемые контроллером.
[0086] Воздушный электрод перезарядки может быть сделан:
1. большим по сравнению с воздушным электродом разряда, чтобы позволить более быструю перезарядку при меньших плотностях тока;
2. меньшим по сравнению с воздушным электродом разряда, чтобы занимать меньше объема и не блокировать воздушный электрод.
Гидриды металлов в качестве анода батареи
2
[0087] В некоторых вариантах реализации изобретения гидрид титана, TiH, может являться подходящим материалом металлического электрода/анода в батарее с горизонтальной конфигурацией.
5
2
2
[0088] В отличие от других металлических сплавов типа АВ-5 для хранения водорода, таких как LaNi, порошок Ti и его гидрид могут быть дешевле и иметь большие плотности энергии. Кроме того, в отличие от других металлических электродов, которые растворяются, претерпевая окисление, TiH не растворяется после его окисления. TiH просто становится твердым, металлическим Ti.
2
2
[0089] В качестве анода в ходе цикла разряда элемента TiH может высвобождать два протона и два электрона, образуя металлический Ti. В процессе заряда два протона и два электрона могут быть возвращены титану (Ti) и может снова образовываться TiH. Реакции разряда/заряда могут быть следующими:
2
+
-
Разряд: TiH=>Ti+2H+2e
+
-
2
Заряд: Ti+2H+2e=>TiH.
2
2
2
[0090] Обычные гидриды металлов ухудшаются после многочисленных циклов разряда/заряда из-за вызываемых механических напряжений. Это может привести к растрескиванию и образованию порошков металла и гидрида металла меньшего размера. Эти порошки меньшего размера хорошо не сцепляются друг с другом, что приводит к сниженной электропроводности и плохой работе элемента. Тем не менее, в сочетании с данной предложенной конструкцией элемента с горизонтальной конфигурацией, как предусмотрено здесь далее, где металлические электроды расположены горизонтально, действие силы тяжести может помочь даже тонко диспергированному порошку Ti и TiH осесть обратно на расположенный ниже токоотвод. Даже если металлические электроды слегка наклонены, сила тяжести должна, тем не менее, заставить порошок Ti и TiH осесть обратно на токоотвод относительно ровным или однородным образом. Порошки TiH и Ti останутся в плотном контакте, и этот металлический электрод сможет продолжать претерпевать окисление и восстановление с хорошей эффективностью.
[0091] Порошок Ti может также быть модифицирован обработкой с помощью любого из различных процессов обработки, предложенных здесь, чтобы сделать Ti более электропроводным.
[0092] Гидрид титана может работать в качестве стандартной батареи или в качестве титан-гидрид-воздушной батареи. Признаки или части обсуждения, относящиеся к титан-гидридным электродам, могут также применяться к цинк-воздушным батареям или другим металло-воздушным батареям, и наоборот.
Горизонтальная конфигурация/ориентация элемента
[0093] В соответствии с другим аспектом изобретения система металло-воздушной батареи, такая как система цинк-воздушной батареи, может иметь горизонтальную конфигурацию элементов. ФИГ. 1 изображает перезаряжаемые цинк-воздушные элементы, расположенные с горизонтальной ориентацией в соответствии с вариантом реализации изобретения. Система батареи может включать пластмассовую рамку 100а, 100b, воздушный электрод 102а, 102b, металлический электрод 104а, электролит 106а, 106b и воздухопроточный туннель 108а, 108b. В некоторых вариантах реализации воздушный электрод 102а, 102b может включать гидрофобную мембрану 110, углерод и катализатор 112, растянутый титан 114, и проводящий углерод 116. Воздушный электрод может функционировать в качестве катода в процессе разряда элемента. Металлический электрод функционирует в качестве анода в процессе разряда элемента. Другими словами, воздушный электрод функционирует в качестве катода в процессе разряда элемента, а металлический электрод функционирует в качестве анода в процессе разряда элемента. В процессе заряда элемента пористый углеродный воздушный электрод теперь функционирует в качестве анода, в то время как металлический электрод теперь функционирует в качестве катода. В некоторых вариантах реализации система элемента металло-воздушной батареи может включать в себя металлический электрод, воздушный электрод и водный раствор электролита. В некоторых вариантах реализации электролит может иметь значение pH в интервале примерно от 3 до 10.
[0094] В некоторых примерах пластмассовая рамка может быть отформована из норила, полипропилена (ПП), полифениленоксида (ПФО), полистирола (ПС), плотно упакованного полистирола (ПУПС), акрилонитрил-бутадиен-стирола (АБС), полиэтилентерефталата (ПЭТ), сложного полиэфира (ПЭС), полиамидов (ПА), поливинилхлорида (ПВХ), полиуретанов (ПУ), поликарбоната (ПК), поливинилиденхлорида (ПВДХ), полиэтилена (ПЭ), поликарбоната/акрилонитрил-бутадиен-стирола (ПК/АБС) или из любого другого полимера или их сочетаний. В некоторых вариантах реализации пластмасса, используемая для формования рамки, может быть выбрана за ее способность выдерживать высокую температуру, т.е. вплоть до точки кипения электролита. В некоторых вариантах реализации пластмасса, используемая для формования рамки, может быть подвергнута литью под давлением. Пластмассовая рамка из отформованной литьем под давлением пластмассы, такой как, но не ограничиваясь этим, норил, может быть сконструирована удерживающей как твердый цинковый электрод (изображенный на дне элемента), так и воздушный электрод. Цинковый электрод на дне элемента может быть отделен от сетчатого токоотвода из растянутого металлического титана (заделанного с внутренней стороны пористого углеродного воздушного электрода) заданным расстоянием. Это разделяющее пространство между цинковым электродом (металлическим электродом/анодом) и сетчатым токоотводом из титана (воздушным электродом/катодом) заполняет электропроводный водный раствор хлоридного электролита.
[0095] Рамка 100а может окружать элемент. Воздушный электрод 102а может быть предусмотрен в качестве верхнего слоя элемента. Металлический электрод 104а может быть предусмотрен в качестве промежуточной части элемента. Между металлическим электродом 104а первого элемента и воздушным электродом 102b второго элемента может быть предусмотрен воздухопроточный туннель 108b. Внутри элемента может быть предусмотрен электролит 106а. Электролит 106а может содержаться рамкой 100а и может поддерживаться слоем металлического электрода 104а. В альтернативных вариантах реализации положения воздушного электрода и металлического электрода могут поменяться, так что металлический электрод может быть предусмотрен в качестве верхнего слоя, а воздушный электрод может быть предусмотрен в качестве промежуточной части.
[0096] В некоторых вариантах реализации воздушный электрод может быть углеродным кислородным электродом-катодом или кислородным электродом на основе полимера, имеющим воздухопроницаемую гидрофобную каталитическую мембрану, устойчивый к коррозии металлический токоотвод, причем в процессе электрической зарядки при анодных потенциалах может быть выгодным выделение кислорода. Воздушные электроды могут также включать любые материалы, известные в данной области техники.
2
4
2
2
[0097] В некоторых вариантах реализации может быть применена обработка низкотемпературной газоразрядной плазмой для заметного улучшения адгезии металлов к различным пластмассам. Было показано, что газоразрядная плазма улучшает адгезию осажденных из паровой фазы металлов к различным полимерным поверхностям. Путем обработки полимерных поверхностей различными газоразрядными плазмами перед нанесением конструкционных клеев может быть сформировано более прочное, более долговечное соединение. Примеры желательных газоразрядных плазм могут включать O, смеси CF/O или N. Такая обработка, как ожидается, улучшит адгезию пластмассовой рамки к металлическому электроду. В одноэлементных или многоэлементных конструкциях может существовать ряд местоположений внутри стопок элементов, где пластмассовая поверхность адгезионно соединена с металлической поверхностью конструкционными клеями. Эта более длительная герметизация может привести к более длительному сроку службы элемента.
[0098] Существует ряд особых преимуществ в том, чтобы иметь горизонтальную ориентацию электродов. Во-первых, горизонтальная конфигурация может позволить быстро и недорого собирать элементы из отформованных литьем под давлением пластмассовых контейнеров или рамок. Другое преимущество заключается в том, что нет необходимости в пористом сепараторе батареи. В большинстве батарей разделительные мембраны зачастую дорогие, и прокалывание этой мембраны также является основным типом выхода этих батарей из строя. Путем устранения потребности в пористом сепараторе батареи элементы могут стать более недорогими и надежными в производстве и эксплуатации. В некоторых вариантах реализации электролит внутри некоего конкретного элемента может непосредственно контактировать с металлическим электродом того же самого элемента. В некоторых вариантах реализации электролит может контактировать или не контактировать непосредственно с воздушным электродом элемента. Нет необходимости в обеспечении разделительного слоя между электролитом и металлическим электродом. В некоторых вариантах реализации разделение или разделительный слой могут отсутствовать между электролитом и металлическим электродом и/или воздушным электродом. Например, может быть предусмотрен перезаряжаемый элемент металло-воздушной батареи, который имеет металлический электрод, воздушный электрод и водный электролит между металлическим электродом и воздушным электродом, причем воздушный электрод может непосредственно контактировать с электролитом, и между воздушным электродом и электролитом не предусмотрен сепаратор.
[0099] Исключение разделительной мембраны является ключевым фактором снижения стоимости батареи до приемлемых уровней и содействия продлению циклического ресурса батареи, так чтобы она стала пригодной для коммунального применения. При ориентации элементов так, чтобы металлический электрод находился в нижней части, сила тяжести не дает электроду из нанесенного металла контактировать (и создавать короткое замыкание) с расположенным выше воздушным электродом. В некоторых вариантах реализации металлический электрод может являться анодом из металлического цинка, и сила тяжести может не давать нанесенному цинку контактировать с расположенным выше воздушным электродом. Это способствует созданию крайне надежной батареи, так как нет выходящей из строя мембраны, и элемент основывается на силе тяжести как гарантии нормальной работы. Перезаряжаемая система металло-воздушной батареи может быть способна на большое число циклов разряда/перезаряда без физического ухудшения материалов или существенного ухудшения рабочих характеристик системы элементов батареи. В некоторый вариантах реализации система может быть способна на примерно 100 или более, 200 или более, 300 или более, 350 или более, 400 или более, 450 или более, 500 или более, 700 или более, 1000 или более, 1500 или более, 2000 или более, 3000 или более, 5000 или более, 10000 или более, или 20000 или более циклов разряда/перезаряда без существенного ухудшения.
[00100] В процессе работы элемента продукты реакции разряда могут, главным образом, представлять собой хлорид цинка. Когда растворимость хлорида цинка превышает его пределы растворимости (а так как он образуется в электролитах на хлоридной основе, присутствие хлорид-ионов приведет, в силу эффекта общего иона, к быстрому превышению пределов растворимости хлорида цинка), он выпадает в осадок. Горизонтальная конфигурация вместе с поддержкой силы тяжести должны помогать выпадающим в осадок частицам хлорида цинка осаждаться обратно на горизонтально расположенный ниже металлический цинковый электрод. Так как частицы хлорида цинка отлагаются на цинковом электроде/рядом с цинковым электродом, ионы цинка будут претерпевать значительно меньшую миграцию. Это означает, что в процессе заряда элемента, когда цинк отлагается обратно на металлический электрод, потери цинка в другие места элемента могут быть меньше. Это ведет к значительно улучшенным эффективностям циклирования цинка и улучшенной емкости элемента. Исключение мембранного сепаратора в перезаряжаемых элементах также означает, что потери на внутреннем сопротивлении внутри элементов могут быть минимизированы или уменьшены. Это ведет к более высоким рабочим потенциалам и меньшим потерям энергии на выделение тепла.
[00101] Горизонтальная геометрия может также позволить установить воспроизводимое фиксированное расстояние между цинковым электродом (анодом) и токоотводом воздушного электрода. Это помогает регулировать сопротивление электролита более воспроизводимо. В некоторых вариантах реализации элемент батареи может иметь рамку, которая удерживает металлический электрод и воздушный электрод на фиксированном расстоянии друг от друга. Фиксированное расстояние может задавать пространство, в котором может содержаться жидкий электролит. Во-вторых, при горизонтальных геометриях, где каждый отдельный потребляющий воздух электрод обращен вверх, многочисленные узлы цинк-воздушных элементов могут быть уложены друг поверх друга стопкой. Это не только увеличит плотности энергии (так как элементы теперь могут быть плотно упакованы друг с другом), но и позволяет сконструировать систему батареи с горизонтальными газоходными коллекторами, где воздух может прокачиваться через корпуса батареи между отдельными элементами для циркуляции воздуха/кислорода поверх каждого отдельного воздушного электрода.
[00102] ФИГ. 2 изображает пример отдельных элементов, которые могут быть уложены поверх друг друга. Элемент может включать пластмассовую рамку 200а, 200b, воздушный электрод 202а, 202b, металлический электрод 204а, 204b и электролит 206а, 206b. Электролит может содержаться пластмассовой рамкой и может поддерживаться металлическим электродом. В некоторых вариантах реализации воздушный электрод может быть предусмотрен над электролитом. Электролит может быть расположен между металлическим электродом и воздушным электродом. Между элементами могут быть предусмотрены один или более воздухопроточных туннелей 208а, 208b. Воздухопроточный туннель 208b может быть предусмотрен между металлическим электродом 204а и воздушным электродом 202b.
[00103] Таким образом, два отдельных элемента могут быть отделены друг от друга горизонтальным воздушным проходом или туннелем (изображен не в масштабе). Эта горизонтальная конфигурация элемента может позволить закачивать воздух/кислород и осуществлять его циркуляцию между элементами к отдельным воздушным электродам. Протекание воздуха/кислорода к воздушным электродам может также позволить элементам сохранить свою подпитку кислородом даже при более высоких плотностях тока и дополнительно обеспечивает охлаждение элементов. Нет необходимости в непрерывном осуществлении циркуляции воздуха, и расходы воздуха могут регулироваться с помощью механизмов обратной связи. В некоторых вариантах реализации воздух может протекать в одном и том же направлении в каждом из воздухопроточных туннелей. Как альтернативный вариант, воздух внутри различных воздухопроточных туннелей может протекать в различных направлениях.
[00104] В одном примере могут быть использованы вентилятор (который может включать осевые вентиляторы, центробежные вентиляторы, поперечноточные вентиляторы), насос или любой другой механизм для создания потока воздуха. Один или более приводов могут являться частью механизма создания потока воздуха или могут сообщаться с механизмом создания потока воздуха. Примеры приводов могут включать, но не ограничивая этим, двигатели, соленоиды, линейные приводы, пневматические приводы, гидравлические приводы, электрические приводы, пьезоэлектрические приводы или магниты. Приводы могут заставлять воздух перемещаться в зависимости от сигнала, полученного от контроллера. Приводы могут были подсоединены или не подсоединены к источнику питания. В структуре элемента могут быть предусмотрены один или более датчиков. В некоторых вариантах реализации датчики могут являться датчиками температуры, датчиками напряжения, датчиками тока или датчиками pH. Эти датчики могут сообщаться с контроллером. На основании сигналов, полученных от датчиков, контроллер может посылать сигналы на механизмы создания потока воздуха, которые могут изменять и/или поддерживать поток воздуха между элементами.
[00105] Как упомянуто ранее, существует ряд преимуществ горизонтальной геометрии металло-воздушных элементов.
А. Горизонтальная геометрия может позволить реализовать фиксированное/регулируемое сопротивление электролита, что может требовать меньшего управления элементами.
В. Горизонтальная геометрия может также обеспечить простоту физической сборки и укладывания стопкой множественных элементов.
С. Сепаратор батареи может не понадобиться, так как сила тяжести может разделять материалы с различными плотностями.
D. Выпавшему в осадок продукту разряда может помогать сила тяжести, как было упомянуто ранее, осаждаться в виде ровного или практически ровного слоя на металлическом электроде.
Е. Горизонтальная конструкция может содействовать охлаждению элементов и также может обеспечить повышенную доставку кислорода, что может сделать возможными более высокие токи.
