KR101871203B1 - 금속-할로겐 배터리를 위한 전해질 흐름 형성 - Google Patents
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Abstract
흐름 배터리 및 흐름 배터리를 동작시키는 방법. 흐름 배터리는 제1 전극, 제2 전극, 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치된 반응 구역을 포함한다. 흐름 배터리는 충전 모드에서 제1 전해질 흐름 구성과 방전 모드에서 제2 흐름 구성을 갖게 구성된다. 제1 전해질 흐름 구성은 제2 전해질 흐름 구성과는 적어도 부분적으로 상이하다.
Description
본 출원은 전체를 참조로 본원에 포함시키는 2011년 6월 27일에 출원된 미국출원번호 13/169,487의 부분계속출원이다.
본 발명은 전기화학 시스템들 및 이를 이용하는 방법들에 관한 것이다.
재생가능한 에너지원들의 개발은 비수기에 에너지 저장을 위한 대규모 배터리들에 대한 필요성을 부흥시켰다. 이러한 응용을 위한 요건들은 납산(lead-acid) 배터리들과 같은 다른 유형들의 재충전가능 배터리들의 요건들과는 다르다. 파워 그리드에서 비수기 에너지 저장을 위한 배터리들은 일반적으로 낮은 자본비, 긴 수명, 고효율, 및 낮은 유지보수를 가질 것이 요구된다.
이러한 에너지 저장에 적합한 전기화학 에너지 시스템의 한 유형은 정규로 양의 전극에서 환원을 위한 할로겐 성분, 및 전기화학 시스템의 정규 동작 동안에 정규로 음의 전극에서 산화되게 만들어진 산화가능 금속을 사용하는 소위 "흐름 배터리"이다. 양의 전극에서 환원하게 됨에 따라 할로겐 성분의 공급을 보충하기 위해 수성 금속 할라이드 전해질이 사용된다. 전해질은 전극 영역과 저류지 영역 간에 순환된다. 이러한 시스템의 일예는 금속으로서 아연과 할로겐으로서 염소를 사용한다.
이러한 전기화학 에너지 시스템들은 예를 들면, 미국특허 3,713,888, 3,993,502, 4,001,036, 4,072,540, 4,146,680, 및 4,414,292과, Electric Power Research Institute에 의해 1979년 4월 공포된 EPRI Report EM-I051 (Parts 1-3)에 개시되어 있고, 이들 개시된 것들은 이들 전체를 참조로 본원에 포함시킨다.
실시예는 흐름 배터리에 관한 것이다. 흐름 배터리는 제1 전극, 제2 전극, 그리고 제1 전극과 제2 전극 사이에 위치된 반응 구역을 포함한다. 흐름 배터리는 충전 모드에서 제1 전해질 흐름 구성과 방전 모드에서 제2 전해질 흐름 구성을 갖게 구성된다. 제1 전해질 흐름 구성은 제2 전해질 흐름 구성과는 적어도 부분적으로 상이하다.
또 다른 실시예는 흐름 배터리를 동작시키는 방법에 관한 것이다. 방법은 충전 모드에서 제1 흐름 구성과 방전 모드에서 제2 흐름 구성으로 전해질을 흐르게 하는 것을 포함한다. 제1 흐름 구성은 제2 흐름 구성과는 적어도 부분적으로 상이하다.
도 1은 한 전기화학 셀을 내포하는 밀폐된 콘테이너를 가진 전기화학 시스템의 실시예의 측단면도이다.
도 2는 한 스택의 수평으로 위치된 셀들에서 흐름 경로들의 측단면도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 수평으로 위치된 셀들을 유지하기 위한 프레임의 제1, 충전측의 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 프레임의 제2, 방전측의 평면도이다.
도 4는 도 3a의 흐름 채널의 부분 "A"의 상세를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 3a에 선 A'-A'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 6은 도 3a에 선 B'-B'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 7은 도 3b에 선 C'-C'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 8은 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 100% 플로-바이 흐름을 위해 구성된다.
도 9a는 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 또 다른 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 다수 플로-바이 흐름 및 소수 플로-스루 흐름을 위해 구성된다.
도 9b는 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 또 다른 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 소수 플로-바이 흐름 및 다수 플로-스루 흐름을 위해 구성된다.
도 9c는 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 또 다른 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 다공성 전극을 통해 위로 소수 플로-스루 흐름과 함께 다수 플로-바이 흐름을 위해 구성된다. 도 9a에 도시된 실시예와는 반대로, 소수 플로-스루 흐름은 바이패스를 통해 셀에서 나간다.
도 9d는 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 소수 플로-바이 흐름 및 다공성 전극을 통한 위로 다수 플로-스루 흐름을 위해 구성된다. 도 9b에 도시된 실시예와는 반대로, 다수 플로-스루 흐름은 바이패스를 통해 셀에서 나간다.
도 10은 방전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 100% 플로-스루 흐름을 위해 구성된다.
도 11a는 방전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 다수 플로-스루 흐름 및 소수 플로-바이 흐름을 위해 구성된다.
도 11b는 방전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 또 다른 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 다수 플로-바이 흐름 및 소수 플로-스루 흐름을 위해 구성된다.
도 11c는 충전 및 방전 모드들에서 서로 다른 흐름 형성들을 갖는 흐름 셀 실시예들인 도 8 내지 도 11b의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12a는 100% 플로-바이 흐름을 가진 충전 모드에서 세그먼트된 전극들을 가진 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면도이다.
도 12b는 100% 플로-스루 흐름을 가진 방전 모드에서 세그먼트된 전극들을 가진 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면도이다.
도 12c는 플로-바이 및 플로-스루 흐름과 바이패스를 통한 부분적 출구 흐름과 함께 충전 모드에서 세그먼트된 전극들을 가진 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면도이다.
도 13a는 도 2에 도시된 수평으로 위치된 셀들을 유지하기 위한 대안적 실시예의 프레임의 제1, 충전측의 평면도이다.
도 13b는 도 13a에 도시된 대안적 실시예의 프레임의 제2, 방전측의 평면도이다.
도 13c는 대안적 실시예의 전기화학 시스템의 성분들의 개요도이다.
도 14a는 대안적 실시예에 따른 도 3a에 선 A'-A'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 14b는 도 143a에 선 D'-D'를 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 15a 및 도 15b는 각각 흐름 채널 내에 부분적으로 그리고 완전히 삽입되는 대안적 실시예에 따른 경사진 흐름 채널 인서트의 사진들이다.
도 16a, 도 16b 및 도 16c는 대안적 실시예의 인서트의 대안적 상부 표면 경사들의 개요적 측면도들이다.
도 17은 흐름 채널을 따른 거리의 함수로서 전해질의 수직 흐름 속도의 플롯이다.
도 2는 한 스택의 수평으로 위치된 셀들에서 흐름 경로들의 측단면도이다.
도 3a는 도 2에 도시된 수평으로 위치된 셀들을 유지하기 위한 프레임의 제1, 충전측의 평면도이다.
도 3b는 도 3a에 도시된 프레임의 제2, 방전측의 평면도이다.
도 4는 도 3a의 흐름 채널의 부분 "A"의 상세를 도시한 평면도이다.
도 5는 도 3a에 선 A'-A'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 6은 도 3a에 선 B'-B'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 7은 도 3b에 선 C'-C'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 8은 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 100% 플로-바이 흐름을 위해 구성된다.
도 9a는 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 또 다른 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 다수 플로-바이 흐름 및 소수 플로-스루 흐름을 위해 구성된다.
도 9b는 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 또 다른 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 소수 플로-바이 흐름 및 다수 플로-스루 흐름을 위해 구성된다.
도 9c는 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 또 다른 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 다공성 전극을 통해 위로 소수 플로-스루 흐름과 함께 다수 플로-바이 흐름을 위해 구성된다. 도 9a에 도시된 실시예와는 반대로, 소수 플로-스루 흐름은 바이패스를 통해 셀에서 나간다.
도 9d는 충전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 소수 플로-바이 흐름 및 다공성 전극을 통한 위로 다수 플로-스루 흐름을 위해 구성된다. 도 9b에 도시된 실시예와는 반대로, 다수 플로-스루 흐름은 바이패스를 통해 셀에서 나간다.
도 10은 방전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 100% 플로-스루 흐름을 위해 구성된다.
도 11a는 방전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 다수 플로-스루 흐름 및 소수 플로-바이 흐름을 위해 구성된다.
도 11b는 방전 모드 동안 전해질 흐름 형성의 또 다른 실시예의 측단면이다. 전해질 흐름은 다수 플로-바이 흐름 및 소수 플로-스루 흐름을 위해 구성된다.
도 11c는 충전 및 방전 모드들에서 서로 다른 흐름 형성들을 갖는 흐름 셀 실시예들인 도 8 내지 도 11b의 관계를 나타내는 도면이다.
도 12a는 100% 플로-바이 흐름을 가진 충전 모드에서 세그먼트된 전극들을 가진 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면도이다.
도 12b는 100% 플로-스루 흐름을 가진 방전 모드에서 세그먼트된 전극들을 가진 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면도이다.
도 12c는 플로-바이 및 플로-스루 흐름과 바이패스를 통한 부분적 출구 흐름과 함께 충전 모드에서 세그먼트된 전극들을 가진 전해질 흐름 형성의 실시예의 측단면도이다.
도 13a는 도 2에 도시된 수평으로 위치된 셀들을 유지하기 위한 대안적 실시예의 프레임의 제1, 충전측의 평면도이다.
도 13b는 도 13a에 도시된 대안적 실시예의 프레임의 제2, 방전측의 평면도이다.
도 13c는 대안적 실시예의 전기화학 시스템의 성분들의 개요도이다.
도 14a는 대안적 실시예에 따른 도 3a에 선 A'-A'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 14b는 도 143a에 선 D'-D'를 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면이다.
도 15a 및 도 15b는 각각 흐름 채널 내에 부분적으로 그리고 완전히 삽입되는 대안적 실시예에 따른 경사진 흐름 채널 인서트의 사진들이다.
도 16a, 도 16b 및 도 16c는 대안적 실시예의 인서트의 대안적 상부 표면 경사들의 개요적 측면도들이다.
도 17은 흐름 채널을 따른 거리의 함수로서 전해질의 수직 흐름 속도의 플롯이다.
본 발명의 실시예들은 금속-할로겐 흐름 배터리에서 전해질 경로 구성을 개선/최적화하는 방법들 및 흐름 배터리들에 관한 것이다. 개선된 전해질 경로 구성은 금속 도금 모폴로지를 개선하며, 금속 상에 부식률을 감소시키며, 동전기(動電氣)(voltaic) 효율을 증가시킨다. 개선된 전해질 경로 구성은 또한 전체 배터리 시스템의 콜럼빅(columbic) 효율을 개선한다.
흐름 배터리 시스템들의 교시를 위해 개시된 바 전체를 참조로 본원에 포함시키는 다음의 문헌들은 본원에 기술되는 실시예들을 이해하고 실시하는데 유용할 수 있다: 2007년 1월 16일에 출원된 미국특허출원번호 11/654,380에 대한 우선권을 주장하는 2008년 1월 11에 출원된 PCT 출원번호 PCT/US2008/051111의 미국 국제단계 진입인 미국특허출원번호 12/523,146.
본원에 개시되는 실시예들은 전기화학 시스템(종종 "흐름 배터리"라고도 함)에 관한 것이다. 전기화학 시스템은 금속-할라이드 전해질 및 분자 염소와 같은 할로겐 반응물을 이용할 수 있다. 금속-할라이드 전해질 및 할로겐 반응물 내 할라이드는 유형이 동일할 수 있다. 예를 들면, 할로겐 반응물이 분자 염소일 때, 금속 할라이드 전해질은 적어도 하나의 금속 염화물을 내포할 수 있다.
전기화학 시스템은 자신의 내부 볼륨 내에 전기화학 셀, 금속-할라이드 전해질 및 할로겐 반응물을 내포하는 밀폐된 베셀, 및 금속-할라이드 전해질 및 할로겐 반응물을 전기화학 셀에 운반하게 구성된 흐름 회로를 포함할 수 있다. 밀폐된 베셀은 전기화학 셀을 내포하는 압력 베셀일 수 있다. 할로겐 반응물은 예를 들면 분자 염소 반응물일 수 있다.
많은 실시예들에서, 할로겐 반응물은 액화된 형태로 사용될 수 있다. 밀폐된 베셀은 주어진 주위 온도에서 내부 압력을 할로겐 반응물을 위한 액화 압력 이상으로 유지할 수 있게 한다. 주어진 온도에서 특정 할로겐 반응물에 대한 액화 압력은 할로겐 반응물에 대한 상도(phase diagram)로부터 결정될 수 있다. 압축기들은 기체성 할로겐 반응물들의 압축을 위해 다른 전기화학 시스템들에서 흔히 사용되나, 밀폐된 콘테이너 내에 액화된 할로겐 반응물을 이용하는 시스템은 압축기를 요구하지 않는다. 액화된 할로겐 반응물을 이용하는 시스템은 밀폐된 베셀의 내부 볼륨 밖에 위치될 수 있는 할로겐 반응물을 위한 별도의 저장소를 요구하지 않는다. "액화된 할로겐 반응물"이라는 용어는 습성 할로겐 또는 수성 할로겐으로서도 알려진 물에 용해된 분자 할로겐, 및 물에 용해되지 않는 "건성" 액체 분자 할로겐 중 적어도 하나를 지칭한다. 유사하게, "액화된 염소"라는 용어는 습성 염소 또는 수성 염소로서도 알려진 물에 용해된 분자 염소, 및 물에 용해되지 않는 "건성" 액체 염소 중 적어도 하나를 지칭할 수 있다.
많은 실시예들에서, 시스템은 할로겐 반응물로서 액화된 분자 염소를 이용한다. 액화된 분자 염소는 물보다는 근사적으로 1배 반 더 큰 밀도를 갖는다.
밀폐된 콘테이너 내에 내포된 흐름 회로는 바람직하게는 액화된 또는 액체 상태의 할로겐 반응물, 및 적어도 하나의 전해질을 셀(들)에 및 이로부터 운반하게 구성되는 폐루프 회로일 수 있다. 많은 실시예들에서, 루프 회로는 밀폐된 루프 회로일 수 있다. 폐루프를 통해 순환되는 할로겐 반응물 및 금속 할라이드 전해질과 같은 성분들이 바람직하게 액화된 상태에 있을지라도, 폐루프는 그 내에 염소 기체와 같은 약간의 기체를 내포할 수도 있다.
바람직하게, 루프 회로는 금속 할라이드 전해질 및 할로겐 반응물이 셀(들) 내에서 분리없이 동일 흐름 경로를 통해 순환하게 하는 회로이다.
전기화학 셀(들) 각각은 정규 방전 모드에서 양의 전극으로서 기능하는 제1 전극, 정규 방전 모드에서 음의 전극으로서 기능하는 제2 전극, 및 전극들 사이에 반응 구역을 포함할 수 있다.
