JP2023525857A - レドックスフロー電池 - Google Patents
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Abstract
レドックスフロー電池及び電池システムが提供される。一例では、レドックスフロー電池は、第1の端部に第1の加圧板と第2の端部に第2の加圧板とを含む加圧板のセットであって、第2の端部及び第1の端部は、レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置される、加圧板のセットを含む。レドックスフロー電池は、第1の加圧板と第2の加圧板の間に長手方向に配置された第1のセルスタックをさらに含み、第1の加圧板及び第2の加圧板は、それぞれ、第1のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第2のフランジに複数の積み重ね突起とを含み、第1のフランジ及び第2のフランジは、レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置される。【選択図】図1
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2020年5月15日に出願された「REDOX FLOW BATTERY AND BATTERY SYSTEM」という名称の米国仮出願第63/025,312号に対する優先権を主張する。前述の出願の全内容が、あらゆる目的で、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、2020年5月15日に出願された「REDOX FLOW BATTERY AND BATTERY SYSTEM」という名称の米国仮出願第63/025,312号に対する優先権を主張する。前述の出願の全内容が、あらゆる目的で、参照により本明細書に組み込まれる。
本説明は、一般に、レドックスフロー電池及び電池システムに関する。
レドックスフロー電池は、電力と容量を個別にスケーリングでき、また、従来の電池技術と比較して、性能損失を抑えながら数千サイクルの充電と放電を行うことができるため、グリッドスケールの貯蔵用途に適している。鉄ハイブリッドレドックスフロー電池は、セルスタックに低コストの材料が組み込まれているため、特に魅力的である。鉄レドックスフロー電池(IFB)は、電解液として鉄、塩、及び水に依存している。いくつかの実施形態では、IFBで使用される、これらの地球に豊富で安価な材料は、刺激の強い化学物質を省略するとともに、電池の環境フットプリントを削減する。
しかしながら、本発明者らは、様々な最終用途の電力及び/又は貯蔵容量の目標を満たすフロー電池システムを設計する際に、スケーリングの課題が生じ得ることを認識した。例えば、単一のシステムに複数のフロー電池ユニットを配置すると、電池システム内に加圧板、ハウジングなどの多数の冗長な部品が存在するため、システムのサイズとコストが大幅に増加する可能性がある。さらに、従来のスタック圧縮システムと補強構造は、スペースが非効率的であり、セルスタックの圧縮が均一でない。セルの圧縮が均一でないと、望ましくない電池流れ場が生じ、電池の出力、効率が低下し、場合によっては構造的な完全性の低下につながり得る。
本発明者らは、従来のレドックスフロー電池の上述の課題を認識し、これらの課題を少なくとも部分的に解決するレドックスフロー電池を開発した。一例では、レドックスフロー電池は、第1の端部に第1の加圧板を有し、第2の端部に第2の加圧板を有する加圧板のセットを含む。第2の端部及び第1の端部は、レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置される。レドックスフロー電池はまた、第1の加圧板と第2の加圧板との間に長手方向に配置された第1のセルスタックを含む。さらに、第1の加圧板及び第2の加圧板のそれぞれは、第1のフランジに複数の積み重ね戻り止めを含み、第2のフランジに複数の積み重ね突起を含む。第1のフランジ及び第2のフランジは、レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置される。加圧板のフランジに積み重ね突起と積み重ね戻り止めを設けることで、複数の電池ユニットを効率的に積み重ねることができる。その結果、電池システムのモジュール性が向上し、必要に応じてシステムをスケーリングして最終用途の電力を実現し、場合によっては貯蔵容量の目標を実現することができる。
別の例では、レドックスフロー電池は、第1の加圧板の第1のスロット及び第2の加圧板の第2のスロットを通って延在するサイドボルトをさらに含み得る。サイドボルトは、第1のスロット及び第2のスロットとともに、所望の量の横方向のコンプライアンスに対応するように設計される。例えば、スロットは、セルスタックの横幅に関して、より大きな公差範囲に対応するために角度を付けることができる。その結果、横方向のスタック幅の変化を考慮して、必要に応じて、電池アセンブリの効率を高め、セルスタックの望ましくない横方向の撓みを減らすことができる。このようにして、横方向の撓みに起因する電池の部品劣化の可能性を低減する。
上述した概要は、発明を実施するための形態でさらに説明する概念の一部を簡単な形で紹介するためであることを理解すべきである。特許を請求する要旨の重要なまたは必須の特徴を特定することを意図したものではなく、要旨の範囲は、発明を実施するための形態に続く請求項によって一意に定義される。さらに、特許を請求する要旨は、上記課題または本開示のいずれかの部分に記載した課題を解決する実施形態に限定されない。
図2~図27は、ほぼ一定の縮尺で描かれている。しかしながら、他の実施形態では、他の相対的な寸法が使用される場合がある。
以下の説明は、レドックスフロー電池の製造コストを削減するのに役立つシステム及び方法に関する。製造コストの削減を実現するために、電池システムは、セルスタックを圧縮し、電池を構造的に補強するように設計されたスペース効率の良い圧縮アセンブリを含み得る。圧縮アセンブリは、板ばねによって前述の利点を実現することができ、板ばねは、加圧板の側面を下方に延在し、セルスタックに内側へ予荷重を加える。板ばねは、セルスタックの圧縮をコンパクトに提供して、動作中の電池の活性領域の撓みを低減(例えば、防止)する。加圧板は、圧縮アセンブリを構造的に補強可能な補強リブを含み得る。
レドックスフロー電池はまた、必要に応じて、電池システムを費用効果よくスケーリングできるようにするモジュラー機能を含み得る。例えば、電池内の加圧板は、加圧板のフランジに積み重ね突起及び積み重ね戻り止めを組み込むことができる。突起及び戻り止めは、隣接する電池の対応する突起及び戻り止めと嵌合して、電池ユニットの積み重ねを容易にする。その結果、必要に応じて、効率的なシステムのスケーリング(例えば、電力及び/又は容量のスケーリング)を実現することができる。
電池システムは、導電板(例えば、双極板または単極板)と嵌合する凹部を備えた弾性フランジを有するプレートアセンブリをさらに含み得る。弾性フランジにより、電池の動作中のセルスタック内の熱膨張係数(CTE)が異なる部品の熱膨張と収縮が可能になる。その結果、電池の動作中の望ましくないセルスタックの変形の可能性が低減される。1つの具体的な例では、弾性フランジは、フランジのセクションが長手方向にオフセットされた複数のセクションの間に延在するS字形を有することができる。S字形のフランジにより、より高い電池セルスタックの圧縮が実現できる。スタック圧縮の増大は、複数のセルスタックを有する電池では特に有益である。
図1に示すように、レドックスフロー電池システム10において、負極26は被覆電極と称され、正極28はレドックス電極と称され得る。第1の電池セル18の被覆側(例えば、負極コンパートメント20)内の負の電解液は、被覆電解液と称され、第1の電池セル18のレドックス側(例えば、正極コンパートメント22)の正の電解液は、レドックス電解液と称され得る。
ハイブリッドレドックスフロー電池は、電極上に固体層として、複数の電気活性材料の1つ以上を堆積すること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、電気化学反応によって基板上に固体として被覆する化学物質を含み得る。電池の放電中、被覆された種は、電気化学反応によってイオン化し、電解液に溶解することができる。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、蓄えられるエネルギーの最大量)は、電池充電中に被覆された金属の量によって制限される可能性があり、被覆システムの効率、ならびに被覆に利用可能な体積及び表面積に依存することができる。
アノードは、電気活性材料が電子を失う電極を指し、カソードは、電気活性材料が電子を得る電極を指す。電池の充電中、正の電解液は負極26で電子を獲得する、したがって負極26は電気化学反応のカソードである。放電中、正の電解液は電子を失う、したがって、負極26は反応のアノードである。あるいは、放電中、負の電解液及び負極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと称され、正の電解液及び正極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと称され得る。充電中、負の電解液及び負極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと称され、正の電解液及び正極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと称され得る。簡単にするために、正及び負という用語は、本明細書では、レドックス電池フローシステムの電極、電解液、及び電極コンパートメントに言及して使用される。
ハイブリッドレドックスフロー電池の一例は、オールアイアンレドックスフロー電池(IFB)であり、IFBでは、電解液は鉄塩(例えば、FeCl2、FeCl3など)の形態の鉄イオンを含み、負極は金属鉄を含む。例えば、負極26では、電池充電中に、第一鉄イオンFe2+が2つの電子を受け取り、鉄金属として負極26に被覆し、電池放電中に、鉄金属Fe0が2つの電子を失い、Fe2+として再溶解する。正極では、充電中にFe2+が電子を失って第二鉄イオンFe3+を形成し、放電中にFe3+が電子を獲得してFe2+を形成する。電気化学反応を式(1)と(2)にまとめる。ここで、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、IFBで使用される負の電解液は、十分な量のFe2+を提供し、充電中にFe2+が、負極から2つの電子を受け取ってFe0を形成し、基板上に被覆し得る。放電中、被覆されたFe0は2つの電子を失い、Fe2+にイオン化し、溶解されて電解液内に戻ることができる。上記の反応の平衡電位は-0.44Vであるため、この反応は、所望のシステムに負の端子を提供する。IFBの正極側では、電解液は充電中にFe2+を提供し、これが電子を失い、Fe3+に酸化する。放電中、電解液によって提供されたFe3+は、電極によって提供された電子を吸収することによってFe2+になる。この反応の平衡電位は+0.77Vであり、所望のシステムに正の端子を形成する。
