(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応流路に沿って配置される複数のセルを有するレドックスフロー電池スタックアセンブリを備え、
前記複数のセルのそれぞれは電解液の注入口と排出口とを有し、
前記複数のセルのうち最初のセルの前記排出口は、前記反応流路に沿った次の前記セルの前記注入口に接続され、
前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路に沿って配置された前記セルの位置に基づき前記セルにおける反応物質の予想される充電状態にしたがって構成される少なくとも一つの構造を有し、
前記少なくとも一つの構造は、前記複数のセルの当該構造がそれぞれ同一に構成される場合に比べて前記複数のセルの全体の蓄電性能が向上するように構成されている
ことを特徴とするレドックスフロー電池のエネルギー貯蔵システム。
【請求項２】
前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路の第１の端に位置するセルが前記反応流路の第２の端に位置するセルのセパレータ膜の膜孔隙率よりも低い膜孔隙率を持つように選択されたセパレータ膜を用いて構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは、充電時には前記第２の端から前記第１の端へ、放電時には前記第１の端から前記第２の端へ、反応物質が前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して流れるように構成されることを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項３】
前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路の前記第１の端に位置する前記セルが前記反応流路の前記第２の端に位置する前記セルよりも大きな充電触媒負荷を有するように選択された負荷を表面に持つ充電触媒を有する電極材料を用いて構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは、充電時には前記第２の端から前記第１の端へ、放電時には前記第１の端から前記第２の端へ、反応物質が前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して流れるように構成されることを特徴とする請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項４】
前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路の前記第１の端に位置する前記セルの電極材料が前記反応流路の前記第２の端に位置する前記セルの電極材料よりも大きな充電触媒活性を有するように選択された充電触媒活性を表面に持つ充電触媒を有する電極材料を用いて構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは、充電時には前記第２の端から前記第１の端へ、放電時には前記第１の端から前記第２の端へ、反応物質が前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して流れるように構成されることを特徴とする請求項３に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項５】
前記複数のセルのそれぞれは前記反応流路の前記第１の端に位置する前記セルが前記反応流路の前記第２の端に位置する前記セルの反応物質の質量輸送率より小さい反応物質の質量輸送率を示すように構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは、充電時には前記第２の端から前記第１の端へと、放電時には前記第１の端から前記第２の端へ、反応物質が前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して流れるように構成されることを特徴とする請求項４に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項６】
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリは前記反応流路の前記第１の端に位置する前記セルが前記反応流路の前記第２の端に位置する前記セルより大きい反応物質の質量輸送率を示すように構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは、充電時には前記第２の端から前記第１の端へと、放電時には前記第１の端から前記第２の端へ、反応物質が前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して流れるように構成されることを特徴とする請求項４に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項７】
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリは前記反応流路の前記第１の端に位置する前記セルに入る反応物質が、前記反応流路の前記第２の端に位置するセルに入る反応物質よりも高温になるように構成される熱交換器をさらに備え、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは、充電時には前記第２の端から前記第１の端へと、放電時には前記第１の端から前記第２の端へ、反応物質が前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して流れるように構成されることを特徴とする請求項６に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項８】
前記構造はセパレータ膜を含み、それぞれのセルはスタック内に組み立てられた平面的な構成として構成され、
前記セルの活性化領域を除き電気的に絶縁された第１の双極性フレーム、
前記第１の双極性フレームと隣接して配置される第１の電極材料、
前記セパレータ膜と隣接して配置される第２の電極材料、及び
前記第２の電極材料と隣接して配置され、前記セルの活性化領域を除き電気的に絶縁される第２の双極性フレームとを備えることを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項９】
前記構造は、周囲が封止されているセパレータ膜を含むことを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項１０】
さらに前記レドックスフロー電池スタックアセンブリと流体的に結合された４つの電解液貯蔵タンクを備え、第１のタンクは充電用の陰極液を保持し、第２のタンクは放電用の陰極液を保持し、第３のタンクは充電用の陽極液を保持し、第４のタンクは放電用の陽極液を保持することを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項１１】
さらに前記レドックスフロー電池スタックアセンブリと流体的に結合された電解液貯蔵タンクを備え、前記電解液貯蔵タンクは熱交換器を有し、電解液を４０℃から５０℃の範囲で加熱することを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項１２】
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを包み込むシリンダー状の支持構造と、
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの第１の側面上の前記シリンダー状の支持構造内に位置する第１の陰極液タンクと、
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの前記第１の側面上の前記シリンダー状の支持構造内に位置する第１の陽極液タンクと、
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの第２の側面上の前記シリンダー状の支持構造内に位置する第２の陰極液タンクと、
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの前記第２の側面上の前記シリンダー状の支持構造内に位置する第２の陽極液タンクと、
前記第１の陰極液タンクを前記レドックスフロー電池スタックアセンブリ及び前記第２の陰極液タンクに流体的に結合し、前記第１の陽極液タンクを前記レドックスフロー電池スタックアセンブリ及び前記第２の陽極液タンクに流体的に結合する配管とを備え、
前記配管及び前記レドックスフロー電池スタックアセンブリは、前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの前記第１の側面が上方に位置する際に陽極液及び陰極液の反応物質の充電が発生し、前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの前記第１の側面が下方に位置する際に陽極液及び陰極液の反応物質の放電が発生するよう構成されることを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項１３】
前記シリンダー状の支持構造を支持する少なくとも２つのローラーと、前記少なくとも２つのローラーの１つと結合される駆動機構とをさらに備え、
前記少なくとも２つのローラー及び前記駆動機構は手回しハンドルを回転させることにより前記シリンダー状の支持構造を回転可能に構成されることを特徴とする請求項１２に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項１４】
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリと流体的に結合された反応物質貯蔵タンクをさらに備え、前記反応物質貯蔵タンクは充電反応物質と放電反応物質との混合を抑止するタンクセパレータを有することを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項１５】
前記タンクセパレータは浮揚性を有し、開状態においてタンクセパレータを介して反応物質が流入することを許可するバルブ機構を含み、前記バルブ機構が閉状態にあり放電反応物質が前記タンクセパレータの上部の前記タンクに入った際に充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるように前記反応物質貯蔵タンク内が構成され、前記バルブ機構が開状態にある際に前記タンクセパレータは前記反応物質の上面に浮かぶことを特徴とする請求項１４に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項１６】
前記タンクセパレータは前記反応物質貯蔵タンク内に垂直に配置され、前記反応物質貯蔵タンク及び前記タンクセパレータは、前記反応物質が前記タンクセパレータの一側上で前記反応物質貯蔵タンクに供給されるように構成されるとともに、充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるように前記反応物質が前記タンクセパレータの他側から前記反応物質貯蔵タンク外へ排出されるように構成されることを特徴とする請求項１４に記載のレドックスフロー電池システム。
【請求項１７】
電力源と、
前記電力源から電力を受けて電力を電力負荷に供給するレドックスフロー電池システムと
を備え、
前記レドックスフロー電池システムは、
陰極液反応物質を貯蔵する第１のタンクと、
陽極液反応物質を貯蔵する第２のタンクと、
第１のレドックスフロー電池スタックアセンブリとを有し、
前記第１のレドックスフロー電池スタックアセンブリは、反応流路に沿って配置される複数のセルを有し、
前記複数のセルのそれぞれは電解液の注入口と排出口とを有し、
前記複数のセルのうち最初のセルの前記排出口は、前記反応流路に沿った次の前記セルの前記注入口に接続され、
前記反応流路は第１の端及び第２の端を有し、
前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路に沿って配置された前記セルの位置に基づき前記セルにおける反応物質の予想される充電状態にしたがって構成される少なくとも一つの構造を有し、
前記少なくとも一つの構造は、前記複数のセルの当該構造がそれぞれ同一に構成される場合に比べて前記複数のセルの全体の蓄電性能が向上するように構成されていることを特徴とする電力システム。
【請求項１８】
反応物質を加熱する熱交換器をさらに備え、前記電力源は高温流体を産出する冷却系を備え、前記熱交換器は前記電力源の冷却系からの高温流体を用いて、前記第１のレドックスフロー電池スタックを介して流れる反応物質を４０℃から６５℃の範囲で加熱することを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項１９】
反応物質を加熱する熱交換器をさらに備え、前記電力負荷は高温流体を産出する冷却系を備え、前記熱交換器は前記電力負荷の冷却系からの高温流体を用いて、前記第１のタンクおよび前記第２のタンクの少なくとも一方に貯蔵された反応物質を４０℃から６５℃の範囲で加熱することを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項２０】
熱水を産出する地熱エネルギー源と、反応物質を加熱する熱交換器とをさらに備え、
前記熱交換器は前記地熱エネルギー源からの熱水を用いて反応物質を４０℃から６５℃の範囲で加熱することを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項２１】
反応物質を加熱する熱交換器をさらに備え、
前記電力源は冷却系を有する風力タービンを備え、
前記熱交換器は前記風力タービンの冷却系から流体を受けることを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項２２】
反応物質を加熱する熱交換器をさらに備え、
前記電力源は冷却系を有する太陽エネルギー変換システムを備え、
前記熱交換器は前記太陽エネルギー変換システムの冷却系から流体を受けることを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項２３】
前記電力源は燃料電池を備えることを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項２４】
前記電力負荷は電気自動車充電システム、データセンター、製造施設及び電力系統と切さ属された電気変換器のうちから選択されることを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項２５】
前記レドックスフロー電池システムは第２のレドックスフロー電池スタックアセンブリをさらに備え、前記第２のレドックスフロー電池スタックアセンブリは、反応流路に沿って配置される複数のセルを有し、
前記複数のセルのそれぞれは電解液の注入口と排出口とを有し、
前記複数のセルのうち最初のセルの前記排出口は、前記反応流路に沿った次の前記セルの前記注入口に接続され、
前記反応流路は第１の端及び第２の端を有し、
前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路に沿って配置された前記セルの位置に基づき前記セルにおける反応物質の予想される充電状態にしたがって構成される少なくとも一つの構造を有し、
前記少なくとも一つの構造は、前記複数のセルの当該構造がそれぞれ同一に構成される場合に比べて前記複数のセルの全体のエネルギー効率が向上するように構成され、
前記第１のレドックスフロー電池スタックアセンブリは前記電力源と接続されて陰極液及び陽極液の反応物質を充電し、
前記第２のレドックスフロー電池スタックアセンブリは前記電力源と接続されて陰極液及び陽極液を放電して前記電力負荷へ電力を供給することを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項２６】
前記第１のタンク及び前記第２のタンクは充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるよう構成されたタンクセパレータをそれぞれ有することを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項２７】
