JP2020518115A - レドックスフロー電池システム用の電解液をリバランスする方法及びシステム - Google Patents

Abstract

レドックスフロー電池システムのためのリバランス反応器は、水素ガスが流れる第１側と、レドックスフロー電池システムからの電解液が流れる第２側と、前記第１側と前記第２側とを分離して流体接続する多孔質層と、を備えていてもよく、前記水素ガスと前記電解液とが、前記多孔質層の表面において流体接触しており、前記第２側に横切る圧力降下が、前記多孔質層に横切る圧力降下よりも小さい。このようにして、レドックスフロー電池システムにおける電解液電化のリバランスは、従来のリバランス反応器に比較して効率及び費用効果を向上して実行され得る。【選択図】図２

Description

関連出願の相互参照
本出願は、「レドックスフロー電池システム用の電解液をリバランスする方法及びシステム」と題され、２０１７年４月２８日に出願された米国仮出願第６２／４９１，９６６号に対する優先権を主張する。ここで、上記の出願の全ての内容は、あらゆる目的のために参照によって組み込まれる。

政府支援の承認
本発明は、ＤＯＥ、ＡＲＰＡ−Ｅオフィスによって与えられた嘱託番号ＤＥＡＲ００００２６１の下で政府の支援を受けてなされた。政府は、本発明に所定の権利を有する。

本明細書は、一般的に、レドックスフロー電池システム用のリバランス反応器に関する。

典型的な充填床式リバランス反応器は、主に、リバランス反応器システムが２層流れであるため、あまり好ましくない反応速度を示すことがある。その結果、充填床式リバランス反応器における物質輸送損失が大きくなる可能性があり、かなり多くの触媒を利用する必要がある。従来、物質輸送の制限を補填する一般的なアプローチは、リバランス反応器を大型化することであった；しかしながら、リバランス反応器を大型化すると、コストがかかる可能性があり、さらに触媒の利用が低下することがある。

上記の問題に少なくとも部分的に対処する１つのシステムは、レドックスフロー電池システム用のリバランス反応器を含み、水素ガスが流れる第１側と、レドックスフロー電池システムからの電解液が流れる第２側と、第１側と第２側とを分離して流体接続する多孔質層と、を含む。水素ガスと前記電解液とは、多孔質層の表面において流体接触している。さらに、一例では、第２側を横切る圧力降下が、前記多孔質層を横切る圧力降下よりも小さくてもよい。このように、レドックスフロー電池システムにおける電解液電化のリバランスは、充填床及び他の従来の設計に比較して、高い効率及びコスト効果で実行され得る。

上記の概要が詳細な説明においてさらに説明される概念の選択を簡略化した形式で導入するために提供されることを、理解されたい。それは、クレームされた構成要件の重要な又は本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、その範囲は、詳細な説明に続く請求項によって一意に定義される。さらに、クレームされた構成要件は、上記又は本開示の任意の部分で言及された欠点を解決する実施に限定されない。

図１は、レドックスフロー電池システムの実施形態を示す。 図２は、燃料電池リバランス反応器の一例の概略図を示す。 図３は、燃料電池リバランス反応器の一例の概略図を示す。 図４は、図２及び３のリバランス反応器の第１の実施形態を示す。 図５は、図２及び３のリバランス反応器の第２の実施形態を示す。 図６は、図２及び３のリバランス反応器の第３の実施形態を示す。 図７は、図２及び３の燃料電池リバランス反応器によって図１のレドックスフロー電池システム内において電解液をリバランスする方法の例示的なフローチャートを示す。 図８は、図２及び３の燃料電池リバランス反応器の正極又は負極の対向櫛形流路 (IDFF)の構成の例示的な平面図及び断面図の概略図を示す。

ハイブリッドレドックスフロー電池は、電極上の固体層として１つ又は複数の電気活性材料の蒸着を特徴とするレドックスフロー電池である。ハイブリッドレドックスフロー電池は、例えば、電池充電プロセスの間中電気化学反応を介して基板上に固体としてめっきする化学物質を含んでいてもよい。電池が放電している間、めっき種は、電気化学反応を介して酸化し、電解液に可溶となることがある。ハイブリッド電池システムでは、レドックス電池の充電容量（例えば蓄電量）は、電池充電中にめっきされた金属の量によって制限されることがあり、したがって、めっきシステムの効率と、めっき可能な体積及び表面積と、に依存することがある。

レドックスフロー電池システムでは、負極２６は、めっき電極と呼ばれ、正極２８は、レドックス電極と呼ばれることがある。電池のめっき側（例えば、負極室２０）内の負極電解液は、めっき電解液と呼ばれ、電池のレドックス側（例えば、正極室２２）内の正極電解液は、レドックス電解液と呼ばれることがある。

陽極は、電気活性材料が電子を失う電極を指し、陰極は、電気活性材料が電子を得る電極を指す。電池充電中、正極電解液は、負極２６において電子を得る；それゆえ、負極２６は、電気化学反応の陰極である。放電中、正極電解液は、電子を失う；それゆえ、負極２６は、反応の陽極である。したがって、充電中、負極電解液及び負極は、それぞれ電気化学反応の陰極液及び陰極と呼ばれ、正極電解液及び正極は、それぞれ電気化学反応の陽極液及び陽極と呼ばれることがある。あるいは、放電中、負極電解液及び負極は、それぞれ電気化学反応の陽極液及び陽極と呼ばれ、正極電解液及び正極は、それぞれ電気化学反応の陰極液及び陰極と呼ばれることがある。簡便のため、正及び負という用語は、本明細書では、レドックスフロー電池システムの電極、電解液、及び電極室を指すために使用される。

ハイブリッドレドックスフロー電池の一例は、すべて鉄（all iron）のレドックスフロー電池（ＩＦＢ）であり、電解液は、塩化鉄（例えばＦｅＣｌ_２、ＦｅＣｌ_３等）の形で鉄イオンを含み、負極は、金属鉄を含む。例えば、負極では、電池充電中に、第一鉄イオンＦｅ^２＋が、２つの電子を受け取って金属鉄として負極２６をめっきし、電池放電中に、金属鉄Ｆｅ^０が、２つの電子を失ってＦｅ^２＋として再溶解する。正極では、充電中に、Ｆｅ^２＋が電子を失って第二鉄イオンＦｅ^３＋を生じ、放電中に、Ｆｅ^３＋が電子を得てＦｅ^２＋を生じる：電気化学反応は、化学式（１）及び（２）にまとめられ、正反応（左から右）は、電池充電中の電気化学反応を示し、逆反応（右から左）は、電池放電中の電気化学反応を示す：

上記のように、すべて鉄のレドックスフロー電池（ＩＦＢ）で使用される負極電解液は、充電中に、Ｆｅ^２＋が負極から２つの電子を受け入れてＦｅ^０を生じ、基板上をめっきできるように、十分量のＦｅ^２＋を供給する。放電中、めっきされたＦｅ^０は、２つの電子を失い、Ｆｅ^２＋に酸化し、電解液中に溶解する。上記の反応の平衡電位は、−０．４４Ｖであり、この反応は、所望のシステムに負端子を供給する。ＩＦＢの正側では、電解液は、充電時に、電子を失ってＦｅ^３＋に酸化するＦｅ^２＋を供給してもよい。放電中、電解液によって供給されるＦｅ^３＋は、電極によって供給される電子を吸収することによってＦｅ^２＋になる。この反応の平衡電位は、＋０．７７Ｖであり、所望のシステムの正端子を作る。

ＩＦＢは、非再生電解液を利用する他のタイプの電池と対照的に、その電解液を充電及び再充電する機能を提供する。充電は、端子４０及び４２を介して電極に電流を印加することによって達成される。負極は、端子４０を介して電圧源の負側に結合されてもよく、そのため、電子は、正極を介して（例えば、正極室２２において正極電解液中のＦｅ^２＋がＦｅ^３＋に酸化される）負極電解液に引き渡されてもよい。負極２６（例えばめっき電極）に供給される電子は、負極電解液中のＦｅ^２＋を還元してめっき基板にＦｅ^０を生じ、負極上をめっきすることができる。

負極電解液に酸化に利用可能なＦｅ^０が残っており、正極電解液に還元に利用可能なＦｅ^３＋が残っている間、放電を維持することができる。例として、Ｆｅ^３＋の有効性は、外部正極電解液タンク又は正極電解液チャンバ５２のような外部源を介して追加のＦｅ^３＋を供給するために、セル１８の正極室２２側に正極電解液の濃度又は体積を増加することによって維持可能である。より一般的には、放電中のＦｅ^０の有効性は、ＩＦＢシステム内で問題となり得、放電に利用可能なＦｅ^０は、めっき効率と同様に、負極基板の表面積及び体積に比例する。充電容量は、負極室２０におけるＦｅ^２＋の有効性に依存していてもよい。例として、Ｆｅ^２＋の有効性は、セル１８の負極室２０側に負極電解液の濃度又は体積を増加するために、負極電解液チャンバ５０又は外部負極電解液タンク５０のような外部源を介して追加のＦｅ^２＋を供給することによって維持可能である。

