(57)【要約】  本発明の実施形態は、一般的には、フロー電池セル、複数のフロー電池セルを包含するシステム、および、様々なタイプのカソードに対してカソーライトを流してさらすことなどによる、フロー電池セル内における金属析出を向上させるための方法を提供する。一実施形態において、電解質膜により隔てられたカソード半セルおよびアノード半セルを含むフロー電池セルが提供される。カソード半セルは、カソーライト通路に対して垂直または実質的に垂直かつカソーライト通路内に延在する複数のカソードワイヤを包含し、各カソードワイヤは、相互に対して平行にまたは実質的に平行に延在する。いくつかの例において、複数のカソードワイヤは、カソードワイヤの少なくとも２つのアレイを有してもよく、各アレイは、カソードワイヤの少なくとも１つの列を包含し、各列は、カソーライト通路に沿って延在する。
2013539177.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソード半セルであって、カソーライト入口、カソーライト出口、前記カソーライト入口と前記カソーライト出口との間かつ前記カソード半セル内に延在するカソーライト通路、および前記カソーライト通路に対して実質的に垂直かつ前記カソーライト通路内に延在する複数のカソードワイヤを備えるカソードを備え、各前記カソードワイヤが相互に対して実質的に平行に延在する、カソード半セルと、
アノードを包含するアノード半セルと、
前記カソード半セルと前記アノード半セルとの間に配設される電解質膜と、
前記カソードに電気的に接続され前記カソード半セルの外部に配設されるカソード接点と
を備える、フロー電池セル。
【請求項２】
前記カソードワイヤがカドミウムまたはカドミウム合金を含む、請求項１に記載のフロー電池セル。
【請求項３】
前記複数のカソードワイヤが、中実カドミウムワイヤ、カドミウムもしくはカドミウム合金でめっきまたは被覆されたステンレス鋼ワイヤ、カドミウムもしくはカドミウム合金でめっきまたは被覆された金属ワイヤ、それらの派生物、およびそれらの組合せからなる群より選択されるワイヤを含む、請求項２に記載のフロー電池セル。
【請求項４】
前記カソードワイヤが、約０．０１インチ〜約０．０４インチの範囲内の直径および約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の長さを有する、請求項２に記載のフロー電池セル。
【請求項５】
前記アノードに電気的に接続され前記アノード半セルの外部に配設されるアノード接点をさらに備え、前記アノードが、鉄、ニッケル、クロム、鋼、ステンレス鋼、それらの合金、またはそれらの組合せを含む、請求項１に記載のフロー電池セル。
【請求項６】
前記複数のカソードワイヤが、前記カソーライト通路に沿って延在するカソードワイヤの少なくとも１つの列を備え、前記カソードワイヤが、前記列内において相互から所定の距離だけ離間され、前記所定の距離が、前記個々のカソードワイヤの外周長さに実質的に等しい、請求項１に記載のフロー電池セル。
【請求項７】
前記複数のカソードワイヤが、カソードワイヤの少なくとも２つのアレイを備え、各アレイが、カソードワイヤの少なくとも１つの列を備え、前記列が、前記カソーライト通路に沿って延在する、請求項１に記載のフロー電池セル。
【請求項８】
前記複数のカソードワイヤが、カソードワイヤの少なくとも４つの列を備える、請求項７に記載のフロー電池セル。
【請求項９】
カソードワイヤの第１のアレイおよびカソードワイヤの第２のアレイのそれぞれが、前記カソード接点に個別に電気的に接続される、請求項８に記載のフロー電池セル。
【請求項１０】
２つ以上の請求項１に記載のフロー電池セルを備える、フロー電池システム。
【請求項１１】
カソード半セルであって、平面カソード、カソーライト入口、カソーライト出口、前記カソーライト入口と前記カソーライト出口との間かつ前記カソード半セル内に延在するカソーライト通路、および前記カソーライト通路内の開口ブロック流れスクリーンを備え、前記開口ブロック流れスクリーンが、電気絶縁材料を含む複数のブロックおよび前記電気絶縁材料全体にわたりかつ前記ブロック間に配設された複数のチャネルを包含する、カソード半セルと、
アノーライトと導電接触状態にあるアノードを備えるアノード半セルと、
前記カソード半セルと前記アノード半セルとの間に配設される電解質膜と、
前記カソードに電気的に接続され前記カソード半セルの外部に配設されるカソード接点と
を備える、フロー電池セル。
【請求項１２】
前記開口ブロック流れスクリーンが、前記平面カソードの前向表面と物理的に接触状態にあり、前記開口ブロック流れスクリーンが、前記カソーライト入口から前記カソーライト出口までかつ前記平面カソードから前記電解質膜まで延在する、請求項１１に記載のフロー電池セル。
【請求項１３】
前記開口ブロック流れスクリーンの前記チャネルが、前記開口ブロック流れスクリーンの合計体積の約７０％以上を占める、請求項１２に記載のフロー電池セル。
【請求項１４】
前記開口ブロック流れスクリーンが、織成繊維の多孔性マットを含む、請求項１３に記載のフロー電池セル。
【請求項１５】
カソード半セルであって、カソーライト、カソーライト入口、カソーライト出口、前記カソーライト入口と前記カソーライト出口との間かつ前記カソード半セル内に延在するカソーライト通路、および前記カソーライト通路と流体連通状態にあり前記カソーライト通路に対して実質的に垂直に延在するスロット付きシートカソードを備え、前記スロット付きシートカソードが、金属シートを貫通して配設されたスロットにより隔てられた複数のカソードストリップを備える、カソード半セルと、
アノーライトと導電接触状態にあるアノードを備えるアノード半セルと、
前記カソード半セルと前記アノード半セルとの間に配設され、前記カソーライトおよび前記アノーライトと接触状態にある電解質膜と、
前記スロット付きシートカソードに電気的に接続され前記カソード半セルの外部に配設されるカソード接点と
を備える、フロー電池セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般的には電気化学セルに関し、より詳細にはフロー電池セルおよびフロー電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学セルを包含するフロー電池は、数十年にわたって存続しており、電気エネルギーの蓄積のために使用されてきた。様々なフロー電池が当技術において存在するが、公知の２つのタイプのフロー電池には、亜鉛−フェロシアン化物電池および亜鉛−臭素電池が含まれる。これらのタイプの電池セルは、充電される際には、金属（例えば亜鉛）がバッテリーセル内の平面電極上に析出される。効率的な電池セルとなるには、この金属は、許容し得る速度、均一性、量、および形態構造で析出されなければならない。フロー電池に関する１つの重要な側面は、平面電極上に析出される全てまたは実質的に全ての金属が、電池セルの放電時には溶出され得るという点である。例えば、接着性の低い形態構造で析出されたまたは他の態様で被覆された金属は、放電前に平面電極から剥落する場合があり、この金属を析出する際に蓄積されたエネルギーが、失われることになる。
【０００３】
さらに、析出の際に生じる電流密度分布（例えば金属厚さ均一性）が、放電時に得られる電流密度とは異なることにより、多数の充放電サイクルにわたって非均一な金属堆積がもたらされる。その結果、金属は、いくつかの領域においては電極まで欠乏し、他の領域においては欠乏せず、このことにより、ガスの発生、セル電位のさらなる上昇、および／または電池効率の低下が生じるおそれがある。剥離または溶出した金属粒子が電池セル内に蓄積されることにより、介入（例えば剥離した金属の除去など）せずに放置した場合には、電解質の流路または流れチャネルが塞がれる、電解質膜に進入し電解質膜を汚染する、または他の問題が引き起こされる場合がある。同様に、電極のいくつかの部分の上に析出され、その後溶出されない金属が、電池の多数の充電サイクルにわたって堆積することにより、流れ閉塞、短絡、または膜の損傷などの問題を引き起こす場合がある。
【０００４】
さらに、一般的には、典型的なフロー電池セルがコンパクトであるという特質により、最適な析出性能の獲得が困難になる。典型的なフロー電池は、セルのオーム抵抗を最低限に抑えるために（より高い電池効率を目的として）、かつ複数のフロー電池セルを高密度アレイ内にパッケージングし続けるために、小さな間隙により分離された大きな表面積を有する電極をしばしば有する。その結果、電解質用の流路は、幅狭のチャネルに制限され、このことにより、大きな表面積の電極全体にわたる均一で高速のイオン補給の実現が困難になる。また、イオン補給は、より高い電解質流量によって高めることが可能であるが、電池効率を維持するために、ポンプ流量および圧力損失（ポンプエネルギー要件）を可能な限り低く維持することが望ましい。
【０００５】
したがって、平面電極を有する従来のフロー電池を上回る高い速度、量、均一性、および形態構造にて金属析出が実現されるように、電極表面に対するイオン補給（例えば物質移動）が改良されたフロー電池セルが必要である。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の実施形態は、一般的には、フロー電池セル、複数のフロー電池セルを包含するフロー電池システム、ならびに、様々なタイプのカソードに対してカソーライトを流してさらすことなどによるフロー電池セル内における金属析出を向上させるための方法を提供する。各フロー電池セルは、一般的には、カソード半セルとアノード半セルとの間に配設されカソーライトおよびアノーライトと流体連通状態にある電解質膜により隔てられたカソード半セルならびにアノード半セルを包含する。カソード半セルは、カソード半セルの両側部上に配設されたカソーライト入口とカソーライト出口との間に延在するカソーライト通路に沿って流れるカソーライトと導電接触状態にあるカソードを包含する。アノード半セルは、アノード半セルの両側部上に配設されたアノーライト入口とアノーライト出口との間に延在するアノーライト通路に沿って流れるアノーライトと導電接触状態にあるアノードを包含する。カソード接点が、カソード半セルの外部に配設され、カソードに電気的に接続され、アノード接点が、アノード半セルの外部に配設され、アノードに電気的に接続される。
【０００７】
一実施形態において、カソーライト、カソーライト入口、カソーライト出口、カソーライト入口とカソーライト出口との間かつカソード半セル内に延在するカソーライト通路、およびカソーライト通路に対して垂直または実質的に垂直かつカソーライト通路内に延在し、カソーライトと接触状態にある複数のカソードワイヤを包含するカソードを包含する、カソード半セルを備えるフロー電池セルが提供される。各カソードワイヤは、相互に対して平行にまたは実質的に平行に延在する。いくつかの実施形態において、複数のカソードワイヤは、カソードワイヤの少なくとも２つのアレイを有してもよく、各アレイは、カソードワイヤの少なくとも１つの列を包含し、各列は、カソーライト通路に沿って延在する。いくつかの例において、複数のカソードワイヤは、カソードワイヤの２つ、３つ、４つ、またはそれ以上の列を有してもよい。
【０００８】
複数のカソードワイヤは、カソードワイヤの第１のアレイおよびカソードワイヤの第２のアレイを包含してもよく、カソードワイヤの各アレイは、カソード接点に個別に電気的に接続される。例えば、フロー電池の充放電サイクルの際には、カソードワイヤの第１のアレイは、通電カソードワイヤを有してもよく、カソードワイヤの第２のアレイは、非通電カソードワイヤを有してもよい。いくつかの例において、カソードワイヤの第１のアレイは、通電カソードワイヤの少なくとも２つの列を包含してもよく、カソードワイヤの第２のアレイが、非通電カソードワイヤの少なくとも２つの列を包含する。充放電サイクル時のいくつかの構成において、カソードワイヤの第１のアレイは、カソードワイヤの第２のアレイと電解質膜との間に配設されてもよく、または代替的には、カソードワイヤの第２のアレイは、カソードワイヤの第１のアレイと電解質膜との間に配設されてもよい。
【０００９】
カソードワイヤは、一般的には、カソードワイヤの各列内において相互から所定の距離だけ離間される。多数の例において、この所定の距離は、カソードワイヤの外周長さに等しいかまたは実質的に等しい。カソードワイヤは、カドミウムまたはカドミウム合金を含んでもよい。カソードワイヤは、中実カドミウムワイヤであってもよく、または、カドミウムもしくはカドミウム合金でめっきまたは被覆された鋼あるいはステンレス鋼など、カドミウムめっきされた金属ワイヤであってもよい。カソードワイヤは、約０．００５インチ〜約０．０５インチなど、または約０．０１インチ〜約０．０４インチなど、または約０．０２インチ〜約０．０３インチなど、例えば約０．０１２インチ、０．０２４インチ、または０．０３６インチなど、約０．００１インチ〜約０．１インチの範囲内の直径を有してもよい。カソードワイヤは、例えば約１０ｃｍ〜約５０ｃｍまたは約２０ｃｍ〜約２００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の長さを有してもよい。
【００１０】
本明細書において説明する多数の実施形態において、カソードワイヤは、電解質（例えばカソーライト）の流路に対して垂直に配設され、このことが、フロー電池セルについて多くの性能向上をもたらす。このカソードワイヤは、一般的に、従来の平面電極と比較した場合に、より均一な金属析出を生じさせる。このフロー電池システムは、一般的に、より高いセル電流密度を有すると共に、カソードワイヤ上の電流密度を適度なもの（例えば限界電流のごく一部）に維持する。さらにこのことが、従来の電池よりも高い電池充電速度をもたらす。複数のカソードワイヤを包含するこのフロー電池システムは、一般的には、より高い金属蓄積容量を有し、このことにより、所与の電流密度にて従来のフロー電池よりも長い放電時間が得られる。カソードワイヤの様々なアレイの連続的な析出は、従来の平面電極に比べて、フロー電池システムについてより長い放電時間を実現し、電極の再調整を行うための休止時間を回避するためにｉｎ−ｓｉｔｕ電極メンテナンスを実現するのに有用である。例えば、カソードワイヤの１つのアレイから溶出する場合には、カソードワイヤの別のアレイが、析出された金属の除去が確実に完全なものになるまたはほぼ完全なものになるように、少量のトリクル放電を有してもよい。カソードワイヤは、従来の平面電極に比べて一般的により均一であり、多数の充放電サイクルにわたって良好な成果をもたらす、析出速度および溶出速度を実現する。カソードワイヤは、比較的少量の金属を含みながら大きな表面積をもたらす。一般的には、カソードワイヤの大表面積により、従来の平面電極に比べてより低いセル電圧低下およびより高いセル効率が得られる。いくつかの例において、カソードワイヤの表面は、中実カドミウムワイヤまたはカドミウム被覆された鋼ワイヤなど、カドミウムを含み、カソーライトは、金属イオン（例えば亜鉛イオン）を含み、この亜鉛イオンは、充電サイクルの際には金属フィルム（例えば金属亜鉛）としてカソードワイヤの上に電気化学的に還元および析出される。
【００１１】
フロー電池セルは、アノーライト、アノーライト入口、アノーライト出口、およびアノード半セル内においてアノーライト入口とアノーライト出口との間に延在するアノーライト通路を包含する、アノード半セルと流体連通状態にあるアノードをさらに有する。また、フロー電池セルは、カソードワイヤに電気的に接続され、カソード半セルの外部に配設されるカソード接点と、アノードに電気的に接続され、アノード半セルの外部に配設されるアノード接点とを包含する。アノードは、鉄、ニッケル、クロム、鋼、ステンレス鋼、それらの合金、またはそれらの組合せを含む平面アノードであってもよい。多数の実施形態において、アノード半セル反応が、レドックス反応であることにより、有利には、大表面積を有する多孔性電極が、フロー電池セル内に含まれてもよい。多孔性電極材料の例には、ニッケル発泡体またはグラファイト発泡体が含まれる。電解質膜は、ポリマー材料を含み、約０．００５ｍｍ〜約０．５ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。
【００１２】
別の実施形態において、平面電極、カソーライト、カソーライト入口、カソーライト出口、カソーライト入口とカソーライト出口との間かつカソード半セル内に延在するカソーライト通路、およびカソーライト通路内の開口ブロック流れスクリーンを包含する、カソード半セルを備えるフロー電池セルが提供される。開口ブロック流れスクリーンは、電気絶縁材料の複数のブロックおよび電気絶縁材料全体にわたりかつブロック間に配設された複数のチャネルを包含する。フロー電池セルは、アノーライト、アノーライト入口、アノーライト出口、アノーライト入口とアノーライト出口との間かつアノード半セル内に延在するアノーライト通路、およびアノーライト通路と流体連通状態にあるアノードを包含する、アノード半セルをさらに有する。また、フロー電池セルは、カソード半セルとアノード半セルとの間に配設されカソーライトおよびアノーライトと接触状態にある電解質膜、カソードに電気的に接続されカソード半セルの外部に配設されるカソード接点、およびアノードに電気的に接続されアノード半セルの外部に配設されたアノード接点をさらに有する。
【００１３】
