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 8/2465 20160101ALI20230612BHJP
H01M 8/0213 20160101ALI20230612BHJP
【ＦＩ】
H01M8/18
H01M8/2465
H01M8/0213
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2022569246
(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】 US2021030949
(87)【国際公開番号】W WO2021231153
(87)【国際公開日】2021-11-18
(31)【優先権主張番号】63/025,234
(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】エヴァンス クレイグ イー．
(72)【発明者】
【氏名】ケイシー ショーン
(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）】
5H126AA14
5H126AA22
5H126GG06
5H126GG18
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、セルスタックアセンブリを含み、セルスタックアセンブリは、セルスタックアセンブリの横側面に配置されたプレートアセンブリであって、導電板のセクションに嵌合した凹部を含み、横方向及び垂直方向の少なくとも一方に柔軟な弾性フランジと、弾性フランジに結合されたプレートフレームとを含むプレートアセンブリを有する。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
セルスタックアセンブリを含み、前記セルスタックアセンブリは、
前記セルスタックアセンブリの横側面に配置されたプレートアセンブリであって、
導電板のセクションと嵌合する凹部を含み、横方向及び垂直方向の少なくとも一方に柔軟な弾性フランジと、
前記弾性フランジに結合されたプレートフレームと、
を含む前記プレートアセンブリ
を含む、レドックスフロー電池。
【請求項2】
前記凹部が、前記導電板の２つの側面の少なくとも一部分を取り囲む、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項3】
前記弾性フランジが、前記プレートフレームに熱溶接される、請求項１又は２に記載のレドックスフロー電池。
【請求項4】
前記導電板が黒鉛を含む、請求項１～３のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項5】
前記導電板が単極板である、請求項１～４のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項6】
前記導電板が双極板である、請求項１～５のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項7】
前記導電板が、前記弾性フランジに接着結合される、請求項１～６のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項8】
前記導電板が、前記弾性フランジに接着結合される、請求項１～７のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項9】
前記弾性フランジが、前記導電板の表面に接着剤で取り付けられたテクスチャ加工された表面を含む、請求項１～８のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項10】
前記弾性フランジがゴムを含む、請求項１～９のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項11】
前記プレートアセンブリがエンドプレートアセンブリであり、前記プレートフレームが圧力板に結合されたエンドプレートフレームである、請求項１～１０のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項12】
前記弾性フランジが前記導電板と嵌合して二重ラップジョイントを形成する、請求項１１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項13】
セルスタックアセンブリを含み、前記セルスタックアセンブリは、
前記セルスタックアセンブリの横側面に配置されたプレートアセンブリであって、
導電板のセクションに嵌合した凹部を含み、垂直方向及び／または横方向に柔軟な弾性フランジと、
前記弾性フランジに結合されたプレートフレームと、
を含む前記プレートアセンブリを含み、
縦方向に整列した間隙が、前記プレートフレームのセクションと前記弾性フランジとの間に形成される、
レドックスフロー電池。
【請求項14】
前記弾性フランジが、前記プレートフレームの周辺フランジから縦方向にオフセットされている、請求項１３に記載のレドックスフロー電池。
【請求項15】
前記プレートアセンブリがエンドプレートアセンブリであり、前記プレートフレームが圧力板に結合されたエンドプレートフレームである、請求項１３又は１４に記載のレドックスフロー電池。
【請求項16】
前記凹部と前記導電板との間の嵌合界面が、二重ラップジョイントを形成する、請求項１３～１５のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項17】
前記弾性フランジがゴムを含み、前記導電板が黒鉛を含む、請求項１３～１６のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項18】
前記弾性フランジが、前記導電板の表面と面を共有して接触するテクスチャパターンを有するテクスチャ加工された表面を含む、請求項１３～１７のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項19】
前記導電板が単極板である、請求項１３～１８のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項20】
前記導電板が双極板である、請求項１３～１９のいずれか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６３／０２５，２３４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６３／０２５，２３４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、電力及び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及び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、電解質として鉄、塩、及び水に依存している。一部の実施形態では、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くとともに、電池の環境フットプリントを削減する。
【0004】
鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）は、電解質として鉄、塩、および水に依存しているため、地球に豊富に存在する安価な材料を含み、一部の実施形態では、刺激の強い化学物質を組み込む必要がなく、それによって電池の環境フットプリントを削減する。
【0005】
セルスタックの熱管理は、レドックスフロー電池の設計にさまざまな課題をもたらす。例えば、従来のセルスタックは、スタックの異なるコンポーネントの不均衡な熱膨張／収縮に十分に対応できない場合がある。結果として、電池使用中にセルスタックが反る場合がある。それによって、電解質のフローパターンが影響を受けて、例えば、電池効率、電池出力、及び／または電池の構造的完全性が低下し得る。セルスタックのサイズが大きくなる、または単一の電池モジュールに複数のスタックが含まれているとき、セルスタックの反りが悪化する可能性がある。さらに、特定のセルスタックレイアウトでは、隣接するコンポーネントが圧力及び／または熱応力によって変形する可能性がある。具体的には、特定のシナリオでは、フレームフランジが交差圧力によってたわみ、セルスタックチャネルの電解質の流れを妨げる可能性がある。
【0006】
本発明者らは、従来のレドックスフロー電池の上述の欠点を認識し、欠点を少なくとも部分的に克服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、セルスタックアセンブリの横側面に配置されたプレートアセンブリを有するセルスタックアセンブリを含む。プレートアセンブリは、導電板の一部と嵌合し、縦方向のコンプライアンスを備えて設計された凹部を有する弾性フランジを含む。プレートアセンブリは、弾性フランジに結合されたプレートフレームも含む。弾性フランジは、スタックの温度勾配によって引き起こされるセルスタックの膨張／収縮に対応する。その結果、望ましくないスタックの反りの可能性が減少する。
【0007】
一例では、弾性フランジは、プレートフレームに熱溶接されてもよい。必要に応じて、弾性フランジをプレートフレームに熱溶接することで、フランジとフレームとの間の接着接合を省略することができる。その結果、プレートフレームと弾性フランジとの間により強い界面が形成され、フレームとフランジが分離する可能性を低減し得る。
【0008】
当然ながら、上記概要は、発明を実施するための形態にさらに記載される概念の一部を簡単な形で紹介するために提供されている。特許を請求する主題の重要なまたは必須の特徴を特定することを意図したものではなく、主題の範囲は、発明を実施するための形態に続く請求項によって一意に定義される。さらに、特許を請求する主題は、上記または本開示のいずれかの部分に記載した欠点を解決する実施態様に限定されない。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【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例を示す。
【図23】双極板アセンブリの例を示す。
【図24】双極板アセンブリの例を示す。
【図25】双極板アセンブリの例を示す。
【図26】フランジ材料と材料テクスチャリングの使用事例を示す。
【図27】フランジ材料と材料テクスチャリングの使用事例を示す。
【発明を実施するための形態】
【0010】
図２～２７は、ほぼ一定の縮尺で描かれている。しかし、他の実施形態では、他の相対的な寸法が使用される場合がある。
【0011】
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してもよく、板ばねは、加圧板の側面を下方に延び、セルスタックに内向きの予荷重を及ぼす。板ばねは、セルスタックの圧縮をコンパクトに提供して、動作中の電池のアクティブ領域のたわみを低減（防止）する。加圧板は、圧縮アセンブリを構造的に補強できるようにする補強リブを含み得る。
【0012】
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的に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んでもよい。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／または容量のスケーリング）を実現することができる。
【0013】
