(57)【要約】  電気化学セルと、陽極液タンクと、陰極液タンクと、第１の陽極液キャリアスラリーと、第２の陽極液キャリアスラリーと、第１の陰極液キャリアスラリーと、第２の陰極液キャリアスラリーと、発電回路と、を含む、フローレドックス電池システム。イオン交換膜は、陽極及び陰極に電気化学的に係合される。発電回路は、陽極及び陰極に電気的に結合される。陽極液タンクは、陽極に流体的に結合され、陰極液タンクは、陰極に流体的に結合される。第１の陽極液キャリアスラリーは、第２の陽極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び第２の陽極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含む。さらに、第１の陰極液キャリアスラリーは、第２の陰極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び第２の陰極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含む。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学セルと、陽極液タンクと、陰極液タンクと、第１の陽極液キャリアスラリーと、第２の陽極液キャリアスラリーと、第１の陰極液キャリアスラリーと、第２の陰極液キャリアスラリーと、発電回路と、を備える、フローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、陽極と陰極との間に位置付けられ、それらと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記発電回路が、前記陽極及び前記陰極に電気的に結合され、
前記陽極液タンクが、前記陽極に流体的に結合された陽極液上端部と、前記陽極に流体的に結合された陽極液下端部と、を備え、
前記陰極液タンクが、前記陰極に流体的に結合された陰極液上端部と、前記陰極に流体的に結合された陰極液下端部と、を備え、
前記第１の陽極液キャリアスラリーが、前記第２の陽極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び前記第２の陽極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含み、
前記第１の陰極液キャリアスラリーが、前記第２の陰極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び前記第２の陰極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含む、フローレドックス電池システム。
【請求項２】
前記第１及び第２の陽極液キャリアスラリーが前記陽極液タンク内に収容されたときに、前記第１の陽極液キャリアスラリーが前記第２の陽極液キャリアスラリーの上に浮かぶ、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項３】
前記第１の陽極液キャリアスラリーの前記電気陰性度が、前記第２の陽極液キャリアスラリーの前記電気陰性度よりも高く、よって、前記第１の陽極液キャリアスラリーが放電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、前記第２の陽極液キャリアスラリーが充電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付ける、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項４】
前記第１の陽極液キャリアスラリーの前記電気陰性度が、前記第２の陽極液キャリアスラリーの前記電気陰性度よりも小さく、よって、前記第１の陽極液キャリアスラリーが充電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、前記第２の陽極液キャリアスラリーが放電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付ける、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項５】
前記第１及び第２の陰極液キャリアスラリーが前記陰極液タンク内に収容されたときに、前記第１の陰極液キャリアスラリーが前記第２の陰極液キャリアスラリーの上に浮かぶ、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項６】
前記第１の陰極液キャリアスラリーの前記電気陰性度が、前記第２の陰極液キャリアスラリーの前記電気陰性度よりも高く、よって、前記第１の陰極液キャリアスラリーが充電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付け、前記第２の陰極液キャリアスラリーが放電した陰極液を電気化学的に引き付ける、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項７】
前記第１の陰極液キャリアスラリーの前記電気陰性度が、前記第２の陰極液キャリアスラリーの前記電気陰性度よりも小さく、よって、前記第１の陰極液キャリアスラリーが放電した陰極液を電気化学的に引き付け、前記第２の陰極液キャリアスラリーが充電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付ける、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項８】
前記第１及び第２の陽極液キャリアスラリー及び前記第１及び第２の陰極液キャリアスラリーが、それぞれ、複数のスラリー粒体を含み、各スラリー粒体は、不活性コアと、前記不活性コアと化学的に係合された１つまたは２つ以上の活性粒子と、を含む、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項９】
前記不活性コアが、１つまたは２つ以上の官能化表面領域を備え、前記１つまたは２つ以上の活性粒子が、前記１つまたは２つ以上の官能化表面領域において前記不活性コアと化学的に係合する、請求項８に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１０】
前記陽極液タンクの前記陽極液上端部と前記陽極との間に延在し、それらを流体的に結合する低密度陽極液経路と、前記陽極液タンクの前記陽極液下端部と前記陽極との間に延在し、それらを流体的に結合する高密度陽極液経路と、をさらに備える、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１１】
前記陰極液タンクの陰極液上端部と前記陰極との間に延在し、それらを流体的に結合する低密度陰極液経路と、前記陰極液タンクの陰極液下端部と前記陰極との間に延在し、それらを流体的に結合する高密度陰極液経路と、をさらに備える、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１２】
前記第１の陽極液キャリアスラリー及び前記第２の陽極液キャリアスラリーと化学的に係合可能な陽極液溶液をさらに含む、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１３】
前記陽極液溶液の１つまたは２つ以上の活性材料が、バナジウム、クロミウム、亜鉛、硫黄、ネプツニウム、ウラン、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１２に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１４】
前記陽極が、
前記第１または第２の陽極液キャリアスラリーから充電した陽極液活性材料を化学的に分離し、前記充電した陽極液活性材料を酸化し、よって、前記第１または第２の陽極液キャリアスラリーと化学的に係合された前記充電した陽極液活性材料及び前記イオン交換膜からの陽子の両方を受容すると、前記充電した陽極液活性材料が、前記発電回路によって受容可能な電子を出力し、
前記第１または第２の陽極液キャリアスラリーから放電した陽極液活性材料を化学的に分離し、前記放電した陽極液活性材料を還元し、よって、前記第１または第２の陽極液キャリアスラリーと化学的に係合された前記放電した陽極液活性材料及び前記発電回路からの電子の両方を受容すると、前記放電した陽極液活性材料が、前記イオン交換膜によって受容可能な陽子を出力するように、電気化学的に構成される、請求項１２に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１５】