ＩＦＢでは、ＩＦＢシステムの充電状態に応じて、正極電解液は、第一鉄イオン、第二鉄イオン、第二鉄錯体、又はこれらの任意の組合せを含み、負極電解液は、第一鉄イオン又は第一鉄錯体を含む。前述のように、負極電解液及び正極電解液の両方で鉄イオンを利用すると、電池セルの両側で同じ電解液種を利用することができ、電解液の相互汚染を減らし、ＩＦＢシステムの効率を高めることができるため、他のレドックスフロー電池システムに比較して電解液の交換を少なくすることができる。

ＩＦＢにおける効率の損失は、セパレータ２４（例えば、イオン交換膜バリア、微多孔膜など）を通る電解液のクロスオーバーから生じることがある。例えば、正極電解液中の第二鉄イオンは、第二鉄イオンの濃度勾配及びセパレータを横切る電気泳動力によって、負極電解液に向かって動かされることがある。続いて、膜バリアを透過して負極室２０にクロスオーバーする第二鉄イオンは、クーロン効率の損失をもたらすことがある。低ｐＨレドックス側（例えば、酸性が強い正極室２２）から高ｐＨめっき側（例えば、酸性が弱い負極室２０）にクロスオーバーする第二鉄イオンは、Ｆｅ（ＯＨ）_３の沈殿をもたらし得る。Ｆｅ（ＯＨ）_３の沈殿は、セパレータ２４を損傷し、永久的な電池の性能及び効率の損失を引き起こす可能性がある。例えば、Ｆｅ（ＯＨ）_３沈殿物は、イオン交換膜の有機官能基を化学的に塞ぎ、又はイオン交換膜の小さな微多孔を物理的に詰まらせることがある。いずれの場合も、Ｆｅ（ＯＨ）_３により、膜のオーム抵抗が時間と共に上昇し、電池の性能が低下することがある。沈殿物は、電池を酸で洗浄することによって除去され得るが、絶えず続くメンテナンス及びダウンタイムは、商用電池の使用に不利であることがある。さらに、洗浄は、電解液の定期的な準備に依存することがあり、プロセスのコスト及び複雑さが増す。電解液のｐＨ変化に応じて特定の有機酸を正極及び負極に添加すると、電池の充電及び放電サイクル中の沈殿物の生成を軽減し得る。

追加のクーロン効率の損失は、Ｈ^＋（例えばプロトン）の還元とそれに続くＨ_２（例えば水素ガス）の生成によって引き起こされ得、負極室２０におけるプロトンの電子との反応は、めっき金属鉄電極において、水素ガスを生成する。

ＩＦＢ電解液（例えば、ＦｅＣｌ_２、ＦｅＣｌ_３、ＦｅＳＯ_４、Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３など）は容易に入手可能であり、低コストで製造することができる。ＩＦＢ電解液は、同じ電解液を負極電解液と正極電解液とに使用できるため再利用の価値が高くなり、その結果、他のシステムと比較してクロスコンタミネーションの問題が低減する。さらに、その電子配置により、鉄は、負極基板上にめっきする際に、通常均一な固体構造に凝固することができる。ハイブリッドレドックス電池で一般的に使用される亜鉛および他の金属では、めっき中に固体樹状構造が形成される場合がある。ＩＦＢシステムの安定した電極形態は、他のレドックスフロー電池と比較して電池の効率を向上させることができる。さらに、鉄のレドックスフロー電池は、毒性のある原材料の使用を減らし、他のレドックスフロー電池の電解液と比べて比較的中性のｐＨで動作可能である。したがって、ＩＦＢシステムは、製造中の他のすべての現在の高度なレドックスフロー電池システムと比較して、環境への有害性が低減する。

図１は、レドックスフロー電池システム１０の概略図を提供する。レドックスフロー電池システム１０は、マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０に流体接続されたレドックスフロー電池セル１８を備えることができる。レドックスフロー電池セル１８は、通常、負極室２０、セパレータ２４及び正極室２２を含むことができる。セパレータ２４は電気絶縁性のイオン伝導性バリアを備えることができ、それは正極電解液と負極電解液とのバルク混合を防ぎつつ、特定のイオンの伝導を可能にする。例えば、セパレータ２４は、イオン交換膜及び／又は微多孔膜を備えることができる。負極室２０は、負極２６と、電気活性材料を含む負極電解液とを備えることができる。正極室２２は、正極２８と、電気活性材料を含む正極電解液とを備えることができる。いくつかの例では、複数のレドックスフロー電池セル１８を直列または並列に組み合わせて、レドックスフロー電池システムでより高い電圧または電流を生成することができる。さらに図１に示されているのは、フローバッテリーシステム１０に電解液を送り込むために用いられる負極電解液ポンプ３０及び正極電解液ポンプ３２である。電解液は、セルの外部にある１つ又は複数のタンクに貯蔵され、それぞれ電池の負極室２０側と正極室２２側を通り、負極電解液ポンプ３０及び正極電解液ポンプ３２によって送られる。

図１に示すように、レドックスフロー電池セル１８は、負極電池端子４０及び正極電池端子４２をさらに含んでもよい。電池端子４０及び４２に充電電流が印加されると、正極２８で正極電解液が酸化され（１つ又は複数の電子を失う）、負極２６で負極電解液が還元される（１つ又は複数の電子を獲得する）。電池放電中、電極上で逆酸化還元反応が起こる。換言すると、正極２８で正極電解液が還元され（１つ又は複数の電子を獲得する）、負極２６で負極電解液が酸化される（１つ又は複数の電子を失う）。電池の両端の電位差は、正極室２２と負極室２０における電気化学的酸化還元反応により維持され、反応が持続している間、導体を流れる電流を誘導することが可能である。レドックス電池によって蓄積されるエネルギーの量は、放電用の電解液で利用可能な電気活性材料の量により制限され、電解液の総量と電気活性材料の溶解度に依拠する。

フロー電池システム１０は、統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０をさらに備えてもよい。マルチチャンバ貯蔵タンク１１０は、隔壁９８によって分割されてもよい。正極電解液および負極電解液を単一のタンク内に含むことができるように、隔壁９８は貯蔵タンク内に複数のチャンバを形成してもよい。負極電解液チャンバ５０は、電気活性材料を含む負極電解液を保持し、正極電解液チャンバ５２は、電気活性材料を含む正極電解液を保持する。負極電解液チャンバ５０と正極電解液チャンバ５２との間の所望の体積比をもたらすために、隔壁９８は、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０内に配置してもよい。１つの実施例では、隔壁９８は、負極および正極の酸化還元反応の間の化学量論比に従って、負極電解液チャンバ及び正極電解液チャンバの容積比を設定するように配置されてもよい。図は、貯蔵タンク１１０の充填高さ１１２をさらに示し、各タンク区画内の液位を示すことができる。図はまた、負極電解液チャンバ５０の充填高さ１１２の上方に位置するガスヘッドスペース９０と、正極電解液チャンバ５２の充填高さ１１２の上方に位置するガスヘッドスペース９２とを示している。ガスヘッドスペース９２は、レドックスフロー電池の動作を通して生成され（例えば、プロトン還元および腐食副反応により）、レドックスフロー電池セル１８から電解液を戻すとともにマルチチャンバ貯蔵タンク１１０に運ばれる水素ガスを貯蔵するために利用できる。水素ガスは、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０内の気液界面（例えば、充填高さ１１２）で自発的に分離することができ、それにより、レドックスフロー電池システムの一部としての追加の気液分離装置を排除することができる。電解液から分離されると、水素ガスがガスヘッドスペース９０および９２を満たす。そのため、貯蔵された水素ガスは、マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０から他のガスをパージすることに役立ち、それにより、電解液種の酸化を低減するための不活性ガスブランケットとして機能し、レドックスフロー電池容量損失の低減に役立つことができる。このように、統合マルチチャンバ貯蔵タンク１１０を利用することによって、従来のレドックスフロー電池システムに共通の負極および正極電解液貯蔵タンク、水素貯蔵タンク並びに気液セパレータを別々に有さなくともよくなり、これにより、システム設計の簡略化、物理的システムの設置面積の削減、並びにシステムコストの削減ができる。

