(57)【要約】  レドックスフロー電池システムが充電及び放電機能専用の独立したスタックアセンブリを備える。このようなシステムにおいて、充電スタックアセンブリの特性は、充電反応中に高効率になるように構成され、放電スタックは放電反応中に高効率になるように構成される。充電反応と放電反応を分離することに加え、レドックスフロー電池スタックアセンブリは、電源又は負荷の電力変動性の大きさなど、他の変数にも合わせて構成する。充電機能を放電機能と分離することによってフロー電池システムを構築するモジュール的方法を使用すること、及び他の変数に合わせてスタックアセンブリを構成することによって、大型のエネルギー貯蔵システムに、広範囲の応用に対する高い柔軟性が与えられる。
2014505976.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電解液フローを供給するための電解液貯蔵及びポンプシステムと、
前記少なくとも１つの電解液フローに対して水力学的に連通し、時間の関数として第１の電力変動性の電源のみから充電するように構成された第１のスタックアセンブリと、
前記少なくとも１つの電解液フローに対して水力学的に連通し、前記第１の電力変動性とは異なる時間の関数として第２の電力変動性の負荷へのみ放電するように構成された第２のスタックアセンブリと
を含むことを特徴とする酸化還元フロー電池システム。
【請求項２】
前記第１及び第２のスタックアセンブリが、合計電力、動作電圧、動作電圧範囲、動作電流、動作温度、電解液流速、セル電流効率、セルクーロン力効率、分流、スタンバイ時間、応答時間、ランプ速度、及び充電／放電サイクル周波数対ターンダウン比からなる電力変動条件のうちの１つ以上の選択された条件に合わせて夫々構成された
ことを特徴とする請求項１の酸化還元フロー電池システム。
【請求項３】
前記第１及び第２のスタックアセンブリのうち少なくとも一方が、夫々シングルパスで充電又は放電に合わせて構成された
ことを特徴とする請求項１の酸化還元フロー電池システム。
【請求項４】
前記少なくとも１つの電解液フローに対して水力学的に連通し、前記第１の電力変動性よりも時間の関数として変化が大きい第３の電力変動性の電源からのみ充電するように構成された酸化還元セルの第３のスタックアセンブリを更に含む
ことを特徴とする請求項１の酸化還元フロー電池システム。
【請求項５】
前記第１及び第３のスタックアセンブリが、太陽電池アレイ、太陽電池集光器アレイ、太陽熱発電システム、風力タービン、水力発電所、波力発電所、潮力発電所、分散型電力系統、及び局所電力系統からなる群から選択された電源に合わせて構成された
ことを特徴とする請求項４の酸化還元フロー電池システム。
【請求項６】
前記少なくとも１つの電解液フローに対して水力学的に連通し、前記第２の電力変動性よりも時間の関数として変化が大きい第３の電力変動性の負荷へのみ放電するように構成された酸化還元セルの第３のスタックアセンブリを更に含む
ことを特徴とする請求項１の酸化還元フロー電池システム。
【請求項７】
前記第２及び第３のスタックアセンブリが、電気自動車充電ステーション、電気自動車バッテリ交換ステーション、電力系統、データセンター、携帯電話ステーション、別のエネルギー貯蔵システム、車両、灌漑ポンプ、食品加工工場、及び局所電力系統からなる群から選択される負荷に合わせて構成される
ことを特徴とする請求項６の酸化還元フロー電池システム。
【請求項８】
前記第１及び第２のスタックアセンブリの少なくとも一方が、第１のブロックに配列された第１の複数の電気化学反応セルと、第２のブロックに配列された第２の複数の電気化学反応セルと、第３のブロックに配列された第３の複数の電気化学反応セルとを含み、
前記第１、第２及び第３のブロックが少なくとも１つの電解液フローに沿って水力学的に直列に配列され、
各ブロックにおける多くの電気化学反応セルが収束カスケードを含む
ことを特徴とする請求項１の酸化還元フロー電池システム。
【請求項９】
第１のブロックに配列された第１の複数の電気化学反応セルと、第２のブロックに配列された第２の複数の電気化学反応セルと、第３のブロックに配列された第３の複数の電気化学反応セルとを含む酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システムであって、
前記第１、第２及び第３のブロックが液体電解質源に連結された流路に沿って水力学的に直列に配列され、
各ブロックの合計電解液流量が、上流ブロックの期待される電解物質消費に基づき前記液体電解質の電気化学反応物質の予測される使用可能性に基づく
ことを特徴とする酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システム。
【請求項１０】
前記第１のブロックが前記第３のブロックよりも合計電解液流量が大きい
ことを特徴とする請求項９の酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システム。
【請求項１１】
前記第１のブロックが前記第３のブロックよりも多くの電気化学セルを含む
ことを特徴とする請求項１０の酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システム。
【請求項１２】
第１の水力学的流路を介して連通する第１の電解液タンク対と、
第２の水力学的流路を介して連通する第２の電解液タンク対と、
電気化学反応セルの第１のスタックアセンブリと、
電気化学反応セルの第２のスタックアセンブリと、
第１の中間電解液タンクと、
第２の中間電解液タンクと、を含む酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システムであって、
前記第１のスタックアセンブリ、第１の中間電解液タンク、及び第２のスタックアセンブリが、前記第１の電解液タンク対の間の第１の水力学的流路と水力学的に直列に配列され、
前記第１のスタックアセンブリ、第２の中間電解液タンク、及び第２のスタックアセンブリが、前記第２の電解液タンク対の間の第２の水力学的流路と水力学的に直列に配列される
ことを特徴とする酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システム。
【請求項１３】
前記第１及び第２の中間電解液タンク間の第３の水力学的流路によって供給される電気化学反応セルの第３のスタックアセンブリを更に含む
ことを特徴とする請求項１２の酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システム。
【請求項１４】
前記第３のスタックが２タンクモードでの高速応答に合わせて構成される
ことを特徴とする請求項１３の酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システム。
【請求項１５】
前記第１及び第２のスタックアセンブリの少なくとも一方が、第１のブロックに配列された第１の複数の電気化学反応セルと、第２のブロックに配列された第２の複数の電気化学反応セルと、第３のブロックに配列された第３の複数の電気化学反応セルとを含み、前記第１、第２及び第３のブロックが、第１及び第２の流路に沿って水力学的に直列に配列され、
前記第１、第２及び第３のブロックが、各ブロックにおける電解液の期待される充電状態での反応に関する反応効率に従って個別に構造的に構成された電気化学反応セルを含む
ことを特徴とする請求項１２の酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システム。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、２００８年７月７日に出願された米国仮出願番号６１／０７８，６９１及び２００８年８月２９日に出願された米国特許仮出願番号６１／０９３，０１７に対する優先権を主張する、２００９年７月６日に出願された米国特許出願１２／４９８，１０３の分割出願であって、現在の米国特許第７，８２０，３２１号である、２０１０年９月１６日に出願された米国特許出願１２／８８３，５１１の一部継続出願である。
（連邦政府による資金提供を受けた研究の記載）
【０００２】
この一部継続出願に含まれる優先権出願（２００９年７月６日に出願された米国特許出願番号１２／４９８，１０３）の出願後に着想された発明は、米国エネルギー省（ＤＯＥ）によって付与されたＤＥ−ＯＥ００００２２５「回復法―スマートグリッド再生可能エネルギー用途のためのフロー電池溶液（Ｒｅｃｏｖｅｒｙ  Ａｃｔ−Ｆｌｏｗ  Ｂａｔｔｅｒｙ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｓｍａｒｔ  Ｇｒｉｄ  Ｒｅｎｅｗａｂｌｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」に基づく政府支援によってなされたものである。米連邦政府は、このような発明に対して、一定の権利を有する。しかし、米連邦政府は、政府の支援無く着想され出願された米国特許第７，８２０，３２１号には権利を有さず、また、その直接継続及び分割出願にも権利を有さない。
【技術分野】
【０００３】
本発明は、一般的に、レドックスフロー電池のエネルギー貯蔵システムに関し、より詳細には、複数の独立した目的別に構成されたスタックアセンブリを含むレドックスフロー電池のエネルギー貯蔵システムに関する。
【背景技術】
【０００４】
米国における現在の電力系統は、その貯蔵容量の不足による実質的な制限に、悩まされている。発電施設によって生成された全電気は、直ちに消費されなければならない。この供給を需要に完全に一致させる必要性から、発電施設の複雑なネットワークができあがった。この発電設備の出力量は、いつでも需要量に合うように増減させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
多くの再生可能エネルギー技術は、経済的に実行可能であり環境に有益である一方、断続的且つ予測不能な発電の不利益に悩まされている。電力系統需要に一致させるためにこのような間欠的な発電技術を制御することは、不可能ではなくても、非常に難しい。このような技術を使用すればほぼ間違いなく電力系統に最低限の「ベースライン」の電力を提供することができるが、これによって、このような代替的な発電技術の発展可能性が制限されている。再生可能エネルギー技術を発展可能にするためには、間欠的発電技術によって生成された電気を確実に電力系統に配給して需要に合わせるためには、大規模エネルギー貯蔵システムが必要とされている。
【０００６】
加えて、石炭、ガス燃焼及び原子力発電所等の多くの従来の発電技術、及び燃料電池等の将来有望な代替的エネルギー生成技術は、定電力で動作すると最も良く機能する。電力系統が要求する電力は、電気消費者の変化するニーズに基づいて劇的に変動するため、このような発電施設はあまり効率の良くない状態で稼働されていることが多い。従って、これらの従来の発電施設にも、オフピーク時にエネルギーを貯蔵し、需要がピークの時にピーク電力を配給することができるエネルギー貯蔵システムが、役に立つ。
【０００７】
酸化還元又は「レドックス」フロー電池は将来有望な大規模エネルギー貯蔵技術を代表している。レドックスフロー電池は、アノードとカソードが共に液体電解質に溶解している電気化学的システムである。全てで４つの反応物質の状態（即ち、カソード及びアノードの充電及び放電状態）が液体に溶解した状態であるために、このようなシステムの貯蔵容量はタンクのサイズに依存する。
【０００８】
汎用フロー電池システム（即ち、多様な電源によって充電され、多様な負荷に対して放電させることができるもの）を構築するためには、通常多くの工学的な妥協がなされている。このような妥協の結果、充電プロセス中と放電プロセス中のいずれか又は両方において効率が犠牲になることが多い。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
フロー電池の全液体性質（ａｌｌ−ｌｉｑｕｉｄ  ｎａｔｕｒｅ）によって、充電及び放電プロセスの非干渉化を可能にできるという固有の利点がもたらされる。そのため、電気化学反応セルの１つの集合体（ここでは、「スタックアセンブリ」とも呼ばれる）を充電運転用として提供し、一方で電気化学反応セルの２つ目の独立した集合体を放電運転用に提供できる。このようなシステムでは、充電用スタックアセンブリの特性により、充電反応時には高い効率が得られ、放電用スタックでは、放電反応時に高い効率が得られる。
【００１０】
充電と放電の反応を不干渉にすることに加えて、電源又は負荷の電力変動率など、他の変数に合わせてスタックアセンブリの特性を設計することも可能である。本明細書のシステムと方法は、充電機能が放電機能と分離しているフロー電池システムを構築するためのモジュール的アプローチを提供する。更に、システム及びスタックアセンブリは、電源及び／又は負荷の種類に合わせて構成してもよい。例えば、実施形態によっては、システムコンポーネントが、間欠的な又は変動制の高い電源又は負荷に合わせて構成してもよい。その他の実施形態では、システムコンポーネントが、定電圧、定電力、又はあまり変化しない電源又は負荷に合わせて構成されても良い。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
添付の図面は、本文に組み込まれて本明細書の一部を構成するものだが、本発明の模範的実施形態を描いており、上記の概要及び以下の詳細な記述とともに、本発明の特徴を説明する一助となる。
【００１２】
［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。
【００１３】
［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層の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。
【００１４】
［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。
【００１５】
［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。
【００１６】
［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。
【００１７】
［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。
【００１８】
［図６］レドックス電池の電流対電位のグラフである。
【００１９】
［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。
【００２０】
［図７Ｂ］本発明の一実施形態に係るフロー電池スタックへのセル層の組み立て方法を示
す組立図である。
【００２１】
［図７Ｃ］本発明の他の実施形態に係るフロー電池スタックへのセル層の組み立て方法を
示す組立図である。
【００２２】
［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。
【００２３】
［図９］熱の取り入れを含む風力発電システムの実施の一形態のシステム図である。
【００２４】
［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施の一形態
を示すシステム図である。
【００２５】
［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。
【００２６】
［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。
【００２７】
［図１３Ａ］ＡＣ−ＤＣ電力変換／分離直流電源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。
【００２８】
［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。
【００２９】
［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。
【００３０】
［図１３Ｄ］燃料電池がＡＣ電力を電力系統へ提供することができる電力管理に従って電
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。
【００３１】
［図１４］重力駆動のレドックスフロー電池の実施形態の構成要素の横断面ブロック図で
ある。
【００３２】
［図１５A−１５C］充電モードから放電モードへの遷移を示す重力駆動のレドックスフロー電池の
実施形態の構成要素を示す一連の横断面ブロック図である。
【００３３】
［図１６A−１６C］本発明の一実施形態に係る３セルスタックのセル層のレドックスフロー電池の
三つのセルの各々での使用に適した代表的なセパレータ物質を示す顕微鏡写真である。
【００３４】
［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
の横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。
【００３５】
［図１９］充放電反応物質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。
【００３６】
［図１８A−１８F］充電又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当該タンクセ
パレータを含む一実施形態に係る電解液貯蔵タンクの横断面図である。
【００３７】
［図２０A−２０F］充電又は放電の処理を通じてタンクセパレータの動きを示す当該タンクセパレ
ータを含む一実施形態に係る電解液貯蔵タンクの横断面図である。
【００３８】
［図２１］複数の独立したスタックアセンブリを有するレドックスフロー電池システムに
関する設計順列（ｄｅｓｉｇｎ  ｐｅｒｍｕｔａｔｉｏｎｓ）の例を示すマトリクスである。
【００３９】
［図２２Ａ］フロー電池スタックアセンブリのための動力装置の概略図である。
【００４０】
［図２２Ｂ］フロー電池スタックアセンブリのための動力装置の概略図である。
【００４１】
［図２４Ａ］収束カスケード型フロー電池スタックアセンブリの本発明の一実施形態を示
すブロック図である。
【００４２】
［図２４Ｂ］双方向収束カスケード型フロー電池スタックアセンブリの一実施形態を示す
ブロック図である。
【００４３】
［図２５］２タンクモードで動作するように構成された一対の独立スタックアセンブリを
有するレドックスフロー電池の本発明の一実施形態の概略図である。
【００４４】
［図２３］アクティブカスケードステージの数を変えることができるように構成されたカ
スケード型レドックスフロー電池スタックアセンブリの概略図である。
【００４５】
［図２６］特定の用途に対してフロー電池スタックアセンブリを構成するための汎用プロ
セスの本発明の一実施形態を示すフローチャートである。
【００４６】
［図２７］充電用に構成された１つのスタックアセンブリと、放電用に構成された第２の
スタックアセンブリを有するレドックスフロー電池システムの概略図である。
【００４７】
［図２８］充電用に構成された２つのスタックアセンブリと、放電用に構成された第３の
スタックアセンブリを有するレドックスフロー電池システムの概略図である。
【００４８】
［図２９］放電用に構成された２つのスタックアセンブリと、充電用に構成された第３の
スタックアセンブリを有するレドックスフロー電池システムの概略図である。
【００４９】
［図３０］放電用に構成された２つのスタックアセンブリと、充電用に構成された２のス
タックアセンブリを有するレドックスフロー電池システムの概略図である。
【００５０】
［図３１］複数の独立スタックを有し、そのうちの少なくとも１つが２タンクモードで動
作するように構成されたレドックスフロー電池システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
様々な実施形態を添付の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。
【００５２】
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、それらは、構成要素の一部や集まりにここに記述される意図する目的のために機能させる。
【００５３】
特に規定しない限り、「フロー電池セル」、「セル」、「電気化学セル」という用語と、その類似の用語は、１つの電気化学反応ユニットを指す。大抵の実施形態では、フロー電池セルは、セパレータ膜によって陰極から分離された陽極を含む。本書において、「ブロック」又は「セルブロック」は共通の１つのハウジング内に収容されることができる電気化学セル群又は集合体である（が必ずしもそうでなくてもよい）。１つのセルブロック内の電気化学セルは、通常、互いに同様に構成されている（が必ずしもそうでなくてもよい）。また、本書において、「ステージ」という用語は、あるステージのセルから流出した電解液が別のステージのセル内に流入させるように水力学的直列（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｓｅｒｉｅｓ）に接続された複数のステージの配列内の１つのセルブロックを指す。このようなステージの配列は「カスケード」接続と呼ぶこともできる。
【００５４】
「工学的カスケード型フロー電池」又は「工学的カスケード型スタックアセンブリ」という用語は、本書において、バッテリ内のセル、ステージ（即ち、同様に構成された、実質的に類似の電解液の充電状態（ｓｔａｔｅ−ｏｆ−ｃｈａｒｇｅ）になるブロック又はセルバンドル）及び／又はアレイが、反応物質流路に沿った全セル、ステージ、及び／又はアレイが互いに略同一であるカスケード型フロー電池において達成可能な性能よりも電池性能を向上するように、予想される反応物質の条件に基づいて材料（材料の性質、量及びその他の特性を含む）、設計形状及びサイズ、反応物質フロー、及び／又はその他の設計変数の観点から構成されたカスケード型フロー電池又はカスケード型フロー電池スタックアセンブリについて一般的に述べるために、使用されている。このようなセル又はステージ構成は、このセル又はステージ内の電解液の予想される充電状態にセルの動作を最適化するようなものとされてもよい。
【００５５】
「最適化された」又は「最適な」という用語は、性能を向上するために、且つ、予想される反応物質の局所的性質に基づいた構成のない設計と本発明の実施形態を区別するために、工学的カスケード型フロー電池において制御又は変更可能な設計パラメータを意味しているにすぎない。これらの用語の使用は、工学的カスケード型フロー電池のセル、ステージ、及び／又はアレイ又は構成要素が可能な範囲で最良又は理論的な性能を得るように設計されていることを示唆する又は必要とするものではない。
【００５６】
本書において、「充電状態」及びその略称である「ＳＯＣ」は、少なくとも１つの液体電解質の化学種組成を指す。特に、充電状態及びＳＯＣは、電解液に占める「充電」状態から「放電」状態に変換された（例えば、酸化又は還元された）反応物質の比率である。例えば、Ｆｅ／Ｃｒレドックス対に基づくレドックスフロー電池では、陰極液（正の電解液）の充電状態は、Ｆｅ２＋状態からＦｅ３＋状態へと酸化された総Ｆｅの割合と定義することができ、陽極液（負の電解液）の充電状態は、Ｃｒ３+状態からＣｒ２＋状態へと還元された総Ｃｒの割合と定義することができる。実施形態によっては、２つの電解液の充電状態が互いに無関係に変化又は測定されている可能性がある。従って、「充電状態」及び「ＳＯＣ」は、全液体レドックスフロー電池システムにおいて一方のみ又は両方の電解液の化学組成を指している可能性がある。当業者には、一方又は両方の電解液の充電状態を電気化学的プロセス以外のプロセスによって（例えば、多量の１つ以上の反応物質種を加えることによって）変化させることができることが認識されると思われる。
【００５７】
本発明の実施形態は、多様な条件下で電気エネルギーを貯蔵し配給するのに適した還元／酸化（レドックス）フロー電池システムに基づくエネルギー貯蔵を提供する。レドックスフロー電池システムによって貯蔵される電気エネルギーは、水力発電、天然ガス、石炭、ガソリン、ディーゼル又はその他の液化石油、原子力、波力、潮力、太陽光、熱エネルギー、風力などを含む、多様な発電又は電気変換方法から生成可能である。本発明の様々な実施形態のレドックスフロー電池システムは、分散型電力系統、データセンター、灌漑ポンプ、携帯電話局、別のエネルギー貯蔵システム、車両、車両充電システム、ビル、又はその他の電気負荷含む、多様な負荷に対して、貯蔵されたエネルギーを配給することもできる。
【００５８】
