JP2013509671A - 臭素錯体バルブ - Google Patents

Abstract

亜鉛臭素流動電解液電池は、負電解液循環路内で負電解液を循環させる負電解液ポンプと、正電解液循環路内で正電解液を循環させる正電解液ポンプとを備え、正電解液タンク内に位置する錯体化臭素を有し、正電解液タンクは正電解液循環路と流体連通する。使用時に、負電解液ポンプまたは正電解液ポンプのいずれかの優先的始動により、正電解液のみ、または正電解液と錯体化臭素の混合物のいずれを正電解液循環路内で循環させるかを決定する。

Description

本発明は、流動電解液電池に関する。特に、限定はしないが、本発明は、流動電解液電池用の臭素錯体バルブに関する。

スタンドアロン型電源システムで使用される電池は、一般的には鉛酸電池である。しかしながら、鉛酸電池は、性能と環境上の安全性の点で制限がある。たとえば、典型的な鉛酸電池は、高温気候の状況下、特に時折完全に放電される場合は、非常に寿命が短いことが多い。また、鉛が鉛酸電池の主要要素であり、製造や廃棄中に環境上の課題をもたらすことから、鉛酸電池は環境に有害である。

亜鉛臭素電池、亜鉛塩素電池、バナジウム流電池などの流動電解液電池は、鉛酸電池の上記制限を克服する可能性を提供する。具体的には、流動電解液電池の動作寿命は重放電使用に影響を受けず、流動電解液電池のエネルギー対重量比は、鉛酸電池の最大６倍である。

流動電解液電池は鉛酸電池と同様、個々の電池の電圧よりも高い総電圧を生成する多数の電池を備える。しかし、鉛酸電池と異なり、流動電解液電池中の電池は、電解液循環路を通じて液体接続される。

図１は、従来技術によって知られている基本的な亜鉛臭素流動電解液電池１００を示すフロー図である。亜鉛臭素電池１００は、負電解液循環路１０５と独立した正電解液循環路１１０とを含む。負電解液循環路１０５は活性化学物質として亜鉛イオンを含み、正電解液循環路１１０は活性化学物質として臭素イオンを含む。亜鉛臭素電池１００は、負電解液ポンプ１１５、正電解液ポンプ１２０、負亜鉛電解液（陽極液）タンク１２５、および正臭素電解液（陰極液）タンク１３０も備える。通常、錯化剤が臭素電解液に添加されて、元素臭素の反応度と蒸気圧とを低減させるポリ臭素錯体を生成する。

高圧を達成するため、亜鉛臭素電池１００は、双極構造で接続される多数の電池を備える。たとえば、電池１３５は、双極極板１５５と微孔セパレータ板１６５とを含む半電池１４０、１４５を備える。亜鉛臭素電池１００は、コレクタ電極板１６０に正極端部を、別のコレクタ電極板１５０に負極端部を有する。

半電池１４５などの充電中の正半電池内の化学反応は、以下の式で表すことができる。

２Ｂｒ⁻→Ｂｒ_２＋２ｅ⁻ 式１

臭素は、このように正電解液循環路１１０と水力連通する反電池内に生成され、その後、正臭素電解液タンク１３０に貯蔵される。半電池１４０などの負半電池内の充電中の化学反応は、以下の式で表すことができる。

Ｚｎ^２＋２ｅ⁻→Ｚｎ 式２

金属亜鉛層１７０は、このように負電解液循環路１０５と接するコレクタ電極板１５０上に生成される。

半電池１４０、１４５内の放電中の化学反応は式１および式２の逆であり、つまり、正臭素電解液タンク１３０に貯蔵される錯体化臭素は、半電池１４０および１４５に利用可能にされねばならない。通常、錯体化臭素は、正臭素電解液（陰極液）タンク１３０の底部に定着し、充電中に錯体化臭素を循環させることは望ましくないため、正電解液ポンプ１２０は、水性臭素電解液を正電解液循環路１１０に引き込むためだけに該電解液面の上方に位置する入口を有する。したがって、錯体化臭素を正臭素電解液タンク１３０の底部から引き込み、正電解液循環路１１０に導入するために、別個の臭素錯体ポンプ１７５が必要である。上述したように、このポンプは放電中にのみ動作させられる。

したがって、完全に動作可能な亜鉛臭素流動電解液電池は、２つの活性電解液と錯体化臭素が効率的に、かつ適切な時間にのみ確実に循環されるように、３つの異なるポンプまたは少なくとも２つのポンプと電動バルブとを有する。第３のポンプは、動作にとって重要な放電相において相当の電流を引き出して、電池効率全体を低減させる。電動バルブも相当の電流を引き出す場合がある。いずれの場合も、複雑な臭素流を制御するために電気的な装置が採用されることで、コストと複雑さを増大させ、電池の信頼性と効率を低減させることがある。

したがって、本発明の目的は、従来技術の上記欠点の少なくとも１つを克服または軽減する、または有用なもしくは商業的に魅力的な代替物を少なくとも提供することである。
第１の形式では、唯一または確実に最も広い形式であることを必要としないが、本発明は、
負電解液循環路内で負電解液を循環させる負電解液ポンプと、
正電解液循環路内で正電解液を循環させる正電解液ポンプと、
前記正電解液循環路と流体連通する正電解液タンク内に位置する錯体化臭素と、
を備える亜鉛臭素流動電解液電池であって、
使用時に、負電解液ポンプまたは正電解液ポンプのいずれかの優先的始動により、正電解液のみ、または正電解液と錯体化臭素の混合物のいずれを正電解液循環路内で循環させるかを決定する電池に帰する。

