(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学的活物質を有する液体電解質と、
液体電解質の流れを受け取る流路を備える面を有するバイポーラプレートと、
バイポーラプレートの面に接触しかつ流路の開いた上部に亘って延在する多孔質電極であって、液体電解質に関して触媒活性を有する多孔質電極と、
を備えるフローバッテリであって、
バイポーラプレートの流路は、液体電解質の流れの少なくとも一部を多孔質電極内へと押しやるよう流路の長さに沿って流路入口から流路出口へと断面積が変化するように傾斜した壁を有し、該断面積は、流路入口から流路出口の方向に対して垂直な平面で切った断面の面積であり、
各流路は、両側の側壁の間に延在する幅と、底部壁と開いた上部との間に延在する深さとを有しており、流路は、底部壁から開いた上部へと延在する複数の突部を備える流路形状を有することを特徴とするフローバッテリ。
【請求項２】
複数の突部のそれぞれは、一方の側壁からもう一方の側壁へと延在することを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
【請求項３】
流路を備える面を有するバイポーラプレートと、バイポーラプレートの面に接触しかつ流路の開いた上部に亘って延在する多孔質電極と、を提供し、
電気化学的活物質を有する液体電解質であって、多孔質電極が液体電解質に関して触媒活性を有する、液体電解質の流れを流路内に確立し、
バイポーラプレートの流路に、流路の長さに沿って流路入口から流路出口へと断面積が変化するように傾斜した壁を設けることで、液体電解質の流れの少なくとも一部を流路から多孔質電極内へと押しやる、
ことを含み、該断面積は、流路入口から流路出口の方向に対して垂直な平面で切った断面の面積であり、
液体電解質の流れの少なくとも一部を流路から多孔質電極内へと押しやるように、両側の側壁の間に延在する幅と、底部壁と開いた上部との間に延在する深さと、底部壁から開いた上部へと延在する複数の突部と、を有する流路形状を使用することを特徴とする、フローバッテリを作動させる方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は電気エネルギーを選択的に貯蔵および放出するフローバッテリに関する。
【背景技術】
【０００２】
フローバッテリは、レドックスフローバッテリまたはレドックスフローセルとしても知られているが、電気エネルギーを、貯蔵して後に必要があれば放出することができる化学エネルギーに変換するように設計される。一例として、フローバッテリは、需要家の需要を上回るエネルギーを貯蔵し、後でより大きな需要がある場合にそのエネルギーを放出するように、風力発電システムなどの再生可能エネルギーシステムとともに使用されることができる。
【０００３】
基本的なフローバッテリは、イオン交換膜などのセパレータを備えることができる電解質層で分離された負極と正極とを有するレドックスフローセルを備える。負極には負液体電解質が供給され、正極には正液体電解質が供給されて、電気化学的に可逆な酸化還元反応を引き起こす。充電時には、供給された電気エネルギーによって、一方の電解質内で化学的還元反応が生じ、もう一方の電解質内で酸化反応が生じる。セパレータは、電解質が混合し合うのを防止するが、選択されたイオンが通過して酸化還元反応が完結するのを可能とする。放電時には、液体電解質内に含まれる化学エネルギーが逆反応で放出されて、電気エネルギーが電極から引き出されることができる。フローバッテリは、とりわけ、外部から供給されて可逆電気化学反応にあずかる液体電解質を使用するところが、他の電気化学装置とは区別される点である。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
電気化学的活性種を有する液体電解質と、液体電解質の流れを受け取る流路を有するバイポーラプレートと、を備えるフローバッテリが開示される。多孔質電極は、バイポーラプレートにすぐ隣接して配置される。多孔質電極は、液体電解質に関して触媒活性を有する。バイポーラプレートの流路は、液体電解質の流れの少なくとも一部を多孔質電極内へと積極的に押しやるように構成された流路配置または流路形状のうちの少なくとも一方を有する。
【０００５】
