JP2006253023A - レドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

【課題】複数のポンプの駆動部と調速装置が共通で、各電解液循環系の電解液量を任意の比率に設定しバランスを保つことが可能なレドックスフロー電池を提供する。
【解決手段】イオン交換膜からなる隔膜により正極セルと負極セルとに分離された単位セルを複数個積層して構成されたセルスタック１と、電解液が貯留されたタンク２ａ、２ｂと、セルスタックとタンクとを接続する複数組の往路配管３ａ、３ｂおよび復路配管４ａ、４ｂと、各往路配管の途中に設けられた複数台の電解液循環ポンプ５ａ、５ｂと、駆動出力軸２２ａ、２２ｂを介して電解液循環ポンプに駆動力を供給する駆動部２０とを備え、電解液循環ポンプによりタンクからセルスタックに対して電解液を循環させる。単一の駆動部が電解液に対して電気的に絶縁されて設けられ、駆動部の駆動力に基づき、複数の駆動出力軸に対して各々回転数の異なる駆動力を伝達出力可能な駆動伝達機構２１を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、レドックスフロー電池に関し、特に、複数の電解液循環系における電解液循環ポンプの駆動機構に関するものである。

従来例のレドックスフロー電池として、図２に示すような構造のものが知られている（例えば特許文献１参照）。図２は、２系統の電解液循環系、すなわち正極と負極の電解液循環系を備えるレドックスフロー電池の概略構成を示す。

セルスタック１に対し、正極の電解液循環系統として、正極電解液を供給・排出するための正極用タンク２ａが往路配管３ａ、復路配管４ａを介して接続されている。往路配管３ａの途中には、電解液をセルスタック１に循環させるポンプ５ａが設けられ、駆動部６ａが駆動出力軸７ａを介して接続されている。負極の電解液循環系統としては、セルスタック１に負極電解液を導入・排出する負極用タンク２ｂが、往路配管３ｂ、復路配管４ｂを介して接続されている。往路配管３ｂの途中には、電解液をセルスタック１に循環させるポンプ５ｂが設けられ、駆動部６ｂが駆動出力軸７ｂを介して接続されている。

正極用タンク２ａおよび負極用タンク２ｂ内には電解液が貯留され、通常タンク内部は、電解液のある液相部と、その上部の気相部とからなり、気相部には電解液の酸化を防止するために窒素ガスが封入されている。一方、セルスタック１は、その全体がタンク内の電解液の液面よりも上方に設けられている。

次に、図３を参照して、レドックスフロー電池の動作原理を説明する。図３には、図２のセルスタック１内に収納されている１つのセル８、およびセル８から放電し、セル８に充電するための系統を併せて示す。セル８の内部は、イオン交換膜からなる隔膜９で正極セル８ａと負極セル８ｂとに分離されている。正極セル８ａと負極セル８ｂの各々には、カーボンフェルト製の正極電極１０ａと負極電極１０ｂとが内蔵されている。正極セル８ａには、図２に示したように、正極用タンク２ａから正極電解液が供給・排出される。負極セル８ｂにも、負極用タンク２ｂから負極電解液が供給・排出される。

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５ａ、５ｂで循環させる。正負極電極１０ａ、１０ｂにおけるイオンの価数変化反応に伴って、充放電が行われる。バナジウムイオンを含む電解液を用いた場合、セル８内で充放電時に生じる反応は次のとおりである。

正極：Ｖ⁴⁺→Ｖ⁵⁺＋ｅ^-（充電） Ｖ⁴⁺←Ｖ⁵⁺＋ｅ^-（放電）
負極：Ｖ³⁺＋ｅ^-→Ｖ²⁺（充電） Ｖ³⁺＋ｅ^-←Ｖ²⁺（放電）
正負極電極１０ａ、１０ｂには、双方向インバータ１１が接続されている。放電に際しては、セル８からの放電による直流が双方向インバータ１１により交流に変換され、変電設備１２により変電されて需要家負荷１３に供給される。充電に際しては、発電所１４からの電力が変電設備１２を経て双方向インバータ１１により直流に変換され、正負極電極１０ａ、１０ｂを介してセル８を充電する。

図４は、セルスタック１の概略構成図である。通常、レドックスフロー電池では、複数のセル８（図３参照）が積層されたセルスタック構成が利用される。図４（ａ）は、１つのセル８を分解して示す。多数のセル８を積層して、図４（ｂ）に示すように一対の保持具１８で挟持することにより、セルスタック１が構成される。

