JP5882888B2 - レドックスフロー電池を使用した燃料システム - Google Patents

Description

関連出願
本出願は、２００９年８月２１日に出願した米国仮特許出願第６１／２３５，８５９号（標題「レドックスフロー電池を使用した燃料システム」）および２００９年４月６日に出願した第６１／１６６，９５８号（標題「レドックスフロー電池を使用した燃料システム」）に関連する。これらの出願は、参照によりそれらの全体が本明細書に援用される。

参照による援用
本明細書に記載される本発明の日付の時点で当業者に既知である最先端技術をより完全に説明するために、本明細書に引用される全ての特許、特許出願、および刊行物は、それらの全てが、参照により本明細書に援用される。

フローセルまたはレドックス電池または可逆性燃料電池としても知られるレドックスフロー電池は、正極および負極の反応物がセルの動作中に酸化または還元される溶液中の可溶性金属イオンである、エネルギー貯蔵デバイスである。正極に１つ、そして負極に１つの２つの可溶性レドックス対を使用することで固相反応が回避される。通常、レドックスフローセルは、正極および負極の反応物（それぞれ、カソードスラリーおよびアノードスラリーとも称される）を分離するイオン輸送膜と、電子の外部回路への輸送は促進するが、レドックス反応には関与しない（すなわち、集電体材料自体はファラデー活性を受けない）正極および負極集電体（電極とも称される）とを少なくとも備える、発電アセンブリを有する。

フロー電池の構成要素および従来の１次または２次電池の構成要素に関する用語における違いをここに述べる。フロー電池の電極活性溶液は、通常、電解質、具体的にはカソードスラリーおよびアノードスラリーと称され、電解質が単にイオン輸送媒体であり、ファラデー活性を受けないリチウムイオン電池における慣習とは対照的である。フロー電池では、レドックス反応が起こり、外部回路に、また外部回路から電子が輸送される非電気化学的に活性な構成要素は電極として知られるのに対し、従来の１次または２次電池では、それらは集電体として知られる。

レドックスフロー電池は、カソードスラリーおよびアノードスラリー貯留器のサイズを増加させることによって、ほぼあらゆる値の総充電容量まで構築することができることを含む、多くの魅力的な特徴を有するが、それらの限界の１つは、エネルギー密度（液体溶媒中の金属イオンレドックス対の溶解性によって主に決定される）が比較的低いことである。金属イオンの溶解性が増加され得る範囲には限界がある。

水電解質電池、特に、電気活性物質として亜鉛を用いる電池の分野において、金属粒子の懸濁液を含み、該懸濁液が膜および集電体を通過して流される電解質が記載されている。例えば、米国特許第４，１２６，７３３号および第５，３６８，９５２号、ならびに欧州特許第０３３０２９０Ｂ１号を参照のこと。記載されるそのような電極の目的は、有害なＺｎ金属樹状突起の形成を防止すること、電極の有害な不動態化を防止すること、またはセルが放電すると正極に溶解され得るジンケートの量を増加させることである。しかしながら、そのような水溶液系電池のエネルギー密度は、たとえ粒子の懸濁液を含む電解質が使用される場合であっても比較的低いままである。そのような電池は、電気自動車の実用的な動作を可能にするための十分に高い比エネルギーを提供することができず、また、グリッド供給における用途、または風力もしくは太陽熱等の間欠的な再生可能エネルギー源の貯蔵を含む、据え置き型エネルギー貯蔵のための従来のレドックス電池の比エネルギーまたはエネルギー密度における実質的な改善を提供することができない。

フローセルを使用する燃料自動車のための入れ替え可能な燃料タンクが記載される。入れ替え可能な燃料タンクは、発電するためにレドックスフロー電池に使用することができるカソードおよび／またはアノードスラリーを含む。後により詳述に記載するように、アノードおよびカソードスラリーは、イオン透過膜および外部回路に接続された電極を通過して流れることによって、レドックス化学に関与する。入れ替え可能な燃料タンクおよびフロー電池のセル（合わせて「スタック」と称される）は、合わせて「動力システム」と称される。燃料タンクは、動力システムから容易に除去され、容易に空にされて再充填されるように構成される。したがって、消費された燃料が交換され得、かつ／または、動力システムにより高い多様性または機能性を提供するように、品質または特性が充填ごとに異なり得る。

他の実施形態において、動力システムは、電池の状態が分かるように内部監視能力を装備している。監視され得る動力システムの特質は、アノードおよびカソードスラリーの充電状態、すなわち、タンクが「満杯」であるかまたは「空」であるかの情報を提供することができる。監視システムはまた、動力システムの健康状態についての情報を一般的に提供し、危険であり得るかまたは修正を必要とする状態を同定するために、システムの他の特性に関する情報も提供することができる。

別の態様において、動力システムは、電気エネルギー貯蔵デバイスと、１つの統合型デバイスにおいて、同時に従来の蓄電池およびフローセルである電源と、を含むことができる。それは、ニッケル金属ハイブリッド型等の水溶液系電池、リチウム蓄電池、ナトリウム蓄電池を含む非水溶液系電池、あるいは他のアルカリもしくはアルカリ土類または非アルカリの活性イオン（ｗｏｒｋｉｎｇ ｉｏｎｓ）に基づく電池を含む、種々の電池化学に適用可能である。リチウムイオン化学に基づく一実施形態を考慮すると、そのようなセルの基本構造は分離機を有し、その一方の側は、従来の再充電可能なリチウム電池に見られるようなリチウム電池の正極もしくは負極、またはその両方である。つまり、上記電極は、カソードまたはアノード活物質を含み、金属集電体上に活物質のコーティングを備えることができるか、あるいは、任意選択的に、高分子バインダーまたは炭素質導電性添加剤または金属添加剤もしくはバインダー等の他の構成成分とともに活物質を含む、圧縮層または焼結層等の独立型電極層であり得る。これらのイオン貯蔵電極は、静止電極と称される。しかしながら、従来のリチウム電池の電極とは異なり、上記静止電極の一方または両方は、フローセルのカソードスラリーまたはアノードスラリーに透過性であるため、デバイスの動作中に、静止電極上の活物質のみ、フローセルのカソードスラリーもしくはアノードスラリーのみ、またはその両方を、充電または放電することが可能である。

１つ以上の実施形態において、レドックスフロー電池は、アノードスラリーまたはカソードスラリー中に半固体または濃縮液体の反応物を含むマルチセルスタック設計を有する。いくつかの実施形態において、レドックスフロー電池は、流量弁およびポンプを介してアノードスラリーおよびカソードスラリー貯蔵タンクに接続される。いくつかの実施形態において、アノードスラリー／カソードスラリーの流れの方向は、アノードスラリー／カソードスラリーの充電／放電の段階に応じて逆流させることができる。いくつかの特定の実施形態において、貯蔵タンクは、放電した半固体または濃縮液体の反応物を貯蔵するブラダーを含み、放電した物質は、充電のためにデバイス内に戻すことができる。いくつかの実施形態において、半固体または濃縮液体の反応物は、マニホールドを介してスタック化されたセルの各セル区画に導入される。いくつかの実施形態において、マニホールド上に弁を実装することができる。いくつかの実施形態において、弁は、セル区画の注入口の直前に位置してもよい。いくつかの実施形態において、弁は、セル区画の注出口の直後に位置してもよい。弁は、システムが短絡する危険性を低下させることができる。

いくつかの実施形態において、１つ以上のインジェクタが半固体マルチスタックセルのマニホールドに接続され、該マニホールド内に加圧領域（プレナム）が形成される。プレナムは、カソードスラリーまたはアノードスラリーを単一のセル区画または一群のセル区画に送達するために使用することができる。

いくつかの実施形態において、半固体または濃縮液体のレドックスフローマルチセルスタックは、スタック化された板によって組み立てることができる。レドックスフローマルチセルスタックのマニホールドは、板を一緒にスタック化することによって形成される。いくつかの特定の実施形態において、液体を横切る分流を最小限に抑えるために、マニホールドの内側表面を非導電性材料でコーティングすることができる。

一態様において、デバイス内に格納された動力システムを含む携帯デバイスを操作する方法であって、
複数のフローセルであって、各フローセルは、
正極集電体と、
負極集電体と、
正極集電体と負極集電体とを分離するイオン透過膜と、を備え、
正極集電体およびイオン透過膜は、正極活性物質を収容するための正極電気活性ゾーンを画定し、
負極集電体およびイオン透過膜は、負極活性物質を収容するための負極電気活性ゾーンを画定し、正極および負極活性物質のうちの少なくとも１つは、電気活性ゾーン内に流動性レドックス組成物を含む、複数のフローセルと、
流動性レドックス組成物を正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つに分配するための少なくとも１つの分配槽であって、複数のフローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、分配槽と、
正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つから流動性レドックス組成物を受容するための少なくとも１つの受容槽であって、フローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、受容槽と、を提供することと、
フローセルに放電させて、デバイスを操作するための電気エネルギーを提供するように、流動性レドックス組成物を分配槽から電気活性ゾーンのうちの少なくとも１つに導入することと、
放電したレドックス組成物を受容槽内に受容することと、を含む、方法が記載される。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽を新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、動力システムに燃料を補給することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、受容槽を新しい空の受容槽と交換することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、携帯デバイスは、乗物である。

先行する実施形態のいずれにおいても、携帯デバイスは、携帯発電機である。

先行する実施形態のいずれにおいても、乗物は、陸上車、航空機、または船舶である。

先行する実施形態のいずれにおいても、レドックス組成物は、セルの動作中にイオンを取り込むことおよび放出することが可能な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、レドックス組成物を含む分配槽を、新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、動力システムに燃料を補給することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物は、上記レドックス組成物とは異なる少なくとも１つの特徴を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる出力密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なるエネルギー密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる半固体粒子サイズを有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる電気活性物質濃度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物は、上記レドックス組成物よりも小さい半固体粒子サイズおよび高い出力密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物は、上記レドックス組成物よりも高い電気活性物質濃度および高いエネルギー密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は、単一本体を形成する。