F. Сила тяжести может также содействовать протеканию электролита, что будет описано далее.
G. Сжатие может удерживать элементы на месте.
[00106] Горизонтальная конструкция батареи не должна быть ограничена металл-воздушной батареей, такой как цинк-воздушная батарея. Горизонтальная конструкция батареи может быть также использована в других системах батарей, где образуется твердый или слабо растворимый продукт разряда. Они могут включать, но не ограничивая этим, свинцово-кислотные («затопленные» и клапанно-регулируемые свинцово-кислотные (VRLA)) батареи, никель-кадмиевые (NiCd) батареи, никель-металл-гидридные батареи, литий-ионные батареи, литий-ионные полимерные батареи или батареи с солевыми расплавами.
Конструкция центрода для взаимного подключения элементов
[00107] В соответствии с аспектом изобретения могут быть предусмотрены системы и способы для недорогих, масштабируемых соединений между множественными элементами.
[00108] Взаимное подключение некоторого числа отдельных металло-воздушных элементов с последовательным электрическим соединением при сохранении горизонтальной геометрической конфигурации у одного или более элементов (или каждого элемента) может быть легко реализовано с помощью того, что можно называть «центродом». «Центрод» можно создать, взяв воздушный электрод одного элемента и обжать его вдоль двух сторон отдельной металлической деталью, которая может быть электрически подключена к металлическому электроду или сама может быть металлическим электродом в расположенном над ним элементе. Пространство между металлическим электродом (теперь расположенным сверху) и воздушным электродом (теперь расположенным снизу) может быть разделено тонким воздушным каналом 208а, 208b, который позволяет воздуху протекать поверх этих воздушных электродов. Это изображено на ФИГ. 2. Получившийся подузел центрода напоминает сечение шляпы, если смотреть по пути 108а, 108b воздуха (спереди назад), как изображено на ФИГ. 1. Металлический электрод и воздушный электрод могут быть выровнены (совмещены) практически вертикально и ориентированы горизонтально.
[00109] ФИГ. 1 иллюстрирует то, как металлический электрод 104а первого элемента может быть обжат вокруг воздушного электрода 102b второго элемента, тем самым последовательно соединяя первый и второй элементы. Металлический электрод первого элемента и воздушный электрод второго элемента могут электрически соединяться любым другим способом. Например, либо металлический электрод, либо воздушный электрод могут быть обжаты друг на друга, припаяны друг к другу твердым припоем, приварены друг к другу, опрессовываны друг на друга, скреплены проводящим клеем, припаяны друг к другу мягким припоем или закреплены каким-либо иначе.
[00110] В некоторых вариантах реализации воздушный электрод и металлический электрод могут быть разделены фиксированным расстоянием, причем воздушный электрод может быть расположен над металлическим электродом. Фиксированное расстояние может быть одинаковым по площади воздушного электрода и металлического электрода. Как альтернативный вариант, фиксированное расстояние может быть переменным по площади воздушного электрода и металлического электрода. В некоторых вариантах реализации фиксированное расстояние может находиться в интервале, который может включать примерно 1 мм, 2 мм, 3 мм, 4 мм, 5 мм, 6 мм, 7 мм, 8 мм, 9 мм, 1 см, 1,5 см, 2 см, 3 см или более. Фиксированное расстояние между воздушным электродом и металлическим электродом может определять пространство, в котором может содержаться или быть предусмотрен электролит. Воздушный электрод и металлический электрод могут быть частью одного и того же металло-воздушного элемента.
[00111] Любое число элементов может быть собрано, уложено и соединено для достижения какого угодно требуемого общего напряжения. Каждая пластмассовая рамка может являться общей частью, сконструированной подходящей по форме и требованиям к герметизации отдельных центродов. Каждый центрод может иметь уникальные верхнюю и нижнюю детали, отформованные в пластмассе. Отформованные в пластмассе детали могут быть одинаковыми от элемента к элементу, или могут различаться. Отформованные детали могут помогать укладыванию элементов стопкой и поддерживать центроды внутри элементов. Автоматизированный процесс собирает элементы модульным образом, по сути размещая множественные центроды между двумя соответствующими пластмассовыми рамками элементов. Этот процесс может повторяться непрерывно.
[00112] ФИГ. 3 изображает изометрический вид в сечении одиночного элемента в соответствии с вариантом реализации изобретения. Элемент может иметь рамку 300, металлический электрод 302 и воздушный электрод 304. Элемент может иметь желаемую форму или размер. Например, элемент может иметь прямоугольную форму, квадратную форму, круглую форму, треугольную форму, трапециевидную форму, пятиугольную форму, шестиугольную форму или восьмиугольную форму. Рамка может быть выполнена соответствующей формы с тем, чтобы окружать элемент.
[00113] В некоторых вариантах реализации рамка 300 может иметь вертикальную часть 312. Рамка может также иметь горизонтальную полку 306, которая может выступать внутрь элемента. Полка может выступать из вертикальной части в любом месте вдоль вертикальной части. В некоторых вариантах реализации полка может выступать внизу или рядом с низом вертикальной части, сверху или рядом с верхом вертикальной части, или же в центре или рядом с центром вертикальной части. Вертикальная часть и/или горизонтальная полка могут быть предусмотрены вдоль всего периметра элемента или могут быть предусмотрены вдоль одной, двух, трех, четырех или более сторон элемента. В некоторых вариантах реализации одна или более частей элемента могут включать или не включать часть рамки (например, вертикальную часть и/или полку рамки). В некоторых вариантах реализации поперечное сечение полки может быть сделано прямоугольным, трапециевидным, квадратным, каким-либо другим четырехугольным, треугольным или может иметь другую форму. В некоторых вариантах реализации верхняя поверхность полки может быть наклонена. В некоторых вариантах реализации верхняя поверхность полки может быть наклонена вниз в сторону центра элемента, или может быть наклонена вниз в сторону периметра элемента. Как альтернативный вариант, верхняя поверхность может быть плоской с горизонтальной ориентацией.
[00114] В некоторых вариантах реализации металлический электрод 302 может быть предусмотрен ниже полки 306. В некоторый вариантах реализации металлический электрод может иметь горизонтальную ориентацию. Металлический электрод может контактировать с нижней стороной полки. В некоторых вариантах реализации металлический электрод может быть выполнен такой формы, чтобы контактировать с одной или более вертикальными сторонами 312 рамки. Как альтернативный вариант, металлический электрод может быть выполнен такой формы, чтобы он находился в непосредственной близости от вертикальной стороны, но не контактируя с вертикальной стороной. Металлический электрод может быть параллельным или практически параллельным вертикальной стороне на этом участке.
[00115] В некоторых вариантах реализации рамка может иметь нижнюю деталь 314, предусмотренную на нижней части элемента. В некоторых вариантах реализации нижняя деталь может являться вдавливанием, канавкой, каналом, щелью или дыркой, которые могут быть предусмотрены внизу или рядом с низом рамки. Металлический электрод может быть выполнен такой формы, чтобы заходить внутрь нижней детали. Часть металлического электрода, заходящая внутрь нижней детали, может быть параллельна или практически параллельна поверхности металлического электрода, перекрывающей элемент (т.е. простирающейся на весь пролет ячейки). Часть металлического электрода, заходящая внутрь нижней детали, может быть перпендикулярна или практически перпендикулярна части металлического электрода, контактирующей с вертикальной стороной или находящейся в непосредственной близости от вертикальной стороны.
[00116] В некоторых вариантах реализации воздушный электрод 304 может перекрывать элемент (т.е. простираться на весь пролет такой ячейки). Воздушный электрод может иметь практически плоскую конфигурацию. В некоторых вариантах реализации воздушный электрод может контактировать с нижней деталью 314 элемента. В некоторых вариантах реализации воздушный электрод может быть заходящим внутрь нижней детали элемента. В некоторых вариантах реализации часть металлического электрода 302 может электрически контактировать с воздушным электродом внутри нижней детали элемента. Например, часть металлического электрода может быть обжата вокруг воздушного электрода внутри нижней детали элемента. В предпочтительных вариантах реализации может быть обеспечен зазор между перекрывающей элемент частью воздушного электрода и перекрывающей элемент частью металлического электрода. В этом зазоре может быть обеспечен воздух. В некоторых вариантах реализации воздух может затекать внутрь этого зазора.
[00117] В некоторых вариантах реализации на верхней части элемента может быть предусмотрена верхняя деталь. В некоторых вариантах реализации верхняя деталь может являться вдавливанием, канавкой, каналом, целью или дыркой, которые могут быть предусмотрены вверху или рядом с верхом рамки. В некоторых вариантах реализации верхняя деталь может являться зеркальным отражением нижней детали. В некоторых вариантах реализации верхняя деталь может вмещать металлический электрод и/или воздушный электрод над элементом. В некоторых вариантах реализации между нижней деталью первого элемента и верхней деталью второго элемента может быть расположен электрический контакт между металлическим электродом и воздушным электродом. В других вариантах реализации нет необходимости в обеспечении верхней детали. Кроме того, пластмассовый элемент (т.е. пластмассовая ячейка) может быть отлит(а) под давлением вокруг центрода или других электрических соединений.
[00118] Могут быть предусмотрены другие конфигурации деталей рамки, металлических электродов и воздушных электродов. Например, металлический электрод может быть предусмотрен поверх полки. Воздушный электрод может быть предусмотрен поверх элемента. Положения металлических электродов и воздушных электродов можно поменять.
[00119] В некоторых вариантах реализации рамка может включать дополнительные отформованные литьем детали, такие как порог 308. Рамка может также включать наклонную часть 310. В некоторых вариантах реализации порог может удерживать электролит. В некоторых вариантах реализации некоторое количество электролита может быть спущено наклонной частью 310 в элемент. Электролит может содержаться вертикальной частью 312 элемента и может поддерживаться перекрывающей элемент частью металлического электрода 302. В некоторых вариантах реализации порог может позволять части электролита протекать через часть порога рамки и вытекать под частью порога рамки. Это может предотвратить или уменьшить переливание электролита из элемента. В некоторых вариантах реализации электролит может обеспечиваться изнутри элемента или может обеспечиваться из источника над элементом, или может захватываться, удерживаться или подаваться в лопастную или расширительную камеру, выталкиваясь вверх или по диагонали вверх над элементом, так чтобы сила тяжести толкала электролит обратно вниз, когда в элементе есть место.
[00120] Дополнительное преимущество горизонтальной конфигурации заключается в том, что элементы могут быть спроектированы таким образом, чтобы управление электролитом стало существенно легче. В соответствии с вариантом реализации изобретения может быть предусмотрена система управления электролитом на основе силы тяжести. По мере разряда цинк-воздушных батарей полезный объем системы цинк-электролит может увеличиться. Если не будут предприняты ответные действия, при расширении электролита может увеличиться давление и жидкий электролит может проникнуть через нижнюю сторону воздушного электрода. Это может вызвать затопление воздушного электрода, а перепад давления из-за расширяющегося электролита может вызвать повреждение хрупкого воздушного электрода. В маленьких, закрытых батареях должно быть оставлено дополнительное пространство для расширения жидкости электролита. Тем не менее, этот дополнительный объем может снизить общую плотность энергии и может создать проблемы в системе, где много элементов являются последовательными, и все элементы должны поддерживать правильный уровень электролита. Это не позволяет подавать новый электролит в систему или проводить испытания электролита.
[00121] В соответствии с аспектом изобретения эта проблема может быть решена при помощи четырех горизонтально выровненных смежных элементов, где все четыре элемента смыкаются углами в одном точке. Этот четырехэлементный узел может называться «четверкой». В точке, где сходятся все четыре элемента, элементы могут иметь общий заполнительный или переливной или рециркуляционный проем. Каждый элемент может быть сконструирован имеющим доступ к маленькому проему. Каждый проем может иметь маленький переливной порог L, который может быть немного наклонен над нижней поверхностью каждого воздушного электрода.
[00122] ФИГ. 5 изображает пример четверки из четырех элементов, а ФИГ. 4А изображает стопку элементов в поперечном сечении внутри системы управления электролитом на основе силы тяжести. Система управления электролитом на основе силы тяжести может включать канал А спуска газа из резервуара или емкости B, который(ая) может быть в проточном сообщении с другим резервуаром или другой емкостью С. В некоторых вариантах реализации на резервуаре могут быть предусмотрены клапаны или входные или выходные проемы D, E. В некоторых вариантах реализации в проточном сообщении с основным резервуаром или основной емкостью C могут находиться дополнительные резервуары или емкости F. Может быть предусмотрено любое распределение резервуаров или емкостей. Они могут включать или не включать фильтры, которые могут задерживать нежелательные частицы. В некоторых вариантах реализации резервуары могут также предоставлять возможность обеспечения любых желаемых добавок. Так как электролит может циркулировать внутри системы управления электролитом, его можно при необходимости пополнять. В некоторых вариантах реализации за электролитом можно следить в процессе его циркуляции внутри системы, и при необходимости могут быть внесены модификации в электролит.
[00123] Проход G подачи текучей среды может подавать электролит в систему батареи. Проход V возврата текучей среды может возвращать электролит в систему батареи. Проход текучей среды может включать трубку, трубу, канал или любой другой узел, который может транспортировать текучую среду. Электролит может подаваться в верхний резервуар H электролита. Могут быть предусмотрены один или более стоков или проем J заполнения. Когда электролит переполняет K резервуар, он может стекать вниз в нижележащий элемент и может задерживаться переливным порогом L.
[00124] Переливной порог L может гарантировать постоянный уровень жидкого электролита, который всегда находится в контакте со всеми точками поверхности нижней стороны воздушного электрода T. Электролит P может быть обеспечен внутри элемента. В процессе разряда элемента при расширении электролита этот порог может позволить излишнему электролиту сливаться. Все это может быть реализовано без оказания какого-либо гидростатического давления на воздушный электрод. Другими словами, эти уникальные проемы могут сделать возможным расширение электролита и выпуск газов при сохранении надлежащих (и автоматически регулируемых) уровней электролита. Это балансирование (выравнивание) уровня электролита может также способствовать поддержанию равномерных электрических характеристик. Эти проемы (расположенные в общем центре каждой «четверки» из четырех смежных элементов) могут выстраиваться вертикально в линию с другими проемами, расположенными ниже, создавая последовательность вертикально ориентированных сборных патрубков, которые могут распределять любой перелившийся электролит из всех частей уложенных стопкой элементов внутри небольшого сливного поддона U в нижней части стопки элементов. Эти проемы могут включать призматическую часть M, которая может разбивать электролит на крошечные капли N.
[00125] Элементы могут включать воздушный электрод T и металлический электрод R, которые могут быть соединены в одной или более точках соединения S. Между воздушным электродом и металлическим электродом может быть обеспечен воздушный туннель O. В некоторых вариантах реализации воздушный электрод и металлический электрод могут образовывать центрод. Рамка Q может быть предназначена для элемента, четверки или групп элементов или четверок. Рамки могут укладываться стопкой внутри системы батареи.
[00126] Внутри верхнего резервуара H электролита или сливного поддона U могут быть предусмотрены один или более клапанов или проемов I. Проем может позволить вводить добавки в электролит и/или сливать определенное количество электролита. Другой проем может обеспечивать возможность отвода газов. В некоторых вариантах реализации проемы могут обеспечить доступ для снятия измерений. Проемы могут иметь другие назначения.
[00127] В процессе заряда элемента, при уменьшении объемов электролита в каждом элементе, эти же самые проемы заполнения могут быть использованы для добавления жидкого электролита обратно в каждый элемент «четверки». Для заполнения верхней «четверки» в процессе заряда элемента может быть запущен сливной насос. Электролит, переполняющий эту самую верхнюю четверку, попадает в сточную трубку и просто заполняет горизонтальную «четверку», расположенную ниже нее. Автоматическое заполнение четверок электролитом может происходить быстро до тех пор, пока все четверки в вертикальной стопке не будут перезаполнены (или заполнены доверху) электролитом. Эти заполнительные/переливные проемы могут быть предназначены служить другой функции. Призматический выступ (M), расположенный под каждым переливным порогом (4-L), может помогать разбивать любой жидкий электролит на маленькие капли (N) до того, как они упадут на четверку. Это обладает эффектом прерывания любой электропроводной цепи, которая могла бы иначе быть создана непрерывным потоком проводящей жидкости между отдельными элементами. Непрерываемый поток проводящего электролита мог бы вызвать серьезное электрическое короткое замыкание под высоким напряжением, создаваемым многочисленными элементами, последовательно уложенными друг на друга.