一実施例では、流路配置は、液体電解質の流れの少なくとも一部を多孔質電極内へと積極的に押しやるように、第１の流路と、リブによって第１の流路とは隔てられた隣接する第２の流路と、を備える。別の実施例では、流路形状は、液体電解質の流れの少なくとも一部を多孔質電極内へと積極的に押しやるように、流路の長さに亘って変化する断面積を有する。
【０００６】
液体電解質の流れの少なくとも一部を多孔質電極内へと積極的に押しやることを含む、作動方法も開示される。
【０００７】
開示の実施例のさまざまな特徴および利点は、当業者には以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明され得る。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施例のフローバッテリを示す図。
【図２】図１のフローバッテリの実施例のセルを示す図。
【図３Ａ】流路入口から流路出口へと断面積が増加しているバイポーラプレートの流路を示す図。
【図３Ｂ】流路入口から流路出口へと断面積が減少しているバイポーラプレートの流路を示す図。
【図４Ａ】交互嵌合流路配置の流路入口で取った断面を示す図。
【図４Ｂ】交互嵌合流路配置の流路出口で取った断面を示す図。
【図５】５Ａは、突部を備えるバイポーラプレートの流路の断面を示す図、５Ｂは、５Ａの流路の上面図を示す図。
【図６】蛇行流路配置を示す図。
【図７】直線流路配置を示す図。
【図８】液体電解質の流れを隣接する多孔質電極内へ積極的に押しやるために幅寸法の深さ寸法に対する所定の比を有する流路の断面を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１は、電気エネルギーを選択的に貯蔵および放出する実施例のフローバッテリ２０の選択された部分を示す。一例として、フローバッテリ２０は、再生可能エネルギーシステム内で生成される電気エネルギーを化学エネルギーに変換するように使用されることができ、化学エネルギーは、後により大きな需要があってフローバッテリ２０がその時に化学エネルギーを電気エネルギーに変換し戻すまで貯蔵される。フローバッテリ２０は、例えば高圧送電線網に電気エネルギーを供給することができる。以下に説明するように、開示のフローバッテリ２０は、向上した性能のための特徴を備える。
【００１０】
フローバッテリ２０は、電気化学的活性種２４を有する液体電解質２２を備えており、電気化学的活性種２４は、別の液体電解質２６および電気化学的活性種３０に関する酸化還元対として機能する。例えば、電気化学的活性種２４、３０は、バナジウム、臭素、鉄、クロム、亜鉛、セリウム、鉛、またはこれらの組み合わせに基づく。実施例では、液体電解質２２、２６は、１つまたは複数の電気化学的活性種２４、３０を含む水溶液である。
【００１１】
液体電解質２２、２６は、それぞれの貯蔵タンク３２、３４内に貯蔵される。図示のように、貯蔵タンク３２、３４は、実質的に同等の円筒形の貯蔵タンクであるが、貯蔵タンク３２、３４は、代替として他の形状および大きさを有することができる。
【００１２】
液体電解質２２、２６は、それぞれの供給ライン３８を通してフローバッテリ２０の１つまたは複数のセル３６に供給（例えばポンプ送り）され、戻りライン４０を介して１つまたは複数のセル３６から貯蔵タンク３２、３４へと戻される。
【００１３】
作動時には、液体電解質２２、２６がセル３６に供給されて、電気エネルギーを化学エネルギーに変換するか、あるいは、化学エネルギーを、放出可能な電気エネルギーに変換する。電気エネルギーは、電気経路４２を通してセル３６へ、およびセル３６から伝達され、電気経路４２は、回路を完成して、電気化学的酸化還元反応が完結するのを可能とする。
【００１４】
図２は、セル３６のうちの１つの一部の断面を示す。フローバッテリ２０の設計容量に応じてフローバッテリ２０がスタック内に複数のこのようなセル３６を備えることができることは理解されたい。図示のように、セル３６は、第１のバイポーラプレート５０と、第１のバイポーラプレート５０から離間した第２のバイポーラプレート５２と、を備える。バイポーラプレート５０、５２は、導電性であり、例えば黒鉛プレートまたは金属プレートとすることができる。
【００１５】
