(57)【要約】  フロー電池が、約１２５μｍ未満の厚さを有する膜と、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、を含み、その溶液が膜を湿潤する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗を有する膜と、
前記膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、
を備えたフロー電池。
【請求項２】
第１の電極と第２の電極とをさらに備え、前記膜が、前記第１の電極と前記第２の電極との間において、１００ｍＡ／ｃｍ2を超える電流密度でイオン電流を伝達するように動作可能であることを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項３】
前記膜が、前記溶液中の非レドックス対反応物を透過できるものとして構成されることを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項４】
前記膜が、１２５μｍ未満の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項５】
前記膜が、第１のイオン交換材料と、前記第１のイオン交換材料とは異なる材料と、の複合材料を備えることを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項６】
前記膜が、第１の層と、第２の層と、を備え、前記第１の層が第１のイオン交換材料を有し、前記第２の層が前記第１のイオン交換材料とは異なる材料を備えることを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項７】
１２５μｍ未満の厚さを有する膜と、
前記膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、
を備えたフロー電池。
【請求項８】
第１の電極と第２の電極とをさらに備え、前記膜が、前記第１の電極と前記第２の電極との間において、１００ｍＡ／ｃｍ2を超える電流密度でイオン電流を伝達するように動作可能であることを特徴とする請求項７に記載のフロー電池。
【請求項９】
前記膜が、前記溶液中の非レドックス対反応物を透過できるものとして構成されることを特徴とする請求項７に記載のフロー電池。
【請求項１０】
前記膜が、４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗を有することを特徴とする請求項７に記載のフロー電池。
【請求項１１】
前記膜が、第１のイオン交換材料と、前記第１のイオン交換材料とは異なる材料と、の複合材料を備えることを特徴とする請求項７に記載のフロー電池。
【請求項１２】
前記膜が、第１の層と、第２の層と、を備え、前記第１の層がイオン交換材料を有し、前記第２の層が前記イオン交換材料とは異なる材料を備えることを特徴とする請求項１０に記載のフロー電池。
【請求項１３】
イオン交換材料と、マトリクスと、を有する膜と、
前記膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、
を備えたフロー電池。
【請求項１４】
前記マトリクスが、非導電繊維材料を備えることを特徴とする請求項１３に記載のフロー電池。
【請求項１５】
前記非導電繊維材料が、繊維ガラス、ポリテトラフルオロエチレン繊維、およびポリテトラフルオロエチレンの多孔質シートのうちの一つを備えることを特徴とする請求項１４に記載のフロー電池。
【請求項１６】
前記イオン交換材料が、前記マトリクスに含浸されたバインダであることを特徴とする請求項１３に記載のフロー電池。
【請求項１７】
前記イオン交換材料が、パーフルオロスルホン酸、およびパーフルオロアルキル・スルホンイミド・イオノマのうちの一つを備えることを特徴とする請求項１３に記載のフロー電池。
【請求項１８】
前記膜が、
１２５μｍ未満の厚さと、
４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗と、
のうちの少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１３に記載のフロー電池。
【請求項１９】
