JP2016115662A - フロー電極装置、エネルギー貯蔵装置及び水処理装置 - Google Patents

フロー電極装置、エネルギー貯蔵装置及び水処理装置 Download PDF

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Abstract

【課題】同一原理を利用した電力貯蔵と水処理システムにおける大容量化のための電極の大面積化又はスタック化を行うことなく、容易に大容量化を実現可能な流動状システムを提供。【解決手段】陽極集電体１１、陽極分離膜１３、及び陽極集電体と陽極分離膜との間に形成された陽極流路１４を流れる陽極活物質１２からなる陽極１０と、陰極集電体２１、陰極分離膜２３、及び陰極集電体と陰極分離膜との間に形成された陰極流路２４を流れる陰極活物質２２からなる陰極２０と、陽極分離膜と陰極分離膜との間に形成された絶縁スペーサー３４を流れる電解質３０と、から構成されるフロー電極装置１。電解質流路を流れる電解質と陽極流路を流れる陽極活物質１２との間、及び電解質流路を流れる電解質と陰極流路を流れる陰極活物質との間におけるイオンの移動によって充電または放電が行われる、フロー電極装置１。電極活物質がスラリー状電極物質である。【選択図】図１

Description

本発明は、電気化学的イオン吸着（充電）及び脱着（放電）原理を利用するもので、電極に形成された微細流路構造内にスラリー状電極物質(Electrode Materials)及び電解質(Electrolyte)が同時に連続的に流動しながら大容量の電気エネルギーを貯蔵する流動状システム、これを用いた大容量エネルギー貯蔵システム及び水処理方法に関する。さらに詳しくは、本発明は、電極活物質がスラリー状態で連続流動することにより、大容量化のための電極の大面積化又はスタック化を行うことなく容易に大容量化を実現することが可能な流動状システム、エネルギー貯蔵システム及び水処理方法に関する。
最近、世界各国は、大気環境汚染問題及び地球温暖化問題を解決するために、クリーンな代替エネルギーの開発と共に、エネルギー貯蔵技術の開発に努力を傾注している。特に、多様な代替エネルギーを通じて生成した電気エネルギーを貯蔵することが可能な大容量電力貯蔵装置から、各種モバイル機器又は大気汚染の改善のための未来型電気自動車などに必要な小型の高出力電力貯蔵装置に至るまで、電気エネルギー貯蔵は未来グリーン産業基盤の核心として台頭している。このような未来電力貯蔵技術の大部分は、Ｌｉイオン電池又はスーパーキャパシタ(super capacitor)のようにイオンの吸着（充電）及び脱着（放電）原理を利用した方式であって、世界各国は素材部品の充放電特性の改善による高効率コンパクト化及び大容量化のために盛んに研究開発を行っている。
一方、近年では、水質汚染及び水不足に備えた浄水又は廃水処理、海水淡水化などの水処理分野においても、これと同一の原理を用いて、既存の蒸発法又は逆浸透圧（ＲＯ）法に比べて非常に低いエネルギー費用のみで水処理が可能な工程、すなわちＣＤＩ（Capacitive Deionization）工程の開発が進行中である。
このような同一原理を利用した電力貯蔵と水処理システムにおいて最も大きな問題は、大容量化時の効率低下及び高価の装置費用である。すなわち、スケールアップのための電極の大面積化、これによる電極内電場分布の不均一、集電体にコートされる薄膜電極の限られた活物質量、コーティング過程におけるバインダーによる活物質と電解質との接触面積の減少及び充放電効率の低下などにより多数の単位セルスタック化が必要であり、これによる装置の高価化、特にＣＤＩ(Capacitive Deionization)工程の場合は、スタック(stack)内の水（電解質）流れの圧力損失による運転費用の増加が問題点として指摘されている。
本発明の課題は、大容量化のための電極の大面積化又はスタック化を行うことなく容易に大容量化を実現することが可能な流動状システムを提供することにある。
本発明の他の課題は、効率的かつ経済的な大容量エネルギー貯蔵システムを提供することにある。
本発明の別の課題は、低いエネルギー費用のみで水処理が可能な水処理方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、（１）に係る発明は、流動状システムであって、流動する陽極活物質を含む流動床陽極と、流動する陰極活物質を含む流動床陰極と、電解質とを含む。
（１）に係る流動状システムによれば、継続的に陽極活物質及び陰極活物質が流動するので、これらを持続的に供給することができて、電極の大面積化又はスタック化を行うことなく容易に大容量化を実現することができる。