前記第１の陰極液キャリアスラリー及び前記第２の陰極液キャリアスラリーと化学的に係合可能な陰極液溶液をさらに含む、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１６】
前記陰極液溶液の１つまたは２つ以上の活性材料が、バナジウム、臭素、セリウム、塩素、フェリシアン化物、フェロシアン化物、マンガン、酸化ネプツニウム、酸化ウラン、またはこれらの組み合わせを含む、請求項１５に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１７】
前記陰極が、
前記第１または第２の陰極液キャリアスラリーから充電した陰極液活性材料を化学的に分離し、前記充電した陰極液活性材料を還元し、よって、前記第１または第２の陰極液キャリアスラリーと化学的に係合された前記充電した陰極液活性材料及び前記発電回路からの電子の両方を受容すると、前記充電した陰極液活性材料が、前記イオン交換膜によって受容可能な陽子を出力し、
前記第１または第２の陰極液キャリアスラリーから放電した陰極液活性材料を化学的に分離し、前記放電した陰極液活性材料を酸化し、よって、前記第１または第２の陰極液キャリアスラリーと化学的に係合された前記放電した陰極液活性材料及び前記イオン交換膜からの陽子の両方を受容すると、前記放電した陰極液活性材料が、前記発電回路によって受容可能な電子を出力するように、電気化学的に構成される、請求項１５に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１８】
前記イオン交換膜が、前記陽極と前記陰極との間に陽子経路を提供するように構造的に構成された、固体陽子導電材料を含む、請求項１に記載のフローレドックス電池システム。
【請求項１９】
電気化学セルと、陽極液タンクと、陰極液タンクと、第１の陽極液キャリアスラリーと、第２の陽極液キャリアスラリーと、第１の陰極液キャリアスラリーと、第２の陰極液キャリアスラリーと、陽極液溶液と、陰極液溶液と、発電回路を備える、フローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、陽極と陰極との間に位置付けられ、それらと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記発電回路が、前記陽極及び前記陰極に電気的に結合され、
前記陽極液タンクが、前記陽極に流体的に結合された陽極液上端部と、前記陽極に流体的に結合された陽極液下端部と、を備え
前記陰極液タンクが、前記陰極に流体的に結合された陰極液上端部と、前記陰極に流体的に結合された陰極液下端部と、を備え、
前記陽極液溶液が、前記第１の陽極液キャリアスラリー及び前記第２の陽極液キャリアスラリーと化学的に係合可能であり、
前記陰極液溶液が、前記第１の陰極液キャリアスラリー及び前記第２の陰極液キャリアスラリーと化学的に係合可能であり、
前記第１の陽極液キャリアスラリーが、前記第２の陽極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び前記第２の陽極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含み、
前記第１の陰極液キャリアスラリーが、前記第２の陰極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び前記第２の陰極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含み、
前記第１及び第２の陽極液キャリアスラリー及び前記第１及び第２の陰極液キャリアスラリーが、それぞれ、複数のスラリー粒体を含み、各スラリー粒体が、不活性コアと、前記不活性コアと化学的に係合された１つまたは２つ以上の活性粒子と、を含む、フローレドックス電池システム。
【請求項２０】
電気化学セルと、陽極液タンクと、陰極液タンクと、第１の陽極液キャリアスラリーと、第２の陽極液キャリアスラリーと、第１の陰極液キャリアスラリーと、第２の陰極液キャリアスラリーと、発電回路と、を備える、フローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、陽極と陰極との間に位置付けられ、それらと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記発電回路が、前記陽極及び前記陰極に電気的に結合され、
前記陽極液タンクが、前記陽極に流体的に結合された陽極液上端部と、前記陽極に流体的に結合された陽極液下端部と、を備え
前記陰極液タンクが、前記陰極に流体的に結合された陰極液上端部と、前記陰極に流体的に結合された陰極液下端部と、を備え、
前記第１の陽極液キャリアスラリーが、前記第２の陽極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度を含み、よって、前記第１及び第２の陽極液キャリアスラリーが前記陽極液タンク内に収容されたときに、前記第１の陽極液キャリアスラリーが前記第２の陽極液キャリアスラリーの上に浮かび、
前記第１の陽極液キャリアスラリーが、前記第２の陽極液キャリアスラリーの電気陰性度よりも高い電気陰性度を含み、よって、前記第１の陽極液キャリアスラリーが放電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、前記第２の陽極液キャリアスラリーが充電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、
前記第１の陰極液キャリアスラリーが、前記第２の陰極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度を含み、よって、前記第１及び第２の陰極液キャリアスラリーが前記陰極液タンク内に収容されたときに、前記第１の陰極液キャリアスラリーが前記第２の陰極液キャリアスラリーの上に浮かび、
前記第１の陰極液キャリアスラリーが、前記第２の陰極液キャリアスラリーの前記電気陰性度よりも低い電気陰性度を含み、よって、前記第１の陰極液キャリアスラリーが放電した陰極液を電気化学的に引き付け、前記第２の陰極液キャリアスラリーが充電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付ける、フローレドックス電池システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
本出願は、２０１６年３月１７日に出願された米国特許出願第１５／０７２，９１２号、名称「ＩＮ−ＳＩＴＵ  ＧＲＡＶＩＴＡＴＩＯＮＡＬ  ＳＥＰＡＲＡＴＩＯＮ  ＯＦ  ＥＬＥＣＴＲＯＬＹＴＥ  ＳＯＬＵＴＩＯＮＳ  ＩＮ  ＦＬＯＷ  ＲＥＤＯＸ  ＢＡＴＴＥＲＹ  ＳＹＳＴＥＭＳ」の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本開示は、フローレドックス電池システムに関する。より具体的には、本開示は、電解質キャリアスラリーを含むフローレドックス電池システムのための技術を紹介する。
【発明の概要】
【０００３】
本開示の主題によれば、フローレドックス電池システムは、電気化学セルと、陽極液タンクと、陰極液タンクと、第１の陽極液キャリアスラリーと、第２の陽極液キャリアスラリーと、第１の陰極液キャリアスラリーと、第２の陰極液キャリアスラリーと、発電回路と、を含む。電気化学セルは、陽極と陰極との間に位置付けられ、それらと電気化学的に係合されたイオン交換膜を含む。発電回路は、陽極及び陰極に電気的に結合される。陽極液タンクは、陽極に流体的に結合された陽極液上端部と、陽極に流体的に結合された陽極液下端部と、を備える。陰極液タンクは、陰極に流体的に結合された陰極液上端部と、陰極に流体的に結合された陰極液下端部と、を含む。第１の陽極液キャリアスラリーは、第２の陽極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び第２の陽極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含む。さらに、第１の陰極液キャリアスラリーは、第２の陰極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び第２の陰極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含む。