IFBは、非再生電解液を利用する他の種類の電池とは異なり、電解液を充電及び再充電する能力を備える。充電は、端子40及び42を介して電極の間に電流を印加することによって実現される。負極26は、端子40を介して電圧源の負極側に電気的に接続することができ、これにより、電子が、正極を介して負の電解液に供給され得る(例えば、Fe2+が、正極コンパートメント22内の正の電解液中でFe3+に酸化される)。負極26(例えば、被覆電極)に供給される電子は、負の電解液中のFe2+を還元して、被覆基板でFe0を形成し、それを負極26上に被覆することができる。
酸化のために負の電解液がFe0を入手でき、還元のために正の電解液がFe3+を入手できる間、放電は持続することができる。例えば、第1の電池セル18の正極コンパートメント22側への正の電解液の濃度または体積を増加させ、外部の正の電解液タンク52などの外部ソースを介して追加のFe3+イオンを提供することにより、Fe3+の利用可能性は維持できる。より一般的には、放電中のFe0の利用可能性が、IFBシステムで問題になることがあり、放電に利用できるFe0は、負極基板の表面積及び体積と被覆効率とに比例することができる。充電容量は、負極コンパートメント20内のFe2+の利用可能性に依存することができる。例えば、第1の電池セル18の負極コンパートメント20側への負の電解液の濃度または体積を増加させ、外部の負の電解液チャンバ50などの外部ソースを介して追加のFe2+イオンを提供することにより、Fe2+の利用可能性は維持できる。
IFBにおいて、正の電解液は、第一鉄イオン、第二鉄イオン、第二鉄錯体、またはそれらの任意の組み合わせを含み、負の電解液は、IFBシステムの充電状態に応じて、第一鉄イオンまたは第一鉄錯体を含む。前述のように、負の電解液と正の電解液の双方で鉄イオンを利用すると、電池セルの両側で同じ電解種を利用することが可能になり、これにより、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、その結果、他のレドックスフロー電池システムと比較して、電解液の交換が少なくなる。
IFBにおける効率損失は、セパレータ24(例えば、イオン交換膜バリア、微多孔膜など)を通過する電解液のクロスオーバーに起因する可能性がある。例えば、正の電解液中の第二鉄イオンは、第二鉄イオン濃度勾配及びセパレータにおける電気泳動力によって負の電解液に向かって移動することができる。次に、膜バリアを透過し、負極コンパートメント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場合がある。pHが低いレドックス側(例えば、酸性度の高い方の正極コンパートメント22)からpHが高い被覆側(例えば、より酸性度の低い方の負極コンパートメント20)に移動する第二鉄イオンにより、Fe(OH)3が沈殿する可能性がある。Fe(OH)3の沈殿は、セパレータ24を劣化させ、永続的な電池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の沈殿は、イオン交換膜の有機官能基を化学的に汚染し、または、イオン交換膜の小さな微細孔を物理的に詰まらせる可能性がある。いずれの場合も、Fe(OH)3の沈殿により、時間の経過とともに膜のオーム抵抗が上昇し、電池性能が低下する可能性がある。沈殿物は電池を酸で洗浄することで除去できるが、定期的なメンテナンスとダウンタイムは、商用の電池用途には不都合となる可能性がある。さらに、洗浄は電解液の定期的な調製に依存する場合があり、追加の処理コストと複雑さの原因となる。あるいは、電解液のpH変化に応じて、正の電解液及び負の電解液に特定の有機酸を添加すると、全体的なコストを押し上げることなく、電池の充電及び放電サイクル中の沈殿物の形成を軽減することができる。さらに、第二鉄イオンのクロスオーバーを阻害する膜バリアを実装すると、汚染も軽減することができる。
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H2(例えば、水素ガス)の形成、及び負極コンパートメント20内のプロトンと被覆された鉄金属電極で供給される電子との反応による水素ガスの形成によって引き起こされる場合がある。
IFB電解液(例えば、FeCl2、FeCl3、FeSO4、Fe2(SO4)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、同じ電解液を負の電解液と正の電解液に使用できるため、より高い再生価値を提供し、その結果、他のシステムと比較して相互汚染(クロスコンタミネーション)の問題が軽減される。さらに、鉄は、その電子配置により、負極基板上への被覆中に、固化してほぼ均一な固体構造になる。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やその他の金属の場合、被覆中に固体の樹枝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、電池の効率を高め得る。さらに、鉄レドックスフロー電池は、有毒な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較して相対的に中性のpHで動作することができる。したがって、IFBシステムは、現在生産されている他のすべての高度なレドックスフロー電池システムと比較して、環境への影響を軽減する。
引き続き図1を参照すると、レドックスフロー電池システム10の概略図が示されている。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に流体接続された第1のレドックスフロー電池セル18を含み得る。第1のレドックスフロー電池は一般に、負極コンパートメント20と、セパレータ24と、正極コンパートメント22とを含み得る。セパレータ24は、電気絶縁性のイオン伝導バリアを含むことができ、これは、正の電解液と負の電解液とのバルク混合を防ぎ、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/又は微多孔膜を含み得る。
負極コンパートメント20は、負極26を含むことができ、負の電解液は、電気活性材料から少なくとも部分的に形成することができる。正極コンパートメント22は、正極28を含むことができ、正の電解液は、電気活性材料を含み得る。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において、より高い電圧または電流を生成することができる。例えば、いくつかの例では、レドックスフロー電池システム10は、図10~図13に示すように、2つのセルスタックを含むことができ、各セルスタックは、複数の電池セルで形成される。例えば、第1の電池セル18と、第1の電池セル18と同様に構成された第2の電池セル19とを有するレドックスフロー電池システム10を、図1に示す。したがって、第1の電池セル18について本明細書に記載されたすべての部品及びプロセスは、第2の電池セル19も同様に見出すことができる。
第1の電池セル18は、第1のセルスタックに含まれ、第2の電池セル19は、第2のセルスタックに含まれ得る。第1のセル及び第2のセルは、互いに流体接続することができ、又は流体接続しなくてもよいが、それぞれ、電解液貯蔵タンク110及びリバランス反応器80、82に流体接続される。例えば、図1に示すように、第1のセル18及び第2の電池セル19は、それぞれ、第1のセル18及び第2の電池セル19のそれぞれに分岐する共通の通路を介して、負の電解液ポンプ30及び正の電解液ポンプ32に接続され得る。同様に、電池セルは、それぞれ、電池セルをリバランス反応器80、82に接続する共通の通路に合流する通路を有することができる。
図1には、負の電解液ポンプ30及び正の電解液ポンプ32がさらに示されており、双方ともフロー電池システム10を通して電解液溶液を汲み上げるために使用される。電解液は、セル外部の1以上のタンクに貯蔵され、負の電解液ポンプ30及び正の電解液ポンプ32を介して、それぞれ電池の負極コンパートメント20側及び正極コンパートメント22側を通して汲み上げられる。
レドックスフロー電池システム10は、第1の双極板36及び第2の双極板38をさらに含むことができ、それぞれ、負極26及び正極28の後面側、例えば、セパレータ24に面する側の反対側に沿って配置される。第1の双極板36は、負極26と接触することができ、第2の双極板38は、正極28と接触することができる。しかしながら、他の例では、双極板は、それぞれの電極コンパートメント内で、電極に近接するが、電極から離して配置できる。いずれの場合でも、双極板36及び38は、端子40及び42に、直接接触するか、または、それぞれ、負極26及び正極28を介して、電気的に接続することができる。IFB電解液は、双極板36、38の材料の導電特性に起因して、第1の双極板36及び第2の双極板38によって負極26及び正極28の反応部位に輸送できる。電解液の流れは、負の電解液ポンプ30及び正の電解液ポンプ32によって補助され、第1のレドックスフロー電池セル18を通る強制対流を促進し得る。反応した電気化学種は、強制対流と、第1の双極板36及び第2の双極板38の存在との組み合わせによって、反応部位から離れる方向に移動され得る。
図1に示すように、第1の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をさらに含み得る。充電電流が電池端子40及び42に供給されると、正の電解液は正極28で酸化され(1以上の電子を失う)、負の電解液は負極26で還元される(1以上の電子を得る)。電池の放電中、電極で逆レドックス反応が生じる。換言すると、正の電解液は正極28で還元され(1以上の電子を得る)、負の電解液は負極26で酸化される(1以上の電子を失う)。電池全体の電位差は、正極コンパートメント22及び負極コンパートメント20における電気化学的レドックス反応によって維持され、反応が持続している間、集電体を通して電流を誘導することができる。レドックス電池に蓄えられるエネルギー量は、電解液の全体積と電気活性材料の溶解度に応じて、放電のために電解液内で利用可能な電気活性材料の量によって制限される。
フロー電池システム10は、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク110をさらに含み得る。マルチチャンバ貯蔵タンク110は、隔壁98によって分割できる。隔壁98は、貯蔵タンク内に複数のチャンバを形成することができ、正の電解液及び負の電解液の双方を単一のタンク内に入れることができる。負の電解液チャンバ50は、電気活性材料を含む負の電解液を保持し、正の電解液チャンバ52は、電気活性材料を含む正の電解液を保持する。隔壁98をマルチチャンバ貯蔵タンク110内に配置して、負の電解液チャンバ50と正の電解液チャンバ52とを所望の容積比とすることができる。一例では、隔壁98は、負のレドックス反応と正のレドックス反応の間の化学量論比に従って、負の電解液チャンバと正の電解液チャンバの容積比を設定するように配置できる。図1は、貯蔵タンク110の充填高さ112をさらに示しており、これは、各タンクコンパートメント内の液体のレベルを示し得る。図1は、負の電解液チャンバ50の充填高さ112よりも上に位置するガスヘッドスペース90と、正の電解液チャンバ52の充填高さ112よりも上に位置するガスヘッドスペース92を示す。第1のレドックスフロー電池セル18から電解液を戻すと共に、レドックスフロー電池の動作によって(例えば、プロトンの還元及び腐食副反応により)生成され、かつ、マルチチャンバ貯蔵タンク110に運ばれた水素ガスを貯蔵するために、ガスヘッドスペース92を用いることができる。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)で自然に分離され、これにより、レドックスフロー電池システムの一部として、追加の気液分離器を有する必要がない。水素ガスは、電解液から分離されると、ガスヘッドスペース90及び92を満たすことができる。このように、貯蔵された水素ガスは、マルチチャンバ貯蔵タンク110から他のガスを除去するのを助けることができ、これにより、電解液種の酸化を減らす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の容量の損失を減らすのを助けることができる。このように、一体型マルチチャンバ貯蔵タンク110を利用することにより、従来のレドックスフロー電池システムに共通の別個の負の電解液貯蔵タンク及び正の電解液貯蔵タンク、水素貯蔵タンク、及び気液分離器を備える必要がなく、これにより、システム設計を簡素化し、システムの物理的な設置面積を減らし、システムコストを削減することができる。