（２）に係る発明は、（１）の流動状システムであって、前記陽極が、陽極集電体、陽極分離膜、前記陽極集電体と前記陽極分離膜との間に形成された陽極流路、及び前記陽極流路を流れる陽極活物質を含み、前記陰極が、陰極集電体、陰極分離膜、前記陰極集電体と前記陰極分離膜との間に形成された陰極流路、及び前記陰極流路を流れる陰極活物質を含み、前記電解質が、前記陽極分離膜と前記陰極分離膜との間に形成された電解質流路としての絶縁スペーサー(Insulating Spacer)を流れる。
（２）に記載の流動状システムによれば、陽極活物質と電解質、又は、陰極活物質と電解質のイオン交換を通じてイオン吸着（充電）及び／又は脱着（放電）され、エネルギーを貯蔵及び／又は発生させることができる。
（３）に係る発明は、（２）に記載の流動状システムであって、前記陽極分離膜が微細孔絶縁分離膜又は陽イオン交換（伝導）膜であり、前記陰極分離膜が微細孔絶縁分離膜又は陰イオン交換（伝導）膜である。
（３）に記載の流動状システムによれば、微細孔絶縁分離膜又はイオン交換膜によってイオンが活物質から電解質へ移動し或いは交換され、エネルギーを貯蔵及び／又は発生させることができる。
（４）に係る発明は、（２）に記載の流動状システムであって、前記陽極活物質又は前記陰極活物質が、前記電解質と混合されたスラリー状の活物質である。
（４）に記載の流動状システムによれば、流れ速度を調節することが容易であって一定かつ連続的に単位流動状システムに活物質を供給することができるから、エネルギーを一定に貯蔵及び／又は発生させることができる。
（５）に係る発明は、（２）に記載の流動状システムであって、前記陽極活物質と前記陰極活物質とが同一物質である。
（５）に記載の流動状システムによれば、陽極活物質及び陰極活物質を一つの装置に貯蔵及び供給することが可能なので、これらをそれぞれ区別して貯蔵及び保管しなければならない不便さを減らし、且つ各装置を設備する費用を減らすことができる。
（６）に係る発明は、（２）に記載の流動状システムであって、前記分離膜が微細孔絶縁分離膜であり、前記陽極活物質又は前記陰極活物質がマイクロカプセル化されたものである。
（６）に記載の流動状システムによれば、マイクロカプセル化された電極活物質により電解質との接触面積が増大して反応性が高まる。
（７）に係る発明では、電解質の流れ方向と、互いに同じ方向に流れる流動床陽極の陽極活物質及び流動床陰極の陰極活物質の流れ方向とが互いに反対である。
これにより、多様な形態の流動状システムの設計が可能となる。
（８）に係る発明は、前記流動床陽極の陽極活物質の流れ速度と前記流動床陰極の陰極活物質の流れ速度とが異なる非対称電極を有するものである。すなわち、流れ速度が異なるので、流れ速度の絶対値が異なり或いは流れ方向が反対でありうる。これにより、多様な形態の流動状システムの設計が可能となる。
また、（９）に係る発明は、分離膜がない状態の流動状システムである。よって、構造が単純になるという利点がある。但し、陽極活物質及び陰極活物質が電解質と混ぜられるのを防ぐために、前記陽極活物質又は前記陰極活物質がマイクロカプセル化されたことを特徴とする。
（１０）に係る発明は、（１）〜（９）のいずれか１つの流動状システムであって、流動状システムが二次電池又は電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Electric Double Layer Capacitor）である。
（１０）に記載の流動状システムによれば、その使用目的に応じて多様な形態で利用できる。
（１１）に係る発明は、大容量エネルギー貯蔵システムであって、（１）〜（９）のいずれか１つに記載の流動状システムと、前記陽極活物質、前記陰極活物質及び前記電解質をそれぞれ供給する供給装置と、前記流動状システムに電力を供給する電源供給装置と、前記電源供給装置から発生した電位差を調節する切換スイッチと、前記陽極活物質、前記陰極活物質及び前記電解質を貯蔵する貯蔵タンクとを含んでなる。
（１１）に記載のエネルギー貯蔵システムによれば、陽極活物質、陰極活物質及び電解質を、流動状システム内ではなく、別途の分離設置される貯蔵タンクに貯蔵して供給することにより、電極の大面積化又はスペック化することなく容易に大容量でエネルギーを貯蔵させることができるため、多様な容量に適したスケールアップが容易であり、装置の製造及び運転費用などを大幅減らすことができるため、未来のエネルギー産業に有用に使用することができる。
（１２）に係る発明は、（１１）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムであって、前記切換スイッチに連結された抵抗装置をさらに含む。