【０００４】
本開示の１つの実施形態によれば、フローレドックス電池システムは、電気化学セルと、陽極液タンクと、陰極液タンクと、第１の陽極液キャリアスラリーと、第２の陽極液キャリアスラリーと、第１の陰極液キャリアスラリーと、第２の陰極液キャリアスラリーと、陽極液溶液と、陰極液溶液と、発電回路と、を含む。電気化学セルは、陽極と陰極との間に位置付けられ、それらと電気化学的に係合されたイオン交換膜を含む。発電回路は、陽極及び陰極に電気的に結合される。陽極液タンクは、陽極に流体的に結合された陽極液上端部と、陽極に流体的に結合された陽極液下端部と、を含む。陰極液タンクは、陰極に流体的に結合された陰極液上端部と、陰極に流体的に結合された陰極液下端部と、を備える。陽極液溶液は、第１の陽極液キャリアスラリー及び第２の陽極液キャリアスラリーと化学的に係合可能である。陰極液溶液は、第１の陰極液キャリアスラリー及び第２の陰極液キャリアスラリーと化学的に係合可能である。第１の陽極液キャリアスラリーは、第２の陽極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び第２の陽極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含む。第１の陰極液キャリアスラリーは、第２の陰極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度、及び第２の陰極液キャリアスラリーの電気陰性度とは異なる電気陰性度を含む。さらに、第１及び第２の陽極液キャリアスラリー及び第１及び第２の陰極液キャリアスラリーは、それぞれ、複数のスラリー粒体を含み、各スラリー粒体は、不活性コアと、不活性コアと化学的に係合された１つまたは２つ以上の活性粒子と、を含む。
【０００５】
本開示の別の実施形態によれば、フローレドックス電池システムは、電気化学セルと、陽極液タンクと、陰極液タンクと、第１の陽極液キャリアスラリーと、第２の陽極液キャリアスラリーと、第１の陰極液キャリアスラリーと、第２の陰極液キャリアスラリーと、発電回路と、を含む。電気化学セルは、陽極と陰極との間に位置付けられ、それらと電気化学的に係合されたイオン交換膜を含む。発電回路は、陽極及び陰極に電気的に結合される。陽極液タンクは、陽極に流体的に結合された陽極液上端部と、陽極に流体的に結合された陽極液下端部と、を含む。陰極液タンクは、陰極に流体的に結合された陰極液上端部と、陰極に流体的に結合された陰極液下端部と、を含む。第１の陽極液キャリアスラリーは、第２の陽極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度を含み、よって、第１及び第２の陽極液キャリアスラリーが陽極液タンク内に収容されたときに、第１の陽極液キャリアスラリーが第２の陽極液キャリアスラリーの上に浮かぶ。第１の陽極液キャリアスラリーは、第２の陽極液キャリアスラリーの電気陰性度よりも高い電気陰性度を含み、よって、第１の陽極液キャリアスラリーが放電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、第２の陽極液キャリアスラリーが充電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付ける。第１の陰極液キャリアスラリーは、第２の陰極液キャリアスラリーの密度よりも低い密度を含み、よって、第１及び第２の陰極液キャリアスラリーが陰極液タンク内に収容されたときに、第１の陰極液キャリアスラリーが第２の陰極液キャリアスラリーの上に浮かぶ。さらに、第１の陰極液キャリアスラリーは、第２の陰極液キャリアスラリーの電気陰性度よりも低い電気陰性度を含み、よって、第１の陰極液キャリアスラリーが放電した陰極液を電気化学的に引き付け、第２の陰極液キャリアスラリーが充電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付ける。
【０００６】
本開示の概念は、いくつかの特定のフローレドックス電池システムの構成を主に参照して本明細書で説明されるが、本概念は、任意の構成を有するフローレドックス電池システムへの適用性を享受することが想定される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、以下の図面と併せて読んだときに、最も良く理解することができ、図中、同じ構造は、同じ参照番号で示される。
【図１】本明細書で示し、説明される１つまたは２つ以上の実施形態によるフローレドックス電池システムの概略図である。
【図２】本明細書で示し、説明される１つまたは２つ以上の実施形態による陽極液キャリアスラリーまたは陰極液キャリアスラリーの例示的なスラリー粒体の概略的な説明図である。
【図３】本明細書で示し、説明される１つまたは２つ以上の実施形態による、図１のフローレドックス電池システムの充電パーセンテージの状態を通じた開回路電圧のグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
図１は、フロー還元／酸化（レドックス）電池システム１００の概略図である。フローレドックス電池システム１００は、電気化学セル１１０と、陽極液タンク１３０と、陰極液タンク１４０と、発電回路１７０と、を備える。電気化学セル１１０は、陽極液タンク１３０及び陰極液タンク１４０に流体的に結合され、また、発電回路１７０に電気的に結合される。フローレドックス電池システム１００は、第１の陽極液キャリアスラリー１５０と、第２の陽極液キャリアスラリー１５２と、を備え、これらはそれぞれ、陽極液タンク１３０内に収容することができ、また、それぞれ、陽極液タンク１３０と電気化学セル１１０との間を流れることができる。フローレドックス電池システム１００はまた、第１の陰極液キャリアスラリー１５４と、第２の陰極液キャリアスラリー１５６と、も備え、これらはそれぞれ、陰極液タンク１４０内に収容することができ、また、陰極液タンク１４０と電気化学セル１１０との間を流れることができる。その上、フローレドックス電池システム１００は、陽極液溶液及び陰極液溶液等の電解溶液を含む。
【０００９】
陽極液溶液は、陽極液タンク１３０内に収容することができ、また、陽極液タンク１３０と電気化学セル１１０との間を流れることができる。陽極液溶液は、複数の充電した陽極液活性材料、複数の放電した陽極液活性材料、またはこれらの組み合わせを含むことができ、また、フローレドックス電池システム１００の放電動作中に電気化学セル１１０において酸化し、フローレドックス電池システム１００の充電動作中に電気化学セル１１０において還元するように、組成的に構成される。本明細書で使用される場合、「活性材料」は、レドックス反応を受けたときに酸化状態を変化させるように組成的に構成される、原子、イオン、分子等の化学成分、または同類のものを指す。例えば、陽極液溶液の活性材料が、バナジウム、クロミウム、亜鉛、硫黄、ネプツニウム、ウラン、またはこれらの組み合わせを含み得ることが想定される。さらに、複数の充電した陽極液活性材料の各々は、複数の放電した陽極液活性材料の各々よりも低い正電荷及び低い酸化状態を構成する。
【００１０】
陰極液溶液は、陰極液タンク１４０内に収容することができ、また、陰極液タンク１４０と電気化学セル１１０との間を流れることができる。陰極液溶液は、複数の充電した陰極液活性材料、複数の放電した陰極液活性材料、またはこれらの組み合わせを含むことができ、また、放電動作中に電気化学セル１１０において還元し、充電動作中に電気化学セル１００において酸化するように、組成的に構成される。複数の充電した陰極液活性材料の各々は、複数の放電した陰極液活性材料の各々よりも高い正電荷及び高い酸化状態を構成する。例えば、陰極液溶液の活性材料が、バナジウム、臭素、セリウム、塩素、フェリシアン化物、フェロシアン化物、マンガン、酸化ネプツニウム、酸化ウラン、またはこれらの組み合わせを含み得ることが想定される。
【００１１】
さらに、陽極液溶液及び陰極液溶液は、それぞれ、異なる標準還元電位を呈するレドックス対を有する、任意の活性材料を含むことができる。さらに、陽極液溶液は、陰極液溶液の活性材料よりも低い標準還元を有する活性材料を含むことができる。下の表は、陰極液溶液及び分析溶液として使用することができる活性材料レドックス対の非網羅的リストを表す。
【００１２】
【表１】
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【００１３】
