JP2012169283A - 電位中和を用いるフローイング電解液バッテリ - Google Patents

Abstract

【課題】電位中和を用いるフローイング電解液バッテリを提供すること。
【解決手段】カチオンに対して透過性がある膜によって分離されたバイポーラ炭素電極と、カソード液タンクと、アノード液タンクと、アノード液を循環させるポンプと、カソード液を循環させるポンプと、タンクの底から多臭化物錯体を吸引することを可能にする多臭化物錯体バルブとを含む、化学的に選択的に中和されることが可能であるフローイング電解液バッテリと、フローイング電解液バッテリを化学的に選択的に中和するプロセスと、フローイング電解液バッテリの電位を選択的に元に戻すプロセスとが本明細書において開示されている。
【選択図】図１

Description

（関連出願の引用）
本出願は、「Ｍｅｔｈｏｄｓ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ Ｎｅｕｔｒａｌｉｚａｔｉｏｎ ｉｎ Ｆｌｏｗｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ Ｂａｔｔｅｒｙ」と題される米国特許出願第６０／６４８，１５６号（２００５年１月２８日出願）に対して優先権を主張し、該出願は、本明細書において参照により援用される。

バッテリは、多種多様な産業上の利用のために使用されている。例えば、鉛バッテリを含む建造物が、電気エネルギーの格納のために、国のいたる所に、かつ、都市部内に置かれ、これらのバッテリは、そうしなければ電力が失われる場合に、電話、ケーブルテレビ、およびインターネットのデータセンタを作動させ続けるために使用される。産業上の利用のために最も広く使用されているバッテリは、典型的な鉛バッテリであり、満液式セルまたは制御弁方式バッテリとして入手可能である。これらのバッテリのそれぞれは、同じ基本的な化学作用を使用する。つまり、鉛と鉛酸化物の金属板が、硫酸の電解液の中に含まれる。バッテリの端子は、電解液の中に浸漬されたこれらの金属板に接続される。

フローイング電解液バッテリは、２つの電解液であるアノード液とカソード液とを有し、アノード液とカソード液とは、循環し、膜によって分離されている。亜鉛臭素フローイング電解液バッテリの場合に、亜鉛は、充電の間にメッキされ、その結果、臭素イオンを自由にし、該臭素イオンは、膜を横断して拡散する。この場合に、アノード液は、ますます亜鉛を消費し、カソード液は、ますます臭素が豊富になる。電位は、膜の一方の側上における金属、例えば、亜鉛と、膜の他方の側上におけるカソード液との存在の結果、この膜を横断して発生する。カソード液は、カチオン、例えば臭化物の濃度が高い。

産業用バッテリを含む施設内における火災の場合、またはバッテリの不具合の場合に、バッテリは、危険になり得、格納しているエネルギーは、外部に対してすぐに利用可能となり得る。消防隊は、細心の注意で、そのような施設内の火災の中に向かう。なぜならば、バッテリの故障の場合に発生し得る電気ショックまたは爆発の危険性のためである。これまで、バッテリを化学的に切断する方法は、存在しなかった。

また、不使用時の場合に、バッテリは、反応セルの中において利用可能な反応体により、自己放電する。反応体は、膜を通るゆっくりとした拡散をもたらし、バッテリをゆっくりと放電させる。これまで、バッテリを化学的に中和させることにより、不使用時におけるこの自己放電を停止させる方法は、存在しなかった。

電位が化学的に素早く中和されるバッテリは、上記のような状況において安全性を増加させ、そして不使用時における自己放電を防止する。従って、選択的に化学的に中和させることが可能であるフローイング電解液バッテリと、フローイング電解液バッテリを選択的に化学的に中和するプロセスとが、本明細書において開示される。バッテリの一実施形態は、膜によって分離されている第１および第２の電極を含む。一つ以上のバルブは、（１）第２の電極を通るカソード液の流れと、第１の電極を通るアノード液の流れを可能にして、バッテリが電位を有し、または代替的に、（２）第１と第２との両方の電極を通るアノード液のフローを可能にして、バッテリを化学的に中和させる。

一実施形態において、電位を有するフローイング電解液バッテリであって、選択的に化学的に中和されるフローイング電解液バッテリが提供される。該バッテリは、膜によって分離されている第１および第２の電極と、アノード液を収容するためのアノード液リザーバと、カソード液を収容するためのカソード液リザーバとを含む。第１のポンプは、第１の電極を通ってアノード液リザーバからアノード液を、選択的に強制し、第２のポンプは、第２の電極を通ってカソード液リザーバからカソード液を、選択的に強制する。第２の電極を通ってアノード液リザーバからアノード液のみを、選択的に強制する方法が含まれる。

一実施形態において、フローイング電解液バッテリを選択的に化学的に中和するプロセスが、提供される。該方法は、（１）電解液バッテリの電極を通ってアノード液とカソード液とを流れさせることにより、電気を生成するステップと、（２）中和イベントを決定するステップと、（３）電極を通ってアノード液のみを流れさせて、バッテリの電位を中和するステップとを含む。