前記タンクセパレータはそれぞれ浮揚性を有し、開状態においてタンクセパレータを介して反応物質が流入することを許可するバルブ機構を含み、前記バルブ機構が閉状態にある際に充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるように前記第１のタンクまたは前記第２のタンク内が構成され、前記バルブ機構が開状態にある際に前記タンクセパレータは前記反応物質の上面に浮かぶことを特徴とする請求項２６に記載の電力システム。
【請求項２８】
前記タンクセパレータは前記第１のタンクまたは前記第２のタンクの内部に垂直に配置され、前記第１のタンクまたは前記第２のタンク、及び前記タンクセパレータは、前記反応物質が前記タンクセパレータの一側上で前記第１のタンクまたは前記第２のタンクに供給されるように構成されるとともに、充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるように前記反応物質が前記タンクセパレータの他側から前記第１のタンクまたは前記第２のタンクの外部へ排出されるように構成されることを特徴とする請求項２６に記載の電力システム。
【請求項２９】
放電された陰極液の反応物質を貯蔵する第３のタンクと、
放電された陽極液の反応物質を貯蔵する第４のタンクとをさらに備え、
放電モードでの動作中、充電された陰極液を前記第１のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第１のタンクから前記第３のタンクへと流し、充電された陽極液を前記第１のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第２のタンクから前記第４のタンクへと流すことを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項３０】
放電された陰極液及び陽極液の反応物質を貯蔵する第３のタンクをさらに備え、
放電モードでの動作中、充電された陰極液を前記第１のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第１のタンクから前記第３のタンクへと流し、充電された陽極液を前記第１のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第２のタンクから前記第３のタンクへと流し、充電モードでの動作中、電解液を前記第３のタンクから前記第１のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第１のタンク及び前記第２のタンクのそれぞれへと流すことを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【請求項３１】
前記レドックスフロー電池システムは、充電モードと放電モードのいずれにおいても陰極液反応物質と陽極液反応物質が同一方向へと流れるように動作するよう構成されることを特徴とする請求項１７に記載の電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、エネルギーストレージ技術に関し、より詳細には、レドックスフロー電池のエネルギー貯蔵システム及びその応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの再生可能エネルギー技術は、経済的に実行可能でかつ環境に有益である一方で、発電が断続的かつ予測不能であるという欠点を有している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
このような再生可能エネルギー技術の利用を拡大するためには、大規模なエネルギー貯蔵システムが必要である。また、火力発電や原子力発電のような多くの従来の発電技術とともに、燃料電池などの有望な代替発電技術においても、一定の電力で動作すると最も効率が良く、エネルギー貯蔵システムにより必要時には最大電力を提供できるとともにオフピーク時に必要な電力エネルギーを蓄えることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
レドックスフロー電池のストレージシステムは、電解液種に電力を蓄える。レドックスフロー電池のストレージシステムは、少なくとも１つのレドックスフロー電池スタックアセンブリを含み、少なくとも１つのレドックスフロー電池スタックアセンブリは複数のレイヤを含み、各レイヤは反応流路に沿ってカスケード方向に複数の独立したセルを含む。レドックスフロー電池スタックアセンブリのセルは、各セルにおいて期待される反応物質の充電状態である電力貯蔵効率の増加のために構成され最適化される。反応物質は電池効率を高めるために加熱されてもよく、電力源からの余分な熱や、熱エネルギーを供給する電池やシステムからの電力を用いて反応物質を加熱してもよい。反応物質を貯蔵するためのタンクの大きさを調整し、レドックスフロー電池スタックアセンブリを追加することにより、貯蔵システムは電力系統（電力グリッド）での利用に適した数メガワットの実装をサポートするサイズの貯蔵システムが設計される。燃料電池、風力及び太陽光発電のような電力生成システムでの熱集積は、全体的な電力効率をより最大化する。レドックスフロー電池システムは、小さく遠隔にある設備への応用に適し、重力送りシステムのようなより小さな大きさで適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】第１の観点からのレドックス電池スタックの断面模式図を示す本発明の一実施形態に係る大規模なスタックのレドックス電池システムのシステム図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るレドックス電池スタックセルレイヤの３つのセルについての第２の観点からの断面模式図である。
【図３Ａ】本発明の一実施形態に係る１つのレドックス電池セルについての第３の観点からの断面図である。
【図３Ｂ】本発明の一実施形態に係る１つのレドックス電池セルの分解図である。
【図４】本発明の一実施形態に係るレドックス電池で発生する化学反応についての２つの化学式である。
【図５】本発明の一実施形態に係るレドックス電池システムで実装することができる設計パラメータを示すグラフである。
【図６】レドックス電池の電流対電位のグラフである。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池スタックの概略図である。
【図７Ｂ】本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池スタックにおけるセルレイヤの組み立て方法を示す組立図である。
【図７Ｃ】本発明の他の実施形態に係るフロー電池スタックにおけるセルレイヤの組み立て方法を示す組立図である。
【図８】本発明の一実施形態に係るレドックス電池セルのセパレータ部の図である。
【図９】熱の取り入れを含む風力発電システムの実装の一形態のシステム図である。
【図１０】ソーラーパネルで直接電解液が加熱される太陽光発電システムの実装の一形態を示すシステム図である。
【図１１】パワー・スタックのまわりで流れる第２の流体によって熱の取り込みを行う太陽熱発電システムの他の形態を示すシステム図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係るシステム設計パラメータの表である。
【図１３Ａ】直流電力源からの直流電力を変換／分離して交流電力として使用するレドックスフロー電池を含む本発明の一実施形態に係るシステムのシステムブロック図である。
【図１３Ｂ】電気自動車を充電するためのサージ電力源として使用されるレドックスフロー電池を含む本発明の一実施形態に係るシステムのシステムブロック図である。
【図１３Ｃ】電気自動車を充電するためのサージ電力源として使用されるレドックスフロー電池を含む本発明の他の実施形態に係るシステムのシステムブロック図である。
【図１３Ｄ】電力系統へ直流電力を供給する燃料電池を有効にする管理システムとして電力の貯蔵および負荷に使用されるレドックスフロー電池を含む本発明の一実施形態に係るシステムのシステムブロック図である。
【図１４】本発明の一実施形態に係る重力駆動のレドックスフロー電池の断面における構成要素を示すブロック図である。
【図１５Ａ】充電モードから放電モードへの移行の流れを示す本発明の一実施形態に係る重力駆動のレドックスフロー電池の断面における構成要素を示す一連のブロック図のうちの１つである。
【図１５Ｂ】充電モードから放電モードへの移行の流れを示す本発明の一実施形態に係る重力駆動のレドックスフロー電池の断面における構成要素を示す一連のブロック図のうちの１つである。
【図１５Ｃ】充電モードから放電モードへの移行の流れを示す本発明の一実施形態に係る重力駆動のレドックスフロー電池の断面における構成要素を示す一連のブロック図のうちの１つである。
【図１６Ａ】本発明の一実施形態に係る３セルスタックのセルレイヤのレドックスフロー電池のそれぞれでの使用に適した代表的な分離物質を示す顕微鏡写真である。
【図１６Ｂ】本発明の一実施形態に係る３セルスタックのセルレイヤのレドックスフロー電池のそれぞれでの使用に適した代表的な分離物質を示す顕微鏡写真である。
【図１６Ｃ】本発明の一実施形態に係る３セルスタックのセルレイヤのレドックスフロー電池のそれぞれでの使用に適した代表的な分離物質を示す顕微鏡写真である。
【図１７】タンクセパレータを含む反応物質貯蔵タンクを有するレドックス電池スタックの断面模式図を示す本発明の一実施形態に係る大規模スタックのレドックス電池システムのシステム図である。
【図１８Ａ】充電または放電のサイクルを介してタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図１８Ｂ】充電または放電のサイクルを通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図１８Ｃ】充電または放電のサイクルを通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図１８Ｄ】充電または放電のサイクルを通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図１８Ｅ】充電または放電のサイクルを通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図１８Ｆ】充電または放電のサイクルを通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図１９】充放電反応の混合の効果を示す電池セルの電位と時間との関係を示すグラフである。
【図２０Ａ】充電または放電の処理を通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図２０Ｂ】充電または放電の処理を通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図２０Ｃ】充電または放電の処理を通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図２０Ｄ】充電または放電の処理を通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図２０Ｅ】充電または放電の処理を通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【図２０Ｆ】充電または放電の処理を通じてタンクセパレータの動きを示す本発明の一実施形態に係るタンクセパレータを含む電解液貯蔵タンクの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
様々な実施形態を図面を参照して詳細に説明する。可能な限り、同一の参照番号は同一または類似の部分を参照するものとして図面全体で使用される。特定の例や実装を参照するのは例示の目的であり、発明や請求項の及ぶ範囲を限定するものではない。
【０００７】
ここで用いられる数値や範囲に付される「約」や「ほぼ」といった語は、適切な温度や寸法公差を示すものであり、ここに記載される目的達成のために機能する構成の一部を示すものである。
【０００８】
様々な実施形態が、多様なエネルギーの使用及び再生可能エネルギーシステムに適した還元／酸化（ｒｅｄｏｘ、レドックス）フロー電池スタックアセンブリに基づくエネルギー貯蔵システムを提供する。
【０００９】
本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムのシステム図を図１に示す。図１に示す実施形態は、共通の手頃な価格の電池部材で実装可能な大規模適用を可能にするレドックスフロー電池のスタックデザインを利用している。  数メガワットの電力が充放電されなければならない適用例、例えば送電網につながれた風力タービンファームや太陽光発電プラントなどにおいて、図１に示すレドックスフロー電池システムはタンクサイズを増加することにより必要な容量へと拡張され、レドックスフロー電池のスタックを追加することにより生成される電力が拡張される。単純に、システム内に貯蔵される電解液の量により貯蔵される電力量が決定される。したがって、より多くのエネルギーを貯蔵するためには、より大きな電解液貯蔵タンクが用いられる。出力電力量を増加するために、より多くのレドックスフロー電池スタックアセンブリが追加される。したがって、図１に示すシステムはエネルギー貯蔵の幅広い要求に柔軟に対応可能である。
【００１０】
図１を参照すると、レドックスフロー電池システムの主要な構成として、セパレータ膜１２により分けられ多孔質電極１８、２０を介して２つの電解液が流れるレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を含む。それぞれの電解液において発生する酸化還元反応が反応チャンバを通じて流れる電気を発生させ、発生した電気は多孔質電極１８、２０により捕捉され、導電面２２、２４へと導電される。いくつかの実施形態において、流路１４、１６はスタックを通じた電解液の流れの制約を減らすためにレドックスフロー電池アセンブリ１０を含んでもよい。このような流路１４、１６を含むことにより、電解液の圧力降下を低減することができる。本発明の一実施形態において、流路１４、１６は所望の酸化還元反応が発生することができるよう、電解液が多孔質電極１８、２０と十分な相互作用を持つように組み込まれてもよい。導電面２２、２４は  導電体４２、４３と接続され、電力源４５（充電の場合）または電力負荷４６（放電の場合）のいずれかを通じて回路を完成させるが、いずれを選択するかは電気スイッチ４４により１つのスタックの実施形態により決められてもよい。カソード電解液（「陰極液」）及びアノード電解液（「陽極液」）は電解液タンク２６、２８に貯蔵され、入力流３４、３６をレドックスフロー電池アセンブリ１０に供給するためにポンプ３０、３２により送液され、電池出力流３８、４０で電解液タンク２６、２８へと回収する。
【００１１】
レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０はスタックの複雑性及び部品点数を最小に保つことにより、コストを削減するよう設計されている。レドックスフロー電池アセンブリ１０はさらにシャント電流の損失を最小化し、反応効率を最大化するよう設計されている。
【００１２】
レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０は独立した電池セルのアレイを含むように構成され、アセンブリのフレームは図２と３に示される通りである。独立した電池セルはスタックレイヤ４８内の１つのセルから隣のセルへと電解液の反応物質が流れるように配置される（図２参照）。電池セルの複数のレイヤ４８は図７Ａを参照して後述されるようにスタックアセンブリ１０を形成するように直列でそれぞれ接続され積層される。さらに、独立した電池セルは反応流路内でのそれぞれの位置に基づいて電気化学的性能を増加し、それぞれの電池セルの蓄電性能を足しあわせたよりも大きな全体での蓄電性能を有するレドックスフロー電池アセンブリをもたらす。
【００１３】
