(57)【要約】最新技術によるフロー電池は、電極の密集、液密性の欠陥、又はシャント電流などの欠点を免れず、これらすべてが効率の低下につながる恐れがある。この課題は、共に相互に差し込み接続されたマルチチャンバダクト（１００）であって、このダクトは組み込まれた空気電極（１１１）をそれぞれ含む、マルチチャンバダクト（１００）と、部分的にイオン浸透性で穿孔されているが、部分的に不浸透性の仕切り壁と、これらのダクト（１００）に対して両側から差し込み接続された、一体化流路を有する非導電性接合要素とを備えるフロー電池によって解決される。【選択図】図１
2021530075.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
組み込まれた空気電極（１１１）をそれぞれ含むマルチチャンバダクト（１００、３００、４０１）を、共に相互に差し込み接続しているフロー電池（４００）であって、
部分的にイオン浸透性で穿孔されているが、部分的に不浸透性の仕切り壁と、
前記ダクト（１００、３００、４０１）に対して両側から差し込み接続された、一体化流路を有する非導電性接合要素（４０２）と、
を備えることを特徴とするフロー電池（４００）。
【請求項２】
ダクトがそれぞれ、好ましくはポリプロピレン製の絶縁性かつ苛性アルカリ溶液耐性の外側フレーム（１０２）と、該外側フレーム（１０２）内部に収容された導電性内側フレーム（１０１）とを備えることを特徴とする請求項１に記載の電池（４００）。
【請求項３】
前記内側フレーム（１０１）が、前記空気電極（１１１）を含む第１のチャンバ（１０５）、第２のチャンバ（１０３）、第３のチャンバ（１０４）、第４のチャンバ（１０６）、前記第１のチャンバ（１０５）と前記第２のチャンバ（１０３）との間にある部分的に穿孔されている第１の仕切り壁（１０７）、前記第２のチャンバ（１０３）と前記第３のチャンバ（１０４）との間にある不浸透性の第２の仕切り壁（１０８）、及び前記第３のチャンバ（１０４）と前記第４のチャンバ（１０６）との間にある部分的に穿孔されている第３の仕切り壁（１０９）を形成していることを特徴とする請求項２に記載の電池（４００）。
【請求項４】
前記第３の仕切り壁（１０９）の反対側で、前記外側フレーム（１０２）が、前記第４のチャンバ（１０６）を画定している有孔外壁（１１０）を形成していることを特徴とする請求項３に記載の電池（４００）。
【請求項５】
前記第３のチャンバ（１０４）又は第４のチャンバ（１０６）は、流体流れを誘導するか、若しくは抑制するための付勢要素（２０１）を備えることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電池（４００）。
【請求項６】
前記第２のチャンバ（１０３）は、酸素、好ましくは空気（４０３）、又はイオン性液体（４０５）を含むことを特徴とする請求項３から請求項５のいずれか一項に記載の電池（４００）。
【請求項７】
前記第３のチャンバ（１０４）は、好ましくは亜鉛、リチウム、又はバナジウムを基礎とする金属スラリー（４０４）を含むことを特徴とする請求項３から請求項６のいずれか一項に記載の電池（４００）。
【請求項８】
前記第４のチャンバ（１０６）が電解質を含むことを特徴とする請求項３から請求項７のいずれか一項に記載の電池（４００）。
【請求項９】
前記第１の壁（１０７）及び前記第３の壁（１０９）が、好ましくは直径５０ｎｍ〜５ｐｍの範囲の細孔を呈していることを特徴とする請求項３から請求項８のいずれか一項に記載の電池（４００）。
【請求項１０】
ダクトがそれぞれ、長手方向に均一な断面を呈していることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の電池（４００）。
【請求項１１】
前記外側フレーム（１０２）が、前記複数のダクト（１００、３００、４０１）を共に差し込み接続するための、相補的に形成された領域（１１２、１１３）を呈していることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の電池（４００）。
【請求項１２】
