(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の電解液及び多孔質な第１の電極を含む第１の半電池と、
第２の電解液及び第２の電極を含む第２の半電池と、
前記第１の半電池と前記第２の半電池との間に配置されるセパレータであって、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが前記セパレータの両面のそれぞれを覆い且つこれに接触している、前記セパレータと、
前記第１の電極を覆い且つこれに接触している第１のバイポーラプレート、及び、前記第２の電極を覆い且つこれに接触している第２のバイポーラプレートと
を有し、
前記第１の電極の細孔の内面の一部が誘電材料で被覆されていることにより、前記誘電材料によって前記第１の電解液と前記細孔の内面の前記誘電材料で被覆された部分との接触が妨げられるが前記第１の電極を通過する前記第１の電解液の流れが妨げられず、前記第１の電極と前記第１のバイポーラプレートとが前記第１の半電池内で連続的な導電経路を共同で規定している、フロー電池。
【請求項２】
前記誘電材料は、前記第１の電極の内部に注入されている、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項３】
前記誘電材料は、前記第１の電極の内部に注入されており、
前記誘電材料は、前記セパレータ又は前記第１のバイポーラプレートに接触していない、請求項２に記載のフロー電池。
【請求項４】
前記第１のバイポーラプレートの内部にも誘電材料が注入されており、
前記第１のバイポーラプレートの内部に注入された誘電材料は、前記第１の電極に接触していない、請求項２に記載のフロー電池。
【請求項５】
前記第１のバイポーラプレートは、前記第１のバイポーラプレートの内部に注入された誘電材料で少なくとも部分的に被覆された複数の流路を含む、請求項４に記載のフロー電池。
【請求項６】
前記第１のバイポーラプレートは、前記誘電材料を貫通して延在すると共に前記第１の電極に接触する複数の導体ポストを含む、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項７】
前記第１の電極は、導電媒質と前記誘電材料とを含む導電性メッシュを含み、
前記導電媒質が前記導電性メッシュの第１の側に配置されて前記セパレータに接触しており、
前記誘電材料が前記導電性メッシュの第２の側に配置されて前記第１のバイポーラプレートに接触しており、
複数の導体ポストが前記誘電材料を貫通して前記導電性メッシュから前記第１のバイポーラプレートまで延在している、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項８】
前記第１の電極は、負極である、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項９】
第１の電解液及び多孔質な第１の電極を含む第１の半電池と、
第２の電解液及び第２の電極を含む第２の半電池と、
前記第１の半電池と前記第２の半電池との間に配置されるセパレータであって、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが前記セパレータの両面のそれぞれを覆い且つこれに接触している、前記セパレータと、
前記第１の電極を覆い且つこれに接触している第１のバイポーラプレート、及び、前記第２の電極を覆い且つこれに接触している第２のバイポーラプレートと、
を有するフロー電池を形成すること、及び、
前記第１の電極の細孔の内面の一部を誘電材料で被覆することであって、前記被覆により、前記誘電材料によって前記第１の電解液と前記細孔の内面の前記誘電材料で被覆された部分との接触が妨げられるが前記第１の電極を通過する前記第１の電解液の流れが妨げられず、前記第１の電極と前記第１のバイポーラプレートとが前記第１の半電池内で連続的な導電経路を共同で規定するように、前記第１の電極の細孔の内面の一部を誘電材料で被覆することを含む、方法。
【請求項１０】
前記第１の電極の一部が前記誘電材料を含有しており、
前記誘電材料で被覆することは、前記第１の電極の内部に前記誘電材料を注入することを含み、
前記誘電材料は、前記セパレータ又は前記第１のバイポーラプレートに接触していない、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のバイポーラプレートの一部も誘電材料を含有しており、
前記誘電材料で被覆することは、前記第１のバイポーラプレートの内部に誘電材料を注入することを含み、
前記誘電材料は、前記第１の電極に接触していない、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記第１のバイポーラプレートの一部に含有される誘電材料は、前記第１のバイポーラプレート内の複数の流路に注入されて、前記流路が誘電材料で被覆される、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記誘電材料の溶液を前記第１の電極にスプレーすることによって前記細孔の内面の一部が前記誘電材料で被覆される、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のバイポーラプレートは、前記誘電材料を貫通して延在する複数の導体ポストであって、前記第１の電極に接触する前記複数の導体ポストを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の電極は、導電媒質と前記誘電材料とを含む導電性メッシュを含み、
前記導電媒質が前記導電性メッシュの第１の面に配置されて前記セパレータに接触しており、
前記誘電材料が前記導電性メッシュの第２の面に配置されて前記第１のバイポーラプレートに接触しており、
複数の導体ポストが前記誘電材料を貫通して前記導電性メッシュから前記第１のバイポーラプレートまで延在している、請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条に基づき、２０１５年４月１５日に出願した米国特許仮出願第６２／１４７，７０２号の優先権の利益を主張するものであり、そのすべての内容は参照することにより本出願に組み込まれる。
【０００２】
連邦政府資金による研究開発に関する記載
該当なし。
【０００３】
本開示は、一般にエネルギー貯蔵に関し、より具体的には、フロー電池やこれに類似する電気化学システムにおける寄生反応の発生を抑制することに関する。
【背景技術】
【０００４】
大規模なエネルギー貯蔵用途のために、電池やスーパーキャパシタなどの電気化学エネルギー貯蔵システムが幅広く提案されている。この目的のために、これまでフロー電池などの様々な電池設計が検討されてきた。フロー電池は、電力密度のパラメータとエネルギー密度のパラメータとを互いに切り離すことができるため、他の種類の電気化学エネルギー貯蔵システムと比べて特に大規模用途で有利であり得る。
【０００５】
一般に、フロー電池とは、負の活物質と正の活物質とをそれぞれ対応する電解液中に含み、これらの電解液が、負極と正極とを有する電気化学セル内において膜すなわちセパレータの両側をそれぞれ別々に流れるものである。フロー電池は、これら２つの半電池内部で起こる活物質の電気化学反応によって充放電される。本明細書において、「活物質（active material）」、「電気活物質（electroactive material）」、「レドックス活物質（redox-active material）」という用語又はこれらの変化形は、フロー電池又はそれに類する電気化学エネルギー貯蔵システムの動作中（すなわち、充放電中）に酸化状態が変化する物質を指す用語として同義的に用いられる。遷移金属及びその配位錯体は、複数の酸化状態をとることができるため、特に望ましい活物質であり得る。
【０００６】
フロー電池は、大規模なエネルギー貯蔵用途に有望ではあるが、いくつかある要因の中でも特に、エネルギー貯蔵性能（例えば、往復（round trip）エネルギー効率）の不足や短いサイクル寿命といった問題に悩まされることが多かった。以下に、エネルギー貯蔵性能不足の原因となる特定の問題について説明する。これまでの多大な研究努力にもかかわらず、商業的価値のあるフロー電池技術は未だ開発されていない。
【０００７】
フロー電池における活物質の酸化・還元反応は、充放電サイクル中のフロー電池の正常な動作に寄与するため、望ましい電気化学反応である。本明細書では、このような反応を「生産的反応（productive reaction）」と呼ぶ場合がある。
【０００８】
フロー電池やこれに類似する電気化学システムの２つの半電池の一方又は両方の内部では、望ましい生産的反応に加えて、望ましくない寄生反応が起きる場合もある。本明細書において、「寄生反応（parasitic reaction）」という用語は、生産的反応と共に起こる任意の副次的な電気化学反応を指す。寄生反応の多くは、電解液中の活物質以外の成分が関与するものであり得る。理論上やメカニズム上の規定はないが、ある条件下においては、電解液中の成分によって大きな過電圧が生じて寄生反応を発生させ得る。換言すれば、特定の条件下においては、電解液の成分の還元作用又は酸化作用が高くなり、これが寄生反応に作用する。水系電解液を含む電気化学セル内で一般的に起こり得る寄生反応は、水素の発生、酸素による酸化、又はその両方である。例えば、水素の発生によって、電気化学システムの正の電解液を変化させずに負の電解液を少なくとも部分的に放電させてしまう場合がある。さらに、寄生反応によって電解液のｐＨが変化する場合があり、これにより該電解液中の活物質が不安定になるおそれがある。非水系の電解液においても、寄生反応によって電解質溶媒が酸化又は還元を受けてしまう場合がある。さらに、水系のシステムと非水系のシステムのいずれにおいても、寄生反応の影響が、電極材料の表面や他の表面にも及ぶ場合（例えば、炭素又は金属の腐食、セパレータの酸化など）がある。
【０００９】
寄生反応に伴う放電により、フロー電池の動作効率や他の性能パラメータが低下してしまう場合がある。一方の半電池において、他方の半電池よりも強い寄生反応が起これば、負の電解液と正の電解液との間に充電状態のアンバランスが生じる場合がある。「充電状態（state of charge）」（ＳＯＣ）という用語は、よく理解されている電気化学エネルギー貯蔵用語であり、本明細書では、電気化学システムのある半電池内の電極における還元種と酸化種の相対量を指す。フロー電池の両電解液の間に電荷のアンバランスが生じると、一方の電極において物質移動が制限され、これにより往復の動作効率が低下する可能性がある。電荷のアンバランスは、充放電サイクルが完了する度に累積し得るため、寄生反応によってフロー電池の性能の低下が進行してしまうおそれがある。
【００１０】