많은 실시예들에서, 반응 구역은 전해질 수용액 내에 용해되는 할로겐 반응물 또는 이온화된 할로겐 반응물과 같은 할로겐 반응물의 어떠한 분리도 반응 구역에서 일어나지 않게 하는 구역일 수 있다. 예를 들면, 할로겐 반응물이 액화된 염소 반응물일 때, 반응 구역은 전해질 수용액에 용해되는 염소 반응물 또는 염소 이온들과 같은 염소 반응물의 어떠한 분리도 반응 구역에서 일어나지 않게 하는 구역일 수 있다. 반응 구역은 전해질 수용액에 용해된 할로겐 반응물 또는 이온화된 할로겐 반응물과 같은 할로겐 반응물에 불투과성의 동일 셀의 양의 전극과 음의 전극 사이에 막 또는 세퍼레이터를 내포하지 않게 하는 구역일 수 있다. 예를 들면, 반응 구역은 전해질 수용액에 용해된 염소 반응물 또는 염소 이온들과 같은 액화된 염소 반응물에 불투과성의 동일 셀의 양의 전극과 음의 전극 사이에 막 또는 세퍼레이터를 내포하지 않게 하는 구역일 수 있다.
많은 실시예들에서, 반응 구역은 전극들 중 하나에서 할로겐 반응물을 산화함에 의해 형성된 할로겐 이온들과 같은 할로겐 이온들이 흐름의 나머지로부터 어떠한 분리도 반응 구역에서 일어나지 않게 하는 구역일 수 있다. 즉, 반응 구역은 염소 이온들과 같은 할로겐 이온들에 대해 불투과성인 동일 셀의 양의 전극과 음의 전극 사이에 막 또는 세퍼레이터를 내포하지 않게 하는 구역일 수 있다. 또한, 셀은 산화환원(redox) 흐름 배터리 셀이 아니라 하이브리드 흐름 배터리 셀일 수 있다. 이에 따라, 하이브리드 흐름 배터리 셀에서, 아연과 같은 금속은 전극들 중 하나 상에 도금되고, 반응 구역은 이온들이 통과할 수 있게 하는 이온 교환막이 없으며(즉, 캐소드 전극과 애노드 전극 사이에 이온 교환막이 없다), 전해질은 이온 교환막에 의해 음극액과 양극액으로 분리되지 않는다.
어떤 실시예들에서, 제1 전극은 다공성 전극일 수 있거나 적어도 하나의 다공성 요소를 내포할 수 있다. 예를 들면, 제1 전극은 다공성 또는 투과성 탄소, 금속 또는 금속 산화물 전극을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 전극은 다공성 탄소 포움, 금속 메시 또는 다공성 혼합된 금속 산화물이 코팅된 전극, 이를테면 산화루테늄이 코팅된 다공성 티타늄(즉, 루텐화된 티타늄) 전극을 포함할 수 있다. 방전 및 충전 모드들에서, 제1 전극은 양의 전극으로서 기능할 수 있고, 이 전극에서 할로겐이 할로겐 이온들로 환원될 수 있다. 제1 전극에 다공성 물질의 사용은 할로겐 반응물의 환원의 효율, 따라서 배터리의 동전기(動電氣) 효율을 증가시킬 수 있다.
많은 실시예들에서, 제2 전극은 주요 피착가능하고 산화가능한 금속, 즉, 방전 모드 동안에 양이온들을 형성하게 산화될 수 있는 금속을 포함할 수 있다. 많은 실시예들에서, 제2 전극은 금속 할라이드 전해질의 성분들 중 하나 내에 금속 이온과 동일한 유형을 갖는 금속을 포함할 수 있다. 예를 들면, 금속 할라이드 전해질이 아연 염화물과 같은 아연 할라이드를 포함할 때, 제2 전극은 금속 아연을 포함할 수 있다. 대안적으로, 전극은 아연으로 도금되는 티타늄과 같은 또 다른 물질을 포함할 수 있다. 이러한 경우에, 전기화학 시스템은 가역 시스템으로서 기능할 수 있다.
이에 따라, 일부 실시예들에서, 전기화학 시스템은 가역일 수 있는데, 즉 충전 및 방전 동작 모드 둘 다에서 동작할 수 있고; 또는 비-가역일 수 있는데, 즉 방전 동작 모드에서만 동작할 수 있다. 가역 전기화학 시스템은 일반적으로 금속 할라이드의 금속이 전극을 형성할 수 있게 자신의 환원된 형태에서 충분히 강하고 안정적이게 전해질 내 적어도 하나의 금속 할라이드를 이용한다. 가역 시스템에서 사용될 수 있는 금속 할라이드들은 원소 아연이 전극을 형성할 수 있기에 충분히 안정적이기 때문에 아연 할라이드들을 포함한다. 한편, 비가역 전기화학 시스템은 위에 요건들을 만족하는 금속 할라이드들을 이용하지 않는다. 비-가역 시스템들에서 사용되는 금속 할라이드들의 금속들은 일반적으로 이들의 환원된 원소 형태가 전극을 형성할 수 있기엔 불안정하고 강하다. 이러한 불안정한 금속들 및 이들의 대응하는 금속 할라이드들의 예들은 포타슘(K) 및 포타슘 할라이드들과 나트륨(Na) 및 나트륨 할라이드들을 포함한다.
금속 할라이드 전해질은 수성 전해 용액일 수 있다. 전해질은 ZnCl2과 같은 적어도 하나의 금속 할라이드 전해질 복합물의 수성액일 수 있다. 예를 들면, 용액은 ZnCl2의 25% 용액과 같이, ZnCl2의 15 ~ 50% 수성액일 수 있다. 어떤 실시예들에서, 전해질은 전해 용액의 전기 전도도를 향상시킬 수 있는 하나 이상의 첨가물들을 내포할 수 있다. 예를 들면, 전해질이 ZnCl2을 내포할 때, 이러한 첨가물은 이를테면 NaCl 또는 KCl과 같이 나트륨 또는 포타슘 중 하나 이상의 염들일 수 있다.
도 1은 적어도 하나의 전기화학 셀, 전해질, 및 밀폐된 콘테이너(101) 내에 내포된 할로겐 반응물을 포함하는 전기화학 시스템(100)을 도시한 것이다. 밀폐된 콘테이너(101)는 바람직하게는 압력 억제 베셀이며, 이것은 자신의 내부 볼륨(102) 내에 1 대기 압력 이상의 압력을 유지하게 구성된다. 바람직하게, 밀폐된 콘테이너(101)는 자신의 내부 볼륨 내에 원소 염소와 같은 할로겐 반응물에 대한 액화 압력 이상의 압력을 유지하게 구성된다. 10 ~ 40℃와 같은 보통의 온도에서 기능하기 위해서, 밀폐된 콘테이너는 적어도 75 psi, 또는 적어도 100 psi, 또는 적어도(125)psi, 또는 적어도 150 psi, 또는 적어도 175 psi, 또는 적어도 200 psi, 또는 적어도 250 psi, 또는 적어도 300 psi, 또는 적어도 350 psi, 또는 적어도 400 psi, 또는 적어도 450 psi, 또는 적어도 500 psi, 또는 적어도 550 psi, 또는 적어도 600 psi, 이를테면 75 ~ 650 psi 또는 75 ~ 400 psi, 및 앞에 기술된 모든 부-범위들의 내부 압력을 유지하게 구성될 수 있다. 밀폐된 콘테이너의 벽들은 요구되는 압력을 견딜 수 있는 구조적 물질로 구성될 수 있다. 이러한 물질의 한 비제한적 예는 스테인레스 스틸이다.
밀폐된 콘테이너(101) 내부에 내포된 적어도 하나의 전기화학 셀은 바람직하게는 수평으로 위치된 셀인데, 이것은 갭에 의해 분리된 수평의 양의 전극 및 수평의 음의 전극을 포함한다. 수평으로 위치된 셀은, 예를 들면, 방전 또는 충전 펌프를 턴 오프함에 기인하여 액체의 순환이 정지하였을 때, 얼마간의 액체(전해질 및/또는 할로겐 반응물)이 셀의 반응 구역 내에 잔류할 수 있기 때문에 잇점이 있을 수 있다. 액체의 량은 이것이 같은 셀의 양의 전극과 음의 전극 간에 전기적 접촉을 제공하게 하는 량일 수 있다. 반응 구역 내 액체의 존재는 션트 차단을 제공하면서도, 수직으로 위치된 셀(들)을 이용하는 시스템들에 비해 금속 할라이드 전해질 및 할로겐 리에전트(reagent)의 순환이 회복될 때 전기화학 시스템이 더 빠르게 다시 시작하게 할 수 있게 한다. 반응 구역 내에 전해질의 존재는 순환이 없을 때 셀이 충전을 유지할 수 있게 하며 이에 따라 시스템이 무정전 파워 서플라이(UPS)를 제공함을 보증한다. 할로겐 반응물로서 사용되는 액화된 염소 반응물과 조합하여 수평으로 위치된 셀(들)은 동작 동안에 염소 기포들의 형성을 방지 또는 감소시킬 수도 있다.
많은 실시예들에서, 밀폐된 콘테이너는 하나 이상의 전기화학 셀을 내포할 수도 있다. 어떤 실시예들에서, 밀폐된 콘테이너는 직렬로 연결될 수 있는 복수의 전기화학 셀들을 내포할 수 있다. 일부 실시예들에서, 직렬로 연결되는 복수의 전기화학 셀들은 스택으로 배열될 수 있다. 예를 들면, 도 1에서 요소(103)는 직렬로 연결되는 수평으로 위치된 수직한 한 스택의 전기화학 셀들을 나타낸다. 수평으로 위치된 한 스택의 셀들은 전체를 참조로 본원에 포함시키는 WO2008/089205의 7 ~ 11 페이지와 도 1 ~ 도 3에 개시된 것과 유사할 수 있다. 단일 수평으로 위치된 셀의 잇점들은 스택에도 적용한다.
전기화학 시스템은 정규 방전 동작 모드에서 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 포함하는 혼합물을 적어도 하나의 셀에 운반하게 구성될 수 있는 공급관 또는 매니폴드를 포함할 수 있다. 또한, 전기화학 시스템은 방전 모드에서 적어도 하나의 전기화학 셀로부터 전기화학 반응의 생성물들(products)을 수집하게 구성될 수 있는 복귀관 또는 매니폴드를 포함할 수 있다. 이러한 생성물들은 방전 모드에서 할로겐 반응물의 소비에 기인하여 셀에 들어가는 혼합물에 비해 혼합물 내 할로겐 반응물의 농도가 감소될 수 있을지라도, 금속-할라이드 전해질 및/또는 액화된 할로겐 반응물을 포함하는 혼합물일 수 있다.
예를 들면, 도 1에서, 공급관 또는 매니폴드(115)는 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 포함하는 혼합물을 스택(103)의 수평으로 위치된 셀들에 운반하게 구성된다. 복귀관 또는 매니폴드(120)는 한 스택의 셀들로부터 전기화학 반응의 생성물들을 수집하게 구성된다. 더욱 논의되는 바와 같이, 일부 실시예들에서, 공급관 또는 매니폴드 및/또는 복귀관 또는 매니폴드는 한 스택의 수평으로 위치된 셀들을 위한 스택 조립체의 부분일 수도 있다. 일부 실시예들에서, 스택(103)은 베셀(101)의 벽들에 의해 직접 지지될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스택(103)은 베셀(101) 및/또는 저류지(119)의 벽들에 연결된 하나 이상의 관들, 필라들 또는 스트링들에 의해 지지될 수도 있다.
공급관 또는 매니폴드 및 복귀관 또는 매니폴드는 액화된, 예를 들면 액체인 할로겐 반응물 및/또는 금속 할라이드 반응물을 내포할 수 있는 저류지(119)에 연결될 수 있다. 이러한 저류지는 밀폐된 콘테이너(101) 내에 위치될 수도 있다. 저류지, 공급관 또는 매니폴드, 복귀관 또는 매니폴드 및 적어도 하나의 셀은 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 순환시키기 위한 루프 회로를 형성할 수 있다.
금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물은 충전 및 방전 모드들에서 서로 반대되는 방향들로 루프 회로를 통해 흐를 수 있다. 방전 모드에서, 공급관 또는 매니폴드(115)는 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 저류지(119)로부터 적어도 하나의 셀(103)에 운반하기 위해 사용될 수 있고, 복귀관 또는 매니폴드(120)는 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 적어도 하나의 셀에서 다시 저류지에 운반하기 위해 사용될 수 있다. 충전 모드에서, 복귀관 또는 매니폴드(120)는 금속-할라이드 전해질 및/또는 액화된 할로겐 반응물을 저류지(119)로부터 적어도 하나의 셀(103)에 운반하기 위해 사용될 수 있고, 공급관 또는 매니폴드(115)는 적어도 하나의 셀(103)에서 다시 저류지(119)에 운반하기 위해 사용될 수 있다.
일부 실시예들에서, 시스템이 수직한 한 스택의 수평으로 위치된 셀들을 이용할 때, 복귀관 또는 매니폴드(120)는 위쪽으로 흐르는 복귀관 또는 매니폴드일 수 있다. 관(120)은 위쪽으로 이어지는 구간(121)과 아래쪽으로 이어지는 구간(122)을 포함한다. 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 전해질의 흐름은 방전 모드에서 구간(121)을 통해 위쪽으로 스택(103)의 셀들을 떠나고 이어 구간(122)을 통해 저류지로 아래쪽으로 간다. 위쪽 흐름 복귀관 또는 매니폴드는 흐름이 대부분이 스택(103)의 맨 밑에 셀을 통해 가는 것을 방지하며, 그럼으로써 스택의 셀들 간에 더 균일한 흐름 경로 저항을 제공한다.
전기화학 시스템은 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 펌핑하기 위한 하나 이상의 펌프들을 포함할 수 있다. 이러한 펌프는 밀폐된 베셀의 내부 볼륨 내에 위치할 수도 있고 또는 위치하지 않을 수도 있다. 예를 들면, 도 1은 저류지(119) 및 공급관 또는 매니폴드(115)를 유체적으로 연결하며 방전 모드에서 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 공급관 또는 매니폴드(115)를 통해 전기화학 셀(들)(103)에 운반하게 구성되는 방전 펌프(123)를 도시한다. 일부 실시예들에서, 전기화학 시스템은 도 1에 요소(124)로서 도시된 충전 펌프를 포함할 수 있다. 충전 펌프는 복귀관 또는 매니폴드(120)를 저류지(119)에 유체적으로 연결하며 충전 모드에서 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 복귀관 또는 매니폴드를 통해 전기화학 셀(들)에 운반하기 위해 사용될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전기화학 시스템은 충전 및 방전 펌프들 둘 다를 포함할 수 있다. 충전 및 방전 펌프들은 공급관 또는 매니폴드 및 복귀 펌프 또는 매니폴드를 포함하는 루프 회로를 통해 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 서로 반대되는 방향들로 펌핑하게 구성될 수 있다. 바람직하게, 충전 및 방전 펌프들은 한 펌프만이 주어진 시간에 동작하게 하는 방식으로 구성된다. 이러한 배열은 시스템의 신뢰성을 개선하며 시스템의 수명을 증가시킬 수 있다. 또한, 반대의 펌프 배열은 충전 모드와 방전 모드 간을 전환하기 위한 밸브를 시스템에서 사용하지 않을 수 있게 할 수도 있다. 이러한 전환 밸브는 흔히 추가의 펌프보다 더 비용이 들 수 있다. 이에 따라, 반대의 펌프 배열은 시스템의 전체 비용을 감소시킬 수 있다.
