JP2011527509A - 分散型エネルギー貯蔵用のレドックスフロー電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
セルレイヤ48の一端から多端へと減少されてもよく、これにより放電モードにおいて反応物の注入口から排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注入口から排出口へと向かうにつれ値が増加するように電池のデザインが最適化される。デザイン傾向ライン116に示されるように、いくつかのデザインパラメータ、グループBとして示されるパラメータは、セルレイヤ48の一端から多端へと減少されてもよく、これにより放電モードにおいて反応物の注入口から排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注入口から排出口へと向かうにつれ値が減少するように電池のデザインが最適化される。図5に示すように、デザインパラメータはデザイン傾向ライン112に従って電池セルデザインを最適化するように変化してもよく、デザイン傾向ライン112のパラメータは膜の選択性、充電触媒負荷、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。デザインパラメータはデザイン傾向ライン116に従って電池セルデザインを最適化するように変化してもよく、デザイン傾向ライン116のパラメータはイオン導電性、放電触媒負荷、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。
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することによって満たすことができ、すなわち、ピーク電力需要の期間中、電気出力を電池システムから引き出される電力と発電所の電気出力とで増加する。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(例えば、1日24時間あたり一定の出力で)生成し、電気価格が最も大きなピーク需要時に売ることができるから、経済的な利点を有する。さらなる経済的利点として、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することで、発電所を建設することなくピーク電力需要の増加へと対応することができることが挙げられる。エネルギー貯蔵容量を単に反応貯蔵タンクの数を増やしたりタンクを大きく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は、従来の発電所にレドックスフロー電池貯蔵システムを追加することの経済的利点を示しており、システムの将来の需要の大きさの試算することも不要である。
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、出力スパイクや出力低下なしに直流負荷へ信頼性の高い出力電流をもたらすことができる。この配置は、グリッド、オンサイトの再生可能エネルギー電源、またはオンサイトの分散型電源からの電力の変動があっても、電力負荷206への送電を中断しない。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、大規模で広く変動する負荷に関連付けられている電力の変動は、ユーティリティグリッド202および他のエネルギー源から分離され残る。これは、グリッド上のストレスを低減するのに有用であり、大規模な電力需要の料金を回避したい充電施設のオーナーにとって有用である。レドックスフロー電池システムの優れた特性として、充電スタックのV1及び放電スタックのV2を達成するために各スタック内に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、システム全体の高効率性を達成するDC−DC変換もできることが挙げられる。また、施設所有者は、粗利率を最大にするために低コストの電力を選択するようにシステムを充電するときに選択することができる。
レドックスフロー電池スタック410を介した反応の流れはスタックへと印加される充電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。したがって、電力が充電に利用できない場合、バルブ418、420、422、424は閉状態になってもよく、フル充電未満の電力が利用可能な場合、バルブ418、420、422、424は部分的に開状態となり電池スタック410を介して計算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は及びタンク404、406、414、416はフローを方向付けるよう配管され、充電中、電池スタックを介した反応物が入口から出口に向かって、触媒負荷、触媒活性および質量輸送を減少し、セパレータ膜の選択性を増加させるように流れるよう構成される。
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、循環効率を直接減少させるシステムの寄生損失源である。したがって、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、循環効率を最大化する。第3に、電解液反応が酸性の性質を有するため、特別なポンプやポンプ材料を必要とされていたところ、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と接触しないため、低価格、人間の力を含む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移動する部品がないため静かである。
同様に、本実施形態による1つあるいは2つのシステムは、遠隔の電気自動車充電ステーションにおいて、充電の必要がある自動車がない場合にユーティリィティグリッド電力あるいはローカルの再生可能エネルギーをシステムを充電に用いてもよく、充電の必要がある電気自動車がある場合に貯蔵システムを回転させて電気自動車を充電する電力を提供するように使用されてもよい。
しかし、他の実施形態において、タンク404、406、414、416は電池スタック410と分離していてもよく、静止した電池スタック410を介した所望の重力の供給によりタンクは回転してもよい。他の実施形態は容易にタンク/貯蔵容を追加することができる能力の点でより柔軟な実施形態である。他の実施形態は柔軟性のあるパイプまたは漏液なく回転を提供する流体の対を必要とする。
これにより、充電用電解液の稀釈を防ぎ、充電用電解液の濃度を一定のレベルに保たれ、したがって電池セルの電位が一定に保たれる。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用電解液506、516がタンクに次々に戻されてゆく時間にわたって減少する。
もし課され放出されれば、図18は、充電用と放電用の電解液が混合されるような構成の場合に時間ごとにセル電圧が受ける影響を、ライン552で示し、充電用と放電用の電解液が別々に保持される場合のライン550と比較して示している。タンクセパレータ502、512を含むことによって、1つの電解液タンクで、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それぞれを用いることができる。これにより、タンクの余分なセットに生じるコストを節約することができる。さらに、充放電の間、より安定して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を出入りする電気をDC−DC、DC−AC、あるいはAC−DC変換する際の効率を、充電用電解液と放電用電解液との混合が発生する設計と比べてより高めることができる。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、充電用電解液と放電用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一定に保たれることとなる。
タンクセパレータ502は、ルーバー503(図19A−19F参照)、閉じることができる開口、バルブアレイ、あるい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。図19A−19Fで示される実施形態では、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はスラットの配置であってもよく、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。