このような寄生反応の影響に対処するために、電解液の一方又は両方において電荷バランスを回復させることができる。現在、様々な電荷バランス回復技法が利用可能であるものの、いずれも、その実行には高いコストや時間がかかるものであった。電解液中の活物質の還元種及び酸化種の正確な濃度を求めることは、それだけでも難しいことが多く、これにより電荷バランスの回復プロセスがさらに困難なものとなっている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
以上のことを考慮すれば、寄生反応の発生率を低減するよう構成されたフロー電池及び寄生反応を抑制する方法は、当技術分野において非常に望ましいと考えられる。本開示は、上記のニーズを満たすと共に関連する利点も提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
いくつかの実施形態において、本開示は、第１の電極を含む第１の半電池と、第２の電極を含む第２の半電池と、前記第１の半電池と前記第２の半電池との間に配置されるセパレータと、前記第１の電極を覆い（overlaying）且つこれに接触している第１のバイポーラプレート、及び、前記第２の電極を覆い且つこれに接触している第２のバイポーラプレートとを有するフロー電池を提供する。ここで、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが前記セパレータの両面（opposing faces）のそれぞれを覆い（overlay）且つこれに接触している。また、前記第１の電極又は前記第１のバイポーラプレートの一部が誘電材料を含有しながらも、前記第１の電極と前記第１のバイポーラプレートとが前記第１の半電池内で連続的な（contiguous）導電経路を共同で規定している（collectively define）。
【００１３】
他の種々の実施形態において、本開示のフロー電池は、第１の電極を含む第１の半電池と、第２の電極を含む第２の半電池と、前記第１の半電池と前記第２の半電池との間に配置されるセパレータとを有する。ここで、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが前記セパレータの両面のそれぞれを覆い且つこれに接触している。また、前記第１の電極は、約１００ミクロン以下の厚さを有している。
【００１４】
いくつかの実施形態において、本開示は、フロー電池内の電気化学セルなどの電気化学セルにおける寄生反応の発生を抑制する方法を記載している。本方法は、第１の電極を含む第１の半電池と、第２の電極を含む第２の半電池と、前記第１の半電池と前記第２の半電池との間に配置されるセパレータと、前記第１の電極を覆い且つこれに接触している第１のバイポーラプレート、及び、前記第２の電極を覆い且つこれに接触している第２のバイポーラプレートとを有するフロー電池を形成すること、及び、前記第１の電極又は前記第１のバイポーラプレートの一部に誘電材料を導入することであって、前記導入をしても、前記第１の電極と前記第１のバイポーラプレートとが前記第１の半電池内で連続的な導電経路を共同で規定するように、前記第１の電極又は前記第１のバイポーラプレートの一部に誘電材料を導入することを含む。ここで、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが前記セパレータの両面のそれぞれを覆い且つこれに接触している。
【００１５】
さらに他の種々の実施形態において、フロー電池における寄生反応を抑制する方法は、セパレータを設けること、触媒層を前記セパレータの少なくとも第１の面に付着（depositing）させること、及び、前記触媒層を有するフロー電池を形成することであって、当該フロー電池の少なくとも第１の半電池において前記触媒層がバイポーラプレートと接触している、前記フロー電池を形成することを含む。
【００１６】
上述の記載は、以下の詳細な説明をより良く理解できるように、本開示の特徴をやや大まかに概説したものである。以下に、本開示のさらなる特徴及び利点を説明する。上記及び上記以外の利点や特徴は、以下の説明からさらに明らかになるであろう。
【００１７】
本開示及びその利点のより完全な理解のために、以下に、本開示の具体的な実施形態を示す添付の図面と併せて読まれるべき説明を記す。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】単一の電気化学セルを有する例示的なフロー電池の模式図である。
【図２】バイポーラプレートを有する例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。
【図３】寄生反応の発生率を低減するために電極の内部が誘電材料で被覆された例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。
【図４】寄生反応の発生率を低減するために電極の厚さ方向の長さが低減された例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。
【図５】寄生反応の発生率を低減するために触媒層をセパレータに付着させた例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。
【図６】ハイブリッド電極構造を内在する例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。
【図７】寄生反応の発生率を低減するためにバイポーラプレートの流路が誘電材料で被覆された例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。
【図８】複数の導体ポストが貫通した誘電材料ベースのバイポーラプレートを含む例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
本開示は、部分的には、動作中の寄生反応の発生率を低減したフロー電池に関する。また、本開示は、部分的には、フロー電池やこれに類似する電気化学システムにおいて寄生反応の発生率を低減するための方法に関する。
【００２０】
本開示は、添付の図面及び例に関連付けて以下の記載を参照することによって、さらに容易に理解することができる。添付の図面及び例はいずれも本開示の一部をなす。本開示が本明細書に記載及び／又は図示する具体的な製品、方法、条件又はパラメータには限定されないことが理解されよう。本明細書で用いる用語は、単に一例としての特定の実施形態を説明するためのものであって、特に明記しない限り、限定を意図するものではない。同様に、特に明記しない限り、本明細書内において、ある組成物に対する説明はいずれも、該組成物の固体、液体の双方を対象とすることを意図しており、さらに該組成物を含有する溶液及び電解液、並びに、そのような溶液及び電解液を含む電気化学セル、フロー電池及びその他のエネルギー貯蔵システムをも対象とすることが意図されている。さらに、本開示において、電気化学セル、フロー電池又は他のエネルギー貯蔵システムについて説明していると考えられる場合には、電気化学セル、フロー電池又は他のエネルギー貯蔵システムを動作させる方法についても暗に説明しているものと認識されたい。
【００２１】
また、本明細書では、分かりやすくするため、本開示のいくつかの特徴を別個の実施形態と関連させて記載しているが、これらの特徴を、相互に組み合わせて単一の実施形態において備えることができることが認められよう。すなわち、明らかに両立できないか又は明示的に排除される場合を除いて、個々の実施形態は１以上の他のいずれかの実施形態と組み合わせることができると考えられ、そのような組み合わせは全く別の実施形態であると見なされる。逆に、簡潔にするため、本開示の種々の特徴を単一の実施形態に関連させて説明する場合があるが、これらの特徴を、別々に又は任意のより小さい組み合わせで備えることも可能である。さらにまた、ある特定の実施形態を一連のステップの一部として又はより包括的な構造の一部として記載する場合があるが、各ステップ又は各下位構造はそれ自体を独立した実施形態と見なすことも可能である。
【００２２】
特に明記しない限り、要素をリストアップしている場合には、リストアップした各要素及び同リスト内の各要素のすべての組み合わせをそれぞれ別個の実施形態として解釈すべきであることが理解されよう。例えば、「Ａ、Ｂ又はＣ」と示される実施形態のリストは、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「Ａ又はＢ」、「Ａ又はＣ」、「Ｂ又はＣ」又は「Ａ、Ｂ又はＣ」という実施形態を含むものとして解釈される。
【００２３】
本開示において、文脈上明らかに他の意味を示す場合を除き、単数の冠詞「a（１つの）」、「an（１つの）」及び「the（その／前記）」は、対応する複数に対する言及も包含するものであり、特定の数値に対する言及は、少なくともその特定の値を包含するものである。このため、例えば「a material（１つの物質）」は、そのような物質及びその均等物のうち少なくとも１つを指す。
【００２４】
一般に、「約」という用語を使用する場合、開示する主題が達成しようとする所望の特性に応じて変動する可能性のある近似値を示し、機能に基づいて状況に応じて解釈されるべきものである。従って当業者であれば、個々の状況に応じてある程度の変動範囲を汲み取ることができるであろう。「約」という用語が許容する変動を規定する代表的な技法として、特定の値を表す際に有効桁数を使用することが考えられる。あるいは、「約」という用語が許容する変動範囲を、一連の値に段階を設けることによって規定することもできる。さらに、本開示におけるすべての範囲は上下限値を含み且つ連結可能であり、ある範囲で規定される値に対して言及する場合、その言及は範囲内のすべての個々の値を包含するものである。
【００２５】
上述のように、高い効率値を維持しながら大規模に動作することができるエネルギー貯蔵システムが非常に望ましい場合がある。フロー電池はこの点で大きな関心を集めてきたが、その動作特性にはまだかなり改善の余地が残されている。寄生反応は、フロー電池や他の電気化学システムの動作性能に非常に深刻な影響を及ぼすおそれがある。例えば、寄生反応は、フロー電池の２つの電解液間での充電状態のアンバランスを引き起こすおそれがあり、時間の経過や充放電サイクルの繰り返しと共に、電池性能に影響を与える可能性がある。さらに、寄生反応によって、１つ以上の電解液に望ましくないｐＨ変化が起こり得る。数々の動作上の問題のために、従来のフロー電池設計では寄生反応に対処するのが難しい場合があった。
【００２６】
これらの寄生反応の悪影響と寄生反応への対処の難しさとを考え合わせた結果、本発明者は、フロー電池内の寄生反応の発生率を最小限に抑えることが非常に望ましいという認識に至った。従来のフロー電池設計では、過電圧が過大になるのを抑制してそれに伴う寄生反応が起こらないようにフロー電池の動作条件を変化させることや、電池の構成物を完全に交換することを除いて、寄生反応の発生率を最小限に抑えると認め得るようなメカニズムは提供されていない。しかし、寄生反応を招く過大な過電圧の発生を防ぐように動作条件を変化させることによって、望ましい活物質の生産的反応が全く起こらなくなったり、十分な反応速度では起こらなくなったりするおそれがある。従って、寄生反応を抑制するようにフロー電池の動作条件を変化させることは、状況によっては受け入れられないアプローチであり得る。本発明者が発見した、フロー電池において寄生反応の発生率を低減するアプローチをさらに説明する前に、まず以下に、例示的なフロー電池の構成及びその動作特性をより詳細に説明する。