第１のバイポーラプレートは、複数の流路５０ａを備えており、複数の流路５０ａは、第１の流路５４と、リブ５８によって第１の流路５４とは隔てられた隣接する第２の流路５６と、を備える。この実施例では、第２のバイポーラプレート５２の構成は、第１のバイポーラプレート５０と実質的に同様であるが、第２のバイポーラプレート５２が代替として異なる構成を有し得ることも考えられる。
【００１６】
多孔質電極６２、６４が、それぞれ第１および第２のバイポーラプレート５０、５２にすぐに隣接して配置される。従って、多孔質電極６２は、第１のバイポーラプレート５０の面と接触し、多孔質電極６４は、第２のバイポーラプレート５２の面と接触する。イオン交換膜などのセパレータ６６が多孔質電極６２、６４の間に配置される。
【００１７】
多孔質電極６２、６４は、導電性で比較的耐食性でありかつ電気化学種に関して触媒活性を有する材料から構成される。一実施例では、多孔質電極６２、６４の一方または両方が、液体電解質２２および／または２６に関して触媒活性を有する炭素繊維紙などの炭素紙６８を備える。すなわち、炭素紙６８の炭素材料の表面は、フローバッテリ２０内で触媒活性を有する。フローバッテリ２０の酸化還元反応では、反応に対するエネルギー障壁は比較的低く、従って、貴金属または合金などのより強力な触媒材料は、酸素または水素などの気体状反応物を用いる電気化学装置のようには必要でない。一実施例では、炭素紙６８は、炭素材料を清浄化し、向上した活性触媒サイトとして機能する炭素表面を生成するために、前熱および／または化学処理プロセスを用いて活性化される。
【００１８】
フローバッテリにはセルを通る液体電解質の流れの圧力低下と性能との間にトレードオフがある。例えば、フローバッテリでは、流れ場を使用することができないことがある。このような設計では、液体電解質は、多孔質電極の端から端まで全体に流れる。この種の設計では、電極が多孔質媒体を通る流れの全体に適合するように比較的厚くなるために、比較的貧弱な性能と許容可能な圧力低下とが得られるか、あるいは、電極がより薄く、多孔質電極全体を通る流れ抵抗が比較的高くなる（それによって、セルを通って電解質を移動させるための寄生負荷が増大する）ために、比較的良好な性能と大きな圧力低下とが得られるとともに、電極およびイオン交換膜に対するスタック圧縮に起因して比較的低い耐久性が得られる。これに比較して、別の種類のフローバッテリでは、流れ場流路を使用することができる。このような設計では、液体電解質は流路を通って流れ、隣接する電極内へと拡散する。この種の設計では、液体電解質が比較的制限されずに流路を通って流れ、電極がより薄くなることができるために、より小さな圧力低下が得られるが、電極内での比較的急な濃度勾配（これは、高速の拡散輸送を促進するために必要である）と、電極内への電解質の不均一な拡散とに起因して、性能は比較的貧弱になる。必要とされているのは、強制対流の流れで比較的薄い電極を使用できるとともに、依然としてセルに亘る許容可能な圧力低下を可能にすることができる、セル設計である。
【００１９】
以下に説明するように、フローバッテリ２０のバイポーラプレート５０の流路５０ａは、液体電解質２２の流れ７０の少なくとも一部を多孔質電極６２内へと積極的に押しやるように構成された流路配置または流路形状のうちの少なくとも一方を有する。「積極的に押しやる」という用語、または強制対流の流れ、またはこれらの変形例は、圧力勾配の機構によって液体電解質２２を流路５０ａから多孔質電極６２内へと移動させるように構成されているバイポーラプレート５０の構造のことを言う。これに比較して、拡散は、濃度駆動機構である。それによって、バイポーラプレート５０は、圧力低下と性能との間の所望の均衡を達成するように、流路５０ａを通る流れと、電極６２を通る積極的に押しやられる流れ７０との組み合わせである「混合流」設計を提供する。
【００２０】
バイポーラプレート５０が、液体電解質２２の流れ７０の少なくとも一部を多孔質電極６２内へと積極的に押しやるように構成されたさまざまな流路配置および／または流路形状を有することができることは理解されたい。以下のものは、そのような流路配置および／または流路形状の非限定的な実施例である。
【００２１】