第１の層と、第２の層と、を備えた膜であって、前記第１の層がイオン交換材料を有するとともに、前記第２の層が前記イオン交換材料とは異なる材料を有する膜と、
前記膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、
を備えたフロー電池。
【請求項２０】
前記第２の層における、前記第１の層のイオン交換材料とは異なる材料が、非導電繊維材料のマトリクスを備えることを特徴とする請求項１９に記載のフロー電池。
【請求項２１】
前記マトリクスが、イオン交換バインダを含浸することを特徴とする請求項２０に記載のフロー電池。
【請求項２２】
前記第２の層における、前記第１の層のイオン交換材料とは異なる材料が、疎水性の多孔質材料を備えることを特徴とする請求項１９に記載のフロー電池。
【請求項２３】
前記第１の層のイオン交換材料が、イオノマの一種を備え、前記第２の層が、第２の種類のイオノマを備えることを特徴とする請求項１９に記載のフロー電池。
【請求項２４】
前記第２の層が、前記第１の層と、第３の層と、の間に配置されるとともに、前記第３の層が、第２のイオン交換材料を有することを特徴とする請求項１９に記載のフロー電池。
【請求項２５】
前記膜が、
１２５μｍ未満の厚さと、
４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗と、
のうちの少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１９に記載のフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願のクロスリファレンス）
出願人はここに２０１１年２月８日出願の米国特許出願第１３／０２３１０１号明細書に基づく優先権を主張し、その参照により本明細書の開示に含まれる。また本発明は、２００９年１２月１８日出願の国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／６８６８１号、ならびに２０１１年２月７日出願の米国特許出願第１３／０２２２８５号明細書に関連し、その各々は参照により本明細書の開示に含まれる。
【０００２】
本発明は、概してフロー電池装置に関し、特に低抵抗膜を有するフロー電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般的なフロー電池装置は、フロー電池セルのスタックを含み、その各々が正極および負極の間に配置されたイオン交換膜を有する。運転時、カソード液が正極を通して流れ、アノード液が負極を通して流れる。カソード液およびアノード液はそれぞれ可逆的な酸化還元（「レドックス」）反応により電気化学的に反応する。反応時にイオン種がイオン交換膜を横切って移動するとともに、電子が外部回路を通して移動し、電気化学反応が完了する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
イオン交換膜は、電気化学反応を促進するようにカソード液およびアノード液中のある特定の非レドックス対反応物（「電荷輸送イオン」または「電荷担体イオン」とも呼ぶ）を透過させるように構成される。しかしながら、カソード液およびアノード液中のレドックス対反応物（「非電荷輸送イオン」または「非電荷担体イオン」とも呼ぶ）もまた、イオン交換膜を通して浸透し、混合しうる。このレドックス対反応物の混合は、フロー電池装置の全体的なエネルギー効率を不利に低下させる自己放電反応を誘発する可能性があり、これは特にフロー電池セルが従来のフロー電池セルの一般的な電流密度動作範囲である、１平方センチメートル当たり１００ｍＡ（ｍＡ／ｃｍ2）未満の電流密度で作動しているときに誘発される。
【０００５】
レドックス対反応物に対する、イオン交換膜の透過性は概してイオン交換膜の厚さに反比例する。したがって、一般的なフロー電池セルは、特にフロー電池セルが１００ｍＡ／ｃｍ2未満の電流密度で作動するときにフロー電池装置の全体的なエネルギーの非効率性を低減すべく、レドックス対反応物のクロスオーバや混合を低減または排除するように、相対的に厚いイオン交換膜を含む（例えば、約１７５μｍ以上；約６８８９マイクロインチ（μｉｎ）以上）。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗を有する膜と、その膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、を備えたフロー電池を提供する。