【００２７】
活物質及び他の成分が単一のアセンブリに収容される一般的な電池技術（例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池など）とは異なり、フロー電池は、貯蔵タンクのレドックス活性エネルギー貯蔵物質を（例えばポンピングによって）１つ以上の電気化学セルを含む電気化学スタックを通過させて輸送するものである。この設計上の特徴により、電気エネルギー貯蔵システムの電源がエネルギー貯蔵容量から切り離されるため、大幅な設計の柔軟性とコストの最適化が実現可能となる。図１は、単一の電気化学セルを有する例示的なフロー電池の概略図である。図１は、単一の電気化学セルを有するフロー電池を示しているが、複数の電気化学セルを互いに接続する方法は公知であり、以下では、それについて説明する。
【００２８】
図１に示すように、フロー電池システム１は電気化学セルを有する。この電気化学セルは、その２つの電極１０、１０’間にセパレータ２０を有することを特徴とするものである。本明細書において、「セパレータ（separator）」及び「膜（membrane）」という用語は、電気化学セルの正極と負極との間に配置され、イオン伝導性と電気的絶縁性とを有する材料を指す。電極１０、１０’は、金属、炭素、グラファイトなどの適切な導電材料で形成されており、両電極の材料は同一であっても、異なっていてもよい。図１では、電極１０、１０’がセパレータ２０から離間しているように図示しているが、より特定的な実施形態においては、電極１０、１０’をセパレータ２０に接触させて配置することができる（下記及び図２を参照）。この接触は、いくつかの例では、図２に示すように直接的であってよく、他の例では、炭素布又は炭素発泡体を介在させるなど間接的であってもよい。電極１０、１０’を構成する材料は多孔質であってよく、これにより、第１の活物質３０を含有する電解液や第２の活物質４０を含有する電解液との接触表面積が大きくなる。第１の活物質３０及び第２の活物質４０は、酸化状態と還元状態との間を循環可能な物質である。
【００２９】
ポンプ６０は、第１の活物質３０をタンク５０から電気化学セルに輸送するためのものである。フロー電池はまた、第２の活物質４０を収容する第２のタンク５０’も適切に含む。第２の活物質４０は、第１の活物質３０と同一の物質であってよく、又は、異なる物質であってもよい。第２のポンプ６０’は、第２の活物質４０を電気化学セルに輸送するためのものである。また、電気化学セルからタンク５０、５０’に活物質３０、４０を戻す輸送のためにポンプが用いられてよい（図１には示していない）。また、例えばサイフォンなどの、流体輸送に作用する他の方法によっても、第１の活物質３０及び第２の活物質４０を電気化学セル内外に適宜輸送することができる。図１には電源すなわち負荷７０も図示されている。負荷７０によって電気化学セル回路が完成し、回路の動作中、ユーザによる電気の蓄積すなわち貯蔵が可能となる。
【００３０】
図１は、特定のフロー電池の具体的な構成を示すものであり、限定を意図するものではないことを理解されたい。従って、本開示の精神と合致するフロー電池が図１の構成とは様々な面で異なることがある。一例として、フロー電池システムは、固体、気体及び／又は液体に溶解した気体である１つ以上の活物質を含むことができる。活物質は、大気に開放しているか又は単に大気への通気口を設けたタンク又は容器に貯蔵され得る。
【００３１】
上記のように、動作中のエネルギー貯蔵・放出速度を上昇させるため、複数の電気化学セルを相互に組み合わせて電気化学スタックとすることもできる。放出されるエネルギー量は、存在する活物質の総量によって決定される。電気化学スタックにおいては、隣接する電気化学セル間で電気的な通信を確保しつつ流体連通を遮断するように、両隣接セル間にバイポーラプレートが設けられている。このように、バイポーラプレートは、個々の電気化学セル内にそれぞれの電解液を封じ込めるものである。バイポーラプレートは、概して導電材料から製造されるが、全体として流体連通性を有していない。適切な材料としては、炭素、グラファイト、金属又はそれらの組み合わせを挙げることができる。非導電性ポリマーに導電材料を分散させてバイポーラプレートを製造することもできる。そのような導電材料としては、炭素粒子、炭素繊維、金属粒子、金属繊維、カーボンナノチューブ若しくはそのいずれか又はすべての組み合わせなどが挙げられる。バイポーラプレートは、電気化学セルの電極と同じ種類の導電材料から製造され得るが、電極が電解液の流れの完全な通過を許容する連続孔を多く有するのに対して、バイポーラプレートはそのような多連続孔性は有していない。ただし、バイポーラプレートは必ずしも完全無孔質の物体には限られないことを認識されたい。バイポーラプレートは、材質的又は構造的に多孔質性を有して、電解液が接触できる表面積を大きくすることができるが、この多孔質性は、電解液が隣接する電気化学セルに流入することができる位置の手前で終端するものである。例えば、バイポーラプレートは、電解液がバイポーラプレートに対してより効率的に接触することを許容しながら、バイポーラプレートを通過して隣接セルに到達することを禁止するように設計された流路を複数有することもできる。バイポーラプレートは、自身が設置された電気化学セル内の電極に直接接触させることができるほか、炭素発泡体、炭素布又は炭素網などの導電材料を介して接触させることもできる。
【００３２】
図２は、バイポーラプレートを含む例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。なお、図１と同一の要素については、適宜、同一の参照記号を用いている。図２を参照すると、負の半電池８０及び正の半電池８０’のそれぞれは、セパレータ２０の両側（opposing sides）のそれぞれに配置されている。負の半電池８０は、界面１２にてセパレータ２０に当接する電極１０（すなわちアノード）と、界面１４にて電極１０の反対側の面（opposing face）に当接するバイポーラプレート９０とを有する。同様に、正の半電池８０’は、界面１２’にてセパレータ２０の反対側の面（opposing face）に当接する電極１０’（すなわちカソード）と、界面１４’にて電極１０’の反対側の面（opposing face）に当接するバイポーラプレート９０’とを有する。代替的な実施形態においては、電極１０、１０’は、セパレータ２０との間に炭素発泡体又は炭素布を介在させることもできる。複数の流路８２は、バイポーラプレート９０、９０’の内部で部分的に延在し、電解液との接触度を向上させるものである。図２では、各流路８２がほぼ直線状に形成されると共に一定な間隔で配置されていることを示している。但し、各流路８２は、蛇行した経路など、任意の形状を有するか若しくは互いに相互接続されてもよく又はその両方であってもよく、及び／又は、ランダム若しくはグラデーション状（gradient pattern）に分布してもよいことを認識されたい。いずれの場合においても、バイポーラプレート９０、９０’の各背面８４、８４’は、実質的に電解液を通過させず、隣接する電気化学セル間でのクロスオーバー（crossover）の発生が抑制される。理解しやすくするため、図１に示している流体の流れの詳細は、図２には示していない。しかしながら、図２の電気化学セル構成を図１に組み込む際の態様や、複数の電気化学セルを電気化学スタックに組み込んで流体分布マニホールドに接続する際の態様については、容易に理解することができるであろう。本明細書における説明上、図２の電気化学セル構成を、従来のフロー電池で用いられるセル構成の代表例と見なすものとする。
【００３３】
ここで寄生反応の抑制の話に戻ると、本発明者は、従来の電気化学セルにおいては、生産的反応の大部分が、電極とセパレータとの間の界面（すなわち界面１２、１２’）上又はこの界面に近接した位置で起こっていることを発見した。一方、多くの場合、寄生反応は、電極内部の位置やセパレータから遠く離れた他の導電面で起こっている。さらに、寄生反応は、電解液がバイポーラプレートの導電材料と接触した場合にも起こり得る。従って、本発明者は、電気化学セル内において、寄生反応はセパレータに近接していない１以上の場所で起こることを発見した。
【００３４】
セパレータに近接していない１以上の場所における寄生反応の発生率を低減させるための解決策として、本発明者は、電気化学セルの電極、バイポーラプレート又はこれら両方の構造を改良して、良好な導電性を保ちつつ生産的反応の発生を促進すると共に望ましくない寄生反応の発生率を低減することのできる様々な技法を発見した。以下の開示においては、電極とバイポーラプレートの改良のそれぞれが別々に行われているように示しているが、ある電気化学セル内においてこれら両方の構造を同時に改良することができ、そのような改良も本開示の趣旨に合致するものと認識されたい。電気化学セルの電極とバイポーラプレートの両方を改良することにより、寄生反応の発生率をさらに低減させることができる。
【００３５】
特に、本発明者は、電極及びバイポーラプレートの少なくとも一方と電解液との接触面積を減少させることに応じて寄生反応の発生率を低減できることを発見した。以下に、接触面積を減少させることのできる適切な技法についてより詳細に説明する。
【００３６】
本発明者は、電極においては、寄生反応の発生率を低減するための適切なアプローチの１つとして、電極の内部に誘電材料を注入（infusing）することを含むアプローチを発見した。多孔質な電極の内部にある内表面を誘電材料で被覆（coat）することにより、電極の大部分が電解液に接触する可能性を排除することができる。電極の非生産的な部分又は生産性の低い部分が電解液に接触する可能性を排除することにより、寄生反応の拡大を低減することができる。セパレータとの界面に位置する電極の表面は被覆されずに残っており、電極に生産的反応を自由に促進できる部分を残しておくことができる。誘電材料による表面被覆は、電極の細孔内にのみ行なわれているので、電極を通過して行われる電解液の循環がこの被覆によって著しく妨げられることはない。さらに、誘電材料による表面被覆は内部にのみ行なわれているので、電極全体としての導電性は依然として保たれており、バイポーラプレートとつながって（in conjunction with）連続的な導電経路を確保することができる。
【００３７】