図1は、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つのチャンバの間のガスの圧力を等しくする手段を提供するスピルオーバーホール96を示す。スピルオーバーホール96は、充填高さ112よりも上の閾値高さに配置できる。スピルオーバーホールはさらに、電池のクロスオーバーの際に、正の電解液チャンバ及び負の電解液チャンバのそれぞれの電解液の自己平衡化(セルフバランス)を可能にする。オールアイアンレドックスフロー電池システムの場合、同じ電解液(Fe2+)が負極コンパートメント20と正極コンパートメント22の双方で使用されるため、負の電解液チャンバ50と正の電解液チャンバ52の間で電解液があふれ出て、システム全体の効率が低下することができるが、全体的な電解液の組成、電池モジュールの性能、及び電池モジュールの容量は維持される。マルチチャンバ貯蔵タンク110の入口及び出口のすべての配管の接続部にフランジ継手を用いて、漏れのない連続した加圧状態を維持することができる。マルチチャンバ貯蔵タンク110は、負の電解液チャンバ及び正の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、負の電解液チャンバ及び正の電解液チャンバのそれぞれへの少なくとも1つの入口とを含み得る。さらに、水素ガスをリバランス反応器80及び82へ送るために、ガスヘッドスペース90及び92から1以上の出口接続を設けてもよい。
図1には示されていないが、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク110は、負の電解液チャンバ50及び正の電解液チャンバ52のそれぞれに熱を伝えるように接続された1以上のヒータをさらに含み得る。代替例では、負及び正の電解液チャンバの一方のみが、1以上のヒータを含み得る。正の電解液チャンバ52のみが1以上のヒータを含む場合、負の電解液は、パワーモジュールの電池セルで生成された熱を負の電解液に伝達することによって加熱できる。このようにして、パワーモジュールの電池セルが加熱し、負の電解液の温度調整を容易にすることができる。1以上のヒータは、コントローラ88によって作動されて、負の電解液チャンバ50及び正の電解液チャンバ52の温度を別々にまたは一緒に調節することができる。例えば、電解液温度が閾値温度を下回ったことに応答して、コントローラ88は、1以上のヒータに供給される電力を増加させ、電解液への熱流束を増加させることができる。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以上の温度センサによって示すことができる。1以上のヒータは、電解液流体に浸漬されたコイル型ヒータもしくは他の液漬ヒータ、または、負の電解液チャンバ及び正の電解液チャンバの壁を通して伝導的に熱を伝達して、その中の流体を加熱する表面マントル型ヒータを含み得る。本開示の範囲から逸脱することなく、他の既知の種類のタンクヒータを採用することができる。さらに、コントローラ88は、液体のレベルが固体の充填閾値レベルを下回ったことに応答して、負の電解液チャンバ50及び正の電解液チャンバ52内の1以上のヒータを停止することができる。言い方を変えると、コントローラ88は、液体のレベルが固体充填閾値レベルを上回ったことのみに応答して、負の電解液チャンバ50及び正の電解液チャンバ52内の1以上のヒータを作動することができる。このようにして、正及び/又は負の電解液チャンバ内に十分な液体が無い状態で1以上のヒータを作動することを回避し、これにより、ヒータの過熱または焼損のリスクを低減することができる。
さらに、フィールドハイドレーションシステム(図示せず)から負の電解液チャンバ50及び正の電解液チャンバ52のそれぞれに1以上の入口接続を設けることができる。このようにして、フィールドハイドレーションシステムは、最終使用場所でのシステムの設置、充填、及び水の供給を含む、レドックスフロー電池システムの試運転を容易にすることができる。さらに、最終使用場所での作動の前に、レドックスフロー電池システムは、システムを充填及びシステムに水を供給することなく、最終使用場所とは異なる電池製造施設で乾いた状態で組み立てられた後、最終使用場所に配送される。一例では、最終使用場所は、レドックスフロー電池システム10が設置され、かつ、現場でのオンサイトエネルギー貯蔵のために利用される場所に相当する。換言すると、最終使用場所に設置、水が供給されると、レドックスフロー電池システム10の位置は固定され、レドックスフロー電池システム10は、もはや可搬型ドライシステムとは見なされなくなると考えられる。したがって、レドックスフロー電池システムのエンドユーザの観点では、可搬型ドライレドックスフロー電池システム10が現場に配送され、その後、レドックスフロー電池システム10が設置され、水が供給され、作動される。水が供給される前のレドックスフロー電池システム10は、乾式可搬システムと称され、レドックスフロー電池システム10は、水も湿った電解液も含まない、または、水も湿った電解液も無い。水が供給されると、レドックスフロー電池システム10は、非可搬型ウェットシステムと称され、レドックスフロー電池システム10は、湿った電解液を含む。
図1にさらに示されるように、フロー電池システム10では、マルチチャンバ貯蔵タンク110に通常貯蔵される電解液溶液が、負の電解液ポンプ30及び正の電解液ポンプ32によって汲み上げられる。負の電解液チャンバ50に貯蔵された電解液は、負の電解液ポンプ30によって負極コンパートメント20側を通して汲み上げられ、また、正の電解液チャンバ52に貯蔵された電解液は、正の電解液ポンプ32によって電池の正極コンパートメント22側を通して汲み上げられる。
2つの電解液リバランス反応器80及び82は、レドックスフロー電池システム10において、それぞれ第1の電池セル18の負極側及び正極側で電解液の再循環流路と直列にまたは並列に接続できる。電池の負極側及び正極側において、1以上のリバランス反応器は、電解液の再循環流路と直列に接続することができ、また、冗長性のために(例えば、電池及びリバランス処理を中断することなく、リバランス反応器を修理できる)、かつ、再平衡(リバランス)の能力を高めるために、他のリバランス反応器を並列に接続できる。一例では、電解液リバランス反応器80及び82は、それぞれ正極コンパートメント20及び負極コンパートメント22から正の電解液チャンバ50及び負の電解液チャンバ52への戻り流路に配置できる。電解液リバランス反応器80及び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などによって生じるレドックスフロー電池システムにおける電解液電荷の不均衡を均衡にするのに役立つ。一例では、電解液リバランス反応器80及び82は、トリクルベッド反応器を含むことができ、電解液リバランス反応を行うために、水素ガスと電解液が充填床の触媒表面で接触する。他の例では、リバランス反応器80及び82は、水素ガス及び電解液と接触し、かつ、充填触媒床が非存在しない状態でリバランス反応を行うことが可能なフロースルータイプの反応器を含み得る。
レドックスフロー電池システム10の動作中、センサ及びプローブは、電解液のpH、濃度、電荷状態などの電解液の化学的特性を監視及び制御することができる。例えば、図1に示すように、それぞれ、正の電解液チャンバ52及び負の電解液チャンバ50における正の電解液及び負の電解液の状態を監視するように、センサ62及び60を配置できる。別の例では、センサ62及び60はそれぞれ、正の電解液チャンバ52及び負の電解液チャンバ50内の電解液のレベルをそれぞれ示す1以上の電解液レベルセンサを含み得る。別の例として、図1に示すように、センサ72及び70は、それぞれ、正極コンパートメント22及び負極コンパートメント20における正の電解液及び負の電解液の状態を監視することができる。センサ72、70は、pHプローブ、光プローブ、圧力センサ、電圧センサなどとし得る。複数のセンサを、レドックスフロー電池システム10における他の位置に配置して、電解液の化学的特性及び他の特性を監視してもよい。
例えば、センサを外部の酸タンク(図示せず)に配置して、外部の酸タンクの酸の体積またはpHを監視することができ、外部の酸タンクからの酸は、外部ポンプ(図示せず)を介してレドックスフロー電池システム10に供給され、電解液中の沈殿物の形成を減少させる。追加の外部タンク及びセンサを設置して、レドックスフロー電池システム10に他の添加剤を供給してもよい。例えば、フィールドハイドレーションシステムの温度センサ、導電率センサ、及びレベルセンサを含む様々なセンサが、コントローラ88に信号を送信することができる。さらに、コントローラ88は、レドックスフロー電池システム10への水の供給中に、フィールドハイドレーションシステムのバルブ及びポンプなどのアクチュエータに信号を送信することができる。一例として、センサ情報はコントローラ88に送信され、次いで、コントローラ88は、ポンプ30及び32を作動させて、第1の電池セル18を通る電解液の流れを制御し、または、他の制御機能を実行することができる。このようにして、コントローラ88は、センサ及びプローブの1つまたは組み合わせに応答することができる。
レドックスフロー電池システム10は、水素ガス供給源をさらに含み得る。一例では、水素ガス供給源は、別個の専用水素ガス貯蔵タンクを含み得る。図1の例では、水素ガスは、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク110に貯蔵され、そこから供給できる。一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク110は、追加の水素ガスを正の電解液チャンバ52及び負の電解液チャンバ50に供給することができる。一体型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及び82の入口に交互に供給することができる。例えば、質量流量計または他の流量制御装置(コントローラ88によって制御できる)は、一体型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節することができる。一体型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で生成された水素ガスを補給することができる。例えば、レドックスフロー電池システム10でガス漏れが検出された場合、または、水素分圧で低いために還元反応速度が非常に遅い場合、一体型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、正の電解液と負の電解液における電気活性種の電荷の状態を再び平衡させることができる。例えば、コントローラ88は、測定されたpHの変化に応じて、または、測定された電解液もしくは電気活性種の電荷の状態の変化に応じて、一体型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することができる。