[00128] В вертикально ориентированных элементах, которые используют традиционные конфигурации типа пластин и рамок, жидкостные мостики между элементами могут быть источником потери энергии и других конструктивных проблем. Горизонтальная конфигурация, предусмотренная в соответствии с вариантами реализации изобретения, с описанным заполнительным/переливным проемом может минимизировать или уменьшить данные проблемы с помощью легко собираемой, формованной литьем под давлением, пластмассовой детали.
[00129] Легкость сборки, модульность и масштабируемость данной конструкции также сразу очевидны по сравнению со сложностями, связанными со сборкой традиционных батарей (смотри ФИГ. 5).
[00130] ФИГ. 4В изображает дополнительную систему для поддержания постоянного уровня электролита внутри множества уложенных стопкой элементов в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. Система управления электролитом батареи с перетоком под действием силы тяжести может включать две отдельные системы. Первая система может включать станцию переливания с устройством перезарядки электролита. Вторая система может включать металло-воздушную батарею с перетоком под действием силы тяжести, такую как цинк-воздушная батарея с перетоком под действием силы тяжести.
[00131] В соответствии с вариантом реализации изобретения могут быть предусмотрены устройство зарядки электролита и насос переливания. Устройство зарядки может быть электрически соединено с зарядной вилкой, которая, в свою очередь, может быть подключена к источнику питания, такому как электросеть/коммунальная сеть. Может быть предусмотрен выпрямитель для преобразования электроэнергии переменного тока от источника питания в постоянный ток для заряда батареи. Система переливания с устройством зарядки электролита может быть использована для существующих заправочных (топливных) станций, применения в быту и на флоте. Она может быть встроена в ранее существовавшие структуры. Насос переливания может включать один или более проводящих электролит деталей A, B, которые могут быть трубкой, трубой, каналом или другим проходом текучей среды для передачи водного электролита. Первая проводящая электролит деталь может быть подводом А электролита. Вторая проводящая электролит деталь может быть отводом B электролита. Электролит может проходить от устройства зарядки электролита и насоса переливания в подводе электролита и может проходить к устройству зарядки электролита и насосу переливания в отводе электролита. В некоторых вариантах реализации могут быть использованы насос, клапан, разность давлений или какой-либо другой механизм для того, чтобы заставить течь электролит. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены клапан, переключатель или запирающий механизм, которые могут остановить и/или запустить поток электролита.
[00132] Металло-воздушная батарея с потоком электролита под содействием силы тяжести может включать трубу А подачи перезаряженного электролита, трубу В возврата использованного электролита, регулирующий клапан С, электронный контроллер D, насос E, линию F подачи в резервуар хранения электролита, линию G подачи в верхние коллекторы, верхние клапаны H1, H2 регулирования подачи, верхние регуляторы I1, I2 потока электролита, проемы J-1, J-2, J-3, резервуар K хранения и линию L возврата электролита из резервуара хранения. В некоторых вариантах реализации, в конструкции с потоком под содействием силы тяжести, сила тяжести может проталкивать электролит через элементы без потребности в насосе для проталкивания электролита через элементы. В конструкции с переливанием-потоком электролита под действием силы тяжести, агент растекания не требуется.
[00133] Труба А подачи электролита может обеспечивать электролитом металло-воздушную батарею с потоком под действием силы тяжести. Регулирующий клапан С может определять, когда электролит должен подаваться в металло-воздушную батарею и сколько электролита/с каким расходом необходимо предоставить батарее. Регулирующий клапан может управляться электронным контроллером D, который может выдавать команды регулирующему клапану. Эти команды могут определять, насколько большой поток электролита допускается регулирующим клапаном. Команды могут выдаваться контроллером автоматически. Контроллер может иметь или не иметь связи с внешним процессором, который может выдавать команды контроллеру. В некоторых вариантах реализации контроллер может иметь пользовательский интерфейс или может иметь связь с внешним устройством, которое может иметь пользовательский интерфейс. В некоторых вариантах реализации пользователь может иметь возможность связываться с пользовательским интерфейсом и может выдавать команды контроллеру, что может влиять на команды, выдаваемые регулирующему клапану.
[00134] В некоторых вариантах реализации металло-воздушная батарея может иметь насос E, который может способствовать протеканию и циркуляции электролита. В некоторых вариантах реализации насос может быть предусмотрен в резервуаре K хранения металло-воздушной батареи. Линия L возврата электролита из резервуара хранения может поставлять электролит из резервуара К хранения к регулирующему клапану С. Линия возврата электролита из резервуара хранения может быть соединена с насосом. Насос может вынуждать электролит течь через линию возврата электролита к регулирующему клапану. Электронный контроллер может выдавать команды регулирующему клапану, который может определять, может ли возвращаться электролит, и/или тот расход, с которым может возвращаться электролит.
[00135] Может быть предусмотрена линия F подачи в резервуар хранения. Электролит может проходить от регулирующего клапана С к резервуару К хранения. Может быть предусмотрена линия G подачи к верхним коллекторам. Электролит может проходить от регулирующего клапана к верхним коллекторам. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрен один коллектор. В других вариантах реализации может быть предусмотрено множество верхних коллекторов. Верхние коллекторы могут проточно сообщаться или не сообщаться друг с другом. В некоторых вариантах реализации электролит, поставляемый через линию G подачи, может регулироваться одним или более верхними клапанами H1, H2 регулирования подачи. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрен регулирующий клапан для каждого верхнего коллектора. Регулирующий клапан может регулировать поток электролита в каждый верхний коллектор. Электронный контроллер D может иметь связь с верхними клапанами регулирования подачи. Электронный контроллер может выдавать команды верхним клапанам регулирования подачи. В некоторых вариантах реализации выдаваемые электронным контроллером команды могут передаваться через проводное соединение, или могут передаваться беспроводным образом.
[00136] В некоторых вариантах реализации верхние регуляторы I1, I2 потока электролита могут регулировать поток электролита из верхнего коллектора в расположенные ниже элементы. Регуляторы потока могут разбивать электролит на капли. Регуляторы потока могут регулировать расход текучей среды, передаваемой из верхнего коллектора в нижележащие элементы.
[00137] В некоторых вариантах реализации верхний коллектор и/или резервуар К хранения могут иметь проемы J-1, J-2, J-3. В некоторых вариантах применения проемы могут сообщаться с электронным контроллером D. В некоторых вариантах реализации проемы могут предоставлять доступ для проведения одного или более измерений. Результаты измерений могут передаваться на электронный контроллер, который может выдавать команды другим частям системы управления электролитом. Например, на основе измерений электронный контроллер может отрегулировать расход электролита, отрегулировать температуру электролита, отрегулировать pH электролита или отрегулировать состав электролита.
[00138] Внутри системы батареи может быть предусмотрено электрическое соединение. Например, одно электрическое соединение может быть предусмотрено на (+) стороне батареи, а другое электрическое соединение может быть предусмотрено на (-) стороне батареи и может быть соединено со второй зарядной вилкой. Зарядная вилка 2 может быть вставлена в настенную розетку, такую как электросеть/коммунальная сеть. Может быть предусмотрен выпрямитель переменного тока в постоянный ток, который может преобразовывать переменный ток из электросети/коммунальной сети в постоянный ток для заряда батарей. Может быть предусмотрен или не предусмотрен инвертор, который может преобразовывать постоянный ток от батарей в переменный ток при разряде батарей.
[00139] В некоторых вариантах реализации можно контролировать напряжение системы батареи. В некоторых вариантах реализации можно контролировать напряжение всей системы, или же можно отдельно контролировать напряжение каждого модуля. Когда напряжение неожиданно падает, это может указывать на проблему с одним или более элементами. В некоторых вариантах реализации система может увеличивать расход электролита при падении напряжения.
[00140] В некоторых вариантах реализации можно контролировать одну или более характеристик батареи и/или электролита в одной точке. Например, можно измерять pH электролита, температуру электролита, состав электролита в одной точке, такой как резервуар хранения. Изобретение может включать упрощенную систему контроля, которая может определять, нуждается ли система в регулировке, без потребности в дорогих и сложных системах датчиков.
Добавки для улучшения качества цинкового покрытия и образования нерастворимых соединений цинка
[00141] Потери на внутреннем сопротивлении (ВС) могут сохраняться низкими путем нанесения цинкового покрытия хорошего качества в процессе каждого цикла перезаряда. Ключевым фактором долговечности этого элемента является то, что нет необходимости поддерживать какую-либо определенную форму электрода. В отличие от многих химических систем, таких как свинцово-кислотная, в которых циклирование действительно повреждает электрод, в данной батарее каждый раз может наноситься свежее покрытие из цинка. Система батареи может включать добавки, которые могут улучшить отложение цинка на металлический электрод. С ключевыми добавками, такими как полиэтиленгликоль различного молекулярного веса и/или тиомочевина, свежее, гладкое, высокопроводящее цинковое покрытие может быть нанесено в ходе каждого цикла перезарядки элемента. Этот слой цинка может затем претерпевать окисление до растворенных ионов цинка в процессе следующего разряда элемента. Так как во время нанесения не требуется какой-либо конкретной физической формы и так как сила тяжести помогает удерживать отложенный цинк на месте, вероятность отказа металлического электрода (довольно частого в других системах батарей) теперь может быть минимизирована или уменьшена как причины выхода из строя. Это помогает добиться с очень длительного циклического ресурса батареи.
2+
[00142] Другой вариант реализации может включать другие добавки, которые могут заставить образующиеся ионы цинка (в процессе окисления на металлическом электроде во время разряда элемента) оставаться вблизи металлического электрода, так чтобы они легко восстанавливались (без излишней миграции) в процессе заряда элемента. Таким образом, будет полезно иметь электролит с водорастворимыми добавками, который (при контакте с образовавшимися на металлическом электроде ионами Zn) может образовывать нерастворимые соединения цинка, которые могут выпадать в осадок на дно горизонтально ориентированных элементов. Нерастворимые соединения цинка могут оставаться вблизи цинкового электрода и могут быть более доступны для восстановления в процессе перезаряда. Система батареи может включать добавку, которая может регулировать желаемое выпадение о осадок. Такие добавки могут включать любое из нижеследующих растворимых в воде соединений. Примеры растворимых в воде соединений, которые образуют нерастворимые соединения цинка, включают: бензоаты, карбонаты, иодаты и стеараты.
[00143] В некоторых вариантах реализации добавки, имеющие любые из описанных здесь свойств, могут включать мочевину, тиомочевину, полиэтиленгликоль, бензоаты, карбонаты, иодаты, стеараты, растворимые в воде поверхностно-активные вещества-катализаторы, или алоэ вера, по отдельности или в сочетании. В некоторых вариантах реализации добавление экстракта алоэ вера может снизить коррозию цинка.
Растворимые катализаторы в качестве добавки к электролиту для улучшения образования кислорода в процессе перезаряда
[00144] В дополнение к твердым катализаторам, включенным в сам воздушный электрод, могут быть добавлены другие материалы, такие как растворимые в воде соли марганца, для улучшения рабочих характеристик элемента в процессе перезаряда. Так как в процессе перезаряда элемента генерируется кислород, также полезно позволить пузырькам воздуха уходить легко. Это может быть осуществлено путем добавления поверхностно-активных веществ, которые действуют как противовспениватели (такие как Simethicone (симетикон) или Dowex) для разбивания генерируемых пузырьков. Система батареи может включать добавку, которая предотвращает вспенивание и делает возможным выпуск газа. Добавки могут включать один или более из следующего: симетикон, Dowex, алоэ вера или другие поверхностно-активные вещества.
[00145] Воздушный электрод может быть также установлен под небольшим углом к параллели, чтобы помогать сформировавшимся пузырькам воздуха покидать четверку через общий проем заполнения рядом с переливным порогом. В некоторых вариантах реализации растянутый титан может быть также расположен со слегка отрицательной выпуклостью или выштампованным по периметру каналом выпуска газа с тем, чтобы можно было гарантировать, что большая часть площади поверхности воздушного электрода взаимодействует с электролитом. Любые воздушные пузырьки или газы могут легко выходить через общие проемы заполнения. Эти конфигурации будут также решать проблемы допусков по плоскостности и смягчать проблемы регулирования уровней.
Мочевина в качестве добавки к электролиту для исключения образования хлора
2
2
2
[00146] Система батареи может включать добавку, которая предотвращает выделение хлора и/или гипохлорита в процессе перезаряда. Мочевина может быть добавлена к водному электролиту батареи для регулирования генерации хлора. Мочевина и хлор могут реагировать с образованием хлоридов и «мягких» газообразных продуктов (например, N, CO и H). Если какой-то свободный хлор и образуется в электролите в процессе зарядки элемента, он может легко реагировать с растворимой мочевиной с образованием дополнительного хлорида (который уже является компонентом электролита). Генерируемые в результате реакции хлора с мочевиной газы не опасны и могут быть безопасно удалены. Если мочевина добавляется в электролит и не пополняется, то по мере зарядки элементов (и если генерируется газообразный хлор) мочевина может реагировать с образовавшимся хлором, обедняться и стать неспособной удалить сколько-либо газообразного хлора, генерируемого в ходе последовательных циклов зарядки.
[00147] В конструкции элемента, предусмотренной в соответствии с вариантом реализации изобретения, электролиты могут периодически проверяться и, в случае превышения предварительно заданных уровней хлора, по необходимости может быть добавлена дополнительная мочевина. В некоторых вариантах реализации электролиты могут проверяться вручную. В других вариантах реализации могут быть предусмотрены один или более датчиков для автоматической проверки уровней хлора и, в случае необходимости, добавления дополнительной мочевины для реакции с хлором и его удаления. В некоторых вариантах реализации мочевина может добавляться вручную при необходимости. В других вариантах реализации мочевина может добавляться автоматически, когда уровни хлора выше предварительно заданного уровня. В некоторых вариантах реализации предварительно заданный уровень может находиться в интервале 5% мочевины по весу, но обычно он будет равен нескольким миллионным долям мочевины.
[00148] В некоторых вариантах реализации система батареи может включать добавку, которая может предотвратить выделение водорода в процессе зарядки. Добавка может включать хлоридные соли с высоким перенапряжением выделения водорода, такие как хлорид олова, хлорид свинца, хлорид ртути, хлорид кадмия или хлорид висмута.
Быстрая перезарядка взвесью цинк/электролит
[00149] При горизонтальной конструкции элемента может быть предусмотрена система, где элементы могут быстро перезаряжаться (например, для долгосрочных мобильных вариантов применения). Частицы хлорида цинка, образовавшиеся в процессе разряда, могут быстро удаляться из элементов путем отсасывания этой взвеси в резервуар или эластичный баллон для отходов. Этот использованный жидкий электролит может быть заменен свежими гранулами цинка во взвеси электролита, которая может быть закачана обратно в горизонтальный элемент. Твердые частицы электролита могут оседать на дне элемента (металлическом электроде). Эта механическая перезарядка (перезаправка), как ожидается, занимает всего несколько минут.
[00150] В некоторых вариантах реализации, как изображено на ФИГ. 4В, один или более горизонтальных элементов могут находиться внутри корпуса или могут составлять часть корпуса батареи. Корпус может быть соединен с резервуаром. В некоторых вариантах реализации использованный жидкий электролит может быть возвращен в резервуар. Жидкий электролит может быть возвращен через трубку, трубу, канал, трубопровод возврата или любое другое приспособление для проточного сообщения. В некоторых вариантах реализации резервуар может подавать жидкий электролит в корпус. Электролит может подаваться через трубку, трубу, канал, трубопровод подачи или любое другое приспособление для проточного сообщения. В некоторых вариантах реализации тот же самый резервуар может принимать использованный жидкий электролит и предоставлять свежий жидкий электролит. Жидкий электролит может циркулировать внутри системы. В некоторых вариантах реализации резервуар может иметь один или более процессов обработки, которые могут обрабатывать использованный жидкий электролит до того, как он будет подан обратно в корпус. Например, свежие гранулы цинка могут добавляться в электролит. В других вариантах реализации различные резервуары могут использоваться для приема использованного жидкого электролита и обеспечения свежего жидкого электролита. Свежий электролит может поступать в систему, а использованный электролит может удаляться из системы.
