CN103125040A - 具有平面双极电互连和通过所有各单元隔间循环电解质溶液的内部管道的多单元电化学反应器的紧凑无框架双极堆 - Google Patents

Abstract

一种无框架双极单元堆结构，具有“并行”通过所有各单元隔间的电解质溶液的循环的内部歧管或适于通过堆的所有各单元隔间连续提供电解质溶液的“串联”流路的内部导管，不使用任何塑料框架，并且使用具有叠加堆的任何其它元件的周边的周边的大致均匀的导电性的大致平面的双极电互连（I）。无论什么时候用于特定的应用，平面互连可具有突出为超出其它堆叠元件的外周侧的突出“耳片部分”，在相对于与外部电路连接的堆的端部端子之间的电压差的中间电压上提供对于电分接的功率（电流额定）足够大的外部可接触区域。

Description

具有平面双极电互连和通过所有各单元隔间循环电解质溶液的内部管道的多单元电化学反应器的紧凑无框架双极堆

技术领域

本公开一般涉及电化学单元（cell），特别是涉及具有用于通过各单元隔间循环电解质溶液的内部管道的多单元双极堆反应器。

背景技术

一般地，在双极单元堆中，通过塑料框架中的通孔的对准，在通过渗透离子（permionic）膜片液压分离的各单元的两个流动隔间的塑料框架的周边部分中，产生用于阳极液和用于阴极液或者用于带正电和用于带负电的电解质溶液的入口和出口歧管。双极堆的各单元的阳极和阴极流动隔间经由在塑料框架中贯通或者以不同的方式限定的管道与各入口和出口歧管连通。

一般通过在塑料框架的密封表面中形成的保持沟槽中***平坦的垫圈的形式的弹性体的通常的垫圈或O形环套件设置密封。

当然，由于产生的气体常常具有明显的体积，因此，用于通过电极上的气体放出进行电解处理的双极堆电化学反应器需要适当地确定流动隔间、内部管道和歧管的尺寸。

但是，存在在没有电极上的气体放出的情况下进行的电化学处理，并且，许多应用中的重要应用用于能量存储。所谓的氧化还原流动电池或简称氧化还原电池在充电和放电阶段中通过电化学多单元反应器流动的电解溶液中存储能量。存储大体积的电解质溶液的不受限的可能性使得这些***特别适于发电和配电业中的负载调平（峰值削平）。大多数氧化还原流动电池使用多单元双极堆。尽管充电和放电过程不包含电极上的气体放出并可因此减小内部管道和歧管的尺寸，基于对于单元的各电极隔间产生必要的内部歧管和管道的塑料框架的存在的通常的堆结构严重限制双极多单元堆的总体尺寸紧凑的可能性。

并且，导电双极隔片，还在导电双极隔片的相反侧构成活性负电极和正电极，或者用作常常可采取在单元的渗透离子膜片分离器与一侧及其另一侧的相反电互连之间压缩的导电垫（mat）或毡（felt）的形式的物理相异的正电极和负电极结构的双极电互连，一般在塑料单元框架内被预组装，并因此不能从外面被访问。

另一方面，在许多能量存储应用中，为了提高使用灵活性并提高转换效率，在能量存储***的充电阶段和放电阶段中，当在中间电压上分接功率时，开发氧化还原流动电池的双极互连的外部连接性会是有用的。

发明内容

申请人发现了在不需要用于在适配于外部电连接的导电干线周围保护有效的液压密封的特殊的高成本结构适配的情况下以简单的方式克服常用双极堆电化学反应器的可实现的紧凑的结构限制的有效方式以及使得能够开发堆的任何导电双极互连或双极电极作为可与外部电路连接的外部功率使用端子的方式。

本公开的新颖无框架双极堆结构同样适于制作具有用于通过所有各单元隔间“并行”循环电解质溶液的内部歧管的双极单元堆以及适于制作具有适于通过堆的所有各单元隔间连续提供电解质溶液的“串行”（或串联）流路的内部管道的双极单元堆。