시스템에서 사용되는 펌프들은 원심 펌프들일 수 있다. 일부 실시예들에서, 적어도 30 L/min의 펌핑율을 제공할 수 있는 펌프를 사용하는 것이 바람직할 수 있다.
도 1은 요소(119)로서 저류지를 도시한다. 저류지(119)는 할로겐 반응물에 불활성인 물질로 만들어질 수 있다. 이러한 불활성 물질의 한 비제한적 예는 폴리비닐 염화물(PVC)과 같은 폴리머 물질일 수 있다. 저류지(119)는 금속 할라이드 전해질을 저장할 수도 있다. 이러한 경우에, 액화된 염소가 액화된 할로겐 반응물로서 사용된다면, 염소는 이의 더 높은 밀도(비중)에 기인하여, 및/또는 분리 장치를 교시하기 위해 개시된 바 전체를 참조로 본원에 포함시키는 함께 계류중인 미국특허출원번호 61/364631에 기술된 바와 같은 분리 장치에 의해 금속 할라이드 전해질로부터 분리될 수 있다. 도 1은 액화된 염소가 저류지의 하측 부분(요소(126))에 있고 금속-할라이드 전해질이 저류지(요소(125))에서 액화된 염소 위에 있는 것을 도시한다.
저류지(119)는 액화된 할로겐 반응물을 위한 공급 라인을 내포할 수 있는데, 이것은 할로겐 반응물을 시스템의 공급관 또는 매니폴드(115)에 공급할 수 있다. 할로겐 반응물 공급 라인과 시스템의 공급 매니폴드 간에 연결은 방전 펌프(123) 전에, 혹은 이에, 혹은 뒤에 행해질 수 있다. 일부 실시예들에서, 할로겐 반응물 공급 라인과 시스템의 공급 매니폴드 간에 연결은 혼합 벤튜리를 포함할 수도 있다. 도 1은 액화된 할로겐 반응물을 위한 공급 라인을 요소(127)로서 나타낸다. 이를테면 관 또는 도관과 같은 공급 라인(127)의 주입구는 액화된 염소 반응물과 같은 액화된 할로겐 반응물이 저장될 수 있는 저류지(119)의 하측 부분(126)까지 연장할 수 있다. 공급 라인(127)의 배출구는 방전 펌프(123)의 주입구에 연결된다. 관 또는 도관(132)과 같은 전해질 흡입 공급 라인은 금속-할라이드 전해질이 위치되는 상측 부분(125)까지 연장할 수 있다.
위에 언급된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 저류지(119)는 예를 들면, 안에 구멍들을 가진 수평 판일 수 있는 하나 이상의 섬프(sump) 판들과 같은 분리 장치를 포함할 수 있다. 섬프 판은 액화된 할로겐 반응물이 예를 들면 방전 모드에서 복귀관 또는 매니폴드(120)로부터 저류지(119)에 복귀할 때, 저류지의 하측 부분(126)에서 액화된 염소 반응물과 같은 액화된 할로겐 반응물이 진정될 수 있게 있다. 저류지(119)는 반드시는 아니지만 바람직하게는 셀들(103)의 스택 밑에 위치된다.
일부 실시예들에서, 저류지(119)는 하나 이상의 배플판들을 포함할 수 있다. 이러한 배플판들은 저류지의 상부 및 하부에 위치될 수 있다. 배플판들은 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물의 복귀 흐름에서 에디 전류들을 감소 및/또는 방지하여, 그럼으로써 저류지 내 금속-할라이드 전해질로부터 액화된 할로겐의 분리를 향상시킬 수 있다.
어떤 실시예들에서, 방전 펌프는 이의 주입구/배출구가 저류지 내 금속-할라이드 전해질의 상측 레벨 밑에 위치되도록 저류지에 관하여 위치될 수 있다. 어떤 실시예들에서, 방전 펌프의 주입구/배출구는 수평으로 혹은 필연적으로 수평으로 위치될 수도 있다. 이러한 배열에서, 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물의 흐름은 주입구에서 수평 방향으로 공급 매니폴드 또는 관(115)에서 수직 방향으로 방전 펌프에서 90도 돌릴 수 있다. 일부 실시예들에서, 방전 펌프(123)의 주입구는 벨마우스 피스를 포함할 수 있는데, 이것은 흐름을 느려지게 하여 그럼으로써 저류지에서 난류의 형성을 방지/감소시킬 수 있다.
충전 펌프는 이의 주입구/배출구가 저류지 내 금속-할라이드 전해질의 상측 레벨 밑에 위치하여 위치될 수도 있다. 어떤 실시예들에서, 충전 펌프의 주입구/배출구는 방전 펌프의 주입구/배출구보다 낮은 레벨에 위치될 수도 있다. 충전 펌프의 주입구/배출구는 흐름을 느려지게 하여 그럼으로써 저류지에서 난류의 형성을 방지/감소시킬 수 있는 벨마우스 피스를 가질 수도 있다.
이에 따라, 요약하여, 저류지(119)는 액화된 분자 염소 반응물과 같은 액화된 할로겐 반응물을 내포할 수 있는 하측 부분(126); 금속 할라이드 반응물을 내포할 수 있는 상측 부분(125); 수평 섬프 판, 수직 배플판들, 방전 펌프의 수평 주입구, 충전 펌프의 수평 배출구, 및 저류지의 하측 부분(126)에 주입구를 가지며 방전 펌프의 주입구에 연결되는 액화된 할로겐 반응물을 위한 공급 라인을 갖는다. 섬프 판은 금속-할라이드 전해질과 할로겐 반응물 간에 경계가 위치될 것으로 예상되는 레벨에 근사적으로 위치된다. 방전 펌프의 주입구 및 충전 펌프의 배출구는 저류지의 벽들을 관통해 돌출할 수 있다.
일부 실시예들에서, 전기화학 시스템은, 예를 들면, 방전 펌프의 레이트, 충전 펌프의 레이트 및/또는 전해질에 할로겐 반응물 공급 레이트를 제어하기 위해 사용될 수 있는 제어 요소를 포함할 수 있다. 이러한 제어 요소는 아날로그 회로일 수 있다. 도 1은 요소(128)로서 제어 요소를 도시하고 있는데, 이것은 파라미터들로서 충전 펌프(124) 및 방전 펌프(123)의 레이트들 및 공급 라인(127)을 통하는 액화된 염소 반응물 공급 레이트 중 하나 이상을 제어할 수 있다.
밀폐된 콘테이너의 내부 볼륨은 각각이 상이한 압력을 갖는 것인 몇개의 가압된 구역들을 가질 수 있다. 예를 들면, 내부 볼륨은 제1 구역, 및 제1 구역보다 높은 압력을 갖는 제2 구역을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 구역은 제2의 더 높은 압력 구역에 의해 포위 또는 둘러싸일 수도 있다. 제1 구역은 전해질/액화된 할로겐 반응물 루프, 즉 저류지(119), 셀(들)(103), 펌프(들)(123, 124), 매니폴드(들)(115, 120)을 내포할 수 있고, 반면에 제2의 둘러싸는 또는 포위하는 구역은 제1 구역과 밀폐된 베셀(101)의 벽들 사이에 공간일 수 있다. 도 1에서, 셀들(103), 공급 매니폴드 또는 관(115), 저류지의 상측 부분(125)에 금속 할라이드 반응물과 이의 하측 부분(126)에 액화된 할로겐 반응물을 포함하는 저류지(119), 및 복귀 매니폴드 또는 관(120)은 모두가 제1 압력 구역 내에 있을 수 있고, 반면에 더 높은 압력의 제2 구역은 베셀(101)의 내부 볼륨의 영역들(129, 130, 131)에 의해 나타낼 수 있다.
이러한 배열에서, 제1 구역 내 압력은 주어진 온도에서 할로겐 반응물을 액화하기에 충분한 압력일 수 있다. 이러한 압력은 적어도 75 psi 또는 적어도 100 psi 또는 적어도(125) psi 또는 적어도 150 psi 또는 적어도 175 psi 또는 적어도 200 psi 또는 적어도 250 psi 또는 적어도 300 psi 또는 적어도 350 psi 또는 적어도 400 psi, 이를테면 75 ~ 450 psi 또는 75 ~ 400 psi 및 이들 사이에 모든 부-범위들일 수 있다. 동시에, 제2 압력 구역에서 둘러싸는 압력은 제1 구역의 최대 동작 압력보다 높을 수 있다. 이러한 둘러싸는 압력은 적어도 75 psi 또는 적어도 100 psi 또는 적어도(125) psi 또는 적어도 150 psi 또는 적어도 175 psi 또는 적어도 200 psi 또는 적어도 250 psi 또는 적어도 300 psi 또는 적어도 350 psi 또는 적어도 400 psi 또는 적어도 450 psi 또는 적어도 500 psi 또는 적어도 550 psi 또는 적어도 600 psi, 이를테면 75 ~ 650 psi 또는 200 ~ 650 psi 또는 400 ~ 650 psi 및 이들 사이에 모든 부-범위들일 수 있다.
포위된 배열은 다수의 잇점들을 제공할 수 있다. 예를 들면, 제1 구역/루프 회로로부터 누설의 경우에, 둘러싸는 제2 구역 내에 더 높은 압력은 누설하는 성분(들)이 바깥쪽이 아니라 제1 구역 안쪽으로 흐르게 할 수 있다. 또한, 둘러싸는 더 높은 압력의 구역은 매니폴드들 및 저류지의 벽들과 같이 플라스틱으로 만들어진 성분들을 포함하여, 제1 구역/루프 회로의 성분들을 통한 피로(fatigue) 균열 전파를 감소/방지할 수 있다. 또한, 가압된 포위된 배열은 밀폐된 콘테이너/베셀용으로 더 얇은 바깥 벽(들)을 사용할 수 있게 하는데, 이것은 그럼에도불구하고 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 위한 내부 흐름 기하구조에 악영향을 미칠 수도 있을 변형(들)을 방지할 수 있다. 가압하는 제2 구역이 없을 때, 내부의 더 높은 압력의 팽창력에 대해 지지되지 않은 구조에 기인한 이러한 변형(들)을 방지하기 위해 더 두꺼운 바깥 벽(들)이 요구될 수도 있다.
어떤 실시예들에서, 밀폐된 콘테이너/베셀의 바깥 벽들은 원통형 성분 및 두 개의 원형의 단부 판들(end plates)에 의해 형성될 수 있고, 베셀을 밀폐하기 위해 이들 중 하나는 원통형 성분의 위에 놓여질 수 있고 다른 하나는 바닥 위에 놓여질 될 수 있다. 이러한 바깥 벽들을 위한 가압된 포위된 배열의 사용은 시스템의 동작 동안 발생되는 가변 압력에 바깥 벽들이 노출될 때 경우에 비해 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 위한 내부 흐름 기하구조들을 노출시킴이 없이 더 얇은 단부 판들을 사용할 수 있게 한다.
제2 압력 구역은 아르곤 또는 질소와 같은 비활성 기체로 채워질 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 압력 구역은 제1 구역으로부터 누출하고 있는 할로겐 반응물과 같은 리에전트를 중화시킬 수 있는, 및/또는 제1 구역/루프 회로의 벽들을 수선하기 위한, 추가의 성분을 내포할 수도 있다. 이러한 추가의 물질은 예를 들면 소다회일 수 있다. 이에 따라, 공간들(129, 130, 131)은 소다회로 채워질 수도 있다.
가압된 포위된 배열에 전기화학 시스템은 다음과 같이 제조될 수 있다. 먼저, 금속 할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 리에전트를 위한 밀폐된 루프 회로가 제조될 수 있다. 밀폐된 루프 회로는 주어진 온도에 대해서 액화된 할로겐의 액화 압력 이상의 내부 압력을 유지할 수 있게 하는 회로일 수 있다. 밀폐된 루프 회로는 다음 요소들 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 하나 이상의 전기화학 셀들, 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 저장하기 위한 저류지; 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 저류지에서 하나 이상의 셀들에 운반하기 위한 공급 매니폴드 또는 관; 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물을 하나 이상의 셀들에서 다시 저류지에 운반하기 위한 복귀 매니폴드; 및 하나 이상의 펌프들. 루프 회로가 제조된 후에, 이것은 루프 회로를 위한 최대 동작 압력보다 높은 압력까지 나중에 가압될 수 있는 베셀 또는 콘테이너 내에 놓여지고, 밀폐될 수 있다. 베셀의 가압은 아르곤 또는 질소와 같은 비활성 기체, 및 선택적으로, 하나 이상의 추가의 성분들을 안으로 펌핑함으로써 수행될 수 있다. 베셀의 벽들이 원통형 성분 및 2개의 단부 판들에 의해 형성되었을 때, 밀폐 절차는 원통형 성분의 상부 및 하부에 단부 판들을 포함할 수 있다.
도 2는 방전 모드에서 도 1의 스택(103)과 같은 한 스택의 수평으로 위치된 셀들을 통해 금속-할라이드 전해질 및 액화된 할로겐 반응물의 흐름을 위한 경로들을 도시한 것이다. 도 2에서 전해질 흐름 경로들은 화살표들에 의해 표현되었다. 스택 내 셀들 각각에 있어서, 흐름은 공급관 또는 매니폴드(21)(도 1에서 요소(115))로부터, 분배 구역(22)으로, 다공성 "염소" 전극(23)을 통과하여, 예를 들면 티타늄 기판 또는 루텐화된 티타늄 기판일 수 있는 기판과 기판 상에 예를 들면 아연일 수 있는 산화가능 금속을 포함할 수 있는 금속 전극(25) 위로 해서, 수집 구역(26)으로, 그리고 상향 복귀 매니폴드(27)(도 1에서 요소(121))을 통과하여, 복귀관(29)(도 1에서 요소(122))로 진행할 수 있다.
일부 실시예들에서, 요소(24)는 금속 전극(25)의 하부 상에 놓여질 수 있다. 이외 일부 다른 실시예들에서, 이러한 요소는 생략될 수도 있다. 요소(24)의 목적은 금속-할라이드 전해질의 흐름이 밑에 위치된 이웃한 셀의 다공성 전극을 지날 때 활성 금속 전극과 접촉하는 것을 방지하는 것일 수 있다. 즉, 요소(24)는 전해질이 모든 금속 전극(25)의 일측(예를 들면, 하부측)에 닿는 것을 방지하며 따라서 금속(예를 들면, 아연) 판들이 금속 전극(25)의 반대측(예를 들면, 상부측) 상에서만 닿는다. 몇몇 경우들에 있어서, 요소(24)는 폴리머 또는 플라스틱 물질을 포함할 수 있다.
또한, 도 2는 배리어들(30)를 도시한다. 각 배리어(30)는 이하 더 상세히 논의되는 셀 프레임(31)의 부분일 수 있다. 배리어(30)는 양의 전극을 같은 셀의 음의 전극으로부터 분리시킬 수 있다. 배리어들(30)는 PTFE와 같은 폴리머 물질일 수 있는 전기적 절연 물질을 포함할 수 있다. 셀 프레임들(31)은 PTFE와 같은 폴리머 물질로 만들어질 수 있다. 셀 프레임들(31)은 매니폴드들(21, 27, 29)을 형성하기 위해 셀 프레임들 내 개구들이 정렬되게 서로의 위에 적층되는 판 형성의 프레임들을 포함할 수 있다. 그러나, 요망된다면 이외 다른 매니폴드 구성들이 사용될 수도 있다.