[00151] Частицы хлорида цинка из использованного элемента могут быть регенерированы локально или на каком-либо местном производстве (аналоге очистительного завода или резервуарного парка) с помощью хорошо известных электрохимических технологий. Такая модификация преобразует данную систему из того, что обычно представляют как батарею, во что-то более близкое к элементу проточного типа или цинк-воздушному топливному элементу. Тем не менее, все вышеперечисленные преимущества будут также доступны и может совершаться более длительный цикл разряда по сравнению с циклом разряда, который был бы доступен только с тем количеством цинка, которое может быть помещено в каждый элемент, без циркуляции внешнего цинка. Другой метод перезаправки может быть описан как переливание электролита, где отработавший электролит может быть заменен свежим электролитом для быстрой, традиционной перезаправки, аналогично традиционным насосным станциям.
Корпус и сборка металло-воздушной батареи
[00152] Как было описано ранее, система металло-воздушной батареи может включать корпус батареи. Этот корпус может иметь любое число конфигураций, которые могут содержать один или более закрытых отдельных элементов. В некоторых вариантах реализации сам элемент может составлять часть корпуса. Например, элементы могут быть уложены таким образом, чтобы рамки элементов могли формировать часть корпуса. В некоторых вариантах реализации корпус может быть непроницаем для текучих сред. Например, корпус может быть непроницаемым для жидкостей и/или воздухонепроницаемым. В некоторых вариантах реализации корпус может включать один или более механизмов продувания.
А. Пластмассовый корпус с «четверкой» из четырех объединенных элементов и системой проемов заполнения/вывода электролита
[00153] Компоновка и конструкция пластмассовой рамки элемента могут быть оптимизированы или улучшены для эффективного использования пространства, прочности, формуемости и минимизации или снижения потерь на внутреннем сопротивлении в связи со сниженным межэлементным сопротивлением.
[00154] Конструкция рамки элемента в соответствии с вариантом реализации изобретения может вмещать общую систему централизованного управления электролитом, которую могут разделять между собой четыре отдельно обрамленных, горизонтально ориентированных элемента. В других вариантах реализации общую систему централизованного управления электролитом может разделять между собой любое число элементов, включая, но не ограничивая этим, один, два, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять, десять, одиннадцать, двенадцать, тринадцать, четырнадцать, пятнадцать, шестнадцать, семнадцать, восемнадцать, девятнадцать, двадцать или более элементов. Эта конструкция может сделать возможным оптимальное «централизованное» размещение в пространстве, физическую укладываемость друг на друга и электрическую подключаемость системы коллекторов.
[00155] ФИГ. 5 изображает пример конфигурации стопки батареи системы хранения энергии. Внешние стенки пластмассовых рамок 500а, 500b, 500c, 500d могут образовывать стенку корпуса 502. В некоторых вариантах реализации четыре элемента 504а, 504b, 504с, 504d могут образовывать четверку 504 с общей системой 506 централизованного управления электролитом.
[00156] Любое число элементов может быть уложено друг поверх друга. Например, друг поверх друга могут быть уложены четыре элемента 504c, 504e, 504f, 504g. В некоторых вариантах реализации один или более, два или более, три или более, четыре или более, пять или более, шесть или более, семь или более, восемь или более, девять или более, десять или более, двенадцать или более, пятнадцать или более, двадцать или более, тридцать или более, или пятьдесят или более элементов могут быть уложены друг поверх друга. Для каждого элемента могут быть предусмотрены один или более путей 508а, 508b, 508с, 508d прохождения потока воздуха. Множество вертикально уложенных элементов может быть выбрано для достижения желаемого напряжения. Если вертикально уложенные элементы соединены последовательно, число вертикально уложенных элементов может соответствовать увеличенному уровню напряжения. Как описано здесь где-либо еще, центрод может использоваться для создания последовательного соединения между элементами.
[00157] Может быть предусмотрено любое число смежных друг с другом четверок или стопок четверок. Например, первая четверка 504 может быть смежной со второй четверкой 510. В системе хранения энергии могут быть предусмотрены один или более рядов четверок и/или один или более столбцов четверок. В некоторых вариантах реализации система хранения энергии может включать массив i×j четверок, где i, j являются целыми числами, большими или равными 1, включая, но не ограничивая этим, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15 или более. В других вариантах реализации элементы или четверки могут иметь ступенчатые конфигурации (с шахматным расположением), концентрические конфигурации или быть расположенными относительно друг друга любым образом. Могут быть предусмотрены или не предусмотрены зазоры между смежными элементами или четверками. Как альтернативный вариант, смежные элементы и/или четверки могут быть электрически соединены друг с другом. В некоторых вариантах реализации один или более элементов, или одна или более четверок могут разделять общую рамку со смежным элементом или смежной четверкой. В некоторых вариантах реализации каждый элемент или каждая четверка может иметь свою собственную рамку, которая может контактировать или не контактировать с рамкой смежного элемента или смежной четверки.
[00158] Как обсуждалось ранее, любое число элементов может разделять между собой общую систему централизованного управления электролитом. Четыре четырехугольных элемента могут разделять между собой общую систему централизованного управления электролитом, формируя четверку. В других примерах шесть треугольных элементов могут разделять между собой общую систему централизованного управления электролитом, или три шестиугольных элемента могут разделять между собой общую систему централизованного управления электролитом. Может быть использовано любое сочетание форм элементов, причем углы одного или более элементов могут разделять между собой общую систему централизованного управления электролитом. Любая ссылка на четверки может быть применена к другим числам или конфигурациям элементов, которые могут разделять между собой общую систему централизованного управления электролитом. Могут быть предусмотрены горизонтальные и/или вертикальные поперечные проводящие соединения. За счет этого может быть обеспечено резервирование соединения.
B. Уникальная конструкция системы коллекторов и управляемого силой тяжести стекания
[00159] ФИГ. 6 изображает пример системы централизованного управления электролитом для системы хранения энергии в соответствии с вариантом реализации изобретения. Множество элементов 600а, 600b, 600с могут разделять между собой общую систему управления электролитом. Система управления электролитом может включать порог 602а, 602b, 602c для каждого элемента. Порог может содействовать содержанию жидкого электролита внутри элемента. Система управления электролитом может также включать в себя одну или более наклонных или вертикальных частей 604а, 604b, 604c. Наклонные или вертикальные части могут направлять электролит для прохождения в элементы. В некоторых вариантах реализации сочетание порога и наклонной или вертикальной части может задерживать электролит, предоставляемый сверху относительно элемента. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены один или более удерживающих выступов 606а, 606b, 606с. Система централизованного управления электролитом может также включать в себя призматический выступ 608а, 608b, 608с, который позволяет переливающемуся электролиту стекать в нижележащие элементы и/или в нижележащий резервуар сбора электролита.
[00160] В одном примере жидкий электролит может быть задержан переливным порогом 602а первого элемента 600а. Жидкий электролит может проходить вниз по наклонной или вертикальной части 604а и содержаться внутри элемента. Если жидкий электролит переполняет первый элемент, он может перелиться через переливной порог и попасть на призматический выступ 608а. Он может протекать по призматическому выступу и задерживаться порогом 602d или наклонной или вертикальной частью 604d второго элемента 600d ниже первого элемента. Электролит может захватываться вторым элементом и содержаться в нем. Если второй элемент переполнен или переливается, текучий электролит может протекать по призматическому выступу 608d второго элемента и захватываться третьим элементом 600е, или же может продолжить стекать вниз.
[00161] При изначальном заполнении системы батареи электролитом элементы наверху могут быть заполнены первыми, а затем электролит может переливаться в нижележащие элементы или четверки, который может затем переливаться в нижележащие далее элементы и четверки, сколько бы слоев вертикальных элементов не было предусмотрено. В итоге, все элементы при вертикальной конфигурации стопки могут быть заполнены электролитом, а лишний электролит может быть задержан донным лотком резервуара под элементами.
[00162] Любые детали системы управления электролитом могут быть встроены в рамку элемента или могут быть отдельными или отделимыми от рамки элемента. В некоторых вариантах реализации детали могут быть отлиты под давлением.
[00163] Система управления электролитом может непрерывно управлять уровнями жидкого электролита в каждой четырехэлементной «четверке», чтобы гарантировать постоянный и равномерный электрический контакт с нижней частью каждого воздушного электрода. В элементах должно быть обеспечено достаточно электролита для того, чтобы электролиты могли контактировать с нижней частью (например, 610а) воздушного электрода. В некоторых вариантах реализации нижняя часть может быть металлическим электродом/анодом. В других вариантах реализации в элементе может обеспечиваться или не обеспечиваться достаточно электролита для гарантии того, что электролит контактирует с донной частью 612а нависающего воздушного электрода. Донная часть воздушного электрода может являться катодом в процессе разряда.
[00164] ФИГ. 3 предоставляет дополнительный вид элемента, имеющего систему управления электролитом в углу.
[00165] В предпочтительных вариантах реализации призматический выступ или порог может быть выполнен с возможностью разрывать какой-либо потенциальный мостик проводящей жидкости, протекающей между элементами. Призматический выступ может разбивать жидкий электролит на капельки маленького размера. Призматический выступ может регулировать скорость потока любого переливающегося электролита.
[00166] Система управления электролитом может быть полезной для того, чтобы сделать возможным эффективное переливание электролита и управление им. Переливающийся электролит может быть задержан расположенными ниже элементами или может протекать вниз до тех пор, пока он не будет задержан расположенным ниже резервуаром.
[00167] Система управления электролитом может также позволить безопасно отводить нежелательные генерируемые газы. В некоторых вариантах реализации газы могут отводиться через пути, образованные призматическими частями, либо верх, либо вниз.
[00168] Преимущественно, система управления электролитом может пополнять элементы жидким электролитом с помощью системы управляемого силой тяжести стекания. Элементы могут быть пополнены за счет перетекания из нависающих элементов, или из источника электролита. Например, как изображено на ФИГ. 4А, электролит может подаваться в верхний удерживающий резервуар. Электролит может подаваться любым другим образом.
[00169] Как предусмотрено в вариантах реализации изобретения, переливание, которому способствует сила тяжести, и общий проем перезаполнения для каждого элемента могут быть обобщены и использоваться в любых других устройствах хранения энергии, где уровни жидкого электролита могут меняться в процессе разряда и заряда. Такие системы управления жидкостью не должны быть ограничены металло-воздушными элементами, такими как цинк-воздушные элементы. Другие типы элементов хранения энергии могут использовать аналогичные системы управления жидкостью. Уровень жидкого электролита может автоматически регулироваться так, чтобы он только касался нижней части каждого отдельного воздушного электрода.
[00170] Дополнительная модификация данной конструкции подразумевает изготовление каждого элемента с углубленной полостью, расположенной на одной стороне. Она может функционировать в качестве резервуара жидкости, где избыточные объемы электролита могут при необходимости безопасно храниться. Когда объемы электролита уменьшаются, избыточная жидкость, хранящаяся в этой полости, может автоматически стекать за счет силы тяжести и использоваться для перезаполнения элемента, тем самым гарантируя, что все части обращенной к электролиту стороны (донной части) воздушного электрода остаются в контакте с жидким электролитом.
С. Конструкция со сжатием для обеспечения надежности
[00171] ФИГ. 5 предоставляет вид конфигурации стопки батареи. Как было описано ранее, в некоторых вариантах реализации внешние поверхности рамок элементов могут образовывать корпус. В некоторых вариантах реализации все важные герметизирующие поверхности могут находиться под действием вертикальной сжимающей нагрузки для дополнительной долговременной надежности герметизации. Например, сжимающая нагрузка может быть приложена к стопке элементов, которые могут распределять сжимающую нагрузку по рамкам. Это заставляет рамки прижиматься друг к другу и реализовывать герметизацию. Сжимающая нагрузка может быть обеспечена в направлении, которое соответствует сжатию стопки элементов друг с другом. Сжимающая нагрузка может быть обеспечена в направлении, перпендикулярном плоскости, образованной металлическим электродом или воздушным электродом элемента. В некоторых вариантах реализации сжимающая нагрузка может быть обеспечена в вертикальном направлении.
[00172] Узлы центродов могут быть проложены между соответствующими пластмассовыми рамками с образованием последовательности (серии) отдельных герметизированных элементов. Как обсуждалось ранее, центроды могут быть сформированы, когда металлический электрод одного элемента электрически соединен с воздушным электродом другого элемента. В одном варианте реализации это электрическое соединение может быть сформировано, когда металлический электрод обжат вокруг воздушного электрода. Это может сделать возможным последовательное соединение между элементами. В некоторых вариантах реализации между элементами может быть приложена сжимающая сила. Сжимающая сила может быть приложена к соединению между металлическим электродом и воздушным электродом. Приложение силы, которая сводит металлический электрод и воздушный электрод друг с другом, может улучшить электрическое соединение между металлическим электродом и воздушным электродом. В некоторых вариантах реализации точка контакта металлического электрода и воздушного электрода может быть зажата между пластмассовыми рамками, и сжимающая нагрузка может обеспечить сжимающую силу между рамками и контактами. Может быть сформировано непроницаемое для текучей среды уплотнение, которое может не давать электролиту перетекать из одного элемента в другой через контакт рамки с центродом. Это уплотнение может быть реализовано или поддерживаться клеем.
[00173] Внешние стенки и внутренние перегородки (которые могут образовывать рамки элементов) могут быть конструктивными элементами, предназначенными должным образом вмещать и уплотнять внутреннее рабочее пространство каждого элемента и прилагать сжимающие нагрузки в важных местах стыка элементов и на герметизирующих поверхностях. Это обеспечивает легко собираемую, обладающую надежной конструкцией и преимущественную структурную систему, когда отдельные элементы вертикально уложены друг на друга. ФИГ. 1 и ФИГ. 2 изображают, как отдельные элементы могут быть вертикально уложены друг на друга. В некоторых вариантах реализации стопка может быть нагружена сжимающей силой, которая может быть приложена к рамкам и/или соединениям между металлическими электродами и воздушными электродами.
D. Подузел металлического электрода, воздушного электрода
[00174] ФИГ. 1 изображает соединение между металлическим электродом и воздушным электродом. В некоторых вариантах реализации при способе штамповочной сборки металлический электрод обжимают вокруг воздушного электрода, образуя сечение в форме шляпы для прохождения через нее воздуха. В некоторых вариантах реализации металлический электрод может быть обжат вокруг воздушного электрода так, чтобы часть металлического электрода контактировала с краем на первой стороне воздушного электрода и краем на второй стороне воздушного электрода. В некоторых вариантах реализации воздушный электрод может быть обжат вокруг металлического электрода так, чтобы часть воздушного электрода контактировала с краем на первой стороне металлического электрода и краем на второй стороне металлического электрода. Металлический электрод и воздушный электрод могут быть обжаты вместе любым образом так, чтобы они сгибались или складывались друг на друга с различными конфигурациями. В некоторых вариантах реализации их обжимают или иным образом скрепляют вместе так, чтобы они контактировали друг с другом без необходимости в каких-либо сгибах или складках. Могут быть использованы и другие способы формирования электрического соединения, как указано ранее.
[00175] Узел металлического-воздушного электродов может использовать различные материалы, которые обжимаются с образованием электропроводящего соединения вдоль обеих сторон пути прохождения воздуха. В некоторых вариантах реализации примеры материалов для металлического электрода могут включать цинк (такой как порошкообразная амальгама цинка) или ртуть. Примеры материалов для воздушного электрода могут включать углерод, тефлон или марганец.
[00176] Может быть предусмотрен узел металлического-воздушного электродов, где металлический электрод обеспечивает герметичный пол для ванны электролита над ним, в то время как воздушный электрод образует герметичную крышку для ванны электролита под ней. Например, как изображено на ФИГ. 1, металлический электрод 104а может образовывать пол для ванны 106а электролита. Воздушный электролит 102а может образовывать крышку для ванный электролита. Металлический электрод и/или воздушный электрод могут быть герметизированы.
