CN106030875A - 电化学电池及其组件 - Google Patents

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D·J·考克斯
D·德拉克鲁斯
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S·D·克洛斯
P·S-H·邱
F·W·汤普森
A·纳特斯塔德
D·安蒂奥霍斯
S·T·贝尔尼
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Abstract

公开了一种螺旋缠绕的电化学电池及其各组件，以及用于形成化学反应产物的螺旋缠绕的电化学电池，包括绕中心轴缠绕的至少一个电极对。本发明一般涉及电化学电池中的气体、液体和/或电管道、通路、连接、通道、布置等的配置、布置、或设计以及它们的制造方法，其中电化学电池是螺旋缠绕的或具有螺旋配置、布置或设计。更具体而言，在各种形式中，本发明涉及包含或提供气体/液体管接的核心元件、端帽、外部元件、和/或电连接，它们提供功能性经过改进且成本被降低的电化学电池。

Description

电化学电池及其组件
技术领域
本发明涉及电化学电池、其各部件以及电化学电池中的气体、液体和/或电管道、通路、连接、通道、布置等的配置、布置、或设计以及它们的制造方法，其中电化学电池是螺旋缠绕的或具有螺旋配置、布置或设计。更具体而言，在各种形式中，本发明涉及用于螺旋缠绕的电化学电池的外部元件、核心元件和/或端帽。
背景
当前，数种商业或工业电化学液体-到-气体或气体-到-液体反应或变换具有各种问题，例如具有相关联的低总体能效的高材料成本(这迫使在设备或电池中使用高电流密度)。例如，相对于大自然将氯化物氧化成氯气所需的能量而言，从盐水(氯化钠水)中电化学地生产氯气极其浪费能量。
许多气体-到-液体或液体-到-气体工艺通过所谓的气体扩散电极(GDE)来最有效地执行。当前，市场上可购得的GDE通常包括不同大小的导电颗粒(通常是碳颗粒)的融合多孔层。最外层通常包含最小尺寸的颗粒，用较少量的憎水PTFE(聚四氟乙烯或TeflonTM)粘合剂融合在一起。最内层通常包含最大颗粒。可存在中等颗粒大小的多个中等层。
GDE内的颗粒大小的从中心最大到最外侧上最小这一梯度的意图是为了创建并控制电极内的固液气界面。这一界面应当具有最大的可能表面积。创建这样的界面通过控制颗粒之间的平均孔大小从而确保最小孔大小在边缘处且最大的在中心，来有效地实现。因为孔通常具有某种程度的憎水性(通常由于使用憎水PTFE作为粘合剂)，所以边缘处小的孔大小(通常30微米孔大小)用于阻止并限制液体电解质(例如，水)进入GDE。即，在水的示例情况下，未加压的水通常只渗透进入GDE相对短的距离，其中每单位体积的电化学活性表面积是最大的。作为对比，GDE中心处的较大孔(例如，150微米孔大小)允许以低压力沿GDE长度的迅速气体传输，其中气体随后形成三向固液气界面，其中液态水在GDE的边缘处，其中每单位体积的电化学活性表面积是最大的。
这一类型的GDE通常在操作期间显示出大量技术问题。这些问题很大程度上源自创建具有均匀散布的孔大小和分布以及均匀憎水性(由GDE内的憎水PTFE(聚四氟乙烯或TeflonTM)粘合剂赋予的)的无缝同构颗粒床的困难性。
与利用GDE的电化学电池、模块或反应器相关联的其他问题涉及对该电池、模块或反应器内的更方便和/或高效的通路的需求，以分开地探测、运输或递送气体和/或液体反应物、产物、以及电解质，并适合或容适电连接。
这一方面的关键挑战是设计如下的气体、流体、以及电管道、通路、连接、通道、布置等：
(1)易于制造，
(2)相对低成本，
(3)操作可靠(即，它们一般在液体和气体通道的情况下抗泄漏，并且在电路的情况下抗电短路)，
(4)相对容易组装，和/或
(5)在功能上与其他组件协作(即，它们促进并且不阻碍或损害其他模块组件的功能)。
存在对这一方面中的新的和经改进的解决方案的持续需求。
在本说明书中对任何现有公开(或从中导出的信息)或已知的任何事物的引用不是且不应被当作对现有公开(或从中导出的信息)或已知事物形成本说明书相关的领域中的一般常识的一部分的任何形式的暗示的确认或承认。
发明内容
提供本概述以便以简化形式介绍将在以下示例中进一步描述的一些概念。本概述并不旨在标识所要求保护主题的全部关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护主题的范围。
在各方面，提供了：电化学电池；电化学电池的元件、组件或部件，诸如用于电化学电池的气体、流体和/或电管道、通路、连接、通道、布置等；螺旋缠绕或能够螺旋缠绕的电极和电极的配置，诸如叶；和/或螺旋缠绕的或者具有螺旋配置、布置或设计的电化学电池、模块或反应器。
在一个方面，提供了用于形成化学反应产物的螺旋缠绕的电化学电池，包括绕中心轴缠绕的至少一个电极对。优选地，该至少一个电极对是阳极和阴极。
在另一示例中，阳极是气体可渗透的且是液体不可渗透的，和/或阴极是气体可渗透的且是液体不可渗透的。优选地，电化学电池是电合成电池(即，具有工业应用的商业电池)或电能电池(例如，燃料电池)。在另一示例中，电池利用非生物制造的组件或材料，例如聚合物材料、金属材料，等等。在另一示例中，电池只利用或完全利用非生物制造的组件或材料。在又一示例中，提供了阳极和阴极之间的用于气体和/或流体运输的电极间通道。可任选地，提供了两个阳极以及这两个阳极之间的用于气体和/或流体运输的阳极通道。同样可任选地，提供了两个阴极以及这两个阴极之间的用于气体和/或流体运输的阴极通道。在又一示例中，该通道至少部分地由至少一个间隔件来形成。在又一示例中，提供了至少两个阳极和至少一个阳极通道，以及至少两个阴极和至少一个阴极通道。
在一个示例方面，提供了一种具有核心元件的螺旋缠绕的电化学电池、模块、或反应器，其中一个或多个电极(例如，由阳极或阴极提供的至少一个电极对)以螺旋方式绕该核心元件缠绕。该至少一个电极对可以形成多电极阵列的一部分，多电极阵列可被认为由可以按螺旋方式缠绕的一串平坦柔性阳极和阴极构成。“叶”包括一个或多个电极，例如一个电极、电极对、多个电极、或某一其他形式的电极单元。叶是柔性的且可作为单元来被重复。
例如，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：
一个或单个电极，例如单个阴极或单个阳极；
折叠的单个电极材料薄片，或相连接以提供两个电极(例如两个阴极或两个阳极)的两个电极材料薄片；
两个电极，例如两个阴极或两个阳极；
电极对，例如阳极和阴极；或
多个以上各项的任一者。
在另一示例中，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：位于电极通道间隔件(即，间隔材料、层、或薄片，它例如可以由多孔聚合物材料制成)的相对侧上的两个电极材料层(其中这两层一起用作阳极或阴极)，这提供这两个电极之间的气体和/或液体通道。
在又一示例中，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：位于电极间通道间隔件(即，间隔材料、层、或薄片，它例如可以由多孔聚合物材料制成)的相对侧上的两个电极材料层(其中一个电极材料层用作阳极且一个电极材料层用作阴极)，这提供这两个电极之间(即，阳极和阴极之间)的气体和/或液体通道。
在又一示例中，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：单个电极材料层(供用作阳极或阴极)。在又一示例中，电极材料层可位于通道间隔件(即，间隔材料、层、或薄片，它例如可以由多孔聚合物材料制成)附近，这提供气体和/或液体通道。
重复的叶提供作为一串螺旋缠绕的电极的多电极阵列，其中居间间隔件提供分开的气体和/或液体通道。电极通道间隔件可以是与电极间间隔件不同的材料，或者在一个示例中是相同的材料。电化学电池、模块或反应器可任选地还涉及端帽以及一个或多个外部元件。
在一个示例方面，气体、流体、和/或电管道、通路、连接、通道、布置被路由通过核心元件。在另一示例方面，气体、流体、和/或电管道、通路、连接、通道、布置被路由通过端帽。在又一示例方面，气体、流体、和/或电管道、通路、连接、通道、布置被路由通过外部元件。
在又一些示例方面，气体和/或流体通路、连接、通道、布置被路由通过核心元件、一个或多个端帽中的一者或多者、和/或外部元件中的一者或多者，而电管道、通路、连接、通道、布置被路由通过核心元件、一个或多个端帽中的另一者(即，不同一者)、和/或外部元件中的一者或多者。
在又一些示例方面，气体和/或流体通路、连接、通道、布置被路由通过核心元件、一个或多个端帽、或外部元件中的单独一者，而电管道、通路、连接、通道、布置被路由通过核心元件、一个或多个端帽或外部元件中的单独一者。
优选地而非排他地，核心元件、端帽和/或外部元件被配置成提供电池中的一个或多个组件以及电池本身的经改进的或高效的功能性。
优选地而非排他地，核心元件、端帽和/或外部元件被配置成提供电池中的组件以及电池本身的简单、快速且低廉的组装。
优选地而非排他地，核心元件、端帽和/或外部元件是低成本的且用普遍可用且低廉的材料(诸如聚合物材料)使用低廉的制造技术(诸如注塑成型或挤压成型)来容易地制造。
在另一方面，提供了用于包括单个电极的柔性叶、两个电极、电极对(即阴极和阳极对)、或多个电极的螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器的液体/气体管接的方便且高效的配置、布置、或设计，并且其中柔性叶可包括与单个电极相关联、在两个电极之间、和/或在电极对之间的密封气体/液体通道。叶是可重复单元。例如，提供可重复单元的叶可以是两个或更多个电极(例如，两个或更多个阳极、两个或更多个阴极、或者两个或更多个阴极和阳极对)并可形成多电极阵列的一部分。优选地，叶还包括至少一个气体或液体通道，这可以被密封或部分密封以提供例如用于一个或多个反应物、一个或多个产物、和/或一个或多个电解质的出口和/或入口区域。
在一个示例实施例中，提供了用于螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器的气体/液体管接的方便且高效的配置、布置、或设计，使得核心元件、端帽、和/或外部元件被制造成包括适用于沿它/它们的长度为柔性叶运输气体或液体的至少一个管道，并且其中柔性叶由密封或部分密封的气体/液体通道连同其相关联的一个或多个电极构成。
在另一示例实施例中，提供了用于螺旋缠绕的电化学电池的核心元件、端帽、和/或外部元件，所述核心元件、端帽和/或外部元件包括：沿所述核心元件、端帽或外部元件提供的适用于运输气体或液体的至少一个管道；以及沿所述核心元件、端帽或外部元件提供的且与所述至少一个管道相关联的一个或一串孔；其中所述一个或一串孔能够接纳来自柔性电极的一端、或一端的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极能够绕所述核心元件螺旋缠绕。在另一实施例中，所述一个或一串孔能够向柔性电极提供唇缘、或唇缘的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极或叶能够绕所述核心元件螺旋缠绕。
在另一示例实施例中，在各叶之间或之内提供电解质，且电解质从轴向端(沿纵轴的螺旋的远端)进入螺旋缠绕的电化学电池，并且可任选地可能够从两轴向端进入或退出电池或模块并可任选地从一个轴向端流向另一轴向端。
在另一示例实施例中，在各叶之间或之内提供电解质，且电解质从核心元件或从轴向端(例如，从处于螺旋的中心或螺旋的端部处的叶的最外端的方向上)进入螺旋缠绕的电化学电池。在又一示例中，电解质可以能够从两轴向端进入或退出电池或模块并可任选地从一个轴向端流向另一轴向端。
在另一示例实施例中，阴极或阳极产物经由叶在该叶的轴向端中的任一端或两端处退出螺旋缠绕的电化学电池。在又一示例实施例中，阴极或阳极反应物经由叶在该叶的轴向端中的任一端或两端处进入螺旋缠绕的电化学电池。在其他示例实施例中，反应产物从中央核心元件或从叶的最外轴向端退出螺旋缠绕的电化学电池。
在一个优选实施例中，电解质从轴向端进入和退出，且反应产物经由或者从中央核心元件(即，经由一个或多个轴向端)退出螺旋缠绕的电化学电池。
本发明的各方面还涉及用于形成一个或多个叶与一个或多个液体/气体管道之间的气体/液体管接连接以由此适当地将一个和/或多个叶中的液体/气体通道集合、编组或聚集在一起成为单个气体/液体装置的***、配置和/或方法。
这优选地而非排他地通过下述示例布置中的一者或多者来达成：
(1)通过核心元件的液体/气体管接：
i.“管道和中央单元组装件”：在一个示例中，管道被制造成独立单元的一部分，叶可以按如下方式被密封、胶合、焊接、罐装(pot)、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。该独立管道单元连同它所附连的叶随后可被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到分开的中央单元，以由此创建核心元件(附连有该叶)。因此，通过组装独立管道单元(连同它所附连的叶)与中央单元来创建核心元件。另选地，叶可被密封、胶合、焊接、或以其他方式附连到中央单元，该中央单元随后被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到管道单元。第三替换方案是在管道单元和中央单元被彼此密封、胶合、焊接、或以其他方式附连时，叶可被密封、胶合、焊接、或以其他方式附连到管道单元和中央单元两者。全部这些办法的共同特征是通过组装独立管道单元与中央单元来创建核心元件，其中叶在创建核心元件之前或之时被附连。
ii.“直接附连”：在另一示例中，核心元件被制造成包含至少一个管道或原始管道的单个圆柱或圆柱类单元，其一个或多个叶可按以下方式被密封、胶合、焊接、罐装或以其他方式附连到该核心元件：核心元件中的至少一个管道的一个或多个孔与关联于该管道的叶内的气体/液体通道处于流体连通中。
iii.“管道单元组装”：在又一示例中，管道被制造在独立单元内，叶可以按如下方式被密封、胶合、焊接、罐装、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。一个或多个管道单元连同它们所附连的叶随后被彼此密封、胶合、焊接、罐装、或以其他方式附连在一起，以由此用经组合的独立管道单元(它们中的每一者都具有所附连的叶)来创建核心元件。这一方法与管道和中央单元组装方法的不同只在于缺少中央单元。
(2)通过端帽或在螺旋缠绕的模块的轴向端处的液体/气体管接
i.“端帽管道”：在一个示例中，管道被制造在端帽内且管道随后被接通到一个或多个叶。这可以经由端帽和一个或多个叶之间的单个或多个管接连接来发生。或者，它可涉及端帽与一个或多个叶之间的连续管道附连。例如，管道可被包括作为螺旋形端帽内的螺旋形凹槽。叶沿凹槽穿入，直至叶填充了整个凹槽。叶和螺旋形端帽随后按以下方式被密封、胶合、焊接、罐装、或以其他方式彼此附连：螺旋形凹槽所形成的管道与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。
ii.“轴向”管接：在另一示例中，端帽是多孔的或者不存在端帽，以由此准许气体/液体在与螺旋缠绕方向垂直的方向上自由流过到达螺旋缠绕的柔性电极。以此方式，螺旋缠绕的多电极阵列内的阳极、阴极或电极间通道可被密封到核心元件以及任何外部元件，但可开放给在与叶的螺旋缠绕垂直的方向上的轴向流。这样的轴向流可任选地穿过多孔端帽。液体或气体可从两轴向端进入或退出模块并可任选地从一个轴向端流到另一轴向端。
(3)外部液体/气体管接：
“外部管道”：在一个示例中，管道被制造成独立单元的一部分，叶按如下方式被密封、粘合、焊接、罐装、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。叶随后绕其另一端螺旋缠绕，从而将管道留在螺旋缠绕的组装件的外面和外部。
在另一示例实施例中，提供了一种用于对螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器内的柔性叶(即，多电极阵列)进行电连接的方便且高效的配置、布置或设计，并且其中柔性叶由密封气体/液体通道连同所关联的一个或多个电极构成。
在一个示例实施例中，提供了用于螺旋缠绕的电化学电池的核心元件、端帽、和/或外部元件，所述核心元件、端帽和/或外部元件包括：包含沿所述核心元件、端帽或外部元件提供的导电元件(诸如(主)汇流条)的至少一个管道；以及沿所述核心元件、端帽或外部元件提供的且与包含所述导电元件的所述至少一个管道相关联的一个或一串孔；其中所述一个或一串孔能够接纳来自柔性电极的导电端、或导电端的一部分、或电极、或(副)汇流条，其中柔性电极能够绕所述核心元件螺旋缠绕。在一个实施例中，所述一个或一串孔能够向柔性电极提供导电唇缘、或导电唇缘的一部分、或电极、或(副)汇流条，其中柔性电极能够绕所述核心元件螺旋缠绕。