図２に示す実施例では、流路５６は、流路５４の下流に配置されており、従って、流路５６内を流れる液体電解質２２は、圧力損失に起因して、流路５４内を流れる液体電解質２２より低い圧力にある。圧力の差によって、流路５４、５６間に圧力勾配が生じ、この圧力勾配は、液体電解質２２の少なくとも一部を、リブ５８を越えて流路５４から流路５６内へと流れるように積極的に押しやる。いくつかの実施例では、流路５４、５６は、圧力勾配を提供するように、蛇行流路配置、交互嵌合流路配置、部分的交互嵌合流路配置、またはこれらの組み合わせの流路である。
【００２２】
図３Ａは、液体電解質２２の流れの少なくとも一部を多孔質電極６２内へと積極的に押しやるように構成されたバイポーラプレート１５０の流路１５０ａの実施例の流路形状を示す。この開示では、適切な場合は同様の参照符号が同様の構成要素を示しており、１００またはその倍数を追加した参照符号が、対応する構成要素と同じ特徴および利益を実現すると理解される修正された構成要素を示す。図示のように、流路１５０ａは、流路入口１８０と流路出口１８２との間の長さに亘って延在する。一実施例では、流路出口１８０は、液体電解質２２を流路１５０ａ内へと供給するように機能する共通のマニホールドに開いているオリフィスである。同様に、流路出口１８２は、液体電解質２２を戻りライン４０および貯蔵タンク３２へと供給し戻すように機能する共通のマニホールドに開いているオリフィスである。
【００２３】
この実施例では、流路１５０ａは、両側の側壁（図示せず）、流路１５０ａの底部１５０ｂ、および流路１５０ａの開いた上部１５０ｃの間に延在する断面積Ａ1を画成する。多孔質電極６２は、開いた上部１５０ｃに隣接して配置される。図示のように、断面積Ａ1は、流路１５０ａの長さに沿って流路入口１８０から流路出口１８２へと変化している。この実施例では、流路１５０ａの底部１５０ｂは、断面積Ａ1が流路入口１８０から流路出口１８２へと増加するように、傾斜している。代替として、または傾斜した底部１５０ｂに加えて、側壁がＡ1を変化させるように傾斜している。
【００２４】
作動時には、液体電解質２２は、流路１５０ａのより狭い部分でより高い圧力となり、より高い圧力によって、液体電解質２２は、隣接する多孔質電極６２内へと流れるように積極的に押しやられる。
【００２５】
図３Ｂは、別の実施例の流路１５０ａ’を示しており、そこでは、底部１５０ｂはもう一方の仕方で、断面積Ａ2が流路入口１８０から流路出口１８２へと減少するように、傾斜している。
【００２６】
図４Ａは、バイポーラプレート２５０の流路入口２８０で取った断面図を示し、図４Ｂは、流路出口２８２で取ったバイポーラプレート２５０の断面図を示す。この実施例では、バイポーラプレート２５０は、図３Ａ、図３Ｂについて上述したように、第１の流路１５０ａと、第２の流路１５０ａ’と、を備える。第１の流路１５０ａは、第２の流路１５０ａ’と交互嵌合している。
【００２７】
作動時には、流路形状および交互嵌合流路配置は、隣接する流路１５０、１５０ａ’間に圧力勾配を提供し、圧力勾配は、液体電解質２２の流れ７０を多孔質電極６２内へと積極的に押しやる。断面積の変化は、所望の多孔質電極を通る強制流れの量を得るように設計されることができる。極端な場合は、セルから出るためには全ての電解質が多孔質電極を通過する必要があるように、１つおきの流路の入口断面積をゼロにする。
【００２８】
図５の５Ａは、流路３５０ａの長さに沿って変化する断面積Ａ3を有する別の実施例の流路３５０ａを示す。流路３５０ａは、複数の突部３９０を備えており、複数の突部３９０は、流路３５０ａの底部３５０ｂから流路３５０ａの開いた上部３５０ｃへと流路３５０ａの両側の側壁の間に延在する。
【００２９】
図示された実施例では、各突部３９０は、流路３５０ａに沿って長さの関数として断面積Ａ3が変化する。作動時には、液体電解質２２が流路３５０ａを通って流れ、突部３９０に遭遇する間に、液体電解質２２の流れ７０は、突部３９０を越えて、隣接する多孔質電極６２内へと積極的に押しやられる。従って、各突部３９０は、液体電解質２２を多孔質電極６２内へと積極的に押しやるように液体電解質２２の局所的圧力を効果的に増加させる。突部３９０間の谷部も、液体電解質２２が多孔質電極６２から流路３５０ａ内へと戻るように、局所的圧力を同様に効果的に低下させる。
【００３０】
