特許 7000435 エネルギー貯蔵を増進させるためのフロー電池における力学的エネルギー貯蔵

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2021-12-27

(45)【発行日】2022-01-19

(54)【発明の名称】エネルギー貯蔵を増進させるためのフロー電池における力学的エネルギー貯蔵

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/18 20060101AFI20220112BHJP

   H01M 8/2455 20160101ALI20220112BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20220112BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20220112BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20220112BHJP

【ＦＩ】

H01M8/18

H01M8/2455

H01M8/2465

H01M8/02

H01M8/04 Z

H01M8/04 J

【請求項の数】 15

(21)【出願番号】P 2019534358

(86)(22)【出願日】2018-01-03

(65)【公表番号】

(43)【公表日】2020-05-21

(86)【国際出願番号】 US2018012165

(87)【国際公開番号】W WO2018129026

(87)【国際公開日】2018-07-12

【審査請求日】2021-01-04

(31)【優先権主張番号】15/397,991

(32)【優先日】2017-01-04

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(73)【特許権者】

【識別番号】316017181

【氏名又は名称】サウジ アラビアン オイル カンパニー

【氏名又は名称原語表記】Ｓａｕｄｉ Ａｒａｂｉａｎ Ｏｉｌ Ｃｏｍｐａｎｙ

(74)【代理人】

【識別番号】100073184

【弁理士】

【氏名又は名称】柳田 征史

(74)【代理人】

【識別番号】100123652

【弁理士】

【氏名又は名称】坂野 博行

(74)【代理人】

【識別番号】100175042

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 秀明

(72)【発明者】

【氏名】ハマド，アーマド ディー

(72)【発明者】

【氏名】ソウエンティ，スタマティオス

(72)【発明者】

【氏名】アムル，イッサム ティー

【審査官】山本 雄一

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１８４９３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３４００２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１４／０３７５０５６（ＵＳ，Ａ１）

【文献】米国特許出願公開第２００９／００６８５０８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】特開昭５８－１７６８８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１１－５２７５０９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／００－ ８／０２９７

Ｈ０１Ｍ ８／０８－ ８／２４９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、および１つ以上の発電回路を備えるハイブリッドフローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつ前記アノードおよび前記カソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つが、前記アノードおよび前記カソードに電気的に結合され、
前記アノライトタンクが、上部アノライト開口と、前記上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口とを含み、
前記カソライトタンクが、上部カソライト開口と、前記上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口とを含み、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記アノライトタンクを前記アノードに流体的に結合するように、前記上部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記カソライトタンクを前記カソードに流体的に結合するように、前記上部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、
前記１つ以上のタービンが、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタンクセパレータが、前記アノライトタンクおよび前記カソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられ、
前記１つ以上のタンクセパレータが、電解質流を前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から前記１つ以上のタービンを通るように誘導して、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能である、ハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項2】

前記１つ以上のタンクセパレータが、前記アノライトタンク内に位置付けられたアノライトタンクセパレータ、および前記カソライトタンク内に位置付けられたカソライトタンクセパレータを備え、
前記アノライトタンクセパレータが帯電アノライト活物質を放電アノライト活物質から分離するように、前記アノライトタンクセパレータが前記アノライトタンク内に位置付けられ、
前記カソライトタンクセパレータが帯電カソライト活物質を放電カソライト活物質から分離するように、前記カソライトタンクセパレータが前記カソライトタンク内に位置付けられている、請求項１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項3】

前記１つ以上のタンクセパレータがそれぞれ、１トン／ｍ^３～５トン／ｍ^３の密度、および１トン～４００トンの重量を備える、請求項１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項4】

前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合された１つ以上の弁をさらに備え、
前記１つ以上の弁のそれぞれが、開位置と閉位置との間で作動可能であり、
前記開位置では、前記１つ以上の弁の電解質通過を可能にし、
前記閉位置では、前記１つ以上の弁の電解質通過を防ぐ、請求項１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項5】

前記１つ以上のタービンが、１つ以上のタービン発電機に電気的に結合され、
前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から前記１つ以上のタービンを通る電解質流が、前記１つ以上のタービンを回転させ、前記１つ以上のタービン発電機により受け取り可能である電流を発生させ、水力発電式に電力を発生させる、請求項１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項6】

前記複数の電解質経路が、
前記下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記下部アノライト開口および前記アノードに流体的に結合されている下部アノライト経路と、
前記上部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記上部アノライト開口および前記アノードに流体的に結合されている上部アノライト経路と、
前記下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記下部カソライト開口および前記カソードに流体的に結合されている下部カソライト経路と、
前記上部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記上部カソライト開口および前記カソードに流体的に結合されている上部カソライト経路と、を備える、請求項１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項7】

前記下部アノライト開口が、第１の下部アノライト開口を含み、
前記アノライトタンクが、前記上部アノライト開口の下方に位置付けられ、かつ前記下部アノライト経路に流体的に結合された第２の下部アノライト開口をさらに備え、
前記下部アノライト経路が、前記第１の下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在する一次支路を備え、
前記下部アノライト経路が、前記第２の下部アノライト開口と前記下部アノライト経路の前記一次支路との間に延在する二次支路を備え、
前記１つ以上のタービンが、前記下部アノライト経路の前記二次支路に流体的に結合されたアノライト側タービンを備える、請求項６に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項8】

前記第１の下部アノライト開口と、前記下部アノライト経路の前記一次支路と前記二次支路とのアノライト経路収束場所との間で、前記下部アノライト経路の前記一次支路に流体的に結合された第１のアノライト弁と、
前記第２の下部アノライト開口と前記アノライト側タービンとの間で、前記二次支路に流体的に結合された第２のアノライト弁と、
前記アノライト経路収束場所と前記アノライト側タービンとの間で、前記二次支路に流体的に結合された第３のアノライト弁と、
をさらに備え、
前記第１、第２、および第３のアノライト弁のそれぞれが、閉位置と開位置との間で作動可能であり、
前記第１のアノライト弁が前記開位置にあり、前記第２および第３のアノライト弁がそれぞれ前記閉位置にあるとき、前記アノライト側タービンを通る電解質流が妨げられ、
前記第１のアノライト弁が前記閉位置にあり、前記第２および第３のアノライト弁がそれぞれ前記開位置にあるとき、前記アノライト側タービンを通る電解質流は妨げられない、請求項７に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項9】

前記下部カソライト開口が、第１の下部カソライト開口を備え、
前記カソライトタンクが、前記上部カソライト開口の下方に位置付けられ、かつ前記下部カソライト経路に流体的に結合された第２の下部カソライト開口をさらに備え、
前記下部カソライト経路が、前記第１の下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在する一次支路を備え、
前記下部カソライト経路が、前記第２の下部カソライト開口と前記一次支路との間に延在する二次支路を備え、
前記１つ以上のタービンが、前記下部カソライト経路の前記二次支路に流体的に結合されたカソライト側タービンを備える、請求項６に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項10】

前記第１の下部カソライト開口と、前記下部カソライト経路の前記一次支路と前記二次支路とのカソライト経路収束場所との間で、前記下部カソライト経路の前記一次支路に流体的に結合された第１のカソライト弁と、
前記第２の下部カソライト開口と前記カソライト側タービンとの間で、前記二次支路に流体的に結合された第２のカソライト弁と、
前記カソライト経路収束場所と前記カソライト側タービンとの間で、前記二次支路に流体的に結合された第３のカソライト弁と、
をさらに備え、
前記第１、第２、および第３のカソライト弁のそれぞれが、閉位置と開位置との間で作動可能であり、
前記第１のカソライト弁が前記開位置にあり、前記第２および第３のカソライト弁がそれぞれ前記閉位置にあるとき、前記カソライト側タービンを通る電解質流が妨げられ、
前記第１のカソライト弁が前記閉位置にあり、前記第２および第３のカソライト弁がそれぞれ前記開位置にあるとき、前記カソライト側タービンを通る電解質流は妨げられない、請求項９に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項11】

アノライト溶液をさらに備え、前記アノライト溶液の１つ以上の活物質には、バナジウム、クロム、亜鉛、硫黄、ネプツニウム、ウラン、またはそれらの組み合わせが含まれ、
前記アノードが、
前記アノライト溶液の帯電アノライト活物質を酸化させ、それにより、前記帯電アノライト活物質が、前記イオン交換膜から前記帯電アノライト活物質および陽子の両方を受け取った時点で前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つにより受け取り可能な電子を出すようにすることと、
前記アノライト溶液の放電アノライト活物質を還元させ、それにより、前記放電アノライト活物質が、前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つから前記放電アノライト活物質および電子の両方を受け取った時点で前記イオン交換膜によって受け取り可能な陽子を出すようにすること、を行うように電気化学的に構成されている、請求項１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項12】

カソライト溶液をさらに備え、前記カソライト溶液の１つ以上の活物質には、バナジウム、臭素、セリウム、塩素、フェリシアン化物、フェロシアン化物、マンガン、酸化ネプツニウム、酸化ウラン、またはそれらの組み合わせが含まれ、
前記カソードが、
帯電カソライト活物質を還元させ、それにより、前記帯電カソライト活物質が、前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つから前記帯電カソライト活物質および電子の両方を受け取った時点で前記イオン交換膜により受け取り可能な陽子を出すようにすることと、
放電カソライト活物質を酸化させ、それにより、前記放電カソライト活物質が、前記イオン交換膜から前記放電カソライト活物質および陽子の両方を受け取った時点で前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つによって受け取り可能な電子を出すようにすることと、を行うように電気化学的に構成されている、請求項１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項13】

前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合された１つ以上のポンプをさらに備え、
前記１つ以上のポンプが、前記上部アノライト開口および前記上部カソライト開口のうちの１つまたは１つより多いすなわち両方からの電解質流を誘導し、上向き方向に前記１つ以上のタンクセパレータを並進させるように構造的に構成され、
前記１つ以上のタンクセパレータが上昇位置から下降位置に前記下向き方向に並進するときに前記１つ以上のタービンを通る電解質流によって水力発電式に発生する電力が、前記１つ以上のタンクセパレータを前記上向き方向に前記下降位置から前記上昇位置に並進させるために前記１つ以上のポンプによって消費される電力以上である、請求項１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項14】

