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(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】2023-09-06
(45)【発行日】2023-09-14
(54)【発明の名称】フローバッテリー
(51)【国際特許分類】
H01M 8/18 20060101AFI20230907BHJP
H01M 8/02 20160101ALI20230907BHJP
H01M 8/0206 20160101ALI20230907BHJP
H01M 8/0213 20160101ALI20230907BHJP
H01M 8/0221 20160101ALI20230907BHJP
H01M 8/0228 20160101ALI20230907BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20230907BHJP
H01M 8/0276 20160101ALI20230907BHJP
H01M 8/2483 20160101ALI20230907BHJP
H01M 8/249 20160101ALI20230907BHJP
【ＦＩ】
H01M8/18
H01M8/02
H01M8/0206
H01M8/0213
H01M8/0221
H01M8/0228
H01M8/0258
H01M8/0276
H01M8/2483
H01M8/249
【請求項の数】
26
(21)【出願番号】P 2020541412
(86)(22)【出願日】2019-01-25
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-05-13
(86)【国際出願番号】 GB2019050219
(87)【国際公開番号】W WO2019145733
(87)【国際公開日】2019-08-01
【審査請求日】2022-01-14
(31)【優先権主張番号】1801328.4
(32)【優先日】2018-01-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(73)【特許権者】
【識別番号】507299817
【氏名又は名称】ユーシーエル ビジネス リミテッド
(73)【特許権者】
【識別番号】519340400
【氏名又は名称】インペリアル・カレッジ・イノベーションズ・リミテッド
【氏名又は名称原語表記】ＩＭＰＥＲＩＡＬ ＣＯＬＬＥＧＥ ＩＮＮＯＶＡＴＩＯＮＳ ＬＩＭＩＴＥＤ
(74)【代理人】
【識別番号】100105924
【弁理士】
【氏名又は名称】森下 賢樹
(72)【発明者】
【氏名】ブレデット、ダニエル
(72)【発明者】
【氏名】ブラウン、レオン
(72)【発明者】
【氏名】メイソン、トーマス
(72)【発明者】
【氏名】デディガマ、イシャンカ
(72)【発明者】
【氏名】クセルナク、アントニー
【審査官】山本 雄一
(56)【参考文献】
【文献】特開昭６０－１０１８８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／０６９２６１（ＷＯ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／１３４７８０（ＷＯ，Ａ１）
(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】
対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む第１集電体を含み、
第１電極が、電子が前記第１電極から前記第１集電体へ流れることができるように、前記第１集電体の前記第１側面に配置されており、
誘電材料の第１層が前記第１集電体の前記第２側面に配置されており、
第１孔および第２孔が、第１流体が、前記第１孔から前記第１電極へ、前記第１電極に沿ってまたは前記第１電極を通って流れ、続いて、前記第２孔を通って、前記第１集電体および誘電材料を通じて流れるように、前記第１集電体と前記第１集電体の前記第２側面に配置された誘電材料の前記第１層との両者を通して設けられており、
保護環状部材が、前記第１孔および／または前記第２孔を定める前記誘電材料の縁の周りに延びていることを特徴とする充電式フローバッテリーの部品。
【請求項2】
前記第１集電体の前記第２側面に配置された前記誘電材料がプリント回路基板材料である請求項１に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項3】
前記第１集電体の前記第２側面に配置された前記誘電材料が、繊維強化ポリマー層を含むプリント回路基板材料である請求項１または請求項２に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項4】
前記第１集電体の前記第２側面に配置された前記誘電材料がＦＲ－１、ＦＲ－２、ＦＲ－３、ＦＲ－４、ＦＲ－５、ＦＲ－６、ＣＥＭ－１、ＣＥＭ－２、ＣＥＭ－３、ＣＥＭ－４、ＣＥＭ－５、ポリテトラフッ素エチレン、Ｇ－１０、Ｇ－１１、アルミナ、ポリイミド、ガラス繊維／ＰＴＦＥ織物積層品から選択される請求項１～３のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項5】
前記導電性材料がチタン、窒化チタン、モリブデン、真鍮、および炭素から選択され、前記炭素は、黒鉛炭素であり得るか、または黒鉛炭素を含む請求項１～４のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項6】
前記炭素が柔軟な、インターカレートグラファイトを含む請求項５に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項7】
前記保護環状部材が、前記第１流体と、前記誘電材料およびそれに含まれるいずれの結合剤材料との接触を防ぐように、前記第１孔および／または前記第２孔を定める前記誘電材料の縁の周りに延びている請求項１～６のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項8】
前記保護環状部材がＯリング、ＸリングおよびＤリングから選択される請求項１～７のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項9】
前記第１流体が腐食性流体である請求項７または請求項８に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項10】
更なる誘電材料層が、前記第１集電体の前記第２側面に配置された前記誘電材料の第１層に配置されており、前記更なる誘電材料層には、前記第１流体が流れるチャネルおよび／または孔が形成されている請求項１～９のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項11】
前記第１流体が液体である請求項１～１０のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項12】
前記第１流体がガスである請求項１～１０のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項13】
前記充電式フローバッテリーが、全バナジウムの対、水素－バナジウムの対、水素－リチウム臭素酸塩の対、水素－リチウム塩素酸塩の対、水素－ポリ酸の対、臭素－水素の対、鉄－スズの対、鉄－クロムの対、臭素－ポリスルフィドの対、亜鉛－臭素の対、鉛－酸（メタンスルホネート）対、亜鉛－セリウムの対、または鉛－酸の対を含むか、または前記充電式フローバッテリーがリチウムイオンフローバッテリー、イオン流体フローバッテリー、または溶融塩フローバッテリーである請求項１～１２のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリーの部品。
【請求項14】
請求項１に記載の充電式フローバッテリーの部品を含み、
前記充電式フローバッテリーは、第２電極をさらに有し、
前記第１電極および前記第２電極は、それらの間にイオンが流れるように離れており、
第１流体を含むか、または保持する第１リザーバーが、前記第１リザーバーから前記第１電極へ、前記第１電極から前記第１リザーバーへ、前記第１流体を循環させるように、前記第１電極に流体接続されている、
充電式フローバッテリー。
【請求項15】
前記第１電極および前記第２電極は、イオン選択膜または分子篩膜から選択され得る膜によって隔てられており、
誘電材料が前記膜と前記第１集電体との間に配置され、
前記膜と前記第１集電体との間に配置された前記誘電材料が前記第１電極の囲んでいる請求項１４に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項16】