在替换实施例中，提供了用于螺旋缠绕的电化学电池的核心元件、端帽、和/或外部元件，所述核心元件、端帽和/或外部元件包括或包含：沿所述核心元件、端帽或外部元件提供的导电元件(诸如(主)汇流条)；以及其中所述导电元件能够接纳来自柔性电极的导电端、或导电端的一部分、或电极、或(副)汇流条，其中柔性电极能够绕所述核心元件螺旋缠绕。在另一实施例中，所述导电元件能够向柔性电极提供导电唇缘、或导电唇缘的一部分、或电极、或(副)汇流条，其中柔性电极能够绕所述核心元件螺旋缠绕。
在其他示例方面，提供了用于形成与柔性电极叶的电连接以由此适当地将该叶中的各电极集合、编组或聚集在一起成为单个电装置的方法。这些通过下述手段之一来优选地而非排他地达成：
(1)穿过端帽的电连接：
i.“轴向附连”：在一示例中，柔性叶的电极直接焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于端帽处或代替端帽的主汇流条。
ii.“轴向汇流条附连”：在另一示例中，柔性叶中的电极被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到副汇流条，副汇流条跨柔性电极来布置并与螺旋缠绕的方向垂直。副汇流条的未附连端被进一步焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于端帽处或代替端帽的主汇流条。
(2)穿过核心元件的电连接：
i.“内部螺旋附连”：在一个示例中，柔性叶的电极直接焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于核心元件处并沿核心元件的全部或部分长度行进的主汇流条。主汇流条可位于核心元件内，或者它可以被附连到核心元件的外部。
ii.“内部螺旋汇流条”：在另一示例中，柔性电极叶被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到副汇流条，副汇流条在螺旋缠绕的方向上跨柔性电极来布置。副汇流条的未附连端随后被焊接、焊合、或以其他方式电附连到位于核心元件处且沿核心元件的全部或部分长度行进的主汇流条。主汇流条可位于核心元件内，或者它可以被附连到核心元件的外部。
(3)外部电连接：
i.“外部螺旋附连”：在一个示例中，柔性叶的电极直接焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于外部元件处并沿外部元件的部分或全部长度行进的主汇流条。主汇流条可位于外部元件内，或者它可以被附连到外部元件的外部。
ii.“外部螺旋汇流条附连”：在另一示例中，柔性电极叶被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到副汇流条，副汇流条在螺旋缠绕的方向上跨柔性电极来布置。副汇流条的未附连端随后被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于外部元件处且沿外部元件的全部或部分长度行进的主汇流条。主汇流条可位于外部元件内，或者它可以被附连到外部元件的外部。
其他方法和布置可被用于穿过核心元件、端帽和/或外部元件的柔性电极叶的电连接。优选地而非排他地，在制造螺旋缠绕的或具有螺旋配置、布置或设计的电化学电池、模块、或反应器时，用于形成气体/液体管接的以上布置或方法中的一者或多者可以与用于形成电连接的以上布置或方法中的一者或多者相组合。将理解，并非限制，所有组合、排列、或布置可被使用，其中气体/液体管接的以上布置或方法中的一者或多者与电连接的以上布置或方法中的一者或多者一起使用来创建螺旋缠绕的电池。
此外，将理解，情况不一定是螺旋缠绕的电池的各组件是单独地形成的或作为核心元件、端帽或外部元件来提供。在一些示例情况下，各组件可以执行作为所描述的核心元件、端帽或外部元件的功能中的两者或更多者的混合的功能。例如，端帽可被集成地形成为核心元件或外部元件的一部分。在其他示例情况中，组件可以是外部元件或端帽或都不是。在这些情况下，将理解，其中气体/液体管接的以上布置或方法中的一者或多者和/或电连接的以上布置或方法中的一者或多者的用于创建螺旋缠绕的电池的所有组合、排列、或布置落在本发明的范围内，而不管所涉及的特定组件是否被清楚地标识为属于特定类别元件。
进一步将理解，在螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器中并非需要所有类别或类型的元件。例如，可不需要端帽或外部元件。类似地，可不需要核心元件。
在一些实施例中，多个叶可被接通到核心元件、一个或多个端帽、和/或外部元件。在一些实施例中，多个叶可被放置成与核心元件、端帽、和/或外部元件电接触。在这样的示例中，核心元件、端帽和/或外部元件优选地而非排他地被设计成使得将所累加的管接和电***聚合成用于所管接的气体/液体线中的每一者和电气装置中的每一者的单个外部连接集合。
优选地而非排他地，一旦气体/液体管接和电附连被紧固，电化学电池、模块和/或反应器的柔性叶可被卷成螺旋缠绕的布置，其中在不同的电极与各叶(在一个以上叶的情况下)之间施加合适的间隔件(例如，一个或多个多孔聚合材料薄片)，由此避免在用作阴极或阳极的不同叶的电极之间形成短路。
螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器连同所附连的一个或多个叶和紧固管接以及电连接随后可被优选地而非排他地装入壳体或外壳中，优选地是紧密适合的聚合物壳体并配备有早先描述的类型的端帽。端帽可以是独立单元或者它们可构成壳体或外壳的一部分，或者可以存在独立的端帽和作为壳体或外壳的一部分的外端帽。
附图说明
现在将仅作为非限制性示例且参考附图来描述各说明性实施例。根据以下描述，各示例实施例将变得明显，以下描述仅作为至少一个优选但非限制性的实施例的示例给出且结合附图来描述。
图1(a)描绘了处于部分地缠绕和构造状态的示例螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器的各组件，即：核心元件、端帽、外部元件、以及由叶形成的多电极阵列；图1(b)描绘处于完全缠绕的状态的示例螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器；图1(c)描绘用于由示例叶构成的多电极阵列的示例布置。所示出的电极的数量只是作为示例来提供的。图1(d)-1(j)示意性地描绘了可被螺旋缠绕的叶的各示例。
图2示意性地描绘了至少部分地由柔性叶形成的作为电极阵列的示例多电极布置，柔性叶可按螺旋方式卷起，其中阳极通道被接通到核心元件(即，开放给它、与其处于气体连通中、或与其处于流体连通中)，阴极通道被接通到外部元件(即，开放给它、与其处于气体连通中、或与其处于流体连通中)，并且电极间通道与核心元件和外部元件两者密封、但在与叶的长度垂直的方向(在卷起时的轴向方向)上朝端帽(未示出)开放(即，与其处于气体连通中或与其处于流体连通中)。所示出的电极的数量只是作为示例提供的且核心元件/外部元件没有与电极成比例绘制(为清楚起见)。
图3(a)、3(b)和3(c)示意性地描绘了在将一个或多个柔性叶接通穿过核心元件时的示例有用办法。
图4(a)示意性地描绘轴向电附连示例方法且图4(b)示意性地描绘螺旋电附连示例方法，用于将柔性叶中的各电极与端帽中的导电元件(‘主汇流条’)进行电连接。
图5(a)示意性地描绘轴向汇流条附连示例方法且图5(b)示意性地描绘螺旋汇流条附连示例方法，用于将柔性叶中的各电极与端帽中的导电元件(‘主汇流条’)进行电连接。
图6(a)和6(b)示意性地描绘示例螺旋缠绕的电池或模块，(a)在叶的缠绕之前，(b)在缠绕之后，其中电连接是通过端帽非对称地作出的。
图7描绘了：(a)示例侧面针，以及(b和c)将两个柔性电极(两者是阳极或阴极)与轴向汇流条胶合到电极，同时创建这两个电极之间的液体/气体收集通道的过程。
图8描绘了：(a)如何使用‘管道和中央组装’方法将示例管道单元(侧面针)与六边形中央单元组装，(b)在柔性电极叶附连到侧面针之前以及(c)之后。
图9描绘了(a)如何使用‘管道和中央组装’方法将示例管道单元(侧面针)与六边形中央单元组装，以及主汇流条如何被引入这两个端帽。轴向汇流条的自由端被焊接到主汇流条以创建电连接。最终组装件在(b)处示出。各叶绕核心元件螺旋缠绕但为清楚起见未在底部图片(b)中描绘。
图10描绘了使用侧面针设计以及管道和中央组装方法制造的在它被封入聚合物壳体之后的(a)-(b)示例螺旋缠绕的模块。
图11描绘了使用侧面针设计来组装的示例螺旋缠绕的模块的不同组件(但不是柔性叶)的分解视图，其中两个模块被进一步组装成线性阵列。
图12(a)到12(c)描绘了应用于管道和中央单元组装方法的胶合楔设计。
图13(a)到13(c)示意性地描绘了应用于直接附连组装方法的编织包设计。
图14(a)和14(b)示意性地描绘应用于管道单元组装方法的注射针设计。
图15示意性地描绘了应用于管道单元组装方法的名片盒设计。
图16解说了适用于穿过核心元件的气体/液体管接的示例核心元件。
图17示意性地解说了用于楔胶设计的示例2叶核心元件的截面。
图18示意性地解说了用于楔胶设计的示例8叶核心元件的截面。
图19以图18的楔胶设计的截面示意性地解说了叶与8叶核心元件之间的连接。
图20示意性地解说了采用楔胶设计来用于核心元件的管接的示例4叶螺旋缠绕的模块。
图21描绘了图20的4叶核心元件中的管道的外部孔的特写透视(截面)图，示出了各连接(为清楚起见缺少胶合树脂)。
图22以放大的截面图描绘了图21中的管道。
图23示意性地分别解说了罐装管道设计的示例2叶核心元件的(a)和(c)截面图，以及(b)和(d)透视图。
图24示意性地解说了2叶导电罐装管道设计的示例核心元件的(a)截面图和(b)透视图。
图25示意性地解说了4叶导电罐装管道设计的示例核心元件的(a)截面图和(b)透视图。
示例
仅作为示例给出的以下模式、特征或方面被描述以提供对一个或多个优选实施例的主题的更确切理解。
2013年6月11日提交的题为“Gas Permeable Electrodes and ElectrochemicalCells(气体可渗透电极和电化学电池)”的国际专利申请No.PCT/AU2013/000617通过援引纳入于此，并且描述了可被螺旋缠绕并用在本发明示例中的气体扩散电极及其各方面。
可被用在本发明示例中的示例电极的进一步方面和细节在2014年7月30日提交的题为“Modular Electrochemical Cells(模块化电化学电池)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050161、在2014年7月30日提交的题为“Composite Three-Dimensional Electrodes and Methods of Fabrication(复合三维电极以及制造方法)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050160、在2014年7月30日提交的题为“Electro-Synthetic or Electro-Energy Cell With Gas Diffusion Electrode(s)(使用气体扩散电极的电合成或电能电池)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050162、以及在2014年7月30日提交的题为“Method and Electrochemical Cellfor Managing Electrochemical Reactions(用于管理电化学反应的方法和电化学电池)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050158中描述，它们全部通过援引纳入于此。
螺旋缠绕的模块的示例组件
A.1.螺旋缠绕的模块的示例组件——核心元件、端帽、以及外部元件
图1(a)、1(b)和1(c)示意性地示出了示例螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器2000的各组件。图1(a)描绘了处于部分地缠绕和构造状态的示例螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器2000的各组件，即：核心元件2200、端帽2400、外部元件2500、以及由绕中心轴2005缠绕的叶2150形成的多电极阵列2100。图1(b)描绘处于绕中心轴2005完全缠绕的状态的示例螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器2000。图1(c)描绘包括叶2150的多电极阵列2100的示例布置。所示出的电极和通道(即，阳极2600和阴极2700)的数量只是作为示例来提供且可取决于所需实现而变化。阳极2600和相邻或相对的阴极2700提供至少一个电极对。螺旋缠绕的电池、模块或反应器2000通常涉及按两层或更多层堆叠的柔性电极薄片2600、2700(即，多电极阵列2100)，其中阳极2600和阴极2700相邻对由电绝缘的且提供电极间通道2800的不同的“电极间通道”间隔件(为清楚起见未示出)(在一些实施例中，它是液体电解质可渗透的且旨在引导液体电解质渗透通过电池2000)和/或由提供叶2150的阳极通道2900和叶2150的阴极通道2950的“阳极通道”间隔件或“阴极通道”间隔件(即，电极通道间隔件)(为清楚起见未示出)(在一些实施例中，它们是气体/液体可渗透的且旨在引导气体/液体渗透穿过电池2000)彼此分开。电极间通道和/或电极通道可以由一层或多层多孔聚合材料形成，例如被提供作为多孔聚合材料薄片或不同类型的多孔聚合材料薄片。不同类型的通道2800、2900、2950中的一些或全部可在电池或模块2000中被管接，即放置成处于流体连通和/或气体连通中。例如，与阴极2700相关联且收集来自阴极2700的产物或向阴极2700提供反应物的全部阴极通道2950可被管接在一起成为单个入口/出口。类似地，与阳极2600相关联且收集来自阳极2600的产物或向阳极2600提供反应物的全部阳极通道2900可被管接在一起成为分开的单个入口/出口。因而，例如，可以存在两个不同的气体通道，一个用于第一气体(例如，在水电解电池中的阴极处产生的氢气)且另一个用于第二气体(例如，在水电解电池中的阳极处产生的氧气)。在其他实施例中，电极间通道2800可被管接以便馈送阳极2600和阴极2700之间的液体电解质，而非可被留下开放到空气(或其他气体和真空或部分真空)的阳极通道2900或阴极通道2950。在又一些其他实施例中，一种类型的通道可被管接来用于液体(例如，电极间通道2800可被管接以载送液体HCl电解质)，而第二通道可被管接以载送气体(例如，阴极通道2950可被管接以载送氧气)。第三通道随后可被留下开放以用于收集产物(例如，在氧气去极化氯碱电池中，阳极通道2900可被留下开放以收集氯气)。可重复电极单元2600、2700连同它们相关联的密封的气体-液体通道2900、2950在本文中被称为多电极阵列2100中的叶2150。
所得的多电极阵列2100被绕核心元件2200缠绕，以形成螺旋缠绕的电极结构2300，以由此创建螺旋缠绕的电池或模块2000。核心元件2200可包含用来接通和/或电连接电池或模块2000的各组件的气体-液体和电管道中的一些或全部。例如，核心元件2200可以将多电极阵列2100中用于一种或另一种特定气体的全部通道组合成单个管道，该单个管道随后被方便地装阀门以附连到外部气箱。核心元件2200可类似地包含将该模块的阳极和阴极连接到该模块上的仅两个外部电连接——正极和负极——的电气装置。
紧密缠绕的多电极阵列2100通常进一步固定到端帽2400，这也可用于将该阵列中的用于一种或另一种特定气体的全部通道组合成单个管道，该单个管道随后被方便地装阀门以用于附连到外部气箱。端帽2400可类似地包含将该模块的阳极和阴极连接到该模块上的仅两个外部电连接——正极和负极——的电气装置。最后，多电极阵列2100可以在其外径向端处附连到外部元件2500，通过外部元件2500可以管接各通道并作出电连接。
螺旋缠绕的电池或模块优于其他模块布置的关键优点被认为是它们在相对小的总体几何占用空间内提供高的总体电化学表面积。据信，螺旋缠绕的电化学模块在最小的合理占用空间内提供最高的可能活性表面积。螺旋缠绕的布置的另一优点在于与涉及平坦区域和隅角的其他几何形状相比，圆形物体更易于加压。所以，螺旋设计被发现有益于将水转换成氢气和氧气的水电解电池，并且有益于将氢气和氧气转换成水的燃料电池，因为螺旋缠绕的电池允许对易于制造的低成本形式的反应器进行直接加压的机会。
