特表 2024-525784 レドックスフロー電池システムのためのリバランシングセル

(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】2024-07-12

(54)【発明の名称】レドックスフロー電池システムのためのリバランシングセル

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/18 20060101AFI20240705BHJP

   H01M 8/02 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 4/96 20060101ALI20240705BHJP

   H01M 4/92 20060101ALI20240705BHJP

   H01M 4/90 20060101ALI20240705BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/0263 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/2455 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/2475 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/04276 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/04186 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/04089 20160101ALI20240705BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20240705BHJP

【ＦＩ】

H01M8/18

H01M8/02

H01M8/2483

H01M4/96 B

H01M4/92

H01M4/90 M

H01M8/0258

H01M8/0263

H01M4/96 M

H01M8/2455

H01M8/2475

H01M8/04 J

H01M8/04276

H01M8/04186

H01M8/04089

H01M8/2465

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024501988

(86)(22)【出願日】2022-07-13

(85)【翻訳文提出日】2024-01-12

(86)【国際出願番号】 US2022073693

(87)【国際公開番号】W WO2023288251

(87)【国際公開日】2023-01-19

(31)【優先権主張番号】63/221,325

(32)【優先日】2021-07-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】63/221,330

(32)【優先日】2021-07-13

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】519297300

【氏名又は名称】イーエスエス テック インコーポレーテッド

【氏名又は名称原語表記】ＥＳＳ Ｔｅｃｈ，Ｉｎｃ．

【住所又は居所原語表記】２６４４０ ＳＷ Ｐａｒｋｗａｙ Ａｖｅｎｕｅ，Ｗｉｌｓｏｎｖｉｌｌｅ，Ｏｒｅｇｏｎ ９７０７０ Ｕｎｉｔｅｄ Ｓｔａｔｅｓ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】キシック シーン

(72)【発明者】

【氏名】ソン ヤン

(72)【発明者】

【氏名】エヴァンス クレイグ

【テーマコード（参考）】

5H018

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H018AA08

5H018DD06

5H018EE02

5H018EE03

5H018EE10

5H126AA02

5H126AA08

5H126AA22

5H126AA23

5H126AA24

5H126AA28

5H126BB10

5H126EE11

5H126EE24

5H126EE35

5H126FF10

5H126JJ03

5H126RR01

5H127AA10

5H127AC05

5H127BA01

5H127BA28

5H127BA57

5H127BB03

5H127BB13

5H127BB37

(57)【要約】

レドックスフロー電池のためのリバランシングセルのためのシステム及び方法が提供される。一実施例では、リバランシングセルは、電極アセンブリの積層体を含み得、各電極アセンブリは、レドックスフロー電池からのＨ_２ガスのフローを誘導するためのフローフィールドプレートと接合している負電極を含み得る。いくつかの実施例では、各電極アセンブリは、レドックスフロー電池からの電解質のフローを誘導するためのウィッキング炭素フェルトから形成された正電極を更に含み得る。いくつかの実施例では、電流は、リバランシングセルから離れるように導かれない場合があり、各電極アセンブリの負電極及び正電極は、連続的に導電性であり得る。このようにして、リバランシングセルの各電極アセンブリは、内部短絡され、それによって、全体的な信頼性を犠牲にすることなく、リバランシングセルの還元速度を増加させ得る。

【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レドックスフロー電池のためのリバランシングセルであって、
セルエンクロージャと、
Ｈ_２ガスが通って前記セルエンクロージャに流動する水素ガス入口ポートと、
電解質が通って前記セルエンクロージャに流動する電解質入口ポートと、
前記電解質が通って前記セルエンクロージャから排出される電解質出口ポートと、
前記セルエンクロージャによって囲まれた電極アセンブリの積層体であって、前記電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、フローフィールドプレートと面共有接触している負電極を含む、電極アセンブリの積層体と、
前記セルエンクロージャに結合された勾配付き支持体と、を備える、リバランシングセル。

【請求項2】

前記電解質出口ポートが、重力の方向に対して前記電解質入口ポートよりも低く位置付けられている、請求項１に記載のリバランシングセル。

【請求項3】

前記電解質から未反応のＨ_２ガスを排出するための圧力放出出口ポートを更に備える、請求項１又は２に記載のリバランシングセル。

【請求項4】

前記未反応のＨ_２ガスが、前記電極アセンブリの積層体の前記負電極を通って前記電解質に流動し、かつ前記圧力放出出口ポートを通って流動した後にのみ、前記セルエンクロージャから排出される、請求項３に記載のリバランシングセル。

【請求項5】

未反応のＨ_２ガスが通って前記セルエンクロージャから排出される水素ガス出口ポートを更に備える、請求項１～４のいずれか一項に記載のリバランシングセル。

【請求項6】

前記水素ガス入口ポート、前記水素ガス出口ポート、前記電解質入口ポート、及び前記電解質出口ポートが、横方向構成で前記セルエンクロージャ上に位置付けられており、前記横方向構成は、前記水素ガス出口ポート及び前記電解質入口ポートが、前記セルエンクロージャの上半分の異なる側面上に位置付けられており、前記水素ガス入口ポート及び前記電解質出口ポートが、前記セルエンクロージャの下半分の異なる側面上に位置付けられていることを含む、請求項５に記載のリバランシングセル。

【請求項7】

前記Ｈ_２ガスが、前記水素ガス入口ポートから、前記電極アセンブリの積層体の前記負電極と面共有接触している前記フローフィールドプレートからそれぞれ形成された１つ以上の水素ガス入口通路に導かれる、請求項１～６のいずれか一項に記載のリバランシングセル。

【請求項8】

前記電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、内部短絡されており、電流が、前記リバランシングセルから離れるように導かれない、請求項１～７のいずれか一項に記載のリバランシングセル。

【請求項9】

前記勾配付き支持体が、前記勾配付き支持体が置かれる外面に対して前記セルエンクロージャを２°～３０°の角度傾ける、請求項１～８のいずれか一項に記載のリバランシングセル。

【請求項10】

前記電極アセンブリの積層体の各負電極が、上に触媒がコーティングされた導電性炭素基板から形成されており、前記触媒が、
Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、若しくはそれらの合金を含む貴金属触媒、又は
第二鉄溶液中で安定な非貴金属触媒を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載のリバランシングセル。

【請求項11】

前記電極アセンブリの積層体の前記負電極と面共有接触している前記フローフィールドプレートが、互い違いになったフローフィールド構成、部分的に互い違いになったフローフィールド構成、蛇行したフローフィールド構成、又はそれらの組み合わせとして構成されている、請求項１～１０のいずれか一項に記載のリバランシングセル。

【請求項12】

前記電極アセンブリの積層体の各負電極が、ウィッキング導電性炭素フェルトから形成された正電極と更に面共有接触している、請求項１～１１のいずれか一項に記載のリバランシングセル。

【請求項13】

レドックスフロー電池システムであって、
レドックス電極及びめっき電極をそれぞれ収容する、正電極コンパートメント及び負電極コンパートメントと、
前記正電極コンパートメントにポンプ投入するための正電解質と、前記負電極コンパートメントにポンプ投入するための負電解質と、をそれぞれ含む正電解質チャンバ及び負電解質チャンバであって、前記正電解質チャンバ及び負電解質チャンバが、それぞれのガスヘッドスペースを更に含む、正電解質チャンバ及び負電解質チャンバと、
前記正電解質の電解質リバランシングのための第１のリバランシングセルであって、前記第１のリバランシングセルが、前記正電極コンパートメントと前記正電解質チャンバの前記ガスヘッドスペースとに流体的に結合されている、第１のリバランシングセルと、を備え、
前記正電解質の前記電解質リバランシングが、前記第１のリバランシングセルの正電極及び負電極の接合対の内部電気短絡を介して駆動され、Ｈ２ガスが、第１のフローフィールド構成を介して前記第１のリバランシングセルを通って対流し、前記正電解質が、重力供給及び毛細管作用を介して前記第１のリバランシングセルを通して導かれる、レドックスフロー電池システム。

【請求項14】

前記Ｈ_２ガスが、前記正電解質チャンバの前記ガスヘッドスペースから前記第１のリバランシングセルに流動し、前記正電解質が、前記正電極コンパートメントから前記第１のリバランシングセルに流動する、請求項１３に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項15】

前記第１のリバランシングセルの前記接合対の各々について、前記正電極及び負電極が互いに面共有接触しており、連続的に導電性である、請求項１３又は１４に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項16】

前記レドックスフロー電池システムが、全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池システムであり、
前記正電解質の前記電解質リバランシングが、前記正電解質中のＦｅ^３＋をＦｅ^２＋に還元することを含む、請求項１３～１５のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項17】

前記負電解質の電解質リバランシングのための第２のリバランシングセルを更に備え、前記第２のリバランシングセルが、前記負電極コンパートメントと前記負電解質チャンバの前記ガスヘッドスペースとに流体的に結合されており、
前記負電解質の前記電解質リバランシングが、前記第２のリバランシングセルの正電極及び負電極の接合対の内部電気短絡を介して駆動され、Ｈ２ガスが、第２のフローフィールド構成を介して前記第２のリバランシングセルを通って対流し、前記負電解質が、重力供給及び毛細管作用を介して前記第２のリバランシングセルを通して導かれる、請求項１３～１６のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池システム。

【請求項18】

レドックスフロー電池システムのための方法であって、
前記レドックスフロー電池システムのリバランシングセルのそれぞれの入口ポートでＨ_２ガス及び電解質を受容することと、
前記リバランシングセルの電極アセンブリ積層体全体に前記Ｈ_２ガス及び前記電解質を分配することと、
対流を介して前記電極アセンブリ積層体のアノードを横切る前記Ｈ_２ガスのフローを誘導し、その後、
前記Ｈ_２ガスを前記電解質中の正荷電イオンと反応させて、前記正荷電イオンを還元することと、
未反応のＨ_２ガス及び前記電解質を、前記Ｈ_２ガス及び前記電解質の出口ポートを介して前記リバランシングセルから排出することと、を含む、方法。

【請求項19】

前記Ｈ_２ガスを前記正荷電イオンと反応させる前に、重力供給及び毛細管作用を介して、前記電極アセンブリ積層体のカソードを横切る前記電解質のフローを誘導することを更に含む、請求項１８に記載の方法。

【請求項20】

前記電極アセンブリ積層体を通って流れる電流が、外部負荷を通してチャネリングされない、請求項１８又は１９に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年７月１３日に出願された、“ＲＥＢＡＬＡＮＣＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＯＲ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ”と題された米国仮出願第６３／２２１，３２５号の優先権を主張する。本出願は、２０２１年７月１３日に出願された、“ＲＥＢＡＬＡＮＣＩＮＧ ＣＥＬＬ ＦＯＲ ＲＥＤＯＸ ＦＬＯＷ ＢＡＴＴＥＲＹ ＳＹＳＴＥＭ”と題された米国仮出願第６３／２２１，３３０号の更なる優先権を主張する。上記の特定された出願の各々の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

本明細書は、概して、レドックスフロー電池システムで使用するためのリバランシングセルのためのシステム、及びかかるリバランシングセルを動作させるための方法に関する。

【背景技術】

【0003】

レドックスフロー電池は、電力と容量とを独立してスケーリングする能力があるため、グリッドスケールの蓄電アプリケーションに好適であり、かつ、従来の電池技術と比較して、性能損失が少なくて数千サイクルにわたる充電及び放電に好適である。全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池は、低コストで地球に豊富に存在する材料を組み込むため、特に魅力的である。一般に、鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）は、電解質として鉄、塩、及び水に依存し、したがって、単純で、地球に豊富に存在し、安価な材料を含み、過酷な化学物質の組み込みを排除し、その環境フットプリントを低減する。

【発明の概要】

【0004】

ＩＦＢは、レドックス反応が生じる正（レドックス）電極、及び電解質中の第一鉄（Ｆｅ^２＋）が還元され、めっきされ得る負（めっき）電極を含み得る。プロトン還元、鉄腐食、及び鉄めっき酸化：
Ｈ^＋＋ｅ^－←→１／２Ｈ_２ （プロトン還元）（１）
Ｆｅ^０＋２Ｈ^＋←→Ｆｅ^２＋＋Ｈ_２ （鉄腐食） （２）
２Ｆｅ^３＋＋Ｆｅ^０←→３Ｆｅ^２＋ （鉄めっき酸化）（３）
を含む様々な副反応が、Ｆｅ^２＋還元と競合し得る。ほとんどの副反応はめっき電極で発生するため、ＩＦＢサイクル能力は、めっき電極上で利用可能な鉄めっきによって制限される可能性がある。鉄めっき損失を改善するための例示的な試みは、式（１）及び（２）からの水素（Ｈ_２）ガス発生と、式（３）からの電解質電荷不均衡（例えば、過剰なＦｅ^３＋）と、式（４）を介したイオンのクロスオーバと、に対処するための触媒電解質リバランシングに焦点を当てている。
Ｆｅ^３＋＋１／２Ｈ_２→Ｆｅ^２＋＋Ｈ^＋ （電解質リバランシング）（４）

【0005】

いくつかの実施例では、電解質リバランシングは、トリクルベッド又はゼリーロール反応器の装備を介して実現され得、ここで、Ｈ_２ガス及び電解質は、式（４）の電解質リバランシング反応を実行するための触媒表面で接触し得る。しかしながら、かかる装備のより低いＦｅ^３＋還元速度は、より高い性能の用途には望ましくない場合がある。他の実施例では、燃料電池の装備が、正電極及び負電極の対の間に直流（ＤＣ）を印加しながら、触媒表面でＨ_２ガス及び電解質に同様に接触し得る。しかしながら、ＤＣフローを中断する不注意な逆電流スパイクの結果として、燃料電池において信頼性の問題が生じ得る。

【0006】

一実施例では、上述した問題は、レドックスフロー電池のためのリバランシングセルによって対処され得、リバランシングセルは、セルエンクロージャと、Ｈ_２ガスが通ってセルエンクロージャに流動する水素ガス入口ポートと、電解質が通ってセルエンクロージャに流動する電解質入口ポートと、電解質が通ってセルエンクロージャから排出される電解質出口ポートと、セルエンクロージャによって囲まれた電極アセンブリの積層体であって、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、フローフィールド構成と面共有接触している負電極を含む、電極アセンブリの積層体と、セルエンクロージャに結合された勾配付き支持体と、を含む。いくつかの実施例では、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリにおける負電極及び正電極は、導電性であり、互いに面共有接触し得る。追加的又は代替的な実施例では、電流は、リバランシングセルから離れるように導かれない場合がある。このようにして、リバランシングセル内の電解質リバランシングは、内部の正電極及び負電極の接合対の内部電気短絡を介して駆動され得る。

【0007】

具体的には、いくつかの実施例では、正電極及び負電極の接合対を内部短絡することによって、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、電極アセンブリの積層体を通って１つの電極アセンブリから逆電流が駆動されず、かつ他の電極アセンブリを劣化させ得ないように、互いから電気的に分離され得る。追加的又は代替的な実施例では、正電極及び負電極の接合対の内部電気短絡が、内部短絡していない電極対と比較して電気抵抗を低減し、それによって、正電極及び負電極でのそれぞれの酸化還元反応速度を増加させ得る。各電極アセンブリのセル電位が付随して低減され、それによって副反応速度（例えば、式（１）～（３）の反応の速度）を減少させ得る。このようにして、内部短絡していないセルと比較して、リバランシングセルにおいては、有効寿命が延長され得、また電気化学的性能が増強され得る。

【0008】

上記の概要は、詳細な説明で更に説明される概念の抜粋を簡略化された形で導入するために提供されていることを理解されたい。これは、特許請求される主題の重要な又は本質的な特徴を特定することを意図せず、その範囲は、詳細な説明に続く特許請求の範囲によって一意に定義される。更に、特許請求される主題は、上記又は本開示のいずれかの部分に記述されるいずれかの不利点を解決する実装形態に限定されない。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】それぞれのリバランシング反応器に流体的に結合されたレドックス電極及びめっき電極を有する電池セルを含む、例示的なレドックスフロー電池システムの概略図を示す。

【図2A】内部短絡電極アセンブリの積層体を含むリバランシングセルの斜視図を示す。

【図2B】内部短絡電極アセンブリの積層体を含むリバランシングセルの斜視図を示す。

【図3】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルに関する電極アセンブリの分解図を示す。

【図4A】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル内のＨ_２ガスフローの断面図を示す。

【図4B】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル内のＨ_２ガスフローの拡大挿入図を示す。

【図5A】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの負電極を横切ってＨ_２ガスを対流させるための例示的なフローフィールド構成の概略図を示す。

【図5B】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの負電極を横切ってＨ_２ガスを対流させるための例示的なフローフィールド構成の概略図を示す。

【図5C】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの負電極を横切ってＨ_２ガスを対流させるための例示的なフローフィールド構成の概略図を示す。

【図5D】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの負電極を横切ってＨ_２ガスを対流させるための例示的なフローフィールド構成の概略図を示す。

【図6A】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル内の電解質流の断面図を示す。

【図6B】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル内の電解質流の拡大挿入図を示す。

【図7A】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの例示的な電極アセンブリ内の電解質フローの斜視図を示す。

【図7B】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの例示的な電極アセンブリ内の電解質フローの斜視図を示す。

【図8A】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの電極アセンブリの例示的なフローフィールドプレートの斜視図を示す。

【図8B】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの電極アセンブリの例示的なフローフィールドプレートの斜視図を示す。

【図8C】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルの電極アセンブリの例示的なフローフィールドプレートの斜視図を示す。

【図8D】図８Ａ～図８Ｃのフローフィールドプレートの断面図を示す。

【図9A】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどの、リバランシングセルのセルエンクロージャを傾けるための例示的な勾配付き支持体の斜視図を示す。

【図9B】図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどの、リバランシングセルのセルエンクロージャを傾けるための例示的な勾配付き支持体の斜視図を示す。

【図10】それぞれの全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池システムにおける３つの例示的なリバランシングセルについて、還元されたＦｅ^３＋の合計量の関数としてのＦｅ^３＋還元速度のプロットを示す。

【図11】内部短絡電極アセンブリの積層体を含むリバランシングセルを動作させるための方法のフローチャートを示す。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下の説明は、中に含まれる電極アセンブリの内部電気短絡を介して駆動されるリバランシングセルのためのシステム及び方法に関する。例示的な実施形態では、リバランシングセルは、レドックスフロー電池の電解質サブシステムに流体的に結合され得る。レドックスフロー電池は、図１に、別個の正及び負電解質チャンバを有する統合されたマルチチャンバタンクを有するように概略的に描写される。いくつかの実施例では、レドックスフロー電池は、全鉄フロー電池（ＩＦＢ）であり得、これはＩＦＢの正（レドックス）電極及び負（めっき）電極の両方で鉄レドックス化学を利用する。電解質チャンバは、１つ以上の電池セルに結合され得、各セルは正電極及び負電極を含む。そこから、電解質が、正電極及び負電極をそれぞれ収容する正電極コンパートメント及び負電極コンパートメントを通ってポンプ注入され得る。

【0011】

いくつかの実施例では、レドックスフロー電池は、ハイブリッドレドックスフロー電池であり得る。ハイブリッドレドックスフロー電池は、電極（例えば、負電極）上の固体層としての１つ以上の電気活性材料の堆積によって特徴付けられ得るレドックスフロー電池である。ハイブリッドレドックスフロー電池は、例えば、電池充電プロセス全体を通じて基板上に固体として電気化学反応を介してめっきし得る化学種を含み得る。電池放電中、めっきされた種は、更なる電気化学反応を介してイオン化し、電解質中に可溶性になり得る。ハイブリッドレドックスフロー電池システムでは、レドックスフロー電池の充電容量（例えば、蓄積される最大エネルギー量）は、電池充電中にめっきされた金属の量によって制限され得、したがって、めっきシステムの効率、並びにめっきに利用可能な体積及び表面積に依存し得る。

【0012】

いくつかの実施例では、レドックスフロー電池における電解不均衡は、プロトン還元及び鉄腐食などの水素（Ｈ_２）ガス生成反応：
Ｈ^＋＋ｅ^－←→１／２Ｈ_２ （プロトン還元）（１）
Ｆｅ^０＋２Ｈ^＋←→Ｆｅ^２＋＋Ｈ_２ （鉄腐食） （２）
及び鉄めっきの酸化中に生成される過剰な第二鉄（Ｆｅ^３＋）からの電荷不均衡：
２Ｆｅ^３＋＋Ｆｅ^０←→３Ｆｅ^２＋ （鉄めっき酸化）（３）
を含む、所望のレドックス化学と競合する多数の副反応から生じ得る。式（１）～（３）の反応は、鉄めっきを制限し、それによって全体的な電池容量を減少させ得る。かかる不均衡に対処するために、電解質リバランシングを活用して、単一のレドックス反応：
Ｆｅ^３＋＋１／２Ｈ_２→Ｆｅ^２＋＋Ｈ^＋ （電解質リバランシング）（４）
を介してＦｅ^３＋を還元し、過剰なＨ_２ガスを除去し得る。

【0013】

本明細書の実施形態によって説明されるように、相対的に高性能用途のための十分なＦｅ^３＋還元速度は、図３の例示的な電極アセンブリなどの内部短絡電極アセンブリの積層体を含む、図２Ａ及び図２Ｂの例示的なリバランシングセルなどのリバランシングセルを介して確実に達成され得る。図４Ａ及び図４Ｂは、リバランシングセル内のＨ_２ガスフローの態様を描写し、Ｈ_２ガスは、図５Ａ～図５Ｄの例示的なフローフィールド構成などのそれぞれのフローフィールド構成を含む、図８Ａ～図８Ｄの例示的なフローフィールドプレートなどのフローフィールドプレートを介して、内部短絡電極アセンブリの負電極を横切って対流し得る。同様に、図６Ａ～図７Ｂは、リバランシングセル内の電解質フローの態様を描写し、ここで電解質は、重力供給及び毛細管作用の組み合わせを介して内部短絡電極アセンブリの正電極を横切って分配され得る（追加的又は代替的に、負電極を横切るＨ_２ガスの対流と同様に、電解質は、図５Ａ～図５Ｄの例示的なフローフィールド構成などのそれぞれのフローフィールド構成を含む、図８Ａ～図８Ｄの例示的なフローフィールドプレートなどのフローフィールドプレートを介して正電極を横切って対流し得る）。いくつかの実施例では、重力供給は、図９Ａ及び図９Ｂの例示的な勾配付き支持体などの勾配付き支持体をリバランシングセルのセルエンクロージャに結合することによって支援され得、その結果、セルエンクロージャは、重力の方向に対する傾斜面上に置かれ得る。リバランシングセルシステムを動作させる例示的な方法が、図１１に描写される。図１０は、例示的なリバランシングセルの動作中に減少したＦｅ^３＋の総量の関数としてのＦｅ^３＋還元速度をプロットしており、内部短絡電極アセンブリを含むリバランシングセルについてのＦｅ^３＋還元の増加を示す。

