(57)【要約】      （修正有）【課題】高いパワー出力の貯蔵および生成能力を有するフロー電池技術の提供【解決手段】フローセル電池は、少なくとも一つのアノードコンパートメント４１と、少なくとも一つのカソードコンパートメント４２とを含み、各アノードコンパートメント４１と各カソードコンパートメント４２の間にある分離膜４６を有する。各アノードコンパートメント４１とカソードコンパートメント４２は、双極板５０と、液状電解質と、少なくとも双極板５０表面における炭素ナノ材料を含み、液状電解質は炭素ナノ材料のまわりを流れ、前記双極板の少なくとも一つの側面は、埋め込み型の流れパターンを与えるように三次元構造を提供する複数の流路４７，４８を有し、更に複数の流路４７，４８は、前記炭素ナノ材料で覆われている、フロー電池。【選択図】図２
2018049829.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも一つのアノードコンパートメントと、
少なくとも一つのカソードコンパートメントと、
各前記アノードコンパートメントと前記カソードコンパートメントとの間にある分離膜と、を備え、
各前記アノードコンパートメントと前記カソードコンパートメントは、双極板と、液状電解質と、少なくとも前記双極板の表面に付着した炭素ナノ材料とを備え、前記液状電解質は、前記炭素ナノ材料の中およびその周辺を流れ、
前記双極板の少なくとも一つの側面は、埋め込み型の流れパターンを与えるように三次元構造を提供する複数の流路を有する、フロー電池。  
【請求項２】
前記複数の流路は、前記炭素ナノ材料で覆われている、請求項１に記載の電池。
【請求項３】
前記炭素ナノ材料は、前記双極板に対して実質的に垂直な方向に延びている、請求項２に記載の電池。
【請求項４】
前記アノードコンパートメントの電極機能、カソードコンパートメントの電極機能、あるいは、その両方は、前記双極板に統合されている、請求項１に記載の電池。
【請求項５】
前記アノードコンパートメントおよび前記カソードコンパートメント内の前記炭素ナノ材料は、前記双極板と前記隣接する分離膜との間において少なくとも部分的に延びている、請求項１に記載の電池。
【請求項６】
前記アノードコンパートメントおよび前記カソードコンパートメント内の前記炭素ナノ材料は、多孔質カーボンフェルト材料の表面全体にある、請求項５に記載の電池。
【請求項７】
前記多孔質カーボンフェルト材料は、複数のカーボンフィラメントを備え、前記炭素ナノ材料は、前記複数のフィラメントから実質的に放射状に延びている、請求項６に記載の電池。
【請求項８】
フロー電池用のフロー電池電極であって、前記フロー電池電極は、フロー電池のアノード又はカソードコンパートメントのいずれかに保持され、前記コンパートメントは、電解物質が流れる流路に隣接する双極板を含み、
前記フロー電池電極は、前記双極板に付着した多孔質炭素ナノ材料構造を備え、前記多孔質炭素ナノ材料構造は、織られた又は不織のフィラメント、あるいは、それらの組み合わせと、前記多孔質炭素ナノ材料構造に注入された炭素ナノ材料とを備え、
前記双極板の少なくとも一つの側面は、埋め込み型の流れパターンを与えるように三次元構造を提供する複数の流路を有する、フロー電池電極。
【請求項９】
前記織られた多孔質炭素ナノ材料構造は、二次元の織られたパターン、三次元の織られたパターン、又は、二次元の織られたパターンおよび三次元の織られたパターンの組み合わせ、を用いて織られ、前記多孔質炭素ナノ材料構造に注入された前記炭素ナノ材料を含む、請求項８に記載の電極。
【請求項１０】
前記不織の多孔質炭素ナノ材料構造は、ハイドロエンタングルメント、静電植毛、標準植毛、乾式堆積方法、湿式堆積方法、ステッチボンディング、および、これらの組み合わせからなる群から選択された方法で生成される、請求項８に記載の電極。
【請求項１１】
前記フィラメントは、金属、金属酸化物、カーボン、ガラス、ポリマー、金属化されたカーボン、金属化されたガラス、金属化されたポリマー、および、これらの組み合わせからなる群から選択される、請求項８に記載の電極。
【請求項１２】
フローセル電池を構成する方法あり、
少なくとも一つのアノードコンパートメントを設け、
少なくとも一つのカソードコンパートメントを設け、
少なくとも一つのアノードコンパートメントの各々と、少なくとも一つのカソードコンパートメントの各々との間に分離膜を配置し、
