(57)【要約】マルチセルスタック電気化学装置は、正電流コレクタと負電流コレクタとを隔てるイオン透過膜を有する。複数の作動装置は、電気活性組成物を電気化学セル内の複数のゾーンに注入するように構成される。作動装置は、直圧を内部に含まれた電気活性組成物にかけて、電気化学セル内に含まれる枯渇した電気活性材料を変位させるように構成される。重力又は機械的手段を使用して、作動装置を動作させて、内部に収容された電気活性組成物を変位させる。
2014507748.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フローセルエネルギー貯蔵システムであって、
（ａ）陽極電流コレクタ、陰極電流コレクタ、並びに、正電気活性帯及び負電気活性帯を規定するように構成されたイオン透過膜を含むフローセルと、
（ｂ）複数の作動装置であって、
ｉ．前記陽極電流コレクタと前記イオン透過膜との間に電気活性組成物を直接的に又は間接的に導入するように構成された第１の作動装置と、
ｉｉ．前記正電気活性帯又は負電気活性帯のうちの一方から電気活性組成物を直接的に又は間接的に除去するように構成された第２の作動装置と、
ｉｉｉ．前記正電気活性帯又は負電気活性帯のうちの前記一方から電気活性組成物を直接的に又は間接的に除去するように構成された第３の作動装置と、
ｉｖ．前記正電気活性帯又は負電気活性帯のうちの前記一方から電気活性組成物を直接的に又は間接的に除去するように構成された第４の作動装置と、を備える複数の作動装置と、を備え
前記第１及び第２の作動装置は、前記第３及び第４の作動装置による前記電気活性組成物の導入及び前記電気活性組成物の除去を調整するように動作可能に構成され、
前記第１及び第２の作動装置は、前記第１の作動装置による電気活性組成物の導入及び前記第２の作動装置による電気活性組成物の除去を調整するように動作可能に構成される、フローセルエネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記作動装置は電気活性組成物収容チャンバを含む、請求項１に記載のフローセルシステム。
【請求項３】
前記第１のアクチュエータは、第１の静止位置から第２の作動位置に前記アクチュエータを変位させるように構成され、前記作動位置は、前記電気活性組成物収容チャンバ内に耐圧部材を進行させる、請求項２に記載のフローセル。
【請求項４】
前記第３のアクチュエータは、第１の静止位置から第２の作動位置に前記アクチュエータを変位させるように構成され、前記作動位置は、前記電気活性組成物収容チャンバから耐圧部材を退避させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載のフローセル。
【請求項５】
前記第１及び第３の作動装置は、単一の二重動作作動装置に一体化され、前記二重動作作動装置は、
筐体と、
前記筐体の壁に封止接触し、前記筐体内に位置決め可能であり、第１及び第２の電気活性組成物収容チャンバを規定する耐圧部材と、を備え、
前記第１の電気活性組成物収容チャンバは、前記フローセルに電気活性組成物を導入するように動作可能に接続され、
前記第２の電気活性組成物収容チャンバは、前記フローセルから電気活性組成物を除去するように動作可能に接続される、請求項１〜４のいずれか１項に記載のフローセル。
【請求項６】
前記第２及び第４の作動装置は、単一の二重動作作動装置に一体化され、前記二重動作作動装置は、
筐体と、
前記筐体の壁に封止接触し、前記筐体内に位置決め可能であり、第３及び第４の電気活性組成物収容チャンバを規定する耐圧部材と、を備え、
前記第３の電気活性組成物収容チャンバは、前記フローセルに電気活性組成物を導入するように動作可能に接続され、
前記第４の電気活性組成物収容チャンバは、前記フローセルから電気活性組成物を除去するように動作可能に接続される、請求項５のいずれかに記載のフローセル。
【請求項７】
前記作動装置は空気圧シリンダを備え、前記シリンダは、充電された電気活性材料及び枯渇した電気活性材料のうちの少なくとも一方を収容するように構成される、請求項１〜６のいずれか１項に記載のフローセルシステム。
【請求項８】
前記第１及び第３の作動装置はステッパモータをさらに備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のフローセルシステム。
【請求項９】
前記第１及び第３の作動装置の各々は、前記電気活性組成物収容チャンバに対して耐圧部材を進行又は退避させるように構成された重りをさらに備える、請求項２〜４のいずれか１項に記載のフローセルシステム。
【請求項１０】
重力が、前記重り装置が充電された電気活性組成物を前記フローセルに移すと同時に、枯渇した電気活性組成物を前記フローセルから除去するように、前記フローセルシステムを回転させるように構成された旋回組立体をさらに備える、請求項９に記載のフローセルシステム。
【請求項１１】
前記作動装置は、ボールねじ、ウォームギアラック、ローラーねじ、及びそれらの組み合わせから構成された群から選択される作動部材を備える、請求項１〜７のいずれか１項に記載のフローセルシステム。
【請求項１２】
前記フローセルに関して電気活性組成物の内向き流又は外向き流の少なくとも一方を停止させるように構成された少なくとも１つの遮断弁をさらに備える、請求項１〜９のいずれか１項に記載のフローセルシステム。
【請求項１３】
電極反応物質の内向き流に関連付けられた少なくとも１つの遮断弁及び電極反応物質の外向き流に関連付けられた少なくとも１つの遮断弁が、協働して流れを停止させるように構成される、請求項１２に記載のフローセルシステム。
【請求項１４】
前記アクチュエータは前記フローセルに直結される、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のフローセルシステム。
【請求項１５】
