CN102625960A - 金属-空气液流电池 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种金属-空气液流电池，包括构造成容纳阳极糊料的储槽；与所述储槽流体连通的反应管，所述反应管包括空气电极、构造成使空气进入所述反应管的外表面和内部通道；以及用于使所述阳极糊料移动通过所述反应管的内部通道的机构。

Description

金属-空气液流电池

相关申请的交叉引用

本发明要求享有2009年6月30日提交的美国临时专利申请No.61/221,998和2010年3月15日提交的美国临时专利申请No.61/340,293的优先权和权益，其全部公开内容以引文形式并入本申请。

技术领域

本发明主要涉及电池领域。更具体地，本发明涉及二次(即可再充电的)电池和电池系统，并尤其涉及金属-空气电池和电池系统。

背景技术

金属-空气电池包括负金属电极(例如，锌、铝、镁、铁、锂等)和具有对氧气反应有催化性能的多孔结构的正电极(通常被认为是用于所述电池的空气电极)。电解液用来保持所述两个电极之间的高离子电导率。对于碱性的金属-空气电池(即具有碱性电解液)，所述空气电极通常由薄的、多孔的并结合碳层的聚合物材料(例如，聚四氟乙烯)制成。为了防止电池短路，在阳极和阴极之间装配隔离件。

在所述金属-空气电池放电过程中，来自大气中的氧气在空气电极中转化为氢氧根离子。在所述空气电极中的反应包括氧气还原、电子消耗和氢氧根离子的产生。所述氢氧根离子通过电解液向金属负电极迁移，负电极的金属在所述金属负电极发生氧化，形成氧化物并释放电子。在二次(即可再充电的)金属-空气电池中，充电过程是指在所述空气电极中氢氧根离子转化为氧气，释放电子。在所述金属电极中，金属氧化物或离子还原形成金属，同时消耗电子。

金属-空气电池提供了巨大的能量储存效益。例如，金属-空气电池的储能密度是锂离子电池的数倍，而且使用地球上丰富和低成本的金属(例如，锌)作为储能介质。该技术相对安全(非可燃性的)并且环境友好(无毒且可以使用可再生材料)。由于该技术使用了在美国和其它地区均易获取的材料和方法，因此可以减轻对稀缺资源(如石油)的依赖性。

随着对可再生能源使用的增加，出现了对调峰(peak shaving)、负载均衡(load leveling)和后备电源(backup power)的电网能量存储(on-grid energy storage)和转化的需求。对于这样的应用，有竞争性的二次电池技术(例如，锂离子(Li-Ion)电池、镍氢电池(NiMH)等)不能为实际的和有效的应用提供充分的能量密度。例如，美国公共事业设备(U.S.utility sector)目前面临由于间歇发电状况产生的高成本问题，其效率可以利用对调峰、负载均衡和后备电源的电网能量存储和转化来提高。对于电动车辆和混合电动车辆的应用，传统的镍镉电池(Ni-Cd)、镍氢电池(NiMH)和锂离子电池可能不能充分适于提供预期的性能特性(例如，寿命、功率等)。而且，传统的二次电池技术通常昂贵并可能使用实用性受限的组成材料。

发明内容

本发明有利地提供一种满足一个或多个前述问题的改良的电池和/或电池系统。同时有利地提供了一种应用于多种领域的金属-空气电池和电池系统，其包括但不限于汽车领域，并为用于调峰、负载均衡和后备电源的电网能量存储和转化提供了储备。在本申请中公开的该系统的其它优势特征对于阅读本公开文本的技术人员是显而易见的。

附图说明

图1是根据一个示例性的实施方案应用金属-空气液流电池的车辆的透视图；

图2是根据一个示例性的实施方案的金属-空气液流电池的透视图；

图3是图2中示出的金属-空气液流电池的分解图；

图4是图2中示出的金属-空气液流电池的剖视图；

图5是图2中示出的金属-空气液流电池的侧视图；

图6是图2中示出的金属-空气液流电池的反应管和一部分给料系统的透视图；

图7是图6中示出的反应管和给料系统的部分透视、剖视图；

图8是图6中示出的反应管和给料系统的部分透视、剖视图，该图出现在所述金属-空气液流电池运行时；

图9是图6中示出的反应管和给料系统的部分侧视、主视和剖视图，该图图解了运行过程中成核气体从所述反应管移走；

图10是图2中示出的金属-空气液流电池在放电过程中的剖视图；

图11是图2中示出的金属-空气液流电池在放电过程中的另一个剖视图；

图12是图2中示出的金属-空气液流电池在充电过程中的剖视图；

图13是图2中示出的金属-空气液流电池在充电过程中的另一个剖视图；

图14是金属-空气液流电池的另一个示例性的实施方案的剖视图；

图15是用于金属-空气液流电池的反应管和给料系统的另一个示例性的实施方案的部分透视、剖视图，该图出现在所述金属-空气液流电池运行时；

图16是用于金属-空气液流电池的反应管的另一个示例性的实施方案的一部分的透视图；

图17是图解了根据在能量电网领域使用的示例性的实施方案的金属-空气液流电池的图表。

具体实施方式

如本申请中使用的，术语“液流电池”意为指将反应物输入所述电池并从其中输出的电池系统。对于金属-空气液流电池系统，意指将金属阳极材料和电解液引入所述电池中并将金属氧化物从所述电池系统中移出或移去。类似于燃料电池，所述液流电池系统要求在使用过程中通过该系统的反应物是流体。

根据示例性的实施方案，将可再充电的金属-空气液流电池配置为提供能量存储和转化，可以将其单独或结合使用，并可以将其并入各种系统和/或装置中或与所述各种系统和/或装置一起使用以提高效率、满足能量需求等。进一步地，可再充电的金属-空气液流电池可以用在广泛的具有不同能量转化和/或存储需求的领域中，包括但不限于极其大规模的应用(例如，公共事业设备，其用途是作为绿色能源发挥作用，用于与可再生能源如风能和太阳能等结合使用的智能电网、能量存储)和较小规模的应用(例如，个体消耗品，如车辆、后备电源、住宅电力等)。

大体参照附图，根据一个示例性的实施方案，金属-空气液流电池显示为锌-空气液流电池10，并被配置为能量存储和转化系统。尽管在本申请中指定为锌-空气液流电池，但应该理解为可以使用其它的金属-空气结合体。例如，铝、镁、铁或锂可以代替锌或与锌共同使用。

所述锌-空气液流电池10是二次或可再充电电池(例如，将其设置为可逆的充电和放电)，并且与其它种类的能量系统相比，具有提高的能量效率和较低的与能量相关的排放。所述锌-空气液流电池10可以单独使用、在模块化的锌-空气液流电池系统中使用或与其它能量技术(例如，混合轿车电池单元等)结合使用。与其它二次电池技术不同，锌-空气液流电池10的能量密度不受可以存储到电池内部的反应物的量限制。

参照图1，根据一个示例性的实施方案，所述锌-空气液流电池10显示为在车辆12中使用，用以为车辆12提供动力，更确切地，使车辆12运转。所述锌-空气液流电池10显示为与电力传动系(electricaldrive train)14和控制系统16(在车辆12内，可以将控制系统16配置成仅控制锌-空气液流电池或控制锌-空气液流电池和其它特征或系统)结合。在示出的示例性的实施方案中，锌-空气液流电池10意于作为用于车辆12的基本动力来源来起作用；然而，根据另一个示例性的实施方案，可以将一个或多个金属-空气液流电池与一个或多个其它的动力来源和/或动力存储设备(例如，高能量电池、超级电容器、汽油发动的引擎或发电机等)结合使用以为车辆提供动力。所述车辆12显示为轿车，但应该注意到车辆可以是任何被配置成运送人和/或货物的装置(例如，翻斗卡车、摩托车、厢式货车、半挂卡车、高尔夫球车、铲车和其它种类的目前已知或随后开发的车辆等)。

参照图2-4，所述锌-空气液流电池10显示为闭路系统，包括锌电极20、电解液22、显示为储槽24的一个或多个存储设备(例如，容器)、具有反应管52的反应器26和能量输入/输出装置30，其中每个反应管52都包括空气电极28。

根据一个示例性的实施方案，将能量输入/输出装置30配置为用来实现一个或多个锌-空气液流电池10与一个或多个系统和/或装置的机电一体化，从而为所述系统和/或装置提供能量转化和存储。如将要在下面详细讨论的，将所述能量输入/输出装置30与反应器26电连接。当锌-空气液流电池10放电时，同时也将所述锌-空气液流电池10的能量输入/输出装置30与一个或多个系统和/或装置电连接，其中所述锌-空气液流电池10为该系统和/或装置(此处为车辆12)提供能量，从而将锌-空气液流电池10的反应器26与车辆12电连接。当锌-空气液流电池10充电时，能量输入/输出装置30与充电器32(例如，如图4中显示的未与锌-空气液流电池电连接的那种DC充电器)连接。应该注意到依据预期应用或其它标准，所述能量输入/输出装置可以具有任何种类的构型。

