JP2023525875A - レドックスフロー電池用電極アセンブリ - Google Patents

Abstract

レドックスフロー電池システムのための方法及びシステムが提供される。一例では、レドックスフロー電池システムは、レドックスフロー電池の端部を規定する末端構造間で圧縮されたセルスタックを含む。セルスタックは、複数のセルから形成されてよく、各セルは、膜セパレータの第１の面と接触する変形可能な正極と、正極よりも圧縮性が低く構成され、膜セパレータの第２の面に配置される負極とを含む。【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「ＥＬＥＣＴＲＯＤＥ ＡＳＳＥＭＢＬＹ ＦＯＲ Ａ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ」という名称の米国仮出願第６３／０２５，２２７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のための方法及びシステムに関する。

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蓄電用途に適している。全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池は、低コストで地球に豊富な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、電解質として鉄、塩、及び水に依存しているため、シンプルで地球に豊富に存在する安価な材料を含み、刺激の強い化学物質を組み込む必要がないため、ＩＦＢが環境に与える悪影響を最小限に抑えることができる。

ＩＦＢの電気化学セルは、スタックに配置された正極、膜セパレータ、負極、及び双極板を含み得る。一部の例では、双極板は、セルを介して電解質の流れを方向付けるために互いにかみ合わされた流れ場（ＩＤＦＦ）チャネルに適合されたネットシェイプ成形構造であってよい。双極板は、負極と正極の第１の面との間に配置され、膜セパレータは、正極の第２の反対側の面と隣接するセルの負極との間に配置される。正極は、例えばガス拡散層（ＧＤＬ）紙から形成されてよく、これは、ＩＤＦＦチャネル上の双極板上に圧縮されてよい。双極板のＩＤＦＦチャネルと組み合わせてフロースルー多孔性電極として正極を実装することによって、ＩＦＢの性能を向上させてよい。

しかし、本発明者らは、ＧＤＬ紙から正極を形成すると、双極板のＩＤＦＦチャネルを通る電解質の流れを妨げる場合があることを認識した。例えば、ＩＤＦＦチャネルで十分な電解質質量の輸送を可能にするには、ＧＤＬ紙の高い圧縮圧力を必要とし得る。このような高い圧力によって、より高い荷重に耐えるＩＦＢコンポーネントの使用が必要となり、コストを押し上げ得る。ＩＦＢシステムのコストは、正極の形成に高価なＧＤＬ紙材料を使用することによってさらに増加し得る。

一例では、上記課題は、レドックスフロー電池システムであって、レドックスフロー電池の端部を規定する末端構造間に圧縮されたセルスタックであって、複数のセルから形成されるセルスタックを含み、複数のセルの各セルが、正極の機械的圧縮に基づいた透過性を有し、膜セパレータの第１の面と面を共有して接触している変形可能な正極と、正極より圧縮性が小さく構成され、正極の反対側の膜セパレータの第２の面に配置された負極と、正極と接触している電解質とを含む、レドックスフロー電池システムによって対処されてよい。このように、鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）システムは、高い電池性能を促進する低コストの電極アセンブリを含み得る。

当然ながら、上記概要は、発明を実施するための形態でさらに説明される概念の一部を簡単な形で紹介するために提供されている。特許を請求する主題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、主題の範囲は、発明を実施するための形態に続く特許請求の範囲によって一意に定義される。さらに、特許を請求する主題は、上記または本開示のいずれかの部分に記載した欠点を解決する実施態様に限定されない。

電極及び膜セパレータを備えた電池セルを含むレドックスフロー電池システムの例の概略図を示す。 レドックスフロー電池システムの第１の実施形態の斜視図を示す。 レドックスフロー電池システムの第２の実施形態の斜視図を示す。 図２のレドックスフロー電池システムの第１の実施形態の分解図を示す。 図２のレドックスフロー電池システムの第１の実施形態の背面図を示す。 図２のレドックスフロー電池システムの第１の実施形態の側面図を示す。 レドックスフロー電池システムで実装され得る電極アセンブリの第１の例の分解図を示す。 正極を備えた図７の電極アセンブリの部分分解図を示す。 完全に組み立てられた図８の電極アセンブリを示す。 セルスタックの第１の例の一部分の第１の断面を示す。 レドックスフロー電池システム用の電極アセンブリを製造する方法の例を示す。

図２～１０はほぼ一定の縮尺で示されているが、必要に応じて他の寸法を使用してよい。

以下の記載は、蓄電コストが低減されたレドックスフロー電池を製造するためのシステム及び方法に関する。別個の正の電解質チャンバと負の電解質チャンバとを有する一体型マルチチャンバタンクを備えたレドックスフロー電池を図１に示す。一部の例では、レドックスフロー電池は、全鉄フロー電池（ＩＦＢ）の負極及び正極の両方で鉄の酸化還元化学を利用するＩＦＢであってよい。電解質チャンバは１つまたは複数の電池セルに結合されてよく、各セルは、負極及び正極を含む。１つまたは複数の電池セルは、共通の軸に沿って積み重ねられてセルスタックを形成してよく、セルスタックは、ＩＦＢの第１の実施形態の斜視図である図２、及び図４の分解図に示すように、加圧板等の末端構造の間に挟まれてよい。ＩＦＢは、ＩＦＢの第２の実施形態で図３に示すように、複数のセルスタックを有し得る。電解質は、加圧板の少なくとも１つの複数の入口及び出口を通ってＩＦＢに流入及びＩＦＢから流出してよい。複数の入口及び出口は図５のＩＦＢの背面図に示され、ＩＦＢを通る電解質流路は、ＩＦＢの側面図である図６に示されている。ＩＦＢのセルスタックの各セルは、正極、負極、双極板、及び膜セパレータから形成される電極アセンブリを含み得る。正極は、フェルトのシートから形成され、それによって、正極を、透過性が圧縮に基づいて変わり得る多孔質で変形可能にすることができる。電極アセンブリの第１の例の分解図を、正極無しで図７に示す。正極は、図８の部分分解図と図９に完全に組み立てられて示される、電極アセンブリの双極板と接触して、電極アセンブリに結合されてよい。セルスタックの詳細な切り欠き図が図１０に示されており、電極アセンブリのコンポーネント間の界面と、正極に沿った高透過性領域と低透過性領域が示されている。電極アセンブリがフェルトから形成された正極を含む図１０の電極アセンブリ等の低コストの電極アセンブリを製造する方法が、図１１に示されている。

図２～１０は、様々なコンポーネントの相対的位置を伴う構成例を示している。互いに直接接触している、または直接結合していることが示されている場合、そのような要素は、少なくとも一例では、それぞれ直接接触している、または直接結合していると称されてよい。同様に、互いに連続または隣接して示されている要素は、少なくとも一例では、それぞれ、互いに連続または隣接していてよい。例として、互いに面を共有して接触しているコンポーネントは、面を共有して接触していると称されてよい。別の例として、少なくとも１つの例では、その間に空間だけがあり、他のコンポーネントがない状態で互いに離れて配置された要素は、そのように称されてよい。さらに別の例として、互いの上／下、互いに反対側、または互いの左／右に示される要素は、互いに対してそのように称されてよい。さらに、図に示されるように、最上部の要素または要素の点は、少なくとも１つの例では、コンポーネントの「最上部」と呼ばれ、最下部の要素または要素の点は、コンポーネントの「底部」と呼ばれてよい。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であってよく、互いに対する図の要素の位置を説明するために使用されてよい。したがって、一例では、他の要素の上に示される要素は、他の要素の垂直方向の上に位置する。さらに別の例として、図面内に示される要素の形状は、それらの形状（例えば、円形、直線、平面、湾曲、丸み、面取り、角度付きなど）を有すると称されてよい。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要素は、交差する要素または互いに交差するものと称されてよい。さらに、一例では、別の要素内に示される、または別の要素の外側に示される要素は、そのように称されてよい。

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電気活性材料の１つまたは複数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、電池充電プロセス全体を通して基板上に固体として電気化学反応によってめっきする化学物質を含み得る。電池の放電中、めっきされた種は電気化学反応によってイオン化し、電解質に溶解し得る。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、電池充電中にめっきされた金属の量によって制限される場合があり、したがって、めっきシステムの効率、ならびにめっきに利用可能な体積及び表面積に依存し得る。

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はめっき電極と呼ばれてよく、正極２８はレドックス電極と呼ばれてよい。電池セル１８のめっき側（例えば、負極コンパートメント２０）内の負の電解質は、めっき電解質と呼ばれてよく、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）の正の電解質は、レドックス電解質と呼ばれてよい。一部の例では、負極２６は、メッシュで形成されてよく、第１の双極板３６と膜セパレータ２４との間のスペーサとして働いてよい。正極２８は、多孔質で変形可能なフェルトで形成されてよく、フェルトの透過性は、フェルトに加えられる圧縮量に基づいて変わってよく、透過性は、電池セル１８の正極コンパートメント２２を通る電解質の流れに影響を与える。負極２６及び正極２８の詳細を、図７～１１を参照して以下にさらに記載する。

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、正の電解質は負極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、正の電解質は電子を失う、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、負の電解質及び負極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと呼ばれてよく、正の電解質及び正極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと呼ばれてよい。充電中、負の電解質及び負極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと呼ばれてよく、正の電解質及び正極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと呼ばれてよい。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、電解質、及び電極コンパートメントを指して使用される。

ハイブリッドレドックスフロー電池の一例は、全鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）であり、ＩＦＢでは、電解質は鉄塩（例えば、ＦｅＣｌ_２、ＦｅＣｌ_３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Ｆｅ^２＋が２つの電子を受け取り、鉄金属として負極２６にめっきし、電池放電中に、鉄金属Ｆｅ^０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Ｆｅ^２＋が電子を失って第二鉄イオンＦｅ^３＋を形成し、放電中にＦｅ^３＋が電子を獲得してＦｅ^２＋を形成する。電気化学反応は式（１）と（２）にまとめられる。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。
Ｆｅ^２＋＋２ｅ－←→Ｆｅ^０－０．４４Ｖ （負極） （１）
Ｆｅ^２＋←→２Ｆｅ^３＋＋２ｅ－ ＋０．７７Ｖ（正極） （２）

上記のように、ＩＦＢで使用される負の電解質は、充電中にＦｅ^２＋が負極から２つの電子を受け取ってＦｅ^０を形成し、基板上にめっきできるように、十分な量のＦｅ^２＋を提供し得る。放電中、めっきされたＦｅ^０は２つの電子を失い、Ｆｅ^２＋にイオン化し、溶解されて電解質内に戻ってよい。上記の反応の平衡電位は－０．４４Ｖであり、したがって、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、電解質は充電中にＦｅ^２＋を提供し、これが電子を失い、Ｆｅ^３＋に酸化する。放電中、電解質によって提供されたＦｅ^３＋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の端子を作成する。