図１に表されるように、電気化学セル１１０は、陽極１１２と陰極１２２との間に位置付けられ、それらと電気化学的にと係合されたイオン交換膜１２０を備える。陽極１１２は、発電回路１７０に電気的に結合された陽極導電部分１１６を含み、よって、電子は、陽極１１２と発電回路１７０との間を流れることができる。陽極１１２はまた、陽極液タンク１３０に流体的に結合された陽極液受容部分１１４も含み、よって、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２、ならびに陽極液溶液は、陽極液タンク１３０と陽極１１２の陽極液受容部分１１４との間を流れることができる。陽極液溶液が陽極液受容部分１１４内に位置付けられたときに、陽極液溶液は、イオン交換膜１２０及び陽極導電部分１１６に電気化学的に接触することができる。
【００１４】
陰極１２２は、発電回路１７０に電気的に結合された陰極導電部分１２６を含み、よって、電子は、陰極１２２と発電回路１７０との間を流れることができる。陰極１２２はまた、陰極液タンク１４０に流体的に結合された陰極液受容部分１２４を含み、よって、第１の陰極液キャリアスラリー１５６及び第２の陰極液キャリアスラリー１５８、ならびに陰極液溶液は、陰極液タンク１４０と陰極１２２の陰極液受容部分１２４との間を流れることができる。陰極液溶液が陰極液受容部分１２４内に位置付けられると、陰極液溶液は、イオン交換膜１２０及び陰極導電部分１２６に電気化学的に接触することができる。
【００１５】
イオン交換膜１２０は、固体陽子導電材料、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、Ｆｕｍａｐｅｍ（登録商標）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、Ｄｏｗ（登録商標）材料、Ｓｅｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、ＴＰＳ（登録商標）、Ｇｏｒｅ（登録商標）Ｌ０１８５４、Ｇｏｒｅ（登録商標）Ｍ０４４９４、ＡＢＴ３、ＡＢＴ４、ＳＺ、Ｈｉｐｏｒｅ（登録商標）、ＳＰＥＥＫ、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）／ＳＰＥＥＫ、ＰＳＳＳ、ＳＰＴＫ、Ｒａｄｅｌ（登録商標）、ＰＶＤＦ−ＰＳＳＡ、ＥＴＦＥ−ＰＤＭＡＥＭＡ、ＳＰＥＥＫ／ＴＰＡ、ＴＰＡ／ＰＰ、ＳＰＥＥＫ／ＰＴＦＥ、ＳＰＥＥＫ／ＰＦＳＡ、ＰＢＩ、ＰＳｆ−ＡＢＩｍ、ポリベンソイミダゾール、ポリエーテルポリマー、または同類のものを含むことができる。イオン交換膜１２０は、電気化学セル１１０内に位置付けられ、また、陽極１１２の陽極液受容部分１１４と陰極１２２の陰極液受容部分１２４との間に物理的障壁を提供することができる。さらに、イオン交換膜１２０は、陽極１１２と陰極１２２との間に陽子経路１０８を提供するように構造的に構成され、よって、フローレドックス電池システム１００の放電動作及び充電動作中に、陽子は、それらの間を流れて、陽極１１２及び陰極１２２内の酸化及び還元反応を促進することができる。
【００１６】
さらに、イオン交換膜１２０の陽子経路１０８は、陽極１１２と、発電回路１７０と、陰極１２２との間の回路を閉じることができ、よって、酸化及び還元反応は、陽極１１２と陰極１２２の間で、発電回路１７０を通して電子の流れを発生させることができ、また、陽極１１２と陰極１２２との間で、イオン交換膜１２０を通して陽子の流れを発生させることができる。例えば、放電動作中に、陽子は、陰極１２２から陽極１１２へ、陽子放電の流れ方向１０４に、イオン交換膜１２０によって提供される陽子経路１０８を通り抜けることができ、充電動作中に、陽子は、陽極１１２から陰極１２２へ、陽子充電の流れ方向１０５に、イオン交換膜１２０の陽子経路１０８を通り抜けることができる。
【００１７】
さらに図１を参照すると、発電回路１７０は、発電ユニット１７４を備える。回路経路１７２は、陽極１１２、発電ユニット１７４、及び陰極１２２に電気的に結合される。例えば、回路経路１７２は、陽極１１２と発電ユニット１７４との間に延在し、それらを電気的に結合することができ、回路経路は、陰極１２２と発電ユニット１７４との間に延在し、それらを電気的に結合することができる。発電ユニット１７４は、電源と、電気負荷と、を備えることができる。発電ユニット１７４は、陽極１１２により出力された電子によって発生された電流を受容し、電流を受容すると、電力を発生するように構造的に構成される。発電ユニット１７４はまた、陽極１１２によって受容可能な電流を出力して、陽極液溶液及び陰極液溶液を充電させるように構造的に構成される。
【００１８】
第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２は、それぞれ、陽極液溶液の活性材料を引き付け、陽極液溶液の活性材料に化学的に係合するように組成的に構成される。例えば、陽極液タンク１３０内の複数の充電及び放電した陽極液活性材料を分離するために、例えば、第１の陽極液キャリアスラリー１５０は、複数の放電または充電した陽極液活性材料の一方を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成することができ、第２の陽極液キャリアスラリー１５２は、複数の放電または充電した陽極液活性材料のもう一方を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成することができる。
【００１９】
さらに、第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６は、それぞれ、陰極液溶液の活性材料を引き付け、陰極液溶液に化学的に係合するように組成的に構成される。例えば、複数の充電及び放電した陰極液活性材料を分離するために、例えば、第１の陰極液キャリアスラリー１５４は、複数の放電または充電した陰極液活性材料の一方を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成されることができ、第２の陰極液キャリアスラリー１５６は、複数の放電または充電した陰極液活性材料のもう一方を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成することができる。
【００２０】
以下、図２を参照すると、図１の第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２、ならびに第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６は、それぞれ、複数のスラリー粒体１６０を含むことができる。各スラリー粒体１６０は、不活性コア１６２と、不活性コア１６２と化学的に係合された１つまたは２つ以上の活性粒子１６６と、を含む。不活性コア１６２は、有機粒子、無機粒子、またはこれらの組み合わせを含むことができる。例えば、不活性コア１６２が、アルミナ、二酸化ケイ素、炭化ケイ素、酸化ジルコニウム、セリア、ポリマー粒子、単一の金属酸化物、混合金属酸化物、またはこれらの組み合わせを含み得ることが想定される。第１の陽極液キャリアスラリー１５０のスラリー粒体１６０の不活性コア１６２は、第２の陽極液キャリアスラリー１５２のスラリー粒体１６０の不活性コア１６２よりも低い密度を有することができ、よって、第１の陽極液キャリアスラリー１５０は、第２の陽極液キャリアスラリー１５２の上に浮かぶ。さらに、第１の陰極液キャリアスラリー１５４のスラリー粒体１６０の不活性コア１６２は、第２の陰極液キャリアスラリー１５６のスラリー粒体１６０の不活性コア１６２よりも低い密度を有することができ、よって、第１の陰極液キャリアスラリー１５４は、第２の陰極液キャリアスラリー１５６の上に浮かぶ。
【００２１】
図２に表されるように、スラリー粒体１６０は、不活性コア１６２の表面に沿って位置付けられた１つまたは２つ以上の官能化表面領域１６４と、１つまたは２つ以上の官能化表面領域１６４において不活性コア１６２と化学的に係合された１つまたは２つ以上の活性粒子１６６と、をさらに含む。官能化表面領域１６４は、例えば化学官能基化方法等の官能基化方法を使用して、活性粒子１６６の１つまたは２つ以上の官能基と接合するように、化学的に構成することができる。１つまたは２つ以上の活性粒子１６６が、金属、例えばＣｕ、金属酸化物、例えばＺｒＯ２、混合金属、例えばＣｕ−Ｚｎ、混合金属酸化物、例えばＴｉＯ２−ＺｒＯ２、ドープ金属、例えばＹ２Ｏ３−ＺｒＯ２、またはこれらの組み合わせを含み得ることが想定される。さらに、１つまたは２つ以上の活性粒子１６６は、放電または充電した陰極液活性材料、及び放電または充電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成される。その上、第１の陽極液キャリアスラリー１５０の１つまたは２つ以上の活性粒子１６６は、異なる電気陰性度の、第２のキャリアスラリー１５２の１つまたは２つ以上の活性粒子１６６を含むことができ、第１の陰極液キャリアスラリー１５４の１つまたは２つ以上の活性粒子１６６は、１つまたは２つ以上の活性粒子１６６と第２の陰極液キャリアスラリー１５６は異なる電気陰性度を含むことができる。