根据一个示例性的实施方案，将锌电极20和电解液22(例如，氢氧化钾(KOH)或其它氢氧根离子(OH^-)源)结合(例如，混合、搅拌等)以形成阳极糊料(显示为锌糊料(zinc paste)40)，该阳极糊料作为锌-空气液流电池10的反应物。将所述反应物(例如，活性材料等)配置成输送(例如，给料、泵抽、推动、施力等)到反应器26中或从其中输送出来。当锌-空气液流电池10放电时，将锌糊料40输送到反应器26中，并在锌糊料40与氢氧根离子(当空气电极28与来自空气中的氧气反应时产生)反应之后将氧化锌糊料(zinc oxide paste)42从反应器26中输送出来。当锌-空气液流电池10充电时，将氧化锌糊料42输送到反应器26中，并且在氢氧根离子转化回氧气后将锌糊料40从反应器26中输送出来。根据其它示例性的实施方案，锌电极和电解液可以以浆料、颗粒或其它本领域熟知的形式结合。

根据一些示例性的实施方案，电解液22是用来保持金属和空气电极之间高离子电导率的碱性电解液。根据其它示例性的实施方案，电解液22可以是对于氧气还原/析出和金属氧化/还原反应具有高离子电导率和/或高反应速率的任何电解液(例如，离子液体等)。再根据其它示例性的实施方案，所述电解液可以包括盐水(例如，用于航海/军事应用等)。

如将在下面进行更详细讨论的，可以将锌糊料40和/或氧化锌糊料42的组合物配置为用来获得锌-空气液流电池10的预期的流动特性和容量特性。

参照图4，根据一个示例性的实施方案，储槽24显示为包括显示为锌或锌糊料腔体的第一腔体44，其通过分离件或隔离件47与显示为氧化锌或氧化锌糊料腔体的第二腔体46隔离。储槽24(储藏室、盛器、容器、存储箱、器皿、盆器、桶器、储蓄池等)显示为大体位于反应器26外部并被配置用来在锌-空气液流电池10中存储阳极材料，即锌糊料40和/或氧化锌糊料42。在储槽24中设置锌的入口/出口48用来使锌糊料40进入第一腔体44(例如，储室等)中并从其中流出。在储槽24中设置氧化锌的入口/出口50用来使氧化锌糊料42进入第二腔体46(例如，储室等)中并从其中流出。如图4所示，锌的入口/出口48和氧化锌的入口/出口50均与反应器26流体连通，从而在锌-空气液流电池10工作过程中，可以将锌糊料40和/或氧化锌糊料42输送到反应器26中并从其中输送出来。根据其它示例性的实施方案，锌-空气液流电池显示为包括分成两个腔体的单独储槽，同时可以将锌存储在隔离的、独立的储槽中(例如，在两个隔离的储槽中)。根据一些示例性的实施方案，多储槽、锌腔体、和/或多氧化锌腔体可以与单反应器共同使用。进一步地，储槽可以是交汇的(例如，以用来调节锌-空气液流电池的功率和存储容量)。根据其它示例性的实施方案，如下面关于图14的描述，该系统可以仅包括单储槽而没有隔离的腔体。

参照图2-4，储槽24显示为基本闭合的容器。换句话说，当存储在储槽24中时，糊料40、42基本没有暴露于锌-空气液流电池10外面的环境中。通过防止糊料40、42暴露在环境中，可以避免或减少很多问题。这些问题包括但不限于腐蚀、溢出、泄露等。

进一步参照图2-4，还将储槽24配置为模块化的、可替代的和可扩展的且独立于反应器26。如上所述，锌-空气液流电池10的能量密度不受可以在内部存储的反应物的量限制。相反，储槽中增加的反应物的量大体增加了锌-空气液流电池可以提供的能量。因此，大体的情况是储槽24的容积越大，锌-空气液流电池10能够提供的功率和能量越大。在一些示例性的实施方案中，锌-空气液流电池的反应器可以连接多储槽，从而增加了反应物存储容量。总之，如图中所示，可以将所述储槽设置为邻接于所述反应器，或者所述储槽可以与所述反应器有一段距离(例如，多英尺、多码等)。

根据一个示例性的实施方案，储槽24由塑料材料(例如，聚丙烯、聚乙烯等)或涂塑材料(例如，涂塑钢槽)制成，以基本避免由于电耦合(galvanic coupling)产生的锌的腐蚀。根据其它示例性的实施方案，所述储槽可以由任何基本避免腐蚀的材料(例如，铜、锌包铜、铟包铜等)制成。

根据一个示例性的实施方案，可以在所述储槽和/或腔体中配备一个或多个用来混合(例如，搅拌、移动、融合等)在其中存储的物质的混合装置，从而保持所述物质的均匀性。保持所述物质的均匀性可以改善性能。例如，保持所述物质均匀性通常提高了所述锌-空气液流电池的容量，因为均匀的糊料几乎不可能含有过干(例如，导致不良的膜配方(filmformulation))或过湿的区域(例如，导致颗粒与颗粒的低接触性)。

参照图2-6，在一个示例性的实施方案中，反应器26包括多个反应导管(显示为反应管52)、支撑结构54(包括基本与第二壁58相对的第一壁56)、分配或给料系统60和引导邻接于反应管52的外表面的空气流的装置(显示为多个风扇62)。反应器26流体连接到储槽24上。如将在下面详细描述的，通过反应器26输送存储在储槽24中的阳极材料用以发电。

参照图2，根据一个示例性的实施方案，反应管52显示为由支撑结构54来支撑，至少部分在第一壁56和第二壁58之间延伸并在空间分开以至少部分限定了多个空气流动通道64。每个反应管52的第一端部分66紧邻于与锌的入口/出口48连接的第一壁56。每个反应管52的第二端部分68紧邻于第二壁58并与氧化锌的入口/出口50连接。反应管52通过容易维修和更换的方式与壁56、58连接。而且，储槽24基本邻接于第二壁58，从而使储槽24的氧化锌的入口/出口50基本与相应的氧化锌入口/出口63对齐，与反应管52和储槽24的第二腔体46流体连接(例如，见图3，其中示出了反应器26的氧化锌的入口/出口63)。换句话说，储槽24与反应管52流体连通。应该注意到可以在反应器中将所述反应管设置为任何多个方向和/或任何多个装置。同时也应该注意到所述锌-空气液流电池可以使用任何多个具有任何理想尺寸或构型的反应管(例如，一个单独的反应管、十个反应管、三十个反应管等)。

参照图2-5，将反应管52装配为易于锌-空气液流电池10放电和充电。每个反应管52包括显示为空气电极28的一个或多个层的阴极材料。将每个反应管52的内部通道70(例如，见图11)配备为接收并传输阳极材料(这里指锌糊料40和氧化锌糊料42)。如将在下面更详细描述的，利用风扇62将氧气供应给空气电极28，并利用给料系统60通过反应管52输送(给料、移动、运输等)锌糊料40和氧化锌糊料42。随着通过反应管52输送锌糊料40，锌-空气液流电池10进行放电。随着通过反应管52输送氧化锌糊料42，锌-空气液流电池10进行充电。

参照图2，根据一个示例性的实施方案，风扇62通过反应器26提供空气流80(例如，见图15和17，其中示出了空气流80)。空气流80将氧气供应到反应管52的空气电极28中，使氧气发生还原反应。空气流80邻接于反应管52的外表面通过，从而使空气可以通过此处形成的孔洞进入反应管52中。通常，在贯穿反应管52的长度方向上，风扇62提供的空气流80意于提供基本均匀分布的反应速率(例如，来自大气的氧气转化为空气电极28中的氢氧根离子的速率)。

根据一个示例性的实施方案(例如，见图11和13，其中示出了空气流路径82)，空气流80包括大体从紧邻于第一壁56经过空气流通道64导向第二壁58的多个空气流路径82。在空气流通道64内，空气流80在反应管52的外部之间通过并沿着反应管52的外部流动。空气流80通过紧邻于第二壁58的空气流通系统84(例如，见图3，其中示出了空气流通系统84)从反应器26中流出。应该注意到所述空气流和/或空气流路径可以依据所述反应管的构型和/或其用途而改变(例如，可以结合使用多组风扇使所述空气流的方向可以改变(例如，如果与相对长的反应管一同使用，那么沿着所述反应管进行空间分离)等)。同时也应该注意到任何适于将空气或其它气体从所述反应器移走的流通系统均可以使用。

通过反应器26的空气流80的速率与连接到锌-空气液流电池10上的设备或系统的能量消耗相关。总之，为所述装置或系统提供的电流密度越大，从空气中消耗的氧气越多。也就是说，供应给空气电极28的氧气必须足以获得预期的电流密度。如果提供的氧气不足，在反应管52的端部之间可能发生电压降。例如，可以在所述空气流到达第二端之前耗尽了从反应管的第一端流向第二端的空气流中的氧气。在没有氧气的情况下，充电/放电反应不能沿着每个反应管的整个长度发生，从而导致电压降发生。通常地，为了避免在空气流到达所述反应管的远端之前氧气耗尽的情况，应该贯穿所述反应管引导比电化学反应需要的氧气多出二到三倍的空气。然而，应该注意到所述空气流速率过大可能对锌-空气液流电池的容量产生负面影响，因为所述空气流可能增加来自电解液中的水的蒸发速率和暴露于空气电极的CO₂的速率。因此，氧气的供应和空气流对蒸发/CO₂暴露的影响达到预期的平衡。

