(57)【要約】  フロー電池およびフロー電池作動方法を開示する。フロー電池は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極との間に位置する反応域を備える。フロー電池は、充電モードの第１の電解質流れ構成と放電モードの第２の電解質流れ構成とで構成される。第１の電解質流れ構成は、第２の電解質流れ構成とは少なくとも部分的に異なる。
2014523087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フロー電池であって、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と第２の電極との間に位置する反応域と、を備え、
前記フロー電池が、充電モードの第１の電解質流れ構成と放電モードの第２の電解質流れ構成とで構成され、
前記第１の電解質流れ構成が、前記第２の電解質流れ構成とは少なくとも部分的に異なるフロー電池。
【請求項２】
請求項１記載のフロー電池において、
充電モード電解質入口、前記充電モード電解質入口とは異なる放電モード電解質入口、並びに共通充電および放電モード電解質出口をさらに備えるフロー電池。
【請求項３】
請求項２記載のフロー電池において、
前記第１の電極、前記第２の電極、および前記第１の電極と第２の電極との間に位置する反応域が、フローセルを構成し、
前記フローセルが、フローセルの積層体中に位置し、
複数の導電性スペーサが、前記積層体中の１個のフローセルの第１の電極を前記積層体中の隣接するフローセルの第２の電極と電気的に接続し、
複数の流路が、前記導電性スペーサの間に位置し、
前記複数の流路の各々が、不均一な間隙高さを有し、
前記第１の電極が、放電モードで正極として働く透過性電極を含み、
前記第２の電極が、放電モードで負極として働く不透過性の酸化可能な金属電極を含み、
前記電解質が、臭化亜鉛電解質水溶液を含むフロー電池。
【請求項４】
請求項２記載のフロー電池において、
前記第１の電極が、放電モードで正極として働く透過性電極を含み、
前記第２の電極が、放電モードで負極として働く不透過性の酸化可能な金属電極を含むフロー電池。
【請求項５】
請求項４記載のフロー電池において、
前記充電モード電解質入口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
前記放電モード電解質入口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置し、
前記共通電解質出口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置するフロー電池。
【請求項６】
請求項５記載のフロー電池において、
前記充電モード電解質入口が、前記セルの少なくとも１個の電極を支持する第１の枠の第１の表面の複数の充電モード入口路に接続され、
前記放電モード電解質入口が、前記第１の枠の第１の表面とは反対側の前記第１の枠の第２の表面の複数の放電モード入口路に接続され、
前記共通電解質出口が、前記第１の枠の第１の表面の複数の出口路に接続されたフロー電池。
【請求項７】
請求項６記載のフロー電池において、
前記フロー電池が、電気的に直列に接続された水平フローセルの垂直積層体、および前記フローセル積層体を支持する枠積層体を備え、
各フローセルが、１個の第１の電極および１個の第２の電極を含み、
前記複数の充電モード入口路が、前記枠積層体中の第１の整列した開口によって形成された充電モード入口多岐管に接続され、
前記複数の放電モード入口路が、前記枠積層体中の第２の整列した開口によって形成された放電モード入口多岐管に接続され、
前記複数の出口路が、前記枠積層体の第３の整列した開口によって形成された共通出口多岐管に接続され、
前記フローセル積層体が、第１の体積および第２の体積を含む貯蔵所から離れて位置し、
前記第１の電極が、多孔質ルテニウム化チタンを含み、
前記第２の電極が、充電モード中に亜鉛で被覆されたチタンを含むフロー電池。
【請求項８】
請求項７記載のフロー電池において、
前記充電モード入口多岐管に接続された充電モードポンプと、
前記放電モード入口多岐管に接続された放電モードポンプと、
前記共通出口多岐管に接続された前記第１の枠の第２の表面の少なくとも１個のバイパス路と、
前記積層体中の１個のフローセルの第１の電極を前記積層体中の隣接するフローセルの第２の電極と電気的に接続する複数の導電性スペーサと、
前記放電モード電解質入口が複数の流路に接続されるように、各セルの前記導電性スペーサの間および前記第１の電極上に位置する複数の流路と、
をさらに備えるフロー電池。
【請求項９】
請求項５記載のフロー電池において、
前記充電モード電解質入口が電解質のすべてを前記反応域に充電モードで供給するように構成され、前記放電モード電解質入口が電解質を前記反応域に充電モードで供給しないように構成され、
前記放電モード電解質入口が電解質のすべてまたは一部を前記反応域に放電モードで供給するように構成され、前記充電モード電解質入口が電解質を前記反応域に放電モードで供給しないように、または電解質の一部を供給するように構成されたフロー電池。
【請求項１０】
請求項５記載のフロー電池において、
前記充電モード電解質入口が電解質の主要な部分を前記反応域に充電モードで供給するように構成され、前記放電モード電解質入口が電解質の小部分を前記反応域に充電モードで供給するように構成され、
前記放電モード電解質入口が電解質のすべてまたは主要な部分を前記反応域に放電モードで供給するように構成され、前記充電モード電解質入口が電解質を前記反応域に放電モードで供給しないように、または電解質の小部分を供給するように構成されたフロー電池。
【請求項１１】
請求項５記載のフロー電池において、
前記充電モード電解質入口が電解質の小部分を前記反応域に充電モードで供給するように構成され、前記放電モード電解質入口が電解質の主要な部分を前記反応域に充電モードで供給するように構成され、
前記放電モード電解質入口が電解質のすべてまたは小部分を前記反応域に放電モードで供給するように構成され、前記充電モード電解質入口が電解質の主要な部分を前記反応域に放電モードで供給するように構成されたフロー電池。
【請求項１２】
請求項４記載のフロー電池において、
前記充電モード電解質入口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
前記放電モード電解質入口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置し、
前記第１および第２の電極の少なくとも一方が、分割電極を含み、
前記共通電解質出口が、前記第１および第２の分割電極の少なくとも一方に開口を備えるフロー電池。
【請求項１３】
請求項１２記載のフロー電池において、
前記第１の電極および前記第２の電極の両方が、分割電極を含み、
前記共通電解質出口が、前記第１の分割電極の第１の開口、および前記第２の分割電極の第２の開口を備え、
前記第１の電極が透過性セグメントを含み、前記第１の電極が前記放電モードで正極として働き、
前記第２の電極が不透過性の酸化可能な金属セグメントを含み、前記第２の電極が前記放電モードで負極として働くフロー電池。
【請求項１４】
請求項１記載のフロー電池において、
充電モード電解質入口と、
前記充電モード電解質入口とは異なる放電モード電解質入口と、
充電モード電解質出口と、
前記充電モード電解質出口とは異なる放電モード電解質出口と、
をさらに備えるフロー電池。
【請求項１５】
請求項１４記載のフロー電池において、
前記充電モード電解質入口が、電解質を前記反応域に充電モードで供給するように構成され、
前記放電モード電解質入口が、電解質を前記反応域に放電モードで供給するように構成され、
前記充電モード電解質出口が、充電モードおよび放電モードで電解質を前記反応域の外に送るように構成され、
前記放電モード電解質出口が、充電モードで電解質を前記反応域の外に送るように構成されたフロー電池。
【請求項１６】
請求項１５記載のフロー電池において、
前記第１の電極が、放電モードで正極として働く透過性電極を含み、
前記第２の電極が、放電モードで負極として働く不透過性の酸化可能な金属電極を含み、
前記充電モード電解質入口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
前記放電モード電解質入口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置し、
前記充電モード電解質出口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
前記放電モード電解質出口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置するフロー電池。
【請求項１７】
請求項１６記載のフロー電池において、
前記充電モード電解質入口が、前記セルの少なくとも１個の電極を支持する第１の枠の第１の表面の複数の充電モード入口路に接続され、
前記放電モード電解質入口が、前記第１の枠の第１の表面とは反対側の前記第１の枠の第２の表面の複数の放電モード入口路に接続され、
前記充電モード電解質出口が、前記第１の枠の第１の表面の複数の充電モード出口路に接続され、  前記放電モード電解質出口が、前記第１の枠の第２の表面の少なくとも１個の放電モード出口路に接続されたフロー電池。
【請求項１８】
請求項１７記載のフロー電池において、
前記フロー電池が、電気的に直列に接続された水平フローセルの垂直積層体、および前記フローセル積層体を支持する枠積層体を備え、
各フローセルが、１個の第１の電極および１個の第２の電極を含み、
前記複数の充電モード入口路が、前記枠積層体中の第１の整列した開口によって形成された充電モード入口多岐管に接続され、
前記複数の放電モード入口路が、前記枠積層体中の第２の整列した開口によって形成された放電モード入口多岐管に接続され、
前記複数の充電モード出口路が、前記枠積層体中の第３の整列した開口によって形成された充電モード出口多岐管に接続され、
前記少なくとも１個の放電モード出口路が、前記枠積層体中の第４の整列した開口によって形成された放電モード出口多岐管に接続されたフロー電池。
【請求項１９】
請求項１８記載のフロー電池において、
電解質を選択的に蓄積するように構成された第１の体積を含む液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所と、
前記液化ハロゲン反応物を選択的に蓄積するように構成された第２の体積を含む別の液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所と、
前記充電モード入口多岐管に接続された充電モードポンプと、
前記放電モード入口多岐管に接続された放電モードポンプと、
をさらに備えるフロー電池。
【請求項２０】
請求項１９記載のフロー電池において、
前記充電モード入口多岐管および前記充電モード出口多岐管が、前記液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所と流体的に連通しているが、前記液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所とは流体的に連通しておらず、
前記放電モード入口多岐管および前記放電モード出口多岐管が、前記液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所と流体的に連通しているが、前記液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所とは流体的に連通しておらず、
前記充電モード電解質入口が電解質のすべてを前記反応域に充電モードで供給するように構成され、前記放電モード電解質入口が電解質を前記反応域に充電モードで供給しないように構成され、
前記放電モード電解質入口が電解質のすべてを前記反応域に放電モードで供給するように構成され、前記充電モード電解質入口が電解質を前記反応域に放電モードで供給しないように構成され、
前記充電モード電解質出口が電解質の液化ハロゲン反応物の少ない第１の部分を前記反応域から前記液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所に充電モードで送るように構成され、前記放電モード電解質出口が電解質の液化ハロゲン反応物の多い第２の部分を前記反応域から前記液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所に充電モードで送るように構成され、
前記放電モード電解質出口が電解質を前記反応域から放電モードで送らないように構成され、前記充電モード電解質出口が液化ハロゲン反応物の少ない電解質を含む電解質のすべてを前記反応域から前記液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所に放電モードで送るように構成され、
前記第１の電極が、多孔質ルテニウム化チタンを含み、