図２は、電極１８、２０、セパレータ膜１２の垂直方向へと見られるレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０内の個々の１つのセルレイヤ４８を有する（すなわち、レイヤ４８の短い軸は図１のページの内側及び外側である）断面図を示す。セルレイヤ４８は実施形態において３つの独立したセル５２、５４、５６を含んでもよく、他の実施形態においては独立したセルをほとんど有していなくともよい。好ましい実施形態において、電解液の反応物質はカスケードする方法（すなわち、あるレイヤ内の１つのセルから隣のセル）でアレイ内（すなわち、図２の面とパラレル）のセルレイヤ４８内の全てのセルを通じて流れる。各セルの層の中でこの複数のセルの構成は、シャント電流の問題を軽減する。全体的な効率及び電池性能を高めるため、電池セルは触媒量、電極のねじれ、チャンバの規模、及び／又はセパレータ膜の膜孔隙率を変化させて構成され、流路に沿った反応物質の集中でのバリエーションから選択的に取り扱い、望まない反応を最小化し、クーロン力及び電圧効率を最適化する。例えば、図２に示されるように、３セルのレドックスフロー電池セルレイヤアセンブリ４８において、反応物質の注入流３４、３６近傍の第１のセル５２は、電池セルレイヤアセンブリに対する入力において電解液の充電状況に関してより高い状態でより大きな効率を発揮するよう構造的物質的に構成されてもよい。第２のセル５４は電解液が第１のセル５２を通過した後も存在する電解液の充電状況の中間的な状況で効率的な処理が行われるような構造的物質的な構成を有してもよい。第３のセル５６は第１及び第２のセル５２、５４において反応した後の電解液における充電状況のより低い状態において効率的な処理が行われるような構造的内在的な構成を有してもよい。後述するように、この方法でレドックスフロー電池セルレイヤアセンブリ４８を構成すると、より低いコストで効率的な運用を行うことができる。
【００１４】
レドックスフロー電池の電解液の種類によっては、流体が最適な温度に加熱されるとき、より効果的な運用（すなわち、低損失で電力を保持し、放電できる）が行われる。この特性を利用するには、レドックスフロー電池セル層アセンブリ４８はチューブ６０、６２、６４、６６またはチャネルを介して加熱流体を循環させることができるように構成することができる。加熱流体を電池スタックアセンブリ内及び／又は電池スタックアセンブリの周囲で循環することにより、電解液の温度を制御することができる。
【００１５】
加熱流体チューブ６０、６２、６４、６６を各電池セルの前後に含むことにより、各セルの運用温度を個別に統制することができ、セル内の電解液の充電状況に対応した好適・最適の温度で運用することができる。加熱流体チューブは  充放電運用のために十分な温度で電解液がセルレイヤ４８へと注入されるよう、本発明の一実施形態において、電解液は熱交換器などでタンク２６、２８内であらかじめ加熱されてもよく、この場合、加熱流体チューブはオプションである。より詳細に後述されるように、加熱流体には、それぞれの充電力源４５（すなわち、発電機の冷却系などから）又は負荷４６（すなわち、冷却系装置などから）によって生成された廃熱を利用してもよい。
【００１６】
レドックスフロー電池スタックのセルレイヤ４８内の１つのセルについての概念的な断面を図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａは図１及び図２における断面の視点と直交する視点から１つのセルチャンバ５０を見た場合のその単層の断面図である。図３Ｂは個々の１つのセルレイヤ中の１つのセル５０の分解図である。第１及び第２の平面構造部材８０、８２から構成される双極性フレームは、レドックスフロー電池アセンブリ１０を構造的に支持する。平面構造部材８０、８２はポリエチレン、ポリプロピレン、または電解反応における軽度の酸に耐性がある他の材料から作られてもよい。平面構造部材８０、８２の間に、それぞれ陰極反応流３８及び陽極反応流４０を介在して多孔質電極触媒１８、２０を含むキャビティが形成される。多孔質電極は、別途炭素繊維物質から作成され又は双極性フレーム自体の一部であってもよい。多孔質電極触媒１８、２０は触媒層を炭素フェルトで皮膜されてもよい。いくつかの実施形態においては、表面触媒層が鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、ジルコニウムカーバイド（ＺｒＣ）であってもよく、これにより電解液による還元酸化反応を促進しながら、水素ガスの発生を抑制することができる。各平面構造部材８０、８２は、図３Ｂに示すように導電体表面２２、２４、のための切り欠きまたは挿入部を有してもよい。導電体表面２２、２４は多孔質電極触媒からセルレイヤの外側に電流を流す。
【００１７】
陰極反応物質および陽極反応物質は、フレーム部材８４、８６、８８、９０により、２つの平面構造部材８０、８２の間で浮遊する平面セパレータ膜１２により分離される。図３Ｂに示すようにフレーム部材８４、８６、８８、９０は２つの外部フレームの形状であってもよく、これによりフレーム部材８４及び８８は１つのフレーム８４の一部であり、フレーム部材８６及び９０は他のフレーム８６の一部であってもよいことに注意すべきである。セパレータ膜１２は反応物の混合の大半を抑制しつつ当該物質を通じてイオンが輸送することができる。図１６Ａから図１６Ｃを参照してより詳細に後述されるように、セパレータ膜１２は、各電池セル内において予想される充電状態に適したさまざまな拡散選択性及び電気抵抗に応じて、異なる材料により作成されてもよい。
【００１８】
各電池セル５０の反応物質の注入口において、セル50の反応領域内の電解液の流れを管理するマニホールド孔９２、９４を有してもよい。本発明の一実施形態において、マニホールドは各反応セル５０を入力すると、適切な電解液の混合が発生するための構造を管理するための流れを含んでもよい。このような流れにより、各セル内の予想される充電状態及び他の流体特性に基づき、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０内の各セル５０において反応物質の流れを最適化する。
【００１９】
区切りフレーム部材８４、８６、８８、９０と同様、平面構造部材８０、８２、は熱交換器の流体パイプ６０、６２を通じた流路を含んでもよい。セル入力マニホールド９２、９４内にオプションの熱交換器の流体パイプ６０を配置することにより、セルチャンバに反応物質が入る前に反応物質の流れの温度を上昇させるパイプ内の熱流体からの熱を入力することができる。同様に、セル出力マニホールド９６、９８内に熱交換器のパイプ６２を配置することにより、反応物質が最終セル５６を残して後に熱流体が電解液から熱を抽出することができ、これにより、熱エネルギーを節約し、電解液をより低い温度で貯蔵タンクへと戻すことができる。好ましい実施形態において、熱流体はＦｅ／ＣＲの反応のために、約４０℃から６５℃の温度まで加熱される。
【００２０】
レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０は電池スタックを形成するために直列にレイヤ４８を積層することにより形成されてもよい。この電池スタックアセンブリにおいて導電面２２、２４は、図７Ａを参照して後述されるように各セルレイヤのスタック内のセル間での電気的接続を提供する。
【００２１】
図３Ｂに示されるように、平面構造部材８０、８２は、バイポーラフレームを形成し、そのエリア全体に導電性を有してもよく、また導電面２２、２４が導電性を有するセル５０の電気化学的に活性な部分にただちに隣接するだけでもよい。後者の実施形態において、導電面２２、２４の周囲の領域は電気的に絶縁されてもよい。導電面２２、２４の周囲の領域の絶縁により、レドックスフロー電池アセンブリ１０内のセルの各タイプについて電流及び電位を個別に制御及び監視することができる。
【００２２】
図２に示すように、各セルレイヤ４８を形成するために、図３Ａ及び図３Ｂにおいて示されるような複数のセル５０が１つのレイヤ内のセルのカスケード形成用に流体的に接続されている。したがって、あるセルのセル出力マニホールド９６、９８は、セルレイヤ４８内で当該セルの隣のセルのセル入力マニホールド９２、９４と並んであるセルからセルレイヤ内の隣のセルヘの電解液の流れを形成する。
【００２３】
様々な実施形態のレドックスフロー電池システムでは、セルを交換及びリサイクルすることができる。セルを構築する材料は、主にプラスチック（例えば、ポリプロピレン、ポリエチレン）、炭素繊維フェルト、炭素繊維電極であるため、セルは環境被害を起こす重金属や毒素を含まない。さらに、Ｆｅ／Ｃｒなどの反応は、電池の酸以上の毒性や危険性を有しない。したがって、様々な実施形態のレドックスフロー電池システムは、人口及び負荷が集中する場所の近くにおいて再生可能エネルギーシステムに必要なエネルギー貯蔵量を提供するのに適している。
【００２４】
図８を参照してより十分に後述するように、多孔質セパレータ１２は封止エッジ領域を介した浸水から電解液の反応物質を保護するために、エッジの周りを密集状態または部分的な密集状態に結合してもよい。これにより、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の反応物質の混合及び漏れを低減する。多孔質のセパレータ膜を介した電解液反応物の混合が最小化される。セパレータ膜１２の両側の反応物質の濃度は、後述するように、同様のイオン密度においてほぼ同じであるため、セパレータ膜１２を介して濃度勾配を排除し、全体浸透圧を減らすことができる。
【００２５】
多様な反応物質及び触媒がレドックスフロー電池システムで使用されてもよい。好ましい実施形態における電解反応のセットは、図４に示すように鉄とクロムの反応に基づく。Ｆｅ／Ｃｒのレドックスフロー電池システムの反応物質は陰極液のＦｅＣｌ３（Ｆｅ３＋）内にエネルギーを蓄積して正電極において反応し、陽極液のＣｒＣｌ２（Ｃｒ２＋）内にエネルギーを蓄積して電池セル内で負電極において反応する。
【００２６】
Ｆｅ３＋とＣｒ２＋イオンそれぞれ他方に流入した場合、望ましくない非感応電子移動反応がＦｅ３＋とＣｒ２＋との間で発生しうる。したがって、クーロン効率を高いレベルで維持するために、Ｆｅ／Ｃｒのレドックスフロー電池スタック内の電解液が相互に混合するのを最小限に抑える必要がある。電解液が相互に混合するのを最小限に抑える１つの方法として、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）−１１７イオン交換膜（デュポン社、米国）のような選択性の高いセパレータ膜１２を用いる方法がある。高選択性のセパレータ膜の欠点は、レドックスフロー電池スタック内が低電圧効率である結果、イオン伝導性が低いことである。また、イオン交換膜は高価であり、＄５００／ｍ２付近の価格である。レドックスフロー電池はクーロン力と電圧効率を重視した製品でありの直流エネルギー貯蔵効率から最適化のトレードオフが存在する。
【００２７】
全体の内容が本明細書に組み込まれる米国特許第４５４３３０２で説明されるように、Ｆｅ／Ｃｒ系の特定の実施形態は、ＦｅＣｌ２（Ｆｅ２＋）が陽極液へと追加され、ＣｒＣｌ３（Ｃｒ３＋）が陰極液へと追加される混合反応システムとして知られているものである。混合反応システムの利点は、放電される陽極液と陰極液とが同一であることにある。さらにまた、陽極液中のＦｅの合計濃度は、陰極液中のＦｅの合計濃度と同じであり、陰極液中のＣｒの合計濃度は、陽極液中のＣｒの合計濃度と同じであり、セパレータ膜１２で区切られた間での濃度勾配が解消される。この方法により陽極液と陰極液との間での相互混合のための駆動力が低減される。相互混合のための駆動力が低減されると、より選択性が少ないセパレータ膜が用いられてもよく、これにより低いイオン抵抗及びより低いシステムコストを提供することができる。  より選択制の少ないセパレータ膜は、例えばＣｅｌｆａｒｄ  ＬＬＣ社の微多孔性セパレータ膜や、Ｄａｒａｍｉｃ  ＬＬＣ社のセパレータ膜を含み、どちらも＄５〜１０／ｍ２付近の価格である。  電荷の反応状態にセルの特性を最適化して充電または放電を１つのパスで完了することにより、ここで説明される実施形態では、従来のレドックスフロー電池デザインよりも約２桁安いコストで好適で高効率なレドックスフロー電池スタックが提供される。
【００２８】
混合反応の有無に関わらず、本発明の実施形態においては、反応物質はＨＣｌに溶解し、典型的には１−３Ｍの濃度である。電荷触媒はＰｂ、Ｂｉ及びＡｕまたはＺｒＣの組み合わせでもよく、陽極液中のＣｒ３＋がＣｒ２＋へと還元されるとき、負電極において充電の反応率を向上させ、これにより、水素放出を削減または排除する。水素放出は、陽極液と陰極液とのバランスを崩し、Ｃｒ３＋の反応を完了させてクーロン効率の低下につながるため、望ましくない。
【００２９】
ここで説明したセル、セルレイヤ及びレドックスフロー電池スタックデザインは電解液に溶解反応を含む他の反応の組み合わせにおいて使用することができる。一例としては、負電極（陽極液）におけるバナジウム反応Ｖ（ＩＩ）／Ｖ（ＩＩＩ）またはＶ２＋／Ｖ３＋及び正電極（陰極液）におけるバナジウム反応Ｖ（ＩＶ）／Ｖ（Ｖ）またはＶ４＋／Ｖ５＋を含むスタックである。このようなシステムの陽極液及び陰極液は、反応硫酸に溶解される。このタイプの電池は、陽極液及び陰極液のいずれもバナジウム種を含むため、しばしば全バナジウム電池と呼ばれる。本発明の実施形態に係るセル及びスタックのデザインを利用するレドックスフロー電池の他の反応物質の組み合わせは、Ｓｎ（陽極液）／Ｆｅ（陰極液）、Ｍｎ（陽極液）／Ｆｅ（陰極液）、Ｖ（陽極液）／Ｃｅ（陰極液）、Ｖ（陽極液）／Ｂｒ２（陰極液）、Ｆｅ（陽極液）／Ｂｒ２（陰極液）及びＳ（陽極液）／Ｂｒ２（陰極液）を含む。これらの組み合わせの例のそれぞれにおいて、セルで反応物質は電解液に溶解してイオン種として存在し、流路（カスケード流など）に沿って連続した複数の電池セルを介して電解液が流れる電池セル及びスタックのデザインの使用を許可し、流路に沿って異なる物理特性（セルのサイズ、膜やセパレータの種類、触媒の量と種類）を有する。実行可能なレドックスフロー電池の化学物質及びシステムについてのさらなる例は、そのすべての内容が参照文献として本明細書に組み込まれる米国特許第６４７５６６１で提供される。
【００３０】
セルチャンバの数はレドックスフロー電池スタックアレイのそれぞれの双極性フレームにより決まる。図２は１×３のアレイを示すが、あらゆる組み合わせが可能であり、例えば２×２や１×４のアレイでもよい。上述したように、電解液反応は、カスケード配置上であるセル５２、５４、５６からその隣のセルへと進行する。このカスケードの流れは放電モードでは注入口に最も近いセル５２において下流のセル５４、５６よりも高い反応物濃度が示されることを意味する。例えば、放電モードでのＦｅ／Ｃｒシステムにおいて、Ｆｅ３＋およびＣｒ２＋種は図４に示されるようなイオン濃度の関係性を有する。電池セル配置のこのカスケードは、シャント電流を制限し、全体的な反応率を向上させる利点を有する。シャント電流は、液体反応物内の短絡により形成される。したがって、スタック電圧の制限とともにあるセルとその隣のセルの間に長い導電経路を形成できるという利点を有する。様々な実施形態は、同じレイヤ内の複数のセルにわたって反応を流すことによって、いずれの利点も達成する。このカスケードの流れ方はレイヤスタックの配列ごとの１つのセルに比べ、反応率を向上させる。反応率を向上させることによりレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の往復ＤＣ変換効率を向上させ、反応物質の再循環の必要性を削減または排除することができる。再循環には、キロワットあたりや貯蔵容量あたりで必要とされるポンプ力はより大きくなり、寄生損失を増加させうるという欠点がある。
【００３１】
反応物イオン濃度の変化により、反応物が各レイヤの様々なセルを通じて流れるとともに、触媒コーティングの量は、それぞれのセルの充電状態に合わせて変化させてもよい。また、多孔質電極１８、２０に適用される触媒コーディングの形成は各セルの充電状態とより良く一致するように多様に構築される（すなわち、ジルコニアやビスマスの化合物の量を変化させる）。例えば、典型的に、より低い反応物密度を備えたセルは、最適なパフォーマンスを達成するために多孔質電極でのより高い触媒負荷を要求する。
【００３２】
様々な実施形態は、図２に示すような流路内に複数の独立したセルを含む固有のレドックスフロー電池スタックの構成を含み、各独立したセルは各セル内で充電状態の反応物質が最適で平均的なパフォーマンスを行うためのサイズ、形状、電極物質、セパレータ膜のレイヤ１２の材料で構成される。図５は、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の各独立したセルの電気的性能を最大化するために反応流路に沿って変化させる方法及びいくつかの制御可能なデザインの設定パラメータについての要約を示す。デザイン傾向ライン１１２に示されるように、いくつかのデザインパラメータ、グループＡとして示されるパラメータは、