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、電池動作中のセルスタック内の熱膨張係数（ＣＴＥ）が異なるコンポーネントの熱膨張と収縮が可能になる。その結果、電池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縦方向にオフセットされたセクション間に延びるＳ字形を有し得る。Ｓ字形のフランジにより、電池セルスタックのより高い圧縮が実現できる。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において特に有益であり得る。
【0014】
図１に示すように、レドックスフロー電池システム１０において、負極２６はめっき電極と呼ばれてもよく、正極２８はレドックス電極と呼ばれてもよい。第１の電池セル１８のめっき側（例えば、負極コンパートメント２０）内の負の電解質は、めっき電解質と呼ばれてもよく、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）の正の電解質は、レドックス電解質と呼ばれてもよい。
【0015】
ハイブリッドレドックスフロー電池は、電極上に固体層として電気活性材料の１つまたは複数を堆積することを特徴とするレドックスフロー電池である。ハイブリッドレドックスフロー電池は、例えば、電池充電プロセス全体を通して基板上に固体として電気化学反応によってめっきする化学物質を含み得る。電池の放電中、めっきされた種は電気化学反応によってイオン化し、電解質に溶解し得る。ハイブリッド電池システムでは、レドックス電池の充電容量（例えば、蓄えられるエネルギーの最大量）は、電池充電中にめっきされた金属の量によって制限される場合があり、めっきシステムの効率、ならびにめっきに利用可能な体積及び表面積に依存し得る。
【0016】
アノードは電気活性材料が電子を失う電極を指し、カソードは電気活性材料が電子を得る電極を指す。電池の充電中、正の電解質は負極２６で電子を獲得する、したがって負極２６は電気化学反応のカソードである。放電中、正の電解質は電子を失う、したがって、負極２６は反応のアノードである。あるいは、放電中、負の電解質及び負極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと呼ばれてもよく、正の電解質及び正極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと呼ばれてもよい。充電中、負の電解質及び負極は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと呼ばれてもよく、正の電解質及び正極は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと呼ばれてもよい。簡単にするために、正及び負という用語は、本明細書では、レドックス電池フローシステムの電極、電解質、及び電極コンパートメントを指して使用される。
【0017】
ハイブリッドレドックスフロー電池の一例は、全鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）であり、ＩＦＢでは、電解質は鉄塩（例えば、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にめっきし、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。電気化学反応は式（１）及び（２）にまとめられる。ここで、正反応（左から右）は電池充電中の電気化学反応を示し、逆反応（右から左）は電池放電中の電気化学反応を示す。
Ｆｅ２＋＋２ｅ－←→Ｆｅ０ －０．４４Ｖ （負極） （１）
Ｆｅ２＋←→２Ｆｅ３＋＋２ｅ－ ＋０．７７Ｖ （正極） （２）
Ｆｅ２＋＋２ｅ－←→Ｆｅ０ －０．４４Ｖ （負極） （１）
Ｆｅ２＋←→２Ｆｅ３＋＋２ｅ－ ＋０．７７Ｖ （正極） （２）
【0018】
上記のように、ＩＦＢで使用される負の電解質は、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、基板上にめっきできるように、十分な量のＦｅ２＋を提供し得る。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、溶解されて電解質内に戻ってもよい。上記の反応の平衡電位は－０．４４Ｖであり、したがって、この反応は所望のシステムに負の端子を提供する。ＩＦＢの正極側では、電解質は充電中にｅ２＋を提供し、これが電子を失い、Ｆｅ３＋に酸化する。放電中、電解質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提供する。
【0019】
ＩＦＢは、非再生電解質を利用する他のタイプの電池とは異なり、電解質を充電及び再充電する能力を備える。充電は、端子４０及び４２を介して電極間に電流を印加することによって達成される。負極２６は端子４０を介して電圧源の負側に電気的に結合されてもよく、それによって、電子が正極を介して負電解質に供給されてもよい（例えば、Ｆｅ２＋が、正極コンパートメント２２内の正の電解質中でＦｅ３＋に酸化される）。負極２６（例えば、めっき電極）に供給される電子は、負電解質中のＦｅ２＋を還元して、めっき基板でＦｅ０を形成し、それを負極２６上にめっきすることができる。
【0020】
放電は、Ｆｅ０が酸化のために負の電解質で利用可能なままであり、Ｆｅ３＋が還元のために正の電解質で利用可能なままである間、持続することができる。例として、Ｆｅ３＋の利用可能性は、外部の正の電解質タンク５２などの外部ソースを介して追加のＦｅ３＋イオンを提供するために、第１の電池セル１８の正極コンパートメント２２側への正の電解質の濃度または体積を増加させることによって維持することができる。より一般的には、放電中のＦｅ０の利用可能性は、ＩＦＢシステムで問題になる可能性があり、放電に利用できるＦｅ０は、負極基板の表面積及び積とめっき効率とに比例し得る。充電容量は、負極コンパートメント２０内のＦｅ２＋の利用可能性に依存し得る。例として、Ｆｅ２＋の利用可能性は、外部の負の電解質チャンバ５０などの外部ソースを介して追加のＦｅ２＋イオンを提供して、第１の電池セル１８の負極コンパートメント２０側への負の電解質の濃度または体積を増加させることによって維持することができる。
【0021】
ＩＦＢにおいて、正の電解質は、第一鉄イオン、第二鉄イオン、第二鉄錯体、またはそれらの任意の組み合わせを含み、負の電解質は、ＩＦＢシステムの充電状態に応じて、第一鉄イオンまたは第一鉄錯体を含む。前述のように、負の電解質と正の電解質の両方で鉄イオンを利用すると、電池セルの両側で同じ電解種を利用することが可能になり、これにより、電解質の相互汚染を減らし、ＩＦＢシステムの効率を高めることができて、結果として、他のレドックスフロー電池システムと比較して、電解質の交換が少なくなる。
【0022】
ＩＦＢにおける効率損失は、セパレータ２４（例えば、イオン交換膜バリア、微多孔膜など）を通過する電解質クロスオーバーに起因する場合がある。例えば、正の電解質中の第二鉄イオンは、第二鉄イオン濃度勾配及びセパレータを横切る電気泳動力によって負の電解質に向かって駆動され得る。次に、膜バリアを透過し、負極コンパートメント２０に移動する第二鉄イオンは、クーロン効率の損失をもたらす場合がある。低ｐＨのレドックス側（例えば、より酸性度の高い正極コンパートメント２２）から高ｐＨのめっき側（例えば、より酸性度の低い負極コンパートメント２０）に移動する鉄イオンは、Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿をもたらし得る。Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿は、セパレータ２４を劣化させ、恒久的な電池性能及び効率の損失を引き起こす場合がある。例えば、Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿は、イオン交換膜の有機官能基を化学的に汚したり、イオン交換膜の小さな微細孔を物理的に詰まらせたりする場合がある。いずれの場合も、Ｆｅ（ＯＨ）３の沈殿により、時間の経過とともに膜のオーム抵抗が上昇し、電池性能が低下する場合がある。沈殿物は電池を酸で洗浄することで除去し得るが、定期的なメンテナンスとダウンタイムは、商用電池用途には不都合な場合がある。さらに、洗浄は電解質の定期的な調製に依存する場合があり、追加の処理コストと複雑さの原因となる。あるいは、電解質のｐＨ変化に応じて正の電解質と負の電解質に特定の有機酸を添加すると、全体的なコストを押し上げることなく、電池の充電及び放電サイクル中の沈殿物形成を軽減し得る。さらに、鉄イオンのクロスオーバーを阻害する膜バリアを実装すると、汚染も軽減し得る。
【0023】
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内のプロトンとめっきされた鉄金属電極で供給される電子との反応による水素ガスの形成によって引き起こされる場合がある。
【0024】
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、低コストで製造することができる。ＩＦＢ電解質は、負の電解質及び正の電解質に同じ電解質を使用できるため、より高い再生価値を提供し、その結果、他のシステムと比較して相互汚染の問題が減少する。さらに、鉄は、その電子配置のために、負極基板上へのめっき中にほぼ均一な固体構造に固化し得る。ハイブリッドレドックス電池で一般的に使用される亜鉛やその他の金属の場合、めっき中に固体の樹枝状構造が形成される場合がある。ＩＦＢシステムの安定した電極形態は、他のレドックスフロー電池と比較して電池の効率を高め得る。さらに、鉄レドックスフロー電池は有毒な原材料の使用を減らし、他のレドックスフロー電池電解質と比較して相対的に中性のｐＨで動作することができる。したがって、ＩＦＢシステムは、現在生産されている他のすべての高度なレドックスフロー電池システムと比較して、環境への影響を軽減する。
【0025】
引き続き図１を参照すると、レドックスフロー電池システム１０の概略図が示されている。レドックスフロー電池システム１０は、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に流体接続された第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、セパレータ２４、及び正極コンパートメント２２を含み得る。セパレータ２４は、正の電解質と負の電解質とのバルク混合を防ぎ、特定のイオンの伝導を可能にする電気絶縁性イオン伝導バリアを含み得る。例えば、セパレータ２４は、イオン交換膜及び／または微多孔膜を含み得る。
【0026】
負極コンパートメント２０は、負極２６を含んでよく、負の電解質は、電気活性材料から少なくとも部分的に形成されてもよい。正極コンパートメント２２は、正極２８を含んでよく、正の電解質は、電気活性材料を含み得る。一部の例では、複数のレドックスフロー電池セル１８を直列または並列に組み合わせて、レドックスフロー電池システムでより高い電圧または電流を生成し得る。例えば、一部の例では、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んでよく、各セルスタックは複数の電池セルから形成される。例として、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るすべての構成要素及びプロセスは、第２の電池セル１９にも同様に見出され得る。
【0027】