好ましくは、負電解液ポンプまたは正電解液ポンプのうちの少なくとも一方の始動が、電解液流制御機構の圧力始動切換を生じさせる。
好適には、電解液流制御機構は正電解液取入口と正電解液／錯体化臭素取入口とを備え、電解液流バルブの圧力始動切換は一方から他方への流量を増大させる。

第２の形式では、本発明は、
亜鉛臭素流動電解液電池の正電解液循環路内での錯体化臭素の流を調節する方法であって、
（ａ）負電解液ポンプまたは正電解液ポンプのうちの一方を始動するステップと、
（ｂ）次にステップ（ａ）で始動されなかった電解液ポンプを始動するステップと、
を備え、
負電解液ポンプまたは正電解液ポンプのいずれを先に始動するかの選択により、正電解液のみ、または正電解液と錯体化臭素の混合物のいずれを正電解液循環路内で循環させるかを決定する方法に帰する。

第３の形式では、本発明は、
（ａ）負電解液拡張可能チャンバへの負電解液入口開口部と、
（ｂ）正電解液拡張可能チャンバへの正電解液入口開口部と、
（ｃ）負電解液拡張可能チャンバの床面と連通する第１のアクチュエータおよび正電解液拡張可能チャンバの床面と連通する第２のアクチュエータと、
（ｄ）１つまたはそれ以上の隣接する電解液流開口と一致させることのできる第１および第２のアクチュエータのそれぞれの切断部と、
を備える亜鉛臭素流動電解液電池の電解液流制御機構であって、
負電解液または正電解液の対応する拡張可能チャンバへの優先的進入により、アクチュエータの切断部と隣接する開口とが流体連通しないように、チャンバが拡張して対応するアクチュエータを変位させる機構に帰する。

第４の形式では、本発明は、
（ａ）負電解液入口、正電解液入口、および錯体化臭素入口と、
（ｂ）ヘッド、シャフト、および拡張後部を有するピストンと、
を備える亜鉛臭素流動電解液電池の電解液流制御機構であって、
対応する負または正電解液入口を通る負電解液または正電解液の優先的な流が、ピストンの隣接面に対抗する力を生成して、流を受け入れない他方の負または正電解液入口に近づくようにピストンを変位させることによって、ピストンヘッドに、錯体化臭素入口を通る錯体化臭素の進入を促進または阻止させる機構に帰する。

第５の形式では、本発明は、
（ａ）拡張可能チャンバへの電解液入口開口部と、
（ｂ）第１の端部で、前記拡張可能チャンバの床面と連通するアクチュエータと、
（ｃ）アクチュエータの第２の端部に装着される入口プラットフォームと、
（ｄ）入口プラットフォームの上面と封止係合するように構成される正電解液入口と、
を備える亜鉛臭素流動電解液電池の電解液流制御機構であって、
電解液入口に接続される電解液ポンプの優先的始動により、電解液を流入して拡張可能チャンバを拡張させることによって、アクチュエータを変位させ、入口プラットフォームを正電解液入口から変位させて正電解液を正電解液流管に流入させる機構に帰する。

本発明の理解を助け、当業者が本発明を実施できるように、本発明の好適な実施形態を例示のために添付図面を参照して以下説明する。
従来技術により既知な基本的な亜鉛臭素流動電解液電池を示す図である。 本発明の一実施形態に係る正電解液ポンプユニットの透視図である。 図２に示される正電解液ポンプユニットの上平面図である。 図３に示される線Ａ−Ａに沿った、中立位置における、本発明の一実施形態に係る正電解液ポンプユニット流制御機構の部分断面図である。 正電解液のみの取入口動作位置における、図４に示される正電解液ポンプユニット流制御機構の部分断面図である。 図３に示される線Ｃ−Ｃに沿った図５Ａの正電解液ポンプユニット流制御機構の断面図である。 図３に示される線Ｂ−Ｂに沿った図５Ａの正電解液ポンプユニット流制御機構の断面図である。 正電解液／錯体化臭素混合物取入口動作位置における、図４に示される正電解液ポンプユニット流制御機構の部分断面図である。 本発明の別の実施形態に係る臭素錯体バルブの上平面図である。 開臭素錯体流位置における、図７Ａに示される線Ａ−Ａに沿った臭素錯体バルブの断面図である。 閉臭素錯体流位置における、図７Ａに示される線Ａ−Ａに沿った臭素錯体バルブの断面図である。 本発明のさらに別の実施形態に係る、閉錯体化臭素流位置における、正電解液流ユニットの断面図である。 開錯体化臭素流位置における、図８Ａに示される正電解液流ユニットの断面図である。

当業者であれば、図示される構成要素の対称的レイアウトからの些細な逸脱があったとしても、本発明の開示される実施形態の適切な機能は損なわれないことを理解するであろう。

本発明の実施形態は、亜鉛臭素流動電解液電池の正電解液循環路内での正電解液および錯体化臭素流を制御する制御機構を備える。本発明の要素は図面中、簡潔な輪郭で示されており、本明細書に鑑み当業者にとって自明な過剰な細部の開示で煩雑にならないように、本発明の実施形態の理解に必要な具体的な細部のみを示している。

本特許明細書では、第１および第２、左右、前後、上下などの形容詞は、それらの形容詞によって説明される具体的な相対的位置または順序を必ずしも必要とせずに、ある要素または方法ステップと別の要素または方法ステップとを区別して定義するためにのみ使用される。「備える」や「含む」などの文言は、限定的な要素または方法ステップのセットを定義するために用いられていない。これらの文言は、本発明の特定の実施形態に含まれる最低限の要素または方法ステップのセットを定義しているだけである。

