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特開2024-41740レドックス・フロー・バッテリ・システムのリバランス・セルのための電解質流動場
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024041740
(43)【公開日】2024-03-27
(54)【発明の名称】レドックス・フロー・バッテリ・システムのリバランス・セルのための電解質流動場
(51)【国際特許分類】
H01M 8/18 20060101AFI20240319BHJP
H01M 8/0258 20160101ALI20240319BHJP
H01M 8/02 20160101ALI20240319BHJP
H01M 8/0221 20160101ALI20240319BHJP
【ＦＩ】
H01M8/18
H01M8/0258
H01M8/02
H01M8/0221
【審査請求】未請求
【請求項の数】20
【出願形態】ＯＬ
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023149106
(22)【出願日】2023-09-14
(31)【優先権主張番号】17/932,245
(32)【優先日】2022-09-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(71)【出願人】
【識別番号】519297300
【氏名又は名称】イーエスエス テック インコーポレーテッド
【氏名又は名称原語表記】ＥＳＳ Ｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．
【住所又は居所原語表記】２６４４０ ＳＷ Ｐａｒｋｗａｙ Ａｖｅｎｕｅ，Ｗｉｌｓｏｎｖｉｌｌｅ，Ｏｒｅｇｏｎ ９７０７０ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】エヴァンス クレイグ
(72)【発明者】
【氏名】キシック ショーン
(72)【発明者】
【氏名】ソン ヤン
【テーマコード（参考）】
5H126
【Ｆターム（参考）】
5H126AA02
5H126AA08
5H126AA12
5H126BB10
5H126RR01
(57)【要約】
【課題】レドックス・フロー・バッテリのリバランス・セルのためのシステムおよび方法を提供すること。
【解決手段】１つの例では、レドックス・フロー・バッテリのリバランス・セルは、セル筐体と、セル筐体に囲まれた電極アセンブリの積み重ねとを含み、電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリは、流動場プレートと界面する正極を含む。正極と界面する流動場プレートの面は、それを通って流れる電解質から気体を除去するように構成された、先細の入り口および出口ならびに部分的チャネルを含んでいる複数の通路を含む。
【選択図】図１
【解決手段】１つの例では、レドックス・フロー・バッテリのリバランス・セルは、セル筐体と、セル筐体に囲まれた電極アセンブリの積み重ねとを含み、電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリは、流動場プレートと界面する正極を含む。正極と界面する流動場プレートの面は、それを通って流れる電解質から気体を除去するように構成された、先細の入り口および出口ならびに部分的チャネルを含んでいる複数の通路を含む。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レドックス・フロー・バッテリのリバランス・セルであって、前記リバランス・セルが、
セル筐体と、
前記セル筐体に囲まれた電極アセンブリの積み重ねとを備え、前記電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリが、流動場プレートと界面する正極を含み、
前記正極と界面する前記流動場プレートの面が、それを通って流れる電解質から気体を除去するように構成された、先細の入り口および／または先細の出口ならびに部分的チャネルを含んでいる複数の通路を含む、
リバランス・セル。
セル筐体と、
前記セル筐体に囲まれた電極アセンブリの積み重ねとを備え、前記電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリが、流動場プレートと界面する正極を含み、
前記正極と界面する前記流動場プレートの面が、それを通って流れる電解質から気体を除去するように構成された、先細の入り口および／または先細の出口ならびに部分的チャネルを含んでいる複数の通路を含む、
リバランス・セル。
【請求項2】
前記複数の通路が、前記流動場プレートの前記面内に直接形成される、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項3】
前記複数の通路が、前記流動場プレートの前記面に結合されるように構成されたインサート内に形成される、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項4】
前記複数の通路が、部分的に互いにかみ合った構成で配置される、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項5】
前記複数の通路が、前記先細の入り口および前記部分的チャネルを含む出口を含んでいる通路の第１のセットと、前記部分的チャネルを含む入り口および前記先細の出口を含んでいる通路の第２のセットとを含む、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項6】
前記通路の第１のセットおよび前記通路の第２のセットが、前記流動場プレートにわたって交互パターンで配置される、
請求項５に記載のリバランス・セル。
請求項５に記載のリバランス・セル。
【請求項7】
気体が前記流動場プレートから出るが、前記電解質が前記流動場プレートから出ないことを可能にするために、前記部分的チャネルが狭くなった直径を有し、前記電解質が前記正極内に強制的に対流される、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項8】
前記電解質が、前記正極が位置付けられた正極区画から循環される正電解質である、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項9】
各電極アセンブリが、前記正極と界面する負極をさらに含み、各電極アセンブリが内部で短絡する、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項10】
Ｈ２気体を前記セル筐体内に流すための気体水素入り口、電解質を前記セル筐体内に流すための電解質入り口ポート、および電解質を前記セル筐体から放出するための電解質出口ポートをさらに備える、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項11】
傾斜支持体が乗っている表面に対して前記セル筐体を傾けるために、前記セル筐体に結合された前記傾斜支持体をさらに備える、
請求項１に記載のリバランス・セル。
請求項１に記載のリバランス・セル。
【請求項12】
レドックス電極およびめっき電極をそれぞれ収容している正極区画および負極区画と、
前記正極区画に送り込むための正電解質および前記負極区画に送り込むための負電解質をそれぞれ含んでいる正電解質室および負電解質室であって、共通の気体ヘッド・スペースをさらに含む、前記正電解質室および負電解質室と、
前記正電解質の電解質リバランスのためのリバランス・セルであって、前記リバランス・セルが前記正極区画および前記共通の気体ヘッド・スペースに流体結合されている、リバランス・セルと、
を備える、
レドックス・フロー・バッテリ・システムであって、
前記正電解質の前記電解質リバランスが、前記第１のリバランス・セルの正極および負極の界面する対の内部の短絡によって、ならびに前記正電解質が、前記正極と界面する流動場プレートの統合されたチャネルを通って方向付けられることによって、駆動される、
レドックス・フロー・バッテリ・システム。
前記正極区画に送り込むための正電解質および前記負極区画に送り込むための負電解質をそれぞれ含んでいる正電解質室および負電解質室であって、共通の気体ヘッド・スペースをさらに含む、前記正電解質室および負電解質室と、
前記正電解質の電解質リバランスのためのリバランス・セルであって、前記リバランス・セルが前記正極区画および前記共通の気体ヘッド・スペースに流体結合されている、リバランス・セルと、
を備える、
レドックス・フロー・バッテリ・システムであって、
前記正電解質の前記電解質リバランスが、前記第１のリバランス・セルの正極および負極の界面する対の内部の短絡によって、ならびに前記正電解質が、前記正極と界面する流動場プレートの統合されたチャネルを通って方向付けられることによって、駆動される、
レドックス・フロー・バッテリ・システム。
【請求項13】
前記統合されたチャネルが、前記流動場プレートの正の流動場から気体を除去するための部分的チャネルを含む、
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
【請求項14】
前記正電解質の対流を前記正極内に強制するために、前記統合されたチャネルが、部分的に互いにかみ合った構成で配置される、
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
【請求項15】
前記統合されたチャネルが先細の入り口および先細の出口を含み、前記先細の入り口の直径が、前記先細の入り口への入り口で最も広く、前記先細の出口の直径が、前記先細の出口への入り口で最も狭い、
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
【請求項16】
前記統合されたチャネルが、前記正極と界面する前記流動場プレートの表面内に機械加工されるか、または成形され、前記流動場プレートがポリマーで形成される、
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
【請求項17】
前記統合されたチャネルが、ポリマーで形成されたインサート内に機械加工されるか、または成形され、前記インサートが、前記正極と界面する流動場プレートの表面に結合される、
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
請求項１２に記載のレドックス・フロー・バッテリ・システム。
【請求項18】
正極および負極の内部で短絡した界面する対と、
前記負極の反対側の前記正極の表面と面共有接触する流動場プレートと、
を備える、
リバランス・セルの電極アセンブリであって、
前記正極の方を向いている前記流動場プレートの面が、前記流動場プレートの複数の部分的に互いにかみ合った電解質チャネルを通って流れる正電解質から気体を除去するために先細の入り口および出口ならびに収縮を含んでいる前記複数の部分的に互いにかみ合った電解質チャネルを含む、
電極アセンブリ。
前記負極の反対側の前記正極の表面と面共有接触する流動場プレートと、
を備える、
リバランス・セルの電極アセンブリであって、
前記正極の方を向いている前記流動場プレートの面が、前記流動場プレートの複数の部分的に互いにかみ合った電解質チャネルを通って流れる正電解質から気体を除去するために先細の入り口および出口ならびに収縮を含んでいる前記複数の部分的に互いにかみ合った電解質チャネルを含む、
電極アセンブリ。
【請求項19】
前記収縮が、前記気体が前記流動場プレートから出るための流路を提供することによって気体を除去するように構成される、
請求項１８に記載の電極アセンブリ。
請求項１８に記載の電極アセンブリ。
【請求項20】
前記正電解質から除去された前記気体が、前記リバランス・セルの気体出口ポートを介して前記リバランス・セルから放出される、
請求項１８に記載の電極アセンブリ。
請求項１８に記載の電極アセンブリ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０２２年７月１３日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２２／７３６９３号「ＲＥＢＡＬＡＮＣＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＯＲ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ」の一部継続であり、この国際出願は、２０２１年７月１３日に出願された米国特許仮出願第６３／２２１，３２５号「ＲＥＢＡＬＡＮＣＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＯＲ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ」および２０２１年７月１３日に出願された米国特許仮出願第６３／２２１，３３０号「ＲＥＢＡＬＡＮＣＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＯＲ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ」に対する優先権を主張する。上で識別された出願の各々の内容全体は、すべての目的で、参照によって本明細書に組み込まれている。
本出願は、２０２２年７月１３日に出願された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２２／７３６９３号「ＲＥＢＡＬＡＮＣＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＯＲ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ」の一部継続であり、この国際出願は、２０２１年７月１３日に出願された米国特許仮出願第６３／２２１，３２５号「ＲＥＢＡＬＡＮＣＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＯＲ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ」および２０２１年７月１３日に出願された米国特許仮出願第６３／２２１，３３０号「ＲＥＢＡＬＡＮＣＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＯＲ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ」に対する優先権を主張する。上で識別された出願の各々の内容全体は、すべての目的で、参照によって本明細書に組み込まれている。
【0002】
本説明は、一般に、レドックス・フロー・バッテリ・システムにおいて使用するためのリバランス・セルのためのシステム、およびそのようなリバランス・セルを操作するための方法に関連している。
【背景技術】
【0003】
レドックス・フロー・バッテリは、電力および容量の大きさを独立して変更する能力、ならびに従来のバッテリ技術と比較して減らされた性能損失で数千サイクルを超えて充電および放電する能力のため、グリッドスケール蓄電の応用に適している。全鉄ハイブリッド・レドックス・フロー・バッテリ（ａｌｌ－ｉｒｏｎ ｈｙｂｒｉｄ ｒｅｄｏｘ ｆｌｏｗ ｂａｔｔｅｒｙ）は、低コストで豊富に存在する材料の組み込みに起因して、特に魅力的である。一般に、鉄レドックス・フロー・バッテリ（ＩＦＢ：ｉｒｏｎ ｒｅｄｏｘ ｆｌｏｗ ｂａｔｔｅｒｉｅｓ）は、電解質のための鉄、塩、および水に依存し、したがって、単純な豊富に存在する安価な材料を含み、刺激の強い化学物質の組み込みを取り除き、環境設置面積を減らす。
【0004】
ＩＦＢは、レドックス反応が発生する正（レドックス）極、およびめっき反応を介して電解質内の第一鉄（Ｆｅ２＋）が還元されてめっきされ得る負（めっき）極を含むことがある。陽子還元、鉄腐食、および鉄めっき酸化を含む、さまざまな副反応が、次のようにＦｅ２＋還元と競合することがある。
Ｈ＋＋ｅ－←→１／２Ｈ２ （陽子還元） （１）
Ｆｅ０＋２Ｈ＋←→Ｆｅ２＋＋Ｈ２ （鉄腐食） （２）
２Ｆｅ３＋＋Ｆｅ０←→３Ｆｅ２＋ （鉄めっき酸化） （３）
ほとんどの副反応がめっき電極で発生するため、めっき電極で使用できる鉄めっきによってＩＦＢのサイクル能力が制限されることがある。鉄めっき損失を改善しようとする例示的な試みは、方程式（１）および（２）からの気体水素（Ｈ２）生成、および方程式（３）からの電解質の電荷不均衡（例えば、過剰なＦｅ３＋）、および次の方程式（４）によるイオンの交差に対処するために、触媒電解質リバランス（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ）に重点を置いた。
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランス） （４）
Ｈ＋＋ｅ－←→１／２Ｈ２ （陽子還元） （１）
Ｆｅ０＋２Ｈ＋←→Ｆｅ２＋＋Ｈ２ （鉄腐食） （２）
２Ｆｅ３＋＋Ｆｅ０←→３Ｆｅ２＋ （鉄めっき酸化） （３）
ほとんどの副反応がめっき電極で発生するため、めっき電極で使用できる鉄めっきによってＩＦＢのサイクル能力が制限されることがある。鉄めっき損失を改善しようとする例示的な試みは、方程式（１）および（２）からの気体水素（Ｈ２）生成、および方程式（３）からの電解質の電荷不均衡（例えば、過剰なＦｅ３＋）、および次の方程式（４）によるイオンの交差に対処するために、触媒電解質リバランス（ｃａｔａｌｙｔｉｃ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ）に重点を置いた。
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランス） （４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
一部の例では、方程式（４）の電解質リバランス反応を実行するためにＨ２気体および電解質が触媒表面で接触することができる、トリクル・ベッドまたはジェリー・ロール・リアクタ（ｊｅｌｌｙ ｒｏｌｌ ｒｅａｃｔｏｒ）の設定によって、電解質リバランスが実現されることがある。しかし、そのような設定のより低いＦｅ３＋還元速度は、より高い性能の応用にとって望ましくないことがある。他の例では、燃料セルの設定が、正極および負極の対にわたって直流（ＤＣ：ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）を加えながら、Ｈ２気体および電解質を触媒表面で同様に接触させることがある。しかし、燃料セルでは、ＤＣの流れを中断する不慮の逆電流スパイクの結果として、信頼性の問題が生じることがある。
【課題を解決するための手段】
【0006】
１つの例では、前述の問題は、レドックス・フロー・バッテリのリバランス・セルによって対処されることが可能であり、リバランス・セルは、セル筐体と、セル筐体に囲まれた電極アセンブリの積み重ねとを含み、電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリは、流動場プレートと界面する正極を含む。正極と界面する流動場プレートの面は、それを通って流れる電解質から気体を除去するように構成された、先細の入り口および出口ならびに部分的チャネルを含んでいる複数の通路を含む。一部の実施例では、電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリは、内部で短絡してよい。このようにして、正電解質の効率的なリバランスが有効化されながら、リバランス・セル内の正極および負極の界面する対の内部の短絡によって、リバランス・セル内の電解質リバランスが駆動されてよい。
【0007】
詳細には、一部の例では、流動場プレートは、流動場プレートの面に統合された、複数の通路で形成された流動場を含む。流動場は、流動場プレートにわたって圧力を制御し、それによって、電極アセンブリを通る電解質の流れを穏やかにし、電極での反応速度を改善することができる。このようにして、流動場プレートを含まない内部で短絡しないセルと相対的に、リバランス・セル内の電気化学的性能が改善され得る。
【0008】
上記の要約が、「発明を実施するための形態」においてさらに説明される概念の選択を、簡略化された形態で導入するために提供されているということが、理解されるべきである。上記の要約は、主張される主題の重要な特徴または不可欠な特徴を識別するよう意図されておらず、主張される主題の範囲は、「発明を実施するための形態」の後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、主張される主題は、上記または本開示のいずれかの部分に示されたいずれかの不利益を解決する実装に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】各リバランス・リアクタ（ｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ ｒｅａｃｔｏｒｓ）に流体結合されたレドックス電極およびめっき電極を含むバッテリ・セルを含んでいる例示的なレドックス・フロー・バッテリ・システムの概略図を示す図である。
【図2A】内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでいるリバランス・セルの透視図を示す図である。
【図2B】内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでいるリバランス・セルの透視図を示す図である。
