JP6526631B2 - レドックスフロー電池、平衡セル、作用平衡セル、エネルギ貯蔵システム及びそのエネルギ貯蔵システムの動作方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2013年9月25日に出願された米国特許出願第61/882,324号の優先権の利益を主張する。その内容は、引用により全体があらゆる目的のために本願にも含まれるものとする。
フロー電池の最適な性能は、ポソライトとネゴライトとの間でpH及び充電状態の双方のバランスを維持する能力に依存する。長いサイクルでは、フロー電池は典型的に、寄生電気化学副反応(parasitic electrochemical side reactions)の存在によって、ポソライトとネゴライトとの間で陽子(proton)及び電子の双方の含有量に不平衡が生じる。
1つの反応は、負極において、水から水素ガスが発生することであり、この結果としてポソライトとネゴライトとの間で電子(充電状態)及び陽子の双方の含有量が不平衡となる。この不平衡は、補正されずに放置されると、続いて、システム性能の低下を引き起こす。不平衡の状態は、ポソライト及びネゴライトの一方、又は、ポソライト及びネゴライトの双方を平衡セル(balancing cell)において処理することで補正することができる。
第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、第1の半電池チャンバは、第1の水性電解質と接触している第1の電極を備え、第2の半電池チャンバは、第2の水性電解質と接触している第2の電極を備え、第2の電極が酸素ガス(O2)の発生のための触媒を含む。これらの実施形態のいくつかにおいて、第2の水性電解質のpHは少なくとも2である。他の実施形態では、追加の第2の電解質は存在しない。
同様に、特に明記しない限り、改良のための可能な機構又はアクションのモード又は理由についての記載は例示のみを意図しており、本明細書における本発明は、そのような改良のための提案する機構又はアクションのモード又は理由の正確さ又は不正確さによって制約を受けない。
本文書全体を通して、記載については、装置及びこの装置を用いる方法に言及することが認識される。すなわち、本開示がシステム若しくは装置又はシステム若しくは装置を作製若しくは使用する方法に関連付けられた特徴又は実施形態を記載及び/又は特許請求する場合、そのような記載及び/又は特許請求は、これらの特徴又は実施形態をこれらの状況の各々における実施形態に拡張することを意図していることは認められよう。
逆に、簡潔さのために単一の実施形態の文脈で記載する本発明の様々な特徴は、別個に又は何れかのもっと小さい組み合わせ(sub−combination)で提供され得る。最後に、ある実施形態を一連のステップの一部として又はもっと一般的な構造の一部として記載する場合があるが、前記の各ステップはそれ自体が他のものと組み合わせられる別個の実施形態であると見なすことも可能である。
フロー電池の電解質に不純物が混入しないように平衡セルの構成及び動作を行うことが望ましい。回避すべき特定の不純物は、フロー電池の負極上に蓄積する可能性のあるもの、H2の発生に触媒作用を及ぼす可能性のあるもの及びフロー電池の充電状態の不平衡に更に触媒作用を及ぼす可能性のあるものである。
具体的には、正極が耐腐食性の高い酸素ガス(O2)発生触媒を含むと共に負極が耐腐食性の高い電流コレクタを含む平衡セルを動作させることが好ましい。
また、ネゴライトコンパートメントから第2の半電池チャンバ内への活性物質のクロスオーバーを防ぐことが望ましい。このようなクロスオーバーは、膜内部での触媒付着物又は堆積物形成の何れかによって性能を低下させ、膜抵抗の上昇を招く恐れがあるからである。最後に、平衡セルの膜を介した大きなpH勾配を防ぐことが望ましい場合がある。多くの場合、酸素ガス(O2)の発生は、強酸性条件下で行われるが、これは、電解質が中性又はアルカリ性のpHで配合されるフロー電池技術と両立しないことがある。結果として生じるpH勾配は最終的にpH平衡に至り、メイン電池内の電解質を酸性化させる可能性がある。したがって、メイン電池内の電解質のpHにできる限り近いpH値で酸素ガス(O2)発生を行うことが望ましい場合がある。このため、膜及び触媒材料を慎重に選択する必要があり得る。
これらの実施形態のいくつかでは、第2の電解質のpHは少なくとも2である。他の実施形態では、追加の第2の電解質は存在しない。平衡セルのみに対応する対応した実施形態も本開示の範囲内である。
酸素ガス(O2)を発生可能であることに加えて、これらの酸化物触媒は、好ましくは本出願で検討されるpHにおいて腐食耐性を有するか、水の水素への還元について低性能の触媒であるか、又はこれら双方である。
pH補正セルの第2の作用水性電解質における酸性又は塩基性の酸化条件下で腐食する触媒は、第1のpH補正半電池にクロスオーバーして、pH補正セルの所期の効果を妨げるか、又はもっと悪い場合にはフロー電池の動作を妨げる可能性がある。
このようなクロスオーバー触媒が第1の半電池の還元条件下での水素発生について高能率の触媒である場合、第1の半電池又は作用フロー電池の負極における水素発生が安全面での懸念を引き起こすという状況が想像され得る。
したがって、本発明では、第2の電極で用いるために、コバルト、イリジウム、鉄、マンガン、ニッケル、ルテニウム、スズ、又はそれらの組み合わせの酸化物を優先的に用いることを想定している。特に好ましいのは、酸素ガス(O2)発生に対する良好な触媒活性と高い腐食耐性を有することから、酸化イリジウムである。第2の半電池チャンバがアルカリ性の電解質を含む場合、酸素ガス(O2)発生に対する良好な触媒活性と塩基性での高い腐食耐性を有することから、酸化ニッケル又はニッケル−鉄酸化物等の触媒が特に好ましい。
したがって、動作の最適なpHの範囲(pH window)は、どの活性材料を用いているかに応じて、各配位化合物ベースのフロー電池ごとに異なる。弱酸性、中性、又はアルカリ性のpHで動作する配位化合物フロー電池(CCFB:coordination compound flow battery)の平衡を目的とする平衡セルを設計する場合、多数の異なる要件を考慮に入れなければならない。
大きなpH勾配が存在すると最終的にpH平衡に至り、実際上、第1の半電池チャンバ内における電解質の酸性化を引き起こす可能性があるが、これは上述のような安定した動作の観点からは極めて望ましくない場合がある。
したがって、例えばpH11でのメイン電池の動作においては、長期間の安定動作のために平衡セルの第2の半電池チャンバ内における電解質はアルカリ性である必要があり、これは、水酸化触媒及び膜セパレータ用のアイオノマー材料の選択に影響を与える。このような状況では、電解質のpH値に一致したpH値で関連する平衡セルを動作させる必要がある。
このため、本発明(複数の発明)のいくつかの実施形態において、第2の水性電解質のpHは少なくとも2である。
他の実施形態では、この第2の水性電解質のpHは約2から約3、約3から約4、約4から約5、約5から約6、約6から約7、約7から約8、約8から約9、約9から約10、約10から約11、約11から約12、約12から約13、約13から約14、又はこれらの範囲の組み合わせの範囲内である。