セルレイヤ４８の一端から多端へと減少されてもよく、これにより放電モードにおいて反応物の注入口から排出口へと向かうにつれ値が減少し、充電モードにおいて反応物の注入口から排出口へと向かうにつれ値が増加するように電池のデザインが最適化される。デザイン傾向ライン１１６に示されるように、いくつかのデザインパラメータ、グループＢとして示されるパラメータは、セルレイヤ４８の一端から多端へと減少されてもよく、これにより放電モードにおいて反応物の注入口から排出口へと向かうにつれ値が増加し、充電モードにおいて反応物の注入口から排出口へと向かうにつれ値が減少するように電池のデザインが最適化される。図５に示すように、デザインパラメータはデザイン傾向ライン１１２に従って電池セルデザインを最適化するように変化してもよく、デザイン傾向ライン１１２のパラメータは膜の選択性、充電触媒負荷、充電触媒活性、温度（充電を最適化する際の）、チャンバ容積（充電を最適化する際の）、輸送質量（充電を最適化する際の）を含む。デザインパラメータはデザイン傾向ライン１１６に従って電池セルデザインを最適化するように変化してもよく、デザイン傾向ライン１１６のパラメータはイオン導電性、放電触媒負荷、放電触媒活性、温度（放電を最適化する際の）、チャンバ容積（放電を最適化する際の）、輸送質量（放電を最適化する際の）を含む。
【００３３】
例えば、上述したように、放電触媒負荷及び放電触媒活性（いずれもグループＢのデザインパラメータ）は、充電モードで入口から出口までレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の流路に沿って、各セルにおいて減少されてもよく、放電モードで入口から出口までレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の流路に沿って、各セルにおいて増加されてもよく、デザイン傾向ライン１１６により示されるように反応物濃度の低下のための補償を行う。同様に、充電触媒負荷及び充電触媒活性（いずれもグループＡのデザインパラメータ）は、充電モードで入口から出口までレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の流路に沿って、各セルにおいて増加されてもよく、放電モードで入口から出口までレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の流路に沿って、各セルにおいて減少されてもよく、デザイン傾向ライン１１２により示されるように反応物濃度の低下のための補償を行う。流路に沿った各セル内に実装される触媒負荷及び触媒活性の仕様は、流路内のセルの数、放電に関してデザイン傾向ライン１１６、及び充電に関して傾向ライン１１２を用いて決定することができる。
【００３４】
図５に示されるデザイン傾向ライン１１２、１１６を用いて、いくつかのレドックスフロー電池の実施形態においては、充電と放電の触媒負荷及び／又は触媒活性のようなデザインパラメータを最適化することにより電気化学的性能を改善して提供するが、反応の方向がある方向の場合は放電であり、その反対の方向の場合は充電である電池スタックを介して反応が進行する。いくつかの実施形態において、図１４〜１５Ｃを参照して後述するように、充電モードでは一方へとレドックスフロー電池を通じて反応が向かい、放電モードではその他方へと反応が向かう。他の実施形態では、図１３Ａ〜１３Ｄを参照して後述するように、充放電のため分離充電レドックスフロー電池スタックが提供され、反応の流れはセルの設定で一定方向へと流れるようになっている。図１を参照して後述する第３の実施形態において、電解液反応はレドックスフロー電池スタックを通じて充放電のいずれでも１つの方向へと流れ、電池セルは充放電の間で調整されて（例えば、充電又は放電に好ましく最適化されている）設定され、システムは充電モードと放電モードとの間でレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を充電源から電気的に切断（例えば電気的スイッチで）して負荷へスタックを接続するか、又はその反対のことを行うことにより、非常に素早く単純に切り替え可能である。
【００３５】
同様にさまざまな実施形態において、スタックが充電されるか放電されるかに応じてレドックスフロー電池スタックを通じて流れる反応物の温度を制御してもよい。図５は、デザインカーブ１１２及び１１６において、レドックスフロー電池のセルレイヤ４８及びスタックアセンブリ１０を通じて流路に沿った本発明の実施形態でどのように温度が制御されるかを示す。選択最適化された半サイクルでは、反応流路に沿ったそれぞれのセルにおいて放電モードでは温度が上昇してセルが出口へと最近接し、反応濃度が最も低くなり、セルが入口へと最近接するよりもより高い温度で動作する。レドックスフロー電池セルレイヤ４８及びスタックアセンブリ１０を運用するためのデザインカーブは電池効率の大きな改善が放電反応や充電反応を最適化することによって達成されるかどうかに基づいてもよい。Ｆｅ／Ｃｒシステムにおいて、陽極充電反応が最も限定された反応率を有すれば、デザイン傾向ライン１１２が温度プロフィールのデザインパラメータとして選択されることとなる。触媒負荷及び触媒活性とともに、レドックスフロー電池セルレイヤ４８及びスタックアセンブリ１０は反応が充電ではある方向、放電では別の方向へと流れるように構成されてもよく、２つの別々のレドックスフロー電池スタックのうち１つが充電用に、他方が放電用に構成されてもよい。
【００３６】
同様の方法で、様々な実施形態でレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を反応物の質量輸送率が流路に沿ってセルからセルで変化するように構成することによって電気化学的性能を改善する。図５はまたデザインカーブ１１６においてどのようにセルが反応物の質量輸送率が各セルで放電モードでは入口から出口の流路に沿って増加するように構成され、充電モードでは入口から出口の流路に沿って減少するように構成されるかを示す。質量輸送率は各セルの物理的な大きさを減少させ、電極触媒物質として電極間隙を変化させるものを選択することによって増加させてもよい。したがって、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の実施形態は  制限された流域を一方の端に有し、他方の端をより開放してより妨げのない流域を有してもよく、反応物の質量輸送率は放電モードの場合は各セルにおいて反応流路に沿って増加し、充電モードの場合は各セルにおいて反応流路に沿って減少する。
【００３７】
同様の方法で、レドックスフロー電池セルの実施形態は異なる材料で反応流路に沿ったセパレータ膜１２を構成してもよい。図５で、デザインカーブ１１２において各セルにおけるセパレータ膜１２の選択性（すなわち、セパレータを介して反応物質の動作が制限される度合い）が反応流路に沿ってどのように変化するかが示される。レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の入口に近いセルでは放電モードにおいて高濃度の反応物質（例えば、Ｃｒ２＋及びＦｅ３＋）を経験し、したがってセパレータ膜１２を介した反応物質の混合が、セルが出口に近い場合と比べてより大きな貯蔵エネルギーのロスにつながる。したがって、様々な実施形態はより大きな電気的な充電／放電効率を達成するために、電池の入り口付近のセパレータ膜１２を通じて反応物質の拡散を制限する。他方、典型的には、セパレータ膜の材料が高い選択性を有すると、電池の内部抵抗によるエネルギー損失を増加させる高抵抗損失（すなわち、電気抵抗）を示す。相殺特性は、図５のグラフ１１０に示されるデザインカーブ１１２に帰結し、反応流路内のセルの数に応じてセパレータ材料が選択される。
【００３８】
したがって、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の実施形態では流路の一方の端に位置するセルで高抵抗損失の高い選択性を有する材料からなるセパレータ膜１２を有し、流路の他方の端に位置するセルで低抵抗損失の材料からなるセパレータ膜１２を有してもよい。このデザインアプローチは、放電モードの出口端と充電モードの入口端で活性種が自発的に反応して低濃度により相互混合のための駆動力が大幅に減少するため、この設計手法が役立つ。Ｆｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池の場合（図４）Ｃｒ２＋及びＦｅ３＋種の濃度は放電モードの出口端及び充電モードの入口端で最小である。
【００３９】
上述のように、特定のレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０内の各セルの特定のデザイン構成は図５に示したデザイン傾向ラインにアセンブリ内の反応流路に沿ったセルの数により決定されてもよい。セルは、図５に示すように、各セル内の予想平均電解液濃度のために選択された設計パラメータを使用してデザイン傾向ラインの階段近似を算出して、設定されてもよい。反応流路に沿った独立したセルの数を増やすことで、セルのデザインパラメータは、デザイン傾向ラインとより一致する。しかし、独立したセルの数を増加するとデザイン的に複雑となり、システムコストが増加する。したがって、セルの数と各セルへ適用されるデザイン設定は特定の実装についての設計目標と性能要件に基づき変化させることとなる。
【００４０】
レドックスフロー電池セルレイヤ４８及びスタックアセンブリ１０を通じた反応流路に沿った独立のセルのデザイン設定を変化させることにより、様々な実施形態が従来のレドックスフロー電池デザインと比べて優れた充電／放電性能の改善を達成することができる。この性能改善は図６に示され、従来のレドックスフロー電池の分極曲線１２２（出力電流の関数としての出力電圧）は本発明の実施形態における作用の増大を含まない。この低い性能の曲線１２２は上述した実施形態での設計を実装する本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池で接近することができる理想的な性能曲線１２０を大きく下回る。
【００４１】
図３Ｂに示すように、双極性フレームの活性領域にのみ導電性領域（例えば、導電面２２、２４）を形成することで、レドックスフロー電池アセンブリ１０が非常に柔軟性あるものとなる。セルレイヤ４８内のそれぞれのセルチャンバの導電面２２、２４が直列に接続されるように、レイヤを重ねて組み合わせ、図７Ａに示されるような垂直方向にスタックの方向を変えることにより、複数のセルレイヤ１４０〜１４８を形成することができる。レドックスフロー電池アセンブリ１０が垂直方向に位置すると、レイヤ内の１つのセルが底部に位置し、頂部に反対のセル５６が位置することで、充放電反応中に形成されうる水素をセルから抜くのに役立つ。別々の端子が、図７Ａに示されるように外部導電面２２、２４に接続されてもよく、これにより電池が負荷に接続される。図７Ａに示すような方法で端子を接続することにより、スタックのより良い制御を可能にする流路に沿ったそれぞれのセル柱（すなわち、セルがスタックの間で直列に電気的に接続される）を別々に監視できる。垂直方向の長さに沿ってセルの各列の両端の電圧を監視することにより、充電の正確な状態を判断することができる。レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０に求められる電力需要に応じて、電池がピーク需要時に完全に利用することができ、需要が小さいときには部分的に利用することができる。各スタックは長寿命化や高効率化のために、個別に電流負荷を制御することができる。
【００４２】
図７Ｂは、本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池アセンブリ１０において、単体のフレーム４８ａ、４８ｂ、４８ｃに形成されるセルレイヤ４８を積層することにより形成されるスタックを示す。図７Ｂに示すように、本実施形態においては、個別のセルはセルレイヤの長さの範囲でフレーム内に形成される。上述したように、セル１の各セル５２ａ、５２ｂ、５２ｃのデザインパラメータはセル内反応の充電状態に応じて設定され、したがってスタック１０のセルレイヤ４８ａ、４８ｂ、４８ｃ内のセル２の各セル５６ａ、５６ｂ、５６ｃとは異なるデザインパラメータであってもよい。
【００４３】
各セルレイヤのための単体フレーム内にセルを積層する代わりに、図３Ｂとともに図７Ｃに示す実施形態で各セルをセルフレーム５２ａ〜５６ｃ内に積層してもよい。この実施形態では、レドックスフロー電池スタックはセルフレーム（例えば、図３Ｂのフレーム８４及び８６）内でセル５２ａ、５４ａ、５６ａ（例えば、図３Ｂの電極１８、セパレータ膜１２、及び電極２０）を組み合わせ、それぞれ組み合わされてスタック１０を構成するセル柱７２、７４、７６を形成するインターリーブされた双極性プレートをデザインしたフレームセルのように積層することにより組み立てられる。
【００４４】
前述のように、レドックスフロー電池での損失の原因の１つは、セパレータ膜１２の端に沿って反応物が混合したり、漏洩したりすることによる。図８に示すように、このような損失は、セパレータ膜の端１６０、１６２を封止することによって排除されてもよい。このような端部の封止は、鉄や万力のように圧縮しながら高温に加熱することにより材料を融合させることにより達成されてもよい。また、封止のために、各セルチャンバの周囲にガスケットを使用することができる。
【００４５】
前述のように、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の性能は、電池の流路内のさまざまな段階で最適な温度に反応物を加熱することによって向上させることができる。様々な実施形態では、廃熱や代替エネルギーの熱源を使用してこのような加熱を達成し、これにより寄生損失を減少しつつ、電気的性能を向上させている。様々な実施形態として、電力を使用して廃熱を生成する（例えば、エアコン、機器の冷却系のヒートシンク）工業用設備だけでなく、エネルギー生成設備においても様々な有用な利用がなされる。以下の実施形態で説明するように、風力タービンや太陽電池パネルなどの代替エネルギー源は、性能の向上と、機械的な故障の防止のために冷却することを要する。Ｆｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池の技術を用いて大規模エネルギー貯蔵システムにおいて、図９−１１に示すように、風力タービンファームや、太陽光発電ファームからの熱を追加費用のかからない方法で低品位廃熱を使用して統合することができる。たとえば、１ＭＷｈ／４ＭＷｈのレドックスフロー電池システムは、少数の風力タービンと熱的及び電気的に接続することができる。
【００４６】
レドックスフロー電池システムと風力発電システムの統合により、エネルギー貯蔵容量を持たない風力発電ファームよりも、効率的かつ経済的に動作することができる再生可能エネルギー発電システムが提供される。このようなシステムでは、風が吹いているときはいつでも電力を貯蔵することができ、現在の風力状況にかかわらず、電力系統（電力グリッド）の電力需要を満たす。これにより、風力タービン／レドックスフロー電池システムが、電力系統への安定した電力供給という利用契約上の義務をはたすことができ、風が微風や無風の間も契約電力レベルの電力を供給できない場合に受ける経済的制裁を受けない。また、本システムはピーク需要の期間に電力系統へと十分な電力を供給することができ、システム所有者はいつピーク風が発生したかに関係なく最も有利なレートで電力を販売することができる。
【００４７】
図９に、レドックスフロー電池と風力電ファーム１７０とを組み合わせたエネルギー生成および貯蔵システムの実施形態を示す。上述したように、風力タービンは、機械的システムが前述した設計温度範囲内で動作するためには、一般的に冷却系を必要とする。タービンの構造１７０を介した循環冷却水は、レドックスフロー電池システム１７２の加熱流体１７４として使用することができる。したがって、風力タービンの機械的摩擦によって発生した廃熱を、最適な動作温度でフロー電池システム１７２の反応物を維持するために使用して、総合的な電力出力性能において部分的に再利用することができる。風力発電ファーム170によって生成された電力１７６は多くの場合、ピーク電力需要に対応していない時に生成されるが、レドックスフロー電池システム１７２に貯蔵することができる。貯蔵された電力１７８は、ピーク電力需要の時間帯の需要に応じた電力を電力系統に提供するために使用することができる。図９は、３つの６００ｋＷ風力タービンと統合された１ＭＷフロー電池システムを示している。したがって、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０は、代替電力システムを冷却するために必要な廃熱を利用し、安定しない電力生成におけるエネルギー貯蔵の課題に理想的なソリューションを提供する。
【００４８】