【図6A】リバランス・セルの電極アセンブリに含まれ得る、統合された流動場を含む流動場プレートの例を示す図である。
【図6B】リバランス・セルの電極アセンブリに含まれ得る、統合された流動場を含むインサートを含んでいる流動場プレートの例を示す図である。
【図8】内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでいるリバランス・セルを操作するための方法のフロー・チャートを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下の説明は、内部に含まれている電極アセンブリの内部の短絡によって駆動されるリバランス・セルのためのシステムおよび方法に関連している。実施形態例では、リバランス・セルは、レドックス・フロー・バッテリの電解質サブシステムに流体結合されてよい。レドックス・フロー・バッテリが図１に概略的に示されており、統合された多室タンクが、分離した正電解質室および負電解質室を含んでいる。一部の例では、レドックス・フロー・バッテリは、ＩＦＢの正（レドックス）極および負（めっき）極の両方で鉄レドックスの化学的性質を利用する全鉄フロー・バッテリ（ＩＦＢ）であってよい。電解質室は、１つまたは複数のバッテリ・セルに結合されてよく、各セルは、正極および負極を含んでいる。したがって、電解質は、正極および負極をそれぞれ収容している正極区画および負極区画を通って送り込まれてよい。
【0011】
一部の例では、レドックス・フロー・バッテリは、ハイブリッド・レドックス・フロー・バッテリであってよい。ハイブリッド・レドックス・フロー・バッテリは、電極（例えば、負極）上の固体層としての１つまたは複数の電気活性材料の堆積によって特徴付けられ得るレドックス・フロー・バッテリである。ハイブリッド・レドックス・フロー・バッテリは、例えば、バッテリ充電工程を通じて、基板上の固体として電気化学反応によってめっきし得る化学種を含んでよい。バッテリ放電中に、さらなる電気化学反応によって、めっき種がイオン化し、電解質内に溶解できるようになってよい。ハイブリッド・レドックス・フロー・バッテリ・システムでは、レドックス・フロー・バッテリの充電容量（例えば、蓄えられるエネルギーの最大量）は、バッテリ充電中にめっきされる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に加えて、めっきに使用できる体積および表面積に依存することがある。
【0012】
一部の例では、レドックス・フロー・バッテリ内の電解質の不均衡が、次のような陽子還元および鉄腐食などの気体水素（Ｈ２）生成反応
Ｈ＋＋ｅ－←→１／２Ｈ２ （陽子還元） （１）
Ｆｅ０＋２Ｈ＋←→Ｆｅ２＋＋Ｈ２ （鉄腐食） （２）
ならびに次のような鉄めっきの酸化中に生成される過剰な第二鉄（Ｆｅ３＋）からの電荷不均衡を含む、望ましいレドックスの化学的性質と競合する多数の副反応から生じることがある。
２Ｆｅ３＋＋Ｆｅ０←→３Ｆｅ２＋ （鉄めっき酸化） （３）
方程式（１）～（３）の反応は、鉄めっきを制限し、それによって、バッテリ容量全体を減らすことがある。そのような不均衡に対処するために、次のような単一のレドックス反応によってＦｅ３＋を減らすこと、および過剰なＨ２気体を取り除くことを両方とも行うように、電解質リバランスが活用され得る。
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランス） （４）
Ｈ＋＋ｅ－←→１／２Ｈ２ （陽子還元） （１）
Ｆｅ０＋２Ｈ＋←→Ｆｅ２＋＋Ｈ２ （鉄腐食） （２）
ならびに次のような鉄めっきの酸化中に生成される過剰な第二鉄（Ｆｅ３＋）からの電荷不均衡を含む、望ましいレドックスの化学的性質と競合する多数の副反応から生じることがある。
２Ｆｅ３＋＋Ｆｅ０←→３Ｆｅ２＋ （鉄めっき酸化） （３）
方程式（１）～（３）の反応は、鉄めっきを制限し、それによって、バッテリ容量全体を減らすことがある。そのような不均衡に対処するために、次のような単一のレドックス反応によってＦｅ３＋を減らすこと、および過剰なＨ２気体を取り除くことを両方とも行うように、電解質リバランスが活用され得る。
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランス） （４）
【0013】
本明細書において実施形態によって説明されるように、図３の例示的な電極アセンブリなどの内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでいる、図２Ａおよび２Ｂの例示的なリバランス・セルなどのリバランス・セルによって、相対的に高い性能の応用のための十分なＦｅ３＋還元速度が、確実に達成され得る。図４Ａおよび４Ｂは、リバランス・セル内のＨ２気体の流れの態様を示しており、図５Ａ～５Ｅの例示的な流動場構成などの各流動場構成を含んでいる、図８Ａ～８Ｄの例示的な流動場プレートなどの流動場プレートによって、Ｈ２気体が、内部で短絡した電極アセンブリの負極を横切って対流されてよい。統合された流動場を使用して構成され得る流動場プレートの例が図６Ａ～６Ｂに示されており、統合された流動場の例示的な構成が図７Ａ～７Ｂに示されている。リバランス・セルを操作する方法が、図８に示されている。
【0014】
図１に示されているように、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０では、負極２６がめっき電極と見なされてよく、正極２８がレドックス電極と見なされてよい。レドックス・フロー・バッテリ・セル１８のめっき側（例えば、負極区画２０）の中の負電解質はめっき電解質と見なされてよく、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８のレドックス側（例えば、正極区画２２）の正電解質はレドックス電解質と見なされてよい。
【0015】
「アノード」は、電気活性材料が電子を失う電極のことを指し、「カソード」は、電気活性材料が電子を獲得する電極のことを指す。バッテリ充電中に、負極２６で負電解質が電子を獲得し、負極２６は、電気化学反応のカソードである。バッテリ放電中に、負電解質が電子を失い、負極２６は、電気化学反応のアノードである。代替として、バッテリ放電中に、負電解質および負極２６は、それぞれ電気化学反応のアノード液およびアノードと見なされてよく、一方、正電解質および正極２８は、それぞれ電気化学反応のカソード液およびカソードと見なされてよい。バッテリ充電中に、負電解質および負極２６は、それぞれ電気化学反応のカソード液およびカソードと見なされてよく、一方、正電解質および正極２８は、それぞれ電気化学反応のアノード液およびアノードと見なされてよい。簡単にするために、「正」および「負」という用語は、本明細書では、レドックス・フロー・バッテリ・システム内の電極、電解質、および電極区画を参照するために使用される。
【0016】
ハイブリッド・レドックス・フロー・バッテリの１つの例は、全鉄レドックス・フロー・バッテリ（ＩＦＢ）であり、全鉄レドックス・フロー・バッテリ（ＩＦＢ）では、電解質が鉄塩（例えば、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３など）の形態で鉄イオンを含み、負極２６が鉄金属を含む。例えば、負極２６で、バッテリ充電中に第一鉄（Ｆｅ２＋）が２つの電子を獲得し、鉄金属（Ｆｅ０）として負極２６上にめっきし、バッテリ放電中にＦｅ０が２つの電子を失い、Ｆｅ２＋として再び溶解する。正極２８で、バッテリ充電中にＦｅ２＋が１つの電子を失って第二鉄（Ｆｅ３＋）を形成し、バッテリ放電中にＦｅ３＋が１つの電子を獲得してＦｅ２＋を形成する。電気化学反応は、方程式（５）および（６）に要約され、正反応（左から右へ）はバッテリ充電中の電気化学反応を示し、一方、逆反応（右から左へ）はバッテリ放電中の電気化学反応を示す。
Ｆｅ２＋＋２ｅ－←→Ｆｅ０ －０．４４Ｖ（負極） （５）
Ｆｅ２＋←→２Ｆｅ３＋＋２ｅ－ ＋０．７７Ｖ（正極） （６）
Ｆｅ２＋＋２ｅ－←→Ｆｅ０ －０．４４Ｖ（負極） （５）
Ｆｅ２＋←→２Ｆｅ３＋＋２ｅ－ ＋０．７７Ｖ（正極） （６）
【0017】
前述したように、ＩＦＢにおいて使用される負電解質は、バッテリ充電中にＦｅ２＋が負極２６から２つの電子を受け取ってＦｅ０を形成し、基板上にめっきすることができるように、十分な量のＦｅ２＋を供給してよい。バッテリ放電中に、めっきされたＦｅ０が２つの電子を失い、Ｆｅ２＋にイオン化し、電解質内に再び溶解してよい。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、望ましいシステムの負端子を提供する。ＩＦＢの正側で、バッテリ充電中に、電解質がＦｅ２＋を供給してよく、Ｆｅ２＋が電子を失って酸化し、Ｆｅ３＋になる。バッテリ放電中に、電解質によって供給されたＦｅ３＋が、正極２８によって供給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、望ましいシステムの正端子を作成する。
【0018】
ＩＦＢは、非再生電解質を利用する他のバッテリの種類とは対照的に、その中で電解質を充電および再充電する能力を提供することができる。端子４０および４２を介して電極２６および２８にわたって電流をそれぞれ加えることによって、充電が実現されてよい。正極２８を介して電子が負電解質に供給され得るように、負極２６が、端子４０を介して電圧源の負側に電気的に結合されてよい（例えば、正極区画２２内の正電解質においてＦｅ２＋がＦｅ３＋に酸化される）。負極２６に供給された電子は、負電解質内のＦｅ２＋を還元して、（めっき）基板にＦｅ０を形成し、Ｆｅ２＋が負極２６上にめっきすることを引き起こすことができる。
【0019】
Ｆｅ０が負電解質によって酸化に使用可能なままである間、およびＦｅ３＋が正電解質において還元に使用可能なままである間は、放電が持続されてよい。例として、外部正電解質室５２などの外部供給源を介して、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８の正極区画２２側において正電解質の濃度または体積を増やし、追加のＦｅ３＋イオンを供給することによって、Ｆｅ３＋の可用性が維持されてよい。さらに一般には、放電中のＦｅ０の可用性が、ＩＦＢシステムにおいて問題になることがあり、放電に使用できるＦｅ０は、負極基板の表面積および体積に加えて、めっき効率に比例することができる。充電容量は、負極区画２０内のＦｅ２＋の可用性に依存することができる。例として、Ｆｅ２＋の可用性は、外部負電解質室５０などの外部供給源を介して追加のＦｅ２＋イオンをレドックス・フロー・バッテリ・セル１８の負極区画２０側に供給し、負電解質の濃度または体積を増やすことによって維持されてよい。
【0020】
ＩＦＢでは、ＩＦＢシステムの充電状態（ＳＯＣ：ｓｔａｔｅ ｏｆ ｃｈａｒｇｅ）に応じて、正電解質は、第一鉄、第二鉄、第二鉄複合体、またはこれらの任意の組み合わせを含んでよく、一方、負電解質は、第一鉄または第一鉄複合体を含んでよい。前述したように、負電解質および正電解質の両方における鉄イオンの利用は、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８の両側での同じ電解質種の利用を可能にすることができ、電解質の相互汚染を減らすことができ、ＩＦＢシステムの効率を向上させ、他のレドックス・フロー・バッテリ・システムと比較して、より少ない電解質の交換をもたらすことができる。
【0021】
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）を通る電解質の交差から生じることがある。例えば、正電解質内のＦｅ３＋イオンは、セパレータ２４にわたるＦｅ３＋イオンの濃度勾配および電気泳動力によって、負電解質に向かって駆動されてよい。その後、セパレータ２４を貫通して負極区画２０へ交差するＦｅ３＋イオンが、クーロン効率の損失を引き起こすことがある。低ｐＨのレドックス側（例えば、酸性度の高い正極区画２２）から高ｐＨのめっき側（例えば、酸性度の低い負極区画２０）へ交差するＦｅ３＋イオンが、Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿を引き起こすことがある。Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿は、セパレータ２４を劣化させ、永続的なバッテリの性能および効率の損失を引き起こすことがある。例えば、Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿物は、イオン交換膜の有機官能基を化学的に汚染するか、またはイオン交換膜の微小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の沈殿物に起因して、時間と共に膜オーム抵抗が上昇し、バッテリ性能が低下することがある。酸を使用してＩＦＢを洗浄することによって沈殿物が除去され得るが、定期的な保守およびダウンタイムは、商用バッテリの応用にとって不利益であることがある。さらに、洗浄は、追加の処理コストおよび複雑さに寄与する電解質の定期的な準備に依存することがある。代替として、電解質のｐＨの変化に応じて特定の有機酸を正電解質および負電解質に追加することは、コスト全体を押し上げずに、バッテリの充電およ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、Ｆｅ３＋イオンの交差を抑制する膜バリアを実装することも、汚染を軽減することができる。
【0022】
追加のクーロン効率の損失が、Ｈ＋（例えば、陽子）の還元およびその後のＨ２気体の形成、ならびにＨ２気体を形成するために負極２６のめっきされた鉄金属で供給された電子との負極区画２０内の陽子の反応によって、引き起こされることがある。
【0023】
ＩＦＢの電解質（例えば、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＦｅＳＯ４、Ｆｅ２（ＳＯ４）３など）は、容易に使用可能であることがあり、低コストで生成され得る。１つの例では、ＩＦＢの電解質は、塩化第一鉄（ＦｅＣｌ２）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化マンガン（ＩＩ）（ＭｎＣｌ２）、およびホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）から形成されてよい。ＩＦＢの電解質は、同じ電解質が負電解質および正電解質に使用され得るため、より高い再利用価値を提供し、その結果、他のシステムと比較して相互汚染問題を軽減することができる。さらに、鉄の電子配置のため、鉄は、負極基板上の鉄のめっき中に、概して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・バッテリにおいて一般に使用される亜鉛および他の金属の場合、めっき中に固体樹枝状構造が生じることがある。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・バッテリと比較して、バッテリの効率を向上させることができる。さらに、鉄レドックス・フロー・バッテリは、他のレドックス・フロー・バッテリの電解質と比較して、有害な原料の使用を減らすことができ、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、製造中の他のすべての現在の高度なレドックス・フロー・バッテリ・システムと比較して、環境危険を減らすことができる。
【0024】
図１を続けると、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の概略図が示されている。レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、統合された多室電解質貯蔵タンク（ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｕｌｔｉ－ｃｈａｍｂｅｒｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ ｓｔｏｒａｇｅ ｔａｎｋ）１１０に流動的に結合されたレドックス・フロー・バッテリ・セル１８を含んでよい。レドックス・フロー・バッテリ・セル１８は、負極区画２０、セパレータ２４、および正極区画２２を含んでよい。セパレータ２４は電気絶縁イオン伝導バリア（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｉｎｓｕｌａｔｉｎｇ ｉｏｎｉｃ ｃｏｎｄｕｃｔｉｎｇ ｂａｒｒｉｅｒ）を含んでよく、電気絶縁イオン導電性バリアは、それを通して特定のイオンの伝導を可能にしながら、正電解質および負電解質の大量の混合を防ぐ。例えば、前述したように、セパレータ２４は、イオン交換膜および／または微多孔膜を含んでよい。
【0025】
負極区画２０は負極２６を含んでよく、負電解質は電気活性材料を含んでよい。正極区画２２は正極２８を含んでよく、正電解質は電気活性材料を含んでよい。一部の例では、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０内により高い電圧または電流を生成するために、複数のレドックス・フロー・バッテリ・セル１８が直列または並列に結合されてよい。
【0026】
図１には、負電解質ポンプ３０および正電解質ポンプ３２がさらに示されており、これらは両方とも、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０を通る電解質溶液を送り込むために使用される。電解質は、セルの外部の１つまたは複数のタンクに蓄えられ、負電解質ポンプ３０および正電解質ポンプ３２を介して送り込まれ、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８の負極区画２０側および正極区画２２側をそれぞれ通る。
【0027】
レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、背面側、例えば、負極２６および正極２８のセパレータ２４の方を向いている側の反対側に沿ってそれぞれ位置付けられた、第１のバイポーラ板３６および第２のバイポーラ板３８も含んでよい。第１のバイポーラ板３６は負極２６と接触してよく、第２のバイポーラ板３８は正極２８と接触してよい。しかし、他の例では、バイポーラ板３６および３８は、電極２６および２８に近接しているが、電極２６および２８から離れて間隔を空けられて配置され、各電極区画２０および２２内に収容されてよい。いずれの場合も、バイポーラ板３６および３８は、直接接触によって、または負極２６および正極２８をそれぞれ介して、端子４０および４２にそれぞれ電気的に結合されてよい。ＩＦＢの電解質は、バイポーラ板３６および３８の材料の導電性から生じて、第１および第２のバイポーラ板３６および３８によって、負極２６および正極２８での反応部位に輸送されてよい。電解質の流れは、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８を通る強制対流を促進する負電解質ポンプ３０および正電解質ポンプ３２によって支援されてもよい。反応電気化学種（ｒｅａｃｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｐｅｃｉｅｓ）は、強制対流と第１および第２のバイポーラ板３６および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向けられてもよい。
【0028】
図１に示されているように、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８は、負バッテリ端子４０および正バッテリ端子４２をさらに含んでよい。充電電流がバッテリ端子４０および４２に加えられた場合、正極２８で正電解質が酸化されてよく（１つまたは複数の電子を失う）、負極２６で負電解質が還元されてよい（１つまたは複数の電子を獲得する）。バッテリ放電中に、電極２６および２８に逆レドックス反応が発生してよい。言い換えると、正極２８で正電解質が還元されてよく（１つまたは複数の電子を獲得する）、負極２６で負電解質が酸化されてよい（１つまたは複数の電子を失う）。バッテリの両端の電位差は、正極区画２２および負極区画２０内の電気化学レドックス反応によって維持されてよく、この反応が持続されている間に、電流コレクタを通る電流を誘導してよい。レドックス・バッテリによって蓄えられるエネルギーの量は、電解質の全体積および電気活性材料の溶解度に応じて、放電に使用できる電解質内の電気活性材料の量によって制限され得る。
【0029】
レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０をさらに含んでよい。多室電解質貯蔵タンク１１０は、隔壁９８によって分割されてよい。隔壁９８は、正電解質および負電解質が両方とも単一のタンク内に含まれ得るように、多室電解質貯蔵タンク１１０内に複数の室を作成してよい。負電解質室５０は、電気活性材料を含んでいる負電解質を保持し、正電解質室５２は、電気活性材料を含んでいる正電解質を保持する。隔壁９８は、負電解質室５０と正電解質室５２の間の望ましい体積比を生み出すように、多室電解質貯蔵タンク１１０内に位置付けられてよい。１つの例では、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理論混合比に従って負電解質室５０および正電解質室５２の体積比を設定するように位置付けられてよい。図１は、多室電解質貯蔵タンク１１０の充填高さ１１２をさらに示しており、充填高さ１１２は、各タンクの区画内の液面を示してよい。図１は、負電解質室５０の充填高さ１１２の上にある気体ヘッド・スペース９０、および正電解質室５２の充填高さ１１２の上にある気体ヘッド・スペース９２も示している。気体ヘッド・スペース９２は、（例えば、陽子還元および鉄腐食側の反応に起因して）レドックス・フロー・バッテリの動作によって生成され、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８から戻る電解質と共に多室電解質貯蔵タンク１１０に運ばれたＨ２気体を蓄えるために利用されてよい。Ｈ２気体は、多室電解質貯蔵タンク１１０内の気液界面（例えば、充填高さ１１２）で自発的に分離され、それによって、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の一部として追加の気液セパレータを含むことを除外してよい。Ｈ２気体は、電解質から分離された後に、気体ヘッド・スペース９０および９２を満たしてよい。言い換えると、気体ヘッド・スペース９０および９２は、負電解質室５０および正電解質室５２の各々に共通している連続的な気体ヘッド・スペースを形成してよい。そのため、蓄えられたＨ２気体は、多室電解質貯蔵タンク１１０から他の気体を取り除くことに役立ち、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・ブランケットの役割を果たし、レドックス・フロー・バッテリの容量損失を減らすのに役立つことができる。このようにして、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０を利用することによって、従来のレドックス・フロー・バッテリ・システムに共通している別々の負電解質貯蔵タンクおよび正電解質貯蔵タンク、水素貯蔵タンク、ならび気液セパレータを含むことを差し控えることができ、それによって、システム設計を簡略化し、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の物理的設置面積を減らし、システム・コストを減らす。
【0030】
図１は、スピルオーバー・ホール９６も示しており、スピルオーバー・ホール９６は、気体ヘッド・スペース９０と気体ヘッド・スペース９２の間の隔壁９８内の開口部を作り出すことができ、室５０と室５２の間の気体圧を均一にする手段を提供することができる。スピルオーバー・ホール９６は、充填高さ１１２の上のしきい値高さに位置付けられてよい。スピルオーバー・ホール９６は、バッテリの交差の場合に、負電解質室５０および正電解質室５２の各々における電解質を自動バランス調整する能力をさらに可能にすることができる。全鉄レドックス・フロー・バッテリ・システムの場合、同じ電解質（Ｆｅ２＋）が負極区画２０および正極区画２２の両方において使用されるため、負電解質室５０と正電解質室５２の間の電解質のあふれが、システム全体の効率を低下させることがあるが、電解質全体の組成、バッテリ・モジュールの性能、およびバッテリ・モジュールの容量が維持され得る。漏れずに連続的な加圧状態を維持するために、多室電解質貯蔵タンク１１０への入り口および多室電解質貯蔵タンク１１０からの出口のすべてのパイプ接続に、フランジ管継手が利用されてよい。多室電解質貯蔵タンク１１０は、負電解質室５０および正電解質室５２の各々からの少なくとも１つの出口、および負電解質室５０および正電解質室５２の各々への少なくとも１つの入り口を含んでよい。さらに、リバランス・リアクタまたはセル８０および８２が気体ヘッド・スペース９０および９２にそれぞれ流体結合されるように、Ｈ２気体をリバランス・リアクタまたはセル８０および８２に向かわせるために、気体ヘッド・スペース９０および９２からの１つまたは複数の出口の接続が設けられてよい。
【0031】
図１に示されていないが、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０は、負電解質室５０および正電解質室５２の各々に熱的に結合された１つまたは複数のヒーターをさらに含んでよい。代替の例では、負電解質室５０および正電解質室５２のうちの１つのみが、１つまたは複数のヒーターを含んでよい。正電解質室５２のみが１つまたは複数のヒーターを含む場合、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８に発生した熱を負電解質に伝達することによって、負電解質が加熱されてよい。このようにして、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８は、負電解質を加熱し、負電解質の温度調節を容易にすることができる。負電解質室５０および正電解質室５２の温度を独立して、または一緒に調節するために、コントローラ８８によって１つまたは複数のヒーターが作動されてよい。例えば、電解質の温度がしきい値温度を下回ることに応答して、コントローラ８８は、電解質への熱流束が増やされ得るように、１つまたは複数のヒーターに供給される電力を増やしてよい。電解質の温度は、センサ６０および６２などの、多室電解質貯蔵タンク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ーは、電解質液に浸されるコイル型ヒーターまたは他の液浸ヒーター、あるいは負電解質室５０および正電解質室５２の壁を介して熱を伝導的に伝達し、内部の液体を加熱する表面マント型ヒーター（ｓｕｒｆａｃｅ ｍａｎｔｌｅ ｔｙｐｅ ｈｅａｔｅｒｓ）を含んでよい。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・ヒーターが採用されてよい。さらに、コントローラ８８は、液面が満充填しきい値レベル（ｓｏｌｉｄｓ ｆｉｌｌ ｔｈｒｅｓｈｏｌｄ ｌｅｖｅｌ）を下回ることに応答して、負電解質室５０および正電解質室５２内の１つまたは複数のヒーターを無効化してよい。言い換えると、一部の例では、コントローラ８８は、液面が満充填しきい値レベルを上回ることのみに応答して、負電解質室５０および正電解質室５２内の１つまたは複数のヒーターを有効化してよい。このようにして、負電解質室５０および／または正電解質室５２内に十分な液体が存在しない状態で１つまたは複数のヒーターを有効化することが防がれてよく、それによって、ヒーターの過熱または焼損のリスクを減らす。
【0032】
さらに、野外給水システム（図示されていない）から負電解質室５０および正電解質室５２の各々への、１つまたは複数の入り口の接続が設けられてよい。このようにして、野外給水システムは、最終使用場所でレドックス・フロー・バッテリ・システム１０を設置すること、充填すること、および給水することを含む、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の試運転を容易にしてよい。さらに、最終使用場所でのレドックス・フロー・バッテリ・システム１０の試運転に先立って、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０を最終使用場所に配達する前に、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の充填および給水を行わずに、最終使用場所と異なるバッテリ製造施設で乾燥組み立てされてよい。１つの例では、最終使用場所は、現場でのエネルギー貯蔵のためにレドックス・フロー・バッテリ・システム１０が設置されて利用される場所に対応してよい。言い換えると、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、最終使用場所で設置されて給水された後に、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の位置が固定されてよく、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０が、運搬できる乾燥したシステムであると見なされなくなってよいように設計されてよい。したがって、エンド・ユーザの視点からは、乾燥した運搬できるレドックス・フロー・バッテリ・システム１０が現場に配達されてよく、その後、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、設置されて給水され、試運転されてよい。給水の前に、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、乾燥した運搬できるシステムと見なされてよく、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、水および湿った電解質がないか、またはこれらを含んでいない。給水された後に、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、湿った運搬できないシステムと見なされてよく、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、湿った電解質を含んでいる。
【0033】
さらに図１に示されている、多室電解質貯蔵タンク１１０に主に蓄えられている電解質溶液が、負電解質ポンプ３０および正電解質ポンプ３２を介してレドックス・フロー・バッテリ・システム１０全体に送り込まれてよい。負電解質室５０に蓄えられている電解質が、負電解質ポンプ３０を介して、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８の負極区画２０側を通って送り込まれてよく、正電解質室５２に蓄えられている電解質が、正電解質ポンプ３２を介して、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８の正極区画２２側を通って送り込まれてよい。
【0034】
レドックス・フロー・バッテリ・システム１０内で、電解質リバランス・リアクタ８０および８２が、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８の負側および正側での電解質の再循環する流路と直列または並列にそれぞれ接続されてよい。１つまたは複数のリバランス・リアクタが、バッテリの負側および正側での電解質の再循環する流路と直列に接続されてよく、他のリバランス・リアクタが、冗長性のため、およびリバランス能力の向上のために、並列に接続されてよい（例えば、バッテリおよびリバランスの動作を中断せずに、リバランス・リアクタが使用可能にされてよい）。１つの例では、電解質リバランス・リアクタ８０および８２が、それぞれ、負極区画２０および正極区画２２から負電解質室５０および正電解質室５２への流れの帰路に配置されてよい。電解質リバランス・リアクタ８０および８２は、本明細書において説明されるように、副反応、イオンの交差などに起因して発生するレドックス・フロー・バッテリ・システム１０内の電解質の電荷不均衡をリバランスするのに役立つことができる。
【0035】
一部の例では、リバランス・リアクタ８０および８２のうちの１つまたは両方はトリクル・ベッド・リアクタを含んでよく、トリクル・ベッド・リアクタでは、電解質リバランス反応を実行するために、Ｈ２気体および（液体）電解質が充填層内の触媒表面で接触してよい。追加的または代替的に、リバランス・リアクタ８０および８２のうちの１つまたは両方は、ジェリー・ロールで構成された触媒層を含んでよい。追加または代替の例では、リバランス・リアクタ８０および８２のうちの１つまたは両方は、フロースルー型リアクタ（ｆｌｏｗ－ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｙｐｅ ｒｅａｃｔｏｒｓ）を含んでよく、フロースルー型リアクタは、充填触媒層なしで、Ｈ２気体および電解質を接触させ、電解質リバランス反応を実行することができる。しかし、電解質リバランス中のより低い（例えば、約１～３ｍｏｌ／ｍ２ｈｒのオーダーでの）Ｆｅ３＋還元速度は、より高い性能の応用において、そのようなリバランス・リアクタ構成の実装を除外することができる。
【0036】
他の例では、リバランス・リアクタ８０および８２のうちの１つまたは両方は燃料セルを含んでよく、燃料セルでは、電解質リバランス反応を実行するために、Ｈ２気体および電解質が触媒表面で接触してよく、電流を燃料セルから外部負荷を通って方向付けることによって、閉回路が形成されてよい。しかし、特定の状況では、そのような燃料セル内の逆電流スパイク（例えば、逆電流における一時的増加であり、「逆電流」は、本明細書では、期待される方向と反対の（すなわち、「順」方向と反対の）方向に電気経路に沿って移動する任意の電流のことを指すために使用されてよい）が不可避であることがあり、そのようなリバランス反応構成の信頼性を損なう。
【0037】
リバランス・リアクタ８０および８２の全体的な信頼性を犠牲にせずにＦｅ３＋還元速度を増やすために、本開示の実施形態は、Ｈ２気体および電解質を駆動して、内部の電流、対流、重力供給、および毛細管作用の組み合わせによって触媒表面で反応するように構成された、図３の電極アセンブリなどの内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでいる、図２Ａおよび２Ｂのリバランス・セルなどのリバランス・セルを提供する。本明細書に記載された実施形態では、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの電極アセンブリは、リバランス・セルの動作中に、電流が、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねから離れる方向に向けられ得ないという点において、「内部で短絡している」と見なされてよい。そのような内部の短絡は、Ｆｅ３＋還元速度を（例えば、約５０～７０ｍｏｌ／ｍ２ｈｒの速さに）大幅に増やし、それに伴って副反応速度（例えば、方程式（１）～（３）の反応の速度）を減らしながら、逆電流スパイクを減らすか、または取り除くことができる。さらに、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリは、電極アセンブリでの電流スパイク発生中の内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの劣化が、そこに限定される（例えば、１つの電極アセンブリから他の電極アセンブリを通って逆電流が駆動され得ない）ように、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの各他の電極アセンブリから電気的に切り離されてよい。そのような場合、単一の劣化した電極アセンブリが、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねから容易に除去され、劣化していない電極アセンブリに置き換えられ得る。
【0038】
内部で短絡した回路を実現するために、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリは、（例えば、連続して導電性になるように互いに面共有接触して構成された）正極および負極の界面する対を含んでよい。本明細書において使用されるとき、第１および第２のコンポーネントが互いに面共有接触するように、第１のコンポーネントが第２のコンポーネントに隣接して配置される場合（「隣接する」は、本明細書では、任意の２つのコンポーネントが、それらの間に介在するコンポーネントを含んでいないことを指すために使用される）、第１および第２のコンポーネント（例えば、電極アセンブリの正極および負極）の対は、互いに「界面する」として説明されてよい。さらに、本明細書において使用されるとき、複数の電極の導電性を説明する場合の「連続して」は、それらの電極を通る電気経路が、複数の電極の任意の面共有している界面で事実上または実際にゼロ抵抗を有していることを指してよい。
【0039】
実施形態例では、（正）リバランス・リアクタ８２は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでいるリバランス・セルであってよい。バッテリ充電中に正極２８で大量のＦｅ３＋が生成されることがあるため（方程式（６）を参照）、正電解質をリバランスするために、より高いＦｅ３＋還元速度が望ましいことがある。追加または代替の実施形態では、（負）リバランス・リアクタ８０は、同様の構成のリバランス・リアクタであってよい（鉄めっき酸化中に、Ｆｅ３＋が負極２６で生成されてよい（方程式（３）を参照））。
【0040】
レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の動作中に、センサおよびプローブが、電解質のｐＨ、濃度、ＳＯＣなどの電解質の化学的特性を監視し、制御してよい。例えば、図１に示されているように、正電解質室５２および負電解質室５０で正電解質および負電解質の状態をそれぞれ監視するために、センサ６２および６０が位置付けられてよい。別の例では、センサ６２および６０は、正電解質室５２および負電解質室５０内の電解質のレベルをそれぞれ示すために、１つまたは複数の電解質レベル・センサをそれぞれ含んでよい。別の例として、図１にやはり示されているセンサ７２および７０が、正極区画２２および負極区画２０での正電解質および負電解質の状態をそれぞれ監視してよい。センサ７２および７０は、ｐＨプローブ、光学的プローブ、圧力センサ、電圧センサなどであってよい。電解質の化学的特性および他の特性を監視するために、センサがレドックス・フロー・バッテリ・システム１０全体の他の位置に位置付けられてよいということが、理解されるであろう。
【0041】
例えば、センサは、外部酸タンクの酸の体積またはｐＨを監視するために外部酸タンク（図示されていない）内に位置付けられてよく、電解質内の沈殿物の形成を減らすために、外部酸タンクからの酸が、外部ポンプ（図示されていない）を介してレドックス・フロー・バッテリ・システム１０に供給されてよい。他の添加物をレドックス・フロー・バッテリ・システム１０に供給するために、追加の外部タンクおよびセンサが設置されてよい。例えば、野外給水システムの温度センサ、導電率センサ、およびレベル・センサを含むさまざまなセンサが、信号をコントローラ８８に送信してよい。さらに、コントローラ８８は、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の給水中に、野外給水システムのバルブおよびポンプなどのアクチュエータに信号を送信してよい。例として、センサ情報が、コントローラ８８に送信されてよく、次に、ポンプ３０および３２を作動させ、レドックス・フロー・バッテリ・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てよい。このようにして、コントローラ８８は、センサおよびプローブのうちの１つまたは組み合わせに応答してよい。
【0042】
レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、Ｈ２気体の供給源をさらに含んでよい。１つの例では、Ｈ２気体の供給源は、分離した専用の気体水素貯蔵タンクを含んでよい。図１の例では、Ｈ２気体が、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０に蓄えられ、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０から供給されてよい。統合された多室電解質貯蔵タンク１１０は、追加のＨ２気体を正電解質室５２および負電解質室５０に供給してよい。統合された多室電解質貯蔵タンク１１０は、代替として、追加のＨ２気体を、電解質リバランス・リアクタ８０および８２の入り口に供給してよい。例として、（コントローラ８８によって制御され得る）質量流計または他の流れ制御デバイスが、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０からのＨ２気体の流れを調節してよい。統合された多室電解質貯蔵タンク１１０は、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０内で生成されたＨ２気体を補完してよい。例えば、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０内で気体の漏出が検出された場合、または低水素分圧での還元反応速度（例えば、Ｆｅ３＋還元速度）が低すぎる場合、正電解質および負電解質内の電気活性材料のＳＯＣをリバランスするために、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０からＨ２気体が供給されてよい。例として、コントローラ８８は、ｐＨにおける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材料のＳＯＣにおける測定された変化に応答して、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０からＨ２気体を供給してよい。
【0043】
