JP2017506811A - シャント電流カウンター電極を有するフローセル - Google Patents

Abstract

フローセルに関して、動作中、シャント電流による析出物を引き付けるために、カウンター電極が用いられる。カウンター電極は、析出物を引き付けるためにフローセルのアノードと電気的に接続され、次いで、析出物を除去するために、フローセルのカソードと電気的に接続されてもよい。

Description

本開示は、フローセル内におけるシャント電流管理に関する。

一般的な電気化学セルは、セパレータ装置によって隔離されたカソード側とアノード側とを含み得る。カソード側は、カソード集電体と、カソード電気活性物質（放電時に還元される）と、電解質とを含み得る。アノード側は、アノード集電体と、アノード電気活性物質（放電時に酸化される）と、電解質とを含み得る。なかでも、カソード側とアノード側とを隔離するセパレータ装置は、その間でイオンを流動させることができる。このようにして、集電体、電気活性物質、電解質およびセパレータ装置は、化学的エネルギーを電気に変換する電気化学リアクタを形成する。集電体どうしを（外部で）電気的に接続して、電気回路を形成することもできる。

フロー電池は、フローセルを含む。フローセルは、アノードおよびカソードと、カウンター電極であって、シャント電流による析出物を引き付けるための、アノードとほぼ等しい電位と、シャント電流による析出物を除去するための、カソードとほぼ等しい電位との間で切り替えできる、カウンター電極とを含む。

フロー電池は、フローセルを含む。フローセルは、カソード室を部分的に画定するカソードと、アノード室を部分的に画定するアノードと、カソード室とアノード室との間に挟持され、カソード室およびアノード室を通って流れる電気活性物質の間でイオンが流動できるように構成されるセパレータ装置とを含む。フローセルはまた、アノードと電気的に接続した状態と、カソードと電気的に接続した状態との間で切り替えできるカウンター電極を含む。

電池を制御する方法は、コントローラによって、流れる電気活性物質の経路内に配置されたカウンター電極が、カウンター電極上にシャント電流による析出物を引き付けるために、電池のアノードとほぼ等しい電位を有するようにするステップと、続いて、コントローラによって、カウンター電極が、シャント電流による析出物を除去するために、電池のカソードとほぼ等しい電位を有するようにするステップとを含む。

フローセルシステムの概略図である。 シャント電流電極を有するフローセルシステムの概略図である。 代替的なシャント電流電極構成の概略図である。

本明細書において、本開示の実施形態を説明する。しかしながら、開示される実施形態は単に例にすぎず、他の実施形態は様々かつ代替的な形態をとり得ることが理解される。図面は、必ずしも原寸に比例しておらず、特定の構成要素の細部を示すために、一部の特徴が強調または縮小されていることがある。したがって、本明細書において開示される具体的な構造的および機能的細部は、限定するものとして解釈されるべきではなく、単に、当業者に教示して、本発明を様々に利用するための代表的な基礎として解釈されるべきである。当業者であれば理解するように、図面のうちのいずれか１つを参照して図示および説明される様々な特徴は、１つ以上の他の図面に示される特徴と組み合わされて、明示的に図示または説明されていない実施形態を作り出してもよい。図示された特徴の組み合わせは、典型的な応用のための代表的な実施形態を提供するものである。しかしながら、本開示の教示に一致する特徴の様々な組み合わせおよび修正は、特定の応用または実施に望ましいものであり得る。

フローセルは、１つ以上の溶解した電気活性種を含む電解質が、化学的エネルギーを電気に変換する電気化学リアクタを（内外へ）通って流れる、再充電可能電池の一種である。１つ以上の溶解した電気活性種を含むさらなる電解質は、外部に、一般には、タンクに保管され、通常、電気化学リアクタ（または複数の電気化学リアクタ）を通してポンプで送られる。よって、フローセルは、外部貯蔵タンクのサイズによって、様々な容量を有し得る。

