(57)【要約】  電気化学セルは、電解液を電極またはイオン伝導性のセパレータに効率的に供給するように設計された流路を備えることができる。そのような電気化学セルは、第１のハーフセルと第２のハーフセルとの間に配置されたイオン伝導性のセパレータと、第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレートと、第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートとを備えることができる。第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は、導体材料と閉塞材料とを含有する複合材料である。閉塞材料は、互いに離間すると共に、イオン伝導性のセパレータに対して横方向に該複合材料を通って延在する、複数の流路を形成する。これらの複数の流路は、複合材料内で互いに流体連通している。このように構成された複数の電気化学セルは、電気化学スタックへの組み込みや、流体入口マニホールドや流体出口マニホールドへの流体接続、あるいはその両方を行うことができる。【選択図】図１
2019511104.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のハーフセルと第２のハーフセルとの間に配置されたイオン伝導性のセパレータと、
前記第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレートと、
前記第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートと、
を備え、前記第１のバイポーラプレートおよび前記第２のバイポーラプレートのうち少なくとも一方が、導体材料および閉塞材料を含有する複合材料である、電気化学セルであって、
前記閉塞材料は、互いに離間すると共に、前記イオン伝導性のセパレータに対して横方向に前記複合材料を通って延在する、複数の流路を形成し、
前記複数の流路は、前記複合材料内で互いに流体連通している、電気化学セル。
【請求項２】
前記導体材料は、不織カーボンペーパー、カーボン織布、カーボンフェルト、またはカーボン発泡体を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項３】
前記複数の流路は、前記複合材料の中で互いに略平行に延びている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項４】
前記第１のハーフセル内に設けられる第１の電極と、
前記第２のハーフセル内に設けられる第２の電極と、
をさらに備え、
前記第１の電極が、前記第１のバイポーラプレートと前記イオン伝導性のセパレータとの間に挟まれ、
前記第２の電極が、前記第２のバイポーラプレートと前記イオン伝導性のセパレータとの間に挟まれている、
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項５】
前記第１のバイポーラプレートが、前記第１の電極に接し、
前記第２のバイポーラプレートが、前記第２の電極に接している、
請求項４に記載の電気化学セル。
【請求項６】
前記第１のバイポーラプレートおよび前記第２のバイポーラプレートは、前記イオン伝導性のセパレータの両面に接している、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項７】
前記閉塞材料は、ポリマー材料を含む、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項８】
前記ポリマー材料は、熱可塑性ポリマーを含む、請求項７に記載の電気化学セル。
【請求項９】
前記閉塞材料は、前記導体材料に含浸されている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１０】
前記閉塞材料は、前記導体材料の上に層を備えている、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１１】
前記第１のバイポーラプレートに第１の電解液を供給し、前記第２のバイポーラプレートに第２の電解液を供給するように構成された流体入口マニホールドと、
前記第１のバイポーラプレートから前記第１の電解液を排出し、前記第２のバイポーラプレートから前記第２の電解液を排出するように構成された流体出口マニホールドと、
をさらに備え、
前記流体入口マニホールドおよび前記流体出口マニホールドは、前記複合材料内の交互配列された流路に対して、前記第１の電解液と前記第２の電解液との供給および排出を行うように構成されている、
請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１２】
前記流体入口マニホールドおよび前記流体出口マニホールドは、前記第１のバイポーラプレートおよび前記第２のバイポーラプレートの両側面に対して、前記第１の電解液と前記第２の電解液との供給および排出を行うように構成されている、請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１３】
前記第１のハーフセル内に前記第１のバイポーラプレートを保持し、前記第１のハーフセル内に流体シールを設けるように構成された１つ以上のフレーム層と、
前記第２のハーフセル内に前記第２のバイポーラプレートを保持し、前記第２のハーフセル内に流体シールを設けるように構成された１つ以上のフレーム層と、
をさらに備え、
前記第１のハーフセル内の前記フレーム層の少なくとも１つが、前記第１のバイポーラプレートに前記第１の電解液を供給するように構成され、
前記第２のハーフセル内の前記フレーム層の少なくとも１つが、前記第２のバイポーラプレートに前記第２の電解液を供給するように構成されている、
請求項１１に記載の電気化学セル。
【請求項１４】
前記第１のハーフセル内に前記第１のバイポーラプレートを保持し、前記第１のハーフセル内に流体シールを設けるように構成された１つ以上のフレーム層と、
前記第２のハーフセル内に前記第２のバイポーラプレートを保持し、前記第２のハーフセル内に流体シールを設けるように構成された１つ以上のフレーム層と、
をさらに備える、請求項１に記載の電気化学セル。
【請求項１５】
請求項１に記載の電気化学セルを複数備え、該複数の電気化学セルが互いに当接する、電気化学スタック。
【請求項１６】
隣接する電気化学セルの間に追加の導体層をさらに備えている、請求項１５に記載の電気化学スタック。
【請求項１７】
フロー電池内に設けられている、請求項１５に記載の電気化学スタック。
【請求項１８】
前記第１のバイポーラプレートに第１の電解液を供給し、前記第２のバイポーラプレートに第２の電解液を供給するように構成された流体入口マニホールドと、
前記第１のバイポーラプレートから前記第１の電解液を排出し、前記第２のバイポーラプレートから前記第２の電解液を排出するように構成された流体出口マニホールドと、
をさらに備え、
前記流体入口マニホールドおよび前記流体出口マニホールドは、前記複合材料内の交互配列された流路に対して、前記第１の電解液と前記第２の電解液との供給および排出を行うように構成されている、請求項１５に記載の電気化学スタック。
【請求項１９】
導体材料の一部に閉塞材料を含浸させて複合材料を形成することと、
第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレートと、第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートとを備え、前記第１のハーフセルおよび前記第２のハーフセルがイオン伝導性のセパレータによって隔てられている電気化学セルを作製することと、を含む方法であって、
前記第１のバイポーラプレートおよび前記第２のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は、前記複合材料を含み、
前記閉塞材料は、互いに離間するともに、前記イオン伝導性のセパレータに対して横方向に前記複合材料を通って延在する、複数の流路を形成し、
前記複数の流路は、前記複合材料内で互いに流体連通している、方法。
【請求項２０】
前記電気化学セルが、連続的な生産ラインでロール状の原材料から作製される、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記連続的な生産ラインにおいて、前記電気化学セルを作製する前に、前記複合材料の形成および該複合材料への前記複数の流路の形成も行う、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記閉塞材料を含浸させることは、前記導体材料に熱可塑性ポリマーを熱含浸させることを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２３】
複数の前記電気化学セルを互いに当接させて電気化学スタックを形成することをさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２４】
導体材料上の層に閉塞材料を配置して複合材料を形成することと、
前記層から前記閉塞材料の一部を除去して互いに離間した複数の流路を形成することと、
第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレートと、第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートとを備え、前記第１のハーフセルおよび前記第２のハーフセルがイオン伝導性のセパレータによって隔てられている電気化学セルを作製することとを含む方法であって、
前記第１のバイポーラプレートおよび前記第２のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は、前記複合材料を含み、
前記複数の流路は、前記イオン伝導性のセパレータに対して横方向に前記複合材料を通って延在し、
前記複数の流路は、前記複合材料内で互いに流体連通している、方法。
【請求項２５】
前記電気化学セルが、連続的な生産ラインでロール状の原材料から作製される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記連続的な生産ラインにおいて、前記電気化学セルを作製する前に、前記複合材料の形成および該複合材料への前記複数の流路の形成も行う、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
熱含浸によって前記導体材料に前記閉塞材料を少なくとも部分的に含浸させることをさらに含み、
前記閉塞材料が熱可塑性ポリマーを含む、前記請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