導体を棒材へと押し出し、これによって該棒材が、空気電極（１１１）を組み込んでいる第１のチャンバ（１０５）、第２のチャンバ（１０３）、第３のチャンバ（１０４）、第４のチャンバ（１０６）、前記第１のチャンバ（１０５）と前記第２のチャンバ（１０３）との間にある第１の仕切り壁（１０７）、前記第２のチャンバ（１０３）と前記第３のチャンバ（１０４）との間にある第２の仕切り壁（１０８）、及び前記第３のチャンバ（１０４）と前記第４のチャンバ（１０６）との間にある第３の仕切り壁（１０９）を形成する工程と、
前記第１の壁（１０７）及び前記第３の壁（１０９）を穿孔する工程と、
前記空気電極（１１１）を前記第１のチャンバ（１０５）へと組み込む工程と、
前記棒材を苛性アルカリ溶液耐性の絶縁体へと収容する工程と、
前記棒材を複数のダクト（１００、３００、４０１）へと分割する工程と、
前記複数のダクト（１００、３００、４０１）を共に相互に差し込み接続する工程と、
接合要素（４０２）を前記複数のダクト（１００、３００、４０１）に対して両側から差し込み接続する工程と、
を含むことを特徴とする請求項１に記載の電池（４００）の製造プロセス。
【請求項１３】
前記第１の壁（１０７）と第３の壁（１０９）とがレーザ穿孔されていることを特徴とする請求項１２に記載のプロセス。
【請求項１４】
ガス拡散層を前記第１のチャンバ（１０５）内に湿式で配置し、
触媒層を前記ガス拡散層上に湿式で配置し、
前記ガス拡散層と前記触媒層とを所定の圧力下で、前記空気電極（１１１）内へと圧縮し、
前記空気電極（１１１）を硬化させ、かつ
前記空気電極（１１１）を熱分解することにより、
前記空気電極（１１１）を組み込んでいることを特徴とする請求項１２又は請求項１３に記載のプロセス。
【請求項１５】
好ましくは自動車のフロアパネルである、電気自動車の構造要素としての請求項１に記載の電池（４００）の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フロー電池、詳細には金属空気フロー電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気化学及び電気化学工学では、フロー電池又はレドックスフロー電池（酸化還元反応後の）とは、装置内に含まれる液体に溶解され、かつ膜によって分離される２つの化学成分によって再充電性がもたらされる、一種の電池を意味する。フロー電池は電解質を交換することで急速に「再充電」できるため、非特許文献１で指摘されているように、バッテリ式電動自動車（ＢＥＶ：ｂａｔｔｅｒｙ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｖｅｈｉｃｌｅ）への適用がますます検討されるようになっている。この電池のタイプの概要及び分類は、非特許文献２で紹介されている。
【０００３】
特許文献１は、（ａ）２つの主面を備え、かつ離隔して対向配置された、空気浸透性を有するが液不浸透性の酸素還元電極の形態のカソード対を収容しているハウジングをそれぞれ有し、電池のアノード及び電解質を収容するように構成された空洞を自身の間に画定している複数のバイセルであって、このハウジングの主面の相当部分が除去されているため、酸素電極の大部分が露出しており、また２つの主面が部分的に窪むことで、隣接しているセルハウジングにおいて同様に窪んだ主壁の外面と連動して、隣接セル間にカソード間のガス空間と、これに至る複数の酸素出入口とが形成されるようにしている、複数のバイセルと、（ｂ）ハウジングの内面とこれら複数のバイセルとの間にある死空間容積と、（ｃ）カソード間のガス空間での消費に備えて、酸素を死空間容積へと供給するための加圧酸素供給手段とを含む容器を備える、密閉型マルチセル亜鉛酸素電池を開示している。
【０００４】
化学エネルギーを電気エネルギーへと変換するためのものであり、かつ多数の小型電極として、またフィルタを通して電解質のポンピングを行って電気化学反応を加速させ、これによってセル電力密度を高める手段として機能する、電解質含有のガルバニ電荷移動粒子を含む電解質で使用する、静的円筒形集電体間に円筒形回転微粒子フィルタを備える電池、フローセル、及び燃料電池などのテイラー渦流ガルバニ電気化学セルが、特許文献２に開示されている。
【０００５】