【0014】

図１に示されるように、レドックスフロー電池システム１０では、負電極２６は、めっき電極と呼ばれ得、正電極２８は、レドックス電極と呼ばれ得る。レドックスフロー電池セル１８のめっき側（例えば、負電極コンパートメント２０）内の負電解質は、めっき電解質と呼ばれ得、レドックスフロー電池セル１８のレドックス側（例えば、正電極コンパートメント２２）上の正電解質は、レドックス電解質と呼ばれ得る。

【0015】

「アノード」は、電気活性材料が電子を失う電極を指し、「カソード」は、電気活性材料が電子を獲得する電極を指す。電池充電中、負電解質は、負電極２６で電子を獲得し、負電極２６は、電気化学反応のカソードである。電池放電中、負電解質は電子を失い、負電極２６は、電気化学反応のアノードである。代替的には、電池放電中、負電解質及び負電極２６は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと呼ばれ得、一方、正電解質及び正電極２８は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと呼ばれ得る。電池充電中、負電解質及び負電極２６は、それぞれ、電気化学反応のカソード液及びカソードと呼ばれ得、一方、正電解質及び正電極２８は、それぞれ、電気化学反応のアノード液及びアノードと呼ばれ得る。簡潔にするために、「正」及び「負」という用語は、レドックスフロー電池システムにおける電極、電解質、及び電極コンパートメントを指すために本明細書で使用される。

【0016】

ハイブリッドレドックスフロー電池の一実施例は、全鉄レドックスフロー電池（ＩＦＢ）であり、電解質は、鉄塩（例えば、ＦｅＣｌ_２、ＦｅＣｌ_３など）の形態の鉄イオンを含み、負電極２６は、金属鉄を含む。例えば、負電極２６において、第一鉄（Ｆｅ^２＋）は、電池充電中に２つの電子を獲得し、鉄金属（Ｆｅ^０）として負電極２６上にめっきし、Ｆｅ^０は、電池放電中に２つの電子を失い、Ｆｅ^２＋として再溶解する。正電極２８において、Ｆｅ^２＋は、電池充電中に電子を失って、第二鉄（Ｆｅ^３＋）を形成し、Ｆｅ^３＋は、電池放電中に電子を獲得して、Ｆｅ^２＋を形成する。電気化学反応は、式（５）及び式（６）に要約され、ここで、順方向反応（左から右）は、電池充電中の電気化学反応を示し、一方、逆方向反応（右から左）は、電池放電中の電気化学反応を示す。
Ｆｅ^２＋＋２ｅ^－←→Ｆｅ^０ －０．４４Ｖ （負電極）（５）
Ｆｅ^２＋←→２Ｆｅ^３＋＋２ｅ^－ ＋０．７７Ｖ （正電極）（６）

【0017】

上述のように、ＩＦＢで使用される負電解質は、電池充電中に、Ｆｅ^２＋が負電極２６から２つの電子を受け入れて、Ｆｅ^０を形成し、基板上にめっきし得るように、十分な量のＦｅ^２＋を提供し得る。電池放電中、めっきされたＦｅ^０は、２つの電子を失い、Ｆｅ^２＋にイオン化し、電解質に溶解して戻り得る。上記反応の平衡電位は－０．４４Ｖであり、したがって、この反応は所望のシステムに負の端子を提供する。ＩＦＢの正側では、電解質は、電池充電中にＦｅ^２＋を提供し得、これは電子を失い、Ｆｅ^３＋に酸化する。電池放電中、電解質によって提供されるＦｅ^３＋は、正電極２８によって提供される電子を吸収することによってＦｅ^２＋になる。この反応の平衡電位は＋０．７７Ｖであり、所望のシステムに正の端子を作成する。

【0018】

ＩＦＢは、非再生電解質を利用する他の電池タイプとは対照的に、その中で電解質を充電及び再充電する能力を提供し得る。充電は、端子４０及び４２を介して電極２６及び２８を横切ってそれぞれ電流を印加することによって達成され得る。負電極２６は、（例えば、正電極コンパートメント２２内の正電解質中でＦｅ^２＋が、Ｆｅ^３＋に酸化される際に）電子が正電極２８を介して負電解質に送達され得るように、端子４０を介して電圧源の負側に電気的に結合され得る。負電極２６に提供される電子は、負電解質中のＦｅ^２＋を還元して、（めっき）基板にＦｅ^０を形成し得、Ｆｅ^２＋を負電極２６上にめっきさせる。

【0019】

放電は、Ｆｅ^０が酸化のために負電解質に対して利用可能なままである間、及びＦｅ^３＋が還元のために正電解質において利用可能なままである間、持続し得る。一例として、Ｆｅ^３＋利用可能性は、外部正電解質チャンバ５２などの外部供給源を介して追加のＦｅ^３＋イオンを提供するために、レドックスフロー電池セル１８の正電極コンパートメント２２側の正電解質の濃度又は体積を増加させることによって維持され得る。より一般的には、放電中のＦｅ^０の利用可能性は、ＩＦＢシステムで問題となり得、ここで放電のために利用可能なＦｅ^０は、負電極基板の表面積及び体積、並びにめっき効率に比例し得る。充電容量は、負電極コンパートメント２０内のＦｅ^２＋の利用可能性に依存し得る。一例として、Ｆｅ^２＋利用可能性は、外部負電解質チャンバ５０などの外部供給源を介して追加のＦｅ^２＋イオンを提供して、レドックスフロー電池セル１８の負電極コンパートメント２０側への負電解質の濃度又は体積を増加させることによって維持され得る。

【0020】

ＩＦＢでは、正電解質は、第一鉄イオン、第二鉄イオン、第二鉄錯体、又はそれらの任意の組み合わせを含み得、一方、負電解質は、ＩＦＢシステムの充電状態（ＳＯＣ）に応じて、第一鉄イオン又は第一鉄錯体を含み得る。前述のように、負電解質及び正電解質の両方における鉄イオンの利用は、レドックスフロー電池セル１８の両側で同じ電解質種の利用を可能にし得、これは、電解質交差汚染を低減し得、ＩＦＢシステムの効率を高め得、その結果、他のレドックスフロー電池システムと比較して電解質交換が少なくなる。

【0021】

ＩＦＢにおける効率損失は、セパレータ２４（例えば、イオン交換膜バリア、微孔性膜、など）を通る電解質クロスオーバから生じ得る。例えば、正電解質中のＦｅ^３＋イオンは、Ｆｅ^３＋イオン濃度勾配及びセパレータ２４を横切る電気泳動力によって負電解質に向かって駆動され得る。その後、セパレータ２４を貫通し、負電極コンパートメント２０にクロスオーバするＦｅ^３＋イオンは、クーロン効率損失をもたらし得る。低ｐＨレドックス側（例えば、より酸性の正電極コンパートメント２２）から高ｐＨめっき側（例えば、より酸性でない負電極コンパートメント２０）にクロスオーバするＦｅ^３＋イオンは、Ｆｅ（ＯＨ）_３の沈殿をもたらし得る。Ｆｅ（ＯＨ）_３の沈殿は、セパレータ２４を劣化させ、永久的な電池性能及び効率の損失を引き起こす可能性がある。例えば、Ｆｅ（ＯＨ）_３沈殿物は、イオン交換膜の有機官能基を化学的に汚すか、又はイオン交換膜の微細孔を物理的に詰まらせる場合がある。いずれの場合も、Ｆｅ（ＯＨ）_３沈殿物のために、膜のオーム抵抗が時間の経過とともに上昇し、電池の性能が低下する可能性がある。沈殿物は、ＩＦＢを酸で洗浄することによって除去され得るが、一定のメンテナンス及びダウンタイムは、商業用電池用途にとって不利であり得る。更に、洗浄は、電解質の定期的な調製に依存し得、追加の処理コスト及び複雑さに寄与する。代替的には、電解質のｐＨ変化に応答して正電解質及び負電解質に特定の有機酸を添加することは、全体的なコストを押し上げることなく、電池充電及び放電サイクリング中の沈殿物の形成を軽減し得る。追加的に、Ｆｅ^３＋イオンクロスオーバを抑制する膜バリアを実装することはまた、汚れを軽減し得る。

【0022】

追加のクーロン効率の損失が、Ｈ^＋（例えば、プロトン）の還元及びその後のＨ_２ガスの形成、並びに負電極コンパートメント２０内のプロトンと、負電極２６のめっきされた鉄金属に供給される電子との反応によって引き起こされて、Ｈ_２ガスを形成し得る。

【0023】

ＩＦＢ電解質（例えば、ＦｅＣｌ_２、ＦｅＣｌ_３、ＦｅＳＯ_４、Ｆｅ_２（ＳＯ_４）_３、など）は、容易に入手可能であり得、低コストで生成され得る。一実施例では、ＩＦＢ電解質は、塩化第一鉄（ＦｅＣｌ_２）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、塩化マンガン（ＩＩ）（ＭｎＣｌ_２）、及びホウ酸（Ｈ_３ＢＯ_３）から形成され得る。ＩＦＢ電解質は、負電解質及び正電解質に同じ電解質が使用され得るため、より高い再利用値を提供し得、結果として、他のシステムと比較して交差汚染の問題を低減する。更に、鉄の電子配置のため、鉄は、負電極基板へのめっき中に概して均一な固体構造に固化し得る。ハイブリッドレドックス電池で一般的に使用される亜鉛及び他の金属の場合、めっき中に固体樹枝状構造が形成される場合がある。ＩＦＢシステムの安定した電極形態は、他のレドックスフロー電池と比較して電池の効率を高め得る。なお更に、鉄レドックスフロー電池は、有毒な原材料の使用を低減し得、他のレドックスフロー電池電解質と比較して比較的中性のｐＨで動作し得る。したがって、ＩＦＢシステムは、生産中の他の全ての現在の先進的なレドックスフロー電池システムと比較して、環境有害性を低減し得る。

【0024】

図１を続けると、レドックスフロー電池システム１０の概略図が示されている。レドックスフロー電池システム１０は、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に流体的に結合されたレドックスフロー電池セル１８を含み得る。レドックスフロー電池セル１８は、負電極コンパートメント２０、セパレータ２４、及び正電極コンパートメント２２を含み得る。セパレータ２４は、電気絶縁イオン伝導障壁を含み得、これは、特定のイオンの伝導を可能にしながら、正電解質と負電解質とのバルク混合を防止する。例えば、上述したように、セパレータ２４は、イオン交換膜及び／又は微孔性膜を含み得る。

【0025】

負電極コンパートメント２０は、負電極２６を含み得、負電解質は、電気活性材料を含み得る。正電極コンパートメント２２は、正電極２８を含み得、正電解質は、電気活性材料を含み得る。いくつかの実施例では、多数のレドックスフロー電池セル１８を直列又は並列に組み合わせて、レドックスフロー電池システム１０でより高い電圧又は電流を生成し得る。

【0026】

図１に更に図示されているのは、負及び正電解質ポンプ３０及び３２であり、両方とも、レドックスフロー電池システム１０を通して電解質溶液をポンプ投入するために使用される。電解質は、セルの外部の１つ以上のタンクに貯蔵され、それぞれ、レドックスフロー電池セル１８の負電極コンパートメント２０側及び正電極コンパートメント２２側を通して、負及び正電解質ポンプ３０及び３２を介してポンプ投入される。

【0027】

レドックスフロー電池システム１０はまた、第１のバイポーラプレート３６及び第２のバイポーラプレート３８を含み得、各々は、それぞれ、負電極２６及び正電極２８の背面側、例えば、セパレータ２４に面する側の反対側、に沿って位置付けられる。第１のバイポーラプレート３６は負電極２６と接触し得、第２のバイポーラプレート３８は正電極２８と接触し得る。しかしながら、他の実施例では、バイポーラプレート３６及び３８は、電極２６及び２８に近接して配列され得るが、電極２６及び２８から離間され、それぞれの電極コンパートメント２０及び２２内に収容されてもよい。いずれの場合も、バイポーラプレート３６及び３８は、それぞれ、負及び正電極２６及び２８との直接接触を介して、又は負及び正電極２６及び２８を介して、それぞれ、端子４０及び４２に電気的に結合され得る。ＩＦＢ電解質は、バイポーラプレート３６及び３８の材料の導電特性に起因して、第１及び第２のバイポーラプレート３６及び３８によって、負及び正電極２６及び２８の反応部位に輸送され得る。電解質のフローはまた、負及び正電解質ポンプ３０及び３２によって補助され得、レドックスフロー電池セル１８を通る強制対流を容易にする。反応した電気化学種はまた、強制対流並びに第１及び第２のバイポーラプレート３６及び３８の存在の組み合わせによって、反応部位から離れるように導かれ得る。

【0028】

図１に例解されるように、レドックスフロー電池セル１８は、負の電池端子４０及び正の電池端子４２を更に含み得る。充電電流が電池端子４０及び４２に印加されると、正電解質は正電極２８で酸化され得（１つ以上の電子を失う）、負電解質は負電極２６で還元され得る（１つ以上の電子を獲得する）。電池放電中に、逆レドックス反応が電極２６及び２８上で生じ得る。言い換えれば、正電解質は、正電極２８で還元され得（１つ以上の電子を獲得する）、負電解質は、負電極２６で酸化され得る（１つ以上の電子を失う）。電池を横切る電位差は、正電極コンパートメント２２及び負電極コンパートメント２０における電気化学的レドックス反応によって維持され得、反応が持続している間、集電体を通る電流を誘導し得る。レドックス電池によって貯蔵されたエネルギーの量は、電解質の総量及び電気活性材料の溶解度に応じて、放電のために電解質中で利用可能な電気活性材料の量によって制限され得る。

【0029】

レドックスフロー電池システム１０は、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０を更に含み得る。マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、バルクヘッド９８によって分割され得る。バルクヘッド９８は、正及び負電解質の両方が単一のタンク内に含まれ得るように、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０内に多数のチャンバを作成し得る。負電解質チャンバ５０は、電気活性材料を含む負電解質を保持し、正電解質チャンバ５２は、電気活性材料を含む正電解質を保持する。バルクヘッド９８は、負電解質チャンバ５０と正電解質チャンバ５２との間に所望の体積比をもたらすように、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０内に位置付けられ得る。一実施例では、バルクヘッド９８は、負のレドックス反応と正のレドックス反応との間の化学量論比に従って、負電解質チャンバ５０及び正電解質チャンバ５２の体積比を設定するように位置付けられ得る。図１は、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０の充填高さ１１２を更に図示し、これは、各タンクコンパートメント内の液体レベルを示し得る。図１はまた、負電解質チャンバ５０の充填高さ１１２の上に位置するガスヘッドスペース９０、及び正電解質チャンバ５２の充填高さ１１２の上に位置するガスヘッドスペース９２を示す。ガスヘッドスペース９２は、レドックスフロー電池の動作を通じて（例えば、プロトン還元及び鉄腐食の副反応により）生成され、レドックスフロー電池セル１８から戻る電解質とともにマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に運ばれるＨ_２ガスを貯蔵するために利用され得る。Ｈ_２ガスは、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０内の気体－液体境界部（例えば、充填高さ１１２）で自然に分離され得、それによって、レドックスフロー電池システム１０の一部として追加の気体－液体セパレータを有することを排除する。電解質から分離されると、Ｈ_２ガスは、ガスヘッドスペース９０及び９２を満たし得る。こうして、貯蔵されたＨ_２ガスは、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から他のガスをパージするのに役立ち得、それによって、電解質種の酸化を低減するための不活性ガスブランケットとして機能し、これは、レドックスフロー電池容量損失を低減するのに役立ち得る。このようにして、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０を利用することは、従来のレドックスフロー電池システムに共通の別個の負及び正電解質貯蔵タンク、水素貯蔵タンク、及び気体－液体セパレータを有することを不要にし得、それによって、システム設計を簡素化し、レドックスフロー電池システム１０の物理的フットプリントを低減し、システムコストを低減する。

【0030】

図１はまた、スピルオーバホール９６を示し、これは、ガスヘッドスペース９０と９２との間のバルクヘッド９８に開口部を作成し得、チャンバ５０と５２との間でガス圧力を均等化する手段を提供し得る。スピルオーバホール９６は、充填高さ１１２の上の閾値高さに位置付けられ得る。スピルオーバホール９６は、電池クロスオーバが発生した場合に、負及び正電解質チャンバ５０及び５２の各々における電解質の自己バランスをとる能力を更に可能にし得る。全鉄レドックスフロー電池システムの場合、同じ電解質（Ｆｅ^２＋）が、負及び正電極コンパートメント２０及び２２の両方で使用され、それにより負電解質チャンバ５０と正電解質チャンバ５２との間の電解質のスピルオーバは、全体的なシステム効率を低減させる可能性があるが、全体的な電解質組成、電池モジュール性能、及び電池モジュール容量が維持され得る。フランジ継手が、漏れのない連続的に加圧された状態を維持するために、入口及び出口のマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０との間の全ての配管接続に利用され得る。マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、負及び正電解質チャンバ５０及び５２の各々からの少なくとも１つの出口、並びに負及び正電解質チャンバ５０及び５２の各々への少なくとも１つの入口を含み得る。更に、１つ以上の出口接続が、Ｈ_２ガスをリバランシング反応器又はセル８０及び８２に導くために、ガスヘッドスペース９０及び９２から提供され得、その結果、リバランシング反応器又はセル８０及び８２が、それぞれ、ガスヘッドスペース９０及び９２に流体的に結合され得る。

【0031】

図１には示されていないが、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、負電解質チャンバ５０及び正電解質チャンバ５２の各々に熱的に結合された１つ以上のヒータを更に含み得る。代替の例では、負及び正電解質チャンバ５０及び５２のうちの１つだけが、１つ以上のヒータを含んでもよい。正電解質チャンバ５２のみが１つ以上のヒータを含む場合には、負電解質は、レドックスフロー電池セル１８において生成される熱を負電解質に伝達することによって加熱されてもよい。このようにして、レドックスフロー電池セル１８は、負電解質を加熱し、負電解質の温度調節を容易にし得る。１つ以上のヒータは、コントローラ８８によって作動されて、負電解質チャンバ５０及び正電解質チャンバ５２の温度を独立して又は一緒に調節し得る。例えば、閾値温度を下回る電解質温度に応答して、コントローラ８８は、電解質への熱流束が増加し得るように、１つ以上のヒータに供給される電力を増加させ得る。電解質温度は、センサ６０及び６２などのマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に取り付けられた１つ以上の温度センサによって示され得る。例として、１つ以上のヒータは、電解質流体に浸漬されたコイル型ヒータ若しくは他の浸漬ヒータ、又はその中の流体を加熱するために負及び正電解質チャンバ５０及び５２の壁を通して熱を伝導的に伝達する表面マントル型ヒータを含み得る。本開示の範囲から逸脱することなく、他の既知のタイプのタンクヒータが使用されてもよい。更に、コントローラ８８は、固体充填閾値レベルを下回る液体レベルに応答して、負及び正電解質チャンバ５０及び５２内の１つ以上のヒータを停止させ得る。別の方法で言えば、いくつかの実施例では、コントローラ８８は、固体充填閾値レベルを上回る液体レベルに応答してのみ、負及び正電解質チャンバ５０及び５２内の１つ以上のヒータを作動させ得る。このようにして、負及び／又は正電解質チャンバ５０、５２内に十分な液体なしで１つ以上のヒータを作動させることが回避され得、それによって、ヒータ（複数可）の過熱又は焼損のリスクを低減させる。

【0032】

なお更に、１つ以上の入口接続が、フィールド水和システム（図示せず）から負及び正電解質チャンバ５０及び５２の各々に提供され得る。このようにして、フィールド水和システムは、最終使用場所での、レドックスフロー電池システム１０の設置、充填、及び水和を含む、レドックスフロー電池システム１０の稼働開始を容易にし得る。更に、最終使用場所でレドックスフロー電池システム１０を稼働開始する前に、レドックスフロー電池システム１０は、レドックスフロー電池システム１０を最終使用場所に配送する前に、レドックスフロー電池システム１０を充填及び水和することなく、最終使用場所とは異なる電池製造施設で乾式組み立てされ得る。一実施例では、最終使用場所は、レドックスフロー電池システム１０が設置され、オンサイトエネルギー貯蔵のために利用される場所に対応し得る。言い換えれば、レドックスフロー電池システム１０は、いったん最終使用場所に設置され、水和されると、レドックスフロー電池システム１０の位置が固定され、レドックスフロー電池システム１０がもはやポータブルな乾式システムとみなされ得ないように設計され得る。したがって、エンドユーザの観点から、乾式のポータブルレドックスフロー電池システム１０は、現場に配送されてもよく、その後、レドックスフロー電池システム１０は、設置、水和、及び稼働開始されてもよい。水和の前に、レドックスフロー電池システム１０は、乾式のポータブルシステムと呼ばれ得、レドックスフロー電池システム１０は、水及び湿った電解質を含まないか、又はない。水和されると、レドックスフロー電池システム１０は、湿式の非ポータブルシステムと呼ばれ得、レドックスフロー電池システム１０は、湿った電解質を含む。

【0033】

図１に更に例解されているように、最初にマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０内に貯蔵された電解質溶液は、負及び正電解質ポンプ３０及び３２を介して、レドックスフロー電池システム１０全体にポンプされ得る。負電解質チャンバ５０に貯蔵された電解質は、負電解質ポンプ３０を介してレドックスフロー電池セル１８の負電極コンパートメント２０側を通ってポンプ投入され得、正電解質チャンバ５２に貯蔵された電解質は、正電解質ポンプ３２を介してレドックスフロー電池セル１８の正電極コンパートメント２２側を通ってポンプ投入され得る。