上述した風力タービン／レドックスフロー電池システムと同様に、図１０に示されるように、レドックスフロー電池システムと太陽エネルギー変換システムを統合すると、エネルギー貯蔵能力を有しない太陽光発電システムに比べてより効率的かつ経済的に動作することができる再生可能エネルギー発電システムを提供する。このようなシステムは、太陽が出ているときはいつでも電力を電池に充電することができ、時間帯や天候にかかわらず電力系統の電力需要を満たすことができる。これにより、太陽光発電／レドックスフロー電池システムが、電力系統への安定した電力供給という利用契約上の義務をはたすことができ、曇りの天気の日や夜間時間帯においても、契約電力レベルの電力を供給できない場合に受ける経済的制裁を受けない。さらに、本システムでは、本システムはピーク需要の期間に電力系統へと十分な電力を供給することができ、システム所有者は時間帯及び天候に関係なく最も有利なレートで電力を販売することができる。
【００４９】
太陽電池（ＰＶ）アレイ、集中太陽電池（ＣＰＶ）アレイ、太陽熱エネルギー発電所、または太陽熱温水システムのような、太陽エネルギー変換システムは、熱的および電気的にレドックスフロー電池と統合することができ、図１０及び１１に示されるようなより経済的かつ効率的な再生可能エネルギー発電システム１８０、１９０を提供することができる。太陽集熱器１８３は太陽熱エネルギーを捕捉するとともに、電気を生成する。太陽光発電システムにおいて、設計動作温度内に太陽電池セルを維持するために太陽光発電パネルを通じてまたはパネルの下部で水を循環させてもよい。太陽集熱器１８３により受けた熱エネルギーは、蓄熱タンク１８２に貯蔵してもよい。上述したように、Ｆｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池は約４０℃から６５℃未満の温度範囲で最適な効率で運用される。蓄熱タンク１８２からの加熱流体（例えば、水）を使用することにより、電気やガスで加熱するシステムで生じるような高価な寄生損失や他の運用コスト（および温室効果ガスの排出量）を発生させることなく、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の温度の維持に必要な熱エネルギーを供給することができる。太陽集熱器及び蓄熱システムについては、住宅市場を中心に、非常に成熟した技術がある。実施形態では、電解液自体を熱サイフォン給湯システムの作動用流体とすることができる。
【００５０】
レドックスフロー電池システムと太陽熱エネルギー回収システムの熱的統合は、少なくとも2つの構成で達成することができる。図１０に示す最初の構成では、太陽集熱器１８３と、熱貯蔵タンク１８２が電解液反応を保持するよう設計され、これはＦｅ／Ｃｒ系システムの場合の塩酸溶液に関するソリューションである。この構成においては、蓄熱タンク１８２の外を流れる反応物が電気化学的反応の一部でレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０内に直接送られ（ポンプ１８６を介して）、反応が約４０℃〜６５℃の温度で励起される。  レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を出た反応物は蓄熱タンク１８２へと再加熱のため戻される。また、閉ループで加熱する流体を使用することができ、加熱流体から、蓄熱タンク１８２内に貯蔵される電解液へとタンク内の熱交換器で熱を伝達するようなシステムにおいて、太陽集熱器１８３を利用してもよく、タンクは太陽熱温水システムの実施形態におけるものと同様である。
【００５１】
図１１に示される第３の構成では、太陽集熱器１８３によって生成される温水（または他の流体）を、熱交換チューブなどを介して、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の内部または周囲に送られる蓄熱タンク１８２に貯蔵される加熱流体として用いてもよい。この構成では、蓄熱タンクからの加熱流体１８２は電解液反応と混合しない。
【００５２】
レドックスフロー電池システムと太陽熱エネルギー回収システムの熱的統合には、図１０で示すようなポンプ循環と図１１で示す自然循環（熱サイフォン）のいずれを用いてもよい。加熱流体をレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０（反応物や熱交換器のパイプを流れる加熱流体として）を介してポンプで送ることにより、熱性能を最適化できるが、ポンプ１８６により消費される電力からの寄生損失のコストがある。図１１に示す自然循環においては、熱水または反応物質の浮力がレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を介してポンプを必要とせずに流体の循環を行うために使用される。熱水は熱貯蔵タンク１８２の上部から上昇し、冷却されるレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通過し、その密度を増加させる。可動部品や化石燃料を必要とせず、太陽温水自然循環の構成はエネルギー貯蔵システムの全体的な循環効率を制限する寄生損失を被らない。自然循環の構成は、冷却ポンプにより発生する寄生損失がなく、１つの作動流体で動作する非常にシンプルなシステムを提供し、タンク容量の制約のため、小規模なシステムに適したソリューションである。一方、自然循環流を有効にするには、設計上の妥協が必要な場合があり、例えば上述したレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０が蓄熱タンク１８２上に配置されたり、太陽集熱器１８３や蓄熱タンク１８２に近接して建物の屋根の上に配置されたりする。
【００５３】
熱サイフォン太陽熱システムは、図１０及び図１１に示す実施形態において閉ループ構成で動作する。レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の温度を維持するために使用される高熱容量流体（例えば、水）を単に循環するだけであるから、蓄熱タンク１８２はより大規模のエネルギー貯蔵システムを管理可能なサイズとすることができる。
【００５４】
図１２の表は、レドックスフロー電池システムの様々な構成での使用に適した市販の太陽熱温水システムのサイジングパラメータを例示している。
【００５５】
原子力発電プラントや石炭火力発電プラントなどの従来の発電システムとレドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムの熱的統合は、そのようなシステムは低品位廃熱を大量に生成するので、優れたエネルギー効率及び経済効率を提供することができる。上述のように、廃熱の発生源とレドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムとの熱的統合は、電気や化石燃料での加熱で生じる寄生損失や追加の出費がなく、電池の運用効率を向上する。従来の発電システムとレドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムとの電気的統合も、電池システムが、ベースロード発電所をその出力を変化させることなく、電力系統のサポート（補助的なサービス）やピーク電力需要に対応可能とすることができるため、大きな経済的利点を有する。よく知られているように、原子力及び石炭火力発電所は一定の電力レベルで実行すると、最も効率的かつ経済的に運用することができる。
ピーク電力需要は、需要の減少（例えば、夜遅いオフピーク時）期間中にレドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムを充電することによって満たすことができ、すなわち、ピーク電力需要の期間中、電気出力を電池システムから引き出される電力と発電所の電気出力とで増加する。このような発電所とエネルギー貯蔵システムとの組み合わせは、電力を最も経済的な方法で（例えば、１日２４時間あたり一定の出力で）生成し、電気価格が最も大きなピーク需要時に売ることができるから、経済的な利点を有する。さらなる経済的利点として、従来の発電所にレドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムを追加することで、発電所を建設することなくピーク電力需要の増加へと対応することができることが挙げられる。エネルギー貯蔵容量を単に反応貯蔵タンクの数を増やしたりタンクを大きくするだけで増加させることができるレドックスフロー電池システムのサイジングの柔軟性は、従来の発電所にレドックスフロー電池貯蔵システムを追加することの経済的利点を示しており、システムの将来の需要の大きさの試算することも不要である。
【００５６】
地熱エネルギーもまた、反応貯蔵タンクを加熱するために使用することができる。このアプローチは、大きな熱慣性量で安定したシステムを提供することができる。低品位の地熱エネルギーは、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０や反応貯蔵タンクに熱を供給するために使用することができる。この実施形態では  地球の奥深くの地熱エネルギーから得た熱を反応貯蔵タンクの周囲の熱流体により及び／又は熱交換器を電池スタックの前後に配置して搬送することができる。
【００５７】
レドックスフロー電池貯蔵システムは、発電システムに近接して配置することを必ずしも必要としない。例えば、工業プロセスや建物に使用する太陽電池アレイ（ＰＶまたはＣＰＶを）からの低コストの廃熱源があるときは、工業プロセスが行われ又は太陽電池アレイが設置されている建物内または建物付近にレドックスフロー電池を配置することにより経済的効率的な優位性がある場合がある。この方法では、電池のエネルギー貯蔵は、ピーク電力需要を満たしたり、電力単価が安いオフピーク中に電力を購入したりできるように使用され、工業プロセス、サイト電源、または熱エネルギーの生成により生じた廃熱を電池効率の向上のために使用することができる。したがって、もし工業プロセスが大量の電気を使用する場合、熱的及び電気的にプロセスをレドックスフロー電池システムと統合すると、電力単価が安いオフピーク時に電池システムを充電するために電気を購入し、プロセスの電力需要を満たすことができる。このタイプの実装は、電気料金が高い期間の工業用プロセスの冷却コストを減らすことができ、したがってさらにコストを削減できる。
【００５８】
前述した全ての低品位熱源はまた、レドックスフロー電池アセンブリ１０に加えて、またはその代わりに、反応タンクを加熱する場合に適用することができる。反応タンクを加熱することにより、反応流体が常に動作温度でレドックスフロー電池で利用可能に温度を維持するため、いかなる熱的な運用の問題もなく迅速に出力変化に対応することができる。このアプローチにおける反応貯蔵タンクの加熱と絶縁とのコスト及び複雑性は、アセンブリをレドックスフロー電池スタックアセンブリ内での熱交換要素が不要になることによる、レドックスフロー電池スタックのデザイン簡素化で得られるコスト優位性によって相殺されうる。さらに、他の実施形態を組み合わせて、例えば貯蔵タンクの加熱とスタック内の熱交換器の供給といった組み合わせは、クリーン、低コストでレドックスフロー電池に信頼性の高い加熱を提供するための最適な設計手法を提供することができる。
【００５９】
電池エネルギー貯蔵システム（ＢＥＳＳ）でレドックスフロー電池システムの４つの追加の実施形態を使用する例が、図１３Ａ−１３Ｄに示される。これらの例示した実施形態は様々な電池システムコンポーネントが別の電力利用のために貯蔵された電力を提供するために発電システム内に組み込まれるかを説明するためのものである。
【００６０】
図１３Ａに示される第１の実施形態では、レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムの図１と異なる構成が、完全に変動やサージがなく、電力系統利用の信頼性の高い直流（ＤＣ）電源の電力２００を提供するために使用される。この実施形態のシステムでは２つのレドックスフロー電池スタック２１０、２１２を用いて充電と放電を同時に行える。この実施形態のシステム２００では、従来の電力利用系統２０２や、風力タービンファームや太陽光発電パネルなどの再生可能エネルギー源２０４、及び／又は燃料電池３５２、プロパン発生器（図示せず）、天然ガスマイクロタービン（図示せず）、ディーゼル発電機（図示せず）といった、オンサイトの分散型発電機（ＤＧ）２０５から電力を受けてもよい。電力系統２０２、いくつかの再生可能エネルギー源２０４又は分散型発電機２０５からの電力は直流電源を生成するために電力変換システム２０８で整流されてもよく、燃料電池３５２、太陽光発電源１８３（図１０参照）又はその他の直流電源を生成する電力源では、整流器を必要としない。受け取った直流電力は第１のレドックスフロー電池スタック２１０へと供給されてもよく、レドックスフロー電池スタック２１０はレドックスフロー電池の反応物の充電用に構成され、充電に用いられる。直流電力は第１の（充電用の）レドックスフロー電池スタック２１０へと供給され、陽極液及び陰極液の反応物がポンプ２２６、２２８により充電用レドックスフロー電池スタック２１０へと送られる。直流電力は陽極液反応及び陰極液反応を起こし、Ｆｅ２＋イオンをＦｅ３＋状態へ変換し、Ｃｒ３＋イオンをＣｒ２＋状態へと変換することにより充電を行う（図４参照）。このような充電反応は、このような充電反応は、それぞれ陽極液タンク２１４と、陰極液タンク２１６に向けられている排出流２３０、２３２により出る。したがって、電力は貯蔵タンク２１４、２１６のＦｅ３＋とＣｒ２＋の電解液濃度に格納されている。
【００６１】
電力は第２の（放電用の）レドックスフロー電池スタック２１２内の電解液に貯蔵されている化学エネルギーから生成される。電解液は、貯蔵タンク２１４、２１６から、注入流２１８、２２０を介して第２のレドックスフロー電池スタック２１２に流されている。第２のレドックスフロー電池スタック２１２内で、Ｆｅ３＋イオンをＦｅ２＋状態へ変換し、Ｃｒ２＋イオンをＣｒ３＋状態へと変換することにより電気を生成する（図４参照）。生成された電気出力２３４は直流負荷２０６に提供される。
【００６２】
第２レドックスフロー電池スタック２１２から流出（２２２及び２２４の流れ）した反応物は、再充電のために第１のレドックスフロー電池スタック２１０へとポンプにより送られてもよく、これにより充放電の１つのループを提供する。
直流負荷２０６に供給される電力は第２のレドックスフロー電池スタック２１２の電解液から生成されるため、出力電流は充電の電力源から完全に分離され、出力スパイクや出力低下なしに直流負荷へ信頼性の高い出力電流をもたらすことができる。この配置は、グリッド、オンサイトの再生可能エネルギー電源、またはオンサイトの分散型電源からの電力の変動があっても、電力負荷２０６への送電を中断しない。逆に、電気自動車の充電ステーションや工業用バッチプロセス（例えば、ミキサ）のような、大規模で広く変動する負荷に関連付けられている電力の変動は、ユーティリティグリッド２０２および他のエネルギー源から分離され残る。これは、グリッド上のストレスを低減するのに有用であり、大規模な電力需要の料金を回避したい充電施設のオーナーにとって有用である。レドックスフロー電池システムの優れた特性として、充電スタックのＶ１及び放電スタックのＶ２を達成するために各スタック内に直列に接続されたセルの数を適切に選択することによって、システム全体の高効率性を達成するＤＣ−ＤＣ変換もできることが挙げられる。また、施設所有者は、粗利率を最大にするために低コストの電力を選択するようにシステムを充電するときに選択することができる。
【００６３】
上述したように、第１及び第２のレドックスフロー電池スタック２１０、２１２は、反応物を加熱して温度を、例えば約４０℃〜６５℃に、上昇させることにより電気的効率を向上させることができ、その際に設備又は施設の冷却系や地熱加熱システム２３６からのオンサイトの廃熱を利用することができる。上述したように、廃熱回収システム、太陽熱温水システムや地熱加熱システム２３６からの加熱流体は、レドックスフロー電池スタック２１０、２１２（フロー２３８に示すように）内の熱交換器及び／又は反応貯蔵タンク２１４、２１６（フロー２４０に示すように）を加熱するために供給される。
【００６４】
図１３Ａに示す実施形態は、ユーティリティグリッド２０２、オンサイト再生可能エネルギー源２０４またはオンサイト分散型発電機２０５のような入力電源の変動から電気的に絶縁された負荷２０６の電力源を提供する。設計目標が単に電気的な絶縁を提供することである場合は、システム２００は、小さな電解反応タンク２１４、２１６を用いてもよい（例えば、レドックスフロー電池スタックアセンブリ２１０、２１２がメンテナンスのために排出されるときの電解液の熱膨張を受け入れるのに十分なタンク容量）。これは、反応物質が、放電されるのと同率で充電されることができるためである。ただし、大規模な電解反応タンク２１４、２１６を用いることにより、システムは入力電源（例えば、ユーティリティグリッド２０２）が使用不能の場合に負荷２０６に電力を提供するための電源のバックアップとして機能することができます。