先行する実施形態のいずれにおいても、複数のフローセルは、フローセルのスタックを形成し、分配槽および受容槽は、フローセルスタックに可逆的に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、フローセルは、並列に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、フローセルは、直列に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽および受容槽のうちの一方または両方とフローセルスタックとの間に配置されるポンプを備えることを提供することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、ポンプは、両方向の流れのために動作可能な可逆式ポンプである。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽または受容槽は、可撓性ブラダーを備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、それぞれのフローセル内へのレドックス組成物の流れを制御し、隣接するフローセル間の分流を最小限に抑えるために、各燃料セルの入り口に位置する弁をさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、各フローセルの各電気活性ゾーンに送達されるレドックス組成物の量を制御するように構成および配設されるマルチポート注入システムを提供することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、マルチポート注入システムは、各区画がフローセルスタック内のフローセルのサブセットと流れ連通している複数の区画と、各区画にレドックス組成物を導入するためのインジェクタと、を備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、複数の区画における圧力は、電気活性ゾーンの圧力における圧力よりも高い。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、フローセルスタック内に冷却液を循環させるための冷却システムを備えることをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽および受容槽の一方または両方におけるレドックス組成物の体積または含有量を監視するために、分配槽および受容槽の一方または両方に接続された監視計を提供することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽に新鮮なレドックス組成物を補充することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽を補充することは、分配槽に新しいレドックス組成物を導入することを含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、受容槽から放電したレドックス組成物を除去することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、受容槽から放電したレドックス組成物を除去することは、放電したレドックス組成物の受容槽を空にすることを含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は単一本体を形成し、単一本体は、受容区画と分配区画との間に可動膜を有し、方法は、単一本体を、新鮮な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む電力貯蔵槽と、空の使用済みレドックス組成物貯蔵槽と、を備える、新しい単一本体と交換することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽または受容槽における流動性レドックス組成物のレベルを監視することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、
使用済みレドックス組成物が受容槽から電気活性ゾーンに流れるように、レドックス組成物の流れの方向を逆転させることと、
放電したレドックス組成物を再充電するために動力システムに逆電圧を印加することと、をさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、再充電されたレドックス組成物を、貯蔵のために電気活性ゾーンから分配槽に前進させることをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、使用済みレドックス組成物の流れは、可逆式ポンプによって制御される。

先行する実施形態のいずれにおいても、放電中の流動性の半固体イオン貯蔵レドックス組成物の粒子サイズは、事前に選択された出力密度を提供するように選択される。

先行する実施形態のいずれにおいても、放電中の流動性の半固体イオン貯蔵レドックス組成物の重量パーセントにおける負荷は、レドックス組成物の事前に選択されたエネルギー容量を提供するように選択される。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、放電の前、間、または後に、レドックス組成物の状態を監視することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、監視される状態は、カソードまたはアノードのレドックス組成物の温度、流量、または相対量を含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、上記監視することの結果に基づいて、レドックス組成物の特性を修正することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、フローセルの出力を増加させるために、電気活性ゾーンに沿ってレドックス組成物の流量を増加させることをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を再生することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、再生することは、
レドックス組成物から残留水を隔離すること、
イオン伝導性を向上させるために追加の塩を加えること、
溶媒または電解質添加剤を加えること、
イオン貯蔵のために使用される活物質、または導電性添加剤を含む、追加の固相を加えること、
液体電解質から固相を分離すること、
凝集助剤を加えること、
液体電解質を交換すること、または
それらの任意の組み合わせ、を含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、フローセルのうちの少なくとも１つは、
セルの動作中にイオンを取り込むことおよび放出することが可能な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む電極と、
静止電極と、を備える。

別の態様において、デバイス内に格納された動力システムを備える定置デバイスを操作する方法であって、
複数のフローセルであって、各フローセルは、
正極集電体と、
負極集電体と、
正極集電体と負極集電体とを分離するイオン透過膜と、を備え、
正極集電体およびイオン透過膜は、正極活性物質を収容するための正極電気活性ゾーンを画定し、
負極集電体およびイオン透過膜は、負極活性物質を収容するための負極電気活性ゾーンを画定し、正極および負極活性物質のうちの少なくとも１つは、電気活性ゾーン内に流動性レドックス組成物を含む、複数のフローセルと、
流動性レドックス組成物を正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つに分配するための少なくとも１つの分配槽であって、複数のフローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、分配槽と、
正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つから流動性レドックス組成物を受容するための少なくとも１つの受容槽であって、フローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、受容槽と、を提供することと、
フローセルに放電させて、デバイスを操作するための電気エネルギーを提供するように、流動性レドックス組成物を分配槽から電気活性ゾーンのうちの少なくとも１つに導入することと、
放電したレドックス組成物を受容槽内に受容することと、を含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽を新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、動力システムに燃料を補給することをさらに含むことをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、受容槽を新しい空の受容槽と交換することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、定置デバイスは、定置型発電機である。

先行する実施形態のいずれにおいても、レドックス組成物は、セルの動作中にイオンを取り込むことおよび放出することが可能な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、レドックス組成物を含む分配槽を、新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、動力システムに燃料を補給することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物は、上記レドックス組成物とは異なる少なくとも１つの特徴を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる出力密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なるエネルギー密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、複数のフローセルは、フローセルのスタックを形成し、分配槽および受容槽は、フローセルスタックに可逆的に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽および受容槽の一方または両方におけるレドックス組成物の体積または含有量を監視するために、分配槽および受容槽の一方または両方に接続された監視計を提供することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は単一本体を形成し、単一本体は、受容区画と分配区画との間に可動膜を有し、方法は、単一本体を、新鮮な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む電力貯蔵槽と、空の使用済みレドックス組成物貯蔵槽と、を備える、新しい単一本体と交換することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、
使用済みレドックス組成物が受容槽から電気活性ゾーンに流れるように、レドックス組成物の流れの方向を逆転させることと、
放電したレドックス組成物を再充電するために動力システムに逆電圧を印加することと、をさらに含む。

さらに別の態様において、乗物内に格納された動力システムを備える乗物であって、動力システムは、
複数のフローセルであって、各フローセルは、
正極集電体と、
負極集電体と、
正極集電体と負極集電体とを分離するイオン透過膜と、を備え、
正極集電体およびイオン透過膜は、正極活性物質を収容するための正極電気活性ゾーンを画定し、
負極集電体およびイオン透過膜は、負極活性物質を収容するための負極電気活性ゾーンを画定し、正極および負極活性物質のうちの少なくとも１つは、電気活性ゾーン内に流動性レドックス組成物を含む、複数のフローセルと、
流動性レドックス組成物を正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つに分配するための少なくとも１つの分配槽であって、複数のフローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、分配槽と、
正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つから流動性レドックス組成物を受容するための少なくとも１つの受容槽であって、フローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、受容槽と、を備え、分配槽および受容槽は、除去および交換のためのアクセスを提供するように位置する、乗物が記載される。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、流動性レドックス組成物を含む分配槽を、新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、燃料補給され得る。

先行する実施形態のいずれにおいても、受容槽は、新しい空の受容槽と交換され得る。

先行する実施形態のいずれにおいても、レドックス組成物は、セルの動作中にイオンを取り込むことおよび放出することが可能な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、流動性レドックス組成物を含む分配槽を、新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、燃料補給され得る。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物は、上記レドックス組成物とは異なる少なくとも１つの特徴を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる出力密度を有する

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なるエネルギー密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる半固体粒子サイズを有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる電気活性物質濃度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は、単一本体を形成する。

先行する実施形態のいずれにおいても、複数のフローセルは、フローセルのスタックを形成し、分配槽および受容槽は、フローセルスタックに可逆的に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、分配槽および受容槽のうちの一方または両方とフローセルスタックとの間に配置されるポンプをさらに備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、両方向の流れのために動作可能な可逆式ポンプである。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は、可撓性ブラダーを備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、乗物は、それぞれのフローセル内へのレドックス組成物の流れを制御し、隣接するフローセル間の分流を最小限に抑えるために、各燃料セルの入り口に位置する弁をさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、乗物は、各フローセルの各電気活性ゾーンに送達されるレドックス組成物の量を制御するように構成および配設されるマルチポート注入システムをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、乗物は、分配槽または受容槽の一方または両方におけるレドックス組成物の体積または含有量を監視するために、分配槽および受容槽の一方または両方に接続された監視計をさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は単一本体を形成し、単一本体は、受容区画と分配区画との間に可動膜を有し、方法は、単一本体を、新鮮な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む電力貯蔵槽と、空の使用済みレドックス組成物貯蔵槽と、を備える、新しい単一本体と交換することをさらに含む。

さらに別の態様において、動力システムであって、
複数のフローセルであって、各フローセルは、
正極集電体と、
負極集電体と、
正極集電体と負極集電体とを分離するイオン透過膜と、を備え、
正極集電体およびイオン透過膜は、正極を収容するための正極電気活性ゾーンを画定し、
負極集電体およびイオン透過膜は、負極を収容するための負極電気活性ゾーンを画定し、正極および負極のうちの少なくとも１つは、電気活性ゾーン内に、セルの動作中にイオンを取り込むことおよび放出することが可能な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む、複数のフローセルと、
流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を、正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つに分配するための少なくとも１つの分配貯蔵槽であって、複数のフローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、分配貯蔵槽と、
正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つから流動性レドックス組成物を受容するための少なくとも１つの受容貯蔵槽であって、フローセルに接続され、電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、受容貯蔵槽と、を備える、動力システム。

先行する実施形態のいずれにおいても、正極は、流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含むカソードスラリーを含み、負極は、流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含むアノードスラリーを含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、電力貯蔵槽および使用済みレドックス組成物貯蔵層は、単一本体を形成する。