特許文献３は、長手方向の積層関係において配置される複数の電池セルを含むタイプの、電池モジュールを開示している。電池セルはそれぞれ、フレームと、フレームの一端で支持されたガス消費カソードと、フレームにまたがる可撓性ダイヤフラムによってフレームの両端の中間で支持された消耗アノードとを含む。このダイヤフラムはフレームを、アノードとカソードとの間にある電解質をその内部に導入するためのチャンバと、アノードの反対側にある、加圧流体をその内部に導入するための膨張チャンバとに分割している。加圧流体は、アノードの消費中にアノードをカソードに対してバイアスし、またダイヤフラムは、アノードを長手方向及び角度方向へと移動させて、アノードの腐食が不均一に進行することに対処している。隣接セルのフレームは、消耗ガスをカソードへと導入するために、隣接セル間に第３のチャンバを画定している。アノードとカソードとの間に電解質を導入し、カソードに対して消耗ガスを導入し、かつ膨張チャンバに対して加圧流体を導入するために、隣接する電池セルのフレーム全体にマニホールドの配列が形成されている。
【０００６】
特許文献４は、電解質が通過する流路が設けられた複数のプレートを積層することで組み立てられた、レドックスフロー電池又は燃料電池積層体に関し、このレドックスフロー電池又は燃料電池積層体は、電解質流路、イオン交換膜、及びこれらのイオン交換膜の両側に配置されたフローフレームに挿入された複数の電解質チューブを備え、各フローフレームには電解質流路が形成されており、また複数の電解質チューブのそれぞれの一端は電解質流路のそれぞれと接触している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、改良されたフロー電池を提供することを目的とする。
【０００８】
最新技術によるフロー電池は、電極の密集、液密性の欠陥、又はシャント電流などの欠点を免れず、これらすべてが効率の低下につながる恐れがある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この課題は、独立請求項の特徴的特性によって解決される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係るモジュール手法により、エネルギー密度の劇的な上昇、充電時間の短縮、及び対費用効果の高い生産が可能になる。本発明の実施形態を、従属請求項に記載している。
【００１１】
具体的には、漏洩を回避するために、シール面の縮小が達成され得る。そのような漏洩は、空気電極、セパレータ、双極板、及び回路などの構成部品を積層して相互に密閉する必要のある既知のフロー電池において、重大な課題を提起している。これらの従来の電池では、多孔度と表面組織とがさまざまに異なる材料を使用すると、通常、漏洩のないシール構造体の実装が妨げられることになる。その上、これらの装置で使用されるセパレータ膜は回転して外れてしまう傾向があり、これによって積層手順がさらに複雑になる。
【００１２】
別の実施形態は、死水領域、流石の発生、又は詰まりを回避することによって流体流れを改良し、乱流及びイオン伝導率を増大させ、かつクラスタ形成及び水素結合を改善するために、流路構造に付勢要素を導入している。これらの改良により、今度は空気電極の自浄機能が高まり、最終的には電池の耐用年数が延びることになる。
【００１３】
付勢要素はさまざまな特性を有し、また合成金属、強磁性金属及び他の金属、結晶、並びに水中でのクラスタ形成に影響を与えるように選択された別の構成要素などの材料で構成されている可能性がある。そのような要素は、小さい流れ抵抗をもたらす流線型の平面形状を有しながら、一方で流体流れに乱流を導入し、これにより混合を促すようなものであることが好ましい。このようにして、金属粒子は事前に導体と接触することなく流体内で軸方向に搬送されて、流路壁に押圧されてもよく、そこで所望の反応を経ることができる。
【００１４】
有利なことに、本発明の構造的、概念的であるが実質的かつ手順的側面により、提案している電池は、軽量設計を実現するためのねじり剛性管として適したものとなっている。ここで、本発明のマルチチャンバダクトは、構造的要素及び機能的要素の両方として二つの目的を果たすことができる。本出願では、本発明の手法は、従来のフロー電池と比較してエネルギー密度の大幅な上昇を促進するものである。後者の場合、その支持構造に寄与することのない反応器は、車両又は他の移動式装置に搭載された場合、事実上死質量を構成することになる。これに対して、本発明の実施形態により、非常に拡張性のあるＢＥＶ設計が可能になる。イオン性液体で充填されている場合、本電池は冷却効果を得ることさえできる。