多数の例において、開口ブロック流れスクリーンは、カソーライト入口からカソーライト出口まで、かつ平面カソードから電解質膜まで延在する。通常は、開口ブロック流れスクリーンは、平面カソードの前向表面と物理的に接触状態にある。開口ブロック流れスクリーン内のブロックは、矩形形状寸法、球状形状寸法、円筒状形状寸法、および変則３次元形状寸法を含む様々な形状を有してもよい。開口ブロック流れスクリーンのチャネルは、開口ブロック流れスクリーンを包囲する合計体積の約７０％以上を占めてもよい。いくつかの実施形態において、開口ブロック流れスクリーンは、繊維材料または織成材料を含む多孔性マットであってもよい。繊維材料または織成材料は、約１０μｍ〜約１００μｍなど、約５μｍ〜約３００μｍの範囲内の直径または多孔性を有し得るチャネルを包含する。他の実施形態において、開口ブロック流れスクリーンは、繊維同士の間またはブロック同士の間に配設されたチャネルを包含し、各繊維またはブロックは、約１０μｍ〜約２５０μｍまたは約１０μｍ〜約１５０μｍなど、例えば約１０μｍ〜約１００μｍなど、約１０μｍ〜約５００μｍの範囲内にそれぞれが個別に含まれる幅、長さ、高さ、および／または直径を有してもよい。
【００１４】
別の実施形態において、カソーライト、カソーライト入口、カソーライト出口、カソーライト入口とカソーライト出口との間かつカソード半セル内に延在するカソーライト通路、およびカソーライト通路と流体連通状態にありカソーライト通路に対して垂直にまたは実質的に垂直に延在するスロット付きシートカソードを包含する、カソード半セルを備えるフロー電池セルが提供される。スロット付きシートカソードは、金属シート（例えばステンレス鋼）中に配置されたスロットにより隔てられた複数のカソードストリップを包含する。
【００１５】
スロット付きシートカソードは、鉄、鋼、ステンレス鋼、カドミウム、カドミウムめっきされたステンレス鋼、それらの合金、またはそれらの組合せを含んでもよい。いくつかの例において、スロット付きシートカソードは、スロットがスタンプ加工、打ち抜き加工、または他の態様で貫通して形成されたステンレス鋼シートを包含するか、またはそのようなステンレス鋼シートから形成されてもよい。スロット付きシートカソードの各カソードストリップは、約０．０１インチ〜約０．０５インチなど、例えば約０．０２インチなど、約０．００５インチ〜約０．１インチの範囲内の厚さを有してもよく、約０．０１インチ〜約０．０５インチなど、例えば約０．０２インチなど、約０．００５インチ〜約０．１インチの範囲内の幅を有してもよい。また、スロット付きシートカソードの各カソードストリップは、約５ｃｍ（約１．９７インチ）〜約３００ｃｍ（約１１８．１１インチ）の範囲の長さを有してもよい。いくつかの例において、各カソードストリップは、約２０ｃｍ（約７．８７インチ）〜約２００ｃｍ（約７８．７４インチ）または約５０ｃｍ（約１９．６９インチ）〜約１００ｃｍ（約３９．３７インチ）の範囲内の長さを有してもよい。他の例において、各カソードストリップは、約２０ｃｍ（約７．８７インチ）〜約３０ｃｍ（約１１．８１インチ）など、約５ｃｍ（約１．９７インチ）〜約５０ｃｍ（約１９．６９インチ）の範囲内の長さを有してもよい。
【００１６】
フロー電池セルは、アノーライト、アノーライト入口、アノーライト出口、アノーライト入口とアノーライト出口との間におよびアノード半セル内に延在するアノーライト通路、ならびにアノーライト通路と流体連通状態にあるアノードを包含する、アノード半セルをさらに備える。また、フロー電池セルは、カソード半セルとアノード半セルとの間に配設され、カソーライトおよびアノーライトと接触状態にある電解質膜を包含する。フロー電池セルは、スロット付きシートカソードに電気的に接続されカソード半セルの外部に配設されたカソード接点と、アノードに電気的に接続されアノード半セルの外部に配設されたアノード接点とをさらに包含する。
【００１７】
本発明の上記特徴を詳細に理解することが可能となるように、上記では簡潔な要約として示した本発明のさらに具体的な説明を、一部が添付の図面に図示される複数の実施形態を参照して行う。しかし、添付の図面は、本発明の典型的な実施形態を示すものに過ぎず、したがって本発明の範囲を限定するものとして見なされるべきではない点に留意されたい。なぜならば、本発明は、他の同様に有効な実施形態を許容し得るからである。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１Ａ】本明細書における一実施形態において説明するような、カソーライトにさらされた開口ブロック流れスクリーンを有するフロー電池セルを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図１Ｂ】本明細書における一実施形態において説明するような、カソーライトにさらされた開口ブロック流れスクリーンを有するフロー電池セルを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図１Ｃ】本明細書における一実施形態において説明するような、カソーライトにさらされた開口ブロック流れスクリーンを有するフロー電池セルを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ａ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ｂ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ｃ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ｄ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ｅ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ｆ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ｇ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ｈ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図２Ｉ】本明細書における一実施形態により説明するような、ある構成のカソードワイヤを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図３Ａ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池システム内に組み込み得るフロー電池セルアセンブリを示す図である。
【図３Ｂ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池システム内に組み込み得るフロー電池セルアセンブリを示す図である。
【図３Ｃ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池システム内に組み込み得るフロー電池セルアセンブリを示す図である。
【図３Ｄ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池システム内に組み込み得るフロー電池セルアセンブリを示す図である。
【図３Ｅ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池システム内に組み込み得るフロー電池セルアセンブリを示す図である。
【図３Ｆ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池システム内に組み込み得るフロー電池セルアセンブリを示す図である。
【図４】本明細書における複数の実施形態により説明するような、複数の多様な電池セルを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図５Ａ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池セル内に組み込み得るカソードワイヤアセンブリを示す図である。
【図５Ｂ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池セル内に組み込み得るカソードワイヤアセンブリを示す図である。
【図５Ｃ】本明細書における一実施形態により説明するような、フロー電池セル内に組み込み得るカソードワイヤアセンブリを示す図である。
【図６Ａ】本明細書における一実施形態において説明するような、スロット付きシートカソードを有するフロー電池セルを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図６Ｂ】本明細書における一実施形態において説明するような、スロット付きシートカソードを有するフロー電池セルを包含するフロー電池システムを示す図である。
【図６Ｃ】本明細書における一実施形態において説明するような、スロット付きシートカソードを有するフロー電池セルを包含するフロー電池システムを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本発明の実施形態は、概して、フロー電池セル、複数のフロー電池セルを包含するフロー電池システム、およびフロー電池セル内における多様な異なるタイプのカソード上への金属析出を向上させるための方法を提供する。本明細書において説明するフロー電池セルは、改良されたカソードおよび電解質流路を有し、したがって、従来のフロー電池を上回る高い金属析出速度、均一性、および形態構造をもたらす。本明細書において説明する実施形態において、金属が析出される電極は、カソードと呼ばれる場合があり、この電極の半セルは、電池の充電サイクル時にはカソード側と呼ばれる。しかし、電池内の電流が反転されると、金属が析出された電極は、電池の放電サイクル時にアノードになる。
【００２０】
一実施形態において、フロー電池システム１００は、図１Ａに図示するように、電解質膜１１０により隔てられたカソード半セル１２２およびアノード半セル１４２を有するフロー電池セル１０２を包含する。フロー電池システム１００がフロー電池セル１０２を１つだけ有するように図示されるが、フロー電池システム１００は、フロー電池セル１０２と同様の複数のセルをしばしば包含する。フロー電池セル１０２の具体的な数量は、各フロー電池セル１０２の合計容量と、フロー電池システム１００全体に対する相対的な所望の合計エネルギー容量とにより決定され得る。所望の合計エネルギー容量を蓄積するために、複数のフロー電池セル１０２が共に接続されてもよい。
【００２１】
カソード半セル１２２は、フロー電池システム１００のカソード側１２０に位置し、カソーライト１２６と流体連通状態にある平面カソード１２４などのカソードを包含する。平面カソード１２４は、一般的には固体表面を有するが、平坦な平面カソードまたは円筒状カソードなどの様々な形状寸法を有してもよい。平面カソード１２４は、一般的には、グラファイト、またはニッケル、鉄、クロム、ステンレス鋼、亜鉛、カドミウム、鉛、水銀、それらの合金、もしくはそれらの組合せなどの金属などの材料を含む。いくつかの例において、平面カソード１２４は、カドミウムめっきされた鉄、または鉛めっきされた鉄を含んでもよい。いくつかの例において、平面カソード１２４は、グラファイトを含む。平面カソード１２４は、複合構造を有してもよく、プラスチック含有グラファイト繊維、ポリマー含有グラファイト繊維、またはニッケルもしくは前述の金属の中の他の１つでめっきされるかまたは他の態様で被覆されたグラファイト繊維などの材料を含んでもよい。他の例において、金属または複合構造である平面カソード１２４は、カドミウムでめっきされるかまたは他の態様で被覆されてもよい。いくつかの実施形態において、平面カソード１２４は、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍなど、約５０ｃｍ〜約１００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の長さを有してもよい。いくつかの例において、平面カソード１２４は、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍの範囲内の長さを有してもよい。いくつかの実施形態において、平面カソード１２４は、約１，０００ｃｍ２〜約２，０００ｃｍ２など、約５００ｃｍ２〜約４，０００ｃｍ２の範囲内の表面積を有してもよい。
【００２２】
別の実施形態において、フロー電池セル１０２は、カソーライト通路１３３に沿ったカソーライト１２６の所与の体積流体速度に対する速度を上昇させるカソード半セル１２２の寸法により、金属析出の均一性を向上させるように構成される。多くの構成において、カソード半セル１２２は、カソーライト通路１３３に沿って高さを上回る長さ、およびカソーライト通路１３３に沿って幅を上回る高さを有してもよい。さらに、この体積流量の上昇により、カソーライト通路１３３の長さにわたるバルクレベルの化学反応の欠乏が最小限に抑えられる。カソーライト１２６の濃度は、金属が平面カソード１２４上に析出される間も、実質的に一定に留まる。したがって、フロー電池セル１０２は、幅よりも、カソーライト通路１３３の流れ方向に沿ってより長い長さを有し、このことにより、所与の体積流量に対して最高の流体速度が得られる。カソーライト通路１３３にわたる（例えば平面カソード１２４と電解質膜１１０との間の）カソード半セル１２２の幅は、約５ｍｍ〜約１５ｍｍの間、例えば約１０ｍｍなど、約１ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内であってもよい。カソーライト通路１３３に沿った（例えばカソーライト入口１３２とカソーライト出口１３４との間の）カソード半セル１２２の長さは、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍ、約５０ｃｍ〜約１００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内であってもよい。カソーライト通路１３３に沿った（例えば幅および長さに対して垂直な）カソード半セル１２２の高さは、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍ、約５０ｃｍ〜約１００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内であってもよい。一例において、カソード半セル１２２は、約２００ｃｍの長さ、約１０ｃｍの高さ、および約１０ｍｍの幅を有してもよい。別の例において、カソード半セル１２２は、約１００ｃｍの長さ、約２０ｃｍの高さ、および約１０ｍｍの幅を有してもよい。
【００２３】
カソーライト１２６は、カソーライト通路１３３に沿ってカソード半セル１２２上に配設されたカソーライト入口１３２内に流し込まれ、カソード半セル１２２上に配設されたカソーライト出口１３４から流し出され得る。カソーライト通路１３３は、カソード半セル１２２内においてカソーライト入口１３２とカソーライト出口１３４との間に延在する。殆どの実施形態において、カソーライト１２６は、水ベース電解質などの液体電解質である。いくつかの例において、カソーライト１２６は、亜鉛電解質であってもよい。一例において、亜鉛／フェロシアン化物電池用のカソーライトは、アルカリ性である。カソーライトは、約２Ｎ〜約５Ｎなど、約１Ｎ〜約７Ｎの範囲内の水酸化物濃度を有してもよい。水酸化物は、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムであってもよく、亜鉛酸塩で飽和されてもよい。いくつかの例において、カソーライト１２６は、亜鉛酸塩が電解槽中において析出して固体懸濁を形成するように、飽和状態または過飽和状態にされてもよい。
【００２４】
フロー電池セル１０２の外部において、カソーライト１２６は、コンジット１３６によりカソード半セル１２２とカソーライト源タンク１３０との間で循環する。コンジット１３６は、カソーライト源タンク１３０からカソーライト入口１３２までの間、およびカソーライト出口１３４からカソーライト源タンク１３０までの間に延在する。ポンプ１３８などの１つまたは複数のポンプが、カソード半セル１２２との間でカソーライト１２６を流すのを補助するために、フロー電池システム１００内に組み込まれてもよい。いくつかの例において、ポンプ１３８は、カソーライト源タンク１３０とカソーライト入口１３２との間に配設され、それらの間においてコンジット１３６により連結されてもよい。他の例において、ポンプ１３８は、カソーライト源タンク１３０とカソーライト出口１３４との間に配設され、それらの間においてコンジット１３６により連結されてもよい。したがって、具体的な一例において、カソーライト１２６は、カソーライト源タンク１３０からコンジット１３６を通り、カソーライト入口１３２を通り、カソーライト通路１３３に沿いおよびカソード半セル１２２内の開口ブロック流れスクリーン１６０のチャネル１６４内を流れ、カソーライト出口１３４を通り、コンジット１３６を通り、カソーライト源タンク１３０まで流れ戻ることにより、フロー電池システム１００のカソード側１２０内を循環してもよい。
【００２５】
一実施形態において、開口ブロック流れスクリーン１６０は、図１Ａ〜図１Ｃにおいて図示するように、カソーライト通路１３３内に配設される。開口ブロック流れスクリーン１６０は、電気絶縁材料からなる複数のブロック１６２と、この電気絶縁材料を貫通しておよびブロック１６２同士の間に配設される複数のチャネル１６４とを包含する。開口ブロック流れスクリーン１６０は、カソーライト１２６内において長尺の細いチャネル１６４の全体にわたる長尺の細いチャネル１６４に沿った、均一なイオン移動を実現するのを補助する。
【００２６】
いくつかの実施形態において、開口ブロック流れスクリーン１６０は、カソーライト入口１３２からカソーライト出口１３４まで、および／または平面カソード１２４から電解質膜１１０まで延在する。いくつかの例において、開口ブロック流れスクリーン１６０は、平面カソード１２４の前向表面と物理的接触状態にあってもよい。開口ブロック流れスクリーン１６０のチャネル１６４は、開口ブロック流れスクリーン１６０を包囲する全体積の約７０％以上、または約７５％以上など、約５０％以上を占めてもよい。したがって、開口ブロック流れスクリーン１６０は、チャネル１６４の体積がブロック１６２の体積よりも大きな体積を占めることにより、開放構造を有する。