複数の前記電気化学セルを互いに当接させて電気化学スタックを形成することをさらに含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記閉塞材料の一部を除去して互いに離間した複数の流路を形成することは、前記閉塞材料のレーザアブレーションを含む、請求項２４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
該当なし。
【０００２】
連邦政府資金による研究開発に関する記載
該当なし。
【０００３】
本発明は、一般に、電気化学セルに関し、より具体的には、予め設計されたフローフィールド構造を有する電気化学セルと、そのような電気化学セルの作製方法とに関する。
【背景技術】
【０００４】
電池やスーパーキャパシタなどの電気化学エネルギー貯蔵システムに関しては、大規模なエネルギー貯蔵用途で幅広い提案が行われている。この目的のため、これまでフロー電池などの様々な電池設計が検討されてきた。フロー電池は、電力密度のパラメータとエネルギー密度のパラメータとを互いに切り離すことができるため、他の種類の電気化学エネルギー貯蔵システムと比べて特に大規模用途で有利であり得る。
【０００５】
一般に、フロー電池とは、負の活物質と正の活物質とをそれぞれ対応する電解液中に含み、これらの電解液が、負極と正極とを有する電気化学セル内において膜すなわちセパレータの両側をそれぞれ別々に流れるものである。フロー電池は、これら２つのハーフセル内部で起こる活物質の電気化学反応によって充放電される。本明細書において、「活物質（active material）」、「電気活物質（electroactive material）」、「レドックス活物質（redox-active material）」という用語またはこれらの変化形は、フロー電池またはそれに類する電気化学エネルギー貯蔵システムの動作中（すなわち、充放電中）に酸化状態が変化する物質を指す用語として同義的に用いられる。１つの電気化学セル（フルセル）は、２つのハーフセル（正のハーフセルと負のハーフセル）を有しており、これらのハーフセルはセパレータ材料によって互いに隔てられている。
【０００６】
フロー電池の貯蔵（放出）可能なエネルギー量を増大させるために、複数の個々の電気化学セルを互いに電気的に連通させて配置することができる。通常、個々の電気化学セルを互いに電気的に連通した状態とする場合には、バイポーラプレート、またはこれに類する隣接する電気化学セル間の電気的な連通を確保する材料を用いて、複数の個々の電気化学セルを「セルスタック（cell stack）」（「電気化学スタック（electrochemical stack）」）の状態に配置する必要がある。バイポーラプレートは、流体移動に関しては実質的に非伝導性だが電気的には伝導性を有している。従って、バイポーラプレートは、隣接する電気化学セル間において電解液の交換を生じることなく、これら隣接する電気化学セル間の電気的な連通を確保することを可能にする。
【０００７】
電気化学セル内では、バイポーラプレートをセパレータ（膜）に近接させて配置して、バイポーラプレート自身が直接電極の役割を果たすようにすることができるほか、セパレータ（膜）とは別にセパレータに隣接させて電極材料を設け、これにバイポーラプレートを当接させることもできる。所定の電気化学セルがどのような構成を有しているかに関わらず、セパレータに近接して起こる所望の電気化学反応を促進するためには、電解液を効率的にセパレータに分配することが望ましい場合がある。例えば、電解液の分配が非効率に行われた場合、動作効率の低下や、セパレータから離れた位置での寄生反応の発生増、あるいはその両方が起こりかねない。本明細書において、「寄生反応（parasitic reaction）」という用語は、所望の酸化還元サイクルとは異なる電解液中の活物質の任意の副次的な電気化学反応を指す。
【０００８】
電気化学セル内のセパレータへの電解液の分配は、バイポーラプレートを用いて行うことができる。場合によっては、以下により詳細に説明するように、予め設計されたフローフィールドをバイポーラプレートに組み込むことにより、フローの動態が所望のものとなるように制御することができる。一方、電解液のフローの動態が基本的に規制されないオープンなフローフィールドを組み込んだフローフィールド構造も可能である。未処理の多孔質カーボンクロスまたは多孔質カーボンフェルトは、電気化学セルにオープンなフローフィールドを設けることができる例示的な材料である。
【０００９】
しかし、多くの場合、このようなオープンなフローフィールドよりも、少なくとも１つの座標軸に沿ってフローの方向を調整するように予め設計されたフローフィールドの方が、より効率的なセルの動作を実現できる。例えば、交互配列された（interdigitated）フローフィールドは、セルの電圧を望ましい低いレベルに維持しながら、高い電流密度値を実現することができるものである。しかし、オープンなフローフィールドを採用した場合には、電気化学セルの製造時に特別な配慮はほぼ必要としないのに対して、予め設計されたフローフィールドを採用した場合には、成形加工や機械加工によって導体材料中に複数の流路（flow channels）を形成する必要がある。予め設計されたフローフィールドをこのような手法で形成すれば、作製コストの大幅増を招くほか、製造工程のスピードが制限されかねない。特に、交互配列されたフローフィールドは、時間効率と費用対効果の高い方法でバイポーラプレートに作製することが難しく、連続的な生産ライン内では特に困難であると考えられる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
以上のことを考慮すれば、電気化学セルへの組み込みが容易で、簡便な電気化学セル製造を可能にする予め設計されたフローフィールドを有する電気化学セル構成は、当技術分野において非常に望ましいと考えられる。本発明は、上記のニーズを満たすと共に関連する利点も提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
いくつかの実施形態では、本発明は、第１のハーフセルと第２のハーフセルとの間に配置されたイオン伝導性のセパレータと、第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレートと、第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートと、を備える電気化学セルを提供する。第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は、導体材料と閉塞材料（blocking material）とを含有する複合材料である。閉塞材料は、互いに離間すると共に、イオン伝導性のセパレータに対して横方向に複合材料を通って延在する、複数の流路を形成する。複数の流路は、複合材料内で互いに流体連通している。電気化学スタックは、互いに当接させた複数の上記電気化学セルを含み得る。
【００１２】
他の種々の実施形態では、電気化学セルを形成するための方法は、導体材料の一部に閉塞材料を含浸させて複合材料を形成することと、第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレートと、第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートとを有する電気化学セルを作製することとを含む。第１のハーフセルと第２のハーフセルとはイオン伝導性のセパレータによって隔てられる。第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は、複合材料を含む。閉塞材料は、互いに離間すると共に、イオン伝導性のセパレータに対して横方向に複合材料を通って延在する、複数の流路を形成する。複数の流路は、複合材料内で互いに流体連通している。
【００１３】
さらに他の種々の実施形態では、電気化学セルを形成するための方法は、導体材料上の層に閉塞材料を配置して複合材料を形成することと、層から閉塞材料の一部を除去して互いに離間した複数の流路を形成することと、第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレートと、第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートとを有する電気化学セルを作製することとを含む。第１のハーフセルと第２のハーフセルとはイオン伝導性のセパレータによって隔てられる。第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は、複合材料を含む。複数の流路は、イオン伝導性のセパレータに対して横方向に複合材料を通って延在する。複数の流路は複合材料内で互いに流体連通している。
【００１４】
上述の記載は、以下の詳細な説明をより良く理解できるように、本発明の特徴をやや大まかに概説したものである。以下に、本発明のさらなる特徴および利点を説明する。上記および上記以外の利点や特徴は、以下の説明からさらに明らかになるであろう。
【００１５】
本発明およびその利点のより完全な理解のために、以下に、本発明の具体的な実施形態を示す添付の図面と併せて読まれるべき説明を記す。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】単一の電気化学セルを備える例示的なフロー電池を示す模式図である。
【図２】バイポーラプレートを有する例示的な電気化学セルを示す一般的な模式図である。
【図３】図２に示す電気化学セルを有する例示的な電気化学スタックを示す一般的な模式図である。
【図４】隣接する電気化学セルの間でバイポーラプレートを共有している例示的な電気化学スタックを示す一般的な模式図である。
【図５】複数のフレーム層を有すると共に、隣接するハーフセル間に圧縮性シールを備えている例示的な電気化学セル構成の分解図であり、各種セル構成コンポーネントを、その細部を示すため互いに離間した状態で示す。
【図６Ａ】図５に示す電気化学セルのカソード側からのより詳細な図を示す。
【図６Ｂ】図５に示す電気化学セルのアノード側からのより詳細な図を示す。
【図７】図５に示す電気化学セルの各種セル構成コンポーネントが互いに完全に当接した状態の断面図を示す。
【図８】他の例示的な電気化学セル構成の分解図であり、各種セル構成コンポーネントを、その細部を示すため互いに離間した状態で示す。
【図９】図８に示す電気化学セルの各種セル構成コンポーネントが互いに完全に当接した状態の断面図を示す。
【図１０】複数の流路が形成されたバイポーラプレートを有する例示的な電気化学セルを示す上面模式図である。
【図１１】閉塞材料を内部に含浸させたバイポーラプレートを有する例示的な電気化学ハーフセルを示す側面模式図である。
【図１２】上層に閉塞材料を配置したバイポーラプレートを有する例示的な電気化学ハーフセルを示す側面模式図である。
【図１３】閉塞材料を含有するバイポーラプレートが設けられた電気化学セルの完成形を示す側面模式図である。
