JP2011142039A - 蓄電装置及びこの蓄電装置を用いた蓄電方法 - Google Patents

Abstract

【課題】特殊な材料を用いることなく、かつ、異常発熱のない安全な蓄電装置及びこの蓄電装置を用いた蓄電方法を提供することを目的としている。
【解決手段】海水などの電解質水溶液を、イオン交換膜電気透析装置１を用いて濃縮し、濃縮区画１４で得られた高濃度電解質水溶液を一端貯留タンク２に貯留し、電力が必要なときに、この貯留タンク２から濃度差発電装置３の高濃度電解質水溶液投入区画３４に高濃度電解質水溶液を供給する一方、濃度差発電装置３の低濃度電解質水溶液投入区画３５に水道水や河川水などの低濃度電解質水溶液を供給し濃度差発電によって電力を取り出すようにした。
【選択図】 図１

Description

本発明は、蓄電装置及びこの蓄電装置を用いた蓄電方法に関する。

一般的な二次電池は電気エネルギーを化学エネルギーに変換して蓄え、必要に応じて電気エネルギーに還元することによって電気エネルギーとして使用できる仕組みを持った電池である。構造としては、２種類の異なった電極と電解質溶液から成り、電解質溶液中の化学反応によって電気エネルギーを発生させており充電によって繰り返し使うことが可能である。
このような二次電池としては、例えば、鉛蓄電池、ニッケルカドミウム電池、ニッケル水素電池、リチウム系二次電池、さらに、ナトリウム硫黄電池などがある。
また、近年イオンの酸化還元反応を溶液のポンプ循環によって進行させて、充電と放電を行う、たとえば、レドックスフロー電池（例えば、特許文献１参照）なども提案されている。

特開2003‐7326号公報

しかし、従来の二次電池は、一例としてのリチウム電池を考えると、過充電においては、負極側に金属リチウムが析出したり、正極の酸化状態が高まって危険な状態になる事がある。また、過放電で正極のコバルトが溶出したり、負極の集電体の銅が溶出してしまい二次電池として機能しなくなるとともに、いずれの場合も、電池の異常発熱に繋がる。また、エネルギー密度が高いために短絡時には急激に過熱する危険性が大きい。さらに、電解液が有機溶剤であるために、これが揮発し、発火事故を起こす恐れがある。この短絡に関しては、外力が加わることによって電池内部で発生する場合もあり、このため衝撃に対する保護も必要である。またその寿命が２〜３年と短いものである。

一方、現在実用化されているレドックスフロー電池の中で最も優れているのは、電解質としてバナジウムイオン溶液が使われ、バナジウムイオンの酸化還元によって、電気の蓄えや放出を効率良く行なえるようにしている。
しかし、上記レドックスフロー電池は、従来の蓄電池に比べ、構造が簡素で長寿命、設置設計が容易、稼動が安全などのメリットも持つが、バナジウムイオン溶液という特殊なものが用いられているため、日本国内においては安定供給されにくく、コスト面で問題になるおそれがある。

本発明は、上記事情に鑑みて、特殊な材料を用いることなく、かつ、異常発熱のない安全な蓄電装置及びこの蓄電装置を用いた蓄電方法を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明の請求項１に記載の蓄電装置（以下、「請求項１の蓄電装置」と記す）は、交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とによって、内部が濃縮区画と希釈区画とに区切られ、電解質水溶液が供給される透析槽と、この透析槽の両端の区画にそれぞれ電極を備え、両電極間に電圧を印加して前記希釈区画内の電解質を濃縮区画側に透析し、濃縮区画内の電解質濃度を高めるイオン交換膜電気透析装置と、このイオン交換膜電気透析装置の濃縮区画で得られた高濃度電解質水溶液を貯留する貯留タンクと、交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とによって、内部が前記貯留タンク内に貯留された高濃度電解質水溶液が貯留タンクから投入される高濃度電解質水溶液投入区画と、低濃度電解質水溶液投入区画とに区切られた発電槽と、この発電槽の両端の区画にそれぞれ電極を備える濃度差発電装置と、貯留タンク内の高濃度電解質水溶液を濃度差発電装置の前記高濃度電解質水溶液投入区画に供給する高濃度電解質水溶液供給路と、前記高濃度電解質水溶液投入区画内に低濃度電解質水溶液を供給する低濃度電解質水溶液供給路と、を備えることを特徴としている。