根据一个示例性的实施方案，可以进一步使用由风扇62供应的空气流80从反应器26移走多余的热量。来自反应器26的热量通过对流传递给所述空气流，该空气流通过流通系统84将加热的空气移出反应器26。通过从反应器26移走多余的热量，在锌-空气液流电池10的放电和充电过程中可以防止高功率水平的过度加热。

根据一个示例性的实施方案，可以将一个或多个过滤器(例如，如在轿车中使用的常规的空气过滤器)与所述风扇结合使用，以从所述空气流和/或所述金属-空气液流电池周围的环境移走灰尘和其它不想要的颗粒。

根据一个示例性的实施方案，CO₂洗涤器可以与所述风扇结合使用。所述CO₂洗涤器移走CO₂或减少暴露于空气电极的CO₂的量。根据一个示例性的实施方案，所述CO₂洗涤器是可更换的CO₂洗涤器(例如，碱石灰)。根据另一个示例性的实施方案，所述CO₂洗涤器是可再生的CO₂洗涤器(例如，通过加热再生的碳过滤器)。

所述风扇62沿着反应管52的外部提供空气流80，同时通过锌-空气液流电池10的反应管52设置给料系统60以提供锌糊料40和氧化锌糊料42的分配和运送。参照图2-6，根据一个示例性的实施方案，给料系统60显示为包括多个导管，该导管包括多个锌入口/出口导管86和一个或多个氧化锌入口/出口导管88、多个用于通过反应管52的通道70移动阳极糊料的机构和一个或多个发动机92，所述机构显示为螺杆或螺旋钻90(例如，阿基米德螺旋泵、螺杆装置等)。

参照图2-4，根据一个示例性的实施方案，在锌-空气液流电池10工作过程中，锌入口/出口86和氧化锌入口/出口88将锌糊料40和氧化锌糊料42移入反应管52中并从中移出。锌入口/出口导管86和氧化锌入口/出口导管88在入口/出口48、50处与储槽24流体连通，并与反应管52流体连通，使糊料40、42在储槽24和反应管52之间游动。

根据一个示例性的实施方案，锌入口/出口导管和氧化锌入口/出口导管显示为由聚合物材料制成或涂覆在聚合物材料中以防止腐蚀(例如，由于电耦合)。根据其它示例性的实施方案，可以使用任何适合于在锌-空气液流电池工作过程中使所述糊料从所述反应管中移入并移出的导管或其它元件。更普遍地，这些导管以及任何锌-空气液流电池的阀门、配件和其它组件(其中所述糊料通过所述锌-空气液流电池移动或所述糊料存储在其中)均用来防止腐蚀、侵蚀、泄露或其它不良机制(例如，通过由塑料制成，通过使用涂层等)，改善所述锌-空气液流电池的贮藏和运行寿命。

根据一个示例性的实施方案，通过给料机构将糊料40、42从储槽24中输送到入口/出口管86、88中。在一个示例性的实施方案中，所述给料机构包括重力阀门给料器(gravitational tap feeder)或泵。根据其它示例性的实施方案，可以使用其它合适的给料机构(例如，泵等)。根据一个示例性的实施方案，将所述给料机构配备为在所述反应管之间均匀地分配所述糊料。

参照图3-6，根据一个示例性的实施方案，将螺杆90配置成通过反应管52移动糊料40、42并帮助将糊料40、42移入储槽24中以及从其中移出。螺杆90显示为装配在反应管52内，大体在第一端部分66和第二端部分68之间延伸，并在第一壁56和第二壁58之间可旋转的连接。在第一方向旋转螺杆90用以通过反应管52将来自紧邻于第一壁56的第一腔体44的锌糊料40向第二壁58输送。在第二方向(与所述第一方向相反)旋转螺杆90用以通过反应管52将来自紧邻于第二壁58的第二腔体46的氧化锌糊料42向第一壁56输送。在反应管52基部110内构造、旋转和/放置螺杆90，是为了施加预期的力和压力以输送(例如，推动、泵抽、移动、引导等)锌糊料40和氧化锌糊料42。根据另一个示例性的实施方案，可以将所述系统配备为使所述螺杆仅在一个方向运行旋转(例如，如下面关于图14的描述，在该方向上所述的同一个储槽既用来填充锌也用来排放锌)。

除了移动所述糊料之外，可以将螺杆90的旋转用来帮助保持锌电极20和电解液22充分地混合和/或为锌糊料40和/或氧化锌糊料42基本维持预期的流动特性(例如，粘度等)。通过帮助将锌糊料40和氧化锌糊料42混合，螺杆90可以帮助保持这些糊料基本均匀。如上面描述的，预期为这些糊料基本均匀以用来提供更多恒定的反应以及其它好处。进一步地，还可以为锌糊料40和/或氧化锌糊料42维持预期的流动特性提供大量好处(例如，限制所述糊料输送时对所述反应管的元件(例如，空气电极)的腐蚀)。

尤其参照图6，根据一个示例性的实施方案，配备螺杆90作为锌糊料40的集电器(即阳极或负极集电器)来发挥作用。螺杆90显示为包括轴体部分94和包括螺纹99的螺旋部分95。轴体部分94由电导材料制成。在示出的示例性的实施方案中，这种电导材料是铟包铜；然而，根据其它示例性的实施方案，可以使用任何适合的电导材料。轴体部分94显示为基本位于所述锌糊料流中部的中心，提供预期的电场分布，并因此提供基本均匀的电流分布。

轴体94显示为包括内部轴体部分(显示为固定棒96)和外部部分(显示为管体97)。固定棒96与锌-空气液流电池10的能量输入/输出装置30连接，不移动并同时与管体97和糊料40、42电连接。轴体94的固定棒96进一步与控制系统98固定连接(将在下面进行更详细地讨论)，提供电接触并将从糊料40、42收集的电流输送到能量输入/输出装置30(即电流从所述糊料流动到管体97，再通过轴承100流到固定棒96，最后流到能量输入/输出装置30)。

根据一个示例性的实施方式，将管体97设置为相对固定棒96旋转并与糊料40、42导电接触。如将在下面更详细讨论的，将管体97与齿轮104(与发动机92连接)连接，用以为管体97提供旋转运动。根据示出的示例性的实施方案，装配多个形成自电导材料的轴承100，用以使管体97相对于固定棒96移动并保持之间的电接触。根据其它示例性的实施方案，任何适于使管体97相对于固定棒96移动而保持之间的电接触的元件或装置都可以用来代替或补充所述轴承(例如，刷子、滚珠轴承、导电粉等)。

参照图6，根据一个示例性的实施方案，螺杆90的螺纹部分95包括显示为大体向外延伸并围绕轴体94的管体97的螺纹99。将螺纹部分95配备为管体97相对于固定棒96旋转，从而驱动或移动糊料40、42。在示出的示例性的实施方案中，螺纹部分95与管体97形成一个整体。因此，管体97的旋转引起螺纹部分95旋转，从而使螺纹部分95驱动或移动糊料40、42。根据其它示例性的实施方案，所述螺纹部分否则可以与所述管体连接。例如，所述螺纹部分的螺纹可以围绕所述轴体的管体并由聚合物材料形成。

根据一个示例性的实施方案，涂层101位于螺纹部分95的螺纹99上(但不在管体97上)。装配涂层101以提供多个好处，此内容将在下面进行更详细地讨论(例如，减轻摩擦、减轻腐蚀等)。根据示出的示例性的实施方案，涂层101包括聚合物材料。根据其它示例性的实施方案，所述螺纹部分和/或螺杆90的其它部分/组分可以由聚合物材料制成(而不是简单地涂覆聚合物材料)。根据再一个其它示例性的实施方案，可以将任何适合的材料(例如，金属、塑料、陶瓷等)用于所述螺杆的螺纹部分。

根据备选的示例性的实施方案，可以使用排除所述螺杆的元件作为锌糊料40的集电器。例如，可以将反应管52的一个或多个层配备作为锌糊料40的集电器。在这些示例性的实施方案中，所述作为集电器的元件通常由具有高氢过电位的金属(例如，铜、黄铜、铟、铟包铜、锌、钯、铋、锡等)制成。

参照图5，根据一个示例性的实施方案，一个或多个发动机92(例如，无刷的DC发动机)使用一个或多个传送带102和多个齿轮104为螺杆90可操作地传递运动。在基本对应于反应管52的第二端部分68的端部，通过焊接、卷曲或其它合适的方法使齿轮104与发动机92的输出轴体以及螺杆90的管体97连接(例如，见图9，其中更清楚地表示与齿轮104连接的管体97的端部)。传送带102与齿轮104相互连接，通过单发动机92使多个螺杆90移动。传送带102包括多个轮齿106，齿轮104包括多个轮齿108。将传送带102的轮齿106装配为与齿轮104的轮齿108啮合，从而使传送带102的运动为齿轮104传递运动。随着发动机92的输出轴体的旋转，与所述输出轴体连接的齿轮104旋转。与发动机92的输出轴体连接的齿轮104的旋转驱动传送带102。由于轮齿106、108之间的相互作用，传送带102的运动使齿轮104旋转，并因此使螺杆90的管体97(并因此使螺纹部分95)旋转。传送带102显示为双侧的(例如，在内侧和外侧均具有轮齿)，然而也可以使用具有其它构型的其它传送带。例如，可以将单侧传送带(例如，仅在一侧具有轮齿)用来配备全部对齐的反应管。根据其它示例性的实施方案，可以使用排除齿轮和传送带或补充齿轮和传送带的元件以驱动所述给料系统。根据一个示例性的实施方案，传送带102和齿轮104位于支撑所述管体定位的外壁上。