[00177] Центрод, образованный металлическим электродом и воздушным электродом, может иметь любые размеры. Один или более из размеров (например, длина или ширина) могут составлять примерно ј дюйма, Ѕ дюйма, 1 дюйм, 2 дюйма, 3 дюйма, 4 дюйма, 5 дюймов, 6 дюймов, 7 дюймов, 8 дюймов, 9 дюймов, 10 дюймов, 11 дюймов, 12 дюймов или более.
Е. Конструкция поперечных проводящих соединений между элементами
[00178] ФИГ. 7 изображает дополнительный вид конфигурации стопки батареи с соединениями металлический электрод - воздушный электрод. Может быть предусмотрена конфигурация узла металлический электрод - воздушный электрод, где соседние обжатые (отбортованные) кромки или другие выступающие части центродов перекрываются или соприкасаются, создавая повторяющуюся, модульную и горизонтально и вертикально электрически подсоединенную последовательную конфигурацию.
[00179] Первый элемент может включать детали 700а, 700с рамки и может иметь металлический электрод 702а. Металлический электрод может быть обжат вокруг воздушного электрода 704b нижележащего элемента. В некоторых вариантах реализации металлический электрод соседнего элемента 702с может быть обжат вокруг воздушного электрода лежащего ниже него элемента 704d. В некоторых вариантах реализации электрическое соединение, сформированное металлическим электродом 702а и воздушным электродом 704b, может быть электрически связано с электрическим соединением, сформированным металлическим электродом 704с и воздушным электродом 704d. Например, один из металлических электродов 702с может контактировать с другим металлическим электродом 702а. Как альтернативный вариант, электрическое соединение между соседними элементами может быть сформировано любым сочетанием металлических электродов и/или воздушных электродов, контактирующих друг с другом. В некоторых вариантах реализации электрические соединения между вышележащими и нижележащими элементами и смежными элементами (например, соединения между 702с, 704d, 702а, 704b) могут быть обеспечены между рамками (например, 700с, 700d).
[00180] ФИГ. 7 изображает пример того, как металлические электроды и воздушные электроды могут устанавливать электрические соединения путем обжатия и обертывания. Тем не менее, любое сочетание контактов между металлическими электродами и воздушными электродами, обернутыми друг вокруг друга или контактирующими друг с другом, может быть использовано в соответствии с различными вариантами реализации изобретения. Положения металлических электродов и воздушных электродов можно поменять на обратные в альтернативных вариантах реализации изобретения, и любое обсуждение, относящееся к положениям металлических электродов, может применяться к положениям воздушных электродов, и наоборот.
[00181] Перекрывающиеся или каким-либо другим образом совместимые обжатые кромки делают возможным последовательное или последовательно-параллельное электрическое соединение для обеспечения надежности, простоты и гибкости системы. Например, одним из преимуществ такой системы может являться то, что нужно меньше проводов и точек соединений, так как каждый ряд в рамке элемента может быть электрически соединен последовательно через перекрывающиеся обжатые кромки.
[00182] ФИГ. 9А предоставляет вид снизу узла рамок элементов с электрическими соединениями. Один или более элементов 900а, 900b, 900с, 900d могут образовывать четверку с общей системой 902 управления электролитом. Дно элемента может быть образовано из металлического электрода. Могут быть предусмотрены один или более компонентов 904а, 904b, 904с, 904d, 906а, 906b рамки, разделяющих элементы. В некоторых вариантах реализации для смежных элементов могут быть обеспечены электрические соединения между элементами. Например, электрические соединения могут быть обеспечены между двумя или более элементами внутри ряда, к примеру, между первым элементом 900а и вторым элементом 900b. Электрическое соединение может быть обеспечено рядом с рамкой 904а между элементами. Электрические соединения могут быть обеспечены между двумя или более элементами внутри столбца, к примеру, между первым элементом 900а и вторым элементом 900с. Электрическое соединение может быть обеспечено рядом с рамкой 906а между элементами. Электрические соединения могут быть обеспечены для любого сочетания смежных элементов в ряду или столбце.
[00183] В некоторых вариантах реализации электрические соединения между смежными элементами не предусмотрены. В некоторых вариантах реализации электрические соединения могут быть предусмотрены только между вышележащими и нижележащими элементами, образующими стопку.
[00184] ФИГ. 9В изображает вид узла рамки и одного или более центродов. Рамка 880 может предназначаться для одного или более одиночных элементов или четверок, или же множества одиночных элементов или четверок. Один или более центродов 882а, 882b могут быть сформированы из металлического электрода 884 и воздушного электрода 886. Центрод может иметь такую форму, чтобы помещаться внутри рамки. В некоторых вариантах реализации рамка может лежать на центродах так, что боковая часть рамки образует стенку элемента, а металлический электрод центрода образует пол элемента. Множество смежных центродов, например, 882а, 882b могут быть электрически соединены друг с другом. Например, центрод может иметь точку 888, где металлический электрод и воздушный электрод контактируют друг с другом. Точка контакта первого элемента может контактировать с точкой контакта второго элемента. В некоторых вариантах реализации центрод может быть сформирован так, чтобы обеспечивался воздушный туннель 890 между металлическим электродом и воздушным электродом.
[00185] Рамка 880 может включать узел 892 распределения электролита, который может быть выполнен встроенным в рамку. Узел распределения электролита может включать отверстие 894, которое может позволить электролиту стекать к нижележащим элементам. Узел распределения электролита может включать переливной порог 896, который может определять, когда электролит будет переливаться в отверстие. В некоторых вариантах реализации высота переливного порога может обеспечивать запас на случай, когда элементы или вся система батареи наклонена. Даже если вся система батареи наклонена, если переливной порог достаточно высок, то внутри элементов до переливания останется достаточно электролита.
[00186] Рамка может также включать в себя полку 898, которая может выступать из рамки. Металлический электрод 884 может контактировать с полкой. В некоторых вариантах реализации между металлическим электродом и полкой может быть образовано непроницаемое для текучей среды уплотнение. Контакт между металлическим электродом и воздушным электродом 888 может контактировать с нижней частью рамки 881. Нижняя часть рамки может лежать поверх точки контакта. Непроницаемое для текучей среды соединение может быть сформировано или не сформировано. Нижняя часть 883 рамки может лежать поверх точки контакта, сформированной между смежными центродами.
F. Укладываемая стопкой конфигурация и модульная сборка
[00187] ФИГ. 5 изображает конструкцию, которая использует один компонент пластмассовой рамки, который, по сути, заключает множество центродов между двумя общими рамками в сэндвич-структуре. Это может преимущественно обеспечить упрощенную конструкцию. Например, как изображено, может быть предусмотрена рамка, образующая сетчатый рисунок, который может охватывать множество элементов. Рамки с сетчатым рисунком могут укладываться друг поверх друга стопкой. В некоторых вариантах реализации рамки с сетчатым рисунком могут быть сформированы из единой цельной детали. Как альтернативный вариант, рамки с сетчатым рисунком могут быть сформированы из множественных деталей, которые могут быть соединены друг с другом. Множественные детали могут быть или не быть отсоединяемыми. Центроды 512а, 512b могут быть предусмотрены между рамками 514а, 514b, 514с.
[00188] Конструкция рамки может включать систему управления водой. Система управления водой может быть предусмотрена на ФИГ. 4, которая может изображать впуски воды, приподнятые переливные проемы и призматические кромки для стекания каплями, как было описано ранее. Система управления водой может быть использована для гарантирования желаемого уровня электролита внутри одного или более элементов.
[00189] При укладывании стопкой конструкция пластмассовой рамки может формировать последовательность вертикальный труб или трубок, которые делают возможным перелив воды, пополнение электролита за счет стекания каплями и вывод газов. Как ранее обсуждалось со ссылкой на ФИГ. 4 и ФИГ. 6, может быть предусмотрена система управления электролитом. Когда рамки укладывают стопкой друг на друга, система управления электролитом может быть предусмотрена для стопок элементов.
[00190] Укладываемая стопкой конфигурация узлов рамок может быть и модульной, и эффективной. Пластмассовые детали могут соответствовать форме сопряжения металлического электрода ниже и воздушного электрода выше элемента под ним, что может сделать возможной модульную конфигурацию с меньшим числом частей. ФИГ. 1 и ФИГ. 2 предоставляют пример стопки элементов с деталями в рамках, которые могут быть отформованы соответствующими соединению металлического электрода и воздушного электрода. В зависимости от формы соединения металлического электрода и воздушного электрода рамки могут выполнены такой формы, чтобы соответствовать форме соединения. В некоторых вариантах реализации на пластмассовой рамке могут быть предусмотрены одно или более ребер, канавок, каналов, выступов или отверстий для дополнения имеющей соответствующую форму детали соединения металлический электрод - воздушный электрод. В некоторых вариантах реализации дополняющая форма может удерживать рамку от горизонтального сдвига в одном или более направлениях. Любые детали могут быть единым целым с элементом или быть отделимыми от элемента. В некоторых вариантах реализации детали рамки могут быть отформованы под давлением.
G. Модульная установка и конфигурации для применения
[00191] Конфигурации с множественными батареями могут быть достигнуты путем масштабирования конструкции рамки в сторону увеличения или уменьшения. Например, конструкция рамки может включать рамку единственного элемента, рамку четверки элементов или множественных четверок в единой рамке. Конструкция рамки для каждой группировки (например, единственный элемент, четверки элементов, множественные четверки) может быть сформирована из единой цельной детали. Как альтернативный вариант, конструкция рамки может включать множество частей.
[00192] В некоторых вариантах реализации множество рамок могут быть также предусмотрены смежными друг с другом. Например, множественные одноэлементные рамки, четверочно-элементные рамки или многочетверочные рамки могут быть предусмотрены смежными друг с другом. Рамки, предусмотренные смежными друг с другом, могут быть или не быть соединены друг с другом с использованием соединителя. В некоторых вариантах реализации может быть обеспечена сила для удержания рамок прилегающими друг к другу.
[00193] Рамки могут укладываться стопкой до достижения любой желаемой высоты, в зависимости от требований по мощности и хранению (аккумулированию). Любое число рамок может быть уложено стопкой друг поверх друга. Например, одна или более, две или более, три или более, четыре или более, пять или более, шесть или более, семь или более, восемь или более, девять или более, десять или более, двенадцать или более, пятнадцать или более, двадцать или более, тридцать или более, шестьдесят или более, девяносто или более, 120 или более, или 150 или более рамок могут быть уложены стопкой друг поверх друга. В некоторых вариантах реализации каждая рамка может составлять примерно ⅛ дюйма, ј дюйма, Ѕ дюйма, ѕ дюйма, 1 дюйм, 1,25 дюйма, 1,5 дюйма, 2 дюйма, 2,5 дюйма, 3 дюйма, 4 дюйма, 5 дюймов, 6 дюймов, 8 дюймов, 10 дюймов или 12 дюймов в высоту. В некоторых вариантах реализации общая высота стопки рамок может быть порядка примерно 1 или более дюймов, 3 или более дюймов, шести или более дюймов, 1 или более футов, 2 или более футов, 3 или более футов, 5 или более футов, 10 или более футов, или 20 или более футов.
[00194] Стопки отдельных рамок могут быть ориентированы в различных направлениях для оптимизации циркуляции воздуха. Например, внутри элементов могут быть предусмотрены воздушные туннели. В некоторых вариантах реализации воздушные туннели могут быть предусмотрены между элементами. Например, непрерывный воздушный туннель может быть сформирован между смежными элементами. Воздушные туннели могут быть предусмотрены для столбцов элементов и/или для рядов элементов. В некоторых вариантах реализации воздушные туннели могут быть параллельными друг другу. В других вариантах реализации один или более воздушных туннелей могут быть перпендикулярными друг другу. В некоторых вариантах реализации воздушные туннели могут быть сформированы по прямой линии, или же в других вариантах реализации воздушные туннели могут иметь изгибы или закругления. В некоторых вариантах реализации, когда элементы могут быть слегка наклонены, воздушные туннели могут быть ориентированы практически горизонтально, но иметь небольшой подъем и спад для согласования с наклоном элементов. Воздух может проходить в одинаковом направлении в случае параллельных воздушных туннелей или может проходить в противоположных направлениях. В некоторых вариантах реализации воздушный туннель может быть ограничен одним уровнем. В других вариантах реализации могут быть предусмотрены проходы, которые могут позволять обеспечивать воздушный туннель на многих уровнях стопок. Может быть применено любое сочетание этих конфигураций.
[00195] Стопка или серия стопок может быть применена в различных конфигурациях и установлена в различных корпусах. Например, могут меняться высоты стопок. Аналогично, число элементов, предусмотренных на каждом уровне стопки, может меняться. В некоторых вариантах реализации размеры или формы отдельных элементов могут быть одинаковыми, в то время как в других вариантах реализации размеры или формы отдельных элементов могут меняться. Размеры корпуса могут меняться в зависимости от размера стопок. Например, вся система хранения энергии может иметь один или более размеров (например, высоту, ширину, длину) порядка дюймов, футов, десятков футов или сотен футов. Каждый размер может быть в пределах того же порядка величины, или же может быть в пределах варьирующихся порядков величины.
[00196] Стопка или серия стопок может быть сконфигурирована в качестве системы топливных элементов посредством замены или пополнения электролита и упаковки упомянутых вспомогательных систем. Например, система цинк-воздушных топливных элементов может включать добавление металлического цинка и удаление оксида цинка. Как указано ранее, гранулы цинка могут быть добавлены в электролит. Оксид цинка или хлорид цинка может быть удален в резервуар для отходов.
H. Применение в изолированном грузовом контейнере и HVAC-машине
[00197] ФИГ. 8А изображает пример применения в изолированном грузовом контейнере и HVAC-машине для блока батареи в соответствии с вариантом реализации изобретения. Множество модулей 800а, 800b, 800с могут быть предусмотрены внутри корпуса 802. Каждый модуль может иметь верхний лоток 804, одну или более стопок элементов (которые могут включать один или более уровней/слоев одиночных элементов, четверок элементов и/или любого числа элементов) 806, и нижний лоток или поддон 808. Смотри также ФИГ. 8H, и каждая стопка элементов могла бы иметь коллектор, посредством которого электролит может посылаться к или прерываться на данной стопке или секции стопки. Аналогично, электрические соединения к определенным стопкам могут быть отделены и отсоединены.
[00198] В одном примере могут быть предусмотрены 16 модулей 800а, 800b, 800c из 960 четверок элементов. Могут быть предусмотрены два ряда, каждый из которых имеет по восемь модулей. В различных вариантах реализации изобретения может быть предусмотрено любое число модулей, включая, но не ограничивая этим, один или более, два или более, три или более, четыре или более, пять или более, шесть или более, семь или более, восемь или более, девять или более, десять или более, двенадцать или более, пятнадцать или более, двадцать или более, тридцать или более, пятьдесят или более, или сто или более модулей. В некоторых вариантах реализации модули могут быть расположены в один или более рядов и/или в один или более столбцов. В некоторых вариантах реализации модули могут быть расположены в виде массива. Корпус 802 может быть выполнен такой формы, чтобы вмещать модули. В некоторых вариантах реализации корпус может быть примерно 40, 45, 50 или 52 фута в длину.
[00199] Модуль может иметь любые размеры. В некоторых вариантах реализации модуль может быть примерно 50 дюймов на 44 дюйма. В одном примере модуль может содержать 80 или 120 или более стопок из 15 или более или менее четверок элементов. Тем не менее, модуль может быть образован из любого числа уровней/слоев в стопках, включая, но не ограничивая этим, 1 или более слоев, 2 или более слоев, 3 или более слоев, 5 или более слоев, 10 или более слоев, 20 или более слоев, 30 или более слоев, 40 или более слоев, 50 или более слоев, 60 или более слоев, 70 или более слоев, 80 или более слоев, 90 или более слоев, 100 или более слоев, 120 или более слоев, 150 или более слоев, или 200 или более слоев. Каждый слой стопки может включать любое число одиночных элементов или четверок элементов. Например, каждый уровень/слой стопки может включать 1 или более, 2 или более, 3 или более, 4 или более, 5 или более, 6 или более, 7 или более, 8 или более, 9 или более, 10 или более, 12 или более, 14 или более, 16 или более, 20 или более, 25 или более, 30 или более, 36 или более, 40 или более, 50 или более, или 60 или более одиночных элементов или четверок элементов в расчете на уровень/слой.
