JP5503293B2 - 電気化学エネルギーセルシステム - Google Patents
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Description
●放電済み状態にある間の利用可能性を除外して、システムを充電することを必要とせずに充分なエネルギーを蓄積することができないこと。
●放電中に能動的冷却システムを必要とするという複雑さおよび非能率があり、それが容量をさらに減少させる可能性があること。
●故障の兆候の診断に曖昧性があり、それが故障の確率を顕著に高める可能性があること。
●水素が発生し、それが顕著で高価な安全問題であり得ること。
●自己放電に起因する顕著な容量ロスを伴わずに即応状態を維持することができないこと。
●電位の異なるセル同士の間の内部シャントカレントからの亜鉛金属の不良分布が、利用し得る容量をさらに減少させること。
●作動中のシャントカレントを最少化するために必要とされる長い小直径チャネルが、ポンプ損失によりシステム容量をさらに減少させること。
●充電モード中の金属デンドライト成長が金属ハロゲンシステムを永久的に損傷させて早期の危険な故障状態に至る可能性があること。
これらの弱点および不利な点のうちの幾つかあるいは全部に対処しようと試みる本発明の幾つかの実施形態は、金属ハロゲン電気化学エネルギーセルシステムである。これらの実施形態は、好ましくは、少なくとも1つの正電極および少なくとも1つの負電極と、その正電極および負電極の間の反応ゾーンと、金属およびハロゲンを含む少なくとも1つの電解質と、その電解質を反応ゾーンを通して運ぶ循環ポンプであって、ポンプの前で、このポンプにおいて、またはポンプの後で電解質とハロゲン反応物とが混合される循環ポンプと、を備える。好ましくは、正電極は多孔性炭質材料から作られ、負電極は亜鉛から作られ、金属は亜鉛を含み、ハロゲンは塩素を含み、電解質は水性塩化亜鉛電解質を含み、ハロゲン反応物は塩素反応物を含む。この構成の1つの効果は、電位の生成である。
電解質の流れは、好ましくは、反応ゾーンを通して運ばれる前に並列の1次、2次、および3次の二分割を受け、これにより反応ゾーンへの別々の経路のために同じ流動抵抗を提供する。
システムの好ましい実施形態は、電解質が循環ポンプによりそこからセルに運ばれると共に電解質がセルからそこに戻るところのリザーバと、セルからのガスのパージを容易にするための上昇流動電解質リターンマニホールドと、電解質がそれを通ってセルからリザーバに戻るところのリターンパイプとをも備える。
システムは好ましくは複数のそのようなセルを備え、その各々は水平であって、複数のものがシステムにおいて垂直に積み重ねられる。セルのジオメトリーにおける垂直のステップは、複数のセルの各々の中で電解質流動経路が遮られるという結果をもたらすのに役立ち、これにより、そうでなければ電解質の流れが止まった後に生じ続けるであろうシャントカレントを遮る。
●複数のセルフレームの各々のフィードマニホールドエレメントは、セルフレームのうちの他のもののフィードマニホールドエレメントと整列し、これによりフィードマニホールドを形成する。
●セルフレームの各々の分配チャネルおよび流れ分割ノードは、セルフレームのうちの他のものの分配チャネルおよび流れ分割ノードと整列し、これにより分配ゾーンを形成する。
●各セルのための正電極は、各セルのための負電極の上または下でセルフレームのスペーサレッジに座し、これにより正電極および負電極の交互の層を形成する。
●複数のセルフレームの各々の合流ノードおよびコレクションチャネルは、セルフレームのうちの他のものの合流ノードおよびコレクションチャネルと整列し、これによりコレクションゾーンを形成する。
●セルフレームの各々のリターンマニホールドエレメントは、セルフレームのうちの他のもののリターンマニホールドエレメントと整列し、これによりリターンマニホールドを形成する。
本発明は、セルフレームを含むセルを有するシムに限定されない。
セルフレームが使われても使われなくても、システムの好ましい実施形態は、複数のセルへの電解質のためのフィードマニホールドおよび分配ゾーンと、複数のセルからの電解質のためのコレクションゾーンおよびリターンマニホールドとを備える。各セル内の正電極および負電極は、好ましくは、電解質の流れが止まってフィードマニホールド、分配ゾーン、コレクションゾーン、およびリターンマニホールドの内容物が捌ける時に各セル内の電解質のプールとの接触を保つように構成される。
