(57)【要約】  レドックスフロー電池システムにおける電解質の移動を軽減するための方法と装置が開示される。レドックスフロー電池セルブロックの第１の流路における第１の電解質の第１のパラメータを測定する。第１の流路は、該レドックスフロー電池セルブロックに対する流入口と流出口を有する。該レドックスフロー電池セルブロックの第２の流路における第２の電解質の第２のパラメータを測定する。第２の流路は、該レドックスフロー電池セルブロックに対する流入口と流出口を有する。第１のパラメータが第２のパラメータより大きいことを検知する。第２の流路において該レドックスフロー電池セルブロックに接続された第１のデバイスを動作させて、第２の流路における第２のパラメータを増加させる。第１の流路において該レドックスフロー電池セルブロックに接続された第２のデバイスを動作させて、第１の流路における第１のパラメータを減少させる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
レドックスフロー電池セルブロックの第１の流路であり、前記レドックスフロー電池セルブロックに対する流入口と流出口を有する前記第１の流路における第１の電解質の第１の圧力を測定し、
前記レドックスフロー電池セルブロックの第２の流路であり、前記レドックスフロー電池セルブロックに対する流入口と流出口を有する前記第２の流路における第２の電解質の第２の圧力を測定し、
前記第１の圧力が前記第２の圧力より大きいことを検知し、
前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された第１のデバイスを動作させて、前記第２の流路における第２の圧力を上昇させることを特徴とするレドックスフロー電池システムにおける電解質の移動を軽減する方法。
【請求項２】
さらに、前記第１の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された第２のデバイスを動作させて、前記第１の流路における前記第１の圧力を低下させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１のデバイスは、前記第２の流路の流出口に接続されたフロー制御デバイスであり、
前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された前記デバイスを動作させる場合、前記第２の流路における前記第２の電解質の流出口からの流出を制限するよう前記フロー制御デバイスを動作させて、前記第２の圧力を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記第１のデバイスは、前記第２の流路の流入口に接続されたフロー制御デバイスであり、
前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された前記デバイスを動作させる場合、前記第２の流路における前記第２の電解質の流入口への流入を開放するよう前記フロー制御デバイスを動作させて、前記第２の圧力を上昇させることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２のデバイスは、前記第２の流路の流出口に接続されたフロー制御デバイスであり、前記第１の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された前記第２のデバイスを動作させる場合、前記第１の流路における前記第１の電解質の流出口からの流出を開放するよう前記フロー制御デバイスを動作させて、前記第１の圧力を低下させることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記第２のデバイスは、前記第２の流路の流入口に接続されたフロー制御デバイスであり、前記第１の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された前記第２のデバイスを動作させる場合、前記第１の流路における前記第１の電解質の流入口への流入を制限するよう前記フロー制御デバイスを動作させて、前記第１の圧力を低下させることを特徴とする請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記第１のデバイスが前記第２の流路の流出口に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記第１のデバイスが前記第２の流路の流入口に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項９】
前記第１のデバイスはフロー制御バルブを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１のデバイスはフロー制御ポンプを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１のデバイスは受動的フロー制流器を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記フロー制御ポンプが、ギヤポンプ、スクリューポンプ、パドルポンプ、蠕動ポンプ、一軸ねじポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、容積式流量計、斜盤式流量計から構成される群から選ばれることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された第１のデバイスを動作させて、前記第２の流路における前記第２の圧力を上昇させる場合、前記フロー制御ポンプを動作させて、前記第２の流路における前記第２の電解質の送込み流量を増大させることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記フロー制御デバイスが流れ抵抗器を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１の圧力が前記第２の圧力より大きいことを検知する場合、前記第１の圧力と前記第２の圧力の一方を、前記第１の流路の流出口と前記第２の流路の流出口のうち対応する一方において検知することを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
前記フロー制御ポンプは、前記第２の流路の流出口に流量計を備えることを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記第２の流路の前記第２の電解質は、前記レドックスフロー電池セルブロックの陰極液を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
前記レドックスフロー電池セルブロックは、前記第１と第２の流路に沿ってカスケード構成に配置した複数のセルブロックにおける最終セルブロックを含み、前記レドックスフロー電池セルブロックが前記カスケードの流出端に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された第１のデバイスを動作させて、前記第２の流路における前記第２の圧力を上昇させる場合、前記第１のデバイスを動作させて、前記第２の流路における前記第２の電解質を流れるシャント電流にシャント抵抗を付与することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１のデバイスはシャント抵抗器を含むことを特徴とする請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
第１の電解質を運ぶ第１の流体チャネルと第２の電解質を運ぶ第２の流体チャネルに沿って配置され、電気化学セルで構成された第１のブロックと電気化学セルで構成された第２のブロックであり、前記第１の電解質と前記第２の電解質が前記第１のブロックから流出して前記第２のブロックへ流入するように、前記第１の流体チャネルと第２の流体チャネルに沿って配置された第１のブロック及び第２のブロックと、
前記第１のブロックの流入側に配置され、前記第１の流体チャネルと前記第２の流体チャネルのうち１つ以上の流体チャネルに接続された第１のデバイスと、
前記第２のブロックの流出側に配置され、前記第１の流体チャネルと前記第２の流体チャネルのうち１つ以上の流体チャネルに接続された第２のデバイスと、
前記第１のデバイスと前記第２のデバイスに接続されたコントローラとを備え、
前記コントローラは、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスの少なくとも一方を制御して、前記第１の流体チャネルにおける第１の制御フローパラメータと前記第２の流体チャネルにおける第２のフロー制御パラメータとを平衡化するよう構成されることを特徴とするレドックスフロー電池システムにおける電解質の移動を軽減するための装置。
【請求項２２】
前記第１のフロー制御パラメータを第１の圧力、前記第２のフローパラメータを第２の圧力とすることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２３】
前記第１のフロー制御パラメータを第１の流量、前記第２のフロー制御パラメータを第２の流量とすることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２４】
前記第２のブロックは複数のセルブロックで構成されるカスケードの流出端に配置され、前記第２のデバイスは前記第２のブロックの流出端にのみ接続されることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２５】
前記第１のブロックと前記第２のブロックは複数のセルブロックで構成されるカスケードの流入端と流出端にそれぞれ配置され、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスは前記第１のブロックの流入側と前記第２のブロックの流出側にのみ接続されることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２６】
前記第１のブロックと前記第２のブロックの間に配置される第３のデバイスをさらに備え、前記第３のデバイスは、前記第１の流体チャネルと前記第２の流体チャネルのうち１つ以上の流体チャネルに接続されることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２７】
前記第２のデバイスは、前記第２の流体チャネルに接続されたフロー制御デバイスを含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２８】
前記第１のデバイスと前記第２のデバイスの少なくとも一方は、バルブ、ボールバルブ、ゲートバルブ、グローブバルブ、ダイヤフラムバルブ、バタフライバルブ、ニードルバルブ、ソレノイドバルブ、オリフィス式逆止弁、流れ抵抗器、ポンプ、ギヤポンプ、スクリューポンプ、パドルポンプ、蠕動ポンプ、一軸ねじポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、容積式流量計、斜盤式流量計から構成される群から選ばれることを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項２９】
前記第１の流体チャネルに接続された第１の圧力センサと、前記第２の流体チャネルに接続された第２の圧力センサとをさらに備え、前記第１の圧力センサと前記第２の圧力センサは前記コントローラに接続され、前記第１の圧力センサと前記第２の圧力センサは前記第１の圧力と前記第２の圧力に対応した第１と第２の圧力信号を前記コントローラへ与えるよう構成されることを特徴とする請求項２２に記載の装置。
【請求項３０】
前記第１の圧力センサと前記第２の圧力センサの少なくとも一方は、前記第２のブロックの流出側に配置されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３１】
前記コントローラはさらに、前記第１の圧力と前記第２の圧力の圧力差を前記第１の圧力信号と前記第２の圧力信号に基づいて判断し、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスの少なくとも一方の動作を制御して前記圧力を平衡化するよう構成されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３２】
