ホーム > 特許ランキング > ＥＳＳ Ｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-06-19
(54)【発明の名称】レドックスフロー電池
(51)【国際特許分類】
H01M 8/18 20060101AFI20230612BHJP
H01M 8/248 20160101ALI20230612BHJP
H01M 8/2465 20160101ALI20230612BHJP
H01M 8/247 20160101ALI20230612BHJP
【ＦＩ】
H01M8/18
H01M8/248
H01M8/2465
H01M8/247
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022569214
(86)(22)【出願日】2021-05-05
(85)【翻訳文提出日】2023-01-12
(86)【国際出願番号】 US2021030945
(87)【国際公開番号】W WO2021231152
(87)【国際公開日】2021-11-18
(31)【優先権主張番号】63/025,312
(32)【優先日】2020-05-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(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】ケイシー ショーン
(72)【発明者】
【氏名】エヴァンス クレイグ
(72)【発明者】
【氏名】グローバーグ ティアゴ
(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）】
5H126AA22
5H126AA25
5H126BB10
5H126FF08
5H126GG02
5H126GG08
5H126JJ03
5H126RR01
(57)【要約】
レドックスフロー電池及び電池システムが提供される。一例では、レドックスフロー電池は、第１の端部に第１の加圧板と第２の端部に第２の加圧板とを含む加圧板のセットであって、第２の端部及び第１の端部は、レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置される、加圧板のセットを含む。レドックスフロー電池は、第１の加圧板と第２の加圧板の間に長手方向に配置された第１のセルスタックをさらに含み、第１の加圧板及び第２の加圧板は、それぞれ、第１のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第２のフランジに複数の積み重ね突起とを含み、第１のフランジ及び第２のフランジは、レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置される。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レドックスフロー電池であって、第１の端部に第１の加圧板と、第２の端部に第２の加圧板とを含む加圧板のセットであって、前記第２の端部及び前記第１の端部は、前記レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置された、前記加圧板のセットと、
前記第１の加圧板と前記第２の加圧板との間に長手方向に配置された第１のセルスタックとを含み、
前記第１の加圧板及び第２の加圧板は、それぞれ、第１のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第２のフランジに複数の積み重ね突起とを含み、
前記第１のフランジ及び前記第２のフランジは、前記レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置された、
レドックスフロー電池。
【請求項2】
前記複数の積み重ね戻り止め及び前記複数の積み重ね突起が、取付装置を受けるように構成された開口を含む、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項3】
複数のフォークリフト開口部をさらに含み、前記複数のフォークリフト開口部のそれぞれは、前記第１の加圧板及び前記第２の加圧板のうちの一方を通って長手方向に延在する、請求項１または２に記載のレドックスフロー電池。
【請求項4】
前記第１の加圧板の第１のスロットと前記第２の加圧板の第２のスロットとを通って延在するサイドボルトをさらに含み、前記第１のスロット及び第２のスロットは、横方向のコンプライアンスを有するように設計された、請求項１～３のいずれかに１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項5】
前記第１のスロット及び第２のスロットが、横方向軸から測定したときに９０度未満の角度で設けられた、請求項４に記載のレドックスフロー電池。
【請求項6】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板が、それぞれ、モノリシック構造を形成する、請求項１～５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項7】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板が、アルミニウムで形成された、請求項６に記載のレドックスフロー電池。
【請求項8】
前記アルミニウムは鋳造アルミニウムである、請求項７に記載のレドックスフロー電池。
【請求項9】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板が、それぞれ、外側を少なくとも部分的に横断する複数の補強リブを含む、請求項６に記載のレドックスフロー電池。
【請求項10】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板のうちの一方に接続され、電池の動作中に前記第１のセルスタックに長手方向内側へ力を加える板ばねをさらに含む、請求項１～９のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項11】
前記板ばねが管状板ばねである、請求項１０に記載のレドックスフロー電池。
【請求項12】
前記板ばねが、前記第１の加圧板及び第２の加圧板のうちの一方の側面を垂直に下方に延在する、請求項１０に記載のレドックスフロー電池。
【請求項13】
前記第１の加圧板と前記第２の加圧板の間に長手方向に配置された第２のセルスタックをさらに含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項14】
レドックスフロー電池であって、第１の端部に第１の加圧板と、第２の端部に第２の加圧板とを含む加圧板のセットであって、前記第２の端部及び前記第１の端部は、前記レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置された、前記加圧板のセットと、
前記第１の加圧板と前記第２の加圧板との間に長手方向に配置された第１のセルスタックとを含み、
前記第１の加圧板及び第２の加圧板のそれぞれは、モノリシック構造を形成し、ばねに接触する支点突起を含み、
前記ばねは、電池の動作中に前記第１のセルスタックに長手方向内側へ力を加える、
前記レドックスフロー電池。
【請求項15】
前記ばねを通って延在するタイロッドをさらに含む、請求項１４に記載のレドックスフロー電池。
【請求項16】
前記ばねは、板ばねである、請求項１４または１５に記載のレドックスフロー電池。
【請求項17】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板のそれぞれが、第１のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第２のフランジに複数の積み重ね突起を含み、前記第１のフランジ及び前記第２のフランジは、前記レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置された、請求項１～１６のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項18】
前記第１の加圧板の第１のスロット及び前記第２の加圧板の第２のスロットを通って延在するサイドボルトをさらに含み、前記第１のスロット及び第２のスロットは、横方向軸から測定したときに９０度未満の角度で設けられた、請求項１４～１７のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項19】
前記ばねが鋼で作られ、前記第１の加圧板及び第２の加圧板がアルミニウムで作られた、請求項１４～１８のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項20】
前記第１の加圧板と前記第２の加圧板の間に長手方向に配置された第２のセルスタックをさらに含む、請求項１４～１９のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【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、２０２０年５月１５日に出願された「ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＡＮＤ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ」という名称の米国仮出願第６３／０２５，３１２号に対する優先権を主張する。前述の出願の全内容が、あらゆる目的で、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２０年５月１５日に出願された「ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＡＮＤ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ」という名称の米国仮出願第６３／０２５，３１２号に対する優先権を主張する。前述の出願の全内容が、あらゆる目的で、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
本説明は、一般に、レドックスフロー電池及び電池システムに関する。
【背景技術】
【0003】
レドックスフロー電池は、電力と容量を個別にスケーリングでき、また、従来の電池技術と比較して、性能損失を抑えながら数千サイクルの充電と放電を行うことができるため、グリッドスケールの貯蔵用途に適している。鉄ハイブリッドレドックスフロー電池は、セルスタックに低コストの材料が組み込まれているため、特に魅力的である。鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）は、電解液として鉄、塩、及び水に依存している。いくつかの実施形態では、ＩＦＢで使用される、これらの地球に豊富で安価な材料は、刺激の強い化学物質を省略するとともに、電池の環境フットプリントを削減する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、本発明者らは、様々な最終用途の電力及び／又は貯蔵容量の目標を満たすフロー電池システムを設計する際に、スケーリングの課題が生じ得ることを認識した。例えば、単一のシステムに複数のフロー電池ユニットを配置すると、電池システム内に加圧板、ハウジングなどの多数の冗長な部品が存在するため、システムのサイズとコストが大幅に増加する可能性がある。さらに、従来のスタック圧縮システムと補強構造は、スペースが非効率的であり、セルスタックの圧縮が均一でない。セルの圧縮が均一でないと、望ましくない電池流れ場が生じ、電池の出力、効率が低下し、場合によっては構造的な完全性の低下につながり得る。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明者らは、従来のレドックスフロー電池の上述の課題を認識し、これらの課題を少なくとも部分的に解決するレドックスフロー電池を開発した。一例では、レドックスフロー電池は、第１の端部に第１の加圧板を有し、第２の端部に第２の加圧板を有する加圧板のセットを含む。第２の端部及び第１の端部は、レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置される。レドックスフロー電池はまた、第１の加圧板と第２の加圧板との間に長手方向に配置された第１のセルスタックを含む。さらに、第１の加圧板及び第２の加圧板のそれぞれは、第１のフランジに複数の積み重ね戻り止めを含み、第２のフランジに複数の積み重ね突起を含む。第１のフランジ及び第２のフランジは、レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置される。加圧板のフランジに積み重ね突起と積み重ね戻り止めを設けることで、複数の電池ユニットを効率的に積み重ねることができる。その結果、電池システムのモジュール性が向上し、必要に応じてシステムをスケーリングして最終用途の電力を実現し、場合によっては貯蔵容量の目標を実現することができる。