或る実施形態では、システムが待機またはステイシス(stasis)モードである時に電気化学反応を抑制し、それによりシステムの利用可能性を維持するためにバランシング電圧が加えられ得る。システム内での逆電流の流れを抑制するためにシステムの出力端子にブロッキングダイオードを付けることもできる。
本発明は、本発明による金属ハロゲン電気化学エネルギーセルシステムの実施形態によって実行されるプロセスと、他のシステムおよびプロセスも含む。
図1は、本発明に従う金属ハロゲン電気化学エネルギーセルシステムを示す。
これらの弱点および不利な点のうちの幾つかあるいは全部に対処しようと試みる本発明の一実施形態は、金属ハロゲン電気化学エネルギーセルシステムである。この実施形態は、少なくとも1つの正電極および少なくとも1つの負電極と、その正電極および負電極の間の反応ゾーンと、金属およびハロゲンを含む少なくとも1つの電解質と、その電解質を反応ゾーンを通して運ぶ循環ポンプとを備える。ポンプの前で、ポンプにおいて、またはポンプの後で、例えば混合ベンチュリを用いて、電解質とハロゲン反応物とが混合され得る。好ましくは、正電極は多孔性炭質素材から作られ、負電極は亜鉛から作られ、金属は亜鉛を含み、ハロゲンは塩素を含み、電解質は水性塩化亜鉛電解質を含み、ハロゲン反応物は塩素反応物を含む。この構成の1つの効果は、電位の生成である。
スタックアセンブリ12は、少なくとも1つの多孔性電極および少なくとも1つの金属電極を含む複数のセルまたはセルアセンブリ13から構成される。セルは好ましくは垂直に積み重ねられる。加圧されたハロゲン反応物が、フィードパイプ15を介してシステム外のソースからメータリングバルブ17を通して混合ベンチュリ18に供給される。循環ポンプ16は、電解質をリザーバ19から混合ベンチュリ18を通して、スタックアセンブリ12を通して、そしてリターンパイプを通してリザーバ19に循環させる。電解質中に、それがセルからリザーバに戻る時に、多少のハロゲン反応物が残っている可能性があることに留意するべきである。
1つの好ましい実施形態では、この構成は2ボルトの電位を各々有するセルをもたらし、21個のセルを有するスタック構成に42ボルトの電位を与える。外部ソースからのハロゲンの膨張のエンタルピーは好ましくはシステムを冷却する。従って、過剰な熱を生じさせることなく強い電位が提供され得る。
図2は、図1に示されているシステムの1つの実施形態のセルプレートを通る電解質の流動経路を示す。この図において、電解質流動経路28は矢印により表されている。これらの経路は、フィードマニホールド21から、分配ゾーン22へ、多孔性電極23を通り、金属電極25の上をコレクションゾーン26へ、リターンマニホールド27を通り、リターンパイプ29へ存在している。
1つの好ましい実施形態では、金属電極25の底面上の膜24は、多孔性電極を通過する前の電解質の流れを金属電極に接触させないように遮る。これらの膜は、好ましくは、接着剤で金属電極の底に固定されたプラスチック膜である。他の方法で固定された他のタイプの膜も使用され得る。あるいは、この膜は省略されてもよい。
さらに、垂直に積み重ねられたセルとセルのジオメトリーとは、そうでなければ電解質の流れが止まった時に生じるであろうシャントカレントを遮るのに役立つ電解質の流動経路を複数のセルの各々の中にもたらす。これらのシャントカレントは、使用可能な電位を全く生じさせずに金属プレートを腐食させるプレート間の反応に至る可能性を有するので、望ましくない。
多孔性電極を通して運ばれる前に、ハロゲン反応物と混合された電解質は、好ましくは、多孔性電極への別々の経路のために同じ流動抵抗を提供するために1次、2次、および3次の分割を受ける。各分割は、好ましくは流れを二分割するが、必ずしもそうでなくてもよい。図3は、これらの分割を達成できる1つの可能なセルデザインを示す。
図3は、図2に示されている構造および流れを達成するためにセルフレームを使用するセルデザインを示す。これらのセルフレームは、好ましくは、フィードマニホールドエレメント31と、分配チャネル32と、流れ分割ノード33と、スペーサレッジ35と、合流ノード36と、コレクションチャネル37と、リターンマニホールドエレメント38と、バイパス導管エレメント34とを備える。