ＩＦＢは、非再生電解質を利用する他のタイプの電池とは異なり、電解質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を介して電極間に電流を印加することによって達成される。負極２６は端子４０を介して電圧源の負側に電気的に結合されてよく、それによって、電子が正極を介して負の電解質に供給されてよい（例えば、Ｆｅ^２＋が、正極コンパートメント２２内の正の電解質中でＦｅ^３＋に酸化される）。負極２６（例えば、めっき電極）に供給される電子は、負電解質中のＦｅ^２＋を還元して、めっき基板でＦｅ^０を形成し、それを負極２６上にめっきすることができる。

放電は、Ｆｅ^０が酸化のために負の電解質で利用可能なままであり、Ｆｅ^３＋が還元のために正の電解質で利用可能なままである間、持続することができる。例として、Ｆｅ^３＋の利用可能性は、外部の正の電解質タンク５２などの外部ソースを介して追加のＦｅ^３＋イオンを提供するために、セル１８の正極コンパートメント２２側への正の電解質の濃度または体積を増加させることによって維持することができる。より一般的には、放電中のＦｅ^０の利用可能性は、ＩＦＢシステムで問題になる可能性があり、放電に利用できるＦｅ^０は、負極基板の表面積及び体積とめっき効率とに比例し得る。充電容量は、負極コンパートメント２０内のＦｅ^２＋の利用可能性に依存し得る。例として、Ｆｅ^２＋の利用可能性は、外部の負の電解質チャンバ５０などの外部ソースを介して追加のＦｅ^２＋イオンを提供して、セル１８の負極コンパートメント２０側への負の電解質の濃度または体積を増加させることによって維持することができる。

ＩＦＢにおいて、正の電解質は、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、負の電解質は、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、負の電解質と正の電解質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種を利用することが可能になり、これにより、電解質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て、結果として、他のレドックスフロー電池システムと比較して、電解質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）を通過する電解質クロスオーバーに起因する場合がある。例えば、正の電解質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を横切る電気泳動力によって負の電解質に向かって駆動され得る。次に、膜バリアを透過し、負極コンパートメント２０に移動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。低ｐＨのレドックス側（例えば、より酸性度の高い正極コンパートメント２２）から高ｐＨのめっき側（例えば、より酸性度の低い負極コンパートメント２０）に移動する鉄イオンは、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場合がある。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したり、イオン交換膜の小さな微細孔を物理的に詰まらせたりする場合がある。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場合がある。沈殿物は電池を酸で洗浄することで除去し得るが、定期的なメンテナンスとダウンタイムは、商用電池用途には不都合な場合がある。さらに、洗浄は電解質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、電解質のｐＨ変化に応じて正の電解質と負の電解質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形成を軽減し得る。さらに、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）の形成、及び負極コンパートメント２０内のプロトンとめっき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電解質（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電解質は、負の電解質と正の電解質に同じ電解質を使用できるため、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の問題が減少する。さらに、鉄は、その電子配置のために、負極基板上へのめっき中にほぼ均一な固体構造に固化し得る。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、めっき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電解質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、環境への害を軽減する。

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質貯蔵タンク１１０に流体接続されたレドックスフロー電池セル１８を含み得る。レドックスフロー電池セル１８は一般に、負極コンパートメント２０、セパレータ２４、及び正極コンパートメント２２を含み得る。セパレータ２４は、正の電解質と負の電解質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電気絶縁性イオン伝導バリアを含み得る。例えば、セパレータ２４は、イオン交換膜及び／また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を含んでよく、負の電解質は、電気活性材料から形成されてよい。正極コンパートメント２２は、正極２８を含んでよく、正の電解質は、電気活性材料から形成されてよい。一部の例では、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し得る。図１にさら示されるのは、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ３２であり、両方ともフロー電池システム１０を通して電解質溶液を汲み上げるために使用される。電解質は、セル外部の１つまたは複数のタンクに貯蔵され、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ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も含んでよく、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と接触してよく、第２の双極板３８は正極２８と接触してよい。しかしながら、他の例では、双極板は、近接して配置されてよいが、それぞれの電極コンパートメント内で電極から離間して配置されてよい。ＩＦＢ電解質は、第１の双極板３６及び第２の双極板３８の材料の導電特性に起因して、双極板３６、３８によって負極２６及び正極２８の反応サイトに輸送されてよい。電解質の流れはまた、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ３２によって補助されて、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また、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、反応サイトから離れる方向に向けられてよい。

図１に示すように、レドックスフロー電池セル１８は、負の電池端子４０及び正の電池端子４２をさらに含み得る。充電電流が電池端子４０及び４２に印加されると、正の電解質は正極２８で酸化され（１つまたは複数の電子を失う）、負の電解質は負極２６で還元される（１つまたは複数の電子を得る）。電池の放電中、電極で逆レドックス反応が生じる。言い換えると、正の電解質は正極２８で還元され（１つまたは複数の電子を得る）、負の電解質は負極２６で酸化される（１つまたは複数の電子を失う）。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、導体を通して電流を誘導し得る。レドックス電池に蓄えられるエネルギー量は、電解質の全体積と電気活性材料の溶解度に応じて、放電のための電解質内の利用できる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質貯蔵タンク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によって分割されてよい。隔壁９８は、正及び負の電解質の両方を単一のタンク内に含めることができるように、貯蔵タンク内に複数のチャンバを形成してよい。負の電解質チャンバ５０は、電気活性材料から形成された負の電解質を保持し、正の電解質チャンバ５２は、電気活性材料から形成された正の電解質を保持する。隔壁９８は、負の電解質チャンバ５０と正の電解質チャンバ５２との間に所望の容積比をもたらすために、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０内に配置されてよい。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、負及び正の電解質チャンバの容積比を設定するように配置されてよい。図は、貯蔵タンク１１０の充填高さ１１２をさらに示し、これは各タンクコンパートメント内の液体レベルを示し得る。図はまた、負の電解質チャンバ５０の充填高さ１１２の上に位置するガスヘッドスペース９０、及び正の電解質チャンバ５２の充填高さ１１２の上に位置するガスヘッドスペース９２を示す。ガスヘッドスペース９２は、レドックスフロー電池の動作によって（例えば、プロトン還元及び腐食副反応により）生成され、レドックスフロー電池セル１８から電解質を戻して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利用されてよい。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、それによって、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ことを排除し得る。電解質から分離されると、水素ガスはガスヘッドスペース９０及び９２を満たしてよい。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から他のガスをパージするのを助けることができ、それによって、電解質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及び正の電解質貯蔵タンク、水素貯蔵タンク、及び気液分離器を持たずに済ませ、それによってシステム設計を簡素化し、システムの物理的フットプリントを軽減し、システムコストを削減し得る。

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されてよい。スピルオーバーホールはさらに、電池クロスオーバーの場合に、正及び負の電解質チャンバのそれぞれの電解質を自己平衡化する能力を可能にする。全鉄レドックスフロー電池システムの場合、同じ電解質（Ｆｅ^２＋）が負極コンパートメント２０と正極コンパートメント２２の両方で使用されるため、負の電解質チャンバ５０と正の電解質チャンバ５２の間で電解質があふれ出て、システム全体の効率が低下し得るが、全体的な電解質組成、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。漏れのない連続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の入口及び出口のすべての配管接続にフランジ継手を利用してよい。マルチチャンバ貯蔵タンク１１０は、負及び正の電解質チャンバのそれぞれからの少なくとも１つの出口と、負及び正の電解質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に向けるために、ガスヘッドスペース９０及び９２から１つまたは複数の出口接続が設けられてよい。

図１には示されていないが、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、負の電解質チャンバ５０及び正の電解質チャンバ５２のそれぞれに熱的に結合された１つまたは複数のヒータをさらに含み得る。代替例では、負及び正の電解質チャンバの一方のみが、１つまたは複数のヒータを含み得る。正の電解質チャンバ５２のみが１つまたは複数のヒータを含む場合、負の電解質は、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質に伝達することによって加熱されてよい。このようにして、パワーモジュールの電池セルは加熱し、負の電解質の温度調整を容易にし得る。１つまたは複数のヒータは、コントローラ８８によって作動されて、負の電解質チャンバ５０及び正の電解質チャンバ５２の温度を別々にまたは一緒に調節してよい。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、電解質への熱流束が増加するように、１つまたは複数のヒータに供給される電力を増加させてよい。電解質温度は、センサ６０及び６２を含む、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に取り付けられた１つまたは複数の温度センサによって示されてよい。例として、１つまたは複数のヒータは、電解質流体に浸漬されたコイル型ヒータもしくは他の浸漬ヒータ、または負及び正の電解質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、他の既知のタイプのタンクヒータを採用してよい。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を下回ったことに応答して、負の電解質チャンバ５０及び正の電解質チャンバ５２内の１つまたは複数のヒータを停止してよい。言い方を変えると、コントローラ８８は、液体レベルが固体充填閾値レベルを上回ったことのみに応答して、負の電解質チャンバ５０及び正の電解質チャンバ５２内の１つまたは複数のヒータを作動してよい。このようにして、正及び／または負の電解質チャンバ内に十分な液体がない状態で１つまたは複数のヒータを作動することを回避し、それによって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、フィールド水和システム（図示せず）から負の電解質チャンバ５０、及び正の電解質チャンバ５２のそれぞれに１つまたは複数の入口接続が設けられてよい。このようにして、フィールド水和システムは、最終使用場所でのシステムの設置、充填、及び水和を含む、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、最終使用場所で試運転する前に、レドックスフロー電池システムは、システムを最終使用場所に配送する前に、システムを充填及び水和することなく、最終使用場所とは異なる電池製造施設で乾式組み立てされてよい。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、オンサイトエネルギー貯蔵のために利用される場所に対応し得る。言い方を変えると、最終使用場所に設置され水和されると、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はもはや携帯用の乾式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から、乾式携帯型レドックスフロー電池システム１０は現場に配送され、その後、レドックスフロー電池システム１０が設置され、水和され、試運転される。水和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呼ばれてよく、レドックスフロー電池システム１０は、水及び湿った電解質を含まない、または水及び湿った電解質がない。水和されると、レドックスフロー電池システム１０は、湿式非携帯システムと呼ばれてよく、レドックスフロー電池システム１０は、湿った電解質を含む。

