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特開2024-84739レレドックスフロー電池システム内でリバランシングセルを動作させる方法、及びレドックスフロー電池システム
(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】P2024084739
(43)【公開日】2024-06-25
(54)【発明の名称】レレドックスフロー電池システム内でリバランシングセルを動作させる方法、及びレドックスフロー電池システム
(51)【国際特許分類】
H01M 8/18 20060101AFI20240618BHJP
H01M 8/04746 20160101ALI20240618BHJP
H01M 8/04537 20160101ALI20240618BHJP
H01M 8/04276 20160101ALI20240618BHJP
H01M 8/04186 20160101ALI20240618BHJP
H01M 8/02 20160101ALI20240618BHJP
【ＦＩ】
H01M8/18
H01M8/04746
H01M8/04537
H01M8/04276
H01M8/04186
H01M8/02
【審査請求】未請求
【請求項の数】15
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023210180
(22)【出願日】2023-12-13
(31)【優先権主張番号】18/065,576
(32)【優先日】2022-12-13
(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】キシック シーン
(72)【発明者】
【氏名】ソン ヤン
(72)【発明者】
【氏名】マクドナルド ジェー ティモシー
【テーマコード（参考）】
5H126
5H127
【Ｆターム（参考）】
5H126AA03
5H126BB10
5H126GG02
5H127AA10
5H127AC05
5H127AC07
5H127BA28
5H127BA57
5H127BA59
5H127BB13
5H127BB37
5H127BB38
5H127BB39
5H127DB52
5H127DC12
(57)【要約】 （修正有）
【課題】過剰な反応物流量を低減させながら、リバランシングセルのフラッディングを低減させ、それによって運用コストを低下させる、レドックスフロー電池システム内でリバランシングセルを動作させる方法及びシステムを提供する。
【解決手段】一実施例では、レドックスフロー電池システムにおけるリバランシングセルを動作させる方法は、レドックスフロー電池システム内のレドックスフロー電池の充電状態（ＳＯＣ）を測定することと、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣから電解質濃度を計算することと、リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することと、を含む。一実施例では、リバランシングを維持することは、電解質濃度における変化に応答して、リバランシングセルへの電解質流量を調整し、リバランシングセルへの水素流量を調整することを含む。
【選択図】なし
【解決手段】一実施例では、レドックスフロー電池システムにおけるリバランシングセルを動作させる方法は、レドックスフロー電池システム内のレドックスフロー電池の充電状態（ＳＯＣ）を測定することと、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣから電解質濃度を計算することと、リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することと、を含む。一実施例では、リバランシングを維持することは、電解質濃度における変化に応答して、リバランシングセルへの電解質流量を調整し、リバランシングセルへの水素流量を調整することを含む。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レドックスフロー電池システム内でリバランシングセルを動作させる方法であって、
前記レドックスフロー電池システム内のレドックスフロー電池の充電状態（ＳＯＣ）を測定することと、
前記レドックスフロー電池の前記測定されたＳＯＣから電解質濃度を計算することと、
前記リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することであって、
前記電解質濃度における変化に応答して、
前記リバランシングセルへの電解質流量を調整することと、
前記リバランシングセルへの水素流量を調整することと、を含む、維持することと、を含む、方法。
前記レドックスフロー電池システム内のレドックスフロー電池の充電状態（ＳＯＣ）を測定することと、
前記レドックスフロー電池の前記測定されたＳＯＣから電解質濃度を計算することと、
前記リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することであって、
前記電解質濃度における変化に応答して、
前記リバランシングセルへの電解質流量を調整することと、
前記リバランシングセルへの水素流量を調整することと、を含む、維持することと、を含む、方法。
【請求項2】
前記電解質濃度における前記変化に応答して、前記電解質流量を調整することが、前記電解質濃度が閾値電解質濃度を上回る場合を含む第３の状態の間の前記電解質濃度における増加に応答して、前記電解質流量を低減させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記電解質濃度における前記変化に応答して、前記水素流量を調整することが、前記電解質濃度が前記閾値電解質濃度未満の場合を含む第１の状態の間の前記電解質濃度における前記増加に応答して、前記水素流量を増加させることを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記電解質濃度における前記変化に応答して、前記電解質流量を調整することが、前記第１の状態の間に、前記電解質流量を上側閾値電解質流量に設定することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
前記電解質濃度における前記変化に応答して、前記水素流量を調整することが、前記第３の状態の間に、前記水素流量を上側閾値水素流量に設定することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項6】
前記リバランシングセルにおいて前記リバランシング反応速度を維持することが、前記電解質流量を上側閾値電解質流量未満に維持することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記リバランシングセルにおいて前記リバランシング反応速度を維持することが、前記水素流量を、下側閾値水素流量を超えて維持することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記電解質濃度における前記変化に応答して、前記電解質流量を調整することが、前記電解質濃度が前記閾値電解質濃度にある場合を含む第２の状態の間に、前記電解質流量を上側閾値電解質流量に設定することを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項9】
前記電解質濃度における前記変化に応答して、前記水素流量を調整することが、前記第２の状態の間に、前記水素流量を上側閾値水素流量に設定することを含む、請求項８に記載の方法。
【請求項10】
前記リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することが、前記リバランシングセルへの電解質の質量流量に対する前記リバランシングセルへの水素ガスの質量流量の比を、閾値質量流量比を超えて維持することを含み、前記リバランシングセルへの前記電解質の前記質量流量に対する前記リバランシングセルへの前記水素ガスの前記質量流量の前記比を、前記閾値質量流量比を超えて維持することが、前記リバランシングセルにおいて前記電解質に対する水素ガスの化学量論的過剰を維持することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
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と、
前記レドックスフロー電池に流体的に結合されたリバランシングセルと、
前記レドックスフロー電池と前記リバランシングセルとの間に流体的に結合された電解質フロー制御デバイスと、
前記レドックスフロー電池と前記リバランシングセルとの間に流体的に結合された水素フロー制御デバイスと、
コントローラであって、電解質の濃度における変化に応答して、
前記リバランシングセルに供給される前記電解質の流量を調整するために、前記電解質フロー制御デバイスを調節することと、
前記リバランシングセルに供給される水素の流量を調整するために、前記水素フロー制御デバイスを調節することと、を含む、前記リバランシングセルにおいて電解質リバランシング反応速度を維持することを行うための、前記コントローラの非一時的メモリ内に格納された実行可能な命令を含む、コントローラと、を備える、レドックスフロー電池システム。
レドックスフロー電池と、
前記レドックスフロー電池に流体的に結合されたリバランシングセルと、
前記レドックスフロー電池と前記リバランシングセルとの間に流体的に結合された電解質フロー制御デバイスと、
前記レドックスフロー電池と前記リバランシングセルとの間に流体的に結合された水素フロー制御デバイスと、
コントローラであって、電解質の濃度における変化に応答して、
前記リバランシングセルに供給される前記電解質の流量を調整するために、前記電解質フロー制御デバイスを調節することと、
前記リバランシングセルに供給される水素の流量を調整するために、前記水素フロー制御デバイスを調節することと、を含む、前記リバランシングセルにおいて電解質リバランシング反応速度を維持することを行うための、前記コントローラの非一時的メモリ内に格納された実行可能な命令を含む、コントローラと、を備える、レドックスフロー電池システム。
【請求項12】
前記レドックスフロー電池が、全鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）を含み、前記電解質が、第二鉄イオンを含む、請求項１１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項13】
前記リバランシングセルが、電極アセンブリの積層体を含み、前記電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、正電極と負電極の接合対を含み、前記電解質リバランシング反応速度が、前記リバランシングセルの前記正電極と前記負電極の接合対の内部電気短絡を介して駆動され、前記電解質及び前記水素が、電解質リバランシングセルを通って対流される、請求項１１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項14】
前記電解質フロー制御デバイスが、ポンプ及びフロー制御バルブのうちの１つを含む、請求項１１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項15】
前記水素フロー制御デバイスが、ベンチュリ噴射器及びブロワのうちの１つに結合された速度調節デバイスを含む、請求項１１に記載のレドックスフロー電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本明細書は、概して、レドックスフロー電池で使用するためのリバランシングセルのためのシステム、及びかかるリバランシングセルシステムを動作させるための方法に関する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0002】
レドックスフロー電池は、電力と容量とを独立してスケーリングする能力があるため、グリッドスケールの蓄電アプリケーションに適しており、かつ、従来の電池技術と比較して、性能損失が少なくて数千サイクルにわたる充電及び放電に適している。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に存在する材料を組み込むため、特に魅力的である。一般に、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、したがって、単純で、地球に豊富に存在し、安価な材料を含み、過酷な化学物質の組み込みを排除し、その環境フットプリントを低減する。
【0003】
ＩＦＢは、レドックス反応が生じる正（レドックス）電極、及び電解質中の第一鉄（Ｆｅ２＋）が還元され、めっきされ得る負（めっき）電極を含み得る。ＩＦＢは、電解質の健全性及び電池容量を維持するために、複数のリバランシングセルを更に含み得る。一実施例では、電解質リバランシングは、リバランシングセルにおいて水素ガスで電解質を還元することによって生じる。具体的には、リバランシングセルの負側で供給される水素ガスは、リバランシングセルの正側で供給される液体電解質と接触する。リバランシングセルの負側での電解質フラッディングは、負側での水素ガス圧力が不十分な場合に生じる可能性がある。一実施例では、リバランシングセルにおける電解質リバランシング反応速度がより高く、リバランシングセルの負側に供給される水素が化学量論的量の水素未満である場合、水素ガス圧力が不十分であり得る。電解質フラッディングを軽減するために、リバランシングセルのサイズ又は体積を低減させて、より高い水素ガス圧力を維持することに役立てることができる。更に、電解質フラッディングを低減するために、リバランシングセルは、レドックスフロー電池システムの動作状態から独立して、リバランシングセルを動作させている間に、一定の過剰量の水素ガスをリバランシングセルに供給すること、及び／又は一定の電解質フローを維持することによって動作され得る。
【0004】
本発明者らは、上記のリバランシングセル動作のいくつかの欠点を認識している。特に、より小さいリバランシングセルは、とりわけ、リバランシングセルにおける水素ガスが過剰である可能性がある場合、低いレドックスフロー電池の充電状態の状態などの状態の間、より低いリバランシング反応速度を呈する。同様に、リバランシングセルを動作させながらリバランシングセルにおいて一定の電解質フローを維持するには、電解質の化学量論的量よりも低い電解質フローを維持する必要があり、これはリバランシングセルにおけるリバランシング反応速度を低下させ、それによってリバランシングセルの性能を低減させる。更に、リバランシングセルを動作させながらリバランシングセルに一定の過剰量の水素ガスを供給することは、運用コストを増加させる。更に、リバランシングセル内の過剰な水素ガスの存在は、寄生副反応の速度を増加させ、レドックスフロー電池システムの性能を低減させることにつながる。なお更に、リバランシングセルの電解質フラッディングを許可することは、レドックスフロー電池システムの性能を低減させ、リバランシングセルの耐用年数を短縮させる可能性がある。
【課題を解決するための手段】
【0005】
一実施例では、上で説明された問題は、リバランシングセルシステムを動作させる方法によって少なくとも部分的に対処され得る。方法は、一実施例では、レドックスフロー電池システム内のレドックスフロー電池の充電状態（ＳＯＣ）を測定することと、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣから電解質濃度を計算することと、リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することと、を含む。かかる例では、リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することは、電解質濃度における変化に応答して、リバランシングセルへの電解質流量を調整することと、リバランシングセルへの水素流量を調整することと、を含む。一実施例では、リバランシングセルへの電解質流量を調整することは、電解質濃度が閾値電解質濃度を上回る場合、電解質濃度における増加に応答して、電解質流量を低減させることを含み得る。別の実施例では、水素流量を調整することは、電解質濃度が閾値電解質濃度を下回る場合、電解質濃度における増加に応答して、水素流量を増加させることを含み得る。このようにして、過剰な反応物流量を低減させながら、リバランシングセルのフラッディングを低減させることができ、それによって、運用コストを低下させることができる。更に、寄生副反応から生じる電力損失が減少し、それによって、全体的なレドックスフロー電池システム効率が増加する。
【0006】
上記の概要は、詳細な説明で更に説明される概念の抜粋を簡略化された形で導入するために提供されていることを理解されたい。これは、特許請求される主題の重要な又は本質的な特徴を特定することを意図せず、その範囲は、詳細な説明に続く特許請求の範囲によって一意に定義される。更に、特許請求される主題は、上記又は本開示のいずれかの部分に記述されるいずれかの不利点を解決する実装に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0007】
【図1】レドックス及びそれぞれのリバランシングセルと流体的に結合されためっき電極を有する電池セルを含む、例示的なレドックスフロー電池システムの概略図を示す。
【図11A】ｐＨ対負電極めっき効率の例示的なプロットを示す。
【図11B】レドックスフロー電池充電状態対開回路電圧の例示的なプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【0008】
以下の説明は、直列のフロー配置にあるリバランシングセルを通して水素を分配するためのシステム及び方法に関する。リバランシングセルは、レドックスフロー電池の電解質の健全性及び容量を維持する。この機能を実施するために、リバランシングセルは、所望の反応速度をサポートするためにユニットへの十分な水素フローを必要とする。直列のフロー配置を使用すると、セルを通る水素流量が増加し、平行なフロー配置と比較してよりバランスのとれた水素分配を達成する。
【0009】
レドックスフロー電池は、別個の正及び負電解質チャンバを有する統合されたマルチチャンバタンクを用いて図１に概略的に描写される。いくつかの実施例では、レドックスフロー電池は、全鉄フロー電池（ＩＦＢ）の正（レドックス）電極及び負（めっき）電極の両方で鉄レドックス化学を利用するＩＦＢであり得る。電解質チャンバは、１つ以上の電池セルに結合され得、各セルは正及び負電極を含む。そこから、電解質は、正及び負電極をそれぞれ収容する正及び負電極コンパートメントを通ってポンプされ得る。
【0010】
いくつかの実施例では、レドックスフロー電池は、ハイブリッドレドックスフロー電池であり得る。ハイブリッドレドックスフロー電池は、電極（例えば、負電極）上の固体層としての１つ以上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じて基板上に固体として電気化学反応を介してめっきし得る化学種を含み得る。電池放電中、めっきされた種は、更なる電気化学反応を介してイオン化し、電解質中に可溶性になり得る。ハイブリッドレドックスフロー電池システムでは、レドックスフロー電池の充電容量（例えば、蓄積される最大エネルギー量）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得、したがって、めっきシステムの効率、並びにめっきに利用可能な体積及び表面積に依存し得る。
【0011】
いくつかの実施例では、レドックスフロー電池における電解不均衡は、プロトン還元及び鉄腐食などの水素（Ｈ２）ガス生成反応を含む、所望のレドックス化学と競合する多数の副反応から生じ得る：
及び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：
式（１）～（３）の反応は、鉄めっきを制限し、それによって全体的な電池容量を減少させ得る。かかる不均衡に対処するために、電解質リバランシングを活用して、単一のレドックス反応を介してＦｅ３＋を還元し、過剰なＨ２ガスを除去し得る：
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランシング） （４）
【数1】
【数2】
【数3】
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランシング） （４）
【0012】
本明細書の実施形態によって説明されるように、相対的に高性能用途のための十分なＦｅ３＋還元速度は、図３の例示的な電極アセンブリなどの内部短絡電極アセンブリの積層体を含む、図２Ａ及び図２Ｂの例示的なリバランシングセルなどのリバランシングセルを介して確実に達成され得る。図４Ａ及び図４Ｂは、リバランシングセル内の第１のＨ２ガスフローパターンを描写し、Ｈ２ガスは、負電極を横切り、水素ガス出口ポートに流動する。図５Ａ及び図５Ｂは、リバランシングセル内の第２のＨ２ガスフローパターンを描写し、ここで、水素ガス出口ポートは閉鎖され、Ｈ２ガスは、正電極を横切り、水素ガスリリーフポートに流動する。図６Ａ及び図６Ｂは、リバランシングセル内の電解質フローの態様を描写し、電解質は、重力供給及び毛細管作用の組み合わせを介して（追加的又は代替的に、負電極を横切るＨ２ガスの対流に類似して、内部短絡電極アセンブリの正電極を横切り分配され得る。図７Ａ及び図７Ｂは、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルとの間の電解質及び水素フロー構成を含む、図１のレドックスフロー電池システムの部分的なフロー構成を描写する。図８Ａ及び図８Ｂは、セル及びレドックスフロー電池システムの動作状態のリバランシングのプロットを描写する。リバランシングセルシステムを動作させる例示的な方法は、図９及び図１０に描写される。レドックスフロー電池充電状態は、レドックスフロー電池めっき効率、シャント電流、及び開回路電圧充電状態に基づいて、判定され得る。めっき効率は、図１１Ａ及び図１１Ｂのプロットによって例解されるように、ｐＨと相関し得、開回路電圧充電状態は、レドックスフロー電池の開回路電圧と相関し得る。
【0013】
図１に示されるように、レドックスフロー電池１１を有するレドックスフロー電池システム１０において、負電極２６は、めっき電極と呼ばれ得、正電極２８は、レドックス電極と呼ばれ得る。レドックスフロー電池セル１８のめっき側（例えば、負電極コンパートメント２０）内の負電解質は、めっき電解質と呼ばれ得、レドックスフロー電池セル１８のレドックス側（例えば、正電極コンパートメント２２）上の正電解質は、レドックス電解質と呼ばれ得る。
【0014】
「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獲得する電極を指す。電池充電中、負電解質は、負電極２６で電子を獲得し、負電極２６は、電気化学反応のカソードである。電池放電中、負電解質は電子を失い、負電極２６は、電気化学反応のアノードである。代替的には、電池放電中、負電解質及び負電極２６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得、一方、正電解質及び正電極２８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得る。電池充電中、負電解質及び負電極２６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得、一方、正電解質及び正電極２８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得る。簡潔にするために、「正」及び「負」という用語は、レドックスフロー電池システムにおける電極、電解質、及び電極コンパートメントを指すために本明細書で使用される。
【0015】
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、電解質は、鉄塩（例えば、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３など）の形態の鉄イオンを含み、負電極２６は、金属鉄を含む。例えば、負電極２６において、第一鉄（Ｆｅ２＋）は、電池充電中に２つの電子を獲得し、鉄金属（Ｆｅ０）として負電極２６上にめっきし、Ｆｅ０は、電池放電中に２つの電子を失い、Ｆｅ２＋として再溶解する。正電極２８において、Ｆｅ２＋は、電池充電中に電子を失って、第二鉄（Ｆｅ３＋）を形成し、Ｆｅ３＋は、電池放電中に電子を獲得して、Ｆｅ２＋を形成する。電気化学反応は、式（５）及び式（６）に要約され、ここで、順方向反応（左から右）は、電池充電中の電気化学反応を示し、一方、逆方向反応（右から左）は、電池放電中の電気化学反応を示す：