【０００７】
また本発明は、１２５μｍ未満の厚さを有する膜と、その膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、を備えたフロー電池を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】スタック内に配置された複数のフロー電池セルを含んだ、フロー電池装置の一実施例の概略図。
【図２】イオン交換膜を含む、図１のフロー電池セルの一つの一実施例の断面図。
【図３】図２のイオン交換膜の一実施例の横断面図。
【図４】（Ａ）〜（Ｃ）は、図２のイオン交換膜の異なる実施例の拡大部分断面図。
【図５】全体的なエネルギーの非効率性に対する２つの異なるフロー電池セルの電流密度のグラフによる比較を示す図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１を参照すると、フロー電池装置１０の概略図を示す。フロー電池装置１０は、電気エネルギーを選択的に充放電するように構成される。「充電」とは、電気エネルギーを、後に電気エネルギーへと変換し戻して放電することが可能な、蓄電可能な形態に変換することを意味する。例えば運転時、フロー電池装置１０は再生可能または再生不可能な電力装置（図示せず）によって生成された電気エネルギーを、第１および第２の電解液（例えば、アノード液およびカソード液）のペアに保存される化学エネルギーへと変換することができる。フロー電池装置１０は保存された化学エネルギーをのちに電気エネルギーへと変換し戻すことができる。適切な第１および第２の電解液の例は、バナジウム／バナジウム電解液、または、その他の実質的に同様のレドックス対のアノードおよびカソード溶液のペアを含む。しかしながら、第１および第２の電解液のペアは、前述の例に限定されない。
【００１０】
フロー電池装置１０は、第１の電解液貯蔵タンク１２と、第２の電解液貯蔵タンク１４と、第１の電解液循環ループ１６と、第２の電解液循環ループ１８と、少なくとも一つのフロー電池セル２０と、電力変換装置２３と、コントローラ２５と、を含む。一部の実施例では、フロー電池装置１０は、一対のエンドプレート３９の間で少なくとも一つのスタック２１に配置、圧縮された複数のフロー電池セル２０を含み、それらのセル２０はトータルで電気エネルギーを蓄電、発生させるように作動させることができる。
【００１１】
第１および第２の電解液貯蔵タンク１２，１４の各々は、それぞれの電解液を維持、保存するように適合される。
【００１２】
第１および第２の電解液循環ループ１６，１８は、それぞれ、供給管２２，２４、戻し導管２６，２８、および流量調整弁２７，２９を有する。第１および第２の流量調整弁２７，２９は、それぞれ、各調整弁の制御信号に応答して、各電解液循環ループ１６，１８を通る電解液の一つの流れを調節するように適合される。各流量調整弁２７，２９は、フロー電池装置の特定の設計要件に応じて、変速ポンプまたは電子作動弁などの単一の装置、またはそれらの複数の装置を含みうる。各流量調整弁２７，２９は、その関連する供給管２２，２４内に直列に接続される。
【００１３】
図２を参照すると、フロー電池セル２０の一実施例の概略図を示す。フロー電池セル２０は、第１の集電体３０と、第２の集電体３２と、第１の液体−多孔質電極層３４（以下、「第１の電極層」）と、第２の液体−多孔質電極層３６（以下、「第２の電極層」）と、イオン交換膜３８と、を含む。
【００１４】
第１および第２の集電体３０，３２が、それぞれ、第１または第２の電極層３４，３６の各々に、および／または、第１または第２の電極層３４，３６の各々から電子を移動させるように適合される。一部の実施例では、各集電体３０，３２が１つ以上の流路４０，４２を含む。その他の実施例では、１つまたは複数の集電体が流路を有するバイポーラプレート（図示せず）として構成される。こうしたバイポーラプレートの例が国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／６８６８１号に開示されており、その参照により本明細書の開示に含まれる。
【００１５】