フロー電池は、エネルギーの電池への追加又は電池からの抽出が行われる反応セル（本書では「セル」と呼ぶ）を介して圧送される、液体電解質に電気化学反応物質が溶解される（場合によっては本書ではまとめて「反応物質」又は「複数の反応物質」と呼ぶ）電気化学的エネルギー貯蔵システムである。何メガワットもの電気エネルギーを貯蔵して放電しなければならない用途では、レドックスフロー電池システムは、タンクサイズを大きくすることによって必要なエネルギー貯蔵容量に拡大させ、且つ電気化学セル又はセルブロック（即ち、本書では場合によっては「セルアレイ」と呼ばれる複数セル群）を追加することによって必要な出力電力を生成するように拡大させることができる。
【００５９】
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施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設計を利用している。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アセンブリ又はセルブロ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セル及び／又はスタックアセンブリが追加される。したがって、図１に示すシステム及び本書に記述される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。
【００６０】
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要素として、セパレータ膜１２により分けられた多孔質電極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、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にフローチャネル１４、１６を含んでもよい。このようなフローチャネル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、フローチャネル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。
【００６１】
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、１つのスタックの実施形態ではいずれを選択するかは電気スイッチ４４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。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に、設計されている。レドックスフロー電池アセンブリ１０は、更に、分流の損失を最小化するように設計され、反応物質を最大限に利用している。
【００６２】
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、スタック層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）。電池セルの複数の層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接続され、互いに積層される。さらに、独立した電池セルは、反応物質流路内でのそれぞれの位置に応じてそれぞれの電気化学的性能が増加する。そのため、レドックスフロー電池アセンブリは、同一の仕様の電池セルを合計した性能よりも大きな蓄電性能を全体として有することになる。
【００６３】
図２は、電極１８、２０及びセパレータ膜１２の平面に垂直な（即ち、セル層４８の短軸が図１の紙面を突き抜ける）視点から見たときのレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０内の個々のセル層４８の横断面図を示す。図示のセル層４８は、一例の実施形態として３つの独立したセル５２、５４、５６を含んでおり、他の実施形態において、各セル層４８はこれよりも少ない又は多い独立したセルを含んでもよい。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式に（即ち、ある層内の１つのセルから隣のセルへと）でアレイ内のセル層４８内の全てのセルを横断するように（即ち、図２の画像表面に平行に）流れる。各セル層中のこの複数セル構成は、分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、触媒充填、電極のねじれ、チャンバ容積、及び／又は、流路に沿った反応物質濃度の変化に対処し、不要な反応を最小限にし、クーロン及び電圧効率を最適化するセパレータ膜気孔率又は選択性が異なるように構成される。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層センブリ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、電池セル層センブリに対する入力において電解液のより高い充電状態条件によってより高い効率を発揮するような構造的且つ物質的性質を有するよう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中間的な充電状態条件によって効率的な処理が行われるような構造的且つ物質的性質を有するように構成してもよい。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存在する比較的低い充電状態条件によって効率的な処理が行われるような構造的且つ内在的性質を有するように構成してもよい。より詳細に後述するように、この方法でレドックスフロー電池セル層センブリ４８を構成すると、効率的な処理が行われる一方で、より低いコストの材料で電池を組み立てることが可能になる。
【００６４】
セパレータ膜の選択性は、粒子、イオン及び／又は化合物がこのセパレータを通過するのをどの程度制限するかを指す。本書に使用されるように、「選択性」は、イオン及び／又はその他の化合物があるハーフセルからセパレータ膜を介して他のハーフセルへ移動することを制限するように単独で又は他と組み合わせられて機能する可能性のあるいくつかの潜在的な材料性質を含む広義語である。例えば、膜の孔数、孔サイズ、通路ねじれ、孔界面化学及びその他の物理的性質が、膜の選択制に寄与する可能性がある。従って、高い選択性を有するセパレータ膜は、より多くのイオンの移動を制限する（即ち、より少ないイオンを通過させる）が、より低い選択性を有するセパレータ膜は、特定のイオンの移動に対する制限をより小さくし、より多くのイオンが通過できるようにする。高選択性膜としては、Ｎａｆｉｏｎ（登録商標）−１１７イオン交換膜（デュポン社、米国）などの、プロトンを通過させる一方、その他のより大きな正電荷を持つイオンと負電荷を持つイオンのクロスオーバーを制限するイオン交換膜が、多く含まれる。低選択性膜としては、イオンよりも実質的に大きい粒子の通過を可能にする微多孔膜が、多く含まれる。本書において、「選択性」という用語は、「逆透過率」などの代替用語と同意義とされてもよい。
【００６５】
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、より効果的に動作する（すなわち、低損失で電力を保持し、放電する）。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、電解液を制御された温度に維持することができる。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、セル内の電解液の充電状態に対応した好適又は最適の温度で各セルが動作することができるように各セルの動作温度を個別に制御することができる。本発明の一実施形態では、電解液は、充放電動作に十分な温度で電解液がセル層４８へと注入されるように加熱流体を循環させる熱交換器などを介して、タンク２６、２８内であらかじめ加熱されてもよいので、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、加熱流体は、充電力源４５（例えば、発電機の冷却系から）又は負荷４６（例えば、装置の冷却系から）よって生成された廃熱から熱エネルギーを取り出してもよい。
【００６６】
フロー電池スタックのセル層４８内のセル区画の１つのセルについての概念的な構造を図３Ａ及び図３Ｂに示す。図３Ａは図１及び図２における横断面図と直交する視点から見た１つのセルチャンバ５０の１つの層の断面図である。図３Ｂは個々の１つのセル層中の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から構成されるバイポーラフレームは、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、または電解液反応物質の弱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、陰極液反応物質流３８及び陽極液反応物質流４０がそれぞれ通過する多孔質電極触媒１８、２０を含むキャビティが形成される。多孔質電極は、別体の炭素繊維フェルト物質から作られてもよく、又はバイポーラ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は触媒層をコーティングされた炭素フェルトから作られてもよい。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のための切り抜き又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層の外側に電流を流す。
【００６７】
陰極液反応物質および陽極液反応物質は、フレーム部材８４、８６、８８、９０によって２つの平面構造部材８０、８２の間で浮設された平面セパレータ膜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、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は反応物のバルク混合を抑制しつつ当該物質を介してイオンが輸送することができるようにする。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様々な拡散選択性及び電気抵抗を示すように、様々な材料により作られることができる。
【００６８】
各電池セル５０の反応物質の入口において、注入された電解液の流れをセル５０の反応領域内へ誘導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、電解液が各反応セル５０に流入したとき適切な電解液の混合を発生させるためのフロー誘導構造を含んでもよい。このようなフロー誘導構造は、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調節又は制御するように構成されてもよい。
【００６９】
平面構造部材８０、８２並びにセパレータフレーム部材８４、８６、８８、９０は、熱交換器流体パイプ６０、６２を貫通させることができる通路を含んでもよい。セル流入マニホールド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、パイプ内の熱流体からの熱によって、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ことができるようになる。同様に、セル流出マニホールド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から出た後に熱流体が電解液から熱を抽出することができるようになり、これにより、熱エネルギーを保存し、電解液をより冷温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反応物質のために、約４０℃から６５℃の温度まで加熱される。
【００７０】
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、直列に層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、各スタックセル層内のセル同士間での電気的接続を提供する。
【００７１】
図３Ｂに示されるように、バイポーラフレームを形成する平面構造部材８０、８２は、そのエリア全体に導電性を有してもよく、又は、セル５０の電気化学的に活性な部分に直接隣接した導電面２２、２４のみが導電性を有するように作られてもよい。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内の各種セルの電流及び電位の離散制御及び監視をすることができる。
【００７２】
図２に示すような各セル層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つの層内でセルのカスケードを形成するように流体的に接続されている。従って、あるセルのセル流出マニホールド９６、９８は、セル層４８内の当該セルの隣のセルのセル流入マニホールド９２、９４と整列させ、各セル層内のセルから隣のセルヘ電解液が流れるようにする。
【００７３】
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、ポリプロピレン又はポリエチレン）、炭素繊維フェルト、及び炭素繊維電極であるため、セルは環境被害を起こす可能性のある重金属や毒素を含まない。更に、Ｆｅ／Ｃｒなどの反応物質は、電池の酸以上の毒性や危険性を有しない。従って、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分布するように再生可能エネルギーシステムに必要なエネルギー貯蔵容量を提供するのに理想的である。
【００７４】
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は封止エッジ領域から電解液の反応物質が漏出しないように、エッジの周りを高密度状態または部分的高密度状態に溶融させてもよい。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。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り、それによってセパレータ膜１２を介する濃度勾配をなくし、浸透圧を減らすため、多孔質セパレータ膜１２を介した電解液反応物の混合が最小化される。
【００７５】
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物質のセットは、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、電池セル内の正電極において反応する、陰極液のＦｅＣｌ３（Ｆｅ３＋）内にエネルギーを蓄積し、負電極において反応する、陽極液のＣｒＣｌ２（Ｃｒ２＋）内にエネルギーを蓄積する。
【００７６】
Ｆｅ３＋とＣｒ２＋イオンが互いに近接した場合、望ましくない非ファラデー電流電子移動反応がＦｅ３＋とＣｒ２＋との間で発生しうる。従って、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、イオン伝導性が低く、その結果、レドックスフロー電池スタック内で電圧効率がより低くなることである。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の直流エネルギー貯蔵効率はクーロン力と電圧効率の積であるため、最適化のトレードオフが存在する。
【００７７】
全体の内容が本明細書に組み込まれる米国特許第４，５４３，３０２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物質システムとして知られているものである。混合反応物質システムの利点は、放電された陽極液と放電された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、より選択性が低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。より選択性の低いセパレータ膜は、例えばＣｅｌｇａｒｄ  ＬＬＣ社の微多孔セパレータ膜や、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。反応物質の充電状態にセルの特性を最適化して充電又は放電をワンパスで完了することにより、ここで説明される実施形態によって、従来のレドックスフロー電池設計よりも約２桁安いコストの材料から構成されたレドックスフロー電池スタックにおいて相応に高い効率がもたらされる。
【００７８】
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、典型的には約１〜３Ｍ濃度である。Ｐｂ、Ｂｉ及びＡｕ又はＺｒＣの組み合わせが考えられる電解触媒を負電極に設け、陽極液中のＣｒ３＋がＣｒ２＋へと還元されるときの充電の反応速度を向上させ、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＋還元に対する競争反応でありクーロン効率の低下につながるため、望ましくない。
【００７９】
ここで説明したセル、セル層及びレドックスフロー電池スタック設計は電解液に溶解した反応物質を含む他の反応物質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物質Ｖ（ＩＩ）／Ｖ（ＩＩＩ）又はＶ２＋／Ｖ３＋及び正電極（陰極液）におけるＶ（ＩＶ）／Ｖ（Ｖ）又は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反応物質は、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設計を利用可能な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、反応物質は電解液において溶解イオン種として存在し、それによって、電解液が流路に沿って複数の直列電池セルを介して流れ（即ち、カスケード流）、これらのセルが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、触媒の種類と量）を有する電池セル及びスタックの設計の使用が可能になる。実行可能なレドックスフロー電池の化学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６，４７５，６６１で提供される。
【００８０】
複数のセルチャンバがレドックスフロー電池スタックアレイのそれぞれのバイポーラフレームに形成される。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、電解液反応物質は、カスケード配置において１つのセル５２、５４、及び５６からその隣のセルへ流れる。このカスケードの流れは放電モードでは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、分流を制限し、全体的な反応物質利用率を向上させるという利点を有する。分流は、液体反応物内の短絡により形成される。従って、スタック電圧を制限するとともにあるセルとその隣のセルとの間に長い導電経路を形成すると有利である。様々な実施形態は、同じ層内の複数のセルに反応物質を流すことによって、いずれの目的も達成する。このカスケードの流れ機構は層スタックごとに１つのセルを有する装置に比べ、反応物質利用率も向上させる。反応物質利用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（ｒｏｕｎｄｔｒｉｐ）ＤＣ効率の向上に寄与し、反応物質の再循環の必要性を削減又は排除する。再循環は、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ため、不利益になる可能性がある。
【００８１】
反応物質が各層の様々なセルを通じて流れるので反応物質イオン濃度が変化するため、触媒コーティングの量は、それぞれのセルの充電状態条件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条件とより良く一致するように配合を変えてもよい（例えば、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、より低い反応物質濃度を有するセルは、最適なパフォーマンスを達成するために多孔質電極により高い触媒充填を要求する。
【００８２】
様々な実施形態は、図２に示すように流路内に複数の独立したセルを含み、各独立したセルがサイズ、形状、電極物質、及びセパレータ膜層材料に関して各セル内の反応物質の充電状態による最適な平均性能を得るように構成された異例のレドックスフロー電池スタックの構成を含む。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物質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設計の設定パラメータについての要約を示す。設計傾向ライン１１２に示されるように、いくつかの設計パラメータ―グループＡのパラメータとして示される―は、放電モードにおいて反応物の入口から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入口から出口へと向かうにつれ値が増加するように電池の設計を構成するように、セル層４８の一端から他端へと減少されてもよい。
【００８３】
設計傾向ライン１１６に示されるように、他の設計パラメータ―グループＢのパラメータとして示される―は、放電モードにおいて反応物の入口から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入口から出口へと向かうにつれ値が減少するように電池の設計を構成するように、セル層４８の一端から他端へと減少されてもよい。図５に示すように、設計傾向ライン１１２に従って電池セル設計を構成するように変化してもよい設計パラメータは、膜の選択性、充電触媒充填、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。設計パラメータは設計傾向ライン１１６に従って電池セル設計を最適化するように変化してもよく、設計傾向ライン１１６のパラメータはイオン導電性、放電触媒充填、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。
【００８４】
例えば、上述したように、放電触媒充填及び放電触媒活性（いずれもグループＢの設計パラメータ）は、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、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、設計傾向ライン１１６により示されるように減少する反応物質濃度を補償してもよい。
【００８５】
同様に、充電触媒充填及び充電触媒活性（いずれもグループＡの設計パラメータ）は、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、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、設計傾向ライン１１２により示されるように減少する反応物濃度を補償してもよい。流路に沿った各セル内に実施される特定の触媒充填及び触媒活性は、放電に関して設計傾向ライン１１６、及び充電に関して傾向ライン１１２、及び流路内のセルの数を用いて決定することができる。
【００８６】
図５に示される設計傾向ライン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、電池スタックを貫通するいずれかの方向に各層における充電と放電の触媒充填及び／又は触媒活性のような設計パラメータを最適化し、放電に関しては一方の方向に、充電に関してはその反対方向に電池スタックに反応物質を流すことによって、改善した電気化学的性能を提供する。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、反応物質は、充電モードでは一方の方向に、放電モードではその反対方向にレドックスフロー電池を通過する。他の実施形態では、図１３Ａ〜１３Ｄを参照して後述するように、セル構成に一致する１つの方向に反応物質が流れるように、充電用と放電用に別々の充電レドックスフロー電池スタックが提供される。図１を参照して後述する第３の実施形態において、充電と放電の間の妥協として構成された（例えば、充電又は放電を優先して構成された）バッテリセルによって充電と放電の両方に関して１つの方向にレドックスフロー電池スタックに電解液反応物質を流し、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を充電電源から（例えば、電気的スイッチによって）電気的に切断してスタックを負荷に接続することによって、或いはその反対のことをすることによって非常に迅速に当該システムが充電と放電との間で切り替えられるようにしている。
【００８７】
