特表 2023-527872 ＦＥ－ＣＲレドックスフロー電池システムおよびこのシステムを使用する方法

(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】2023-06-30

(54)【発明の名称】ＦＥ－ＣＲレドックスフロー電池システムおよびこのシステムを使用する方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/18 20060101AFI20230623BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20230623BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20230623BHJP

【ＦＩ】

H01M8/18

H01M8/02

H01M8/04 Z

【審査請求】有

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022573655

(86)(22)【出願日】2021-11-09

(85)【翻訳文提出日】2022-11-28

(86)【国際出願番号】 US2021058603

(87)【国際公開番号】W WO2022103744

(87)【国際公開日】2022-05-19

(31)【優先権主張番号】63/120,204

(32)【優先日】2020-12-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/174,352

(32)【優先日】2021-04-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/147,182

(32)【優先日】2021-02-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/131,738

(32)【優先日】2020-12-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/126,408

(32)【優先日】2020-12-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/127,048

(32)【優先日】2020-12-17

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/114,160

(32)【優先日】2020-11-16

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/154,547

(32)【優先日】2021-02-26

(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】522464300

【氏名又は名称】クーガー クリーク テクノロジーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100103610

【弁理士】

【氏名又は名称】▲吉▼田 和彦

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100119013

【弁理士】

【氏名又は名称】山崎 一夫

(74)【代理人】

【識別番号】100123777

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 さつき

(74)【代理人】

【識別番号】100111796

【弁理士】

【氏名又は名称】服部 博信

(74)【代理人】

【識別番号】100123766

【弁理士】

【氏名又は名称】松田 七重

(72)【発明者】

【氏名】リ リユ

(72)【発明者】

【氏名】ルオ チンタオ

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126AA03

5H126BB10

5H126GG11

5H126RR01

5H127AA10

5H127AB27

5H127AC07

5H127BA01

5H127BA28

5H127BA57

5H127BB03

5H127BB13

5H127BB37

(57)【要約】

レドックスフロー電池システムは、溶液中にクロムイオンを有するアノード液であって、クロムイオンの少なくとも一部分が以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂とクロム錯体を形成するアノード液、溶液中に鉄イオンを有するカソード液、アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および第１の半セルを第２の半セルから分離している第１の分離体を含む。他のレドックスフロー電池システムおよびレドックスフロー電池システムを使用する方法もまた開示されている。

【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であって、
溶液中にクロムイオンを含むアノード液であって、前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂とクロム錯体を形成するアノード液、
溶液中に鉄イオンを含むカソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および
前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体
を含む、レドックスフロー電池システム。

【請求項2】

前記クロム錯体が、式［Ｃｒ³⁺（Ｊ）_x（Ｍ）_y（Ｈ₂Ｏ）_z］
（式中、ｘ、ｙ、およびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、ｘは少なくとも１であり、
Ｊは、ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂からなる群から選択され、
各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ^-、Ｆ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＮＨ₄ ⁺、ＮＨ₃、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ^-、ＳＣＮ^-、Ｓ^2-、Ｏ－ＮＯ₂ ^-、ＯＨ^-、ＮＯ₂ ^-、ＣＨ₃ＣＮ、Ｃ₅Ｈ₅Ｎ、ＮＣ₅Ｈ₄－Ｃ₅Ｈ₄Ｎ、Ｃ₁₂Ｈ₈－Ｎ₂、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＣＳ（ＮＨ₂）₂、Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃、－ＣＯ、ＣＨ₃－ＣＯ－ＣＨ₂－ＣＯ－ＣＨ₃、ＮＨ₂－ＣＨ₂－ＣＨ₂－ＮＨ₂、ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯ^-、Ｏ－ＳＯ₂ ^2-、またはＰ（ｏ－トリル）₃からなる群から選択される）
を有する化合物またはイオンを含む、請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項3】

ＪがＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺であり、少なくとも１つのＭがＣＯ（ＮＨ₂）₂である、請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項4】

前記クロム錯体が、アンモニウム、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、フッ化物イオン、硫酸イオン、または硝酸イオンからなる群から選択される少なくとも１つの対イオンをさらに含む、請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項5】

ＪがＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺である、請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項6】

ＪがＣＯ（ＮＨ₂）₂またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である、請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項7】

前記クロム錯体がインサイチュで形成される、請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項8】

溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、
前記アノード液または前記カソード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、
前記平衡電解質と接触している第４の電極を含む第４の半セル、および
ジオキソバナジウムイオンを還元するための前記平衡電解質内のまたは前記平衡電解質に導入可能な還元剤
を含む平衡配置
をさらに含む、請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項9】

前記還元剤がＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である、請求項８に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項10】

前記還元剤が有機化合物である、請求項８に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項11】

ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂から選択される少なくとも１種の窒素含有化合物を有する溶液中にクロムイオンを含むアノード液、
溶液中に鉄イオンを含むカソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および
前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体
を含む、レドックスフロー電池システム。

【請求項12】

前記窒素含有化合物がＮＨ₃であるかまたはＮＨ₄ ⁺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】

前記窒素含有化合物がＣＯ（ＮＨ₂）₂またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である、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】

前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂とクロム錯体を形成する、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15】

前記クロム錯体が、式［Ｃｒ³⁺（Ｊ）_x（Ｍ）_y（Ｈ₂Ｏ）_z］
（式中、ｘ、ｙ、およびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、ｘは少なくとも１であり、
ＪはＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂からなる群から選択され、
各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ^-、Ｆ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＮＨ₄ ⁺、ＮＨ₃、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ^-、ＳＣＮ^-、Ｓ^2-、Ｏ－ＮＯ₂ ^-、ＯＨ^-、ＮＯ₂ ^-、ＣＨ₃ＣＮ、Ｃ₅Ｈ₅Ｎ、ＮＣ₅Ｈ₄－Ｃ₅Ｈ₄Ｎ、Ｃ₁₂Ｈ₈－Ｎ₂、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＣＳ（ＮＨ₂）₂、Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃、－ＣＯ、ＣＨ₃－ＣＯ－ＣＨ₂－ＣＯ－ＣＨ₃、ＮＨ₂－ＣＨ₂－ＣＨ₂－ＮＨ₂、ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯ^-、Ｏ－ＳＯ₂ ^2-、またはＰ（ｏ－トリル）₃からなる群から選択される）
を有する化合物またはイオンを含む、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16】

ＪがＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺であり、少なくとも１つのＭがＣＯ（ＮＨ₂）₂である、請求項１５に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項17】

ＪがＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺である、請求項１５に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項18】

溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、
前記アノード液または前記カソード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、
前記平衡電解質と接触している第４の電極を含む第４の半セル、および
ジオキソバナジウムイオンを還元するための前記平衡電解質内のまたは前記平衡電解質に導入可能な還元剤
を含む平衡配置
をさらに含む、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19】

前記還元剤がＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である、請求項１８に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項20】

前記還元剤が有機化合物である、請求項１８に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項21】

レドックスフロー電池のための電解質の調製のための方法であって、
炭素源を使用して、クロム鉱石を還元することによって、前記クロム鉱石を、炭素粒子を有する鉄／クロム合金に変換するステップ、
炭素粒子を有する前記鉄／クロム合金を硫酸に溶解して、第１の溶液を形成するステップ、
塩化カルシウムまたは塩化バリウムを前記第１の溶液に加えて、ＦｅＣｌ₃およびＣｒＣｌ₃を含む第２の溶液を生成するステップ、ならびに
酸を前記第２の溶液に加えて、前記電解質を形成するステップ
を含む、方法。

【請求項22】

前記クロム鉱石が、少なくとも１種の金属不純物を含み、本方法が、
前記レドックスフロー電池の電極を使用して、前記電解質中で前記少なくとも１種の金属不純物を還元して、前記少なくとも１種の金属不純物の粒子を形成するステップ、
前記少なくとも１種の金属不純物の粒子を収集するステップ、および
クリーニング溶液を使用して、前記収集した粒子を除去するステップ
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項23】

前記粒子を収集するステップが、前記レドックスフロー電池システムの電極上の前記粒子の少なくとも一部分を収集することを含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項24】

前記電極が、前記粒子の収集のための交互嵌合された開口またはへこみを含む、請求項２３に記載の方法。

【請求項25】

前記少なくとも１種の金属不純物が、ニッケル、アンチモン、ビスマス、亜鉛、白金、パラジウム、金、または銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項26】

前記クリーニング溶液が第二鉄イオンを含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項27】

前記クリーニング溶液が前記レドックスフロー電池システムのカソード液の少なくとも一部分である、請求項２２に記載の方法。

【請求項28】

前記クリーニング溶液が過酸化水素または塩化第二鉄を含む、請求項２２に記載の方法。

【請求項29】

前記炭素源がグラファイト、活性炭、石炭、木炭、または一酸化炭素気体を含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項30】

ＦｅＣｌ₃またはＣｒＣｌ₃を加えて、前記電解質内でのＦｅＣｌ₃／ＣｒＣｌ₃の予め選択した比を得るステップをさらに含む、請求項２１に記載の方法。

【請求項31】

レドックスフロー電池のための電解質の調製のための方法であって、
クロム廃棄物をＨＣｌまたはＨ₂ＳＯ₄中に溶解して、ＣｒＣｌ₃またはＣｒ₂（ＳＯ₄）₃および少なくとも１種の金属不純物をそれぞれ含む電解質を生成するステップ、
前記レドックスフロー電池の電極を使用して、前記電解質中で少なくとも１種の金属不純物を還元して、前記少なくとも１種の金属不純物の粒子を形成するステップ、
前記少なくとも１種の前記金属不純物の粒子を収集するステップ、ならびに
クリーニング溶液を使用して、前記収集した粒子を除去するステップ
を含む、方法。

【請求項32】

前記粒子を収集するステップが、前記レドックスフロー電池システムの電極上の前記粒子の少なくとも一部分を収集することを含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項33】

前記電極が、前記粒子の収集のための、交互嵌合された開口またはへこみを含む、請求項３２に記載の方法。

【請求項34】

前記少なくとも１種の金属不純物が、ニッケル、アンチモン、ビスマス、亜鉛、白金、パラジウム、金、または銅のうちの少なくとも１種を含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項35】

前記クリーニング溶液が第二鉄イオンを含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項36】

前記クリーニング溶液が前記レドックスフロー電池システムのカソード液の少なくとも一部分である、請求項３１に記載の方法。

【請求項37】

前記クリーニング溶液が過酸化水素または塩化第二鉄を含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項38】

ＦｅＣｌ₂、Ｆｅ＋ＦｅＣｌ₃、Ｆｅ（ＯＨ）₂、またはＦｅ＋Ｆｅ（ＯＨ）₃を加えて、電解質内でのＦｅＣｌ₃／ＣｒＣｌ₃の予め選択した比を得るステップをさらに含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項39】

前記クロム廃棄物がＣｒ（ＯＨ）₃を含む、請求項３１に記載の方法。

【請求項40】

水素気体の生成のための方法であって、
溶液中にクロムイオンを含むアノード液、溶液中に鉄イオンを含むカソード液、前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体を含むレドックスフロー電池を提供するステップ、
電解セルを前記レドックスフロー電池に連結するステップであって、前記電解セルが第３および第４の電極ならびに水を含むステップ、
前記レドックスフロー電池を前記電解セルに放電して、前記電解セル内での前記水の電解により水素気体を生成するステップ、
前記電解セルから前記水素気体を除去するステップ、ならびに
前記水素気体を容器内に貯蔵するステップ
を含む、方法。

【請求項41】

アノード液、
カソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、
前記第１の半セル中の前記アノード液を、前記第２の半セル中の前記カソード液から分離している分離体、
前記第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後の前記アノード液または前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成された少なくとも１種の状態測定デバイス、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するための、前記少なくとも１種の状態測定デバイスに連結したコントローラー
を含む、レドックスフロー電池システム。

【請求項42】

前記少なくとも１種の状態測定デバイスが、前記第１の半セルに入る前またはそれから離れた後の前記アノード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成されたアノード液の状態測定デバイス、および前記第２の半セルに入る前またはそれから離れた後の前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成されたカソード液の状態測定デバイスを含む、請求項４１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項43】

アノード液を前記第１の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたアノード液ポンプ、およびカソード液を前記第２の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたカソード液ポンプをさらに含む、請求項４１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項44】

前記コントローラーが、前記時間的エネルギープロファイルを使用して、前記アノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させるように構成されている、請求項４３に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項45】

前記少なくとも１種の状態測定デバイスが前記アノード液またはカソード液の電圧を測定するように構成されている、請求項４１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項46】

前記コントローラーが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定から前記アノード液またはカソード液の充電状態を決定し、前記充電状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用するように構成されている、請求項４１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項47】

前記コントローラーが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定から前記アノード液またはカソード液の平均酸化状態を決定し、前記平均酸化状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用するように構成されている、請求項４１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項48】

前記コントローラーが、前記測定および前記アノード液またはカソード液内での荷電種の拡散の推定を使用して、前記時間的エネルギープロファイルを作成するように構成されている、請求項４１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項49】

請求項４１に記載のレドックスフロー電池システムを作動する方法であって、
前記第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後の前記アノード液または前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うステップ、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するステップ
を含む、方法。

【請求項50】

前記レドックスフロー電池システムが、アノード液を前記第１の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたアノード液ポンプ、およびカソード液を前記第２の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたカソード液ポンプをさらに含み、
本方法が前記時間的エネルギープロファイルを使用して、前記アノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させるステップをさらに含む、請求項４９に記載の方法。

【請求項51】

測定を行うことが、前記アノード液またはカソード液の電圧の測定を行うことを含む、請求項４９に記載の方法。

【請求項52】

前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定から前記アノード液またはカソード液の充電状態を決定すること、および前記充電状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む、請求項４９に記載の方法。

【請求項53】

前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定から前記アノード液またはカソード液の平均酸化状態を決定すること、および前記平均酸化状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む、請求項４９に記載の方法。

【請求項54】

前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記測定および前記アノード液またはカソード液内での荷電種の拡散の推定を使用して、前記時間的エネルギープロファイルを作成することを含む、請求項４９に記載の方法。

【請求項55】

請求項１に記載のレドックスフロー電池システムを作動するためのプロセッサー実行可能命令を有する非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、前記プロセッサー実行可能命令が、デバイスに組み込まれた場合、前記デバイスが動作を実施することを可能にし、前記動作が、
前記第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後の前記アノード液または前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うこと、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成すること
を含む、非一時的コンピューター可読記憶媒体。

【請求項56】

前記動作が、前記時間的エネルギープロファイルを使用して、前記レドックスフロー電池システムのアノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させることをさらに含む、請求項５５に記載の非一時的コンピューター可読記憶媒体。

【請求項57】

測定を行うことが、前記アノード液またはカソード液の電圧の測定を行うことを含む、請求項５５に記載の非一時的コンピューター可読記憶媒体。

【請求項58】

前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた前記測定から前記アノード液またはカソード液の充電状態または平均酸化状態を決定すること、および前記充電状態または平均酸化状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む、請求項５５に記載の非一時的コンピューター可読記憶媒体。

【請求項59】

前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記測定および前記アノード液またはカソード液内での拡散の推定を使用して、前記時間的エネルギープロファイルを作成することを含む、請求項５５に記載の非一時的コンピューター可読記憶媒体。

【請求項60】

アノード液、
カソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、
前記第１の半セル中の前記アノード液を、前記第２の半セル中の前記カソード液から分離している分離体、
充電源により供給されるパワーの測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成された少なくとも１種の充電測定デバイス、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するための、前記少なくとも１つの充電測定デバイスに連結したコントローラー
を含む、レドックスフロー電池システム。

【請求項61】

レドックスフロー電池システムであって、
アノード液、
カソード液、
前記アノード液の少なくとも一部分を保持するように構成されているアノード液タンク、
前記カソード液の少なくとも一部分を保持するように構成されているカソード液タンク、
第１次レドックスフロー電池配置であって、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、
前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体、
前記第１の半セルと前記アノード液タンクとの間に前記アノード液を移動するように構成されている第１のアノード液ポンプ、および
前記第２の半セルと前記カソード液タンクとの間に前記カソード液を移動するように構成されている第１のカソード液ポンプ
を含む第１次レドックスフロー電池配置、ならびに
第２次レドックスフロー電池配置であって、
前記アノード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、
前記カソード液と接触している第４の電極を含む第４の半セル、
前記第３の半セルを前記第４の半セルから分離している第２の分離体、
前記第３の半セルと前記アノード液タンクとの間に前記アノード液を移動するように構成されている第２のアノード液ポンプ、および
前記第４の半セルと前記カソード液タンクとの間に前記カソード液を移動するように構成されている第２のカソード液ポンプ
を含む第２次レドックスフロー電池配置
を含み、
前記第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力が、前記第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力より低い、レドックスフロー電池システム。

【請求項62】

前記第１次レドックスフロー電池配置および前記第２次レドックスフロー電池配置に連結したコントローラーをさらに含む、請求項６１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項63】

前記コントローラーが、放電パワーが第１の予め定義したレベル未満の範囲に入った場合、前記第１次レドックスフロー電池配置の作動から、前記第２次レドックスフロー電池の作動へと切り替えるように構成されている、請求項６２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項64】

前記コントローラーが、放電パワーが第２の予め定義したレベルを超えた場合、前記第２次レドックスフロー電池配置の作動から、前記第１次レドックスフロー電池の作動へと切り替えるように構成されている、請求項６３に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項65】

前記第１の予め定義したレベルおよび前記第２の予め定義したレベルが同じである、請求項６４に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項66】

前記第２の予め定義したレベルが前記第１の予め定義したレベルより大きい、請求項６４に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項67】

前記コントローラーが、放電パワーが第３の予め定義したレベルを超えた場合、前記第２次レドックスフロー電池配置の作動を前記第１次レドックスフロー電池の作動に加えるように構成されている、請求項６２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項68】

前記第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力の、前記第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力に対する比が１：５～１：２００の範囲である、請求項６２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項69】

第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する第１の非導電性基材を含む第１の電極構造をさらに含み、前記第１の分離体、および前記第１の非導電性基材を介して延びる第１の導電素子を含み、前記第１の非導電性基材が前記第１の非導電性基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、前記第１の導電素子のそれぞれが前記第１の非導電性基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記第１の非導電性基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、前記第１の電極が、前記第１の非導電性基材の第１の表面上に配置され、前記第２の電極が前記第１の非導電性基材の第２の表面上に配置され、前記第１の電極が前記第１の導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第２の電極が前記第１の導電素子の前記第２の末端部分を含む、請求項６１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項70】

第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する第２の非導電性基材を含む第２の電極構造をさらに含み、前記第２の分離体、および前記第２の非導電性基材を介して延びる第２の導電素子を含み、前記第２の非導電性基材が前記第２の非導電性基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、前記第２の導電素子のそれぞれが前記第２の非導電性基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記第２の非導電性基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、前記第３の電極が、前記第２の非導電性基材の第１の表面上に配置され、前記第４の電極が前記第２の非導電性基材の第２の表面上に配置され、前記第３の電極が前記第２の導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第４の電極が前記第２の導電素子の前記第２の末端部分を含む、請求項６９に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項71】

前記アノード液がクロムイオンを含み、前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂とクロム錯体を形成する、請求項６１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項72】

溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、
前記アノード液または前記カソード液と接触している第５の電極を含む第５の半セル、
前記平衡電解質と接触している第６の電極を含む第６の半セル、および
ジオキソバナジウムイオンを還元するための前記平衡電解質内のまたは前記平衡電解質に導入可能な還元剤
を含む平衡配置
をさらに含む、請求項６１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項73】

前記第２のアノード液ポンプおよび前記第２のカソード液ポンプが、前記第１のアノード液ポンプおよび前記第２のアノード液ポンプより低いポンプ供給能力を有する、請求項６１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項74】

請求項６１に記載のレドックスフロー電池システムを作動する方法であって、
供給源を、前記第１次レドックスフロー電池配置または前記第２次レドックスフロー電池配置のうちの少なくとも１つに連結することにより、前記レドックスフロー電池システムを充電するステップ、および
負荷を、前記第１次レドックスフロー電池配置または前記第２次レドックスフロー電池配置のうちの少なくとも１つに連結することにより、前記レドックスフロー電池システムを放電するステップ
を含む、方法。

【請求項75】

前記放電するステップが、放電パワーが第１の予め定義したレベル未満の範囲に入った場合、前記第１次レドックスフロー電池配置の前記負荷への連結から、前記第２次レドックスフロー電池作動の前記負荷への連結へと切り替えることを含む、請求項７４に記載の方法。

【請求項76】

前記放電するステップが、放電パワーが第２の予め定義したレベルを超えた場合、前記第２次レドックスフロー電池配置の前記負荷への連結から、前記第１次レドックスフロー電池の前記負荷への連結へと切り替えることを含む、請求項７５に記載の方法。

【請求項77】

前記第１の予め定義したレベルおよび前記第２の予め定義したレベルが同じである、請求項７６に記載の方法。

【請求項78】

前記第２の予め定義したレベルが前記第１の予め定義したレベルより大きい、請求項７６に記載の方法。

【請求項79】

前記放電するステップが、放電パワーが第３の予め定義したレベルを超えた場合、前記第２次レドックスフロー電池配置と前記第１次レドックスフロー電池との両方を、前記負荷に連結することを含む、請求項７４に記載の方法。

【請求項80】

前記第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力の、前記第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力に対する比が１：５～１：２００の範囲である、請求項７４に記載の方法。

【請求項81】

レドックスフロー電池システムであって、
アノード液、
カソード液、
第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する基材、前記基材の前記第１の表面上に配置された第１の電極、前記基材の前記第２の表面上に配置された第２の電極、および前記基材を介して延びる導電素子を含む第１の電極構造であって、前記基材が、前記基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、前記導電素子のそれぞれが、前記基材の前記第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記基材の前記第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、前記第１の電極が前記導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第２の電極が前記導電素子の前記第２の末端部分を含む、第１の電極構造、
前記第１の電極が前記アノード液と接触している第１の半セル、ならびに
前記第２の電極が前記カソード液と接触している第２の半セル
を含む、レドックスフロー電池システム。

【請求項82】

前記導電素子が、金属導線、炭素繊維、グラファイト繊維、または炭化ケイ素のうちの少なくとも１種を含む、請求項８１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項83】

前記基材が、プラスチック、樹脂、炭素またはグラファイトプレート、または金属もしくは合金プレートのうちの少なくとも１種を含む、請求項８１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項84】

前記基材が、ポリプロピレンまたはポリエチレンパーフルオロアルコキシアルカン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロ酢酸、ポリ塩化ビニル、または塩素化ポリ塩化ビニルを含む、請求項８１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項85】

前記第１の電極または前記第２の電極のうちの少なくとも１つが追加の導電材料を含む、請求項８１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項86】

前記追加の導電材料が、金属、炭素繊維、炭素フェルト、または炭化ケイ素を含む、請求項８５に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項87】

前記アノード液が溶液中にクロムイオンを含み、前記カソード液が溶液中に鉄イオンを含む、請求項８１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項88】

前記アノード液が溶液中に鉄イオンをさらに含み、前記アノード液が溶液中にクロムイオンを含む、請求項８７に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項89】