[00200] В некоторых вариантах реализации модуль может включать верхний лоток 804. Верхний лоток может быть выполнен с возможностью принимать электролит. В некоторых вариантах реализации верхний лоток может быть выполнен с возможностью распределять электролит в один или более элементов. Верхний лоток может сообщаться по текучей среде с системами управления электролитом элементов. В некоторых вариантах реализации верхний лоток может сообщаться по текучей среде с одним или более элементами. Верхний лоток может включать один или более выступов. Один или более выступов могут обеспечивать конструктивную опору для крышки над лотком. Верхний лоток может включать один или более каналов или желобов. В некоторых вариантах реализации верхний лоток может включать одно или более отверстий или проходов, обеспечивающих сообщение по текучей среде с нижележащими слоями.
[00201] Модуль может также включать нижний лоток или поддон 808. В некоторых вариантах реализации нижний лоток или поддон может собирать электролит, который может переливаться из расположенных над ним стопок. Нижний лоток или поддон может содержать собранный электролит или может передавать его куда-то еще.
[00202] Модульная конструкция может быть создана, чтобы подходить к различным грузовым контейнерам стандарта МОС (Международной организации по стандартизации, ISO) оптимальным образом. В некоторых вариантах реализации корпус может быть грузовым контейнером МОС. Корпус может иметь длину примерно 20 футов (6,1 м), 40 футов (12,2 м), 45 футов (13,7 м), 48 футов (14,6 м) и 53 фута (16,2 м). Контейнер МОС может также иметь ширину примерно 8 футов. В некоторых вариантах реализации контейнер может иметь высоту примерно 9 футов 6 дюймов (2,9 м) или 4 фута 3 дюйма (1,3 м), или 8 футов 6 дюймов (2,6 м). Модульная конструкция может быть также создана подходящей к другим контейнерам различных стандартов, таким как контейнеры для воздушных перевозок. Модульная конструкция может обеспечить гибкость системе хранения энергии, чтобы она могла подходить к уже существующим контейнерам или структуре.
[00203] Модульная конструкция может пользоваться преимуществом существующего холодильного оборудования и оборудования для кондиционирования воздуха, присоединенного к изолированным контейнерам, в качестве завершенного решения по отоплению, вентиляции и кондиционированию воздуха (HVAC).
[00204] Традиционное охлаждение может быть реализовано путем правильного расположения охлаждающих вентиляторов снаружи замкнутого пространства.
[00205] В некоторых вариантах реализации система батареи может включать один или более модулей батарей, одну или более систем управления электролитом и один или более узлов охлаждения воздуха. В некоторых вариантах реализации модуль батареи может включать верхний лоток, нижний лоток и одну или более стопок элементов. В некоторых вариантах реализации стопка элементов может включать один или более слоев или уровней элементов. В некоторых вариантах реализации один или более уровней или слоев элементов могут включать одиночный элемент, четверку элементов, множество элементов или множество четверок элементов. Например, слой может быть выполнен из массива m×n элементов или массива m×n четверок, где m и/или n могут быть выбраны из любых целых чисел, больших или равных 1, включая, но не ограничивая этим, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25 или более. Каждый модуль может включать в себя одну или более частей системы управления электролитом. В некоторых вариантах реализации каждая четверка может разделять общую одну или более частей системы управления электролитом.
[00206] В некоторых вариантах реализации модуль может быть модулем на 50 кВт/300 кВт·ч. В других вариантах реализации модуль может иметь любые другие показатели мощности/энергии. Например, модуль может обеспечивать 10 кВт или более, 20 кВт или более, 30 кВт или более, 50 кВт или более, 70 кВт или более, 100 кВт или более, 200 кВт или более, 300 кВт или более, 500 кВт или более, 750 кВт или более, 1 МВт или более, 2 МВт или более, 3 МВт или более, 5 МВт или более, 10 МВт или более, 20 МВт или более, 50 МВт или более, 100 МВт или более, 200 МВт или более, 500 МВт или более, или 1000 МВт или более. Модуль может также обеспечивать 50 кВт·ч или более, 100 кВт·ч или более, 200 кВт·ч или более, 250 кВт·ч или более, 300 кВт·ч или более, 350 кВт·ч или более, 400 кВт·ч или более, 500 кВт·ч или более, 700 кВт·ч или более, 1 МВт·ч или более, 1,5 МВт·ч или более, 2 МВт·ч или более, 3 МВт·ч или более, 5 МВт·ч или более, 10 МВт·ч или более, 20 МВт·ч или более, 50 МВт·ч или более, 100 МВт·ч или более, 200 МВт·ч или более, 500 МВт·ч или более, 1000 МВт·ч или более, 2000 МВт·ч или более, или 5000 МВт·ч или более.
[00207] ФИГ. 8В изображает нижние части модулей батареи в соответствии с вариантом реализации изобретения. Нижние части могут включать одну или более стопок 820, которые могут включать один или более слоев/уровней 836 элементов. Модуль батареи может включать основание 824 блока батареи под слоями элементов. Основание блока может поддерживать блок под нижним резервуаром 822. Нижний резервуар может быть выполнен с возможностью содержания электролита, который может стекать из стопок. Основание блока может быть выполнен с возможностью предотвращать контактирование электролита с низом стопок, таким как воздушный электрод в низу стопки. В других вариантах реализации основание блока может позволять электролиту контактировать с низом стопки, но может обеспечивать поддержку для того, чтобы удерживать основание блока нависающим над частями нижнего резервуара.
[00208] В некоторых вариантах реализации нижний резервуар хранения электролита, который может быть термоформованным, может принимать переливающийся электролит и способствовать циркуляции электролита внутри системы батареи. Например, нижний резервуар может направлять электролит в резервуар проверки и затем в верхний резервуар, который может распределять электролит по одной или более стопкам. Нижний резервуар может быть проточно соединен с одной или более деталями 826 распределения текучей среды, которые могут включать трубки, каналы или любые другие проходы для распределения текучей среды, известные в данной области техники.
[00209] Стопка 820 внутри модуля батареи может включать в себя один или более слоев или уровней 836. Уровень или слой может включать рамку 830. Рамка может быть отформована литьем под давлением или сформирована каким-либо другим методом. В некоторых вариантах реализации отдельная сформированная как единое целое рамка может быть предусмотрена на каждый слой или уровень. В других вариантах реализации множественные рамки или отделяемые части рамок могут быть предусмотрены на каждый слой или уровень. В некоторых вариантах реализации рамка может включать в себя часть системы 832 управления электролитом. Система управления электролитом может быть сформирована заодно внутри рамки. Когда слои рамок укладывают стопкой вертикально, части системы управления электролитом могут становиться вертикально совмещенными и позволять электролиту распределяться к элементам 834 внутри слоев.
[00210] Элемент 834 может быть образован окруженным рамкой 830 и опирающимся на электрод 828. В предпочтительных вариантах реализации поверхность электрода, образующая донную часть элемента, может являться металлическим электродом. Электролит может протекать в элемент и поддерживаться электродом, а также удерживаться рамкой. Любой перелив электролита может стекать в систему 832 управления электролитом и может распределяться в нижележащий элемент, или же может стекать вплоть до нижнего резервуара 822.
[00211] ФИГ. 8С изображает множество модулей батареи в системе батареи. В некоторых вариантах реализации система батареи может включать корпус, который может включать дно 840 или основание, или одну или более стенок 842 или оболочек. Как указано ранее, в некоторых вариантах реализации корпус может являться стандартным контейнером, таким как транспортировочный контейнер.
[00212] Система батареи может включать в себя систему управления электролитом. В некоторых вариантах реализации система управления электролитом может включать один или более резервуаров 844а, 844b, которые могут способствовать циркуляции электролита внутри системы или запасанию или подаче воды для гарантирования постоянного состава смеси электролита, когда происходит испарение. Эти резервуары могут либо способствовать фильтрованию электролита внутри системы, либо способствовать обеспечению добавок к электролиту внутри системы. В некоторых вариантах реализации в системе электролита могут быть использованы один или более насосов, клапанов или перепадов давлений, таких как источник положительного давления или источник отрицательного давления, тем самым содействуя циркуляции электролита. В некоторых вариантах реализации резервуар может иметь вход в систему и/или выход из системы. Вход и/или выход могут быть использованы для удаления отходов или отфильтрованного материала, обеспечения добавок, отвода газов или излишней текучей среды, или обеспечения свежей текучей среды в систему. В некоторых вариантах реализации внутри системы батареи могут быть предусмотрены одна или более проводящих электролит деталей 846. Проводящая электролит деталь может являться трубкой, каналом или любым другим узлом, способными транспортировать текучую среду из резервуара в верхние резервуары стопок непосредственно или через коллектор. Проводящие электролит детали могут переносить электролит из резервуара 844а, 844b к одному или более модулей 850. В некоторых вариантах реализации электролит может быть перенесен в верхний лоток или резервуар модуля. В некоторых вариантах реализации проводящие электролит детали могут быть использованы для переноса электролита из модуля в резервуар 844а, 844b. Проводящая электролит деталь может переносить электролит из нижнего лотка или резервуара модуля в резервуар 844а, 844b.
[00213] Система батареи может включать воздухопроточный узел. Воздухопроточный узел может заставить воздух циркулировать внутри системы батареи. В некоторых вариантах реализации воздухопроточный узел может заставить воздух проходить внутри модулей. В некоторых вариантах реализации воздухопроточный узел может заставить воздух проходить в воздушные туннели между элементами. В некоторых вариантах реализации один или более воздушных туннелей может быть предусмотрены между каждым слоем стопки. В некоторых вариантах реализации воздушные проточные туннели могут быть ориентированы горизонтально. В некоторых вариантах реализации воздушные проточные туннели могут быть ориентированы практически горизонтально и/или могут иметь небольшой наклон (например, от 1 до 5 градусов). Воздухопроточный узел может включать в себя вентилятор, насос, перепад давлений, такой как источник положительного давления или источник отрицательного давления, или любой другой узел, который может заставить воздух перемещаться. В некоторых вариантах реализации воздухопроточный узел может заставить воздух проходить внутри туннелей одного или более модулей. В некоторых вариантах реализации воздух может проходить между туннелями различных модулей. Элементы могут быть сконфигурированы таким образом, что воздушные туннели могут быть сформированы непрерывно между смежными элементами и/или смежными модулями. В других вариантах реализации могут иметь место разрывы в туннеле между элементами и/или между модулями.
[00214] В некоторых вариантах реализации система батареи может также включать в себя один или более блоков 848 инвертора. Блок инвертора может преобразовывать электроэнергию постоянного тока в переменный ток.
[00215] ФИГ. 8D изображает вид сверху системы батареи, включающей множество модулей батареи. Как описано ранее, может быть предусмотрен корпус для системы батареи. Корпус может включать дно 860 и/или оболочку или дверь 862, которые могут иметь стенки или потолок. Могут быть предусмотрены один или более резервуаров 864 или проводящих электролит деталей 866, таких как труба. Проводящая электролит деталь может проточно соединять резервуар с одним или более модулями 870. В некоторых вариантах реализации каждый модуль может быть непосредственно проточно соединен с резервуаром посредством проводящей электролит детали. В некоторых других вариантах реализации один или более модулей могут быть не напрямую соединены с резервуаром через другие модули. В некоторых вариантах реализации проводящая электролит деталь может быть соединена с одним или более модулями на верху модуля. Проводящая электролит деталь может быть выполнена с возможностью подавать электролит в верхний лоток одного или более модулей.
[00216] Любое число модулей 870 может быть предусмотрено внутри системы батареи. Например, внутри системы батареи могут быть предусмотрены один, два, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять, десять, одиннадцать, двенадцать, тринадцать, четырнадцать, пятнадцать, шестнадцать, семнадцать, восемнадцать, девятнадцать, двадцать, двадцать один, двадцать два, двадцать три, двадцать четыре, двадцать пять, двадцать шесть, двадцать семь, двадцать восемь, двадцать девять, тридцать или более модулей. В некоторых вариантах реализации система батареи может являться контейнером 6-часового хранения энергии мощностью 1 МВт. В других вариантах реализации система батареи может быть системой мощностью 100 кВт, 200 кВт, 300 кВт, 500 кВт, 700 кВт, 1 МВт, 2 МВт, 3 МВт, 5 МВт, 7 МВт, 10 МВт, 15 МВт, 20 МВт, 30 МВт или более. В некоторых вариантах реализации система батареи может быть системой с длительностью хранения 1 час, 2 часа, 3 часа, 4 часа, 5 часов, 6 часов, 7 часов, 8 часов, 9 часов, 10 часов, 11 часов, 12 часов, 13 часов, 14 часов, 15 часов или более.
[00217] В некоторых вариантах реализации, для стандартного модуля, может быть применима одна или более из следующих характеристик: система может иметь параметры, такие как 500 кВт - 2 МВт, 2-12 МВт·ч, и предполагается, что система будет иметь низкую стоимость. Такие параметры приводятся только в качестве примера и не ограничивают изобретения.
[00218] Модули могут иметь любую конфигурацию внутри системы батареи. Например, могут быть предусмотрены один или более рядов и/или столбцов модулей. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрен массив модулей. Например, могут быть предусмотрены два ряда по 12 модулей в каждом.
[00219] В некоторых вариантах реализации проводящая электролит деталь может быть трубой, которая может проходить над каждым модулем. В некоторых вариантах реализации труба может проточно сообщаться с каждым модулем на верху модуля. Труба может переносить электролит в верхний лоток каждого модуля. В некоторых вариантах реализации труба может проходить в виде прямой трубы над первым рядом модулей, затем может изгибаться и разворачиваться и проходить в виде прямой трубы над вторым рядом модулей. Как альтернативный вариант, труба может иметь любую другую изогнутую или зигзагообразную конфигурацию.
[00220] В некоторых вариантах реализации система батареи может также включать в себя один или более блоков 868 инвертеров. Блок инвертеров может преобразовывать электроэнергию постоянного тока в переменный ток.
[00221] ФИГ. 8Е изображает пример системы батареи, включающей воздухопроточный узел. Узел батареи может иметь контейнер с передним концом и задним концом. В некоторых вариантах реализации контейнер может быть термически изолирован и/или электрически изолирован. В некоторых вариантах реализации контейнер может быть стандартным контейнером, таким как описанный ранее, или рефрижераторным контейнером. В некоторых вариантах реализации контейнер может быть примерно 40 футов в длину.
[00222] Один или более модулей могут содержаться внутри контейнера. В некоторых вариантах реализации внутри контейнера может быть предусмотрено вплоть до 36 модулей. Модули могут быть выложены в контейнере таким образом, чтобы были предусмотрены два ряда модулей, причем каждый из рядов имеет по 12 модулей. Таким образом, система батареи может иметь структуру, в которой 12 моделей в глубину и 2 модуля в ширину. В некоторых вариантах реализации на каждый модуль могут быть предусмотрены 1800 четверок элементов. Модуль может иметь 120 элементов в высоту (например, имея 120 слоев или уровней) и может иметь 15 четверок элементов на каждый слой или уровень. В некоторых вариантах реализации система батареи может иметь в сумме примерно 50000 четверок элементов.
[00223] ФИГ. 8Е предоставляет пример воздухопроточного узла. Воздухопроточный узел может быть предусмотрен внутри контейнера. Дно контейнера А может включать т-образные балки (тавровый профиль), желоба, каналы, выступы, ребра или другие формы. В некоторых рефрижераторных контейнерах может быть предусмотрен нижний воздухопроточный коллектор В или же может быть использован т-образный профиль пола. В некоторых вариантах реализации воздух в нижнем коллекторе может проходить сбоку. В некоторых вариантах реализации воздух может проходить к центральному проходу С воздухопроточного узла. В некоторых вариантах реализации воздух может подниматься в центральном проходе. Один или более воздушных туннелей D могут быть предусмотрены для одного или более модулей. Воздушный туннель может иметь горизонтальную ориентацию. Воздушные туннели могут быть предусмотрены как часть центродов элементов. Воздух может проходить из центрального прохода в один или более воздушных туннелей, которые канализируют воздух сбоку между элементами.