図２に示されるように、正電解液流ユニット２００は、正電解液ポンプのポンプモータ２０５と、プラットフォーム２１０によって分離される電解液流バルブハウジング２２０とを備える。ポンプモータ２０５とプラットフォーム２１０との間には、正電解液が正電解液流ユニット２００から出て正電解液循環路に入ることができるように、正電解液出口２１５が配置される。

電解液流バルブハウジング２２０からは、Ｕベンドの形状を取り、上領域で第１の入口管開口２３０で終端となる正電解液および錯体化臭素入口管２２５が延在している。正電解液および錯体化臭素入口管２２５のＵベンドの下領域には、錯体化臭素が第２の入口管開口２４０を介して進入できる錯体化臭素入口管２３５が隣接して位置する。錯体化臭素入口管２３５は、正電解液および錯体化臭素入口管２２５の中空内部に開放される。

後で実証するように、正電解液流ユニット２００は、第１の入口管開口２３０が正電解液内に沈み開放されるが、錯体化臭素面の上方に位置するように、正電解液タンク（図示せず）内に位置する。第２の入口管開口２４０は、正電解液タンクの底部に蓄積する錯体化臭素内に沈み開放される。つまり、正電解液が、正電解液ポンプの動作により、第１の入口管開口２３０を通って正電解液および錯体化臭素入口管２２５に引き込まれると、正電解液は、正電解液および錯体化臭素入口管２２５に開放された錯体化臭素入口管２３５の端部を通過して流れる。この時点で、正電解液（水性）は、正電解液ポンプ圧により錯体化臭素入口管２３５を通って引き込まれた錯体化臭素と混合し、両者とも正電解液および錯体化臭素入口管２２５を通って電解液流バルブハウジング２２０に入る。

電解液流バルブハウジング２２０上の正電解液および錯体化臭素入口管２２５には、図２に示される実施形態では、単に電解液流バルブハウジング２２０内の開口の形状を取る正電解液入口２４５が隣接して配置される。正電解液入口２４５は第１の入口管開口２３０と同様の縦方向高さに位置しているため、使用時には、正電解液中に沈むが錯体化臭素面よりは上方にある。つまり、正電解液ポンプは正電解液入口２４５を通って液体を引き込む際、正電解液のみが電解液流バルブハウジング２２０に入ることができ、錯体化臭素は入ることができない。

負電解液バルブ制御入口２５０と正電解液バルブ制御入口２５５は、互いにプラットフォーム２１０上で隣接して配置される。負電解液バルブ制御入口２５０は亜鉛臭素流動電解液電池の負電解液ポンプの高圧出口に接続され、正電解液バルブ制御入口２５５も、同様に正電解液ポンプの高圧出口に接続される。明瞭化のため、これらの接続は図示しないが、接続の結果、負電解液ポンプがオンになると、負電解液バルブ制御入口２５０に入る負電解液の高圧流が生じ、正電解液ポンプがオンになると、正電解液バルブ制御入口２５５に入る正電解液の高圧流が生じる。正および／または負電解液の高圧供給の効果を、より詳細に以下に説明する。

図３を参照すると、ポンプモータ２０５、正電解液出口２１５、および負および正電解液圧入口２５０および２５５はそれぞれ、プラットフォーム２１０上に位置するのが分かる。正電解液および錯体化臭素入口管２２５は正電解液流ユニット２００の本体から延在しているのが分かり、正電解液および錯体化臭素入口管２２５につながる錯体化臭素入口管２３５の開口部は第１の入口管開口２３０を通じて見ることができる。図３は、図４〜図６で言及され示される断面線Ａ−Ａ、Ｂ−Ｂ、およびＣ−Ｃを示す。

図４は図３に示される線Ａ−Ａに沿った部分断面図であり、正電解液流ユニット２００内の電解液流制御機構の一実施形態を示す。図４に示される実施形態では、電解液流制御機構は、負または正電解液ポンプのいずれもが始動されていない中立位置と称される位置にある。

負電解液バルブ制御入口２５０は、下領域で、負電解液チャンバベース２６５、負電解液チャンバ壁２７０、およびプラットフォーム２１０によって画定される負電解液チャンバ２６０に開放される。図示される実施形態では、負電解液チャンバ壁２７０は、波状の拡張可能な蛇腹の形を取るが、任意の拡張可能チャンバの設計でも適切である。中立位置では、負電解液バルブ制御入口２５０の下領域は、下面で臭素錯体アクチュエータ２７５と接する負電解液チャンバベース２６５に隣接して位置する。臭素錯体開口２８０は、臭素錯体アクチュエータ２７５内の臭素錯体アクチュエータ凹部２８５を介して露出されているのを見ることができる。図４では両者が並んでいるからである。臭素錯体開口２８０は正電解液および錯体化臭素入口管２２５と流体連通しているため、図示される位置では、駆動力が存在していた場合、臭素錯体開口２８０を通る正電解液および錯体化臭素の流は阻止されないことになる。

臭素錯体アクチュエータ２７５上の臭素錯体アクチュエータ凹部２８５の位置の下方には、係止バー３００の第１の傾斜面２９５を受け入れるように形成される臭素錯体アクチュエータ切欠き２９０が位置する。中立位置において、第１の傾斜面２９５が臭素錯体アクチュエータ切欠き２９０に係合しておらず、臭素錯体アクチュエータ２７５の起こりうる移動が制限されないように、係止バー３００が位置しているのが分かる。