一実施形態において、選択的にフローイング電解液バッテリの電位を回復させるプロセスが提供される。方法は、（１）バッテリが電位を有すべきかどうかを決定するステップと、（２）バッテリの電極のうちの一つを通ってアノード液が流れることを抑制するステップと、（３）バッテリを通ってアノード液とカソード液とを流れさせて、電位を生成するステップとを含む。

一実施形態において、電位を有するフローイング電解液バッテリであって、選択的に化学的に中和されるフローイング電解液バッテリが提供される。該バッテリは、膜によって分離されている第１および第２の電極を含む。一つ以上のバルブは、（１）第２の電極を通ってカソード液が流れることと、第１の電極を通ってアノード液が流れることとを可能にして、バッテリが電位を有し、または、代替的に、（２）第１の電極を通るアノード液および第２の電極を通った電気的に中性の流体の両方の流れを可能にして、バッテリを化学的に中和させる。

一実施形態において、電位を有するフローイング電解液バッテリであって、選択的に化学的に中和されるフローイング電解液バッテリが提供される。該バッテリは、膜によって分離されている第１および第２の電極と、第１のポンプと連絡しているアノード液リザーバであって、アノード液を収容し、かつ、第１のポンプにアノード液を供給するアノード液リザーバと、カソード液リザーバであって、カソード液を収容し、かつ、第２のポンプにカソード液を供給するカソード液リザーバとを含むパイピングが含まれ、該パイピングは、アノード液リザーバを第１の電極に接続して、アノード液が、アノード液リザーバから第１の電極に流れることと、第１の電極をアノード液リザーバに接続して、アノード液が、第１の電極からアノード液リザーバに流れることと、カソード液リザーバを第２の電極に接続して、カソード液が、カソード液リザーバから第２の電極に流れることと、第２の電極をカソード液リザーバに接続して、カソード液が、第２の電極からカソード液リザーバに流れることとを目的としている。カソード液を第２の電極から選択的に流れさせて、最初にカソード液リザーバに入ることなく、第２の電極に戻す手段が含まれる。

一実施形態において、フローイング電解液バッテリを選択的に化学的に中和するプロセスが、提供される。該方法は、（１）電解液バッテリの電極を通ってアノード液とカソード液を流れさせて、電力を生成するステップと、（２）中和イベントを決定するステップと、（３）電極を通ってアノード液および電気的に中性の流体のみを流れさせて、バッテリの電位を中和するステップとを含む。