●複数のセルフレームの各々のフィードマニホールドエレメントは、セルフレームのうちの他のもののフィードマニホールドエレメントと整列し、これによりフィードマニホールドを形成する。
●セルフレームの各々の分配チャネルおよび流れ分割ノードは、セルフレームのうちの他のものの分配チャネルおよび流れ分割ノードと整列し、これにより分配ゾーンを形成する。
●各セルのための多孔性電極は、各セルのための金属電極の上または下でセルフレームのスペーサレッジに座し、これにより多孔性電極および金属電極の交互の層を形成する。
●複数のセルフレームの各々の合流ノードおよびコレクションチャネルは、セルフレームのうちの他のものの合流ノードおよびコレクションチャネルと整列し、これによりコレクションゾーンを形成する。
●セルフレームの各々のリターンマニホールドエレメントは、セルフレームのうちの他のもののリターンマニホールドエレメントと整列し、これによりリターンマニホールドを形成する。
●セルフレームの各々のバイパス導管エレメントは、セルフレームのうちの他のもののバイパス導管エレメントと整列し、これにより流体の流れおよび/または電気ワイヤまたはケーブルのためのバイパス導管を形成する。
セルフレームを基礎とするデザインは、一様な分布を有する低損失の電解質の流れ、二極性電気デザイン、製造容易性、内部バイパス経路、および動作ステイシスモード(以下で記述される)の達成を可能にするエレメントを容易にする。セルフレームの新機軸は、反応ゾーンへのセルあたりに8個のフィードチャネルを与えるための流れチャネルにおける1次、2次、および3次の分割を含む分配ゾーンの流れ分割デザインを含むが、これに限定はされない。このデザインは、反応ゾーンへの各出口が同じ長さのチャネル、同じ数および半径のベンドを通過し、至る所に層流が存在しかつ各分割の前に一様な層流が存在するということを保証しようと試みる。このデザインは、電解質において、流速と無関係にフローボリュームの分割を等しく促進し、粘度の均一性、あるいは濃度の均一性を促進する。気相および液相の混合物がシステムを通して送られる時にこれらの特徴が特に重要であることが見出されている。
あるいは、同じタイプの構造および流れ(すなわち、図2に示されているもの)がセルフレームを用いずに達成され得る。
本発明に従うエネルギーセルシステムは、好ましくは、3つの動作モード、すなわちオフモードと、パワーモードと、ステイシスモードとを有する。これらのモードは、以下で亜鉛−塩素システムの文脈で記述される。しかし、モードは他の金属−ハロゲンシステムを用いても実現され得る。
オフモードは、通例、保管または運送のために使用される。オフモード中は、循環ポンプはオフである。スタックアセンブリ内の少量の元素状塩素は還元され、亜鉛イオンと化合して塩化亜鉛を形成する。スタック端子は、好ましくは、短絡抵抗器を介して接続され、ゼロボルトのスタック電位を生じさせる。外部電圧源を介してシステムを通る逆電流を遮断するために、好ましくはブロッキングダイオードが使用される。
これらは好ましい動作のモードであるが、本発明はこれらのモードあるいはこれらのモードの細目には限定されない。それどころか、或る実施形態は、これらのモードのうちの或るものを有するかも知れず、あるいはこれらのモードのうちのいずれをも有しないかも知れず、あるいは異なる動作モードを有するかもしれない。
この出願は、可能な最も一般的な形で読まれるべきである。これは、限定なしで、次のものを含む。
●具体的な技術への言及は、特に発明の態様を、または発明品がどのように作られあるいは使用され得るかということを論じる時には、代わりの技術およびより一般的な技術を含む。
●「好ましい」技術への言及は、発明者がそれらの技術を使用することを意図し、それらが意図された応用のために最善であると発明者が考えていることを一般的に意味する。これは、発明のための他の技術を排除せず、また、これらの技術が必然的に不可欠であることあるいはあらゆる事情の下で好ましいであろうということを意味しない。
●幾つかの実施例についての熟慮されている原因および効果への言及は、他の実施例で生じるかもしれない他の原因および効果を排除しない。
●特定の技術を用いる理由への言及は、述べられた理由または技術が同様に適切ではないことを事情が示す場合には、たとえ正反対であっても、他の理由あるいは技術を排除しない。
Claims (10)
- 金属ハロゲン電気化学エネルギーシステムであって、
(A)コンテナであって、