或いは、第2の水性電解質のpHを、平衡させている作用電解質(すなわち典型的にはネゴライト)との差に関連付けて規定してもよい。このような実施形態において、この差は、約8未満、約7未満、約6未満、約5未満、約4未満、約3未満、約2未満、又は約1pH単位未満である。いくつかの好適な実施形態では、作用電解質のpHは約9から約13の範囲内である。実際、多くの状況においては、アルカリ性の作用電解質を使用することが好ましい。そのような実施形態では、第2の水性電解質のpHは例えば約3、4、5、6、7、8、又は9から約14の範囲内とすることができる。
アニオンのこの意図しないクロスオーバーの1つの副作用は、電荷平衡を達成するために、平衡セルの第2の半電池チャンバから第1の半電池チャンバに輸送する必要のある陽子が少なくなり、平衡セルのpH平衡機能が損なわれることである。配位化合物のクロスオーバーにおける第2の副作用は、これらの分子が膜内に堆積して膜抵抗を上昇させ得ることである。配位化合物のクロスオーバーにおける第3の副作用は、これらの分子が第2の半電池チャンバの触媒において酸化し、この反応の酸化生成物が触媒を汚染(foul)及び/又は非活性化させ得ることである。したがって、いくつかの実施形態では、配位化合物活性材料のクロスオーバーを防ぐことが不可欠であり得る。
いくつかの実施形態では、ペルフルオロスルホン酸又はテトラフルオロエチレンのスルホン化ポリマー若しくはコポリマーをベースにした標準的な膜であって、必要に応じてペルフルオロビニルエーテルを含むものを使用可能である。
他の例示的なペルフルオロ膜(perfluorinated membrane)材料には、テトラフルオロエチレンのコポリマー及び1つ以上のフッ化、酸性−官能性コモノマーが含まれる。これらは、E.I. du Pont Nemours and Company(Wilmington Del.)からNAFION(登録商標)ペルフルオロポリマー電解質として市販されている。他の有用なペルフルオロ電解質は、テトラフルオロエチレン(TFE)及びFSO2−CF2CF2CF2CF2−O−CF=CF2のコポリマーを含む。
また、アニオン配位化合物のサイズが典型的にOH−イオンに比べてはるかに大きいことから、カルボキシル化膜は、この配位化合物のクロスオーバーの抑制にも効果的であることが期待される。
同時に、メイン電池でのH2発生によって「失われた」陽子を補償するため、やはり陽子を第1の半電池チャンバに注入しなければならない。これらの要求は、1つのカチオン交換層及び1つのアニオン交換層のアイオノマー膜から成る2層膜であるバイポーラ膜によって満足させることができる。
これら2つの層の間に、水の解離を容易にする金属酸化物フィルムが存在する。この複合膜に充分に高い電圧を印加すると、金属酸化物層において水が解離し、発生した陽子が負極に移動すると共に発生した水酸化物イオンが正極に移動する。
バイポーラ膜を用いて、第2の半電池チャンバに塩基性電解質を展開しながら平衡セルを動作させることができる(実施例4を参照のこと)。塩基性電解質と共に動作するフロー電池の膜を介して著しいpH勾配が存在しないという利点の他に、別の利点として、より安定した水酸化触媒(例えばNiO、NiFeO等)を利用可能であることと、バイポーラ膜にアニオン及びカチオン交換の双方のアイオノマー材料が存在するために活性材料のクロスオーバーが抑制され得ることが含まれる。
局所的なpH低下によって、配位化合物の局所的な分解及び/又は沈殿が生じることがあり、これはフローフィールドの閉塞及び/又は分解生成物(例えば解離したリガンド)のクロスオーバーを招く恐れがある。
平衡セルの標準的な構成において、第1の半電池チャンバは、グラファイト/ビニル−エステル複合材料から成るプレートによって支持されたカーボンペーパー電極を含み、このプレートには噛み合った形状のフローフィールドが機械加工されている。
この構成では、電解質の対流が発生するのはチャネル内及びフローフィールドのリブ近傍のみである。これに対して、電気化学反応のほとんどが生じる領域(すなわち膜に隣接した領域)では、対流は存在せず、活性材料及び陽子は拡散によってその領域の内外へ移動しなければならない。陽子注入による局所的なpH低下を防ぐには、注入された陽子がより効果的に電解質全体と混合されるように第1の半電池チャンバを構成すればよい。あり得る構成は、非伝導性の高空隙率の媒体(例えばポリエステル又はポリプロピレンフェルト、空隙率は全体積の少なくとも80%)を、膜とカーボンペーパー又は炭素布(すなわち、一般に材料の全体積に対して例えば約70〜80体積%のように空隙率がもっと低い材料)との間に挿入することを含む。
或いは、高空隙率の電極(例えばフェルト又はメッシュ、空隙率は少なくとも80体積%)を通って電解質が流れるオープンフローフィールド設計を採用することで、プレートにおける機械加工フローフィールドを全体的に省略することも可能である。双方の構成は、膜に隣接した領域で対流を増大させることで、第1の半電池チャンバでの局所的なpH低下の防止を可能としなければならない。
この構成は平衡セルの設計を大幅に簡略化する。例えば、膜上の金属酸化物触媒をチタン製エンドプレートと直接接続することで、実施例1〜3において第2の水性電解質のフローフィールドとして機能するチタン製メッシュの必要をなくすことができる。
更に、第2の半電池チャンバに関連したポンプ、管類、及び流量計を省略することができるので、バランスオブプラント(balance of plant)が大幅に簡略化される。唯一の追加の設計機構は、金属酸化物触媒で発生する酸素分子のための通気孔である。更に、酸素ガス(O2)発生反応で消費される水を補償するため、定期的にネゴライト電解質タンクに水を追加しなければならない。必要に応じて、この補給水は、第2の半電池チャンバからの発生した酸素ガス(O2)と平衡セルの第2の半電池チャンバ及びメインセルのネゴライトコンパートメント内で発生したH2とを化合させることによって現場で(in situ)生成してもよい。この水生成プロセスに、貴金属触媒(例えばPt、Pd等)によって触媒作用を与えてもよい。
各方法は、pH補正セルの前記の第1及び第2の電極に電位を印加することを含む。特定の実施形態において、これらの電極間の電位は第2の水性電解質の過電圧の約500mV内に維持される。他の独立した実施形態では、これらの電極間の電位は、第2の水性電解質の過電圧の約100mV、約250mV、約500mV、約750mV内に維持される。
制御ソフトウェア、ハードウェア、及び任意選択的な安全システムは、フロー電池又は他のエネルギ貯蔵システムの安全で自律的かつ効率的な動作を保証するためのあらゆるセンサ、緩和装置、及び電子/ハードウェア制御装置及び安全装置を含み得る。
本発明のそのようなエネルギ貯蔵システムは、数時間の持続的な充電又は放電サイクルによく適している。そのため、本発明のエネルギ貯蔵システムは、エネルギ供給/需要プロファイルを平滑化すること、及び(例えば再生可能エネルギ源からの)間欠的な発電資産の安定化機構を提供することに適している。