【００２７】
開口ブロック流れスクリーン１６０の幅は、カソード半セル１２２の幅など、平面カソード１２４と電解質膜１１０との間の総間隙距離と同一、実質的に同一、またはそれ未満であってもよい。開口ブロック流れスクリーン１６０の幅は、約１ｍｍ〜約１０ｍｍなど、例えば約１．５ｍｍ、約３．５ｍｍ、または約１０ｍｍなど、約１ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内であってもよい。開口ブロック流れスクリーン１６０の長さは、カソード半セル１２２の長さまたはカソーライト通路１３３の長さなど、カソーライト入口１３２とカソーライト出口１３４との間の距離と同一、実質的に同一、またはそれ未満であってもよい。開口ブロック流れスクリーン１６０の長さは、約５ｃｍ〜約２００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約１００ｃｍなど、例えば約５ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約１０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約１２ｃｍまたは約２０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内であってもよい。
【００２８】
開口ブロック流れスクリーン１６０の複数のブロック１６２は、様々な異なる形状寸法を有してもよいが、好ましくは、矩形角柱形状寸法（例えば正六面体形状寸法）、球形形状寸法、円筒状形状寸法、および変則３次元形状寸法など、３次元多角形形状寸法を有する。いくつかの実施形態において、開口ブロック流れスクリーン１６０は、繊維などの織布または織成材料を含む多孔性マットであってもよい。複数のチャネルが、繊維同士の間に、および開口ブロック流れスクリーン１６０の織布または織成材料の全体にわたり延在する。これらの繊維は、約１０μｍ〜約２００μｍなど、約１０μｍ〜約３００μｍの範囲内の直径または太さを有してもよい。複数のチャネルは、約１０μｍ〜約１５０μｍまたは約１０μｍ〜約１００μｍなど、約５μｍ〜約３００μｍ、約１０μｍ〜約２５０μｍの範囲内の直径または多孔性を有する。一例において、開口ブロック流れスクリーン１６０は、約１０μｍ〜約１００μｍの範囲内の直径または多孔性を有するチャネルを包含する。
【００２９】
他の実施形態において、開口ブロック流れスクリーン１６０の各ブロック１６２が、約１０μｍ〜約２５０μｍまたは約１０μｍ〜約１５０μｍなど、例えば約１０μｍ〜約１００μｍなどの、約１０μｍ〜約５００μｍの範囲内の幅、約１０μｍ〜約２５０μｍまたは約１０μｍ〜約１５０μｍなど、例えば約１０μｍ〜約１００μｍなど、約１０μｍ〜約５００μｍの範囲内の長さ、および約１０μｍ〜約２５０μｍまたは約１０μｍ〜約１５０μｍ、例えば約１０μｍ〜約１００μｍなど、約１０μｍ〜約５００μｍの範囲内の高さを有してもよい。これらのブロックを貫通するチャネルは、約１０μｍ〜約１５０μｍまたは約１０μｍ〜約１００μｍなど、約５μｍ〜約３００μｍ、約１０μｍ〜約２５０μｍの範囲内の直径または多孔性を有してもよい。いくつかの例において、各ブロック１６２が、正六面体であり、約１２５μｍの幅、約１２５μｍの長さ、および約１２５μｍの高さを有してもよい。他の例において、各ブロック１６２が、正六面体であり、約６２５μｍの幅、約６２５μｍの長さ、および約６２５μｍの高さを有してもよい。
【００３０】
本明細書において説明する実施形態において、開口ブロック流れスクリーン１６０は、ポリマー材料、コポリマー材料、またはオリゴマー材料などの電気絶縁材料を含んでもよく、またはこれらの電気絶縁材料から構成されてもよい。開口ブロック流れスクリーン１６０は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナチュラルポリプロピレン（ＮＰＰ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、および他のフルオロポリマー、それらの誘導体、またはそれらの組合せなどの例示的な材料を含んでもよく、またはこれらの例示的な材料から作製されてもよい。一例において、開口ブロック流れスクリーン１６０は、ポリプロピレンまたはポリプロピレンの誘導体を含む。いくつかの実施形態において、開口ブロック流れスクリーン１６０は、ポリプロピレンまたはポリプロピレンの誘導体を含む繊維の織成布など、電解質に対して不活性である織成プラスチック材料を含んでもよい。開口ブロック流れスクリーン１６０は、電解質流に対して平行な方向に散在してもよい。
【００３１】
アノード半セル１４２は、フロー電池システム１００のアノード側１４０に位置し、アノーライト１４６と流体連通状態および／または導電連通状態にあってもよいアノード１４４などのアノードを包含する。アノーライト１４６は、水ベース電解質などの液体電解質または固体電解質であってもよい。アノーライト１４６が液体アノーライトである場合の実施形態において、アノーライト１４６は、アノーライト通路１５３に沿ってアノード半セル１４２上に配設されたアノーライト入口１５２内に流入し、アノード半セル１４２上に配設されたアノーライト出口１４４から流出する。アノーライト通路１５３は、アノーライト入口１５２とアノーライト出口１５４との間、およびアノード半セル１４２内のアノード１４４と電解質膜１１０との間に延在する。
【００３２】
アノーライト１４６が液体アノーライトである場合の実施形態において、フロー電池セル１０２の外部で、アノーライト１４６は、コンジット１５６によりアノード半セル１４２とアノーライト源タンク１５０との間を循環する。コンジット１５６は、アノーライト源タンク１５０からアノーライト入口１５２までの間、およびアノーライト出口１５４からアノーライト源タンク１５０までの間に延在する。ポンプ１５８などの１つまたは複数のポンプが、アノード半セル１４２との間でアノーライト１４６を流すのを補助するために、フロー電池システム１００内に組み込まれてもよい。いくつかの例において、ポンプ１５８は、アノーライト源タンク１５０とアノーライト入口１５２との間に配設され、それらの間においてコンジット１５６により連結されてもよい。他の例において、ポンプ１５８は、アノーライト源タンク１５０とアノード出口１５４との間に配設され、それらの間においてコンジット１５６により連結されてもよい。したがって、具体的な一例において、アノーライト１４６は、アノーライト源タンク１５０から、コンジット１５６を通り、アノーライト入口１５２を通り、アノード半セル１４２内のアノーライト通路１５３に沿い、アノーライト出口１５４を通り、コンジット１５６を通り、アノーライト源タンク１５０まで流れ戻ることにより、フロー電池システム１００のアノード側１４０内を循環してもよい。
【００３３】
いくつかの実施形態において、アノーライト１４６は、固体アノーライトであってもよく、したがって、アノーライト入口１５２、アノーライト出口１５４、アノーライト源タンク１５０、コンジット１５６、および／またはポンプ１５８など、図１Ａに図示するようなアノード側１４０のいくつかの部分または要素は、任意部分もしくは非存在部分、またはそれらの派生体であってもよい。固体アノーライト２４６は、約１ｍｍまたは約２ｍｍなど、約０．２ｍ〜約５ｍｍまたは約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。
【００３４】
いくつかの例において、アノーライト１４６は、フェロシアン化物／フェリシアン化物電解質などのＦｅ（ＩＩ）／Ｆｅ（ＩＩＩ）電解質であってもよい。アノーライト１４６は、電池またはセルの再充電の際に各フェリシアン化合物に対して酸化されるフェロシアン化合物を初めに含んでもよい。アノーライト１４６内に含有され得るいくつかの例示的なフェロシアン化合物には、ＳｃｉｅｎｃｅＬａｂ．ｃｏｍ社から市販の黄血ソーダとしても知られているテトラソジウムヘキサシアノフェレートデカハイドレート（Ｎａ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）などのフェロシアン化ナトリウム、およびテトラポタジウムヘキサシアノフェレートデカハイドレート（Ｋ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）などのフェロシアン化カリウムが含まれる。アノーライト１４６は、一般的には水酸化物を含み、追加の水酸化物溶液が、所望の水酸化物濃度を維持するために、充放電サイクルの際にアノーライト１４６に対して加えられてもよい。水性水酸化物溶液は、一般的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、またはそれらの混合物を含む。
【００３５】
レドックス電極などのアノード１４４が、平坦な平面アノード、平面アノード、プレートアノード、または円筒状アノード等々の様々な形状寸法を有してもよい。アノード１４４は、固体であってもよく、または多孔性、展伸性、または発泡性であるなど、大表面積構成を有してもよい。通常は、アノード１４４は、ニッケル、鉄、クロム、鋼、ステンレス鋼、グラファイト、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せを含む。アノード１４４は、ニッケルもしくはニッケル合金で被覆またはめっきされたグラファイトアノードなど、別の材料もしくは金属でめっきまたは被覆されてもよい。一例において、アノード１４４は、平面電極であり、ステンレス鋼を含む。別の例において、アノード１４４は、多孔性、展伸性、または発泡性であり、ニッケル発泡体、展伸ニッケル、穿孔ニッケル、ニッケルワイヤ、もしくは織成ニッケルワイヤなど、ニッケルまたはニッケル合金を含む。別の例において、アノード１４４は、多孔性グラファイト、グラファイト発泡体、ニッケルめっきされたグラファイト発泡体、グラファイトフェルト、ニッケルめっきされたグラファイトフェルト、またはそれらの派生物など、グラファイトを含む。いくつかの実施形態において、アノード１４４は、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の長さを有してもよく、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の高さを有してもよい。さらに、アノード１４４は、約１ｍｍ〜約３ｍｍなど、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。
【００３６】
電解質膜１１０は、カソード半セル１２２とアノード半セル１４２との間に配設され、カソーライト１２６およびアノーライト１４６の両方と接触状態にある。電解質膜１１０は、交換膜、セパレータ、またはカソーライト１２６とアノーライト１４６とを隔てる同様のものであってもよい。多数の実施形態において、電解質膜１１０は、カチオン交換膜などのイオン交換膜であり、アノーライト１４６とカソーライト１２６との間の電解質膜１１０を通過して移動するいくつかのカチオン（例えばＮａ＋またはＫ＋）に対して半透過性である。電解質膜１１０は、イオン樹脂、および／またはポリテトラフルオロエチレン、ポリビニル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、それらの誘導体、もしくはそれらの組合せなどのポリマー材料、コポリマー材料、もしくはオリゴマー材料を含んでもよく、またはそれらから作製されてもよい。一般的には、電解質膜１１０は、高耐久性であり、高いイオン伝導性および化学安定性を有する。一例において、電解質膜１１０は、ＤｕＰｏｎｔ社から市販されているＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１２膜、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１５膜、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７膜、およびＮＡＦＩＯＮ（登録商標）４２４膜などのポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）のポリマー骨格を含む。別の例において、電解質膜１１０は、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ社から市販されているＸＵＳ（登録商標）膜など、テトラフルオロエチレンのコポリマーおよびビニレンモノマーを含む。電解質膜１１０は、約０．００５ｍｍ〜約０．５ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。いくつかの例において、電解質膜１１０は、約０．０１５ｍｍの厚さを有してもよい。代替的な一実施形態において、電解質膜１１０は、ＡＭＥＲ−ＳＩＬ社から市販されている、内部構造が非常に多孔性、蛇行状、および親水性となるようにポリマー材料および沈殿シリカから形成されたリブ付きセパレータ（例えば親水性多孔性プラスチックセパレータ）などのセパレータであってもよい。
【００３７】
図１Ａに図示するように、カソード接点１７２は、平面カソード１２４に対して電気接触状態にあり、アノード接点１７４は、アノード１４４に対して電気接触状態にある。カソード接点１７２は、フロー電池セル１０２の上に配設されてもよく、カソード半セル１２２の内部と外部との間に延在する。同様に、アノード接点１７４は、フロー電池セル１０２の上に配設されてもよく、アノード半セル１４２の内部と外部との間に延在する。
【００３８】
カソード接点１７２およびアノード接点１７４は、使用中にフロー電池セル１０２から蓄積電力を放電または除去するために、または代替的にはフロー電池システム１００に電力を充電または蓄積するために、結合されるかまたは別の態様で電気接触状態にあってもよい。各フロー電池セル１０２は、フロー電池システム１００用の所望の回路を形成するために、カソード接点１７２およびアノード接点１７４と電気的に接続（例えば並列でまたは直列で）されてもよい。一例において、複数のフロー電池セル１０２が、フロー電池システム１００について一定のアンペア数および電圧の上昇をもたらすように、直列で電気的に接続されてもよい。あるいは、複数のフロー電池セル１０２が、フロー電池システム１００について一定の電圧およびアンペア数の上昇をもたらすように、並列で電気的に接続されてもよい。
【００３９】
開口ブロック流れスクリーン１６０は、カソーライト１２６の流れの途絶を引き起こし、このことにより、金属の析出の際に平面カソード１２４上における拡散層を定期的に擾乱させ、開口ブロック流れスクリーン１６０が存在しない状態で従来の平面電極に金属が析出されたプロセスに比べて、平面カソード１２４中における金属の析出をはるかにより均一なものに保つ。平面カソード１２４中における析出速度が継続的に低下する代わりに、電流密度の非均一性は、はるかに低くなり（約１５％〜約３０％）、これは、開口ブロック流れスクリーン１６０のブロック１６２およびチャネル１６４の規模に応じて反復される。このより低く非均一な電流密度は、カソーライト１２６の良好な混合に起因するものであり、したがって、開口ブロック流れスクリーン１６０を用いない平面カソード１２４よりも高い電流密度での充放電を可能にする。
【００４０】
カソーライト１２６は、順方向流（図１Ａにおいて矢印で図示するような）を有してもよく、または充放電サイクルの異なる期間中には逆流を有してもよい。カソーライト１２６の流体速度は、約２ｃｍ／秒（センチメートル／秒）〜約１５ｃｍ／秒など、例えば約５ｃｍ／秒または約１０ｃｍ／秒など、約１ｃｍ／秒〜約２５ｃｍ／秒の範囲内であってもよい。アノーライト１４６は、順方向流（図１Ａにおいて矢印で図示するような）を有してもよく、または充放電サイクルの異なる期間中には逆流を有してもよい。アノーライト１４６の流体速度は、約２ｃｍ／秒〜約１５ｃｍ／秒など、例えば約５ｃｍ／秒または約１０ｃｍ／秒など、約１ｃｍ／秒〜約２５ｃｍ／秒の範囲内であってもよい。開口ブロック流れスクリーン１６０と組み合わされた平面カソード１２４は、約５ｍＡ／ｃｍ２（ミリアンペア／平方センチメートル）〜約５０ｍＡ／ｃｍ２など、例えば約１０ｍＡ／ｃｍ２、約２０ｍＡ／ｃｍ２、または４０ｍＡ／ｃｍ２など、約１ｍＡ／ｃｍ２〜約７５ｍＡ／ｃｍ２の範囲内の局所的電流密度を有してもよい。
【００４１】
図２Ａ〜図２Ｉは、本明細書における複数の実施形態において説明するような、電解質膜２１０により隔てられたカソード半セル２２２およびアノード半セル２４２を有するフロー電池セル２０２を包含するフロー電池システム２００を図示する。カソード半セル２２２は、フロー電池システム２００のカソード側２２０の上に位置し、複数のカソードワイヤ２２８を包含するカソードを有する。これらのカソードワイヤ２２８は、カソーライト通路２３３内のカソーライト２２６を貫通して延在し、このカソーライト２２６と流体連通状態にある。複数のカソードワイヤ２２８は、カソーライト通路２３３に対して垂直にまたは実質的に垂直に延在し、各カソードワイヤ２２８は、相互に平行にまたは実質的に平行に延在する。
【００４２】