【図１４】バイポーラプレートの導体材料に熱可塑性ポリマーを含浸させることが可能な例示的なプロセスを示す図である。
【図１５】バイポーラプレートの導体材料に熱可塑性ポリマーを含浸させることが可能な例示的なプロセスを示す、図１４とは別方向からの図である。
【図１６】噴霧器を用いた例示的な液相堆積工程を示す。
【図１７】バイポーラプレートの導体材料上に熱可塑性ポリマーを積層した後、アブレーションで複数の流路を形成する例示的なプロセスを示す図である。
【図１８】バイポーラプレートの導体材料上に熱可塑性ポリマーを積層した後、アブレーションで複数の流路を形成する例示的なプロセスを示す、図１７とは別方向からの図である。
【図１９】バイポーラプレートの流路形成とそのバイポーラプレートを用いた電気化学セルの組み立てに使用することができる例示的な連続生産ラインを示す一般的な模式図である。
【図２０】バイポーラプレートの流路形成とそのバイポーラプレートを用いた電気化学セルの組み立てに使用することができる例示的な連続生産ラインを示す一般的な模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明は、部分的には、予め設計されたフローフィールドをバイポーラプレート内に有する電気化学セルに関する。また、本発明は、部分的には、予め設計されたフローフィールドをバイポーラプレート内に有する電気化学セルの製造プロセスに関する。さらにまた、本発明は、部分的には、予め設計されたフローフィールドをバイポーラプレート内に有する電気化学セルを製造するための生産ラインシステムに関する。
【００１８】
本発明は、添付の図面および例に関連付けて以下の記載を参照することによって、さらに容易に理解することができるであろう。添付の図面および例はいずれも本発明の一部をなすものである。本発明が本明細書に記載および／または図示する具体的な製品、方法、条件、またはパラメータには限定されないことを理解されたい。本明細書で用いる用語は、単に一例としての特定の実施形態を説明するためのものであって、特に明記しない限り、限定を意図するものではない。同様に、特に明記しない限り、本明細書内において、ある組成物に対する説明はいずれも、該組成物の固体、液体の双方を対象とすることを意図しており、さらに該組成物を含有する溶液および電解液、およびそのような溶液および電解液を含む電気化学セル、フロー電池、およびその他のエネルギー貯蔵システムをも対象とすることが意図されている。さらに、本発明において、電気化学セル、フロー電池、または他のエネルギー貯蔵システムについて説明していると考えられる場合には、電気化学セル、フロー電池、または他のエネルギー貯蔵システムを動作させる方法についても暗に説明しているものと認識されたい。
【００１９】
また、本明細書では、分かりやすくするため、本発明のいくつかの特徴を別個の実施形態と関連させて記載しているが、これらの特徴を、相互に組み合わせて単一の実施形態において備えることができることが認められよう。すなわち、明らかに両立できないかまたは明示的に排除される場合を除いて、個々の実施形態は１以上の他のいずれかの実施形態と組み合わせることができると考えられ、そのような組み合わせは全く別の実施形態であると見なされる。逆に、簡潔にするため、本発明の種々の特徴を単一の実施形態に関連させて説明する場合があるが、これらの特徴を、別々にまたは任意のより小さい組み合わせで備えることも可能である。さらにまた、ある特定の実施形態を一連のステップの一部としてまたはより包括的な構造の一部として記載する場合があるが、各ステップまたは各下位構造はそれ自体を独立した実施形態と見なすことも可能である。
【００２０】
特に明記しない限り、要素をリストアップしている場合には、リストアップした各要素および同リスト内の各要素のすべての組み合わせをそれぞれ別個の実施形態として解釈すべきであると理解されたい。例えば、「Ａ、ＢまたはＣ」と示される実施形態のリストは、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「ＡまたはＢ」、「ＡまたはＣ」、「ＢまたはＣ」または「Ａ、ＢまたはＣ」という実施形態を含むものとして解釈される。
【００２１】
本発明において、文脈上明らかに他の意味を示す場合を除き、単数の冠詞「a（１つの）」、「an（１つの）」および「the（その／前記）」は、対応する複数に対する言及も包含するものであり、特定の数値に対する言及は、少なくともその特定の値を包含するものである。このため、例えば「a material（１つの物質）」は、そのような物質およびその均等物のうち少なくとも１つを指す。
【００２２】
一般に、「約（about）」という用語を使用する場合、本発明の主題が達成しようとする所望の特性に応じて変動する可能性のある近似値を示し、機能に基づいて状況に応じて解釈されるべきものである。従って当業者であれば、個々の状況に応じてある程度の変動範囲を汲み取ることができるであろう。「約」という用語が許容する変動を規定する代表的な技法として、特定の値を表す際に有効桁数を使用することが考えられる。あるいは、「約」という用語が許容する変動範囲を、一連の値に段階を設けることによって規定することもできる。さらに、本発明におけるすべての範囲は上下限値を含みかつ連結可能であり、ある範囲で規定される値に対して言及する場合、その言及は範囲内のすべての個々の値を包含するものである。
【００２３】
上述のように、高い効率値を維持しながら大規模に動作することができるエネルギー貯蔵システムが非常に望ましい場合がある。フロー電池はこの点で大きな関心を集めてきたが、真に商業的に実現可能なフロー電池技術は未だ開発されていない。フロー電池で利用されるものを含む電気化学セルの望ましい特徴の１つとして、電解液を効率的に分配する構造を有することが挙げられる。電解液の適切な分配が行われない場合には、非効率なセルの動作、または寄生反応の発生増加、あるいはその両方につながるおそれがある。
【００２４】
電気化学セル内のバイポーラプレートを用いて、予め設計されたフローフィールドを電気化学セル内に組み込むことは既に可能ではあるが、これを実現する既存の技術は、総じて手間やコスト、時間を要するものである。より具体的には、既存の技術でバイポーラプレートに予め設計されたフローフィールドを組み込む場合、成形加工または機械加工によって導体材料の中に複数の流路を形成する必要がある。成形加工作業や機械加工作業は、その性質上時間がかかるものである上、連続的な生産ラインへの組み込みができない場合もある。電気化学セルへの組み込みに好適なフローフィールド設計の１つとして、交互配列されたフローフィールド構造を挙げることができる。しかし、現在利用できる技術でこれを実現することは難しく、特に、生産性の高い方法で実現するのは現時点では困難である。
【００２５】
そこで、本発明者は、内部に準交互配列された（quasi-interdigitated）複数の流路を形成する加工を容易に施すことができるバイポーラプレートを備える電気化学セル構成を発見した。従来の交互配列流路が、導体材料の機械加工または成形加工によって形成されていたのに対し、本発明者が発見した準交互配列流路は、閉塞材料を導体材料の内部または表面上に選択的に配置することによって作製できるものである。本明細書において、「閉塞材料（blocking material）」という用語は、導体材料内部の孔隙の一部を塞いで、電解液が移動できない不透過性の領域を形成することができる任意の物質を指す。閉塞材料を導体材料の内部および／または表面上の特定の位置に配置することによって、塞がれていない残りの導体材料が、交互配列されたフローフィールドが備えるフロー分配特性と同様のフロー分配特性を備えることができる。以下では、この点についてさらに説明する。
【００２６】
本明細書に記載の方法で閉塞材料を用いることにより、部分的に閉じた流路を生成できるほか、開いた流路を生成することもできる。部分的に閉じた流路構成の場合、導体材料で流路の内部を充填するとともに、閉塞材料で流路の外側境界を画定する。導体材料は相互接続された孔を複数有しているため、このような構成であっても、流路内の流体の流れは許容される。すなわち、閉塞材料に比べて、導体材料は、流体の流れをそれほど阻害しない。一方、開いた流路構成の場合、閉塞材料による流路の外側境界の画定は行うが、バイポーラプレートの導体材料で流路の内部を充填することはしない。場合によっては、流路の内部を電極材料で充填することもできる。各構成については、以下でさらに説明する。
【００２７】
好都合なことに、適切な閉塞材料を導体材料の内部または表面上に組み入れる方法としては、様々な方法があり、いずれも容易な流路形成を可能にするものである。より具体的には、導体材料への流路形成は、付加式のプロセス、除去式のプロセスのいずれによっても可能である。付加式のプロセスの場合、閉塞材料を選択的に導入することにより、その処理中に流路を直接形成する。一方、除去式のプロセスの場合、閉塞材料を均一に（すなわち、非選択的に）導入した後、閉塞材料の一部を選択的に除去することにより、導体材料の内部または表面上に流路を形成することができる。導体材料に流路を形成するためのこれらのプロセスは、付加式、除去式いずれも、生産性の高い各種製造技術と適合性がある。例えば、本発明の電気化学セルの構成は、ロール状の原料から生産ラインに供給される材料で完全にまたはかなりの部分を製造することができる。以下では、この点についてさらに説明する。
【００２８】
以下では、準交互配列されたフローフィールドをバイポーラプレートに組み込むことができる電気化学セル構成やプロセスについてさらに説明する前に、まず、フロー電池とその各種コンポーネントの概要を説明する。図１は、単一の電気化学セルを備える例示的なフロー電池を示す模式図である。活物質やその他のコンポーネントが単一のアセンブリに収容される一般的な電池技術（例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等）とは異なり、フロー電池は、貯蔵タンクのレドックス活性エネルギー貯蔵物質を（例えばポンピングによって）電気化学スタックを通過させて輸送するものである。この設計上の特徴により、電気エネルギー貯蔵システムの電力がエネルギー貯蔵容量から切り離されるため、大幅な設計の柔軟性とコストの最適化が実現可能となる。
【００２９】
図１に示すように、フロー電池システム１は電気化学セルを備えている。この電気化学セルは、その２つの電極１０，１０’を隔てるセパレータ２０（例えば膜）を備えることを特徴とするものである。電極１０，１０’は、金属、炭素、グラファイトなどの適切な導体材料から形成される。タンク５０は、酸化状態と還元状態との間を循環可能な第１の活物質３０を収容する。
【００３０】