前記第２の電極が、充電モード中に亜鉛で被覆されたチタンを含み、
前記電解質が、塩化亜鉛電解質水溶液を含み、
前記液化ハロゲン反応物が、液化塩素反応物を含むフロー電池。
【請求項２１】
フロー電池作動方法であって、
充電モードでは第１の流れ構成で、放電モードでは第２の流れ構成で電解質を流すことを含み、前記第１の流れ構成が前記第２の流れ構成とは少なくとも部分的に異なるフロー電池作動方法。
【請求項２２】
請求項２１記載の方法において、
前記フロー電池が、第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と第２の電極との間に位置する反応域を含むフローセルを含み、
前記フローセルが、フローセルの積層体中に位置し、
複数の導電性スペーサが、前記積層体中の１個のフローセルの第１の電極を前記積層体中の隣接するフローセルの第２の電極と電気的に接続し、
複数の流路が、前記導電性スペーサの間に位置する方法。
【請求項２３】
請求項２２記載の方法において、
前記第１の電極が、前記放電モードで正極として働く透過性電極を含み、
前記第２の電極が、前記放電モードで負極として働く不透過性の酸化可能な金属電極を含み、
前記複数の流路の各々が、不均一な間隙高さを有する方法。
【請求項２４】
請求項２２記載の方法において、
充電モード電解質入口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
放電モード電解質入口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置し、
共通電解質出口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置する方法。
【請求項２５】
請求項２４記載の方法において、
前記第１の流れ構成が、前記フローセル中の第２の流れ構成とは異なり、
前記充電モードにおいて、電解質のすべてが前記充電モード電解質入口から前記反応域に充電モードで供給され、前記放電モード電解質入口から前記第１の電極を通って前記反応域に電解質が供給されず、
前記放電モードにおいて、電解質のすべてまたは一部が前記放電モード電解質入口から前記第１の電極を通って前記反応域に供給され、前記充電モード電解質入口から前記反応域に電解質が供給されない、または電解質の一部が供給される方法。
【請求項２６】
請求項２４記載の方法において、
前記第１の流れ構成が、前記フローセル中の第２の流れ構成とは部分的に異なり、
前記充電モードにおいて、電解質の主要な部分が前記充電モード電解質入口から前記反応域に供給され、電解質の小部分が前記放電モード電解質入口から前記第１の電極を通って前記反応域に供給され、
前記放電モードにおいて、電解質のすべてまたは主要な部分が前記放電モード電解質入口から前記第１の電極を通って前記反応域に供給され、前記充電モード電解質入口から前記反応域に電解質が供給されない、または電解質の小部分が供給される方法。
【請求項２７】
請求項２４記載の方法において、
前記第１の流れ構成が、前記フローセル中の第２の流れ構成とは部分的に異なり、
前記充電モードにおいて、電解質の小部分が前記充電モード電解質入口から前記反応域に供給され、電解質の主要な部分が前記放電モード電解質入口から前記第１の電極を通って前記反応域に供給され、
前記放電モードにおいて、電解質のすべてまたは小部分が前記放電モード電解質入口から前記第１の電極を通って前記反応域に供給され、電解質の主要な部分が前記充電モード電解質入口から前記反応域に供給される方法。
【請求項２８】
請求項２３記載の方法において、
前記充電モード電解質入口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
前記放電モード電解質入口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置し、
前記第１および第２の電極の少なくとも一方が、分割電極を含み、
前記共通電解質出口が、前記第１および第２の分割電極の少なくとも一方に開口を備える方法。
【請求項２９】
請求項２８記載の方法において、
前記第１の電極および前記第２の電極の両方が、分割電極を含み、
前記共通電解質出口が、前記第１の分割電極の第１の開口、および前記第２の分割電極の第２の開口を備え、
前記第１の電極が透過性セグメントを含み、前記第１の電極が放電モードで正極として働き、
前記第２の電極が不透過性の酸化可能な金属セグメントを含み、前記第２の電極が放電モードで負極として働く方法。
【請求項３０】
請求項２１記載の方法において、
前記電解質が、金属ハロゲン化物電解質を含み、
前記フローセルが、フローセルの積層体中に位置し、
前記フローセル積層体が、第１の体積および第２の体積を含む貯蔵所から離れて位置する方法。
【請求項３１】
請求項３０記載の方法において、
前記金属ハロゲン化物電解質を前記貯蔵所と前記フローセル積層体の間に充電および放電モードで少なくとも１台のポンプを使用してポンプ輸送することをさらに含む方法。
【請求項３２】
請求項３０記載の方法において、
前記第１の電極が多孔質ルテニウム化チタンを含み、前記第２の電極が亜鉛めっきチタンを含み、前記積層体が直列に接続された水平フローセルの垂直積層体を含む方法。
【請求項３３】
請求項２１記載の方法において、
前記フロー電池が、同じ第１および第２の流れ構成で作動する同じ電池よりも高い電流およびクーロン効率で作動する方法。
【請求項３４】
請求項２１記載の方法において、
前記フロー電池が、第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と第２の電極との間に位置する反応域を含むフローセルを含み、
充電モードにおいて、電解質が、充電モード電解質入口から前記反応域に、さらに前記反応域から充電モード電解質出口と放電モード電解質出口の両方に送られ、
放電モードにおいて、電解質が、放電モード電解質入口から前記反応域に、さらに前記反応域から前記充電モード電解質出口に送られ、
前記放電モード電解質入口が、前記充電モード電解質入口とは異なる方法。
【請求項３５】
請求項３４記載の方法において、
前記第１の電極が、放電モードで正極として働く透過性電極を含み、
前記第２の電極が、放電モードで負極として働く不透過性の酸化可能な金属電極を含み、
前記充電モード電解質入口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
前記放電モード電解質入口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置し、
前記充電モード電解質出口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
前記放電モード電解質出口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置する方法。
【請求項３６】
請求項３４記載の方法において、
前記第１の流れ構成が、前記フローセル中の第２の流れ構成とは異なり、
前記充電モードにおいて、電解質のすべてが、充電モードポンプを使用して、液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所から前記充電モード電解質入口を通って前記反応域に、さらに前記反応域から、前記充電モード電解質出口経由で前記液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所と前記放電モード電解質出口経由で液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所の両方に送られ、
前記放電モードにおいて、電解質のすべてが、放電モードポンプを使用して、前記液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所から前記放電モード電解質入口および前記第１の電極を通って前記反応域に、さらに前記反応域から前記充電モード電解質出口を通って前記液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所に送られる方法。
【請求項３７】
フロー電池であって、
第１の電極、第２の電極、および前記第１の電極と第２の電極との間に位置する反応域をそれぞれ含むフローセルの積層体と、
前記積層体中の１個のフローセルの第１の電極を前記積層体中の隣接するフローセルの第２の電極と電気的に接続する複数の導電性スペーサと、
不均一な間隙高さを有する複数の流路をそれぞれ含む、前記導電性スペーサの間に位置する複数の流路と、
を備えるフロー電池。
【請求項３８】
請求項３７記載のフロー電池において、
充電モード電解質入口と、
前記充電モード電解質入口とは異なる放電モード電解質入口と、
共通充電および放電モード電解質出口と、
をさらに備えるフロー電池。
【請求項３９】
請求項３８記載のフロー電池において、
前記電解質が、臭化亜鉛電解質水溶液を含み、
前記第１の電極が、放電モードで正極として働く透過性電極を含み、
前記第２の電極が、放電モードで負極として働く不透過性の酸化可能な金属電極を含み、
前記充電モード電解質入口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
前記放電モード電解質入口が、前記反応域の外側に、前記反応域とは反対側の前記第１の電極の表面に隣接して位置し、
前記共通電解質出口が、前記第１の電極と第２の電極との間の反応域に位置し、
傾斜流路挿入部が、前記複数の流路の各々の中に位置し、
前記放電モード電解質入口に隣接する挿入部の第１の部分が、前記共通電解質出口に隣接する挿入部の第２の部分よりも薄く、
各流路の間隙が、前記挿入部の第２の部分の上よりも前記挿入部の第１の部分の上のほうが高いフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気化学システムおよびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、その全体が本願明細書において参照により援用されている、２０１１年６月２７日に出願された米国特許出願第１３／１６９，４８７号（特許文献１）の一部継続出願である。
【０００３】
再生可能なエネルギー源の開発によって、オフピーク時のエネルギー貯蔵用大規模電池の必要性が再認識された。かかる用途の要件は、鉛蓄電池などの別のタイプの充電式電池の要件とは異なる。電力網におけるオフピーク時のエネルギー貯蔵用電池は、一般に、低資本費、長サイクル寿命、高効率であり、保守整備の少ないことが要求される。
【０００４】
かかるエネルギー貯蔵に適切な電気化学エネルギーシステムの一タイプは、いわゆる「フロー電池」である。これは、通常は正極における還元のためのハロゲン成分と、電気化学システムの通常動作中に通常は負極において酸化されるように成された酸化可能な金属とを使用する。ハロゲン成分が正極で還元されると、金属ハロゲン化物電解質水溶液を使用してハロゲン成分を補給する。電解質は、電極領域と貯蔵領域との間を循環する。かかるシステムの一例は、金属として亜鉛を、ハロゲンとして塩素を使用する。
【０００５】
かかる電気化学エネルギーシステムは、例えば、その全体が本願明細書において参照により援用されている、米国特許第３，７１３，８８８号（特許文献２）、第３，９９３，５０２号（特許文献３）、第４，００１，０３６号（特許文献４）、第４，０７２，５４０号（特許文献５）、第４，１４６，６８０号（特許文献６）および第４，４１４，２９２号（特許文献７）、並びに１９７９年４月にElectric Power Research Institute によって刊行されたEPRI Report EM-I051 (Parts 1-3) （非特許文献１）に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願第１３／１６９，４８７号
【特許文献２】米国特許第３，７１３，８８８号
【特許文献３】米国特許第３，９９３，５０２号
【特許文献４】米国特許第４，００１，０３６号
【特許文献５】米国特許第４，０７２，５４０号
【特許文献６】米国特許第４，１４６，６８０号
【特許文献７】米国特許第４，４１４，２９２号
【特許文献８】米国特許出願第１２／５２３，１４６号
【特許文献９】米国特許出願第１１／６５４，３８０号
【特許文献１０】国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５１１１１号
【特許文献１１】国際特許出願公開第２００８／０８９２０５号
【特許文献１２】米国仮特許出願第６１／３６４，６３１号
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】１９７９年４月にElectric Power Research Institute によって刊行されたEPRI Report EM-I051 (Parts 1-3)
【発明の概要】
【０００８】