電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、１つ以上のポンプ、および１つ以上の発電回路を備えるハイブリッドフローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつ前記アノードおよび前記カソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つが、前記アノードおよび前記カソードに電気的に結合され、
前記アノライトタンクが、上部アノライト開口と、前記上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口とを含み、
前記カソライトタンクが、上部カソライト開口と、前記上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口とを含み、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記アノライトタンクを前記アノードに流体的に結合するように、前記上部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記カソライトタンクを前記カソードに流体的に結合するように、前記上部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、
前記１つ以上のポンプが、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタービンが、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタンクセパレータが、前記アノライトタンクおよび前記カソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられ、
前記１つ以上のタンクセパレータが、電解質流を前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から前記１つ以上のタービンを通るように誘導し、前記１つ以上のタービンを回転させて、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能であり、
前記１つ以上のタンクセパレータが上昇位置から下降位置に前記下向き方向に並進するときに前記１つ以上のタービンを通る電解質流によって水力発電式に発生する電力が、前記１つ以上のタンクセパレータを上向き方向に前記下降位置から前記上昇位置に並進させるために前記１つ以上のポンプによって消費される電力の５０％以上である、ハイブリッドフローレドックス電池システム。

【請求項15】

電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、１つ以上の弁、および１つ以上の発電回路を備えるハイブリッドフローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつ前記アノードおよび前記カソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つが、前記アノードおよび前記カソードに電気的に結合され、
前記アノライトタンクが、上部アノライト開口と、前記上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口と、を含み、
前記カソライトタンクが、上部カソライト開口と、前記上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口と、を含み、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記アノライトタンクを前記アノードに流体的に結合するように、前記上部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記カソライトタンクを前記カソードに流体的に結合するように、前記上部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、
前記１つ以上の弁が、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタービンが、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタンクセパレータが、前記アノライトタンクおよび前記カソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられ、
前記１つ以上のタンクセパレータが、電解質流を前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から前記１つ以上のタービンを通るように誘導して、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能であり、
電解質が、前記電気化学セルから前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの少なくとも１つに流れるとき、前記１つ以上の弁が、前記１つ以上のタービンのうちの少なくとも１つの電解質通過を防ぎ、
電解質が、前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの少なくとも１つから前記電気化学セルに流れるとき、前記１つ以上の弁が、前記１つ以上のタービンのうちの少なくとも１つの電解質通過を可能にする、ハイブリッドフローレドックス電池システム。

【発明の詳細な説明】

【関連出願の相互参照】

【0001】

本出願は、２０１７年１月４日に出願された米国特許出願第１５／３９７９９１号に対する優先権の利益を主張する。

【技術分野】

【0002】

本開示は、ハイブリッドフローレドックス電池システムに関する。より具体的には、本開示は、タンクセパレータおよびタービンを含むハイブリッドフローレドックス電池システム向けの技術を紹介する。

【発明の概要】

【0003】

本開示の発明の対象によれば、ハイブリッドフローレドックス電池システムは、電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、および１つ以上の発電回路を含む。電気化学セルは、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつアノードおよびカソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を含む。１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つは、アノードおよびカソードに電気的に結合されている。アノライトタンクは、上部アノライト開口と、その上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口とを含む。カソライトタンクは、上部カソライト開口と、その上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口とを含む。複数の電解質経路のうちの１つ以上は、アノライトタンクをアノードに流体的に結合するように、上部アノライト開口とアノードとの間に延在し、かつ下部アノライト開口とアノードとの間に延在する。複数の電解質経路のうちの１つ以上は、カソライトタンクをカソードに流体的に結合するように、上部カソライト開口とカソードとの間に延在し、かつ下部カソライト開口とカソードとの間に延在する。１つ以上のタービンは、複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合されている。１つ以上のタンクセパレータは、アノライトタンクおよびカソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられている。また、１つ以上のタンクセパレータは、電解質流を下部アノライト開口および下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から１つ以上のタービンを通るように誘導して、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能である。

【0004】

本開示の一実施形態によれば、ハイブリッドフローレドックス電池システムは、電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、１つ以上のポンプ、および１つ以上の発電回路を含む。電気化学セルは、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつアノードおよびカソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を含む。１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つは、アノードおよびカソードに電気的に結合されている。アノライトタンクは、上部アノライト開口と、その上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口とを含む。カソライトタンクは、上部カソライト開口と、その上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口とを含む。複数の電解質経路のうちの１つ以上は、アノライトタンクをアノードに流体的に結合するように、上部アノライト開口とアノードとの間に延在し、かつ下部アノライト開口とアノードとの間に延在する。複数の電解質経路のうちの１つ以上は、カソライトタンクをカソードに流体的に結合するように、上部カソライト開口とカソードとの間に延在し、かつ下部カソライト開口とカソードの間に延在する。１つ以上のポンプは、複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合されている。１つ以上のタービンは、複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合されている。１つ以上のタンクセパレータは、アノライトタンクおよびカソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられている。１つ以上のタンクセパレータは、電解質流を下部アノライト開口および下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から１つ以上のタービンを通るように誘導し、１つ以上のタービンを回転させて、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能である。また、１つ以上のタンクセパレータが上昇位置から下降位置に下向き方向に並進するときに、１つ以上のタービンを通る電解質流によって水力発電式に発生する電力は、１つ以上のタンクセパレータを上向き方向に下降位置から上昇位置に並進させるために１つ以上のポンプによって消費される電力の５０％以上である。

【0005】

本開示の別の実施形態によれば、ハイブリッドフローレドックス電池システムは、電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、１つ以上の弁、および１つ以上の発電回路を含む。電気化学セルは、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつアノードおよびカソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を含む。１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つは、アノードおよびカソードに電気的に結合されている。アノライトタンクは、上部アノライト開口と、その上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口とを含む。カソライトタンクは、上部カソライト開口と、その上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口とを含む。複数の電解質経路のうちの１つ以上は、アノライトタンクをアノードに流体的に結合するように、上部アノライト開口とアノードとの間に延在し、かつ下部アノライト開口とアノードとの間に延在する。複数の電解質経路のうちの１つ以上は、カソライトタンクをカソードに流体的に結合するように、上部カソライト開口とカソードとの間に延在し、かつ下部カソライト開口とカソードとの間に延在する。１つ以上の弁は、複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合されている。１つ以上のタービンは、複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合されている。１つ以上のタンクセパレータは、アノライトタンクおよびカソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられている。１つ以上のタンクセパレータは、電解質流を下部アノライト開口および下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から１つ以上のタービンを通るように誘導して、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能である。電解質が、電気化学セルから下部アノライト開口および下部カソライト開口のうちの少なくとも１つに流れるとき、１つ以上の弁が、１つ以上のタービンのうちの少なくとも１つへの電解質通過を防ぐ。また、電解質が、下部アノライト開口および下部カソライト開口のうちの少なくとも１つから電気化学セルに流れるとき、１つ以上の弁が、１つ以上のタービンのうちの少なくとも１つへの電解質通過を可能にする。

【0006】

本開示の概念は、本開示において、いくつかの特定のハイブリッドフローレドックス電池システム構成を主に参照して説明されているが、この概念が任意の構成を有するハイブリッドフローレドックス電池システムへの適用可能性を享受すると考えられる。

【図面の簡単な説明】

【0007】

本開示の特定の実施形態の以下の詳細な説明は、同様の構造が同様の参照番号で示されている以下の図面と併せて読むと、最もよく理解され得る。

【0008】

【図1】本明細書に図示され、説明されている１つ以上の実施形態による、１つ以上のタンクセパレータおよび１つ以上のタービンを有するハイブリッドフローレドックス電池システムの概略図である。

【図2】本明細書に図示され、説明されている１つ以上の実施形態による、ある作動構成例における１つ以上のタンクセパレータ、１つ以上のタービン、および複数の弁を有するハイブリッドフローレドックス電池システムの別の実施形態の概略図である。

【図3】本明細書に図示され、説明されている１つ以上の実施形態による、別の作動構成例における複数の弁を有する、図２のハイブリッドフローレドックス電池システムの概略図である。

【図4】本明細書に図示され、説明されている１つ以上の実施形態による、別の作動構成例における複数の弁を有する、図２のハイブリッドフローレドックス電池システムの概略図である。

【図5】本明細書に図示され、説明されている１つ以上の実施形態による、別の作動構成例における複数の弁を有する、図２のハイブリッドフローレドックス電池システムの概略図である。

【図6】本明細書に図示され、説明されている１つ以上の実施形態による、１つ以上のタンクセパレータの位置付けに基づき、１つ以上のタンクセパレータによってハイブリッドフロー電池レドックスシステムに加えられる追加の位置エネルギーのグラフ図である。

【図7】本明細書に図示され、説明されている１つ以上の実施形態による、フローレドックス電池システムの１つ以上のタンクセパレータの総重量に基づき１つ以上のタービンによって回収される、アノライトポンプおよびカソライトポンプによって消費されるエネルギーの割合のグラフ図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

図１～５は、ハイブリッドフロー還元／酸化（レドックス）電池システム１００の概略図である。ハイブリッドフローレドックス電池システム１００は、電気化学セル１１０、アノライトタンク１３０、カソライトタンク１４０、発電回路１８０、および１つ以上のタービン１９０を備える。電気化学セル１１０は、発電回路１８０に電気的に結合され、また複数の電解質経路１６０を使用して、アノライトタンク１３０およびカソライトタンク１４０に流体的に結合されている。ハイブリッドフローレドックス電池システム１００は、アノライト溶液およびカソライト溶液などの電解質溶液を含む。アノライト溶液は、アノライトタンク１３０内に収容され得、アノライトタンク１３０と電気化学セル１１０との間を流れることができる。カソライト溶液は、カソライトタンク１４０内に収容され得、カソライトタンク１４０と電気化学セル１１０との間を流れることができる。動作時、アノライト溶液およびカソライト溶液が電気化学セル１１０に存在するとき、電気化学セル１１０は、発電回路１８０と組んで、電気化学的に電力を発生させることができる。また、アノライトタンク１３０またはカソライトタンク１４０と電気化学セル１１０との間を流れる電解質溶液が、１つ以上のタービン１９０を通って流れ、１つ以上のタービン１９０を作動させて水力発電式に電力を発生させることができるように、１つ以上のタービン１９０が複数の電解質経路１６０に流体的に結合されている。

【0010】

アノライト溶液は、複数の帯電アノライト活物質、複数の放電アノライト活物質、またはそれらの組み合わせを含み得、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学放電動作の間に電気化学セル１１０において酸化し、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学充電動作の間に電気化学セル１１０において還元するように組成的に構成されている。本出願において使用される際、「活物質」とは、レドックス反応を経ているときに酸化状態を変えるように組成的に構成されている、原子、イオン、分子、または同類のものなどの化学成分を指す。例えば、アノライト溶液の活物質には、バナジウム、クロム、亜鉛、硫黄、ネプツニウム、ウラン、またはそれらの組み合わせが含まれ得ると考えられる。さらにまた、複数の帯電アノライト活物質のそれぞれは、複数の放電アノライト活物質のそれぞれより小さな正電荷および軽い酸化状態を有する。

