JP2002252020A - レドックスフロー電池 - Google Patents

レドックスフロー電池

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JP2002252020A
JP2002252020A JP2001048588A JP2001048588A JP2002252020A JP 2002252020 A JP2002252020 A JP 2002252020A JP 2001048588 A JP2001048588 A JP 2001048588A JP 2001048588 A JP2001048588 A JP 2001048588A JP 2002252020 A JP2002252020 A JP 2002252020A
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JP
Japan
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electrolyte
cell
electrolytic solution
negative electrode
main cell
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JP2001048588A
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Takefumi Itou
岳文 伊藤
Nobuyuki Tokuda
信幸 徳田
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Kansai Electric Power Co Inc
Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Kansai Electric Power Co Inc
Sumitomo Electric Industries Ltd
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    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電解液量のアンバランスが抑制でき、フロー
ト充電においても電解液の析出などを抑制できるレドッ
クスフロー電池を提供する。 【解決手段】 主セル31に正極電解液と負極電解液とを
供給・排出させる循環機構を有するレドックスフロー電
池である。主セル31の電解液排出側で正極電解液と負極
電解液を混合する合流部32と、主セル31の電解液供給側
で、混合された正極電解液と負極電解液とを分流する分
岐部34とを具える。正極電解液と負極電解液とを混合さ
せることで、液移りによる抵抗の増加、容量の低下、電
解液の析出を防止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はレドックスフロー電
池に関するものである。特に、瞬間的な停電時に電力供
給を行えるよう、フロート充電することに好適なレドッ
クスフロー電池に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図4はレドックスフロー電池の動作原理
を示す説明図である。この電池は、イオン交換膜からな
る隔膜4で正極セル1Aと負極セル1Bとに分離されたセル
1を具える。正極セル1Aと負極セル1Bの各々には正極電
極5と負極電極6とを内蔵している。正極セル1Aには正
極電解液を供給・排出するための正極用タンク2が導管
7,8を介して接続されている。負極セル1Bにも負極電
解液を導入・排出する負極用タンク3が同様に導管10、
11を介して接続されている。各電解液にはバナジウムイ
オンなどイオン価数が変化するイオンの水溶液を用い、
ポンプ9、12で循環させ、正負極電極5,6におけるイ
オンの価数変化反応に伴って充放電を行う。バナジウム
イオンを含む電解液を用いた場合、セル内で充放電時に
生じる反応は次のとおりである。
【0003】 正極:V4+→V5++e-(充電) V4+←V5++e-(放電) 負極:V3++e-→V2+(充電) V3++e-←V2+(放電)
【0004】図5は、上記の電池に用いるセルスタック
の概略構成図である。通常、上記の電池には、複数のセ
ルが積層されたセルスタック100と呼ばれる構成が利用
される。各セルは、隔膜4の両側にカーボンフェルト製
の正極電極5および負極電極6を具える。そして、正極電
極5と負極電極6の各々の外側には、セルフレーム構造20
が配置される。
【0005】セルフレーム構造20は、プラスチックカー
ボン製の双極板21と、その外周に形成されるセルフレー
ム22とを具える。
【0006】セルフレーム22には、マニホールド23A、2
3Bと呼ばれる複数の孔が形成されている。1枚のセルフ
レームには、例えば下辺に4つ、上辺に4つの合計8つ
のマニホールドが設けられ、下辺の2つが正極電解液供
給用、残り2つが負極電解液供給用、上辺の2つが正極
電解液排出用、残り2つが負極電解液排出用となってい
る。マニホールド23A、23Bは、多数のセルを積層するこ
とで電解液の流路を構成し、図4における導管7、8、1
0、11へとつながっている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなレ
ドックスフロー電池では、充放電に伴って隔膜を通って
H+イオンが移動したり、正極電解液を圧送するポンプと