図４（ａ）に示すように、各セル８は、隔膜９の両側に正極電極１０ａおよび負極電極１０ｂを配置し、さらに、正極電極１０ａおよび負極電極１０ｂの各々の外側に、セルフレーム１５を配置して構成される。セルフレーム１５は、プラスチック製のフレーム枠１６と、その内側に固定されるプラスチックカーボン製の双極板１７とを備える。フレーム枠１６には、マニホールドと呼ばれる複数の孔（図示せず）が形成されている。１枚のセルフレーム１５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２における往路配管３ａ、３ｂ、復路配管４ａ、４ｂと接続されている。

図５は、図２の往路配管３ａ、３ｂにおける、ポンプ５ａ、５ｂが配置された箇所の具体的な構造を示す。ポンプ５ａ、５ｂは各々、入力駆動軸７ａ、７ｂを介して、例えばモータにより構成された駆動部６ａ、６ｂにより個別に駆動される。

上記構成のレドックスフロー電池のシステムにおいては、レドックスフロー電池を起動すると、複数の駆動部６ａ、６ｂが同時に起動され、それぞれの入力駆動軸７ａ、７ｂに直結されているポンプ５ａ、５ｂを回転させる。このようにして、複数の駆動部６ａ、６ｂを同時起動させ同出力にすることで、セルスタック１に均等に電解液を循環させる。
特開２００３−１２３８０７号公報

上述のように従来のレドックスフロー電池では、正極および負極の電解液循環系統に配置された２個のポンプに対して各々駆動部が設けられ、それを制御する調速装置も各駆動部に対応して設けられていた。そのため、駆動部または調速装置に異常があると、正極と負極の電解液循環系の電解液量にアンバランスが生じるという課題を有していた。

本発明は、上記課題を解消するためになされたもので、電解液循環システムを構成する複数のポンプの駆動部と調速装置を、電解液循環系毎に設置することを必要とせず、かつ、各電解液循環系の電解液量を任意の比率に設定して、バランスを保つことが可能なレドックスフロー電池を提供することを目的とする。

本発明のレドックスフロー電池は、イオン交換膜からなる隔膜により分離された正極セルおよび負極セル内に各々正極電極および負極電極を内蔵して構成された単位セルを複数個積層して構成されたセルスタックと、電解液が貯留されたタンクと、前記セルスタックと前記タンクとを接続する複数組の往路配管および復路配管と、各々の前記往路配管の途中に設けられた複数台の電解液循環ポンプと、駆動出力軸を介して前記電解液循環ポンプに駆動力を供給する駆動部とを備え、前記電解液循環ポンプにより前記タンクから前記セルスタックに対して前記電解液を循環させる。上記課題を解決するために、単一の前記駆動部が前記電解液に対して電気的に絶縁されて設けられ、前記駆動部の駆動力に基づき複数の前記駆動出力軸に対して各々回転数の異なる駆動力を伝達出力する駆動伝達機構を有し、前記単一の駆動部により、各々の前記駆動出力軸に接続された複数台の電解液循環ポンプを動作させることを特徴とする。

上記構成によれば、単一の駆動部から複数の出力軸に回転数の異なる駆動力を伝達出力する駆動伝達機構を有することで、駆動部および調速装置を電解液循環系毎に設置することを必要とせず、かつ、例えば正極と負極の電解液循環系の電解液量を任意の比率に設定して常時同比率で運転することができ、正極と負極の電解液循環系の電解液量のバランスを保つことができる。

本発明のレドックスフロー電池において、前記タンクとして、正極電解液が貯留された正極用タンクおよび負極電解液が貯留された負極用タンクを含み、前記正極用タンクと前記負極用タンクが各々前記正極セルと前記負極セルに、前記往路配管および前記復路配管により接続された構成とすることができる。

また、前記駆動部は回転駆動力を出力し、前記駆動伝達機構は、前記駆動部から出力される回転駆動力により回動する入力駆動ギヤと、前記入力駆動ギヤに噛合して前記入力駆動ギヤの回転方向への駆動力により回転して駆動力を伝達する２つの出力駆動ギヤとを備え、前記２つの出力駆動ギヤの比率を変えることにより、前記正極セルと前記負極セルの電解液循環系の電解液量を任意の比率に設定可能な構成とすることができる。