【0006】
別の例では、レドックスフロー電池は、第１の加圧板の第１のスロット及び第２の加圧板の第２のスロットを通って延在するサイドボルトをさらに含み得る。サイドボルトは、第１のスロット及び第２のスロットとともに、所望の量の横方向のコンプライアンスに対応するように設計される。例えば、スロットは、セルスタックの横幅に関して、より大きな公差範囲に対応するために角度を付けることができる。その結果、横方向のスタック幅の変化を考慮して、必要に応じて、電池アセンブリの効率を高め、セルスタックの望ましくない横方向の撓みを減らすことができる。このようにして、横方向の撓みに起因する電池の部品劣化の可能性を低減する。
【0007】
上述した概要は、発明を実施するための形態でさらに説明する概念の一部を簡単な形で紹介するためであることを理解すべきである。特許を請求する要旨の重要なまたは必須の特徴を特定することを意図したものではなく、要旨の範囲は、発明を実施するための形態に続く請求項によって一意に定義される。さらに、特許を請求する要旨は、上記課題または本開示のいずれかの部分に記載した課題を解決する実施形態に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】レドックスフロー電池システムの例の概略図を示す。
【図2】圧縮アセンブリを有するレドックスフロー電池の例の分解図を示す。
【図10】複数のセルスタックを含むレドックスフロー電池の第２の例を示す。
【図14】レドックスフロー電池における例示的なセルスタックのセクションの断面図を示す。
【図17】双極板アセンブリを示す。
【図20】双極板アセンブリの別の例を示す。
【図22】双極板アセンブリの様々な例を示す。
【図23】双極板アセンブリの様々な例を示す。
【図24】双極板アセンブリの様々な例を示す。
【図25】双極板アセンブリの様々な例を示す。
【図26】フランジ材料と材料のテクスチャリングの使用例を示す。
【図27】フランジ材料と材料のテクスチャリングの使用例を示す。
【0009】
【発明を実施するための形態】
【0010】
以下の説明は、レドックスフロー電池の製造コストを削減するのに役立つシステム及び方法に関する。製造コストの削減を実現するために、電池システムは、セルスタックを圧縮し、電池を構造的に補強するように設計されたスペース効率の良い圧縮アセンブリを含み得る。圧縮アセンブリは、板ばねによって前述の利点を実現することができ、板ばねは、加圧板の側面を下方に延在し、セルスタックに内側へ予荷重を加える。板ばねは、セルスタックの圧縮をコンパクトに提供して、動作中の電池の活性領域の撓みを低減（例えば、防止）する。加圧板は、圧縮アセンブリを構造的に補強可能な補強リブを含み得る。
【0011】
レドックスフロー電池はまた、必要に応じて、電池システムを費用効果よくスケーリングできるようにするモジュラー機能を含み得る。例えば、電池内の加圧板は、加圧板のフランジに積み重ね突起及び積み重ね戻り止めを組み込むことができる。突起及び戻り止めは、隣接する電池の対応する突起及び戻り止めと嵌合して、電池ユニットの積み重ねを容易にする。その結果、必要に応じて、効率的なシステムのスケーリング（例えば、電力及び／又は容量のスケーリング）を実現することができる。
【0012】
電池システムは、導電板（例えば、双極板または単極板）と嵌合する凹部を備えた弾性フランジを有するプレートアセンブリをさらに含み得る。弾性フランジにより、電池の動作中のセルスタック内の熱膨張係数（ＣＴＥ）が異なる部品の熱膨張と収縮が可能になる。その結果、電池の動作中の望ましくないセルスタックの変形の可能性が低減される。１つの具体的な例では、弾性フランジは、フランジのセクションが長手方向にオフセットされた複数のセクションの間に延在するＳ字形を有することができる。Ｓ字形のフランジにより、より高い電池セルスタックの圧縮が実現できる。スタック圧縮の増大は、複数のセルスタックを有する電池では特に有益である。
【0013】
図１に示すように、レドックスフロー電池システム１０において、負極２６は被覆電極と称され、正極２８はレドックス電極と称され得る。第１の電池セル１８の被覆側（例えば、負極コンパートメント２０）内の負の電解液は、被覆電解液と称され、第１の電池セル１８のレドックス側（例えば、正極コンパートメント２２）の正の電解液は、レドックス電解液と称され得る。
【0014】
ハイブリッドレドックスフロー電池は、電極上に固体層として、複数の電気活性材料の１つ以上を堆積することを特徴とするレドックスフロー電池である。ハイブリッドレドックスフロー電池は、例えば、電池充電プロセスの間、電気化学反応によって基板上に固体として被覆する化学物質を含み得る。電池の放電中、被覆された種は、電気化学反応によってイオン化し、電解液に溶解することができる。ハイブリッド電池システムでは、レドックス電池の充電容量（例えば、蓄えられるエネルギーの最大量）は、電池充電中に被覆された金属の量によって制限される可能性があり、被覆システムの効率、ならびに被覆に利用可能な体積及び表面積に依存することができる。
【0015】
アノードは、電気活性材料が電子を失う電極を指し、カソードは、電気活性材料が電子を得る電極を指す。電池の充電中、正の電解液は負極２６で電子を獲得する、したがって負極２６は電気化学反応のカソードである。放電中、正の電解液は電子を失う、したがって、負極２６は反応のアノードである。あるいは、放電中、負の電解液及び負極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと称され、正の電解液及び正極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと称され得る。充電中、負の電解液及び負極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと称され、正の電解液及び正極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと称され得る。簡単にするために、正及び負という用語は、本明細書では、レドックス電池フローシステムの電極、電解液、及び電極コンパートメントに言及して使用される。
【0016】
ハイブリッドレドックスフロー電池の一例は、オールアイアンレドックスフロー電池（ＩＦＢ）であり、ＩＦＢでは、電解液は鉄塩（例えば、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３など）の形態の鉄イオンを含み、負極は金属鉄を含む。例えば、負極２６では、電池充電中に、第一鉄イオンＦｅ２＋が２つの電子を受け取り、鉄金属として負極２６に被覆し、電池放電中に、鉄金属Ｆｅ０が２つの電子を失い、Ｆｅ２＋として再溶解する。正極では、充電中にＦｅ２＋が電子を失って第二鉄イオンＦｅ３＋を形成し、放電中にＦｅ３＋が電子を獲得してＦｅ２＋を形成する。電気化学反応を式（１）と（２）にまとめる。ここで、正反応（左から右）は、電池充電中の電気化学反応を示し、逆反応（右から左）は、電池放電中の電気化学反応を示す。
【数1】
【数2】
【0017】
上記のように、ＩＦＢで使用される負の電解液は、十分な量のＦｅ２＋を提供し、充電中にＦｅ２＋が、負極から２つの電子を受け取ってＦｅ０を形成し、基板上に被覆し得る。放電中、被覆されたＦｅ０は２つの電子を失い、Ｆｅ２＋にイオン化し、溶解されて電解液内に戻ることができる。上記の反応の平衡電位は－０．４４Ｖであるため、この反応は、所望のシステムに負の端子を提供する。ＩＦＢの正極側では、電解液は充電中にＦｅ２＋を提供し、これが電子を失い、Ｆｅ３＋に酸化する。放電中、電解液によって提供されたＦｅ３＋は、電極によって提供された電子を吸収することによってＦｅ２＋になる。この反応の平衡電位は＋０．７７Ｖであり、所望のシステムに正の端子を形成する。
【0018】
ＩＦＢは、非再生電解液を利用する他の種類の電池とは異なり、電解液を充電及び再充電する能力を備える。充電は、端子４０及び４２を介して電極の間に電流を印加することによって実現される。負極２６は、端子４０を介して電圧源の負極側に電気的に接続することができ、これにより、電子が、正極を介して負の電解液に供給され得る（例えば、Ｆｅ２＋が、正極コンパートメント２２内の正の電解液中でＦｅ３＋に酸化される）。負極２６（例えば、被覆電極）に供給される電子は、負の電解液中のＦｅ２＋を還元して、被覆基板でＦｅ０を形成し、それを負極２６上に被覆することができる。
【0019】
酸化のために負の電解液がＦｅ０を入手でき、還元のために正の電解液がＦｅ３＋を入手できる間、放電は持続することができる。例えば、第１の電池セル１８の正極コンパートメント２２側への正の電解液の濃度または体積を増加させ、外部の正の電解液タンク５２などの外部ソースを介して追加のＦｅ３＋イオンを提供することにより、Ｆｅ３＋の利用可能性は維持できる。より一般的には、放電中のＦｅ０の利用可能性が、ＩＦＢシステムで問題になることがあり、放電に利用できるＦｅ０は、負極基板の表面積及び体積と被覆効率とに比例することができる。充電容量は、負極コンパートメント２０内のＦｅ２＋の利用可能性に依存することができる。例えば、第１の電池セル１８の負極コンパートメント２０側への負の電解液の濃度または体積を増加させ、外部の負の電解液チャンバ５０などの外部ソースを介して追加のＦｅ２＋イオンを提供することにより、Ｆｅ２＋の利用可能性は維持できる。
【0020】
ＩＦＢにおいて、正の電解液は、第一鉄イオン、第二鉄イオン、第二鉄錯体、またはそれらの任意の組み合わせを含み、負の電解液は、ＩＦＢシステムの充電状態に応じて、第一鉄イオンまたは第一鉄錯体を含む。前述のように、負の電解液と正の電解液の双方で鉄イオンを利用すると、電池セルの両側で同じ電解種を利用することが可能になり、これにより、電解液の相互汚染を減らし、ＩＦＢシステムの効率を高めることができ、その結果、他のレドックスフロー電池システムと比較して、電解液の交換が少なくなる。
【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）を通過する電解液のクロスオーバーに起因する可能性がある。例えば、正の電解液中の第二鉄イオンは、第二鉄イオン濃度勾配及びセパレータにおける電気泳動力によって負の電解液に向かって移動することができる。次に、膜バリアを透過し、負極コンパートメント２０にクロスオーバーする第二鉄イオンは、クーロン効率の損失をもたらす場合がある。ｐＨが低いレドックス側（例えば、酸性度の高い方の正極コンパートメント２２）からｐＨが高い被覆側（例えば、より酸性度の低い方の負極コンパートメント２０）に移動する第二鉄イオンにより、Ｆｅ（ＯＨ）３が沈殿する可能性がある。Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿は、セパレータ２４を劣化させ、永続的な電池性能及び効率の損失を引き起こす可能性がある。例えば、Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿は、イオン交換膜の有機官能基を化学的に汚染し、または、イオン交換膜の小さな微細孔を物理的に詰まらせる可能性がある。いずれの場合も、Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿により、時間の経過とともに膜のオーム抵抗が上昇し、電池性能が低下する可能性がある。沈殿物は電池を酸で洗浄することで除去できるが、定期的なメンテナンスとダウンタイムは、商用の電池用途には不都合となる可能性がある。さらに、洗浄は電解液の定期的な調製に依存する場合があり、追加の処理コストと複雑さの原因となる。あるいは、電解液のｐＨ変化に応じて、正の電解液及び負の電解液に特定の有機酸を添加すると、全体的なコストを押し上げることなく、電池の充電及び放電サイクル中の沈殿物の形成を軽減することができる。さらに、第二鉄イオンのクロスオーバーを阻害する膜バリアを実装すると、汚染も軽減することができる。
【0022】
追加のクーロン効率の損失は、Ｈ＋（例えば、プロトン）の還元とそれに続くＨ２（例えば、水素ガス）の形成、及び負極コンパートメント２０内のプロトンと被覆された鉄金属電極で供給される電子との反応による水素ガスの形成によって引き起こされる場合がある。
【0023】