도 2에 도시된 구성에서, 금속-할라이드 전해질은 다공성 전극을 통해 아래로 그리고 이어 위로 흘러 셀을 떠나게 강제될 수 있다. 이러한 하향-상향 흐름 경로는 전해질 흐름이 멈추었을 때 각 셀과 공급 매니폴드, 분배 구역, 수집 구역, 및 복귀 매니폴드 드레인 내 남아있는 금속 할라이드 전해질 풀(pool)에 각 셀 내에 다공성 전극 및 금속 전극이 전기적으로 접촉할 수 있게 한다. 이러한 접촉은 흐름이 멈추었을 때 한 스택의 셀들 내에서 전기적 연속성을 유지할 수 있게 하여 하여 연속적인 펌프 동작 없이 무정전 파워 서플라이(UPS) 응용을 제공할 수 있다. 또한, 각 셀 내에서 하향-상향 흐름 경로는 전해질 흐름이 멈추었을 때 발생할 수도 있었을 션트 전류들을 차단할 수 있다. 션트 전류들은 이들이 시스템 내 저장된 에너지의 바람직하지 못한 자기-방전 및 스택 도처에서 Zn과 같은 산화가능 금속과 같은 하나 이상의 활성 물질들의 불리한 불균일한 분배를 야기할 수도 있기 때문에 바람직하지 않다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 수평으로 위치된 전기화학 셀들을 유지하기 위한 프레임(31)의 충전면 또는 표면(예를 들면, 하부 표면)과 방전면 또는 표면(예를 들면, 상부 표면)의 특징들을 각각 도시한 것이다. 프레임(31)은 충전 모드 주입구 매니폴드(1)을 포함하고, 충전 모드 동안 이를 통해 전해질이 전기화학 셀들에 공급된다. 위에 언급된 바와 같이, 매니폴드(1)는 매니폴드를 형성하기 위해 다른 적층된 프레임들(31) 내 유사한 구멍들과 정렬하는 프레임(31)을 관통하는 구멍이다. 매니폴드(1)는 도 1 및 도 2에 도시된 매니폴드들(115, 21)과 동일한 매니폴드를 포함할 수 있다. 전해질은 충전 모드 주입구 매니폴드(1)로부터 프레임(31) 내 흐름 채널들(40c) 및 주입구(61)를 통해 전기화학 셀들로 흐른다. 도 3a에 도시된 실시예에서, 충전 모드 주입구 매니폴드(1)는 전극들(23, 25)에 더 균일하고 층류인 전해질 흐름을 제공하기 위해 연속적으로 부-채널들(즉, 각 채널이 2개의 부-채널들로 두번 이상 분할되는 흐름 분할 노드들)로 분할하는 단일 흐름 채널(40c)에 연결한다. 전극들(23, 25)을 횡단한 후에, 전해질은 공통 출구(65)을 통해 충전 주입구 매니폴드(1)로부터 프레임(31)의 대향되는 끝 또는 측 상에 흐름 채널들(40e) 내로 셀들에서 나간다. 전해질은 출구 흐름 채널들(40e)에서 공통 배출구(즉, 드레인) 매니폴드(3)로 비운다. 배출구 매니폴드(3)는 각각 도 1 및 도 2에 매니폴드들(121, 27)과 동일한 매니폴드를 포함할 수 있다. 출구 채널들(40e)은 도 3a에 도시된 바와 같은 흐름 분할 노드들/부-채널들을 포함할 수도 있다. 도 3a에 도시된 바와 같이, 충전 모드 주입구 매니폴드(1)만이 프레임(31)의 충전측 상에 채널들(40c)에 유체적으로 연결된다.
도 3b에 도시된 바와 같이, 방전측에서, 방전 모드 주입구 매니폴드(2)(도 1 및 도 2에 도시되지 않음)는 방전 주입구 채널들(40d)에 연결되고 반면 충전 주입구 매니폴드(1)는 방전 주입구 채널들(40d)로부터 유체적으로 격리된다. 공통 배출구(즉, 드레인) 매니폴드(3)는 프레임(31)의 방전 (예를 들면, 상부) 표면 상에 선택적 바이패스 채널들(44)을 통해 전기화학 셀들에 연결된다. 바이패스 채널들(44) 및 바이패스 배출구(66)의 동작이 이하 더 상세히 논의된다. 그렇지 않다면, 전해질 흐름은 채널들(40d) 및 주입구(62)로부터 다공성 전극(23)을 통과하여 셀의 반응 구역을 통해 흐르고 이어 공통 출구 또는 배출구(65)를 통해서 그리고 이어 배출구 채널들(40e)을 통해 공통 배출구 매니폴드(3)로 나간다.
도 4는 "A"로 표기된 박스에 의해 확인되는 도 3a의 부분의 상세를 도시한 것이다. 실시예에서, 충전 모드 흐름 채널들(40c) 각각으로부터 전기화학 셀들을 내포하는 중앙에 개구된 공간(41)으로의 주입구(61)는 확장 부분(45)을 포함한다. 부분(45)은 나머지 채널(40c)보다 큰 폭을 가지며, 주입구(61)(즉, 위에서 보았을 때 삼각 형상)을 향하여 연속적으로 증가하는 폭을 가질 수 있다. 확장 부분(45)은 전해질을 퍼지게 하는 것을 도우며, 그럼으로써 전극들(23, 25)에 걸쳐 더 균일하고 층류의 전해질의 흐름 분배를 제공한다. 실시예에서, 확장 부분(45)은 범프들 또는 필라들(46)을 더 포함한다. 범프들 또는 필라들(46)은 흐르는 전해질과 상호작용하여 주입구 흐름 내 난류를 감소시킨다. 이렇게 하여, 더 매끄럽고 더 층류인 전해질 흐름이 전극들(23, 25)에 제공될 수 있다.
도 5는 도 3a에 선 A'-A'을 통한 한 스택의 프레임들 내 한 스택의 전기화학 셀들의 실시예의 단면도이다. 단면 A'A'은 주입구 매니폴드(1)에서 배출구 매니폴드(3)로 전기화학 셀 내 전해질의 흐름에 대해 가로지른다. 이 실시예에서, 프레임(31)은 렛지들(ledges)(33)를 포함하고 이 위에 비-다공성 (음) 금속 전극(25)이 안착된다. 또한, 제1 전기화학 셀(102a)의 비-다공성 전극(25)은 금속 또는 탄소 스페이서들과 같은 전기적 도전성 스페이서들(18)에 의해 이웃 전기화학 셀(102b)의 다공성 (양) 전극(23)으로부터 이격되어 이에 연결된다. 그럼으로써 제1 전기화학 셀(102a)의 비-다공성 전극(25)과 이웃 전기화학 셀(102b)의 다공성 전극(23) 간에 전해질 흐름 경로가 형성된다. 또한, 도전성 스페이서들은 전해질 흐름 경로를 일련의 흐름 채널들(19)로 분할한다.
실시예에서, 이웃 전기화학 셀들(102)의 전극들(23, 25)은 조립체(50)로서 제공된다. 이 실시예에서, 제1 전기화학 셀(102a)의 비-다공성 전극(25), 도전성 스페이서들(18), 및 이웃 전기화학 셀(102b)의 다공성 전극(23)은 단일 유닛으로서 조립된다. 개개의 성분들은 접착(glued)되거나, 볼트로 접합되거나, 클램핑되거나, 브레이즈(brazed)되거나, 납땜되거나 아니면 함께 결합될 수 있다. 전극 조립체(50)의 제조는 스택된 흐름 셀 장치의 조립을 단순화시켜 더 신속해지게 한다. 각 전극 조립체는 한 전극(예를 들면, 더 큰 비-다공성 전극(25))이 프레임(31) 내 렛지들(33)에 의해 지지되고 다른 전극(예를 들면, 더 작은 다공성 전극(23))이 다른 전극으로부터 스페이서들(18)에 의해 렛지들(33) 사이에 공간(41) 내에 유지하게, 각각의 프레임(31) 내에 놓여진다. 물론 전극들의 순서는 반대가 될 수 있고 다공성 전극은 렛지들(33)에 의해 지지될 수도 있다. 프레임에의 볼트 접합 또는 클랩핑과 같은 그외 다른 전극 부착 구성들이 사용될 수도 있다. 전극들(23, 25)을 가진 프레임들(31)은 서로의 위에 적층되어 한 스택(103)의 셀들을 형성한다. 각 프레임이 적층됨에 따라, 상측 프레임의 하부 다공성 전극(23)과 이웃한 하측 프레임의 상부 비-다공성 전극(25) 사이 내에 반응 구역(32)을 가진 새로운 셀(102a)이 생성된다. 도 5에 보인 바와 같이, 동일 셀(예를 들면, 102a)의 전극들(23, 25)은 물리적으로 또는 전기적으로 서로 접촉하지 않으며 별도의 전극 조립체들의 부분을 포함한다.
도 6은 도 3a에 선 B'B'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면도이다. 이 단면은 한 스택(103)의 전기화학 셀들(102) 및 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)를 통한 충전 주입구 매니폴드(1)를 가로지른 것이다. 도시된 바와 같이, 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)는 도 6의 좌측 상에 있고 충전 주입구 매니폴드(1)는 도 6의 우측 상에 있다. 즉, 도 6은 도 6이 흐름 배터리 내 전해질 흐름들을 설명하기 위해 도 8 내지 도 12와 조합하여 효과적으로 사용될 수 있게 도 3a의 미러 이미지(즉, 단면의 180도 회전)이다. 구체적으로, 도 6의 단면은 도 8에 도시된 충전 흐름 형성을 위한 프레임들(31) 및 셀들(102)의 구성을 도시한다.
도 8에 도시된 흐름 형성을 달성하기 위해서(충전 모드에서 100% 플로-바이(flow-by) 흐름), 프레임의 하부 면 내에 플로-바이 채널들(40c)이 프레임에 제공된다. 채널들(40c)은 충전 모드에서 인입되는 전해질의 100%가 비-다공성 전극(25)을 가로질러 흘러 각 셀(102) 내 각 전극(25) 위에 아연층을 피착하게 각 셀의 반응 구역(32)에 충전 주입구 매니폴드(1)를 연결한다. 인입되는 전해질의 어느 것도 충전 주입구 매니폴드(1)에서 곧바로 다공성 전극(23)에 혹은 다공성 전극(23)을 통해 반응 구역(32)에 운반되지 않는다. 충전 주입구 매니폴드(1)로부터 전기화학 셀의 대향 끝에서, 전해질이 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)에 도달하게 프레임(31)의 하부 면 내에 배출구 흐름 채널(40e)이 제공된다. 프레임(31)은 또한 흐름 채널들(19) 내 전해질이 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)로 나갈 수 있게 하는 프레임의 상부 면 또는 표면 상에 바이패스 채널들(44)을 포함한다.
도 7은 도 3b에 선 C'-C을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면도이다. 도 7은 도 3b의 미러 이미지(즉, 단면의 180도 회전)이다. 이 단면은 도 10에 도시된 방전 흐름 형성(100% 플로-스루(flow-through) 방전 흐름)에 대응한다. 채널들(40d)은 프레임(31) 내 방전 주입구 매니폴드(2)를 각 전극 조립체(50) 내 스페이서들(18) 사이에 흐름 채널들(19)에 연결한다. 전해질은 전해질을 주입구(62) 및 흐름 채널들(19)을 통해 다공성 전극들(23)의 위로 운반하게 구성된 플로-스루 채널들(40d)을 통과함으로써 방전 모드 주입구 매니폴드(2)를 통해 셀들(102)에 들어간다. 매니폴드(2)에 연결되는 프레임(31)의 상부 면 상엔 플로-바이 채널들(40c)이 없기 때문에, 모든 전해질은 다공성 전극(23) 위에 제공된다. 보통의 전해질 흐름 레이트 하에, 모든 전해질은 다공성 전극(23)을 통해 밑에 반응 구역(32)으로 흐른다. 이어, 전해질은 배출구 흐름 채널들(40e)을 통해 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)로 셀들(102)에서 나간다. 더 높은 전해질 흐름 레이트들 하에, 전해질의 일부는 다공성 전극(23), 반응 구역(32) 및 채널들(40e)을 통과함이 없이 바이패스 배출구(66) 및 바이패스 채널들(44)을 통해 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)로 흐름 채널들(19)에서 나갈 수 있다. 대안적으로, 셀들 및 프레임들은 충전 모드 채널들(40c)이 위에 있고 방전 모드 채널들(40d)이 각 프레임의 하부 위에 있게, 뒤집어 질 수도 있다.
이에 따라, 도 3a, 도 3b, 도 5, 도 6, 도 8 및 도 10에 도시된 바와 같이, 충전 모드 전해질 주입구(61)는 제1 전극(23)과 제2 전극(25) 사이에 반응 구역(32) 내에 위치된다. 주입구(61)는 충전 모드 주입구 매니폴드(1)에 연결되는, 프레임의 하부 내에 채널들(40c)에 연결된다. 방전 모드 전해질 주입구(62)는 반응 구역(32)에서 떨어져 면하는 제1 전극(23)의 표면에 이웃한 반응 구역(32) 밖에 위치된다. 구체적으로, 주입구(62)는 다공성 전극(23) 위에 채널들(19)과 매니폴드(2)에 연결하는 프레임(31)의 상부 내에 채널들(40d) 사이에 위치된다. 공통 전해질 배출구 또는 출구(65)는 제1 전극(23)과 제2 전극(25) 사이에 반응 구역(32) 내에 위치된다. 배출구(65)는 매니폴드(3)에 연결하는 프레임(31)의 하부 내 채널들(40e)에 연결된다.
도 8 ~ 도 12는 충전 및 방전 모드들에서 서로 다른 흐름 형성들을 갖는 흐름 셀 실시예들의 측단면도들이다. 서로 다른 흐름 상태들은 스택 내 셀들에 별도의 전해질 충전 모드 주입구 매니폴드(1) 및 방전 모드 주입구 매니폴드(2)를 갖게 함으로써 발생된다. 공통 전해질 배출구 매니폴드(3)는 충전 및 방전 모드들에서 사용될 수 있다. 이에 따라, 흐름 배터리는 바람직하게는 충전 모드 주입구 매니폴드(1), 충전 모드 주입구 매니폴드(1)와는 다른 방전 모드 주입구 매니폴드(2), 및 방전 모드 전해질 배출구 매니폴드(3)를 포함한다. 바람직하게, 공통 전해질 배출구 매니폴드(3)는 충전 및 방전 모드들 둘 다에서 반응 구역으로부터 전해질을 허용하게 구성된다. 실시예에서, 충전 모드 주입구 매니폴드(1)에서 이어지는 채널들(40c)로부터 주입구(61)은 제1 및 제2 전극들(23, 25) 사이에 반응 구역(32) 내에 혹은 이에 바로 이웃하여 위치된다. 방전 모드 주입구 매니폴드(2)에서 이어지는 채널들(40d)로부터 주입구(62)은 반응 구역(32)에서 떨어져 면하는 제1 전극(23)의 표면에 이웃한 반응 구역(32) 밖에 위치된다. 공통 전해질 배출구 매니폴드(3)로의 채널들(40e)에 이어지는 배출구 또는 출구(65)는 제1 및 제2 전극들(23, 25) 사이에 반응 구역(32) 내에 또는 이에 바로 이웃하여 위치된다.