【0011】

カソライト溶液は、複数の帯電カソライト活物質、複数の放電カソライト活物質、またはそれらの組み合わせを含み得、電気化学放電動作の間に電気化学セル１１０において還元し、電気化学充電動作の間に電気化学セル１１０において酸化するように組成的に構成されている。複数の帯電カソライト活物質のそれぞれは、複数の放電活物質のそれぞれよりも大きな正電荷および激しい酸化状態を有する。例えば、カソライト溶液の活物質には、バナジウム、臭素、セリウム、塩素、フェリシアン化物、フェロシアン化物、マンガン、酸化ネプツニウム、酸化ウラン、またはそれらの組み合わせが含まれ得ると考えられる。

【0012】

また、アノライト溶液およびカソライト溶液には、それぞれ、様々な標準還元電位を呈するレドックス対を有するいずれの活物質も含まれ得る。また、アノライト溶液には、カソライト溶液の活物質よりも標準還元が劣る活物質が含まれ得る。下表は、カソライト溶液およびアノライト溶液として使用され得る活物質レドックス対の非網羅的リストを示す。

【表1】

【0013】

図１～５に示されているように、電気化学セル１１０は、アノード１１２とカソード１２２との間に位置付けられ、かつアノード１１２およびカソード１２２と電気化学的に係合されたイオン交換膜１２０を備える。アノード１１２は、発電回路１８０に電気的に結合されたアノード導電部分１１６を含み、それにより、アノード１１２と発電回路１８０との間に電子が流れることができる。アノード１１２は、アノライトタンク１３０に流体的に結合されたアノライト受け取り部分１１４も含み、それにより、アノライトタンク１３０とアノード１１２のアノライト受け取り部分１１４との間を電解質経路１６０のうちの１つ以上に沿って、アノライト溶液が流れることができる。アノライト溶液がアノライト受け取り部分１１４に入っているとき、アノライト溶液は、イオン交換膜１２０およびアノード導電部分１１６に電気化学的に接触し得る。

【0014】

カソード１２２は、発電回路１８０に電気的に結合されたカソード導電部分１２６を含み、それにより、カソード１２２と発電回路１８０との間に電子が流れることができる。カソード１２２は、カソライトタンク１４０に流体的に結合されたカソライト受け取り部分１２４も含み、それにより、カソライトタンク１４０とカソード１２２のカソライト受け取り部分１２４との間に、電解質経路１６０のうちの１つ以上に沿って、カソライト溶液が流れることができる。カソライト溶液がカソライト受け取り部分１２４内に入っているとき、カソライト溶液は、イオン交換膜１２０およびカソード導電部分１２６に電気化学的に接触し得る。

【0015】

イオン交換膜１２０には、固体陽子伝導材料、例えば、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）１１７、Ｆｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、Ｆｕｍａｐｅｍ（登録商標）、Ａｃｉｐｌｅｘ（登録商標）、Ｄｏｗ（登録商標）マテリアルズ、Ｓｅｌｅｍｉｏｎ（登録商標）、ＴＰＳ（登録商標）、Ｇｏｒｅ（登録商標）Ｌ０１８５４、Ｇｏｒｅ（登録商標）Ｍ０４４９４、ＡＢＴ３、ＡＢＴ４、ＳＺ、Ｈｉｐｏｒｅ（登録商標）、ＳＰＥＥＫ、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）／ＳＰＥＥＫ、ＰＳＳＳ、ＳＰＴＫ、Ｒａｄｅｌ（登録商標）、ＰＶＤＦ－ＰＳＳＡ、ＥＴＦＥ－ＰＤＭＡＥＭＡ、ＳＰＥＥＫ／ＴＰＡ、ＴＰＡ／ＰＰ、ＳＰＥＥＫ／ＰＴＦＥ、ＳＰＥＥＫ／ＰＦＳＡ、ＰＢＩ、ＰＳｆ－ＡＢＩｍ、ポリベンゾイミダゾール、ポリエーテル系重合体、または同類のものが含まれ得る。イオン交換膜１２０は、電気化学セル１１０内に位置付けられ、アノード１１２のアノライト受け取り部分１１４とカソード１２２のカソライト受け取り１２４との間に物理的障壁をもたらし得る。また、イオン交換膜１２０は、アノード１１２とカソード１２２との間に陽子経路１０８をもたらすように構造的に構成され、それにより、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学放電動作および電気化学充電動作の間に、陽子がそれら間を流れ、アノード１１２およびカソード１２２内の酸化および還元反応を促進し得る。

【0016】

また、イオン交換膜１２０の陽子経路１０８は、アノード１１２と、発電回路１８０と、カソード１２２との間の回路を閉じることができ、それにより、酸化および還元反応が、アノード１１２とカソード１２２との間で発電回路１８０を通る電子流を発生させ得、アノード１１２とカソード１２２との間でイオン交換膜１２０を通る陽子流を発生させ得る。例えば、電気化学放電動作の間、陽子は、カソード１２２からアノード１１２への陽子放出流方向１０４に、イオン交換膜に１２０によってもたらされた陽子経路１０８を通過することができ、電気化学充電動作の間、陽子は、アノード１１２からカソード１２２への陽子投入流方向１０５に、イオン交換膜１２０の陽子経路１０８を通過することができる。

【0017】

引き続き図１～５を参照すると、発電回路１８０は、発電ユニット１８４を備える。回路経路１８２は、アノード１１２、発電ユニット１８４、およびカソード１２２に電気的に結合されている。例えば、回路経路１８２は、アノード１１２と発電ユニット１８４との間に延在して、アノード１１２と発電ユニット１８４とを電気的に結合し得、また回路経路１８２は、カソード１２２と発電ユニット１８４との間に延在して、カソード１２２と発電ユニット１８４とを電気的に結合し得る。発電ユニット１８４は、電源および電気負荷を備え得る。また、発電ユニット１８４は、アノード１１２により出された電子によって発生した電流を受け取り、電流を受け取ると、電力を発生させるように構造的に構成されている。発電ユニット１８４は、アノード１１２により受け取り可能である電流を出して、アノライト溶液およびカソライト溶液を帯電させるようにも構造的に構成されている。

【0018】

動作時、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００は、電気化学充電動作または電気化学放電動作を行うことができる。ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学放電動作の間、アノード１１２は、アノライト溶液から帯電アノライト活物質を受け取ることができる。アノード１１２は、イオン交換膜１２０によって形成された陽子経路１０８からカソード１２２によって出された陽子を受け取り、帯電アノライト活物質を酸化させることもできる。酸化するとき、帯電アノライト活物質は、アノード導電部分１１６により受け取り可能な電子を出し、それにより、電子は、電子放出方向１０６に、回路経路１８２に沿って発電回路１８０に流れる。さらにまた、酸化後、すでに帯電したアノライト活物質は、放電アノライト活物質を含み、アノード１１２から電解質経路１６０のうちの１つ以上に沿って、アノライトタンク１３０へ還流する。

【0019】

また、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学放電動作の間、カソード１２２は、カソライト溶液から帯電カソライト活物質を受け取ることができる。さらにまた、カソード１２２は、発電回路１８０から電子を受け取り、帯電カソライト活物質を還元させることができる。還元するとき、帯電カソライト活物質は、イオン交換膜１２０によって形成された陽子経路１０８により受け取り可能な陽子（例えば、アノード１１２により受け取り可能な陽子）を出す。還元後、すでに帯電したカソライト活物質は、放電カソライト活物質を含み、カソード１２２から電解質経路１６０のうちの１つ以上に沿ってカソライトタンク１４０へ還流する。

【0020】

引き続き図１～５を参照すると、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学充電動作の間、アノード１１２は、アノライト溶液から放電アノライト活物質を受け取ることができる。アノード１１２は、発電回路１８０から電子を受け取り、放電アノライト活物質を還元させることもできる。還元されるとき、放電アノライト活物質は、イオン交換膜１２０によって形成された陽子経路１０８により受け取り可能な陽子を出す。さらにまた、還元後、すでに放電したアノライト活物質は、帯電アノライト活物質を含み、アノード１１２から電解質経路１６０のうちの１つ以上に沿ってアノライトタンク１３０に還流する。

【0021】

また、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学充電動作の間、カソード１２２は、カソライト溶液から放電カソライト活物質を受け取ることができる。さらにまた、カソード１２２は、イオン交換膜１２０によって形成された陽子経路１０８からアノード１１２によって出された陽子を受け取り、カソード１２２において放電カソライト活物質を酸化させることができる。酸化するとき、放電カソライト活物質は、カソード導電部分１２６により受け取り可能な電子を出し、それにより、電子は、電子投入方向１０７に、回路経路１８２に沿って発電回路１８０に流れる。酸化後、すでに放電したカソライト活物質は、帯電カソライト活物質を含み、カソード１２２から電解質経路１６０のうちの１つ以上に沿ってカソライトタンク１４０に還流する。

【0022】

引き続き図１～５を参照すると、アノライトタンク１３０は、アノライトタンク上面１３５で終端するアノライトタンク上端１３２と、アノライトタンク下面１３７で終端するアノライトタンク下端１３４とを含む。アノライトタンク１３０は、アノライトタンク上面１３５とアノライト下面１３７との間に延在するアノライトタンク内面１３６を含む。また、アノライトタンク１３０は、上部アノライト開口１３１と、その上部アノライト開口１３１の下方に位置付けられた下部アノライト開口１３３とを含む。上部アノライト開口１３１は、アノライトタンク上端１３２に位置付けられ得、例えば、上部アノライト開口１３１は、アノライトタンク上面１３５を貫通し得る。また、下部アノライト開口１３３は、アノライトタンク下端１３４に位置付けられ得、例えば、下部アノライト開口１３３は、アノライトタンク下面１３７を貫通し得る。しかし、上部アノライト開口１３１および下部アノライト開口１３３が、それぞれ、下部アノライト開口１３３が上部アノライト開口１３１の下方に位置付けられているアノライトタンク１３０上の場所で、例えば、アノライトタンク内面１３６に沿う場所で、アノライトタンク１３０を貫通し得ることが理解されよう。

【0023】

また、１つ以上の電解質経路１６０には、下部アノライト経路１６２および上部アノライト経路１６４が含まれる。下部アノライト経路１６２は、アノライトタンク１３０の下部アノライト開口１３３とアノード１１２、例えば、アノード１１２のアノライト受け取り部分１１４との間に延在し、その下部アノライト開口１３３とアノード１１２とを流体的に結合する上部アノライト経路１６４は、アノライトタンク１３０の上部アノライト開口１３１とアノード１１２、例えば、アノード１１２のアノライト受け取り部分１１４との間に延在し、その上部アノライト開口１３１とアノード１１２とを流体的に結合する。下部アノライト経路１６２および上部アノライト経路１６４は、それぞれ、チューブ、管、または他の流体経路機構を備える。また、下部アノライト経路１６２または上部アノライト経路１６４のうちの１つに、アノライトポンプ１３９が流体的に結合され得る。アノライトポンプ１３９は、任意の流体ポンピング機構を備え、アノライトタンク１３０とアノード１１２との間に流体流を発生させるように構造的に構成されている。