図１を参照すると、フローセル１０は、セパレータ１６（例えば、イオン交換膜）によって隔離されたカソード側１２とアノード側１４とを含み得る。カソード側１２は、カソード室１８と、カソード集電体２０と、カソード液貯蔵槽２２とを含む。同様に、アノード側１４は、アノード室２４と、アノード集電体２６と、アノード液貯蔵槽２８とを含む。セパレータ１６は、カソード室およびアノード室１８、２４にある電気活性物質の間でイオンを流動させることができる。このようにして、カソード室およびアノード室１８、２４、集電体２０、２６およびセパレータ１６は、化学的エネルギーを電気に（また、一部の構成では、電気を化学的エネルギーに）変換する電気化学リアクタ２９を形成する。そのため、カソード２０およびアノード２６を（一緒に、または他のアノードおよびカソードにそれぞれ）（外部で）電気的に接続して、電気回路を形成することもできる。

一般的に、カソード液３０およびアノード液３２は、それぞれカソード活物質およびアノード活物質と、イオン輸送に用いる電解質とを可溶性中間物を経て化学結合させる。カソード液３０およびアノード液３２をセル１０のそれぞれの側で循環させて、電気化学リアクタ２９内で反応させる。このように、カソード液３０およびアノード液３２は、流動的である。そのために、カソード側１２は、カソード室１８およびカソード液貯蔵槽２２と流体連通する流入／流出管３４と、循環ポンプ３６と、熱交換器３８と、バルブ４０とをさらに含み、それぞれが流入／流出管３４に対して動作可能に配置される。循環ポンプ３６は、その名が示唆するように、カソード室１８、カソード液貯蔵槽２２および流入／流出管３４を通してカソード液３０を循環させる。熱交換器３８は、カソード液３０の温度を制御するように動作させ得る。バルブ４０は、カソード室１８内および／または外へのカソード液３０の流れを制御するように動作させ得る。

アノード側１４は、流入／流出管４２と、循環ポンプ４４と、熱交換器４６と、バルブ４８とを含む。流入／流出管４２は、アノード室２４およびアノード液貯蔵槽２８と流体連通し、循環ポンプ４４、熱交換器４６およびバルブ４８は、それぞれ、流入／流出管４２に対して動作可能に配置される。循環ポンプ４４は、アノード室２４、アノード液貯蔵槽２８および流入／流出管４２を通してアノード液３２を循環させる。熱交換器４６は、アノード液３２の温度を制御するように動作させ得る。バルブ４８は、アノード室２４内および／または外へのアノード液３２の流れを制御するように動作させ得る。

アノード側１４は、アノード液貯蔵槽２８で混合したＺｎＯおよびＮａＯＨのスラリーを含んで、溶液中の活物質（亜鉛酸塩）が確実に最大限溶解するようにしてもよい。この溶液を、フローセル１０のためのアノード液３２として用いてもよい。充電時、アノード２６の表面で可溶性亜鉛酸塩が反応して、アノード室２４に隣接するアノード表面に亜鉛金属４９を析出する。放電時、負荷が反応を反転し、亜鉛金属４９を酸化してアノード２６の表面から剥がす。亜鉛酸塩種は、アノード液３２にごくわずかしか溶解しないため、放出される物質の大半がＺｎＯとして沈殿する。この放電生成物は、通常、貯蔵槽２８に貯蔵されるが、システム内の他の場所に析出しないこと、またフローチャネルを閉塞したり表面領域を覆ったりして電流分布を変える可能性がないことを確実にするように管理すべきである。

１つ以上のコントローラ５０は、太い一点鎖線で示すように、循環ポンプ３６、４４およびバルブ４０、４８を操作して、カソード液３０およびアノード液３２を、カソード室およびアノード室１８、２４ならびに貯蔵槽２２、２８の内および外にそれぞれ流してもよい。このような流れは、精巧な流れおよび温度の制御を要することが多い。（電池におけるように）複数のセルでは、複数のセルで同じ貯蔵槽が用いられ得るために、一般的なフローシステムは、より複雑になり得る。

単一の貯蔵槽を複数のセルで使用することにより、セル間にイオン経路（またはシャント電流）がもたらされ得る。充電中のシャント電流の結果としてのＺｎ再分布は望ましくないこともある。シャント電流による析出物５２は、例えば、流入／流出管４２内に堆積することがあり、その中の流れを妨げ、アノード室２４を枯渇させる可能性がある。