前記コントローラはさらに、前記第１の圧力が前記第２の圧力より大きいことを前記第１の圧力信号と前記第２の圧力信号に基づいて判断し、前記第２のデバイスの動作を制御して前記第２の流体チャネルにおける前記第２の圧力を上昇させるよう構成されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３３】
前記第１の流体チャネルに接続された第１の流量センサと、前記第２の流体チャネルに接続された第２の流量センサとをさらに備え、前記第１の流量センサと前記第２の流量センサは前記コントローラに接続され、前記第１の流量センサと前記第２の流量センサは、前記第１の流量と前記第２の流量に対応した第１と第２の流量信号を前記コントローラに与えるよう構成されることを特徴とする請求項２３に記載の装置。
【請求項３４】
前記第１の流量センサと前記第２の流量センサの少なくとも一方は、前記第２のブロックの流出側に配置されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３５】
前記コントローラはさらに、前記第１の流量と前記第２の流量の流量差を前記第１の流量信号と前記第２の流量信号に基づいて判断し、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスの少なくとも一方の動作を制御して、前記流量を平衡化するよう構成されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３６】
前記コントローラはさらに、前記第１の流量が前記第２の流量より大きいことを前記第１の流量信号と前記第２の流量信号に基づいて判断し、前記第１デバイスの動作を制御して、前記第１の流体チャネルにおける前記第１の流量を低下させるよう構成されることを特徴とする請求項２９に記載の装置。
【請求項３７】
前記第１のデバイスと前記第２のデバイスは、フロー制御デバイスを含むことを特徴とする請求項２１に記載の装置。
【請求項３８】
前記第１のデバイスと前記第２のデバイスは、シャント抵抗デバイスをさらに含むことを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項３９】
前記フロー制御デバイスは、ギヤポンプ、スクリューポンプ、パドルポンプ、蠕動ポンプ、一軸ねじポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、容積式流量計、斜盤式流量計から構成される群から選ばれたポンプを含むことを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記フロー制御デバイスは、電気機械作動バルブを含むことを特徴とする請求項３７に記載の装置。
【請求項４１】
第１の電解質を運ぶ第１の流体チャネルと第２の電解質を運ぶ第２の流体チャネルに沿って配置され、電気化学セルで構成された第１のブロックと電気化学セルで構成された第２のブロックであって、前記第１の電解質と前記第２の電解質が前記第１のブロックから流出して前記第２のブロックへ流入するように、前記第１の流体チャネルと第２の流体チャネルに沿って配置された第１のブロックと第２のブロックと、
前記第１の流体チャネルにおいて前記第１のブロックの流入側に配置され、第１の方向では自由に流動させ、反対方向である第２の方向では流動を制限するよう構成される第１のデバイスと、
前記第１の流体チャネルにおいて前記第２のブロックの流出側に配置される第２のデバイスとを備え、前記第１のデバイスが、前記第２の方向では自由に流動させ、前記第１の方向では流動を制限するよう構成されることを特徴とするレドックスフロー電池システム。
【請求項４２】
前記第１のデバイスと前記第２のデバイスは、オリフィス式逆止弁を含むことを特徴とする請求項４１に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、概してレドックスフロー電池システムに関し、より詳しくは、レドックスフロー電池システムにおいて、個別の電解質流における圧力と流量の両方又は一方を平衡化するためのシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フロー電池とは、電気化学反応物質が液体電解質（一般的に「反応物質」とも呼ばれることもある）に溶解された電気化学エネルギー貯蔵システムである。このシステムでは、液体電解質は反応セルを介して送り込まれ、反応セルでは、酸化還元反応を介して、反応物質内で電気エネルギーが化学的ポテンシャルエネルギーに変換されるか、電気エネルギーが化学的ポテンシャルエネルギーから抽出される。メガワット単位の電気エネルギーを貯蔵及び送出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、タンクのサイズを大きくすることで、所要エネルギー貯蔵容量にまで拡大可能であり、また、電気化学セル又はセルブロックの数やサイズを大きくすることによって、所要の出力電力を生成するようにも拡大可能である。当該技術分野では、多種多様なフロー電池の化学的構造及び配置構成が知られている。
【０００３】
例えば、レドックスフロー電池システムには、Ｆｅ／Ｃｒというレドックス対に基づくものがある。この場合、（正の半セル内の）陰極液は、ＦｅＣｌ３、ＦｅＣｌ２及びＨＣｌを含有しており、（負の半セル内の）陽極液は、ＣｒＣｌ３、ＣｒＣｌ２及びＨＣｌを含有している。このようなシステムは、「非混合反応物質」システムとして知られている。「混合反応物質」システムでは、陽極液はさらにＦｅＣｌ２も含有し、陰極液はさらにＣｒＣｌ３を含有している。どちらの場合も、初期状態では、陰極液と陽極液は、通常、等モルの反応物質濃度を有している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
充電運転と放電運転の両方又はその一方の運転中に起こる副反応によって、電解質濃度の平衡状態が失われ、また、他の問題を引き起こす場合がある。例えば、Ｆｅ／Ｃｌレドックスフロー電池の場合、充電サイクル中にアノードで水素発生という副反応が起こる。このような副反応が起こることで、ある半セル内では、第２の電解質において発生する充電状態より高い充電状態に多くの反応物質が変換され、これが電解質濃度の非平衡状態を招く。こうした非平衡状態では、例えば、Ｆｅ３＋の濃度は、Ｃｒ２＋の濃度よりも高くなる可能性がある。こうした非平衡状態は、電池容量を低下させるため望ましくない。また、発生する水素ガスの比率、ひいては反応物質の非平衡状態の程度も、充電状態（ＳＯＣ）が高くなるにつれ、大きくなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
こうしたことから、レドックスフロー電池システムにおける電解質移動を軽減する実施形態の方法を様々な態様で提供する。一実施形態による方法では、レドックスフロー電池セルブロックの第１の流路であり、前記レドックスフロー電池セルブロックに対する流入口と流出口を有する前記第１の流路における第１の電解質の第１の圧力を測定してもよい。前記レドックスフロー電池セルブロックの第２の流路であり、前記レドックスフロー電池セルブロックに対する流入口と流出口を有する前記第２の流路における第２の電解質の第２の圧力を測定してもよい。前記第１の圧力が前記第２の圧力より大きいことを検知してもよい。前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された第１のデバイスを動作させて、前記第２の流路における第２の圧力を上昇させてもよい。一実施形態による方法では、さらに、前記第１の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された第２のデバイスを動作させて、前記第１の流路における前記第１の圧力を低下させてもよい。一実施形態による方法では、前記第１のデバイスは、前記第２の流路の流出口に接続されたフロー制御デバイスであり、前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された前記デバイスを動作させる場合、前記第２の流路における前記第２の電解質の流出口からの流出を制限するよう前記フロー制御デバイスを動作させて、前記第２の圧力を上昇させてもよい。
【０００６】
別の実施形態による方法では、前記第１のデバイスは、前記第２の流路の流入口に接続されたフロー制御デバイスであり、前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された前記デバイスを動作させる場合、前記第２の流路における前記第２の電解質の流入口への流入を開放するよう前記フロー制御デバイスを動作させて、前記第２の圧力を上昇させてもよい。一実施形態による方法では、前記第２のデバイスは、前記第２の流路の流出口に接続されたフロー制御デバイスであり、前記第１の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された前記第２のデバイスを動作させる場合、前記第１の流路における前記第１の電解質の流出口からの流出を開放するよう前記フロー制御デバイスを動作させて、前記第１の圧力を低下させてもよい。一実施形態による方法では、前記第２のデバイスは、前記第２の流路の流入口に接続されたフロー制御デバイスであり、前記第１の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された前記第２のデバイスを動作させる場合、前記第１の流路における前記第１の電解質の流入口への流入を制限するよう前記フロー制御デバイスを動作させて、前記第１の圧力を低下させてもよい。さらに、各実施形態による方法では、前記第１のデバイスが前記第２の流路の流出口に配置されてもよい。一実施形態による方法では、前記第１のデバイスが前記第２の流路の流入口に配置されてもよい。さらに、各実施形態による方法では、前記第１のデバイスはフロー制御バルブを含んでもよい。各実施形態による方法では、前記第１のデバイスはフロー制御ポンプを含んでもよい。各実施形態による方法では、前記第１のデバイスは受動的フロー制流器を含んでもよい。さらに、各実施形態による方法では、前記フロー制御ポンプを、ギヤポンプ、スクリューポンプ、パドルポンプ、蠕動ポンプ、一軸ねじポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、容積式流量計、斜盤式流量計から構成される群から選んでもよい。
【０００７】
別の実施形態による方法では、前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された第１のデバイスを動作させて、前記第２の流路における前記第２の圧力を上昇させる場合、前記フロー制御ポンプを動作させて、前記第２の流路における前記第２の電解質の送込み流量を増大させてもよい。各実施形態による方法では、前記フロー制御デバイスは流れ抵抗器を含んでもよい。各実施形態による方法では、さらに、前記第１の圧力が前記第２の圧力より大きいことを検知する場合、前記第１の圧力と前記第２の圧力の一方を、前記第１の流路の流出口と前記第２の流路の流出口のうち対応する一方において検知してもよい。各実施形態による方法では、前記フロー制御ポンプは、前記第２の流路の流出口に流量計を備えてもよい。各実施形態による方法では、前記第２の流路の前記第２の電解質は、前記レドックスフロー電池セルブロックの陰極液を含んでもよい。各実施形態による方法では、前記レドックスフロー電池セルブロックは、前記第１と第２の流路に沿ってカスケード構成に配置した複数のセルブロックにおける最終セルブロックを含み、前記レドックスフロー電池セルブロックを、前記カスケードの流出端に隣接して配置してもよい。各実施形態による方法では、前記第２の流路において前記レドックスフロー電池セルブロックに接続された第１のデバイスを動作させて、前記第２の流路における前記第２の圧力を上昇させる場合、前記第１のデバイスを動作させて、前記第２の流路における前記第２の電解質を流れるシャント電流にシャント抵抗を付与してもよい。各実施形態による方法では、前記第１のデバイスはシャント抵抗器を含んでもよい。
【０００８】