（１２）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムによれば、切換スイッチが電源供給装置から抵抗装置に切り換えられることにより、貯蔵タンクに貯蔵されたイオン吸着（充電）された電力が出力される。
（１３）に係る発明は、（１１）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムであって、前記供給装置が、前記陽極活物質、前記陰極活物質及び前記電解質をそれぞれ供給する供給タンク及び供給ポンプから構成される。
（１３）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムによれば、供給タンクが流動状システムとは別に設置できるため、流動状システムの大きさを問わず低い費用で大容量化を実現することができる。
（１４）に係る発明は、（１３）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムであって、前記陽極活物質を供給する陽極活物質供給タンクと、前記陰極活物質を供給する陰極活物質供給タンクとが一つの供給タンクである。
（１４）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムによれば、陽極活物質と陰極活物質とが同一の場合は、一つの供給タンクのみでも供給が可能なので、設置費用を減らすことができる。
（１５）に係る発明は、（１３）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムであって、前記流動状システムが２つ以上であるが、前記流動状システムのうち、一部は充電装置、残りは放電装置として使用され、前記放電用エネルギー貯蔵装置から放電されて流れてきた陽極活物質及び陰極活物質はさらに前記陽極活物質供給タンク及び前記陰極活物質供給タンクにリサイクルされる。
（１５）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムによれば、充放電を連続して同時に行うことができ、また、陽極活物質及び陰極活物質の供給タンクを別途設置しなくてもよいので設備費用を減らすことができる。
（１６）に係る発明は、（８）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムであって、前記貯蔵タンクが電気的絶縁状態の貯蔵容器である。
（１６）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムによれば、貯蔵タンクに貯蔵された電力が漏れずに安定的に保管される。
（１７）に係る発明は、（１３）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムであって、前記電解質が海水又は産業廃水である。
（１７）に記載の大容量エネルギー貯蔵システムによれば、電解質として海水及び廃水が使用されるので、費用を減らすことができ且つ海水の淡水化及び廃水の浄化に利用することができる。
（１８）に係る発明は、ＣＤＩ(Capacitive Deionization)による水処理方法であって、（１０）のエネルギー貯蔵システムを利用する。
（１８）に記載の水処理方法によれば、施設設備費用及び運転費用を低価にしながらも大容量の水処理が可能である。
（１９）に係る発明は、ＣＤＩによる海水の淡水化方法であって、（７）のエネルギー貯蔵システムを利用し、前記電解質が海水である。
（１９）に記載の海水の淡水化方法によれば、施設設備費用及び運転費用を低価に抑えながら大容量で海水の淡水化が可能である。
（２０）に係る発明は、ＣＤＩによる廃水浄化方法であって、（７）のエネルギー貯蔵システムを利用し、電解質が産業廃水である。
（２０）に記載の廃水浄化方法によれば、低廉な費用で大容量の産業廃水の浄化が可能である。
既存の集電体にコートされた固定床活物質電極とは異なり、集電体と分離されたサイズ数十ｎｍ〜数十μｍの微細電極活物質が電解質と混合されたスラリー状態で連続流動することにより、大容量化のための電極の大面積化又はスタック化を行うことなく、微細流路構造を有する単位セルと絶縁貯蔵容器のみで容易に大容量化を実現することができる。このようなエネルギー貯蔵及びＣＤＩ脱塩装置は、多様な容量に適したスケールアップが容易であるうえ、装置の製作及び運転費用を大幅節減することができる。
本発明の一実施例に係る流動状システムの概略図である。 本発明の一実施例に係る電極物質を含むマイクロカプセルの断面図である。 本発明の一実施例に係る大容量流動状システムの概略図である。 本発明の他の実施例に係る流動状システムの概略図である。 本発明の別の実施例に係る流動状システムの概略図である。
