フロー電池
2009年に登場した有機レドックスフロー電池は、数十年前に開発されたバナジウムレドックスフロー電池や Zn-Br2 電池をはじめとする従来型の無機水溶液レドックスフロー電池に存在する、大規模な商用化を妨げている主な欠点を乗り越える大きな可能性を秘めている。有機レドックスフロー電池の主な利点は酸化還元活性種の酸化還元物性を調節できるという点にある。
有機レドックスフロー電池はさらに Aqueous Organic Redox Flow Battery (AORFB) と Non-aqueous Organic Redox Flow Battery (NAORFB) に分類できる。AORFB では酸化還元活性種を溶かす電解液の溶媒に水が用いられ、NAORFB では有機溶媒が用いられる。有機酸化還元活性種を1つ使うのか2つ使うのかに基いて AORFB と NAORFB はさらに全有機システムと無機材料も用いる半有機システムに分けられる。AORFB は NAORFB よりも先に概念実証が行われている。大規模エネルギー貯蔵施設としては、AORFB のほうが NAORFB よりも低コストかつ大電流、大出力で、さらに安全性も優れているので適している。NAORFB は AORFB よりもエネルギー密度が高いので限られた用途には有用かもしれないが、安全性や有機溶媒のコスト、ラジカル誘導副反応、電解質クロスオーバー、限られた寿命などの問題点を克服する必要がある。以下ではAORFBに関する代表的な研究を主に扱う。
プロトンフロー電池 (PFB) は金属水素化物貯蔵電極と可逆的プロトン交換膜 (PEM) 燃料電池を統合したものである。充電中、PFB は水分解によって発生した水素イオンと燃料電池の片方の電極中の金属粒子中の電子と結合させる。エネルギーは固体金属水素化物の形で貯蔵される。放電の際は、逆の過程が起こって電気が流れるのに伴い、プロトンが雰囲気中の酸素と反応して水が生じる。リチウムよりも安価な金属を利用することができ、かつリチウム電池よりも高いエネルギー密度を達成することができる。
フロー電池は1種類以上の電気化学的活性種を溶解させた電解液をセル内に流通させ、化学エネルギー(英語版)を可逆的かつ直接的に電気に変換する化学電池である(電気化学的活性種とは「電極反応に関与する、もしくは電極内に吸着される溶液中の化学種」"elements in solution that can take part in an electrode reaction or that can be adsorbed on the electrode"を指す)。追加の電解液は外部に、一般的にはタンクに蓄えられ、通常はポンプによりリアクターセル内に流通させるが、重力による供給を行うシステムも知られている。フロー電池は、内燃機関における燃料補給と同じように、電解液を交換してエネルギー化で消費された物質を補給することにより、素早く「充電」することができる。
換言すれば、フロー電池とは電解液を電極周りのセルに封止せず、セル外部に蓄えておいて発電時にセルに送り込むという点以外は化学電池と変わりがない。発電可能な総量は貯蔵タンクのサイズに依存する。
フロー電池は電気化学工学(英語版)的に確立された設計原理に基く。