前記膜と前記第１集電体との間に配置された前記誘電材料が、ＦＲ－１、ＦＲ－２、ＦＲ－３、ＦＲ－４、ＦＲ－５、ＦＲ－６、ＣＥＭ－１、ＣＥＭ－２、ＣＥＭ－３、ＣＥＭ－４、ＣＥＭ－５、ポリテトラフッ素エチレン、Ｇ－１０、Ｇ－１１、アルミナ、ポリイミドおよびガラス繊維／ＰＴＦＥ織物積層品から選択される請求項１５に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項17】
保護環状部材が、前記第１流体と前記誘電材料との接触を防ぐように、前記膜と前記第１集電体との間に配置された前記誘電材料の縁の周りに延びている請求項１５に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項18】
前記充電式フローバッテリーは、複数の電池を有するスタックを含み、
各電池は、前記第１電極および前記第２電極を有し、
前記スタック内の電池の前記第１集電体は、前記スタック内の電池の隣接する第２集電体に電気的に接続される請求項１４に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項19】
各電池は、複数の層を有し、
１つ以上のチャネルが、前記第１流体が第１電池を通して第２電池の前記第１電極へ流れ、任意選択的に前記第１電池に戻ることを可能にし、および／または第２流体が前記第２電池を通して前記第１電池の前記第２電極へ流れ、任意選択的に前記第２電池に戻ることを可能にするように、前記第１電極および前記第２電極ではなく各電池の前記層を通して存在する請求項１８に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項20】
前記チャネルは、前記第１流体が前記第１電池から前記第２電池の前記第１電極へ流れることを可能にし、前記第１電池の前記第１孔および前記第２孔に流体接続されている請求項１９に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項21】
前記スタック内の電池の前記第１集電体は、前記スタックから１つの電池を除去し、残りの前記スタック内の電池を再接続して除去された電池があっても電池が機能し続けるように、取り外し可能な電気的な接続を介して、前記スタック内の隣接する電池の前記第２集電体に電気的に接続されている請求項１８に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項22】
前記電池が一緒に結合している請求項１８に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項23】
前記充電式フローバッテリーが、第２流体を含むか、または保持する第２リザーバーと、対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む第２集電体と、を含み、
前記第２リザーバーは、前記第２リザーバーから前記第２電極へ、前記第２電極から前記第２リザーバーへ前記第２流体を循環させるように前記第２電極に流体接続されており、
電子が電極から前記第２集電体へ流れることができるように、前記第２電極が前記第２集電体の前記第１側面に配置されており、誘電材料層が前記第２集電体の前記第２側面に配置されている請求項１４～２２のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項24】
前記第２集電体の前記第２側面に配置された前記誘電材料がプリント回路基板（ＰＣＢ）材料である請求項２３に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項25】
前記第２集電体の前記第２側面に配置された前記誘電材料が、ＦＲ－１、ＦＲ－２、ＦＲ－３、ＦＲ－４、ＦＲ－５、ＦＲ－６、ＣＥＭ－１、ＣＥＭ－２、ＣＥＭ－３、ＣＥＭ－４、ＣＥＭ－５、ポリテトラフッ素エチレン、Ｇ－１０、Ｇ－１１、アルミナ、ポリイミド、ガラス繊維／ＰＴＦＥ織物積層品から選択される請求項２３または請求項２４に記載の充電式フローバッテリー。
【請求項26】
前記第２流体は、流体またはガスである、
請求項２３～２５のいずれか１項に記載の充電式フローバッテリー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
背景
大規模のエネルギー貯蔵は、再生可能エネルギー貯蔵技術から利用されるエネルギーを広げられるのに重要な役割を果たす。レドックスフローバッテリー（ＲＦＢ）は、風および太陽などの再生可能エネルギー源によって利用されるエネルギーの大規模貯蔵の期待できる候補であり、独立型の電力システムとして、さらには自動車用途内でも利用され得る。ＲＦＢは、電力をエネルギーから分離できる特有の利点を有し、前者は通常は電池構造（電極領域、作動電圧等）の特性である一方で、後者は利用可能な電解質の体積（および濃度）に依存している。この特性は、ＲＦＢが、その固有の設計柔軟性により、多くの前記用途に役立つことができるようにする。
大規模のエネルギー貯蔵は、再生可能エネルギー貯蔵技術から利用されるエネルギーを広げられるのに重要な役割を果たす。レドックスフローバッテリー（ＲＦＢ）は、風および太陽などの再生可能エネルギー源によって利用されるエネルギーの大規模貯蔵の期待できる候補であり、独立型の電力システムとして、さらには自動車用途内でも利用され得る。ＲＦＢは、電力をエネルギーから分離できる特有の利点を有し、前者は通常は電池構造（電極領域、作動電圧等）の特性である一方で、後者は利用可能な電解質の体積（および濃度）に依存している。この特性は、ＲＦＢが、その固有の設計柔軟性により、多くの前記用途に役立つことができるようにする。
【背景技術】
【0002】
単ＲＦＢ電池は、典型的には、２つの電極から構成され、これらの電極は、炭素ベースおよび／またはフェルト、クロス、紙の形態であり、バッテリーおよび集電体の化学に依存する膜によって分離されている。典型的なＲＦＢスタックは、内部または外部マニホールドを有する両極配置で組み立てられている多くの単電池を有する。両極炭素電極は、多くの場合、１つの電池から次の電池へ電流が流れるように、それぞれの電池の間に配置されている。全集合体が圧縮され、外部のボルト締めされた終板で密封されている。
【0003】
かなりの研究がＲＦＢの分野で実施されている。研究の多くは、異なる部品内のＲＦＢアーキテクチャ、すなわち、電解質、ＲＦＢ調整戦略、電極構造および膜の異なる化学に焦点を合わせている。しかしながら、ＲＦＢは依然として、製造にかかる労力、およびスタックの１つの電池が故障した場合の困難性などのいくつかの不利益を有する。いくつかのＲＦＢ配置で見られる大量輸送損失の減少など、レドックスフローバッテリーの性能的側面を改善できるのが望ましい。
【0004】
したがって、先行技術のＲＦＢの代替物を提供するか、または改善するのが望ましい。
【発明の概要】
【0005】
第１態様では、充電式フローバッテリーが提供される。フローバッテリーは、
第１電極と、第２電極と、対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む第１集電体と、を含み、
第１電極および第２電極はそれらの間にイオンが流れるように離れており、第１流体電解質を含むか、または保持する第１リザーバーが、第１リザーバーから第１電極へ、第１電極から第１リザーバーへ第１流体電解質を循環させるように第１電極に流体接続されており、
第１電極は、電子が電極から第１集電体へ流れることができるように第１集電体の第１側面に配置されており、誘電材料の第１層が第１集電体の第２側面に配置されている。
第１電極と、第２電極と、対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む第１集電体と、を含み、
第１電極および第２電極はそれらの間にイオンが流れるように離れており、第１流体電解質を含むか、または保持する第１リザーバーが、第１リザーバーから第１電極へ、第１電極から第１リザーバーへ第１流体電解質を循環させるように第１電極に流体接続されており、
第１電極は、電子が電極から第１集電体へ流れることができるように第１集電体の第１側面に配置されており、誘電材料の第１層が第１集電体の第２側面に配置されている。
【0006】
第２態様では、充電式フローバッテリーの部品が提供される。部品は、
対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む集電体を含み、第１電極が、電子が電極から集電体へ流れることができるように集電体の第１側面に配置されており、誘電材料層は集電体の第２側面に配置されており、
第１開口部および第２開口部が、流体が誘電材料および集電体を通って第１開口部を介して電極へ、電極に沿ってまたは電極を通って流れ、続いて集電体および誘電材料から第２電極を通って流れるように集電体および誘電材料層を通して設けられている。
対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む集電体を含み、第１電極が、電子が電極から集電体へ流れることができるように集電体の第１側面に配置されており、誘電材料層は集電体の第２側面に配置されており、