図１にさらに示されるのは、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０に典型的に貯蔵される電解質溶液が、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ３２によってフロー電池システム１０を通して汲み上げられる。負の電解質チャンバ５０に貯蔵された電解質は、負電解質ポンプ３０を介して負極コンパートメント２０側を通って汲み上げられ、正の電解質チャンバ５２に貯蔵された電解質は、電池の正極コンパートメント２２側を通して正の電解質ポンプ３２によって汲み上げられる。

２つの電解質再平衡反応器８０及び８２は、レドックスフロー電池システム１０において、それぞれ電池セル１８の負側及び正極側で電解質の再循環流路とインラインまたは並列に接続されてよい。１つまたは複数の再平衡化反応器を電池の負極側及び正極側で電解質の再循環流路と一直線に接続されてよく、他の再平衡化反応器が、冗長性のため（例えば、再平衡化反応器は電池とリバランス操作を中断することなく修理されてよい）と、リバランス容量を増やすために並列に接続されてよい。一例では、電解質再平衡反応器８０及び８２は、それぞれ正の電解質チャンバ２０及び負の電解質チャンバ２２から正の電解質チャンバ５０及び負の電解質チャンバ５２への戻り流路に配置されてよい。電解質リバランス反応器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質電荷の不均衡をリバランスするのに役立ち得る。一例では、電解質リバランス反応器８０及び８２はトリクルベッド反応器を含んでよく、電解質リバランス反応を行うために水素ガスと電解質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、充填触媒床の非存在下でリバランス反応を行うことができる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、充電状態などの電解質の化学的特性を監視及び制御してよい。例えば、図１に示すように、センサ６２及び６０は、それぞれ、正の電解質チャンバ５２及び負の電解質チャンバ５０における正の電解質及び負の電解質の状態を監視するように配置されてよい。別の例では、センサ６２及び６０はそれぞれ、正の電解質チャンバ５２及び負の電解質チャンバ５０内の電解質のレベルをそれぞれ示す１つまたは複数の電解質レベルセンサを含み得る。別の例として、図１にも示すように、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における正の電解質及び負の電解質の状態を監視してよい。センサは、電解質の化学的特性及び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１０全体の他の位置に配置されてよい。

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量またはｐＨを監視してよく、外部の酸タンクからの酸は、電解質中の沈殿物形成を減少させるために、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に供給される。レドックスフロー電池システム１０に他の添加剤を供給するために、追加の外部タンク及びセンサが設置されてよい。例えば、フィールド水和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に信号を送信してよい。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の水和中に、フィールド水和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。センサ情報はコントローラ８８に送信され、コントローラ８８はポンプ３０及び３２を作動させて、例として、セル１８を通る電解質の流れを制御するか、または他の制御機能を実行し得る。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してよい。

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含み得る。一例では、水素ガス源は、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質貯蔵タンク１１０に貯蔵され、そこから供給されてよい。一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、追加の水素ガスを正の電解質チャンバ５２及び負の電解質チャンバ５０に供給してよい。一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、追加の水素ガスを電解質リバランス反応器８０及び８２の入口に交互に供給し得る。例として、質量流量計または他の流量制御装置（コントローラ８８によって制御されてよい）は、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からの水素ガスの流れを調節し得る。一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク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してよい。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とき、または還元反応速度が低い水素分圧で低すぎるとき、正の電解質と負の電解質における電気活性種の電荷の状態をリバランスするために一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給してよい。例として、コントローラ８８は、ｐＨの測定された変化に応答して、または電解質もしくは電気活性種の電荷の状態の測定された変化に応答して、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給してよい。

例えば、負の電解質チャンバ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／または利用可能な水素分圧に対して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の上昇に応答して、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク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よい。さらなる例として、コントローラ８８は、第１の閾値ｐＨを超えて上昇するか、または第２の閾値ｐＨを超えて低下するｐＨの変化に応答して一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給してよい。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増加させ、それによって正の電解質のｐＨを低下させてよい。さらに、負の電解質のｐＨは、正の電解質から負の電解質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、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り負の電解質にクロスオーバーすることによって低下させてよい。このようにして、Ｆｅ（ＯＨ）_３としての第二鉄イオンの沈殿（正極コンパートメントからのクロスオーバー）のリスクを低減しながら、負の電解質のｐＨを安定領域内に維持してよい。

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の変化または電解質の電荷状態の変化に応答して、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が実装されてよい。さらに、コントローラ８８のアクションをトリガするｐＨまたは電荷状態の変化は、一定期間にわたっ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、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されてよい。例えば、再循環率が高い場合、期間は短縮されてよく、時定数が小さい可能性があるため、濃度の局所的な変化（例えば、副反応またはガス漏れによる）が迅速に測定され得る。

ＩＦＢシステム、例えば、図１のフロー電池システム１０は、共通の軸に沿って積み重ねられ、セルスタックを形成する図１の電池セル１８等の複数の電池セルを含み得る。ＩＦＢシステムのＩＦＢは、様々なハードウェアをさらに含んでよく、ハードウェアは、ＩＦＢに構造的支持を提供し、そのハードウェアとセルのアセンブリを可搬ユニットにするのを可能する。ＩＦＢ２０２の第１の例の実施形態が、図２に斜視図２００として示されている。ｙ軸、ｘ軸、及びｚ軸を示す参照軸のセット２０１が提供されている。ＩＦＢ２０２は、第１の加圧板２０６と第２の加圧板２０８の間に挟まれたセルスタック２０４を備えたサンドイッチ構造を有してよく、セルスタック２０４と加圧板は、縦軸、例えば、ｚ軸に沿って整列している。

第１の加圧板２０６は、第１端２１０に配置されてよく、第２の加圧板２０８は、ＩＦＢ２０２の第２端２１２に配置されてよい。第１の加圧板２０６及び第２の加圧板２０８は、ＩＦＢ２０２に硬い支持とｚ軸に沿った圧縮を与えるＩＦＢ２０２の端壁であってよい。例えば、第１の加圧板２０６及び第２の加圧板２０８によって、セルスタック２０４を加圧板間で圧縮して、ＩＦＢ２０２の内部４０２内のＩＦＢ２０２のコンポーネント及び電解質を封止することができる。内部４０２は、図４に示すＩＦＢ２０２の分解図４００に示されている。

図４を参照して、第１端２１０から第２端２１２に向かう方向に沿って、ＩＦＢ２０２の要素を説明する。セルスタック２０４は、第１の加圧板２０６の内側に配置された第１のまたは負極のエンドプレート４０４と、負極エンドプレート４０４と第１の加圧板２０６の間に配置された第１の集電体４０６とを含む。第１の集電体４０６は、負極エンドプレート４０４及び第１の加圧板２０６のいずれよりもｙ軸に沿って低い高さを有し得る。負極エンドプレート４０４は、第１の加圧板２０６の内面と少なくとも部分的に面を共有して接触してよい。言い換えると、ＩＦＢ２０２の内部４０２に面している第１の加圧板２０６の表面は、第１の集電体４０６の周りでＩＦＢ２０２の内部４０２から外方向に向いている負極エンドプレート４０４と接触している。

双極板アセンブリ４０８は、セルスタック２０４の負極エンドプレート４０４と第２の正極エンドプレート４１０の間に配置される。双極板アセンブリ４０８は、ｚ軸に沿って積み重ねられた複数のフレームプレート４１２を含み、複数のフレームプレート４１２は、セルスタック２０４に構造的支持を提供する。複数のフレームプレート４１２の各フレームプレートは、同様に、第１のセルスタック３１２の１つまたは複数のセルをフレームで囲むように構成され、各フレームプレートの少なくとも１つの開口部のそれぞれに挿入された双極板４１４を含む。さらに、双極板４１４は、（図７～１０に示すように）１つまたは複数のセルの負極と正極の間に配置され、両電極は、双極板４１４の対向する面に沿って配置される。負極は、双極板４１４と図１のセパレータ２４等の膜セパレータの間に配置される。このように、各フレームプレートは、膜セパレータ、負極、双極板４１４、及び正極を含むコンポーネントのスタックを有し、コンポーネントのスタックは、セルスタック２０４の各フレームプレートごとに繰り返される。

上記のように、セルスタック２０４は、ＩＦＢ２０２の第１端２１０の負極エンドプレート４０４からＩＦＢ２０２の第２端２１２の正極エンドプレート４１０にｚ軸に沿って延びている。第２の集電体４１６は、第１の集電体４０６同様、正極エンドプレート４１０と第２の加圧板２０８の間に配置されてよく、第２の集電体４１６も電流を流すように構成される。第２の集電体４１６は、正極エンドプレート４１０または第２の加圧板２０８のいずれよりもｙ軸に沿って高さが低くてよい。正極エンドプレート４１０は、第２の加圧板２０８と少なくとも部分的に面を共有して接触してよい。言い換えると、ＩＦＢ２０２の内部４０２から外方向に向いている正極エンドプレート４１０の表面は、第２の集電体４１６の周りで、ＩＦＢ２０２の内部４０２に面している第２の加圧板２０８と接触している。

負極エンドプレート４０４及び正極エンドプレート４１０は、セルスタックに固体の端壁を提供して、セルスタック２０４内部に電解質等の流体を封止してよい。セルスタック２０４は、例えば、ボルト４１８、ナット４２０、及び他のタイプの締結部品を含む様々なハードウェアによって、第１の加圧板２０６及び第２の加圧板２０８に固定されてよい。第１の加圧板２０６及び第２の加圧板２０８は、一例として、２０９ｋＮ等の所望の量の力でＩＦＢ２０２を圧縮するのを可能にする。ＩＦＢ２０２の圧縮は、ＩＦＢのコンポーネントをｚ軸に沿って順番に一緒に固定する締結部品によって維持される。

当然ながら、図２に示すＩＦＢ２０２は、本明細書に記載の要素と適合し得るＩＦＢの非制限的な例である。ＩＦＢ２０２は、第１の加圧板２０６と第２の加圧板２０８との間に圧縮された１つのセルスタック２０４を示すが、他の例は、異なる数のセルスタックを備えたシステムを含み得る。例として、ＩＦＢ３０２の第２の実施形態が、斜視図３００として図３に示されている。ＩＦＢ３０２は、ＩＦＢ３０２の第１端３０６に第１の加圧板３０４とＩＦＢ３０２の第２端３１０に第２の加圧板３０８とを有する。

