(57)【要約】  レドックスフロー電池システム（１０）が、多孔質膜（１３）によって第１の隔室（１１ａ）と第２の隔室（１１ｂ）とに分割される電気化学セル（１１）を含む。第１の及び第２の隔室（１１ａ、１１ｂ）はそれぞれ、電極を収容する。電解質貯蔵タンク（１４）は、第１の容量部（１４ａ）、及び可動セパレータ（１５）によって第１の容量部から分離されている第２の容量部（１４ｂ）を有する。貯蔵タンク（１４）の第１の容量部（１４ａ）は、第１の隔室（１１ａ）と流体連通し、貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）は、第２の隔室（１１ｂ）と流体連通している。システム（１０）はまた、電気化学セル（１１）の第１の及び第２の隔室（１１ａ、１１ｂ）を通って、貯蔵タンクの第１の容量部（１４ａ）と貯蔵タンクの第２の容量部（１４ｂ）との間で流体を移動させるように構成されているフロー制御システムも含む。関連の方法についても説明する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電極（１２ａ）を収容する第１の隔室（１１ａ）、及び第２の電極（１２ｂ）を含む第２の隔室（１１ｂ）を有する電気化学セル（１１）であって、前記第１の隔室（１１ａ）及び前記第２の隔室（１１ｂ）が、多孔質膜（１３）によって互いに分離されている、前記電気化学セル（１１）と、
第１の容量部（１４ａ）及び第２の容量部（１４ｂ）を含む電解質貯蔵タンク（１４）であって、前記第１の容量部（１４ａ）及び前記第２の容量部（１４ｂ）が、可動セパレータ（１５）によって互いに分離されている、前記電解質貯蔵タンク（１４）と
を含むレドックスフロー電池システム（１０）であって、
前記第１の容量部（１４ａ）が前記第１の隔室（１１ａ）と流体連通し、前記第２の容量部（１４ｂ）が前記第２の隔室（１１ｂ）と流体連通しており、
前記レドックスフロー電池システム（１０）が、前記電気化学セル（１１）の前記第１の隔室（１１ａ）及び前記第２の隔室（１１ｂ）を通って前記貯蔵タンクの前記第１の容量部（１４ａ）と前記貯蔵タンクの前記第２の容量部（１４ｂ）との間で流体を移動させるように構成されているフロー制御システムをさらに含む、
前記レドックスフロー電池システム（１０）。
【請求項２】
フロー制御システムが、貯蔵タンク（１４）内で可動セパレータ（１５）を移動させるための駆動システムを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
フロー制御システムが、電気化学セル（１１）における流体の伝導率を測定するように構成されている測定ユニットを含む、請求項１又は２に記載のシステム。
【請求項４】
フロー制御システムが、電気化学セル（１１）から流出する流体の測定された伝導率に基づいて、前記電気化学セル（１１）を通る前記流体のフロー速度を制御するように構成されている、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
フロー制御システムが、エネルギー管理システム（２５）によって提供される帯電電流設定点又は放電電流設定点に基づいて、電気化学セル（１１）を通る流体のフロー速度を変動させるように構成されている、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
第１の電極（１２ａ）及び第２の電極（１２ｂ）が多孔質である、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
多孔質分離膜（１３）がイオン選択性である、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
電気化学セル（１１）が、第１の保護ホイル及び第２の保護ホイルをさらに含み、第１の電極（１２ａ）及び第２の電極（１２ｂ）、並びにイオン選択性膜（１３）が、前記第１の保護ホイルと前記第２の保護ホイルとの間に配設されている、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
電気化学セル（１１）が、第１の保護ホイルと第１の電極との間に配設される第１の流入スペーサ、及び第２の電極と第２の保護ホイルとの間の第２の流出スペーサをさらに含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
電解質貯蔵タンク（１４）の第１の容量部（１４ａ）が、第１の活性レドックス対の第１の種、及び任意選択で、第２の活性レドックス対の第１の種を溶液中に含む、請求項１〜９のいずれかに記載のシステム。
【請求項１１】
電解質貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）が、第１の活性レドックス対の第１の種、及び第２の活性レドックス対の第２の種を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
電解質貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）が、電解質を実質的に欠いている溶媒を含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
第１の活性レドックス対の第１の種が、金属種であり、
第２の活性レドックス対の第１の種が、Ｉ−アニオン、Ｉ２、及びＩｘのアニオン（ｘが、３以上の数である）からなる群から選択されるＩをベースとする種である、
請求項１０〜１２のいずれかに記載のシステム。
【請求項１４】
金属が亜鉛である、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
電解質貯蔵タンク（１４）と、多孔質膜（１３）によって第１の隔室（１１ａ）が第２の隔室（１１ｂ）から分離されている電気化学セル（１１）とを含むレドックスフロー電池システム（１０）を動作させるための方法であって、前記第１の隔室（１１ａ）及び前記第２の隔室（１１ｂ）が、第１の電極（１１ａ）及び第２の電極（１１ｂ）をそれぞれ含有し、前記方法が、次のステップ、すなわち、
前記貯蔵タンク（１４）の第１の容量部（１４ａ）に、第１の活性レドックス対の第１の種を含む電解質溶液を提供するステップと、
前記貯蔵タンク（１４）の前記第１の容量部（１４ａ）から電気化学セル（１１）の前記第１の隔室（１１ａ）に流体を移動させるステップと、
前記第１の電極（１２ａ）及び前記第２の電極（１２ｂ）にわたって外部電圧を印加するステップと、
前記第１の電極（１２ａ）において、前記第１の活性レドックス対の前記第１の種を還元して、前記第１の活性レドックス対の第２の種を形成するステップと、
前記多孔質膜（１３）を通って、前記第２の電極（１２ｂ）を含む電気化学セル（１１）の第２の隔室（１１ｂ）内に、前記流体を移動させるステップと、
前記第２の電極（１２ｂ）において、第２の活性レドックス対の第１の種を酸化して、前記第２の活性レドックス対の第２の種を形成するステップと、
前記電気化学セル（１１）の前記第２の隔室（１１ｂ）から前記貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）に前記流体を移動させるステップと
を含む帯電サイクルを含み、
前記貯蔵タンク（１４）の前記第１の容量部（１４ａ）及び前記第２の容量部（１４ｂ）が、可動セパレータ（１５）によって分離され、前記電気化学セルを通って前記流体を移動させるステップが、前記可動セパレータ（１５）を移動させるステップを伴う、
前記方法。
【請求項１６】
第２の活性レドックス対の第１の種が、貯蔵タンク（１４）の第１の容量部（１４ａ）及び前記貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）内の電解質溶液中に存在する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
第１の活性レドックス対の第１の種及び第２の種が、異なる酸化状態を有する金属種であり、
第２の活性レドックス対の第１の種及び第２の種が、Ｉ−アニオン、Ｉ２、及びＩｘのアニオン（ｘが、３以上の数である）からなる群から選択される異なるＩをベースとする種である、
請求項１５又は１６に記載の方法。
【請求項１８】