また、本発明の請求項２に記載の蓄電装置（以下、「請求項２の蓄電装置」と記す）は、交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とによって、内部が濃縮区画と希釈区画とに区切られ、電解質水溶液が供給される透析槽と、この透析槽の両端の区画にそれぞれ電極を備え、両電極間に電圧を印加して前記希釈区画内の電解質を濃縮区画側に透析し、濃縮区画内の電解質濃度を高めるイオン交換膜電気透析装置と、このイオン交換膜電気透析装置の濃縮区画で得られた高濃度電解質水溶液を貯留する貯留タンクと、貯留タンク内の高濃度電解質水溶液を前記透析槽の希釈区画内に返送する高濃度電解質水溶液返送路と、
透析槽の濃縮区画内に低濃度電解質水溶液を供給する低濃度電解質水溶液供給路と、を備え、前記イオン交換膜電気透析装置を濃度差発電装置としても用いるようにしたことを特徴としている。

一方、本発明の請求項３に記載の蓄電方法（以下、「請求項３の蓄電方法」と記す）は、請求項１または請求項２の蓄電装置を用い、イオン交換膜電気透析装置で夜間電力を利用して高濃度電解質水溶液を製造し、貯留タンクに貯留する工程と、電力必要時に前記貯留タンクの高濃度電解質水溶液と低濃度電解質水溶液とを用いて濃度差発電装置で濃度差発電する工程とを備えることを特徴とする蓄電方法。

そして、本発明の請求項４に記載の蓄電方法（以下、「請求項４の蓄電方法」と記す）は、電解質水溶液として海水を用い、低濃度電解質水溶液として水道水または河川水を用いるようにした。

本発明の蓄電装置において、電解質水溶液としては、特に限定されないが、海岸線地域では、容易に手に入れることができることから請求項4の蓄電方法のように、海水が好ましい。
また、低濃度電解質水溶液としては、特に限定されないが、請求項４の蓄電方法のように、水道水、河川水などが挙げられ、コストがかかるが、純水やイオン交換水など、まったく電解質が含まれていないもの、あるいは、電解質が極めて低濃度なものを用いるようにしても構わない。

上記イオン交換膜電気透析装置としては、ＥＤＩ（電気再生式イオン交換装置）、ＥＤＲ（極性反転式電気脱塩装置）等の公知公用のものが使用できる。また、上記イオン交換膜電気透析装置に用いられる陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜としては、特に限定されず、海水の濃縮などに用いられている公知のものを用いることができる。

本発明において、貯留タンクに貯留される高濃度電解質水溶液の電解質濃度は、特に限定されないが、発電効率を考慮すると、飽和濃度にできるだけ近い濃度とすることが好ましい。

また、本発明の蓄電方法において、電解質水溶液として海水を用いる場合、発電に使用して濃度が薄くなった高濃度電解質水溶液は、そのまま海に放流してもよいし、別の貯留タンクに貯留し、再びイオン交換膜電気透析装置の透析槽に供給される電解質水溶液として用いるようにしてもよい。
一方、発電に使用して濃度が濃くなった低濃度電解質水溶液は、低濃度電解質として水道水や河川水を用いた場合、そのまま河川に放流してもよいし、別の貯留タンクに貯留し、再びイオン交換膜電気透析装置の透析槽に供給される電解質水溶液として用いるようにしてもよい。
高濃度電解質水溶液を貯留する貯留タンクは、特に限定されないが、発電時にポンプを用いるなどの動力エネルギーが必要でなく、落差のみで高濃度電解質水溶液を濃度差発電装置に供給できるように、濃度差発電装置より高所に設けることが好ましい。