螺杆90的旋转速度与锌-空气液流电池10的放电速率相关。总之，所述螺杆的旋转速率越大，锌糊料40和/或氧化锌糊料42通过反应管52输送的速度越快。进一步地，所述锌糊料40和/或氧化锌糊料42通过反应管52传输的速度越快，反应速率越大。更进一步地，反应速率越大，相应的充电/放电的速率越大。因此，可以通过调整发动机92旋转驱动螺杆90的速度来调整所述锌-空气液流电池10的充电/放电速率。根据其它示例性的实施方案，大体预期为通过反应管52，给料系统60沿着整个长度方向以恒定的速度传输糊料40、42，同时螺杆90转动(并因此传输所述糊料)的速率可以变化。

根据一个示例性的实施方案，反应管52包括放置在至少两个保护层之间的空气电极28。根据一个示例性的实施方案，图6更详细地显示锌-空气液流电池10的反应管52。根据一个示例性的实施方案，反应管52显示为具有层状的构型，其包括内管或基部110、隔离件112、空气电极28和外管或保护套114。基部110显示为反应管52的最内层，保护套114显示为反应管52的最外层并限定了反应管52的外表面。其它所述层显示为基本位于基部110和保护套114之间并与其二者同轴。

参照图6，根据一个示例性的实施方案，基部110基本限定通道70(显示为沿着反应管52的纵轴116延伸)，并为反应管52的外层提供支撑(例如，机械固定)，所述反应管52的外层围绕并连接于基部110设置。当锌糊料40和氧化锌糊料42通过锌-空气液流电池10的反应器26传输时，反应管52的通道70承装锌糊料40和氧化锌糊料42。通道70(例如，渠道、导管等)显示为基本在反应管26的锌入口/出口76和氧化锌入口/出口78之间延伸。氧化锌入口/出口78显示为紧邻于反应管52的第一端部分66设置，用以将氧化锌糊料42输送到反应管52的通道70中并从其中输送出来。锌入口/出口76显示为紧邻于反应管52的第一端部分66设置，用以将锌糊料40输送到反应管52的通道70中并从其中输送出来。

根据一个示例性的实施方案，基部110还包括多个开口118。将开口118(例如，开孔、孔洞等)配置为使流体通过基部110流动(例如，输送、扩散、分配等)。如上面描述的，将空气电极28基本设置在基部110的外部，并且糊料40、42意于通过通道70内部流到基部110。因此，凭借通过基部110延伸，将开口118配置为使电解液22(也可能是其它流体)通过基部110并在阴极和阳极材料之间流动，促进了反应器26内的锌电极20和空气电极28之间的电化学反应。

根据一个示例性的实施方案，将基部110配置为使锌糊料40和/或氧化锌糊料42在隔离件112和空气电极28上的腐蚀效应最小化。在没有基部110的情况下，随着通过通道70给料，锌糊料40和/或氧化锌糊料42将与隔离件112和/或所述空气电极直接接触。这种直接接触将导致这些反应管52组件腐蚀(例如，由于之间的摩擦和导致的剪应力)，缩短反应管52的寿命并可能是锌-空气液流电池10本身的寿命。因此，通过将基部110大体放置在反应管组件的外部(例如，隔离件112和空气电极28)和锌糊料40(和/或氧化锌糊料42)之间，将锌糊料40(和/或氧化锌糊料42)和一些其它反应管组件之间的不希望的接触最小化或完全消除。

另外，基部110可以由意于帮助最小化腐蚀的一种或多种材料制成。例如，在示出的示例性的实施方案中，基部110显示为由塑料制成。使用塑料帮助将摩擦力和剪应力最小化，并因此将腐蚀最小化(例如，由于塑料相对低的摩擦系数等)。如将在下面进行更详细描述的，塑料也将提供如下好处，但不限于帮助避免由于电耦合产生的腐蚀并促进气体从所述反应管中移走。根据另一个示例性的实施方案，所述基部可以是涂塑的(例如，涂塑铝)。根据另一个示例性的实施方案，所述基部可以由任何帮助最小化或避免侵蚀和/或腐蚀(例如，给出高氢过电位的金属(例如，铜、黄铜等)以减轻由于锌形成的氢气的腐蚀)。

参照图6，根据一个示例性的实施方案，隔离件112基本围绕基部110并至少部分沿着反应管52的纵轴116延伸。将隔离件112配置用来防止反应器26短路。隔离件112显示为设置在空气电极28和锌电极20之间并由塑料制成。在一些示例性的实施方案中，隔离件112由聚丙烯或聚乙烯制成，将该聚丙烯或聚乙烯处理为具有填充电解液的亲水性孔洞。在其它示例性的实施方案中，所述隔离件由任何配置用来防止所述反应器短路的材料和/或包括亲水性孔洞的材料制成。根据一个示例性的实施方案，所述隔离件由聚丙烯制成，其提供了好的稳定性和好的润湿能力(即相对于电解液)。根据一些示例性的实施方案，可以使用其它的塑料。根据再一个其它示例性的实施方案，可以使用任何基本可以被电解液润湿(例如，吸收所述电解液)的材料(例如，陶瓷隔离件等)。

参照图6，根据一个示例性的实施方案，空气电极28显示为基本管状的，基本围绕隔离件112并至少部分沿着反应管52的纵轴116延伸。空气电极28是二次空气电极，将该空气电极设置为在锌-空气液流电池10放电过程中电流通过其流出的电导体(即所述空气电极的外管由如金属的电导材料形成，并表现为集电器)。空气电极28可以包括一个或多个层。在示出的示例性的实施方案中，所述空气电极包括活性层和气体扩散层。根据其它示例性的实施方案，所述空气电极可以包括其它层的结合(例如，活性层、气体扩散层、氧气析出层和氧气还原层)。

根据一个示例性的实施方案，空气电极28的组成物使管状空气电极产生。所述空气电极28包括用以提高空气电极28的机械强度的粘合剂120，其同时维持了氧气的相对高的扩散速率(例如，与更多传统的空气电极相比)。根据一个示例性的实施方案，粘合剂120包括聚四氟乙烯(“PTFE”)粘合剂。根据其它的实施方案，粘合剂120可以包括但不限于在碱性环境中疏水的且稳定的聚合物和/或其它材料；这些材料可以单独使用或结合使用。

粘合剂120可以提供充足的机械强度以使空气电极28以多种方式形成，其包括但不限于粘贴、按压、使用电热板、压延等。根据一个示例性的实施方案，空气电极28形成于平的薄片上并然后绕着基部110和隔离件112包裹(例如，形成等)成管状形状。由粘合剂120提供的相对高的机械稳定性使这种包裹在基本没有破裂形成的情况下产生。为了在所述管状构型中维持空气电极28，将所述空气电极薄片的邻接的边沿连接，形成接缝(例如，通过粘合，通过焊接等)。根据其它示例性的实施方案，可以将所述空气电极配置用来与非管状的反应导管(例如，所述导管具有椭圆形的横截面、具有多边形横截面等)对应，或否则形成使锌糊料和氧化锌糊料通过其输送的形状。进一步地，所述反应管显示为具有恒定的半径和横截面，在其它的实施方案中，所述反应管的半径和/或横截面可以沿着纵轴变化。

由于并入粘合剂120而提高的空气电极28的机械强度可以进一步减少通过锌-空气液流电池10的流体的腐蚀效应。粘合剂120导致具有光滑表面和相对紧密粘合(例如，在所述粘合剂和碳之间)的空气电极形成。由于增强的粘合性能，所述光滑的表面和紧密的连接可以使空气电极28基本不移除碳，因而减轻了腐蚀。所述粘合剂部分地涂覆碳并在所述空气电极上限制所述腐蚀效应，所述腐蚀效应可以由流动和气体析出引起。

所述空气电极28的表面积基本与其倍率性能(rate capability)成比例。因此，可以提高或降低空气电极28的表面积，用以帮助实现预期的放电/充电速率和/或实现预期的功率密度。在示出的示例性的实施方案中，利用空气电极28的长度与其周长相乘来计算空气电极28的表面积。因此，可以增加所述空气电极的长度和/或周长来适应较高的电流密度/较大的负载量。

如上面讨论的，预期为沿着所述反应管的长度方向具有平直的放电曲线，以使贯穿所述反应管的长度方向从一端到另一端的电压降最小化。如果在离开所述反应管之前所述糊料完全放电，所述反应管的一部分将不会发生反应。之后，伴随着较少的空气电极表面积发生反应。同时也伴随着产生的电压降将导致所述反应管以相对低的电压放电，所述相对低的电压可能导致对所述空气电极的损坏。

根据一个示例性的实施方案，与很多常规的电池相比，并不是必须针对能量存储将所述空气电极和所述反应管(所述空气电极在其中使用)进行优化。所述锌-空气液流电池10的结构使能量存储和能量转化分离。因此，用于锌-空气液流电池的空气电极的设计可以集中于将其循环寿命、效率和功率优化和/或提高。