実施形態では、レドックスフロー電池システムにおける電解質の移動を軽減するための装置が提供される。実施形態では、電気化学セルで構成された第１のブロックと電気化学セルで構成された第２のブロックは、第１の電解質を運ぶ第１の流体チャネルと第２の電解質を運ぶ第２の流体チャネルに沿って配置されてもよい。実施形態では、前記第１のブロックと前記第２のブロックは、前記第１の電解質と前記第２の電解質が前記第１のブロックから流出して前記第２のブロックへ流入するように、前記第１の流体チャネルと第２の流体チャネルに沿って配置されてもよい。実施形態では、さらに、第１のデバイスが前記第１のブロックの流入側に配置されてもよい。前記第１のデバイスは、前記第１の流体チャネルと前記第２の流体チャネルのうち１つ以上の流体チャネルに接続されてもよい。実施形態では、さらに、第２のデバイスは前記第２のブロックの流出側に配置されてもよい。前記第２のデバイスは、前記第１の流体チャネルと第２の流体チャネルのうち１つ以上の流体チャネルに接続されてもよい。実施形態では、さらに、コントローラは、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスに接続されてもよい。前記コントローラは、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスの少なくとも一方を制御して、前記第１の流体チャネルにおける第１の制御フローパラメータと前記第２の流体チャネルにおける第２のフロー制御パラメータを平衡化するよう構成されてよい。実施形態では、前記第１のフロー制御パラメータを第１の圧力、前記第２のフロー制御パラメータを第２の圧力としてもよい。実施形態では、さらに、前記第１のフロー制御パラメータを第１の流量、前記第２のフロー制御パラメータを第２の流量としてもよい。実施形態では、前記第２のブロックは、複数のセルブロックで構成するカスケードの流出端に配置されてもよい。前記第２のデバイスは、前記第２のブロックの流出側にのみ接続されてもよい。実施形態では、前記第１のブロックと前記第２のブロックは、複数のセルブロックで構成するカスケードの流入端と流出端にそれぞれ配置されてもよい。前記第１のデバイスと前記第２のデバイスは、前記第１のブロックの流入側と前記第２のブロックの流出側にのみ接続されてもよい。実施形態では、第３のデバイスが、前記第１のブロックと前記第２のブロックの間に配置されてもよい。前記第３のデバイスは、前記第１の流体チャネルと前記第２の流体チャネルのうち１つ以上の流体チャネルに接続されてもよい。実施形態では、前記第２のデバイスは、前記第２の流体チャネルに接続されたフロー制御デバイスを含んでもよい。実施形態では、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスの少なくとも一方を、バルブ、ボールバルブ、ゲートバルブ、グローブバルブ、ダイヤフラムバルブ、バタフライバルブ、ニードルバルブ、ソレノイドバルブ、オリフィス式逆止弁、流れ抵抗器、ポンプ、ギヤポンプ、スクリューポンプ、パドルポンプ、蠕動ポンプ、一軸ねじポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、容積式流量計、斜盤式流量計から構成される群から選んでもよい。
【０００９】
別の実施形態では、第１の圧力センサは前記第１の流体チャネルに接続され、第２の圧力センサは前記第２の流体チャネルに接続されてもよい。前記第１の圧力センサと前記第２の圧力センサは、前記コントローラに接続されてもよい。前記第１の圧力センサと前記第２の圧力センサは、前記第１の圧力と前記第２の圧力に対応した第１と第２の圧力信号を前記コントローラへ与えるよう構成されてもよい。実施形態では、前記第１の圧力センサと前記第２の圧力センサの少なくとも一方は、前記第２のブロックの流出側に配置されてもよい。実施形態では、前記コントローラは、さらに、前記第１の圧力と前記第２の圧力の圧力差を、前記第１の圧力信号と前記第２の圧力信号に基づいて判断するよう構成され、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスの少なくとも一方の動作を制御して、前記圧力の平衡化を行ってもよい。実施形態では、さらに、前記コントローラは、前記第１の圧力が前記第２の圧力より大きいことを、前記第１の圧力信号と前記第２の圧力信号に基づいて判断するよう構成され、前記第２のデバイスの動作を制御して、前記第２の流体チャネルにおける前記第２の圧力を上昇させてもよい。実施形態では、第１の流量センサは前記第１の流体チャネルに接続され、第２の流量センサは前記第２の流体チャネルに接続されてもよい。前記第１の流量センサと前記第２の流量センサは、前記コントローラに接続されてもよい。前記第１の流量センサと前記第２の流量センサは、前記第１の流量と前記第２の流量に対応した第１と第２の流量信号を、前記コントローラに与えるよう構成されてもよい。実施形態では、前記第１の流量センサと前記第２の流量センサの少なくとも一方は、前記第２のブロックの流出側に配置されてもよい。
【００１０】
実施形態では、さらに、前記コントローラは、前記第１の流量と前記第２の流量の流量差を、前記第１の流量信号と前記第２の流量信号に基づいて判断するよう構成され、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスの少なくとも一方の動作を制御して、前記流量の平衡化を行ってもよい。実施形態では、前記コントローラは、前記第１の流量が前記第２の流量より大きいことを、前記第１の流量信号と前記第２の流量信号に基づいて判断するよう構成され、前記第１デバイスの動作を制御して、前記第１の流体チャネルにおける前記第１の流量を低下させてもよい。実施形態では、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスは、フロー制御デバイスを含んでもよい。実施形態では、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスは、シャント抵抗デバイスをさらに含んでもよい。実施形態では、さらに、前記フロー制御デバイスは、ギヤポンプ、スクリューポンプ、パドルポンプ、蠕動ポンプ、一軸ねじポンプ、ピストンポンプ、ダイヤフラムポンプ、容積式流量計、斜盤式流量計から構成される群から選ばれたポンプを含んでもよい。実施形態では、前記フロー制御デバイスは、電気機械作動バルブを含んでもよい。
【００１１】
別の実施形態では、レドックスフロー電池システムが提供される。実施形態では、電気化学セルで構成された第１のブロックと電気化学セルで構成された第２のブロックを、第１の電解質を運ぶ第１の流体チャネルと第２の電解質を運ぶ第２の流体チャネルに沿って配置してもよい。前記第１のブロックと前記第２のブロックを、前記第１の電解質と前記第２の電解質が前記第１のブロックから流出して前記第２のブロックへ流入するように、前記第１の流体チャネルと第２の流体チャネルに沿って配置してもよい。実施形態では、第１のデバイスは、前記第１の流体チャネルにおいて前記第１のブロックの流入側に配置されてもよい。前記第１のデバイスは、第１の方向では自由に流動させ、反対方向である第２の方向では流動を制限するよう構成されてもよい。実施形態では、第２のデバイスは、前記第１の流体チャネルにおいて前記第２のブロックの流出側に配置されてもよい。前記第１のデバイスは、前記第２の方向では自由に流動させ、反対方向である前記第１の方向では流動を制限するよう構成されてもよい。実施形態では、さらに、前記第１のデバイスと前記第２のデバイスは、オリフィス式逆止弁を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】電解質の圧力と流量を平衡化するよう構成したレドックスフロー電池システムの概略図である。
【図２】実施形態における、フロー制御システムを有するレドックスフロー電池システムの一例を、複数の電気化学セルブロックで構成するカスケードの流入端と流出端に配置したフロー制御デバイスと直列に流体接続した上記カスケードとともに示す、レドックスフロー電池システムの概略図である。
【図３】実施形態における、フロー制御システムを有するレドックスフロー電池システムの一例を、電気化学セルブロックで構成するカスケードの隣接するセルブロック間に介挿したフロー制御デバイスと直列に流体接続した上記カスケードとともに示す、レドックスフロー電池システムの概略図である。
【図４】実施形態における、流体に可変抵抗を付与するよう構成したシャント抵抗器の部分透過斜視図である。
【図５】圧力・流量センサとフロー制御デバイスを各電解質流動ラインに備えた、フロー電池セルブロックの概略図である。
【図６】レドックスフロー電池システムにおける２つの電解質流の圧力と流量の両方又は一方を平衡化するための、一実施形態による制御アルゴリズム方法を示す処理フロー図である。
【図７】実施形態における、受動的圧力検知デバイスの断面図である。
【図８】実施形態における、２つの流体チャネルの圧力を平衡化するよう構成した受動的圧力平衡化デバイスの概略図である。
【図９】実施形態における、４つの流体チャネルの流体の圧力を平衡化するよう構成した受動的圧力平衡化デバイスの概略図である。
【図１０】実施形態における、一体型圧力平衡化部材を含むフロー電池セルの一部位の断面図である。
【図１１】実施形態における、電子コントローラの一例を概略的に示すブロック図である。
【図１２】実施形態における、オリフィス式逆止弁の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
添付の図面は本明細書に組み込まれ、その一部を構成する。各図面には本発明の好適な実施形態が図示され、上述の概要説明及び以下の詳細な説明とともに、本発明における各特徴の説明に用いられる。
【００１４】
添付の図面を参照して、各種実施形態を詳細に説明する。以下に説明する各例や実装はあくまで例示であり、本発明や請求項の範囲を限定することを意図したものではない。
【００１５】
本明細書において、数値や数値範囲に用いた「約」や「およそ」といった記載は、本明細書に開示する目的のために、各構成要素の一部又はすべてが機能を遂行できるように設定した好適な温度や寸法の許容値を表す。
【００１６】
以下に説明する実施形態では、多種多様な条件下における電気エネルギー貯蔵及び供給に好適な、酸化還元（ｒｅｄｏｘ）フロー電池システムに基づくエネルギー貯蔵システムに有用なシステム、デバイス、及び方法、また、レドックスフロー電池（ＲＦＢ）が提供される。このようなレドックスフロー電池システムの各実施形態は、２００９年７月６日を出願日とする、同時係属出願である米国特許出願第１２／４９８，１０３に、図示及び記載されている。本明細書で説明する各実施形態は、２つの流動液体電解質を有する他の電気化学エネルギー貯蔵システムにも適用可能である。
【００１７】
本明細書において、酸化又は還元反応に関連する様々なレドックスフロー電池の構成要素名（例えば、「陽極液」「アノード」「陰極液」「カソード」であるが、これらに限定されない）は、通常の充電反応に基づくものである。レドックスフロー電池には、可逆的酸化／還元反応が伴うため、放電反応中に各半セル内で発生する実際の反応は、充電反応中に発生する反応とは逆の反応である場合もあるが、本明細書では、放電反応を説明する際も、各構成要素には充電反応における名称を用いる。
【００１８】
各実施形態には、正の電解質流と負の電解質流の間の圧力と流量の両方又は一方の非平衡状態を、管理、軽減、反転するためのシステムと方法が含まれる。実施形態の説明には、Ｆｅ／Ｃｒフロー電池を参照するものがあるが、理由の如何を問わず、フローの非平衡状態が発生するフロー電池化学作用であれば、そのすべてに同じ原則と概念を適用することができる。
【００１９】
図１は、一般的な２タンク型再循環型レドックスフロー電池システム１０の概略図である。図示と説明をわかりやすくするために、各電気接続、負荷、及び電源は省略し、液体電解質の流路のみを示す。フロー電池システム１０は、複数の電気化学セル２０で構成した少なくとも１つのブロック１８を含む電気化学スタックを備える。このブロック１８は、電源からの電気エネルギーを液体電解質において化学ポテンシャルエネルギーに変換するよう構成される。この液体電解質は、ポンプ１６によってセルブロック１８中を流れ、負の電解質（陽極液）１２と正の電解質（陰極液）１４を含むタンクに貯蔵されている。さらに、セルブロック１８は、化学ポテンシャルエネルギーを、電気負荷へ供給する電力に変換するよう構成される。
【００２０】
セルブロック１８は任意の数のセル２０を含み、各セルは、負の半セル２４から分離膜２６によって隔てられた正の半セル２２を有する。いくつかの実施形態では、半セルチャンバ２２と２４は、反応電解質から電気エネルギーを収集し、また、反応電解質へ電気エネルギーを伝達する多孔性電極を有してもよい。正の電解質は、１つ以上のポンプ１６によって、陰極液供給ライン３０を介して陰極液タンク１４から正の半セル２２へ送り込まれ、また、陰極液戻りライン３４を介して陰極液タンクへ戻されてもよい。同様に、負の電解質は、１つ以上のポンプ１６によって、陽極液供給ライン３２を介して陽極液タンク１２から負の半セル２４へ送り込まれ、また、アノード戻りライン３６を介して陽極液タンク１２へ戻されてもよい。