例えば、負電解質室５０または負極区画２０のｐＨにおける増加は、Ｈ２気体がレドックス・フロー・バッテリ・システム１０から漏れていること、および／または使用可能な水素分圧での反応速度が遅すぎることを示すことがあり、コントローラ８８は、ｐＨの増加に応答して、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０からレドックス・フロー・バッテリ・システム１０へのＨ２気体の供給を増やしてよい。さらなる例として、コントローラ８８は、ｐＨが第１のしきい値ｐＨを超えて増加するか、または第２のしきい値ｐＨを超えて減少するｐＨの変化に応答して、Ｈ２気体を統合された多室電解質貯蔵タンク１１０から供給してよい。ＩＦＢの場合、コントローラ８８は、追加のＨ２気体を供給して、Ｆｅ３＋イオンの還元速度および陽子の生成速度を増やしてよく、それによって、正電解質のｐＨを減らす。さらに、正電解質から負電解質に交差するＦｅ３＋イオンの水素還元によって、または陽子の濃度勾配および電気泳動力に起因して負電解質へ交差する正側で生成された陽子によって、負電解質のｐＨが下げられてよい。この方法で、Ｆｅ（ＯＨ）３としての（正極区画２２から交差する）Ｆｅ３＋イオンの沈殿のリスクを減らしながら、負電解質のｐＨが安定領域内に維持されてよい。
【0044】
電解質のｐＨにおける変化に応答して、または酸化還元電位（ＯＲＰ：ｏｘｙｇｅｎ－ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）計もしくは光センサなどの他のセンサによって検出された電解質のＳＯＣにおける変化に応答して、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０からのＨ２気体の供給速度を制御するための他の制御方式が実装されてよい。さらに、コントローラ８８のアクションを引き起こすｐＨまたはＳＯＣにおける変化は、変化の速度、またはある期間にわたって測定された変化に基づいてよい。変化の速度の期間は、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の時定数に基づいて事前に決定されるか、または調整されてよい。例えば、再循環速度が高い場合、この期間が減らされてよく、時定数が小さくなることができるため、（例えば、副反応または気体の漏出に起因する）濃度における局所的変化が素早く測定され得る。
【0045】
コントローラ８８は、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の動作モードに基づく制御方式をさらに実行してよい。例えば、図１１を参照して下で詳細に説明されるように、前述したようにリバランス・リアクタ８０および８２へのＨ２気体の流れを制御することと並行して、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８の充電および放電中に、コントローラ８８が、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０から過剰なＨ２気体を同時に取り除き、Ｆｅ３＋イオン濃度を減らすように、リバランス・リアクタ８０および８２への負電解質および正電解質の流れをそれぞれ制御してよい。電解質リバランスの後に、コントローラ８８は、リバランス・リアクタ８０および８２から、多室電解質貯蔵タンク１１０の各電解質室５０および５２へ逆向きに、（例えば、減少した濃度のＦｅ３＋および増加した濃度のＦｅ２＋を含んでいる）リバランスされた負電解質および正電解質と共に、過剰なＨ２または未反応のＨ２の流れを方向付けてよい。追加的または代替的に、未反応のＨ２気体が、分離した専用の気体水素貯蔵タンク（図１に示されていない）に戻されてよい。
【0046】
別の例として、コントローラ８８は、システムの調整中に負極２６で鉄の予備形成を引き起こすように、レドックス・フロー・バッテリ・セル１８の充電および放電をさらに制御してよい（システムの調整は、バッテリ・サイクルの外部でレドックス・フロー・バッテリ・システム１０の電気化学的性能を最適化するために採用される動作モードを含んでよい）。すなわち、システムの調整中に、コントローラ８８は、鉄金属を負極２６にめっきするためのレドックス・フロー・バッテリ・システム１０の１つまたは複数の動作条件を調整し、その後のバッテリ・サイクル中のバッテリ充電容量を改善してよい（このようにして、バッテリ・サイクルのために鉄金属が予備形成されてよい）。このようにして、システムの調整中に負極２６で鉄を予備形成し、電解質のリバランスを実行し、鉄のめっき損失を軽減することによって、バッテリ・サイクル中のレドックス・フロー・バッテリ・セル１８の全体的容量を増やしてよい。本明細書において使用されるとき、バッテリ・サイクル（「充電サイクル」とも呼ばれる）は、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０の充電モードと放電モードを繰り返すことを含んでよい。
【0047】
センサ６０および６２ならびに統合された多室電解質貯蔵タンク１１０（およびそれに含まれているコンポーネント）から離れているすべてのコンポーネントが、電力モジュール１２０に含まれていると見なされてよいということが、理解されるであろう。そのため、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０は、統合された多室電解質貯蔵タンク１１０に流動的に結合され、センサ６０および６２に通信可能に結合された電力モジュール１２０を含んでいるとして表されてよい。一部の例では、レドックス・フロー・バッテリ・システム１０が単一のユニットとして単一の場所に含まれ得るように、電力モジュール１２０および多室電解質貯蔵タンク１１０の各々は、単一のハウジングまたはパッケージ（図示されていない）に含まれてよい。正電解質、負電解質、センサ６０および６２、電解質リバランス・リアクタ８０および８２、ならびに統合された多室電解質貯蔵タンク１１０（およびそれに含まれているコンポーネント）が、電解質サブシステム１３０に含まれていると見なされてよいということが、さらに理解されるであろう。そのため、電解質サブシステム１３０は、１つまたは複数の電解質をレドックス・フロー・バッテリ・セル１８（およびそれに含まれているコンポーネント）に供給してよい。
【0048】
ここで図２Ａおよび２Ｂ参照すると、透視図２００および２５０がそれぞれ示されており、透視図２００および２５０の各々は、図１のレドックス・フロー・バッテリ・システム１０などのレドックス・フロー・バッテリ・システムのリバランス・セル２０２を示している。実施形態例では、リバランス・セル２０２は、図３を参照して下で詳細に説明される電極アセンブリなどの内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでよく、この電極アセンブリは、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極の触媒表面で、図１のレドックス・フロー・バッテリ・セル１８などのレドックス・フロー・バッテリの正極区画または負極区画からのＨ２気体と電解質の間の接触を促進することによって、電解質リバランス反応を駆動してよい。したがって、リバランス・セル２０２は、図１のリバランス・リアクタ８０および８２のうちの１つまたは両方であってよい。基準軸のセット２０１は、示されているコンポーネントの相対的位置付けを表すため、および図２Ａ～４Ｂ、６Ａ、６Ｂ、９Ａ、および９Ｂの図間の比較のために提供されており、軸２０１はｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を示している。図２Ａ、２Ｂ、および６Ａの破線でさらに示されているように、追加の軸ｇが、重力の方向（例えば、軸ｇに沿った正方向）および垂直方向（例えば、軸ｇに沿った、重力の方向と反対の負方向）と平行であってよい。
【0049】
レドックス・フロー・バッテリ・システムに含まれるリバランス・セル２０２の数および内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねに含まれる電極アセンブリの数は、特に制限されず、増加してよく、それに応じてより高い性能の応用に対応することができる。例えば、７５ｋＷのレドックス・フロー・バッテリ・システムは、２０個の電極アセンブリの積み重ね（例えば、積み重ねの両端に位置付けられた２つの端板を含む１９個のバイポーラ・アセンブリの積み重ね）を含んでいる２つのリバランス・セル２０２を含んでよい。
【0050】
図に示されているように、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねは、取り外し可能なように外部セル筐体（ｅｎｃｌｏｓｕｒｅ）（例えば、ハウジング（ｈｏｕｓｉｎｇ））２０４内で取り囲まれてよい。したがって、一部の例では、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの１つまたは複数の電極アセンブリを交換または診断するために、上部カバーが一時的に除去され得るように、セル筐体２０４は、筐体の基部に取り外し可能なように貼り付けられた上部カバーを含んでよい。追加または代替の例では、直方体として図２Ａおよび２Ｂに示されたセル筐体２０４は、レドックス・フロー・バッテリ・システムの他のコンポーネントに対して隙間ばめになるように成形されてよく、リバランス・セル２０２がそのようなコンポーネントと面共有接触し得るようにする。一部の例では、セル筐体２０４は、望ましくない短絡事象を減らすために、プラスチックまたは他のポリマーなどの、低い導電率を有する材料で構成されてよい。
【0051】
セル筐体２０４は、リバランス・セル２０２の界面コンポーネントのための開口部または空洞を含むようにさらに構成されてよい。例えば、セル筐体２０４は、レドックス・フロー・バッテリ・システムの他のコンポーネントに流体結合するように構成された複数の入り口ポートおよび出口ポートを含んでよい。１つの例では、図に示されているように、複数の入り口ポートおよび出口ポートが、ＰＰ配管に溶接されたポリプロピレン（ＰＰ）フランジ管継手の融合を含んでよい。
【0052】
実施形態例では、複数の入り口ポートおよび出口ポートが、電解質をセル筐体２０４内に流入させるための電解質入り口ポート２０６および電解質をセル筐体２０４から放出するための電解質出口ポート２０８を含んでよい。１つの例では、電解質入り口ポート２０６は、セル筐体２０４の上半分に位置付けられてよく、電解質出口ポート２０８は、セル筐体２０４の下半分に位置付けられてよい（セル筐体２０４の上半分および下半分は、ｘ軸およびｙ軸の各々と平行な平面によって、ｚ軸に沿って分離される）。したがって、電解質出口ポート２０８は、重力の方向に関して（例えば、軸ｇに沿って）、電解質入り口ポート２０６より低く位置付けられてよい。
【0053】
詳細には、電解質が電解質入り口ポート２０６を介してセル筐体２０４に入るときに、電解質は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねにわたって分配され、電極アセンブリの積み重ねを通って重力供給され、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの正極を通って毛細管作用で（例えば、重力の方向に逆らって）上に運ばれて、カソード半反応で負極の触媒表面において反応し、電解質出口ポート２０８を介してセル筐体２０４から放出されてよい。電解質の重力供給を支援し、その圧力降下を増やすために、リバランス・セル２０２は、セル筐体２０４に結合された傾斜支持体２２０によって、重力の方向に関してさらに傾けられるか、または傾斜してよい。一部の例では、この方法でのセル筐体２０４の傾斜は、（例えば、レドックス・フロー・バッテリ・システムのアイドル・モード中に）リバランス・セル２０２の電解質の排出をさらに支援し、（一部の例では、触媒表面が、十分な持続時間の間、電解質に浸された後に腐食することがあるため）触媒表面を相対的に乾燥した状態に保つことができる。
【0054】
図に示されているように、傾斜支持体２２０は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの電極シートの平面が、傾斜支持体２２０が乗っている下面（図示されていない）に対して角度２２２で傾斜するように、セル筐体２０４を角度２２２で傾けてよい。一部の例では、（例えば、下面に対するセル筐体２０４の）角度２２２は、０°～３０°であってよい。角度２２２が実質的に０°である実施形態では、リバランス・セル２０２は、まだ機能することができるが、０°より大きい角度で筐体２０４を傾けることは、圧力降下がより大きくなること、および負極への電解質の交差が減らされることを可能にすることができる。一部の例では、角度２２２は２°～３０°であってよい。一部の例では、角度２２２は２°～２０°であってよい。１つの例では、角度２２２は約８°であってよい。したがって、例えば電解質入り口ポート２０６を介してセル筐体２０４に入るときの電解質の圧力降下が、角度２２２を増やすことによって増やされ、角度２２２を減らすことによって減らされてよい。傾斜支持体２２０のさらなる態様が、図９Ａおよび９Ｂを参照して下でさらに詳細に説明される。
【0055】
追加的または代替的に、１つまたは複数の支持レール２２４が、（例えば、傾斜支持体２２０と反対側の）セル筐体２０４の上半分に結合されてよい。一部の例では、図２Ａの透視図２００に示されているように、１つまたは複数の支持レール２２４が、リバランス・セル２０２を、下面の上の上面に、下面と平行に取り外し可能なように留めることができるように、１つまたは複数の支持レール２２４が、セル筐体２０４に対して角度２２２で傾けられてよい。このようにして、幾何学的考察に基づいて、同様にｚ軸が、角度２２２で軸ｇからオフセットされてよい（例えば、図２Ａおよび２Ｂに示されているように、セル筐体２０４が、重力の方向と反対の垂直方向に関して、角度２２２だけ傾けられてよい）。一部の例では、重力の方向と反対の垂直方向に関して、リバランス・セル２０２をレドックス・フロー・バッテリ・システムの電解質貯蔵タンク（例えば、図１の多室電解質貯蔵タンク１１０）の上に位置付けることによって、リバランス・セル２０２を通る電解質の重力供給がさらに支援されてよい。電解質の流れのさらなる態様が、図６Ａ～７Ｂを参照して下でさらに詳細に説明される。
【0056】
図にさらに示されているように、電解質出口ポート２０８は、電解質の少なくとも一部を放出するように構成されたセル筐体２０４内の複数の開口部を含んでよい（複数の開口部の各々は、ＰＰ配管に溶接されたＰＰフランジ管継手の融合を含んでいる）。例えば、図２Ａおよび２Ｂでは、５つの開口部を含んでいる電解質出口ポート２０８が示されている。このようにして、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねにわたって電解質が均等に分配されてよく、実質的に妨げられない流れで、セル筐体２０４から放出されてよい（「実質的に」は、本明細書では、「事実上」を意味する修飾語句として使用されてよい）。他の例では、電解質出口ポート２０８は、６つ以上の開口部または５つ未満の開口部を含んでよい。１つの例では、電解質出口ポート２０８は、単一の開口部を含んでよい。追加または代替の例では、電解質出口ポート２０８は、ｚ軸に関して、セル筐体２０４の下に（例えば、ｚ軸の負方向を向いているセル筐体２０４の面上に）位置付けられてよい。
【0057】
電解質入り口ポート２０６および電解質出口ポート２０８は、（例えば、電解質入り口ポート２０６から電解質出口ポート２０８へ、電解質入り口ポート２０６および電解質出口ポート２０８に流体結合されたセル筐体２０４内のチャネル、通路、プレナム、ウェルなどを含めて）内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを通る電解質の流路に基づいて、セル筐体２０４上に位置付けられてよい。一部の例では、図に示されているように、電解質入り口ポート２０６および電解質出口ポート２０８は、セル筐体２０４の隣接する側面（例えば、共通のエッジを共有しているセル筐体２０４の面）上に位置付けられてよい。他の例では、電解質入り口ポート２０６および電解質出口ポート２０８は、セル筐体２０４の両面に位置付けられてよい。他の例では、電解質入り口ポート２０６および電解質出口ポート２０８は、セル筐体２０４の同じ側面上に位置付けられてよい。
【0058】
一部の例では、電解質入り口ポート２０６は、ｘ軸の負方向を向いているセル筐体２０４の面上に位置付けられてよい。追加または代替の例では、電解質入り口ポート２０６は、ｘ軸の正方向を向いているセル筐体２０４の面上に位置付けられてよい。１つの例では、図に示されているように、電解質入り口ポート２０６の１つの開口部が、ｘ軸の負方向を向いているセル筐体２０４の面上に位置付けられてよく、電解質入り口ポート２０６の別の開口部が、ｘ軸の正方向を向いているセル筐体２０４の面上に位置付けられてよい。
【0059】
一部の例では、複数の入り口ポートおよび出口ポートが、Ｈ２気体をセル筐体２０４内に流入させるための気体水素入り口ポート２１０およびＨ２気体をセル筐体２０４から放出するための（図２Ｂに示されているような）気体水素出口ポート２１２をさらに含んでよい。１つの例では、図に示されているように、気体水素入り口ポート２１０および気体水素出口ポート２１２の各々は、セル筐体２０４の下半分（例えば、ｚ軸に沿って内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの最も下の電極アセンブリ）に位置付けられてよい。別の例では、気体水素入り口ポート２１０および気体水素出口ポート２１２の各々は、セル筐体２０４の上半分（例えば、ｚ軸に沿って内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの最も上の電極アセンブリ）に位置付けられてよい。さらに別の例では、気体水素入り口ポート２１０がセル筐体２０４の下半分に位置付けられてよく、気体水素出口ポート２１２がセル筐体２０４の上半分に位置付けられてよい。そのような例では、気体水素入り口ポート２１０は、重力の方向に関して（例えば、軸ｇに沿って）、気体水素出口ポート２１２より低く位置付けられてよい。
【0060】
詳細には、Ｈ２気体が気体水素入り口ポート２１０を介してセル筐体２０４に入るときに、Ｈ２気体は、（例えば、図５Ａ～５Ｅおよび図８Ａ～８Ｄを参照して下でさらに詳細に説明されるように、各流動場プレートの流動場構成によって誘導された）強制対流によって、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねにわたって、それらを通って分配され、アノード半反応で負極の触媒表面において分解されてよい。しかし、一部の例では、過剰な未反応のＨ２気体が、触媒表面との接触の後に、リバランス・セル２０２内に残ることがある。一部の例では、触媒表面で反応しなかったＨ２気体の少なくとも一部が、電解質に入ることがある。そのような例において、望ましくない圧力の増加を防ぎ、それによって、正極での電解質の滞留および付随する負極の電解質のあふれを防ぐために、複数の入り口ポートおよび出口ポートが、（図２Ａに示されているように）電解質からの未反応のＨ２気体を放出するための圧力解放出口ポート２１４をさらに含んでよい。さらに、一部の例では、気体水素出口ポート２１２は、触媒表面で反応せず、負極を通って電解質に流れなかったＨ２気体の少なくとも一部を放出するように構成されてよい。Ｈ２気体の流れのさらなる態様が、図４Ａ～５Ｂを参照して下でさらに詳細に説明される。
【0061】
気体水素入り口ポート２１０および気体水素出口ポート２１２は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを通るＨ２気体の流路に基づいて、セル筐体２０４上に位置付けられてよい。例えば、流路は、（含まれている場合）気体水素入り口ポート２１０から気体水素出口ポート２１２への、（含まれている場合）セル筐体２０４内の、気体水素入り口ポート２１０および気体水素出口ポート２１２に流体結合されたチャネル、通路、プレナムなどを含むものであってよい。一部の例では、図に示されているように、気体水素入り口ポート２１０および気体水素出口ポート２１２は、セル筐体２０４の両面に位置付けられてよい。他の例では、気体水素入り口ポート２１０および気体水素出口ポート２１２は、セル筐体２０４の隣接する側面に位置付けられてよい。他の例では、気体水素入り口ポート２１０および気体水素出口ポート２１２は、セル筐体２０４の同じ側面上に位置付けられてよい。さらに、図２Ａおよび２Ｂでは、気体水素入り口ポート２１０がｘ軸の負方向を向いているセル筐体２０４の面に位置付けられているように示されており、図２Ａおよび２Ｂでは、気体水素出口ポート２１２がｘ軸の正方向を向いているセル筐体２０４の面に位置付けられているように示されているが、他の例では、気体水素入り口ポート２１０がｘ軸の正方向を向いているセル筐体２０４の面に位置付けられてよく、気体水素出口ポート２１２がｘ軸の負方向を向いているセル筐体２０４の面に位置付けられてよい。
【0062】
１つの例では、気体水素入り口ポート２１０、気体水素出口ポート２１２、電解質入り口ポート２０６、および電解質出口ポート２０８は、交差するような構成でセル筐体２０４上に位置付けられてよい。交差するような構成は、気体水素出口ポート２１２および電解質入り口ポート２０６が、セル筐体２０４の上半分の異なる側面（例えば、面）に位置付けられ、気体水素入り口ポート２１０および電解質出口ポート２０８が、セル筐体２０４の下半分の異なる側面に位置付けられることを含んでよい。
【0063】