【0024】

ここで図２～５を参照すると、下部アノライト開口１３３は、第１の下部アノライト開口１３３ａであり得、アノライトタンク１３０が、第２の下部アノライト開口１３３ｂをさらに含み得る。第１の下部アノライト開口１３３ａと同様、第２の下部アノライト開口１３３ｂも、上部アノライト開口１３１の下方に位置付けられ、下部アノライト経路１６２に流体的に結合されている。例えば、第２の下部アノライト開口１３３ｂは、アノライトタンク下面１３７を貫通し得、または、アノライトタンク内面１３６を貫通し得る。

【0025】

図２～５に示されているように、下部アノライト経路１６２は、第１の下部アノライト開口１３３ａに結合された一次支路１６２ａと、第２の下部アノライト開口１３３ｂに結合された二次支流１６２ｂとを含み得る。下部アノライト経路１６２の一次支路１６２ａは、第１の下部アノライト開口１３３ａとアノード１１２との間に延在する。また、下部アノライト経路１６２の二次支流１６２ｂは、第２の下部アノライト開口１３３ｂと下部アノライト経路１６２の一次支路１６２ａとの間に延在する。例えば、図２～５に示されているように、二次支流１６２ｂは、アノライト経路収束場所１６５において一次支路１６２ａに結合されている。したがって、第１の下部アノライト開口１３３ａとアノード１１２との間のアノライト溶液流は、下部アノライト経路１６２の一次支路１６２ａを通過する。また、第２の下部アノライト開口１３３ｂとアノード１１２との間のアノライト溶液流は、二次支路１６２ｂと、アノライト経路収束場所１６５とアノード１１２との間に延在する一次支路１６２ａの部分との両方を通過する。

【0026】

再び図１～５を参照すると、カソライトタンク１４０は、カソライトタンク上面１４５で終端するカソライトタンク上端１４２と、カソライトタンク下面１４７で終端するカソライトタンク下端１４４とを含む。カソライトタンク１４０は、カソライトタンク上面１４５とカソライトタンク下面１４７との間に延在するカソライトタンク内面１４６を含む。また、カソライトタンク１４０は、上部カソライト開口１４１と、その上部カソライト開口１４１の下方に位置付けられた下部カソライト開口１４３とを含む。上部カソライト開口１４１は、カソライトタンク上端１４２に位置付けられ得、例えば、上部カソライト開口１４１は、カソライトタンク上面１４５を貫通し得る。また、下部カソライト開口１４３は、カソライトタンク下端１４４に位置付けられ得、例えば、下部カソライト開口１４３は、カソライトタンク下面１４７を貫通し得る。しかし、上部カソライト開口１４１および下部カソライト開口１４３が、それぞれ、下部カソライト開口１４３が上部カソライト開口１４１の下方に位置付けられているカソライトタンク１４０上の任意の場所で、例えば、カソライトタンク内面１４６に沿う場所で、カソライトタンク１４０の中に延在し得ることが理解されよう。

【0027】

また、１つ以上の電解質経路１６０には、下部カソライト経路１７２および上部カソライト経路１７４が含まれる。下部カソライト経路１７２は、カソライトタンク１４０の下部カソライト開口１４３とカソード１２２、例えば、カソード１２２のカソライト受け取り部分１２４との間に延在し、その下部カソライト開口１４３とカソード１２２とを流体的に結合する。また、上部カソライト経路１７４は、カソライトタンク１４０の上部カソライト開口１４１とカソード１２２、例えば、カソライト受け取り部分１２４との間に延在し、その上部カソライト開口１４１とカソード１２２とを流体的に結合している。下部カソライト経路１７２および上部カソライト経路１７４は、それぞれ、チューブ、管、または他の流体経路機構を備える。下部カソライト経路１７２または上部カソライト経路１７４のうちの１つに流体的に結合されたカソライトポンプ１４９。カソライトポンプ１４９は、任意の流体ポンピング機構を備え、カソライトタンク１４０とカソード１２２との間に流体流を発生させるように構造的に構成されている。

【0028】

再び図２～５を参照すると、下部カソライト開口１４３は、第１の下部カソライト開口１４３ａであり得、カソライトタンク１４０が、第２の下部カソライト開口１４３ｂをさらに含み得る。第１の下部カソライト開口１４３ａと同様、第２の下部カソライト開口１４３ｂも、上部カソライト開口１４１の下方に位置付けられ、下部カソライト経路１７２に流体的に結合されている。例えば、第２の下部カソライト開口１４３ｂは、カソライトタンク下面１４７を貫通し得、またはカソライトタンク内面１４６を貫通し得る。

【0029】

図２～５に示されているように、下部カソライト経路１７２は、第１の下部カソライト開口１４３ａに結合された一次支路１７２ａと、第２の下部カソライト開口１４３ｂに結合された二次支路１７２ｂとを含み得る。下部カソライト経路１７２の一次支路１７２ｂは、第１の下部カソライト開口１４３ａとカソード１２２、例えば、カソード１２２のカソライト受け取り部分１２４との間に延在する。また、下部カソライト経路１７２の二次支路１７２ｂ。例えば、図２～５に示されているように、二次支流１７２ｂは、カソライト経路収束場所１７５において一次支路１７２ａに結合されている。したがって、第１の下部カソライト開口１４３ａとカソード１２２との間のカソライト溶液流は、下部カソライト経路１７２の一次支路１７２ａを通過する。また、第２の下部カソライト開口１４３ｂとカソード１２２との間のカソライト溶液流は、二次支流１７２ｂと、カソライト経路収束場所１７５とカソード１２２との間に延在する一次支路の１７２ａの部分との両方を通過する。

【0030】

再び１～５を参照すると、１つ以上のタンクセパレータ１５０には、アノライトタンク１３０内に位置付けられたアノライトタンクセパレータ１５０ａと、カソライトタンク１４０内に位置付けられたカソライトタンクセパレータ１５０ｂとが含まれる。アノライトタンクセパレータ１５０ａは、アノライトタンク１３０の上部容積をアノライトタンク１３０の下部容積から流体的に分離するように、アノライトタンク内面１３６と並進可能に接触している。本開示において使用される際、「アノライトタンク１３０の上部容積」とは、アノライトタンクセパレータ１５０ａとアノライトタンク上面１３５との間のアノライトタンク１３０の部分を指す。また、本開示において使用される際、「アノライトタンク１３０の下部容積」とは、アノライトタンクセパレータ１５０ａとアノライトタンク下面１３７との間のアノライトタンク１３０の部分を指す。

【0031】

アノライトタンクセパレータ１５０ａが帯電アノライト活物質を放電アノライト活物質から分離するように、アノライトタンクセパレータ１５０ａは、アノライトタンク１３０内に位置付けられている。したがって、動作時、アノライトタンク１３０は、主に、帯電アノライト活物質のみまたは放電アノライト活物質のみを含むアノライト溶液を、アノード１１２のアノライト受け取り部１１４に供給し得る。一例として、帯電アノライト活物質がアノライトタンク１３０の上部容積内に収められ、放電アノライト活物質がアノライトタンク１３０の下部容積内に収められるように、アノライト活物質は、アノライトタンク１３０に位置付けられ得る。この例では、アノライトポンプ１３９は、還元および電気化学充電を経ている際に、放電アノライト活物質がアノライトタンク１３０の下部容積からアノード１１２に移動するような第１の流れ方向１０２のアノライト溶液流を発生させ得、あるいは、アノライトポンプ１３９は、酸化および電気化学放電を経ている際に、帯電アノライト活物質がアノライトタンク１３０の上部容積からアノード１１２に移動するような第２の流れ方向１０３のアノライト溶液流を発生させ得る。

【0032】

別の例として、放電アノライト活物質がアノライトタンク１３０の上部容積内に収められ、帯電アノライト活物質がアノライトタンク１３０の下部容積内に収められるように、アノライト活物質は、アノライトタンク１３０に位置付けられ得る。この例では、アノライトポンプ１３９は、酸化および電気化学放電を経ている際に、帯電アノライト活物質がアノライトタンク１３０の下部容積からアノード１１２に移動するような第１の流れ方向１０２のアノライト溶液流を発生させ得、あるいは、アノライトポンプ１３９は、還元および電気化学充電を経ている際に、放電アノライト活物質がアノライトタンク１３０の上部容積からアノード１１２に移動するような第２の流れ方向１０３のアノライト溶液流を発生させ得る。

【0033】

カソライトタンクセパレータ１５０ｂは、カソライトタンク１４０の上部容積をカソライトタンク１４０の下部容積から流体的に分離するように、カソライトタンク内面１４６と並進可能に接触している。本開示において使用される際、「カソライトタンク１４０の上部容積」とは、カソライトタンクセパレータ１５０ｂとカソライトタンク上面１４５との間のカソライトタンク１４０の部分を指す。また、本開示において使用される際、「カソライトタンク１４０の下部容積」とは、カソライトタンクセパレータ１５０ｂとカソライトタンク下面１４７との間のカソライトタンク１４０の部分を指す。

【0034】

さらにまた、カソライトタンクセパレータ１５０ｂが帯電カソライト活物質を放電カソライト活物質から分離するように、カソライトタンクセパレータ１５０ｂは、アノライトタンク１４０内に位置付けられている。したがって、動作時、カソライトタンク１４０は、主に、帯電カソライト活物質のみまたは放電カソライト活物質のみを含むカソライト溶液をカソード１２２のカソライト受け取り部分１２４に供給し得る。一例として、帯電カソライト活物質がカソライトタンク１４０の上部容積内に収められ、放電カソライト活物質がカソライトタンク１４０の下部容積内に収められるように、カソライト活物質は、カソライトタンク１４０に位置付けられ得る。この例では、カソライトポンプ１４９は、酸化および電気化学充電を経ている際に、放電カソライト活物質がカソライトタンク１４０の下部容積からカソード１２２に移動するような第１の流れ方向１０２のカソライト溶液流を発生させ得、あるいは、カソライトポンプ１４９は、還元および電気化学放電を経ている際に、帯電カソライト活物質がカソライトタンク１４０の上部容積からカソード１２２に移動するような第２の流れ方向１０３のカソライト溶液流を発生させ得る。