【数4】
【数5】
【0016】
上述のように、ＩＦＢで使用される負電解質は、電池充電中に、Ｆｅ２＋が負電極２６から２つの電子を受け入れて、Ｆｅ０を形成し、基板上にめっきし得るように、十分な量のＦｅ２＋を提供し得る。電池放電中、めっきされたＦｅ０は、２つの電子を失い、Ｆｅ２＋にイオン化し、電解質に溶解して戻り得る。上記反応の平衡電位は－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の正側では、電解質は、電子を失い、Ｆｅ３＋に酸化する電池充電中にＦｅ２＋を提供し得る。電池放電中、電解質によって提供されるＦｅ３＋は、正電極２８によって提供される電子を吸収することによってＦｅ２＋になる。この反応の平衡電位は＋０．７７Ｖであり、所望のシステムに正の端子を作成する。
【0017】
ＩＦＢは、非再生電解質を利用する他の電池タイプとは対照的に、その中で電解質を充電及び再充電する能力を提供し得る。充電は、端子４０及び４２を介して電極２６及び２８を横切ってそれぞれ電流を印加することによって達成され得る。負電極２６は、（例えば、正電極コンパートメント２２内の正電解質中でＦｅ２＋が、Ｆｅ３＋に酸化されるように）電子が正電極２８を介して負電解質に送達され得るように、端子４０を介して電圧源の負側に電気的に結合され得る。負電極２６に提供される電子は、負電解質中のＦｅ２＋を還元して、（めっき）基板にＦｅ０を形成し得、Ｆｅ２＋を負電極２６上にめっきさせる。
【0018】
放電は、Ｆｅ０が酸化のために負電解質に利用可能なままである間、及びＦｅ３＋が還元のために正電解質において利用可能なままである間、持続し得る。一例として、Ｆｅ３＋利用可能性は、外部正電解質チャンバ５２などの外部供給源を介して追加のＦｅ３＋イオンを提供するために、レドックスフロー電池セル１８の正電極コンパートメント２２側の正電解質の濃度又は体積を増加させることによって維持され得る。より一般的には、放電中のＦｅ０の利用可能性は、ＩＦＢシステムで問題となり得、放電のために利用可能なＦｅ０は、負電極基板の表面積及び体積、並びにめっき効率に比例し得る。充電容量は、負電極コンパートメント２０内のＦｅ２＋の利用可能性に依存し得る。一例として、Ｆｅ２＋利用可能性は、外部負電解質チャンバ５０などの外部供給源を介して追加のＦｅ２＋イオンを提供して、レドックスフロー電池セル１８の負電極コンパートメント２０側への負電解質の濃度又は体積を増加させることによって維持され得る。
【0019】
ＩＦＢでは、正電解質は、第一鉄、第二鉄、第二鉄錯体、又はそれらの任意の組み合わせを含み得、一方、負電解質は、ＩＦＢシステムの充電状態（ＳＯＣ）に応じて、第一鉄又は第一鉄錯体を含み得る。前述のように、負電解質及び正電解質の両方における鉄イオンの利用は、レドックスフロー電池セル１８の両側で同じ電解質種の利用を可能にし得、これは、電解質交差汚染を低減し得、ＩＦＢシステムの効率を高め得、その結果、他のレドックスフロー電池システムと比較して電解質交換が少なくなる。
【0020】
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、微孔性膜、など）を通る電解質交差から生じ得る。例えば、正電解質中のＦｅ３＋イオンは、Ｆｅ３＋イオン濃度勾配及びセパレータ２４を横切る電気泳動力によって負電解質に向かって駆動され得る。その後、セパレータ２４を貫通し、負電極コンパートメント２０に交差するＦｅ３＋イオンは、クーロン効率損失をもたらし得る。低ｐＨレドックス側（例えば、より酸性の正電極コンパートメント２２）から高ｐＨめっき側（例えば、酸性の低い負電極コンパートメント２０）に交差するＦｅ３＋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、永久的な電池性能及び効率の損失を引き起こす可能性がある。例えば、Ｆｅ（ＯＨ）３沈殿物は、イオン交換膜の有機官能基を化学的に汚すか、又はイオン交換膜の微細孔を物理的に詰まらせる場合がある。いずれの場合も、Ｆｅ（ＯＨ）３沈殿物のために、膜のオーム抵抗が時間の経過とともに上昇し、電池の性能が低下する可能性がある。沈殿物は、ＩＦＢを酸で洗浄することによって除去され得るが、一定のメンテナンス及びダウンタイムは、商業用電池用途にとって不利であり得る。更に、洗浄は、電解質の定期的な調製に依存し得、追加の処理コスト及び複雑さに寄与する。代替的には、電解質のｐＨ変化に応答して正電解質及び負電解質に特定の有機酸を添加することは、全体的なコストを押し上げることなく、電池充電及び放電サイクリング中の沈殿物の形成を軽減し得る。追加的に、Ｆｅ３＋イオン交差を抑制する膜バリアを実装することはまた、汚れを軽減し得る。
【0021】
追加のクーロン効率の損失が、Ｈ＋（例えば、プロトン）の還元及びその後のＨ２ガスの形成、並びに負電極コンパートメント２０内のプロトンと、負電極２６のめっきされた鉄金属に供給される電子との反応によって引き起こされて、Ｈ２ガスを形成し得る。
【0022】
ＩＦＢ電解質（例えば、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＦｅＳＯ４、Ｆｅ２（ＳＯ４）３、など）は、容易に入手可能であり得、低コストで生成され得る。一実施例では、ＩＦＢ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）、及びホウ酸（Ｈ３ＢＯ３）から形成され得る。ＩＦＢ電解質は、負電解質及び正電解質に同じ電解質が使用され得るため、より高い再利用値を提供し得、結果として、他のシステムと比較して交差汚染の問題を低減する。更に、鉄の電子配置のため、鉄は、負電極基板へのめっき中に概して均一な固体構造に固化する可能性がある。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及び他の金属の場合、めっき中に固体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。なお更に、鉄レドックスフロー電池は、有毒な原材料の使用を低減し得、他のレドックスフロー電池電解質と比較して比較的中性のｐＨで動作し得る。したがって、ＩＦＢシステムは、生産中の他の全ての現在の先進的なレドックスフロー電池システムと比較して、環境有害性を低減し得る。
【0023】
図１を続けると、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、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に流体的に結合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、負電極コンパートメント２０、セパレータ２４、及び正電極コンパートメント２２を含み得る。セパレータ２４は、電気絶縁イオン伝導障壁を含み得、これは、特定のイオンの伝導を可能にしながら、正電解質と負電解質とのバルク混合を防止する。例えば、上述したように、セパレータ２４は、イオン交換膜及び／又は微孔性膜を含み得る。
【0024】
負電極コンパートメント２０は、負電極２６を含み得、負電解質は、電気活性材料を含み得る。正電極コンパートメント２２は、正電極２８を含み得、正電解質は、電気活性材料を含み得る。いくつかの実施例では、多数のレドックスフロー電池セル１８を直列又は並列に組み合わせて、レドックスフロー電池システム１０でより高い電圧又は電流を生成し得る。
【0025】
図１に更に図示されているのは、負及び正電解質ポンプ３０及び３２であり、両方とも、レドックスフロー電池システム１０を通して電解質溶液をポンプするために使用される。電解質は、セルの外部の１つ以上のタンクに貯蔵され、それぞれ、レドックスフロー電池セル１８の負電極コンパートメント２０側及び正電極コンパートメント２２側を通して、負及び正電解質ポンプ３０及び３２を介してポンプされる。
【0026】
レドックスフロー電池システム１０はまた、第１のバイポーラプレート３６及び第２のバイポーラプレート３８を含み得、各々は、それぞれ、負電極２６及び正電極２８の背面側、例えば、セパレータ２４に面する側の反対側、に沿って位置付けられる。第１のバイポーラプレート３６は負電極２６と接触し得、第２のバイポーラプレート３８は正電極２８と接触し得る。しかしながら、他の実施例では、バイポーラプレート３６及び３８は、電極２６及び２８に近接して配列され得るが、電極２６及び２８から離間され、それぞれの電極コンパートメント２０及び２２内に収容されてもよい。いずれの場合も、バイポーラプレート３６及び３８は、それぞれ、負及び正電極２６及び２８との直接接触を介して、又は負及び正電極２６及び２８を介して、それぞれ、端子４０及び４２に電気的に結合され得る。
【0027】
ＩＦＢ電解質は、バイポーラプレート３６及び３８の材料の導電特性に起因して、第１及び第２のバイポーラプレート３６及び３８によって、負及び正電極２６及び２８の反応部位に輸送され得る。電解質のフローはまた、負及び正電解質ポンプ３０及び３２によって補助され得、レドックスフロー電池セル１８を通る強制対流を容易にする。反応した電気化学種はまた、強制対流並びに第１及び第２のバイポーラプレート３６及び３８の存在の組み合わせによって、反応部位から離れるように導かれ得る。
【0028】
図１に例解されるように、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を更に含み得る。充電電流が電池端子４０及び４２に印加されると、正電解質は正電極２８で酸化され得（１つ以上の電子を失う）、負電解質は負電極２６で還元され得る（１つ以上の電子を獲得する）。電池放電中に、逆レドックス反応が電極２６及び２８上で生じ得る。言い換えれば、正電解質は、正電極２８で還元され得（１つ以上の電子を獲得する）、負電解質は、負電極２６で酸化され得る（１つ以上の電子を失う）。電池を横切る電位差は、正電極コンパートメント２２及び負電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得、反応が持続している間、集電体を通る電流を誘導し得る。レドックス電池によって貯蔵されたエネルギーの量は、電解質の総量及び電気活性材料の溶解度に応じて、放電のために電解質中で利用可能な電気活性材料の量によって制限され得る。
【0029】
レドックスフロー電池システム１０は、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０を更に含み得る。マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、バルクヘッド９８によって分割され得る。バルクヘッド９８は、正及び負電解質の両方が単一のタンク内に含まれ得るように、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０内に多数のチャンバを作成し得る。負電解質チャンバ５０は、電気活性材料を含む負電解質を保持し、正電解質チャンバ５２は、電気活性材料を含む正電解質を保持する。バルクヘッド９８は、負電解質チャンバ５０と正電解質チャンバ５２との間に所望の体積比をもたらすように、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０内に位置付けられ得る。一実施例では、バルクヘッド９８は、負のレドックス反応と正のレドックス反応との間の化学量論比に従って、負電解質チャンバ５０及び正電解質チャンバ５２の体積比を設定するように位置付けられ得る。図１は、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０の充填高さ１１２を更に図示し、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。
【0030】
図１はまた、負電解質チャンバ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を通じて（例えば、プロトン還元及び鉄腐食の副反応により）生成され、レドックスフロー電池セル１８から戻る電解質とともにマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に運ばれるＨ２ガスを貯蔵するために利用され得る。Ｈ２ガスは、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０内の気体－液体境界部（例えば、充填高さ１１２）で自然に分離され得、それによって、レドックスフロー電池システム１０の一部として追加の気体－液体セパレータを有することを排除する。電解質から分離されると、Ｈ２ガスは、ガスヘッドスペース９０及び９２を満たし得る。こうして、貯蔵されたＨ２ガスは、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から他のガスをパージするのに役立ち得、それによって、電解質種の酸化を低減するための不活性ガスブランケットとして機能し、これは、レドックスフロー電池容量損失を低減するのに役立ち得る。このようにして、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０を利用することは、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電解質貯蔵タンク、水素貯蔵タンク、及び気体－液体セパレータを有することを放棄し得、それによって、システム設計を簡素化し、レドックスフロー電池システム１０の物理的フットプリントを低減し、システムコストを低減する。
【0031】
図１はまた、スピルオーバホール９６を示し、これは、ガスヘッドスペース９０と９２との間のバルクヘッド９８に開口部を作成し得、チャンバ５０と５２との間でガス圧力を均等化する手段を提供し得る。スピルオーバホール９６は、充填高さ１１２の上の閾値高さに位置付けられ得る。スピルオーバホール９６は、電池クロスオーバが発生した場合に、負及び正電解質チャンバ５０及び５２の各々における電解質の自己バランスをとる能力を更に可能にし得る。全鉄レドックスフロー電池システムの場合、同じ電解質（Ｆｅ２＋）が、負及び正電極コンパートメント２０及び２２の両方で使用され、それにより負電解質チャンバ５０と正電解質チャンバ５２との間の電解質のスピルオーバは、全体的なシステム効率を低減させる可能性があるが、全体的な電解質組成、電池モジュール性能、及び電池モジュール容量が維持され得る。
【0032】
フランジ管継手が、漏れのない連続的に加圧された状態を維持するために、入口及び出口のマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０との間の全ての配管接続に利用され得る。マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、負及び正電解質チャンバ５０及び５２の各々からの少なくとも１つの出口、並びに負及び正電解質チャンバ５０及び５２の各々への少なくとも１つの入口を含み得る。更に、１つ以上の出口接続が、Ｈ２ガスをリバランシングセル８０及び８２に導くために、ガスヘッドスペース９０及び９２から提供され得、その結果、リバランシングセル８０及び８２が、それぞれ、ガスヘッドスペース９０及び９２に流体的に結合され得る。電解質及びＨ２ガスは、電解質の健全性及び電池容量を維持するために、リバランシングセル８０及び８２を通って循環し得る。水素ガスのフローのアーキテクチャは、図２Ａ～図２Ｂ、図４Ａ～図４Ｂ、及び図５Ａ～図５Ｂに関して本明細書で展開される。
【0033】
図１には示されていないが、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、負電解質チャンバ５０及び正電解質チャンバ５２の各々に熱的に結合された１つ以上のヒータを更に含み得る。代替の例では、負及び正電解質チャンバ５０及び５２のうちの１つだけが、１つ以上のヒータを含んでもよい。正電解質チャンバ５２のみが１つ以上のヒータを含む場合には、負電解質は、レドックスフロー電池セル１８において生成される熱を負電解質に伝達することによって加熱されてもよい。このようにして、レドックスフロー電池セル１８は、負電解質を加熱し、負電解質の温度調節を容易にし得る。１つ以上のヒータは、コントローラ８８によって作動されて、負電解質チャンバ５０及び正電解質チャンバ５２の温度を独立して又は一緒に調節し得る。例えば、閾値温度を下回る電解質温度に応答して、コントローラ８８は、電解質への熱流束が増加し得るように、１つ以上のヒータに供給される電力を増加させ得る。電解質温度は、センサ６０及び６２などの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つ以上の温度センサによって示され得る。
【0034】
例として、１つ以上のヒータは、電解質流体に浸漬されたコイル型ヒータ若しくは他の浸漬ヒータ、又はその中の流体を加熱するために負及び正電解質チャンバ５０及び５２の壁を通して熱を伝導的に伝達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が使用されてもよい。更に、コントローラ８８は、固体充填閾値レベルを下回る液体レベルに応答して、負及び正電解質チャンバ５０及び５２内の１つ以上のヒータを非アクティブ化し得る。別の方法で言えば、いくつかの実施例では、コントローラ８８は、固体充填閾値レベルを上回る液体レベルに応答してのみ、負及び正電解質チャンバ５０及び５２内の１つ以上のヒータをアクティブ化し得る。このようにして、負及び／又は正電解質チャンバ５０、５２内に十分な液体なしで１つ以上のヒータをアクティブ化することは回避され得、それによって、ヒータの過熱又は焼損のリスクを低減する。
【0035】
なお更に、１つ以上の入口接続が、フィールド水和システムから負及び正電解質チャンバ５０及び５２の各々に提供され得る。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、レドックスフロー電池システム１０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１０の試運転を容易にし得る。更に、最終使用場所でレドックスフロー電池システム１０を試運転する前に、レドックスフロー電池システム１０は、レドックスフロー電池システム１０を最終使用場所に配送する前に、レドックスフロー電池システム１０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得る。一実施例では、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。言い換えれば、レドックスフロー電池システム１０は、いったん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の位置が固定され、レドックスフロー電池システム１０がもはやポータブルな乾式システムとみなされなくてもよいように設計され得る。したがって、エンドユーザの観点から、乾式のポータブルレドックスフロー電池システム１０は、現場に配送されてもよく、その後、レドックスフロー電池システム１０は、設置、水和、及び試運転されてもよい。水和の前に、レドックスフロー電池システム１０は、乾式のポータブルシステムと呼ばれ得、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か、又はない。水和されると、レドックスフロー電池システム１０は、湿式の非ポータブルシステムと呼ばれ得、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。
【0036】
図１に更に例解されているように、最初にマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０内に貯蔵された電解質溶液は、負及び正電解質ポンプ３０及び３２を介して、レドックスフロー電池システム１０全体にポンプされ得る。負電解質チャンバ５０に貯蔵された電解質は、負電解質ポンプ３０を介してレドックスフロー電池セル１８の負電極コンパートメント２０側を通ってポンプで送り込まれ得、正電解質チャンバ５２に貯蔵された電解質は、正電解質ポンプ３２を介してレドックスフロー電池セル１８の正電極コンパートメント２２側を通ってポンプされ得る。
【0037】
電解質リバランシングセル８０及び８２（例えば、反応器）は、それぞれ、レドックスフロー電池システム１０内のレドックスフロー電池セル１８の負及び正側で、電解質の再循環流路とインライン又は並行して接続され得る。１つ以上のリバランシング反応器は、電池の負及び正側で電解質の再循環流路とインラインに接続されてもよく、他のリバランシング反応器は、冗長性のために（例えば、リバランシング反応器は、電池及びリバランシング動作を中断することなく保守され得る）、及び増加したリバランシング容量のために、並行して接続され得る。一実施例では、電解質リバランシングセル８０及び８２は、それぞれ、負及び正電極コンパートメント２０及び２２から負及び正電解質チャンバ５０及び５２への戻り流路内に配置されてもよい。電解質リバランシングセル８０及び８２は、本明細書に記載されるように、副反応、イオン交差などのために生じるレドックスフロー電池システム１０における電解質充電の不均衡をリバランシングするのに役立ち得る。
【0038】
図１に示されるように（並びに図７Ａ及び図７Ｂを参照して更に説明されるように）、負電解質ポンプ３０によって負電解質チャンバからポンプされる液体電解質の少なくとも一部分は、負電極コンパートメント２０の上流からリバランシングセル８０に流用され得る。電解質フロー制御デバイス７６は、負電解質ポンプ３０とリバランシングセル８０との間に位置付けられて、リバランシングセル８０に流用された電解質のフローを調節し得る。同様に、正電解質ポンプ３２によって正電解質チャンバからポンプされた液体電解質の一部分は、正電極コンパートメント２２の上流からリバランシングセル８２に流用され得る。電解質フロー制御デバイス７８は、正電解質ポンプ３２とリバランシングセル８２との間に位置付けられて、リバランシングセル８２に流用された電解質のフローを調節し得る。電解質フロー制御デバイス７６及び７８は、コントローラ８８に通信可能に結合される。このように、コントローラ８８は、電解質フロー制御デバイス７６及び７８によって、それぞれリバランシングセル８０及び８２に流用された電解質のフローを調節し得る。図９及び図１０を参照して更に説明されるように、コントローラ８８は、電解質フロー制御デバイス７６及び７８を調節して、リバランシングセル８０及び８２でリバランシング反応速度を維持し得る。
【0039】
一実施例では、リバランシングセル８０及び８２のうちの一方又は両方は、トリクルベッド反応器を含み得、ここで、Ｈ２ガス及び（液体）電解質は、電解質リバランシング反応を実行するために、充填床内の触媒表面で接触され得る。追加的又は代替的に、リバランシングセル８０及び８２の一方又は両方は、ゼリーロール内で構成された触媒床を有し得る。追加的又は代替的な例では、リバランシングセル８０及び８２のうちの一方又は両方は、Ｈ２ガスと電解質とを接触させ、充填された触媒床なしで電解質リバランシング反応を実行することができるフロースルー型反応器を含み得る。しかしながら、電解質リバランシング中のより低いＦｅ３＋還元速度（例えば、約１～３ｍｏｌ／ｍ２時間）は、高性能用途におけるかかるリバランシング反応器構成の実装を妨げる可能性がある。
【0040】
他の実施例では、リバランシングセル８０及び８２の一方又は両方は、燃料電池を含み得、ここで、Ｈ２ガス及び電解質は、電解質リバランシング反応を実行するために触媒表面で接触され得、閉回路は、外部負荷を通して燃料セルから電流を導くことによって形成され得る。しかしながら、かかる燃料セルにおける逆電流スパイク（例えば、逆電流の一時的な増加、「逆電流」は、予想とは反対の（すなわち、「前方」方向とは反対の）方向において電気経路に沿って移動する任意の電流を指すために本明細書で使用され得る）は、特定の状況では避けられず、かかるリバランシング反応構成の信頼性を損なう可能性がある。
【0041】