本発明の様々な実施形態は、そのような長い充電又は放電時間が貴重である場合の電気エネルギ貯蔵用途を含むことは認められよう。例えば、そのような用途の限定でない例には、本発明のシステムを配電網に接続したものが含まれ、再生可能エネルギ統合(renewables integration)、ピーク負荷シフト、配電網の安定化(grid firming)、ベースロード発電/消費、エネルギ裁定取引、伝送及び配電資産繰り延べ、弱い配電網のサポート、及び/又は周波数調整を含む。
更に、本発明のデバイス又はシステムを用いて、配電網又はマイクログリッド(micro−grid)に接続されていない用途のために安定した電力を提供することができる。そのような用途は、例えば遠隔キャンプ、前進作戦基地、オフグリッド電気通信、又は遠隔センサのための電力源である。
本明細書全体を通して、用語には当業者に理解されるような通常の意味が与えられる。しかしながら、誤解を避けるため、いくつかの用語の意味を具体的に定義又は明確化する。
場合によっては、特定の値に用いられる有効桁数が、「約」という言葉の範囲を決定する1つの非限定的な方法となり得る。他の場合には、一連の値での段階的な変化を用いて、各値について「約」という言葉に使用できる対象範囲を決定することができる。存在する場合、全ての範囲は包括的であり組み合わせ可能である。すなわち、ある範囲内に示した値に対する言及はその範囲内の全ての値を含む。
同様に、「レドックス活性金属イオン」という言葉は、使用条件下でその金属の酸化状態が変化することを表すためのものである。本明細書において用いる場合、「レドックス対」という言葉は有機材料又は無機材料の対のことを示し得る。本明細書に記載する場合、無機材料は、「金属リガンド配位化合物」又は単に「配位化合物」を含むことができ、これらも電気化学及び無機化学の当業者には既知である。(金属リガンド)配位化合物は、原子又は分子に結合した金属イオンを含み得る。結合した原子又は分子のことを「リガンド」と称する。
いくつかの非限定的な実施形態において、リガンドは、C、H、N、及び/又はOの原子を含む分子を含み得る。換言すると、リガンドは有機分子を含み得る。本発明のいくつかの実施形態では、配位化合物は、水、水酸化物、又はハライド(F−、Cl−、Br−、I−)でない少なくとも1つのリガンドを含むが、本発明はこれらの実施形態に限定されない。
追加的な実施形態は、2013年7月23日に出願された米国特許出願第13/948,497号に記載された金属リガンド配位化合物を含む。この出願は、少なくとも配位化合物の教示について、引用によりその全体が本願にも含まれるものとする。
いくつかの状況では、水性溶剤は実質的に水のみから成り、コ・ソルベント又は他の種はほぼ存在しないか又は全く存在しない場合がある。溶剤系は、少なくとも約90重量%、少なくとも約95重量%、又は少なくとも約98重量%の水を含むことができ、いくつかの実施形態ではコ・ソルベント又は他の種を含まない場合がある。特に明記しない限り、「非水性」という言葉は、10重量%未満の水を含み、一般に少なくとも1つの有機溶剤を含む溶剤系のことである。追加の独立した実施形態は、「非水性」溶剤系が、全溶剤に対して50%未満、40重量%未満、30重量%未満、20重量%未満、10%未満、5重量%未満、又は2重量%未満の水を含有するものを含む。
Mは、Al、Ca、Ce、Co、Cr、Fe、Mg、Mn、Mo、Si、Sn、Ti、V、W、Zn、又はZrであり、
L1、L2、及びL3は各々、アスコルビン酸塩、カテコレート、クエン酸塩、グリコール酸塩、又はポリオール(エチレングリコール、プロピレングリコール、又はグリセロールから誘導されたリガンドを含む)、グルコン酸塩、グリシン酸塩、α−ヒドロキシアルカノエート、(例えばα−ヒドロキシアセテート、又はグリコール酸からのもの)、βヒドロキシアルカノエート、γ−ヒドロキシアルカノエート、リンゴ酸塩、マレイン酸塩、フタル酸エステル、焦性没食子酸塩、サルコシネート、サリチル酸塩、又は乳酸塩であり、
x、y、及びzはそれぞれ、0、1、2、又は3であり、1≦x+y+z≦3であり、
mは+1、0、−1、−2、−3、−4、又は−5である。
しかしながら、追加の実施形態では、この言葉は、同一の試験条件下で、アノードピークとカソードピークとの電圧差が約0.2V未満、約0.1V未満、約0.075V未満、又は約0.059V未満であるレドックス対も指す場合がある。「準可逆対」という言葉は、アノードピークとカソードピークとの対応する電圧差が0.3Vから約1Vまでの範囲内であるレドックス対のことである。他の実施形態では、「実質的な可逆対」は、スキャンレートに対してほぼ不変(変化が10%未満)のピーク分離を有するものとして定義される。
以下の実施形態は、すでに記載した実施形態を置換するのではなく補足することを意図している。
平衡セルと流体連通している少なくとも1つの電気化学セルを備えるレドックスフロー電池であって、平衡セルは、
膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
第1の半電池チャンバは、第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、
第2の半電池チャンバは、第2の水性電解質と接触している第2の電極を有し、第2の電極が酸素ガス(O2)発生のための触媒を含む、レドックスフロー電池。
平衡セルと流体連通している少なくとも1つの電気化学セルを備えるレドックスフロー電池であって、平衡セルは、膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
第1の半電池チャンバは、第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、
第2の半電池チャンバは、酸素ガス(O2)の発生のための触媒を含む第2の電極を有し、
第2の半電池チャンバは水性電解質を含まない(水性電解質が存在しない)、レドックスフロー電池。
平衡セルと流体連通している少なくとも1つの電気化学セルを備える電気化学デバイスであって、平衡セルは、膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
第1の半電池チャンバは、第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、
第2の半電池チャンバは、第2の水性電解質と接触している第2の電極を有し、第2の電極が酸素ガス(O2)の発生のための触媒を含み、膜が、
(1)負に帯電したアイオノマー、好ましくは第1及び第2のタイプの負に帯電したアイオノマー、例えばスルホン化ペルフルオロポリマー又はコポリマー、
(2)正に帯電したアイオノマー、
(3)バイポーラ膜、又は
(4)上記(1)から上記(3)の組み合わせ、
を含む、電気化学デバイス。
平衡セルであって、
膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
第1の半電池チャンバは、電気化学デバイスの第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、
第2の半電池チャンバは、第2の水性電解質と接触している第2の電極を有し、第2の電極が酸素ガス(O2)の発生のための触媒を含む、平衡セル。
作用平衡セルであって、
膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