第１のセルスタック３１２及び第２のセルスタック３１４は、第１の加圧板３０４と第２の加圧板３０８の間に配置されてよい。第１のセルスタック３１２及び第２のセルスタック３１４は、それぞれ、図２及び４のＩＦＢ２０２のセルスタック２０４と類似していてよい。第１のセルスタック３１２は、ｚ軸に沿って整列してよく、セルスタック間の流体の交換を遮るサブスタックセパレータプレート３１６によって区切られてよい。このように、ＩＦＢ３０２のエネルギー貯蔵容量は、ＩＦＢを可搬ユニットに組み立てるために加圧板、ボルト、ナット等のハードウェアコンポーネントの数を増やすことなく、図２及び４のＩＦＢ２０２に比べて、増加させることができる。

図２及び４のＩＦＢ２０２の背面図５００を図５に示す。別の例では、図５に示すＩＦＢは、図３に示すＩＦＢ３０２の第２の実施形態であってよい。図２及び４に示すように、ＩＦＢ２０２の第２端２１２に配置された第２の加圧板２０８は、第２の加圧板２０８の厚さを通って延びる複数のポート５０２を有してよく、厚さはｚ軸に沿って規定される。一例では、ＩＦＢ２０２の第２端２１２は、ＩＦＢ２０２の正極端部であってよい。複数のポート５０２の第１のポート５０４は、負の電解質をＩＦＢ２０２に流入させる負極入口であってよい。複数のポート５０２の第２のポート５０６は、ＩＦＢ２０２に正の電解質を流入させる正極入口であってよい。複数のポート５０２の第３のポート５０８は、ＩＦＢ２０２から負の電解質を流出させる負極出口ポートであってよく、複数のポート５０２の第４のポート５１０は、ＩＦＢ２０２から正の電解質を流出させる正極出口ポートであってよい。したがって、ＩＦＢ２０２に入るすべての電解質は、第２の加圧板２０８を通って入り、ＩＦＢ２０２を出るすべての電解質は、第２の加圧板２０８を通って出る。

第１のポート５０４及び第２のポート５０６は両方とも、ＩＦＢ２０２のｙ軸に関して下端５１２に配置されてよく、ｘ軸に沿って互いに整列してよい。第３のポート５０８及び第４のポート５１０は、ＩＦＢ２０２のｙ軸に関して上端５１４に配置されてよく、これらもｘ軸に沿って互いに整列してよい。したがって、負の電解質は、ＩＦＢ２０２の側面図６００として図６に示され、矢印６０２で示すように、第１のポート５０４でＩＦＢ２０２に入り、第２の加圧板２０８から第１の加圧板２０６に第１の方向に沿って負極流路を辿る。負極流路は、（図５に示す背面図５００に関して）左に曲がり、第２の加圧板２０８と第１の加圧板２０６の間でｚ軸に沿った複数の箇所で、矢印６０４で示すように（ｙ軸に沿って）上方に曲がってよい。流路は、再度、垂直に曲がって、矢印６０６で示すように、第１の加圧板２０６から第２の加圧板２０８に第２の方向に沿って流れ、第３のポート５０８から出てよい。

同様に、正の電解質は、第２のポート５０６でＩＦＢ２０２に入り、図６の矢印６０２で示すように第１の方向に沿って正極流路を辿り、正極流路は、（図５に示す背面図５００に関して）右に曲がり、第２の加圧板２０８と第１の加圧板２０６の間のｚ軸に沿った箇所で（ｙ軸に沿って）上方に曲がる。流路は再度、垂直に曲がり、第１の加圧板２０６から第２の加圧板２０８に、図６の矢印６０６で示すように、第２の方向に沿って流れ、第４のポート５１０から出る。

当然ながら、図２及び４～６に示すＩＦＢ２０２は、非制限的な例であり、他の例は、本開示の範囲を逸脱することなく、電解質流路の変形形態を含み得る。例えば、電解質流路は、代わりに、ＩＦＢの上部領域でＩＦＢに入り、ＩＦＢの下部領域でＩＦＢを出てよい、または、電解質流路は、上部領域と下部領域の間の中間領域で出てよく、入ってよい。さらに、負の電解質または正の電解質は、ＩＦＢの対向する側ではなく同じ側に沿って、ＩＦＢに流入及びＩＦＢから流出してよい。

ＩＦＢの性能は、ＩＦＢの電池セル内の電解質の流量と、電池セル内のコンポーネントの表面と電解質との接触とによって影響を受ける可能性がある。電解質流量は、電池セルの電極の透過性によって抑えられてよく、電解質と膜セパレータ等の反応型コンポーネント間の接触は、電池セルコンポーネントの形状によって調整されてよい。例えば、電池セルコンポーネントの１つまたは複数は、電解質の流れを導くチャネルに適合され、それによって、電池セルを通る流量を増加させ、電解質と電池セルの対象領域の間の接触を促進してよい。

一例では、フェルトを使用して正極を形成してよい。フェルトは、炭素または黒鉛等の材料、または何等かの他の費用対効果の良い導電材料であってよく、これらは、負極によってフェルトに加えられる圧力によって圧縮されると、高透過性及び低透過性の領域を提供して、そこを通る電解質の流れを制御し得る。負極を通る流れもＩＦＢの性能に影響を与え得る。負極は、フェルトから形成される場合、ＩＦＢの充電サイクル中に鉄が負極上にメッキされると、負極が詰まってしまう。代替として、負極は、メッシュから構成されてよく、それによって、負極の表面積を増加させ、電解質が負極の表面に沿って流れるのを容易にすることができる。

正極のフェルトは、多孔質で、変形可能、及び圧縮性であってよい。ＩＦＢに、例えば、ＧＤＬ紙ではなく、フェルトの正極を実装することによって、例えば、図２及び４の第１の加圧板２０６及び第２の加圧板２０８等の加圧板のセットの間にあるＩＦＢの圧縮を低減してよい。圧縮の低減によって、よりコストが低く、耐荷重性の低いコンポーネントをＩＦＢで使用することが可能になる。さらに、例えば、ＩＦＢの電極アセンブリの他のコンポーネントと比べて、透過性と圧縮性がより高い正極をＩＦＢに組み込むことによって、コストの高いネットシェイプ成形の双極板の使用を排除して、ＩＤＦＦチャネルを双極板にインプリントするのではなく、正極の物理的特性を修正することによって電解質の流れの調整を可能にしてよい。

電池セル内で、負極と正極は、膜セパレータで区切られてよい。膜セパレータは、負極によって加えられた圧縮力が膜セパレータを通して伝えられ、正極に加えられるように、薄く、柔軟であってよい。負極メッシュが膜セパレータと接触する領域は、正極の圧縮力が増加した領域を表してよく、正極フェルトにかかる圧力は、膜セパレータに対して正極の反対側に配置された双極板によって支持される。双極板の配置によって、負極から加えられる圧力に抵抗し、その結果、正極のフェルトが圧縮され、圧縮された領域の正極の透過性を変える。正極の圧縮と、ＩＦＢの電極アセンブリの他のコンポーネントの位置の詳細を、図７～１４を参照して以下にさらに記載する。

ここで図７を参照すると、ＩＦＢの電極アセンブリ７０２の第１の例の分解図７００が示されている。電極アセンブリ７０２は、電極アセンブリ７０２の各層の中心を通って縦方向に延びる中心軸７０１を有し、中心軸７０１は、ｚ軸と平行である。電極アセンブリ７０２のコンポーネントは、中心軸７０１に沿って積み重ねられ、スタックの最上部から底部の方向に沿って、双極板アセンブリ７０４、メッシュ７０６、及び膜セパレータアセンブリ７０８を含み得る。ＩＦＢにおいて、電極アセンブリ７０２は、各電極アセンブリが少なくとも１つの他の電極アセンブリ７０２に隣接するように、連続的に何度も繰り返されてよく、ここで、すべての電極アセンブリは、セルスタック内に積み重ねられ、図２～６に示すようにｚ軸に沿って整列している。電解質は、例えば、図６に示す流路に従って各電極アセンブリを通って流れてよい。

双極板アセンブリ７０４は、双極フレームプレート７１０の開口部に配置された双極板７１２をフレームで囲む双極フレームプレート７１０を含む。双極板７１２は、例として、電極アセンブリ７０２の負極コンパートメント間の電解質の交換を妨げながら、導電性を提供する圧縮された不透過性の黒鉛または炭素のシートであってよい。双極フレームプレート７１０は、双極板７１２に構造的支持を提供してよく、ＩＦＢのセルスタックの他のコンポーネントへの双極板アセンブリ７０４の結合を可能にし得る。例えば、双極フレームプレート７１０と膜セパレータアセンブリ７０８の膜フレームプレート７３２とは、それぞれ、図４のボルト４１８等の締結部品を受け入れる開口７１５を有してよい。開口７１５は、締結部品を構造的に補強し得るタブ７１７に設けられて、ＩＦＢのセルスタックの力の分散を大きくすることができる。他の例では、しかしながら、他のプレートの輪郭を使用してよい。

電極アセンブリ７０２は、負の電解質入口７１６、負の電解質出口７１８、正の電解質入口７２０、及び正の電解質出口７２２も含み、これらは、双極板アセンブリ７０４に少なくとも部分的に配置され、膜セパレータアセンブリ７０８に部分的に配置される。当然ながら、電解質の入口及び出口は、双極板アセンブリ７０４と膜セパレータアセンブリ７０８との嵌合によって形成される。

双極板アセンブリ７０４の第１の表面７２４、例えば、ｚ軸に沿って上方を向いている双極板アセンブリ７０４の面は、正の電解質入口７２０及び正の電解質出口７２２から延びている正極分岐チャネル７２６を含み得る。正極分岐チャネル７２６は、正極分岐チャネル７２６の長さを増加させてシャント電流を低下させることができるように曲がりくねった形状であってよい。結果として、電池システムは、エネルギー電力出力、場合によっては、蓄電容量に関して、より効率的に動作され得る。当然ながら、特定の例では、分岐チャネルの断面積も、シャント電流を減少させるために低減されてよい。さらに、正極分岐チャネル７２６の他の適切な電解質流路が想定されている。

さらに、双極の第１の表面７２４は、正極入口及び出口分配チャネル７２８も含み得る。正極入口及び出口分配チャネル７２８は、電極アセンブリ７０２の活性領域７３０から正の電解質を分配及び捕捉するのを可能にする。したがって、正極入口及び出口分配チャネル７２８は、正極分岐チャネル７２６と流体連通してよい。