平衡電解質、
第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する基材、前記基材の前記第１の表面上に配置された第３の電極、前記基材の前記第２の表面上に配置された第４の電極、および前記基材を介して延びる導電素子を含む第２の電極構造であって、前記基材が、前記基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、前記導電素子のそれぞれが、前記基材の前記第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記基材の前記第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、前記第３の電極が前記導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第４の電極が前記導電素子の前記第２の末端部分を含む、第２の電極構造、
前記アノード液または前記カソード液と接触している前記第３の電極を含む第３の半セル、および
前記平衡電解質と接触している前記第４の電極を含む第４の半セル
を含む平衡配置
をさらに含む、請求項８１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項90】

前記平衡電解質が、溶液中にバナジウムイオンを含み、前記平衡配置がジオキソバナジウムイオンを還元するための前記平衡電解質内のまたは前記平衡電解質に導入可能な還元剤をさらに含む、請求項８１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項91】

前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂と共にクロム錯体を形成する、請求項８１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項92】

電極構造を作製する方法であって、
前記基材を介した電解質の流れに抵抗するように構成されている基材を提供するステップ、および
前記導電素子のそれぞれが、前記基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含むように、前記基材を介して複数の導電素子を延ばすステップであって、前記第１の電極が前記導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第２の電極が前記導電素子の前記第２の末端部分を含む、ステップ
を含む、方法。

【請求項93】

前記延ばすステップが、前記導電素子の部分周辺で前記基材を成型することを含む、請求項９２に記載の方法。

【請求項94】

前記延ばすステップが、前記基材を介して前記導電素子を押すことを含む、請求項９２に記載の方法。

【請求項95】

前記基材を加熱して、前記導電素子の周辺に前記基材を流すステップをさらに含む、請求項９４に記載の方法。

【請求項96】

追加の第１の導電材料を前記基材の前記第１の表面上に配置するステップをさらに含み、前記第１の電極が、前記追加の第１の導電材料をさらに含む、請求項９２に記載の方法。

【請求項97】

追加の第２の導電材料を前記基材の前記第２の表面上に配置するステップをさらに含み、前記第２の電極が前記追加の第２の導電材料をさらに含む、請求項９６に記載の方法。

【請求項98】

請求項８１に記載のレドックスフロー電池システムを作動する方法であって
供給源を前記第１および第２の電極に連結することにより、前記レドックスフロー電池システムを充電するステップ、ならびに
負荷を前記第１および第２の電極に連結することにより、前記レドックスフロー電池システムを放電するステップ
を含む、方法。

【請求項99】

前記アノード液が溶液中にクロムイオンを含み、前記カソード液が溶液中に鉄イオンを含む、請求項９８に記載の方法。

【請求項100】

前記アノード液が溶液中に鉄イオンをさらに含み、前記アノード液が溶液中にクロムイオンを含む、請求項９９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連特許出願
本特許出願は、米国特許仮出願第６３／１２０，２０４号；第６３／１２６，４０８号；第６３／１２７，０４８号；第６３／１３１，７３８号；第６３／１４７，１８２号；第６３／１５４，５４７号；第６３／１７４，３５２号；および第６３／１１４，１６０号の利益を主張し、米国特許出願第１７／３６２，６１０号；第１７／３６２，５４３号；第１７／３６２，５２１号；第１７／３６２，４９９号；および第１７／３６２，４６８号のそれぞれの一部継続出願であり、これらすべてがその全体において本明細書に参照により組み込まれている。

【0002】

分野
本発明は、レドックスフロー電池システムの領域ならびにレドックスフロー電池システムを作製および使用する方法を対象とする。

【背景技術】

【0003】

再生可能な発電コストは、過去十年間で急速に減少し、より多くの再生可能な発電要素、例えば、ソーラーパネルが設置されるにつれて、継続して低減している。しかし、再生可能な電源、例えば、太陽光、水力発電、および風力を供給源とするものは、多くの場合断続的であり、ユーザーの負荷のパターンは供給源の断続的性質と通常一致しない。利用可能な時に再生可能な電源により発電された電力を貯蔵し、再生可能な電源による発電が不十分な時にユーザーに電力を提供する、低価格で、信頼できるエネルギー貯蔵システムに対する必要性が存在する。

【発明の概要】

【0004】

一実施形態は、溶液中にクロムイオンを有するアノード液であって、クロムイオンの少なくとも一部分が以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂とクロム錯体を形成するアノード液、溶液中に鉄イオンを有するカソード液、アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および第１の半セルを第２の半セルから分離している第１の分離体を含むレドックスフロー電池システムである。
少なくとも一部の実施形態では、クロム錯体は、式［Ｃｒ³＋（Ｊ）_x（Ｍ）_y（Ｈ₂Ｏ）_z］（式中、ｘ、ｙ、およびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、ｘは少なくとも１であり、Ｊは、ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂からなる群から選択され、各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ^-、Ｆ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＮＨ₄ ⁺、ＮＨ₃、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ^-、ＳＣＮ^-、Ｓ^2-、Ｏ－ＮＯ₂ ^-、ＯＨ^-、ＮＯ₂ ^-、ＣＨ₃ＣＮ、Ｃ₅Ｈ₅Ｎ、ＮＣ₅Ｈ₄－Ｃ₅Ｈ₄Ｎ、Ｃ₁₂Ｈ₈－Ｎ₂、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＣＳ（ＮＨ₂）₂、Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃、－ＣＯ、ＣＨ₃－ＣＯ－ＣＨ₂－ＣＯ－ＣＨ₃、ＮＨ₂－ＣＨ₂－ＣＨ₂－ＮＨ₂、ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯ^-、Ｏ－ＳＯ₂ ^2-、またはＰ（ｏ－トリル）₃からなる群から選択される）を有する化合物もしくはイオンを含む。
少なくとも一部の実施形態では、ＪはＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺であり、少なくとも１つのＭはＣＯ（ＮＨ₂）₂である。少なくとも一部の実施形態では、クロム錯体は、アンモニウム、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、フッ化物イオン、硫酸イオン、または硝酸イオンからなる群から選択される少なくとも１種の対イオンをさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、ＪはＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺である。少なくとも一部の実施形態では、ＪはＣＯ（ＮＨ₂）₂またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である。少なくとも一部の実施形態では、クロム錯体はインサイチュで形成される。

【0005】

少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、アノード液またはカソード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、平衡電解質と接触している第４の電極を含む第４の半セル、およびジオキソバナジウムイオンを還元するための平衡電解質内のまたは平衡電解質に導入可能な還元剤を含む平衡配置をさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、還元剤はＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である。少なくとも一部の実施形態では、還元剤は有機化合物である。

【0006】

別の実施形態は、溶液中にクロムイオンを、ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂から選択される少なくとも１種の窒素含有化合物と共に有するアノード液、溶液中に鉄イオンを有するカソード液、アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および第１の半セルを第２の半セルから分離している第１の分離体を含むレドックスフロー電池システムである。
少なくとも一部の実施形態では、窒素含有化合物はＮＨ₃であるか、またはＮＨ₄ ⁺を含む。少なくとも一部の実施形態では、窒素含有化合物はＣＯ（ＮＨ₂）₂またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である。少なくとも一部の実施形態では、クロムイオンの少なくとも一部分は、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂と共にクロム錯体を形成する。

【0007】

少なくとも一部の実施形態では、クロム錯体は、式［Ｃｒ³⁺（Ｊ）_x（Ｍ）_y（Ｈ₂Ｏ）_z］（式中、ｘ、ｙ、およびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、ｘは少なくとも１であり、Ｊは、ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂からなる群から選択され、各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ^-、Ｆ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＮＨ₄ ⁺、ＮＨ₃、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ^-、ＳＣＮ^-、Ｓ^2-、Ｏ－ＮＯ₂ ^-、ＯＨ^-、ＮＯ₂ ^-、ＣＨ₃ＣＮ、Ｃ₅Ｈ₅Ｎ、ＮＣ₅Ｈ₄－Ｃ₅Ｈ₄Ｎ、Ｃ₁₂Ｈ₈－Ｎ₂、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＣＳ（ＮＨ₂）₂、Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃、－ＣＯ、ＣＨ₃－ＣＯ－ＣＨ₂－ＣＯ－ＣＨ₃、ＮＨ₂－ＣＨ₂－ＣＨ₂－ＮＨ₂、ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯ^-、Ｏ－ＳＯ₂ ^2-、またはＰ（ｏ－トリル）₃からなる群から選択される）を有する化合物またはイオンを含む。
少なくとも一部の実施形態では、ＪはＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺であり、少なくとも１つのＭはＣＯ（ＮＨ₂）₂である。少なくとも一部の実施形態では、ＪはＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺である。
少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、アノード液またはカソード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、平衡電解質と接触している第４の電極を含む第４の半セル、およびジオキソバナジウムイオンを還元するための平衡電解質内のまたは平衡電解質に導入可能な還元剤を含む平衡配置をさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、還元剤は、ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である。少なくとも一部の実施形態では、還元剤は有機化合物である。

【0008】

また別の実施形態は、水素気体生成のための方法である。本方法は、溶液中にクロムイオンを含むアノード液、溶液中に鉄イオンを含むカソード液、アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および第１の半セルを第２の半セルから分離している第１の分離体を含むレドックスフロー電池を提供するステップ、電解セルをレドックスフロー電池に連結するステップであって、この電解セルが第３および第４の電極ならびに水を含むステップ、レドックスフロー電池を電解セルに放電して、電解セル内での水の電解により水素気体を生成するステップ、電解セルから水素気体を除去するステップ、ならびに水素気体を容器内に貯蔵するステップを含む。

【0009】

一実施形態は、レドックスフロー電池のための電解質の調製のための方法である。本方法は、炭素源を使用して、クロム鉱石を還元することによって、クロム鉱石を、炭素粒子を有する鉄／クロム合金に変換するステップ、炭素粒子を有する鉄／クロム合金を硫酸に溶解して、第１の溶液を形成するステップ、塩化カルシウムまたは塩化バリウムを第１の溶液に加えて、ＦｅＣｌ₃およびＣｒＣｌ₃を含む第２の溶液を生成するステップ、ならびに酸を第２の溶液に加えて、電解質を形成するステップを含む。
少なくとも一部の実施形態では、クロム鉱石は少なくとも１種の金属不純物を含み、本方法は、レドックスフロー電池の電極を使用して、電解質中で少なくとも１種の金属不純物を還元して、少なくとも１種の金属不純物の粒子を形成するステップ、少なくとも１種の金属不純物の粒子を収集するステップ、およびクリーニング溶液を使用して、収集した粒子を除去するステップをさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、粒子を収集するステップは、レドックスフロー電池システムの電極上の粒子の少なくとも一部分を収集するステップを含む。

【0010】

少なくとも一部の実施形態では、電極は、粒子の収集のための、交互嵌合された開口またはへこみを含む。少なくとも一部の実施形態では、少なくとも１種の金属不純物は、ニッケル、アンチモン、ビスマス、亜鉛、白金、パラジウム、金、または銅のうちの少なくとも１種を含む。少なくとも一部の実施形態では、クリーニング溶液は第二鉄イオンを含む。少なくとも一部の実施形態では、クリーニング溶液は、レドックスフロー電池システムのカソード液の少なくとも一部分である。少なくとも一部の実施形態では、クリーニング溶液は過酸化水素または塩化第二鉄を含む。
少なくとも一部の実施形態では、炭素源はグラファイト、活性炭、石炭、木炭、または一酸化炭素気体を含む。少なくとも一部の実施形態では、本方法は、ＦｅＣｌ₃またはＣｒＣｌ₃を加えて、電解質内でのＦｅＣｌ₃／ＣｒＣｌ₃の予め選択した比を得るステップをさらに含む。

【0011】

別の実施形態は、レドックスフロー電池のための電解質の調製のための方法である。本方法はＨＣｌまたはＨ₂ＳＯ₄にクロム廃棄物を溶解して、ＣｒＣｌ₃またはＣｒ₂（ＳＯ₄）₃および少なくとも１種の金属不純物を含む電解質をそれぞれ生成するステップ、レドックスフロー電池の電極を使用して、電解質中で少なくとも１種の金属不純物を還元して、少なくとも１種の金属不純物の粒子を形成するステップ、少なくとも１種の金属不純物の粒子を収集するステップ、ならびにクリーニング溶液を使用して、収集した粒子を除去するステップを含む。
少なくとも一部の実施形態では、粒子を収集するステップは、レドックスフロー電池システムの電極上の粒子の少なくとも一部分を収集することを含む。少なくとも一部の実施形態では、電極は、粒子の収集のための、交互嵌合された開口またはへこみを含む。少なくとも一部の実施形態では、少なくとも１種の金属不純物は、ニッケル、アンチモン、ビスマス、亜鉛、白金、パラジウム、金、または銅のうちの少なくとも１種を含む。

【0012】

少なくとも一部の実施形態では、クリーニング溶液は第二鉄イオンを含む。少なくとも一部の実施形態では、クリーニング溶液はレドックスフロー電池システムのカソード液の少なくとも一部分である。少なくとも一部の実施形態では、クリーニング溶液は過酸化水素または塩化第二鉄を含む。
少なくとも一部の実施形態では、本方法は、ＦｅＣｌ₂、Ｆｅ＋ＦｅＣｌ₃、Ｆｅ（ＯＨ）₂、またはＦｅ＋Ｆｅ（ＯＨ）₃を加えて、電解質内でのＦｅＣｌ₃／ＣｒＣｌ₃の予め選択した比を得るステップをさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、クロム廃棄物はＣｒ（ＯＨ）₃を含む。

【0013】

また別の実施形態は水素気体の生成のための方法である。本方法は、溶液中にクロムイオンを含むアノード液、溶液中に鉄イオンを含むカソード液、アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および第１の半セルを第２の半セルから分離している第１の分離体を含むレドックスフロー電池を提供するステップ、電解セルをレドックスフロー電池に連結するステップであって、この電解セルが第３および第４の電極ならびに水を含むステップ、レドックスフロー電池を電解セルに放電して、電解セル内での水の電解により水素気体を生成するステップ、電解セルから水素気体を除去するステップ、ならびに水素気体を容器内に貯蔵するステップを含む。

【0014】

一実施形態は、アノード液、カソード液、アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、第１の半セル中のアノード液を、第２の半セル中のカソード液から分離している分離体、第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後のアノード液またはカソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成された少なくとも１種の状態測定デバイス、および測定を使用して、アノード液またはカソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するための、少なくとも１種の状態測定デバイスに連結したコントローラーを含むレドックスフロー電池システムである。

【0015】

少なくとも一部の実施形態では、少なくとも１種の状態測定デバイスは、第１の半セルに入る前またはそれから離れた後のアノード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成されたアノード液の状態測定デバイス、および第２の半セルに入る前またはそれから離れた後のカソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成されたカソード液の状態測定デバイスを含む。
少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、アノード液を第１の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたアノード液ポンプ、およびカソード液を第２の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたカソード液ポンプをさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、コントローラーは、時間的エネルギープロファイルを使用して、アノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させるように構成されている。
少なくとも一部の実施形態では、少なくとも１種の状態測定デバイスは、アノード液またはカソード液の電圧を測定するように構成されている。少なくとも一部の実施形態では、コントローラーは、少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定からアノード液またはカソード液の充電状態を決定し、時間的エネルギープロファイルにおいてこの充電状態を使用するように構成されている。少なくとも一部の実施形態では、コントローラーは、少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定からアノード液またはカソード液の平均酸化状態を決定し、この平均酸化状態を時間的エネルギープロファイルにおいて使用するように構成されている。少なくとも一部の実施形態では、コントローラーは、測定を使用して時間的エネルギープロファイルおよび荷電種のアノード液またはカソード液内での拡散の推定を作成するように構成されている。

【0016】

別の実施形態は、上記に記載されているレドックスフロー電池システムのいずれかを作動する方法である。本方法は、第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後のアノード液またはカソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うステップ、および測定を使用して、アノード液またはカソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するステップを含む。
少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、アノード液を第１の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたアノード液ポンプ、およびカソード液を第２の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたカソード液ポンプをさらに含み、本方法は、時間的エネルギープロファイルを使用して、アノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させるステップをさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、測定を行うことは、アノード液またはカソード液の電圧の測定を行うことを含む。

【0017】

少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルを作成することは、少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定からアノード液またはカソード液の充電状態を決定すること、およびこの充電状態を時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む。少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルを作成することは、少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定からアノード液またはカソード液の平均酸化状態を決定すること、およびこの平均酸化状態を時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む。少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルを作成することは、測定および荷電種のアノード液またはカソード液内での拡散の推定を使用して時間的エネルギープロファイルを作成することを含む。

【0018】

また別の実施形態は、上記に記載されているレドックスフロー電池システムのいずれかを作動させるためのプロセッサー実行可能命令を有する非一時的コンピューター可読記憶媒体である。プロセッサー実行可能命令は、デバイスに組み込まれた場合、デバイスが動作を実施することを可能にする。動作は、第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後のアノード液またはカソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うこと、および測定を使用して、アノード液またはカソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成することを含む。

【0019】

少なくとも一部の実施形態では、動作は、時間的エネルギープロファイルを使用して、レドックスフロー電池システムのアノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させることをさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、測定を行うことは、アノード液またはカソード液の電圧の測定を行うことを含む。
少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルを作成することは、少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定からアノード液またはカソード液の充電状態または平均酸化状態を決定すること、およびこの充電状態または平均酸化状態を時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む。少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルを作成することは、測定および荷電種のアノード液またはカソード液内での拡散の推定を使用して、時間的エネルギープロファイルを作成することを含む。
さらなる実施形態は、アノード液、カソード液、アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、第１の半セル中のアノード液を、第２の半セル中のカソード液から分離している分離体、充電源により供給されるパワーの測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成された少なくとも１つの充電測定デバイス、および測定を使用して、アノード液またはカソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するための、少なくとも１つの充電測定デバイスに連結したコントローラーを含むレドックスフロー電池システムである。

【0020】

一実施形態は、アノード液、カソード液、アノード液の少なくとも一部分を保持するように構成されているアノード液タンク、カソード液の少なくとも一部分を保持するように構成されているカソード液タンク、およびアノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、第１の半セルを第２の半セルから分離している第１の分離体、第１の半セルとアノード液タンクとの間にアノード液を移動するように構成されている第１のアノード液ポンプ、ならびに第２の半セルとカソード液タンクとの間にカソード液を移動するように構成されている第１のカソード液ポンプを含む第１次レドックスフロー電池配置を含むレドックスフロー電池システムである。レドックスフロー電池システムはまた、アノード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、カソード液と接触している第４の電極を含む第４の半セル、第３の半セルを第４の半セルから分離している第２分離体、第３の半セルとアノード液タンクとの間にアノード液を移動するように構成されている第２のアノード液ポンプ、および第４の半セルとカソード液タンクとの間にカソード液を移動するように構成されている第２のカソード液ポンプを含む第２次レドックスフロー電池配置であって、第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力が、第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力より低い、第２次レドックスフロー電池配置も含む。

【0021】

少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、第１次レドックスフロー電池配置および第２次レドックスフロー電池配置に連結したコントローラーをさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、放電パワーが第１の予め定義したレベル未満の範囲に入った場合、コントローラーは、第１次レドックスフロー電池配置の作動から、第２次レドックスフロー電池の作動へと切り替えるように構成されている。少なくとも一部の実施形態では、放電パワーが第２の予め定義したレベルを超えた場合、コントローラーは、第２次レドックスフロー電池配置の作動から、第１次レドックスフロー電池の作動へと切り替えるように構成されている。少なくとも一部の実施形態では、第１の予め定義したレベルおよび第２の予め定義したレベルは同じである。少なくとも一部の実施形態では、第２の予め定義したレベルは第１の予め定義したレベルより大きい。
少なくとも一部の実施形態では、コントローラーは、放電パワーが第３の予め定義したレベルを超えた場合、第２次レドックスフロー電池配置の作動を、第１次レドックスフロー電池の作動に加えるように構成されている。少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力の、第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力に対する比は１：５～１：２００の範囲である。

【0022】

少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、第１の表面および第１の表面の反対側の第２の表面を有する第１の非導電性基材を含み、第１の分離体および第１の非導電性基材を介して延びる第１の導電素子を含む第１の電極構造をさらに含み、第１の非導電性基材は第１の非導電性基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、第１の導電素子のそれぞれは第１の非導電性基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および第１の非導電性基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、第１の電極は第１の非導電性基材の第１の表面上に配置され、第２の電極は第１の非導電性基材の第２の表面上に配置され、第１の電極は第１の導電素子の第１の末端部分を含み、第２の電極は第１の導電素子の第２の末端部分を含む。

【0023】

少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、第１の表面および第１の表面の反対側の第２の表面を有する第２の非導電性基材を含み、第２の分離体および第２の非導電性基材を介して延びる第２の導電素子を含む第２の電極構造をさらに含み、第２の非導電性基材は第２の非導電性基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、第２の導電素子のそれぞれは第２の非導電性基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および第２の非導電性基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、第３の電極は第２の非導電性基材の第１の表面上に配置され、第４の電極は第２の非導電性基材の第２の表面上に配置され、第３の電極は第２の導電素子の第１の末端部分を含み、第４の電極は第２の導電素子の第２の末端部分を含む。

【0024】

少なくとも一部の実施形態では、アノード液は、クロムイオンを含み、クロムイオンの少なくとも一部分は以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂とクロム錯体を形成する。
少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、アノード液またはカソード液と接触している第５の電極を含む第５の半セル、平衡電解質と接触している第６の電極を含む第６の半セル、およびジオキソバナジウムイオンを還元するための平衡電解質内のまたは平衡電解質に導入可能な還元剤を含む平衡配置をさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、第２のアノード液ポンプおよび第２のカソード液ポンプは、第１のアノード液ポンプおよび第２のアノード液ポンプよりも低いポンプ供給能力を有する。

【0025】

別の実施形態は、上記に記載されているレドックスフロー電池システムのいずれかを作動する方法である。本方法は、供給源を、第１次レドックスフロー電池配置または第２次レドックスフロー電池配置の少なくとも１つと連結することにより、レドックスフロー電池システムを充電し、負荷を、第１次レドックスフロー電池配置または第２次レドックスフロー電池配置の少なくとも１つに連結することにより、レドックスフロー電池システムを放電することを含む。
少なくとも一部の実施形態では、放電することは、放電パワーが第１の予め定義したレベル未満の範囲に入った場合、第１次レドックスフロー電池配置の負荷への連結から、第２次レドックスフロー電池作動の負荷への連結へと切り替えることを含む。少なくとも一部の実施形態では、放電することは、放電パワーが第２の予め定義したレベルを超えた場合、第２次レドックスフロー電池配置の負荷への連結から、第１次レドックスフロー電池の負荷への連結へと切り替えることを含む。少なくとも一部の実施形態では、第１の予め定義したレベルおよび第２の予め定義したレベルは同じである。少なくとも一部の実施形態では、第２の予め定義したレベルは第１の予め定義したレベルより大きい。
少なくとも一部の実施形態では、放電することは、放電パワーが第３の予め定義したレベルを超えた場合、第２次レドックスフロー電池配置と第１次レドックスフロー電池の両方を負荷に連結することを含む。少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力の、第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力に対する比は１：５～１：２００であってもよい。