第１の電池セル１８は第１のセルスタックに含まれてもよく、第２の電池セル１９は第２のセルスタックに含まれてもよい。第１及び第２のセルは、互いに流体結合されていても流体結合されていなくてもよいが、それぞれ電解質貯蔵タンク１１０及びリバランス反応器８０、８２に流体結合されている。例えば、図１に示すように、第１及び第２の電池セル１８、１９のそれぞれは、第１及び第２の電池セル１８及び１９のそれぞれに分岐する共通の通路を介して、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ３２に接続されてもよい。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に結合する共通の通路に合流する通路を有し得る。
【0028】
図１にさらに示されるのは、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ３２であり、両方ともフロー電池システム１０を通して電解質溶液を汲み上げるために使用される。電解質は、セル外部の１つまたは複数のタンクに貯蔵され、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ３２を介して、それぞれ電池の負極コンパートメント２０側及び正極コンパートメント２２側を通して汲み上げられる。
【0029】
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をさらに含んでよく、それぞれ、負極２６及び正極２８の後面側、例えば、セパレータ２４に面する側の反対側に沿って配置される。第１の双極板３６は負極２６と接触してもよく、第２の双極板３８は正極２８と接触してもよい。しかしながら、他の例では、双極板は、近接して配置されてもよいが、それぞれの電極コンパートメント内で電極から離間して配置されてもよい。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、電気的に結合されてもよい。ＩＦＢ電解質は、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の反応サイトに輸送されてもよい。電解質の流れは、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ３２によって補助され、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、反応サイトから離れる方向に向けられてもよい。
【0030】
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、負の電池端子４０及び正の電池端子４２をさらに含み得る。充電電流が電池端子４０及び４２に印加されると、正の電解質は正極２８で酸化され（１つまたは複数の電子を失う）、負の電解質は負極２６で還元される（１つまたは複数の電子を得る）。電池の放電中、電極で逆レドックス反応が生じる。言い換えると、正の電解質は正極２８で還元され（１つまたは複数の電子を得る）、負の電解質は負極２６で酸化される（１つまたは複数の電子を失う）。電池全体の電位差は、正極コンパートメント２２及び負極コンパートメント２０における電気化学的レドックス反応によって維持され、反応が持続している間、集電体を通して電流を誘導し得る。レドックス電池に蓄えられるエネルギー量は、電解質の全体積と電気活性材料の溶解度に応じて、放電のための電解質内の利用できる電気活性材料の量によって制限される。
【0031】
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をさらに含み得る。マルチチャンバ貯蔵タンク１１０は、隔壁９８によって分割されてもよい。隔壁９８は、正及び負の電解質の両方を単一のタンク内に含めることができるように、貯蔵タンク内に複数のチャンバを形成してもよい。負の電解質チャンバ５０は、電気活性材料を含む負の電解質を保持し、正の電解質チャンバ５２は、電気活性材料を含む正の電解質を保持する。隔壁９８は、負の電解質チャンバ５０と正の電解質チャンバ５２との間に所望の容積比をもたらすために、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０内に配置されてもよい。一例では、隔壁９８は、負のレドックス反応と正のレドックス反応との間の化学量論比に従って、負及び正の電解質チャンバの容積比を設定するように配置されてもよい。図１は、貯蔵タンク１１０の充填高さ１１２をさらに示し、これは各タンクコンパートメント内の液体レベルを示し得る。図１は、負の電解質チャンバ５０の充填高さ１１２の上に位置するガスヘッドスペース９０、及び正の電解質チャンバ５２の充填高さ１１２の上に位置するガスヘッドスペース９２を示す。ガスヘッドスペース９２は、レドックスフロー電池の動作によって（例えば、プロトン還元及び腐食副反応により）生成され、第１のレドックスフロー電池セル１８から電解質を戻してマルチチャンバ貯蔵タンク１１０に運ばれた水素ガスを貯蔵するために利用されてもよい。水素ガスは、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０内の気液界面（例えば、充填高さ１１２）で自然に分離され、それによって、レドックスフロー電池システムの一部として追加の気液分離器を有することを排除し得る。電解質から分離されると、水素ガスはガスヘッドスペース９０及び９２を満たしてもよい。このように、貯蔵された水素ガスは、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０から他のガスをパージするのを助けることができ、それによって、電解質種の酸化を減らすための不活性ガスブランケットとして機能し、レドックスフロー電池容量の損失を減らすのを助けることができる。このように、統合されたマルチチャンバ貯蔵タンク１１０を利用することにより、従来のレドックスフロー電池システムに共通の別個の負及び正の電解質貯蔵タンク、水素貯蔵タンク、及び気液分離器を持たずに済ませ、それによってシステム設計を簡素化し、システムの物理的フットプリントを軽減し、システムコストを削減し得る。
【0032】
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つのチャンバ間のガス圧を等しくする手段を提供するスピルオーバーホール９６を示す。スピルオーバーホール９６は、充填高さ１１２よりも上の閾値高さに配置されてもよい。スピルオーバーホールはさらに、電池クロスオーバーの場合に、正及び負の電解質チャンバのそれぞれの電解質を自己平衡化する能力を可能にする。全鉄レドックスフロー電池システムの場合、同じ電解質（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の両方で使用されるため、負の電解質チャンバ５０と正の電解質チャンバ５２との間で電解質があふれ出て、システム全体の効率が低下し得るが、全体的な電解質組成、電池モジュールの性能、及び電池モジュールの容量は維持される。漏れのない連続加圧状態を維持するために、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０の入口及び出口のすべての配管接続にフランジ継手を利用してもよい。マルチチャンバ貯蔵タンク１１０は、負及び正の電解質チャンバのそれぞれからの少なくとも１つの出口と、負及び正の電解質チャンバのそれぞれへの少なくとも１つの入口とを含み得る。さらに、水素ガスをリバランス反応器８０及び８２に向けるために、ガスヘッドスペース９０及び９２から１つまたは複数の出口接続が設けられてもよい。
【0033】
図１には示されていないが、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、負の電解質チャンバ５０及び正の電解質チャンバ５２のそれぞれに熱的に結合された１つまたは複数のヒータをさらに含み得る。代替例では、負及び正の電解質チャンバの一方のみが、１つまたは複数のヒータを含み得る。正の電解質チャンバ５２のみが１つまたは複数のヒータを含む場合、負の電解質は、パワーモジュールの電池セルで生成された熱を負の電解質に伝達することによって加熱されてもよい。このようにして、パワーモジュールの電池セルは加熱し、負の電解質の温度調整を容易にし得る。１つまたは複数のヒータは、コントローラ８８によって作動されて、負の電解質チャンバ５０及び正の電解質チャンバ５２の温度を別々にまたは一緒に調節してもよい。例えば、電解液温度が閾値温度を下回ったことに応答して、コントローラ８８は、電解質への熱流束が増加するように、１つまたは複数のヒータに供給される電力を増加させてもよい。電解質温度は、センサ６０及び６２を含む、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に取り付けられた１つまたは複数の温度センサによって示されてもよい。１つまたは複数のヒータは、電解質流体に浸漬されたコイル型ヒータもしくは他の浸漬ヒータ、または負及び正の電解質チャンバの壁を通して伝導的に熱を伝達してその中の流体を加熱する表面マントル型ヒータを含み得る。本開示の範囲から逸脱することなく、他の既知のタイプのタンクヒータを採用してもよい。さらに、コントローラ８８は、液体レベルが固体充填閾値レベルを下回ったことに応答して、負及び正の電解質チャンバ５０、５２内の１つまたは複数のヒータを停止してもよい。言い方を変えると、コントローラ８８は、液体レベルが固体充填閾値レベルを上回ったことのみに応答して、負及び正の電解質チャンバ５０、５２内の１つまたは複数のヒータを作動してもよい。このようにして、正及び／または負の電解質チャンバ内に十分な液体がない状態で１つまたは複数のヒータを作動することを回避し、それによってヒータの過熱または焼損のリスクを低減することができる。
【0034】
さらに、フィールド水和システム（図示せず）から負の電解質チャンバ５０、及び正の電解質チャンバ５２のそれぞれに１つまたは複数の入口接続が設けられてもよい。このようにして、フィールド水和システムは、最終使用場所でのシステムの設置、充填、及び水和を含む、レドックスフロー電池システムの試運転を容易にすることができる。さらに、最終使用場所で試運転する前に、レドックスフロー電池システムは、システムを最終使用場所に配送する前に、システムを充填及び水和することなく、最終使用場所とは異なる電池製造施設で乾式組み立てされてもよい。一例では、最終使用場所は、レドックスフロー電池システム１０が設置され、オンサイトエネルギー貯蔵のために利用される場所に対応し得る。言い換えれば、最終使用場所に設置され水和されると、レドックスフロー電池システム１０の位置は固定され、レドックスフロー電池システム１０はもはや携帯用の乾式システムとは見なされなくなると考えられる。したがって、レドックスフロー電池システムのエンドユーザの観点から、乾式携帯型レドックスフロー電池システム１０は現場に配送され、その後、レドックスフロー電池システム１０が設置され、水和され、試運転される。水和前のレドックスフロー電池システム１０は、乾式携帯システムと呼ばれてもよく、レドックスフロー電池システム１０は、水及び湿った電解質を含まない、または水及び湿った電解質が無い。水和されると、レドックスフロー電池システム１０は、湿式非携帯システムと呼ばれてもよく、レドックスフロー電池システム１０は、湿った電解質を含む。
【0035】
図１にさらに示されるのは、マルチチャンバ貯蔵タンク１１０に典型的に貯蔵される電解質溶液が、負の電解質ポンプ３０及び正の電解質ポンプ３２によってフロー電池システム１０を通して汲み上げられる。負の電解質チャンバ５０に貯蔵された電解質は、負の電解質ポンプ３０を介して負極コンパートメント２０側を通って汲み上げられ、正の電解質チャンバ５２に貯蔵された電解質は、電池の正極コンパートメント２２側を通して正の電解質ポンプ３２によって汲み上げられる。
【0036】