【００２２】
再度図１を参照すると、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２は、不混和性であり、よって、陽極液タンク１３０内に収容されたときに、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２が分離する。さらに、第１の陽極液キャリアスラリー１５０は、第２の陽極液キャリアスラリー１５２の密度よりも低い密度を含み、よって、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２が陽極液タンク１３０内に収容されたときに、第１の陽極液キャリアスラリー１５０が第２の陽極液キャリアスラリー１５２の上に浮かぶ。その上、第１の陽極液キャリアスラリー１５０は、第２の陽極液キャリアスラリー１５２の電気陰性度とは異なる電気陰性度を含み、よって、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２のうちの一方が、陽極液溶液の充電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２のうちのもう一方が、陽極液溶液の放電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付ける。
【００２３】
例えば、第１の陽極液キャリアスラリー１５０の電気陰性度は、第２の陽極液キャリアスラリー１５２の電気陰性度よりも高くすることができ、よって、第１の陽極液キャリアスラリー１５０が、複数の放電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、第２の陽極液キャリアスラリー１５２が、複数の充電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、そして、複数の放電した陽極液活性材料は、複数の充電した陽極液活性材料の上に浮かぶ。その上、第１の陽極液キャリアスラリー１５０の電気陰性度は、第２の陽極液キャリアスラリー１５２の電気陰性度よりも低くすることができ、よって、第１の陽極液キャリアスラリー１５０が、複数の充電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、第２の陽極液キャリアスラリー１５２が、複数の放電した陽極液活性材料を電気化学的に引き付け、そして、複数の充電した陽極液活性材料は、複数の放電した陽極液活性材料の上に浮かぶ。
【００２４】
第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６は，不混和性であり、よって、陰極液タンク１４０内に収容されたときに、第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６が分離する。さらに、第１の陰極液キャリアスラリー１５４は、第２の陰極液キャリアスラリー１５６の密度よりも低い密度を含み、よって、第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６が陰極液タンク１４０内に収容されたときに、第１の陰極液キャリアスラリー１５４が、第２の陰極液キャリアスラリー１５６の上に浮かぶ。その上、第１の陰極液キャリアスラリー１５４は、第２の陰極液キャリアスラリー１５６の電気陰性度とは異なる電気陰性度を含み、よって、第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６のうちの一方が、陰極液溶液の充電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付け、第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６のうちのもう一方が、陰極液溶液の放電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付ける。
【００２５】
例えば、第１の陰極液キャリアスラリー１５４の電気陰性度は、第２の陰極液キャリアスラリー１５６の電気陰性度よりも高くすることができ、よって、第１の陰極液キャリアスラリー１５４が、複数の充電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付け、第２の陰極液キャリアスラリー１５６が、複数の放電した陰極液を電気化学的に引き付け、そして、複数の充電した陰極液活性材料は、複数の放電した陰極液活性材料の上に浮かぶ。その上、第１の陰極液キャリアスラリー１５４の電気陰性度は、第２の陰極液キャリアスラリー１５６の電気陰性度よりも低くすることができ、よって、第１の陰極液キャリアスラリー１５４が、複数の放電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付け、第２の陰極液キャリアスラリー１５６が、複数の充電した陰極液活性材料を電気化学的に引き付け、そして、複数の放電した陰極液活性材料は、複数の充電した陰極液活性材料の上に浮かぶ。
【００２６】
再度図１を参照すると、陽極液タンク１３０は、それぞれ陽極１１２に流体的に結合された、陽極液上端部１３２と、陽極液下端部１３４と、を備える。低密度陽極液経路１３６は、陽極液タンク１３０の陽極液上端部１３２と陽極１１２との間に延在し、それらを流体的に結合し、高密度陽極液経路１３８は、陽極液タンク１３０の陽極液下端部１３４と陽極１１２との間に延在し、それらを流体的に結合する。低密度陽極液経路１３６及び高密度陽極液経路１３８は、それぞれ、チューブ、パイプ、または他の流体経路機構を備える。陽極液ポンプ１３９は、低密度陽極液経路１３６または高密度陽極液経路１３８のうちの一方に流体的に結合される。陽極液ポンプ１３９は、任意の流体ポンピング機構を備え、また、陽極液タンク１３０と陽極１１２との間に流体の流れを発生させるように構造的に構成される。図１に表される陽極液ポンプ１３９は、低密度陽極液経路１３６に流体的に結合されているが、陽極液ポンプ１３９は、高密度陽極液経路１３８に流体的に結合されてもよく、または多数の陽極液ポンプ１３９は、低密度陽極液経路１３６または高密度陽極液経路１３８のうちの一方または両方に流体的に結合されてもよい。
【００２７】
陰極液タンク１４０は、それぞれ陰極１２２に流体的に結合された、陰極液上端部１４２と、陰極液下端部１４４と、を備える。低密度陰極液経路１４６は、陰極液タンク１４０の陰極液上端部１４２と陰極１２２との間に延在し、それらを流体的に結合し、高密度陰極液経路１４８は、陰極液タンク１４０の陰極液下端部１４４と陰極１２２との間に延在し、それらを流体的に結合する。低密度陰極液経路１４６及び高密度陰極液経路１４８は、チューブまたは任意の他の流体経路を備えることができる。陰極液ポンプ１４９は、低密度陰極液経路１４６または高密度陰極液経路１４８のうちの一方に流体的に結合される。陰極液ポンプ１４９は、任意の流体ポンピング機構を備え、また、陰極液タンク１４０と陰極１２２との間に流体の流れを発生させるように構造的に構成される。図１に表される陰極液ポンプ１４９は、低密度陰極液経路１４６に流体的に結合されているが、陰極液ポンプ１４９は、高密度陰極液経路１４８に流体的に結合されてもよく、または多数の陰極液ポンプ１４９は、低密度陰極液経路１４６または高密度陰極液経路１４８のうちの一方または両方に結合されてもよい。
【００２８】