ＩＦＢ電解液（例えば、ＦｅＣｌ２、ＦｅＣｌ３、ＦｅＳＯ４、Ｆｅ２（ＳＯ４）３など）は、容易に入手可能であり、低コストで製造することができる。ＩＦＢ電解液は、同じ電解液を負の電解液と正の電解液に使用できるため、より高い再生価値を提供し、その結果、他のシステムと比較して相互汚染（クロスコンタミネーション）の問題が軽減される。さらに、鉄は、その電子配置により、負極基板上への被覆中に、固化してほぼ均一な固体構造になる。ハイブリッドレドックス電池で一般的に使用される亜鉛やその他の金属の場合、被覆中に固体の樹枝状構造が形成される場合がある。ＩＦＢシステムの安定した電極形態は、他のレドックスフロー電池と比較して、電池の効率を高め得る。さらに、鉄レドックスフロー電池は、有毒な原材料の使用を減らし、他のレドックスフロー電池の電解液と比較して相対的に中性のｐＨで動作することができる。したがって、ＩＦＢシステムは、現在生産されている他のすべての高度なレドックスフロー電池システムと比較して、環境への影響を軽減する。
【0024】
引き続き図１を参照すると、レドックスフロー電池システム１０の概略図が示されている。レドックスフロー電池システム１０は、マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０に流体接続された第１のレドックスフロー電池セル１８を含み得る。第１のレドックスフロー電池は一般に、負極コンパートメント２０と、セパレータ２４と、正極コンパートメント２２とを含み得る。セパレータ２４は、電気絶縁性のイオン伝導バリアを含むことができ、これは、正の電解液と負の電解液とのバルク混合を防ぎ、特定のイオンの伝導を可能にする。例えば、セパレータ２４は、イオン交換膜及び／又は微多孔膜を含み得る。
【0025】
負極コンパートメント２０は、負極２６を含むことができ、負の電解液は、電気活性材料から少なくとも部分的に形成することができる。正極コンパートメント２２は、正極２８を含むことができ、正の電解液は、電気活性材料を含み得る。いくつかの例では、複数のレドックスフロー電池セル１８を直列または並列に組み合わせて、レドックスフロー電池システムにおいて、より高い電圧または電流を生成することができる。例えば、いくつかの例では、レドックスフロー電池システム１０は、図１０～図１３に示すように、２つのセルスタックを含むことができ、各セルスタックは、複数の電池セルで形成される。例えば、第１の電池セル１８と、第１の電池セル１８と同様に構成された第２の電池セル１９とを有するレドックスフロー電池システム１０を、図１に示す。したがって、第１の電池セル１８について本明細書に記載されたすべての部品及びプロセスは、第２の電池セル１９も同様に見出すことができる。
【0026】
第１の電池セル１８は、第１のセルスタックに含まれ、第２の電池セル１９は、第２のセルスタックに含まれ得る。第１のセル及び第２のセルは、互いに流体接続することができ、又は流体接続しなくてもよいが、それぞれ、電解液貯蔵タンク１１０及びリバランス反応器８０、８２に流体接続される。例えば、図１に示すように、第１のセル１８及び第２の電池セル１９は、それぞれ、第１のセル１８及び第２の電池セル１９のそれぞれに分岐する共通の通路を介して、負の電解液ポンプ３０及び正の電解液ポンプ３２に接続され得る。同様に、電池セルは、それぞれ、電池セルをリバランス反応器８０、８２に接続する共通の通路に合流する通路を有することができる。
【0027】
図１には、負の電解液ポンプ３０及び正の電解液ポンプ３２がさらに示されており、双方ともフロー電池システム１０を通して電解液溶液を汲み上げるために使用される。電解液は、セル外部の１以上のタンクに貯蔵され、負の電解液ポンプ３０及び正の電解液ポンプ３２を介して、それぞれ電池の負極コンパートメント２０側及び正極コンパートメント２２側を通して汲み上げられる。
【0028】
レドックスフロー電池システム１０は、第１の双極板３６及び第２の双極板３８をさらに含むことができ、それぞれ、負極２６及び正極２８の後面側、例えば、セパレータ２４に面する側の反対側に沿って配置される。第１の双極板３６は、負極２６と接触することができ、第２の双極板３８は、正極２８と接触することができる。しかしながら、他の例では、双極板は、それぞれの電極コンパートメント内で、電極に近接するが、電極から離して配置できる。いずれの場合でも、双極板３６及び３８は、端子４０及び４２に、直接接触するか、または、それぞれ、負極２６及び正極２８を介して、電気的に接続することができる。ＩＦＢ電解液は、双極板３６、３８の材料の導電特性に起因して、第１の双極板３６及び第２の双極板３８によって負極２６及び正極２８の反応部位に輸送できる。電解液の流れは、負の電解液ポンプ３０及び正の電解液ポンプ３２によって補助され、第１のレドックスフロー電池セル１８を通る強制対流を促進し得る。反応した電気化学種は、強制対流と、第１の双極板３６及び第２の双極板３８の存在との組み合わせによって、反応部位から離れる方向に移動され得る。
【0029】
図１に示すように、第１のレドックスフロー電池セル１８は、負極電池端子４０及び正極電池端子４２をさらに含み得る。充電電流が電池端子４０及び４２に供給されると、正の電解液は正極２８で酸化され（１以上の電子を失う）、負の電解液は負極２６で還元される（１以上の電子を得る）。電池の放電中、電極で逆レドックス反応が生じる。換言すると、正の電解液は正極２８で還元され（１以上の電子を得る）、負の電解液は負極２６で酸化される（１以上の電子を失う）。電池全体の電位差は、正極コンパートメント２２及び負極コンパートメント２０における電気化学的レドックス反応によって維持され、反応が持続している間、集電体を通して電流を誘導することができる。レドックス電池に蓄えられるエネルギー量は、電解液の全体積と電気活性材料の溶解度に応じて、放電のために電解液内で利用可能な電気活性材料の量によって制限される。
【0030】
フロー電池システム１０は、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０をさらに含み得る。マルチチャンバ貯蔵タンク１１０は、隔壁９８によって分割できる。隔壁９８は、貯蔵タンク内に複数のチャンバを形成することができ、正の電解液及び負の電解液の双方を単一のタンク内に入れることができる。負の電解液チャンバ５０は、電気活性材料を含む負の電解液を保持し、正の電解液チャンバ５２は、電気活性材料を含む正の電解液を保持する。隔壁９８をマルチチャンバ貯蔵タンク１１０内に配置して、負の電解液チャンバ５０と正の電解液チャンバ５２とを所望の容積比とすることができる。一例では、隔壁９８は、負のレドックス反応と正のレドックス反応の間の化学量論比に従って、負の電解液チャンバと正の電解液チャンバの容積比を設定するように配置できる。図１は、貯蔵タンク１１０の充填高さ１１２をさらに示しており、これは、各タンクコンパートメント内の液体のレベルを示し得る。図１は、負の電解液チャンバ５０の充填高さ１１２よりも上に位置するガスヘッドスペース９０と、正の電解液チャンバ５２の充填高さ１１２よりも上に位置するガスヘッドスペース９２を示す。第１のレドックスフロー電池セル１８から電解液を戻すと共に、レドックスフロー電池の動作によって（例えば、プロトンの還元及び腐食副反応により）生成され、かつ、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０に運ばれた水素ガスを貯蔵するために、ガスヘッドスペース９２を用いることができる。水素ガスは、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０内の気液界面（例えば、充填高さ１１２）で自然に分離され、これにより、レドックスフロー電池システムの一部として、追加の気液分離器を有する必要がない。水素ガスは、電解液から分離されると、ガスヘッドスペース９０及び９２を満たすことができる。このように、貯蔵された水素ガスは、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０から他のガスを除去するのを助けることができ、これにより、電解液種の酸化を減らすための不活性ガスブランケットとして機能し、レドックスフロー電池の容量の損失を減らすのを助けることができる。このように、一体型マルチチャンバ貯蔵タンク１１０を利用することにより、従来のレドックスフロー電池システムに共通の別個の負の電解液貯蔵タンク及び正の電解液貯蔵タンク、水素貯蔵タンク、及び気液分離器を備える必要がなく、これにより、システム設計を簡素化し、システムの物理的な設置面積を減らし、システムコストを削減することができる。
【0031】
図１は、ガスヘッドスペース９０と９２との間の隔壁９８に開口部を形成し、２つのチャンバの間のガスの圧力を等しくする手段を提供するスピルオーバーホール９６を示す。スピルオーバーホール９６は、充填高さ１１２よりも上の閾値高さに配置できる。スピルオーバーホールはさらに、電池のクロスオーバーの際に、正の電解液チャンバ及び負の電解液チャンバのそれぞれの電解液の自己平衡化（セルフバランス）を可能にする。オールアイアンレドックスフロー電池システムの場合、同じ電解液（Ｆｅ２＋）が負極コンパートメント２０と正極コンパートメント２２の双方で使用されるため、負の電解液チャンバ５０と正の電解液チャンバ５２の間で電解液があふれ出て、システム全体の効率が低下することができるが、全体的な電解液の組成、電池モジュールの性能、及び電池モジュールの容量は維持される。マルチチャンバ貯蔵タンク１１０の入口及び出口のすべての配管の接続部にフランジ継手を用いて、漏れのない連続した加圧状態を維持することができる。マルチチャンバ貯蔵タンク１１０は、負の電解液チャンバ及び正の電解液チャンバのそれぞれからの少なくとも１つの出口と、負の電解液チャンバ及び正の電解液チャンバのそれぞれへの少なくとも１つの入口とを含み得る。さらに、水素ガスをリバランス反応器８０及び８２へ送るために、ガスヘッドスペース９０及び９２から１以上の出口接続を設けてもよい。
【0032】
図１には示されていないが、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０は、負の電解液チャンバ５０及び正の電解液チャンバ５２のそれぞれに熱を伝えるように接続された１以上のヒータをさらに含み得る。代替例では、負及び正の電解液チャンバの一方のみが、１以上のヒータを含み得る。正の電解液チャンバ５２のみが１以上のヒータを含む場合、負の電解液は、パワーモジュールの電池セルで生成された熱を負の電解液に伝達することによって加熱できる。このようにして、パワーモジュールの電池セルが加熱し、負の電解液の温度調整を容易にすることができる。１以上のヒータは、コントローラ８８によって作動されて、負の電解液チャンバ５０及び正の電解液チャンバ５２の温度を別々にまたは一緒に調節することができる。例えば、電解液温度が閾値温度を下回ったことに応答して、コントローラ８８は、１以上のヒータに供給される電力を増加させ、電解液への熱流束を増加させることができる。電解液温度は、センサ６０及び６２を含む、マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０に取り付けられた１以上の温度センサによって示すことができる。１以上のヒータは、電解液流体に浸漬されたコイル型ヒータもしくは他の液漬ヒータ、または、負の電解液チャンバ及び正の電解液チャンバの壁を通して伝導的に熱を伝達して、その中の流体を加熱する表面マントル型ヒータを含み得る。本開示の範囲から逸脱することなく、他の既知の種類のタンクヒータを採用することができる。さらに、コントローラ８８は、液体のレベルが固体の充填閾値レベルを下回ったことに応答して、負の電解液チャンバ５０及び正の電解液チャンバ５２内の１以上のヒータを停止することができる。言い方を変えると、コントローラ８８は、液体のレベルが固体充填閾値レベルを上回ったことのみに応答して、負の電解液チャンバ５０及び正の電解液チャンバ５２内の１以上のヒータを作動することができる。このようにして、正及び／又は負の電解液チャンバ内に十分な液体が無い状態で１以上のヒータを作動することを回避し、これにより、ヒータの過熱または焼損のリスクを低減することができる。
【0033】
さらに、フィールドハイドレーションシステム（図示せず）から負の電解液チャンバ５０及び正の電解液チャンバ５２のそれぞれに１以上の入口接続を設けることができる。このようにして、フィールドハイドレーションシステムは、最終使用場所でのシステムの設置、充填、及び水の供給を含む、レドックスフロー電池システムの試運転を容易にすることができる。さらに、最終使用場所での作動の前に、レドックスフロー電池システムは、システムを充填及びシステムに水を供給することなく、最終使用場所とは異なる電池製造施設で乾いた状態で組み立てられた後、最終使用場所に配送される。一例では、最終使用場所は、レドックスフロー電池システム１０が設置され、かつ、現場でのオンサイトエネルギー貯蔵のために利用される場所に相当する。換言すると、最終使用場所に設置、水が供給されると、レドックスフロー電池システム１０の位置は固定され、レドックスフロー電池システム１０は、もはや可搬型ドライシステムとは見なされなくなると考えられる。したがって、レドックスフロー電池システムのエンドユーザの観点では、可搬型ドライレドックスフロー電池システム１０が現場に配送され、その後、レドックスフロー電池システム１０が設置され、水が供給され、作動される。水が供給される前のレドックスフロー電池システム１０は、乾式可搬システムと称され、レドックスフロー電池システム１０は、水も湿った電解液も含まない、または、水も湿った電解液も無い。水が供給されると、レドックスフロー電池システム１０は、非可搬型ウェットシステムと称され、レドックスフロー電池システム１０は、湿った電解液を含む。