【００６５】
Ｆｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池システム２００の特に魅力的な利用は、図１３Ａの実施形態に示されるデータセンターの電力アイソレータ／無停電電源装置である。データセンターは、直流電力の特に高い品質を必要とし、また大量の廃熱を放出する。現在、鉛酸電池型の無停電電源装置（ＵＰＳ）は、高品質の直流電源と短時間のバックアップ用電源を確保するために、データセンターで使用されている。熱は、温度制御された環境のＵＰＳシステムを運用するのに必要な正グリッドの鉛蓄電池の腐食及び硫酸化による故障のメカニズムに悪影響を及ぼす。鉛蓄電池のＵＰＳとは対照的に、図１３に示される実施形態に係るＦｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池システムは、データセンターの廃熱を利用して全体的なシステム効率を向上しつつ、信頼性の高い電源装置を提供し、これにより鉛蓄電池型のＵＰＳに比べて大幅な利点を有する。
【００６６】
図２及び図５を参照して上述したように、図１３Ａの第１及び第２のレドックスフロー電池スタック２１０、２１２は複数のセルをスタックの各セルレイヤに有し、各セルレイヤ内のセルは、触媒負荷、触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性のようなデザインパラメータが設定され、反応流路に沿った各セルに期待される電極液の濃度を設定する。図１３Ａに示すＦｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池の実施形態は、第１のレドックスフロー電池スタック２１０は、充電用に設定され、充電触媒負荷、充電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が流路の入口から出口に沿ってセル内で増加するよう設定される。対照的に、第２のレドックスフロー電池スタック２１２は、放電用に設定され、放電触媒負荷、放電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が流路の入口から出口に沿ってセル内で減少するよう設定される。
【００６７】
図１３Ｂに示される第２の実施形態において、レドックスフロー電池システムは電気自動車（ＥＶ）やプラグイン型のハイブリッド電気自動車（ＰＨＥＶ）の充電ステーション２５０のための電力を供給するのに用いることができる。この実施形態は、図１３Ａを参照して上述した多くの構成を利用し、新たに個別の充電ループ２５２が第１のレドックスフロー電池スタック２１０と電極液貯蔵タンク２１４、２１６との間に供給され、個別の放電ループ２５４が第２のレドックスフロー電池スタック２１０、２１２と電極液貯蔵タンク２１４、２１６との間に供給される。例えば、電解液の注入フロー２５６、２５８を電解液貯蔵タンク２１４、２１６から第２のレドックスフロー電池スタック２１２へと放電ループポンプ２６０、２６２のセットで送り、電解液の注入フロー２６４、２６６を第１のレドックスフロー電池スタック２１０へと充電ループポンプ２６８、２７０のセットで送る。これにより、充電と放電のプロセスが互いに独立して動作することを可能にする。したがって、電気の放電のためのシステムが放電ループ２５４に充電ループ２５２よりも高い電解液の質量輸送率を要求する場合、放電ループポンプ２６０、２６２は充電ループポンプ２６８、２７０とは異なる速度で運転することができる。同様に、放電を必要としない場合には、放電ループ２５４はアイドル状態のまま充電ループポンプ２６８、２７０を動作させて充電システムを継続して動作させることができる。したがって、オフピークの夜の時間帯の間は充電ループ２５２は反応物のエネルギーを貯蔵するよう動作し、放電ループは断続的に負荷の要求を満たすために動作する。
【００６８】
図１３Ｂに示される自動車充電ステーション２５０の実施形態は、出力電力２３４を車両充電器２７２に供給し、電気自動車２７４を充電するのに必要な電圧と電流密度で電力を供給するように構成される。電気自動車の急速充電においては、大規模電力需要が予想されるため、この実施形態では、負荷に従ったレドックスフロー電池システムの容量に利点がある。電気自動車の充電は、一定供給のプロセスになることはほとんどなく、車が充電ステーションに到着したとき時点でランダムに発生するのがほとんどであり、大規模電力の断続的な要求は、電気ユーティリティグリッド２０２、再生可能エネルギー源２０４、及び／又は燃料電池３５２のような分散型発電源２０５においては、需要に見合った供給ができない事態を発生させる可能性がある。レドックスフロー電池システムは放電ループ２５４を介して電解液の質量流量を増加させるだけで電源を充電するための需要を満たすことができる。したがって、充電ループ２５２がユーティリティグリッド２０２、再生可能エネルギー源２０４、及び／又は分散型発電機２０５から一定量の電力を引き出しながら、放電ループ２５４およびその第２のレドックスフロー電池スタック２１２は電気自動車の充電の断続的な需要を満たすよう動作することができる。この実施形態は、グリッド２０２やオンサイトの再生可能エネルギー電力源から受けた電力の変動が、車両の充電を妨害したり、車両の蓄電池を損傷しないようにする。レドックスフロー電池システムの優れた特徴は、システム全体での高効率のＤＣ−ＤＣ変換を可能にし、さらに経済的な車両充電システムを提供することができる。また、充電ステーションのオペレータは、電気料金が低いオフピーク時に電解液を充電することができ、これによりオペレータの全体の粗利益率を向上させることができる。
【００６９】
図１３Ａを参照して上述した実施形態と同様、第１及び第２のレドックスフロー電池スタック２１０、２１２は充電と放電のそれぞれの機能の設計に最適化されている。図１３Ｂに示すＦｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池の実施形態では、第１のレドックスフロー電池スタック２１０は、充電用に設定され、充電触媒負荷、充電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が流路の入口から出口に沿ってセル内で増加するよう設定される。対照的に、第２のレドックスフロー電池スタック２１２は、放電用に設定され、放電触媒負荷、放電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が流路の入口から出口に沿ってセル内で減少するよう設定される。
【００７０】
図１３Ｃは電気自動車の充電ステーション３００の他の実施形態を示す。この実施形態は、図１３Ａ及び図１３Ｂを参照して上述した多くの構成を利用し、新たにバルブ３０２、３０４が充電ループ２５２及び放電ループ２５４を通じた電解液反応フローの制御に用いられ、電解液反応が１つ又は両方のループを介して電解液ポンプ２６０、２６２の１つのセットで送られる。この実施形態では、より少ないポンプしか必要としないため、コストに優れる。
【００７１】
図１３Ａ及び１３Ｂを参照して上述した実施形態と同様に、第１及び第２のレドックスフロー電池スタック２１０、２１２は充電と放電のそれぞれの機能の設計に最適化されている。図１３Ｃに示すＦｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池の実施形態で、第１のレドックスフロー電池スタック２１０は、充電用に設定され、充電触媒負荷、充電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が流路の入口から出口に沿ってセル内で増加するよう設定される。対照的に、第２のレドックスフロー電池スタック２１２は、放電用に設定され、放電触媒負荷、放電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が流路の入口から出口に沿ってセル内で減少するよう設定される。
【００７２】
図１３Ｄに示す第４の実施形態において、レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは燃料電池とともに使用でき、燃料電池／レドックスフロー電池発電システム３５０を信頼性の高い負荷に従った電力を電力網や産業施設に供給する。この実施形態は、図１３Ａを参照して上述した多くの構成を利用する。この実施形態において、燃料源３５６から受け取る例えば水素のような燃料の化学変化から発電する燃料電池３５２から電力を受ける。燃料電池は、ほとんどの他の燃料ベースの発電システムよりも低公害な非常に効率的な発電機である。よく知られているように、燃料電池は、一定の出力電力レベルで動作するとき、最も効率的かつ長持ちして動作する。しかし、一般的なユーティリティグリッド２０２上や産業施設３５９の電力需要は一日を通じて大きく変動する。したがって、燃料電池は電力源としての有望かつ効率的な代替源ではあるが、その特性はユーティリティグリッドアプリケーションに適していない。この実施形態の太陽電池／レドックスフロー電池システム３５０は、２つのレドックスフロー電池スタック２１０、２１２を用いて同時に充電と放電の動作が可能となり、この燃料電池の限界を克服し、電力を固定の電力レベルで燃料電池３５２から受け取り、電力系統２０２や産業施設３５９の変動する需要を満たす。
【００７３】
この実施形態において、水素や天然ガスなどの化学燃料は、燃料電池３５２に燃料パイプ３５４を介して燃料源３５６から提供されてもよい。たとえば、燃料電池／レドックスフロー電池システム３５０は油田のような天然ガスの発生源またはその付近に位置してもよく、地面から抽出された天然ガスが、燃料電池に提供されるようにする。燃料電池３５２は、燃料を電気と廃液（例えば、水と二酸化炭素）に変換する。燃料電池３５２からの電力出力は、第１のレドックスフロー電池スタック２１０に供給され、電力は、電解液貯蔵タンク２１４、２１６に貯蔵されている電解液を充電するために使用される。上述のように、電解液種に貯蔵される電気エネルギーは、第２レドックスフロー電池スタック２１２で電気に変換される。第２レドックスフロー電池スタック２１２からの電気出力２３４は電池により生成された直流電流を、ユーティリティグリッド２０２や産業施設３５９に適合する交流電流へと変換するインバータ３５８により供給することができる。インバータ３５８は当業者に公知のソリッド・ステートＤＣ−ＡＣインバータまたは電動発電機であってもよい。本実施形態では第２レドックス電池スタック２１２を介して電解液の流れをポンプ２２６、２２８の速度を調整することにより、グリッド２０２の需要を満たすように電解液の流れを制御することができる。ユーティリティグリッド２０２や産業施設３５９の需要が、燃料電池２５２の定常状態の出力を超えると、電解液中に蓄積されたエネルギーが、追加の需要を満たすために使用される。ユーティリティグリッド２０２からの需要が、燃料電池２５２の定常状態の出力未満の場合、余剰エネルギーが、電解液に貯蔵される。したがって、システム３５０は、非効率な方法や、損害を与える可能性がある方法で燃料電池３５２を動作させることなく、ユーティリティグリッド２０２や産業施設３５９のピーク需要に従うことができる。同様だが、別の方法において、システム３５０はオンサイトの分散型発電機を、併せて配置される産業施設負荷３５９のピーク需要に従って使用することができる。産業施設３５９のベースロード需要は、ユーティリティグリッド２０２や独立のスタンドアロンの燃料電池システム３５２によって満たすことができる。
【００７４】
図１３Ａ−１３Ｃを参照して上述した実施形態と同様に、第１及び第２のレドックスフロー電池スタック２１０、２１２は充電と放電のそれぞれの機能の設計に最適化されている。図１３Ｄに示すＦｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池の実施形態では、第１のレドックスフロー電池スタック２１０は、充電用に設定され、充電触媒負荷、充電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が流路の入口から出口に沿ってセル内で増加するよう設定される。対照的に、第２のレドックスフロー電池スタック２１２は、放電用に設定され、放電触媒負荷、放電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が流路の入口から出口に沿ってセル内で減少するよう設定される。
【００７５】
図１４に示されるさらなる実施形態において、レドックスフロー電池システム４００は、電池セルを通じて反応物が流れるように重力を用いて構成され、これによりポンプの必要性が低減または排除される。重力駆動型レドックスフロー電池システム４００は、他のフロー電池システムよりも部品点数が少なく、より複雑でなく、これにより、その取得コストを削減する。ポンプの排除はまた寄生損失を低減し、その結果エネルギー貯蔵システム全体の効率を向上する。エネルギーはタンク４０４、４０６内の電解液中に貯蔵され化学種濃度として貯蔵される。電解液は、流れの方向及び印加電力や負荷に応じて電解液を充電又は放電するレドックスフロー電池スタック４１０を介して流される。レドックスフロー電池スタック４１０から出た電解液流体は、このとき、レドックスフロー電池スタック４１０の下部に位置するタンク４１４、４１６のマッチングセットで回収される。ここで例示する実施形態は、４つの反応タンク４０４、４０６、４１４、４１６を含み、２つ（４０４、４１４）は陽極反応のため、２つ（４０６、４１６）は陰極反応のためである。オプションのバルブ４１８、４２０、４２４、４２２を、レドックスフロー電池スタック４１０を介した反応フローの制御や調整を可能にするために含まれてもよい。レドックスフロー電池スタック４１０及び４つの反応タンク４０４、４０６、４１４、４１６はシリンダなどの支持構造体４０２内に統合されてもよい。バルブ４１８、４２０、４２４、４２２が開放されると、反応物は上部タンク４０４、４０６からレドックスフロー電池スタック４１０を介して重力により下部タンク４１４、４１６へと流れる。充電モードでは、電気はレドックスフロー電池スタック４１０により消費される。ひとたび反応物に貯蔵されるエネルギーが補充され又はそうでなければシステムが放電するため、重力駆動型レドックスフロー電池システム４００は、放電動作が始まるように、１８０度回転される。したがって、レドックスフロー電池スタック４１０の充電／放電動作は、システムの方針次第である。
【００７６】
図１４に示した実施形態の目標は、動作とデザインとの単純さであるから、別々の電池スタックも使用できるが、１つのレドックスフロー電池スタック４１０は、充電と放電の両モードで使用される。図５を参照して上述したように、１つのレドックスフロー電池スタック４１０は触媒負荷、触媒活性、温度、反応物の質量輸送率、及びセパレータ膜の選択性が適合するように充電及び放電モードの反応流路に沿った各独立したセル内の電解液濃度を設定する。特に、単一のレドックスフロー電池スタック４１０は、半サイクル（充電又は放電）におけるバッテリの一方の端から他の端に続くセルでの最適化とセパレータ膜選択の増加の必要に応じて、充電触媒負荷、充電触媒活性、温度、反応物の質量輸送率が設定される。レドックスフロー電池スタック４１０を介した反応物の流れは、ある方向が充電で、反対の方向が放電として動作する。
【００７７】
さらに図１４に示す実施形態の目標は動作とデザインとの単純さであるから、レドックスフロー電池スタック４１０及びタンク４０４、４０６、４１４、４１６は、反応の温度を制御するための熱管理や熱交換器を含まなくてもよい。
【００７８】
重力駆動型レドックスフロー電池システム４００の動作を、図１５Ａ−１５Ｃに示す。図１５Ａに示す充電モードでは、反応物質はレドックスフロー電池スタック４１０を介して上部タンク４０４、４０６から重力により下部タンク４１４、４１６へと流れ、電力が電池スタックに印加される。
レドックスフロー電池スタック４１０を介した反応の流れはスタックへと印加される充電量と一致するように、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４を使用して制御されてもよい。したがって、電力が充電に利用できない場合、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４は閉状態になってもよく、フル充電未満の電力が利用可能な場合、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４は部分的に開状態となり電池スタック４１０を介して計算されたフローを提供してもよい。レドックスフロー電池スタック４１０は及びタンク４０４、４０６、４１４、４１６はフローを方向付けるよう配管され、充電中、電池スタックを介した反応物が入口から出口に向かって、触媒負荷、触媒活性および質量輸送を減少し、セパレータ膜の選択性を増加させるように流れるよう構成される。