同様にさまざまな実施形態において、スタックが充電しているか放電しているかに応じてレドックスフロー電池スタックを反応物質が流れている時に反応物質の温度を制御してもよい。図５は、設計カーブ１１２及び１１６において、レドックスフロー電池のセル層４８及びスタックアセンブリ１０を通る流路に沿って本発明の一実施形態でどのように温度が制御されるかを示す。選ばれた最適化半サイクルに関して、反応物質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を上昇させるので、最も反応物質濃度の低い出口に最も近いセルは、入口に最も近いセルよりも高い温度で動作する。あるレドックスフロー電池セル層４８及びスタックアセンブリ１０を採用する設計曲線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、陽極液充電反応が最も限定された反応速度を有するので、設計傾向ライン１１２が温度プロフィールの設計パラメータとして選択されることとなる。触媒充填及び触媒活性と同様に、レドックスフロー電池セル層４８及びスタックアセンブリ１０は、反応物質が充電では一方の方向、放電では他方の方向へと流れるように構成されてもよく、又は、一方が充電用に構成され、他方が放電用に構成された２つの別々のレドックスフロー電池スタックが使用されることができる。
【００８８】
同様の方法で、様々な実施形態は、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を反応物質の質量輸送速度が流路に沿ってセル毎に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はまた設計曲線１１６において反応物質の質量輸送速度が、放電モードでは入口から出口へ流路に沿って各セルにおいて増加し、充電モードでは入口から出口へ流路に沿って各セルにおいて減少するようにどのようにセルが構成されるかを示す。質量輸送速度は、各セルの物理的な大きさを減少させ、電極多孔率を変化させるために電極触媒物質を選択することによって増加させてもよい。従って、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的でより狭窄の小さな流域を有してもよく、反応物質の質量輸送速度は、放電モードで作動させる場合は各セルにおいて反応物質流路に沿って各セルにおいて増加し、充電モードで作動させる場合は反応物質流路に沿って各セルにおいて減少する。
【００８９】
同様の方法で、レドックスフロー電池セルの実施形態は反応物質流路に沿って異なるセパレータ膜１２材料を用いて構成してもよい。図５で、設計曲線１１２において各セルにおけるセパレータ膜１２の選択性（即ち、セパレータを通過する反応物質を制限する度合い）が反応物質流路に沿ってどのように変化するかが示される。放電モードにおけるレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０の入口に近いセルは反応物質（例えば、Ｃｒ２＋及びＦｅ３＋）の高濃縮を受け、従ってセパレータ膜１２を介した反応物質の混合が、アセンブリの出口に近いセルの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。従って、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、高い選択性を有するセパレータ膜の材料は、電池の内部抵抗によるエネルギー損失を増加させる高オーム抵抗損失（即ち、電気抵抗）を示す。相殺特性は、反応物質流路内のセルの数に応じてセパレータ材料を選択するために使用される図５のグラフ１１０に示される設計曲線１１２に帰結する。
【００９０】
従って、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、オーム抵抗損失を犠牲にして高い膜選択性を有する材料から作られたセパレータ膜１２を有する流路の一方の端に位置するセルを含んでもよいが、流路の他方の端に位置するセルは低オーム抵抗損失の材料からなるセパレータ膜１２を有する。放電モードの出口端と充電モードの入口端で自発的に反応する活性種の濃度が低いために、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で最小である。
【００９１】
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設計構成は図５に示した設計傾向ラインをアセンブリ内の反応物質流路に沿ったセルの数に適用することによってより決定されてもよい。セルは、図５に示す設計傾向ラインの階段近似を提供する可能性のある、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構成されてもよい。反応物質流路に沿った独立したセルの数を増やすことで、セルの設計パラメータは、設計傾向ラインとより良く一致することができる。しかし、独立したセルの数を増加すると設計が複雑となり、システムコストが増加する可能性がある。従って、セルの数と各セルへ適用される設計構成は特定の実施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。
【００９２】
レドックスフロー電池セル層４８及びスタックアセンブリ１０を通して反応物質流路に沿った独立のセルの設計構成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設計と比べて著しい充電／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、本発明の実施形態による改善を含まない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）を示す。この低い性能の曲線１２２は上述した実施形態の構成を実施する本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池設計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。
【００９３】
図３Ｂに示すように、バイポーラ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。セル層４８（その内の一つは図３Ａ及び３Ｂに示されている）内の夫々のセルチャンバの導電面２２、２４が電気的に直列に接続されるように、層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、複数のセル層１４０〜１４８をスタックに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、層内の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複数の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夫々のセル列（即ち、スタック間で電気的に直列に接続されたセル）を別々に監視できる。垂直方向の長さに沿って各セル列の両端の電圧を監視することにより、正確な充電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、電池は、ピーク需要時には十分に利用し、需要が小さいときには部分的にのみ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、個別に電流負荷に関して制御されることができる。
【００９４】
図７Ｂは、単体のフレーム４８ａ、４８ｂ、４８ｃに形成されたセル層４８を積層することによりスタックが形成された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、個別のセルはセル層の長さに伸びるフレーム内に形成される。上述したように、セル１である各セル５２ａ、５２ｂ、５２ｃの設計パラメータはこれらセル内の反応物質の充電状態に応じて構成され、従ってスタック１０のセル層４８ａ、４８ｂ、４８ｃ内のセル２である各セル５６ａ、５６ｂ、５６ｃとは異なる設計パラメータであってもよい。
【００９５】
各セル層のための単体フレーム内にセルを組み立てる代わりに、図３Ｂと同様に、図７Ｃに示す実施形態で各セルをセルフレーム５２ａ〜５６ｃ内に組み立ててもよい。この実施形態では、セルフレーム（例えば、図３Ｂのフレーム８４及び８６）内にセル５２ａ、５４ａ、５６ａ（例えば、図３Ｂの電極１８、セパレータ膜１２、及び電極２０）を嵌合し、類似の設計のフレーム嵌め込みセル（例えば、図３Ａのような構成の全セル５２）をバイポーラプレート（例えば、図３Ｂのフレーム８２内の導電領域２２）を介在させながら積層し、スタック１０を完成するために互いに組み合わされるセル列７２，７４，７６を形成することによって、レドックスフロー電池スタックを組み立てることができる。
【００９６】
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、セパレータ膜材料の端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、こてや万力等によってセパレータ膜材料を圧迫しながら高温に加熱することにより材料を溶融させることにより達成されてもよい。或いは、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。
【００９７】
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ステージで最適な温度に反応物質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。様々な実施形態は、電力を使用して廃熱を生成する工業用用途（例えば、空調及び機器冷却系からのヒートシンク）だけでなく、エネルギー生成用途においても多くの有用な用途を有する。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る大規模エネルギー貯蔵システムは、図９−１１に示すように、風力タービンファーム及び太陽光発電ファームと熱的に統合し、低品位廃熱を無料で使用することができる。例えば、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。
【００９８】
レドックスフロー電池システムと風力タービン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タービンファームよりも、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電力会社との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。
【００９９】
図９に、レドックスフロー電池と風力タービンファーム１７０とを組み合わせたエネルギー生成及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、記述される設計温度範囲内で動作することを確実にするために、一般的に冷却水系を必要とする。タービンの構造１７０を循環する冷却水は、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。従って、風力タービンの機械的摩擦によって発生した廃熱は、そのエネルギーを使用してフロー電池システム１７２の反応物を最適な動作温度に維持することによって、全体的なエネルギー出力性能に関して部分的に回収されることができる。風力タービンファーム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などに、需要に応じて迅速に供給可能なピーク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。従って、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０は、このような代替エネルギーシステムを冷却するために必要な廃熱を利用しつつ、安定しないエネルギー発生機の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。
【０１００】
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を参照すると、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貯蔵するために電池を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、このような太陽光発電機／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電力会社との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、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。
【０１０１】
太陽電池（ＰＶ）アレイ、集光型太陽電池（ＣＰＶ）アレイ、太陽熱エネルギー発電所、又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システムと統合されて、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電池パネルを通じて又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℃の範囲の温度で最適な効率で動作する。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、電気やガスを燃焼させる加熱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（及び温室効果ガスの排出量）を被ることなく、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０においてこ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は、特に住宅市場において、非常に成熟した技術である。一実施形態では、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。
【０１０２】
レドックスフロー電池システムと太陽熱エネルギー収集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と蓄熱タンク１８２が電解液反応物質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ＨＣ１溶液である。この構成においては、反応物質が太陽集熱器１８３及び蓄熱タンク１８２内で約４０℃〜６５℃の温度に上昇されるので、蓄熱タンク１８２から流出する反応物質は、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０内に直接（ポンプ１８６を介して）送られ、そこで電気化学的反応に関与する。レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を出た反応物質は蓄熱タンク１８２へと再加熱のため戻される。或いは、閉ループ加熱流体を太陽集熱器１８３内で使用し、閉ループ太陽温水システムの実施形態と同様に蓄熱タンク１８２内で熱交換器内の蓄熱タンク１８２内に保存された電解液に加熱流体からの熱を伝達させることができる。
【０１０３】
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（又は他の流体）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の内部又は周囲に圧送される且つ蓄熱タンク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１８２からの加熱流体は電解液反応物質と混合しない。
【０１０４】
レドックスフロー電池システムと太陽集熱器又は太陽エネルギー変換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（反応物質として又は熱交換器のパイプを流れる加熱流体として）レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０にポンプで送ることにより、熱性能を向上できるが、ポンプ１８６により消費される電力による寄生損失が伴う。図１１に示す自然循環構成においては、加熱された水又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、レドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通過することで冷却され、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、太陽熱加熱自然循環の構成はエネルギー貯蔵システムの全体的な往復（ｒｏｕｎｄｔｒｉｐ）効率を制限する寄生損失を被らない。自然循環の構成は、動作中の冷却ポンプに関連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に小規模なシステムに適したソリューションとなる可能性がある。一方、自然循環流を有効にするには、太陽集熱器１８３や蓄熱タンク１８２に近接した建物の屋根の上など、蓄熱タンク１８２上方にレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を配置するなど、設計上の妥協が必要な場合がある。
【０１０５】
熱サイフォン太陽熱加熱システムは、図１０及び図１１に示す両実施形態において閉ループ構成で動作する。蓄熱タンク１８２は、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場合の高熱容量流体（例えば、水）を単に循環するだけであるから、より大きなエネルギー貯蔵システムにとって管理可能なサイズとすることができる。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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、大きな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システムとの熱的統合は、電気や化石燃料のヒータの費用や寄生損失がなく、電池の動作効率を向上する。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、大きな経済的利益をもたらす。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稼働すると、最も効率的かつ経済的に稼働することができる。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し、ピーク電力需要の期間中に電池システムから引き出した電力を発電所の電気出力に増補することによって満たすことができる。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（即ち、１日２４時間一定の出力で）生成し、電気価格が最も高いピーク需要時に売ることができるから、経済的に有利になり得る。更なる経済的利点は、既存の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し、発電所を更に建設することなくピーク電力需要の増加に対応することによって得られる。エネルギー貯蔵容量を単に反応物質貯蔵タンクの数を増やしたりタンクを大きくしたり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とは、将来の需要を考慮したサイズのシステムに投資する必要がなく、従来の発電所にフロー電池貯蔵システムを追加するという経済的利点が得られることを意味する。
【０１０８】
地熱エネルギーもまた、反応物質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や反応物質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  熱は、地球の奥深くの地熱エネルギーから得られ、反応物質貯蔵タンク周囲の熱流体によって及び／又は電池スタック前後の熱交換器を通して搬送することができる。
【０１０９】
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、ある建物に使用される工業プロセスや太陽電池アレイ（ＰＶ又はＣＰＶ）からの低コストの廃熱源があるときは、その工業プロセスが行われる又は太陽電池アレイが設置されている建物内又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。このようにして、電池のエネルギー貯蔵容量が、ピーク電力需要を満たしたり、電力単価がより安いオフピーク中に電力を購入することができたりするように使用される一方、工業プロセスやオンサイトの電力又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。従って、もし工業プロセスが大量の電気を使用する場合、このプロセスをレドックスフロー電池システムと熱的及び電気的に統合すると、電力単価がより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する一方、このプロセスの電力需要を満たすことができる。このタイプの実施は、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、従って更にコストを削減できる。
【０１１０】
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を加熱する代わりに又はそれに加えて、反応物質タンクを加熱する場合に適用することができる。反応物質タンクを加熱することにより、反応物質流体がいつでもフロー電池で利用可能な動作温度に常に維持されるため、システムが、いかなる熱管理上の問題もなく非常に迅速に負荷変化に対応することができる。このアプローチは電池スタックアセンブリ内に熱交換要素を必要としないので、反応物質貯蔵タンクの加熱と絶縁のコスト及び複雑性は、このレドックスフロー電池スタックの設計簡素化というコスト優位性によって相殺されうる。更に、これらの代替的な実施形態を組み合わせることによって、例えば貯蔵タンクを加熱してスタック内に熱交換器を設置することによって、クリーンな、低コストで信頼できる熱をレドックスフロー電池に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。
【０１１１】
電池エネルギー貯蔵システム（ＢＥＳＳ）で使用するためのレドックスフロー電池システムの４つの更なる例のシステムの実施形態が、図１３Ａ〜１３Ｄに示される。これらの例の実施形態は、貯蔵した電力を別の用途に供給するためにどのようにして様々な電池システムコンポーネントをエネルギー生成システムに組み立てるかを説明するためのものである。
【０１１２】
図１３Ａに示される第１の例の実施形態では、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、電力系統の変動やサージの影響を全く受けない信頼性の高い直流（ＤＣ）電源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、従来の電力系統２０２から、風力タービンファームや太陽光発電パネルなどのオンサイト再生可能エネルギー源２０４から、及び／又は燃料電池３５２、プロパン発電機（図示せず）、天然ガスマイクロタービン（図示せず）、又はディーゼル発電機装置（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からの電力は、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専用に構成される。直流電力が第１の（充電用の）レドックスフロー電池スタック２１０へと供給されると、陽極液及び陰極液の反応物質がポンプ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。直流電力によって、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る陽極液反応物質及び陰極液反応物質の充電が引き起こされる（図４参照）。このような充電反応物質は、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として第１のレドックスフロー電池スタック２１０から出る。従って、電力は貯蔵タンク２１４、２１６内にＦｅ３＋とＣｒ２＋の電解液濃度として格納されている。
【０１１３】