本明細書に説明される特定の例は、この望ましくない析出に対して、持続可能な仕方で対処しようとするものである。別個のカウンター電極がセル内に配置され得る。一例では、カウンター電極は、電極上の通常の析出領域と、流入および流出多岐管との間にあるアノード液の流入および流出経路内の電極表面上に（ただし、これから絶縁された状態で）配置される。別の例では、カウンター電極は、アノードから離間し、流入および流出多岐管に隣接して配置される。いずれの場合も、カウンター電極は、シャントによる析出物が、アノードに接触しないようにするために、アノードから十分に離間して配置されるべきである。他の構成もまた企図されている。例えば、単一のカウンター電極を用いることができる、などである。

カウンター電極は、例えば、電解質によって消耗（腐食）されない任意の金属または合金（例えば、Ｎｉ、Ｓｎ、ステンレス鋼）を含んでもよい。特定の状況では、寄生的に析出物を放出する傾向を有する物質を選択すると有利な場合がある。追加的に、カウンター電極の表面積が小さいよりも、大きいほど有利である場合もある。

まず、両方のカウンター電極をベース電極（例えば、アノード）に電気的に接続し、これにより、両方のカウンター電極がベース電極と同じ電位になる。（カウンター電極は、当然のことながら、そうではなくて、ベース電極とほぼ等しい電位に電気的に接続されてもよい。）ベース電極と同じ電位とし、かつベース電極とシャント電流のイオンの流れの源との間にあることにより、これらのカウンター電極は、シャント電流による析出物の大半を引き付けて、これらがベース電極上またはシステム内の他の場所に著しく形成されるのを阻止する。

シャントにより析出したＺｎが大量にカウンター電極上に堆積した場合、カウンター電極とベース電極との間の接続を切る。そして、代わりに、カウンター電極を、対象とするセルのカソード（または、カソードとほぼ等しい電位）に接続する。このことにより、２つのカウンター電極によって形成されるセルの一部とカソードとが事実上短絡される。カソードと短絡し、かつその表面に（膜によって隔離しながら）密接するように配置することにより、大電流が素早く流れ、各カウンター電極上で放電してシャントにより析出したＺｎを除去する。この比較的短い時間の間、新たなシャント電流による析出物がカウンター電極に付着しようとすることもあるが、同じプロセスによって放出される。カウンター電極放電電流がゼロと検知されると（または、所定期間が経過などすると）、カソードとの接続が切られ、アノードとの接続が再確立され、それぞれのベース電極のシャント電流保護が再開する。

他の例では、アノードとほぼ等しい電位とカソードとほぼ等しい電位との間でカウンター電極を切り替えるべき周波数を決定する試験を行ってもよい。アノード室およびカソード室の流量、システムの化学的性質、セルの数、タンク容積、などは、シャントによる析出物が形成される速さおよび除去される速さに影響を与える場合がある。次いで、このタイミングが、上述の切り替えを課せられたコントローラによって実施され得る。

類似の番号を付与された要素が類似の説明を共有し得る図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、フローセル１１０は、セパレータ１１６によって隔離されたカソード側１１２とアノード側１１４とを含んでもよい。カソード側１１２は、カソード室１１８と、カソード集電体１２０と、カソード液貯蔵槽１２２とを含む。同様に、アノード側１１４は、アノード室１２４と、アノード集電体１２６と、アノード液貯蔵槽１２８とを含む。セパレータ１１６は、カソード室およびアノード室１１８、１２４にある電気活性物質の間でイオンを流動させることができる。このようにして、カソード室およびアノード室１１８、１２４、集電体１２０、１２６およびセパレータ１１６は、化学的エネルギーを電気に（また、一部の構成では、電気を化学的エネルギーに）変換する電気化学リアクタ１２９を形成する。