一実施形態は、フロー電池に関する。フロー電池は、第１の電極、第２の電極、および第１の電極と第２の電極との間に位置する反応域を含む。フロー電池は、充電モードの第１の電解質流れ構成と放電モードの第２の電解質流れ構成とで構成される。第１の電解質流れ構成は、第２の電解質流れ構成とは少なくとも部分的に異なる。
【０００９】
別の一実施形態は、フロー電池作動方法に関する。この方法は、充電モードでは第１の流れ構成で、放電モードでは第２の流れ構成で電解質を流すことを含む。第１の流れ構成は、第２の流れ構成とは少なくとも部分的に異なる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】電気化学セルの積層体を含む密封コンテナを有する電気化学システムの一実施形態の側断面図である。
【図２】水平配置セルの積層体中の流路の側断面図である。
【図３Ａ】図２に示した水平配置セルを保持する枠の第１の充電側の平面図である。
【図３Ｂ】図３Ａに示した枠の第２の放電側の平面図である。
【図４】図３Ａの流路の部分「Ａ」の詳細を示す平面図である。
【図５】図３Ａの線Ａ’−Ａ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。
【図６】図３Ａの線Ｂ’−Ｂ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。
【図７】図３Ｂの線Ｃ’−Ｃ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。
【図８】充電モード中の電解質流れ構成の一実施形態の側断面図である。（電解質流れは、１００％フローバイ流れに設定されている。）
【図９Ａ】充電モード中の電解質流れ構成の別の一実施形態の側断面図である。（電解質流れは、主要なフローバイ流れと一部のフロースルー流れに設定されている。）
【図９Ｂ】充電モード中の電解質流れ構成の別の一実施形態の側断面図である。（電解質流れは、一部のフローバイ流れと主要なフロースルー流れに設定されている。）
【図９Ｃ】充電モード中の電解質流れ構成の別の一実施形態の側断面図である。（電解質流れは、主要なフローバイ流れと多孔質電極を通る一部の上向きフロースルー流れに設定されている。図９Ａに示した実施形態とは逆に、一部のフロースルー流れはバイパスを通ってセルから流出する。）
【図９Ｄ】充電モード中の電解質流れ構成の一実施形態の側断面図である。（電解質流れは、一部のフローバイ流れと多孔質電極を通る主要な上向きフロースルー流れに設定されている。図９Ｂに示した実施形態とは逆に、主要なフロースルー流れはバイパスを通ってセルから流出する。）
【図１０】放電モード中の電解質流れ構成の一実施形態の側断面図である。（電解質流れは、１００％フロースルー流れに設定されている。）
【図１１Ａ】放電モード中の電解質流れ構成の一実施形態の側断面図である。（電解質流れは、主要なフロースルー流れと一部のフローバイ流れに設定されている。）
【図１１Ｂ】放電モード中の電解質流れ構成の別の一実施形態の側断面図である。（電解質流れは、主要なフローバイ流れと一部のフロースルー流れに設定されている。）
【図１２Ａ】１００％フローバイ流れによる充電モードの分割電極を用いた電解質流れ構成の一実施形態の側断面図である。
【図１２Ｂ】１００％フロースルー流れによる放電モードの分割電極を用いた電解質流れ構成の一実施形態の側断面図である。
【図１２Ｃ】フローバイおよびフロースルー流れ並びにバイパスを通る部分的流出フローによる充電モードの分割電極を用いた電解質流れ構成の一実施形態の側断面図である。
【図１３Ａ】図２に示した水平配置セルを保持する別の一実施形態の枠の第１の充電側の平面図である。
【図１３Ｂ】図１３Ａに示した別の実施形態の枠の第２の放電側の平面図である。
【図１３Ｃ】別の実施形態の電気化学システムの構成要素の略図である。
【図１４Ａ】別の一実施形態による図３Ａの線Ａ’−Ａ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。
【図１４Ｂ】図１４Ａの線Ｄ’−Ｄ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。
【図１５Ａ】流路に部分的に挿入された別の実施形態による傾斜流路挿入部の写真である。
【図１５Ｂ】流路に完全に挿入された別の実施形態による傾斜流路挿入部の写真である。
【図１６Ａ】別の実施形態の挿入部の別の表面傾斜の略側面図である。
【図１６Ｂ】別の実施形態の挿入部の別の表面傾斜の略側面図である。
【図１６Ｃ】別の実施形態の挿入部の別の表面傾斜の略側面図である。
【図１７】流路に沿った距離の関数としての電解質の垂直流速のプロットである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
本発明の実施形態は、金属−ハロゲンフロー電池における電解質経路構成を改善／最適化する方法およびフロー電池を記述するものである。電解質経路構成の改善は、めっきの形態を改善し、金属の腐食速度を低下させ、電流効率を増加させる。電解質経路構成の改善は、電池システム全体のクーロン効率も改善する。
【００１２】
フロー電池システムの教示について記載した、その全体が本願明細書において参照により援用されている米国特許出願第１２／５２３，１４６号（特許文献８）は、本願明細書に記載の実施形態を理解し、実施するのに有用であり得る。この米国特許出願（特許文献８）は、２００７年１月１６日に出願された米国特許出願第１１／６５４，３８０号（特許文献９）の優先権の利益を主張する２００８年１月１１日に出願された国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００８／０５１１１１号（特許文献１０）の米国国内段階移行のものである。
【００１３】
本願明細書に開示する実施形態は、（「フロー電池」とも時折称する）電気化学システムに関する。電気化学システムは、金属ハロゲン化物電解質および分子塩素などのハロゲン反応物を利用することができる。金属ハロゲン化物電解質とハロゲン反応物中のハロゲン化物は同じタイプとすることができる。例えば、ハロゲン反応物が分子塩素のときには、金属ハロゲン化物電解質は少なくとも１個の金属塩化物を含むことができる。
【００１４】
電気化学システムは、その内部に電気化学セルを含む密封容器、金属ハロゲン化物電解質およびハロゲン反応物、並びに金属ハロゲン化物電解質およびハロゲン反応物を電気化学セルに送るように構成された流れ回路を含むことができる。密封容器は、電気化学セルを含む圧力容器とすることができる。ハロゲン反応物は、例えば、分子塩素反応物とすることができる。
【００１５】
多くの実施形態において、ハロゲン反応物は液化された形態で使用することができる。密封容器は、所与の周囲温度におけるハロゲン反応物の液化圧力を超える内圧を維持することができるようなものである。特定のハロゲン反応物の所与の温度での液化圧力は、ハロゲン反応物の状態図から求めることができる。密封コンテナ中の液化ハロゲン反応物を利用するシステムは、圧縮機が不要である。圧縮機は、別の電気化学システムにおいて、ガス状ハロゲン反応物の圧縮に使用されることが多い。液化ハロゲン反応物を利用するシステムは、密封容器内部の外側に置かれ得る別個のハロゲン反応物貯蔵庫が不要である。「液化ハロゲン反応物」という用語は、湿性ハロゲン、すなわちハロゲン水溶液としても知られる水に溶解した分子ハロゲンと水に溶解していない「乾性」液体分子ハロゲンの少なくとも一方を指す。同様に、「液化塩素」という用語は、湿性塩素、すなわち塩素水溶液としても知られる水に溶解した分子塩素と水に溶解していない「乾性」液体塩素の少なくとも一方を指し得る。
【００１６】
多くの実施形態において、システムは、液化分子塩素をハロゲン反応物として利用する。液化分子塩素の密度は、水の約１．５倍である。
【００１７】
密封コンテナに含まれる流れ回路は、好ましくは液化または液体状態のハロゲン反応物および少なくとも１種類の電解質を、セル（単数または複数）に送ったり、セル（単数または複数）から送られたりするように構成された閉ループ回路とすることができる。多くの実施形態において、ループ回路を密閉ループ回路とすることができる。閉ループを循環するハロゲン反応物、金属ハロゲン化物電解質などの成分は、好ましくは液化状態であるが、閉ループは、塩素ガスなどの幾らかのガスをその中に含むことができる。
好ましくは、ループ回路は、金属ハロゲン化物電解質とハロゲン反応物が、セル（単数または複数）中で分岐せずに、同じ流路を循環するようなものである。
電気化学セル（単数または複数）の各々は、通常放電モードで正極として働き得る第１の電極、および通常放電モードで負極として働き得る第２の電極、および電極間の反応域を含むことができる。
【００１８】
多くの実施形態において、反応域は、電解質溶液の水中に溶解したハロゲン反応物またはイオン化ハロゲン反応物などのハロゲン反応物の分離が反応域で起きないようなものとすることができる。例えば、ハロゲン反応物が液化塩素反応物であるときには、反応域は、電解質溶液の水中に溶解した塩素反応物または塩素イオンなどの塩素反応物の分離が反応域で起きないようなものとすることができる。反応域は、電解質溶液の水中に溶解したハロゲン反応物またはイオン化ハロゲン反応物などのハロゲン反応物に対して不透過性である膜またはセパレータを同一セルの正極と負極の間に含まないようなものとすることができる。例えば、反応域は、電解質溶液の水中に溶解した塩素反応物または塩素イオンなどの液化塩素反応物に対して不透過性である膜またはセパレータを同一セルの正極と負極の間に含まないようなものとすることができる。
【００１９】
多くの実施形態において、反応域は、電極の一方においてハロゲン反応物を酸化することによって形成されたハロゲンイオンなどのハロゲンイオンが反応域において流れの残りの部分から分離しないようなものとすることができる。換言すれば、反応域は、塩素イオンなどのハロゲンイオンに対して不透過性である膜またはセパレータを同一セルの正極と負極の間に含まないようなものとすることができる。さらに、セルは、レドックスフロー電池セルではなく、ハイブリッドフロー電池セルとすることができる。したがって、ハイブリッドフロー電池セルにおいて、亜鉛などの金属が電極の一方にめっきされ、反応域はイオンを通過させるイオン交換膜を持たず（すなわち、カソード電極とアノード電極との間にイオン交換膜がない）、電解質はイオン交換膜によって陰極液と陽極液に分離されない。
【００２０】
ある実施形態において、第１の電極は、多孔質電極とすることができ、または少なくとも１個の多孔質要素を含むことができる。例えば、第１の電極は、多孔質または透過性の炭素、金属または金属酸化物電極を含むことができる。例えば、第１の電極は、多孔質炭素発泡体電極、金網電極、または酸化ルテニウム（すなわち、ルテニウム化チタン）で被覆された多孔質チタン電極などの多孔質混合金属酸化物被覆電極を含むことができる。放電および充電モードにおいて、第１の電極は、ハロゲンをハロゲンイオンに還元することができる正極として働き得る。第１の電極において多孔質材料を使用すると、ハロゲン反応物の還元効率を高め、したがって電池の電流効率を高めることができる。
【００２１】
多くの実施形態において、第２の電極は、主要な堆積および酸化可能な金属、すなわち放電モード中に酸化されて陽イオンを形成することができる金属を含むことができる。多くの実施形態において、第２の電極は、金属ハロゲン化物電解質の成分の一つにおける金属イオンと同じタイプである金属を含むことができる。例えば、金属ハロゲン化物電解質が塩化亜鉛などのハロゲン化亜鉛を含むときには、第２の電極は、金属亜鉛を含むことができる。あるいは、電極は、亜鉛めっきされたチタンなどの別の材料を含むことができる。そのような場合、電気化学システムは、可逆システムとして機能することができる。
【００２２】
したがって、一部の実施形態において、電気化学システムは可逆的とする（すなわち、充電と放電動作モードの両方で作動する）ことができ、または不可逆的とする（すなわち、放電動作モードでのみ作動する）ことができる。可逆的電気化学システムは、通常、電解質中の少なくとも１種類の金属ハロゲン化物を利用し、金属ハロゲン化物の金属は、その還元形態で十分に強く安定であり、電極を形成することができる。可逆システムに使用することができる金属ハロゲン化物として、ハロゲン化亜鉛が挙げられる。元素亜鉛は十分に安定であり、電極を形成することができる。一方、不可逆的電気化学システムは、前述した要件を満足する金属ハロゲン化物を利用しない。不可逆システムに使用される金属ハロゲン化物の金属は、通常、不安定であり、その還元された元素形態で強く、電極を形成することができる。かかる不安定な金属とその対応する金属ハロゲン化物の例として、カリウム（Ｋ）とハロゲン化カリウム、およびナトリウム（Ｎａ）とハロゲン化ナトリウムが挙げられる。
【００２３】
金属ハロゲン化物電解質は、電解水溶液とすることができる。電解質は、ＺｎＣｌ2 などの少なくとも１種類の金属ハロゲン化物電解質化合物の水溶液とすることができる。例えば、溶液は、２５％ＺｎＣｌ2 溶液などの１５〜５０％ＺｎＣｌ2 水溶液とすることができる。ある実施形態において、電解質は、電解液の導電率を高めることができる１種類以上の添加剤を含むことができる。例えば、電解質がＺｎＣｌ2 を含むときには、かかる添加剤は、ＮａＣｌ、ＫＣｌなどのナトリウムまたはカリウムの１種類以上の塩とすることができる。