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。貯蔵タンク２１４、２１６からの電解液は、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。
【０１１４】
第２レドックスフロー電池スタック２１２から流出した反応物質（排出流２２２及び２２４）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、出力電流が出力スパイクや出力低下なしに直流負荷に確実に追従することができるようになる。この配置は、電力系統、オンサイトの再生可能エネルギー発電機、又はオンサイトの分散型発電機からの電力の変動があっても、直流負荷２０６への送電を中断しないことを保障にする。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、大きな大幅に変動する負荷に関連付けられている電力の変動は、電力系統２０２及び他のエネルギー源から分離されたままである。これは、電力系統へのストレスを低減するので電力会社にとって有用であり、高額な電力需要料金を回避するので充電ステーションのオーナーにとっても有用である。レドックスフロー電池システムの固有の特性によって、充電スタックにおいてＶ１及び放電スタックにおいてＶ２を達成するために各スタック内で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、直流−直流変換を高い全システム効率で達成することもできるようになる。また、施設所有者は、粗利率を最大にするために最も低いコストの電気を選択するようにいつシステムを充電するべきかを選択することができる。
【０１１５】
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の電気効率は、反応物質を加熱して温度を、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。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内の熱交換器へ（フロー２３８に示すように）及び／又は反応物質貯蔵タンク２１４、２１６を加熱するために（フロー２４０に示すように）供給される。
【０１１６】
図１３Ａに示す実施形態は、電力系統２０２、オンサイト再生可能エネルギー源２０４又はオンサイト分散型発電機２０５のような入力電力の変動性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、小さな電解液反応物質タンク２１４、２１６を用いてもよい（例えば、電解液の熱膨張を受け入れるのに、及び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水されるときの電解液を保存するのに十分なタンク容量）。これは、反応物質が、放電されるのと同じ速度で充電されることができるためである。ただし、より大きな電解液反応物質タンク２１４、２１６を用いることにより、システムは入力電力（例えば、電力系統２０２からの）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もできる。
【０１１７】
図１３Ａに示すＦｅ／Ｃｒ系レドックスフロー電池システム２００の実施形態の特に魅力的な用途は、データセンターの電力アイソレータ／無停電電源装置としてである。データセンターは、特に高い品質の直流電力を必要とし、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でこのようなＵＰＳシステムを運用することを必要とする鉛酸蓄電池の正格子腐食及び硫酸化不全のメカニズムを悪化させる。鉛酸蓄電池の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、全体的なシステム効率を向上するためにデータセンターの廃熱を利用しつつ信頼性の高い電源装置を提供し、これにより鉛酸に基づくＵＰＳに比べて大幅な利点を提供することができる。
【０１１８】
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層に有するように構成され、各セル層内のセルは、触媒充填、触媒活性、温度、反応物質の質量輸送速度、及びセパレータ膜の選択性のような設計パラメータが、反応物質流路に沿った各セルに期待される電解液の濃度に一致するように構成されている。図１３Ａ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、充電用に設定されているので、充電触媒充填、充電触媒活性、温度、質量輸送速度、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後続のセルにおいて増加する。対照的に、第２のレドックスフロー電池スタック２１２は、放電用に設定されているので、流路の入口から出口に沿って後続のセルにおいて、放電触媒充填、放電触媒活性、温度、及び質量輸送速度は増加し、セパレータ膜の選択性は減少する。
【０１１９】
図１３Ｂに示される第２の例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要素を利用するが、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との間に設けられ、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との間に設けられる点で異なる。例えば、一組の放電ループポンプ２６０、２６２が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へと送り、一組の充電ループポンプ２６８、２７０が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。従って、電気の放電のためのシステムへの要求が放電ループ２５４に充電ループ２５２よりも高い電解液の質量輸送速度を要求する場合、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を動作させてシステムの充電を継続させることができる。従って、オフピークの夜の時間帯の間。充電ループ２５２は反応物にエネルギーを貯蔵するよう動作することができ、放電ループは必要に応じて断続的に負荷の要求を満たすために動作する。
【０１２０】
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、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た車両充電器２７２に出力電力２３４を供給する。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、レドックスフロー電池システムの負荷追従容量を利用する。電気自動車の充電は、一定のプロセスになるとは考えにくく、車が充電ステーションに到着したときにランダムに発生する傾向にあるため、大規模電力の断続的な要求は、電力系統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に対して受け入れられない需要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速を増加させるだけで電源を充電するという要求を満たすことができる。従って、充電ループ２５２が電力系統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及びその第２のレドックスフロー電池スタック２１２は電気自動車の再充電という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、電力系統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、車両の充電を中断したり、車両の蓄電池を損傷したりしないようにすることを保障にする。レドックスフロー電池システムの固有の特徴は、システム全体での高効率のＤＣ−ＤＣ変換を可能にし、更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、電気料金がより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。
【０１２１】
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、設計上、夫々充電と放電の機能のために構成されている。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、充電用に構成されているので、充電触媒充填、充電触媒活性、温度、質量輸送速度、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後続のセルにおいて増加する。対照的に、第２のレドックスフロー電池スタック２１２は、放電用に構成されているので、放電触媒充填、放電触媒活性、温度、質量輸送速度、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後続のセルにおいて減少する。
【０１２２】
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構成要素の多くを利用するが、一組の電解液ポンプ２６０、２６２によって１つ又は両方のループを介して電解液反応物質が送られるようにバルブ３０２、３０４を用いて充電ループ２５２及び放電ループ２５４を通じた電解液反応物質フローを制御する点で異なる。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。
【０１２３】
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、設計上、夫々充電と放電の機能のために構成されている。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、充電用に構成されているので、充電触媒充填、充電触媒活性、温度、質量輸送速度、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後続のセルにおいて増加する。対照的に、第２のレドックスフロー電池スタック２１２は、放電用に構成されているので、放電触媒充填、放電触媒活性、温度、質量輸送速度、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後続のセルにおいて減少する。
【０１２４】
図１３Ｄに示す第４の例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され、信頼性の高い負荷追従電力を電力系統や産業施設に供給するための燃料電池／レドックスフロー電池発電システム３５０を提供することができる。この実施形態は、図１３Ａを参照して上述した多くの構成要素を利用する。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換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、最も効率的に動作し、より長持ちする。しかし、一般的な電力系統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。従って、燃料電池は将来有望かつ効率的な代替電力源ではあるが、その特性は電力系統への利用には適していない。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、電力系統２０２や産業施設３５９の変動する需要を満たしつつ固定の電力レベルで燃料電池３５２から電力が受け取られるように、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できるようにすることによって、この燃料電池の制約を克服する。
【０１２５】
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。例えば、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に又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ことができるようにする。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からの電気出力は、第１のレドックスフロー電池スタック２１０に供給され、そこで電力は、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、電力系統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に供給することができる。インバータ３５８は当技術分野で公知のソリッド・ステート直流−交流インバータ又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を通る電解液の流れを、電力系統２０２の需要を満たす電気を生成するようにポンプ２２６、２２８の速度を調整することによって制御することができる。電力系統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。電力系統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。従って、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、電力系統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として使用され、併せて配置される産業施設負荷３５９のピーク需要に追従することができる。産業施設３５９のベース負荷需要は、電力系統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。
【０１２６】
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は夫々充電と放電の機能に関して構成されている。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、充電用に構成されているので、充電触媒充填、充電触媒活性、温度、質量輸送速度、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後続のセルにおいて増加する。対照的に、第２のレドックスフロー電池スタック２１２は、放電用に構成されているので、放電触媒充填、放電触媒活性、温度、質量輸送速度、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後続のセルにおいて減少する。
【０１２７】
図１４に示される更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、重力を用いて電池セルに反応物質を流すように構成され、これによりポンプの必要性が低減又は排除される。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、より単純であり、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に流れる。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、一対のタンク４１４、４１６に集められる。ここで示す例の実施形態は、４つの反応物質タンク４０４、４０６、４１４、４１６を含み、２つ（４０４、４１４）は陽極液反応物質用、２つ（４０６、４１６）は陰極液反応物質用である。レドックスフロー電池スタック４１０に流れる反応物質フローの制御やスロットル調整を可能にするためにオプションのバルブ４１８、４２０、４２４、４２２を含んでもよい。レドックスフロー電池スタック４１０及び４つの反応物質タンク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、４２２、４２４が開放されると、反応物質は重力により上部タンク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によって電解液の流速及び電解液の充電状態と一致する速度で消費される。ひとたび反応物に貯蔵されるエネルギーが補充されると、或いはシステムが放電するとき、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。従って、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向きによって決まる。
【０１２８】
図１４に示した実施形態の目標は動作と設計の単純さであるから、１つのレドックスフロー電池スタック４１０を充電と放電の両モードで使用するが、別々の電池スタックを使用することもできる。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、触媒充填、触媒活性、温度、反応物質の質量輸送速度、及びセパレータ膜の選択性を、充電及び放電モードの反応物質流路に沿った各独立したセルにおいて期待される電解液濃度に適合させるように構成される。具体的には、単一のレドックスフロー電池スタック４１０は、充電触媒充填、充電触媒活性、温度、質量輸送速度が変化し、その変化によっては半サイクル（充電又は放電）が最適化を必要とし、セパレータ膜選択性は電池スタックの一端から他端にかけて後続のセルにおいて増加するように、構成される。動作中、反応物質は、充電の場合は一方向に、放電の場合はその逆方向にレドックスフロー電池スタック４１０に流れる。
【０１２９】
更に図１４に示す実施形態の目標は動作と設計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、反応物質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。
【０１３０】
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、電力が電池スタックに印加される間、反応物質は重力により上部タンク４０４、４０６からレドックスフロー電池スタック４１０を介して下部タンク４１４、４１６へと流れる。レドックスフロー電池スタック４１０を介した反応物質の流れはスタックへと印加される充電電力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。従って、電力が充電に利用できない場合、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４は閉状態のままでもよく、フル充電電力未満の電力が利用可能な場合、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４を部分的に開状態とし、電池スタック４１０に計量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及びタンク４０４、４０６、４１４、４１６にはフロー誘導パイプを配管し、充電中、入口から出口に向かって触媒充填、触媒活性及び質量輸送は減少しセパレータ膜の選択性は増加する方向に反応物質が電池スタック流れるように構成される。
【０１３１】
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又は軸（図示せず）により支持されるシリンダ状の支持構造４０２内に統合され、このシステムが充電から放電モード又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ようにしてもよい。例えば、一実施形態において、１つ以上のローラー４３０、４３２は、電気駆動モータ（図示せず）、チェーン駆動機構（例えば、モータや自転車ペダルと接続されてもよい）、又は単純な手回しクランク４３４のような駆動機構を備え、シリンダ状の支持構造４０２を回転させることができるようにしてもよい。この動作は図１５Ｂに示され、閉状態のバルブ４１８、４２０、４２２、４２４とシリンダ状支持構造４０２がローラー４３２の１つに接続された手回しクランク４３４駆動機構の回転により、右回りに回転している様子が示されている。駆動機構としては、自転車に接続されたチェーン駆動装置や、電気又は内燃機関モータ、水車など、様々な機械的動力源を使用することができるので、図１５Ａ〜１５Ｃに例示した手回しクランク４３４は説明することを目的としているに過ぎない。
【０１３２】
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、システムが放電動作用の構成になり、タンク４１４及び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から発電するようにする。この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。従って、電力が必要とされない場合、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４は閉状態のままでもよく、フル充電電力未満の電力が必要とされる場合、バルブ４１８、４２０、４２２、４２４を部分的に開状態とし、電池スタック４１０に計量されたフローを提供してもよい。
【０１３３】
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による利益は数倍にもなる。第１に、この実施形態はシステムを完全に密閉することができるようにする。電解液タンクやパイプへ漏れ入った空気は、反応物質を酸化させて、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。従って、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、システムの往復効率を直接減少させる寄生損失源である。従って、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、往復効率を最大化する。第３に、電解液反応物質が酸性のため特別なポンプやポンプ材料を必要とするので、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質と接触しないため、人間の力を含む低価格で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動く部品がないため静かである。
【０１３４】
制御バルブ４１８、４２０、４２２、４２４は回転機構を別にすれば唯一の可動機械的部品である。システムは、充電及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回のサイクル中に放電すると、電池スタック４１０に電力を加えることなくシステムを１８０°回転させ放電のための適正なタンクへと反応物質を戻し、その後システムを更に１８０°回転させて放電プロセスを再開することによって２回目の放電を行うと有益である。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、反応物質に貯蔵されるより多くの電力を生成する。同様に、システムは、同様のプロセスでサイクル充電することができる。更に、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。
【０１３５】
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の単純さは、Ｆｅ／Ｃｒ系電解液反応物質の安全性とともに、本実施形態のシステムを小規模電力貯蔵用途に理想的なものとしている。例えば、本実施形態は、太陽光発電アレイ及び／又は風力タービン発電機を発電に使用する電力系統の範囲外の人里離れた町及び村のような遠隔電源用途での使用に理想的に適している。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、人里離れた町及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つ又は２つのシステムを遠隔の電気自動車充電ステーションにおいて使用して、充電の必要がある自動車がない場合には電力系統の電力又はローカルの再生可能エネルギー源を使用してシステムを充電し、必要な場合には貯蔵システムを回転させて自動車を再充電するための電力を提供するようにしてもよい。
【０１３６】