【００２１】
いくつかの実施形態では、電子制御システムが設けられ、電源からの充電と負荷への放電の切換え、バッテリの運転モードの制御、これ以外の制御機能を実行してもよい。本明細書に記載する各処理は、特に、本明細書に記載するアルゴリズム及び論理構成にしたがって構成又はプログラムされている場合、好適なデジタルコントローラとアナログコントローラの両方又は一方を用いることができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、セルブロック１８は、目的に応じて、流動的かつ電気的に平列及び／又は直列に組み合わせた個別の電気化学反応セルを複数含んでもよい。このようなフロー電池システムは、例えば、２０１０年１０月２６日発行のＨｏｒｎｅ等（「Ｈｏｒｎｅ」）による米国特許第７，８２０，３２１、及び、２０１１年９月１５日開示のＨｏｒｎｅ等による米国特許出願公報第２０１１／０２２３４５０（１２／９８６，８９２）に、図示及び記載されており、これら文献の全内容が、ここに参考文献として援用される。本明細書における「（単数又は複数の）セル」という記載は、セル数を特定の数に限定することを意図したものではなく、好適に配置した１つ又は任意の数のフロー反応セルを意味する。
【００２３】
いくつかの実施形態では、複数のセルブロックを、あるセルから別のセルへ、又は、あるセルブロックから別のセルブロックへ電解質が直列に流れるように、カスケード配置構成で互いに接続してもよい。例えば、Ｈｏｒｎｅには、改変を加えたカスケードレドックスフロー電池システムが記載されており、セルとスタックの両方又はその一方が、第１のステージからｎ（ｎは１よりも大きい任意の数）番目のステージへ、電解質が共通の流路に沿って直列に流れるように、カスケード構成で配置されている。これらのカスケードシステムにおいて、第１のステージとｎ番目のステージの間に充電状態の変化勾配があり、電気化学セルの各構成部は、これらのセルで推定される充電状態の条件に基づいて最適化される。
【００２４】
図１のレドックスフロー電池システムは２つのタンクを備えているが、以下に説明するシステムや各処理は、異なる数のタンクを備えるシステムにも用いることができる。例としては、充電・放電電解質を異なるタンク容積のタンクに貯蔵する、４タンク型システムである。通常の４タンク型フロー電池システムでは、電解質は、１つ又は複数のスタックを一度通過するだけで、充電状態の設計範囲の最大値まで充電及び／又は放電可能である。４タンク型システムの一例を図３に示す。いくつかの実施形態では、４タンク型システムは、各々分割部材を有する２つのタンクを用いて、４つの別々のタンク容積を設けることで実現してもよい。Ｈｏｒｎｅには、分割されたタンクを備えたレドックスフロー電池システムのいくつかの例が図示及び記載されている。
【００２５】
通常の充電運転中は、フロー電池反応物質は、反応物質種を正極（カソード）において陰極液内で酸化し、かつ、反応物質種を負極（アノード）において陽極液内で還元することで、エネルギーを得る。同じレドックスフロー電池において、放電運転中は、反応物質種を正極において陰極液内で還元し、かつ、反応物質種を負極において陽極液内で酸化することで、エネルギーを放出する。
【００２６】
本明細書では、「酸化状態」とその略称である「ＳＯＯ」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、酸化状態とＳＯＯは、「放電」状態から「充電」状態へ変換（例えば、酸化又は還元）された電解質内における反応物質の比率を指す。例えば、Ｆｅ／Ｃｒレドックス対に基づくＲＦＢでは、陰極液（正の電解質）の酸化状態は、Ｆｅ２＋の状態からＦｅ３＋の状態へ酸化された全Ｆｅの百分率で定義することができる。一方、陽極液（負の電解質）の酸化状態は、Ｃｒ３＋の状態からＣｒ２＋の状態へ還元された全Ｃｒの百分率で定義することができる。
【００２７】
本明細書では、「充電状態」とその略称である「ＳＯＣ」は、ＲＦＢシステム全体の電荷蓄積容量に対する、蓄積電荷（アンペア時で測定する）の比率を指す。特に、「充電状態」と「ＳＯＣ」は、ＲＦＢシステムの電荷蓄積全容量の理論値に対する、ＲＦＢに蓄積された使用可能な蓄積電荷の瞬間率を指す。いくつかの実施形態では、「使用可能な」蓄積電荷は、閾値電圧（例えば、Ｆｅ／ＣｒＲＦＢシステムの実施形態の一部では、約０．７Ｖ）以上の電圧で運ぶことができる蓄積電荷を指してもよい。いくつかの実施形態では、電荷蓄積容量の理論値は、非平衡反応のストイキオメトリーが及ぼす影響を排除して算出してもよい。
【００２８】
レドックス電池セルに電解質を送り込む際に、正の電解質と負の電解質の圧力差といった要因によって、液体電解質のかさ容積が時間がたつにつれ不均一になることがよくある。この圧力差によって、分離膜を越える液体移動、及び／又は、ある半セルから別の半セルへの液体電解質の漏出（例えば、封止部材周りに）が起こりがちである。様々な要因によって圧力差は発生する。例えば、多孔質膜を有するセルの中には、膜の低圧側（実施形態の一部では、例えば、陰極液側）と高圧側（実施形態の一部では、例えば、陽極液側）の間で圧力勾配を生じるものがある。この圧力勾配によって、高圧側から低圧側へ（実施形態の一部では、例えば、陽極液側から陰極液側へ）電解質の移動が起こり、低圧電解質の体積流量が、流出口において低圧電解質よりも高くなる。「移動電解質」や「電解質の移動」の記載は、本明細書において、上述の移動に関連して用いられ、概して、通常の運転条件において反対側の半セルへ移動する傾向のある電解質、又は、移動現象を指す。「受け側電解質」という記載は、本明細書では、セル間での漏出や移動の結果、量が増えた電解質を特定するために用いる。対象のフロー電池システムに応じて、陽極液と陰極液のいずれを移動電解質としてもよい。
【００２９】
いくつかの実施形態では、圧力勾配は、上記膜の一方側で（実施形態の一部では、例えば、陽極液側）、水素ガス、酸素ガス、又は他の気体等が発生したことによってもたらされる。他の実施形態では、圧力勾配は、異なる温度や酸化状態において、電解質の粘度、密度、又は他の特性の相対差によって発生する。多くの場合、２つのフロー電池の電解質間の圧力勾配は、複数の要因の組み合わせによってもたらされる。
【００３０】
圧力勾配の発生に関わらず、電解質の移動は、一方の電解質の容量（例えば、陽極液）が過剰になり、また、他方の電解質の容量（例えば、陰極液）が不足する事態を招く場合がある。電解質の移動が及ぼす影響は、１回の充電又は放電サイクルの後ですでに明らかであり、サイクル数が多い場合、その影響はさらに大きくなる。電解質の移動によって、陽極液と陰極液が意図せず混ざり合うために、システム効率が低下する。これにより、電解質の移動を是正又は軽減することで、フロー電池システムの長期にわたる運転性能を実現することができ、また、維持することができる。
【００３１】
電解質移動の問題に対処する解決策の１つとして、サイクルのすべて又はそのいくつかを、移動電解質（例えば、より高圧の電解質）が過剰にある状態で開始することが知られている。この過剰な移動電解質を十分に供給することで、所望の充電／放電サイクル数の後、システムは最終的にほぼ同等の電解質容量とすることができる。しかし、このようなやり方では遅れが生じるだけであり、電解質移動の問題を解消するために、液体電解質容量を再度均等化することは依然として必要である。電解質容量を均等化する別の解決策として、過剰な量の受け側電解質を移動電解質のタンクへ移送することで、電解質容量を均等化することが知られている。しかし、このやり方では、陽極液と陰極液とが比較的大量に混ざり合うという問題が必然的に起こる。このように両液が混ざり合うと、蓄積エネルギーの総量がかなり減少し、全体の効率が大幅に低下してしまう。
［カスケードフロー電池用フロー制御の配置構成］
【００３２】
場合によっては、電解質移動の発生を防ぐことは不可能、又は非常に難しいこともある。これにより、実施形態では、高流量の電解質（例えば、受け側電解質）に流れ抵抗を与えることで、スタックから流出する電解質の容量を平衡状態に戻し、電解質を通常の移動とは反対の方向へ強制的に（例えば、分離器を介して、及び／又は、漏出しやすい封止部材周りに）交差させてもよい。このようにスタック内で強制的に反転させると、正と負の電解質が混ざり合うために生じるクーロン効率の損失を少なくすることができる。
【００３３】
いくつかの実施形態では、１つ又は複数のスタックを通過する電解質の圧力勾配は、２つの電解質流の間の圧力勾配が十分に減少するか解消されるまで、低圧電解質（例えば、受け側電解質）の流路における液圧を上昇させ、及び／又は、高圧電解質（例えば、移動電解質）の流路における液圧を低下させることで、平衡化してもよい。いくつかの実施形態では、このような圧力の平衡化を実現するために、セル又はセルブロックに流入及び／又はセル又はセルブロックから流出する一方又は両方の電解質の体積流量を制御してもよい。いくつかの実施形態では、このフロー制御を実現するには、一方又は両方の電解質流において、１つ以上のフロー制御部材を用いて、流れ抵抗力をかけて電解質の流れを減速させる、あるいは、流れ推進力をかけて電解質の流れを加速させてもよい。このようなフロー制御部材として、例えば、ポンプや、流量計測デバイスや、流れ抵抗デバイスがある。以下にさらに詳細に説明するように、いくつかの実施形態では、フロー制御部材は、１つ以上の測定流量又は圧力に基づいて自動制御されてもよい。
【００３４】
流量計測デバイスの実施形態には、多数の部材や構成が含まれてもよい。いくつかの実施形態では、流量計測デバイスは、ポンプであってもよい。例えば、計量ポンプをカスケードの各ステージの間の陽極液流路と陰極液流路の各々に設けてもよい。計量ポンプ（又はフロー制御ポンプ）は、順方向の圧送圧力を生じさせることが可能であり、かつ、所望の流量を上回る大きさの順方向の圧力に対しては抑えることが可能なポンプであれば限定されない。このように、計量ポンプは、所望の流量を実現できるものであれば、どのようなポンプも採用可能である。例えば、計量ポンプには、蠕動ポンプ、遠心ポンプ、ベローズポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピストンポンプ、容積式ポンプ、ギヤポンプ、一軸ねじポンプ（例えば、スクリューポンプ）、斜盤式流量計、ピストンポンプ、又は他の好適なフロー制御ポンプが含まれる。このようなデバイスの例は、名称を「フロー電池システム用シャント電流抵抗器」とする２０１１年１２月６日出願の米国特許出願第１３／３１２，８０２に基づく、同時係属出願である２０１２年１２月６日公開の米国特許出願公報第２０１２／０３０８８５６に、図示及び記載されている。該出願は、２０１０年１２月８日を出願日とする米国仮出願番号第６１／４２１、０４９に対する優先権を主張し、その明細書の全内容が、ここに参考文献として援用される。
【００３５】
図１に、実施形態における、２タンク型再循環型フロー電池システムを示す。このシステムでは、電解質は、タンク１２、１４と、電解質を充電又は放電する反応スタック１８の間を循環する。いくつかの実施形態では、フロー制御デバイス１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、及び１６ｄを、再循環システムのセルブロック１８に対する流入口と流出口の両方に配置してもよい。いくつかの実施形態では、フロー制御デバイス１６ａ〜１６ｄはフロー計量ポンプを含んでもよい。いくつかの実施形態では、フロー制御デバイス１６ａ〜１６ｄは、他のフロー制御デバイス、例えば、バルブ、流体チャネル制流装置、ノズル、狭小オリフィス、他のデバイス等を含んでもよい。
【００３６】
いくつかの実施形態では、２つのフロー制御ポンプの機能を、同一の圧送力で複数の流路に圧送を行うよう構成した複数のヘッドを有する単一のポンプによって実現してもよい。一例として、電解質は、第１の対のポンプ１６ａ、１６ｂによって、流入ライン３０、３２を介してセルブロック（又はステージ）１８へ送り込まれ、その後、第２の対のポンプ１６ｃ、１６ｄによって、流出ライン３４、３６を介してブロック１８から送り出され、タンク１４、１２へ戻る。このような配置構成は、両方の電解質を、同一の体積流量でセルブロックへ強制的に流入させ、セルブロックから流出させるよう構成してもよい。