先行する実施形態のいずれにおいても、複数のフローセルは、フローセルのスタックを形成し、各フローセルは、セルの動作中にイオンを取り込むことおよび放出することが可能である、流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む少なくとも１つの電極を備え、分配槽および受容槽は、フローセルスタックに可逆的に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、フローセルは、並列に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、フローセルは、直列に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、分配槽および受容槽の一方または両方とフローセルとの間に配置されるポンプをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、ポンプは、可逆式ポンプである。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は、可撓性ブラダーを備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、それぞれのフローセル内へのレドックス組成物の流れを制御し、隣接するフローセル間の分流を最小限に抑えるために、各燃料セルの入り口に位置する弁をさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、各フローセルの各電気活性ゾーンに送達されるレドックス組成物の量を制御するように構成および配設されるマルチポート注入システムをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、マルチポート注入システムは、全フローセルのサブ部分にレドックス組成物を供給する区画にレドックス組成物を導入するためのインジェクタを備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、マルチポート注入システムは、各フローセル間の分流を最小限に抑えるために、電気活性ゾーンの圧力よりも高い区画圧力を提供する。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、フローセル内に冷却液を循環させるための冷却システムをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物の充電状態を監視するために、電力貯蔵槽に接続されたレベル計をさらに含む。

さらに別の態様において、動力システムを操作する方法であって、
複数のフローセルであって、各フローセルは、
正極集電体と、
負極集電体と、
正極集電体と負極集電体とを分離するイオン透過膜と、を備え、
正極集電体およびイオン透過膜は、正極を収容するための正極電気活性ゾーンを画定し、
負極集電体およびイオン透過膜は、負極を収容するための負極電気活性ゾーンを画定し、正極および負極のうちの少なくとも１つは、電気活性ゾーン内に、セルの動作中にイオンを取り込むことおよび放出することが可能な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む、複数のフローセルと、
流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つに分配するための少なくとも１つの分配貯蔵槽であって、複数のフローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、分配貯蔵槽と、
正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つから流動性レドックス組成物を受容するための少なくとも１つの受容貯蔵槽であって、フローセルに接続され、かつ電気活性ゾーンと流体連通し、フローセルに接続および取り外されることが可能である、受容貯蔵槽と、を提供することと、
フローセルに放電させて、デバイスを操作するための電気エネルギーを提供するように、流動性レドックス組成物を分配槽から電気活性ゾーンのうちの少なくとも１つに導入することと、
放電したレドックス組成物を受容槽内に受容することと、
分配槽を新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、動力システムに燃料を補給することと、を含む、方法が記載される。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、受容槽を新しい空の受容槽と交換することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物は、上記レドックス組成物とは異なる少なくとも１つの特徴を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる出力密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なるエネルギー密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる半固体粒子サイズを有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物と上記レドックス組成物とは、異なる電気活性物質濃度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物は、上記レドックス組成物よりも小さい半固体粒子サイズおよび高い出力密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、新鮮なレドックス組成物は、上記レドックス組成物よりも高い電気活性物質濃度および高いエネルギー密度を有する。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は、単一本体を形成する。

先行する実施形態のいずれにおいても、複数のフローセルは、フローセルのスタックを形成し、分配槽および受容槽は、フローセルスタックに可逆的に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、フローセルは、並列に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、フローセルは、直列に接続される。

先行する実施形態のいずれにおいても、動力システムは、分配槽および受容槽のうちの一方または両方とフローセルスタックとの間に配置されるポンプをさらに備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、ポンプは、両方向の流れのために動作可能な可逆式ポンプである。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽または受容槽は、可撓性ブラダーを備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、それぞれのフローセル内へのレドックス組成物の流れを制御し、隣接するフローセル間の分流を最小限に抑えるために、各燃料セルの入り口に位置する弁を提供することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、各フローセルの各電気活性ゾーンに送達されるレドックス組成物の量を制御するように構成および配設されるマルチポート注入システムを提供することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、マルチポート注入システムは、各区画がフローセルスタック内のフローセルのサブセットと流れ連通している複数の区画と、各区画にレドックス組成物を導入するためのインジェクタと、を備える。

先行する実施形態のいずれにおいても、複数の区画における圧力は、電気活性ゾーンの圧力における圧力よりも高い。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、フローセルスタック内に冷却液を循環させるための冷却システムをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽または受容槽の一方または両方におけるレドックス組成物の体積または含有量を監視するために、分配槽および受容槽の一方または両方に接続された監視計を提供することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽に新鮮なレドックス組成物を補充することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽を補充することは、分配槽に新しいレドックス組成物を導入することを含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、受容槽から放電したレドックス組成物を除去することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、受容槽から放電したレドックス組成物を除去することは、放電したレドックス組成物の受容槽を空にすることを含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、分配槽および受容槽は単一本体を形成し、単一本体は、受容区画と分配区画との間に可動膜を有し、方法は、単一本体を、新鮮な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む電力貯蔵槽と、空の使用済みレドックス組成物貯蔵槽と、を備える、新しい単一本体と交換することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、分配槽または受容槽における流動性レドックス組成物のレベルを監視することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、
使用済みレドックス組成物が受容槽から電気活性ゾーンに流れるように、レドックス組成物の流れの方向を逆転させることと、
放電したレドックス組成物を再充電するために動力システムに逆電圧を印加することと、をさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、再充電されたレドックス組成物を、貯蔵のために電気活性ゾーンから分配槽に前進させることをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、使用済みレドックス組成物の流れは、可逆式ポンプによって制御される。

先行する実施形態のいずれにおいても、放電中の流動性の半固体イオン貯蔵レドックス組成物の粒子サイズは、事前に選択された出力密度を提供するように選択される。

先行する実施形態のいずれにおいても、放電中の流動性の半固体イオン貯蔵レドックス組成物の重量パーセントにおける負荷は、レドックス組成物の事前に選択されたエネルギー容量を提供するように選択される。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、放電の前、間、または後に、レドックス組成物の状態を監視することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、監視される状態は、カソードまたはアノードのレドックス組成物の温度、流量、または相対量を含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、上記監視することの結果に基づいて、レドックス組成物の特性を修正することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、フローセルの出力を増加させるために、電気活性ゾーンに沿ってレドックス組成物の流量を増加させることをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、方法は、流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を再生することをさらに含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、再生することは、
レドックス組成物から残留水を隔離することと、
イオン伝導性を向上させるために追加の塩を加えることと、
溶媒または電解質添加剤を加えることと、
イオン貯蔵のために使用される活物質、または導電性添加剤を含む、追加の固相を加えることと、
液体電解質から固相を分離することと、
凝集助剤を加えることと、
液体電解質を交換することと、または
それらの任意の組み合わせと、を含む。

先行する実施形態のいずれにおいても、フローセルのうちの少なくとも１つは、
セルの動作中にイオンを取り込むことおよび放出することが可能な流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物を含む電極と、
静止電極と、を備える。

以下の図面を参照して主題が説明されるが、これらは例示目的のためにのみ提示されるのであって、本発明を制限することを意図するものではない。

エネルギースタックおよび交換可能な燃料槽を有する１つ以上の実施形態による動力システムの図である。 １つ以上の実施形態によるエネルギースタックの断面図であり、スタック内へのアノードスラリーおよびカソードスラリーの導入を示している。 １つ以上の実施形態による、並列に電気接続されたセルを有するエネルギースタックの断面図である。 １つ以上の実施形態による、直列に電気接続された複数のエネルギースタックの断面図である。 １つ以上の実施形態による、着脱可能な燃料貯蔵システムの図である。 １つ以上の実施形態による、可動膜を有する燃料タンクの図である。 １つ以上の実施形態による、可動膜を有する燃料タンクの図である。 １つ以上の実施形態による、異なるグレードのアノードまたはカソードスラリーを含む燃料タンクの図である。 １つ以上の実施形態による、異なる出力グレードのアノードまたはカソードスラリーを含む燃料タンクの図である。 いくつかの実施形態による、アノードおよびカソードスラリー燃料タンクの再充電および交換を示す。 いくつかの実施形態による、アノードおよびカソードスラリー燃料タンクの再充電および交換を示す。 １つ以上の実施形態による、マルチレドックスフローセルスタックデバイスを示す。 １つ以上の実施形態による、カソードスラリーおよびアノードスラリーの流れ方向が可逆であるマルチレドックスフローセルスタックを示す。 １つ以上の実施形態による、マルチセル半固体フローセルスタック設計と、該設計に組み込むことのできる様々な種類の弁とを示す。 １つ以上の実施形態による、半固体フローマルチセルスタックのためのマルチポート注入システムを示す。 １つ以上の実施形態による、スタック化された板によって組み立てられるマルチレドックスフローセルスタック設計の双極板のうちの１つの平面図を示す。 １つ以上の実施形態による、板を一緒にスタック化することによりマニホールドが形成される半固体フローマルチセルスタック設計を示す。

出力を提供するスタックが、カソードスラリーおよびアノードスラリー（代替として「燃料」と称される）を保持する貯蔵槽から容易に取り外される、フローセルを含む自動車または他の動力システムが記載される。「燃料」タンクが着脱可能であり、充電ステーションで個別に充電され、充電された燃料およびタンクが乗物または他の動力システムに戻され、迅速な燃料補給を可能にする使用方法も提供される。上記技術はまた、放電した燃料が充電される充電システムも提供する。充電された燃料は、電源の貯蔵タンク内に配置するか、または乗物に戻すことができる。いくつかの実施形態において、貯蔵タンク内の充電された燃料は、後日使用することができる。充電された燃料は、異なる場所または時間に使用するように、輸送または貯蔵することができる。