図１はまた、ガスヘッドスペース９０と９２との間の隔壁９８に開口部を形成し、２つのチャンバ間のガス圧力を均一化する手段を提供する、溢流孔（spill-over hole）９６を含む。溢流孔９６は、充填高さ１１２より上の閾値高さに配置することができる。溢流孔はさらに、電解液がクロスオーバーする場合に、正極電解液チャンバおよび負極電解液チャンバのそれぞれの電解液が自己平衡する機能を有効にする。すべて鉄（all iron）のレドックスフロー電池システムの場合、同じ電解液（Ｆｅ^２＋）が負極室２０及び正極室２２の両方において使用されるため、負極電解液チャンバ５０及び正極電解液チャンバ５２の間の電解液の溢れはシステム全体の効率を下げ得るが、その一方で、全体的な電解液の構成、電池モジュールの性能および電池モジュール容量は維持される。漏れのない連続的な加圧状態を維持するために、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０への入口および出口からのすべての配管接続部にフランジ継手（flange fittings）を利用することができる。マルチチャンバ貯蔵タンクは、負極電解液チャンバ及び正極電解液チャンバのそれぞれからの少なくとも１つの出口と、負極電解液チャンバ及び正極電解液チャンバのそれぞれへの少なくとも１つの入口と、を含むことができる。さらに、水素ガスをリバランス反応器８０及び８２へと導くために、ガスヘッドスペース９０及び９２から１つ又は複数の出口接続部を備えることができる。

図１には示されていないが、統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０は、負極電解液チャンバ５０および正極電解液チャンバ５２のそれぞれに熱的に接続された１つ又は複数のヒータをさらに含んでもよい。別の例では、負極電解液チャンバ及び正極電解液チャンバのうちの１つのみが、１つ又は複数のヒータを含んでもよい。正極電解液チャンバのみが１つ又は複数のヒータを含む場合、負極電解液は、パワーモジュールの電池セルで発生した熱を負極電解液に伝達することにより加熱することができる。このようにして、パワーモジュールの電池セルが加熱され、負極電解液の温度調節が促進される。１つ又は複数のヒータは、負極電解液チャンバ５０及び正極電解液チャンバの温度を、単独で又は共に調整するために、コントローラ８８によって作動させることができる。例えば、電解液温度が閾値温度未満に下がることに応じて、コントローラは、電解液への熱流束が増加するように、１つ又は複数のヒータに供給される電力を増加させてもよい。電解液温度は、センサ６０及び６２を含むマルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０に取り付けられた１つ又は複数の温度センサによって示されてもよい。例として、１つ又は複数のヒータには、電解液に浸された、コイル型ヒータ若しくは他の浸漬ヒータ、又は、負極電解液チャンバ及び正極電解液チャンバの壁を通して熱を伝達しその中の液体を加熱する表面マントル型ヒータが含まれ得る。本開示の範囲から逸脱することなく、他の既知のタイプのタンクヒータを使用することができる。さらに、コントローラ８８は、液体レベルが固体充填閾値レベル未満に低下したことに応じて、負極電解液チャンバ及び正極電解液チャンバ内の１つ又は複数のヒータの動作を停止させてもよい。換言すると、コントローラ８８は、液体レベルが固体充填閾値レベル（solids fill threshold level）を超えて増加することに応じてのみ、負極電解液チャンバ及び正極電解液チャンバ内の１つ又は複数のヒータを作動させることができる。このようにして、正極電解液チャンバ及び／又は負極電解液チャンバ内に十分な液体がない状態での１つ又は複数のヒータの作動を防ぐことができ、したがってヒータの過熱又は焼損のリスクが低減される。他の既知のタイプのタンクヒータを、本開示の範囲から逸脱することなく使用してもよい。

図１に示すように、電解液は、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０に一般に貯蔵され、フロー電池システム１０全体にわたって負極電解液ポンプ３０及び正極電解液ポンプ３２によって送り込まれる。負極電解液チャンバ５０に貯蔵された電解液は、負極電解液ポンプ３０によって電池の負極室２０側に送り込まれ、正極電解液チャンバ５２に貯蔵された電解液は、正極電解液ポンプ３２によって電池の正極室２２側に送り込まれる。

２つの電解液リバランス反応器８０，８２は、それぞれ、レドックスフロー電池システム１０において、電池の負極側及び正極側で電解液の再循環流路と直列又は並列に接続されてもよい。冗長性のため（例えば、電池及びリバランス操作に支障を与えることなくリバランス反応器を提供するため）、及び、リバランス能力を向上させるため、１つ以上のリバランス反応器は、電池の負極側と正極側において電解液の再循環流路と直列に接続されてもよく、他のリバランス反応器は、電池の負極側と正極側において電解液の再循環流路と並列に接続されてもよい。１つの実施例では、電解液リバランス反応器８０，８２は、それぞれ、負極室２０及び正極室２２から負極電解液源チャンバ５０及び正極電解液源チャンバ５２への戻り流路に配置されてもよい。電解液リバランス反応器８０，８２は、本明細書に記載されるように、副反応、イオンクロスオーバー等のために生じるレドックスフロー電池システムにおける電解液の電荷の不均衡を再調整することができる。１つの実施例では、電解液リバランス反応器８０，８２は、電解液リバランス反応を実施するため、パッキングされた床の触媒表面で水素ガスと電解液とが接触するトリクルベッド反応器（trickle bed reactor）を備えてもよい。他の実施例では、リバランス反応器８０，８２は、水素ガスと電解液液体と接触し、パッキングされた触媒床（catalyst bed）がなくてもリバランス反応を実行することができるフロースルー型反応器（flow-through type reactor）を備えてもよい。

負極で起こる副反応は、レドックスフロー電池システムにおける電解液電化の不均衡の生成を促進することがある。負極での化学式（１）によって与えられる酸化還元反応と並行して、第一鉄イオンの還元反応は、プロトンＨ^＋の還元と競合し、２つのプロトンは、それぞれ単一の電子を受け取って水素ガスＨ_２を形成し、金属鉄の腐食により第一鉄イオンＦｅ^２＋を生成する。水素プロトンの還元及び金属鉄の腐食による水素ガスの生成は、それぞれ、化学式（３）及び（４）に示される。

結果として、負極室２０内の負極電解液は、３から６までのｐＨ範囲で安定する傾向があり、水酸化第一鉄イオン（ＦｅＯＨ^＋）の形成、水酸化第二鉄Ｆｅ（ＯＨ）_３の沈殿、及び水素の発生は、全て減少する。正極室２２では、第二鉄イオンＦｅ^３＋は、第一鉄イオンＦｅ^２＋よりも、酸解離定数（ｐＫａ）がはるかに低い。したがって、より多くの第一鉄イオンを酸化して第二鉄イオンにすると、正極電解液は、２未満のｐＨで、特に１に近いｐＨで安定する傾向がある。

したがって、正極電解液（正極室２２）が安定したままの第１の範囲で正極電解液ｐＨを維持し、負極電解液（負極室２０）が安定したままの第２の範囲で負極電解液ｐＨを維持すると、低サイクル実行（low cycling performance）が減少し、レドックスフロー電池の効率が上がる。例えば、ＩＦＢ内の負極電解液のｐＨを３から４までで維持すると、鉄の腐食反応が減少し、鉄めっき効率を上げるが、正極電解液のｐＨを２未満、特に１未満で維持すると、第二鉄／第一鉄イオンの酸化還元反応を促進し、水酸化第二鉄の形成を減少させる。

化学式（３）及び（４）によって示されるように、水素の発生は、レドックスフロー電池システムにおける電解液の不均衡を起こす可能性がある。例えば、充電中、正極から負極へ流れる電子（例えば第一鉄イオンの酸化の結果）は、化学式（３）を介して水素の発生によって消費されることがあり、化学式（１）によって与えられためっきに利用可能な電子が減少する。めっきの減少によって、電池の充電容量が減少する。さらに、金属鉄の腐食は、電池の放電に利用可能な金属鉄の量が減るため、さらに電池の容量が減少する。そのため、化学式（３）及び（４）を介した水素生成の結果として、正極室２２及び負極室２０の間における電解液の電荷状態が不均衡になる可能性がある。さらに、金属鉄の腐食及びプロトンの還元による水素ガス生成は、いずれもプロトンを消費し、その結果、負極電解液のｐＨを上げる可能性がある。図１を参照して上述したように、ｐＨｎｏ増加は、レドックスフロー電池システム内の電解液を不安定にし、その結果、電池の容量及び効率がさらに低下する。

レドックスフロー電池システム内の水素ガス生成によって起こる可能性がある電解液リバランス問題に対処するアプローチは、副反応から生成される水素で正極電解液における不均衡なイオンを還元することを含む。１つの実施例として、ＩＦＢシステムでは、第二鉄イオンを含む正極電解液は、化学式（５）によって還元される。