第１の活性レドックス対の第１の種が、Ｚｎ２＋であり、
第２の活性レドックス対の第１の種が、Ｉ−であり、
前記第１の活性レドックス対の第２の種が、Ｚｎ０であり、
前記第２の活性レドックス対の第２の種が、Ｉ３−又はＩ２である、
請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第２の活性レドックス対の第２の種が、Ｉ２であり、第２の活性レドックス対の第２の種を形成するステップが、電解質貯蔵タンクの第２の容量部に移動される流体が、活性レドックス種を実質的に欠いている溶媒になるように、電気化学セルの第２の隔室においてＩ２を沈殿させるステップを含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
第２の活性レドックス対の第２の種が、Ｉ３−であり、電解質貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）に移動される流体が、ＺｎＩ６である、請求項１８に記載の方法。
【請求項２１】
次のステップ、すなわち、
電解質貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）から電気化学セル（１１）の第２の隔室（１１ｂ）に流体を移動させるステップと、
第２の電極（１２ｂ）において、第２の活性レドックス対の第２の種を還元して、前記第２の活性レドックス対の第１の種を形成するステップと、
前記電気化学セル（１１）の第２の隔室（１１ｂ）から、多孔質膜（１３）を通って、電気化学セル（１１ａ）の第１の隔室（１１ａ）に、前記第２の活性レドックス対の第１の種を含む前記流体を移動させるステップと、
第１の活性レドックス対の第２の種を酸化して、前記第１の活性レドックス対の第１の種を形成するステップと、
前記電解質貯蔵タンク（１４）の第１の容量部（１４ａ）に、前記第１の活性レドックス対の第１の種及び前記第２の活性レドックス対の第１の種を含む前記流体を移動させるステップと
を含む放電サイクルをさらに含む、請求項１５〜２０のいずれかに記載の方法。
【請求項２２】
電解質貯蔵タンク（１４）と、多孔質膜（１３）によって第１の隔室（１１ａ）が第２の隔室（１１ｂ）から分離されている電気化学セル（１１）とを含むレドックスフロー電池システム（１０）を動作させる方法であって、前記第１の隔室（１１ａ）及び前記第２の隔室（１１ｂ）が、第１の電極（１２ａ）及び第２の電極（１２ｂ）をそれぞれ含有し、前記方法が、次のステップ、すなわち、
前記貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）から、第２の電極（１２ｂ）を含む前記電気化学セル（１１）の第２の隔室（１１ｂ）に、溶媒を含む流体を移動させるステップと、
前記第２の電極（１２ｂ）において、第２の活性レドックス対の第２の種を還元して、前記第２の活性レドックス対の第１の種を形成するステップと、
前記多孔質膜（１３）を通って、前記電気化学セル（１１）の前記第１の隔室（１１ａ）に、前記流体を移動させるステップと、
前記第１の電極（１２ａ）において、第１の活性レドックス対の第２の種を酸化して、前記第１の活性レドックス対の第１の種を形成するステップと、
前記電気化学セル（１１）の前記第１の隔室（１１ａ）から、前記貯蔵タンク（１４）の第１の容量部（１４ａ）に、前記第１の活性レドックス対の前記第１の種を含む前記流体を移動させるステップと
を含む放電サイクルを含み、
前記貯蔵タンク（１４）の前記第１の容量部（１４ａ）及び前記第２の容量部（１４ｂ）が、可動セパレータ（１５）によって分離され、前記電気化学セル（１１）を通って前記流体を移動させるステップが、前記可動セパレータ（１５）を移動させるステップを伴う、
前記方法。
【請求項２３】
第２の活性レドックス対の第１の種が、第２の隔室（１１ｂ）から多孔質膜（１３）を通って第１の隔室（１１ａ）に、及び第１の隔室（１１ａ）から貯蔵タンク（１４）の第１の容量部（１４ａ）に移動される、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
第２の活性レドックス対の第１の種及び第２の種が、Ｉ−アニオン、Ｉ２、及びＩｘのアニオン（ｘが、３以上の数である）からなる群から選択される異なるＩをベースとする種であり、
第１の活性レドックス対の第１の種及び第２の種が、異なる酸化状態を有する金属種である、
請求項２２又は２３に記載の方法。
【請求項２５】
第２の活性レドックス対の第２の種が、Ｉ３−又はＩ２であり、
前記第２の活性レドックス対の第１の種が、Ｉ−であり、
第１の活性レドックス対の第２の種が、Ｚｎ０であり、
前記第１の活性レドックス対の第１の種が、Ｚｎ２＋である、
請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
第２の活性レドックス対の第２の種が、Ｉ３−であり、電解質貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）に提供される流体が、ＺｎＩ６である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
第２の活性レドックス対の第２の種が、Ｉ２であり、電解質貯蔵タンク（１４）の第２の容量部（１４ｂ）に提供される流体が、活性レドックス種を実質的に欠いている溶媒である、請求項２５に記載の方法。
【請求項２８】
電気化学セル（１１）の第１の隔室（１１ａ）及び第２の隔室（１１ｂ）を介する貯蔵タンクの第１の容量部（１４ａ）と第２の容量部（１４ｂ）との間の流体の移動が、駆動システムにより貯蔵タンク（１５）内で可動セパレータ（１５）の移動を制御することによって制御される、請求項１５〜２７のいずれかに記載の方法。
【請求項２９】
フロー制御システムが、測定ユニットを含み、方法が、電気化学セル（１１）における流体の伝導率を測定するステップをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
フロー制御システムが、電気化学セル（１１）から流出する流体の測定された伝導率に基づいて、前記電気化学セルを通る前記流体のフロー速度を制御する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
フロー制御システムが、エネルギー管理システム（２５）によって提供される設定点に基づいて、電気化学セル（１１）を通る流体のフロー速度を変動させる、請求項２８〜３０のいずれかに記載の方法。
【請求項３２】
第１の電極（１２ａ）及び第２の電極（１２ｂ）が、多孔質であり、電解質貯蔵タンク（１４）の第１の容量部（１４ａ）と第２の容量部（１４ｂ）との間で流体を移動させるステップが、第１の多孔質電極及び第２の多孔質電極を通って前記流体を移動させるステップを伴う、請求項１５〜３１のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの電解質貯蔵容量部間の可動セパレータを含むレドックスフロー電池システムに関する。より詳細には、本発明は、可動セパレータの一方の側から可動セパレータの他方の側に、電気化学セルを通って、第１の及び第２の活性レドックス対（active redox couple）の種を含む流体を移動させるためのシステムと方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
レドックスフロー電池システムは、それらの構造が柔軟であること（エネルギー構成要素と電力構成要素とが物理的に分離していること）、寿命サイクルが長いこと、及び応答時間が速いことにより、化学的な形態で便利なエネルギーの貯蔵を提供することができる。広範囲の化学構造がレドックスフロー電池システムに用いられ、異なる貯蔵タンク装置へとつながっている。
【０００３】
米国特許出願公開第４，７８６，５６７Ａ号明細書には、第１の半セル及び第２の半セルを有する電気化学セルを含む全バナジウムレドックス電池について記載されている。このシステムは、４つの電解質貯蔵タンク、すなわち、カソライト貯蔵容器、カソライト帯電容器（catholyte charged reservoir）、アノライト貯蔵容器、及びアノライト帯電貯蔵容器をさらに含む。カソライト貯蔵容器及びカソライト帯電容器は、電気化学セルの第１の半分と流体連通し、一方、アノライト貯蔵容器及びアノライト帯電容器は、電気化学セルの第２の半分と流体連通している。