正電解液および錯体化臭素流制御機構に関連して記載されるレイアウトは、正電解液のみの流制御機構に関しても繰り返される。正電解液バルブ制御入口２５５は、下領域で、正電解液チャンバベース３１０、正電解液チャンバ壁３１５、およびプラットフォーム２１０によって画定される正電解液チャンバ３０５に開放される。正電解液バルブ制御入口２５５の下領域は、下面で正電解液アクチュエータ３２０と接する正電解液チャンバベース３１０に隣接して位置する。図４に示される中立位置では、正電解液開口３２５は正電解液アクチュエータ凹部３３０と一致する。正電解液開口３２５は、正電解液入口２４５と流体連通して配置される。この位置で、駆動力が存在していた場合、正電解液入口２４５および正電解液開口３２５を通る正電解液流は阻止されないことになる。

正電解液アクチュエータ３２０上の正電解液アクチュエータ凹部３３０の位置の下方には、係止バー３００の第２の傾斜面３４０を受け入れるように構成される正電解液アクチュエータ切欠き３３５が位置する。係止バー３００が自由に左右へ摺動して、臭素錯体アクチュエータ切欠き２９０または正電解液アクチュエータ切欠き３３５のいずれかと係合することは明らかである。係止バー３００は、動作時、臭素錯体アクチュエータ２７５または正電解液アクチュエータ３２０のいずれかを係止しなければならない寸法とされる。

図５Ａは、正電解液のみ取入口動作位置における、図４に示される電解液流制御機構の部分断面図である。具体的には、図５Ａに示される実施形態では、負電解液ポンプ（図示せず）はポンプモータ２０５に接続される正電解液ポンプの始動より前に始動されている。これは、負電解液ポンプを離れる高圧流体回路からの負電解液が、負電解液バルブ制御入口２５０を通って負電解液チャンバ２６０に導入されるという効果を有する。負電解液が負電解液チャンバ２６０を満たすにつれ、その内部圧力が上昇して、負電解液チャンバ壁２７０が略下向きに拡張することによって負電解液チャンバベース２６５に下向き力を印加する。次いで、臭素錯体アクチュエータ凹部２８５がもはや臭素錯体開口２８０と一致しなくなり、したがって、図５Ａで見えなくなるように、臭素錯体アクチュエータ２７５を下方に移動させる。この結果、正電解液および錯体化臭素入口管２２５から臭素錯体開口２８０への正電解液および錯体化臭素の流体流が遮断されるため、錯体化臭素は、正電解液流ユニット２００から送り出されない。

臭素錯体アクチュエータ２７５の下方移動により、係止バー３００の第２の傾斜面３４０は正電解液アクチュエータ切欠き３３５と係合させられる。よって、次に正電解液ポンプが始動され、正電解液ポンプを出る高圧流体回路からの正電解液が正電解液チャンバ３０５に導入されると、その内部圧力の変化は、係止バー３００が左方へ移動して正電解液アクチュエータ切欠き３３５を出るのを防止する臭素錯体アクチュエータ２７５の側壁のため、正電解液アクチュエータ３２０の下方への移動を達成できない。この結果、正電解液開口３２５は、正電解液入口２４５を通って導入される正電解液の流に開放されたままになる。

図５Ａに示される実施形態では、正電解液ポンプの始動前に負電解液ポンプを始動することで、正電解液のみが正電解液流ユニット２００から送り出されることが明瞭である。これは、亜鉛臭素流動電解液電池が充電中であるときに適切であろう。明らかに、高圧電解液の負および正電解液圧入口２５０および２５５、それぞれへの供給が交換された場合、負電解液ポンプと正電解液ポンプを始動する順番が逆転されることになる。

図５Ｂは、図３に示される線Ｃ−Ｃに沿った図５Ａの正電解液流ユニット２００の断面図である。図５Ａに関しては、負電解液ポンプが最初に始動されているため、流制御機構が、正電解液および錯体化臭素入口管２２５からの正電解液および錯体化臭素の流が臭素錯体開口２８０に入るのを阻止している。正電解液および錯体化臭素入口管２２５の開口部と一致しなくなるように、臭素錯体アクチュエータ凹部２８５をポンプモータ２０５へと下方に変位させているのが明らかに分かる。図５Ｂの正電解液タンクにおける上側流体面マークは正電解液のもので、下側流体面マークは錯体化臭素のものである。

図５Ｃは、図３に示される線Ｂ−Ｂに沿った図５Ａの正電解液流ユニット２００の断面図である。この特定の断面は、正電解液入口２４５を通過し、正電解液アクチュエータ凹部３３０および正電解液開口３２５と一致していることが分かる。これにより、正電解液が正電解液流ユニット２００から出て正電解液循環路に流入する途切れない流路が形成される。

図６は、正電解液と錯体化臭素の混合物取入口動作位置における、図４に示される正電解液流ユニット２００の同じ部分断面図である。本実施形態の流取入口と図４に示されるものとの差異は、負電解液ポンプの始動前に正電解液ポンプが始動される結果である。よって、高圧正電解液が正電解液チャンバ３０５に入って、正電解液チャンバ壁３１５を拡張させて正電解液アクチュエータ３２０の対応する下方移動をもたらす。この移動により、正電解液アクチュエータ凹部３３０は正電解液開口３２５と一致しなくなり、そこを通過する正電解液入口２４５からの正電解液の流を阻止する。