２つの電解質リバランス反応器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質の再循環流路とインラインまたは並列に接続されてもよい。１つまたは複数のリバランス反応器を電池の負極側及び正極側で電解質の再循環流路と一直線に接続されてもよく、他のリバランス反応器が、冗長性のため（例えば、リバランス反応器は電池とリバランス操作を中断することなく修理されてもよい）と、リバランス容量を増やすために並列に接続されてもよい。一例では、電解質リバランス反応器８０及び８２は、それぞれ負極コンパートメント２０及び正極コンパートメント２２から正の電解質チャンバ５０及び負の電解質チャンバ５２への戻り流路に配置されてもよい。電解質リバランス反応器８０及び８２は、本明細書に記載されるように、副反応、イオンクロスオーバーなどによって生じるレドックスフロー電池システムにおける電解質電荷の不均衡をリバランスするのに役立ち得る。一例では、電解質リバランス反応器８０及び８２はトリクルベッド反応器を含んでよく、電解質リバランス反応を行うために水素ガスと電解質とが充填床の触媒表面で接触する。他の例では、リバランス反応器８０及び８２は、水素ガス及び電解液と接触し、充填触媒床の非存在下でリバランス反応を行うことができるフロースルータイプの反応器を含み得る。
【0037】
レドックスフロー電池システム１０の動作中、センサ及びプローブは、電解液のｐＨ、濃度、充電状態などの電解質の化学的特性を監視及び制御してもよい。例えば、図１に示すように、センサ６２及び６０は、それぞれ、正の電解質チャンバ５２及び負の電解質チャンバ５０における正の電解質及び負の電解質の状態を監視するように配置されてもよい。別の例では、センサ６２及び６０はそれぞれ、正の電解質チャンバ５２及び負の電解質チャンバ５０内の電解質のレベルをそれぞれ示す１つまたは複数の電解質レベルセンサを含み得る。別の例として、図１に示すように、センサ７２及び７０は、それぞれ、正極コンパートメント２２及び負極コンパートメント２０における正の電解質及び負の電解質の状態を監視してもよい。センサ７２、７０は、ｐＨプローブ、光プローブ、圧力センサ、電圧センサなどであってもよい。センサは、電解質の化学的特性及び他の特性を監視するために、レドックスフロー電池システム１０全体の他の位置に配置されてもよい。
【0038】
例えば、センサを外部の酸タンク（図示せず）に配置して、外部の酸タンクの酸量またはｐＨを監視してもよく、外部の酸タンクからの酸は、電解質中の沈殿物形成を減少させるために、外部ポンプ（図示せず）を介してレドックスフロー電池システム１０に供給される。レドックスフロー電池システム１０に他の添加剤を供給するために、追加の外部タンク及びセンサが設置されてもよい。例えば、フィールド水和システムの温度センサ、導電率センサ、及びレベルセンサを含む様々なセンサが、コントローラ８８に信号を送信してもよい。さらに、コントローラ８８は、レドックスフロー電池システム１０の水和中に、フィールド水和システムのバルブ及びポンプなどのアクチュエータに信号を送信することができる。センサ情報はコントローラ８８に送信され、コントローラ８８はポンプ３０及び３２を作動させて、例として、第１の電池セル１８を通る電解質の流れを制御するか、または他の制御機能を実行し得る。このようにして、コントローラ８８は、センサ及びプローブの１つまたは組み合わせに応答してもよい。
【0039】
レドックスフロー電池システム１０は、水素ガス源をさらに含み得る。一例では、水素ガス源は、別個の専用水素ガス貯蔵タンクを含み得る。図１の例では、水素ガスは、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に貯蔵され、そこから供給されてもよい。一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、追加の水素ガスを正の電解質チャンバ５２及び負の電解質チャンバ５０に供給してもよい。一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、追加の水素ガスを電解質リバランス反応器８０及び８２の入口に交互に供給し得る。例として、質量流量計または他の流量制御装置（コントローラ８８によって制御されてもよい）は、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からの水素ガスの流れを調節し得る。一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、レドックスフロー電池システム１０で生成された水素ガスを補給してもよい。例えば、レドックスフロー電池システム１０でガス漏れが検出されたとき、または低い水素分圧で還元反応速度が低すぎるとき、正の電解質と負の電解質における電気活性種の電荷の状態をリバランスするために一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給してもよい。例として、コントローラ８８は、ｐＨの測定された変化に応答して、または電解質もしくは電気活性種の電荷の状態の測定された変化に応答して、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給してもよい。
【0040】
例えば、負の電解質チャンバ５０または負極コンパートメント２０のｐＨの上昇は、水素がレドックスフロー電池システム１０から漏れていること、及び／または利用可能な水素分圧に対して反応速度が遅すぎることを示す場合があり、コントローラ８８は、ｐＨの上昇に応答して、一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からレドックスフロー電池システム１０への水素ガスの供給を増加させてもよい。さらなる例として、コントローラ８８は、第１の閾値ｐＨを超えて上昇するか、または第２の閾値ｐＨを超えて低下するｐＨの変化に応答して一体型マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から水素ガスを供給してもよい。ＩＦＢの場合、コントローラ８８は追加の水素を供給して、第二鉄イオンの還元速度及びプロトンの生成速度を増加させ、それによって正の電解質のｐＨを低下させてもよい。さらに、負の電解質のｐＨは、正の電解質から負の電解質にクロスオーバーする第二鉄イオンの水素還元によって、または正極側で生成されたプロトンがプロトン濃度勾配及び電気泳動力により負の電解質にクロスオーバーすることによって低下させてもよい。このようにして、Ｆｅ（ＯＨ）３としての第二鉄イオンの沈殿（正極コンパートメントからのクロスオーバー）のリスクを低減しながら、負の電解質のｐＨを安定領域内に維持してもよい。
【0041】
酸素還元電位（ＯＲＰ）メータまたは光学センサなどの他のセンサによって検出される、電解液のｐＨの変化または電解質の電荷状態の変化に応答して、一体型マルチチャンバ電解液貯蔵タンク１１０からの水素ガスの供給速度を制御するための他の制御スキームが実装されてもよい。さらに、コントローラ８８のアクションをトリガするｐＨまたは電荷状態の変化は、一定期間にわたって測定された変化率または変化に基づいてもよい。変化率の期間は、予め決定、またはレドックスフロー電池システム１０の時定数に基づいて調整されてもよい。例えば、再循環率が高い場合、期間は短縮されてもよく、時定数が小さい可能性があるため、濃度の局所的な変化（例えば、副反応またはガス漏れによる）が迅速に測定され得る。
【0042】
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の反対側と接するように設計されてもよい。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／または機能的特徴は、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示され得るか、またはその逆であり得る。
【0043】
引き続き図２について、レドックスフロー電池２００は、電池構成要素を構造的に補強するために、電池に重量とコストを追加し得る外部ハウジングに依存しなくてもよい。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し、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プロファイルを削減し得る。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。
【0044】
参照のため、図２～２５に軸システム２０１が記載されている。ｚ軸は重力軸に平行であってもよい。ｙ軸は縦軸であってもよい、及び／またはｘ軸は横軸であってもよい。しかし、他の実施形態では、軸の他の向きが使用される場合がある。
【0045】
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との間に配置されてもよい。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の対向する末端２１２に配置される。
【0046】
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軸に沿って積層さ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軸に沿って積層さ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に構造的支持を提供する。複数のフレームプレート２１５の各フレームプレートは、セルスタックのセルをフレームで囲むように同様に構成されてもよい。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、双極板の対向する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、及び正極を含む構成要素のスタックを有し、構成要素のスタックは、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、当然ながら、他の例では、他の適切なセルスタック配置が展開されてもよい。
【0047】
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してもよい。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との間に配置されてもよい。
【0048】
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に出入りする電解質（例えば、正または負の電解質）を流すように設計されている。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びるように示されている。
【0049】
第１の加圧板２０２及び第２の加圧板２０４は、共に、アセンブリ時に、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ている。構造的補強を達成するために、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を下方に延びる。詳述すると、補強リブ２２２は、最終用途の設計目的に従って構造的支持を調整するために、プレートを横方向及び／または垂直方向に横断して延びてもよい。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一体性を高め、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。一部の例では、ラッキングアセンブリなどの追加の補強構造は、加圧板によって提供される構造補強のために、システムから省かれてもよい。このようにして、加圧板は自立することができる。