【０００４】
ＰＣＴ出願公開第ＷＯ２０１５／１８７２４０Ａ１号パンフレットには、２つの電解質貯蔵タンクを含むレドックスフロー電池について記載されている。第１の電解質貯蔵タンクは、金属Ｍｎ＋のカチオンを含む溶液を含有し、第２の電解質貯蔵タンクは、Ｉをベースとする種を含む溶液を含有する。第１の電解質貯蔵タンクは、電気化学セルの第１の半セルと流体連通し、一方、第２の電解質貯蔵タンクは、電気化学セルの第２の半セルと流体連通している。
【０００５】
既存のレドックスフロー電池システムの制限のうちの１つは、電解質を貯蔵するのに必要な貯蔵タンクの容量部が大きいことである。特に高エネルギー用途（例えば、再生可能エネルギー貯蔵）においては、複数の大型タンクを含むレドックスフロー電池に、非常に大きい設置面積が必要になる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第４，７８６，５６７Ａ号明細書
【特許文献２】ＰＣＴ出願公開第ＷＯ２０１５／１８７２４０Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、電解質貯蔵タンクに必要な設置面積を低減させ、システムを通る流体フローの複雑さを低減させる、改良されたレドックスフロー電池システムを提供することを追求する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様においては、レドックスフロー電池システムが提供され、このレドックスフロー電池システムは、第１の電極を収容する第１の隔室、及び第２の電極を含む第２の隔室を有する電気化学セルであって、第１の隔室及び第２の隔室が、多孔質膜によって互いに分離されている、電気化学セルと、第１の容量部及び第２の容量部を含む電解質貯蔵タンクであって、第１の容量部及び第２の容量部が、可動セパレータによって互いに分離されている、電解質貯蔵タンクとを含み、第１の容量部は第１の隔室と流体連通し、第２の容量部は第２の隔室と流体連通し、このシステムは、電気化学セルの第１の隔室及び第２の隔室を通って貯蔵タンクの第１の容量部と貯蔵タンクの第２の容量部との間で流体を移動させるように構成されているフロー制御システムをさらに含む。
【０００９】
本発明の第２の態様においては、電解質貯蔵タンクと、多孔質膜によって第１の隔室が第２の隔室から分離されている電気化学セルとを含むレドックスフロー電池を動作させるための方法が提供され、第１の隔室及び第２の隔室は、第１の電極及び第２の電極をそれぞれ含有し、この方法は、次のステップ、すなわち、貯蔵タンクの第１の容量部に、第１の活性レドックス対の第１の種、及び任意選択で第２の活性レドックス対の第１の種を含む電解質溶液を提供するステップと、貯蔵タンクの第１の容量部から電気化学セルの第１の隔室に流体を移動させるステップと、第１の電極及び第２の電極にわたって外部電圧を印加するステップと、第１の電極において、第１の活性レドックス対の第１の種を還元して第１の活性レドックス対の第２の種を形成するステップと、多孔質膜を通って第２の電極を含む電気化学セルの第２の隔室内に流体を移動させるステップと、第２の電極において、第２の活性レドックス対の第１の種を酸化して第２の活性レドックス対の第２の種を形成するステップと、電気化学セルの第２の隔室から貯蔵タンクの第２の容量部に流体を移動させるステップとを含む帯電サイクルを含み、貯蔵タンクの第１の容量部及び第２の容量部は、可動セパレータによって分離され、電気化学セルを通って流体を移動させるステップは、可動セパレータを移動させるステップを伴う。例示的な実施形態においては、流体が、第１の電極、膜、次いで、第２の電極を通ってポンピングされる速度は、電池に又は電池から供給される電力に適合し得る。
【００１０】
本発明の第３の態様においては、電解質貯蔵タンクと、多孔質膜によって第１の隔室が第２の隔室から分離されている電気化学セルとを含むレドックスフロー電池を動作させる方法が提供され、第１の隔室及び第２の隔室は、第１の電極及び第２の電極をそれぞれ含有し、この方法は、次のステップ、すなわち、貯蔵タンクの第２の容量部から、第２の電極を含む電気化学セルの第２の隔室に、溶媒を含む流体を移動させるステップと、第２の電極において、第２の活性レドックス対の第２の種を還元して、第２の活性レドックス対の第１の種を形成するステップと、電気化学セルの第２の隔室から、多孔質膜を通って、電気化学セルの第１の隔室に、任意選択で第２の活性レドックス対の第１の種を含む流体を移動させるステップと、第１の電極において、第１の活性レドックス対の第２の種を酸化して、第１の活性レドックス対の第１の種を形成するステップと、電気化学セルの第１の隔室から、貯蔵タンクの第１の容量部に、任意選択で第２の活性レドックス対の第１の種及び第１の活性レドックス対の第１の種を含む流体を移動させるステップとを含む放電サイクルを含み、貯蔵タンクの第１の容量部及び第２の容量部は、可動セパレータによって分離され、電気化学セルを通って流体を移動させるステップは、可動セパレータを移動させるステップを伴う。例示的な実施形態においては、流体が、第１の電極、膜、次いで、第２の電極を通ってポンピングされる速度は、電池に供給される電力に適合し得る。（放電モードにおいては、システムを通るフローは、電池が供給するように構成されている電力に基づいて適合し得る。）
【００１１】
電解質のすべてに貯蔵用の単一の分離タンクを提供することによって、本発明は、従来のマルチタンク装置と比較して、レドックスフロー電池システムの設置面積を有意に低減させることができる。その上、電解質貯蔵タンクの第１の容量部と第２の容量部との間に可動セパレータを提供することによって、システムを通る流体フローの制御は、単純で効果的に管理され得、システムの電荷状態（state of charge）は、電解質貯蔵タンク内の可動セパレータの位置によって指示され得る。さらなる別の利点は、単一の電解質溶液（同じ溶液中に１又は２以上の電解質ペアを含む）の使用を許容する本発明のシステムによって提供される。電気化学セルを通過することができる１つの溶液を提供することによって、レドックスフロー電池システムの寿命は、異なる電解質溶液の（意図しない）混合によって低減しない。その上、システムのすべての部分内に存在する電解質溶液は類似しているので、保守及び安全の手順は簡略化され得る。本発明の他の利点については、次の開示に照らせば当業者には明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
ここで、本発明について、例示的な実施形態の次の説明及び添付の図面を参照することによって説明する。
【図１】最新技術の部分を形成するレドックスフロー電池装置を示す図である。
【図２Ａ】本発明の第１の態様によるレドックスフロー電池装置を示す図である。
【図２Ｂ】本発明の第１の態様によるレドックスフロー電池装置を示す図である。
【図３】本発明によるレドックスフロー電池を制御するためのシステムを示す図である。
【図４Ａ】本発明によるフロー電池を動作させる方法のステップを示す概略図である。
【図４Ｂ】本発明によるフロー電池を動作させる方法のステップを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、参照によってその全体が組み込まれているＷＯ２０１５／１８７２４０Ａ１による当技術分野において知られているタイプのレドックスフロー電池システムを示している。システム１００は、第１の隔室又は「半セル（half-cell）」１０２と、第２の隔室又は「半セル（half-cell）」１０３とを含む電気化学セルを含む。第１の隔室１０２は、第１の電極１０８を含み、第２の隔室１０３は、第２の電極１０９を含む。第１の及び第２の隔室１０２、１０３は、多孔質膜１０７によって互いに分離されている。第１の電極１０８及び第２の電極１０９は、負荷又は電圧源１０１に接続されている。
【００１４】
第１の隔室１０２は、第１の電解質貯蔵タンク１０４と流体連通している。第２の隔室１０３は、第２の電解質貯蔵タンク１０５と流体連通している。ポンプ１１０が、２つの貯蔵タンクと電気化学セルのそのそれぞれの隔室との間で流体を移動させるように提供される。