第1の半電池チャンバは、第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、
第2の半電池チャンバは、水性電解質が存在しない、作用平衡セル。
第2の水性電解質のpHが少なくとも2であり、好ましくは約7よりも大きく、更に好ましくは約9から約14の範囲内である、実施形態1から3の何れか1つに記載のレドックスフロー電池、又は、実施形態4又は5に記載の平衡セル。
第1の水性電解質は、負の作用電解質を含む、実施形態1から3の何れか1つに記載のレドックスフロー電池。
第1の水性電解質のpHが約9から約14の範囲内である、実施形態1から7の何れか1つに記載のレドックスフロー電池。
第1及び第2の水性電解質の各々のpHの差が、約8、7、6、5、4、3、2、又は1である、実施形態1から8の何れか1つに記載のレドックスフロー電池。
第1のチャンバにおいて膜の近傍に若しくは隣接して配置された高空隙率の媒体を更に備え、高空隙率の媒体がその領域における対流を増大させて、第1の半電池チャンバに注入される陽子の中和を生じる、実施形態1から9の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
膜は、スルホン化ペルフルオロポリマー又はコポリマーを含む、実施形態1から10の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
膜は、テトラフルオロエチレンのスルホン化ペルフルオロポリマー又はコポリマーを含み、必要に応じてペルフルオロビニルエーテル部分を含む、実施形態1から11の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
膜は、アイオノマー膜を含む、実施形態1から12の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
膜は、テトラフルオロエチレンと分子量の小さいフッ化スルホニルビニルエーテル(SFVE)F2C=CF−O−CF2CF2−SO2Fの短側鎖(SSC)コポリマーとして特徴付けられるアイオノマー膜を含む、実施形態1から13の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
膜が、テトラフルオロエチレンと分子量の小さいフッ化スルホニルビニルエーテル(SFVE)F2C=CF−O−CF2CF2−SO2Fの短側鎖(SSC)コポリマーとして特徴付けられるアイオノマー膜を含み、この膜が内部に粒子を沈殿させることによって変更され、粒子が金属、金属酸化物、不溶性若しくは可溶性の低い有機金属材料、ポリマー、又はそれらの組み合わせを含む、実施形態1から14の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
膜がバイポーラ膜を含む、実施形態1から15の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
膜がバイポーラ膜を含み、バイポーラ膜が少なくとも1つのカチオン交換アイオノマー膜と1つのアニオン交換アイオノマー膜とを含む、実施形態1から16の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
膜がバイポーラ膜を含み、バイポーラ膜が、少なくとも1つのカチオン交換アイオノマー膜と1つのアニオン交換アイオノマー膜とを含み、それらの間に挟まれた金属酸化物フィルムを有し、電位が印加されると金属酸化物フィルムが水の解離に触媒作用を及ぼすことができる、実施形態1から17の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
第2の電極が、水からの酸素の電気化学的発生に適した触媒を含む、実施形態1から18の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
第2の電極が金属酸化物触媒を含み、金属酸化物触媒が、水からの酸素の電気化学的発生に適した触媒を含む、実施形態1から19の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
第2の電極が、コバルトの酸化物、イリジウム、鉄、マンガン、ニッケル、ルテニウム、インジウム、スズ、又はそれらの組み合わせの酸化物を含み、酸化物が必要に応じてにフッ素をドーピングされている(例えばフッ素ドーピング酸化スズ)、実施形態1から20の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
第2の電極が、イリジウムの酸化物又はニッケルの酸化物を含む、実施形態1から21の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
第2の電極が、炭素の同素体、例えばカーボンブラック、ダイヤモンド、ガラス状炭素、グラファイト、非晶質炭素、グラフェン、フラーレン、カーボンナノチューブ、又はそれらの組み合わせを含む、実施形態1から19の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
前記第1の水性電解質の負の作用電解質が、Al、Ca、Ce、Co、Cr、Fe、Mg、Mn、Mo、Si、Sn、Ti、V、W、Zn又はZrを包含する化合物を含む、実施形態7から23の何れか1つに記載のレドックスフロー電池。
フロー電池の負の作用電解質がチタンの配位化合物を含む、実施形態24に記載のレドックスフロー電池。
少なくとも第1の半電池チャンバと、必要に応じて第2の半電池チャンバとが、フロースルーセルとして構成されている、実施形態1から25の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セル。
実施形態1から26の何れか1つに記載のレドックスフロー電池又は平衡セルを備えるエネルギ貯蔵システム。
実施形態1から26の何れか1つに記載のレドックスフロー電池若しくは平衡セル又は実施形態27に記載のシステムを動作させる動作方法であって、第1及び第2の電極に電位を印加して動作させる動作方法。
電位が第2の水性電解質の過電圧の500mV内に維持される、実施形態28に記載の動作方法。
以下の実施例は、本開示内に記載される概念のいくつかを例示するために与えられる。各実施例は、組成、調整及び使用の方法について特定の個別の実施形態を与えると見なされるが、どの実施例も本明細書に記載する更に一般的な実施形態を限定するものとは見なされない。
Nafion(登録商標)117膜(E. I. du Pont de Nemours and Company(デラウェア州ウィルミントン)により製造)を用いて平衡電気化学セルを構築し、1mg/cm2以上の金属酸化物を使用して酸化イリジウム触媒を正の側に配置した。
膜の正の側は市販のチタン製メッシュ(厚さ1.4mm)によって支持し、負の側は、Avcarb Material Products(マサチューセッツ州ローウェル)により製造されたカーボンペーパー(MGL370、厚さ350ミクロン)によって支持した。カーボンペーパーは、市販のグラファイトビニル−エステル複合物に機械加工したフローフィールドによって支持した。セルのアクティブエリアは25cm2であり、全セル領域は64cm2であった。正の側において、脱イオン水の約50cc/分の流量を維持した。負の側において、負のフロー電池電解質の約200cc/分の流量を維持した。約25mA/cm2の電流密度と約2.7Vのセル電圧で平衡セルを動作させた。