また、正電解液アクチュエータ３２０の移動により、係止バー３００の第１の傾斜面２９５が臭素錯体アクチュエータ切欠き２９０と係合するように、係止バー３００が左方に移動させられる。高圧正電解液の正電解液チャンバ３０５への流入が維持されつつ、係止バー３００はこの位置で有効に係止される。この結果、臭素錯体アクチュエータ凹部２８５が臭素錯体開口２８０との一致を維持することによって、正電解液および錯体化臭素の両方の流を正電解液および錯体化臭素入口管２２５から臭素錯体開口２８０に受け取らせるように、臭素錯体アクチュエータ２７５は、移動することができない。これにより、正電解液および錯体化臭素は、正電解液流ユニット２００から正電解液循環路に送り出される。したがって、本実施形態の流制御機構は、亜鉛臭素流動電解液電池の放電サイクル中の使用に適する。

図４〜６に関連して説明される正電解液流ユニット２００の実施形態は、本質的に低い上記アクチュエータ部品の内部摩擦とポンプ動作中のアクチュエータの正係止側面とにより、低ポンプ速度および低ポンプ圧を採用する亜鉛臭素流動電解液電池システムに特に適する。

図７Ａは、本発明の別の実施形態に係る臭素錯体バルブ４００の上平面図である。臭素錯体バルブ４００は、負電解液入口４０５、正電解液入口４１０、および臭素錯体出口４１５を備える。負電解液入口４０５は負電解液ポンプを起点とする流体回路から負電解液を受け入れ、正電解液入口４１０は正電解液ポンプを起点とする流体回路から正電解液を受け取る。図７Ａは、図７Ｂおよび７Ｃのための断面線Ａ−Ａを示す。

図７Ｂは、開臭素錯体流位置における、図７Ａに示される線Ａ−Ａに沿った臭素錯体バルブ４００の断面図である。再度、負電解液入口４０５、正電解液入口４１０、および臭素錯体出口４１５をすべて見ることができる。また、臭素錯体入口４２０も図示される。本実施形態では、負電解液ポンプが正電解液ポンプより前に始動されている（ポンプは図示せず）。このため、小さな負電解液流が負電解液入口４０５を通過して負電解液チャンバ４２５に入り、該チャンバがピストン４３５の負電解液面４３０に接触する負電解液の力により拡張することによって、ピストン４３５を負電解液入口４０５から離れる方向に移動させる。

この移動で、ピストン４３５はさらに傾斜面４４０に近づき、ピストン４３５の正電解液面４４５が傾斜面４４０の外部領域に対面すると、さらなる移動が阻止される。正電解液面４４５および傾斜面４４０は、正電解液入口４１０が開放される正電解液チャンバ４５０を画定する。ピストン４３５は負電解液面４３０を呈するピストン４３５の対向端よりも寸法の小さなヘッド部４５５を有するため、正電解液入口４１０から正電解液チャンバ４５０に入る正電解液を呈する正電解液面４４５の表面積は、負電解液を呈する負電解液面４３０の表面積よりも小さい。つまり、負電解液ポンプが最初に始動されていると、正電解液ポンプが次に始動されても、ピストン４３５が傾斜面４４０から目立つ程度に引き離されることはない。

ピストン４３５が負電解液の流入のために取らされた位置により、正電解液および錯体化臭素が臭素錯体入口４２０を通って中央チャンバ４６０に入り、臭素錯体出口４１５を介して出る途切れない流路が形成される。臭素錯体出口４１５は正電解液ポンプにつながるため、負電解液ポンプが正電解液ポンプより先に始動される図７Ｂに示される実施形態では、正電解液および錯体化臭素は、正電解液循環路に流れ込む。これは、亜鉛臭素流動電解液電池の放電サイクルに適する。

図７Ｃは、閉臭素錯体流位置における、図７Ａに示される線Ａ−Ａに沿った臭素錯体バルブ４００の断面図である。本実施形態では、正電解液ポンプが負電解液ポンプより前に始動されている。したがって、正電解液は正電解液入口４１０を通過して正電解液チャンバ４５０に至り、正電解液面４４５に作用して、負電解液面４３０が臭素錯体バルブ４００のハウジングに接するまで、ピストン４３５を傾斜面４４０から遠ざける。この位置で、負電解液チャンバ４２５の体積は、実質上存在しなくなるほど低減されている。

正電解液の流入によって引き起こされる移動の結果、ヘッド部４５５は、中央チャンバ４６０から臭素錯体出口４１５への正電解液と錯体化臭素の混合物の流を遮断するように配置される。正電解液ポンプは別個のソース（図示せず）から正電解液のみを受け入れるため、図７Ｃに示される実施形態は、亜鉛臭素流動電解液電池の充電サイクルに適する。

次に、負電解液ポンプがオンになると、負電解液は負電解液入口４０５を通過して、ピストン４３５の負電解液面４３０に接触する。負電解液は、一部は負電解液入口４０５の孔寸法のために、負電解液面４３０の制限された表面積に対してのみ作用すると理解される。負電解液を受け入れる負電解液面４３０の表面積は、負電解液チャンバ４２５への負電解液入口４０５の開口部を囲む負電解液入口シール４７５によってさらに制限される。ピストン４３５の負電解液面４３０が負電解液入口シール４７５に対抗させられると、図７Ｃに示されるように、負電解液が進入してより大きな面積の負電解液面４３０と接することができないよう、封止係合される。

このため、正電解液はずっと大きな表面積の正電解液面４４５全体に圧力を印加する、つまり負電解液が負電解液面４３０に対して生成する力よりも大きな力を印加する。よって、次に負電解液ポンプを始動してもこの力を克服することができないため、ピストン４３５の実質的な移動は起こらずと、臭素錯体バルブ４００を通る錯体化臭素流は阻止されたままである。