前記作動装置は、１５０ｐｓｉの圧力を前記シリンダに加えるように構成される、請求項３〜１５のいずれか１項に記載のフローセルシステム。
【請求項１６】
フローセルを製造する方法であって、
請求項１〜１３のいずれか１項に記載のフローセルを複数提供し、前記フローセル間に分流がないように電圧が合算されるように前記複数のフローセルを直列に積み重ねる工程を含む、方法。
【請求項１７】
前記複数のフローセルを垂直に積み重ねる工程を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記複数のフローセルを同一平面に積み重ねる工程を含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
フローセルを動作させる方法であって、
ａ．請求項１〜１５のいずれか１項に記載の少なくとも１つのフローセルを提供する工程であって、第１の作動装置が第１の電活性スラリーを収容する、工程と、
ｂ．前記第１の作動装置に接続された流入口を通して、ある量の前記第１の電気活性スラリーを前記フローセルに導入する工程であって、前記導入は、力が第１の作動装置から前記第１の電気活性スラリーに加えられた結果として生じる、工程と、
ｃ．第３の作動装置に接続された流出口を通して、ある量の第２の電気活性スラリーを前記フローセルから除去する工程であって、前記除去は、第３の作動装置からの前記第２の電気活性スラリーに対する力の結果として生じ、さらに、前記作動装置は、枯渇した電極反応物質が前記フローセル外に移送される同じ速度で、充電された電極反応物質を前記フローセルに移送するように構成される、工程と、を含み、
ｄ．前記第１及び第３の作動装置は、前記第１の作動装置による前記第１の電気活性スラリーの導入及び前記第３の作動装置による前記第２の電気活性スラリーの除去を調整する、方法。
【請求項２０】
前記充電された電極反応物質を前記少なくとも１つのフローセルに移送すると、枯渇した電極反応物質が前記少なくとも１つのフローセル内で変位する、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記作動装置は、前記第１の電気活性スラリーを前記フローセルに追加し、前記第２の電気活性スラリーを前記フローセルから同時に除去するように構成される、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記電気活性スラリーは陰極スラリー又は陽極スラリーの少なくとも一方である、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記充電された電極反応物質及び枯渇した電極反応物質にかけられる力は、正圧又は負圧の少なくとも一方である、請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記圧力は１〜２０大気圧の範囲である、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記作動装置は、重力が、前記量の前記第１の電気活性スラリーを前記フローセルに導入して前記量の前記第２の電気活性スラリーを前記フローセルから除去するのに十分な力を生み出すことができるように、電気活性組成物収容チャンバに対して耐圧部材を進行又は退避させるように構成された重りを備える、請求項１９に記載の方法。
【請求項２６】
中心軸回りに第１の向きに前記フローセルシステムを回転させる工程であって、前記第１の向きは、前記量の前記第１の電気活性スラリーを前記フローセルに導入するのに十分な力を提供する、工程と、
中心軸回りに第２の向きに前記フローセルシステムを回転させる工程であって、前記第２の向きは、前記量の前記第２の電気活性スラリーを前記フローセルに除去するのに十分な力を提供する、工程と、を含む、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
前記作動装置は、前記複数の作動装置を動作させる電気モータを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記作動装置は、前記複数の作動装置を動作させるステッパモータを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記電気モータは、前記モータが停止した場合、前記システムをある角度に向け、所定位置に維持させるように、ウォームギアトランスミッションに結合される、請求項２６に記載の方法。
【請求項３０】
前記電気モータは、前記モータへの電流が遮断された場合、前記システムをある角度に向けることができるように、トランスミッション及び電気ブレーキに結合される、請求項２６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本発明は、概して電気化学電池セルに関する。より詳細には、本発明は高エネルギー密度電池フローセルに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]  従来の電池システムは、異なるイオン電気化学ポテンシャルでイオン源とイオンシンクとを隔てることによって電気化学エネルギーを貯蔵する。電気化学ポテンシャルが異なることにより、正極と負極との間に電位差が生まれ、電位差は、電極が導電要素によって接続される場合に電流を生じさせる。従来の電池システムでは、負極及び正極は、並列配置の２つの導電要素を介して接続される。外部要素は専ら電子を伝導するが、内部要素すなわち電解質は専らイオンを伝導する。電荷不均衡を負極と正極との間で維持することができないため、外部流及び内部流はイオン及び電子を同じ速度で供給する。生成された電流は外部装置の駆動に使用されることができる。電池放電とは逆の方向に電流及びイオン流を駆動する逆の電位差を加えることによって、再充電可能電池を再充電することができる。したがって、再充電可能電池の活性材料は、イオンを受け入れて提供する能力を必要とする。電気化学ポテンシャルが増大すると、電池の陽極と陰極との間に生じる電圧差が大きくなり、電池の単位質量当たりで電気化学的に貯蔵されるエネルギーが増大する。高電力電池では、イオン源及びシンクは、大きなイオン伝導度を有する要素によってセパレータに接続されるとともに、高導電性要素を用いて電流コレクタに接続される。