【0034】
図１にさらに示されるように、フロー電池システム１０では、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０に通常貯蔵される電解液溶液が、負の電解液ポンプ３０及び正の電解液ポンプ３２によって汲み上げられる。負の電解液チャンバ５０に貯蔵された電解液は、負の電解液ポンプ３０によって負極コンパートメント２０側を通して汲み上げられ、また、正の電解液チャンバ５２に貯蔵された電解液は、正の電解液ポンプ３２によって電池の正極コンパートメント２２側を通して汲み上げられる。
【0035】
２つの電解液リバランス反応器８０及び８２は、レドックスフロー電池システム１０において、それぞれ第１の電池セル１８の負極側及び正極側で電解液の再循環流路と直列にまたは並列に接続できる。電池の負極側及び正極側において、１以上のリバランス反応器は、電解液の再循環流路と直列に接続することができ、また、冗長性のために（例えば、電池及びリバランス処理を中断することなく、リバランス反応器を修理できる）、かつ、再平衡（リバランス）の能力を高めるために、他のリバランス反応器を並列に接続できる。一例では、電解液リバランス反応器８０及び８２は、それぞれ正極コンパートメント２０及び負極コンパートメント２２から正の電解液チャンバ５０及び負の電解液チャンバ５２への戻り流路に配置できる。電解液リバランス反応器８０及び８２は、本明細書に記載されるように、副反応、イオンクロスオーバーなどによって生じるレドックスフロー電池システムにおける電解液電荷の不均衡を均衡にするのに役立つ。一例では、電解液リバランス反応器８０及び８２は、トリクルベッド反応器を含むことができ、電解液リバランス反応を行うために、水素ガスと電解液が充填床の触媒表面で接触する。他の例では、リバランス反応器８０及び８２は、水素ガス及び電解液と接触し、かつ、充填触媒床が非存在しない状態でリバランス反応を行うことが可能なフロースルータイプの反応器を含み得る。
【0036】
レドックスフロー電池システム１０の動作中、センサ及びプローブは、電解液のｐＨ、濃度、電荷状態などの電解液の化学的特性を監視及び制御することができる。例えば、図１に示すように、それぞれ、正の電解液チャンバ５２及び負の電解液チャンバ５０における正の電解液及び負の電解液の状態を監視するように、センサ６２及び６０を配置できる。別の例では、センサ６２及び６０はそれぞれ、正の電解液チャンバ５２及び負の電解液チャンバ５０内の電解液のレベルをそれぞれ示す１以上の電解液レベルセンサを含み得る。別の例として、図１に示すように、センサ７２及び７０は、それぞれ、正極コンパートメント２２及び負極コンパートメント２０における正の電解液及び負の電解液の状態を監視することができる。センサ７２、７０は、ｐＨプローブ、光プローブ、圧力センサ、電圧センサなどとし得る。複数のセンサを、レドックスフロー電池システム１０における他の位置に配置して、電解液の化学的特性及び他の特性を監視してもよい。
【0037】
例えば、センサを外部の酸タンク（図示せず）に配置して、外部の酸タンクの酸の体積またはｐＨを監視することができ、外部の酸タンクからの酸は、外部ポンプ（図示せず）を介してレドックスフロー電池システム１０に供給され、電解液中の沈殿物の形成を減少させる。追加の外部タンク及びセンサを設置して、レドックスフロー電池システム１０に他の添加剤を供給してもよい。例えば、フィールドハイドレーションシステムの温度センサ、導電率センサ、及びレベルセンサを含む様々なセンサが、コントローラ８８に信号を送信することができる。さらに、コントローラ８８は、レドックスフロー電池システム１０への水の供給中に、フィールドハイドレーションシステムのバルブ及びポンプなどのアクチュエータに信号を送信することができる。一例として、センサ情報はコントローラ８８に送信され、次いで、コントローラ８８は、ポンプ３０及び３２を作動させて、第１の電池セル１８を通る電解液の流れを制御し、または、他の制御機能を実行することができる。このようにして、コントローラ８８は、センサ及びプローブの１つまたは組み合わせに応答することができる。
【0038】
レドックスフロー電池システム１０は、水素ガス供給源をさらに含み得る。一例では、水素ガス供給源は、別個の専用水素ガス貯蔵タンクを含み得る。図１の例では、水素ガスは、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０に貯蔵され、そこから供給できる。一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０は、追加の水素ガスを正の電解液チャンバ５２及び負の電解液チャンバ５０に供給することができる。一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０は、追加の水素ガスを電解液リバランス反応器８０及び８２の入口に交互に供給することができる。例えば、質量流量計または他の流量制御装置（コントローラ８８によって制御できる）は、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０からの水素ガスの流れを調節することができる。一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０は、レドックスフロー電池システム１０で生成された水素ガスを補給することができる。例えば、レドックスフロー電池システム１０でガス漏れが検出された場合、または、水素分圧で低いために還元反応速度が非常に遅い場合、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給して、正の電解液と負の電解液における電気活性種の電荷の状態を再び平衡させることができる。例えば、コントローラ８８は、測定されたｐＨの変化に応じて、または、測定された電解液もしくは電気活性種の電荷の状態の変化に応じて、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給することができる。
【0039】
例えば、負の電解液チャンバ５０または負極コンパートメント２０のｐＨの上昇は、水素がレドックスフロー電池システム１０から漏れていること、及び／又は利用可能な水素分圧による反応速度が遅すぎることを示す場合があり、コントローラ８８は、ｐＨの上昇に応じて、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０からレドックスフロー電池システム１０への水素ガスの供給を増加させることができる。他の例として、コントローラ８８は、ｐＨの変化に応じて、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給することができ、この場合、ｐＨは、第１の閾値ｐＨよりも高くなり、または、第２の閾値ｐＨよりも低くなる。ＩＦＢの場合、コントローラ８８は、追加の水素を供給して、第二鉄イオンの還元速度及びプロトンの生成速度を上昇させ、これにより、正の電解液のｐＨを下げることができる。さらに、負の電解液のｐＨは、正の電解液から負の電解液にクロスオーバーする第二鉄イオンの水素還元によって下げることができ、または、正極側で生成されたプロトンがプロトン濃度勾配及び電気泳動力によって負の電解液にクロスオーバーすることによって下げることができる。これにより、負の電解液のｐＨを安定した範囲に維持できると共に、Ｆｅ（ＯＨ）３のような（正極コンパートメントからのクロスオーバーする）第二鉄イオンの沈殿のリスクを低減することができる。
【0040】
酸素還元電位（ＯＲＰ）メータまたは光学センサなどの他のセンサによって検出される、電解液のｐＨの変化または電解液の電荷状態の変化に応じて、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０からの水素ガスの供給速度を制御するための他の制御スキームを実装できる。さらに、コントローラ８８の動作を開始させるｐＨまたは電荷状態の変化は、一定期間において測定された変化率または変化に基づいてよい。変化率の期間は、予め決定でき、または、レドックスフロー電池システム１０の時定数に基づいて調整できる。例えば、再循環率が高い場合、期間を短縮でき、また、時定数が小さいため、（例えば、副反応またはガス漏れによる）濃度の局所的な変化は、素早く測定できる。
【0041】
図２は、第１の加圧板２０２と第２の加圧板２０４との間にセルスタック２０６が配置されたレドックスフロー電池２００（例えば、鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ））の例を示す。具体的には、加圧板の内側２０５は、セルスタック２０６の対向側と接するように設計できる。当然ながら、図２に示されるレドックスフロー電池２００、及び、本明細書に記載の他のレドックスフロー電池及びシステムは、図１に示すレドックスフロー電池システム１０の例である。したがって、図１に示されるレドックスフロー電池システム１０の構造的及び／又は機能的な特徴は、本明細書に記載されている他のレドックスフロー電池及び電池システムにおいて実装でき、またはその逆もあり得る。
【0042】
図２について続けると、レドックスフロー電池２００は、電池部品を構造的に補強するために、電池に重量とコストを追加する可能性のある外部ハウジングに依存することがない。むしろ、レドックスフロー電池は、電池内のセルスタックを相乗的に支持すると共に圧縮するコンパクトなシステムを提供する。したがって、フロー電池のコストと外形を小さくすることができる。その結果、複数の電池モジュールを組み込む電池システムは、より費用効果が高く、スペース効率的に製造され、必要に応じて、効率的な電池システムのスケーリングが可能になる。
【0043】
【0044】
セルスタック２０６は、第１の加圧板２０２の内側に配置され、第１の加圧板２０２の内面と面を共有して接触する第１のエンドプレート２０８を含む。電流を流すように構成された第１の集電体２１０は、第１のエンドプレート２０８と第１の加圧板２０２との間に配置できる。第１の加圧板２０２及び第２の加圧板２０４は、レドックスフロー電池２００の対向する端部２１２に配置される。
【0045】
セルスタック２０６では、第１の双極板アセンブリ２１４が、第１のセルスタック２０６の第１のエンドプレート２０８と第２のエンドプレート２１６との間に配置される。さらに、ｙ軸に沿って積み重ねられた双極板アセンブリ２１９が示されている。双極板アセンブリは、ｙ軸に沿って積み重ねられた複数のフレームプレート２１５を含む。複数のフレームプレート２１５は、セルスタック２０６に構造的に支持する。複数のフレームプレート２１５の各フレームプレートは同様に、セルスタックのセルをフレームで囲むように構成できる。各セルは、各フレームプレートの少なくとも１つの開口部に挿入された少なくとも１つの双極板２１７を含む。さらに、双極板は、各セルの負極と正極との間に配置され、電極は、双極板の対向面に沿って配置される。さらに、負極は、双極板と膜セパレータ（例えば、図１のセパレータ２４）との間に配置される。このように、各フレームプレートアセンブリは、膜セパレータ、負極、双極板、及び正極を含む部品のスタックを有し、部品のスタックは、セルスタック２０６内の連続するフレームプレートアセンブリごとに繰り返される。しかしながら、当然ながら、他の例では、他の適切なセルスタック配置を設けてもよい。
【0046】
第２のエンドプレート２１６は、第２の加圧板２０４と面を共有して接触することができる。第２の集電体２１８は、第２のエンドプレート２１６と第２の加圧板２０４との間に配置できる。
【0047】
図２は、複数のフローポート２２０を示す。フローポート２２０は、セルスタック２０６に出入りする電解液（例えば、正または負の電解液）を流すように設計される。したがって、フローポート２２０は、第２の加圧板２０４の開口部を通って延在するように示されている。
【0048】