１つ以上の実施形態による動力システムは、燃料の正極またはアノードスラリーのうちの少なくとも１つが半固体であるか、または濃縮液体反応物であり、電極活物質のうちの少なくとも１つがアセンブリに、およびアセンブリから輸送され、そこで電気化学反応を起こして電気エネルギーを生成する、レドックスフロー電池を含む。「半固体」とは、その物質が液相と固相との混合物であることを意味し、そのような混合物は、スラリー、粒子懸濁液、コロイド懸濁液、エマルジョン、またはミセルとしても知られている。いくつかの実施形態において、半固体の固体構成成分は、電池の活性イオンとの反応または合金化またはインターカレーションを経て、電気エネルギーを発生させるかまたは貯蔵する少なくとも１つの物質を含む。結果として、セルの動作中、レドックス対の電気活性物質が、その酸化状態の両方において、溶解することなく半固体のままでいることが可能となる。したがって、電気活性物質の溶解度は、電気活性ゾーンにおけるその濃度をもはや制限せず、フローセル内の電気活性物質の有効濃度を大きく増加させる。その結果、半固体のレドックス組成物を使用するセルのエネルギー密度が大きく増加する。電気活性構成要素を支持する液体は、水性または非水性であり得る。いくつかの実施形態において、レドックスフロー電池は、活性イオンがアルカリイオンであるアルカリイオン蓄電池を含むが、これに限定されない非水溶液系電池を含む。電解質溶媒として一般的に使用される溶媒は、半固体のカソードまたはアノードスラリー中の液体として使用することができる。本明細書で使用される場合、濃縮液体または濃縮イオン貯蔵液とは、水性フローセルのカソード液またはアノード液の場合に見られるような単なる溶媒ではなく、その液体自体がレドックス活性である液体を指す。液体形態は、希釈剤または溶媒である別の非レドックス活性液によって希釈されるかまたはそれと混合することができる（そのような希釈剤と混合して、イオン貯蔵液を含む融点の低い液相、エマルジョン、またはミセルを形成することを含む）。同様に、セルの動作中、レドックス対の活性イオンは、その酸化状態の両方において、溶解することなく濃縮された液相のままでいることが可能である。したがって、電気活性物質の溶解度は、電気活性ゾーンにおけるその濃度をもはや制限せず、フローセル内の電気活性物質の有効濃度を大きく増加させる。その結果、濃縮された液体レドックス組成物を使用するセルのエネルギー密度が大きく増加する。

いくつかの実施形態において、レドックスフロー電池は、一次または二次リチウム電池である。いくつかの実施形態において、エネルギー貯蔵電極のうちの少なくとも１つは、リチウム金属、ガリウムおよびインジウム合金、溶融遷移金属塩化物、塩化チオニル等を含むが、これらに限定されないレドックス活性物質の濃縮液体を含む。レドックス電池に関する更なる情報は、２００８年６月１２日に出願された同時係属仮特許出願第６１／０６０９７２号（標題「高エネルギー密度レドックスフロー電池」）（参照により、その全体が本明細書に援用される）に見出すことができる。

従来のフロー電池のアノード液およびカソード液と、本明細書に例示されるようなイオン貯蔵型の固相または液相との１つの相違点は、貯蔵化合物中のレドックス種の体積モル濃度またはモル濃度である。例えば、水溶液に溶解したレドックス種を有する従来のアノード液またはカソード液は、通常２Ｍ〜８Ｍの濃度のモル濃度に限定され得る。高度に酸性の溶液は、この濃度範囲のさらに高い濃度まで到達することが必要であるかもしれない。対照的に、本明細書に記載されるような任意の流動性の半固体または濃縮液体のイオン貯蔵レドックス組成物は、電気活性物質の溶解度がフローセルにおけるその濃度をもはや制限しないため、リットル当たりまたはモル濃度当たりのモルで考慮すると、レドックス種の少なくとも１０Ｍの濃度、好ましくは少なくとも１２Ｍ、さらに好ましくは少なくとも１５Ｍ、さらに好ましくは少なくとも２０Ｍを有し得る。電気化学的に活性な物質は、エネルギーを貯蔵するためにファラデー反応を経ることができるイオン貯蔵物質または任意の他の化合物もしくはイオン錯体であり得る。電気活性物質はまた、支持液相と密接に混合された液体イオン貯蔵物質を有するミセルまたはエマルジョンを含む、固体−液体懸濁液または液体−液体多相混合物を含む、非レドックス活性相と混合された上記レドックス活性固相または液相を含む多相材料でもあり得る。流動性イオン貯蔵レドックス組成物のための半固体および濃縮液体の両方の貯蔵化合物の場合において、Ｈ^＋またはＯＨ⁻が活性イオンである水系、Ｌｉ^＋、Ｎａ^＋、または他のアルカリイオン（Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋、またはＡｌ^３＋等のアルカリ土類の活性イオンでさえも）が活性イオンである非水系を含む、種々の活性イオンを用いる系統が企図される。これらの場合の各々において、負極貯蔵物質および正極貯蔵物質が必要である場合があり、負極は、正極よりも低い絶対電位で対象となる活性イオンを貯蔵する。２つのイオン貯蔵電極物質のイオン貯蔵電位における相違によって、セル電圧を決定することができる。

いくつかの実施形態において、電池の「スタック」または発電部は、カソードスラリーおよびアノードスラリーを保持する槽または容器に可逆的に連結される。動力システムを図１に示す。動力システムは、電極と、アノードスラリーおよびカソードスラリーを流すためのチャンバとを包含する、エネルギースタック１００を含む。アノードスラリーは、ポンプ（図示せず）によって、槽１２０から流入導管１３０を通ってエネルギースタック内に送り込まれる。導管１３０および槽１２０は、槽の取り外しおよび動力システムへの接続を可能にする急速着脱継手１４０と嵌合する。同様に、カソードスラリーは、ポンプ（図示せず）によって、槽１５０から流入導管１６０を通ってエネルギースタック内に送り込まれる。導管１６０および槽１５０は、槽の取り外しおよび動力システムへの接続を可能にする急速着脱継手１７０と嵌合する。消費されたまたは「使用済みの」アノードスラリーおよびカソードスラリーは、それぞれ、流出導管１３５および１６５を使用してスタックから除去される。流出導管もまた、簡易着脱継手（図示せず）と嵌合する。エネルギースタック１００は、任意選択的に、急速着脱継手１５５、１５５も有することができる。したがって、槽または燃料容器は、システムから着脱可能であり、アノードスラリーまたはカソードスラリーが消費されるかまたは「使用済み」になると、容易に交換または再充填することができる。いくつかの実施形態において、レドックス組成物の流体は、フローセルを通って絶えず循環され、その一方で、通過するごとに若干充電および放電される。

導管は、剛性または可撓性であり得、温度条件の範囲に耐えることが可能であり、スラリーと接触した時に化学的に安定している従来の材料から調製することができる。例示的な材料として、銅または真鍮またはステンレススチール、エラストマー、ポリオレフィン、およびＴｅｆｌｏｎ（商標）等のフルオロポリマー等の材料が挙げられる。継手は、気密シールを提供し、かつ本発明のスラリーと接触したときに化学的に安定しているように選択される、チューブまたはパイプを接続および取り外すために使用される任意の従来の継手であり得る。例示的な継手として、一般的に急速着脱ホース継手または油圧式急速着脱カプラーと称される継手が挙げられる。

図２は、アノードスラリーおよびカソードスラリーのためのインテークマニホールドを示す、エネルギースタック内部の断面図である。エネルギースタックは複数のセルを含み、それぞれが、カソードスラリー２１０と接触する正極２００、アノードスラリー２３０と接触する負極２２０、およびアノードスラリーをカソードスラリーから分離するイオン伝導膜２４０を包含する。１つ以上の実施形態において、電極は、電極の両面のそれぞれのアノードおよびカソードスラリーと接触している。したがって、固体電池について当該技術分野で既知のように、対向する配置に効率的に配置することができる。各セルは、アノードスラリーの流入を可能にするアノードスラリー注入口２５０と、カソードスラリーの流れを可能にするカソードスラリー注入口２６０とを含む。アノードスラリー注入口は、アノードスラリー槽１２０からの単一の注入源２７０を有するマニホールドの一部であってもよい。カソードスラリー注入口は、アノードスラリー槽１２０からの単一の注入源２８０を有するマニホールドの一部であってもよい。エネルギースタックの内側または外側で流れの分割が生じ得る。

エネルギースタックは、所望の一連の特性を有する動力システムを提供するために、並列または直列に電気接続された複数の電気化学的セルを提供するように配置することができる。いくつかのセルを直列に接続することによって、バッテリーパックはそれらの所望の動作電圧を得る。例えば、直列に接続された電気化学的セルは、システムの総電圧が個々のセルの電圧の合計となるセルをもたらす。より高い容量および電流処理が必要とされる場合、セルは並列に接続される。パックの中には、直列接続と並列接続の組み合わせを有するものがある。

図３は、スタックのセルが並列に電気接続された電気スタックの断面図である。複数の正極集電体２００を含むスタックが、正極の端部３００で結合されている。同様に、複数の負極集電体２２０が、負極の端部３１０で結合されている。個々のエネルギースタックは、所望の電池性能を提供するように、直列または並列のいずれかでさらに接続されてもよい。

図４は、直列に結合された複数のエネルギースタック４００、４１０、４２０の斜視図である。エネルギースタックの個々のセルは、直列または並列で結合することができる。動力システムは、所望の電圧を提供するように、任意の数の個々のエネルギースタックを含むことができる。

動作において、エネルギースタックの各々は、図２および３に示すように、投入されたカソードスラリーおよびアノードスラリーを個々のセルに分布するためのマニホールドを有する。多数のスタックが存在する場合は、スタックの各々で投入されるカソードへの主要なカソードスラリーフローラインが存在するであろう。主要なアノードスラリーフローラインは、アノードスラリーと同様に使用することができる。

１つ以上の実施形態によれば、フローセルスタックは、エネルギーシステム内に統合される。図１０は、マルチレドックスフローセルスタックデバイス１００１を示す。図１０に示すように、マルチセルスタックデバイスは、デバイスの端部の端部電極１０１９（アノード）および１０２０（カソード）、ならびに１０２１等の１つ以上の双極電極を含む。マルチセルスタックデバイスはまた、電極間に、１０１５等のアノードスラリー区画および１０１６等のカソードスラリー区画を含む。２つの区画は、１０２２等のイオン伝導膜によって分離される。デバイス内にマルチセル設計を含むように、この配置が繰り返される。アノードスラリーおよびカソードスラリー区画内のアノードスラリーおよびカソードスラリーのうちの少なくとも１つは、上述したような半固体または濃縮液体を含む。双極電極１０２１は、カソードスラリーセル区画１０１６に対向するカソード（カソード集電体）１０２５と、アノードスラリーセル区画１０２７に対向するアノード（アノード集電体）１０２６とを含む。ヒートシンクまたは絶縁層１０２８は、カソード１０２５とアノード１０２６との間に配置される。いくつかの実施形態において、ヒートシンクは冷却液を含む。ここで図１０に記載される電極配置は、図２の電極配置とは異なり、マルチレドックスフローセルスタックの代替設計、すなわち、対向するセルの代わりに個々のセルを表している。