ＩＦＢシステムの例では、第二鉄イオンを水素ガスと反応させることによって、水素ガスをプロトンに戻すことが可能であり、それによって負極室２０及び正極室２２内のｐＨを実質的に一定に維持することができる。さらに、第二鉄イオンを第一鉄イオンに変えることによって、正極室２２内の正極電解液の電荷の状態は、負極室２０内の負極電解液の電荷の状態とリバランスされてもよい。化学式（５）は、ＩＦＢシステム内のリバランス電解液について書かれているが、電解液を水素ガスで還元する方法は、化学式（６）によって一般化される。

化学式（６）において、Ｍ^ｘ＋は、イオン電荷ｘを有する正の電解質Ｍを表し、Ｍ^ｚ＋は、イオン電荷ｚを有する還元された電解質Ｍを表す。

触媒は、グラファイト又は担持貴金属（例えば、炭素担持Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、イリジウム、タンタル、又はこれらの合金）を含み、レドックスフロー電池システムにおける実用化のために化学式（５）によって記述される反応速度を上げることがある。１つの実施例として、レドックスフロー電池システム内で生成される水素ガスは、触媒表面に導かれて、水素ガス及び電解液（例えば第二鉄イオンを含む）は、触媒表面で流体接触し、水素ガスは、第二鉄イオンを化学的に第一鉄イオンに還元し、正の水素イオン（例えばプロトン）を生成する。上述のように、触媒表面はグラファイトを含んでいてもよい。いくつかの例では、化学式（５）によって記述される反応は、触媒が炭素担持Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、イリジウム、タンタル、又はこれらの合金などの貴金属ベースの触媒を含む場合、より速い速度で進行することがある。１つの実施例として、水素ガスの分圧（例えば、水素ガス濃度）が高く、より遅い反応速度を許容可能な場合、より安価なグラファイト触媒を使用してもよい。他方、炭素に担持された少量の貴金属触媒（例えば０．２から＞０．５ｗｔ％）は、グラファイト触媒を使用する場合に比較して反応速度が大きい可能性がある。炭素担持Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、イリジウム、タンタル、又はこれらの合金のような異なるタイプの触媒、及びこれらの異なる量（０．２から＞０．５ｗｔ％）を、特性の電池システムのために反応速度に応じて利用可能である。さらに、触媒の合金を利用することによって、コストを減らし、触媒の腐食安定性を上げることが可能である。例えば、白金にロジウムを１０％添加すると、第二鉄イオンによる白金の腐食を９８％以上減らすことが可能である（Handbook of Corrosion Data、Bruce D. Craig、David S. Anderson）。

レドックスフロー電池システムの動作中、センサ及びプローブは、電解液のｐＨ、濃度、電荷の状態等の電解液の化学的特性を監視し、制御する。例えば、図１に示すように、センサ６２，６０は、それぞれ、正極電解液チャンバ５２及び負極電解液チャンバ５０における正極電解液の状態及び負極電解液の状態を監視するように配置されてもよい。他の実施例として、図１に示すセンサ７２，７０は、それぞれ、正極室２２及び負極室２０における正極電解液の状態及び負極電解液の状態を監視してもよい。１つの実施例では、センサ７２，７０は、レドックスフロー電池セル１８のセパレータ２４の正及び負側における圧力を示す信号をコントローラ８８に送信する圧力センサを含んでいてもよい。セパレータ２４の負及び正極室２０，２２における圧力は、負及び正極それぞれの入口及び出口の流れを制御することによって調整されてもよい。例えば、コントローラは、それに流体接続された真空ポンプのポンプ速度を上げること、負極電解液ポンプ３０のポンプ速度を下げること、及び負極室からの出口流れを増加させるために背圧流量調整器を絞ること、のうち１つ又はそれ以上によって、負極室２０における圧力を下げてもよい。

同様に、コントローラは、正極ポンプ３２のポンプ速度を上げること、及び負極室からの出口流れを減少させるために背圧流量調整器を絞ること、のうち１つ又はそれ以上によって、正極室２２における圧力を上げてもよい。背圧流量調整器は、オリフィス、バルブ等を含んでいてもよい。例えば、コントローラ８８は、バルブをより開いた位置に配置し、負極室２０からより高い出口流れを誘導する信号を送信してもよく、それによって、負極室圧力を下げる。正極室圧力を上げて負極室圧力を下げると、セパレータ２４のクロスオーバー圧力（正から負）を上げることができる。正極電解液の流れを増加すること、正極電解液ポンプ３２のポンプ速度を上げること、及び正極室２２の出口における背圧を上げることによってクロスオーバー圧力を上げることは、ポンプの寄生損失が増加することがあるため、クロスオーバー圧力を上げる他の方法よりも望ましくない。

センサは、電解液の化学的特性及びその他の特性を監視するために、レドックスフロー電池システム全体のその他の場所に配置されてもよい。例えば、センサは、外部酸タンク（図示せず）の酸の体積又はｐＨを監視するために、外部酸タンクに配置されてもよく、外部酸タンクからの酸は、電解液の沈殿物の形成を低減するため、外部ポンプ（図示せず）によってレドックスフロー電池システムに供給される。他の添加剤をレドックスフロー電池システム１０に供給するため、追加の外部タンクとセンサを取り付けてもよい。センサ情報は、１つの実施例として、セル１８を流れる電解液の流れを制御するため、又は、他の制御機能を実行するために、負極及び正極電解液ポンプ３０及び３２を順に作動させ得るコントローラ８８に送信されてもよい。このように、コントローラ８８は、センサ及びプローブの１つ又は組み合わせに対して応じてもよい。レドックスフロー電池セル１８は、レドックスフロー電池システム用のパワーモジュールの複数のレドックスフロー電池セルスタックの１つの中に配置されてもよい。レドックスフロー電池セルスタック内のそれぞれのレドックスフロー電池セル１８は、レドックスフロー電池セルスタック内の他のレドックスフロー電池セルと直列及び／又は並列に電気接続されてもよい。さらに、それぞれのレドックスフロー電池セルスタックは、パワーモジュール内の他の複数のレドックスフロー電池セルスタックと直列及び／又は並列に電気接続されてもよい。このようにして、レドックスフロー電池セルスタックは、電気的に組み合わせられてパワーモジュールから電源を供給してもよい。

レドックスフロー電池システム１０は、水素ガス源をさらに備えてもよい。１つの実施例では、水素ガス源は、別個の専用の水素ガス貯蔵タンクを備えてもよい。図１に示す例では、水素ガスは、統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０に貯蔵され、当該統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０から供給されてもよい。統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０は、正極電解液チャンバ５２及び負極電解液チャンバ５０に追加の水素ガスを供給してもよい。統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０は、追加の水素ガスを電解液リバランス反応器８０，８２の入口に交互に供給してもよい。１つの実施例として、質量流量計又はコントローラ８８によって制御可能な他の流量制御装置が統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０からの水素ガスの流れを調整してもよい。

統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０は、レドックスフロー電池システム１０において生成された水素ガスを補ってもよい。例えば、レドックスフロー電池システム１０においてガス漏れが検出された場合、又は、低水素分圧における還元反応速度が低すぎる場合、正極電解液及び負極電解液中の電気活性種の電荷の状態をリバランスするために、統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０から水素ガスが供給されてもよい。１つの実施例として、コントローラ８８は、測定されたｐＨの変化に応じて、又は電解液又は電気活性種（electro-active species）の測定された電荷の状態の変化に応じて、統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給してもよい。例えば、負極電解液チャンバ５０又は負極室２０のｐＨの上昇は、レドックスフロー電池システム１０から水素が漏れていること、及び／又は、利用可能な水素分圧では反応速度が遅すぎることを示している場合がある。ｐＨ上昇に応じて、コントローラ８８は、統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０からレドックスフロー電池システム１０への水素ガスの供給を増加させてもよい。さらなる例として、第１の閾値のｐＨを超えて増加する、又は、第２の閾値のｐＨを超えて減少するというｐＨの変化に応じて、コントローラ８８は、統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給してもよい。ＩＦＢの場合、コントローラ８８は、第二鉄イオン（ferric ion）の還元速度及びプロトンの生成速度を増加させるため、追加の水素を供給してもよく、これにより、正極電解液のｐＨを低下させることができる。さらに、正極電解液から負極電解液にクロスオーバーする（crossing over）第二鉄イオンの水素還元によって、又は、正極側で生成されて、プロトン濃度勾配及び電気泳動力により負極電解液にクロスオーバーするプロトンによって、負極電解液ｐＨは低下する場合がある。このようにして、第二鉄イオン（正極室からクロスオーバーする）がＦｅ（ＯＨ）_３として沈殿するリスクを低減しながら、負極電解液のｐＨを安定した領域内に維持することができる。