更に、本実施形態のシステムを標準サイズの運送用コンテナの内部に収まる大きさにすることができる。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、運送用コンテナ内部で安全に作動させることができ、迅速に配備されるようシステムをパッケージ化することを可能にする。輸送のため、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、輸送のためにシステムの重量を大きく減らすことができる。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、そのような配備可能なエネルギー貯蔵システムは、ハリケーン上陸地や地震の震源地のような自然災害地に設置され、信頼性の高い電力供給設備が回復するまで非常用電力を提供するのを支援することができる。
【０１３７】
図１４及び１５Ａ〜１５Ｃは支持構造４０２内にタンク４０４、４０６、４１４、４１６と固定配管が完全に一体化した電池スタック４１０を示す。しかし、他の実施形態において、タンク４０４、４０６、４１４、４１６を電池スタック４１０から分離させ、タンクを回転させて静止したままの電池スタック４１０に対して所望の重力送りを実現するようにしてもよい。この代替的実施形態は容易にタンク／貯蔵容量を追加することができる能力の点でより柔軟である。この代替的実施形態は柔軟性のあるパイプを必要とするか、漏液なく回転に順応する流体継手を含む。
【０１３８】
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、反応物質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及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小孔性材料で作成される。この微小孔性材料は、約０．８ｏｈｍ−ｃｍ２の面積固有抵抗を示し、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乃至約５ミクロンの膜孔隙率を備えたメルトブロー材料を用いているが、この材料は約０．５ｏｈｍ−ｃｍ２の面積固有抵抗を示し、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、放電モードではスタック出口に、充電モードではスタック入口に隣接するセルで使用するのに適しており、約１５乃至約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の面積固有抵抗を示し、約１２，０００μｇのＦｅ／ｈｒ−ｃｍ／Ｍの反応物選択性を有する。
【０１３９】
更に、３セル構成の代表的なスタック設計パラメータ及び性能特性が、以下の表１に示される。値はすべて近似である。
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【０１４０】
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構成を使用してもよい。１つの単純な実施形態においては、図１に示すように各電解液を貯蔵するために１つのタンクを使用してもよい。この構成により、タンクの数を減らし、充電モードから放電モード（及びその逆）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。
【０１４１】
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、夫々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（即ち、夫々が充電した陽極液、放電した陽極液、充電した陰極液、放電した陰極液用に）、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。
【０１４２】
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、充電した電解液と放電した電解液の混合を最小化する電解液貯蔵タンクを用いて構成される。そのようなシステムでは、電解液貯蔵タンク２６、２８及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の各々からポンプによって送給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へ充電した電解液の濃度を下げることなく戻されるようにする。本実施形態では、電解液タンク２６、２８は夫々充電した反応物質５０４、５１４及び放電した反応物質５０６、５１６の両方を貯蔵し、夫々のタンクがタンクセパレータ５０２、５１２を有し、充電した電解液５０４、５１４と放電した電解液５０６、５１６の混合を防止するか少なくとも抑制する。本実施形態は、システム効率を向上する一方でシステムにおいて必要な電解液貯蔵タンクの数を減らす。
【０１４３】
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に与えられる充電した電解液５０４、５１４と電解液タンク２６、２８へと戻される放電した電解液５０６、５１６とが混合するのを抑制する。これにより、充電した電解液の稀釈を防ぎ、放電サイクルを通して充電した電解液の濃度を一定のレベルに保ち、それによって電池セルの電位を一定に保つ。混合が生じた場合、電解液タンク２６、２８内の電解液濃度は、放電した電解液５０６、５１６がタンクに戻されてゆくにつれ徐々に減少する。図１８は、線５５０で示す充電した電解液と放電した電解液が分離した状態を維持する場合のセル電圧に対する経時的な影響と比較して、線５５２で示す充電した電解液と放電した電解液が混合できる場合のセル電圧に対する経時的な影響を示す。タンクセパレータ５０２、５１２を含むことによって、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夫々に対して１つの電解液タンクを用いることができる。これにより、余分な一組のタンクに生じるコストを節約することができる。更に、充電又は放電の間、より一定に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に出入りする電気のＤＣ−ＤＣ、ＤＣ−ＡＣ、又はＡＣ−ＤＣ変換効率が、充電した電解液と放電した電解液との混合が発生する設計と比べてより高くなる。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、充電した電解液と放電した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より一定に保たれることとなる。
【０１４４】
図１８は電池の放電電位への影響を示しているが、充電サイクル中に充電した電極液が放電した電極液と混合できるようにした場合、システム効率に対しても同様の影響が生じる。従って、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した電解液と放電した電解液の混合を防止又は減少するよう機能し、より低いシステムコスト、より一定の電力出力、及びより高い直流効率につながる。
【０１４５】
タンクセパレータの実施形態は２つの形態の可動タンクセパレータの設計を含む。つまり、セパレータを通って電解液が流れることができるように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〜１９Ｆ及び２０Ａ〜２０Ｆを参照して以下で示される。
【０１４６】
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、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、タンクセパレータの上下の流体の混合を許可するように開かれることができるフロー通路を含む。タンクセパレータ５０２は例えば、酸性の電解質流体より低密度で、その酸性の電解質流体による腐食に強いポリプロピレン又はポリエチレン材料から作られてもよい。（図１９Ａ〜１９Ｆに示すように）タンクセパレータ５０２は、ルーバー５０３のような、閉じることができる開口、バルブアレイ、又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などのバルブ機構を含む。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の上部へと浮かぶことができるようになる。図１９Ａ〜１９Ｆで示される一例の実施形態では、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はスラット装置であってもよく、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。他の例の実施形態では、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。
【０１４７】
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が完全に閉じた形状のタンクセパレータ５０２が電解液５０４の液面に浮かんだ状態の電解液タンク２６を示す。この形状は、充電又は放電のサイクルの開始を示す。
【０１４８】
充電又は放電のサイクル中に、最初の（充電又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は充電又は放電サイクルの途中の電解液タンク２６及びタンクセパレータ５０２の構成を示し、入ってくる電解液５０６はタンクセパレータ５０２の上部の電解液タンク２６に送られ、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の下から取り出されている（フロー３４）。図１９Ｂで示されるように、タンクセパレータ５０２は、最初（充電又は放電のいずれか）の状態での電解液５０４と入ってくる（充電又は放電のいずれか）電解液５０６との混合を抑制する。
【０１４９】
図１９Ｃでは、充電又は放電のサイクルの終了間近で生じるであろうタンクセパレータ５０２が電解液タンク２６の底部に接近した状態の充電又は放電サイクルの一過程を示す。この時点では、タンクセパレータ５０２中のルーバー５０３は閉じたままであり、充電した電解液と放電した電解液５０４、５０６を別々に保持する。
【０１５０】
図１９Ｄは、充電又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の上方の電解液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を電気的性能の損失を起こすことなく移動させることができる。図１９Ｄは、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一実施形態を示すが、他の実施形態では、パネルをスライドさせてタンクセパレータ５０２を貫通する孔を露出させることによって、又はバルブを開放させてセパレータ構造を貫通するパイプを流体が通過できるようにすることによって流体がセパレータを通過できるようにしてもよい。
【０１５１】
タンクセパレータ５０２は浮力があるので、ルーバー５０３（又は他のバルブ構造）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ことができる。これは図１９Ｅに示され、電解液５０６が開かれたルーバー５０３を通過するにつれて浮かび上がりながら電解液タンク２６の上部へ戻るタンクセパレータ５０２が示されている。タンクセパレータ５０２は上部へ単に浮かぶだけでもよいが、タンクセパレータ５０２が上部まで戻るのを支援するために電磁継手を提供してもよい。
【０１５２】
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（充電又は放電のいずれか）を開始することができる。
【０１５３】
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部駆動装置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又は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に対してメンテナンスを行なうことを困難にする。従って、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。
【０１５４】
或いは、バルブ機構又はルーバー５０３は、タンク２６内のタンクセパレータ５０２の位置によって起動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、流体表面に浮かんだときに、ルーバーをラッチ係止する浮揚性レバーのような構造表面が閉じたときに閉まるように構成されてもよく、ラッチ解放機構のような構造体の一部がタンクの底部に接触すると開くように構成されてもよい。
【０１５５】
代替的な一実施形態においては、タンクセパレータ６０２は図２０Ａ−２０Ｆで示されるように垂直方向に立てられ、水平方向に長く配置された電解液タンク６００を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はルーバー又はバルブ構造を含んでおらず、その代りに、両側の流体の混合を常に抑制するように構成される。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たに充電した電解液６０４がレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０から垂直タンクセパレータ６０２の片側の電解液タンク６００へと送られ、放電した電解液６０６は電解液タンク６００を出て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。図２０Ｂに示すように、垂直タンクセパレータ６０２は充電した電解液６０４と放電した電解液６０６とが混合するのを抑制する。図２０Ｃは、垂直タンクセパレータ６０２が電解液タンク６００の右の端に近づいている、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。
【０１５６】
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で示されるように電解液タンク６００の長さ方向に沿って戻る。従って、レドックスフロー電池システムが放電される、例えば、垂直タンクセパレータ６０２は逆方向へと電解液タンク６００を横断する。
【０１５７】
いつでも、充電から放電、放電から充電へと切り替えるためにレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通るフローを反転させることができる。従って、図２０Ｆで示されるように、電池が完全放電される前に、例えばエネルギーの貯蔵に戻るように、放電した電解液６０６を電解液タンク６００からレドックスフロー電池スタックアセンブリ１０を通って垂直タンクセパレータ６０２の反対側の電解液タンク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。
【０１５８】
図２０Ａ−２０Ｆで示された実施形態では、垂直タンクセパレータ６０２は、充電した電解液と放電した電解液を別々に保持して稀釈を防ぐ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を通るフローの方向によって制御されるので、外部制御を必要としない。従って、垂直タンクセパレータ６０２は、吊り下げられた、又は電解液タンク６００中を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。
【０１５９】
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にほとんど影響しないため、タンクセパレータ５０２、６０２と電解液タンク２６、６００の間の封止は、特別に漏出防止仕様である必要はない。また、多少の漏出は、望ましくはないものの、フロー電池システム全体の効率をわずかに減少させる以外にはシステムに害を与えるものではない。
【０１６０】
タンクセパレータは電解液充電状態であるときタンクから抽出され、電解液が放電状態であるときタンクへ再注入されることにより移動するので、タンクセパレータの位置は充電状態のインジケータとして機能することができる。ＲＦＩＤチップや大きな一片の金属のような、パッシブ又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チップや金属片を使用して信号の強さを高め、且つ／又は冗長性を提供することができる。
【０１６１】
図１７、１９及び２０において説明した水平又は垂直タンクの実施形態を図１３Ａ、１３Ｂ、１３Ｃ及び１３Ｄを参照して上述されたシステム設計において使用してシステム内に予備電源能力を付与することができる。
【０１６２】
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、更に電力システムの予備電源能力を提供する。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停止したりした場合、放電スタック２１２からの放電した電解液は、充電スタック２１０を迂回して、タンクセパレータ後方の（図１７、図１９、及び図２０に示すように）タンクの後部内に充電した電解液を導く配管路を下るように、三方弁（図示せず）によって誘導され得る。放電スタックに供給する充電した電解液は、タンク２１４、２１８の前部から、即ちタンクセパレータの前方から抽出されてもよい。
【０１６３】
他の設計アプローチを使用して、充電した電解液と放電した電解液を別々に保持してもよい。最初の代替アプローチでは、各電解液の各タンク内にブラダーを設けることができる。ブラダーは、タンクに対して密閉され、適宜充電した電解液及び放電した電解液の全体積を収容できる大きさにする。放電した電解液は、タンクのブラダー部に送られ、ブラダーは、放電した電解液が、タンクのブラダー部以外の部分に含まれた充電した電解液との混合を防ぐ。タンク内ブラダーの使用は、可動部に対して封止部がトレードオフの関係にある図１９及び図２０を参照して上述した可動パーティションの実施形態と類似である。
【０１６４】
第２の代替アプローチでは、各電解液に対して、合計で電解液の体積よりも大きい体積を有する一連のタンクが使用される。ある電解液用の複数のタンクは、放電した電解液及び充電した電解液が電池システムの各半サイクル中にタンクに分配されるようにレドックスフロー電池スタックアセンブリに接続される。この「Ｎ＋ｌ」配置により、更なる配管、バルブ及び制御複雑性のトレードオフを伴う可動パーティション又は封止部を設ける必要がなくなる。
【０１６５】
他の代替的設計においては、放電状態で、Ｆｅ／Ｃｒ系混合反応物質システムでの２つの電解液が、同一の化学成分を有するという事実を利用する。従って、完全放電（即ち、ゼロ充電状態）へ向かう充電状態の範囲で動作するよう設計されたシステムにおいて、スリータンクシステムが使われてもよく、このシステムでは第１のタンクは充電した陽極液を保持し、第２のタンクは充電した陰極液を保持し、第３のより大きなタンクでは、混合された放電した電解液が保持される。更に別の設計においては、１つのタンクを少なくとも陽極液と陰極液の双方の体積を保持する大きさにしてもよい。更なるアプローチでは、１つのタンクが、タンクの中間から２つの端部へと移動する２つのパーティションを内部に含んでもよい。この代替案では、充電した陽極液がタンクの中／外へタンクの一端から送られ、充電した陰極液がタンクの中／外へ他端から送られ、放電した陽極液及び陰極液はタンクの中／外へ中間から送られる。放電した陽極液が内部区画を満たすとともに、その拡大する体積がパーティションを各端部に向かって押圧し、充電電解液の減少する体積減少を補償する。更なる代替案では、１つのタンク内に３つの別々の体積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。
【０１６６】
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、建物の内部に独立していたり、屋外に独立していたり、地下室内に設置されたり、埋設されたりすることができる。更に、タンクは、標準の運送用コンテナの大きさにちょうど収ま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、きちんと密閉された場合、コンテナの外表面が電解液の二次漏出防止機能を果たすことができる。
【０１６７】
上述した電解液タンクをコンテナに詰めることによってオンサイトで建設されるタンクやオンサイトで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備することができるようになる。また、スタック、レドックスフロー電池制御システム及び電力調整システムを標準の運送用コンテナの内部にパッケージ化することで、鉄道及び／又はトレーラートラックによって容易に輸送されることができ比較的小さなオンサイト作業によって配備することができる全システム構成を作成することができる。従って、コンテナ化したレドックスフロー電池システムによって、電力系統又は他の電源に接続するだけでよい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設計によって、目的地まで容易に輸送し容易に設置することができ、また、電池システムが短期間又は長期間アイドリングしているときの電解液の流れ及びスタックからの全体又は一部排液の制御を容易にしたエネルギー貯蔵システムが得られる。
【０１６８】
更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。一構成において、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容する電解液タンク２６、２８を使用して、電気スイッチ４４を用いることにより短期間の充電モードと放電モードとの間での迅速な切り替えを可能にしてもよい。このような動作を可能にするために放電よりも充電を優先させるなど、設計パラメータにおいて妥協があるかもしれないが、このような実施形態は、単にスタックと充電電力源４５や負荷４６との間のコネクタを（例えばスイッチ４４）を介して電気的に切替えることによって充電から放電へ又は放電から充電へと非常に迅速に切り替えることができる。レドックスフロー電池スタックアセンブリの反応物質フローを一方向に維持することにより、反応物質フローを反転させることに関するモードの切り替えの遅れを回避することができる。代替的な構成においては、（例えば、図１４を参照して上述した）複数のタンク又は（例えば、図１７乃至図１９Ｅを参照して上述した）セパレータタンクは、充電又は放電された電解液（運転モードによる）をレドックスフロー電池スタックアセンブリにおいて一方向に流すように構成されたバルブ、ポンプ及び配管と共に、本実施形態で使用されてもよい。
【０１６９】
実施形態によっては、レドックスフロー電池システムが特定の充電及び／又は充電用途にカスタマイズされた構成要素を備えることが、望ましい場合もある。以下の段落では、充電機能が放電機能と分離している全液レドックスフロー電池システムを構築するモジュール的方法を提供する。更に、各スタックアセンブリは、電源又は負荷の種類に合わせて構成することができる。例えば、一部の実施形態では、システム構成要素が断続的又は非常に変化し易い電源又は負荷に合わせて構成される。また別の実施形態では、システム構成要素が低電圧、定電力、又は変化の非常に小さい電源又は負荷に合わせて構成される。
【０１７０】
本書において使用されているように、「フロー電池スタックアセンブリ」又は「スタックアセンブリ」という用語は、システム要件に応じて電気エネルギーを化学エネルギーに変換及び／又はその逆を行うために、任意の方向に互いに電気的に且つ水力学的に接続された任意数の電気化学反応セルの集合体を指す。
【０１７１】
以下の記述のため、充電電池スタックアセンブリは電源の変動率に合わせて構成されてもよく、放電バッテリスタックアセンブリは負荷の変動性に合わせて構成されてもよい。図２１は、電源及び負荷の変動性を２つのレベル、つまり“低変動性”及び“高変動性”に単純化した、考え得る順列の２×２マトリクスを示す。図２１は、４つの図示のスタックタイプ夫々に適した電源及び負荷の例もいくつか示している。当業者であれば、電源又は負荷の変動率は、連続的範囲であり、その他の多くの要素を含むことが分かる。電力変動性は、電力の大きさ、電圧、電流、位相、力率及び周波数を含む、幾つかある方法のうちの何れによって表わされてもよい。
【０１７２】
図２１に示すように、タイプ１〜４に分類された４つのスタックタイプは、（１）高変動性電源からの充電、（２）高変動性負荷への放電、（３）低変動性電源からの充電、及び（４）低変動性負荷への放電に合わせて構成されている。
【０１７３】