【0026】

一実施形態は、アノード液、カソード液、第１の表面および第１の表面の反対側の第２の表面を有する基材、基材の第１の表面上に配置された第１の電極、基材の第２の表面上に配置された第２の電極、および基材を介して延びる導電素子を含む第１の電極構造であって、基材が、基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、導電素子のそれぞれが、基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、第１の電極は導電素子の第１の末端部分を含み、第２の電極は導電素子の第２の末端部分を含む、第１の電極構造、第１の電極がアノード液と接触している第１の半セル、ならびに第２の電極がカソード液と接触している第２の半セルを含むレドックスフロー電池システムである。

【0027】

少なくとも一部の実施形態では、導電素子は金属導線、炭素繊維、グラファイト繊維、または炭化ケイ素のうちの少なくとも１種を含む。少なくとも一部の実施形態では、基材は、プラスチック、樹脂、炭素またはグラファイトプレート、または金属または合金プレートのうちの少なくとも１種を含む。少なくとも一部の実施形態では、基材は、ポリプロピレンまたはポリエチレンパーフルオロアルコキシアルカン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロ酢酸、ポリ塩化ビニル、または塩素化ポリ塩化ビニルを含む。
少なくとも一部の実施形態では、第１の電極または第２の電極のうちの少なくとも１つは追加の導電材料を含む。少なくとも一部の実施形態では、追加の導電材料は金属、炭素繊維、炭素フェルト、または炭化ケイ素を含む。
少なくとも一部の実施形態では、アノード液は溶液中にクロムイオンを含み、カソード液は溶液中に鉄イオンを含む。少なくとも一部の実施形態では、アノード液は溶液中に鉄イオンをさらに含み、アノード液は溶液中にクロムイオンを含む。
少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、平衡電解質、第１の表面および第１の表面の反対側の第２の表面を有する基材を含む第２の電極構造、基材の第１の表面上に配置された第３の電極、基材の第２の表面上に配置された第４の電極、および基材を介して延びる導電素子を含む平衡配置をさらに含み、基材は、基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、導電素子のそれぞれは、基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、第３の電極は導電素子の第１の末端部分を含み、第４の電極は、導電素子の第２の末端部分を含み、第３の半セルは、アノード液またはカソード液と接触している第３の電極を含み、第４の半セルは平衡電解質と接触している第４の電極を含む。
少なくとも一部の実施形態では、平衡電解質は、溶液中にバナジウムイオンを含み、平衡配置はジオキソバナジウムイオンを還元するための平衡電解質内のまたは平衡電解質に導入可能な還元剤をさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、クロムイオンの少なくとも一部分は、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂と共にクロム錯体を形成する。

【0028】

別の実施形態は電極構造を作製する方法である。本方法は、基材を介した電解質の流れに抵抗するように構成されている基材を提供するステップ、および導電素子のそれぞれが、基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含むように、基材を介して複数の導電素子を延ばすステップを含み、第１の電極は導電素子の第１の末端部分を含み、第２の電極は導電素子の第２の末端部分を含む。
少なくとも一部の実施形態では、延ばすことは、導電素子の部分周辺で基材を成型することを含む。少なくとも一部の実施形態では、延ばすことは、基材を介して導電素子を押すことを含む。少なくとも一部の実施形態では、本方法は、基材を加熱して、導電素子周辺に基材を流動させることをさらに含む。
少なくとも一部の実施形態では、本方法は、追加の第１の導電材料を基材の第１の表面上に配置するステップをさらに含み、第１の電極は追加の第１の導電材料をさらに含む。少なくとも一部の実施形態では、本方法は、追加の第２の導電材料を基材の第２の表面上に配置するステップをさらに含み、第２の電極は追加の第２の導電材料をさらに含む。

【0029】

また別の実施形態は、上記に記載されているレドックスフロー電池システムのいずれかを作動する方法である。本方法は、供給源を第１および第２の電極に連結することによりレドックスフロー電池システムを充電するステップ、ならびに負荷を第１および第２の電極に連結することによりレドックスフロー電池システムを放電するステップを含む。
少なくとも一部の実施形態では、アノード液は溶液中にクロムイオンを含み、カソード液は溶液中に鉄イオンを含む。少なくとも一部の実施形態では、アノード液は溶液中に鉄イオンをさらに含み、アノード液は溶液中にクロムイオンを含む。

【0030】

本発明の非限定的および非網羅的実施形態が、以下の図を参照して記載されている。図において、同様の参照番号は、特に明記しない限り、様々な図全体にわたり同様の部分を指す。
本発明のより良い理解のため、以下の詳細な説明を参照されたい。詳細な説明は添付の図と共同で読み取られるものとする：

【図面の簡単な説明】

【0031】

【図1】本発明による、レドックスフロー電池システムの一実施形態の概略図である。

【図2】本発明による、レドックスフロー電池システムのための電極の一実施形態の概略図である。

【図3】本発明による、レドックスフロー電池システムにおいて不純物を除去または削減する一実施形態のフローチャートである。

【図4】本発明による、保守のためにカソード液を第２の半セルに迂回させたレドックスフロー電池システムの別の実施形態の概略図である。

【図5A】本発明による、レドックスフロー電池システムを平衡配置と併せて含むシステムの一実施形態の概略図である。

【図5B】本発明による、図５Ａのシステムの平衡配置の一実施形態の概略図である。

【図5C】本発明による、レドックスフロー電池システムを平衡配置と併せて含む、システムの別の実施形態の概略図である。

【図5D】本発明による、図５Ｃのシステムの平衡配置の一実施形態の概略図である。

【図5E】本発明による、平衡配置の別の実施形態の概略図である。

【図6A】本発明による、圧力放出弁を有するレドックスフロー電池システムの電解質タンクの概略図である。

【図6B】本発明による、圧力逃しのための、液体を含有するＵ字管配置を有するレドックスフロー電池システムの電解質タンクの概略図である。

【図6C】本発明による、タンク間の気体の移動のための配置を有するレドックスフロー電池システムの電解質タンクの概略図である。

【図7】本発明による、第２の容器を有するレドックスフロー電池システムの別の実施形態の概略図である。

【図8】本発明による、温度ゾーンを有するレドックスフロー電池システムの別の実施形態の概略図である。

【図9A】本発明による、電極構造の一実施形態の概略的断面図である。

【図9B】本発明による、レドックスフロー電池配置での図９Ａの電極構造の概略的断面図である。

【図10】本発明による、第１次レドックスフロー電池配置および第２次レドックスフロー電池配置を有するレドックスフロー電池システムの一実施形態の概略図である。

【図11】本発明による、水素気体生成のために電解セルと連結したレドックスフロー電池システムの一実施形態の概略図である。

【図12】本発明による、粒子フィルターを有するレドックスフロー電池システムの一実施形態の概略図である。

【図13】本発明による、１種の平衡したレドックスフロー電池システムおよび２種の不均衡なレドックスフロー電池システムに対する充電容量対充電電圧のグラフである。

【図14】本発明による、レドックスフロー電池システムの平均酸化状態（ＡＯＳ）を決定する方法の一実施形態のフローチャートである。

【図15】本発明による、レドックスフロー電池システムの平均酸化状態（ＡＯＳ）を決定する方法の別の実施形態のフローチャートである。

【図16】本発明による、不均衡なレドックスフロー電池システムに対する自己放電時間対放電電圧のグラフである。

【図17】本発明による、レドックスフロー電池システムの平均酸化状態（ＡＯＳ）を決定する方法の第３の実施形態のフローチャートである。

【図18】本発明による、レドックスフロー電池システムのまた別の実施形態の概略図であり、開回路電圧（ＯＣＶ）を測定するためのセルを含む、

【図19】本発明による、末端ＯＣＶの測定により、貯蔵または充電容量を決定する１つの方法のフローチャートである。

【図20】本発明による、ＯＣＶの測定を使用して、ＡＯＳを決定する１つの方法のフローチャートである。

【図21】貯蔵領域内に配置された複数の電解質タンクの概略的斜視図である。

【図22】本発明による、充電状態を測定する配置を有するレドックスフロー電池システムの一実施形態の概略図である。

【図23】時間的エネルギープロファイルを使用して、レドックスフロー電池システムを作動する方法の一実施形態のフローチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0032】

本発明は、レドックスフロー電池システムの領域およびレドックスフロー電池システムを作製および使用する方法を対象とする。本発明はまた、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムを作製および使用する電解質および方法において、窒素含有配位子を有するクロム錯体を利用する鉄－クロム（Ｆｅ－Ｃｒ）レドックスフロー電池システムを対象とする。本発明は、また鉄－クロム（Ｆｅ－Ｃｒ）レドックスフロー電池システムおよびこのシステムのためにクロム含有電解質を調製するための方法を対象とする。本発明はまた、レドックスフロー電池システムの作動に対して、時間的エネルギープロファイルを利用したレドックスフロー電池システムおよび方法を対象とする。本発明はまた、レドックスフロー電池システムを作製および使用する第１および第２のレドックスフロー電池配置および方法を利用したレドックスフロー電池システムを対象とする。本発明はまた、レドックスフロー電池システムを作製および使用するバイポーラ電極構造および方法を利用したレドックスフロー電池システムを対象とする。

【0033】

レドックスフロー電池システムは、再生可能なエネルギー供給源、例えば、太陽光、風力、および水力発電の供給源、ならびに非再生可能なおよび他のエネルギー供給源により生成されたエネルギーの貯蔵に対して有望な技術である。本明細書に記載されているように、少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムは、以下の特性のうちの１つまたは複数を有することができる：長い寿命、再利用可能なエネルギー貯蔵、または調節可能なパワーおよび貯蔵容量。

【0034】

図１はレドックスフロー電池システム１００の一実施形態を例示している。他のレドックスフロー電池システム１００は、より多くまたはより少ない要素を含んでいてもよく、要素は、例示された実施形態に示されたものと異なって配置されてもよいことを認識されたい。構成要素、方法、システムなどについての以下の説明は、例示された実施形態とは異なる他のレドックスフロー電池システムに適合できることもまた認識されたい。
図１のレドックスフロー電池システム１００は、２つの電極１０２、１０４および分離体１１０で分離されている、関連する半セル１０６、１０８を含む。電極１０２、１０４は、分離体と接触していても、または分離体から分離されていてもよい。電解質溶液は半セル１０６、１０８を介して流動し、これらはアノード液１１２およびカソード液１１４と呼ばれる。レドックスフロー電池システム１００はアノード液タンク１１６、カソード液タンク１１８、アノード液ポンプ１２０、カソード液ポンプ１２２、アノード液分配用配置１２４、およびカソード液分配用配置１２６をさらに含む。アノード液１１２はアノード液タンク１１６内に貯蔵され、アノード液分配用配置１２４周辺を流れ、少なくとも部分的に、アノード液ポンプ１２０の動作を介して、半セル１０６へと流れる。カソード液１１４はカソード液タンク１１８内に貯蔵され、カソード液分配用配置１２６周辺を流れ、少なくとも部分的に、カソード液ポンプ１２２の動作を介して半セル１０８へと流れる。例示された図１の実施形態は、それぞれ単一の構成要素を含むが、他の実施形態は、いずれか１種または複数の例示された構成要素の１つ以上を含むことができることを認識されたい。例えば、他の実施形態は、複数の電極１０２、複数の電極１０４、複数のアノード液タンク１１６、複数のカソード液タンク１１８、複数の半セル１１２、または複数の半セル１１４、またはそのいずれかの組合せを含むことができる。

【0035】

アノード液およびカソード液は電解質であり、同じ電解質であっても、または異なる電解質であってもよい。エネルギー流がレドックスフロー電池システム１００へ入るまたはこれから出る間、半セル１０６、１０８の一方の電解質は、酸化されて、電子を失い、半セルの他方の電解質は還元されて、電子を得る。

【0036】

レドックスフロー電池システム１００は、図１に例示されているように、負荷／電源１３０／１３２に結合していてもよい。充電モードでは、レドックスフロー電池システム１００は、フロー電池を供給源１３２に結合することによって、充電または再充電することができる。供給源１３２は、これらに限定されないが、化石燃料電源、原子力電源、他の電池またはセル、および再生可能な電源、例えば、風力、太陽光、または水力発電の電源を含むいずれかの電源であることができる。放電モードでは、レドックスフロー電池システム１００はエネルギーを負荷１３０に提供することができる。充電モードでは、レドックスフロー電池システム１００は、供給源１３２からの電気エネルギーを化学ポテンシャルエネルギーへと変換する。放電モードでは、レドックスフロー電池システム１００は、化学ポテンシャルエネルギーを電気エネルギーに変換し戻して、これが負荷１３０に提供される。

【0037】

レドックスフロー電池システム１００はまた、レドックスフロー電池システムの作動を制御することができるコントローラー１２８に連結することもできる。例えば、コントローラー１２８は、レドックスフロー電池システム１００を、負荷１３０または供給源１３２と接続させるまたは接続を断つことができる。コントローラー１２８は、アノード液ポンプ１２０およびカソード液ポンプ１２２の作動を制御することができる。コントローラー１２８は、アノード液タンク１１６、カソード液タンク１１８、アノード液分配システム１２４、カソード液分配システム１２６、または半セル１０６、１０８に関連する弁の作動を制御し得る。コントローラー１２８は、充電モード、放電モード、および、任意に、保守モード（またはシステム作動のいずれか他の適切なモード）の間の切替えを含む、レドックスフロー電池システム１００の一般的な作動を制御するために使用することができる。少なくとも一部の実施形態では、コントローラーまたはレドックスフロー電池システムは、半セル内、またはシステム内の他の箇所での温度を制御することができる。少なくとも一部の実施形態では、半セル（またはシステム全般またはシステムのある部分）の温度は、作動中、摂氏６５、６０、５５、または５０度以下に制御される。

【0038】

少なくとも一部の実施形態では、アノード液ポンプ１２０またはカソード液ポンプ１２２（または両方）は、アノード液／カソード液または半セルの温度を増加させるまたは維持するように作動することができる。ポンプの作動は、熱を生じ、この熱は、少なくとも部分的に、アノード液またはカソード液に移動する可能性がある。少なくとも一部の実施形態では、アノード液またはカソード液（または対応する半セル１０６、１０８）の温度が予め決定された値未満に低下した場合、アノード液ポンプ１２０またはカソード液ポンプ１２２はそれぞれ、熱を生成するための作動を開始または増加させて、この熱を少なくとも部分的に、アノード液またはカソード液にそれぞれ移動させる。
これらに限定されないが、１つまたは複数のコンピューター、ラップトップコンピューター、サーバー、いずれか他のコンピューターデバイスなど、またはこれらのいずれかの組合せを含めて、いずれかの適切なコントローラー１２８を使用することができ、これは、例えば、１種または複数のプロセッサー、１種または複数のメモリー、１つまたは複数のインプットデバイス、１つまたは複数のディスプレイデバイスなどの構成要素を含むことができる。コントローラー１２８は、あらゆる有線またはワイヤレス接続またはそのいずれかの組合せを介して、レドックスフロー電池システムと連結することができる。コントローラー１２８（またはコントローラーの少なくとも一部分）は、レドックスフロー電池システム１００に対してローカルに位置していてもよいし、またはレドックスフロー電池システムに関して部分的にまたは完全に非ローカルに位置してもよい。

【0039】

電極１０２、１０４は、これらに限定されないが、グラファイトまたは他の炭素材料（グラファイトまたは炭素で作製された固体、フェルト、紙、または布の電極を含む）、金、チタニウム、鉛などを含むいずれか適切な材料から作製することができる。２つの電極１０２、１０４は、同じまたは異なる材料で作製され得る。少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システム１００は、アノード液またはカソード液または両方の中で、レドックス反応に対するいかなる均質のまたは金属の触媒も含まない。これは、電極に対して使用することができる材料の種類を限定し得る。

【0040】

分離体１１０は、２つの半セル１０６、１０８を分離している。少なくとも一部の実施形態では、分離体１１０は、レドックスフロー電池システム１００の充電または放電中に、選択されたイオン（例えば、Ｈ＋、Ｃｌ^-、または鉄またはクロムイオンまたはそのいずれかの組合せ）の輸送を可能にする。一部の実施形態では、分離体１１０は微小孔性膜である。いずれか適切な分離体１１０を使用することができ、適切な分離体の例として、これらに限定されないが、イオン移動膜、アニオン性移動膜、カチオン性移動膜、微小孔性分離体などまたはこれらのいずれかの組合せが挙げられる。
電極１０２、１０４および分離体１１０の代替は、図９Ａに例示されているような、アノード、カソード、および分離体として作用する電極構造（これは「バイポーラ電極」とも呼ぶことができる）９０５である。電極構造９０５は、基材の第１の表面から、基材の第２の表面へと、基材を介して延びる、導電素子９１１を有する基材９１０を含む。これらの導電素子９１１は、図９Ｂに例示されているように２種の半セル９０６、９０８に曝露されている。基材９１０は分離体１１０として作用することができる。

【0041】

基材９１０は、基材を介したアノード液およびカソード液の流れに不透過性であり、または流れに対して実質的に抵抗するまたは流れを妨害する材料で作製される。このような材料の例として、プラスチック（例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン、パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリテトラフルオロ酢酸（ＰＴＦＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、塩素化ポリ塩化ビニル（ＣＰＶＣ）、など）、樹脂、炭素またはグラファイトプレート、金属プレート、金属－合金プレートなどが挙げられる。少なくとも一部の実施形態では、基材は非導電性である。少なくとも一部の実施形態では、基材は伝導性、例えば、グラファイトプレートである。少なくとも一部の実施形態では、第１の表面と第２の表面との間の基材９１０の導電率は、導電素子９１１の導電率より低い。

【0042】

導電素子９１１は、これらがアノード液とカソード液との両方で利用しやすいように基材９１０を介して延びている。適切な導電素子の例として、これらに限定されないが、金属導線（例えば、チタニウム鉄、銅、亜鉛、銀、金、または白金導線）、炭素繊維、基材を介して電子導電性のために整列させたグラファイト繊維、炭化ケイ素などまたはこれらのいずれかの組合せが挙げられる。導電素子９１１は、基材９１０の対向する第１および第２の表面上に配置された電極９０２、９０４の一部（またはこれら全体）を形成する。任意に、電極９０２、９０４は、追加の導電材料、例えば、金属、炭素繊維、炭素フェルト、炭化ケイ素などを含むことができ、これらは、基材９１０を介して延びていないが、基材の表面上に配置される、または基材を介さずに、基材へと至る。
少なくとも一部の実施形態では、基材９１０は、導電素子が基材を介して延びるように導電素子９１１が配置されて、成型され得る。少なくとも一部の実施形態では、導電素子９１１は基材９１０を介して挿入されてもよいし、または押されてもよい。少なくとも一部の実施形態では、基材９１０は、基材を介して導電素子９１１を通過した後に加熱されて、基材の材料を流し、導電素子の中央部分を基材内に埋め込むことができる。

【0043】

電極構造９０５は、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムとの関連で本明細書中に開示されているが、電極構造９０５は、これらに限定されないが、バナジウムレドックスフロー電池システム、バナジウム－臭素レドックスフロー電池システム、バナジウム－鉄レドックスフロー電池システム、亜鉛－臭素レドックスフロー電池システム、すべての鉄レドックスフロー電池システム、有機水性レドックスフロー電池システムなどを含む他のレドックスフロー電池システムに使用することができることを認識されたい。電極構造９０５はまた、他の電気化学的システムおよび方法で使用することもできる。

【0044】

レドックスフロー電池システムは、安全で、信頼でき、および再利用可能なエネルギー貯蔵媒体を提供することができる。しかし、長い寿命（例えば、多くの充電／放電サイクルに対してその貯蔵容量を維持するフロー電池システム）を有する望ましい貯蔵エネルギーを有し、豊富な入手の可能性を有する材料（例えば、地球上に豊富に存在し、商業的に採掘され、比較的に多量で利用可能なような材料）で作製されたレドックスフロー電池システムを特定するのは困難であった。現在のリチウムおよびバナジウム電池は、入手しにくい材料を利用している。多くの従来の電池システムの貯蔵容量はまた、１０、５０、または１００回のまたはこれよりも上の充電／放電サイクルの対象下におかれた場合分解する。水性レドックスフロー電池システムに対するさらなる難題は、水からの水素または酸素の発生に対処するまたはこれを回避することである。

【0045】

本明細書に記載されているように、適切なおよび有用なレドックスフロー電池システムは、Ｆｅ³⁺／Ｆｅ²⁺およびＣｒ³＋／Ｃｒ²⁺レドックス化学反応を利用する、鉄－クロム（Ｆｅ－Ｃｒ）レドックスフロー電池システムである。鉄およびクロムは一般的に容易に商業的に入手可能であり、および、少なくとも一部の実施形態では、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムの貯蔵容量は、少なくとも１００、２００、２５０、もしくは５００充電／放電サイクルにわたり１０％もしくは２０％を超えて悪化することはなく、または保守手順を使用して、少なくとも１００、２００、２５０、または５００回の充電／放電サイクルにわたり少なくとも７０％、８０％、または９０％貯蔵容量を維持するように構成することができる。
少なくとも一部の実施形態では、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムの電解質（すなわち、カソード液またはアノード液）は、溶媒中に溶解された鉄含有化合物またはクロム含有化合物（または両方）を含む。一部の実施形態では、アノード液およびカソード液は、鉄含有化合物とクロム含有化合物との両方を含有する。アノード液およびカソード液中のこれらの２種の化合物の濃度は同じまたは異なることができる。他の実施形態では、カソード液は鉄含有化合物のみを含み、アノード液はクロム含有化合物のみを含む。

【0046】

少なくとも一部の実施形態では、クロム含有化合物は、例えば、塩化クロム、硫酸クロム、臭化クロムなどまたはこれらのいずれかの組合せであることができる。少なくとも一部の事例では、塩化物で錯体化したクロムイオン（例えば、Ｃｒ（Ｈ₂Ｏ）₅Ｃｌ^2+/+）は、少なくとも一部の他のクロムイオン錯体（例えば、Ｃｒ（Ｈ₂Ｏ）₆ ^3+/2+）より速い反応速度およびより低いＨ₂生成を有することが見出された。したがって、アノード液中の（例えば、クロム含有化合物、溶媒、または両方から由来の）塩化物の包含は有益となり得る。
クロムは、窒素含有配位子と共に錯体を形成することができ、これは、少なくとも一部の事例では、クロムの塩化物錯体より安定していることが判明した。少なくとも一部の事例では、窒素含有配位子を有するクロム錯体は、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池において、よりレドックス活性があり、またはより少ない副反応（例えば、水素生成）をもたらし得る。少なくとも一部の実施形態では、クロム含有化合物は、以下の窒素含有配位子のうちの少なくとも１種を含むクロム錯体であることができる：アンモニア（ＮＨ₃）、アンモニウム（ＮＨ₄ ⁺）、ウレア（ＣＯ（ＮＨ₂）₂）、チオシアネート（ＳＣＮ^-）、またはチオウレア（ＣＳ（ＮＨ₂）₂）またはこれらのいずれかの組合せ。異なる窒素含有配位子の組合せとの錯体の例として、アンモニアおよびウレアとのクロム錯体が挙げられる。