【００３７】
他の実施形態では、図１のシステムは、流入側のポンプ１６ａと流出側のポンプ１６ｂのどちらか一方のみを備えてもよく、この場合、残りのフロー制御を他のフロー制御デバイスで管理してもよい。いくつかの実施形態では、図１の配置構成を、任意の数のセルブロックに応じて拡大してもよい。
【００３８】
図２は、実施形態における、カスケードフロー電池システム１０を示す。このカスケードフロー電池システム１０は、直列に互いと流体接続された３つの独立したセルブロック１８を有する。図２の例では、フロー制御デバイス４０を個別のカスケードステージ１８ａ〜１８ｃの前後に介挿配置することで、単一のセルブロックにおけるフロー制御デバイスの概念を、セルブロックのカスケード構成に拡大している。実施形態では、フロー制御デバイス４０は、陰極液流路４２と陽極液流路４４の両方に、カスケードの各セルブロック１８の前後の位置に設けられている。このような介挿配置構成のフロー制御デバイス４０を用いて、各電解質流における液圧を制御して、２つの電解質流の流量差を十分に制限又は解消することができる。
【００３９】
あるいは、フロー制御デバイス４０を、隣接するセルブロック１８の間の位置に設けてもよい。この例では、図２に示すようなフロー制御デバイス４０ａ、４０ｂ、４０ｇ、４０ｈは省略するか、ポンプ１６に置き換えてもよく、ポンプ１６は計量ポンプである必要はない。他の選択肢として、ブロック１８内の個々の電気化学セルが、陽極液と陰極液の間の圧力勾配を最小限とするよう構成したフロー制御構造を備えるよう、フロー電池システムを構成してもよい。
【００４０】
図３は、実施形態における、カスケードフロー電池システム１０を示す。このカスケードフロー電池システム１０は、カスケード端部（流入口と流出口）に配置したフロー制御部材４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄを有する。図３の例では、第１のフロー制御デバイス４０ａを、陽極液流路４４における最初のカスケードステージ１８ａへの流入口の上流に配置し、第２のフロー制御デバイス４０ｂを、陽極液流路４４における最終のカスケードステージ１８ｃに対する流出口の下流に配置している。同様に、フロー制御デバイス４０ｃ、４０ｄを、陰極液流動ラインにおける第１のステージ１８ａに対する流入口の前方及び最終ステージ１８ｃに対する流出口の後方に設けている。
【００４１】
本明細書における「流入口」と「流出口」という記載は、図示の方向への電解質の流れを想定して用いている。フロー電池システムの中には、一方向のみの流れで動作するよう構成したものもあるが、様々な実施形態において、カスケードフロー電池システムは、電解質がカスケードを介して両方向へ流れるよう構成してもよい。例えば、電解質が、充電中は左から右へ流れ、放電中は右から左へ流れるとすると、流入口と流出口は、例えば、意図した流れ方向と相対的に関連する位置を指す。
【００４２】
様々な実施形態において、任意の数のカスケードステージが、各対のフロー制御デバイス４０の間に存在する（例えば、３ステージ、４ステージ、５ステージ、６ステージ、７ステージ、８ステージ、又はそれ以上のステージ数）。いくつかの実施形態では、図２の例に示すようなシステムの制御を、フロー制御デバイス４０ａ〜４０ｄのすべて又はいずれかが、これらデバイス中を流れる電解質に付与する流れ抵抗を大きくする、又は小さくすることで実行してもよい。
【００４３】
図３の配置例では、カスケードステージ間のフロー制御デバイス４０を省略してもよい。いくつかの実施形態では、運転中、図３の例に示すような配置構成は、カスケードの流出口に配置したフロー制御デバイス（例えば、図示の流れ方向における４０ｂと４０ｄ）のみを用いて、電解質を、通常の移動とは反対の方向へ（例えば、分離器を介して、及び／又は、漏出しやすい封止部材周りに）強制的に交差させてもよい。フロー制御デバイスをカスケードの流出端に配置する場合には、カスケード内で反転するような交差流を起こす可能性があるが、カスケードの流出端に向かう。このような実施形態では、流入端のフロー制御デバイス４０ａ、４０ｃは、カスケード流入口における流れへの制限をできる限り少なくするよう動作するため、ポンプや他のデバイス（図示省略）によって、電解質を、ほぼ同等の流量でカスケードへ流入させることができる。
【００４４】
いくつかの実施形態では、４つのフロー制御デバイス４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄはすべて、計量ポンプ又はフロー制御ポンプであってもよく、この場合、ポンプ１６は省略してもよい。例えば、流入端のポンプ４０ａと４０ｃはポンプとしてのみ動作し、同等の流量で電解質にカスケードを通過させ、流出端のポンプ４０ｂと４０ｄは、いずれか一方又は両方が流れ抵抗器として動作し、カスケードから流出する電解質の流量（及び／又は圧力）を同等、又は、ほぼ同等にする。流れ方向は、例えば、充電から放電へ切り換える時に反転させてもよく、その場合、各ポンプの機能も反転させる。例えば、ポンプ４０ｂと４０ｄは電解質にカスケードを通過させる一方、ポンプ４０ａと４０ｃは流れ抵抗器として動作するよう構成する。
【００４５】
他の実施形態では、フロー制御配置構成において、単一の電解質のみのフローを積極的に制御するように、各フロー制御デバイスを１つの電解質ラインに設けてもよい。例えば、干渉がない場合に、スタックから流出する陽極液が陰極液（例えば、陰極液は移動電解質）よりも流量が高いことがわかっている場合、フロー制御デバイスを陽極液流動ラインのみに配置することで、セルブロックから流出する陽極液の流量が、セルブロックから流出する陰極液の流量と同等、又は、ほぼ同等になるように、陽極液の流量制御を十分に行ってもよい。別の例では、干渉がない場合に、スタックから流出する陰極液がスタックから流出する陽極液（例えば、陽極液は移動電解質）よりも流量が高いことがわかっている場合、フロー制御デバイスを陰極液流動ラインのみに配置することで、セルブロックから流出する陰極液の流量が、セルブロックから流出する陽極液の流量と同等、又は、ほぼ同等になるように、陰極液の流量制御を十分に行ってもよい。
【００４６】
図３に示すブックエンド型配置構成と図２に示す介挿型配置構成のどちらを採用するか、圧力制御を流入口と流出口の両方又は一方で行うか、また、他の構成における選択は、フロー電池システムの特性、交差流の状況、カスケードと再循環スタックのどちらが使われているか、カスケードにおけるステージ数、セルの特性（例えば、分離部材の材料、電極の材料等）、又は他の要因によって決まる。例えば、システムの中には、その電解質移動パターンが、流れ抵抗器を各カスケードステージ間に配置する介挿配置構成では、最終カスケードステージの流出口に位置する流れ抵抗器で、圧力（及び／又は流量）を平衡化するだけの配置構成よりも、全体の効率がさらに大きく低下するようなものがある。例えば、長尺のカスケードでは、流量が一定（均等ではない）になるカスケードのいずれかのステージで、ある電解質から別の電解質への移動量は横ばい状態となる。特に、各ステージ後に圧力又は流量を平衡化すると電解質移動総量が大きくなる可能性が高い場合、このようなカスケードの流出端にのみ制流装置を形成することで電解質移動を是正すると、各ステージ後に流れ抵抗器を用いて電解質移動を是正するより、クーロン効率の損失を少なくすることができる。したがって、いくつかの実施形態では、流量がより高い電解質（例えば、受け側電解質）を、カスケードの流出口でのみ制流することが望ましい。したがって、反転可能なカスケードの場合、フロー抑制デバイスをカスケードの両端に配置してもよい。実施形態では、カスケードの流出端における１つ又は複数のデバイスのみが、特定のフローサイクル中に電解質の流れを妨げる動作をするよう、フロー抑制デバイスを構成してもよい。フローサイクルが反転すると、他方の流出端のフロー制御デバイスを、カスケードが反転した時点で電解質の流れを妨げるよう構成してもよい。
【００４７】
フロー制御デバイスは、図１〜図３に示す配置構成、又は、他の配置構成等で構成したフロー制流機構、又は、流れ抵抗機構を含んでもよい。フロー制御デバイスは、例えば、入手可能な１つ又は複数のフロー制御デバイスであれば、採用できる。以下にその例をいくつか説明する。
［フロー制御デバイス］
【００４８】
いくつかの例では、フロー制御デバイスは流れ抵抗器であってもよい。流れ抵抗器は、ポンプと同様に構成した構造物であってもよい。他の例では、流れ抵抗器とポンプの相違点としては、流れ抵抗器は、必ずしも流入口と流出口の間に正の圧送圧力を発生可能とする必要はない。むしろ、流れ抵抗器は、流れに抵抗をかけるために特定の直径を有する１つ又は一連のオリフィス等の、流体の流れを妨げる背圧を生じさせる、又は、与えるよう構成した電気機械式デバイス又は完全に機械的なデバイスであればよい。このような流れ抵抗器は、所要の圧力制御や流れ抵抗の程度がわかっている場合、有用である。流れ抵抗器は、例えば、所定又は既知の背圧等の背圧、又は、流体の流れの入力圧力で決まる既知の特性にしたがって変化する背圧を与えるようにしてもよい。いくつかの実施形態では、流れ抵抗器はまた、手動制御又は自動制御される可変背圧を生じさせるよう構成してもよい。例えば、バッテリセルの上流と下流のどちらかで、各電解質循環流に単一のポンプを用いる循環フロー電池システムの中には、バッテリ内で背圧を生じさせること、又は、制御することをできないものがある。本明細書に開示する実施形態は、カスケードＲＦＢ構成又は他のＲＦＢ構成内において、背圧を確保することで、電解質移動に伴う問題に対処可能であるため、有利である。
【００４９】
他の実施形態では、電解質の流体チャネルを流れるシャント電流に抗するようにした構造を有する回転機械部材を用いて、流れ抵抗力を電解質流にかけてもよい。例えば、機械的シャント抵抗器の例としては、シャント電流を遮る一方、流体を自由に流れるようにすることを目的として、回転シャフト又は軸に取り付けた回転部材を有する流量計測デバイス等の構造がある。実施形態では、機械的シャント抵抗器は、回転動作に摩擦力が作用するよう構成したブレーキやクラッチを設けて改変してもよい。この構成でも流れ抵抗を与えることができる。他のシャント抵抗デバイスについては、本明細書に組み込んだ上述の米国特許出願公開第２０１２／０３０８８５６に図示及び説明されている。これらのシャント抵抗デバイスは、能動的又は受動的シャント抵抗器であれば、どのようなものでも採用可能であり、好ましくは、実質的に非導電性（すなわち、かなり高い電気抵抗を有する）、かつ、化学的に非反応性（すなわち、電解質環境において化学的にほぼ不活性である）材料で構成することが好ましい。シャント抵抗器の形成に有用な材料は、例えば、特定の気体（例えば、不活性ガス）の気泡、ガラス、特定のセラミックス、ゴム、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン、パーフルオロアルコキシ、塩化ポリビニル等、各種非導電性ポリマーが挙げられる。シャント抵抗器は、電解質の流れを制限し、流入側と流出側の間を流体絶縁状態とする移動型流体絶縁構造物であってもよい。また、シャント抵抗器には、長尺チャネルシャント抵抗器、ポンプ又はポンプのような装置、歯車ポンプ又はギヤポンプ、スクリューポンプ、一軸ねじポンプ、パドルホイールポンプ、渦巻きポンプ、容積式ポンプ、容積式流量計、ダイヤフラムポンプ、斜盤式流量計、往復ピストンポンプ、蠕動ポンプ、他の機構が含まれるが、これらに限定されない。さらに、シャント抵抗器は、流体の流れを妨げるように背圧を生じさせるよう構成してもよく、例えば、制御信号に基づき、流体の流れを妨げるように可変背圧を生じさせるよう制御される構成であってもよい。
【００５０】
他のシャント抵抗器の例としては、流れを妨げるよう構成したものでも可能である。例えば、図４に、シャント抵抗器チャネル５４の各部位を取り囲む複数の電動コイル６６を有するシャント抵抗器４０を示す。分割部材５０は、球状、ほぼ球状、又は楕円形状に構成され、鉄、セラミック、希土類、又は他の磁気材料等の磁気性コア材料で構成したインナ部６４を取り囲むアウタ部６２を含む。また、分割部材５０は非球状かつ長尺形状に構成され、コア材料の磁極が分割部材の縦軸と揃うように選択配置されてもよい。いくつかの実施形態では、分割部材５０は共通の中央シャフトに機械的に接続されてもよい。コイル６６が消勢されると、分割部材５０はシャント抵抗器チャネル５４内を自由に移動するため、シャント抵抗器チャネル５４を流れる流体を妨げることは全くないか殆どないものの、分割部材５０はシャント電流を阻害しうる。