【００７９】
図１５Ａ−１５Ｃに示すように、レドックスフロー電池システム４００はローラー４３０、４３２あるいは軸（図示せず）により支持されるシリンダー状の支持構造４０２内に統合されてもよく、システムは充電から放電モードまたは放電から充電モードにシフトするために、その長軸を中心に回転することができる。例えば、実施形態において、１つ以上のローラー４３０、４３２は、電気駆動モータ（図示せず）、チェーンでの駆動機構（モータや自転車ペダルと、例えば接続されてもよい）、単純な手クランク４３４のような駆動機構を実装して、シリンダー状の支持構造４０２を回転させることができる。この動作は図１５Ｂに示され、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４が閉じられシリンダー状の支持構造４０２がローラー４３２の１つに接続された手クランク４３４駆動機構の回転により、右回りに回転する。図１５Ａ−１５Ｃで例示された手クランク434は、単にさまざまな動力源、例えば自転車、電気か内燃機関モータ、水車などがチェーンドライブに接続されて駆動機構として使用されてもよいことを示す目的のみで例示された。
【００８０】
図１５Ｃにおいて示されるように、レドックスフロー電池システム４００を１８０度回転させると、タンク４１４および４１６から充電された反応物がレドックスフロー電池スタック４１０を介して下部タンク４０４、４０６へと重力により流れ、これにより電池スタック４１０から発電することができる。システムの構成により、反応物はレドックスフロー電池スタック４１０を通じて充電の間と反対の方向へと流れる。レドックスフロー電池スタック４１０を介した反応物のフローは、生成される電力量と一致させるためにバルブ４１８、４２０、４２２、４２４を使用して制御されてもよい。したがって、電力が充電に利用できない場合、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４は閉状態になってもよく、フル充電未満の電力が利用可能な場合、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４は部分的に開状態となり電池スタック４１０を介して計算されたフローを提供してもよい。
【００８１】
図１４−１５Ｃに示される実施形態のフロー電池システムからポンプを除去することができるという利点は、他の利点を含む。第１に、システムは、実施形態において完全に密閉することができる。電解液タンクやパイプへ漏れ入った空気は、反応物を酸化させて、性能低下をもたらし、危険なガスを生成する可能性があるため、レドックスフロー電池システムを完全に密閉することは非常に重要である。したがって、非常によく密封されたシステムは重要である。ポンプの必要をなくすことはより強固で単純化されたクローズドシステムを保証する。
第２に、ポンプの除去は全体的なシステム効率を改善する。ポンプは、循環効率を直接減少させるシステムの寄生損失源である。したがって、本実施形態では、特に回転が安価なエネルギー（例えばマニュアルクランク４３４）で行なわれる場合、循環効率を最大化する。第３に、電解液反応が酸性の性質を有するため、特別なポンプやポンプ材料を必要とされていたところ、ポンプの必要をなくすことは、コストとメンテナンスの要件を縮小することができる。
第４に、構造４０２を回転させるために使用される方法は反応物と接触しないため、低価格、人間の力を含む信頼性の高いメカニズムを動作モードを変更するシステムを回転させるために使用することができる。第５に、システムオペレーションは、システムが作動中に移動する部品がないため静かである。
【００８２】
制御バルブ４１８、４２０、４２２、４２４は回転機構と別に動く数少ない機械的部品である。システムは、充電および放電モードの間でいつでも切り替わることにより柔軟に動作することができる。例えば、ひとたびシステムが１つのサイクルで放電すると、システムを１８０度回転させることにより反応物を放電用のタンクへと戻し、その際に電池スタック４１０へと力を加える必要がないという、２度目の放電における利点を有し、このときシステムを再度１８０度回転させることにより放電プロセスを再始動できる。そうすることで、電力出力は最初の放電サイクルより低くなるものの、反応物に貯蔵されたより多くの電力を生成する。同様に、システムは、同様のプロセスで同様のサイクル数で充電することができる。さらに、システムは、システムの効率は減少するが、必要な場合にはタンクを回転させることなく充電モードから放電モードへと変更できる。
【００８３】
図１４及び１５Ａ−１５Ｃを参照して上述した実施形態の設計及び動作をの単純さは、Ｆｅ／Ｃｒ系電解液反応の安全性の点とともに、小規模電力貯蔵設備への利用の点で理想的である。例えば、本実施形態で、観念的には、太陽電池アレイ及び／又は風力発電機を発電に使用する、ユーティリィティグリッドの範囲外の人里離れた町および村のような遠隔電力利用での使用に適している。例えば、本実施形態と同様のレドックスフロー電池システムを追加すれば、人里離れた町および村に夜間電力が供給されることを可能にするだろう。
同様に、本実施形態による１つあるいは２つのシステムは、遠隔の電気自動車充電ステーションにおいて、充電の必要がある自動車がない場合にユーティリィティグリッド電力あるいはローカルの再生可能エネルギーをシステムを充電に用いてもよく、充電の必要がある電気自動車がある場合に貯蔵システムを回転させて電気自動車を充電する電力を提供するように使用されてもよい。
【００８４】
さらに、標準サイズの運送用コンテナの内部に本実施形態のシステムを適用することができる。本実施形態のシステムは完全に密閉され、内蔵型であるので、システムを迅速に配備されるようパッケージされることを可能にし、運送用コンテナ内部で安全に作動する。輸送目的のために、電解液は塩（例えば塩化鉄）として輸送されてもよく、タンクに貯蔵されてもよい。これにより、輸送するシステムの重量を大きく減らすことができます。その後、一旦システムが設置されると、水を動作に必要な濃度に達するまで追加することができる。このように、図１４−１５Ｃを参照して上述した実施形態のようなシステムは、即時に輸送できる準備のできた状態で構築及び格納でき、必要に応じてエネルギー貯蔵を必要とする場所へと移動可能である。例えば、信頼性の高いユーティリティサービスが回復するまで緊急電力を提供するのを支援するために、そのような展開可能なエネルギー貯蔵システムは、ハリケーン上陸や地震の震源のような自然災害地でセットアップされてもよい。
【００８５】
図１４および１５Ａ−１５Ｃはタンク４０４、４０６、４１４、４１６に完全に統合され、支持構造４０２内に配管が固定された電池スタック４１０を示す。
しかし、他の実施形態において、タンク４０４、４０６、４１４、４１６は電池スタック４１０と分離していてもよく、静止した電池スタック４１０を介した所望の重力の供給によりタンクは回転してもよい。他の実施形態は容易にタンク／貯蔵容を追加することができる能力の点でより柔軟な実施形態である。他の実施形態は柔軟性のあるパイプまたは漏液なく回転を提供する流体の対を必要とする。
【００８６】
上述したように、様々な実施形態において、全体的な電気的性能を増加させるために、反応流路に沿って異なる構成を備えた独立したセルを利用する。図１６Ａ−１６Ｃは図２に示した３セルのレドックスフロー電池構成内の独立した反応セルで使用するのに適したセパレータ材料の例の顕微鏡写真図を示す。図１６Ａに示されるセパレータ材料、これは、放電モードにおけるスタック入り口および充電モードにおけるスタック出口に隣接しているセルで使用するのに適切であるが、約０．１ミクロン未満の膜孔隙率の微孔のある材料で作成される。この微孔のある材料は、約０．８ｏｈｍ−ｃｍ２のエリア比抵抗を示し、約２０００μｇのＦｅ／ｈｒ−ｃｍ／Ｍの反応物選択性を有する。図１６Ｂに示されるセパレータ材料は、スタック入り口とスタック出口との間の中間地点にあるセルで使用するのに適しており、約２から約５ミクロンの膜孔隙率を備えたメルトブロー法で作成された材料を用いているが、この材料は約０．５ｏｈｍ−ｃｍ２のエリア比抵抗を示し、約４０００μｇのＦｅ／ｈｒ−ｃｍ／Ｍの反応物選択性を有する。図１６Ｃに示されるセパレータ材料は、スタック出口に隣接するセルで使用するのに適しており、約１５から約３０ミクロンの膜孔隙率を備えたスパンボンド材料を用いているが、この材料は約０．２ｏｈｍ−ｃｍ２のエリア比抵抗を示し、約１２０００μｇのＦｅ／ｈｒ−ｃｍ／Ｍの反応物選択性を有する。
【００８７】
さらに、３セル構成の代表的なスタックデザインパラメータ及び性能が、以下の表１に示される。値はすべて近似である。
0005559783.tif 000002
【００８８】
様々なシステムの実施形態は以下で説明されるような様々な電解液貯蔵タンクの配置を使用してもよい。１つの単純な実施形態においては１つのタンクがは図１で示されるような各電解液を貯蔵するために使用されてもよい。この配置により、タンクの数を減らし、充電モードから放電モード（およびその逆）への迅速な変換を可能にする。しかし、そのようなシステムの実施形態においては、充電用及び放電用の電解液の混合による効率の損失に苦しむこととなる。
【００８９】
第２のアプローチにおいては、図１及び１３に示されるシステムの実施形態で、充電用と放電用の電解液はそれぞれ別々のタンクを用いることにより、結果としてシステム全体で４つのタンクを用いて（すなわち、それぞれが充電用陽極液、放電用陽極液、充電用陰極液、放電用陰極液用に）、別々に貯蔵することができる。４つのタンクを用いた電池システムが図１４−１５Ｃに示される。追加のポンプ及びバルブがシステム内で、図１及び図１３Ａ−１３Ｄに示される実施形態の充電／放電モードに応じて、対応するタンクから、また、対応するタンクへと電解液へと流すために用いられてもよい。
【００９０】
図１７に示されるさらなる実施形態において、レドックスフロー電池システムは、充電用と放電用の電解液の混合を最小化する電解液貯蔵タンクが構成される。そのようなシステムでは、電解液貯蔵タンク２６、２８およびフローシステムは、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０に流体的に接続され、電解液貯蔵タンク２６、２８の各々から汲み出された電解液流体が、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通じて流れ、同じタンク２６、２８へ充電用の電解液の濃度を下げることなく戻される。本実施形態では、電解液タンク２６、２８はそれぞれ充電用電解液５０４、５１４及び放電用電解液５０６、５１６の両方を貯蔵し、それぞれのタンクがタンクセパレータ５０２、５１２を有し、充電用電解液５０４、５１４及び放電用電解液５０６、５１６の混合を抑止するか少なくとも抑制する。本実施形態では、システム効率を向上するのに要求されるシステムの電解液貯蔵タンクの数が少なくてすむ。
【００９１】
タンクセパレータ５０２、５０６は、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０に与えられる充電用電解液５０４、５１４と電解液タンク２６、２８へと戻される放電用電解液５０６、５１６とが混合するのを抑制する。
これにより、充電用電解液の稀釈を防ぎ、充電用電解液の濃度を一定のレベルに保たれ、したがって電池セルの電位が一定に保たれる。混合が生じた場合、電解液タンク２６、２８内の電解液濃度は放電用電解液５０６、５１６がタンクに次々に戻されてゆく時間にわたって減少する。
もし課され放出されれば、図１８は、充電用と放電用の電解液が混合されるような構成の場合に時間ごとにセル電圧が受ける影響を、ライン５５２で示し、充電用と放電用の電解液が別々に保持される場合のライン５５０と比較して示している。タンクセパレータ５０２、５１２を含むことによって、１つの電解液タンクで、電池の電位が放電サイクルの間も一定に保たれることを保証しつつ、陽極液と陰極液の反応物のそれぞれを用いることができる。これにより、タンクの余分なセットに生じるコストを節約することができる。さらに、充放電の間、より安定して電圧を維持することにより、レドックスフロー電池スタックを出入りする電気をＤＣ−ＤＣ、ＤＣ−ＡＣ、あるいはＡＣ−ＤＣ変換する際の効率を、充電用電解液と放電用電解液との混合が発生する設計と比べてより高めることができる。これは、これらのタイプの変換器がより狭い電圧範囲の中でより効率的に作動するためである。結局、充電用電解液と放電用電解液との混合が発生する設計よりも、レドックスフロー電池スタックの出力電力が一定に保たれることとなる。
【００９２】
図１８は電池の放電電位への影響を示しているところ、システム効率における同様の影響は充電用電極液が充電サイクル中に放電用電極液と混合されうる場合においても起こりうる。したがって、タンクセパレータ５０２が、充電サイクルと放電サイクルのいずれの間においても充電用と放電用の電解液の混合を防止または抑止するよう機能し、これによりシステムコストがより安価になり、より安定した電力出力、より一高い直流効率をもたらす。
【００９３】
タンクセパレータの実施形態は２つの形態の移動可能なタンクセパレータのデザインを含む；セパレータを通じて電解液が流れるよう開くことが可能なフロー通路を備えたタンクセパレータと、フロー通路を備えないタンクセパレータである。これら２つの実施形態の構成における動作は図１９Ａ−Ｆ及び２０Ａ−Ｆを参照して以下で示される。
【００９４】
図１９Ａ−１９Ｆで示される第１の実施形態では、タンクセパレータ５０２は、電解液反応物上で浮くことができる浮力のある構造や材料から形成され、また閉じられているときはタンクセパレータの上下の流体の混合を抑制し、開かれているときはタンクセパレータの上下の流体の混合を許可するようなフロー通路を含む。タンクセパレータ５０２は例えば、ポリプロピレンまたはポリエチレン材料といった酸性電解質流体より低密度で、腐食に強い材料で形成されてもよい。
タンクセパレータ５０２は、ルーバー５０３（図１９Ａ−１９Ｆ参照）、閉じることができる開口、バルブアレイ、あるいはセパレータ構造を流体が通過可能に開放可能な同様の構造を含む。そのようなバルブ機構を開放することにより、放電サイクル完了時に、タンクセパレータ５０２は電解液タンク２６の上部へと浮かぶ。図１９Ａ−１９Ｆで示される実施形態では、タンクセパレータ５０２は、多数のルーバー５０３を含み、ルーバー５０３はスラットの配置であってもよく、スラットは閉鎖位置へ回転した際には封止し、開放位置へ回転した際には流体がスラット間を流れるように配置されてもよい。他の実施形態では、タンクセパレータ５０２は表面に流体が通過可能なセパレータ構造に設けられた穴を露出するようにスライドするスライド式のパネルを含んでもよい。
【００９５】
図１９Ａ−１９Ｆは、レドックスフロー電池システムの完全な放電又は完全な充電のサイクルにおけるタンクセパレータ５０２の動きを示す電解液タンク２６の断面図である。図１９Ａは、ルーバー５０３が完全に閉じられた状態で電解液５０４の上部に浮かぶタンクセパレータ５０２を備えた電解液タンク２６を示す。この配置は、充電又は放電のサイクルの開始を意味する。
【００９６】
充電または放電のサイクル中に、最初の（充電または放電のいずれかの）電解液５０４は、タンクセパレータ５０２の下からタンク２６の外へと取り出され、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通過し、電池５０６を出る電解液は、タンクセパレータ５０２の上部のタンク２６に送り込まれる。
これは、図１９Ｂに示され、図１９Ｂは電解液タンク２６及びタンクセパレータ５０２の構成を示し、タンクセパレータ５０２の上部の電解液タンク２６に送られ入ってくる電解液５０６の充電または放電サイクルの過程における状態を示し、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０へと供給される電解液５０４はタンクセパレータ５０２（フロー３４）の下から取り出される。
図１９Ｂで示されるように、タンクセパレータ５０２は、最初（充電または放電のいずれか）の状態での電解液５０４と入ってくる（充電または放電のいずれか）電解液５０６との混合を抑制する。
【００９７】
図１９Ｃでは、充電または放電のサイクルの終了付近で生じるのと同じくらい電解質タンク２６の底部に近接する、タンクセパレータ５０２を備えた充電又は放電サイクルの過程を示す。この時点では、タンクセパレータ５０２中のルーバー５０３は充電用及び放電用の電解液５０４、５０６を別々に保持する。