第１開口部および第２開口部が、流体が誘電材料および集電体を通って第１開口部を介して電極へ、電極に沿ってまたは電極を通って流れ、続いて集電体および誘電材料から第２電極を通って流れるように集電体および誘電材料層を通して設けられている。
【0007】
第３態様では、充電式フローバッテリーの部品が提供される。部品は、
対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む集電体を含み、第１電極が、電子が電極から集電体へ流れることができるように集電体の第１側面に配置されており、誘電材料層は集電体の第２側面に配置されており、
導電性材料はチタン、モリブデン、真鍮および柔軟な、インターカレートグラファイトから選択され、
誘電材料はＰＣＢ材料を含む。
対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む集電体を含み、第１電極が、電子が電極から集電体へ流れることができるように集電体の第１側面に配置されており、誘電材料層は集電体の第２側面に配置されており、
導電性材料はチタン、モリブデン、真鍮および柔軟な、インターカレートグラファイトから選択され、
誘電材料はＰＣＢ材料を含む。
【0008】
第４態様では、レドックスフローバッテリーにおけるプリント回路基板材料の使用が提供される。充電式フローバッテリーの冷媒（ガスまたは液体のいずれか）マニホールドとしてのプリント回路基板（ＰＣＢ）材料の使用も提供される。
【0009】
本発明者らは、先行技術のいくつかのフローバッテリーと関連する多くの問題を解決するか、または軽減するフローバッテリーを考案した。集電体のいずれかの側面に炭素両極電極を有する多くのフローバッテリーに対して、本明細書に記載のフローバッテリーは、炭素電極の代わりにプリント回路基板材料などの誘電材料を有する。プリント回路基板材料は、強固であるが柔軟な電池アーキテクチャをフローバッテリー電池にもたらし、該材料において開口部およびチャネルを形成して流体がそれらを通って流れるようにするように容易に取り扱うことができる。そのようなプリント回路基板材料は、伝統的なボルトでの圧縮の必要性をなくすレドックスフローバッテリーの製造にも使用でき、かなり薄い（電極から電極まで）ものであり得る一方で、伝統的なレドックスフローバッテリーと同様であるか、またはそれより向上した性能を示す。後述するように、本明細書に記載のレドックスフローバッテリーの実施態様は、特定の事項、例えば分路電流の回避および高い耐故障性において向上した性能を有し得る。また、スタックは、ボルトの除去および全スタックの無効（電池が一緒にボルト締めされているシステムに関する状況であり得る）の必要なしで各電池が容易に取り外し可能であるように設計し得る。プリント回路基板材料などの誘電材料の使用は、レドックスフローシステムに使用される腐食性流体のいくつかと共に使用するのに不適切と考えられ得ることから、いくつかの点で直感に反し得る。しかしながら、腐食性流体を使用する場合、本発明者らは、プリント回路基板材料の分解の傾向を避けるか、または限定するレドックスフローバッテリーを考案した。プリント回路基板材料などの誘電材料は、レドックスフローバッテリーの他の部品、例えば膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）と集電体との間のスペーサとして使用され得る。さらに、それらが、ボルトを含む伝統的な設計を必要とせずに電池を形成できるようにするのに適した強度および他の特徴を有することが見出された。後述するように、レドックスフローバッテリーは、液体アナライトおよびガス状のアナライトの両方に使用され得る。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】図１Ａは、レドックスフローバッテリーの部品１０１を概略的に示す分解組立図である。図１Ｂは、電極の膜に面している側の上から見た図１Ａの電極を通る流体の流れを示す図である。図１Ｃは、図１Ａの流体Ｆの流れと平行な断面を通る際の図１Ａの部品を概略的に示す断面図である。図１Ｃは、図２Ａおよび図２Ｂの流体Ｆの流れと平行な断面を通る際の、使用中の図２Ａおよび図２Ｂの一実施態様の断面図も示し得る。図１Ｄは、図１Ａの流体Ｆの流れと平行な断面を通る際の図１Ａの部品の変形例は概略断面図であるである。この図において、更なるチャネルが、スタック内の隣接した電池へ、または該電池から流体を輸送するように電極のいずれかの側に形成されている。
【図2】図２Ａは、集電体１０４および誘電材料層１０５の更なる実施態様の分解組立図である。図２Ｂは、集電体１０４の上側からの、図２Ａの一実施態様の開口部１０９および開口部１１０を通る流体Ｆの流れを示す図である。
【図3】膜（イオン選択膜または分子篩膜であり得る）１０３によって分離されている第１電極（１０２）と第２電極（１０２’）とを有する充電式フローバッテリーを概略的に示す断面図である。
【図4】実施例１のＲＦＢおよび参照Ｓｃｒｉｂｎｅｒ ＲＦＢの分極および出力曲線を示す図である。
【図5】実施例１のＰＣＢ ＲＦＢの様々な効率（クーロン効率、ＣＥ；電圧効率、ＶＥ；エネルギー効率、ＥＥ）を示す図である。
【図6】伝統的な参照ＲＦＢ（より詳細は後述する実施例に記載）の様々な効率（クーロン効率、ＣＥ；電圧効率、ＶＥ；エネルギー効率、ＥＥ）を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
態様の任意および好ましい特徴を以下に説明する。いずれの任意または好ましい特徴も、いずれの態様またはいずれの他の任意もしくは好ましい特徴と組み合わせられ得る。
【0012】
誘電材料
ＲＦＢまたはそれらの部品は、対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む集電体を含み得、第１電極が、電子が電極から集電体へ流れることができるように集電体の第１側面に配置されており、誘電材料層は集電体の第２側面に配置されている。
ＲＦＢまたはそれらの部品は、対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む集電体を含み得、第１電極が、電子が電極から集電体へ流れることができるように集電体の第１側面に配置されており、誘電材料層は集電体の第２側面に配置されている。
【0013】
誘電材料層は、好ましくはポリマーの層である。誘電材料は、好ましくは誘電率が２～６であり、一部の例では２～５である。誘電率は、５００ＭＨＺまたは１ＧＨｚで測定され得る。ＦＲ－４は、例えば、５００ＭＨｚで測定した際には誘電率が約４．３５であり、１ＧＨｚで測定した際には４．３４である。
【0014】
誘電材料層は、プリント回路基板材料であり得、プリント回路基板での使用に適した、任意選択的には使用を許された、非導電性基板であると考えられ得る。そのような材料が、強度、誘電特性および操作の容易などの点で、本明細書に記載のレドックスフローバッテリーでの使用に適した特性のバランスを有することが見出された。プリント回路基板材料は、一方の側（使用するときには、集電体に背を向ける側）に金属層を有する繊維強化ポリマー層またはポリマーの層（繊維強化を欠き得る）と定義され得る。好ましくは、誘電材料層は繊維強化ポリマー層を含む。誘電材料層は、ＦＲ－１、ＦＲ－２、ＦＲ－３、ＦＲ－４、ＦＲ－５、ＦＲ－６、ＣＥＭ－１、ＣＥＭ－２、ＣＥＭ－３、ＣＥＭ－４、ＣＥＭ－５、ポリテトラフッ素エチレン、Ｇ－１０、ガラス繊維／ＰＴＦＥ織物積層品から選択され得る。プリント回路基板の分野において、プリント回路基板標準化されたコード（例えばＦＲ－１またはＣＥＭ－３）が非導電性基板の特定のタイプに使用される。ＦＲは、特定の標準試験（例えばＵＬ９４）で測定される「耐火性」、すなわち特定の温度に対する耐火性を示し、続く数字コードは、材料の性質を示す。ＣＥＭは、複合体エポキシ材料を示し、続く数字コードは、材料の性質を示す。これらの材料のいくつかの定義を以下に記載する。
【0015】
ＦＲ－２（難燃性２）はフェノール紙またはフェノールコットン紙、フェノールホルムアルデヒド樹脂で含浸した紙と定義され得る。
【0016】
ＦＲ－４（難燃性４）はエポキシ樹脂で含浸したガラス繊維織布と定義され得る。それは典型的には１３０℃まで評価される。
【0017】
ＦＲ－３（難燃性３）はエポキシ樹脂で含浸したコットン紙と定義され得る。それは典型的には１０５℃まで評価される。
【0018】
ＦＲ－５（難燃性５）はガラス繊維織物およびエポキシと定義され得、典型的には１７０℃まで特定される。
【0019】
ＦＲ－６（難燃性６）はポリエステル樹脂で含浸した艶消しガラス繊維と定義され得る。
【0020】
ＣＥＭ－１はエポキシ樹脂で含浸したコットン紙と定義され得る。
【0021】
ＣＥＭ－２はエポキシ樹脂で含浸したコットン紙と定義され得る。
【0022】
ＣＥＭ－３はエポキシ樹脂で含浸した不織ガラスと定義され得る。
【0023】
ＣＥＭ－４はエポキシ樹脂で含浸したガラス織物と定義され得る。
【0024】