【0047】

少なくとも一部の実施形態では、クロム錯体は、式［Ｃｒ³⁺（Ｊ）_x（Ｍ）_y（Ｈ₂Ｏ）_z］（式中、ｘは正の整数であり、ｙおよびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、Ｊは、ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂からなる群から選択され、各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ^-、Ｆ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＮＨ₄ ⁺、ＮＨ₃、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ^-、ＳＣＮ^-、Ｓ^2-、Ｏ－ＮＯ₂ ^-、ＯＨ^-、ＮＯ₂ ^-、ＣＨ₃ＣＮ、Ｃ₅Ｈ₅Ｎ、ＮＣ₅Ｈ₄－Ｃ₅Ｈ₄Ｎ、Ｃ₁₂Ｈ₈－Ｎ₂、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＣＳ（ＮＨ₂）₂、Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃、－ＣＯ、ＣＨ₃－ＣＯ－ＣＨ₂－ＣＯ－ＣＨ₃、ＮＨ₂－ＣＨ₂－ＣＨ₂－ＮＨ₂、ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯ^-、Ｏ－ＳＯ₂ ^2-、またはＰ（ｏ－トリル）₃からなる群から選択される）を有する。このクロム含有化合物はまた、これらに限定されないが、アンモニウム、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、フッ化物イオン、硫酸イオン、硝酸イオンなどまたはこれらのいずれかの組合せを含むいずれか適切な対イオンを含むことができる。クロム錯体の１つの例はＣｒ（ＮＨ₃）_xＣｌ_y（Ｈ₂Ｏ）_z（式中、ｘおよびｚは１～６の範囲であり、ｙは１～３の範囲である）である。少なくとも一部の実施形態では、アノード液またはカソード液に対して、ＣｒのＮＨ－₃（または他の窒素含有配位子）に対する比は、クロムイオンの一部分がアンモニア（または他の窒素含有配位子）と錯体を形成する限り、１未満であることができる。

【0048】

少なくとも一部の実施形態では、クロム錯体は、電解質（アノード液またはカソード液のいずれかまたは両方）中で、クロム塩（例えば、塩化クロム、硫酸クロム、臭化クロムなどまたはこれらのいずれかの組合せ）または他のクロム化合物を、配位子含有化合物（例えば、アンモニア、塩化アンモニウム、ウレア、チオシアン酸カリウム、チオシアン酸ナトリウム、またはチオウレア）に曝露することによって、インサイチュで作り出すことができる。
少なくとも一部の実施形態では、電解質（アノード液またはカソード液のいずれかまたは両方）中の窒素含有配位子のクロムに対するモル比は、１：１０～１０：１の範囲である。アンモニアおよびウレアとのクロム錯体の場合、アンモニアのウレアに対するモル比は１：１０～１０：１の範囲である。窒素含有配位子の少なくとも一部は、クロムと錯体を形成することができないことを理解されたい。例えば、窒素含有配位子の少なくとも一部は、鉄と錯体を形成することができ、または電解質中で錯体を形成することができない。

【0049】

鉄含有化合物は、例えば、塩化鉄、硫酸鉄、臭化鉄、アンモニア（ＮＨ₃）、アンモニウム（ＮＨ₄ ⁺）、ウレア（ＣＯ（ＮＨ₂）₂）、チオシアネート（ＳＣＮ^-）、またはチオウレア（ＣＳ（ＮＨ₂）₂）のうちの少なくとも１種を配位子として含む鉄錯体などまたはこれらのいずれかの組合せであることができる。少なくとも一部の実施形態では、鉄錯体は、同じ電解質（アノード液またはカソード液のいずれかまたは両方）中にクロム錯体と同じ配位子をまたはそれら配位子のサブセットを含むことができる。
溶媒は、水、水性の酸、例えば、塩酸、臭化水素酸、硫酸など、または弱酸または塩基の溶解性塩を含む水溶液、例えば、塩化アンモニウムであることができる。少なくとも一部の実施形態では、アノード液またはカソード液（または両方）の含水量は少なくとも４０、４５、または５０質量％である。少なくとも一部の実施形態では、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムのカソード液とアノード液は両方とも塩酸中に溶解している塩化鉄および塩化クロムを含む。少なくとも一部の実施形態では、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムのカソード液は、塩酸に溶解した塩化鉄を含み、アノード液は、塩酸に溶解した塩化クロムを含む。

【0050】

少なくとも一部の実施形態では、窒素含有化合物はまた、窒素含有化合物がクロムまたは鉄の配位子ではなくても、溶媒と比べて利点を提供し得る。例えば、電解質（アノード液またはカソード液のいずれかまたは両方）中のウレアまたはチオウレアは電解質中でＨＣｌを中和することができ、これは、電池作動中のＨＣｌ蒸気を還元することができる。別の例として、アンモニウムまたはアンモニウムイオン（例えば、塩酸のすべてまたは一部が塩化アンモニウムに置き換えられている）を有する溶媒は、より低い酸性度を有する有効な電解質（アノード液またはカソード液のいずれかまたは両方）をもたらすことができる。

【0051】

少なくとも一部の実施形態では、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムのカソード液とアノード液の両方は、塩酸に溶解した塩化鉄および塩化クロムを含む。少なくとも一部の実施形態では、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムのカソード液は塩酸に溶解した塩化鉄を含み、アノード液は塩酸に溶解した塩化クロムを含む。
少なくとも一部の実施形態では、カソード液またはアノード液または両方の中の鉄のモル濃度は０．５～２の範囲であるか、または少なくとも１Ｍである。少なくとも一部の実施形態では、アノード液またはカソード液または両方の中のクロムのモル濃度は０．１～２の範囲であるか、または少なくとも０．２、０．５、もしくは１Ｍである。少なくとも一部の実施形態では、塩酸または他の水性の酸または塩基のモル濃度は０．５～２の範囲である。少なくとも一部の実施形態では、アンモニアまたはアンモニウムイオンのモル濃度は０．５～４の範囲である。
クロム錯体とアノード液またはカソード液を形成するための方法の一例として、ＦｅＣｌ₂・４Ｈ₂Ｏ（３５質量％）、ＣｒＣｌ₃・６Ｈ₂Ｏ（４５質量％）、およびＮＨ₄Ｃｌ（２０％）の１００グラム混合物を２５０ｍＬビーカーに加え、蒸留したイオン化水に溶解して、１５０ｍＬの溶液を形成する。５０℃～６０℃での溶液の撹拌により、溶解が加速された。２ｍＬの３７質量％のＨＣｌを溶液に加えて、ｐＨを調節した。

【0052】

別の例では、ＦｅＣｌ₂・４Ｈ₂Ｏ（３２質量％）、ＣｒＣｌ₃・６Ｈ₂Ｏ（４３質量％）、およびＣＯ（ＮＨ₂）₂（２５％）の１００グラム混合物を２５０ｍＬビーカーに加えて、蒸留したイオン化水に溶解して、１５０ｍＬ溶液を形成した。１．５ｍＬの３７質量％ＨＣｌを溶液に加えて、ｐＨを調節した。
第３の例として、ＦｅＣｌ₂・４Ｈ₂Ｏ（３５質量％）、ＣｒＣｌ₃・６Ｈ₂Ｏ（４５質量％）、ＮＨ₄Ｃｌ（１０％）、およびＣＯ（ＮＨ₂）₂（１０％）の１００グラム混合物を２５０ｍＬビーカーに加え、蒸留したイオン化水に溶解して、１５０ｍＬの溶液を形成した。２ｍＬの３７質量％ＨＣｌを溶液に加えて、ｐＨを調節した。

【0053】

過去のＦｅ－Ｃｒレドックス流電池の１つの難題が、レドックス反応の結果としての、陰極での水素（Ｈ₂）の生成または発生である。少なくとも一部の事例では、レドックスフロー電池におけるクロムの利用の増加は、水素の生成を増加させる可能性がある。
多くの場合、レドックスフロー電池内の水素の生成を限定または削減することが望ましい。クロムの利用を制限することはより低い水素生成を結果として生じ、その一方で十分なエネルギー密度をレドックスフロー電池システム内に滞留させることが判明した。少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムのアノード液におけるクロムの利用は８０％以下、７０％以下、または６０％これよりも低い利用に限定される。少なくとも一部の実施形態では、アノード液におけるクロムの利用は、カソード液中の鉄の量により限定され、またはカソード液中の鉄の１００％利用に限定される。

【0054】

クロムの利用は、レドックスフロー電池システムにおける相対量のクロムおよび鉄を操作することにより、少なくとも部分的に対処することができる。「モル比」という用語は、本明細書で使用される場合、第２の構成要素のモルの量に対する、１つの構成要素のモルの量の比を意味する。少なくとも一部の実施形態では、アノード液中のクロムの、カソード液（Ｃｒ（アノード液）／Ｆｅ（カソード液））中の鉄に対するモル比は１ではなく、代わりに、Ｃｒ（アノード液）／Ｆｅ（カソード液）モル比は少なくとも１．２５またはこれよりも高い（例えば、少なくとも１．４３、１．６７、またはこれよりも高い）。少なくとも一部の実施形態では、カソード液中の鉄のモル量は、アノード液中のクロムのモル量の８０％以下、７０％以下、または６０％これよりも低い。少なくとも一部の実施形態では、より少量の利用可能な鉄は、利用可能なクロムの利用を８０％以下、７０％以下、または６０％以下に限定する。少なくとも一部の実施形態では、アノード液およびカソード液は両方とも混合した鉄／クロム溶液である。

【0055】

少なくとも一部の実施形態では、カソード液中の鉄の濃度はアノード液中のクロムの濃度と異なることにより、所望のモル比をもたらす。少なくとも一部の実施形態では、カソード液中の鉄の濃度は、アノード液中のクロム濃度の８０％以下、７０％以下、または６０％これよりも低い。
少なくとも一部の実施形態では、カソード液中の鉄の濃度およびアノード液中のクロムの濃度は同じである。このような実施形態では、アノード液およびカソード液中のクロムと鉄とのそれぞれのモル比は、アノード液およびカソード液の容量の選択により選択することができる。少なくとも一部の実施形態では、アノード液のカソード液に対する容積比は、少なくとも１．２５：１またはこれよりも多く（例えば、少なくとも１．４３：１または１．６７：１またはこれよりも多く）、アノード液中のクロムおよびカソード液中の鉄の濃度が同じ場合、容積比と等しいモル比をもたらす。少なくとも一部の実施形態では、カソード液の容積は、アノード液の容積の８０％以下、７０％以下、または６０％以下である。

【0056】

一部の実施形態では、アノード液およびカソード液の容積は、それぞれの半セル１０６、１０８の容積に基づくことができる。一部の実施形態では、アノード液およびカソード液の容積は、レドックスフロー電池システム１００のそれぞれのカソード液およびアノード液部分の容積に基づくことができる。例えば、カソード液部分は半セル１０８、カソード液タンク１１８、およびカソード液分配用配置１２６を含むことができる。アノード液部分は、半セル１０６、アノード液タンク１１６、およびアノード液分配用配置１２４を含むことができる。
異なる鉄およびクロムの濃度と、異なるカソード液およびアノード液の容積との組合せを使用して、アノード液中のクロムおよびカソード液中の鉄の所望のモル比を達成することができることが認識されている。これら実施形態の少なくとも一部では、カソード液の容積は、アノード液の容積の９５％以下、９０％以下、８０％以下、７０％以下、または６０％以下である。
少なくとも一部の事例では、アノード液中のより高いＨ⁺濃度が水素生成を促進することが判明した。アノード液による水素生成を削減するため、最初のアノード液中のＨ⁺濃度は、最初のカソード液中のＨ⁺濃度より低くすることができる。少なくとも一部の実施形態では、最初のアノード液中のＨ⁺濃度は、最初のカソード液中のＨ⁺濃度より少なくとも１０、２０、２５、または５０パーセント低い。

【0057】

表１は、異なる充電状態（ＳＯＣ）でのアノード液のカソード液に対する１：１容積比を例示しており、ここで、充電状態は、アノード液およびカソード液中の最初の活性イオン種の、還元／酸化したイオン種への変換パーセンテージを表す。アノード液とカソード液との間で充電の平衡を維持するために、Ｈ⁺の濃度が変化することを認識されたい。表１では、最初のアノード液は１．２５Ｍ Ｆｅ²⁺、１．２５Ｍ Ｃｒ³⁺、および１．２５Ｍ Ｈ⁺であり、最初のカソード液は１．２５Ｍ Ｆｅ²⁺、１．２５Ｍ Ｃｒ³＋、および２．５Ｍ Ｈ⁺である。これら特定の濃度は、Ｈ⁺濃度が５０％充電状態において等しくなるように選択される。

【0058】

【表1】

表２は、異なる充電状態（ＳＯＣ）におけるアノード液のカソード液に対する２：１容積比を例示している。表２では、最初のアノード液は１．２５Ｍ Ｆｅ²⁺、１．２５Ｍ Ｃｒ³＋、および１．５６２５Ｍ Ｈ＋であり、最初のカソード液は１．２５Ｍ Ｆｅ²⁺、１．２５Ｍ Ｃｒ³＋、および２．５Ｍ Ｈ⁺である。これら特定の濃度は、アノード液が２５％ＳＯＣであり、カソード液が５０％ＳＯＣである場合、Ｈ⁺濃度が等しくなるように選択される。アノード液とカソード液との間のＳＯＣの差異は、アノード液がカソード液の容積の２倍を有することにより生じる。

【0059】

【表2】

Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システム、ならびに他のレドックスフロー電池システムが有する別の難題は、金属不純物、例えば、ニッケル、アンチモン、亜鉛、ビスマス、白金、金、または銅の存在である。少なくとも一部の事例では、これらの金属不純物は、陰極表面上の水素生成を増加させ得る。このような金属の不純物は、天然不純物として、または鉄およびクロム化合物またはレドックスフロー電池システムの他の部分のリファイニングまたは製造の一部として、または他のあらゆるメカニズムを介して存在し得る。

【0060】

少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システム１００は、これら不純物を除去する、またはこれらのレベルを削減するように構成することができる。図３に例示されているように、少なくとも一部の実施形態では、これら不純物を除去する、またはこれらのレベルを削減するため、レドックスフロー電池システム１００は、不純物の少なくとも一部を金属形態へと電気化学的に還元させ（ステップ３５０）、粒子フィルターまたは以下に記載されている交互嵌合された電極などの他の配置を使用して、生成した金属の粒子を収集し（ステップ３５２）、および酸化種を含有するクリーニング溶液を使用してこれらの不純物を除去する（ステップ３５４）ように構成されている。

【0061】

少なくとも一部の実施形態では、不純物は、レドックス反応物の一部としてアノード液内で還元される。不純物は、充電中に還元された場合、金属粒子または粒子を形成する。レドックスフロー電池システム１００は、半セル１０６または他の箇所で粒子フィルターを含んで、金属粒子または粒子を捕獲することができる。一部の実施形態では、陰極１０２は、金属粒子または粒子を濾過するのを補助することができる。また不純物の除去を促進するため、陰極１０２は、図２に例示されているような交互嵌合された構造を有することができる。交互嵌合された構造は、レドックスフロー電池システム１００の作動中、金属不純物の粒子の収集のための空のまたはへこんだチャネル２４０を含む。次いでこれら粒子は、以下に記載されているように、保守サイクルの間、電極から除去することができる。図１２は、これらに限定されないが、アノード液／カソード液タンク１１６、１１８のアップストリームまたはダウンストリーム、半セル１０６、１０８、などのダウンストリームまたはアップストリーム、またはこれらのいずれかの組合せを含めた、粒子フィルター１２１に対する代替の部位の例を例示している。少なくとも一部の実施形態では、フィルター１２１は、１～１０マイクロメートルの範囲の細孔サイズを有する。少なくとも一部の実施形態では、両方の電解質タンクの不純物を除去することができるように、電極１０２、１０４の正のおよび負の割当を逆転させることもできる。

【0062】

少なくとも一部の実施形態では、本明細書に記載されているＦｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムは、酸化種、例えば、Ｆｅ³⁺を有する溶液を使用して、これらの不純物を除去するよう配置される。レドックスフロー電池システム１００の保守の一部として、保守サイクルの間、Ｆｅ³⁺（または他の酸化する）溶液は、システムのアノード液部分を介して流れることによって、システムの電極１０２からまたは他の箇所で不純物を除去することができる。少なくとも一部の実施形態では、Ｆｅ³⁺溶液はカソード液またはカソード液の一部分であることができる。代替の酸化溶液として、これらに限定されないが、過酸化水素溶液、塩化第二鉄溶液、硝酸などが挙げられる。少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システム１００は、アノード液／カソード液分配用配置１２４、１２６（またはさもなければフィルター１２１に連結）に連結して、定期的にフィルターを洗浄することができるクリーニング溶液タンク（示されていない）を含むことができる。
少なくとも一部の実施形態では、金属の不純物の除去または削減は、レドックスフロー電池システムの製造中、レドックスフロー電池システム作動開始前、またはレドックスフロー電池システムの作動中、またはこれらのいずれかの組合せにおいて実施される。金属不純物の除去のためのこれらの方法およびシステムは、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムに限定されず、他のレドックスフロー電池システム、例えば、バナジウム、バナジウム－臭素、バナジウム－鉄、亜鉛－臭素、および有機レドックスフロー電池システムでもまた利用することができることを理解されたい。

【0063】

少なくとも一部の実施形態では、電極１０２のカソード液１１４への時々の曝露は、電極１０２の表面の不動態化を促進し、水素生成を削減することができることもまた判明した。一例として、１つのＦｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムにおいて、１７回の充電／放電サイクル後、電極１０２を１時間カソード液１１４で処理すると、水素生成速度は３８．９ｍｌ／分から１０．２ｍｌ／分へと低下した。少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムの作動は、定期的に（または開始時、またはオペレーターによる要求時）保守期間を含むことができ、半セル１０６または電極１０２を、カソード液（または構成要素、例えば、カソード液に対して上記で特定されたものなどを有する電解質）に、ある期間（例えば、５、１０、１５、３０、４５、６０分間またはこれよりも長く）曝露する。保守期間の間、カソード液は、半セル１０６または電極１０２に１回、定期的に、断続的に、または連続的に導入することができる。これらの実施形態の少なくとも一部では、カソード液１１４は、保守期間後にカソード液タンク１１８に戻すことができる。少なくとも一部の実施形態では、保守期間は、アノード液の充電状態が少なくとも５０％、７５％または９０％である場合に実施することができる。

【0064】

図４は、半電池１０６からのアノード液分配システム１２４の接続を断ち、カソード液分配システム１２６を半セル１０６に接続して、カソード液１１４を半セル１０６に流すためのスイッチ４３４を含むレドックスフロー電池システムの一実施形態を例示している。このような配置は、金属不純物を削減もしくは除去するため、または電極１０２またはこれらのいずれかの組合せを不動態化するために使用することができる。ポンプ１２２は、カソード液１１４を半セル１０６に流し、または保守が完了した時点で半セル１０６からカソード液１１４を除去するために使用することができる。

【0065】

Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムは、時間の経過と共に貯蔵容量が減少する可能性があり、これは少なくとも部分的には、Ｃｒ²⁺／Ｃｒ³⁺対の低い標準電位から生じ、これがシステムのアノード液側での少なくとも一部のレベルの水素生成を結果として生じる。その結果、システムの活性種の平均酸化状態（ＡＯＳ）が増加し、システムは不均衡となり、貯蔵容量が低減し得る。したがって、ＡＯＳを回復することにより貯蔵容量を少なくとも部分的に修復するための方法または配置を有することは有用である。
少なくとも一部の実施形態では、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムに対するＡＯＳは、ＡＯＳ＝（（カソード液およびアノード液中のＦｅ³⁺のモル）＊３＋（カソード液およびアノード液中のＦｅ²⁺のモル）＊２＋（アノード液およびカソード液中のＣｒ³⁺のモル）＊３＋（アノード液およびカソード液中のＣｒ²⁺のモル）＊２）／（カソード液およびアノード液中のＦｅのモル＋アノード液およびカソード液中のＣｒのモル）として記載することができる。

【0066】

少なくとも一部の実施形態では、電解質中のアンモニアまたはウレアの存在（例えば、クロム錯体の配位子として）は、システムの再平衡化および貯蔵容量の回復を促進することができる。少なくとも一部の実施形態では、以下の電解による反応が電極で生じる：
７Ｈ₂Ｏ＋２Ｃｒ³＋－６ｅ^-→Ｃｒ₂Ｏ₇ ^2-＋１４Ｈ⁺Ｅ₀＝＋１．３３Ｖ
Ｆｅ³⁺＋ｅ^-→Ｆｅ²⁺Ｅ₀＝＋０．７７Ｖ
クロム酸イオンは、ウレアまたはアンモニアと反応して、Ｃｒ³⁺を再生し、システムを再平衡化することができる：
Ｃｒ₂Ｏ₇ ^2-＋８Ｈ⁺＋ＣＯ（ＮＨ₂）₂→２Ｃｒ³⁺＋ＣＯ₂＋Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ
Ｃｒ₂Ｏ₇ ^2-＋８Ｈ⁺＋２ＮＨ₃→２Ｃｒ³⁺＋Ｎ₂＋７Ｈ₂Ｏ

【0067】

少なくとも一部の実施形態では、生成された窒素または二酸化炭素は、レドックスフロー電池システムの昇圧を防止するために、放出することができる。
代わりにまたはさらに、少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムを再平衡化するために、レドックスフロー電池システムは、アノード液またはカソード液のいずれかと併せて平衡配置を含むことによって、システムを再平衡化し、貯蔵容量を回復する。少なくとも一部の実施形態では、平衡配置は、バナジウム供給源（オキソバナジウム（ＶＯ²⁺）およびジオキソバナジウム（ＶＯ²⁺）イオン性種を生成する）および還元剤、例えば、酸化可能な炭化水素化合物を利用して、システムを再平衡化し、貯蔵容量を回復させる。以下の実施形態はＦｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムへの平衡配置の添加を例示している。このような平衡配置は他のレドックスフロー電池システム、または他の化学物質および／または電気化学的システムと共に使用することができることを理解されたい。

【0068】

図５Ａは、レドックスフロー電池システム１００および平衡配置５００の部分の一実施形態を例示している。図５Ｂは、平衡配置５００の一実施形態を例示している。本実施形態では、カソード液１１４は、レドックスフロー電池システム１００を再平衡化するために、平衡電解質５６２（例えば、ＶＯ²⁺／ＶＯ₂ ⁺を含有する電解質）および還元剤５６３と併せて使用される。平衡配置５００は、カソード液タンク１１８、平衡電極５５２、５５４、平衡半セル５５６、５５８、平衡分離体５６０、カソード液平衡ポンプ５７２、カソード液平衡分配システム５７６、平衡タンク５６６、任意の還元剤タンク５６７、平衡電解質ポンプ５７０、平衡電解質分配用配置５７４、および電位供給源５６１を含む。少なくとも一部の実施形態では、還元剤は、ウレアまたはアンモニアであることができ、これらはクロムまたは鉄錯体の配位子として存在することができ、またはそうでなければ還元剤として提供され得る。

【0069】

以下の反応方程式は、鉄ベースのカソード液１１４、オキソバナジウムイオンを含有する平衡電解質５６２、およびウレアまたはアンモニアを含有する還元剤５６３を使用したシステムの再平衡化の１つの例を例示している。
ＶＯ²⁺＋Ｈ₂Ｏ＋Ｆｅ³⁺→ＶＯ²⁺＋Ｆｅ²⁺＋２Ｈ⁺
６ＶＯ²⁺＋６Ｈ⁺＋ＣＯ（ＮＨ₂）₂→６ＶＯ²⁺＋ＣＯ₂＋Ｎ₂＋５Ｈ₂Ｏ
６ＶＯ²⁺＋６Ｈ＋＋２ＮＨ₃→６ＶＯ²⁺＋Ｎ₂＋６Ｈ₂Ｏ