例えば、負の電解液チャンバ50または負極コンパートメント20のpHの上昇は、水素がレドックスフロー電池システム10から漏れていること、及び/又は利用可能な水素分圧による反応速度が遅すぎることを示す場合があり、コントローラ88は、pHの上昇に応じて、一体型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ることができる。他の例として、コントローラ88は、pHの変化に応じて、一体型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することができ、この場合、pHは、第1の閾値pHよりも高くなり、または、第2の閾値pHよりも低くなる。IFBの場合、コントローラ88は、追加の水素を供給して、第二鉄イオンの還元速度及びプロトンの生成速度を上昇させ、これにより、正の電解液のpHを下げることができる。さらに、負の電解液のpHは、正の電解液から負の電解液にクロスオーバーする第二鉄イオンの水素還元によって下げることができ、または、正極側で生成されたプロトンがプロトン濃度勾配及び電気泳動力によって負の電解液にクロスオーバーすることによって下げることができる。これにより、負の電解液のpHを安定した範囲に維持できると共に、Fe(OH)3のような(正極コンパートメントからのクロスオーバーする)第二鉄イオンの沈殿のリスクを低減することができる。
酸素還元電位(ORP)メータまたは光学センサなどの他のセンサによって検出される、電解液のpHの変化または電解液の電荷状態の変化に応じて、一体型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を実装できる。さらに、コントローラ88の動作を開始させるpHまたは電荷状態の変化は、一定期間において測定された変化率または変化に基づいてよい。変化率の期間は、予め決定でき、または、レドックスフロー電池システム10の時定数に基づいて調整できる。例えば、再循環率が高い場合、期間を短縮でき、また、時定数が小さいため、(例えば、副反応またはガス漏れによる)濃度の局所的な変化は、素早く測定できる。
図2は、第1の加圧板202と第2の加圧板204との間にセルスタック206が配置されたレドックスフロー電池200(例えば、鉄レドックスフロー電池(IFB))の例を示す。具体的には、加圧板の内側205は、セルスタック206の対向側と接するように設計できる。当然ながら、図2に示されるレドックスフロー電池200、及び、本明細書に記載の他のレドックスフロー電池及びシステムは、図1に示すレドックスフロー電池システム10の例である。したがって、図1に示されるレドックスフロー電池システム10の構造的及び/又は機能的な特徴は、本明細書に記載されている他のレドックスフロー電池及び電池システムにおいて実装でき、またはその逆もあり得る。
図2について続けると、レドックスフロー電池200は、電池部品を構造的に補強するために、電池に重量とコストを追加する可能性のある外部ハウジングに依存することがない。むしろ、レドックスフロー電池は、電池内のセルスタックを相乗的に支持すると共に圧縮するコンパクトなシステムを提供する。したがって、フロー電池のコストと外形を小さくすることができる。その結果、複数の電池モジュールを組み込む電池システムは、より費用効果が高く、スペース効率的に製造され、必要に応じて、効率的な電池システムのスケーリングが可能になる。
軸システム201が、参照のため、図2~図25に記載されている。z軸は重力軸に平行とし得る。y軸は縦軸とし、及び/又はx軸は横方向軸とし得る。しかしながら、他の実施形態では、軸の他の向きが使用できる。
セルスタック206は、第1の加圧板202の内側に配置され、第1の加圧板202の内面と面を共有して接触する第1のエンドプレート208を含む。電流を流すように構成された第1の集電体210は、第1のエンドプレート208と第1の加圧板202との間に配置できる。第1の加圧板202及び第2の加圧板204は、レドックスフロー電池200の対向する端部212に配置される。
セルスタック206では、第1の双極板アセンブリ214が、第1のセルスタック206の第1のエンドプレート208と第2のエンドプレート216との間に配置される。さらに、y軸に沿って積み重ねられた双極板アセンブリ219が示されている。双極板アセンブリは、y軸に沿って積み重ねられた複数のフレームプレート215を含む。複数のフレームプレート215は、セルスタック206に構造的に支持する。複数のフレームプレート215の各フレームプレートは同様に、セルスタックのセルをフレームで囲むように構成できる。各セルは、各フレームプレートの少なくとも1つの開口部に挿入された少なくとも1つの双極板217を含む。さらに、双極板は、各セルの負極と正極との間に配置され、電極は、双極板の対向面に沿って配置される。さらに、負極は、双極板と膜セパレータ(例えば、図1のセパレータ24)との間に配置される。このように、各フレームプレートアセンブリは、膜セパレータ、負極、双極板、及び正極を含む部品のスタックを有し、部品のスタックは、セルスタック206内の連続するフレームプレートアセンブリごとに繰り返される。しかしながら、当然ながら、他の例では、他の適切なセルスタック配置を設けてもよい。
第2のエンドプレート216は、第2の加圧板204と面を共有して接触することができる。第2の集電体218は、第2のエンドプレート216と第2の加圧板204との間に配置できる。
図2は、複数のフローポート220を示す。フローポート220は、セルスタック206に出入りする電解液(例えば、正または負の電解液)を流すように設計される。したがって、フローポート220は、第2の加圧板204の開口部を通って延在するように示されている。
第1の加圧板202及び第2の加圧板204は、組み立て時に、レドックスフロー電池200を構造的に補強し、セルスタックに予荷重を加えるように設計される。構造的な補強を実現するために、リブ222(以下、補強リブ)は、第1の加圧板202及び第2の加圧板204の外側224を下方に延在する。詳述すると、補強リブ222は、プレートを横方向及び/又は垂直方向に横断して延在し、最終用途の設計目的に従って構造的な支持を調整することができ。さらに、補強リブ222は、互いに交差して、リブの配置の構造的な完全性を高め、コンパクトなプレート配置を提供することが示されている。いくつかの例では、加圧板による構造の補強によって、ラッキングアセンブリなどの追加の補強構造を、システムから省くことができる。このようにして、加圧板は、自立することができる。
第1の加圧板202及び/又は第2の加圧板204は、金属(例えば、アルミニウム、鋼、チタンなど)から製造できる。1つの具体的な例では、加圧板をアルミニウムで構成して、例えば、鋼板と比較して板の強度対重量比を増加させることができる。したがって、一使用例では、アルミニウム製の加圧板を使用して、電池の重量を減らすと共に、目的の構造的な完全性を維持することができる。アルミニウム製の加圧板を使用することにより、鋼板と比較して、加圧板とセルスタックとの間の電磁的な相互作用を実質的に軽減(例えば、防止)することができる。さらに、いくつかの例では、加圧板を鋳造し、複数のプレート部分を互いに溶接する製造方法と比較して、プレートの構造的な完全性をさらに改善することができる。しかしながら、他の例では、フライス加工及び/又は他の適切なプレート製造技術を使用することができる。当然ながら、加圧板を鋳造またはフライス加工することにより、プレートがモノリシック構造を形成し、部品の強度を高めることができる。
加圧板202、204は、上部フランジ226及び下部フランジ228を含み、各フランジは、セルスタック206から外側に延在する様子が示されている。具体的には、図に示す例では、フランジ226及び228は、水平に配置されている。しかしながら、他のフランジの外形が想定されている。例えば、フランジは、平らでない形状とすることができ、及び/又は、水平方向に整列しなくてもよい。突起230は、上部フランジ226に含まれる。戻り止め232は、図3に示すように、下部フランジ228に含まれる。しかしながら、他の例では、下部フランジが突起を含み、上部フランジが戻り止めを含んでもよく、または、各フランジが、突起及び戻り止めの双方を含んでもよい。当然ながら、突起230及び戻り止め232は、レドックスフロー電池200の上または下に配置された電池の対応する突起及び戻り止めと嵌合するように構成される。突起及び戻り止めは、突起及び戻り止めの滑らかな嵌合を可能にするように、水平断面が円形でもよい。しかしながら、多角形などの他の形状の突起及び戻り止めが想定される。
加圧板202、204は、電池の構築、設置、整備などの間に、フォークリフトが加圧板に係合することを可能にする複数のフォークリフト開口部234を含み得る。その結果、電池ユニットは、必要に応じて、フォークリフトによって効率的に操作され得る。フォークリフト開口部は、フォークリフト機のフォークの延長部と係合するように寸法とすることができる。しかしながら、他の例では、フォークリフトのフォークの端部にアダプタを配置して、加圧板を用いて電池を持ち上げ易くすることができる。フォークリフト開口部は、加圧板を通って縦方向長手方向に延在する様子が示されている。しかしながら、フォークリフト開口部の他の向きが想定されている。戻り止め232が、フォークリフト開口部234と垂直方向に配置された様子が示されている。このように戻り止めとフォークリフト開口部を配置することにより、電池を積み重ねる際に、戻り止め及び突起を容易に配置することができる。しかしながら、他の例では、戻り止め及びフォークリフト開口部は、代替的な相対的な位置としてもよい。
レドックスフロー電池200は、電池の動作中のセルスタック(例えば、セルスタックの活性領域)の撓みを低減するために、セルスタック206に予荷重を加えるように設計された圧縮アセンブリ236を含む。圧縮アセンブリ236は、加圧板202、204の外側224に沿って延在する板ばね238を含む。具体的には、図に示す例では、板ばね238は、板の側面を垂直に下方に延在する。しかしながら、他の例では、ばねは、板を横切るように横方向に延在することができ、または、ばねが垂直方向及び横方向の双方に延在する対角の配置で延在することができる。当然ながら、予想されるスタックの変形の方向は、板ばね238の配置の情報を与え得る。したがって、一使用例では、スタックの長手方向の拡張に対応するために、板ばねは垂直方向に整列される。板ばね238は、一例では、鋼で構成できる。しかしながら、ばねは、チタンもしくは他の金属、ポリマー材料、それらの組み合わせなどの他の適切な材料で構成することができる。板ばねを作るために使用される材料(複数可)を選択する際には、材料のコスト、強度、及び屈曲特性を考慮に入れてよい。したがって、特定の使用例では、鋼からばねを作ると、他の金属よりも低コストで望ましい屈曲特性が得られる。