【００５１】
コイル６６の１つ以上に電流を流すと、コイルが励起し、周知の電磁気学の原則にしたがって磁場が生じる。磁場における磁束のコア集中はコイルの中心軸内にあり、流れ方向と分割部材５０の移動方向に沿ってシャント抵抗器チャネル５４と同軸である。磁場や磁束集中は、その「Ｎ」極と「Ｓ」極が、コイルの各端部と、コイル６６が巻き付けられたシャント抵抗器の各部位にある。磁場の極は、シャント抵抗器チャネル５４内でコイル６６に隣接する、分割部材５０の磁心の異極と引き付け合い、同極とは反発し合う。分割部材５０に磁場が作用すると、分割部材５０に位置や移動を調節する効果が及び、これにより、シャント抵抗器チャネル５４を通過する流体の流れを制限することができる。コイル６６の各々に電流を流すタイミングを制御することで、分割部材５０のチャネル５４内の順方向への移動を主に妨げるよう、磁場の発生を制御することができる。コイル６６に流す電流の大きさを変えることで、分割部材５０にかかる磁力の大きさを変えることができる。このように、電流を流すタイミングと電流の大きさを制御することで、図４のデバイスは、内部を循環する電解質の流量を制御し、これにより、流入口５６と流出口５８の間を流れる流体の背圧を制御することができる。同様に、図４のデバイスをポンプとして動作させ、流入口５６から流出口５８への電解質の流量を加速してもよい。あるいは、分割部材５０とこの分割部材が移動するチャネルの内壁との間の摩擦が大きくなるように、磁力又は電磁力を、図４に示すようなシャント抵抗器に印加してもよい。こうすれば、流れ抵抗が摩擦により制御される。
【００５２】
別の実施形態では、流れ抵抗器は、２つの電解質の圧力差を解消するよう構成されたバルブを含んでもよい。例えば、いくつかの実施形態では、フロー制御バルブを流れ抵抗器として用いることができる。このようなフロー制御バルブには、ボールバルブ、ゲートバルブ、グローブバルブ、ダイヤフラムバルブ、バタフライバルブ、ニードルバルブ、ポペットバルブ、ソレノイドバルブ等が含まれる。これらのバルブは、制御信号に応じて、可変流れ抵抗力を与えるよう自動制御される。様々な実施形態において、こうした制御システムは、完全な電子システム、電気機械システム、油圧システム、又は空気圧システムでもよい。また、他の動作方法又は制御方法を含んでもよい。
【００５３】
いくつかの実施形態では、フロー制御デバイスは、流路における１つ以上の点で測定した一方又は両方の電解質の液圧や流量等の測定制御パラメータに基づき、閉ループ自動制御システムを介して制御されてもよい。いくつかの実施形態では、電解質流を１つ以上の機械部材（例えば、フロー制御ポンプ）で計測することで、その流量を直接制御するよう構成した１つ以上の自動制御流量計測デバイスを用いて、電解質の流れを調整してもよい。
［圧力又はフロー制御システム］
【００５４】
１つ以上の電気機械式フロー制御デバイスが圧力や流量を増減する程度を自動的に判断するために、様々な制御アルゴリズムを用いることができる。このようなアルゴリズムの例を、図５と図６を参照して以下に説明する。これらのアルゴリズムには、好適な電子コントローラが用いられる。その一例を図１１のブロック図を参照して以下に説明する。
【００５５】
図５は、実施形態において、セルで構成した制御ブロック１９に対して圧力平衡化システムを制御するための、閉ループフロー制御システム８０に用いる構成部の一例を示す。制御システム８０は、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、からの測定信号８２ａを受信するよう構成した電子コントローラ８２を含む。いくつかの実施形態では、該センサは圧力センサであってもよい。コントローラ８２は、さらに、フロー制御デバイス７０、７２、７４、７６に制御信号８２ｂを送信するよう構成されてもよい。ライン１６ａ、１６ｂ、７０ａ、７４ａ、１９ａ、１９ｂ、７２ａ、７６ａは、上記制御セルブロック１９中を、例えば、左から右へ流れる電解質を運ぶ電解質の流路を表す。いくつかの実施形態では、ポンプ１６は、制御ブロック１９を介して、電解質がライン１６ａと１６ｂを流れるよう促し、コントローラ８２から制御信号８２ｃを受信してもよい。いくつかの実施形態では、フロー制御デバイスＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４のすべて又はその一部はポンプを備えてもよく、その場合、ポンプ１６の一方又は両方を省略してもよい。いくつかの実施形態では、制御ブロック１９は単一のセルブロックから構成してもよい。他の実施形態では、制御ブロック１９は、任意のステージ数のセルブロックで構成する完全型カスケードであってもよい。実施形態では、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、又は、フロー制御デバイス７０、７２、７４、７６の１つ以上を、これらが特定の制御アルゴリズムには不要である場合、省略してもよい。
【００５６】
実施形態では、第１の組のセンサＳ１、Ｓ３を、各電解質の流路に、例えば、制御ブロック１９の流入側に配置してもよい。また、第２の組のセンサＳ２、Ｓ４を、例えば、制御ブロック１９の流出側に配置してもよい。実施形態では、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は圧力センサであってもよい。制御システムは、コントローラ８２、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４、及びフロー制御デバイス７０、７２、７４、７６の動作を通じて、流出側のセンサＳ２、Ｓ４及び／又は流入側のセンサＳ１、Ｓ３の両方又は一方の側のセンサが測定した圧力が所望のレベルに達するまで、フロー制御デバイス７０、７２、７４、７６がかける流れ抵抗を増大又は低下させるよう構成してもよい。このように、実施形態では、制御システムは、例えば、ライン７０ａと７４ａにおける流入圧力が互いとほぼ同等になり、ライン１９ａと１９ｂにおける流出圧力が互いとほぼ同等になる状態を維持するように、測定圧力に基づいてフロー制御デバイスを制御するよう構成してもよい。通常、制御ブロック１９に対する圧力降下の設計値分だけ流出圧力は流入圧力よりも低い。
【００５７】
実施形態では、流入・流出電解質流動ライン７０ａ、７４ａ、１９ａ、１９ｂの液圧は、圧力センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４の各々によって継続してモニタリングされてもよい。実施形態では、２つの流出センサＳ２とＳ４が検知した圧力の差を、流動ラインの１つ、例えば、低圧流動ラインの流出側フロー制御デバイス（７２又は７６）を動作させ、その低圧流動ラインにおける圧力を上昇させることで、均等化又は制御してもよい。例えば、センサＳ２がセンサＳ４より高い圧力を検知した場合、センサＳ２で検知する圧力がセンサＳ４で検知する圧力とほぼ同等になるまで、流出口のフロー制御デバイス７６の流れ抵抗を増大させてもよい。あるいは、フロー制御デバイス７０、７４等の流入側フロー制御デバイスと、フロー制御デバイス７２、７６等の流出側フロー制御デバイスの両方を動作させて、低圧流動ラインの圧力を上昇させることで、検知した電解質流動ライン間の圧力差を、均等化又は制御してもよい。さらに、例えば、センサＳ２で検知した圧力がセンサＳ４で検知した圧力よりも比較的高い場合、センサＳ４で検知する流出圧力がセンサＳ２で検知する圧力とほぼ同等となるまで、流入側フロー制御デバイス７４と流出側フロー制御デバイス７６の両方を用いて、流れ抵抗を上昇させてもよい。実施形態では、流入口及び流出口のフロー制御デバイス（例えば、７４と７６）にかかる各流れ抵抗は、互いにほぼ同等としてもよい。
【００５８】
実施形態では、圧力制御システムは、一方の電解質の流入圧力が、他方の電解質の流入圧力より所定量だけ高い状態を維持するよう構成してもよい。例えば、元々流量が高い電解質が、他方の電解質より高い圧力に維持されるようにすることが望ましい。同様に、圧力制御システムは、一方の電解質の流出圧力が、他方の電解質の流出圧力より所定量だけ高い状態を維持するよう構成してもよい。実施形態では、一方の電解質の流入圧力若しくは流出圧力、又は、流入圧力と流出圧力の両方を、所定量だけ、他方の電解質より高くする、又は、低くするように制御してもよい。このように、いくつかの実施形態では、制御システムは、流入側フロー制御デバイス７０、７３と、流出側フロー制御デバイス７２、７６の両方の側又は一方の側のフロー制御デバイスを調整して、所望の相対圧力を維持するよう構成してもよい。
【００５９】
別の実施形態では、センサＳ１、Ｓ２、Ｓ３、Ｓ４は流量センサであってもよく、陰極液と陽極液の間でフローが非平衡状態となっている場合、フロー制御デバイス７０、７２、７４、７６を調整して目標の流量とすることで、平衡化してもよい。いくつかの実施形態では、４つの測定流量すべてを、互いとほぼ同等となるように制御してもよい。他の実施形態では、各流入口又は流出口における流量を個別に制御して、各流動ラインにおける流量の間に所望の平衡状態を達成してもよい。
【００６０】
図６の処理フロー図は、各実施形態で制御の実現に用いる、高水準制御処理を示す。図６の処理を、図５のシステムを参照して、図５に示す方向へ電解質が流れると想定して説明する。コントローラ８２は、本明細書に説明する各アルゴリズムや処理を実行するよう構成したプロセッサを含んでもよい。このプロセッサは、さらに詳細に後述する、図６を参照して、処理９０は開始ブロック９１で始まり、例えば、コントローラ８２等のプロセッサ又はコントローラでセンサ出力データ値を比較する等によって、制御ブロック１９の流入側で、センサＳ１とＳ３の測定信号を評価する。センサの出力データ値が、各電解質供給ラインにおける圧力（又は流量）が互いと同等、又は、ほぼ同等でない（例えば、判断ブロック９２＝「ＮＯ」）ことを示す場合、コントローラ８２は、ブロック９３で各圧力又は流量を同等に近づけることを目的として、制御信号を送信して、流入側フロー制御デバイス７０と７４の一方又は両方を調整（９３）してもよい。センサ圧力値の間のエラー値又は差分値が、許容エラー閾値又は差分閾値より大きい場合、各センサ出力データ値は異なる値であると判断される。あるいは、エラー値又は差分値が閾値を超える場合、コントローラ８２は、流入口における圧力と流量の両方又は一方を均等化するために、制御信号を送信して、ポンプ１６の一方又は両方を調整してもよい。ブロック９２と９３における、流入圧力又は流量の評価、及び、流入側フロー制御部材の調整処理は、流入側センサ出力データ値の間のエラー値又は差分値が、所望エラー閾値又は差分閾値を下回るまで、必要な回数、経路９４を通じて繰り返し行ってもよい。
【００６１】
センサＳ１とＳ３のセンサデータ出力値により判断した結果、流入圧力と流量の両方又は一方が同等、又は、ほぼ同等である場合（例えば、判断ブロック９２＝「ＹＥＳ」）、コントローラ８２は、制御ブロック１９の流出側のセンサＳ２とＳ４の圧力と流量の両方又は一方の測定信号を評価してもよい。センサＳ２とＳ４のセンサデータ出力値を比較することで判断した結果、流出圧力又は流量が互いと同等又はほぼ同等ではない場合（例えば、判断ブロック９６＝「ＮＯ」）、コントローラ８２は、流出側のフロー制御デバイス７２と７６の両方又は一方を調整するために制御信号を送信し、エラーが小さくなるようブロック９７で調整を行う。センサデータ出力値が同等、又は、ほぼ同等であるか否かの判断は、センサ出力データ値間のエラー値又は差分値が、許容閾値より大きいか否かを判断することで行う。ブロック９６と９７でそれぞれ行う、流出圧力又は流量の評価と流出側フロー制御部材の調整は、流出側センサ間のエラー値が所望の閾値を下回るまで、必要な回数、経路９８を通じて繰り返し行ってもよい。
【００６２】
図６は、流入側フローパラメータをほぼ同等とし、流出側フローパラメータを評価・調整する処理の例を示す。図６の処理はあくまで例示であり、限定を意図したものではない。実施形態では、流入側と流出側の各フローパラメータを、同時に評価・調整してもよい。実施形態では、流入側フローパラメータを、流出側パラメータとは別個に最適化してもよく、またその逆も可能である。実施形態では、流入側フローパラメータを、流出側フローパラメータを評価・調整することで最適化してもよく、またその逆も可能である。実施形態では、圧力差の評価と流入口と流出口のフローパラメータの調整を、上述とは異なる組合せとすることも可能である。
［一体化フロー制御・圧力検知デバイス］
【００６３】