少なくとも一つの側面が埋め込み型の流れパターンを与えるように三次元構造を提供する複数の流路を有する双極板と、少なくとも前記双極板の表面に付着した炭素ナノ材料とを備える各前記コンパートメントを設けることを具備し、各前記コンパートメントは流路を有し、ナノ材料の中およびその周辺を液状電解質が流れるように前記炭素ナノ材料が延びている、方法。
【請求項１３】
前記双極板の表面に付着した炭素ナノ材料を設けることは、前記双極板の表面に付着した複数のフィラメントを備えた多孔質炭素ナノ材料構造を付着することを含み、前記複数のフィラメントには、すくなくとも部分的に前記炭素ナノ材料が注入される、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記多孔質カーボンナノ構造は、フィラメント注入されたカーボンナノ構造から製造される、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
炭素繊維上に前記カーボンナノ材料を形成し、
前記炭素繊維を切断し、
不織のフェルトを形成し、
前記双極板の少なくとも一つの側面に前記不織のフェルトを付着すること、  を更に具備する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
カーボンフェルトを形成し、
前記カーボンフェルト上に前記炭素ナノ材料を形成し、
前記双極板の少なくとも一つの側面に前記カーボンフェルトを付着すること、を更に具備する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記炭素ナノ材料は、前記双極板の表面に直接成長させている、請求項１に記載の電池。
【請求項１８】
前記炭素ナノ材料を前記双極板の表面に直接成長させることをさらに具備する、請求項１２に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の参照】
【０００１】
本出願は、２０１１年１０月１７日に出願された米国特許出願第１３／２７４，４９５号の優先権を主張し、参照によりそれら全体が本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
一般に、本発明は大規模（１KWh-many MWh）電気エネルギー貯蔵装置に関する。より詳細には、本発明はフロー電池の形態における再充電可能な電池に関する。特に、本発明はフロー電池と潜在的に他のタイプの電池に用いられる改良された電極形態に関する。
【背景技術】
【０００３】
グリーンエネギー源と再生可能エネルギー源を用いることへの要求として、これらの間欠（intermittent）タイプのエネルギー源を電力系統に組み入れることがある。間欠タイプのエネルギー源は、これに制限されないが、風、太陽、光発電、そして波力を含む。例えば、もし風がない場合には、風力タービンは電気エネルギーを生成しない。しかし、それらがエネルギーを生成する場合には、電力送電網は生産された大量のエネルギーを常に扱うことができるとは限らない。エネルギー貯蔵装置に接続された送電網は、これらの間欠タイプの再生可能エネルギー源からの余剰エネルギーを保存することを可能にでき、そして貯蔵したエネルギーが必要な場合に、送電網に送出することを可能にできる。再生可能エネルギー源と送電網のエネルギー貯蔵との組み合わせは、エネルギーの自給を補助し、排出物と再生可能エネルギー源を減らせる。送電集中の緩和と、エネルギー価格のアービトラージ（arbitrage）を低減すること、電力送電網の全体の質の改善をするためにも電力送電網に用いる信頼できるエネルギー貯蔵装置への要求がある。
【０００４】
グリッドストレージの創造と改良のための実行可能な解決策であると、フロー電池は考えられている。フロー電池は、低コストでかつ有効なエネルギー貯蔵モジュールを潜在的に提供できる。それらは独立に動作でき、再生可能な液体である反応物質を用いることで適切なエネルギーとパワーの定格出力を提供でき、低サイクルの効果と長寿命を有する。