【0050】
第１の加圧板２０２及び／または第２の加圧板２０４は、金属（例えば、アルミニウム、鋼、チタンなど）から製造されてもよい。１つの特定の例では、加圧板は、例えば鋼板と比較してプレートの強度対重量比を増加させるためにアルミニウムから構築されてもよい。したがって、一使用事例では、目的の構造的完全性を維持しながら、電池の重量を減らすためにアルミニウム製の加圧板が使用されてもよい。アルミニウム加圧板の使用は、鋼板と比較して、加圧板とセルスタックとの間の電磁相互作用を実質的に減少（例えば、防止）し得る。さらに、一部の例では、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、プレートの構造的完全性をさらに改善するために、加圧板を鋳造してもよい。それにもかかわらず、他の例では、フライス加工及び／または他の適切なプレート製造技術を使用してもよい。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、構成要素の強度を高めることができる。
【0051】
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から外側に延びるように示されている。具体的には、図示の例では、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、他のフランジ輪郭が想定されてきた。例えば、フランジは、非平面プロファイルを有してもよい、及び／または水平方向に整列していなくてもよい。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、他の例では、下側フランジが突起を含み、上側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と戻り止めの両方を含んでもよい。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内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ている。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、水平断面において丸みを帯びてもよい。しかし、多角形などの他の形状の突起及び戻り止めが考えられている。
【0052】
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。結果として、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嵌合するように寸法決めされてもよい。しかし、他の例では、加圧板を使用して電池を持ち上げやすくするために、フォークリフトのフォークの端にアダプタが配置されてもよい。フォークリフトの開口部は、加圧板を通って縦方向に延びているのが示されている。しかしながら、フォークリフトの開口部の他の向きが想定されてきた。戻り止め２３２は、フォークリフト開口部２３４と垂直方向に整列して示されている。このように戻り止めとフォークリフトの開口部とを整列させると、電池積層時に戻り止めと突起を容易に整列させることを可能にし得る。しかし、他の例では、戻り止めとフォークリフト開口部は、交互の相対位置を有してもよい。
【0053】
レドックスフロー電池２００は、電池動作中のセルスタック（例えば、セルスタックの活性領域）のたわみを低減するために、セルスタック２０６に予荷重力を及ぼす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に沿って延びる板ばね２３８を含む。具体的には、図示の例では、板ばね２３８は、プレートの側面を垂直に下方に延びる。しかしながら、他の例では、ばねは、プレートを横切って横方向に延びてもよい、またはばねが垂直及び横方向の両方に延びる対角配置で延びてもよい。当然ながら、スタック変形の予想される方向は、板ばね２３８の配置を知らせ得る。したがって、ある使用事例では、スタックの縦方向の拡張に対応するために板ばねが垂直方向に整列される。板ばね２３８は、一例では、鋼から構築されてもよい。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から構築されてもよい。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もよい。したがって、特定の使用事例では、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を提供し得る。
【0054】
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を通って延びるように設計されている。他のタイロッドは、加圧板２０２、２０４及びセルスタック２０６を通って延びてもよく、板ばね２３８を通らない場合がある。レドックスフロー電池２００には、セルスタック２０６に圧縮を加えることができるようにタイロッド２４０と螺合するように設計されたナット２４２が含まれる。
【0055】
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の一部は、板ばね２３８を通って延びるように示されている。詳細には、タイロッド２４０は、板ばね２３８の上部及び下部セクションを通って延び、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を通って延び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を通って延びるように示されている。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、電池組立中にセルスタックの圧縮を設定できるように締め付けられてもよい。
【0056】
フォークリフト開口部２３４は、セルスタック２０６から垂直方向にオフセットされて図３に示されており、これにより、フォークリフトとのセルスタックの干渉を避ける。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されてもよい。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されてもよいが、これは、フォークリフトまたは他の機械を使用して電池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。
【0057】
図３は、電解質の流れがセルスタック２０６に出入りするの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は流入ポートであってもよく、ポート３０６は流出ポートであってもよい。しかしながら、電池の他の流入及び流出方式が考えられてきた。詳細には、レドックスフロー電池２００に正の電解質流入ポートと負の電解質流入ポートを設けてもよい。同様に、レドックスフロー電池２００に正の電解質流出ポートと負の電解質流出ポートを設けてもよい。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。
【0058】
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に示したタイロッド２４０用の開口部４００を示している。図４は、図３に示したサイドボルト３００用のスロット４０２をさらに示している。スロット４０２は、スタック幅のより大きな公差範囲を可能にし、図７及び８を参照して本明細書でより詳細に記載される。
【0059】
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、特にセルスタック圧縮のために板ばね２３８の開口部５００を通って延びてもよい。板ばねの屈曲に対応するために、タイロッドは、板ばねの反対側に配置されてもよい。
【0060】
板ばね２３８は、図５ではチューブ板ばねとして示されている。これにより、構造的完全性と屈曲の望ましいバランスを提供し得る。しかしながら、代替例では、平棒タイプの板ばねが使用されてもよい。チューブ板ばねは、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プロファイルを選択してもよい。電池にチューブ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。チューブ板ばねは、他のタイプのばねと比較して、他のタイプのばねよりも高い慣性モーメントを有し、たわみによる応力が減少し、より堅牢なばねを提供し得る。しかし、他の例では、板が順次層状に積み重ねられた板ばねなど、他の適切なタイプの板ばねが、電池内に配備されてもよい。
【0061】
加圧板２０２、２０４は、支点５０６を有し得る。支点５０６は、セルスタック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、標的の場所で発生し得る。具体的には、支点５０６は、ばね２３８のそれぞれを通って延びるタイロッド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、鋳造によって同期的に構築されてもよい。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、他の例では、フライス加工及び／または他の適切な製造技術を使用して、支点を形成してもよい。
【0062】
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と類似していてもよい。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にある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スケールアップすることができる。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適合させることができる。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されてもよい。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し得る。
【0063】
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。
【0064】
突起２３０及び戻り止め６１２は、垂直方向に先細になっていてもよい。突起と戻り止めの先細りにより、構成要素を嵌合係合に導くことができ、積み重ね中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ーがエラーを起こす可能性が減少する。言い換えると、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。
【0065】
図６に示される突起２３０及び戻り止め６１２は、整列した（例えば、垂直に整列した）スルーホール６１４を有することも示されている。概略的に示された取り付け装置６１６（例えば、ピンボルトなどのボルト、ねじなど）は、スルーホール６１４を通って延び、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。
【0066】