リバランシングセル８０及び８２の全体的な信頼性を犠牲にすることなくＦｅ３＋還元速度を増加させるために、本開示の実施形態は、内部電流、対流、重力供給、及び毛細管作用の組み合わせを介して触媒表面で反応するように、Ｈ２ガス及び電解質を駆動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短絡電極アセンブリの積層体を含む、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルを提供する。本明細書において説明される実施形態では、内部短絡電極アセンブリの積層体の電極アセンブリは、リバランシングセルの動作中に、電流が内部短絡電極アセンブリの積層体から離れるように導かれないという点で、「内部短絡された」と呼ばれ得る。かかる内部電気短絡は、Ｆｅ３＋の還元速度を劇的に増加させ（例えば、約５０～７０ｍｏｌ／ｍ２時間ほど）、付随して副反応速度（例えば、式（１）～（３）の反応速度）を減少させながら、逆電流スパイクを低減させるか又は排除し得る。更に、内部短絡電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリは、内部短絡電極アセンブリの積層体の各他方の電極アセンブリから電気的に分離され得、その結果、１つの電極アセンブリでの電流スパイク中の内部短絡電極アセンブリの積層体への劣化がそれに限定され得る（例えば、逆電流は、他の電極アセンブリを通じて１つの電極アセンブリから駆動され得ない）。かかる場合、単一の劣化した電極アセンブリは、内部短絡電極アセンブリの積層体から容易に除去され、非劣化電極アセンブリと交換され得る。
【0042】
内部短絡回路を実現するために、内部短絡電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリは、正電極と負電極の接合対を含み得る（例えば、連続的に導電性であるように互いに面共有接触で構成される）。本明細書で使用される場合、一対の第１及び第２の構成要素（例えば、電極アセンブリの正及び負の電極）は、第１の構成要素が第２の構成要素に隣接して配置される場合、互いに「接合している」として説明され得、その結果、第１及び第２の構成要素が、互いに面共有接触する（「隣接する」とは、それらの間に介在する構成要素を有しない任意の２つの構成要素を指すために本明細書で使用される）。更に、本明細書で使用される場合、複数の電極の導電性を説明する場合の「連続的な」は、複数の電極の任意の面共有接合で効果的又は実用的にゼロ抵抗を有する、内部を通る電気経路を指し得る。
【0043】
例示的な実施形態では、（正の）リバランシングセル８２は、内部短絡電極アセンブリの積層体を含むリバランシングセルであり得る。電池充電中に正電極２８で著しい量のＦｅ３＋が生成され得るため、より高いＦｅ３＋還元速度は、正電解質をリバランシングするために望ましい場合がある（式（６）を参照）。追加的又は代替的な実施形態では、（負の）リバランシングセル８０は、同様の構成であり得る［Ｆｅ３＋は、鉄めっき酸化中に負電極２６で生成され得る（式（３）を参照）］。
【0044】
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、電解質のｐＨ、濃度、ＳＯＣ、などのような電解質の化学特性を監視及び制御し得る。例えば、図１に図示されるように、センサ６２及び６０は、それぞれ正電解質チャンバ５２及び負電解質チャンバ５０で正電解質及び負電解質の状態を監視するように位置付けられ得る。別の例では、センサ６２及び６０は各々、それぞれ正電解質チャンバ５２及び負電解質チャンバ５０内の電解質のレベルを示すために、１つ以上の電解質レベルセンサを含んでもよい。別の例として、また図１に図示されたセンサ７２及び７０は、それぞれ正電極コンパートメント２２及び負電極コンパートメント２０における正電解質及び負電解質の状態を監視し得る。センサ７２及び７０は、ｐＨプローブ、光学プローブ、圧力センサ、電圧センサ、などであり得る。センサは、電解質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全体の他の場所に位置付けられてもよいことが理解されるであろう。
【0045】
例えば、センサは、外部酸タンクの酸量又はｐＨを監視するために外部酸タンク内に位置付けられてもよく、外部酸タンクからの酸は、電解質中の沈殿物形成を低減するために、外部ポンプを介してレドックスフロー電池システム１０に供給され得る。追加の外部タンク及びセンサは、他の添加剤をレドックスフロー電池システム１０に供給するために設置されてもよい。例えば、フィールド水和システムの温度、導電率、及びレベルセンサを含む様々なセンサは、コントローラ８８に信号を送信し得る。更に、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し得る。センサ情報は、コントローラ８８に送信され得、それは次に、ポンプ３０及び３２を作動させて、レドックスフロー電池セル１８を通る電解質フローを制御するか、又は例として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つ又は組み合わせに応答し得る。
【0046】
レドックスフロー電池システム１０は、Ｈ２ガスの供給源を更に含み得る。一実施例では、Ｈ２ガスの供給源は、別個の専用水素ガス貯蔵タンクを含み得る。図１の実施例では、Ｈ２ガスは、統合された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もよい。統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、正電解質チャンバ５２及び負電解質チャンバ５０に追加のＨ２ガスを供給し得る。統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、電解質リバランシングセル８０及び８２の入口に追加のＨ２ガスを交互に並びに／又は追加的に供給し得る。一実施例として、コントローラ８８に通信可能に結合され、コントローラ８８によって制御される水素ガスフロー制御デバイス６６及び６８は、それぞれ、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からリバランシングセル８０及び８２へのＨ２ガスのフローを調節し得る。図１に示されるように（図７Ａ及び図７Ｂを参照して更に説明される）、水素ガスフロー制御デバイス６６及び６８は、それぞれ、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０のガスヘッドスペース９０及び９２とリバランシングセル８０及び８２との間に流体的に結合され得る。図９及び図１０を参照して更に説明されるように、コントローラ８８は、水素ガスフロー制御デバイス６６及び６８を調節して、リバランシング反応器８０及び８２でリバランシング反応速度を維持し得る。
【0047】
統合された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内で生成されたＨ２ガスを補足し得る。例えば、レドックスフロー電池システム１０においてガス漏れが検出された場合、又は低水素分圧で還元反応速度（例えば、Ｆｅ３＋還元速度）が低すぎる場合、Ｈ２ガスは、正電解質及び負電解質中の電気活性材料のＳＯＣをリバランシングさせるために、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から供給され得る。一実施例として、コントローラ８８は、ｐＨの測定された変化に応答して、又は電解質若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、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からＨ２ガスを供給し得る。
【0048】
例えば、負電解質チャンバ５０、又は負電極コンパートメント２０のｐＨにおける増加は、Ｈ２がレドックスフロー電池システム１０から漏れていること、及び／又は利用可能な水素分圧では反応速度が遅すぎることを示し得、コントローラ８８は、ｐＨの増加に応答して、統合された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Ｈ２ガスの供給を増加させ得る。更なる実施例として、コントローラ８８は、ｐＨ変化に応答して、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からＨ２ガスを供給し得、ｐＨは、第１の閾値ｐＨを超えて増加するか、又は第２の閾値ｐＨを超えて減少する。ＩＦＢの場合、コントローラ８８は、追加のＨ２を供給して、Ｆｅ３＋イオンの還元速度及びプロトンの生成速度を増加させ、それによって正電解質のｐＨを低減させ得る。更に、負電解質のｐＨは、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、又はプロトン濃度勾配及び電気泳動力に起因して負電解質に交差する正の側で生成されるプロトンによって低下され得る。このようにして、負電解質のｐＨは、Ｆｅ（ＯＨ）３としてＦｅ３＋イオン（正電極コンパートメント２２から交差する）の沈殿のリスクを低減しながら、安定した領域内に維持され得る。
【0049】
酸素還元電位（ＯＲＰ）メータ又は光学センサなどの他のセンサによって検出される、電解質ｐＨの変化又は電解質ＳＯＣの変化に応答して、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からのＨ２ガスの供給速度を制御するための他の制御スキームが、実装され得る。なお更に、ｐＨ又はコントローラ８８のＳＯＣトリガアクションの変化は、変化率又はある期間にわたって測定された変化に基づき得る。変化率の期間は、レドックスフロー電池システム１０の時定数に基づいて予め決定又は調整され得る。例えば、再循環速度が高い場合、期間を短縮することができ、時定数が小さい場合があるため、濃度の局所変化（例えば、副反応又はガス漏れに起因する）は迅速に測定され得る。
【0050】
コントローラ８８は、レドックスフロー電池システム１０の動作モードに基づいて制御スキームを更に実行し得る。例えば、図９及び図１０を参照して下記で詳細に考察されるように、上で説明されたようにリバランシングセル８０及び８２へのＨ２ガスのフローを制御することと並行して、コントローラ８８は、レドックスフロー電池システム内のＨ２ガス及びＦｅ３＋イオンの過剰濃度を同時に低減させるように、レドックスフロー電池セル１８の充電及び放電中に、それぞれ、リバランシングセル８０及び８２への負及び正電解質のフローを制御し得る。電解質リバランシングの後、コントローラ８８は、リバランシングセル８０及び８２から、リバランシングされた負及び正電解質（例えば、Ｆｅ３＋の減少した濃度及びＦｅ２＋の増加した濃度を含む）とともに、任意の過剰又は未反応のＨ２のフローを、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０のそれぞれの電解質チャンバ５０及び５２に戻るように導き得る。追加的又は代替的に、未反応のＨ２ガスは、別個の専用水素ガス貯蔵タンクに戻されてもよい。
【0051】
別の例として、コントローラ８８は、システムコンディショニング中に負電極２６で鉄の予備成形を引き起こすように、レドックスフロー電池セル１８の充電及び放電を更に制御し得る（システムコンディショニングは、電池サイクリングの外でレドックスフロー電池システム１０の電気化学的性能を最適化するために用いられる動作モードを含み得る）。すなわち、システムコンディショニング中、コントローラ８８は、負電極２６上に鉄金属をめっきするようにレドックスフロー電池システム１０の１つ以上の動作状態を調整して、それに続く電池サイクリング中に電池充電容量を増加し得る（このため、鉄金属は、電池サイクリングのために予め形成され得る）。このようにして、負電極２６で鉄を予め形成し、システムコンディショニング中に電解質リバランシングを実行することは、鉄めっき損失を軽減することによって、電池サイクリング中のレドックスフロー電池セル１８の全体的な容量を増加させ得る。本明細書で使用される場合、電池サイクリング（「充電サイクリング」とも称される）は、レドックスフロー電池システム１０の充電モードと放電モードとの間で交互することを含み得る。
【0052】
センサ６０及び６２並びに統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０（及びそこに含まれる構成要素）を除く全ての構成要素は、電力モジュール１２０に含まれるとみなされ得ることが理解されよう。このように、レドックスフロー電池システム１０は、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に流体的に結合され、センサ６０及び６２に通信可能に結合された電力モジュール１２０を含むと説明され得る。いくつかの実施例では、電力モジュール１２０及びマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０の各々は、単一のハウジング又はパッケージングに含まれてもよく、その結果、レドックスフロー電池システム１０は、単一の場所における単一のユニットとして含まれ得る。正電解質、負電解質、センサ６０及び６２、電解質リバランシングセル８０及び８２、並びに統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０（及びそれらに含まれる構成要素）は、電解質サブシステム１３０に含まれるとみなされ得ることが更に理解されるであろう。このように、電解質サブシステム１３０は、１つ以上の電解質をレドックスフロー電池セル１８（及びその中に含まれる構成要素）に供給し得る。
【0053】
ここで図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、それぞれ斜視図が示され、各斜視図は、図１のレドックスフロー電池システム１０などのレドックスフロー電池システム用のリバランシングセル２０２を描写する。例示的な実施形態では、リバランシングセル２０２は、図３を参照して下記で詳細に説明される電極アセンブリなどの内部短絡電極アセンブリの積層体を含み得、これは、内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極の触媒表面において、図１のレドックスフロー電池セル１８などのレドックスフロー電池の正又は負電極コンパートメントからのＨ２ガスと電解質との接触を促進することによって、電解質リバランシング反応を駆動し得る。したがって、リバランシングセル２０２は、図１のリバランシングセル８０及び８２の一方又は両方であり得る。
【0054】
示される構成要素の相対的な位置付けを説明するため、及び図２Ａ～図５Ｂの図の間の比較のために、一組の基準軸２５０が提供され、軸２５０は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を示す。図２Ａ及び図２Ｂの破線で更に示されるように、追加の軸ｇは、重力方向（例えば、軸ｇに沿った正の方向）及び垂直方向（例えば、軸ｇに沿った負の方向であり、重力方向とは反対）と平行であり得る。
【0055】
レドックスフロー電池システム内に含まれるいくつかのリバランシングセル２０２及び内部短絡電極アセンブリの積層体内に含まれるいくつかの電極アセンブリは、特に限定されず、対応して、より高性能用途に適合するように増加してもよい。例えば、７５ｋＷレドックスフロー電池システムは、２０の電極アセンブリの積層体（例えば、積層体の反対側の端部に位置付けられた２つの端部プレートを有する１９のバイポーラアセンブリの積層体）を含む、２つのリバランシングセル２０２を含み得る。
【0056】
示されるように、内部短絡電極アセンブリの積層体は、外部セルエンクロージャ（例えば、ハウジング）２０４内に取り外し可能に囲まれ得る。したがって、いくつかの実施例では、セルエンクロージャ２０４は、エンクロージャベースに取り外し可能に取り付けられたトップカバーを含み得、その結果、トップカバーが一時的に取り外されて、内部短絡電極アセンブリの積層体のうちの１つ以上の電極アセンブリを交換するか又は診断し得る。追加的又は代替的な実施例では、矩形角柱として図２Ａ及び図２Ｂに描写されるセルエンクロージャ２０４は、レドックスフロー電池システムの他の構成要素に対して隙間嵌めであるように成形され得、その結果、リバランシングセル２０２は、かかる構成要素と面共有接触し得る。いくつかの実施例では、セルエンクロージャ２０４は、望ましくない短絡事象を低減するように、プラスチック又は他のポリマーなどの低い導電性を有する材料で構成され得る。
【0057】
セルエンクロージャ２０４は、リバランシングセル２０２の接合構成要素のための開口部又は空洞を含むように更に構成され得る。例えば、セルエンクロージャ２０４は、レドックスフロー電池システムの他の構成要素に流体的に結合するように構成された複数の入口及び出口ポートを含み得る。一実施例では、示されるように、複数の入口ポート及び出口ポートは、ＰＰ配管に溶接されたポリプロピレン（ＰＰ）フランジ継手固定を含み得る。
【0058】
例示的な実施形態では、複数の入口及び出口ポートは、電解質をセルエンクロージャ２０４に流動させるための電解質入口ポート２０６、及び電解質をセルエンクロージャ２０４から排出するための電解質出口ポート２０８を含み得る。電解質入口及び出口ポートは、セル化学のために正の入口及び出口ポートと呼ばれ得る。
【0059】
一実施例では、電解質入口ポート２０６は、セルエンクロージャ２０４の上半分に位置付けられ得、電解質出口ポート２０８は、セルエンクロージャ２０４の下半分に位置付けられ得る（セルエンクロージャ２０４の上半分及び下半分は、ｚ軸に沿って、ｘ軸及びｙ軸の各々と平行な平面によって分離される）。したがって、電解質出口ポート２０８は、重力方向に対して（例えば、軸ｇに沿って）電解質入口ポート２０６よりも低く位置付けられ得る。
【0060】
具体的には、電解質が電解質入口ポート２０６を介してセルエンクロージャ２０４に入ると、電解質は、内部短絡電極アセンブリの積層体、電極アセンブリの積層体を通って供給された重力を横切って分配され、内部短絡電極アセンブリの積層体の正電極を通って（例えば、重力方向に対して）ウィックアップされて、陰極半分反応で負電極の触媒表面で反応し、電解質出口ポート２０８を介してセルエンクロージャ２０４から排出され得る。電解質の重力供給を支援し、その圧力降下を増加させるために、リバランシングセル２０２は、セルエンクロージャ２０４に結合された勾配付き支持体２２０を介して、重力方向に対して更に傾けるか又は傾斜され得る。いくつかの実施例では、このようにしてセルエンクロージャ２０４を傾けることは、（例えば、レドックスフロー電池システムのアイドルモード中に）リバランシングセル２０２の電解質排出を更に支援し、（いくつかの実施例では、電解質に十分な期間浸漬された後、触媒表面が腐食し得るので）触媒表面を相対的に乾燥したままにし得る。
【0061】
示されるように、勾配付き支持体２２０は、内部短絡電極アセンブリの積層体の電極シートの平面が、勾配付き支持体２２０が置かれている下部表面に対して角度２２２で傾斜するように、セルエンクロージャ２０４を角度２２２で傾けることができる。いくつかの実施例では、（例えば、下部表面に対するセルエンクロージャ２０４の）角度２２２は、０°～３０°であり得る。角度２２２が実質的に０°である実施形態では、リバランシングセル２０２は、依然として機能し得るが、セルエンクロージャ２０４を０°を超える角度で傾けると、圧力降下が大きくなり、負電極への電解質クロスオーバが低減され得る。いくつかの実施例では、角度２２２は、２°～３０°であり得る。いくつかの実施例では、角度２２２は、２°～２０°であり得る。一実施例では、角度２２２は、約８°であり得る。したがって、例えば、電解質入口ポート２０６を通ってセルエンクロージャ２０４に入る場合の電解質の圧力降下は、角度２２２を増加させることによって増加され得、角度２２２を減少させることによって減少され得る。
【0062】
追加的又は代替的に、１つ以上の支持レール２２４は、セルエンクロージャ２０４の上半分（例えば、勾配付き支持体２２０と反対側）に結合され得る。いくつかの実施例では、図２Ａの斜視図に示されるように、１つ以上の支持レール２２４は、１つ以上の支持レール２２４が、リバランシングセル２０２を、下部表面の上部表面と平行な上部表面に取り外し可能に固定し得るように、角度２２２でセルエンクロージャ２０４に対して傾けられ得る。このようにして、及び幾何学的考慮に基づいて、ｚ軸は、同様に、角度２２２で軸ｇからオフセットされ得る（例えば、セルエンクロージャ２０４は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、角度２２２によって重力方向と反対の垂直方向に対して傾けられ得る）。いくつかの実施例では、リバランシングセル２０２を通る電解質の重力供給は、重力方向と反対の垂直方向に対して、リバランシングセル２０２をレドックスフロー電池システムの電解質貯蔵タンク（例えば、図１のマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０）の上に位置付けることによって更に支援され得る。
【0063】
更に示されるように、電解質出口ポート２０８は、電解質の少なくとも一部分を排出するように構成されたセルエンクロージャ２０４内の複数の開口部（ＰＰ配管に溶接されたＰＰフランジ継手固定を含む複数の開口部の各々）を含み得る。例えば、図２Ａ及び図２Ｂでは、電解質出口ポート２０８は、５つの開口部を含むように示されている。このようにして、電解質は、内部短絡電極アセンブリの積層体を横切って均等に分配され得、実質的にスムーズなフローでセルエンクロージャ２０４から排出され得る（「実質的に」は、「効果的に」を意味する修飾語として本明細書で使用され得る）。他の実施例では、電解質出口ポート２０８は、５つを超える開口部又は５つ未満の開口部を含み得る。一実施例では、電解質出口ポート２０８は、単一の開口部を含み得る。追加的又は代替的な実施例では、電解質出口ポート２０８は、ｚ軸に対して（例えば、ｚ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上で）セルエンクロージャ２０４の下に位置付けられ得る。
【0064】
電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８は、内部短絡電極アセンブリの積層体（例えば、電解質入口ポート２０６から電解質出口ポート２０８まで、並びに電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８に流体的に結合されたセルエンクロージャ２０４内のチャネル、通路、マニホールド、プレナム、ウェルなどを含む）を通る電解質の流路に基づいて、セルエンクロージャ２０４上に位置付けられ得る。いくつかの実施例では、示されるように、電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８は、セルエンクロージャ２０４の隣接する側面（例えば、共通の縁部を共有するセルエンクロージャ２０４の面）に位置付けられ得る。他の実施例では、電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８は、セルエンクロージャ２０４の反対側に位置付けられ得る。他の実施例では、電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８は、セルエンクロージャ２０４の同じ側に位置付けられ得る。
【0065】
いくつかの実施例では、電解質入口ポート２０６は、ｘ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得る。追加的又は代替的な実施例では、電解質入口ポート２０６は、ｘ軸の正の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得る。一実施例では、示されるように、電解質入口ポート２０６の１つの開口部は、ｘ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得、電解質入口ポート２０６の別の開口部は、ｘ軸の正の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得る。
【0066】
いくつかの実施例では、複数の入口及び出口ポートは、Ｈ２ガスをセルエンクロージャ２０４に流動させるための水素ガス入口ポート２１０と、Ｈ２ガスをセルエンクロージャ２０４から排出するための水素ガス出口ポート２１２（図２Ｂに示される）と、を更に含み得る。水素ガス入口及び出口ポートは、セル化学のために負の入口及び出口ポートと呼ばれ得る。
【0067】
一実施例では、示されるように、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２の各々は、セルエンクロージャ２０４の下半分に（例えば、ｚ軸に沿った内部短絡電極アセンブリの積層体の最下部電極アセンブリに）位置付けられ得る。別の実施例では、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２の各々は、セルエンクロージャ２０４の上半分に（例えば、ｚ軸に沿った内部短絡電極アセンブリの積層体の最上部電極アセンブリに）位置付けられ得る。更に別の例では、水素ガス入口ポート２１０は、セルエンクロージャ２０４の下半分に位置付けられ得、水素ガス出口ポート２１２は、セルエンクロージャ２０４の上半分に位置付けられ得る。かかる実施例では、水素ガス入口ポート２１０は、重力方向に対して（例えば、軸ｇに沿って）水素ガス出口ポート２１２よりも低く位置付けられ得る。