図３は、寄生反応の発生率を低減するために電極内部が誘電材料で被覆された例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。電極１０の内部に誘電体被覆１００を施している点を除けば、図３の電気化学セル構成は図２と同様であり、図３は、図２を参照することによりさらに良く理解できるであろう。上述のように、電極１０の被覆されていない部分は、生産的反応が依然として起こりうる有効表面、及び／又は、バイポーラプレート９０との電気的接触を維持することができる有効表面となる。このような生産的反応や電気的接触のための有効表面は、誘電材料がセパレータ２０又はバイポーラプレート９０に接触していないので、保持されている。図３では、電極１０のみが誘電体被覆された内部を有するように示されているが、本開示のいくつかの実施形態では、電極１０’又は両電極１０、１０’が、誘電体被覆された内部を有し得ることを認識されたい。いくつかの実施形態において、電極１０及び誘電体被覆１００は、電気化学セルの負の半電池中に存在し得る。
【００３８】
電極の内部を誘電材料で被覆することにより、電極において生産的反応が起こり得る相対的割合が上昇する。電極のセパレータに十分に近接していない部分を機能させなくすることにより、電極において生産的反応が発生し得る相対的割合が上昇する。この特徴を踏まえて、本発明者はさらに、上述のように電極の内部を誘電材料で被覆すると、電極の厚さ方向の長さ（through-plane thickness）が事実上減少し、これにより電極の有効部分がセパレータに近接する割合が高まることにも気付いた。従って、本開示の別の態様において、本発明者は、電極の厚さ方向の長さを低減することによっても、寄生反応の発生率を同様に低減できることを発見した（図４、図５、及び以下のこれらの図に関する説明を参照）。すなわち、本発明者は、誘電材料を使用せず、電極を薄くすることによっても、寄生反応の発生率を同様に低減することができることを発見した。
【００３９】
図４は、寄生反応の発生率を低減するために電極の厚さ方向の長さが低減された例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。電極１０の厚さを低減している点を除けば、図４の電気化学セル構成は図２と同様であり、図４は、図２を参照することによりさらに良く理解できるであろう。図４においては、電極１０の厚さ方向の長さを低減することによってセパレータ２０に近接する電極面積が増大しており、これにより寄生反応の発生率を低減している。図４では、電極１０の厚さ方向の長さのみを低減しているように示されているが、本開示のいくつかの実施形態では、電極１０’又は両電極１０、１０’の厚さを低減し得ることを認識されたい。さらに、本開示の種々の実施形態において、電極１０、１０’は実質的に同一の厚さを有してよいか、又は、電極１０、１０’の厚さが互いに異なっていてもよい。いくつかの実施形態において、適切な薄さの電極は約１００ミクロン以下の厚さを有することができ、例えば、約１ミクロン〜約１００ミクロン、約２０ミクロン〜約１００ミクロン、約５０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲の厚さを有することができる。
【００４０】
他の種々の実施形態において、適切な薄さの電極は約１ミクロン未満の厚さを有し得る。より特定的な実施形態において、適切な薄さの電極は、約１ｎｍ〜約１００ｎｍ、約１ｎｍ〜約１０ｎｍ、約１０ｎｍ〜約５０ｎｍ又は約５ｎｍ〜約２０ｎｍの範囲の厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、１枚以上のグラフェンシートで電極を構成することができる。グラフェンは、面内導電性及び機械的強度が高く、層厚が薄いので、フロー電池の電極を形成するのに特に適切な材料であり得る。
【００４１】
適切な薄さの電極は、電極のより多くの部分をセパレータに近接させることにより、寄生反応の発生率を低減させることを可能にするものではあるが、そのような薄い電極材料は製造中の取り扱いが難しく且つ厚い電極よりも耐久性が低い可能性がある。従って、本発明者は、電極を誘電材料で改良することはやはり行わずに、従来の電極から厚さ方向の長さを変化させることによって寄生反応の発生率の低減を図るさらなる技法を発見した。より詳細には、発明者は、セパレータに当接している従来の電極を、セパレータ上に付着させた触媒層に置き換えることができることを発見した。触媒層はセパレータ上の連続的又は非連続的な被覆を構成してもよい。触媒層は、事実上、極めて薄く且つ多孔質な電極として機能することができ、触媒層上では、セパレータに非常に近接した位置で生産的反応が起こり得ると共にバイポーラプレートとの電気的な接続の構築も可能となる。触媒層に含有させるのに適切な材料としては、カーボンナノチューブ、炭素粉末、グラファイトなどの高表面積材料を挙げることができる。
【００４２】
図５は、寄生反応の発生率を低減するために触媒層をセパレータ上に付着（deposited）させた例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。電極１０を触媒層１１と置き換えている点を除けば、図５の電気化学セル構成は図２と同様であり、図５は、図２を参照することによりさらに良く理解できるであろう。図５においても、触媒層１１の厚さが小さいので、生産的反応がより効果的に起こり得る、セパレータ２０に近接する「電極」面積が増大している。例えば、いくつかの実施形態では、触媒層１１を約１００ミクロン以下とすることができる。図５では、電極１０のみが触媒層１１と置き換えられているように示されているが、本開示のいくつかの実施形態では、電極１０’又は両電極１０、１０’を触媒層と置き換え得ることを認識されたい。両電極１０、１０’を触媒層と置き換える場合には、半電池８０、８０’間で触媒材料は同一であっても、異なっていてもよい。
【００４３】
いくつかの実施形態において、触媒層は、複数のカーボンナノチューブを含むことができる。カーボンナノチューブは、高い導電性を有すると共に極めて薄く且つ多孔質なマトリクスとして機能し得る。いくつかの実施形態では、触媒層において、カーボンナノチューブに触媒粒子（例えば、金属ナノ粒子）を混合することができる。いくつかの実施形態では、カーボンナノチューブは、その長手方向の軸がセパレータとほぼ平行に延びている層として付着（deposited）させることができる。この構成において、カーボンナノチューブは、セパレータ近傍で高い面内導電性を提供して、生産的反応を促進することができると共にバイポーラプレートとの電気的な接続も依然として確立することができる。カーボンナノチューブを並べるための適切な技法については当業者には明らかであろう。
【００４４】
触媒層に含有させるのに適切なカーボンナノチューブとしては、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ又はそれらの任意の組み合わせを挙げることができる。カーボンナノチューブは、そのカイラリティに応じて金属的になったり、半金属的になったり又は半導体的になったりする。カーボンナノチューブのカイラリティを指定するための命名方式は確立されており、当技術分野において公知である。これによれば、カーボンナノチューブのカイラリティは、六方晶系のグラファイトをチューブ状の構造に形成する際の切り出し方向（cut）と丸める方向（wrapping）とを表す２つの整数をｎ、ｍとした場合に、指数対（ｎ，ｍ）によって識別される。カイラリティに加えて、カーボンナノチューブの直径も、その導電率や熱伝導率の値に影響を与える。通常、多層カーボンナノチューブでは各ナノチューブ層を跨いで反応が起こり得るため、単層カーボンナノチューブよりも複雑な導電率・熱伝導率プロファイルを有し得る。一方、単層カーボンナノチューブにおいては、異なる部分間で導電率及び熱伝導率プロファイルが変化することはない。このように、単層カーボンナノチューブは好ましい伝導率値を有するため、本開示のより特定的な実施形態においては、触媒層は複数の単層カーボンナノチューブを含み得る。
【００４５】
さらに別の代替的な構成においては、本発明者は、触媒層と誘電材料という２つのコンセプトを相互に組み合わせて、従来の電極により近い厚さ方向の長さを有するハイブリッドな電極構造とすることができることを発見した。以下により詳細に説明するが、有利なことに、このような電極構造によれば、バイポーラプレートとの電気的な接続を確立する能力を維持しながら、生産的反応がより効果的に起こり得る狭いセパレータ近接領域を維持することができる。
【００４６】
より特定的な実施形態においては、ハイブリッド電極構造は、導電性メッシュの第１の側（side）に配置される導電媒質と、導電性メッシュの第２の側（side）に配置される誘電材料とを含むことができる。導電性メッシュと誘電材料との配置は、導電媒質がセパレータと接触すると共に高い反応度で生産的反応を起こすことができるように行われ得る。ハイブリッド電極構造は、また、誘電材料を貫通して導電性メッシュからバイポーラプレートまで延在する複数の導体ポストを含み、この導体ポストによって、バイポーラプレートに誘電材料が接触していても、電気化学セル内において連続的な導電経路を確保することができる。ハイブリッド電極構造において、もし導体ポストが存在せず、バイポーラプレートに接触することもなかったならば、誘電材料によって電極とバイポーラプレートとの間に電気的な接続を確立できなくなってしまう。
【００４７】
図６は、ハイブリッド電極構造が内在する例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。電極１０をハイブリッド電極１３と置き換えている点を除けば、図６の電気化学セル構成は図２と同様であり、図６は、図２を参照することによりさらに良く理解できるであろう。ハイブリッド電極１３は、一面に導電材料１６が設けられ、他面に誘電材料１７が設けられた導電性メッシュ１５を含む。導電材料１６はセパレータ２０に接触し、誘電材料１７はバイポーラプレート９０に接触している。導体ポスト１８は、誘電材料１７を貫通して導電性メッシュ１５からバイポーラプレート９０まで延在して、バイポーラプレートとの電気的な接続を確立している。図６では、電極１０のみがハイブリッド電極１３と置き換えられているように示されているが、本開示のいくつかの実施形態では、電極１０’又は両電極１０、１０’をハイブリッド電極と置き換え得ることをここでも認識されたい。導電材料１６に適した物質としては、従来の電極に利用されている物質など、本明細書に開示している任意の導電材料を挙げることができる。同様に、導電性メッシュ１５も任意の適切な導電材料で形成することができる。
【００４８】
ここで、バイポーラプレートに目を向けると、本発明者は、バイポーラプレート中の導電材料が電解液に接触する量を低減することにより、寄生反応の発生率を抑制する様々なアプローチを発見した。これらのアプローチの中には、上述した電極についてのアプローチと類似するものも含まれるため、上述のアプローチを参照することによりさらに深く理解することができるであろう。より詳細には、本発明者は、バイポーラプレートの導電性を完全に損なうことがないように、バイポーラプレートの一部に誘電材料を導入する（incorporating）ことによって、寄生反応の発生率を低減できることを発見した。以下、寄生反応の発生率を低減するように誘電材料で改良できるバイポーラプレート内の適切な場所をさらに詳細に説明する。