再度図１を参照すると、フローレドックス電池システム１００の放電動作中に、陽極１１２は、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２と化学的に係合された充電した陽極液活性材料を受容することができる。陽極１１２はまた、イオン交換膜１２０によって形成された陽子経路１０８から、陰極１２２によって出力された陽子を受容して、充電した陽極液活性材料を酸化し、陽極１１２において第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２から酸化した活性材料を化学的に分離することもできる。酸化したときに、充電した陽極液活性材料は、陽極導電部分１１６によって受容可能な電子を出力し、よって、電子は、電子放電方向１０６に、回路経路１７２に沿って発電回路１７０へ流れる。その上、酸化の後に、以前に充電した陽極液活性材料は、放電した陽極液活性材料を含み、また、陽極１１２から陽極液タンク１３０に還流する。
【００２９】
さらに、放電動作中に、第１の陽極液キャリアスラリー１５０が、放電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、第２の陽極液キャリアスラリー１５２が、充電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、よって、放電した陽極液活性材料が、充電した陽極液活性材料の上に浮かんだときに、陽極液ポンプ１３９は、陽極液下端部１３４から陽極１１２へ、及び陽極１１２から陽極液上端部１３２へ、第１の流れ方向１０２に、流体の流れを発生させることができる。したがって、より高い密度の第２の陽極液キャリアスラリー１５２と化学的に係合された充電した陽極液活性材料は、陽極液下端部１３４から陽極１１２へ、第１の流れ方向１０２に、高密度陽極液経路１３８に沿って流れることができ、よって、陽極１１２が、酸化及び放電を受けるように組成的に構成された充電した陽極液活性材料で満たされる。
【００３０】
酸化の後に、この時点で放電した陽極液活性材料は、陽極１１２から陽極液上端部１３２へ、第１の流れ方向１０２に、低密度陽極液経路１３６に沿って流れることができ、よって、第２の陽極液キャリアスラリー１５２の上に浮かぶ第１の陽極液キャリアスラリー１５０は、放電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合することができる。その上、第１の陽極液キャリアスラリー１５０が、充電した陽極液活性材料を化学的に引き付け、係合するように組成的に構成され、第２の陽極液キャリアスラリー１５２が、放電した陽極液活性材料を化学的に引き付け、係合するために組成的に構成され、よって、充電した陽極液活性材料が、放電した陽極液活性材料の上に浮かんだときに、陽極液ポンプ１３９は、陽極液上端部１３２から陽極１１２へ、及び陽極１１２から陽極液下端部１３４へ、第２の流れ方向１０３に、流体の流れを発生させることができる。
【００３１】
放電動作中に、陰極１２２は、第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６と化学的に係合された充電した陰極液活性材料を受容することができる。陰極１２２はまた、発電回路１７０から電子を受容して、充電した陰極液活性材料を還元し、第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６から充電した陰極液活性材料を化学的に分離することもできる。還元されたときに、充電した陰極液活性材料は、イオン交換膜１２０の陽子経路１０８によって受容可能な陽子（例えば、陽極１１２によって受容される陽子）を出力する。その上、還元の後に、以前に充電した陰極液活性材料は、放電した陰極液活性材料を含み、また、陰極１２２から陰極液タンク１４０に還流する。
【００３２】
さらに、放電動作中に、第１の陰極液キャリアスラリー１５４が、放電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、第２の陰極液キャリアスラリー１５６が、充電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、よって、放電した陽極液活性材料が、充電した陰極液活性材料の上に浮かんだときに、陰極液ポンプ１４９は、陰極液下端部１４４から陰極１２２へ、及び陰極１２２から陰極液上端部１４２へ、第１の流れ方向１０２に、流体の流れを発生させることができる。したがって、より高い密度の第２の陰極液キャリアスラリー１５６と化学的に係合された充電した陰極液活性材料は、陰極液下端部１４４から陰極１２２へ、第１の流れ方向１０２に、高密度陰極液経路１４８に沿って流れることができ、よって、陰極１２２が、還元及び放電を受けるように組成的に構成された充電した陰極液活性材料で満たされる。
【００３３】
還元の後に、この時点で放電した陰極液活性材料は、陰極１２２から陰極液上端部１４２に、第１の流れ方向１０２に、低密度陰極液経路１４６に沿って流れることができ、よって、第２の陰極液キャリアスラリー１５６の上に浮かぶ第１の陰極液キャリアスラリー１５４は、放電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合することができる。さらに、第１の陰極液キャリアスラリー１５４が、充電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、第２の陰極液キャリアスラリー１５６が、放電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、よって、充電した陰極液活性材料が、充電した陰極液活性材料の上に浮かんだときに、陰極液ポンプ１４９は、陰極液上端部１４２から陰極１２２へ、及び陰極１２２から陰極液下端部１４４へ、第２の流れ方向１０３に、流体の流れを発生させることができる。
【００３４】
さらに図１を参照すると、フローレドックス電池システム１００の充電動作中に、陽極１１２は、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２と化学的に係合された放電した陽極液活性材料を受容することができる。陽極１１２はまた、発電回路１７０から電子を受容して、放電した陽極液活性材料を還元し、第１の陽極液キャリアスラリー１５０及び第２の陽極液キャリアスラリー１５２から放電した陽極液活性材料を化学的に分離することもできる。還元されたときに、放電した陽極液活性材料は、イオン交換膜１２０の陽子経路１０８によって受容可能な陽子を出力する。その上、還元の後に、以前に放電した陽極液活性材料は、充電した陽極液活性材料を含み、また、陽極１１２から陽極液タンク１３０に還流する。
【００３５】
さらに、充電動作中に、第１の陽極液キャリアスラリー１５０が、放電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、第２の陽極液キャリアスラリー１５２が、充電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、よって、放電した陽極液活性材料が、充電した陽極液活性材料の上に浮かんだときに、陽極液ポンプ１３９は、陽極液上端部１３２から陽極１１２へ、及び陽極１１２から陽極液下端部１３４へ、第２の流れ方向１０３に、流体の流れを発生させることができる。したがって、より低い密度の第１の陽極液キャリアスラリー１５０と化学的に係合された放電した陽極液活性材料は、陽極液上端部１３２から陽極１１２へ、第２の流れ方向１０３に、低密度陽極液経路１３６に沿って流れることができ、よって、陽極１１２が、還元及び充電を受けるように組成的に構成された放電した陽極液活性材料で満たされる。
【００３６】
還元の後に、この時点で充電した陽極液活性材料は、陽極１１２から陽極液下端部１３４へ、第２の流れ方向１０３に、高密度陽極液経路１３８に沿って流れることができ、よって、第１の陽極液キャリアスラリー１５０の下に位置付けられた第２の陽極液キャリアスラリー１５２は、充電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合することができる。その上、第１の陽極液キャリアスラリー１５０が、充電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、第２の陽極液キャリアスラリー１５２が、放電した陽極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、よって、充電した陽極液活性材料が、放電した陽極液活性材料の上に浮かんだときに、陽極液ポンプ１３９は、陽極液上端部１３２から陽極１１２へ、及び陽極１１２から陽極液下端部１３４へ、第１の流れ方向１０２に、流体の流れを発生させることができる。
【００３７】