集電体（電極）は、電子導電性であり、セルの動作条件下では電気化学的に不活性であるべきである。リチウムレドックスフローセル用の典型的な集電体として、負極集電体には銅、アルミニウム、またはチタン、そして正極集電体にはアルミニウムが挙げられ、それらはシートまたはメッシュ形態であるか、あるいは集電体を電解質中に分布することができ、流体の流れを可能にする任意の構成である。集電体材料の選択は、当業者に周知である。いくつかの実施形態において、正極用の集電体としてアルミニウムが使用される。いくつかの実施形態において、負極用の集電体として銅が使用される。

膜は、イオン輸送が可能である任意の従来の膜であり得る。１つ以上の実施形態において、膜は、そこを通るイオンの輸送を許容する液体不透過膜、すなわち、固体またはゲルイオン導体である。他の実施形態において、膜は、電子の輸送を防止する一方で、アノードおよびカソードの電気活性物質の間をイオンが往復することを可能にする、液体電解質が注入された多孔質高分子膜である。いくつかの実施形態において、膜は、正極および負極の流動性組成物を形成する粒子が膜を横断することを防止する微多孔膜である。例示的な膜材料として、リチウム伝導性を提供するようにリチウム塩が複合化されたポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）ポリマー、またはプロトン導体であるＮａｆｉｏｎ（商標）が挙げられる。例えば、ＰＥＯベースの電解質は、支持層としてガラス繊維分離器等の他の膜を用いて任意選択的に安定化される、ピンホールのない固体イオン導体である膜として使用することができる。ＰＥＯはまた、正または負の流動性レドックス組成物中で、スラリー安定剤、分散剤等として使用することもできる。ＰＥＯは、一般的なアルキル炭酸塩ベースの電解質と接触した状態で安定する。これは、Ｌｉ金属に対して約３．６Ｖ未満である正極のセル電位を伴う、リン酸塩ベースのセルの化学的性質に特に有用であり得る。膜のイオン伝導性を向上するために、レドックスセルの動作温度を必要に応じて上昇させることができる。

いくつかの実施形態において、双極電極は、双極電極を介して冷却液を導入するための冷却領域によって分離されたカソードおよびアノードを含む。冷却液の非制限的な例として、エチレングリコールおよび水が挙げられる。

マルチセルスタックデバイスは、アノードスラリーを貯蔵するアノードスラリー貯蔵タンク１００２に接続される。図１０に示すように、容積型ポンプ１００４は、１０１５等の多数のアノードスラリーセル区画内にアノードスラリーを送達するマニホールド１０１３内に、流量計１００６および逆止弁１００７を介してアノードスラリーを送り込むために使用される。放電したアノードスラリーは、マニホールド１０１７、流量弁１０１１を介して除去され、タンク１００２内に戻される。同様に、容積型ポンプ１００５は、１０１６等のカソードスラリーセル区画内にカソードスラリーを送達するマニホールド１０１４内に、貯蔵タンク１００３から流量計１０２３および逆止弁１０２４を介してカソードスラリーを送り込むために使用される。放電したカソードスラリーは、マニホールド１０１８、流量弁１０１２を介して除去され、タンク１００３に戻される。

容積型ポンプは、一定量の流体を閉じ込め、次いで、ポンプを介して、その閉じ込められた体積を強制的に押し出す（排出する）ことにより流体を移動させる。容積型ポンプ１００４または１００５は、ポンプを通る流体の損失を最小限に抑えることが可能であり、当該技術分野において既知である任意の容積型ポンプを使用することができる。また、他の液体輸送手段が使用されてもよい。流量計１００６または１０２３は、ポンプによってセル区画内に送り込まれるアノードスラリーまたはカソードスラリーの量を測定および制御する。当該技術分野において既知である任意の種類の流量計を使用することができる。流量計の非限定的な例として、電気流量計、タービン流量計、質量流量計、および容積式流量計が挙げられる。逆止弁１００７および１０２４は、流体の逆流を防止するために使用される。当該技術分野において既知である任意の逆止弁を使用することができる。流量弁１０１１および１０１２の非限定的な例として、任意の機械的または電気的な弁が挙げられる。流量弁については、図１３により詳細に記載される。任意選択的に、タンク内のカソードスラリーまたはアノードスラリーのレベルを監視するために、レベル計１００８が貯蔵タンク１００２または１００３に接続されてもよい。また温度モニタ１０１０および圧力モニタ１００９も、タンク内の温度および圧力を監視するために貯蔵タンクに接続することができる。

図１１は、カソードスラリーおよびアノードスラリーの流れ方向が可逆であるマルチレドックスフローセルスタックデバイス１１０１を示す。ポンプの可逆性により、電気活性スラリーの放電および再充電をその場で行うことが可能である。マルチセルスタックデバイスはまた、１１１５等のアノードスラリー区画および１１１６等のカソードスラリー区画を含む。２つの区画は、１１２２等のイオン伝導膜によって分離される。アノードスラリーおよびカソードスラリー区画内のアノードスラリーおよびカソードスラリーのうちの少なくとも１つは、上記のような半固体または濃縮液体を含む。

図１１に示すように、マルチレドックスフローセル１１０１は、アノードスラリー貯蔵タンク１１０２およびカソードスラリー貯蔵タンク１１０４に接続される。アノードスラリー貯蔵タンク１１０２は、ブラダー１１０３をさらに包含する。動作（デバイスの放電）中、可逆式ポンプ１１０６を使用することによって、貯蔵タンク１１０２内の充電されたアノードスラリーが、矢印１１０８によって示される方向に送り込まれる。アノードスラリーは、流量計１１１７、流量弁、１１１８を通過して、マニホールド１１１０内に入る。マニホールド１１１０は、充電されたアノードスラリーを１１１５等のアノードスラリーセル区画内に送達する。使用後は、マニホールド１１１５を介して放電したアノードスラリーを除去することができ、貯蔵のために、弁１１１９を介してブラダー１１０３内にポンプで送り込むことができる。デバイスの充電中は、可逆式ポンプ１１０６内の流れ方向は逆であり、放電したアノードスラリーを１１１５等のアノードスラリー区画内に送達するマニホールド１１１５内に、弁１１１９を介して、矢印１１０９によって示される方向に、ブラダー１１０３内の放電したアノードスラリーをポンプで送り込むことができる。次いで、デバイスに電圧を印加し、放電したアノードスラリーを再充電することができる。

同様に、カソードスラリー貯蔵タンク１１０４は、ブラダー１１０５をさらに包含する。動作（デバイスの放電）中、可逆式ポンプ１１０７を使用することによって、貯蔵タンク１１０４内の充電されたカソードスラリーが、矢印１１１１によって示される方向に送り込まれる。カソードスラリーは、流量計１１２０、流量弁１１２１を通過して、マニホールド１１１３内に入る。マニホールド１１１３は、充電されたカソードスラリーを１１１６等のカソードスラリーセル区画内に送達する。使用後は、マニホールド１１１４を介して放電したカソードスラリーを除去することができ、貯蔵のために、弁１１２３を介してブラダー１１０５内にポンプで送り込むことができる。デバイスの充電中は、可逆式ポンプ１１０７内の流れ方向は逆であり、放電したカソードスラリーを１１１６等のカソードスラリー区画内に送達するマニホールド１１１４内に、弁１１２３を介して、矢印１１１２によって示される方向に、ブラダー１１０５内の放電したカソードスラリーをポンプで送り込むことができる。次いで、デバイスに電圧を印加し、カソードスラリーを再充電することができる。流量弁および流量計については、上述した通りである。

上述したような半固体または濃縮液体のアノードスラリーまたはカソードスラリーは、導電性材料である。したがって、デバイスの動作中に、デバイス内の１つ以上のセル区画および／または双極電極を迂回するように分流が生じる可能性がある。例えば、電流は、デバイス内の１つ以上のセル区画および／または双極電極を迂回するように、マニホールド内のカソードスラリーまたはアノードスラリーを通って進むことができる。多数の個々のセルからなる双極性スタックが使用される場合、カソードからカソードへの、およびアノードからアノードへの分流の発生は、スタック電圧を減少させる。１つ以上の実施形態において、分流を減少または防止するために、マニホールドの注入口または注出口の位置に非導電性の弁を導入することができる。

図１２は、マルチセルの半固体フローセルスタック設計と、該設計に組み込むことのできる様々な種類の弁を示す。図１２Ａは、端部電極１２０９および１２１１、１２１０および１２１２等の双極電極、アノードスラリーセル区画１２１５とカソードスラリーセル区画１２１４とを分離する１２１３等の膜を含む、マルチセルの半固体フローセルスタック設計１２０１を示す。１２０２等の弁は、カソードスラリーをカソードスラリーセル区画１２１４内に送達するマニホールド１２０４の注入口の位置のうちの１つに位置する。１２１６等の弁は、アノードスラリーをアノードスラリーセル区画１２１５内に送達するマニホールド１２０３の注入口の位置のうちの１つに位置する。１２０２および１２１６等の弁は非導電性であるため、マニホールドを通る分流を防止することができる。１つ以上の実施形態において、そのような弁は脈動弁であり、いずれの分流も生じさせることなく、アノードスラリーまたはカソードスラリーを迅速に通過させるように短時間のみ開放する。１つ以上の実施形態において、追加の弁は、マニホールド１２０６の注出口の位置１２０７およびマニホールド１２０５の注出口の位置１２０８に位置する。

上記弁は、任意の機械的または電気的な動作弁である。いくつかの実施形態において、弁はソレノイド弁である。好適な非導電性の弁の非限定的な例を、１２Ｂ〜１２Ｅに示す。図１２Ｂは、ボール状のスイッチを含む弁の開放および閉鎖形態を示す。弁は、弁の両側の圧力差によって駆動される。図１２Ｃは、コイン状のスイッチを含む弁の開放および閉鎖形態を示す。弁は、弁の両側の圧力差によって駆動される。図１２Ｄは、羽状のスイッチを含む弁の開放および閉鎖形態を示す。弁は、流体の流れを可能にするためのばね機構によって駆動することができる。弁はまた、流れの方向を逆にするための二重ばね機構によっても駆動することができる。そのようなばね機構は、機械的または電気的に制御することができる。異なる種類の心臓用の機械弁も使用することができる。図１２Ｅは、膜スイッチを含む弁の開放および閉鎖形態を示す。膜は、駆動されるとその形状を変化させる「形状記憶膜材料」から作製される。膜スイッチは、電気的に駆動することができる。他の例として、電気的に駆動することができる組織弁が挙げられる。当該技術分野において既知である他の弁もまた企図される。