他の例では、負極の触媒表面で反応しなかったＨ２気体および負極を通って電解質に流れなかったＨ２気体を放出するための気体水素出口ポート２１２が存在しなくてよい。しかし、そのような例では、電解質から未反応のＨ２気体を放出するための圧力解放出口ポート２１４がまだ存在してよく、未反応のＨ２気体のみが、負極を通って電解質に流れた後に、圧力解放出口ポート２１４を通ってセル筐体２０４から放出されてよい。気体水素出口ポート２１２を欠いている例示的なリバランス・セル構成は、圧力解放出口ポート２１４を含んでいるかどうかにかかわらず、「行き止まり構成」と呼ばれてよい。行き止まり構成では、Ｈ２気体の実質的にすべてが、負極の触媒表面と接触することを強制されてよく、一方、Ｈ２気体は、アノード半反応によって分解し、かつ／またはＨ２気体は、負極を通過した後に（例えば、負極の触媒表面で反応せずに）電解質に入ってよい。
【0064】
ここで図３を参照すると、図２Ａおよび２Ｂのリバランス・セル２０２などのリバランス・セルの電極アセンブリ３０２を示す分解図３００が示されている。したがって、電極アセンブリ３０２は、内部で短絡してよい（例えば、電極アセンブリ３０２を通って流れる電流が、外部負荷を通って導かれない）。実施形態例では、電極アセンブリ３０２は、リバランス・セルを形成するために、セル筐体内の同様の構成の電極アセンブリの積み重ねに含まれてよい。電極アセンブリ３０２は、連続的に積み重ねられた、活性炭素発泡体（ａｃｔｉｖａｔｅｄ ｃａｒｂｏｎ ｆｏａｍ）３０６を含むプレート３０４、正極３０８（本明細書の特定の例では、「カソード」とも呼ばれる）、および負極３１０（本明細書の特定の例では、「アノード」とも呼ばれる）を含んでよい。電極アセンブリ３０２は、炭素発泡体３０６を通る電解質を受け取るように、リバランス・セル内に位置付けられてよく、炭素発泡体３０６から、毛細管作用によって正極３０８の細孔に電解質が入り、負極３１０と接触してよい。電極アセンブリ３０２は、対流によって、正極３０８と反対側の負極３１０の触媒表面にわたってＨ２気体を受け取るように、リバランス・セル内にさらに位置付けられてよい。触媒表面にわたるＨ２気体の対流は、触媒表面と界面する流動場プレート（図３に示されていない）によって支援されてよい。アノード半反応による触媒表面でのＨ２気体の分解時に、陽子および電子が、負極３１０および正極３０８の界面に流れてよく、そこで、カソード半反応によって電解質内のイオンが還元されてよい（例えば、Ｆｅ３＋がＦｅ２＋に還元されてよい）。このようにして、電極アセンブリ３０２は、電極アセンブリ３０２を含んでいるリバランス・セルに流体結合された、図１のレドックス・フロー・バッテリ・セル１８などの、レドックス・フロー・バッテリの電解質リバランスのために構成されてよい。
【0065】
一部の例では、プレート３０４は、望ましくない短絡事象を減らすために、プラスチックまたは他のポリマーなどの、低い導電率を有する材料で構成されてよい。したがって、１つの例では、プレート３０４は、図２Ａおよび２Ｂのセル筐体２０４と同じ材料から形成されてよい。
【0066】
図に示されているように、プレート３０４は、それを通る複数の入り口および出口を含んでよい。例えば、複数の入り口および出口は、電解質出口チャネル・セクション３１６、気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａ、および気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂを含んでよい。詳細には、プレート３０４は、電解質をリバランス・セルから外へ向かわせるための電解質出口チャネル・セクション３１６、Ｈ２気体をリバランス・セル内に負極３１０を横切って向かわせるための気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａ、およびＨ２気体をリバランス・セルから外へ向かわせるための気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂを含んでよい。プレート３０４は、電極アセンブリ３０２で電解質を受け取るための電解質入り口ウェル３１２をさらに含んでよく、電解質入り口ウェル３１２は、炭素発泡体３０６にわたって受け取られた電解質を分配するために炭素発泡体３０６に隣接して位置付けられた小段３１４ｂ内に設定された複数の電解質入り口通路３１４ａに流体結合される。一部の例では、電解質入り口ウェル３１２が、それに（例えば、図３に示されていない電解質入り口チャネルを介して）流体結合された電解質入り口ポート（例えば、図２および２Ｂの電解質入り口ポート２０６）から電解質を受け取ってよく、電解質出口チャネル・セクション３１６が、それに流体結合された電解質出口ポート（例えば、図２Ａおよび２Ｂの電解質出口ポート２０８）を通って電解質を放出してよく、気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａが、それに流体結合された気体水素入り口ポート（例えば、図２Ａおよび２Ｂの気体水素入り口ポート２１０）からＨ２気体を受け取ってよく、気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂが、それに流体結合された気体水素出口ポート（例えば、図２Ａおよび２Ｂの気体水素出口ポート２１２）を通ってＨ２気体を放出してよい。
【0067】
本明細書では気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａが気体水素入り口チャネルのセクションとして説明されており、本明細書では気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂが気体水素出口チャネルのセクションとして説明されているが、他の例では、チャネル・セクション３１８ｂが、（例えば、Ｈ２気体を、気体水素入り口ポートから受け取った後に、リバランス・セル内に負極３１０を横切って向かわせるための）気体水素入り口チャネルのセクションであってよく、気体入り口チャネル・セクション３１８ａが、（例えば、気体水素出口ポートを通ってＨ２気体を放出することによって、Ｈ２気体をリバランス・セルから外へ向かわせるための）気体水素出口チャネルのセクションであってよいということが、理解されるであろう。他の例では、リバランス・セルは、行き止まり構成として構成されてよく、気体水素出口ポートが、気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂに流体結合されなくてよい。そのような例では、気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂは、Ｈ２気体を負極３１０を横切って逆方向に向かわせてよく、または気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂは、代わりに、（例えば、Ｈ２気体の一部を気体水素入り口ポートから受け取った後に、Ｈ２気体の一部をリバランス・セル内に負極３１０を横切って向かわせるための）別の気体水素入り口チャネル・セクションとして構成されてよい。
【0068】
複数の入り口および出口は、リバランス・セル全体の電解質およびＨ２気体の流れを容易にするように構成されてよい。例として、気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａおよび気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂの各々のサイズは、それらによる圧力降下を最小限に抑え、それによって、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリ３０２への流れの分配に役立つように選択されてよい。別の例として、小段３１４ｂと相対的な各電解質入り口通路３１４ａのサイズおよび複数の電解質入り口通路３１４ａの総数は、電解質の流れを実質的に均等に分配するために、相対的に小さい圧力降下を引き起こすように選択されてよい。そのような例では、各電解質入り口通路３１４ａのサイズおよび複数の電解質入り口通路３１４ａの総数の選択は、電解質流動場のサイズおよび望ましい電解質の流量などの、リバランス・セルの特定の構成に固有の複数の要因に依存してよい。
【0069】
追加または代替の例では、電解質出口チャネル・セクション３１６は、電解質出口ポートに含まれている複数の開口部を通って電解質を分配するためにさらに構成されてよい。例えば、図３の分解図３００では、２つの開口部を含んでいる電解質出口チャネル・セクション３１６が示されている。一部の例では、電解質出口チャネル・セクション３１６の開口部が電解質出口ポートの開口部にそれぞれ対応し得るように、電解質出口チャネル・セクション３１６に含まれる開口部の数は、電解質出口ポートに含まれる開口部の数に等しくてよい。このようにして、電極アセンブリ３０２にわたって電解質が均等に分配されてよく、実質的に妨げられない流れで、リバランス・セルから放出されてよい。他の例では、電解質出口チャネル・セクション３１６は、３つ以上の開口部または２つ未満の開口部（例えば、単一の開口部）を含んでよい。
【0070】
さらに、電極アセンブリ３０２が電極アセンブリの積み重ねに含まれる場合、電解質出口チャネル・セクション３１６、気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａ、および気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂが一直線になり、（下で説明される図４Ａ、４Ｂに示されているように）連続的な電解質出口チャネル、連続的な気体水素入り口チャネル、および連続的な気体水素出口チャネルをそれぞれ形成してよい。このようにして、電極アセンブリの積み重ねは、モジュール方式で形成されてよく、それによって、任意の実際の数の電極アセンブリ３０２が積み重ねられ、リバランス・セルに含まれてよい。
【0071】
さらに示されているように、複数の密封インサートがプレート３０４に貼り付けられるか、または他の方法でプレート３０４に結合されてよい（本明細書において使用されるとき、「貼り付ける」、「貼り付けられる」、または「貼り付けている」は、直接的または間接的関係を介して、１つのコンポーネントを別のコンポーネントに接着すること、取り付けること、接続すること、留めること、接合すること、結び付けること、または固定することを含むが、これらに限定されない）。例として、複数の密封インサートは、Ｈ２気体の迂回を軽減することによって負極３１０を横切るＨ２気体の流れを誘導するために、気体水素入り口チャネル密封インサート３２０ａおよび気体水素出口チャネル密封インサート３２０ｂを含んでよい。詳細には、気体水素入り口チャネル密封インサート３２０ａおよび気体水素出口チャネル密封インサート３２０ｂは、気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａおよび気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂに隣接して、炭素発泡体３０６、正極３０８、および負極３１０を含んでいるプレート３０４の側面にそれぞれ貼り付けられるか、または他の方法で結合されてよい。一部の例では、図４Ａおよび４Ｂを参照してさらに詳細に説明されるように、気体水素入り口チャネル密封インサート３２０ａおよび気体水素出口チャネル密封インサート３２０ｂは、気体水素入り口チャネル密封インサート３２０ａおよび気体水素出口チャネル密封インサート３２０ｂが、プレート３０４との貼り付けまたは結合の位置から伸びて、正極３０８と部分的に重複することができるように、負極３１０のｘ－ｙ平面と一致してよい。
【0072】
別の例として、複数の密封インサートは、別の電極アセンブリの気体水素入り口チャネル・セクションとの気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａの界面および別の電極アセンブリの気体水素出口チャネル・セクションとの気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂの界面をそれぞれ密封するために、気体水素入り口チャネルＯリング３２２ａおよび気体水素出口チャネルＯリング３２２ｂの各々をさらに含んでよい。詳細には、気体水素入り口チャネルＯリング３２２ａおよび気体水素出口チャネルＯリング３２２ｂは、気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａおよび気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂの周囲をそれぞれ囲むように、プレート３０４に貼り付けられるか、または他の方法で結合されてよい。
【0073】
別の例として、複数の密封インサートは、別の電極アセンブリとの電極アセンブリ３０２の界面を、その外縁で密封するために、オーバーボードＯリング（ｏｖｅｒｂｏａｒｄ Ｏ－ｒｉｎｇ）３２４をさらに含んでよい。詳細には、オーバーボードＯリング３２４は、電解質入り口ウェル３１２、複数の電解質入り口通路３１４ａ、小段３１４ｂ、電解質出口チャネル・セクション３１６、気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａ、および気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂの各々の周囲を囲むように、プレート３０４に貼り付けられるか、または他の方法で結合されてよい。
【0074】
炭素発泡体３０６は、ｙ軸に沿った小段３１４ｂと電解質出口チャネル・セクション３１６の間、およびｘ軸に沿った気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａと気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂの間の、プレート３０４の空洞３２６に位置付けられてよい。詳細には、炭素発泡体３０６は、空洞３２６の基部を形成するプレート３０４の側面と面共有接触して位置付けられてよい。一部の例では、炭素発泡体３０６は、連続的なモノリシック要素として形成されてよく、一方、他の例では、炭素発泡体３０６は、２つ以上の炭素発泡体セクションとして形成されてよい。実施形態例では、炭素発泡体３０６は、導電性、透過性、および多孔性であってよく、それを通って電解質が複数の電解質入り口通路３１４ａから重力供給されるための分配場を提供する。一部の例では、炭素発泡体３０６の細孔分布は１０～１００ＰＰＩであってよい。１つの例では、細孔分布は３０ＰＰＩであってよい。追加または代替の例では、炭素発泡体３０６の透過性は０．０２～０．５ｍｍ２であってよい。そのため、相対的に小さい圧力降下を目標にし、それによって、炭素発泡体３０６から正極３０８への電解質の対流を誘導するために、炭素発泡体３０６の全体的サイズに加えて、細孔分布および透過性の各々が選択されてよい。例えば、圧力降下の目標は、２～３ｍｍの電解質の高さの上昇であってよい。
【0075】
一部の例では、炭素発泡体３０６は、流動場プレートの流動場構成によって誘導される対流によって電解質を正極３０８に輸送するように構成された流動場プレートに置き換えられてよい。例えば、流動場チャネルが、流動場プレートに、または流動場プレートのインサートに統合されてよい。流動場プレートに統合された場合の流動場の形状の例が、図７Ａ～７Ｂに示されており、下にさらに説明される。詳細には、流動場プレートは、複数の電解質入り口通路３１４ａおよび電解質出口チャネル・セクション３１６の各々に流体結合されてよい。１つの例では、流動場プレートは、ｚ軸に関して正極３０８の下に位置付けられた電極アセンブリ３０２のプレート３０４内で一体的に形成されてよい。他の例では、流動場プレートは、分離した取り外し可能なコンポーネントであってよい。
【0076】
一部の例では、図５Ａ～５Ｅを参照して下で詳細に説明されるように、流動場構成は、プレート３０４の炭素発泡体３０６に埋め込まれた互いにかみ合った流動場構成、部分的に互いにかみ合った流動場構成、または蛇行する流動場構成であってよい。一部の例では、各電極アセンブリ３０２は、各他の電極アセンブリ３０２と同様の（例えば、互いにかみ合った、部分的に互いにかみ合った、蛇行する、などの）構成の流動場構成と界面してよい。他の例では、図２Ａおよび２Ｂのリバランス・セル２０２内の特定の電極アセンブリ３０２の位置に応じて、電極アセンブリの積み重ね内の電極アセンブリ３０２の中で、複数の異なる流動場構成が提供されてよい。このようにして、電解質が、電解質入り口ポート（例えば、図２Ａおよび２Ｂの電解質入り口ポート２０６）から、電極アセンブリの積み重ね内の正極３０８とそれぞれ界面する流動場プレートに方向付けられてよく、流動場プレートは、互いにかみ合った流動場構成、部分的に互いにかみ合った流動場構成、蛇行する流動場構成、またはこれらの組み合わせで構成されている。
【0077】
特定の例では、図４Ａおよび４Ｂを参照して下でさらに詳細に説明されるように、炭素発泡体３０６が流動場プレート（本明細書では、「電解質流動場プレート」とも呼ばれる）に置き換えられることに加えて、別の流動場プレート（本明細書では、「気体水素流動場プレート」とも呼ばれる）が、ｚ軸に関して正極３０８と反対側の負極３１０と界面してよい。しかし、他の例では、電解質流動場プレートが（例えば、炭素発泡体３０６を置き換えて）含まれてよく、気体水素流動場プレートが存在しなくてよい。さらに他の例では、気体水素流動場プレートが（例えば、負極３１０と界面して）含まれてよく、電解質流動場プレートが存在しなくてよい。
【0078】
正極３０８は、ｚ軸に沿ってプレート３０４と反対側の炭素発泡体３０６の側面と面共有接触して、空洞３２６に位置付けられてよい。実施形態例では、正極３０８は、毛細管作用によって、炭素発泡体３０６を通って流れる電解質を負極３１０と接触させることができる、毛細管作用で運ぶ導電性の炭素フェルト、スポンジ、またはメッシュであってよい。したがって、一部の例では、正極３０８は、導電性かつ多孔性であってよい（ただし、そのような例では、炭素発泡体３０６より多孔性でない）。１つの例では、炭素発泡体３０６の多孔性が事前に定義された（例えば、毛細管作用で上へ正極３０８内に運ぶことを促進するほど十分な固形物を保持するように、多孔性の上側しきい値を下回り、炭素発泡体３０６を通る電解質の流れを妨げないように、多孔性の下側しきい値を上回る）範囲内であることができる場合、電解質が、毛細管作用で正極３０８内に運ばれてよい。
【0079】
追加または代替の例では、（例えば、正極３０８の多孔性のしきい値に達する場合などの、少なくとも、電解質を毛細管作用で運ぶことを促進するには少なすぎる正極３０８の固形物が残るまで）正極３０８の多孔性を増やして、正極３０８の吸水性の各々が減少してよく、正極３０８の透過性が増大してよい。一部の例では、正極３０８の表面は、（例えば、完全な電解質の湿潤を促進し、それによってイオン導電媒体を形成することによって）望ましいリバランス・セルの動作のために十分に親水性であってよい。そのような例では、正極３０８の全体的親水性が、その表面をコーティングするか、または処理することによって増やされてよい。さらに、毛細管作用で正極３０８内に運ばれる電解質の一部に加えて、Ｈ２気体の少なくとも一部が正極３０８に入ることがあるが、正極３０８は、その上のＨ２気体の大部分とその下の電解質の大部分の間のセパレータと見なされてよい。
【0080】
一部の例では、正極３０８および負極３１０の各々は、負極３１０の触媒表面で電解質をＨ２気体と接触させるときに、境界層膜にわたる相間物質輸送損失が減らされ、それによってイオンおよび陽子の移動を促進することができるように、（例えば、個別の粒子または複数の要素とは対照的に）連続的なモノリシック要素として形成されてよい。これに対して、個々に固まった触媒粒子を含んでいる充填層構成は、個々の粒子を取り囲む、物質輸送を制限する境界層膜を含んでよく、それによって、電解質の大部分から粒子の表面への電解質の物質輸送の速度を減らす。
【0081】
（毛細管作用で運ばれた）電解質、負極３１０の触媒表面、およびＨ２気体の間の三相接触界面が、それを通る陽子（例えば、Ｈ＋）およびイオンの移動（Ｈ３Ｏ＋）のために形成され得るように、負極３１０が、ｚ軸に沿って炭素発泡体３０６と反対側の正極３０８の側面と面共有接触して空洞３２６に位置付けられてよい。それと共に、正極３０８は、電子が電解質の表面に移動して、そこでＦｅ３＋イオンを還元するための導電経路を提供することによって、全体的電子抵抗を減らしてよい。
【0082】
実施形態例では、負極３１０は、金属触媒がコーティングされた、多孔性の非導電材料または導電性炭素基板であってよい。一部の例では、多孔性の非導電材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレンなどを含んでよい。一部の例では、導電性炭素基板は、炭素布または炭素紙を含んでよい。一部の例では、金属触媒は、貴金属触媒を含んでよい。一部の例では、貴金属触媒は、Ｐｔを含んでよい。追加または代替の例では、貴金属触媒は、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、またはその合金を含んでよい。一部の例では、コストを考慮して、導電性炭素基板上で支持される相対的に少量（例えば、０．２～０．５ｗｔ％）の貴金属触媒が採用されてよい。しかし、実際には、貴金属触媒の量は、特に制限されなくてよく、リバランス・セルの反応の望ましい速度およびリバランス・セルの期待される寿命のうちの１つまたは複数に基づいて選択されてよい。さらに、貴金属触媒に含まれる合金は、コストを減らし、貴金属触媒の腐食安定性を向上させるために利用されてよい。例えば、ＰｔへのＲｈの１０％の追加は、Ｆｅ３＋によるＰｔの腐食を９８％以上減らすことができる。他の例では、金属触媒は、鉄溶液および他のそのような酸性環境（例えば、硫化モリブデン）における安定性のために選択された非貴金属触媒を含んでよい。１つの例では、負極３１０は、１．０ｍｇ／ｃｍ２のＰｔがコーティングされた炭素布を含んでよく、（例えば、疎水性のために）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）結合剤を使用して結合された微多孔層を含んでよい。実際、ＰＴＦＥ結合剤の含有は、他の結合剤を使用して形成された電極アセンブリと相対的に、長期間にわたるリバランス・セルの性能の耐久性を向上させることができる。