根据一个示例性的实施方案，空气电极28可以还包括以膜或薄膜形式邻接于所述反应管的孔洞装配的硅氧烷层(未显示)。所述硅氧烷层对氧气具有选择性，并使输送到所述反应管中的水蒸气和二氧化碳减少。所述硅氧烷层的一个优势特征是可以表现为防止从锌-空气液流电池10中溢出和/或干掉。所述硅氧烷层可以由任何数量的种类和/或形式的硅氧烷制成。在一个示例性的实施方案中，所述硅氧烷层包括来自德国慕尼黑的瓦克集团(Wacker Chemie AG)的硅氧烷Geniomer

80。在其它示例性的实施方案中，所述硅氧烷层可以与其它层(例如，所述气体扩散层)结合使用，以实现预期的对用于锌-空气液流电池10的氧气的选择性、水蒸气的处理和二氧化碳的处理。

参照图6，根据一个示例性的实施方案，所述保护套或护罩114基本围绕空气电极28并至少部分沿着反应管52的纵轴116延伸。将保护套114配置用来保护/防止对空气电极28的损坏，并作为空气电极28的集电器(可以将其与能量输入/输出装置30电连接)，和/或抗腐蚀。保护套114包括多个安装以使流体通过其流动从而与空气电极28发生反应的开口122。气体(例如，空气和/氧气)可以通过开口122进入反应管52并向通道70流动(例如，扩散、分配等)。类似地，气体(氧气和二氧化碳)可以流动远离通道70并通过开口122从反应管52流出。在示出的示例性的实施方案中，保护套114由镍包钢制成。在其它示例性的实施方案中，所述保护套可以由镍、不锈钢、铜或其它任何导电金属或对所述电解液的材料带有至少一些抵抗性的合金制成。

参照图2-4和6，所述反应管52的管状构型使空气电极28相对容易组装并使其安装得基本无泄漏。泄露可能导致阻抗增加，增大了容量损失并缩短了锌-空气液流电池10的寿命。泄露也可能损坏周围的设计。

管状构型帮助防止泄露的一种方式是通过将用于阳极和阴极的集电器有计划地放置以使泄露最小化。对于空气电极28，所述管状结构使所述集电器放置在反应管52的外部或紧邻于反应管52的外部。如果将所述集电器放置在所述空气电极的内部，那么使所述集电器(这里指保护套)基本位于空气电极28的外部基本避免了任何可能发生的泄露。

对于锌电极20(如上面解释的，将其并入所述糊料中)，所述轴体部分94的管状构型使所述集电器基本并入反应管52内(例如，如上面讨论的，在螺杆90的固定棒96处，所述轴体部分94包括在内部带有固定棒的空心管，在所述螺杆转动时该空心管使触针(contact pin)保持固定)。通过将用于所述锌电极20的集电器并入反应管52内，可以省去触针(在常规电池中使用)。因此，可以避免通常与这些触针相关的泄露。

所述反应管52的管状构型还帮助避免泄露，因为在所述管体和给料口之间使用了圆柱形密封件。压力基本分布在所述圆柱型密封件上。这样，会存在较少的更易受泄露影响的密封的相对薄弱的部分。

所述管状结构的其它好处包括但不限于增强的空气电极对压力、腐蚀和溢出的抵抗性(例如，在输送锌糊料40和氧化锌糊料42的过程中等)。例如，与如果将所述空气电极装配为平板相比，所述空气电极的管状构型使锌糊料带有较少摩擦流过通道70，因此导致其内部相对小的腐蚀。所述圆柱形反应管52的层状构型使提供机械稳定性的元件/层并入并帮助提供了增强的抗压能力(例如，基部110)。

参照图2-3和6，可以至少部分基于空气电极28的每单位表面积的反应速率选择每个反应管52的预期长度。如上面描述的，大体情况是空气电极28的表面积越大，其倍率性能越强。然而，随着氧气沿着反应管52的长度方向流动，消耗了来自空气流80的氧气。为了保持沿着空气电极28表面的基本恒定的反应速率(例如，避免如上面描述的电压降)，可以调节沿着反应管52引导的氧气的量(例如，改变所述空气流的速率)或可以调节反应管52的长度。由于沿着反应管52引导的氧气的量不能无限增加，因此有必要限制反应管52的长度。

参照图2-3和6，同时也可以至少部分基于糊料40、42的流动性能选择反应管52的预期长度。预期为以恒定速率沿着反应管52的整个长度，使给料系统60通过反应管52输送糊料40、42。随着反应管52的长度增加，保持所述糊料40、42为恒定的输送速率通常变得更难。以给料系统60为例，所述螺杆90可能受到刚度的限制。换句话说，由于挠曲或弯曲，在螺杆90的一端的转动速率可以不同于在螺杆90的另一端的转动速率。这种挠曲或弯曲可能由螺杆90和糊料40、42之间的相互作用导致。总之，较低粘度的糊料将为所述螺杆提供较低的旋转阻力。然而，较低粘性通常包括较少的锌阳极材料并且不能提供预期的容量。同时也应该注意到较窄的管体(即带有相对小的横截面的管体)也可能使所述糊料的输送更困难。因此，可能要求更复杂的给料系统以实现预期的放电速率。

根据一个示例性的实施方案，每个反应管52与其它串联的或平行的反应管52电连接，并被装配为当电路打开时/在放电过程中在一个电压范围内传递电压(例如，每个管体为约0.6-1.4V等)。类似地，在放电过程中，跨越每个反应管的电压可以在基本较高的电压范围内下降(例如，每个管体为约1.7-2.3V等)。充电电压范围的上限可能受到反应过程中氢气析出的限制；这种析出可能降低该反应的效率。根据其它示例性的实施方案，可以将所述反应管平行连接以用来为给出的用途传递预期的电压。

根据一个示例性的实施方案，图7-9显示一个反应管52的横截面与一个在其中设置的螺杆90组装。如上面提到的，可以将所述糊料40、42配置用来保持预期的流动性能，同时提供锌-空气液流电池10运行过程中相对高的容量。应该注意到图6中显示的螺杆的横截面和图7-9中显示的螺杆的横截面是可互换的。

通常，通过调节电解液22与锌电极20的比例可以调节锌糊料40和/或氧化锌糊料42的粘性。每单位重量的电解液22与锌电极20的比例越高，所述糊料的粘性和密度越低。较低粘性的糊料流动较容易(例如，在所述糊料和所述反应管之间产生较小的摩擦力和剪应力)。较低粘性的糊料也通常使锌电极20更好用。然而，由于在所述糊料中的锌电极20较少，因此比容量可能相对低。在一些情况下，所述比容量不可能适合于预期的应用。相反，每单位重量上电解液与锌糊料的比例越小，所述糊料的粘性和密度越大。随着流过所述反应管，粘性较大的糊料产生较大的摩擦力和剪应力。同时，尽管事实上粘性较大的糊料的利用率可能比不上粘性较小的糊料，但是粘性较大的糊料趋于提供较高的比容量/电化学存储能力(例如，以安培小时计)。

所述锌糊料40和氧化锌糊料42可以成功地用在多种密度中。根据一个示例性的实施方案，所述糊料的密度可以在约0.5-5g/ml的范围内。如上所述，较稠密的糊料基本提供较大的电化学存储容量(例如，以安培小时计)。

参照下面的表1，根据一个示例性的实施方案，示出了锌糊料的示例性的实施方案的容量测试结果。测试了包括购买自德国杜伊斯堡格里洛集团(Grillo-Werke AG)的锌(GHN-10-0/500Pb/300Bi/300In)的三个不同的密度的糊料。使用包括KOH和羧酸的电解液(例如，用以帮助防止锌阳极材料沉淀)。

表1

锌糊料密度(g/ml)	比容量(Ah/g)	体积比容量(Ah/ml)
			2.0	0.45787	2.15
3.0	0.65584	1.967
			4.7	0.5887	1.17

对于测试的糊料，这种糊料的结果显示其具有约3.0g/ml的密度，该值提供最好的整体性能。所述3.0g/ml的糊料提供了最高的比容量(0.65584Ah/g)和次高的体积比容量(1.967Ah/ml)。进行的其它测试证实了3.0g/ml的糊料也将提供好的流动性能。例如，在约28Pas的粘度下，测试3.0g/ml的糊料具有约2l/s的剪切率。

可以针对在其中使用糊料的反应管将糊料进行基本优化(例如，考虑到横截面、长度等)。根据一个示例性的实施方案，可以将基本优化的锌糊料与反应管(例如，具有低腐蚀设计)共同使用，以获得与一次锌电池在基本相同范围的利用率(80-90％)。这种效果例如由上面表1中讨论的3g/ml糊料的测试结果证实。如表1中显示的，所述糊料为3.0g/ml的糊料提供了大于655mAh/g的容量，其对应于约73％的利用率(与理论的816mAh/g相比)。

根据一个示例性的实施方案，在锌-空气液流电池10的使用过程中或多次使用之间可以调节所述糊料的密度和流动特性。例如，可以通过填充孔洞(例如，在储槽24中)将流体(例如，电解液或水)加入。然后，通过反应器26可以使用混合装置以实现糊料的均匀给料。同时也应该注意到可以将糊料移走并用新的或不同批次的糊料来代替。