以上のように、請求項１の蓄電装置は、交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とによって、内部が濃縮区画と希釈区画とに区切られ、電解質水溶液が供給される透析槽と、この透析槽の両端の区画にそれぞれ電極を備え、両電極間に電圧を印加して前記希釈区画内の電解質を濃縮区画側に透析し、濃縮区画内の電解質濃度を高めるイオン交換膜電気透析装置と、このイオン交換膜電気透析装置の濃縮区画で得られた高濃度電解質水溶液を貯留する貯留タンクと、交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とによって、内部が前記貯留タンク内に貯留された高濃度電解質水溶液が貯留タンクから投入される高濃度電解質水溶液投入区画と、低濃度電解質水溶液投入区画とに区切られた発電槽と、この発電槽の両端の区画にそれぞれ電極を備える濃度差発電装置と、貯留タンク内の高濃度電解質水溶液を濃度差発電装置の前記高濃度電解質水溶液投入区画に供給する高濃度電解質水溶液供給路と、前記高濃度電解質水溶液投入区画内に低濃度電解質水溶液を供給する低濃度電解質水溶液供給路と、を備える構成されているので、特殊な材料を用いることなく、かつ、異常発熱がなく安全である。
すなわち、食塩水や海水などの身近にある材料を用いて蓄電できる。
一方、請求項２の蓄電装置は、上記請求項１の蓄電装置の効果に加え、イオン交換膜電気透析装置を濃度差発電装置としても用いるようにしたので、装置全体をコンパクトなものとすることができる。
他方、請求項３の蓄電方法は、余剰の安価な夜間電力を利用して高濃度電解質水溶液を製造するようにしたので、蓄電を安価に行うことができる。
また、請求項４の蓄電方法は、高濃度電解質水溶液として海水を用いるようにしたので、海岸に近い場所に設置すれば、より安価に蓄電を行うことができるとともに、使用済みの海水を海に簡単に放流することができ、コストダウンを図ることができる。

本発明にかかる蓄電装置の第１の実施の形態を模式的にあらわす模式図である。 本発明にかかる蓄電装置の第２の実施の形態の概略を説明するブロック図である。

以下に、本発明を、その実施の形態をあらわす図面を参照しつつ詳しく説明する。
図１は、本発明にかかる蓄電装置の第１の実施の形態をあらわしている。

図１に示すように、この蓄電装置Ａは、イオン交換膜電気透析装置１と、貯留タンク２と、濃度差発電装置３とを備えている。
イオン交換膜電気透析装置１は、透析槽１１と、複数の陽イオン交換膜１２と、複数の陰イオン交換膜１３と、陽極電極１６と、陰極電極１７と、電解質水溶液供給配管１８と、高濃度電解質水溶液排出配管１９を備えている。

陰イオン交換膜１３と陽イオン交換膜１２は、交互に配置されることによって透析槽１１内を例えば、交互に設けられた２つの濃縮区画１４と３つの希釈区画１５とに仕切っている。
陽極電極１６と陰極電極１７は、それぞれ銀、プラチナ、チタン、炭素等で形成され、陽極電極１６が一端の希釈区画１５に配置され、陰極電極１７が他端の希釈区画１５に配置されている。

電解質水溶液供給配管１８は、電解質水溶液としての海水やイオン水を２つの濃縮区画１４と３つの希釈区画１５とにそれぞれ供給できるようになっている。
高濃度電解質水溶液排出配管１９は、濃縮区画１４で濃縮されて得られた高濃度電解質水溶液を貯留タンク２にポンプ圧によって送るようになっている。

貯留タンク２は、後述する濃度差発電装置３より高所に設けられていて、自然圧によって高濃度電解質水溶液を濃度差発電装置３の高濃度電解質水溶液投入区画３４に供給できるようになっている。

濃度差発電装置３は、発電槽３１と、複数の陽イオン交換膜３２と、複数の陰イオン交換膜３３と、２つの電極３６，３７と、低濃度電解質水溶液供給配管３８と、放流配管３９ａ，３９ｂとを備えている。
陰イオン交換膜３３と陽イオン交換膜３２は、交互に配置されることによって発電槽３１内を例えば、交互に設けられた２つの低濃度電解質水溶液投入区画３５と３つの高濃度電解質水溶液投入区画３４とに仕切っている。

２つの電極３６，３７は、それぞれ銀、プラチナ、チタン、炭素等で形成され、一方の電極３６が一端の高濃度電解質水溶液投入区画３４に配置され、他方の電極３７が他端の高濃度電解質水溶液投入区画３４に配置されている。
低濃度電解質水溶液供給配管３８は、水道水や河川水などの低濃度電解質水溶液を各低濃度電解質水溶液投入区画３５に供給できるようになっている。

放流配管３９ａは、高濃度電解質水溶液投入区画３４の電解質濃度が低くなった廃水を河川や海へ放流できるようになっている。
放流配管３９ｂは、低濃度電解質水溶液投入区画３５の電解質濃度が高くなった廃水を河川や海へ放流できるようになっている。