図3は、平衡セルを用いる場合と用いない場合の負極のアンペア時(Ah)のサイクリング容量及びpHを動作時間の関数として示す。電池システムのターゲットのAhは約30Ahであり、負の電解質のターゲットのpHは約11.5であった。実験の開始時、システムは、〜12のpHと〜22Ahの低い電荷容量で示されるような充電状態及びpHの不平衡を示す。システムを動作させると、負の電解質のpHが上昇し続けると共に電荷容量は低下し続けるので、不平衡が続く。〜125時間で平衡セルを起動することで不平衡が補正される(図3の縦の破線)。すなわち、pHは11.5のターゲット値に向かって低下し、負の電解質の電荷容量はターゲットの30Ahに戻る。
Nafion(登録商標)117膜(E. I. du Pont de Nemours and Company(デラウェア州ウィルミントン)により製造)を用いて平衡電気化学セルを構築し、1mg/cm2以上の金属酸化物を使用して酸化イリジウム触媒を膜の正の側に堆積した。膜の正の側は市販のチタン製メッシュ(厚さ1.4mm)によって支持し、負の側は、Avcarb Material Products(マサチューセッツ州ローウェル)により製造されたカーボンペーパー(MGL370、厚さ350ミクロン)によって支持した。
カーボンペーパーは、市販のグラファイトビニル−エステル複合物に機械加工したフローフィールドによって支持した。セルのアクティブエリアは25cm2であり、全セル領域は64cm2であった。正の側において、脱イオン水の約50cc/分の流量を維持した。負の側において、負のフロー電池電解質の約200cc/分の流量を維持した。米国特許第2014/0028260A1号に記載されているように、典型的な配位化合物フロー電池(CCFB)と関連付けて平衡セルを動作させた。この例では、フロー電池と平衡セルの双方にネゴライト電解質材料を循環させる。したがって、pH及びSOCの制御は負の活性材料を対象とした。図4Aは、この特定の例において、平衡セルが長期の時間期間(>1600時間)にわたって安定した電圧(〜2.8V)で動作したことを示す。平衡セルの電圧の小さい変動は、図4Aの下方の曲線として示す電流密度の設定点が高いことによって説明できる。メインフロー電池の負極でのH2発生量がわずかであっても、1600時間を超えるフロー電池の動作は必然的にネゴライト電解質のpH上昇を招く。図4Bは、ネゴライトのpHが比較的一定に保たれたことを示している。これは平衡セルによって達成されたpH制御の直接的な結果である。
Nafion(登録商標)117膜(E. I. du Pont de Nemours and Company(デラウェア州ウィルミントン)により製造)を用いて平衡電気化学セルを構築し、1mg/cm2以上の金属酸化物を使用して酸化イリジウム触媒を膜の正の側に堆積した。膜の正の側は、市販のチタン製メッシュ(厚さ1.4mm)によって支持する。
負の側は、Avcarb Material Products(マサチューセッツ州ローウェル)により製造されたカーボンペーパー(MGL370、厚さ350ミクロン)によって支持した。カーボンペーパーは、市販のグラファイトビニル−エステル複合物に機械加工したフローフィールドによって支持した。
カーボンペーパー負極とN117膜との間に追加の膜を設けて、N117膜を介する活性種のクロスオーバーを防いだ。この膜は、Solvay Aquivion(登録商標)E87膜から成るものであった。セルのアクティブエリアは25cm2であり、全セル領域は64cm2であった。正の側において、脱イオン水の約50cc/分の流量を維持した。負の側において、負のフロー電池電解質の約200cc/分の流量を維持した。米国特許第2014/0028260A1号に記載されているように、典型的な配位化合物フロー電池(CCFB)と関連付けて平衡セルを動作させた。
この例では、フロー電池と平衡セルの双方にネゴライト電解質材料を循環させ、したがって、pH及びSOCの制御は負の活性材料を対象とした。
図5は、構成されたままの(as−configured)平衡セルが数百時間にわたってSOC及びpHを平衡できることを示す(電流密度:10mA/cm2)。このセルの電圧は、追加の膜を用いない平衡セルと比べて、ごくわずかに高いだけである。観察されるわずかに高い電圧(追加の膜の抵抗によって生じる)は、活性材料のクロスオーバーの抑制に影響するならば許容可能であり得る。この試験の期間中、DI水(陽極液)の着色は観察されなかった。これは、活性材料のクロスオーバーが最小限であることを示している。
FumasepFBMバイポーラ膜(Fumatech GmbH(ドイツ)により製造)を用いて平衡電気化学セルを構築した。膜の正の側は市販のニッケル製メッシュ(厚さ1.4mm)によって支持し、負の側は、Avcarb Material Products(マサチューセッツ州ローウェル)により製造されたカーボンペーパー(MGL370、厚さは350ミクロン)によって支持した。カーボンペーパーは、市販のグラファイトビニル−エステル複合物に機械加工したフローフィールドによって支持した。
正の側において、1MのNaOH溶液の約50cc/分の流量を維持した。負の側において、負のフロー電池電解質の約200cc/分の流量を維持した。
図6は、25mA/cm2での動作用のこの平衡セルの電圧−時間データを示す。図6に見られるように、25mA/cm2の電流密度を維持するのに必要な電圧は、IrOx触媒(〜2.8V、図4〜図5)を利用した平衡セルよりも高い(〜3.3V)。これは、バイポーラ膜の膜抵抗が高いことの結果である。この高い電圧は、平衡セルの膜を介したpH勾配が回避される場合及び/又はバイポーラ膜を介した活性材料のクロスオーバーが従来のアイオノマー膜に比べて著しく低減される場合には、許容可能であり得る。
正極として炭素質材料を用いて2つの平衡電気化学セルを構築した。セルは双方ともNafion(登録商標)117膜(E. I. du Pont de Nemours and Company(デラウェア州ウィルミントン)により製造)を用いて構築した。第1のセル(セルA)は、正極として、BMC(登録商標)複合グラファイトプレートをAvCarb(登録商標)1071HCB炭素布(厚さ0.356mm)と組み合わせて用いた。
炭素布は、BMC(登録商標)複合材料内に機械加工したフローフィールドによって支持した。第2のセル(セルB)は、正極として、Eisenhuth(登録商標)複合グラファイトプレートをMorgan(登録商標)グラファイトフェルト(厚さ2.8mm)と組み合わせて用いた。膜の負の側はカーボンペーパー(Avcarb(登録商標)MGL370、厚さ0.35mm)を含み、BMC(登録商標)複合材料内に機械加工したフローフィールドによって支持した。セルのアクティブエリアは25cm2であり、全セル領域は64cm2であった。
正の側において、脱イオン水の約50cc/分の流量を維持した。負の側において、負のフロー電池電解質の約200cc/分の流量を維持した。平衡セルは、25mA/cm2の電流密度で動作させ、約3.3〜3.7Vのセル電圧を示した。図7に見られるように、25mA/cm2の電流密度を維持するのに必要な電圧は、IrOx触媒(図4〜図5)を利用した平衡セルよりも著しく高かった。これは、水の酸化反応に対する触媒作用によって低電圧の平衡セルが得られることを明らかに示している。