【０００３】
[0003]  フローセル、又はレドックス電池、又は可逆性燃料電池としても知られているレドックスフロー電池は、正及び負極反応物質が、セルの動作中に酸化又は還元する溶液に溶解可能な金属イオンであるエネルギー貯蔵装置である。一方は正極にあり、他方は負極にある２つの可溶性レドックス対を使用して、固体状態反応が回避される。レドックスフローセルは通常、少なくとも、正極反応物質と負極反応物質と（それぞれ、陽極スラリー及び陰極スラリーとも呼ばれる）を隔てるイオン輸送膜を含む発電組立体と、外部回路への電子の移送を促進させるが、レドックス反応に参与しない正及び負電流コレクタ（電極とも呼ばれる）（すなわち、電流コレクタ材料自体はファラデー作用を受けない）と、を有する。レドックスフロー電池は、M. Bartolozzi, “Development of Redox Flow Batteries: A Historical Bibliography”, J. Power Sources, 27, 219(1989)及びM. Skyllas-Kazacos and F. Grossmith, “Efficient Vanadium Redox Flow Cell”, Journal of the Electrochemical Society, 134, 2950(1987)において考察されており、これらは参照により本明細書に組み入れられる。
【０００４】
[0004]  フロー電池の構成要素及び従来の一次又は二次電池の構成要素の用語の違いについて、本明細書において言及しておく。電解質が単にイオン輸送媒質であり、ファラデー作用を受けない、リチウムイオン電池での慣習とは対照的に、フロー電池内の電極活性溶液は通常、電解質と呼ばれ、特に陽極スラリー及び陰極スラリーと呼ばれる。フロー電池では、レドックス反応が行われ、電子が外部回路と行き来する非電気化学活性構成要素は電極として知られ、それとは対照的に、従来の一次又は二次電池では、電流コレクタとして知られている。
【０００５】
[0005]  半固体フローセル（ＳＳＦＣ）は、流体電解質に懸濁した固体粒子を利用する。粒子懸濁液は、陰極液及び陽極液として流れて機能することができる。電解質懸濁液は、電気化学活性粒子から電気絶縁・イオン伝導粒子セパレータへのイオン伝導性を提供する。電気化学燃料が槽から電力スタックに流れるため、ＳＳＦＣ及びレドックスフロー電池は両方とも、配電（放電モード）及び吸収（充電モード）からエネルギー貯蔵を分離するという利点を共有する。ＳＳＦＣ電気化学燃料密度は、レドックスフロー電池よりも高く、レドックスフロー電池と比較して貯蔵要件及び流量要件が低いという恩恵を有する。しかしながら、流れる流体の粘度は一般に、レドックスフロー電池よりも高く、同じ流量で作業圧を増大させる。
【０００６】
[0006]  陽極スラリー槽及び陰極スラリー槽のサイズを増大させることによって、ほぼあらゆる値の総電荷容量に構築することができることを含め、レドックスフロー電池及び半固体フローセルは多くの魅力的な特徴を有するが、それらの欠点の１つは、通常、ポンプ、例えば、蠕動ポンプの使用によりスラリーがセル全体を通して移動することである。さらに、これらのフローセル電池は通常、セル全体を通してスラリーを輸送するために、マニフォルド等の他の構成要素を使用する。半固体陰極スラリー又は陽極スラリーは導電材料である。したがって、装置の動作中、分流が生じて、装置内の１つ又は複数のセル区画を迂回するおそれがある。陽極から陽極への分流及び陰極から陰極への分流の発生は、スタック電圧を低減する。この設計には、セル内により大きな物理的空間を必要とし得るより多くの構成要素を必要とするとともに、複数の構成要素が故障する傾向があるという欠点がある。
【発明の概要】
【０００７】
[0007]  レドックスエネルギー貯蔵システム内の分流をなくす方法及び装置が記載される。
【０００８】
[0008]  一態様では、空気圧源、電気源、又は重力源のいずれかにより作動するピストン及びロッドを有する流体シリンダ（多くの場合、「ピストン」又は「シリンダ」と呼ばれる）が、フローセルスタックのフローセルと流体連通で提供される。アクチュエータはピストンを動かし、シリンダ内に収容された陰極又は陽極流体を変位させ、したがって、ポンプを使用せずにレドックスフローセル内の板を通して流体を移動させる。
【０００９】
[0009]  分流は、スタック内の各層が各自の固有の陽極／陰極ピストンセットにより稼働するように構成された複数のピストンセットを使用することによりなくすことができる。さらに、これにより、多くの小さな個々の構成要素（ピストン及びアクチュエータ）を使用することが可能になり、したがって、大量生産の経済性を活かすことができる。さらに、万が一、任意の１つのピストンが故障した場合、それはスタック全体にとっては小さな増分的負担であるため、全体性能がひどく低下することはない。さらに、分流を回避するために、長い電気絶縁流路は必要ないため、各ピストンの出力は各層に直接取り付けられた幅広いノズルであることができ、したがって、槽から層への流体抵抗が最小化され、流れ抵抗、ひいてはアクチュエータ電力を大きく低減するのに役立つ。これにより、ピストンに重りが付けられ、スタックを通る流量及び方向がスタック／ピストン組立体の角度向きに基づく重力モードでスタックを動作させることも可能になる。
【００１０】