一般的に、カソード液１３０およびアノード液１３２は、それぞれカソード活物質およびアノード活物質と、イオン輸送に用いる電解質とを可溶性中間物を経て化学結合させる。カソード液１３０およびアノード液１３２をセル１１０のそれぞれの側で循環させて、電気化学リアクタ１２９内で反応させる。そのために、カソード側１１２は、カソード室１１８およびカソード液貯蔵槽１２２と流体連通する流入／流出管１３４と、循環ポンプ１３６と、熱交換器１３８と、バルブ１４０とをさらに含み、それぞれが流入／流出管１３４に対して動作可能に配置される。

アノード側１１４は、流入／流出管１４２（例えば、多岐管）と、循環ポンプ１４４と、熱交換器１４６と、バルブ１４８とを含む。流入／流出管１４２は、アノード室１２４およびアノード液貯蔵槽１２８と流体連通し、循環ポンプ１４４、熱交換器１４６およびバルブ１４８は、それぞれ、流入／流出管１４２に対して動作可能に配置される。

アノード側１１４は、アノード液貯蔵槽１２８で混合したＺｎＯおよびＮａＯＨのスラリーを含んで、溶液中の活物質（亜鉛酸塩）が確実に最大限溶解するようにしてもよい。（しかしながら、他の適切な化学的性質も用いることができる。）この溶液を、フローセル１１０のためのアノード液１３２として用いてもよい。充電時、アノード１２６の表面で可溶性亜鉛酸塩が反応して、アノード室１２４に隣接するアノード表面に亜鉛金属１４９を析出する。放電時、負荷が反応を反転し、亜鉛金属１４９を酸化してアノード１２６の表面から剥がす。

１つ以上のコントローラ１５０は、太い一点鎖線で示すように、循環ポンプ１３６、１４４およびバルブ１４０、１４８を操作して、カソード液１３０およびアノード液１３２を、カソード室およびアノード室１１８、１２４ならびに貯蔵槽１２２、１２８の内および外にそれぞれ流してもよい。

この例では、カウンター電極１５４（例えば、Ｎｉ箔）は、電気化学リアクタ１２９付近の流入／流出管１４２内に配置される。切り替え可能回路１５５が、カウンター電極１５４をアノード１２６（図２Ａ）またはカソード１２０（図２Ｂ）に選択的に電気的に接続する。１つ以上のコントローラ１５０が、この例では、試験で開発され、特定の設計および動作条件のために最適化されたタイミングスケジュールに従って、（太い一点鎖線で示されるように）切り替え可能回路１５５の作動を制御する。

類似の番号を付与された要素が類似の説明を共有し得る図３を参照すると、フローセル２１０は、セパレータ２１６によって隔離されたカソード側２１２とアノード側２１４とを含んでもよい。カソード側２１２は、カソード室２１８と、カソード集電体２２０とを含む。同様に、アノード側２１４は、アノード室２２４と、アノード集電体２２６とを含む。これらの要素は、電気化学リアクタ２２９を形成し得る。

カウンター電極２５４は、アノード室２２４内の流入口と同じ壁付近に配置され、シャントによる析出物がアノード２２６に接触しないようにするために、アノード２２６から十分に離間して配置される。

類似の番号を付与された要素が類似の説明を共有し得る図４を参照すると、フローセル３１０は、セパレータ３１６によって隔離されたカソード側３１２とアノード側３１４とを含んでもよい。カソード側３１２は、カソード室３１８と、カソード集電体３２０とを含む。同様に、アノード側３１４は、アノード室３２４と、アノード集電体３２６とを含む。これらの要素は、電気化学リアクタ３２９を形成し得る。

カウンター電極３５４は、アノード室３２４内のアノード３２６と同じ壁上に配置され、シャントによる析出物がアノード３２６に接触しないようにするために、アノード３２６から十分に離間して配置される。

これまで例示的な実施形態を説明してきたが、これらの実施形態は、特許請求の範囲に包含されるすべての可能な形態を説明することを意図するものではない。例えば、本明細書に企図されるカウンター電極は、動作中、カソード室の電気活性物質がカソード室に流入および流出せず、かつ動作中、電気活性物質がアノード室に流入および流出しないフローセルで用いられてもよい。他のシナリオもまた可能である。