一実施形態において、フローイング電解液バッテリの電位を選択的に回復させるプロセスが提供される。該方法は、（１）バッテリが電位を有すべきかどうかを決定するステップと、（２）バッテリの電極のうちの一つを通って電気的に中性の流体の流れを抑制するステップと、（３）バッテリを通ってアノード液とカソード液とを流れさせ、電位を生成するステップとを含む。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
フローイング電解液バッテリであって、
膜によって分離された第１の電極および第２の電極と、
該バッテリが電位を有するように、該第２の電極を通ってカソード液が流れることと、該第１の電極を通ってアノード液が流れることとを可能にするか、または代替的に、該バッテリが化学的に中和されるように、該第１の電極および該第２の電極の両方を通ってアノード液が流れることを可能にする一つ以上のバルブと
を備えている、フローイング電解液バッテリ。
（項目２）
カソード液リザーバから上記第２の電極にカソード液を強制するように、上記バルブと流体的に連絡している第１のポンプをさらに備えている、項目１に記載のバッテリ。
（項目３）
アノード液リザーバから上記第１の電極または上記第２の電極にアノード液を強制するように、上記バルブと流体的に連絡している第２のポンプをさらに備えている、項目１に記載のバッテリ。
（項目４）
上記第１のポンプと連絡しているアノード液リザーバであって、上記アノード液を収容し、該第１のポンプに該アノード液を供給するアノード液リザーバと、
上記第２のポンプと通信するカソード液リザーバであって、上記カソード液を収容し、該第２のポンプに該カソード液を供給するカソード液リザーバと、
該アノード液が上記第１の電極から該アノード液リザーバに流れるように、該第１の電極を該アノード液リザーバに接続し、該カソード液が上記第２の電極から該カソード液リザーバに流れるように、該第２の電極を該カソード液リザーバに接続し、該第２の電極を通って流れた該アノード液が該アノード液リザーバに流れ続けるように、該第２の電極を該アノード液リザーバに接続するパイピングと
をさらに備えている、項目１に記載のバッテリ。
（項目５）
カソード液が上記第２の電極を通って流れて、上記カソード液リザーバに入るように、アノード液が該第２の電極を通って流れて、上記アノード液リザーバに入るように、上記バルブの第１のバルブが、配置され、構成されている、項目４に記載のバッテリ。
（項目６）
上記第１のポンプおよび上記第２のポンプによってもたらされた流れの方向と反対の方向に、上記第１の電極および上記第２の電極を通って上記アノード液が流れるために、上記アノード液リザーバと、該第１の電極と、該第２の電極と流体的に連絡している第３のポンプをさらに備えている、項目５に記載のバッテリ。
（項目７）
上記第２のポンプによってもたらされた流れの方向と同じ方向に、上記第２の電極を通って上記アノード液が流れるために、上記アノード液リザーバおよび該第２の電極と流体的に連絡している第４のポンプをさらに備えている、項目５に記載のバッテリ。
（項目８）
上記バルブのうちの少なくとも一つは、
インターフェイス調整装置とデータ通信するコントローラと、
該インターフェイス調整装置とデータ通信する第１のアクチュエータおよび第２のアクチュエータを備え、該第１のアクチュエータは、上記アノード液が上記第２の電極に到達することを選択的に可能にする該一つのバルブを制御し、該第２のアクチュエータは、上記カソード液が該第２の電極に到達することを選択的に可能にする第２のバルブを制御する、項目１に記載のバッテリ。
（項目９）
上記インターフェイス調整装置は、上記第１のアクチュエータと上記第２のアクチュエータとに電気信号を供給することによって、該第１のアクチュエータと該第２のアクチュエータと通信する、項目８に記載のバッテリ。
（項目１０）
異常な状態を感知するための一つ以上のセンサをさらに備え、上記バルブは、該異常な状態に応答して上記第１の電極および上記第２の電極を通ってアノード液のみが流れる、項目１に記載のバッテリ。
（項目１１）
ユーザ作動のスイッチをさらに備え、上記バルブは、（ａ）中和モードの動作において、上記第１の電極および上記第２の電極を通してアノード液のみを流すか、または（ｂ）通常モードの動作において、該第１の電極を通ってアノード液を流し、該第２の電極を通ってカソード液を流すかのいずれかのために、上記スイッチに応答する、項目１に記載のバッテリ。
（項目１２）
選択的に化学的に中和される電位を有するフローイング電解液バッテリであって、該バッテリは、
膜によって分離された第１の電極および第２の電極と、
アノード液を収容するアノード液リザーバと、
該第１の電極を通って、該アノード液リザーバからの該アノード液を選択的に強制する第１のポンプと、
カソード液を収容するカソード液リザーバと、
該第２の電極を通って、該カソード液リザーバからの該カソード液を選択的に強制する第２のポンプと、
該第２の電極を通して、該アノード液リザーバからの該アノード液のみを選択的に強制する手段と
を備えている、バッテリ。
（項目１３）
選択的に流す上記手段が、第３のポンプを備えている、項目１２に記載のバッテリ。
（項目１４）
選択的にフローする上記手段は、
上記第１のポンプと、
上記アノード液リザーバを上記第１のポンプに接続し、該第１のポンプを上記第２の電極に接続するパイピングと
を備えている、項目１２に記載のバッテリ。
（項目１５）
上記アノード液リザーバを上記第１のポンプに、
該第１のポンプを上記第１の電極に、
該第１の電極を該アノード液リザーバに、
上記カソード液リザーバを上記第２のポンプに、
該第２のポンプを上記第２の電極に、
該第２の電極を該カソード液リザーバに、
該アノード液リザーバを第３のポンプに、
該第３のポンプを該第２の電極に
接続しているパイピングをさらに備えている、項目１２に記載のバッテリ。
（項目１６）
アノード液が上記第２の電極に入ることを選択的に制限するために、上記第３のポンプを該第２の電極に接続している上記パイピングと連絡する第１のチェックバルブをさらに備えている、項目１５に記載のバッテリ。
（項目１７）
カソード液が上記第２の電極に入ることを選択的に制限するために、上記第２のポンプを該第２の電極に接続している上記パイピングと連絡する第２のチェックバルブをさらに備えている、項目１６に記載のバッテリ。
（項目１８）
上記アノード液リザーバと上記カソード液リザーバとの間にオーバフローコネクタをさらに備えている、項目１２に記載のバッテリ。
（項目１９）
フローイング電解液バッテリを選択的に化学的に中和するプロセスであって、
該電解液バッテリの電極を通ってアノード液とカソード液とを流すことにより、電力を生成することと、
中和イベントを決定することと、
該電極を通ってアノード液のみを流すことにより、該バッテリの電位を中和することと
を包含する、フローイング電解液バッテリを化学的に選択的に中和するプロセス。
（項目２０）
フローイング電解液バッテリの電位を選択的に元に戻すプロセスであって、
該バッテリが電位を有すべきかどうかを決定することと、
該バッテリの電極のうちの一つを通ったアノード液を流すことを抑制することと、
該電位を生成するために、該バッテリを通ってアノード液およびカソード液を流すことと
を包含する、フローイング電解液バッテリの電位を選択的に元に戻すプロセス。
（項目２１）
フローイング電解液バッテリであって、
膜によって分離された第１の電極および第２の電極と、
該バッテリが電位を有するように、該第２の電極を通ってカソード液が流れることと、該第１の電極を通ってアノード液が流れることを可能にするか、または代替的に、該バッテリが化学的に中和されるように、該第１の電極を通ってアノード液と、該第２の電極を通って電気的に中性の流体が流れることを可能にする一つ以上のバルブと
を備えている、フローイング電解液バッテリ。
（項目２２）
フローイング電解液バッテリであって、
膜によって分離された第１の電極および第２の電極と、
該第１のポンプと連絡しているアノード液リザーバであって、アノード液を収容し、第１のポンプに該アノード液を供給するアノード液リザーバと、
該第２のポンプと連絡しているカソード液リザーバであって、カソード液を収容し、第２のポンプに該カソード液を供給するカソード液リザーバと、
該アノード液が該アノード液リザーバから該第１の電極に流れるように、該アノード液リザーバを該第１の電極に接続し、該アノード液が、該第１の電極から該アノード液リザーバに流れるように、該第１の電極を該アノード液リザーバに接続し、該カソード液が、該カソード液リザーバから該第２の電極に流れるように、該カソード液リザーバを該第２の電極に接続し、該カソード液が、該第２の電極から該カソード液リザーバに流れるように、該第２の電極を該カソード液リザーバに接続するパイピングと、
該第２の電極から最初にカソード液リザーバに入ることなく、該第２の電極に戻るように該カソード液を選択的に流す手段と
をさらに備えている、フローイング電解液バッテリ。
（項目２３）
選択的に流す上記手段は、バルブを備えている、項目２２に記載のバッテリ。
（項目２４）
フローイング電解液バッテリを選択的に化学的に中和するプロセスであって、
該電解液バッテリの電極を通ってアノード液とカソード液とを流すことにより、電気を生成することと、
中和イベントを決定することと、
該電極を通ってアノード液および電気的に中性の流体のみを流すことにより、該バッテリの電位を中和することと、
を包含する、フローイング電解液バッテリを選択的に化学的に中和するプロセス。
（項目２５）
フローイング電解質バッテリの電位を選択的に元に戻すプロセスであって、
該バッテリが電位を有すべきかどうかを決定することと、
該バッテリの電極のうちの一つを通して、電気的に中性の流体のフローを抑制することと、
該バッテリを通ってアノード液およびカソード液を流すことにより、該電位を生成することと
を包含する、フローイング電解液バッテリを化学的に選択的に中和するプロセス。