レドックスフロー電池200は、複数のタイロッド240をさらに含む。タイロッド240は、板ばね238、加圧板202、204、及びセルスタック206を通って延在するように設計される。他のタイロッドは、加圧板202、204及びセルスタック206を通って延在し、板ばね238を通らないようにできる。レドックスフロー電池200には、タイロッド240と螺合するように設計されたナット242が含まれ、セルスタック206に圧縮を加えることができる。
図3は、組み立てられた構成のレドックスフロー電池200を示す。タイロッド240の一部が、板ばね238を通って延在する様子が示されている。詳細には、タイロッド240は、板ばね238の上部セクション及び下部セクションを通って延在しており、ばねの屈曲を容易にする。加圧板202、204及びセルスタック206を通って延在する追加のタイロッド240が示されている。本明細書でより詳細に説明されるサイドボルト300は、加圧板202、204を通って延在する様子が示されている。タイロッド240のヘッド302、及び図2に示されるタイロッドに連結されたナット242は、電池の組立中にセルスタックの圧縮を調整できるように、締め付けることができる。
図3には、フォークリフト開口部234が示されており、セルスタック206から垂直方向にオフセットしており、セルスタックがフォークリフトと干渉するのを避けることができる。このようにして、フォークは、セルスタック206の一部の下または上にスライドできる。そのため、フォークリフトのフォークがセルスタックに衝突する可能性が低減される。あるいは、フォークリフトの開口部は、電池スタックと整列できるが、これは、フォークリフトまたは他の機械を使用してセルスタックを効率的に移動させるのに障害となる可能性がある。
図3は、セルスタック206への電解液の流入及び流出を可能にするフローポート220を示す。具体的には、一例では、ポート304は、流入口とすることができ、ポート306は、流出口とし得る。しかしながら、電池の他の流入方式及び流出方式が考えられている。詳細には、レドックスフロー電池200に正の電解液流入口と負の電解液流入口を設けることができる。同様に、レドックスフロー電池200に正の電解液流出口と負の電解液流出口を設けることができる。図3は、第1の加圧板202の上部フランジ226及び下部フランジ228を示す。下部フランジ228の戻り止め232が、図3に示されている。図5の断面を示す切断面A-A’が、図4に示されている。
図4は、第1の加圧板202の詳細図を示す。補強リブ222、上部フランジ226、下部フランジ228、戻り止め232、及びフォークリフト開口部234が再び示されている。図4は、図3に示すタイロッド240用の開口部400を示す。図4は、図3に示すサイドボルト300用のスロット402をさらに示す。スロット402は、スタックの幅のより大きな公差範囲を可能にする。スロット402については、図7及び8を参照して本明細書でより詳細に説明する。
図5は、レドックスフロー電池200の断面図を示す。加圧板202、204、セルスタック206、板ばね238、タイロッド240、及びナット242が再び示されている。タイロッド240は、具体的には、セルスタックの圧縮のために、板ばね238の開口部500を通って延在することができる。タイロッドは、板ばねの屈曲に対応するために、板ばねの対向する両側に配置できる。
板ばね238は、図5では管状板ばね(tube leaf springs)として示されている。これにより、構造的な完全性と屈曲の望ましいバランスを提供することができる。しかしながら、代替例では、平棒型の板ばねが使用できる。管状板ばねは、内部キャビティ504の境界となる壁502を含む。様々なばね定数を実現するように、壁の厚さと形状が選択できる。電池に管状板ばねを使用すると、スペース効率の良い方法で電池セルスタックを圧縮することができる。管状板ばねは、他の種類のばねよりも高い慣性モーメントを有することができ、他の種類のばねと比較して、撓みによる応力量が減少して、より頑丈なばねを提供することができる。しかしながら、他の例では、板が順次層状に積み重ねられた板ばねなど、他の適切な種類の板ばねを、電池内に設置してもよい。
加圧板202、204は、支点506を有し得る。支点506は、セルスタックの圧縮中の反力の場所として機能する。このようにして、セルスタックの荷重は、対象とする場所に加わる。具体的には、支点506は、ばね238のそれぞれを通って延在するタイロッド240の対の間に垂直に配置される。図5はさらに、加圧板204のフランジ228内の戻り止め232を示している。当然ながら、一例では、加圧板202、204の補強リブ222及び支点506は、製造を合理化し、コストを削減するために、鋳造によって同時に製造してもよい。このようにして、製造をさらに簡素化してコストを下げることができる。しかしながら、他の例では、フライス加工及び/又は他の適切な製造技術を使用して、支点を形成することができる。
図6は、電池システム600のレドックスフロー電池200の上に積み重ねられた第2のレドックスフロー電池602の例を示す。第2のレドックスフロー電池602は、形態及び機能においてレドックスフロー電池200と類似し得る。したがって、第2のレドックスフロー電池602は、戻り止め及び突起を有するフランジ606を備えた加圧板604を含む。前述のように、異なる電池の加圧板のフランジの戻り止めと突起を合わせることで、ユニットを積み重ねることができる。このように電池を積み重ねることで、電池システムのサイズを、必要に応じて効率的に大きくすることができる。その結果、電池システムは、最終用途の設計パラメータ(例えば、電力目標、ハイブリッドレドックスフロー電池の場合の貯蔵容量目標)を満たすように、迅速に構成することができる。当然ながら、グリッド貯蔵、住宅用エネルギー貯蔵、産業用エネルギー貯蔵などの多種多様な用途のエネルギー需要を達成するために、システム内で複数の電池が使用できる。したがって、一例では、システムは、エネルギーを一般的なエネルギー消費装置に供給することができる。
電池システム600の拡大側面図が610で示されている。拡大図は、第2のレドックスフロー電池602内の対応する戻り止め612と嵌合したレドックスフロー電池200内の突起230の1つを示す。
突起230及び戻り止め612は、垂直方向に先細にすることができる。突起及び戻り止めを先細りにするにより、部品を嵌合させることができ、積み重ねの間に電池の位置がずれる可能性を低減する。そのため、電池の取り付け、修理などの際に、ユーザがエラーを起こす可能性が減少する。換言すると、嵌合する戻り止めと突起が「ポカヨケ」(誤差軽減機構)の役割を果たす。
図6に示される突起230及び戻り止め612が、整列した(例えば、垂直に整列した)開口614を有する様子が示されている。概略的に示された取付部品616(例えば、ピンボルトなどのボルト、ねじなど)は、開口614を通って延在し、レドックスフロー電池200及び第2のフロー電池602を、よりしっかりと取り付けることを可能にし、さらに電池ユニットの位置ずれの可能性を低減し、システムを構造的に補強することができる。
図7~図8は、レドックスフロー電池200のサイドボルトカムアセンブリ700の詳細図を示す。サイドボルトカムアセンブリ700は、電池の使用におけるフレームプレート215の側壁702の撓みを低減するように設計される。サイドボルトカムアセンブリ700は、セルスタックのセルの横方向の変動に対応するために、横方向のコンプライアンスを有するように設計される。スロット402は、貫通するサイドボルト300を動作可能に受け入れるために、各加圧板の対向する横側面に配置される。サイドボルト300と螺合するナット710は、サイドボルトカムアセンブリ700によって加えられる長手方向の圧縮を可能にする。スロット402は、それぞれ、各加圧板の同様の垂直及び横方向の位置に含まれ、サイドボルトが電池を横切って長手方向に延在するのを可能にする。しかしながら、加圧板上の異なるスロット位置が考えられる。サイドボルト300は、セルスタックの幅のより大きな公差範囲を可能にするように選択された角度及び長さを有するスロット402と嵌合すると共に、電池の動作中のセルスタック(例えば、セルスタック内のフレーム)の横方向の撓みも低減する。当然ながら、スタックの横方向の撓みは、熱膨張及び/又はセルスタックの加圧によって引き起こされ得る。セルスタックの幅の変動に対応することで、例えば、予想よりも大きい横幅を有するスタックにおいて、セルを修正または交換する必要なく、電池をより簡単に組み立てることができる。レドックスフロー電池200が前述のように組み立てられる場合、スロット402は、横方向軸800に対して角度が付いている。スロット角度は、図8の802で示される。一例では、スロット角度802は、70度から89度の範囲とし得る。当然ながら、横方向のコンプライアンスと加圧板の動きとの間のトレードオフを評価して、スロット角度を選択することができる。例えば、スロットの角度を大きくすると、圧縮構造の横方向のコンプライアンスが増加する一方、加圧板が望ましくない動きをする可能性も高くなる。いくつかの例では、上述の角度範囲は、これらの2つの競合する設計パラメータの間の望ましいバランスを提供することができる。
重力がカムを、セルスタックの側面に係合するニュートラルな位置まで下方に付勢及び動かすことにより、サイドボルト300は、スロット402に沿ってスタックから離れる方に上方に移動することができる。ナット710は、サイドボルト300を隣接する加圧板に固定する。サイドボルトを加圧板に固定するためにナット710を締めると、カムをスロットに沿って移動させるのに必要な力が増加する。したがって、サイドボルト300は、所定のクランプ力を提供し、これにより、サイドボルト300を、それらの位置から移動させるのに必要な力を調整することができる。
図9を参照すると、加圧されたとき及び/又は熱負荷がかかったときのレドックスフロー電池200の例示的な変形を示す使用例の変形図が示されている。電池の動作中、セルスタックの側壁702は、サイドボルト300に向かって外側に広がる傾向がある。セルスタックの側壁が広がると、サイドボルトが外側に押し出され、サイドボルトは、この外側への力に抵抗する。このようにして、サイドボルト300は側壁の過剰な撓みを制限する。その結果、電池を、使用中に所望の形状に構成することができる。
図10は、レドックスフロー電池1000の別の例を示す。当然ながら、図10に示されるレドックスフロー電池1000は、図2~図9に示したレドックスフロー電池200と類似の特徴を含む。したがって、簡潔にするために冗長な説明を省略する。
レドックスフロー電池1000は、サブスタックセパレータプレート1006を介して分割された第1のセルスタック1002及び第2のセルスタック1004を含む。このようにして、電池のセルの数を増やすことができ、電池システムの電力の効率的な増加と、場合によっては貯蔵容量の効率的な増加を可能にする。一例では、各セルスタックは、機能及び形態が類似し得る。しかしながら、他の例では、セルスタックは、大きさ、機能などが相違していてよい。
レドックスフロー電池1000は、圧縮アセンブリ1012に加圧板1008及び板ばね1010を含む。圧縮アセンブリ1012及び対応する部品は、図2~図9に示される圧縮アセンブリ236と同様とし得る。単一のセルスタック及び二重のセルスタックの電池配置に、同様の圧縮アセンブリを使用することにより、経済規模に関して製造コストを削減できる。しかしながら、他の例では、単一及び二重のスタックの電池構成で配置される圧縮アセンブリは、異なっていてもよい。二重のセルスタックの電池構成により、複数のセルスタックが、圧縮アセンブリ、加圧板、及びタイロッドなどの共通のハードウェアを使用して、セルスタックを圧縮し、構造的に支持することができる。このようにして、必要に応じて、システムの冗長性を減らして製造コストを下げるだけでなく、電池システムのプロファイルと重量を減らすことができる。