[0010]  例示的な態様によれば、フローセルエネルギー貯蔵システムが提供される。このシステムは、正電流コレクタ、負電流コレクタ、及び正電流コレクタと負電流コレクタとを隔て、正及び負電気活性帯を規定するように位置決めされたイオン透過膜を有するフローセルと、正及び負電気活性組成物を正又は負ゾーンに注入するように構成された複数の作動装置と、を備える。
【００１１】
[0011]  先行実施形態では、膜は、イオンを移動させるように構成される。
【００１２】
[0012]  任意の先行実施形態では、作動装置は、電気活性組成物を収容するように構成される。
【００１３】
[0013]  任意の先行実施形態では、作動装置は、収容された電気活性材料に直圧を加えるように構成される。
【００１４】
[0014]  任意の先行実施形態では、作動装置は、圧縮空気単動又は複動式シリンダのうちの少なくとも一方を備える。
【００１５】
[0015]  任意の先行実施形態では、ステッパモータに作動装置が関連付けられる。モータはトランスミッション及びブレーキ機構に結合される。
【００１６】
[0016]  任意の先行実施形態では、遮断弁が、フローセルへの電気活性材料の流入を停止させるように構成される。
【００１７】
[0017]  任意の先行実施形態では、重り装置が作動装置に関連付けられる。
【００１８】
[0018]  任意の先行実施形態では、重力が使用されて、重り装置に作動装置を強制的に操作させる。
【００１９】
[0019]  任意の先行実施形態では、旋回装置を使用して、作動装置の操作に使用される重り装置への重力の方向を制御する。
【００２０】
[0020]  任意の先行実施形態では、シリンダで構成される作動装置は、ボールねじ、ギアラック、又はローラーねじ移動のうちの少なくとも１つを有する。
【００２１】
[0021]  上述された特徴は互いに組み合わせて実施され得ることが理解されるであろう。
【００２２】
[0022]  本発明を以下の図を参照して説明し、以下の図は例示のみを目的として提供され、本発明の完全な範囲は以下の特許請求の範囲に記載される。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来のマルチセル可逆的スタック電気化学セルを示す。
【図２】本発明の例示的な態様による単一フローセルスタックシステムの実施形態である。
【図３】本発明の例示的な態様による、複数のモータを利用して、ピストンを作動させる単一フローセルスタックシステムの代替の実施形態である。
【図４】モータにより作動する複動式シリンダを利用する単一フローセルスタックシステムの代替の実施形態である。
【図５】遮断弁を利用する図４の代替の実施形態である。
【図６】マルチスタックフローセルシステムの例示的な実施形態である。
【図７】例示的な重力駆動フローセルシステムである。
【図８】単一レドックスフローセルの拡大図である。
【図９】単一レドックスフローセルの拡大図である。
【図１０】単一レドックスフローセルの拡大図である。
【図１１】製造されたフローセル装置の例示的な実施形態である。
【図１２】製造された垂直フローセル構成の例示的な実施形態である。
【図１２ａ】製造された垂直フローセル構成の例示的な実施形態である。
【図１３】同一平面構成のフローセルシステムの等角図である。
【図１４】同一平面構成のフローセルシステムの等角図である。
【図１５】同一平面構成のフローセルシステムの等角図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
[0034]  本発明の例示的な実施形態は、レドックスフローセルスタックの個々のフローセルにそれぞれ接続された複数の作動装置を使用することによって、分流をなくすフローセル装置を提供する。複数の作動構成要素の使用によって、そのような構成要素の大量生産の経済的恩恵が提供される。本発明の１つ又は複数の実施形態は、本明細書に記載される電池を超える任意の他の適した電池セルに使用することもできる。
【００２５】
[0035]  フローセルシステムの一態様は、陽極及び陰極作動装置のマルチセルスタックへの直結を提供し、それにより、フローセルを貯蔵されている電気活性スラリーに接続する流体ラインが必要ない。作動装置のセルスタックへの直接接続は、丸い接続線を介した間接的な接続よりも小さい流体抵抗を提供する。
【００２６】
[0036]  図１は、従来の半固体フローセルスタック装置１０１を示す。図１に示されるように、マルチセルスタック装置は、装置の端部に端部電極１１９（陰極）及び１２０（陽極）並びに１２１等の１つ又は複数の双極電極（例えば、厚さの半分は銅であり、厚さの半分はアルミニウムである）を含む。電極間に、マルチセルスタック装置は、１１５等の陰極スラリー区画及び１１６等の陽極スラリー区画も含む。２つの区画は、１２２等のイオン伝導膜によって隔てられる。この構成は、装置内の複数のセルを含むように繰り返される。双極電極１２１は、陽極スラリーセル区画１１６に面する陽極（陽極電流コレクタ）１２５及び陰極スラリーセル区画１２７に面する陰極（陰極電流コレクタ）１２６を含む。ヒートシンク又は絶縁層１２８が陽極１２５と陰極１２６との間に配置される。
【００２７】
[0037]  マルチセルスタック装置は、陰極スラリーを貯蔵する陰極スラリー貯蔵槽１０２に接続される。図１に示されるように、正変位ポンプ１０４を使用して、流量計１０６及びチェック弁１０７を通じてマニフォルド１１３に陰極スラリーをポンピングし、マニフォルド１１３は陰極スラリーを、１１５等の複数の陰極スラリーセル区画に送る。正変位ポンプは、固定量の流体を捕捉し、次にその捕捉された量を強制的にポンプに通し（変位させ）、それにより、材料をマニフォルド１１３内に進めることにより、流体を移動させる。材料が陰極区画１１５に入ると、等量の陰極スラリーが陰極区画から変位する（排出される）。排出された陰極スラリーは、マニフォルド１１７、流量弁１１１を通って除去され、再び槽１０２に戻る。同様に、正変位ポンプ１０５を使用して、貯蔵槽１０３から流量計１２３及びチェック弁１２４を通してマニフォルド１１４に陽極スラリーをポンピングし、マニフォルド１１４は、１１６等の陽極スラリーセル区画に陽極スラリーを送る。排出された陽極スラリーは、マニフォルド１１８、流量弁１１２を通して除去されて槽１０３に戻る。