酸素還元電位（ＯＲＰ）メータまたは光学センサ等の他のセンサによって検出された、電解液のｐＨの変化又は電解液の電荷の状態の変化に応じて、統合マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０からの水素ガスの供給速度を制御するための他の制御スキームが実装されてもよい。さらに、コントローラ８８の動作をトリガーするｐＨの変化又は電荷の状態の変化は、変化率又は一定の期間にわたって測定された変化の速さに基づいてもよい。変化の速さを算出する期間は、レドックスフロー電池システムの時定数に基づいて事前に決定又は調整されてもよい。例えば、時定数が小さいため、（例えば、副反応やガス漏れによる）濃度の局所的な変化を迅速に測定することができ、再循環率が高い場合は、当該期間を短縮できる。

図２を見ると、燃料電池リバランス反応器２００の燃料電離のフロー図の例が提供されている。燃料電池リバランス反応器２００は、触媒表面において、レドックスフロー電池の負極及び正極室からの電解液と水素ガスとを接触させるように設計されている。触媒は、グラファイト又は担持貴金属（例えば、炭素担持Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、イリジウム、タンタル、又はこれらの合金）を含み、レドックスフロー電池システムにおける実用化のために化学式（５）によって記述される反応速度を上げることがある。１つの実施例として、レドックスフロー電池システム内で生成される水素ガスは、触媒表面に導かれて、水素ガス及び電解液（例えば第二鉄イオンを含む）は、触媒表面で流体接触し、水素ガスは、第二鉄イオンを化学的に第一鉄イオンに還元し、正の水素イオン（例えばプロトン）を生成する。上述のように、触媒表面はグラファイトを含んでいてもよい。いくつかの例では、化学式（５）によって記述される反応は、触媒が炭素担持Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、又はこれらの合金などの貴金属ベースの触媒を含む場合、より速い速度で進行することがある。１つの実施例では、レドックスフロー電池は、ＩＦＢを含んでいてもよく、本開示の範囲から逸脱することなく他のタイプのフロー電池ケミストリーを含んでいてもよい。

燃料電池リバランス反応器２００は、図１のレドックスフロー電池システムにおけるリバランス反応器８０及び８２の一方又は両方に対応していてもよい。燃料電池リバランス反応器２００は、負極側２１０及び正極側２４０と、多孔質層２３０と、を含み、負極側２１０及び正極側２４０を介在して空間的に分離する。負極側２１０は、水素側とも呼ばれることがあり、正極側２４０は、電解液側と呼ばれることがある。１つの実施例では、多孔質層２３０は、イオン導電性であり、プロトンは、それを通過して輸送されてもよく、導電性であり、内部電流によって反応を起こす（drive）。水素ガスは、マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０等の電解液貯蔵タンクのガスヘッドスペースから、レドックスフロー電池システムのガス／液体セパレータから、又は外部水素源から、負極側２１０の負極入口２１２に導かれていてもよい。電解液は、多段式電解液貯蔵タンク１１０の負極又は正極電解液チャンバ５０及び５２から、又は負極又は正極電解液貯蔵タンクから、独立して、燃料電池リバランス反応器の正極側２４０において正極入口２４２に導かれてもよい。１つの実施例では、電解液ポンプ２５０は、負極又は正極電解液チャンバ５０及び５２から正極側２４０に電解液を供給してもよい。このように、電解液ポンプ２５０は、レドックスフロー電池システム１０のポンプ３０又は３２に対応していてもよい。

多孔質層２３０は、グラファイト又は炭素／グラファイト複合材等の炭素質材料を含んでいてもよく、炭素フェルト、炭素スポンジ、及び炭素メッシュ等の多孔質炭素構造体を含んでいてもよい。多孔質層２３０の孔の表面は、親水性であってもよく、イオン伝導性媒体を作成するために電解液で完全に多孔質層２３０を濡らすことを促進する。炭素多孔質層の親水性は、その表面をコーティング又は処理することによって増加し得る。換言すると、多孔質層は、導電性、多孔質、親水性、炭素質基材を含んでいてもよい。さらに、多孔質層２３０は、セパレータの表面において水素ガスと電解液液体とが接触するときに、多孔質層２３０の境界層フィルムを横切る相間物質輸送損失を減らすために、離散した粒子又はピースのない連続的な１ピースの材料を含んでいてもよい。例えば、離散的にパッキングされた触媒粒子を含む充填層は、個々の粒子を囲む質量輸送制限境界層フィルムを含んでいてもよく、これによって、バルク領域から粒子表面領域への水素ガス及び液体電解液の質量輸送の速度が低下する。

燃料電池リバランス反応器２００は、１つ又はそれ以上の圧力トランスポーター２１５及び２１７を含んでいてもよく、負極及び正極入口２１２及び２４２、及び負極及び正極出口２１４及び２４４にそれぞれ配置されている。このように、負極入口２１２及び負極出口２１４、正極入口２４２及び正極出口２４４の間における圧力降下、並びに入口及び出口において多孔質層を横切る圧力降下を、コントローラ８８によって監視可能である。多孔質層を横切る圧力降下は、正極入口２４２及び負極入口２１２、正極出口２４４及び負極出口２１４、正極出口２４４及び負極入口２１２、の間における圧力差から決定されてもよい。燃料電池リバランス反応器２００の動作は、負極側２１０から正極側２４０への水素ガスのクロスオーバーのリスクを減らすために、正極出口２４４および正極入口２４２の間における圧力降下を、多孔質層を横切る圧力降下よりも低く維持することを含んでいてもよい（例えば、負極側２１０における圧力を正極側２４０における圧力よりも大きくする）。負極側２１０から正極側２４０へクロスオーバーするガスは、液体電解液が多孔質層２３０の孔に入ることを妨げ、これによって多孔質層２３０のイオン伝導性を低下させることがある。１つの実施例では、正極側２４０を横切る圧力降下は、閾値圧力差よりも大きいだけ、多孔質層２３０の圧力降下よりも低く維持されてもよい。さらに、負極側２１０を横切る圧力降下は、閾値圧力差よりも大きいだけ、多孔質層２３０の圧力降下よりも低く維持されてもよい。閾値圧力差は、多孔質層２３０を横切る圧力降下に対する有圧力差に対応していてもよく、それを超えると、水素ガスが負極側２１０から正極側２４０へクロスオーバーするリスクが減少することがある。コントローラ８８は、閾値圧力差よりも小さいだけ多孔質層２３０を横切る圧力降下よりも低い１つ又はそれ以上の正極側２４０及び負極側２１０を横切る圧力降下に応じて、電解液流れ及び水素ガス流れをリダイレクトし、現在の燃料電池リバランス反応器への水素流れ及び電解液流れを遮断する。

燃料電池リバランス反応器は、さらに、負極２２０を含んでいてもよく、負極側２１０及び多孔質層２３０の間に挿入された負極と、正極側２４０及び多孔質層２３０の間に挿入された正極と、を含んでいてもよい。いくつかの例では、多孔質層２３０は、１つ又はそれ以上の負極及び正極として働いてもよい。電極を横切る電流を印加すると、リバランス反応器２００の触媒表面における正極電解液の還元を促進するのに役立つ。例えば、負極は、電圧源の負極側に結合され、電子は、正極を介して発生する（例えば、水素ガスＨ_２が水素プロトンＨ^＋に酸化される）。負極に供給された電子は、電解液中のＦｅ^３＋を還元して正極側にＦｅ^２＋を形成し、電解液電化のリバランスを促進する。

燃料電池リバランス反応器の負極及び正極側は、構造かチャネル又はフローフィールドを含んでいてもよく、水素ガス及び電解液を負極側２１０から多孔質層２３０まで、及び正極側２４０及び多孔質層２３０の間の界面領域全体に向けてそれぞれ分配する。例えば、フローフィールドは、対向櫛形流路（IDFF）、又は蛇行フローフィールド、並行フローフィールド、ピンフローフィールド等の非対向櫛形流路を含んでいてもよい。終了する（terminate）ＩＤＦＦフローチャネルは、多孔質層２３０への流体の押し込み及び押し出しを促進し、リバランス反応器２００の負極側２１０又は正極側２４０から多孔質層２３０の孔への流体の分配を増加させることを促進し得る。このように、燃料電池リバランス反応器２００は、負極側からの水素ガスと、正極側からの電解液液体と、の接触を促進し得る。