双極フレームプレート７１０の他の形状は、膜セパレータアセンブリ７０８の膜フレームプレート７３２の外形に一致し得る。膜フレームプレート７３２は、双極フレームプレート７１０及び双極板７１２と同様、膜フレームプレート７３２の開口部に配置された膜７３４をフレームで囲んでよい。膜７３４は、双極板７１２とサイズ及び形状が類似していてよく、ｚ軸に沿って双極板７１２と整列してよい。あるいは、膜７３４は、別個のパネルでなくてもよく、代わりに、膜フレームプレート７３２の開口部全体に延びている１つの連続したパネルであってよい。膜７３４は、負の電解質と正の電解質の間の電荷バランスを維持するためにイオンの選択的輸送を可能にするように構成された、図１のセパレータ２４の非制限的な例であってよい。膜７３４は、薄く、柔軟で、電解質が膜フレームプレート７３２と膜７３４の縁との間を流れないように膜フレームプレート７３２と封止係合してよい。

電解質のフローチャネルは、双極板アセンブリ７０４と膜セパレータアセンブリ７０８との界面に形成されてよい。詳細に述べると、負極分岐チャネル７３６は、組み立てられると、膜セパレータアセンブリ７０８の第１の表面７３８、例えば、ｚ軸に沿って上方に面している膜セパレータアセンブリ７０８の面に沿って、電極アセンブリ７０２の負の電解質入口７１６及び負の電解質出口７１８から延びてよい。負極分岐チャネル７３６はまた、双極板アセンブリ７０４の第２の表面７４０、例えば、ｚ軸に沿って下方に向いている双極板アセンブリ７０４の面に沿って延びてよい。負極分岐チャネル７３６は、正極分岐チャネル７２６と同様、曲がりくねった形であってよい。膜セパレータアセンブリ７０８は、電極アセンブリ７０２の活性領域７３０から負の電解質を分配及び捕捉可能にする負極分配チャネル７４２も含み得る。したがって、負極分配チャネル７４２は、負極分岐チャネル７３６と流体連通してよい。

当然ながら、電極アセンブリ７０２の電解質（例えば、正または負の電解質）が進む一般的な流路は、次のようになる。（ｉ）電解質は、最初に、電解質入口を通って対応する分岐チャネルに流入する、（ｉｉ）電解質は次に、分岐チャネルから入口分配チャネルに流入する、（ｉｉｉ）電解質は次に、入口分配チャネルから膜／双極板界面内に流入する、（ｉｖ）電解質は次に、膜／双極板界面から出口分配チャネル内に流入する、（ｖ）電解質は次に、出口分配チャネルから関連する分岐チャネルに流入する、そして、（ｖｉ）次に、電解質は、分岐チャネルから各電解質出口に流入する。

双極板アセンブリ７０４と膜セパレータアセンブリ７０８との間に配置されたメッシュ７０６は、双極板７１２及び膜７３４の寸法と一致する寸法を有するパネル７４４に分割されてよい。より具体的には、メッシュ７０６のパネル７４４は、双極板７１２のそれぞれとｚ軸に沿って整列された膜７３４のそれぞれとの間に挟まれる、例えば積み重ねられるように構成されてよい。したがって、双極板７１２は、中心軸７０１に沿って規定される厚さであるメッシュ７０６の厚さだけ少なくとも、膜７３４から離間されてよい。

メッシュ７０６は、リブと、リブ間に延びて、リブを構造的に補強するクロス筋交いとを含み得る。一例では、メッシュ７０６は、適切なポリマー（例えば、ポリプロピレン）から構成されて、電解質と化学的に干渉することなく、セルスタックの構造的補強を可能にし得る。別の例では、メッシュ７０６は、電極アセンブリ７０２に構造的補強を提供することに加えて、負極として構成されてよい。したがって、メッシュ７０６は、親水性または導電性の層でコーティングされてよい。例えば、コーティングは、メッシュ７０６の表面に沿って鉄のめっき及びめっき除去を促すカーボンインク、金属酸化物、または親水性ポリマーを含み得る。メッシュ７０６は、負の電解質流路を規定する双極板アセンブリ７０４の第２の表面７４０と膜セパレータアセンブリ７０８の第１の表面との間に流れる負の電解質と直接接触してよい。これについては、図１０～１３を参照して以下にさらに記載する。

膜フレームプレート７３２及び／または双極フレームプレート７１０は、塩素化ポリ塩化ビニル（ＣＰＶＣ）等の適切なポリマーから構成されてよい。膜７３４は、一使用事例では、コーティングされたＮａｆｉｏｎ（商標）から構成されてよい。しかし、他の適切な膜材料が想定されている。膜セパレータアセンブリ７０８及び双極板アセンブリ７０４は、組み立てられるとき、一緒に接着結合されてよい。膜７３４を膜フレームプレート７３２に、及び／または双極板７１２を双極フレームプレート７１０に接着するためにも接着結合を使用してよい。しかしながら、これらのコンポーネントを取り付けるために、熱溶接等の他の適切な取り付け技術も考えられている。

ＩＦＢのセルスタックを形成するために、正極も電極アセンブリ７０２に含まれる。電極アセンブリ７０２の部分分解図８００が図８に示され、完全に組み立てられた電極アセンブリ７０２が図９に示されている。図８及び９に、双極板アセンブリ７０４が、メッシュ７０６が間に配置されて膜セパレータアセンブリ７０８に結合されて、単一の連続したユニットを形成しているのが示されている。フェルト８０２は、双極板アセンブリ７０４の第１の表面７２４に結合されてよい。より具体的には、フェルト８０２は、双極板アセンブリ７０４の双極板７１２と同様のサイズ及び形状のパネル８０４に分割されてよい。フェルト８０２の各パネル８０４は、双極板７１２のそれぞれの第１の表面７２４と面を共有して接触してよい。

フェルト８０２は、組み立てられるとき、接着、熱溶接等によって、双極フレームプレート７１０の開口部内に維持されてよい。フェルト８０２は、ＩＦＢの正の電解質と直接接触する電極アセンブリ７０２の正極を形成してよく、ＩＦＢの性能を強化する特定の物理的特性を有し得る。例えば、フェルト８０２は、フェルト８０２を通して電解質の所望の透過性を提供するために、ｚ軸に沿って規定された２～６．５ｍｍの厚さを有し得る。しかしながら、フェルト８０２の厚さは、フェルトの多孔性、及び／または正の電解質の粘度によって異なり得る。別の例として、フェルトは、５～６０％の圧縮性を有し得る。圧縮性は、ＩＦＢ全体にかかる圧縮量に影響を与えて、電極アセンブリ７０２の所望の質量輸送を実現することによって、ＩＦＢの効率を制御し得る。

ＩＦＢの電池セルが積み重ねられ、加圧板のセットの間で圧縮されると、双極板７１２の各表面に沿って浅いコンパートメントが形成されてよく、浅い各コンパートメントは、各双極板７１２の第２の表面７４０に沿って負極コンパートメント、または各双極板７１２の第１の表面７２４に沿って正極コンパートメントを形成する。負極コンパートメントは、負の電解質で満たされてよく、正極コンパートメントは、正の電解質で満たされてよい。各コンパートメントは、双極フレームプレート７１０の表面と膜フレームプレート７３２の表面とがｚ軸に沿って一緒に押し付けられると、それらの表面間の接触によって封止される。

電極アセンブリ７０２のうちの１つまたは複数は、ＩＦＢのセルスタックに含まれてよい。電極アセンブリ７０２は、正極コンパートメントと負極コンパートメントがｚ軸に沿って交互に並ぶように、ｚ軸に沿って積み重ねられてよい。電極アセンブリの積み重ねは、電極アセンブリの断面図１０００の一部として、図１０により詳細に示されている。例えば、断面図１０００の一部は、ＩＦＢのセルスタックの（図９に示す）線Ａ－Ａ’と類似の線に沿った部分であってよい。

ｚ軸に沿って第２の電極アセンブリ１００５の上に積み重ねられた第１の電極アセンブリ１００３を含むセルスタック１０５０を図１０に示す。第１の電極アセンブリ１００３及び第２の電極アセンブリ１００５のそれぞれは、図７～９の電極アセンブリ７０２と同様に構成されてよい。第１の電極アセンブリ１００３は、第１の膜フレームプレート１０５２、第１の膜１００２、及び第１の負極１００４を備えた第１の膜セパレータアセンブリ１００７と、第１の双極フレームプレート１０５４、第１の双極板１００６、及び第１の正極１００８を備えた第１の双極板アセンブリ１００９とを有する。第１の電極アセンブリ１００３の各コンポーネントは、直接上のコンポーネント及び直接下のコンポーネントと接触していてよい。同様に、第２の電極アセンブリ１００５は、第２の膜フレームプレート１０５６を備えた第２の膜セパレータアセンブリ（図１０に示さず）、第２の双極フレームプレート１０５８を備えた第２の双極板アセンブリ１０１１、第２の負極１０１２、第２の双極板１０１４、及び第１の膜１００２の真下に配置された第２の正極１０１０を有する。第２の電極アセンブリ１００５の各コンポーネントは、直接上のコンポーネント及び直接下のコンポーネントと接触している。

上記のように、第１の負極１００４及び第２の負極１０１２は、メッシュから形成されてよい。したがって、各負極は、メッシュの開口部によってｘ軸及びｙ軸に沿って等間隔に配置された材料の部分を有する。例えば、第１の負極１００４は、第１の双極板１００６に接触して直接下に配置され、第１の膜１００２と接触して直接上に配置された複数のリブ１０１６を有する。クロス筋交い１０１５は、複数のリブ１０１６の間に延びて複数のリブ１０１６を互いに接続してよい。当然ながら、クロス筋交い１０１５は、ｙ軸に沿ってクロス筋交い１０１５間に空間を含み、これらの空間は、複数のリブ１０１６の各々の間の空間と類似してよい。したがって、負極は、負極の厚さ全体を貫通して延びている、等間隔の開口部を含み得る。

第１の双極板１００６（及び、第２の双極板１０１４）は、第１の膜１００２より厚く、より硬くてよい。それにより、ＩＦＢに加えられる圧縮力は、第１の膜１００２を通して容易に伝達される。例えば、セルスタック１０５０が、加圧板のセットの間で圧縮されるとき、第１の印加圧力は、第２の正極１０１０、第１の膜１００２、及び第１の負極１００４に矢印１０１８で示されるように、第１の双極板１００６によって、ｚ軸に関して下方に加えられてよい。反対方向の第２の印加圧力は、第２の正極１０１０、第１の膜１００２、及び第１の負極１００４に、矢印１０２０で示されるように、第２の双極板１０１４によってｚ軸に関して上方に加えられてよい。したがって、第２の正極１０１０、第１の膜１００２、及び第１の負極１００４は、第１の双極板１００６と第２の双極板１０１４との間で圧縮される。