セルA及びセルBの双方において、25mA/cm2を駆動するのに必要な電圧は〜15hの時間スケールでゆっくりと上昇した。何れかの特定の理論の正確さに束縛されることは意図しないが、この電圧上昇の原因は、正極において2つの電気化学反応すなわち水の酸化と炭素の酸化が発生したことであると考えられる。
したがって、これらの炭素正極は真に犠牲的であり、定期的に交換する必要があった。しかしながら、この概念の利点は、平衡において貴金属水酸化触媒が存在しないので、これらの触媒の腐食リスクが低減すると共に、これらの金属が第1の半電池チャンバへ移動してH2発生を悪化させるリスクが低減することである。
Claims (29)
- レドックスフロー電池のpH及び充電状態の逸脱を補正するように構成された平衡セルと流体連通している少なくとも1つの電気化学セルを備えるレドックスフロー電池であって、
前記平衡セルは、膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
前記第1の半電池チャンバは、第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、
前記第2の半電池チャンバは、第2の水性電解質と接触している第2の電極を有し、前記第2の電極が水からの電気化学的な酸素ガス(O2)の発生のための触媒を含み、
(a)前記第2の水性電解質のpHが2〜7の範囲にある場合に、前記第2の電極が、炭素の同素体、コバルトの酸化物、イリジウムの酸化物、鉄の酸化物、マンガンの酸化物、ニッケルの酸化物、ルテニウムの酸化物、インジウムの酸化物、スズの酸化物、又はそれらの組み合わせを含み、
(b)前記第2の水性電解質がアルカリ性である場合に、前記第2の電極が、炭素の同素体、ニッケルの酸化物、又はニッケル−鉄合金の酸化物を含む、レドックスフロー電池。 - レドックスフロー電池のpH及び充電状態の逸脱を補正するように構成された平衡セルと流体連通している少なくとも1つの電気化学セルを備えるレドックスフロー電池であって、
前記平衡セルは、膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
前記第1の半電池チャンバは、第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、
前記第2の半電池チャンバは、酸素ガス(O2)の発生のための触媒を含む第2の電極を有し、
前記第2の半電池チャンバは水性電解質を含まない、レドックスフロー電池。 - 電気化学デバイスの正又は負の電解質の何れかと流体連通し、前記正又は負の電解質内のpH及び充電状態の逸脱を補正するように構成された平衡セルであって、
膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
前記第1の半電池チャンバは、前記電気化学デバイスの第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、
前記第2の半電池チャンバは、第2の水性電解質と接触している第2の電極を有し、前記第2の電極が酸素ガス(O2)の発生のための触媒を含み、
(a)前記第2の水性電解質のpHが2〜7の範囲にある場合に、前記第2の電極が、炭素の同素体、コバルトの酸化物、イリジウムの酸化物、鉄の酸化物、マンガンの酸化物、ニッケルの酸化物、ルテニウムの酸化物、インジウムの酸化物、スズの酸化物、又はそれらの組み合わせを含み、
(b)前記第2の水性電解質がアルカリ性である場合に、前記第2の電極が、炭素の同素体、ニッケルの酸化物、又はニッケル−鉄合金の酸化物を含む、平衡セル。 - レドックスフロー電池の負の作用電解質と流体連通し、前記負の作用電解質内のpH及び充電状態の逸脱を補正するように構成された作用平衡セルであって、
膜によって分離された第1の半電池チャンバ及び第2の半電池チャンバを備え、
前記第1の半電池チャンバは、前記レドックスフロー電池の第1の水性電解質と接触している第1の電極を有し、前記第1の水性電解質は、前記負の作用電解質を含んでおり、
前記負の作用電解質は、可逆的な電気化学的反応、又は準可逆的な電気化学的反応を示す金属リガンド配位化合物を含み、
前記第2の半電池チャンバは、水性電解質を含まない、作用平衡セル。 - 前記第1の水性電解質は、負の作用電解質を含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の水性電解質のpHは、9から14の範囲内である、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1及び第2の水性電解質の各々のpHの差が7未満である、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記膜の近傍に若しくは隣接して配置された高空隙率の媒体を更に備える、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記膜は、スルホン化ペルフルオロポリマー又はコポリマーを含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記膜は、テトラフルオロエチレンのスルホン化ペルフルオロポリマー又はコポリマーを含む、請求項9に記載のレドックスフロー電池。
- 前記膜は、アイオノマー膜を含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記アイオノマー膜は、テトラフルオロエチレンとフッ化スルホニルビニルエーテル(SFVE)F2C=CF−O−CF2CF2−SO2Fの短側鎖(SSC)コポリマーを含む、請求項11に記載のレドックスフロー電池。
- 前記アイオノマー膜は、内部に粒子を沈殿させることによって変更され、前記粒子が金属、金属酸化物、有機金属、高分子材料、又はそれらの組み合わせを含む、請求項12に記載のレドックスフロー電池。
- 前記膜は、バイポーラ膜を含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記バイポーラ膜は、少なくとも1つのカチオン交換アイオノマー膜と1つのアニオン交換アイオノマー膜とを含む、請求項14に記載のレドックスフロー電池。
- 前記バイポーラ膜は、前記少なくとも1つのカチオン交換アイオノマー膜と1つのアニオン交換アイオノマー膜との間に挟まれた金属酸化物フィルムを更に含み、電位が印加されると前記金属酸化物フィルムが水の解離に触媒作用を及ぼすことができる、請求項15に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第2の電極は、コバルトの酸化物、イリジウム、鉄、マンガン、ニッケル、ルテニウム、インジウム、スズ、又はそれらの組み合わせの酸化物を含み、前記第2の水性電解質のpHが2〜7の範囲にある、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第2の電極は、イリジウムの酸化物、ニッケルの酸化物、又はニッケル−鉄合金の酸化物を含み、前記第2の水性電解質がアルカリ性である、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記平衡セルの第1の電極は、炭素の同素体を含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の水性電解質の負の作用電解質は、Al、Ca、Ce、Co、Cr、Fe、Mg、Mn、Mo、Si、Sn、Ti、V、W、Zn又はZrを包含する配位化合物を含む、請求項5に記載のレドックスフロー電池。