대안적으로, 요망된다면 충전 및 방전 모드들에서 별도의 배출구들이 사용될 수도 있다. 도 8, 도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d는 충전 모드를 위한 서로 다른 흐름 형성들을 도시한 것이다. 도 10, 도 11a 및 도 11b는 방전 모드를 위한 서로 다른 흐름 형성들을 도시한 것이다. 도 12a, 도 12b 및 도 12c는 세그먼트된 전극들(23, 25)을 내포하는 셀 내에서 충전 모드 및 방전 모드를 위한 흐름 형성을 도시한 것이다.
위에 언급된 바와 같이, 도 8, 도 9a, 도 9b, 도 9c 및 도 9d는 충전 모드에서 전해질 흐름을 도시한 것이다. 도 8에 도시된 실시예에서, 전해질 흐름은 100% "플로-바이" 모드로 구성된다. 충전 모드 플로-바이 모드에서, 전해질은 매니폴드(1)로부터 충전 주입구(61)를 통해 곧바로 반응 구역(32) 내로 흐른다. 즉, 전해질은 어느 한 전극을 통과함이 없이 제1 및 제2 전극들(23, 25)을 지나서 혹은 이들 옆으로 흐른다. 반응 구역(32)을 통과한 후에, 전해질은 출구(65)를 통해 채널들(40e)로 그리고 이어 공통 배출구 매니폴드(3) 내로 흐름 셀(102)에서 나간다.
도 9a에 도시된 실시예에서, 대다수의 전해질은 충전 모드 플로-바이 모드에서 흐르며, 소수의 전해질은 충전 모드 "플로-스루" 모드에서 흐른다. 충전 모드 플로-스루 모드에서, 전해질은 다공성 전극(23)을 통해 흐른다. 이 실시예에서, 전해질은 충전 모드에서는 매니폴드(2)로부터 주입구(62)를 통해 다공성 전극(23)의 위에 제공되고 중력의 힘 하에 다공성 전극(23)을 통해 밑으로 해서 반응 구역(32) 내로 흐른다. 이전의 실시예에서와 같이, 전해질은 출구(65)를 통해 채널들(40e) 내로 그리고 이어서 공통 배출구 매니폴드(3) 내로 흐름 셀(102)에서 나간다. 대안적으로, 전해질이 매니폴드(1)를 통해 다공성 전극(23)의 위로 제공된다면, 프레임(31)의 위에 매니폴드(1)와 채널들(40d) 사이에 별도의 개구가 추가된다.
도 9b에 도시된 실시예는 도 9a에 도시된 실시예와 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 대다수의 전해질은 셀의 충전 사이클 동안에 충전 모드 플로-스루 모드에서 흐름 셀(102)에 제공된다. 소수의 전해질은 충전 동안에 충전 모드 플로-바이 모드에서 제공된다. 이에 따라, 이 실시예에서, 적어도 전해질의 부분이 충전 모드 플로-바이 모드에서 제공된다.
도 9c에서, 전해질은 충전 모드 주입구 매니폴드(1)로부터 프레임(31) 내 플로-바이 채널들(40c) 및 주입구(61)를 통해 흐름 셀(102)에 제공된다. 대다수의 전해질은 충전 모드 플로-바이 모드에서 금속 전극(25)을 가로질러 흐른다. 그러나, 도 8에 도시된 실시예와는 달리, 전해질 흐름의 레이트는 소수의 전해질이 다공성 전극(23)을 통해 위로 흐르고 바이패스(44)를 통해 매니폴드(3) 내로 나가게 하는 레이트이다.
도 9d에 도시된 실시예는 도 9c에 도시된 실시예와 유사하다. 그러나, 이 실시예에서, 전해질의 흐름 레이트와 배출구 흐름 채널들(40e) 및 바이패스 채널들(44)의 상대적 크기들은 대다수의 전해질이 충전 모드에서 다공성 전극(23)을 통해 위로 흐르고 바이패스(44)를 통해 매니폴드(3) 내로 나가게 하는 것들이다. 이 실시예에서, 소수의 전해질은 비-다공성 전극(25)을 가로질러 흘러 출구(65) 및 채널들(40e)을 통해 나간다.
위에 언급된 바와 같이, 도 10 및 도 11a ~ 도 11b는 방전 모드에서 전해질 흐름을 도시한 것이다. 방전 모드에서 흐름 형성들은 충전 모드에서 흐름 형성들과 유사하다. 그러나, 방전 모드 동안에, 적어도 전해질의 일부는 다공성 전극(23)을 통해 흐른다. 도 10에 도시된 실시예에서, 전해질은 100% 방전 플로-스루 모드에서 흐른다. 즉, 전해질의 100%가 방전 주입구 매니폴드(2)로부터 채널들(40d, 19) 및 다공성 전극(23)을 통해 반응 구역(32) 내로 흐른다. 반응 구역(32)을 통과한 후에, 전해질은 출구(65) 및 채널들(40e)을 통해 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)로 흐름 셀(102)에서 나간다.
도 11a에 도시된 방전 모드 실시예에서, 대다수의 전해질은 방전 플로-스루 모드(즉, 매니폴드(2)에서 채널들(40d, 19)을 그리고 다공성 전극(23)을 통과하는)에서 제공되고, 반면 소수의 전해질은 방전 플로-바이 모드(즉, 전극들(23, 25) 사이로 해서 반응 구역(32) 내로)에서 제공된다. 도 11b에 도시된 방전 모드 실시예에서, 대다수의 전해질은 방전 플로-바이 모드에 제공되고 반면 소수의 전해질은 방전 플로-스루 모드에서 제공된다. 플로-스루 모드에서, 전해질은 매니폴드(1)를 통해 제공될 수 있다. 대안적으로, 전해질이 매니폴드(2)를 통해 제공된다면, 추가의 개구가 매니폴드(2)와 채널들(40c) 사이에 제공된다.
도 11a, 도 11b 및 도 11c에 도시된 실시예들에서, 전극들(23, 25)은 세그먼트된다. 즉, 단일의 일체화된 성분으로서 만들어지기보다는 전극들(23, 25)은 복수의 개별적 전극 멤버들(23a, 23b, 25a, 25b)을 포함한다. 이 실시예에서, 개별적 전극 멤버들(23a, 23b, 25a, 25b) 사이에 하나 이상의 공통 배출구 드레인 매니폴드들(3)(예를 들면, 전극 멤버들의 세그먼트들 사이 내 정렬된 배출구 개구들 또는 구멍들)이 제공된다. 공통 배출구 드레인 매니폴드들(3)이 제1 전극(23), 제2 전극(25) 또는 두 전극들(23, 25) 내에 제공될 수 있다. 위에서 보았을 때 원형 형상을 갖는 전극들에 대해서, 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)는 중간에 있을 수 있고 반면 전극 멤버들은 공통 배출구 드레인 매니폴드(3) 주위에 배열된 웨지 형상의 세그먼트들을 포함한다.
도 12a에 도시된 흐름 형성은 충전 모드에서 100% 플로-바이이고 도 12b에 도시된 흐름은 방전 모드에서 100% 플로-스루이다. 그러나, 도 9a 및 도 9b에 도시된 이전의 실시예들에서와 같이, 충전 모드 흐름은 부분적 플로-바이 및 부분적 플로-스루를 갖게 구성될 수 있다. 또한, 도 10a 및 도 10b에 도시된 이전의 실시예들에서와 같이, 방전 모드 흐름은 부분적 플로-바이 및 부분적 플로-스루를 갖게 구성될 수 있다.
도 12c는 세그먼트된 전극들(23, 25)을 가진 또 다른 충전 모드 실시예를 도시한 것이다. 이 실시예에서, 도 9c에 도시된 실시예와 유사하게, 전해질은 비교적 높은 흐름 레이트로 반응 구역(32)에 직접 공급된다. 대다수의 전해질은 충전 모드 플로-바이 모드에서 흐르고 반면에 전해질의 일부는 다공성 전극(23)을 통해 위로 강제된다. 이 실시예에서, 전해질의 대부분은 출구(65) 및 채널들(40e)을 통해 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)로 흐름 셀(102)을 곧바로 나가고, 일부 전해질은 바이패스 채널들(44)을 통해 공통 배출구 드레인 매니폴드(3)로 통과한다.
위에 논의된 바와 같이, 발명자들은 충전 및 방전 모드들에서 서로 다른 흐름 형성들을 제공함으로써 더 평탄하고, 더 매끄럽고 더 밀도 있는 금속 전기도금이 달성될 수 있음을 발견하였다. 도 8 ~ 도 9 및 도 10 ~ 도 11에 도시된 서로 다른 충전 및 방전 모드 흐름 형성들은 이들 도면들 간에 4, 5 및 6으로 표기된 연결선들에 의해 확인되는 바와 같이 결합될 수 있다. 도 9c 및 도 9d에 도시된 충전 모드 흐름 형성들은 도 10, 도 11a 및 도 11b에 도시된 방전 흐름 형성들과 조합될 수 있다.
예를 들면, 도 8에 도시된 100% 플로-바이 충전 모드 실시예는, 화살표들(4)로 도시된 바와 같이, 도 10의 100% 플로-스루 방전 모드 실시예, 또는 도 11a의 다수 플로-스루 방전 모드 실시예, 또는 도 11b의 소수 플로-스루 방전 모드 실시예와 조합될 수 있다. 이에 따라, 흐름 배터리의 실시예에서, 충전 모드 주입구 매니폴드(1)는 충전 모드 플로-바이 모드에서 모든 전해질을 반응 구역(32)에 제공하게 구성되고, 방전 모드 주입구 매니폴드(2)는 방전 모드 플로-바이 모드에서 어떠한 전해질도 반응 구역(32)에 제공하지 않게 구성된다. 대안적으로, 방전 모드 주입구 매니폴드(2)는 방전 모드 플로-스루 모드에서 전해질의 모두 또는 일부를 반응 구역(32)에 제공하고 방전 모드 플로-바이 모드에서 전해질의 일부를 반응 구역(32)에 제공하게 구성된다.
대안적으로, 도 9a에 도시된 다수 플로-바이 충전 모드 실시예는, 화살표들 5로 도시된 바와 같이, 도 10에 도시된 100% 플로-스루 방전 모드 실시예, 혹은 도 11a에 도시된 다수 플로-스루 방전 모드 실시예와 조합될 수 있다. 이에 따라, 실시예에서, 충전 모드 주입구 매니폴드(1)는 충전 모드 플로-바이 모드에서 대부분의 전해질을 반응 구역(32) 내에 제공하게 구성되고 방전 모드 주입구 매니폴드(2)는 방전 모드 플로-스루 모드에서 모든 전해질을 반응 구역(32) 내에 제공하게 구성된다. 대안적으로, 충전 모드 주입구 매니폴드(1)는 충전 모드 플로-바이 모드에서 대부분의 전해질을 반응 구역(32) 내에 제공하게 구성되고, 방전 모드 주입구 매니폴드(2)는 충전 모드 플로-바이 모드에서 소 부분의 전해질을 반응 구역(32) 내에 제공하고 나머지를 방전 모드 플로-스루 모드에서 제공하게 구성된다.
대안적으로, 도 9b에 도시된 다수 플로-바이 실시예는 화살표들 6로 도시된 바와 같이, 도 10에 도시된 100% 플로-스루 방전 모드 실시예 또는 도 11b에 도시된 소수 플로-스루 방전 실시예와 조합될 수 있다. 이에 따라, 실시예에서, 충전 모드 주입구 매니폴드(1)는 충전 모드 플로-바이 모드에서 소 부분의 전해질을 반응 구역(32) 내에 제공하게 구성되고, 방전 모드 주입구 매니폴드(2)는 방전 모드 플로-스루 모드에서 모든 전해질을 반응 구역(32) 내에 제공하게 구성된다. 대안적으로, 충전 모드 주입구 매니폴드(1)는 충전 모드 플로-바이 모드에서 소 부분의 전해질을 반응 구역(32) 내에 제공하게 구성되고, 방전 모드 주입구 매니폴드(2)는 소수 전해질을 반응 구역(32) 내에 제공하게 구성된다.
도 9c 및 도 9d에 도시된 충전 모드 실시예들은 도 10, 도 11a 또는 도 11b에 도시된 방전 모드 실시예들 중 어느 것과도 조합될 수 있다. 이에 따라, 충전 모드에서 초기에 전해질은 충전 모드 플로-바이 모드에서 공급되고 전해질의 후속되는 부분들은 충전 모드 플로-스루 모드에서 다공성 전극을 통해 위로 흐르고, 방전 모드에서 전해질은 100% 방전 모드 플로-스루 모드(도 10), 또는 다수 방전 모드 플로-스루 모드(도 11a), 또는 소수 방전 모드 플로-스루 모드(도 11b)에서 공급될 수 있다.
위에서 사용되는 바와 같이, "다수 부분"이라는 용어는 51 ~ 99%와 같이 볼륨으로 50% 이상의 전해질, 예를 들면, 볼륨으로 60 ~ 90%을 의미한다. "소수 부분"라는 용어는 1 ~ 49%와 같이 볼륨으로 50% 미만의 전해질, 예를 들면, 볼륨으로 10 ~ 40%을 의미한다.
각각의 도 12a, 도 12b 및 도 12c에 도시된 세그먼트된 전극 충전 및 방전 모드 흐름 형성들은 도 8 ~ 도 9 및 도 10 ~ 도 11에 도시된 실시예들처럼 유사하게 조합될 수 있다. 즉, 100% 플로-바이 충전 모드 실시예는 100% 플로-스루 방전 모드 실시예, 또는 다수 플로-스루 방전 모드 실시예, 또는 소수 플로-스루 방전 모드 실시예와 조합될 수 있다. 대안적으로, 다수 플로-바이 충전 모드 실시예는 100% 플로-스루 방전 모드 실시예, 또는 소수 플로-스루 방전 모드 실시예와 조합될 수 있다. 대안적으로, 소수 플로-바이 충전 모드 실시예는 100% 플로-스루 방전 모드 실시예, 또는 소수 플로-스루 방전 모드 실시예와 조합될 수 있다. 또한, 도 8 ~ 도 11에 도시된 실시예들은 도 12a, 도 12b 및 도 12c에 도시된 실시예들과 조합될 수 있다. 즉, 제1 전극(23) 또는 제2 전극(25) 중 하나는 단일의 일체화된 전극일 수 있고 다른 것은 세그먼트된다.
요약하여, 위에 기술된 바와 같이, 흐름 배터리는 충전 모드에서 제1 전해질 흐름 구성과 방전 모드에서 제2 흐름 구성을 갖게 구성된다. 제1 전해질 흐름 구성은 제2 전해질 흐름 구성과는 적어도 부분적으로 다르다. 충전 모드에서, 전해질의 적어도 부분은 충전 모드 주입구 매니폴드(1)에서 반응 구역(32)에 그리고 반응 구역(32)에서 공통 전해질 배출구 매니폴드(3)에 제공된다. 방전 모드에서, 전해질의 적어도 부분은 방전 모드 주입구 매니폴드(2)에서 반응 구역(32)에 그리고 반응 구역(32)에서 공통 전해질 배출구 매니폴드(3)에 제공된다. 이에 따라, 흐름 배터리는 동일한 제1 및 제2 흐름 구성들을 갖고 동작하는 동일한 배터리 보다는 더 높은 동전기(動電氣) 및 콜럼빅(columbic) 효율을 갖고 동작할 수 있다.