ＣＥＭ－５はポリエステル樹脂で含浸したガラス織物と定義され得る。
【0025】
Ｇ－１０はエポキシ樹脂で含浸したガラス織物と定義され得る。それは典型的には１３０℃まで評価される。それは高い絶縁抵抗、低い吸湿性、非常に高い結合強度を有する。
【0026】
Ｇ－１１はエポキシ樹脂で含浸したガラス織物と定義され得る。それは典型的には１７０℃まで評価される。それは溶媒に対する高い抵抗性、高温での高い曲げ強度保持率を有する。
【0027】
誘電材料層は、少なくとも２０μｍ厚さ、任意選択的に少なくとも３０μｍ厚、任意選択的に３０μｍ～２ｍｍ厚、好ましくは５０μｍ～１ｍｍ厚、より好ましくは０．１ｍｍ～０．８ｍｍ厚、最も好ましくは約０．４ｍｍ厚であり得る。
導電性材料層を含む集電体
導電性材料層を含む集電体
【0028】
導電性材料層は金属層または導電性非ポリマー材料層（炭素が挙げられるが、これに限定されない）および導電性ポリマーであり得る。金属層は元素金属または合金を含み得る。
【0029】
金属層は銅を含み得る。しかしながら、一部のアナライトでは、銅が容易に腐食させすぎることが見出された。一実施態様では、使用するときに電極と接触する導電性材料の表面は、不動態化され得、すなわち銅上により耐食性のコーティングを設け、さらに合理的な導電率をもたらす。任意選択的に、導電性材料の表面は、導電性粒子を含むインクまたは塗料で被覆され得、例えば粒子は、炭素（例えばグラファイト）粒子、導電性亜酸化チタン（例えばＴｉ４Ｏ７）、Ｔｉ０．９Ｎｂ０．１Ｏ２、ドープした酸化スズ（導電率を改善するためにアンチモン、フッ素、またはインジウムでドープしたもの）、または導電性ポリマー粒子から構成されるインクから選択される。適したポリマーの例としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）が挙げられる。任意選択的に、導電性ポリマーが、使用するとき電極と接触する導電性材料の表面上に電着されており、そのような導電性ポリマーはポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンおよびポリ（３，４－エチレンジオキシチオフェン）（ＰＥＤＯＴ）から選択され得る。任意選択的に、有機基が導電性材料の表面に結合し、使用するときには、電極と接触する。有機基は、シリル－塩化物と疎水性主鎖との反応、シリルアルコキシドと疎水性主鎖との反応、またはペルフルオロ化したアルコキシシランと表面との反応によって形成され得る。
【0030】
銅は導電性が高い一方で、不動態化した際に、流体が非常に腐食性であり得ることから、ＲＦＢでの長期間の使用に適さないものであり得る。
【0031】
任意選択的に、導電性材料層は、チタン、モリブデン、真鍮および炭素から選択される。炭素は、柔軟なインターカレートグラファイトを含み、例えばＧｒａｆｏｉｌとして市販されている。これらの特定の材料が、適した導電率をもたらし、誘電層として十分に接着し得、高い耐腐食性を有し、それ故に、腐食性アナライトを有するＲＦＢでの使用に特に適していることが見出された。
【0032】
一実施態様では、使用するときに電極に面する導電性材料の表面は、窒化チタン、炭素、銅、モリブデンまたは真鍮から選択されるコーティングを有し得る。これらのコーティングは、適したインクを用いるスクリーン印刷、物理蒸着または化学的な蒸着によって塗布され得る。
【0033】
導電性材料層は少なくとも２０μｍ厚さ、任意選択的に少なくとも３０μｍ厚さ、任意選択的に３０μｍ～２ｍｍ厚、好ましくは５０μｍ～１．５ｍｍ厚、より好ましくは０．４ｍｍ～１ｍｍ厚、より好ましくは０．５～１ｍｍ厚、最も好ましくは約０．７５ｍｍ厚であり得る。
【0034】
一実施態様では、第１開口部および第２開口部が、流体が、誘電材料および集電体を通って第１開口部を介して第１電極へ、電極に沿ってまたは電極を通って流れ、続いて集電体および誘電材料から第１電極を通って流れるように、第１集電体および第１集電体の第２側面に配置された誘電材料層を通して設けられている。第１開口部および第２開口部は、第１電極に隣接する（例えば下にある）ように、第１集電体および誘電材料層に位置し得、流体が、第１開口部から、第１電極の外へまたは第１電極から、第２開口部から、第１電極に直接または通り過ぎるように流れるようにする。一実施態様では複数の第１開口部が設けられているか、かつ／または複数の第２開口部が設けられている。開口部はいずれの形状であってもよい。一実施態様では、開口部は円形であるか、または左右対称の形状、例えばあるか、または左右対称の形状、例えばｎ面形状（ｎは少なくとも３、例えば３～１０）を有する。任意選択的に、開口部は細長く、集電体または誘電材料層の表面上から見た際に、例えば長方形である。使用するとき、第１集電体および誘電材料層は、それらの平面が垂直であるように配向され得、開口部は、第２開口部が第１開口部より低く、流体が、第１電極を通り過ぎて、または第１電極を通って下へ流れるように配置される。第２開口部は、流体が第１電極を通り過ぎて、または第１電極を通って垂直に流れるように、第１開口部の下に直接あり得る。別の実施態様では、第１開口部と第２開口部との間の傾きで流れるように、第２開口部は第１開口部より低くてもよいが、それの下に直接ではない。
【0035】
任意選択的に、保護部材、例えば保護環状部材が、第１開口部および／または第２開口部を定める誘電材料の縁の周りに延びて、第１流体電解質と誘電材料との接触を防ぐ。これは、腐食性流体と共に使用する際に、プリント回路基板材料を誘電層として含むＲＦＢの寿命を引き延ばすのに特に効果的であることが見出された。ＰＣＢ材料は、レドックスフローバッテリーに使用される流体の多くとの接触で分解し得る。保護環状部材は、酸性物質からの腐食に耐性がある材料を含み得る。好ましくは、保護環状材料は弾性材料、例えばゴム材料（合成ゴムまたは天然ゴムであり得る）である。保護環状部材が、誘電材料とそのいずれかの側の材料層との間で開口部が圧縮される際に誘電材料の開口部周囲に効果的なシール形成することが見出された。保護部材は、ブタジエンゴム（ＢＲ）、ブチルゴム（ＩＩＲ）、クロロスルホン化ポリエチレン（ＣＳＭ）、エピクロロヒドリンゴム（ＥＣＨ、ＥＣＯ）、エチレンプロピレンジエンモノマー（ＥＰＤＭ）、エチレンプロピレンゴム（ＥＰＲ）、フッ素エラストマー（ＦＫＭ）、ニトリルゴム（ＮＢＲ、ＨＮＢＲまたはＨＳＮ）、ペルフルオロエラストマー（ＦＦＫＭ）、ポリアクリレートゴム（ＡＣＭ）、ポリクロロプレン（ネオプレン）（ＣＲ）、ポリイソプレン（ＩＲ）、ポリスルフィドゴム（ＰＳＲ）、ポリテトラフッ素エチレン（ＰＴＦＥ）、ｓａｎｉｆｌｕｏｒ、シリコーンゴム（ＳｉＲ）、熱可塑性エラストマー（ＴＰＥ）スチレン、熱可塑性ポリオレフィン（ＴＰＯ）（例えばＬＤＰＥ、ＨＤＰＥ、ＬＬＤＰＥ、ＵＬＤＰＥから選択される）、熱可塑性ポリウレタン（ＴＰＵ）、熱可塑性エーテルエステルエラストマー（ＴＥＥＥ）コポリエステル、熱可塑性ポリアミド（ＰＥＢＡ）、溶融加工ゴム（ＭＰＲ）、および熱可塑性加硫物（ＴＰＶ）から選択される材料を含み得る。
【0036】
保護部材は、誘電材料の第１開口部または第２開口部の縁をたどるように成形される。開口部は円形または丸みを帯びており、円形のＯリングが使用され得る。一実施態様では、保護環状部材はＯリング、ＸリングおよびＤリングから選択される。ＸリングおよびＤリングは、Ｏリングが円形の断面を有する一方で、ＸリングおよびＤリングが「Ｘ」形状または「Ｄ」形状を示す断面を有すること以外はＯリングと類似している。それらは、流体が誘電材料と接触せずに、流体が誘電層の開口部を通って、隣接している層に流れるようにする層間のシールの形成に使用できる。
【0037】
一実施態様では、誘電材料層は集電体の第２側面に配置されている。誘電材料層は集電体に接着し得る。誘電材料層は、接着剤層によって集電体に接着し得る。接着剤層は、誘電材料層の材料と集電体の材料との間に結合を形成するのに適した接着剤を含む。接着剤は、エポキシ樹脂またはポリイミドポリマーなどの硬化性、例えば熱硬化性、ポリマーを含み得る。一実施態様では、接着剤層は、硬化したプリプレグ層を含む。プリプレグ層は、熱硬化性樹脂などの硬化性樹脂で予め含浸した繊維層であり、硬化すると、集電体および誘電材料に接着できる固体ポリマーを形成する。プリプレグ層は、例えば、エポキシポリマー、ポリイミドポリマーまたは他の適したポリマーなどの硬化性、例えば熱硬化性ポリマーで含浸した織り繊維層または不織繊維層を含む。プリプレグの繊維層の繊維はガラス繊維または別の繊維強化物を含み得る。
【0038】
スペーサ