図１は、従来技術のフローイング電解液バッテリを概略的に示す。 図２は、電位中和を用いる一つのフローイング電解液バッテリを概略的に示す。 図３は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリを概略的に示す。 図４は、一実施形態に従った、バルブを概略的に示す。 図５は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリを概略的に示す。 図６は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリを概略的に示す。 図７は、フローイング電解液バッテリを選択的に化学的に中和し、それに続き、電位を回復するプロセスを図示しているフローチャートである。 図８は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリを概略的に示す。 図９は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリを概略的に示す。 図１０は、フローイング電解液バッテリを選択的に化学的に中和し、それに続き、電位を回復する別のプロセスを図示しているフローチャートである。 図１１は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリに対する実施例テストの結果である。 図１２は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリに対する実施例テストの結果ある。 図１３は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリに対する実施例テストの結果である。 図１４は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリに対する実施例テストの結果である。 図１５は、電位中和を用いる別のフローイング電解液バッテリに対する実施例テストの結果である。

図１は、フローイング電解液バッテリ１００に対する一般的な構成を示す。バッテリ１００は、カチオンに対して透過性がある膜１０８によって分離されたバイポーラ炭素電極１０１と、カソード液タンク１０２と、アノード液タンク１０３とを含む。ポンプ１０４は、アノード液を循環させ、別のポンプ１０７は、カソード液を循環させる。第２のカソード液１０５がまた含まれ得、亜鉛臭素フローイング電解液バッテリ１００の場合に、該カソード液１０５は、多臭化物錯体である。バルブ１０６、例えば、多臭化物錯体バルブは、ポンプ１０７が、バッテリの放電の間に、タンクの底から多臭化物錯体１０５を吸引することを可能にする。バッテリ１００は、カソード液とアノード液とが、膜のそれぞれの側において電極１０１を通過するときに、膜１０８を横断する電位エネルギーを提供する。

図２は、化学的に切断されることが可能であり、電位中和を提供するフローイング電解液バッテリ２００（１）を示す。バッテリ２００（１）は、亜鉛臭素フローイング電解液バッテリまたは別のフロータイプのバッテリであり得る。アノード液電解液リザーバ２０１は、アノード液ポンプ２０５に流体的に連絡し、カソード液リザーバ２０２は、カソード液ポンプ２０６に流体的に連絡する。ポンプ２０５が動作すると、アノード液は、炭素電極２０３を通って流れ、該電極は、膜２０９によってカソード液電極２０４から分離されている。ポンプ２０６が動作すると、アノード液またはカソード液は、ここで記述したように、カソード電極２０４を通って流れる。パイピング２１０は、例えば図２に示されているように、様々な要素と接続するように適切に配置される。２つのバルブ２０８、２０７は、カソード液電極２０４を通るカソード液またはアノード液の流れを導くように配置されている。

通常の動作において、バルブ２０８は、カソード液リザーバ２０２からのカソード液が、カソード液電極２０４を通過することのみを可能にし、バルブ２０７は、カソード液電極を通過したカソード液が、カソード液リザーバ２０２に入ることのみを可能にする。しかしながら、中和されるモードにおいては、バルブ２０８は、アノード液リザーバ２０１からのアノード液が、カソード液電極２０４を通過することのみを可能にし、バルブ２０７は、カソード液電極２０４を通過した電解液が、アノード液リザーバ２０１に入ることのみを可能にする。従って、中和されるモードの場合に、バッテリ２００（１）は、化学的に中和（「切断」）される。バルブ２０７および２０８は、図２において中和されるモードにおいて示されている。バルブ２０７および２０８は、共に共同して作用するように接続されている独立したバルブから構成され得る。バルブ２０７および２０８は、チェックバルブまたは別のタイプのバルブであり得る。