参照图8，根据一个示例性的实施方案，示出了在所述锌-空气液流电池10工作过程中的一个反应管52。在工作过程中糊料40、42通过反应管52的输送为锌-空气液流电池10提供多个寿命延长和性能提高的好处。

首先，如上面讨论的，通过使电解液22和锌电极20(包含在糊料40、42中)对环境的暴露降低的方法将糊料40、42输送到储槽24中并从其中输送出来。

第二，随着通过反应管输送糊料40、42减少或防止了形状改变和枝晶。对于二次锌基电池，锌电极的枝晶或形状改变是基本的寿命循环限制因素中的一个。所述锌电极的高功率容量至少部分由所述电解液中锌酸盐和/或其它锌盐(例如，碱性介质)的形成引发；所述锌酸盐帮助防止在锌上形成起负面作用的薄膜。在常规的二次锌基电池中，由于流体电解液中锌酸盐的迁移率是高的，因此在空气电极和锌电极之间的相间(inter-phase)的锌酸盐浓度随着放电深度增加而增加。当达到饱和状态时，氧化锌形成。氧化锌的形成和溶解对于为所述锌电极充电来说是速率决定步骤。由于充电时氧化锌的溶解速率低，在相间的锌酸盐将发生反应(尤其对于高速率充电)，这种在相间的锌沉积导致枝晶的形成。应该注意到从锌变为氧化锌的不均匀的电流分布、重力效应和密度改变也可以使所述锌电极内部发生形状改变。

在示出的锌-空气液流电池10中，通过所述锌反应的微观定位基本防止枝晶的形成。随着通过反应管52输送糊料40、42，减少了锌酸盐的浓度梯度的形成。通过减小锌酸盐的浓度梯度，可以基本防止所述枝晶的形成。随着所述糊料通过反应管52的通道70移动，基本防止了任何形成的枝晶稳定化。防止枝晶稳定帮助将内部短路的危险最小化。

进一步地，随着所述糊料基本继续利用螺杆90混合，形状变化减少了。事实上，在糊料40、42中的锌和氧化锌之间的密度改变可以由施加的流动过程(即如上所述的给料系统60的运行)来控制。可以将所述施加的流动过程设置为基本与重力效应反向。每次通过时，根据放电深度的不同，将锌和氧化锌的混合物输送返回所述储槽中。所述糊料的高粘性限制了具有改变密度的糊料的混合或沉淀。注意到可以将所述储槽设置为如附图中所示的或可以如上面所描述的仅包括单独的储槽。

第三，所述糊料40、42通过工作过程中的反应管52的输送基本移走任何非预期形成的气体。锌-空气电池内部的气体的形成对所述系统的运行寿命是有害的。由于锌腐蚀形成的氢气将降低所述电池的贮藏寿命，并且在所述电池充电过程中形成的氢气将降低充电效率。在所述电极之间的相间的气核(gas nucleation)可以引起电流不均匀分布，导致枝晶形成、容量降低以及基本使之不能参与进一步充电和放电反应的干斑(dry spot)形成。气体的形成既可以发生在空气电极中也可以发生在锌电极中。对于空气电极，在充电过程中形成氧气。在适中的电流密度下，氧气通过构造的疏水通道从所述空气电极中排出。伴随高功率充电，在所述相间形成氧气的危险增加。应该注意到氧气的形成是充电反应的一部分并且不会像在锌电极形成的氢气那样使效率或贮藏寿命降低。从锌电极获得低氢气形成率以增加贮藏寿命和充电库伦效率(chargecolumbic efficiency)可以通过使用如铋和铟的合金元素来实现。如铟的高氢过电位金属由于其提高了氢气析出的电压而抑制了氢气形成。这样当所述电极处于充电电压时，保持了高氢过电位。

参照图8-9，根据一个示例性的实施方案，所述螺杆90的螺纹部分95的直径显示为稍大于反应管52的最内层的内部直径(基部110)。当螺杆90旋转时，所述螺纹部分95紧贴基部110推动，使基部110和空气电极28挠曲(例如，呈现波状形式)。随着螺杆90紧贴基部110推动，迫使成核的气体(例如，气泡124)朝向基部110并通过形成于反应管52表面的开口118从反应管52中出来。当所述糊料回到储槽24中，所述成核的气体容易从中排出(通过作为所述储槽的一部分装配的排气阀；作为备选方法，所述储槽中的复合催化剂可以使氧气和氢气结合形成水，这样可以有利地帮助减少所述系统中水分流失)，帮助提高了锌-空气液流电池10的功率、效率和循环性能(例如，通过防止并减少可能增大电阻的干斑(气体导致的)等)。

参照图10-11，根据一个示例性的实施方案，将讨论在放电过程中的锌-空气液流电池10的运行。

在放电过程中，所述锌糊料40通过锌入口/出口48从第一腔体44给料，并在反应管52之间分配。螺杆90以第一方向旋转，将所述锌糊料40从紧邻于每个反应管52的第一端部分66向第二端部分68输送。通过空气流通道64由风扇62引导所述空气流80，并通过保护套114的开口122将其至少部分承装在反应管52中，如空气流路径82所示，所述空气流80流向通道70。在空气电极28中将来自空气流80的氧气转化成氢氧根离子；这个反应基本包括用以生成氢氧根离子的氧气还原和电子消耗。然后，所述氢氧根离子在反应管52的通道70内向锌糊料40中的锌电极20迁移。所述氢氧根离子导致锌氧化，释放电子并提供能量。

由于与所述氢氧根离子的相互作用，所述锌糊料40在反应管52内转化成氧化锌糊料42并释放电子(例如，见图10，其中示出了此转化)。随着螺杆90在第一方向继续转动，将所述氧化锌糊料42继续向第二壁58输送。最终将所述氧化锌糊料42从反应管52经过氧化锌入口/出口50沉积在储槽24的第二腔体46中。

参照图12-13，根据一个示例性的实施方案，将讨论充电过程中锌-空气液流电池10的运行。

如上面讨论的，所述锌-空气液流电池10是可再充电的，其可以通过开发可再充电的金属-空气电极制成。在充电过程中，氧化锌糊料42转化或再生回锌糊料40。将所述氧化锌糊料42从第二腔体46给料并通过给料系统60在反应管52之间分配。所述螺杆90在第二方向上转动(即与其在放电过程中转动相反的方向)，将所述氧化锌糊料42从紧邻于每个反应管52的第二端部分68向第一端部分66输送。随着电子的消耗和存储，氧化锌糊料42减少以形成锌糊料40。氢氧根离子在空气电极28中转化为氧气，将氧气加入到空气流80中。如空气流路径82所示，该氧气从反应管52经过保护套114的开口122紧邻于通道70流出。

大体参照图2-13，根据一个示例性的实施方案，所述锌-空气液流电池10包括控制系统98。所述控制系统98提供了至少两个基本功能。第一，控制系统98控制了锌-空气液流电池10的机械部分。第二，控制系统98控制了锌-空气液流电池10的电学部分。

根据一个示例性的实施方案，由控制系统98控制的锌-空气液流电池10的机械元件包括空气流系统(包括风扇62)、给料系统60(例如，螺杆-将糊料40、42从储槽24引导进入反应管52中并从中引导出来的给料机构)以及在储槽24内糊料40、42的混合。例如，所述控制系统98可以调节所述空气流的速率或所述螺杆转动的速率，从而调节反应速率。

由控制系统98控制的锌-空气液流电池10的电学方面/元件包括电流和电压的充电/放电控制、用于多管系统的电池单体(cell)平衡、过充电和过放电控制以及充电状态和所述储槽中Zn浆料的寿命的监控。例如，锌-空气液流电池10可以“按需要”放电和充电。在一个示例性的实施方案中，所述液流电池可以响应信号或其它引发器(例如，传感器)来活化以释放存储在其中的能量，或将其再充电以补充存储在其中的能量。通过调节所述控制系统中的电压实现放电和充电。对于所述系统中每个单独的管体，将电压降低到开路电位以下将使所述电池放电，而将电压升高到开路电压以上将使所述电池充电。在一些示例性的实施方案中，将所述控制系统98配置成使锌-空气液流电池10与给出的利用恒定电压功率曲线的系统和/或装置合并。在这些实施方案中，锌-空气液流电池10递送基本恒定的电压。在其它的实施方案中，可以将锌-空气液流电池10的控制系统98并入到具有不稳定电压曲线的系统(例如，具有脉动电压的系统和/或装置)中。在这些实施方案中，锌-空气液流电池10可以传递变化的电压和/或进一步与二次电池组或超电容器合并以处理脉动性能。

可以将一个或多个传感器(例如，传感器126)包括在控制系统98中或与其共同使用，用以提供与其相关的控制和/或监控。例如，配备传感器126以提供响应所述系统和/或装置(与锌-空气液流电池10合并)的功率要求的信号，并从而帮助控制锌-空气液流电池10的放电和/或充电速率。可以将其它传感装置配置为用来监控任何数量的参数、电解液(例如，KOH)浓度、空气压、温度、和/或湿度水平，并提供信号或与数据测试对应的其它响应。例如，所述传感器可以是确定所述储槽中电解液的氢氧根浓度的pH计，从而提供保持所述锌-空气液流电池的运行寿命的指示。同时，其它传感装置可以提供液位计(level indicator)以确定充电和放电状态。根据一些示例性的实施方案，通过这些或其它传感器可以提供多个这些种功能或其它监控/传感功能。