一実施態様では、スペーサは、膜と集電体との間に、電極と同じ平面に位置する。スペーサは、電極に隣接して、一実施態様では、電極周辺に位置し得る。一実施態様では、スペーサは、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）と集電体との間に配置される誘電材料を含み、スペーサが誘電材料層を含む場合、スペーサは第２誘電材料層と称され得る。例えば誘電材料を含み得るスペーサは、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）と集電体との間に、電極周辺に配置され得る。一実施態様では、スペーサは、電極を収容する開口部を有する層、例えば誘電材料層を含む。スペーサの誘電材料は、集電体の第２側面の誘電材料層に使用されるいずれのプリント回路基板材料と同じであっても、異なっていてもよいプリント回路基板材料であり得る。スペーサの誘電材料は、集電体の第２側面の誘電材料層について上記で定義されたものであり得る。スペーサの誘電材料は、ＦＲ－１、ＦＲ－２、ＦＲ－３、ＦＲ－４、ＦＲ－５、ＦＲ－６、ＣＥＭ－１、ＣＥＭ－２、ＣＥＭ－３、ＣＥＭ－４、ＣＥＭ－５、ポリテトラフッ素エチレン、Ｇ－１０、ガラス繊維／ＰＴＦＥ織物積層品から選択され得る。
一実施態様では、スペーサは、膜と集電体との間に、電極と同じ平面に位置する。スペーサは、電極に隣接して、一実施態様では、電極周辺に位置し得る。一実施態様では、スペーサは、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）と集電体との間に配置される誘電材料を含み、スペーサが誘電材料層を含む場合、スペーサは第２誘電材料層と称され得る。例えば誘電材料を含み得るスペーサは、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）と集電体との間に、電極周辺に配置され得る。一実施態様では、スペーサは、電極を収容する開口部を有する層、例えば誘電材料層を含む。スペーサの誘電材料は、集電体の第２側面の誘電材料層に使用されるいずれのプリント回路基板材料と同じであっても、異なっていてもよいプリント回路基板材料であり得る。スペーサの誘電材料は、集電体の第２側面の誘電材料層について上記で定義されたものであり得る。スペーサの誘電材料は、ＦＲ－１、ＦＲ－２、ＦＲ－３、ＦＲ－４、ＦＲ－５、ＦＲ－６、ＣＥＭ－１、ＣＥＭ－２、ＣＥＭ－３、ＣＥＭ－４、ＣＥＭ－５、ポリテトラフッ素エチレン、Ｇ－１０、ガラス繊維／ＰＴＦＥ織物積層品から選択され得る。
【0039】
一実施態様では、スペーサが、電極を収容する開口部を有する誘電材料層を含む場合、保護環状部材が電極に最も近い誘電材料の縁の周りに（開口部を定める）延び得、第１流体電解質とスペーサの誘電材料との接触を防ぎ、スペーサのための保護環状部材は、第１開口部および第２開口部について上記で定義した通りのものであり得、第１開口部および第２開口部のための保護環状部材と同じまたは異なる材料から形成され得る。スペーサの開口部のための保護環状部材は、弾性材料、例えばゴム材料（合成ボムまたは天然ゴムであり得る）を含み得るか、かつ／またはＯリング、ＸリングまたはＤリングの形状であり得る
【0040】
スペーサは、一方の側にて、集電体に接着し得るか、かつ／または、任意選択的に他の側にて、存在する場合、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）に接着し得る。スペーサは集電体および／または膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）に接着剤層によって接着し得る。接着剤層は、スペーサの材料（誘電材料であり得る）および／または集電体の材料または膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）の材料との間に結合を形成するのに適した接着剤を含む。接着剤は、エポキシ樹脂またはポリイミドポリマーなどの硬化性、例えば熱硬化性のポリマーを含み得る。一実施態様では、接着剤層は硬化したプリプレグ層を含む。プリプレグ層は、硬化すると集電体および誘電材料に接着できる固体ポリマーを形成する熱硬化性樹脂などの硬化性樹脂で予め含浸した繊維層である。プリプレグ層は、例えば、エポキシポリマー、ポリイミドポリマーまたは他の適したポリマーなどの硬化性、例えば熱硬化性のポリマーで含浸した織り繊維層または不織繊維層を含み得る。プリプレグの繊維層の繊維はガラス繊維または別の繊維強化物を含み得る。
【0041】
第１電極および第２電極
第１電極および／または第２電極は、それぞれ、流体が孔を通って流れる、孔を有する多孔質電極であり得る。そのような電極は３Ｄ電極または「フロースルー」電極と称され得る。そのような電極は液体形態の流体に特に適している。第１電極および／または第２電極は、フェルト、布、またはフォームの形状であり得る。好ましくは、電極は炭素を含み、グラファイトフェルト電極、グラフェン、カーボンフェルト電極およびカーボンフォーム電極から選択され得る。
第１電極および／または第２電極は、それぞれ、流体が孔を通って流れる、孔を有する多孔質電極であり得る。そのような電極は３Ｄ電極または「フロースルー」電極と称され得る。そのような電極は液体形態の流体に特に適している。第１電極および／または第２電極は、フェルト、布、またはフォームの形状であり得る。好ましくは、電極は炭素を含み、グラファイトフェルト電極、グラフェン、カーボンフェルト電極およびカーボンフォーム電極から選択され得る。
【0042】
第１電極および／または第２電極は、第１流体が流れ過ぎ得る平坦電極であり得る。そのような電極は「フローバイ」電極と称され得る。そのような電極は、ガス形態であるか、またはレドックスフローバッテリーの使用中にガス状の反応物の形成を伴う流体に特に適している。電極は、例えば、紙、例えばカーボン紙の形態であり得る。
【0043】
第１電極および第２電極は、イオンがそれらの間を流れるように離れている。それらは、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）によって隔たれ得る。イオン選択膜または分子篩膜は、ポリマー電解質膜、イオン伝導性膜またはプロトン交換膜（ＰＥＭ）とも称され得る。膜は、フッ素化した、例えばペルフルオロ化した炭化水素、または酸性側基を有する非フッ素化ポリマーから選択される材料を含み得る。フッ素化した、例えばペルフルオロ化した炭化水素は、フッ素化したまたはペルフルオロ化ポリマーであり得、該ポリマーは１つ以上のペンダント官能基を有し得る（カルボキシレート基またはスルホネート基を含むがこれらに限定されない酸性官能基であり得る）。一実施態様では、膜はスルホン化テトラフッ素エチレンポリマーまたはコポリマーであり得、テトラフッ素エチレンのコポリマーおよびフッ素化（任意選択的にペルフルオロ化）スルホン酸含有モノマー、例えばＣＦ２＝ＣＦ－Ｏ－Ｒ－ＳＯ２Ｈ（Ｒは、リンカー基、任意選択的に、-ＯＣＦ２－Ｃ（ＣＦ３）Ｆ－Ｏ－ＣＦ２－ＣＦ２－などの、エーテル結合を含み得るペルフルオロ化リンカー基）が挙げられるが、これらに限定されない。スルホネート基を有するペルフルオロ化ポリマーは、例えばＳｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから入手できる商標名Ｎａｆｉｏｎで市販されている。
【0044】
膜は、非フッ素化ポリマー、例えば、好ましくは酸性側基、例えばスルホン酸側基を有する、ポリフェニレン、ポリスチレン、ビフェニルスルホン、ポリエーテルケトン、ポリエーテルスルホンから選択されるポリマーを含み得る。
【0045】
分子篩膜は、膜を通して選択的に伝達すべきイオンに基づいて選択され得る。したがって、膜を介した特定のイオンの選択的な伝達に適した孔径を有する分子篩が選択され得る。分子篩としては、シリカ－アルミナ材料、例えばゼオライト（天然または合成のものであり得る）、シリカゲル、ホウケイ酸ガラス、アルキル化され得る架橋した多糖（デキストランゲルなど）、アガロースゲル、セルロースゲル、寒天ゲル、架橋ポリアクリルアミドおよびアクリレート基によって架橋したポリエチレン酸化物が挙げられるが、これらに限定されない。
【0046】
第１電極および第２電極は、典型的には、外部回路を介して（すなわち、膜を介してではなく、または、膜なしＲＦＢにおいては電極間の層流を介して）、一方から他方へ電子が流れるように電気的に接続される。第１電極および第２電極は、それらが隣接している集電体を介して電気的に接続され得、集電体のそれぞれは、誘電材料層を越えて横方向に延びる電気的な接続を有する。
【0047】
別の実施態様では、レドックスフローバッテリーは膜なしレドックス－フローバッテリーである。膜なしレドックス－フローバッテリーでは、層流が第１電極と第２電極との間に採用され得、例えば、平坦電極であり得る第１電極と第２電極との間に、同じ方向に第１流体および第２流体が流れる。膜なしレドックスフローバッテリーは、例えば、ＨＢｒレドックスフローバッテリー（例えば第１流体がＢｒ２を含み、第２流体がＨＢｒを含み、これらの両方が、ＲＦＢの放電中に第１電極と第２電極との間に流れる）に使用できる。
【0048】
第２電極の配置