【0035】

別の例として、放電カソライト活物質がカソライトタンク１４０の上部容積内に収められ、帯電カソライト活物質がカソライトタンク１４０の下部容積内に収められるように、カソライト活物質は、カソライトタンク１４０に位置付けられ得る。この例では、カソライトポンプ１４９は、還元および電気化学放電を経ている際に、帯電カソライト活物質がカソライトタンク１４０の下部容積からカソード１２２に移動するような第１の流れ方向１０２のカソライト溶液流を発生させ得、あるいは、カソライトポンプ１４９は、酸化および電気化学充電を経ている際に、放電カソライト活物質がカソライトタンク１４０の上部容積からカソード１２２に移動するような第２の流れ方向１０３のカソライト溶液流を発生させ得る。

【0036】

アノライトタンクセパレータ１５０ａおよびカソライトタンクセパレータ１５０ｂは、それぞれ、上昇位置１５４と下降位置１５６との間を、例えばスライド式に、並進可能である。図１～５に示されているように、アノライトタンクセパレータ１５０ａとアノライトタンク下面１３７との間の距離、およびカソライトタンクセパレータ１５０ｂとカソライトタンク下面１４７との距離は、両方とも、下降位置１５６においてよりも上昇位置１５４において大きい。アノライトタンクセパレータ１５０ａとアノライトタンク下面１３７との間の距離は、アノライト溶液の下部容積の高さｈ_ａと対応する。また、カソライトタンクセパレータ１５０ｂとカソライトタンク下面１４７との間の距離は、カソライト溶液の下部容積の高さｈ_ｃと対応する。示されていないが、上昇位置１５４では、アノライトタンクセパレータ１５０ａは、アノライトタンク上面１３５に接触し得、カソライトタンクセパレータ１５０ｂは、カソライトタンク上面１４５に接触し得る。さらにまた、下降位置１５６では、アノライトタンクセパレータ１５０ａは、アノライトタンク下面１３７に接触し得、カソライトタンクセパレータ１５０ｂは、カソライトタンク下面１４７に接触し得る。しかし、上昇位置１５４が下降位置１５６の上方のいずれの場所でもよく、下降位置１５６が上昇位置１５４の下方のいずれの場所でもよいことが理解されよう。

【0037】

アノライトタンクセパレータ１５０ａとカソライトタンクセパレータ１５０ｂは、それぞれアノライトタンク１３０内とカソライトタンク１４０内に収められたアノライト溶液とカソライト溶液に対してそれぞれ不浸透性である。それぞれアノライトタンク１３０とカソライトタンク１４０の上部容積と下部容積との間の流体通過を防ぐために、１つ以上のタンクセパレータ１５０のそれぞれに、機械的シーラ１５２が結合され得る。機械的シーラ１５２には、Ｏリング、ガスケット、または他の任意の既知のもしくは今後開発される封止デバイスが含まれ得る。また、アノライトタンクセパレータ１５０ａとカソライトタンクセパレータ１５０ｂは、それぞれアノライトタンク１３０内とカソライトタンク１４０内に収められたアノライト溶液とカソライト溶液の密度よりも高い密度をそれぞれ有する。

【0038】

例えば、アノライトタンクセパレータ１５０ａおよびカソライトタンクセパレータ１５０ｂは、それぞれ、約０．０１トン／ｍ^３～約１５トン／ｍ^３、例えば、約０．５トンｍ^３、１トン／ｍ^３、２トン／ｍ^３、３トン／ｍ^３、４トン／ｍ^３、５トン／ｍ^３、７．５トン／ｍ^３、１０トン／ｍ^３、１２．５トン／ｍ^３などの密度を備え得る。また、１つ以上のタンクセパレータ１５０は、それぞれ、約０．１トン～約４００トン、例えば、０．５トン、１トン、５トン、１０トン、２５トン、３０トン、３５トン、４０トン、４５トン、５０トン、７５トン、９０トン、１００トン、１５０トン、２００トン、２５０トン、３００トン、３５０トンなどの重量を備える。さらにまた、アノライトタンクセパレータ１５０ａとカソライトタンクセパレータ１５０ｂとは、同じ密度または異なる密度を備え得、同じ重量または異なる重量を備え得る。アノライトタンクセパレータ１５０ａおよびカソライトタンクセパレータ１５０ｂの材料例には、金属、非金属、金属合金、セラミックスなどが含まれる。さらにまた、アノライトタンクセパレータ１５０ａが、アノライト溶液の密度よりも大きな密度を有するいずれの材料も含み得、カソライトタンクセパレータ１５０ｂが、カソライト溶液よりも大きな密度を有するいずれの材料も含み得ることが理解されよう。

【0039】

動作時、上昇位置１５４と下降位置１５６との間の下向き方向１５３のアノライトタンクセパレータ１５０ａの移動は、アノライトタンク１３０とアノード１１２との間の第１の流れ方向１０２における、例えば、下部アノライト開口１３３からアノード１１２へのアノライト溶液流、およびアノード１１２から上部アノライト開口１３１へのアノライト溶液流と対応する。下降位置１５６と上昇位置１５４との間の上向き方向１５１のアノライトタンクセパレータ１５０ａの移動は、アノライトタンク１３０とアノード１１２との間の第２の流れ方向１０３におけるアノライト溶液流、例えば、上部アノライト開口１３１からアノード１１２へのアノライト溶液流、およびアノード１１２から下部アノライト開口１３３へのアノライト溶液流と対応する。

【0040】

上昇位置１５４と下降位置１５６との間の下向き方向１５３におけるカソライトタンクセパレータ１５０ｂの移動は、カソライトタンク１４０とカソード１２２との間の第１の流れ方向１０２における、例えば、下部カソライト開口１４３からカソード１２２へのカソライト溶液流、およびカソード１２２から上部カソライト開口１４１へのカソライト溶液流と対応する。下降位置１５６と上昇位置１５４との間の上向き方向１５１のカソライトタンクセパレータ１５０ｂの移動は、アノライトタンク１３０とアノード１１２との間の第２の流れ方向１０３におけるアノライト溶液流、例えば、上部カソライト開口１４１からカソード１２２へのカソライト溶液流、およびカソード１２２から下部カソライト開口１４３へのカソライト溶液流と対応する。

【0041】

また、下向き方向１５３におけるアノライトタンクセパレータ１５０ａとカソライトタンクセパレータ１５０ｂの移動は、下向きの力を、それぞれアノライト溶液の下部容積とカソライト溶液の下部容積にかけ、１つ以上の電解質経路１６０を通る、例えば、下部アノライト経路１６２と下部カソライト経路１７２を通る、アノライト溶液とカソライト溶液の容積測定流体流を増加させる。電解質経路１６０を通る容積測定流量を増加させることによって、アノライト溶液およびカソライト溶液が、１つ以上の電解質経路１６０に流体的に結合された１つ以上のタービン１９０を作動させ得、それにより、１つ以上のタービン１９０は、水力発電式に電力を発生させる。

【0042】

１つ以上のタンクセパレータ１５０は、１つ以上のタービン１９０と組んで、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００に蓄えられ得る総エネルギーを増加させる。１つ以上のタンクセパレータ１５０は、例えば、１つ以上のタンクセパレータ１５０が上昇位置１５４に位置付けられているとき、位置エネルギーを蓄える。１つ以上のタンクセパレータ１５０に蓄えられた位置エネルギーは、１つ以上のタービン１９０によって水力発電式に採取され得る。各タンクセパレータ１５０内に蓄えられた位置エネルギーは、Ｅ＝（ｍ_ｅ＋ｍ_ｐ）ｇｈｅとして数学的に記述され得、式中、Ｅは、各タンクセパレータ１５０に蓄えられた位置エネルギーであり、ｍ_ｅは、アノライトタンク１３０またはカソライトタンク１４０内に蓄えられた電解質の質量であり（例えば、アノライト溶液またはカソライト溶液）、ｍ_ｐは、タンクセパレータ１５０の質量であり、ｇは、重力加速度であり、ｈは、電解質の下部容積の高さであり（例えば、アノライト溶液の下部容積の高さｈ_ａまたはカソライト溶液の下部容積の高さｈ_ｃ）、ｅは、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の位置エネルギー貯蔵効率である。したがって、アノライト溶液の質量、カソライト溶液の質量、アノライトタンクセパレータ１５０ａの質量、カソライトタンクセパレータ１５０ｂの質量、アノライト溶液の下部容積の高さｈ_ａ、およびカソライト溶液の下容積の高さｈ_ｃが大きくなるほど、それぞれ、１つ以上のタンクセパレータ１５０に蓄えられ、１つ以上のタービン１９０によって水力発電式に採取可能な位置エネルギーが増加し得る。

【0043】

ここで図６を参照すると、アノライトタンク１３０の下部容積の高さｈ_ａおよびカソライトタンク１４０の下部容積の高さｈ_ｃ（「電解質の下部容積の高さ」として図６に示される）とともに、アノライトタンクセパレータ１５０ａとカソライトタンクセパレータ１５０ｂとの合計重量に基づき、アノライトタンクセパレータ１５０ａおよびカソライトタンクセパレータ１５０ｂによって、ハイブリットフローレドックス電池システム１００例に全体として加えられる総位置エネルギーを表すグラフ２００が示されている。図６に示されている例では、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００は、１メガワット（ＭＷ）の公称電力、および約８時間の貯蔵容量を有し、したがって、このハイブリッドフローレドックス電池システム１００例における総貯蔵エネルギーは、約８０００キロワット時（ｋＷｈ）であるまた、この非限定的な例における位置エネルギー貯蔵効率ｅは、約８０％である。さらにまた、図６にグラフで示されているこのハイブリッドフローレドックス電池システム１００例のアノライトタンクセパレータ１５０ａおよびカソライトタンクセパレータ１５０ｂは、それぞれ、２．５トン／立方メートル（ｍ^３）の密度、および１ｍのタンクセパレータ高さを有する。

【0044】

引き続き図６を参照すると、このハイブリッドフローレドックス電池システム１００例に加えられる位置エネルギーが、それぞれが異なるエネルギー密度を備える４つの電解質例に対して、グラフで示されている。例えば、線２０２は、リットル当たり約１０ワット時（Ｗｈ／ｌ）のエネルギー密度を有する電解質を表し、線２０４は、約１５Ｗｈ／ｌのエネルギー密度を有する電解質を表し、線２０６は、約２０Ｗｈ／ｌのエネルギー密度を有する電解質を表し、線２０８は、約２５Ｗｈ／ｌのエネルギー密度を有する電解質を表す。図６に示されているように、電解質のエネルギー密度は、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００内の追加貯蔵エネルギーに反比例する。また、アノライト溶液の下部容積の高さｈ_ａおよびカソライト溶液の下部容積の高さｈ_ｃが高いほど、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００内の追加貯蔵エネルギーが増加する。