发明人创建了用于安排气体/液体管接和电连接以由此简化这一类型的螺旋缠绕的电池的制造和组装的多种方便的方法、布置、结构和设计。下文描述将它们用于螺旋缠绕的电池的制造的这些办法和设计。在特定示例中，电化学电池利用非生物组件，优选地利用非生物制造的组件，并且可以只使用非生物组件或材料。例如，叶的材料是非生物材料。
因而，在一般实施例中，提供了用于形成化学反应产物的螺旋缠绕的电化学电池2200，包括绕中心轴2005缠绕的至少一个电极对(阳极2600和阴极2700)。优选地，阳极2600是气体可渗透的且是液体不可渗透的，和/或阴极2700是气体可渗透的且是液体不可渗透的。电化学电池2200优选地是电合成电池(即，具有工业应用的商业电池)或电能电池(例如，燃料电池)。优选地，该电池利用非生物制造的组件。
在一个示例中，在阳极2600和相邻或相对的阴极2700之间提供用于气体和/或流体运输的电极间通道2800。可任选地，提供了两个阳极2600以及这两个阳极2600之间的用于气体和/或流体运输的阳极通道2900。同样可任选地，提供了两个阴极2700以及这两个阴极2700之间的用于气体和/或流体运输的阴极通道2950。在另一示例中，通道28000、2900、2950至少部分地由至少一个间隔件来形成。
在又一示例中，提供了至少两个阳极2600和至少一个阳极通道2900，以及至少两个阴极2700和至少一个阴极通道2950。可任选地，化学反应产物通过通道(阳极通道2900、阴极通道2950或电极间通道2800)来运输。可任选地，化学反应物通过通道(阳极通道2900、阴极通道2950或电极间通道2800)来运输。可任选地，化学反应产物是在阳极2600处形成的或者反应物在阳极2600处反应，并且产物或反应物是通过阳极通道2900来运输的。可任选地，化学反应产物是在阴极2700处形成的或者反应物在阴极2700处反应，并且产物或反应物是通过阴极通道2950来运输的。可任选地，液体电解质通过电极间通道2800来运输。
在另一示例中，提供了包含阳极通道2900的阳极叶2150以及包含阴极通道2950的阴极叶2150，并且其中在阳极叶和阴极叶之间提供电极间通道2800，并且其中这些叶和通道是绕中心轴2005螺旋缠绕的。在另一示例中，提供了多个阳极叶2150、多个阴极叶2150、以及多个电极间通道2800。
在另一示例中，提供了位于中心轴2005之处或其附近的核心元件2200。可任选地，阳极叶2150和阴极叶2150在核心元件2200的不同圆周位置处附连到核心元件2200。多个阳极叶2150和多个阴极叶2150可在不同的圆周位置处附连到核心元件2200。在一个示例中，核心元件2200包括至少一个气体通道和/或至少一个流体通道。可任选地，该至少一个气体通道是与核心元件2200偏心的。还可任选地，该至少一个流体通道是与核心元件2200偏心的。在一个示例中，电极间通道2800与核心元件2200处于气体连通和/或流体连通中。
在另一示例中，该至少一个电极对(阳极2600和阴极2700)中的一者或多者电连接到核心元件2200的导电元件。在又一示例中，外部元件2500被提供并被放置得离开中心轴2005。可任选地，外部元件2500附连到或接近至少一个电极对中的一者或多者的一端，该端与接近中心轴2005的一端相对。可任选地，电极间通道2800可与外部元件2500处于气体连通和/或流体连通中。在另一示例中，该至少一个电极对(阳极2600和阴极2700)中的一者或多者电连接到外部元件2500的导电元件。
优选地，核心元件2200在纵向上与中心轴2005平行地延伸。还优选地，外部元件2500在纵向上与中心轴2005平行地延伸。
在另一示例中，提供了至少一个端帽2400，优选地是两个端帽2400。可任选地，阳极通道2900、阴极通道2950和/或电极间通道2800与至少一个端帽2400处于气体连通和/或流体连通中。可任选地，提供了第二端帽2400，阳极通道2900、阴极通道2950、和/或电极间通道2800与第二端帽2400处于气体连通和/或流体连通中。
可任选地，该一个或多个电极对中的一者或多者电连接到该至少一个端帽2400的导电元件。优选地，导电元件是汇流条。一个或多个副汇流条可电连接到该至少一个电极对(阳极2600和阴极2700)中的一者或多者。该一个或多个副汇流条可电连接到该汇流条。在另一示例中，该一个或多个副汇流条是柔性的且在电池2000中螺旋缠绕。在另一示例中，该一个或多个副汇流条在电池2000的轴向2005上延伸。
A.2.螺旋缠绕的模块的示例组件——叶
应当理解，叶包括一个或多个电极，例如一个电极、一对电极、多个电极、或某一其他形式的电极单元。叶是柔性的且可作为单元来被重复。
例如，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：
一个或单个电极，例如单个阴极或单个阳极；
折叠的单个电极材料薄片，或相连接以提供两个电极(例如两个阴极或两个阳极)的两个电极材料薄片；
两个电极，例如两个阴极或两个阳极；
电极对，例如阳极和阴极；或
多个以上各项的任一者。
图1(d)-(j)示出了叶可以采取的若干形式。图1(d)示出了作为单个阳极2600的叶。图1(e)示出了作为单个阴极2700的叶。图1(f)示出了作为被折叠的单个电极材料薄片的叶或相连接以提供两个阳极2600的两个薄片的叶(其围起阳极通道2900)。图1(g)示出了作为被折叠的单个电极材料薄片的叶或相连接以提供两个阴极2700的两个薄片的叶(其围起阴极通道2950)。图1(h)示出了作为两个阳极2600的叶(其围起阳极通道2900)。图1(i)示出了包括两个阴极2700的叶(其围起阴极通道2950)。图1(j)示出了包括阳极2600和阴极2700的叶，它们一起围起电极间通道2800。
在另一示例中，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：位于电极通道间隔件(即，间隔材料、层、或薄片，它例如可以由多孔聚合物材料制成)的相对侧上的两个电极材料层(其中这两层一起用作阳极或阴极)，这提供这两个电极之间的气体和/或液体通道。
在又一示例中，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：位于电极间通道间隔件(即，间隔材料、层、或薄片，它例如可以由多孔聚合物材料制成)的相对侧上的两个电极材料层(其中一个电极材料层用作阳极且一个电极材料层用作阴极)，这提供这两个电极之间(即，阳极和阴极之间)的气体和/或液体通道。
在又一示例中，叶可部分地包括以下各项或由以下各项形成：单个电极材料层(供用作阳极或阴极)。在又一示例中，电极材料层可位于通道间隔件(即，间隔材料、层、或薄片，它例如可以由多孔聚合物材料制成)附近，这提供气体和/或液体通道。
重复的叶提供作为一串螺旋缠绕的电极的多电极阵列，其中居间间隔件提供分开的气体和/或液体通道。电极通道间隔件可以是与电极间间隔件不同的材料，或者在一个示例中是相同的材料。电化学电池、模块或反应器可任选地还涉及端帽以及一个或多个外部元件。
A.3.螺旋缠绕的模块的示例组件——阳极和阴极
上述阳极和阴极优选地而非排他地是3D电极或气体扩散电极(GDE)气体扩散电极的一般特征是它们在电极的一侧上的液体与电极的另一侧上的气体之间形成电活性界面。因而，本发明的阳极和阴极优选地而非排他地在一侧上的气体大气与另一侧上的液体环境之间形成界面。
在第一形式中，上述阳极和阴极优选地而非排他地是可在市场上购得或使用所确立的工业方法由标准组件来制造的类型的常规3D电极和气体扩散电极(GDE)。
在第二形式中，上述阳极和阴极优选地而非排他地是在2014年7月30日提交的题为“Composite Three-Dimensional Electrodes and Methods of Fabrication(复合三维电极及制造方法)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050160(它通过援引纳入于此)中描述的类型的3D电极和气体扩散电极(GDE)。
在第三形式中，上述阳极和阴极优选地而非排他地是将常规3D电极和气体扩散电极(GDE)的属性、组件和制造方法与2014年7月30日提交的题为“Composite Three-Dimensional Electrodes and Methods of Fabrication(复合三维电极及制造方法)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050160(它通过援引纳入于此)中的属性、组件和制造方法相组合的混合3D电极和气体扩散电极(GDE)。
在又一些示例中，电化学电池可被提供，其中：阳极包括气体扩散电极，和/或阴极包括气体扩散电极，并且其中气体扩散电极主要包括碳和/或聚四氟乙烯(PTFE)。在又一些示例中，电化学电池可被提供，其中：(1)阳极包括：(a)包括非导电的气体可渗透材料以及附连到气体可渗透材料的多孔导电材料的气体扩散电极，或(b)包括非导电的气体可渗透材料以及导电颗粒的融合多孔层的气体扩散电极，或(c)包括导电颗粒的融合多孔层的气体扩散电极；和/或(2)阴极包括：(a)包括非导电的气体可渗透材料以及附连到气体可渗透材料的多孔导电材料的气体扩散电极，或(b)包括非导电的气体可渗透材料以及导电颗粒的融合多孔层的气体扩散电极，或(c)包括导电颗粒的融合多孔层的气体扩散电极。
A.3.1包括常规3D电极和GDE的阳极和阴极
常规的市场上可购得的气体扩散电极(GDE)通常包括不同大小的导电颗粒(通常是碳颗粒)的融合多孔层。最外层通常包含最小尺寸的颗粒，用较少量的憎水PTFE(聚四氟乙烯或TeflonTM)粘合剂融合在一起。最内层通常包含最大颗粒。可存在中等颗粒大小的多个中等层。
GDE内的颗粒大小的从中心最大到最外侧上最小这一梯度的意图是为了创建并控制电极内的三相固液气边界。这一边界应当具有最大的可能表面积。创建这样的边界通过控制颗粒之间的平均孔大小从而确保最小孔大小在边缘处且最大的在中心，来有效地实现。因为孔通常相对憎水(由于PTFE粘合剂)，所以边缘处的小孔大小(例如，30微米孔大小)用于阻碍和限制液态水进入GDE。即，水只可渗透进入GDE相对短的距离，其中每单位体积的电化学活性表面积是最大的。作为对比，GDE中心处的较大孔(例如，150微米孔大小)允许以低压力沿GDE长度的迅速气体传输，其中气体随后形成三向固液气边界，其中液态水在GDE的边缘处，其中每单位体积的电化学活性表面积是最大的。
当前，常规3D颗粒固定床电极和气体扩散电极(GDE)通过混合碳黑和PTFE粉并随后将固态混合物压缩和/或烧结成大块多孔电极来制造。
所得结构的孔大小可通过管理所使用颗粒的粒子大小来被非常粗略地控制。然而，使用这一方法达成遍及整个电极的均匀孔大小是困难的，因为颗粒(尤其是类似PTFE的“粘性”颗粒)在压缩和/或烧结时通常不均匀地流动并且不将它们均匀地分布。因此，通常获得各种各样的孔大小。此外，创建具有小得均匀的孔大小(诸如0.05μm–0.5μm大小)的结构一般是不可能的。
该结构的憎水性通常通过管理纳入到该结构中的PTFE的相对量来控制。PTFE将该结构结合在一起并创建所需多孔性。然而，它的量必须被仔细地控制以给予电极适当的中等憎水性。需要中等憎水性以确保部分而非完全的进水。在GDE的情况下，需要这一点以由此创建组成电极的碳黑基体内的固液气边界。
这一类型的常规气体扩散电极由诸如举例而言美国印第安纳州Crown Point市的NuVant Systems公司等公司出售。
A.3.2包括新颖3D电极和GDE的阳极和阴极
在第二和替换形式中，3D电极和气体扩散电极(GDE)可以是在2014年7月30日提交的题为“Composite Three-Dimensional Electrodes and Methods of Fabrication(复合三维电极及制造方法)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050160(它通过援引纳入于此)中描述的类型。
在一个示例中，这一类型的3D电极或GDE在以下方面有别于常规的颗粒固定床GDE：它们将3D电极或GDE的关键特征分成两个或至少两个不同的区域，与在常规GDE的单个主体内可能的情况相比，其属性中的每一者被改进且可被更完全地控制。这样的3D电极或GDE的示例实施例可包括液体和气体多孔导电材料，它可任选地还包括针对其催化能力和导电性被增强或优化的催化剂。导电材料被附连到、耦合到、接触、相邻地定位、毗邻非导电的且在电极的正常操作使用期间液体电解质不可渗透的气体可渗透材料，例如它可以是憎水性的，为其针对气体运送属性来选择、增强或优化的孔结构。正常操作使用例如是电极正如所预期地运作且未被水淹时。在一示例中，气体可渗透材料的表面面向多孔导电材料。气体可渗透材料的表面可以(但不一定必需)触及或接触多孔导电材料，例如，可存在可包括一种或多种催化剂的中间粘合材料或层。气体可渗透材料和多孔导电材料的界面或边界区在气体可渗透材料的表面处或附近。在电极处于使用中时，三相固液气边界能够形成在面向多孔导电材料的气体可渗透材料表面处或附近。在这一上下文中，“在表面处或附近”意指在作为粘合材料(如果存在的话，且如本文讨论的)的厚度的距离内，或在作为三相固液气边界本身的宏观宽度的距离内，或在作为气体可渗透材料和多孔导电材料的任何重叠的距离内，或在作为多孔导电材料的宽度的距离内。三相固液气边界不必确切地形成在表面‘处’，而是可在接近、相邻、毗连、紧接或之内、或邻近的意义上形成在表面‘附近’。三相固液气边界可响应于施加过量气体或液体压力而进一步移动，然而在正常操作使用期间，边界将保持‘靠近’该表面，如所描述的。
优选地，两个区域(包括多孔导电材料的第一区域和包括非导电的气体可渗透材料的第二区域)基本上是不同的、分界的或分开的，但它们彼此相邻、毗连、接触或毗邻地定位，使得存在界面或边界区或可能存在重叠。
在这样的3D电极或GDE中，非导电的液体电解质不可渗透或憎水的气体可渗透材料具有比常规GDE中可达成的孔更清楚地限定、更均匀且平均大小更小的孔。液体和气体多孔导体(优选地提供有催化剂)可比常规GDE更具导电性，同时其低憎水性可以看到在正常操作条件下多孔导体完全或基本上完全充满液体电解质，由此增强或最大地促进催化作用。相反，在优选的形式中，非导电的憎水的气体可渗透材料的高憎水性通常将看到在大气压力下气体可渗透材料完全或基本上完全没有液体电解质，由此增强或最大地促进出入GDE的气体运送。
在这样的示例实施例中，3D电极或GDE在导电侧接触液体电解质且在非导电侧接触气体材料，随后以上物理特征使得在面向多孔导电材料的气体可渗透材料表面处或附近形成三相固液气边界，它也可以在这两个不同区域之间的界面处。这一边界与常规GDE中的三相固液气边界相当不同。它在以下方面不同：与在常规GDE中可达成的相比，它被更清楚地限定、更窄、更稳定、和/或更稳健。因而，在优选实施例的操作中，三相固液气边界形成在面向多孔导电材料的气体可渗透材料表面处或附近(它也可以在多孔导电材料(它可包括催化剂)与非导电的气体可渗透材料的界面处或边界区)。例如，与电极的宽度或厚度相比，这提供了具有相对窄的宏观宽度的三相固液气边界。
这些特征是重要的，因为这一类型的3D电极或GDE可以在这两个区域的界面处或附近提供具有经增强的或最优地导电的、经改进的或最大地催化的结构的、促进经改进的或最大化气体运送的经增强的或最优孔结构，例如憎水孔结构。实际上，在示例实施例3D电极或GDE中的三相固液气边界处，气体扩散电极的关键属性中的每一者可以是理想的，或至少与以其他方式可能的相比更接近理想。
这一增强或优化的效果产生了令人惊讶且显著的电化学性能。尽管三相固液气边界更窄且被限于是二维(2D)或基本上2D的宏观几何结构，但在示例实施例3D电极或GDE中的三相固液气边界的电化学能力基本上改进且实际上可超过常规GDE的电化学能力。这样的三相固液气边界可以例如向示例实施例3D电极或GDE给予各种意料之外的且新颖的电化学能力，包括：
a.比常规GDE中可达成的高得多的湿润压力和气泡点。“湿润压力”被定义为GDE的液体电解质侧上相对于GDE的气体侧的最低过压，在此液体电解质渗透并使GDE水淹。“气泡点”被定义为GDE的气体侧相对于GDE的液体电解质侧的最低过压，在此气体吹过GDE并在液体电解质侧上的电极表面处形成气泡。各示例实施例GDE通常具有超过0.2巴的湿润压力和气泡点，而常规GDE通常具有0.2巴或更小的湿润压力和气泡点。
b.与常规GDE可实现的相比，更低的电阻抗、更高的电催化活性和反应性、以及催化材料的更高效的利用率(如果使用的话)，尤其是但非排他地在相对低的电流密度下操作时；以及