【００１５】
図１に示されているフロー電池は、金属ヨウ化物フロー電池として構成されている。第１の電解質貯蔵タンク１０２は、溶液中に金属ＭのカチオンＭｎ＋（例えば、Ｚｎ２＋）を含有する。第２の電解質貯蔵タンク１０３は、少なくとも１つのＩをベースとする種（例えば、Ｉ−、Ｉ−３）を含む溶液を含有する。実際には、タンクはともに、ヨウ化亜鉛溶液（ＺｎＩ２）を含んでもよい。
【００１６】
電池１００を帯電させるには、外部電圧が、第１の及び第２の電極１０８、１０９にわたって印加される。電気化学セルの第１の半分１０２においては、第１の（負の）電極１０８においてＭｎ＋カチオンが還元されてＭ０を形成する。電気化学セルの第２の半分１０３においては、第２の（正の）電極１０９において第１のＩをベースとする種（例えば、Ｉ−アニオン）が酸化されて、別のＩをベースとする種（例えば、Ｉ３−又はＩ２）を形成する。電荷キャリア（図示せず）が、電気化学セルの第１の及び第２の隔室１０２、１０３内の電荷バランスを維持するように多孔質膜１０７を通って移動する。したがって、電池を帯電させるのに供給されるエネルギーは、液体における化学的エネルギーとして貯蔵される。一旦、電気化学セル内の液体の電荷状態が最大（例えば、所定の比率若しくはすべてのＭｎ＋カチオンが還元された状態、及び／又はすべて若しくは所定の比率のＩ−アニオンが酸化された状態）に達すると、電気化学セル内の流体には、貯蔵タンク１０４及び１０５からの流体が補充され得る。
【００１７】
電池１００の放電サイクル中、処理は、逆転されて、第１の及び第２の電極１０８、１０９にわたる電圧を外部負荷１０１に供給する。放電サイクル中、Ｉをベースとする種が、第２の電極１０９において還元され、第２の電極１０９は、このとき、電気化学セルの第２の半分（第２の隔室１０３）における負の電極として作用する。このとき、正の電極として作用する第１の電極１０８においては、Ｍ０は、酸化されて、Ｍｎ＋を形成する。電荷キャリア（図示せず）が、電気化学セルの第１の及び第２の隔室１０２、１０３内の電荷バランスを維持するように多孔質膜１０７を通って移動する。したがって、電流は、電気化学セル１００によって関連の負荷１０１に提供される。
【００１８】
図１に示されている装置に伴う問題のうちの１つは、システム１００が必要とする電解質タンクの設置面積が大きいことである。本発明は、第１の電解質貯蔵タンクと第２の電解質貯蔵タンクとを組み合わせて、可動セパレータによって第１の容量部と第２の容量部に分割されている単一の貯蔵タンクにすることによって、レドックスフロー電池システムの設置面積を低減させることができる。
【００１９】
図２Ａ及び図２Ｂは、本発明の第１の実施形態によるレドックスフロー電池システムを示している。図２Ａ及び図２Ｂに示されているように、レドックスフロー電池システム１０は、第１の隔室１１ａ及び第２の隔室１１ｂを有する電気化学セルを含む。第１の隔室１１ａは、第１の電極１２ａを含み、第２の隔室１１ｂは、第２の電極１２ｂを含む。図２Ａ及び図２Ｂに示されているように、第１の及び第２の隔室１１ａ、１１ｂは、多孔質膜１３によって互いに分離されている。図１を参照して上述したものと同様の方式で、第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂは、（帯電用の）外部電源及び／又は（放電用の）外部負荷に接続されるように構成されている。
【００２０】
電解質貯蔵タンク１４は、可動セパレータ１５によって互いに分離されている第１の容量部１４ａ及び第２の容量部を含む。可動セパレータ１５は、電解質貯蔵タンクを分離して、互いに流体連通していない２つの別個の隔室１４ａ、１４ｂにするように構成されている。可動セパレータ１５は、貯蔵タンクの一方の容量部を他方の容量部から分離するように働くピストン、可動ホイル、又は他のセパレータの形態を取ることができ、それにより、流体は、貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａとセパレータを越えた第２の容量部１４ｂとの間で流動できなくなる。しかしながら、次の説明により明らかになるように、可動セパレータが第１の隔室と第２の隔室との間の完全な流体密封を提供する必要はない。
【００２１】
電解質貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａは、電気化学セル１１の第１の隔室１１ａと流体連通し、電解質貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂは、電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂと流体連通している。言い換えれば、電解質貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａは、電気化学セル１１の第１の隔室１１ａに接続され、それにより、流体は、貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａからセル１１の第１の隔室１１ａに移動可能になり、逆の場合も同様である。電気化学セル１１の第２の隔室１１は同様に、貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂに接続され、それにより、流体は、電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂから貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂに移動可能になる。第１の隔室１１ａと第２の隔室１１ｂとの間のセパレータは多孔質であるので、この装置は、ループを提供し、流体は、このループを通って貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａから電気化学セル１１を介して貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂに流動することが可能になる（逆の場合も同様である）。電気化学セル１１を通る流体の移動を制御するために、レドックスフロー電池システム１０は、電気化学セル１１の第１の及び第２の隔室１１ａ、１１ｂを通って貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａと貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂとの間で流体を移動させるように構成されているフロー制御システムをさらに含む。
【００２２】
使用中、上述のレドックスフロー電池システム１０は、電解質貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａと第２の容量部１４ｂとの間を往復して流体を移動させるのに使用され得、それにより、第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂに生じるレドックス反応を介して化学的エネルギーが貯蔵又は放電される。システムの使用については、図４Ａ〜図４Ｂ及び例１〜例４を参照して、より詳細に後述する。
【００２３】
図２Ａ及び図２Ｂを再度、参照すると、フロー制御システムは、システムのエネルギー要件（帯電又は放電）に基づいて、電気化学セルを通る流体のフロー速度を変動させるように構成され得る。言い換えれば、流体が（電気化学セルを通って）第１の電極、膜、次いで、第２の電極を通ってポンピングされる速度は、フロー制御システムによって電池に又は電池から供給される電力に適合し得る。
【００２４】
電気化学セルを通る流体フローを制御することによって、電池に及び電池から供給されるエネルギーは、制御され得る。従来のレドックスフロー電池（ここでは、帯電の速度が、多孔質膜にわたる電荷キャリアの拡散によって制限される）とは対照的に、本発明は、多孔質膜にわたるレドックス種のフローの制御を許容する。したがって、本発明の方法においては、流体が（電気化学セル１１を通って）第１の電極１２ｂ、膜１３、次いで、第２の電極１２ｂを通ってポンピングされる速度は、フロー制御システムによって電池に又は電池から供給されることになるエネルギーに適合し得る。
【００２５】