[00224] Из воздушного туннеля D воздух может проходить сбоку в периферийный проход E. Могут быть предусмотрены один или более периферийных проходов. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены два периферийных прохода E, F. Воздух может подниматься вдоль периферийных проходов. Периферийный проход может быть предусмотрен между модулем К и стенкой I контейнера. В некоторых вариантах реализации с вентилятором(ами) или системой циркуляции или выдува воздуха может быть предусмотрен верхний воздушный коллектор H с обшивкой G верхнего воздушного коллектора. Верхний воздушный коллектор может принимать воздух из периферийных проходов. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрено блокирующее устройство J для предотвращения подъема воздуха из центрального прохода непосредственно в верхний воздушный коллектор. Оно может вынуждать некоторое количество воздуха проходить в воздушные туннели. В альтернативных вариантах реализации некоторое количество воздуха может подниматься из центрального прохода в верхний коллектор. В некоторых вариантах реализации воздух может проходить продольно вдоль верхнего воздушного коллектора. Например, воздух может проходить со стороны контейнера с зоной размещения вспомогательного оборудования к другому концу контейнера.
[00225] ФИГ. 8F предоставляет дополнительный вид воздухопроточного узла. Воздухопроточный узел может быть предусмотрен внутри контейнера. Дно контейнера А может включать т-образные балки, желоба, каналы, выступы, ребра или другие формы. Воздух может проходить вдоль пространств, обеспеченных на дне между поверхностными деталями дна. Может быть предусмотрен нижний воздушный проход или туннель В. В некоторых вариантах реализации воздух может проходить в нижнем проходе может проходить вбок. В некоторых вариантах реализации воздух может проходить к центральному проходу С воздухопроточного узла. В некоторых вариантах реализации воздух может подниматься в центральном проходе. Один или более воздушных туннелей D могут быть предусмотрены для одного или более модулей. Воздушный туннель может иметь горизонтальную ориентацию. Воздушные туннели могут быть предусмотрены как часть центродов элементов. Воздух может проходить из центрального прохода в один или более воздушных туннелей, которые канализируют воздух сбоку между элементами.
[00226] Из воздушного туннеля D воздух может проходить вбок в периферийный проход E. Могут быть предусмотрены один или более периферийных проходов. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены два периферийных прохода. Воздух может подниматься вдоль периферийных проходов. Периферийный проход может быть предусмотрен между модулем и стенкой I контейнера. В некоторых вариантах реализации верхний воздушный коллектор J может быть снабжен обшивкой верхнего воздушного коллектора. Верхний воздушный коллектор может принимать воздух из периферийных проходов. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрено блокирующее устройство H для предотвращения подъема воздуха из центрального прохода непосредственно в верхний воздушный коллектор. Оно может вынуждать некоторое количество воздуха проходить в воздушные туннели. В альтернативных вариантах реализации некоторое количество воздуха может подниматься из центрального прохода в верхний коллектор. В некоторых вариантах реализации воздух может проходить продольно вдоль верхнего воздушного коллектора. Например, воздух может проходить со стороны контейнера с зоной размещения вспомогательного оборудования к другому концу контейнера.
[00227] Может быть предусмотрен верхний резервуар G подачи электролита как часть модуля. Может быть также предусмотрен нижний резервуар T приема электролита как часть модуля. В некоторых вариантах реализации контейнер I может лежать на поверхности K.
[00228] В некоторых вариантах реализации подаваемый воздух может быть воздухом, подаваемым через дно и нижний коллектор. Подаваемый воздух может затем подниматься через центральный проход и проходить через воздушные туннели. Отводимый воздух может проходить прямо через периферийные проходы и протекать через верхний коллектор. В альтернативных вариантах реализации изобретения воздух может проходить в других направлениях (например, может подаваться из верхнего коллектора и может проходить через воздушные туннели в противоположных направлениях).
[00229] ФИГ. 8G изображает альтернативный пример конфигурации потоков воздуха. В некоторых вариантах реализации воздух может проходить продольно вдоль контейнера и не должен расщепляться вбок. Воздух может циркулировать или не циркулировать обратно продольно вдоль контейнера.
[00230] В некоторых вариантах реализации модули могут быть помещены на дно контейнера. В некоторых вариантах реализации дно контейнера может иметь т-образные балки настила. В некоторых вариантах реализации дно может иметь один или более желобов, каналов, канавок, выступов или ребер, которые могут поддерживать модули, при этом обеспечивая пространство под модулями. В некоторых вариантах реализации воздух может проходить внутри пространства под модулями. Это может помочь при регулировке температуры.
[00231] В некоторых вариантах реализации предусмотрена зона размещения вспомогательного оборудования внутри контейнера и рядом с модулями. Например, модули могут быть расположены внутри контейнера так, чтобы обеспечить зону размещения вспомогательного оборудования площадью 6 на 7 футов. В некоторых вариантах реализации пользователь может иметь возможность доступа к зоне размещения вспомогательного оборудования. Пользователь может иметь возможность войти в контейнер в зону размещения вспомогательного оборудования. В некоторых вариантах реализации зона размещения вспомогательного оборудования может быть расположена в заднем конце контейнера.
[00232] В некоторых вариантах реализации внутри контейнера может быть предусмотрена воздухораспределительная камера (пленум). Воздухораспределительная камера может выступать от стены контейнера на переднем конце. Воздухораспределительная камера может быть изогнута и может встречаться с модулем примерно на полпути вверх. В некоторых вариантах реализации подача воздуха может быть обеспечена в одной части воздухораспределительной камеры, а забор воздуха может быть обеспечен в другой части воздухораспределительной камеры. Например, подача воздуха может быть обеспечена с нижней стороны воздухораспределительной камеры, а забор воздуха может быть обеспечен в верхней части воздухораспределительной камеры, или наоборот. В некоторых вариантах реализации подача воздуха может включать холодный, обработанный воздух. Подача воздуха может происходить в первом горизонтальном направлении через модули, предусмотренные на стороне подачи воздухораспределительной камеры. Например, если подача воздуха предусмотрена с нижней стороны воздухораспределительной камеры, воздух может проходить в первом направлении горизонтально через нижнюю половину модулей. Воздух может проходить через один или более воздушных туннелей модулей.
[00233] Когда воздух попадает в зону размещения вспомогательного оборудования на другом конце контейнера, воздух может переместиться в другую часть модулей. Например, воздух может подниматься к верху модулей и проходить во втором направлении обратно к верхней части воздухораспределительной камеры. В некоторых вариантах реализации второе направление может быть горизонтальным и/или может быть противоположно первому направлению. Воздух может доходить до обратного воздухозаборника в верхней части воздухораспределительной камеры. Воздухораспределительная камера может быть предусмотрена на переднем конце контейнера. Как альтернативный вариант, воздух не обязательно должен циркулировать обратно и может быть принят заборником на стороне зоны размещения вспомогательного оборудования контейнера. Сторона зоны размещения дополнительного оборудования контейнера может обеспечивать или не обеспечивать вторую подачу воздуха, который может проходить обратно к первой подаче воздуха. На переднем конце контейнера может быть также предусмотрен блок переноса. Блок переноса может принимать забор воздуха и может охлаждать его, может изменять и/или поддерживать температуру воздуха, может фильтровать воздух и/или может изменять или поддерживать состав воздуха.
Конфигурации баланса установки
A. Системы циркуляции и обработки электролита
[00234] Как описано ранее и изображено на ФИГ. 4А, может быть предусмотрена система циркуляции и обработки электролита, состоящая из нескольких компонентов. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрена отдельная балансировка установки (система управления электролитом/воздухом и водой). Система циркуляции и обработки электролита может включать одно или более из следующего:
[00235] Устройство для деионизации и фильтрации подаваемой воды до впуска в систему.
[00236] Химический резервуар для введения и смешивания различных солей и других химических веществ с деионизированной водой. Это может образовывать по меньшей мере часть электролита.
[00237] Резервуар или серию резервуаров, которые измеряют и обрабатывают электролит батареи.
[00238] Насос или серию насосов, который(ая) распределяет электролит по всей системе батареи.
[00239] Различные датчики, которые измеряют и контролируют общий объем, плотность, температуру, уровни pH электролита и другие параметры работы системы.
[00240] Линии подачи и возврата, которые распределяют жидкий электролит к и из батареи.
[00241] Различные датчики и клапаны для регулирования потока жидкого электролита и регулирования электрических соединений с блока управления.
[00242] ФИГ. 8H предоставляет пример системы батареи внутри контейнера. Один или более резервуаров (например, резервуар обработки/содержания, резервуар электролита) могут быть предусмотрены и могут быть соединены с одним или более модулями посредством проточных соединителей и клапанов. Например, электролит может обеспечиваться через коллектор, а затем индивидуально разделяться в отдельные проточные соединители, которые перемещают электролит к каждому из модулей внутри системы. Например, каждый верхний резервуар модуля внутри системы может быть в проточном сообщении с коллектором и может получать из него текучую среду. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены один или более пользовательских интерфейсов.
[00243] В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрена воздухонепроницаемая перегородка между модулями и остальной частью контейнера. Например, может быть предусмотрена зона обслуживания или размещения вспомогательного оборудования, к которой может иметь доступ оператор или другой пользователь. Например, может быть предусмотрен проход обслуживания, куда может войти оператор или другой пользователь. В некоторых вариантах реализации зона обслуживания или размещения вспомогательного оборудования может включать резервуары, пользовательский интерфейс или электронные органы управления. В одном примере воздухонепроницаемая перегородка может отделять зону обслуживания или размещения вспомогательного оборудования от модулей.
B. Системы циркуляции и кондиционирования воздуха
[00244] ФИГ. 8А изображает пример применения в изолированном грузовом контейнере и HVAC-машине в соответствии с вариантом реализации изобретения. Система хранения энергии может включать в себя систему циркуляции и кондиционирования воздуха, состоящую из нескольких компонентов. ФИГ. 8Е предоставляет пример системы циркуляции воздуха.
[00245] Может быть предусмотрена последовательность воздухораспределительных проточных камер для регулирования и равномерного распределения потока воздуха между элементами. Принудительное воздушное охлаждение может быть более эффективным, чем конвекция, особенно при сочетании с хорошими внутренними теплоотводами и конструкцией закрытого пространства в стиле воздухораспределительной камеры. Нагретый воздух может быть удален из закрытых пространств оборудования с помощью вентиляторов или воздуходувок, которые могут также втягивать голее холодных воздух в закрытое пространство через отдушины. В зависимости от требований к охлаждению, малые или большие объемы воздуха могут перемещаться через закрытое пространство.
[00246] В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены один или более датчиков температуры. На основании температуры, обнаруженной датчиком температуры, параметры работы вентиляторов или воздуходувок могут изменяться и/или поддерживаться для регулирования расхода воздуха. Может быть предусмотрена система вентиляторов, которая проталкивает воздух через батарею.
[00247] Система может включать в себя систему подпитки и фильтрации свежего воздуха для введения кислорода, при этом отфильтровывающую нежелательные загрязнения. В некоторых вариантах реализации может быть желательно иметь более высокое содержание кислорода по сравнению с окружающим воздухом.
[00248] Может быть предусмотрена HVAC-система, которая измеряет и регулирует температуру воздуха внутри корпуса батареи.
[00249] Система может также включать в себя систему регулирования влажности, которая увлажняет или осушает воздух внутри корпуса батареи. Могут быть предусмотрены один или более датчиков влажности. Система регулирования влажности может изменять и/или поддерживать влажность воздуха на основании результатов измерений от датчиков влажности.
[00250] В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрена серия датчиков, которые связываются с различными другими системами.
С. Возможности электрического подключения и управление
[00251] Может быть предусмотрена электрическая система, которая способствует протеканию электроэнергии внутри батареи и распределяет электроэнергию между батареей и электрической сетью или другим источником питания. В некоторых вариантах реализации электрическая система может определять, обеспечивать ли переток электроэнергии между батареей и электрической сетью или другим источником или потребителем электроэнергии. Электрическая система может определять направление и/или величину потока мощности между батареей и источником или потребителем электроэнергии.
D. Системы измерений и регулирования
[00252] Централизованная система измерений может быть составлена из различных датчиков, которые связаны с компьютеризованной системой управления. В некоторых вариантах реализации компьютеризованная система управления может включать в себя один или более процессоров или запоминающих устройств. Компьютеризованная система управления может собирать результаты измерений, полученные от различных датчиков. Компьютеризованная система управления может осуществлять одно или более вычислений на основании этих результатов измерений. Могут быть реализованы любые алгоритм, вычисление или другие этапы с использованием материальных машиночитаемых (считываемых компьютером) носителей, которые могут включать в себя код, логику, команды для выполнения таких этапов. Такие машиночитаемые носители могут храниться в запоминающем устройстве. Один или более процессоров могут иметь доступ к такому запоминающему устройству и выполнять в нем этапы.
[00253] Компьютеризованная система управления может быть связана с различными другими механическими системами. В некоторых вариантах реализации компьютеризованная система управления может давать команды одной или более механическим системам на выполнение некоего действия. Например, компьютеризованная система управления может давать команды насосу перекачивать больший объем электролита в верхний лоток. Компьютеризованная система управления может давать команды одному или более клапанов, которые могут повлиять на распределение электролита между множеством модулей. В другом примере компьютеризованная система может заставить вентилятор дуть с меньшей скоростью. В некоторых вариантах реализации компьютеризованная система управления может выдавать одну или более команд на основании результатов измерений, полученных от одного или более датчиков. Любые команды могут быть предоставлены контроллером с посредством проводного или беспроводного соединения.
[00254] Компьютеризованная система управления может быть связана с телефонной и/или сотовой сетями связи. В некоторых вариантах реализации компьютеризованная система управления может включать устройство обработки, такое как компьютер. Любое обсуждение устройства обработки или любого специального типа устройства обработки может включать, но не ограничивая этим, персональный компьютер, компьютер-сервер или портативный компьютер; персональные цифровые помощники (ПЦП), такие как устройство на платформе Palm или устройство на платформе Windows; телефоны, такие как сотовые телефоны или переносные телефоны с определением местонахождения (таким как GPS); роуминговое устройство, такое как соединенное с сетью роуминговое устройство; беспроводное устройство, такое как беспроводное устройство электронной почты или другое устройство, способное связываться беспроводным образом с компьютерной сетью; или любой другой тип сетевого устройства, способного связываться по сети и осуществлять электронные транзакции. В некоторых вариантах реализации компьютеризованная система управления может включать в себя множественные устройства. В некоторых случаях компьютеризованная система управления может включать в себя архитектуру клиент-сервер. В некоторых вариантах реализации устройства обработки могут быть специально запрограммированы на выполнение одного или более этапов или расчетов, или выполнение любого алгоритма. Компьютеризованная система управления может обмениваться информацией по любой сети, включая, но не ограничивая этим, сети сотовой связи, другие телефонные сети, локальные сети (LAN), или глобальную сеть (такую как Интернет). Любые передачи информации могут обеспечиваться через проводное соединение и/или беспроводное соединение.
[00255] В некоторых вариантах реализации пользователь может взаимодействовать с компьютеризованной системой управления. Пользователь может быть удаленным (т.е. находиться на расстоянии) от компьютеризованной системы управления и может обмениваться информацией с компьютеризованной системой управления по сети. Как альтернативный вариант, пользователь может быть локально подсоединен к пользовательскому интерфейсу компьютеризованной системы управления.
Е. Конфигурации места установки и размещения
[00256] Обычно модульные батареи и их системы не ограничены в размере, объеме или масштабе. Обычные промышленные шкафы, контейнеры, здания и другие конструкции могут быть выполнены с возможностью вмещения батареи и ее систем.