c.促进迄今不可达到的气体-到-液体或液体-到-气体电化学反应的表观容量，或至少改进迄今尚未证明实际上可行的电化学反应，尤其是但非排他地在相对低的电流密度下操作时。
因而，在各特定示例中，这样的3D电极或GDE显示出唯一且界定极其清楚、狭窄、稳定和/或稳健的三向固液气界面。这样的界面所造成的一个效果是得自固液气界面的高质量的不同寻常的高电化学和催化活性。例如，这一类型的GDE可能够自主地、积极地、以及选择性地从大气中分离氧气，即使氧气仅组成大气的20％。因而，这一类型的示例GDE可被用来以与迄今可能的更具电效率及经济效率的方式来促进Dow Huron工艺。类似地，各示例GDE已证明能够促进发生在室温直接甲烷燃料电池中的迄今未知的反应。
这些增强提供了超过常规GDE的意料之外的改进。它们看起来因为制造现有技术中当前采用的常规颗粒固定床GDE的制造以在单个材料内同时创建所有主要物理属性为基础。这样的办法实际上忽略了GDE的关键属性(即，孔结构、憎水性、气体运送、液体运送、导电性、以及催化活性)通常是相互依赖的且因此不宜于在单个材料内容易地并发增强或优化。本文描述的示例实施例GDE将这一限制纳入考虑且分开地优化关键属性中的一者或多者，由此在这两个不同区域的界面处达成更理想的总体属性。
这一类型的GDE还可按极低成本的方式来制造，从而允许以下实际使用：
(i)相对低的电流密度，这最小化电损失并最大化电效率，和/或(ii)包括地球丰富元素的只在较低电流密度下高效地操作的低成本催化剂。通过这些手段，制造实际上且经济上可行的大规模电化学电池以用于工业规模电合成和电能应用中变得是可能的。这样的电池可达到在大规模生产和能量环境中迄今不可获得的能效。例如，氯可以使用氯-碱工艺以91％的能效来规模化制造，而最佳可获得的工业氯-碱工厂达到66％能效。
这些和其他优点在2014年7月30日提交的题为“Modular Electrochemical Cells(模块化电化学电池)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050161、2014年7月30日提交的题为“Electro-Synthetic or Electro-Energy Cell With Gas DiffusionElectrode(s)(使用气体扩散电极的电合成或电能电池)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050162、以及2014年7月30日提交的题为“Method and ElectrochemicalCell for Managing Electrochemical Reactions(用于管理电化学反应的方法和电化学电池)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050158中描述，它们全部通过援引纳入于此。
这一类型的3D电极和GDE可通过将延展的PTFE(ePTFE)膜用作非导电的气体可渗透且液体电解质不可渗透的材料来制造。这被附连到液体-和-气体-多孔导电材料，以由此创建GDE。
例如，典型的制造过程涉及选择由通用电气公司制造的用于水处理工业的ePTFE膜(孔大小0.2微米)。该膜上覆盖有细镍网格(每英寸200行，由Precision eForming公司制造)。该网格随后被仔细地抬起，在一个边缘处开始，且粘合材料(乙醇/水中15％Nafion；由Ion Power公司提供，包含10％重量的碳黑，由Sigma-Aldrich提供)层被施加到膜表面。网格此后被释放并被允许接触经涂敷的膜。在60℃下干燥达4小时后，网格被粘合到PTFE膜的表面。这一制造方法可按若干方式被修改。粘合材料可被施加到或涂在未连接的网格和膜上并随后被干燥，从而使得网格被粘合到膜。或者，粘合材料可被分开施加到膜表面和网格，经涂敷的湿润的膜和网格随后结合并被干燥。该组合可任选地被压缩和层压在一起。这提供了一种类型的可被螺旋缠绕的柔性电极。
A.3.3包括混合3D电极和GDE的阳极和阴极
在第三和进一步替换形式中，以上描述的阳极和阴极优选地而非排他地是组合以下各项的属性、组件以及制造方法的混合3D电极和气体扩散电极(GDE)：
-常规3D电极和气体扩散电极(GDE)
2014年7月30日提交的题为“Composite Three-Dimensional Electrodes andMethods of Fabrication(复合三维电极及制造方法)”的申请人先前提交的国际专利申请No.PCT/AU2014/050160，它通过援引纳入于此。
在一示例实施例中，由通用电气公司制造的用于水处理工业的ePTFE膜(孔大小0.2微米)被选择为非导电的且液体电解质不可渗透的气体可渗透材料。这一选择是根据上述新颖3D电极和GDE的制造原理的。
细镍网格(每英寸200行；由Precision eForming公司制造)随后被覆盖在ePTFE膜上，这同样是根据上述新颖3D电极和GDE的制造原理的。
然而，代替向ePTFE和Ni网格施加液体-和-气体-多孔导电材料，以由此创建新颖GDE，导电碳黑和包含催化剂(例如，Pt)的PTFE的常规混合物被施加。例如，可以使用50％(重量比)PTFE和50％(重量比)碳黑(涂有Pt，每平方米覆盖定量0.2g Pt)。
在干燥和压缩所得的碳黑-PTFE-催化剂基质后，所得的GDE呈现了非导电气体可渗透、液体电解质不可渗透元素(即，ePTFE膜)和常规导电碳黑-PTFE-催化剂基质两者。
在组合常规GDE的特征与上述新颖GDE的特征时，所得的电极(阳极和阴极)可被认为是混合3D电极或GDE。这提供了一种类型的可被螺旋缠绕的柔性电极。
将理解，常规3D电极和GDE与上述新颖GDE的特征的所有这样的组合可包括本发明的各实施例的阳极和/或阴极。
B.螺旋缠绕的通用方法——螺旋缠绕的模块的气体/液体管接
螺旋缠绕的电化学电池或模块的重要特征是对该模块内的方便且高效的通路的需求，其中使用该通路来分开地管接反应物或产物气体和/或液体，包括液体电解质。这意味着，最优选地但非必要地，需要为每一可用通道类型创建密封气体/液体连接通路，使得电池或模块中存在针对每一通道类型的单个入口和/或单个出口。
图2示意性地描绘了这一方面的说明性示例。该示意图示出了多电极阵列2100内的阴极通道2950、阳极通道2900、以及电极间通道2800可被如何管接。图2示出了至少部分地由柔性叶2150形成的电极的示例未缠绕多电极阵列2100，柔性叶可按螺旋方式卷起，其中阳极通道2900被管接到核心元件2200(即，开放给它、与其处于气体连通中、或与其处于流体连通中)，阴极通道2950被管接到外部元件2500(即，开放给它、与其处于气体连通中、或与其处于流体连通中)，并且电极间通道2800与核心元件2200和外部元件2500两者隔离密封但在与叶的长度垂直的方向(在卷起时的轴向方向)上朝端帽(未示出)开放(即，与其处于气体连通中或与其处于流体连通中)。所示出的电极的数量只是作为示例提供的且核心元件/外部元件没有与电极成比例绘制(为清楚起见)。
在图2的示意图中，阳极通道2900全部被管接到由核心元件2200形成的管道。即，阳极通道全部被密封，使得它们只与核心元件中的单个管道处于流体连通中。来自阳极的产物2350或在阳极处所需的反应物2350可经由核心元件2200的这一单个管道来流动。图2中的阴极通道2950类似地全部被管接到由外部元件2500形成的管道。即，阴极通道全部被密封，使得它们只与外部元件中的单个管道处于流体连通中。来自阴极的产物2360或在阴极处所需的反应物2360可经由外部元件2500的这一单个管道来流动。图2中的电极间通道2800已被密封且将核心元件和外部元件两者排除在外。然而，它们在与核心元件和外部元件之间的轴垂直的方向上、并且在与核心元件和外部元件的各端基本上平行的平面中开放。即，它们在与螺旋缠绕(这绕核心元件发生且将外部元件留在螺旋缠绕的模块的外部上)垂直的方向上开放。这一方向2460由大箭头示出，指向端帽。这些通道可被管接穿过端帽，或端帽可以是多孔的，使得电极间通道的流体填充该模块周围的空间。将理解，图2中所述的管接方案只是解说性的。可存在许多其他实施例。例如，阴极通道可被管接到核心元件且阳极通道可被管接到外部元件。下文描述进一步示例。
B.1.螺旋缠绕的通用方法——穿过核心元件的气体/液体管接
通过利用用于螺旋缠绕的电池的核心元件中的气体/液体管接的管道，柔性电极的气体/液体管接通道可被方便地集合、集中、或累加在一起成为单个气体/液体管道入口/出口。
因而，提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器的核心元件的方便且高效的配置、布置、或设计，使得核心元件被制造成包括用于多电极阵列的柔性叶的沿其长度的至少一个管道，并且其中该柔性叶由密封气体/液体通道连同其相关联的一个或多个电极构成。重复电极单元连同它们相关联的密封的气体-液体通道在本文中被称为多电极阵列中的“叶”。
进一步提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池的核心元件，该核心元件包括：沿核心元件的纵向提供的至少一个管道；以及沿核心元件的纵向提供的且与该至少一个管道相关联的一个或一串孔；其中该孔能够接纳来自柔性电极的一端、或一端的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极能够绕该核心元件螺旋缠绕。在另一实施例中，该孔能够向柔性电极提供唇缘、或唇缘的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极能够绕该核心元件螺旋缠绕。
在各示例中，该至少一个管道是适用于沿核心元件的内部长度来运输气体或液体的通路、腔或通道。该至少一个管道可具有椭圆或泪滴形截面。该至少一个管道提供气体或液体连通通道。核心元件可由聚合材料制成。可任选地，孔被装上唇缘或凸缘。优选地，孔位于核心元件的外表面上。可任选地，沿核心元件的长度的一部分在纵向上提供该孔或一串孔。或者，沿核心元件的全部长度在纵向上提供该孔。
核心元件可包括两个、四个、六个、八个或更多管道以及两个、四个、六个、八个或更多孔，且能够接纳两个、四个、六个、八个或更多柔性电极。绝缘柔性间隔件被置于电极附近，且柔性电极和绝缘柔性间隔件绕核心元件螺旋缠绕。。核心元件和螺旋缠绕的电极可被封闭在壳体或外壳中。
一个或多个叶与其管道之间的气体/液体管接连接优选地而非排他地通过以下手段中的一者来达成：(图3(a)到3(c)示意性地示出了这些办法)
i.“管道和中央单元组装”：参考图3(a)，在一个示例中，管道被制造成独立单元的一部分，叶可以按如下方式被密封、粘合、焊接、灌制、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。该独立管道单元3010连同它所附连的叶随后可被密封、粘合、焊接或以其他方式附连到分开的中央单元3020，以由此创建核心元件3030(附连有该叶)。因此，通过组装独立管道单元(连同它所附连的叶)与中央单元来创建核心元件3030。另选地，叶可被密封、胶合、焊接、或以其他方式附连到中央单元，它随后被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到管道单元3010。第三替换方案是在管道单元3010和中央单元3030被彼此密封、胶合、焊接、或以其他方式附连时，叶可被密封、胶合、焊接、或以其他方式附连到管道单元3010和中央单元3020两者。全部这些办法的共同特征是通过组装独立管道单元与中央单元来创建核心元件3030，其中叶在创建核心元件之前或期间被附连。
ii.“直接附连”：参考图3(b)：在另一示例中，核心元件3040被制造成包含至少一个管道或原始管道的单个圆柱或圆柱类单元，其一个或多个叶可按以下方式被密封、胶合、焊接、罐装或以其他方式附连到该核心元件：核心元件中的至少一个管道的一个或多个孔与关联于该管道的叶内的气体/液体通道处于流体连通中。
iii.“管道单元组装”：参考图3(c)，在又一示例中，管道被制造在独立单元内，叶可以按如下方式被密封、胶合、焊接、罐装、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。一个或多个管道单元3050连同它们所附连的叶随后被彼此密封、胶合、焊接、罐装、或以其他方式彼此附连，以由此用经组合的独立管道单元3050(它们中的每一者都具有它们所附连的叶)来创建核心元件3060。这一方法与管道和中央单元组装方法的不同只在于缺少中央单元。
B.2.螺旋缠绕的通用方法——穿过端帽或在螺旋缠绕的模块的轴向端处的气体/液体管接
通过利用用于螺旋缠绕的电池的端帽中的气体/液体管接的管道，柔性电极的气体/液体管接通道可被方便地集合、集中、或累加在一起成为单个气体/液体管接入口/出口。
因而，提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器的端帽的方便且高效的配置、布置、或设计，使得端帽被制造成包括用于多电极阵列的柔性叶的至少一个管道，其中该柔性叶由密封气体/液体通道连同其相关联的一个或多个电极构成并且柔性叶能够缠绕成螺旋形。
进一步提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池的端帽，该端帽包括：端帽内的至少一个管道；以及在端帽中提供的且与该至少一个管道相关联的一个或一串孔；其中该孔能够接纳来自柔性电极的一端、或一端的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极绕核心元件螺旋缠绕。在另一实施例中，该孔能够向柔性电极提供唇缘、或唇缘的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极绕核心元件螺旋缠绕。
在各示例中，该至少一个管道是沿端帽的内部部分的通路、腔或通道。优选地而非排他地，管道可具有u形、椭圆或泪滴形截面。该管道提供气体或液体连通通道。端帽可由聚合材料制成。可任选地，孔被装上唇缘或凸缘。优选地，孔位于端帽的外表面上。可任选地，该孔或一串孔沿端帽以螺旋布置来部署，以由此促进到已绕核心元件螺旋缠绕的柔性电极叶的密封、胶合、或接合附连。
端帽可包括两个、四个、六个、八个或更多管道以及两个、四个、六个、八个或更多孔，且能够接纳两个、四个、六个、八个或更多柔性电极。绝缘柔性间隔件被置于电极附近，且柔性电极和绝缘柔性间隔件绕核心元件螺旋缠绕。。端帽、核心元件和螺旋缠绕的电极可被封闭在壳体或外壳中。
在一替换方面，柔性电极的气体/液体管接通道可被方便地集合、集中或累加在一起成为其中放置了螺旋缠绕的模块的密封管状反应器内的单个气体/液体管接入口/出口。在这一方面，气体/液体可任选地穿过螺旋缠绕的电池的端帽，或者如果不存在端帽，则气体/液体可从各侧进入/退出螺旋缠绕的模块，其中封装管状反应器随后提供用于将气体/液体集合、集中或累加在一起到达单个气体/液体管接入口/出口的装置。
在一个示例实施例中，电解质存在于各叶之间并且从轴向端进入螺旋缠绕的电化学电池且可任选地可以能够从两轴向端进入或退出该模块(即，从沿轴向方向的不同位置处的远端)并可任选地从一个轴向端流向另一轴向端。在另一实施例中，电解质存在于各叶之间且从核心元件或从叶在轴向长度上的最外端进入螺旋缠绕的电化学电池。在又一实施例中，阴极或阳极产物从叶在该叶的轴向端中的任一端或两端处退出螺旋缠绕的电化学电池。在又一些实施例中，阴极或阳极反应物从叶在该叶的轴向端中的任一端或两端处进入螺旋缠绕的电化学电池。在又一实施例中，反应产物从中央核心元件或从叶在径向端上的最外端(例如，经由外部元件，即从螺旋的开头处的一端或螺旋的结尾处的一端)退出螺旋缠绕的电化学电池。在一个优选实施例中，电解质从轴向端进入和退出，且反应产物从中央核心元件退出螺旋缠绕的电化学电池。
一个或多个叶与其管道之间的气体/液体管接连接优选地而非排他地通过以下手段中的一者来达成：
i.“端帽管道”：在一个示例中，管道被制造在端帽内且管道随后被接到一个或多个叶。这可以经由端帽和一个或多个叶之间的单个或多个管接连接来发生。或者，它可涉及端帽与一个或多个叶之间的连续管接附连。例如，管道可被包括作为螺旋形端帽内的螺旋形凹槽。叶沿凹槽穿入，直至叶填充了整个凹槽。叶和螺旋形端帽随后按以下方式被密封、胶合、焊接、罐装、或以其他方式彼此附连：螺旋形凹槽所形成的管道与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。在本说明书中稍后提供解说这一方法的示例。