少なくともいくつかの実施形態においては、フロー制御システムは、貯蔵タンク１４内で可動セパレータ１５を移動させるための駆動システムを含むことができる。貯蔵タンク１４内で可動セパレータ１５を移動させると、第１の容量部１４ａが減少し、第２の容量部１４ｂが増加し、逆の場合も同様である。第１の容量部が減少すると、流体は、第１の容量部から電気化学セル１１の第１の隔室１１ａ及び第２の隔室１１ｂを通って貯蔵タンク１４の第２の（このとき、より大きい）容量部１４ｂ内に強制的に送り込まれることが認識されよう（図２Ａ参照）。同様に、可動セパレータ１５が貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂを減少させるように移動されると、流体は、反対の方向に、電気化学セル１１を通って貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａ内に強制的に送り込まれる（図２Ｂ参照）。可動セパレータ１５によりレドックスフロー電池システム１０を通る流体の移動を駆動させることによって、貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａと第２の容量部１４ｂとの間で流体を移動させる単純で効果的な方法には、単一の駆動源が提供され得る。しかしながら、他のフロー制御構成が可能であることを当業者は認識するであろう。例えば、レドックスフロー電池システム１０には、貯蔵タンク１４の第１の容量部と第２の容量部との間で流体を移動させるための１又は２以上の別個のポンプが提供されてもよい。
【００２６】
レドックスフロー電池の最大帯電／放電電流は、正の電極及び負の電極に生じるレドックス反応の速度によって制限される。レドックス反応の速度に影響する因子として、質量伝達変数（mass transfer variable）（拡散速度、対流フローなど）、電気的変数（電位、電流、電荷など）、電極変数（材料、表面積、表面条件など）、溶液変数（活性レドックス種の濃度、溶媒、純度など）、及び外部変数（温度など）が挙げられる。
【００２７】
本発明によるレドックスフロー電池システムは、これらの変数のうちの１又は２以上を制御して、システムを所要の用途に最適化することができる（例えば、放電電流は、用途の要件により選ぶことができる）。
【００２８】
レドックスフロー電池システム１０が電池性能を最適化するのに制御することができる因子のうちの１つは、電気化学セルを通る流体のフロー速度である。これは、フロー制御システムにより達成し得、このフロー制御システムは、電池システム内で又はその外部で（例えば、負荷において、又は帯電サイクルを駆動させるように構成されている電力網内で）検出される測定された変数に基づいて電気化学セルを通る流体フローを自動的に制御し調整するようにさらに構成され得る。
【００２９】
電気化学セル１１を通る流体フロー（したがって、電解質フロー）は、電力網１７の要件（例えば、無効電力補償要件）に基づいて管理され得る。例えば、フロー制御システムは、電気化学セル１１にわたって電流及び／若しくは電圧、並びに／又は伝導率を測定するように構成されている少なくとも１つの測定ユニットを含むことができる。電圧測定と電流測定とを組み合わせて、電気化学セルを通る所要のエネルギーフローを制御することができる。
【００３０】
少なくともいくつかの実施形態においては、フロー制御システムは、電気化学セルにおける流体の伝導率を測定するように構成されている測定ユニットを含むことができる。セルを通る流体フローを最適に制御するために、スタックから出ていく液体の伝導率が測定され得る。出ていく流体の伝導率は溶液中の電解質の濃度に関係付けることができるので、測定された伝導率は、電気化学セルから離れる流体の電荷状態に関係付けられる。この情報に基づいて、セルを通る流体のフロー速度は、（例えば、帯電サイクル中の電気化学セルから離れる流体の電荷状態が、確実に最適化されるように）増加又は減少され得る。したがって、フロー制御システムは、電気化学セル内の流体の測定された伝導率に基づいて、電気化学セルを通る流体のフロー速度を制御するように構成され得る。
【００３１】
最適化された電荷状態が、活性レドックス対を電気化学セルの第１の及び第２の半分に供給するのに使用される電極構成及び電解質溶液に応じて、最大の電荷状態であっても、又は中間の電荷状態であってもよいことを当業者は認識するであろう。可能な活性レドックス対の組合せに関するさらなる詳細については、後述する。
【００３２】
代替として又は追加として、フロー制御システムは、エネルギー管理システムによって提供される帯電電流設定点又は放電電流設定点に基づいて、電気化学セルを通る流体のフロー速度を変動させるように構成され得る。例えば、エネルギー管理システムは、電気化学セル１１に又は電気化学セル１１から供給される電流の設定点を（電池が、帯電モードで動作しているのか、又は放電モードで動作しているのかに応じて）規定することができる。帯電サイクル中、エネルギー管理システムは、外部源からレドックスフロー電池システム１０に供給されることになる電流を測定することができ、それに応じて、電気化学セル１１を通る流体のフロー速度を最適化することができる。同様に、エネルギー管理システムは、負荷の関係動作要件に応じて、放電サイクル中にセルを通る流体フローを制御することができる。
【００３３】
ここで、本発明とともに使用されるフロー制御システムの１つの可能な実装形態について、図３を参照して説明する。図３に示されているように、制御システムは、電解質貯蔵タンク１４及び電気化学セル（又は「スタック」）１１を含む、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明したレドックスフロー電池システム１０を含むことができる。
【００３４】
図３に示されている実施形態においては、レドックスフロー電池システム１０は、変数又は準最適力率（power factor）による電力網の無効電力補償のためのシステムにおいて用いられる。レドックスフロー電池システム１０は、グリッド接続点１８におけるグリッド又は電力網１７に動作可能に連結されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１９及びＤＣ／ＤＣコンバータ２０が、グリッド接続点１８と電気化学セル１１の第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂとの間に動作可能なように接続されている。ＡＣ／ＤＣコンバータ１９は、例えば、電力網１７における無効電力を補償するように構成されているＰＷＭ（パルス幅変調）コンバータとすることができる。ＡＣ／ＤＣコンバータ１９の出力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０に供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は、最適化されたＤＣ電流を電気化学セル１１の第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂに供給して、電気化学セル１１の第１の及び第２の隔室１１ａ、１１ｂ内の電解質を帯電させるように構成されている。放電サイクル中、システムは、逆転して動作し、すなわち、レドックスフロー電池システム１０が放電するとき、電流が、電気化学セル１１からＤＣ／ＤＣコンバータ２０に提供される。ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＡＣ／ＤＣコンバータに供給されることになる電流を最適化し、ＡＣ／ＤＣコンバータは、ひいては、ＡＣ電流を電力網１７に（有効又は無効電力として）供給する。もちろん、いくつかの実施形態においては、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０は省略してもよく、ＡＣ／ＤＣコンバータ１９の入力／出力は、第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂから／に直接、供給されてもよいことを当業者は認識するであろう。
【００３５】