第１の加圧板２０２及び第２の加圧板２０４は、組み立て時に、レドックスフロー電池２００を構造的に補強し、セルスタックに予荷重を加えるように設計される。構造的な補強を実現するために、リブ２２２（以下、補強リブ）は、第１の加圧板２０２及び第２の加圧板２０４の外側２２４を下方に延在する。詳述すると、補強リブ２２２は、プレートを横方向及び／又は垂直方向に横断して延在し、最終用途の設計目的に従って構造的な支持を調整することができ。さらに、補強リブ２２２は、互いに交差して、リブの配置の構造的な完全性を高め、コンパクトなプレート配置を提供することが示されている。いくつかの例では、加圧板による構造の補強によって、ラッキングアセンブリなどの追加の補強構造を、システムから省くことができる。このようにして、加圧板は、自立することができる。
【0049】
第１の加圧板２０２及び／又は第２の加圧板２０４は、金属（例えば、アルミニウム、鋼、チタンなど）から製造できる。１つの具体的な例では、加圧板をアルミニウムで構成して、例えば、鋼板と比較して板の強度対重量比を増加させることができる。したがって、一使用例では、アルミニウム製の加圧板を使用して、電池の重量を減らすと共に、目的の構造的な完全性を維持することができる。アルミニウム製の加圧板を使用することにより、鋼板と比較して、加圧板とセルスタックとの間の電磁的な相互作用を実質的に軽減（例えば、防止）することができる。さらに、いくつかの例では、加圧板を鋳造し、複数のプレート部分を互いに溶接する製造方法と比較して、プレートの構造的な完全性をさらに改善することができる。しかしながら、他の例では、フライス加工及び／又は他の適切なプレート製造技術を使用することができる。当然ながら、加圧板を鋳造またはフライス加工することにより、プレートがモノリシック構造を形成し、部品の強度を高めることができる。
【0050】
加圧板２０２、２０４は、上部フランジ２２６及び下部フランジ２２８を含み、各フランジは、セルスタック２０６から外側に延在する様子が示されている。具体的には、図に示す例では、フランジ２２６及び２２８は、水平に配置されている。しかしながら、他のフランジの外形が想定されている。例えば、フランジは、平らでない形状とすることができ、及び／又は、水平方向に整列しなくてもよい。突起２３０は、上部フランジ２２６に含まれる。戻り止め２３２は、図３に示すように、下部フランジ２２８に含まれる。しかしながら、他の例では、下部フランジが突起を含み、上部フランジが戻り止めを含んでもよく、または、各フランジが、突起及び戻り止めの双方を含んでもよい。当然ながら、突起２３０及び戻り止め２３２は、レドックスフロー電池２００の上または下に配置された電池の対応する突起及び戻り止めと嵌合するように構成される。突起及び戻り止めは、突起及び戻り止めの滑らかな嵌合を可能にするように、水平断面が円形でもよい。しかしながら、多角形などの他の形状の突起及び戻り止めが想定される。
【0051】
加圧板２０２、２０４は、電池の構築、設置、整備などの間に、フォークリフトが加圧板に係合することを可能にする複数のフォークリフト開口部２３４を含み得る。その結果、電池ユニットは、必要に応じて、フォークリフトによって効率的に操作され得る。フォークリフト開口部は、フォークリフト機のフォークの延長部と係合するように寸法とすることができる。しかしながら、他の例では、フォークリフトのフォークの端部にアダプタを配置して、加圧板を用いて電池を持ち上げ易くすることができる。フォークリフト開口部は、加圧板を通って縦方向長手方向に延在する様子が示されている。しかしながら、フォークリフト開口部の他の向きが想定されている。戻り止め２３２が、フォークリフト開口部２３４と垂直方向に配置された様子が示されている。このように戻り止めとフォークリフト開口部を配置することにより、電池を積み重ねる際に、戻り止め及び突起を容易に配置することができる。しかしながら、他の例では、戻り止め及びフォークリフト開口部は、代替的な相対的な位置としてもよい。
【0052】
レドックスフロー電池２００は、電池の動作中のセルスタック（例えば、セルスタックの活性領域）の撓みを低減するために、セルスタック２０６に予荷重を加えるように設計された圧縮アセンブリ２３６を含む。圧縮アセンブリ２３６は、加圧板２０２、２０４の外側２２４に沿って延在する板ばね２３８を含む。具体的には、図に示す例では、板ばね２３８は、板の側面を垂直に下方に延在する。しかしながら、他の例では、ばねは、板を横切るように横方向に延在することができ、または、ばねが垂直方向及び横方向の双方に延在する対角の配置で延在することができる。当然ながら、予想されるスタックの変形の方向は、板ばね２３８の配置の情報を与え得る。したがって、一使用例では、スタックの長手方向の拡張に対応するために、板ばねは垂直方向に整列される。板ばね２３８は、一例では、鋼で構成できる。しかしながら、ばねは、チタンもしくは他の金属、ポリマー材料、それらの組み合わせなどの他の適切な材料で構成することができる。板ばねを作るために使用される材料（複数可）を選択する際には、材料のコスト、強度、及び屈曲特性を考慮に入れてよい。したがって、特定の使用例では、鋼からばねを作ると、他の金属よりも低コストで望ましい屈曲特性が得られる。
【0053】
レドックスフロー電池２００は、複数のタイロッド２４０をさらに含む。タイロッド２４０は、板ばね２３８、加圧板２０２、２０４、及びセルスタック２０６を通って延在するように設計される。他のタイロッドは、加圧板２０２、２０４及びセルスタック２０６を通って延在し、板ばね２３８を通らないようにできる。レドックスフロー電池２００には、タイロッド２４０と螺合するように設計されたナット２４２が含まれ、セルスタック２０６に圧縮を加えることができる。
【0054】
図３は、組み立てられた構成のレドックスフロー電池２００を示す。タイロッド２４０の一部が、板ばね２３８を通って延在する様子が示されている。詳細には、タイロッド２４０は、板ばね２３８の上部セクション及び下部セクションを通って延在しており、ばねの屈曲を容易にする。加圧板２０２、２０４及びセルスタック２０６を通って延在する追加のタイロッド２４０が示されている。本明細書でより詳細に説明されるサイドボルト３００は、加圧板２０２、２０４を通って延在する様子が示されている。タイロッド２４０のヘッド３０２、及び図２に示されるタイロッドに連結されたナット２４２は、電池の組立中にセルスタックの圧縮を調整できるように、締め付けることができる。
【0055】
図３には、フォークリフト開口部２３４が示されており、セルスタック２０６から垂直方向にオフセットしており、セルスタックがフォークリフトと干渉するのを避けることができる。このようにして、フォークは、セルスタック２０６の一部の下または上にスライドできる。そのため、フォークリフトのフォークがセルスタックに衝突する可能性が低減される。あるいは、フォークリフトの開口部は、電池スタックと整列できるが、これは、フォークリフトまたは他の機械を使用してセルスタックを効率的に移動させるのに障害となる可能性がある。
【0056】
図３は、セルスタック２０６への電解液の流入及び流出を可能にするフローポート２２０を示す。具体的には、一例では、ポート３０４は、流入口とすることができ、ポート３０６は、流出口とし得る。しかしながら、電池の他の流入方式及び流出方式が考えられている。詳細には、レドックスフロー電池２００に正の電解液流入口と負の電解液流入口を設けることができる。同様に、レドックスフロー電池２００に正の電解液流出口と負の電解液流出口を設けることができる。図３は、第１の加圧板２０２の上部フランジ２２６及び下部フランジ２２８を示す。下部フランジ２２８の戻り止め２３２が、図３に示されている。図５の断面を示す切断面Ａ－Ａ’が、図４に示されている。
【0057】
図４は、第１の加圧板２０２の詳細図を示す。補強リブ２２２、上部フランジ２２６、下部フランジ２２８、戻り止め２３２、及びフォークリフト開口部２３４が再び示されている。図４は、図３に示すタイロッド２４０用の開口部４００を示す。図４は、図３に示すサイドボルト３００用のスロット４０２をさらに示す。スロット４０２は、スタックの幅のより大きな公差範囲を可能にする。スロット４０２については、図７及び８を参照して本明細書でより詳細に説明する。
【0058】
図５は、レドックスフロー電池２００の断面図を示す。加圧板２０２、２０４、セルスタック２０６、板ばね２３８、タイロッド２４０、及びナット２４２が再び示されている。タイロッド２４０は、具体的には、セルスタックの圧縮のために、板ばね２３８の開口部５００を通って延在することができる。タイロッドは、板ばねの屈曲に対応するために、板ばねの対向する両側に配置できる。
【0059】
板ばね２３８は、図５では管状板ばね（tube leaf springs）として示されている。これにより、構造的な完全性と屈曲の望ましいバランスを提供することができる。しかしながら、代替例では、平棒型の板ばねが使用できる。管状板ばねは、内部キャビティ５０４の境界となる壁５０２を含む。様々なばね定数を実現するように、壁の厚さと形状が選択できる。電池に管状板ばねを使用すると、スペース効率の良い方法で電池セルスタックを圧縮することができる。管状板ばねは、他の種類のばねよりも高い慣性モーメントを有することができ、他の種類のばねと比較して、撓みによる応力量が減少して、より頑丈なばねを提供することができる。しかしながら、他の例では、板が順次層状に積み重ねられた板ばねなど、他の適切な種類の板ばねを、電池内に設置してもよい。
【0060】
加圧板２０２、２０４は、支点５０６を有し得る。支点５０６は、セルスタックの圧縮中の反力の場所として機能する。このようにして、セルスタックの荷重は、対象とする場所に加わる。具体的には、支点５０６は、ばね２３８のそれぞれを通って延在するタイロッド２４０の対の間に垂直に配置される。図５はさらに、加圧板２０４のフランジ２２８内の戻り止め２３２を示している。当然ながら、一例では、加圧板２０２、２０４の補強リブ２２２及び支点５０６は、製造を合理化し、コストを削減するために、鋳造によって同時に製造してもよい。このようにして、製造をさらに簡素化してコストを下げることができる。しかしながら、他の例では、フライス加工及び／又は他の適切な製造技術を使用して、支点を形成することができる。
【0061】
図６は、電池システム６００のレドックスフロー電池２００の上に積み重ねられた第２のレドックスフロー電池６０２の例を示す。第２のレドックスフロー電池６０２は、形態及び機能においてレドックスフロー電池２００と類似し得る。したがって、第２のレドックスフロー電池６０２は、戻り止め及び突起を有するフランジ６０６を備えた加圧板６０４を含む。前述のように、異なる電池の加圧板のフランジの戻り止めと突起を合わせることで、ユニットを積み重ねることができる。このように電池を積み重ねることで、電池システムのサイズを、必要に応じて効率的に大きくすることができる。その結果、電池システムは、最終用途の設計パラメータ（例えば、電力目標、ハイブリッドレドックスフロー電池の場合の貯蔵容量目標）を満たすように、迅速に構成することができる。当然ながら、グリッド貯蔵、住宅用エネルギー貯蔵、産業用エネルギー貯蔵などの多種多様な用途のエネルギー需要を達成するために、システム内で複数の電池が使用できる。したがって、一例では、システムは、エネルギーを一般的なエネルギー消費装置に供給することができる。
【0062】
電池システム６００の拡大側面図が６１０で示されている。拡大図は、第２のレドックスフロー電池６０２内の対応する戻り止め６１２と嵌合したレドックスフロー電池２００内の突起２３０の１つを示す。
【0063】
突起２３０及び戻り止め６１２は、垂直方向に先細にすることができる。突起及び戻り止めを先細りにするにより、部品を嵌合させることができ、積み重ねの間に電池の位置がずれる可能性を低減する。そのため、電池の取り付け、修理などの際に、ユーザがエラーを起こす可能性が減少する。換言すると、嵌合する戻り止めと突起が「ポカヨケ」（誤差軽減機構）の役割を果たす。
【0064】
図６に示される突起２３０及び戻り止め６１２が、整列した（例えば、垂直に整列した）開口６１４を有する様子が示されている。概略的に示された取付部品６１６（例えば、ピンボルトなどのボルト、ねじなど）は、開口６１４を通って延在し、レドックスフロー電池２００及び第２のフロー電池６０２を、よりしっかりと取り付けることを可能にし、さらに電池ユニットの位置ずれの可能性を低減し、システムを構造的に補強することができる。
【0065】