【００４９】
一構成においては、バイポーラプレートの内部の少なくとも一部を被覆することにより寄生反応の発生率を低減できることを発見した。より詳細には、本発明者は、バイポーラプレート内部の流路の少なくとも一部を誘電材料で被覆することにより、電解液とバイポーラプレートの導電材料との接触度が大幅に低減され得ることを発見した。上述のように、これにより、導電材料の持つ寄生反応を促進させる力は制限されるものの、バイポーラプレートの導電性を損なってしまうことはない。このアプローチは、電極内部を誘電材料で被覆する上述のアプローチとやや類似している。
【００５０】
図７は、寄生反応の発生率を低減するためにバイポーラプレートの流路が誘電材料で被覆された例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。バイポーラプレート９０の流路８２の内部が被覆層８６で被覆されている点を除けば、図７の電気化学セル構成は図２と同様であり、図７は、図２を参照することによりさらに良く理解できるであろう。種々の実施形態においては、流路８２が完全に閉塞されることがないように被覆層８６の厚さを制限することにより、流路８２に流体が出入りできる状態は保たれている。流路８２内に被覆層８６が存在していても、電極１０とバイポーラプレート９０との電気的接触は界面１４において依然として保たれ、隣接する電気化学セル間の電気的な通信を促進することができている。
【００５１】
また、代替的な構成として、本発明者は、バイポーラプレートにおける導電材料の量を大幅に低減して寄生反応の発生率を低減できることを発見した。特に、本発明者は、バイポーラプレート中の導電材料の大部分を誘電材料と置き換えて、限られた領域にのみ導電材料を残して電極との導電性を確立し、隣接する電気化学セル間の電気的な通信を促進できることを発見した。より詳細には、本発明者は、従来のバイポーラプレートの形を持つ誘電材料の塊にそれを貫通する複数の導体ポストを設けて、半電池内において連続的な導電経路を確保できるようにすることにより、事実上のバイポーラプレートを製造できることを発見した。以下に、このバイポーラプレート構成を、図８に関連してさらに詳細に説明する。いくつかの構成では、主に誘電材料で製造されるバイポーラプレートにおいて、内部の流路を省略し、導体ポストによって、このバイポーラプレートが意図された通りに機能するための十分な導電性を維持することができるようにすることができる。
【００５２】
図８は、複数の導体ポストが誘電材料ベースのバイポーラプレートを貫通している例示的な電気化学セル構成を示す模式図である。いくつかの実施形態では、導体ポスト９４は導線であってよく、これにより、導線の導電材料が界面１４で電解液に接触する表面積を最小限にして、寄生反応が発生する表面積を最小限に抑えることができる。誘電体ベースのバイポーラプレート９２を貫通して延在する導体ポスト９４の数は、寄生反応の発生率を所定レベル未満に抑えながら十分な導電性を確保することができるように選択することができる。従って、図８に示す導体ポスト９４の数は、限定を意図するものと見なすべきではない。さらに、誘電材料ベースのバイポーラプレート層９２内における導体ポスト９４の配置についても任意のものが可能であり、図８に示す規則的な配置を、限定を意図するものと見なすべきではない。誘電材料ベースのバイポーラプレート９２と導体ポスト９４が存在する点を除けば、図８の電気化学セル構成は図２と同様であり、図８は、図２を参照することによりさらに良く理解できるであろう。
【００５３】
以上説明したように、上述の各種電気化学セル構成によって、電気化学セル内で起こる寄生反応の発生率を望ましく低減することができる。より詳細には、第１の電極及び／又は第１のバイポーラプレートは、フロー電池の動作中における生産的反応の寄生反応に対する発生比が５を上回るような大きさの有効面積を有することができる。また、生産的反応の寄生反応に対する発生比をさらに大きくすることもできる。いくつかの実施形態では、生産的反応の寄生反応に対する発生比を、約１０以上、約２０以上、約３０以上、約４０以上、約５０以上、約１００以上、約２００以上、約５００以上又は約１０００以上とすることができる。用途によって、生産的反応の寄生反応に対する発生比の適切な値は異なり得る。従って、特定の電気化学セルの設計に際しては、所定の値の生産的反応の寄生反応に対する発生比を達成するように、上述の特徴のうち任意の数の特徴を組み込むことができる。所定の用途に対する適切な発生比は、セル抵抗対電流効率の最適化に基づいて決定することができる。例えば、セル抵抗が閾値を上回るまで半電池の総有効面積を低下させ、その後、このセル形状に関する電流効率を求めることができる。電流効率が十分であれば、このセル構成は好適に用いることができる。換言すれば、半電池における電流の少なくとも約９５％を生産的反応から生じさせることができ、いくつかの実施形態では、半電池における電流の少なくとも約９９％を生産的反応から生じさせることができる。
【００５４】
誘電材料（すなわち絶縁体）を使用して寄生反応の発生率の低減を図っている実施形態においては、概ね非導電性の幅広い範囲の物質を誘電材料として使用することができる。いくつかの実施形態では、適切な誘電材料として、プラスチック（すなわち、フッ素化ポリマーなどのポリマー）、セラミック及びフッ素化炭化水素を挙げることができる。特に適切なフッ素化ポリマーの１つとして、ポリテトラフルオロエチレンを挙げることができる。他の適切なポリマーとしては、例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ネオプレンなどが挙げられる。本明細書において、「セラミック（ceramic）」という用語は、非金属無機材料を指し、結晶質、一部結晶質、又は、実質若しくは完全に非晶質のいずれであってもよい。いくつかの実施形態では、適切なセラミックとして、酸化物、炭化物、窒化物、ホウ化物などが挙げられる。例示的なセラミックの特定の例としては、例えば、酸化ベリリウム、チタン酸バリウム、窒化ホウ素、炭化ケイ素、炭化チタンなどが挙げられる。
【００５５】
誘電材料を電極若しくはバイポーラプレートの内部又は表面に導入する適切な技法は、特に限定されるものではないが、いくつかの実施形態では、誘電材料を溶媒に溶かし、スプレーや刷毛で塗布して被覆する技法や、ディップコーティング（dip coating）法によって、電極又はバイポーラプレートに誘電材料を適用することができる。他の実施形態では、セラミックを、化学蒸着、原子層堆積（atomic layer deposition）などの薄膜付着技法によって付着させることができる。触媒層が存在する場合には、触媒層も同様のやり方で設けることができる。
【００５６】
電極は、電気化学セル内の電気化学エネルギー変換を起こす位置に、外部回路からの電流を流すためのものである。電極は、その表面にて生産性反応及び非生産的反応の両方を含む電気化学反応が生じさせ得る。いくつかの実施形態では、電極は触媒を含み得る。代替的な実施形態では、フロー電池の１つ以上の電極をほぼ触媒層で構成することができる。フロー電池の電極に含有させるのに適切な導電材料としては、例えば、炭素及び／又は金、銀、チタン、プラチナなどの金属を挙げることができる。他の適切な導電材料としては、例えば、鋼、亜鉛、タンタル、パラジウム、スズ、ニッケル、銅、イリジウム、ロジウム、ルテニウム、窒化ホウ素、炭化タングステン、ホウ素ドープダイヤモンド及び縮退ドープ半導体を挙げることができる。いくつかの実施形態では、適切な電極は、上記の材料のうち１つ以上を含有する多孔質シートの形態をとることができる。各種構成に適した電極の厚さについては、上記により詳細な説明がある。
【００５７】
いくつかの実施形態では、本開示のフロー電池は、配位錯体である活物質を１つ以上の電解液に含むことができる。本明細書において、「配位錯体（coordination complex）」及び「配位化合物（coordination compound）」という用語は、共有結合により１以上の配位子に結合した金属を有する任意の化合物を指す。遷移金属は可変的に複数の酸化状態をとることができるため、フロー電池の活物質中に用いるのに特に望ましい場合がある。遷移金属がとり得る複数の酸化状態を循環させることにより、化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。代替的な実施形態では、ランタニド金属もこの点に関して同様に用いることができる。フロー電池に含めるのに特に望ましい遷移金属としては、例えばＡｌ、Ｃｒ、Ｔｉ及びＦｅが挙げられる。本開示の目的上、Ａｌは遷移金属であると見なされる。いくつかの実施形態では、フロー電池内の配位錯体が、少なくとも１つのカテコラート配位子又は置換カテコラート配位子を有し得る。スルホン化カテコラート配位子は、同配位子を含む配位錯体の溶解度を促進することができるため、特に望ましい配位子であり得る。
【００５８】
単独で又は１以上のカテコラート配位子又は置換カテコラート配位子と共に、配位錯体中に存在し得る他の配位子としては、例えば、アスコルビン酸塩、クエン酸塩、グリコール酸塩、ポリオール、グルコン酸塩、ヒドロキシアルカン酸塩、酢酸塩、ギ酸塩、安息香酸塩、リンゴ酸塩、マレイン酸塩、フタル酸塩、サルコシン酸塩、サリチル酸塩、シュウ酸塩、尿素、ポリアミン、アミノフェノラート、アセチルアセトネート及び乳酸塩が挙げられる。ここで、化学的に実現可能である場合には、このような配位子を、Ｃ1-6アルコキシ基、Ｃ1-6アルキル基、Ｃ1-6アルケニル基、Ｃ1-6アルキニル基、５員環若しくは６員環のアリール基若しくはヘテロアリール基、ボロン酸若しくはその誘導体、カルボン酸若しくはその誘導体、シアノ、ハロゲン化物、ヒドロキシル、ニトロ、スルホン酸塩、スルホン酸若しくはその誘導体、ホスホン酸塩、ホスホン酸若しくはその誘導体、又は、ポリエチレングリコールなどのグリコールから選択される少なくとも１つの基によって、任意に置換可能であるものと認識されたい。アルカン酸塩には、そのα、β及びγ形態がいずれも含まれる。ポリアミンには、エチレンジアミン、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）及びジエチレントリアミン五酢酸（ＤＴＰＡ）が含まれるが、これらに限定されない。
【００５９】
存在し得る配位子の他の例としては、単座配位子、二座配位子及び／又は三座配位子が挙げられる。配位錯体中に存在し得る単座配位子の例としては、例えば、一酸化カルボニル又は一酸化炭素、窒化物、オキソ、ヒドロキソ、水、硫化物、チオール、ピリジン、ピラジンなどが挙げられる。配位錯体中に存在し得る二座配位子の例としては、例えば、ビピリジン、ビピラジン、エチレンジアミン、（エチレングリコールなどの）ジオールなどが挙げられる。配位錯体中に存在し得る三座配位子の例としては、例えば、テルピリジン、ジエチレントリアミン、トリアザシクロノナン、トリス（ヒドロキシメチル）アミノメタンなどが挙げられる。