図２Ａ〜図２Ｉに図示され、本明細書において複数の実施形態により説明されるフロー電池システム２００は、従来の平面電極と比較した場合により均一な金属析出を一般的にもたらす複数のカソードワイヤ２２８を提供する。電解質（例えばカソーライト２２６）の流路に対して垂直または実質的に垂直に配置されるカソードワイヤ２２８は、フロー電池セル２０２に多数の性能改善をもたらす。一般的には、フロー電池システム２００は、より高いセル電流密度を有すると共に、ワイヤ上の電流密度を適度なもの（例えば限界電流のごく一部）に維持する。さらにこのことが、従来の電池よりも高い電池充電速度をもたらす。一般的には、カソードワイヤ２２８を包含するフロー電池システム２００は、より高い金属蓄積容量を有し、このことにより、所与の電流密度にて従来のフロー電池よりも長い放電時間が得られる。カソードワイヤ２２８などの様々な電極アレイの連続的な析出は、従来の平面電極に比べて、フロー電池システム２００についてより長い放電時間を実現し、電極の再調整を行うための休止時間を回避するためにｉｎ−ｓｉｔｕ電極メンテナンスを実現するのに有用である。例えば、電池の放電中にカソードワイヤ２２８の１つのアレイから金属を溶出する場合には、カソードワイヤ２２８の別のアレイは、析出された金属の除去が確実に完全なものになるまたは実質的に完全なものになるように、少量のトリクル放電を有してもよい。一般的には、カソードワイヤ２２８は、従来の平面電極に比べてより均一であり、多数の充放電サイクルにわたって良好な成果をもたらす、析出速度および溶出速度を実現する。カソードワイヤ２２８は、比較的少量の金属を含みながら大きな表面積をもたらす。一般的には、カソードワイヤ２２８の大表面積により、従来の平面電極に比べてより低いセル電圧低下およびより高いセル効率が得られる。いくつかの例において、カソードワイヤ２２８の表面は、中実カドミウムワイヤまたはカドミウム被覆された鋼ワイヤなど、カドミウムを含み、カソーライト２２６は、金属イオン（例えば亜鉛イオン）を含み、この亜鉛イオンは、フロー電池セル２０２またはフロー電池システム２００の充電サイクルの際には金属フィルム（例えば金属亜鉛）としてカソードワイヤ２２８の上に電気化学的に還元および析出される。
【００４３】
一実施形態において、図２Ａ〜図２Ｂは、カソーライト通路２３３内にカソードワイヤ２２８の１つの列を包含するカソード半セル２２２を図示する。このカソードワイヤ２２８の１つの列は、カソーライト通路２３３に沿って延在し、各個別のカソードワイヤ２２８は、カソーライト通路２３３に対して垂直にまたは実質的に垂直に延在する。カソーライト２２６は、カソード半セル２２２を通りカソーライト通路２３３に沿って流されると共に、カソードワイヤ２２８に対してさらされる。カソードワイヤ２２８は、充電サイクルの際にはカソーライトから金属イオンを電気化学的に還元しつつカソードワイヤ２２８の表面に析出を生じさせ、放電サイクルの際にはカソードワイヤ２２８の表面から析出された金属を電気化学的に酸化することにより、カソーライト２２６中に拡散しながら戻る金属イオンを形成する。カソーライト通路２３３は、カソード半セル２２２の場合であれば両側部上に配設されるカソーライト入口２３２とカソーライト出口２３４との間に延在する。
【００４４】
各カソードワイヤ２２８は、円筒状、矩形、楕円形、それらの派生形状、および他の形状寸法などの様々な形状寸法または形状を個別に有してもよい。カソードワイヤ２２８は、円筒状ワイヤ、または矩形ワイヤもしくは正方形ワイヤなどの少なくとも１つの側部を有するワイヤであってもよい。カソードワイヤ２２８は、中実ワイヤ、中空ワイヤもしくはチューブ、リボン、ロッド、バー、ストリップ、またはそれらの派生物であってもよい。カソードワイヤ２２８、２２８ａ、または２２８ｂを含むカソードワイヤはそれぞれ、カドミウム、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、クロム、銀、金、白金、パラジウム、それらのめっきもしくは被覆物、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せなどの金属を個別に含んでもよい。いくつかの例において、各カソードワイヤは、カドミウムまたはカドミウム合金を含む。各カソードワイヤは、中実カドミウムワイヤ、中実カドミウム合金ワイヤ、あるいは、カドミウムもしくはカドミウム合金でめっきまたは被覆された鋼ワイヤあるいはステンレス鋼ワイヤなどのカドミウムめっきされた金属ワイヤであってもよい。一例において、カソードワイヤは、カドミウムまたはカドミウム合金を含む中実ワイヤである。
【００４５】
一般的には、カソードワイヤ２２８は、カソードワイヤ２２８の列内において相互に所定の距離だけ離間される。いくつかの実施形態において、この所定の距離は、各カソードワイヤ２２８の外周長さに等しいかまたは実質的に等しくてもよい。カソードワイヤ２２８同士の間のこの所定の距離または間隔により、析出物が各カソードワイヤ２２８の周囲において成長するのに十分な空間が与えられ、良好な物質移動を持続し、金属の堆積によるワイヤ同士の接触の発生を回避するための余地が残される。カソードワイヤ２２８同士の間のこの所定の距離または間隔により、あるカソードワイヤ２２８の背後に形成される後流が十分に「解消」されるのに十分な時間が得られ、このことにより、次の下流のカソードワイヤ２２８もまた、カソーライト２２６から十分な物質移動を依然として受ける。後流は、低減された勾配濃度の、カソーライト２２６内の金属イオンなどの１つまたは複数の成分を含む、カソーライト２２６の部分または体積部分である。しかし、後流が下流に流れるにつれて、カソーライト２２６内の残留金属イオンは、カソーライト２２６全体に拡散して、次の下流のカソードワイヤ２２８にさらされる際にはこの後流に対して還元または除去が行われる。したがって、カソードワイヤ２２８同士の間の所定の距離または間隔により、ある領域において十分なまたはより高い濃度の成分が、不足したまたはより低い濃度の同成分を有する領域に至るまでカソーライト２２６中において拡散するのに十分な時間が得られる。
【００４６】
本明細書において説明される別の実施形態において、この列内の全てのカソードワイヤ２２８の合計表面積は、他のフロー電池において見受けられるより従来的な平面電極の表面積と等しいか、または実質的に等しくてもよい。したがって、充電サイクル中の金属析出に利用可能な表面積は、カソード半セル２２２に各カソードワイヤ２２８を追加するかまたはカソード半セル２２２から各カソードワイヤ２２８を除去することにより、調節され得る。同様に、カソードワイヤ２２８の１つの列の表面積が、従来の平面電極の表面積に合わせられ、従来の平面電極の表面積と等しい場合には、同一個数の従来の平面電極と等しい析出を得るために、カソードワイヤ２２８の各追加の列が、カソード半セル２２２内に含まれてもよい。カソード半セル２２２内にカソードワイヤ２２８を追加することにより、堆積される金属フィルムの品質のより良好な制御、およびより大きな金属蓄積またはエネルギー蓄積をもたらす、追加の表面積が得られる。
【００４７】
図２Ｂは、各カソードワイヤ２２８に結合され電気接触状態にある接点バー２２９を図示する。図２Ｂには１つの接点バー２２９が図示されるが、多数の接点バーが、各カソードワイヤ２２８またはカソードワイヤ２２８のアレイを個別に制御するために使用されてもよい。接点バー２２９は、カソード半セル２２２の内部もしくは外部に、あるいはカソード半セル２２２の底部部分２１２、頂部部分２１４、および／または側部２１６などのカソード半セル２２２の任意の周囲壁部または周囲表面内に配設されてもよい。いくつかの実施形態において、接点バー２２９は、図２Ｂに図示するように、カソード半セル２２２の頂部部分２１４内に配設されてもよい。他の実施形態において、接点バー２２９は、カソード半セル２２２の周囲壁部または周囲表面の外部に配設されてもよい。例えば、図２Ｄまたは図２Ｆに図示するように、接点バー２２９または接点バー２２９の接点接合部が、各カソードワイヤ２２８と物理的におよび電気的に結合されるように、カソード半セル２２２の底部部分２１２、頂部部分２１４、および／または側部２１６を貫通して突出してもよい。あるいは、各カソードワイヤ２２８が、接点バー２２９と物理的におよび電気的に結合されるように、カソード半セル２２２の底部部分２１２、頂部部分２１４、および／または側部２１６を貫通して突出してもよい。接点バー２２９は、金属などの導線性材料を含む。接点バー２２９は、ワイヤ、プレート、バー、リボン、または同様の接触／導電性表面であってもよい。接点バー２２９は、鉄、鋼、ステンレス鋼、銅、ニッケル、クロム、銀、金、アルミニウム、カドミウム、白金、パラジウム、それらのめっき、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せなどを含んでもよい。いくつかの実施形態において、接点バー２２９は、カソード接点２６２と電気接触状態にあってもよい。
【００４８】
一実施形態において、接点バー２２９は、カソードワイヤ２２８として使用される同一のワイヤであってもよい。ワイヤが、カソーライト通路２３３とカソード半セル２２２の底部部分２１２および頂部部分２１４との間にこのワイヤを織り込むことにより、カソード半セル２２２内に組み込まれてもよい。いくつかの例において、ワイヤは、中実カドミウムワイヤ、中実カドミウム合金ワイヤ、あるいは、カドミウムもしくはカドミウム合金でめっきまたは別様に被覆された鋼ワイヤあるいはステンレス鋼ワイヤなどのカドミウムめっきされた金属ワイヤであってもよい。
【００４９】
図２Ｃ〜図２Ｆは、本明細書において他の実施形態により説明されるような、カソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂの２つの列を包含するカソード半セル２２２を図示する。図２Ｃ〜図２Ｄは、カソーライト通路２３３内においてカソーライトにさらされるカソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂの２つの交互列を図示する。カソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂの両列は、カソーライト通路２３３に沿って延在し、各個別のカソードワイヤ２２８は、カソーライト通路２３３に対して垂直にまたは実質的に垂直に延在する。図２Ｄに図示するように、電解質膜２１０に最も近い列内の各カソードワイヤ２２８ａが、接点バー２２９ａと結合され、電解質膜２１０から最も遠い列内の各カソードワイヤ２２８ｂが、接点バー２２９ｂと結合される。したがって、カソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂの各列は、接点バー２２９ａおよび２２９ｂを介してカソード接点２６２から個別に電気的に接続または切断され得る。カソード接点２６２に電気的に接続されたカソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂは、「通電」カソードワイヤと呼び、カソード接点２６２から電気的に切断されたカソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂは、「非通電」カソードワイヤと呼ぶ。また、カソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂの各列は、カソード接点２６２から同時にまたは連続的に電気的に接続または切断され得る。
【００５０】
コントローラおよび／またはスイッチのセット（図示せず）が、カソード接点２６２と接点バー２２９ａおよび２２９ｂのそれぞれとの間において電気連通状態に結合されてもよい。このコントローラおよび／またはスイッチのセットは、接点バー２２９ａおよび２２９ｂのそれぞれを、およびしたがってカソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂの各列をカソード接点２６２に電気的に接続／切断することにより、個別に制御を行うために使用されてもよい。いくつかの構成において、コントローラおよび／またはスイッチのセットは、カソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂの各列を個別に充電および／または放電するために使用されてもよい。これらの両列内のカソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂは、カソード接点２６２と電気接触状態になると、充放電サイクル時に析出／溶出され得る通電カソードワイヤである。
【００５１】
例えば、図２Ｅ〜図２Ｆにより図示されるように、電極の第１のアレイすなわちカソード２２８ｂからの金属が、フロー電池セル２０２の放電中には析出する一方で、電極の第２のアレイすなわちカソードワイヤ２２８ａが、カソード接点２６２から電気的に切断される。初めは、カソードワイヤ２２８ｂは、カソード接点２６２に対して電気的に接続される通電カソードワイヤであり、カソードワイヤ２２８ａは、非通電カソードワイヤである。フロー電池セル２０２により生成される電力は低下して、非効率なトリクル充電を最終的にもたらし、生成されたこの電力は、所望の電池性能に関する所定の最低閾値未満となる。この電力の低下は、カソードワイヤ２２８ｂの合計表面積の低下に比例し、これらは共に、カソードワイヤ２２８ｂからの金属の析出により引き起こされる。したがって、完全な金属析出を伴った第２のアレイの電極すなわちカソードワイヤ２２８ａは、接点バー２２９ａによりカソード接点２６２に対して通電または電気的に接続される。電極の第１のアレイすなわちカソードワイヤ２２８ｂは、金属が実質的にまたは完全に溶出するまで、接点バー２２９ｂによりカソード接点２６２に対して通電状態にまたは電気的に接続された状態に留められてもよい。あるいは、カソードワイヤ２２８ｂは、カソード接点２６２から非通電になされてもまたは電気的に切断されてもよい。
【００５２】
図２Ｅ〜図２Ｆは、カソードワイヤ２２８ａを初めに通電カソードワイヤであるものとして、およびカソードワイヤ２２８ｂを初めに非通電カソードワイヤであるものとして図示するが、他の実施形態において、フロー電池セル２０２またはフロー電池システム２００の充放電サイクルは、逆の順序で実施されてもよい。したがって、電極の第１のアレイが、フロー電池セル２０２の放電の際に初めに通電され金属を溶出するカソードワイヤ２２８ａであってもよく、その一方でカソードワイヤ２２８ｂすなわち電極の第２のアレイは、カソード接点２６２にから非通電状態にまたは電気的に切断された状態に留まる。フロー電池セル２０２が、所定の最低閾値未満の電力を生成し始めると、カソードワイヤ２２８ｂは、接点バー２２９ｂによりカソード接点２６２に対して通電されるかまたは電気接触状態に置かれる。カソードワイヤ２２８ａは、上に残留している金属を溶出するために、接点バー２２９ａによりカソード接点２６２に対して電気接触状態に留められるように、通電状態に留められてもよい。代替的な一実施形態において、カソードワイヤ２２８ａおよび２２８ｂの両列が、フロー電池セル２０２またはフロー電池システム２００の充放電サイクルの際に、同時に通電されるカソードワイヤであってもよい。
【００５３】
別の実施形態において、図２Ｇ〜図２Ｉは、本明細書において他の実施形態により説明されるような、カソードワイヤ２２８ａの２つの列およびカソードワイヤ２２８ｂの２つの列などのカソードワイヤ２２８の４つの列を包含するカソード半セル２２２を図示する。図２Ｇは、カソーライト通路２３３内においてカソーライトにさらされるカソードワイヤ２２８の４つの交互列を図示する。カソードワイヤ２２８のこの４つの列は、カソーライト通路２３３に沿って延在し、各個別のカソードワイヤ２２８は、カソーライト通路２３３に対して垂直にまたは実質的に垂直に延在する。カソードワイヤ２２８のこれらの４つの列のそれぞれが、接点バー２２９ａまたは２２９ｂと同様の個別の接点バー（図示せず）に対して個別に結合され、電気接触状態にある。
【００５４】
したがって、カソードワイヤ２２８の各列は、接点バーを介してカソード接点２６２との間で個別に電気的に接続（通電）または切断（非通電）され得る。コントローラおよび／またはスイッチのセット（図示せず）が、カソード接点２６２と各接点バーとの間において電気連通状態において結合される。コントローラおよび／またはスイッチのセットは、各接点バーを、したがってカソードワイヤ２２８の各列をカソード接点２６２に電気的に接続／切断することにより、個別に制御を行うために使用されてもよい。いくつかの構成において、コントローラおよび／またはスイッチのセットは、カソードワイヤ２２８の各列の充電および／または放電を個別に制御するために使用されてもよい。全ての４つの列内のカソードワイヤ２２８は、カソード接点２６２と電気接触状態になると、充放電サイクルの際に析出／溶出され得るようになる。
【００５５】
図２Ｈ〜図２Ｉは、電解質膜２１０に最も近いカソードワイヤ２２８ａの２つの交互列を包含する電極の第１のアレイと、電解質膜２１０から最も遠いカソードワイヤ２２８ｂの２つの交互列を包含する電極の第２のアレイとを図示する。図２Ｈは、第１のアレイ中のカソードワイヤ２２８ｂの両列をフロー電池セル２０２の放電時に溶出を行うものとして図示し、その一方で第２のアレイ中のカソードワイヤ２２８ａの両列は、カソード接点２６２から電気的に切断された状態に留められる。一方、図２Ｉは、第１のアレイ中のカソードワイヤ２２８ａの両列をフロー電池セル２０２の放電時に溶出を行うものとして図示し、その一方で第２のアレイ中のカソードワイヤ２２８ｂの両列は、カソード接点２６２から電気的に切断された状態に留められる。いずれのシナリオにおいても、フロー電池セル２０２が、所定の最低閾値未満の電力を生成し始めると、帯電電極の両列すなわちカソードワイヤ２２８ｂ（図２Ｈ）またはカソードワイヤ２２８ａ（図２Ｉ）が、上述のように接点バーによりカソード接点２６２に対して電気接触状態に置かれる。
【００５６】