【００１５】
さらに、本発明の一実施形態に固有の均一な構造により、従来の電池積層体に関連する製造コストの大部分を除外することで、製造費用の大幅な削減が可能になる。第一に、本発明のモジュール配置はさまざまなフォームファクタに広く適用され、具体的には任意電圧の直列接続に対応している。このために、任意の数のダクトを、バッテリ式電動自動車のフロアパネルなどの平面構造に配置してもよい。第二に、本発明による製造では、通常の保守的な金属空気フロー電池の場合のように、無塵のクリーンルーム、又は別の方法で汚染レベルが制御されることを必要としない。第三に、提案している電池は、いわゆる三次元印刷によって積層造形することができる。第四に、そして最後に、本発明に係る消耗した電池は、工場環境で使用可能なダクトを再製造又はリサイクルすることにより、再生することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】電池用ダクトの断面図である。
【００１７】
【図２】ダクトのチャンバの縦断面図である。
【００１８】
【図３】ダクトの平面図である。
【００１９】
【図４】電池の分解図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
請求している本発明を実施する一方法を以下に詳述する。
【００２１】
（実施の形態１）
図１は、ポリプロピレン製の絶縁性かつ苛性アルカリ溶液耐性の外側フレーム（１０２）と、その内部に収容された導電性内側フレーム（１０１）とを備える、マルチチャンバダクト（１００）を示す。内側フレーム（１０１）は、空気電極（１１１）を含む第１のチャンバ（１０５）を形成しており、この第１のチャンバ（１０５）は、空気中酸素又はイオン性液体で充填された（図示せず）第２のチャンバ（１０３）から、第１の仕切り壁（１０７）によって隔離されている。不浸透性の第２の仕切り壁（１０８）は、亜鉛スラリー（図示せず）が充填された第３のチャンバ（１０４）から第２のチャンバ（１０３）を密閉遮断しており、これに対してこの第３のチャンバ（１０４）は、第３の仕切り壁（１０９）によって第４のチャンバ（１０６）から隔離されている。どちらも部分的に穿孔されている第１の壁（１０７）及び第３の壁（１０９）は、直径１００ｎｍ〜５ｐｍの範囲の細孔を呈している。第３の仕切り壁（１０９）の反対側で、外側フレーム（１０２）は、第４のチャンバ（１０６）を画定しており、かつそこを通って流れる電解質（図示せず）を包囲している有孔外壁（１１０）を形成している。また、外側フレーム（１０２）は、同一又は類似の形状かつ大きさの別のダクト（１００）と共に当該ダクトに差し込み接続するために使用できる、相補的に形成された領域（１１２、１１３）を呈している。
【００２２】
図２から理解できるように、第３又は第４のチャンバ（２００）は、そこを通過する流体流れを誘導するための付勢要素（２０１）を備える。ここで、ダクト（３００）はそれぞれ、図３に示すもののような本質的に均一な断面を呈している。
【００２３】
このようなダクト（１００、３００、４０１）に基づいてフロー電池（４００）を製造するための有利なプロセスについて、ここで説明する。このために、導体は、チャンバと、導体とチャンバとの間の壁を形成している棒材に押し出されてもよく、その第１の壁（１０７）と第３の壁（１０９）とはレーザ穿孔されている。次に、ガス拡散層（ＧＤＬ：ｇａｓ  ｄｉｆｆｕｓｉｏｎ  ｌａｙｅｒ）及び触媒層が第１のチャンバ（１０５）内に湿式で配置され、所定の圧力下で互いに圧縮されるが、これらの層がここで接合されて空気電極（１１１）を構成している。後者を硬化させ、かつ熱分解すると、棒材は苛性アルカリ溶液耐性の絶縁体に収容され、また複数のダクト（１００、３００、４０１）へと分割され、これによって導体が各ダクトの内側フレーム（１０１）を形成し、絶縁体が各ダクトの外側フレーム（１０２）を形成するようにしている。ダクト（１００、３００、４０１）を共に直列接続で相互に差し込み、また接合要素（４０２）をダクト（１００、３００、４０１）に対して両側から差し込み接続することにより、ここでフロー電池（４００）を完成させることができる。ここで得られるパネルを薄い２つのシェル要素（４０６、４０７）間に溶接することで、車体の支持要素として使用することができる。図４は、本発明のダクトに基づく電池の分解図を示す。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明は、とりわけ電力産業及び製造業、特に自動車産業全体に適用可能である。