また、前記負極用ポンプが供給する前記負極電解液の流量は、前記正極用ポンプが供給する前記正極電解液の流量よりも大きくなるように設定することができる。そのためには、前記負極用ポンプに駆動力を伝達する前記出力駆動ギヤの回転数を、前記正極用ポンプに駆動力を伝達する前記出力駆動ギヤの回転数よりも大きくなるように設定すればよい。

以下、本発明の実施の形態におけるレドックスフロー電池について、図面を参照して説明する。図１は、本実施の形態におけるレドックスフロー電池の一例を示す概略構成図である。図２に示した従来例の構成と同様の構成要素については、同一の参照番号を付して、説明の繰り返しを一部省略する。

セルスタック１は、図３に示したような構造を有するセル８、すなわち、内部空間が隔膜９により正極セル８ａと負極セル８ｂとに分離され、各々正極電極１０ａおよび負極電極１０ｂを内蔵して構成された単位セルを、複数個積層して構成されている。

電解液を循環させるためのタンクとして、正極電解液が貯留された正極用タンク２ａおよび負極電解液が貯留された負極用タンク２ｂが設けられている。セルスタック１は、その全体が両タンク２ａ、２ｂ内の電解液の液面よりも上方に設けられている。正極用タンク２ａと負極用タンク２ｂは各々、セルスタック１における正極セル８ａと負極セル８ｂ（図３参照）に対して、往路配管３ａ、３ｂおよび復路配管４ａ、４ｂにより接続されている。正極用タンク２ａに接続された往路配管３ａ、および負極用タンク２ｂに接続された往路配管３ｂに各々、正極用ポンプ５ａ、負極用ポンプ５ｂが設けられている。

ポンプ５ａ、５ｂに駆動力を供給する単一の駆動部として、モータ２０が設けられている。モータ２０の回転駆動力は、駆動伝達機構２１を介して、一対の駆動出力軸２２ａ、２２ｂに伝達され、各々ポンプ５ａ、５ｂを駆動する。駆動伝達機構２１は、電解液に対して電気的に絶縁され、一対の駆動出力軸２２ａ、２２ｂに対して各々回転数の異なる駆動力を伝達出力可能である。

すなわち、駆動伝達機構２１は、モータ２０から出力される回転駆動力により回動する入力駆動ギヤ２３と、入力駆動ギヤ２３に噛合して入力駆動ギヤ２３の回転方向への駆動力により回転して駆動力を伝達する２つの出力駆動ギヤ２４ａ、２４ｂとを備えている。出力駆動ギヤ２４ａ、２４ｂは各々、駆動出力軸２２ａ、２２ｂと結合している。２つの出力駆動ギヤ２４ａ、２４ｂの比率を変えることにより、ポンプ５ａ、５ｂの回転数を調整可能であり、それにより、正極セルと負極セルの電解液循環系の電解液量を任意の比率に設定可能である。

このレドックスフロー電池を運転するために電解液循環システムを起動させると、モータ２０が起動して、モータ２０から出力される動力により駆動伝達機構２１内の入力駆動ギヤ２３が回動する。それにより、入力駆動ギヤ２３に噛合している一対の出力駆動ギヤ２４ａ、２４ｂが回転して、ポンプ５ａ、５ｂへ駆動力が伝達され、出力駆動ギヤ２４ａ、２４ｂの比率に応じた流量で電解液を循環させる。一方、電解液循環システム停止時には、モータ２０が停止することにより、入力駆動ギヤ２３が制動され、入力駆動ギヤ２３に噛合している出力駆動ギヤ２４ａ、２４ｂに制動力が伝達される。その結果、出力駆動ギヤ２４ａ、２４ｂから駆動出力軸２２ａ、２２ｂを解して制動力が対応するポンプ５ａ、５ｂに伝達され、電解液の循環が停止させられる。この構成により、電解液の循環開始から停止において、セルスタック１内に流入する電解液を常にバランスを保って循環させることができ、電解液圧力差によりセルスタックが破損に至ることを防止できる。

セルスタック１内に循環させる電解液のバランスとしては、例えば、負極電解液の流量を正極電解液の流量よりも大きく設定する。そのためには、負極用ポンプ５ｂに駆動力を伝達する出力駆動ギヤ２４ｂの回転数が、正極用ポンプ５ａに駆動力を伝達する出力駆動ギヤ２４ａの回転数よりも大きくなるように設定すればよい。