基本上，本公开的双极多单元电化学反应器不使用任何塑料框架，并且使用具有叠加堆的任何其它元件的最外周边的周边的大致均匀的导电性的大致平坦的双极电互连或双极电极，并且，无论什么时候用于特定的应用，可具有突出为超出其它堆叠元件的外周侧的突出“耳片（lug）部分”，从而可在相对于与外部电路连接的堆的端部端子之间的电压差的中间电压上提供对于电分接（tap）的功率（电流额定）足够大的外部可接触区域。因此，平坦双极电互连具有提供用于并行或串行流动两个电解质溶液的内部歧管或管道的连续性的通孔。

在用于并行流动实施例的内部歧管的情况下，通过绝缘材料的孔衬里和表面涂层，使得通过周边弹性体垫圈的液压密封邻近周边区域中的导电互连的孔表面和平面不导电。可通过将例如聚氯乙烯（PVC）衬里环的适当的塑料材料的衬里环***通孔内并然后用粘贴或热层叠于其上面以接合到衬里环的端面上或所述周边区域上的适当的塑料材料的粘接膜涂敷被露出以接触平面电互连的相反侧的电解质溶液的周边区域，建立与电解质溶液接触的表面的电隔离。

根据双极多单元电化学反应器的使用目的，平面电互连或双极电极板可以为金属板或金属叠层，该金属叠层可在暴露于电解质溶液流动隔间和阳极液流动隔间的表面上包含不同的金属的板，或者可以为导电材料（金属、碳等）的粒子的导电集合体、石墨板、玻璃碳的板或包含金属箔和非金属导电层的复合叠层。

特别地，在氧化还原流动电池***中，由于在充电和放电阶段中由泵吸收的电力，因此，通过紧凑双极单元堆的各单元隔间的电解质溶液的抽吸从能量存储的总能量转换效率减损。并且，为了使充电阶段中的能量存储最大化并确保放电阶段中的适当输出DC电压的维持，通常随存在于所有单元或堆端子上的电压控制抽吸。因此，泵必须偶尔在增加的电力上被驱动，以防止在必须支持通过电化学单元的相对较大的电流（增加活性单元区域上的电流密度）的情况下耗尽所有单元电极上的电解质。

出于这些原因，虽然如同一申请人在文献WO01/03224-A1中公开的那样通过从双极单元堆的入口头部隔间开始到出口头部隔间的各单元隔间的连续的阴极液和阳极液的串行或串联流路消除了困扰常规的具有用于通过堆的所有相对单元隔间并行流动各电解质溶液的用于两个电解质溶液中的每一个的入口和出口歧管的双极单元堆结构的所谓的旁路（by-pass）或杂散电流，但是，如果能量存储***如例如电分配网的峰值削平设施中那样要在相对较大的电流密度下几乎恒定地起作用，那么这意味着液压损失增加，这会是不兼容的（由于它们降低总能量存储效率的效果）。

反之亦然，在与诸如太阳能或风能转换站的可再生源隔离的非电网连接的能量转换站中，其中，对于本地电负载可一般要求在延长的低或中功率输入存储阶段中并且类似地在延长的低到中功率供给阶段中操作氧化还原能量存储***，从单元堆的能量存储效率和可靠性和操作寿命的观点看，具有通过各单元隔间的电解质的串行流路的双极单元堆可保持优选的选择。

在所附的权利要求书中限定本发明，这些权利要求的记载构成本说明书的一部分。

附图说明

图1是本公开的双极单元堆结构的渗透离子膜片组件配置的示意性分解详细示图。

图2是双极单元堆的一端的示意性分解详细示图。

图3是本公开的具有用于平行电解质溶液流动的内部歧管的无框架双极单元堆的示意性分解三维图。

图4表示平面导电单元互连的叠层实施例的详细分解示图。

图5是图4的叠层互连的部分详细断面图。

图6和图7是根据图3的实施例的本公开的渗透离子膜片组件配置的一对相同的垫圈中的一个的相反侧的示图，该渗透离子膜片组件配置用于具有用于通过堆的所有单元的各流动隔间并行流动电解质溶液的内部歧管的双极单元堆。

图8是根据另一实施例的本公开的双极单元堆结构的渗透离子膜片组件配置的分解详细示图。

图9是具有用于通过所有单元的各流动隔间串行（串联）流动电解质溶液的内部管道的无框架双极单元堆结构的示意性分解三维图。

图10和图11是根据图9的实施例的本公开的渗透离子膜片组件配置的一对相同的垫圈中的一个的相反侧的示图，该渗透离子膜片组件配置用于具有用于通过堆的所有单元的各流动隔间连续流动电解质溶液的内部歧管的双极单元堆。