【0034】

電解質リバランシング反応器８０及び８２は、それぞれ、レドックスフロー電池システム１０内のレドックスフロー電池セル１８の負及び正側で、電解質の再循環流路とインライン又は並行して接続され得る。１つ以上のリバランシング反応器は、電池の負及び正側で電解質の再循環流路とインラインに接続されてもよく、他のリバランシング反応器は、冗長性のために（例えば、リバランシング反応器は、電池及びリバランシング動作を中断することなく保守され得る）、及び増加したリバランシング容量のために、並行して接続されてもよい。一実施例では、電解質リバランシング反応器８０及び８２は、それぞれ、負及び正電極コンパートメント２０及び２２から負及び正電解質チャンバ５０及び５２への戻り流路に配置されてもよい。電解質リバランシング反応器８０及び８２は、本明細書に記載されるように、副反応、イオンクロスオーバ、などのために発生するレドックスフロー電池システム１０における電解質充電の不均衡をリバランスするのに役立ち得る。

【0035】

一実施例では、リバランシング反応器８０及び８２のうちの一方又は両方は、トリクルベッド反応器を含み得、ここで、Ｈ_２ガス及び（液体）電解質は、電解質リバランシング反応を実行するために、充填床内の触媒表面で接触し得る。追加的又は代替的に、リバランシング反応器８０及び８２の一方又は両方は、ゼリーロール内で構成された触媒床を有し得る。追加的又は代替的な例では、リバランシング反応器８０及び８２のうちの一方又は両方は、Ｈ_２ガスと電解質とを接触させ、かつ充填された触媒床なしで電解質リバランシング反応を実行することができるフロースルー型反応器を含み得る。しかしながら、電解質リバランシング中のより低いＦｅ^３＋還元速度（例えば、約１～３ｍｏｌ／ｍ^２時間ほどの）は、より高性能用途におけるかかるリバランシング反応器構成の実装を妨げ得る。

【0036】

他の実施例では、リバランシング反応器８０及び８２の一方又は両方は、燃料電池を含み得、ここで、Ｈ_２ガス及び電解質は、電解質リバランシング反応を実行するために触媒表面で接触し得、閉回路が、外部負荷を通して燃料電池から電流を導くことによって形成され得る。しかしながら、かかる燃料セルにおける逆電流スパイク［例えば、逆電流の一時的な増加であって、「逆電流」は、予想とは反対の（すなわち、「前方」方向とは反対の）方向において電気経路に沿って移動する任意の電流を指すために本明細書で使用され得る］は、ある特定の状況では避けられず、かかるリバランシング反応構成の信頼性を損ない得る。

【0037】

リバランシング反応器８０及び８２の全体的な信頼性を犠牲にすることなくＦｅ^３＋還元速度を増加させるために、本開示の実施形態は、内部電流、対流、重力供給、及び毛細管作用の組み合わせを介して触媒表面で反応するように、Ｈ_２ガス及び電解質を駆動するように構成された、図３の電極アセンブリなどの内部短絡電極アセンブリの積層体を含む、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセルなどのリバランシングセルを提供する。本明細書において説明される実施形態では、内部短絡電極アセンブリの積層体の電極アセンブリは、リバランシングセルの動作中に、電流が内部短絡電極アセンブリの積層体から離れるように導かれないという点で、「内部短絡された」と呼ばれ得る。かかる内部電気短絡は、Ｆｅ^３＋還元速度を劇的に増加させ（例えば、約５０～７０ｍｏｌ／ｍ^２時間もの高さに）、かつ付随して副反応速度（例えば、式（１）～（３）の反応の速度）を減少させながら、逆電流スパイクを低減又は排除し得る。更に、内部短絡電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリは、内部短絡電極アセンブリの積層体の各他の電極アセンブリから電気的に分離され得、その結果、１つの電極アセンブリでの電流スパイク中の内部短絡電極アセンブリの積層体への劣化がそれに限定され得る（例えば、逆電流は、他の電極アセンブリを通じて１つの電極アセンブリから駆動され得ない）。かかる場合、単一の劣化した電極アセンブリは、内部短絡電極アセンブリの積層体から容易に除去され、非劣化電極アセンブリと交換され得る。

【0038】

内部短絡回路を実現するために、内部短絡電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリは、正電極及び負電極の接合対を含み得る（例えば、連続的に導電性であるように互いに面共有接触して構成されている）。本明細書で使用される場合、一対の第１の構成要素及び第２の構成要素（例えば、電極アセンブリの正電極及び負電極）は、第１の構成要素及び第２の構成要素が、互いに面共有接触するように、第１の構成要素が第２の構成要素に隣接して配置されている場合、互いに「接合している」として説明され得る（「隣接する」とは、間に介在する構成要素を有しない任意の２つの構成要素を指すために本明細書で使用される）。更に、本明細書で使用される場合、複数の電極の導電性を説明する場合の「連続的に」は、複数の電極の任意の面共有接合で実質上又は実用的にゼロ抵抗を有する、内部を通る電気経路を指し得る。

【0039】

例示的な実施形態では、（正の）リバランシング反応器８２は、内部短絡電極アセンブリの積層体を含むリバランシングセルであり得る。電池充電中に正電極２８で著しい量のＦｅ^３＋が生成され得るため、より高いＦｅ^３＋還元速度が、正電解質をリバランシングするために望ましい場合がある（式（６）を参照）。追加的又は代替的な実施形態では、（負の）リバランシング反応器８０は、同様の構成であり得る［Ｆｅ^３＋は、鉄めっき酸化中に負電極２６で生成され得る（式（３）を参照のこと）］。

【0040】

レドックスフロー電池システム１０の動作中、センサ及びプローブは、電解質のｐＨ、濃度、ＳＯＣ、などのような電解質の化学特性を監視及び制御し得る。例えば、図１に図示されるように、センサ６２及び６０は、それぞれ正電解質チャンバ５２及び負電解質チャンバ５０で正電解質及び負電解質の状態を監視するように位置付けられ得る。別の例では、センサ６２及び６０は各々、それぞれ正電解質チャンバ５２及び負電解質チャンバ５０内の電解質のレベルを示すために、１つ以上の電解質レベルセンサを含んでもよい。別の例として、また図１に図示されるセンサ７２及び７０は、それぞれ正電極コンパートメント２２及び負電極コンパートメント２０における正電解質及び負電解質の状態を監視し得る。センサ７２及び７０は、ｐＨプローブ、光学プローブ、圧力センサ、電圧センサ、などであり得る。センサは、電解質化学的特性及び他の特性を監視するために、レドックスフロー電池システム１０全体の他の場所に位置付けられてもよいことが理解されるであろう。

【0041】

例えば、センサは、外部酸タンク内に、外部酸タンク（図示せず）の酸量又はｐＨを監視するために位置付けられてもよく、外部酸タンクからの酸は、電解質中の沈殿物形成を低減するために、外部ポンプ（図示せず）を介してレドックスフロー電池システム１０に供給されてもよい。追加の外部タンク及びセンサが、他の添加剤をレドックスフロー電池システム１０に供給するために設置されてもよい。例えば、フィールド水和システムの温度、導電率、及びレベルセンサを含む様々なセンサが、コントローラ８８に信号を送信し得る。更に、コントローラ８８は、レドックスフロー電池システム１０の水和中に、フィールド水和システムのバルブ及びポンプなどのアクチュエータに信号を送信し得る。センサ情報は、コントローラ８８に送信され得、それは次に、例として、ポンプ３０及び３２を作動させて、レドックスフロー電池セル１８を通る電解質フローを制御するか、又は他の制御機能を実行し得る。このようにして、コントローラ８８は、センサ及びプローブの１つ又は組み合わせに応答し得る。

【0042】

レドックスフロー電池システム１０は、Ｈ_２ガスの供給源を更に含み得る。一実施例では、Ｈ_２ガスの供給源は、別個の専用水素ガス貯蔵タンクを含み得る。図１の実施例では、Ｈ_２ガスは、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に貯蔵され、そこから供給されてもよい。統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、正電解質チャンバ５２及び負電解質チャンバ５０に追加のＨ_２ガスを供給し得る。統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、電解質リバランシング反応器８０及び８２の入口に追加のＨ_２ガスを交互に供給し得る。一実施例として、質量流量計又は他の流量制御デバイス（コントローラ８８によって制御され得る）が、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からのＨ_２ガスのフローを調節し得る。統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０は、レドックスフロー電池システム１０内で生成されたＨ_２ガスを補足し得る。例えば、レドックスフロー電池システム１０においてガス漏れが検出された場合、又は低水素分圧で還元反応速度（例えば、Ｆｅ^３＋還元速度）が低すぎる場合、Ｈ_２ガスは、正電解質及び負電解質中の電気活性材料のＳＯＣをリバランシングさせるために、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０から供給され得る。一実施例として、コントローラ８８は、ｐＨの測定された変化に応答して、又は電解質若しくは電気活性材料のＳＯＣにおける測定された変化に応答して、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からＨ_２ガスを供給し得る。

【0043】

例えば、負電解質チャンバ５０、又は負電極コンパートメント２０のｐＨにおける増加は、Ｈ_２がレドックスフロー電池システム１０から漏れていること、及び／又は利用可能な水素分圧では反応速度が遅すぎることを示し得、コントローラ８８は、ｐＨの増加に応答して、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からレドックスフロー電池システム１０へのＨ_２ガスの供給を増加させ得る。更なる実施例として、コントローラ８８は、ｐＨ変化に応答して、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からＨ_２ガスを供給し得、ｐＨは、第１の閾値ｐＨを超えて増加するか、又は第２の閾値ｐＨを超えて減少する。ＩＦＢの場合、コントローラ８８は、追加のＨ_２を供給して、Ｆｅ^３＋イオンの還元速度及びプロトンの生成速度を増加させ、それによって正電解質のｐＨを低減させ得る。更に、負電解質のｐＨは、正電解質から負電解質にクロスオーバするＦｅ^３＋イオンの水素還元によって、又はプロトン濃度勾配及び電気泳動力に起因して負電解質にクロスオーバする正の側で生成されるプロトンによって低下され得る。このようにして、負電解質のｐＨは、Ｆｅ（ＯＨ）_３としてＦｅ^３＋イオン（正電極コンパートメント２２からクロスオーバする）の沈殿のリスクを低減しながら、安定した領域内に維持され得る。

【0044】

酸素還元電位（ＯＲＰ）メータ又は光学センサなどの他のセンサによって検出される、電解質ｐＨの変化又は電解質ＳＯＣの変化に応答して、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０からのＨ_２ガスの供給速度を制御するための他の制御スキームが、実施され得る。なお更に、ｐＨ又はコントローラ８８のＳＯＣトリガアクションの変化は、変化率又はある期間にわたって測定された変化に基づき得る。変化率の期間は、レドックスフロー電池システム１０の時定数に基づいて予め決定又は調整され得る。例えば、再循環速度が高い場合、期間を短縮することができ、時定数が小さい場合があるため、濃度の局所変化（例えば、副反応又はガス漏れに起因する）は迅速に測定され得る。

【0045】

コントローラ８８は、レドックスフロー電池システム１０の動作モードに基づいて制御スキームを更に実行し得る。例えば、図１１を参照して下記で詳細に考察されるように、上で説明されたようにリバランシング反応器８０及び８２へのＨ_２ガスのフローを制御することと並行して、同時に、レドックスフロー電池システム１０から過剰Ｈ_２ガスを除去し、Ｆｅ^３＋イオン濃度を低減するように、コントローラ８８は、レドックスフロー電池セル１８の充電及び放電中に、それぞれ、リバランシング反応器８０及び８２への負電解質及び正電解質のフローを制御し得る。電解質リバランシングの後、コントローラ８８は、リバランシング反応器８０及び８２から、リバランシングされた負電解質及び正電解質（例えば、Ｆｅ^３＋の減少した濃度及びＦｅ^２＋の増加した濃度を含む）とともに、任意の過剰又は未反応のＨ_２のフローを、マルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０のそれぞれの電解質チャンバ５０及び５２に戻るように導き得る。追加的又は代替的に、未反応のＨ_２ガスは、別個の専用水素ガス貯蔵タンク（図１には示されていない）に戻されてもよい。

【0046】

別の例として、コントローラ８８は、システムコンディショニング中に負電極２６で鉄の予備成形を引き起こすように、レドックスフロー電池セル１８の充電及び放電を更に制御し得る（システムコンディショニングは、電池サイクリングの外でレドックスフロー電池システム１０の電気化学的性能を最適化するために用いられる動作モードを含み得る）。すなわち、システムコンディショニング中、コントローラ８８は、負電極２６上に鉄金属をめっきするようにレドックスフロー電池システム１０の１つ以上の動作条件を調整して、それに続く電池サイクリング中に電池充電容量を改善し得る（したがって、鉄金属は、電池サイクリングのために予め形成され得る）。このようにして、負電極２６で鉄を予め形成し、システムコンディショニング中に電解質リバランシングを実行することは、鉄めっき損失を軽減することによって、電池サイクリング中のレドックスフロー電池セル１８の全体的な容量を増加させ得る。本明細書で使用される場合、電池サイクリング（「充電サイクリング」とも称される）は、レドックスフロー電池システム１０の充電モードと放電モードとの間で交互することを含み得る。

【0047】

センサ６０及び６２並びに統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０（及びそこに含まれる構成要素）を除く全ての構成要素は、電力モジュール１２０に含まれるとみなされ得ることが理解されよう。このように、レドックスフロー電池システム１０は、統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０に流体的に結合され、センサ６０及び６２に通信可能に結合された電力モジュール１２０を含むと説明され得る。いくつかの実施例では、電力モジュール１２０及びマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０の各々は、単一のハウジング又はパッケージング（図示せず）に含まれてもよく、その結果、レドックスフロー電池システム１０は、単一の場所において単一のユニットとして含まれ得る。正電解質、負電解質、センサ６０及び６２、電解質リバランシング反応器８０及び８２、並びに統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０（及びそれらに含まれる構成要素）は、電解質サブシステム１３０に含まれるとみなされ得ることが更に理解されるであろう。このように、電解質サブシステム１３０は、１つ以上の電解質をレドックスフロー電池セル１８（及びその中に含まれる構成要素）に供給し得る。

【0048】

ここで図２Ａ及び図２Ｂを参照すると、それぞれ斜視図２００及び２５０が示されており、斜視図２００及び２５０の各々は、図１のレドックスフロー電池システム１０などのレドックスフロー電池システムのためのリバランシングセル２０２を描写している。例示的な実施形態では、リバランシングセル２０２は、図３を参照して下記で詳細に説明される電極アセンブリなどの内部短絡電極アセンブリの積層体を含み得、これは、内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極の触媒表面において、図１のレドックスフロー電池セル１８などのレドックスフロー電池の正又は負電極コンパートメントからのＨ_２ガスと電解質との接触を促進することによって、電解質リバランシング反応を駆動し得る。したがって、リバランシングセル２０２は、図１のリバランシング反応器８０及び８２の一方又は両方であり得る。示される構成要素の相対的な位置付けを説明するため、及び図２Ａ～図４Ｂ、図６Ａ、図６Ｂ、図９Ａ、及び図９Ｂの図の間の比較のために、一組の基準軸２０１が提供され、軸２０１は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を示す。図２Ａ、図２Ｂ、及び図６Ａの破線で更に示されるように、追加の軸ｇは、重力の方向（例えば、軸ｇに沿った正の方向）及び垂直方向（例えば、軸ｇに沿った負の方向であり、重力の方向とは反対）と平行であり得る。

【0049】

レドックスフロー電池システム内に含まれるリバランシングセル２０２の数及び内部短絡電極アセンブリの積層体内に含まれる電極アセンブリの数は、特に限定されず、対応して、より高性能用途に適合するように増加してもよい。例えば、７５ｋＷレドックスフロー電池システムは、２０個の電極アセンブリの積層体（例えば、積層体の反対側の端部に位置付けられた２つの端部プレートを有する１９個のバイポーラアセンブリの積層体）を含む、２つのリバランシングセル２０２を含み得る。

【0050】

示されるように、内部短絡電極アセンブリの積層体は、外部セルエンクロージャ（例えば、ハウジング）２０４内に取り外し可能に囲まれ得る。したがって、いくつかの実施例では、セルエンクロージャ２０４は、エンクロージャベースに取り外し可能に取り付けられたトップカバーを含み得、その結果、トップカバーが一時的に取り外されて、内部短絡電極アセンブリの積層体のうちの１つ以上の電極アセンブリを交換するか又は診断し得る。追加的又は代替的な実施例では、矩形角柱として図２Ａ及び図２Ｂに描写されるセルエンクロージャ２０４は、レドックスフロー電池システムの他の構成要素に対して隙間嵌めであるように成形され得、その結果、リバランシングセル２０２は、かかる構成要素と面共有接触し得る。いくつかの実施例では、セルエンクロージャ２０４は、望ましくない短絡事象を低減するように、プラスチック又は他のポリマーなどの低い導電性を有する材料で構成され得る。

【0051】

セルエンクロージャ２０４は、リバランシングセル２０２の接合構成要素のための開口部又は空洞を含むように更に構成され得る。例えば、セルエンクロージャ２０４は、レドックスフロー電池システムの他の構成要素に流体的に結合するように構成された複数の入口ポート及び出口ポートを含み得る。一実施例では、示されるように、複数の入口ポート及び出口ポートは、ＰＰ配管に溶接されたポリプロピレン（ＰＰ）フランジ継手固定を含み得る。

【0052】

例示的な実施形態では、複数の入口ポート及び出口ポートは、電解質をセルエンクロージャ２０４に流動させるための電解質入口ポート２０６と、電解質をセルエンクロージャ２０４から排出するための電解質出口ポート２０８と、を含み得る。一実施例では、電解質入口ポート２０６は、セルエンクロージャ２０４の上半分に位置付けられ得、電解質出口ポート２０８は、セルエンクロージャ２０４の下半分に位置付けられ得る（セルエンクロージャ２０４の上半分及び下半分は、ｚ軸に沿って、ｘ軸及びｙ軸の各々と平行な平面によって分離される）。したがって、電解質出口ポート２０８は、重力の方向に対して（例えば、軸ｇに沿って）電解質入口ポート２０６よりも低く位置付けられ得る。

【0053】

具体的には、電解質が電解質入口ポート２０６を介してセルエンクロージャ２０４に入ると、電解質は、内部短絡電極アセンブリの積層体を横切って分配され、電極アセンブリの積層体を通して重力供給され、内部短絡電極アセンブリの積層体の正電極を通って（例えば、重力の方向に対して）ウィックアップされて、カソード半反応で負電極の触媒表面で反応し、電解質出口ポート２０８を介してセルエンクロージャ２０４から排出され得る。電解質の重力供給を支援し、その圧力降下を増加させるために、リバランシングセル２０２は、セルエンクロージャ２０４に結合された勾配付き支持体２２０を介して、重力方向に対して更に傾けるか又は傾斜され得る。いくつかの実施例では、このようにしてセルエンクロージャ２０４を傾けることは、（例えば、レドックスフロー電池システムのアイドルモード中に）リバランシングセル２０２の電解質排出を更に支援し、（いくつかの実施例では、電解質に十分な期間浸漬された後、触媒表面が腐食し得るので）触媒表面を比較的乾燥したままにし得る。

【0054】

示されるように、勾配付き支持体２２０は、セルエンクロージャ２０４を角度２２２で傾け得、内部短絡電極アセンブリの積層体の電極シートの平面が、勾配付き支持体２２０が置かれている下部表面（図示せず）に対して角度２２２で傾斜するようにする。いくつかの実施例では、（例えば、下部表面に対するセルエンクロージャ２０４の）角度２２２は、０°～３０°であり得る。角度２２２が実質的に０°である実施形態では、リバランシングセル２０２は、依然として機能し得るが、セルエンクロージャ２０４を０°を超える角度で傾けると、圧力降下が大きくなり、負電極への電解質クロスオーバが低減され得る。いくつかの実施例では、角度２２２は、２°～３０°であり得る。いくつかの実施例では、角度２２２は、２°～２０°であり得る。一実施例では、角度２２２は、約８°であり得る。したがって、例えば、電解質入口ポート２０６を通ってセルエンクロージャ２０４に入る場合の電解質の圧力降下は、角度２２２を増加させることによって増加され得、角度２２２を減少させることによって減少され得る。勾配付き支持体２２０の更なる態様を、図９Ａ及び図９Ｂを参照して以下でより詳細に説明する。

【0055】

追加的又は代替的に、１つ以上の支持レール２２４が、セルエンクロージャ２０４の上半分（例えば、勾配付き支持体２２０と反対側）に結合され得る。いくつかの実施例では、図２Ａの斜視図２００に示されるように、１つ以上の支持レール２２４は、１つ以上の支持レール２２４が、リバランシングセル２０２を、下部表面の上の、かつ下部表面と平行な上部表面に、取り外し可能に固定し得るように、角度２２２でセルエンクロージャ２０４に対して傾けられ得る。このようにして、及び幾何学的考慮に基づいて、ｚ軸は、同様に、角度２２２で軸ｇからオフセットされ得る（例えば、セルエンクロージャ２０４は、図２Ａ及び図２Ｂに示されるように、角度２２２によって重力の方向と反対の垂直方向に対して傾けられ得る）。いくつかの実施例では、リバランシングセル２０２を通る電解質の重力供給は、重力の方向と反対の垂直方向に対して、リバランシングセル２０２をレドックスフロー電池システムの電解質貯蔵タンク（例えば、図１のマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０）の上に位置付けることによって更に支援され得る。電解質フローの更なる態様を、図６Ａ～図７Ｂを参照して下記でより詳細に考察する。

【0056】

更に示されるように、電解質出口ポート２０８は、電解質の少なくとも一部分を排出するように構成されたセルエンクロージャ２０４内の複数の開口部（ＰＰ配管に溶接されたＰＰフランジ継手固定を含む複数の開口部の各々）を含み得る。例えば、図２Ａ及び図２Ｂでは、電解質出口ポート２０８は、５つの開口部を含むように示されている。このようにして、電解質は、内部短絡電極アセンブリの積層体を横切って均等に分配され得、実質的にスムーズなフローでセルエンクロージャ２０４から排出され得る（「実質的に」は、「効果的に」を意味する修飾語として本明細書で使用され得る）。他の実施例では、電解質出口ポート２０８は、５つより多い開口部又は５つより少ない開口部を含み得る。一実施例では、電解質出口ポート２０８は、単一の開口部を含み得る。追加的又は代替的な実施例では、電解質出口ポート２０８は、ｚ軸に対して（例えば、ｚ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上で）セルエンクロージャ２０４の下に位置付けられ得る。