도 13a ~ 도 13c는 프레임들 내에 2개의 저류지들 및 2개의 배출구 매니폴드들을 내포하는 발명의 대안적 실시예를 도시한 것이다. 도 13a 및 도 13b는 대안적 실시예의 프레임(31)의 충전측 및 방전측을 각각 도시한다. 도 13a 및 도 13b에 도시된 프레임은 공통 배출구 매니폴드(3)가 서로 다른 별도의 충전 모드 배출구 매니폴드(3A) 및 방전 모드 배출구 매니폴드(3B)로 대체된 것을 제외하고, 도 3a 및 도 3b에 도시된 프레임과 유사하다. 매니폴드들(3A, 3B)은 "충전" 및 "방전" 모드 배출구 매니폴드들이라고 지칭되지만, 이들 지칭들은 편의를 위해서만 사용된다. 이하 더 상세히 기술되는 바와 같이, 두 매니폴드들이 바람직하게는 충전 모드에서 사용되고 "충전" 모드 배출구 매니폴드만이 방전 모드에서 사용된다.
도 13a에 도시된 바와 같이, 충전 및 방전 모드 배출구 매니폴드들(3A, 3B)는 각각의 충전 및 방전 모드 주입구 매니폴드들(1, 2)로부터 프레임(31)의 대향측 상에 나란히 위치될 수 있다. 주입구 매니폴드들(1, 2), 채널들(40c, 40d) 및 주입구들(61, 62)은 도 13a, 도 13b에서 위에 기술된 각각의 도 3a, 도 3b에서와 동일하다.
그러나, 도 13a에서, 충전 모드 전해질 배출구(65)는 충전 모드 및방전 모드 둘 다에서 반응 구역으로부터 전해질을 출구 채널들(40e)을 통해 충전 모드 배출구 매니폴드(3A)(공통 매니폴드에가 아니라)에 제공하게 구성된다. 도 13b에 도시된 바와 같이, 방전 모드 전해질 배출구(66)는 충전 모드에서 반응 구역으로부터 전해질을 방전 모드 배출구 채널들(44)을 통해 방전 모드 배출구 매니폴드(3B) 내에 제공하게 구성된다. 이에 따라, 도 13b에 채널들(44)은 채널들(40e)보다는 다른 배출구 매니폴드(3B)에 연결하기 때문에, 도 13b에서, 채널들(44)은 바이패스 채널들(44)가 아니라 방전 모드 배출구 채널들이라 지칭된다.
도 3a에 도시된 배출구(65) 및 채널들(40e)과 유사하게, 충전 모드 전해질 배출구(65)은 투과성 전극과 불투과성 전극 사이에 반응 구역 내에 위치되고, 채널들(40e)은 도 13a에 도시된 바와 같이 프레임(31)의 제1 또는 "충전" 측 내에 위치된다. 방전 모드 전해질 배출구(66)은 반응 구역에서 떨어져 면한개의 제1 전극의 표면에 이웃한 반응 구역 밖에 위치되고, 채널들(44)은 도 13b에 도시된 바와 같이 프레임(31)의 대향하는 제2 또는 "방전" 측 내에 위치된다. 복수의 충전 모드 배출구 채널들(40e)은 프레임들의 스택 내 한 세트의 정렬된 개구들에 의해 형성된 충전 모드 배출구 매니폴드(3A)에 연결되고, 하나 이상의 방전 모드 배출구 채널들(44)은 프레임들의 스택 내 상이한 정렬된 개구들에 의해 형성된 방전 모드 배출구 매니폴드(3B)에 연결된다.
바람직하게, 도 13a 및 도 도 13b에 도시된 구성은 도 13c에 도시된 바와 같이 개별적인 전해질 저류지들과 함께 사용된다. 도 13c에 도시된 흐름 배터리 시스템(1300)은 각각 개별적인 용해된 염소가 희소한(poor) 저류지(119A) 및 용해된 염소가 농후한(rich) 저류지(119B)에 유체적으로 연결되는 위에 기술된 한 스택(103)의 흐름 셀들을 포함한다. 염소 외에 할로겐을 사용하는 흐름 배터리들을 포함하기 위해서, 저류지(119A)는 전해질(예를 들면, 아연 염화물)을 선택적으로 축적하게 구성된 볼륨을 내포하는 "액화된 할로겐 반응물 희소 전해질 저류지"라고 일반적으로 지칭될 수 있고, 저류지(119B)는 전해질에 더하여 액화된 할로겐 반응물(예를 들면, 용해된 염소)을 선택적으로 축적하게 구성된 볼륨을 내포하는 "액화된 할로겐 반응물 농후 전해질 저류지"라고 지칭될 수 있다. 즉, 저류지(119A)는 저류지(119B)보다는 적은 액화된 할로겐 반응물(예를 들면, 용해된 염소)를 내포하는 전해질(예를 들면, 아연 염화물)을 내포한다.
또한, 시스템(1300)은 충전 모드 주입구 매니폴드(1)에 유체적으로 연결된 충전 모드 펌프(123), 및 방전 모드 주입구 매니폴드(2)에 연결된 방전 모드 펌프(124)를 포함한다.
충전 모드 주입구 매니폴드(1) 및 충전 모드 배출구 매니폴드(3A)는 액화된 할로겐 반응물 농후 전해질 저류지(119B)가 아니라 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질 저류지(119A)과 유체로 연통한다. 예를 들면, 충전 모드 공급 라인(133)는 저류지(119A) 내로 연장하여 매니폴드(1)에 연결하고, 매니폴드(3A)로부터 배출구는 저류지(119A) 내로 이어진다.
방전 모드 주입구 매니폴드(2) 및 방전 모드 배출구 매니폴드(3B)는 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질 저류지(119A)가 아니라 액화된 할로겐 반응물 농후 전해질 저류지(119B)와 유체로 연통한다. 예를 들면, 방전 모드 공급 라인(들)(132/127)은 저류지(119B) 내로 연장하여 매니폴드(2)에 연결하고, 매니폴드(3B)로부터 배출구는 저류지(119B) 내로 이어진다.
흐름 배터리 시스템(1300)은 도 13c에 관련하여 다음과 같이 동작한다. 충전 모드에서, 전해질은 충전 모드 전해질 주입구(61)에서 각 흐름 셀(도 5 참조)의 반응 구역(32) 내로, 그리고 반응 구역(32)으로부터 각각 도 13a 및 도 13b에 도시된 충전 모드 전해질 배출구(65) 및 아울러 방전 모드 전해질 배출구(66) 내로 제공된다. 바람직하게, 충전 모드 동작 동안 흐름 셀들에서 사용되는 용해된 염소 희소 아연 염화물 전해질과 같은 모든 전해질은 충전 모드 펌프(123)를 사용하여, 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질 저류지(119A)로부터 충전 모드 주입구 도관(1), 충전 모드 주입구 채널들(40c), 및 충전 모드 전해질 주입구(61)를 통하여 반응 구역(32) 내로 제공된다. 이어, 전해질은 반응 구역으로부터 충전 모드 전해질 배출구(65), 충전 모드 배출구 채널들(40e) 및 충전 모드 배출구 도관(3A)을 통하여 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질 저류지(119A) 내로, 그리고 투과성 전극(23), 방전 모드 전해질 배출구(66), 채널들(44) 및 방전 모드 배출구 도관(3B)을 통하여 액화된 할로겐 반응물 농후 전해질 저류지(119B) 내로 제공된다.
방전 모드에서, 전해질은 방전 모드 전해질 주입구(62)에서 반응 구역(32)내로, 그리고 반응 구역(32)에서 충전 모드 전해질 배출구(65) 내로 제공된다. 바람직하게, 용해된 염소 농후 아연 염화물 전해질은 방전 모드 동작 동안 흐름 셀들에서 사용된다. 이 전해질은 저류지(119B)로부터 제공되고, 이 전해질은 충전 모드 동안 저류지(119A)로부터 제공된 용해된 염소 희소 아연 염화물 전해질보다 더 용해된 염소(예를 들면, 2 내지 10 배 이상 용해된 염소)를 갖는다. 이에 따라, 용해된 염소 희소 저류지(119A)는 "충전 모드 저류지"라 지칭될 수 있고, 용해된 염소 농후 저류지(119B)는 "방전 모드 저류지"라 지칭될 수 있다.
바람직하게, 방전 모드 동작 동안 흐름 셀들에서 사용되는 모든 전해질(예를 들면, 용해된 염소 농후 전해질)은 방전 모드 펌프(124)를 사용하여, 액화된 할로겐 반응물 농후 전해질 저류지(119B)로부터 방전 모드 주입구 도관(2), 방전 모드 주입구 채널들(40d), 방전 모드 전해질 주입구(62)를 통하여 그리고 다공성 전극(23)을 통해 반응 구역(32) 내에 제공된다. 이어, 전해질은 반응 구역(32)에서 충전 모드 전해질 배출구(65), 배출구 채널들(40e) 및 충전 모드 배출구 도관(3A)을 통해 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질 저류지(119A) 내에 제공된다.
이에 따라, 충전 모드에서, 모든 전해질(즉, 염소 희소 전해질)은 매니폴드(1)를 통해 저류지(119A)로부터 스택(103) 내에 오지만, 배출구 매니폴드들(3A, 3B)를 통해 각각의 저류지들(119A, 119B) 내로 스택(103)을 떠난다. 전해질은 용해된 염소 희소 부분이 반응 구역에서 배출구(65) 및 매니폴드(3A)를 통해 저류지(119A) 내로 제공되게 스택에서 나갈 때 분리되고, 용해된 염소 농후 부분은 배출구(66) 및 매니폴드(3B)를 통해 투과성 전극(23)을 거쳐 저류지(119B) 내에 제공된다. 반대로, 방전 모드에서, 모든 전해질(예를 들면, 용해된 염소 농후 전해질)은 매니폴드(2)를 통해 저류지(119B)로부터 스택(103) 내로 오며 배출구 매니폴드(3A)를 통해서만 자신의 각각의 저류지(119A) 내로 스택(103)(용해된 염소 희소 전해질로서)을 떠난다. 방전 배출구 매니폴드(3B)는 매니폴드(3B) 내 밸브(67)를 닫음으로써 방전 모드에서 스택(103)으로부터 흐름을 막을 수 있다. 밸브(67)는 충전 모드 동안에 개방될 수 있다. 그러므로, 위에 언급된 바와 같이, 이 실시예에서 매니폴드들, 채널들 및 주입구들에 관하여 "충전" 및 "방전"이라는 용어들은 방전 흐름들이 충전 및 방전 모드에서 전환하기 때문에, 편의를 위해서만 제공된다.
요약하여, 도 13c에 관련하여, 충전 모드에서, 충전 주입구 매니폴드(1)는 저류지 또는 탱크(119A)로부터 전해질을 인출한다. 전해질은 주입구(61)를 통해 스택(103) 내 셀에 들어가고 도 9c 또는 도 9d에 도시된 흐름 형성들을 사용하여 채널링된다. 흐름 셀 반응 구역(32) 내에서 두 전극들(23, 25) 간에 흐르는 전해질의 염소 희소 부분은 배출구(65)를 통해 셀에서 나가 충전 배출구 매니폴드(3A)를 향하여 보내진다. 충전 배출구 매니폴드(3A)를 통해 흐르는 전해질은 용해된 Cl2가 적고 탱크(119A)에 보내진다. 도 9c 또는 도 9d에 도시된 바와 같이 다공성 전극(23)을 통해 흐르는 염소 농후 전해질은 배출구(66)를 통해 셀에서 나가 방전 배출구 매니폴드(3B)를 향하여 보내진다. 방전 배출구 매니폴드(3B)를 통해 흐르는 전해질은 Cl2가 농후하고 저류지 또는 탱크(119B)에 보내진다.
방전 모드에서, 방전 주입구 매니폴드(2)는 용해된 Cl2 농후 전해질을 탱크(119B)로부터 인출한다. 이 전해질은 주입구(62)를 통해 스택(103) 내 셀에 들어가고 도 10에 도시된 흐름 형성을 사용하여 채널링된다. 전해질은 배출구(65)를 통해 나가 충전 배출구 매니폴드(3A)를 향하여 보내진다. 충전 배출구 매니폴드(3A)를 통해 스택에서 나가는 전해질은 용해된 Cl2가 적고 탱크(119A)에 보내진다.
그러므로, 도 9c, 도 9d 및 도 13a에 관련하여, 충전 모드 전해질 주입구(61)는 충전 모드에서 반응 구역(32) 내에 모든 전해질을 제공하게 구성되고, 방전 모드 전해질 주입구(62)는 충전 모드에서 반응 구역 내에 어떠한 전해질 도 제공하지 않게 구성된다. 방전 모드 전해질 주입구(62)는 방전 모드에서 반응 구역(32) 내에 모든 전해질을 제공하게 구성되고, 충전 모드 전해질 주입구(61)는 도 10 및 도 13a에 도시된 바와 같이 방전 모드에서 반응 구역 내에 어떠한 전해질 도 제공하지 않게 구성된다.
충전 모드 전해질 배출구(65)는 도 9c, 도 9d 및 도 13a에 도시된 바와 같이 충전 모드에서 반응 구역(32)으로부터 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질 저류지(119A)에 전해질의 액화된 할로겐 반응물 희소 부분을 제공하게 구성된다. 방전 모드 전해질 배출구(66)은 도 9c, 도 9d 및 도 도 13a에 도시된 바와 같이 충전 모드(예를 들면, 밸브(67)가 열려 있기 때문에)에서 반응 구역으로부터 액화된 할로겐 반응물 농후 전해질 저류지(119B)에 전해질의 액화된 할로겐 반응물 농후 부분을 제공하게 구성된다.
방전 모드 전해질 배출구(66)는 방전 모드(예를 들면, 밸브(67)가 닫혀있기 때문에)에서 반응 구역(32)으로부터 어떠한 전해질도 제공하지 않게 구성되고, 충전 모드 전해질 배출구(65)는 방전 모드에서 반응 구역(32)으로부터 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질 저류지(119A)에 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질을 포함하는 모든 전해질을 제공하게 구성된다.
도 14 ~ 도 17은 가변 갭 높이를 가진 흐름 채널(19)을 갖는 전극 조립체(50)의 대안적 실시예를 도시한 것이다. 구체적으로, 이 실시예에서, 채널 갭의 높이는 흐름 채널의 배출구에 더 가까운 부분에서보다 흐름 채널의 주입구에 더 가까운 부분에서 더 크다. 한 구성에서, 흐름 채널 갭 높이는 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이 경사진 흐름 채널 인서트(201)를 각 흐름 채널(19)에 제공함으로써 가변될 수 있다.