本明細書において説明する実施形態の多くにおいて、フロー電池セル２０２は、カソードワイヤ２２８の複数の列を同時に通電することにより高い全体電流密度にて作動し、このことにより、各カソードワイヤ２２８上に析出した金属の局所的析出電流密度を低下させる。フロー電池セル２０２の全体電流密度は、膜中の合計電流密度である。カソードワイヤ２２８の局所的析出電流密度は、カソードワイヤ２２８の１つの列の電流密度である。複数のカソードワイヤ２２８の局所的析出電流密度は、カソードワイヤ２２８の数量およびカソードワイヤ２２８の直径に応じて変わる。一実施形態において、カソード半セル２２２は、約５ｍＡ／ｃｍ２〜約３０ｍＡ／ｃｍ２など、例えば約２０ｍＡ／ｃｍ２など、約１ｍＡ／ｃｍ２〜約４０ｍＡ／ｃｍ２の範囲内の、カソードワイヤ２２８の１つの列の局所的析出電流密度と同等である全体電流密度を生成し得るカソードワイヤ２２８の１つの列（図２Ａ〜図２Ｂ）を有する。別の例において、カソード半セル２２２は、約１０ｍＡ／ｃｍ２〜約５０ｍＡ／ｃｍ２など、例えば約４０ｍＡ／ｃｍ２など、約５ｍＡ／ｃｍ２〜約６０ｍＡ／ｃｍ２の範囲内の全体電流密度を生成し得るカソードワイヤ２２８の２つの列（図２Ｃ〜図２Ｆ）を有する。別の例において、カソード半セル２２２は、約２０ｍＡ／ｃｍ２〜約１００ｍＡ／ｃｍ２など、例えば約８０ｍＡ／ｃｍ２など、約１０ｍＡ／ｃｍ２〜約１２０ｍＡ／ｃｍ２の範囲内の全体電流密度を生成し得るカソードワイヤ２２８の４つの列（図２Ｇ〜図２Ｉ）を有する。
【００５７】
本明細書において説明する実施形態において、フロー電池システム２００およびフロー電池セル２０２は、カソード半セル２２２内においてカソードワイヤ２２８の少なくとも１列および通常は複数列を使用する。多数の利点の中でもとりわけ、コストおよびサイズの縮減が、カソードワイヤ２２８によりもたらされる。コストの観点より、一般的には、特により高いコストの構成要素について、フロー電池内の特定の構成要素の表面積を可能な限り小さいものに維持することが有利である。これらの高コスト構成要素には、アノード２４４として使用され得るレドックス電極（例えばニッケル発泡体）および電解質膜２１０として有用であり得る膜などが含まれる。フロー電池セル２０２は、カソードワイヤ２２８の複数の列を同時に通電することにより高い全体電流密度にて作動し、この場合に、カソードワイヤ２２８の各列は、生成される局所的析出電流密度に比して少量の金属を含む。
【００５８】
例えば、フロー電池内の従来的な平面電極は、析出速度が約４０ｍＡ／ｃｍ２に設定される場合には、カソードにおいて約４０ｍＡ／ｃｍ２の局所的析出電流密度を有することができ、したがって膜中の全体電流密度もまた、約４０ｍＡ／ｃｍ２となる。しかし、本明細書において説明する一実施形態において、フロー電池システム２００は、カソードワイヤ２２８の各列が従来の平面電極と同一の表面積を有する、カソードワイヤ２２８の２つの列を有してもよい。２倍の表面積を有するカソードワイヤ２２８のこれらの２つの列は、約４０ｍＡ／ｃｍ２の同一速度にて同時に析出されることにより、約８０ｍＡ／ｃｍ２の全体電流密度（例えば電解質膜２１０中において）を生成することができる。したがって、この例において、フロー電池システム２００は、半数のフロー電池セル２０２を包含することにより、従来の平面カソードを包含する従来のフロー電池と同一の電力を生成することができる。従来のフロー電池は、約８０ｍＡ／ｃｍ２を生成するために、従来の平面カソードを包含する２つの電池セルを必要とし得る。しかし、この例において、フロー電池システム２００は、１つのみのフロー電池セル２０２を包含しつつ、約８０ｍＡ／ｃｍ２の全体電流密度を生成することができる。したがって、フロー電池システム２００は、半分の電解質膜表面積およびレドックス電極表面積ならびに他の高価な構成要素のみを使用して、従来の平面カソードを包含する従来のフロー電池と等しい電力を生成することができる。
【００５９】
多くの実施形態において、各カソードワイヤ２２８は、フロー電池セル２０２の高さと同一のまたは実質的に同一の長さを有してもよい。各カソードワイヤ２２８は、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の長さを個別に有してもよい。いくつかの例において、各カソードワイヤ２２８は、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍの範囲内の長さを個別に有してもよい。他の例において、各カソードワイヤ２２８は、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍまたは約５０ｃｍ〜約１００ｃｍの範囲内の長さを個別に有してもよい。カソードワイヤは、約０．００５インチ〜約０．０５インチなど、または約０．０１インチ〜約０．０４インチなど、または約０．０２インチ〜約０．０３インチなど、例えば約０．０１２インチ、０．０２４インチ、または０．０３６インチなど、約０．００１インチ〜約０．１インチの範囲内の直径を有してもよい。
【００６０】
別の実施形態において、フロー電池セル２０２は、カソーライト通路２３３に沿ったカソーライト２２６の所与の体積流体速度に対して高い速度を与えるカソード半セル２２２の直径により、金属析出の均一性を向上させるように構成される。多くの構成において、カソード半セル２２２は、カソーライト通路２３３に沿って高さを上回る長さと、カソーライト通路２３３に沿って幅を上回る高さを有してもよい。さらに、この高い体積流体速度により、カソーライト通路２３３の長さにわたりバルクレベルの化学反応の欠乏が最小限に抑えられる。カソーライト２２６の濃度は、実質的に一定に留まり、金属は、カソードワイヤ２２８の上に析出する。したがって、フロー電池セル２０２は、幅よりもカソーライト通路２３３の流れ方向に沿ってより長い長さを有し、このことにより、所与の体積流体速度に対して最高の流体速度が得られる。（例えば長さおよび高さに対して垂直な）カソーライト通路２３３にわたるカソード半セル２２２の幅は、約５ｍｍ〜約１５ｍｍなど、例えば約１０ｍｍなど、約１ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内であってもよい。カソーライト通路２３３に沿った（例えばカソーライト入口２３２とカソーライト出口２３４との間の）カソード半セル２２２の長さは、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍなど、約５０ｃｍ〜約１００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内であってもよい。カソーライト通路２３３に沿った（例えば底部部分２１２と頂部部分２１４との間の）カソード半セル２２２の高さは、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍなど、約５０ｃｍ〜約１００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内であってもよい。一例において、カソード半セル２２２は、約２００ｃｍの長さ、約１０ｃｍの高さ、および約１０ｍｍの幅を有してもよい。別の例において、カソード半セル２２２は、約１００ｃｍの長さ、約２０ｃｍの高さ、および約１０ｍｍの幅を有してもよい。
【００６１】
殆どの実施形態において、カソーライト２２６は、水ベース電解質などの液体電解質である。いくつかの例において、カソーライト２２６は、亜鉛電解質であってもよい。一例において、亜鉛／フェロシアン化物電池用のカソーライトは、アルカリ性である。カソーライトは、約２Ｎ〜約５Ｎなど、約１Ｎ〜約７Ｎの範囲内の水酸化物濃度を有してもよい。水酸化物は、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムであってもよく、亜鉛酸塩で飽和されてもよい。いくつかの例において、カソーライト２２６は、亜鉛酸塩が電解槽中において析出して固体懸濁を形成するように、飽和状態または過飽和状態にされてもよい。
【００６２】
フロー電池セル２０２の外部において、カソーライト２２６は、コンジット２３６によりカソード半セル２２２とカソーライト源タンク２３０との間で循環する。コンジット２３６は、カソーライト源タンク２３０からカソーライト入口２３２までの間、およびカソーライト出口２３４からカソーライト源タンク２３０までの間に延在する。ポンプ２３８などの１つまたは複数のポンプが、カソード半セル２２２との間でカソーライト２２６を流すのを補助するために、フロー電池システム２００内に組み込まれてもよい。いくつかの例において、ポンプ２３８は、カソーライト源タンク２３０とカソーライト入口２３２との間に配設され、それらの間においてコンジット２３６により連結されてもよい。他の例において、ポンプ２３８は、カソーライト源タンク２３０とカソーライト出口２３４との間に配設され、それらの間においてコンジット２３６により連結されてもよい。したがって、具体的な一例において、カソーライト２２６は、カソーライト源タンク２３０からコンジット２３６を通り、カソーライト入口２３２を通り、カソーライト通路２３３に沿いおよびカソード半セル２２２内のカソードワイヤ２２８の周囲を流れ、ソード液出口２３４を通り、コンジット２３６を通り、カソーライト源タンク２３０まで流れ戻ることにより、フロー電池システム２００のカソード側２２０内を循環してもよい。カソーライト２２６は、順方向流（図２Ａ、図２Ｃ、図２Ｅ、および図２Ｇ〜図２Ｉにおいて矢印で図示するような）を有してもよく、または充放電サイクルの異なる期間中には逆流を有してもよい。カソーライト２２６の流体速度は、約２ｃｍ／秒〜約１５ｃｍ／秒など、例えば約５ｃｍ／秒または約１０ｃｍ／秒など、約１ｃｍ／秒〜約２５ｃｍ／秒の範囲内であってもよい。
【００６３】
アノード半セル２４２は、フロー電池システム２００のアノード側２４０の上に位置し、アノーライト２４６と流体連通状態および／または導電連通状態になり得るアノード２４４を包含する。アノーライト２４６は、水ベース電解質などの液体電解質または固体電解質であってもよい。アノーライト２４６が液体アノーライトである場合の実施形態において、アノーライト２４６は、アノーライト通路２５３に沿ってアノード半セル２４２の上に配設されたアノーライト入口２５２内に流入し、アノード半セル２４２の上に配設されたアノーライト出口２４４から流出する。アノーライト通路２５３は、アノーライト入口２５２とアノーライト出口２５４との間に、およびアノード２４４とアノード半セル２４２内の電解質膜２１０との間に延在する。
【００６４】
アノーライト２４６が液体アノーライトである場合の実施形態において、フロー電池セル２０２の外部で、アノーライト２４６は、コンジット２５６によりアノード半セル２４２とアノーライト源タンク２５０との間を循環する。コンジット２５６は、アノーライト源タンク２５０からアノーライト入口２５２までの間、およびアノーライト出口２５４からアノーライト源タンク２５０までの間に延在する。ポンプ２５８などの１つまたは複数のポンプが、アノード半セル２４２との間でアノーライト２４６を流すのを補助するために、フロー電池システム２００内に組み込まれてもよい。いくつかの例において、ポンプ２５８は、アノーライト源タンク２５０とアノーライト入口２５２との間に配設され、それらの間においてコンジット２５６により連結されてもよい。他の例において、ポンプ２５８は、アノーライト源タンク２５０とアノーライト出口２５４との間に配設され、それらの間においてコンジット２５６により連結されてもよい。したがって、具体的な一例において、アノーライト２４６は、アノーライト源タンク２５０から、コンジット２５６を通り、アノーライト入口２５２を通り、アノード半セル２４２内のアノーライト通路２５３に沿い、アノーライト出口２５４を通り、コンジット２５６を通り、アノーライト源タンク２５０まで流れ戻ることにより、フロー電池システム２００のアノード側２４０内を循環してもよい。アノーライト２４６は、順方向流（図２Ａ、図２Ｃ、図２Ｅ、および図２Ｇ〜図２Ｉにおいて矢印で図示するような）を有してもよく、または充放電サイクルの異なる期間中には逆流を有してもよい。アノーライト２４６の流体速度は、約２ｃｍ／秒〜約１５ｃｍ／秒など、例えば約５ｃｍ／秒または約１０ｃｍ／秒など、約１ｃｍ／秒〜約２５ｃｍ／秒の範囲内であってもよい。
【００６５】
いくつかの実施形態において、アノーライト２４６は、固体アノーライトであってもよく、したがって、アノーライト入口２５２、アノーライト出口２５４、アノーライト源タンク２５０、コンジット２５６、および／またはポンプ２５８など、図２Ａに図示するようなアノード側２４０のいくつかの部分または要素は、任意部分もしくは非存在部分、またはそれらの派生体であってもよい。固体アノーライト２４６は、約１ｍｍまたは約２ｍｍなど、約０．２ｍ〜約５ｍｍまたは約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。
【００６６】
いくつかの例において、アノーライト２４６は、フェロシアン化物／フェリシアン化物電解質などのＦｅ（ＩＩ）／Ｆｅ（ＩＩＩ）電解質であってもよい。アノーライト２４６は、電池またはセルの再充電の際に各フェリシアン化合物に対して酸化されるフェロシアン化合物を初めに含んでもよい。アノーライト２４６内に含有され得るいくつかの例示的なフェロシアン化合物には、ＳｃｉｅｎｃｅＬａｂ．ｃｏｍ社から市販の黄血ソーダとしても知られているテトラソジウムヘキサシアノフェレートデカハイドレート（Ｎａ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）などのフェロシアン化ナトリウム、およびテトラポタジウムヘキサシアノフェレートデカハイドレート（Ｋ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）などのフェロシアン化カリウムが含まれる。アノーライト２４６は、一般的には水酸化物を含み、追加の水酸化物溶液が、所望の水酸化物濃度を維持するために、充放電サイクルの際にアノーライト２４６に対して加えられてもよい。水性水酸化物溶液は、一般的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、またはそれらの混合物を含む。
【００６７】
レドックス電極などのアノード２４４が、平坦な平面アノード、平面アノード、プレートアノード、または円筒状アノード等々の様々な形状寸法を有してもよい。アノード２４４は、固体であってもよく、または多孔性、展伸性、または発泡性であるなど、大表面積構成を有してもよい。通常は、アノード２４４は、ニッケル、鉄、クロム、鋼、ステンレス鋼、グラファイト、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せを含む。アノード２４４は、ニッケルもしくはニッケル合金で被覆またはめっきされたグラファイトアノードなど、別の材料もしくは金属でめっきまたは被覆されてもよい。一例において、アノード２４４は、平面電極であり、ステンレス鋼を含む。別の例において、アノード２４４は、多孔性、発泡性、または展伸性であり、ニッケル発泡体、展伸ニッケル、穿孔ニッケル、ニッケルワイヤ、もしくは織成ニッケルワイヤなど、ニッケルまたはニッケル合金を含む。別の例において、アノード２４４は、多孔性グラファイト、グラファイト発泡体、ニッケルめっきされたグラファイト発泡体、グラファイトフェルト、ニッケルめっきされたグラファイトフェルト、またはそれらの派生物など、グラファイトを含む。いくつかの実施形態において、アノード２４４は、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の長さを有してもよく、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の高さを有してもよい。さらに、アノード２４４は、約１ｍｍ〜約３ｍｍなど、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。
【００６８】
電解質膜２１０は、カソード半セル２２２とアノード半セル２４２との間に配設され、カソーライト２２６およびアノーライト２４６の両方と接触状態にある。電解質膜２１０は、交換膜、セパレータ、またはカソーライト２２６とアノーライト２４６とを隔てる同様のものであってもよい。多数の実施形態において、電解質膜２１０は、カチオン交換膜などのイオン交換膜であり、アノーライト２４６とカソーライト２２６との間の電解質膜２１０を通過して移動するいくつかのカチオン（例えばＮａ＋またはＫ＋）に対して半透過性である。電解質膜２１０は、イオン樹脂、および／またはポリテトラフルオロエチレン、ポリビニル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、それらの誘導体、もしくはそれらの組合せなどのポリマー材料、コポリマー材料、もしくはオリゴマー材料を含んでもよく、またはそれらから作製されてもよい。一般的には、電解質膜２１０は、高耐久性であり、高いイオン伝導性および化学安定性を有する。一例において、電解質膜２１０は、ＤｕＰｏｎｔ社から市販されているＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１２膜、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１５膜、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７膜、およびＮＡＦＩＯＮ（登録商標）４２４膜などのＰＴＦＥのポリマー骨格を含む。別の例において、電解質膜２１０は、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ社から市販されているＸＵＳ（登録商標）膜など、テトラフルオロエチレンのコポリマーおよびビニレンモノマーを含む。電解質膜２１０は、約０．００５ｍｍ〜約０．５ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。いくつかの例において、電解質膜２１０は、約０．０１５ｍｍの厚さを有してもよい。代替的な一実施形態において、電解質膜２１０は、ＡＭＥＲ−ＳＩＬ社から市販されている、内部構造が非常に多孔性、蛇行状、および親水性となるようにポリマー材料および沈殿シリカから形成されたリブ付きセパレータ（例えば親水性多孔性プラスチックセパレータ）などのセパレータであってもよい。