【００２８】
[0038]  図１において説明されるマニフォルドシステムは、複数の電極材料区画に開放されているか、又は複数の電極材料区画と流通しているため、「開放」マニフォルドシステムと呼ばれる。開放マニフォルド構造では、セル間に分流が形成されることがある。分流をなくすために、複数の作動装置が利用され、各作動装置はレドックスフローセルスタックの個々のフローセルに接続される。作動装置は、スラリー材料をフローセルのスラリー区画に供給するとともに、スラリー材料をスラリー区画から除去する。
【００２９】
[0039]  例示的な実施形態に係るフローセル装置の特徴を図２に示す。図２は、単一のセルフローセル２１０を有するフローセルシステム２００を示すが、複数のセルを包含するシステムを考案することができる。フローセル２１０は、電極（陰極及び陽極）並びに陰極スラリー区画及び陽極スラリー区画（図示せず）を含む。２つの区画は、イオン伝導膜（これも図示せず）により隔てられる。作動装置２３０は、例えば、負荷２７０がセル２１０に配置されてエネルギーが必要とされるため、新鮮な充電済みの陽極材料をフローセルに導入することが望まれるまで、充電された陽極スラリー２３５を貯蔵する。作動装置は通常、電気活性スラリーを収容する、シリンダ等の筐体（２３１）と、筐体の壁に封止接触して、電気活性スラリーを収容し、スラリーに接触して（直接又は間接的に）、力をスラリーに加えるチャンバを規定するピストン（２３３）と、を含む。矢印（２３２）で示されるように、ピストンをスラリーに向かって内側に変位させることによって力がスラリーに加わる。様々な外部装置を使用して、ピストン２３３の作動に必要な力を生成することができる。例えば、ピストン２３３は、作動装置２３０内の圧縮空気によって移動させられることができる。圧縮空気機構は、ピストン２３３に押す力又は引っ張る力を加える装置２３０に結合される。同様に、圧縮空気を使用して、装置２４０、２５０、及び２６０のそれぞれ内のピストン２４２、２５１、及び２６１が操作される。負荷２７０が掛けられると、作動装置２３０は、流入口２２０を通してスラリー２３５をセル２１０内に押す。スラリー２３５をフローセルに導入すると、現在はフローセル陽極区画内に含まれている材料が変位する。材料が陽極区画に入るにつれて、等量の陽極スラリーが陽極区画から変位する（排出される）。同時に、ある量の新しい陽極材料内流入口２２０に導入される際、セル内の陽極スラリーは、流出口２２２を通り、ピストン２４０を強制的に退避させることにより、作動装置２４０内にスラリーを貯蔵するチャンバ内に渡る。作動装置２３０に関して上述したように、作動装置２４０も、フローセルから受容した電気活性スラリーを収容する、シリンダ等の筐体（２４１）と、筐体の壁に封止接触して、電気活性スラリーを収容し、スラリーに接触する（直接又は間接的に）チャンバを規定するピストン（２４２）と、を含む。ピストンは外側に（セル２１０から離れて）変位させられ、ロッドが、シリンダに沿って軸方向に延びて、チャンバの容積を拡大させて、入力陽極スラリーに対応する。ある実施形態では、ピストンの移動は、入力陽極スラリーによりピストンにかけられる圧力により受動的に行われる。他の実施形態では、ピストンの移動は能動的に行われ、例えば、動力により退避し、それにより、シリンダ内に負圧を生成して、フローセルからのスラリーの除去を支援し得る。スラリーは、セル２１０の内外に同じ速度で移される。したがって、作動装置２３０、２４０、２５０、及び２６０を用いてスラリーを移す結果、セル２１０内に圧力が蓄積されない。作動装置２４０は、例えば、セル２１０が枯渇し、再充電を必要とするまで（又は他の何らかの適切な時点まで）陽極スラリーを貯蔵する���
【００３０】
[0040]  セル２００の陰極部分も同様に動作する。例えば、作動装置２５０は、必要になるまで、例えば、負荷２７０が追加のエネルギーを必要とするセル２１０に配置されるまで、充電された陰極スラリー２５５を貯蔵する。負荷２７０が掛けられると、作動装置２５０は、陰極流入口２２５を横切って、充電されたスラリー２５５をセル２１０内に押す。同時に、枯渇した陰極スラリー、例えば、新しい量の陰極スラリーが流入口２２５に導入される際のセル内の陰極スラリーは、陰極流出口２２７を通って作動装置２６０内にスラリーを貯蔵するチャンバ内に渡す。作動装置２４０は、セル２１０まである時間時間にわたり、例えば、陰極材料が枯渇して再充電を必要とするまで、又は他の何らかの適切な時点まで）、陰極スラリーを貯蔵する。インジケータにより、セル内の電気活性材料が枯渇したことが示される場合、新しい陰極及び陽極電気活性スラリーをフローセル２１０に導入することができる。代替的に、所望に応じて、セルの充電状態に関係なく、又は任意のスケジュールに従って、新しい陰極及び陽極電気活性スラリーを定期的な間隔で導入することができる。
【００３１】