【００２４】
図１は、密封コンテナ１０１に入れられた少なくとも１個の電気化学セル、電解質およびハロゲン反応物を含む電気化学システム１００を示す。密封コンテナ１０１は、好ましくは、その内部１０２に１気圧を超える圧力を維持するように構成された圧力封じ込め容器である。好ましくは、密封コンテナ１０１は、元素塩素などのハロゲン反応物の液化圧力を超える圧力をその内部に維持するように構成される。１０〜４０℃などの常温において機能するために、密封コンテナは、７５〜６５０ｐｓｉまたは７５〜４００ｐｓｉおよび次に挙げるすべての部分範囲（少なくとも７５ｐｓｉまたは少なくとも１００ｐｓｉまたは少なくとも１２５ｐｓｉまたは少なくとも１５０ｐｓｉまたは少なくとも１７５ｐｓｉまたは少なくとも２００ｐｓｉまたは少なくとも２５０ｐｓｉまたは少なくとも３００ｐｓｉまたは少なくとも３５０ｐｓｉまたは少なくとも４００ｐｓｉまたは少なくとも４５０ｐｓｉまたは少なくとも５００ｐｓｉまたは少なくとも５５０ｐｓｉまたは少なくとも６００ｐｓｉ）などの内圧を維持するように構成することができる。密封コンテナの壁は、必要な圧力に耐え得る構造材料で構成することができる。かかる材料の非限定的な一例はステンレス鋼である。
【００２５】
密封コンテナ１０１内の少なくとも１個の電気化学セルは、好ましくは、間隙によって分離された水平正極と水平負極を備えることができる水平配置セルである。水平配置セルは、例えば放電または充電ポンプ停止のために、液体循環が停止したときに、幾らかの量の液体（電解質および／またはハロゲン反応物）がセルの反応域に残り得るので、有利な場合がある。液体の量は、同一セルの正極と負極を電気的に接触させるようなものとすることができる。反応域に液体が存在すると、金属ハロゲン化物電解質およびハロゲン反応剤の循環が回復したときに、垂直配置セル（単数または複数）を利用したシステムに比較して、短絡不通に備えつつ、電気化学システムの再始動を速くすることができる。反応域に電解質が存在すると、循環なしでセルが電荷を保持することができ、したがって、システムが確実に無停電電源（ＵＰＳ）を提供することができる。ハロゲン反応物として使用される液化塩素反応物と組み合わせた水平配置セル（単数または複数）は、動作中の塩素気泡の形成を防止または減少させることもできる。
【００２６】
多くの実施形態において、密封コンテナは、１個を超える電気化学セルを含むことができる。ある実施形態において、密封コンテナは、直列に接続することができる複数の電気化学セルを含むことができる。一部の実施形態において、直列に接続された複数の電気化学セルを積層体として配置することができる。例えば、図１の要素１０３は、直列に接続された水平配置電気化学セルの垂直積層体である。水平配置セルの積層体は、その全体が本願明細書において参照により援用されている国際特許出願公開第２００８／０８９２０５号（特許文献１１）の７〜１１ページおよび図１〜３に開示されたものに類似していてもよい。単一の水平配置セルの利点は、積層体にも当てはまる。
【００２７】
電気化学システムは、通常放電動作モードにおいて金属ハロゲン化物電解質と液化ハロゲン反応物を含む混合物を少なくとも１個のセルに送るように構成することができる供給管または多岐管を備えることができる。電気化学システムは、放電モードで少なくとも１個の電気化学セルから電気化学反応の生成物を収集するように構成することができる戻り管または多岐管を備えることもできる。かかる生成物は、金属ハロゲン化物電解質および／または液化ハロゲン反応物を含む混合物とすることができるが、混合物中のハロゲン反応物の濃度は、放電モードでハロゲン反応物が消費されるために、セルに入る混合物と比較して低下することがある。
【００２８】
例えば、図１において、供給管または多岐管１１５は、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を含む混合物を積層体１０３の水平配置セルに送るように構成される。戻り管または多岐管１２０は、積層体のセルから電気化学反応の生成物を収集するように構成される。さらに考察されるように、一部の実施形態において、供給管もしくは多岐管および／または戻り管もしくは多岐管は、水平配置セルの積層体のための積層体組立品の一部とすることができる。一部の実施形態において、積層体１０３は、容器１０１の壁によって直接支持することができる。さらに一部の実施形態において、積層体１０３は、容器１０１および／または貯蔵所１１９の壁に接続された１本以上の管、支柱またはひもによって支持することができる。
【００２９】
供給管または多岐管および戻り管または多岐管は、液化、例えば液体、ハロゲン反応物および／または金属ハロゲン化物反応物を含むことができる貯蔵所１１９に接続することができる。かかる貯蔵所は、密封コンテナ１０１内に位置することができる。貯蔵所、供給管または多岐管、戻り管または多岐管、および少なくとも１個のセルは、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を循環させるループ回路を形成することができる。
【００３０】
金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物は、充電モードと放電モードでループ回路を反対方向に流れることができる。放電モードにおいて、供給管または多岐管１１５は、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を貯蔵所１１９から少なくとも１個のセル１０３に送るのに使用することができ、戻り管または多岐管１２０は、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を少なくとも１個のセルから貯蔵所に戻すのに使用することができる。充電モードにおいて、戻り管または多岐管１２０は、金属ハロゲン化物電解質および／または液化ハロゲン反応物を貯蔵所１１９から少なくとも１個のセル１０３に送るのに使用することができ、供給管または多岐管１１５は、金属ハロゲン化物電解質および／または液化ハロゲン反応物を少なくとも１個のセル１０３から貯蔵所１１９に戻すのに使用することができる。
【００３１】
一部の実施形態において、システムが水平配置セルの垂直積層体を利用するときには、戻り管または多岐管１２０は、上向きに流れる戻り管または多岐管とすることができる。管１２０は、上向流域１２１および下向流域１２２を含む。金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン電解質の流れは、放電モードにおいて積層体１０３のセルから上向流域１２１を通って上方に向かい、次いで下向流域１２２を通って下方の貯蔵所に向かう。上向きに流れる戻り管または多岐管は、流れが主に積層体１０３の最下部セルから進むのを防止し、それによって、積層体のセル間でより均一な流路抵抗を与えることができる。
【００３２】
電気化学システムは、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物をポンプ輸送するための１個以上のポンプを備えることができる。かかるポンプは、密封容器の内部にあっても、なくてもよい。例えば、図１は、放電ポンプ１２３を示す。放電ポンプ１２３は、貯蔵所１１９と供給管または多岐管１１５を流体的に接続し、放電モードにおいて金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を供給管または多岐管１１５を通して電気化学セル（単数または複数）１０３に送るように構成される。一部の実施形態において、電気化学システムは、図１において要素１２４として示された充電ポンプを備えることができる。充電ポンプは、戻り管または多岐管１２０と貯蔵所１１９を流体的に接続し、充電モードにおいて金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を戻り管または多岐管を通して電気化学セル（単数または複数）に送るのに使用することができる。一部の実施形態において、電気化学システムは、充電ポンプと放電ポンプの両方を備えることができる。充電ポンプと放電ポンプは、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を供給管または多岐管および戻り管または多岐管を含むループ回路を通して反対方向にポンプ輸送するように構成することができる。好ましくは、充電および放電ポンプは、１台のみのポンプが所与の時間作動するように構成される。かかる取り合わせは、システムの信頼性を改善し、システムの寿命を延長することができる。正反対のポンプ配列によって、システムにおいて充電モードと放電モードの切り換え弁を不要にすることもできる。かかる切り換え弁は、追加のポンプよりもコストがかかることが多いかもしれない。したがって、正反対のポンプ配列によって、システムの総コストを削減することができる。
システムに使用されるポンプは、求心ポンプとすることができる。一部の実施形態において、少なくとも３０Ｌ／分のポンプ輸送速度を与え得るポンプを使用することが好ましい場合がある。
【００３３】
図１に貯蔵所を要素１１９として示す。貯蔵所１１９は、ハロゲン反応物に不活性である材料で作製することができる。かかる不活性材料の非限定的な一例は、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）などのポリマー材料とすることができる。貯蔵所１１９は、金属ハロゲン化物電解質を貯蔵することもできる。そのような場合、液化塩素を液化ハロゲン反応物として使用すると、塩素のほうが密度（比重）が高いので、かつ／またはその全体が本願明細書において参照により援用されている同時係属中の米国特許出願第６１／３６４，６３１号（特許文献１２）に記載されているように分離装置によって、塩素を金属ハロゲン化物電解質から分離することができる。図１は、貯蔵所下部の液化塩素（要素１２６）を示す。金属ハロゲン化物電解質は、貯蔵所中の液化塩素の上にある（要素１２５）。
【００３４】
貯蔵所１１９は、液化ハロゲン反応物の供給路を含むことができる。供給路は、ハロゲン反応物をシステムの供給管または多岐管１１５に供給することができる。システムのハロゲン反応物供給路と供給多岐管は、放電ポンプ１２３の前で、放電ポンプ１２３において、または放電ポンプ１２３の後で、接続することができる。一部の実施形態において、システムのハロゲン反応物供給路と供給多岐管の接続は、混合ベンチュリ管を含むことができる。図１は、液化ハロゲン反応物供給路を要素１２７として示す。管、導管などの供給路１２７の入口は、液化塩素反応物などの液化ハロゲン反応物を貯蔵することができる貯蔵所１１９の下部１２６まで延在することができる。供給路１２７の出口は、放電ポンプ１２３の入口に接続されている。管、導管１３２などの電解質取り入れ供給路は、金属ハロゲン化物電解質がある上部１２５まで延在することができる。
【００３５】
前述したように、一部の実施形態において、貯蔵所１１９は、１枚以上の孔板などの分離装置を備えることができる。孔板は、例えば、その中に穴を有する水平板とすることができる。孔板は、液化ハロゲン反応物が、例えば放電モードにおいて戻り管または多岐管１２０から貯蔵所１１９に戻るときに、貯蔵所の下部１２６において、液化塩素反応物などの液化ハロゲン反応物の沈降を促進することができる。貯蔵所１１９は、好ましくは、ただし必須ではないが、セル１０３の積層体の下に位置する。
【００３６】
一部の実施形態において、貯蔵所１１９は、１個以上の邪魔板を備えることができる。かかる邪魔板は、貯蔵所の最上部および最下部に位置する垂直板とすることができる。邪魔板は、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物の戻り流における渦電流を減少および／または防止することができ、それによって貯蔵所における金属ハロゲン化物電解質からの液化ハロゲンの分離を向上させる。
【００３７】
ある実施形態において、放電ポンプは、その入口／出口が貯蔵所における金属ハロゲン化物電解質の上限レベルよりも下に位置するように、貯蔵所に対して位置することができる。ある実施形態において、放電ポンプの入口／出口は、水平にまたは本質的に水平に位置することができる。かかる配置において、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物の流れは、放電ポンプにおいて、入口における水平方向から供給多岐管または管１１５における垂直方向に９０度向きを変えることができる。一部の実施形態において、放電ポンプ１２３の入口は、ラッパ口を含むことができる。ラッパ口は、流れを減速させ、それによって貯蔵所における乱流の形成を防止／減少させることができる。
【００３８】