パイピング２１０に損傷がなく、ポンプ２０５、２０６が機能している場合に、バッテリ２００（１）の電位は、バルブ２０７および２０８が通常の位置に戻された（すなわち、カソード液が電極２０４を通って流れる）ときに回復する。言い換えると、バッテリ２００（１）の電位は、電荷を除去することなく０となり得、最初の電位は、格納されたエネルギーの認められるほどの損失なく回復され得る。これは注目に値することである。なぜならば、バッテリは、一般的にはある電圧に充電され、バッテリの電位を完全に放電することによってのみ、０ボルトに戻り得るからである。

図３は、電位中和を用いるフローイング電解液バッテリ２００（２）を示し、該フローイング電解液バッテリは、追加のポンプ３００と、並列の追加のバルブ３０１、３０２とを含む。追加のポンプ３００は、パイピング２１０の供給側２１０ａにおける故障の場合に、バッテリ２００（２）を通って、反対方向（すなわち、図３において示されている矢印２０５ａ、２０６ａの反対方向）に、電解液を強制するために使用され得る。通常、電解液は、ポンプ２０５、２０６を通って、矢印２０５ａ、２０６ａの方向にそれぞれポンプで流され得る。しかしながら、バッテリ２００（２）が、中和されるモードにされる場合に、バルブ２０７、２０８は、アノード液（例えば、亜鉛劣化電解液）が、電極２０３と電極２０４との両方を通ってポンプで流され、上記のようにアノード液リザーバに戻され得る。

通常、バルブ３０１は閉じられ得、バルブ３０２は開かれ得て、アノード液が電極２０３から（時には、上記のように電極２０４から）アノード液リザーバ２０１に流れることを可能にする。ポンプ３００が、容積式ポンプであるよりも、むしろインペラ駆動のポンプである場合には、バルブ３０１、３０２は使用され得ない。なぜならばそのようなポンプは、アノード液が、ポンプ３００を通ってアノード液リザーバ２１０に流れることを可能にするからである。

ポンプ２０５から電解液を供給するパイピング２１０ａ、ポンプ２０５、または他の関連要素が故障して、バッテリ２００（２）のカソード液側２０４内の流体を移動させることが困難となった場合には、ポンプ３００が作動され得る。ポンプ３００を作動させる際に、アノード液リザーバ２０１からアノード液が流れることを可能にするように、バルブ４０１が開かれ得、ポンプ３００の周囲を電解液が流れることを防止するように、バルブ３０２が閉じられ得、バルブ２０７および２０８は、アノード液リザーバ２０１からのアノード液が、電極２０４を通って流れることを可能にするように構成され得る。その結果として、電解液は、バッテリ２００（２）を通って後方（すなわち、図３において示されている矢印の反対方向）へ流れ得る。

図４は、バルブ２０８の例示的な実施形態を示している。この実施形態において、バルブ２０８は、コントローラ４０１と、インターフェイス調節装置４０２と、電力供給源４０３と、第１のバルブ４０４と、第２のバルブ４０４ａと、第１のバルブアクチュエータ４０６と、第２のバルブアクチュエータ４０６ａとを含む。コントローラ４０１は、例えば、プログラム可能な論理アレイ、マイクロコントローラ若しくはマイクロプロセッサ、スイッチ、または異常なデータ信号（例えば、異常な圧力、電圧、若しくは温度のデータ信号、またはリークの存在を示す別の信号）を捜すための論理を有するコンパレータであり得、この異常なデータ信号は、本明細書において以下で記述されるような中和イベントを起動し得る。コントローラ４０１は、スイッチ４１１、圧力センサ４１２、電圧計４１３、温度計４１４、および／またはリーク感知器４１５とデータ通信し得る。

インターフェイス調節装置４０２は、第１のバルブアクチュエータ４０６および第２のバルブアクチュエータ４０６ａに適切なレベルの電圧または電流を提供することなどによって、第１のバルブアクチュエータ４０６および第２のバルブアクチュエータ４０６ａと、コントローラ４０１をデータ通信させる。アクチュエータ４０６および４０６ａは、インターフェイス調整装置４０２から受信された信号（例えば、特定の電圧または電流）に従って、バルブ４０４および４０４ａを開いた状態または閉じた状態にするように、バルブ４０４および４０４ａとそれぞれ連絡している。バルブ４０４および４０４ａは、ボールバルブまたは他のタイプのバルブであり得、バルブ４０４および４０４ａのうちの一つが開いたときには、バルブ４０４および４０４ａのうちの他のバルブが閉じる。電力供給４０３は、例えば、コントローラ４０１と、インターフェイス調整装置４０２と、第１のバルブアクチュエータ４０６と、第２のバルブアクチュエータ４０６ａとのうちの任意または全てのものに、電力を供給し得る。