図１３は、半固体フローマルチセルスタックのためのマルチポート注入システムを示す。マルチポート注入システムは、各「プレナム」またはセル区画に送達される流体の量を精密に制御することができる。一群のセルが、電圧を上昇させるためにより多くの流体を必要とする場合、マルチポート注入は、他の区画に影響を及ぼすことなく、これを達成することができる。流体流の正確性および制御が高められる。図１３に示すように、マルチフローセル設計は、１３０１（マニホールド１３０２内）および１３０５（マニホールド１３０７内）等のインジェクタを含む。動作中、アノードスラリーが、マニホールド１３０２に導入され、１３０１等のインジェクタによってプレナム領域１３０３内に注入される。一旦アノードスラリーセル区画１３０８内に注入されたアノードスラリーがマニホールド１３０３内に逆流しないように、プレナム領域１３０３が加圧される。同様に、カソードスラリーがマニホールド１３０７に導入され、１３０５等のインジェクタによってプレナム領域１３０６内に注入される。一旦カソードスラリーセル区画１３０９内に注入されたカソードスラリーがマニホールド１３０７内に逆流しないように、プレナム領域１３０６が加圧される。流れ方向が制御されるので、マニホールドを通る分流もまた最小限に抑えられる。そのような構成は、異なる「プレナム」における流体間の分流を減少するかまたは最小限に抑えることができる。マニホールド内の圧力を監視および制御するために、１３０４等の圧力変換機がマニホールドに含まれる。

１つ以上の実施形態において、カソードおよびアノードスラリー、ならびに任意選択的に、冷却液を送達するために使用されるマニホールドの内側が、流体を横切る分流を最小限に抑えるために非導電性材料でコーティングされる。１つ以上の実施形態において、マニホールド自体が、高分子またはセラミック等の電気的に絶縁された材料で作製される。

図１４は、図１０を参照して上述したような、スタック化された板によって組み立てられるマルチレドックスフローセルスタック設計の双極板のうちの１つの平面図を示す。図１４に示すように、板は、カソード集電体またはアノード集電体を備える活性領域１４０１を含む。領域１４０２は、アノードスラリーをアノードスラリーセル区画内に送達するためのマニホールドの一部として使用される開口部１４０４を含む。領域１４０２はまた、カソードスラリーをカソードスラリーセル区画内に送達するためのマニホールドの一部として使用される開口部１４０５を含む。領域１４０２はまた、任意選択的に、冷却液を双極電極内に送達するためのマニホールドの一部として使用される開口部１４０６を含む。領域１４０３は、カソードスラリーセル区画からカソードスラリーを除去するためのマニホールドの一部として使用される開口部１４０７を含む。領域１４０３は、放電したアノードスラリーをアノードスラリーセル区画から除去するためのマニホールドの一部として使用される開口部１４０９を含む。領域１４０３はまた、任意選択的に、双極電極から冷却液を除去するためのマニホールドの一部として使用される開口部１４０８を含む。任意選択的に、双極電極の２つの電極間に配置されるチャネル（図示せず）が、冷却液を保持するために使用され、開口部１４０６および１４０８に接続される。セル区画および電極間の膜を備える板もまた、図１４に記載されるものと同様の開口部を備える。１４１０等の双極板および記載されるような端部電極板は、一緒に整列され、セル区画および間の膜とともにスタック化され、異なる板の全ての対応する開口部が適切に整列された、図１５に示されるような半固体フローマルチセルスタック１５０１を形成する。マニホールド１５０２は板を一緒にスタック化し、各板の類似する開口部をそれに応じて整列することによって形成される。マニホールド１５０２は、アノードスラリーをアノードスラリーセル区画に導入するために使用される。同様に、マニホールド１５０３は、カソードスラリーをカソードスラリーセル区画に導入するために形成される。マニホールド１５０５および１５０４もまた、それぞれ、アノードスラリーおよびカソードスラリーをセル区画から除去するために形成される。任意選択的に、１５０６および１５０７等のチャネルまたはマニホールドも形成され、それぞれ、デバイスに冷却液を導入するためおよびデバイスから冷却液を除去するために使用される。開口部１４０５、１４０６、１４０７、１４０８、１４０９、および１４１０の内側は、非導電性材料でコーティングすることができる。したがって、アノードスラリー、カソードスラリー、そして任意選択的に冷却液のために形成されるマニホールドは全て、非導電性の内側を有するため、アノードスラリー、カソードスラリー、および冷却液を通って流れる望ましくない寄生分流を最小限に抑える。当該技術分野において既知である任意の非導電性コーティングを使用することができる。非導電性コーティングの非限定的な例として、エポキシ、ポリアミド−イミド、ポリエーテルイミド、ポリフェノール、フッ素エラストマー、ポリエステル、フェノキシ−フェノール、エポキシドフェノール、アクリルおよびウレタン等の非導電性高分子が挙げられる。

図５を参照すると、エネルギー源および動力源としてレドックスフローセルを使用する動力システムの特徴は、アノードスラリーおよびカソードスラリーを高い充電状態でエネルギースタックに導入できること、つまり、システムの電気活性な構成要素が完全に充電されているということである。動作中、アノードスラリーおよびカソードスラリーの流れは、それぞれ、燃料貯蔵槽５１０および５２０から、例えば、ポンプで、エネルギースタック５００、そして個々のセルに送り込まれ、集電体を通過して流れる。レドックス活性イオンまたはイオン錯体は、通常、それ自体はレドックス活性を受けない導電性の電極または集電体に接近するかまたは接触すると、酸化または還元を受ける。これらの反応の間、レドックス活性物質が放電し、例えば、充電状態が低下する。アノードスラリーおよびカソードスラリーがエネルギースタックを出ると、充電状態が低下し、アノードスラリーおよびカソードスラリーが「使用済み」となる。使用済みの懸濁液は、次いで、使用済み燃料貯蔵槽５３０および５４０内にそれぞれ回収される。燃料セル５１０および５２０が空であり、使用済み燃料タンク５３０および５４０が満杯であるとき、それらを入れ替えて、新鮮な燃料の容器と交換し、使用済み燃料の容器を空にすることができる。このようにして、動力システムを原動力とするデバイス、例えば、電気自動車またはハイブリッド電動自動車が燃料補給される。

いくつかの実施形態において、燃料容器は、図６Ａに示すように、新鮮な燃料を送達すること、および使用済み燃料を受けることの両方に適合する。図６Ａは、アノードスラリーまたはカソードスラリーのいずれかをエネルギースタックに送達するため、および使用済み燃料を受容するために使用することができるタンク６００の斜視図である。タンク６００は、上部チャンバ６１０および下部チャンバ６２０を含む。上部チャンバは、導管６１５を介してカソードスラリーまたはアノードスラリーのインテークマニホールドと流れ連通している。燃料は、エネルギースタック内で消費されると、スタックを出て、導管６２５を通って下部チャンバ６２０に戻る。タンク６００は、２つのチャンバ内で絶えず変化する液体の相対体積に合わせて調節するために、２つの内部チャンバのサイズを増加または減少させるようにタンク内部で上下に移動できる可動内壁または膜６２８を含む。いくつかの実施形態において、膜は、使用温度範囲にわたって可撓性であり、使用中に遭遇する力および圧力に耐えるよう十分に強く、カソードおよびアノードスラリーの構成要素と接触したときに化学的に安定しており、電解質に不透過性または透過性であるように選択される。

さらに別の実施形態において、単一のタンク７００が、アノードスラリーおよびカソードスラリーの両方の流出および取り込みに使用される。図６Ｂにおいて、タンク７００は、新鮮なアノードスラリーおよびカソードスラリーをそれぞれ格納するための上部チャンバ７１０および７２０を含む。タンクはまた、使用済みのアノードスラリーおよびカソードスラリーをそれぞれ受容するための下部チャンバ７５０および７６０を含む。６Ａに記載される単一の燃料キャニスタに見られるように、タンクは、新鮮な燃料および使用済み燃料の体積の相対的な変化に応じて移動する可動膜または壁７３０、７４０を含むことができる。２つの膜は、一緒にまたは独立して移動することができる。使用において、新鮮なアノードスラリーが導管７６５からエネルギースタック内に供給され、同様に、新鮮なカソードスラリーが導管７７５からエネルギースタック内に供給される。使用後は、使用済みのアノードスラリーおよびカソードスラリーは、それぞれ導管７８５および７９５通ってタンク７００に戻る。壁７１５は、アノードスラリーをカソードスラリーから分離し、固定または可動であり得る。

使用されるタンクの特定の種類は、動力システムの使用目的に依存し得る。エンジンに適当な貯蔵場所があるシステムには、図５に記載される４タンクシステムを使用することができ、燃料補給の前に長距離を許容する大容量の燃料を提供するために最も適切であるかもしれない。その一方で、図６Ｂに記載される１タンクで４区画のタンクは、小型であり、より少ない空間を占める。単一ステップで容易に入れ替えが可能である。追加の要素および可動部分を有するタンクは、製造および使用するためにより高い費用がかかる。

レドックス組成物の別の特徴は、種々の「グレード」の「燃料」またはスラリーを使用できることである。例えば、プレミアムグレードの燃料は、同じ体積の「燃料」で、より高い出力、もしくはより長い動作時間およびそれ故の走行距離、またはその両方を提供する、カソードスラリーもしくはアノードスラリーまたはその両方を含むことができる。「レギュラー」と「プレミアム」ガソリンとの間の出力の差が検出可能でないことが多いか、または消費者にとっては非常に僅かな違いである、内燃エンジンを動力とする乗物と比較すると、適切に設計されたスラリーによって提供される出力および走行距離における差は非常に劇的であり得、その出力は、あるスラリーの方が別のスラリーよりも１０％または２０％または５０％またはさらには１００％高い可能性があり、同じサイズの「ガスタンク」当たりの走行距離も同様であり得る。