【0068】
具体的には、Ｈ２ガスが水素ガス入口ポート２１０を介してセルエンクロージャ２０４に入ると、Ｈ２ガスは、強制対流（例えば、それぞれのフローフィールドプレートのフローフィールド構成によって誘導される）を介して内部短絡電極アセンブリの積層体を横切り、及びそれを通って分配され、負電極の触媒表面において陽極半反応で分解され得る。しかしながら、いくつかの実施例では、過剰な未反応のＨ２ガスは、触媒表面との接触後にリバランシングセル２０２内に残る可能性がある。いくつかの実施例では、触媒表面で反応していないＨ２ガスの少なくとも一部分は、電解質を通過し得る。かかる実施例では、望ましくない圧力の蓄積を回避し、それによって正電極上での電解質のプール及び付随する負電極の電解質フラッディングを防止するために、複数の入口及び出口ポートは、水素ガスリリーフポート２１４（図２Ａに示されるように）を更に含み、電解質から未反応のＨ２ガスを排出し得る。水素ガスリリーフポート２１４は、電解質を通って進行した水素を具体的に受容し得、したがって、正側の水素リリーフポート２１４と呼ばれ得、具体的に、電解質を通って進行した水素を受容し得、したがって、正側の水素リリーフポートと呼ばれ得る。
【0069】
更に、いくつかの実施例では、水素ガス出口ポート２１２は、触媒表面で反応しておらず、負電極を通って電解質に流動していないＨ２ガスの少なくとも一部分を排出するように構成され得る。Ｈ２ガスフローの更なる態様を、図４Ａ～図５Ｂを参照して下記でより詳細に考察する。
【0070】
水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２は、内部短絡電極アセンブリの積層体を通るＨ２ガスの流路に基づいて、セルエンクロージャ２０４上に位置付けられ得る。例えば、流路は、水素ガス入口ポート２１０から水素ガス出口ポート２１２（含まれている場合）までであり、セルエンクロージャ２０４内のチャネル、通路、マニホールド、プレナムなどを含み、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２（含まれている場合）に流体的に結合され得る。いくつかの実施例では、示されるように、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２は、セルエンクロージャ２０４の反対側に位置付けられ得る。他の実施例では、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２は、セルエンクロージャ２０４の隣接する側面に位置付けられ得る。他の実施例では、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２は、セルエンクロージャ２０４の同じ側に位置付けられ得る。更に、水素ガス入口ポート２１０は、ｘ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられるように図２Ａ及び図２Ｂに示され、水素ガス出口ポート２１２は、ｘ軸の正の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられるように図２Ａ及び図２Ｂに示されるが、他の実施例では、水素ガス入口ポート２１０は、ｘ軸の正の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得、水素ガス出口ポート２１２は、ｘ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得る。
【0071】
一実施例では、水素ガス入口ポート２１０、水素ガス出口ポート２１２、電解質入口ポート２０６、及び電解質出口ポート２０８は、横方向構成でセルエンクロージャ２０４上に位置付けられ得る。横方向構成は、セルエンクロージャ２０４の上半分の異なる側面（例えば、面）に位置付けられた水素ガス出口ポート２１２及び電解質入口ポート２０６、並びにセルエンクロージャ２０４の下半分の異なる側面に位置付けられた水素ガス入口ポート２１０及び電解質出口ポート２０８を含み得る。
【0072】
他の実施例では、水素ガス出口ポート２１２は、閉鎖されるか、省略されるか、又は別様に負電極の触媒表面で反応しておらず、負電極を通って電解質に流動していないＨ２ガスを排出することを抑制され得る。しかしながら、かかる実施例では、電解質から未反応のＨ２ガスを排出するための水素ガスリリーフポート２１４は、依然として存在し得、未反応のＨ２ガスは、負電極を通って電解質に流動し、水素ガスリリーフポート２１４を通った後にのみ、セルエンクロージャ２０４から排出され得る。水素ガス出口ポート２１２を欠く例示的なリバランシングセル構成は、水素ガスリリーフポート２１４を含むかどうかにかかわらず、「デッドエンド構成」と呼ばれ得る。デッドエンド構成では、Ｈ２ガスのうちの実質的に全てが、負電極の触媒表面と接触させられ得、そこでＨ２ガスは、陽極半反応を介して分解し得、かつ／又はＨ２ガスは、負電極を通過した後（例えば、その触媒表面で反応することなく）電解質に入ることができる。
【0073】
図２Ａ及び図２Ｂに描写されるリバランシングセル２０２は、セルの負（水素、高圧）側と正（電解質、低圧）側との間の比較的小さい圧力勾配で動作し得る。セルが内部的に短絡しているため、重力及びより高い水素ガス圧力により、電解質がセル内の負のチャネルにフラッディングすることを防ぐ。
【0074】
ここで図３を参照すると、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル２０２などのリバランシングセル用の電極アセンブリ３０２の分解図が示される。したがって、電極アセンブリ３０２は、内部的に短絡され得る（例えば、電極アセンブリ３０２を通って流動する電流は、外部負荷を通ってチャネリングされない）。例示的な実施形態では、電極アセンブリ３０２は、リバランシングセルを形成するために、セルエンクロージャ内の同様の構成の電極アセンブリの積層体内に含まれ得る。電極アセンブリ３０２は、活性炭素フォーム３０６、正電極３０８（ある実施例では本明細書で「カソード」とも呼ばれる）、及び負電極３１０（ある実施例では本明細書で「アノード」とも呼ばれる）が連続して積層されたプレート３０４を含み得る。電極アセンブリ３０２は、炭素フォーム３０６を通して電解質を受容するようにリバランシングセル内に位置付けられ得、そこから電解質は、毛細管作用を介して正電極３０８の孔に入り得、負電極３１０と接触し得る。電極アセンブリ３０２は、対流を介して正電極３０８と反対側の負電極３１０の触媒表面を横切ってＨ２ガスを受容するように、リバランシングセル内に更に位置付けられ得る。触媒表面を横切るＨ２ガスの対流は、触媒表面と接合しているフローフィールドプレートによって補助され得る。陽極半反応を介して触媒表面でＨ２ガスが分解されると、プロトン及び電子は、負電極３１０と正電極３０８との接合部に流動し得、電解質中のイオンは、陰極半反応を介して還元され得る（例えば、Ｆｅ３＋は、Ｆｅ２＋に還元され得る）。このようにして、電極アセンブリ３０２は、電極アセンブリ３０２を含む、リバランシングセルに流体的に結合された図１のレドックスフロー電池セル１８などのレドックスフロー電池のための電解質リバランシングのために構成され得る。
【0075】
いくつかの実施例では、プレート３０４は、望ましくない短絡事象を低減するように、プラスチック又は他のポリマーなどの低い導電性を有する材料で構成され得る。したがって、一実施例では、プレート３０４は、図２Ａ及び図２Ｂのセルエンクロージャ２０４と同じ材料から形成され得る。
【0076】
示されるように、プレート３０４は、それを通る複数の入口及び出口を含み得る。例えば、複数の入口及び出口は、電解質出口チャネルセクション３１６、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ、及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂを含み得る。具体的には、プレート３０４は、電解質をリバランシングセルから導くための電解質出口チャネルセクション３１６、Ｈ２ガスをリバランシングセルに、負電極３１０を横切って導くための水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ、及びＨ２ガスをリバランシングセルから導くための水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂを含み得る。プレート３０４は、電極アセンブリ３０２で電解質を受容するための電解質入口ウェル３１２を更に含み得、電解質入口ウェル３１２は、炭素フォーム３０６を横切って受容された電解質を分配するために炭素フォーム３０６に隣接して位置付けられたバーム３１４ｂに設定された複数の電解質入口通路３１４ａに流体的に結合されている。いくつかの実施例では、電解質入口ウェル３１２は、（例えば、電解質入口チャネルを介して）そこに流体的に結合された電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６）から電解質を受容してもよく、電解質出口チャネルセクション３１６は、そこに流体的に結合された電解質出口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質出口ポート２０８）を通じて電解質を排出してもよく、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａは、そこに流体的に結合された水素ガス入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの水素ガス入口ポート２１０）からＨ２ガスを受容してもよく、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂは、そこに流体的に結合された水素ガス出口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの水素ガス出口ポート２１２）を通じてＨ２ガスを排出してもよい。
【0077】
水素ガス入口チャネルセクション３１８ａは、本明細書において、水素ガス入口チャネルのセクションとして説明され、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂは、本明細書において、水素ガス出口チャネルのセクションとして説明されるが、他の実施例では、チャネルセクション３１８ｂが、（例えば、水素ガス入口ポートからＨ２ガスを受容した後、Ｈ２ガスをリバランシングセルに、負電極３１０を横切って導くために）水素ガス入口チャネルのセクションであってもよく、ガス入口チャネルセクション３１８ａが、（例えば、水素ガス出口ポートを通じてＨ２ガスを排出することによって、Ｈ２ガスをリバランシングセルから導くために）水素ガス出口チャネルのセクションであってもよいことが理解されよう。他の実施例では、リバランシングセルは、デッドエンド構成として構成され得、水素ガス出口ポートは、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂに流体的に結合され得ない。かかる実施例では、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂは、Ｈ２ガスを、負電極３１０を横切って戻すように導き得るか、又は水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂが、代わりに（例えば、水素ガス入口ポートからＨ２ガスの一部分を受容した後、Ｈ２ガスの一部分をリバランシングセルに、及び負電極３１０を横切って導くために）別の水素ガス入口チャネルセクションとして構成され得る。
【0078】
複数の入口及び出口は、リバランシングセル全体の電解質及びＨ２ガスフローを容易にするように構成され得る。一実施例として、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂの各々のサイズは、それを通る圧力降下を最小限に抑えるように選択され得、それによって、内部短絡電極アセンブリの積層体の各々の電極アセンブリ３０２へのフロー分配に役立つ。別の実施例として、各電解質入口通路３１４ａのサイズ及びバーム３１４ｂに対する複数の電解質入口通路３１４ａの総数は、電解質フローを実質的に均等に分配するための相対的に小さい圧力降下を誘導するように選択され得る。かかる実施例では、各電解質入口通路３１４ａのサイズ及び複数の電解質入口通路３１４ａの総数の選択は、電解質フローフィールドのサイズ及び所望の電解質流量などの、リバランシングセルの所与の構成に特有のいくつかの要因に依存し得る。
【0079】
追加的又は代替的な実施例では、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る複数の開口部を通して電解質を分配するように更に構成されてもよい。例えば、図３の分解図では、電解質出口チャネルセクション３１６は、２つの開口部を含むように示されている。いくつかの実施例では、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、電解質出口ポート内に含まれる開口部の数に等しくてもよく、その結果、電解質出口チャネルセクション３１６の開口部は、それぞれ、電解質出口ポートの開口部に対応し得る。このようにして、電解質は、電極アセンブリ３０２を横切って均等に分配され得、実質的にスムーズなフローでリバランシングセルから排出され得る。他の実施例では、電解質出口チャネルセクション３１６は、３つ以上の開口部又は２つ未満の開口部（例えば、単一の開口部）を含み得る。
【0080】
更に、電極アセンブリ３０２が電極アセンブリの積層体内に含まれる場合、電解質出口チャネルセクション３１６、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ、及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂは、それぞれ（下記で説明する図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、及び図５Ｂに様々に示されるように）連続的な電解質出口チャネル、連続的な水素ガス入口チャネル、及び連続的な水素ガス出口チャネルを形成するように整列し得る。このようにして、電極アセンブリの積層体は、モジュール方式で形成され得、それによって、任意の実用的な数の電極アセンブリ３０２が積層され、リバランシングセル内に含まれ得る。
【0081】
更に示されるように、複数の封止インサートは、固着されるか（本明細書で使用される場合、「固着（ａｆｆｉｘ）」、「固着された（ａｆｆｉｘｅｄ）」、又は「固着する（ａｆｆｉｘｉｎｇ）」は、限定されるものではないが、直接的若しくは間接的な関係を通して、１つの構成要素を別の構成要素に接着、取り付け、接続、締結、接合、連結、又は固定することを含む）、又は別様にプレート３０４に結合されてもよい。一実施例として、複数の封止インサートは、Ｈ２ガスバイパスを緩和することによって負電極３１０を横断するＨ２ガスのフローを誘導するための水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａ及び水素ガス出口チャネル封止インサート３２０ｂを含み得る。具体的には、水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａ及び水素ガス出口チャネル封止インサート３２０ｂは、それぞれ、炭素フォーム３０６、正電極３０８、及び負電極３１０を含むプレート３０４の側面上で、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂに固着されるか、又は別様に隣接して結合され得る。いくつかの実施例では、図４Ａ及び図４Ｂを参照してより詳細に考察されるように、水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａ及び水素ガス出口チャネル封止インサート３２０ｂは、水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａ及び水素ガス出口チャネル封止インサート３２０ｂがプレート３０４との固着又は結合の地点から延在し、正電極３０８と部分的に重複し得るように、負電極３１０のｘ－ｙ平面と一致し得る。
【0082】
別の実施例として、複数の封止インサートは、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａと別の電極アセンブリの水素ガス入口チャネルセクションとの接合部、及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂとを別の電極アセンブリの水素ガス出口チャネルセクションとの接合部をそれぞれ封止するために、水素ガス入口チャネルＯリング３２２ａ及び水素ガス出口チャネルＯリング３２２ｂの各々を更に含み得る。具体的には、水素ガス入口チャネルＯリング３２２ａ及び水素ガス出口チャネルＯリング３２２ｂは、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂをそれぞれ外接するように、プレート３０４に固着されるか、又は別様に結合され得る。
【0083】
別の実施例として、複数の封止インサートは、電極アセンブリ３０２と別の電極アセンブリとの接合部をその外縁部で封止するためのオーバーボードＯリング３２４を更に含み得る。具体的には、オーバーボードＯリング３２４は、電解質入口ウェル３１２、電解質入口通路３１４ａ、バーム３１４ｂ、電解質出口チャネルセクション３１６、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ、及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂの各々と外接するように、プレート３０４に固着されるか、又は別様に結合され得る。
【0084】
炭素フォーム３０６は、ｙ軸に沿ってバーム３１４ｂと電解質出口チャネルセクション３１６との間、及びｘ軸に沿って水素ガス入口チャネルセクション３１８ａと水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂとの間で、プレート３０４の空洞３２６内に位置付けられ得る。具体的には、炭素フォーム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得る。いくつかの実施例では、炭素フォーム３０６は、連続的なモノリシックピースとして形成され得るが、他の実施例では、炭素フォーム３０６は、２つ以上の炭素フォームセクションとして形成され得る。例示的な実施形態では、炭素フォーム３０６は、導電性、透過性、及び多孔質であり得、複数の電解質入口通路３１４ａからそれを通って供給される重力である電解質の分配フィールドを提供する。いくつかの実施例では、炭素フォーム３０６の孔分配は、１０～１００ＰＰＩであり得る。一実施例では、孔分配は、３０ＰＰＩであり得る。追加的又は代替的な実施例では、炭素フォーム３０６の透過性は、０．０２～０．５ｍｍ２であり得る。このため、炭素フォーム３０６の全体的なサイズに加えて、孔分配及び透過性の各々は、相対的に小さい圧力降下を目標とし、それによって、炭素フォーム３０６から正電極３０８への電解質の対流を誘導するように選択され得る。例えば、圧力降下は、２～３ｍｍの電解質ヘッド上昇を対象とし得る。
【0085】
いくつかの実施例では、炭素フォーム３０６は、フローフィールドプレートのフローフィールド構成によって誘導される対流を介して電解質を正電極３０８に輸送するように構成されたフローフィールドプレートと交換され得る。具体的には、フローフィールドプレートは、複数の電解質入口通路３１４ａ及び電解質出口チャネルセクション３１６の各々に流体的に結合され得る。一実施例では、フローフィールドプレートは、ｚ軸に対して正電極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内に一体的に形成され得る。他の実施例では、フローフィールドプレートは、別個の取り外し可能な構成要素であり得る。
【0086】
いくつかの実施例では、フローフィールド構成は、交差したフローフィールド構成、部分的に交差したフローフィールド構成、又は蛇行したフローフィールド構成であり得る。いくつかの実施例では、各電極アセンブリ３０２は、各他方の電極アセンブリ３０２と同様の構成（例えば、交差した、部分的に交差した、蛇行したなどの）のフローフィールド構成と接合し得る。他の実施例では、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル２０２内の所与の電極アセンブリ３０２の場所によって、電極アセンブリの積層体内の電極アセンブリ３０２の間にいくつかの異なるフローフィールド構成が提供され得る。このようにして、電解質は、電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６）から、電極アセンブリの積層体内の正電極３０８とそれぞれ接合しているフローフィールドプレートに導かれ得、フローフィールドプレートは、交差したフローフィールド構成、部分的に交差したフローフィールド構成、蛇行したフローフィールド構成、又はこれらの組み合わせで構成される。
【0087】
ある実施例では、図４Ａ及び図４Ｂを参照して下記でより詳細に考察されるように、炭素フォーム３０６がフローフィールドプレート（本明細書において「電解質フローフィールドプレート」とも呼ばれる）と交換されることに加えて、別のフローフィールドプレート（本明細書において「水素ガスフローフィールドプレート」とも呼ばれる）は、ｚ軸に対して正電極３０８と反対側の負電極３１０と接合し得る。しかしながら、他の実施例では、電解質フローフィールドプレートが含まれ得（例えば、炭素フォーム３０６を交換する）、水素ガスフローフィールドプレートは、存在し得ない。更に他の実施例では、水素ガスフローフィールドプレートが含まれ得（例えば、負電極３１０と接合している）、電解質フローフィールドプレートは存在し得ない。
【0088】
正電極３０８は、ｚ軸に沿ってプレート３０４から反対側の炭素フォーム３０６の側面と面共有接触して、空洞３２６内に位置付けられ得る。例示的な実施形態では、正電極３０８は、毛細管作用を介して炭素フォーム３０６を通って流動する電解質を負電極３１０と接触させ得るウィッキング導電性炭素フェルト、スポンジ、又はメッシュであり得る。したがって、いくつかの実施例では、正電極３０８は、導電性及び多孔質であり得る（ただし、かかる実施例では、炭素フォーム３０６ほど多孔質ではない）。一実施例では、炭素フォーム３０６の多孔性が所定の範囲内にあり得る場合（例えば、正電極３０８へのウィッキングを促進するのに十分な固体材料を保持するために上側閾値多孔性を下回り、炭素フォーム３０６を通る電解質のフローを妨げないように下側閾値多孔性を上回る）、電解質は正電極３０８にウィッキングされ得る。追加的又は代替的な実施例では、正電極３０８の各々の吸着性は、正電極３０８の多孔性の増加に伴って減少し得、正電極３０８の透過性は増加し得る（例えば、少なくとも、正電極３０８の閾値多孔性に達した場合など、電解質のウィッキングを促進するために正電極３０８の固体材料が少なくなるまで残る）。いくつかの実施例では、正電極３０８の表面は、（例えば、徹底的な電解質湿潤を促進し、それによってイオン伝導性媒体を形成することによって）望ましいリバランシングセル動作のために十分に親水性であり得る。かかる実施例では、正電極３０８の全体的な親水性は、その表面をコーティングするか又は処理することによって増加され得る。更に、Ｈ２ガスのうちの少なくとも一部は、正電極３０８にウィッキングされた電解質の一部分に加えて、正電極３０８に通過し得るが、正電極３０８は、その上のＨ２ガスのバルクとその下の電解質のバルクとの間のセパレータとみなされ得る。
【0089】
いくつかの実施例では、正電極３０８及び負電極３１０の各々は、（例えば、離散粒子又は複数のピースとは対照的に）連続したモノリシックピースとして形成され得、その結果、電解質を負電極３１０の触媒表面でＨ２ガスと接触させる場合に、境界層フィルムを横断する相間質量輸送損失が低減され得、それによってイオン及びプロトン移動が促進される。対照的に、離散的に充填された触媒粒子を含む充填床構成は、各個々の粒子を取り囲む質量輸送制限境界層フィルムを含み得、それによって、電解質のバルクから粒子の表面への電解質の質量輸送の速度を低減する。