【００６９】
カソード接点２６２およびアノード接点２６４は、使用中にフロー電池セル２０２から蓄積電力を放電または除去するために、または代替的にはフロー電池システム２００に電力を充電または蓄積するために、結合されるかまたは別の態様で電気接触状態にあってもよい。各フロー電池セル２０２は、フロー電池システム２００用の所望の回路を形成するために、カソード接点２６２およびアノード接点２６４により電気的に接続（例えば並列でまたは直列で）されてもよい。一例において、複数のフロー電池セル２０２が、フロー電池システム２００について一定のアンペア数および電圧の上昇をもたらすように、直列で電気的に接続されてもよい。あるいは、複数のフロー電池セル２０２が、フロー電池システム２００について一定の電圧およびアンペア数の上昇をもたらすように、並列で電気的に接続されてもよい。
【００７０】
フロー電池システム２００は、フロー電池セル２０２を１つだけ有するように図示されるが、フロー電池システム２００は、フロー電池セル２０２と同様の複数のセルをしばしば包含する。フロー電池セル２０２の具体的な数量は、各フロー電池セル２０２の合計容量と、フロー電池システム２００全体に対する相対的な所望の合計エネルギー容量とに基づき決定され得る。所望の合計エネルギー容量を蓄積するために、複数のフロー電池セル２０２が共に接続されてもよい。
【００７１】
図３Ａ〜図３Ｆは、本明細書における複数の実施形態において説明されるフロー電池システム１００、２００、４００、および６００などのフロー電池システム内に組み込まれ得るフロー電池セル３００を図示する。フロー電池セル３００は、電解質膜３４４により隔てられたカソード半セル３０８およびアノード半セル３４８を包含する。電解質膜３４４は、膜支持フレーム３４０および３４２の間に配設され、カソーライトおよびアノーライトを互いに分離した状態に維持する。
【００７２】
カソード半セル３０８は、膜支持フレーム３４０と結合されたねじプレートフレーム３３０と結合された電極プレート保持体３１０を包含する。カソード支持プレート３２０に結合されるカソード３２２は共に、電極プレート保持体３１０とねじプレートフレーム３３０との間に配設される。カソード支持プレート３２０は、ポリマー材料またはオリゴマー材料などの電気絶縁材料を含むかまたはそれらの電気絶縁材料から作製される。カソード半セル３０８は、１つ、２つ、またはそれ以上のカソーライト入口３３２を有してもよく、１つ、２つ、またはそれ以上のカソーライト出口３３４を有してもよい。カソーライト入口３３２およびカソーライト出口３３４は、膜支持フレーム３４０に結合され、カソード半セル３０８内に形成される空洞部を通り延在するカソーライト通路と流体連通状態にある。カソーライトは、カソーライト通路に沿ってカソーライト入口３３２からカソーライト出口３３４まで流れると共に、カソーライト３２２に対してさらされる。温度計３８２が、膜支持フレーム３４０と結合され、膜支持フレーム３４０を貫通し、カソード半セル３０８内のカソーライト通路を通り流れるカソーライトと物理的および／または熱的に接触状態にある。カソード半セル３０８は、カソーライトにさらされる酸化水銀電極などのカソーライト基準電極３８６を任意に包含する。
【００７３】
一実施形態において、カソード３２２は、グラファイト、またはニッケル、鉄、クロム、ステンレス鋼、亜鉛、カドミウム、鉛、水銀、それらの合金、もしくはそれらの組合せなどの金属などの材料を含む、プレートカソード、平面カソード、または平坦カソードであってもよい。他の実施形態において、開口ブロック流れスクリーン１６０と組み合わされた平面カソード１２４、カソードワイヤ２２８、カソードワイヤアセンブリ５００、スロット付きシートカソード６６０、またはそれらの派生物など、本明細書における複数の実施形態において説明する様々なカソードが、カソード３２２として使用されてもよい。
【００７４】
アノード半セル３４８は、膜支持フレーム３４２と結合されたねじプレートフレーム３７０と結合された電極プレート保持体３５０を包含する。アノード支持プレート３６０と結合されたアノード３６２は共に、電極プレート保持体３５０とねじプレートフレーム３７０との間に配設される。アノード支持プレート３６０は、ポリマー材料またはオリゴマー材料などの電気絶縁材料を含むか、または電気絶縁材料から作製される。
【００７５】
アノード半セル３４８は、１つ、２つ、またはそれ以上のアノーライト入口３５２を有してもよく、１つ、２つ、またはそれ以上のアノーライト出口３５４を有してもよい。アノーライト入口３５２およびアノーライト出口３５４は、膜支持フレーム３４２に結合され、アノード半セル３４８内に形成された空洞部を通り延在するアノーライト通路と流体連通状態にある。アノーライトは、カソーライト通路に沿ってアノーライト入口３５２からアノーライト出口３５４まで流れると共に、アノーライト３６２にさらされる。温度計３８２が、膜支持フレーム３４２と結合され、膜支持フレーム３４２を通過し、アノード半セル３４８内のアノーライト通路を通り流れるアノーライトと物理的および／または熱的に接触状態にある。アノード半セル３４８は、アノーライトにさらされる酸化水銀電極などのアノーライト基準電極３８４を任意に包含する。
【００７６】
レドックス電極などのアノード３６２が、平坦な平面アノード、平面アノード、プレートアノード、または円筒状アノード等々の様々な形状寸法を有してもよい。アノード３６２は、固体であってもよく、または多孔性、展伸性、または発泡性であるなど、大表面積構成を有してもよい。通常は、アノード３６２は、ニッケル、鉄、クロム、鋼、ステンレス鋼、グラファイト、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せを含む。アノード３６２は、ニッケルもしくはニッケル合金で被覆またはめっきされたグラファイトアノードなど、別の材料もしくは金属でめっきまたは被覆されてもよい。一例において、アノード３６２は、平面電極であり、ステンレス鋼を含む。別の例において、アノード３６２は、多孔性、発泡性、または展伸性であり、ニッケル発泡体、展伸ニッケル、穿孔ニッケル、ニッケルワイヤ、もしくは織成ニッケルワイヤなど、ニッケルまたはニッケル合金を含む。別の例において、アノード３６２は、多孔性グラファイト、グラファイト発泡体、ニッケルめっきされたグラファイト発泡体、グラファイトフェルト、ニッケルめっきされたグラファイトフェルト、またはそれらの派生物など、グラファイトを含む。いくつかの実施形態において、アノード３６２は、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の長さを有してもよく、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の高さを有してもよい。さらに、アノード３６２は、約１ｍｍ〜約３ｍｍなど、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。
【００７７】
カソード接点３７２は、カソード３３２と電気接触状態にあり、アノード接点３７４は、アノード３６２と電気接触状態にある。いくつかの実施形態において、カソード接点３７２は、カソード３３２に対して直接的に装着されてもよく、アノード接点３７４は、アノード３６２に対して直接的に装着されてもよい。あるいは、コントローラ、スイッチ、電気接点、および／または他の回路が、カソード接点３７２およびカソード３３２に結合されてもおよび／またはカソード接点３７２とカソード３３２との間に結合されてもよく、あるいは、アノード接点３７４およびアノード３６２に結合されてもおよび／またはアノード接点３７４とアノード３６２との間に結合されてもよい。いくつかの例において、カソード接点３７２は、カソード支持プレート３２０の中央の開口を通り貫通し、カソード３３２と物理的および電気的に接触状態にあってもよい。同様に、アノード接点３７４は、アノード支持プレート３６０の中央の開口を通り貫通し、アノード３２２と物理的および電気的に接触状態にあってもよい。
【００７８】
代替的な一実施形態において、バイポーラプレート（図示せず）が、カソード接点３７２およびアノード接点３７４の両方に代わって代用され、各フロー電池セル３００の任意の外部表面上に配設されてもよい。各バイポーラプレートは、カソード半セル３０８の内部と外部との間にカソード半セルと電気接触状態に延在するカソード接点を包含し、またアノード半セル３４８の内部と外部との間にアノード半セルと電気接触状態に延在するアノード接点を包含する。バイポーラプレートは、複数のフロー電池セル３００を積層または他の態様で位置決めしてフロー電池システムを形成する場合に代替的な構成を提供することができる。
【００７９】
図３Ａ〜図３Ｄは、カソード支持プレート３２０およびアノード支持プレート３６０に対して装着されたハンドルを図示する。ハンドル３１２は、多数の位置においてフロー電池セル３００に対して装着されてもよく、複数のフロー電池セル３００が、ハンドル３１２により妨げられることなく積層され得るか、または他の態様で効率的に位置決めされ得る。任意には、ハンドル３１２は、フロー電池セル３００の位置決め後には除去されてもよく、またはフロー電池セル３００から単に省かれてもよい。
【００８０】
図４は、別の実施形態により説明されるような、複数のフロー電池セル４０２を包含するフロー電池システム４００を図示する。フロー電池システム４００は、１０個のフロー電池セルを有するように図示されるが、フロー電池システム４００は、１つのフロー電池セル４０２を包含してもよく、または電力についての所望の蓄積容量に応じて任意の個数のフロー電池セル４０２を包含してもよい。フロー電池セル４０２の具体的な数量は、各フロー電池セル４０２の合計容量と、フロー電池システム４００全体についての相対的な所望の合計エネルギー容量とに基づき決定され得る。多数の実施形態において、フロー電池システム４００は、３つ、４つ、６つ、８つ、１０個、１２個、２０個、２４個、３０個、４０個、５０個、８０個、１００個、またはそれ以上のフロー電池セル４０２など、２つ以上のフロー電池セル４０２を包含する。
【００８１】
他の実施形態において、１つまたは複数のフロー電池セル４０２は、本明細書において複数の実施形態により説明されるような、１つまたは複数のフロー電池セル１０２、２０２、３００、６０２、またはそれらの組合せで置き換えられてもよい。したがって、フロー電池システム４００は、単一のシステム内に組み込まれた任意の個数のフロー電池セル１０２、２０２、３００、４０２、または６０２を備える複数のフロー電池セルを包含してもよい。別の実施形態において、フロー電池セル１０２、２０２、３００、４０２、および／または６０２は、本明細書において説明するフロー電池システム４００、フロー電池システム１００、２００、または６００、および他のフロー電池システムを組み立てるために、様々な位置に配設されるように位置決めおよび／または回転されてもよい。例えば、フロー電池セル１０２（図１Ａ〜図１Ｂ）、２０２（図２Ａ〜図２Ｉ）および６０２（図６Ａ〜図６Ｂ）は、カソーライトおよびアノーライト用の水平方向流路を有するものとして図示される。水平方向流路は、各フロー電池セル内の各入口と出口との間に、重力に対して垂直方向または実質的に垂直方向であるなど、重力を基準として、水平方向に延在する。代替的に、フロー電池セル３００（図３Ａ〜図３Ｆ）および４０２（図４）は、カソーライトおよびアノーライト用の垂直方向流路を有するものとして図示される。垂直方向流路は、各フロー電池セル内の各入口と出口との間に、重力に対して平行または実質的に平行であるなど、重力を基準として垂直方向に延在する。しかし、フロー電池セル１０２、２０２、３００、４０２、および／または６０２は、水平方向または垂直方向の電解質用流路を有するように位置決めされることに限定されず、任意の角度にて位置決めおよび／または回転されてもよい。
【００８２】
各フロー電池セル４０２は、コンジットシステムによりカソーライト源タンク４３０およびアノーライト源タンク４５０と流体連通状態にある。いくつかの実施形態において、カソーライトは、コンジット４３６によりフロー電池セル４０２内の各カソード半セルとカソーライト源タンク４３０との間で循環し、同様にアノーライトは、コンジット４５６によりフロー電池セル４０２内の各アノード半セルとアノーライト源タンク４５０との間で循環する。コンジット４３６は、カソーライト源タンク４３０からカソード入口４３２までの間、およびカソーライト出口４３４からカソーライト源タンク４３０までの間に延在し、同様にコンジット４５６は、アノーライト源タンク４５０からアノーライト入口４５２までの間、およびアノーライト出口４５４からアノーライト源タンク４５０まで延在する。ポンプ４３８および４５８が、各フロー電池セル４０２を有する各半セルとの間でカソーライトおよびアノーライトを流すのを補助するために、フロー電池システム４００内に組み込まれてもよい。
【００８３】
カソーライトは、コンジット４３６を通る順方向流（図４において矢印で図示するような）を有してもよく、または充放電サイクルの異なる期間中には逆流を有してもよい。カソーライトの流体速度は、約２ｃｍ／秒〜約１５ｃｍ／秒など、例えば約５ｃｍ／秒または約１０ｃｍ／秒など、約１ｃｍ／秒〜約２５ｃｍ／秒の範囲内であってもよい。したがって、具体的な一例において、カソーライトは、カソーライト源タンク４３０から、コンジット４３６を通り、カソーライト入口４３２を通りカソード半セル内に流入し、カソーライト出口４３４によりカソード半セルから出て、コンジット４３６を通り、カソーライト源タンク４３０に流れ戻ることにより、フロー電池システム４００のカソード側内を循環してもよい。
【００８４】
アノーライトは、コンジット４５６を通る順方向流（図４において矢印で図示するような）を有してもよく、または充放電サイクルの異なる期間中には逆流を有してもよい。アノーライトの流体速度は、約２ｃｍ／秒〜約１５ｃｍ／秒など、例えば約５ｃｍ／秒または約１０ｃｍ／秒など、約１ｃｍ／秒〜約２５ｃｍ／秒の範囲内であってもよい。別の具体的な例において、アノーライトは、アノード源電解質タンク４５０から、コンジット４５６を通り、アノーライト入口４５２を通りアノード半セル内に流入し、アノーライト出口４５４によりアノード半セルから出て、コンジット４５６を通り、アノーライト源タンク４５０に流れ戻ることにより、フロー電池システム４００のアノード側内を循環してもよい。
【００８５】
各フロー電池セル４０２は、カソード接点４２４およびアノード接点４４４を有してもよい。カソード接点４２４は、フロー電池セル４０２の上に配設されてもよく、各カソード半セルの内部と外部との間に延在する。同様に、アノード接点４４４は、フロー電池セル４０２の上に配設されてもよく、各アノード半セルの内部と外部との間に延在する。
【００８６】
カソード接点４２４およびアノード接点４４４は、使用中にフロー電池セル４０２から蓄積電力を放電または除去するために、または代替的にはフロー電池システム４００に電力を充電または蓄積するために、結合されるかまたは別の態様で電気接触状態にあってもよい。各フロー電池セル４０２は、フロー電池システム４００用の所望の回路を形成するために、カソード接点４２４およびアノード接点４４４により電気的に接続（例えば並列でまたは直列で）されてもよい。図４に図示するように、複数のフロー電池セル４０２が、フロー電池システム４００について一定のアンペア数および電圧の上昇をもたらすように、直列で電気的に接続されてもよい。あるいは、複数のフロー電池セル４０２が、フロー電池システム４００について一定の電圧およびアンペア数の上昇をもたらすように、並列で電気的に接続されてもよい。
【００８７】
代替的な一実施形態において、バイポーラプレート（図示せず）が、カソード接点４２４およびアノード接点４４４の両方に代わって代用され、各フロー電池セル４０２の任意の外部表面上に配設されてもよい。各バイポーラプレートは、カソード半セルの内部と外部との間にカソード半セルと電気接触状態に延在するカソード接点を包含し、またアノード半セルの内部と外部との間にアノード半セルと電気接触状態に延在するアノード接点を包含する。バイポーラプレートは、複数のフロー電池セル４０２を積層または他の態様で位置決めしてフロー電池システム４００を形成する場合に代替的な構成を提供することができる。
【００８８】