つぎに、この蓄電装置Ａの蓄電方法を説明する。
まず、電解質水溶液供給配管１８を介して２つの濃縮区画１４と３つの希釈区画１５とに電解質水溶液としての海水を供給する。
そして、所定量の海水が透析槽１１内に供給されると、海水の供給を停止し、両陽極電極１６と陰極電極１７とに給電し、陽極電極１６と陰極電極１７との間に電位差を生じさせる。
なお、給電は、需要の少ない夜間電力を利用して行われる。

この給電によって、海水中に含まれるナトリウムイオンに代表される陽イオンが陰極電極１７方向に泳動し、塩素イオンに代表される陰イオンが陰極電極１７方向に泳動しようとする。しかし、陽イオンは、陽イオン交換膜１２を透過するが、陰イオン交換膜１３を透過しない。そして、希釈区画１５側から陽イオン交換膜１２を透過し、濃縮区画１４に入り込んだ陽イオンは、濃縮区画１４に止まる。
一方、陰イオンは、陰イオン交換膜１３を透過するが、陽イオン交換膜１２を透過しない。そして、希釈区画１５側から陰イオン交換膜１３を透過し、濃縮区画１４に入り込んだ陽イオンは、濃縮区画１４に止まる。
したがって、時間とともに、濃縮区画１４の電解質濃度は高くなり、希釈区画１５の電解質濃度は低くなっていく。

濃縮区画１４内の電解質濃度が所定の濃度（例えば、塩分濃度が１０％程度）となると、給電を停止し、濃縮区画１４内で得られた高濃度電解質水溶液をポンプ圧によって高濃度電解質水溶液排出配管１９を介して貯留タンク２に送り、貯留する。
なお、上記のような濃縮は、必要に応じて貯留タンク２が満タンにならなければ、繰り返し行うようにしてもよい。

一方、電力が必要な場合、貯留タンク２に貯留された高濃度電解質水溶液を自然圧で発電槽３１の各高濃度電解質水溶液投入区画３４に供給する一方、水道水や河川水などの低濃度電解質水溶液を各低濃度電解質水溶液投入区画３５に供給する。
このとき、電解質は、高濃度側から低濃度側に移ろうとするが、電解質を構成する陽イオンは、陽イオン交換膜３２を透過するが、陰イオン交換膜３３は透過しない。また、陰イオンは、陰イオン交換膜３３を透過するが、陽イオン交換膜３２は透過しない。

したがって、図１でみて最も左側にある高濃度電解質水溶液投入区画３４では、電解質中の陽イオンのみが陽イオン交換膜３２を透過して隣接する低濃度電解質水溶液投入区画３５に入り込む。したがって、最も左側にある高濃度電解質水溶液投入区画３４では、陰イオンの占める割合が多くなる。
図１でみて中央の高濃度電解質水溶液投入区画３４では、電解質中の陽イオンが陽イオン交換膜３２を透過して右側に隣接する低濃度電解質水溶液投入区画３５に入り込み、陰イオンが陰イオン交換膜３３を透過して左側に隣接する低濃度電解質水溶液投入区画３５に入り込む。
図１でみて最も右側にある高濃度電解質水溶液投入区画３４では、電解質中の陰イオンのみが陰イオン交換膜３３を透過して隣接する低濃度電解質水溶液投入区画３５に入り込む。したがって、最も右側にある高濃度電解質水溶液投入区画３４では、陽イオンの占める割合が多くなる。

時間がたつにつれて濃度差は縮まるが、左側の電極３６周辺には陰イオンが、右側の電極３７周辺には陽イオンが過剰に残ることとなり、左右の電極３６，３７間に電位差が生じる。そして、電極３６，３７間を、負荷Ｒを介して連結すると電流が流れ、電力を取り出すことができる。その際流れる電流は、高濃度電解質水溶液及び低濃度電解質水溶液を補充し続けることにより永続的に発電が可能となる。
すなわち、この蓄電装置Ａは、上記のように、一般的な２次電池より汎用部材とどこでも入手可能な海水等のイオン性物質を含んだ水や河川水・水道水等を用い、電気エネルギーを一旦濃度エネルギーに変換し、その濃度エネルギーを用いて再び電気エネルギーに変換することができる。
したがって、安価に、かつ、異常発熱の問題も無く安全に蓄電できるとともに、安全に電力を供給できる。
また、夜間電力を利用して高濃度電解質水溶液を製造するようにしたので、より安価に発電することができる。