ii.“轴向”管接：在另一示例实施例中，端帽是多孔的或者不存在端帽，以由此准许气体/液体在与螺旋缠绕方向垂直的方向上自由流过到达螺旋缠绕的柔性电极。以此方式，螺旋缠绕的多电极阵列内的阳极、阴极或电极间通道可被密封到核心元件以及任何外部元件，但可开放给在与叶的螺旋缠绕垂直的方向上的轴向流。这样的轴向流可任选地穿过多孔端帽。液体或气体可从两轴向端进入或退出模块并可任选地从一个轴向端流到另一轴向端。图2解说其电极间通道已在轴向上管接的电池。在其他部分讨论了其他示例。
B.3.螺旋缠绕的通用方法——外部气体/液体管接
通过利用用于位于螺旋缠绕的电池的外面和外部的气体/液体管接的管道，柔性电极的气体/液体管接通道可被方便地集合、集中、或累加在一起成为单个气体/液体管接入口/出口。
因而，提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器的方便且高效的配置、布置、或设计，使得外部元件被制造成包括用于多电极阵列的柔性叶的至少一个管道，并且其中该柔性叶由密封气体/液体通道连同其相关联的一个或多个电极构成并且柔性叶能够缠绕成螺旋形。
进一步提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池的外部单元，该外部单元包括：外部单元内的至少一个管道；以及在外部单元中提供的且与该至少一个管道相关联的一个或一串孔；其中该孔能够接纳来自柔性电极的一端、或一端的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极绕核心元件螺旋缠绕。在另一实施例中，该孔能够向柔性电极提供唇缘、或唇缘的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极绕核心元件螺旋缠绕。
在各示例中，该至少一个管道是沿外部单元的内部部分的通路、腔或通道。优选地而非排他地，管道可具有u形、椭圆或泪滴形截面。该管道提供气体或液体连通通道。外部单元可由聚合材料制成。可任选地，孔被装上唇缘或凸缘。优选地，孔位于外部单元的外表面上。可任选地，该孔或一串孔沿外部单元在长度方向上部署，以由此促进到能够绕核心元件螺旋缠绕的柔性电极叶的密封、胶合、或接合附连。
外部单元可包括两个、四个、六个、八个或更多管道以及两个、四个、六个、八个或更多孔，且能够接纳两个、四个、六个、八个或更多柔性电极。绝缘柔性间隔件被置于电极附近，且柔性电极和绝缘柔性间隔件绕核心元件螺旋缠绕，从而使外部单元位于螺旋缠绕的电池的外面。端帽、核心元件、外部单元和螺旋缠绕的电极可被封闭在壳体或外壳中。
一个或多个叶与其管道之间的气体/液体管接连接优选地而非排他地通过以下手段中的一者来达成：
i.“外部管道”：在一个示例中，管道被制造成独立单元的一部分，叶按如下方式被密封、粘合、焊接、灌制、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。叶随后绕其另一端螺旋缠绕，从而将管道留在螺旋缠绕的组装件的外面和外部。图3示意性地解说这一办法。
C.螺旋缠绕的通用方法——电连接螺旋缠绕的模块中的各单独电极
螺旋缠绕的电化学电池或模块的重要特征是对电连接各单独电极的方便且高效的方法的需求。这意味着，需要在各种配置中累加地连接不同阳极电极和不同阴极电极的技术，使得该模块包含单个正和单个负电气出口/入口。
在螺旋缠绕的模块中存在两种合并电连接的通用方式：
(1)通过连接螺旋的开始或结束处的柔性叶中的电极的各端，这在本说明书中一般被称为“螺旋附连”，或
(2)通过连接螺旋的各侧上的柔性叶中的电极的各端，这在本说明书中一般被称为“轴向附连”。
图4(a)示意性地解说了轴向方法且图4(b)示意性地解说了用于连接柔性叶中的各单独电极的螺旋方法。在每一情况下，电极被附连到导电元件，优选地是主汇流条的形式，该模块的单个正或负电气入口/出口源自该导电元件。参考图4(a)，柔性叶4030的电极4020的延伸端4010连接到位于端帽处或代替端帽的主汇流条。参考图1(b)，柔性叶4060的电极4050的延伸端4040连接到主汇流条。主汇流条可位于核心元件中，这被称为内部螺旋附连，或者主汇流条可位于外部元件中，这被称为外部螺旋附连。
C.1.螺旋缠绕的通用方法——穿过端帽的电连接
在另一方面，提供了一种用于对螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器内的单或多电极阵列的一个或多个柔性叶进行电连接的方便且高效的配置、布置或设计，并且其中柔性叶由密封气体/液体通道连同所关联的一个或多个电极构成。
通过利用螺旋缠绕的电池的端帽中的导电元件，螺旋缠绕的电池中的一个或多个柔性电极叶的电连接可被方便地集合、集中、累加或聚集在一起成为单个电导体。在一个方面，导电元件位于端帽中且充当电池的主汇流条。
在其一实施例中，一个或多个导电元件垂直于一个或多个柔性叶的螺旋缠绕的螺旋来布置，其中它们的一端延伸超出该一个或多个柔性叶的边缘。
参考图5(a)和5(b)，在一个示例中，垂直地布置的导电元件是按导电接触紧固到柔性叶5010的电极5030的副汇流条5020，以由此在柔性电极5030上分布电流。在图5(a)中，副汇流条5020的超出一个或多个叶5010的边缘的一端被进一步按导电接触紧固到位于端帽中的主汇流条导电元件。这被称为轴向汇流条附连。在图5(b)中，副汇流条5020的超出一个或多个叶5010的边缘的一端被进一步按导电接触紧固到位于核心元件或外部元件中的主汇流条导电元件。在图5(b)中，在超出一个或多个叶5010的边缘的副汇流条5020附连到核心元件中的主汇流条时，这被称为内部螺旋汇流条附连。在图5(b)中，在超出一个或多个叶5010的边缘的副汇流条5020附连到外部元件中的主汇流条时，这被称为外部螺旋汇流条附连。
在另一示例中，垂直地布置的导电元件是集电器，如导电金属网格，其可以形成该一个或多个柔性叶的电极。集电器的超出一个或多个叶的边缘的一端被进一步按导电接触紧固到位于端帽中的主汇流条导电元件。在这一实施例中，该一个或多个柔性叶中的电极与端帽中的主汇流条之间不存在副汇流条。
各实施例进一步涉及用于形成柔性电极叶和该模块之间的电连接的方法。这些通过下述方法之一来优选地而非排他地达成：
i.“轴向附连”：在一示例中，柔性叶的电极直接焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于端帽处或代替端帽的主汇流条。图4(a)解说了轴向附连方法。
ii.“轴向汇流条附连”：在另一示例中，柔性叶中的电极被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到副汇流条，副汇流条跨柔性电极来布置并与螺旋缠绕的方向垂直。副汇流条的未附连端被进一步焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于端帽处或代替端帽的主汇流条。图5(a)解说了轴向汇流条附连方法。
尽管构想了用于柔性电极阵列中的阳极和阴极的分开连接的若干配置，但一尤其优选的实施例涉及将全部阳极导电地附连到一个端帽且将全部阴极导电地附连到另一端帽。在本说明书中，这被称为非对称电极连接。为促进这一设计，可以使所有阳极电极(或它们的副汇流条)朝一个端帽延伸超出柔性薄片中的阳极通道，而可以使所有阴极电极(或它们的副汇流条)朝另一个端帽延伸超出柔性薄片中的阴极通道。阳极电极的伸出端随后可被焊接、焊合、或以其他方式导电附连到一个端帽中的主汇流条，且阴极电极的伸出端随后可被焊接、焊合、或以其他方式导电附连到另一端帽中的主汇流条。
图6(a)和6(b)示意性地解说了包括形成阳极通道的三个柔性薄片和形成阴极通道的三个柔性薄片的柔性电极阵列的这一配置。在这样的配置中，阴极和阳极薄片电极之间通常会存在绝缘多孔间隔件以防止短路。为清楚起见这些在图6中未示出。
绕核心元件500排列了6个叶，这些叶中的三个叶包含阴极薄片电极560(每一者形成一阴极通道)，并且这些叶中的三个叶包含阳极薄片电极550(每一者形成一阳极通道)。注意，阳极薄片电极被移位至核心元件的右手侧，而阴极薄片电极朝核心元件的左手侧移位。在该组装件现在被卷起成为螺旋缠绕的配置600时，在螺旋缠绕的组装件600的右端处突出的所有电极是阳极，它们在图6中被示为具有负号。如此，它们可通过焊接、焊合或使用导电胶胶合到端帽650中的导电主汇流条来被电连接，这随后构成螺旋缠绕的电池的负电极。类似地，在螺旋缠绕的组装件600的左端处突出的所有电极是阴极，它们在图6中被示为具有正号。如此，它们可通过焊接、焊合或使用导电胶胶合到端帽660中的导电主汇流条来被电连接，这随后构成螺旋缠绕的电池的正电极。就此，电连接可有利地位于螺旋缠绕的组装件的端帽中。
C.2.螺旋缠绕的通用方法——穿过核心元件的电连接
通过利用螺旋缠绕的电池的核心元件中的导电元件，螺旋缠绕的电池中的一个或多个柔性电极叶的电连接可被方便地集合、集中、累加或聚集在一起成为单个电导体。在一个方面，导电元件沿核心元件的长度的部分或全部在长度方向上定位。在一个示例中，导电元件用作电池的主汇流条。在其一实施例中，一个或多个导电元件在一个或多个柔性叶的螺旋缠绕的方向上沿该一个或多个叶的长度布置。
在一个示例中，螺旋地布置的导电元件是按导电接触紧固到柔性叶的电极以由此在柔性电极上分布电流的副汇流条。副汇流条的位于一个或多个叶的边缘的一端被进一步按导电接触紧固到位于核心元件中的主汇流条导电元件。在另一示例中，螺旋地布置的导电元件是集电器，诸如导电金属网格，其可以形成该一个或多个柔性叶的电极。集电器的在一个或多个叶的边缘处的一端被进一步按导电接触紧固到位于核心元件中的主汇流条导电元件。在这一实施例中，该一个或多个柔性叶中的电极与核心元件中的主汇流条之间不存在副汇流条。
各实施例包括用于形成柔性电极叶和该模块之间的电连接的方法。这些通过下述方法之一来优选地而非排他地达成：
i.“内部螺旋附连”：在一个示例中，柔性叶的电极直接焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于核心元件处并沿核心元件的全部或部分长度行进的主汇流条。主汇流条可位于核心元件内，或者它可以被附连到核心元件的外部。图4(b)解说了内部螺旋附连方法。
ii.“内部螺旋汇流条附连”：在另一示例中，柔性电极叶被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到副汇流条，副汇流条在螺旋缠绕的方向上跨柔性电极来布置。副汇流条的未附连端随后被焊接、焊合、或以其他方式电附连到位于核心元件处且沿核心元件的全部或部分长度行进的主汇流条。主汇流条可位于核心元件内，或者它可以被附连到核心元件的外部。图5(b)解说了内部螺旋汇流条附连方法。
C.3.螺旋缠绕的通用方法——外部电连接
通过利用螺旋缠绕的电池的外部和外面的导电元件，螺旋缠绕的电池中的一个或多个柔性电极叶的电连接可被方便地集合、集中、累加或聚集在一起成为单个电导体。
在一个方面，沿螺旋缠绕的电池的外部长度的部分和全部在长度方向上定位该螺旋缠绕的电池外部的导电元件。在一个示例中，导电元件用作电池的主汇流条。在其一实施例中，一个或多个导电元件在一个或多个柔性叶的螺旋缠绕的方向上沿该一个或多个叶的长度布置。
在一个示例中，沿一个或多个叶在螺旋缠绕的方向上布置的导电元件是按与该柔性叶的电极的导电接触来紧固以由此在柔性电极上分布电流的副汇流条。副汇流条的外端进一步按导电接触在螺旋缠绕的电池的外部紧固到位于螺旋绕组的外面的主汇流条导电元件。
在另一示例中，螺旋地布置的导电元件是集电器，诸如导电金属网格，其可以形成该一个或多个柔性叶的电极。集电器的外端进一步按导电接触在螺旋缠绕的电池的外部紧固到位于螺旋绕组的外部的主汇流条导电元件。在这一实施例中，该一个或多个柔性叶中的电极与螺旋绕组外部的主汇流条之间不存在副汇流条。
各实施例包括用于形成柔性电极叶和该模块之间的电连接的方法。这些通过下述手段之一来优选地而非排他地达成：
i.“外部螺旋附连”：在一个示例中，柔性叶的电极直接焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于外部元件处并沿外部元件的全部或部分长度行进的主汇流条。主汇流条可位于外部元件内，或者它可以被附连到外部元件的外部。图4(b)解说了外部螺旋附连方法。
ii.“外部螺旋汇流条附连”：在另一示例中，柔性电极叶被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到副汇流条，副汇流条在螺旋缠绕的方向上跨柔性电极来布置。副汇流条的未附连端随后被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按导电接触来附连到位于外部元件处且沿外部元件的全部或部分长度行进的主汇流条。主汇流条可位于外部元件内，或者它可以被附连到外部元件的外部。图5(b)解说了外部螺旋汇流条附连方法。
D.螺旋缠绕的通用方法——气体/液体管接和电连接的排列和组合
将理解，并非限制，所有组合、排列、或布置落在本发明的范围内，其中气体/液体管接的以上方法中的一者或多者与电连接的以上方法中的一者或多者一起合作地使用来创建螺旋缠绕的电池。本发明各示例只是解说性的且决不限制本发明。
此外，将理解，情况不一定是螺旋缠绕的电池的各组件是单独地形成的或作为核心元件、端帽或外部元件来提供。在一些示例情况下，各组件可以执行作为所描述的核心元件、端帽或外部元件的功能中的两者或更多者的混合的功能。例如，端帽可被集成地形成为核心元件或外部元件的一部分。在其他示例情况中，组件可以是外部元件或端帽或都不是。在这些情况下，将理解，其中气体/液体管接的以上布置或方法中的一者或多者和/或电连接的以上布置或方法中的一者或多者的用于创建螺旋缠绕的电池的所有组合、排列、或布置落在本发明的范围内，而不管所涉及的特定组件是否被清楚地标识为属于特定类元件。
进一步将理解，在螺旋缠绕的电池中并非需要所有类别的元件。例如，可不需要端帽或外部元件。类似地，可不需要核心元件。
以下示例提供各特定实施例的更详细讨论。对于本发明的范围而言，各示例旨在仅仅是说明性而非限制性的。
示例1——使用管道和中央组装方法的穿过核心元件的气体/液体管接
在以下示例中，描述以上称为“管道和中央单元组装”方法的管接螺旋缠绕的模块的方法。
在这一方法中，管道单元优选地而非排他地包括沿其长度的一个或多个管道，管道中的每一者具有将每一管道连接到管道单元的外面的孔或一串孔。优选地而非排他地，叶的一端按以下方式被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到管道单元：管道单元中的至少一个管道的该一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。
优选地而非排他地，管道单元被密封、胶合、焊接或以其他方式附连在柔性电极叶的气体/液体通道内。这意味着该叶的上部和下部分别被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到管道的上部和下部，以由此将管道密封到柔性电极叶的气体/液体通道内。管道单元优选地而非排他地具有与中央单元互补的形状，使得一旦管道单元和中央单元被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到彼此，它们形成圆柱形核心元件。
在一组实施例中，一个或多个管道单元可以形成圆柱体的各部分，其中中央单元形成圆柱体的其余部分，使得在中央单元被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到一个或多个管道单元时，所得的核心组装件构成圆柱体。这样的实施例的非限制性示例包括：
(1)“侧面针(Profile Needle)”设计
(2)“胶合楔”设计
解说这些设计的实施例在以下示例中呈现。
示例1a——使用应用于侧面针/胶合楔设计的管道和中央组装方法穿过核心元件的气体/液体管接
图7、图8、图9、图10和图11解说了使用所谓的侧面针(Profile Needle)设计的螺旋缠绕的模块的组装。
如图7(a)所示，侧面针700是上表面半圆且下表面基本上平坦的装置。侧面针的中心包含在其侧面上的外部孔710处开始并历经该侧面针的长度、在其底部处的腔720中开口的中空管。沿侧面针700的长度的管710-720是本说明书的术语中的“管道”。侧面针700是“管道单元”，如在本说明书中定义的。
如在图8(a)中所示，两个侧面针单元700被设计成与“中央单元”730组装，以形成圆柱类核心元件740。图8(b)以截面解说了在两个侧面针700与中央单元730组装之后的核心元件740。在由两个侧面针700和一个中央单元730构成时，这一组装过程是用于创建早先描述的核心元件740的“管道和中央组装”方法的示例。在组装核心元件740之前，侧面针700被用来在柔性电极中管接气体/液体通道。这一过程在图7(b)-(c)中示出。