(a)複数の水平に配置されたセルの垂直なスタックであって、複数の水平に配置されたセルのそれぞれが、
少なくとも1つの多孔性正電極と、
少なくとも1つの負電極と、
多孔性正電極と負電極との間の反応ゾーンと、を含む、複数の水平に配置されたセルの垂直なスタックと、
(b)金属ハロゲン化物を含む電解質と、
(c)複数の水平に配置されたセルの垂直なスタックを支える複数のセルフレームのスタックと、
(d)複数のセルフレームのスタック内の各セルフレームにあるフィードマニホールド通路およびリターンマニホールド通路と、
(e)複数のセルフレームのスタック内の整列されたフィードマニホールド通路により形成されたフィードマニホールドと、
(f)複数のセルフレームのスタック内の整列されたリターンマニホールド通路により形成されたリターンマニホールドであって、複数の水平に配置されたセルから電解質を集めるように構成された上昇流動リターンマニホールドを備えるリターンマニホールドと、
(g)各セルフレーム内に置かれた複数の分配チャネルであって、前記フィードマニホールドから前記反応ゾーンへ電解質を導入するとともに、前記反応ゾーンから前記リターンマニホールドへ電解質を導入するように構成された複数の分配チャネルと、を備えるコンテナと、
(B)複数の水平に配置されたセルのそれぞれの反応ゾーンを通して電解質の流れを運ぶように構成されているので、前記反応ゾーンを通って流れる時に、電解質が多孔性正電極を通過し、負電極のそばを通るようになる循環ポンプと、
を備えるシステム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、
多孔性正電極は多孔性炭質材料を含み、電解質は水性の塩化亜鉛電解質を含むシステム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、
前記循環ポンプは前記コンテナ内に置かれ、前記コンテナは複数の水平に配置されたセルの垂直なスタックの下に電解質保管リザーバを備え、前記循環ポンプはフィードマニホールドを通して前記電解質保管リザーバから複数の水平に配置されたセルの垂直なスタックに電解質の流れを運ぶように構成されるシステム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、
複数の分配チャネルのそれぞれが同じ長さと同じ数および半径のベンドとを有するように、電解質の流れをそれぞれ二分割する流れ分割ノードにより複数の分配チャネルを形成するシステム。 - 請求項1記載のシステムにおいて、
負電極は亜鉛を含み、金属ハロゲン化物の金属成分は亜鉛を含み、電解質は(i)金属ハロゲン化物を含む少なくとも1つの水性電解質と(ii)ハロゲン反応物とを含む電解質混合物を含むシステム。 - 請求項5記載のシステムにおいて、
ハロゲン反応物は、前記システムの中のソースから供給されるシステム。 - 金属ハロゲン電気化学エネルギーシステムを使用する方法であって、
(A)複数の水平に配置されたセルの垂直なスタックを備えるコンテナを備えるシステムを提供するステップであって、複数の水平に配置されたセルのそれぞれが、
少なくとも1つの多孔性正電極と、
少なくとも1つの負電極と、
多孔性正電極と負電極との間の反応ゾーンと、を含む、コンテナを備えるシステムを提供するステップと、
(B)(i)金属ハロゲン化物を含む少なくとも1つの水性電解質と(ii)ハロゲン反応物とを混合して電解質混合物を形成するステップと、
(C)電解質混合物の流れを多孔性正電極に運び、多孔性正電極でハロゲン反応物を還元してハロゲンイオンに富む電解質混合物を形成し、そのハロゲンイオンに富む電解質混合物が負電極のそばを通り、電解質混合物が多孔性正電極を通過するステップと、
(D)電解質混合物の流れが止まった時に、前記システムの自己放電を防止するために少なくとも1つのセルにバランシング電圧を加えるステップと、
を含む方法。 - 請求項7記載の方法において、
金属ハロゲン化物の金属成分は、亜鉛を含む方法。 - 請求項7記載の方法において、
ハロゲン反応物は、前記システムの中のソースから供給される方法。 - 請求項7記載の方法において、
金属ハロゲン化物のハロゲン成分は塩素を含み、水性電解質は塩化亜鉛電解質を含み、ハロゲン反応物は塩素反応物を含む方法。
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