本明細書で用いられる語は、限定するためではなく、説明のための語であり、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく様々な変更がなされ得ることが理解される。前述したように、様々な実施形態の特徴を組み合わせて、明示的に説明または図示されていないこともある本発明のさらなる実施形態を形成してもよい。１つ以上の所望の性質に関して、利点を提供する、または他の実施形態もしくは従来技術の実施よりも好ましいとして、様々な実施形態を説明することもできたが、当業者であれば、具体的な応用および実施に依存する所望の総合的なシステム属性を達成するためには、１つ以上の特徴または特性が妥協され得ることを認識するはずである。これらの属性としては、限定されるものではないが、費用、強度、耐久性、ライフサイクルコスト、市場性、外観、梱包、サイズ、保守容易性、重量、製造可能性、組立の容易さなどが挙げられ得る。そのため、１つ以上の性質に関して他の実施形態または従来技術の実施よりも望ましくないとして説明される実施形態は、本開示の範囲外ではなく、特定の応用では望ましいこともある。

Claims (12)

1. フロー電池であって、
   アノードおよびカソードを含むフローセルと、
   シャント電流による析出物を引き付けるための、前記アノードとほぼ等しい電位と、前記シャント電流による析出物を除去するための、前記カソードとほぼ等しい電位との間で切り替えされるように構成される、カウンター電極と、
   を備える、フロー電池。
2. 前記フローセルが、
   アノード室と、
   前記アノード室に活物質を送達するように構成される多岐管と、
   をさらに含み、
   前記カウンター電極が、前記多岐管内に配置される、請求項１に記載のフロー電池。
3. 前記フローセルが、アノード室をさらに含み、前記カウンター電極が、前記アノード室内に配置される、請求項１に記載のフロー電池。
4. 前記アノード、前記カソードおよび前記カウンター電極と電気的に接続した回路をさらに備える、請求項１に記載のフロー電池。
5. 前記カウンター電極が、ニッケル、錫、またはステンレス鋼を含む、請求項１に記載のフロー電池。
6. フロー電池であって、
   フローセルであって、カソード室を部分的に画定するカソードと、アノード室を部分的に画定するアノードと、前記カソード室と前記アノード室との間に挟持され、前記カソード室および前記アノード室を通って流れる電気活性物質の間でイオンが流動できるように構成されるセパレータ装置とを含む、フローセルと、
   前記アノードと電気的に接続した状態と、前記カソードと電気的に接続した状態との間で切り替えされるように構成されるカウンター電極と、
   を備える、フロー電池。
7. 前記カウンター電極が、前記アノード室内に配置される、請求項６に記載のフロー電池。
8. 前記アノード室に前記電気活性物質を送達するように構成される多岐管をさらに備え、前記カウンター電極が、前記多岐管内に配置される、請求項６に記載のフロー電池。
9. 前記カウンター電極が、ニッケル、錫、またはステンレス鋼を含む、請求項６に記載のフロー電池。
10. 電池を制御する方法であって、
    コントローラによって、流れる電気活性物質の経路内に配置されたカウンター電極が、前記カウンター電極上にシャント電流による析出物を引き付けるために、前記電池のアノードとほぼ等しい電位を有するようにするステップと、
    続いて、前記コントローラによって、前記カウンター電極が、前記シャント電流による析出物を除去するために、前記電池のカソードとほぼ等しい電位を有するようにするステップと、
    を含む、電池を制御する方法。
11. コントローラによって、流れる電気活性物質の経路内に配置されたカウンター電極が、前記カウンター電極上にシャント電流による析出物を引き付けるために、前記電池のアノードとほぼ等しい電位を有するようにするステップが、前記カウンター電極を前記アノードに電気的に接続するステップを含む、請求項１０に記載の方法。
12. 続いて、前記コントローラによって、前記カウンター電極が、前記シャント電流による析出物を除去するために、前記電池のカソードとほぼ等しい電位を有するようにするステップが、前記カウンター電極を前記カソードに電気的に接続するステップを含む、請求項１０に記載の方法。