以下、本発明をさらに詳細に説明する。ところが、これは、本発明をより具体的に説明するためのもので、当該技術分野の技術者が適切に設計変更して使用することができる。
本発明の一実施例によれば、本発明の流動状システムは、流動する陽極活物質を含む流動床陽極と、流動する陰極活物質を含む流動床陰極と、流動する電解質とを含んでなる。
前記陽極活物質、前記陰極活物質及び前記電解質は、流動状システム、例えば電池又は蓄電池などに使用されてきたものであればいずれでも使用可能であり、当該技術分野における通常の知識を有する者が使用目的及び環境に応じて適切に選択することができる。
本発明の一実施例によれば、陽極活物質及び陰極活物質は、互いに異なる物質が使用されてもよく、同一の物質が使用されてもよい。
本発明の一実施例によれば、前記陽極活物質及び／または陰極活物質などの電極物質は、多孔性炭素（活性炭、カーボンファイバー、カーボンエアロゲル、炭素ナノチューブなど）、黒鉛粉末、金属酸化物粉末などが使用でき、電解質と混合されて流動化された状態で使用できる。
本発明の一実施例によれば、前記電解質は、例えばＮａＣｌ、Ｈ２ＳＯ４、ＨＣｌ、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｎａ２ＮＯ３などの水溶性電解質と、例えばプロピレンカーボネート（Propylene Carbonate、ＰＣ）、ジエチルカーボネート（Diethyl Carbonate、ＤＥＣ）、テトラヒドロフラン（Tetrahydrofuran、ＴＨＦ）などの有機性電解質を含む。
本発明の一実施例によれば、前記電極活物質のみ流動し、前記電解質は固体状又は静止状電解質であってもよい。
本発明の一実施例によれば、前記陽極が、陽極集電体、陽極分離膜、前記陽極集電体と前記陽極分離膜との間に形成された陽極流路、及び前記陽極流路を流れる陽極活物質を含み、前記陰極が、陰極集電体、陰極分離膜、前記陰極集電体と前記陰極分離膜との間に形成された陰極流路、及び前記陰極流路を流れる陰極活物質を含み、前記電解質が、前記陽極分離膜と前記陰極分離膜との間に形成された流路を流れる。
前記電極集電体及び前記電極分離膜は、従来の流動状システム（電池や蓄電池など）に使用されてきているものであればいずれでも使用可能であり、当該技術分野における通常の技術者がその使用目的及び条件に応じて適切に選択して使用することができる。
前記陽極流路及び前記陰極流路の幅は、従来の流動状システムにおける電極集電体と分離膜間の間隔又はそれ以下にすることができる。これは、従来では電極活物質が固定されているため、充放電に必要な活物質の容量を確保しようとするときは流動状システムの大きさが大きくなるという問題点があって、活物質の充填される電極集電体と分離膜との間隔に制限があったが、本発明によれば、電極活物質を持続的に供給することができるので、このような制限なしで使用目的、使用される活物質、電解質などに応じて自由に設計変更することができる。本発明の一実施例によれば、前記流路の幅と高さは数十μｍ〜数ｍｍのサイズにすることができる。
前記絶縁スペーサーの幅も、電解質が持続的に供給できるので、流動状システムの大きさによる制限なく適切に設計変更することができる。
但し、充放電効率を高めるために電解質と活物質の速度を異ならしめてもよく、活物質流路の幅と絶縁スペーサーの幅との比に制限を置いてもよい。
本発明の一実施例によれば、前記陽極分離膜が微細孔絶縁分離膜又は陽イオン交換（伝導）膜であり、前記陰極分離膜が微細孔絶縁分離膜又は陰イオン交換（伝導）膜であってもよい。
前記分離膜は、電気物理的分離のために設置されるもので、微細孔絶縁分離膜(separator)はイオン移動のみが可能であり、前記イオン交換（伝導）膜は陽イオン(cation)又は陰イオン(anion)のみを選択的に移動させることができる。
また、本発明の一実施例によれば、陽極活物質又は陰極活物質は電解質と混合されたスラリー状の活物質である。
本発明の他の実施例によれば、陽極活性物質と陰極活物質に対して電解質が反対方向に流れる。よって、多様な形態の流動状システムを構成することが可能である。
また、陽極の陽極活物質の流れ速度と陰極の陰極活物質の流れ速度とを互いに異ならしめて、陽極活物質と陰極活物質の電解質の反応時間を異ならしめることも可能である。これにより、多様な設計変更が可能となる。
以下、本発明を添付図面に基づいてさらに詳細に説明する。
図１は本発明の一実施例に係る流動状システムの概略図である。図１によれば、陽極集電体１１、陽極分離膜１３、及び陽極集電体１１と陽極分離膜１３との間に形成された陽極流路１４を流れる陽極活物質１２からなる陽極１０と；陰極集電体２１、陰極分離膜２３、及び陰極集電体２１と陰極分離膜２３との間に形成された陰極流路２４を流れる陰極活物質２２からなる陰極２０と；陽極分離膜１３と陰極分離膜２３との間に形成された絶縁スペーサー３４を流れる電解質３０とから構成される。