フローバッテリーは、第２流体電解質を含むか、または保持する第２リザーバーを含み得、第２リザーバーは、第２リザーバーから第２電極へ、第２電極から第２リザーバーへ第２流体電解質を循環させるように第２電極に流体接続される。フローバッテリーは、対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む第２集電体をさらに含み得、電子が電極から第２集電体へ流れることができるように、第２電極が第２集電体の第１側面に配置されており、誘電材料層が第２集電体の第２側面に配置されている。
フローバッテリーは、第２流体電解質を含むか、または保持する第２リザーバーを含み得、第２リザーバーは、第２リザーバーから第２電極へ、第２電極から第２リザーバーへ第２流体電解質を循環させるように第２電極に流体接続される。フローバッテリーは、対向する第１側面および第２側面を有する導電性材料の層を含む第２集電体をさらに含み得、電子が電極から第２集電体へ流れることができるように、第２電極が第２集電体の第１側面に配置されており、誘電材料層が第２集電体の第２側面に配置されている。
【0049】
第２集電体の第２側面に配置された誘電材料層は第１集電体の第２側面上の誘電材料層と同じであっても異なっていてもよい。第２集電体の第２側面に配置された誘電材料はプリント回路基板（ＰＣＢ）材料であり得る。第２集電体の第２側面に配置された誘電材料はＦＲ－１、ＦＲ－２、ＦＲ－３、ＦＲ－４、ＦＲ－５、ＦＲ－６、ＣＥＭ－１、ＣＥＭ－２、ＣＥＭ－３、ＣＥＭ－４、ＣＥＭ－５、ポリテトラフッ素エチレン、Ｇ－１０、Ｇ－１１、アルミナ、ポリイミド、ガラス繊維／ＰＴＦＥ織物積層品から選択され得る。
【0050】
第２集電体は、第１集電体と同じであっても異なっていてもよく、第１集電体について上記で定義した通りのものであり得る。
【0051】
一実施態様では、第１開口部および第２開口部が、流体が誘電材料および集電体を通って第１開口部を介して第２電極へ、電極に沿ってまたは電極を通って流れ、その後、集電体および誘電材料から第２電極を通って流れるように、第２集電体および第２集電体の第２側面に配置された誘電材料層を通して設けられている。第１開口部および第２開口部は、流体が第１開口部から第２電極に直接または通り過ぎるように流れ、かつ第２開口部から、第２電極から外へ、または第２電極から流れるように、それらが第２電極に隣接する（例えば下にある）ように第２集電体および誘電材料層に位置し得る。一実施態様では、第２集電体および隣接した誘電材料層に、複数の第１開口部が設けられているか、かつ／または複数の第２開口部が設けられている。開口部はいずれの形状であってもよい。一実施態様では、開口部は円形であるか、または左右対称の形状、例えばｎ面形状（ｎは少なくとも３、例えば３～１０）を有する。任意選択的に、開口部は、上記集電体または誘電材料層の表面から見た場合に伸張しており、例えば長方形である。使用するとき、第２集電体および誘電材料層は、それらの平面が垂直であるように配向され得、流体が、第１電極を通り過ぎて、または第１電極を通って下へ流れるように、第２開口部が第１開口部より低くなるように開口部が配置される。第２開口部は、流体が第１電極を通り過ぎて、または第１電極を通って垂直に流れるように、第１開口部の下に直接あり得る。別の実施態様では、第１開口部と第２開口部との間の傾きで流れるように、第２開口部は第１開口部より低くてもよいが、それの下に直接ではない。
【0052】
任意選択的に、保護部材、例えば保護環状部材が、第２流体電解質と誘電材料との接触を防ぐように、第２集電体の第２側面に配置された誘電材料層における第１開口部および／または第２開口部を定める誘電材料の縁の周りに延びている。第２集電体の第２側面上の誘電材料の開口部のための保護環状部材は、第１集電体の第２側面上の誘電材料の開口部のための保護環状部材について上記で定義した通りのものであり得、例えば合成または天然ゴム、および／またはＯリング、ＸリングまたはＤリングの形状であり得る。
【0053】
受け板
任意選択的に、受け板は、第１電極および／または第２電極を伴う集電体の反対側の誘電材料の第１層に位置し得る。受け板は、金属、セラミックおよび／またはプラスチックなどの、誘電材料に構造安定性をもたらすことができるいずれの適した材料であり得る。
任意選択的に、受け板は、第１電極および／または第２電極を伴う集電体の反対側の誘電材料の第１層に位置し得る。受け板は、金属、セラミックおよび／またはプラスチックなどの、誘電材料に構造安定性をもたらすことができるいずれの適した材料であり得る。
【0054】
レドックスフローバッテリーの化学。
本明細書に記載のフローバッテリーは、いずれの対でも使用され得る。対は、本明細書に記載の第１流体および第２流体の含量を決定し、対の２分の１が第１流体に存在し、対の残りの半分が第２流体に存在する。第１流体および／または第２流体は液体であり得る。第１流体および／または第２流体はガスであり得る。一実施態様では第１流体は腐食性流体、例えば酸性水溶液などの酸性流体、または腐食性であるＨＢｒなどの、種を含むガス状の流体である。
本明細書に記載のフローバッテリーは、いずれの対でも使用され得る。対は、本明細書に記載の第１流体および第２流体の含量を決定し、対の２分の１が第１流体に存在し、対の残りの半分が第２流体に存在する。第１流体および／または第２流体は液体であり得る。第１流体および／または第２流体はガスであり得る。一実施態様では第１流体は腐食性流体、例えば酸性水溶液などの酸性流体、または腐食性であるＨＢｒなどの、種を含むガス状の流体である。
【0055】
一実施態様では、レドックスフローバッテリーは、全バナジウムの対、水素－バナジウムの対、水素－リチウム臭素酸塩の対、水素－リチウム塩素酸塩の対、臭素－水素の対、鉄－スズの対、鉄－クロムの対、臭素－ポリスルフィドの対、亜鉛－臭素の対、鉛－酸（メタンスルホネート）の対、亜鉛－セリウムの対、水素－ポリ酸の対、または鉛－酸の対を含むか、またはレドックスフローバッテリーはリチウムイオンフローバッテリー、イオン流体フローバッテリー、および溶融塩フローバッテリーである。
【0056】
全バナジウムの対は、硫酸バナジウムベースの対またはバナジウム臭化物ベースの対（すなわち、スルフェートまたは臭化物が対イオンを第１流体および第２流体のバナジウムイオンに提供する）であり得る。全バナジウムの対において、対の２分の１がＶ（ＩＩ）およびＶ（ＩＩＩ）を含み、対の残りの半分がＶ（ＩＶ）およびＶ（Ｖ）を含む。
【0057】
一実施態様では、第１流体は液状であり、第２流体はガス状である。例えば、バナジウム－水素の対が使用され得、例えば第１流体がバナジウムイオン含有液であり、第２流体がガス、すなわち水素および酸素を含む。水素－バナジウムの対の反応は下記のように例示し得る：
【数1】
【数2】
【数3】
【数4】
【数5】
【数6】
【0058】
一実施態様では、第１流体電解質を含むか、または保持する第１リザーバーが、第１リザーバーから第１電極へ、第１電極から第１リザーバーへ第１流体電解質を循環させるように第１電極に流体接続されている。更なる実施態様では、第２流体電解質を含むか、または保持する第２リザーバーは、第２リザーバーから第２電極へ、第２電極から第２リザーバーへ第２流体電解質を循環させるように第２電極に流体接続されている。ここで述べている第１リザーバーおよび／または第２リザーバーは、第１流体および／または第２流体を貯蔵するのに適したいずれのレセプタクルであり得る。第１リザーバーおよび／または第２リザーバーは、例えば第１流体および／または第２流体が液体である場合に液体を保持するタンクを含み得る。第１リザーバーおよび／または第２リザーバーは、例えば第１流体および／または第２流体がガスである場合にガスを保持するガス吸収装置を含み得る。第１リザーバーおよび／または第２リザーバーは、第１電極および／または第２電極に、第１流体および／または第２流体を輸送するパイプなどの電線管によって、流体接続され得る。電線管、例えばパイプは、第１集電体または第２集電体の第２側面上の誘電材料層における第１開口部および第２開口部と接続する、例えばこれら開口部に挿入する。ポンプが、第１リザーバーおよび／または第２リザーバーから第１電極および／または第２電極へ第１流体および／または第２流体の流れを誘導するように設けられ得る。第１流体および／または第２流体がガスである場合、拡張機および／または圧縮機が、第１リザーバーおよび／または第２リザーバーへの、またはこれらからの循環流に、例えばガスを圧縮するガス吸収装置のいずれかの側に設けられ得る。
【0059】
一実施態様では、フローバッテリーは、第１電極および／または第２電極のいずれかに流体接続されている再生器を含み、再生器は、電極にて酸化するか、または還元する種を再生するように作用する。例えば、フローバッテリーは、第１電極へ流れる第１流体電解質が、電解質中の種が酸化するように反応し、その後、流体が、酸化した種を還元して、それらを、再び酸化できる第１流体電極へ戻すように循環させる再生器へ流れるように、再生器を含み得る。一実施態様では、再生器は、第１流体電解質または第２流体電解質を水素に曝して電解質中の種を還元することを伴い得る。一実施態様では、再生器は、第１流体電解質または第２流体電解質を酸素または酸化剤に曝して電解質中の種を酸化させることを伴い得る。第１電極または第２電極から第１流体リザーバーまたは第２流体リザーバー（必要に応じて）への回路において、再生器は、第１電極または第２電極と、第１流体リザーバーまたは第２流体リザーバーとの間に、または第１流体リザーバーまたは第２流体リザーバーに位置し得る。