【００６０】
フロー電池中の活物質は、水系電解液内に溶解して存在し得る。本明細書において、「水系電解液（aqueous electrolyte solution）」という用語は、水を主溶媒とし、活物質を少なくとも部分的に可溶化した（理想的には完全に可溶化した）均一な液相を指す。この定義は、水溶液と、水相に少量成分として水混和性の有機溶媒を含有する溶液との両方を包含するものである。
【００６１】
水系電解液中に存在し得る例示的な水混和性の有機溶媒としては、例えばアルコール及びグリコールが挙げられ、場合によっては、１種類以上の後述の界面活性剤や他の成分を存在させてよい。より特定的な実施形態においては、水系電解液は少なくとも約９８重量％の水を含有することができる。他のより特定的な実施形態においては、水系電解液は、少なくとも約５５重量％の水、少なくとも約６０重量％の水、少なくとも約６５重量％の水、少なくとも約７０重量％の水、少なくとも約７５重量％の水、少なくとも約８０重量％の水、少なくとも約８５重量％の水、少なくとも約９０重量％の水、又は少なくとも約９５重量％の水を含有してよい。いくつかの実施形態では、水系電解液は水混和性の有機溶媒を含有せず、水のみを溶媒として含んでよい。
【００６２】
さらなる実施形態において、水系電解液は、粘度調整剤、湿潤剤又はそれらの任意の組み合わせを含むことができる。適切な粘度調整剤としては、例えば、コーンスターチ、コーンシロップ、ゼラチン、グリセロール、グアーガム、ペクチンなどを挙げることができる。他の適切な例については、当業者にはよく知られているであろう。適切な湿潤剤としては、例えば、様々な非イオン性の界面活性剤及び／又は洗剤を挙げることができる。いくつかの又は他の実施形態において、水系電解液は、グリコール又はポリオールをさらに含むことができる。適切なグリコールとしては、例えば、エチレングリコール、ジエチレングリコール及びポリエチレングリコールを挙げることができる。適切なポリオールとしては、例えば、グリセロール、マンニトール、ソルビトール、ペンタエリスリトール及びトリス（ヒドロキシメチル）アミノメタンを挙げることができる。水系電解液にこれらの成分のいずれかを含有させることは、例えば、配位錯体又はこれに類する活物質の溶解促進、及び／又は、フロー電池内での水系電解液の輸送を目的とした水系電解液の粘度低下に役立ち得る。
【００６３】
溶媒と活物質としての配位錯体とに加えて、水系電解液は、また、１以上の可動イオン（すなわち、外来の電解質）を含むことができる。いくつかの実施形態では、適切な可動イオンとしては、プロトン、ヒドロニウムイオン又は水酸化物イオンを挙げることができる。他の様々な実施形態では、プロトン、ヒドロニウムイオン又は水酸化物イオン以外の可動イオンが、単独で又はプロトン、ヒドロニウムイオン又は水酸化物イオンと一緒に存在することができる。そのような代替的な可動イオンとしては、例えばアルカリ金属又はアルカリ土類金属カチオン（例えば、Ｌｉ＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、Ｍｇ2+、Ｃａ2+及びＳｒ2+）、及びハロゲン化物（例えば、Ｆ-、Ｃｌ-又はＢｒ-）を挙げることができる。他の適切な可動イオンとしては、例えばアンモニウムイオン及びテトラアルキルアンモニウムイオン、カルコゲニド、リン酸塩、リン酸水素、ホスホン酸塩、硝酸塩、硫酸塩、亜硝酸塩、亜硫酸塩、過塩素酸塩、テトラフルオロホウ酸塩、ヘキサフルオロリン酸塩及びそれらの任意の組み合わせを挙げることができる。いくつかの実施形態では、プロトン、ヒドロニウムイオン又は水酸化物イオンが、可動イオンの約５０％未満を構成することができる。他の種々の実施形態では、プロトン、ヒドロニウムイオン又は水酸化物イオンが、可動イオンの約４０％未満、約３０％未満、約２０％未満、約１０％未満、約５％未満又は約２％未満を構成することができる。
【００６４】
フロー電池は、数時間の持続時間を有する持続性のある充放電サイクルを提供することができる。従って、フロー電池を使用して、エネルギーの供給／需要プロファイルを平滑化し、（例えば、太陽光エネルギーや風力エネルギーなどの再生可能エネルギー源からの）間欠発電資産を安定化させる機構を提供することができる。よって、本開示の種々の実施形態では、このような長い充電又は放電の持続時間が望ましいエネルギー貯蔵の用途が含意されていることを理解されたい。例えば、限定を意図しない実施例においては、本開示のフロー電池は、送電網に接続されて、再生可能エネルギーの統合（renewables integration）、ピーク負荷シフト、送電網の安定化（grid firming）、ベースロード発電及び電力消費、エネルギー裁定取引、送配電資産の繰延、弱送電網のサポート、周波数調整、又はこれらの任意の組み合わせを可能とする。送電網に接続されない場合には、本開示のフロー電池を、遠隔キャンプ、前線作戦基地、送電網を利用しない電気通信、遠隔センサなど、及びこれらの任意の組み合わせのための電源として使用することができる。さらに、本明細書の開示は概してフロー電池を対象とするが、特に、流れない（stationary）電解液を利用する電気化学エネルギー貯蔵媒体などの他の電気化学エネルギー貯蔵媒体にも本明細書に記載される電解液及び配位錯体を組み込み得るものと理解されたい。
【００６５】
いくつかの実施形態においては、フロー電池は、第１の水系電解液に接触させて負極を収容する第１のチャンバと、第２の水系電解液に接触させて正極を収容する第２のチャンバと、第１の電解液と第２の電解液との間に配置されたセパレータと、を含むことができる。これらのチャンバのそれぞれはセル内で別個の貯留槽となるものであり、第１の電解液及び／又は第２の電解液はこれらのチャンバを通過してそれぞれの電極及びセパレータに接触するように循環する。各チャンバとそれに関連付けられた電極及び電解液とは、対応する半電池を形成している。セパレータは、例えば以下を含むいくつかの機能を備える。すなわち、（１）第１の電解液と第２の電解液の混合を防ぐ障壁として機能すること、（２）正極と負極との短絡を低減又は防止するよう電気的に絶縁すること、及び（３）正の電解液チャンバと負の電解液チャンバとの間のイオン移動を容易にし、これにより充放電サイクル中の電子輸送のバランスをとること、である。負極及び正極の表面では、充放電サイクル中に電気化学反応を発生させることができる。図１に示すように、充放電サイクル中、各別個の貯蔵タンク内の電解液は対応するチャンバを通過して輸送され得る。充電サイクルにおいては、セルに電力を印加することで、第２の電解液に含まれる活物質が１以上の電子酸化を受けると共に、第１の電解液中の活物質が１以上の電子還元を受けることができる。同様に、放電サイクルにおいては、第２の活物質が還元されると共に第１の活物質が酸化されて電力が生成される。
【００６６】
セパレータは、いくつかの実施形態では多孔質膜とすることができ、及び／又は他の種々の実施形態ではアイオノマー膜とすることができる。いくつかの実施形態では、セパレータをイオン伝導性ポリマーで形成することができる。セパレータすなわち膜は、その種類に係わらず、各種イオンに対して伝導性であり得る。
【００６７】
ポリマー膜は、アニオン伝導性又はカチオン伝導性の電解質とすることができる。「アイオノマー（ionomer）」と記載する場合、この用語は、電気的に中性の繰返し単位及びイオン化した繰返し単位の双方を含有するポリマー膜を指し、イオン化した繰返し単位はペンダント基としてポリマー骨格（polymer backbone）に共有結合している。一般に、イオン化した単位の比率は約１ｍｏｌ％〜約９０ｍｏｌ％の範囲とすることができる。例えば、いくつかの実施形態では、イオン化した単位の含有量は約１５ｍｏｌ％未満であり、他の実施形態では、イオン含有量はより高く、例えば約８０ｍｏｌ％超である。さらに別の実施形態では、イオン含有量は、例えば約１５〜約８０ｍｏｌ％の範囲のように中間範囲によって規定される。アイオノマーにおけるイオン化した繰返し単位としては、スルホン酸基、カルボン酸基などのアニオン性官能基が挙げられる。これらの官能基は、アルカリ又はアルカリ土類金属などの一価又は二価以上のカチオンによって電荷のバランスをとることができる。またアイオノマーとしては、第四級アンモニウム、スルホニウム、ホスファゼニウム、及びグアニジウムの残基又は塩を付加した又は組み込んだポリマー組成物も挙げられる。適切な例については、当業者にはよく知られているであろう。
【００６８】
いくつかの実施形態では、セパレータとして利用できるポリマーが、高フッ素化ポリマー骨格又は過フッ素化ポリマー骨格を含む場合がある。本開示において利用できる特定のポリマーとしては、テトラフルオロエチレンと１以上のフッ素化酸官能性コモノマーとの共重合体が挙げられる。この共重合体は、ＤｕＰｏｎｔ社からナフィオン（ＮＡＦＩＯＮ）（登録商標）過フッ素化ポリマー電解質として市販されているものである。他の利用可能な過フッ素化ポリマーとしては、テトラフルオロエチレンとＦＳＯ2−ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ2ＣＦ2−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ2の共重合体、フレミオン（ＦＬＥＭＩＯＮ）（登録商標）及びセレミオン（ＳＥＬＥＭＩＯＮ）（登録商標）が挙げられる。
【００６９】
さらに、スルホン酸基（又はカチオン交換スルホン酸基）で修飾した、実質的にフッ素化されていない膜を用いることもできる。このような膜としては、実質的に芳香族の骨格を有するものが挙げられ、例えばポリスチレン、ポリフェニレン、ビフェニルスルホン（ＢＰＳＨ）、又はポリエーテルケトン及びポリエーテルスルホンなどの熱可塑性物質などを含むことができる。
【００７０】
電池セパレータ用の多孔質膜も本セパレータとして使用可能である。そのような膜はそれ自身ではイオン伝導性を待たないため、通常、セパレータとして機能させるために添加物を含浸させている。一般に、これらの膜は、ポリマーと無機充填剤の混合物を含有し、多くの開放孔を有する。適切なポリマーとしては、例えば高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）又はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。適切な無機充填剤としては、炭化ケイ素マトリックス材、二酸化チタン、二酸化ケイ素、リン化亜鉛及びセリアが挙げられる。
【００７１】
セパレータは、また、ポリエステル、ポリエーテルケトン、ポリ（塩化ビニル）、ビニルポリマー及び置換ビニルポリマーで形成され得る。これらは単独で、又は前述のポリマーのいずれかと組み合わせて使用できる。
【００７２】