制御システムは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２０（又はＤＣ／ＤＣコンバータが省略されるときは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１９）からの電流入力／出力を測定するように構成されている第１の測定ユニットＭＵ１をさらに含む。第２の測定ユニットＭＵ２は、電気化学セル１１の第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂにわたって電圧を測定するように構成されている。コントローラ２６（例えば、正規ＰＩＤコントローラ）が、第１の測定ユニットＭＵ１及び第２の測定ユニットＭＵ２に関連付けられ（又は一体化され）、第１の及び第２の測定ユニットＭＵ１、ＭＵ２からの電圧及び電流の測定結果に基づいて、電気化学セル１１を通る所要のエネルギーフローを測定し制御するように構成されている。所要のエネルギーフローは、エネルギー管理システム２５によって規定され、エネルギー管理システム２５は、レドックスフロー電池システム１０への及びレドックスフロー電池システム１０からの所要のエネルギーフローを決定する。電気化学セル１１への／からの測定されたエネルギーフロー（第１の及び第２の測定ユニットＭＵ１、ＭＵ２によって測定される、測定済みの電圧と電流との積）、並びに／又はエネルギー管理システム２５が必要とする所要のエネルギーフローに基づいて、コントローラは、ＡＣ／ＤＣコンバータ１９及びＤＣ／ＤＣコンバータ２０を調整する。
【００３６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ２０出力値は、電気化学セル１１の第１の電極１２ａと第２の電極１２ｂとの間の電圧に関係付けられる。電極１２ａ、１２ｂにおいてレドックス反応が進行し、電気化学セルにおいて種が沈殿することにより、第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂにわたる電圧は、電気化学セルにおける電解質の電荷状態に起因して変動することになる。
【００３７】
電気化学セル１１によって帯電又は放電されるエネルギーは、第１の及び第２の測定ユニットＭＵ１、ＭＵ２によって測定される、電圧と電流との積である。したがって、（測定された）エネルギー値は、第１の及び第２の測定ユニットＭＵ１、ＭＵ２に関連付けられる、又は一体化されるコントローラによって計算されることになる。このコントローラの出力は、レドックスフロー電池システム１０を通って移動する流体の容量当たりの電力を表す信号である。この容量当たりの電力の値に基づいて、セル１１を通る流体フローは、制御され得る。
【００３８】
電気化学セルを通るエネルギーフローを最適化するために、電気化学セル１１を通る流体フロー（したがって、レドックス種）は、フロー制御システムを使用して変動し得る。少なくとも１つの実施形態においては、制御システムは、電気化学セル１１から流出する流体の伝導率を測定するように構成されている第３の及び第４の測定ユニットＭＵ３、ＭＵ４を含むことができる。電気化学セル１１から離れる流体の伝導率は、流体における電解質濃度に関係付けられるので、最適な液体伝導率が、決定され得、容量コントローラ当たりの電力に対するフィードバック信号として使用され得る。第１の測定ユニット、第２の測定ユニット、第３の測定ユニット、及びコントローラが、信号制御ユニット（図示せず）において組み合わされても、又は別個の専用の制御ユニットにおいて提供されてもよいことを当業者は認識するであろう。
【００３９】
有利には、本発明は、レドックスフロー電池システム１０の電荷状態を電解質貯蔵タンクの第１の及び第２の容量部１４ａ、１４ｂ内の液体レベルによって（例えば、可動セパレータ１５の位置を決定することによって）決定することを許容する。
【００４０】
流体は、異なるやり方でシステム中を移動させることができる。図３に示されているように、システムは、レドックスフロー電池システム１０を通る電解質流体を移動させるように構成されている第１の及び第２のポンプ２１、２２を含むことができる。例えば、第１のポンプ２１は、帯電サイクル中、（電気化学セル１１を介して）貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａから貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂに流体をポンピングするように構成され得る。第２のポンプ２２は、放電サイクル中、（電気化学セル１１を介して）貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂから貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａに流体をポンピングするように構成され得る。エネルギー管理システム２５は、システムが帯電サイクルであるのか、又は放電サイクルであるのかに基づいて、第１のポンプ２１及び第２のポンプ２２のうちのどちらをアクティブにするのかを選択することができる。ポンプ２１、２２は、上述のフロー制御システムからのフィードバックに基づいて、単位時間当たりに電気化学セルを通過する流体容量を変動させるように制御される。
【００４１】
帯電サイクル中（放電サイクルについての逆の場合も同様）、タンク１４の第２の容量部１４ｂからタンク１４の第１の容量部１４ａへの流体フローを防止するために、第１の及び第２の一方向弁２３、２４が、第１の及び第２のポンプ２１、２２に関連付けられ得る。
【００４２】
第１の及び第２のポンプ２１、２２の代替として、電気化学セル１１を通る流体フローは、可動セパレータ１５を能動的に移動させることによって制御され得る。これは、有利には、本発明の発明的タンクのアーキテクチャによって促進されるフロー制御の単純な方法である。
【００４３】
図２Ａ及び図２Ｂを再度、参照すると、電極１２ａ、１２ｂは、フローパスト（flow-past）電極、又はフロースルー（flow-through）電極として構成され得る。フローパスト電極は、電気化学セル１１の第１の及び第２の隔室内に配置され得、それにより、電解質を含有する流体は、電極１２ａ、１２ｂの表面を越えて流動し、この場合、レドックス反応が起こり得る。いくつかの実施形態においては、フロースルー電極が使用されてもよく、ここでは、電解質貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａからの流体は、第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂを通って流動して、その後、貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂに達する。これらの実施形態においては、電極１２ａ、１２ｂは、多孔質電極（例えば、電解質貯蔵タンクからの流体が、それを通って流動することができる導電性フェルト、又はマトリクス状の導電性材料）として構成され得る。
【００４４】
多孔質分離膜１３は、イオン選択性とすることができる。例えば、多孔質分離膜１３は、アニオンの通過を許容する一方、カチオンの通過を制限する、又はなくす多孔質選択性交換膜とすることができる。他の実施形態においては、多孔質膜１３は、溶液中のすべてのイオンの通過を許容する非選択性とすることができる。適切な多孔質膜（又は多孔質セパレータ）については、参照によってその全体が組み込まれているＷＯ２０１５／１８７２４０Ａ１に記載されている。
【００４５】
電気化学セル１１は、当業者には明らかになる様々な構造により形成され得る。例えば、セル１１は、第１の電極及び第２の電極を保護するための第１の保護ホイル及び第２の保護ホイルにより形成され得る。この構造においては、第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂ、並びにイオン選択性膜１３は、第１の保護ホイルと第２の保護ホイルとの間に配設される。いくつかの実施形態においては、電気化学セル１１は、第１の保護ホイルと第１の電極との間に配設される第１の流入スペーサ、及び第２の電極と第２の保護ホイルとの間の第２の流出スペーサをさらに含むことができる。これにより、電解質貯蔵タンク１４から、電気化学セル１１の第１の及び第２の隔室１１ａ、１１ｂへの流体の流入のための空間が提供される。さらには、スペーサは、レドックス流体が電極にわたって広がる可能性がある広い電極表面積を確保して、電極を通る流体フローが、確実に、電極の容量部全体を通して、より均一に分散されるようにする。このことが特に有利であり得るのは、それにより、電子の伝達に利用可能な広い電極表面積が確保され、さらには、確実に、第１の活性レドックス対の第２の種（例えば、Ｚｎ０、例１及び例２参照）の沈殿が電極全体にわたって均一に生じるようになるからである。