フロー電池は、マイクロ送電網への用途、又は小電力システムと関係する用途や、バックアップ電力供給として使用する用途も他に有する。しかし、これらのシステムの価格は広い範囲に展開することを妨げている。システム価格の主な部分は、フロー電池の積層セルと、アノード液およびカソード液に関連されたものである。大体、蓄積コストはセルスタックを介して生じる電流密度に制限される。より高い電流密度は、セルスタックでより多くのパワーを生じるようにでき、そしてワットあたりのコストを効率的に低減できる。低表面積の電極技術における現在の状態では、電流密度をより高めることは、運用コストを増加させる高エネルギーロスへと繋がってしまう。このように、電極は、電気活性表面積をより多く有することが必要である一方、価格については依然として何とか最小化しようとしている。現在のフロー電池システムは、カーボンフェルトのような炭素系の材料を電極に用いている。
【０００５】
図１を参照すると、符号１０で示される公知のフロー電池の一般的な構成が示される。
フロー電池１０は単一セル構造で与えられているが、当業者は、複数のセルがスタック内に組み込まれ得ること、並びに、多数スタックを採用できることを理解するであろう。いずれにしても、フロー電池は、両方とも電極とされるアノード１２とカソード１４とを含む。アノード液タンク１６およびカソード液タンク１８は、それぞれの液状材を、アノード液の流領域（flow area）２２およびカソード液の流領域（flow area）２４を介して流す。隔離膜２０は、アノード液の流領域２２をカソード液の流領域２４から隔て、且つその二つの流領域間のイオン交換を許す。それぞれの流路（channel）をこれらの材料が流れるときに、酸化還元反応により電力が生じる。酸化還元反応では、図で電球として描かれている外部の電気的負荷２６を介して電子が流入する。
【０００６】
当業者は、フロー電池が再蓄電可能な電池であり、フロー電池では、一又は複数の不溶解な電気活性種を有するアノード液とカソード液が化学エネルギーを電気に直接変換する電気化学セルを介して流れる、ということを理解するであろう。フロー電池は、外部の電力源を電極に印加したときに電解質液が流領域を介して逆流することによって、再充電でき、電気の生成反応を効果的に反転できる。フロー電池は、電解質における活性種の反応が反応物質の外部貯蔵を許し、それによりパワーとエネルギー密度の仕様を独立にスケールアップできる、という利点を有する。さらに、反応物を外部で貯蔵することができることは、他の一次及び二次電池システムで観察された自己放電を回避する。このように、エネルギーは、負荷において必要とされるまで、アノード液およびカソード液のタンクに効果的に貯蔵される。
【０００７】
多様な化学物質が、フローセル電池の動作に用いられる。特に、異なるタイプのアノード液物質およびカソード液物質が用いられ得る。例えば、亜鉛−臭素システムを用いることができ、セルスタックの中で亜鉛メッキが保持される。これらの構成のタイプは、高効率且つ低コストの反応物質を用いる。バナジウム酸化還元反応の技術も用いることができる。この技術は、高効率であるが低電流密度を提供する。物質間の相互汚染リスクは極めて少ないが、バナジウムは高価な物質であり五酸化物質は危険であると考えられているのでもはや使えない。もう一つのタイプのフロー電池はクロムイオンを用いる。低コストの反応物質の利用にその利点があるが、亜鉛−臭素又はバナジウムを用いた酸化還元反応の装置と比較して小型のシステムのみに現在は適用されている。フロー電池の構成で用いられる追加の化学結合がある。
【０００８】
フロー電池はカーボンフェルト電極を標準的に使用する。この種の構成は、炭素電極が標準的なアノード溶液やカソード溶液と化学的に互換性があることと、比較的大きな表面積を有し伝導性が良いことで、利点を有する。カーボンフェルトは、多数の反応場所をもたらし、分離した構成要素として、双極板と膜分離部との間に挟まれるか、配置される。
双極板は、典型的には、固体炭素又は導電性高分子材料である。カーボンフェルトは双極板と直接接触する。電極に用いられる他の材料は、炭素又は黒鉛粒子であり双極板に直接埋め込まれる。カーボンフェルト電極の重大な欠点は、所望の電流密度を制限していることである。特に、電気密度は、表面積と電気活性反応場所の密度の欠如によって制限されると考えられている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
それゆえ、より高密度な反応場所を可能にするために、改良した表面領域を有する電極を用い、それにより、高いパワー出力の貯蔵および生成能力を有するフロー電池技術が求められている。システムレベルのコストを最小化するように改良された電極を提供することも求められている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