【0045】

さらにまた、下向き方向１５３におけるアノライトタンクセパレータ１５０ａとカソライトタンクセパレータ１５０ｂの移動によって、それぞれアノライト溶液の下部容積とカソライト溶液の下部容積にかかる下向きの力は、アノライト溶液流とカソライト溶液流を１つ以上の電解質経路１６０に通す。動作時、１つ以上のタンクセパレータ１５０によりアノライト溶液、カソライト溶液、またはそれら両方にかかる力は、アノライトポンプ１３９およびカソライトポンプ１４９により必要とされるポンピング力を低減または省き、下向き方向１５３における１つ以上のタンクセパレータ１５０の移動と対応する第１の流れ方向１０２のアノライト溶液およびカソライト溶液の流れを促進し得る。したがって、アノライトポンプ１３９およびカソライトポンプ１４９の使用は、上向き方向１５１におけるアノライトタンクセパレータ１５０ａおよびカソライトタンクセパレータ１５０ｂの移動と対応する第２の流れ方向１０３の流体流にのみ必要とされ得る。また、１つ以上のタービン１９０によって水力発電式に採取されるエネルギーにより、アノライトポンプ１３９およびカソライトポンプ１４９によって消費されるエネルギーの一部またはすべてを埋め合わせることができる。例えば、水力発電式に発生する電力は、アノライトポンプ１３９およびカソライトポンプ１４９によって前記消費される電力以上であり得る。

【0046】

ここで図７を参照すると、アノライトタンクセパレータ１５０ａおよびカソライトタンクセパレータ１５０ｂの総重量に基づき、アノライト側タービン１９０ａおよびカソライト側タービン１９０ｂによって発生する（または回収される）、アノライトポンプ１３９およびカソライトポンプ１４９によって消費されるエネルギーの割合を表すグラフ２１０が示されている。例えば、１つ以上のタンクセパレータ１５０が下向き方向１５３に上昇位置１５４から下降位置１５６に並進するときに、１つ以上のタービン１９０を通る電解質流によって水力発電式に発生する電力は、上向き方向１５１に下降位置１５６から上昇位置１５４に１つ以上のタンクセパレータ１５０を並進させるために、アノライトポンプ１３９およびカソライトポンプ１４９によって消費される電力の約１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、１００％、または１００％超以上の電力を含み得る。

【0047】

図７にグラフで示されているハイブリッドフローレドックス電池システム１００例は、約１．３７５トン／ｍ^３の電解質密度、および約５０ｍのタンク高さを有する電解質を含む。図７のグラフ２１０は、それぞれが異なる電解質放出容積を有する４つの電解質例を示す。例えば、線２１２は、時間当たり１０立方メートル（ｍ^３／ｈ）の電解質放出容積を表し、線２１４は、５０ｍ^３／ｈの電解質放出容積を表し、線２１６は、１００ｍ^３／ｈの電解質放出容積を表し、線２１８は、２００ｍ^３／ｈの電解質放出容積を表す。示されているように、１つ以上のタンクセパレータ１５０の重量が重く、電解質放出容積が大きいほど（線２１８参照）、ポンプ回収エネルギーの割合が上がる。図７は、第１の流れ方向１０２の流体流の間、アノライトポンプ１３９およびカソライトポンプ１４９に取って代わるのに十分強い流体流を発生させるのに必要とされる１つ以上のタンクセパレータ１５０の総重量も示す。

【0048】

再び図１～５を参照すると、１つ以上のタービン１９０が、１つ以上のタービン発電機１９２に電気的に結合され得る。例えば、１つ以上のタービン１９０のそれぞれが、別々のタービン発電機１９２に電気的に結合され得る。あるいは、複数のタービン１９０が同じタービン発電機１９２に電気的に接続され得る。また、１つ以上のタービン１９０が発電回路１８０に電気的に結合され得る。さらにまた、１つ以上のタービン１９０のそれぞれが電解質経路１６０に流体的に結合され、動作時、それぞれの個々のタービン１９０を通る電解質流が、個々のタービン１９０を作動させ（例えば、回転させ）、個々のタービン発電機１９２、水力発電式に電力を発生させるための発電回路１８０、またはそれら両方によって受け取り可能である電流を発生させ得る。１つ以上のタービン１９０には、任意の既知のまたは今後開発される流体作動式タービン、例えば、水平水車、垂直水車、フランシス水車、カプラン水車、タイソン水車、水車、ペルトンホイール、ターゴ水車、クロスフロー水車などが含まれ得る。

【0049】

図１～５に示されているように、１つ以上のタービン１９０には、下部アノライト経路１６２または上部アノライト経路１６４に流体的に結合され、かつアノライトタービン発電機１９２ａに電気的に結合されたアノライト側タービン１９０ａが含まれ得る。例えば、図２～５に示されているように、アノライト側タービン１９０ａは、下部アノライト経路１６２の二次支路１６２ｂに流体的に結合され得、それにより、二次支路１６２ｂを通るアノライト溶液流が、アノライト側タービン１９０ａを通過し得、アノライト側タービン１９０ａを作動させて、アノライト側タービン発電機１９２ａにより受け取り可能である電流を発生させ、水力発電式に電力を発生させる。

【0050】

さらにまた、図１～５に示されているように、１つ以上のタービン１９０には、下部カソライト経路１７２または上部カソライト経路１７４に流体的に結合され、かつカソライトタービン発電機１９２ｂに電気的に結合されたカソライト側タービン１９０ｂが含まれる。例えば、図２～５に示されているように、カソライト側タービン１９０ｂは、下部カソライト経路１７２の二次支路１７２ｂに流体的に結合され得、それにより、二次支流１７２ｂを通るカソライト溶液流がカソライト側タービン１９０ｂを通過し得、カソライト側タービン１９０ｂを作動させて、アノライトタービン発電機１９２ａにより受け取り可能である電流を発生させ、水力発電式に電力を発生させる。

【0051】

再び図２～５を参照すると、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００は、電解質経路１６０に流体的に結合された、例えば、下部アノライト経路１６２および下部カソライト経路１７２に流体的に結合された、複数の弁１８５を含み得る。複数の弁１８５のそれぞれは、開位置１８６と閉位置１８８との間で作動可能である。動作時、開位置１８６では、個々の弁１８５を通る電解質流を可能にし、閉位置１８８では、個々の弁１８５を通る電解質流を防ぐ。例えば、複数の弁１８５は、電気化学セル１１０から下部アノライト開口１３３および下部カソライト開口１４３のうちの少なくとも１つに電解質が流れるとき、複数の弁１８５が１つ以上のタービン１９０のうちの少なくとも１つへの電解質通過を防ぐように配置され、作動させられ得る。さらにまた、複数の弁１８５は、下部アノライト開口１３３および下部カソライト開口１４３のうちの少なくとも１つから電気化学セル１１０に電解質が流れるとき、複数の弁１８５が１つ以上のタービン１９０のうちの少なくとも１つへの電解質通過を可能にするように配置され、作動させられ得る。複数の弁１８５には、ニードル弁、ゲート弁、玉形弁、ボール弁、バタフライ弁、ダイヤフラム弁、ピストン弁、または任意の既知のもしくは今後開発される作動式弁が含まれ得る。

【0052】

動作時、複数の弁１８５には、それぞれが下部アノライト経路１６２に流体的に結合された、第１のアノライト弁１８５ａ、第２のアノライト弁１８５ｂ、および第３のアノライト弁１８５ｃが含まれ得る。第１のアノライト弁１８５ａは、第１の下部アノライト開口１３３ａとアノライト経路収束場所１６５との間で、下部アノライト経路１６２の一次支路１６２ａに流体的に結合されている。第２のアノライト弁１８５ｂは、第２の下部アノライト開口１３３ｂとアノライト側タービン１９０ａとの間で、二次支路１６２ｂに流体的に結合されている。また、第３のアノライト弁１８５ｃは、アノライト経路収束場所１６５とアノライト側タービン１９０ａとの間で、二次支路１６２ｂに流体的に結合されている。

【0053】

動作時、図２および図４に示されているように、第１のアノライト弁１８５ａが開位置１８６にあり、第２および第３のアノライト弁１８５ｂ、１８５ｃがそれぞれ閉位置１８８にあるとき、下部アノライト経路１６２の二次支路１６２ｂを通り、したがってアノライト側タービン１９０ａを通るアノライト溶液流が妨げられる。例えば、アノライト溶液が第２の流れ方向１０３に流れるとき、この作動構成は、アノライトポンプ１３９のポンピング力がアノライトタンクセパレータ１５０ａを下降位置１５６および上昇位置１５４から移動させ、アノライトタンクセパレータ１５０ａが水力発電式に採取可能な流体流を発生させないことから、望ましいものであり得る。また、この作動構成は、アノライト溶液が第２の流れ方向１０３に流れるとき、第２の流れ方向１０３のアノライト溶液流が、例えば、アノライト側タービン１９０ａの形および構成により、アノライト側タービン１９０ａを作動させ得ないことから、望ましいものであり得る。

【0054】

図３および図５に示されているように、第１のアノライト弁１８５ａが閉位置１８８にあり、第２および第３のアノライト弁１８５ｂ、１８５ｃがそれぞれ開位置１８６にあるとき、下部アノライト経路１６２の二次支路１６２ｂを通り、したがってアノライト側タービン１９０ａを通るアノライト溶液流は、妨げられない。さらにまた、第１のアノライト弁１８５ａが閉位置１８８にあり、第２および第３のアノライト弁１８５ｂ、１８５ｃがそれぞれ開位置１８６にあるとき、第１の下部アノライト開口１３３ａとアノライト経路収束場所１６５との間のアノライト溶液流が妨げられる。例えば、アノライト溶液が第１の流れ方向１０２に流れるとき、この構成された作動は、アノライト側タービン１９０ａを通る流体流を促進して、アノライト側タービン１９０ａを作動させ、水力発電式に電力を発生させるには望ましいものであり得る。

【0055】

引き続き図２～５を参照すると、複数の弁１８５には、第１のカソライト弁１８５ｄ、第２のカソライト弁１８５ｅ、および第３のカソライト弁１８５ｆが含まれ得る。第１のカソライト弁１８５ｄは、第１の下部カソライト開口１４３ａとカソライト経路収束場所１７５との間で、下部カソライト経路１７２の一次支路１７２ａに流体的に結合されている。第２のカソライト弁１８５ｅは、第２の下部カソライト開口１４３ｂとカソライト側タービン１９０ｂとの間で、下部カソライト経路１７２の二次支路１６２ｂに流体的に結合されている。また、第３のカソライト弁１８５ｆは、カソライト経路収束場所１７５とカソライト側タービン１９０ｂとの間で、下部カソライト経路１７２の二次支路１６２ｂに流体的に結合されている。