【００４６】
電解質貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａは、第１の活性レドックス対の第１の種及び第２の活性レドックス対の第１の種を含有する液体を含むことができる。このことは、貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａ内の流体が、電気化学セル１１の第１の隔室１１ａ（第１の半セル）及び電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂ（第２の半セル）内のレドックス反応のための化学種を含有し得ることを意味する。例１を参照されたい。
【００４７】
代替の実施形態においては、電気化学セルの第１の容量部１４ａは、第１の活性レドックス対の第１の種のみを含むことができる。これらの実施形態においては、第２の活性レドックス対の第１の種は、電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂの構成要素として（例えば、第２の電極１２ｂの一部分として）提供される。例４を参照されたい。
【００４８】
電解質貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂは、溶液中に第１の活性レドックス対の第１の種及び第２の活性レドックス対の第２の種を含有する液体を含むことができる。このことは、（部分的に）第１の活性レドックス対の第１の種が電気化学セル１１の第１の隔室１１ａから多孔質膜１３を通って電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂ内に、及び貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂ内に通過することができなくてはならないことを意味する。例１を参照されたい。しかしながら、代替の一実施形態においては、貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂ内の液体は、活性レドックス種を実質的に欠いていてもよい。例えば、貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂ内の流体は、第１のレドックス対の種及び第２のレドックス対の種を含まない溶媒であってもよい。例２を参照されたい。
【００４９】
いくつかの実施形態においては、第１の活性レドックス対の第１の種は、金属種であり、第２の活性レドックス対の第１の種は、Ｉ−アニオン、Ｉ２、及びＩｘのアニオン（ここで、ｘは、３以上の数である）からなる群から選択されるＩをベースとする種である。より具体的には、第１の活性レドックス対は、亜鉛及び亜鉛のカチオン（例えば、Ｚｎ２＋）を含み、第２の活性レドックス対は、２つの異なるＩをベースとする種（例えば、Ｉ２及びＩ−）を含む。例１及び例２を参照されたい。しかしながら、例えば、ＷＯ２０１５／１８７２４０Ａ１に記載されているように、他の金属を使用してもよいことを当業者は認識するであろう。
【００５０】
レドックスフロー電池システム１０は、次のように帯電及び放電される。
【００５１】
ここで、図４Ａを参照すると、レドックスフロー電池システム１０の帯電サイクルは、貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａに、第１の活性レドックス対の第１の種を含む電解質溶液を提供するステップを含む。貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａからの流体は、電気化学セル１１の第１の隔室１１ａに移動される。第１の電極１２ａが負の電極として構成され、第２の電極１２ｂが正の電極として構成されるように、外部電圧が、第１の及び第２の電極１２ａ、１２ｂにわたって印加される。帯電サイクルは、第１の電極１２ａにおいて、第１の活性レドックス対の第１の種を還元して、第１の活性レドックス対の第２の種を形成するステップと、多孔質膜１３を通って第２の電極を含む電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂ内に流体を移動させるステップと、第２の電極において、第２の活性レドックス対の第１の種を酸化して、第２の活性レドックス対の第２の種を形成するステップとをさらに含む。次いで、電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂからの流体は、貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂに移動される。
【００５２】
上述したように、貯蔵タンク１４の第１の及び第２の容量部１４ａ、１４ｂは、可動セパレータ１５によって分離されている。それに応じて、電気化学セル１１を通って流体を移動させるステップは、可動セパレータ１５を移動させるステップを伴う。
【００５３】
上述の方法においては、第１の活性レドックス対の第２の種は、電気化学セル１１の第１の隔室１１ａ内にとどまる（すなわち、多孔質膜１３を通過しない）。実際には、これは、第１の活性レドックス対の第２の種が第１の電極において（例えば固体として、例えば金属固体として）沈殿されるので生じる可能性がある。
【００５４】
電気化学セルを通って流体を移動させるステップは、流体が、第１の隔室１１ａから多孔質膜１３を通って第２の隔室１１ｂ内にポンピングされるフロー速度を制御するステップを含む。電気化学セルを通る流体フローを制御することによって、電池に及び電池から供給されるエネルギーは、制御され得る。従来のレドックスフロー電池（ここでは、帯電の速度が、多孔質膜にわたる電荷キャリアの拡散によって制限される）とは対照的に、本発明は、多孔質膜にわたるフローの制御を許容する。したがって、本発明の方法においては、流体が（電気化学セル１１を通って）第１の電極１２ｂ、膜１３、次いで、第２の電極１２ｂを通ってポンピングされる速度は、フロー制御システムによって電池に又は電池から供給されることになるエネルギーに適合し得る。
【００５５】
いくつかの実施形態においては、第２の活性レドックス対の第１の種は、貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａに提供される電解質溶液中に存在し、それにより、それは、多孔質膜１３を通って進んだ後、電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂにおいて酸化される（例１参照）。いくつかの実施形態においては、第１の活性レドックス対の第１の種、及び第２の活性レドックス対の第１の種は、電解質ペアの解離イオンである（例１及び例２参照）。しかしながら、他の例においては、第１の及び第２の活性レドックス対の第１の種はそれぞれ、電解質ペアを形成することなく、共通の溶媒中に溶解され得る（例３参照）。さらにはさらなる実施形態においては、第２の活性レドックス対の第１の種は、例えば金属電極として、第２の隔室内に提供され得る（例４参照）。
【００５６】
本発明のいくつかの実施形態においては、第１の活性レドックス対の第１の及び第２の種は、異なる酸化状態を有する金属種であり、第２の活性レドックス対の第１の及び第２の種は、Ｉ−アニオン、Ｉ２、及びＩｘのアニオン（ここで、ｘは、３以上の数である）からなる群から選択される異なるＩをベースとする種である。１つの例示的な実装形態においては、電解質貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａに提供される流体は、水溶液中のＺｎＩ２である。この実施形態においては、第１の活性レドックス対の第１の種は、Ｚｎ２＋であり、第１の活性レドックス対の第２の種は、Ｚｎ０である（Ｚｎ２＋は、第１の、負の電極１２ａにおいて帯電サイクル中に還元されて、Ｚｎ０を形成し、それによって、第１の活性レドックス対が提供される）。第２の活性レドックス対の第１の種は、Ｉ−であり、第２の活性レドックス対の第２の種は、別のＩをベースとする種、例えば、Ｉ３−若しくはＩ２、又はそれらの組合せである（Ｉ−は、第２の、正の電極において酸化されて、Ｉ３−又はＩ２を形成し、それによって、第２の活性レドックス対が提供される）。電気化学セルの第２の隔室における酸化の程度の管理は、制御システムによって制御され得、制御システムは、例えば、Ｉ−が酸化されてＩｘ−になるように（ここで、ｘは、３以上の整数である）、動作電圧、又は帯電／放電能力を制限することができる。そのような実施形態においては、それに対応して、レドックス電位は、より低い。