進むにつれ明らかになるが、高表面積を有するフロー電池の電極を提供することが本発明の最初の一面である。
【００１１】
もう一つの本発明の一面は、フロー電池を提供することであり、少なくとも一つのアノードコンパートメント（anode compartment）と、少なくとも一つのカソードコンパートメント（cathode compartment）と、各アノードコンパートメントとカソードコンパートメントとの間にある分離膜とを備え、
各アノードコンパートメントとカソードコンパートメントは、双極板と、液状電解質と、少なくとも双極板の表面に設けられた炭素ナノ材料とを備え、液状電解質は、双極板の少なくとも一つの側面の近傍に位置する炭素ナノ材料のまわりを流れる。
【００１２】
さらにもう一つの本発明の一面は、フロー電池に用いられるフロー電池電極であり、フロー電池のアノード又は、カソードのコンパートメントのいずれかに保持され、フロー電池電極は双極板に隣接する多孔質炭素ナノ材料の構造を備え、多孔質炭素ナノ材料の構造は、織られた（woven）又は織られていない（不織（non-woven））フィラメント、又はそれらの組み合わせ構造のフィラメントを有する。
【００１３】
さらなるもう一つの本発明の一面は、フロー電池を構成する方法を提供することであり、少なくとも一つのアノードコンパートメントを設け、少なくとも一つのカソードコンパートメントを設け、少なくとも一つのアノードコンパートメントの各々と、少なくとも一つのカソードコンパートメントの各々との間に分離膜を配置し、双極板と、少なくとも双極板の表面に配置された炭素ナノ材料を備える各コンパートメントを設け、ナノ材料のまわりを液状電解質が流れるようにナノ材料が流路内へ延びている。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】従来のフロー電池の模式図である。
【図２】本発明のコンセプトに従って作られたフロー電池の拡大図である。
【図３】その表面から炭素ナノ物質が延びた炭素繊維の拡大図である。
【図４】本発明のコンセプトに従った炭素ナノ物質に覆われた双極板で作られたフロー電池が遠近画法で描かれた部分図である。
【図５】本発明のコンセプトに従った炭素ナノ物質が注入されたカーボンフェルトの遠近画法で描かれた拡大図である。
【図６】本発明のコンセプトに従った炭素ナノ物質が注入されたカーボンフェルトの一つの形成方法を図的に示した模式図である。
【図７】本発明のコンセプトに従った炭素ナノ物質が注入されたカーボンフェルトのもう一つの形成方法を図的に示した模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
図２を参照して、概して符号４０でセルが示されていることがわかる。セル４０は単一構造として与えられてもよく、又は、互いに隣接して積層された多数構造のセルとして与えられてもよく、並びに、フロー電池として動作するために用いられてもよい。各セル４０は少なくとも一つのアノードコンパートメント４１と少なくとも一つのカソードコンパートメント４２とを備える。多数のコンパートメントがセル４０に備えられる場合に、アノードコンパートメント４１はカソードコンパートメント４２と交互に配置される。各コンパートメント４１／４２は流路４３を有し、それぞれの流路はアノード又はカソードのいずれかの電極と関連付けられている。後述される内容で明らかになるが、それぞれのアノード／カソードコンパートメント４１／４２は、電源で生じた電気エネルギーを貯蔵可能とするため、又は電気負荷へ電子を供給可能とするために、電子の流れを可能にする電極として機能する。
【００１６】
二つの流路は、各コンパートメント間の中央部、又は電極間の中央部に配置された分離膜４６によって分離されている。そして、アノード液の流れ４７とカソード液の流れ４８との間のイオン電導を許容している。本実施形態では、分離膜４６は、Ｈ＋及び／又はＣｌ−種等によるイオン電流の流れを許容しており、一方で、これに限られないが、Ｆｅ２＋，Ｆｅ３＋，Ｃｒ２＋，Ｃｒ３＋，Ｖ２＋／  Ｖ３＋／  Ｖ４＋／  Ｖ５＋，およびＣｅ３＋／Ｃｅ４＋等の酸化還元種の移動を阻止している。それぞれのセル４０は、電気的に伝導性のある一対の双極板５０間に含められている。特に、各コンパートメント４１／４２はそれぞれ一方の双極板５０に付随している。