バルブ４０４および４０４ａとアクチュエータ４０６および４０６ａとは、カタログから購入することが可能な標準的なパイピングパーツであり得る。例示的なアクチュエータ４０６および４０６ａは、Ａｓａｈｉ Ａｍｅｒｉｃａ Ｓｅｒｉｅｓ ８３ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｍｎｉであり、例示的なバルブ４０４および４０４ａは、Ｔｙｐｅ ２１ ｂａｌｌ ｖａｌｖｅである。バルブ４０４および４０４ａは、亜鉛臭素反応体が使用される場合には、ＰＶＤＦであるような非反応性プラスチックを含む。

例示的な使用方法において、コントローラ４０１は、バルブ４０４ａを開いた構成にして、バルブ４０４を閉じた構成にするように、面調節装置４０２を介して、第１のバルブアクチュエータ４０６および第２のバルブアクチュエータ４０６ａに、「正常」信号を送信する。これは、対応するバッテリ（例えば、バッテリ２００（１）、バッテリ２００（２））が、通常モードの動作で機能することを可能にし、カソード液リザーバ２０２およびパイプ４０８ａからのカソード液が、パイプ４０９を通って電極２０４に流れる。コントローラ４０１が、中和イベント（例えば、スイッチ４１１が切断される、異常な圧力、電圧、温度、またはリークの別の兆候）を感知するときには、コントローラ４０１は、バルブ４０４ａを閉じた構成にして、バルブ４０４を開いた構成にするように、インターフェイス調節装置４０２を介して「中和」信号を送信する。これは、バッテリ２００（１）および２００（２）が、上記のように化学的に切断されることを可能にする。こうして、アノード液リザーバ２０２およびパイプ４０８からのアノード液が、パイプ４０９を出て電極２０４に流れる。コントローラ４０１が、バルブ４０４ａを開いた構成にして、バルブ４０４を閉じた構成にするように、別の「正常」信号を、後に送信する場合には、バッテリの電位は元に戻される。つまり、カソード液リザーバ２０２およびパイプ４０８ａからのカソード液が、再び、パイプ４０９を通って電極２０４に流れる。

スイッチ４１１は、例えば、不使用時におけるバッテリ２００（１）および２００（２）の自己放電を防止するために切断され得る。上記のようにバッテリ２００（１）および２００（２）が中和されるときには、この自己放電は停止される。なぜならば、反応体が、反応部位から取り除かれて、安全に蓄積されるからである。しかしながら、スイッチ４１１が、この理由で切断される場合であって、バッテリ２００（１）および２００（２）が、非常用（バックアップ）電力供給として使用されている場合には、バッテリ２００（１）および２００（２）の電位を元に戻すために要求される時間は容認できない。この場合において、バッテリ２００（１）および２００（２）の一部のみを中和して、他のバッテリ２００（１）および２００（２）の他の電位を維持することが所望され得る。それにより、利用可能な電位が、必要な負荷を一時的に負担し、中和されたバッテリ２００（１）および２００（２）の電位を元に戻すために、電力ポンプ２０５および２０６に一時的に電気を供給することが可能である。

図５は、電位中和を用いるフローイング電解液バッテリ２００（３）の実施形態を示し、バッテリ２００（３）は、アノード液リザーバ２０１から電極２０４に電解液を選択的に供給するために、ポンプ５１０と、第１チェックバルブ５１１と、第２のチェックバルブ５１２とを含む。ポンプ５１０は、起動されたときには、ポンプ５１０が、チェックバルブ５１１を開かせ、チェックバルブ５１２を閉じさせるようなサイズに決められている。示されているように、ポンプ５１０は、方向５１０ａの方向にアノード液リザーバ２１０から電極２０４に、電解液をポンプで押し流すのみであり、チェックバルブ５１１および５１２は、一方向への流体の流れを可能にするのみである。

例示的な使用方法において、ポンプ５１０は、通常の状態の下で止められる。ポンプ５１０が止められるときには、ポンプ２０６からの圧力が、バルブ５１２を通して流体を押し流し、バルブ５１１が閉じられる。しかしながら、ポンプ５１０が、作動させられる場合には、アノード液リザーバ２０１からのアノード液が、バルブ５１１および電極２０４を通って押し流され、バルブ５１２は閉じられる。その結果、バッテリ２００（３）の電位は、電荷を取り除くことなくゼロにされる。

図５に示されているように、電極２０４からの電解液は、電解液がアノード液か、またはカソード液かに関わらず、カソード液リザーバ２０２に入り得る。これは、短い期間にのみ行なわれるので、（せいぜい）わずかな量のアノード液がカソード液リザーバ２０２に送られるのみである。しかしながら、オーバフローコネクタ（示されていない）が、それぞれのリザーバがあふれることを防止するために、アノード液リザーバ２０１とカソード液リザーバ２０２との間に含まれ得る。その結果、臭化物の豊富な電解液は、リザーバの底に沈み、最上層はアノード液として適合性がある。従って、リザーバの最上部からのオーバフローは、臭化物の豊富な電解液をアノード液リザーバ２０１に強制しない。