在图7(b)中所示的第一步骤中，单个柔性电极750(可任选地存在副汇流条760)被胶合到侧面针单元700的底部，其中柔性电极的非导电侧面向侧面针单元。多孔间隔件770(其外边缘由图7(b)中的虚线示出)置于可呼吸电极的背侧与侧面针单元的背侧之间。这一类型的间隔件通常是由Hornwood或Delstar公司制造的示例类型的聚合物网。示例间隔件可至少部分地或完全由聚合材料制成，例如，PTFE、聚乙烯或聚丙烯。
在图7(c)中所示的第二步骤中，第二可呼吸电极780连同其副汇流条790被胶合在侧面针700的顶部以及第一可呼吸电极750和间隔件770上，其中它的背侧面向侧面针单元以及第一可呼吸电极750和间隔件770。一旦图7(c)中的组装件790在各边周围用胶密封或通过焊接(例如，超声焊接)密封，两个电极750和780之间的电极通道(它包含多孔间隔件770)现在就按与侧面针700中的管道710-720处于流体连通的方式被密封到侧面针单元700。即，这两个电极750和780之间的电极通道的唯一出口/入口是经由侧面针700中的孔710。
为组装螺旋缠绕的模块，具有所附连的叶790的两个这样的侧面针与中央单元730组合在一起，如图8(c)所示。通常，部件790被固定到中央单元730。此后，另一间隔件——流通道间隔件——被引入这两个所附连的叶之间，并且该组装件被缠绕(在这一情况下在逆时针方向上缠绕)，从而使得叶形成螺旋缠绕的结构。
所得的螺旋缠绕的电池现在已被管接，使得当与位于形成核心元件的一部分的分开管道单元中的分开管道处于流体连通中时，柔性电极中的两个通道(一个是阴极通道且另一个是阳极通道)被各自密封。相应电极的液体或气体反应物可经由其侧面针装置上的孔被分开引入每一通道。类似地，每一电极的液体或气体产物可以经由其侧面针装置上的孔从电极通道收集。
这一办法可被扩展到使用4、6、8或更多柔性叶。为每一柔性叶创建电连接在示例2a中讨论。螺旋缠绕的电化学电池的这一办法的关键优点在于：柔性叶及其构成的电极通道可在核心元件的组装期间被容易地、实际地以及便宜地管接。
穿过核心元件的柔性叶的管接的类似办法利用图12(a)-(b)中描绘的胶合楔设计。在这种情况下，中央单元900具有来自其相对侧的楔形切除部。在与形状互补的楔910组装成单个核心元件930时，沿核心元件的长度形成两个管道920。楔910被特殊地成形以允许柔性叶被胶合或焊接到中央单元900，使得其开口端位于管道920内，楔910随后被胶合或焊接在所附连的叶的顶部。最终经组装的单元(为清楚起见不带有螺旋缠绕的叶)在图12(c)中描绘。
示例2——使用轴向附连和轴向汇流条附连方法的穿过端帽的电连接
通过利用螺旋缠绕的电池的端帽中的导电元件，螺旋缠绕的电池中的一个或多个柔性电极叶的电连接可被方便地集合、集中、累加或聚集在一起成为单个电连接。在一个方面，端帽包含电池的主汇流条，该电池中的阴极或阳极中的全部或任一者电连接到该主汇流条。在一个实施例中，柔性电极阵列中的所有阳极电极或所有阴极电极被直接焊接、焊合或以其他方式按导电接触紧固地附连到与端帽上的主汇流条。对螺旋缠绕的模块进行电连接的这一方法被称为“轴向附连”方法。
轴向附连方法的一种变型是轴向汇流条附连方法，这涉及将与螺旋缠绕的方向垂直地布置的副汇流条焊接、焊合或以其他方式导电地附连到柔性薄片中的电极，并随后将副汇流条的另一端焊接、焊合或以其他方式导电地附连到端帽中的主汇流条。
尽管若干配置可被构想用于附连汇流条，但一优选的而非排他的实施例涉及以5cm间隔沿柔性电极薄片的长度焊接、焊合或以其他方式导电地附连0.25mm厚、5-10mm宽的金属条。
为分开地连接柔性电极阵列中的阴极和阳极，一优选实施例涉及将所有阳极导电地附连到一个端帽处的主汇流条，并将所有阴极导电地附连到另一端帽处的主汇流条，如图6所示。为促进这一点，可以允许所有阳极汇流条朝一个端帽延伸超出柔性薄片中的阳极通道，而允许所有阴极电极朝另一个端帽延伸超出柔性薄片中的阴极通道。阳极电极的伸出端随后被焊合、焊接、或以其他方式导电附连到一个端帽中的主汇流条，且阴极电极的伸出端随后被焊合、焊接、或以其他方式导电附连到另一端帽中的主汇流条。
这在侧面针和胶合楔设计中示出。
示例2a——使用应用于侧面针/胶合楔设计的轴向附连和轴向汇流条附连方法的穿过端帽的电连接
解说经由端帽作出的电连接的示例在上述侧面针情况中提供。为创建每一电极的电连接，导电元件可被合并到端帽。图9(a)解说两个端帽800(它们中的每一者由导电主汇流条构成，其通常是诸如镍等金属)可如何被添加到侧面针和叶790以及中央单元730的组装件。汇流条在每一叶上的突出端将通常被焊接到最接近它们的端帽主汇流条800。汇流条随后将提供连接螺旋缠绕的阵列中的柔性叶的外部电入口/出口。根据图6中所示的非对称电连接的原理，一个汇流条将电连接所有阳极且另一汇流条将连接所有阴极。
图9(b)描绘最终经组装的以中心轴2005(这是该模块或电池的纵向轴)为中心的螺旋缠绕的模块，为清楚起见螺旋缠绕的叶和它们的汇流条未示出。如可看到的，在组装之后，端帽800中的主汇流条被设计成位于每一缠绕的叶上的副汇流条的突出端附近，以由此极大地简化叶副汇流条到端帽主汇流条的焊接。
在所得的螺旋缠绕的电池的组装之后，它通常将被装入聚合物壳体中。图10描绘了装入聚合物中的螺旋缠绕的电池，相关于中心轴2005示出。图10(a)示出转向螺旋缠绕的组装件的轴向端的聚合物壳体的端视图。液体或气体通常将能够在该模块的轴向端处穿过聚合物壳体并移动穿过螺旋缠绕的模块中的电极间通道。
这一办法的另一特征是多个模块可按线性阵列来组合。图11描绘了这可如何达成。模块810使用两个“快速安装(quickfit)”气体/液体连接器820——一个用于阳极气体/液体通道且另一个用于阴极气体/液体通道——以及使用电连接器830(它经由核心元件内的中心管840提供若干电配置)与另一模块810相组合。
螺旋缠绕的电化学电池的这一办法的固有优点包括以下事实：柔性叶可实际上是任何长度，因为副汇流条的存在以及它们在螺旋缠绕之后接近主汇流条的位置意味着与电阻相关联的问题以及甚至在薄片电极上的电流分布可被容易地管理。解说轴向和轴向汇流条附连方法的进一步实施例在编织包(Tricot Pack)和注射针(Syringe Needle)设计示例(示例3a和示例4a)中提供。
示例3——使用直接附连方法的穿过核心元件的气体/液体管接
在以下示例中，描述以上称为“直接附连”方法的管接螺旋缠绕的模块的方法。在这一方法中，优选地而非排他地，核心元件被预制并作为包含沿其长度的至少一个管道的单个圆柱或圆柱类单元提供，这些管道中的每一者具有将该管道连接到核心元件的外面的孔或一串孔。一个或多个叶随后按以下方式被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到核心元件：核心元件中的至少一个管道的一个或多个孔与关联于该管道的叶内的气体/液体通道处于流体连通中。
在一组实施例中，优选地而非排他地，按以下方式通过将叶绕核心单元卷起来将它密封、胶合、焊接或以其他方式附连到核心单元：叶的气体/液体通道开放给紧靠核心元件中的相关管道的孔的上方或附近的空间。由此，管道经由其一个或多个孔与该叶内的气体/液体通道处于流体连通中。这样的实施例的非限制性示例包括：
(1)“编织包”设计。
解说这一设计的实施例在接下来的示例中呈现。
在另一组实施例中，管道被制造成在核心元件的外表面处(例如，沿着或顺着核心元件的全部长度)包括一个或多个外部唇缘或凸缘孔，叶的一端可容易地***该孔，使得叶的气体/液体通道开放给管道或开放给紧靠核心元件中的相关管道的上方或附近的空间。叶随后按以下方式被密封、胶合、焊接或以其他方式附连：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。这样的实施例的非限制性示例包括：
(1)“楔胶”设计。
解说这一设计的实施例在以下示例6a-6c中呈现。
在涉及孔(它可任选地被装上唇缘或凸缘)的另一组实施例中，核心元件可沿其长度的全部或部分包含中空、基本上中空、或稍微中空的圆柱类结构，其中管道被设计成在该圆柱类结构的中空、基本上中空、或稍微中空的部分内创建。叶随后被***(例如沿着或顺着核心元件的全部长度)，使得其气体/液体通道开放给紧靠被设计成创建管道的中空部，或者其气体/液体通道开放给紧靠被设计成创建管道的中空部之上或附近的空间。随后用罐装树脂叶沿其全部长度来填充包含所***的叶的一端的中空部。罐装树脂被允许固化。优选地而非排他地，由此密封的填充有树脂的中空部随后被使用能够贯穿填充有树脂的中空部的整个长度的合适(较大直径)钻头来钻孔。在这样做时，位于中空部内的叶的气体/液体通道的密封端被开放给由钻头的动作而创建的管道，且被置于与该管道的无阻碍的液体/气体连通中。沿填充有树脂的中空部的全部长度的孔由此创建合并叶的气体/液体通道的开口端的管道。以此方式，管道与该叶内的气体/液体通道处于流体连通中。这样的实施例的非限制性示例包括：
(2)“罐装管接”设计
(3)两叶“导电罐装管接”设计
(4)多叶“导电罐装管接”设计
解说这些设计的实施例在以下示例6d中呈现。为解说直接附连方法中涉及的概念，现在描述其对编织包设计的应用。
示例3a——使用应用于编织包设计的直接附连方法穿过核心元件的气体/液体管接
图13(a)-(c)描绘了使用所谓的“编织包”设计的2叶螺旋缠绕的电池的制造。两个柔性叶760(阳极)和760(阴极)与电极间间隔件1000组装在一起以形成图13(a)中示出的多叶单元1010。所示类型的间隔件1000通常是由Hornwood或Delstar公司制造的聚合物网。示例间隔件可至少部分地或完全由聚合材料制成，例如，PTFE、聚乙烯或聚丙烯。间隔件1000必须存在于两个电极之间以防止电短路。多叶单元1010的一端现在使用称为“绷带”1020的非导电膜来封闭。该膜通常是与柔性叶中的非导电基底相同的材料。绷带通常将在其一端被紧固地焊接或胶合到阳极的上侧(底部)并在其另一端焊接或胶合到阴极的下侧(底部)。紧固地附连的绷带1025将封闭组装件1030的该端。
在替换实施例中，单个叶可被折叠以形成组装件1030，只假定绷带通常将去往的区域是非导电的且不导致彼此面对的阳极和阴极之间的短路。在另一替换方案中，阳极和阴极叶可被直接焊接到彼此，假定叶上的电极不延伸到各叶被彼此附连的点。图13(b)描绘2叶编织包的创建。一组三个间隔件1040、1050和1060被用来创建用于编织包的框架。间隔件通常将是由Hornwood或Delstar公司制造的聚合物网。
间隔件被附连到彼此，如在图13(b)中所示(右上角)，其中在连接之间留下固定间隔1065。即，间隔件1050以距间隔件1040的一端附近的特定点的距离1065来附连。该点同间隔件的该端分开另一距离1067。间隔件1060随后以距间隔件1050的附连点相同的距离1065来附连。对于2叶螺旋缠绕的模块，距离1065对应于要使用的核心元件的周长的一半，而距离1067对应于核心元件的两个周长。
一旦间隔件框架1070被创建，两个封端电极组装件1030被***框架1070。第一电极组装件被装在间隔件1040和1050之间的空间中，如在图13(b)(底部)所示。第二电极组装件1030被装在间隔件1050和1060之间的空间中，如在图13(b)(底部)所示。所得的组装件1080被称为“编织包”。
编织包现在易于卷在预先存在的核心组装件1090上，核心组装件1090由被分成两个室1101和1111的管构成，每一个室分别具有通往外面的孔1100和1101。因为编织包直接附连到核心元件，所以形成螺旋缠绕的模块的方法是直接附连方法。间隔件1040在编织包1080中的一端在精确地位于孔1110和1100之间的点处被胶合或焊接到核心元件。胶线随后被应用，如图13(c)(ii)所示。
编织包现在被拉紧并卷到核心元件1090上。距离1065和1067确保在卷起时，对于两个旋转，间隔件1040被首先卷到核心元件上。此后，间隔件1050和1060被卷到核心元件上，其中孔1110成一排落在图13(c)(iii)中的截面图所示的点1120处。此后，间隔件1040、1050和1060全部卷在核心元件上，其中孔1100成一排落在点1130处。点1120对应于螺旋缠绕的组装件中的阳极通道。点1130对应于阴极通道的入口。胶线1200将螺旋缠绕的模块中的阳极通道和阴极通道彼此分开和定界。
应当注意，阳极副汇流条760(阳极)和阴极副汇流条760(阴极)位于螺旋绕组的相对侧上。如在示例2a中所描述的，包含主汇流条的端帽可被附连到螺旋缠绕的多叶组装件的每一端。副汇流条随后可被焊接、焊合或以其他方式导电附连到它们最接近的主汇流条，以由此建立电连接。编织包设计的优点在于它可以只从一侧卷起。这简化并加速了螺旋缠绕的电池的制造。此外，它可修改成将多个叶附连到单个核心元件。
示例4——使用管道单元组装方法的穿过核心元件的气体/液体管接
在以下示例中，描述以上称为“管道单元组装”方法的管接螺旋缠绕的模块的方法。在这一方法中，优选地而非排他地，管道被制造在独立单元内，叶的一端可以按如下方式被密封、胶合、焊接、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。一个或多个管道单元连同它们所附连的叶随后被彼此密封、胶合、焊接、或以其他方式彼此附连，以由此用经组合的独立管道单元(它们中的每一者都具有它们所附连的叶)来创建核心元件。
优选地而非排他地，管道单元被密封、胶合、焊接或以其他方式附连在柔性电极叶的气体/液体通道内。这意味着该叶的上部和下部分别被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到管道的上部和下部，以由此将管道密封到柔性电极叶的气体/液体通道内。管道单元优选地而非排他地具有与其本身互补的形状，以由此促进管道单元到圆柱类核心元件的组装。
在一组实施例中，一个或多个管道单元连同它们所附连的叶组合在一起，它们之间具有合适的间隔件以防止短路，并随后绕中心管(它除了提供用于螺旋缠绕的基础之外没有其他目的)螺旋地缠绕。这样的实施例的非限制性示例包括：
(1)“注射针”设计
解说这一设计的示例在接下来的示例中呈现。在另一组实施例中，一个或多个管道单元连同它们所附连的叶被一起组装成由圆柱类结构中的支架材料保持在一起的形式。叶随后绕该圆柱类结构螺旋缠绕。这样的实施例的非限制性示例包括：
(1)“名片盒(Rolodex)”设计
解说这一设计的示例在接下来的示例中呈现。
示例4a——应用于注射针和名片盒设计的使用管道组装方法的穿过核心元件的气体/液体管接
注射针设计与侧面针设计的区别在于以下事实：普通管(诸如穿孔金属管)被用作用于管接螺旋缠绕的柔性叶内的通道的管道。此外，使用管道组装方法意味着核心元件通过管接管的简单组合来创建。为促进随后形成核心元件的管的外部连接，在管的一端具有在注射针所使用的那一类型的鲁尔锁(luer lock)通常是有利的，由此名为注射针设计。
图14(a)-(b)解说了在螺旋缠绕的电池中进行管接的这一方法。如在图14(a)中所示，两个柔性电极叶750连同它们的副汇流条760与气体/液体间隔件770相组合，且沿其长度具有通孔1600的不锈钢管1500被组合使得叶的导电电极面向外。随后使用焊接或通过胶合其各边缘来密封该组装件，以形成经密封的电极单元1700，其内部通道可只通过所合并的不锈钢管1500的两端来访问。
图14(b)示出了螺旋缠绕的组装件是如何创建的。两个这样的经密封的电极单元1700——一个充当阳极且一个充当阴极——与两个流通道间隔件1000组装在一起。该组合可在同一端处具有这两个所合并的管(参见电池1800)，或所合并的管可以在相对端处(参见电池1900)。
在电池1800卷起时，在包含管的一端处开始，螺旋缠绕的电池、模块或组装件1810被形成，其中所合并的管形成各种各样的核心元件。如此，柔性电极叶的螺旋缠绕的电池、模块或组装件1810被创建，其中阳极通道被管接穿过一个所合并的不锈钢管且阴极通道被管接穿过另一所合并的管。
主汇流条可被附连作为端帽，且阳极和阴极中的每一者上的副汇流条可被焊接、焊合、或以其他方式导电附连到它们最接近的主汇流条以实现电连接。
注射针设计的优点在于它最小化密封边缘的数量，由此降低穿过这些密封边缘的泄漏的概率。利用管道组装方法的另一设计是所谓的名片盒设计。图15解说组装使用这一设计的螺旋缠绕的模块时所涉及的步骤。柔性电极叶750对折，使得柔性叶的导电侧在该折叠的外面，且非导电基底在内部。气体/液体间隔件700随后被置于经折叠的叶的内部，且粘合剂被施加，如在组装件1710中所示。此后，具有穿孔的不锈钢管1500被合并在叶的折叠中。叶随后翻转并沿粘合线密封，如在组装件1720中所示。
在这一阶段，导电汇流条夹1730被置于该折叠的外面上。汇流条夹1730电附连到柔性叶750中的电极，并提供柔性电极可通过它来连接的电线1740。下一步涉及使用罐装树脂来将叶的电连接和经折叠的部分进行“灌制”。这通常通过将叶组装件1750的汇流条和经胶合、经折叠的部分置于V形铸造盒中并随后用罐装树脂来填充该盒。一旦树脂固化，整个汇流条夹和叶的经折叠部分就被封装在成形树脂1760内。