【0090】
負電極３１０は、ｚ軸に沿って炭素フォーム３０６から反対側の正電極３０８の側面と面共有接触して空洞３２６内に位置付けられ得、その結果（ウィッキングされた）電解質と、負電極３１０の触媒表面と、Ｈ２ガスとの間の三相接触境界部が、プロトン（例えば、Ｈ＋）及びそれを通るイオン移動（Ｈ３Ｏ＋）のために形成され得る。並行して、正電極３０８は、電子が電解質フロントに移動するための導電経路を提供し、そこでＦｅ３＋イオンを還元することによって、全体的な電子抵抗を低減し得る。
【0091】
例示的な実施形態では、負電極３１０は、その上に金属触媒がコーティングされた多孔質非導電性材料又は導電性炭素基板であり得る。いくつかの実施例では、多孔質非導電性材料は、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み得る。いくつかの実施例では、導電性炭素基板は、カーボンクロス又はカーボン紙を含み得る。いくつかの実施例では、金属触媒は、貴金属触媒を含み得る。いくつかの実施例では、貴金属触媒は、Ｐｔを含み得る。追加的又は代替的な実施例では、貴金属触媒は、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、又はそれらの合金を含み得る。いくつかの実施例では、コスト考慮のために、相対的に少量（例えば、０．２～０．５重量％）の導電性炭素基板上に担持される貴金属触媒が用いられ得る。しかしながら、実際には、貴金属触媒の量は、特に制限されない可能性があり、リバランシングセルについての所望の反応速度及びリバランシングセルの予想される寿命のうちの１つ以上に基づいて、選択され得る。更に、貴金属触媒内に含まれる合金は、コストを低減させ、貴金属触媒の腐食安定性を増加させるために利用され得る。例えば、ＰｔへのＲｈの１０％の添加は、ＰｔのＦｅ３＋による腐食を９８％超低減させ得る。他の実施例では、金属触媒は、第二鉄溶液及び他のかかる酸性環境（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み得る。一実施例では、負電極３１０は、１．０ｍｇ／ｃｍ２Ｐｔでコーティングされたカーボンクロスを含み得、（例えば、疎水性のために）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）結合剤で結合された微多孔層を含み得る。実際、ＰＴＦＥ結合剤を含めることは、他の結合剤を使用して形成された電極アセンブリに対して、長時間にわたってリバランシングセル性能の耐久性を増加させ得る。
【0092】
いくつかの実施例では、貴金属触媒がＰｔを含む場合など、負電極３１０の浸漬は、最終的に貴金属触媒の腐食をもたらし得る。他の実施例では、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上記でより詳細に考察されるように、電極アセンブリ３０２は、（電極アセンブリの積層体及びリバランシングセル全体とともに）リバランシングセルが置かれる表面に対して傾くか、又は傾斜され得（例えば、ｚ軸は、重力方向と平行でなくてもよい）、その結果、電解質のフローが、重力供給を介して炭素フォーム３０６を通って、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ので、貴金属触媒は相対的に乾燥したままであり得る。このため、いくつかの実施例では、電極アセンブリ３０２は、リバランシングセルが０°～３０°の角度で置かれる表面に対して水平であってもよく、又は傾斜していてもよい。
【0093】
例示的な実施形態では、炭素フォーム３０６、正電極３０８、及び負電極３１０の各々を含む電極アセンブリ３０２は、ｚ軸に沿って圧縮され得、正電極３０８は、所与の圧縮圧力下で、炭素フォーム３０６及び負電極３１０よりも大きい撓みを有する。したがって、空洞３２６の深さは、炭素フォーム３０６の厚さ、正電極３０８の厚さ、正電極３０８の所望の圧縮、及び負電極３１０の厚さに基づいて、選択され得る。
【0094】
具体的には、空洞３２６の深さは、（電解質フローを妨げる可能性がある、炭素フォーム３０６の過剰応力及び破砕を回避するため）実質的に完全に圧縮された後の炭素フォーム３０６の厚さと、実質的に完全に圧縮された後の正電極３０８の厚さとの合計の下側閾値深さよりも大きく、（Ｈ２ガスと電解質との不十分な接触をもたらし得る、正電極３０８のゼロ圧縮、場合によっては隙間を回避するため）炭素フォーム３０６の厚さと正電極３０８の厚さとの合計の上側閾値深さ未満であるように選択され得る。例えば、炭素フォーム３０６の厚さが６ｍｍであり、正電極３０８の厚さが３．４ｍｍであり、正電極３０８の所望の圧縮が（０．０１ＭＰａの所望の圧縮圧力を達成するため）０．４ｍｍであり、負電極３１０の厚さが０．２ｍｍである実施例では、空洞３２６の深さは、９．２ｍｍ（＝３．４ｍｍ＋６ｍｍ＋０．２ｍｍ－０．４ｍｍ）であり得る。別の実施例として、炭素フォーム３０６の厚さは、２～１０ｍｍであり得、正電極３０８の厚さは、１～１０ｍｍであり得、正電極３０８の所望の圧縮は、（０～０．０９ＭＰａの所望の圧縮圧力を達成するように）０～２．３４ｍｍであり得、負電極３１０の厚さは、０．２～１ｍｍであり得、その結果、空洞３２６の深さは、０．８６～２１ｍｍであり得る。
【0095】
追加的又は代替的な実施例では、正電極３０８の厚さは、炭素フォーム３０６の厚さの２０％～１２０％であり得る。一実施例では、正電極３０８の厚さは、炭素フォーム３０６の厚さの１００％～１１０％であり得る。一実施例では、空洞３２６の深さは、炭素フォーム３０６の圧縮強度に更に依存し得る（例えば、空洞３２６の深さは、圧縮強度の減少とともに増加し得る）。例えば、空洞３２６の深さが９．２ｍｍである場合（例えば、正電極の所望の圧縮が０．４ｍｍである場合）、フォーム破砕安全率（ＦＯＳ）は、５．７８であり得る。フォーム破砕ＦＯＳは、いくつかの実施例では、０．３４の最小値を有し得、フォーム破砕ＦＯＳ値が、１未満である場合、少なくともいくつかの破砕が予想されることを示し得る。いくつかの実施例では、炭素フォーム３０６の破砕強度は、その製造中に炭素フォーム３０６の熱処理によって低減され得る（一実施例では、０．０８ＭＰａ～０．０３ＭＰａ）。
【0096】
電極アセンブリ３０２は、（例えば、電解質フローが、負電極３１０に近接し得る際）一般的に薄い電極アセンブリ３０２が、リバランシングセルの全体的なサイズの低減及び電極アセンブリ３０２を横切る電気抵抗の低減をもたらし得るため、空洞３２６の深さが可能な限り低くなるように（例えば、上記の制約の範囲内で）構成され得ることが理解されよう。
【0097】
このようにして、電極アセンブリ３０２は、炭素フォーム３０６と、互いに面共有接続し、連続的に導電性である正電極３０８及び負電極３１０の接合対との連続的な積層体を含み得る。具体的には、第１の接合部は、正電極３０８と炭素フォーム３０６との間に形成され得、第２の接合部は、正電極３０８と負電極３１０との間に形成され得、第２の接合部は、正電極３０８を横切る第１の接合部と反対であり、炭素フォーム３０６、正電極３０８、及び負電極３１０の各々は、導電性であり得る。したがって、電極アセンブリ３０２は、内部的に短絡され得、その結果、電極アセンブリ３０２を通って流動する電流は、外部負荷を通ってチャネリングされない可能性がある。
【0098】
例示的な実施形態では、上で考察されたように、強制対流は、（例えば、負電極３１０と接合しているフローフィールドプレートを介して）Ｈ２ガスの電極アセンブリ３０２への負電極３１０を横切るフローを誘導し得る。その場合、Ｈ２ガスは、式（４ａ）を介して負電極３１０の触媒表面と反応し得る（例えば、式（１）の逆反応）：
１／２Ｈ２→Ｈ＋＋ｅ－ （陽極半反応） （４ａ）
プロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ－）は、負電極３１０を横切って正電極３０８に伝導され得る。炭素フォーム３０６を介して電極アセンブリ３０２を通って導かれた電解質は、正電極３０８にウィッキングされ得る。正電極３０８と負電極３１０との間の第２の接合部で、及びその近くで、電解質中のＦｅ３＋は、式（４ｂ）を介して還元され得る：
Ｆｅ３＋＋ｅ－→Ｆｅ２＋ （陰極半反応） （４ｂ）
式（４ａ）及び（４ｂ）を合計すると、電解質リバランシング反応は、式（４）として取得され得る：
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランシング） （４）
１／２Ｈ２→Ｈ＋＋ｅ－ （陽極半反応） （４ａ）
プロトン（Ｈ＋）及び電子（ｅ－）は、負電極３１０を横切って正電極３０８に伝導され得る。炭素フォーム３０６を介して電極アセンブリ３０２を通って導かれた電解質は、正電極３０８にウィッキングされ得る。正電極３０８と負電極３１０との間の第２の接合部で、及びその近くで、電解質中のＦｅ３＋は、式（４ｂ）を介して還元され得る：
Ｆｅ３＋＋ｅ－→Ｆｅ２＋ （陰極半反応） （４ｂ）
式（４ａ）及び（４ｂ）を合計すると、電解質リバランシング反応は、式（４）として取得され得る：
Ｆｅ３＋＋１／２Ｈ２→Ｆｅ２＋＋Ｈ＋ （電解質リバランシング） （４）
【0099】
電極アセンブリ３０２は内部的に短絡しているため、電極アセンブリ３０２のセル電位は、以下のようにゼロに駆動され得る：
０＝（Ｅ正－Ｅ負）－（ηａｃｔ＋ηｍｔ＋ηオーム） （７）
式中、Ｅ正は、正電極３０８の電位であり、Ｅ負は、負電極３１０の電位であり、ηａｃｔは、活性化過電圧であり、ηｍｔは、質量輸送過電圧であり、及びηオームは、オーム過電圧である。図３において構成される電極アセンブリ３０２について、ηｍｔ及びηａｃｔは、無視できると想定され得る。更に、ηオームは、電解質の過電圧η電解質及び正電極３０８を形成する炭素フェルトの過電圧ηフェルトに依存し得る：
ηオーム＝η電解質＋ηフェルト （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σ電解質及び炭素フェルトの電気抵抗率σフェルトによって制限され得る。電解質の電気伝導率及び炭素フェルトの電気伝導率は、それぞれ、電解質の抵抗Ｒ電解質及び炭素フェルトの抵抗Ｒフェルトに更に依存し得、以下のように与えられ得る：
Ｒ電解質＝σ電解質×ｔ電解質／Ａ電解質 （９）
Ｒフェルト＝σフェルト×ｔフェルト／Ａフェルト （１０）
式中、ｔ電解質は電解質の厚さ（例えば、電解質フロントの高さ）であり、ｔフェルトは、炭素フェルトの厚さ（例えば、正電極３０８の厚さ）であり、Ａ電解質は、電解質の活性領域（フロント）であり、Ａフェルトは、炭素フェルトの活性領域である。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フロント場所、したがって、炭素フォーム３０６を横切る電解質の分配、及び正電極３０８を形成する炭素フェルトにウィッキングされた電解質の量に基づいて、更に制限され得る。
０＝（Ｅ正－Ｅ負）－（ηａｃｔ＋ηｍｔ＋ηオーム） （７）
式中、Ｅ正は、正電極３０８の電位であり、Ｅ負は、負電極３１０の電位であり、ηａｃｔは、活性化過電圧であり、ηｍｔは、質量輸送過電圧であり、及びηオームは、オーム過電圧である。図３において構成される電極アセンブリ３０２について、ηｍｔ及びηａｃｔは、無視できると想定され得る。更に、ηオームは、電解質の過電圧η電解質及び正電極３０８を形成する炭素フェルトの過電圧ηフェルトに依存し得る：
ηオーム＝η電解質＋ηフェルト （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σ電解質及び炭素フェルトの電気抵抗率σフェルトによって制限され得る。電解質の電気伝導率及び炭素フェルトの電気伝導率は、それぞれ、電解質の抵抗Ｒ電解質及び炭素フェルトの抵抗Ｒフェルトに更に依存し得、以下のように与えられ得る：
Ｒ電解質＝σ電解質×ｔ電解質／Ａ電解質 （９）
Ｒフェルト＝σフェルト×ｔフェルト／Ａフェルト （１０）
式中、ｔ電解質は電解質の厚さ（例えば、電解質フロントの高さ）であり、ｔフェルトは、炭素フェルトの厚さ（例えば、正電極３０８の厚さ）であり、Ａ電解質は、電解質の活性領域（フロント）であり、Ａフェルトは、炭素フェルトの活性領域である。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フロント場所、したがって、炭素フォーム３０６を横切る電解質の分配、及び正電極３０８を形成する炭素フェルトにウィッキングされた電解質の量に基づいて、更に制限され得る。
【0100】
Ｒ電解質及びＲフェルトを判定した後、電極アセンブリ３０２の電流Ｉアセンブリは、以下のように判定され得る：
Ｉアセンブリ＝（Ｅ正－Ｅ負）／（Ｒ電解質＋Ｒフェルト） （１１）
及び電解質リバランシング反応の速度ｖリバランシング（例えば、Ｆｅ３＋の還元速度）は、以下のように更に判定され得る：
ｖリバランシング＝Ｉアセンブリ／（ｎＦＡリバランシング） （１２）
式中、ｎは、負電極３１０を通って流動する電子の数であり、Ｆは、ファラデー定数であり、Ａリバランシングは、電解質リバランシング反応の活性領域（例えば、電解質フロントと負電極３１０との間の接合部の領域）である。使用事例として、ｔフェルト＝３ｍｍを有する非圧縮炭素フェルトの場合、ｖリバランシングは、１１３ｍｏｌ／ｍ２時間の最大値を有し得る。しかしながら、代替的な実施例では、非圧縮炭素フェルトの他の特性が使用され得る。
Ｉアセンブリ＝（Ｅ正－Ｅ負）／（Ｒ電解質＋Ｒフェルト） （１１）
及び電解質リバランシング反応の速度ｖリバランシング（例えば、Ｆｅ３＋の還元速度）は、以下のように更に判定され得る：
ｖリバランシング＝Ｉアセンブリ／（ｎＦＡリバランシング） （１２）
式中、ｎは、負電極３１０を通って流動する電子の数であり、Ｆは、ファラデー定数であり、Ａリバランシングは、電解質リバランシング反応の活性領域（例えば、電解質フロントと負電極３１０との間の接合部の領域）である。使用事例として、ｔフェルト＝３ｍｍを有する非圧縮炭素フェルトの場合、ｖリバランシングは、１１３ｍｏｌ／ｍ２時間の最大値を有し得る。しかしながら、代替的な実施例では、非圧縮炭素フェルトの他の特性が使用され得る。
【0101】
図２Ａ及び図２Ｂに示されるリバランシングセル２０２を通る水素ガスフローは、少なくとも２つのパターンを介して実装され得る。第１のフローパターンが図４Ａ及び図４Ｂに示され、図２Ｂに示される水素ガス出口ポート２１２は開放されている。逆に、第２のフローパターンが図５Ａ及び図５Ｂに示され、図２Ｂに示される水素ガス出口ポート２１２は閉鎖されている。水素ガス出口ポートを閉鎖することは、デッドエンドフロー構成を提供する。図４Ａ～図５Ｂの断面図の切断平面は、ｚ－ｘ平面に対して平行であり、水素ガス入口ポート２１０の中心軸を通って延在する。
【0102】
ここで具体的に図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、リバランシングセル２０２の断面図及び拡大挿入図４５０が、それぞれ示される。断面図及び拡大挿入図４５０の各々は、リバランシングセル２０２内のＨ２ガスフローの例示的な態様を描写する。具体的には、拡大挿入図４５０は、破線楕円４１０によって区切られた断面図の一部分を拡大する。
【0103】
図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、リバランシングセル２０２は、各電極アセンブリ３０２の水素ガス入口チャネルセクション３１８ａが、各電極アセンブリ３０２の水素ガス入口チャネルセクション３１８ａと連続した水素ガス入口チャネル４０４を形成するように整列された個々の電極アセンブリ３０２の積層体として形成された電極アセンブリ積層体４０２を含み得る。水素ガス入口マニホールド４０６は、水素ガス入口チャネル４０４内に更に含まれ得、水素ガス入口マニホールド４０６は、水素ガス入口チャネル４０４を水素ガス入口ポート２１０に流体的に結合する。
【0104】
それぞれの水素ガス入口チャネルＯリング３２２ａ及びオーバーボードＯリング３２４は、電極アセンブリ３０２の対の間の接合部で水素ガス入口チャネル４０４を封止し得る。リバランシングセル２０２の切断部分は、詳細については、図４Ａの断面図及び図４Ｂの拡大挿入図４５０において描写されており、リバランシングセル２０２の追加の特徴（例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示される）は、描写され得ないことが理解されよう。更に、所与の用途のための断面図に示されるものより多く又はより少ない電極アセンブリ３０２が電極アセンブリ積層体４０２内に含まれ得る（しかしながら、１つの使用事例では、スケールアップ性能は、５０％Ｈ２ガス利用率で、又は５０％Ｈ２ガス利用率を下回ってＨ２ガスフローに実質的に非感受性であり得る）ことが理解されよう。更に、水素ガス入口チャネル４０４及び隣接する構成要素の構造的特徴が、図４Ａ及び図４Ｂを参照して詳細に説明されているが、対応する水素ガス出口チャネル（例えば、各電極アセンブリ３０２の水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂ（図３を参照）を整列させることによって形成される）及び隣接する構成要素の構造的特徴が、（水素ガス出口チャネルと流体連通する水素ガス出口マニホールドが、ｘ軸及びｚ軸に沿って水素ガス入口マニホールド４０６の反対側に位置付けられ得ることを除いて）同様に構成され得ることが理解されよう。
【0105】
示されるように、及び矢印４０８ａによって示されるように、Ｈ２ガスは、水素ガス入口ポート２１０に入る。Ｈ２ガスは、水素フロー発生器又は貯蔵タンクなどの水素源から送達されてもよい。次に、矢印４０８ｂを介して示されるように、水素ガスは、水素ガス入口ポート２１０から水素ガス入口マニホールド４０６に流動する。次に、矢印４０８ｃを介して示されるように、水素ガスは、水素ガス入口マニホールド４０６から水素ガス入口チャネル４０４を通って流動する。矢印４０８ｄを介して示されるように、水素ガス入口チャネル４０４から、ガスは、電極間の水素ガス入口通路４５２に流動する。
【0106】
図４Ａ及び図４Ｂに示される電極アセンブリ積層体フロー構成では、図２Ｂに示される水素ガス出口ポート２１２は、開放されている。したがって、水素ガスは、矢印４０８ｅを介して示されるように、プレート３０４と負電極３１０との間の水素ガスチャネル４２０を通って電極アセンブリ積層体４０２を横切って（概して、ｘ軸に対して平行な方向に）流動する。矢印４０８ｆは、図２Ｂに示される、水素ガスチャネル４２０から水素ガス出口マニホールドへ、次いで水素ガス出口ポート２１２への水素ガスのフローを描写する。このようにして、水素は、セルを通って効果的に流動し得る。
【0107】
ここで図５Ａ及び図５Ｂを参照すると、リバランシングセル２０２の断面図及び拡大挿入図４５０が、それぞれ示されている。断面図及び拡大挿入図５５０の各々は、リバランシングセル２０２内のＨ２ガスフローの例示的な態様を描写する。具体的には、拡大挿入図５５０は、破線楕円５１０によって区切られた断面図の一部分を拡大する。
【0108】
【0109】
リバランシングセル２０２内の電極アセンブリ積層体４０２は、連続して配置された電極アセンブリ３０２を有する図５Ａ及び図５Ｂに再び示される。各電極アセンブリ３０２は、例解された実施例では、負電極３１０、正電極３０８、活性炭素フォーム３０６、プレート３０４、及び水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａを再び含む。しかしながら、他の実施例では、他の電極アセンブリ構成が使用され得る。
【0110】
示されるように、及び矢印５０８ａによって示されるように、Ｈ２ガスは、水素ガス入口ポート２１０に入る。次に、矢印５０８ｂを介して示されるように、水素ガスは、水素ガス入口ポート２１０から水素ガス入口マニホールド４０６に流動する。次に、矢印５０８ｃを介して示されるように、水素ガスは、水素ガス入口マニホールド４０６から水素ガス入口チャネル４０４を通って流動する。矢印５０８ｄを介して示されるように、水素ガス入口チャネル４０４から、水素ガスは、電極間の水素ガス入口通路４５２に流動する。水素フローのこの初期段階は、図４Ａ及び図４Ｂに描写される水素フローパターンの初期部分と同様である。
【0111】
しかしながら、図５Ａ及び図５Ｂに例解されるように、矢印５０８ｅを介して示されるように、水素ガスは、水素ガスチャネル４２０から、負電極３１０、次いで正電極３０８を通って流動する。このようにして、水素ガス出口の閉鎖により、水素ガスは、電極アセンブリの電解質側を通るように付勢される。水素ガスが電極アセンブリの正側にあると、ガスは、電解質出口マニホールドに流動し、次いで、図２Ａに示される水素ガスリリーフポート２１４を通って出る。詳細に説明すると、水素ガスは、図２Ａに示されるページ及び水素ガスリリーフポート２１４に流動する。更に、図２Ａに示されるように、水素ガスフローのいくつかは、電解質に含まれ、電解質出口ポート２０８から出る可能性がある。
【0112】
図４Ａ～図５Ｂに描写されるリバランシングセル２０２内の２つのフローパターンは、４つの異なる直列配管配向が、複数のリバランシングセルを接続して、各リバランシングセルユニットを通る水素ガス流量を増加させる（例えば、最大化する）ことを可能にする。したがって、セルは所望の反応速度を達成することができ、それによって電池効率を増加させる。図６～図９は、図１に示されるレドックスフロー電池１１又は他の好適なレドックスフロー電池などのレドックスフロー電池のためのリバランシングセルシステム６００における異なるフロー配置を描写する。
【0113】
ここで図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、断面図６００及び拡大挿入図６５０がそれぞれ示され、断面図６００及び拡大挿入図６５０の各々は、リバランシングセル２０２内の電解質フローの例示的な態様を描写する。具体的には、拡大挿入図６５０は、破線楕円６１０によって区切られた断面図６００の一部分を拡大する。図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、リバランシングセル２０２は、電極アセンブリ積層体４０２の個々の電極アセンブリ３０２内に含まれる電解質入口ウェル３１２に流体的に結合された１つ以上の電解質入口チャネル６１４を含み得る。１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々は、それぞれの電解質入口チャネル６１４への電解質のフローを調節、制限、又は別様に制御するそれぞれのノズル又はオリフィス６１２を介して、ｚ軸に対して、電極アセンブリ積層体４０２の上に位置する電解質入口プレナム６０６ａに流体的に結合され得る。電解質入口プレナム６０６ａは、電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６、図６Ａ及び図６Ｂには示されていない）に更に流体的に結合されてもよい。電極アセンブリ積層体４０２は、各電極アセンブリの電解質出口チャネルセクション３１６が、各電極アセンブリ３０２の電解質出口チャネルセクション３１６とともに連続的な電解質出口チャネル６０４を形成するように整列された個々の電極アセンブリ３０２の積層体として更に形成され得、電解質出口チャネル６０４は、１つ以上の電解質入口チャネル６１４及びｚ軸に対して平行であり、ｙ軸に対して、１つ以上の電解質入口チャネル６１４からリバランシングセル２０２の反対側の端部上にある。電解質出口プレナム６０６ｂは、電解質出口チャネル６０４内に更に含まれ得、電解質出口プレナム６０６ｂは、電解質出口チャネル６０４を電解質出口ポート２０８に流体的に結合する。それぞれのオーバーボードＯリング３２４は、電極アセンブリ３０２の対の間の接合部で電解質出口チャネル６０４を封止し得る。リバランシングセル２０２の切断部分は、詳細については、断面図６００及び拡大挿入図６５０において描写されており、リバランシングセル２０２の追加の特徴（例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示される）は、描写され得ないことが理解されよう。更に、所与の用途のために断面図６００に示されるよりも多くの又は少ない電極アセンブリ３０２が電極アセンブリ積層体４０２内に含まれ得ることが理解されよう。
【0114】