【0083】
貴金属触媒がＰｔを含んでいる場合などの一部の例では、負極３１０の浸漬が、最終的に貴金属触媒の腐食をもたらすことがある。他の例では、図２Ａおよび２Ｂを参照して上でさらに詳細に説明されたように、重力供給によって電解質の流れが炭素発泡体３０６を通り、電解質出口チャネル・セクション３１６に向かって引き出されるときに、貴金属触媒が相対的に乾燥したままであり得るように、（電極アセンブリの積み重ねおよびリバランス・セル全体と共に）電極アセンブリ３０２が、リバランス・セルが乗っている表面に対して傾けられるか、または傾斜してよい（例えば、ｚ軸が、重力の方向と非平行であってよい）。したがって、一部の例では、電極アセンブリ３０２は、水平であるか、またはリバランス・セルが乗っている表面に対して、０°～３０°の角度で傾斜してよい。
【0084】
実施形態例では、炭素発泡体３０６、正極３０８、および負極３１０の各々を含んでいる電極アセンブリ３０２が、ｚ軸に沿って圧縮されてよく、正極３０８が、特定の圧縮圧力の下で、炭素発泡体３０６および負極３１０よりも大きいゆがみを有する。したがって、空洞３２６の深さは、炭素発泡体３０６の厚さ、正極３０８の厚さ、正極３０８の望ましい圧縮、および負極３１０の厚さに基づいて選択されてよい。詳細には、空洞３２６の深さは、（電解質の流れを妨げることがある、炭素発泡体３０６の過大応力および破砕を防ぐために）実質的に完全な圧縮後の炭素発泡体３０６の厚さおよび実質的に完全な圧縮後の正極３０８の厚さの合計の深さの下側しきい値を上回り、（Ｈ２気体および電解質の不十分な接触をもたらすことがある、正極３０８のゼロ圧縮および場合によってはすき間を防ぐために）炭素発泡体３０６の厚さおよび正極３０８の厚さの合計の深さの上側しきい値未満になるように選択されてよい。
【0085】
例えば、炭素発泡体３０６の厚さが６ｍｍであり、正極３０８の厚さが３．４ｍｍであり、（０．０１ＭＰａの望ましい圧縮圧力を達成するために）正極３０８の望ましい圧縮が０．４ｍｍであり、負極３１０の厚さが０．２ｍｍである例では、空洞３２６の深さは９．２ｍｍ（＝３．４ｍｍ＋６ｍｍ＋０．２ｍｍ－０．４ｍｍ）であってよい。別の例として、空洞３２６の深さが０．８６～２１ｍｍになることができるように、炭素発泡体３０６の厚さは２～１０ｍｍであってよく、正極３０８の厚さは１～１０ｍｍであってよく、（０．０９ＭＰａの望ましい圧縮圧力を達成するために）正極３０８の望ましい圧縮は０～２．３４ｍｍであってよく、負極３１０の厚さは０．２～１ｍｍであってよい。追加または代替の例では、正極３０８の厚さは、炭素発泡体３０６の厚さの２０％～１２０％であってよい。１つの例では、正極３０８の厚さは、炭素発泡体３０６の厚さの１００％～１１０％であってよい。１つの例では、空洞３２６の深さは、炭素発泡体３０６の破砕強度にさらに依存してよい（例えば、破砕強度を減らして、空洞３２６の深さが増やされてよい）。
【0086】
例えば、空洞３２６の深さが９．２ｍｍである場合（例えば、正極の望ましい圧縮が０．４ｍｍである場合）、発泡体の破砕安全係数（ＦＯＳ：ｆａｃｔｏｒ ｏｆ ｓａｆｅｔｙ）は５．７８であってよい。一部の例では、発泡体の破砕ＦＯＳは、０．３４の最小値を有してよく、１未満の発泡体の破砕ＦＯＳ値は、少なくとも一部の破砕が予想されることを示すことができる。一部の例では、炭素発泡体３０６の破砕強度は、製造中の炭素発泡体３０６の熱処理によって、（１つの例では、０．０８ＭＰａから０．０３ＭＰａに）減らされることがある。一般に、より薄い電極アセンブリ３０２は、リバランス・セルの縮小された全体的サイズおよび電極アセンブリ３０２にわたる減らされた電気抵抗をもたらすことができるため（例えば、電解質の流れが負極３１０により近くなることができるため）、空洞３２６の深さが（例えば、上記の制約内で）できるだけ低くなるように電極アセンブリ３０２が構成されてよいということが理解されるであろう。
【0087】
このようにして、電極アセンブリ３０２は、互いに面共有接触しており、連続して導電性である、炭素発泡体３０６、ならびに正極３０８および負極３１０の界面する対の連続的積み重ねを含んでよい。詳細には、第１の界面が、正極３０８と炭素発泡体３０６の間に形成されてよく、第２の界面が、正極３０８と負極３１０の間に形成されてよく、第２の界面は、正極３０８を越えて第１の界面と反対の側にあり、炭素発泡体３０６、正極３０８、および負極３１０の各々は導電性であってよい。したがって、電極アセンブリ３０２を通って流れる電流が外部負荷を通って導かれ得ないように、電極アセンブリ３０２は内部で短絡してよい。
【0088】
実施形態例では、前述したように、強制対流が、（例えば、図３に示されていない、負極３１０と界面する流動場プレートを介して）電極アセンブリ３０２内への、負極３１０を横切るＨ２気体の流れを誘導してよい。そこで、次の方程式（４ａ）（例えば、方程式（１）の逆反応）によって、Ｈ２気体が負極３１０の触媒表面と反応してよい。
１／２Ｈ２→Ｈ＋＋ｅ－ （アノード半反応） （４ａ）
陽子（Ｈ＋）および電子（ｅ－）が、負極３１０を横切って、正極３０８内に伝導されてよい。炭素発泡体３０６を介して電極アセンブリ３０２を通って方向付けられた電解質は、毛細管作用で正極３０８内に運ばれてよい。正極３０８と負極３１０の間の第２の界面で、またはその近くで、次の方程式（４ｂ）によって、電解質内のＦｅ３＋が還元されてよい。
Ｆｅ３＋＋ｅ－→Ｆｅ２＋ （カソード半反応） （４ｂ）
方程式（４ａ）および（４ｂ）を合計して、次の方程式（４）として、電解質リバランス反応が得られてよい。
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランス） （４）
１／２Ｈ２→Ｈ＋＋ｅ－ （アノード半反応） （４ａ）
陽子（Ｈ＋）および電子（ｅ－）が、負極３１０を横切って、正極３０８内に伝導されてよい。炭素発泡体３０６を介して電極アセンブリ３０２を通って方向付けられた電解質は、毛細管作用で正極３０８内に運ばれてよい。正極３０８と負極３１０の間の第２の界面で、またはその近くで、次の方程式（４ｂ）によって、電解質内のＦｅ３＋が還元されてよい。
Ｆｅ３＋＋ｅ－→Ｆｅ２＋ （カソード半反応） （４ｂ）
方程式（４ａ）および（４ｂ）を合計して、次の方程式（４）として、電解質リバランス反応が得られてよい。
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランス） （４）
【0089】
電極アセンブリ３０２が内部で短絡しているため、電極アセンブリ３０２のセル電位は、次のようにゼロに駆動される。
０＝（Ｅｐｏｓ－Ｅｎｅｇ）－（ηａｃｔ＋ηｍｔ＋ηｏｈｍ） （７）
ここで、Ｅｐｏｓは正極３０８の電位であり、Ｅｎｅｇは負極３１０の電位であり、ηａｃｔは活性化過電圧であり、ηｍｔは物質輸送過電圧であり、ηｏｈｍはオーム過電圧である。図３で構成されたような電極アセンブリ３０２の場合、ηｍｔおよびηａｃｔは、無視できると仮定されてよい。さらに、ηｏｈｍは、次のように電解質の過電圧ηｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅおよび正極３０８を形成する炭素フェルトの過電圧ηｆｅｌｔに依存してよい。
ηｏｈｍ＝ηｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ＋ηｆｅｌｔ （８）
したがって、電極アセンブリ３０２の性能は、少なくとも電解質の電気抵抗率σｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅおよび炭素フェルトの電気抵抗率σｆｅｌｔによって制限されてよい。電解質の導電率および炭素フェルトの導電率は、それぞれ、次のように与えられ得る電解質の抵抗Ｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅおよび炭素フェルトの抵抗Ｒｆｅｌｔにさらに依存してよい。
Ｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ＝σｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ×ｔｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ／Ａｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ （９）
Ｒｆｅｌｔ＝σｆｅｌｔ×ｔｆｅｌｔ／Ａｆｅｌｔ （１０）
ここで、ｔｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅは電解質の厚さ（例えば、電解質の表面の高さ）であり、ｔｆｅｌｔは炭素フェルトの厚さ（例えば、正極３０８の厚さ）であり、Ａｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅは電解質（の表面）の有効面積であり、Ａｆｅｌｔは炭素フェルトの有効面積である。したがって、電極アセンブリ３０２の性能は、炭素フェルト内の電解質の表面の位置、ならびにしたがって、炭素発泡体３０６にわたる電解質の分布、および正極３０８を形成する炭素フェルト内に毛細管作用で運ばれる電解質の量に基づいて、さらに制限されてよい。
０＝（Ｅｐｏｓ－Ｅｎｅｇ）－（ηａｃｔ＋ηｍｔ＋ηｏｈｍ） （７）
ここで、Ｅｐｏｓは正極３０８の電位であり、Ｅｎｅｇは負極３１０の電位であり、ηａｃｔは活性化過電圧であり、ηｍｔは物質輸送過電圧であり、ηｏｈｍはオーム過電圧である。図３で構成されたような電極アセンブリ３０２の場合、ηｍｔおよびηａｃｔは、無視できると仮定されてよい。さらに、ηｏｈｍは、次のように電解質の過電圧ηｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅおよび正極３０８を形成する炭素フェルトの過電圧ηｆｅｌｔに依存してよい。
ηｏｈｍ＝ηｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ＋ηｆｅｌｔ （８）
したがって、電極アセンブリ３０２の性能は、少なくとも電解質の電気抵抗率σｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅおよび炭素フェルトの電気抵抗率σｆｅｌｔによって制限されてよい。電解質の導電率および炭素フェルトの導電率は、それぞれ、次のように与えられ得る電解質の抵抗Ｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅおよび炭素フェルトの抵抗Ｒｆｅｌｔにさらに依存してよい。
Ｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ＝σｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ×ｔｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ／Ａｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ （９）
Ｒｆｅｌｔ＝σｆｅｌｔ×ｔｆｅｌｔ／Ａｆｅｌｔ （１０）
ここで、ｔｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅは電解質の厚さ（例えば、電解質の表面の高さ）であり、ｔｆｅｌｔは炭素フェルトの厚さ（例えば、正極３０８の厚さ）であり、Ａｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅは電解質（の表面）の有効面積であり、Ａｆｅｌｔは炭素フェルトの有効面積である。したがって、電極アセンブリ３０２の性能は、炭素フェルト内の電解質の表面の位置、ならびにしたがって、炭素発泡体３０６にわたる電解質の分布、および正極３０８を形成する炭素フェルト内に毛細管作用で運ばれる電解質の量に基づいて、さらに制限されてよい。
【0090】
ＲｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅおよびＲｆｅｌｔを決定した後に、電極アセンブリ３０２の電流Ｉａｓｓｅｍｂｌｙが、次のように決定されてよく、
Ｉａｓｓｅｍｂｌｙ＝（Ｅｐｏｓ－Ｅｎｅｇ）／（Ｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ＋Ｒｆｅｌｔ） （１１）
電解質リバランス反応の速度ｖｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ（例えば、Ｆｅ３＋の還元の速度）が、次のようにさらに決定されてよい。
ｖｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ＝Ｉａｓｓｅｍｂｌｙ／（ｎＦＡｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ） （１２）
ここで、ｎは負極３１０を通って流れる電子の数であり、Ｆはファラデー定数であり、Ａｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇは電解質リバランス反応の有効面積（例えば、電解質の表面と負極３１０の間の界面の面積）である。例として、ｔｆｅｌｔ＝３ｍｍを有する圧縮されていない炭素フェルトの場合、ｖｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇは、１１３ｍｏｌ／ｍ２ｈｒの最大値を有してよい。
Ｉａｓｓｅｍｂｌｙ＝（Ｅｐｏｓ－Ｅｎｅｇ）／（Ｒｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ＋Ｒｆｅｌｔ） （１１）
電解質リバランス反応の速度ｖｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ（例えば、Ｆｅ３＋の還元の速度）が、次のようにさらに決定されてよい。
ｖｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ＝Ｉａｓｓｅｍｂｌｙ／（ｎＦＡｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇ） （１２）
ここで、ｎは負極３１０を通って流れる電子の数であり、Ｆはファラデー定数であり、Ａｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇは電解質リバランス反応の有効面積（例えば、電解質の表面と負極３１０の間の界面の面積）である。例として、ｔｆｅｌｔ＝３ｍｍを有する圧縮されていない炭素フェルトの場合、ｖｒｅｂａｌａｎｃｉｎｇは、１１３ｍｏｌ／ｍ２ｈｒの最大値を有してよい。
【0091】
ここで図４Ａおよび４Ｂを参照すると、断面図４００および拡大差し込み図４５０がそれぞれ示されており、断面図４００および拡大差し込み図４５０の各々は、リバランス・セル２０２内のＨ２気体の流れの例示的な態様を示している。詳細には、拡大差し込み図４５０は、破線楕円４１０によって境界を定められた断面図４００の一部を拡大している。図４Ａおよび４Ｂに示されているように、リバランス・セル２０２は、各電極アセンブリ３０２の気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａが、各他の電極アセンブリ３０２の気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａと共に連続的な気体水素入り口チャネル４０４を形成するように揃えられて、個別の電極アセンブリ３０２の積み重ねとして形成された、電極アセンブリの積み重ね４０２を含んでよい。気体水素入り口プレナム４０６が、気体水素入り口チャネル４０４にさらに含まれてよく、気体水素入り口プレナム４０６は、気体水素入り口チャネル４０４を気体水素入り口ポート２１０に流体結合する。各気体水素入り口チャネルＯリング３２２ａおよびオーバーボードＯリング３２４は、電極アセンブリ３０２の対の間の界面で気体水素入り口チャネル４０４を密封してよい。断面図４００および拡大差し込み図４５０では、リバランス・セル２０２の切断された部分の詳細が示されているということ、および（例えば、図２Ａおよび２Ｂに示された）リバランス・セル２０２の追加の特徴が示されないことがあるということが、理解されるであろう。さらに、特定の応用に関して、断面図４００に示された電極アセンブリ３０２より多いか、またはより少ない電極アセンブリ３０２が電極アセンブリの積み重ね４０２に含まれてよいということが、理解されるであろう（しかし、一部の実施例では、スケールアップ性能は、５０％以下のＨ２気体の利用でのＨ２気体の流れに実質的に反応しないことがある）。さらに、図４Ａおよび４Ｂを参照して気体水素入り口チャネル４０４および隣接するコンポーネントの構造的特徴が詳細に説明されるが、（例えば、各電極アセンブリ３０２の気体水素出口チャネル・セクション３１８ｂ（図３を参照）を揃えることによって形成された）対応する気体水素出口チャネルおよび隣接するコンポーネントの構造的特徴が、（気体水素出口チャネルが行き止まりであってよいということ、または気体水素出口チャネルに含まれる気体水素出口プレナムが、ｘ軸およびｚ軸に沿って気体水素入り口プレナム４０６と反対側に位置付けられてよいということを除いて）同様に構成されてよいということが、理解されるであろう。
【0092】
図に示され、矢印４０８ａによって示されているように、Ｈ２気体が、気体水素入り口ポート２１０を介して気体水素入り口チャネル４０４に入り、最初に、気体水素入り口プレナム４０６内に流れ、次に、ｚ軸に沿って正方向に気体水素入り口チャネル・セクション３１８ａを連続的に通ってよい。気体水素入り口プレナム４０６のサイズおよび形状は、特に制限されないが、相対的に高い流速および圧力降下が不十分なＨ２気体の分配をもたらすことを防ぐように、気体水素入り口プレナム４０６の最小サイズ（例えば、最小体積、最小流路幅）が選択されてよい。さらに、気体水素入り口チャネル４０４が、重力の方向から離れてｚ軸の正方向に沿って伸びるように（ただし、図２Ａおよび２Ｂを参照して上で詳細に説明されたように、重力の方向と正反対ではない）、傾斜支持体２２０がリバランス・セル２０２を傾けてよく、Ｈ２気体が、ｚ軸の正方向に沿った気体水素入り口チャネル４０４に沿って対流してよい。
【0093】
さらに図に示され、矢印４０８ｂによって示されているように、Ｈ２気体の少なくとも一部が、各電極アセンブリ３０２の気体水素入り口チャネル密封インサート３２０ａを横切る気体水素入り口チャネル４０４から、気体水素入り口チャネル４０４に流体結合されて各電極アセンブリ３０２と界面する１つまたは複数の気体水素入り口通路４５２内に流れてよい。１つの例では、特定の電極アセンブリ３０２の１つまたは複数の気体水素入り口通路４５２と反対側の特定の電極アセンブリ３０２の気体水素入り口チャネル密封インサート３２０ａの表面が、特定の電極アセンブリの１つまたは複数の気体水素入り口通路４５２と反対側の特定の電極アセンブリ３０２の負極３１０の表面と同じｘ－ｙ平面と一致してよい。さらに、一部の例では、特定の電極アセンブリ３０２の気体水素入り口チャネル密封インサート３２０ａが、特定の電極アセンブリ３０２のプレート３０４との貼り付けまたは結合の位置から伸び、ｚ軸に沿って特定の電極アセンブリ３０２の正極３０８と部分的に重複してよく、それによって、気体水素入り口チャネル密封インサート３２０ａのエッジで正極３０８を密封するのに役立つ。
【0094】
実施形態例では、１つまたは複数の気体水素入り口通路４５２が、特定の電極アセンブリ３０２に完全には含まれなくてよく、代わりに、電極アセンブリの積み重ね４０２内の電極アセンブリ３０２の隣接する対の間の１つまたは複数のすき間として形成されてよい。一部の例では、Ｈ２気体が、特定の電極アセンブリ３０２と界面する１つまたは複数の気体水素入り口通路４５２内に強制的に対流されるように、特定の電極アセンブリ３０２と界面する１つまたは複数の気体水素入り口通路４５２は、流動場構成で構成されてよい。詳細には、１つまたは複数の気体水素入り口通路４５２は、流動場構成で構成されたとき、特定の電極アセンブリ３０２の負極３１０と界面する流動場プレートから形成されてよい。１つの例では、特定の電極アセンブリ３０２の負極３１０と界面する流動場プレートは、ｚ軸に関して隣接する電極アセンブリ３０２の炭素発泡体３０６の下に位置付けられた隣接する電極アセンブリ３０２のプレート３０４内で一体的に形成されてよい。他の例では、特定の電極アセンブリ３０２の負極３１０と界面する流動場プレートは、分離した取り外し可能なコンポーネントであってよい。さらに、ｚ軸に関して最上部の流動場プレートは、どの電極アセンブリ３０２とも一体的に形成されなくてよく、代わりに、分離した取り外し可能なコンポーネントまたは別のコンポーネント（例えば、図２Ａおよび２Ｂのセル筐体２０４）の一体的特徴のいずれかとしてリバランス・セル２０２に含まれてよい。
【0095】