图12是具有用于有限数量的双极单元组的电解质溶液的并行流动的内部歧管和中间电压分接的双极单元的分段堆的示意图。

图13是具有用于串行流动电解质溶液的内部管道和中间电压分接的双极单元的分段堆的示意图。

具体实施方式

本公开的新颖无框架多单元双极电化学反应器结构的重要特征由安装各电化学单元的相异的流动隔间之间的渗透离子膜片液压分离器的方式所代表，或者，换句话说，由渗透离子膜片组件所代表，该渗透离子膜片组件与大致平面的导电双极元件或大致均匀的导电材料的板交错，以便最终一起压缩于用于液压密封双极堆的电串联的所有单元的流动隔间的堆的普通头部之间并限定内部歧管和管道。

在根据本公开的膜片组件的分解详细示图所示的第一示例性实施例中，示出的垫圈具有适用构成具有用于通过堆的所有单元或堆的单元的组的各流动隔间（在后面描述）并行流动两个电解质溶液的内部层和管道的双极堆的浅浮雕（bas-relief）构图的密封区域和通孔。当然，通过下面的描述，可以清楚地看出，相同的组件配置与具有不同图案的浅浮雕密封区域和不同的数量的通孔的垫圈一起使用，用于使得具有内部导管的双极堆适于从单元的一端的第一单元隔间到相反一端的最后的单元隔间依次通过堆的所有单元或单元的组的各流动隔间相异地流动两种电解质溶液。

参照图1，根据电化学反应器的使用目的地，一般是适于交换阳离子、阴离子或两者的离子交换聚合物的柔性膜的渗透离子膜片M具有其夹在背对背设置的两个相同的平行六面体（paralellepiped）弹性体垫圈G1和G2之间的周边部分。在将堆叠的元件压在一起时，这样构成的膜片组件最终压缩于两个平面电互连或双极电极板（图1未示出）之间。

两个相同的垫圈G1和G2限定由具有密封保持于两个相同的垫圈的后侧的大致平坦密封表面之间的周边部分的膜片M闭合的中心孔径或窗口，由此分别在渗透离子膜片M的一侧和相反一侧在单元的流动隔间之间提供需要的液压分离。

因此，活动单元区域实际上与由两个垫圈G1和G2限定的中心孔径的区域对应。

对于图1所示的示例性实施例，垫圈具有四个通孔1、2、3、4，这些通孔与两个垫圈相同但被背对背设置的事实相关由相应的数字表示。一旦完成并压紧堆，四个孔将与双极电互连中的类似地对准的通孔一起平行地在所有单元的各单元隔间中形成两个电解质溶液的循环的内部入口和出口内部歧管。

从垫圈G1的可见的面可以看到，垫圈的“前侧”（与后侧相对）具有浅浮雕构图的周边密封区域5，该周边密封区域5具有适于轮廓化通孔2和对角相反的通孔4的环（loop）。

在中心孔径的两个相反侧之上，存在两个类似的多个构图的密封区域，这些密封区域在其间限定从膜片的其它对角相反位置上的未轮廓化通孔1和3的轮缘（rim）区域7延伸的细长分离流动通道6。

根据图1～图7所示的平行流动的特定实施例，为了限定分别至少包含强制电解质流过的窄的细长的管道***（tract）的相异的流动通道，平行分离流动通道6在工艺上是弯曲细长的，两者均具有以下特征：在到达中心孔径的一侧的边缘的各“入口区域”并进入单元的流动隔间之前，通过形成梳状线性阵列的相对较短的构图密封区域8之间的间隙，反之，在进入限定单元的流动隔间（电极隔间）的垫圈的中心孔径的相反侧的边缘上的各“出口区域”时，也是如此。实际上，各垫圈的前侧的两个构图的密封区域弯曲地限定分离流动通道6，以至少具有相对较窄和较长的管道***，以在日益增加地变大的电压差上向着堆的附近和不断增加地远离的单元的电极或其它导电表面通过双极单元堆的各入口和出口内部歧管中的电解质溶液的旁路（杂散）离子电流提供充分增加的电阻。