図５Ａ〜図５Ｃは、フロー電池システム２００など、本明細書において説明するようなフロー電池システム内に組み込まれ得るカソードワイヤアセンブリ５００を図示する。カソードワイヤアセンブリ５００は、開口５０４を有するフレーム５０２と、開口５０４を横断して延在する複数のカソードワイヤ５３０とを包含する。フレーム５０２および開口５０４は共に、矩形または正方形の形状寸法を有するように図示されるが、他の形状寸法が、フレーム５０２および開口５０４に対して個別に使用されてもよい。フレーム５０２は、保護シェル５２２により包囲されるフレーム本体５０６を包含する。フレーム本体５０６は、プラスチック材料の単体片または一体的に接着された複数片であってもよい、成形プラスチックなどのプラスチック材料を含むかまたはそのようなプラスチック材料から形成されてもよい。保護シェル５２２は、材料の単体片または複数片であってもよいエラストマー材料またはオリゴマー材料を含むかまたはそのようなエラストマー材料またはオリゴマー材料から形成されてもよい。フレーム本体５０６および保護シェルは、ポリエチレン、ポリプロピレン、ナチュラルポリプロピレン（ＮＰＰ）、ポリフェニレンオキシド（ＰＰＯ）、ポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、フッ素化エチレンプロピレン（ＦＥＰ）、パーフルオロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、および他のフルオロポリマー、それらの誘導体、またはそれらの組合せなどの例示的な材料を含んでもよく、またはこれらの例示的な材料から作製されてもよい。一般的には、ナチュラルポリプロピレン（ＮＰＰ）は、顔料を含まないもしくは顔料を実質的に含まない、および／または充填剤を添加されないもしくは実質的に充填剤を添加されないポリプロピレンである。
【００８９】
隆起シール５２４が、フレーム５０２上に配設されてもよく、カソードワイヤアセンブリ５００がフロー電池システム内に組み込まれる場合に緊密な嵌合または封入を形成するために使用されてもよい。隆起シール５２４は、周囲フレーム５０２の付近に配置されたＯリングもしくはシールであってもよく、または保護シェル５２２の混和接合部分として形成されてもよい。
【００９０】
複数のカソードワイヤ５３０が、フレーム５０２の側部５１８と側部５２０との間に開口５０４を横断して延在する。図５Ａは、１０個のワイヤを包含するカソードワイヤ５３０の１つの列を図示する。他の実施形態において、カソードワイヤアセンブリ５００は、カソードワイヤ５３０の２つ以上の列を包含してもよく、各列内に任意の個数のワイヤを有してもよい。いくつかの実施形態において、カソードワイヤ５３０は、側部５１８の上に位置決めされた第１の頭部付きピン５３４の周囲に輪をかけた状態で張られてもよく、第２の頭付きピン５３４は、側部５２０上に位置決めされる。したがって、１本のワイヤが、いくつかの実施形態において、２つのカソードワイヤ５３０を形成するように使用されてもよく、他の実施形態において、１本のワイヤが、全てのカソードワイヤ５３０を形成するように使用されてもよい。あるいは、各カソードワイヤ５３０が、ワイヤの各側部上において頭付きピン５３４に装着される１本のワイヤであってもよい。一構成において、図５Ｂ〜図５Ｃに図示するように、頭付きピン５３４の第１の列が、フレーム本体５０６の前方側部５１０の側部５１８に沿って延在し、頭付きピン５３４の第２の列が、フレーム本体５０６の前方側部５１０の側部５２０に沿って延在する。別の構成において、図５Ｃに図示するように、頭付きピン５３４の第１の列は、フレーム本体５０６の後方側部５１２の側部５１８に沿って延在し、頭付きピン５３４の第２の列は、フレーム本体５０６の後方側部５１２の側部５２０に沿って延在する。
【００９１】
一実施形態において、前方側部５１０または後方側部５１２の上の頭付きピン５３４の両列が、相互に平行または実質的に平行に延在し、同量の頭付きピン５３４を有し、第１の列内の各頭付きピン５３４が、第２の列内の連続する各頭付きピン５３４と対になる。いずれのワイヤも、頭付きピン５３４の各対の間に延在するか、またはループ状のワイヤが、頭付きピン５３４の対の周囲を回り張られてカソードワイヤ５３０を形成する。別の実施形態において、図５Ｃに図示するように、頭付きピン５３４の２つの列が、側部５１８に沿って、すなわち１つの列が前方側部５１０および後方側部５１２のそれぞれの上に位置する状態で、延在し、頭付きピン５３４の２つの列が、側部５２０に沿って、すなわち１つの列が前方側部５１０および後方側部５１２のそれぞれの上に位置する状態で、延在する。前方側部５１０に沿って延在する頭付きピン５３４の２つの列の間に張られたカソードワイヤ５３０は、カソードワイヤ５３０の第１のアレイを形成し、後方側部５１２に沿って延在する頭付きピン５３４の２つの列の間に張られたカソードワイヤ５３０は、カソードワイヤ５３０の第２のアレイを形成する。
【００９２】
一実施形態において、カソードワイヤ５３０の２つの列またはアレイが、図５Ｃに図示するように相互に対して整列される。あるいは、図示しない別の実施形態において、カソードワイヤ５３０の２つの列またはアレイが、相互に対して交互になされるか、ずらされるか、または他の態様で非整列状態になされる。カソードワイヤ５３０の交互列の対が、後方側部５１２上の頭付きピン５３４の位置に対する前方側部５１０上の頭付きピン５３４の位置を交互配置にするまたはずらすことにより、形成されてもよい。
【００９３】
カソードワイヤ５３０は、カドミウム、鉄、鋼、ステンレス鋼、ニッケル、クロム、銀、金、白金、パラジウム、それらのめっき、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せなどの金属を個別に含んでもよい。いくつかの例において、カソードワイヤ５３０は、カドミウムまたはカドミウム合金を含む。カソードワイヤ５３０は、中実カドミウムワイヤ、中実カドミウム合金ワイヤ、あるいは、カドミウムもしくはカドミウム合金でめっきまたは他の態様で被覆された鋼ワイヤまたはステンレス鋼ワイヤなどのカドミウムめっきされた金属ワイヤであってもよい。多数の実施形態において、カソードワイヤ５３０の長さは、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍの範囲内であってもよい。カソードワイヤ５３０は、約０．００５インチ〜約０．０５インチなど、または約０．０１インチ〜約０．０４インチなど、または約０．０２インチ〜約０．０３インチなど、例えば約０．０１２インチ、０．０２４インチ、または０．０３６インチなど、約０．００１インチ〜約０．１インチの範囲内の直径を有してもよい。
【００９４】
接点バー５４０は、図５Ｃに図示するように、各カソードワイヤ５３０に結合され、電気接触状態にある。接点バー５４０は、フロー電池セルのカソード接点と電気接触状態になるように構成される。図５Ｃは、フレーム５０２の頂部５１４から延在する接点バー５４０を図示するが、接点バー５４０は、フロー電池セルのカソード接点との間で電気接触を成すように、フレーム５０２の底部５１６、側部５１８および５２０、前部５１０、および／または後部５１２から延在してもよい。接点バー５４０は、フレーム本体５０６内に、および／またはフレーム本体５０６と保護シェル５２２との間に配設されてもよい。接点バー５４０は、金属などの導電性材料を含む。接点バー５４０は、ワイヤ、プレート、バー、リボン、または同様の接触／導電性表面であってもよい。接点バー５４０は、鉄、鋼、ステンレス鋼、銅、ニッケル、クロム、銀、金、アルミニウム、カドミウム、白金、パラジウム、それらのめっき、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せなどを含んでもよい。
【００９５】
図６Ａ〜図６Ｂは、本明細書における複数の実施形態において説明するような、電解質膜６１０により隔てられたカソード半セル６２２およびアノード半セル６４２を有するフロー電池セル６０２を包含するフロー電池システム６００を図示する。カソード半セル６２２は、フロー電池システム６００のカソード側６２０に位置し、複数のスロット付きシートカソード６６０を有する。このスロット付きシートカソード６６０は、カソーライト通路６３３内のカソーライト６２６を通り延在し、このカソーライト６２６と流体連通状態にある。スロット付きシートカソード６６０は、カソーライト通路６３３に対して垂直にまたは実質的に垂直に延在し、各スロット付きシートカソード６６０は、相互に対して平行にまたは実質的に平行に延在する。各スロット付きシートカソード６６０は、図６Ｃに図示するように、スロット６６４により隔てられた複数のカソードストリップ６６２を包含する。
【００９６】
図６Ａ〜図６Ｂは、２つのスロット付きシートカソード６６０を包含するフロー電池セル６０２を図示する。しかし、他の構成において、フロー電池セル６０２は、１つのみのスロット付きシートカソード６６０を有してもよく、または２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、もしくはそれ以上など、１０個、２０個、もしくはそれ以上など、複数のスロット付きシートカソード６６０を有してもよい。スロット付きシートカソード６６０は、フロー電池システム６００のカソード側６２０のカソード半セル６２２内に配設される。
【００９７】
電解質膜６１０からカソード半セル６２２の幅にわたって見た透視図である図６Ｂに図示するように、２つのスロット付きシートカソード６６０は、電解質膜６１０に最も近いスロット付きシートカソード６６０が、電解質膜６１０から最も遠いスロット付きシートカソード６６０を完全に覆い隠すように、相互に整列される。電解質膜６１０に最も近いスロット付きシートカソード６６０内のカソードストリップ６６２は、カソードストリップ６６２の第１のアレイを形成し、電解質膜６１０から最も遠いスロット付きシートカソード６６０内のカソードストリップ６６２は、カソードストリップ６６２の第２のアレイを形成する。
【００９８】
あるいは、図示しない別の実施形態において、２つのスロット付きシートカソード６６０は、電解質膜６１０からカソード半セル６２２の幅にわたって見た透視図において、相互に対して整列されないように、相互に交互配置される。したがって、カソードストリップ６６２の各列またはアレイもまた、相互に対して交互配置される。
【００９９】
カソーライト６２６は、カソーライト通路６３３に沿ってカソード半セル６２２の上に配設されたカソーライト入口６３２内に流し込まれ、カソード半セル６２２上に配設されたカソーライト出口６３４から流し出され得る。カソーライト通路６３３は、カソード半セル６２２内においてカソーライト入口６３２とカソーライト出口６３４との間に延在する。殆どの実施形態において、カソーライト６２６は、水ベース電解質などの液体電解質である。いくつかの例において、カソーライト６２６は、亜鉛電解質であってもよい。一例において、亜鉛／フェロシアン化物電池用のカソーライトは、アルカリ性である。カソーライトは、約２Ｎ〜約５Ｎなど、約１Ｎ〜約７Ｎの範囲内の水酸化物濃度を有してもよい。水酸化物は、水酸化ナトリウムまたは水酸化カリウムであってもよく、亜鉛酸塩で飽和されてもよい。いくつかの例において、カソーライト６２６は、亜鉛酸塩が電解槽中において析出して固体懸濁を形成するように、飽和状態または過飽和状態にされてもよい。
【０１００】
フロー電池セル６０２の外部において、カソーライト６２６は、コンジット６３６によりカソード半セル６２２とカソーライト源タンク６３０との間で循環する。コンジット６３６は、カソーライト源タンク６３０からカソーライト入口６３２までの間、およびカソーライト出口６３４からカソーライト源タンク６３０までの間に延在する。ポンプ６３８などの１つまたは複数のポンプが、カソード半セル６２２との間でカソーライト６２６を流すのを補助するために、フロー電池システム６００内に組み込まれてもよい。いくつかの例において、ポンプ６３８は、カソーライト源タンク６３０とカソーライト入口６３２との間に配設され、それらの間においてコンジット６３６により連結されてもよい。他の例において、ポンプ６３８は、カソーライト源タンク６３０とカソーライト出口６３４との間に配設され、それらの間においてコンジット６３６により連結されてもよい。したがって、具体的な一例において、カソーライト６２６は、カソーライト源タンク６３０からコンジット６３６を通り、カソーライト入口６３２を通り、カソーライト通路６３３に沿って、カソードストリップ６６２を越え、カソード半セル６２２内のスロット付きシートカソード６６０のスロット６６４を通り、カソーライト出口６３４を通り、コンジット６３６を通り、カソーライト源タンク６３０まで流れ戻ることにより、フロー電池システム６００のカソード側６２０内を循環してもよい。カソーライト６２６は、順方向流（図６Ａにおいて矢印で図示するような）を有してもよく、または充放電サイクルの異なる期間中には逆流を有してもよい。カソーライト６２６の流体速度は、約２ｃｍ／秒〜約１５ｃｍ／秒など、例えば約５ｃｍ／秒または約１０ｃｍ／秒など、約１ｃｍ／秒〜約２５ｃｍ／秒の範囲内であってもよい。
【０１０１】
別の実施形態において、フロー電池セル６０２は、カソーライト通路６３３に沿ったカソーライト６２６の所与の体積流体速度に対する速度を上昇させるカソード半セル６２２の寸法により、金属析出の均一性を向上させるように構成される。多くの構成において、カソード半セル６２２は、カソーライト通路６３３に沿って高さを上回る長さ、およびカソーライト通路６３３に沿って幅を上回る高さを有してもよい。さらに、この体積流量の上昇により、カソーライト通路６３３の長さにわたるバルクレベルの化学反応の欠乏が最小限に抑えられる。カソーライト６２６の濃度は、金属がカソードストリップ６６２の上に析出される間も、実質的に一定に留まる。したがって、フロー電池セル６０２は、幅よりも、カソーライト通路６３３の流れ方向に沿ってより長い長さを有し、このことにより、所与の体積流量に対して最高の流体速度が得られる。
【０１０２】
カソーライト通路６３３にわたる（例えば長さおよび高さに対して垂直な）カソード半セル６２２の幅は、約５ｍｍ〜約１５ｍｍの間、例えば約１０ｍｍなど、約１ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲内であってもよい。カソーライト通路６３３に沿った（例えばカソーライト入口６３２とカソーライト出口６３４との間の）カソード半セル６２２の長さは、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍ、約５０ｃｍ〜約１００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内であってもよい。カソーライト通路６３３に沿った（例えば底部部分６１２と超部分６１４との間の）カソード半セル６２２の高さは、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍ、約５０ｃｍ〜約１００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内であってもよい。一例において、カソード半セル６２２は、約２００ｃｍの長さ、約１０ｃｍの高さ、および約１０ｍｍの幅を有してもよい。別の例において、カソード半セル６２２は、約１００ｃｍの長さ、約２０ｃｍの高さ、および約１０ｍｍの幅を有してもよい。
【０１０３】
図６Ｃは、スロット６６４により隔てられ、スロット付きシートカソード６６０の上方部分６６６と下方部分６６８との間に延在する、カソードストリップ６６２を包含するスロット付きシートカソード６６０を図示する。スロット付きシートカソード６６０は、スロット６６４が貫通するようにまたは内部に配置、スタンプ加工、切削、または他の態様で形成された、金属シート（例えばステンレス鋼シート）を含むかまたはそのような金属シートから形成されてもよい。各スロット付きシートカソード６６０およびカソードストリップ６６２は、鉄、鋼、ステンレス鋼、カドミウム、クロム、ニッケル、それらの合金、またはそれらの組合せなどの金属を含んでもよく、またはそのような金属から形成されてもよい。いくつかの例において、スロット付きシートカソード６６０は、カドミウムめっきされたステンレス鋼シートから形成されてもよい。
【０１０４】
多数の実施形態において、スロット付きシートカソード６６０の高さは、カソーライト通路６３３の長さまたはカソード半セル６２２の長さと同一、実質的に同一、またはそれよりも短くてもよい。したがって、スロット付きシートカソード６６０の高さは、約２０ｃｍ〜約２００ｃｍなど、約５０ｃｍ〜約１００ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内であってもよい。また、スロット付きシートカソード６６０は、約０．０１インチ〜約０．０５インチなど、例えば約０．０２インチなど、約０．００５インチ〜約０．１インチの範囲内の厚さを有してもよい。
【０１０５】
カソードストリップ６６２の長さは、カソード半セル６２２の高さと同一、実質的に同一、またはそれよりも短くてもよい。各カソードストリップ６６２および／またはスロット６６４は、約５ｃｍ（約１．９７インチ）〜約３００ｃｍ（約１１８．１１インチ）の範囲内の長さを有してもよい。いくつかの例において、各カソードストリップ６６２および／またはスロット６６４は、約２０ｃｍ（約７．８７インチ）〜約２００ｃｍ（約７８．７４インチ）の、または約５０ｃｍ（約１９．６９インチ）〜約１００ｃｍ（約３９．３７インチ）の範囲内の長さを有してもよい。他の例において、各カソードストリップ６６２および／またはスロット６６４は、約２０ｃｍ（約７．８７インチ）〜約３０ｃｍ（約１１．８１インチ）など、約５ｃｍ（約１．９７インチ）〜約５０ｃｍ（約１９．６９インチ）の範囲内の長さを有してもよい。各カソードストリップ６６２および／またはスロット６６４は、約０．０１インチ〜約０．０５インチなど、例えば約０．０２インチなど、約０．００５インチ〜約０．１インチの範囲内の幅を有してもよい。各カソードストリップ６６２および／またはスロット６６４は、約０．０１インチ〜約０．０５インチなど、例えば約０．０２インチなど、約０．００５インチ〜約０．１インチの範囲内の厚さを有してもよい。
【０１０６】