前記流動状システムは、単位セルとして２つ以上連続して設置されて使用でき、電極物質と電解質を同時に連続的に流動化させることができる。
また、図４に示すように、電解質３０の移動方向を前記陽極活物質１２及び前記陰極活物質２２に対して反対方向にすることも可能である。
図２を参照すると、電極物質をマイクロカプセル化して電解質と電極物質との接触面積を増大させることができる。具体的に、２つの電極活物質と電解質流れ通路との間に陽イオン分離膜（主に電解質液体の流通を防ぎ且つ陽イオンのみを選択的に通過させる緻密(dense)膜）と陰イオン分離膜（陰イオンのみを選択的に通過させる緻密膜）を使用する。
ところが、それぞれの選択的イオン膜でカプセル化された電極活物質（図２）を使用すると、陽極の間にイオン伝導緻密膜を使用する必要がなく、イオンだけではなく電解質の流通も可能な微細孔絶縁分離膜を使用すると、電解質とそれぞれのカプセル化された電極活物質粒子との接触面積が増大する。
マイクロカプセル電極は、中心となるコアと、その外側を取り囲むシェルとから構成される。シェル物質は、電解質に存在するイオンを交換させることが可能な特性を有している。一実施例によれば、シェル物質は、陽イオンを交換することが可能なスルホン酸基（ＳＯ３ −）、カルボキシル基（ＣＯＯ−）、リン酸基（ＰＯ４ −）などが存在する高分子膜と、陰イオンを交換することが可能な第１，２，３，４級アンモニウム基が付いている高分子膜を使用することができる。
マイクロカプセルは、固相法又は液相法で製造することができる。特に、液相法においては、コア／シェル構造は界面活性剤を用いるエマルジョン法、シェルとして使用される物質を単量体で重合して製造する重合法、コアとシェルを個別的に或いは同時に噴射又は押出させて製造する方法によってマイクロカプセル電極を作ることができる。マイクロカプセル化された電極は、個別粒が一つ乃至三つ固まり、それをシェルが取り囲むから、全体粒が固まって一つにバルク化された電極に比べて単位重量当り或いは体積当り占める電極面積が大きいという利点がある。
特に、図５に示すように、分離膜の除去された状態の流動状システム６０を構成する場合には、マイクロカプセルによって、陽極活物質及び陰極活物質と電解質が直接混合されるのを防ぐことができる。
次に、図３を参照すると、本発明の一実施例に係るエネルギー貯蔵システム１００は、単位セルである流動状システム１と；前記陽極活物質１２に電解質３０を混合してスラリー状に製造した陽極活物質を供給する陽極活物質供給タンク２ａ及び供給ポンプ４１と；前記陰極活物質２２に電解質３０を混合してスラリー状に製造した陰極活物質を供給する陰極活物質供給タンク２ｂ及び供給ポンプ４２と；前記電解質３０を供給する電解質供給タンク５及び供給ポンプ４３と；前記流動状システム１に直流電源を供給する電源供給装置７と；前記電源供給装置７から発生した電位差を調節する切換スイッチ９と；電位が印加された流動状システム１を通過しながらイオン吸着（充電）された陽極活物質が貯蔵される陽イオン貯蔵タンク３と；イオン吸着（充電）された陰極活物質が貯蔵される陰イオン貯蔵タンク４と；脱イオン化された電解質貯蔵タンク６とから構成される。
次に、前記エネルギー貯蔵システム１００の作用について説明する。
流動状システム１に、直流電源供給装置７から発生した電位差、例えば０．５〜２．０ｖの範囲の電位差を切換スイッチ９を介して印加しながら、スラリー状の陽極活物質１２、陰極活物質２２及び電解質３０を同時に流動状システム１に連続的に通過させる。
前記陽極活物質１２及び陰極活物質２２は、予め電解質３０と混合されて陽極活物質供給タンク２ａ、陰極活物質供給タンク２ｂ及び電解質供給タンク５から供給ポンプ４１、４２、４３によって流動状システム１に供給される。この際、使用される陽極活物質１２と陰極活物質２２とが同一の場合は、供給タンク２ａ、２ｂをそれぞれ設置する必要がなく、一つの供給タンク２のみでも可能である。前記電解質供給タンク５の電解質は海水又は汚水などから供給ポンプ４４及び調節バルブ４５を介して供給される。
上述したように陽極活物質１２、陰極活物質２２及び電解質３０を、電位の印加された流動状システム１を通過するように流すと（実線方向）、通過しながらイオン吸着（充電）された電極活物質１２、２２とイオンの除去された電解質３０はそれぞれ貯蔵タンク３、４、６に貯蔵される。一実施例によれば、前記貯蔵タンクは電気的絶縁状態の貯蔵容器であることが好ましい。