一部の例では、図５Ａ～５Ｅを参照して下で詳細に説明されるように、流動場構成は、互いにかみ合った流動場構成、部分的に互いにかみ合った流動場構成、または蛇行する流動場構成であってよい。一部の例では、各電極アセンブリ３０２は、各他の電極アセンブリ３０２と同様の（例えば、互いにかみ合った、部分的に互いにかみ合った、蛇行する、などの）構成の流動場構成と界面してよい。他の例では、（例えば、リバランス・セル２０２内の特定の電極アセンブリ３０２の位置に応じて）電極アセンブリの積み重ね４０２内の電極アセンブリ３０２の中で、複数の異なる流動場構成が提供されてよい。このようにして、Ｈ２気体が、気体水素入り口ポート２１０から、電極アセンブリの積み重ね４０２の負極３１０とそれぞれ界面する流動場プレートに方向付けられてよく、流動場プレートは、互いにかみ合った流動場構成、部分的に互いにかみ合った流動場構成、蛇行する流動場構成、またはこれらの組み合わせで構成されている。
【0096】
図にさらに示され、矢印４０８ｃによって示されているように、Ｈ２気体は、（例えば、負極３１０の触媒表面の１ｍ２当たり１０～５０ｌ／分の流量で）電極アセンブリの積み重ね４０２の負極３１０を横切って対流されてよい。一部の例では、各電極アセンブリ３０２と界面する流動場プレートは、対流を支援し、各負極３１０を横切ってＨ２気体を分配することができる。Ｈ２気体は、アノード半反応で電極アセンブリの積み重ね４０２の負極３１０の触媒表面と反応して（方程式（４ａ）を参照）陽子および電子を生成し、次に、各正極３０８および炭素発泡体３０６に向かって流れてよい。一部の例では、Ｈ２気体の少なくとも一部が、未反応のままであってよく、矢印４０８ｃに沿って電極アセンブリの積み重ね４０２の負極３１０を横切って流れてもよい。
【0097】
ここで図５Ａ～５Ｅを参照すると、概略図５００、５２０、５４０、および５６０がそれぞれ示されており、概略図５００、５２０、５４０、５６０、および５８０は、例示的な互いにかみ合った流動場構成、例示的な部分的に互いにかみ合った流動場構成、第１の例示的な蛇行する流動場構成、第２の例示的な蛇行する流動場構成、および直線状の流動場構成をそれぞれ示している。互いにかみ合った流動場構成は、不連続な電解質チャネルまたは通路を含み、強制対流を促進し、あふれおよび気体拡散制限を軽減する。部分的に互いにかみ合った流動場構成は、電解質チャネルの入り口および／または出口に近接して位置する電解質チャネルの狭くなったセクションを含む、連続的な電解質チャネルを含む。これによって、流動場が、互いにかみ合った流動場構成と類似する強制対流効果を有することを可能にするが、流動場を横切る電解質の連続的な流れも可能にする。例えば、狭くなったセクションは、電解質が正極内にまだ強制されながら、気体が流動場から出る（例えば、流動場プレートから離れる）ための低制限経路（ｌｏｗ ｒｅｓｔｒｉｃｔｉｏｎ ｐａｔｈｓ）を提供する迂回チャネルであってよい。その結果、電解質チャネル内の気体の蓄積が軽減され、そうでなければ、この気体の蓄積は、電極アセンブリの正側での圧力の蓄積に起因して、電極アセンブリの負側での不均一な流体流分布およびあふれにつながることがある。
【0098】
１つの例では、図５Ａ～５Ｅに示された流動場構成は、正極３０８と界面する炭素発泡体の面で、図３Ａ～４Ｂの炭素発泡体３０６内に形成されてよい。追加または代替の実施形態では、図６～７Ｂを参照して下でさらに説明されるように、特定の電極アセンブリに関して、炭素発泡体および分離したプレートが、図５Ａ～５Ｅの例示的な流動場構成のいずれかを有する統合された流動場を含む流動場プレートに置き換えられてよい。
【0099】
基準軸のセット５０１は、示されているコンポーネントの相対的位置付けを表すため、および図５Ａ～５Ｅの図間の比較のために提供されており、軸５０１はｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を示している。図５Ａ～５Ｅに示された相対的寸法が例示的であるということ、および他の（例えば、より広い通路、より多くの数の通路または屈曲部などを含んでいる）流動場構成が本開示の範囲内であると見なされるということが、理解されるであろう。例えば、流動場構成を形成する通路は、通路の入り口から通路の出口または端部に向かって徐々に（例えば、実質的にゼロの高さから通路の全深さまたは全深さの近くまで）高さが伸びる一連の段（例えば、８つの段、ただし段の総数は、特定の応用のために流体拡散を変更し、それによって性能改善するために、増やされるか、または減らされてよい）を含んでよい。
【0100】
図５Ａの概略図５００に示されているように、例示的な互いにかみ合った流動場構成は、入り口チャネル５０６ａおよび出口チャネル５０６ｂを含んでよい。流体（例えば、Ｈ２気体、電解質）が、第１の入り口チャネル５０６ａを通って、ｚ軸と平行に流動場に入り、矢印５０４によって示されているように、ｘ軸に沿って複数の互いにかみ合った通路５０２内に流れてよい。複数の互いにかみ合った通路５０２の形状に応じて、流体は、最初に端壁５０８に当たってよく、ｘ軸と平行に端壁５０８の上に強制的に対流されてよい。代替として、流体は、通路を通って流れた後に、出口チャネル５０６ｂに近接する端壁５０８に当たってよく、同様に端壁５０８の上に強制的に対流されてよい。
【0101】
例えば、流体は、入り口チャネル５０６ａから複数の互いにかみ合った通路５０２の第１の通路５０２ａ内に、妨げられずに流れてよい。出口チャネル５０６ｂに近接する第１の通路５０２ａの端部で、流体は、端壁５０８のうちの１つの上にｚ軸と平行に流れるように強制されてよい。これに対して、複数の互いにかみ合った通路５０２の第２の通路５０２ｂで、入り口チャネル５０６ａからの流体が、第２の通路５０２ｂ内に流れる前に、入り口チャネル５０６ａに近接して位置する端壁５０８のうちの１つの上に（やはりｚ軸に沿って）強制されてよい。
【0102】
一部の例では、例示的な互いにかみ合った流動場構成が多孔質媒体（図３～４Ｂの正極３０８または負極３１０など）と界面する場合、流体の一部が、（例えば、入り口チャネル５０６ａから出口チャネル５０６ｂに移動するのではなく）端壁５０８の上に強制的に対流された後に、多孔質媒体に入ってよい。１つの例では、流体の一部が、実質的にすべての流体であってよい。図に示されているように、通路５０２の各々が、入り口チャネル５０６ａまたは出口チャネル５０６ｂに開かれていて（例えば、続いていて）よい。しかし、一部の例では、出口チャネル５０６ｂが、他の場所で入り口チャネル５０６ａに流体結合されてよい。したがって、１つの例では、出口チャネル５０６ｂは、代わりに流体の追加の入り口チャネルとして機能してよい（例えば、流体が、入り口チャネル５０６ａおよび出口チャネル５０６ｂの各々を通って流動場に入ってよい）。追加または代替の例では、流体の出口チャネルは、チャネル５０６ａ、５０６ｂのうちのどちらかでなくてよい。例えば、出口チャネルは、図２Ａの圧力解放出口ポート２１４などの圧力解放出口ポートであってよく、多孔質媒体を通る流体の通過の後に、圧力解放出口ポートを通って流体が流れてよい。流体がＨ２気体であり、多孔質媒体が図３～４Ｂの負極３１０である特定の例では、流体が負極３１０を連続的に通過し、負極３１０の反対側で流れている電解質に入り、（流れている電解質に流体結合された）圧力解放出口ポート２１４を介して放出されてよい。
【0103】
図５Ｂの概略図５２０に示されているように、例示的な部分的に互いにかみ合った流動場構成は、入り口チャネル５２６ａおよび出口チャネル５２６ｂを含んでよい。流体（例えば、Ｈ２気体、電解質）が、ｚ軸と平行に入り口チャネル５２６ａを通って流動場に流れて入り、矢印５２４によって示されているように、ｘ軸に沿って複数の部分的に互いにかみ合った通路５２２を通って流れてよい。一般に、流体は、端壁５２８を２分する複数の部分的に互いにかみ合った通路５２２の収縮したセクション５２３を除いて、図５Ａに関して上で説明された方法と同様の方法で移動してよい。
【0104】
一部の例では、例示的な部分的に互いにかみ合った流動場構成が多孔質媒体（図３～４Ｂの正極３０８または負極３１０など）と界面するが、複数の部分的に互いにかみ合った通路５２２の各々が入り口チャネル５２６ａおよび出口チャネル５２６ｂの各々に開かれ得る（例えば、続くことができる）場合、流体の一部が、端壁５２８の上に強制的に対流された後に、多孔質媒体に入ってよい。例えば、この一部は、流体の５０％より大きくてよい。流体の一部が多孔質媒体内に強制されてよいが、収縮したセクション５２２ａの存在が、気体が流体から外へ拡散し、複数の互いにかみ合った通路５２２を通って出口チャネル５２６ｂに続くことを可能にしてよい。収縮したセクション５２２ａの各々の厚さは、対応する通路５２２の最大の厚さ（例えば、図５Ｅに示されているように、入り口が実質的に構築されていない直線チャネル流動場構成）から、実質的にゼロの厚さ（例えば、図５Ａの例示的な互いにかみ合った流動場構成などの、完全に互いにかみ合った流動場構成）までの範囲にわたって、可変であってよい。
【0105】
図５Ｃの概略図５４０に示されているように、第１の例示的な蛇行する流動場構成は、入り口チャネル５４６ａおよび出口チャネル５４６ｂを含んでよい。流体（例えば、Ｈ２気体、電解質）は、ｚ軸と平行に入り口チャネル５４６ａを通って流れてよく、流体は、入り口チャネル５４６ａから、ｘ軸と平行に、第１の例示的な流動場構成の蛇行通路５４２の入り口５４２ａ内に強制的に対流されてよい。矢印５４４によって示されているように、流体は、流体が蛇行通路５４２の出口５４２ｂから出口チャネル５４６ｂに放出されるまで、蛇行通路５４２内の９０°の屈曲部で方向を変えながら、ｘ軸およびｙ軸と平行に蛇行通路５４２に沿って流れてよい。さらに図に示されているように、第１の例示的な蛇行する流動場構成は、ｙ軸と平行な蛇行通路５４２のより長い直線セクションおよびｘ軸と平行な蛇行通路５４２のより短い直線セクション（例えば、Ｕ字型屈曲部の基部）を含んでよい。追加または代替の例では、同様の構成または類似する構成の複数の蛇行通路５４２が、入り口チャネル５４６ａを出口チャネル５４６ｂに流体結合してよい。一部の例では、第１の例示的な蛇行する流動場構成が多孔質媒体（図３～４Ｂの正極３０８または負極３１０など）と界面するが、蛇行通路５４２が入り口チャネル５４６ａおよび出口チャネル５４６ｂの各々に開かれ得る場合、流体の実質的にすべてが、（例えば、入り口チャネル５４６ａから出口チャネル５４６ｂに移動するのではなく）入り口５４２ａを介して蛇行通路５４２内に強制的に対流された後に、多孔質媒体に入ってよい。しかし、１つの例では、蛇行通路５４２は、出口５４２ｂを含まなくてよく、したがって、（例えば、第１の例示的な蛇行する流動場構成が行き止まりであるなどの場合に）出口チャネル５４６ｂに流体結合しなくてよい。
【0106】
図５Ｄの概略図５６０に示されているように、第２の例示的な蛇行する流動場構成は、入り口チャネル５６６ａおよび出口チャネル５６６ｂを含んでよい。流体（例えば、Ｈ２気体、電解質）は、ｚ軸と平行に入り口チャネル５６６ａを通って流れてよく、流体は、入り口チャネル５６６ａから、ｘ軸と平行に、第２の例示的な流動場構成の蛇行通路５６２の入り口５６２ａ内に強制的に対流されてよい。矢印５６４によって示されているように、流体は、流体が蛇行通路５６２の出口５６２ｂから出口チャネル５６６ｂに放出されるまで、蛇行通路５６２内の９０°の屈曲部で方向を変えながら、ｘ軸およびｙ軸と平行に蛇行通路５６２に沿って流れてよい。さらに図に示されているように、第２の例示的な蛇行する流動場構成は、ｘ軸と平行な蛇行通路５６２のより長い直線セクションおよびｙ軸と平行な蛇行通路５６２のより短い直線セクション（例えば、Ｕ字型屈曲部の基部）を含んでよい。追加または代替の例では、同様の構成または類似する構成の複数の蛇行通路５６２が、入り口チャネル５６６ａを出口チャネル５６６ｂに流体結合してよい。一部の例では、第２の例示的な蛇行する流動場構成が多孔質媒体（図３～４Ｂの正極３０８または負極３１０など）と界面するが、蛇行通路５６２が入り口チャネル５６６ａおよび出口チャネル５６６ｂの各々に開かれ得る場合、流体の実質的にすべてが、（例えば、入り口チャネル５６６ａから出口チャネル５６６ｂに移動するのではなく）入り口５６２ａを介して蛇行通路５６２内に強制的に対流された後に、多孔質媒体に入ってよい。１つの例では、蛇行通路５６２は、出口５６２ｂを含まなくてよく、したがって、（例えば、第２の例示的な蛇行する流動場構成が行き止まりであるなどの場合に）出口チャネル５６６ｂに流体結合しなくてよい。
【0107】
ここで図５Ｅを参照すると、概略図５８０は、複数の通路５８２を含む直線状の流動場構成を示している。複数の通路５８２は、入り口チャネル５８４ａと出口チャネル５８４ｂの間を直線的に伸び、複数の通路５８２は、互いに平行に揃えられ、ｙ軸に沿って流動場にわたって均等に間隔を空けられる。流体（例えば、Ｈ２気体、電解質）は、ｚ軸と平行に入り口チャネル５８４ａを通って流れてよく、流体は、入り口チャネル５８４ａから、複数の通路５８２の各々の入り口５８８ａ内に強制的に対流されてよい。流体は、次に、矢印５８６によって示されているように、流体が複数の通路５８２の各々の出口５８８ｂで複数の通路５８２から出口チャネル５８４ｂに放出されるまで、ｘ軸と平行に複数の通路５８２を通って流れてよい。出口チャネル５８４ｂで、流体がｚ軸と平行に流れてよい。一部の例では、直線状の流動場構成が多孔質媒体（図３～４Ｂの正極３０８または負極３１０など）と界面するが、複数の通路５８２が入り口チャネル５８４ａおよび出口チャネル５８４ｂの各々に開かれ得る場合、流体の実質的にすべてが、（例えば、入り口チャネル５８４ａから出口チャネル５８４ｂに移動するのではなく）複数の通路５８２の各々の入り口５８８ａを介して複数の通路５８２内に強制的に対流された後に、多孔質媒体に入ってよい。しかし、１つの例では、複数の通路５８２は、出口５８８ｂを含まなくてよく、したがって、（例えば、直線状の流動場構成が行き止まりであるなどの場合に）出口チャネル５８４ｂに流体結合しなくてよい。
【0108】
前述したように、炭素発泡体を使用して構成された電極アセンブリのプレート、例えば、図３～４Ｂのプレート３０４および炭素発泡体３０６は、統合された電解質チャネルを含んでいる流動場プレートに置き換えられてよい。統合された電解質チャネルを含んでいる流動場プレートの使用は、コストを減らし、破損しにくい流動場プレートを提供し、圧力損失に対する制御を向上させることができる。図３に示されているようなプレート３０４および炭素発泡体３０６の組み合わせに類似する方法で電極アセンブリ内に位置付けられ得る流動場プレートの例が、図６Ａ～６Ｂに示されている。ｘ軸、ｙ軸、およびｚ軸を示す一連の参照６０１が提供されている。
【0109】
最初に図６Ａを参照すると、流動場プレート６００は、プラスチックまたは他のポリマーなどの、図３～４Ｂのプレート３０４と同様の材料で形成されてよい。流動場プレート６００は、正極６０４（流動場プレート６００から間隔を空けられて示されている）と界面するように構成された面６０２を含んでよく、正極６０４は、負極６０６とさらに面共有接触する。流動場プレート６００の面６０２は中央領域６０８を含み、中央領域６０８内に、複数の電解質チャネルまたは通路を備えている流動場６１０が形成されてよい。例として、流動場プレート６００の製造中に、流動場が流動場プレート６００の中央領域６０８内に成形されるか、または機械加工される。
【0110】
代替として、図６Ｂに示されているように、流動場プレート６５０は、流動場プレート６５０の中央領域６５６に位置付けられ得るインサート６５２（図６Ｂでは、流動場プレート６５０から間隔を空けられて示されている）と適応されてよい。中央領域６５６は、インサート６５２を受け取ってインサート６５２に結合するように構成された、面６５８内の領域であってよい。そのような例では、流動場は、代わりに、正極の方を向いているインサート６５２の表面内に成形されるか、または機械加工されてよく、インサート６５２は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリカーボネートなどの、化学的かつ物理的に適合するポリマーで形成されてよい。インサート６５２は、流動場プレート６５０が電極アセンブリ内で組み立てられるときに、接着剤、溶接などによって、または圧縮によって、中央領域６５６に結合されてよい。流動場を含む既存のプレートを改造することが望ましい例では、インサート６５２は、直接統合された流動場を含んでいる図６Ａの流動場プレート６００に類似する流体流および圧力制御を実現するために使用されてよい。
【0111】
一部の例では、流動場プレート（例えば、図６Ａの流動場プレート６００または図６Ｂの流動場プレート６５０）の流動場は、図５Ａ～５Ｅに示された構成のいずれかに類似する構成を有してよい。代替として、別の例では、部分的に互いにかみ合った流動場は、先細の通路の入り口および出口で圧力を制御するように成形された先細のチャネルまたは通路に加えて、流動場からの気体（例えば、Ｈ２）の漏れを活発にするための部分的チャネルを含む流動場プレート内に統合されてよい。そのため、流動場プレートは、電極アセンブリの正極に結合され、正極と界面してよい。流動場プレートの表面内または流動場プレートのインサートの面内に直接統合され得る部分的に互いにかみ合った通路を含む正の互いにかみ合った流動場（ＰＩＤＦＦ：ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｆｌｏｗ ｆｉｅｌｄ）７００の例が、図７Ａに示されている。流動場の入り口領域の詳細な図が、図７Ｂに示されている。
【0112】
ＰＩＤＦＦ７００は、ｚ軸と平行にＰＩＤＦＦ７００を横切って直線的に伸びる複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２を含む。入り口チャネル７０４を通って流れる流体（例えば、正電解質、Ｈ２気体）は、矢印７０８によって示されているように、入り口チャネル７０４を複数の互いにかみ合った通路７０２の入り口７１０に流体結合する分配マニホールド７０６内に対流されてよい。流体は、矢印７１４によって示されているように、複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２の入り口７１０から出口７１２に流れ、出口チャネル７１６内に放出されてよい。さらに、流体は、正のｙ軸に沿って正極内に流れることに加えて、負のｙ軸に沿って流れて、複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２に戻り、出口７１２を通って流動場から出てもよい。
【0113】
複数の互いにかみ合った通路７０２は、ｘ軸に沿って交互パターンで配置された２つの通路形状、例えば、通路の第１のセットおよび通路の第２のセットを含む。通路の第１のセットの第１の通路７０２ａは、先細である第１の入り口７１０ａおよび直線状である第１の出口７１２ａを含んでよく、一方、通路の第２のセットの第２の通路７０２ｂは、直線状である第２の入り口７１０ｂおよび先細である第２の出口７１２ｂを含んでよい。第１の入り口７１０ａの形状が、第２の出口７１２ｂの形状に類似してよいが、向きが反転されており、一方、第２の入り口７１０ｂの形状が、第１の出口７１２ｂの形状に類似してよいということが、理解されるであろう。複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２の入り口７１０が、図７Ｂにさらに詳細に示されている。
【0114】
ＰＩＤＦＦ７００の領域７５０の拡大図が図７Ｂに示されており、入り口７１０のうちの第１の入り口７１０ａおよび第２の入り口７１０ｂの詳細を示している。第１の入り口７１０ａの各々は、第１の入り口７１０ａの首での直径７５４より広い、第１の入り口７１０ａの口での直径７５２を有する、じょうご形の形状を有しており、第１の入り口７１０ａの首は、第１の通路７０２ａとの第１の入り口７１０ａの各々の結合領域である。言い換えると、１つの第１の入り口７１０ａの直径は、第１の入り口７１０ａへの入り口で最も広くてよい。それに応じて、（図７Ａに示されているように）第２の出口７１２ｂの各々の直径は、第２の出口７１２ｂの各々の入り口（例えば、首）で最も狭くてよく、第２の出口７１２ｂの出口（例えば、口）に向かって広くなってよい。第１の通路７０２ａの直径は、第１の入り口７１０ａと第１の出口７１２ａの間で均一であってよく、同様に、第２の通路７０２ｂの直径は、第２の入り口７１０ｂと第２の出口７１２ｂの間で均一であってよい。例として、入り口および出口の口での直径７５２は、１．５ｍｍ～５ｍｍであってよく、入り口および出口の首での直径７５４は、じょうご形の形状の角度に応じて変化してよい。例えば、第１の入り口７１０ａおよび第２の出口７１２ｂの各側面の角度αは、ｚ軸と相対的に５～２０度の角度を形成してよい。
【0115】
第１の入り口７１０ａを使用して第１の通路７０２ａを構成することによって、第１の入り口７１０ａで第１の通路７０２ａに入る流体の浸潤圧は、例えば、先細でない入り口と相対的に減らされ得る。図７Ａに示されているように、第２の通路７０２ｂの第２の出口７１２ｂは、第２の通路７０２ｂから離れる流体の出口圧力を同様に減らすことができる。先細の入り口および出口は、共に、流動場プレートを通る電解質の低い圧力降下を維持することができる。電解質の圧力降下を減らすことによって、流動場プレートを組み込んでいる電極アセンブリの負極でのＨ２チャネルのあふれを軽減することができる。
【0116】