在本公开中，表达方式“弯曲地”是要指出，依据电解质的特性和用于电极以及用于被露出以与电解质溶液接触的双极互连的导电材料的离子放电的临界电流密度的特性，分离流动通道6的实际布局可采取或多或少地弯曲的无数可能的几何形状。

为了限制这种旁路或杂散电流并防止通过内部歧管在堆的单元的导电部分上超过离子放电的临界电流密度，电解质溶液的分离流动的通道的窄的断面细长管道***在越来越大的电压差值下向着其它单元的隔间的导电表面增加对于通往和来自串联连接的双极单元的单元隔间的电解质溶液中的离子电流的电阻，如果超过的话，在一些情况下，会通过例如其上面的介入阳极氧放电腐蚀导电部分，这是本领域技术人员公知的。

当然，在弹性垫圈的前侧上限定的凸出部分的顶部的所有构图密封区域具有相同的高度，该高度目的是按压在双极导电元件的大致平坦表面上。因此，垫圈的前侧上的弹性体的构图的凸出部分，除了在双极互连的相对表面上建立液压密封以外，还限定电解质溶液流动通过的电解质流动管道和隔间空间。

在许多重要的应用中，一般对于氧化还原流动存储电池***，活性电极可以是设置在与导电双极互连电接触的每个单元的两个流动隔间中的碳纤维的可压缩的垫或毡。垫或毡电极构成称为单元区域的多孔电极，通过该多孔电极，电解质溶液可沿从流动隔间的入口侧到隔间的相反出口侧的“横向”流动，从而提供适于以相对较大的电流密度保持电极上的电化学反应的增加的活性电极表面。虽然导电粘接剂可被用于通过由与电互连的相反表面接触的垫或毡电极构成的双极电极组件增强导电性，但是，也可通过压紧堆时的膜片分离器与双极互连之间的垫或毡电极的适度压缩确保电接触。

特别是对于由大量的单元构成的双极单元堆，确保均等地压缩所有的弹性体垫圈会是十分困难的。为了确保压在其间***的二弹性体垫圈膜片组件上的平面导电双极元件之间的平行性的保持以及压缩堆时队单元的所有流动隔间的精确限定的相同的空间，通过具有与双极互连之间的弹性体垫圈的设计的最大压缩对应的厚度的塑料隔板9轮廓化每个二垫圈膜片组件，适于可靠地确保由浅浮雕构图的弹性体垫圈限定的所有液压密封，形成防泄内部歧管和分离流动管道6，同时避免局部化过压缩弹性体垫圈和/或可压缩的垫或毡电极（如果在它们之间存在的话），从而使得双极互连完好地相互平行并均等地分开。

在图1所示的实施例中，隔板9可采取适于在四个角上接合的四个带状隔板的形式，以构成轮廓化两个垫圈G1和G2的外周的外周隔板。

沿垫圈G1和G2的整个最外周的分开的突出10提供与并置的隔板9的一定的间隔，从而在压缩弹性体垫圈时对于弹性体垫圈的周边的有限的均匀的横向扩展留下均匀的间隙。

通过分别在沿垫圈的中心孔径或窗口的入口和出口侧限定的两个线性齿阵列8中每个这样多地限定数个分开的突出的梳齿，沿垫圈的中心孔径的入口和出口侧也形成类似地分开的突出11，以便限制压缩时的电极垫或毡的横向膨胀（如果存在的话），用于在流动隔间内或外防止它不受限制地膨胀到堵塞电解质溶液的梳状阵列的相邻的平行齿之间的入口和出口流动通道的地方。

图2是包含一个头部H1的双极单元堆的一端的示意性分解图，该头部H1在表示的例子中是具有可压缩毡正电极A的终端正电极单元。在头部H1中，限定分别在双极单元的膜片组件M后面（从观察点）的流动隔间中循环的阳极和阴极溶液的入口，这些溶液在引向堆的相反端上的头部中的阳极液出口的对角相反内部歧管中被收集。阴极溶液流过双极单元“看得见”的流动隔间，这些阴极溶液在引向堆的另一端上的头部中的阴极液出口的对角相反内部歧管中被收集。在氧化还原流动电池的情况下，阳极液和阴极液的命名指的是多单元双极堆的工作的放电阶段。