第１および第２の電極層３４，３６は、それぞれ、相対的に高い電流密度（例えば、約１００ｍＡ／ｃｍ2以上；約６４５ｍＡ／ｉｎ2以上）でのフロー電池セル２０の動作を支持するように構成される。こうした電極層の例は、２０１１年２月７日出願の米国特許出願第１３／０２２２８５号明細書に開示されており、その参照により本明細書の開示に含まれる。
【００１６】
イオン交換膜３８は、電解液間で電荷を移動させるように、例えばバナジウム／バナジウム電解液中のＨ+イオンなどのある特定の非レドックス対反応物を透過できるものとして構成される。イオン交換膜３８はまた、例えばバナジウムカソード液中のＶ4+/5+イオンまたはバナジウムアノード液中のＶ2+/3+イオンなどのある特定のレドックス対反応物の浸透（「クロスオーバ」とも呼ぶ）を実質的に低減または防止するように構成される。
【００１７】
イオン交換膜３８は、第１のイオン交換面５６と、第２のイオン交換面５８と、膜厚６０と、断面積５９（図３参照）と、を有する。イオン交換膜はまた、イオン抵抗、面積比抵抗（ａｒｅａ  ｓｐｅｃｉｆｉｃ  ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）、伝導率、および抵抗率（ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）を含む、ある特定の材料特性を有する。膜厚６０が第１のイオン交換面５６と第２のイオン交換面５８との間に延在する。イオン抵抗は、第１のイオン交換面５６と第２のイオン交換面５８の間の経路に沿って、オーム（Ω）で測定される。イオン抵抗は、膜厚６０、膜断面積５９（図３参照）、およびバルク膜抵抗率（ｂｕｌｋ  ｍｅｍｂｒａｎｅ  ｒｅｓｉｓｔｉｖｉｔｙ）の関数である。イオン抵抗は、例えば次の式を用いて求められる。
【００１８】
Ｒ＝（ρ・Ｌ）／Ａ
ここで、「Ｒ」はイオン抵抗を表し、「ρ」は膜のバルク抵抗率を表し、「Ｌ」は膜厚６０を表し、「Ａ」は膜の断面積５９（図３参照）を表す。面積比抵抗は、イオン抵抗および膜断面積５９（図３参照）の関数である。面積比抵抗は、例えば次の式を用いて求められる。
【００１９】
ＲAS＝Ｒ・Ａ
ここで「ＲAS」はイオン交換膜２８の面積比抵抗を表す。
【００２０】
以下に詳述するように、フロー電池セル２０の全体的なエネルギーの非効率性を低減するように、フロー電池セル２０が動作する平均電流密度の関数として、膜厚６０の寸法が取られかつ／または面積比抵抗が選択される。一実施例では、約１００ｍＡ／ｃｍ2（約６４５ｍＡ／ｉｎ2）を超える平均電流密度（例えば、約２００ｍＡ／ｃｍ2より大きい；約１２９０ｍＡ／ｉｎ2より大きい）で動作されるフロー電池セル２０の膜厚６０が、約１２５μｍ（約４９２１μｉｎ）未満に寸法が取られる（例えば、１００μｍ未満；約３９３７μｉｎ未満）。その他の実施例では、約１００ｍＡ／ｃｍ2を超える平均電流密度（例えば、約２００ｍＡ／ｃｍ2より大きい）で動作されるフロー電池セル２０の面積比抵抗が約４２５ｍΩ・ｃｍ2（約２７４２ｍΩ・ｉｎ2）未満に選択される。
【００２１】
図４Ａ〜４Ｃを参照すると、イオン交換膜３８が一つまたは複数の膜層６１を含む。例えば図４Ａに示す実施例では、イオン交換膜３８は、パーフルオロスルホン酸（「ＰＦＳＡ」とも呼ぶ）（例えば、米国デラウェア州ウィルミントンのデュポン社により製造のＮａｆｉｏｎ（登録商標）ポリマ）またはパーフルオロアルキル・スルホンイミド・イオノマ（「ＰＦＳＩ」とも呼ぶ）などの、高分子イオン交換材料（「イオノマ」とも呼ぶ）の単層６２から構成される。その他の適切なイオノマ材料は、イオン基が結合した任意のポリマを含み、そのポリマは炭化水素ベースのポリマに比較して安定性が向上するように完全または部分的にフッ素化される。適切なポリマの例は、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）（米国デラウェア州ウィルミントンのデュポン社製造）などのポリテトラフルオロエチレン（「ＰＴＦＥ」とも呼ぶ）、ポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」とも呼ぶ）、および、ポリベンゾイミダゾール（「ＰＢＩ」とも呼ぶ）を含む。適切なイオン基の例は、種々の陰性基のみならず、スルホン酸塩、スルホンイミド、リン酸塩、ホスホン酸基、スルホ基を含む。
【００２２】