根据一个示例性的实施方式，对于一些运行过程，机械控制与电学控制相互作用。例如，当从放电进入长期闲置或关闭时，所述机械控制将可以确保为了安全存储将所述锌糊料泵抽入所述储槽中，并确保使所述储槽与所述反应管连接的阀门关闭。同时，为了所述反应管的环境保护，可以停止所述风扇并关闭摄入空气的入口阀。当从低功率进入高功率状态时，可以增加所述空气流以给出用于反应的充足的氧气，并且将所述给料系统的螺杆的旋转速度提高，以确保通过所述反应管的锌的放电水平恒定。

根据一个示例性的实施方案，所述锌-空气液流电池10是模块化的并且在很多领域客户化。如上面描述的，由锌-空气液流电池10存储的能量(以及可以提供的功率)的量与储槽24的容量以及所述糊料40、42的电化学容量有关。因此，可以将所述糊料的电化学容量和所述储槽的尺寸和/或数量选为理想的数值。进一步地，可以通过增加或减少反应管52的数目来调节充电或放电的速率。更进一步地，可以将多个锌-空气液流电池互相连接并结合使用，以满足一组功率和能量存储参数。

参照图14，示出了作为锌-空气液流电池210显示的金属-空气液流电池的另一个实施方案。

类似于锌-空气液流电池10，所述锌-空气液流电池210显示为闭路系统，其包括锌电极220、电解液222、显示为储槽或储室224的一个或多个存储装置、具有一个或多个空气电极228的反应器226和功率输入/输出装置230。

根据一个示例性的实施方案，同样类似于锌-空气液流电池10，所述锌-空气液流电池210的锌电极220和电解液222(例如，氢氧化钾“KOH”或其它OH^-源)结合(例如，混合、搅拌等)形成了锌糊料240，所述锌糊料240作为锌-空气液流电池210的反应物。将所述反应物(例如，活性材料等)设置为输送(例如，给料、泵抽、推动、施力等)到所述反应器226中并从其中输送出来。当锌-空气液流电池10放电时，将锌糊料240输送进入反应器226中，并在锌糊料240与氢氧根离子(空气电极228与来自空气的氧气反应产生)反应之后将氧化锌糊料242从反应器226中输送出来。当锌-空气液流电池10充电时，将氧化锌糊料242输送到反应器226中并在所述氢氧根离子转化回氧气后将锌糊料240从反应器226中输送出来。根据其它示例性的实施方案，可以将所述锌电极和电解液以浆料、颗粒或其它本领域熟知的形式结合。

根据一个示例性的实施方案，与锌-空气液流电池10相比，储槽224仅包括单空腔244(例如，储室等)，其中存储了锌糊料240和氧化锌糊料242。所述糊料240、242从储槽的出口248出来并进入基本与出口248相对的入口250。

根据一个示例性的实施方案，配备给料系统260以通过多个反应器226的反应管252输送糊料240、242。在运行过程中，多个给料系统260的螺杆(类似于螺杆90)将所述糊料从每个反应管252的第一端部分266向每个反应管252的第二端部分268输送。给料系统260的组件基本类似于给料系统60的组件，在充电和放电过程中，将锌-空气液流电池210的糊料240、242在同一个方向(即从每个反应管252的第一端部分266向每个反应管252的第二端部分268)给料。即所述给料系统260以基本单向的方式运行。

参照图14，根据一个示例性的实施方案，将讨论放电和充电过程中锌-空气液流电池10的运行。

在放电过程中，将锌糊料240通过出口248从腔体244给料并将其分配在反应管252之间。所述螺杆在第一方向转动，将锌糊料240从紧邻于每个反应管252的第一端部分266向第二端部分268输送。空气流280由多个风扇通过多个限定在反应管252之间的空气流通道264引导。通过多个反应管252的保护套314的开口将空气流280至少部分地承装在反应管252中。将来自空气流280的氧气转化为空气电极228的氢氧根离子；这个反应基本包括用以制备氢氧根离子的氧气还原和电子消耗。然后，在反应管252的通道270内，氢氧根离子向锌糊料240的锌电极220迁移。所述氢氧根离子使锌氧化，释放电子并提供能量。

由于与氢氧根离子的相互作用，在反应管252内锌糊料240转化为氧化锌糊料242并释放电子(例如，见图10，其中示出了这种转化)。随着所述螺杆在所述第一方向上继续旋转，所述氧化锌糊料242向所述第二壁58继续输送。最终，使氧化锌糊料242从反应管252输送经过入口250并在储槽224的腔体244中沉积。

应该注意到不是所有的锌糊料240都可以单程通过反应管252转化为氧化锌糊料242。因此，在通过反应管252被输送后，部分转化的糊料沉积回到腔体244中。基本预期为通过反应管252将锌糊料240、242继续循环，直到更多的锌糊料240转化为氧化锌糊料242。当锌糊料240充分转化为氧化锌糊料242时，通常将发生电压降。类似于上面对关于锌-空气液流电池10的讨论，可以利用传感器监控这种电压降的存在。

根据这个示例性的实施方案，一旦检测到电压降，空气流280将停止并且将施加充电电压(例如，如上所述，使用如功率输入/输出装置30的输入/输出装置)。在充电过程中，氧化锌糊料242转化或再生回锌糊料240。将氧化锌糊料242通过出口248从腔体244给料，并在充电过程中由给料系统260将其分配在反应管252之间。所述螺杆继续在第一方向(即与其在放电过程中旋转的相同方向)旋转，将氧化锌糊料242从紧邻于每个反应管252的第一端部分266向第二端部分268输送。随着电子的消耗和存储，氧化锌糊料242还原形成锌糊料240。氢氧根离子在空气电极28中转化为氧气，将氧气加入到空气流280中。该氧气从反应管252流出，经过保护套314的开口，并紧邻于通道270流出。

类似于锌糊料240到氧化锌糊料242的转化，氧化锌糊料242不可能单程通过反应管252完全转化为锌糊料。因此，在被通过反应管252输送之后，部分转化的糊料可以沉积回到腔体244中。基本预期为通过反应管252继续循环糊料240、242，直到更多的氧化锌糊料242转化为锌糊料240。

下面将讨论可以与锌-空气液流电池10、锌-空气液流电池210以及任何其变形一起使用的其它示例性的反应管。

参照图15，其中示出的是作为反应管的备选实施方案的反应管410。所述反应管410包括设置在至少两个保护层(显示为基部414和保护层416)之间的空气电极412。

与空气电极28、228不同，空气电极412显示为具有两个隔离的部分或层，针对氧气析出反应和氧气还原反应中的一个将每个层进行优化。也就是说，氧化析出反应和氧气还原反应不会发生在基本单一的空气电极中。相反，这些反应是分离的；一个反应发生在空气电极的第一部分(显示为氧气还原层420)中，另一个发生在空气电极412的第二部分(显示为氧气析出层422)中。

根据一个示例性的实施方案，所述反应管410还包括第一隔离件424、第二隔离件426和配置用来输送包括锌电极和电解液的糊料的中部通道428。类似于隔离件112，配置第一隔离件424以防止反应器短路。所述第一隔离件424显示为位于空气电极412和所述锌电极之间，并由塑料制成。所述第二隔离件426显示为位于空气电极412的氧气还原层420和氧气析出层422之间，提供帮助将这些层分离的功能。

根据一个示例性的实施方案，所述氧气还原层420显示为位于氧气析出层422的外部。如图15所示，氧气还原层420位于保护套416和第二隔离件426之间。在这种位置关系下，通过保护套416的多个开口436进入反应管410的氧气可以更易进入氧气还原层420，促进氧气转化为氢氧根离子。

根据一个示例性的实施方案，所述氧气析出层显示为位于第一隔离件424的外部，但位于第二隔离件426的内部。在这种位置关系下，在充电过程中，所述氧气析出层可能更易阻止氢氧根离子离开金属阳极，促进氧气析出反应。

应该注意到可以将给料系统60或与其类似的给料系统与反应管410一同使用；然而，根据其他示例性的实施方案，可以使用其它适于通过反应管410移动或输送糊料的给料系统。同时也应该注意到可以利用基本类似于将成核气体从反应管52移走的方式将其从反应管410移走。

参照图16，反应管的备选的实施方案显示为反应管510。

根据一个示例性的实施方案，反应管510包括内管512和外管514。所述内管512显示为具有层状结构，该结构包括四层，从反应管510的纵轴516起向外延伸，分别是保护套520、空气电极524、隔离件524和基部526。类似地，所述外管514显示为具有层状结构，该结构包括四层，从纵轴516其延伸开去，分别是基部530、隔离件532、空气电极534和保护套536。换句话说，从纵轴516移走，所述外管514的层是内管512的层的镜面。

根据一个示例性的实施方案，所述内管512基本与外管514同轴心并与其有一段距离，从而限定了所述两者之间的环形通道540。将环形通道540(例如，通道、导管等)构造用来承装阳极糊料(例如，锌糊料和/或氧化锌糊料)。类似于反应管52，随着所述糊料移动通过环形通道540，所述糊料意于与内管512和外管514的基部526、530接触。应该注意到意于由并不是给料系统60的给料系统将所述糊料给料或移动通过环形通道540。例如，可以将泵抽型给料系统与反应管510一同使用。