【0070】

少なくとも一部の実施形態では、生成された窒素または二酸化炭素は、レドックスフロー電池システムの昇圧を防止するために放出することができる。
以下の反応方程式は、鉄ベースのカソード液１１４、オキソバナジウムイオンを含有する平衡電解質５６２、およびフルクトースを含有する還元剤５６３を、少なくとも０．２３Ｖの電位供給源５６１からの外部電位の適用と共に使用したシステムの再平衡化の別の例を例示している：
ＶＯ²⁺＋Ｈ₂Ｏ＋Ｆｅ³⁺→ＶＯ²⁺＋Ｆｅ²⁺＋２Ｈ⁺
２４ＶＯ₂ ⁺＋２４Ｈ⁺＋Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆→２４ＶＯ²⁺＋６ＣＯ₂＋１８Ｈ₂Ｏ
上記２つの例で例示された反応を介して、レドックスフロー電池システム１００のＡＯＳを減少させることができ、Ｈ⁺イオンは回復した水素生成において失われる。少なくとも一部の実施形態では、このような触媒は、多くの場合水素生成を増加させるので、この再平衡化（またはＡＯＳの修復または貯蔵容量の回復）はいかなる金属触媒も利用しない。少なくとも一部の実施形態では、平衡電解質５６２のＶＯ²⁺は、還元剤５６３を使用してＶＯ²⁺イオンが再生されるので、均質な触媒であると考えることができる。少なくとも一部の実施形態では、ＶＯ²⁺イオンの還元は平衡半電池５６６において生じる。

【0071】

少なくとも一部の実施形態では、還元剤５６３の酸化は半セル５５６の代わりに平衡タンク５６６内で実施することができ、ＶＯ²⁺イオンが利用可能な限り、外部電位の適用を必要とし得ない。適切な還元剤として、糖（例えば、フルクトース、グルコース、スクロースなど、またはこれらのいずれかの組合せ）、カルボン酸（例えば、ギ酸、酢酸、プロピオン酸、シュウ酸、などまたはこれらのいずれかの組合せ）、アルデヒド（例えば、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒドなど、またはこれらのいずれかの組合せ）、アルコール（例えば、メタノール、エタノール、プロパノールなど、またはこれらのいずれかの組合せ）、アンモニア、ウレア、チオウレア、アンモニウムイオン、他の炭化水素、または水素気体が挙げられる。少なくとも一部の実施形態では、還元剤は溶解性がありまたは水には少なくとも部分的に溶解性がある。

【0072】

少なくとも一部の実施形態では、還元剤５６３は、還元剤タンク５６７から平衡電解質５６２へ、定期的に、断続的に、または連続的に加えられる。少なくとも一部の実施形態では、この再平衡化プロセス（貯蔵容量の回復またはＡＯＣの修復のため）は、連続的に、断続的に、または定期的に生じる。例えば、カソード液平衡ポンプ５７２および平衡電解質ポンプ５７０は、連続的に、断続的に、または定期的に作動することができる。少なくとも一部の実施形態では、カソード液ポンプ１２２はまた、カソード液平衡ポンプ５７２として使用することもできる。さらに、カソード液平衡分配用配置５７６は、カソード液タンク１１８に連結するための、または接続を断つための弁を含み得る。
図５Ｃおよび５Ｄは、カソード液の代わりに、アノード液１１２（および対応するアノード液ポンプ５７２’およびアノード液平衡分配用配置５７６’）と共に作動する平衡配置５００’を有するレドックスフロー電池システム１００の別の実施形態を例示している。少なくとも一部の実施形態では、アノード液ポンプ１２０はまた、アノード液平衡ポンプ５７２’として使用することもできる。

【0073】

以下の反応方程式は、クロムベースのアノード液１１２、オキソバナジウムイオンを含有する平衡電解質５６２、およびフルクトースを含有する還元剤５６３を、電位供給源５６１からの、少なくとも１．４０Ｖの外部電位の適用と共に使用したシステムの再平衡化の１つの例を例示している：
ＶＯ²⁺＋Ｈ₂Ｏ＋Ｃｒ³⁺→ＶＯ²⁺＋Ｃｒ²⁺＋２Ｈ⁺
２４ＶＯ²⁺＋２４Ｈ⁺＋Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆→２４ＶＯ²⁺＋６ＣＯ₂＋１８Ｈ₂Ｏ
フルクトースの代わりに、上記に列挙されたものを含めて、他の還元剤を使用することができる。
図５Ｅは、カソード液またはアノード液のいずれかおよびレドックスフロー電池システム１００の残りの箇所に連結された対応するカソード液／アノード液タンク１１８／１１６と共に作動するように適合させることができる平衡配置５００”の別の実施形態を例示している。この実施形態は、カソード液／アノード液タンク１１８／１１６および平衡タンク５６２との間に、中間タンク５８４および２つの中間半セル５８６、５８８ならびに対応する半セル５５６／５５８を組み込んでいる（平衡タンクと同様に、中間ポンプおよび中間分配用配置、ならびに２つの半セル５８６、５８８の間の中間分離体ならびに２つの半セル５８６、５８８の電極の間に電位を適用する供給源電位が存在し得る）。一実施形態では、中間タンク５８４内の中間電解質はＶ²⁺／Ｖ³⁺イオンを含有する。

【0074】

以下の反応方程式は、平衡配置５００”およびレドックスフロー電池システム１００のカソード液１１４を使用したシステムの再平衡化の１つの例を例示している（図１）。
ＶＯ²⁺＋Ｈ₂Ｏ－ｅ^-→ＶＯ²⁺＋２Ｈ⁺（半セル５５６）
Ｖ³⁺＋ｅ^-→Ｖ²⁺（半セル５５８）
Ｖ²⁺－ｅ^-→Ｖ³＋（半セル５８６）
Ｆｅ³⁺＋ｅ^-→Ｆｅ²⁺（半セル５８８）
２４ＶＯ₂ ⁺＋２４Ｈ＋＋Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆→２４ＶＯ²⁺＋６ＣＯ₂＋１８Ｈ₂Ｏ（平衡タンク５６２または半電池５５６または両方）
フルクトースの代わりに、上記に列挙されたものを含めて、他の還元剤を使用することができる。

【0075】

別の実施形態は、カソード液の代わりに、中間電解質および平衡電解質と併せてアノード液（Ｃｒ²⁺／Ｃｒ³⁺）を使用する。また別の実施形態はアノード液を使用し、Ｖ²⁺／Ｖ³⁺中間電解質をＦｅ²⁺／Ｆｅ³⁺中間電解質で置き換える。
本明細書に記載されている平衡配置は、他のレドックスフロー電池システムと共に、特に水素気体を生成することが可能な他のレドックスフロー電池システムと共に利用することができることを認識されたい。このようなレドックスフロー電池システムの例として、これらに限定されないが、Ｚｎ－ＢｒまたはＺｎ－Ｃｌレドックスフロー電池システム、バナジウムベースの（例えば、すべてのバナジウム、Ｖ－Ｂｒ、Ｖ－Ｃｌ、またはＶ－ポリハライド）レドックスフロー電池システム；Ｆｅ－Ｖもしくは他の鉄ベースのレドックスフロー電池システム（例えば、すべての鉄レドックスフロー電池システム）；または有機のレドックスフロー電池システムが挙げられる。

【0076】

一部の実施形態では、Ｆｅ²⁺過充電条件の間、塩素気体（Ｃｌ₂）はレドックスフロー電池システム１００のカソード液側に生成され得る。塩素は、例えば、カソード液タンク１１８または半セル１０８などまたはこれらのいずれかの組合せのカソード液ヘッドスペース内に閉じ込めることができる。塩素気体の継続した生成は、閉じ込められたカソード液ヘッドスペース内の圧力を増加させる。少なくとも一部の実施形態では、これは、流れを制御するための１つまたは複数の弁またはスイッチ６３９を含んでもよい接続６３８ｃ（図６Ｃ）を介して、塩素気体をアノード液ヘッドスペースに移動させる結果となり得る。少なくとも一部の実施形態では、塩素気体の少なくとも一部分はアノード液溶液により吸収され得る。少なくとも一部の実施形態では、以下の反応が塩素とアノード液溶液との間で生じることによって、過充電したシステムを化学的に放電することができる：
２Ｃｒ²⁺＋Ｃｌ₂→２Ｃｒ³＋＋２Ｃｌ^-
２Ｆｅ²⁺＋Ｃｌ₂→２Ｆｅ³⁺＋２Ｃｌ^-

【0077】

少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システム１００は、カソード液またはアノード液ヘッドスペース内の圧力に対処するための圧力放出システムを含み得る。例えば、圧力逃しバルブ６３８ａ（図６Ａ）または液体含有Ｕ字管配置６３８ｂ（図６Ｂ）を、圧力に対処するためにカソード液ヘッドスペースに連結することができる。同様に、圧力逃しバルブまたは液体含有Ｕ字管配置を、アノード液ヘッドスペースに連結することができる。少なくとも一部の実施形態では、アノード液またはカソード液ヘッドスペース内の気体は、双方向性気体圧力制御システム、例えば、Ｕ字管配置を介して環境の大気と交換され得る。少なくとも一部の実施形態では、Ｕ字管配置はまた、気体リークモニターとして使用することができる。少なくとも一部の実施形態では、Ｕ字管配置内の液体は、レドックスフロー電池システムにより環境に放出された酸含有気体の量を推定するために使用することができる酸レベルインジケーターを含有することができる。
少なくとも一部の事例では、電解質およびレドックス反応の化学的生成物のリークからの酸性溶液および化学物質蒸気は、レドックスフロー電池システム１００内の電子デバイス（例えば、コントローラー１２８、スイッチ、弁、ポンプ、センサーなど）を損傷する可能性がある。加えて、リークは環境の損傷または汚染をもたらし得る。

【0078】

少なくとも一部の実施形態では、アノード液またはカソード液または両方を含有するレドックスフロー電池システム１００のすべて、または一部分は、酸吸収材、例えば、炭酸ナトリウム、炭酸水素ナトリウム、炭酸カルシウム、または酸化カルシウムなどを含有する第２の容器７９０（図７）内に位置することができる。少なくとも一部の実施形態では、第２の容器は、少なくとも１０、２５、４０、５０、６０、７０、７５、９０パーセントまたはこれよりも多くのアノード液またはカソード液または両方を中和するのに十分な酸吸収材を含有することができる。

【0079】

一部の実施形態では、図８に例示されているように、温度ゾーン８９２内での充電または放電する期間の間、アノード液およびカソード液を含有する構成要素、例えば、レドックスフロー電池システム１００のアノード液またはカソード液タンク１１６、１１８、半セル１０６、１０８、アノード液またはカソード液分配システム１２４、１２６の少なくとも一部分、電極１０２、１０４などは、少なくとも５０、６０、７０、または８０℃またはこれよりも高い温度で維持される。これら構成要素の温度は、１つまたは複数の加熱デバイス８９４を使用して維持することができる。加えて、レドックスフロー電池システムの１つまたは複数の電子的構成要素、例えば、１つまたは複数のコントローラー１２８、ポンプ１２０、１２２、１つまたは複数のセンサー、１つまたは複数の弁などは、４０、３５、３０、２５、または２０℃以下の温度で維持される。これらの構成要素の温度は、１つまたは複数の冷却デバイス８９６を使用して維持することができる。
少なくとも一部の実施形態では、クロマイト鉱石は、上記に記載されているアノード液またはカソード液に使用されているクロム含有化合物を得るための出発材料として使用することができる。クロマイト鉱石（化学式ＦｅＯ－Ｃｒ₂Ｏ₃で表される鉄と酸化クロムの混合物）は高温（少なくとも１０００℃）および還元条件下で、炭素源を用いて処理することによって、鉱石を予め決定された含有量の未燃焼炭素粒子を有する多孔質Ｆｅ－Ｃｒ合金へと変換する。
ＦｅＣｒ₂Ｏ₄＋Ｃ→Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ＋ＣＯ＋ＣＯ₂

【0080】

適切な炭素源の例として、これらに限定されないが、クロマイト鉱石から酸素を一酸化炭素または二酸化炭素として除去することができるグラファイト、石炭、活性炭、木炭、一酸化炭素気体、および４未満の酸化状態を有する炭素を含有する炭素含有材料が挙げられる。
Ｆｅ－Ｃｒ－Ｃ粒子は、予め決定されたサイズに粉砕して、次いで大気中で高温硫酸に溶解して、ＦｅＳＯ₄およびＣｒ₂（ＳＯ₄）₃を生成する。任意に溶液は濾過して、不溶性の構成要素を除去してもよい。
Ｆｅ＋Ｃｒ＋Ｈ₂ＳＯ₄→Ｆｅ₂（ＳＯ₄）₃＋Ｃｒ₂（ＳＯ₄）₃＋Ｈ₂
塩化カルシウムまたは塩化バリウムを溶液に加えて、大部分の硫酸イオンアニオンを除去する。溶液を濾過して、硫酸カルシウムまたは硫酸バリウムおよび他の不溶性構成要素を除去する。
ＣａＣｌ₂＋Ｆｅ₂（ＳＯ₄）₃＋Ｃｒ₂（ＳＯ₄）₃→ＣａＳＯ₄＋ＦｅＣｌ₃＋ＣｒＣｌ₃
ＢａＣｌ₂＋Ｆｅ₂（ＳＯ₄）₃＋Ｃｒ₂（ＳＯ₄）₃→ＢａＳＯ₄＋ＦｅＣｌ₃＋ＣｒＣｌ₃

【0081】

任意に、ＦｅＣｌ₃またはＣｒＣｌ₃を溶液に加えることによって、Ｃｒ：Ｆｅ比を調整して、所望の最終比（例えば、３：２Ｃｒ：Ｆｅ）を達成することができる。溶液を冷却して、ＦｅＣｌ₃／ＣｒＣｌ₃混合物を結晶化し、不純物を除去する。任意に、再結晶化を使用して、不純物を１回または複数回除去することができる。
ＦｅＣｌ₃／ＣｒＣｌ₃混合物は、水および還元した鉄粉末を加えて、ＦｅＣｌ₂／ＣｒＣｌ₃溶液を生成することによって、電解質として使用することができる。所望する場合、還元した鉄およびＦｅＣｌ₃の反応からの熱で溶液を加熱することができる。
Ｆｅ＋２ＦｅＣｌ₃→２ＦｅＣｌ₂＋熱（およそ１６８．３ｋＪ／モルの鉄）
少なくとも一部の実施形態では、Ｈ₂ＳＯ₄またはＨＣｌを溶液に加えて、最終電解質組成物を生成する。

【0082】

他のクロム材料もまた使用することができる。このようなクロム材料として、クロム廃棄物、例えば、めっき廃液、革なめし廃棄物など（例えば、鉄紛またはＦｅ²⁺またはＣｒ³⁺化合物などの還元剤により最初に還元することができる、Ｃｒ⁶⁺化合物を有するクロム含有材料を含む）を挙げることができる。これらのクロム材料は、塩酸または硫酸などの酸を使用して、溶解させて、クロム塩を生成することができる。溶解したクロムのｐＨは、ｐＨ＞３、５、７、またはより多くまで増加させて、Ｃｒ（ＯＨ）₃を生成することができる。少なくとも一部の実施形態では、酸およびｐＨの選択は、他のクロム化合物、例えば：
Ｃｒ（ＯＨ）₃＋３ＨＣｌ→ＣｒＣｌ₃＋３Ｈ₂Ｏ
２Ｃｒ（ＯＨ）₃＋３Ｈ₂ＳＯ₄→Ｃｒ₂（ＳＯ₄）₃＋６Ｈ₂Ｏ
を提供することができる。
代わりに、ＨＣｌと組み合わせて、ＦｅＣｌ₂、Ｆｅ＋ＦｅＣｌ₃、Ｆｅ（ＯＨ）₂、またはＦｅ＋Ｆｅ（ＯＨ）₃を加えることは、電解質組成物を生成することができる。

【0083】

クロマイト鉱石およびクロム廃棄物は、不純物、例えば、シリカ、アルミナ、鉄、および他の金属（Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｓｂ、Ｂｉ、など）を含有することができる。これらの金属の一部は、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池の作動中、水素気体を推進させて、水素生成触媒として作用することができる。上に記載されているように、金属不純物はアノード液中で金属粒子に還元することができ、フィルター、例えば、図１２のフィルター１２１を使用して、これらの粒子を除去することができる。少なくとも一部の実施形態では、フィルター１２１は１～１０マイクロメートルの範囲の細孔サイズを有する。フィルターは、酸化溶液、例えば、Ｆｅ³⁺含有溶液またはフロー電池のカソード溶液を用いて定期的に洗浄して、フィルターで捕獲されたこれらの小さな金属粒子を溶解し、使用した洗浄溶液をシステムから除去する。捕獲され、除去された金属カチオンは、さらなる適用のために再利用することができる。

【0084】

少なくとも一部の実施形態では、レドックス電池システム１００は、図１０に例示されているように、同じアノード液１１２およびカソード液１１４を利用した第２次レドックスフロー電池配置２０１を含むことができる。第２次レドックスフロー電池配置２０１は、２つの電極２０２、２０４、関連する半セル２０６、２０８、分離体２１０、アノード液ポンプ２２０、カソード液ポンプ２２２、アノード液分配用配置２２４、およびカソード液分配用配置２２６を含む。第２次レドックスフロー電池配置２０１はまた第１次レドックスフロー電池配置１０１で使用されるアノード液タンク１１６およびカソード液１１８を含み、同じコントローラー１２８により操作され、図１０に例示されているように、同じ負荷／供給源１３０／１３２に連結しているまたは連結可能である。（図１０は、第１次次レドックスフロー電池配置１０１と第２次レドックスフロー電池配置２０１との間で分割したアノード液およびカソード液タンク１１６、１１８を例示しているように見え得るが、アノード液およびカソード液タンク１１６、１１８の全体は、第１次および第２次レドックスフロー電池配置１０１、２０１のそれぞれの一部であることを理解されたい）。

【0085】

少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置２０１は、より小さな半セル２０６、２０８またはアノード液／カソード液ポンプ２２０、２２２を有し、第１次レドックスフロー電池配置１０１よりも、ポンプ供給能力（またはこれらの特徴のいずれかの組合せ）が限定されている。少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置２０１のピークパワー送達能力の、第１次レドックスフロー電池配置１０１のピークパワー送達能力に対する比は１：５～１：２００の範囲、または１：１．１～１：１０の範囲であり、または１：１．５～１０の比である。少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力は第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力より低い。
少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置２０１は、高パワー送達期間中、負荷１３０に対して直列または並行した立体配置で第２のレドックスフロー電池配置２０１を配置することにより、第１次レドックスフロー電池配置１０１を補助するために使用することができる。

【0086】

少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置２０１は、低パワー送達期間中、第１次レドックスフロー電池配置１０１が作動しておらず、または静止の状態である期間を提供するように、第１次レドックスフロー電池配置１０１を置き換えるために使用することができる。第２次レドックスフロー電池配置２０１は、同じアノード液／カソード液１１２、１１４を継続して使用して、これらの電解質を放電し、第１次レドックスフロー電池配置１０１の非作動期間中の自己放電または過熱を減少させるまたは防止する。少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置２０１を使用して、第１次レドックスフロー電池配置１０１を再開させることができる。

【0087】

少なくとも一部の実施形態では、コントローラー１２８は、引き出されている放電パワーが最初の予め定義したレベル以下の場合、第１次レドックスフロー電池配置１０１から第２次レドックスフロー電池配置２０１へとスイッチするように構成されている。少なくとも一部の実施形態では、コントローラー１２８は、引き出されている放電パワーが少なくとも第２の予め定義したレベルにある場合、第２次レドックスフロー電池配置２０１から第１のレドックスフロー電池配置１０１へとスイッチするように構成されている。少なくとも一部の実施形態では、第１および第２の予め定義したレベルは同じである。他の実施形態では、第２の予め定義したレベルは第１の予め定義したレベルより大きい。少なくとも一部の実施形態では、コントローラー１２８は、引き出される放電パワーが少なくとも第３の予め定義したレベルにある場合、第２次レドックスフロー電池配置２０１を第１のレドックスフロー電池配置１０１に加えるように構成されている。

【0088】

少なくとも一部の実施形態では、第２次レドックスフロー電池配置２０１は非常用電源として使用することができる。少なくとも一部の実施形態では、第１次レドックスフロー電池配置１０１が静止または非作動状態で配置された場合、第１次レドックスフロー電池配置の半セル１０６、１０８内の電解質１１２、１１４は、第２次レドックスフロー電池配置２０１を第１次レドックスフロー電池配置に連結することによって、負荷１３０として放電することができる（例えば、第１次レドックスフロー電池配置への損傷を回避するため）。少なくとも一部の実施形態では、目的は単に半セル１０６、１０８内の電解質１１２、１１４を放電することであるため、アノード液およびカソード液ポンプ１２０、１２２は、本プロセスの間、比較的にゆっくりと停止またはポンプ供給される。逆に、第２次レドックスフロー電池配置２０１が静止または非作動状態に配置される場合、第２次レドックスフロー電池配置の半セル２０６、２０８内の電解質１１２、１１４は、第１次レドックスフロー電池配置２０１を第２次レドックスフロー電池配置に連結することによって、負荷１３０として放電され得る。

【0089】

レドックスフロー電池システムは、１つまたは複数の第１次レドックスフロー電池配置２０２および１つまたは複数の第２次レドックスフロー電池配置２０１を含むことができることを認識されたい。１つまたは複数の第２のレドックスフロー電池配置２０１は、本明細書に記載されている他の実施形態のいずれかに組み込むことができ、レドックスフロー電池システムに対して本明細書に記載されている変化形のいずれかはまた、第２次レドックスフロー電池配置２０１に適用することができることを認識されたい。
レドックスフロー電池は、図１１に例示されているように、レドックスセル電池システム１００に結合している電解セル１１３０中の水１１１２の電解による水素の生成のために使用することができる。電解セル１１３０は、電極１１０２、１１０８を含み、水素除去配置１１２５は、電解セル１１３０内の水の電解により生成される水素気体１１１３を、水素気体貯蔵タンク１１１７に送達する。酸素気体からの水素気体１１１３の分離は公知であり、いずれか適切な方法を使用して実施することができる。

【0090】

レドックスフロー電池システム１００は、水素気体を生成するための、好都合で、有用なメカニズムを提供する。レドックスフロー電池システム１００は充電して、次いで電解セル１１３０内の水を電解するために使用することができる。水を加水分解するためのＡＣパワーからＤＣパワーへの変換を必要とする水素生成用の多くの従来の配置とは対照的に、レドックスフロー電池システム１００は水を加水分解して水素気体を生成するのに十分であることができるＤＣパワーを本質的に生成する。
代わりにまたはさらに、少なくとも一部の実施形態では、水素気体１１１３はレドックスフロー電池システム１００の作動の副生成物である。水素除去配置（水素除去配置１１２５と類似）は、第１の半セル１０６または第２の半セル１０８のいずれかで生成した水素気体１１１３を、水素気体貯蔵タンク１１１７に送達する。レドックスフロー電池システム１００の充電のこの副生成物は追加の生成物として販売することができる。