負極電解液を圧送するポンプの圧力差や正負極電解液間
の浸透圧により、隔膜を介して電解液が片極側に移動す
る液移りが生じる。
【0008】特に、フロート充電の場合、液移りが顕著
に生じる。フロート充電とは、充電装置にレドックスフ
ロー電池と負荷とを並列に接続し、電池に常に一定の電
圧を加えて充電状態にしておき、停電時や負荷変動時に
無瞬断または短時間の停電で電池より負荷へ電力を供給
する方式である。液移りが顕著に生じると、両極間の電
解液量のバランスが崩れ、抵抗の増加、容量の低下、電
解液の析出が引き起こされる。
【0009】従って、本発明の主目的は、両極間の電解
液量や液成分のアンバランスが抑制でき、フロート充電
においても電解液の析出などによる容量低下を抑制でき
るレドックスフロー電池を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、正負極の電解
液流路を合流させることで上記の目的を達成する。
【0011】すなわち、本発明レドックスフロー電池
は、主セルに正極電解液と負極電解液とを供給・排出さ
せる循環機構を有するレドックスフロー電池において、
前記セルの電解液排出側で正極電解液と負極電解液を混
合する合流部と、前記セルの電解液供給側で、混合され
た正極電解液と負極電解液とを分流する分岐部とを具え
ることを特徴とする。
【0012】従来のレドックスフロー電池システムでは
正極電解液用タンクと負極電解液用タンクを設けてい
た。本発明では、これらのタンクを設けることなく、主
セルから排出された正負極電解液を一旦合流し、再度分
岐して正極および負極に供給することで液移りによる抵
抗の増加、容量の低下、電解液の析出を防止する。電解
液の循環にはポンプを用いればよい。ポンプはセルに電
解液を供給、排出できるようになっていれば場所や台数
はこだわらない。また、正負極電解液の循環は、正極電
解液と負極電解液とが混合されることによるエネルギー
損失がシステム効率に影響を及ぼさない程度にゆっくり
と行うことが望ましいが、間歇的に運転することも可能
である。例えば、正負極電解液のゆっくりとした循環と
は、セル内の電解液が約5分〜約1ヶ月に1回入れ替わる
速度の循環である。
【0013】ここで、主セルの電解液排出側にリザーバ
タンクを設けることが好ましい。循環機構中にリザーバ
タンクを設けることにより、ポンプを長期停止の間歇運
転することが容易になる。ポンプ停止時に液移りが激し
く生じても、リザーバタンク内の電解液で補い、主セル
内の電解液が空になることがない。
【0014】また、主セルの電解液供給側と排出側に複
数の副セルを設け、主セルに近い順の副セル同士を電気
的に接続し、主セルの電解液排出側の副セルが、主セル
の電解液供給側の副セルを充電するように構成すること
が好ましい。
【0015】フロート充電中、主セルの電解液排出側に
おいた副セル内の電解液は主セルの電解液供給側におい
た副セル内の電解液に比べて充電深度が高い。充電深度
が高いとは、正極では「(5価のVイオン濃度)/(4価+5価
のイオン濃度)」の比率が大きく、負極では「(2価のVイ
オン濃度)/(2価+3価のイオン濃度)」の比率が大きいこ
とを言う。これらの副セルは、主セルに近いもの同士を
電気的に接続して電解液排出側の副セルで電解液給液側
の副セルを充電する。このように構成することで、副セ
ルを用いない場合におけるフロート充電の電流値よりも
小さな電流値で主セルは充電でき、ロス低減を図ること
ができる。
【0016】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 (実施例1)図1は本発明レドックスフロー電池の概略
構成図である。この電池は、主セル31と、主セル31内の
正負極電解液を循環させる循環機構とを具えている。
【0017】主セル31は、図1では簡略化して示してい
るが、図5で説明したものと同様の構成である。主セル3
1における正極セルと負極セルの各々はイオン交換膜か
らなる隔膜で分離されており、正極セル内には正極電解
液が、負極セル内には負極電解液が供給される。正極電
解液にはV5+/V4+を含む電解液が、負極電解液にはV2+/V
3+を含む電解液が用いられる。
【0018】ここで、正極セルから排出された正極電解
液と、負極セルから排出された負極電解液は、それぞれ
独立した流路を通るが、途中に設けられた合流部32で混
合される。正極電解液と負極電解液が混合されると、次
の反応が起こる。
【0019】V5++V2+→V3++V4+ V5++V3+→2V4+ V4++V2+→2V3+ V4++V3+→V4++V3+
【0020】混合された正負極電解液はポンプ33により
加圧されてから分岐部34で分流され、再度主セル31の正
極セルと負極セルの各々に供給される。
【0021】このような正負極電解液の循環は、両電解
液が混合されることによるエネルギー損失がシステム効
率に影響を及ぼさない程度に非常にゆっくり行うことが
望ましい。
【0022】そして、主セル31に供給された混合電解液
は、フロート充電により常時は次の反応を生じる。 正極:V4+→V5++e-(充電) 負極:V3++e-→V2+(充電)
【0023】このように、正(負)極電解液用タンクを
用いることなく正極電解液と負極電解液を混合すること
で、液移りによる電解液量のアンバランスを解消するこ
とができる。
【0024】また、正極電解液と負極電解液の混合によ
り、5価のバナジウムイオンが析出することを防止する
ことができる。バナジウムイオンが5価の状態になるの
は、正極電解液が充電状態にあるときである。そのた