[0041]  陽極及び陰極アクチュエータからの電気活性材料の移送は、充電された材料が陽極及び陰極アクチュエータ内で利用可能な限り続けることができる。スラリー２３５及び２５５が完全にシリンダ筐体２４０及び２６０のそれぞれに移された場合（又は任意の他の所望の時間に）、スイッチ２９０を逆にして、電源２８０にアクセスすることにより、セル２１０を再充電することができる。電源２８０を使用して、掛けられた負荷にエネルギーを提供するために使用されたものと同じフローセル内の枯渇した電気活性陰極材料及びスラリー材料を再充電する。このプロセスの結果、アクチュエータ装置２４０及び２６０が動作して、装置２４０及び２６０内に存在する枯渇したスラリーの流れを再びセル２１０に向け、セル２１０において、スラリーは再充電される。例えば、ピストンをセル２１０に向けて変位させることにより、アクチュエータ２４０内のスラリーチャンバに収容された枯渇陽極スラリーに力が加えられる。作動装置２４０は、流出口２２２を通してセル２１０内にスラリーを押し、セル２１０において再充電される。アクチュエータ２４０（第２の量の材料をアクチュエータ２４０からセル２１０に導入する）及びアクチュエータ２３０（ある量の材料をセル２１０からアクチュエータ２３０のスラリーチャンバに退避させる）の作動の組み合わせは、充電されたスラリーをアクチュエータ２３０内に再び移動させる。スラリーは同じ速度でセル２１０内外に移される。したがって、作動装置２３０、２４０、２５０、及び２６０を用いてスラリーを移す結果、セル２１０内に圧力が蓄積されない。
【００３２】
[0042]  代替的に、スラリーは、異なった時間に再充電されることができる。例えば、おおよそ等量のスラリー材料を、シリンダ筐体２３１及び２４１内に配置された各チャンバ内に維持することが望ましいことがある。したがって、所定量の材料が、例えば、シリンダ筐体２３１のスラリーチャンバから筐体２４１のスラリーチャンバに移された後、プロセスを逆にすることができ、枯渇した電気活性材料の適切な再充電と共に、材料は元のシリンダ筐体に戻される。
【００３３】
[0043]  この実施形態に示されるように、作動装置２３０、２４０、２５０、及び２６０は、単動式圧縮空気又は空気圧シリンダである。当業者は理解するように、シリンダは、ピストンを移動させて、陰極又は陽極スラリーを変位させ、フローセル２１０を通してスラリーをフローセル２１０内に移す任意の手段により作動することができる。例えば、ピストンは、電気モータ又はピストンロッドに取り付けられた重りに作用し、次にシステムをそれに従って向ける重力により作動し得る。さらに、アクチュエータがシリンダ装置に限定されず、陽極及び陰極スラリーを同じ移送速度でフローセル内外に移す効果を達成するために、任意の装置を使用可能なことが理解される。
【００３４】
[0044]  満杯の陽極アクチュエータの流体容量は通常、セル内の陽極流体容量の２倍であり、陰極アクチュエータについても同様である。アクチュエータとスタックとの間に流体ライン又は配管はなく、これは、流体抵抗がより小さく、組み立て及び作動でのコストがより低いことを意味する。従来技術による設計は、陽極又は陰極スラリーを単一の大型槽に貯蔵する。様々な流体ラインは高価であり、本発明よりも１桁大きな圧力を有する必要があるポンプを必要とする。
【００３５】
[0045]  図３は、図２に示されるフローセルスタックシステムの代替の実施形態であり、前に識別された要素は同様に記される。ステッパモータを使用して、アクチュエータに動力を提供するとともに、内部ピストンを内部ロッド軸上で前後に移動させる。ステッパモータ３３０、３４０、３５０、及び３６０は、動力をアクチュエータ２３０、２４０、２５０、及び２６０のそれぞれに提供する。この動きは、図２に関して上述した様式と同様に、作動装置に陰極又は陽極スラリーを装置２３０及び２４０並びに２５０及び２６０に対して内外に変位させる。
【００３６】
[0046]  図４は、単一の作動装置が、充電済み電気活性スラリー及び枯渇した電気活性スラリーの両方の収容に使用されるフローセルシステム４００を示す。アクチュエータ４３０を参照すると、アクチュエータは、電気活性陽極スラリーを収容する、シリンダ等の筐体４３０ａと、筐体の壁に封止接触して、２つのチャンバを規定するピストン（４３１）と、を含む。第１のチャンバ４３４は充電済み陽極スラリーを収容し、第２のチャンバ４３３は枯渇した電気活性スラリーを収容する。ピストン４３１はシリンダ筐体に封止係合し、シリンダ４３１の両面に２つの分離された区画を形成する。ピストン４３１は両スラリーに接触して、例えば、ロッド４３２の左手への移動により示される方向へのピストンの移動により、チャンバ４３３内に含まれるスラリーに力を加え、ロッド４３２の右手方向へのピストンの移動により、チャンバ４３４内に含まれるスラリーに力を加える。
【００３７】
[0047]  動作中、例えば、負荷４７０の印加による、フローセル充電状態の消費により、セル４１０内の電気活性材料を補充する必要がある。充電された陽極及び陰極スラリーは、作動装置４３０及び４４０のそれぞれから変位される。ステッパモータ４３５はピストン４３１及びロッド４３２を左手方向に移動させ、それにより、充電されたある量の陽極スラリーをチャンバ４３３から陽極流入口４２０ａを通ってフローセルに流入させる。充電されたスラリー４３３がセル４１０に入ると、使用済み又は枯渇した陽極スラリーは陽極流出口４２５ａを通過し、作動装置のチャンバ４３４に入る。枯渇した陽極スラリーは、電源４８０がスイッチ４９０を逆にし、再充電プロセスが開始されるまで貯蔵される。同様の動作が、陰極構成要素４４０及び４４５に対しても行われる。特に、作動装置４３０及び４４０は二重ロッド４３２及び４４２をそれぞれ含む。二重ロッドは、ピストンが作動する際、ピストン４３１及び４４１の両側に等量を提供する。チャンバ４３３内の容量が低減して、ある量のスラリーをチャンバ４３３から注入すると、チャンバ４３４は同量だけ増大し、セル４１０から排出されたある量のスラリーを収容することができる。したがって、作動装置４３０及び４４０を用いてスラリーを移す結果、セル４１０内に圧力が蓄積されない。
【００３８】