図８には、対向櫛形流路（IDFF）プレート１８００によって促進される構造かフローフィールドが、対向櫛形リブ１８１２及び１８２２と共に示されている。ＩＤＦＦプレート１８００を正極側２４０に配置することによって、多孔質層２３０を通って正極側に電解液の流れを導くことを促進し、一方、ＩＤＦＦプレート１８００を負極側２１０に配置することによって、多孔質層２３０を通って負極側に電解液の流れを導くことを促進する。特に、電解液及び／又は水素流体流れは、正極フローフィールドプレート２０１０の入口１８１０から出口１８２０に導かれてもよい。対向櫛形正極流路の断面図１８５０に示すように、対向櫛形リブ１８１２の櫛形の入口チャネルから対向櫛形リブ１８２２の出口チャネルへの流体の流れ（矢印１８３０によって示される）は、多孔質層２３０を通って起こる可能性があり、電解液の強制的な対流を提供する。他の実施例では、構造化フローフィールドプレートは、蛇行フロープレート、スパイラルフロープレート、ピンフロープレート、又は非対向櫛形リブを備える並行フロープレート等の非ＩＤＦＦフロープレートであってもよい。デッドエンドチャネルのおかげで、ＩＤＦＦフローフィールドは、電解液がフローフィールド全体にわたってより完全に分配され、多孔質層２３０を通って入口チャネルから出口チャネルに拡散する前に対向櫛形デッドエンドチャネルを満たすため、有利であることがある。

燃料電池リバランス反応器２００は、さらに、水素側（図２）の出口側、又は燃料電池リバランス反応器２００の電解液側（図３）の入口側に配置されたエジェクター２６０を含んでいてもよい。エジェクター２６０が燃料電池リバランス反応器２００の水素側の出口側に配置されていると、正極出口２４４からの電解液の出口流れは、負極出口２１４から出る水素ガスを引く又は吸引し、それに巻き込まれ、正極電解液チャンバ５２、又は負極電解液チャンバ５０に戻される。未使用の水素は、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０内の液体電解液から分離され、分離された水素ガスは、正極及び負極ガスヘッドスペース９０及び９２を占め、溢流孔９６を介して圧力平衡化される。エジェクター２６０が燃料電池リバランス反応器２００（図３）の電解液側の入口側に配置されている場合、正極入口２４２からの電解液の入口流れは、負極出口２１４から出る水素ガスを引く又は吸引し、それに巻き込まれ、負極電解液チャンバ５０又は正極電解液チャンバ５２に戻る前に燃料電池リバランス反応器を通って流れ、次いで分離する。この構成では、エジェクター２６０は、液体電解液への水素ガスの分散を促進し、それによって燃料電池リバランス反応器２００内のリバランス反応を促進する。巻き込まれたガスは、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０の場合のように、自発的に、正極電解液チャンバ５２又は負極電解液チャンバ５０に戻る際に液体電解液から分離されてもよく、正極電解液チャンバ５２及び負極電解液チャンバ５０に流体接続された追加のガス／液体セパレータによって分離されてもよい。

燃料電池リバランス反応器２００内の滞留時間中、水素ガスは、化学式（６）に従って、多孔質層２３０の表面において液体電解液中の金属鉄を還元可能であり、炭素多孔質層２３０は、そこで触媒（例えば触媒表面）として働き得る。ＩＦＢの場合、水素ガスは、化学式（５）に従って、多孔質層２３０の表面において液体電解液中の金属鉄を還元可能である。電解液リバランス速度を上げるために、複数の燃料電池リバランス反応器は、スタックされて並列に流体接続されてもよく、水素ガス及び電解液のより速い流速は、燃料電池リバランス反応器のスタックに導かれる。このように、コントローラ８８は、圧力降下差が閾値圧力差よりも小さいことに応じて、電解液流れ及び水素ガス流れを他の燃料電池リバランス反応器にリダイレクトし、例えば、コントローラ８８に応じて、現在の燃料電池リバランス反応器への水素ガス流れ及び電解液流れを遮断する。

ここで図４を見ると、それは、燃料電池リバランス反応器２００の第１の実施形態４００を示す。負極側４１０は、ＩＤＦＦ又は蛇行フローフィールドのような構造化フローチャネルを含み、正極入口２４２からの入口水素ガスが導かれる。構造化負極フローチャネルは、水素ガスを負極側４１０及び負極４２０の間で共有される境界表面領域全体に分配して流れるように強制することを促進する。１つの実施例では、負極フローチャネルは、プラスチックフローチャネルを含む。負極は、炭素、グラファイト、又はグラファイトペーパー及びフェルトを含む炭素／グラファイト複合材を含んでいてもよい。１つの実施例では、負極は、多孔質層４３０（負極と同じ材料及び構造）と一体化されてもよい。負極４２０は、さらに、それにコーティングされ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、イリジウム、タンタル又はそれらの合金等の金属触媒で処理された、５〜５０％テフロン（登録商標）の表面層を含んでいてもよい。正極は、正極側４４０に一体化されてもよく、炭素、グラファイト、又は炭素発泡体、炭素又はグラファイトフェルト等の炭素／グラファイト複合材を含んでいてもよい。多孔質層４３０は、炭素、グラファイト、及び／又は、グラファイトペーパー又はフェルト等の炭素／グラファイト複合材を含んでいてもよく、親水性になるように表面処理されてもよい。図４には示されていないが、燃料電池リバランス反応器２００と同様に、燃料電池リバランス反応器２００の第１の実施形態４００は、さらに、水素側（図２）の出口側、又は燃料電池リバランス反応器２００の電解液側（図３）の入口側に配置されたエジェクター２６０を含んでいてもよい。

ここで図５を見ると、それは、燃料電池リバランス反応器２００の第２の実施形態５００を示す。正極側５５０及び負極側５１０の両方は、ＩＤＦＦ又は蛇行フローフィールドのような構造化フローチャネルを含み、正極入口２４２からの入口電解液と、負極入口２１２からの水素ガスと、がそれぞれ導かれる。構造化正極及び負極フローチャネルは、水素ガスを、正極側５５０及び正極５４０の間、及び、負極側５１０及び負極５２０の間で共有される境界表面領域全体に分配して流れるように強制することを促進する。１つの実施例では、負極フローチャネル及び正極フローチャネルは、プラスチックフローチャネルを含む。負極５２０は、炭素、グラファイト、又はグラファイトペーパー及びフェルトを含む炭素／グラファイト複合材を含んでいてもよい。１つの実施例では、負極５２０は、多孔質層５３０（負極と同じ材料及び構造）と一体化されてもよい。負極５２０は、さらに、それにコーティングされ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、イリジウム、タンタル又はそれらの合金等の金属触媒で処理された、５〜５０％テフロン（登録商標）の表面層を含んでいてもよい。正極５４０は、炭素、グラファイト、又は炭素発泡体、炭素又はグラファイトフェルト等の炭素／グラファイト複合材を含んでいてもよい。多孔質層は、炭素、グラファイト、及び／又は、グラファイトペーパー又はフェルト等の炭素／グラファイト複合材を含んでいてもよく、親水性になるように表面処理されてもよい。図５には示されていないが、燃料電池リバランス反応器２００と同様に、燃料電池リバランス反応器の実施形態５００は、さらに、水素側（図２）の出口側、又は燃料電池リバランス反応器２００の電解液側（図３）の入口側に配置されたエジェクター２６０を含んでいてもよい。

ここで図６を見ると、それは、燃料電池リバランス反応器２００の第３の実施形態６００を示す。正極側６５０及び負極側６１０の両方は、ＩＤＦＦ又は蛇行フローフィールドのような構造化フローチャネルを含み、正極入口２４２からの入口電解液と、負極入口２１２からの水素ガスと、がそれぞれ導かれる。構造化正極及び負極フローチャネルは、水素ガスを、正極側６５０及び多孔質層６３０の間、及び、負極側６１０及び多孔質層６３０の間で共有される境界表面領域全体に分配して流れるように強制することを促進する。１つの実施例では、負極フローチャネル及び正極フローチャネルは、プラスチックフローチャネルを含む。負極及び正極は、多孔質層６３０負極と同じ材料及び構造）と一体化されていてもよい。換言すると、多孔質層６３０は、負極及び正極の両方を含んでそれらとして働いてもよい。多孔質層６３０は、炭素、グラファイト、及び／又は、グラファイトペーパー又はフェルト等の炭素／グラファイト複合材を含んでいてもよく、親水性になるように表面処理されてもよい。燃料電池リバランス反応器２００の第３の実施形態６００では、燃料電池リバランス反応器は、金属触媒の非存在下でリバランス反応を実行する。図６には示されていないが、燃料電池リバランス反応器２００と同様に、燃料電池リバランス反応器２００の第３の実施形態６００は、さらに、水素側（図２）の出口側、又は燃料電池リバランス反応器２００の電解液側（図３）の入口側に配置されたエジェクター２６０を含んでいてもよい。