【0057】

電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８は、内部短絡電極アセンブリの積層体（例えば、電解質入口ポート２０６から電解質出口ポート２０８まで、並びに電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８に流体的に結合されたセルエンクロージャ２０４内のチャネル、通路、マニホールド、プレナム、ウェルなどを含む）を通る電解質の流路に基づいて、セルエンクロージャ２０４上に位置付けられ得る。いくつかの実施例では、示されるように、電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８は、セルエンクロージャ２０４の隣接する側面（例えば、共通の縁部を共有するセルエンクロージャ２０４の面）上に位置付けられ得る。他の実施例では、電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８は、セルエンクロージャ２０４の反対側に位置付けられ得る。他の実施例では、電解質入口ポート２０６及び電解質出口ポート２０８は、セルエンクロージャ２０４の同じ側に位置付けられ得る。

【0058】

いくつかの実施例では、電解質入口ポート２０６は、ｘ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得る。追加的又は代替的な実施例では、電解質入口ポート２０６は、ｘ軸の正の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得る。一実施例では、示されるように、電解質入口ポート２０６の１つの開口部は、ｘ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得、電解質入口ポート２０６の別の開口部は、ｘ軸の正の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得る。

【0059】

いくつかの実施例では、複数の入口ポート及び出口ポートは、Ｈ_２ガスをセルエンクロージャ２０４に流動させるための水素ガス入口ポート２１０と、Ｈ_２ガスをセルエンクロージャ２０４から排出するための水素ガス出口ポート２１２（図２Ｂに示される）と、を更に含み得る。一実施例では、示されるように、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２の各々は、セルエンクロージャ２０４の下半分に（例えば、ｚ軸に沿った内部短絡電極アセンブリの積層体の最下部電極アセンブリに）位置付けられ得る。別の実施例では、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２の各々は、セルエンクロージャ２０４の上半分に（例えば、ｚ軸に沿った内部短絡電極アセンブリの積層体の最上部電極アセンブリに）位置付けられ得る。更に別の例では、水素ガス入口ポート２１０は、セルエンクロージャ２０４の下半分に位置付けられ得、水素ガス出口ポート２１２は、セルエンクロージャ２０４の上半分に位置付けられ得る。かかる実施例では、水素ガス入口ポート２１０は、重力の方向に対して（例えば、軸ｇに沿って）水素ガス出口ポート２１２よりも低く位置付けられ得る。

【0060】

具体的には、Ｈ_２ガスが水素ガス入口ポート２１０を介してセルエンクロージャ２０４に入ると、Ｈ_２ガスは、強制対流（例えば、図５Ａ～図５Ｄ及び図８Ａ～図８Ｄを参照して下でより詳細に考察されるように、それぞれのフローフィールドプレートのフローフィールド構成によって誘導される）を介して内部短絡電極アセンブリの積層体を横切って、及び内部短絡電極アセンブリの積層体を通って分配され、負電極の触媒表面においてアノード半反応で分解され得る。しかしながら、いくつかの実施例では、過剰な未反応のＨ_２ガスは、触媒表面との接触後にリバランシングセル２０２内に残る可能性がある。いくつかの実施例では、触媒表面で反応していないＨ_２ガスの少なくとも一部分が、電解質に通過し得る。かかる実施例では、望ましくない圧力の蓄積を回避し、それによって正電極上での電解質のプール及び付随する負電極の電解質フラッディングを防止するために、複数の入口ポート及び出口ポートは、圧力放出出口ポート２１４（図２Ａに示されるように）を更に含み、電解質から未反応のＨ_２ガスを排出し得る。更に、いくつかの実施例では、水素ガス出口ポート２１２は、触媒表面で反応しておらず、負電極を通って電解質に流動していないＨ_２ガスの少なくとも一部分を排出するように構成され得る。Ｈ_２ガスフローの更なる態様を、図４Ａ～図５Ｄを参照して下記でより詳細に考察する。

【0061】

水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２は、内部短絡電極アセンブリの積層体を通るＨ_２ガスの流路に基づいて、セルエンクロージャ２０４上に位置付けられ得る。例えば、流路は、水素ガス入口ポート２１０から水素ガス出口ポート２１２（含まれている場合）までであり、セルエンクロージャ２０４内のチャネル、通路、プレナムなどを含み、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２（含まれている場合）に流体的に結合され得る。いくつかの実施例では、示されるように、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２は、セルエンクロージャ２０４の反対側に位置付けられ得る。他の実施例では、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２は、セルエンクロージャ２０４の隣接する側面上に位置付けられ得る。他の実施例では、水素ガス入口ポート２１０及び水素ガス出口ポート２１２は、セルエンクロージャ２０４の同じ側に位置付けられ得る。更に、水素ガス入口ポート２１０は、ｘ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられるように図２Ａ及び図２Ｂに示され、水素ガス出口ポート２１２は、ｘ軸の正の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられるように図２Ａ及び図２Ｂに示されるが、他の実施例では、水素ガス入口ポート２１０は、ｘ軸の正の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得、水素ガス出口ポート２１２は、ｘ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられ得る。

【0062】

一実施例では、水素ガス入口ポート２１０、水素ガス出口ポート２１２、電解質入口ポート２０６、及び電解質出口ポート２０８は、横方向構成でセルエンクロージャ２０４上に位置付けられ得る。横方向構成は、セルエンクロージャ２０４の上半分の異なる側面（例えば、面）上に位置付けられた水素ガス出口ポート２１２及び電解質入口ポート２０６、並びにセルエンクロージャ２０４の下半分の異なる側面上に位置付けられた水素ガス入口ポート２１０及び電解質出口ポート２０８を含み得る。

【0063】

他の実施例では、負電極の触媒表面で反応していないＨ_２ガスと、負電極を通って電解質に流動していないＨ_２ガスと、を排出するための水素ガス出口ポート２１２が存在しなくてもよい。しかしながら、かかる実施例では、電解質から未反応のＨ_２ガスを排出するための圧力放出出口ポート２１４は、依然として存在してもよく、未反応のＨ_２ガスは、負電極を通って電解質に流動し、圧力放出出口ポート２１４を通った後にのみ、セルエンクロージャ２０４から排出されてもよい。水素ガス出口ポート２１２を欠く例示的なリバランシングセル構成は、圧力放出出口ポート２１４を含むかどうかにかかわらず、「デッドエンド構成」と呼ばれ得る。デッドエンド構成では、Ｈ_２ガスのうちの実質的に全てが、負電極の触媒表面と接触させられ得、そこでＨ_２ガスは、アノード半反応を介して分解し得、かつ／又はＨ_２ガスは、負電極を通過した後（例えば、その触媒表面で反応することなく）電解質に入ることができる。

【0064】

ここで図３を参照すると、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル２０２などのリバランシングセル用の電極アセンブリ３０２の分解図３００が示されている。したがって、電極アセンブリ３０２は、内部短絡され得る（例えば、電極アセンブリ３０２を通って流動する電流は、外部負荷を通ってチャネリングされない）。例示的な実施形態では、電極アセンブリ３０２は、リバランシングセルを形成するために、セルエンクロージャ内の同様の構成の電極アセンブリの積層体内に含まれ得る。電極アセンブリ３０２は、活性炭フォーム３０６、正電極３０８（ある実施例では本明細書で「カソード」とも呼ばれる）、及び負電極３１０（ある実施例では本明細書で「アノード」とも呼ばれる）が順次積層されたプレート３０４を含み得る。電極アセンブリ３０２は、炭素フォーム３０６を通して電解質を受容するようにリバランシングセル内に位置付けられ得、そこから電解質は、毛細管作用を介して正電極３０８の孔に入り得、負電極３１０と接触し得る。電極アセンブリ３０２は、対流を介して正電極３０８と反対側の負電極３１０の触媒表面を横切ってＨ_２ガスを受容するように、リバランシングセル内に更に位置付けられ得る。触媒表面を横切るＨ_２ガスの対流は、触媒表面と接合しているフローフィールドプレート（図３には示されていない）によって補助され得る。アノード半反応を介して触媒表面でＨ_２ガスが分解されると、プロトン及び電子は、負電極３１０と正電極３０８との接合部に流動し得、そこで電解質中のイオンは、カソード半反応を介して還元され得る（例えば、Ｆｅ^３＋は、Ｆｅ^２＋に還元され得る）。このようにして、電極アセンブリ３０２は、電極アセンブリ３０２を含む、リバランシングセルに流体的に結合された図１のレドックスフロー電池セル１８などのレドックスフロー電池のための電解質リバランシングのために構成され得る。

【0065】

いくつかの実施例では、プレート３０４は、望ましくない短絡事象を低減するように、プラスチック又は他のポリマーなどの低い導電性を有する材料で構成され得る。したがって、一実施例では、プレート３０４は、図２Ａ及び図２Ｂのセルエンクロージャ２０４と同じ材料から形成され得る。

【0066】

示されるように、プレート３０４は、それを通る複数の入口及び出口を含み得る。例えば、複数の入口及び出口は、電解質出口チャネルセクション３１６、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ、及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂを含み得る。具体的には、プレート３０４は、電解質をリバランシングセルから導くための電解質出口チャネルセクション３１６、Ｈ_２ガスをリバランシングセルに、負電極３１０を横切って導くための水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ、及びＨ_２ガスをリバランシングセルから導くための水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂを含み得る。プレート３０４は、電極アセンブリ３０２で電解質を受容するための電解質入口ウェル３１２を更に含み得、電解質入口ウェル３１２は、炭素フォーム３０６を横切って受容された電解質を分配するために炭素フォーム３０６に隣接して位置付けられたバーム３１４ｂに設定された複数の電解質入口通路３１４ａに流体的に結合されている。いくつかの実施例では、電解質入口ウェル３１２は、（例えば、電解質入口チャネルを介して、図３には示されていない）電解質入口ウェル３１２に流体的に結合された電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６）から電解質を受容してもよく、電解質出口チャネルセクション３１６は、電解質出口チャネルセクション３１６に流体的に結合された電解質出口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質出口ポート２０８）を通じて電解質を排出してもよく、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａは、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａに流体的に結合された水素ガス入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの水素ガス入口ポート２１０）からＨ_２ガスを受容してもよく、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂは、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂに流体的に結合された水素ガス出口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの水素ガス出口ポート２１２）を通じてＨ_２ガスを排出してもよい。

【0067】

水素ガス入口チャネルセクション３１８ａは、本明細書において、水素ガス入口チャネルのセクションとして説明され、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂは、本明細書において、水素ガス出口チャネルのセクションとして説明されるが、他の実施例では、チャネルセクション３１８ｂが、（例えば、水素ガス入口ポートからＨ_２ガスを受容した後、Ｈ_２ガスをリバランシングセルに、負電極３１０を横切って導くために）水素ガス入口チャネルのセクションであってもよく、ガス入口チャネルセクション３１８ａが、（例えば、水素ガス出口ポートを通じてＨ_２ガスを排出することによって、Ｈ_２ガスをリバランシングセルから導くために）水素ガス出口チャネルのセクションであってもよいことが理解されよう。他の実施例では、リバランシングセルは、デッドエンド構成として構成され得、いかなる水素ガス出口ポートも、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂに流体的に結合され得ない。かかる実施例では、水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂは、Ｈ_２ガスを、負電極３１０を横切って戻すように導き得るか、又は水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂが、代わりに（例えば、水素ガス入口ポートからＨ_２ガスの一部分を受容した後、Ｈ_２ガスの一部分をリバランシングセルに、かつ負電極３１０を横切って導くために）別の水素ガス入口チャネルセクションとして構成され得る。

【0068】

複数の入口及び出口は、リバランシングセル全体の電解質及びＨ_２ガスフローを容易にするように構成され得る。一実施例として、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂの各々のサイズは、それを通る圧力降下を最小限に抑えるように選択され得、それによって、内部短絡電極アセンブリの積層体の各々の電極アセンブリ３０２へのフロー分配に役立つ。別の実施例として、各電解質入口通路３１４ａのサイズ及びバーム３１４ｂに対する複数の電解質入口通路３１４ａの総数は、電解質フローを実質的に均等に分配するための比較的小さい圧力降下を誘導するように選択され得る。かかる実施例では、各電解質入口通路３１４ａのサイズ及び複数の電解質入口通路３１４ａの総数の選択は、電解質フローフィールドのサイズ及び所望の電解質流量などの、リバランシングセルの所与の構成に特有のいくつかの要因に依存し得る。

【0069】

追加的又は代替的な実施例では、電解質出口チャネルセクション３１６は、電解質出口ポートに含まれる複数の開口部を通して電解質を分配するように更に構成されてもよい。例えば、図３の分解図３００では、電解質出口チャネルセクション３１６は、２つの開口部を含むように示されている。いくつかの実施例では、電解質出口チャネルセクション３１６に含まれる開口部の数は、電解質出口ポート内に含まれる開口部の数に等しくてもよく、その結果、電解質出口チャネルセクション３１６の開口部は、それぞれ、電解質出口ポートの開口部に対応し得る。このようにして、電解質は、電極アセンブリ３０２を横切って均等に分配され得、実質的にスムーズなフローでリバランシングセルから排出され得る。他の実施例では、電解質出口チャネルセクション３１６は、２つより多いの開口部又は２つより少ない開口部（例えば、単一の開口部）を含み得る。

【0070】

更に、電極アセンブリ３０２が電極アセンブリの積層体内に含まれる場合、電解質出口チャネルセクション３１６、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ、及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂは、それぞれ（下記で説明する図４Ａ、図４Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂに様々に示されるように）連続した電解質出口チャネル、連続した水素ガス入口チャネル、及び連続した水素ガス出口チャネルを形成するように整列し得る。このようにして、電極アセンブリの積層体は、モジュール方式で形成され得、それによって、任意の実用的な数の電極アセンブリ３０２が積層され、リバランシングセル内に含まれ得る。

【0071】

更に示されるように、複数の封止インサートは、固着されるか（本明細書で使用される場合、「固着（ａｆｆｉｘ）」、「固着された（ａｆｆｉｘｅｄ）」、又は「固着する（ａｆｆｉｘｉｎｇ）」は、限定されるものではないが、直接的若しくは間接的な関係を通して、１つの構成要素を別の構成要素に接着、取り付け、接続、締結、接合、連結、又は固定することを含む）、又は別様にプレート３０４に結合されてもよい。一実施例として、複数の封止インサートは、Ｈ_２ガスバイパスを緩和することによって負電極３１０を横断するＨ_２ガスのフローを誘導するための水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａ及び水素ガス出口チャネル封止インサート３２０ｂを含み得る。具体的には、水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａ及び水素ガス出口チャネル封止インサート３２０ｂは、それぞれ、炭素フォーム３０６、正電極３０８、及び負電極３１０を含むプレート３０４の側面上で、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂに固着されるか、又は別様に隣接して結合され得る。いくつかの実施例では、図４Ａ及び図４Ｂを参照してより詳細に考察されるように、水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａ及び水素ガス出口チャネル封止インサート３２０ｂは、水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａ及び水素ガス出口チャネル封止インサート３２０ｂがプレート３０４との固着又は結合の地点から延在し、正電極３０８と部分的に重複し得るように、負電極３１０のｘ－ｙ平面と一致し得る。

【0072】

別の実施例として、複数の封止インサートは、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａと別の電極アセンブリの水素ガス入口チャネルセクションとの接合部、及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂとを別の電極アセンブリの水素ガス出口チャネルセクションとの接合部をそれぞれ封止するために、水素ガス入口チャネルＯリング３２２ａ及び水素ガス出口チャネルＯリング３２２ｂの各々を更に含み得る。具体的には、水素ガス入口チャネルＯリング３２２ａ及び水素ガス出口チャネルＯリング３２２ｂは、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂをそれぞれ外接するように、プレート３０４に固着されるか、又は別様に結合され得る。

【0073】

別の実施例として、複数の封止インサートは、電極アセンブリ３０２と別の電極アセンブリとの接合部をその外縁部で封止するためのオーバーボードＯリング３２４を更に含み得る。具体的には、オーバーボードＯリング３２４は、電解質入口ウェル３１２、複数の電解質入口通路３１４ａ、バーム３１４ｂ、電解質出口チャネルセクション３１６、水素ガス入口チャネルセクション３１８ａ、及び水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂの各々と外接するように、プレート３０４に固着されるか、又は別様に結合され得る。

【0074】

炭素フォーム３０６は、ｙ軸に沿ってバーム３１４ｂと電解質出口チャネルセクション３１６との間、及びｘ軸に沿って水素ガス入口チャネルセクション３１８ａと水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂとの間で、プレート３０４の空洞３２６内に位置付けられ得る。具体的には、炭素フォーム３０６は、空洞３２６の基部を形成するプレート３０４の側面と面共有接触して位置付けられ得る。いくつかの実施例では、炭素フォーム３０６は、連続したモノリシックピースとして形成され得るが、他の実施例では、炭素フォーム３０６は、２つ以上の炭素フォームセクションとして形成され得る。例示的な実施形態では、炭素フォーム３０６は、導電性、透過性、及び多孔質であり得、複数の電解質入口通路３１４ａからそれを通って重力供給される電解質のための分配フィールドを提供する。いくつかの実施例では、炭素フォーム３０６の孔分配は、１０～１００ＰＰＩであり得る。一実施例では、孔分配は、３０ＰＰＩであり得る。追加的又は代替的な実施例では、炭素フォーム３０６の透過性は、０．０２～０．５ｍｍ^２であり得る。このため、炭素フォーム３０６の全体的なサイズに加えて、孔分配及び透過性の各々は、比較的小さい圧力降下を目標とし、それによって、炭素フォーム３０６から正電極３０８への電解質の対流を誘導するように選択され得る。例えば、圧力降下は、２～３ｍｍの電解質ヘッド上昇を対象とし得る。

【0075】

いくつかの実施例では、炭素フォーム３０６は、フローフィールドプレートのフローフィールド構成によって誘導される対流を介して電解質を正電極３０８に輸送するように構成されたフローフィールドプレートと交換され得る。具体的には、フローフィールドプレートは、複数の電解質入口通路３１４ａ及び電解質出口チャネルセクション３１６の各々に流体的に結合され得る。一実施例では、フローフィールドプレートは、ｚ軸に対して正電極３０８の下に位置付けられた、電極アセンブリ３０２のプレート３０４内に一体的に形成され得る。他の実施例では、フローフィールドプレートは、別個の取り外し可能な構成要素であり得る。

【0076】

いくつかの実施例では、図５Ａ～図５Ｄを参照して下記で詳細に説明されるように、フローフィールド構成は、互い違いになったフローフィールド構成、部分的に互い違いになったフローフィールド構成、又は蛇行したフローフィールド構成であり得る。いくつかの実施例では、各電極アセンブリ３０２は、各他の電極アセンブリ３０２と同様の構成（例えば、互い違いになった、部分的に互い違いになった、蛇行したなどの）のフローフィールド構成と接合し得る。他の実施例では、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル２０２内の所与の電極アセンブリ３０２の場所によって、電極アセンブリの積層体内の電極アセンブリ３０２の間にいくつかの異なるフローフィールド構成が提供され得る。このようにして、電解質は、電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６）から、電極アセンブリの積層体内の正電極３０８とそれぞれ接合しているフローフィールドプレートに導かれ得、フローフィールドプレートは、互い違いになったフローフィールド構成、部分的に互い違いになったフローフィールド構成、蛇行したフローフィールド構成、又はそれらの組み合わせで構成されている。

【0077】

ある特定の実施例では、図４Ａ及び図４Ｂを参照して（図８Ａ～図８Ｄも参照のこと）下記でより詳細に考察されるように、炭素フォーム３０６がフローフィールドプレート（本明細書において「電解質フローフィールドプレート」とも呼ばれる）と交換されることに加えて、別のフローフィールドプレート（本明細書において「水素ガスフローフィールドプレート」とも呼ばれる）は、ｚ軸に対して正電極３０８と反対側の負電極３１０と接合し得る。しかしながら、他の実施例では、電解質フローフィールドプレートが含まれ得（例えば、炭素フォーム３０６を交換する）、水素ガスフローフィールドプレートは、存在しなくてもよい。更に他の実施例では、水素ガスフローフィールドプレートが含まれ得（例えば、負電極３１０と接合している）、電解質フローフィールドプレートは存在しなくてもよい。

【0078】

正電極３０８は、ｚ軸に沿ってプレート３０４から反対側の炭素フォーム３０６の側面と面共有接触して、空洞３２６内に位置付けられ得る。例示的な実施形態では、正電極３０８は、毛細管作用を介して炭素フォーム３０６を通って流動する電解質を負電極３１０と接触させ得るウィッキング導電性炭素フェルト、スポンジ、又はメッシュであり得る。したがって、いくつかの実施例では、正電極３０８は、導電性及び多孔質であり得る（ただし、かかる実施例では、炭素フォーム３０６ほど多孔質ではない）。一実施例では、炭素フォーム３０６の多孔性が所定の範囲内にあり得る場合（例えば、正電極３０８へのウィックアップを促進するのに十分な固体材料を保持するために上側閾値多孔性を下回り、炭素フォーム３０６を通る電解質のフローを妨げないように下側閾値多孔性を上回る）、電解質は正電極３０８にウィッキングされ得る。追加的又は代替的な実施例では、正電極３０８の多孔性の増加に伴って、正電極３０８の吸着性の各々は、減少し得、正電極３０８の透過性は、増加し得る（例えば、少なくとも、正電極３０８の閾値多孔性に達するときなどの、電解質のウィッキングを促進するための正電極３０８の固体材料がほんのわずかしか残らなくなるまで）。いくつかの実施例では、正電極３０８の表面は、（例えば、徹底的な電解質湿潤を促進し、それによってイオン伝導性媒体を形成することによって）望ましいリバランシングセル動作のために十分に親水性であり得る。かかる実施例では、正電極３０８の全体的な親水性は、その表面をコーティングするか又は処理することによって増加され得る。更に、Ｈ_２ガスのうちの少なくとも一部は、正電極３０８にウィッキングされた電解質の一部分に加えて、正電極３０８に通過し得るが、正電極３０８は、その上のＨ_２ガスのバルクとその下の電解質のバルクとの間のセパレータとみなされ得る。

【0079】

いくつかの実施例では、正電極３０８及び負電極３１０の各々は、（例えば、離散粒子又は複数のピースとは対照的に）連続したモノリシックピースとして形成され得、その結果、電解質を負電極３１０の触媒表面でＨ_２ガスと接触させる場合に、境界層フィルムを横断する相間質量輸送損失が低減され得、それによってイオン及びプロトン移動が促進される。対照的に、離散的に充填された触媒粒子を含む充填床構成は、各個々の粒子を取り囲む質量輸送制限境界層フィルムを含み得、それによって、電解質のバルクから粒子の表面への電解質の質量輸送の速度を低減する。