図４Ｂに示す実施例では、イオン交換膜３８が複合層６４から構成される。複合層６４は、イオン交換バインダまたはイオノマ（例えば、ＰＦＳＡ、ＰＦＳＩ等）が含浸された、非導電性の繊維材料のマトリクス（例えば、繊維ガラス）またはＰＴＦＥの多孔質シート（米国デラウェア州ニューアークのＷ．Ｌ．ゴア＆アソシエイツ社製造のＧｏｒｅ−Ｔｅｘ（登録商標）材料など）を含む。代替的に、複合層６４は、非導電繊維材料またはＰＴＦＥと、イオン交換イオノマ（例えば、ＰＦＳＡ）との混合物から構成されてもよい。
【００２３】
図４Ｃに示す実施例では、イオン交換膜３８は２つの高分子層６８，６９の間に配置された複合層６６から構成される。上述したように、複合層６６はイオン交換バインダが含浸された非導電繊維材料のマトリクスから構成される。各高分子層６８，６９は、ＰＦＳＡ、ＰＦＳＩまたはその他のフルオロポリマベースのイオノマなどの高分子イオン交換材料、または共重合体ベースのイオノマから構成される。代替的に、各高分子層６８，６９は、それぞれ異なる種類のイオノマから構成される。アノード液に隣接する高分子層は、例えば、炭化水素ベースのイオノマなどの、酸化に対して安定性が低いイオノマから構成されうる。一方、カソード液に隣接する高分子層は、全フッ素化イオノマなどの、酸化に対して安定性が高いイオノマから構成されうる。代替的な実施例では、高分子イオン交換材料層（例えば、ＰＦＳＡの層）が、イオノマ材料ではないポリマ（例えば、多孔性ポリエチレン、または、米国デラウェア州ニューアークのＷ．Ｌ．ゴア＆アソシエイツ社製造のＧｏｒｅ−Ｔｅｘ（登録商標）材料などの多孔性ＰＴＦＥ）の２つの多孔質層の間に配置される。一部の実施例では、ＰＴＦＥなどの疎水性材料を親水性にするように前処理してもよい。このように処理されている多孔性ＰＴＦＥ層の一例は、米国デラウェア州ニューアークのＷ．Ｌ．ゴア＆アソシエイツ社製造のＧｏｒｅ（登録商標）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）セパレータ（以前はＥＸＣＥＬＬＥＲＡＴＯＲ（登録商標）として知られる）である。しかしながら、イオン交換膜３８は、前述の構成および材料に限定されない。
【００２４】
再び図２を参照すると、イオン交換膜３８が第１および第２の電極層３４，３６の間に配置される。一実施例では、例えば、第１および第２の電極層３４，３６がイオン交換膜３８の両側にホットプレスまたは接合されて、前述の層３４，３６，３８の間の境界面領域に接着されその領域を増加させる。第１および第２の電極層３４，３６が第１および第２の集電体３０，３２の間に配置され、接続される。
【００２５】
再び図１を参照すると、電力変換装置２３は、変換装置制御信号に応答してフロー電池セル２０と、例えば配電網（図示せず）との間の電流のやりとりを調節することにより、フロー電池セルが作動する電流密度を調節するように適合される。電力変換装置２３は、フロー電池装置の特定の設計要件に応じて、単一の双方向電力変換装置または一組の一方向電力変換装置を含みうる。適切な電力変換装置の例は、逆変換装置、ＤＣバスに接続されたＤＣ／ＤＣ変換器等を含む。一方、本発明の装置１０は、特定の種類の電力変換または調節装置に限定されない。
【００２６】
コントローラ２５は、当業者によりハードウェア、ソフトウェア、またはそれらの組合せを用いることによって実行される。ハードウェアは、例えば、一つまたは複数のプロセッサ、アナログおよび／またはデジタル回路等を含みうる。コントローラ２５は、変換装置および調整弁の制御信号を発生させることにより、フロー電池装置１０からの電力エネルギーの充放電を制御するように適合される。変換装置制御信号は、フロー電池セルが作動する電流密度を制御するように生成される。調節弁制御信号は、フロー電池装置１０を通して循環する電解液の流量を制御するように生成される。
【００２７】