正極、膜、及び負極のうち、正極のみが、実質的に圧縮性の材料から形成される。上記のように、正極のフェルトは、加えられる圧縮の予測量に基づいて、所定の量だけ圧縮するように構成されてよい。負極のメッシュは、圧縮性の低いプラスチックなどのより硬い材料から形成されてよい。図１０に示すように、第２の正極１０１０の平らな底面１０２２は、第２の双極板１０１４の平らな上面１０２４と面を共有して接触してよい。したがって、矢印１０２０によって示すように、第２の双極板１０１４によって第２の正極１０１０に加えられる圧力は、第２の正極１０１０の底面１０２２の表面にわたって均一に加えられる。

第２の正極１０１０の平らな上面１０２６で、第２の正極１０１０は第１の負極１００４によって第１の双極板１００６から離間される。矢印１０１８によって示される、第１の双極板１００６によって加えられる圧縮力は、第１の負極１００４の複数のリブ１０１６と第１の膜１００２とを通して、第２の正極１０１０の上面１０２６に伝達される。したがって、第２の正極１０１０の上面１０２６での圧縮は、局所化され、第１の負極１００４の複数のリブ１０１６と第２の正極１０１０の交点に集中する。

例えば、第２の正極１０１０の圧縮は、ｚ軸に沿って第１の負極１００４の複数のリブ１０１６のそれぞれの下で整列された第１のゾーンのセット１０２８で起こり得る。複数のリブ１０１６は、矢印１０１８によって示されるように、第２の正極１０１０の上面１０２６に力を加えてよい。第１のゾーンのセット１０２８で、第２の正極１０１０の厚さ１０３０は、第２の正極１０１０の第２のゾーンのセット１０３２と比較して低減されてよく、第２のゾーンのセット１０３２は、第１のゾーンのセット１０２８の間に配置される。第２のゾーンのセット１０３２は、ｚ軸に沿って、第１の負極１００４のクロス筋交い１０１５と、且つ、ｙ軸に沿って、第１の負極１００４の開口部、例えば、クロス筋交い１０１５間の空間と整列してよい。第２のゾーンのセット１０３２は、第１の負極１００４の複数のリブ１０１６によって加えられる圧縮のｘ－ｙ平面に沿った伝達による圧縮を受けるが、圧縮量は第１のゾーンのセット１０２８で加えられる圧縮量よりは小さい第２の正極１０１０の部分を表してよい。

第１のゾーンのセット１０２８（以下、高圧縮ゾーン１０２８）は、第２の正極１０１０のフェルトの高圧縮によって透過性の低い領域であってよい。フェルトが圧縮されると、フェルトの多孔性が減少し、それによって、そこを通る電解質の流れを妨げ得る。第２のゾーンのセット１０３２（以下、低圧縮ゾーン１０３２）は、高圧縮ゾーン１０２８より高い透過性を有し得る。したがって、セルスタック１０５０の各正極は、ｘ軸及びｙ軸の両方に沿って交互に、ｘｙ平面にわたって高透過性及び低透過性が交互になった領域を有し得る。高透過性の領域は、空間を電解質で満たし得る負極メッシュの開口部に対応する（例えば、ｚ軸に沿って整列する）。高透過性の領域は、圧縮されていないフェルトの多孔性に基づく最大透過性を有し得る。

正極内に高透過性の領域と低透過性の領域を形成することにより、低透過性の領域に比べて電解質の流れが多い高透過性領域に沿って、正極を通るフローチャネルが形成される。電極アセンブリ及びスタックを通る流れは、負極の形状に基づいて正極に高透過性領域及び低透過性領域を形成することによって導かれてよい。例えば、正極を通るより長いフローチャネルが望まれる場合、複数のリブの各リブの間により長い空間を有するメッシュが使用されてよい。別の例として、短くて狭いフローチャネルが必要な場合は、開口部が小さいメッシュが使用されてよい。さらに、高透過性領域に対する低透過性領域の全表面積比は、複数のリブの幅または奥行（それぞれｘ軸及びｙ軸に沿った）、ならびに複数のリブの間の開口部の相対的な幅及び奥行に基づいて調整されてよい。

正極の低透過性ゾーンでは、電解質の流れは、例えば、７０～９０％低減され得る。少量の電解質が、正極の圧縮領域に浸透可能であってよい。低透過性ゾーンの圧縮により、正極の厚さが減少した領域が生じ、電解質が高透過性ゾーンよりも膜の近くを流れる。低透過性ゾーンにおける電解質の膜への接近は、電解質と膜の間のより大きな接触を促し、したがって、膜を通るイオンのより高い交換を促進し、電荷バランスを維持し、ＩＦＢの性能を向上させるようにＩＦＢの効率を高める。正極の領域を選択的に圧縮して正極を通るフローチャネルを形成することにより、双極板上にＩＤＦＦチャネルを製造する必要がなくなり、正極と双極板の両方をより少ない処理で低コストの材料から形成できるようになる。

レドックスフロー電池を動作させる方法１１００を図１１に示す。レドックスフロー電池は、ＩＦＢの縦軸に沿って整列した少なくとも１つのセルスタックを有するように適合されたＩＦＢであってよい。少なくとも１つのセルスタックは複数のセルを含み、複数のセルの各セルは、図７の電極アセンブリ７０２などの１つまたは複数の電極アセンブリで形成されてよい。１つまたは複数の電極アセンブリの正極はフェルトから形成されてよく、１つまたは複数の電極アセンブリの負極はメッシュから形成されてよく、正極は膜セパレータによって負極から分離されてよい。正極のフェルトは、１つまたは複数の電極アセンブリの負極、双極板、ならびにＩＦＢの末端に配置された加圧板よりも変形可能かつ圧縮可能であるように構成される。加圧板は少なくとも１つのセルスタックを圧縮してよく、これは、負極が正極に圧縮力を加えるように誘導し、圧縮力は、負極の反対側にある正極の双極板配置によって抵抗され得る。

１１０２において、この方法は、少なくとも１つのセルスタックを通して電解質を流すことを含み、ここで電解質は一般に正の電解質及び負の電解質を指す。少なくとも１つのセルスタックを通して電解質を流すことは、１１０４において正極の高透過性ゾーン、例えば、圧縮領域より高い透過性を有するゾーンを通して正の電解質を流すことを含み得る。高透過性ゾーンは、縦軸に沿って、負極のメッシュ内の空間または開口部に対応し得る。高透過性ゾーンは、フェルトを通る正の電解質の流れが最も多い正極の圧縮されていない領域であってよい。

少なくとも１つのセルスタックを通して電解質を流すことは、１１０６で正極のフェルトの低透過性ゾーン、例えば高透過性ゾーンよりも透過性の低いゾーンを通して正の電解質を流すことも含む。低透過性ゾーンは、縦軸に沿って、負極のメッシュのリブとの整列に対応し得る。メッシュのリブの縁部は、膜セパレータに接触し、膜セパレータと接触している正極の表面に膜セパレータを介して伝えられる圧力量で膜セパレータに押し付けられる。負極によって正極に加えられる圧力は、正極のフェルトを圧縮して、例えば、正極が圧縮されていない場合に比べて正極の厚さを機械的に減少させて、低透過性ゾーンを形成する。低透過性ゾーンの透過性は高透過性ゾーンに比べて低下するが、少量の電解質が低透過性ゾーンに浸透し得る。低透過性ゾーンでのフェルトの厚さの減少により、少量の電解質が膜セパレータに隣接して流れるようになり、それによって正の電解質と負の電解質の間で膜セパレータを通してイオン交換が可能になる。

少なくとも１つのセルスタックを通して電解質を流すことは、負極１１０８に沿って負の電解質を流すことをさらに含み得る。負の電解質は、負極のメッシュのリブによって導かれて、メッシュの空間または開口部を通って流れ、膜セパレータに接触し得る。１１１０において、少なくとも１つのセルスタックを通して電解質を流すことは、正極と負極との間の電荷バランスを維持するために、膜セパレータを通してイオンを交換することも含み得る。例えば、膜セパレータが陰イオン交換膜から形成される場合、Ｃｌ^－またはＯＨ^－などの陰イオンが膜セパレータを通って輸送されてよい。あるいは、膜セパレータが陽イオン交換膜から形成される場合、Ｋ^＋またはＨ^＋などの陽イオンが膜セパレータを通って輸送されてよい。別の例では、膜セパレータは、膜セパレータを通るイオン勾配に応じて陰イオンと陽イオンの両方の交換を可能にする微孔性基材であってよい。

このようにして、低コストの電極アセンブリが、ＩＦＢシステムに含まれてよく、電極アセンブリは圧縮可能な正極を組み込んでいる。正極は、フェルトなどの多孔性で透過性の材料から形成されてよく、フェルトの透過性は、正極の領域を選択的に圧縮することによって調整されてよい。フェルト正極を、フェルトよりも圧縮性の低いメッシュから形成された負極と結合することにより、メッシュの形状が、正極に沿った低透過性ゾーンと高透過性ゾーンの交互パターンを決定する。低透過性ゾーンは、負極のリブによって正極に加えられる（及び膜セパレータを通して伝えられる）圧力によって形成される。正極の高透過性ゾーンは、負極のメッシュの空間または開口部と整列しており、したがって、圧縮がほとんどまたはまったくないフェルトの領域を提供する。正極の低圧縮、高透過性ゾーンは、電解質のより大きな浸透と流れを可能にし、電極アセンブリを通る電解質の流れを導くフローチャネルを提供する。正極に沿った圧力降下が減少し、正極での反応性が高く維持される。