[00257] Батарея и ее вспомогательные системы могут быть предназначены для мобильных и стационарных конфигураций. Например, батарея и ее вспомогательные системы могут быть предусмотрены в зданиях, транспортировочных контейнерах, на суднах и автомобилях, например.
Конфигурация с топливными элементами
[00258] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения система хранения энергии, описанная здесь где-либо еще, может быть использована в конфигурации с топливными элементами. В конфигурации с топливными элементами каждый элемент может быть снабжен впускным и выпускным клапанами подачи и отвода для передачи или переливания электролита. В некоторых вариантах реализации можно применять систему перемещения электролита батареи с потоком под действием силы тяжести. Например, впуск для подачи может быть предусмотрен выше элемента, а выпуск для отвода может быть предусмотрен ниже элемента. В других вариантах реализации группы элементов (такие как четверки или слои) могут быть снабжены впуском для подачи и выпуском для отвода.
[00259] Конфигурация с топливными элементами может предусматривать механизмы, которые удаляют обедненный электролит и добавляют свежий электролит посредством удаленного и подходящего проема перемещения или переливания.
Адаптация на рынке и сценарии адаптации
[00260] Система хранения энергии, которая может включать в себя обсуждавшиеся здесь где-либо еще варианты реализации, может быть преимущественно использована с генераторами экологически чистой энергии. Примеры генераторов экологически чистой энергии могут включать ветровые электростанции, солнечные электростанции или приливно-отливные электростанции. Система хранения энергии может быть также использована с традиционными генераторами энергии, такими как работающие на ископаемом топливе парогенераторы или ядерные генераторы. В некоторых вариантах реализации система хранения энергии может хранить (аккумулировать) энергию от генератора. В других вариантах реализации может быть возможным дополнять или сдвигать энергию, вырабатываемую генератором.
[00261] Система хранения энергии может быть использована в распределении энергии. Например, она может быть использована с региональными электроэнергетическими компаниями энергосистемы общего пользования, локальными электроэнергетическими компаниями энергосистемы общего пользования (электрическими коммунальными предприятиями), удаленным хранением или мобильным хранением.
[00262] Система хранения энергии может также иметь применения в хранении энергии, управлении энергией и резервном питании. Например, хранение энергии может быть использовано для правительственных и военных областей применения, коммерческих и промышленных областей применения, общественных и ведомственных областей применения, жилых и частных областей применения (топливный элемент или батарея). В некоторых вариантах реализации излишняя энергия может запасаться в системе хранения энергии и затем использоваться при необходимости. Система хранения энергии может быть энергоемкой, чтобы располагаться на загородных подстанциях или в городских подвальных помещениях.
[00263] Для системы хранения энергии могут быть предусмотрены применения на транспорте. Например, система хранения энергии может быть использована для питания локомотива и поезда. Система хранения энергии может быть также использована для грузовых перевозок (по суше или по воде). Система хранения энергии может быть также использована для массовых перевозок на общественном транспорте и бизнеса. Например, система хранения энергии может быть предусмотрена в виде топливного элемента или батареи на средствах общественного транспорта или иных транспортных средствах для массовых перевозок. Аналогично, система хранения энергии может иметь применения в автомобильной отрасли и может быть предусмотрена в виде топливного элемента или батареи для механического транспортного средства (автомобиля). Предпочтительно, система хранения энергии на транспортном средстве может быть перезаряжаемой.
Конструкция элементов в виде сплющенной четырехсторонней пирамиды компенсирует изменение объемов электролитов
[00264] В перезаряжаемых цинк-воздушных элементах объемы электролита обычно не остаются постоянными. В процессе разряда элемента, по мере преобразования металлического цинка (с относительно высокой плотностью) в соединения цинка меньшей плотности, объемы электролита могут увеличиться. В процессе заряда элемента протекает обратная реакция, и объемы электролита могут уменьшиться. Объемы электролита могут также уменьшится из-за испарения воды.
[00265] Эти изменения объемов электролита могут оказывать неблагоприятное влияние на рабочие характеристики элемента. Если объемы электролита станут слишком малыми, может иметь место недостаточный проводящий электролит между металлическим электродом и воздушным электродом. Это может вызвать увеличение сопротивления элемента, что, в свою очередь, может неблагоприятно повлиять на рабочие характеристики элемента. Аналогично, если объемы электролита увеличатся слишком сильно, излишний электролит может быть вынужден попадать в поры воздушного электрода. Электролит, проникающийся в и затапливающий поры воздушного электрода, не дает газообразному кислороду легко диффундировать (и электрохимически восстанавливаться) внутри пор. Кроме того, увеличенный объем электролита оказывает давление на воздушный электрод и может привести к механическому повреждению электрода. Это приводит к ухудшению рабочих характеристик элемента.
[00266] Регулирование этих постоянно изменяющихся объемов электролита в работающем полном блоке батареи может быть реализовано за счет наличия механизма обратной связи, который может автоматически компенсировать изменения объемов электролита. Когда элементам нужен дополнительный электролит (например, в процессе зарядки элементов, когда уровни электролита уменьшаются), электролиту может быть предоставлена возможность медленно стекать из резервуара в отдельные элементы. В процессе разряда элементов, по мере увеличения объемов электролита, излишний электролит внутри элементов может быть отведен через переливной проем в резервуар для хранения.
[00267] Ранее описанные варианты реализации могут включать четырехэлементную, горизонтальную конструкцию, которая включает в себя проем заполнения и проем вывода, расположенные в месте соединения, где встречаются все четыре горизонтально расположенные элементы. Этот полый проем заполнения/вывода может позволить электролиту стекать в и вытекать из отдельных элементов по мере необходимости. Так как некоторое число этих четырехэлементных узлов уложены стопкой друг поверх друга, проем заполнения/вывода верхнего четырехэлементного узла может быть расположен точно над нижним четырехэлементным узлом. Таким образом, некоторое число уложенных вертикальной стопкой четырехэлементных узлов могут разделять между собой общий проем заполнения/вывода, который соединен с общим резервуаром.
[00268] Может быть предусмотрена другая горизонтальная четырехэлементная конструкция в соответствии с другим вариантом реализации изобретения. Горизонтальная конструкция может включать сборку четырехэлементного узла таким образом, чтобы каждый элемент в этом узле имел небольшой уклон (был наклонен) вверх (только с одной стороны) к проему заполнения/вывода. Это может физически компенсировать выделение газа, позволяя газу более свободно перемещаться к выходу.
[00269] ФИГ. 10 изображает вид сверху (глядя вниз) четырех элементов (Элемент 1, Элемент 2, Элемент 3, Элемент 4) в горизонтальном узле. Элементы могут быть расположены таким образом, чтобы они разделяли между собой общий проем заполнения и вывода (обозначенный как O). Угол каждого отдельного элемента немного наклонен вверх к О. Таким образом, расположенный дальше всего от О угол каждого отдельного элемента может быть наклонен вниз.
[00270] Другой способ визуализации данной конструкции заключался бы в том, чтобы представить четыре отдельных элемента, расположенных в виде четырехсторонней пирамиды (вершина пирамиды была бы той точкой, где все четыре элемента встречаются), но вместо резкого наклона вверх как в обычной пирамиде, эта пирамида была бы приплюснута, пока углы наклона не стали бы равными всего лишь 1-5 градусам относительно горизонтали. Угол наклона каждого отдельного элемента в четырехэлементном узле может иметь любое значение, включая, но не ограничивая этим, 0,25 градуса или менее, 0,5 градуса или менее, 0,75 градуса или менее, 1 градус или менее, 2 градуса или менее, 3 градуса или менее, 4 градуса или менее, 5 градусов или менее, 6 градусов или менее, 7 градусов или менее, или 10 градусов или менее. Предпочтительно, каждый элемент может быть наклонен под одинаковым углом, в то время как в других вариантах реализации отдельные элементы могут быть наклонены под различными углами. Эта конструкция сплющенной, четырехсторонней пирамиды предназначена способствовать управлению электролитом и выделению газа в ходе циклов разряда/заряда.
[00271] Это изображено на виде сбоку по ФИГ. 11В. Здесь каждый из элементов 1150а, 1150b, 1150с в узле стопки может быть немного наклонен вверх относительно горизонтали ближе к проему заполнения. В некоторых вариантах реализации может быть предусмотрен наклон примерно 1,5 градуса. Верхний водяной резервуар 1152 может иметь одну или более трубок 1154 отвода. Трубки отвода могут позволять регулируемому количеству электролита стекать из верхнего водяного резервуара в расположенные ниже элементы. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены трубки отвода с внутренним диаметром ѕ дюйма.
[00272] Конструкция может включать одну или более распорок 1156 внутри коллектора 1158. Этот коллектор может обеспечивать зазор между верхним водяным резервуаром и нижележащими элементами. В некоторых вариантах реализации распорка может помогать сохранить зазор между верхним водяным резервуаром и отдельными элементами. В некоторых вариантах реализации распорка может обеспечивать опору между элементами и верхним водяным резервуаром.
[00273] Одна или более деталей 1166 регулирования потока могут регулировать скорость потока электролита, поступающего из верхнего водяного резервуара в нижележащие элементы. В некоторых вариантах реализации деталь регулирования потока может выступать или может быть вертикально выровнена. Деталь регулирования потока может разбивать электролит на маленькие капли. В некоторых вариантах реализации деталь регулирования потока может не давать сформироваться электрическому мостику между электролитом в верхнем водяном резервуаре и электролитом в любом отдельном нижележащем элементе. Капля с детали регулирования потока может быть «поймана» нижележащим элементом. В некоторых вариантах реализации нижележащие элементы могут иметь проем с участком перелива. Детали регулирования потока могут быть вертикально выровнены над участком перелива. Проемы вертикально выровненных элементов могут быть также вертикально выровнены. В некоторых вариантах реализации капля может падать в ванну 1160 электролита элемента. Электролит из верхнего элемента может стекать в нижележащий элемент. В некоторых вариантах реализации каждый элемент может иметь свою деталь 1164 регулирования потока элемента, которая может также регулировать поток электролита, поступающий в нижележащие элементы. Деталь регулирования потока элемента может разбивать электролит на капли и предотвращать образование электрического мостика между электролитом в этом элементе и электролитом в нижележащем элементе. В некоторых вариантах реализации детали регулирования потока могут быть в практически вертикальном совмещении с деталями регулирования потока расположенных выше и/или ниже элементов. Как альтернативный вариант, они могут иметь ступенчатое или какое-либо другое совмещение (выравнивание). Между элементами могут быть предусмотрены один или более воздуховодов 1162.
[00274] Как ранее обсуждалось, отдельные элементы могут быть наклонены таким образом, что принимающая электролит часть элемента может быть наклонена вверх. Электролит может течь из принимающей электролит части элемента к другому концу элемента.
[00275] Слегка наклоненная ориентация элементов имеет ряд заметных преимуществ, когда элементы собираются в стопку. Первое преимущество заключается в том, что все еще поддерживается постоянное и воспроизводимое сопротивление элемента между металлическим электродом и воздушным электродом. Это помогает держать сопротивление электролита под жестким контролем.
[00276] Второе преимущество состоит в управлении образованием пузырьков газа. В ходе циклов заряда элемента, по мере восстановления воды, обязательно генерируются пузырьки газообразного кислорода. Данная наклоненная конструкция электрода может позволить этим генерируемым пузырькам газа легко перемещаться в направлении верхней части электрода - рядом с углом электрода, где они затем могут быть безопасно отведены. То, что пузырьки газа легко перемещаются к одной стороне, исключает потенциальную проблему увеличения сопротивления электролита из-за захваченных пузырьков газа в электролите. Наклоненная конструкция может быть расположена под небольшим углом, чтобы позволить газу выходить и способствовать стеканию взвеси в проточной конфигурации батареи.
[00277] Третье преимущество заключается в том, что в ходе циклов заряда (когда электролит добавляется из резервуара в каждый отдельный элемент) наклоненная конструкция элемента позволяет добавляемому электролиту легко попадать внутрь и заполнять каждый отдельный элемент.
[00278] Угол наклона у каждого элемента не должен быть большим. Ясно, что если бы углы наклона отдельных элементов были слишком крутыми, добавляемый электролит стекал бы в низ элемента и затоплял нижнюю часть воздушных электродов.
[00279] Предпочтительный угол наклона может находиться в интервале только 1-5 градусов относительно горизонтали. Он может быть достаточно маленьким, так что электролит практически не будет собираться в низу каждого элемента, но и любые генерируемые пузырьки газа отводятся и поднимаются к верхнему отверстию узла и могут легко выходить.
[00280] ФИГ. 11А изображает пример вида сверху системы хранения энергии в соответствии с вариантом реализации изобретения. В некоторых вариантах реализации система хранения энергии может функционировать как проточный элемент. Как альтернативный вариант, она не обязательно должна функционировать как проточный элемент. Верхний водяной резервуар может иметь дно 1100. Может быть предусмотрена трубка 1102 отвода, позволяющая электролиту стекать в один или более расположенных ниже элементов. В некоторых вариантах реализации могут быть предусмотрены одна или более деталей 1104 регулирования потока для регулирования скорости потока электролита, проходящего в нижележащие элементы. В некоторых вариантах реализации деталь регулирования потока может разбивать электролит на капли. В некоторых вариантах реализации деталь регулирования потока может быть предусмотрена у каждого нижележащего элемента. Например, если четыре горизонтально ориентированные элемента (образующие четверку) разделяют между собой общую систему управления электролитом, то могут быть предусмотрены четыре детали регулирования потока. Каждая деталь регулирования потока может выдаваться над соответствующим ей элементом. Может быть предусмотрено любое число деталей регулирования потока, которое может соответствовать или не соответствовать числу нижележащих элементов в слое непосредственно снизу. Например, могут быть предусмотрены одна, две, три, четыре, пять, шесть, семь, восемь, девять, десять или более деталей регулирования потока.
[00281] Четверка элементов может также иметь центральную часть, которая может быть наклонена вниз в направлении элемента. Какой-либо электролит, который может стекать на центральную часть, может течь вниз в нижележащий элемент. В некоторых вариантах реализации центральная часть может быть отформована литьем под давлением.
[00282] Один или более признаков, характеристик, компонентов, материалов или этапов, известных в данной области техники, могут быть включены в изобретение, и наоборот. Смотри, например, патент США № 4168349, патент США № 4463067, патент США № 5126218, патент США № 7582385, патент США № 7314685, патент США № 5716726, патент США № 4842963, патент США № 4038458, патент США № 5242763, патент США № 5306579, патент США № 6235418, патентную публикацию США № 2006/0141340, патентную публикацию США № 2008/0096061, PCT публикацию № WO 2007/144357, которые включены сюда по ссылке в полном объеме.
[00283] Пример
[00284] В одном примере мог быть предусмотрен испытываемый элемент. ФИГ. 13 изображает пример зависимости напряжения элемента от времени испытания в соответствии с вариантом реализации изобретения. Было предусмотрено время испытания 350000 секунд для демонстрации того, что система работает.
[00285] Стабильный интервал напряжения стал результатом раннего испытываемого элемента. В ранней версии элемента не было никакого физического ухудшения (деградации). Например, как изображено на ФИГ. 13, напряжение оставалось относительно стабильным в течение 350000 секунд. По большей части, напряжение циклически колебалось между 0,9 и 2,1 вольта.
[00286] Следует понимать из вышеизложенного, что, хотя были проиллюстрированы и описаны конкретные реализации, в них могут быть проделаны и предположены различные модификации. Также не предполагается, что изобретение ограничено приведенными в описании конкретными примерами. Хотя изобретение было описано со ссылкой на вышеуказанное описание, описания и иллюстрации предпочтительных вариантов реализации здесь не должны истолковываться в ограничительном смысле. Более того, следует понимать, что все аспекты изобретения не ограничены приведенными здесь конкретными изображениями, конфигурациями или относительными пропорциями, которые зависят от множества разнообразных условий и переменных параметров. Специалисту в данной области техники будут очевидны различные модификации в виде и подробностях вариантов реализации изобретения. Поэтому предполагается, что изобретение должно также охватывать любые такие модификации, изменения и эквиваленты.