このように、実施形態によっては、フロー電池システムは、少なくとも１つの充電スタックアセンブリを少なくとも１つの放電スタックアセンブリと組み合わせることによって構築され、充電スタックアセンブリと放電スタックアセンブリの一方又は両方が、電源又は負荷の特定の電力変動率に合わせて構成される。このような実施形態では、電解液は、１つ以上の充電電源の条件に合わせて構成されたある特性を有するスタックから充電され、１つ以上の負荷の条件に合わせて構成された異なる特性を有するスタックから放電される。特定の条件に関してスタックアセンブリを最適化する際に考慮すべきスタックアセンブリの特性は、特に以下の特徴、つまり、合計電力、動作電圧、動作電圧範囲、動作電流、動作温度、電解液流速、セル電流効率（ｃｅｌｌ  ｖｏｌｔａｉｃ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ）、セルクーロン力効率、分流、スタンバイ時間、応答時間、ランプ速度、及び充電／放電サイクル周波数及びターンダウン比を含む。
【０１７４】
多くの実施形態では、主に充電半サイクル又は放電半サイクル中の性能を改善させるためのスタックアセンブリを含むことは、期待される動作条件下で選択した半サイクルの所望の効率を達成するためにセルの構成要素と動作パラメータを構成することを伴う。例えば、実施形態によっては、充電又は放電を優先させて構成すべきセル特性は、数ある要素の中でも特に以下の特徴、つまり、動作温度、チャンバ容積、質量輸送速度、触媒充填、触媒活性、電極設計（例えば、フロースルー対フローバイ）、電極孔隙率、電極フェルト導電率、電極フェルト／バイポーラプレート境界、電解液フローディストリビュータ、分流チャネル寸法、及びセパレータ膜選択性を含む。
【０１７５】
上述したように、レドックスフロー電池スタックアセンブリは、セルにおける電解液の期待される充電状態にも係る可能性のあるカスケード流路に沿った夫々の位置に応じてセル特性が構成された工学的カスケード構成の複数のセルを含んでもよい。以下の記述のため、このようなシステムを工学的カスケード型レドックスフロー電池スタックアセンブリと呼ぶ。類似の構成を有し、カスケード型レドックスフロー電池スタックアセンブリ内の類似の電解液充電状態にさらされる１つ以上のセルの群又はブロックを、本書では“ステージアセンブリ”又は単に“ステージ”を呼ぶ。このように、カスケード型レドックスフロー電池スタックアセンブリは、水力学的直列（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｓｅｒｉｅｓ）に連結された２つ以上のステージを含んでもよい。
【０１７６】
（とりわけ）図１３Ａを参照して上で議論したように、工学的レドックスフロー電池スタックアセンブリは、主に又は専ら、充電又は放電反応のいずれかに合わせて構成されることができる。例えば、実施形態によっては、工学的レドックスフロー電池スタックアセンブリ２１０は、充電触媒充填、充電触媒活性、動作温度、質量輸送速度、及びセパレータ膜選択性が、流路に沿って入口から出口に向かって後続のセルにおいて増加する反応物質の充電状態とともに増加するように、主に又は専ら、充電反応に合わせて構成されることができる。逆に、レドックスフロー電池スタック２１２は、流路に沿って入口から出口に向かって後続のセルにおいて、充電触媒充填、充電触媒活性、動作温度、及び質量輸送速度が増加し、セパレータ膜選択性が減少するように、放電に合わせて構成されてもよい。
【０１７７】
多くのフロー電池で用いられる還元／酸化反応は、液体電解質の反応効率と温度の間に大きな相関関係を示す。例えば、Ｆｅ／Ｃｒレドックスフロー電池では、最適効率の動作温度が電解液の充電状態とは逆に変化する。液体電解質の温度は、フロー電池システムにおける様々なポイントで一方又は両方の電解液を加熱及び／又は冷却することによって制御されてもよい。フロー電池システムにおける電解液の熱制御の例については幾つか上記に示している。従って、主に充電反応又は放電反応に合わせて構成されたフロー電池スタックアセンブリは、電解液の設計上の組み合わせ及び充電状態範囲に最適な効率の温度にかなり近い動作温度に電解液を加熱又は冷却するように構成されてもよい。
【０１７８】
電力変動性が高い状態と低い状態とで高性能を発揮するようにフロー電池スタックアセンブリを構成することは、設計要素のトレードオフを伴う。例えば、期待される電力変動率が小さいシステムの場合、スタックアセンブリは、狭い動作条件範囲で高い動作効率となるように構成されてもよい（例えば、負荷及び／又は電源の電圧及び／又は電流の経時的な変化が小さいことが予想される）。このような低変動性システムは、設計した動作範囲内では非常に効率的に動作するが、この設計範囲外での動作条件では非常に非効率的にしか動作できない。或いは、もっと広い動作条件範囲において、システムを平均的により高い効率でシステムを動作させようとする場合は（例えば、負荷及び／又は電源の電圧及び／又は電流において大きな変動が予想される場合は）、もっと低い動作効率（最適な条件下であっても）を受け容れざるを得ない場合もある。
【０１７９】
従って、変動性のある電源又は負荷用のスタックアセンブリの設計では、電源又は負荷の電力の変動への許容誤差を上げるために、又はその他の運転条件のために、高度なシステム効率が犠牲になるかもしれない。このような変動に対するフロー電池スタックの許容範囲を拡大させるために、以下の特性、つまり、相対的に速い応答時間、相対的に高いランプ速度、相対的に大きいターンダウン比、広い動作電圧範囲、広い動作電流範囲、及び広い動作温度範囲が、望ましい場合がある。代替的実施形態では、非常に変わりやすい電源又は負荷に合わせて構成されたスタックアセンブリは、相対的に高いサイクル周波数を有するスタックアセンブリと定義されてもよい。サイクル周波数とは、単位時間当たりの電源投入／電源切断サイクル回数を指し、「電源投入」とは低電力又はスタンバイ状態から所望の出力レベルへの変化を指し、「電源切断」とは所望の電源出力レベルから低電力、スタンバイ、又はゼロ電力状態への減少を指す。
【０１８０】
変動性の小さな電源又は負荷に合わせてスタックアセンブリを設計する場合には、スタックアセンブリは、狭い範囲の予想されるスタンバイ状態条件内で相対的に高い効率で動作するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、このようなシステムは、相対的に遅い応答時間、相対的に低いランプ速度、相対的に小さなターンダウン比、及び相対的に狭い動作電圧範囲を有してもよい。
【０１８１】
応答時間とは、スタックアセンブリがある出力状態から別の出力状態へ変化するのに要する時間を指す。実施形態によっては、応答時間は、シャットダウン状態から全出力状態への移行に要する時間と定義されてもよい。代替的実施形態では、スタックアセンブリの応答時間は、出力低下状態から全出力に到達するまでの時間、又は全出力から出力低下状態までの時間と定義されてもよい。更なる実施形態では、スタックアセンブリの応答時間は、スタンバイ状態から全出力に到達するまでの時間と定義されてもよい。ランプ速度は、経時的な電力（又はその他の動作変数）の変化速度と定義されてもよい。従って、相対的に高いランプ速度は、相対的に短い応答時間と相関する。
【０１８２】
レドックスフロー電池スタックアセンブリは、スタンバイ状態においてかなり長い時間を費やすように構成されてもよい。実施形態によっては、スタンバイ状態は、スタックアセンブリが少量の電力を貯蔵又は供給しているか、全く電力を貯蔵又は供給していないが、スタックアセンブリが短時間で所望の電力レベルに到達することができる低電力又は無電力状態と、定義されてもよい。例えば、実施形態によっては、レドックスフロー電池スタックアセンブリは、効率的な電気化学反応が起きるには速すぎる又は遅すぎる速度であるが動作流速への迅速な適応を可能にする速度で電解液が反応セルを循環するスタンバイ状態をとるように、構成されてもよい。このようなスタンバイ状態は、ある動作条件に到達するまでの時間が代替的実施形態と比べて大幅に減少するので、変動性の高い負荷又は電源に合わせて設計されたスタックアセンブリには望ましい。代替的な実施形態では、スタンバイ状態は、セルから電解液が排出され、非反応流体のみを含む状態とされてもよい。このようなスタンバイ状態は、スタンバイ状態で費やされる時間がより予測しやすくより変化の少ない、あまり変化しない電源又は負荷に合わせて設計されたスタックアセンブリに、望ましいかも知れない。
【０１８３】
フロー電池スタックアセンブリのターンダウン比は、最大流体流速と最小流体流速との相対的な大きさを示す無次元数である。例えば、毎分１００リットルの最大電解液流速と毎分５０リットルの最小電解液流速との間で動作するように構成されたフロー電池のターンダウン比は、２：１である。
【０１８４】
実施形態によっては、フロー電池スタックアセンブリの合計電力は、特定の用途の要求に対応するように構成されてもよい。例えば、変動性の大きい電源又は負荷に合わせて設計されたスタックアセンブリは、電源又は負荷が生成又は消費すると予想される電力範囲に基づいて、広い合計電力範囲で充電又は放電するように構成されてもよい。或いは、あまり変化しない電源又は負荷に合わせて設計されたスタックアセンブリは、スタックアセンブリへ供給される又はスタックアセンブリから引き出される合計電力の範囲を制限することによって、より効率的に動作することができる。
【０１８５】
合計電力とは、スタックアセンブリが生成可能な合計電力を指す。電力は、電流を乗じた電圧の積として表わされてもよい。１つの電気化学反応セルによって生成される電圧は、採用されている電気化学反応によって異なる。従って、複数のセルを電気的に直列に結合又は電気的に接続して、所望のスタック又はシステム電圧を生成してもよい。実施形態によっては、セルを結合してブロックにし、各ブロックが所望の電圧を生成するようにしてもよい。セルブロックは、更に、所望のスタック電圧を実現するために電気的に直列に結合されてもよい。
【０１８６】
実施形態によっては、レドックス反応における非効率性によって、レドックス反応が不完全な可逆となるようにしてもよい。その結果、例えば、１００ｋＷの電力を消費しながら１００％のＳＯＣに充電された電解液は、放電中に１００ｋＷをわずかに下回る電力を生成する。多くの実施形態では、この差がＰＣＳ及びＢＭＳ制御システムによって（より詳細に後述されるように）管理される。実施形態によっては、充電と放電が別々のスタックアセンブリを設けることによって、充電電力と放電電力の差をスタックアセンブリ自体に組み込むことができる。
【０１８７】
図２２Ａ及び２２Ｂは、合計動作電力は同一であるが合計動作電流及び電圧が異なるスタックアセンブリの２つの実施形態を示す。図２２Ｂは、複数の行及び列を形成するように結合された複数のセルブロック１００２によって構成されたスタックアセンブリの一例を示す。実施形態によっては、図２２Ａに示すスタックは、専ら充電スタックとして使用されるように構成され、図２２Ｂのスタックは専ら放電スタックとして使用されるように構成されてもよい。この実施形態において、各行におけるセルブロックは、各行を残りの行と電気的に並列に接続しつつ、互いに電気的に直列に接続されてもよい。実施形態によっては、各セルブロック１００２は、電源から約３００アンペアで約１００ボルトを受信するように構成されてもよく、このようなセルブロック６つからなる群で約１８０ｋＷの合計充電電力を受容してもよい。
【０１８８】
電気化学反応セルを通る電流は、セルの合計有効面積（ａｃｔｉｖｅ  ａｒｅａ）の関数として表わされてもよい。セルの有効面積は、セパレータ膜と多孔性電極の間の境界面積（即ち、電気化学反応が発生する面積）として定義されてもよい。有効面積の増加によって、ある程度まで増加した電流を生じる。従って、実施形態によっては、個々のセルの大きさを変化させることなく複数のセル又はセルブロックを電気的に並列に接続することによってスタックアセンブリの電流を増加してもよい。これは、合計有効面積を増加させ、それにより、スタック電圧を増加させることなく合計スタック電力を増加させるという効果を有してもよい。工学的カスケード型レドックスフロー電池スタックアセンブリ内の１つ以上のステージアセンブリにてこのように合計有効面積を増加させることで、性能を向上させることができる。
【０１８９】
従って、実施形態によっては、電気化学反応セル（様々な組み合わせの並列及び直列接続における）の数及び／又は反応セルの大きさを変えることによって、スタックアセンブリによって受信される又は生成される合計電力を変化させてもよい。実施形態によっては、スタックアセンブリの配置を物理的に変えずにセルブロックを電気的且つ／又は水力学的に接続且つ／又は切断することによってスタックアセンブリの合計電力を変化させてもよい。実施形態によっては、このような水力学的且つ／又は電気的追加且つ／又は削減は、電子制御システムによって自動的に制御されてもよい。
【０１９０】
フロー電池システムの動作電圧は、スタックアセンブリが充電又は放電されるときの電圧を指す。上述したような工学的カスケード型レドックスフロー電池の実施形態によっては、一定の出力電圧で動作してもよい。このような実施形態では、電気的に直列に接続された電気化学反応セルの数を変えることによって工学的カスケード型レドックスフロー電池スタックアセンブリの動作電圧を変えてもよい。ツータンク再循環式フロー電池システムなどの他の実施形態では、動作電圧は電気的に直列に接続されたセルの数に加えて、電解液の充電状態（及び／又はその他の要素）に応じて変化してもよい。実施形態によっては、このようなセルブロックの水力学的及び／又は電気的追加及び／又は削減は、電子制御システムによって自動的に制御されてもよい。代替的な実施形態では、スタックアセンブリの電気抵抗を変化させることによってスタックアセンブリの動作電圧を変化させてもよい。このような電気抵抗の変化は、１つ以上のセルブロックと直列の電気抵抗器を追加又は除去することによって実現させてもよい。
【０１９１】
フロー電池スタックアセンブリの動作電圧範囲は、フロー電池スタックアセンブリが動作するときの最小電圧から最大電圧までの範囲を指す。動作電圧の範囲は、所望の最大電圧能力によって構成されたスタックアセンブリを設け、上述したような動作電圧を選択的に減少させるように構成された制御システムを設けることによって、変えられ得る。
【０１９２】
実施形態によっては、レドックスフロー電池スタックアセンブリは、カスケード方向に配列した複数のセル又はステージを含んでもよい。実施形態によっては、スタックアセンブリは、セル特性がカスケード流路に沿って期待される電解液の充電状態に応じて構成された、上述したような工学的カスケード配列を含んでもよい。工学的カスケード型システムの更なる例は、本明細書に参照により組み込まれる「カスケードレドックスフロー電池システム」という発明名称の継続中の米国特許出願番号１２／９８６，８９２号（弁護士事務所管理番号１３６１〜００３ＣＰ）に記載され説明されている。
【０１９３】
工学的カスケード型スタックアセンブリは、電解液の１回の通過において（即ち、２回以上電解液にスタックアセンブリを循環させることなく）完全な充電及び／又は放電反応（即ち、０％のＳＯＣから１００％のＳＯＣへ又はその逆）又は充電及び／又は放電反応の所望の部分（例えば、１０％のＳＯＣと９０％のＳＯＣの間や１０％のＳＯＣと５０％の間）を実行するように、構成されてもよい。このようなシングルパススタックアセンブリは、幾つかの理由により、複数独立スタックシステムに利点をもたらす。例えば、充電又は放電中のスタックアセンブリに入る又はそこから出る電解液は、既知の充電状態にあるので、故システム出力の制御を単純化できる。更に、貯蔵タンクの電解液の充電状態が分るため、全体的なシステムの充電状態は、単に機械的手段（例えば、充電した及び放電したタンク又は分割したタンクの各区画における電解液のレベル）を介して判定することができる。更に、工学的カスケード型スタックアセンブリを有するシステムは、充電反応と放電反応の両方に関して極めて安定した電圧で動作することによって、制御及び電力変換のコスト及び複雑さを単純化できる。
【０１９４】
多数のステージを有する工学的カスケード型フロー電池スタックは、相対的に、一定の（即ちあまり変化しない）電源及び負荷に対して、非常に効率的な動作をもたらす。実施形態によっては、４つ以上のカスケードステージがあれば、かなり多数のカスケードステージがあるとみなされる。他の実施形態では、３つ以上のカスケードステージでも、多数とみなされる。しかし、多数のカスケードステージを有するスタックアセンブリは、全ステージが安定状態に達するのに必要な時間が増加するため、電源又は負荷の変化に対する応答も相対的に遅くなる。従って、工学的カスケード型スタックアセンブリにおけるステージ数は、電源又は負荷電力の変動性に反比例する。
【０１９５】
実施形態によっては、工学的カスケード型スタックアセンブリは、１つ以上のステージを選択的に非活性化させることによって、有効なステージの数を変えられるように構成されてもよい。有効なステージとは、スタックアセンブリの動作中に、電解液が（水力学的に）流れ電流が（電気的に）流れるステージである。１つのステージへの電解液及び／又は電流の流れを遮断することによって、このステージを有効化することができる。これにより、更に柔軟な動作が可能になる。実施形態によっては、変動性の高い負荷に合わせて設計された工学的カスケード型スタックアセンブリには、変動性の低い負荷に合わせて設計された工学的カスケード型スタックアセンブリよりも、少ない数の有効なステージが設置されてもよい。
【０１９６】
例えば、実施形態によっては、非活性化可能なステージは、充電中に有効化され、放電中に無効になるような大きさ及び構成にしてもよい。このような実施形態では、充電電力と放電電力の差が適切に管理されつつ、１つのカスケード型スタックアセンブリが充電と放電の両方に使用されてもよい。更に別の実施形態では、１つ以上のカスケードステージを無効にして、充電又は放電電力を調整し、電源条件又は負荷条件により良く合わせるようにすることが望ましい場合がある。
【０１９７】
図２３は、活性ステージの数を変えられるように構成した工学的カスケード型スタックアセンブリの一実施形態を概略的に示す。図示のスタックアセンブリは、６つのカスケードステージ１０１０を含み、そのうちの一部又は全部が、各ステージで期待される電解液の充電状態に従って性能が改善するように設計されてもよい。図示を単純化するため、図２３は、電解液フローチャネル１０１２を１本だけ図示する。当業者であれば２本目の電解液フローチャネルが同様に構成されてもよいことが分かる。電気的相互接続部１０１４及び電気的バイパス線１０１６がステージ１０１０の下部に沿って示されている。活性ステージの数を変えられるカスケード型フロー電池スタックアセンブリは、この他にも、多くの配置が可能である。
【０１９８】
隣接するステージ１０１０同士間の電解液フローラインに電解液バイパスチャネル１０２０とバルブ装置１０２２を設けることによって、非活性化すべき１つのステージ又は複数のステージを避けて電解液を誘導するようにバルブを操作することによって、１つ以上のステージを非活性化させてもよい。例えば、三方弁の下部分岐部閉じることによって、あるステージへの電解液の流れを遮断する。次に、三方弁の上部分岐部を開けることによって、電解液は再びバイパスチャネル１０２０に流される。このようなバルブ装置によって、非活性化したステージ（又は複数のステージ）のセルにおいて電気化学反応が生じることが、防止される。この他に、他のバルブ装置をいくつ用いてもよい。
【０１９９】
同様に、電気的バイパスライン１０１６及びスイッチ装置１０２４を使用して、１つ以上のステージを非活性化してもよい。例えば、隣接するステージ間の二位置スイッチ１０２４を操作して、１つのステージに対して電気回路を開く一方、バイパス線１０１６に電流が流れるようにする。当業者であれば、この他に、その他のスイッチ装置をいくつ使用してもよいことが分かる。
【０２００】
実施形態によっては、工学的カスケード型スタックアセンブリは、このカスケードにおいて隣接するステージ間に、小さな電解液バッファタンクを設けることによって、更なる制御柔軟性を備えるようにしてもよい。バッファタンクを設けると、下流のステージに電解液が到達する時間を遅らせることによって制御の柔軟性を増すことができ、それによってカスケード型スタックアセンブリに加えられる又はそこから抜き出される電力の、より動的な変化が可能になる。実施形態によっては、このようなバッファタンクの容量は、１つ、２つ，３つ，もしくは４つのステージ分の容量，又は，非整数個のステージ分の容量と、略等しくされてもよい。
【０２０１】
実施形態によっては、エネルギー貯蔵容量を増加し且つ／又はタンクの大きさをより小さくするために、広い充電状態範囲でレドックスフロー電池を動作させることが望ましい場合もある。しかし、広い充電状態範囲で動作することは、高流速要求につながり、ポンプ力の大幅な増加に、又はスタック中のストイキ流（ｓｔｏｉｃｈ  ｆｌｏｗ）の低下につながる。本書において、「ストイキ流」又は単に「ストイキ」という用語は、特定の反応種に消費される反応物質が利用できる反応物質の理論混合比を指す。本書において、「ストイキ」又は「ストイキ流」という用語は、電気化学反応セル（又はセルのブロック）における酸化／還元反応物質の供給率に対する酸化／還元反応物質の消費率の比を指す場合もある。このストイキ流の計算は、充電反応と放電反応の両方に関して同一である。所定のセルに対する反応物質の供給率は、一般的に、電解液内の反応物質の局所濃度及びあるセルに対する電解液の局所体積流量の関数である。反応物質消費率は、一般的に、セル構造、反応物質濃度、電解液流量、及び充電中に流される電流又は放電中に加えられる負荷の関数である。
【０２０２】
ストイキは、単位を持たない無次元量である。ストイキ値１は、供給率が消費率に等しい場合の条件に相当する。従って、ストイキ値１はセルが動作する最小理論値である。自然の非効率性によって、最も現実的なフロー電池セルの実際の最小動作ストイキ値は１より大きい。例えば、実施形態によっては、フロー電池の構成要素の配置によって、最小許容ストイキ値は、ストイキ値１．３又は１．５、更には２に相当する。最大可能ストイキ値は、合計セル数、カスケードステージ数、ＳＯＣの動作範囲、動作流量、相対的電極チャンバ容積及びその他の要素など、全体的なシステムパラメータに依存する。
【０２０３】
例えば、所定のセルにおける「高ストイキ」状態とは、一般的に、当該セル内に充電又は放電に利用できる酸化／還元反応物質の量が相対的に多いことを体感できる１である。フローシステム（ｆｌｏｗｉｎｇ  ｓｙｓｔｅｍ）では、ストイキは、瞬時に、又は，流量と反応物質濃度の積として視認されるかも知れない。実施形態によっては（例えば、カスケード型フロー電池）、濃度が経時的にほぼ一定であるため、この２つ（流量と反応物質濃度）は同一又はほぼ同じである。充電反応又は放電反応が起きると、所望の充電反応又は放電反応に利用できる反応物質の濃度が低下する。従って、あるカスケードにおける各ステージの流量と電流がほぼ等しい場合、各ステージのセルにおけるストイキは、入口から出口に向かって直線的に減少する。
【０２０４】
２タンク式の再循環システムの実施形態では、ストイキは、充電又は放電サイクルの始めの大きな値から、１サイクルの終わりには、−１．０の低ストイキにまで変化し得る（全サイクルが同じ一定流量で発生すると仮定した場合）。４タンク式カスケード型フロー電池システムの実施形態では、セルは、各ステージが電気的に直列に接続された同数のセルを含む直線的カスケードフローに配列される。直線的カスケードでは、各ステージにおける反応によって、システムの全ＳＯＣ範囲のごく一部だけ充電状態が変化し、カスケードの入口端から出口端に向かうストイキの直線的減少につながる。これは、電解液があるステージから次のステージへと流れるにつれて、電解液が徐々に利用可能な反応物質を失うために、発生する。従って、４タンク式直線カスケードシステムでは、カスケード流路の下流端に位置するセル及びステージが、相対的に低いストイキになる。ストイキが著しく低いカスケードの下流端に位置するセルは、大幅に性能を損失し、セルが完全には動作できなくなる可能性がある。このような不完全に動作する又は動作しないセルは、実質的にシステム全体の効率に影響を与え、広いＳＯＣ範囲を得る能力が減少する。加えて、充電サイクル中は、ストイキが低いとセル電圧が高くなるため、この高いセル電圧により、好ましくない水素発生が増えるかもしれない。
【０２０５】
図２４ａは、ステージの数を増やさずに下流側セルにおける低ストイキを実質的に減少又は取り除くように構成された、フロー電池スタックアセンブリ１１５０の一実施形態を示す。収束カスケードと呼ぶこの構成では、カスケード型フロー電池スタックアセンブリは、セル毎の電解液流速がカスケードの入口端（例えば、隣接するタンク１１５２）からカスケードの出口端（例えば、隣接するタンク１１５４）に向かって増加するように、構成される。各ステージ後の多くのセルからのフローを結合することによって、各後続ステージにおけるセル毎に、流速を増加させる。実施形態によっては、この流速の増加は、カスケード全体でほぼ一定のストイキを得るように、期待される電解液濃度の低下と釣り合うように、設計されてもよい。