双極板は双極形態（bipolar topology）に結合された電流収集器であることは明らかである。双極板又は電流収集器は、隣接する流領域間でのかたまり（mass）の移動を防ぐが、それぞれのセル間の電気的連続性を維持する。当業者は、多数セル構成の場合、双極板は複数のセル間で共有されていることを認識することであろう。双極板とそれぞれの分離膜の間に置かれているのは、多孔質材料５１であり、各コンパートメント４１／４２の一部である。材料５１は、隣接する双極板と接続しており、隣接する流路４３を介して流れるアノード液とカソード液の酸化還元種に双極板５０からの電子が到達可能にする触媒サイトを有する高表面積電極として機能する。
【００１７】
触媒サイトの数を最大化するために、充填剤はナノ材料、特に、炭素ナノ材料で構成される。ここで、炭素ナノ材料は、これに限定されないが、カーボンナノチューブ、炭素ナノ構造、そしてこれらの任意の割合の組み合わせを含む。一般に、ここで、用語“カーボンナノチューブ”（単数形ではＣＮＴ、複数形ではＣＮＴｓ）は、フラーレン族の多層の同軸環状になった炭素の同素体とされ、単層カーボンナノチューブ（ＳＷＮＴｓ）と、二層カーボンナノチューブ（ＤＷＮＴｓ）と、多層カーボンナノチューブ（ＭＷＮＴｓ）とを含む。ＣＮＴｓはフラーレン状の構造で閉塞されるか、又は開口端を有してもよい。ＣＮＴｓは他の材料をカプセル状に含む形態も含む。ＣＮＴｓは枝分かれ状ネットワーク、もつれ状(entangled)ネットワーク、これらの組み合わせとしてあらわれる。炭素ナノ構造（ＣＮＳ）としての基材の上に準備されたＣＮＴｓは、ＭＷＮＴｓ、ＳＷＮＴｓ、又はＤＷＮＴｓのみからなる個別のＣＮＴモチーフ、あるいは、これらのＣＮＴモチーフの混成を含むＣＮＳを含み得る。ここで、炭素ナノ構造（ＣＮＳ）は、カーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）をモノマー単位とするポリマー状の構造を備える。該ＣＮＳは、高度に絡んだカーボンナノチューブをベースとしたウェブ状の構造を備え、この構造は、互いに組み合わされ、枝分かれし、クロスリンクし、並びに、共通の壁面を共有するＣＮＴｓの組み合わせを含む。実際、ここで開示される炭素ナノ構造は複雑なモフォロジーを有するネットワーク状のカーボンナノチューブ（ＣＮＴｓ）を含む。理論と結び付けられていないが、この複雑なモフォロジーは、毎秒数ミクロンオーダの高速レートでのＣＮＴ成長条件の下で、基材上にＣＮＳネットワークを形成した結果として、生じ得ることが示された。成長しかけているＣＮＴｓの近接さに繋がるこのＣＮＴの高速成長速度が、観察される枝分かれ、交差架橋、並びに、共通壁面の共有を生じさせるのであろう。簡単のため、以後に続く議論では、基材、フィラメント、又は、繊維(fiber)上に置かれたＣＮＳを互換的にＣＮＴｓとして参照する。ＣＮＳネットワークの主な構成要素をＣＮＴｓが構成するからである。炭素ナノ構造は、またナノスケールで少なくとも一次元を有する任意の炭素同素体としても言及される。ナノスケールの大きさは、０．１ｎｍから約１０００ｎｍまで範囲の任意の大きさを含む。これら構造の形成は米国特許公開公報第２０１１／０１２４２５３号の公報に見いだせ、参照によりそれら全体が本明細書に組み込まれる。
【００１８】
多孔質フィルタ材料５１は、織られた（woven）又は織られていない（不織の（non-woven））炭素、黒鉛、又は類似する材料のフィラメント（filaments）で作られるフェルト(felt)を含んでいてもよく、フェルトは、上述された炭素ナノ材料を有するか、注入されている。材料５１は、典型的には高い耐薬品性を有し、多孔質で不活性特性を有し、良好な電気導電性を示す。幾つかの実施形態で、織られた多孔質充填材料が用いられる場合、結果として生じる構成は、二次元の織物パターン、三次元の織物パターン、あるいはこれらの組み合わせ、を用い得る。実施形態では、不織の多孔質充填材料が用いられ、これらの材料は、ハイドロエンタングルメント、静電植毛、標準植毛、乾式堆積方法、湿式堆積方法、これらの組み合わせによって生成される。幾つかの実施形態で、織られた、又は不織の材料のフィラメントには、カーボンナノチューブ、又は、炭素ナノ構造以外のナノ構造、あるいは、これらの組み合わせ（いかなる比率の組み合わせも有効）が注入されている。さらに、実施形態において、織られた、又は織られていない不織の態様で用いられるフィラメントは、金属、金属酸化物、炭素、ガラス、ポリマー、金属化された炭素、金属化されたガラス、金属化されたポリマー、又はこれらの組み合わせで構成してもよい。さらに加えると、ある実施形態では、直接成長で、又は、炭素ナノ構造分散に浸漬することで炭素ナノ構造がフィラメントに注入される。