図７～図８は、レドックスフロー電池２００のサイドボルトカムアセンブリ７００の詳細図を示す。サイドボルトカムアセンブリ７００は、電池の使用におけるフレームプレート２１５の側壁７０２の撓みを低減するように設計される。サイドボルトカムアセンブリ７００は、セルスタックのセルの横方向の変動に対応するために、横方向のコンプライアンスを有するように設計される。スロット４０２は、貫通するサイドボルト３００を動作可能に受け入れるために、各加圧板の対向する横側面に配置される。サイドボルト３００と螺合するナット７１０は、サイドボルトカムアセンブリ７００によって加えられる長手方向の圧縮を可能にする。スロット４０２は、それぞれ、各加圧板の同様の垂直及び横方向の位置に含まれ、サイドボルトが電池を横切って長手方向に延在するのを可能にする。しかしながら、加圧板上の異なるスロット位置が考えられる。サイドボルト３００は、セルスタックの幅のより大きな公差範囲を可能にするように選択された角度及び長さを有するスロット４０２と嵌合すると共に、電池の動作中のセルスタック（例えば、セルスタック内のフレーム）の横方向の撓みも低減する。当然ながら、スタックの横方向の撓みは、熱膨張及び／又はセルスタックの加圧によって引き起こされ得る。セルスタックの幅の変動に対応することで、例えば、予想よりも大きい横幅を有するスタックにおいて、セルを修正または交換する必要なく、電池をより簡単に組み立てることができる。レドックスフロー電池２００が前述のように組み立てられる場合、スロット４０２は、横方向軸８００に対して角度が付いている。スロット角度は、図８の８０２で示される。一例では、スロット角度８０２は、７０度から８９度の範囲とし得る。当然ながら、横方向のコンプライアンスと加圧板の動きとの間のトレードオフを評価して、スロット角度を選択することができる。例えば、スロットの角度を大きくすると、圧縮構造の横方向のコンプライアンスが増加する一方、加圧板が望ましくない動きをする可能性も高くなる。いくつかの例では、上述の角度範囲は、これらの２つの競合する設計パラメータの間の望ましいバランスを提供することができる。
【0066】
重力がカムを、セルスタックの側面に係合するニュートラルな位置まで下方に付勢及び動かすことにより、サイドボルト３００は、スロット４０２に沿ってスタックから離れる方に上方に移動することができる。ナット７１０は、サイドボルト３００を隣接する加圧板に固定する。サイドボルトを加圧板に固定するためにナット７１０を締めると、カムをスロットに沿って移動させるのに必要な力が増加する。したがって、サイドボルト３００は、所定のクランプ力を提供し、これにより、サイドボルト３００を、それらの位置から移動させるのに必要な力を調整することができる。
【0067】
図９を参照すると、加圧されたとき及び／又は熱負荷がかかったときのレドックスフロー電池２００の例示的な変形を示す使用例の変形図が示されている。電池の動作中、セルスタックの側壁７０２は、サイドボルト３００に向かって外側に広がる傾向がある。セルスタックの側壁が広がると、サイドボルトが外側に押し出され、サイドボルトは、この外側への力に抵抗する。このようにして、サイドボルト３００は側壁の過剰な撓みを制限する。その結果、電池を、使用中に所望の形状に構成することができる。
【0068】
図１０は、レドックスフロー電池１０００の別の例を示す。当然ながら、図１０に示されるレドックスフロー電池１０００は、図２～図９に示したレドックスフロー電池２００と類似の特徴を含む。したがって、簡潔にするために冗長な説明を省略する。
【0069】
レドックスフロー電池１０００は、サブスタックセパレータプレート１００６を介して分割された第１のセルスタック１００２及び第２のセルスタック１００４を含む。このようにして、電池のセルの数を増やすことができ、電池システムの電力の効率的な増加と、場合によっては貯蔵容量の効率的な増加を可能にする。一例では、各セルスタックは、機能及び形態が類似し得る。しかしながら、他の例では、セルスタックは、大きさ、機能などが相違していてよい。
【0070】
レドックスフロー電池１０００は、圧縮アセンブリ１０１２に加圧板１００８及び板ばね１０１０を含む。圧縮アセンブリ１０１２及び対応する部品は、図２～図９に示される圧縮アセンブリ２３６と同様とし得る。単一のセルスタック及び二重のセルスタックの電池配置に、同様の圧縮アセンブリを使用することにより、経済規模に関して製造コストを削減できる。しかしながら、他の例では、単一及び二重のスタックの電池構成で配置される圧縮アセンブリは、異なっていてもよい。二重のセルスタックの電池構成により、複数のセルスタックが、圧縮アセンブリ、加圧板、及びタイロッドなどの共通のハードウェアを使用して、セルスタックを圧縮し、構造的に支持することができる。このようにして、必要に応じて、システムの冗長性を減らして製造コストを下げるだけでなく、電池システムのプロファイルと重量を減らすことができる。
【0071】
図１１は、レドックスフロー電池１０００の側面図を示す。加圧板１００８及び板ばね１０１０を有する圧縮アセンブリ１０１２が再び示されている。加圧板１００８に含まれるフォークリフト開口部１１００が、図１１に示されている。しかしながら、フォークリフト開口部は、他の例では省略してもよい。電解液フローポート１１０２も図１１に示されている。詳述すると、加圧板１００８の下側に入口ポート１１０４が設けられている。当然ながら、入口ポートは、正の電解液の入口ポート及び負の電解液の入口ポートを含む。しかしながら、代替の入口ポート及び／又は出口ポートの位置が考えられる。レドックスフロー電池１０００の反対側の加圧板は、同様の電解液フローポート構成を有することができる。図１２の断面を示す切断面Ｂ－Ｂ’が、図１１に示されている。入口ポート１１０４は、正の電解液の入口フローポート及び負の電解液の入口フローポートを含む。同様に、出口ポート１１０６は、正の電解液の出口フローポート及び負の電解液の出口フローポートを含む。
【0072】
図１２は、レドックスフロー電池１０００の断面図を示しており、第１のセルスタック１００２及び第２のセルスタック１００４の一般的な電解液流路が示されている。詳述すると、負の電解液の流路が示されている。しかしながら、正の電解液の流路は、負の電解液の流路と同様の方向性を有することができる。他の例では、正及び負の電解液の異なる流路を使用できる。
【0073】
矢印１２００は、入口ポート１２０１から長手方向に第１のセルスタック１００２に流入する電解液の最初の方向を示す。このように、電解液の流れは、スタックの連続したセルを通過する。矢印１２０２は、セルスタックを垂直に通過する電解液の流れ方向を示す。したがって、平行なチャネル内の電解液の流れは、第１のセルスタック１００２を垂直に横断する。矢印１２０４は、長手方向で出口ポート１２０６に向かう電解液の流れ方向を示す。このようにして、負の電解液は、第１のセルスタック１００２内で循環できる。図１２は、第１のセルスタック１００２と同様のフローパターンを示す第２のセルスタック１００４を示す。
【0074】
さらに、ポンプは、入口ポート１１０４と流体連通して、電解液の流れを変化させることができる。第２のセルスタックは、電解液の流れを調整するために、ポンプに接続できる。一例では、第１のポンプ及び第２のポンプは、別個に制御できる。しかしながら、２つのポンプの調整されたポンピング制御の戦略が想定される。
【0075】
図１３は、第２の二重のスタック電池１３０２がレドックスフロー電池１０００の上に積み重ねられた電池システム１３００を示す。このようにして、電池システムの電力と、場合によっては容量をさらに増やすことができる。当然ながら、図１１に示される加圧板１００８の突起１１５２は、図６に示される電池システム６００と同様に、電池モジュールの効率的な積み重ねを容易にする。詳述すると、図１１に示される突起１１５２は、第２の二重のスタック電池１３０２の対応する戻り止めと嵌合する。
【0076】
図１４は、例示的なセルスタック１４００の一部の断面図を示す。当然ながら、図１４に示されるセルスタック１４００は、いくつかの例において、本明細書に記載の他のセルスタックの１以上と共通の機能的及び／又は構造的な特徴を共有することができ、または、その逆もある。
【0077】
セルスタック１４００は、加圧板１４０２を含む。加圧板１４０２は、本明細書に記載の他の加圧板と同様に、スタックの内部セルに圧縮力を加えるように設計できる。セルスタック１４００は、電池から選択された外部システムへのエネルギー伝達、またはその逆のエネルギー伝達を可能にする集電体１４０４を含む。セルスタック１４００は、図に示す例では、エンドプレートフレーム１４０６及びフランジシム支持体１４０８をさらに含む。しかしながら、他の例では、フランジシムをスタックから省略してもよい。
【0078】
セルスタック１４００は、スタックの異なる材料／部品の熱膨張／収縮の差に対応する多数の弾性形状を有し得る。したがって、セルスタックは、望ましくないセルスタックの反りの可能性を低減する調整されたコンプライアンスを有し得る。スタックの反りは、電池の効率、出力、及び構造的な完全性を低下させる可能性のあるセル内のフローパターンに影響を与える可能性がある。したがって、セルスタックの反りに対応する弾性形状を備えることによって、これらの影響が軽減される（例えば、回避される）。
【0079】
弾性形状は、エンドプレート弾性フランジ１４１０を含み得る。セルスタック１４００は、エンドプレート弾性フランジ１４１０と嵌合する導電板１４１２（例えば、黒鉛板）をさらに含み得る。セルスタック１４００は、導電板１４１２と面を共有して接触する別の導電板１４１４をさらに含み得る。当然ながら、いくつかの例では、導電板１４１２、１４１４は、単極板とし得る。
【0080】
セルスタック１４００は、導電板１４１４に隣接するフェルト層１４１６をさらに含み得る。しかしながら、他の例では、フェルト層をセルスタックから省略してもよい。
【0081】
セルスタック１４００は、エンドプレートフレーム１４０６と積み重ねられた（例えば、対応して嵌合された）膜フレームプレート１４１８をさらに含む。セルスタックは、膜フレームプレート１４１８に隣接し、その上に積み重ねられたフレームプレート１４２０（例えば、双極フレームプレート）をさらに含む。弾性フランジ１４２２は、膜フレームプレート１４１８と双極フレームプレート１４２０との間に配置できる。導電板１４２４（例えば、双極導電板）は、弾性フランジ１４２２と膜フレームプレート１４１８との間に配置できる。このようにして、セルスタック１４００は、導電板１４１４を支持することができる。双極フレームプレート１４２０、弾性フランジ１４２２、及び双極導電板１４１４は、双極板アセンブリ１４２６を形成することができる。弾性フランジ１４２２は、スタックのエンドプレートフレームの調整されたコンプライアンスを可能にする。したがって、セルスタックの部品の不均等な膨張／収縮は、スタックの部品の間の柔軟な接触面を用いて調整できる。
【0082】
図１４に示すように、セルスタック１４００は、膜フレームプレート、双極フレームプレート、弾性フランジ、双極導電板、フェルトなどの連続層をさらに含む。スタックの層の数は、所望のシステム電力及び／又は容量、スタックの加圧及びスタックの熱負荷によって生じる予想されるセルスタックの変形、撓みなどに基づいて選択できる。
【0083】
図１５は、エンドプレートフレーム１４０６、エンドプレート弾性フランジ１４２２、及び導電板１４１２、１４１４の詳細図を示す。図に示すように、エンドプレート弾性フランジ１４２２は、エンドプレートフレーム１４０６の凹部１５００に配置される。エンドプレート弾性フランジ１４２２は、導電板１４１２、１４１４の周囲に延在する。いくつかの例では、弾性フランジ１４２２は、エンドプレートフレーム１４０６の周辺フランジ１５０２からオフセットし得る。このように、弾性フランジは、フレームプレートの積み重ねを妨げないようにすることができる。
【0084】
図１６は、エンドプレートフレーム１４０６、エンドプレート弾性フランジ１４２２、及び導電板１４１２、１４１４（例えば、単極板）の一部のより詳細な図を示しており、フェルト層１４１６が図１６に示されている。エンドプレート弾性フランジ１４２２は、導電板１４１２の一部と嵌合した凹部１６００を含むように示されている。具体的には、エンドプレート弾性フランジ１４２２の凹部１６００は、導電板１４１２の３つの側面１６０２を部分的に取り囲む。したがって、エンドプレート弾性フランジ１４２２と導電板１４１２との間の境界領域に、二重のラップジョイントが形成され得る。その結果、弾性フランジと導電板との間の接続が強化され得る。しかしながら、他の例では、エンドプレート弾性フランジ１４２２は、フランジが導電板の２つの側面のみを部分的に取り囲む形状など、他の適切な形状を有してもよい。
【0085】
弾性フランジの厚さ１６０４は、セルスタックの他の部品のサイズ、レイアウト、及び材料構成などの様々なパラメータに基づいて、所望の量のコンプライアンスを達成するように選択できる。１つの使用例では、厚さ１６０４は、０．２ミリメートル（ｍｍ）～２ｍｍの間の範囲とすることができ、及び／又は弾性フランジは、所望の柔軟性を実現するために３０Ａ～８０Ａの間のデュロメータ範囲を有することができる。しかしながら、多数の適切なフランジの厚さ及び／又はハーネスが利用され得る。
【0086】
エンドプレート弾性フランジ１４２２は、矢印１６０６によって示される方向に従うように設計される。その結果、望ましくない事態のよるスタックの反りの可能性が減少させることができる。
【0087】