充電ポンプも、その入口／出口が貯蔵所における金属ハロゲン化物電解質の上限レベルよりも下の位置にすることができる。ある実施形態において、充電ポンプの入口／出口は、放電ポンプの入口／出口よりも低いレベルに位置することができる。充電ポンプの入口／出口も、ラッパ口を有することができる。ラッパ口は、流れを減速させ、それによって貯蔵所における乱流の形成を防止／減少させることができる。
【００３９】
したがって、要約すると、貯蔵所１１９は、液化分子塩素反応物などの液化ハロゲン反応物を含むことができる下部１２６、金属ハロゲン化物反応物を含むことができる上部１２５、水平孔板、垂直邪魔板、放電ポンプの水平入口、充電ポンプの水平出口、および液化ハロゲン反応物用供給路を有する。液化ハロゲン反応物用供給路は、貯蔵所の下部１２６に入口を有し、放電ポンプ入口に接続されている。孔板は、金属ハロゲン化物電解質とハロゲン反応物の境界が位置すると予想されるレベルにほぼ位置する。放電ポンプ入口および充電ポンプ出口は、貯蔵所の壁から突出することができる。
【００４０】
一部の実施形態において、電気化学システムは、例えば、放電ポンプの速度、充電ポンプの速度、および／またはハロゲン反応物を電解質に供給する速度を制御するのに使用することができる制御要素を含むことができる。かかる制御要素は、アナログ回路とすることができる。図１は、要素１２８として制御要素を示す。要素１２８は、以下のパラメータ、すなわち充電ポンプ１２４および放電ポンプ１２３の速度並びに供給路１２７を通る液化塩素反応物の供給速度の１つ以上を制御することができる。
【００４１】
密封コンテナの内部は、各々圧力の異なる幾つかの加圧区域を有することができる。例えば、内部は、第１の区域、および第１の区域よりも圧力が高い第２の区域を含むことができる。一部の実施形態において、第１の区域は、第２のより高い圧力域で包囲するかまたは取り囲むことができる。第１の区域は、電解質／液化ハロゲン反応物ループ、すなわち貯蔵所１１９、セル（単数または複数）１０３、ポンプ（単数または複数）１２３および１２４、多岐管（単数または複数）１１５、１２０を含むことができ、第２の周囲または包囲区域は、第１の区域と密封容器１０１の壁の間の空間とすることができる。図１において、セル１０３、供給多岐管または管１１５、貯蔵所の上部１２５の金属ハロゲン化物反応物およびその下部１２６の液化ハロゲン反応物を含む貯蔵所１１９、並びに戻り多岐管または管１２０はすべて、第１の圧力域内とすることができ、より高圧の第２の区域は、容器１０１の内部の領域１２９、１３０および１３１とすることができる。
【００４２】
かかる配置において、第１の区域の圧力は、ハロゲン反応物を所与の温度で液化するのに十分な圧力とすることができる。かかる圧力は、７５〜４５０ｐｓｉまたは７５〜４００ｐｓｉおよびその間のすべての部分範囲（少なくとも７５ｐｓｉまたは少なくとも１００ｐｓｉまたは少なくとも１２５ｐｓｉまたは少なくとも１５０ｐｓｉまたは少なくとも１７５ｐｓｉまたは少なくとも２００ｐｓｉまたは少なくとも２５０ｐｓｉまたは少なくとも３００ｐｓｉまたは少なくとも３５０ｐｓｉまたは少なくとも４００ｐｓｉ）などとすることができる。同時に、第２の圧力域の周囲圧力は、第１の区域の最大運転圧力よりも高くすることができる。かかる周囲圧力は、７５〜６５０ｐｓｉまたは２００〜６５０ｐｓｉまたは４００〜６５０ｐｓｉおよびその間のすべての部分範囲（少なくとも７５ｐｓｉまたは少なくとも１００ｐｓｉまたは少なくとも１２５ｐｓｉまたは少なくとも１５０ｐｓｉまたは少なくとも１７５ｐｓｉまたは少なくとも２００ｐｓｉまたは少なくとも２５０ｐｓｉまたは少なくとも３００ｐｓｉまたは少なくとも３５０ｐｓｉまたは少なくとも４００ｐｓｉまたは少なくとも４５０ｐｓｉまたは少なくとも５００ｐｓｉまたは少なくとも５５０ｐｓｉまたは少なくとも６００ｐｓｉ）などとすることができる。
【００４３】
包囲配置は、幾つかの利点を提供することができる。例えば、第１の区域／ループ回路から万一漏出した場合には、周囲の第２の区域のより高い圧力によって、漏出成分（単数または複数）が第１の区域の外側でなく内側を流れるようにすることができる。さらに、周囲のより高い圧力域は、多岐管、貯蔵所の壁などのプラスチック製部品を含めて、第１の区域／ループ回路の部品に疲労亀裂が伝播するのを軽減／防止することができる。加圧包囲配置によって、より薄い外壁（単数または複数）を密封コンテナ／容器に使用することもでき、それでも、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物の内部流れ形状に悪影響を及ぼし得る変形（単数または複数）を防止することができる。加圧第２区域がない場合、内部のより高い圧力の膨張力に対して構造が支持されないために、かかる変形（単数または複数）を防止するためのより厚い外壁（単数または複数）が必要になることがある。
【００４４】
ある実施形態において、密封コンテナ／容器の外壁は、円柱状部品および２枚の環状端板で形成することができる。環状端板の一方は、円柱状部品の最上部に、他方は容器を密閉するために最下部に配置することができる。かかる外壁に加圧包囲配置を使用すると、システムの動作中に生じる多様な圧力に外壁が曝される場合と比較して金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物の内部流れ形状が曝されずに、より薄い端板を使用することができる。
【００４５】
第２の圧力域は、アルゴン、窒素などの不活性ガスを充填することができる。一部の実施形態において、第２の圧力域は、第１の区域から漏出するハロゲン反応物などの反応剤を中和することができ、かつ／または第１の区域／ループ回路の壁を修復するための追加の成分を含むこともできる。かかる追加の材料は、例えばソーダ灰とすることができる。すなわち、空間１２９、１３０および１３１にソーダ灰を充填することができる。
【００４６】
加圧包囲配置の電気化学システムは、以下のように製作することができる。まず、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応剤の密閉ループ回路を製作することができる。密閉ループ回路は、液化ハロゲンの液化圧力を超える内圧を所与の温度で維持できるようにすることができる。密閉ループ回路は、１個以上の電気化学セル、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を貯蔵する貯蔵所、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を貯蔵所から１個以上のセルに送る供給多岐管または管、金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物を１個以上のセルから貯蔵所に戻す戻り多岐管、並びに１個以上のポンプのうちの１個以上を含むことができる。ループ回路を製作した後、それを容器またはコンテナの内部に配置し、密封することができる。容器またはコンテナは、その後、ループ回路の最大作動圧力よりも高い圧力に加圧することができる。容器の加圧は、アルゴン、窒素などの不活性ガスや、場合によっては１個以上の追加の成分中で、ポンピングによって実施することができる。容器の壁が、円柱状部品および２枚の端板で形成されるときには、密封手順は、円柱状部品の最上部および最下部に端板を含むことができる。
【００４７】
図２は、放電モードにおける図１の積層体１０３などの積層体の水平配置セルを通る金属ハロゲン化物電解質および液化ハロゲン反応物の流路を示す。図２における電解質流路は、矢印で示される。積層体のセルの各々では、流れは、供給管または多岐管２１（図１の要素１１５）から分配域２２中に進み、多孔質「塩素」電極２３を通り、基質（例えば、チタン基質またはルテニウム化チタン基質）、および基質上の酸化可能な金属（例えば、亜鉛）を含むことができる金属電極２５上に進み、収集域２６に進み、上向きの戻り多岐管２７（図１の要素１２１）を通り、戻り管２９（図１の要素１２２）に進む。
【００４８】
一部の実施形態において、要素２４を金属電極２５の最下部に配置することができる。さらに幾つかの別の実施形態において、かかる要素を省略することができる。要素２４の目的は、下にある隣接セルの多孔質電極を通過するときに、金属ハロゲン化物電解質の流れが活性金属電極に接触するのを防止することであり得る。換言すれば、要素２４は、電解質が各金属電極２５の片側（例えば、最下部側）に接触するのを防止して、金属（例えば、亜鉛）が金属電極２５の反対側（例えば、最上部側）のみに付着するようにする。ある場合には、要素２４は、ポリマーまたはプラスチック材料を含むことができる。
【００４９】
図２は、障壁３０も示す。各障壁３０は、以下で詳細に考察するセル枠３１の一部とすることができる。障壁３０は、正極を同一セルの負極から分離することができる。障壁３０は、ＰＴＦＥなどのポリマー材料とすることができる電気絶縁材料を含むことができる。セル枠３１はＰＴＦＥなどのポリマー材料で作製することができる。セル枠３１は、セル枠の開口が整列して多岐管２１、２７および２９を形成するように積層された板状枠を含むことができる。しかし、別の多岐管構成を必要に応じて使用することができる。
【００５０】
図２に示した構造において、金属ハロゲン化物電解質は、強制的に多孔質電極を通って下方に流れ、次いで上方に流れて、セルから流出することができる。かかる下方と上方の流路によって、各セルの多孔質電極および金属電極は、電解質の流れが停止したときの各セル並びに供給多岐管、分配域、収集域および戻り多岐排液管に残留する金属ハロゲン化物電解質のプールと電気的に接触することができる。かかる接触によって、流れが停止したときにセルの積層体における導通を維持することができ、連続ポンプ動作なしに無停電電源（ＵＰＳ）の適用に備えることができる。各セル内の下方と上方の流路は、電解質の流れが停止したときにさもなければ生じる分流を遮断することもできる。分流は、システムに貯蔵されたエネルギーの望ましくない自己放電、および積層体全体にわたってＺｎなどの酸化可能な金属などの１種類以上の活性材料の不都合な不均一分布をもたらし得るので、望ましくない。
【００５１】
図３Ａおよび３Ｂは、図２に示した水平配置電気化学セルを保持する枠３１のそれぞれ充電面または表面（例えば、底面）および放電面または表面（例えば、最上面）の特徴を示す。枠３１は、充電モード入口多岐管１を備え、それを通して電解質が充電モード中に電気化学セルに供給される。前述したように、多岐管１は、積層された別の枠３１の同様の穴と整列して多岐管を形成する枠３１を通る穴である。多岐管１は、図１および２に示した多岐管１１５、２１と同じ多岐管を含むことができる。電解質は、充電モード入口多岐管１から枠３１の流路４０ｃおよび入口６１を通って電気化学セルに流れる。図３Ａに示した実施形態において、充電モード入口多岐管１は、単一の流路４０ｃに接続している。単一の流路４０ｃは、副流路に続々と分割して（すなわち、各流路が２つの副流路に２回以上分割する流れ分岐点）、より均一な層状の電解質流れを電極２３、２５にもたらす。電極２３、２５を通過後、電解質は、共通流出口６５を介してセルを出て、枠３１の充電入口多岐管１とは反対端部または反対側の流路４０ｅに流入する。電解質は、流出口流路４０ｅから共通出口（すなわち、排液）多岐管３に流出する。出口多岐管３は、図１および２におけるそれぞれ多岐管１２１および２７と同じ多岐管を含むことができる。流出口路４０ｅは、図３Ａに示すように、流れ分岐点／副流路を含むこともできる。図３Ａに示すように、充電モード入口多岐管１のみが、枠３１の充電側の流路４０ｃに流体的に接続されている。
【００５２】
図３Ｂに示すように、放電側では、（図１および２には示されていない）放電モード入口多岐管２が放電入口路４０ｄに接続され、充電入口多岐管１は放電入口路４０ｄから流体的に分離されている。共通出口（すなわち、排液）多岐管３は、枠３１の放電（例えば、最上）面で任意選択のバイパス路４４を介して電気化学セルに接続されている。バイパス路４４およびバイパス出口６６の操作については後でより詳細に考察する。その他の点では、電解質流れは、流路４０ｄおよび入口６２から多孔質電極２３を通って流れ、セルの反応域を流れ、次いで共通流出口または出口６５、次いで出口路４０ｅを介して共通出口多岐管３に流出する。
【００５３】
図４は、図３Ａの「Ａ」と標識された枠の部分の詳細を示す。一実施形態において、電気化学セルを含む中央空間４１への充電モード流路４０ｃの各々からの入口６１は、膨張部４５を備える。膨張部４５は、残りの流路４０ｃよりも幅が広く、入口６１に向かって幅が連続的に増加し得る（すなわち、上から見たときに三角形形状）。膨張部４５は、電解質を広げるのを助け、それによって電極２３、２５全体にわたって電解質のより均一な層流分布をもたらす。一実施形態において、膨張部４５は、さらに、隆起部または柱４６を備える。隆起部または柱４６は、流通電解質と相互作用して、入口流れの乱流を抑制する。このようにして、より平滑でより層状の電解質流れを電極２３、２５にもたらすことができる。
【００５４】