【0056】

動作時、図２および図５に示されているように、第１のカソライト弁１８５ｄが開位置１８６にあり、第２および第３のカソライト弁１８５ｅ、１８５ｆがそれぞれ閉位置１８８にあるとき、下部カソライト経路１７２の二次支路１７２ｂを通り、したがってカソライト側タービン１９０ｂを通るカソライト溶液流が妨げられる。例えば、カソライト溶液が第２の流れ方向１０３に流れるとき、この作動構成は、カソライトポンプ１４９のポンピング力がカソライトタンクセパレータ１５０ｂを下降位置１５６および上昇位置１５４から移動させ、カソライトタンクセパレータ１５０ｂが水力発電式に採取可能な流体流を発生させないことから、望ましいものであり得る。また、この作動構成は、カソライト溶液が第２の流れ方向１０３に流れるとき、第２の流れ方向１０３のカソライト溶液流が、例えば、カソライト側タービン１９０ｂの形および構成により、カソライト側タービン１９０ｂを作動させ得ないことから、望ましいものであり得る。

【0057】

図３および図４に示されているように、第１のカソライト弁１８５ｄが閉位置１８８にあり、第２および第３のカソライト弁１８５ｅ、１８５ｆがそれぞれ開位置１８６にあるとき、カソライト側タービン１９０ｂを通るカソライト溶液流は、妨げられない。さらにまた、第１のカソライト弁１８５ｄが閉位置１８８にあり、第２および第３のカソライト弁１８５ｅ、１８５ｆがそれぞれ開位置１８６にあるとき、第１の下部カソライト開口１４３ａとカソライト経路収束場所１７５との間の電解質流が妨げられる。例えば、カソライト溶液が第１の流れ方向１０２に流れるとき、この構成された作動は、カソライト側タービン１９０ｂを通る流体流を促進して、カソライト側タービン１９０ｂを作動させ、水力発電式に電力を発生させるには望ましいものであり得る。また、図４および図５に示されているように、例えば、アノライト溶液とカソライト溶液とが相対する方向に流れるときに、電気化学充電および電気化学放電が起こるように、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００が配置されているとき、アノライト弁１８５ａ～ｃとカソライト弁１８５ｄ～ｆとは、異なる作動構成であり得る。

【0058】

さらにまた、電気化学セル１１０の動作中、１つ以上のタンクセパレータ１５０が、アノード１１２内の反応アノライト活物質およびカソード１２２内の反応カソライト活物質の濃度上昇を促進し、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学的損失を低減する。例えば、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００を電気化学的に放電させるときは、帯電アノライト活物質は、反応アノライト活物質であり、帯電カソライト活物質は、反応カソライト活物質であり、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００を電気化学的に充電するときには、放電アノライト活物質は、反応アノライト活物質であり、放電カソライト活物質は、反応カソライト活物質である。したがって、アノライトタンクセパレータ１５０ａを使用して、アノライトタンク１３０内で帯電アノライト活物質と放電アノライト活物質とを分離し、カソライトタンクセパレータ１５０ｂを使用して、カソライトタンク１４０内で帯電カソライト活物質と放電カソライト活物質とを分離し、選択的に、反応アノライト活物質をアノード１１２の中にポンピングし、反応カソライト活物質をカソード１２２の中にポンピングすることは、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学的損失を低減することによって、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の効率を高め得る。

【0059】

例えば、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００は、開回路電圧Ｖ_ＯＣまたは起電力（ＥＭＦ：ＥｌｅｃｔｒｏＭｏｔｉｖｅ Ｆｏｒｃｅ）を備え、これは、例えば、発電回路１８０内の電流がゼロであるときに、開回路条件下でハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学放電によって発生し得る最大電圧である。開回路電圧Ｖ_ＯＣは、電気化学セル１１０における還元および酸化反応、アノード１１２内の反応アノライト活物質およびカソード１２２内の反応カソライト活物質の濃度（ネルンスト電圧）、ならびに動作温度に影響を受ける。

【0060】

ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の開回路電圧Ｖ_ＯＣは、数学的に以下として記述され得、

【数1】

式中、

は、アノード１１２とカソード１２２と間の可逆的な最大電圧であり、Ｒは、一般ガス定数であり、Ｔは、電気化学セル１１０の動作温度であり、ｎは、電気化学セル１１０レドックス半反応において移動する電子のモル数、例えば、アノライト溶液とカソライト溶液との間で回路経路１８２に沿って移動する電子のモル数であり、Ｆは、ファラデー定数、９６４８５クーロン／モルであり、ａ_ｏｘは、酸化体種（例えば、放電動作の間のアノライト溶液、または充電動作の間のカソライト溶液）の活性であり、ａ_ｒｅｄは、還元体種（例えば、電気化学充電動作の間のアノライト溶液、または電気化学放電動作の間のカソライト溶液）の活性である。

【0061】

は、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の電気化学放電または電気化学充電時に変化する。例えば、活性比率は、満充電時に最大になる。また、少ない充電時には、反応活物質の濃度が下がり、無反応活物質の濃度が上がり、それにより、開回路電圧Ｖ_ｏｃが下がる可能性があるので、活性比率は低くなる。したがって、アノライトタンクセパレータ１５０ａおよびカソライトタンクセパレータ１５０ｂをそれぞれ使用して、アノライト溶液およびカソライト溶液のそれぞれにおいて、帯電アノライト活物質と放電アノライト活物質とを、また帯電カソライト活物質と放電カソライト活物質とを分離することにより、電気化学セル１１０内の反応活物質の濃度を最大にし、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の開回路電圧Ｖ_ＯＣを上げることができる。

【0062】

それぞれアノライトタンクセパレータ１５０ａとカソライトタンクセパレータ１５０ｂを使用して、アノタイトタンク１３０内とカソライトタンク１４０内で帯電アノライト活物質と放電アノライト活物質とを、また帯電カソライト活物質と放電カソライト活物質とを分離することにより、それぞれアノライトタンク１３０とカソライトタンク１４０に戻る反応活物質の再循環を最小にし、電気化学セル１１０に導入される無反応活物質の量を最小にすることができる。これは、生成物の反応活物質の濃度が、［Ａ^β＋］＝α［Ａ^α＋］°および［Ｂ^Ｙ＋］＝α［Ｂ^δ＋］°によって数学的に記述されるように、動作中、一定であり得ることから、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００開回路電圧を上げ、式中、αは、それぞれアノライトタンク１３０とカソライトタンク１４０に再循環されて戻る反応活物質の割合であり、［Ａ^α＋］°と［Ｂ^δ＋］°は、それぞれ反応活物質の初期（満充電）濃度である。したがって、充電の状態ＳＯＣは、

【数2】

として、数学的に記述され得、開回路電圧は、以下として数学的に記述され得る。

【数3】

【0063】

したがって、アノライトタンクセパレータ１５０ａとカソライトンクセパレータ１５０ｂは、それぞれアノライトタンク１３０内とカソライトタンク１４０内で、帯電アノライト活物質と放電アノライト活物質とを分離し、帯電カソライト活物質と放電カソライト活物質とを分離し、アノライト側タービン１９０ａとカソライト側タービン１９０ｂを通る、アノライト溶液、カソライト溶液、またはそれら両方の流れを促進して、水力発電式に追加の電力を発生させることによって、ハイブリッドフローレドックス電池システム１００の全体的なエネルギー貯蔵能力および採取能力を高める。

【0064】

特定の手法において、特定の性質を具体化するために、または機能するために、特定の方法で「構成された」本開示の構成要素の本開示における詳述は、意図される使用の詳述とは対照的に、構造的詳述である。より具体的には、本開示における、構成要素が「構成される」手法への言及は、その構成要素の現存の物理的状態を示し、したがって、その構成要素の構造的特徴の限定的な詳述として解釈されるべきである。