圧縮可能な正極をＩＦＢシステムに実装することの技術的効果は、システム全体のコストを低く維持しながら、ＩＦＢシステムの性能が向上することである。

本開示はまた、レドックスフロー電池の端部を規定する末端構造間に圧縮されたセルスタックを含むレドックスフロー電池をサポートし、セルスタックは複数のセルから形成され、複数のセルの各セルは、正極の機械的圧縮に基づいた透過性を有し、膜セパレータの第１の面と面を共有して接触している変形可能な正極と、正極より圧縮性が低く構成され、正極と反対側の膜セパレータの第２の面に配置された負極と、正極と接触している電解質とを含む。システムの第１の例では、正極は、多孔性で導電性のフェルトから形成され、フェルトが圧縮されると、フェルトの厚さ及び透過性が減少し、厚さは、レドックスフロー電池の縦軸に沿って規定される。オプションで第１の例を含むシステムの第２の例では、正極の第１の平面は膜セパレータと面を共有して接触し、第１の平面の反対側の正極の第２の平面は、第１の双極板と面を共有して接触している。オプションで第１及び第２の例を含むシステムの第３の例では、負極は、膜セパレータに直接接触するリブを有するメッシュから形成され、リブは、縦軸に垂直な平面に沿って等間隔に配置され、各リブは、膜セパレータと第２の双極板との間で縦軸に沿って延びる。オプションで第１～第３の例を含むシステムの第４の例では、負極は、縦軸と平行な第１の方向に膜セパレータを通して正極に圧力を加え、圧力の量は、末端構造によって提供されるレドックスフロー電池の圧縮量に対応する。オプションで第１～第４の例を含むシステムの第５の例では、正極は、負極のメッシュのリブと縦軸に沿って整列する第１のゾーンのセットで圧縮され、正極は、縦軸に沿った負極のメッシュのリブ間の空間と整列した第２のゾーンのセットで、より少なく圧縮され、第１のゾーンのセットは、正極の平面に沿って、第２のゾーンのセットと交互になっており、この平面は縦軸に垂直である。オプションで第１～第５の例を含むシステムの第６の例では、第１の双極板は、負極によって加えられる圧力とは反対の第２の方向に、正極の第２の平面に圧力を加え、第１の双極板によって加えられる圧力は、正極の第２の平面にわたって均一である。オプションで第１～第６の例を含むシステムの第７の例では、正極の第１のゾーンのセットは、低い電解質透過性を有する領域であり、正極の第２のゾーンのセットは、高い電解質透過性を有する領域である。オプションで第１～第７の例を含むシステムの第８の例では、正極の第２のゾーンのセットは、第１のゾーンのセットよりも多くの電解質が正極を通って流れるのを可能にするフローチャネルであり、フローチャネルは、複数のセルの各セルの正極コンパートメントを通るように電解質の流れを誘導及び分配する。オプションで第１～第８の例を含むシステムの第９の例では、正極は、レドックスフロー電池の負極、第１の双極板、及び末端構造より圧縮性が高く構成され、且つ、膜セパレータ及び第１の双極板より透過性が高く構成される。

本開示はまた、レドックスフロー電池用の電極アセンブリをサポートする。電極アセンブリは、双極板と、第１の透過性を有する正極であって、正極の第１の面で双極板と面を共有して接触し、第２の低下した透過性の領域を有する正極と、正極の第２の反対側の面と面を共有して接触している膜セパレータと、正極の反対側で膜セパレータと接触している負極とを含み、負極は、正極の表面に垂直な方向に正極を圧縮することによって、第２の低下した透過性の領域を正極に形成するように構成される。システムの第１の例では、正極は、圧縮可能な多孔性材料のシートで形成され、正極の平面に沿って、第１の透過性を有する領域が、第２の低下した透過性の領域と交互になっている。オプションで第１の例を含むシステムの第２の例では、システムは、負極を形成するメッシュをさらに含み、メッシュは、クロス筋交いによって接続された複数のリブを有し、複数のリブは、正極の平面と平行な平面に配置され、クロス筋交いも、複数のリブに垂直に、且つ、正極の平面に平行な平面に配置され、負極は、正極より圧縮性が低い。オプションで第１及び第２の例を含むシステムの第３の例では、負極によって正極に加えられる圧縮力は、膜セパレータを介して伝達され、双極板によって抵抗され、圧縮力は、負極の複数のリブが膜セパレータに接触する領域でのみ加えられる。オプションで第１～第３の例を含むシステムの第４の例では、正極の表面と垂直な方向に沿って、負極の複数のリブが膜セパレータと接触する領域と整列する正極の領域は、正極の第２の低下した透過性の領域である。オプションで第１～第４の例を含むシステムの第５の例では、第１の透過性の領域の電解質の流れは、第２の低下した透過性の領域の電解質の流れより大きく、第２の低下した透過性の領域を流れる電解質は、第２の低下した透過性の領域が圧縮されていないときと比べて、正極の厚さが減少したゾーンを通って流れる。

本開示はまた、レドックスフロー電池を動作させる方法をサポートする。方法は、第１の透過性を備えた第１のゾーンのセットと、第２のより低い透過性を備えた第２のゾーンのセットとを有する圧縮性の正極を通して正の電解質を流すことを含む。方法の第１の例において、方法は、負極を横切って負の電解質を流すことをさらに含み、負極は、正極に圧縮力を加えるように構成されたメッシュから形成される。オプションで第１の例を含む方法の第２の例において、正の電解質を正極を通して流すことは、第２のゾーンのセットよりも多くの正の電解質を第１のゾーンのセットを通して流すことを含む。オプションで第１及び第２の例を含む方法の第３の例において、第２のゾーンのセットを通して正の電解質を流すことは、正極と負極の間に配置された膜セパレータに隣接して正の電解質を流すことと、膜セパレータを横切って正の電解質と負の電解質のイオン交換を可能にすることとを含む。

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指摘している。これらの請求項は、「ある（ａｎ）」要素または「第１の（ａ ｆｉｒｓｔ）」要素、またはそれらの均等物を指してよい。そのような請求項は、２つ以上のそのような要素を要求も排除もせず、１つまたは複数のそのような要素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、要素、及び／また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されてよい。そのような請求項は、元の特許請求の範囲より広いか、狭いか、等しいか、または異なるかに関係なく、本開示の主題内に含まれるものと見なされる。

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、負の電解質は負極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、負の電解質は電子を失う、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、負の電解質及び負極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと呼ばれてよく、正の電解質及び正極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと呼ばれてよい。充電中、負の電解質及び負極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと呼ばれてよく、正の電解質及び正極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと呼ばれてよい。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、電解質、及び電極コンパートメントを指して使用される。

ハイブリッドレドックスフロー電池の一例は、全鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）であり、ＩＦＢでは、電解質は鉄塩（例えば、ＦｅＣｌ_２、ＦｅＣｌ_３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Ｆｅ^２＋が２つの電子を受け取り、鉄金属として負極２６にめっきし、電池放電中に、鉄金属Ｆｅ^０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Ｆｅ^２＋が電子を失って第二鉄イオンＦｅ^３＋を形成し、放電中にＦｅ^３＋が電子を獲得してＦｅ^２＋を形成する。電気化学反応は式（１）と（２）にまとめられる。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。
Ｆｅ^２＋＋２ｅ－←→Ｆｅ^０ －０．４４Ｖ （負極） （１）
Ｆｅ^２＋←→Ｆｅ ^３＋ ＋ｅ－ ＋０．７７Ｖ （正極） （２）

第１のセルスタック３１２及び第２のセルスタック３１４は、第１の加圧板３０４と第２の加圧板３０８の間に配置されてよい。第１のセルスタック３１２及び第２のセルスタック３１４は、それぞれ、図２及び４のＩＦＢ２０２のセルスタック２０４と類似していてよい。第１のセルスタック３１２及び第２のセルスタック３１４は、ｚ軸に沿って整列してよく、セルスタック間の流体の交換を遮るサブスタックセパレータプレート３１６によって区切られてよい。このように、ＩＦＢ３０２のエネルギー貯蔵容量は、ＩＦＢを可搬ユニットに組み立てるために加圧板、ボルト、ナット等のハードウェアコンポーネントの数を増やすことなく、図２及び４のＩＦＢ２０２に比べて、増加させることができる。

さらに、双極板アセンブリの第１の表面７２４は、正極入口及び出口分配チャネル７２８も含み得る。正極入口及び出口分配チャネル７２８は、電極アセンブリ７０２の活性領域７３０から正の電解質を分配及び捕捉するのを可能にする。したがって、正極入口及び出口分配チャネル７２８は、正極分岐チャネル７２６と流体連通してよい。

ｚ軸に沿って第２の電極アセンブリ１００５の上に積み重ねられた第１の電極アセンブリ１００３を含むセルスタック１０５０を図１０に示す。第１の電極アセンブリ１００３及び第２の電極アセンブリ１００５のそれぞれは、図７～９の電極アセンブリ７０２と同様に構成されてよい。第１の電極アセンブリ１００３は、第１の膜フレームプレート１０５２、第１の膜１００２、及び第１の負極１００４を備えた第１の膜セパレータアセンブリ１００７と、第１の双極フレームプレート１０５４、第１の双極板１００６、及び第１の正極１００８を備えた第１の双極板アセンブリ１００９とを有する。第１の電極アセンブリ１００３の各コンポーネントは、直接上のコンポーネント及び直接下のコンポーネントと接触していてよい。同様に、第２の電極アセンブリ１００５は、第２の膜フレームプレート１０５６を備えた第２の膜セパレータアセンブリ（図１０に示さず）、第２の負極１０１２、第２の双極フレームプレート１０５８を備えた第２の双極板アセンブリ１０１１、第２の双極板１０１４、及び第１の膜１００２の真下に配置された第２の正極１０１０を有する。第２の電極アセンブリ１００５の各コンポーネントは、直接上のコンポーネント及び直接下のコンポーネントと接触している。

第１のゾーンのセット１０２８（以下、高圧縮ゾーン１０２８）は、第２の正極１０１０のフェルトの高圧縮によって透過性の低い領域であってよい。フェルトが圧縮されると、フェルトの多孔性が減少し、それによって、そこを通る電解質の流れを妨げ得る。第２のゾーンのセット１０３２（以下、低圧縮ゾーン１０３２）は、高圧縮ゾーン１０２８より高い透過性を有し得る。したがって、セルスタック１０５０の各正極は、ｘ軸及びｙ軸の両方に沿って、ｘｙ平面にわたって高透過性及び低透過性が交互になった領域を有し得る。高透過性の領域は、空間を電解質で満たし得る負極メッシュの開口部に対応する（例えば、ｚ軸に沿って整列する）。高透過性の領域は、圧縮されていないフェルトの多孔性に基づく最大透過性を有し得る。