エンドプレートフレーム１４０６及びエンドプレート弾性フランジ１４２２は、１６０８で示されるように、互いに熱溶接できる。そのような例では、エンドプレートフレーム１４０６及びエンドプレート弾性フランジ１４２２の双方が、部品が熱溶接される場合、より強い化学接続を可能にするモノマーを有することができる。追加で、または代わりに、接着剤による接続を用いて、エンドプレートフレームをエンドプレート弾性フランジに取り付けてもよい。
【0088】
エンドプレートフレーム１４０６とエンドプレート弾性フランジ１４２２との間に間隙１６１０を設けて、異なる部品の不均等な熱膨張／収縮を可能にできる。間隙１６１０は、スタックの反りを戦略的に調整することを可能にする。
【0089】
導電板１４１２は、凹部１６００においてエンドプレート弾性フランジ１４２２に接着剤で取り付けることができる。さらに、導電板１４１２、１４１４は、適切な導電性の接着剤によって互いに接続できる。
【0090】
エンドプレート弾性フランジ１４２２のコンプライアンスは、弾性ポリマー（例えば、合成ゴム、天然ゴムなど）等の弾性材料によって実現できる。一例では、弾性材料は、熱可塑性加硫物（ＴＰＶ）（例えば、Ｓａｎｔｏｐｒｅｎｅ（登録商標））とすることができ、双極板の弾性フランジ及びフレームの双方は、熱可塑性ポリマー（例えば、ガラス繊維充填ＰＰなどのポリプロピレン（ＰＰ））を有することができる。ＴＰＶフランジ構造は、いくつかの例では、目標とする量の弾力性を提供することができる。さらに、ＰＰからフレームを構築することにより、化学的により不活性で低コストの構造を提供する。しかしながら、他の例では、他のフレーム材料を使用してもよい。
【0091】
図１７は、双極板１７０２、弾性フランジ１７０４、及び双極フレームプレート１７０６を含む双極板アセンブリ１７００の例を示す。当然ながら、双極板アセンブリ１７００は、図１４に示されるセルスタック１４００に含まれ得る。双極板アセンブリ１７００は、電解液ポート１７０８と、電解液を双極板１７０２に送るためのフローチャネル１７１０とを含む。
【0092】
図１８は、双極板アセンブリ１７００の分解図を示す。双極板１７０２、弾性フランジ１７０４、及び双極フレームプレート１７０６が図１８に示されている。双極板１７０２は、組み立て時に、双極フレームプレート１７０６のフランジ１７０４内に入れ子状態で収容することができる。この配置は、セルスタックをよりコンパクトにするだけでなく、双極板を構造的に補強して、プレートの変形を回避することができる。
【0093】
図１９は、双極板アセンブリ１７００の詳細な断面図を示す。双極フレームプレート１７０６、弾性フランジ１７０４の１つ、及び双極板１７０２の１つが示されている。膜フレームプレート１９００が、図１９に示されている。双極板１７０２と弾性フランジ１７０４との間に接着剤層１９０１が塗布できる。図１９に示す弾性フランジ１７０４は、Ｓ字形である。このように、Ｓ字形に形成される場合、フランジ１７０４のセクション１９０３は、ｙ軸に沿ってオフセットしたフランジの２つの部分の間に延在する。弾性フランジ１７０４を「Ｓ」字形に成形することにより、接着層が塗布されるフランジの側でフランジの剥離強度を低くすることができる。さらに、フランジをＳ字形に成形することにより、圧縮力の経路がスタックを通って所望の経路を取ることが可能になり、必要に応じて、セルスタックをより圧縮することができる。Ｓ字形のプレートは、フランジが膜フレームプレートの隣接するチャネルに食い込んで電解液の流れを制限する可能性を低減できる。
【0094】
さらに、弾性フランジ１７０４は、１９０６で示される双極フレームプレート１７０６に熱溶接できる。このようにして、フレームと導電板との間に強化された接続を形成することができる。フレームをフランジに熱溶接することにより、いくつかの例では、部品間の接着接合をなくすことができる。しかしながら、他の例では、接着接合と熱溶接の双方を用いて、フレームをフランジに接続することができる。膜フレームプレート１９００に配置されたメッシュ１９０２及び膜１９０４が、図１９に示されている。
【0095】
図２０は、双極板アセンブリ２０００の別の例の側面図を示す。双極板アセンブリ２０００もまた、双極フレーム２００２と、双極板２００４と、フレームと双極板との間の弾性フランジ２００６とを含む。双極板２００４を弾性フランジ２００６に接合する接着剤層２００８が示されている。弾性フランジ２００６もまた、Ｓ字形に形成され、スタックの圧縮、剥離強度などに関して前述の利点を提供する。
【0096】
図２１は、アセンブリに熱負荷が加えられたときの双極板アセンブリ２０００を示す。図に示すように、弾性フランジ２００６、特にセクション２１００は実質的に撓むことがなく、セルスタック内の電解液チャネルの流れに望ましくない影響を与えることがない。
【0097】
図２２～図２５は、双極板アセンブリの他の例を示している。双極板アセンブリ２２００を示す図２２を特に参照する。双極板アセンブリ２２００は、双極フレーム２２０２と、双極板２２０４と、フレーム及び双極板の間に延在する弾性フランジ２２０６とを含む。弾性フランジ２２０６は、設置を簡単にすることができる平面形状を有する。図２２に示される双極板アセンブリ２２００の成形形状は、本明細書に記載の他の双極板アセンブリよりも製造が容易であり、安価な部品を有することができる。
【0098】
図２３は、双極フレーム２３０２と、双極板２３０４と、弾性フランジ２３０６とを含む双極板アセンブリ２３００を示す。弾性フランジ２３０６は、双極板２３０４の一部を部分的に取り囲み、接着剤２３０５を、フランジと双極板との間に塗布できる。弾性フランジ２３０６は、双極フレーム２３０２の側面２３０８に沿って延在し、双極板２３０４とフレームとの間に間隙２３１０を形成する。図２３に示す双極板アセンブリ２３００は、本明細書に記載の他の双極板アセンブリよりも複雑な成形形状を有し、より高価な部品を使用する場合があるが、より大きい封止面を提供する。
【0099】
図２４は、双極フレーム２４０２と、双極板２４０４と、弾性フランジ２４０６とを含む双極板アセンブリ２４００を示す。接着剤（例えば、エポキシ）２４０８が、弾性フランジ２４０６の双方の垂直側面に塗布されている様子が示されている。図２４に示す双極板アセンブリ２４００は、本明細書に記載の他の双極板アセンブリほど複雑ではない成形形状を有し、より安価な部品を使用することができる。
【0100】
図２５は、双極フレーム２５０２と、双極板２５０４と、弾性フランジ２５０６とを含む双極板アセンブリ２５００を示す。図２５に示す例では、双極板２５０４と双極フレーム２５０２との間に空隙２５０８が形成されている。図２５に示す双極板アセンブリ２５００は、本明細書に記載の他の双極板アセンブリ用の類似の部品及び製造成形ツールを使用すると共に、より大きな封止面（例えば、２倍の封止面）を有する。
【0101】
図２６～図２７は、図１４に示す弾性フランジ１４２２または図２０～図２５に示す弾性フランジなどの弾性フランジを製造するために使用され得る材料２６００及び２７００の例を示す。双極板と弾性フランジとの間の接着強度を改善するために、テクスチャ加工が施された表面を含む材料が示されている。一例では、テクスチャ加工は、接着剤が塗布される予定の範囲の弾性フランジに施すことができる。
【0102】
図２６は、テクスチャ加工が施された表面２６０２を有する弾性材料２６００を示す。正方形のパターンを有するテクスチャ加工が施された表面が示されている。しかしながら、図２７に示した弾性材料２７００のテクスチャ加工が施された表面２７０２のダイヤモンドパターン等の他のパターンが想定される。弾性フランジの表面をテクスチャ加工を施すことにより、フランジと双極板の間に塗布可能な接着剤の量が増加し、フランジと双極板との間の接着強度が向上する。テクスチャ加工が施された表面は、テクスチャ加工が施される表面に金属ヤスリを押し付けることによって作成できる。
【0103】
具体的には、１つの使用例では、金属板（例えば、チタンメッシュ）を、弾性材料（例えば、ＴＰＶゴム）の層に対して押し付けることができる。さらに、そのような例では、シリコーン発泡体などの発泡体の層を、弾性材料の下に配置することができ、フランジの圧縮中に熱を加えて、テクスチャ加工が施された表面が作成できる。しかしながら、フランジの表面にテクスチャ加工を施すための他の適切な技術が考えられる。
【0104】
レドックスフロー電池が加圧板の積み重ね可能な戻り止め及び突起を備えることの技術的効果は、電池のモジュール性を高め、電池システムの電力及び／又は貯蔵容量の効率的なスケーリングを可能にすることである。レドックスフロー電池に弾性フランジを設けることの技術的効果は、セルスタックの反りに対応し、この反りによって電池内の電解液の流れが制限される可能性を減らすことである。
【0105】
図２～図２７は、様々な部品の相対的な配置を有する構成例を示している。互いに直接接触し、または直接接続していることが示されている場合、そのような部品は、少なくとも一例では、それぞれ直接接触し、または直接接続していると表現され得る。同様に、互いに連続または隣接して示されている部品は、少なくとも一例では、それぞれ、互いに連続または隣接し得る。例えば、互いに面を共有して接触している部品は、面を共有して接触していると表現され得る。別の例では、少なくとも１つの例では、部品の間に空間だけがあり、他の部品が無い状態で、互いに配置された部品もそのように表現され得る。さらに別の例では、互いの上／下、互いに対向する側、または互いの左／右に示される部品は、互いに対して、そのように表現され得る。さらに、図に示すように、最上部の部品または部品の点は、少なくとも１つの例では、部品の「最上部」と称され、最下部の部品または部品の点は、部品の「底部」と称され得る。本明細書で使用される場合、最上部／底部、上部／下部、上／下は、図の垂直軸に対してとすることができ、互いに対する図の部品の位置を説明するために使用できる。したがって、一例では、他の部品の上に示される部品は、他の部品の垂直方向の上に配置されている。さらに別の例では、図面内に示される部品の形状は、それらの形状（例えば、円形、直線、平面、湾曲、円形、面取りされた、角度が付けられたなど）を有すると称され得る。さらに、少なくとも１つの例において、互いに交差するように示される部品は、交差する部品または互いに交差すると称され得る。さらに、一例では、別の部品内に示される、または別の部品の外側に示される部品は、そのように称され得る。
【0106】
本発明を以下の段落でさらに説明する。一態様では、レドックスフロー電池であって、第１の端部に第１の加圧板と、第２の端部に第２の加圧板とを含む加圧板のセットであって、第２の端部と第１の端部は、レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置された加圧板のセットと、第１の加圧板と第２の加圧板の間に長手方向に配置された第１のセルスタックとを含み、第１の加圧板及び第２の加圧板はそれぞれ、第１のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第２のフランジに複数の積み重ね突起とを含み、第１のフランジと第２のフランジは、レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置される、レドックスフロー電池が提供される。
【0107】
別の態様では、レドックスフロー電池であって、第１の端部に第１の加圧板と、第２の端部に第２の加圧板とを含む加圧板のセットであって、第２の端部及び第１の端部は、レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置される加圧板のセットと、第１の加圧板と第２の加圧板の間に長手方向に配置された第１のセルスタックとを含み、第１の加圧板及び第２の加圧板は、それぞれ、モノリシック構造を形成し、ばねと接触する支点突起を含み、ばねは、電池の動作中、第１のセルスタックに長手方向内側へ力を加えるレドックスフロー電池が提供される。
【0108】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、複数の積み重ね戻り止め及び複数の積み重ね突起は、取付装置を受けるように構成された開口を含み得る。
【0109】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、複数のフォークリフト開口部をさらに含むことができ、複数のフォークリフト開口部のそれぞれは、第１の加圧板及び第２の加圧板のうちの１つを通って長手方向に延在する。
【0110】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第１の加圧板の第１のスロット及び第２の加圧板の第２のスロットを通って延在するサイドボルトをさらに含むことができ、第１のスロット及び第２のスロットは、横方向のコンプライアンスを備えて設計される。