図11は、レドックスフロー電池1000の側面図を示す。加圧板1008及び板ばね1010を有する圧縮アセンブリ1012が再び示されている。加圧板1008に含まれるフォークリフト開口部1100が、図11に示されている。しかしながら、フォークリフト開口部は、他の例では省略してもよい。電解液フローポート1102も図11に示されている。詳述すると、加圧板1008の下側に入口ポート1104が設けられている。当然ながら、入口ポートは、正の電解液の入口ポート及び負の電解液の入口ポートを含む。しかしながら、代替の入口ポート及び/又は出口ポートの位置が考えられる。レドックスフロー電池1000の反対側の加圧板は、同様の電解液フローポート構成を有することができる。図12の断面を示す切断面B-B’が、図11に示されている。入口ポート1104は、正の電解液の入口フローポート及び負の電解液の入口フローポートを含む。同様に、出口ポート1106は、正の電解液の出口フローポート及び負の電解液の出口フローポートを含む。
図12は、レドックスフロー電池1000の断面図を示しており、第1のセルスタック1002及び第2のセルスタック1004の一般的な電解液流路が示されている。詳述すると、負の電解液の流路が示されている。しかしながら、正の電解液の流路は、負の電解液の流路と同様の方向性を有することができる。他の例では、正及び負の電解液の異なる流路を使用できる。
矢印1200は、入口ポート1201から長手方向に第1のセルスタック1002に流入する電解液の最初の方向を示す。このように、電解液の流れは、スタックの連続したセルを通過する。矢印1202は、セルスタックを垂直に通過する電解液の流れ方向を示す。したがって、平行なチャネル内の電解液の流れは、第1のセルスタック1002を垂直に横断する。矢印1204は、長手方向で出口ポート1206に向かう電解液の流れ方向を示す。このようにして、負の電解液は、第1のセルスタック1002内で循環できる。図12は、第1のセルスタック1002と同様のフローパターンを示す第2のセルスタック1004を示す。
さらに、ポンプは、入口ポート1104と流体連通して、電解液の流れを変化させることができる。第2のセルスタックは、電解液の流れを調整するために、ポンプに接続できる。一例では、第1のポンプ及び第2のポンプは、別個に制御できる。しかしながら、2つのポンプの調整されたポンピング制御の戦略が想定される。
図13は、第2の二重のスタック電池1302がレドックスフロー電池1000の上に積み重ねられた電池システム1300を示す。このようにして、電池システムの電力と、場合によっては容量をさらに増やすことができる。当然ながら、図11に示される加圧板1008の突起1152は、図6に示される電池システム600と同様に、電池モジュールの効率的な積み重ねを容易にする。詳述すると、図11に示される突起1152は、第2の二重のスタック電池1302の対応する戻り止めと嵌合する。
図14は、例示的なセルスタック1400の一部の断面図を示す。当然ながら、図14に示されるセルスタック1400は、いくつかの例において、本明細書に記載の他のセルスタックの1以上と共通の機能的及び/又は構造的な特徴を共有することができ、または、その逆もある。
セルスタック1400は、加圧板1402を含む。加圧板1402は、本明細書に記載の他の加圧板と同様に、スタックの内部セルに圧縮力を加えるように設計できる。セルスタック1400は、電池から選択された外部システムへのエネルギー伝達、またはその逆のエネルギー伝達を可能にする集電体1404を含む。セルスタック1400は、図に示す例では、エンドプレートフレーム1406及びフランジシム支持体1408をさらに含む。しかしながら、他の例では、フランジシムをスタックから省略してもよい。
セルスタック1400は、スタックの異なる材料/部品の熱膨張/収縮の差に対応する多数の弾性形状を有し得る。したがって、セルスタックは、望ましくないセルスタックの反りの可能性を低減する調整されたコンプライアンスを有し得る。スタックの反りは、電池の効率、出力、及び構造的な完全性を低下させる可能性のあるセル内のフローパターンに影響を与える可能性がある。したがって、セルスタックの反りに対応する弾性形状を備えることによって、これらの影響が軽減される(例えば、回避される)。
弾性形状は、エンドプレート弾性フランジ1410を含み得る。セルスタック1400は、エンドプレート弾性フランジ1410と嵌合する導電板1412(例えば、黒鉛板)をさらに含み得る。セルスタック1400は、導電板1412と面を共有して接触する別の導電板1414をさらに含み得る。当然ながら、いくつかの例では、導電板1412、1414は、単極板とし得る。
セルスタック1400は、導電板1414に隣接するフェルト層1416をさらに含み得る。しかしながら、他の例では、フェルト層をセルスタックから省略してもよい。
セルスタック1400は、エンドプレートフレーム1406と積み重ねられた(例えば、対応して嵌合された)膜フレームプレート1418をさらに含む。セルスタックは、膜フレームプレート1418に隣接し、その上に積み重ねられたフレームプレート1420(例えば、双極フレームプレート)をさらに含む。弾性フランジ1422は、膜フレームプレート1418と双極フレームプレート1420との間に配置できる。導電板1424(例えば、双極導電板)は、弾性フランジ1422と膜フレームプレート1418との間に配置できる。このようにして、セルスタック1400は、導電板1414を支持することができる。双極フレームプレート1420、弾性フランジ1422、及び双極導電板1414は、双極板アセンブリ1426を形成することができる。弾性フランジ1422は、スタックのエンドプレートフレームの調整されたコンプライアンスを可能にする。したがって、セルスタックの部品の不均等な膨張/収縮は、スタックの部品の間の柔軟な接触面を用いて調整できる。
図14に示すように、セルスタック1400は、膜フレームプレート、双極フレームプレート、弾性フランジ、双極導電板、フェルトなどの連続層をさらに含む。スタックの層の数は、所望のシステム電力及び/又は容量、スタックの加圧及びスタックの熱負荷によって生じる予想されるセルスタックの変形、撓みなどに基づいて選択できる。
図15は、エンドプレートフレーム1406、エンドプレート弾性フランジ1422、及び導電板1412、1414の詳細図を示す。図に示すように、エンドプレート弾性フランジ1422は、エンドプレートフレーム1406の凹部1500に配置される。エンドプレート弾性フランジ1422は、導電板1412、1414の周囲に延在する。いくつかの例では、弾性フランジ1422は、エンドプレートフレーム1406の周辺フランジ1502からオフセットし得る。このように、弾性フランジは、フレームプレートの積み重ねを妨げないようにすることができる。
図16は、エンドプレートフレーム1406、エンドプレート弾性フランジ1422、及び導電板1412、1414(例えば、単極板)の一部のより詳細な図を示しており、フェルト層1416が図16に示されている。エンドプレート弾性フランジ1422は、導電板1412の一部と嵌合した凹部1600を含むように示されている。具体的には、エンドプレート弾性フランジ1422の凹部1600は、導電板1412の3つの側面1602を部分的に取り囲む。したがって、エンドプレート弾性フランジ1422と導電板1412との間の境界領域に、二重のラップジョイントが形成され得る。その結果、弾性フランジと導電板との間の接続が強化され得る。しかしながら、他の例では、エンドプレート弾性フランジ1422は、フランジが導電板の2つの側面のみを部分的に取り囲む形状など、他の適切な形状を有してもよい。
弾性フランジの厚さ1604は、セルスタックの他の部品のサイズ、レイアウト、及び材料構成などの様々なパラメータに基づいて、所望の量のコンプライアンスを達成するように選択できる。1つの使用例では、厚さ1604は、0.2ミリメートル(mm)~2mmの間の範囲とすることができ、及び/又は弾性フランジは、所望の柔軟性を実現するために30A~80Aの間のデュロメータ範囲を有することができる。しかしながら、多数の適切なフランジの厚さ及び/又はハーネスが利用され得る。
エンドプレート弾性フランジ1422は、矢印1606によって示される方向に従うように設計される。その結果、望ましくない事態のよるスタックの反りの可能性が減少させることができる。
エンドプレートフレーム1406及びエンドプレート弾性フランジ1422は、1608で示されるように、互いに熱溶接できる。そのような例では、エンドプレートフレーム1406及びエンドプレート弾性フランジ1422の双方が、部品が熱溶接される場合、より強い化学接続を可能にするモノマーを有することができる。追加で、または代わりに、接着剤による接続を用いて、エンドプレートフレームをエンドプレート弾性フランジに取り付けてもよい。
エンドプレートフレーム1406とエンドプレート弾性フランジ1422との間に間隙1610を設けて、異なる部品の不均等な熱膨張/収縮を可能にできる。間隙1610は、スタックの反りを戦略的に調整することを可能にする。
導電板1412は、凹部1600においてエンドプレート弾性フランジ1422に接着剤で取り付けることができる。さらに、導電板1412、1414は、適切な導電性の接着剤によって互いに接続できる。
エンドプレート弾性フランジ1422のコンプライアンスは、弾性ポリマー(例えば、合成ゴム、天然ゴムなど)等の弾性材料によって実現できる。一例では、弾性材料は、熱可塑性加硫物(TPV)(例えば、Santoprene(登録商標))とすることができ、双極板の弾性フランジ及びフレームの双方は、熱可塑性ポリマー(例えば、ガラス繊維充填PPなどのポリプロピレン(PP))を有することができる。TPVフランジ構造は、いくつかの例では、目標とする量の弾力性を提供することができる。さらに、PPからフレームを構築することにより、化学的により不活性で低コストの構造を提供する。しかしながら、他の例では、他のフレーム材料を使用してもよい。
図17は、双極板1702、弾性フランジ1704、及び双極フレームプレート1706を含む双極板アセンブリ1700の例を示す。当然ながら、双極板アセンブリ1700は、図14に示されるセルスタック1400に含まれ得る。双極板アセンブリ1700は、電解液ポート1708と、電解液を双極板1702に送るためのフローチャネル1710とを含む。
図18は、双極板アセンブリ1700の分解図を示す。双極板1702、弾性フランジ1704、及び双極フレームプレート1706が図18に示されている。双極板1702は、組み立て時に、双極フレームプレート1706のフランジ1704内に入れ子状態で収容することができる。この配置は、セルスタックをよりコンパクトにするだけでなく、双極板を構造的に補強して、プレートの変形を回避することができる。
図19は、双極板アセンブリ1700の詳細な断面図を示す。双極フレームプレート1706、弾性フランジ1704の1つ、及び双極板1702の1つが示されている。膜フレームプレート1900が、図19に示されている。双極板1702と弾性フランジ1704との間に接着剤層1901が塗布できる。図19に示す弾性フランジ1704は、S字形である。このように、S字形に形成される場合、フランジ1704のセクション1903は、y軸に沿ってオフセットしたフランジの2つの部分の間に延在する。弾性フランジ1704を「S」字形に成形することにより、接着層が塗布されるフランジの側でフランジの剥離強度を低くすることができる。さらに、フランジをS字形に成形することにより、圧縮力の経路がスタックを通って所望の経路を取ることが可能になり、必要に応じて、セルスタックをより圧縮することができる。S字形のプレートは、フランジが膜フレームプレートの隣接するチャネルに食い込んで電解液の流れを制限する可能性を低減できる。