ポンプ６０は、第１の活物質３０をタンク５０から電気化学セルに輸送するためのものである。フロー電池はまた適宜、第２の活物質４０を収容する第２のタンク５０’も含む。第２の活物質４０は、活物質３０と同一の物質であってよく、または異なる物質であってもよい。第２のポンプ６０’は、第２の活物質４０を電気化学セルに輸送するためのものである。また、電気化学セルからタンク５０，５０’に活物質を戻す輸送のためにもポンプを用いてよい（図１には図示していない）。また、例えばサイフォンなどの、流体輸送に作用する他の方法によっても、第１の活物質３０および第２の活物質４０を電気化学セル内外に適宜輸送することができる。図１には電源または負荷７０も図示されている。この電源または負荷７０によって電気化学セル回路が完成し、回路の動作中、ユーザによる電気の蓄積（貯蔵）が可能となる。
【００３１】
図１は、フロー電池の具体的な構成を示すものであり、限定を意図するものではないことを理解されたい。従って、本発明の精神と合致するフロー電池および電気化学セルが図１の構成とは様々な面で異なる場合がある。一例として、フロー電池システムは、固体、気体、および／または液体に溶解した気体である、１つ以上の活物質を含むことができる。活物質は、大気に開放しているかまたは単に大気への通気口を設けたタンクまたは容器に貯蔵することができる。
【００３２】
本明細書において、「セパレータ（separator）」および「膜（membrane）」という用語は、電気化学セルの正極と負極との間（すなわち、負のハーフセルと正のハーフセルとの間）に配置されたイオン伝導性と電気的絶縁性とを有する材料を指す。セパレータは、いくつかの実施形態では膜、および／または他の種々の実施形態ではアイオノマー膜とすることができる。いくつかの実施形態では、セパレータをイオン伝導性ポリマーから形成することができる。
【００３３】
ポリマー膜は、アニオン伝導性またはカチオン伝導性の電解質とすることができる。「アイオノマー（ionomer）」と記載する場合、この用語は、電気的に中性な繰返し単位およびイオン化した繰返し単位の双方を含有するポリマー膜を指し、ここでイオン化した繰返し単位はペンダント基としてポリマー骨格に共有結合している。一般に、イオン化した繰返し単位の比率は約１ｍｏｌ％〜約９０ｍｏｌ％の範囲とすることができる。アイオノマー内のイオン化した繰返し単位としては、スルホン酸基、カルボン酸基などのアニオン性官能基が挙げられる。これらの官能基は、アルカリまたはアルカリ土類金属などの一価または二価以上のカチオンによって電荷を平衡させることができる。またアイオノマーとしては、結合されたまたは組み込まれた第四級アンモニウム、スルホニウム、ホスファゼニウム、およびグアニジニウムの残基または塩を含有するポリマー組成物も挙げられる。適切な例については、当業者にはよく知られているであろう。
【００３４】
いくつかの実施形態では、セパレータとして利用できるポリマーが、高フッ素化ポリマー骨格または過フッ素化ポリマー骨格を含む場合がある。本発明において利用できる特定のポリマーとしては、テトラフルオロエチレンと、１つ以上のフッ素化された酸性官能性コモノマーとの共重合体が挙げられる。この共重合体は、デュポン（DuPont）社からナフィオン（NAFION）（登録商標）過フッ素化ポリマー電解質として市販されているものである。他の利用可能な過フッ素化ポリマーとしては、テトラフルオロエチレンとＦＳＯ２−ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２ＣＦ２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ２との共重合体、フレミオン（FLEMION）（登録商標）およびセレミオン（SELEMION）（登録商標）が挙げられる。
【００３５】
さらに、スルホン酸基（またはカチオン交換スルホン酸基）で修飾した、実質的にフッ素化されていない膜を用いることもできる。このような膜としては、実質的に芳香族の骨格を有するものが挙げられ、例えばポリスチレン、ポリフェニレン、ビフェニルスルホン（ＢＰＳＨ）、またはポリエーテルケトンおよびポリエーテルスルホンなどの熱可塑性物質などを含むことができる。
【００３６】
電池セパレータ用の多孔質膜も本セパレータとして使用可能である。そのような膜はそれ自身ではイオン伝導能力を待たないため、通常、セパレータとして機能させるために添加物を含浸させている。一般に、これらの膜は、ポリマーと無機充填剤との混合物を含有し、多くの開放孔を有する。適切なポリマーとしては、例えば高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。適切な無機充填剤としては、炭化ケイ素マトリックス材、二酸化チタン、二酸化ケイ素、リン化亜鉛およびセリアが挙げられる。
【００３７】
セパレータは、ポリエステルや、ポリエーテルケトン、ポリ（塩化ビニル）、ビニルポリマー、置換ビニルポリマーで形成することもできる。これらは単独で、または前述のポリマーのいずれかと組み合わせて使用できる。
【００３８】
多孔質セパレータは、電解液で満たされた開流路を介した両電極間の電荷移動を可能とする非導体膜である。多孔質セパレータの孔のサイズの分布は、両電解液間での活物質のクロスオーバーを実質的に防止するものであれば十分であり得る。適切な多孔質膜の平均孔サイズ分布は、約０．００１ｎｍ〜２０μｍ、より典型的には約０．００１ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。多孔質膜の孔のサイズ分布はかなり広くとることができる。言い換えれば、多孔質膜は、非常に小さい径（略１ｎｍ未満）の第１の複数の孔と、非常に大きい径（略１０μｍ超）の第２の複数の孔とを含むことができる。孔のサイズが大きくなれば、活物質のクロスオーバー量が増大するおそれがある。多孔質膜が有する、活物質のクロスオーバーの実質的な防止力は、平均孔サイズと活物質のサイズとの相対的な差によって決まり得る。例えば、活物質が金属を中心とする配位錯体である場合には、該配位錯体の平均径は多孔質膜の平均孔サイズよりも約５０％大きくなり得る。一方、もし多孔質膜が実質的に均一な孔サイズを有していた場合には、該配位錯体の平均径はこの多孔質膜の平均孔サイズよりも約２０％大きくなり得る。また、配位錯体が少なくとも１つの水分子とさらに配位結合すると、配位錯体の平均径はさらに大きくなる。少なくとも１つの水分子を持つ配位錯体の径は、一般に流体力学的径と見なされるものである。このような実施形態では、この流体力学的径が平均孔サイズより概ね少なくとも約３５％大きくなる。一方、平均孔サイズが実質的に均一である場合には、この流体力学的半径が平均孔サイズよりも約１０％大きくなり得る。
【００３９】
いくつかの実施形態において、セパレータは、安定性を高めるための補強材料を含むこともできる。適切な補強材料としては、ナイロン、綿、ポリエステル、結晶シリカ、結晶チタニア、非晶質シリカ、非晶質チタニア、ゴム、アスベスト、木材、またはこれらの任意の組み合わせが挙げられる。当業者であれば、他の適切な補強材料についても想到することができるであろう。
【００４０】
本発明のフロー電池内のセパレータは、約５００μｍ未満、約３００μｍ未満、約２５０μｍ未満、約２００μｍ未満、約１００μｍ未満、約７５μｍ未満、約５０μｍ未満、約３０μｍ未満、約２５μｍ未満、約２０μｍ未満、約１５μｍ未満、または約１０μｍ未満の膜厚を有することができる。適切なセパレータとしては、セパレータが１００μｍの膜厚を有する場合に、フロー電池が約８５％超の電流効率および１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で動作可能であるものが挙げられる。さらなる実施形態においては、フロー電池は、セパレータが約５０μｍ未満の膜厚を有する場合に９９．５％超の電流効率で、セパレータが約２５μｍ未満の膜厚を有する場合に９９％超の電流効率で、セパレータが約１０μｍ未満の膜厚を有する場合に９８％超の電流効率で動作することができる。従って、適切なセパレータとして、フロー電池が６０％超の電圧効率および１００ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で動作可能であるものが挙げられる。さらなる実施形態では、適切なセパレータとして、フロー電池が７０％超、８０％超、または９０％超の電圧効率で動作可能であるものが挙げられる。
【００４１】
また、フロー電池は、第１の電極および第２の電極に電気的に接続された外部の電気回路を含むことができる。この回路は動作中、フロー電池を充放電することができる。第１の活物質および第２の活物質のいずれか一方または両方の正味のイオン電荷の符号について言及する場合、その言及は、フロー電池が動作中の条件下でのレドックス活物質の酸化形態および還元形態の両方における正味のイオン電荷の符号に関するものである。フロー電池のさらなる例示的な実施形態によって以下が得られる。すなわち、（ａ）第１の活物質は、正味の正または負の電荷を帯びると共にシステムの負の動作電位の範囲内の電位に対して酸化形態または還元形態をとることができ、これにより、得られる第１の活物質の酸化形態または還元形態が第１の活物質と同じ電荷符号（正または負）を有し、かつアイオノマー膜も同符号の正味のイオン電荷を有すること、（ｂ）第２の活物質は、正味の正または負の電荷を帯びると共にシステムの正の動作電位の範囲内の電位に対して酸化形態または還元形態をとることができ、これにより、得られる第２の活物質の酸化形態または還元形態が第２の活物質と同じ電荷符号（正または負の符号）を有し、かつアイオノマー膜も同じ符号の正味のイオン電荷を有すること、または（ａ）および（ｂ）の双方、である。第１の活物質および第２の活物質の少なくとも一方の電荷とアイオノマー膜の電荷とを一致させることにより、高い選択性が得られ得る。より具体的には、このように電荷を一致させることにより、アイオノマー膜を通過する第１の活物質由来または第２の活物質由来のイオンのモル流束を、約３％未満、約２％未満、約１％未満、約０．５％未満、約０．２％未満、または約０．１％未満とすることができる。「イオンのモル流束（molar flux of ions）」という用語は、アイオノマー膜を通過し、外部の電気／電子の流れが帯びている電荷を平衡させるイオンの量を指す。
【００４２】
電極材料としては、例えば、炭素や各種金属を挙げることができる。電極材料の一部を、非導電性プラスチック材料で構成することもできる。また、いくつかの実施形態では、電極上に触媒を堆積させることができる。さらに、他の種類の層を電極材料上に設けることもできる。このような任意選択的な層の機能として、例えば、セルの組み立てを助ける機能、接触抵抗を改善する機能、および／またはセパレータを保護する機能などを挙げることができる。
【００４３】