【００１９】
一般に、この明細書で述べられる実施例の全ては、直接又は間接に、双極板又は関連する電極を、炭素ナノ材料で能力を高められた何らかの関連材料に変更する、という低生産コスト方法の適用をもたらす。言い方を変えると、炭素ナノ材料は、電流取集器又は双極板の少なくとも一つの側面の近傍に位置付けられる。これは、ナノ材料を双極板に隣接する近傍に配置し、又は直接的にナノ材料を双極板に注入するか、塗布するか、成長させる、あるいは、関連する電極に塗布することによって実現され得る。これらの多孔質炭素ナノ材料の配置、又は塗布は、カーボンフェルトと比較して、数桁ほど大きな活性表面積を提供し、それゆえ、システムを通じて電流密度を上げることができる。変更された双極板は、双極板の一つの側面と隣接する分離膜との間に十分に延びた伝導性の領域をもたらす。コスト低減を達成するための鍵は、低コストでこれらの炭素ナノ材料の変形を適用することができることにあると考えられる。当業者は、一般に、炭素ナノ材料が表面から実質的に垂直方向、又はランダムに、又は任意の角度の方向に延びるように成長すると理解する。例えば、図３で模式図的に示されるように、カーボンナノチューブ５３は炭素繊維５４から放射状に延びていることを示している。表面から延びているナノチューブ、又は他のナノ構造の数または密度は、適切に変更してよい。加えて、ナノチューブ又は他のナノ構造は、平面、湾局面、球形、堤（ridged）、その他のいかなる表面形状からも延びるように成長させてもよい。ナノチューブ又はナノ構造は、互いに厳密に並行にしてもよく、放射配列として形成してもよく、又は、メッシュ状に絡ませてもよい。
【００２０】
図４で示される第１の実施形態において、コンパートメント４１/４２Ａは、双極板５０Ａを備え、双極板５０Ａでは、多孔質充填材料５１が双極板の各側面に設けられた炭素ナノ材料の層を備えている。この実施例で、双極板５０Ａは、双極板５０Ａの一側面または両側面上に三次元構造を提供しアノード液、カソード液のいずれかがその三次元構造に隣接して流れるように、複数の流路５６を備えている。多孔質充填材料５１は、双極板５０Ａの外表面に向けて、直接的に、部分的に、又は、完全に成長させられたカーボンナノチューブ５３などの炭素ナノ材料を備える。カーボンナノチューブ５３は双極板の厚みより相対的にずっと小さい。この実施例では、ナノチューブは、双極板５０Ａから主に垂直に延び、そしてまた流路５６内に向って延びるように、配列されまたは方向付けられている。他の実施例では、カーボンナノ材料は、ランダムに、又は角度を有して延びた炭素ナノ構造、定まった、又は定まっていないパターンとして延びた炭素ナノ構造でもよい。理解されるように、双極板は、複数のセルを分離する電気伝導材料であり、そして耐腐食性を有する。この実施例の変形例では、双極板は流路なしの平らな表面として、そこから実質的に垂直な方向に延びた炭素ナノ材料を有するようにしてもよい。炭素ナノ材料は双極板の表面全体を覆うか、アノード液又はカソード液の流れパターン又は経路を形成するように選択的にパターニングされる。
【００２１】
電極の機能と双極板の機能が互いに効果的に統合されているので、この実施形態は、部品であるカーボンフェルトをセルから全体的に除いた現在の技術全体に、利益をもたらす。先行技術の装置は単に双極板の両サイドにカーボンフェルトを備え、そのカーボンフェルトが反応場所を提供するが、反応場所はカーボンフェルトのあたりにランダムに配置されている。明らかな相違として、図４で示される流路５６の中又は表面上のカーボンナノチューブ５３又は他の炭素ナノ構造は、カソード液とアノード液が流れる表面積を大きく増加させており、これらの液はより多数の反応場所にさらされる。
【００２２】