したがって、レドックスフロー電池システム用のリバランス反応器は、水素ガスが流れる第１側と、レドックスフロー電池システムからの電解液が流れる第２側と、第１側と第２側とを分離して流体接続する多孔質層と、を含んでいてもよく、水素ガスと電解液とが、多孔質層の表面において流体接触しており、第２側を横切る圧力降下が、多孔質層を横切る圧力降下よりも小さい。リバランス反応器の第１の例では、第２側を横切る圧力降下が、第２側の入口及び出口を横切る圧力降下に対応する。リバランス反応器の第２の例は、第１の例を任意で含み、さらに、第１側を横切る圧力降下が、前記第２側を横切る前記圧力降下よりも大きいことを含む。リバランス反応器の第３の例は、第１及び第２の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、エジェクターを含み、第２側から出る電解液が、エジェクターを通って流れ、それによって、エジェクターを通って第１側から出る水素ガスを引く。リバランス反応器の第４の例は、第１から第３の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、エジェクターを含み、第２側に入る電解液が、エジェクターを通って流れ、それによって、エジェクターを通って第１側から出る水素ガスを引く。リバランス反応器の第５の例は、第１から第４の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、第１側が、水素ガスが流れる対向櫛形流路を含み、それによって、水素ガスを第１側から出る前に多孔質層を通って第１側に強制的に入れる。リバランス反応器の第６の例は、第１から第５の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、第２側が、電解液が流れる対向櫛形流路を含み、それによって、電解液を第１側から出る前に多孔質層を通って第２側に強制的に入れる。リバランス反応器の第７の例は、第１から第６の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、多孔質層に導電接続された負極及び正極を含み、負極及び正極を横切って印加される電流が、水素ガスと電解液との間におけるリバランス反応速度を大きくする。

したがって、レドックスフロー電池システムは、複数のレドックスフロー電池セルと、第２のリバランス反応器に流体接続された第１のリバランス反応器と、を含み、第１及び２のリバランス反応器のそれぞれが、水素ガスが流れる第１側と、複数のレドックスフロー電池セルから電解液が流れる第２側と、第１側と前記第２側とを分離して流体接続する多孔質層と、を含み、水素ガスと電解液とが、多孔質層の表面において流体接触し、第２側を横切る圧力降下が、閾値圧力差よりも小さい多孔質層を横切る圧力降下より小さい。レドックスフロー電池システムの第１の例は、実行可能な命令がメモリーに格納されたコントローラを含み、閾値圧力差よりも小さい多孔質層を横切る圧力降下より小さい第１のリバランス反応器の第２側を横切る圧力降下に応じて、第１のリバランス反応器から第２のリバランス反応器への電解液の流れの一部をリダイレクトする。レドックスフロー電池システムの第２の例は、第１の例を任意で含み、さらに、実行可能な命令が、閾値圧力差よりも小さい多孔質層を横切る圧力降下より小さい、第１のリバランス反応器の第２側を横切る圧力降下に応じて、第１のリバランス反応器の第２側への電解液の流れを減少させる。

ここで図７を見ると、それは、１つ又はそれ以上の燃料電池リバランス反応器２００を備えるレドックスフロー電池システム１０において電解液をリバランスする例示的な方法１１００のフローチャートを示す。燃料電池リバランス反応器２００は、図２〜３並びに図４〜６を参照して説明したその実施形態を参照して説明される構成要素を含んでいてもよい。方法１１００は、コントローラ８８基板上の非一時的メモリーに常駐する実行可能な命令として実行されてもよい。方法１１００は、１１００で開始し、コントローラ１１００は、ｐＨ、燃料電池リバランス入口及び出口圧力、燃料電池リバランス反応器への水素ガス及び電解液流れ等のレドックスフロー電池システムの動作条件を決定する。１１２０では、方法１１００は、水素ガスを燃料電池リバランス反応器の負極側に導く。水素ガスは、電解液貯蔵タンクの負極電解液チャンバ内のガスヘッドスペース又は外部水素源から供給されてもよい。１１３０では、液体電解液は、燃料電池リバランス反応器の正極側に導かれる。液体電解液は、正極電解液チャンバ５２からの正極電解液又は負極電解液チャンバ５０からの負極電解液を含んでいてもよい。したがって、液体電解液は、負極及び正極電解液ポンプ３０又は３２によって、又はこれらの反応器のみに用いられる別途のポンプによって、燃料リバランス反応器に供給されてもよい。１１２０及び１１３０では、水素ガス及び液体電解液は、並列に流体接続された複数の燃料電池リバランス反応器に導かれ、より高い電荷リバランス流量容量を可能にする。

次に、ステップ１１４０では、水素ガス及び液体電解液は、燃料電池リバランス反応器内で流体接触していてもよい。水素ガスと液体電解液とを流体接触されることは、水素ガス及び／又は液体電解液を構造化フローチャネル（例えば対向櫛形又は非対向櫛形）に通し、水素ガス及び／又は液体電解液を多孔質層と正極及び負極との境界表面領域全体に分配することを含んでいてもよい。水素ガスと液体電解液とを流体接触されることは、さらに、水素ガス及び液体電解液を多孔質層２３０の孔に導くことを含んでいてもよい。多孔質層２３０の連続性は、セパレータ表面における水素ガス及び電解液液体の接触時に、多孔質層２３０の境界層フィルムを横切る相間物質輸送損失の減少を促進することがある。

次に、１１５０では、コントローラは、燃料電池リバランス反応器の正極側及び負極側を横切る圧力降下（ΔＰ）が、多孔質層を横切る圧力降下よりも閾値圧力差以上小さいかを判定してもよい。さらに、負極側を横切る圧力降下は、正極側を横切る圧力降下よりも大きく維持されてもよい。１つの実施例では、閾値圧力差は、燃料電池リバランス反応器の多孔質層２３０を横切る気泡圧力に基づく。多孔質層２３０の気泡圧力は、現場外（ex-situ）で決定されてもよく、それを超えると気泡が多孔質層２３０を強制的に通過する圧力に対応していてもよい。さらに又は代わりに、閾値圧力差は、多孔質層２３０を横切る圧力降下に基づいており、正極入口２４２及び負極入口２１２の間、正極出口２４４及び負極出口２１４の間、及び正極出口２４４及び負極入口２１２の間における圧力差の１つ又は組合せ（例えば平均又は加重平均）から決定可能である。１つの実施例では、正極側２４０及び負極側２１０を横切る圧力降下は、多孔質層２３０の気泡圧力よりも低く維持されてもよい。閾値圧力差は、それを超えると、水素ガスが負極側２１０から多孔質層２３０へクロスオーバーするリスクが減少し、又は水素のリスクが多孔質層２３０から液体を追い出し、より高いイオン抵抗となる、圧力差に対応していてもよい。燃料電池の正極側を横切る圧力降下（ΔＰ）が多孔質層を横切るΔＰよりも小さい場合、方法１１００は、１１６０まで続き、コントローラは、水素ガスを負極側に、電解液を燃料電池リバランス反応器の正極側に導き続ける。

燃料電池の正極側を横切るΔＰが多孔質層を横切るΔＰよりも大きい場合、方法１１００は、１１７０まで続き、ΔＰを調整する。１つの実施例では、水素ガス及び液体電解液の流れは、並列に接続された他の燃料電池リバランス反応器に導いてもよい。方法は、閾値圧力差（例えば多孔質層の気泡圧力）に対して正極及び負極側を横切るΔＰを比較するために進められてもよい。

いくつかの例では、現在の燃料電池リバランス反応器は、遮断されて働いてもよく、１１７０において、正極側フローチャネルの洗浄、多孔質層の交換、及び正極の交換の１つ又はそれ以上を含んでいてもよい。

したがって、レドックスフロー電池システムのためのリバランス反応器操作方法は、リバランス反応器の第１側を通って水素を流し、リバランス反応器の前記第１側に電解液を流すことなく、レドックスフロー電池からリバランス反応器の第２側に電解液を流し、第１側と第２側との間に挿入された多孔質層の表面において水素ガスと電解液とを流体接触させる。方法の第１の例は、第１側を通って水素を流すことが、第２側を通って水素を流すことなく、第１側を通って水素を流すことを含む。方法の第２の例は、第１の例を任意で含み、さらに、レドックスフロー電池から電解液を流すことが、レドックスフロー電池の正極チャンバから電解液を流すことを含む。方法の第３の例は、第１又は第２の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、レドックスフロー電池から電解液を流すことが、レドックスフロー電池の負極チャンバから電解液を流すことを含む。方法の第４の例は、第１から第３の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、水素ガスと電解液とを多孔質層の表面において流体接触させることが、多孔質層の炭素質表面において水素ガスによって電解液中の金属鉄を還元することを含む。方法の第５の例は、第１から第４の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、第２側を横切る圧力降下を、多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することを含む。方法の第６の例は、第１から第５の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、第２側を横切る圧力降下を、多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することが、第１側を横切る圧力降下を、多孔質層の気泡圧力よりも小さく維持することを含む。方法の第７の例は、第１から第６の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、第２側を横切る圧力降下を、多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することが、第２側を横切る圧力降下を、多孔質層の気泡圧力よりも小さく維持することを含む。方法の第８の例は、第１から第７の例のうち１つ又はそれ以上を任意で含み、さらに、第２側を横切る圧力降下を、多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することが、第２側を横切る圧力降下を、閾値圧力差以上で多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することを含む。