【0080】

負電極３１０は、ｚ軸に沿って炭素フォーム３０６から反対側の正電極３０８の側面と面共有接触して空洞３２６内に位置付けられ得、その結果（ウィッキングされた）電解質と、負電極３１０の触媒表面と、Ｈ_２ガスとの間の三相接触境界部が、プロトン（例えば、Ｈ^＋）及び三相接触境界部を通るイオン移動（Ｈ_３Ｏ^＋）のために形成され得る。並行して、正電極３０８は、電子が電解質フロントに移動するための導電経路を提供し、そこでＦｅ^３＋イオンを還元することによって、全体的な電子抵抗を低減し得る。

【0081】

例示的な実施形態では、負電極３１０は、上に金属触媒がコーティングされた多孔質非導電性材料又は導電性炭素基板であり得る。いくつかの実施例では、多孔質非導電性材料は、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリプロピレンなどを含み得る。いくつかの実施例では、導電性炭素基板は、カーボンクロス又はカーボン紙を含み得る。いくつかの実施例では、金属触媒は、貴金属触媒を含み得る。いくつかの実施例では、貴金属触媒は、Ｐｔを含み得る。追加的又は代替的な実施例では、貴金属触媒は、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、又はそれらの合金を含み得る。いくつかの実施例では、コスト考慮のために、相対的に少量（例えば、０．２～０．５重量％）の導電性炭素基板上に担持される貴金属触媒が用いられ得る。しかしながら、実際には、貴金属触媒の量は、特に制限されない可能性があり、リバランシングセルについての所望の反応速度及びリバランシングセルの予想される寿命のうちの１つ以上に基づいて、選択され得る。更に、貴金属触媒内に含まれる合金は、コストを低減させ、貴金属触媒の腐食安定性を増加させるために利用され得る。例えば、ＰｔへのＲｈの１０％の添加は、ＰｔのＦｅ^３＋による腐食を９８％超低減させ得る。他の実施例では、金属触媒は、第二鉄溶液及び他のかかる酸性環境（例えば、硫化モリブデン）における安定性のために選択された非貴金属触媒を含み得る。一実施例では、負電極３１０は、１．０ｍｇ／ｃｍ^２Ｐｔでコーティングされたカーボンクロスを含み得、（例えば、疎水性のために）ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）結合剤で結合された微孔性層を含み得る。実際、ＰＴＦＥ結合剤を含めることは、他の結合剤を使用して形成された電極アセンブリに対して、長時間にわたってリバランシングセル性能の耐久性を増加させ得る。

【0082】

いくつかの実施例では、貴金属触媒がＰｔを含む場合など、負電極３１０の浸漬は、最終的に貴金属触媒の腐食をもたらし得る。他の実施例では、図２Ａ及び図２Ｂを参照して上記でより詳細に考察されるように、電極アセンブリ３０２は、（電極アセンブリの積層体及びリバランシングセル全体とともに）リバランシングセルが置かれる表面に対して傾けられ得るか、又は傾斜され得（例えば、ｚ軸は、重力の方向と平行でなくてもよい）、その結果、電解質のフローが、重力供給を介して炭素フォーム３０６を通って、電解質出口チャネルセクション３１６に向かって引き出されるので、貴金属触媒は比較的乾燥したままであり得る。このため、いくつかの実施例では、電極アセンブリ３０２は、リバランシングセルが置かれる表面に対して水平であってもよいか、又は０°～３０°の角度で傾斜していてもよい。

【0083】

例示的な実施形態では、炭素フォーム３０６、正電極３０８、及び負電極３１０の各々を含む電極アセンブリ３０２は、ｚ軸に沿って圧縮され得、正電極３０８は、所与の圧縮圧力下で、炭素フォーム３０６及び負電極３１０よりも大きい撓みを有する。したがって、空洞３２６の深さは、炭素フォーム３０６の厚さ、正電極３０８の厚さ、正電極３０８の所望の圧縮、及び負電極３１０の厚さに基づいて、選択され得る。具体的には、空洞３２６の深さは、（電解質フローを妨げる可能性がある、炭素フォーム３０６の過剰応力及び破砕を回避するため）実質的に完全に圧縮された後の炭素フォーム３０６の厚さと、実質的に完全に圧縮された後の正電極３０８の厚さとの合計の下側閾値深さよりも大きく、（Ｈ_２ガスと電解質との不十分な接触をもたらし得る、正電極３０８のゼロ圧縮、場合によっては隙間を回避するため）炭素フォーム３０６の厚さと正電極３０８の厚さとの合計の上側閾値深さ未満であるように選択され得る。例えば、炭素フォーム３０６の厚さが６ｍｍであり、正電極３０８の厚さが３．４ｍｍであり、正電極３０８の所望の圧縮が（０．０１ＭＰａの所望の圧縮圧力を達成するため）０．４ｍｍであり、負電極３１０の厚さが０．２ｍｍである実施例では、空洞３２６の深さは、９．２ｍｍ（＝３．４ｍｍ＋６ｍｍ＋０．２ｍｍ－０．４ｍｍ）であり得る。別の実施例として、炭素フォーム３０６の厚さは、２～１０ｍｍであり得、正電極３０８の厚さは、１～１０ｍｍであり得、正電極３０８の所望の圧縮は、（０～０．０９ＭＰａの所望の圧縮圧力を達成するように）０～２．３４ｍｍであり得、負電極３１０の厚さは、０．２～１ｍｍであり得、その結果、空洞３２６の深さは、０．８６～２１ｍｍであり得る。追加的又は代替的な実施例では、正電極３０８の厚さは、炭素フォーム３０６の厚さの２０％～１２０％であり得る。一実施例では、正電極３０８の厚さは、炭素フォーム３０６の厚さの１００％～１１０％であり得る。一実施例では、空洞３２６の深さは、炭素フォーム３０６の破砕強度に更に依存し得る（例えば、空洞３２６の深さは、破砕強度の減少とともに増加し得る）。例えば、空洞３２６の深さが９．２ｍｍである場合（例えば、正電極の所望の圧縮が０．４ｍｍである場合）、フォーム破砕安全率（ＦＯＳ）は、５．７８であり得る。フォーム破砕ＦＯＳは、いくつかの実施例では、０．３４の最小値を有し得、フォーム破砕ＦＯＳ値が、１未満である場合、少なくともいくつかの破砕が予想されることを示し得る。いくつかの実施例では、炭素フォーム３０６の破砕強度は、その製造中に炭素フォーム３０６の熱処理によって低減され得る（一実施例では、０．０８ＭＰａ～０．０３ＭＰａ）。電極アセンブリ３０２は、（例えば、電解質フローが、負電極３１０に近接し得る際）一般的により薄い電極アセンブリ３０２が、リバランシングセルの全体的なサイズの低減及び電極アセンブリ３０２を横切る電気抵抗の低減をもたらし得るため、空洞３２６の深さが可能な限り低くなるように（例えば、上記の制約の範囲内で）構成され得ることが理解されよう。

【0084】

このようにして、電極アセンブリ３０２は、炭素フォーム３０６と、互いに面共有接触し、連続的に導電性である正電極３０８及び負電極３１０の接合対との順次積層を含み得る。具体的には、第１の接合部は、正電極３０８と炭素フォーム３０６との間に形成され得、第２の接合部は、正電極３０８と負電極３１０との間に形成され得、第２の接合部は、正電極３０８を横切る第１の接合部と反対であり、炭素フォーム３０６、正電極３０８、及び負電極３１０の各々は、導電性であり得る。したがって、電極アセンブリ３０２は、内部的に短絡され得、その結果、電極アセンブリ３０２を通って流動する電流は、外部負荷を通ってチャネリングされ得ない。

【0085】

例示的な実施形態では、上で考察されたように、強制対流は、（例えば、負電極３１０と接合しているフローフィールドプレートを介して、図３には示されていない）Ｈ_２ガスの電極アセンブリ３０２への負電極３１０を横切るフローを誘導し得る。そこでは、Ｈ_２ガスは、式（４ａ）（例えば、式（１）の逆反応）：
１／２Ｈ_２→Ｈ^＋＋ｅ^－ （アノード半反応）（４ａ）
を介して負電極３１０の触媒表面と反応し得る。プロトン（Ｈ^＋）及び電子（ｅ^－）は、負電極３１０を横切って正電極３０８に伝導され得る。炭素フォーム３０６を介して電極アセンブリ３０２を通って導かれた電解質は、正電極３０８にウィッキングされ得る。正電極３０８と負電極３１０との間の第２の接合部で、及びその近くで、電解質中のＦｅ^３＋は、式（４ｂ）：
Ｆｅ^３＋＋ｅ^－→Ｆｅ^２＋ （カソード半反応）（４ｂ）
を介して還元され得る。
式（４ａ）及び（４ｂ）を合計すると、電解質リバランシング反応は、式（４）：
Ｆｅ^３＋＋１／２Ｈ_２→Ｆｅ^２＋＋Ｈ^＋ （電解質リバランシング）（４）
として取得され得る。

【0086】

電極アセンブリ３０２は内部的に短絡しているため、電極アセンブリ３０２のセル電位は、以下のようにゼロに駆動され得る。
０＝（Ｅ_正－Ｅ_負）－（η_ａｃｔ＋η_ｍｔ＋η_オーム）（７）
式中、Ｅ_正は、正電極３０８の電位であり、Ｅ_負は、負電極３１０の電位であり、η_ａｃｔは、活性化過電圧であり、η_ｍｔは、質量輸送過電圧であり、及びη_オームは、オーム過電圧である。図３において構成される電極アセンブリ３０２について、η_ｍｔ及びη_ａｃｔは、無視できると想定され得る。更に、以下のように、η_オームは、電解質の過電圧η_電解質及び正電極３０８を形成する炭素フェルトの過電圧η_フェルトに依存し得る。
η_オーム＝η_電解質＋η_フェルト（８）
したがって、電極アセンブリ３０２の性能は、少なくとも電解質の電気抵抗率σ_電解質及び炭素フェルトの電気抵抗率σ_フェルトによって制限され得る。電解質の電気伝導率及び炭素フェルトの電気伝導率は、それぞれ、電解質の抵抗Ｒ_電解質及び炭素フェルトの抵抗Ｒ_フェルトに更に依存し得、以下のように与えられ得る。
Ｒ_電解質＝σ_電解質×ｔ_電解質／Ａ_電解質（９）
Ｒ_フェルト＝σ_フェルト×ｔ_フェルト／Ａ_フェルト（１０）
式中、ｔ_電解質は、電解質の厚さ（例えば、電解質フロントの高さ）であり、ｔ_フェルトは、炭素フェルトの厚さ（例えば、正電極３０８の厚さ）であり、Ａ_電解質は、電解質の活性面積（フロント）であり、Ａ_フェルトは、炭素フェルトの活性面積である。したがって、電極アセンブリ３０２の性能は、炭素フェルト内の電解質のフロント場所、したがって、炭素フォーム３０６を横切る電解質の分配、及び正電極３０８を形成する炭素フェルトにウィッキングされた電解質の量に基づいて、更に制限され得る。

【0087】

Ｒ_電解質及びＲ_フェルトを判定した後、電極アセンブリ３０２の電流Ｉ_{アセンブリ}は、以下のように判定され得、
Ｉ_{アセンブリ}＝（Ｅ_正－Ｅ_負）／（Ｒ_電解質＋Ｒ_フェルト）（１１）
及び電解質リバランシング反応の速度ｖ_{リバランシング}（例えば、Ｆｅ^３＋の還元速度）は、以下のように更に判定され得る。
ｖ_{リバランシング}＝Ｉ_{アセンブリ}／（ｎＦＡ_{リバランシング}）（１２）
式中、ｎは、負電極３１０を通って流動する電子の数であり、Ｆは、ファラデー定数であり、Ａ_{リバランシング}は、電解質リバランシング反応の活性面積（例えば、電解質フロントと負電極３１０との間の接合部の面積）である。一実施例として、ｔ_フェルト＝３ｍｍを有する非圧縮炭素フェルトの場合、ｖ_{リバランシング}は、１１３ｍｏｌ／ｍ^２時間の最大値を有し得る。

【0088】

ここで図４Ａ及び図４Ｂを参照すると、断面図４００及び拡大挿入図４５０がそれぞれ示され、断面図４００及び拡大挿入図４５０の各々は、リバランシングセル２０２内のＨ_２ガスフローの例示的な態様を描写している。具体的には、拡大挿入図４５０は、破線楕円４１０によって区切られた断面図４００の一部分を拡大する。図４Ａ及び図４Ｂに示されるように、リバランシングセル２０２は、各電極アセンブリ３０２の水素ガス入口チャネルセクション３１８ａが、各他の電極アセンブリ３０２の水素ガス入口チャネルセクション３１８ａと連続した水素ガス入口チャネル４０４を形成するように整列された個々の電極アセンブリ３０２の積層体として形成された電極アセンブリ積層体４０２を含み得る。水素ガス入口プレナム４０６は、水素ガス入口チャネル４０４内に更に含まれ得、水素ガス入口プレナム４０６は、水素ガス入口チャネル４０４を水素ガス入口ポート２１０に流体的に結合する。それぞれの水素ガス入口チャネルＯリング３２２ａ及びオーバーボードＯリング３２４は、電極アセンブリ３０２の対の間の接合部で水素ガス入口チャネル４０４を封止し得る。リバランシングセル２０２の切断部分は、詳細については、断面図４００及び拡大挿入図４５０において描写されており、リバランシングセル２０２の追加の特徴（例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示される）は、描写されない場合があることが理解されよう。更に、所与の用途のための断面図４００に示されるものよりも多く又はよりも少ない電極アセンブリ３０２が電極アセンブリ積層体４０２内に含まれ得る（しかしながら、いくつかの実施例では、スケールアップ性能は、５０％Ｈ_２ガス利用率で、又は５０％Ｈ_２ガス利用率を下回ってＨ_２ガスフローに実質的に非感受性であり得る）ことが理解されよう。更に、水素ガス入口チャネル４０４及び隣接する構成要素の構造的特徴が、図４Ａ及び図４Ｂを参照して詳細に説明されているが、対応する水素ガス出口チャネル［例えば、各電極アセンブリ３０２の水素ガス出口チャネルセクション３１８ｂ（図３を参照のこと）を整列させることによって形成される］及び隣接する構成要素の構造的特徴が、（水素ガス出口チャネルが、デッドエンドであり得ること、又は水素ガス出口チャネルに含まれる水素ガス入口プレナムが、ｘ軸及びｚ軸に沿って水素ガス入口プレナム４０６の反対側に位置付けられ得ることを除いて）同様に構成され得ることが理解されよう。

【0089】

図示されるように、かつ矢印４０８ａによって示されるように、Ｈ_２ガスは、水素ガス入口ポート２１０を介して水素ガス入口チャネル４０４に入り、最初に水素ガス入口プレナム４０６内に、次いで、ｚ軸に沿って正の方向に水素ガス入口チャネルセクション３１８ａを順次通って流動し得る。水素ガス入口プレナム４０６のサイズ及び形状は、特に限定されないが、水素ガス入口プレナム４０６の最小サイズ（例えば、最小体積、最小流路幅）が、比較的高い流速及び圧力降下がＨ_２ガス分布の不良をもたらすことを回避するために選択され得る。更に、勾配付き支持体２２０は、水素ガス入口チャネル４０４がｚ軸の正の方向に沿って重力の方向から離れるように延在するように（図２Ａ及び図２Ｂを参照して上記で詳細に考察されるように、重力の方向とは正反対ではないが）、リバランシングセル２０２を傾け得、Ｈ_２ガスは、ｚ軸の正の方向に沿って水素ガス入口チャネル４０４に沿って対流し得る。

【0090】

更に図示されるように、かつ矢印４０８ｂによって示されるように、Ｈ_２ガスの少なくとも一部は、水素ガス入口チャネル４０４から、各電極アセンブリ３０２それぞれの水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａを横切って、水素ガス入口チャネル４０４に流体的に結合され、かつそれぞれの電極アセンブリ３０２と接合している１つ以上の水素ガス入口通路４５２に流動し得る。一実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の１つ以上の水素ガス入口通路４５２と反対側の所与の電極アセンブリ３０２の水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａの表面が、所与の電極アセンブリの１つ以上の水素ガス入口通路４５２と反対側の所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０の表面と同じｘ－ｙ平面と一致し得る。更に、いくつかの実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の水素ガス入口チャネル封止インサート３２０ａは、所与の電極アセンブリ３０２のプレート３０４との固着又は結合の地点から延在し、ｚ軸に沿って所与の電極アセンブリ３０２の正電極３０８と部分的に重複し、それによって、正電極３０８を正電極３０８の縁部で封止することを支援し得る。

【0091】

例示的な実施形態では、１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、任意の所与の電極アセンブリ３０２に完全には含まれなくてもよく、代わりに、電極アセンブリ積層体４０２内の電極アセンブリ３０２の隣接する対の間の１つ以上のギャップとして形成されてもよい。いくつかの実施例では、所与の電極アセンブリ３０２と接合している１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、Ｈ_２ガスが所与の電極アセンブリ３０２と接合している１つ以上の水素ガス入口通路４５２内に強制的に対流され得るように、フローフィールド構成で構成され得る。具体的には、図８Ａ～図８Ｄを参照して下記で詳細に説明されるように、フローフィールド構成で構成された１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合しているフローフィールドプレートから形成され得る。一実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合しているフローフィールドプレートは、ｚ軸に対して隣接する電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６の下に位置付けられた隣接する電極アセンブリ３０２のプレート３０４に一体的に形成され得る。他の実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合しているフローフィールドプレートは、別個の取り外し可能な構成要素であり得る。追加的に、ｚ軸に対する最上部のフローフィールドプレートは、いかなる電極アセンブリ３０２とも一体的に形成されなくてもよく、代わりに、別個の取り外し可能な構成要素又は別の構成要素（例えば、図２Ａ及び図２Ｂのセルエンクロージャ２０４）の一体的な特徴のいずれかとしてリバランシングセル２０２に含まれてもよい。

【0092】

いくつかの実施例では、図５Ａ～図５Ｄを参照して下記で詳細に説明されるように、フローフィールド構成は、互い違いになったフローフィールド構成、部分的に互い違いになったフローフィールド構成、又は蛇行したフローフィールド構成であり得る。いくつかの実施例では、各電極アセンブリ３０２は、各他の電極アセンブリ３０２と同様の構成（例えば、互い違いになった、部分的に互い違いになった、蛇行したなどの）のフローフィールド構成と接合し得る。他の実施例では、（リバランシングセル２０２内の所与の電極アセンブリ３０２の場所に応じて）電極アセンブリの積層体４０２の電極アセンブリ３０２の間にいくつかの異なるフローフィールド構成が提供され得る。このようにして、Ｈ_２ガスは、水素ガス入口ポート２１０から、電極アセンブリ４０２負電極３１０とそれぞれ接合しているフローフィールドプレートに導かれ、フローフィールドプレートは、互い違いになったフローフィールド構成、部分的に互い違いになったフローフィールド構成、蛇行したフローフィールド構成、又はそれらの組み合わせで構成され得る。

【0093】

更に図示されるように、かつ矢印４０８ｃによって示されるように、Ｈ_２ガスは、電極アセンブリ積層体４０２の負電極３１０を横切って（例えば、負電極３１０の触媒表面の１ｍ^２当たり１０～５０ｌ／分の流量で）対流され得る。いくつかの実施例では、それぞれの電極アセンブリ３０２と接合しているフローフィールドプレートは、対流を支援し、それぞれの負電極３１０を横切ってＨ_２ガスを分配し得る。Ｈ_２ガスは、アノード半反応（式（４ａ）を参照のこと）で電極アセンブリ積層体４０２の負電極３１０の触媒表面と反応して、プロトン及び電子を生成し得、次いで、プロトン及び電子は、それぞれの正電極３０８及び炭素フォーム３０６に向かって流動し得る。いくつかの実施例では、Ｈ_２ガスの少なくとも一部は、未反応のままであり得、同様に、電極アセンブリ積層体４０２の負電極３１０を横切って矢印４０８ｃに沿って流動し得る。

【0094】

ここで図５Ａ～図５Ｄを参照すると、概略図５００、５２０、５４０、及び５６０がそれぞれ示されており、概略図５００、５２０、５４０、及び５６０は、それぞれ、例示的な互い違いになったフローフィールド構成、例示的な部分的に互い違いになったフローフィールド構成、第１の例示的な蛇行したフローフィールド構成、及び第２の例示的な蛇行したフローフィールド構成を示す。例示的な実施形態では、図４Ａ及び図４Ｂの１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、所与の電極アセンブリのための図５Ａ～図５Ｄの例示的なフローフィールド構成のいずれかとして構成されたフローフィールドプレートから形成され得る。追加的又は代替的な実施形態では、図３～図４Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂの炭素フォーム３０６は、所与の電極アセンブリのための図５Ａ～図５Ｄの例示的なフローフィールド構成のいずれかとして構成されたフローフィールドプレートと交換されてもよい。示される構成要素の相対的な位置付けを説明するため、及び図５Ａ～図５Ｄの図の間の比較のために、一組の基準軸５０１が提供され、軸５０１は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を示す。図５Ａ～図５Ｄに示される相対的な寸法は例示的であり、他のフローフィールド構成（例えば、より広い通路、より多くの数の通路、又はその中の屈曲などを有する）が、本開示の範囲内と考えられることが理解されよう。例えば、フローフィールド構成を形成する通路は、フローフィールド構成を形成することに、通路の入口から通路の出口又は端部まで（例えば、実質的にゼロの高さから通路の総深度で又は総深度の近くまで）高さが漸増的に延びる一連のステップ（例えば、８つのステップであるが、ステップの総数が増加又は減少して流体拡散を変更し、それによって、所与の用途の性能を増強させ得る）を含み得る。