図５を参照したもう一つの実施例では、コンパートメント４１／４２Ｂは双極板５０Ｂを有する。この実施例で、多孔質充填材料５１は、フェルト７０に注入された炭素ナノ材料であり、時には、注入された織物（fabric）として参照される場合もあるが、双極板の各側面に配置され且つそれぞれの分離膜４４に隣接して位置付けられている。フェルトに注入された炭素ナノ材料は、先行技術のカーボンフェルトに代えてコンポートメントの中に挿入される。織物(fabric)又は繊維屑（tow）に注入された炭素ナノ材料は、改良された化学耐性と電気伝導性をもたらし、尚且つ、先の実施例のように、高電流密度を容易に得られるように非常に大きな表面積をもたらす。
【００２３】
図５で示される実施例で、フェルト７０は、幾つかの方法で構成され得る。第１の構成方法は、図６で示されており、最初に炭素、黒鉛繊維、又は、フィラメント５４を製造し、その後、カーボンナノチューブ５３又は他の炭素ナノ構造を繊維（fiber）５４上に成長させる。不織の炭素ナノ材料を注入したフェルト７０’を形成するように、注入された繊維はその後、長い糸状（スレッド）又は切断された形状のいずれかとして互いに集められる。図７で示される第２の構成方法は、繊維５４を製造して、その後それらを不織のフェルト５２として形成する。次に、フェルトは、炭素ナノ材料を注入したフェルト７０’’を形成するために、カーボンナノチューブ５３又は他の炭素ナノ構造を繊維５４上に直接的に成長させるように処理される。すでに記載されたように、フェルト７０、７０’、７０’’は、多くの孔と隙間を有する多孔質不織構造である。従って、炭素ナノ材料は、フェルト全体に繁茂しており、かつ、これらの部品が組み立てられたときに双極板と分離膜とに接触する。多層織物（Multiple woven）処理も、繊維又はフィラメントから多孔質構造電極を作るために用いられ得る。実際、炭素ナノ材料５３を採用し織られた又は不織の三次元構造を使用できる。
【００２４】
この実施例および関連する構成方法は、従来のフロー電池スタック構造のカーボンフェルトを、巨視的には同等であるが表面積の大きさを１又は２ケタほど大きくしたフェルトに置き換えられる点において有利であり、アノード液又はカソード液の反応速度を増大させ、それにより、電気化学反応で著しいエネルギー損失を招くことなく、システムの電流密度を増大させる。この実施例で、カーボンフェルトは、カーボンフェルト材料上で容易に成長させられる炭素ナノ材料との組み合わせとして提供される。
【００２５】
図４および図５で示される実施例は、流れに関した活性場所の数を増やすことでより多くの酸化還元反応を起こすために、炭素ナノ材料をコーティングした双極板と熱的化学的な処理による多様な形態の炭素ナノ材料の任意の変形例とを取り扱うことによって実現してもよい。カーボンナノチューブ又はナノ構造の成長処理の変形は、多層壁の構成、長さ、密度、非対称性（chirality）、欠陥、機能グループの追加、などのナノ材料の特徴を制御することによって、酸化還元活性、電気化学活性、電気伝導性、化学的耐性などの炭素ナノ材料の特徴を最適化可能にできることは明らかである。
【００２６】
開示された構成は、炭素の表面積がカーボンフェルトおよび他の公知の先行技術の構成に対して一桁ほど又はそれ以上に増加する点で有利である。マイクロスケールおよびナノスケールの表面積のこの増加は、関連するフロー電池のアノード又はカソードの反応を起こすのに有用な場所を増大させる。これは、与えられたマクロスケールの表面積において反応が高速で起こることを可能とし、それにより、セルスタックでのより高いパワー密度を可能とし、かつ、ユニットあたりの材料コストの低減、パワーおよびエネルギーの低減によって、潜在的に低コストのシステムを可能にする。この構成は、セルおよび完成したセルスタックを、より高い往復（round-trip）効果で動作できるようにし、かつ、システムでの多様な過電圧（overpotential）、抵抗性、及び／又は電気的損失を減らすことができる。
【００２７】
このように、発明の目的は上述された構成と方法を用いることで満たされることは明らかである。特許法令に従い、最良の形態と好ましい実施例が詳細に示され述べられたが、発明はそれに限定されないことは明らかである。したがって、発明の範囲の理解のため、続く請求項の記載が参照される。
【図１】
2018049829.tif 000003
【図２】
2018049829.tif 000004
【図３】
2018049829.tif 000005
【図４】
2018049829.tif 000006
【図５】
2018049829.tif 000007
【図６】
2018049829.tif 000008
【図７】
2018049829.tif 000009