本実施の形態の構成によれば、電解液循環系毎にモータ２０と調速装置を設置することを必要とせず、かつ、正極と負極の電解液循環系の電解液量を任意の比率に設定して常時同比率で運転することができる。したがって、モータ２０または調速装置に異常があっても、正極と負極の電解液循環系の電解液量のバランスを保つことができる。

また、例えば、モータ２０として誘導電動機を用い、調速装置として汎用インバータを用いて、正極と負極の電解液循環系を各１系統備えるレドックスフロー電池を構成した場合、従来例の構成により、誘導電動機および汎用インバータを各々２台用いた場合と比べて、誘導電動機１台と汎用インバータ１台を省略できる。一方、駆動伝達機構が必要になるが、誘導電動機１台と汎用インバータ１台のコストと比べて安価であり、コスト低減に効果的である。

本発明によれば、駆動部とそれを制御する調速装置が複数の電解液循環系に共通であって、複数の電解液循環系の電解液量を任意の比率に設定してバランスを保つことができ、レドックスフロー電池の特性安定化に有用である。

本発明の実施の形態におけるレドックスフロー電池の概略構成図 従来例のレドックスフロー電池の概略構成図 レドックスフロー電池の動作原理の説明図 レドックスフロー電池を構成するセルスタックの構造を示す斜視図 従来例のレドックスフロー電池におけるポンプ配置部分を示す図

符号の説明

１ セルスタック
２ａ 正極用タンク
２ｂ 負極用タンク
３ａ、３ｂ 往路配管
４ａ、４ｂ 復路配管
５ａ、５ｂ ポンプ
６ａ、６ｂ 駆動部
７ａ、７ｂ 駆動出力軸
８ セル
８ａ 正極セル
８ｂ 負極セル
９ 隔膜
１０ａ 正極電極
１０ｂ 負極電極
１１ 双方向インバータ
１２ 変電設備
１３ 需要家負荷
１４ 発電所
１５ セルフレーム
１６ フレーム枠
１７ 双極板
１８ 保持具
２０ モータ
２１ 駆動伝達機構
２２ａ、２２ｂ 駆動出力軸
２３ 入力駆動ギヤ
２４ａ、２４ｂ 出力駆動ギヤ

Claims (5)

1. イオン交換膜からなる隔膜により分離された正極セルおよび負極セル内に各々正極電極および負極電極を内蔵して構成された単位セルを複数個積層して構成されたセルスタックと、
   電解液が貯留されたタンクと、
   前記セルスタックと前記タンクとを接続する複数組の往路配管および復路配管と、
   各々の前記往路配管の途中に設けられた複数台の電解液循環ポンプと、
   駆動出力軸を介して前記電解液循環ポンプに駆動力を供給する駆動部とを備え、
   前記電解液循環ポンプにより前記タンクから前記セルスタックに対して前記電解液を循環させるレドックスフロー電池において、
   単一の前記駆動部が前記電解液に対して電気的に絶縁されて設けられ、前記駆動部の駆動力に基づき複数の前記駆動出力軸に対して各々回転数の異なる駆動力を伝達出力する駆動伝達機構を有し、
   前記単一の駆動部により、各々の前記駆動出力軸に接続された複数台の電解液循環ポンプを動作させることを特徴とするレドックスフロー電池。
2. 前記タンクとして、正極電解液が貯留された正極用タンクおよび負極電解液が貯留された負極用タンクを含み、前記正極用タンクと前記負極用タンクが各々前記正極セルと前記負極セルに、前記往路配管および前記復路配管により接続された請求項１に記載のレドックスフロー電池。
3. 前記駆動部は回転駆動力を出力し、
   前記駆動伝達機構は、前記駆動部から出力される回転駆動力により回動する入力駆動ギヤと、前記入力駆動ギヤに噛合して前記入力駆動ギヤの回転方向への駆動力により回転して駆動力を伝達する２つの出力駆動ギヤとを備え、
   前記２つの出力駆動ギヤの比率を変えることにより、前記正極セルと前記負極セルの電解液循環系の電解液量を任意の比率に設定可能な請求項２記載のレドックスフロー電池。
4. 前記負極用ポンプが供給する前記負極電解液の流量は、前記正極用ポンプが供給する前記正極電解液の流量よりも大きくなるように設定された請求項２に記載のレドックスフロー電池。
5. 前記負極用ポンプに駆動力を伝達する前記出力駆動ギヤの回転数は、前記正極用ポンプに駆動力を伝達する前記出力駆動ギヤの回転数よりも大きくなるように設定された請求項３に記載のレドックスフロー電池。

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