【0095】

図５Ａの概略図５００に示されるように、例示的な互い違いになったフローフィールド構成は、第１の入口チャネル５０６ａ及び第２の入口チャネル５０６ｂを含み得る。流体（例えば、Ｈ_２ガス、電解質）は、ｚ軸に平行な第１の入口チャネル５０６ａ及び第２の入口チャネル５０６ｂの各々を通って流動し得、そこから流体は、（矢印５０４によって示されるように）端壁５０８を越えて強制的に対流され、ｘ軸に平行な互い違いになったフローフィールド構成の通路５０２に入り得る。いくつかの実施例では、例示的な互い違いになったフローフィールド構成が多孔質媒体（図３～４Ｂの正電極３０８又は負電極３１０など）と接合している場合、流体の実質的に全てが、（例えば、入口チャネル５０６ａ、５０６ｂの一方から他方へ通過するのではなく）通路５０２に強制的に対流された後、多孔質媒体中を通過し得る。示されるように、通路５０２の各々は、第１の入口チャネル５０６ａ及び第２の入口チャネル５０６ｂのうちの１つに対して開放され得る。しかしながら、いくつかの実施例では、第２の入口チャネル５０６ｂは、他の場所で第１の入口チャネル５０６ａに流体的に結合され得る。したがって、一実施例では、第２の入口チャネル５０６ｂは、流体の出口チャネルとして機能し得る（例えば、流体は、最初に第１の入口チャネル５０６ａを通って流動し、次いで、多孔質媒体を通る流体の通過に続いて第２の入口チャネル５０６ｂを通って流動し得る）。追加的又は代替的な実施例では、流体のための出口チャネルは、入口チャネル５０６ａ、５０６ｂのいずれでなくてもよい。例えば、出口チャネルは、図２Ａの圧力放出出口ポート２１４などの圧力放出出口ポートであってもよく、流体は、多孔質媒体を通る流体の通過に続いて、圧力放出出口ポートを通って流動し得る。流体がＨ_２ガスであり、かつ多孔質媒体が図３～図４Ｂの負電極３１０である、ある特定の実施例では、流体は、負電極３１０を順次通過し、負電極３１０の他方側で流動電解質に入り、（流動電解質に流体的に結合された）圧力放出出口ポート２１４を介して排出され得る。

【0096】

図５Ｂの概略図５２０に示されるように、例示的な部分的に互い違いになったフローフィールド構成は、第１の入口チャネル５２６ａ及び第２の入口チャネル５２６ｂを含み得る。流体（例えば、Ｈ_２ガス、電解質）は、ｚ軸に平行な第１の入口チャネル５２６ａ及び第２の入口チャネル５２６ｂの各々を通って流動し得、そこから流体は、（矢印５２４によって示される）ｘ軸に平行な部分的に互い違いになったフローフィールド構成の通路５２２の端壁５２８を二分する収縮した入口５２２ａに強制的に対流され得る。いくつかの実施例では、例示的な部分的に互い違いになったフローフィールド構成が多孔質媒体（図３～４Ｂの正電極３０８又は負電極３１０など）と接合している場合、通路５２２の各々が第１の入口チャネル５２６ａ及び第２の入口チャネル５２６ｂの各々に対して開放され得るが、流体の実質的な全てが、収縮された入口５２２ａを介して通路５２２に強制的に対流された後（例えば、入口チャネル５２６ａ、５２６ｂの一方から他方へと通過するのではなく）、多孔質媒体中を通過し得る。収縮した入口５２２ａの各々の厚さは、対応する通路５２２の最大厚さ（例えば、入口５２２ａが実質的に収縮していない直線チャネルのフローフィールド構成）から実質的にゼロの厚さ（例えば、図５Ａの例示的な互い違いになったフローフィールド構成などの完全に互い違いになったフローフィールド構成）までの範囲で可変であり得る。

【0097】

図５Ｃの概略図５４０に示されるように、第１の例示的な蛇行したフローフィールド構成は、入口チャネル５４６ａ及び出口チャネル５４６ｂを含み得る。流体（例えば、Ｈ_２ガス、電解質）は、ｚ軸に平行な入口チャネル５４６ａを通って流動し得、そこから流体は、ｘ軸に平行な第１の例示的なフローフィールド構成の蛇行した通路５４２の入口５４２ａに強制的に対流され得る。矢印５４４によって示されるように、流体は、ｘ軸及びｙ軸に平行な蛇行した通路５４２に沿って流動し、流体が蛇行した通路５４２の出口５４２ｂから出口チャネル５４６ｂに排出されるまで、蛇行した通路５４２内の９０°のベンドで方向を変更し得る。更に示されるように、第１の例示的な蛇行したフローフィールド構成は、ｙ軸に平行な蛇行した通路５４２のより長い直線セクション、及びｘ軸に平行な蛇行した通路５４２のより短い直線セクション（例えば、Ｕベンドの基部）を含み得る。追加的又は代替的な実施例では、類似又は同様の構成の複数の蛇行した通路５４２が、入口チャネル５４６ａを出口チャネル５４６ｂに流体的に結合してもよい。いくつかの実施例では、第１の例示的な蛇行したフローフィールド構成が多孔質媒体（図３～図４Ｂの正電極３０８又は負電極３１０など）と接合している場合、蛇行した通路５４２が入口チャネル５４６ａ及び出口チャネル５４６ｂの各々に対して開放され得るが、流体の実質的に全てが、入口５４２ａを介して蛇行した通路５４２に強制的に対流された後（例えば、入口チャネル５４６ａから出口チャネル５４６ｂへと通過するのではなく）、多孔質媒体中を通過し得る。しかしながら、一実施例では、蛇行した通路５４２は、出口５４２ｂを含まなくてもよく、したがって、（例えば、第１の例示的な蛇行したフローフィールド構成がデッドエンドである場合など）出口チャネル５４６ｂに流体的に結合されなくてもよい。

【0098】

図５Ｄの概略図５６０に示されるように、第２の例示的な蛇行したフローフィールド構成は、入口チャネル５６６ａ及び出口チャネル５６６ｂを含み得る。流体（例えば、Ｈ_２ガス、電解質）は、ｚ軸に平行な入口チャネル５６６ａを通って流動し得、そこから流体は、ｘ軸に平行な第２の例示的なフローフィールド構成の蛇行した通路５６２の入口５６２ａに強制的に対流され得る。矢印５６４によって示されるように、流体は、ｘ軸及びｙ軸に平行な蛇行した通路５６２に沿って流動し、流体が蛇行した通路５６２の出口５６２ｂから出口チャネル５６６ｂに排出されるまで、蛇行した通路５６２内の９０°のベンドで方向を変更し得る。更に示されるように、第２の例示的な蛇行したフローフィールド構成は、ｘ軸に平行な蛇行した通路５６２のより長い直線セクション、及びｙ軸に平行な蛇行した通路５６２のより短い直線セクション（例えば、Ｕベンドの基部）を含み得る。追加的又は代替的な実施例では、類似又は同様の構成の複数の蛇行した通路５６２が、入口チャネル５６６ａを出口チャネル５６６ｂに流体的に結合してもよい。いくつかの実施例では、第２の例示的な蛇行したフローフィールド構成が多孔質媒体（図３～図４Ｂの正電極３０８又は負電極３１０など）と接合している場合、蛇行した通路５６２が入口チャネル５６６ａ及び出口チャネル５６６ｂの各々に対して開放され得るが、流体の実質的に全てが、入口５６２ａを介して蛇行した通路５６２に強制的に対流された後（例えば、入口チャネル５６６ａから出口チャネル５６６ｂへと通過するのではなく）、多孔質媒体中を通過し得る。一実施例では、蛇行した通路５６２は、出口５６２ｂを含まなくてもよく、したがって、（例えば、第２の例示的な蛇行したフローフィールド構成がデッドエンドである場合など）出口チャネル５６６ｂに流体的に結合されなくてもよい。

【0099】

ここで図６Ａ及び図６Ｂを参照すると、断面図６００及び拡大挿入図６５０がそれぞれ示され、断面図６００及び拡大挿入図６５０の各々は、リバランシングセル２０２内の電解質フローの例示的な態様を描写する。具体的には、拡大挿入図６５０は、破線楕円６１０によって区切られた断面図６００の一部分を拡大する。図６Ａ及び図６Ｂに示されるように、リバランシングセル２０２は、電極アセンブリ積層体４０２の個々の電極アセンブリ３０２内に含まれる電解質入口ウェル３１２に流体的に結合された１つ以上の電解質入口チャネル６１４を含み得る。１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々は、それぞれの電解質入口チャネル６１４への電解質のフローを調節、制限、又は別様に制御するそれぞれのノズル又はオリフィス６１２を介して、ｚ軸に対して、電極アセンブリ積層体４０２の上に位置する電解質入口プレナム６０６ａに流体的に結合され得る。電解質入口プレナム６０６ａは、電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６、図６Ａ及び図６Ｂには示されていない）に更に流体的に結合されてもよい。電極アセンブリ積層体４０２は、各電極アセンブリの電解質出口チャネルセクション３１６が、各電極アセンブリ３０２の電解質出口チャネルセクション３１６とともに連続した電解質出口チャネル６０４を形成するように整列された個々の電極アセンブリ３０２の積層体として更に形成され得、電解質出口チャネル６０４は、１つ以上の電解質入口チャネル６１４及びｚ軸に対して平行であり、ｙ軸に対して、１つ以上の電解質入口チャネル６１４からリバランシングセル２０２の反対側の端部上にある。電解質出口プレナム６０６ｂは、電解質出口チャネル６０４内に更に含まれ得、電解質出口プレナム６０６ｂは、電解質出口チャネル６０４を電解質出口ポート２０８に流体的に結合する。それぞれのオーバーボードＯリング３２４は、電極アセンブリ３０２の対の間の接合部で電解質出口チャネル６０４を封止し得る。リバランシングセル２０２の切断部分は、断面図６００、及び詳細については拡大挿入図６５０において描写されており、リバランシングセル２０２の追加の特徴（例えば、図２Ａ及び図２Ｂに示される）は、描写されない場合があることが理解されよう。更に、所与の用途のために断面図６００に示されるよりも多くの又は少ない電極アセンブリ３０２が電極アセンブリ積層体４０２内に含まれ得ることが理解されよう。

【0100】

電解質は、電解質入口ポートを介して電解質入口プレナム６０６ａに入ることができ、そこから、電解質は、それぞれ、１つ以上のオリフィス６１２を介して、１つ以上の電解質入口チャネル６１４に導かれ得る。いくつかの実施例では、電解質入口プレナム６０６ａの断面形状は、加工の容易さのために選択され得る。一実施例として、電解質入口プレナム６０６ａの断面形状は、長方形であり得る。別の実施例として、電解質入口プレナム６０６ａの断面形状は、円形であり得る。電解質入口プレナム６０６ａのサイズは、電解質がリバランシングセル２０２に入ると比較的低い圧力降下を実現するように選択され得る。

【0101】

いくつかの実施例では、１つ以上のオリフィス６１２の各々のサイズは、電極アセンブリ積層体４０２内の電極アセンブリ３０２の総数、リバランシングセル２０２の全体のサイズ、及び電解質流路設計に依存して、３～１０ｍｍであり得る。１つ以上のオリフィス６１２の各々のサイズ及び全体的な構成は、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２全体に実質的に均一な電解質フローを維持するように選択され得る。

【0102】

いくつかの実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々は、電極アセンブリ積層体４０２に隣接して構成された連続した切れ目のないチャネルであり得る。他の実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２は、それぞれ、１つ以上の電解質入口チャネル６１４に対応する１つ以上の電解質入口チャネルセクションを含み得る。かかる実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の電極アセンブリ３０２は、各電極アセンブリ３０２の１つ以上の電解質入口チャネルセクションが、それぞれ各他の電極アセンブリ３０２の１つ以上の電解質入口チャネルセクションとともに、１つ以上の電解質入口チャネル６１４を形成するように整列され得る。

【0103】

いくつかの実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４は、複数の電解質入口チャネル６１４を含み得、１つ以上のオリフィス６１２は、電解質入口マニホールドが形成され得るように、複数の電解質入口チャネル６１４にそれぞれ流体的に結合された複数のオリフィス６１２を含み得る。図６Ａの断面図６００では、複数の電解質入口チャネル６１４のうちの単一の最も近い電解質入口チャネル６１４が視認可能であり、ｘ軸に対して平行に整列された複数の電解質入口チャネル６１４の各他の電解質入口チャネル６１４が隠されている。いくつかの実施例では、電解質入口マニホールドを形成する複数の電解質入口チャネル６１４の各々は、電極アセンブリ積層体の電極アセンブリ３０２を横切って電解質を均等に流動させるように（例えば、負電極３１０の触媒表面の１ｍ^２当たり約１０～４０Ｌ／分の電解質流量で）、電極アセンブリ積層体４０２の単一の電極アセンブリ３０２にそれぞれ流体的に結合され得る。

【0104】

いくつかの実施例では、電解質入口プレナム６０６ａに入る電解質は、（例えば、図１のコントローラ８８などのレドックスフロー電池システムのコントローラによって、レドックスフロー電池システムの非一時的メモリ内に格納された命令を実行することによって）調整可能な流量を有し得、その結果、リバランシングセル２０２及びリバランシングセル２０２内への電解質の均一な分配が、所与の用途に基づいて、制御可能に調整され得る。ある特定の実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の個々の電極アセンブリ３０２間の電解質フロー分配は、電解質入口プレナム６０６ａに入る電解質の電解質流量の調整に基づいて、対応して調整され得る。

【0105】

他の実施例では、複数の電解質入口チャネル６１４の各々は、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２に流体的に結合されて、ｘ軸及びｙ軸の両方に対して電極アセンブリ積層体４０２を横切って電解質を均等に分配し得る。代替的な実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４は、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２に流体的に結合され得る、１つの電解質入口チャネル６１４を含み得る。

【0106】

いくつかの実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々の断面形状は、円であり得る。しかしながら、１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々の断面形状は、特に限定されず、他の幾何学的形状が用いられる場合もある。１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々のサイズは、全体としてリバランシングセル２０２の実用的なサイズ考慮事項を維持しながら（例えば、相対的に大きいサイズは、不必要に大きいリバランシングセル２０２をもたらし得る）、負電極３１０の触媒表面の１ｍ^２当たり約１０～４０Ｌ／分の電解質流量に関して比較的低い圧力降下を実現するように選択され得る（例えば、比較的小さいサイズは、電解質の不良分配をもたらし得る）。一実施例では、１つ以上の電解質入口チャネル６１４の各々の断面形状は、１０～３０ｍｍの直径を有する円であり得る。

【0107】

１つ以上の電解質入口チャネル６１４に入ると、電解質入口チャネル６１４内の圧力は、電解質源（例えば、図１の負電極コンパートメント２２及び正電極コンパートメント２０並びに／又は統合されたマルチチャンバ電解質貯蔵タンク１１０）の圧力と実質的に同様であり得、その結果、重力が、１つ以上の電解質入口チャネル６１４を通る電解質フローを実質的に排他的に駆動し得る。具体的には、矢印６０８ａによって示されるように、電解質は、ｚ軸に沿って負の方向に１つ以上の電解質入口チャネル６１４を通って、電極アセンブリ積層体４０２の電解質入口ウェル３１２に流動し得る。勾配付き支持体２２０は、ｚ軸が重力方向と一致する軸ｇからオフセットされるように、リバランシングセル２０２を傾けることができ、電解質は、（矢印６０８ｂによって示されるように）重力供給を介して電極アセンブリ積層体４０２の炭素フォーム３０６を通って流動し得る。

【0108】

更に示されるように、及び矢印６０８ｃによって示されるように、電極アセンブリ積層体４０２の炭素フォーム３０６を通って流動しながら、電解質の少なくともいくつかは、毛細管作用を介して、電極アセンブリ積層体４０２の負電極３１０に向かって電極アセンブリ積層体４０２の正電極３０８に誘導され得る。電解質中のＦｅ^３＋イオンは、陰極半反応（式（４ｂ）を参照）で電極アセンブリ積層体４０２の負電極３１０を通って流動する電子によって還元されて、Ｆｅ^２＋イオンを生成し得る。電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２に関して、正電極３０８と負電極３１０との間に隙間が存在しないことを確実にするために（これは、Ｆｅ^３＋還元速度の減少をもたらし得る）、空洞（例えば、図３の空洞３２６）の深さ６５２は、正電極３０８が炭素フォーム３０６の過度に圧縮する（炭素フォーム３０６のフォーム構造を座屈及び劣化させ得る）ことなく少なくとも部分的に圧縮されるように選択され得る。したがって、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２内の炭素フォーム３０６の圧縮を最小限に抑えるために、隣接する正電極３０８の厚さ６５４は、正電極３０８が完全に未圧縮である場合と比較して（例えば、約１０％）減少し得る。いくつかの実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２について、正電極３０８の厚さ６５４は、炭素フォーム３０６の厚さ６５６の２０％～１２０％であり得、正電極３０８の厚さ６５４及び炭素フォーム３０６の厚さ６５６の各々は、炭素フォーム３０６の透過性、正電極３０８の全体的なサイズなどの構造的考慮事項に基づいて、選択され得る。一実施例では、電極アセンブリ積層体４０２の各電極アセンブリ３０２について、正電極３０８の厚さ６５４は、炭素フォーム３０６の厚さ６５６の１００％～１１０％であり得る。

【0109】

更に示されるように、及び矢印６０８ｄによって示されるように、電極アセンブリ積層体４０２の炭素フォーム３０６を通って流動後、電解質は、電極アセンブリ積層体４０２の電解質出口通路６５８を通って、電解質出口チャネル６０４に導かれ、そこから電解質出口ポート２０８を通って出てもよい。具体的には、電極アセンブリ積層体４０２の各所与の電極アセンブリ３０２について、電解質は、炭素フォーム３０６から電解質出口通路６５８を通って、電解質出口チャネルセクション３１６に流動し得、そこから電解質は、重力の方向で（例えば、軸ｇの正の方向に沿って）、（所与の電極アセンブリ３０２と電解質出口プレナム６０６ｂとの間に挿入された任意の更なる電解質出口チャネルセクション３１６を通過した後）電解質出口プレナム６０６ｂに流動し得る。次いで、電解質は、電解質出口プレナム６０６ｂを通って電解質出口ポート２０８に通過し得、そこから電解質は、リバランシングセル２０２から排出され得る。このようにして、電解質は、電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６、図６Ａ及び図６Ｂには示されない）から電極アセンブリ積層体４０２の炭素フォーム３０６を通って、電解質出口ポート２０８に導かれ得る。

【0110】

いくつかの実施例では、電解質出口通路６５８の各々の全体的なサイズは、好適な圧力降下を生成し、電解質出口プレナム６０６ｂを過充填しないように十分に大きくなるように選択され得る（これは、ｚ軸に対して電極アセンブリ積層体４０２の底部で電極アセンブリ３０２をフラッディングさせ得る）。したがって、かかる実施例では、電解質出口通路６５８の各々の全体的なサイズは、電解質出口プレナム６０６ｂの全体的なサイズ及び電解質出口ポート２０８に対応する開口部の全体的な数に依存し得る。他の実施例では、電解質出口プレナム６０６ｂの寸法は、より少なく、より大きい開口部を有する電解質出口ポート２０８に適合するために、より大きくてもよい。電解質出口ポート２０８がｚ軸の負の方向に面するセルエンクロージャ２０４の面上に位置付けられる実施例では、ｚ軸に沿って最も低い電極アセンブリ３０２の厚さを維持しながら、より大きい開口部が適合され得、圧力降下は、（例えば、電解質が、電解質出口プレナム６０６ｂから電解質出口ポート２０８まで約９０°の角度で流動しないため）更に低減され得る。

【0111】

更に示されるように、フローフィールドプレート６２６は、それぞれ、電極アセンブリ積層体４０２の電極アセンブリ３０２と接合し得る。いくつかの実施例では、フローフィールドプレート６２６は、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合（例えば、面共有接触）し得、ｚ軸に対して隣接する電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６の下に位置付けられた隣接する電極アセンブリ３０２のプレート３０４に一体的に形成され得る。他の実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合しているフローフィールドプレート６２６は、別個の取り外し可能な構成要素であり得る。追加的に、更に示されるように、ｚ軸に対する最上部のフローフィールドプレート６２６は、いかなる電極アセンブリ３０２とも一体的に形成されなくてもよく、代わりに、別個の取り外し可能な構成要素、又は別の構成要素（例えば、図２Ａ及び図２Ｂのセルエンクロージャ２０４）の一体的な特徴のいずれかとして、リバランシングセル２０２に含まれてもよい。

【0112】

例示的な実施形態では、所与の電極アセンブリ３０２を横切ってＨ_２ガスを流動するように構成された１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、所与の電極アセンブリ３０２の負電極３１０と接合しているフローフィールドプレート６２６から形成され得る。例えば、１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、互いに平行な複数の水素ガス入口通路４５２及びｘ軸（例えば、互い違いになったフローフィールド構成若しくは部分的に互い違いになったフローフィールド構成）、又はＨ_２ガスがｘ軸に対して平行に入り得る単一のコイル状の水素ガス入口通路４５２（例えば、蛇行したフローフィールド構成）のいずれかとして構成され得る。いくつかの実施例では、１つ以上の水素ガス入口通路４５２は、ｘ軸に対して平行に延在し得、電解質は、（矢印６０８ｂによって示されるように）ｙ軸に対して平行に所与の電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６を通って流動し得る。したがって、かかる実施例では、Ｈ_２ガスは、電極アセンブリ積層体４０２に、９０°の角度で導かれ得、ここから電解質が電極アセンブリ積層体４０２に導かれ得る。

【0113】

追加的又は代替的な実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６は、フローフィールドプレート６２６と実質的に同様のフローフィールド構成のフローフィールドプレートと交換され得る。かかる一実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６を交換するフローフィールドプレートのフローフィールド構成は、ｘ軸及びｙ軸に対してフローフィールドプレート６２６のフローフィールド構成と同じ方向に配向され得る。別のかかる実施例では、所与の電極アセンブリ３０２の炭素フォーム３０６を交換するフローフィールドプレートのフローフィールド構成は、ｘ軸及びｙ軸に対してフローフィールドプレート６２６のフローフィールド構成とは異なる方向に（例えば、９０°の角度、１８０°の角度、又は２７０°の角度で）配向され得る。