図５は、図３Ａの線Ａ’−Ａ’を通る枠積層体中の電気化学セル積層体の一実施形態の断面図を示す。断面Ａ’−Ａ’は、電気化学セルにおける入口多岐管１から出口多岐管３への電解質の流れを横切っている。この実施形態において、枠３１は、（負の）非多孔質金属電極２５がその上に設置された突起部３３を備える。さらに、第１の電気化学セル１０２ａの非多孔質電極２５は、隣接する電気化学セル１０２ｂの（正の）多孔質電極２３から金属または炭素スペーサなどの導電性スペーサ１８によって分離され、（正の）多孔質電極２３に接続されている。それによって、電解質流路が、第１の電気化学セル１０２ａの非多孔質電極２５と隣接電気化学セル１０２ｂの多孔質電極２３の間に形成される。さらに、導電性スペーサは、電解質流路を一連の流路１９に分割する。
【００５５】
一実施形態において、隣接電気化学セル１０２の電極２３、２５は集合体５０として備えられる。この実施形態において、第１の電気化学セル１０２ａの非多孔質電極２５、導電性スペーサ１８、および隣接電気化学セル１０２ｂの多孔質電極２３を単一ユニットとして組み立てる。個々の部品を接着、ボルト留め、クランプ留め、蝋付け、はんだ付けまたは連結することができる。電極集合体５０の製作は、積層フローセル装置の組み立てを単純化し、高速化する。各電極集合体は、それぞれの枠３１中に配置され、一方の電極（例えば、大きい方の非多孔質電極２５）は、突起部３３によって枠３１中に支持され、他方の電極（例えば、小さい方の多孔質電極２３）は、突起部３３間の空間４１に他方の電極からのスペーサ１８によってつり下げられる。言うまでもなく、電極の順序を逆にすることができ、多孔質電極を突起部３３で支持することができる。枠へのボルト留め、クランプ留めなどの他の電極取付け構造を使用することができる。電極２３、２５を備えた枠３１を積層してセルの積層体１０３を形成する。各枠を積層すると、上枠の底部多孔質電極２３と隣接する下枠の最上部非多孔質電極２５との間に反応域３２を有する新しいセル１０２ａが形成される。図５に示したように、同じセル（例えば、１０２ａ）の電極２３、２５は、互いに物理的または電気的に接触せず、別々の電極集合体の一部を構成する。
【００５６】
図６は、図３Ａの線Ｂ’−Ｂ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。この断面は、充電入口多岐管１、電気化学セル１０２の積層体１０３、および共通出口排液多岐管３を横切っている。図に示したように、共通出口排液多岐管３は図６の左側にあり、充電入口多岐管１は図６の右側にある。すなわち、図６は図３Ａの鏡像（すなわち、断面の１８０度回転）であり、図６はフロー電池の電解質流れを説明するのに図８〜１２と併用すると好都合な場合がある。具体的には、図６の断面は、図８に示した充電流れ構成の枠３１およびセル１０２の構造を示す。
【００５７】
図８に示した流れ構成（充電モードの１００％フローバイ流れ）を得るために、枠底面にフローバイ流路４０ｃが設けられる。流路４０ｃは、充電入口多岐管１を各セルの反応域３２に接続し、充電モードにおける流入電解質の１００％が非多孔質電極２５を横切って各セル１０２の各電極２５の上に亜鉛の層を堆積させる。流入電解質は、充電入口多岐管１から多孔質電極２３に直接送られず、多孔質電極２３を通って反応域３２にも送られない。電気化学セルの充電入口多岐管１とは反対の末端において、出口流路４０ｅが枠３１の底面に設けられて、電解質が共通出口排液多岐管３に達する。枠３１は、流路１９中の電解質を共通出口排液多岐管３に排出させるバイパス路４４も枠の最上面または表面に備える。
【００５８】
図７は、図３Ｂの線Ｃ’−Ｃ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。図７は、図３Ｂの鏡像（すなわち、断面の１８０度回転）である。この断面は、図１０に示した放電流れ構成（１００％フロースルー放電流れ）に対応する。流路４０ｄは、枠３１中の放電入口多岐管２を各電極集合体５０におけるスペーサ１８間の流路１９に接続する。電解質は、入口６２および流路１９を介して多孔質電極２３の上に電解質を送るように構成されたフロースルー流路４０ｄを通過することによって、放電モード入口多岐管２を介してセル１０２に流入する。枠３１の最上面には多岐管２に接続されたフローバイ流路４０ｃがないので、電解質はすべて多孔質電極２３の上に供給される。比較的少ない電解質流量では、電解質流れはすべて多孔質電極２３を通って下の反応域３２に流れる。次いで、電解質は、セル１０２から出口流路４０ｅを通って共通出口排液多岐管３に流出する。電解質流量が多いと、電解質の一部は、多孔質電極２３、反応域３２および流路４０ｅを通過せずに、流路１９からバイパス出口６６およびバイパス路４４を介して共通出口排液多岐管３に流出する場合がある。あるいは、セルと枠を反転させることができ、充電モード流路４０ｃは各枠の上部に、放電モード流路４０ｄは各枠の底部になる。
【００５９】
したがって、図３Ａ、３Ｂ、５、６、８および１０に示すように、充電モード電解質入口６１は、第１の電極２３と第２の電極２５との間の反応域３２に位置する。入口６１は枠の底部の流路４０ｃに接続され、流路４０ｃは充電モード入口多岐管１に接続されている。放電モード電解質入口６２は、反応域３２の外側に、反応域３２とは反対側の第１の電極２３の表面に隣接して位置する。具体的には、入口６２は、多孔質電極２３の上の流路１９と枠３１の上の流路４０ｄの間に位置する。流路４０ｄは多岐管２に接続している。共通電解質出口または流出口６５は、第１の電極２３と第２の電極２５との間の反応域３２に位置する。出口６５は枠３１の底部の流路４０ｅに接続され、流路４０ｅは多岐管３に接続されている。
【００６０】
図８〜１２は、充電モードと放電モードで流れ構成が異なるフローセルの実施形態の側断面図である。異なる流れ状態は、別々の電解質充電モード入口多岐管１と放電モード入口多岐管２をセル中に積層することによって生成される。共通電解質出口多岐管３は、充電および放電モードで使用することができる。したがって、フロー電池は、好ましくは、充電モード入口多岐管１、充電モード入口多岐管１とは異なる放電モード入口多岐管２、並びに共通充電および放電モード電解質出口多岐管３を備える。好ましくは、共通電解質出口多岐管３は、充電モードと放電モードの両方で反応域の外の電解質を許容するように構成される。一実施形態において、充電モード入口多岐管１から通じる流路４０ｃからの入口６１は、第１の電極２３と第２の電極２５との間の反応域３２に位置するか、または直接隣接する。放電モード入口多岐管２から通じる流路４０ｄからの入口６２は、反応域３２の外側に、反応域３２とは反対側の第１の電極２３の表面に隣接して位置する。流路４０ｅと共通電解質出口多岐管３に通じる出口または流出口６５は、第１の電極２３と第２の電極２５との間の反応域３２に位置するか、または直接隣接する。
【００６１】
あるいは、充電モードと放電モードで別々の出口を必要に応じて使用することができる。図８、９Ａ、９Ｂ、９Ｃおよび９Ｄは、充電モードの種々の流れ構成を示す。図１０、１１Ａおよび１１Ｂは、放電モードの種々の流れ構成を示す。図１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃは、分割電極２３、２５を含むセルにおける充電モードおよび放電モードの流れ構成を示す。
【００６２】
前述したように、図８、９Ａ、９Ｂ、９Ｃおよび９Ｄは、充電モードの電解質流れを示す。図８に示した実施形態において、電解質流れは、１００％「フローバイ」モードで構成される。充電モードフローバイモードにおいて、電解質は、多岐管１から充電入口６１を通って反応域３２に直接流入する。すなわち、電解質は、第１の電極２３および第２の電極２５をどちらの電極も通過せずに通り過ぎるか、またはそのそばを流れる。反応域３２を通過した後、電解質は、フローセル１０２から流出口６５を通って流路４０ｅ、次いで共通出口多岐管３に流出する。
【００６３】
図９Ａに示した実施形態において、電解質の大部分は充電モードフローバイモードで流れ、電解質の一部は充電モード「フロースルー」モードで流れる。充電モードフロースルーモードにおいて、電解質は多孔質電極２３を通って流れる。この実施形態において、電解質は、充電モードで多岐管２から入口６２を介して多孔質電極２３の上に供給され、重力下で多孔質電極２３を通って反応域３２に流下する。前の実施形態と同様に、電解質は、フローセル１０２から流出口６５を介して流路４０ｅ、次いで共通出口多岐管３に流出する。あるいは、電解質が多孔質電極２３の上に多岐管１を介して供給される場合、別の開口が枠３１の上の多岐管１と流路４０ｄとの間に追加される。
【００６４】
図９Ｂに示した実施形態は、図９Ａに示した実施形態に類似している。しかし、この実施形態において、電解質の大部分は、セルの充電サイクル中に充電モードフロースルーモードでフローセル１０２に供給される。電解質の一部は、充電中に充電モードフローバイモードで供給される。したがって、この実施形態において、電解質の少なくとも一部は充電モードフローバイモードで供給される。
【００６５】
図９Ｃにおいて、電解質は、枠３１中のフローバイ流路４０ｃおよび入口６１を介して充電モード入口多岐管１からフローセル１０２に供給される。電解質の大部分は、充電モードフローバイモードで金属電極２５を横切る。しかし、図８に示した実施形態とは異なり、電解質流れの速度は、電解質の一部が多孔質電極２３を通って上に流れ、バイパス４４を介して多岐管３に流出するようなものである。
【００６６】
図９Ｄに示した実施形態は、図９Ｃに示した実施形態に類似している。しかし、この実施形態において、電解質の流量並びに出口流路４０ｅおよびバイパス路４４の相対サイズは、電解質の大部分が充電モードで多孔質電極２３を通って上に流れ、バイパス４４を介して多岐管３に流出するようなものである。この実施形態において、電解質の一部は、非多孔質電極２５を横切り、流出口６５および流路４０ｅを介して流出する。
【００６７】
前述したように、図１０および１１Ａ〜１１Ｂは、放電モードの電解質流れを示す。放電モードの流れ構成は、充電モードの流れ構成に類似している。しかし、放電モード中、電解質の少なくとも一部は、多孔質電極２３を通って流れる。図１０に示した実施形態において、電解質は、１００％放電フロースルーモードで流れる。すなわち、電解質の１００％は、放電入口多岐管２から流路４０ｄおよび１９並びに多孔質電極２３を通って反応域３２に流入する。反応域３２を通過した後、電解質は、フローセル１０２から流出口６５および流路４０ｅを介して共通出口排液多岐管３に流出する。
【００６８】
図１１Ａに示した放電モードの実施形態において、電解質の大部分は、放電フロースルーモードで（すなわち、多岐管２から流路４０ｄおよび１９並びに多孔質電極２３を通って）供給され、電解質の一部は、放電フローバイモードで（すなわち、電極２３と２５との間の反応域３２中に）供給される。図１１Ｂに示した放電モードの実施形態において、電解質の大部分は放電フローバイモードで供給され、電解質の一部は放電フロースルーモードで供給される。フロースルーモードにおいて、電解質は多岐管１を介して供給することができる。あるいは、電解質が多岐管２を介して供給される場合、追加の開口が多岐管２と流路４０ｃとの間に設けられる。
【００６９】
図１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃに示した実施形態において、電極２３、２５は分割されている。すなわち、単一の一体型部品として作製されるのではなく、電極２３、２５は、複数の別々の電極部材２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂを含む。この実施形態において、１個以上の共通出口排液多岐管３（例えば、電極部材セグメント間の整列した出口開口または穴）が、別々の電極部材２３ａ、２３ｂ、２５ａ、２５ｂの間に設けられる。共通出口排液多岐管３は、第１の電極２３、第２の電極２５、または電極２３、２５の両方に設けることができる。上から見て環状の電極の場合、共通出口排液多岐管３は中央に存在することができ、電極部材は、共通出口排液多岐管３の周りに配列されたくさび形セグメントを構成する。
【００７０】
図１２Ａに示した流れ構成は充電モードの１００％フローバイであり、図１２Ｂに示した流れは放電モードの１００％フロースルーである。ただし、図９Ａおよび９Ｂに示した前の実施形態と同様に、充電モード流れを部分的フローバイおよび部分的フロースルーで構成することができる。さらに、図１０Ａおよび１０Ｂに示した前の実施形態と同様に、放電モード流れを部分的フローバイおよび部分的フロースルーで構成することができる。
【００７１】
図１２Ｃに分割電極２３、２５を用いた別の充電モードの実施形態を示す。この実施形態において、図９Ｃに示した実施形態と同様に、電解質は反応域３２に比較的高い流量で直接供給される。電解質の大部分は充電モードフローバイモードで流れ、電解質の一部は多孔質電極２３を通って上に送られる。この実施形態において、電解質の大部分は、フローセル１０２から流出口６５および流路４０ｅを介して共通出口排液多岐管３に直接流出し、電解質の一部はバイパス路４４を通って共通出口排液多岐管３に流れる。
【００７２】