図１には示していないが、電気化学セルの各ハーフセル内にはバイポーラプレートが配置されている。バイポーラプレートは、複数の電気化学セルを互いに直列接続することを可能にするものであり、バイポーラプレートを用いることにより、互いに当接する隣接する電気化学セル間の電気的な連通を確保することができる。従って、電解液がその本来のハーフセルから流出してしまうことを防止するべく、バイポーラプレートは、電解液に対して実質的に非透過性の任意の適切な導電材料で形成することができる。いくつかの実施形態では、バイポーラプレートを形成するのに適した導体材料として、例えば、不織カーボンペーパーや、カーボン織布、カーボンフェルト、カーボン発泡体を挙げることができる。本明細書の記載の準交互配列流路を形成する能力の点で、これらの材料は特に適切であり得る。上述のように、これらの特徴は、電気化学セルのセパレータ表面、または電極表面、あるいはその両方の表面全体への電解液の均一な分配に資することができる。他の例では、バイポーラプレートを、可撓性グラファイト箔、膨張グラファイト箔、あるいは金属フィルム、金属箔、金属シートを用いて形成することができる。
【００４４】
図２は、バイポーラプレートを有する例示的な電気化学セルを示す一般的な模式図である。図２に示すように、電気化学セル８０は電極１０，１０’を有しており、電極１０，１０’は、セパレータ２０の両側にそれぞれ配置されている。バイポーラプレート８２，８２’は、対応するハーフセル内の電極１０，１０’にそれぞれ接している。代替的な構成（図２には示していない）においては、電極１０，１０’を任意選択的な要素とし、バイポーラプレート８２，８２’がセパレータ２０に直接接する構成とすることができる。その場合、バイポーラプレート８２，８２’は、電気化学スタック内の隣接する電気化学セル間の電気的な連通を促進する機能に加え、電極としての機能も備える。
【００４５】
図３は、図２に示す電気化学セルを有する例示的な電気化学スタックを示す一般的な模式図である。図３に示すように、電気化学セル８０ａ，８０ｂ，８０ｃは、電気化学スタック８４内で互いに当接しており、当接したバイポーラプレートを介して電気的な連通を確保している。また、代替的な構成として、隣接する電気化学セル間でバイポーラプレートを共有するように電気化学スタックを形成することもできる。図４は、隣接する電気化学セル９２ａ，９２ｂ，９２ｃの間でバイポーラプレートを共有している例示的な電気化学スタック９０を示す一般的な模式図である。図４の電気化学スタックは、図３の電気化学スタックと若干異なる単セル構造を有しているが、当業者であれば、どのような方法をとれば、セルの各種コンポーネントを順次積み重ねてこのような電気化学スタックを作製できるかを想到することができるであろう。場合によっては、望ましくない電解液移動を防止するために、不透過性の導電障壁を、隣接する電気化学単セルの間に配置することもできる。
【００４６】
電気化学セルはまた、セパレータと、バイポーラプレートと、任意選択的に備えることができる電極とに加えて、各ハーフセルに１以上のフレーム層を備えることもできる。通常、フレーム層をバイポーラプレートや、電極、セパレータと接続することができ、これにより各ハーフセルに流体シール（fluidic seal）が設けられると共に、ハーフセルのコンポーネントが１つに保持される。より具体的には、本明細書でさらに説明するように、流体シールは、電解液が各ハーフセルを通過して循環することを可能とするものである。さらに、フレーム層は、各ハーフセル内において、バイポーラプレート、または電極、あるいはその両方をセパレータに対して保持することができ、これにより、電気化学セルの構造が保全される。さらに、これらフレーム層のうち１つ以上を用いて導管を設けることもでき、この導管によって電解液を流体入口マニホールドからバイポーラプレートに供給したり、バイポーラプレートから流体出口マニホールドに排出したりすることができる。
【００４７】
図５は、複数のフレーム層を有すると共に、隣接するハーフセル間に圧縮性シールを備えている例示的な電気化学セル構成の分解図である。図５において、各種セル構成コンポーネントは、その細部を示すため互いに離間した状態で図示されている。しかし実際には、例えば図７に示すように、これら各種セル構成コンポーネントは互いに接した状態とされる。電気化学セル１００の中心には、セパレータ１０２が配置される。カソード１０４およびアノード１０６は、セパレータ１０２の両面にそれぞれ当接している。上述したように、カソード１０４およびアノード１０６は任意選択的であり、代わりに、バイポーラプレート１６０，１６０’によって導電面を構成することができる。圧縮性シール１１０，１１０’は、セパレータ１０２の周縁に沿って配置されている（図５には、圧縮性シール１１０’は図示していない）。図６Ａは、電気化学セル１００のカソード側からのより詳細な図を示している。図６Ａでは、圧縮性シール１１０の配置をより明確に見て取ることができる。図６Ｂは、図６Ａに対応するアノード側からの図である。
【００４８】
各種フレーム層は、セパレータ１０２と、カソード１０４と、アノード１０６とを備えることができる。さらに、フレーム層によって、所定のハーフセルを通過して電解液が循環することができる密閉チャンバを設けることができる。フレーム層１２０，１２０’はそれぞれ、窓１２２，１２２’を有している。図６Ａおよび図６Ｂにより詳細に示すように、窓１２２，１２２’のサイズは、フレーム層１２０，１２０’が圧縮性シール１１０，１１０’の外周縁にぴったり合うように設定される。なお、図６Ａおよび図６Ｂでは、フレーム層１２０，１２０’が圧縮性シール１１０，１１０’とそれぞれ直接接しているように図示しているが、窓１２２，１２２’のサイズによっては、両者の間に多少の空間が存在する場合もあることを認識されたい。この空間のサイズによって、圧縮時に圧縮性シール１１０，１１０’がどの程度外方に広がり得るかが決定される。
【００４９】
引き続き図５を参照すると、フレーム層１３０，１３０’が、フレーム層１２０，１２０’にそれぞれ接するとともに、圧縮性シール１１０，１１０’にもそれぞれ接している。フレーム層１３０，１３０’には、窓１３２，１３２’がそれぞれ形成されている。窓１３２，１３２’のサイズは、窓１２２，１２２’よりも小さく設定され、これによりフレーム層１３０，１３０’が圧縮性シール１１０，１１０’に接することができる。フレーム層１２０，１２０’は、圧縮性シール１１０，１１０’の圧縮可能度を決めるだけでなく、フレーム層１３０，１３０’が圧縮力を加える際の安定した構造となり、フレーム層１３０，１３０’は、このフレーム層１２０，１２０’を支えに圧縮力を加えることができる。また、フレーム層１４０，１４０’が、フレーム層１３０，１３０’にそれぞれ接しており、フレーム層１４０，１４０’の内部には窓１４２，１４２’がそれぞれ形成されている。また、フレーム層１４０，１４０’の内部にはさらに、フロー分配路１４４，１４４’がそれぞれ形成されている。フロー分配路１４４，１４４’は、フレーム層１４０，１４０’の中に形成されている開口、すなわち窓１４２，１４２’まで延びている。これらフロー分配路１４４，１４４’によって、（例えば、流体分配マニホールドから）電気化学単セル１００の両ハーフセルに対して、それぞれ独立に電解液を供給することが可能となる。同様のフロー分配路を他のフレーム層内にも形成することができる。
【００５０】
各フレーム層１５０，１５０’の内部には複数の開口が設けられており、これらの開口からフロー分配路１４４，１４４’に電解液をそれぞれ個別に供給することができ、これらの開口から対応するハーフセルへの電解液の流出入が起こる。例えば、フレーム層１５０，１５０’の開口を流体分配マニホールドに接続することによって、各ハーフセルに個別に電解液を供給することができる。各フレーム層がそれぞれ対応する開口を有しているため、電気化学スタック内において電解液はセル間を移動することができる。開口とこれに付随するフロー分配路はいずれも、各電解液がそれぞれ１つのハーフセルにのみ流入するように設けられている。
【００５１】
引き続き図５を参照すると、電気化学セル１００はまた、フレーム層１５０，１５０’を備えており、フレーム層１５０，１５０’の内部には窓１５２，１５２’がそれぞれ形成されている。バイポーラプレート１６０，１６０’は、対応するフレーム層１５０，１５０’の窓１５２，１５２’を塞いで、電気化学スタックの隣接する電気化学セルを流体的に隔絶する。バイポーラプレート１６０，１６０’をフレーム層１５０，１５０’にそれぞれ接着することによって、完成したセルにおいてバイポーラプレート１６０，１６０’の周囲に電解液が漏出してしまう事態を防ぐことができる。バイポーラプレート１６０は、さらに窓１２２，１３２，１４２も貫通して、カソード１０４に接している。あるいは、バイポーラプレート１６０がセパレータ１０２に直接接していてもよい。同様に、バイポーラプレート１６０’は、さらに窓１２２’，１３２’，１４２’も貫通して、アノード１０６またはセパレータ１０２の反対側の面に接している。例示的な実施形態では、各フレーム層は、絶縁材料、特に、ポリエチレンや他のポリオレフィン材料などの熱可塑性材料から形成することができる。
【００５２】
図７は、図５に示す電気化学セルの各種セル構成コンポーネントが互いに完全に当接した状態の断面図を示している。フレーム層１２０，１３０，１４０，１５０、および１２０’，１３０’，１４０’，１５０’がそれぞれ一体として、セパレータ１０２の両側それぞれに、電解液が通過して循環することができるチャンバを形成している。すなわち、フレーム層１２０，１３０，１４０は、セパレータ１０２と、圧縮性シール１１０と、バイポーラプレート１６０とともに閉チャンバを形成し、この閉チャンバでは第１の電解液がカソード１０４の周囲を流れることができる。同様に、フレーム層１２０’，１３０’，１４０’は、セパレータ１０２と、圧縮性シール１１０’と、バイポーラプレート１６０’とともに閉チャンバを形成し、この閉チャンバでは、第２の電解液がアノード１０６の周囲を流れることができる。また、各チャンバの容積は、例えば、各種フレーム層の厚さやその窓のサイズなどによって決まる。
【００５３】
図８は、他の例示的な電気化学セル構成の分解図である。図８において、各種セル構成コンポーネントは、その細部を示すため互いに離間した状態で図示されている。図８に示す電気化学セル２００と、図５、図６Ａ、図６Ｂ、図７に示す電気化学セル１００との主な違いは、電気化学セル２００では圧縮性シール１１０，１１０’が省略されている点にある。その他の点では、図８に示す電気化学セル構成の要素は、図５、図６Ａ、図６Ｂ、図７に示したものと同様であり、よって対応する要素には同様の参照符号を使用している。また、同様の要素については、その配置が図８に示す代替的なセル構成において変更されている場合を除いて、改めて詳細に説明することはしない。
【００５４】