【符号の説明】
【００２５】
１００  ダクト
１０１  内側フレーム
１０２  外側フレーム
１０３  第２のチャンバ
１０４  第３のチャンバ
１０５  第１のチャンバ
１０６  第４のチャンバ
１０７  第１の（仕切り）壁
１０８  第２の（仕切り）壁
１０９  第３（仕切り）壁
１１０  外壁
１１１  空気電極
１１２  相補的に形成された領域
１１３  相補的に形成された領域
２００  第３又は第４のチャンバ
２０１  付勢要素
３００  ダクト
４００  フロー電池
４０１  ダクト
４０２  接合要素
４０３  空気、イオン性液体、又は電解質
４０４  金属スラリー
４０５  イオン性液体又は電解質
４０６  シェル要素
４０７  シェル要素
文献リスト
【００２６】
以下の文献が本明細書全体に引用されている。
特許文献
【００２７】
米国特許第５４４５９０１号明細書（ＫＯＲＡＬＬ  ＭＥＮＡＣＨＥＭ（イスラエル）ら）１９９５年８月２９日
【００２８】
米国特許出願公開第２０１４２５５８１２号明細書（ＦＩＳＣＨ  ＨＡＬＢＥＲＴ（米国））２０１４年９月１１日
【００２９】
米国特許第４７１４６６２号明細書（ＢＥＮＮＥＴＴ  ＷＩＬＬＩＡＭ  Ｒ（米国））１９８７年１２月２２日
【００３０】
国際公開第２０１５００９０２９号パンフレット（Ｈ２社（韓国））２０１５年１月２２日
非特許文献
【００３１】
ＮＯＡＣＫ，Ｊｅｎｓらによる「Ｔｈｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｒｅｄｏｘ‐Ｆｌｏｗ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．，Ｉｎｔ．Ｅｄ．誌（Ｅｎｇｌ）２０１５年６月２６日、第５４巻、第３４号、第９７７６頁〜９８０９頁
ＤＵＮＬＡＰ，Ｒｉｃｈａｒｄ  Ａ．による「Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ．Ｓｔａｍｆｏｒｄ：Ｃｅｎｇａｇｅ  Ｌｅａｒｎｉｎｇ」、２０１５年、ＩＳＢＮ１１３３１０８７７６。第４９５頁
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３２】
【特許文献１】米国特許第５４４５９０１号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１４２５５８１２号明細書
【特許文献３】米国特許第４７１４６６２号明細書
【特許文献４】国際公開第２０１５００９０２９号パンフレット
【非特許文献】
【００３３】
【非特許文献１】ＤＵＮＬＡＰ，Ｒｉｃｈａｒｄ  Ａ．による「Ｓｕｓｔａｉｎａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ．Ｓｔａｍｆｏｒｄ：Ｃｅｎｇａｇｅ  Ｌｅａｒｎｉｎｇ」、２０１５年、ＩＳＢＮ１１３３１０８７７６。第４９５頁
【非特許文献２】ＮＯＡＣＫ，Ｊｅｎｓらによる「Ｔｈｅ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ  ｏｆ  Ｒｅｄｏｘ‐Ｆｌｏｗ  Ｂａｔｔｅｒｉｅｓ」、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．，Ｉｎｔ．Ｅｄ．誌（Ｅｎｇｌ）２０１５年６月２６日、第５４巻、第３４号、第９７７６頁〜９８０９頁
【図１】
2021530075.tif 000003
【図２】
2021530075.tif 000004
【図３】
2021530075.tif 000005
【図４】
2021530075.tif 000006
【国際調査報告】
2021530075.tif 000007
2021530075.tif 000008