図１，２を参照すると、第１の電解液循環ループ１６の供給管２２が、第１の電解液貯蔵タンク１２を、各フロー電池セルの第１の集電体３０および第１の電極層３４の一方または両方に流体的に接続させる。第１の電解液循環ループ１６の戻し導管２６が、各フロー電池セルの第１の集電体３０および／または第１の電極層３４を、第１の電解液貯蔵タンク１２に相互に流体的に接続させる。第２の電解液循環ループ１８の供給管２４が、第２の電解液貯蔵タンク１４を、各フロー電池セルの第２の集電体３２および第２の電極層３６の一方または両方に流体的に接続させる。第２の電解液循環ループ１８の戻し導管２８が、各フロー電池セルの第２の集電体３２および／または第２の電極層３６を、第２の電解液貯蔵タンク１４に相互に流体的に接続させる。電力変換装置２３は、複数のセルが直列に相互に連結されたスタック２１の両端部における異なるフロー電池セル２０内にそれぞれ配置された第１および第２の集電体３０，３２の一組を通して、フロー電池スタックに接続される。コントローラ２５は、電力変換装置２３および第１、第２の流量調整弁２７，２９と（例えば、配線接続または無線接続された）通信を行う。
【００２８】
さらに図１，２を参照すると、フロー電池装置１０の作動中、第１の電解液が第１の電解液貯蔵タンク１２とフロー電池セル２０との間を第１の電解液循環ループ１６を通して循環する（例えば、流量調整弁２７を通してポンプ輸送される）。特に、第１の電解液は第１の電解液循環ループ１６の供給管２２を通して各フロー電池セル２０の第１の集電体３０へと導かれる。第１の電解液が第１の集電体３０内の流路４０を通流して、第１の電極層３４を浸透あるいは流出入する。すなわち、第１の電極層３４を湿潤させる。第１の電極層３４を通る第１の電解液の浸透は、拡散、または、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／６８６８１号に開示されているような強制対流に起因し、それにより相対的に高い電流密度での動作における相対的に高い反応速度を促進する。第１の電解液循環ループ１６の戻し導管２６は、各フロー電池セル２０の第１の集電体３０から第１の電解液を第１の電解液貯蔵タンク１２へと戻すように導く。
【００２９】
第２の電解液が第２の電解液貯蔵タンク１４とフロー電池セル２０との間を第２の電解液循環ループ１８を通して循環する（例えば、流量調整弁２９を通してポンプ輸送される）。特に、第２の電解液は第２の電解液循環ループ１８の供給管２４を通して各フロー電池セル２０の第２の集電体３２へと導かれる。第２の電解液が第２の集電体３２内の流路４２を通流して、第２の電極層３６を浸透あるいは流出入する。すなわち、第２の電極層３６を湿潤させる。上述したように、第２の電極層３６を通る第２の電解液の浸透は、拡散、または、国際出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／６８６８１号に開示されているような強制対流に起因し、それにより相対的に高い電流密度での動作における相対的に高い反応速度を促進する。第２の電解液循環ループ１８の戻し導管２８は、各フロー電池セル２０の第２の集電体３２から第２の電解液を第２の電解液貯蔵タンク１４へと戻すように導く。
【００３０】
エネルギー充電モードの作動時には、電気エネルギーが集電体３０，３２を通してフロー電池セル２０に入力される。第１および第２の電解液中の電気化学反応、およびイオン交換膜３８を横切る例えば第１の電解液から第２の電解液への非レドックス対反応物の移動を通して、電気エネルギーが化学エネルギーに変換される。次いで化学エネルギーが電解液中に保存され、それぞれ第１および第２の電解液貯蔵タンク１２，１４中に保存される。一方、エネルギー放電モードの作動時には、第１および第２の電解液中の逆の電気化学反応、およびイオン交換膜３８を横切る例えば第２の電解液から第１の電解液への非レドックス対反応物の移動を通して、電解液中に保存された化学エネルギーが電気エネルギーに変換し戻される。フロー電池セル２０によって再生された電気エネルギーは集電体３０，３２を通してセルから放出される。
【００３１】
エネルギー充放電モードの作動時におけるフロー電池装置１０のエネルギー効率は、フロー電池装置１０に含まれる各フロー電池セル２０の全体的なエネルギーの非効率性の関数である。そしてまた、各フロー電池セル２０の全体的なエネルギーの非効率性は、各セル２０内のイオン交換膜３８の（ｉ）過電圧の非効率性、および（ｉｉ）クーロン・クロスオーバ（ｃｏｕｌｏｍｂｉｃ  ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）の非効率性の関数である。
【００３２】
イオン交換膜３８の過電圧の非効率性は、イオン交換膜３８の面積比抵抗および膜厚６０の関数である。過電圧の非効率性は例えば次の式を用いることにより求められる。
【００３３】