本開示はまた、レドックスフロー電池の端部を規定する末端構造間に圧縮されたセルスタックを含むレドックスフロー電池をサポートし、セルスタックは複数のセルから形成され、複数のセルの各セルは、正極の機械的圧縮に基づいた透過性を有し、膜セパレータの第１の面と面を共有して接触している変形可能な正極と、正極より圧縮性が低く構成され、正極と反対側の膜セパレータの第２の面に配置された負極と、正極と接触している電解質とを含む。レドックスフロー電池の第１の例では、正極は、多孔性で導電性のフェルトから形成され、フェルトが圧縮されると、フェルトの厚さ及び透過性が減少し、厚さは、レドックスフロー電池の縦軸に沿って規定される。オプションで第１の例を含むレドックスフロー電池の第２の例では、正極の第１の平面は膜セパレータと面を共有して接触し、第１の平面の反対側の正極の第２の平面は、第１の双極板と面を共有して接触している。オプションで第１及び第２の例を含むレドックスフロー電池の第３の例では、負極は、膜セパレータに直接接触するリブを有するメッシュから形成され、リブは、縦軸に垂直な平面に沿って等間隔に配置され、各リブは、膜セパレータと第２の双極板との間で縦軸に沿って延びる。オプションで第１～第３の例を含むレドックスフロー電池の第４の例では、負極は、縦軸と平行な第１の方向に膜セパレータを通して正極に圧力を加え、圧力の量は、末端構造によって提供されるレドックスフロー電池の圧縮量に対応する。オプションで第１～第４の例を含むレドックスフロー電池の第５の例では、正極は、負極のメッシュのリブと縦軸に沿って整列する第１のゾーンのセットで圧縮され、正極は、縦軸に沿った負極のメッシュのリブ間の空間と整列した第２のゾーンのセットで、より少なく圧縮され、第１のゾーンのセットは、正極の平面に沿って、第２のゾーンのセットと交互になっており、この平面は縦軸に垂直である。オプションで第１～第５の例を含むレドックスフロー電池の第６の例では、第１の双極板は、負極によって加えられる圧力とは反対の第２の方向に、正極の第２の平面に圧力を加え、第１の双極板によって加えられる圧力は、正極の第２の平面にわたって均一である。オプションで第１～第６の例を含むレドックスフロー電池の第７の例では、正極の第１のゾーンのセットは、低い電解質透過性を有する領域であり、正極の第２のゾーンのセットは、高い電解質透過性を有する領域である。オプションで第１～第７の例を含むレドックスフロー電池の第８の例では、正極の第２のゾーンのセットは、第１のゾーンのセットよりも多くの電解質が正極を通って流れるのを可能にするフローチャネルであり、フローチャネルは、複数のセルの各セルの正極コンパートメントを通るように電解質の流れを誘導及び分配する。オプションで第１～第８の例を含むレドックスフロー電池の第９の例では、正極は、レドックスフロー電池の負極、第１の双極板、及び末端構造より圧縮性が高く構成され、且つ、膜セパレータ及び第１の双極板より透過性が高く構成される。

本開示はまた、レドックスフロー電池用の電極アセンブリをサポートする。電極アセンブリは、双極板と、第１の透過性を有する正極であって、正極の第１の面で双極板と面を共有して接触し、第２の低下した透過性の領域を有する正極と、正極の第２の反対側の面と面を共有して接触している膜セパレータと、正極の反対側で膜セパレータと接触している負極とを含み、負極は、正極の表面に垂直な方向に正極を圧縮することによって、第２の低下した透過性の領域を正極に形成するように構成される。電極アセンブリの第１の例では、正極は、圧縮可能な多孔性材料のシートで形成され、正極の平面に沿って、第１の透過性を有する領域が、第２の低下した透過性の領域と交互になっている。オプションで第１の例を含む電極アセンブリの第２の例では、電極アセンブリは、負極を形成するメッシュをさらに含み、メッシュは、クロス筋交いによって接続された複数のリブを有し、複数のリブは、正極の平面と平行な平面に配置され、クロス筋交いも、複数のリブに垂直に、且つ、正極の平面に平行な平面に配置され、負極は、正極より圧縮性が低い。オプションで第１及び第２の例を含む電極アセンブリの第３の例では、負極によって正極に加えられる圧縮力は、膜セパレータを介して伝達され、双極板によって抵抗され、圧縮力は、負極の複数のリブが膜セパレータに接触する領域でのみ加えられる。オプションで第１～第３の例を含む電極アセンブリ第４の例では、正極の表面と垂直な方向に沿って、負極の複数のリブが膜セパレータと接触する領域と整列する正極の領域は、正極の第２の低下した透過性の領域である。オプションで第１～第４の例を含む電極アセンブリの第５の例では、第１の透過性の領域の電解質の流れは、第２の低下した透過性の領域の電解質の流れより大きく、第２の低下した透過性の領域を流れる電解質は、第２の低下した透過性の領域が圧縮されていないときと比べて、正極の厚さが減少したゾーンを通って流れる。

Claims (20)

1. レドックスフロー電池であって、
   前記レドックスフロー電池の端部を規定する末端構造間に圧縮されたセルスタックであって、複数のセルから形成される前記セルスタックを含み、前記複数のセルの各セルは、
   変形可能な正極であって、前記正極の機械的圧縮に基づいた透過性を有し、膜セパレータの第１の面と面を共有して接触している、前記正極と、
   前記正極より圧縮性が小さいように構成され、前記正極の反対側の前記膜セパレータの第２の面に配置された負極と、
   前記正極と接触している電解質と
   を含む、レドックスフロー電池。
2. 前記正極が、多孔質で導電性のフェルトから形成され、
   前記フェルトが圧縮されると、前記フェルトの厚さ及び透過性が減少し、前記厚さは、前記レドックスフロー電池の縦軸に沿って規定される、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
3. 前記正極の第１の平面が、前記膜セパレータと面を共有して接触し、前記正極の前記第１の平面の反対側の第２の平面が、第１の双極板と面を共有して接触している、先行請求項のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
4. 前記負極が、前記膜セパレータに直接接触するリブを備えたメッシュから形成され、
   前記リブは、前記レドックスフロー電池の縦軸に垂直な面に沿って等間隔に配置され、各リブは、前記膜セパレータと第２の双極板との間で前記縦軸に沿って延びる、先行請求項のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
5. 前記負極が、前記レドックスフロー電池の縦軸と平行な第１の方向に前記膜セパレータを通して前記正極に圧力を加え、
   前記圧力の量は、前記末端構造によって与えられる前記レドックスフロー電池の圧縮の量に対応する、先行請求項のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
6. 前記正極が、前記レドックスフロー電池の縦軸に沿って前記負極のメッシュのリブと整列した第１のゾーンのセットで圧縮され、前記正極は、前記縦軸に沿って前記負極の前記メッシュの前記リブ間の空間と整列した第２のゾーンのセットで、より少なく圧縮され、
   前記第１のゾーンのセットは、前記正極の平面に沿って、前記第２のゾーンのセットと交互になっており、前記平面は前記レドックスフロー電池の縦軸に垂直である、先行請求項のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
7. 第１の双極板が、前記負極によって加えられた圧力と反対の第２の方向に前記正極の第２の平面に圧力を加え、
   前記第１の双極板によって加えられた前記圧力は、前記正極の前記第２の平面にわたって均一である、先行請求項のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
8. 前記正極の第１のゾーンのセットが、低い電解質透過性の領域であり、
   前記正極の第２のゾーンのセットが、高い電解質透過性の領域である、先行請求項のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
9. 前記正極の第２のゾーンのセットが、第１のゾーンのセットよりも多くの電解質が前記正極を通って流れるのを可能にするフローチャネルであり、
   前記フローチャネルは、前記複数のセルの各セルの正極コンパートメントを通る電解質の流れを誘導及び分配するように構成される、先行請求項のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
10. 前記正極が、前記レドックスフロー電池の前記負極、前記第１の双極板、及び前記末端構造より圧縮性が高く構成され、且つ、前記膜セパレータ及び前記第１の双極板より透過性が高く構成される、請求項３に記載のレドックスフロー電池。
11. レドックスフロー電池用の電極アセンブリであって、
    双極板と、
    第１の透過性を備えた正極であって、前記正極の第１の面で前記双極板と面を共有して接触し、第２の低下した透過性の領域を有する、前記正極と、
    前記正極の第２の反対側の面と面を共有して接触している膜セパレータと、
    前記正極の反対側で、前記膜セパレータと接触している負極とを含み、
    前記負極は、前記正極の表面に垂直な方向に前記正極を圧縮することによって、前記第２の低下した透過性の前記領域を前記正極に形成するように構成される、
    前記電極アセンブリ。
12. 前記正極が、圧縮性の多孔性材料のシートから形成され、前記第１の透過性を備えた領域が、前記正極の平面に沿って、前記第２の低下した透過性の前記領域と交互になっている、請求項１１に記載の電極アセンブリ。
13. 前記負極を形成するメッシュをさらに含み、前記メッシュは、クロス筋交いによって接続された複数のリブを有し、前記複数のリブは、前記正極の平面と平行な平面に配置され、前記クロス筋交いは、前記複数のリブに垂直に、且つ、前記正極の前記平面と平行な前記平面に配置され、
    前記負極は、前記正極より圧縮性が小さい、請求項１１に記載の電極アセンブリ。
14. 前記負極によって前記正極に加えられる圧縮力が、前記膜セパレータを通して伝えられ、前記双極板によって抵抗され、
    前記圧縮力は、前記負極の前記複数のリブが前記膜セパレータに接触する領域でのみ加えられる、請求項１３に記載の電極アセンブリ。
15. 前記正極の前記表面に垂直な方向に沿って、前記負極の前記複数のリブが前記膜セパレータと接触する領域と整列する前記正極の前記領域が、前記正極の前記第２の低下した透過性の前記領域である、請求項１３～１４のいずれか１項に記載の電極アセンブリ。
16. 前記第１の透過性の前記領域の電解質の流れが、前記第２の低下した透過性の前記領域の電解質の流れより大きく、
    前記第２の低下した透過性の領域を流れる電解質は、前記第２の低下した透過性の領域が圧縮されていないときと比較して、前記正極の厚さが減少したゾーンを通って流れる、請求項１３～１５のいずれか１項に記載の電極アセンブリ。
17. レドックスフロー電池を動作させる方法であって、
    第１の透過性を備えた第１のゾーンのセットと、第２のより低い透過性を備えた第２のゾーンのセットとを有する圧縮性の正極を通って正の電解質を流すこと
    を含む、前記方法。
18. 負の電解質を負極を横切って流すことをさらに含み、
    前記負極は、前記正極に圧縮力を加えるように構成されたメッシュから形成される、請求項１７に記載の方法。
19. 前記正の電解質を前記正極を通して流すことは、
    前記第２のゾーンのセットより前記第１のゾーンのセットにより多くの正の電解質を流すことを含む、請求項１７～１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記正の電解質を前記第２のゾーンのセットを通して流すことは、
    前記正の電解質を前記正極と前記負極の間に配置された膜セパレータに隣接して流すことと、
    前記膜セパレータを横切って前記正の電解質と負の電解質の間でイオン交換を可能にすることと、を含む、請求項１７～１９のいずれか１項に記載の方法。

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