【0091】

レドックスフロー電池システムにおいて、カソード液またはアノード液（または両方の）中の活性種の平均酸化状態（ＡＯＳ）は、特に例えば、システムにおける水素生成または酸素侵入などの条件を変えることができる。ＡＯＳの変更の結果、システムは不均衡となる可能性があり、システム貯蔵容量は低減し、または副反応、例えば、水素生成、またはこれらの作用のいずれか組合せが加速され得る。
レドックスフロー電池システムを知ることは有用である。従来のＡＯＳ決定方法は、試料を採取し、オフラインで電位滴定分析を行い、インサイチュでＵＶ－Ｖｉｓ測定を得ること、または基準電極に対してインサイチュで潜在的相違点測定を実施することを含む。これらの技術は速度が遅く、または比較的に不正確である可能性がある。

【0092】

これら従来の技術とは対照的に、比較的速いおよび正確な方法が本明細書で提示されている。本方法は、低電位充電プロセス中に電解質のうちの少なくとも１種のイオンの容量を測定し、この充電容量および電解質の公知の容積を使用して、ＡＯＳを決定することを含む。
少なくとも一部の実施形態では、アノード液／カソード液タンク１１６、１１８はそれぞれ一連のタンクであることができる。例えば、少なくとも一部の実施形態では、アノード液／カソード液タンク１１６、１１８は、図２１に例示されているように、第１次電解質タンク２１１６および１つまたは複数の補助電解質タンク２１１８をそれぞれ含む。少なくとも一部の実施形態では、第１次電解質タンク２１１６は、立方体または長方形の直方体とは対照的に図２１に例示されているように、円柱状である。少なくとも一部の実施形態では、円柱状タンクはリークの可能性が低いのに対して、立方体または長方形の直方体は特に比較的に大きなタンクに対してリークを起こす傾向がある。

【0093】

少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システムに対するタンク貯蔵領域１２５は、図２１に例示されているように長方形の直方体であるか、または別の非円柱状の形状であり得る。円柱状の第１次電解質タンク２１１６は、図２１に例示されているように、タンク貯蔵領域１２５を満たし得ない。追加の電解質貯蔵を提供するために、１つまたは複数の（例えば、１つ、２つ、３つ、４つ、５つ、６つ、またはこれよりも多くの）補助電解質タンク２１１８がタンク貯蔵領域１２５内に含まれてもよい。補助電解質タンク２１１８は、第１次電解質タンク２１１６に直列にまたは並行して接続することができる。補助電解質タンク２１１８は円柱、立方体、長方形の直方体、またはいずれか他の適切な形状であることができる。補助電解質タンク２１１８が第１次電解質タンク２１１６よりも実質的に小さな容積（例えば、５、１０、または２５％以下）を有する場合、リーク（またはリークの可能性）に対する懸念はより低くなり得る。補助電解質タンク２１１８はすべて同じ形状または容積を有することもできるし、または異なる形状または容積を有することもできる。

【0094】

図１３は、レドックスフロー電池システムに対する３つの異なる充電曲線を例示している。第１の充電曲線９９０は平衡したシステムに対するものである。第２の充電曲線９９２および第３の充電曲線９９４は２つ異なる不均衡システムに対するものである。不均衡システムでは、低い電位充電領域９９２ａ、９９４ａおよび高い電位充電領域９９２ｂ、９９４ｂが存在する。低い電位充電領域９９２ａ、９９４ａにおいて１つまたは複数の測定を実施することにより、ＡＯＳを決定することができる。
このＡＯＳ決定方法は、上記に記載されているＦｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムを使用して例示される。しかし、これらの方法は、いずれか他の適切なレドックスフロー電池システムと共に使用することができることを理解されたい。この例では、カソード液とアノード液の両方が鉄およびクロムイオンを含む。平衡したシステムに対して、レドックスフロー電池システムが完全に放電された場合、アノード液とカソード液の両方の中にＦｅ²⁺およびＣｒ³⁺のみが存在する。充電が適用されると、システムには以下のレドックス反応が生じる：
Ｆｅ^2+-→Ｆｅ³⁺＋ｅ（Ｅ^o＝＋０．７７Ｖ、陽極側）
Ｃｒ³⁺＋ｅ^-→Ｃｒ²⁺（Ｅ^o＝－０．４０Ｖ、陰極側）
少なくとも一部の実施形態では、陽極の電解質と陰極の電解質との間の潜在的相違は、図１３の第１の充電曲線９９０により例示されているように、０．９Ｖ超に直ちに増加し得る。

【0095】

しかし、システムが不均衡である場合、副反応によりＡＯＳは増加する。例えば、Ｆｅ²⁺／Ｆｅ³⁺／Ｃｒ³⁺の混合物は不均衡なＦｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムの放電された電解質中に見出すことができる。このようなイオン混合物に対して、充電がレドックスフロー電池システムに適用された場合、システムは最初に以下のレドックス反応を生じる：
Ｆｅ^2+-→Ｆｅ³⁺＋ｅ（陽極側）
Ｆｅ³⁺＋ｅ^-→Ｆｅ²⁺（陰極側）
これらの反応は、すべてのＦｅ³⁺イオンが陰極の電解質において消費されるまで、低い電位で生じる。これは図１３の低い電位充電領域９９２ａ、９９４ａに対応する。すべてのＦｅ³⁺イオンが消費されて初めて、クロムイオンは、高い電位充電領域９９２ｂ、９９４ｂに例示されているように、より高い帯電電位で還元される。

【0096】

この低い電位充電プロセスの充電容量を使用して、アノード液中のＦｅ³⁺イオンの量を決定することができる。例えば、図１３の分岐点９９３での充電容量を２６．８Ａｈ／モルで割ると（電子１モルに対する電荷）、アノード液中のＦｅ³⁺のモル量が得られる。これを陽極および陰極の電解質の容積と合わせて使用して、レドックスフロー電池システムのＡＯＳを決定することができる。

【0097】

この情報はまた、例えば、上記に記載されている平衡配置を使用して、レドックスフロー電池システムを再平衡化するために使用することもできる。例として、図５Ａおよび５Ｂに例示された平衡配置５００を使用して、オキソバナジウムイオンを含有する平衡電解質５６２、およびフルクトースを含有する還元剤５６３は、少なくとも０．２３Ｖの電位供給源５６１からの外部電位の適用と共に以下の反応を生成する：
ＶＯ²⁺＋Ｈ₂Ｏ＋Ｆｅ³⁺→ＶＯ₂ ⁺＋Ｆｅ²⁺＋２Ｈ⁺
２４ＶＯ₂ ⁺＋２４Ｈ⁺＋Ｃ₆Ｈ₁₂Ｏ₆→２４ＶＯ²⁺＋６ＣＯ₂＋１８Ｈ₂Ｏ
ＡＯＳの再平衡化は、還元剤５６３（フルクトース）を平衡電解質５６２に提供することにより達成することができる。例えば、モル量のＦｅ³⁺を（１／２４）で掛けたものと等しいモルの量のフルクトースを理想的に提供することによって、ＡＯＳを再平衡化することができる。より多くのフルクトースを使用して、システム内の非理想的要素によるＡＯＳを、完全に再平衡化することができることを認識されたい。

【0098】

図１４は、ＡＯＳを決定する方法の一実施形態のフローチャートである。ステップ１０６０では、低い電位充電期間の間、充電容量が測定される。例えば、充電容量は、充電曲線が、例えば、図１３の分岐点９９３、９９５において、低い電位充電期間から高い電位充電期間へと変化する場合、充電容量として測定することができる。次いで、ステップ１０６２では、ＡＯＳは、この測定（または測定のセット）ならびに公知の容積のアノード液およびカソード液およびカソード液およびアノード液のそれぞれの公知の鉄およびクロム濃度を使用して決定することができる。少なくとも一部の実施形態では、ステップ１０６０の前に、レドックスフロー電池システム１００中のアノード液１１２およびカソード液１１４は、外部電位を適用するか、またはアノード液およびカソード液を完全に混合することにより、完全に放電することができる。少なくとも一部の実施形態では、カソード液およびアノード液は、充電容量を決定する前に完全に混合することができる。

【0099】

別の実施形態は、完全に放電したシステムを必要とせず、ニオブの滴定を使用していずれかの充電状態に対して決定することができる。図１５は本方法の一実施形態のフローチャートである。ステップ１１６６では、１種のイオン性種（例えば、Ｆｅ³⁺またはＣｒ³⁺）の量は、１種の電解質（カソード液またはアノード液）において、その電解質の流れを停止し、非流動の電解質における最初のイオン性種のインサイチュでの滴定を実施することにより測定される。レドックスフロー電池システムを介して流れ続けることが好ましい、平衡配置５００または他の電解質を、イオン性種を滴定するために使用することができる。一例として、Ｆｅ³⁺の量は、カソード液の流れを停止し、ａ）平衡配置５００におけるバナジウムイオン、またはｂ）アノード液中のＣｒ²⁺のいずれかを使用して、Ｆｅ³⁺を滴定することによりカソード液中で決定することができ、これらはレドックス電池システムを介して流れ続けることにより、すべてのＦｅ³⁺を滴定するのに十分なＣｒ²⁺イオンが存在することを確実にすることができる。

【0100】

ステップ１１６８では、第２のイオン性種（例えば、Ｃｒ²⁺またはＦｅ²⁺）の量は、その電解質の流れを停止し、非流動の電解質中の第２のイオン性種のインサイチュでの滴定を実施することにより、１種の電解質（アノード液またはカソード液）において測定される。好ましくは、第２のイオン性種は、１種のイオン性種がカソード液中で測定され、１種のイオン性種がアノード液で測定されるよう、第１のイオン性種が測定された電解質とは異なる電解質中で測定される。少なくとも一部の実施形態では、第１のイオン性種の測定は、第２のイオン性種の量または濃度を改変させて、第２のイオン性種の測定がこの改変を考慮に入れて調整されるようにする。平衡配置５００または他の電解質は、レドックスフロー電池システムを介して流れ続けることが好ましいが、これらはイオン性種を滴定するために使用することができる。一例として、Ｃｒ²⁺の量は、アノード液の流れを停止し、ａ）平衡配置５００中バナジウムイオンまたはｂ）カソード液中Ｆｅ³⁺のいずれかを使用して、Ｃｒ²⁺を滴定することにより、アノード液中で決定することができ、これらはレドックス電池システムを介して流れ続けることにより、すべてのＣｒ²⁺を滴定するのに十分なＦｅ³⁺イオンが存在するのを確実にすることができる。
次いでステップ１１７０では、これら２種の測定、鉄およびクロムの初期の濃度または量、半セルの容積、ならびにアノード液およびカソード液の容積を使用してＡＯＳを決定することができる。

【0101】

別の実施形態では、充電プロセスの代わりに放電プロセスを観察することができる。充電したまたは部分的に充電したシステムに対して、放電または自己放電プロセスを使用して、２種の異なる電気化学的対（ここでは、Ｆｅ²⁺／Ｆｅ³⁺対Ｃｒ²⁺／Ｃｒ³⁺）および異なる濃度を有する１つの対（Ｆｅ²⁺／Ｆｅ³⁺）の間での放電速度差異に基づき、陽極電解質における過剰なＦｅ³⁺を推定することができる。電気化学的デバイスにおける２種の電気化学的対に対する放電速度の変化は、異なる濃度を有する１種の電気化学的対よりもずっと速い。その結果、図１６に例示されているように、分岐点１２９７が放電曲線１２９６において観察することができる。少なくとも一部の実施形態では、この分岐点１２９７を使用して、カソード液中の過剰なＦｅ³⁺の量を推定することができる。図１７は、放電曲線を使用してＡＯＳを決定する方法の一実施形態である。ステップ１３７４では、放電速度は初期の放電の間に測定される。ステップ１３７６では、電圧放電における分岐点が決定され、開回路電圧が測定される。ステップ１３７８では、分岐点後の開回路電圧を使用して、ネルンスト方程式を使用して、活性のある電気化学的対（ここでは、Ｆｅ³⁺／Ｆｅ²⁺⁺）の過剰濃度を推定することができる。少なくとも一部の実施形態では、放電終了ポイントは、（クロム全部の）１％、５％、または１０％を超えるＣｒ²⁺イオンがアノード液中に存在するポイントとなるように選択される。ステップ１３８０では、ＡＯＳは、推定される濃度、および電解質の公知の容積から決定することができる。これは、図１４に例示されている以前に記述された方法の逆のプロセスである。

【0102】

少なくとも一部の実施形態では、上記に記載されているＡＯＳを決定する方法および図１３～１８を使用して例示されたＡＯＳは、半セル１０６、１０８、アノード液１１２、カソード液１１４，レドックスフロー電池システム１００の他の要素、または平衡システム５００の要素を使用してインサイチュで実施することができる。他の実施形態では、ＡＯＳを決定する方法は、アノード液１１２またはカソード液１１４または両方の一部分を、測定のために、１つまたは複数の他の半セルへと流すことを含んでもよい。さらに他の実施形態では、ＡＯＳを決定する方法は、アノード液１１２またはカソード液１１４または両方の一部分を除去し、レドックスフロー電池システム１００の外部で測定を実施することを含むことができる。

【0103】

少なくとも一部の実施形態では、決定されたＡＯＳを使用して、生成される水素または他の副生物の生成の量を推定することができる。少なくとも一部の実施形態では、図１４、１５、および１７におけるＡＯＳの決定に続いて、上に記載されているような平衡配置を作動させて、レドックスフロー電池システムを再平衡化させ、ＡＯＳを回復させることもできる。このような作動は、例えば、平衡電解質５６２に加えるための還元剤５６３の量を決定することを含むことができる。
所与のレドックスフロー電池システムに対して、電池スタック内側の電解質容積と、全電池システムとの固定された比が存在する。電池スタック内側の電解質容積は電解質タンクの外側の容積より常にずっと小さい。よって、スタック内側の電解質は、全システムの電解質を充電および放電するよりもずっと速く充電および放電する。レドックスフロー電池の利用可能な許容量のための迅速な測定のための解決策は、所与の作動条件において電解質の流れがないだけの条件下での、スタック内での電解質の充電または放電であり、次いでシステム設計パラメーターに基づき、この結果を全システムへと変換する。

【0104】

多くの場合、レドックスフロー電池システムの利用可能なエネルギーもしくは貯蔵容量、またはエネルギーもしくは貯蔵容量の変化を知りたいという要望がある。このような決定に対する従来の方法は、例えば、オフラインでの滴定または他の分析、インサイチュでの紫外線－可視（ＵＶ－Ｖｉｓ）測定、またはインサイチュでの基準電極に対する潜在的相違点の測定を行うために、レドックスフロー電池システムから試料を採取することを含む。これらの方法は速度が遅く、または不正確な方法である可能性がある。

【0105】

レドックスフロー電池システムの作動中、活性物質が不均衡となった場合、所与のセットの放電条件に対してレドックスフロー電池システムの終了ＯＣＶ（開回路電圧）が変化することが判明した。終了ＯＣＶにおける差異は、その使用可能な貯蔵または充電容量と直接的関係を有する。加えて、終了ＯＣＶはＡＯＳと直接的関係を有することができる。特に、所与のレドックスフロー電池システムに対して、同じ放電速度下で、終了ＯＣＶとシステム貯蔵または充電容量またはＡＯＳとの間に信頼できる関係が存在する。ある特定の条件下、例えば、システムのアノード液側でのＨ₂生成またはシステムへのＯ₂侵入では、システム中の活性種は不均衡となる。その結果、システムの貯蔵または充電容量は低減し、副反応がさらに加速される。ＯＣＶとシステム貯蔵または充電容量またはＡＯＳとの間の関係もまた変化する。
一例として、Ｆｅ－Ｃｒレドックスフロー電池システムの一実施形態に対して、１．１００ＶのＯＣＶに充電した後、これを３３ｍＷ／ｃｍ²で０．６０Ｖまで放電し、放電エネルギーおよび関連した終了ＯＣＶが以下の表に付与されている。

【0106】

【表3】

この表に示されている通り、同じ放電条件下での終了ＯＣＶは、システムの利用可能な貯蔵または充電容量に対する指標として使用することができる。したがって、終了ＯＣＶはまた、ＡＯＳの指標としても使用することもできる。
よって、少なくとも一部の実施形態では、利用可能な貯蔵または充電容量またはＡＯＳは、一連の所与の条件下、例えば、予め選択した放電速度またはパワー下でのシステムの全放電、これに続く終了ＯＣＶの測定により決定することができる。この終了ＯＣＶは、予め決定されたＯＣＶ曲線、予め決定された参照表もしくは他の較正表、チャートなどと比較することができ、または予め決定された数学的関係に適用して、貯蔵もしくは充電容量もしくはレドックスフロー電池システムのＡＯＳを決定することもできる。
少なくとも一部の実施形態では、放電および終了ＯＣＶ測定は、半セル１０６、１０８および電極１０２、１０４を使用して実施することができる。少なくとも一部の実施形態では、全レドックスフロー電池システムは放電されている。

【0107】

レドックスフロー電池システムに対して、通常、電池スタック（例えば、半セル１０６、１０８）および全体のシステムにおける電解質容積の固定された比が存在する。電池スタック内側の電解質容積は通常、電解質タンク１１６、１１８内の容積よりずっと小さい。よって、半セル１０６、１０８の電解質内側の充電および放電は全体のシステム内の電解質の充電および放電よりずっと迅速に行うことができる。したがって、少なくとも一部の実施形態では、電解質の流れ（アノード液およびカソード液）は、半セル１０６、１０８中の電解質のみが放電されるように、この貯蔵容量の決定中に停止させることができる。通常、半セル１０６、１０８中の電解質の終了ＯＣＶ測定は全レドックスフロー電池をシステム全体として示す。

【0108】

さらに、終了ＯＣＶの放電および測定を実施するために、電池スタックの半セル（例えば、半セル１０６、１０８）よりさらに小さな容積を有するセルを使用ことが有利となり得る。少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システム１００は、図１８に例示されているように、半セル１４０６、１４０８および電極１４０２、１４０４を有するＯＣＶセル１４０１を含むことができる。少なくとも一部の実施形態では、ＯＣＶセル１４０１は半セル１０６、１０８および電極１０２、１０４よりも容積が、少なくとも２５％、３０％、４０％、５０％、６０％、または７５％小さくてもよい。ＯＣＶセル１４０１は、図１８に例示されているように、半セル１０６、１０８を介して、電解質（アノード液およびカソード液）の流れに一直線に並べられてもよい。代わりに、ＯＣＶセル１４０１は、アノード液分配用配置１２４およびカソード液分配用配置１２６を介して電解質の直列の流れの外側に配置されてもよく、ＯＣＶセル１４０１は、弁、スイッチなどを使用して電解質を充電することができる。ＯＣＶセルにおける放電プロセスは、半セル１０６、１０８より速く（電解質の流れは停止している）、終了ＯＣＶのより速い測定および貯蔵容量の決定をもたらすことができるので、比較的小さなＯＣＶセル１４０１を有することが有利となり得る。したがって、少なくとも一部の実施形態では、電解質（アノード液およびカソード液）の流れは、ＯＣＶセル１４０１中の電解質のみが放電されるよう、この貯蔵容量決定中は停止させることができる。

【0109】

図１９は、レドックスフロー電池システムの貯蔵または充電容量またはＡＯＳを決定する方法の一実施形態のフローチャートである。ステップ１５７４では、レドックスフロー電池システムは予め選択した放電速度で放電される。少なくとも一部の実施形態では、実際の放電速度は、予め決定された放電速度から、１、５、または１０％以下だけ変動する。少なくとも一部の実施形態では、放電はレドックスフロー電池システムの自己放電である。少なくとも一部の実施形態では、終了放電ポイントは、アノード液中のＣｒ²⁺イオンの量が全クロムの１％、５％、または１０％以下となったポイントである。他の終了放電ポイントを使用することもできる。
ステップ１５７６では、放電後、終了ＯＣＶを測定する。ステップ１５７８では、測定された終了ＯＣＶは、予め決定されたＯＣＶ曲線、予め決定された参照表または他の較正表、チャートなどと比較され、または終了ＯＣＶを、１種もしくは複数の活性種の濃度、貯蔵もしくは充電容量、またはレドックスフロー電池システムのＡＯＳと関係づける予め決定された数学的関係に適用される。少なくとも一部の実施形態では、予め決定された終了ＯＣＶ曲線；予め決定された参照表もしくは他の較正表、チャートなど；または予め決定された数学的関係への適用は、１種もしくは複数の活性種、貯蔵、もしくは充電容量、またはＡＯＳの濃度の異なる値を有するレドックスフロー電池システムの予め選択した放電速度を使用して、終了ＯＣＶを実験的に測定することにより得られる。

【0110】

任意のステップ１５８０では、１種もしくは複数の活性種の濃度または貯蔵または充電容量がステップ１５７８において決定される場合、電解質容積を使用してＡＯＳを決定するために１種もしくは複数の活性種の濃度または貯蔵または充電容量を使用することができる。
少なくとも一部の実施形態では、貯蔵または充電容量またはＡＯＳが決定され、システムが不均衡であることが示唆された場合、上記に記載されている技術のいずれかを利用して、レドックスフロー電池システムを再平衡化することができる。

【0111】

ＯＣＶの他の測定を使用して、ＡＯＳはまた決定することもできる。図２０は、レドックスフロー電池システムのＡＯＳを決定する方法の一実施形態のフローチャートである。ステップ１６８０では、レドックスフロー電池システムのＯＣＶは測定される。ステップ１６８２では、以下の手順のうちの１つまたは両方が実施される：ａ）カソード液中の１種の鉄イオン性種（例えば、Ｆｅ³⁺またはＦｅ²⁺）の量が測定される；またはｂ）アノード液中の１種のクロムイオン性種（例えば、Ｃｒ³＋またはＣｒ²⁺）が測定される。アノード液またはカソード液（またはレドックスフロー電池システムの他の種類の中）のいずれかの中の他のイオン性種の測定をこのステップで使用することができることを認識されたい。少なくとも一部の実施形態では、１種の鉄イオン性種または１種のクロムイオン性種の量の測定に使用される２つの半セルは、レドックスフロー電池システムの電池スタックの一部、例えば、半セル１０６、１０８であることができる。他の実施形態では、２つの半セルは電池スタックの一部ではないが、例えば、図１８のＯＣＶセル１４０１であることができる。少なくとも一部の実施形態では、測定は、レドックスフロー電池システム中の電解質の流れなしで行われる。少なくとも一部の実施形態では、測定の目的である電解質の流れは停止されるが、他の電解質の流れは、測定されているイオン性種の完全な滴定を促進するために維持される。少なくとも一部の実施形態では、１種の鉄イオン性種または１種のクロムイオン性種の測定は図５Ａの平衡配置５００を利用することができ、測定ステップは、１種の鉄イオン性種または１種のクロムイオン性種の還元およびバナジウムイオンの酸化、これに続いて、上に記載されているような還元剤を使用してジオキソバナジウムイオンを還元することにより、バナジウムイオンを再生することを含むことができる。少なくとも一部の実施形態では、１種の鉄イオン性種または１種のクロムイオン性種の測定はオフラインで実施することもできるし、またはインサイチュで実施することもできる。