【００５７】
第２の活性レドックス対の第２の種がＩ２である場合、第２の活性レドックス対の第２の種を形成するステップは、電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂにおいてＩ２を沈殿させるステップを含み、それにより、電解質貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂに移動される流体は、活性レドックス種を実質的に欠いている溶媒、例えば水になる。
【００５８】
第２の活性レドックス対の第２の種がＩ３−である実施形態においては、電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂから電解質貯蔵タンク１４ｂの第２の容量部１４ｂに移動される流体は、水溶液中のＺｎＩ６である。この実施形態においては、多孔質セパレータ１３は、膜１３を通るＺｎ２＋カチオンの通過を許容するように構成すべきである。
【００５９】
上述の帯電サイクルに加えて、又は独立サイクルとして、本発明による方法は、レドックスフロー電池システムのための放電サイクルを含む。
【００６０】
図４Ｂは、レドックスフロー電池システム１０の放電サイクルを概略的な形態で示している。図４Ｂに示されている放電サイクルは、基本的には、図４Ａを参照して説明した帯電サイクルの逆転である。図４Ｂに示されているように、放電サイクルは、貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂから、第２の電極１２ｂを含む電気化学セル１１の第２の隔室１１ｂに、（少なくとも１つの溶媒を含む）流体を移動させるステップと、第２の電極１２ｂにおいて、第２の活性レドックス対の第２の種を還元して、第２の活性レドックス対の第１の種を形成するステップと、電気化学セルの第２の隔室から多孔質膜を通って電気化学セルの第１の隔室に流体を移動させるステップとを含む。第１の電極１２ａでは、第１の活性レドックス対の第２の種は、酸化されて、第１の活性レドックス対の第１の種を形成する。次いで、第１の活性レドックス対の第１の種を含む流体は、電気化学セル１１の第１の隔室１１ａから貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａに移動される。この場合もやはり、貯蔵タンク１４の第１の及び第２の容量部１４ａ、１４ｂが可動セパレータ１５によって分離されているので、電気化学セル１１を通って流体を移動させるステップは、可動セパレータ１５を移動させるステップを伴う。
【００６１】
いくつかの実施形態においては、第２の活性レドックス対の第１の種は、貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａに送達される電解質溶液中に存在するように多孔質膜を通って移動される（例１参照）。いくつかの実施形態においては、第１の活性レドックス対の第１の種及び第２の活性レドックス対の第１の種は、電解質ペアである（例１及び例２参照）。しかしながら、他の例においては、第１の及び第２の活性レドックス対の第１の種はそれぞれ、電解質ペアを形成することなく、共通の溶媒中に溶解され得る（例３参照）。さらにはさらなる実施形態においては、第２の活性レドックス対の第１の種は、貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａ内に含有されている電解質溶液中に存在しないように、例えば金属電極として、第２の隔室内に提供され得る（例４参照）。
【００６２】
（図２Ａ及び図２Ｂを参照して上述した）多孔質電極を有する実施形態においては、電解質貯蔵タンクの第１の容量部と第２の容量部との間で流体を移動させるステップは、第１の及び第２の多孔質電極を通って流体を移動させるステップを伴う。
【００６３】
図４Ｂを参照して説明した放電サイクルもまた、上述の同じヨウ化亜鉛電解質を用いて、第１の及び第２の活性レドックス対を提供することができ、第１の活性レドックス対の第１の及び第２の種は、異なる酸化状態を有する金属種であり、第２の活性レドックス対の第１の及び第２の種は、Ｉ−アニオン、Ｉ２、及びＩｘのアニオン（ここで、ｘは、３以上の数である）からなる群から選択される異なるＩをベースとする種である。この場合もやはり、第１の活性レドックス対の第１の種は、Ｚｎ２＋であり、第１の活性レドックス対の第２の種は、Ｚｎ０である（Ｚｎ０は、第１の、正の電極１２ａにおいて放電サイクル中に酸化されて、Ｚｎ２＋を形成し、それによって、第１の活性レドックス対が提供される）。第２の活性レドックス対の第１の種は、Ｉ−であり、第２の活性レドックス対の第２の種は、別のＩをベースとする種、例えば、Ｉ３−若しくはＩ２、又はそれらの組合せである（Ｉ２又はＩ３−は、第２の、負の電極において還元されて、Ｉ−を形成し、それによって、第２の活性レドックス対が提供される）。
【００６４】
放電サイクル中、電解質貯蔵タンク１４の第２の容量部１４ｂ内の流体は、ＺｎＩ６であっても、又は活性レドックス種を実質的に欠いている溶媒であってもよい。第１の場合においては、第２の（負の）電極において還元される種は、Ｉ３−（又はＩ３−とＩ２の組合せ）である。第２の場合においては、第２の（負の）電極において還元される種は、Ｉ２である。
【００６５】
上述のように、帯電サイクルと放電サイクルにおいてはともに、電気化学セル１１の第１の及び第２の隔室１１ａ、１１ｂを介する貯蔵タンク１４の第１の容量部１４ａと第２の容量部１４ｂとの間の流体の移動は、駆動システムにより貯蔵タンク１４内で可動セパレータ１５の移動を制御することによって制御される。方法は、電気化学セルにおける流体の伝導率を測定するステップをさらに含むことができる。いくつかの実施形態においては、方法は、電気化学セルにおける流体の測定された伝導率に基づいて、電気化学セルを通る流体のフロー速度を制御するステップを含む。この測定された情報と独立して、又はそれとの組合せで、フロー制御システムは、エネルギー管理システムによって提供される設定点に基づいて、電気化学セルを通る流体のフロー速度を変動させる。
【００６６】
本発明によるレドックスフロー電池システムが、多くの異なる活性レドックス対とともに使用され得ることを当業者は認識するであろう。次の非限定例は、本明細書に説明したシステム及び方法との組合せで用いることができる。
【００６７】
【表１】
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【００６８】
【表２】
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【００６９】
【表３】
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【００７０】
【表４】
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【００７１】
本発明については、図面に示されているいくつかの例示的な実施形態を参照して上記に説明している。一部の部分又は要素の修正形態及び代替の実装形態が、可能であること、並びに添付の特許請求の範囲に定義される保護範囲に含まれることを当業者は認識するであろう。そのような修正形態及び関連の利点については、当業者には明らかになろう。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【国際調査報告】
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