【０２０６】
図２４ａに示す実施形態では、全セルの大きさが等しいとの仮定の下に、ステージ毎のセル数を減少することによって、各ステージにおいて、電解液流速が減少されている（左から右へ進む）。代替的実施形態として、収束カスケードの採用による利点が、ステージが進むにつれ容積が減少するセルを設けることによって（例えば、電極チャンバ容積を減少させる及び／又はセル有効面積を減少することによって）、達成されてもよい。このような実施形態では、ステージ１は、ステージｎと同数のセルを含んでもよく、各ステージ内のセルの容積が、ステージ１の大きな全容積からステージｎの小さな全容積へと収束してもよい。あるセルの有効領域は、セパレータ膜と多孔性電極間の境界の面積（即ち、電気化学反応が発生する領域）と定義されてもよい。実施形態によっては、電極チャンバの容積は、電極厚さを乗じた有効面積を含んでもよい。他の実施形態では、電極チャンバ容積は、電極に占有されない更なる空間を含んでもよい。従って、実施形態によっては、あるセルにおける電極チャンバ（及び／又はその他の電解液フロー空間）の大きさを変えることによってセルブロックの流量を変えてもよい。その他の実施形態では、あるブロックにおける等しい大きさのセルの数を変えることによってあるセルブロックの流量を変えてもよい。
【０２０７】
図２４Ａの収束カスケードでは、各ステージにおける流量（即ち、図２４Ａのセルの数によって表された、セルチャンバを含む、電解液が流れる流体通路の全容積）が直線的に収束する。代替的な実施形態では、セルが進むにつれ、電解液の流量が、その他の直線的又は非直線的パターンに従って変化してもよい。例えば、実施形態によっては、収束カスケードが、各ステージにおける電解液流量及び／又はセル数の指数関数的又は段階的減少（又は、結果的に流速を増加させるその他の変化）を有するように、構成されてもよい。実施形態によっては、収束カスケードは、各セルで実現し得る最良のストイキを提供するように、最適化されてもよい。収束カスケードのその他の実施形態では、スタックアセンブリを双方向に流れることができるようにするなど、その他の設計要素と問題なく釣り合うように、ストライキが多少調整されてもよい。このように、実施形態によっては、収束カスケードは、必ずしも全ステージでストイキが等しくなるように最適化せずに、流量を収束させてもよい。例えば、実施形態によっては、収束カスケードは、カスケードに沿うある点において流量が一段階だけ減少するようにしてもよい。実施形態によっては、収束カスケードの態様は、１つ以上のカスケードステージにおいて許容できないほど低いストイキ条件を防止するためだけに使用されてもよい。
【０２０８】
図２４ａは充電反応を示しており、カスケードの入口端部に低ＳＯＣタンク１１５２を、出口端部に高ＳＯＣタンク１１５２を設けている。収束カスケード型スタックアセンブリは、収束ステージの方向を逆転させることによって、即ち、カスケード入口の「ステージ１」側端部を高ＳＯＣタンクに連結し、カスケードの「ステージｎ」側端部を低ＳＯＣタンクに連結することによって、放電反応用に構成されてもよい。実施形態によっては、収束カスケード型スタックアセンブリは、電解液が一方向にのみ流れる独立した充電専用又は放電専用のカスケードスタックとして動作するように（本書の別の個所で記述したように）構成されてもよい。実施形態によっては、夫々最適化され且つ独立した充電専用及び放電専用の収束カスケードスタックは、同一のフロー電池システムにおいて単独に又はその他の非収束独立カスケードとともに、利用されてもよい。
【０２０９】
実施形態によっては、収束カスケードは、カスケード流路に沿うストイキの変化を減少させるため、電解液の流量を変化させることに加えて、期待される充電状態に従ってセル特性を構成することによって、工学的カスケードのその他の態様と組み合わされてもよい。
【０２１０】
代替的な実施形態では、スタックアセンブリは、充電反応と放電反応のいずれにおいても一方向に（例えば、図２４ａに示す実施形態では左から右へ）収束カスケードステージを電解液が流れるように配置したバルブと水力学接続部を有するように、構成されてもよい。代替的な実施形態では、個々のステージ（又はセルブロック）は、個々のセル又はセルのブロックが収束カスケードの利益を得ることができなくなる又はできるようになるようにセルの数を変えられるようにバルブとスイッチ装置を備えるように構成されてもよい。実施形態によっては、カスケードの出口端部に隣接する１つ以上のステージにおいて電解液が流れるセルの数を動的に減少することによって、スタックアセンブリの入口端部に隣接するセルにおいて流速を増加させる（そして、それにより、ストイキを増加させる）ことが望ましい場合がある。
【０２１１】
図２４Ｂは、電解液が流れるセルの数を動的に変化させることによって、電解液流速を増加し、残りの動作可能セル内のストイキを増加させる収束カスケードとして動作する双方向スタックアセンブリの一実施形態を示す。実施形態によっては、図２４Ｂに示すような動的カスケードは、互いに水力学的に並列に配列された二対のセルブロック１０８０、１０８２及び１０９０、１０８８であって、各並列ブロック１０８０、１０８２対と１０８８、１０９０対との間に位置する１つ以上の中央線ブロック１０８４、１０８６と水力学的に直列に配列された二対のセルブロック１０８０、１０８２及び１０９０、１０８８を含んでもよい。各並列セルブロック対において、１つのブロック（例えば、夫々１０８２と１０８８）は、夫々バルブ１０９２、１０９３を閉じることによって使用不能になるように構成されてもよい。この記述を分かり易くするため、図２４Ｂにおける全ブロック内の個々のセルは、全て、互いに同一の大きさであると仮定するが、これは、必ずしも全ての実施形態に当てはまるわけではない。更なる実施形態では、３つ以上の並列ブロックを設けてもよく、そのブロックのうちいくつかのブロックが、カスケードステージの大きさを動的に変化させるために遮断されるように構成されてもよい。
【０２１２】
実施形態によっては、並列のブロック対１０８０、１０８２及び１０８８、１０９０の合計容積は、
中央ブロック１０８４及び１０８６の容積にほぼ等しい又はそれより大きくてもよい。例えば、実施形態によっては、並列ブロック対の合計容積は、中央ブロック（複数の中央ブロック）の容積の１００％、１０５％、１１０％、又は１２５％以上でもよい。実施形態によっては、切替可能ブロック１０８２、１０８は、対応する非切替可能ブロック１０８０、１０９０よりも大きくてもよい。このような実施形態では、非切替可能ブロック１０８０、１０９０は、設計容積分だけ中央ブロック１０８４、１０８６よりも小さくてもよい。例えば、実施形態によっては、切替可能ブロックは、中央ブロック（複数の中央ブロック）の容積の９０％、８５％、８０％、７５％、７０％、６０％又は５０％の容積を有するようにしてもよい。並列ブロック１０８０、１０８２、１０８０、１０９０の大きさは、切替可能セルブロックを遮断することによって最終的にストイキが所望のレベルを超過した状態を維持するように、非切替可能ブロックにおける電解液流速を十分に増加させる効果があるように、残りのセルブロックに関連して決定してもよい。更なる実施形態では、複数の切替可能ブロックを設けて様々な動作条件にストイキを合わせる際により動的な柔軟性が得られるようにしてもよい。
【０２１３】
従って、実施形態によっては、充電反応中に、図２４Ｂのスタックアセンブリは、セルブロック１０８８を使用不可にする（例えば一方又は両方のバルブ１０９３を閉じることによって）一方、セルブロック１０８０、１０８２及び１０９０を能動的に係合させた状態で、電解液を左から右へ流しながら、動作してもよい。このように、電解液入口に隣接するセルの容積は、電解液出口に隣接するセルの容積よりも大きい。セル容積の段階的減少によって、入口に隣接するセルと比較して出口に隣接するセルにおける流速が増加する。同様に、図２４Ｂのスタックアセンブリは、バルブ１０９２によってブロック１０８２を使用不可にする一方、セルブロック１０９０、１０８８及び１０８０を能動的に係合させた状態で右から左に流れる電解液によって放電されてもよい。ブロック１０８０，１０８２及び／又は１０８８，１０９０が中央ブロックの合計容積よりも大きな合計容積を備えるようにすることによって、カスケード入口付近の流速は、中央ステージと比べて減少させてもよい。このような配置は、ストイキ特性が改善した可逆的な双方向の充電及び放電動作を可能にするように設計され、最適化されてもよい。
【０２１４】
実施形態によっては、ブロック１０８２及び１０８８をカスケードの残りのブロックよりも垂直方向上方に位置決めし、上流管の長さを最小にしてブロック１０８２及び１０８８の出口を各ブロックの上部に位置決めすることによって、カスケードにおいて流れない電解液の量を最小にするように、バイパス配管が設計されてもよい。このような配置により、スタックアセンブリ１０８２、１０８８の重力による排出を促進し、それぞれの接続パイプ長さも短くできる。
【０２１５】
実施形態によっては、セルの数が少なくストイキが低いほど、下流側のカスケードステージにおける実質的な分流のリスクが減少することを意味するので、分流チャネル（即ち、分流の発生を減少するため非常に小さい断面積を有するような大きさにした個々のセルの内外に電解液を流すフローチャネル）の設計制限事項は緩和されてもよい。分流チャネルは、スタックにおける大半の圧力降下の原因となり得るが、分流のリスクが減少する下流側のステージにおいてより大きくなるように大きさを設定してもよい。実際には、あらゆる工学的カスケード型フロー電池スタックアセンブリにおいて、このような、ストイキがより低いセルに関して分流チャネルを拡大することが適用されてもよい。
【０２１６】
図２５は、充電及び放電中のＳＯＣの広い範囲にわたって、効率的な動作とともにストイキと応答時間の高速性を改善するように構成されたレドックスフロー電池システムの別の実施形態を示す。図２５のシステムは、２つの電気化学スタック１１００、１１０２を有するレドックスフロー電池システムの一実施形態を含み、各電気化学スタック１１００、１１０２は、夫々が陽極液と陰極液を含むように構成された一対の共通タンク１１０４、１１０６から再循環する２タンクモードで動作するように、配置されている。
【０２１７】
実施形態によっては、左側のスタック１１００は、本実施形態では「高速ループ」と呼ぶ水力学的ループの一部でもよく、この高速ループは、相対的に狭いＳＯＣ範囲（例えば、実施形態によってはゼロ乃至５０％）での充電中及び放電中の相対的に高い電流及び相対的に高い電解液の水力学的流速（ｈｙｄｒａｕｌｉｃ  ｆｌｏｗ  ｒａｔｅ）での動作に最適化されてもよい。このような実施形態では、左側のスタック１１００は、右側のスタック１１０２と比較して相対的に高い電流密度で動作するように構成されてもよい。実施形態によっては、左側のスタック１１００は、選択性の低いセパレータ膜と、低ＳＯＣで相対的に高い流速で効率的に動作するように選択されたその他のセル特性とを有するように構成されてもよい。
【０２１８】
第２のスタック１１０２は、「低速ループ」の一部であり、かなり広いＳＯＣ範囲（例えば、実施形態によっては１０％乃至９０％）でより低電流且つより低い電解液の水力学的流速で動作するように最適化されてもよい。低速スタック１１０２は、選択性の低いセパレータ膜と、より低流速且つより高いＳＯＣで効率的に動作するためのその他のセル特性とを有するように構成されてもよい。
【０２１９】
図示のように、高速スタック１１００及び低速スタック１１０２は、夫々、独立した水力学的ループにおいて動作してもよく、各ループは、１つ以上の専用ポンプ１１１０、１１１１を有してもよい。各スタック１１００、１１０２は、別々に動作し、電解液を十分に利用するために必要に応じて何度循環させてもよい。例えば、充電動作の一実施形態では、所望のＳＯＣレベル（例えば５０％）が得られるまで、電解液は高速スタックにおいて循環されてもよい。その後、より低流速且つできればより低電流で残りの充電動作を行うように、電解液を低速スタックにポンプで圧送するように、システムが切り替えられてもよい。
【０２２０】
実施形態によっては、図２５に示すような配置は、図示のように４つのポンプを含んでもよい。代替的な実施形態では、このようなスタック配置がポンプを２つだけ（例えば、各電解液に対して１つのポンプ）含んでもよい。このような２ポンプの実施形態では、電解液フロー（例えば、高速ループ又は低速ループを通る）の選択は、バルブ装置によって制御されてもよい。
【０２２１】
高速スタックは、相対的に高い流速で動作するように構成されているため、高速スタックは、電解液が相対的に高レベルの利用可能反応物質を有する高ストイキ状態で動作してもよい。高ストイキ値では、所望の充電又は放電反応がより発生しやすく、副反応が最小化される。利用可能な反応物質の濃度が所望の閾値を下回る程度にまで反応物質が一旦充電又は放電されると、低ストイキ値でより効率的に動作するように構成された低速スタックにおいて、電解液が充電されてもよい。
【０２２２】
図２５を参照して論じられる原理は、３つ以上のスタックを有し、各スタックが異なる流速及びＳＯＣ範囲に対して最適化されたシステムに、適用されてもよい。各スタックは、所望の電解液反応物質の利用を実現するために、必要に応じて何度でも、電解液に各ループを循環させるための固有の再循環ポンプ及び／又はバルブ装置を有してもよい。各スタック１１００、１１０２は、電圧と電力の要求を満足するため、必要に応じて、セルをいくつ有していてもよい。実施形態によっては、高速スタック及び／又は低速スタックは、工学的カスケード型スタックアセンブリを含んでもよい。特定の実施形態では、低速スタック１１０２は、充電した電解液専用のタンク（又はタンク１１０４と１１０６内にパーティション）を有する工学的カスケードを含んでもよい。このようなシステムは、広い充電状態範囲で、高速応答と高効率の組み合わせを提供する。
【０２２３】
図２６は、特定の用途に合わせてフロー電池スタックアセンブリを構成するための一般的プロセスの一例を示すフローチャートである。フロー電池化学が最初に選択されたと仮定すると、フロー電池スタックアセンブリは、太陽電池アレイからの充電、又は、ランプサポート、周波数調整、又はバックアップ運転予備力（ｂａｃｋｕｐ  ｒｅｓｅｒｖｅ）などの補助的支援サービスのための電力系統への放電など、特定の用途に合わせて構成される。このようなスタックアセンブリは、最終的に、完全なレドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムを形成するために、他の用途のために構成された他のスタックアセンブリと組み合わされてもよい。特定の用途が選択されると、その用途の要求に応えるための１つ以上の制限事項を定める。例えば、このような制限事項は、合計スタック電力、合計半サイクル時間（例えば、充電又は放電に利用できる合計時間）合計スタック電圧、合計スタック電流、スタック応答時間などを含む。
【０２２４】
そのスタックアセンブリに関して制限事項が特定され確定されると、複数の動作パラメータ及び複数のインターフェース及び／又は制御システムパラメータが、画定される。動作パラメータは、スタックアセンブリ動作電流（例えば、スタックアセンブリが動作する電流）、電流密度（例えば、単位活性セル面積当たりの電流）、電力密度（例えば、単位活性セル面積当たりの電力）、直列接続された活性電気化学セル数、動作電圧、動作温度、又はその他のパラメータを含む。
【０２２５】
初めに動作パラメータが確定された後、フロー電池スタックアセンブリの物理的特性が、用途の制約事項内で確定した動作パラメータを満足するように設計されて構成され、その用途に合わせてスタックアセンブリが構成されている。物理的特性は、電極、触媒、セルチャンバ、セパレータ膜などに使用される材料及び材料特性（例えば、質的且つ量的特性）を含む。物理的特性は、ポンプの選択肢、設計流速、シャントブレーカ又はその他の分流管理構造の使用及び位置、セルチャンバの容積、スタックアセンブリにおける合計セル数、熱交換器なども含む。多くの実施形態では、最終的なスタックアセンブリの設計に至ることは、選択した用途の要求を満足するために物理的特性と動作パラメータとの間に、妥協とトレードオフを伴う。
【０２２６】
インターフェースパラメータは、電力調整システム（ＰＣＳ）に関するパラメータを含む。制御システムパラメータは、電池管理システム（ＢＭＳ）又はフロー電池スタックアセンブリを動作させるためのその他の制御システムの要素を含む。実施形態によっては、複数の他のスタックアセンブリを含むフロー電池システムに接続されたフロー電池スタックアセンブリは、専用のＰＣＳ及び／又はＢＭＳを備える。代替的な実施形態では、フロー電池システム内の複数のスタックアセンブリ毎に１つのＰＣＳ及び／又はＢＭＳが設けられる。
【０２２７】
図２６に示すように、実施形態によっては、インターフェース及び／又は制御システムパラメータを使用して動作パラメータを確定すること、又はその逆を伴う。多くの実施形態では、インターフェース／制御パラメータと動作パラメータの両方が、最終的なシステム設計を得るために妥協を伴う。制御システムパラメータが確定すると、確定した用途の要求を満足するように確定した動作パラメータ内でフロー電池スタックアセンブリを動作させるために、制御アルゴリズムが構築される。
【０２２８】
同様に、電力調整システムは、確定したインターフェースパラメータを満足するための物理的要素及び制御要素を有するように構成される。電力調整システムは、一般的に、入力側で一組の性質を有する電力（例えば、変化するＡＣ電力）を取り出し、出力側で予測可能な一組の性質を有する電力を供給するように構成されたシステムである。ＰＣＳへの電力入力の特性は、電源の特性によって変わる。実施形態によっては、ＰＣＳがフロー電池からの電力を入力として取り出している場合、その出力は、実質的に変化する負荷要求を有する。従って、特定のＰＣＳへの要求に応じて、制御アルゴリズム、インバータ回路、入力条件（例えば、バック／ブーストシステム）は確定した用途に合わせて構成される。
【０２２９】
一実施形態として、ソーラーアレイによって生成されたエネルギーを貯蔵するように構成されたＦｅ／Ｃｒ化学によるフロー電池スタックアセンブリの場合を、記述する。このような実施形態では、適用制限事項は、ソーラーアレイの最大電力出力によって規定される合計電力要件、及びピーク又は合計日光暴露時間に基づく合計充電時間を含む。次に、電流密度などの動作パラメータが構成される。この実施形態では、電流密度は、同じくらいの大きさの放電スタックアセンブリよりも相対的に低くなるように選択される。これは、Ｆｅ／Ｃｒ系フロー電池化学に関して、充電反応が律速であるという事実による。従って、不要な副反応が発生するのを避けるために特定の範囲内にセル電圧を維持することが望ましい。その他の化学であれば、放電反応が律速である可能性があり、従って、動作パラメータに実際的な制限を課す可能性がある。所望の電流密度は、充電電流又は充電電圧を制限することによって維持されてもよい。
【０２３０】
従って、電源と負荷の特定の組み合わせに合わせて構成されたレドックスフロー電池システムは、少なくとも１つの充電スタックアセンブリに少なくとも１つの放電スタックアセンブリを組み合わせることによって形成されてもよく、これら放電及び充電スタックアセンブリの一方又は両方は、上述且つ図示した電源又は負荷の電力変動性に合わせて構成されてもよい。このように構成されたレドックスフロー電池システムの例のいくつかを以下に記述する。
【０２３１】
図２７を参照して、少なくとも１つの独立充電スタックアセンブリと１つ以上の独立放電スタックアセンブリを含むレドックスフロー電池システムを記述する。実施形態によっては、図２７の充電スタックアセンブリは、特に、風力タービン、太陽電池アレイ、海洋潮力システム、波力システムなど非常に変化しやすい電源に合わせて構成され、この電源に接続される。可変電源が電気を生成していない期間（例えば、太陽光に関しては夜間、風力に関しては無風期間）は、充電スタックはアイドリング状態である。図２７の放電スタックは、ランプサポート、周波数調整、バックアップ運転予備力、又は負荷追従などその他の可変負荷電力系統機能など補助的サービスを提供するデータセンター（例えば、ＵＰＳ）、電気自動車充電ステーション、電池充電／交換ステーション、又は電力系統など、非常に変わりやすい負荷に合わせて構成され、このような負荷に接続される。
【０２３２】
代替的な実施形態では、図２７の充電スタックは、電力系統（それによってベースロード容量を提供する）、又は実質的に一定且つ予想可能な電力需要の産業施設（例えば、工場、水処理施設、脱塩向上）など、のあまり変化しない又は一定の電力負荷に合わせて設計され、その負荷に電気的に接続される。実施形態によっては、フロー電池システムは、このような非常に変動性の高い電源に合わせて設計され、その電源に接続された充電スタックが結合されたスタックアセンブリを含んでもよい。このようにして、２つの独立スタックアセンブリは、予想可能且つ一定の電力を電力系統に送出することによって、可変エネルギー源の変動性を取り除く手段を提供する。エネルギーを確実に送出に利用できることによって、可変エネルギー源システムのオーナーに対して評価される過剰発電又は過少発電による損失が減じられ、可変エネルギー源システムが、補助的サービス（周波数調整、瞬動運転予備力（ｓｐｉｎｎｉｎｇ  ｒｅｓｅｒｖｅ）、追加運転予備力（ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔａｌ  ｒｅｓｅｒｖｅ）、置換運転予備力（ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔ  ｒｅｓｅｒｖｅ）、ブラックスタート等）を提供し、且つ／もしくは、資源適性プログラムに適したものとなり得る。
【０２３３】
或いは、図２７の充電スタックは、電力系統や、石炭火力発電所、ガス火力発電所、ディーゼル火力発電所、地熱発電所、水力発電所、原子力発電所、又は１つ以上の燃料電池、又は高高度風力タービン発電所などの個別の発電施設などの、あまり変動性が高くない電源に合わせて設計され、その電源に電気的に接続されてもよい。このようなスタックアセンブリは、上述したような非常に変動性の高い負荷に合わせて設計され、この負荷に電気的に接続された放電スタックアセンブリと組み合わせられ、それによって、レドックスフロー電池エネルギー貯蔵及び供給システムが形成されてもよい。
【０２３４】
更なる実施形態では、レドックスフロー電池エネルギー貯蔵及び供給システムは、あまり変動性が高くない電源（上述したような電源）に合わせて設計され、この電源に電気的に接続された充電スタックアセンブリを、上述した負荷のようなあまり変動性が高くない負荷に合わせて設計され、この負荷に電気的に接続された放電スタックアセンブリと組み合わせることによって、形成されても良い。
【０２３５】
図２８は、２つの充電スタックアセンブリ及び１つの放電スタックアセンブリを含むレドックスフロー電池システムを示す。実施形態によっては、このようなシステムは、あまり変動性が高くない電源に合わせて設計され、この電源に電気的に接続された第１の充電スタックと、上述した電源のような非常に変動性の高い電源に合わせて設計され且つこの電源に電気的に接続された第２の充電スタックを含む。図２８の放電スタックは、上述したように、非常に変わりやすい負荷又はあまり変動性の高くない負荷に合わせて設計され、この負荷に、電気的に接続される。これらの構成は、システムによる、安定したエネルギー資源と可変エネルギー資源の両方を含む電力系統上の場所又は地点からの電気生成の効率的な管理を、支援する。この構成の一例は、１つの充電スタックアセンブリが大型の太陽電池アレイに接続され、別の充電スタックアセンブリが電力系統に接続され、放電スタックアセンブリがデータセンターに接続されたレドックスフロー電池システムである。
【０２３６】
この構成の別の例は、１つの充電スタックアセンブリが大型の太陽電池アレイに接続され、別の充電スタックアセンブリがディーゼル発電機装置に接続され、放電スタックアセンブリが、人里離れた村、軍事前進作戦基地、送水ポンプ、又は、自律的に機能できるように切断可能な単一の共通結合を有するマクロ電力系統の区画など、一組の負荷に接続された、レドックスフロー電池システムである。このように、上記構成のレドックスフロー電池システムによって、電気システムオペレータは、局所電力系統（マイクログリッドとも呼ぶ）内で発電と負荷の電気的バランスを維持し、発電機の利用、効率的、使用可能時間、寿命などを最適化する能力を得られる。
【０２３７】
図２９は、１つの充電スタックアセンブリと２つの放電スタックアセンブリを含むレドックスフロー電池システムを示す。実施形態によっては、このようなシステムは、少なくとも、上記した負荷などの、あまり変動性の高くない負荷に合わせて設計され、この負荷に電気的に接続された第１の放電スタックアセンブリと、非常に変動性の高い負荷に合わせて接続され且つこの負荷に電気的に接続された第２の充電スタックアセンブリを含む。図２９の充電スタックは、上述したような非常に変動性の高い電源又はあまり変動性の高くない電源のいずれかに合わせて構成され、この電源に電気的に接続されてもよい。