【0114】

ここで図７Ａ及び図７Ｂを参照すると、それぞれ斜視図７００及び７５０が示されており、斜視図７００及び７５０の各々は、レドックスフロー電池システムのリバランシングセルのための例示的な電極アセンブリ７０２を通る電解質フローの態様を描写している。示されるように、電極アセンブリ７０２は、炭素フォーム７０６、正電極７０８、及び負電極７１０の順次積層を含み得、炭素フォーム７０６及び正電極７０８は、互いに面共有接触し得、正電極７０８は、負電極７１０と面共有接触し得、順次積層は、連続的に導電性であり得る。いくつかの実施形態では、電極アセンブリ７０２の積層体が、電極アセンブリ積層体４０２の電極アセンブリ３０２の代わりに、リバランシングセル２０２に実装され得る（図２Ａ～図４Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂを参照のこと）。したがって、レドックスフロー電池システムは、図１のレドックスフロー電池システム１０であり得る。示される構成要素の相対的な位置付けを説明するため、及び図７Ａ～図７Ｂの図の間の比較のために、一組の基準軸７０１が提供され、軸７０１は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を示す。図７Ｂに破線で更に示されるように、追加の軸ｇは、重力の方向（例えば、軸ｇに沿った正の方向）及び垂直方向（例えば、軸ｇに沿った負の方向であり、重力の方向とは反対）と平行であり得る。

【0115】

示されるように、電極アセンブリ７０２は、プレート７０４上の炭素フォーム７０６、正電極７０８、及び負電極７１０の順次積層を含み得、プレート７０４は、炭素フォーム７０６と面共有接触し得、炭素フォーム７０６は、正電極７０８と面共有接触し得、正電極７０８は、負電極７１０と面共有接触し得る。図７Ｂの斜視図７５０に更に示されるように、炭素フォーム７０６は、複数のホルダ７６６によって所定の位置に保持され得る。したがって、炭素フォーム７０６の全体的なサイズは、複数のホルダ７６６にクリアランスフィットするように選択され得る。炭素フォーム７０６及び正電極７０８の各々は、多孔質であり、負電極７１０と連続的に導電性であり得る。具体的には、例示的な実施形態では、炭素フォーム７０６は、活性化された導電性炭素フォームであり得、正電極７０８は、導電性炭素フェルトであり得、負電極７１０は、上にＰｔ触媒がコーティングされた導電性炭素基板であり得る。したがって、いくつかの実施例では、炭素フォーム７０６、正電極７０８、及び負電極７１０は、それぞれ、図３の炭素フォーム３０６、正電極３０８、及び負電極３１０であり得る。したがって、一実施例では、炭素フォーム７０６は、電極アセンブリ７０２を横切って電解質を対流させ、かつ正電極７０８と接触させるためのフローフィールドプレートと交換され得る。

【0116】

（例えば、リバランシングセルの電解質入口ポートから）電解質を受容するための電解質入口ウェル７１２に加えて、プレート７０４は、Ｈ_２ガス及び電解質のフローを誘導するために、プレート７０４を通る複数の入口及び出口を含み得る。例えば、複数の入口及び出口は、Ｈ_２ガスを（例えば、リバランシングセルの水素ガス入口ポートから）受容するための水素ガス入口チャネルセクション７１８ａと、Ｈ_２ガスを（例えば、リバランシングセルの水素ガス出口ポートを通して）排出するための水素ガス出口チャネルセクション７１８ｂと、電解質を排出するための１つ以上の電解質出口通路７１６（例えば、１つ以上の電解質出口通路７１６によってそれぞれ受け入れられ、取り付けられたリバランシングセルの１つ以上の電解質出口ポートを通して、１つ以上の電解質出口ポートは、例示的な実施形態では、１つ以上の融合溶接配管フランジとして構成されている）と、を含み得る。

【0117】

更に示されるように、電解質入口ウェル７１２は、ｘ軸に平行に延在するバーム７１４ｂに設定された複数の電解質入口通路７１４ａを介して、炭素フォーム７０６、正電極７０８、及び負電極７１０の順次積層に流体的に結合され得る。具体的には、複数の電解質入口通路７１４ａは、バーム７１４ｂを横切って分配され、複数の電解質入口通路７１４ａの各々の長さは、ｙ軸に平行に延在し得る。いくつかの実施例では、図７Ｂの斜視図７５０に示されるように、電解質トラフ７６４が、バーム７１４ｂと、炭素フォーム７０６、正電極７０８、及び負電極７１０の順次積層と、の間に更に介在し得る。このようにして、電解質入口ウェル７１２、複数の電解質入口通路７１４ａ、バーム７１４ｂ、及び電解質トラフ７６４は、炭素フォーム７０６、正電極７０８、及び負電極７１０の順次積層を横切って電解質を分配するように構成され得る。

【0118】

いくつかの実施例では、複数の電解質入口通路７１４ａの全体的な数は、０．５～３ｍｍの電解質ヘッド上昇の目標圧力降下（当該目標圧力降下は、電極アセンブリ７０２の電解質流量及び全体的なサイズの関数であり得る）に基づいて選択され得る。いくつかの実施例では、複数の電解質入口通路７１４ａの各々の形状は、（例えば、製造の容易さのために）長方形であり得る。しかしながら、複数の電解質入口通路７１４ａの各々の形状は、特に限定されず、他の幾何学的形状が用いられてもよい。

【0119】

例示的な実施形態では、矢印７０８ａによって示されるように、電解質入口ウェル７１２は、電解質入口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質入口ポート２０６）から電解質を受容し得る。電解質が電解質入口ウェル７１２全体に分配されると、電解質は、バーム７１４ｂに対して集まり、バーム７１４ｂを横切って複数の電解質入口通路７１４ａを介して電解質トラフ７６４に流動し得る。電解質が電解質トラフ７６４全体に更に分配される際、電解質は、（矢印７０８ｂによって示されるように）電解質トラフ７６４から炭素フォーム７０６を通って流動し得る。炭素フォーム７０６を通って流動している間、矢印７０８ｃによって示されるように、正電極７０８は、（例えば、重力の方向に逆らって）電解質の少なくとも一部を負電極７１０に向けてウィックアップし得、負電極７１０で、電解質中のイオンは、（例えば、負電極７１０でのＨ_２ガスの分解から）負電極７１０を通って流動する電子によって還元され得る。炭素フォーム７０６を通って流動した後、矢印７０８ｄによって示されるように、電解質は、１つ以上の電解質出口通路７１６を通って流動し得、そこから、電解質は、電解質出口ポート（例えば、図２Ａ及び図２Ｂの電解質出口ポート２０８）を介してリバランシングセルから排出され得る。

【0120】

図７Ｂに更に示されるように、電極アセンブリ７０２は、重力供給を介してｙ軸に沿って電極アセンブリ７０２を通る電解質フローを誘導するように、重力の方向に対して傾けられ得る。したがって、いくつかの実施例では、ｚ軸は、ｙ軸が軸ｇに直交しなくてもよいように、０°～３０°の角度で重力の方向と反対の垂直方向と整列され得るか、又は垂直方向からオフセットされ得る。

【0121】

ここで図８Ａ～図８Ｄを参照すると、斜視図８００、８２５、及び８５０、並びに断面図８７５がそれぞれ図８Ａ、図８Ｂ、図８Ｃ、及び図８Ｄに示されており、レドックスフロー電池システムのリバランシングセル用の例示的な電極アセンブリ８０２のフローフィールドプレート８２６を描写する斜視図８００、８２５、及び８５０の各々、並びに断面図８７５がそれぞれ示されている。示されるように、フローフィールドプレート８２６は、電極アセンブリ８０２のプレート８０４に一体的に形成され、フローフィールドプレート８２６は、Ｈ_２ガスの通路を通してＨ_２ガスを対流させるように構成され得る。いくつかの実施形態では、電極アセンブリ８０２の積層体が、電極アセンブリ積層体４０２の電極アセンブリ３０２の代わりに、リバランシングセル２０２に実装され得る（図２Ａ～図４Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂを参照のこと）。したがって、レドックスフロー電池システムは、図１のレドックスフロー電池システム１０であり得る。示される構成要素の相対的な位置付けを説明するため、及び図８Ａ～図８Ｄの図の間の比較のために、一組の基準軸８０１が提供され、軸８０１は、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸を示す。

【0122】

図８Ａの図８００に示されるように、プレート８０４に、フローフィールドプレート８２６は、プレート８０４の電解質出口チャネルセクション８１６に隣接して、かつプレート８０４の水素ガス入口チャネルセクション８１８ａ及び水素ガス出口チャネルセクション８１８ｂの各々と流体連通して、形成され得る。フローフィールドプレート８２６は、複数の入口通路８５２ａを含み、複数の入口通路８５２ａの各々は、水素ガス入口チャネルセクション８１８ａに流体的に結合され得る。フローフィールドプレート８２６は、複数の出口通路８５２ｂを更に含み、複数の出口通路８５２ｂの各々は、プレート８０４の水素ガス出口チャネルセクション８１８ｂに流体的に結合され得る。更に示されるように、複数の入口通路８５２ａは、複数の出口通路８５２ｂと互い違いになっており、複数の入口通路８５２ａ及び複数の出口通路８５２ｂの各通路は、通路壁８５６によって少なくとも１つの隣接する通路の各々から分離され得る。このようにして、フローフィールドプレート８２６は、互い違いになったフローフィールド構成として構成されているとみなされ得る（ただし、フローフィールドプレート８２６は、部分的に互い違いになったフローフィールド構成又は蛇行したフローフィールド構成などの代替的なフローフィールド構成として構成されてもよいことが理解されよう）。複数の入口通路８５２ａは、ｘ軸の正の方向に沿って延在し得る一方、複数の出口通路８５２ｂは、ｘ軸の負の方向に沿って延在し、複数の入口通路８５２ａ及び複数の出口通路８５２ｂの各通路は、端部壁８５４で終端し得る。

【0123】

図８Ｄの断面図８７５に示されるように、複数の入口通路８５２ａ及び複数の出口通路８５２ｂの各通路は、均一な高さ８５８及び均一な厚さ８６０を有し得る。追加的又は代替的に、各通路壁８５６は、高さ８５８及び均一な厚さ８６２を有し得る。いくつかの実施例では、高さ８５８は、１ｍｍ～５ｍｍであり得、厚さ８６０は、１ｍｍ～５ｍｍであり得、厚さ８６２は、１ｍｍ～４ｍｍであり得る。ただし、通路及び通路壁に非均一な寸法が採用されてもよく、その結果、個々の通路が異なる高さ及び／又は厚さを有してもよく、個々の通路壁が異なる高さ及び／又は厚さを有してもよいことなどが理解されよう。

【0124】

例示的な実施形態では、フローフィールドプレート８２６は、ｚ軸に対してプレート８０４の表面８６８と反対側の電極アセンブリ８０２に一体的に形成され、表面８６８は、表面８６８上に、炭素フォーム、正電極、及び負電極（図８Ａ～８Ｄには示されていない）の順次積層を含み得る。電極アセンブリ８０２は、同様の構成の電極アセンブリ８０２の積層体に更に含まれ得る。所与の電極アセンブリ８０２は、所与の電極アセンブリ８０２のフローフィールドプレート８２６が、隣接する電極アセンブリ８０２の負電極と面共有接触し得るように、かつ電極アセンブリ８０２の積層体の水素ガス入口チャネルセクション８１８ａが、電極アセンブリ８０２の積層体の各フローフィールドプレート８２６の複数の入口通路８５２ａに流体的に結合された連続した水素入口チャネル（図８Ａ～図８Ｄには示されていない）を形成し得るように、他の電極アセンブリ８０２と整列され得る。したがって、Ｈ_２ガスが水素ガス入口チャネルを通って流動するとき、所与の電極アセンブリ８０２のフローフィールドプレート８２６の複数の入口通路８５２ａは、入口通路８５２ａを通して、かつ隣接する電極アセンブリ８０２の負電極を横切らせて、Ｈ_２ガスを強制的に対流させ得る。更に、電極アセンブリ８０２の積層体の水素ガス出口チャネルセクション８１８ｂは、電極アセンブリ８０２の積層体の各フローフィールドプレート８２６の複数の出口通路８５２ｂに流体的に結合された連続した水素出口チャネル（図８Ａ～図８Ｄには示されていない）を形成し得る。

【0125】

図８Ｄの断面図８７５に更に示されるように、プレート８０４は、表面８６８を横切って、かつ表面８６８上に位置付けられた炭素フォーム（図８Ｄには示されていない）を通して、電解質を分配するのを補助する１つ以上の特徴を更に含み得る。一実施例として、プレート８０４は、電解質が［例えば、電解質入口チャネル（図８Ｄには示されていない）を介して］電極アセンブリ８０２に流動する際に集まり得る電解質入口ウェル８１２を含み得る。別の実施例として、プレート８０４は、電解質が接して集まり得るバーム８１４ｂを含み、バーム８１４ｂは、ｘ軸に対して平行に延在し得る。バーム８１４ｂは、電解質がｙ軸の正の方向にバーム８１４ｂを通って流動することを可能にするために、バーム８１４ｂ内に設定され、かつバーム８１４ｂを横切って分散された複数の電解質入口通路（図示せず）を含み得る。別の実施例として、プレート８０４は、電解質入口ウェル８１２から、複数の電解質入口通路を介してバーム８１４ｂを通って流動する電解質を収集及び分配し得る電解質トラフ８６４を含み得る。電解質フローを更に支援するために、プレート８０４は、電解質がｙ軸の正の方向に沿って、複数の電解質入口通路を通して重力供給され得るように、重力の方向に対して傾けられ得る。したがって、いくつかの実施例では、ｚ軸は、０°～３０°の角度で重力の方向と反対の垂直方向と整列され得るか、又は垂直方向からオフセットされ得る。このようにして、電解質入口ウェル８１２からの電解質は、表面８６８を横切って（例えば、電極アセンブリ８０２の炭素フォームを通して）実質的に均等に分配され得る。

【0126】

追加的又は代替的な実施例では、図３～図４Ｂ、図６Ａ、及び図６Ｂの炭素フォーム３０６又は図７Ａ及び図７Ｂの炭素フォーム７０６は、フローフィールドプレート８２６と実質的に同様のフローフィールド構成のフローフィールドプレートと交換され得る。かかる一実施例では、炭素フォーム３０６又は炭素フォーム７０６を交換するフローフィールドプレートのフローフィールド構成は、ｘ軸及びｙ軸に対してフローフィールドプレート８２６のフローフィールド構成と同じ方向に配向され得る。別のかかる実施例では、炭素フォーム３０６又は炭素フォーム７０６を交換するフローフィールドプレートのフローフィールド構成は、ｘ軸及びｙ軸に対してフローフィールドプレート８２６のフローフィールド構成とは異なる方向に（例えば、９０°の角度、１８０°の角度、又は２７０°の角度で）配向され得る。

【0127】

ここで図９Ａ及び図９Ｂを参照すると、それぞれ斜視図９００及び９５０が示されており、斜視図９００及び９５０の各々は、リバランシングセル２０２の勾配付き支持体２２０を描写している。示されるように、勾配付き支持体２２０の上部表面９０２は、角度２２２で、勾配付き支持体２２０の下部表面９０４、後足部９０６、及び前足部９０８の各々に平行であり得るか、又はそれらからオフセットし得る。一実施例では、角度２２２は、０°～３０°であり得る。したがって、後足部９０６と上部表面９０２との間の高さ９１０と、前足部９０８と上部表面９０２との間の高さ９１２と、は、角度２２２に応じて同じであってよいし、異なっていてもよい。一実施例として、角度２２２が０°であるとき、高さ９１０は、高さ９１２に等しくてよい。別の実施例として、示されるように、角度２２２が０°を超えるとき、高さ９１０は、高さ９１２よりも大きくてよい。

【0128】

いくつかの実施例では、勾配付き支持体２２０は、比較的軽量の材料から形成され得る。例えば、勾配付き支持体２２０は、強度対重量比及び衝撃強度は比較的高く、かつ摩擦が比較的低い非腐食性材料から形成され得る。一実施例では、勾配付き支持体２２０は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）から形成され得る。

【0129】

いくつかの実施例では、勾配付き支持体２２０は、角度２２２が、重力の方向に対してリバランシングセルのセルエンクロージャ（図９Ａ及び図９Ｂには示されていない）を水平にするように調整され得るという点で調整可能であり得る。一実施例では、勾配付き支持体２２０は、他の支持体が角度２２２を上昇又は低下させるように置き換えられ得るように、セルエンクロージャに取り外し可能に結合され（例えば、取り外し可能に固定され）得る。追加的又は代替的な実施例では、所与の用途のために所望されるように角度２２２を調整するために、調整機構（例えば、ヒンジ、可逆ロック要素など、図９Ａ及び図９Ｂには示されていない）が勾配付き支持体２２０に含まれ得る。

【0130】

ここで図１０を参照すると、例示的なリバランシングセル内の還元されたＦｅ^３＋の総量の関数としてのＦｅ^３＋還元速度を描写する例示的なプロット１０００が示されている。リバランシングセルの各々は、同様の構成の全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池システムに独立して含まれている。プロット１０００に示されるように、横座標は、（ｍｏｌ／ｍ^２での）還元されたＦｅ^３＋の総濃度を表し、縦座標は、（ｍｏｌ／ｍ^２時間での）Ｆｅ^３＋還元速度を表す。

【0131】

プロット１０００に更に示されるように、曲線１００２、１００４、及び１００６は、様々なリバランシングセルのＦｅ^３＋還元速度を表す。具体的には、曲線１００２は、典型的なゼリーロールリバランシング反応器についての平均Ｆｅ^３＋還元速度を表し、曲線１００４は、第１の例示的なリバランシングセルについての平均Ｆｅ^３＋還元速度を表し、曲線１００６は、第２の例示的なリバランシングセルについての平均Ｆｅ^３＋還元速度を表す。第１及び第２の例示的なリバランシングセルの各々は、Ｈ_２ガスが対流を介して流れ、電解質が重力供給及び毛細管作用を介して流動する、内部短絡電極アセンブリの積層体を含む。第１及び第２の例示的なリバランシングセルの内部短絡電極アセンブリの各々は、炭素フォーム、正電極、及び負電極の順次積層を含み得る。ただし、第１の例示的なリバランシングセルの負電極は、Ｎａｆｉｏｎ（商標）結合剤を含むのに対して、第２の例示的なリバランシングセルの負電極は、ＰＴＦＥ結合剤を含む。

【0132】

第１及び第２の例示的なリバランシングセルの負電極にどの結合剤が含まれているかにかかわらず、［（曲線１００２によって示されるように）５ｍｏｌ／ｍ^２時間未満の平均Ｆｅ^３＋還元速度を呈する］典型的なゼリーロールリバランシング反応器と比較して、両方とも、有意に高速のＦｅ^３＋還元速度を呈する。第１の例示的なリバランシングセルについて、平均Ｆｅ^３＋還元速度は、（曲線１００４によって示されるように）最初約６０ｍｏｌ／ｍ^２時間であり得、第２の例示的なリバランシングセルについて、Ｆｅ^３＋還元速度は、（曲線１００６によって示されるように）５０ｍｏｌ／ｍ^２時間以上を保ち得る。しかしながら、第１の例示的なリバランシングセルについての平均Ｆｅ^３還元速度は、（還元されたＦｅ^３＋の総量によって測られるように）長期使用中に悪化し得る。例えば、第１の例示的なリバランシングセルの平均Ｆｅ^３＋還元速度は、（曲線１００４によって示されるように）約３０００ｍｏｌ／ｍ^２の総Ｆｅ^３＋が還元された後に、２０ｍｏｌ／ｍ^２時間未満に劣化し得る。しかしながら、第２の例示的なリバランシングセルは、還元された総Ｆｅ^３＋が１６０００ｍｏｌ／ｍ^２を超えても性能を維持するように示されている。このようにして、Ｎａｆｉｏｎ（商標）結合剤の代わりにＰＴＦＥ結合剤がリバランシングセル用の負電極を製造する際に採用される場合、より高いセル耐久性が達成され得、その結果、より高いＦｅ^３＋還元速度が、リバランシングセルの延長された作動にわたって実現され得る。理論に拘束されることを望まないが、耐久性のかかる差は、より低い塩蓄積（これは、Ｈ_２ガスが例示的なリバランシングセル内の負電極の触媒表面に到達することを防止し得る）、負電極の触媒表面の塩化物ポイズニング、及び／又は負電極の孔内の水蓄積に起因し得る。

【0133】

ここで図１１を参照すると、内部短絡電極アセンブリの積層体（例えば、内部短絡電極アセンブリの積層体を通って流動する電流が外部負荷を通ってチャネリングされない）を含むリバランシングセルを動作させるための方法１１００のフローチャートが示されている。具体的には、リバランシングセルは、過剰なＨ_２ガスを減少させ、かつ電解質中の電荷不平衡をリバランシングするために、レドックスフロー電池システムに実装され得る。例示的な実施形態では、レドックスフロー電池システムは、図１のレドックスフロー電池システム１０であり得、リバランシングセルは、図２Ａ及び図２Ｂのリバランシングセル２０２であり得る。したがって、方法１１００は、図１～図２Ｂの実施形態を、単独で、又は図３～図９Ｂの実施形態及び考慮事項と組み合わせて参照して考慮され得る（ただし、本開示の範囲から逸脱することなく、同様の方法が他のシステムに適用されてもよいことが理解され得る）。例えば、方法１１００では、（例えば、リバランシングセルでの分配のためにＨ_２ガス及び電解質を受容することを伴う）少なくともいくつかのステップ又はステップの部分が、図１のコントローラ８８を介して実行され得、コントローラ８８に通信可能に結合された非一時的記憶媒体（例えば、メモリ）に実行可能な命令として記憶され得る。図１１を参照して説明される更なる構成要素は、図１～図９Ｂの対応する構成要素の実施例であり得る。

【0134】

１１０２において、方法１１００は、Ｈ_２ガス及び電解質を、リバランシングセルのそれぞれの入口ポートを介してリバランシングセルで受容することを含む。電解質は、第１の入口ポートを介してリバランシングセルで受容され得、Ｈ_２ガスは、第２の入口ポートを介してリバランシングセルで受容され得る。一実施例では、第１の入口ポートは、重力の方向に対して第２の入口ポートの上に位置付けられている。

【0135】

１１０４において、方法１１００は、Ｈ_２ガス及び電解質を、内部短絡電極アセンブリの積層体全体に分配することを含む。具体的には、電解質は、内部短絡電極アセンブリの積層体の電極アセンブリにそれぞれ結合された複数の第１の入口チャネルを含む入口マニホールドを介して分配され得、Ｈ_２ガスは、内部短絡電極アセンブリの積層体によって形成され、かつ内部短絡電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリに流体的に結合された第２の入口チャネルを介して分配され得る。いくつかの実施例では、入口マニホールドを介した分配の後、電解質は、内部短絡電極アセンブリの積層体の正電極とそれぞれ接合している第１のフローフィールドプレートを介して分配され得る。他の実施例では、入口マニホールドを介した分配の後、電解質は、それぞれ正電極と接合している活性炭フォームを通して分配され得る。いくつかの実施例では、第２の入口チャネルを介した分配の後、Ｈ_２ガスは、内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極とそれぞれ接合している第２のフローフィールドプレートを通して分配され得る。