図６は、電位中和を用いるフローイング電解液バッテリ２００（４）の実施形態を示し、該バッテリは、実質的に図５を参照して上記されたように機能し得るが、チェックバルブ５１２を用いない。示されてはいないが、図５において記述された実施形態は、チェックバルブ５１１およびチェックバルブ５１２を用いなくても機能し得る。バルブ５１１および／またはバルブ５１２を取り除く際に、パイピング２０６およびポンプ５１０は、クロスフローがなく、リザーバ２０２からのカソード液が、電極２０４を通って選択的に押し流され、リザーバ２０１からのアノード液が、電極２０４を通って選択的に押し流されるように、構成され、かつ、サイズを決められ得る。

図７は、フローイング電解液バッテリを化学的に選択的に中和し、電位を実質的に元に戻すプロセス７００を示す。ステップ７０１において、アノード液とカソード液とは、電力を生成するために、電解液バッテリを通って流れる。ステップ７０１の例において、図２において示されているように、ポンプ２０５および２０６は、電極２０３および２０４を通ってアノード液を移動させるステップ７０２において、中和状態が決定される。ステップ７０２の例において、図４を参照して述べられたように、コントローラ４０１は、イベント（例えば、スイッチ４１１がユーザによって切られる）および／または異常な状態（例えば、圧力センサ４１２によって感知された異常な圧力、電圧計４１３によって感知された異常な電圧、温度計４１４によって感知された異常な温度、および／またはリーク感知器４１５によるリークの兆候）を感知する。

ステップ７０３において、アノード液のみが、バッテリの電位を中和するために、バッテリを通って流れる。ステップ７０３の例において、バルブ２０７および２０８とポンプ２０５とは、図２において示されているように、電極２０３および２０４を通ってアノード液のみを共同で導入する。バルブ２０８が、実質的に図４を参照して記述されているような場合には、コントローラ４０１は、バルブ４０４ａを閉じた構成にして、バルブ４０４を開いた構成にするように、インターフェイス調整装置４０２を介して、「中和」信号を送信する。追加例は、ポンプ５１０が、電極２０３および２０４を通ってアノード液を流す場合のように、図５および図６を参照して上記されている。

ステップ７０４において、電位が所望される通常の動作状態の再開が決定される。ステップ７０４の例において、コントローラ４０１は、イベント（例えば、スイッチ４１１がユーザによって入れられる）を感知し、および／または通常の状態（例えば、圧力センサ４１２によって感知された通常の圧力、電圧計４１３によって感知された通常の電圧、温度計４１４によって感知された通常の温度、または通常状態の別の兆候）が感知される。

図８は、電位中和を用いるフローイング電解液バッテリ２００（５）の実施形態を示し、該バッテリは、ポンプ８０５ならびにバルブ２０７および２０８と流体的に連絡する中性流体リザーバ８０１を含む。電気的に中性の流体（例えば、反応体の取り除かれた電解液）は、中性の流体リザーバ８０１内に含まれ得る。亜鉛臭素フローイング電解液バッテリの場合において、電気的に中性の流体の例は、臭素の取り除かれた電解液である。

通常の動作において、バルブ２０８は、カソード液リザーバ２０２からのカソード液が、カソード電極２０４を通ることを可能するのみであり、バルブ２０７は、電解液が、カソード電極２０４を通って、カソードリザーバ２０２に入ることを可能にするのみである。しかしながら、中和モードにおいて、バルブ２０８は、中性流体リザーバ８０１からの中性流体が、カソード電極２０４を通ることを可能にするのみであり、バルブ２０７は、電解液が、カソード電極２０４を通って、中性の流体リザーバ８０１に入ることを可能にするのみである。従って、バッテリ２００（５）は、中和モードのときには、化学的に中和（「切断」）される。バルブ２０７および２０８は、図８において中和モードで示されている。

パイピング２１０に破れがなく、ポンプ２０５および２０６が機能しているならば、バルブ２０７および２０８が通常の位置に戻される（すなわち、カソード液が電極２０４を通って流れる）ときには、バッテリ２００（５）の電位は戻る。言い換えると、バッテリ２００（５）の電位は、電荷を取り除くことなくゼロにされ得、最初の電位は、認められるほど、蓄積されたエネルギーのロスがなく元に戻され得る。

図９は、電位中和を用いるフローイング電解液バッテリ２００（６）実施形態を示し、該バッテリは、電極２０４から流れる電解液が、最初にカソード液リザーバ２０２に戻ることなく、電極２０４に再び入ることを選択的に可能にするバルブ９０１を含む。これは、電解液内の反応体が、認められるほどのエネルギーのロスがなく使い果たされる（または「電気的に中性になる」）ことを可能にする。なぜならば、反応体が補充されないからである。このように、電極２０４とバッテリ２００（６）とは、認められるほどの蓄積されたエネルギーのロスがなく、短い期間で電気的に中性になる。

図１０は、フローイング電解液バッテリを化学的に選択的に中和し、そして電位を実質的に元に戻すプロセス１０００を示す。ステップ１００１において、アノード液とカソード液とは、電力を生成するために電解液バッテリを通って流される。ステップ１００１の例において、図８に示されているように、ポンプ２０５および２０６は、電極２０３および２０４を通ってアノード液をポンプで強制する。ステップ１００２において、中和状態が決定される。ステップ１００２の例として、図４を参照に述べられているように、コントローラ４０１は、イベント（例えば、スイッチ４１１がユーザによって切断される）および／または異常な状態（例えば、圧力センサ４１２によって感知された異常な圧力、電圧計４１３によって感知された異常な電圧、温度計４１４によって感知された異常な温度、および／またはリーク感知器４１５によるリークの兆候）を感知する。