さらに、弾性フランジ1704は、1906で示される双極フレームプレート1706に熱溶接できる。このようにして、フレームと導電板との間に強化された接続を形成することができる。フレームをフランジに熱溶接することにより、いくつかの例では、部品間の接着接合をなくすことができる。しかしながら、他の例では、接着接合と熱溶接の双方を用いて、フレームをフランジに接続することができる。膜フレームプレート1900に配置されたメッシュ1902及び膜1904が、図19に示されている。
図20は、双極板アセンブリ2000の別の例の側面図を示す。双極板アセンブリ2000もまた、双極フレーム2002と、双極板2004と、フレームと双極板との間の弾性フランジ2006とを含む。双極板2004を弾性フランジ2006に接合する接着剤層2008が示されている。弾性フランジ2006もまた、S字形に形成され、スタックの圧縮、剥離強度などに関して前述の利点を提供する。
図21は、アセンブリに熱負荷が加えられたときの双極板アセンブリ2000を示す。図に示すように、弾性フランジ2006、特にセクション2100は実質的に撓むことがなく、セルスタック内の電解液チャネルの流れに望ましくない影響を与えることがない。
図22~図25は、双極板アセンブリの他の例を示している。双極板アセンブリ2200を示す図22を特に参照する。双極板アセンブリ2200は、双極フレーム2202と、双極板2204と、フレーム及び双極板の間に延在する弾性フランジ2206とを含む。弾性フランジ2206は、設置を簡単にすることができる平面形状を有する。図22に示される双極板アセンブリ2200の成形形状は、本明細書に記載の他の双極板アセンブリよりも製造が容易であり、安価な部品を有することができる。
図23は、双極フレーム2302と、双極板2304と、弾性フランジ2306とを含む双極板アセンブリ2300を示す。弾性フランジ2306は、双極板2304の一部を部分的に取り囲み、接着剤2305を、フランジと双極板との間に塗布できる。弾性フランジ2306は、双極フレーム2302の側面2308に沿って延在し、双極板2304とフレームとの間に間隙2310を形成する。図23に示す双極板アセンブリ2300は、本明細書に記載の他の双極板アセンブリよりも複雑な成形形状を有し、より高価な部品を使用する場合があるが、より大きい封止面を提供する。
図24は、双極フレーム2402と、双極板2404と、弾性フランジ2406とを含む双極板アセンブリ2400を示す。接着剤(例えば、エポキシ)2408が、弾性フランジ2406の双方の垂直側面に塗布されている様子が示されている。図24に示す双極板アセンブリ2400は、本明細書に記載の他の双極板アセンブリほど複雑ではない成形形状を有し、より安価な部品を使用することができる。
図25は、双極フレーム2502と、双極板2504と、弾性フランジ2506とを含む双極板アセンブリ2500を示す。図25に示す例では、双極板2504と双極フレーム2502との間に空隙2508が形成されている。図25に示す双極板アセンブリ2500は、本明細書に記載の他の双極板アセンブリ用の類似の部品及び製造成形ツールを使用すると共に、より大きな封止面(例えば、2倍の封止面)を有する。
図26~図27は、図14に示す弾性フランジ1422または図20~図25に示す弾性フランジなどの弾性フランジを製造するために使用され得る材料2600及び2700の例を示す。双極板と弾性フランジとの間の接着強度を改善するために、テクスチャ加工が施された表面を含む材料が示されている。一例では、テクスチャ加工は、接着剤が塗布される予定の範囲の弾性フランジに施すことができる。
図26は、テクスチャ加工が施された表面2602を有する弾性材料2600を示す。正方形のパターンを有するテクスチャ加工が施された表面が示されている。しかしながら、図27に示した弾性材料2700のテクスチャ加工が施された表面2702のダイヤモンドパターン等の他のパターンが想定される。弾性フランジの表面をテクスチャ加工を施すことにより、フランジと双極板の間に塗布可能な接着剤の量が増加し、フランジと双極板との間の接着強度が向上する。テクスチャ加工が施された表面は、テクスチャ加工が施される表面に金属ヤスリを押し付けることによって作成できる。
具体的には、1つの使用例では、金属板(例えば、チタンメッシュ)を、弾性材料(例えば、TPVゴム)の層に対して押し付けることができる。さらに、そのような例では、シリコーン発泡体などの発泡体の層を、弾性材料の下に配置することができ、フランジの圧縮中に熱を加えて、テクスチャ加工が施された表面が作成できる。しかしながら、フランジの表面にテクスチャ加工を施すための他の適切な技術が考えられる。
レドックスフロー電池が加圧板の積み重ね可能な戻り止め及び突起を備えることの技術的効果は、電池のモジュール性を高め、電池システムの電力及び/又は貯蔵容量の効率的なスケーリングを可能にすることである。レドックスフロー電池に弾性フランジを設けることの技術的効果は、セルスタックの反りに対応し、この反りによって電池内の電解液の流れが制限される可能性を減らすことである。
図2~図27は、様々な部品の相対的な配置を有する構成例を示している。互いに直接接触し、または直接接続していることが示されている場合、そのような部品は、少なくとも一例では、それぞれ直接接触し、または直接接続していると表現され得る。同様に、互いに連続または隣接して示されている部品は、少なくとも一例では、それぞれ、互いに連続または隣接し得る。例えば、互いに面を共有して接触している部品は、面を共有して接触していると表現され得る。別の例では、少なくとも1つの例では、部品の間に空間だけがあり、他の部品が無い状態で、互いに配置された部品もそのように表現され得る。さらに別の例では、互いの上/下、互いに対向する側、または互いの左/右に示される部品は、互いに対して、そのように表現され得る。さらに、図に示すように、最上部の部品または部品の点は、少なくとも1つの例では、部品の「最上部」と称され、最下部の部品または部品の点は、部品の「底部」と称され得る。本明細書で使用される場合、最上部/底部、上部/下部、上/下は、図の垂直軸に対してとすることができ、互いに対する図の部品の位置を説明するために使用できる。したがって、一例では、他の部品の上に示される部品は、他の部品の垂直方向の上に配置されている。さらに別の例では、図面内に示される部品の形状は、それらの形状(例えば、円形、直線、平面、湾曲、円形、面取りされた、角度が付けられたなど)を有すると称され得る。さらに、少なくとも1つの例において、互いに交差するように示される部品は、交差する部品または互いに交差すると称され得る。さらに、一例では、別の部品内に示される、または別の部品の外側に示される部品は、そのように称され得る。
本発明を以下の段落でさらに説明する。一態様では、レドックスフロー電池であって、第1の端部に第1の加圧板と、第2の端部に第2の加圧板とを含む加圧板のセットであって、第2の端部と第1の端部は、レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置された加圧板のセットと、第1の加圧板と第2の加圧板の間に長手方向に配置された第1のセルスタックとを含み、第1の加圧板及び第2の加圧板はそれぞれ、第1のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第2のフランジに複数の積み重ね突起とを含み、第1のフランジと第2のフランジは、レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置される、レドックスフロー電池が提供される。
別の態様では、レドックスフロー電池であって、第1の端部に第1の加圧板と、第2の端部に第2の加圧板とを含む加圧板のセットであって、第2の端部及び第1の端部は、レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置される加圧板のセットと、第1の加圧板と第2の加圧板の間に長手方向に配置された第1のセルスタックとを含み、第1の加圧板及び第2の加圧板は、それぞれ、モノリシック構造を形成し、ばねと接触する支点突起を含み、ばねは、電池の動作中、第1のセルスタックに長手方向内側へ力を加えるレドックスフロー電池が提供される。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、複数の積み重ね戻り止め及び複数の積み重ね突起は、取付装置を受けるように構成された開口を含み得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、複数のフォークリフト開口部をさらに含むことができ、複数のフォークリフト開口部のそれぞれは、第1の加圧板及び第2の加圧板のうちの1つを通って長手方向に延在する。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第1の加圧板の第1のスロット及び第2の加圧板の第2のスロットを通って延在するサイドボルトをさらに含むことができ、第1のスロット及び第2のスロットは、横方向のコンプライアンスを備えて設計される。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第1のスロット及び第2のスロットは、横方向軸から測定したときに90度未満の角度で設けられ得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第1の加圧板及び第2の加圧板は、それぞれモノリシック構造を形成することができる。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第1の加圧板及び第2の加圧板は、アルミニウムで形成することができる。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、アルミニウムは、鋳造アルミニウムとし得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第1の加圧板及び第2の加圧板は、それぞれ、外側を少なくとも部分的に横断する複数の補強リブを含み得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第1の加圧板及び第2の加圧板のうちの1つに接続され、電池の動作中に第1のセルスタックに長手方向内側へ力を加える板ばねをさらに含み得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、板ばねは管状板ばねとし得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、板ばねは、第1の加圧板及び第2の加圧板のうちの1つの側面を垂直に下方に延在することができる。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第1の加圧板と第2の加圧板の間に長手方向に配置された第2のセルスタックをさらに含み得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、ばねを通って延在するタイロッドをさらに含み得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、ばねは板ばねとし得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第1の加圧板及び第2の加圧板のそれぞれは、第1のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第2のフランジに複数の積み重ね突起を含むことができ、第1のフランジ及び第2のフランジは、レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置できる。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第1の加圧板の第1のスロット及び第2の加圧板の第2のスロットを通って延在するサイドボルトをさらに含むことができ、第1のスロット及び第2のスロットは、横方向軸から測定したときに90度未満の角度で設けられ得る。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、ばねは、鋼で作ることができ、第1の加圧板及び第2の加圧板は、アルミニウムで作ることができる。