由于通过串联的单元的电流的反向，应在工作的充电阶段中互换两个电解质溶液的这些命名。

单元的渗透离子膜片分离器M被示为保持于膜片组件的两个垫圈之间的非透明膜，其中，只有前侧垫圈G在图中是可见的。互连I的后侧上的负电极毡在图中不可见。

图3是表示根据双极电化学单元堆的常见“压滤机”状组织的两个头部H1和H2、正电极毡A和负电极毡C以及包含两个刚性端块P1和P2和多个用于在其间压紧层叠的元件的多个尖端杆R的压缩应力结构的示例性结构的完整双极单元堆的示意性分解图。

在图4和图5中示出特别适于与碳纤维的毡电极相关联的氧化还原电池堆的示例性层叠双极互连I。

如图4的分解图所示，平面导电双极互连体12可以为石墨和/或碳的粒子和树脂粘接剂的导电集合体，树脂粘接剂可以为例如环氧树脂基树脂的热固性树脂或者甚至可热成形聚酯或聚烯烃树脂粘接剂。为了增加向周边耳片扩展部的横向导电性，导电体（如果由集合体制成）可加入金属箔、金属或碳纤维纱网或扩展金属板作为完全嵌入层叠或成型集合体中的高导电性芯层。

导电体12一旦最终切割到如下尺寸时可以采取足够刚度的集合体的相对薄的板的形式：通过薄板钻取四个通孔（对于所考虑的实施例）1～2和3～4，以在几何上匹配（对准）垫圈G1和G2的通孔1、2和3、4。

例如PVC的适当的塑料材料的环13被设置于钻孔中，以构成通过导电双极互连12的流路的非导电衬里。

并且，可通过在导电互连12的相反侧上层叠一般为塑料膜的适当的电绝缘材料的适当的掩模膜14，可使得要对于属于堆的两个相邻的单元的膜片组件的弹性体垫圈的浅浮雕构图的前面的所有密封区域压按的周边表面不导电。电绝缘掩模膜可被粘到导电互连12的表面上或者热层叠于其上面，以便与互连的集合体的塑料基体接合，或者，作为替代方案，可通过用用于喷涂绝缘上釉的反向应用掩模来施加绝缘釉质（enamel），获得相同的结果。

在任何情况下，如图5的部分详细断面图所示，为了确保从与电解质溶液的接触隔离导电互连12的这样涂敷的区域，绝缘表面膜14覆盖并接合于衬里环13的端面上。

图6和图7分别是图1～3所示的实施例的垫圈的浅浮雕构图前侧的后侧端的三维示图。

在图7的前侧示图中，很清楚地看到分离流动通道6，该分离流动通道6将来自入口歧管的电解质溶液分配给垫圈的中心孔径的入口侧，从而使其进入通过沿入口侧以梳状方式设置的浅浮雕限定短平行段顶上的平行密封区域的均匀分开的衬里阵列8的流动隔间，并且看到分离流动通道6类似地收集单元隔间的相反出口侧的电解质溶液，其中，它流入引向各自出口歧管的分离流动通道6。可以看出，沿平行六面体膜片的相反侧的两个浅浮雕构图的区域虽然颠倒但基本上相同。在图7中，还可更清楚地观察到适于限制从一个隔间的电极朝向其它单元的相同的隔间的导电部分的电解质溶液以及相反方向的旁路（杂散）电流（离子）的分离流动通道6中的每一个的细长的变窄的管道***。

在图8～11中示出本公开的双极单元堆结构的替代性实施例。

根据该替代性实施例，实际上通过使电解质溶液依次地而不是如常规的方式那样并行地流过堆的各单元隔间，消除双极单元堆中的旁路（杂散电流）的问题。以这种方式，不存在通过内部歧管的旁路离子电流路径。

从以下的描述和相关的附图可以看出，同样，或者在本替代性实施例中，图1的相同的渗透离子膜片组件配置与对于膜片组件的两个垫圈的浅浮雕前侧设置的类似的平面导电双极元件一起使用。差异在于：将相同的平行六面体弹性体垫圈G1（G1_t）和G2（G2_t）的中心孔径划界的相反的两个周边侧的浅浮雕构图的周边区域中的以及相对的导电互连I中的以不同的方式协调的通孔。