充電動作中に、陰極１２２は、第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６と化学的に係合された放電した陰極液活性材料を受容することができる。陰極１２２はまた、イオン交換膜１２０によって形成された陽子経路１０８から、陽極１１２によって出力された陽子を受容して、放電した陰極液活性材料を酸化し、陰極１２２において第１の陰極液キャリアスラリー１５４及び第２の陰極液キャリアスラリー１５６から酸化した活性材料を化学的に分離することもできる。酸化したときに、放電した陰極液活性材料は、陰極導電ポート１２６によって受容可能な電子を出力し、よって、電子は電子充電方向１０７に、回路経路１７２に沿って発電回路１７０へ流れる。その上、酸化の後に、以前に放電した陰極液活性材料は、充電した陰極液活性材料を含み、また、陰極１２２から陰極液タンク１４０に還流する。
【００３８】
さらに、充電動作中に、第１の陰極液キャリアスラリー１５４が、放電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、第２の陰極液キャリアスラリー１５６が、充電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、よって、放電した陰極液活性材料が、充電した陰極液活性材料の上に浮かんだときに、陰極液ポンプ１４９は、陰極液上端部１４２から陰極１２２へ、及び陰極１２２から陰極液下端部１４４へ、第２の流れ方向１０３に、流体の流れを発生させることができる。したがって、より低い密度の第１の陰極液キャリアスラリー１５４と化学的に係合された放電した陰極液活性材料は、陰極液上端部１４２から陰極１２２へ、第２の流れ方向１０３に、低密度陰極液経路１４６に沿って流れることができ、よって、陰極１２２が、酸化及び充電を受けるように組成的に構成された放電した陰極液活性材料で満たされる。
【００３９】
酸化の後に、この時点で充電した陰極液活性材料は、陰極１２２から陰極液下端部１４４へ、第２の流れ方向１０３に、高密度陰極液経路１４８に沿って流れることができ、よって、第１の陰極液キャリアスラリー１５４の下に位置付けられた第２の陰極液キャリアスラリー１５６は、充電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合することができる。その上、第１の陰極液キャリアスラリー１５４が、充電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、第２の陰極液キャリアスラリー１５６が、放電した陰極液活性材料を引き付け、化学的に係合するように組成的に構成され、よって、充電した陰極液活性材料が、充電した陰極液活性材料の上に浮かんだときに、陰極液ポンプ１４９は、陰極液上端部１４２から陰極１２２へ、及び陰極１２２から陰極液下端部１４４へ、第１の流れ方向１０２に、流体の流れを発生させることができる。
【００４０】
動作に際して、電気化学セル１１０の動作中の、陽極１１２内の陽極液活性材料の反応物及び陰極１２２内の陰極液活性材料の反応物の濃度の増加は、フローレドックス電池システム１００の電気化学的損失を減少させる。例えば、フローレドックス電池システム１００を放電するときに、充電した陽極液活性材料は、陽極液活性材料の反応物であり、充電した陰極液活性材料は、陰極液活性材料の反応物であり、フローレドックス電池システム１００を充電するときに、放電した陽極液活性材料は、陽極液活性材料の反応物であり、放電した陰極液活性材料は、陰極液活性材料の反応物である。故に、陽極液タンク１３０内の充電及び放電した陽極液活性材料を分離すること、及び陰極液タンク１４０内の充電及び放電した陰極液活性材料を分離すること、及び陽極液活性材料の反応物を陽極１１２の中へ、及び陰極液活性材料の反応物を陰極１２２の中へ選択的にポンピングすることで、フローレドックス電池システム１００の電気化学的損失を低減させることによって、フローレドックス電池システム１００の効率を高めることができる。
【００４１】
例えば、フローレドックス電池システム１００は、開回路電圧Ｖｏｃまたは起電力（ＥＭＦ）を備え、これは、開回路条件の下で、例えば発電回路１７０内の電流がゼロであるときに、フローレドックス電池システム１００によって発生させることができる最大電圧である。開回路電圧Ｖｏｃは、電気化学セル１１０における還元及び酸化反応、陽極１１２内の陽極液活性材料の反応物及び陰極１２２内の陰極液活性材料の反応物の濃度（ネルンスト電圧）、ならびに動作温度の影響を受ける。
【００４２】
フローレドックス電池システム１００の開回路電圧Ｖｏｃは、
2019508866.tif 000004
【００４３】
として、数学的に説明することができ、式中、
2019508866.tif 000005
【００４４】
は、陽極１１２と陰極１２２と間の可逆的な最大電圧であり、Ｒは、一般ガス定数であり、Ｔは、電気化学セル１１０の動作温度であり、ｎは、電気化学セル１１０レドックス半反応において移動する電子のモルの数、例えば、陽極液溶液と陰極液溶液との間で回路経路１７２に沿って移動する電子のモルの数であり、Ｆは、ファラデー定数、９６４８５クーロン／モルであり、ａｏｘは、酸化体種（例えば、放電動作中の陽極液溶液、または充電動作中の陰極液溶液）の活性であり、ａｒｅｄは、還元体種（例えば、充電動作中の陽極液溶液、または放電動作中の陰極液溶液）の活性である。
【００４５】
活性比率
2019508866.tif 000006
【００４６】
は、フローレドックス電池システム１００の放電または充電時に変化する。例えば、活性比率は、満充電時に最大になる。さらに、活性材料の反応物の濃度が減少し、活性材料の無反応物の濃度が増加し、これらが開回路電圧ＶＯＣを減少させ得るので、活性比率はより低い充電時には減少する。故に、陽極液溶液及び陰極液溶液の各々の充電及び放電した陽極液活性材料及び陰極液活性材料を分離することは、電気化学セル１１０内の活性材料の反応物の濃度を最大にすることができ、また、フローレドックス電池システム１００の開回路電圧ＶＯＣを増加させることができる。
【００４７】
例示的な例として、陽極液溶液がバナジウムを含むときに、複数の充電した陽極液活性材料は、それぞれ、Ｖ２＋を含むことができ、複数の放電した陽極液活性材料は、それぞれ、Ｖ３＋を含むことができる。放電動作中の、陽極１１２における酸化反応は、
2019508866.tif 000007
【００４８】
として化学的に説明することができる。陽極１１２において、充電した陽極液活性材料Ｖ２＋は、放電した陽極液活性材料Ｖ３＋に酸化し、電子ｅ−は、発電回路１７０の回路経路１７２に出力される。陽極１１２が約２５℃
2019508866.tif 000008
【００４９】
で発生する電圧は、約−０．２６Ｖであり得る。さらに、充電動作中の、陽極１１２における還元反応は、
2019508866.tif 000009
【００５０】
として化学的に説明することができることを理解されたい。
【００５１】
陰極液溶液がバナジウムを含むときに、複数の充電した陰極液活性材料は、それぞれ、Ｖ５＋（例えば、ＶＯ２＋）を含むことができ、複数の放電した陰極液活性材料は、それぞれ、Ｖ４＋（例えば、ＶＯ２＋）を含むことができる。放電動作中の、陰極１２２における還元反応は、
2019508866.tif 000010
【００５２】
として化学的に説明することができる。陰極１２２で、充電した陰極液活性材料
2019508866.tif 000011
【００５３】
は、発電回路１７０の回路経路１７２から電子ｅ−を、例えば酸化反応中に陽極１１２によって出力された電子ｅ−を受け取ると、放電した陰極液活性材料
2019508866.tif 000012
【００５４】
に還元される。陰極１２２が約２５℃
2019508866.tif 000013
【００５５】
で発生する電圧は、約１．０Ｖに等しい。さらに、充電動作中の、陰極１２２の還元反応は、
2019508866.tif 000014
【００５６】
として化学的に説明することができることを理解されたい。
【００５７】
その上、陽極１１２
2019508866.tif 000015
【００５８】
の電極電位は、
2019508866.tif 000016
【００５９】
として数学的に説明することができ、陰極１２２
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【００６０】
の電極電位は、
2019508866.tif 000018
【００６１】
として数学的に説明することができる。したがって、電気化学セル１１０
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【００６２】