従来の固定床活物質電極の場合は、電極活物質にイオンが充電されるとそれ以上の充電が不可能であるから、大容量化のためには電極を大面積化し或いは多数の電極をスタック化しなければならないので、装置の製造及び運転費用が大幅増加するという問題点があった。ところが、本発明によれば、活物質を持続的に供給し、イオン吸着された活物質は別途設置された貯蔵タンクに貯蔵することができるので、流動状システム１の大きさを大きくし或いはスタック化することなく、容易に大容量化が可能である。また、流動状システム１を必要に応じてさらに設置することができるため、より容易に、多様な容量に適したスケールアップが可能である。
一方、それぞれの貯蔵タンクに貯蔵された電極活物質にイオン吸着（充電）された電力を出力する方法は、イオン吸着（充電）過程とは逆に、直流電源供給装置７を切った後、切換スイッチ９を切り換えて抵抗装置８に連結すると同時に、流動状システム１を介して、貯蔵タンク３、４、６に貯蔵された陽極活物質、陰極活物質、電解質を逆に流すと（点線方向）、流動状システム１を通過しながらイオン脱着（放電）が行われる。
この際、長時間連続的に充電と放電を同時に行う必要がある場合、流動状システム１を２つ以上追加してシステムを構成することができる。これらの流動状システムのうち、一部は充電装置、残りは放電装置として使用できる。この場合、陽極活物質１２と陰極活物質２２の貯蔵タンク３、４を別途設置する必要なく追加され、放電用流動状システム１でイオン脱着（放電）された電極活物質が貯蔵タンクを経由せず直ちに供給タンク２ａ、２ｂにリサイクルされる。
特に、別途設置される放電用流動状システム１は、電極物質の汚染防止、逆電位(polarity reverse)印加による貯蔵イオンの急速脱着、及び電解質濃縮のために、イオン伝導特性を有する分離膜から構成された或いはマイクロカプセル化された電極物質を使用する。
本発明に係るエネルギー貯蔵システム１００は、ＣＤＩ水処理技術に適用することができる。例えば、海水又は産業廃水を電解質供給タンク５を介して、電位差が発生している流動状システム１に通すと、脱塩（脱イオン化）されて電解質貯蔵タンク６に貯蔵されるので、海水の淡水化及び産業廃水の浄化が行われる。
したがって、既存の蒸発法又は逆浸透圧（ＲＯ）法に比べて非常に低いエネルギー費用のみで水処理が可能で、大容量化が可能である。
以下、実施例によって本発明をより詳細に説明する。ところが、下記実施例は、本発明をより具体的に説明するためのもので、本発明の範囲を制限するものと解釈されてはならない。
（実施例１）（ＮａＣｌ電解質における活性炭粉末スラリーの流動化脱塩特性）
微細流路構造を持つように長方形の陽極集電体及び陰極集電体（ＳＵＳ３１６．９５×５２ｍｍ、接触面積２２．４ｃｍ２）の間がそれぞれ陽イオン交換膜（−ＳＯ３ −）、陰イオン交換膜（Ｒ３Ｎ＋−）及びスペーサーで分離された単位セル（流動状システム）を製作した。表２に示すように、１，０３０〜１１，０００μｓの電気伝導度（濃度）を有する水溶性ＮａＣｌ電解質をマイクロ定量ポンプ（日本精密化学（株）、Ｍｉｎｉｃｈｅｍｉ Ｐｕｍｐ）によって分当り３〜５ｃｃの流量で単位セルに通した。
これと同時に、表１の細孔特性を有し且つ約９５ｎｍの平均粒度で微粉砕された電極活物質、すなわち活性炭粉末を同一の電解質と表２の濃度でそれぞれ混合して分当り約２０〜２５ｃｃのスラリー状流速で単一セルの陽極流路及び陰極流路を介して通過させながら、陽極及び陰極の２つの集電体の端子を介して約１．２〜１．５ｖのＤＣ電位差を印加した。この際、本実験では、２つの集電体を通過しながらイオン吸着（充電）されたスラリー状の電極活物質を別に貯蔵せず、一つの供給貯蔵容器にリサイクルしながら約３０分単位で集電体の電流変化と電解質の濃度（電気伝導度）変化を測定した。結果を表２に示す。
表２の測定結果によれば、時間経過に伴って電極活物質が飽和吸着（充電）されながら電流の流れが急激に落ちる既存の固定流動状（例えば、韓国公開特許第２００２−００７６６２９号公報）とは異なり、本発明の流動状は、供給される電解質の濃度が一定の場合に一定の電流流れを示し、集電体を透過した電解質の濃度（電気伝導度）が与えられた供給液（電解質）の濃度に応じて約３０〜４０％程度減少しながら、リサイクルされたスラリー状電極活物質の濃度が増加することからみて、本発明の流動状物質による電解質イオンの連続的な吸着貯蔵が可能であることを確認した。したがって、本発明は、電力貯蔵及びＣＤＩ脱塩技術分野で電極物質のコーティング量に制限を受けた既存の固定流動状方式の問題点を容易に解決することにより、大容量化による高価の装置費用及び運転費用を画期的に改善することができる。
［付記１］
流動する陽極活物質を含む流動床陽極と、
流動する陰極活物質を含む流動床陰極と、
電解質と、を含んでなることを特徴とする、流動状システム。