由于根据本实施例的内部导管的特有的组织结构，为了示出弹性体垫圈G1t和G2以及协作的终端互连H1和双极互连I中的通孔的特有的协调，图8的渗透离子膜片组件的分解详细示图还包括两个导电平面互连。为了分别示出两个终端垫圈（G1t和G2t）与所有其它垫圈G1和G2的差异，图8所示的层叠元件的次序是堆的第一终端单元，换句话说，是部分地由堆的一个头部构成的单元。在本实施例中，终端弹性体垫圈G2t可以在垫圈的两个浅浮雕构图的周边侧中的一侧不具有通孔。当然，在堆的另一端，将沿其一个周边侧存在没有通孔的类似的终端垫圈（G1t）。

两个电解质溶液的流动箭头表示该第一膜片组件的两个垫圈G1t和G2中以及相对的导电元件H1和I中的通孔的协调如何限定内部导管，该内部导管使各电解质溶液从第一单元的第一各流动隔间依次串行地流入所有其它单元的各流动隔间，远至堆的相反端部的最后的单元，电解质溶液从该最后的单元离开双极堆。

与第一实施例的另一不同在于各垫圈G1和G2的前侧的浅浮雕构图周边密封区域的不同布局，其中，考虑在本实施例中不存在关于旁路（杂散）离子电流的问题，多个构图的密封区域不再限定弯曲细长分离流动路径。因此，类似的多个构图密封表面包含周边密封区域5，从而形成完全轮廓化沿两个相反周边侧的每两个通孔中的一个的环，而弹性体的构图部分顶上的短的、均匀分开的一般平行的密封区域在其间限定从未轮廓化（密封）的轮缘区域引向单元的流动隔间的附近入口周边侧的流动通道，并且，另一出口周边侧的弹性体的构图部分顶上的类似的短的、均匀分开的、一般平行的密封区域在其间限定引向未轮廓化通孔的轮缘区域的流动通道。

根据本实施例，各渗透离子膜片组件的垫圈的通孔与各导电互连或双极电极板的通孔的协调使得沿互连的一个周边侧的通孔匹配（对准）浅浮雕构图垫圈的未轮廓化通孔，而沿互连的相反周边侧的通孔匹配（对准）垫圈的轮廓化的通孔。

因此，互连中的通孔一般是弹性体垫圈的通孔的数量的一半。并且，为了提高向扩展的多孔电极结构的电解质的分配的均匀性，可基于通过双极单元堆的电解质溶液的串行流在本实施例中存在相反周边侧中的每一个的多于两个的通孔。

图9表示具有通过堆的所有单元的各流动隔间依次建立两个电解质溶液的串行流动的内部管道的双极单元堆的分解示意图。

图10和图11分别是根据图8所示的实施例的双极单元堆的第一单元的第一膜片组件的垫圈的浅浮雕构图前侧的后侧端的三维示图。两个示图使得可以清楚地看到与头部（H1）的相对的导电互连部分协调的堆的端部垫圈G1t仅沿相反周边侧的一侧具有轮廓化和不轮廓化的通孔（另一周边侧的孔可以是盲孔）。相反，除了堆的两端的那些（G1t和G2t）在两个周边侧具有开放的通孔以外，堆的所有其它的垫圈，不管是所有膜片组件的G1还是G2，都优选与图11所示的G2相同。

在图11的前视图中，可以清楚地看到将来自各入口孔的电解质溶液引向垫圈的中心孔径的入口侧、最终使其进入穿过沿入口侧以梳状方式设置的浅浮雕限定的短平行段（用作流动偏转器或缓冲器）顶上的平行密封区域的最后的均匀分开的线性阵列8的流动隔间的构图的弹性体密封区域的短流动偏转缓冲器中的多个相互连通的流动通道6和类似地改变单元隔间的相反出口侧的电解质溶液的方向（在此它流向各出口孔）的多个相互连通的流动通道6。可以看出，平行六面体膜片的相反侧的两个浅浮雕构图的区域虽然颠倒但基本上是相同的。

对于将用于通过双极多单元堆抽吸电解质溶液的功耗最小化以及使用并行流动堆最具重要性的应用，可通过图12示意性地示出的特殊的双极单元堆结构大大减少旁路（杂散）电流的问题。

根据本实施例，带有用于通过堆的所有的各单元隔间并行流动电解质溶液的内部歧管的多单元双极堆基于堆的两个端部头部H1和H2之间的一定的数量的“中间头部”（在两侧耦合的双面结构头部）H的使用具有分段结构。