図７Ａ〜７Ｃに示される臭素錯体バルブ４００の実施形態は、特定の最低圧力がピストン４３５上での摺動Ｏリング４６５および４７０の使用によって提供される摺動Ｏリングの摩擦を克服するために必要であるため、比較的高いポンプ圧で動作する亜鉛臭素電池流システムに特に適する。これらのＯリングは、負および正電解液入口４０５および４１０をそれぞれ中央チャンバ４６０から有効に封止する。

図８Ａは、本発明のさらに別の実施形態に係る、閉錯体化臭素流位置における正電解液流ユニット５００の断面図である。図８Ａの正電解液タンクにおける上側流体面マークは正電解液のもので、下側流体面マークは錯体化臭素のものである。図８Ａに示される実施形態では、負電解液ポンプが正電解液ポンプの始動より先に始動されている。この結果、負電解液は、負電解液ポンプの出口から負電解液入口５０５に流れ込む。次に、負電解液は、チャンバ壁５１５とチャンバベース５２０によって画定される負電解液チャンバ５１０に入る。図示される実施形態では、チャンバ壁５１５は、拡張可能な蛇腹の形を取る。

アクチュエータ５２５は、上領域でチャンバベース５２０の下側に接続され、下領域端部で入口プラットフォーム５３０に接続される。図８Ａの入口プラットフォーム５３０は、正電解液入口５３５に隣接するが接触はしていない。図８Ａの正電解液入口５３５の近くの矢印は、正電解液入口５３５を通り第１の正電解液流管５４０に流入する正電解液の流を示す。第１の正電解液流管５４０は、Ｔピースコネクタ５４５を介して供給管５５０に接続される。供給管５５０は正電解液または正電解液と錯体化臭素の混合物を正電解液ポンプに供給するため、供給管５５０は、ポンプの動作のために負圧下にある。これは、正電解液または正電解液と錯体化臭素の混合物を正電解液ポンプに引き込むのを助ける。

図８Ａに示される実施形態では、入口プラットフォーム５３０が、略下向き方向に移動させられている。この結果、入口プラットフォーム５３０の下側に装着される摺動スリーブ５５５も同様に移動し、それが図８Ｂにより詳細に示されている。摺動スリーブ５５５には外部周囲に（図８Ａでは見えない）多数の入口穴が設けられる。よって、入口プラットフォーム５３０は、第２の正電解液流管５６０に隣接して位置する。第２の正電解液流管５６０はその下領域にＵベンドを形成し、入口開口５７０で正電解液タンク内の錯体化臭素に開放される臭素錯体入口管５６５と交差する。その後、第２の正電解液流管５６０は、供給管５５０と連通するように、Ｔピースコネクタ５４５を通過して延在する。

最初に負電解液ポンプをオンにする効果は、負電解液を負電解液チャンバ５１０に進入させ、チャンバ壁５１５を拡張させて、チャンバベース５２０を下方に移動させることである。このため、アクチュエータ５２５、それと共に入口プラットフォーム５３０および摺動スリーブ５５５が移動して、摺動スリーブ５５５の入口穴を第２の正電解液流管５６０の強固な外側と一致させることにより、正電解液の該穴への侵入を阻止する。正電解液は正電解液入口５３５を通って正電解液ポンプのみに入ることができるため、第２の正電解液流管５６０と臭素錯体入口管５６５は迂回される。正電解液ポンプによって印加される負圧は、いったん次に該ポンプがオンになると、入口プラットフォーム５３０と正電解液入口５３５との間に形成されている空隙の寸法と、その空隙への正電解液の流入とのために、負電解液チャンバ５１０内の負電解液によって印加される下向き力を克服するには不十分である。

これにより、正電解液のみが正電解液循環路に供給されるため、図８Ａに示される実施形態は、亜鉛臭素流動電解液電池の充電サイクルに適する。
図８Ｂは、開臭素錯体流位置における図８Ａの正電解液流ユニット５００の断面図である。本実施形態では、正電解液ポンプが負電解液ポンプの始動より前に始動されている。正電解液ポンプの動作の結果、第１の正電解液流管５４０に負圧が生じる。下向き力がアクチュエータ５２５に印加されないため、正電解液入口５３５は、入口プラットフォーム５３０に接触して溝５８０内に位置して、封止接触を形成し、上述の負圧とこの圧力が印加される大きな表面積とによって、この位置に強固に保持される。

入口プラットフォーム５３０の位置は、装着された摺動スリーブ５５５が図８Ａの位置よりも略上方に移動されていることを意味する。つまり、摺動スリーブ５５５に設けられた入口穴が、第２の正電解液流管５６０の先端の上方の開放空間に一致しており、図８Ｂの矢印で示されるように、正電解液は、そこを通って進入することができる。この正電解液流は、錯体入口管５６５の開口部を通過して第２の正電解液流管５６０へと至る。この地点で、錯体化臭素は第２の正電解液流管５６０に引き込まれ、正電解液と混合する。次に、この正電解液および錯体化臭素の混合物は、供給管５５０へ、ひいては正電解液ポンプへと至る。第２の正電解液流管５６０に沿った小さな圧力低下は、Ｔピースコネクタ５４５で第１の正電解液流管５４０内に十分な負圧を確保して、入口プラットフォーム５３０と正電解液入口５３５との封止接触を保持する。