【0112】

ステップ１６８４では、ＡＯＳは、ｉ）測定された量の１種の鉄イオン性種、測定された量の１種のクロムイオン性種、または測定された量の１種の鉄イオン性種と１種のクロムイオン性種の両方、ｉｉ）測定されたＯＣＶ、およびｉｉｉ）カソード液またはアノード液中の１種の鉄イオン性種または１種のクロムイオン性種の量または濃度と、ＯＣＶとのそれぞれの関係を使用して決定される。少なくとも一部の実施形態では、ＡＯＳは、予め決定されたＯＣＶ曲線、参照表、較正表、またはＯＣＶを以下の１種に関係させる数学的関係：１種の鉄イオン性種の濃度もしくは量、１種のクロムイオン性種の濃度もしくは量、または１種の鉄イオン性種もしくは１種のクロムイオン性種と両方の濃度または量から決定することができる。

【0113】

少なくとも一部の実施形態では、予め決定されたＯＣＶ曲線、参照表、較正表、もしくは数学的関係は、ＯＣＶと、平衡したシステムに対して測定もしくは計算されたイオン性種との間の関係であることができる。測定されたＯＣＶはそのイオン性種の予想された濃度もしくは量を提供することができる。１）測定されたイオン性種の予想された濃度もしくは量と、２）イオン性種の測定された濃度もしくは量との間の差異の対比を使用して、ＡＯＳを決定することができる。
少なくとも一部の実施形態では、予め決定されたＯＣＶ曲線；予め決定された参照表もしくは他の較正表、チャートなど；もしくは予め決定された数学的関係への適用は、平衡したシステムにおける選択されたイオン性種の異なる量もしくは濃度に対してＯＣＶを実験的に測定することにより得られる。
少なくとも一部の実施形態では、ＡＯＳが決定され、システムが不均衡であることが示唆された場合、上記に記載されている技術のいずれかを利用して、レドックスフロー電池システムを再平衡化することができる。

【0114】

アノード液／カソード液の充電および放電は、ポンプ供給速度、充電源により送達されるパワー、または負荷により必要とされるパワーを含む様々な要因に依存し得る。少なくとも一部の事例では、半セル内のアノード液／カソード液の充電／放電は一定ではなく、時間の経過と共に変動する。これは、特にアノード液／カソード液が限定されている場合、またはアノード液／カソード液の混合がない場合、半セルを出入りするアノード液／カソード液のＡＯＳ（平均酸化状態）またはＳＯＣ（充電状態）の一時的変化形をもたらし得る。（少なくとも一部の事例では、アノード液／カソード液を混合して、アノード液／カソード液全体にわたり比較的均一なＡＯＳまたはＳＯＣを得ることは困難であり得る）。
少なくとも一部の実施形態では、アノード液１１２またはカソード液１１４（または両方の）のＡＯＳまたはＳＯＣ（またはＡＯＳまたはＳＯＣを示す他の値）は、アノード液またはカソード液が半セル１０６、１０８（またはアノード液またはカソード液分配用配置１２４、１２６に沿った他の箇所で）を出入りして、アノード液１１２またはカソード液１１４の時間的エネルギープロファイルを記録する際に、断続的、定期的、または連続的に測定または推定されてもよい。時間的エネルギープロファイルは、アノード液／カソード液の異なる部分のＡＯＳまたはＳＯＣを表すことができ、アノード液／カソード液の全容積を介してＡＯＳまたはＳＯＣにおける変化形プロファイルに対応することができる。
少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルは、ＡＯＳもしくはＳＯＣの測定、計算、もしくは推定、またはＡＯＳもしくはＳＯＣを示す量、例えば、アノード液またはカソード液の測定された電圧であってよい。少なくとも一部の実施形態では、ＡＯＳまたはＳＯＣは、時間的エネルギープロファイルに対して決定または推定される。少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルは、断続的、周期的、もしくは連続的な測定、またはＡＯＳもしくはＳＯＣを示す他の計算値（例えば、比例している、または線形もしくは非線形方式で相対的である）を含む（または基づく）。

【0115】

少なくとも一部の実施形態では、アノード液１１２またはカソード液１１４（または両方の）の開回路電圧（またはＡＯＳまたはＳＯＣを示す他の測定）、ならびに充電／放電する電流は、アノード液またはカソード液が半セルを通り抜ける際に断続的、定期的、または連続的に測定または推定される。少なくとも一部の実施形態では、ＡＯＳまたはＳＯＣは開回路電圧および充電／放電する電流を使用して決定することができ、これを使用して、時間的エネルギープロファイルを作成することができる。少なくとも一部の実施形態では、小さな開回路電圧測定セルを使用して、例えば、開回路電圧測定セルに迂回させたアノード液およびカソード液のほんの一部を使用して、半セルを通過した前または後のアノード液およびカソード液の開回路電圧（ＯＣＶ）を測定することができる。

【0116】

少なくとも一部の実施形態では、レドックスフロー電池システム１００は、アノード液１１２またはカソード液１１４の時間的エネルギープロファイルが、アノード液／カソード液分配用配置１２４、１２６に沿っておよびアノード液／カソード液の容積内で信頼できるものとなるように、アノード液／カソード液の混合または拡散を減少させるように維持する。少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルは、推定された拡散係数および１種または複数の因子、例えば、ａ）半セルを出てから半セルに再突入するまで、アノード液／カソード液分配用配置を介してアノード液／カソード液が移動する時間、ｂ）アノード液／カソード液の一時的に隣接する部分のＡＯＳまたはＳＯＣ、ｃ）アノード液／カソード液の温度、電解質の流速などまたはこれらのいずれかの組合せを使用して、アノード液／カソード液内での拡散を説明するよう修正することもできる。

【0117】

少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルは、アノード液／カソード液ポンプ１２０、１２２のスピードを変動させて、負荷１３０に対して十分なパワーを提供するために使用することができる。例えば、半セル１０６、１０８に入るアノード液／カソード液１１２、１１４が、測定または推定されたＡＯＳまたはＳＯＣにより示されるように、より低い充電を有することを時間的エネルギープロファイルが示唆する場合には、アノード液／カソード液ポンプ１２０、１２２のポンプ供給スピードを増加させることができる。ポンプ供給スピードはまた、負荷１３０により引き出されているパワーの量に基づき変化させることができる。

【0118】

図２２は、アノード液またはカソード液の時間的エネルギープロファイルを作成するために、アノード液１１２またはカソード液１１４のＡＯＳまたはＳＯＣ（またはＡＯＳまたはＳＯＣを示す量のもの）の測定、決定、または推定を促進させるための、測定を行うための１種または複数の状態測定デバイス１２３を含むレドックスフロー電池配置を例示している。例えば、状態測定デバイス１２３は、アノード液またはカソード液の電圧、アノード液１１２またはカソード液１１４の活性種の濃度（例えば、Ｃｒ³⁺、Ｃｒ²⁺、Ｆｅ³⁺、またはＦｅ²⁺）を分光器などにより測定することができる。図２２は、状態測定デバイス１２３の位置の例を例示しているが、このような状態測定デバイスは、これらに限定されないが、半セル１０６、１０８に入る前またはそれから離れた後のアノード液１１２またはカソード液１１４を含めて、アノード液１１２またはカソード液１１４の流れの経路に沿ってどこにでも配置できることを理解されたい。
少なくとも一部の実施形態では、アノード液１１２またはカソード液１１４のみの測定を行うために状態測定デバイス１２３が配置される。このような配置は、アノード液／カソード液の平衡が維持された場合、最も良く作用し得る。

【0119】

少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルは、図２２に例示されているように、充電測定デバイス１２７を使用して、充電源１３２により供給されるパワーの断続的、周期的、または連続的な測定により得られる時間的充電プロファイルを使用して少なくとも部分的に決定または推定することができる。最後の一部の実施形態では、充電プロファイルは、アノード液／カソード液ポンプ１２０、１２２の同時ポンプ供給スピードと組み合わせて、アノード液／カソード液１１２、１１４の時間的エネルギープロファイルを得ることができる。少なくとも一部の実施形態では、充電または放電電流はレドックスフロー電池作動中に連続的に記録される。これは、例えば、実際のポンプ供給速度および測定されたＯＣＶ（例えば、半セルを出入りするアノード液／カソード液のＯＣＶ）と組み合わせて、時間的充電プロファイルを作成することができる。

【0120】

少なくとも一部の実施形態では、コントローラー１２８は、状態測定デバイス１２３または充電測定デバイス１２７からの測定を受け取る。少なくとも一部の実施形態では、コントローラー１２８は、時間的エネルギープロファイルまたは時間的充電プロファイルまたはこれらのいずれかの組合せを決定し、計算し、記録し、または保存する。少なくとも一部の実施形態では、時間的エネルギープロファイルに基づき、コントローラー１２８は、アノード液またはカソード液ポンプ１２０、１２２のポンプ供給スピードを変動させる。ポンプ供給速度はまた、断続的、定期的、または連続的に記録され得る。少なくとも一部の実施形態では、ポンプ供給速度は、ポンプのパワー消費または実際の流速測定を使用して決定することができる。

【0121】

コントローラー１２８は少なくとも１種のプロセス１２９および少なくとも１種のメモリー１３１を含むことができる。コントローラー１２８は、ユーザーに対してローカルであってよいし、またはユーザーもしくはコンピューターの他の構成要素に対して非ローカルであってよい１種または複数のハードウエアプロセッサーを含むいずれか適切なプロセッサー１２９を利用することができる。プロセッサー１２９は、以下に記載されているように、プロセッサーに提供された命令を実行するように構成されている。

【0122】

いずれかの適切なメモリー１３１をコントローラー１２８に対して使用することができる。メモリー１３１は、ある種類のコンピューター可読媒体、すなわちコンピューター可読記憶媒体を例示している。コンピューター可読記憶媒体は、これらに限定されないが、情報の保存のためのいずれかの方法または技術で導入された不揮発性、非一時的、除去可能、および除去不可能な媒体、例えば、コンピューター可読命令、データ構造、プログラムモジュール、または他のデータを含むことができる。コンピューター可読記憶媒体の例として、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリー、または他のメモリー技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多目的ディスク（「ＤＶＤ」）または他の光学記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク貯蔵または他の磁気記憶デバイス、クラウドストレージ、または所望の情報を保存するために使用することができ、プロセッサーによりアクセスできる他のいずれかの媒体が挙げられる。

【0123】

図２３は、レドックスフロー電池システム、例えば、図２２のレドックスフロー電池システム１００を作動する一実施形態を例示している。ステップ２３０２では、状態測定デバイス１２３を使用して、半セル１０６または第２の半セル１０８にそれぞれ入る前またはそれから離れた後のアノード液１１２またはカソード液１１４の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行う。例えば、状態測定デバイス１２３はアノード液またはカソード液の開回路電圧の測定を行う。
代わりにまたはさらに、充電測定デバイス１２７は、充電源１３２により供給されるパワーを断続的、定期的、または連続的に測定するために使用される。
ステップ２３０４では、アノード液またはカソード液の時間的プロファイルが測定を使用して作成される。少なくとも一部の実施形態では、アノード液またはカソード液のＡＯＳまたはＳＯＣは、少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われる測定から決定され、これを使用して、時間的エネルギープロファイルを作成する。少なくとも一部の実施形態ではまた、アノード液またはカソード液内での荷電種の拡散の推定を使用して、時間的エネルギープロファイルを作成する。
ステップ２３０６では、放電中、システムのコントローラー１２８は、時間的エネルギープロファイルに基づきアノード液／カソード液ポンプ１２０、１２２のポンプスピードを変動させて、負荷に対して必要とされるパワーを提供する。

【0124】

図２２のレドックスフロー電池システムおよび図２３のレドックスフロー電池システムの作動の方法は、Ｆｅ－Ｃｒレドックス流電池に限定されず、これらに限定されないが、バナジウムレドックスフロー電池システム、バナジウム－臭素レドックスフロー電池システム、バナジウム－鉄レドックスフロー電池システム、亜鉛－臭素レドックスフロー電池システム、すべての鉄レドックスフロー電池システム、有機水性レドックスフロー電池システムなどを含む他のレドックスフロー電池システムに使用することができることを認識されたい。

【0125】

本明細書に記載されている方法、システム、およびデバイスは、多くの異なる形態で実施形態化されてもよく、本明細書に記載の実施形態を限定すると解釈されるべきではない。したがって、本明細書に記載されている方法、システム、およびデバイスは、完全なハードウエアの実施形態、完全なソフトウエアの実施形態またはソフトウエアおよびハードウエア態様を組み合わせた実施形態の形態を取ることができる。したがって、以下の詳細な説明は、限定する意味でとらえてはならない。本明細書に記載されている方法は、いずれかの種類のプロセッサーおよびプロセッサーを含むいずれかの適切な種類のデバイスを使用して実施することができる。

【0126】

フローチャートの例示の各ブロック、および本明細書中に開示されているフローチャートの例示および方法におけるブロックの組合せはコンピュータープログラム命令により導入することができることを理解されたい。これらのプログラム命令は、プロセッサーに提供されて、機器を生成することができる、これによって、プロセッサー上で実行される命令が、本明細書で開示されているフローチャートブロックに特定された動作を実行するための手段を作り出すようになっている。コンピュータープログラム命令は、プロセッサーにより実行されて、一連の作業ステップをプロセッサーにより実施させて、コンピューターにより導入されたプロセスを生成することができる。コンピュータープログラム命令はまた、作業ステップの少なくとも一部を並行して実施させることができる。さらにステップの一部もまた、例えば、マルチプロセッサーコンピューターシステムにおいて生じ得るような１つより多くのプロセッサー全域にわたり実施することができる。加えて、１種または複数のプロセスはまた、他のプロセスと並行的に実施することができ、または、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、例示された配列とは異なる配列でも実施することができる。

【0127】

コンピュータープログラム命令は、これらに限定されないが、ＲＡＭ、ＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ、フラッシュメモリーまたは他のメモリー技術、ＣＤ－ＲＯＭ、デジタル多目的ディスク（「ＤＶＤ」）または他の光学記憶装置、磁気カセット、磁気テープ、磁気ディスク貯蔵もしくは他の磁気記憶デバイス、または所望の情報を保存するために使用することができ、プロセッサーにより入手できる他のいずれかの媒体（コンピューターに対してローカルであっても、または非ローカルであってもよい）を含めたいずれか適切なコンピューター読取り可能媒体に貯蔵することができる。

【0128】

上記明細書は、本発明の製造および使用の説明を提供する。本発明の多くの実施形態は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく作製することができるので、本発明はまた、本明細書でこれより以下に添付される特許請求の範囲に属する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図5E】