図７～８は、レドックスフロー電池２００内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、電池使用中のフレームプレート２１５の側壁７０２のたわみを低減するように設計されている。サイドボルトカムアセンブリ７００は、セルスタック内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備えて設計されている。スロット４０２は、サイドボルト３００を貫通して動作可能に受容するために、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縦方向の圧縮を可能にする。スロット４０２はそれぞれ、サイドボルトが電池を横切って縦方向に延びることを可能にするために、各加圧板の同様の垂直及び横方向の位置に含まれもよい。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てきた。サイドボルト３００は、セルスタック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と嵌合すると同時に、電池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）の横方向のたわみも低減する。当然ながら、スタックの横方向のたわみは、熱膨張及び／またはセルスタックの加圧によって引き起こされる場合がある。セルスタック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内のセルを変更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とき、スロット４０２は横軸８００に対して角度が付けられる。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度の範囲であってもよい。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することによって、スロット角度を選択してもよい。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と同時に、加圧板が望ましくない動きをする可能性も高くなる。上述の角度範囲は、場合によっては、これらの２つの競合する設計パラメータ間の望ましいバランスを提供し得る。
【0067】
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て上向きに移動し、重力によってカムをセルスタックの側面に係合するニュートラル位置まで下向きに付勢及び推進してもよい。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、それによって、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。
【0068】
図９を参照すると、加圧及び／また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事例の変形図が示されている。電池動作中、セルスタックの側壁７０２は、サイドボルト３００に向かって外側に延びる傾向がある。セルスタックの側壁が拡大すると、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、電池は、使用中に所望のプロファイルに適合し得る。
【0069】
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２～９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は省略される。
【0070】
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、電池内のセルの数を増やすことができ、電池システムの電力と場合によっては貯蔵容量を効率的に拡大することができる。一例では、セルスタックのそれぞれは、機能及び形態が類似していてもよい。しかしながら、他の例では、セルスタックは、サイジング、機能性などが相違していてもよい。
【0071】
レドックスフロー電池１０００は、圧縮アセンブリ１０１２内に加圧板１００８及び板ばね１０１０を含む。圧縮アセンブリ１０１２及び対応する構成要素は、図２～９に示される圧縮アセンブリ２３６と同様であってもよい。単セルスタック及び二重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と、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、単一及び二重スタックの電池構成で展開される圧縮アセンブリは異なり得る。二重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、構造的にサポートすることができる。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及び重量を減らすことができる。
【0072】
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、他の例では省略されてもよい。電解質フローポート１１０２も図１１に示されている。詳しく述べると、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、正の電解質入口ポート及び負の電解質入口ポートを含む。しかしながら、代わりの入口及び／または出口ポートの位置が考えられてきた。レドックスフロー電池１０００の反対側の加圧板は、同様の電解質フローポート構成を有し得る。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、正の電解質入口フローポート及び負の電解質入口フローポートを含む。同様に、出口ポート１１０６は、正の電解質出口フローポート及び負の電解質出口フローポートを含む。
【0073】
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内の一般的な電解質流路が示されている。詳しく説明すると、負の電解液の流路が示されている。しかしながら、正の電解質の流路は、負の電解質の流路と同様の方向性を有し得る。他の例では、正及び負の電解質の異なる流路が使用されてもよい。
【0074】
矢印１２００は、入口ポート１２０１から縦方向に第１のセルスタック１００２に流入する電解質の最初の方向を示す。このように、電解質の流れは、スタック内の連続したセルを通過する。矢印１２０２は、電池スタックを垂直に通過する電解質の流れの方向を示す。したがって、平行チャネル内の電解質の流れは、第１のセルスタック１００２を垂直に横断する。矢印１２０４は、縦方向で出口ポート１２０６に向かう電解質の流れの方向を示す。このようにして、負の電解質は、第１のセルスタック１００２内で循環されてもよい。図１２は、第１のセルスタック１００２と同様の流れパターンを示す第２のセルスタック１００４を示す。
【0075】
さらに、ポンプは、入口ポート１１０４と流体連通して、電解質の流れの変化を可能にし得る。第２のセルスタックは、ポンプに結合されて、電解液の流れの調整能力を達成し得る。一例では、第１及び第２のポンプは別個に制御されてもよい。ただし、２つのポンプの調整されたポンピング制御戦略が想定されている。
【0076】
図１３は、第２の二重スタック電池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拡張することができる。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。詳しく説明すると、図１１に示される突起１１５２は、第２の二重スタック電池１３０２内の対応する戻り止めと嵌合する。
【0077】
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、一部の例において、本明細書に記載の他のセルスタックの１つまたは複数と共通の機能的及び／または構造的特徴を共有し得る、またはその逆もある。
【0078】
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、スタック内の内部セルに圧縮力を及ぼすように設計されてもよい。セルスタック１４００は、電池から選択された外部システムへ、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、図示の例では、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、フランジシムはスタックから省かれてもよい。
【0079】
セルスタック１４００は、スタック内の異なる材料／構成要素の熱膨張／収縮の差に対応する多数の弾性特徴を含み得る。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示し得る。スタックの反りは、電池の効率、出力、及び構造的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。そのため、セルスタックの反りに対応するために弾性特徴を組み込むことで、これらの影響が軽減される（例えば、回避される）。
【0080】
弾性特徴は、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、場合によっては、導電板１４１２、１４１４は単極板であってもよい。
【0081】
セルスタック１４００は、導電板１４１４に隣接するフェルト１４１６の層をさらに含み得る。しかしながら、他の例では、フェルト層はセルスタックから省かれてもよい。
【0082】
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との間に配置されてもよい。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との間に配置されてもよい。このようにして、セルスタック１４００は、導電板１４１４を支持してもよい。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を形成し得る。弾性フランジ１４２２は、スタック内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、セルスタック構成要素の不均等な膨張／収縮は、スタックコンポーネント間の柔軟な接触面を使用して管理されてもよい。
【0083】
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。スタック内の層の数は、所望のシステム電力及び／または容量、スタックの加圧及びスタックの熱負荷によって引き起こされる予想されるセルスタックの変形、たわみなどに基づいて選択されてもよい。
【0084】
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の周囲に延びる。一部の例では、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からオフセットされてもよい。このようにして、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場合がある。
【0085】
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、フェルト１４１６の層が図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の一部と嵌合する凹部１６００を含むように示されている。具体的に示されるように、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との間の界面の間に二重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プロファイルなど、別の適切なプロファイルを有してもよい。
【0086】