この結果、正電解液と錯体化臭素の混合物が正電解液循環路に送り出されるため、図８Ｂに示される実施形態は、亜鉛臭素流動電解液電池の放電サイクルに適する。
負電解液ポンプが次にオンになると、負電解液の負電解液チャンバ５１０への流入によりアクチュエータ５２５に生成される下向き力は、第１の正電解液流管５４０の負圧によって生成される２つの成分間の吸引力と、入口プラットフォーム５３０とチャンバベース５２０の表面積間の大きな差とにより、入口プラットフォーム５３０を正電解液入口５３５の溝５８０内から変位させるには十分ではない。

図８Ａおよび８Ｂに示される正電解液流ユニット５００の実施形態は、確実に正電解液ポンプが十分な負圧を生成して、正電解液ポンプが負電解液ポンプより前に始動されているときに入口プラットフォーム５３０および正電解液入口５３５の封止接触を保持するため、高容量流速の正および負電解液ポンプを採用する亜鉛臭素流動電解液電池での用途に特に適する。

正電解液および錯体化臭素流制御機構のいくつかの実施形態が本明細書で説明されたと理解される。それらの実施形態はすべて、正電解液ポンプが正電解液のみ、または正電解液と錯体化臭素の混合物のいずれを正電解液循環路に送り出すかに関する制御を行うように動作する。この制御は、単に正電解液ポンプまたは負電解液ポンプのどちらが先に始動されるかの選択によって達成される。

ここに記載の発明は、錯体化臭素の圧送専用の第３のポンプまたは専用の電動バルブの必要性を排除することで、製造コストを軽減するだけでなく、亜鉛臭素流動電解液電池をよりコンパクトにして、その全体的効率を向上させることができる。第３のポンプの必要性の排除と必須の複雑な電子装置の量の低減とによる複雑度の軽減から生じる電池の信頼性が向上するため、消費者はさらに節減を達成できるだろう。

上記の本発明の各種実施形態の説明は、当業者に対する説明のために提供される。包括的であることや、本発明を単独の開示される実施形態に限定することは、目的としていない。上述したように、本発明の多数の代替または変形は、上記教示の当業者にとって自明であろう。具体的には、特定の実施形態が拡張可能チャンバなどの構成要素を有する場合、負電解液流または正電解液流のいずれかを受け入れるものとして説明されている入口チャンバなどは、それらのチャンバが先の負電解液流または正電解液の逆を受け入れるように、流を供給する管を単に交換できると理解される。このような変更の主な意味は、所望の結果を達成するために負または正電解液ポンプを始動させる順番を逆転させることができるということである。本開示を前提とし、このような変更や意味は当業者によって容易に理解されるであろう。

したがって、いくつかの代替的な実施形態を具体的に説明してきたが、当業者にとってはその他の実施形態も自明である、または比較的容易に開発される。したがって、本特許明細書は、ここに記載されている本発明の代替、修正、および変形、および上記本発明の精神および範囲に属するその他の実施形態をすべて包括することを意図する。

Claims (39)