実施形態では、フロー制御デバイスをセルブロック内に一体形成してもよい。例えば、フロー制御デバイスは、１つ以上のセルブロックのエンドプレートに組み入れてもよい。実施形態では、フロー制御デバイスを、セルブロックの中央部に組み入れる、及び／又は、セル層内に直接組み込んでもよい。各実施形態での例を図７〜１０に示す。
【００６４】
実施形態では、フロー制御デバイスを圧力検知デバイスと一体化してもよい。図７は、各実施形態において、フロー電池システム内に組み入れ可能なフロー制御・圧力検知デバイスを示す。図７のデバイスを、カスケードフロー電池システムの隣接するセルブロックを接続するよう構成したステージ間プレートに組み入れてもよい。あるいは、図７のデバイスは、複数セルから構成したブロックのエンドプレートに組み入れてもよい。図７と図８の各構造は例示であり、限定を意図したものではない。機能的に類似する圧力平衡化デバイスであれば、物理的な形態や形状が様々に異なっていても、使用可能である。
【００６５】
図７のフロー制御・圧力検知デバイス１００は、プレート本体１１４のチャネル１１２内に摺動可能に配置したプランジャー１１０を備えてもよい。プランジャー１１０の遠心端１１６は、電解質の流体チャネル１２０へ延出しており、これをフロー電池セルブロックの流入口又は流出口としてもよい。実施形態では、プランジャー１１０とプランジャーチャネル１１２の両方又は一方は、電解質が流体チャネル１２０からプランジャーチャネル１１２へ漏出するのを防ぐために、１つ以上の封止部材（例えば、Ｏリング）を備えてもよい。実施形態では、プランジャー１１０は、チャネル１１２に摺動可能に配置した剛性を有するデバイスであってもよい。実施形態では、プランジャー１１０は、プランジャーチャネル１１２に配置された、膨張可能又は拡大可能な部材等の可撓性デバイスであり、膨張又は拡大することで、流体チャネル１２０を封入又は制限するよう構成されてもよい。
【００６６】
プランジャー１１０は、流体チャネル１２０内の液圧によって、プランジャー１１０をチャネル１１２に押入、又は、チャネル１１２から押出可能に、チャネル１１２内で摺動、拡大、又は収縮自在としてもよい。いくつかの実施形態では、プランジャー１１０を流体チャネル１２０から押出する、又は、プランジャー１１０を収縮させる力は、流体チャネル１２０内の液圧又は空気圧に比例してもよい。プランジャー１１０を流体チャネル１２０から押出する力、又は、プランジャー１１０を収縮させる力は、センサデバイス（図示省略）で測定してもよい。一方、例えば、アクチュエータ又は他の駆動機構（図示省略）を用いて、プランジャー１１０の支圧面１２２に力を加え、プランジャー１１０を流体チャネル１２０へ押し込むと、流体チャネル１２０を通過する電解質の流れを妨げることがあり、その結果、プランジャー１１０上流の電解質の液圧を上昇させる。いくつかの例では、アクチュエータとセンサは同一機構内で組み合わせてもよい。このように、図７のデバイス１００の各実施形態により、電解質の流体チャネル１２０における流体の液圧及び空気圧を測定かつ制御することができる。
【００６７】
上述したように、実施形態では、一方の電解質（例えば、陽極液）の液圧を、他方の電解質（例えば、陰極液）の液圧にほぼ一致させることが望ましい。このように、実施形態では、２つの圧力検知・制御デバイス１００を組み合わせて、受動的自動圧力平衡化デバイスを構成してもよい。図８にこのようなデバイスを示す。
【００６８】
図８は、実施形態における、受動的自動圧力平衡化デバイス１０５を示す。この受動的自動圧力平衡化デバイスは、対応する一対の電解質の流体チャネルにおける液圧を平衡化するために、互いに接続した一対の圧力検知・制御デバイス１００を含んでもよい。実施形態では、共通のエンドプレート１１４は、陽極液流体チャネル１２０ａと陰極液流体チャネル１２０ｃを含んでもよい。一対のプランジャー１１０ａと１１０ｃは、各チャネル１１２ａと１１２ｃに摺動可能に配置され、各々流体チャネル１２０ａと１２０ｃの一部へそれぞれ延出してもよい。実施形態では、２つのプランジャーの支圧面１２２を互いに機械的に接続してもよい。こうすることで、一方のプランジャー１１０ｃの遠心端１１６ｃが流体チャネル１２０ｃの外へ移動すると、接続した支圧面１２２を介して加えられる力が作用し、他方のプランジャー１１０ａがチャネル１１２ａ内を移動し、かつ、流体チャネル１２０ａ内へと移動する。このように、流体チャネル１２０ｃにおける比較的高い圧力は、プランジャー１１０ａを流体チャネル１２０ａへ押し入れる効果があり、流体チャネル１２０ａの流れを制限して、効果的に流体チャネル１２０ａにおける圧力を上昇させる。流体チャネル１２０ａの圧力が流体チャネル１２０ｃの圧力を上回る程度に上昇すると、作動は反転し、プランジャー１１０ｃは流体チャネル１２０ｃ内へ押し戻され、この流体チャネルの圧力を上昇させる。これは受動的な作用であるため、各流体チャネル１２０ａと１２０ｃにおける圧力変化に応じて、圧力を、プランジャー１１０ａと１１０ｃの互いへの相互作用によって、継続して平衡化することができる。
【００６９】
実施形態では、プランジャー１１０ａと１１０ｃは、ばね、柔軟性のある袋状部材、レバー、ギヤ、他の機械部材等（図示省略）を用いて、間接的に機械接続してもよい。実施形態では、一方のフロー制御・圧力検知デバイスのプランジャー１１０を、非圧縮性流体（例えば、水、油、電解質等）を充填した導管を介して、他方のフロー制御・圧力検知デバイスのプランジャー１１０に接続してもよい。
【００７０】
実施形態では、各プランジャー１１０を、流体チャネル１２０の流体がプランジャー１１０に加える力を検知するよう構成した電子検知器に接続してもよい。実施形態では、各プランジャー１１０を、電子制御信号に応じて、プランジャー１１０を流体チャネル１２０内へ又は流体チャネル１２０外へ移動させるよう構成した電気機械式アクチュエータ（例えば、ソレノイド、サーボモータ、又は他の電子制御機械アクチュエータ）に接続してもよい。
【００７１】
実施形態では、図８の受動的自動圧力平衡化デバイス１０５は、複数の電気化学セルからなるブロックにおける、陽極液と陰極液の各液流間の圧力を平衡化するのに用いてもよい。第１の受動的自動圧力平衡化デバイス１０５を、複数の電気化学セルから構成されるブロックに対する流入口に配置し、第２の受動的自動圧力平衡化デバイス１０５を、複数の電気化学セルから構成されるブロックに対する流出口に配置してもよい。実施形態では、受動的自動圧力平衡化デバイス１０５を、単一のセルブロックに対する流入口又は流出口に配置してもよい。多段式カスケード配置構成の実施形態では、受動的自動圧力平衡化デバイス１０５を、各流体チャネル１２０ａと１２０ｃによって、第１のステージに対する流出口と隣接するステージに対する流入口が互いに接続されるよう、隣接するステージの間に配置してもよい。実施形態では、受動的自動圧力平衡化デバイス１０５は、多段式カスケード配置構成のどちらかの端部に配置してもよい。また、この自動圧力平衡化デバイス１０５を、多段式カスケード配置構成の流出端に配置することが望ましいこともある。
【００７２】
図９は、各実施形態において、セルブロックにおける圧力を受動的に平衡化するよう構成した圧力平衡化デバイス１５０の概略図である。図９に示すようなデバイスは、エンドプレートやサイドプレートのような、セルブロック構造と一体形成したベースプレート１６０に形成してもよい。圧力平衡化デバイス１５０は、ケーブル１５６で接続したプランジャー１５２、１５４を備えてもよい。プランジャー１５２、１５４とケーブル１５６は、プレート１６０のチャネル内に摺動可能に配置してもよい。実施形態では、ケーブル１５６は、プランジャー１５２と１５４の間で両方向に力を伝達可能とするために、軸方向に十分な剛性を有してもよい。言い換えれば、ケーブル１５６は、プランジャー１５４が動くとプランジャー１５２が押されるか引っ張られ、プランジャー１５４が動くとプランジャー１５２が押されるか引っ張られるよう構成してもよい。ケーブルは、例えば、チェーン、機械連結部材、油圧ピストン、又は他の油圧式制動デバイス等の、好適な構造であってもよい。さらに、ケーブル１５６は、プランジャー１５２と１５４の間で双方向に力を伝達可能な、他の好適な制動デバイスを含んでもよい。本明細書に記載する他の実施形態でも同様に、プランジャー１５２と１５４、プレート１６０、及び他の構成部は、少なくともその外面を、電解質との接触による劣化に耐性のある材料で形成してもよい。これらは、場合によっては、腐食性電解質と接触して濡れてしまうこともあるからである。
【００７３】
ベースプレート１６０は、電解質がポート１６２、１６４、１６６、１６８へ流入及び／又はこれらポートから流出するように、各電解質流動ラインと流体流通可能に接続されてもよい。一例では、ポート１６２は、セルブロック１６０内に通じる陽極液流入口に接続されてもよい。ポート１６４は、セルブロック１６０内に通じる陰極液流入口に接続されてもよい。ポート１６６は、セルブロック１６０からの出口である陽極液流出口に接続されてもよい。ポート１６８は、セルブロック１６０からの出口である陰極液流出口に接続されてもよい。任意の好適な流体接続配置構成を用いて、ポート１６２、１６４、１６６、１６８を各電解質流動ラインに接続してよい。電解質流動ラインと、ポート１６２、１６４、１６６、１６８を流れる電解質の相対圧力によって、各ポート内へ延出するプランジャー１５２と１５４の端部に力が加わり、一方のプランジャーがこれらの力に応じて移動すると、ケーブル１５６で接続したプランジャーはこれに呼応して移動する。
【００７４】
さらに図９を参照して、例えば、セルブロック１６０から流出する陽極液のポート１６６における圧力が、セルブロック１６０から流出する陰極液のポート１６８における圧力に対して、比較的高くなっている場合、プランジャー１５４は、ポート１６６から押し離されると、少なくとも部分的に陽極液の流出を開放し、また、ポート１６８に向かって押し出されると、少なくとも部分的に陰極液の流出を閉止する。この部分的な開閉は、例えば、ポート１６６とポート１６８の間の相対圧力差に比例する。プランジャー１５４の移動により、例えば、陰極液の流出が制限され、陰極液の流路における圧力を上昇させ、また、陽極液の流出を開放することで、陽極液の流路における圧力を低下させる効果がある。これに対応して、ケーブル１５６は、プランジャー１５４の移動の力をプランジャー１５２に伝達してもよい。ケーブル１５６の力によって、プランジャー１５２はポート１６２に向かって移動し、少なくとも部分的に陽極液の流入口からの流入を閉止する。プランジャー１５２は、ポート１６４から遠ざかり、少なくとも部分的に陰極液の流入口からの流入を開放する。プランジャー１５２の移動により、例えば、陽極液の流入口からの流入が制限され、陽極液の流路における圧力をさらに低下させ、陰極液の流入口からの流入を開放することで、陰極液の流路における圧力をさらに上昇させることを意図している。上記の例では、ポート１６２と１６８を逆にしてもよく、例えば、ポート１６２を陰極液の流出口と関連性をもたせ、ポート１６８を陽極液の流入口と関連性をもたせて、同じ効果が得られる。他の構成を、ポート１６２、１６４、１６６、１６８（例えば、陽極液と陰極液の流入口と流出口に対して）と、プランジャー１５２、１５４と、ケーブル１５６に用いることも可能であり、同じ効果が得られる。
【００７５】
実施形態では、プランジャー１５２、１５４は、想定する電解質間の最大圧力差の少なくとも半分を解消するに足る、大きな圧力変化を起こすことが可能な寸法と形状としてもよい。プランジャー１５２、１５４とこれらプランジャーが移動するチャネルとの間での電解質の流出や漏出を防止するために、これらプランジャーは、チャネルがしっかり封止されるようチャネルに対する大きさに形成されてもよい。同様に、ケーブル１５６は、電解質の流出や漏出対策としてケーブルチャネルを封止するような大きさで構成されてもよい。
【００７６】
図１０は、各実施形態において、単一のセル２００内に組み込まれた圧力平衡化構造を示す。図１０のセル２００は、カスケード配置構成と同様に、任意の数のセルをさらに含むバイポーラ積層セルブロック内の単一のセルであってもよい。セル２００は、第１の半セルコンパートメント２０４を隣接するセル（図示省略）から隔てる第１のバイポーラプレート２０２と、第２の半セルコンパートメント２０８を隣接するセル（図示省略）から隔てる第２のバイポーラプレート２０６を備えてもよい。第１と第２の半セルコンパートメントは、少なくともその一部が、多孔質導電性電極材料（例えば、カーボン又はグラファイトフェルト）で充填されてもよい。第１と第２の半セルコンパートメント２０４と２０８は、分離膜２６によって互いから分離されてもよい。