図８に示すセル構成では、フレーム層１２０，１２０’は、セパレータ１０２の両面にそれぞれ直接接するとともに、接合されている。この種の直接接合によっても、図５に示すセル構成における圧縮性シール１１０，１１０’と同様のシール封止に資することができる。従って、図８に示す電気化学セル構成では、圧縮性シール１１０，１１０’が省略されているものの、流体シールの形成を維持することができている。これにより、図８に示すセル構成においては、両ハーフセルがセパレータ１０２で互いに接続されているのに対し、図５に示すセル構成では、フレーム層１２０，１２０’から圧縮性シール１１０，１１０’に加えられる封止圧を解除すれば電気化学セルを分解することができるという違いがある。図９は、図８に示す電気化学セルの各種セル構成コンポーネントが互いに完全に当接した状態の断面図を示している。
【００５５】
以下では、準交互配列流路を有する電気化学セルおよびバイポーラプレートの構成を、より詳細に説明する。種々の実施形態においては、本発明の電気化学セルは第１のハーフセルと第２のハーフセルとの間に配置されたイオン伝導性のセパレータと、第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレートと、第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートとを備えている。第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートのうち少なくとも一方は、導体材料と閉塞材料とを含有する複合材料である。閉塞材料は、互いに離間すると共に、上記の複合材料内で互いに流体連通するようにイオン伝導性のセパレータに対して横方向に複合材料を通って延在する複数の流路を形成する。さらに具体的な詳細については、以下に説明するとともに、添付の図面に図示する。
【００５６】
上述したように、各ハーフセルには、必要に応じて電極を設けることができ、あるいは、第１のバイポーラプレートと第２のバイポーラプレートが、イオン伝導性セパレータの両面にそれぞれ直接接することもできる。従って、いくつかの実施形態では、本発明の電気化学セルは、第１のハーフセル内に設けられる第１の電極と、第２のハーフセル内に設けられる第２の電極とを備えており、第１の電極が第１のバイポーラプレートとイオン伝導性セパレータとの間に挟まれ、第２の電極が第２のバイポーラプレートとイオン伝導性セパレータとの間に挟まれている。第１の電極と第２の電極とが設けられる実施形態では、第１のバイポーラプレートが第１の電極に接し、第２のバイポーラプレートが第２の電極に接することができる。第１の電極と第２の電極とが設けられない実施形態では、第１のバイポーラプレートと第２のバイポーラプレートとは、イオン伝導性セパレータの両面にそれぞれ接することができる。
【００５７】
上述の通り、適切な閉塞材料は、電解液に対して実質的に不透過性の任意の物質であり得る。例えば、適切な閉塞材料として、各種ポリマー材料を挙げることができる。より詳細な実施形態では、適切な閉塞材料として、各種熱可塑性ポリマーを挙げることができる。熱可塑性ポリマーは、導体材料への選択的な含浸や導体材料への積層を比較的容易に行うことができるため、特に適している。後述するように、これらいずれの閉塞材料の配置方法によっても、バイポーラプレート上に流路を形成することができる。
【００５８】
さらなる実施形態では、本発明の電気化学セルは、第１のバイポーラプレートに第１の電解液を供給し、第２のバイポーラプレートに第２の電解液を供給するように構成された流体入口マニホールドと、第１のバイポーラプレートから第１の電解液を排出し、第２のバイポーラプレートから第２の電解液を排出するように構成された流体出口マニホールドとを備えている。より具体的には、流体入口マニホールドと流体出口マニホールドとは、複合材料内の交互配列された流路に対して、第１の電解液と第２の電解液との供給および排出を行うように構成することができる。その他の点では、流体入口マニホールドおよび流体出口マニホールドの構造は特に限定されるものではない。
【００５９】
さらにより特定的な実施形態では、流体入口マニホールドと流体出口マニホールドとは、第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートの両側面に対して、第１の電解液と第２の電解液との供給および排出を行うように構成することができる。このように第１の電解液と第２の電解液との供給および排出を行うことにより、交互配列流路によって得られるのと同様のフローフィールドを形成することができる。
【００６０】
以下では、図１０〜図１７を参照して、準交互配列流路を有するバイポーラプレートについてさらに詳細に説明する。流路内におけるフローの動態をより良く理解できるように、図１０では、上述の態様でバイポーラプレートを流体入口マニホールドと流体出口マニホールドに接続している状態を示している。
【００６１】
図１０は、複数の流路が形成されたバイポーラプレートを有する例示的な電気化学セルを示す上面模式図である。図１０に示すように、電気化学セル３００はバイポーラプレート１５０を有しており、バイポーラプレート１５０には閉塞材料３１０が組み入れられている。閉塞材料３１０を設けることにより、バイポーラプレート１５０内に流路３２０ａ〜３２０ｆが形成される。閉塞材料３１０がバイポーラプレート１５０内にどのように組み入れられるのかについては、図１１〜１６に示すと共に、以下にさらに詳細に説明する。
【００６２】
電気化学セル３００は、流路３２０ａ〜３２０ｆのうち複数の第１の流路に電解液を供給するように構成された流体入口マニホールド３３０と、流路３２０ａ〜３２０ｆのうち複数の第２の流路から電解液を排出するように構成された流体出口マニホールド３４０とをさらに有する。図１０に示す通り、電解液の供給と排出は、バイポーラプレート１５０の両側面から行われる。より具体的には、図１０に示すように、流路３２０ａ〜３２０ｆの複数の第１の流路と複数の第２の流路とは、交互に配列されている。流路３２０ａ〜３２０ｆはバイポーラプレート１５０の内部で互いに流体連通しているため、電解液は隣接する流路間を移動することができる。これにより、電解液をある第１の流路から導入して、該第１の流路に隣接する第２の流路から排出させることができる。
【００６３】
いくつかの実施形態では、交互配列された流路に対して電解液の供給と排出を行うことができるように１つ以上のフレーム層を構成することができる。
【００６４】
図１１〜図１７の説明に移る前に、図１０に示す流路３２０ａ〜３２０ｆの本数や流路幅が例示的なものに過ぎず、特定用途のニーズに合わせて変更可能であることを認識されたい。さらに、図１０では、流路３２０ａ〜３２０ｆが略直線状で互いに平行であるように図示しているが、代替的な実施形態では、隣接する流路間の流体連通が維持されているならば、流路３２０ａ〜３２０ｆを非平行に配列したり、さらにはランダムに配列したりすることも可能である。いくつかの実施形態では、流路は交差していなくてもよい。
【００６５】
より特定的な実施形態では、バイポーラプレート内に形成される流路の本数は、約５〜約５００の範囲、約４〜約１０の範囲、または約１０〜約１００の範囲とすることができる。いくつかの実施形態または他の実施形態では、バイポーラプレート内に形成される流路の幅は、１００μｍ〜約１０ｍｍの範囲、約１００μｍ〜約１ｍｍの範囲、または約１ｍｍ〜約１０ｍｍの範囲とすることができる。バイポーラプレート内の流路は、本発明の種々の実施形態と整合する、充填流路と開流路の任意の組み合わせとすることができる。
【００６６】
上述したように、バイポーラプレートに閉塞材料を組み込んでバイポーラプレート内に複数の流路を形成するための配置方法としては、様々なものが可能である。いくつかの実施形態では、図１１に示すように、閉塞材料をバイポーラプレートの導体材料に含浸させて形成することができる。他の実施形態では、図１２に示すように、導体材料の上に閉塞材料で層を構成することもできる。なお、このような層を形成する実施形態においても、閉塞材料を少なくとも部分的に含浸させてもよい。以下では、これらの各構成をさらに詳細に説明する。なお、図１１と図１２の閉塞材料の構成にはいくつかの類似点があるが、以下にさらに詳細に説明するように、その製造方法は大きく異なる場合がある。
【００６７】
図１１は、閉塞材料を内部に含浸させたバイポーラプレートを有する例示的な電気化学ハーフセルを示す側面模式図である。図１１では、閉塞材料３１０の全体をバイポーラプレート１５０の内部に含浸させて、バイポーラプレート１５０内に流路３２０ａ〜３２０ｆを形成している。図１１に示すように、流路３２０ａ〜３２０ｆは、バイポーラプレート１５０の点線より上の部分を構成するとともに、導体材料で充填されている。従って、流体は、導体材料内に元々存在している孔隙を通過して流路３２０ａ〜３２０ｆの長さ方向に流れる。流路３２０ａ〜３２０ｆは、バイポーラプレート１５０の残りの部分（すなわち、バイポーラプレート１５０の点線より下の部分）を介して、互いに流体連通している。
【００６８】
図１１には、バイポーラプレート１５０内における流体流の動態（fluid flow dynamics）も示している。電解液は、流路３２０ａ，３２０ｃ，３２０ｅ（図１０参照）に導入されるが、これらの流路３２０ａ，３２０ｃ，３２０ｅは、いずれもその長さ方向に、入口（流体入口マニホールド３３０による入口）は有しているが出口を有していない。従って、流体流の動態は、電解液が流体入口から離れるにつれて、電解液を隣接する流路３２０ｂ，３２０ｄ，３２０ｆに送り出すものとなる。反対に、流路３２０ｂ，３２０ｄ，３２０ｆは、いずれも出口（流体出口マニホールド３４０による出口）は有しているが、流体入口を有していない。流路３２０ａは流路３２０ｂにのみ隣接しているので、流路３２０ａ内の電解液は対流によって主に流路３２０ｂに進む。同様に、流路３２０ｆは、ほぼ流路３２０ｅのみから電解液を受ける。一方、バイポーラプレート１５０の内部にある各流路３２０ｂ〜３２０ｅは、隣接する２本の流路に対して電解液の供給または受入を行う。ここでも、図１１に示す流路３２０ａ〜３２０ｆの本数、流路幅などのパラメータは例示的なものに過ぎないことを特に注意されたい。さらに、図１１では、閉塞材料３１０全体をバイポーラプレート１５０の内部に含浸している状態を示しているが、いくつかの実施形態では、一部を含浸するだけでもよいことを認識されたい。そしてこの場合には、流路３２０ａ〜３２０ｆの一部は、バイポーラプレート１５０を構成する導体材料の外に出ている。このように、いくつかの実施形態では、流路３２０ａ〜３２０ｆを半開流路とすることができる。図１２は、これに類似した閉塞材料の配置を有する代替的な構成を示しており、以下では、この構成についてさらに説明する。なお、図１１では、流路３２０ａ，３２０ｆが、バイポーラプレート１５０の両端部に形成されている状態を示しているが、バイポーラプレート１５０の両端部沿いに追加の閉塞材料３１０を配置することによって、流路３２０ａ，３２０ｆをバイポーラプレート１５０の内部に形成することもできることを認識されたい。
【００６９】