このように、本明細書に記載の燃料電池リバランス反応器は、充填床リバランス反応器又は他の従来のリバランス反応器よりもより効率的にレドックスフロー電池システムの電解液電化をリバランスする技術的効果を達成可能である。さらに、燃料電池リバランス反応器は、充填床反応器に比較して設計が単純なフロースルー反応器であり、容量、及び電解液リバランスの柔軟性及び冗長性を向上するために、並列に、スタックされ、接続されてもよい。例えば、燃料電池リバランス反応器の性能が低下する（例えば正極側を横切るΔＰが多孔質層を横切るΔＰよりも大きい）場合、水素ガス及び液体電解液は、他の燃料電池リバランス反応器に容易にリダイレクト可能であり、性能が低いリバランス反応器は、レドックスフロー電池システムの充電及び放電中に、レドックスフロー電池システムのダウンタイムを経験することなく、働く又は交換される。

本開示に含まれる例示的な制御及び判断手順（estimation routines）は、様々な電池及び／又は自動車システムの構成で使用可能であることに留意されたい。本開示で開示される制御方法及び手順は、実行可能な命令として非一時的なメモリーに格納され、様々なセンサ、アクチュエーター、及び他の電池ハードウェアと組み合わせられたコントローラを含む制御システムによって実行されてもよい。ここで説明された特定の手順は、イベント駆動、割り込み駆動、マルチタスク、マルチスレッドなどの任意の数の処理ストラテジーのうち１つ又はそれ以上を表していてもよい。したがって、示された様々なアクション、動作、及び／又は機能は、示されたシーケンスにおいて、平行して又は場合によっては省略されて実行されてもよい。同様に、処理の順序は、本開示で開示された例示的な実施形態の特徴及び利点を達成するために必ずしも必要なものではないが、例示及び説明の容易のために提供される。示されているアクション、動作、及び／又は機能の１つ又はそれ以上は、使用されている特定のストラテジーに応じて繰り返し実行される。さらに、説明されたアクション、動作、及び／又は機能は、レドックスフロー電池制御システム内のコンピューター可読記憶媒体の非一時的メモリーにプログラムされるコードをグラフィカルに表すことができ、説明されたアクションは、電子コントローラと組み合わせられて様々な電池ハードウェアの構成を含むシステムで命令を実行することによって行われる。

以下の請求項は、新規かつ非自明とみなされる特定の組合せ及び部分的組合せを特に指摘している。これらの請求項は、要素「an」又は要素「a first」又はそれらの同等物を指すことがある。そのような請求項は、２以上のそのような要素を必要とすることも除外されることもなく、そのような要素を１つ又はそれ以上組み込むことを含むと理解されるべきである。開示された特徴、機能、要素、及び／又は特性の他の組合せ及び部分的組合せは、現在の請求項の補正を通じて、又は、本願又は関連する出願における新しい請求項の提示を通じて、請求されることがある。そのような請求項は、元の請求項よりも、広い、狭い、等しい、又は異なる範囲であっても、本開示の構成要件内に含まれるものとみなされる。

Claims (20)

1. 水素ガスが流れる第１側と、
   レドックスフロー電池システムからの電解液が流れる第２側と、
   前記第１側と前記第２側とを分離して流体接続する多孔質層と、を備え、
   前記水素ガスと前記電解液とが、前記多孔質層の表面において流体接触しており、
   前記第２側を横切る圧力降下が、前記多孔質層を横切る圧力降下よりも小さい、
   レドックスフロー電池システム用のリバランス反応器。
2. 前記第２側を横切る前記圧力降下が、前記第２側の入口及び出口を横切る圧力降下に対応する、請求項１に記載のリバランス反応器。
3. 前記第１側を横切る圧力降下が、前記第２側を横切る前記圧力降下よりも大きい、請求項１に記載のリバランス反応器。
4. さらにエジェクターを備え、前記第２側から出る前記電解液が、前記エジェクターを通って流れ、それによって、前記エジェクターを通って前記第１側から出る水素ガスを引く、請求項１に記載のリバランス反応器。
5. さらにエジェクターを備え、前記第２側に入る前記電解液が、前記エジェクターを通って流れ、それによって、前記エジェクターを通って前記第１側から出る水素ガスを引く、請求項１に記載のリバランス反応器。
6. 前記第１側が、前記水素ガスが流れる対向櫛形流路を含み、それによって、前記水素ガスを前記第１側から出る前に前記多孔質層を通って前記第１側に強制的に入れる、請求項１に記載のリバランス反応器。
7. 前記第２側が、前記電解液が流れる対向櫛形流路を含み、それによって、前記電解液を前記第１側から出る前に前記多孔質層を通って前記第２側に強制的に入れる、請求項１に記載のリバランス反応器。
8. さらに、前記多孔質層に導電接続された負極及び正極を備え、前記負極及び前記正極を横切って印加される電流が、前記水素ガスと前記電解液との間におけるリバランス反応速度を大きくする、請求項１に記載のリバランス反応器。
9. リバランス反応器の第１側を通って水素を流し、
   前記リバランス反応器の前記第１側に電解液を流すことなく、レドックスフロー電池から前記リバランス反応器の第２側に前記電解液を流し、
   前記第１側と前記第２側との間に挿入された多孔質層の表面において前記水素ガスと前記電解液とを流体接触させる、
   レドックスフロー電池システムのためのリバランス反応器操作方法。
10. 前記第１側を通って水素を流すことが、前記第２側を通って水素を流すことなく、前記第１側を通って水素を流すことを包含する、請求項９に記載の方法。
11. 前記レドックスフロー電池から電解液を流すことが、前記レドックスフロー電池の正極チャンバから電解液を流すことを包含する、請求項９に記載の方法。
12. 前記レドックスフロー電池から電解液を流すことが、前記レドックスフロー電池の負極チャンバから電解液を流すことを包含する、請求項９に記載の方法。
13. 前記水素ガスと前記電解液とを前記多孔質層の前記表面において流体接触させることが、前記多孔質層の炭素質表面において前記水素ガスによって前記電解液中の金属鉄を還元することを包含する、請求項９に記載の方法。
14. さらに、前記第２側を横切る圧力降下を、前記多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することを備える、請求項９に記載の方法。
15. 前記第２側を横切る圧力降下を、前記多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することが、前記第１側を横切る圧力降下を、前記多孔質層の気泡圧力よりも小さく維持することを包含する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記第２側を横切る圧力降下を、前記多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することが、前記第２側を横切る圧力降下を、前記多孔質層の気泡圧力よりも小さく維持することを包含する、請求項１４に記載の方法。
17. 前記第２側を横切る圧力降下を、前記多孔質層を横切る圧力降下よりも小さく維持することが、前記第２側を横切る圧力降下を、閾値圧力差以上で前記多孔質層を横切る前記圧力降下よりも小さく維持することを包含する、請求項１４に記載の方法。
18. 複数のレドックスフロー電池セルと、
    第２のリバランス反応器に流体接続された第１のリバランス反応器と、を包含し、前記第１及び２のリバランス反応器のそれぞれが、
    水素ガスが流れる第１側と、
    前記複数のレドックスフロー電池セルから電解液が流れる第２側と、
    前記第１側と前記第２側とを分離して流体接続する多孔質層と、を包含し、
    前記水素ガスと前記電解液とが、前記多孔質層の表面において流体接触し、
    前記第２側を横切る圧力降下が、閾値圧力差よりも小さい前記多孔質層を横切る圧力降下より小さい、
    レドックスフロー電池システム。
19. さらに、実行可能な命令がメモリーに格納されたコントローラを備え、前記閾値圧力差よりも小さい前記多孔質層を横切る前記圧力降下より小さい前記第１のリバランス反応器の前記第２側を横切る圧力降下に応じて、前記第１のリバランス反応器から前記第２のリバランス反応器への前記電解液の流れの一部をリダイレクトする、請求項１８に記載のレドックスフロー電池システム。
20. 前記実行可能な命令が、前記閾値圧力差よりも小さい前記多孔質層を横切る前記圧力降下より小さい、前記第１のリバランス反応器の第２側を横切る圧力降下に応じて、第１のリバランス反応器の第２側への前記電解液の流れを減少させる、請求項１９に記載のレドックスフロー電池システム。

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