前述したように、本発明者らは、充電モードと放電モードで異なる流れ構成とすることによって、より平坦で、より平滑で、より高密度の金属電気めっきが得られることを発見した。図８〜９および１０〜１１に示した異なる充電および放電モード流れ構成は、これらの図の間で４、５および６と標識された連結線で示されたように組み合わせることができる。図９Ｃおよび９Ｄに示した充電モード流れ構成は、図１０、１１Ａおよび１１Ｂに示した放電流れ構成と組み合わせることができる。
【００７３】
例えば、図８に示した１００％フローバイ充電モードの実施形態を、矢印４に示したように、図１０の１００％フロースルー放電モードの実施形態、図１１Ａの主要フロースルー放電モードの実施形態、または図１１Ｂの一部フロースルー放電モードの実施形態と組み合わせることができる。したがって、フロー電池の一実施形態において、充電モード入口多岐管１は、全電解質を充電モードフローバイモードで反応域３２に供給するように構成され、放電モード入口多岐管２は、電解質を放電モードフローバイモードで反応域３２に供給しないように構成される。あるいは、放電モード入口多岐管２は、電解質のすべてまたは一部を放電モードフロースルーモードで反応域３２に供給するように構成され、電解質の一部を放電モードフローバイモードで反応域３２に供給するように構成される。
【００７４】
あるいは、図９Ａに示した主要フローバイ充電モードの実施形態を、矢印５に示したように、図１０に示した１００％フロースルー放電モードの実施形態、または図１１Ａに示した主要フロースルー放電モードの実施形態と組み合わせることができる。したがって、一実施形態において、充電モード入口多岐管１は、電解質の主要な部分を充電モードフローバイモードで反応域３２に供給するように構成され、放電モード入口多岐管２は、電解質のすべてを放電モードフロースルーモードで反応域３２に供給するように構成される。あるいは、充電モード入口多岐管１は、電解質の主要な部分を充電モードフローバイモードで反応域３２に供給するように構成され、放電モード入口多岐管２は、電解質の小部分を充電モードフローバイモードで、残りを放電モードフロースルーモードで反応域３２に供給するように構成される。
【００７５】
あるいは、図９Ｂに示した一部のフローバイの実施形態を、矢印６に示したように、図１０に示した１００％フロースルー放電モードの実施形態、または図１１Ｂに示した一部のフロースルー放電の実施形態と組み合わせることができる。したがって、一実施形態において、充電モード入口多岐管１は、電解質の小部分を充電モードフローバイモードで反応域３２に供給するように構成され、放電モード入口多岐管２は、電解質のすべてを放電モードフロースルーモードで反応域３２に供給するように構成される。あるいは、充電モード入口多岐管１は、電解質の小部分を充電モードフローバイモードで反応域３２に供給するように構成され、放電モード入口多岐管２は、一部の電解質を反応域３２に供給するように構成される。
【００７６】
図９Ｃおよび９Ｄに示した充電モードの実施形態は、図１０、１１Ａまたは１１Ｂに示した放電モードの実施形態のいずれかと組み合わせることができる。すなわち、充電モードにおいて、電解質は、最初に充電モードフローバイモードで供給することができ、電解質の後続部分は充電モードフロースルーモードで多孔質電極を通って上方に流れ、放電モードにおいて、電解質は、１００％放電モードフロースルーモード（図１０）、主要放電モードフロースルーモード（図１１Ａ）、または一部放電モードフロースルーモード（図１１Ｂ）で供給することができる。
前に使用した「主要な部分」という用語は、５１〜９９体積％、例えば６０〜９０体積％など、電解質の５０体積％超を意味する。「小部分」という用語は、１〜４９体積％（例えば、１０〜４０体積％）などの電解質の５０体積％未満を意味する。
【００７７】
それぞれ図１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃに示した分割電極充電および放電モード流れ構成は、図８〜９および１０〜１１に示した実施形態と同様に組み合わせることができる。すなわち、１００％フローバイ充電モードの実施形態を、１００％フロースルー放電モードの実施形態、主要フロースルー放電モードの実施形態、または一部フロースルー放電モードの実施形態と組み合わせることができる。あるいは、主要フローバイ充電モードの実施形態を１００％フロースルー放電モードの実施形態または主要フロースルー放電モードの実施形態と組み合わせることができる。あるいは、一部フローバイ充電モードの実施形態を１００％フロースルー放電モードの実施形態または一部フロースルー放電モードの実施形態と組み合わせることができる。さらに、図８〜１１に示した実施形態を、図１２Ａ、１２Ｂおよび１２Ｃに示した実施形態と組み合わせることができる。すなわち、第１の電極２３または第２の電極２５の一方を単一の一体型電極とすることができ、他方は分割される。
【００７８】
要約すると、前述したように、フロー電池は、充電モードの第１の電解質流れ構成と放電モードの第２の流れ構成で構成される。第１の電解質流れ構成は、第２の電解質流れ構成とは少なくとも部分的に異なる。充電モードにおいて、電解質の少なくとも一部は、充電モード入口多岐管１から反応域３２中に、さらに反応域３２から共通電解質出口多岐管３に送られる。放電モードにおいて、電解質の少なくとも一部は、放電モード入口多岐管２から反応域３２中に、さらに反応域３２から共通電解質出口多岐管３に送られる。したがって、フロー電池は、同じ第１および第２の流れ構成で作動する同じ電池よりも高い電流およびクーロン効率で作動することができる。
【００７９】
図１３Ａ〜１３Ｃは、枠内に２個の貯蔵所および２個の出口多岐管を含む本発明の別の一実施形態を示す。図１３Ａおよび１３Ｂは、別の実施形態の枠３１のそれぞれ充電および放電側を示す。図１３Ａおよび１３Ｂに示した枠は、共通出口多岐管３が異なる別々の充電モード出口多岐管３Ａおよび放電モード出口多岐管３Ｂで置換されたことを除いて、図３Ａおよび３Ｂに示した枠と類似している。多岐管３Ａおよび３Ｂは「充電」および「放電」モード出口多岐管と称するが、これらの名称は単に便宜上のものである。後でより詳細に述べるように、両方の多岐管は好ましくは充電モードで使用され、「充電」モード出口多岐管のみが放電モードで使用される。
【００８０】
図１３Ａに示すように、充電および放電モード出口多岐管３Ａおよび３Ｂは、枠３１のそれぞれ充電および放電モード入口多岐管１および２とは反対側に並列することができる。入口多岐管１、２、流路４０ｃ、４０ｄおよび入口６１、６２は、それぞれ前述した図３Ａ、３Ｂと同様に、図１３Ａ、１３Ｂで同じである。
【００８１】
しかし、図１３Ａにおいて、充電モード電解質出口６５は、充電モードと放電モードの両方で電解質を反応域から流出口路４０ｅを通って（共通多岐管ではなく）充電モード出口多岐管３Ａに送るように構成されている。図１３Ｂに示すように、放電モード電解質出口６６は、充電モードで電解質を反応域から放電モード出口路４４を通って放電モード出口多岐管３Ｂに送るように構成されている。したがって、図１３Ｂにおいて、流路４４をバイパス路４４ではなく放電モード出口路と称する。というのは、図１３Ｂの流路４４は、流路４０ｅとは異なる出口多岐管３Ｂに接続しているからである。
【００８２】
図３Ａに示した出口６５および流路４０ｅと同様に、図１３Ａに示すように、充電モード電解質出口６５は透過性電極と不透過性電極との間の反応域に位置し、流路４０ｅは枠３１の第１の、すなわち「充電」側に位置する。図１３Ｂに示すように、放電モード電解質出口６６は、反応域の外側に、反応域とは反対側の第１の電極の表面に隣接して位置し、流路４４は、枠３１の反対の第２の、すなわち「放電」側に位置する。複数の充電モード出口路４０ｅは、枠積層体における１組の整列した開口によって形成された充電モード出口多岐管３Ａに接続され、１個以上の放電モード出口路４４は、枠積層体における異なる整列した開口によって形成された放電モード出口多岐管３Ｂに接続されている。
【００８３】
好ましくは、図１３Ｃに示すように、図１３Ａおよび１３Ｂに示した構成は、別々の電解質貯蔵所と一緒に使用される。図１３Ｃに示したフロー電池システム１３００は、別々の溶解塩素の少ない貯蔵所１１９Ａおよび溶解塩素の多い貯蔵所１１９Ｂに流体的に接続された前述したフローセルの積層体１０３を含む。塩素以外のハロゲンを使用するフロー電池を含むために、貯蔵所１１９Ａは、電解質（例えば、塩化亜鉛）を選択的に蓄積するように構成された体積を含む「液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所」と総称することができ、貯蔵所１１９Ｂは、電解質に加えて液化ハロゲン反応物（例えば、溶解塩素）を選択的に蓄積するように構成された体積を含む「液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所」と総称することができる。換言すれば、貯蔵所１１９Ａは、貯蔵所１１９Ｂよりも少ない液化ハロゲン反応物（例えば、溶解塩素）を含む電解質（例えば、塩化亜鉛）を含む。
【００８４】
システム１３００は、充電モード入口多岐管１に流体的に接続された充電モードポンプ１２３、および放電モード入口多岐管２に接続された放電モードポンプ１２４も含む。
充電モード入口多岐管１および充電モード出口多岐管３Ａは、液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所１１９Ａと流体的に連通しているが、液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所１１９Ｂとは流体的に連通していない。例えば、充電モード供給ライン１３３は、貯蔵所１１９Ａに延在し、多岐管１に接続している。一方、多岐管３Ａの出口は、貯蔵所１１９Ａに出る。
【００８５】
放電モード入口多岐管２および放電モード出口多岐管３Ｂは、液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所１１９Ｂと流体的に連通しているが、液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所１１９Ａとは流体的に連通していない。例えば、放電モード供給ライン（単数または複数）１３２／１２７は、貯蔵所１１９Ｂに延在し、多岐管２に接続している。一方、多岐管３Ｂの出口は、貯蔵所１１９Ｂに出る。
【００８６】
フロー電池システム１３００は、図１３Ｃを参照して以下のように作動する。充電モードにおいて、電解質は、充電モード電解質入口６１から各フローセルの反応域３２に供給され（図５参照）、反応域３２からそれぞれ図１３Ａおよび１３Ｂに示した充電モード電解質出口６５と放電モード電解質出口６６の両方に送られる。好ましくは、充電モード作動中のフローセルに使用された溶解塩素の少ない塩化亜鉛電解質などの電解質はすべて、充電モードポンプ１２３を使用して、液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所１１９Ａから充電モード入口管１、充電モード入口路４０ｃおよび充電モード電解質入口６１を通って反応域３２に供給される。次いで、電解質は、反応域から充電モード電解質出口６５、充電モード出口路４０ｅおよび充電モード出口管３Ａを通って液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所１１９Ａに、さらに透過性電極２３、放電モード電解質出口６６、流路４４および放電モード出口管３Ｂを通って液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所１１９Ｂに送られる。
【００８７】
放電モードにおいて、電解質は、放電モード電解質入口６２から反応域３２に、さらに反応域３２から充電モード電解質出口６５に送られる。好ましくは、溶解塩素の多い塩化亜鉛電解質が放電モード作動中にフローセルに使用される。この電解質は貯蔵所１１９Ｂから供給され、この電解質は、充電モード中に貯蔵所１１９Ａから供給される溶解塩素の少ない塩化亜鉛電解質よりも多い溶解塩素（例えば、２〜１０倍多い溶解塩素）を含む。したがって、溶解塩素の少ない貯蔵所１１９Ａを「充電モード貯蔵所」と称することができ、溶解塩素の多い貯蔵所１１９Ｂを「放電モード貯蔵所」と称することができる。
【００８８】
好ましくは、放電モード作動中にフローセルに使用される電解質（例えば、溶解塩素の多い電解質）はすべて、放電モードポンプ１２４を使用して、液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所１１９Ｂから放電モード入口管２、放電モード入口路４０ｄ、放電モード電解質入口６２を通り、さらに多孔質電極２３を通って反応域３２に供給される。次いで、電解質は、反応域３２から充電モード電解質出口６５、出口路４０ｅおよび充電モード出口管３Ａを通って液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所１１９Ａに送られる。
【００８９】