【０２３８】
その他の実施形態では、両方の放電スタックアセンブリを可変負荷に合わせて構成し、結果的なレドックスフロー電池システムが電気料金及び電力レベルが低い時（例えば夜間、週末等）に電力系統から充電でき、一方の放電スタックアセンブリによって電気自動車充電ステーションにエネルギーを提供し、他方の放電スタックアセンブリからは高価格又は高負荷期間（例えば平日の午後など）に電力系統に対する補助サービス又は負荷追従を提供することができるようにしてもよい。
【０２３９】
或いは、可変電源に接続された１つの充電スタックアセンブリと２つの放電スタックアセンブリの構成は、電池システムが、可変エネルギー源からベースロードエネルギーサービスと補助サービス又は負荷追従の両方を提供するように、電力系統へ安定的な電力供給と断続的な電力供給の両方を同時に提供することを、支援する。この構成では、両方の放電スタックアセンブリの負荷は同一（電力系統又はマイクログリッド）でもよく、各放電スタックアセンブリの機能又は用途は異なっていてもよい（例えば、ベースロードと補助サービス）。この方法を利用してデータセンターに確実に信頼出来る電力供給を行うことができる。この場合、充電スタックアセンブリが電力系統からの電気を使用し、一つの放電スタックアセンブリがデータセンターにベースロード電力を提供し、別の放電スタックアセンブリがベースロードを上回るデータセンターの変化する電力要求を満足する。
【０２４０】
１つの負荷に接続されるが異なる機能を提供する独立充電及び放電スタックアセンブリを有するレドックスフロー電池システムの更なる一実施形態は、３つの放電スタックアセンブリ、つまり、電力系統にベースロード電力を供給する放電スタックアセンブリと、電力系統に負荷追従サービスを提供する放電スタックアセンブリと、電力系統に周波数調整サービスを提供する放電スタックアセンブリを含んでもよい。この設計の利点は、放電スタックアセンブリ構成が、ベースロードに関する変化の時間周期（例えば、約数日）、負荷追従に関する変化の時間周期（例えば、約３０分乃至４時間）、及び周波数調整に関する変化の時間周期（例えば、約３０秒乃至３０分）に従って最適化され得ることである。
【０２４１】
図３０は、２つの充電スタックアセンブリと２つの放電スタックアセンブリを含むレドックスフロー電池システムを示す。このようなシステムは、上述した負荷のような変動性があまり高くない負荷に合わせて設計され且つその負荷に電気的に接続された第１の放電スタックと、非常に変動性が高い負荷に合わせて設計され且つその負荷に電気的に接続された第２の放電スタックとを、含んでもよい。このようなシステムは、また、上述した電源のような変動性があまり高くない電源に合わせて設計され且つその電源に電気的に接続された第１の充電スタックと、非常に変動性が高い電源に合わせて設計され且つその電源に電気的に接続された第２の充電スタックとを、含んでもよい。このレドックスフロー電池システム構成によって、電気システムオペレータが発電機の利用、効率、使用可能時間、寿命などを最適化しながら、局所電力系統内で、発電と負荷の電気的バランスを維持する際の柔軟性を高めることができる。
【０２４２】
実施形態によっては、充電及び／又は放電スタックアセンブリは、電力変動性に関する折衷的構成として、設計されてもよい。高電力変動性と低電力変動性の間の折衷的構成として設計された充電スタックの場合、これによって、可変電源からの電気が利用できない又は低レベルであるときに、電力系統からシステムを充電することができるようになる。
【０２４３】
実施形態によっては、フロー電池スタックアセンブリは、２タンクモードでスタックアセンブリを動作させることによって、変動性が非常に高い負荷に合わせて設計されても良い。２タンクモードの動作では、電解液をスタックアセンブリと一対のタンク（陰極液と陽極液に対して１つずつ）との間で循環させる。実施形態によっては、２タンク式フロー電池システムは、電解液が所望の充電状態になるまで、各サイクルで充電又は放電しながら、複数回スタックアセンブリに電解液を循環させるように、構成されてもよい。２タンク式フロー電池システムは、広いＳＯＣ範囲では４タンク式システムよりも効率が落ちるが、応答時間はより速くなり、動作柔軟性はより高くなる。２タンク式フロー電池システムは、５０％付近のＳＯＣ値で動作すると最も効率が良い。
【０２４４】
上述の実施形態におけるスタックアセンブリはいずれも、電解液が並列の全セルを流れる従来の再循環式スタックアセンブリ、もしくは、電解液が直列のいくつかのセルを流れるカスケード配列として、構成されている。カスケード設計を採用する利点は、充電するための重力電圧と放電する際の出力電圧が、実質的に全充電又は放電サイクルの間実質的に一定であることである。定常電圧特性によって、レドックスフロー電池システムを充電電源及び放電負荷と一体化することが容易になる。実施形態によっては、カスケード型フロー電池スタックアセンブリは、実質的に全充電又は放電サイクルの間に、実質的に一定の電解液流速で、動作されてもよい。
【０２４５】
図２７〜３０の実施形態には、貯蔵用モジュール（すなわち、電解質及び貯蔵タンク）を、複数の独立したスタックアセンブリ用の中央貯蔵場所として再利用できるというメリットがある。上記複数の独立したスタックアセンブリは、地元の電力系統や大規模電力系統に様々なサービスを提供できるように構成されている。このことにより、レドックスフロー電池システムにおいて一般に最も値段が高い部品（貯蔵用モジュール）の用途を増やすことができるため、レドックスフロー電池システムの価値が上がる。
【０２４６】
図３１は、２タンクモードと２タンクモードのいずれか又は両方で動作するように構成されたフロー電池システムの一実施形態を示す。図示のシステムは、電解液を一方向にのみ流しながら電気負荷に電気的に接続される一方向放電システムとして、構成されている。実施形態によっては、このようなシステムは、類似又はその他の充電システムと組み合わされてもよい。当業者であれば、図３１のシステムは、上記の他に、電源から充電するように構成されてもよいことが分かる。従って、図３１のシステムの構造及び動作に関する以下の記述も、充電用に構成された類似の構造及び動作を含むものと理解される。更に別の実施形態では、図３１のシステムは、充電が一方向に発生し、放電がその逆方向に発生するように、双方向に動作するように構成されてもよい。
【０２４７】
図３１のシステムは、第１のスタックアセンブリ１０７２を含み、この第１のスタックアセンブリ１０７２を通って、一対の電解液タンク１０５２、１０５４からポンプによって電解液が圧送される。第１のスタックアセンブリを出た後、電解液は、一対の中間タンク１０５６、１０５８に流入する。中間タンク１０５６、１０５８からの電解液は、次に、第２のスタックアセンブリ１０７４に流入し、最終的には、一対の放電した電解液のタンク１０６０、１０６２に流入する。第３のスタックアセンブリ１０７６は、中間タンク１０５６、１０５８に水力学的に接続されている。
【０２４８】
実施形態によっては、充電した電解液のタンク１０５２、１０５４は、上述したようにタンクセパレータ又は仕切板を使用するなどして、放電した電解液のタンク１０６０、１０６２と結合させてもよい。実施形態によっては、中間タンク１０５４、１０６５の大きさは、周波数調整又は時間シフトなど、選択された動作用途に合わせて、決定されればよい。例えば、周波数調整に合わせた大きさの中間タンクは、タイムシフティング用途に合わせた大きさの中間タンクよりも、実質的に小さい。
【０２４９】
電気的な相互接続は便宜上図３１から省いているが、実施形態によっては、３つのスタックアセンブリ１０７２、１０７４及び１０７６は、全て１つの負荷に電気的に接続されてもよい。代替的な実施形態では、第１及び第２のスタックアセンブリ１０７２、１０７４が第１の負荷に接続され、第３のスタックアセンブリ１０７６が第２の負荷に接続されてもよい。更なる実施形態では、図３１に示すシステムなどのシステムは、充電用に構成されてもよく、同様に、１つ以上の電源に接続されてもよい。
【０２５０】
実施形態によっては、図３１のシステムは、電解液に中間タンクを選択的に迂回させるように構成されたバルブ及びフローチャネル装置を含んでもよい。このような装置において、電解液は、第１のスタックアセンブリ１０７２の出口から直接第２のスタックアセンブリ１０７４の入口へ一時的に流れるようにされてもよい。
【０２５１】
実施形態によっては、電解液フローチャネル内の各スタックアセンブリの入口及び出口にセンサを配置し、それによって、スタックアセンブリ動作パラメータの閉ループ制御を容易にすることが望ましい。このようなセンサとしては、電圧計、電流計、流体流量計、又は電解液の充電状態の測定を容易にする機器が挙げられる。例えば、実施形態によっては、中間タンク１０５６，１０５８内の電解液のＳＯＣは、第３のスタックアセンブリ１０７６によって実行される充電及び／又は放電動作から、知ることができる。このような実施形態では、中間タンク１０５６，１０５８内の電解液のＳＯＣを測定する機器を設けることが望ましい。ＳＯＣを測定できる機器の一例は、米国特許第７，８５５，００５号に示されて記述されている。
【０２５２】
実施形態によっては、第１のスタックアセンブリ１０７２は、中間タンク１０５６、１０５８に入る電解液が約５０％のＳＯＣ（例えば、実施形態によっては約３５％乃至約６５％、他の実施形態では約４０％乃至約６０％）になるように設計され且つ運転されてもよい。このような実施形態では、第１のスタックアセンブリ１０７２は、選択されたＳＯＣ範囲で充電又は放電反応を行うのに望ましい効率で動作するように構成されたカスケード又は工学的カスケードであってもよい。同様に、第２のスタックアセンブリ１０７４は、その他のＳＯＣ範囲（又はその一部）で電解液を充電又は放電するように構成されたカスケード又は工学的カスケードでもよい。例えば、第１のスタックアセンブリ１０７２が電解液を約１０％から約５０％のＳＯＣまで充電するように構成された一実施形態では、第２のスタックアセンブリは、電解液を約５０％から約９０％のＳＯＣに充電するように構成されてもよい。
【０２５３】
電解液が第１のスタックアセンブリ１０７２から第２のスタックアセンブリ１０７４へ直列に流れる第１のスタックアセンブリ１０７２及び第２のスタックアセンブリ１０７４の配列は、それ自体が、カスケード配列である。従って、実施形態によっては、第１及び第２のスタックアセンブリ１０７２、１０７４は、中間地点（これは、ＳＯＣ、流量、物理的寸法、又はその他の任意の測定値に関して正確な中心、又は正確な中心から実質的にずれていてもよい）に大型のバッファタンクを有する１つのカスケードスタックアセンブリとして、共に動作するようにされればよい。実施形態によっては、第１及び第２のスタックアセンブリ１０７２、１０７４の一方又は両方が、工学的カスケードを含んでもよい。
【０２５４】
第３のスタックアセンブリ１０７６は、２つの中間タンク１０５６、１０５８からの電解液を使用して再循環２タンクモードで動作してもよい。実施形態によっては、ほぼ５０％前後のＳＯＣ値で充電及び放電を行うように第３のスタックアセンブリ１０７６を動作させることが望ましい。このような動作は、例えば、電力グリッドに対する周波数調整に使用されてもよい。２スタックモードで動作するためのスタックアセンブリは、狭いＳＯＣ範囲、実施形態によっては約３５％乃至約６５％、他の実施形態では約４０％乃至約６０％、更に別の実施形態では約４５％乃至約５５％のＳＯＣ範囲で性能が最適になるように設計されてもよい。
【０２５５】
実施形態によっては、第１及び第２のスタックアセンブリ１０７２、１０７４は、第３のスタックアセンブリと同時に動作してもよい。このような実施形態では、第１及び第２のスタックアセンブリ１０７２、１０７４が第３のスタックアセンブリ１７６とは無関係に動作する一方、３つのスタックアセンブリ１０７２、１０７４及び１０７６が全て同時に動作するように、中間タンクを迂回させることが望ましい。
【０２５６】
実施形態によっては、放電した電解液が中間タンク１０５６、１０５８から放電した電解液のタンク１０６０、１０６２内へ又は第４の充電又は放電スタックアセンブリ（図示せず）内へポンプによって圧送されることができるような水力学的接続部を設けてもよい。例えば、第３のスタックアセンブリ１０７６が中間タンクに貯蔵された電荷のタイムシフティングに用いられる実施形態では、放電した電解液を中間タンク１０５６、１０５８から放電した電解液のタンク１０６０、１０６２へポンプで圧送することが望ましいという程度まで、電解液を放電させてもよい。
【０２５７】
実施形態によっては、第３のスタックアセンブリ１０７６は、非常に変わりやすい負荷に電気的に接続されてもよく、第１及び第２のスタックアセンブリ１０７２、１０７４は、電力変動性が最小限の負荷に、電気的に接続されてもよい。
【０２５８】
上述したシステムは、いずれもマイクログリッド又は大型の相互接続グリッド用のエネルギー管理システムとして、動作させることができる。例えば、図３０のシステムのようなシステムは、大都市部内で電気自動車バッテリ交換ステーション（ＥＶＢＲＳ）に又はその付近において使用してもよい。電解液は、電力系統又はＥＶＢＲＳに又はその付近に位置する可変エネルギー資源システムから充電されてもよい。その後、フロー電池システムを使用して、前記ステーションで充電されている交換電気自動車（ＥＶ）バッテリパック、前記ステーションに共同設置された高速ＥＶチャージャ、ピーク時電力レベルを低下させるための隣接施設へ、及び／又は周波数調整、運転予備力、又はランプサポートのために、電力系統へ電気を供給してもよい。
【０２５９】
当業者には、上記に示し記述した実施形態以外の更に別の実施形態も可能であることが分かる。例えば、カスタマイズした充電及び／又は放電スタックアセンブリを、共通の電解液源に及び／又は大型のエネルギー貯蔵及び分配システムの協調的動作のための共通の制御システムに、いくつ連結させてもよい。
【０２６０】
本書に記述したレドックスフロー電池セル、スタックアセンブリ、及びシステムの実施形態は、電解液に溶解した反応物質を含むどのような電気化学反応物質の組み合わせとともに、使用されてもよい。一例として、陰極（陽極液）にバナジウム反応物質Ｖ（ＩＩ）／Ｖ（ＩＩＩ）又はＶ２＋／Ｖ３＋を用い、陽極（陰極液）にＶ（ＩＶ）／Ｖ（Ｖ）又はＶ４＋／Ｖ５＋を用いるスタックアセンブリがある。このようなシステムにおける陽極液及び陰極液反応物質は、硫酸に溶解している。このタイプの電池は、陽極液と陰極液の両方がバナジウム種を含むため、全バナジウム電池と呼ばれることが多い。本書に記述したシステムの性質及び利益を利用することができるフロー電池における反応物質のその他の組み合わせとしては、Ｓｎ（陽極液）／Ｆｅ（陰極液）、Ｍｎ（陽極液）／Ｆｅ（陰極液）、Ｖ（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）が挙げられる。これら例示の化学の夫々において、反応物質は、電解液内に溶解したイオン種として存在し、それによって、セルがカスケード流路に沿って異なる物理的、化学的又は電気化学的性質（例えば、セルの大きさ、膜又はセパレータの種類、触媒の種類及び量など）を有するように構成されたカスケードフロー電池セル及びスタックアセンブリ設計を、有利に使用することができるようになる。実際的なレドックスフロー電池化学及びシステムの更なる例は、米国特許第６，４７５，６６１号で提示されており、その全内容は、参照によって本明細書に組み込まれる。本書の実施形態の多くは、流動電解液を１つだけ用いるいわゆる「ハイブリッド」フロー電池に、適用されてもよい。
【０２６１】
上記に基づき、一実施形態において、本開示は、少なくとも１つの電解液フローを供給するための電解液貯蔵及びポンプシステムと、少なくとも１つの電解液フローに対して水力学的に連通し、時間の関数としての第１の電力変動性の電源からのみ充電するように構成された酸化還元セルの第１のスタックアセンブリと、少なくとも１つの電解液フローに対して水力学的に連通し、第１の電力変動性とは異なる時間の関数としての第２の電力変動性の負荷への放電にのみ合わせて構成された酸化還元セルの第２のスタックアセンブリとを有する酸化還元フロー電池システムを提供する。
【０２６２】
ある特定の実施形態では、第１及び第２のスタックアセンブリは、合計電力、動作電圧、動作電圧範囲、動作電流、動作温度、電解液流速、セル電流効率、セルクーロン力効率、分流、スタンバイ時間、応答時間、ランプ速度、及び充電／放電サイクル周波数及びターンダウン比からなる電力変動条件のうち、１つ以上の選択された条件に合わせて、夫々設計される。
【０２６３】
様々な実施形態において、酸化還元フロー電池システムの第１及び第２のスタックアセンブリのうち少なくとも一方は、夫々、シングルパスの充電又は放電に合わせて構成される。
【０２６４】
一実施形態では、酸化還元フロー電池システムは、少なくとも１つの電解液フローに対して水力学的に連通し、第１の電力変動性よりも時間の関数として変化が大きい第３の電力変動性の電源による充電にのみ合わせて構成された酸化還元セルの第３のスタックアセンブリを有する。模範的な実施形態では、第１及び第３のスタックアセンブリは、太陽電池アレイ、太陽電池集光器アレイ、太陽熱発電システム、風力タービン、水力発電所、波力発電所、潮力発電所、分散型電力系統、及び局所電力系統からなる群から選択された電源に合わせて設計される。
【０２６５】
別の実施形態では、酸化還元フロー電池システムは、少なくとも１つの電解液フローに対して水力学的に連通し、第２の電力変動性よりも時間の関数として変化が大きい第３の電力変動性の負荷による放電のみに合わせて設計された酸化還元セルの第３のスタックアセンブリを有する。模範的な実施形態では、第２及び第３のスタックアセンブリは、電気自動車充電ステーション、電気自動車バッテリ交換ステーション、電力グリッド、データセンター、携帯電話ステーション、別のエネルギー貯蔵システム、車両、灌漑ポンプ、食品加工工場、及び局所電力系統からなる群から選択される負荷に合わせて設計される。
【０２６６】
更なる実施形態では、第１及び第２のスタックアセンブリの少なくとも一方は、第１のブロックに配列された第１の複数の電気化学反応セルと、第２のブロックに配列された第２の複数の電気化学反応セルと、第３のブロックに配列された第３の複数の電気化学反応セルとを有し、第１、第２及び第３のブロックは少なくとも１つの電解液フローに沿って水力学的に直列に配列され、各ブロックにおける多くの電気化学反応セルは収束カスケードを含む。
【０２６７】
別の実施形態では、本開示は、第１のブロックに配列された第１の複数の電気化学反応セルと、第２のブロックに配列された第２の複数の電気化学反応セルと、第３のブロックに配列された第３の複数の電気化学反応セルとを有する酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システムを提供し、このシステムにおいて、第１、第２及び第３のブロックは、液体電解質源に連結された流路に沿って水力学的に直列に配列され、各ブロックの合計電解液流量は、上流ブロックの期待される電解物質消費に基づき液体電解質の電気化学反応物質の予想される使用可能量に基づく。
【０２６８】
一実施形態では、第１のブロックは第３のブロックよりも合計電解液流量が大きい。模範的な一実施形態では、第１のブロックは、第３のブロックよりも多くの電気化学セルを含む。
【０２６９】
更なる実施形態では、本開示は、第１の水力学的流路を介して連通する第１の電解液タンク対と、第２の水力学的流路を介して連通する第２の電解液タンク対と、電気化学反応セルの第１のスタックアセンブリと、電気化学反応セルの第２のスタックアセンブリと、第１の中間電解液タンクと、第２の中間電解液タンクとを有する酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システムを提供し、このシステムでは、第１のスタックアセンブリ、第１の中間電解液タンク、及び第２のスタックアセンブリが第１の電解液タンク対の間の第１の水力学的流路と水力学的に直列に配列され、第１のスタックアセンブリ、第２の中間電解液タンク、及び第２のスタックアセンブリが第２の電解液タンク対の間の第２の水力学的流路と水力学的に直列に配列される。
【０２７０】
一実施形態では、酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システムは、第１及び第２の中間電解液タンク間の第３の水力学的流路によって供給される電気化学反応セルの第３のスタックアセンブリを有する。模範的な一態様では、第３のスタックは、２タンクモードでの高速応答に合わせて構成される。
【０２７１】
別の実施形態では、酸化還元フロー電池エネルギー貯蔵システムは、第１のブロックに配列された第１の複数の電気化学反応セルと、第２のブロックに配列された第２の複数の電気化学反応セルと、第３のブロックに配列された第３の複数の電気化学反応セルとを含む第１及び第２のスタックアセンブリの少なくとも一方を有し、このシステムにおいて、第１、第２及び第３のブロックは第１及び第２の流路に沿って水力学的に直列に配列され、第１、第２及び第３のブロックは、各ブロックにおける電解液の期待される充電状態での反応に関する反応効率に従って個別に構造的に構成された電気化学反応セルを含む。
【０２７２】
前述の様々な実施形態についての記述は当業者が本発明を作成又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又は別の用途は当業者にとって容易に明確になり、また、本書に定義された一般原理は、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。従って、本発明は、本書に示された実施形態により制限されることを意図せず、代わりに、クレームには、本書に開示された法則や新規の特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１９】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
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【図２０Ｆ】
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【図２１】
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【図２２Ａ】
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【図２２Ｂ】
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【図２３】
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【図２４Ａ】
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【図２４Ｂ】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３Ｂ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１４】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【図１５Ｃ】
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【図１６Ａ】
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【図１６Ｂ】
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【図１６Ｃ】
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【図１７】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
2014505976.tif 000052
【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
2014505976.tif 000054
【図１８Ｅ】
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【図１８Ｆ】
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【国際調査報告】
2014505976.tif 000057
2014505976.tif 000058
2014505976.tif 000059