도 14a는 대안적 실시예에 따라 도 3a에 선 A'-A'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면도이다. 도 14b는 도 14a에서 선 D'-D'을 통한 한 스택의 전기화학 셀들의 단면도이다. 도 14a의 스택은 도 14에 스택이 도 5에 스택과 비교하여 뒤집어져 위치된 점에서 도 5에 도시된 스택과는 다르다. 그러므로, 도 14a의 각 전극 조립체(50)에서, 다공성 전극(23)은 스택이 수직으로 배열될 때 비-다공성 전극(25) 위에 위치된다. 반대로, 도 5의 각 전극 조립체(50)에서, 다공성 전극(23)은 스택이 수직으로 배열될 때 비-다공성 전극(25) 밑에 위치된다.
도 14a 및 도 14b에 도시된 구성은 아연-염화물 또는 아연-브롬화물 전해질과 같은, 임의의 금속-할라이드 전해질과 함께 사용될 수 있다. 비제한적인 예시적 구성에서, 대안적 실시예의 스택은 외부 압력 베셀을 사용함이 없이 대기압(예를 들면, 1 대기압)에서 수성 아연-브롬화물 전해질과 함께 사용될 수 있다.
인서트(201)는 도 14a 및 도 14b에 도시된 바와 같이 각 조립체(50) 내 흐름 채널(19) 내에 비-다공성 전극(25) 상에 얹혀진다. 도 15a에 도시된 바와 같이, 인서트(201)는 일측이 대향측보다 더 두꺼운 플라스틱 또는 또 다른 전기적 절연 인서트(예를 들면, 세라믹, 유리, 등)을 포함할 수 있다.
방전 모드 전해질 주입구(62)에 이웃하여 위치된 인서트의 제1 부분(201A)은 공통 전해질 배출구(65)에 이웃하여 위치된 인서트의 제2 부분(201B)보다 얇다. 바람직하게, 부분(201A) 및 부분(201B)은 도 14b에 도시된 바와 같이 각각의 주입구(62) 및 배출구(65) 밑에 위치된 프레임(30)의 이웃 부분과 거의 동일한 두께를 갖는다. 각 흐름 채널(19)의 갭은 인서트(201)의 제2 부분(201B) 위에서보다 인서트의 제1 부분(201A) 위에서 더 높다. 주입구(62) 끝에 흐름 채널(19) 갭 높이(19A)는 배출구(65/44) 끝에서 갭 높이(19B)보다 3 ~ 4배와 같이 2 내지 5배, 예를 들면 3배 더 작을 수 있다. 예를 들면 갭 높이(19A)는 0.75 내지 3mm와 같이 0.2 내지 10mm, 예를 들면 1.5mm일 수 있고, 갭 높이(19B)는 0.25 내지 0.75mm와 같이 0.1 내지 2mm, 예를 들면 0.5mm일 수 있다.
인서트(201)는 경사진 상부 표면(203)을 갖는다. 다양한 경사 구성들이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 상부 표면(203)은 도 16a에 도시된 바와 같이 일정한 경사, 혹은 도 16b에 도시된 바와 같이 복수의 별개의 경사들(예를 들면, 주입구에서 더 급격한 경사 및 배출구에서 덜 급격한 경사), 혹은 도 16c에 도시된 바와 같이 매끄럽게 가변하는 램프(ramped) 경사를 가질 수 있다. 흐름 채널 갭의 정밀한 형상은 인서트(201)의 상부 표면(203)의 요망되는 경사를 선택함으로써 요망되는 흐름 특징들을 달성하기 위해 조율될 수 있다.
인서트(201)는 도 15b에 도시된 바와 같이 인서트(201)의 상부 표면(203)과 다공성 전극(23)의 하부 사이에 흐름 채널(19)의 개방된 부분(즉, 갭)이 위치되게, 전기적 도전성 스페이서들(18) 사이에 흐름 채널(19) 내에 삽입된다. 이에 따라, 두 스페이서들(18)을 갖는 조립체(50)는 도 14a에 도시된 바와 같이 3개의 인서트들(201)을 내포할 수 있다. 한 중간의 인서트(201)는 2개의 스페이서들(18) 사이에 위치되고, 2개의 끝 인서트들(201)은 셀 프레임(30)과 스페이서들(18) 중 하나 사이에 위치된다.
인서트들(201)은 중력(즉, 전극(25) 상에 평탄하게 놓인다), 마찰(즉, 스페이서들(18) 사이, 스페이서(18)와 프레임(30) 사이, 혹은 비-다공성 전극(25)과 다공성 전극(23) 사이에 웨지된다), 접착(예를 들면, 전극(25)과 인서트(201)의 하부 사이에 위치된 접착층), 및/또는 기계식 패스너들(fasteners)(예를 들면, 볼트들, 클램프들, 등)에 의해 조립체 내 적소에 유지될 수 있다. 도 14a에 점선들로 나타낸 클로즈업한 영역 "E"는 비교적 유연한 인서트 가장자리 부분들을 위쪽으로 만곡시킴으로써 마찰(예를 들면, 스페이서(18)와 프레임(30) 사이)에 의해 인서트(201)가 어떻게 적소에 웨지될 수 있는가를 도시한다. 대안적으로, 인서트는 수평 연결 부분에 의해 연결된 2개의 수직한 윙 부분들을 가진 "U" 단면 형상을 가질 수 있다. 윙 부분들은 이웃 장치 요소들과의 마찰 접촉을 제공한다.
스트립 형상의 인서트들(201)이 도 14 및 도 15에 도시되었지만, 가변 높이 갭 흐름 채널(19)을 형성하기 위해 다른 구현들이 사용될 수도 있다. 예를 들면, 도 14a에 도시된 바와 같이 각 조립체(50) 내에 복수의 스트립 형상의 인서트들을 사용하는 대신에, 단일의 판 형상의 인서트가 대신에 사용될 수도 있다. 판 형상의 인서트는 스페이서들(18)을 수용하는 관통 슬릿들을 갖는 절연 판을 포함할 수 있다. 이 구성에서, 스페이서들(18)은 판 형상의 인서트 내 슬릿들을 관통하여 돌출한다.
또 다른 구성에서, 별개의 인서트(201)는 생략되고, 비-다공성 전극(25)은 흐름 채널에 불균일한 갭 높이를 제공하기 위해 불균일한 높이 또는 두께(즉, 배출구 가까이에선 더 두껍고 주입구 가까이에선 더 얇은)을 가질 수 있다.이에 따라, 도 16a ~ 도 16c에 도시된 경사진 상측 표면(203)를 갖는 인서트들을 사용하기보다는, 비-다공성 전극(25)은 도 16a ~ 도 16c에 도시된 형상들을 가질 수 있다.
압력 및 모멘텀 효과에 기인하여, 반응물(예를 들면, 전해질, 등) 흐름은 균일한 높이 흐름 채널(19)이 사용될 때 다공성 전극(23)의 배출구(65) 끝을 선호하는 경향을 갖는다. 경사진 높이 형상을 흐름 채널(19)에 더하는 것은 흐름 채널(19)(방전 모드 주입구(62)로부터 그리고 공통 배출구(65) 및 바이패스(44) 끝을 향하여)의 길이를 따라 유체 저항을 증시켜 그럼으로써 도 14b에 화살표들로 나타낸 바와 같이, 배출구 가까이에서 더 큰 반응물 흐름에 대한 경향을 상쇄시킴으로써 다공성 전극(23)을 통한 반응물 흐름의 균일성을 개선하는데 도움을 줄 수 있다. 다공성 전극(23)을 통한 균일한 반응물 흐름은 요구되는 총 흐름을 최소화함으로써 적절한 반응물 공급을 유지하는데 중요하며, 또한 도금 질 및 전극 내구성을 개선할 수 있다.
도 17은 단일 흐름 배터리 셀에 대해서 mm 단위로 흐름 채널을 따른 거리 x의 함수로서 mm/s 단위로 전해질의 산출된 수직 흐름 속도(Vy)의 플롯이다. 선(210)은 균일한 높이(즉, 인서트 없음)를 가진 4 mm 높이의 흐름 채널(19)에 있어서의 흐름 속도를 도시한 것이다. 반응물 흐름의 100%가 방전 모드 주입구(62)로부터 채널(19) 내에 제공되고 반응물 흐름의 100%는 공통 배출구(65)(즉, 바이패스(44)를 통한 반응물 흐름이 없음)로부터 셀에서 나간다. 선(212)은 균일한 높이(즉, 인서트 없음)을 가진 1.5 mm 높이의 흐름 채널(19)에 있어서의 흐름 속도를 도시한 것이다. 반응물 흐름의 100%가 방전 모드 주입구(62)로부터 채널(19) 내에 제공되고 반응물 흐름의 100%는 공통 배출구(65)(즉, 바이패스(44)를 통한 반응물 흐름이 없음)로부터 셀에서 나간다. 선(214)은 불균일한 갭 높이를 가지며 인서트(201)를 내포하는 흐름 채널(19)에 있어서의 흐름 속도를 도시한 것이다. 인서트(201)는 도 16b에 도시된 바와 같이 2개의 개별적인 경사들을 가진 웨지 형상을 갖는다. 흐름 채널(19) 높이는 중앙에서 1.5mm이고 배출구 끝에서 0.5mm이다. 반응물 흐름의 100%가 방전 모드 주입구(62)로부터 채널(19) 내에 제공되고 반응물 흐름의 100%는 공통 배출구(65)(즉, 바이패스(44)를 통한 반응물 흐름이 없음)로부터 셀에서 나간다. 알 수 있는 바와 같이, 경사진 (불균일한) 갭 높이를 가진 흐름 채널의 속도 프로파일(214)은 균일한 갭 높이를 가진 흐름 채널들에 대한 프로파일들(210, 212)보다 더 균일하다.
또 다른 실시예에서, 흐름 채널들(19)을 가로지르는 균일한 흐름 분배는 방전 모드에서 전해질을 충전 모드 주입구(61) 및 방전 모드 주입구(62) 둘 다를 통해 셀들 내로 그리고 셀들로부터 공통 출구(65) 및 바이패스(44) 둘 다를 통해 흐르게 함으로써 달성될 수 있다. 예를 들면, 충전 모드 주입구(61)를 통해 방전 모드 주입구(62)로 반응물 볼륨 흐름비는 20%:80%와 같이 10 ~ 30%:90 ~ 70%일 수 있다. 공통 배출구(65)를 통해 바이패스(44)로 반응물 볼륨 흐름비는 90/10%와 같이 85 ~ 95%: 15 ~ 5%일 수 있다. 바람직하게, 공통 배출구(65) 및 바이패스(44)를 통하는 반응물 볼륨 흐름비 뿐만 아니라 충전 모드 주입구(61) 및 방전 모드 주입구(62)를 통한 반응물 볼륨 흐름 비는 충전 및 방전 동작 모드들 둘 다에서 동일하다. 이 구성의 잇점은 이것이 충전 모드에서 방전 모드로 전환하기 위한 밸브를 요구하지 않는다는 것이다.
바람직하게, 충전 모드 주입구(61)를 통하는 볼륨 흐름은 공통 배출구(65)를 통하는 볼륨 흐름보다 작다. 이 구성의 잇점은 균일한 흐름 분배를 위한 밸브를 요구하지 않는다는 것이다.
전술한 바가 특정한 바람직한 실시예들을 언급할지라도, 발명이 이와 같이 제한되지 않음이 이해될 것이다. 다양한 수정들이 개시된 실시예들에 행해질 수 있고 이러한 수정들은 발명의 범위 내에 있게 한 것임이 당업자들에게 일어날 것이다. 본원에 인용된 모든 공보들, 특허 출원들 및 특허들은 이들 전체를 참조로 본원에 포함시킨다.