为了用作中间头部的一侧和相反侧上的双极单元的组的潜在端部头部，中间头部H中的每一个具有双极或双面结构。

中间头部液压上允许两个电解质溶液从中间头部的出口端口并行流过前面的组的双极单元的各隔间以离开堆，以在能量存储氧化还原流动电池***的情况下使来自从和去向各电解质溶液槽（tank）而在外部主歧管中被收集。

每个组的双极单元可具有适于产生例如约12V的大量的单元，因此，共享两个电解质溶液的分配的内部歧管的各组单元内的旁路（杂散）电流的驱动电压差保持相对较小。与进入和离开各单元隔间的电解质溶液的弯曲延长的分离流动路径耦合的事实确保了不超过特定的组的单元的单元隔间中的导电表面上的临界放电电流密度的条件。具有中间头部的堆的分段进一步允许开发可与不同的电压（例如，12V、24V、36V和48V）下的外部电路连接的电压分接的可用性。

当然，也可通过串行流动堆实现不同的电压下的功率分接的双极单元堆的类似的分段。图13是具有用于串行流动电解质溶液的内部管道的双极单元的分段堆和中间电压分接的示意图。

注意，可简单地通过平面导电互连的周边耳片扩展部构成堆的所有可连接电压分接，不需要如现有技术的双极堆那样对伸出塑料框架外面的电连接干线的任何复杂密封。

设置电力开关允许为了最佳的适应电力分配要求来调整可用的电压分接之间的互连。

Claims (10)

1.一种无框架多单元双极电化学反应器，由通过压缩堆叠元件而被液压密封的两个头部之间的可堆叠元件构成，包含平面双极导电元件，所述平面双极导电元件与适于分离阳极和阴极溶液流动隔间的渗透离子膜片组件设备交替，这些阳极和阴极溶液流动隔间被限定于所述渗透离子膜片分离器和所述双极导电元件中的一个和另一个之间，并且，两种相异的电解质溶液通过所述阳极和阴极溶液流动隔间分别流动，所述无框架多单元双极电化学反应器包括：

两个相同的平行六面体弹性体垫圈，限定中心孔径并沿其两个相反周边侧即在其后侧上和其相反侧或前侧上的平坦周边密封表面具有至少两个通孔：浅浮雕构图的周边密封区域沿所述两个相反周边侧轮廓化一个每两个通孔，并且，两个相似的多个构图的密封区域在其间限定从未轮廓化的通孔的轮缘区域延伸到所述垫圈的所述中心孔径的最近的并置侧的边缘的流动通道；

所述渗透离子膜片，具有密封地保持于背对背设置的两个相同的垫圈的所述平坦周边密封表面之间的周边边缘部分；

所述浅浮雕构图的密封区域在所述两个相同的垫圈的所述前侧上，压缩于各平面导电双极元件的表面之间，所述平面导电双极元件与垫圈的通孔对准，用于与未由各垫圈的构图的前侧的所述周边密封区域轮廓化的通孔液压连通的两个流动隔间的周边液压密封。

2.根据权利要求1的无框架多单元双极电化学反应器，其中，所述平面双极元件是单元的电互连，并且所述阳极和阴极隔间包含分别压缩于所述渗透离子膜片分离器和各平面双极导电互连之间的导电毡或可压缩垫阳极和阴极，并且所述渗透离子膜片组件包含适于限制所述浅浮雕构图的弹性体垫圈的压缩并在将堆叠元件压紧在一起时保持它们的平行性的非导电周边隔板。

3.根据权利要求1的无框架多单元双极电化学反应器，其中，所述平面导电双极元件具有适于重叠所述垫圈的最外周边的周边，并任选地包含突出所述垫圈的外周边侧之外以便与外部电路电连接的突出耳片部分。

4.根据权利要求1的无框架多单元双极电化学反应器，其中，所述平面导电双极电极或互连具有均匀导电的材料，并且通过其中的孔的表面和相对的构图弹性体垫圈的密封区域压按于其上的平表面具有非导电涂层。