[0048]  図５は図４の代替の実施形態である。図４に開示されるすべての要素に加えて、遮断弁５１０、５２０、５３０、及び５４０を使用して、作動装置４３０及び４４０に対する電極スラリーの内向き流及び外向き流を制御する。フローセルが時間の経過に伴って放電することを当業者は理解するだろう。遮断弁の使用により、セル４１０内外への前の流れ、したがって、システム４００からの陽極及び陰極材料の漏れが防止される。さらに、弁５１０、５２０、５３０、及び５４０は、セル４１０に入るスラリー材料の正確な測定を提供する。
【００３９】
[0049]  図６は、図３に示される実施形態の代替の実施形態であり、複数のフローセルシステム６００を示す。この実施形態では、３つの単一セルフローセルが電気的に接続される。図３と同様に、電極スラリー材料は、２３０、２４０、２５０、及び２６０等の作動装置の使用により、フローセル２１０内で変位する。ステッパモータを使用して、作動装置のロッドを使用してピストンを作動させる。同じ構成がセル２１０ａ及び２１０ｂに対して繰り返される。フローセル２１０、２１０ａ、及び２１０ｂは、各セルに連通する独立した作動装置対、例えば、陽極スラリーを変位させるために少なくとも１つの装置及び陰極スラリーを変位させるために少なくとも１つの装置を有するように構成される。したがって、個々のセル間に流通はない。この構成は、セル間の分流を回避又は軽減する。
【００４０】
[0050]  図７は、本発明の例示的な実施形態に係るフローセルシステム７００を示す。この実施形態では、充電された陽極及び陰極スラリー材料のそれぞれは、作動装置７３０及び７５０から流入口７２０ａ及び７２０ｃを通してセル７１０に導入される。使用済みまたは枯渇した陽極及び陰極材料のそれぞれは、セル７１０を出て、作動装置７４０及び７６０に入る。セル７１０へのスラリーの内向き流と同様に、枯渇したスラリー材料はセルを通って作動装置７４０及び７６０の特定の場所、例えば、７２０ｂ及び７２０ｄに入る。
【００４１】
[0051]  シリンダ内の矢印に位置合わせされた重力は、スラリー材料をセル７１０内外に移動させるために必要な力を提供する。第１の構成では、重り７３０Ｗ及び７５０Ｗは、充電された陽極及び陰極スラリー材料の上に位置決めされるため、重り７３０Ｗ及び７５０Ｗは、充電された電極スラリー材料をアクチュエータ７３０及び７５０からセル７１０に押し入れるのに十分な圧力を掛ける。例えば、図７に示される第１位置では、重り７３０Ｗ及び７５０Ｗは、力を作動装置７３０及び７５０に掛けて、陽極及び陰極流体のそれぞれをセル７１０に押し入れる。重力が重り７４０Ｗ及び７６０Ｗに作用して、シリンダをスラリーから離れるように引っ張り、電気活性スラリーをセル７１０から除去するのを支援する負圧を生み出す。さらに、システム７００は、組立体全体を１８０°回転させて、重りにより作動装置及び作動装置内に含まれるスラリーに加えられる力を変更する装置（図示せず）を含む。第２位置では、組立体全体は矢印７７７で示される軸を中心として１８０°回転し、重力が逆になる。したがって、重力が重り７４０Ｗ及び７６０Ｗに対して作用し、重り７４０Ｗ及び７６０Ｗは力を作動装置７４０及び７６０に掛け、それにより、枯渇した電極材料をアクチュエータ７４０及び７６０から押し、セル７１０に再流入させる。重力は、重り７３０Ｗ及び７５０Ｗに作用して、シリンダをスラリーから離れるように引っ張り、電気活性スラリーをセル７１０から除去するのを支援する負圧を生み出す。
【００４２】
[0052]  図８、図９及び図１０は、１つ又は複数の実施形態に係るレドックスフローセル又は燃料セルに使用されるスタック設計の拡大図である。図８は、単一のレドックスフローセルの設計の拡大図を示す。フローセルシステム８００は端板８１０及び８２０を含み、端板は、すべての構成要素を固定し、封止一体性をスタック全体に提供するように機能する。電流コレクタ８３０及び８４０は、フローセルの活性エリアから電流を集めて集中させ、セル内の特定の場所に移す。集中させた電流は、導電体（図示せず）を介して負荷に移すことができる。絶縁板又はガスケット（図示せず）を使用して、端板を電流コレクタから分離し得る。陽極板８６０及び陰極板８５０はそれぞれ、電流コレクタ８４０及び８３０に当接して配置され、電気化学反応が生じるように、電極スラリー流を膜／セパレータ８７０ａにわたって均一に分配する。陽極及び陰極板８６０及び８５０は、イオン交換膜８７０ａにより隔てられ、イオン交換膜８７０ａは陽極活性エリア８８０ｂ及び陰極活性エリア８８０ａをセパレータ８７０ａの両側に規定する。流板内側の活性エリアは、支持構造、例えば、メッシュを含み、導電性を増大させるか、又は乱流を増大させるか、又は追加の支持を膜／セパレータに提供し得る。全体構造は概して、長いロッド（図示せず）を使用して、すべての構成要素を一緒にボルト締めすることによりクランプされる。加えられる圧力は、フローセルのすべての通路及び活性エリアに適切な封止を付与する。
【００４３】
[0053]  陽極スラリーは、ポート８１０ａを介してシステム８００に入ることができる。枯渇した陽極スラリーは、ポート８１０ｂを介してシステム８００から出る。電流コレクタ８３０（開口部８３０ａ）、陰極板８５０（開口部８５０ａ）に対応する開口部があり、それらの開口部が、開口部８６０ａを介して陽極板８６０への陽極材料の導管を提供することを理解されたい。枯渇した陽極スラリーは、陽極板開口部８６０ｂから陰極板８５０及び電流コレクタ８３０の開口部（図示せず）を通ってセル８００を通過する。陽極スラリーは、ポート８１０ｂを介してセル８００から出る。陰極スラリー材料は、ポート８１０ｃ及び８１０ｄを介して同様にしてセル８００を通過する。電極スラリー材料がセル８００を通して逆流構成又は同流構成で流れてもよいことを当業者は理解するであろう。
【００４４】
[0054]  図９は、図８に示されるフローセルの代替の実施形態の拡大図であり、同様の要素は同様に記される。この実施形態では、陰極及び陽極構成要素は、電流コレクタと結合されて、個々の板９１０及び９２０のそれぞれになる。結合された板は、簡易化組立体構造を提供し、全体コストを低減する。