図２は、本発明にかかる蓄電装置の第２の実施の形態をあらわしている。
図２に示すように、この蓄電装置Ｂは、イオン交換膜電気透析装置１が濃度差発電装置３として共用されるようになっている以外は、上記蓄電装置Ａと同様になっている。

すなわち、この蓄電装置Ｂは、貯留タンク２に貯留された高濃度電解質水溶液をイオン交換膜透析装置１の希釈区画１５に供給し、低濃度電解質水溶液をイオン交換膜透析装置１の濃縮区画１４に供給することによって濃度差発電するようになっている。
この蓄電装置Ｂは、上記のように、イオン交換膜電気透析装置１が濃度差発電装置３として共用されるので、濃度差発電装置３の設置スペースが不要となり、コンパクト化することができる。

Ａ，Ｂ 蓄電装置
１ イオン交換電気透析装置
１１ 透析槽
１２ 陽イオン交換膜
１３ 陰イオン交換膜
１４ 濃縮区画
１５ 希釈区画
１６ 陽極電極
１７ 陰極電極
１８ 電解質水溶液供給配管
１９ 高濃度電解質水溶液排出配管
２ 貯留タンク
２１ 高濃度電解質水溶液供給配管（高濃度電解質水溶液供給路）
３ 濃度差発電装置
３１ 発電槽
３２ 陽イオン交換膜
３３ 陰イオン交換膜
３４ 高濃度電解質水溶液投入区画
３５ 低濃度電解質水溶液投入区画
３６，３７ 電極
３８ 低濃度電解質水溶液供給配管

Claims (4)

1. 交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とによって、内部が濃縮区画と希釈区画とに区切られ、電解質水溶液が供給される透析槽と、この透析槽の両端の区画にそれぞれ電極を備え、両電極間に電圧を印加して前記希釈区画内の電解質を濃縮区画側に透析し、濃縮区画内の電解質濃度を高めるイオン交換膜電気透析装置と、
   このイオン交換膜電気透析装置の濃縮区画で得られた高濃度電解質水溶液を貯留する貯留タンクと、
   交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とによって、内部が前記貯留タンク内に貯留された高濃度電解質水溶液が貯留タンクから投入される高濃度電解質水溶液投入区画と、低濃度電解質水溶液投入区画とに区切られた発電槽と、この発電槽の両端の区画にそれぞれ電極を備える濃度差発電装置と、
   貯留タンク内の高濃度電解質水溶液を濃度差発電装置の前記高濃度電解質水溶液投入区画に供給する高濃度電解質水溶液供給路と、
   前記高濃度電解質水溶液投入区画内に低濃度電解質水溶液を供給する低濃度電解質水溶液供給路と、を備えることを特徴とする蓄電装置。
2. 交互に配置された陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とによって、内部が濃縮区画と希釈区画とに区切られ、電解質水溶液が供給される透析槽と、この透析槽の両端の区画にそれぞれ電極を備え、両電極間に電圧を印加して前記希釈区画内の電解質を濃縮区画側に透析し、濃縮区画内の電解質濃度を高めるイオン交換膜電気透析装置と、
   このイオン交換膜電気透析装置の濃縮区画で得られた高濃度電解質水溶液を貯留する貯留タンクと、
   貯留タンク内の高濃度電解質水溶液を前記透析槽の希釈区画内に返送する高濃度電解質水溶液返送路と、
   透析槽の濃縮区画内に低濃度電解質水溶液を供給する低濃度電解質水溶液供給路と、を備え、
   前記イオン交換膜電気透析装置を濃度差発電装置としても用いるようにしたことを特徴とする蓄電装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の蓄電装置を用い、イオン交換膜電気透析装置で夜間電力を利用して高濃度電解質水溶液を製造し、貯留タンクに貯留する工程と、電力必要時に前記貯留タンクの高濃度電解質水溶液と低濃度電解質水溶液とを用いて濃度差発電装置で濃度差発電する工程とを備えることを特徴とする蓄電方法。
4. 電解質水溶液が海水であり、低濃度電解質水溶液が水道水または河川水である請求項３に記載の蓄電方法。

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