【0060】
フローバッテリーは、第１流体および第２流体の両方が、電池の使用中に酸化されるか、かつ／または還元され、流体中に残存するイオンを含むようなものであり得る。そのようなフローバッテリーは、「古典的なフローバッテリー化学」であると考えられ得る。代替的に、フローバッテリーは、電池の使用中に、例えば充電または放電中に、第１流体および／または第２流体の種の１つが電極上へ沈殿する「ハイブリッド」フローバッテリー化学を有し得る。
【0061】
一実施態様では、レドックスフローバッテリーは、複数の電池を含み、それぞれの電池は、先行請求項のいずれか１つに定義されている第１電極および第２電極を、例えば本明細書に記載のすべての他の関連した部品と共に、例えば第１集電体および／または第２集電体、膜、および第１リザーバーおよび／または第２リザーバーと共に含む。任意選択的に、スタック内の電池の第１集電体はスタック内の隣接する電池の第２集電体電気的に接続されている。任意選択的に、１つ以上のチャネルが、第１流体が、１つの電池（第１電池と称される）を通して他の電池（第２電池と称される）の第１電極へ流れ、任意選択的に第１電池に戻るように、および／または第２流体が１つの電池（第２電池と称される）を通して他の電池（第１電池と称される）の第２電極へ流れ、任意選択的に第２電池に戻るように、電極を通してではなく各電池の層を通して存在する。任意選択的に、第１開口部および第２開口部が、流体が、誘電材料および集電体を通って第１開口部を介して第１電極へ、電極に沿ってまたは電極を通って流れ、続いて集電体および誘電材料から第１電極を通って流れるように、第１集電体および第１集電体の第２側面に配置された誘電材料層を通して設けられているか、かつ／または第１開口部および第２開口部が、流体が、誘電材料および集電体を通って第１開口部を介して第１電極へ、電極に沿ってまたは電極を通って流れるように、その後、集電体および誘電材料から第２電極を通して流れるように、第２集電体および第２集電体の第２側面に配置された誘電材料層を通して設けられており、１つの電池（第１電池）から他の電池（第２電池）の第１電極へ第１流体を輸送するチャネルが第１電池の第１開口部および第２開口部に流体接続されている。
【0062】
レドックスフローバッテリーおよびそれらの部品の実施態様を、非限定的な図面を参照して以下に説明する。
【0063】
図１Ａは、レドックスフローバッテリーの部品１０１の分解組立図を概略的に示す。本図中、第１電極１０２、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）１０３、対向する第１側面（１０４Ａ）および第２側面（１０４Ｂ）を有する、導電性材料層を含む第１集電体１０４が示されており、第１電極１０２が第１集電体１０４の第１側面１０４に配置されており、誘電材料の第１層１０５は第１集電体の第２側面１０４Ｂに配置されている。誘電材料の形態のスペーサ１０６が、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）１０３と集電体１０４との間に配置されている。スペーサ１０６の誘電材料が電極の周りを囲み、図中では、開口部１０６がスペーサ１０６に存在し、電極１０２を収容するのが見られる。「Ｏ」リングの形状の保護環状部材１０７が存在し、使用するとき、電極に最も近い誘電材料の縁（すなわち電極を受け入れる開口部を定める縁）の周りに延び、使用するとき、第１流体電解質と誘電材料との接触を防ぐ。
【0064】
第１開口部（１０９）および第２（１１０）開口部が、流体が誘電材料および集電体を通って第１開口部を介して電極へ、電極に沿ってまたは電極を通って流れ、続いて集電体および誘電材料から第２電極を通って流れるように、集電体１０４および誘電材料層１０５を通して設けられている。「Ｏ」リングの形状の保護環状部材１０７が存在し、使用するときそれぞれが、誘電材料における開口部１０９または開口部１１０を定める誘電材料の縁の周りに延び、第１流体電解質と誘電材料との接触を防ぐ。流体の流れ（図中、Ｆで示される）が、点線の矢印によって概略的に示されている。
【0065】
本実施態様では、電極１０２は、炭素繊維から形成される３Ｄ多孔質電極である。第１流体が電極を流れて、アナライトまたは陰極液を異なる酸化状態の間で変換する。他の実施態様では、電極は、フロー－パスト（ｆｌｏｗ－ｐａｓｔ）電極、例えば平坦電極であり得る。集電体１０４の第２側面上のスペーサ１０６および誘電材料１０５は両方ともＰＣＢ材料、例えばＦＲ４である。集電体１０４は、電極１０２に面するチタン層の側面上にスズ層を有し得るチタンの層、例えばチタン箔である。スペーサ１０６、集電体１０４および誘電材料層１０５は、使用するとき、例えばプリプレグ（例えばＡｒｌｏｎ Ａ４７Ｎ）またはエポキシ樹脂を用いて一緒に接着され得る。
【0066】
図１Ｂは、電極の膜に面している側の上から見た第１電極１０２を通る流体の流れを示す。図中に見られるように、スペーサ１０６は電極１０２の周りを囲み、Ｏリング１０７が、スペーサにおける開口部１０６の縁の周囲に配置されている。集電体１０４が、スペーサ１０６および電極１０２の下に配置されている。流体が集電体１０４における第１開口部１０９から出、電極１０２を通して第２開口部１１０へ流れ、電極１０２から集電体および誘電層１０５を通して下へ流出するのが見られる。
【0067】
【0068】
図２Ａは、集電体１０４および誘電材料層１０５の更なる実施態様の分解組立図である。他の部品（スペーサ１０６、電極１０２、Ｏリング１０７および膜１０３）は明確にするために示されていないが、図１に示すものと同じ配置で存在する。図２Ａの一実施態様では、集電体１０４および誘電材料層１０５の第１ホール（１０９）および第２（１１０）ホールが、円形である代わりに、上部の電極（図２Ａに示されていない）のより大きい割合にわたって伸びるように伸張している（層の上から見た場合には長方形である）。集電体１０４および誘電材料層１０５における開口部１０９を通り、電極（図示せず）を通り、続いて開口部１１０を通って戻る流体の流れが、点線の矢印および記号Ｆで図２Ａに示されている。
【0069】
図２Ｂは、集電体１０４の上側からの、図２Ａの一実施態様の開口部１０９および開口部１１０を通る流体Ｆの流れを示す。スペーサ１０６が本図中に示されており、長方形の電極１０２を収容する長方形の開口部１０６を有する。長方形の保護環状部材１０７が存在し、使用するとき、電極に最も近い誘電材料の縁の周りに延びて、使用するとき、第１流体電解質と誘電材料との接触を防ぐ。
【0070】
【0071】
図１Ｄは、図１Ａの流体Ｆの流れに平行な断面を通る場合の図１Ａの部品の変形例の概略断面図である。本図中、更なるチャネルが、スタック内の隣接した電池へ、または該電池から流体を輸送するように電極のいずれかの側に形成されている。開口部によって、誘電層１０５、集電体１０５、スペーサ１０６、膜１０３に、電池の残りの半分（図示していないが、示した電池の半分の鏡像であり得る）を通してチャネルが形成されており、その結果、第１流体を第１リザーバーから隣接する電池（図示せず）の第１電極へ送達でき、続いて第１リザーバーに戻すことができる。
【0072】
図３は、膜（イオン選択膜および分子篩膜から選択され得る）１０３によって隔てられている第１電極（１０２）および第２電極（１０２’）を有する充電式フローバッテリーの概略断面図である。本実施態様では、第１電極としての膜１０３の同じ側にある部品は図１または図２Ａに示した通りである。本実施態様では、第２電極は第１電極と同じ材料、すなわち炭素繊維を含む３Ｄ電極である。第２電極としての膜の同じ側にある部品は、電極として膜の同じ側にあるものと同じであり、各番号に続くアポストロフィー（‘）以外は図１中で同様に番号付けされる。本図中、第１流体電解質を保持する第１リザーバー１０８、および第２流体電解質第２リザーバー１０８’が示されている。第１リザーバー１０８は、流体が、第１リザーバー１０８から、第１集電体１０４および誘電材料層１０５における第１開口部１０９へ（第１開口部１０９を通して）流れ、続いてリザーバー１０８へ開口部１１０を介して戻るように、開口部１０９および開口部１１０に流体接続されている。同様に、第２リザーバー１０８’は、流体が、第２リザーバー１０８’から、第１集電体１０４’および誘電材料層１０５’における第１開口部１０９’へ（第１開口部１０９’を通して）流れ、続いてリザーバー１０８’へ開口部１１０’を介して戻るように、開口部１０９’および開口部１１０’に流体接続されている。使用するとき、第１流体はアナライトおよび陰極液の１つである一方で、第２流体はアナライトおよび陰極液の残りである。
【0073】