【００７７】
各実施形態において、セル２００は、分離膜２６の一部位を囲み、各電解質（例えば、陽極液、陰極液）が、各流路に沿って半セルチャンバ２０４、２０８へ流入又は半セルチャンバ２０４、２０８から流出する際に通過する流体チャネル２１２、２１４を形成する分割層２１０を、さらに備えてもよい。分割層２１０は、通常、ポリエチレン又はポリプロピレン等の非多孔質、非導電性、かつ非浸透性材料から構成されてもよい。実施形態では、分割層２１０の大部分は、動作圧力の下でも、できるだけ屈曲しないよう構成した十分な剛性を有する構造としてもよい。セル２００は、分割層２１０の剛直部をさらに機械的に支持するために、バイポーラプレート２０２、２０６、分割層２１０、又は他の構造部に取り付けた支持構造部を、さらに含んでもよい。
【００７８】
実施形態では、分割層２１０は、分割層２１０の剛直部よりも低密度又は柔軟性の高い材料から成る可撓部２２０を有してもよい。可撓部２２０は、流体チャネル２１２、２１４を形成するよう構成した、セル内のバイポーラプレート２０２、２０６、分割層２１０、又は他の構造部等に隣接して配置されて、電解質を収容、又は、電解質を半セルチャンバ２０４、２０８のフェルトへ向かわせてもよく、及び／又は、フェルトから別の方向へ向かわせてもよい。実施形態では、バイポーラプレート２０２、２０６は、少なくとも、可撓部２２０と隣接又は可撓部２２０に接続している領域において、十分な剛性を有してもよい。可撓部２２０とこれに隣接する構造部は、圧力差（一方の半セルの流体チャネル２１２の、他方の半セルの流体チャネル２１４に対する相対圧力が大きい場合等）によって、可撓部２２０が、流体チャネル２１２等の高圧側から流体チャネル２１４等の低圧側へ撓むよう、寸法形成及び構成してもよい。例えば、高圧側から低圧側へ可撓部２２０が撓むと、低圧側である他方の流体チャネル２１４内への可撓部２２０の撓みによって形成される断面フロー領域が小さくなるため、この低圧側を流れる電解質の圧力がこれに対応して上昇する。実施形態では、分割層２１０の可撓部２２０は、セル２２０の流入側又は流出側、又は、流入側と流出側の両方に設けてもよい。
［電子コントローラのハードウェア］
【００７９】
実施形態では、図１１に示すように、電子コントローラ５１０を用いて、ＲＦＢシステム全体等のシステム５１５や、フロー制御サブシステム等のフロー電池のサブシステムを制御してもよい。本例では、電子コントローラ５１０は、概してバス５２０で表すバスアーキテクチャで実装されてもよい。バス５２０は、二方向データライン、制御ライン、状態表示ライン、センサライン、他のラインを含む、各データラインで構成してもよい。バス５２０は、電子コントローラ５１０の具体的な用途、制御対象の部材の数、処理する入力の数、電子コントローラ５１０が接続されるシステムやサーバにより、１つ又は任意の数の相互接続バス、各接続、チャネル、ブリッジ、その他の接続から構成される、又は、これらを表すものでもよい。これにより、相互接続及び通信及び／又は制御が必要となる。
【００８０】
コントローラ５１０は、全体としてプロセッサ５２２に代表される１つ以上のプロセッサを含む多様な回路と、全体として指示５４２を含むコンピュータ読取り可能な媒体５２４に代表されるコンピュータ読取り可能な媒体を備えてもよい。指示５４２には、例えば、本明細書に説明するように、圧力を平衡化するために、電解質の流体チャネルにおける圧力や流れのモニタリングや、流量計又は流れ抵抗器を調整する指示が含まれる。プロセッサ５２２は、読取り可能な媒体５２４とバスインターフェース５２６に、例えば、バス５２０を介して接続されてもよい。また、プロセッサ５２２は、タイミング源、周辺機器、電源管理回路（図示省略）等の、他の各回路に接続されてもよい。バスインターフェース５２６は、バス５２０と、制御対象のシステム５１５の間のインターフェースを構成してもよい（５１５）。さらに、ユーザインターフェース５４０（例えば、キーパッド、入力デバイス、マウス、ポインティングデバイス、ディスプレイ、スピーカ、マイクロホン、ジョイスティック等）を設けてもよい。その場合、ユーザインターフェース５４０は、プロセッサ５２２とユーザインターフェー５４０間の通信用有線又は無線データライン、制御ライン、又は他のライン等を含む１つ又は複数のライン５４０ａを介して、バスインターフェース５２６に接続されてもよい。プロセッサ５２２は、さらに、１つ又は複数のライン５２０ａを介して、１つ又は複数のサーバ、又は、他のシステム構成部を備える外部システム５００に接続されもよい。この場合、ライン５２０ａは同様に、プロセッサ５２２と外部システム５５０間の通信用有線又は無線データライン、制御ライン、又は他のライン等を含んでもよい。
【００８１】
プロセッサ５２２は、バス５２０と、コンピュータ読取り可能な媒体５２４に記憶させたソフトウェア又は指示５４２の実行を含む処理全般を管理するよう構成してもよい。指示５４２は、プロセッサ５２２によって実行されると、電子コントローラ５１０の他の構成部、又は、電子コントローラ５１０、例えば、システム５１５に接続したプロセッサ５２２に、本明細書に上述した様々な圧力平衡化用制御機能のいずれかをシステム５１５において実行させる。コンピュータ読取り可能な媒体５２４はまた、指示５３２を実行する際に、プロセッサ５２２が扱うデータを記憶させるために用いてもよい。
【００８２】
実施形態では、アナログ電子機器５３４を、例えば、アナログ信号をアナログ電子機器５３４から受信し、受信したアナログ信号をデジタル信号に変換するアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器５３６を介して、バス５２０に接続してもよい。この場合、変換したデジタル信号はプロセッサ５２２によって処理されてもよい。Ａ／Ｄ変換器５３６は、例えば、バス５２０上でプロセッサ５２２からデジタル信号を受信し、システム５１５で用いるアナログ制御信号を生成するデジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）変換器として動作させてもよい。アナログ電子機器５３４は、圧力センサ又はフロ−センサ等、本明細書に説明するようなセンサからのアナログ入力をＡ／Ｄ変換器５３６に与え、センサ出力データ値を生成させてもよい。センサ出力データ値は、バス５２０上をプロセッサ５２２へ転送されてもよい。プロセッサ５２２は、センサ出力データ値を用いて、本明細書に説明するような、流量計測デバイス又は流れ抵抗器の制御等、様々な制御動作を行ってもよい。プロセッサ５２２は、Ａ／Ｄ変換器５３６からデジタルセンサ出力データ値を取得し、デジタル制御信号を、Ｄ／Ａ変換器として動作するＡ／Ｄ変換器５３６に入力してもよい。該デジタル制御信号は、ライン５３４ａを介してアナログ電子機器５３４へ渡され、システム５１５の各流量計測デバイス又は流れ抵抗器に適用されてもよい。アナログ電子機器５３４をさらに設けて、電圧調節、電流測定、電流調節、又は他の機能等、多様なアナログ機能を実行してもよい。コンピュータ読取り可能な媒体５２４上の指示５４２は、プロセッサ５２２によって読み取られ、プロセッサ５２２にアナログ電子部品や、これに接続したデジタル回路等の他の回路を制御する動作を行う。
［受動的フロー制御デバイス］
【００８３】
実施形態では、正と負の電解質の間で圧力が非平衡状態である場合、実質的に受動的な手段を用いて一方の流路における圧力を上昇させることで、少なくとも部分的に非平衡状態を軽減してもよい。受動的な手段とは、例えば、一方の流路の流体チャネルを他方のものよりも狭くすることである。例えば、フロー電池の運転中に、陰極液が低圧化することが想定される場合、フロー電池セル又はセルブロックの正の半セルにおける流体チャネルを、負の半セルの対応する流体チャネルより狭くしてもよい。こうした差を設けることで、想定される圧力間の非平衡状態を、少なくとも一部相殺する効果がある。
【００８４】
あるいは、狭小オリフィスとして構成した受動的流れ抵抗器、逆止弁、又は断面を小さくした流体チャネル部を、少なくとも１つの電解質流動ライン（例えば、受け側電解質ライン）において、カスケードの流出口、又は、単一のセルブロックの流出口に設けてもよい。流れ方向を反転したＲＦＢで用いる場合、受動的制流装置にオリフィス式逆止弁を備えてもよい。オリフィス式逆止弁は、本明細書に記載するように、一方向で流体を自由に流動させ、反対方向で所望の程度に制流するよう構成したデバイスをすべて含む。オリフィス式逆止弁は、様々な構造とすることができる。図１２に、オリフィス式逆止弁の一例を示す。
【００８５】
図１２のオリフィス式逆止弁６００は、第１のポート６０４から、バルブチャンバ６０８内へ、さらに、第２のポート６０６へ流動する流体を制限するよう構成したボールバルブ６０２を含んでもよい。バイパスオリフィス６１０を設けて、内部バルブチャンバ６０８を第２のポートに接続し、所望する容量の流体が、他のフローを遮断しているバルブ６０２を迂回できるようにしてもよい。様々な実施形態において、オリフィス６１０は、他の運転条件に基づき、所望の流量となるような寸法を有してもよい。第２のポート６０６を流入ポートとするように流体の流れが反転すると、流体の圧力によってボールバルブ６０２が開き、流体は自由に流動し、第２のポート６０６からバルブチャンバ６０８へ流入し、また第１のポート６０４を介してバルブチャンバ６０８から流出することができる。別の例では、ボールバルブ６０２を、ポペットバルブ、ダックビルバルブ、フラッタバルブ、リーフバルブ、他の逆止弁等、他の任意のバルブ構造と置き換えてもよい。用いるバルブ機構のタイプに応じて、バイパスオリフィスを様々な形態としてもよい。例えば、バイパスオリフィスは、バイパスオリフィスを介した制流の程度を可変とできる１つ以上の構造部を含んでもよい。このような可変流れ抵抗構造体は、受動的に又は自動的に制御可能な部材であってもよい。
【００８６】
実施形態では、オリフィス式逆止弁を、ＲＦＢカスケード又は再循環ＲＦＢスタックの流入口と流出口に配置してもよい。流入側オリフィス式逆止弁は、順方向（例えば、流入口が流入口と規定される方向）で自由に流れるようにし、反対方向で所望の程度に制流できるよう配置してもよい。流出側オリフィス式逆止弁は、順方向（例えば、流出口が流出口と規定される方向）で所望の程度に制流できるように、反対方向で自由に流れるよう配置してもよい。場合によっては、オリフィス式逆止弁を各電解質流動ラインの１つのみ、例えば、受け側電解質流動ラインに配置してもよく、また、オリフィス式逆止弁を電解質流動ラインの両方に配置してもよい。
【００８７】
実施形態では、陽極液と陰極液の電解質を、同等の流量で送り込むことが望ましい。同等の流量が不可能、又は、必要がない実施形態では、高圧側電解質を低圧側電解質よりも低い流量でセルブロックに送り込むことで、陽極液と陰極液の電解質の間の圧力非平衡状態を軽減してもよい。言い換えると、低圧側電解質の流量を高圧側電解質と比較して高めることで、低圧側電解質の流体チャネルの圧力を、高圧側電解質の流体チャネルに対し上昇させてもよい。このように、いくつかの実施形態では、電解質の圧力をほぼ平衡状態とするために、各電解質の流量を個別に制御してもよい。また、これらの実施形態では、流量がより高い電解質を過剰量必要とする場合もある。
【００８８】
以上、各実施形態を説明した。当業者であれば、実施形態に基づいて本発明を実施又は利用可能である。また、当業者であれば、各実施形態を多様に改変することができることは明らかであろう。本明細書に明記する一般的原則は、本発明の趣旨と範囲を逸脱することなく、他の実施形態にも適用可能である。本発明は、本明細書に記載する実施形態に限定することを意図するものではなく、ここに記載する各原則や新規の技術構成に則った本発明の範囲は、後述する特許請求の範囲により規定される。
［関連出願］
【００８９】
本出願は、２０１２年８月２３日を出願日とする米国仮出願番号第６１／６９２，３４７に対する優先権を主張し、この出願明細書の全内容が、ここに参考文献として援用される。
（連邦政府による資金提供を受けた研究の記載）
【００９０】
本特許出願に含まれる発明は、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、これらの発明に対して一定の権利を有する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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