- 前記負の作用電解質は、チタンの配位化合物を含む、請求項20に記載のレドックスフロー電池。
- 少なくとも前記第1の半電池チャンバと前記第2の半電池チャンバとが、フロースルーセルとして構成されている、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 請求項1に記載のレドックスフロー電池を備えるエネルギ貯蔵システム。
- 請求項1に記載のレドックスフロー電池又は請求項23に記載のエネルギ貯蔵システムを動作させる動作方法であって、前記第1及び第2の電極に電位を印加して動作させる動作方法。
- 前記電位が前記第2の水性電解質の過電圧の500mV内に維持される、請求項24に記載の動作方法。
- 前記第1の水性電解質が、金属リガンド配位化合物を含む、請求項1又は2に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の水性電解質が、金属リガンド配位化合物を含む、請求項3に記載の平衡セル。
- 前記第1の水性電解質が、可逆的な電気化学的反応又は準可逆的な電気化学的反応を示す化合物を含む、請求項1又は2に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の水性電解質が、可逆的な電気化学的反応又は準可逆的な電気化学的反応を示す化合物を含む、請求項3に記載の平衡セル。
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CN107431223B (zh) * | 2015-04-14 | 2021-05-07 | 洛克希德马丁能量有限公司 | 具有双极膜的液流电池平衡电池单元及其使用方法 |
CN116454340A (zh) * | 2015-10-09 | 2023-07-18 | 凯斯西储大学 | 具有箱内电解质再平衡的密封的水相液流电池系统 |
FR3045212B1 (fr) * | 2015-12-11 | 2021-06-11 | Electricite De France | Electrode composite a air et procede de fabrication associe |
US10347925B2 (en) * | 2016-04-29 | 2019-07-09 | Lockheed Martin Energy, Llc | Three-chamber electrochemical balancing cells for simultaneous modification of state of charge and acidity within a flow battery |
CN106602181A (zh) * | 2016-12-28 | 2017-04-26 | 西华大学 | 一种氯镁电池及其储能方法 |
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CN112019091B (zh) * | 2019-05-30 | 2021-08-31 | 清华大学 | 产生电能的装置 |
CN111525170B (zh) * | 2020-06-10 | 2021-10-08 | 盐城工学院 | 一种锡铁碱性液流电池 |
CN114497643B (zh) * | 2020-10-26 | 2024-05-28 | 中国石油化工股份有限公司 | 一种液流电池及其应用 |
US11271226B1 (en) | 2020-12-11 | 2022-03-08 | Raytheon Technologies Corporation | Redox flow battery with improved efficiency |
CN113270624B (zh) * | 2021-04-14 | 2022-03-22 | 上海交通大学 | 具备催化剂管理与电解液容量再平衡的液流电池子系统 |
WO2023028041A1 (en) * | 2021-08-23 | 2023-03-02 | President And Fellows Of Harvard College | Electrochemical rebalancing methods |
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CN114784331B (zh) * | 2022-05-18 | 2023-09-22 | 西安交通大学 | 锌溴液流电池的酸碱调控系统及其工作方法 |
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Family Cites Families (38)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4159366A (en) | 1978-06-09 | 1979-06-26 | The United States Of America As Represented By The Administrator Of The National Aeronautics And Space Administration | Electrochemical cell for rebalancing redox flow system |
US4539086A (en) | 1983-08-31 | 1985-09-03 | Japan Storage Battery Company Limited | Oxygen concentration controlling method and system |
JPS61261488A (ja) | 1985-05-15 | 1986-11-19 | Musashino Kagaku Kenkyusho:Kk | アミノ酸アルカリ金属塩の電解法 |
JPH0821415B2 (ja) | 1987-07-06 | 1996-03-04 | 三井造船株式会社 | 二次電池用リバランス装置の燃料電池 |
JP2649700B2 (ja) | 1988-06-03 | 1997-09-03 | 関西電力株式会社 | レドックスフロー電池の電解液再生装置 |
DE3843312A1 (de) | 1988-12-22 | 1990-06-28 | Siemens Ag | Ausgleichszelle fuer einen cr/fe-redoxionenspeicher |
US5026465A (en) | 1989-08-03 | 1991-06-25 | Ionics, Incorporated | Electrodeionization polarity reversal apparatus and process |