多孔質セパレータは、電解液で満たされた開流路を介した両電極間の電荷移動を可能とする非伝導性の膜である。しかし、この透過性によって、活物質がセパレータを通過して一方の電極から他方の電極へ移動して、相互汚染及び／又はセルエネルギー効率の低下が引き起こされてしまう確率が高まる。この相互汚染の程度は、いくつかある特徴の中でも特に、孔のサイズ（有効径及び流路長）、孔の特性（疎水性／親水性）、電解液の性質、及び孔の電解液に対する濡れ性によって決まり得る。
【００７３】
多孔質セパレータの孔のサイズの分布は、両電解液間での活物質のクロスオーバーを実質的に防止するものであれば概ね十分である。適切な多孔質膜の平均孔サイズ分布は、約０．００１ｎｍ〜２０μｍ、より典型的には約０．００１ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。多孔質膜の孔のサイズ分布はかなり広くとることができる。言い換えれば、多孔質膜は、非常に小さい径（略１ｎｍ未満）の第１の複数の孔と、非常に大きい径（略１０μｍ超）の第２の複数の孔とを含むことができる。孔のサイズが大きくなれば、活物質のクロスオーバー量が増大するおそれがある。多孔質膜が有する、活物質のクロスオーバーの実質的な防止力は、平均孔サイズと活物質のサイズとの相対的な差によって決まり得る。例えば、活物質が金属を中心とする配位錯体（coordination complex）である場合には、当該配位錯体の平均径はこの多孔質膜の平均孔サイズよりも約５０％大きくなり得る。一方、もし多孔質膜が実質的に均一な孔サイズを有していた場合には、当該配位錯体の平均径はこの多孔質膜の平均孔サイズよりも約２０％大きくなり得る。配位錯体が少なくとも１つの水分子とさらに配位結合すると、配位錯体の平均径はさらに大きくなる。少なくとも１つの水分子を持つ配位錯体の径は、一般に流体力学的径と見なされるものである。本実施形態では、この流体力学的径が平均孔サイズより概ね少なくとも約３５％大きくなる。一方、平均孔サイズが実質的に均一である場合には、この流体力学的径が平均孔サイズよりも約１０％大きくなり得る。
【００７４】
いくつかの実施形態において、セパレータは、安定性を高めるための補強材料を含むこともできる。適切な補強材料としては、ナイロン、綿、ポリエステル、結晶シリカ、結晶チタニア、非晶質シリカ、非晶質チタニア、ゴム、アスベスト、木材、又はこれらの任意の組み合わせが挙げられる。
【００７５】
本開示のフロー電池内のセパレータは、約５００μｍ未満、約３００μｍ未満、約２５０μｍ未満、約２００μｍ未満、約１００μｍ未満、約７５μｍ未満、約５０μｍ未満、約３０μｍ未満、約２５μｍ未満、約２０μｍ未満、約１５μｍ未満、又は約１０μｍ未満の膜厚を有することができる。適切なセパレータとしては、セパレータが１００μｍの厚さを有する場合に、フロー電池が約８５％超の電流効率及び１００ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で動作可能であるものが挙げられる。さらなる実施形態においては、フロー電池は、セパレータが約５０μｍ未満の厚さを有する場合に９９．５％超の電流効率で、セパレータが約２５μｍ未満の厚さを有する場合に９９％超の電流効率で、セパレータが約１０μｍ未満の厚さを有する場合に９８％超の電流効率で動作することができる。従って、適切なセパレータとしては、フロー電池が６０％超の電圧効率及び１００ｍＡ／ｃｍ2の電流密度で動作可能であるものが挙げられる。さらなる実施形態では、適切なセパレータとしては、フロー電池が７０％超、８０％超、又は９０％超の電圧効率で動作可能であるものが挙げられる。
【００７６】
セパレータを介した第１の活物質及び第２の活物質の拡散率は、約１×１０-5ｍｏｌ／ｃｍ2／日未満、約１×１０-6ｍｏｌ／ｃｍ2／日未満、約１×１０-7ｍｏｌ／ｃｍ2／日未満、約１×１０-9ｍｏｌ／ｃｍ2／日未満、約１×１０-11ｍｏｌ／ｃｍ2／日未満、約１×１０-13ｍｏｌ／ｃｍ2／日未満、又は約１×１０-15ｍｏｌ／ｃｍ2／日未満とすることができる。
【００７７】
また、フロー電池は、第１の電極及び第２の電極に電気的に接続された外部の電気回路を含むことができる。この回路は動作中、フロー電池を充放電することができる。第１の活物質、第２の活物質又はこれら両活物質の正味のイオン電荷の符号についての言及は、フロー電池が動作中の条件下でのレドックス活物質の酸化形態及び還元形態の両方における正味のイオン電荷の符号に関するものである。フロー電池のさらなる例示的な実施形態によって以下が得られる。すなわち、（ａ）第１の活物質は、正味の正又は負の電荷を帯びると共にシステムの負の動作電位の範囲内の電位に対して酸化形態又は還元形態をとることができ、これにより、得られる第１の活物質の酸化形態又は還元形態が第１の活物質と同じ電荷符号（正又は負）を有し、かつアイオノマー膜も同符号の正味のイオン電荷を有すること、（ｂ）第２の活物質は、正味の正又は負の電荷を帯びると共にシステムの正の動作電位の範囲内の電位に対して酸化形態又は還元形態をとることができ、これにより、得られる第２の活物質の酸化形態又は還元形態が第２の活物質と同じ電荷符号（正又は負の符号）を有し、かつアイオノマー膜も同じ符号の正味のイオン電荷を有すること、又は、（ａ）及び（ｂ）の双方、である。第１の活物質及び／又は第２の活物質とアイオノマー膜の電荷とを一致させることにより、高い選択性が得られ得る。より具体的には、このように電荷を一致させることにより、アイオノマー膜を通過する第１の活物質由来又は第２の活物質由来のイオンのモル流束（molar flux）を、約３％未満、約２％未満、約１％未満、約０．５％未満、約０．２％未満、又は約０．１％未満とすることができる。「イオンのモル流束」という用語は、アイオノマー膜を通過し、外部の電気／電子の流れが帯びている電荷を平衡させるイオンの量を指す。すなわち、フロー電池は、アイオノマー膜によって活物質を実質的に遮断しながら動作可能であるか又は動作する。そのような遮断は、電荷が一致することにより促進され得る。
【００７８】
本開示が組み込まれるフロー電池は、以下の動作特性の１以上を有することができる。すなわち、（ａ）フロー電池の動作中、第１の活物質又は第２の活物質が、アイオノマー膜を通過するイオンのモル流束の約３％未満を含むこと、（ｂ）往復電流効率が約７０％超、約８０％超、又は約９０％超であること、（ｃ）往復電流効率が約９０％超であること、（ｄ）第１の活物質と第２の活物質のいずれか又は両方の正味のイオン電荷の符号が、その酸化形態と還元形態の間で異ならず且つアイオノマー膜の符号と一致すること、（ｅ）アイオノマー膜の膜厚が、約１００μｍ未満、約７５μｍ未満、約５０μｍ未満又は約２５０μｍ未満であること、（ｆ）フロー電池が、約１００ｍＡ／ｃｍ2超の電流密度にて約６０％超の往復電圧効率で動作可能であること、及び、（ｇ）電解液のエネルギー密度が、約１０Ｗｈ／Ｌ超、約２０Ｗｈ／Ｌ超、又は約３０Ｗｈ／Ｌ超であることである。
【００７９】
場合によっては、ユーザが、単一の電気化学セルから得られる電圧よりも高い充放電電圧を得ることを望む場合がある。このような場合、いくつかの電池セルを直列に接続して、各セルの電圧が加算されるようにしてもよい。これにより、バイポーラスタックが形成される。バイポーラスタックは、電気化学スタックとも呼ばれる。本明細書で説明するように、バイポーラプレートを用いて隣接する電気化学セルを接続してバイポーラスタックにすることで、隣接セル間での電子の移動を可能としつつ流体又は気体の移動を抑制することができる。個々のセルの正極コンパートメント及び負極コンパートメントは、バイポーラスタック内で共通の正及び負の流体マニホールドを介して流体接続することができる。このように、複数のセルを直列に積み重ねることにより、ＤＣ用途又はＡＣ用途への変換に適した電圧を得ることができる。
【００８０】
追加の実施形態では、セル、バイポーラスタック又は電池を、より大型のエネルギー貯蔵システム内に組み込むことができる。この大型システムは、大型ユニットの動作に有用な配管及び制御装置を適宜含む。そのようなシステムに適した配管、制御装置及びその他の設備は当技術分野において公知であり、例えば、電解液を各チャンバ内外に移動させるためにチャンバと流体連通した配管及びポンプと、充放電した電解液を保持するための貯蔵タンクと、を含み得る。本開示のセル、セルスタック及び電池はまた、動作管理システムを有することもできる。動作管理システムは、コンピュータ又はマイクロプロセッサなどの任意の適切なコントローラデバイスであってよく、各種のバルブ、ポンプ、循環回路などのいずれかの動作を設定する論理回路を有することができる。
【００８１】
より具体的な実施形態において、フロー電池システムは、（セル又はセルスタックを有する）フロー電池と、電解液を収容及び輸送するための貯蔵タンク及び配管と、制御ハードウェア及びソフトウェア（安全システムを有していてもよい）と、電力調整ユニットとを含むことができる。フロー電池セルスタックは、充電サイクルと放電サイクルの間の切替えを実現するものであり、これによりピーク電力が決定される。貯蔵タンクは、本明細書に開示した配位錯体などの、正の活物質及び負の活物質を収容するものであり、このタンクの容量によって同システムに貯蔵されるエネルギー量が決定される。制御ソフトウェア、ハードウェア及び任意選択的な安全システムは、センサ、緩和装置及びその他の電子／ハードウェア制御装置、並びに、安全防護装置を適宜含み、フロー電池システムの安全で自律的かつ効率的な動作を保証するものである。電力調整ユニットは、エネルギー貯蔵システムのフロントエンド部で用いられ、入力電力の電圧及び電流をエネルギー貯蔵システムに最適な値に変換し、出力電力の電圧及び電流を利用用途に最適な値に変換することができる。送電網に接続されたエネルギー貯蔵システムの例の場合、充電サイクルでは、電力調整ユニットが入力ＡＣ電力をセルスタックに適した電圧及び電流のＤＣ電力に変換することができる。一方、放電サイクルでは、スタックがＤＣ電力を生成し、電力調整ユニットがこのＤＣ電力を送電網に送るのに適した電圧と周波数のＡＣ電力に変換する。
【００８２】
上記で別の定義を定めている場合を除き、又は当業者が別の意味で解している場合を除き、以下の段落における定義を本開示に適用することができる。
【００８３】
本明細書において、「エネルギー密度（energy density）」という用語は、活物質において単位体積当たりで貯蔵され得るエネルギーの量を指す。エネルギー密度は、エネルギー貯蔵の理論上のエネルギー密度を指し、以下の式１によって計算することができる。
エネルギー密度＝（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）×ＯＣＶ×［ｅ-］      （１）
式中、ＯＣＶは５０％の充電状態での開路電位（open circuit potential）であり、（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）はファラデー定数であり、［ｅ-］は９９％の充電状態で活物質に貯蔵される電子の濃度である。正の電解液及び負の電解液の活物質がいずれも原子種又は分子種を主に含む場合、［ｅ-］は以下の式２によって計算することができる。