1. 負電解液循環路内で負電解液を循環させる負電解液ポンプと、
   正電解液循環路内で正電解液を循環させる正電解液ポンプと、
   前記正電解液循環路と流体連通する正電解液タンク内に位置する錯体化臭素と、
   を備える亜鉛臭素流動電解液電池であって、
   使用時に、前記負電解液ポンプ及び前記正電解液ポンプのいずれか一方の優先的始動により、正電解液のみ、及び正電解液と錯体化臭素との混合物のいずれを前記正電解液循環路内で循環させるかを決定する電池。
2. 前記負電解液ポンプ及び前記正電解液ポンプのうちの少なくとも一方の始動が、電解液流制御機構の圧力始動切換を生じさせる請求項１の亜鉛臭素流動電解液電池。
3. 前記電解液流制御機構が正電解液取入口と正電解液／錯体化臭素結合取入口とを備え、前記電解液流バルブの圧力始動切換が一方から他方への流量を増大させる請求項２の亜鉛臭素流動電解液電池。
4. 前記電解液流制御機構が負電解液入口と正電解液入口とをさらに備える請求項２または３の亜鉛臭素流動電解液電池。
5. 前記負電解液入口は負電解液拡張可能チャンバに開放され、前記正電解液入口は正電解液拡張可能チャンバに開放される請求項４の亜鉛臭素流動電解液電池。
6. 前記負電解液拡張可能チャンバ及び正電解液拡張可能チャンバのそれぞれの床面と連通する別個のアクチュエータをさらに備える請求項５の亜鉛臭素流動電解液電池。
7. 各アクチュエータが、電解液流を通過し易くする少なくとも１つの切断部を備える請求項６の亜鉛臭素流動電解液電池。
8. 各アクチュエータが、係止バーの補完面を受け入れる少なくとも１つの切欠きをさらに備える請求項６の亜鉛臭素流動電解液電池。
9. 前記係止バーが摺動可能であり、前記アクチュエータのいずれかと個々に係合してその移動を抑制する請求項８の亜鉛臭素流動電解液電池。
10. 前記各アクチュエータの各切断部を、正電解液または正電解液／錯体化臭素混合物の流のための１つまたはそれ以上の電解液流開口に一致させることができる請求項７の亜鉛臭素流動電解液電池。
11. 前記負電解液ポンプの優先的始動により、高圧負電解液が前記負電解液拡張可能チャンバに流入して前記チャンバを拡張させることによって、前記対応するアクチュエータを移動させる請求項１０の亜鉛臭素流動電解液電池。
12. 前記アクチュエータの移動により、前記アクチュエータ切断部が対応する電解液流開口と一致しないようにすることによって、正電解液または正電解液／錯体化臭素混合物の流が開口を通過することを阻止する請求項１１の亜鉛臭素流動電解液電池。
13. 前記アクチュエータの移動により、前記係止バーを前記固定アクチュエータの前記切欠きと摺動可能に係合させる請求項１１の亜鉛臭素流動電解液電池。
14. 前記正電解液ポンプの優先的始動により、高圧正電解液が前記正電解液拡張可能チャンバに流入して前記チャンバを拡張させることによって、前記対応するアクチュエータを移動させる請求項１０の亜鉛臭素流動電解液電池。
15. 前記アクチュエータの移動により、前記アクチュエータ切断部が対応する電解液流開口と一致しないようにすることによって、正電解液または正電解液／錯体化臭素混合物の流が開口を通過することを阻止する請求項１４の亜鉛臭素流動電解液電池。
16. 前記アクチュエータの移動により、前記係止バーを前記固定アクチュエータの前記切欠きと摺動可能に係合させる請求項１４の亜鉛臭素流動電解液電池。
17. ヘッド、シャフト、および拡張後部を有するピストンをさらに備える請求項４の亜鉛臭素流動電解液電池。
18. 前記ピストンが、前記負電解液入口に隣接する負電解液面と前記正電解液入口に隣接する正電解液面とをさらに備える請求項１７の亜鉛臭素流動電解液電池。
19. 前記負及び正電解液ポンプのいずれかの優先的始動により、前記対応する電解液入口を通る電解液の流に、前記隣接する正または負電解液面に対抗する力を生成させて、前記ピストンを前記他方の電解液位置口へ変位させる請求項１８の亜鉛臭素流動電解液電池。
20. 前記ピストンの運動により、前記ピストンヘッドに錯体化臭素入口を遮断させる、または前記ピストンヘッドを錯体化臭素入口から変位させることによって、錯体化臭素の流を阻止または促進する請求項１９の亜鉛臭素流動電解液電池。
21. 前記予め非活動状態のポンプが次に始動されても、前記対応する電解液がピストンとのより小さな表面領域に接触することに制限されているため、前記ピストンの実質的な変位が起こらない請求項２０の亜鉛臭素流動電解液電池。
22. 前記電解液流制御機構が電解液入口をさらに備える請求項２または３の亜鉛臭素流動電解液電池。
23. 前記電解液入口が拡張可能チャンバへ開放される請求項２２の亜鉛臭素流動電解液電池。
24. 第１の端部で前記拡張可能チャンバの床面と連通するアクチュエータをさらに備える請求項２３の亜鉛臭素流動電解液電池。
25. 前記アクチュエータの第２の端部が入口プラットフォームに装着される請求項２４の亜鉛臭素流動電解液電池。
26. 前記入口プラットフォームの上面が、正電解液入口と封止係合するように構成される請求項２５の亜鉛臭素流動電解液電池。
27. 前記入口プラットフォームの下面が、摺動可能なスリーブと接する請求項２４の亜鉛臭素流動電解液電池。
28. 前記摺動可能なスリーブが、正電解液が対応する流管に進入するための１つまたはそれ以上の開口を備える請求項２７の亜鉛臭素流動電解液電池。
29. 前記流管が錯体化臭素入口と交差する請求項２８の亜鉛臭素流動電解液電池。
30. 前記流管が前記正電解液循環路と流体連通する請求項２９の亜鉛臭素流動電解液電池。
31. 前記電解液入口と流体連通する電解液ポンプの優先的始動により、電解液が拡張可能チャンバに流れ込むことによって前記アクチュエータが略下方向に移動し、前記入口プラットフォームが前記正電解液入口から変位して正電解液を正電解液流管に流入させる請求項３０の亜鉛臭素流動電解液電池。
32. 前記入口プラットフォームの変位により、前記１つまたはそれ以上の開口が電解液流に対して閉鎖されるように、前記摺動可能なスリーブが変位する請求項３１の亜鉛臭素流動電解液電池。
33. 前記電解液入口と流体連通していない電解液ポンプの優先的始動により、前記入口プラットフォームが前記正電解液プラットフォームと封止係合し、前記摺動可能なスリーブに形成される前記１つまたはそれ以上の開口が正電解液の進入に対して開放される請求項３０の亜鉛臭素流動電解液電池。
34. 前記１つまたはそれ以上の開口を通る正電解液の進入により、正電解液が流管に沿って流れることによって、錯体化臭素を前記錯体化臭素入口に進入させる請求項３３の亜鉛臭素流動電解液電池。
35. 請求項４ないし請求項１６のうちのいずれか一項による亜鉛臭素流動電解液電池の電解液流制御機構。
36. 請求項１７ないし請求項２１のうちのいずれか一項による亜鉛臭素流動電解液電池の電解液流制御機構。
37. 請求項２２ないし請求項３４のうちのいずれか一項による亜鉛臭素流動電解液電池の電解液流制御機構。
38. 亜鉛臭素流動電解液電池の正電解液循環路内での錯体化臭素の流を調節する方法であって、
    （ａ）負電解液ポンプまたは正電解液ポンプのうちの一方を始動させるステップと、
    （ｂ）次にステップ（ａ）で始動されなかった前記電解液ポンプを始動させるステップと、
    を備え、
    前記負電解液ポンプ及び前記正電解液ポンプのいずれを先に始動するかの選択により、正電解液のみ、及び正電解液と錯体化臭素との混合物のいずれを前記正電解液循環路内で循環させるかを決定する方法。
39. 請求項１ないし請求項３４のいずれか一項による請求項３８の方法。

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