【００４５】
[0055]  図１０はまた、フローセルの温度制御を提供して可能にする図８の代替の実施形態である。冷却剤口１０１０ａ及び１０１０ｂは、端板１０１０に一体化され、冷却剤がセル１０００に輸送されることを可能にする。電流コレクタは、ポート１０１０ｂに対応する開口部１０２０ｂを有し、開口部１０２０ｂは、冷却剤がセル１０００に通ってポート１０１０ｂから流出することを可能にする。電流収集板１０２０にも、冷却剤をポート１０１０ａから輸送するための対応する開口部（図示せず）がある。セル１０００への冷却剤の輸送により、熱をセルから運ぶことができ、それにより、フローセル全体を通して均等な温度分布を維持する。冷却剤チャネルは、陰極及び陽極板１０３０及び１０４０のそれぞれの反対側に配置される。冷却剤の分布により、電極スラリーをセル１０００内で冷却することができる。
【００４６】
[0056]  図１１は、本発明の例示的な実施形態により組み立てられたフローセルスタックシステムを示す。フローセルスタックシステム１１００は、主本体１１１０、ステッパモータ１１２０、及びフローセル１１３０を含む。アクチュエータ装置１１５０は、モータ１１２０ａにより動力提供され、充電された陽極スラリーをセル１１３０内に押す（システム１００への壁は、説明のために除去されている）。モータ１１２０ｂ、１１２０ｃ、及び１１２０ｄは、モータ１１２０ａと同様に動作する。枯渇した陽極スラリー材料は、セル１１３０からアクチュエータ装置１１６０に引っ張られる。陰極スラリーは、同じプロセスに従ってセル１１３０内で変位し、作動装置１１７０が陰極スラリーをセル１１３０内に導入し、作動装置１１８０が陰極スラリーをセル１１３０から除去する。ガスケット１１４０は、作動装置１１５０、１１６０、１１７０、及び１１８０並びにセル１１３０の間に配置されて、セルからの電極材料の漏れを防止する。
【００４７】
[0057]  図１２及び図１２ａは、マルチセルスタックフローセルシステム１２００の代替の実施形態を示す。このシステムでは、複数のフローセルは、流入及び流出陽極及び陰極作動装置１２１０及び１２２０のそれぞれに対して垂直に構成される。本発明の他の実施形態と同様に、各フローセルには、一対の陽極作動装置及び一対の陰極作動装置が関連付けられ、電気活性スラリーが、関連付けられたフローセル内で変位する。図１２は、単一のステッパモータ１２３０が流入作動装置１２１０の群に動力提供し、単一のステッパモータ１２４０が流出装置１２３０の群に動力提供する実施形態を示す。図１２ａは同様の実施形態であるが、各流入作動装置は、１２３０ａに示されるように、個々のステッパモータにより動力提供される。各流出作動装置は、１２４０ａに示されるように、個々のステッパモータにより動力提供される。この構成では、個々のモータが誤作動するおそれがあるため、セル１２００の動作を妨げずに、セル１２００をよりよく制御することができる。
【００４８】
[0058]  図１３及び図１４は、マルチスタックフローセルシステム１３００の等角図である。システム１３００は、作動装置１３２０ａ、１３２０ｂ、１３３０ａ、及び１３３０ｂに対して同一平面に構成されたフローセル１３１０を示す。例えば、装置１３２０ａは、セル１３１０内に押された充電陽極スラリーを含む。装置１３２０ｂを使用して、枯渇した陽極スラリーをセル１３０１から引っ張り出して貯蔵する。同様のプロセスが陰極スラリーに対しても行われ、陰極スラリーは装置１３３０ａ及び１３３０ｂを介して移動する。
【００４９】
[0059]  図１４は、同一平面構成で構築されたシステム１４００を示す。図示されるように、システム１４００は、複数の作動装置１４１０及び１４２０に接続された複数のセル又はセルスタックを含む。装置は、それらの直径の和の２倍だけずらされる。一対のアクチュエータが個々のセル毎の各種の電極流体に使用されるため、アクチュエータ１４１０及び１４２０は、スタック１４３０に対して対角線構成で示される。この構成は、グループを形成するために、最小スタック幅を提供し、次に、シリンダが密に積み込まれ、したがって、空間効率を高くするために入れ子されるように複数のグループを互いに積み重ねることができる。典型的なスタック幅は、アクチュエータ外径の約１５〜２０倍である。
【００５０】
[0060]  図１３及び図１４と同様に、図１５は、マルチスタックフローセルシステムの同一平面構成を示す。複数のフローセルシステム１５１０が一緒に直列に積み重ねられて、エネルギー貯蔵装置を形成する。これにより、分流を生じさせずに、各セルの電圧を合算して、高電圧出力を提供することができる。表１は、図１５に示されるマルチスタックフローセルシステムの仕様を詳述する。
【００５１】
【表１】
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【００５２】
[0061]  上記特徴は、互いに組み合わせて実施されて、本発明による例示的な様々な実施形態を提供し得る。
【００５３】
[0062]  本発明を上記例示的な実施形態において説明して例示したが、本開示は単なる例として行われたものであり、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される本発明の趣旨及び範囲から逸脱せずに、本発明の実施態様の詳細に多くの変更を行い得ることが理解される。開示される実施形態の特徴は、本発明の範囲及び趣旨内で様々な方法で組み合わせ再構成することができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１２ａ】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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