［ｅ-］＝［活物質］×Ｎ／２      （２）
式中、［活物質］は負の電解液又は正の電解液の活物質のモル濃度のうちいずれか低い方であり、Ｎは活物質１分子当たりの移動電子（electrons transferred per molecule）の数である。関連用語の「電荷密度（charge density）」は、各電解液が含有する電荷の総量を指す。所与の電解液について、電荷密度は以下の式３によって計算することができる。
電荷密度＝（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）×［活物質］×Ｎ      （３）
式中、［活物質］及びＮは上記で定めた通りである。
【００８４】
本明細書において、「電流密度（current density）」という用語は、電気化学セルに流れる総電流をセルの電極の幾何学的面積で除したものを指し、一般にｍＡ／ｃｍ2の単位で表される。
【００８５】
本明細書において、「電流効率（current efficiency）」（Ｉeff）という用語は、セルの放電時に生成される総電荷に対する充電時に移動する総電荷の比率であると説明することができる。電流効率は、フロー電池の充電状態の関数であり得る。限定を意図しないいくつかの実施形態では、電流効率は、充電状態が約３５％〜約６０％の範囲にある場合に求めることができる。
【００８６】
本明細書において、「電圧効率（voltage efficiency）」という用語は、所与の電流密度において観察される電極電位のその電極の半電池電位に対する比（×１００％）であると説明することができる。電圧効率には、電池の充電工程時の電圧効率や放電工程時の電圧効率又は「往復電圧効率（round trip voltage efficiency）」が含まれ得る。所与の電流密度における往復電圧効率（Ｖeff,RT）は、以下の式４を用いて、放電時のセル電圧（Ｖdischarge）と充電時の電圧（Ｖcharge）とから計算できる。
Ｖeff,RT＝Ｖdischarge／Ｖcharge×１００％      （４）
【００８７】
本明細書において、「負極（negative electrode）」及び「正極（positive electrode）」という用語は、相対的に規定された電極のことであり、充電サイクル及び放電サイクルのいずれにおいてもそれらが動作する実際の電位とは無関係に、負極が正極より負の電位で（またその逆で）動作するか、又は、動作するように設計若しくは意図されるものである。負極は、可逆水素電極より負の電位で実際に動作するか、又は、動作するように設計若しくは意図される場合があり、そうでない場合もある。本明細書に記載するように、負極は第１の電解液に関連付けられ、正極は第２の電解液に関連付けられている。負極に関連付けられた電解液をネゴライト（negolyte、負極電解液）、正極に関連付けられた電解液をポソライト（posolyte、正極電解液）と記載することがある。
【００８８】
従って、本開示のいくつかの実施形態では、第１の電極を含む第１の半電池と、第２の電極を含む第２の半電池と、前記第１の半電池と前記第２の半電池との間に配置されるセパレータと、前記第１の電極を覆い且つこれに接触している第１のバイポーラプレートと、前記第２の電極を覆い且つこれに接触している第２のバイポーラプレートとを有するフロー電池が提供される。ここで、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが前記セパレータの両面のそれぞれを覆い且つこれに接触している。また、前記第１の電極又は前記第１のバイポーラプレートの一部が誘電材料を含有しながらも、前記第１の電極と前記第１のバイポーラプレートとが前記第１の半電池内で連続的な導電経路を共同で規定している。上述のように、第１の電極と第１のバイポーラプレートとの間の接触は、直接的又は間接的であってよい。
【００８９】
種々の実施形態において、前記第１の電極は、前記フロー電池の動作中における生産的反応の寄生反応に対する発生比が約５を上回るような大きさの有効面積を有する。他の種々の実施形態において、前記第１の電極は、前記フロー電池の動作中における生産的反応の寄生反応に対する発生比が約１０を上回るような大きさの有効面積を有する。より特定的な実施形態では、生産的反応の寄生反応に対する発生比を、約１５以上、約２０以上、約３０以上、約４０以上、約５０以上、約１００以上、約２００以上、約５００以上、又は約１０００以上とすることができる。
【００９０】
いくつかの実施形態において、誘電材料は、寄生反応の促進に利用され得る第１の電極における有効面積の量を低減することができる。代替的な実施形態において、約１００ミクロン以下の厚さを有する第１の電極を用いることにより、第１の電極全体をセパレータに近接させ、これにより、寄生反応の発生率を低減すると共に生産的反応を促進することができる。
【００９１】
従って、いくつかの実施形態において、本開示のフロー電池は、第１の電極を含む第１の半電池と、第２の電極を含む第２の半電池と、前記第１の半電池と前記第２の半電池との間に配置されるセパレータとを有する。ここで、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが前記セパレータの両面のそれぞれを覆い且つこれに接触している。また、少なくとも前記第１の電極は、約１００ミクロン以下の厚さを有している。いくつかの実施形態において、前記第１の電極は、前記フロー電池の動作中における生産的反応の寄生反応に対する発生比が約１０を上回るような大きさの有効面積を有する。さらなる実施形態において、フロー電池は、前記第１の電極を覆い且つこれに接触している第１のバイポーラプレートと、前記第２の電極を覆い且つこれに接触している第２のバイポーラプレートとを有することができる。ここでも、接触は直接的又は間接的であってよい。
【００９２】
いくつかの実施形態において、前記誘電材料は、前記第１の電極の内部又は前記第１のバイポーラプレートの内部に注入されている。前記誘電材料が前記第１の電極の内部に注入されている場合には、前記誘電材料は、前記セパレータ又は前記第１のバイポーラプレートに接触していない。前記誘電材料が前記第１のバイポーラプレートの内部に注入されている場合には、前記誘電材料は、前記第１の電極に接触していない。より特定的な実施形態において、前記第１のバイポーラプレートが、少なくとも部分的に前記誘電材料によって少なくとも部分的に被覆された複数の流路を含むことができる。いくつかの実施形態では、流路を誘電材料で完全に満たす（閉塞（occluded））こともできる。
【００９３】
代替的な実施形態において、第１のバイポーラプレートは、誘電材料で形成され、複数の導体ポストは、前記誘電材料を貫通して延在すると共に前記第１の電極に接触するものとすることができる。
【００９４】
いくつかの実施形態において、前記第１の電極は、導電媒質と前記誘電材料とを含む導電性メッシュであって、前記導電媒質が前記導電性メッシュの第１の側（side）に配置されており、前記誘電材料が前記導電性メッシュの第２の側（side）に配置されている、前記導電性メッシュを有する。ここで、前記導電媒質は、前記セパレータに接触しており、前記誘電材料は、前記第１のバイポーラプレートに接触している。また、複数の導体ポストは、前記誘電材料を貫通して前記導電性メッシュから前記第１のバイポーラプレートまで延在している。
【００９５】
いくつかの実施形態では、前記第１の電極を電気化学セルの負極とすることができる。他の実施形態では、前記第１の電極を電気化学セルの正極とすることができる。ただし、本明細書に開示した各種セル構成は、負極やそれに付属するバイポーラプレートにおける寄生反応の発生率の低減に特に有利であり得る。
【００９６】
いくつかの実施形態において、前記第１の電極は、前記セパレータを被覆する触媒層であってよい。より特定的な実施形態において、セパレータの透過性を損なうことがないように、触媒層は不連続であるか、又は、所定の多孔性を有し得る。いくつかの実施形態において、前記触媒層は、複数のカーボンナノチューブを含み得る。さらなる実施形態では、金属触媒を複数のカーボンナノチューブ間に分散させることができる。
【００９７】
本開示においては、関連する方法であって、寄生反応の発生率を抑制する方法も暗示されている。本方法は、第１の電極を含む第１の半電池と、第２の電極を含む第２の半電池と、前記第１の半電池と前記第２の半電池との間に配置されるセパレータと、前記第１の電極を覆い且つこれに接触している第１のバイポーラプレートと、前記第２の電極を覆い且つこれに接触している第２のバイポーラプレートとを有するフロー電池を形成すること、及び、前記第１の電極又は前記第１のバイポーラプレートの一部に誘電材料を導入することであって、前記導入をしても、前記第１の電極と前記第１のバイポーラプレートとが前記第１の半電池内で連続的な導電経路を共同で規定するように、前記第１の電極又は前記第１のバイポーラプレートの一部に誘電材料を導入することを含む。ここで、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれが前記セパレータの両面のそれぞれを覆い且つこれに接触している。いくつかの実施形態において、前記誘電材料は、前記誘電材料の溶液を前記第１の電極又は前記第１のバイポーラプレートにスプレーすることによって、前記第１の電極又は前記第１のバイポーラプレートに導入される。
【００９８】
他の関連する、寄生反応の発生率を抑制する方法は、セパレータを設けること、前記セパレータの少なくとも第１の面（face）に触媒層を付着させること、及び、前記触媒層を有するフロー電池を形成することであって、前記触媒層がフロー電池の少なくとも第１の半電池におけるバイポーラプレートに接触している、前記フロー電池を形成することを含む。
【００９９】
さらに他の関連する、寄生反応の発生率を抑制する方法は、セパレータに接触すると共に約１００ミクロン以下の厚さを有する第１の電極を有するフロー電池を形成することを含み得る。
【０１００】
以上開示した実施形態を参照して本開示を説明したが、当業者であれば、これらの実施形態が本開示を例示するものに過ぎないことが容易に認められるであろう。本開示の精神から逸脱することなく種々の変更が可能であることを理解されたい。上記の説明には含まれないが本開示の精神及び範囲に相応する任意の数の変形、改変、置き換え、又は同等の構成を組み込むことにより本開示を変更することができる。さらに、本開示の種々の実施形態について説明したが、本開示の態様は記載した実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。従って、本開示は上述の記載によって限定されると見なされるべきではない。
【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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