Claims (39)
- 흐름(flow) 배터리에 있어서,
제1 전극;
제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치된 반응 구역으로서,
상기 흐름 배터리는 충전 모드에서 제1 전해질 흐름 구성을 갖고 방전 모드에서 제2 전해질 흐름 구성을 갖게 구성되며;
상기 제1 전해질 흐름 구성은 적어도 부분적으로 상기 제2 전해질 흐름 구성과는 상이한, 반응 구역;
상기 전해질의 적어도 일부분을 상기 충전 모드로 상기 반응 구역에 제공하도록 구성된 충전 모드 전해질 주입구;
상기 전해질의 적어도 일부분을 상기 방전 모드로 상기 반응 구역에 제공하도록 구성된 방전 모드 전해질 주입구로서, 상기 방전 모드 전해질 주입구는 상기 충전 모드 전해질 주입구와는 다른, 방전 모드 전해질 주입구; 및
상기 충전 모드 전해질 주입구 및 상기 방전 모드 전해질 주입구와는 다른 공통 충전 및 방전 모드 전해질 배출구로서, 상기 공통 충전 및 방전 모드 전해질 배출구는 상기 반응 구역으로부터의 상기 전해질을 상기 충전 모드 및 상기 방전 모드로 제공하도록 구성되는, 공통 충전 및 방전 모드 전해질 배출구;
를 포함하는, 흐름 배터리. - 제1항에 있어서,
상기 제1 전극은 상기 방전 모드에서 양의 전극으로서 기능하는 투과성 전극을 포함하며;
상기 제2 전극은 상기 방전 모드에서 음의 전극으로서 기능하는 불투과성 산화가능 금속 전극을 포함하는, 흐름 배터리. - 제2항에 있어서,
상기 충전 모드 전해질 주입구는 상기 제1 및 상기 제2 전극들 사이의 상기 반응 구역 내에 위치되고;
상기 방전 모드 전해질 주입구는 상기 반응 구역에서 떨어져 면하는 상기 제1 전극의 표면에 이웃한 상기 반응 구역 밖에 위치되고;
상기 공통 전해질 배출구는 상기 제1 및 상기 제2 전극들 사이의 상기 반응 구역 내에 위치되는, 흐름 배터리. - 제3항에 있어서,
상기 충전 모드 전해질 주입구는 셀의 적어도 하나의 전극을 지지하는 제1 프레임의 하부 표면 내 복수의 충전 모드 주입구 채널들에 연결되며;
상기 방전 모드 전해질 주입구는 상기 프레임의 상기 하부 표면에 대향하는 상기 제1 프레임의 상부 표면 내 복수의 방전 모드 주입구 채널들에 연결되며;
상기 공통 전해질 배출구는 상기 프레임의 상기 하부 표면 내 복수의 배출구 채널들에 연결되는, 흐름 배터리. - 제4항에 있어서,
상기 흐름 배터리는 전기적으로 직렬 연결된 한 스택의 흐름 셀들, 및 상기 한 스택의 흐름 셀들을 지지하는 한 스택의 프레임들을 포함하며;
각 흐름 셀은 한개의 제1 전극 및 한개의 제2 전극을 포함하고;
상기 복수의 충전 모드 주입구 채널들은 상기 한 스택의 프레임들 내 정렬된 제1 개구들에 의해 형성된 충전 모드 주입구 매니폴드에 연결되고;
상기 복수의 방전 모드 주입구 채널들은 상기 한 스택의 프레임들 내 정렬된 제2 개구들에 의해 형성된 방전 모드 주입구 매니폴드에 연결되고;
상기 복수의 배출구 채널들은 상기 한 스택의 프레임들 내 정렬된 제3 개구들에 의해 형성된 공통 배출구 매니폴드에 연결되고;
상기 한 스택의 흐름 셀들은 전해질을 내포하는 저류지로부터 따로 위치되고;
상기 제1 전극은 다공성의 루텐화된 티타늄을 포함하며;
상기 제2 전극은 상기 충전 모드 동안 아연으로 코팅되는 티타늄을 포함하는, 흐름 배터리. - 제5항에 있어서,
상기 충전 모드 주입구 매니폴드에 연결된 충전 모드 펌프;
상기 방전 모드 주입구 매니폴드에 연결된 방전 모드 펌프;
상기 공통 배출구 매니폴드에 연결되는 상기 프레임의 상기 상부 표면 내의 적어도 하나의개의 바이패스 채널;
상기 스택 내 한 흐름 셀의 상기 제1 전극을 상기 스택 내의 이웃한 흐름 셀의 상기 제2 전극에 전기적으로 연결하는 복수의 도전성 스페이서들; 및
상기 방전 모드 전해질 주입구가 상기 복수의 흐름 채널들에 연결되게, 상기 도전성 스페이서들 사이에 그리고 각 셀 내 상기 제1 전극들 위에 위치된 복수의 흐름 채널들을 더 포함하는, 흐름 배터리. - 제3항에 있어서,
상기 충전 모드 전해질 주입구는 상기 충전 모드에서 모든 상기 전해질을 상기 반응 구역 내에 제공하게 구성되고 상기 방전 모드 전해질 주입구는 상기 충전 모드에서 상기 반응 구역 내에 어떠한 전해질도 제공하지 않게 구성되며;
상기 방전 모드 전해질 주입구는 상기 방전 모드에서 상기 전해질의 전부 혹은 일부를 상기 반응 구역 내에 제공하게 구성되고 상기 충전 모드 전해질 주입구는 상기 방전 모드에서 상기 반응 구역 내에 어떠한 전해질도 제공하지 않거나 상기 전해질의 일부를 제공하도록 구성되는, 흐름 배터리. - 흐름 배터리를 동작시키는 방법으로서,
충전 모드에서 제1 흐름 구성과 방전 모드에서 제2 흐름 구성으로 전해질을 흐르게 하는 단계로서, 상기 제1 흐름 구성은 상기 제2 흐름 구성과는 적어도 부분적으로 상이한, 전해질을 흐르게 하는 단계를 포함하며;
상기 흐름 배터리는 제1 전극, 제2 전극, 및 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치된 반응 구역을 포함하는 흐름 셀을 포함하며;
상기 충전 모드에서, 상기 전해질은 상기 충전 모드 전해질 주입구로부터 상기 반응 구역 내에, 그리고 상기 반응 구역으로부터 공통 충전 및 방전 모드 전해질 배출구 내에 제공되며;
상기 방전 모드에서, 상기 전해질의 적어도 일부분은 방전 모드 전해질 주입구로부터 상기 반응 구역 내에, 그리고 상기 반응 구역으로부터 상기 공통 충전 및 방전 모드 전해질 배출구 내에 제공되며;
상기 방전 모드 전해질 주입구는 상기 충전 모드 전해질 주입구와 상이한, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 제1 전극은 상기 방전 모드에서 양의 전극으로서 기능하는 투과성 전극을 포함하며;
상기 제2 전극은 상기 방전 모드에서 음의 전극으로서 기능하는 불투과성 산화가능 금속 전극을 포함하는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 제8항에 있어서,
상기 충전 모드 전해질 주입구는 상기 제1 및 상기 제2 전극들 사이의 상기 반응 구역 내에 위치되고;
상기 방전 모드 전해질 주입구는 상기 반응 구역에서 떨어져 면하는 상기 제1 전극의 표면에 이웃한 상기 반응 구역 밖에 위치되고;
상기 공통 충전 및 방전 모드 전해질 배출구는 상기 제1 및 상기 제2 전극들 사이의 상기 반응 구역 내에 위치되는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 흐름 구성은 상기 흐름 셀 내의 상기 제2 흐름 구성과는 상이하며;
상기 충전 모드에서, 모든 상기 전해질은 상기 충전 모드에서 상기 충전 모드 전해질 주입구로부터 상기 반응 구역 내에 제공되며, 어떠한 전해질도 상기 방전 모드 전해질 주입구로부터 상기 제1 전극을 통해 상기 반응 구역 내에 제공되지 않으며;
상기 방전 모드에서, 상기 전해질의 모든 또는 일부는 상기 방전 모드 전해질 주입구로부터 상기 제1 전극을 통해 상기 반응 구역 내에 제공되고, 어떠한 전해질도 상기 충전 모드 전해질 주입구로부터 상기 반응 구역 내에 제공되지 않거나 상기 전해질의 일부가 상기 충전 모드 전해질 주입구로부터 상기 반응 구역 내에 제공되는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 제9항에 있어서,
상기 전해질은 금속 할라이드 전해질을 포함하고;
상기 흐름 셀은 한 스택의 흐름 셀들 내에 위치되고;
상기 한 스택의 흐름 셀들은 전해질을 내포하는 저류지로부터 따로 위치되며; 및
적어도 하나의 펌프를 사용하여 상기 충전 및 상기 방전 모드에서 상기 저류지와 상기 한 스택의 흐름 셀들 사이에 상기 금속 할라이드 전해질을 펌핑하는 단계를 더 포함하는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 제12항에 있어서, 상기 제1 전극은 다공성 루텐화된 티타늄을 포함하고, 상기 제2 전극은 아연이 도금된 티타늄을 포함하고, 상기 스택은 직렬로 연결된 수직의 한 스택의 수평 흐름 셀들을 포함하는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법.
- 제8항에 있어서, 상기 흐름 배터리는 동일한 상기 제1 및 제2 흐름 구성들로 동작하는 흐름 배터리보다 더 큰 동전기(動電氣)(voltaic) 및 콜럼빅(columbic) 효율로 동작하는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법.
- 제10항에 있어서,
상기 충전 모드에서:
(a) 모든 상기 전해질은 상기 충전 모드 전해질 주입구로부터 상기 반응 구역 내에 제공되며;
(b) 상기 전해질은:
(i) 상기 제1 및 제2 전극들 사이의 상기 반응 구역 내에 위치된 충전 모드 전해질 배출구; 및
(ii) 상기 제1 전극, 및 상기 반응 구역에서 떨어져 면한 상기 제1 전극의 표면에 이웃한 상기 반응 구역 밖에 위치된 바이패스 도관
의 둘다 모두를 통해 상기 반응 구역으로부터 상기 공통 전해질 배출구 내에 제공되고; 및
(c) 어떠한 전해질도 상기 방전 모드 전해질 주입구로부터 상기 제1 전극을 통해 상기 반응 구역 내에 제공되지 않으며;
상기 방전 모드에서:
(a) 모든 상기 전해질은 상기 방전 모드 전해질 주입구로부터:
(i) 상기 제1 전극을 통해 상기 반응 구역 내에; 및
(ii) 상기 바이패스 도관 내에 직접 제공되며;
(b) 상기 전해질은 상기 반응 구역으로부터 상기 충전 모드 전해질 배출구를 통해 상기 공통 전해질 배출구 내에 제공되며;
(c) 어떠한 전해질도 상기 충전 모드 전해질 주입구로부터 상기 반응 구역 내에 제공되지 않는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 흐름 배터리로서,
전기적으로 직렬 연결된 수직 스택에 배치되고, 흐름 채널들에 의해 분리된 수평 흐름 셀들로서, 각 흐름 셀은:
방전 모드에서 양의 전극으로서 기능하는 투과성 제1 전극;
불투과성 산화가능 금속을 포함하고, 상기 방전 모드에서 음의 전극으로서 기능하는 제2 전극;
상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 위치한 반응 구역;
전해질을 상기 반응 구역 내에 제공하도록 구성된 주입구;
충전 모드 및 상기 방전 모드 동안 상기 반응 구역으로부터 전해질을 수용하도록 구성된 충전 모드 전해질 배출구; 및
상기 충전 모드 동안 상기 흐름 채널들로부터 전해질을 수용하도록 구성된 방전 모드 전해질 배출구로서, 상기 충전 모드 동안의 전해질 흐름 경로는 상기 방전 모드 동안의 전해질 흐름 경로와 적어도 부분적으로 상이한, 방전 모드 전해질 배출구;
를 포함하는, 수평 흐름 셀들; 및
상기 제1 및 제2 전극들을 지지하는 프레임들을 포함하고,
상기 흐름 채널들은 상기 충전 모드 동안 상기 제1 전극들을 통과하는 상기 전해질의 일부분을 수용하도록 구성되고,
상기 프레임들은:
상기 프레임들의 하부 표면들에 형성되고, 상기 충전 모드 전해질 배출구들로부터 상기 전해질을 수용하도록 구성된 방전 모드 배출구 채널들; 및
상기 프레임들의 대향하는 상부 표면들에 형성되고, 상기 방전 모드 전해질 배출구들로부터 상기 전해질을 수용하도록 구성된 충전 모드 배출구 채널들;
을 포함하는, 흐름 배터리. - 제16항에 있어서,
상기 충전 모드 배출구 채널들은 상기 프레임들 내에 형성된 충전 모드 배출구 매니폴드에 연결되며;
상기 방전 모드 배출구 채널들은 상기 프레임들 내에 형성된 방전 모드 배출구 매니폴드에 연결되는, 흐름 배터리. - 제16항에 있어서,
각 충전 모드 전해질 배출구는 상기 충전 모드에서 상기 전해질의 액화된 할로겐 반응물 희소 부분을 저류지 내에 제공하도록 구성되며;
각 방전 모드 전해질 배출구는 상기 충전 모드에서 상기 전해질의 액화된 할로겐 반응물 농후 부분을 상기 저류지 내에 제공하도록 구성되며;
각 방전 모드 전해질 배출구는 상기 방전 모드에서 상기 반응 구역으로부터 어떠한 전해질도 수용하지 않도록 구성되고, 각 충전 모드 전해질 배출구는 상기 방전 모드에서 액화된 할로겐 반응물 희소 전해질을 포함하는 모든 전해질을 상기 반응 구역으로부터 상기 적어도 하나의 저류지에 제공하도록 구성되며;
상기 제1 전극은 다공성의 루텐화된 티타늄을 포함하며;
상기 제2 전극은 상기 충전 모드 동안 아연으로 코팅되는 티타늄을 포함하며,
상기 전해질은 수성 아연 브롬화물 전해질을 포함하며;
상기 액화된 할로겐 반응물은 액화된 염소 반응물을 포함하는, 흐름 배터리. - 흐름 채널들에 의해 분리되는 한 스택의 흐름 셀들, 및 상기 흐름 셀들을 지지하는 프레임들을 포함하고, 상기 흐름 셀들 각각은 방전 모드에서 양의 전극으로서 기능하는 투과성 제1 전극, 불투과성 산화가능 금속을 포함하고, 상기 방전 모드에서 음의 전극으로서 기능하는 제2 전극, 상기 제1 전극과 상기 제2 전극 사이에 배치된 반응 구역, 전해질을 상기 반응 구역 내에 제공하도록 구성된 주입구, 충전 모드 및 상기 방전 모드 동안 상기 반응 구역으로부터 전해질을 수용하도록 구성된 충전 모드 전해질 배출구, 및 상기 충전 모드 동안 상기 흐름 채널들로부터 전해질을 수용하도록 구성된 방전 모드 전해질 배출구를 포함하는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법으로서, 상기 방법은:
충전 모드에서, 상기 전해질의 액화된 할로겐 반응물 희소 부분은 상기 반응 구역들을 통해 상기 충전 모드 전해질 배출구들 내에 흐르고, 상기 전해질의 액화된 할로겐 반응물 농후 부분은 상기 제1 전극들을 통해 상기 흐름 채널들 내에 흐르고, 그런 후에 상기 방전 모드 전해질 배출구들 내에 흐르도록, 전해질을 제1 주입구들을 통해 상기 반응 구역 내에 흐르게 하는 단계; 및
방전 모드에서, 상기 전해질이 상기 방전 모드 전해질 배출구들을 통해 흐르지 않도록, 상기 전해질을 상기 제1 주입구들을 통해, 상기 반응 구역들을 통해 상기 충전 모드 전해질 배출구들 내에 흐르게 하는 단계를 포함하고,
상기 충전 모드에서의 상기 전해질의 흐름 경로는 상기 방전 모드에서의 상기 전해질의 흐름 경로와 최소한 부분적으로 다르며,
상기 프레임들은:
상기 프레임들의 하부 표면들 내에 형성되고, 상기 충전 모드 전해질 배출구들로부터 상기 전해질의 액화된 할로겐 반응물 희소 부분을 수용하도록 구성된 방전 모드 배출구 채널들; 및
상기 프레임들의 대향하는 상부 표면들 내에 형성되고, 상기 방전 모드 전해질 배출구들로부터 상기 전해질의 액화된 할로겐 반응물 농후 부분을 수용하도록 구성된 충전 모드 배출구 채널들을
포함하는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 제19항에 있어서, 상기 흐름 채널들은 이웃한 흐름 셀들의 제1 및 제2 전극들을 전기적으로 연결하는 도전성 스페이서들 사이에 배치되는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법.
- 제20항에 있어서, 상기 흐름 채널들 각각은 불균일한 갭 높이를 갖는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법.
- 제16항에 있어서, 전해질이 상기 방전 모드 동안 상기 방전 모드 전해질 배출구를 통해 흐르는 것을 방지하고, 전해질이 상기 충전 모드 동안 상기 방전 모드 전해질 배출구를 통해 흐를 수 있게 하도록 구성된 배출구 밸브를 더 포함하는, 흐름 배터리.
- 제22항에 있어서, 상기 충전 모드 전해질 배출구들 및 방전 모드 전해질 배출구들을 전해질 저류지에 유체적으로 연결하는 적어도 하나의 도관을 추가로 포함하고,
상기 배출구 밸브는 상기 적어도 하나의 도관들 중 하나 상에 배치되는, 흐름 배터리. - 제16항에 있어서,
상기 충전 모드 전해질 배출구들은 상기 반응 구역들로부터 전해질을 직접 수용하도록 구성되고,
상기 방전 모드 전해질 배출구들은 상기 흐름 채널들로부터 전해질을 직접 수용하도록 구성되는, 흐름 배터리. - 제19항에 있어서,
상기 충전 모드에서, 상기 전해질의 상기 액화된 할로겐 반응물 희소 부분은 상기 충전 모드 전해질 배출구들로부터 상기 방전 모드 배출구들 내에 흐르고, 상기 전해질의 상기 액화된 할로겐 반응물 농후 부분은 상기 방전 모드 전해질 배출구들로부터 상기 충전 모드 배출구들 내에 흐르며;
상기 방전 모드에서, 상기 전해질은 상기 충전 모드 전해질 배출구들로부터 상기 방전 모드 배출구들 내에 흐르는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 제19항에 있어서,
상기 충전 모드에서, 배출구 밸브는 상기 전해질의 액화된 할로겐 반응물 농후 부분이 상기 방전 모드 전해질 배출구들을 통해 흐르도록 개방되며;
상기 방전 모드에서, 상기 배출구 밸브는 상기 전해질이 상기 방전 모드 전해질 배출구들을 통해 흐르는 것을 방지하도록 차단되는, 흐름 배터리를 동작시키는 방법. - 삭제
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