ｎv＝（Ｖ−Ｖocv）／Ｖocv，
Ｖ＝ｆ（ｉＲAS）
ここで「ｎv」は過電圧の非効率性を表し、「Ｖ」はフロー電池セル２０の電圧電位を表し、「Ｖocv」は開放電圧を表し、「ｆ（）」は関数関係を表し、「ｉ」はイオン交換膜３８を横切るイオン電流を表す。
【００３４】
イオン交換膜３８のクーロン・クロスオーバの非効率性は、レドックス対反応物のクロスオーバの関数、延いては膜厚６０の関数である。クーロン・クロスオーバの非効率性は例えば次の式を用いることにより求められる。
【００３５】
ｎc＝Ｆｌｕｘcross-over／Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ
Ｆｌｕｘcross-over＝ｆ（Ｌ）
ここで「ｎc」はクーロン・クロスオーバの非効率性を表し、「Ｆｌｕｘcross-over」はイオン交換膜３８を通して拡散するレドックス対の化学種の流動速度を表し、「Ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ」はイオン交換膜３８を横切るイオン電流によって変換されるレドックス対の化学種の比率を表す。
【００３６】
図５を参照すると、全体的なエネルギーの非効率性に対するフロー電池セル２０の第１および第２の実施例の電流密度のグラフによる比較を示す。フロー電池セル２０の第１の実施例（破線７０により示す）は約１６０μｍ（約６２９９μｉｎ）の厚さのイオン交換膜を有する。フロー電池セル２０の第２の実施例（実線７２により示す）は約５０μｍ（約１９６８μｉｎ）の厚さのイオン交換膜を有する。より薄い膜厚のフロー電池セル２０の第２の実施例は、セル２０が約１５０ｍＡ／ｃｍ2（約９６７ｍＡ／ｉｎ2）を上回る電流密度で作動するとき、フロー電池セルの第１の実施例のエネルギーの非効率性に比例して、全体的なエネルギーの非効率性がより低い。こうした全体的なエネルギーの非効率性の低さは、少なくとも部分的には、より薄い膜厚と、より低い面積比抵抗とに起因する余分なレドックス対反応物のクロスオーバを低減するように、前述の相対的に高い電流密度以上でフロー電池セル２０を作動させることにより達成される。換言すれば、フロー電池セルの全体的なエネルギーの非効率性の低さは、薄い膜厚に起因するクーロン・クロスオーバの非効率性の増加の度合いが、イオン交換膜の対応する低い面積比抵抗に起因する過電圧の非効率性の低下の度合いを下回る場合に達成される。
【００３７】
本発明のフロー電池の種々の実施例について記載したが、本発明の範囲内でさらに多くの実施例および実施が可能であることが当業者にとって明らかとなるであろう。したがって、本発明のフロー電池は、付記の特許請求の範囲およびそれに相当するものを考慮することなく限定されるものではない。
【図１】
2014508384.tif 000003
【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図３】
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【手続補正書】
【提出日】平成25年10月8日(2013.10.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極および第２の電極と、
４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗を有する膜と、
前記膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、
を備え、
前記膜が、前記第１の電極と前記第２の電極との間において、１００ｍＡ／ｃｍ2を超える電流密度でイオン電流を伝達するように動作可能な、フロー電池。
【請求項２】
前記膜が、前記溶液中の非レドックス対反応物を透過できるものとして構成されることを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項３】
前記膜が、１２５μｍ未満の厚さを有することを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項４】
前記膜が、第１のイオン交換材料と、前記第１のイオン交換材料とは異なる材料と、の複合材料を備えることを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項５】