【0065】

本発明を説明し、定義する目的で、「ａｂｏｕｔ（約）」という用語が、本開示では、いずれの数量的な比較、値、測定、または他の表現にも起因する可能性がある本質的な不確実性の程度を表すために利用されていることに留意されたい。「ａｂｏｕｔ（約）」という用語は、本開示では、数量的な表現が、問題になっている発明の対象の基本機能における変化をもたらさずに、表示基準と異なり得る程度を表すためにも利用されている。
以下、本発明の好ましい実施形態を項分け記載する。
実施形態１
電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、および１つ以上の発電回路を備えるハイブリッドフローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつ前記アノードおよび前記カソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つが、前記アノードおよび前記カソードに電気的に結合され、
前記アノライトタンクが、上部アノライト開口と、前記上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口とを含み、
前記カソライトタンクが、上部カソライト開口と、前記上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口とを含み、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記アノライトタンクを前記アノードに流体的に結合するように、前記上部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記カソライトタンクを前記カソードに流体的に結合するように、前記上部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、
前記１つ以上のタービンが、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタンクセパレータが、前記アノライトタンクおよび前記カソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられ、
前記１つ以上のタンクセパレータが、電解質流を前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から前記１つ以上のタービンを通るように誘導して、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能である、ハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態２
前記１つ以上のタンクセパレータが、前記アノライトタンク内に位置付けられたアノライトタンクセパレータ、および前記カソライトタンク内に位置付けられたカソライトタンクセパレータを備え、
前記アノライトタンクセパレータが帯電アノライト活物質を放電アノライト活物質から分離するように、前記アノライトタンクセパレータが前記アノライトタンク内に位置付けられ、
前記カソライトタンクセパレータが帯電カソライト活物質を放電カソライト活物質から分離するように、前記カソライトタンクセパレータが前記カソライトタンク内に位置付けられている、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態３
前記１つ以上のタンクセパレータがそれぞれ、１トン／ｍ ^３ ～５トン／ｍ ^３ の密度、および１トン～４００トンの重量を備える、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態４
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合された１つ以上の弁をさらに備え、
前記１つ以上の弁のそれぞれが、開位置と閉位置との間で作動可能であり、
前記開位置では、前記１つ以上の弁の電解質通過を可能にし、
前記閉位置では、前記１つ以上の弁の電解質通過を防ぐ、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態５
前記１つ以上のタービンが、１つ以上のタービン発電機に電気的に結合され、
前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から前記１つ以上のタービンを通る電解質流が、前記１つ以上のタービンを回転させ、前記１つ以上のタービン発電機により受け取り可能である電流を発生させ、水力発電式に電力を発生させる、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態６
前記複数の電解質経路が、
前記下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記下部アノライト開口および前記アノードに流体的に結合されている下部アノライト経路と、
前記上部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記上部アノライト開口および前記アノードに流体的に結合されている上部アノライト経路と、
前記下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記下部カソライト開口および前記カソードに流体的に結合されている下部カソライト経路と、
前記上部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記上部カソライト開口および前記カソードに流体的に結合されている上部カソライト経路と、を備える、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態７
前記下部アノライト開口が、第１の下部アノライト開口を含み、
前記アノライトタンクが、前記上部アノライト開口の下方に位置付けられ、かつ前記下部アノライト経路に流体的に結合された第２の下部アノライト開口をさらに備え、
前記下部アノライト経路が、前記第１の下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在する一次支路を備え、
前記下部アノライト経路が、前記第２の下部アノライト開口と前記下部アノライト経路の前記一次支路との間に延在する二次支路を備え、
前記１つ以上のタービンが、前記下部アノライト経路の前記二次支路に流体的に結合されたアノライト側タービンを備える、実施形態６に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態８
前記第１の下部アノライト開口と、前記下部アノライト経路の前記一次支路と前記二次支路とのアノライト経路収束場所との間で、前記下部アノライト経路の前記一次支路に流体的に結合された第１のアノライト弁と、
前記第２の下部アノライト開口と前記アノライト側タービンとの間で、前記二次支路に流体的に結合された第２のアノライト弁と、
前記アノライト経路収束場所と前記アノライト側タービンとの間で、前記二次支路に流体的に結合された第３のアノライト弁と、をさらに備える、実施形態７に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態９
前記第１、第２、および第３のアノライト弁のそれぞれが、閉位置と開位置との間で作動可能であり、
前記第１のアノライト弁が前記開位置にあり、前記第２および第３のアノライト弁がそれぞれ前記閉位置にあるとき、前記アノライト側タービンを通る電解質流が妨げられ、
前記第１のアノライト弁が前記閉位置にあり、前記第２および第３のアノライト弁がそれぞれ前記開位置にあるとき、前記アノライト側タービンを通る電解質流は妨げられない、実施形態８に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１０
前記下部カソライト開口が、第１の下部カソライト開口を備え、
前記カソライトタンクが、前記上部カソライト開口の下方に位置付けられ、かつ前記下部カソライト経路に流体的に結合された第２の下部カソライト開口をさらに備え、
前記下部カソライト経路が、前記第１の下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在する一次支路を備え、
前記下部カソライト経路が、前記第２の下部カソライト開口と前記一次支路との間に延在する二次支路を備え、
前記１つ以上のタービンが、前記下部カソライト経路の前記二次支路に流体的に結合されたカソライト側タービンを備える、実施形態６に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１１
前記第１の下部カソライト開口と、前記下部カソライト経路の前記一次支路と前記二次支路とのカソライト経路収束場所との間で、前記下部カソライト経路の前記一次支路に流体的に結合された第１のカソライト弁と、
前記第２の下部カソライト開口と前記カソライト側タービンとの間で、前記二次支路に流体的に結合された第２のカソライト弁と、
前記カソライト経路収束場所と前記カソライト側タービンとの間で、前記二次支路に流体的に結合された第３のカソライト弁と、をさらに備える、実施形態１０に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１２
前記第１、第２、および第３のカソライト弁のそれぞれが、閉位置と開位置との間で作動可能であり、
前記第１のカソライト弁が前記開位置にあり、前記第２および第３のカソライト弁がそれぞれ前記閉位置にあるとき、前記カソライト側タービンを通る電解質流が妨げられ、
前記第１のカソライト弁が前記閉位置にあり、前記第２および第３のカソライト弁がそれぞれ前記開位置にあるとき、前記カソライト側タービンを通る電解質流は妨げられない、実施形態１１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１３
アノライト溶液をさらに備え、前記アノライト溶液の１つ以上の活物質には、バナジウム、クロム、亜鉛、硫黄、ネプツニウム、ウラン、またはそれらの組み合わせが含まれる、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１４
前記アノードが、
前記アノライト溶液の帯電アノライト活物質を酸化させ、それにより、前記帯電アノライト活物質が、前記イオン交換膜から前記帯電アノライト活物質および陽子の両方を受け取った時点で前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つにより受け取り可能な電子を出すようにすることと、
前記アノライト溶液の放電アノライト活物質を還元させ、それにより、前記放電アノライト活物質が、前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つから前記放電アノライト活物質および電子の両方を受け取った時点で前記イオン交換膜によって受け取り可能な陽子を出すようにすること、を行うように電気化学的に構成されている、実施形態１３に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１５
カソライト溶液をさらに備え、前記カソライト溶液の１つ以上の活物質には、バナジウム、臭素、セリウム、塩素、フェリシアン化物、フェロシアン化物、マンガン、酸化ネプツニウム、酸化ウラン、またはそれらの組み合わせが含まれる、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１６
前記カソードが、
帯電カソライト活物質を還元させ、それにより、前記帯電カソライト活物質が、前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つから前記帯電カソライト活物質および電子の両方を受け取った時点で前記イオン交換膜により受け取り可能な陽子を出すようにすることと、
放電カソライト活物質を酸化させ、それにより、前記放電カソライト活物質が、前記イオン交換膜から前記放電カソライト活物質および陽子の両方を受け取った時点で前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つによって受け取り可能な電子を出すようにすることと、を行うように電気化学的に構成されている、実施形態１５に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１７
前記イオン交換膜が、前記アノードと前記カソードとの間に陽子経路をもたらすように構造的に構成された固体陽子伝導材料を備える、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１８
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合された１つ以上のポンプをさらに備え、
前記１つ以上のポンプが、前記上部アノライト開口および前記上部カソライト開口のうちの１つまたは１つより多いすなわち両方からの電解質流を誘導し、上向き方向に前記１つ以上のタンクセパレータを並進させるように構造的に構成され、
前記１つ以上のタンクセパレータが上昇位置から下降位置に前記下向き方向に並進するときに前記１つ以上のタービンを通る電解質流によって水力発電式に発生する電力が、前記１つ以上のタンクセパレータを前記上向き方向に前記下降位置から前記上昇位置に並進させるために前記１つ以上のポンプによって消費される電力以上である、実施形態１に記載のハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態１９
電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、１つ以上のポンプ、および１つ以上の発電回路を備えるハイブリッドフローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつ前記アノードおよび前記カソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つが、前記アノードおよび前記カソードに電気的に結合され、
前記アノライトタンクが、上部アノライト開口と、前記上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口とを含み、
前記カソライトタンクが、上部カソライト開口と、前記上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口とを含み、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記アノライトタンクを前記アノードに流体的に結合するように、前記上部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記カソライトタンクを前記カソードに流体的に結合するように、前記上部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、
前記１つ以上のポンプが、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタービンが、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタンクセパレータが、前記アノライトタンクおよび前記カソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられ、
前記１つ以上のタンクセパレータが、電解質流を前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から前記１つ以上のタービンを通るように誘導し、前記１つ以上のタービンを回転させて、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能であり、
前記１つ以上のタンクセパレータが上昇位置から下降位置に前記下向き方向に並進するときに前記１つ以上のタービンを通る電解質流によって水力発電式に発生する電力が、前記１つ以上のタンクセパレータを上向き方向に前記下降位置から前記上昇位置に並進させるために前記１つ以上のポンプによって消費される電力の５０％以上である、ハイブリッドフローレドックス電池システム。
実施形態２０
電気化学セル、アノライトタンク、カソライトタンク、１つ以上のタンクセパレータ、複数の電解質経路、１つ以上のタービン、１つ以上の弁、および１つ以上の発電回路を備えるハイブリッドフローレドックス電池システムであって、
前記電気化学セルが、アノードとカソードとの間に位置付けられ、かつ前記アノードおよび前記カソードと電気化学的に係合されたイオン交換膜を備え、
前記１つ以上の発電回路のうちの少なくとも１つが、前記アノードおよび前記カソードに電気的に結合され、
前記アノライトタンクが、上部アノライト開口と、前記上部アノライト開口の下方に位置付けられた下部アノライト開口と、を含み、
前記カソライトタンクが、上部カソライト開口と、前記上部カソライト開口の下方に位置付けられた下部カソライト開口と、を含み、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記アノライトタンクを前記アノードに流体的に結合するように、前記上部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、かつ前記下部アノライト開口と前記アノードとの間に延在し、
前記複数の電解質経路のうちの１つ以上が、前記カソライトタンクを前記カソードに流体的に結合するように、前記上部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、かつ前記下部カソライト開口と前記カソードとの間に延在し、
前記１つ以上の弁が、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタービンが、前記複数の電解質経路のうちの１つ以上に流体的に結合され、
前記１つ以上のタンクセパレータが、前記アノライトタンクおよび前記カソライトタンクのうちの１つまたは両方の中に位置付けられ、
前記１つ以上のタンクセパレータが、電解質流を前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの１つまたは両方から前記１つ以上のタービンを通るように誘導して、水力発電式に電力を発生させるように、下向き方向に並進可能であり、
電解質が、前記電気化学セルから前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの少なくとも１つに流れるとき、前記１つ以上の弁が、前記１つ以上のタービンのうちの少なくとも１つの電解質通過を防ぎ、
電解質が、前記下部アノライト開口および前記下部カソライト開口のうちの少なくとも１つから前記電気化学セルに流れるとき、前記１つ以上の弁が、前記１つ以上のタービンのうちの少なくとも１つの電解質通過を可能にする、ハイブリッドフローレドックス電池システム。

【0066】

本開示の発明の対象を詳細に、かつその特定の実施形態を参照して説明したが、本開示に開示されている様々な詳細は、本明細書に付随する図面のそれぞれに特定の要素が示されている場合でも、これらの詳細が本開示に記載の様々な実施形態の必須構成要素である要素に関するということを暗示すると取られるべきではないことに留意されたい。また、添付の特許請求の範囲において定義されている実施形態を含むが、これらに限定されない本開示の範囲から逸脱することなく、修正形態および変形形態が可能であることは明らかであろう。より具体的には、本開示のいくつかの態様が本開示において好ましいまたは特に有利であるとして特定されているが、本開示は、必ずしもこれらの態様に限定されないと考えられる。
以下の請求項のうちの１つ以上が、用語「ｗｈｅｒｅｉｎ（ここで）」を移行句として利用することに留意されたい。本発明を定義する目的で、この用語が、構造の一連の特徴の詳述を導入するために使用されているオープンエンドの移行句として、請求項に導入され、より一般的に使用されるオープンエンドの前置き用語「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」と同様に解釈されるべきであることに留意されたい。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】