［付記２］
前記陽極が、陽極集電体、陽極分離膜、前記陽極集電体と前記陽極分離膜との間に形成された陽極流路、及び前記陽極流路を流れる陽極活物質を含み、
前記陰極が、陰極集電体、陰極分離膜、前記陰極集電体と前記陰極分離膜との間に形成された陰極流路、及び前記陰極流路を流れる陰極活物質を含み、
前記電解質が、前記陽極分離膜と前記陰極分離膜との間に形成された絶縁スペーサーを流れることを特徴とする、付記１に記載の流動状システム。
［付記３］
前記陽極分離膜が微細孔絶縁分離膜又は陽イオン交換（伝導）膜であり、
前記陰極分離膜が微細孔絶縁分離膜又は陰イオン交換（伝導）膜であることを特徴とする、付記２に記載の流動状システム。
［付記４］
前記陽極活物質又は前記陰極活物質が、前記電解質と混合されたスラリー状の活物質であることを特徴とする、付記２に記載の流動状システム。
［付記５］
前記陽極活物質と前記陰極活物質とが同一物質であることを特徴とする、付記２に記載の流動状システム。
［付記６］
前記分離膜が微細孔絶縁分離膜であり、
前記陽極活物質又は前記陰極活物質がマイクロカプセル化されたことを特徴とする、付記２に記載の流動状システム。
［付記７］
上記電解質の流れ方向は互いに同じ方向に流れる流動床陽極の陽極活物質と流動床陰極の陰極活物質の流れ方向と反対の方向であることを特徴とする、付記１に記載の大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記８］
前記流動床陽極の陽極活物質の流れ速度と前記流動床陰極の陰極活物質の流れ速度とが互いに異なることを特徴とする、付記１に記載の大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記９］
前記陽極が陽極集電体、及び前記陽極集電体に近接して流れる陽極活物質を含み、
前記陰極が陰極集電体、及び前記陰極集電体に近接して流れる陰極活物質を含み、
前記電解質が前記陽極活物質と前記陰極活物質との間に流れ、
前記陽極活物質又は前記陰極活物質がマイクロカプセル化されたことを特徴とする、付記１に記載の流動状システム。
［付記１０］
前記流動状システムが二次電池又は電気二重層キャパシタ（ＥＤＬＣ：Electric Double Layer Capacitor）であることを特徴とする、付記１〜９のいずれか１つに記載の流動状システム。
［付記１１］
付記１〜９のいずれか１つに記載の流動状システムと、
前記陽極活物質、前記陰極活物質及び前記電解質をそれぞれ供給する供給装置と、
前記流動状システムに電力を供給する電源供給装置と、
前記電源供給装置から発生した電位差を調節する切換スイッチと、
前記陽極活物質、前記陰極活物質及び前記電解質を貯蔵する貯蔵タンクと、を含んでなることを特徴とする、大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記１２］
前記切換スイッチに連結された抵抗装置をさらに含むことを特徴とする、付記１１に記載の大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記１３］
前記供給装置が、前記陽極活物質、前記陰極活物質及び前記電解質をそれぞれ供給する供給タンク及び供給ポンプを備えることを特徴とする、付記１１に記載の大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記１４］
前記陽極活物質を供給する陽極活物質供給タンクと、前記陰極活物質を供給する陰極活物質供給タンクとが一つの供給タンクであることを特徴とする、付記１３に記載の大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記１５］
前記流動状システムが２つ以上であり、
前記流動状システムのうち、一部は充電装置として、残りは放電装置として使用され、
前記放電用エネルギー貯蔵装置から放電されて流れてきた陽極活物質及び陰極活物質はさらに前記陽極活物質供給タンク及び前記陰極活物質供給タンクにリサイクルされることを特徴とする、付記１３に記載の大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記１６］
前記貯蔵タンクが電気的絶縁状態の貯蔵容器であることを特徴とする、付記１１に記載の大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記１７］
前記電解質が海水又は産業廃水であることを特徴とする、付記１０に記載の大容量エネルギー貯蔵システム。
［付記１８］
付記１０のエネルギー貯蔵システムを利用することを特徴とする、ＣＤＩ(Capacitive Deionization)による水処理方法。