第２の入り口７１０ｂ（および第１の出口７１２ａ）は、正電解質が部分的チャネル７５６を通って流れるときに正電解質から気体（例えば、Ｈ２）を取り除く、部分的チャネル７５６で形成される。例えば、正極は、部分的チャネル７５６と第２の通路７０２ｂの間の界面７５８に位置付けられてよい。言い換えると、（フェルトで形成され得る）正極が、ＰＩＤＦＦ７００の複数の互いにかみ合った通路７０２の上に直接位置付けられてよい。正極が流体で飽和した場合、正極内に浸透する流体内の気体の圧力が増加することがある（例えば、ブレイクスルー圧力）。部分的チャネル７５６が第２の入り口７１０ｂおよび第１の出口７１２ａの両方に存在しないと、ブレイクスルー圧力に達するのに十分なほど圧力が上昇するまで、気体が複数の互いにかみ合った通路７０２内に閉じ込められることがある。そのような場合、閉じ込められた気体が、電極アセンブリの正側で不十分な流動分布および圧力の蓄積を引き起こすことがある。圧力の蓄積は、ブレイクスルー圧力に打ち勝つ（例えば、ブレイクスルー圧力に達する、および／またはブレイクスルー圧力を超える）ために、電極アセンブリの負側でのあふれにつながることがある。
【0117】
複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２の入り口７１０および出口７１２に部分的チャネル７５６を組み込むことによって、残りの流体が正極内に流れることを強制されながら、気体が流動場から出るために、制限の少ない経路が設けられる。特定の流量で気体に要求される浸潤圧より高い、液体に要求される浸潤圧の結果として、複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２と相対的に、部分的チャネル７５６の縮小された直径は、部分的チャネル７５６を通る残りの流体の流れを抑制する。したがって、残りの流体が正極内に強制的に対流されて、流動場プレートにわたる圧力降下を回避しながら、気体が、部分的チャネル７５６を通って漏れることができる。
【0118】
複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２の出口７１２で、第１の通路７０２ａの第１の出口７１２ａは、第１の通路７０２ａおよび正極と部分的チャネル７５６の間の界面７５８を含んでよい。第２の通路７０２ｂの第２の出口７１２ｂは、第１の入り口７１０ａと同様のじょうご形を有してよい。そのため、前述したように、気体が部分的チャネル７５６を通って漏れながら、第１の通路７０２ａから外への正電解質の流れが、正極内に強制的に対流されてよい。第２の通路７０２ｂの第２の出口７１２ｂで、第２の出口７１２ｂの直径が広くなっていることによって、第２の通路７０２ｂから外への正電解質の流れを増やすことができ、表面張力効果から生じる背圧を軽減することができる。このようにして、第１の通路７０２ａおよび第２の通路７０２ｂの構成の組み合わせは、複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２を通って正極に入る正電解質の流れを駆動することができ、この流れが、流動場プレートにわたる小さい圧力降下を維持する。その結果、電極アセンブリの負極の負チャネルのあふれが回避され得る。さらに、正電解質が複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２に入るときに、正電解質に存在する気体の少なくとも一部が、正電解質から除去され得る。
【0119】
複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２の寸法は、前述の効果を最大化するようにサイズ設定されてよい。例えば、図７Ｂに示されているように、複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２は、２～１０ｍｍの（例えば、ｙ軸に沿った）チャネルの深さを有してよい。複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２のチャネルの壁７６０の厚さ７６２は、０．５ｍｍ～４ｍｍであってよい。部分的チャネル７５６は、０．５ｍｍ～２ｍｍの直径７６４を有してよく、複数の部分的に互いにかみ合った通路７０２の各々は、１．５ｍｍ～５ｍｍの直径７６６を有してよい。部分的チャネル７５６の（ｚ軸に沿って定義されるような）長さ７６８は、３ｍｍ～２０ｍｍであってよく、第１の入り口７１０ａおよび第２の出口７１２ｂの長さ７７０は、３ｍｍ～１５ｍｍであってよい。
【0120】
ここで図８を参照すると、（例えば、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを通って流れる電流が外部負荷を通って導かれない）内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでいるリバランス・セルを操作するための方法８００のフロー・チャートが示されている。詳細には、リバランス・セルは、過剰なＨ２気体を減らし、レドックス・フロー・バッテリ・システム内の電解質における電荷不均衡をリバランスするために、レドックス・フロー・バッテリ・システム内で実装されてよい。実施形態例では、レドックス・フロー・バッテリ・システムは、図１のレドックス・フロー・バッテリ・システム１０であってよく、リバランス・セルは、図２Ａおよび２Ｂのリバランス・セル２０２であってよい。したがって、方法８００は、単独で、または図３～７Ｂの実施形態および検討と組み合わせて、図１～２Ｂの実施形態を参照して検討されてよい（しかし、本開示の範囲から逸脱することなく、類似する方法が他のシステムに適用されてよいということが、理解され得る）。例えば、方法８００では、（例えば、リバランス・セルでの分配のためにＨ２気体および電解質を受け取ることを含んでいる）少なくとも一部のステップまたはステップの部分が、図１のコントローラ８８によって実行されよく、実行可能な命令として、コントローラ８８に通信可能に結合された非一過性ストレージ媒体（またはメモリ）に格納されてよい。図８を参照して説明されるさらなるコンポーネントは、図１～７Ｂの対応するコンポーネントの例であってよい。
【0121】
８０２で、方法８００は、リバランス・セルで、その各入り口ポートを介してＨ２気体および電解質を受け取ることを含む。電解質は、第１の入り口ポートを介してリバランス・セルで受け取られてよく、Ｈ２気体は、第２の入り口ポートを介してリバランス・セルで受け取られてよい。１つの例では、第１の入り口ポートは、重力の方向に関して第２の入り口ポートの上に位置付けられている。
【0122】
８０４で、方法８００は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ね全体にＨ２気体および電解質を分配することを含む。詳細には、電解質は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの電極アセンブリにそれぞれ結合された複数の第１の入り口チャネルを含んでいる入り口マニホールドを介して分配されてよく、Ｈ２気体は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねによって形成され、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリに流体結合された、第２の入り口チャネルを介して分配されてよい。一部の例では、入り口マニホールドを介する分配の後に、電解質は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの正極とそれぞれ界面する第１の流動場プレートを通って分配されてよい。他の例では、入り口マニホールドを介する分配の後に、電解質は、正極とそれぞれ界面する活性炭発泡体を通って分配されてよい。一部の例では、第２の入り口チャネルを介する分配の後に、Ｈ２気体は、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極とそれぞれ界面する第２の流動場プレートを通って分配されてよい。
【0123】
８０６で、方法８００は、Ｈ２気体および電解質の流れ（例えば、交差するような流れ、平行な流れ、または反対方向の流れ）を誘導し、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極および正極で電解質リバランス反応を実行することを含む。負極および正極は、負極および正極の界面する対で、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの間で分散されてよい。前述したように、負極および正極の界面する対の各正極は、各活性炭発泡体または各流動場プレートとさらに界面してよい。１つの例では、負極は、Ｐｔ触媒がコーティングされた導電性炭素基板であってよく、正極は炭素フェルトであってよい。一部の実施例では、Ｈ２気体および電解質の流れを誘導することは、（ｉ）８０８で、対流（例えば、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極と界面する第２の流動場プレートによる強制対流）によって、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極を横切るＨ２気体の流れを誘導することと、（ｉｉ）８１０で、（例えば、重力の方向と相対的にリバランス・セルを傾けることによる）重力供給、（例えば、電解質を毛細管作用で上へ内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの正極内に運ぶ）毛細管作用、および対流（例えば、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの正極と界面する第１の流動場プレートによる強制対流）のうちの１つまたは複数によって、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの正極を横切る電解質の流れを誘導することとを含んでよい。１つの例では、Ｈ２気体の流れは、対流によって負極を横切って誘導されてよく、電解質の流れは、重力供給および毛細管作用の各々によって正極を横切って誘導されてよい。Ｈ２気体および電解質を、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極および正極を横切って流すときに、８１２でＨ２気体を電解質内の正電荷を持つイオンと反応させて、正電荷を持つイオンを還元すること（方程式（４）を参照）を含む、電解質リバランス反応が実行されてよい。
【0124】
８１４で、方法８００は、（還元された正電荷を持つイオン、例えば、８０２で第１の入り口ポートにおいて受け取られたときよりも低い濃度のＦｅ３＋を含んでいる）電解質および未反応のＨ２気体を、リバランス・セルから、その出口ポートを介して放出することを含む。詳細には、８１６で、電解質が、第１の出口ポートを介してリバランス・セルから放出されてよく、一部の例では、８１８で、未反応のＨ２気体が、第２の出口ポートを介してリバランス・セルから放出されてよい。しかし、他の例では、リバランス・セルは、Ｈ２気体を流すための行き止まり構成を含んでよく、第２の出口ポートが含まれなくてよい。いずれの場合も、少なくとも一部の未反応のＨ２気体が、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極を通って電解質内に流れてよい。したがって、未反応のＨ２気体をリバランス・セルから放出することは、８２０で、（例えば、圧力が電解質内で増大し、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極をあふれさせるのを防ぐために）圧力解放出口ポートを介して電解質内の未反応のＨ２気体を放出することを含んでよい。
【0125】
このようにして、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねを含んでいるリバランス・セルが、レドックス・フロー・バッテリに提供される。詳細には、レドックス・フロー・バッテリからのＨ２気体および電荷不均衡な電解質の流れがリバランス・セルに提供され、内部で短絡した電極アセンブリの積み重ねの負極および正極を横切って誘導されてよい。一部の例では、正極は、それを通って電解質を流すために、統合されたチャネルまたは通路を使用して構成された流動場プレートと面共有接触してよい。電解質チャネルは、流動場プレートの面内、または流動場プレートに結合され得るインサート内に直接埋め込まれてよい。電解質チャネルの形状は、正電解質からの気体の除去および圧力降下の減少を促進することができ、これらの気体および圧力降下は、流動場プレートにわたって、酸化問題から生じることがある。さらに、分離した多孔性の炭素発泡体に頼るのではなく、電解質チャネルを流動場プレートに統合することによって、リバランス・セルの製造のコストおよび組み立て時間を減らすことができ、電極アセンブリが劣化に対してより堅牢になることができ、リバランス・セルのより一貫性のある性能を可能にすることができる。
【0126】
図２Ａ～４Ｂおよび６Ａ～６Ｂは、さまざまなコンポーネントの相対的位置付けを含む例示的な構成を示している。互いに直接接触して、または直接結合されて示されている場合、そのような要素は、少なくとも１つの例では、それぞれ直接接触しているか、または直接結合されていると見なされてよい。同様に、互いに近接または隣接して示されている要素は、少なくとも１つの例では、それぞれ互いに近接または隣接してよい。例として、互いに面共有接触しているコンポーネントは、面共有接触していると見なされてよい。別の例として、間に空間のみを含み、他のコンポーネントを含まずに互いに離れて位置付けられた要素は、少なくとも１つの例では、そのように見なされてよい。さらに別の例として、互いに上／下、互いに反対側、または互いに左／右に示された要素は、互いに相対的に、そのように見なされてよい。さらに、図に示されているように、少なくとも１つの例では、最上部の要素または要素の点は、コンポーネントの「上部」と見なされてよく、最下部の要素または要素の点は、コンポーネントの「下部」と見なされてよい。本明細書において使用されるとき、上部／下部、上側／下側、上／下は、図の垂直軸と相対的であり、互いに相対的に図の要素の位置付けを表すために使用されてよい。そのため、他の要素の上に示された要素は、１つの例では、他の要素の上の垂直方向に位置付けられる。さらに別の例として、図内に示された要素の形状は、そのような形状を有している（例えば、円形である、直線である、平面である、曲線である、丸みを帯びている、面取りされている、角度がついている、など）と見なされてよい。さらに、互いに交差して示された要素は、少なくとも１つの例では、交差している要素、または互いに交差していると見なされてよい。さらに、別の要素の内部に示されたか、または別の要素の外部に示された要素は、１つの例では、そのように見なされてよい。図２Ａ～４Ｂおよび６Ａ～６Ｂは、近似的に一定の縮尺で描かれているが、他の寸法または相対的寸法が使用されてよい。
【0127】
本開示は、レドックス・フロー・バッテリのリバランス・セルのサポートも提供し、リバランス・セルは、セル筐体と、セル筐体に囲まれた電極アセンブリの積み重ねとを備え、電極アセンブリの積み重ねの各電極アセンブリは、流動場プレートと界面する正極を含み、正極と界面する流動場プレートの面は、先細の入り口および／または先細の出口を含んでいる複数の通路、ならびにそれを通って流れる電解質から気体を除去するように構成された部分的チャネルを含む。システムの第１の例では、複数の通路が、流動場プレートの面内に直接形成される。任意選択的に第１の例を含んでいるシステムの第２の例では、複数の通路が、流動場プレートの面に結合されるように構成されたインサート内に形成される。任意選択的に第１および第２の例のうちの１つまたは両方を含んでいるシステムの第３の例では、複数の通路が、部分的に互いにかみ合った構成で配置される。任意選択的に第１～第３の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第４の例では、複数の通路が、先細の入り口および部分的チャネルを含む出口を含んでいる通路の第１のセットと、部分的チャネルを含む入り口および先細の出口を含んでいる通路の第２のセットとを含む。任意選択的に第１～第４の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第５の例では、通路の第１のセットおよび通路の第２のセットが、流動場プレートにわたって交互パターンで配置される。任意選択的に第１～第５の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第６の例では、気体が流動場プレートから出るが、電解質が流動場プレートから出ないことを可能にするために、部分的チャネルが狭くなった直径を有し、電解質が正極内に強制的に対流される。任意選択的に第１～第６の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第７の例では、電解質が、正極が位置付けられた正極区画から循環される正電解質である。任意選択的に第１～第７の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第８の例では、各電極アセンブリが、正極と界面する負極をさらに含み、各電極アセンブリが内部で短絡する。任意選択的に第１～第８の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第９の例では、システムが、Ｈ２気体をセル筐体内に流すための気体水素入り口、電解質をセル筐体内に流すための電解質入り口ポート、および電解質をセル筐体から放出するための電解質出口ポートをさらに備える。任意選択的に第１～第９の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第１０の例では、システムが、傾斜支持体が乗っている表面に対してセル筐体を傾けるために、セル筐体に結合された傾斜支持体をさらに備える。
【0128】
本開示は、レドックス・フロー・バッテリ・システムのサポートも提供し、レドックス・フロー・バッテリ・システムが、レドックス電極およびめっき電極をそれぞれ収容している正極区画および負極区画と、正極区画に送り込むための正電解質および負極区画に送り込むための負電解質をそれぞれ含んでいる正電解質室および負電解質室であって、共通の気体ヘッド・スペースをさらに含む、正電解質室および負電解質室と、正電解質の電解質リバランスのためのリバランス・セルとを備え、リバランス・セルが正極区画および共通の気体ヘッド・スペースに流体結合されており、正電解質の電解質リバランスは、第１のリバランス・セルの正極および負極の界面する対の内部の短絡によって、ならびに正電解質が、正極と界面する流動場プレートの統合されたチャネルを通って方向付けられることによって、駆動される。システムの第１の例では、統合されたチャネルが、流動場プレートの正の流動場から気体を除去するための部分的チャネルを含む。任意選択的に第１の例を含んでいるシステムの第２の例では、正電解質の対流を正極内に強制するために、統合されたチャネルが、部分的に互いにかみ合った構成で配置される。任意選択的に第１および第２の例のうちの１つまたは両方を含んでいるシステムの第３の例では、統合されたチャネルが先細の入り口および先細の出口を含み、先細の入り口の直径が、先細の入り口への入り口で最も広く、先細の出口の直径が、先細の出口への入り口で最も狭い。任意選択的に第１～第３の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第４の例では、統合されたチャネルが、正極と界面する流動場プレートの表面内に機械加工されるか、または成形され、流動場プレートがポリマーで形成される。任意選択的に第１～第４の例のうちの１つまたは複数あるいは各々を含んでいるシステムの第５の例では、統合されたチャネルが、ポリマーで形成されたインサート内に機械加工されるか、または成形され、インサートが、正極と界面する流動場プレートの表面に結合される。
【0129】
本開示は、電極アセンブリが、正極および負極の内部で短絡した界面する対と、負極の反対側の正極の表面と面共有接触する流動場プレートとを備えている、リバランス・セルの電極アセンブリのサポートも提供し、正極の方を向いている流動場プレートの面が、流動場プレートの複数の部分的に互いにかみ合った電解質チャネルを通って流れる正電解質から気体を除去するために先細の入り口および出口ならびに収縮を含んでいる複数の部分的に互いにかみ合った電解質チャネルを含む。システムの第１の例では、収縮が、気体が流動場プレートから出るための流路を提供することによって気体を除去するように構成される。任意選択的に第１の例を含んでいるシステムの第２の例では、正電解質から除去された気体が、リバランス・セルの気体出口ポートを介してリバランス・セルから放出される。
【0130】
以下の特許請求の範囲は、新しい、自明でないと見なされる特定の組み合わせおよび部分的組み合わせを特に指摘する。これらの特許請求の範囲は、「１つの」要素、または「第１の」要素、あるいはこれらと同等のものを参照することがある。そのような特許請求の範囲は、２つ以上のそのような要素を必要とすることも、除外することもなく、１つまたは複数のそのような要素の組み込みを含むように理解されるべきである。本特許請求の範囲の補正を通じて、または本出願もしくは関連する出願における新しい特許請求の範囲の提示を通じて、開示された特徴、機能、要素、および／または特性の他の組み合わせおよび部分的組み合わせが主張されてよい。そのような特許請求の範囲は、元の特許請求の範囲に対して広いか、狭いか、等しいか、または異なっているかにかかわらず、やはり本開示の主題に含まれていると見なされる。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【外国語明細書】