【図6A】

【図6B】

【図6C】

【図7】

【図8】

【図9A】

【図9B】

【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】

【手続補正書】

【提出日】2022-11-28

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０１２８

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0128】

上記明細書は、本発明の製造および使用の説明を提供する。本発明の多くの実施形態は、本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく作製することができるので、本発明はまた、本明細書でこれより以下に添付される特許請求の範囲に属する。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕レドックスフロー電池システムであって、
溶液中にクロムイオンを含むアノード液であって、前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＳＣＮ ^- 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ とクロム錯体を形成するアノード液、
溶液中に鉄イオンを含むカソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および
前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体
を含む、レドックスフロー電池システム。
〔２〕前記クロム錯体が、式［Ｃｒ ³⁺ （Ｊ） _x （Ｍ） _y （Ｈ ₂ Ｏ） _z ］
（式中、ｘ、ｙ、およびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、ｘは少なくとも１であり、
Ｊは、ＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＳＣＮ ^- 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ からなる群から選択され、
各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ ^- 、Ｆ ^- 、Ｂｒ ^- 、Ｉ ^- 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＮＨ ₃ 、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ ^- 、ＳＣＮ ^- 、Ｓ ^2- 、Ｏ－ＮＯ ₂ ^- 、ＯＨ ^- 、ＮＯ ₂ ^- 、ＣＨ ₃ ＣＮ、Ｃ ₅ Ｈ ₅ Ｎ、ＮＣ ₅ Ｈ ₄ －Ｃ ₅ Ｈ ₄ Ｎ、Ｃ ₁₂ Ｈ ₈ －Ｎ ₂ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、Ｐ（Ｃ ₆ Ｈ ₅ ） ₃ 、－ＣＯ、ＣＨ ₃ －ＣＯ－ＣＨ ₂ －ＣＯ－ＣＨ ₃ 、ＮＨ ₂ －ＣＨ ₂ －ＣＨ ₂ －ＮＨ ₂ 、ＮＨ ₂ ＣＨ ₂ ＣＯＯ ^- 、Ｏ－ＳＯ ₂ ^2- 、またはＰ（ｏ－トリル） ₃ からなる群から選択される）
を有する化合物またはイオンを含む、前記〔１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔３〕ＪがＮＨ ₃ またはＮＨ ₄ ⁺ であり、少なくとも１つのＭがＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ である、前記〔２〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔４〕前記クロム錯体が、アンモニウム、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、フッ化物イオン、硫酸イオン、または硝酸イオンからなる群から選択される少なくとも１つの対イオンをさらに含む、前記〔２〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔５〕ＪがＮＨ ₃ またはＮＨ ₄ ⁺ である、前記〔２〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔６〕ＪがＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ である、前記〔２〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔７〕前記クロム錯体がインサイチュで形成される、前記〔１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔８〕溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、
前記アノード液または前記カソード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、
前記平衡電解質と接触している第４の電極を含む第４の半セル、および
ジオキソバナジウムイオンを還元するための前記平衡電解質内のまたは前記平衡電解質に導入可能な還元剤
を含む平衡配置
をさらに含む、前記〔１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔９〕前記還元剤がＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ である、前記〔８〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１０〕前記還元剤が有機化合物である、前記〔８〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１１〕ＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＳＣＮ ^- 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ から選択される少なくとも１種の窒素含有化合物を有する溶液中にクロムイオンを含むアノード液、
溶液中に鉄イオンを含むカソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および
前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体
を含む、レドックスフロー電池システム。
〔１２〕前記窒素含有化合物がＮＨ ₃ であるかまたはＮＨ ₄ ⁺ を含む、前記〔１１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１３〕前記窒素含有化合物がＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ である、前記〔１１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１４〕前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＳＣＮ ^- 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ とクロム錯体を形成する、前記〔１１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１５〕前記クロム錯体が、式［Ｃｒ ³⁺ （Ｊ） _x （Ｍ） _y （Ｈ ₂ Ｏ） _z ］
（式中、ｘ、ｙ、およびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、ｘは少なくとも１であり、
ＪはＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＳＣＮ ^- 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ からなる群から選択され、
各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ ^- 、Ｆ ^- 、Ｂｒ ^- 、Ｉ ^- 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＮＨ ₃ 、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ ^- 、ＳＣＮ ^- 、Ｓ ^2- 、Ｏ－ＮＯ ₂ ^- 、ＯＨ ^- 、ＮＯ ₂ ^- 、ＣＨ ₃ ＣＮ、Ｃ ₅ Ｈ ₅ Ｎ、ＮＣ ₅ Ｈ ₄ －Ｃ ₅ Ｈ ₄ Ｎ、Ｃ ₁₂ Ｈ ₈ －Ｎ ₂ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、Ｐ（Ｃ ₆ Ｈ ₅ ） ₃ 、－ＣＯ、ＣＨ ₃ －ＣＯ－ＣＨ ₂ －ＣＯ－ＣＨ ₃ 、ＮＨ ₂ －ＣＨ ₂ －ＣＨ ₂ －ＮＨ ₂ 、ＮＨ ₂ ＣＨ ₂ ＣＯＯ ^- 、Ｏ－ＳＯ ₂ ^2- 、またはＰ（ｏ－トリル） ₃ からなる群から選択される）
を有する化合物またはイオンを含む、前記〔１１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１６〕ＪがＮＨ ₃ またはＮＨ ₄ ⁺ であり、少なくとも１つのＭがＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ である、前記〔１５〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１７〕ＪがＮＨ ₃ またはＮＨ ₄ ⁺ である、前記〔１５〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１８〕溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、
前記アノード液または前記カソード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、
前記平衡電解質と接触している第４の電極を含む第４の半セル、および
ジオキソバナジウムイオンを還元するための前記平衡電解質内のまたは前記平衡電解質に導入可能な還元剤
を含む平衡配置
をさらに含む、前記〔１１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔１９〕前記還元剤がＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ である、前記〔１８〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔２０〕前記還元剤が有機化合物である、前記〔１８〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔２１〕レドックスフロー電池のための電解質の調製のための方法であって、
炭素源を使用して、クロム鉱石を還元することによって、前記クロム鉱石を、炭素粒子を有する鉄／クロム合金に変換するステップ、
炭素粒子を有する前記鉄／クロム合金を硫酸に溶解して、第１の溶液を形成するステップ、
塩化カルシウムまたは塩化バリウムを前記第１の溶液に加えて、ＦｅＣｌ ₃ およびＣｒＣｌ ₃ を含む第２の溶液を生成するステップ、ならびに
酸を前記第２の溶液に加えて、前記電解質を形成するステップ
を含む、方法。
〔２２〕前記クロム鉱石が、少なくとも１種の金属不純物を含み、本方法が、
前記レドックスフロー電池の電極を使用して、前記電解質中で前記少なくとも１種の金属不純物を還元して、前記少なくとも１種の金属不純物の粒子を形成するステップ、
前記少なくとも１種の金属不純物の粒子を収集するステップ、および
クリーニング溶液を使用して、前記収集した粒子を除去するステップ
をさらに含む、前記〔２１〕に記載の方法。
〔２３〕前記粒子を収集するステップが、前記レドックスフロー電池システムの電極上の前記粒子の少なくとも一部分を収集することを含む、前記〔２２〕に記載の方法。
〔２４〕前記電極が、前記粒子の収集のための交互嵌合された開口またはへこみを含む、前記〔２３〕に記載の方法。
〔２５〕前記少なくとも１種の金属不純物が、ニッケル、アンチモン、ビスマス、亜鉛、白金、パラジウム、金、または銅のうちの少なくとも１種を含む、前記〔２２〕に記載の方法。
〔２６〕前記クリーニング溶液が第二鉄イオンを含む、前記〔２２〕に記載の方法。
〔２７〕前記クリーニング溶液が前記レドックスフロー電池システムのカソード液の少なくとも一部分である、前記〔２２〕に記載の方法。
〔２８〕前記クリーニング溶液が過酸化水素または塩化第二鉄を含む、前記〔２２〕に記載の方法。
〔２９〕前記炭素源がグラファイト、活性炭、石炭、木炭、または一酸化炭素気体を含む、前記〔２１〕に記載の方法。
〔３０〕ＦｅＣｌ ₃ またはＣｒＣｌ ₃ を加えて、前記電解質内でのＦｅＣｌ ₃ ／ＣｒＣｌ ₃ の予め選択した比を得るステップをさらに含む、前記〔２１〕に記載の方法。
〔３１〕レドックスフロー電池のための電解質の調製のための方法であって、
クロム廃棄物をＨＣｌまたはＨ ₂ ＳＯ ₄ 中に溶解して、ＣｒＣｌ ₃ またはＣｒ ₂ （ＳＯ ₄ ） ₃ および少なくとも１種の金属不純物をそれぞれ含む電解質を生成するステップ、
前記レドックスフロー電池の電極を使用して、前記電解質中で少なくとも１種の金属不純物を還元して、前記少なくとも１種の金属不純物の粒子を形成するステップ、
前記少なくとも１種の前記金属不純物の粒子を収集するステップ、ならびに
クリーニング溶液を使用して、前記収集した粒子を除去するステップ
を含む、方法。
〔３２〕前記粒子を収集するステップが、前記レドックスフロー電池システムの電極上の前記粒子の少なくとも一部分を収集することを含む、前記〔３１〕に記載の方法。
〔３３〕前記電極が、前記粒子の収集のための、交互嵌合された開口またはへこみを含む、前記〔３２〕に記載の方法。
〔３４〕前記少なくとも１種の金属不純物が、ニッケル、アンチモン、ビスマス、亜鉛、白金、パラジウム、金、または銅のうちの少なくとも１種を含む、前記〔３１〕に記載の方法。
〔３５〕前記クリーニング溶液が第二鉄イオンを含む、前記〔３１〕に記載の方法。
〔３６〕前記クリーニング溶液が前記レドックスフロー電池システムのカソード液の少なくとも一部分である、前記〔３１〕に記載の方法。
〔３７〕前記クリーニング溶液が過酸化水素または塩化第二鉄を含む、前記〔３１〕に記載の方法。
〔３８〕ＦｅＣｌ ₂ 、Ｆｅ＋ＦｅＣｌ ₃ 、Ｆｅ（ＯＨ） ₂ 、またはＦｅ＋Ｆｅ（ＯＨ） ₃ を加えて、電解質内でのＦｅＣｌ ₃ ／ＣｒＣｌ ₃ の予め選択した比を得るステップをさらに含む、前記〔３１〕に記載の方法。
〔３９〕前記クロム廃棄物がＣｒ（ＯＨ） ₃ を含む、前記〔３１〕に記載の方法。
〔４０〕水素気体の生成のための方法であって、
溶液中にクロムイオンを含むアノード液、溶液中に鉄イオンを含むカソード液、前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体を含むレドックスフロー電池を提供するステップ、
電解セルを前記レドックスフロー電池に連結するステップであって、前記電解セルが第３および第４の電極ならびに水を含むステップ、
前記レドックスフロー電池を前記電解セルに放電して、前記電解セル内での前記水の電解により水素気体を生成するステップ、
前記電解セルから前記水素気体を除去するステップ、ならびに
前記水素気体を容器内に貯蔵するステップ
を含む、方法。
〔４１〕アノード液、
カソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、
前記第１の半セル中の前記アノード液を、前記第２の半セル中の前記カソード液から分離している分離体、
前記第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後の前記アノード液または前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成された少なくとも１種の状態測定デバイス、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するための、前記少なくとも１種の状態測定デバイスに連結したコントローラー
を含む、レドックスフロー電池システム。
〔４２〕前記少なくとも１種の状態測定デバイスが、前記第１の半セルに入る前またはそれから離れた後の前記アノード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成されたアノード液の状態測定デバイス、および前記第２の半セルに入る前またはそれから離れた後の前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成されたカソード液の状態測定デバイスを含む、前記〔４１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔４３〕アノード液を前記第１の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたアノード液ポンプ、およびカソード液を前記第２の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたカソード液ポンプをさらに含む、前記〔４１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔４４〕前記コントローラーが、前記時間的エネルギープロファイルを使用して、前記アノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させるように構成されている、前記〔４３〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔４５〕前記少なくとも１種の状態測定デバイスが前記アノード液またはカソード液の電圧を測定するように構成されている、前記〔４１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔４６〕前記コントローラーが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定から前記アノード液またはカソード液の充電状態を決定し、前記充電状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用するように構成されている、前記〔４１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔４７〕前記コントローラーが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定から前記アノード液またはカソード液の平均酸化状態を決定し、前記平均酸化状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用するように構成されている、前記〔４１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔４８〕前記コントローラーが、前記測定および前記アノード液またはカソード液内での荷電種の拡散の推定を使用して、前記時間的エネルギープロファイルを作成するように構成されている、前記〔４１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔４９〕前記〔４１〕に記載のレドックスフロー電池システムを作動する方法であって、
前記第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後の前記アノード液または前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うステップ、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するステップ
を含む、方法。
〔５０〕前記レドックスフロー電池システムが、アノード液を前記第１の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたアノード液ポンプ、およびカソード液を前記第２の半セルに出し入れするポンプ供給を行うように構成されたカソード液ポンプをさらに含み、
本方法が前記時間的エネルギープロファイルを使用して、前記アノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させるステップをさらに含む、前記〔４９〕に記載の方法。
〔５１〕測定を行うことが、前記アノード液またはカソード液の電圧の測定を行うことを含む、前記〔４９〕に記載の方法。
〔５２〕前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定から前記アノード液またはカソード液の充電状態を決定すること、および前記充電状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む、前記〔４９〕に記載の方法。
〔５３〕前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた測定から前記アノード液またはカソード液の平均酸化状態を決定すること、および前記平均酸化状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む、前記〔４９〕に記載の方法。
〔５４〕前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記測定および前記アノード液またはカソード液内での荷電種の拡散の推定を使用して、前記時間的エネルギープロファイルを作成することを含む、前記〔４９〕に記載の方法。
〔５５〕前記〔１〕に記載のレドックスフロー電池システムを作動するためのプロセッサー実行可能命令を有する非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、前記プロセッサー実行可能命令が、デバイスに組み込まれた場合、前記デバイスが動作を実施することを可能にし、前記動作が、
前記第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後の前記アノード液または前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うこと、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成すること
を含む、非一時的コンピューター可読記憶媒体。
〔５６〕前記動作が、前記時間的エネルギープロファイルを使用して、前記レドックスフロー電池システムのアノード液およびカソード液ポンプのポンプ供給スピードを変動させることをさらに含む、前記〔５５〕に記載の非一時的コンピューター可読記憶媒体。
〔５７〕測定を行うことが、前記アノード液またはカソード液の電圧の測定を行うことを含む、前記〔５５〕に記載の非一時的コンピューター可読記憶媒体。
〔５８〕前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記少なくとも１種の状態測定デバイスにより行われた前記測定から前記アノード液またはカソード液の充電状態または平均酸化状態を決定すること、および前記充電状態または平均酸化状態を前記時間的エネルギープロファイルにおいて使用することを含む、前記〔５５〕に記載の非一時的コンピューター可読記憶媒体。
〔５９〕前記時間的エネルギープロファイルを作成することが、前記測定および前記アノード液またはカソード液内での拡散の推定を使用して、前記時間的エネルギープロファイルを作成することを含む、前記〔５５〕に記載の非一時的コンピューター可読記憶媒体。
〔６０〕アノード液、
カソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、
前記第１の半セル中の前記アノード液を、前記第２の半セル中の前記カソード液から分離している分離体、
充電源により供給されるパワーの測定を断続的、定期的、または連続的に行うように構成された少なくとも１種の充電測定デバイス、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成するための、前記少なくとも１つの充電測定デバイスに連結したコントローラー
を含む、レドックスフロー電池システム。
〔６１〕レドックスフロー電池システムであって、
アノード液、
カソード液、
前記アノード液の少なくとも一部分を保持するように構成されているアノード液タンク、
前記カソード液の少なくとも一部分を保持するように構成されているカソード液タンク、
第１次レドックスフロー電池配置であって、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、
前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体、
前記第１の半セルと前記アノード液タンクとの間に前記アノード液を移動するように構成されている第１のアノード液ポンプ、および
前記第２の半セルと前記カソード液タンクとの間に前記カソード液を移動するように構成されている第１のカソード液ポンプ
を含む第１次レドックスフロー電池配置、ならびに
第２次レドックスフロー電池配置であって、
前記アノード液と接触している第３の電極を含む第３の半セル、
前記カソード液と接触している第４の電極を含む第４の半セル、
前記第３の半セルを前記第４の半セルから分離している第２の分離体、
前記第３の半セルと前記アノード液タンクとの間に前記アノード液を移動するように構成されている第２のアノード液ポンプ、および
前記第４の半セルと前記カソード液タンクとの間に前記カソード液を移動するように構成されている第２のカソード液ポンプ
を含む第２次レドックスフロー電池配置
を含み、
前記第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力が、前記第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力より低い、レドックスフロー電池システム。
〔６２〕前記第１次レドックスフロー電池配置および前記第２次レドックスフロー電池配置に連結したコントローラーをさらに含む、前記〔６１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔６３〕前記コントローラーが、放電パワーが第１の予め定義したレベル未満の範囲に入った場合、前記第１次レドックスフロー電池配置の作動から、前記第２次レドックスフロー電池の作動へと切り替えるように構成されている、前記〔６２〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔６４〕前記コントローラーが、放電パワーが第２の予め定義したレベルを超えた場合、前記第２次レドックスフロー電池配置の作動から、前記第１次レドックスフロー電池の作動へと切り替えるように構成されている、前記〔６３〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔６５〕前記第１の予め定義したレベルおよび前記第２の予め定義したレベルが同じである、前記〔６４〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔６６〕前記第２の予め定義したレベルが前記第１の予め定義したレベルより大きい、前記〔６４〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔６７〕前記コントローラーが、放電パワーが第３の予め定義したレベルを超えた場合、前記第２次レドックスフロー電池配置の作動を前記第１次レドックスフロー電池の作動に加えるように構成されている、前記〔６２〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔６８〕前記第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力の、前記第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力に対する比が１：５～１：２００の範囲である、前記〔６２〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔６９〕第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する第１の非導電性基材を含む第１の電極構造をさらに含み、前記第１の分離体、および前記第１の非導電性基材を介して延びる第１の導電素子を含み、前記第１の非導電性基材が前記第１の非導電性基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、前記第１の導電素子のそれぞれが前記第１の非導電性基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記第１の非導電性基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、前記第１の電極が、前記第１の非導電性基材の第１の表面上に配置され、前記第２の電極が前記第１の非導電性基材の第２の表面上に配置され、前記第１の電極が前記第１の導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第２の電極が前記第１の導電素子の前記第２の末端部分を含む、前記〔６１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔７０〕第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する第２の非導電性基材を含む第２の電極構造をさらに含み、前記第２の分離体、および前記第２の非導電性基材を介して延びる第２の導電素子を含み、前記第２の非導電性基材が前記第２の非導電性基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、前記第２の導電素子のそれぞれが前記第２の非導電性基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記第２の非導電性基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、前記第３の電極が、前記第２の非導電性基材の第１の表面上に配置され、前記第４の電極が前記第２の非導電性基材の第２の表面上に配置され、前記第３の電極が前記第２の導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第４の電極が前記第２の導電素子の前記第２の末端部分を含む、前記〔６９〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔７１〕前記アノード液がクロムイオンを含み、前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＳＣＮ ^- 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ とクロム錯体を形成する、前記〔６１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔７２〕溶液中にバナジウムイオンを含む平衡電解質、
前記アノード液または前記カソード液と接触している第５の電極を含む第５の半セル、
前記平衡電解質と接触している第６の電極を含む第６の半セル、および
ジオキソバナジウムイオンを還元するための前記平衡電解質内のまたは前記平衡電解質に導入可能な還元剤
を含む平衡配置
をさらに含む、前記〔６１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔７３〕前記第２のアノード液ポンプおよび前記第２のカソード液ポンプが、前記第１のアノード液ポンプおよび前記第２のアノード液ポンプより低いポンプ供給能力を有する、前記〔６１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔７４〕前記〔６１〕に記載のレドックスフロー電池システムを作動する方法であって、
供給源を、前記第１次レドックスフロー電池配置または前記第２次レドックスフロー電池配置のうちの少なくとも１つに連結することにより、前記レドックスフロー電池システムを充電するステップ、および
負荷を、前記第１次レドックスフロー電池配置または前記第２次レドックスフロー電池配置のうちの少なくとも１つに連結することにより、前記レドックスフロー電池システムを放電するステップ
を含む、方法。
〔７５〕前記放電するステップが、放電パワーが第１の予め定義したレベル未満の範囲に入った場合、前記第１次レドックスフロー電池配置の前記負荷への連結から、前記第２次レドックスフロー電池作動の前記負荷への連結へと切り替えることを含む、前記〔７４〕に記載の方法。
〔７６〕前記放電するステップが、放電パワーが第２の予め定義したレベルを超えた場合、前記第２次レドックスフロー電池配置の前記負荷への連結から、前記第１次レドックスフロー電池の前記負荷への連結へと切り替えることを含む、前記〔７５〕に記載の方法。
〔７７〕前記第１の予め定義したレベルおよび前記第２の予め定義したレベルが同じである、前記〔７６〕に記載の方法。
〔７８〕前記第２の予め定義したレベルが前記第１の予め定義したレベルより大きい、前記〔７６〕に記載の方法。
〔７９〕前記放電するステップが、放電パワーが第３の予め定義したレベルを超えた場合、前記第２次レドックスフロー電池配置と前記第１次レドックスフロー電池との両方を、前記負荷に連結することを含む、前記〔７４〕に記載の方法。
〔８０〕前記第２次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力の、前記第１次レドックスフロー電池配置のピークパワー送達能力に対する比が１：５～１：２００の範囲である、前記〔７４〕に記載の方法。
〔８１〕レドックスフロー電池システムであって、
アノード液、
カソード液、
第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する基材、前記基材の前記第１の表面上に配置された第１の電極、前記基材の前記第２の表面上に配置された第２の電極、および前記基材を介して延びる導電素子を含む第１の電極構造であって、前記基材が、前記基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、前記導電素子のそれぞれが、前記基材の前記第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記基材の前記第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、前記第１の電極が前記導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第２の電極が前記導電素子の前記第２の末端部分を含む、第１の電極構造、
前記第１の電極が前記アノード液と接触している第１の半セル、ならびに
前記第２の電極が前記カソード液と接触している第２の半セル
を含む、レドックスフロー電池システム。
〔８２〕前記導電素子が、金属導線、炭素繊維、グラファイト繊維、または炭化ケイ素のうちの少なくとも１種を含む、前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔８３〕前記基材が、プラスチック、樹脂、炭素またはグラファイトプレート、または金属もしくは合金プレートのうちの少なくとも１種を含む、前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔８４〕前記基材が、ポリプロピレンまたはポリエチレンパーフルオロアルコキシアルカン、ポリフッ化ビニリデン、ポリテトラフルオロ酢酸、ポリ塩化ビニル、または塩素化ポリ塩化ビニルを含む、前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔８５〕前記第１の電極または前記第２の電極のうちの少なくとも１つが追加の導電材料を含む、前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔８６〕前記追加の導電材料が、金属、炭素繊維、炭素フェルト、または炭化ケイ素を含む、前記〔８５〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔８７〕前記アノード液が溶液中にクロムイオンを含み、前記カソード液が溶液中に鉄イオンを含む、前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔８８〕前記アノード液が溶液中に鉄イオンをさらに含み、前記アノード液が溶液中にクロムイオンを含む、前記〔８７〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔８９〕平衡電解質、
第１の表面および前記第１の表面の反対側の第２の表面を有する基材、前記基材の前記第１の表面上に配置された第３の電極、前記基材の前記第２の表面上に配置された第４の電極、および前記基材を介して延びる導電素子を含む第２の電極構造であって、前記基材が、前記基材を介したアノード液およびカソード液の流れに抵抗し、前記導電素子のそれぞれが、前記基材の前記第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記基材の前記第２の表面に曝露された第２の末端部分を含み、前記第３の電極が前記導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第４の電極が前記導電素子の前記第２の末端部分を含む、第２の電極構造、
前記アノード液または前記カソード液と接触している前記第３の電極を含む第３の半セル、および
前記平衡電解質と接触している前記第４の電極を含む第４の半セル
を含む平衡配置
をさらに含む、前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔９０〕前記平衡電解質が、溶液中にバナジウムイオンを含み、前記平衡配置がジオキソバナジウムイオンを還元するための前記平衡電解質内のまたは前記平衡電解質に導入可能な還元剤をさらに含む、前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔９１〕前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ ₃ 、ＮＨ ₄ ⁺ 、ＣＯ（ＮＨ ₂ ） ₂ 、ＳＣＮ ^- 、またはＣＳ（ＮＨ ₂ ） ₂ と共にクロム錯体を形成する、前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システム。
〔９２〕電極構造を作製する方法であって、
前記基材を介した電解質の流れに抵抗するように構成されている基材を提供するステップ、および
前記導電素子のそれぞれが、前記基材の第１の表面に曝露された第１の末端部分および前記基材の第２の表面に曝露された第２の末端部分を含むように、前記基材を介して複数の導電素子を延ばすステップであって、前記第１の電極が前記導電素子の前記第１の末端部分を含み、前記第２の電極が前記導電素子の前記第２の末端部分を含む、ステップ
を含む、方法。
〔９３〕前記延ばすステップが、前記導電素子の部分周辺で前記基材を成型することを含む、前記〔９２〕に記載の方法。
〔９４〕前記延ばすステップが、前記基材を介して前記導電素子を押すことを含む、前記〔９２〕に記載の方法。
〔９５〕前記基材を加熱して、前記導電素子の周辺に前記基材を流すステップをさらに含む、前記〔９４〕に記載の方法。
〔９６〕追加の第１の導電材料を前記基材の前記第１の表面上に配置するステップをさらに含み、前記第１の電極が、前記追加の第１の導電材料をさらに含む、前記〔９２〕に記載の方法。
〔９７〕追加の第２の導電材料を前記基材の前記第２の表面上に配置するステップをさらに含み、前記第２の電極が前記追加の第２の導電材料をさらに含む、前記〔９６〕に記載の方法。
〔９８〕前記〔８１〕に記載のレドックスフロー電池システムを作動する方法であって
供給源を前記第１および第２の電極に連結することにより、前記レドックスフロー電池システムを充電するステップ、ならびに
負荷を前記第１および第２の電極に連結することにより、前記レドックスフロー電池システムを放電するステップ
を含む、方法。
〔９９〕前記アノード液が溶液中にクロムイオンを含み、前記カソード液が溶液中に鉄イオンを含む、前記〔９８〕に記載の方法。
〔１００〕前記アノード液が溶液中に鉄イオンをさらに含み、前記アノード液が溶液中にクロムイオンを含む、前記〔９９〕に記載の方法。

【手続補正2】

【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システムであって、
溶液中にクロムイオンを含むアノード液であって、前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂とクロム錯体を形成するアノード液、
溶液中に鉄イオンを含むカソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および
前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体
を含む、レドックスフロー電池システム。

【請求項2】

前記クロム錯体が、式［Ｃｒ³⁺（Ｊ）_x（Ｍ）_y（Ｈ₂Ｏ）_z］
（式中、ｘ、ｙ、およびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、ｘは少なくとも１であり、
Ｊは、ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂からなる群から選択され、
各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ^-、Ｆ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＮＨ₄ ⁺、ＮＨ₃、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ^-、ＳＣＮ^-、Ｓ^2-、Ｏ－ＮＯ₂ ^-、ＯＨ^-、ＮＯ₂ ^-、ＣＨ₃ＣＮ、Ｃ₅Ｈ₅Ｎ、ＮＣ₅Ｈ₄－Ｃ₅Ｈ₄Ｎ、Ｃ₁₂Ｈ₈－Ｎ₂、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＣＳ（ＮＨ₂）₂、Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃、－ＣＯ、ＣＨ₃－ＣＯ－ＣＨ₂－ＣＯ－ＣＨ₃、ＮＨ₂－ＣＨ₂－ＣＨ₂－ＮＨ₂、ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯ^-、Ｏ－ＳＯ₂ ^2-、またはＰ（ｏ－トリル）₃からなる群から選択される）
を有する化合物またはイオンを含む、請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項3】

ＪがＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺であり、少なくとも１つのＭがＣＯ（ＮＨ₂）₂である、請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項4】

前記クロム錯体が、アンモニウム、塩化物イオン、臭化物イオン、ヨウ化物イオン、フッ化物イオン、硫酸イオン、または硝酸イオンからなる群から選択される少なくとも１つの対イオンをさらに含む、請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項5】

ＪがＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺である、請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項6】

ＪがＣＯ（ＮＨ₂）₂またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である、請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項7】

前記クロム錯体がインサイチュで形成される、請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項8】

ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂から選択される少なくとも１種の窒素含有化合物を有する溶液中にクロムイオンを含むアノード液、
溶液中に鉄イオンを含むカソード液、
前記アノード液と接触している第１の電極を含む第１の半セル、
前記カソード液と接触している第２の電極を含む第２の半セル、および
前記第１の半セルを前記第２の半セルから分離している第１の分離体
を含む、レドックスフロー電池システム。

【請求項9】

前記窒素含有化合物がＮＨ₃であるかまたはＮＨ₄ ⁺を含む、請求項８に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項10】

前記窒素含有化合物がＣＯ（ＮＨ₂）₂またはＣＳ（ＮＨ₂）₂である、請求項８に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項11】

前記クロムイオンの少なくとも一部分が、以下のうちの少なくとも１種：ＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂とクロム錯体を形成する、請求項８に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項12】

前記クロム錯体が、式［Ｃｒ³⁺（Ｊ）_x（Ｍ）_y（Ｈ₂Ｏ）_z］
（式中、ｘ、ｙ、およびｚは負ではない整数であり、ｘ＋ｙ＋ｚ＝６であり、ｘは少なくとも１であり、
ＪはＮＨ₃、ＮＨ₄ ⁺、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＳＣＮ^-、またはＣＳ（ＮＨ₂）₂からなる群から選択され、
各ＭはＪとは異なり、独立して、Ｃｌ^-、Ｆ^-、Ｂｒ^-、Ｉ^-、ＮＨ₄ ⁺、ＮＨ₃、エチレンジアミン四酢酸（ＥＤＴＡ）、ＣＮ^-、ＳＣＮ^-、Ｓ^2-、Ｏ－ＮＯ₂ ^-、ＯＨ^-、ＮＯ₂ ^-、ＣＨ₃ＣＮ、Ｃ₅Ｈ₅Ｎ、ＮＣ₅Ｈ₄－Ｃ₅Ｈ₄Ｎ、Ｃ₁₂Ｈ₈－Ｎ₂、ＣＯ（ＮＨ₂）₂、ＣＳ（ＮＨ₂）₂、Ｐ（Ｃ₆Ｈ₅）₃、－ＣＯ、ＣＨ₃－ＣＯ－ＣＨ₂－ＣＯ－ＣＨ₃、ＮＨ₂－ＣＨ₂－ＣＨ₂－ＮＨ₂、ＮＨ₂ＣＨ₂ＣＯＯ^-、Ｏ－ＳＯ₂ ^2-、またはＰ（ｏ－トリル）₃からなる群から選択される）
を有する化合物またはイオンを含む、請求項８に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項13】

ＪがＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺であり、少なくとも１つのＭがＣＯ（ＮＨ₂）₂である、請求項１２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項14】

ＪがＮＨ₃またはＮＨ₄ ⁺である、請求項１２に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項15】

請求項１に記載のレドックスフロー電池システムを作動するためのプロセッサー実行可能命令を有する非一時的コンピューター可読記憶媒体であって、前記プロセッサー実行可能命令が、デバイスに組み込まれた場合、前記デバイスが動作を実施することを可能にし、前記動作が、
前記第１の半セルまたは第２の半セルにそれぞれ入る前またはそれから離れた後の前記アノード液または前記カソード液の充電状態を示す値の測定を断続的、定期的、または連続的に行うこと、および
前記測定を使用して、前記アノード液または前記カソード液の時間的エネルギープロファイルをそれぞれ作成すること
を含む、非一時的コンピューター可読記憶媒体。

【国際調査報告】