一実施態様では、レドックスフローバッテリーは、図３に示す層を有する複数の電池を含み得、１つの電池の第１電極が隣接する電池の第２電極に電気的に接続するように、電池が直列に配列されている。各電池の部品（すなわち膜、および、膜の両側の、スペーサ層（電極を収容する）、集電体および誘電材料層）は一緒に接着されている。しかしながら、電池自体は、レドックスフローバッテリーの電池の従来のスタックにおけるものとは異なり、全スタック（典型的には、すべての電池が終板およびボルトと共に圧縮されている場合の従来のレドックスフローバッテリーにおけるケースである）を分解する必要なく分離可能であり得る。代替的に、電池は、接着剤またはボルトなどの機械的手段のいずれかによって一緒に結合し得る。電池は、それを通して延び、１つの電池から別の電池へ流体が流れるようにする開口部を有し得、電池を通るマニホールドと称され得る。電池は、電気的に接続され得るが、電気的な接続は、電気的な接続が特定の電池から切断されると、この電池が容易にスタックから除去され、検査され、いずれの欠陥が発現している場合には修理され、かつ／または置換されるように、取り外し可能であり得る。除去された電池のいずれかの側の電池の電気的な接続は、バッテリーが全体として機能し続ける一方で電池の１つが除去されるように互いに接続され得る。一実施態様では、１つ以上のチャネルが、第１流体が、１つの電池（第１電池と称される）を通して他の電池（第２電池と称される）の第１電極へ流れ、任意選択的に第１電池に戻るように、および／または第２流体が、１つの電池（第２電池と称される）を通して他の電池（第１電池と称される）の第２電極へ流れ、任意選択的に第２電池に戻るように、電極を通してではなく各電池の層を通して存在する（例えば図１Ｄに示すように）。任意選択的に、各電池において、第１開口部および第２開口部が、流体が、誘電材料および集電体を通って第１開口部を介して第１電極へ、電極に沿ってまたは電極を通って流れ、続いて集電体および誘電材料から第１電極を通って流れるように、第１集電体および第１集電体の第２側面に配置された誘電材料層を通して設けられており、１つ以上の１つの電池（第１電池）から他の電池（第２電池）の第１電極へ第１流体を輸送するチャネル（および任意選択的に第１電池に戻るように）は第１電池の第１開口部および第２開口部に流体接続されている。
【実施例】
【0074】
実施例１
図１Ａおよび図３に示されているように膜の両側に部品が配置されている、単電池を含むレドックスフローバッテリーを作製した。膜はＮａｆｉｏｎ１１７膜であった。誘電層１０５はプリント回路基板材料、すなわちＦＲ－４であり、エポキシプリプレグ（Ａｒｌｏｎ Ａ４７Ｎ）を用いて集電体１０４として機能する０．７５ｍｍ厚チタン箔に結合した。膜の両側のスペーサ層１０６もＦＲ４であり、そのそれぞれが、商標名Ｖｉｔｏｎ（Ｓｉｍｐｌｙ Ｂｅａｒｉｎｇｓから入手可能）の材料を含むゴムのＯリングに合う円形の開口部１０６を有していた。Ｏリング内の電極は３Ｄ炭素電極であり、具体的には３６％圧縮ＳＧＬカーボンフェルト電極であった。チタン箔１０４および接続した誘電層１０５のそれぞれは、図１Ｂに示される開口部１０９および開口部１１０として機能する円形のスルーホールを有していた。Ｏリングは、誘電層における開口部の縁周囲に位置して、陽極液／陰極液と誘電層との接触を防いだ。スペーサ層１０６の両方が膜１０３およびチタン箔１０４にエポキシプリプレグ（Ａｒｌｏｎ Ａ４７Ｎ）によって結合していた。層の面積は４９ｃｍ２であった。チタン箔の表面積は４９ｃｍ２であった。活性電極面積は、本実施態様では６．５ｃｍ２であった。
図１Ａおよび図３に示されているように膜の両側に部品が配置されている、単電池を含むレドックスフローバッテリーを作製した。膜はＮａｆｉｏｎ１１７膜であった。誘電層１０５はプリント回路基板材料、すなわちＦＲ－４であり、エポキシプリプレグ（Ａｒｌｏｎ Ａ４７Ｎ）を用いて集電体１０４として機能する０．７５ｍｍ厚チタン箔に結合した。膜の両側のスペーサ層１０６もＦＲ４であり、そのそれぞれが、商標名Ｖｉｔｏｎ（Ｓｉｍｐｌｙ Ｂｅａｒｉｎｇｓから入手可能）の材料を含むゴムのＯリングに合う円形の開口部１０６を有していた。Ｏリング内の電極は３Ｄ炭素電極であり、具体的には３６％圧縮ＳＧＬカーボンフェルト電極であった。チタン箔１０４および接続した誘電層１０５のそれぞれは、図１Ｂに示される開口部１０９および開口部１１０として機能する円形のスルーホールを有していた。Ｏリングは、誘電層における開口部の縁周囲に位置して、陽極液／陰極液と誘電層との接触を防いだ。スペーサ層１０６の両方が膜１０３およびチタン箔１０４にエポキシプリプレグ（Ａｒｌｏｎ Ａ４７Ｎ）によって結合していた。層の面積は４９ｃｍ２であった。チタン箔の表面積は４９ｃｍ２であった。活性電極面積は、本実施態様では６．５ｃｍ２であった。
【0075】
全バナジウムの対をレドックスフローバッテリーに使用した。具体的には、１．６ＭのＶｘ＋種（ｘ＝２,３,４,５）を３Ｍ Ｈ２ＳＯ４中で使用した。第１流体Ｖ２＋（Ｖ（ＩＩ））にはＶ３＋が存在していた。第２流体には、ＶＯ２＋（Ｖ（ＩＶ））およびＶＯ２
＋（Ｖ（Ｖ））が存在していた。
【0076】
実施例２
実施例１のＲＦＢと参照ＲＦＢとの間の比較
本実施例では、実施例１のレドックスフローバッテリーの性能を、伝統的な終板圧縮燃料電池、（商標名Ｓｃｒｉｂｎｅｒ８５７レドックスフロー電池試験システムの一部としてＳｃｒｉｂｎｅｒから入手可能）のものと比較した。Ｓｃｒｉｂｎｅｒレドックスフロー電池は、流れ場を機械加工し得るグラファイト板（ＰＯＣＯグラファイトから得られる）からなる。カーボンフェルト電極がこの板の上に載り、ＰＴＦＥスペーサによって設置される。このスペーサの厚さは、フェルト電極の圧縮の量も定める。電流がグラファイト板を通過し、金被覆銅集電体に通る。全アセンブリが、２つの陽極酸化されたアルミニウム端板および８個のボルトで共に保持される。両方とも上記の同じ全バナジウムの対を使用した。Ｓｃｒｉｂｎｅｒ ＲＦＢは、５０％圧縮Ａｌｆａ Ａｅｓａｒカーボンフェルト電極およびＮａｆｉｏｎ１１７膜を使用した。Ｓｃｒｉｂｎｅｒの層の面積は２５ｃｍ２であった。Ｓｃｒｉｂｎｅｒ ＲＦＢでは、電極を通る電解質の流れは、蛇行した流れ場の配置、すなわち、電極に隣接した集電体における蛇行チャネルを介していた。
実施例１のＲＦＢと参照ＲＦＢとの間の比較
本実施例では、実施例１のレドックスフローバッテリーの性能を、伝統的な終板圧縮燃料電池、（商標名Ｓｃｒｉｂｎｅｒ８５７レドックスフロー電池試験システムの一部としてＳｃｒｉｂｎｅｒから入手可能）のものと比較した。Ｓｃｒｉｂｎｅｒレドックスフロー電池は、流れ場を機械加工し得るグラファイト板（ＰＯＣＯグラファイトから得られる）からなる。カーボンフェルト電極がこの板の上に載り、ＰＴＦＥスペーサによって設置される。このスペーサの厚さは、フェルト電極の圧縮の量も定める。電流がグラファイト板を通過し、金被覆銅集電体に通る。全アセンブリが、２つの陽極酸化されたアルミニウム端板および８個のボルトで共に保持される。両方とも上記の同じ全バナジウムの対を使用した。Ｓｃｒｉｂｎｅｒ ＲＦＢは、５０％圧縮Ａｌｆａ Ａｅｓａｒカーボンフェルト電極およびＮａｆｉｏｎ１１７膜を使用した。Ｓｃｒｉｂｎｅｒの層の面積は２５ｃｍ２であった。Ｓｃｒｉｂｎｅｒ ＲＦＢでは、電極を通る電解質の流れは、蛇行した流れ場の配置、すなわち、電極に隣接した集電体における蛇行チャネルを介していた。
【0077】
図４は、実施例１のＲＦＢおよび参照Ｓｃｒｉｂｎｅｒ ＲＦＢの分極および出力曲線を示す。これらのデータは、Ｉｖｉｕｍ ＮＳｔａｔポテンシオスタットから得られた生データである。通過した電流が、２つのシステム間の容易な比較のために電流密度へ正規化されている。
【0078】
図４に示される分極および出力曲線から分かるように、実施例１のＰＣＢ ＲＦＢは、伝統的なＲＦＢシステムより良好に機能した。実施例１のＰＣＢ ＲＦＢの単位面積あたりの抵抗は、分極曲線におけるより低い抵抗損を占める伝統的なＳｃｒｉｂｎｅｒ ＲＦＢより低い。加えて、実施例１のＰＣＢ ＲＦＢの流れは、図１Ｃに概略的に示すように、フェルトに直接強要され、一方で、上述したように、伝統的なＳｃｒｉｂｎｅｒ ＲＦＢは、蛇行した流れ場の配置で動作した。実施例１のＰＣＢ ＲＦＢにおける電解質の流れは、分極曲線上に目に見える物質輸送損失が確実にないようにしたと考えられる。他方で、伝統的なＲＦＢシステムは、電流密度＞３００ｍＡ・ｃｍ－２での大量の輸送損失で動作するように見える。
【0079】
実施例１のＰＣＢ ＲＦＢの様々な効率（クーロン効率（ＣＥ）、電圧効率（ＶＥ）、エネルギー効率（ＥＥ））が図５に示され、参照ＲＦＢについてのものは図６に示されている。２つのグラフを比較すると、実施例１のＣＥがより低いが、実施例１のＰＣＢ ＲＦＢのＥＥおよびＶＥが、伝統的な参照ＲＦＢのものより高いことが示されている。
【図1a】
【図1b】
【図1c】
【図1d】
【図2a】
【図2b】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