ステップ１００３において、アノード液と電気的に中性の流体のみが、バッテリの電位を中和するために、バッテリを通って流れる。ステップ１００３の例は、バルブ２０７および２０８とポンプ８０５とは、図８に示されているように、電極２０４を通って電気的に中性の流体のみを共同で導入する。追加例が、図９を参照して上記されている。例えば、バルブ９０１が、電極２０４から流出する電解液を、最初にカソード液リザーバ２０２に戻ることなく、電極２０４に再び入らせる場合である。

ステップ１００４において、電位が所望される通常の動作状態の再開が決定される。ステップ１００４の例において、コントローラ４０１は、イベント（例えば、スイッチ４１１がユーザによって入れられる）を感知し、および／または通常の状態（例えば、圧力センサ４１２によって感知された通常の圧力、電圧計４１３によって感知された通常の電圧、温度計４１４によって感知された通常の温度、または通常状態の別の兆候）が感知される。

（実験結果）
バッテリ２００（１）のバッテリスタックにおいて行なわれた実験からのテスト結果が、図１１〜図１５に示されている。ＺｉｎｃＦｌｏｗ４５ソフトウェアが、フロートの後の回復の間の短い期間を除いて、スタックに出入りする直流電流を制御するために使用された。テストスタックは、約４．５時間、１３．５Ａｍｐｓで充電された。次に、テストスタックは、アノード液を流されて、１９時間の間、リンスサイクル無しでフロートされた。次に、抵抗器負荷バンクからの変化する負荷が、ポンプ２０５および２０６を切断した状態で、スタックに加えられた電圧が衰弱するまで、次に、カソード液ポンプ２０５およびアノード液ポンプ２０６が起動されて、臭化物錯体が、カソード半電池２０４にポンプ注入された。電圧の回復の後、ＺｉｎｃＦｌｏｗ４５ソフトウェアが、スタックを分解するために使用された。図１１および図１２のグラフは、完全なサイクルデータを示している。

図１３は、スタックの充電が停止されて、アノード液が、カソード半電池２０４を通って流された場合の時間を示している。スタックのフラッシングの手順は、１)カソードポ
ンプ２０６を切断して、２）カソード液リザーバ２０２およびポンプ２０６を分離するために、バルブ２０７および２０８を閉じて、３）アノード液が、カソード半電池２０４を通って循環して、アノード液リザーバ２０１に戻ることを可能にするように、バルブ２０７および２０８を開くという手順である。この手順は、アノード液を染色するには充分である臭化物錯体をアノード液リザーバ２０１に導入した。振り返ってみると、カソード液リザーバ２０２への戻りのラインを閉じることは、アノード液がカソード半電池２０４から出てくることを確認されるまで、数秒間、遅らされるべきである。アノード液は、９０秒間、スタックを通って流されて、次に、アノード液ポンプ２０５は切られた。５分間の休止の後で、カソード半電池２０３とアノード半電池２０４との両方からの放電された電解液が、均一な色になるまで、この手順は繰り返された。全部で３回ｘ９０秒が必要とされた。

図１４は、フロートの間のスタックのＯＣＶを詳述している。

図１５は、フロートの後のスタックの回復を詳述している。フロート時の終了時に、抵抗器バンクからの負荷が、依然として休止中のポンプ２０５および２０６を有するスタックに加えられ、スタック内の残余の電力およびエネルギーを決定する。カソード２０４上で消費された臭化物の置換物がなかったので、スタックの電圧は、４０ボルト以下に非常に急激に下落した。負荷が取り除かれた後に、スタックの電圧は、約７０ボルトに回復した。ポンプ２０５および２０６を切ると、負荷は、スタックに再び加えられ、次に、カソード電解液ポンプ２０６およびアノード電解液ポンプ２０５は、錯体バルブを開いた上体で起動された。ポンプ２０５および２０６が起動されたときから、臭化物錯体が、カソード半電池２０４に到達するまでに、約１分かかった。スタックの電圧の回復のために、さらに３分が必要となった。次に、抵抗器の負荷が取り除かれて、スタックは、ＺｉｎｃＦｌｏｗ４５プログラムによって分解するために、ＤＣ／ＤＣコンバータに再接続された。ソフトウェアは、５３ボルトを下回る電圧に対して約１．３ｋＷでの一定電力での放電を命令する。次に、ソフトウェアは、４Ａｍｐｓに対する一定電圧での放電に転換する。次に、電圧と電力との両方が、減少することを可能にされる。

上記で開示された特定の実施形態からのバリエーションは、本明細書において予想されており、記述されたテスト結果は限定ではないということを当業者は理解する。記述は、上記の実施形態またはテスト結果に限定されるべきではなく、特許請求の範囲によって判断されるべきである。

Claims (1)

1. 明細書に記載の発明。