【0111】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第１のスロット及び第２のスロットは、横方向軸から測定したときに９０度未満の角度で設けられ得る。
【0112】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第１の加圧板及び第２の加圧板は、それぞれモノリシック構造を形成することができる。
【0113】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第１の加圧板及び第２の加圧板は、アルミニウムで形成することができる。
【0114】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、アルミニウムは、鋳造アルミニウムとし得る。
【0115】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第１の加圧板及び第２の加圧板は、それぞれ、外側を少なくとも部分的に横断する複数の補強リブを含み得る。
【0116】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第１の加圧板及び第２の加圧板のうちの１つに接続され、電池の動作中に第１のセルスタックに長手方向内側へ力を加える板ばねをさらに含み得る。
【0117】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、板ばねは管状板ばねとし得る。
【0118】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、板ばねは、第１の加圧板及び第２の加圧板のうちの１つの側面を垂直に下方に延在することができる。
【0119】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第１の加圧板と第２の加圧板の間に長手方向に配置された第２のセルスタックをさらに含み得る。
【0120】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、ばねを通って延在するタイロッドをさらに含み得る。
【0121】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、ばねは板ばねとし得る。
【0122】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、第１の加圧板及び第２の加圧板のそれぞれは、第１のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第２のフランジに複数の積み重ね突起を含むことができ、第１のフランジ及び第２のフランジは、レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置できる。
【0123】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第１の加圧板の第１のスロット及び第２の加圧板の第２のスロットを通って延在するサイドボルトをさらに含むことができ、第１のスロット及び第２のスロットは、横方向軸から測定したときに９０度未満の角度で設けられ得る。
【0124】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、ばねは、鋼で作ることができ、第１の加圧板及び第２の加圧板は、アルミニウムで作ることができる。
【0125】
上記態様または上記態様の組み合わせのいずれかにおいて、レドックスフロー電池は、第１の加圧板と第２の加圧板の間に長手方向に配置された第２のセルスタックをさらに含み得る。
【0126】
以下の特許請求の範囲は、新規かつ非自明であると見なされる特定の組み合わせ及びサブコンビネーションを特に示す。これらの請求項は、「ある」部品または「第１の」部品、またはそれらの均等物を意味し得る。そのような請求項は、２つ以上のそのような部品を要求も排除もせず、１以上のそのような部品の組み込みを含むと理解されるべきである。開示された特徴、機能、部品、及び／又は特性の他の組み合わせ及びサブコンビネーションは、現在の請求項の補正を通じて、または本出願もしくは関連出願における新しい請求項の提示を通じて請求できる。そのような請求項は、元の特許請求の範囲より広い、狭い、等しい、または異なるとに関係なく、本開示の要旨に含まれるものとみなされる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【手続補正書】
【提出日】2023-01-24
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
レドックスフロー電池であって、第１の端部に第１の加圧板と、第２の端部に第２の加圧板とを含む加圧板のセットであって、前記第２の端部及び前記第１の端部は、前記レドックスフロー電池の対向する長手方向側面に配置された、前記加圧板のセットと、
前記第１の加圧板と前記第２の加圧板との間に長手方向に配置された第１のセルスタックとを含み、
前記第１の加圧板及び第２の加圧板は、それぞれ、第１のフランジに複数の積み重ね戻り止めと、第２のフランジに複数の積み重ね突起とを含み、
前記第１のフランジ及び前記第２のフランジは、前記レドックスフロー電池の対向する垂直側面に配置された、
レドックスフロー電池。
【請求項2】
前記複数の積み重ね戻り止め及び前記複数の積み重ね突起が、取付装置を受けるように構成された開口を含む、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項3】
複数のフォークリフト開口部をさらに含み、前記複数のフォークリフト開口部のそれぞれは、前記第１の加圧板及び前記第２の加圧板のうちの一方を通って長手方向に延在する、請求項１または２に記載のレドックスフロー電池。
【請求項4】
前記第１の加圧板の第１のスロットと前記第２の加圧板の第２のスロットとを通って延在するサイドボルトをさらに含み、前記第１のスロット及び第２のスロットは、横方向のコンプライアンスを有するように設計された、請求項１～３のいずれかに１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項5】
前記第１のスロット及び第２のスロットが、横方向軸から測定したときに９０度未満の角度で設けられた、請求項４に記載のレドックスフロー電池。
【請求項6】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板が、それぞれ、モノリシック構造を形成する、請求項１～５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項7】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板が、アルミニウムで形成された、請求項６に記載のレドックスフロー電池。
【請求項8】
前記アルミニウムは鋳造アルミニウムである、請求項７に記載のレドックスフロー電池。
【請求項9】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板が、それぞれ、外側を少なくとも部分的に横断する複数の補強リブを含む、請求項６に記載のレドックスフロー電池。
【請求項10】
前記第１の加圧板及び第２の加圧板のうちの一方に接続され、電池の動作中に前記第１のセルスタックに長手方向内側へ力を加える板ばねをさらに含む、請求項１～９のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項11】
前記板ばねが管状板ばねである、請求項１０に記載のレドックスフロー電池。
【請求項12】
前記板ばねが、前記第１の加圧板及び第２の加圧板のうちの一方の側面を垂直に下方に延在する、請求項１０に記載のレドックスフロー電池。
【請求項13】
前記板ばねが鋼で作られ、前記第１の加圧板及び第２の加圧板がアルミニウムで作られた、請求項１０に記載のレドックスフロー電池。
【請求項14】
前記板ばねを通って延在するタイロッドをさらに含む、請求項１０に記載のレドックスフロー電池。
【請求項15】
前記第１の加圧板と前記第２の加圧板の間に長手方向に配置された第２のセルスタックをさらに含む、請求項１～１２のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【手続補正3】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0008】
【図1】レドックスフロー電池システムの例の概略図を示す。
【図2】圧縮アセンブリを有するレドックスフロー電池の例の分解図を示す。
【図10】複数のセルスタックを含むレドックスフロー電池の第２の例を示す。
【図14】レドックスフロー電池における例示的なセルスタックのセクションの断面図を示す。
【図17】双極板アセンブリを示す。
【図20】双極板アセンブリの別の例を示す。
【図22】双極板アセンブリの一例を示す。
【図23】双極板アセンブリの一例を示す。
【図24】双極板アセンブリの一例を示す。
【図25】双極板アセンブリの一例を示す。
【図26】フランジ材料と材料のテクスチャリングの使用例を示す。
【図27】フランジ材料と材料のテクスチャリングの使用例を示す。
【手続補正4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0035】
２つの電解液リバランス反応器８０及び８２は、レドックスフロー電池システム１０において、それぞれ第１の電池セル１８の負極側及び正極側で電解液の再循環流路と直列にまたは並列に接続できる。電池の負極側及び正極側において、１以上のリバランス反応器は、電解液の再循環流路と直列に接続することができ、また、冗長性のために（例えば、電池及びリバランス処理を中断することなく、リバランス反応器を修理できる）、かつ、再平衡（リバランス）の能力を高めるために、他のリバランス反応器を並列に接続できる。一例では、電解液リバランス反応器８０及び８２は、それぞれ正極コンパートメント２２及び負極コンパートメント２０から正の電解液チャンバ５０及び負の電解液チャンバ５２への戻り流路に配置できる。電解液リバランス反応器８０及び８２は、本明細書に記載されるように、副反応、イオンクロスオーバーなどによって生じるレドックスフロー電池システムにおける電解液電荷の不均衡を均衡にするのに役立つ。一例では、電解液リバランス反応器８０及び８２は、トリクルベッド反応器を含むことができ、電解液リバランス反応を行うために、水素ガスと電解液が充填床の触媒表面で接触する。他の例では、リバランス反応器８０及び８２は、水素ガス及び電解液と接触し、かつ、充填触媒床が非存在しない状態でリバランス反応を行うことが可能なフロースルータイプの反応器を含み得る。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0056】
図３は、セルスタック２０６への電解液の流入及び流出を可能にするフローポート２２０を示す。具体的には、一例では、ポート３０４は、流入口とすることができ、ポート３０６は、流出口とし得る。しかしながら、電池の他の流入方式及び流出方式が考えられている。詳細には、レドックスフロー電池２００に正の電解液流入口と負の電解液流入口を設けることができる。同様に、レドックスフロー電池２００に正の電解液流出口と負の電解液流出口を設けることができる。図３は、第１の加圧板２０２の上部フランジ２２６及び下部フランジ２２８を示す。下部フランジ２２８の戻り止め２３２が、図３に示されている。図３の断面を示す切断面Ａ－Ａ’が、図４に示されている。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0071】
図１１は、レドックスフロー電池１０００の側面図を示す。加圧板１００８及び板ばね１０１０を有する圧縮アセンブリ１０１２が再び示されている。加圧板１００８に含まれるフォークリフト開口部１１００が、図１１に示されている。しかしながら、フォークリフト開口部は、他の例では省略してもよい。電解液フローポート１１０２も図１１に示されている。詳述すると、加圧板１００８の下側に入口ポート１１０４が設けられている。当然ながら、入口ポートは、正の電解液の入口ポート及び負の電解液の入口ポートを含む。しかしながら、代替の入口ポート及び／又は出口ポートの位置が考えられる。レドックスフロー電池１０００の反対側の加圧板は、同様の電解液フローポート構成を有することができる。図１２の断面を示す切断面Ｂ－Ｂ’が、図１０に示されている。入口ポート１１０４は、正の電解液の入口フローポート及び負の電解液の入口フローポートを含む。同様に、出口ポート１１０６は、正の電解液の出口フローポート及び負の電解液の出口フローポートを含む。
【国際調査報告】