め、正負極電解液の混合により、充電により生じたV5+
をV4+にすれば、フロート充電を長期間行ってもバナジ
ウム5価イオンが析出することを抑制できる。
【0025】なお、ここでは主セルとして単一のセルし
か図示していないが、通常、実際の主セルは多数のセル
が積層されたセルスタックに構成されている。
【0026】(実施例2)次に、リザーバタンクを設け
た実施例を図2に示す。本例は、循環機構の途中にリザ
ーバタンクを設けた点を除いて図1と同様の循環機構で
あるため、主に相違点のみを説明する。
【0027】図2の循環機構は、主セル31の電解液排出
側にリザーバタンク35を設け、リザーバタンク35を介し
てから混合電解液をポンプ33側に送る構成としている。
つまり、本例ではリザーバタンク35自体が合流部に相当
する。
【0028】リザーバタンク35を設けることで、ポンプ
33を長期間停止した間歇運転が容易になる。ポンプ停止
時に液移りが激しく生じても、電解液は一旦リザーバタ
ンクに戻ると両極間の電解液が全て均一化されるので、
バナジウム5価イオン析出などの問題発生が防止でき
る。
【0029】(実施例3)次に、主セル31とは別に副セ
ル36を用いた実施例を図3に基づいて説明する。本例に
おける電解液の循環機構は、実施例1と同様に、正極電
解液と負極電解液の合流部32と、混合された正極電解液
と負極電解液とを分流する分岐部34とを具える。そし
て、主セル31の前後、つまり主セル31と合流部32の間な
らびに分岐部34と主セル31の間に複数の副セル36を具え
ている。
【0030】副セル36の各々は、主セル31とサイズが異
なるだけで基本的な構成は同一である。ただし、副セル
のサイズ、数は限定されない。主セル31に比べて大きく
ても小さくても何対あっても構わない。ポンプの圧力損
失や製作コストを考慮して副セルのサイズや数を適宜決
定すればよい。これらの副セル36は、主セル31に近いも
の同士を順次電気的に接続する。すなわち、図3におけ
る右側の副セルの正負極を左側の副セルの正負極にそれ
ぞれ接続する。図3における実線矢印は循環機構の接続
を示し、破線矢印は電気的接続を示している。
【0031】フロート充電中、主セル31の電解液排出側
においた副セル36内の電解液は主セル31の電解液供給側
においた副セル36内の電解液に比べて充電深度が高い。
主セル31に近い副セル同士を電気的に接続することで、
電解液排出側(図3の右側)の副セル36は電解液給液側
(図3の左側)の副セル36を充電する。従って、副セル
を用いない場合におけるフロート充電の電流値よりも小
さな電流値で主セルを充電でき、ロス低減を図ることが
できる。
【0032】
【発明の効果】以上説明したように、本発明レドックス
フロー電池によれば、正負極の配管を合流させることで
液移りによる抵抗の増加、容量の低下、電解液の析出を
防止することができる。
【0033】また、リザーバタンクを設けることで、ポ
ンプを間歇的に運転させても、セル内の片極の電解液が
液移りにより空になることを防止することができる。
【0034】さらに、主セル前後に副セルを設置し、主
セルに近い副セル同士を電気的に接続することで、主セ
ルに導入される前の電解液は副セル内での充電によって
V4+からV5+またはV3+からV2+に復帰され、主セルにおけ
るフロート充電の電流値を低減させることができる。す
なわち、副セルを用いないシステムにおける電解液混合
によるロス分を低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明実施例を示す概略図である。
【図2】リザーバタンクを設けた本発明実施例の概略図
である。
【図3】副セルを用いた本発明実施例の概略図である。
【図4】レドックスフロー電池の動作原理を示す説明図
である。
【図5】セルスタックの説明図である。
【符号の説明】
1 セル 1A 正極セル 1B 負極セル 2 正極用タンク 3 負極用タンク 4 隔膜 5 正極電極 6 負極電極 7,8 導管 9 ポンプ 10、11 導管 20 セルフレーム構造 21 双極板 22 セルフレーム 23A、23B マニホールド 31 主セル 32 合流部 33 ポンプ 34 分岐部 35 リザーバタンク 36 副セル 100 セルスタック
フロントページの続き (72)発明者 徳田 信幸 大阪府大阪市北区中之島3丁目3番22号 関西電力株式会社内 Fターム(参考) 5H026 AA10 CX10 5H027 AA10

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 主セルに正極電解液と負極電解液とを供
    給・排出させる循環機構を有するレドックスフロー電池
    において、 前記セルの電解液排出側で正極電解液と負極電解液を混
    合する合流部と、 前記セルの電解液供給側で、混合された正極電解液と負
    極電解液とを分流する分岐部とを具えることを特徴とす
    るレドックスフロー電池。
  2. 【請求項2】 主セルの電解液排出側にリザーバタンク
    を設けることを特徴とする請求項1に記載のレドックス
    フロー電池。
  3. 【請求項3】 主セルの電解液供給側と排出側に複数の
    副セルを設け、 主セルに近い順の副セル同士を電気的に接続し、 主セルの電解液排出側の副セルが、主セルの電解液供給
    側の副セルを充電するように構成したことを特徴とする
    請求項1または2に記載のレドックスフロー電池。
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