図６Ｃは、スロット付きシートカソード６６０の前方表面にわたって見た場合の直線状および平行な列に沿って整列されたカソードストリップ６６２を図示する。しかし、別の実施形態において、複数のカソードストリップ６６２が、スロット付きシートカソード６６０の前方表面にわたって見た場合に、非整列状態、非平行、および／または非対称であってもよい。カソードストリップ６６２および／または各スロット６６４は、様々な形状寸法または形状を個別に有してもよい。いくつかの例において、カソードストリップ６６２は、ある特定の２次元または３次元の形状寸法を有するようにカソードストリップ６６２を切削、スタンプ加工、打ち抜き加工、または鍛造することを含み得る１つまたは複数のプロセスの際に、形成される。各カソードストリップ６６２および／または各スロット６６４は、矩形、正方形、円形、楕円形、エクリプス、湾曲形、丸形、それらの派生形、および他の形状寸法から選択される形状寸法または形状を個別に有してもよい。
【０１０７】
いくつかの実施形態において、スロット付きシートカソード６６０は、特定の形状もしくは形状寸法を得るように、および／または特定の仕上げ表面を実現するために、さらに加工されてもよい。例えば、スロット付きシートカソード６６０は、カソードストリップ６６２のエッジを丸めるまたは平滑にするように加工されてもよい。いくつかの例において、各カソードストリップ６６２の長さに沿って延在するカソードストリップ６６２のエッジを有するスロット付きシートカソード６６０の表面が、スロット付きシートカソード６６０上の平滑なもしくは丸められたエッジまたは他の所望の表面を調製するために、研削、やすり仕上げ、曲げ加工、丸め加工、サンドブラスト、化学エッチ、熱処理、プラズマ処理、研磨、または他の技術により加工されてもよい。
【０１０８】
一例において、スロット付きシートカソード６６０は、矩形形状寸法のスロット６６４が貫通してスタンプ加工されているかまたは他の態様で形成されている金属シートから形成される。金属シートは、約０．０２インチの厚さを有してもよく、したがって、カソードストリップ６６２は、約０．０２インチの同一の対応する厚さを有する。スロット６６４は、約０．０２インチの幅を有するようにスタンプ加工されてもよく、約０．０２インチだけ相互に離間され、したがってカソードストリップ６６２は、約０．０２インチの同一の対応する幅を有する。また、スロット６６４は、約１０インチの長さを有するようにスタンプ加工されてもよく、したがってカソードストリップ６６２は、約１０インチの同一の対応する長さを有する。
【０１０９】
図６Ａは、各スロット付きシートカソード６６０に結合され電気接触状態にある接点バー６２９を図示する。図６Ａには、１つの接点バー６２９が図示されるが、多数の接点バーが、各カソードストリップ６６２またはカソードストリップ６６２のアレイを個別に制御するために使用されてもよい。多数の実施形態において、接点バー６２９は、コントローラおよび／またはスイッチのセット（図示せず）によりカソード接点６２８と電気接触状態にあってもよい。このコントローラおよび／またはスイッチのセットは、カソード接点６２８と接点バー６２９または複数の接点バーとの間で結合され、カソード接点６２８および接点バー６２９または複数の接点バーと電気接続状態にあってもよい。コントローラおよび／またはスイッチのセットは、各スロット付きシートカソード６６０を、およびしたがって各スロット付きシートカソード６６０内に包含されるカソードストリップ６６２の各列をカソード接点６２８に対して電気的に接続／切断することにより、個別に制御するために使用されてもよい。いくつかの構成において、コントローラおよび／またはスイッチのセットは、各スロット付きシートカソード６６０を個別に充電および／または放電させるために、使用されてもよい。カソードストリップ６６２は、カソード接点６２８と電気接触状態になると、充放電サイクルの際に析出／溶出され得る通電カソードになる。
【０１１０】
一実施形態において、コントローラは、各スロット付きシートカソード６６０を連続的に充電および／または放電するために使用される。いくつかの例において、カソード半セル６２２は、スロット付きシートカソード６６０の２つのアレイを包含してもよく、第１のアレイは、通電スロット付きシートカソードを包含し、第２のアレイは、非通電スロット付きシートカソードを包含する。第１のアレイおよび第２のアレイはそれぞれ、１つ、２つ、３つ、４つ、またはそれ以上のスロット付きシートカソード６６０を有する。具体的な一例において、カソード半セル６２２は、２つの通電スロット付きシートカソード６６０の第１のアレイと、２つの非通電スロット付きシートカソード６６０の第２のアレイとを包含する。
【０１１１】
接点バー６２９は、カソード半セル６２２の内部もしくは外部に、あるいは、カソード半セル６２２の底部部分６１２、頂部部分６１４、および／または側部６１６など、カソード半セル６２２の任意の周囲壁部もしくは周囲表面内に配設されてもよい。また、接点バー６２９は、カソード半セル６２２の任意の長さ、幅、および／または高さに沿って延在してもよい。いくつかの実施形態において、接点バー６２９は、図６Ｂに図示するように、カソード半セル６２２の頂部部分６１４内に配設されてもよい。他の実施形態において、接点バー６２９は、カソード半セル６２２の周囲壁部または周囲表面の外部に配設されてもよい。例えば、接点バー６２９または接点バー６２９の接点接合部が、各カソードストリップ６６２と物理的におよび電気的に結合されるように、カソード半セル６２２の底部部分６１２、頂部部分６１４、および／または側部６１６を貫通して突出してもよい。あるいは、各カソードストリップ６６２が、接点バー６２９と物理的におよび電気的に結合されるように、カソード半セル６２２の底部部分６１２、頂部部分６１４、および／または側部６１６を貫通して突出してもよい。接点バー６２９は、金属などの導線性材料を含む。接点バー６２９は、ワイヤ、プレート、バー、リボン、または同様の接触／導電性表面であってもよい。接点バー６２９は、鉄、鋼、ステンレス鋼、銅、ニッケル、クロム、銀、金、アルミニウム、カドミウム、白金、パラジウム、それらのめっきもしくは被覆物、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せなどを含んでもよい。
【０１１２】
図６Ａは、カソーライト６２６のみがスロット付きシートカソード６６０同士の間を流れる、離間された２つのスロット付きシートカソード６６０を包含するカソード半セル６２２を図示する。図示しない代替的な一実施形態において、カソード半セル６２２は、スロット付きシートカソード６６０同士の間に配設された薄い電気絶縁シートにより隔てられた複数のスロット付きシートカソード６６０を包含する。薄い電気絶縁シートは、隣接し合うスロット付きシートカソード６６０が、連続的な充放電サイクルの際に相互に電気的に接触するのを防止する。
【０１１３】
アノード半セル６４２は、フロー電池システム６００のアノード側６４０に位置し、アノーライト６４６と流体連通状態および／または導電連通状態にあってもよいアノード６４４を包含する。アノーライト６４６は、水ベース電解質などの液体電解質または固体電解質であってもよい。アノーライト６４６が液体アノーライトである場合の実施形態において、アノーライト６４６は、アノーライト通路６５３に沿ってアノード半セル６４２上に配設されたアノーライト入口６５２内に流入し、アノード半セル６４２上に配設されたアノーライト出口６４４から流出する。アノーライト通路６５３は、アノーライト入口６５２とアノーライト出口６５４との間、およびアノード半セル６４２内のアノード６４４と電解質膜６１０との間に延在する。
【０１１４】
アノーライト６４６が液体アノーライトである場合の実施形態において、フロー電池セル６０２の外部で、アノーライト６４６は、コンジット６５６によりアノード半セル６４２とアノーライト源タンク６５０との間を循環する。コンジット６５６は、アノーライト源タンク６５０からアノーライト入口６５２までの間、およびアノーライト出口６５４からアノーライト源タンク６５０までの間に延在する。ポンプ６５８などの１つまたは複数のポンプが、アノード半セル６４２との間でアノーライト６４６を流すのを補助するために、フロー電池システム６００内に組み込まれてもよい。いくつかの例において、ポンプ６５８は、アノーライト源タンク６５０とアノーライト入口６５２との間に配設され、それらの間においてコンジット６５６により連結されてもよい。他の例において、ポンプ６５８は、アノーライト源タンク６５０とアノーライト出口６５４との間に配設され、それらの間においてコンジット６５６により連結されてもよい。したがって、具体的な一例において、アノーライト６４６は、アノーライト源タンク６５０から、コンジット６５６を通り、アノーライト入口６５２を通り、アノード半セル６４２内のアノーライト通路６５３に沿い、アノーライト出口６５４を通り、コンジット６５６を通り、アノーライト源タンク６５０まで流れ戻ることにより、フロー電池システム６００のアノード側６４０内を循環してもよい。アノーライト６４６は、順方向流（図６Ａにおいて矢印で図示するような）を有してもよく、または充放電サイクルの異なる期間中には逆流を有してもよい。アノーライト６４６の流体速度は、約２ｃｍ／秒〜約１５ｃｍ／秒など、例えば約５ｃｍ／秒または約１０ｃｍ／秒など、約１ｃｍ／秒〜約２５ｃｍ／秒の範囲内であってもよい。
【０１１５】
いくつかの実施形態において、アノーライト６４６は、固体アノーライトであってもよく、したがって、アノーライト入口６５２、アノーライト出口６５４、アノーライト源タンク６５０、コンジット６５６、および／またはポンプ６５８など、図６Ａに図示するようなアノード側６４０のいくつかの部分または要素は、任意部分もしくは非存在部分、またはそれらの派生体であってもよい。固体アノーライト６４６は、約１ｍｍまたは約２ｍｍなど、約０．２ｍ〜約５ｍｍまたは約０．５ｍｍ〜約３ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。
【０１１６】
いくつかの例において、アノーライト６４６は、フェロシアン化物／フェリシアン化物電解質などのＦｅ（ＩＩ）／Ｆｅ（ＩＩＩ）電解質であってもよい。アノーライト６４６は、電池またはセルの再充電の際に各フェリシアン化合物に対して酸化されるフェロシアン化合物を初めに含んでもよい。アノーライト６４６内に含有され得るいくつかの例示的なフェロシアン化合物には、ＳｃｉｅｎｃｅＬａｂ．ｃｏｍ社から市販の黄血ソーダとしても知られているテトラソジウムヘキサシアノフェレートデカハイドレート（Ｎａ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）などのフェロシアン化ナトリウム、およびテトラポタジウムヘキサシアノフェレートデカハイドレート（Ｋ４Ｆｅ（ＣＮ）６・１０Ｈ２Ｏ）などのフェロシアン化カリウムが含まれる。アノーライト６４６は、一般的には水酸化物を含み、追加の水酸化物溶液が、所望の水酸化物濃度を維持するために、充放電サイクルの際にアノーライト６４６に対して加えられてもよい。水性水酸化物溶液は、一般的には、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、またはそれらの混合物を含む。
【０１１７】
レドックス電極などのアノード６４４が、平坦な平面アノード、平面アノード、プレートアノード、または円筒状アノード等々の様々な形状寸法を有してもよい。アノード６４４は、固体であってもよく、または多孔性、展伸性、または発泡性であるなど、大表面積構成を有してもよい。通常は、アノード６４４は、ニッケル、鉄、クロム、鋼、ステンレス鋼、グラファイト、それらの合金、それらの誘導体、またはそれらの組合せを含む。アノード６４４は、ニッケルもしくはニッケル合金で被覆またはめっきされたグラファイトアノードなど、別の材料もしくは金属でめっきまたは被覆されてもよい。一例において、アノード６４４は、平面電極であり、ステンレス鋼を含む。別の例において、アノード６４４は、多孔性、発泡性、または展伸性であり、ニッケル発泡体、展伸ニッケル、穿孔ニッケル、ニッケルワイヤ、もしくは織成ニッケルワイヤなど、ニッケルまたはニッケル合金を含む。別の例において、アノード６４４は、多孔性グラファイト、グラファイト発泡体、ニッケルめっきされたグラファイト発泡体、グラファイトフェルト、ニッケルめっきされたグラファイトフェルト、またはそれらの派生物など、グラファイトを含む。いくつかの実施形態において、アノード６４４は、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の長さを有してもよく、約１０ｃｍ〜約５０ｃｍなど、約２０ｃｍ〜約３０ｃｍなど、約５ｃｍ〜約３００ｃｍの範囲内の高さを有してもよい。さらに、アノード６４４は、約１ｍｍ〜約３ｍｍなど、約０．５ｍｍ〜約５ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。
【０１１８】
電解質膜６１０は、カソード半セル６２２とアノード半セル６４２との間に配設され、カソーライト６２６およびアノーライト６４６の両方と接触状態にある。電解質膜６１０は、交換膜、セパレータ、またはカソーライト６２６とアノーライト６４６とを隔てる同様のものであってもよい。多数の実施形態において、電解質膜６１０は、カチオン交換膜などのイオン交換膜であり、アノーライト６４６とカソーライト６２６との間の電解質膜６１０を通過して移動するいくつかのカチオン（例えばＮａ＋またはＫ＋）に対して半透過性である。電解質膜６１０は、イオン樹脂、および／またはポリテトラフルオロエチレン、ポリビニル、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエステル、それらの誘導体、もしくはそれらの組合せなどのポリマー材料、コポリマー材料、もしくはオリゴマー材料を含んでもよく、またはそれらから作製されてもよい。一般的には、電解質膜６１０は、高耐久性であり、高いイオン伝導性および化学安定性を有する。一例において、電解質膜６１０は、ＤｕＰｏｎｔ社から市販されているＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１２膜、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１５膜、ＮＡＦＩＯＮ（登録商標）１１７膜、およびＮＡＦＩＯＮ（登録商標）４２４膜などのＰＴＦＥのポリマー骨格を含む。別の例において、電解質膜６１０は、Ｄｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ社から市販されているＸＵＳ（登録商標）膜など、テトラフルオロエチレンのコポリマーおよびビニレンモノマーを含む。電解質膜６１０は、約０．００５ｍｍ〜約０．５ｍｍの範囲内の厚さを有してもよい。いくつかの例において、電解質膜６１０は、約０．０１５ｍｍの厚さを有してもよい。代替的な一実施形態において、電解質膜６１０は、ＡＭＥＲ−ＳＩＬ社から市販されている、内部構造が非常に多孔性、蛇行状、および親水性となるようにポリマー材料および沈殿シリカから形成されたリブ付きセパレータ（例えば親水性多孔性プラスチックセパレータ）などのセパレータであってもよい。
【０１１９】
フロー電池システム６００は、１つのみのフロー電池セル６０２を有するように図示されるが、フロー電池システム６００は、フロー電池セル６０２と同様の複数のセルをしばしば包含する。フロー電池セル６０２の具体的な数量は、各フロー電池セル６０２の合計容量と、フロー電池システム６００全体についての相対的な所望の合計エネルギー容量とに基づき決定され得る。複数のフロー電池セル６０２が、所望のエネルギー容量を蓄積するために共に接続されてもよい。
【０１２０】
カソード接点６２８およびアノード接点６４８は、使用中にフロー電池セル６０２から蓄積電力を放電または除去するために、または代替的にはフロー電池システム６００に電力を充電または蓄積するために、結合されるかまたは別の態様で電気接触状態にあってもよい。各フロー電池セル６０２は、フロー電池システム６００用の所望の回路を形成するために、カソード接点６２８およびアノード接点６４８により電気的に接続（例えば並列でまたは直列で）されてもよい。一例において、複数のフロー電池セル６０２が、フロー電池システム６００について一定のアンペア数および電圧の上昇をもたらすように、直列で電気的に接続されてもよい。あるいは、複数のフロー電池セル６０２が、フロー電池システム６００について一定の電圧およびアンペア数の上昇をもたらすように、並列で電気的に接続されてもよい。
【０１２１】
先述の内容は、本発明の実施形態に関するが、本発明の他のおよびさらなる実施形態が、本発明の基本範囲から逸脱することなく案出されてもよく、その範囲は、以下の特許請求の範囲により決定される。
【図１Ａ】
2013539177.tif 000003
【図１Ｂ】
2013539177.tif 000004
【図１Ｃ】
2013539177.tif 000005
【図２Ａ】
2013539177.tif 000006
【図２Ｂ】
2013539177.tif 000007
【図２Ｃ】
2013539177.tif 000008
【図２Ｄ】
2013539177.tif 000009
【図２Ｅ】
2013539177.tif 000010
【図２Ｆ】
2013539177.tif 000011
【図２Ｇ】
2013539177.tif 000012
【図２Ｈ】
2013539177.tif 000013
【図２Ｉ】
2013539177.tif 000014
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図３Ｅ】
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【図３Ｆ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【国際調査報告】
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