罐装树脂1760通常被成形以允许一组罐装叶1770容易地组装成具有叶的核心元件。组装件1810描绘了八个罐装叶1770组合成具有所附连的叶的核心元件。罐装叶1770通常按交替方式来组装，如在1810中所示，使得它们中的一半的电连接1740在核心元件的左手侧聚集，如在1790处所示，并且另一半将在核心元件的右手侧聚集，如在1780处所示。经组装的核心元件中的八个不锈钢管在阳极通道和阴极通道之间交替；它们可各自被聚集成单个入口/出口装置。气体/液体流被示意性地示为去往/来自阳极通道1795和阴极通道1805。
在该组装的最终步骤(图15中未示出)，1810中的每一组叶在其边缘周围被焊接或胶合在一起以由此密封它们相应的阳极通道或阴极通道。流通道间隔件随后被置于每一组叶之间，并且整个组装件随后卷起成为螺旋缠绕的步骤。名片盒设计的优点是它提供了围绕管接每一柔性叶的管的高级密封和强度。各单独的叶的管接装置通常是可能发生泄漏的最易受影响的位置。
示例5——使用外部管道方法的外部气体/液体管接
在以下示例中，描述了以上称为“外部管道”方法的在外部管接螺旋缠绕的模块的方法。
在这一方法中，优选地而非排他地，管道被制造在独立单元内，一个或多个叶的一端可以按如下方式被密封、胶合、焊接、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。一个或多个叶随后按以下方式螺旋缠绕：管道单元随后变成位于螺旋缠绕的模块的外面并在螺旋缠绕的电池的外部。
优选地而非排他地，管道单元被密封、胶合、焊接或以其他方式附连在柔性电极叶的气体/液体通道内。这意味着该叶的上部和下部分别被密封、胶合、焊接或以其他方式附连到管道的上部和下部，以由此将管道密封到柔性电极叶的气体/液体通道内。
该叶随后与其他叶相组合，由避免电极之间的短路的可能性的合适间隔件分开，并按以下方式被缠绕成螺旋：管道单元被留在该螺旋的外面——即，它变成位于螺旋缠绕的电池的外部。
这一办法的示例在图14(b)中提供，它描绘了已与在叶的相对端处的管接管组装在一起的阳极-阴极电池1900。在电池1900被卷起时，管接管之一变成位于螺旋绕组的中心，从而形成各种各样的核心元件，而其他管接管变成位于螺旋绕组的外面，从而形成各种各样的外部元件，如在螺旋缠绕的电池、模块或组装件1910中所示。
在另一组实施例中，管道单元被制造成在其外表面处包括(例如，沿着或顺着管道单元的全部长度的)一个或多个外部孔(该孔可被装上唇缘或凸缘且叶的一端可容易地***该孔)，使得其气体/液体通道开放给管道或开放给紧靠核心元件中的相关管道的一个或多个孔的上方或附近的空间。叶随后按以下方式被密封、胶合、焊接或以其他方式附连：管道与叶内的适当气体/液体通道处于流体连通中。
在涉及孔(它可任选地被装上唇缘或凸缘)的又一组实施例中，管道单元可采取中空、基本上中空或稍微中空结构的形式，其中管道被设计成在该结构的中空、基本上中空或稍微中空部分内创建。叶随后被***(例如沿着或顺着管道单元的全部长度)，使得其气体/液体通道开放给被设计成创建管道的中空部分，或者其气体/液体通道开放给紧靠被设计成创建管道的中空部分之上或附近的空间。随后用罐装树脂叶沿其全部长度来填充包含所***的叶的一端的中空部。罐装树脂被允许固化。优选地而非排他地，由此填充有树脂的中空部随后被使用能够贯穿填充有树脂的中空部的整个长度的合适(较大直径)钻头来钻孔。在这样做时，位于中空部内的叶的气体/液体通道的一端被开放给由钻头的动作而创建的管道且被置于与该管道的无阻碍的液体/气体连通中。沿填充有树脂的中空部的全部长度的孔由此创建合并叶的气体/液体通道的开口端的管道。以此方式，管道与该叶内的气体/液体通道处于流体连通中。
示例6——使用内部螺旋附连方法的穿过核心元件的电连接
在以下示例中，描述以上称为“内部螺旋附连”方法来电连接螺旋缠绕的模块的方法。提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器的核心元件的方便且高效的配置、布置、或设计，使得核心元件被制造成包括用于多电极阵列的柔性叶的沿其长度的至少一个汇流条(‘主’汇流条)，并且其中该柔性叶由密封气体/液体通道连同其相关联的一个或多个电极构成。
在另一实施例中，核心元件包括沿核心元件在长度方向上提供的导电元件。导电元件可以是导电线或金属线、管、条、棒，等等。在一个示例中，导电元件是汇流条。在另一实施例中，柔性电极与导电元件电接触。优选地，柔性电极被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式导电附连到核心中的导电元件。
在另一示例中，提供了用于螺旋缠绕的电化学电池的核心元件，该核心元件包括沿该核心元件在长度方向上提供的至少一个管道。还提供了沿核心元件在长度方向上提供且与该至少一个管道相关联的孔。该孔能够接纳柔性电极的一端或一端的一部分，并且柔性电极能够绕核心元件螺旋缠绕。可任选地，核心元件可包括沿该核心元件在长度方向上提供的导电元件，且导电元件可以是汇流条。柔性电极的被接纳的一端或一端的一部分与导电元件电接触。
在另一示例中，提供了用于螺旋缠绕的电化学电池的端帽，该端帽包括气体和/或液体通道，并且其中该端帽能够接纳螺旋缠绕的柔性电极的一端或一端的一部分。
在另一示例中，提供了用于螺旋缠绕的电化学电池的端帽，该端帽包括电连接，并且其中该端帽能够接纳螺旋缠绕的柔性电极的一端或一端的一部分。
汇流条可被置于核心元件的内部通道中。优选地，汇流条是导电材料或金属的棒或线。导电胶或树脂可被用来将柔性电极电连接到汇流条。柔性电极的外导电表面可毗邻并电接触到汇流条。导电或非导电胶或树脂可被用来将柔性电极附连到核心元件。
可任选地，核心元件可包含多个汇流条，每一汇流条彼此绝缘，并且每一汇流条焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式导电附连到不同电极——柔性电极阵列中的任一阳极或阴极。可任选地，核心元件中的多个汇流条可各自导电附连到形成柔性电极阵列中的不同气体/液体通道的电极。
在另一方面，提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池的核心元件，该核心元件包括：与沿该核心元件在长度方向上提供的至少一个液体/气体管道相关联且部分地位于其中的导电元件；以及沿该核心元件在长度方向上提供的且与该至少一个管道和关联汇流条相关联的孔；其中该孔能够接纳来自柔性电极的一端、或一端的一部分、或气体、或液体，以及其中所***的柔性电极可同时被焊接、焊合、或以其他方式按与汇流条的导电接触紧固地附连，其中柔性电极能够绕该核心元件螺旋缠绕。
在另一实施例中，孔能够向柔性电极提供唇缘、或唇缘的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极能够绕核心元件螺旋缠绕，而所***的柔性电极同时被焊接、焊合、或以其他方式按与相关联的汇流条的导电接触来紧固地附连。
柔性电极可在***过程期间按与汇流条的电接触来被紧固地楔入孔中。作为补充或替换，柔性电极可被焊接或焊合或以其他方式电附连到汇流条。示例柔性电极是在该柔性电极的相对面上具有两个导电表面、层或薄片的叶。
在各示例中，该至少一个管道是沿核心元件的内部长度的通路、腔或通道。该至少一个管道可具有椭圆或泪滴形截面。该至少一个管道提供气体或液体连通通道。核心元件可由聚合材料制成。可任选地，孔被装上唇缘或凸缘。优选地，孔位于核心元件的外表面上。可任选地，沿核心元件的长度的一部分在纵向上提供该孔或一串孔。或者，沿核心元件的全部长度在纵向上提供该孔。
核心元件可包括两个、四个、六个、八个或更多管道以及两个、四个、六个、八个或更多孔，且能够接纳两个、四个、六个、八个或更多柔性电极。绝缘柔性间隔件被置于电极附近，且柔性电极和绝缘柔性间隔件绕核心元件螺旋缠绕。。核心元件和螺旋缠绕的电极可被封闭在壳体或外壳中。
优选地而非排他地，叶被***带唇缘或凸缘的孔，从而使得叶中的柔性电极物理地接触沿核心单元的长度定位在管道内的汇流条。在一个实施例中，可以在***过程期间使柔性电极变得紧固地楔入与汇流条的紧密接触。在一替换实施例中，在汇流条和所附连的叶两者被***管道之前，柔性电极可沿着或顺着该柔性电极的长度(这可以是全部长度)被焊接或焊合或以其他方式按电接触紧固地附连到汇流条。
优选地而非排他地，一旦叶电极和汇流条处于管道内并且电连接到彼此，则电极与汇流条之间的连接沿着或顺着管道的长度(这可以是全部长度)被涂敷导电树脂。以此方式，叶中的一个或多个电极沿着或顺着核心元件的长度(这可以是全部长度)紧固地且电连接到核心元件中的汇流条。
在涉及孔(它可任选地被装上唇缘或凸缘)的另一组实施例中，核心元件可沿其长度的全部或部分包含中空、基本上中空、或稍微中空的圆柱类结构，其中管道被设计成在该圆柱类结构的中空、基本上中空、或稍微中空的部分内创建。中空部可以具有沿其(全部或部分)长度的与其相关联的汇流条。或者，汇流条可被引入该中空部。叶随后被***(例如沿着或顺着核心元件的全部长度)，使得其气体/液体通道开放给被设计成创建管道的中空部分，或者其气体/液体通道开放给紧靠被设计成创建管道的中空部分之上或附近的空间。在***期间，叶的电极可导电附连到与中空部相关联的汇流条。例如，电极可变得楔入抵靠汇流条，或电极可沿其长度的部分或全部被焊接、焊合、用导电胶胶合、或以其他方式导电附连到汇流条。随后用罐装树脂叶沿其全部长度来填充包含所***的叶的一端和相关联的汇流条的中空部。罐装树脂可以使导电树脂，或者在电极已经导电附连到汇流条的情况下它可以是非导电树脂。罐装树脂随后被允许固化。优选地而非排他地，由此密封的填充有树脂的中空部随后被使用能够贯穿填充有树脂的中空部的整个长度的合适(较大直径)钻头来钻孔，同时确保钻头不靠近与该中空部相关联的汇流条。在这样做时，位于中空部内的叶的气体/液体通道的密封端被开放给且被置于与由钻头的动作而创建的管道的无阻碍的液体/气体连通中。沿填充有树脂的中空部的全部长度的孔由此创建合并叶的气体/液体通道的开口端的管道。以此方式，管道与该叶内的气体/液体通道处于流体连通中。此外，叶的电极与汇流条之间的电接触被紧固地建立。
优选地而非排他地，一旦气体/液体管接和电附连被紧固，通过施加并固化合适的坚固树脂来密封核心元件的外表面上的带唇缘或凸缘的孔(叶被***其中)。在另一实施例中，通过沿孔的长度的塑料部中的互锁(咬合)并随后就地密封和/或胶合塑料部来封闭孔。在其他实施例中，孔可被密封和/或使用合适的树脂来胶合，此后，在树脂正在变干时塑料部在树脂上咬合。
在穿过核心电连接柔性叶时，这可以与使用将一个或多个柔性叶中的气体/液体通道附连到气体/液体管道的上述方法中的任一者穿过核心来管接叶相组合，即：(i)管道和中央单元组装方法，(ii)直接附连方法，或(iii)管道单元组装方法。
解说用于电连接的内部螺旋附连方法与用于气体/液体管接的管道单元组装方法的组合的实施例在名片盒设计示例(示例4a)中提供。
以下示例提供了使用以下设计的用于电连接的内部螺旋附连方法与用于气体/液体管接的直接附连方法的解说性组合：(i)楔-胶设计，罐装管道设计，两叶导电罐装管道设计，以及多叶罐装管道设计(参见示例3)
示例6a——使用楔-胶设计使用内部螺旋附连方法(用于电连接)和直接附连方法(用于气体管接)来穿过核心元件电连接两个柔性电极叶
图16示意性地描绘中央核心元件形式的示例核心元件5，示出了两个内部管道10和20以及在核心元件的外表面上的管道10的外部带唇缘或凸缘的孔110。
图17示意性地描绘了可容纳两个叶的示例核心元件5的截面。如可看到的，核心元件5包含沿核心元件5的长度的两个管道(第一管道10和第二管道20)。在这种情况下，管道10、20是椭圆形，开口到接近核心元件的外表面的孔。管道可具有其他几何形状的截面。在核心元件5的上侧上的孔处，叶130已被***并附连到管道10。该叶在其外表面上包含两个薄片电极140和141(它们两者都是电池的阳极)。叶的中心包括密封液体/气体通道150，它在叶的整个或几乎整个内部空间上呈薄片延伸。气体通道151的底端或底面沿其全部长度位于管道10的内部孔内，其中叶130和/或气体通道151已使用导电胶或树脂180就地胶合(这被描绘成阴影区)。用于创建气体管接的这一设计被称为“楔胶”设计。
在这样做时，电极141和140已经电连接到(阳极)汇流条160，汇流条160位于延伸或伸展核心元件5的长度、邻近或接近椭圆形管道10的第二管中。电连接柔性电极叶的这一方法被称为“内部螺旋附连”方法。汇流条160通常由铜制成，但可由其他金属或导体制成。
第二、非导电树脂或胶190已被用来密封叶130和核心元件5之间的外部连接。此后，区域170已穿过核心元件5的全部长度被钻出，以由此在面向气体/液体管道10的一端或面151处打开密封的叶气体/液体通道150。用于创建气体管接的这一设计被称为“罐装管道”设计。在这一规程的过程中，汇流条160已通过由导电树脂180和非导电树脂190包围和封闭而与其他组件物理地隔离。
类似情形适合另一管道20处，其中第二叶230被示为要就地胶合，如图17所示。第二叶230包括由两个薄片电极240和241在其外侧上限定的第二薄片类密封气体/液体通道250。这两个电极是电池的阴极。叶230的一端已被***孔210，它包含紧邻或接近的第二(阴极)汇流条260。叶上的薄片电极240和241将使用导电树脂或导电胶被胶合成与汇流条260电接触。非导电树脂或胶随后将被用来涂敷叶230与核心元件之间的外连接，并且区域270随后将被钻穿。
示例6b——使用楔-胶设计使用内部螺旋附连方法(用于电连接)和直接附连方法(用于气体管接)来穿过核心元件电连接八个柔性电极叶
图18示意性地描绘了被设计成容纳8个叶的核心元件。如可在图18的右下方所示的截面中看到的，存在用于附连阳极电极叶的4个管道10和用于附连阴极电极叶的4个管道20。上图像示意性地描绘核心元件的外部外观，具有交替间隔开的带唇缘的孔110(用于阳极叶)和210(用于阴极叶)。
图19示出叶被如何附连到它们相应的管道。阳极叶130之一及其组件以与先前示例相同的编号格式来示出，附连到管道10。
示例6c——使用楔-胶设计使用内部螺旋附连方法(用于电连接)和直接附连方法(用于气体管接)来穿过核心元件电连接四个柔性电极叶
图20示意性地描绘被设计成容纳4个叶的核心元件，其中这四个叶绕核心元件螺旋缠绕。如可看到的，核心元件中存在4个管道。在截面中，每一管道是泪滴形，在每一管道的口部处具有两个汇流条(示为棒160或260)。为清楚起见，树脂胶区域在图20中未示出。阳极叶130和阴极叶230绕核心元件螺旋缠绕，阳极叶和阴极叶之间具有合适的间隔件300以由此防止短路。
图21和22描绘管道10在不存在胶合树脂的情况下(为清楚起见排除)的特写图。如可看到的，薄片电极140和141绕汇流条160缠绕且楔入与汇流条160紧密物理接触和电接触，而内部薄片类密封液体/气体通道150进一步延伸，其中它被开口且与内部泪滴形腔10处于液体/气体连通中。
示例6d——使用以下设计使用内部螺旋附连方法(用于电连接)和直接附连方法(用于气体管接)来穿过核心元件电连接两个柔性电极叶：(i)罐装管道设计，(ii)两叶导电罐装管道设计，以及(iii)多叶导电罐装管道设计
图23、图24以及图25描绘核心元件的截面和透视图，其中柔性电极叶6000电连接到沿核心元件的长度行进的主汇流条6100。
图23描绘了两叶设计，其中每一柔性叶绕位于核心元件的中空部6200内的汇流条6100缠绕。柔性叶中的电极由此与汇流条6100导电接触。随后用被允许固化的罐装树脂来填充中空部6200。在罐装树脂固化后，钻头被用来在6300处沿罐装树脂的长度钻穿管接管道，以由此创建叶的内部通道开口到其中的气体/液体管接管道。由此，柔性叶被管接到管道6300并被置于与汇流条6100的导电接触中。这一设计一般被称为“罐装管接”，且在使用导电罐装树脂时被称为“导电罐装管接”。
图24描绘其中每一叶绕两个主汇流条6400缠绕的类似设计。在此的意图是迎合两侧都导电且需要电连接到汇流条的柔性叶。这两个汇流条6400在每一罐装中空部6200中与该叶的两个导电侧相连接。在这种情况下，导电罐装树脂已被用来填充每一中空部6200。
图25描绘图24的4叶变型，其中单个汇流条6100已被置于每一罐装中空部6200中。柔性叶6500的每一侧上的电极已被分开且从相对侧绕汇流条缠绕，其中导电汇流条夹6600将它们保持紧靠汇流条6100。中空部6200已被罐装有导电树脂。在固化后，沿罐装的长度钻穿管道6300，由此使叶的气体/液体通道6700开放给该管道。以此方式，四个叶已被管接到四个管道6300，其中四个主汇流条6100提供到每一柔性叶的两侧的电连接。