したがって、充電モードにおいて、すべての電解質（すなわち、塩素の少ない電解質）は、貯蔵所１１９Ａから多岐管１を介して積層体１０３に入るが、積層体１０３から出口多岐管３Ａと３Ｂの両方を通ってそれぞれの貯蔵所１１９Ａおよび１１９Ｂに入る。電解質は、積層体を出ると分岐して、溶解塩素の少ない部分は反応域から出口６５および多岐管３Ａを介して貯蔵所１１９Ａに送られ、溶解塩素の多い部分は透過性電極２３を通り出口６６および多岐管３Ｂを介して貯蔵所１１９Ｂに送られる。それに対して、放電モードにおいて、電解質（例えば、溶解塩素の多い電解質）はすべて、貯蔵所１１９Ｂから多岐管２を介して積層体１０３に入り、積層体１０３から（溶解塩素の少ない電解質として）出口多岐管３Ａのみを通ってそのそれぞれの貯蔵所１１９Ａに入る。放電出口多岐管３Ｂは、多岐管３Ｂの弁６７を閉じることによって放電モードで積層体１０３から遮断することができる。弁６７は充電モード中に開いていることができる。したがって、前述したように、この実施形態において多岐管、流路および入口に関する「充電」および「放電」という用語は、放電流れが充電モードと放電モードで交差するので、便宜上のものにすぎない。
【００９０】
要約すると、図１３Ｃを参照して、充電モードにおいて、充電入口多岐管１は、電解質を貯蔵所またはタンク１１９Ａから取り出す。電解質は、積層体１０３中のセルに入口６１から入り、図９Ｃまたは９Ｄに示した流れ構成で送られる。フローセル反応域３２中の２個の電極２３、２５の間を流れる電解質の塩素の少ない部分は、出口６５からセルを出て、充電出口多岐管３Ａに向かって送られる。充電出口多岐管３Ａを介して流れる電解質は、溶解Ｃｌ2が少なく、タンク１１９Ａに送られる。図９Ｃまたは９Ｄに示すように多孔質電極２３を流れる塩素の多い電解質は、出口６６からセルを出て、放電出口多岐管３Ｂに向かって送られる。放電出口多岐管３Ｂを介して流れる電解質は、溶解Ｃｌ2が多く、貯蔵所またはタンク１１９Ｂに送られる。
【００９１】
放電モードにおいて、放電入口多岐管２は、溶解Ｃｌ2の多い電解質をタンク１１９Ｂから取り出す。この電解質は、積層体１０３中のセルに入口６２から入り、図１０に示した流れ構成で送られる。電解質は出口６５から出て、充電出口多岐管３Ａに向かって送られる。充電出口多岐管３Ａを介して積層体を出た電解質は、溶解Ｃｌ2が少なく、タンク１１９Ａに送られる。
【００９２】
したがって、図９Ｃ、９Ｄおよび１３Ａを参照して、充電モード電解質入口６１は、電解質すべてを反応域３２に充電モードで供給するように構成され、放電モード電解質入口６２は、電解質を反応域に充電モードで供給しないように構成される。図１０および１３Ａに示すように、放電モード電解質入口６２は、電解質すべてを反応域３２に放電モードで供給するように構成され、充電モード電解質入口６１は、電解質を反応域に放電モードで供給しないように構成される。
【００９３】
図９Ｃ、９Ｄおよび１３Ａに示すように、充電モード電解質出口６５は、電解質の液化ハロゲン反応物の少ない部分を反応域３２から液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所１１９Ａに充電モードで送るように構成される。図９Ｃ、９Ｄおよび１３Ａに示すように、放電モード電解質出口６６は、（例えば、弁６７が開いているので、）電解質の液化ハロゲン反応物の多い部分を反応域から液化ハロゲン反応物の多い電解質貯蔵所１１９Ｂに充電モードで送るように構成される。
【００９４】
放電モード電解質出口６６は、（例えば、弁６７が閉じているので、）電解質を反応域３２から放電モードで送らないように構成され、充電モード電解質出口６５は、液化ハロゲン反応物の少ない電解質を含む電解質すべてを反応域３２から液化ハロゲン反応物の少ない電解質貯蔵所１１９Ａに放電モードで送るように構成される。
【００９５】
図１４〜１７は、間隙高さの変えられる流路１９を有する電極集合体５０の別の一実施形態を示す。具体的には、この実施形態において、流路間隙の高さは、流路の出口に近い部分よりも流路の入口に近い部分で高い。一構成において、流路間隙高さは、図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、傾斜流路挿入部２０１を各流路１９に設けることによって変えることができる。
【００９６】
図１４Ａは、別の実施形態による図３Ａの線Ａ’−Ａ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。図１４Ｂは、図１４Ａの線Ｄ’−Ｄ’を通る電気化学セル積層体の断面図である。図１４Ａの積層体は、図５の積層体とは上下反対である点で、図５の積層体とは異なる。したがって、図１４Ａの各電極集合体５０において、多孔質電極２３は、積層体を垂直に配列すると非多孔質電極２５の上に位置する。それに対して、図５の各電極集合体５０において、多孔質電極２３は、積層体を垂直に配列すると非多孔質電極２５の下に位置する。
【００９７】
図１４Ａおよび１４Ｂに示した構成は、亜鉛塩化物、亜鉛臭化物電解質などの任意の金属ハロゲン化物電解質と一緒に使用することができる。非限定的で例示的な構成において、別の実施形態の積層体は、外部圧力容器を使用せずに、大気圧（例えば、１気圧）で亜鉛臭化物電解質水溶液と一緒に使用することができる。
【００９８】
図１４Ａおよび１４Ｂに示すように、挿入部２０１は、各集合体５０における流路１９中の非多孔質電極２５の上に置かれている。図１５Ａに示すように、挿入部２０１は、一方の側が反対側よりも厚いプラスチックまたは別の電気絶縁挿入部（例えば、セラミック、ガラスなど）を含むことができる。
【００９９】
放電モード電解質入口６２に隣接する挿入部の第１の部分２０１Ａは、共通電解質出口６５に隣接する挿入部の第２の部分２０１Ｂよりも薄い。好ましくは、図１４Ｂに示すように、部分２０１Ａおよび２０１Ｂは、それぞれの入口６２および出口６５の下に位置する枠３０の隣接する部分とほぼ同じ厚さである。各流路１９の間隙は、挿入部２０１の第２の部分２０１Ｂの上よりも挿入部の第１の部分２０１Ａの上のほうが高い。入口６２端部における流路１９の間隙高さ１９Ａは、出口６５／４４端部における間隙高さ１９Ｂの３〜４倍（例えば、３倍）などの２倍〜５倍とすることができる。例えば、間隙高さ１９Ａは０．７５〜３ｍｍ（例えば、１．５ｍｍ）などの０．２〜１０ｍｍとすることができ、間隙高さ１９Ｂは０．２５〜０．７５ｍｍ（例えば、０．５ｍｍ）などの０．１〜２ｍｍとすることができる。
【０１００】
挿入部２０１は、傾斜上面２０３を有する。種々の傾斜構成を使用することができる。例えば、上面２０３は、図１６Ａに示すような一定の傾斜、図１６Ｂに示すような複数の不連続な傾斜（例えば、入口のより急な傾斜と出口のより緩やかな傾斜）、または図１６Ｃに示すようななめらかに斜度が変わる傾斜を有することができる。流路間隙の正確な形状は、挿入部２０１の上面２０３の所望の傾斜を選択することによって所望の流動特性が得られるように調整することができる。
【０１０１】
挿入部２０１は、導電性スペーサ１８間の流路１９に挿入することができ、流路１９の開口部分（すなわち、間隙）は、図１５Ｂに示すように挿入部２０１の上面２０３と多孔質電極２３の底部の間に位置する。したがって、２個のスペーサ１８を有する集合体５０は、図１４Ａに示すように３個の挿入部２０１を備えることができる。１個の中間挿入部２０１は、２個のスペーサ１８間に位置し、２個の端部挿入部２０１はセル枠３０とスペーサ１８の一方の間に位置する。
【０１０２】
挿入部２０１は、重力（すなわち、電極２５上に横たわる）、摩擦（すなわち、スペーサ１８間、スペーサ１８と枠３０との間、または非多孔質電極２５と多孔質電極２３との間にくさびを入れる）、接着剤（例えば、挿入部２０１の電極２５と底部の間に位置する接着層）、および／または機械的留め具（例えば、ボルト、クランプなど）によって集合体中の所定の位置に保持することができる。図１４Ａの破線で示した拡大領域「Ｅ」は、比較的柔軟な挿入部縁部を上向きに曲げることによって（例えば、スペーサ１８と枠３０との間の）摩擦によって挿入部２０１を所定の位置にくさびで留める方法を示す。あるいは、挿入部は、２個の垂直翼部分が水平連結部で連結された「Ｕ」断面形状を有することができる。翼部分は、隣接する装置要素と摩擦接触する。
【０１０３】
帯状の挿入部２０１を図１４および１５に示したが、別の手段を使用して、高さの変えられる間隙流路１９を形成することができる。例えば、図１４Ａに示すように各集合体５０における複数の帯状の挿入部を使用する代わりに、単一の板状挿入部を代わりに使用することができる。板状挿入部は、スペーサ１８を収容する貫通スリットを有する隔離板を含むことができる。この構成において、スペーサ１８は、板状挿入部のスリットを通って突出している。
【０１０４】
別の一構成において、別個の挿入部２０１は省略され、非多孔質電極２５は高さまたは厚さが不均一であり（すなわち、出口に近いほど厚く、入口に近いほど薄い）、不均一な間隙高さの流路を形成することができる。したがって、図１６Ａ〜１６Ｃに示した傾斜上面２０３を有する挿入部を使用するのではなく、非多孔質電極２５が図１６Ａ〜１６Ｃに示した形状を有することができる。
【０１０５】
圧力および運動量効果のために、反応物（例えば、電解質など）の流れは、均一な高さの流路１９を使用したときには、多孔質電極２３の出口６５端部のほうを選ぶ傾向にある。傾斜高さ形状を流路１９に追加すると、（放電モード入口６２端部から共通出口６５およびバイパス４４端部に向かう）流路１９の長さに沿って流体抵抗を増加させ、それによって図１４Ｂの矢印で示されるように出口付近で反応物流れが速くなる傾向を相殺することによって、多孔質電極２３を通る反応物流れの均一性を改善するのに役立つことができる。多孔質電極２３を通る均一な反応物流れは、必要な総流量を最小限にしながら十分な反応物供給を維持するのに重要であり、めっき品質および電極耐久性を改善することもできる。
【０１０６】
図１７は、単一のフロー電池セルの流路に沿ったｍｍ単位の距離ｘの関数としての電解質のｍｍ／ｓ単位の計算垂直流速（Ｖy ）のプロットである。線２１０は、均一な高さ（すなわち、挿入部なし）の高さ４ｍｍの流路１９の流速を示す。反応物流れの１００％が放電モード入口６２から流路１９に供給され、反応物流れの１００％が共通出口６５からセルを出る（すなわち、反応物はバイパス４４を流れない）。線２１２は、均一な高さ（すなわち、挿入部なし）の高さ１．５ｍｍの流路１９の流速を示す。反応物流れの１００％が放電モード入口６２から流路１９に供給され、反応物流れの１００％が共通出口６５からセルを出る（すなわち、反応物はバイパス４４を流れない）。線２１４は、挿入部２０１を含む不均一な間隙高さの流路１９の流速を示す。図１６Ｂに示すように、挿入部２０１は、２つの別々の傾斜を有するくさび形である。流路１９の高さは中央が１．５ｍｍであり、出口端部が０．５ｍｍである。反応物流れの１００％が放電モード入口６２から流路１９に供給され、反応物流れの１００％が共通出口６５からセルを出る（すなわち、反応物はバイパス４４を流れない）。図に示したように、傾斜した（不均一な）間隙高さを有する流路の速度プロファイル２１４は、間隙高さの均一な流路のプロファイル２１０、２１２よりも均一である。
【０１０７】
別の一実施形態において、流路１９を横切る均一な流れ分布は、電解質を放電モードで充電モード入口６１と放電モード入口６２の両方を通ってセルに流し、共通流出口６５とバイパス４４の両方を通ってセルから流出させることによって得ることができる。例えば、充電モード入口６１と放電モード入口６２を通る反応物体積流量比は、２０％：８０％などの１０〜３０％：９０〜７０％とすることができる。共通出口６５とバイパス４４を通る反応物体積流量比は、９０％：１０％などの８５〜９５％：１５〜５％とすることができる。好ましくは、充電モード入口６１と放電モード入口６２を通る反応物体積流量比および共通出口６５とバイパス４４を通る反応物体積流量比は、充電動作モードと放電動作モードの両方で同じである。この構成の利点は、充電モードから放電モードに切り換える弁が不要であることである。
好ましくは、充電モード入口６１を通る体積流量は、共通出口６５を通る体積流量よりも少ない。この構成の利点は、均一な流れ分布のための弁が不要であることである。
【０１０８】
以上、特定の好ましい実施形態について言及してきたが、本発明はそのように限定されないことが理解されるべきである。当業者であれば、開示された実施形態に種々の改変を成すことができ、かかる改変が本発明の範囲内であることが意図されることに気付くはずである。本願明細書で引用する刊行物、特許出願および特許のすべてを参照によりその全体を本願明細書において援用する。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８−９Ａ−９Ｂ−１０−１１Ａ−１１Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【国際調査報告】
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