弾性フランジの厚さ１６０４は、セルスタック内の他のコンポーネントのサイズ、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されてもよい。１つの使用事例では、厚さ１６０４は、０．２ミリメートル（ｍｍ）～２ｍｍの間の範囲にあってもよい、及び／または弾性フランジは、所望の柔軟性を達成するために３０Ａ～８０Ａの間のデュロメータ範囲を有してもよい。しかしながら、多数の適切なフランジ厚さ及び／またはハーネスが利用されてもよい。
【0087】
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順応するように設計されている。その結果、望ましくない物質におけるスタックの反りの可能性が減少し得る。
【0088】
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、互いに熱溶接されてもよい。そのような例では、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の両方が、コンポーネントが熱溶接されるときに、より強い化学結合を可能にするモノマーを有し得る。追加的または代替的に、接着剤結合を使用して、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。
【0089】
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との間にギャップ１６１０を保持して、異なるコンポーネントの不均等な熱膨張／収縮を可能にしてもよい。ギャップ１６１０は、スタックの反りを戦略的に管理することを可能にする。
【0090】
導電板１４１２は、凹部１６００でエンドプレート弾性フランジ１４２２に接着剤で取り付けられてもよい。さらに、導電板１４１２、１４１４は、適切な導電性接着剤によって互いに結合されてもよい。
【0091】
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達成されてもよい。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））であってもよく、双極板の弾性フランジ及びフレームの両方は、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））を有してもよい。）。ＴＰＶフランジ構造は、場合によっては、目標とする量の弾力性を提供し得る。さらに、ＰＰからフレームを構築すると、より化学的に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、他のフレーム材料が使用されてもよい。
【0092】
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に含まれてもよい。双極板アセンブリ１７００は、電解質ポート１７０８と、電解質を双極板１７０２に向けるためのフローチャネル１７１０とを含む。
【0093】
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内に入れ子にされてもよい。この配置は、セルスタックのコンパクトさを増すだけでなく、双極板を構造的に補強して、プレートの変形を回避し得る。
【0094】
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との間に接着剤の層１９０１が塗布されてもよい。図１９に示す弾性フランジ１７０４は、Ｓ字形である。したがって、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されたフランジの２つの部分の間に延びる。弾性フランジ１７０４を「Ｓ」字形にすることにより、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介して所望の経路をたどり、必要に応じて、より高いセルスタック圧縮の達成を可能にする。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チャネルに食い込み、電解液の流れを制限する可能性を低減し得る。
【0095】
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に熱溶接されてもよい。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が形成されてもよい。フレームをフランジに熱溶接することにより、一部の例では、コンポーネント間の接着結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両方を使用して、フレームをフランジに結合してもよい。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。
【0096】
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、双極フレーム２００２、双極板２００４、及びフレームと双極板との間の界面に弾性フランジ２００６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、Ｓ字形にプロファイルされ、スタック圧縮、剥離強度などに関して前述の利点を提供する。
【0097】
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は実質的にたわむことはなく、電池スタック内の電解質チャネルの流れに望ましくない影響を与えることはない。
【0098】
図２２～２５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、双極板２２０４、及びフレームとプレートとの間に延びる弾性フランジ２２０６を含む。弾性フランジ２２０６は、設置を簡単にし得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、安価な部品を有し得る。
【0099】
図２３は、双極フレーム２３０２、双極板２３０４，弾性フランジ２３０６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が、フランジと板との間に塗布されてもよい。弾性フランジ２３０６は、双極フレーム２３０２の側面２３０８に沿って延び、双極板２３０４とフレームとの間にギャップ２３１０を形成する。図２３に示される双極板アセンブリ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可能性があるが、より大きい封止面を提供する。
【0100】
図２４は、双極板２４０２、双極フレーム２４０４，弾性フランジ２４０６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の両方の垂直側面に塗布されて示されている。図２４に示される双極板アセンブリ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し得る。
【0101】
図２５は、双極フレーム２５０２、双極板２５０４，弾性フランジ２５０６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との間にギャップ２５０８が形成される。図２５に示される双極板アセンブリ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しながら、より大きな封止面（例えば、２倍の封止面）を有する。
【0102】
図２６～２７は、図１４に示される弾性フランジ１４２２または図２０～２５に示される弾性フランジなどの弾性フランジを作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ゾーンで弾性フランジに適用されてもよい。
【0103】
図２６は、テクスチャ加工された表面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された表面が示されている。しかしながら、図２７に示される弾性材料２７００のテクスチャ加工された表面２７０２上のダイヤモンドパターン等の他のパターンが想定されている。弾性フランジの表面をテクスチャ加工すると、フランジと双極板との間に塗布できる接着剤の量が増えるため、フランジと双極板間の接着強度が向上する。テクスチャ加工された表面は、テクスチャ加工のために予定された表面に対して金属ヤスリを押し付けることによって作成されてもよい。
【0104】
具体的には、１つの使用事例では、金属板（例えば、チタンメッシュ）が、弾性材料（例えば、ＴＰＶゴム）の層に再度押し付けられてもよい。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が、弾性材料の下に配置されてもよく、フランジの圧縮中に熱を加えてテクスチャ加工された表面が作成されてもよい。しかし、フランジの表面をテクスチャ加工するための他の適切な技術が考えられてきた。
【0105】
レドックスフロー電池に積み重ね可能な戻り止めと加圧板の突起を提供す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／また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提供することの技術的効果は、セルスタックの反りに対応し、反りが電池内の電解質の流れを制限する可能性を減らすことである。
【0106】
図２～２７は、様々なコンポーネントの相対的な配置を伴う構成例を示している。互いに直接接触している、または直接結合していることが示されている場合、そのような要素は、少なくとも一例では、それぞれ直接接触している、または直接結合していると称されてもよい。同様に、互いに連続または隣接して示される要素は、少なくとも一例では、それぞれ、互いに連続または隣接していてもよい。例として、互いに面を共有して接触しているコンポーネントは、面を共有して接触していると称されてもよい。別の例として、少なくとも１つの例では、その間に空間だけがあり、他のコンポーネントがない状態で互いに離れて配置された要素もそのように称されてもよい。さらに別の例として、互いの上／下、互いに反対側、または互いの左／右に示される要素は、互いに対してそのように称されてもよい。さらに、図に示されるように、最上部の要素または要素の点は、少なくとも１つの例では、コンポーネントの「上部」と呼ばれ、最下部の要素または要素の点は、コンポーネントの「底部」と呼ばれてもよい。本明細書で使用される場合、最上部／底部、上部／下部、上／下は、図の垂直軸に対して相対的であり、互いに対する図の要素の位置を説明するために使用されてもよい。したがって、一例では、他の要素の上に示される要素は、他の要素の垂直方向の上に配置される。さらに別の例として、図面内に示される要素の形状は、それらの形状（例えば、円形、直線、平面、湾曲、丸み、面取り、角度付きなど）を有すると称されてもよい。さらに、少なくとも１つの例において、互いに交差するように示される要素は、交差する要素または互いに交差するものと呼ばれることがある。さらに、一例では、別の要素内に示される、または別の要素の外側に示される要素は、そのように参照されてもよい。
【0107】
本発明は、以下の段落でさらに説明される。一態様では、セルスタックアセンブリを含むレドックスフロー電池であって、セルスタックアセンブリは、セルスタックアセンブリの横側面に配置されたプレートアセンブリであって、導電板のセクションに嵌合した凹部を含み、横方向及び垂直方向の少なくとも一方で柔軟な弾性フランジと、弾性フランジに結合されたプレートフレームとを含むプレートアセンブリを含む、レドックスフロー電池が提供される。
【0108】