電解質は、電解質入口ポートを介して電解質入口プレナム６０６ａに入ることができ、そこから、電解質は、それぞれ、１つ以上のオリフィス６１２を介して、１つ以上の電解質入口チャネル６１４に導かれ得る。いくつかの実施例では、電解質入口プレナム６０６ａの断面形状は、加工の容易さのために選択され得る。一実施例として、電解質入口プレナム６０６ａの断面形状は、長方形であり得る。別の実施例として、電解質入口プレナム６０６ａの断面形状は、円形であり得る。電解質入口プレナム６０６ａのサイズは、電解質がリバランシングセル２０２に入ると相対的に低い圧力降下を実現するように選択され得る。
【0115】
いくつかの実施例では、１つ以上のオリフィス６１２の各々のサイズは、電極アセンブリ積層体４０２内の電極アセンブリ３０２の総数、リバランシングセル２０２の全体のサイズ、及び電解質流路設計に依存して、３～１０ｍｍであり得る。１つ以上のオリフィス６１２の各々のサイズ及び全体的な構成は、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２を通して実質的に均一な電解質フローを維持するように選択され得る。
【0116】
いくつかの実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々は、電極アセンブリ積層体４０２に隣接して構成された連続した切れ目のないチャネルであり得る。他の実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２は、それぞれ、１つ以上の電解質入口チャネル６１４に対応する１つ以上の電解質入口チャネルセクションを含み得る。かかる実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の電極アセンブリ３０２は、各電極アセンブリ３０２の１つ以上の電解質入口チャネルセクションが、それぞれ各他方の電極アセンブリ３０２の１つ以上の電解質入口チャネルセクションとともに、１つ以上の電解質入口チャネル６１４を形成するように整列され得る。
【0117】
いくつかの実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４は、複数の電解質入口チャネル６１４を含み得、１つ以上のオリフィス６１２は、電解質入口マニホールドが形成され得るように、複数の電解質入口チャネル６１４にそれぞれ流体的に結合された複数のオリフィス６１２を含み得る。図６Ａの断面図６００では、複数の電解質入口チャネル６１４のうちの単一の最も近い電解質入口チャネル６１４が視認可能であり、ｘ軸に対して平行に整列された複数の電解質入口チャネル６１４の各他方の電解質入口チャネル６１４が不明瞭である。いくつかの実施例では、電解質入口マニホールドを形成する複数の電解質入口チャネル６１４の各々は、電極アセンブリ積層体の電極アセンブリ３０２を横切って電解質を均等に流動させるように（例えば、負電極３１０の触媒表面のｍ２当たり約１０～４０Ｌ／分の電解質流量で）、電極アセンブリ積層体４０２の単一の電極アセンブリ３０２にそれぞれ流体的に結合され得る。
【0118】
いくつかの実施例では、電解質入口プレナム６０６ａに入る電解質は、（例えば、図１のコントローラ８８などのレドックスフロー電池システムのコントローラによって、その非一時的メモリ内に格納された命令を実行することによって）調整可能な流量を有し得、その結果、リバランシングセル２０２内への電解質の均一な分配が、所与の用途に基づいて、制御可能に調整され得る。ある実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の個々の電極アセンブリ３０２間の電解質フロー分配は、電解質入口プレナム６０６ａに入る電解質の電解質流量の調整に基づいて、対応して調整され得る。
【0119】
他の実施例では、複数の電解質入口チャネル６１４の各々は、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２に流体的に結合されて、ｘ軸及びｙ軸の両方に対して電極アセンブリ積層体４０２を横切って電解質を均等に分配し得る。代替的な実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４は、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２に流体的に結合され得る、１つの電解質入口チャネル６１４を含み得る。
【0120】
いくつかの実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々の断面形状は、円であり得る。しかしながら、１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々の断面形状は、特に限定されず、他の幾何学的形状が用いられる場合もある。１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々のサイズは、全体としてリバランシングセル２０２の実用的なサイズ考慮事項を維持しながら（例えば、相対的に大きいサイズは、不必要に大きいリバランシングセル２０２をもたらし得る）、負電極３１０の触媒表面の１ｍ２当たり約１０～４０Ｌ／分の電解質流量に関して相対的に低い圧力降下を実現するように選択され得る（例えば、相対的に小さいサイズは、電解質の不良分配をもたらし得る）。一実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々の断面形状は、１０～３０ｍｍの直径を有する円であり得る。
【0121】
１つ以上の電解質入口チャネル６１４に入ると、内部の圧力は、電解質源（例えば、図１の負及び正電極コンパートメント２２及び２０並びに／又は統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０）の圧力と実質的に同様であり得、その結果、重力は、１つ以上の電解質入口チャネル６１４を通る電解質フローを実質的に排他的に駆動し得る。具体的には、矢印６０８ａによって示されるように、電解質は、ｚ軸に沿って負の方向に１つ以上の電解質入口チャネル６１４を通って、電極アセンブリ積層体４０２の電解質入口ウェル３１２に流動し得る。勾配付き支持体２２０は、ｚ軸が重力方向と一致する軸ｇからオフセットされるように、リバランシングセル２０２を傾けることができ、電解質は、（矢印６０８ｂによって示されるように）重力供給を介して電極アセンブリ積層体４０２の炭素フォーム３０６を通って流動し得る。
【0122】
更に示されるように、及び矢印６０８ｃによって示されるように、電極アセンブリ積層体４０２の炭素フォーム３０６を通って流動しながら、電解質の少なくともいくつかは、毛細管作用を介して、電極アセンブリ積層体４０２の負電極３１０に向かって電極アセンブリ積層体４０２の正電極３０８に誘導され得る。電解質中のＦｅ３＋イオンは、陰極半反応（式（４ｂ）を参照）で電極アセンブリ積層体４０２の負電極３１０を通って流動する電子によって還元されて、Ｆｅ２＋イオンを生成し得る。電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２に関して、正電極３０８と負電極３１０との間に隙間が存在しないことを確実にするために（これは、Ｆｅ３＋還元速度の減少をもたらし得る）、空洞（例えば、図３の空洞３２６）の深さ６５２は、正電極３０８が炭素フォーム３０６の過度な圧縮（そのフォーム構造を座屈させ、劣化させ得る）をすることなく少なくとも部分的に圧縮されるように選択され得る。したがって、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２内の炭素フォーム３０６の圧縮を最小限に抑えるために、隣接する正電極３０８の厚さ６５４は、正電極３０８が完全に圧縮前である場合と比較して（例えば、約１０％）減少し得る。いくつかの実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２について、正電極３０８の厚さ６５４は、炭素フォーム３０６の厚さ６５６の２０％～１２０％であり得、正電極３０８の厚さ６５４及び炭素フォーム３０６の厚さ６５６の各々は、炭素フォーム３０６の透過性、正電極３０８の全体的なサイズなどの構造的考慮事項に基づいて、選択され得る。一実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２について、正電極３０８の厚さ６５４は、炭素フォーム３０６の厚さ６５６の１００％～１１０％であり得る。
【0123】
更に示されるように、及び矢印６０８ｄによって示されるように、電極アセンブリ積層体４０２の炭素フォーム３０６を通って流動後、電解質は、電極アセンブリ積層体４０２の電解質出口通路６５８を通って、電解質出口チャネル６０４に導かれ、そこから電解質出口ポート２０８を通って出てもよい。具体的には、電極アセンブリ積層体４０２の各所与の電極アセンブリ３０２について、電解質は、炭素フォーム３０６から電解質出口通路６５８を通って、電解質出口チャネルセクション３１６に流動し得、そこから電解質は、重力方向で（例えば、軸ｇの正方向に沿って）、（所与の電極アセンブリ３０２と電解質出口プレナム６０６ｂとの間に挿入された任意の更なる電解質出口チャネルセクション３１６を通過した後）電解質出口プレナム６０６ｂに流動し得る。次いで、電解質は、電解質出口プレナム６０６ｂを通って電解質出口ポート２０８に通過し得、そこから電解質は、リバランシングセル２０２から排出され得る。このようにして、電解質は、電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６、図６Ａ及び図６Ｂには示されない）から電極アセンブリ積層体４０２の炭素フォーム３０６を通って、電解質出口ポート２０８に導かれ得る。
【0124】
いくつかの実施例では、電解質出口通路６５８の各々の全体的なサイズは、好適な圧力降下を生成し、電解質出口プレナム６０６ｂを過充填しないように十分に大きくなるように選択され得る（これは、ｚ軸に対して電極アセンブリ積層体４０２の底部で電極アセンブリ３０２をフラッディングさせ得る）。したがって、かかる実施例では、電解質出口通路６５８の各々の全体的なサイズは、電解質出口プレナム６０６ｂの全体的なサイズ及び電解質出口ポート２０８に対応する開口部の全体的な数に依存し得る。他の実施例では、電解質出口プレナム６０６ｂの寸法は、より少なく、より大きい開口部を有する電解質出口ポート２０８に適合するために大きくてもよい。電解質出口ポート２０８がｚ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられる実施例では、ｚ軸に沿って最低電極アセンブリ３０２の厚さを維持しながら、より大きい開口部が適合され得、圧力降下は、（例えば、電解質が、電解質出口プレナム６０６ｂから電解質出口ポート２０８まで約９０°の角度で流動しないため）更に低減し得る。
【0125】
更に示されるように、フローフィールドプレート６２６は、それぞれ、電極アセンブリ積層体４０２の電極アセンブリ３０２と接合し得る。いくつかの実施例では、フローフィールドプレート６２６は、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合（例えば、面共有接触）し得、ｚ軸に対して隣接する電極アセンブリ３０２の炭素フォーム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内に一体的に形成され得る。他の実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合するフローフィールドプレート６２６は、別個の取り外し可能な構成要素であり得る。追加的に、更に示されるように、ｚ軸に対する最上部のフローフィールドプレート６２６は、任意の電極アセンブリ３０２と一体的に形成され得ず、代わりに、別個の取り外し可能な構成要素又は別の構成要素（例えば、図２Ａ及び図２Ｂのセルエンクロージャ２０４）の一体的な特徴のいずれかとしてリバランシングセル２０２内に含まれ得る。
【0126】
例示的な実施形態では、所与の電極アセンブリ３０２を横切ってＨ２ガスを流動するように構成された１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合するフローフィールドプレート６２６から形成され得る。例えば、１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、互いに平行な複数の水素ガス入口通路４５２及びｘ軸（例えば、交差したフローフィールド構成若しくは部分的に交差したフローフィールド構成）、又はＨ２ガスがｘ軸に対して平行に入ることができる単一のコイル状の水素ガス入口通路４５２（例えば、蛇行フローフィールド構成）のいずれかとして構成され得る。いくつかの実施例では、１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、ｘ軸に対して平行に延在し得、電解質は、（矢印６０８ｂによって示されるように）ｙ軸に対して平行に所与の電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６を通って流動し得る。したがって、かかる実施例では、Ｈ２ガスは、電極アセンブリ積層体４０２に、９０°の角度で導かれ得、ここから電解質が電極アセンブリ積層体４０２に導かれ得る。
【0127】
追加的又は代替的な実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６は、フローフィールドプレート６２６と実質的に同様のフローフィールド構成のフローフィールドプレートと交換され得る。かかる一実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６を交換するフローフィールドプレートのフローフィールド構成は、ｘ軸及びｙ軸に対してフローフィールドプレート６２６のフローフィールド構成と同じ方向に配向され得る。別のかかる実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６を交換するフローフィールドプレートのフローフィールド構成は、ｘ軸及びｙ軸に対してフローフィールドプレート６２６のフローフィールド構成とは異なる方向（例えば、９０°角度、１８０°角度、又は２７０°角度）に配向され得る。
【0128】
ここで図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、図１のレドックスフロー電池システム１０の部分的なフロー構成７００及び７５０が示される。特に、部分的なフロー構成７００及び７５０は、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０とＲＢＣ７８０との間のレドックスフロー電池システム１０内の電解質及び水素ガスの流路を例解する。ＲＢＣ７８０は、図１のＲＢＣ８０又はＲＢＣ８２のいずれかに対応する。特に、部分的なフロー構成７００及び７５０は、レドックスフロー電池１８の上流に流用された電解質及び水素ガスの流路を例解する。このため、部分的なフロー構成７００及び７５０は、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０とリバランシングセル８０との間の負電解質及び水素ガスのための流路、又はマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０とリバランシングセル８２との間の正電解質及び水素ガスのための流路を表現し得る。このように、主電解質ポンプ７３０は、電解質ポンプ３０及び３２に対応し得、制御バルブ７７４及び補助電解質ポンプ７７６は、電解質フロー制御デバイス７６及び電解質フロー制御デバイス７８に対応し得、Ｈ２フロー発生器７７０は、水素ガスフロー制御デバイス６６及び水素ガスフロー制御デバイス６８に対応し得る。
【0129】
図１を参照して説明されるように、図７Ａの制御バルブ７７４及び図７Ｂの補助電解質ポンプ７７６は、コントローラ８８に通信可能に結合され得る。したがって、コントローラ８８は、ＲＢＣ７８０に供給される電解質のフローを管理するために、制御バルブ７７４及び補助電解質ポンプ７７６を調節し得る。一実施例では、制御バルブ７７４は、比例制御バルブを含み得る。一実施例では、制御バルブ７７４を調節することは、制御バルブ７７４をより開放位置又はより閉鎖位置に調整して、それぞれ、ＲＢＣ７８０への電解質フローを増加させるか又は減少させることを含み得る。別の実施例では、補助電解質ポンプ７７６を調節することは、ＲＢＣ７８０への電解質フローを、それぞれ増加させるか又は減少させるために、補助電解質ポンプ７７６の速度を増加させるか又は減少させることを含み得る。一実施例では、電解質フロー制御デバイス７６及び７８の両方が、制御バルブ７７４を含み得、別の実施例では、電解質フロー制御デバイス７６及び７８の両方が、補助電解質ポンプ７７６を含み得る。別の実施例では、電解質フロー制御デバイス７６及び７８のうちの一方が、制御バルブ７７４を含み得、電解質フロー制御デバイス７６及び７８のうちの他方が、補助電解質ポンプ７７６を含み得る。流量計などの電解質フロー測定デバイス７８４（明瞭さのために図１には示されていない）は、ＲＢＣ７８０の上流の電解質供給ライン内に位置付けられ得る。ＲＢＣ７８０の下流では、液体電解質は、電解質戻りラインによって、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に戻される。
【0130】
Ｈ２フロー発生器７７０は、水素ガスフロー制御デバイス６６及び６８に対応し得、水素ガス噴射器、ベンチュリ噴射器、質量流量コントローラ、質量流量メータ、ガスブロワ、及びガス圧力調節器のうちの１つ以上を含み得る。Ｈ２フロー発生器は、コントローラ８８に通信可能に結合され得る。したがって、コントローラ８８は、ＲＢＣ７８０に供給される水素ガスのフローを管理するために、Ｈ２フロー発生器７７０を調節し得る。本明細書において説明されるように、Ｈ２ガスは、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０のヘッドスペース９０及び９２の並びに水素ガス源７６０うちの１つ以上から供給され得る。非限定的な例として、水素ガス源７６０は、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０の外部で、水素貯蔵タンク又は水素ガスシリンダを含むことができる。
【0131】
一実施例では、Ｈ２フロー発生器７７０を調節することは、ガス圧力調節器を調整して、水素ガス圧力を増加させるか又は減少させ、それによって、ＲＢＣ７８０への水素ガスの流量をそれぞれ増加させるか又は減少させることを含み得る。別の実施例では、Ｈ２フロー発生器７７０を調節することは、ＲＢＣ７８０への水素ガスの流量をそれぞれ増加させるか又は減少させるために、質量流量コントローラに送信される入力信号（例えば、電圧、電流など）の大きさを増加させるか又は減少させることを含み得る。別の実施例では、Ｈ２フロー発生器７７０を調節することは、ＲＢＣ７８０への水素ガスの流量をそれぞれ増加させるか又は減少させるために、水素ガス噴射器に送信される入力信号（例えば、電圧、電流など）の大きさを増加させるか又は減少させることを含み得る。別の実施例では、Ｈ２フロー発生器７７０を調節することは、ＲＢＣ７８０への水素ガスの流量をそれぞれ増加させるか又は減少させるために、ガスブロワのモータ速度を増加させるか又は減少させることを含み得る。ガス流量計などの水素ガスフロー測定デバイス７８６（明瞭さのために図１には示されていない）は、ＲＢＣ７８０の上流のＨ２供給ライン内に位置付けられ得る。ＲＢＣ７８０の下流では、水素ガスは、Ｈ２戻りラインによって、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０及び水素ガス源７６０のうちの１つ以上に戻される。Ｈ２がＨ２源７６０から供給される場合、水素ガスは、Ｈ２戻りラインによってＨ２源に戻される。
【0132】
リバランシング反応式（３）を参照して上で説明されたように、電解質及び水素ガスは、電解質の健全性及び電池容量を維持するためにＲＢＣ７８０に供給される。特に、過剰な第二鉄イオン（例えば、レドックスフロー電池システムがＩＦＢを含む場合）及びレドックスフロー電池システム中の水素は、リバランシング反応（式（４）で表現される）によって還元され、それによって寄生副反応（例えば、ＩＦＢの場合には式（１）及び（２）で表現される）を制限する。ＲＢＣ７８０が本明細書において説明された図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルに対応する場合には、負（水素ガス）側圧力が、正（電解質）側圧力よりもわずかに高いＲＢＣ７８０内に小さい圧力勾配が維持され得る。より高いガス圧力及び重力は、ＲＢＣ７８０の動作中の負側での電解質フラッディングを低減することに役立つ。しかしながら、ＲＢＣ７８０における水素フローがリバランシング反応速度を指示するために不十分である場合、電解質フラッディングが生じ得る。一実施例では、水素ガス流量が、下側閾値水素ガス流量を下回る場合、リバランシング反応器の負側の水素ガスは、ＲＢＣ７８０の負側の圧力が、実質的に、閾値水素ガス圧力未満に減少するように消費及び枯渇され得、それによってそこで電解質フラッディングをもたらす。
【0133】
図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、ＲＢＣ７８０の負側は、水素ガス出口ポート２１２が開放される状態の間、及びＲＢＣ７８０がフラッディングしていない状態の間に水素ガスが流動する、電極アセンブリ３０２及び電極アセンブリ積層体４０２の内部体積を指し得る。したがって、ＲＢＣ７８０の負側は、水素ガス入口マニホールド４０６、水素ガス入口チャネル４０４（各電極アセンブリ３０２の水素ガス入口チャネルセクション３１８ａを含む）、水素ガス出口チャネル（各電極アセンブリ３０２の水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂを含む）、水素ガス入口通路４５２、及びプレート３０４と負の電極３１０との間の水素ガスチャネル４２０を含み得る。ＲＢＣ７８０の負側は、電極アセンブリ３０２内に存在する場合、水素ガスフローフィールドプレートを更に含み得る。
【0134】
図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、ＲＢＣ７８０の正側は、ＲＢＣ７８０がフラッディングしていない状態の間、液体電解質が流動する、電極アセンブリ３０２及び電極アセンブリ積層体４０２の内部体積を指し得る。したがって、ＲＢＣ７８０の正側は、電解質入口マニホールド（電解質入口チャネル６１４を含む）、電解質入口ウェル３１２、電解質入口プレナム６０６ａ、オリフィス６１２、炭素フォーム３０６、正電極３０８、電解質出口チャネルセクション３１６、電解質出口チャネル６０４、及び電解質出口プレナム６０６ｂを含み得る。ＲＢＣ７８０の正側は、電極アセンブリ３０２内に存在する場合、電解質フローフィールドプレートを更に含み得る。
【0135】
ここで図８Ａ及び図８Ｂを参照すると、データプロット８００及び８５０は、レドックスフロー電池システムにおけるリバランシングセルの動作状態を例解する。ＲＢＣ７８０に供給される電解質流量８１０及び水素ガス流量８２０は、ＳＯＣ（データプロット８００）及び電解質濃度（データプロット８５０）の関数としてプロットされる。電解質流量８１０及び水素ガス流量８２０の両方は、体積流量に対応する。
【0136】
ＳＯＣは、レドックスフロー電池内に格納される電荷の量対レドックスフロー電池内に格納され得る電荷の完全又は総理論量の比として説明され得る。したがって、１００％ＳＯＣは、レドックスフロー電池システムが完全に充電された状態（例えば、容量に完全に充電された状態）にある場合に対応し得、追加の金属は、めっき電極でめっきすることができず、一方で０％ＳＯＣは、レドックスフロー電池システムが完全に放電された状態にある場合に対応し得、これ以上の金属は、めっき電極で酸化及び脱めっきすることができない。０％～１００％のＳＯＣ値は、レドックスフロー電池ＳＯＣが完全に充電された状態と完全に放電された状態との間の中間である場合に対応し得る。更に、ＳＯＣは、レドックスフロー電池が充電モードで動作している状態の間にＳＯＣが測定される充電ＳＯＣと、レドックスフロー電池が放電モードで動作している状態の間にＳＯＣが測定される放電ＳＯＣと、に対応し得る。
【0137】
ＳＯＣは、液体電解質のｐＨ又は比重の測定などの化学的手段を含む様々な手段によって、センサ６０、６２、７０、及び７２のうちの１つ以上によって間接的に測定され得る。更に、センサ６０、６２、７０、及び７２のうちの１つ以上は、電解質ｐＨにおける変化又は電解質ＳＯＣにおける変化を検出するための酸素還元電位（ＯＲＰ）メータ又は光学センサを含み得る。ＩＦＢの場合、正電解質ＯＲＰは、ＳＯＣの尺度として、正電解質中の［Ｆｅ３＋］の表示を提供する。このため、ＳＯＣは、正電解質チャンバ５２、負電解質チャンバ５０、正電極コンパートメント２２、及び負電極コンパートメント２０においてレドックスフロー電池システム１０の動作中に監視され得る。