同时也类似于反应管52，空气流544意于沿着反应管510导入，从而使氧气通过保护套520、536上的多个开口546进入。在示出的示例性的实施方案中，意味着将空气引导通过由内管512限定的中心通道548并沿着外管514的外表面。

这种构型提供了多种好处，包括但不限于由于空气电极522、534的表面积增大而提供了较高的功率输出。应该注意到：根据其它示例性的实施方案，可以使用对于内管和外管的其它合适的层的方案。然而，预期为所述层的方案提供相对大的空气电极表面积。这样，所述空气电极可以帮助提供相对的高倍率性能/功率密度。

下面将讨论金属-空气液流电池的一些额外的应用。

金属-空气液流电池可以提供能量存储和转化，以用于调峰、负载均衡和后备电源供应(例如，用于可再生能源，如风能、太阳能和波能)。所述液流电池可以使与能量产生相关的释放(例如温室气体)降低，并意于在提高公共事业部门效率的方面上使用。

图17显示用于智能电网系统600中的金属-空气液流电池610的一个示例性的实施方案。所述金属-空气液流电池610显示为通过DC/AC连接器614与电网612连接，并通过AC/DC连接器618与可再生能源616连接。所述金属-空气液流电池610使金属存储在第一腔体620或金属存储腔体中，并使金属氧化物存储在第二腔体622或金属氧化物腔体中。

将金属-空气液流电池610配置为存储由可再生能源616(例如，风车、太阳能板等)产生的能源。以设置在第一腔体620内的金属糊料的形式，将由可再生能源616产生的能量存储在金属-空气液流电池610中。通过响应发送到金属-空气液流电池610并显示需要能量的信号或其它引发器，将金属-空气液流电池610进一步配置为释放存储的能量以提供能量。为了产生预期的能量，将存储在第一腔体620中的金属糊料转化为金属氧化物糊料。产生的能量通过DC/AC连接器614来到电网612处。这样，存储在金属-空气液流电池610内的能量提供或帮助供应预期数量的电能。所述金属-空气液流电池610被响应和为能量需要填补空缺的能力尤其有助于调峰(例如，通过提供负载均衡、作为后备电源供应等)。因此，所述金属-空气液流电池610可以帮助减轻与关于可再生能源的间歇能量产生分布相关的问题。一旦将所述金属-空气液流电池610至少部分放电时，可以将其通过从可再生能源616获得的能源来充电，并然后将其再次放电以满足能量需求。当将其充电时，能量进入AC/DC连接器618并且金属氧化物糊料转化回金属糊料。

通过阅读本公开文本将了解到：使用本申请示出的示例性的实施方案可以获得大量好处。例如，由于锌-空气液流电池10是可再充电的闭路系统，因此可以将其循环多次，提供更长时间的使用并提供更大量的功率。这点伴随着对环境最小的影响而全部实现。其它的好处包括增加放电过程中的电压、增加可能循环的数目等。

根据一个示例性的实施方案，将液流电池配备为具有金属电极和空气电极。所述金属电极可以是还包括电解液的阳极糊料形式。所述液流电池还包括至少一个位于反应器外部的存储装置。所述存储装置意于存储阳极糊料。所述反应器包括与存储装置流体连接的一个或多个反应导管，每个反应导管包括沿着所述反应导管并绕其放置的空气电极。可以将所述液流电池配置为可再充电的。当所述金属-空气液流电池放电时，将所述金属糊料输送通过所述反应导管并将其转化为金属氧化物糊料以产生能量。当所述金属-空气液流电池充电时，将所述金属氧化物糊料输送通过所述反应管并转化回金属糊料。

如本申请中使用的，术语“约”、“大约”、“基本”和类似的术语意于具有配合通常的和由与本公开文本主题领域相关的普通技术人员接受的宽泛的含义。阅读本公开文本的本领域技术人员应该理解为：这些术语意于在不将这些特征的范围限制到提供的精确数值范围的情况下对描述的和要求的特定特征进行说明。因此，将应该理解为表示对描述和要求的主题的非实质性或非重要的修改或变化的这些术语认为是在如所附的权利要求中列举的本发明的范围之内。

应该注意到：在本申请中用来描述各种实施方案的术语“示例性的”意于表示这样的实施方案：合理的实施例、表达、和/或合理的实施方案的解释(并且这样的术语并不表示这样的实施方案是必须不寻常的或最好的实施例)。

为了本公开内容的目的，术语“连接”是指两个部件直接或间接地彼此相连。这样的相连本质上可以是固定的或可移动的。这样的相连的实现是通过两个部件或两个部件与任何额外的中间部件(intermediatemember)组合而彼此形成一体或两个部件或两个部件与任何额外的中间部件彼此附在一起。这样的相连可以是本质上固定的或可以是本质上可移动的或可释放的。

应该注意到根据其它示例性的实施方案，各种元件的情况可以不同，并且这样的变化意于包含在本公开文本中。

重要的是注意到在各种示例性的实施方案中示出的金属-空气液流电池的构造和配置只是示例性的。尽管在本公开文本中只是详细描述了一些实施方案，但是阅读本公开文本的本领域技术人员将容易理解到在实质上不偏离新颖性教导和权利要求中列举的主题的优点的情况下，很多修改是合理的(例如，对大小、尺寸、结构、形状和各种元件的比例、参数值、装置配置、材料的使用、颜色、方向等的改变)。例如，显示为整体形成的元件可以由多个部分或元件构成，所述元件的位置可以颠倒或变化，而且分立的元件的性质或数目或位置也可以更改或变化。根据备选的实施方案，任何工艺或方法步骤的顺序或序列都可以变化或重排序。在不偏离本发明范围的情况下，在各种示例性的实施方案的设计、运行情况和配置中也可以做其他的替代、修改、改变和省略。

Claims (20)

1.一种金属-空气液流电池，包括：

构造成承装阳极糊料的储槽；

与所述储槽流体连通的反应管，该反应管包括空气电极、配置成使空气进入所述反应管的外表面和内部通道；以及

用于使所述阳极糊料移动通过所述反应管的内部通道的机构。

2.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述用于使所述阳极糊料移动通过所述反应管的内部通道的机构包括螺杆装置。

3.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述螺杆装置包括固定棒、与该固定棒可旋转连接的可旋转的管体和从所述管体的外表面延伸的螺纹。

4.根据权利要求3所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述螺纹的至少一部分具有在其上面的聚合物涂层或由聚合物材料制成。

5.根据权利要求3所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述可旋转的管体和所述固定棒均由导电材料制成并电连接在一起，其中所述固定棒被配置作为第一集电器。

6.根据权利要求5所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述可旋转的管体和所述固定棒通过装配在所述可旋转的管体和固定棒之间的导电的轴承、刷子或金属颗粒进行电连接。

7.根据权利要求5所述的金属-空气液流电池，其特征在于，可旋转的管体被配置为随着所述阳极糊料移动通过所述反应管的内部通道与所述阳极糊料进行电接触，从而使电荷可以经由可旋转的管体在所述糊料和固定棒之间传导。

8.根据权利要求5所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述反应管的外表面由导电材料制成并被配置作为第二集电器。

9.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，还包括与所述机构连接的发动机，该发动机用于使所述阳极糊料移动以驱动所述机构。

10.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，还包括用于引导邻接于所述反应管外表面的空气流的装置，其中所述反应管的外表面包括多个孔洞，使空气进入所述反应管与被驱动通过所述反应管的内部通道的阳极糊料反应。

11.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述阳极糊料包括金属，并且所述反应管被配置成使所述金属转化为金属氧化物以用来发电。

12.根据权利要求11所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述金属选自由锌、锂、镁和铝组成的组。

13.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述空气电极是双功能空气电极。

14.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述内部通道由所述反应管的内管限定，并还包括设置在所述空气电极和内管之间的隔离件。

15.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述储槽包括第一室和第二室，其中所述金属-空气电池被设置为在所述金属-空气液流电池放电过程中使所述阳极糊料从所述第一室移动到第二室，并在所述金属-空气液流电池充电过程中使所述阳极糊料从所述第二室移动到第一室。

16.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述储槽包括用于承装所述阳极糊料的单室，并且所述金属-空气液流电池被设置为在所述金属-空气液流电池的充电和放电过程中使所述阳极糊料在单方向移动通过所述反应管。

17.根据权利要求1所述的金属-空气液流电池，其特征在于，所述金属-空气液流电池包括多个与所述储槽流体连通的反应管。

18.一种车辆，包括如上述权利要求的任一项中列举的金属-空气液流电池。

19.一种电网系统，包括如权利要求1-17的任一项中列举的金属-空气液流电池。

20.一种用于金属-空气液流电池的反应管，包括：

管体，限定了被构造成使阳极糊料通过其流动的通道；

空气电极，具有配置成被围绕所述管体装配的基本圆柱形的构型，并且为基本圆柱形构型。

隔离件，被装配在所述空气电极和所述管体之间，用以在所述空气电极和管体之间提供电隔离；和

套，围绕在所述空气电极周围，并包括多个形成于其中的孔洞，以使来自该套外部的空气与所述空气电极相互作用。

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