別の態様では、セルスタックアセンブリを含むレドックスフロー電池であって、セルスタックアセンブリは、セルスタックアセンブリの横側面に配置されたプレートアセンブリであって、導電板のセクションと嵌合した凹部を含み、垂直方向及び／または横方向に柔軟な弾性フランジと、弾性フランジに結合されたプレートフレームとを含むプレートアセンブリを含み、縦方向に整列された間隙が、プレートフレームのセクションと弾性フランジとの間に形成される、レドックスフロー電池が提供される。
【0109】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、凹部は、導電板の２つの側面の少なくとも一部分を取り囲んでもよい。
【0110】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、弾性フランジは、プレートフレームに熱溶接されてもよい。
【0111】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、導電板は黒鉛を含み得る。
【0112】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、導電板は単極板であってもよい。
【0113】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、導電板は双極板であってもよい。
【0114】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、導電板は弾性フランジに接着結合されてもよい。
【0115】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、導電板は弾性フランジに接着結合されてもよい。
【0116】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、弾性フランジは、導電板の表面に接着剤で取り付けられたテクスチャ加工された表面を含み得る。
【0117】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、弾性フランジはゴムを含み得る。
【0118】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、プレートアセンブリはエンドプレートアセンブリであってもよく、プレートフレームは圧力板に結合されたエンドプレートフレームである。
【0119】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、弾性フランジは、導電板と嵌合して二重ラップジョイントを形成してもよい。
【0120】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、弾性フランジは、プレートフレームの周辺フランジから縦方向にオフセットされてもよい。
【0121】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、プレートアセンブリはエンドプレートアセンブリであってもよく、プレートフレームは圧力板に結合されたエンドプレートフレームであってもよい。
【0122】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、凹部と導電板との間の嵌合界面は、二重ラップジョイントを形成してもよい。
【0123】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、弾性フランジはゴムを含んでよく、導電板は黒鉛を含む。
【0124】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、弾性フランジは、導電板の表面と面を共有して接触するテクスチャパターンを有するテクスチャ加工された表面を含み得る。
【0125】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、導電板は単極板であってもよい。
【0126】
態様または態様の組み合わせのいずれかにおいて、導電板は双極板であってもよい。
【0127】
以下の特許請求の範囲は、新規かつ非自明であると見なされる特定の組み合わせ及びサブコンビネーションを特に指摘している。これらの請求項は、「ある」要素または「第１の」要素、またはそれらの均等物を指す場合がある。そのような請求項は、２つ以上のそのような要素を要求も排除もせず、１つまたは複数のそのような要素の組み込みを含むと理解されるべきである。開示された特徴、機能、要素、及び／または特性の他の組み合わせ及びサブコンビネーションは、現在の請求項の補正を通じて、または本出願もしくは関連出願における新しい請求項の提示を通じて請求されてもよい。そのような請求項は、元の特許請求の範囲より広いか、狭いか、等しいか、または異なるかに関係なく、本開示の主題内に含まれるものとみなされる。
【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】
セルスタックアセンブリを含み、前記セルスタックアセンブリは、
前記セルスタックアセンブリの横側面に配置されたプレートアセンブリであって、
導電板のセクションと嵌合する凹部を含み、横方向及び垂直方向の少なくとも一方に柔軟な弾性フランジと、
前記弾性フランジに結合されたプレートフレームと、
を含む前記プレートアセンブリ
を含む、レドックスフロー電池。
【請求項2】
前記凹部が、前記導電板の２つの側面の少なくとも一部分を取り囲む、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項3】
前記弾性フランジが、前記プレートフレームに熱溶接される、請求項１又は２に記載のレドックスフロー電池。
【請求項4】
前記導電板が黒鉛を含む、請求項１～３のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項5】
前記導電板が単極板である、請求項１～４のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項6】
前記導電板が双極板である、請求項１～５のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項7】
前記導電板が、前記弾性フランジに接着結合される、請求項１～６のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項8】
前記導電板が、前記弾性フランジに接着結合される、請求項１～７のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項9】
前記弾性フランジが、前記導電板の表面に接着剤で取り付けられたテクスチャ加工された表面を含む、請求項１～８のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項10】
前記弾性フランジがゴムを含む、請求項１～９のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項11】
前記プレートアセンブリがエンドプレートアセンブリであり、前記プレートフレームが圧力板に結合されたエンドプレートフレームである、請求項１～１０のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項12】
前記弾性フランジが前記導電板と嵌合して二重ラップジョイントを形成する、請求項１１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項13】
前記弾性フランジが、前記プレートフレームの周辺フランジから縦方向にオフセットされている、請求項１～１２のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項14】
前記プレートアセンブリがエンドプレートアセンブリであり、前記プレートフレームが圧力板に結合されたエンドプレートフレームである、請求項１～１３のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
【請求項15】
前記導電板が単極板である、及び／または前記導電板が双極板である、請求項１～１４のいずれか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】００５７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0057】
図３は、電解質の流れがセルスタック２０６に出入りするの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は流入ポートであってもよく、ポート３０６は流出ポートであってもよい。しかしながら、電池の他の流入及び流出方式が考えられてきた。詳細には、レドックスフロー電池２００に正の電解質流入ポートと負の電解質流入ポートを設けてもよい。同様に、レドックスフロー電池２００に正の電解質流出ポートと負の電解質流出ポートを設けてもよい。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4】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0072】
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、他の例では省略されてもよい。電解質フローポート１１０２も図１１に示されている。詳しく述べると、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、正の電解質入口ポート及び負の電解質入口ポートを含む。しかしながら、代わりの入口及び／または出口ポートの位置が考えられてきた。レドックスフロー電池１０００の反対側の加圧板は、同様の電解質フローポート構成を有し得る。図１０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、正の電解質入口フローポート及び負の電解質入口フローポートを含む。同様に、出口ポート１１０６は、正の電解質出口フローポート及び負の電解質出口フローポートを含む。
【手続補正5】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0085】
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、フェルト１４１６の層が図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の一部と嵌合する凹部１６００を含むように示されている。具体的に示されるように、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との間の界面に二重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プロファイルなど、別の適切なプロファイルを有してもよい。
【手続補正6】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0086】
弾性フランジの厚さ１６０４は、セルスタック内の他のコンポーネントのサイズ、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されてもよい。１つの使用事例では、厚さ１６０４は、０．２ミリメートル（ｍｍ）～２ｍｍの間の範囲にあってもよい、及び／または弾性フランジは、所望の柔軟性を達成するために３０Ａ～８０Ａの間のデュロメータ範囲を有してもよい。しかしながら、多数の適切なフランジ厚さ及び／または硬度が利用されてもよい。
【国際調査報告】