図１２は、上層に閉塞材料を配置したバイポーラプレートを有する例示的な電気化学ハーフセルを示す側面模式図である。なお、図１２では、閉塞材料３１０がこの上層の内部に設けられ、バイポーラプレート１５０の導体材料の内部には含浸されていない状態を示しているが、図１１に関連して既に簡単に説明した通り、閉塞材料３１０の導体材料への含浸を部分的または完全に行っても、同様の構成を実現することができることを認識されたい。図１２では、閉塞材料３１０をバイポーラプレート１５０上の不連続層として配置して、閉塞材料３１０の間に流路３２０ａ〜３２０ｆを形成している。図１１の構成とは対照的に、図１２に示す流路３２０ａ〜３２０ｆは開流路となっている。しかし、いくつかの実施形態では、流路３２０ａ〜３２０ｆをバイポーラプレート１５０に接する電極材料で充填することもできる。また図１１の構成と同様に、図１２に示す流路３２０ａ〜３２０ｆもバイポーラプレート１５０を介して互いに流体連通しており、流体流の動態も同様である。
【００７０】
図１３は、閉塞材料を含有するバイポーラプレートが設けられた電気化学セルの完成形を示す側面模式図である。なお、図１３は図１１の閉塞材料構成で示しているが、図１２の閉塞材料構成でも、同様に電気化学セル内に組み込んで電気化学セルを完成させることができるものと認識されたい。分かりやすくするため、図１３では、完成後の流体入口マニホールド３３０と流体出口マニホールド３４０は図示していない。その代わりに、図１３では、各ハーフセルの入口位置３４０ａ，３４０ａ’，３４０ｃ，３４０ｃ’，３４０ｅ，３４０ｅ’を破線で示すとともに、出口位置３４０ｂ，３４０ｂ’，３４０ｄ，３４０ｄ’，３４０ｆ，３４０ｆ’を実線で示している。従って、電解液の導入と排出は、図１０に関して上述したのと同様の態様で行われ得る。各ハーフセル内での電解液の保持を支援するため、不透過性の導電層をバイポーラプレート１５０，１５０’に被せてもよい。不透過性の導電層を設けることによって、電気化学スタックの隣接する電気化学セルの間での電解液の漏出を防止することもできる。
【００７１】
さらなる実施形態として、上述の電気化学セルを複数直列に接続した電気化学スタックも本発明に含まれる。例示的な構成については、図３および図４に関連して既に説明したため、改めて詳細に説明することはしない。より特定的な実施形態においては、図３に示すように、隣接する電気化学セルを互いに当接させた電気化学スタックとすることができる。
【００７２】
さらなる実施形態では、電気化学スタックの隣接する電気化学セルの間に、追加の導体層を配置することもできる。例示的な実施形態では、バイポーラプレートを構成する導体材料が、その電気化学セルを隣接する電気化学セルから流体的に隔絶した状態に維持することができない場合に、隣接する電気化学セル間に追加の導体層を配置することができる。
【００７３】
さらに、各図面では、第１のバイポーラプレートと第２のバイポーラプレートとを別体のものとして図示しているが、電気化学スタックの隣接する電気化学セル間でバイポーラプレートを共有することもできることを認識されたい。すなわち、いくつかの実施形態では、第１の電気化学セルのバイポーラプレートを第２の電気化学セルの第２のバイポーラプレートとして共有することができる。上述した他の実施形態では、隣接する電気化学セルのバイポーラプレートを互いに当接させることができる。
【００７４】
いくつかの実施形態または他の実施形態では、本明細書に記載の電気化学セルや電気化学スタックを、フロー電池あるいはこれに類する電気化学システムに組み込むことができる。例示的なフロー電池構成のより詳細な説明については、すでに上記した通りである。また、本発明の電気化学セルや電気化学スタックを適用することができる他の電気化学システムとしては、例えば、電解槽や燃料電池システムを挙げることができる。
【００７５】
いくつかの実施形態では、本発明の電気化学セルを組み込んだフロー電池は、数時間の持続的な充電または放電サイクルに好適である。従って、フロー電池を使用して、エネルギーの供給・需要プロファイルを平滑化し、（例えば、太陽光エネルギーや風力エネルギーなどの再生可能エネルギー源からの）間欠発電資産を安定化させる機構を提供することができる。よって、本発明の種々の実施形態では、このような長い充電または放電の持続時間が望ましいエネルギー貯蔵の用途が含意されていることを理解されたい。例えば、限定を意図しない実施例においては、フロー電池は、送電網に接続されて、再生可能エネルギーの統合（renewables integration）、ピーク負荷シフト、送電網の安定化（grid firming）、ベースロード発電および電力消費、エネルギー裁定取引、送配電資産の繰延、弱送電網のサポート、周波数調整、またはこれらの任意の組み合わせを可能とする。送電網に接続されない場合には、フロー電池を、遠隔キャンプ、前線作戦基地、送電網を利用しない電気通信、遠隔センサ等、およびこれらの任意の組み合わせのための電源として使用することができる。さらに、静止した（stationary）電解液を利用する電気化学エネルギー貯蔵媒体などのフロー電池以外の電気化学エネルギー貯蔵媒体も本明細書に記載の電気化学セルを内蔵し得るものと理解されたい。
【００７６】
追加の実施形態では、本発明の電気化学セル、電気化学セルスタックおよびフロー電池を、より大型のエネルギー貯蔵システム内に組み込むことができる。この大型システムは、大型ユニットの動作に有用な配管および制御装置を適宜含むものである。そのようなシステムに適した配管や制御装置などの設備については当技術分野において公知であり、例えば、電解液をセル内外に移動させるために各チャンバと流体連通した配管およびポンプや、充放電した電解液を保持するための貯蔵タンクなどを備えることができる。また、動作管理システムを設けることもできる。動作管理システムは、コンピュータまたはマイクロプロセッサなどの任意の適切なコントローラデバイスであってよく、各種のバルブ、ポンプ、循環回路などのいずれかの動作を設定する論理回路を有することができる。
【００７７】
以下では、閉塞材料を内部に組み込んだバイポーラプレートを有する電気化学セルの作製方法を、さらに詳細に説明する。本明細書においては、閉塞材料を導体材料に加える工程だけで流路を形成するか、あるいは、閉塞材料を導体材料に加える工程の後にその一部を除去する工程を行うかに応じて、前者の作製方法を「付加式（additive）」と呼ぶのに対し、後者の作製方法を「除去式（subtractive）」と呼ぶ場合がある。
【００７８】
より具体的な実施形態では、導体材料内に流路を形成して電気化学セルを形成するための付加式の方法は、導体材料の一部に閉塞材料を含浸させて複合材料を形成することと、第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレート、および第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートを備え、第１のハーフセルおよび第２のハーフセルがイオン伝導性のセパレータによって隔てられている電気化学セルを作製することとを含む。第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートのうちの少なくとも一方は、上記複合材料を含む。該複合材料は、閉塞材料によって、複数の流路が形成されるように構成される。これら複数の流路は、互いに離間するともにイオン伝導性のセパレータに対して横方向に複合材料を通って延在するように形成される。上述したように、これら複数の流路は、例えば、バイポーラプレートにおいて閉塞材料を含有しない部分を介するなどして、該複合材料内で互いに流体連通している。さらなる実施形態では、該方法は、上述したように、複数の電気化学セルを互いに当接させて１つの電気化学スタックに形成することも含み得る。
【００７９】
いくつかの実施形態では、閉塞材料を含浸させることが、導体材料に熱可塑性ポリマーを熱含浸させることを含んでもよい。これに適した例示的な熱可塑性ポリマーについては、上述の通りである。熱可塑性ポリマーは、略固化形態と略流動形態との間で速やかに状態変化して、導体材料の内部に少なくとも部分的に浸透することができるため、この用途に特に適している。例示的な熱含浸技術としては、例えば、熱間圧延、レーザ溶接、超音波溶接などを挙げることができる。
【００８０】
いくつかの実施形態では、導体材料に熱可塑性ポリマーを熱含浸させることが、導体材料の表面に対して複数の離間した細縞状に熱可塑性ポリマーを設けることを含んでもよい。その後、熱可塑性ポリマー、または導体材料、あるいはその両方を加熱して、熱可塑性ポリマーを少なくとも部分的に導体材料の内部に浸透させることができる。上述したように、熱可塑性ポリマーはその全体を含浸させても、部分的に含浸させてもよく、そのいずれであるかは、許容される熱含浸時間の長さによって決まり得る。
【００８１】
図１４および図１５は、バイポーラプレートの導体材料に熱可塑性ポリマーを含浸させることが可能な例示的なプロセスを示しており、それぞれ別方向からの図である。図１４および図１５に示すように、バイポーラプレート１５０となる導体材料の表面に、熱可塑性の細縞３５０を設ける。その後、熱可塑性の細縞３５０、またはバイポーラプレート１５０、あるいはその両方を加熱することにより、熱可塑性材料を軟化させてバイポーラプレート１５０内に浸透させる。これに適した加熱技術は、特に限定されるものではないが、例えば、輻射加熱、抵抗加熱、熱風対流、オートクレーブ加熱、レーザ加熱、高温積層ローラなどを挙げることができる。バイポーラプレート１５０上に熱可塑性の細縞３５０を配置する方法としては、手動で積層する方法のほか、任意の自動的または半自動的な方法が可能である。例えば、いくつかの実施形態では、熱可塑性の細縞３５０を、後述するように、ロール状の原料から連続的な生産ラインに送給することができる。他の実施形態では、熱可塑性の細縞３５０のバイポーラプレート１５０への配置は、溶融した熱可塑性ポリマーや熱可塑性ポリマー溶液などの液体形態の熱可塑性ポリマーをプリントヘッドや、噴霧器あるいはこれらに類似する精密成膜装置で塗布することによって行うこともできる。代替的な実施形態では、エポキシ樹脂などの他の閉塞材料も同様に液体形態で塗布することができる。このように閉塞材料を液相堆積によって成膜する場合には、閉塞材料の含浸を閉塞材料の堆積と同時に行うことができ、別途、浸透のための工程を設ける必要はない。一例として、図１６には、噴霧器３５９を用いた例示的な液相堆積工程を示している。
【００８２】