図５の５Ｂは、流路３５０ａおよび突部３９０の上面図を示す。この実施例では、各突部３９０は、傾斜した側壁３９０ａ、３９０ｂを備えており、傾斜した側壁３９０ａ、３９０ｂは、流路３５０ａの底部３５０ｂの平面に関して横方向に傾斜している。傾斜した側壁３９０ａ、３９０ｂは、上面３９０ｃで終わっている。従って、流れている液体電解質２２は最初に、横方向に傾斜した側壁３９０ａに遭遇し、側壁３９０ａは、上部３９０ｃを越える最大圧力まで徐々に液体電解質２２の圧力を増加させる。同様に、第２の横方向に傾斜した側壁３９０ｂは、底部３５０ｂまで流れている液体電解質２２の圧力を徐々に低下させる。
【００３１】
図６は、蛇行流路配置４９６を有するバイポーラプレート４５０を示しており、蛇行流路配置４９６は、液体電解質２２の流れの少なくとも一部を隣接する多孔質電極６２内へと積極的に押しやる。この場合、多孔質電極を通る流れの駆動力は、蛇行配置に起因して共通の入口から異なる距離にある隣接する流路間の圧力差に起因する。蛇行流路配置４９６は、第１の流路４５４と、上述したようにリブ（図示せず）によって隔てられた隣接する第２の流路４５６と、を含む、複数の流路４５０ａを備える。流路４５０ａは、Ｘ方向に延在する部分と、バイポーラプレート４５０に亘ってＹ方向に行きつ戻りつ延在する別の部分と、を備える。より少ない流路を備える蛇行配置は、電極を通る、より強制された流れを促進するが、極端な場合は、単一の蛇行流路である。代替として、セルは、各流路がプレートの限定されたＸおよびＹ領域（図示せず）を横断する複数の蛇行流路を組み込むことができる。
【００３２】
図７は、流路５５０ａの流路配置５９６を有する別の実施例のバイポーラプレート５５０を示す。この実施例では、流路５５０ａは、流路入口５８０と流路出口５８２との間に直線的に延在する。個々の流路５５０ａは、図３Ａ、図３Ｂに示すようにテーパが付いているか、または、代替として、図５の５Ａ、５Ｂに示すように突部３９０を備える。これらの流路は、図３Ａ、図３Ｂに示すような流路深さの代わり流路幅が変化するのを除き、図３Ａ、図３Ｂに類似した仕方でテーパが付けられることもできる。
【００３３】
図８は、流路６５０ａを有する別の実施例のバイポーラプレート６５０の一部を示し、流路６５０ａは、バイポーラプレート６５０内のそのような複数の流路の典型である。この実施例では、流路６５０ａは、均一な断面積を有しており、先に説明したように、流路入口と流路出口との間に延在する。流路６５０ａはまた、流路６５０ａの両側の側壁の間に延在する幅寸法Ｗと、底部６５０ｂと開いた上部６５０ｃとの間に延在する深さ寸法Ｄと、を有する。幅寸法Ｗおよび深さ寸法Ｄは、液体電解質２２の流れを隣接する多孔質電極６２内へと積極的に押しやるように選択される。例えば、幅寸法Ｗおよび深さ寸法Ｄは、所定のＷ：Ｄの比に収まるように選択される。一実施例では、比Ｗ：Ｄは、１．５：１〜３：１である。与えられた比によって、流路６５０ａは、深くなっているよりは幅が広くなっている。従って、隣接する多孔質電極６２は、流路６５０ａ内へ「テント張り」される傾向がある。流路６５０ａ内への多孔質電極６２のテント張りによって、流路６５０ａの空いた容積が減少し、それによって、液体電解質２２の圧力が増加する。増加した圧力は、液体電解質を多孔質電極６２内へと流れるように積極的に押しやる。
【００３４】
例示した実施例には特徴の組み合わせが示されているとはいえ、本開示のさまざまな実施例の利益を実現するためには、これらの特徴の全てを組み合わせる必要はない。すなわち、本開示の実施例に従って設計されるシステムは、図面のうちのいずれか１つに示された特徴の全て、または図面に概略的に示された部分の全てを必ずしも備える必要はない。さらに、例示的な一実施例の選択された特徴は、他の例示的な実施例の選択された特徴と組み合わされることができる。
【００３５】
上記の説明は、本質的に限定ではなく例示である。本開示の本質から必ずしも逸脱しない、開示の実施例に対する変更および修正が、当業者には明らかとなり得る。本開示に与えられる法的保護範囲は、添付の特許請求の範囲を検討することでのみ決定可能である。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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