前記膜が、第１の層と、第２の層と、を備え、前記第１の層が第１のイオン交換材料を有し、前記第２の層が前記第１のイオン交換材料とは異なる材料を備えることを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項６】
１２５μｍ未満の厚さを有する膜と、
前記膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、
を備えたフロー電池。
【請求項７】
第１の電極と第２の電極とをさらに備え、前記膜が、前記第１の電極と前記第２の電極との間において、１００ｍＡ／ｃｍ2を超える電流密度でイオン電流を伝達するように動作可能であることを特徴とする請求項６に記載のフロー電池。
【請求項８】
前記膜が、前記溶液中の非レドックス対反応物を透過できるものとして構成されることを特徴とする請求項６に記載のフロー電池。
【請求項９】
前記膜が、４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗を有することを特徴とする請求項６に記載のフロー電池。
【請求項１０】
前記膜が、第１のイオン交換材料と、前記第１のイオン交換材料とは異なる材料と、の複合材料を備えることを特徴とする請求項６に記載のフロー電池。
【請求項１１】
前記膜が、第１の層と、第２の層と、を備え、前記第１の層がイオン交換材料を有し、前記第２の層が前記イオン交換材料とは異なる材料を備えることを特徴とする請求項９に記載のフロー電池。
【請求項１２】
イオン交換材料と、マトリクスと、を有する膜と、
前記膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、
を備えたフロー電池。
【請求項１３】
前記マトリクスが、非導電繊維材料を備えることを特徴とする請求項１２に記載のフロー電池。
【請求項１４】
前記非導電繊維材料が、繊維ガラス、ポリテトラフルオロエチレン繊維、およびポリテトラフルオロエチレンの多孔質シートのうちの一つを備えることを特徴とする請求項１３に記載のフロー電池。
【請求項１５】
前記イオン交換材料が、前記マトリクスに含浸されたバインダであることを特徴とする請求項１２に記載のフロー電池。
【請求項１６】
前記イオン交換材料が、パーフルオロスルホン酸、およびパーフルオロアルキル・スルホンイミド・イオノマのうちの一つを備えることを特徴とする請求項１２に記載のフロー電池。
【請求項１７】
前記膜が、
１２５μｍ未満の厚さと、
４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗と、
のうちの少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１２に記載のフロー電池。
【請求項１８】
第１の層と、第２の層と、を備えた膜であって、前記第１の層がイオン交換材料を有するとともに、前記第２の層が前記イオン交換材料とは異なる材料を有する膜と、
前記膜を湿潤させる、可逆的なレドックス対の反応物を有する溶液と、
を備えたフロー電池。
【請求項１９】
前記第２の層における、前記第１の層のイオン交換材料とは異なる材料が、非導電繊維材料のマトリクスを備えることを特徴とする請求項１８に記載のフロー電池。
【請求項２０】
前記マトリクスが、イオン交換バインダを含浸することを特徴とする請求項１９に記載のフロー電池。
【請求項２１】
前記第２の層における、前記第１の層のイオン交換材料とは異なる材料が、疎水性の多孔質材料を備えることを特徴とする請求項１８に記載のフロー電池。
【請求項２２】
前記第１の層のイオン交換材料が、イオノマの一種を備え、前記第２の層が、第２の種類のイオノマを備えることを特徴とする請求項１８に記載のフロー電池。
【請求項２３】
前記第２の層が、前記第１の層と、第３の層と、の間に配置されるとともに、前記第３の層が、第２のイオン交換材料を有することを特徴とする請求項１８に記載のフロー電池。
【請求項２４】
前記膜が、
１２５μｍ未満の厚さと、
４２５ｍΩ・ｃｍ2未満の面積比抵抗と、
のうちの少なくとも一つを有することを特徴とする請求項１８に記載のフロー電池。
【国際調査報告】
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