他のより具体的な実施形態では、導体材料内に流路を形成して電気化学セルを形成するための除去式の方法は、導体材料上の層に閉塞材料を配置して複合材料を形成することと、該層から閉塞材料の一部を除去して互いに離間した複数の流路を形成することと、第１のハーフセル内に設けられる第１のバイポーラプレート、および第２のハーフセル内に設けられる第２のバイポーラプレートを備え、第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートがイオン伝導性のセパレータによって隔てられている電気化学セルを作製することとを含む。第１のバイポーラプレートおよび第２のバイポーラプレートのうちの少なくとも一方は、上記複合材料を含む。該複合材料は、複数の流路がイオン伝導性のセパレータに対して横方向に複合材料を通って延在するように構成される。上述したように、これら複数の流路は、例えば、バイポーラプレートにおいて閉塞材料を含有しない部分を介するなどして、該複合材料内で互いに流体連通している。さらなる実施形態では、該方法は、上述したように、複数の電気化学セルを互いに当接させて１つの電気化学スタックに形成することも含み得る。
【００８３】
本発明の除去式の方法では、閉塞材料を導体材料の表面上に略連続層として堆積させ、その後、閉塞材料の一部を選択的アブレーションにより除去して、不連続層とすることにより複数の流路を形成することができる。これに適したアブレーション技術としては、例えば、レーザアブレーションや、化学エッチング、それらの組み合わせなどを挙げることができる。いくつかの実施形態では、マスキング技術を化学エッチングと併用することにより、閉塞材料の所望の部分を除去して流路を形成することができる。レーザアブレーションは、理想的には、マスキング技術を併用せずに流路を形成できるほどの精度が望めるため、特に望ましい場合がある。いくつかの実施形態では、閉塞材料のアブレーションによって、導体材料の一部もバイポーラプレートの動作性を損なわない程度に除去することができる。
【００８４】
より具体的な実施形態では、導体材料の上層となるように堆積する閉塞材料を、熱可塑性ポリマーとすることができる。これに適した熱可塑性ポリマーには、上記においてより詳細に説明したものなどを挙げることができる。さらなる実施形態では、この除去式の流路形成方法が、熱含浸によって導体材料に閉塞材料を少なくとも部分的に含浸させることを含んでもよい。熱含浸工程を行うための加熱技術には、上記において説明したものなどを挙げることができる。いくつかの実施形態では、ごく微量の熱可塑性ポリマーのみを導体材料に浸透させるように熱含浸を行うことができ、これによりアブレーション前の段階で熱可塑性ポリマーを略連続した表面層として残すことができる。
【００８５】
図１７および図１８は、バイポーラプレートの導体材料上に熱可塑性ポリマーを積層した後、アブレーションで複数の流路を形成する例示的なプロセスを示しており、それぞれ別方向からの図である。図１７および図１８に示すように、バイポーラプレート１５０となる導体材料の表面上に、熱可塑性ポリマーを略連続層３６０として設ける。次に、この熱可塑性ポリマーを少なくとも部分的に熱含浸することにより、熱可塑性ポリマーを導体材料に接着する。その後、略連続層３６０にアブレーションを行うことにより、不連続層３７０を形成することができる。不連続層３７０は、バイポーラプレートに複数の開流路を形成する複数の細縞状の閉塞材料３１０を含み得る。略連続層３６０に熱可塑性ポリマーを配置する方法としては、手動で積層する方法のほか、任意の自動的または半自動的な方法が可能である。例えば、いくつかの実施形態では、熱可塑性ポリマーを、ロール状の原料から連続的な生産ラインに送給することができる。他の実施形態では、熱可塑性ポリマーのバイポーラプレート１５０への積層は、溶融した熱可塑性ポリマーや熱可塑性ポリマー溶液などの液体形態の熱可塑性ポリマーをプリントヘッドや、噴霧器あるいはこれらに類似する成膜源から塗布することによって行うこともできる。エポキシ樹脂などの他の閉塞材料も同様に液体形態で塗布し、アブレートすることができる。
【００８６】
以上、バイポーラプレートに流路を形成する付加式または除去式の方法について説明したが、これらはいずれも電気化学セルの連続的な生産ラインへの組み込みに適している。より具体的な実施形態においては、電気化学セルは、連続的な生産ラインでロール状の原材料から作製され得る。いくつかの実施形態では、その連続的な生産ラインにおいて、電気化学セルを作製する前に、複合材料とその流路の形成も行うことができる。他の実施形態では、複合材料とその流路を別の生産ラインで作成し、リールに巻き取った後、電気化学セルを形成する生産ラインに導入することもできる。
【００８７】
図１９および図２０は、バイポーラプレートの流路形成とそのバイポーラプレートを用いた電気化学セルの組み立てに使用することができる例示的な連続生産ラインを示す一般的な模式図である。図１９に示すように、セパレータ材料は、リール４００から供給され、ステーション４１１に送られる。リール４２０からは、導体材料がステーション４３１に供給され、リール４２２からは、細縞状の熱可塑性ポリマーがステーション４３１に供給される。ステーション４３１はローラ４３２を有しており、ここで、熱可塑性ポリマーの導体材料への熱含浸が行われる。こうして得られた複合材料は、ステーション４１１に送られて、リール４１２を通過し、ここでバイポーラプレートとセパレータの積層加工が行われる。これにより得られた積層体は、ステーション４１１を出た後、ステーション４４１，４５１，４６１に順に送られる。ステーション４４１，４５１，４６１は、それぞれローラ４４０，４５０，４６０を有しており、ここで、各種フレーム層が貼り付けられて電気化学セルが形成される。各種フレーム層を形成する材料の供給は、リール４３８，４４８，４５８から行われる。なお、一般図である図１９では簡略化のために省略しているが、図示の生産ラインにおいて、様々な付加的な処理工程を行うことができることを理解されたい。そのような付加的な処理工程としては、例えば、打ち抜き加工、レーザ加工、プレス加工などを挙げることができる。
【００８８】
図２０と図１９との主な違いは、図２０では、ステーション４７１をさらに備え、そこで熱可塑性材料にアブレーションを行って流路を形成している点にある。図２０に示すように、アブレーションは、バイポーラプレートとセパレータの積層加工の前に行われる。
【００８９】
上記で別の定義を定めている場合を除き、あるいは当業者が別の意味で解している場合を除き、以下の段落における定義を本発明に適用することができる。
【００９０】
本明細書において、「エネルギー密度（energy density）」という用語は、活物質において単位体積当たりで貯蔵され得るエネルギーの量を指す。エネルギー密度は、エネルギー貯蔵の理論上のエネルギー密度を指し、以下の式１によって計算することができる。
エネルギー密度＝（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）×ＯＣＶ×［ｅ−］      （１）
式中、ＯＣＶは５０％の充電状態での開路電位であり、（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）はファラデー定数であり、［ｅ−］は９９％の充電状態で活物質に貯蔵される電子の濃度である。正の電解液および負の電解液の活物質がいずれも原子種または分子種を主に含む場合、［ｅ−］は以下の式２によって計算することができる。
［ｅ−］＝［活物質］×Ｎ／２      （２）
式中、［活物質］は負の電解液または正の電解液の活物質のモル濃度のうちいずれか低い方であり、Ｎは活物質１分子当たりの移動電子の数である。関連用語の「電荷密度（charge density）」は、各電解液が含有する電荷の総量を指す。所与の電解液について、電荷密度は以下の式３によって計算することができる。
電荷密度＝（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）×［活物質］×Ｎ      （３）
式中、［活物質］およびＮは上記で定めた通りである。
【００９１】
本明細書において、「電流密度（current density）」という用語は、電気化学セルに流れる総電流をセルの電極の幾何学的面積で除したものを指し、一般にｍＡ／ｃｍ２の単位で表される。
【００９２】
本明細書において、「電流効率（current efficiency）」（Ｉeff）という用語は、セルの放電時に生成される総電荷の、充電時に移動する総電荷に対する比率であると説明することができる。電流効率は、フロー電池の充電状態の関数であり得る。限定を意図しないいくつかの実施形態では、電流効率は、充電状態が約３５％〜約６０％の範囲にある場合に求めることができる。
【００９３】
本明細書において、「電圧効率（voltage efficiency）」という用語は、所与の電流密度において観察される電極電位の、その電極のハーフセル電位に対する比率（×１００％）であると説明することができる。電圧効率には、電池の充電工程時の電圧効率や放電工程時の電圧効率、あるいは「往復電圧効率（round trip voltage efficiency）」が含まれ得る。所与の電流密度における往復電圧効率（Ｖeff,RT）は、以下の式４を用いて、放電時のセル電圧（Ｖdischarge）と充電時の電圧（Ｖcharge）とから計算できる。
Ｖeff,RT＝Ｖdischarge／Ｖcharge×１００％      （４）
【００９４】
本明細書において、「負極（negative electrode）」および「正極（positive electrode）」という用語は、相互に相対的に規定された電極のことであり、充電サイクルおよび放電サイクルのいずれにおいてもそれらが動作する実際の電位とは無関係に、負極が正極より負の電位で（またその逆で）動作するかまたは動作するように設計もしくは意図されるものである。負極は、可逆水素電極より負の電位で実際に動作するかまたは動作するように設計もしくは意図される場合があり、そうでない場合もある。本明細書に記載するように、負極は第１の電解液に関連付けられ、正極は第２の電解液に関連付けられている。負極に関連付けられた電解液をネゴライト（negolyte、負極電解液）、正極に関連付けられた電解液をポソライト（posolyte、正極電解液）と記載することがある。
【００９５】
上述した実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、これらの実施形態が本発明を例示するものに過ぎないことが容易に認められるであろう。本発明の精神から逸脱することなく種々の変更が可能であることを理解されたい。上記の説明には含まれないが本発明の精神および範囲に相応する任意の数の変形、改変、置き換え、または同等の構成を組み込むことにより本発明を変更することができる。さらに、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明の態様は記載した実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は上述の記載によって限定されると見なされるべきではない。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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