【0136】

１１０６において、方法１１００は、内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極及び正電極での電解質リバランシング反応を起こすように、Ｈ_２ガス及び電解質のフロー（例えば、横方向の、平行な、又は対向するフロー）を誘導することを含む。負電極及び正電極は、負電極及び正電極の接合対において、内部短絡電極アセンブリの積層体の間で分配され得る。上で考察したように、負電極及び正電極の接合対の各正電極は、それぞれの活性炭フォーム又はそれぞれの第１のフローフィールドプレートと更に接合し得る。一実施例では、負電極は、上にＰｔ触媒がコーティングされた導電性炭素基板であり得、正電極は、炭素フェルトであり得る。いくつかの実施例では、Ｈ_２ガス及び電解質のフローを誘導することは、（ｉ）１１０８において、対流（例えば、内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極と接合している第２のフローフィールドプレートを介した強制対流）を介して内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極を横切るＨ_２ガスのフローを誘導することと、（ｉｉ）１１１０において、重力供給（例えば、重力の方向に対してリバランシングセルを傾けることによる）、毛細管作用（例えば、電解質を内部短絡電極アセンブリの積層体の正電極にウィックアップすること）、及び対流（例えば、内部短絡電極アセンブリの積層体の正電極と接合している第１のフローフィールドプレートを介した強制対流）のうちの１つ以上を介して内部短絡電極アセンブリの積層体の正電極を横切る電解質のフローを誘導することと、を含み得る。一実施例では、Ｈ_２ガスのフローは、対流によって負電極を横切って誘導され得、電解質のフローは、重力供給及び毛細管作用の各々によって正電極を横切って誘導され得る。内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極及び正電極を横切ってＨ_２ガス及び電解質を流動させると、１１１２においてＨ_２ガスを電解質中の正荷電イオンと反応させて正荷電イオンを還元することを含む、電解質リバランシング反応が起こり得る（式（４）を参照のこと）。

【0137】

１１１４において、方法１１００は、電解質（還元された正荷電イオン、例えば１１０２において第１の入口ポートで受容されるときよりも低濃度のＦｅ^３＋、を有する）及び任意の未反応のＨ_２ガスを、リバランシングセルからＨ_２ガスの出口ポートを介して排出することを含む。具体的には、１１１６において、電解質が、リバランシングセルから第１の出口ポートを介して排出され得、いくつかの実施例では、１１１８において、未反応のＨ_２ガスが、リバランシングセルから第２の出口ポートを介して排出され得る。ただし、他の実施例では、リバランシングセルは、Ｈ_２ガスを流動させるためのデッドエンド構成を含んでもよく、第２の出口ポートは、含まれなくてもよい。いずれの場合も、少なくともいくつかの未反応のＨ_２ガスは、内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極を通って電解質に流動し得る。したがって、リバランシングセルから未反応のＨ_２ガスを排出することは、１１２０において、圧力放出出口ポートを介して電解質中の未反応のＨ_２ガスを排出することを含み得る（例えば、電解質中に圧力が蓄積し、内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極をフラッディングするのを防止するために）。

【0138】

このようにして、レドックスフロー電池のための、内部短絡電極アセンブリの積層体を含むリバランシングセルが提供される。具体的には、レドックスフロー電池からのＨ_２ガス及び電荷不均衡電解質のフローが、リバランシングセルに提供され、内部短絡電極アセンブリの積層体の負電極及び正電極を横切って誘導され得る。いくつかの実施例では、Ｈ_２ガスは、フローフィールドプレートを介して負電極を横切って対流され得る。追加的又は代替的な実施例では、電荷不平衡電解質は、内部短絡電極アセンブリの積層体を通して重力供給及び／又は対流され、内部短絡電極アセンブリ内の正電極にウィッキングされ得る。負電極及び正電極は、電流がリバランシングセルから離れるように（例えば、外部負荷を通して）導かれないように、導電性であり、互いに面共有接触し得る。更に、内部短絡電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、内部電気短絡され、かつ内部短絡電極アセンブリの積層体の各他の電極アセンブリから電気的に分離されることから、ある電極アセンブリが劣化する（例えば、電流のスパイクを経験する）ときに、逆電流が内部短絡電極アセンブリの積層体全体にわたって流動することが防止され得る。驚くべきことに、かかる内部電気短絡は、リバランシングセルの全体的な信頼性を犠牲にすることなく、電解質リバランシング速度を増加させた。

【0139】

一実施例では、レドックスフロー電池のためのリバランシングセルであって、リバランシングセルは、セルエンクロージャと、Ｈ_２ガスが通ってセルエンクロージャに流動する水素ガス入口ポートと、電解質が通ってセルエンクロージャに流動する電解質入口ポートと、電解質が通ってセルエンクロージャから排出される電解質出口ポートと、セルエンクロージャによって囲まれた電極アセンブリの積層体であって、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、フローフィールドプレートと面共有接触している負電極を含む、電極アセンブリの積層体と、セルエンクロージャに結合された勾配付き支持体と、を備える、リバランシングセルである。リバランシングセルの第１の実施例は、電解質出口ポートが、重力の方向に対して電解質入口ポートよりも低く位置付けられている、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１の実施例を含む、リバランシングセルの第２の実施例は、リバランシングセルの第２の実施例は、電解質から未反応のＨ_２ガスを排出するための圧力放出出口ポートを更に備える。任意選択でリバランシングセルの第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第３の実施例であって、未反応のＨ_２ガスが、電極アセンブリの積層体の負電極を通って電解質に流動し、かつ圧力放出出口ポートを通って流動した後にのみ、セルエンクロージャから排出される。任意選択でリバランシングセルの第１～第３の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第４の実施例は、未反応のＨ_２ガスが通ってセルエンクロージャから排出される水素ガス出口ポートを更に備える。任意選択でリバランシングセルの第１～第４の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第５の実施例は、水素ガス入口ポート、水素ガス出口ポート、電解質入口ポート、及び電解質出口ポートが、横方向構成でセルエンクロージャ上に位置付けられており、水素ガス出口ポート及び電解質入口ポートが、セルエンクロージャの上半分の異なる側面上に位置付けられており、水素ガス入口ポート及び電解質出口ポートが、セルエンクロージャの下半分の異なる側面上に位置付けられている、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第５の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第６の実施例は、Ｈ_２ガスが、水素ガス入口ポートから、電極アセンブリの積層体の負電極と面共有接触しているフローフィールドプレートからそれぞれ形成された１つ以上の水素ガス入口通路に導かれる、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第６の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第７の実施例は、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、内部短絡されており、電流が、リバランシングセルから離れるように導かれない、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第７の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第８の実施例は、勾配付き支持体が、勾配付き支持体が置かれる外面に対してセルエンクロージャを２°～３０°の角度傾ける、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第８の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第９の実施例は、電極アセンブリの積層体の各負電極が、上に触媒がコーティングされた導電性炭素基板から形成されており、触媒が、Ｐｄ、Ｒｈ、Ｒｕ、Ｉｒ、Ｔａ、若しくはそれらの合金を含む貴金属触媒、又は第二鉄溶液中で安定な非貴金属触媒を含む、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第９の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第１０の実施例は、電極アセンブリの積層体の負電極と面共有接触しているフローフィールドプレートが、互い違いになったフローフィールド構成、部分的に互い違いになったフローフィールド構成、蛇行したフローフィールド構成、又はそれらの組み合わせとして構成されている、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第１０の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第１１の実施例は、電極アセンブリの積層体の各負電極が、任意選択で炭素フォームと面共有接触しているウィッキング導電性炭素フェルトから形成された正電極と更に面共有接触している、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第１１の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第１２の実施例は、電解質が、電解質入口ポートから、電極アセンブリの積層体の炭素フォームを通って電解質出口ポートに導かれる、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第１２の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第１３の実施例は、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、炭素フォームを横切って電解質入口ポートで受容された電解質を分配するために、炭素フォームに隣接して位置付けられた複数の電解質入口通路を更に備える、ことを更に含む。

【0140】

別の実施例では、レドックスフロー電池システムであって、レドックス電極及びめっき電極をそれぞれ収容する正電極コンパートメント及び負電極コンパートメントと、正電極コンパートメントにポンプ投入するための正電解質と、負電極コンパートメントにポンプ投入するための負電解質と、をそれぞれ含む正電解質チャンバ及び負電解質チャンバであって、正電解質チャンバ及び負電解質チャンバが、それぞれのガスヘッドスペースを更に含む、正電解質チャンバ及び負電解質チャンバと、正電解質の電解質リバランシングのための第１のリバランシングセルであって、第１のリバランシングセルが、正電極コンパートメントと正電解質チャンバのガスヘッドスペースとに流体的に結合されており、正電解質の電解質リバランシングが、第１のリバランシングセルの正電極及び負電極の接合対の内部電気短絡を介して駆動され、Ｈ_２ガスが、第１のフローフィールド構成を介して第１のリバランシングセルを通して対流され、正電解質が、重力供給及び毛細管作用を介して第１のリバランシングセルを通して導かれる、第１のリバランシングセルと、を備える、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の第１の実施例は、Ｈ_２ガスが、正電解質チャンバのガスヘッドスペースから第１のリバランシングセルに流動し、正電解質が、正電極コンパートメントから第１のリバランシングセルに流動する、ことを更に含む。任意選択でレドックスフロー電池システムの第１の実施例を含む、レドックスフロー電池システムの第２の実施例は、第１のリバランシングセルの接合対の各々について、正電極及び負電極が互いに面共有接触しており、連続的に導電性である、ことを更に含む。任意選択でレドックスフロー電池システムの第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む、レドックスフロー電池システムの第３の実施例は、レドックスフロー電池システムが、全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池システムであり、正電解質の電解質リバランシングが、正電極のＦｅ^３＋をＦｅ^２＋に還元することを含む、ことを更に含む。任意選択でレドックスフロー電池システムの第１～第３の実施例のうちの１つ以上を含む、レドックスフロー電池システムの第４の実施例は、負電解質の電解質リバランシングのための第２のリバランシングセルを更に備え、第２のリバランシングセルが、負電極コンパートメントと負電解質チャンバのガスヘッドスペースとに流体的に結合されており、負電解質の電解質リバランシングが、第２のリバランシングセルの正電極及び負電極の接合対の内部電気短絡を介して駆動され、Ｈ_２ガスが、第２のフローフィールド構成を介して第２のリバランシングセルを通して対流され、負電解質が、重力供給及び毛細管作用を介して第２のリバランシングセルを通して導かれる。

【0141】

更に別の実施例では、レドックスフロー電池システムのための方法であって、レドックスフロー電池システムのリバランシングセルのそれぞれの入口ポートでＨ_２ガス及び電解質を受容することと、Ｈ_２ガス及び電解質をリバランシングセルの電極アセンブリ積層体全体に分配することと、対流を介して電極アセンブリ積層体のアノードを横切るＨ_２ガスのフローを誘導することと、その後、Ｈ_２ガスを電解質中の正荷電イオンと反応させて、正荷電イオンを還元することと、未反応のＨ_２ガス及び電解質をリバランシングセルからＨ_２ガス及び電解質の出口ポートを介して排出することと、を含む、方法である。本方法の第１の実施例は、Ｈ_２ガスを正荷電イオンと反応させる前に、重力供給及び毛細管作用を介して、電極アセンブリ積層体のカソードを横切る電解質のフローを誘導することを更に含む。任意選択で本方法の第１の実施例を含む、本方法の第２の実施例は、Ｈ_２ガスを、電極アセンブリ積層体のカソードと電極アセンブリ積層体のアノードとのそれぞれの接合部で、電解質リバランシング反応を介して、正荷電イオンと反応させる、ことを更に含む。任意選択で本方法の第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む、本方法の第３の実施例は、電極アセンブリ積層体を通って流動する電流が、外部負荷を通ってチャネリングされない、ことを更に含む。

【0142】

更に別の実施例では、レドックスフロー電池セルのための電極アセンブリ積層体であって、複数の内部短絡電極アセンブリを備え、複数の内部短絡電極アセンブリの各々が、ウィッキング炭素フェルトから形成された正電極と、正電極と面共有接触している電解質フローフィールドプレートと、を備え、電解質フローフィールドプレートの通路が、レドックスフロー電池セルに流体的に結合されている、電極アセンブリ積層体である。電極アセンブリ積層体の第１の実施例は、複数の内部短絡電極アセンブリの各々が、水素ガスフローフィールドプレートであって、水素ガスフローフィールドプレートの通路が、レドックスフロー電池セルに流体的に結合されている、水素ガスフローフィールドプレートと、水素ガスフローフィールドプレートと正電極との間に位置付けられており、かつ水素ガスフローフィールドプレート及び正電極の各々と面共有接触している負電極であって、負電極が、電解質フローフィールドプレートと反対側の正電極の側面にある、負電極と、を更に備える、ことを更に含む。任意選択で電極アセンブリ積層体の第１の実施例を含む、電極アセンブリ積層体の第２の実施例は、複数の内部短絡電極アセンブリの各々の電解質フローフィールドプレートの通路が、レドックスフロー電池セルの正電極コンパートメントに流体的に結合されており、任意選択で複数の内部短絡電極アセンブリの各々の水素ガスフローフィールドプレートの通路が、レドックスフロー電池セルに流体的に結合された正電解質チャンバのガスヘッドスペースに流体的に結合されている、ことを更に含む。任意選択で電極アセンブリ積層体の第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む、電極アセンブリ積層体の第３の実施例は、複数の内部短絡電極アセンブリの各々の電解質フローフィールドプレートの通路が、レドックスフロー電池セルの負電極コンパートメントに流体的に結合されており、任意選択で複数の内部短絡電極アセンブリの各々の水素ガスフローフィールドプレートの通路が、レドックスフロー電池セルに流体的に結合された負電解質チャンバのガスヘッドスペースに流体的に結合されている、ことを更に含む。任意選択で電極アセンブリ積層体の第１～第３の実施例のうちの１つ以上を含む、電極アセンブリ積層体の第４の実施例は、複数の内部短絡電極アセンブリの各々の電解質フローフィールドプレートの通路が、電極アセンブリ積層体を通る電解質フロー経路の少なくとも一部分を形成し、任意選択で複数の内部短絡電極アセンブリの各々の水素ガスフローフィールドプレートの通路が、電極アセンブリ積層体を通る水素ガスフロー経路の少なくとも一部分を形成する、ことを更に含む。任意選択で電極アセンブリ積層体の第１～第４の実施例のうちの１つ以上を含む、電極アセンブリ積層体の第５の実施例は、電極アセンブリ積層体が、重力に対して傾けられている、ことを更に含む。

【0143】

更に別の実施例では、レドックスフロー電池のためのリバランシングセルであって、セルエンクロージャと、電解質が通ってセルエンクロージャに流動する電解質入口ポートと、電解質が通ってセルエンクロージャから排出される電解質出口ポートと、セルエンクロージャによって囲まれた電極アセンブリの積層体であって、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、ウィッキング導電性炭素フェルトから形成された正電極を含む、電極アセンブリの積層体と、セルエンクロージャに結合された勾配付き支持体であって、勾配付き支持体が、勾配付き支持体が置かれる外面に対してセルエンクロージャを傾ける、勾配付き支持体と、を備える、リバランシングセルである。リバランシングセルの第１の実施例は、電極アセンブリの積層体の各正電極が、炭素フォームと面共有接触している、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１の実施例を含む、リバランシングセルの第２の実施例は、電解質が、電解質入口マニホールドと電極アセンブリの積層体の炭素フォームとの各々を介して、電解質入口ポートから電解質出口ポートに導かれる、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第３の実施例は、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリが、炭素フォームを横切って電解質入口ポートで受容された電解質を分配するために、炭素フォームに隣接して位置付けられた複数の電解質入口通路を更に備える、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第３の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第４の実施例は、電極アセンブリの積層体の各正電極が、フローフィールドプレートと面共有接触している、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第４の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第５の実施例は、電解質が、電解質入口マニホールドと、電極アセンブリの積層体の正電極と面共有接触しているフローフィールドプレートとの各々を介して、電解質入口ポートから電解質出口ポートに導かれる、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第５の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第６の実施例は、電極アセンブリの積層体の正電極と面共有接触しているフローフィールドプレートが、互い違いになったフローフィールド構成、部分的に互い違いになったフローフィールド構成、蛇行したフローフィールド構成、又はそれらの組み合わせとして構成されている、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第６の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第７の実施例は、電極アセンブリの積層体の各正電極が、負電極と面共有接触しており、電極アセンブリの積層体の各電極アセンブリ内の正電極及び負電極が、連続的に導電性である、ことを更に含む。任意選択でリバランシングセルの第１～第７の実施例のうちの１つ以上を含む、リバランシングセルの第８の実施例は、勾配付き支持体が、勾配付き支持体が置かれる外面に対してセルエンクロージャを２°～３０°の角度傾ける、ことを更に含む。

【0144】

更に別の実施例では、レドックスフロー電池システムのための方法であって、レドックスフロー電池システムのリバランシングセルの入口ポートで電解質を受容することと、電解質をリバランシングセルの電極アセンブリ積層体全体に分配することと、重力供給、毛細管作用、及び対流のうちの１つ以上を介して、電極アセンブリ積層体のカソードを横切る電解質のフローを誘導することと、電極アセンブリ積層体のカソードと電極アセンブリ積層体のアノードとのそれぞれの接合部での電解質リバランシング反応を介して、電解質中の正荷電イオンを還元することと、リバランシングセルから電解質の出口ポートを介して電解質を排出することと、を含む、方法。本方法の第１の実施例は、電極アセンブリ積層体の各カソードが活性炭フォームと接合しており、電極アセンブリ積層体全体に電解質を分配することが、電極アセンブリ積層体のカソードとそれぞれ接合している活性炭フォームを通して電解質を分配することを含む、ことを更に含む。任意選択で本方法の第１の実施例を含む、本方法の第２の実施例は、電極アセンブリ積層体の各カソードが、フローフィールドプレートと接合しており、電極アセンブリ積層体全体に電解質を分配することが、電極アセンブリ積層体のカソードと接合しているフローフィールドプレートを通して電解質を分配することを含み、電解質のフローが、フローフィールドプレートによって強制される対流を少なくとも介して誘導される、ことを更に含む。任意選択で本方法の第１及び第２の実施例のうちの１つ以上を含む、本方法の第３の実施例は、電極アセンブリ積層体の各カソードが、炭素フェルトであり、電解質のフローが、炭素フェルトの毛細管作用を少なくとも介して誘導される、ことを更に含む。任意選択で本方法の第１～第３の実施例のうちの１つ以上を含む、本方法の第４の実施例は、リバランシングセルが、リバランシングセルが置かれる表面に対して傾けられ、電解質のフローが、重力供給を少なくとも介して誘導される、ことを更に含む。任意選択で本方法の第１～第４の実施例のうちの１つ以上を含む、本方法の第５の実施例は、電解質が、出口ポートを介して排出されるときよりも、入口ポートで受容されるときに、より高濃度のＦｅ^３＋を有する、ことを更に含む。

【0145】

図２Ａ～図４Ｂ及び図６Ａ～図９Ｂは、様々な構成要素の相対的な位置付けを伴う例示的な構成を示す。互いに直接接触しているか、又は直接結合されていることが示されている場合、次いでかかる要素は、少なくとも一実施例では、それぞれ直接接触している又は直接結合されていると呼ばれ得る。同様に、互いに連続するか又は隣接して示される要素は、少なくとも一実施例では、それぞれ連続するか又は互いに隣接し得る。一例として、互いに面共有接触で置かれる構成要素は、面共有接触と呼ばれ得る。別の例として、少なくとも一例では、互いに離れて位置付けられた要素は、それらの間は空間のみであり、他の構成要素はそのように呼ばれ得ない。更に別の例として、互いに上／下に、互いに反対側に、又は互いの左／右に示される要素は、互いに対してそのように呼ばれ得る。更に、図に示されるように、最上部の要素又は要素の点は、少なくとも一例では、構成要素の「上部」と呼ばれ得、最下部の要素又は要素の点は、構成要素の「下部」と呼ばれ得る。本明細書において使用される場合、上部／下部、上側／下側、上／下は、図面の垂直軸に対してであり得、互いに対する図面の要素の位置付けを説明するために使用される。したがって、一実施例では、他の要素の上に示される要素は、他の要素の上に垂直に位置付けられる。更に別の実施例として、図面内に描写される要素の形状は、それらの形状（例えば、円形、直線、平面、曲線、丸みを帯びた、面取りされた、角度の付いた、など）を有すると呼ばれ得る。更に、互いに交差して示される要素は、少なくとも１つの実施例では、交差する要素又は互いに交差する要素と呼ばれ得る。なお更に、一実施例では、別の要素内に示される、又は別の要素の外側に示される要素は、そのように呼ばれ得る。図２Ａ～図４Ｂ、図６Ａ～図９Ｂは、およそスケールに応じて描かれているが、他の寸法又は相対寸法が使用されてもよい。

【0146】

以下の特許請求の範囲は、新規かつ自明ではないとみなされる特定の組み合わせ及びサブ組み合わせを特に指摘している。これらの特許請求の範囲は、「１つの」要素又は「第１の」要素若しくはその等価物を指し得る。かかる特許請求の範囲は、１つ以上のかかる要素の組み込みを含むと理解されるべきであり、２つ以上のかかる要素を要求したり排除したりするものではない。開示された特徴、機能、要素、及び／又は特性の他の組み合わせ及びサブ組み合わせは、本特許請求の範囲の修正を通じて、又は本出願若しくは関連出願における新しい特許請求の範囲の提示を通じて請求され得る。かかる特許請求の範囲は、元の特許請求の範囲に対して範囲がより広いか、より狭いか、等しいか、又は異なるかにかかわらず、また、本開示の主題内に含まれるとみなされる。

【図1】

【図2A】

【図2B】

【図3】

【図4A】

【図4B】

【図5A】

【図5B】

【図5C】

【図5D】

【図6A】

【図6B】

【図7A】

【図7B】

【図8A】

【図8B】

【図8C】

【図8D】

【図9A】

【図9B】

【図10】

【図11】

【国際調査報告】