［付記１９］
付記１０のエネルギー貯蔵システムを利用し、
前記電解質が海水であることを特徴とする、ＣＤＩ(Capacitive Deionization)による海水淡水化方法。
［付記２０］
付記１０のエネルギー貯蔵システムを利用し、
電解質が産業廃水であることを特徴とする、ＣＤＩ(Capacitive Deionization)による廃水浄化方法。
１、６０ 流動状システム
２ 活物質供給タンク
３ 陽極活物質貯蔵タンク
４ 陰極活物質貯蔵タンク
５ 電解質供給タンク
６ 電解質貯蔵タンク
７ 電源供給装置
８ 抵抗装置
９ 切換スイッチ
４１、４２、４３、４４ 供給ポンプ
１０ 陽極
１１ 陽極集電体
１２ 陽極活物質
１３ 陽極分離膜
１４ 陽極流路
２０ 陰極
２１ 陰極集電体
２２ 陰極活物質
２３ 陰極分離膜
２４ 陰極流路
３０ 電解質
３４ 絶縁スペーサー(Insulating spacer)
５０ カプセル膜（イオン膜）

Claims (10)

  1. 陽極集電体と、陽極分離膜と、前記陽極集電体と前記陽極分離膜との間に位置し、陽極活物質が流れる陽極流路とを有する陽極と、
    陰極集電体と、陰極分離膜と、前記陰極集電体と前記陰極分離膜との間に位置し、陰極活物質が流れる陰極流路とを有する陰極と、
    前記陽極分離膜と前記陰極分離膜との間に位置し、電解質が流れる電解質流路となる絶縁スペーサーとを含み、
    前記電解質流路を流れる電解質と前記陽極流路を流れる陽極活物質との間、および前記電解質流路を流れる電解質と前記陰極流路を流れる陰極活物質との間におけるイオンの移動によって充電または放電が行われることを特徴とする、フロー電極装置。
  2. 前記陽極分離膜および前記陰極分離膜が微細孔絶縁分離膜であることを特徴とする、請求項１に記載のフロー電極装置。
  3. 前記陽極分離膜が陽イオン交換膜であり、
    前記陰極分離膜が陰イオン交換膜であることを特徴とする、請求項１に記載のフロー電極装置。
  4. 前記陽極活物質または前記陰極活物質は前記電解質と混合されたスラリー状の活物質であることを特徴とする、請求項１に記載のフロー電極装置。
  5. 陽極集電体と、
    陰極集電体と、
    前記陽極集電体と前記陰極集電体との間に位置し、電解質が流れる電解質流路となるスペーサーと、
    前記陽極集電体と前記スペーサーとの間に位置し、陽極活物質が流れる陽極流路と、
    前記陰極集電体と前記スペーサーとの間に位置し、陰極活物質が流れる陰極流路とを含み、
    前記陽極活物質および前記陰極活物質はマイクロカプセル化されており、
    前記電解質流路を流れる電解質と前記陽極流路を流れる陽極活物質との間、および前記電解質流路を流れる電解質と前記陰極流路を流れる陰極活物質との間におけるイオンの移動によって充電または放電が行われることを特徴とする、フロー電極装置。
  6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載のフロー電極装置と、
    前記陽極活物質を前記陽極流路に供給する陽極活物質供給装置と、
    前記陰極活物質を前記陰極流路に供給する陰極活物質供給装置と、
    前記電解質を前記電解質流路に供給する電解質供給装置と、
    前記フロー電極装置の前記陽極集電体と前記陰極集電体との間に電力を供給する電源供給装置と、
    前記陽極流路を流れながらイオンを吸着した陽極活物質を貯蔵する陽イオン貯蔵装置と、
    前記陰極流路を流れながらイオンを吸着した陰極活物質を貯蔵する陰イオン貯蔵装置と、
    前記電解質流路を流れながら脱イオン化された電解質を貯蔵する電解質貯蔵装置とを含むことを特徴とする、エネルギー貯蔵装置。
  7. 前記フロー電極装置が２つ以上であり、
    ２つ以上の前記フロー電極装置のうち、一部は充電装置として、残りのフロー電極装置は放電装置として使用され、
    前記放電装置から流れてきた陽極活物質及び陰極活物質はさらに前記陽極活物質供給装置及び前記陰極活物質供給装置へリサイクルされることを特徴とする、請求項６に記載のエネルギー貯蔵装置。
  8. 請求項６又は７に記載のエネルギー貯蔵装置を備え、
    前記電解質が海水または廃水であることを特徴とする、水処理装置。
  9. 請求項６又は７に記載のエネルギー貯蔵装置を備え、
    前記電解質が海水であることを特徴とする、海水淡水化装置。
  10. 請求項６又は７に記載のエネルギー貯蔵装置を備え、
    前記電解質が廃水であることを特徴とする、廃水浄化装置。
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