したがって、本発明の１つの使用モデルは、同じ体積もしくはサイズ範囲内の「燃料タンク」またはスタックを含む全体的なシステムのサイズで、多種多様な性能機能を提供するためのものである。図７は、同じサイズのタンク内の種々の燃料グレードを示す。燃料は、低燃費効率の範囲を有する低グレード燃料（７Ａ）から中程度の燃費効率の範囲を有する中程度の「プラス」グレード燃料（７Ｂ）までの範囲であり得、さらには、最良の走行可能距離を提供するより高いグレードの燃料である「プレミアム」グレード（７Ｃ）までも含むことができる。燃料のグレードは、カソードおよびアノードスラリーの変数を変更することによって調整することができる。例えば、スラリー中の電極粒子の数または密度は、より高い充電容量およびより長い走行距離を有するより高い粒子密度となるよう、スラリーの単位体積当たりの充電容量を調整するために調節することができる。これは、燃料グレードが上がるにつれて粒子密度が増加する同じサイズの燃料タンクを示す図７Ａ〜７Ｃに示される。例として、リン酸鉄リチウムまたはコバルト酸リチウムベースの燃料システムは、スラリー中の活物質の約２０体積％〜約７０体積％の範囲の全体積パーセントを提供する粒子密度で調製することができる。さらなる粒子密度は、通常、スラリーの粘性またはレオロジーにおける変化によって達成され、ポンプの流量または間欠性等のポンプ手順における変化を必然的に伴い得る。さらに他の実施形態において、燃料のレギュラー、プラス、およびプレミアム級の範囲は、異なる充電容量を有する異なる電気活性物質を使用することによって得ることができる。

さらに別の実施形態において、燃料の出力が修正され、消費者は、レギュラー、プラス、およびプレミアム出力の電池の中から選択することができる。図８に、出力に基づく燃料グレードを示す。動力システムは、異なる出力を有する（例えば、単位時間当たりに送達されるエネルギー量が高いかまたは低い）アノードおよびカソードスラリーを使用して動作することが可能であり得る。アノードまたはカソードスラリーの出力は、スラリー中の電気活性粒子の粒子サイズを修正することによって多様であり得る。より小さい粒子サイズは、より大きな表面積を有し、したがってより大きな単位質量当たりの有効表面が使用可能であり、同時にリチウムの固体状態での輸送が起こる寸法がより小さくなるので、より高い放電出力を提供する。したがって、例として、リン酸鉄リチウムベースのカソードは、３０ｎｍ、５０ｎｍ、および１００ｎｍの平均微結晶サイズで調製することができ、対応するグラファイトベースのアノードスラリーは、１マイクロメートル、５マイクロメートル、および２０マイクロメートルの粒子サイズを含むことができる。粒子は個々の微結晶の凝集体または集合体から構成され得るため、必ずしも微結晶サイズが粒子サイズと同じでなくてもよい。他の実施形態において、異なる燃料システムにおいて異なる出力容量を提供するように、スラリーの電気活性物質が多様であり得る。

別の使用モデルは、消費者に種々のタンクサイズを提供するためのものである。燃料タンクのサイズが製造時に決定される従来の乗物とは異なり、本発明において燃料補給のためにスラリータンクを容易に交換する能力は、異なる要求に対して異なるサイズのタンクを提供することができる。例えば、消費者は、長期の旅行に出る際に、車内の収納スペースをいくらか犠牲にして、より大きなタンクの燃料を購入することが可能である。

図９Ａ〜９Ｂに示すように、都合よく燃料タンクを交換する能力は、再充電のためのいくつかの選択肢を提供する。使用済みのカソードおよびアノードスラリーは、通常、標準的な二次電池のために開発された電気活性物質を含み、標準的な二次電池の形態で、これらの物質のために開発されたのと同様の条件下で再充電することができる。したがって、消費者は、動力システムを代替電源（例えば、壁のコンセント）に差し込み、該動力システムで再充電サイクルを開始することにより、燃料が動力システムに接続された状態で、使用済みのアノードおよびカソードスラリーを再充電することができる。２つのスラリーは、充電中にポンプで逆方向に送り込まれ、おそらく最初のタンクに貯蔵される。ポンプ／弁が両方向に作動する限り、他の構成要素を追加する必要はない。他の実施形態において、一方向弁を使用する必要がある場合は、充電中にスタックを介してスラリーを戻すための別個のスラリー流回路を有することができる。

他の実施形態において、例えば、旅行中または時間の無いときに、ユーザは、再充電ステーションで燃料タンクを入れ替えることができる。ユーザは、再充電ステーションで使用済みの燃料を返却し、新鮮なスラリーを受け取る。充電ステーションは、（プロパンタンクを再充填するために使用されるモデルのように）燃料タンクを交換することができるか、または単純に既存のタンクを空にして再充填することができる。上述したように、燃料タンクを入れ替える能力は、使用可能な燃料の種類および燃料の容量における柔軟性をユーザに提供する。ユーザは、再充填するごとに、グレード、出力、またはタンク容量を変更することができる。

従来の電池では、カソード／アノードの比率は製造時に決められ、電池の動作条件において変更が必要とされる（例えば、高出力では電極のうちの１つの速度が遅いため、その電極がより多いことが有利である）場合であっても、それを変更することはできない。本明細書に記載される動力システムでは、動力システムの特性は多様であり得るか、または必要に応じて改変することができる。

１つ以上の実施形態において、カソードおよびアノードスラリーの流量が異なってもよい。例えば、グラファイトアノード懸濁液とともに使用されるリン酸リチウムベースのカソード懸濁液は、充填速度が速すぎるとアノードにリチウムめっきが生じ得るため、アノードのリチウム取り込み能力によって速度が制限され得る。しかしながら、そのような高出力充電条件下で、カソードスラリーよりも早い速度でアノードスラリーを流すことにより、めっきの形成を回避することができる。また、アノードスラリーは、より高い充電状態でスタックを出るため、セルの電圧もより高いままである。

別の実施形態において、使用中に起こる電極スラリーのいずれの分解にも対応するように、カソードおよびアノードスラリーの流量、またはその場のカソード／アノード比は多様であり得る。スラリーを単に交換または廃棄するのではなく、セルの性能を向上するために異なる流量で使用することができ、例えば、たとえ新しいスラリーを用いる場合よりも性能が低くなったとしても、性能は規格内に維持される。つまり、一方もしくは両方のスラリーの流量を増加させることにより、またはカソード／アノード比を増減させることにより、セルの動作寿命を向上させ、延長することができる。

レドックス組成物において有利な別の動作様式は、必要なときに出力を向上させることができるということである。１つ以上の実施形態において、より高い電力需要期間中に各々が高い充電状態で動作するように、両方のスラリーの流量を増加させることによってセル電圧が比較的高いレベルで維持される。そのような動作期間中は、スラリーの使用可能なエネルギーが完全には用いられていない可能性があるが、出力を向上させることができる。当然、これは、一方のスラリーをより高い速度で維持するように、その電極スラリーのみ流量を増加させることによっても達成することができる。

１つ以上の実施形態において、スタックは、動力システムまたは電力管理システムに、動力システムの状態に関する情報を提供する監視デバイスを含む。この情報は、リアルタイムで、または使用前に、動力システムの最適な動作条件を選択するために使用することができる。例として、カソードおよびアノードスラリーの温度、流量、および相対量を制御することができる。

別の使用モデルは、サービス提供者または製造者で、燃料スラリーの寿命において１回以上、燃料スラリーを評価、補充、または再生するためのものである。従来の電池では、電池の寿命の間に電極を再生することはできない。レドックス動力システムでは、電池の寿命を回復または延長するために各スラリーを再生することができる。動力システムが最初にサービスステーションに持って来られた場合、充電またはサービスのために戻されたときにその状態を評価するために、サービス提供者において最初に燃料がテストされてもよい。次に、いくつかの方法でそれを再生することができる。例えば、懸濁液から残留水が隔離されてもよい。イオン伝導性を向上させるために追加の塩が加えられてもよい。溶媒または電解質添加剤が加えられてもよい。イオン貯蔵のために使用される活物質、または導電性添加剤を含む、追加の固相が加えられてもよい。例えば、濾過遠心分離によって、または固相が十分に懸濁しないようにさせるための凝集助剤の添加によって、固相が液体電解質から分離されてもよい。固体または固体を多く含む懸濁液および分離した液体電解質が、個別に処理されてもよいか、またはさらには交換されてもよい。

当然、補充または再生ステップの任意の組み合わせが行われてもよい。そうすることで、特定の不良構成要素を選択的に交換または再生することにより、システムの有用な寿命にわたってその経費を削減することができ、新しい添加剤または構成要素が発見されると寿命または性能が向上されるか、あるいは材料の再利用に役立つ。

別の使用モデルは、燃料タンクまたは他の構成要素とは別個に、フロー電池の出力「スタック」を交換するためのものである。従来の電池とは異なり、特定の構成要素が劣化したために、またはアップグレードが所望される場合に、それらのみを交換する能力は、ユーザおよびサービス提供者または製造者の両方に経済的利点を提供する。したがって、１つ以上の実施形態において、エネルギースタックが動力システムから除去され、交換または修復される。

別の態様において、動力システムは、電気エネルギー貯蔵デバイスと、１つの統合型デバイスにおいて、同時に従来の蓄電池およびフローセルである電源と、を含むことができる。それは、ニッケル金属ハイブリッド型等の水溶液系電池、リチウム蓄電池、ナトリウム蓄電池を含む非水溶液系電池、あるいは他のアルカリもしくはアルカリ土類または非アルカリの活性イオンに基づく電池を含む、種々の電池化学に適用可能である。リチウムイオン化学に基づく一実施形態を考慮すると、そのようなセルの基本構造は分離機を有し、その一方の側は、従来の再充電可能なリチウム電池に見られるようなリチウム電池の正極もしくは負極、またはその両方である。つまり、上記電極は、カソードまたはアノード活物質を含み、金属集電体上に活物質のコーティングを備えることができるか、あるいは、任意選択的に、高分子バインダーまたは炭素質導電性添加剤または金属添加剤もしくはバインダー等の他の構成成分とともに活物質を含む、圧縮層または焼結層等の独立型電極層であり得る。これらのイオン貯蔵電極は、静止電極と称される。しかしながら、従来のリチウム電池の電極とは異なり、上記静止電極の一方または両方は、フローセルのカソードスラリーまたはアノードスラリーに透過性であるため、デバイスの動作中に、静止電極上の活物質のみ、フローセルのカソードスラリーもしくはアノードスラリーのみ、またはその両方を、充電または放電することが可能である。