【0138】
追加的又は代替的に、レドックスフロー電池のＳＯＣは、図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して下記に更に説明されるように、レドックスフロー電池のめっき効率及びレドックスフロー電池のシャント電流フローから判定され得る。負電極におけるめっき効率は、電流を供給及び吸収するためのレドックスフロー電池の容量を示し得、めっき効率値は、負電極で生じる副反応（例えば、式（１）、（２）、及び（３）によって表現される）に相関し得る。換言すると、めっき効率は、酸化還元フロー電池に出入りするクーロンをカウントし、酸化還元フロー電池に対するＳＯＣ推定値を判定するために使用され得る。そのため、めっき効率測定値は、見かけのＳＯＣに対する負の副作用の有害な影響を構成し得るため、めっき効率からＳＯＣを判定することは、ＯＲＰなどのＳＯＣの他の間接的な測定値よりも正確であり得る。
【0139】
電解質濃度は、レドックスフロー電池電極で行われる電気化学反応に従って、レドックスフロー電池ＳＯＣから判定され得る。データプロット８５０では、電解質濃度は、より低い電解質濃度Ａ（レドックスフロー電池ＳＯＣが０％又は完全に放電された場合に対応する）からより高い電解質濃度Ｂ（レドックスフロー電池ＳＯＣが１００％又は完全に充電された場合に対応する）まで変化する。ＩＦＢの場合、電解質濃度は、第二鉄イオン濃度、［Ｆｅ３＋］に対応し得る。［Ｆｅ３＋］は、式（５）及び（６）によって表現されるように、レドックスフロー電池ＳＯＣに相関し得る。第二鉄イオンは、レドックスフロー電池の充電中に正電極で生成され、逆に、第二鉄イオンは、レドックスフロー電池の放電中に正電極で消費される。したがって、レドックスフロー電池ＳＯＣが電池充電中に増加すると、レドックスフロー電池システム内の第二鉄イオン濃度が増加し得、レドックスフロー電池ＳＯＣが電池放電中に減少すると、レドックスフロー電池システム内の第二鉄イオン濃度が減少し得る。第二鉄濃度は、それぞれセンサ７２及び６２によって正電極コンパートメント２２及び正電解質チャンバ５２で測定され得る。
【0140】
電解質流量８１０は、補助電解質ポンプ７７６の速度、主電解質ポンプ７３０の速度、及び制御バルブ７７４の％開放位置のうちの１つ以上から判定され得る。追加的又は代替的に、電解質流量８１０は、電解質フロー測定デバイス７８４を用いて測定され得る。水素ガス流量８２０は、水素ガス源７６０における圧力、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０のヘッドスペース９０及び９２における圧力、Ｈ２フロー発生器７７０からの出力信号、Ｈ２フロー発生器７７０に供給される入力信号、又はＨ２フロー発生器がブロワを含む場合のモータ速度のうちの１つ以上から判定され得る。追加的又は代替的に、水素ガス流量８２０は、水素ガスフロー測定デバイス７８６を用いて測定され得る。
【0141】
上側閾値水素ガス流量８２４は、Ｈ２フロー発生器７７０が上側閾値圧力で水素ガスを送達するように構成されている状態の間、水素ガス流量８２０に対応し得る。上側閾値圧力は、ＲＢＣ７８０内の封止の完全性が損なわれ得る圧力、並びに水素ガス源７６０及び／又はマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０のヘッドスペース９０及び９２からの利用可能な最高送達圧力のうちの１つ以上に対応し得る。追加的又は代替的に、上側閾値水素ガス流量８２４は、入力信号が水素質量流量コントローラ若しくは水素ガス噴射器に送信される場合、又は水素ガスブロワがフルブロワ速度で動作している場合に対応し得る。
【0142】
電解質流量８１０及び水素ガス流量８２０の両方が、ＲＢＣ７８０に供給されるそれぞれの上側閾値電解質流量８１４及び上側閾値水素ガス流量８２４のパーセンテージとして示される。一実施例では、上側閾値電解質流量８１４は、制御バルブ７７４が完全に開放され、主電解質ポンプ７３０のポンプ速度がその最高能力ポンプ速度にある場合、又は補助電解質ポンプがその最高ポンプ速度にあり、主電解質ポンプ７３０のポンプ速度がその最高ポンプ速度にある場合、電解質流量８１０に対応し得る。別の例では、上側閾値電解質流量８１４は、上側閾値水素ガス流量８２４で動作する場合を含む、ＲＢＣ７８０の負側で電解質がフラッディングする確率が増加することを上回る電解質流量８１０に対応し得る。更に、電解質流量８１０は、下側閾値電解質流量８１２を上回って維持され得、水素流量８２０は、下側閾値水素流量８２２を上回って維持され得る。下側閾値電解質流量８１２は、レドックスフロー電池システムの性能が実質的に低減されるように、リバランシング反応速度が減少する電解質流量に対応し得る。下側閾値水素ガス流量８２２は、０％のレドックスフロー電池ＳＯＣにおいて又はその付近であっても、ＲＢＣ７８０のフラッディングが増加することより下の水素ガス流量に対応し得る。
【0143】
反応式（４）のリバランシングから、ＩＦＢの電解質リバランシング速度、Ｒリバランシングは、次のように表すことができる：
Ｒリバランシング＝ｋ［Ｆｅ３＋］［Ｈ２］１／２ （１３）
Ｒリバランシング＝ｋ［Ｆｅ３＋］［Ｈ２］１／２ （１３）
【0144】
式（１３）では、ｋは、リバランシング反応速度定数を表現し、ｋは、電解質及び水素ガス濃度と相対的に一定であり得るが、Ａｒｒｈｅｎｉｕｓ関係に従って、温度とともに変化してもよい。リバランシング反応は、Ｒリバランシングによって表されるように、［Ｆｅ３＋］に比例する割合で第二鉄イオンを消費し、水素濃度の平方根［Ｈ２］１／２に比例する水素ガスを消費する。レドックスフロー電池システム１０の動作中、電解質濃度は、レドックスフロー電池ＳＯＣに応じて変化し得る。ＩＦＢの場合、［Ｆｅ３＋］は、電池充電中にレドックスフロー電池ＳＯＣが増加するにつれて増加し、［Ｆｅ３＋］は、電池放電中にレドックスフロー電池ＳＯＣが減少するにつれて減少する。したがって、コントローラ８８は、リバランシング反応を持続するために、ＲＢＣ７８０への電解質及び水素ガスの流量を調節し得、それによって、一定のＲリバランシングは、レドックスフロー電池ＳＯＣから独立して維持される。リバランシング反応を持続し、一定のＲリバランシングを維持することは、電解質フラッディングがＲリバランシングを低減するので、ＲＢＣ７８０での電解質フラッディングを軽減することを含む。例示的なデータプロット８００及び８５０において、コントローラ８８によって調節される電解質流量８１０及び水素ガス流量８２０における変化は、ＳＯＣ（又は電解質濃度）の変化に対して線形として描写される。しかしながら、他の実施例では、電解質流量８１０と水素ガス流量８２０とレドックスフロー電池ＳＯＣ（又は電解質濃度）との間の関係は、非線形であり得る。
【0145】
レドックスフロー電池システムのより高い性能を維持するために、コントローラ８８は、リバランシング反応に利用可能な水素の量を考慮して最大Ｒリバランシングを達成するために、ＲＢＣ７８０に供給される電解質及び水素ガス流量を調節し得る。なお更に、一定のＲリバランシング（最大Ｒリバランシングで）を維持し、ＲＢＣ７８０において電解質フラッディングを軽減することは、ＲＢＣ７８０に供給される水素対電解質の質量流量比（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）を一定に維持しながら、ＲＢＣ７８０への電解質及び水素ガス流量を調節することを含み得る。水素対電解質の質量流量比は、式（１４）によって表現され得る：
Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質＝（ＱＨ２＊［Ｈ２］）／（Ｑ電解質＊［電解質］） （１４）
Ｑ質量、Ｈ２及びＱ質量、電解質は、それぞれ、水素ガス及び電解質の質量流量を表現し、ＱＨ２及びＱ電解質は、それぞれ、水素ガス及び電解質の体積流量を表現する。ＩＦＢレドックスフロー電池システムの場合、［電解質］は、［Ｆｅ３＋］に対応し得る。ＱＨ２及びＱ電解質は、データプロット８００及び８５０内にプロットされるように、水素ガス流量８２０及び電解質流量８１０に対応する。
Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質＝（ＱＨ２＊［Ｈ２］）／（Ｑ電解質＊［電解質］） （１４）
Ｑ質量、Ｈ２及びＱ質量、電解質は、それぞれ、水素ガス及び電解質の質量流量を表現し、ＱＨ２及びＱ電解質は、それぞれ、水素ガス及び電解質の体積流量を表現する。ＩＦＢレドックスフロー電池システムの場合、［電解質］は、［Ｆｅ３＋］に対応し得る。ＱＨ２及びＱ電解質は、データプロット８００及び８５０内にプロットされるように、水素ガス流量８２０及び電解質流量８１０に対応する。
【0146】
一実施例では、Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質は、閾値質量流量比、（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨを上回って維持され得る。（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨは、ＲＢＣ７８０に供給される水素ガスの量が、リバランシング反応式（４）によって与えられる水素の化学量論的量に対して少量の過剰水素ガスを含む質量流量比に対応し得る。（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨよりも大きいＱ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質を維持することは、所与のＱ質量、電解質に対するＲリバランシングをサポートするために十分な水素ガスフローがＲＢＣ７８０に供給されることを確実にするのに役立ち得る。言い換えれば、ＲＢＣ７８０への電解質及び水素ガス流量を調節して、（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨよりも大きいＱ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質をレドックスフロー電池ＳＯＣから独立して維持することは、ＲＢＣ７８０の負側における圧力が、ＲＢＣ７８０の正側での圧力よりもわずかに高い、ＲＢＣ７８０内の小さい圧力勾配を保持することに役立つ。ＲＢＣ７８０の正側面に対して負側面におけるより高い圧力は、ＲＢＣ７８０の負側面から離れた正側面での電解質の誘導された重力フローと組み合わされて、ＲＢＣ７８０の負側における電解質フラッディングを軽減するのに役立ち得る。
【0147】
（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨよりも大きいＱ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質を維持することは、ＲＢＣ７８０における過剰水素ガス流量８２０を少量の過剰水素ガス流量に制限することを更に含み得る。過剰水素ガス流量８２０を少量の過剰水素ガス流量に制限することは、（例えば、式（１）及び（２））副反応による寄生電力損失を低減しながら動作コストを低減させることに役立つ。一実施例では、（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨは、
（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨ＝（ＱＨ２、ＴＨ、上側＊［Ｈ２］）／（Ｑ電解質、ＴＨ、上側＊［電解質］ＴＨ）（１５）
式（１５）では、ＱＨ２、ＴＨ、上側及びＱ電解質、ＴＨ、上側は、それぞれ、上側閾値水素ガス流量８２４及び上側閾値電解質流量８１４を表現し、［電解質］ＴＨは、閾値電解質濃度８５８を表現する。ＩＦＢの場合、［電解質］ＴＨは、［Ｆｅ３＋］ＴＨに対応し得る。
（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨ＝（ＱＨ２、ＴＨ、上側＊［Ｈ２］）／（Ｑ電解質、ＴＨ、上側＊［電解質］ＴＨ）（１５）
式（１５）では、ＱＨ２、ＴＨ、上側及びＱ電解質、ＴＨ、上側は、それぞれ、上側閾値水素ガス流量８２４及び上側閾値電解質流量８１４を表現し、［電解質］ＴＨは、閾値電解質濃度８５８を表現する。ＩＦＢの場合、［電解質］ＴＨは、［Ｆｅ３＋］ＴＨに対応し得る。
【0148】
ＳＯＣ（及び［Ｆｅ３＋］）とのＲリバランシングの依存性は、レドックスフロー電池システム動作状態データプロット８００及び８５０に示されるように、コントローラ８８がＲＢＣ７８０への電解質及び水素流量をどのように調節し得るかに反映される。データプロット８００及び８５０は、３つの動作領域に分割され得：第１の状態は、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８未満である場合を含み得、電解質濃度が閾値電解質濃度８５８未満である場合を更に含み得、第２の状態は、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８と同等である場合を含み得、電解質濃度が閾値電解質濃度８５８と同等である場合を更に含み得、第３の状態は、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８よりも大きい場合を含み得、電解質濃度が閾値電解質濃度８５８よりも大きい場合を更に含み得る。
【0149】
データプロット８００及び８５０は、閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８及び閾値電解質濃度８５８を別個の値として表現するが、いくつかの実施形態では、閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８及び閾値濃度８５８は、それぞれ、ＳＯＣ値の閾値範囲及び電解質濃度の閾値範囲を含み得る。一実施例として、ＳＯＣ値の閾値範囲は、閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８プラス又はマイナスの閾値ＳＯＣ偏差を含み得、電解質濃度の閾値範囲は、閾値電解質濃度８５８プラス又はマイナスの閾値電解質濃度偏差を含み得る。したがって、第１の状態は、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値ＳＯＣマイナス閾値ＳＯＣ偏差未満である場合を含み得、第３の状態は、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値ＳＯＣプラス閾値ＳＯＣ偏差よりも大きい場合を含み得る。追加的又は代替的に、第１の状態は、電解質濃度が閾値電解質濃度マイナス閾値電解質濃度偏差未満である場合を含み得、第３の状態は、電解質濃度が閾値電解質濃度プラス閾値電解質濃度偏差よりも大きい場合を含み得る。
【0150】
上で説明されたように、ＩＦＢの場合、電解質濃度は、第二鉄イオン濃度に対応し得る。第１の状態の間、レドックスフロー電池ＳＯＣは、閾値レドックスフロー電池ＳＯＣよりも低く（及び電解質濃度は、閾値電解質濃度よりも低い）、ＲＢＣ７８０における電解質濃度は、リバランシング反応において（Ｈ２に対する）制限反応力であり得る。このため、第１の状態下で動作するレドックスフロー電池システムに応答して、電解質は、所与の水素ガス流量８２０に関するＲリバランシングを最大化するために、上側閾値電解質流量８１４と同等の流量でＲＢＣ７８０に供給され、維持され得る。更に、レドックスフロー電池ＳＯＣが、０％から閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８まで増加すると（及び電解質濃度がＡから閾値電解質濃度８５８まで増加すると）、ＲＢＣ７８０に供給される水素ガス流量８２０は、Ｒリバランシングを持続するための十分な水素ガスを供給するために、応答的に増加する。レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８から０％に減少すると（及び電解質濃度が閾値電解質濃度８５８からＡに減少すると）、ＲＢＣ７８０に供給される水素ガス流量８２０は、Ｒリバランシングを持続するための十分な水素ガスを供給するために、応答的に減少する。このようにして、第１の状態中、レドックスフロー電池ＳＯＣにおける変化に応答して、水素ガス流量を調節することは、ＲＢＣ７８０のフラッディングを軽減するために、ＲＢＣ７８０においてリバランシング反応式（４）によって与えられる電解質（例えば、ＩＦＢに対する第二鉄イオン）に対するＨ２のわずかな化学量論的過剰を保つために、（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨよりも大きいＱ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質を維持することを含み得る。
【0151】
第３の状態の間、レドックスフロー電池ＳＯＣは、閾値レドックスフロー電池ＳＯＣよりも高く（電解質濃度は、閾値電解質濃度よりも高く）、ＲＢＣ７８０における水素ガス濃度は、リバランシング反応における（電解質に対する）制限反応力であり得る。このため、第３の状態の下で動作するレドックスフロー電池システムに応答して、水素ガスは、所与の電解質流量８１０のＲリバランシングを最大化するために、上側水素ガス流量８２４と同等の流量でＲＢＣ７８０に供給され、維持され得る。更に、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８から１００％に増加すると（及び電解質濃度が閾値電解質濃度８５８からＢに増加すると）、ＲＢＣ７８０に供給される電解質流量８１０は、ＲＢＣ７８０を過剰な電解質で動作させることを回避するために応答的に減少し、ＲＢＣ７８０のフラッディングを引き起こし得る。レドックスフロー電池ＳＯＣが増加するにつれて電解質流量を低減させることは、一定のＲリバランシングを維持しながら、フラッディングを回避するためにＲＢＣ７８０に十分な水素ガスを維持するのに役立つ。レドックスフロー電池ＳＯＣが１００％から閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８に減少すると（及び電解質濃度がＢから閾値電解質濃度８５８に減少すると）、ＲＢＣ７８０に供給される電解質流量８１０は、一定のＲリバランシングを維持するために十分な電解質を供給するために、応答的に増加する。このようにして、第３の状態中、レドックスフロー電池ＳＯＣの変化に応答して、電解質流量８１０を調節することは、ＲＢＣ７８０のフラッディングを軽減するために、リバランシング反応式（４）によって与えられるように、ＲＢＣ７８０における電解質（例えば、ＩＦＢのための第二鉄イオン）に対するＨ２のわずかな化学量論的過剰を保つために、（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨよりも大きいＱ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質を維持することを含み得る。
【0152】
第２の状態の間、レドックスフロー電池ＳＯＣは、閾値レドックスフロー電池ＳＯＣ８０８と同等である（及び電解質濃度は、閾値電解質濃度８５８と同等である）。このため、第２の状態の下で動作するレドックスフロー電池システムに応答して、電解質は、上側閾値電解質流量８１４に等しい流量でＲＢＣ７８０に供給され、維持され得、一方で水素ガスは、Ｒリバランシングを最大化するために、上側閾値水素ガス流量８２４に等しい流量でＲＢＣ７８０に供給され、維持され得る。このため、第２の状態の間、式（１５）で表現されるように、Ｑ質量、Ｈ２＝ＱＨ２、ＴＨ、上側＊［Ｈ２］及びＱ質量、電解質＝Ｑ電解質、ＴＨ、上側＊［電解質］ＴＨ、及び（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨ＝（ＱＨ２、ＴＨ、上側＊［Ｈ２］）／（Ｑ電解質、ＴＨ、上側＊［電解質］ＴＨ）である。第２の状態は、第１の状態から第３の状態への遷移動作領域を表現し、ここで、リバランシング反応における制限反応力は、電解質（例えば、ＩＦＢのための第二鉄イオン）から水素ガスに遷移する。逆に、第２の状態はまた、リバランシング反応における制限反応力が水素ガスから電解質（例えば、ＩＦＢのための第二鉄イオン）に遷移する、第３の状態から第１の状態への遷移動作領域を表現する。
【0153】
ここで図９及び図１０を参照すると、リバランシングセル７８０を含むレドックスフロー電池システム１０を動作させるための方法９００及び１０００が示されている。具体的には、リバランシングセル７８０は、ＲＢＣ７８０で電解質がフラッディングする可能性を低減しながら、リバランシング反応速度及び電解質に対する水素ガスの質量流量比を閾値質量流量比で維持するために、レドックスフロー電池システム１０内に実装され得る。例示的な実施形態では、レドックスフロー電池システムは、図１のレドックスフロー電池システム１０であり得、リバランシングセルは、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル２０２であり得る。したがって、方法９００及び方法１０００は、図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、及び図７Ｂの実施形態を単体、又は組み合わせて参照して考慮され得る（ただし、本開示の範囲から逸脱することなく、同様の方法が他のシステムに適用され得ることが理解されよう）。例えば、方法９００及び方法１０００では、（例えば、電解質流量及びＨ２ガス流量を調節することを伴う）ステップの少なくとも一部又はステップの部分は、図１のコントローラ８８を介して実行され得、コントローラ８８に通信可能に結合された非一時的な記憶媒体（例えば、メモリ）に実行可能な命令として格納され得る。詳細に説明すると、ＲＢＣ７８０へのＨ２ガス流量は、コントローラから水素フロー発生器７７０へコマンドを送信することによって駆動され得、ＲＢＣ７８０への電解質流量は、コントローラ８８から、主電解質ポンプ７３０、補助電解質ポンプ７７６、及び制御バルブ７７４のうちの１つ以上へコマンドを送信することによって駆動され得る。図９及び図１０を参照して説明される更なる構成要素は、図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、及び図７Ｂの対応する構成要素の実施例であり得る。
【0154】
方法９００は、コントローラ８８が、レドックスフロー電池ＳＯＣ、水素ガス流量、電解質流量、レドックスフロー電池の動作モード（例えば、充電モード、放電モード、アイドルモード）などの、レドックスフロー電池システムの動作状態を推定及び／又は測定し得るステップ９１０を含む。
【0155】
９２０において、方法９００は、測定されたＳＯＣから電解質濃度を計算することを含む。一実施例では、コントローラ８８は、電解質濃度データ対レドックスフロー電池ＳＯＣの所定の較正ルックアップテーブルから電解質濃度を推測し得る。
【0156】
次に、９３０において、方法９００は、リバランシング反応速度、Ｒリバランシングを維持することと、（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）＞（Ｑ質量、Ｈ２／Ｑ質量、電解質）ＴＨを維持することと、を含む。特に、図１０の方法１０００に従って、９３４において、コントローラ８８は、電解質流量を調整し得、かつ／又はＲＢＣ７８０に供給される水素ガス流量を調整し得る。
【0157】
ここで図１０を参照すると、方法１０００は、ステップ１０１０を含み、ここでコントローラ８８は、第１の状態が満たされているかどうかを判定する。図８Ａ及び図８Ｂを参照して上で説明されたように、満たされている第１の状態は、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値ＳＯＣ８０８未満である場合を含む。満たされている第１の状態は、電解質濃度が閾値電解質濃度８５８未満である場合を更に含み得る。ＩＦＢの場合、閾値電解質濃度８５８未満である電解質濃度は、閾値第二鉄イオン濃度未満である第二鉄イオン濃度に対応し得る。第１の状態が満たされていることに応答して、方法１０００は、１０１４に進み、ここでコントローラ８８は、電解質体積流量、Ｑ電解質＝Ｑ電解質、ＴＨ、上側を設定する。更に、ＳＯＣ及び／又は電解質濃度の増加に応答して、コントローラ８８は、Ｑ電解質＝Ｑ電解質、ＴＨ、上側を維持しながら、水素ガス流量を増加させ得る。なお更に、ＳＯＣ及び／又は電解質濃度の減少に応答して、コントローラ８８は、Ｑ電解質＝Ｑ電解質、ＴＨ、上側を維持しながら、水素ガス流量を減少させ得る。したがって、コントローラ８８は、フラッディングを軽減しながら、所望のリバランシング反応速度を持続するための十分な水素をＲＢＣ７８０に供給するために、第１の状態中、Ｑ電解質＝Ｑ電解質、ＴＨ、上側を維持しながら、ＳＯＣ中の変化に応答して、水素ガス流量を調整し得る。なお更に、１０１４において、レドックスフロー電池ＳＯＣにおける変化に応答して、水素ガス流量を調節しながら、コントローラ８８は、下側閾値水素流量８２２、ＱＨ２、ＴＨ、下側を上回る水素流量８２０を維持し得る。ＱＨ２、ＴＨ、下側は、０％のレドックスフロー電池ＳＯＣ及びＡの電解質濃度であっても、ＲＢＣ７８０のフラッディングが増加する下記の水素ガス流量に対応し得る（図８Ａ及び図８Ｂを参照されたい）。