示例7——使用内部螺旋汇流条附连方法的穿过核心元件的电连接
“内部螺旋汇流条附连”方法非常类似于“内部螺旋附连”方法。不同之处仅在于沿螺旋缠绕的方向在长度方向上布置的一个或多个副汇流条按导电接触粘附到柔性电极。副汇流条随后按导电接触附连到位于核心元件中的(主)汇流条。
换言之，内部螺旋汇流条附连方法与内部螺旋附连方法的不同之处仅在于一个或多个副汇流条被电气地置于柔性电极和位于核心元件中的主汇流条之间。取决于一个或多个柔性叶中的电极的大小，将副汇流条置于核心元件中的主汇流条与柔性电极叶之间以在各柔性电极叶上均匀地分布电流可能是必要的。
因此，内部螺旋汇流条附连方法与内部螺旋分类方法的不同之处仅在于它将一个或多个副汇流条置于核心元件中的主汇流条与柔性叶中的电极之间。在所有其他方面，这些方法是相同的。
示例8——使用外部螺旋附连方法的外部电连接
内部螺旋附连方法的另一变型是外部螺旋附连方法，它的不同之处仅在于主汇流条位于外部元件中而非核心元件中。
因而，提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池、模块或反应器的外部元件的方便且高效的配置、布置、或设计，使得外部元件被制造成包括用于多电极阵列的柔性叶的沿其长度的至少一个汇流条(‘主’汇流条)，并且其中该柔性叶由密封气体/液体通道连同其相关联的一个或多个电极构成。
在另一实施例中，外部元件包括沿该外部元件在长度方向上提供的导电元件。导电元件可以是导电线或金属线、管、条、棒，等等。在一个示例中，导电元件是汇流条。在另一实施例中，柔性电极与导电元件电接触。优选地，柔性电极被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式导电附连到外部元件中的导电元件。
汇流条可被置于外部元件的内部通道中。优选地，汇流条是导电材料或金属的棒或线。导电胶或树脂可被用来将柔性电极电连接到汇流条。柔性电极的外导电表面可毗邻并电接触到汇流条。非导电胶或树脂可被用来将柔性电极附连到外部元件，其中柔性电极到汇流条的导电附连是通过焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式导电地附连它们来达成的。
可任选地，外部元件可包含多个汇流条，每一汇流条彼此绝缘，并且每一汇流条焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式导电附连到不同电极——柔性电极阵列中的任一阳极或阴极。可任选地，外部元件中的多个汇流条可各自导电附连到形成柔性电极阵列中的不同气体/液体通道的电极。
在另一方面，提供了一种用于螺旋缠绕的电化学电池的外部元件，该外部元件包括：与沿该外部元件在长度方向上提供的至少一个液体/气体管道相关联且部分地位于其中的导电元件；以及沿该外部元件在长度方向上提供的且与该至少一个管道和相关联的汇流条相关联的孔；其中该孔能够接纳来自柔性电极的一端、或一端的一部分、或气体、或液体，以及其中所***的柔性电极可同时被焊接、焊合、或以其他方式按与汇流条的导电接触紧固地附连，其中柔性电极能够绕分开的核心元件螺旋缠绕。
在另一实施例中，孔能够向柔性电极提供唇缘、或唇缘的一部分、或气体、或液体，其中柔性电极能够绕分开的核心元件螺旋缠绕，而所***的柔性电极同时被焊接、焊合、使用导电胶胶合、或以其他方式按与相关联的汇流条的导电接触来紧固地附连。
柔性电极可在***过程期间按与汇流条的电接触来被紧固地楔入孔中。作为补充或替换，柔性电极可被焊接或焊合或使用导电胶胶合或以其他方式电附连到汇流条。示例柔性电极是在该柔性电极的相对面上具有两个导电表面、层或薄片的叶。
在各示例中，该至少一个管道是沿外部元件的内部长度的通路、腔或通道。该至少一个管道可具有椭圆或泪滴形截面。该至少一个管道提供气体或液体连通通道。外部元件可由聚合材料制成。可任选地，孔被装上唇缘或凸缘。优选地，孔位于外部元件的外表面上。可任选地，沿外部元件的长度的一部分在纵向上提供该孔或一串孔。或者，沿外部元件的全部长度在纵向上提供该孔。
外部元件可包括两个、四个、六个、八个或更多管道以及两个、四个、六个、八个或更多孔，且能够接纳两个、四个、六个、八个或更多柔性电极。绝缘柔性间隔件被置于电极附近，且柔性电极和绝缘柔性间隔件绕分开的核心元件螺旋缠绕，其中使外部元件随后被留在螺旋缠绕的布置的外面。核心元件、螺旋缠绕的电极以及外部元件可被封闭在壳体或外壳中。外部元件可以形成该壳体或外壳的一部分或全部。
优选地而非排他地，叶被***带唇缘或凸缘的孔，从而使得叶中的柔性电极物理地接触沿外部单元的长度定位在管道内的汇流条。在一个实施例中，可以在***过程期间使柔性电极变得紧固地楔入与汇流条的紧密接触。在一替换实施例中，在汇流条和所附连的叶两者被***管道之前，柔性电极可沿着或顺着该柔性电极的长度(这可以是全部长度)被焊接或焊合或以其他方式按电接触紧固地附连到汇流条。
优选地而非排他地，一旦叶电极和汇流条处于管道内并且电连接到彼此，则电极与汇流条之间的连接沿着或顺着管道的长度(这可以是全部长度)被涂敷导电树脂。
以此方式，叶中的一个或多个电极沿着或顺着外部元件的长度(这可以是电化学模块、反应器或电池的全部长度)紧固地且电连接到外部元件中的汇流条。
在涉及孔(它可任选地被装上唇缘或凸缘)的另一组实施例中，外部元件可沿其长度的全部或部分包含中空、基本上中空、或稍微中空的圆柱类结构，其中管道被设计成在该圆柱类结构的中空、基本上中空、或稍微中空的部分内创建。中空部可以具有与其相关联的导电元件，这可以是沿其(全部或部分)长度的汇流条。或者，导电元件(它可以是汇流条)可被引入中空部。叶随后被***(例如沿着或顺着外部元件的全部长度)，使得其气体/液体通道开放给被设计成创建管道的中空部分，或者其气体/液体通道开放给紧靠被设计成创建管道的中空部分之上或附近的空间。在***期间，叶的电极可导电附连到与中空部相关联的汇流条。例如，电极可变得楔入抵靠汇流条，或电极可沿其长度的部分或全部被焊接、焊合、用导电胶胶合、或以其他方式导电附连到汇流条。随后用罐装树脂叶沿其全部长度来填充包含所***的叶的一端和相关联的汇流条的中空部。罐装树脂可以是导电树脂，或者在电极已经导电附连到汇流条的情况下它可以是非导电树脂。罐装树脂随后被允许固化。优选地而非排他地，由此密封的填充有树脂的中空部随后被使用能够贯穿填充有树脂的中空部的整个长度的合适钻头来钻孔，同时确保钻头不靠近与该中空部相关联的汇流条。在这样做时，位于中空部内的叶的气体/液体通道的密封端被开放给由钻头的动作而创建的管道，且被置于与该管道的无阻碍的液体/气体连通中。沿填充有树脂的中空部的全部长度的孔由此创建合并叶的气体/液体通道的开口端的管道。以此方式，管道与该叶内的气体/液体通道处于流体连通中。此外，叶的电极与汇流条之间的电接触被紧固地建立。
优选地而非排他地，一旦气体/液体管接和电附连被紧固，通过施加并固化合适的坚固树脂来密封外部元件的外表面上的带唇缘或凸缘的孔(叶被***其中)。在另一实施例中，通过沿孔的长度的塑料部中的咬合并随后就地密封和/或胶合塑料部来封闭孔。在其他实施例中，孔可被密封和/或使用合适的树脂来胶合，此后，在树脂正在变干时塑料部在树脂上咬合。
示例9——使用外部螺旋汇流条附连方法的外部电连接
“外部螺旋汇流条附连”方法非常类似于“外部螺旋附连”方法。不同之处仅在于沿螺旋缠绕的方向在长度方向上布置的一个或多个副汇流条按导电接触粘附到柔性电极。副汇流条随后按导电接触附连到位于外部元件中的(主)汇流条。
换言之，外部螺旋汇流条附连方法与外部螺旋附连方法的不同之处仅在于一个或多个副汇流条被电气地置于柔性电极和位于外部元件中的主汇流条之间。取决于一个或多个柔性叶中的电极的大小，将副汇流条置于外部元件中的主汇流条与柔性电极叶之间以在各柔性电极叶上均匀地分布电流可能是必要的。
因此，外部螺旋汇流条附连方法与外部螺旋附连方法的不同之处仅在于它将一个或多个副汇流条置于外部元件中的主汇流条与柔性叶中的电极之间。在所有其他方面，这些方法是相同的。
示例10——使用端帽管道方法的穿过端帽的气体/液体管接
在以下示例中，描述以上称为“端帽管道”方法的管接螺旋缠绕的模块的方法。在这一方法中，优选地而非排他地，管道被制造在独立端帽单元内，柔性叶的一端可以按如下方式被密封、胶合、焊接、或以其他方式附连到该独立单元：管道的一个或多个孔与叶内的气体/液体通道处于流体连通中。
优选地而非排他地，独立端帽的包含管道的部分是螺旋形的，或能够采用螺旋形，例如被弯成螺旋形。优选地而非排他地，与该管道相关联的孔具有u形、椭圆形或泪滴形截面，以由此促进密封、胶合、或通过其他方式附连到已被螺旋缠绕的柔性电极叶。
优选地，柔性叶的开放给该叶内的气体/液体通道的一端沿管道的孔的全部长度来定位并随后被密封、胶合或以其他方式附连到端帽。绝缘柔性间隔件随后被置于电极附近且柔性电极和绝缘柔性间隔件被螺旋缠绕，从而使得端帽中的管道采用螺旋布置。如果管道已经是螺旋形的，则将叶馈送入管道孔内的动作将创建螺旋绕组。端帽可任选地包括两个、四个、六个、八个或更多管道以及两个、四个、六个、八个或更多孔，且能够接纳两个、四个、六个、八个或更多柔性电极。
贯穿本说明书和所附权利要求书，除非上下文需要，否则词语“包括”以及变型(如“包含”或“含有”)将被理解为暗示包括所声称的整数或步骤、或者整数或步骤群，但不排除任何其他整数或步骤或者整数或步骤群。
可任选的实施例还可被称为广泛包括本文引用或指示的各部分、元素、以及特征(独立地或全体地，以这些部分、元素或特征的两者或更多者的任何或全部组合)，并且其中本文中提到了在本发明所涉及的领域中具有已知等效物的特定整数，这样的已知等效物被认为包括在本文内(如同被单独地阐明一样)。
虽然已详细描述了优选实施例，但应当理解，在不背离本发明的范围的情况下，许多修改、改变、替换、或更改对本领域技术人员而言将是明显的。

Claims (41)

1.一种用于形成化学反应产物的螺旋缠绕的电化学电池，包括绕中心轴缠绕的至少一个电极对，其中所述至少一个电极对是阳极和阴极。
2.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，所述阳极是气体可渗透且液体不可渗透的。
3.如权利要求1或2所述的电化学电池，其特征在于，所述电化学电池是电合成电池或电能电池。
4.如权利要求1到3中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述电池利用非生物制造的组件。
5.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于：
所述阳极包括气体扩散电极；和/或
所述阴极包括气体扩散电极；
并且其中所述气体扩散电极主要由碳和/或聚四氟乙烯(PTFE)构成。
6.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，进一步包括所述阳极和所述阴极之间的用于气体和/或流体运输的电极间通道。
7.如权利要求1到6中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，进一步包括两个阳极以及这两个阳极之间的用于气体和/或流体运输的阳极通道。
8.如权利要求1到7中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，进一步包括两个阴极以及这两个阴极之间的用于气体和/或流体运输的阴极通道。
9.如权利要求6到8中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述通道至少部分地由至少一个间隔件形成。
10.如权利要求1到6中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，进一步包括至少两个阳极和至少一个阳极通道以及至少两个阴极和至少一个阴极通道。
11.如权利要求6到8中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述化学反应产物是通过所述通道来运输的。
12.如权利要求6到8中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，化学反应物是通过所述通道来运输的。
13.如权利要求7所述的电化学电池，其特征在于，所述化学反应产物是在所述阳极处形成的或者反应物在所述阳极处反应，并且所述产物或反应物是通过所述阳极通道来运输的。
14.如权利要求8所述的电化学电池，其特征在于，所述化学反应产物是在所述阴极处形成的或者反应物在所述阴极处反应，并且所述产物或反应物是通过所述阴极通道来运输的。
15.如权利要求6所述的电化学电池，其特征在于，液体电解质是通过所述电极间通道来运输的。
16.如权利要求1所述的电化学电池，其特征在于，进一步包括包含阳极通道的阳极叶和/或包含阴极通道的阴极叶，并且其中在所述阳极叶和所述阴极叶之间提供电极间通道，并且其中这些叶和通道绕所述中心轴螺旋缠绕。
17.如权利要求16所述的电化学电池，其特征在于，包括多个阳极叶、多个阴极叶、以及多个电极间通道。
18.如权利要求1到17中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，进一步包括置于所述中心轴之处或附近的核心元件。
19.如权利要求16和18所述的电化学电池，其特征在于，所述阳极叶和所述阴极叶在所述核心元件的不同圆周位置处附连到所述核心元件。
20.如权利要求17和18所述的电化学电池，其特征在于，所述多个阳极叶和所述多个阴极叶在不同圆周位置处附连到所述核心元件。
21.如权利要求18所述的电化学电池，其特征在于，所述核心元件包括至少一个气体通道和/或至少一个流体通道。
22.如权利要求21所述的电化学电池，其特征在于，所述至少一个气体通道是与所述核心元件偏心的。
23.如权利要求21所述的电化学电池，其特征在于，所述至少一个流体通道是与所述核心元件偏心的。
24.如权利要求6和21所述的电化学电池，其特征在于，所述电极间通道与所述核心元件处于气体连通和/或流体连通中。
25.如权利要求18到24中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述至少一个电极对中的一者或多者电连接到所述核心元件的导电元件。
26.如权利要求1到25中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，进一步包括离开所述中心轴放置的外部元件。
27.如权利要求26所述的电化学电池，其特征在于，所述外部元件附连到或接近所述至少一个电极对中的一者或多者的一端，该端与接近所述中心轴的一端相对。
28.如权利要求6和26所述的电化学电池，其特征在于，所述电极间通道与所述外部元件处于气体连通和/或流体连通中。
29.如权利要求26到28中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，所述至少一个电极对中的一者或多者电连接到所述外部元件的导电元件。
30.如权利要求18所述的电化学电池，其特征在于，所述核心元件平行于所述中心轴在纵向上延伸。
31.如权利要求26所述的电化学电池，其特征在于，所述外部元件平行于所述中心轴在纵向上延伸。
32.如权利要求1到31中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，进一步包括至少一个端帽。
33.如权利要求16和32所述的电化学电池，其特征在于，所述阳极通道、所述阴极通道、和/或所述电极间通道与所述至少一个端帽处于气体连通和/或流体连通中。
34.如权利要求33所述的电化学电池，其特征在于，包括第二端帽，所述阳极通道、所述阴极通道、和/或所述电极间通道与所述第二端帽处于气体连通和/或流体连通中。
35.如权利要求32所述的电化学电池，其特征在于，所述至少一个电极对中的一者或多者电连接到所述至少一个端帽的导电元件。
36.如权利要求25、29或35中的任一者所述的电化学电池，其特征在于，所述导电元件是汇流条。
37.如权利要求1到36中的任一项所述的电化学电池，其特征在于，一个或多个副汇流条电连接到所述至少一个电极对中的一者或多者。
38.如权利要求36和37所述的电化学电池，其特征在于，所述一个或多个副汇流条电连接到所述汇流条。
39.如权利要求37所述的电化学电池，其特征在于，所述一个或多个副汇流条是柔性的且在所述电池中螺旋缠绕。
40.如权利要求37所述的电化学电池，其特征在于，所述一个或多个副汇流条在所述电池的轴向方向上延伸。
41.如权利要求2所述的电化学电池，其特征在于，所述阳极的湿润压力或气泡点超过0.2巴。
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