の全電圧は、
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【００６３】
として数学的に説明されることができ、式中、
2019508866.tif 000021
【００６４】
は、電気化学セル１１０内の充電した陰極液活性材料の濃度であり、
2019508866.tif 000022
【００６５】
は、電気化学セル１１０内の放電した陰極液活性材料の濃度であり、
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【００６６】
は、電気化学セル１１０内の充電した陽極液活性材料の濃度であり、
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【００６７】
は、電気化学セル１１０内の放電した陽極液活性材料の濃度であり、
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【００６８】
は、電気化学セル１１０内のＨ＋陽子の濃度である。
【００６９】
電気化学セル１１０はまた、ドナン過電位ＶＤｏｎを含み、これは、陽極１１２と陰極１２２とのＨ＋陽子の濃度差によって、イオン交換膜１２０の陽子経路１０８に沿って発生する。ドナン過電位は、
2019508866.tif 000026
【００７０】
として、数学的に説明することができ、式中、
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【００７１】
は、陰極１２２内のＨ＋陽子の濃度であり、
2019508866.tif 000028
【００７２】
は、陽極１１２内のＨ＋陽子の濃度である。故に、フローレドックス電池システム１００
2019508866.tif 000029
【００７３】
の全体的な開回路電圧は、
2019508866.tif 000030
【００７４】
として、数学的に説明することができる。
【００７５】
さらに、フローレドックス電池システム１００内に残留する充電量は、充電（ＳＯＣ）の状態であり、
2019508866.tif 000031
【００７６】
によって、数学的に表されることができ、式中、［Ｖ］は、集合的に、陽極液溶液及び陰極液溶液内のバナジウム濃度であり、Δ［Ｈ＋］は、陽極１１２または陰極１２２におけるＨ＋陽子の濃度の変化、例えば、元々のＨ＋陽子と現在のＨ＋陽子の濃度の違いである。したがって、フローレドックス電池システム１００の全体的な開回路電圧
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【００７７】
はまた、電荷
2019508866.tif 000033
【００７８】
の状態に関して、ＳＯＣとして、数学的に表すこともできる。
【００７９】
陽極液タンク１３０及び陰極液タンク１４０内の、充電及び放電した陽極液活性材料、ならびに充電及び放電した陰極液活性材料をそれぞれ分離することは、陽極液タンク１３０及び陰極液タンク１４０に戻る活性材料の反応物の再循環をそれぞれ最小にすることができ、また、電気化学セル１１０に導入される活性材料の無反応物の量を最小にすることができる。これは、生成物の活性材料の濃度が、
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【００８０】
及び
2019508866.tif 000035
【００８１】
によって数学的に説明されるように、動作中に一定であり得るので、フローレドックス電池システム１００の開回路電圧を増加させ、式中、αは、それぞれ、陽極液タンク１３０及び陰極液タンク１４０それぞれへ再循環して戻る活性材料の反応物のパーセンテージであり、［Ａα＋］０及び［Ｂδ＋］０は、それぞれ、活性材料の反応物の初期（満充電）の濃度である。したがって、充電ＳＯＣの状態は、
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【００８２】
として、数学的に説明することができ、開回路電圧は、
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【００８３】
として、数学的に説明することができる。
【００８４】
以下、図３を参照すると、グラフ１９０は、フローレドックス電池システム１００のＳＯＣパーセンテージを超える開回路電圧
2019508866.tif 000038
【００８５】
を示して表される。「混合活性材料」というラベルが付された曲線１９４は、陽極液または陰極液キャリアスラリー１５０、１５２、１５４、１５６を伴わず、よって、充電及び放電した陽極液活性材料が、陽極液タンク１３０内及び陽極１１２内の両方において混合され、充電及び放電した陰極液活性材料が、陰極液タンク１４０内及び陰極１２２内の両方において混合される、フローレドックス電池システム１００のＳＯＣパーセンテージ超える開回路電圧
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【００８６】
を表す。「キャリアスラリーが分離した活性材料」というラベルが付された曲線１９２は、上で説明したように、陽極液タンク１３０内の充電及び放電した陽極液活性材料を分離し、陰極液タンク１４０内の充電及び放電した陰極液活性材料を分離するために、陽極液及び陰極液キャリアスラリー１５０、１５２、１５４、１５６を使用した、フローレドックス電池システム１００のＳＯＣパーセンテージを超える開回路電圧
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【００８７】
を表す。図３に表されるように、曲線１９２は、曲線１９４と比較したときに、フローレドックス電池システム１００のあらゆるＳＯＣパーセンテージにおいて、より高い開回路電圧
2019508866.tif 000041
【００８８】
を示す。さらに、ＳＯＣパーセンテージが減少するにつれて、曲線１９２の開回路電圧と曲線１９４との間の隔たり増加する。
【００８９】
特定の特性を具現化するために、または特定の様態で機能するように、特定の方式で「構成されている」本開示の構成要素の本明細書における列挙は、使用目的の列挙とは対照的に、構造的な列挙であることに留意されたい。より具体的には、構成要素が「構成される」様態に対する本明細書における参照は、構成要素の既存の物理的条件を表し、よって、構成要素の構造的特性の限定的な列挙と捉えられるべきである。
【００９０】
本発明を説明し、定義する目的で、「約」という用語は、任意の定量的比較、値、測定、また、他の表現に起因し得る不確定性の固有の程度を表すために本明細書で利用されることに留意されたい。「約」という用語はまた、本明細書において、定量的表現が、問題となる主題の基本的な機能の変化をもたらすことなく、既定の基準と異なり得る程度を表すためにも利用される。
【００９１】
本開示の主題を詳細に、及びその特定の実施形態を参照することによって説明してきたが、本明細書で開示される種々の詳細は、本説明に付随する図面の各々に特定の要素が例示されている場合さであっても、これらの詳細が、本明細書で説明される種々の実施形態の必須構成要素である要素に関することを示唆するものとして捉えるべきではないことに留意されたい。さらに、限定されないが、添付の特許請求の範囲において画定される実施形態を含む、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、修正及び変形が可能であることが明らかになるであろう。より具体的には、いくつかの本開示の態様は、本明細書で好ましい、または特に好都合であると識別されるが、本開示は、必ずしもこれらの態様に限定されるわけではないことが想定される。
【００９２】
以下の請求項の１つまたは２つ以上は、移行句として「〜であって（ｗｈｅｒｅｉｎ）」という用語を利用することに留意されたい。本発明を定義する目的で、この用語は、構造の一連の特性の列挙を導入するために使用されるオープンエンドな移行句として請求項に導入されており、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」というより一般的に使用されるオープンエンドのプリアンブル用語と同様に解釈されるべきであることに留意されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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