5.根据权利要求1的无框架多单元双极电化学反应器，具有内部入口和出口歧管，用于通过所有各单元隔间并行地流动所述电解质溶液，包括：

两个相同的平行六面体弹性体垫圈，限定中心孔径并分别在两个角端上具有其所述相反周边侧即其后侧上和相反侧或前侧的平坦周边密封表面的两个通孔：浅浮雕构图的周边密封区域轮廓化相反周边侧中的一个的一个通孔和另一周边侧的对角相反的通孔，并且两个相似的多个构图的密封区域在其间限定从未由所述周边密封区域轮廓化的两个对角相反的通孔的轮缘区域起源并到达沿垫圈的所述中心孔径的所述最近的并置侧的分开的点的弯曲细长通道；

平面导电双极电极或互连，在四个角上具有通孔，在所述两个垫圈之间密封与分别由所述对角相反的通孔构成的各入口和出口内部歧管连通的阳极流动隔间和阴极流动隔间时与所述两个垫圈匹配；

所述渗透离子膜片具有密封保持于背对背设置的相同的垫圈的后侧上的所述平坦周边密封表面之间的周边边缘部分；

所述浅浮雕构图的密封区域在两个相同的垫圈的前侧上，压缩于各平面导电双极元件的表面之间，所述平面导电双极元件具有与垫圈的通孔对准的通孔，用于液压密封通过各垫圈的所述未轮廓化的孔与各入口和出口内部歧管连通的两个流动隔间的周边。

6.根据权利要求5的无框架多单元双极电化学反应器，其中，电解质溶液的所述弯曲细长平行分离流动通道的长度使得能够防止在其它单元的导电部分上离子放电电流密度超过临界最大值。

7.根据权利要求1的无框架多单元双极电化学反应器，具有通过堆的所有单元的各单元隔间串联流动所述电解质溶液的内部导管，包括：

两个相同的平行六面体弹性体垫圈，限定中心孔径并具有其所述相反周边侧即其后侧上和相反侧或前侧上的平坦周边密封表面上的两个或更多个通孔：浅浮雕构图的周边密封区域轮廓化所述相反周边侧上的每两个通孔中的一个通孔，并且相似的多个构图的短密封区域在所述相反周边侧上，分别在其间限定混合流动通道，将电解质溶液从未轮廓化的通孔的轮缘区域引导到所述中心孔径的所述最近的并置侧或者相反地引导；

平面导电双极电极或互连，具有与相反侧上的它相对的垫圈的通孔匹配的通孔，在其间通过垫圈的所述两个周边侧中的所述轮廓化的通孔将阳极流动隔间和阴极流动隔间分别与相邻的双极单元的前面的和随后的阳极和阴极流动隔间密封；

所述渗透离子膜片具有密封保持于背对背设置的相同的垫圈的后侧上的所述平坦周边密封表面之间的周边边缘部分；

所述浅浮雕构图的密封区域在两个相同的垫圈的前侧上，压缩于各平面导电双极元件的表面之间，所述平面导电双极元件具有与垫圈的通孔对准的通孔，用于液压密封两个流动隔间的周边，所述两个流动隔间的每一个通过各垫圈的所述未轮廓化的孔与相邻单元的各前面的隔间和随后的隔间连通。

8.根据权利要求1的无框架多单元双极电化学反应器，用于氧化还原流动电池***中，其中，通过压缩堆叠元件而液压密封的两个端部头部之间的可堆叠元件的组件通过包含一定数量的中间头部并具有入口和出口导管而被分段，所述中间头部在双极单元的组的一侧上和相反侧上耦合在双极单元的组的作为潜在端部头部的两侧上，所述入口和出口导管允许两种电解质溶液并行流过双极单元的一个组的各隔间并从连续的中间头部的出口离开所述堆；所述两个端部头部和中间头部通过所述堆外部的主歧管分别从电解质溶液源槽连接至电解质溶液汇槽。

9.根据权利要求8的无框架多单元双极电化学反应器，其中，每组双极单元的数量适于产生比临界电压小的最大开路总电压，该临界电压会导致共享两种电解质溶液的分布的内部歧管的一组单元的导电部分上的过大离子放电电流密度进入单元的各流动隔间中。

10.根据前面的权利要求中的任一项的无框架多单元双极电化学反应器，其中，每一头部包含平行六面体，所述平行六面体具有在其中限定的可与外部管子液压连接的两个腔室或导管以及施加于所述平行六面体的平表面上的至少一个平面导电双极互连，并具有分别与所述腔室或导管连通的与所述平行六面体中的孔对准的通孔。

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