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第1の加圧板と第2の加圧板の間に長手方向に配置された第2のセルスタックをさらに含み得る。
以下の特許請求の範囲は、新規かつ非自明であると見なされる特定の組み合わせ及びサブコンビネーションを特に示す。これらの請求項は、「ある」部品または「第1の」部品、またはそれらの均等物を意味し得る。そのような請求項は、2つ以上のそのような部品を要求も排除もせず、1以上のそのような部品の組み込みを含むと理解されるべきである。開示された特徴、機能、部品、及び/又は特性の他の組み合わせ及びサブコンビネーションは、現在の請求項の補正を通じて、または本出願もしくは関連出願における新しい請求項の提示を通じて請求できる。そのような請求項は、元の特許請求の範囲より広い、狭い、等しい、または異なるとに関係なく、本開示の要旨に含まれるものとみなされる。
2つの電解液リバランス反応器80及び82は、レドックスフロー電池システム10において、それぞれ第1の電池セル18の負極側及び正極側で電解液の再循環流路と直列にまたは並列に接続できる。電池の負極側及び正極側において、1以上のリバランス反応器は、電解液の再循環流路と直列に接続することができ、また、冗長性のために(例えば、電池及びリバランス処理を中断することなく、リバランス反応器を修理できる)、かつ、再平衡(リバランス)の能力を高めるために、他のリバランス反応器を並列に接続できる。一例では、電解液リバランス反応器80及び82は、それぞれ正極コンパートメント22及び負極コンパートメント20から正の電解液チャンバ50及び負の電解液チャンバ52への戻り流路に配置できる。電解液リバランス反応器80及び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などによって生じるレドックスフロー電池システムにおける電解液電荷の不均衡を均衡にするのに役立つ。一例では、電解液リバランス反応器80及び82は、トリクルベッド反応器を含むことができ、電解液リバランス反応を行うために、水素ガスと電解液が充填床の触媒表面で接触する。他の例では、リバランス反応器80及び82は、水素ガス及び電解液と接触し、かつ、充填触媒床が非存在しない状態でリバランス反応を行うことが可能なフロースルータイプの反応器を含み得る。
図3は、セルスタック206への電解液の流入及び流出を可能にするフローポート220を示す。具体的には、一例では、ポート304は、流入口とすることができ、ポート306は、流出口とし得る。しかしながら、電池の他の流入方式及び流出方式が考えられている。詳細には、レドックスフロー電池200に正の電解液流入口と負の電解液流入口を設けることができる。同様に、レドックスフロー電池200に正の電解液流出口と負の電解液流出口を設けることができる。図3は、第1の加圧板202の上部フランジ226及び下部フランジ228を示す。下部フランジ228の戻り止め232が、図3に示されている。図3の断面を示す切断面A-A’が、図4に示されている。
図11は、レドックスフロー電池1000の側面図を示す。加圧板1008及び板ばね1010を有する圧縮アセンブリ1012が再び示されている。加圧板1008に含まれるフォークリフト開口部1100が、図11に示されている。しかしながら、フォークリフト開口部は、他の例では省略してもよい。電解液フローポート1102も図11に示されている。詳述すると、加圧板1008の下側に入口ポート1104が設けられている。当然ながら、入口ポートは、正の電解液の入口ポート及び負の電解液の入口ポートを含む。しかしながら、代替の入口ポート及び/又は出口ポートの位置が考えられる。レドックスフロー電池1000の反対側の加圧板は、同様の電解液フローポート構成を有することができる。図12の断面を示す切断面B-B’が、図10に示されている。入口ポート1104は、正の電解液の入口フローポート及び負の電解液の入口フローポートを含む。同様に、出口ポート1106は、正の電解液の出口フローポート及び負の電解液の出口フローポートを含む。
Claims (20)
- レドックスフロー電池であって、
第1の端部に第1の加圧板と、第2の端部に第2の加圧板とを含む加圧板のセットであって、前記第2の端部及び前記第1の端部は、前記レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置された、前記加圧板のセットと、
前記第1の加圧板と前記第2の加圧板との間に長手方向に配置された第1のセルスタックとを含み、
前記第1の加圧板及び第2の加圧板は、それぞれ、第1のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第2のフランジに複数の積み重ね突起とを含み、
前記第1のフランジ及び前記第2のフランジは、前記レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置された、
レドックスフロー電池。 - 前記複数の積み重ね戻り止め及び前記複数の積み重ね突起が、取付装置を受けるように構成された開口を含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 複数のフォークリフト開口部をさらに含み、前記複数のフォークリフト開口部のそれぞれは、前記第1の加圧板及び前記第2の加圧板のうちの一方を通って長手方向に延在する、請求項1または2に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の加圧板の第1のスロットと前記第2の加圧板の第2のスロットとを通って延在するサイドボルトをさらに含み、前記第1のスロット及び第2のスロットは、横方向のコンプライアンスを有するように設計された、請求項1~3のいずれかに1項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1のスロット及び第2のスロットが、横方向軸から測定したときに90度未満の角度で設けられた、請求項4に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の加圧板及び第2の加圧板が、それぞれ、モノリシック構造を形成する、請求項1~5のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の加圧板及び第2の加圧板が、アルミニウムで形成された、請求項6に記載のレドックスフロー電池。
- 前記アルミニウムは鋳造アルミニウムである、請求項7に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の加圧板及び第2の加圧板が、それぞれ、外側を少なくとも部分的に横断する複数の補強リブを含む、請求項6に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の加圧板及び第2の加圧板のうちの一方に接続され、電池の動作中に前記第1のセルスタックに長手方向内側へ力を加える板ばねをさらに含む、請求項1~9のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記板ばねが管状板ばねである、請求項10に記載のレドックスフロー電池。
- 前記板ばねが、前記第1の加圧板及び第2の加圧板のうちの一方の側面を垂直に下方に延在する、請求項10に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の加圧板と前記第2の加圧板の間に長手方向に配置された第2のセルスタックをさらに含む、請求項1~12のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
- レドックスフロー電池であって、
第1の端部に第1の加圧板と、第2の端部に第2の加圧板とを含む加圧板のセットであって、前記第2の端部及び前記第1の端部は、前記レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置された、前記加圧板のセットと、
前記第1の加圧板と前記第2の加圧板との間に長手方向に配置された第1のセルスタックとを含み、
前記第1の加圧板及び第2の加圧板のそれぞれは、モノリシック構造を形成し、ばねに接触する支点突起を含み、
前記ばねは、電池の動作中に前記第1のセルスタックに長手方向内側へ力を加える、
前記レドックスフロー電池。 - 前記ばねを通って延在するタイロッドをさらに含む、請求項14に記載のレドックスフロー電池。
- 前記ばねは、板ばねである、請求項14または15に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の加圧板及び第2の加圧板のそれぞれが、第1のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第2のフランジに複数の積み重ね突起を含み、
前記第1のフランジ及び前記第2のフランジは、前記レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置された、請求項1~16のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。 - 前記第1の加圧板の第1のスロット及び前記第2の加圧板の第2のスロットを通って延在するサイドボルトをさらに含み、
前記第1のスロット及び第2のスロットは、横方向軸から測定したときに90度未満の角度で設けられた、請求項14~17のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。 - 前記ばねが鋼で作られ、前記第1の加圧板及び第2の加圧板がアルミニウムで作られた、請求項14~18のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第1の加圧板と前記第2の加圧板の間に長手方向に配置された第2のセルスタックをさらに含む、請求項14~19のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
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