【0158】
１０１０に戻ると、第１の状態が満たされない場合、方法１０００は、コントローラが第３の状態が満たされているかどうかを判定する１０２０に進む。図８Ａ及び図８Ｂを参照して上で説明されたように、満たされている第３の状態は、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値ＳＯＣ８０８よりも大きい場合を含む。満たされている第３の状態は、電解質濃度が閾値電解質濃度８５８よりも大きい場合を更に含み得る。ＩＦＢの場合、閾値電解質濃度８５８よりも大きい電解質濃度は、閾値第二鉄イオン濃度よりも大きい第二鉄イオン濃度に対応し得る。第３の状態が満たされていることに応答して、方法１０００は、１０２４に進み、ここでコントローラ８８は、水素体積ガス流量ＱＨ２＝ＱＨ２、ＴＨ、上側を設定する。更に、ＳＯＣ及び／又は電解質濃度の増加に応答して、コントローラ８８は、ＱＨ２＝ＱＨ２、ＴＨ、上側を維持しながら、電解質体積流量を減少させ得る。なお更に、ＳＯＣ及び／又は電解質濃度の減少に応答して、コントローラ８８は、ＱＨ２＝ＱＨ２、ＴＨ、上側を維持しながら、電解質体積流量を増加させ得る。したがって、コントローラ８８は、フラッディングを軽減しながら、所望のリバランシング反応速度を持続するための十分な電解質をＲＢＣ７８０に供給するために、第３の状態中、ＱＨ２＝ＱＨ２、ＴＨ、上側を維持しながら、ＳＯＣ中の変化に応答して、電解質体積流量を調整し得る。なお更に、１０２４において、レドックスフロー電池充電状態中の変化に応答して、電解質流量を調節しながら、コントローラ８８は、下側閾値電解質流量８１２、Ｑ電解質、ＴＨ、下側を上回る電解質流量８１０を維持し得る。Ｑ電解質、ＴＨ、下側は、レドックスフロー電池システムの性能が実質的に低減されるように、リバランシング反応速度が減少する電解質流量に対応し得る。
【0159】
１０２０に戻ると、第３の状態が満たされない場合、方法１０００は、１０３０に進み、ここでコントローラ８８は、第２の状態が満たされているかどうかを判定する。図８Ａ及び図８Ｂを参照して上で説明されたように、満たされている第２の状態は、レドックスフロー電池ＳＯＣが閾値ＳＯＣ８０８と同等である場合を含む。満たされている第２の状態は、電解質濃度が閾値電解質濃度８５８と同等である場合を更に含み得る。第２の状態が満たされていることに応答して、方法１０００は、１０３４に進み、ここでコントローラ８８は、水素体積ガス流量、ＱＨ２＝ＱＨ２、ＴＨ、上側を設定し、体積電解質体積流量Ｑ電解質＝Ｑ電解質、ＴＨ、上側を設定する。したがって、ＳＯＣ及び／若しくは電解質濃度の増加又は減少のいずれかに応答して、コントローラ８８は、フラッディングを緩和しながら、所望のリバランシング反応速度を持続するために、第３の状態中に、ＱＨ２＝ＱＨ２、ＴＨ、上側を維持しながら、Ｑ電解質＝Ｑ電解質、ＴＨ、上側を維持する。
【0160】
１０１４、１０２４、及び１０３４の後、方法１０００は、９３４の後の方法９００に戻る。９３４の後、方法９００は終了する。
【0161】
このようにして、レドックスフロー電池システム内でリバランシングセルを動作させる方法は、レドックスフロー電池システム内のレドックスフロー電池の充電状態（ＳＯＣ）を測定することと、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣから電解質濃度を計算することと、リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することであって、電解質濃度の変化に応答して、リバランシングセルへの電解質流量を調整すること、及びリバランシングセルへの水素流量を調整すること、を含む、維持することと、を含む。第１の実施例では、方法は、電解質濃度における変化に応答して、電解質流量を調整することが、電解質濃度が閾値電解質濃度を上回る場合を含む第３の状態の間の電解質濃度における増加に応答して、電解質流量を低減させることを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１の実施例を含む第２の実施例では、方法は、電解質濃度における変化に応答して、水素流量を調整することが、電解質濃度が閾値電解質濃度未満の場合を含む第１の状態の間の電解質濃度における増加に応答して、水素流量を増加させることを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む第３の実施例では、方法は、電解質濃度における変化に応答して、電解質流量を調整することが、第１の状態の間に、電解質流量を上側閾値電解質流量に設定することを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１～第３の実施例のうちの１つ以上を含む第４の実施例では、方法は、電解質濃度における変化に応答して、水素流量を調整することが、第３の状態の間に、水素流量を上側閾値水素流量に設定することを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１～第４の実施例のうちの１つ以上を含む第５の実施例では、方法は、リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することが、電解質流量を上側閾値電解質流量未満に維持することを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１～第５の実施例のうちの１つ以上を含む第６の実施例では、方法は、リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することが、水素流量を、下側閾値水素流量を超えて維持することを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１～第６の実施例のうちの１つ以上を含む第７の実施例では、方法は、電解質濃度における変化に応答して、電解質流量を調整することが、電解質濃度が閾値電解質濃度にある場合を含む第２の状態の間に、電解質流量を上側閾値電解質流量に設定することを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１～第７の実施例のうちの１つ以上を含む第８の実施例では、方法は、電解質濃度における変化に応答して、水素流量を調整することが、第２の状態の間に、水素流量を上側閾値水素流量に設定することを含むことを、更に含む。
【0162】
このようにして、レドックスフロー電池システムを動作させる方法は、レドックスフロー電池とリバランシングセルとの間で電解質を再循環させることと、水素ガスをリバランシングセルに供給することと、レドックスフロー電池の充電状態（ＳＯＣ）を測定することと、リバランシングセルでリバランシング反応速度を維持することと、を含み、リバランシングセルへの電解質の流量を調整することと、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣに基づいてリバランシングセルへの水素ガスの流量を調整することと、を含む。第１の実施例では、方法は、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣに基づいて、リバランシングセルへの電解質の流量を調整することと、リバランシングセルへの水素ガスの流量を調整することが、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣが閾値レドックスフロー電池ＳＯＣを上回る状態の間、上側閾値水素ガス流量で水素ガスの流量を維持しながら、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣにおける増加に応答して、電解質の流量を低減させることを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１の実施例を含む第２の実施例では、方法は、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣに基づいて、リバランシングセルへの電解質の流量を調整することと、リバランシングセルへの水素ガスの流量を調整することが、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣが閾値レドックスフロー電池ＳＯＣを下回る状態の間、上側閾値電解質流量で電解質の流量を維持しながら、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣにおける増加に応答して、水素ガスの流量を増加させることを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む第３の実施例では、方法は、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣに基づいて、リバランシングセルへの電解質の流量を調整することと、リバランシングセルへの水素ガスの流量を調整することが、レドックスフロー電池の測定されたＳＯＣが閾値レドックスフロー電池ＳＯＣである状態の間、水素ガスの流量を上側閾値水素ガス流量で維持することと、電解質の流量を上側閾値電解質流量で維持することと、を含むことを、更に含む。任意選択的に、第１～第３の実施例のうちの１つ以上を含む第４の実施例では、方法は、リバランシングセルにおいてリバランシング反応速度を維持することが、リバランシングセルへの電解質の質量流量に対するリバランシングセルへの水素ガスの質量流量の比を、閾値質量流量比を超えて維持することを含むことを、更に含む。任意選択的に、第１～第４の実施例のうちの１つ以上を含む第５の実施例では、方法は、リバランシングセルへの電解質の質量流量に対するリバランシングセルへの水素ガスの質量流量の比を、閾値質量流量比を超えて維持することが、リバランシングセルにおいて電解質に対する水素ガスの化学量論的過剰を維持することを含むことを、更に含む。
【0163】
図１１Ａ及び図１１Ｂを参照して本明細書おいて説明されるように、一実施例では、レドックスフロー電池ＳＯＣは、レドックスフロー電池めっき効率及びシャント電流フローから判定され得る。特に、めっき効率及びシャント電流フローは、正及び負電解質ＳＯＣ値を計算するために使用され、加えて、レドックスフロー電池開回路電圧（ＯＣＶ）は、ＯＣＶのＳＯＣ値、ＳＯＣＯＣＶを計算するために使用される。その後、レドックスフロー電池ＳＯＣの推定値は、正及び負電解質ＳＯＣ値の組み合わせから判定され得、推定されたレドックスフロー電池ＳＯＣは、推定されたレドックスフロー電池ＳＯＣとＳＯＣＯＣＶとの比較に基づいて、調整され得る。
【0164】
ここで図１１Ａを参照すると、めっき電解質ｐＨと負電極めっき効率との間の例示的な関係を例解するプロット１１００が示される。プロットは、負電極めっき効率を出力する関数を表現する。機能は、めっき電解質ｐＨを介して参照されるか、又は指数化され得る。縦軸は、負電解質めっき効率を表現し、負電解質めっき効率は、縦軸矢印の方向において増加する。水平軸は、めっき電解質ｐＨを表現し、めっき電解質ｐＨは、水平軸の矢印の方向において増加する。
【0165】
曲線１１０２は、めっき電解質ｐＨと負電極めっき効率との間の関係を表現し、これは、負のめっき反応に関するクーロン効率と呼ばれ得る。一実施例では、曲線３０２は、式（１５）において以下のように表され得る：
プレートｅｆｆ＝０．１３８＊ｌｎ（ｐＨ）＋０．８５１４ （１５）
式中、プレートｅｆｆは、負電極のめっき効率であり、ｌｎは、自然対数であり、ｐＨは、めっき電解質のｐＨ値である。
プレートｅｆｆ＝０．１３８＊ｌｎ（ｐＨ）＋０．８５１４ （１５）
式中、プレートｅｆｆは、負電極のめっき効率であり、ｌｎは、自然対数であり、ｐＨは、めっき電解質のｐＨ値である。
【0166】
一実施例では、めっき効率は、めっき電解質のｐＨを調整し、鉄フロー電気エネルギー貯蔵セルの充電中の各ｐＨ値についてめっき効率を判定することを介して、経験的に判定され得る。めっき効率は、鉄フロー電気エネルギー貯蔵セルの充電中に負電極に堆積される金属の実際の重量を、ファラデーの法則に従って鉄フロー電気エネルギー貯蔵セルの充電中に負電極に堆積され得る金属の理論的重量で除算することを介して判定され得る。
【0167】
ここで図１１Ｂを参照すると、電池ＳＯＣと開回路電圧（ＯＣＶ）との間の例示的な関係を例解するプロット１１５２が示される。プロットは、電池のＳＯＣを出力する関数を表現する。関数は、ＯＣＶによって参照されるか又は指標化され得る（例えば、ＩＦＢセル又はセル積層体が外部電気負荷から切断された場合のＩＦＢセル又はセル積層体の電圧）。垂直軸は、ＯＣＶをめっきすることを表し、ＯＣＶは、垂直軸の矢印の方向において増加する。水平軸は、ＳＯＣ％を表し、ＳＯＣ％は、水平軸矢印の方向において増加する。
【0168】
曲線１１５２は、ＳＯＣ％とＯＣＶとの間の関係を表現する。一実施例では、曲線４０２は、式（１６）において以下のように表され得る：
ＳＯＣＯＣＶ＝－０．５１８＊（ＯＣＶ）２＋６７．０９８＊（ＯＣＶ）－２０１０．７（１６）
ＳＯＣＯＣＶは、ＯＣＶから判定された電池ＳＯＣであり、ＯＣＶは、選択された電池の開回路電圧である。
ＳＯＣＯＣＶ＝－０．５１８＊（ＯＣＶ）２＋６７．０９８＊（ＯＣＶ）－２０１０．７（１６）
ＳＯＣＯＣＶは、ＯＣＶから判定された電池ＳＯＣであり、ＯＣＶは、選択された電池の開回路電圧である。
【0169】
一実施例では、ＳＯＣ及びＯＣＶの関係は、ＯＣＶを測定し、次いで、放電プロセス中に電池を残す充電量を測定しながら、電池を完全に放電することによって経験的に判定され得る。電池が格納し得る理論上の充電量によって除算された、放電プロセス中に電池から出る充電量は、特定のＯＣＶに対するＳＯＣを示す。
【0170】
充電から放電、又はその逆への動作における変化は、レドックスフロー電池システムの動作を中断することなく、レドックスフロー電池のＯＣＶを判定する機会を提供する。一実施例として、コントローラは、充電中にＳＯＣが上側閾値ＳＯＣを上回って増加する場合、レドックスフロー電池の充電からレドックスフロー電池の放電に切り替え得る。同様に、コントローラは、ＳＯＣが放電中に下側閾値ＳＯＣを下回って減少する場合、レドックスフロー電池を放電することからレドックスフロー電池を充電することに切り替え得る。代替的に、コントローラ８８は、レドックスフロー電池が動作を放電モードから充電モードに切り替えること、又はその逆を要求し得る。上側閾値ＳＯＣ及び下側閾値ＳＯＣは、所定の量であり得、それぞれ、レドックスフロー電池が容量に充電され、完全に放電された場合に対応し得る。コントローラ８８は、例えば、少なくとも３０秒の閾値分離持続時間の間、電圧源又は負荷、他のレドックスフロー電池、並びに外部電源及び消費者からレドックスフロー電池を電気的に分離し得る。次いで、コントローラ８８は、式（１６）によって、ＳＯＣＯＣＶ（開回路電圧に基づく充電状態）を判定する。
【0171】
レドックスフロー電池の正及び負電解質、ＳＯＣ正及びＳＯＣ負のＳＯＣ値は、それぞれ、式（１７）及び（１８）から判定される：
【数6】
【数7】
【0172】
式中、ＳＯＣ正は、正電解質に基づくＳＯＣであり、ｎは、ＳＯＣが推定される時間間隔中の合計のステップ数であり、ＩＴ１００は、ＳＯＣが推定される時間間隔中の電気エネルギーセル積層体を通る総電流フローであり、Ｆは、ファラデー数であり、Ｉｓ、正、ｉは、ＳＯＣが推定される時間間隔中の正電解質に関する総シャント電流であり、Ａａは、鉄フロー電池システムのアクティブエリアであり、ＮＦｅ３＋は、正電解質から負電解質への第二鉄イオンに対するフラックス密度であり、Δｔｉは、ステップ間の時間間隔であり、Ｖ正、０は、正電解質の初期体積であり、［Ｆｅ２＋］０は、正及び負電解質中の第一鉄イオンの初期濃度であり、ＮＦｅ２＋は、正電解質から負電解質への第一鉄イオンに関するフラックス密度であり、ＳＯＣ負は、負電解質に基づくＳＯＣであり、
は、負のめっき反応に関するクーロン効率であり（例えば、式（１４）によって示されるめっき効率）、Ｉｓ、負、ｉは、ＳＯＣが推定される時間間隔の間の負電解質の合計シャント電流であり、Ｖ負、０は、負電解質の初期体積である。
【数8】
【0173】
シャント電流は、経験的に判定され得る。一実施例では、レドックスフロー電池におけるシャント電流は、外部電流が印加されないが、全てのレドックスフロー電池セルが、電解質シャント経路を介して接続されているアイドリング状態での電池容量損失の測定を介して経験的に判定され得る。電気エネルギー貯蔵デバイスセル積層体内のイオン移動。イオン移動（例えば、レドックスフロー電池システムのアクティブエリア当たりのフラックス密度）は、経験的に判定され得る。一実施例では、レドックスフロー電池におけるイオン移動は、イオンクロマトグラフィーを介した電解質イオン濃度の生体外測定を介して経験的に判定され得る。
【0174】
充電中、レドックスフロー電池ＳＯＣに関する推定値は、式（１９）によって与えられる：
ＳＯＣ＝ｍａｘ（ＳＯＣ正、ＳＯＣ負） （１９）
式中、ｍａｘは引数ＳＯＣ正とＳＯＣ負のより大きい値を戻す関数である。放電中、レドックスフロー電池ＳＯＣに関する推定値は、式（２０）によって与えられる：
ＳＯＣ＝ｍｉｎ（ＳＯＣ正、ＳＯＣ負） （２０）
ＳＯＣ＝ｍａｘ（ＳＯＣ正、ＳＯＣ負） （１９）
式中、ｍａｘは引数ＳＯＣ正とＳＯＣ負のより大きい値を戻す関数である。放電中、レドックスフロー電池ＳＯＣに関する推定値は、式（２０）によって与えられる：
ＳＯＣ＝ｍｉｎ（ＳＯＣ正、ＳＯＣ負） （２０）
【0175】
式中、ｍｉｎは引数ＳＯＣ正とＳＯＣ負の小さい方の値を戻す関数である。
【0176】
式（１９）又は（２０）によって与えられるレドックスフロー電池ＳＯＣの推定値が、ＳＯＣＯＣＶの１０％以内である場合、ＳＯＣは、式（２１）に従って調整され得る：
ＳＯＣ＝ＳＯＣ＊（ＳＯＣ／ＳＯＣＯＣＶ） （２１）
ＳＯＣ＝ＳＯＣ＊（ＳＯＣ／ＳＯＣＯＣＶ） （２１）
【0177】
式（１９）又は（２０）によって与えられるレドックスフロー電池ＳＯＣの推定値がＳＯＣＯＣＶの１０％以内でない場合、電解質リバランシング及び／又は洗浄が示され得る。
【0178】
このようにして、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と、レドックスフロー電池に流体的に結合されたリバランシングセルと、レドックスフロー電池とリバランシングセルとの間に流体的に結合された電解質フロー制御デバイスと、レドックスフロー電池とリバランシングセルとの間に流体的に結合された水素フロー制御デバイスと、コントローラであって、電解質の濃度における変化に応答して、リバランシングセルに供給される電解質の流量を調整するために、電解質フロー制御デバイスを調節することと、リバランシングセルに供給される水素の流量を調整するために、水素フロー制御デバイスを調節することと、を含む、リバランシングセルにおいて電解質リバランシング反応速度を維持することを行うための、コントローラの非一時的メモリ内に格納された実行可能な命令を含む、コントローラと、を含む。第１の実施例では、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が、全鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）を含み、電解質が、第二鉄イオンを含むことを更に含む。任意選択的に、第１の実施例を含む第２の実施例では、レドックスフロー電池システムは、リバランシングセルが、電極アセンブリの積層体を含み、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、正電極と負電極の接合対を含み、電解質リバランシング反応速度が、リバランシングセルの正電極と負電極の接合対の内部電気短絡を介して駆動され、電解質及び水素が、電解質リバランシングセルを通って対流されていることを、更に含む。任意選択的に、第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む第３の実施例では、レドックスフロー電池システムは、電解質フロー制御デバイスが、ポンプ及びフロー制御バルブのうちの１つを含むこと、を更に含む。任意選択的に、第１から第３の実施例のうちの１つ以上を含む第４の実施例では、レドックスフロー電池システムは、水素フロー制御デバイスが、ベンチュリ噴射器及びブロアのうちの１つに結合された速度調節デバイスを含むことを、更に含む。
【0179】
本明細書において説明されたレドックスフロー電池システムに関する方法の技術的効果は、レドックスフロー電池ＳＯＣ及び／又は電解質濃度に基づいて、リバランシングセルへの水素ガスフロー及び電解質フローを調節することによって、動作コストを減少させながら、リバランシングセルにおけるリバランシング反応速度を最大化し、電解質フラッディングを低減することである。
【0180】
図１、図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、及び図７Ｂは、様々な構成要素の相対的な位置付けを伴う例示的な構成を示す。互いに直接接触しているか、又は直接結合されていることが示されている場合、次いでかかる要素は、少なくとも一実施例では、それぞれ直接接触している又は直接結合されていると呼ばれ得る。同様に、互いに連続するか又は隣接して示される要素は、少なくとも一実施例では、それぞれ連続するか又は互いに隣接し得る。一例として、互いに面共有接触で置かれる構成要素は、面共有接触と呼ばれ得る。別の例として、少なくとも一例では、互いに離れて位置付けられた要素は、それらの間の空間のみであり、他の構成要素はそのように呼ばれ得ない。更に別の例として、互いに上／下に、互いに反対側に、又は互いの左／右に示される要素は、互いに対してそのように呼ばれ得る。更に、図に示されるように、最上部の要素又は要素の点は、少なくとも一例では、構成要素の「上部」と呼ばれ得、最下部の要素又は要素の点は、構成要素の「下部」と呼ばれ得る。本明細書において使用される場合、上部／下部、上側／下側、上／下は、図面の垂直軸に対してであり得、互いに対する図面の要素の位置付けを説明するために使用される。したがって、一実施例では、他の要素の上に示される要素は、他の要素の上に垂直に位置付けられる。更に別の実施例として、図面内に描写される要素の形状は、それらの形状（例えば、円形、直線、平面、曲線、丸みを帯びた、面取りされた、角度の付いた、など）を有すると呼ばれ得る。更に、互いに交差して示される要素は、少なくとも１つの実施例では、交差する要素又は互いに交差する要素と呼ばれ得る。なお更に、一実施例では、別の要素内に示される、又は別の要素の外側に示される要素は、そのように呼ばれ得る。図２Ａ、図２Ｂ、図３、図４Ａ、図４Ｂ、図５Ａ、図５Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂは、およそスケールに応じて描かれるが、他の寸法又は相対寸法が使用されてもよい。
【0181】
以下の特許請求の範囲は、新規かつ自明ではないとみなされる特定の組み合わせ及びサブ組み合わせを特に指摘している。これらの特許請求の範囲は、「１つの」要素又は「第１の」要素若しくはその等価物を指し得る。そのような特許請求の範囲は、１つ以上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り、２つ以上のそのような要素を要求したり排除したりするものではない。開示された特徴、機能、要素、及び／又は特性の他の組み合わせ及びサブ組み合わせは、本特許請求の範囲の修正を通じて、又は本出願若しくは関連出願における新しい特許請求の範囲の提示を通じて請求され得る。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範囲がより広いか、より狭いか、等しいか、又は異なるかにかかわらず、また、本開示の主題内に含まれるとみなされる。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図6A】
【図6B】
【図7A】
【図7B】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11A】
【図11B】