本発明の一実施形態は、以前の出願に記載されるように、半固体の流体、または懸濁液、またはスラリーである、カソードスラリーまたはアノードスラリーを使用する。

一実施形態において、静止電極の一方または両方は、分離器上にコーティングされることを含め、分離層に直接隣接している。従来の電池に見られるように、これにより、静止電極に貯蔵された活性イオンを使用した比較的迅速な電池の充電および放電が可能になる。また、カソードスラリーおよびアノードスラリーに貯蔵されたイオンも、デバイスに使用可能であり、充電および放電することができるが、これは、静止電極とは異なる運動速度で起こり得る。そのような設計は、単一のデバイスが、該設計のフローセルの態様によって提供される高エネルギーを有する一方で、比較的短期間に高出力の充電または放電を提供することも可能にする。したがって、静止電極は、分離器とフローセル反応物との間に位置付けられ、任意選択的に、フローセル反応物のうちの１つ以上のための集電体としての役割を果たすこともできる。そのような設計の別の利点は、カソードスラリーおよびアノードスラリーが半固体の流体または懸濁液またはスラリーの形態である場合に、静止電極が分離層に機械的支持を提供することができること、または分離器の磨耗を減少させることができることである。

別の実施形態において、フローセル反応物のうちの１つ以上が、分離層と静止電極との間を流れる。

いずれの場合においても、静止電極が充電または放電されると、フローセルのカソードスラリーまたはアノードスラリーが、静止電極から活性イオンを加えるかまたは除去することができる。例えば、高出力放電パルスの後、静止負極は比較的減損している可能性があり、静止正極は活性イオンを伴って比較的飽和である可能性がある。フローセルのカソードスラリーおよびアノードスラリーは、セル全体を充電された状態に戻すために静止電極とイオンを交換することができ、その状態から別の高出力放電パルスを提供することが可能である。したがって、この設計は、フローセルの高い貯蔵エネルギー特性を提供する一方で、電気自動車に必要とされる高パルス出力容量も提供することができる。

本発明の説明および実施形態を検討すると、当業者は、本発明を実行する上で、本発明の本質から逸脱することなく、修正および均等代替物が行われ得ることを理解するであろう。したがって、本発明は、上記で明示される実施形態によって制限されるものではなく、以下の特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (26)

1. デバイス内に格納された動力システムを操作する方法であって、
   （ａ）（ｉ）複数のフローセルであって、各フローセルは、
   正極集電体と、
   負極集電体と、
   前記正極集電体と負極集電体とを分離するイオン透過膜と、を備え、
   前記正極集電体および前記イオン透過膜は、正極活性物質を収容するための正極電気活性ゾーンを画定し、
   前記負極集電体および前記イオン透過膜は、負極活性物質を収容するための負極電気活性ゾーンを画定し、
   前記正極および負極活性物質のうちの少なくとも１つは、前記電気活性ゾーン内に流動性レドックス組成物を含み、
   前記流動性レドックス組成物は、前記セルの活性イオンを取り込みまたは放出することが可能で、その全ての酸化状態で固体のままであるレドックス活性固体を含む、複数のフローセルと、
   （ｉｉ）流動性レドックス組成物を前記正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つに分配するための少なくとも１つの分配槽であって、前記複数のフローセルに接続され、かつ前記電気活性ゾーンと流体連通し、前記フローセルに接続および取り外されることが可能である、分配槽と、
   （ｉｉｉ）前記正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つから流動性レドックス組成物を受容するための少なくとも１つの受容槽であって、前記フローセルに接続され、かつ前記電気活性ゾーンと流体連通し、前記フローセルに接続および取り外されることが可能である、受容槽と、を提供することと、
   （ｂ）前記フローセルに放電させて、前記デバイスを操作するための電気エネルギーを提供するように、前記流動性レドックス組成物を前記分配槽から前記電気活性ゾーンのうちの少なくとも１つに導入することと、
   （ｃ）前記放電したレドックス組成物を前記受容槽内に受容することと、を含む、方法。
2. 前記動力システムは、再充電可能なシステムを含み、前記流動性レドックス組成物は非水性組成物である請求項１に記載の方法。
3. 前記セルの活性イオンは、水素、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、およびアルミニウムの１つである請求項２に記載の方法。
4. 前記セルの活性イオンはリチウムである請求項２に記載の方法。
5. 前記レドックス活性固体は、活性イオンを用いたインターカレーションを受けた材料を含む請求項２に記載の方法。
6. 前記分配槽を新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、前記動力システムに燃料を補給することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
7. 前記デバイスは、陸上車、航空機、または船舶である、請求項１または２に記載の方法。
8. 前記レドックス組成物を含む前記分配槽を、新鮮な流動性レドックス組成物を含む新しい分配槽と交換することにより、前記動力システムに燃料を補給することをさらに含み、前記新鮮なレドックス組成物および前記レドックス組成物は、異なる出力密度を有する、請求項２に記載の方法。
9. 前記新鮮なレドックス組成物および前記レドックス組成物は、異なるエネルギー密度を有する、請求項４に記載の方法。
10. 放電中の前記流動性レドックス組成物の前記粒子サイズは、事前に選択された出力密度を提供するように選択される、請求項２に記載の方法。
11. 放電中の前記流動性レドックス組成物の重量パーセントにおける負荷は、前記レドックス組成物の事前に選択されたエネルギー容量を提供するように選択される、請求項２に記載の方法。
12. 前記流動性レドックス組成物を再生することをさらに含み、前記再生することは、
    前記レドックス組成物から残留水を隔離することと、
    イオン伝導性を向上させるために追加の塩を加えることと、
    溶媒または電解質添加剤を加えることと、
    イオン貯蔵のために使用される活物質、または導電性添加剤を含む、追加の固相を加えることと、
    前記レドックス組成物の液体成分から、前記流動性レドックス組成物中の固相を分離することと、
    凝集助剤を加えることと、
    前記レドックス組成物の液体成分を交換することと、または
    それらの任意の組み合わせと、を含む、請求項１〜１１のいずれかに記載の方法。
13. 動力システムであって、
    複数のフローセルであって、各フローセルは、
    正極集電体と、
    負極集電体と、
    前記正極集電体と負極集電体とを分離するイオン透過膜と、を備え、
    前記正極集電体および前記イオン透過膜は、前記正極を収容するための正極電気活性ゾーンを画定し、
    前記負極集電体および前記イオン透過膜は、前記負極を収容するための負極電気活性ゾーンを画定し、
    前記流動性レドックス組成物は、前記セルの活性イオンを取り込みまたは放出することが可能で、その全ての酸化状態で固体のままであるレドックス活性固体を含む、複数のフローセルと、
    前記流動性レドックス組成物を前記正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つに分配するための少なくとも１つの分配貯蔵槽であって、前記分配貯蔵槽は、前記複数のフローセルに接続され、かつ前記電気活性ゾーンと流体連通し、前記分配貯蔵槽は、前記フローセルに接続および取り外されることが可能である、分配貯蔵槽と、
    前記正極または負極電気活性ゾーンのうちの１つから流動性レドックス組成物を受容するための少なくとも１つの受容貯蔵槽であって、前記受容貯蔵槽は、前記フローセルに接続され、かつ前記電気活性ゾーンと流体連通し、前記受容貯蔵槽は、前記フローセルに接続および取り外されることが可能である、受容貯蔵槽と、を備える、動力システム。
14. 前記動力システムは、再充電可能なシステムを含み、前記流動性レドックス組成物は非水性組成物である請求項１３に記載の動力システム。
15. 前記セルの活性イオンは、水素、リチウム、ナトリウム、マグネシウム、およびアルミニウムの１つである請求項１４に記載の動力システム。
16. 前記セルの活性イオンはリチウムである請求項１４に記載の動力システム。
17. 前記レドックス活性は、活性イオンを用いたインターカレーションを受けた材料を含む請求項１４に記載の動力システム。
18. 前記正極は、前記流動性レドックス組成物を含むカソードスラリーを含み、前記負極は、更に流動性レドックス組成物を含むアノードスラリーを含む、請求項１３に記載の動力システム。
19. 前記分配貯蔵槽と前記受容貯蔵槽とは、単一本体を形成する、請求項１３または１８に記載の動力システム。
20. 前記単一本体は、前記受容貯蔵槽と分配貯蔵槽との間に可動膜を有する、請求項１９に記載の動力システム。
21. 前記複数のフローセルは、フローセルのスタックを形成し、各フローセルが、前記セルの動作中に前記イオンを取り込むことおよび放出することが可能である流動性レドックス組成物を含む、少なくとも１つの電極を含み、前記分配貯蔵槽および受容貯蔵槽は、前記フローセルスタックに可逆的に接続される、請求項１３〜２０のいずれかに記載の動力システム。
22. 前記それぞれのフローセル内への前記レドックス組成物の流れを制御し、隣接するフローセル間の分流を最小限に抑えるために、各燃料セルの入り口に位置する弁をさらに備える、請求項２１に記載の動力システム。
23. 各フローセルの各電気活性ゾーンに送達されるレドックス組成物の量を制御するように構成および配設されるマルチポート注入システムをさらに備える、請求項２１に記載の動力システム。
24. 前記フローセル内に冷却液を循環させるための冷却システムをさらに備える、請求項１３〜２３のいずれかの請求項に記載の動力システム。
25. 前記流動性レドックス組成物の充電状態を監視するために、前記電力貯蔵槽に接続されたレベル計をさらに備える、請求項１３〜２４のいずれかの請求項に記載の動力システム。
26. 請求項１３〜２５のいずれかに記載の動力システムを備える、陸上車、航空機、または船舶。

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