【００９８】
図１９Ｄは、充電または放電のサイクルの終わりの時点における、タンク２６のほぼ底部に位置するタンクセパレータ５０２を示す。この時点では、ルーバー５０３はタンクセパレータ５０２の上部の電解液５０６がセパレータ構造を通過するために開放されてもよい。タンク２６が、同じタイプの電解液５０６（充電又は放電のいずれか）で満たされているので、バルブ機構を開放させることができるとともに、タンクセパレータ５０２を電気的性能の障害を起こすことなく移動させることができる。
図１９Ｄは、実施形態において、ルーバー５０３が開放位置へと回転されて開放状態となった様子を示すが、他の実施形態では、タンクセパレータ５０２は表面に流体が通過可能なセパレータ構造に設けられた穴を露出するようにスライドするスライド式のパネルを含んだり、流体をセパレータ構造を通過するパイプを通じて流体が通過可能な開放バルブを設けたりしてもよい。
【００９９】
タンクセパレータ５０２は浮力があるので、ルーバー５０３（あるいは他のバルブ構造）を開放することによってタンクセパレータ５０２はタンクの上部へと浮かび始める。図１９Ｅに示されるように、電解液５０６が開かれたルーバー５０３によって流されるとともに、電解液タンク２６の上部へタンクセパレータ５０２が浮かぶ。タンクセパレータ５０２はトップへ単に浮かぶだけでもよいが、タンクセパレータ５０２が上部まで戻り移動するのを支援するために電磁継手を提供してもよい。
【０１００】
図１９Ｆに示されるように、タンクセパレータ５０２が電解液５０６の上部に到達すると、レドックスフロー電池スタックアセンブリからの電解液５０６が電解液タンク２６に送り戻される前に、図１９Ａに示すようなタンクセパレータ５０２中のルーバー５０３を閉じることにより次のサイクル（充電または放電のいずれか）を開始することができる。
【０１０１】
タンクセパレータ５０２のバルブ構造の開閉は、ルーバー５０３のようなバルブ機構に磁気的に結合される外付けドライブを介して制御されてもよい。この方法では、外部コントローラや電源とセパレータとの間でワイヤその他の接続部材を必要としない。レドックスフロー電池システムにおいて、電解液は空気との接触を回避する完全に閉じられたシステム中を流れる。これは、長期間の電解液タンク２６の内部のバルブ機構上でメンテナンスを行なうことを困難にする。したがって、接続機構として磁気を使用する外部コントロール機構は、例えば、電解液タンク２６の内部のタンクセパレータ５０２の制御において利点を有する。
【０１０２】
また、バルブ機構あるいはルーバー５０３は、タンク２６内のタンクセパレーター５０２の位置によって動作する機械的機構によって制御されてもよい。例えば、ルーバー５０３のようなバルブ機構は、流体表面にその表面が浮かんだときにルーバーをラッチして閉じる浮力のあるレバーのような構成により閉じられるよう構成されてもよく、ラッチ解放機構のような機構がタンクの底部にその部分が触れたときに開かれるように構成されてもよい。
【０１０３】
他の実施形態においては、タンクセパレータ６０２は図２０Ａ−２０Ｆで示されるような水平方向に長く配置された電解液タンク６００を垂直方向に横断するよう構成されてもよい。本実施形態では、垂直のタンクセパレータ６０２はルーバーあるいはバルブ構造を含んでおらず、その代りに、一方の側の流体が常に混合されないように構成される。図２０Ａでは、電解液タンク２６は電解液タンク６００の左端近くに位置する垂直タンクセパレータ６０２で充電用電解液６０４と放電用電解液６０６とを別々に分けている。これは、充電サイクルの開始状態を示す。図２０Ｂでは、充電サイクルの過程で新鮮な充電用電解液６０４がレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０から電解液タンク６００へと、垂直タンクセパレータ６０２で分けられた一側より送られ、放電用電解液６０６はレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０へと流れるように電解液タンク６００内に存在する。図２０Ｂに示すように、垂直タンクセパレータ６０２は充電用電解液６０４と放電用電解液６０６とが混合するのを抑制する。図２０Ｃは、電解質タンク６００の右の端に近づいている、垂直タンクセパレータ６０２を備えた充電サイクルの完了近くの時点におけるシステムを示す。
【０１０４】
電池を放電し始めるために、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通じて流れる電解液の方向は図２０Ｄで示されるように逆方向になる。放電された電解液が電解液タンク６００に送り込まれるとともに、垂直タンクセパレータ６０２は、図２０Ｅで示されるような電解液タンク６００の長さ方向に沿って戻る。したがって、レドックスフロー電池システムが放電されるとともに、例えば、垂直タンクセパレータ６０２は別の方向へと電解液タンク６００を横断する。
【０１０５】
いつでも、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０によるフローは充電から放電、放電から充電へと切り替えるために反転する。したがって、電池が完全放電される前に、図２０Ｆで示されるように、放電用電解液６０６が電解液タンク６００からレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通じて送られてくるとともに、垂直タンクセパレータ６０２で区切られた他側では電解液タンク６００へと送り戻すことにより、流れを逆転することができる。
【０１０６】
図２０Ａ−２０Ｆで示された実施形態では、垂直タンクセパレーター６０２は、稀釈を防ぐために充電用と放電用の電解液を別々に保持するプラスチック部材でもよい。本実施形態における垂直タンクセパレータ６０２は、電解液タンク６００内において、その位置がレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通じてフローの方向によって制御されるので、外的な統制を必要としない。したがって、垂直タンクセパレータ６０２電解液タンク６００を吊られまたは自由に水平移動するよう構成された比較的単純なプラスチックパネルでもよい。
【０１０７】
タンク容量が十分に大きければ、端部周辺での少量の漏出は全体的なシステム効率への影響が非常に少ないため、タンクセパレーター５０２、６０２と電解液タンク２６、６００の間の封止は、耐漏出の例外的な場合を除き不要である。
また、多少の望まない漏出はわずかにその全体的効率を減少させること以外にはフロー電池システムを脅かさない。
【０１０８】
タンクセパレータは区切られた電解液の一方が充電状態でタンクから抽出され、電解液の他方が放電状態でタンクへ再注入されることにより移動するので、タンクセパレーターの位置はチャージ状態のインジケータとして機能することができる。ＲＦＩＤチップや大きな１片の金属のような、パッシブまたはアクティブな信号装置を組込むことによって、ＲＦＩＤチップや金属片の誘起磁場からの信号を位置感知リーダーにより読み取りタンクセパレータの位置及びその結果システムの充電状態を判断することができる。複数のＲＦＩＤチップや金属片が、信号の強さを高め及び／又は冗長性を提供するために使用することができる。
【０１０９】
図１７、１９および２０において説明した水平又は垂直タンクの実施形態は、システム内の予備電源容量を作成する場合に、図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ及び１３Ｄに関して上述されたシステムデザインの中で使用することができる。
【０１１０】
上述したように、図１３Ａのタンク２１４、２１８内に貯蔵される電解液はさらに電力システムの予備電源容量を提供する。例として、図１３Ａの充電スタック（スタック１）のためのエネルギー源が遮断されたり電源が切れたりした場合、放電スタック２１２からの放電用電解液が充電スタック２１０とバイパスし放電用電解液をタンクのバックエンド、タンクセパレータの後方（図１７、１９、及び２０参照）に送る配管下の３方向バルブ（図示せず）により送られることができる。放電スタックに供給する充電用電解液はタンク２１４、２１８のフロントエンド、すなわちタンクセパレータの前方から抽出されてもよい。
【０１１１】
他の設計アプローチが充電用及び放電用の電解液を別々に保持するために使用されてもよい。最初の代替アプローチでは、ブラダー（ｂｌａｄｄｅｒ）が各電解液のために各タンク内に供給されることができる。タンクにブラダーを密閉し、充電用及び放電用の電解液の最大ボリュームに対応できるよう適切にサイジングすることができる。放電用電解液は、タンクのブラダー部に送られ、ブラダーが放電用電解液と充電用電解液との混合を防ぐ。タンク内ブラダーの仕様は図１９及び図２０を参照して上述した可動パーティションと同様に可動部と封止部とがトレードオフの関係にある。
【０１１２】
第２の代替アプローチでは、一連のタンクが、電解液のボリュームよりもその集合体が大きなボリュームである集合体における各電解液に使用される。電解液用のタンクはレドックスフロー電池スタックアセンブリに接続され、放電用及び充電用の電解液がタンクの間で電池システムの各半周期に分配される。
この「Ｎ＋ｌ」配置により、補足配管工事、バルブおよび制御が複雑な可動パーティションあるいはトレードオフの関係にある密封された部分を設ける必要がない。
【０１１３】
他の設計においては、放電状態で、Ｆｅ／Ｃｒ系混合反応システムでの２つの電解質が、同一の化合物を有するという事実を利用する。したがって、完全放電（すなわち、充電ゼロの状態）へ向かう、チャージの状態の範囲を超えて動作するよう設計されたシステムにおいて、３つのタンクシステムが使われてもよく、第１のタンクは充電用陽極液を保持し、第２のタンクは充電用陰極液を保持し、第３のより大きなタンクでは、混合された放電用の電解液が保持される。さらに他の設計においては、１つのタンクが陽極液と陰極液の双方のボリュームを最小化して保持するようサイジングされてもよい。さらなるアプローチでは、１つのタンクは２つのパーティションを含んでもよく内部においてタンクの中間から２つの端部へと移動する。この代替案では、充電用陽極液がタンクの中／外へタンクの一端から送られ、充電用陰極液がタンクの中／外へ多端から送られ、放電用陽極液及び陰極液はタンクの中／外へ中間から送られる。放電用陽極液が内部のセクションを満たすとともに、その拡大するボリュームは放電用電解液のボリューム減少を補って、パーティションを各端部へと押す。さらなる代替案では、１つのタンク内に３つの別々のボリュームを作成するためにブラダーがパーティションの代わりに用いられてもよい。
【０１１４】
レドックスフロー電池システムの上述した実施形態における全てのタンク（図１４及び図１５に示されるものを除く）は、建物の内部、戸外で支持なしに立っているか、ボルトで留められたり、埋めたりして設置することができる。さらに、タンクは、標準の運送用コンテナのボリューム内に適合するように設計することができる。これにより、タンク輸送を簡単にするだけでなく、適切にコンテナーの外側を密閉した、電解液の二次貯蔵施設として活用することができる。
【０１１５】
上述した電解液タンクをコンテナにすることによってオンサイトに構築されたタンクやオンサイトにカスタム基礎を設ける必要があるタンクよりも容易に配置することができる。また、スタック、レドックスフロー電池制御システムおよび標準の運送用コンテナの内部のパワーコンディショニングシステムをパッケージ化することで、比較的小さなオンサイトでの作業で配置することができ、鉄道及び／又はトレイラー・トラックによって容易に送ることができる全体的なシステム構成を作成することができる。したがって、レドックスフロー電池システムをコンテナにすることで、ユーティリィティグリッドあるいは他の電源に単に接続するだけで必要に応じて直ちに使える電力貯蔵システムを提供することができる。レドックスフロー電池スタック、制御システム及びパワーコンディショニングシステムを収容するコンテナのシステムデザインは、目的地まで容易に輸送し容易にセットアップすることができるエネルギー貯蔵システムを提供し、また、電解液の流れ及び電池システムが短期間または一定期間アイドルの場合、スタックの全体または一部からの電力の引出についての制御を促進する。
【０１１６】
さらなる実施形態において、レドックスフロー電池スタックアセンブリは電池が充放電動作を一方向への反応物の流れで行うことができる。
。１つの構成において、電解液タンク２６、２８は図１に示すような充電用及び放電用の電解液の混合を許可し、電気スイッチ４４を用いることにより充電モードと放電モードとの間で迅速な切り替えを可能にする。デザインパラメータにおいて妥協があってもよく、充電を放電よりも支持する場合に、かかるオペレーション、実施形態のような非常に迅速に充電から放電へ、放電から充電へと切り替え可能とするためには、単にスタックと充電電力源４５や負荷４６との間を電気的な切り替え接続（例えばスイッチ４４を介して）すればよい。
レドックスフロー電池スタックアセンブリの反応フローを一方向に維持することにより、流路を反転させることによるモードの切り替えの遅れを回避することができる。他の構成においては、複数のタンク（例えば、図１４を参照して上述した）又はセパレータータンク（例えば、図１７−１９Ｅを参照して上述した）は、レドックスフロー電池スタックアセンブリによって充電または放電された電解液（運転モードによる）を一方向に仕向けるように構成されたバルブ、ポンプおよび配管と共に、本実施形態で使用されてもよい。
【０１１７】
前述の様々な実施形態についての記述はいずれも当業者が本発明に係る構成を作成または使用することを可能にするために提供される。これらの実施形態についての様々な変形例は当業者にとって容易に明確になる。また、ここに定義された総括的な法則は、発明の精神や範囲から外れずに、他の実施形態に適用されてもよい。したがって、本発明は、ここに示された実施形態により制限されることを意図していない。代わりに、クレームは、ここに示された法則や新規の特徴と一致する最も広い範囲と調和させるべきである。
【図１】
0005559783.tif 000003
【図２】
0005559783.tif 000004
【図３Ａ】
0005559783.tif 000005
【図３Ｂ】
0005559783.tif 000006
【図４】
0005559783.tif 000007
【図５】
0005559783.tif 000008
【図６】
0005559783.tif 000009
【図７Ａ】
0005559783.tif 000010
【図７Ｂ】
0005559783.tif 000011
【図７Ｃ】
0005559783.tif 000012
【図８】
0005559783.tif 000013
【図９】
0005559783.tif 000014
【図１０】
0005559783.tif 000015
【図１１】
0005559783.tif 000016
【図１２】
0005559783.tif 000017
【図１３Ａ】
0005559783.tif 000018
【図１３Ｂ】
0005559783.tif 000019
【図１３Ｃ】
0005559783.tif 000020
【図１３Ｄ】
0005559783.tif 000021
【図１４】
0005559783.tif 000022
【図１５Ａ】
0005559783.tif 000023
【図１５Ｂ】
0005559783.tif 000024
【図１５Ｃ】
0005559783.tif 000025
【図１６Ａ】
0005559783.tif 000026
【図１６Ｂ】
0005559783.tif 000027
【図１６Ｃ】
0005559783.tif 000028
【図１７】
0005559783.tif 000029
【図１８Ａ】
0005559783.tif 000030
【図１８Ｂ】
0005559783.tif 000031
【図１８Ｃ】
0005559783.tif 000032
【図１８Ｄ】
0005559783.tif 000033
【図１８Ｅ】
0005559783.tif 000034
【図１８Ｆ】
0005559783.tif 000035
【図１９】
0005559783.tif 000036
【図２０Ａ】
0005559783.tif 000037
【図２０Ｂ】
0005559783.tif 000038
【図２０Ｃ】
0005559783.tif 000039
【図２０Ｄ】
0005559783.tif 000040
【図２０Ｅ】
0005559783.tif 000041
【図２０Ｆ】
0005559783.tif 000042