DE69425196T2 (de) * | 1993-06-18 | 2000-12-21 | Tanaka Precious Metal Ind | Elektrochemische Zelle die eine polymere Feststoff-Elektrolytzusammensetzung enthält. |
US5766787A (en) * | 1993-06-18 | 1998-06-16 | Tanaka Kikinzoku Kogyo K.K. | Solid polymer electrolyte composition |
JP3540014B2 (ja) | 1994-07-05 | 2004-07-07 | 中部電力株式会社 | シート用クランプ及び被覆用具セット |
US6156451A (en) | 1994-11-10 | 2000-12-05 | E. I. Du Pont De Nemours And Company | Process for making composite ion exchange membranes |
US5804329A (en) | 1995-12-28 | 1998-09-08 | National Patent Development Corporation | Electroconversion cell |
JP3601581B2 (ja) * | 1999-06-11 | 2004-12-15 | 東洋紡績株式会社 | バナジウム系レドックスフロー電池用炭素電極材 |
CN1502141A (zh) | 2000-08-16 | 2004-06-02 | ˹���ն�ǻ������˾ | 用不对称钒电解槽制备钒电解液和用不对称钒电解槽使工作态钒氧化还原电池电解液的充电状态重新平衡 |
US20050084739A1 (en) | 2003-09-30 | 2005-04-21 | Karen Swider-Lyons | Electrochemical cells for energy harvesting |
JP4951847B2 (ja) * | 2004-07-23 | 2012-06-13 | パナソニック株式会社 | 燃料電池の活性化方法 |
CA2588548A1 (en) | 2004-12-09 | 2006-06-15 | Nanosys, Inc. | Nanowire-based membrane electrode assemblies for fuel cells |
JP2007073428A (ja) * | 2005-09-08 | 2007-03-22 | Sanyo Electric Co Ltd | 燃料電池および燃料電池システム |
US20070072067A1 (en) * | 2005-09-23 | 2007-03-29 | Vrb Power Systems Inc. | Vanadium redox battery cell stack |
FR2904330B1 (fr) | 2006-07-25 | 2009-01-02 | Commissariat Energie Atomique | Dispositif d'electrolyse de l'eau et son utilisation pour produire de l'hydrogene |
GB0719009D0 (en) | 2007-09-28 | 2007-11-07 | Plus Energy Ltd H | Hydrogen production from a photosynthetically driven electrochemical device |
US7820321B2 (en) | 2008-07-07 | 2010-10-26 | Enervault Corporation | Redox flow battery system for distributed energy storage |
DE102009009357B4 (de) | 2009-02-18 | 2011-03-03 | Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. | Redox-Flow-Batterie zur Speicherung von elektrischer Energie in ionischen Flüssigkeiten |
US8877365B2 (en) * | 2009-05-28 | 2014-11-04 | Deeya Energy, Inc. | Redox flow cell rebalancing |
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US8916281B2 (en) * | 2011-03-29 | 2014-12-23 | Enervault Corporation | Rebalancing electrolytes in redox flow battery systems |
CA3210351A1 (en) | 2011-12-14 | 2013-06-20 | EOS Energy Technology Holdings, LLC | Electrically rechargeable, metal anode cell and battery systems and methods |
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US20130316199A1 (en) | 2012-05-25 | 2013-11-28 | Deeya Energy, Inc. | Electrochemical balance in a vanadium flow battery |
WO2013188636A1 (en) | 2012-06-15 | 2013-12-19 | University Of Delaware | Multiple-membrane multiple-electrolyte redox flow battery design |
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KR20150113118A (ko) | 2013-02-01 | 2015-10-07 | 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니 | 재충전가능 전기화학 셀 |
WO2014142963A1 (en) | 2013-03-15 | 2014-09-18 | United Technologies Corporation | Flow battery flow field having volume that is function of power parameter, time parameter and concentration parameter |
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Cited By (1)
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