これは、図19Bに示され、図19Bは電解液タンク26及びタンクセパレータ502の構成を示し、タンクセパレータ502の上部の電解液タンク26に送られ入ってくる電解液506の充電または放電サイクルの過程における状態を示し、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(フロー34)の下から取り出される。
図19Bで示されるように、タンクセパレータ502は、最初(充電または放電のいずれか)の状態での電解液504と入ってくる(充電または放電のいずれか)電解液506との混合を抑制する。
図19Dは、実施形態において、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様子を示すが、他の実施形態では、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だり、流体をセパレータ構造を通過するパイプを通じて流体が通過可能な開放バルブを設けたりしてもよい。
図20A−20Fで示された実施形態では、垂直タンクセパレーター602は、稀釈を防ぐために充電用と放電用の電解液を別々に保持する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を通じてフローの方向によって制御されるので、外的な統制を必要としない。したがって、垂直タンクセパレータ602電解液タンク600を吊られまたは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。
また、多少の望まない漏出はわずかにその全体的効率を減少させること以外にはフロー電池システムを脅かさない。
この「N+l」配置により、補足配管工事、バルブおよび制御が複雑な可動パーティションあるいはトレードオフの関係にある密封された部分を設ける必要がない。
。1つの構成において、電解液タンク26、28は図1に示すような充電用及び放電用の電解液の混合を許可し、電気スイッチ44を用いることにより充電モードと放電モードとの間で迅速な切り替えを可能にする。デザインパラメータにおいて妥協があってもよく、充電を放電よりも支持する場合に、かかるオペレーション、実施形態のような非常に迅速に充電から放電へ、放電から充電へと切り替え可能とするためには、単にスタックと充電電力源45や負荷46との間を電気的な切り替え接続(例えばスイッチ44を介して)すればよい。
レドックスフロー電池スタックアセンブリの反応フローを一方向に維持することにより、流路を反転させることによるモードの切り替えの遅れを回避することができる。他の構成においては、複数のタンク(例えば、図14を参照して上述した)又はセパレータータンク(例えば、図17−19Eを参照して上述した)は、レドックスフロー電池スタックアセンブリによって充電または放電された電解液(運転モードによる)を一方向に仕向けるように構成されたバルブ、ポンプおよび配管と共に、本実施形態で使用されてもよい。
Claims (31)
- それぞれレイヤを介して反応流路に沿って配置される複数のセルを含むセルレイヤのアレイを有するレドックスフロー電池スタックアセンブリを備え、
前記複数のセルのそれぞれは前記反応流路に沿って配置された位置にしたがって設定される
ことを特徴とするレドックスフロー電池のエネルギー貯蔵システム。 - 前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路の第1の端に位置するセルが前記反応流路の第2の端に位置するセルのセパレータ膜よりも低い気孔率を持つように選択されたセパレータ膜を用いて構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第2の端から前記第1の端へと反応を進行させると充電し、前記第1の端から前記第2の端へと反応を進行させると放電するように構成され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システム。 - 前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路の前記第1の端に位置する前記セルが前記反応流路の前記第2の端に位置する前記セルよりも大きな電荷触媒充填を有するように選択された充填量の電荷触媒をその表面に有する電極材料を用いて構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第2の端から前記第1の端へと反応を進行させると充電し、前記第1の端から前記第2の端へと反応を進行させると放電するように構成されることを特徴とする請求項2に記載のレドックスフロー電池システム。 - 前記複数のセルのそれぞれは、前記反応流路の前記第1の端に位置する前記セルが前記反応流路の前記第2の端に位置する前記セルよりも大きな電荷触媒充填を有するように選択された反応をする電荷触媒をその表面に有する電極材料を用いて構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第2の端から前記第1の端へと反応を進行させると充電し、前記第1の端から前記第2の端へと反応を進行させると放電するように構成されることを特徴とする請求項3に記載のレドックスフロー電池システム。 - 前記複数のセルのそれぞれは前記反応流路の前記第1の端に位置する前記セルが前記反応流路の前記第2の端に位置するセルのセパレータ膜より小さい反応集合移動速度を示すように構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第2の端から前記第1の端へと反応を進行させると充電し、前記第1の端から前記第2の端へと反応を進行させると放電するように構成されることを特徴とする請求項4に記載のレドックスフロー電池システム。 - 前記レドックスフロー電池スタックアセンブリは前記反応流路の前記第1の端に位置する前記セルが前記反応流路の前記第2の端に位置するセルのセパレータ膜より小さい反応集合移動速度を示すように構成され、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第2の端から前記第1の端へと反応を進行させると充電し、前記第1の端から前記第2の端へと反応を進行させると放電するように構成されることを特徴とする請求項5に記載のレドックスフロー電池システム。 - 前記レドックスフロー電池スタックアセンブリは前記反応流路の前記第1の端に位置する前記セルが、前記反応流路の前記第2の端に位置するセルよりも高温で反応に入るよう構成される熱交換器をさらに備え、
前記レドックスフロー電池エネルギー貯蔵システムは前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第2の端から前記第1の端へと反応を進行させると充電し、前記第1の端から前記第2の端へと反応を進行させると放電するように構成されることを特徴とする請求項6に記載のレドックスフロー電池システム。 - 各スタックのセルレイヤ内のそれぞれのセルはスタック内に組み立てられた平面的な構成として構成され、
前記セルの活性化領域を除き電気的に絶縁された第1の双極性フレーム、
前記第1の双極性フレームと隣接して配置される第1の電極物質、
前記セパレータ膜と隣接して配置される第2の電極物質、及び
前記第2の電極物質と隣接して配置され、前記セルの活性化領域を除き電気的に絶縁される第2の双極性フレームとを備える
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システム。 - 前記セパレータ膜が、その周囲に封止されてい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システム。
- さらに前記レドックスフロー電池スタックアセンブリと流体的に結合された4つの電解液貯蔵タンクを備え、第1のタンクは充電用の陰極液を保持し、第2のタンクは放電用の陰極液を保持し、第3のタンクは充電用の陽極液を保持し、第4のタンクは放電用の陽極液を保持す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システム。
- さらに前記レドックスフロー電池スタックアセンブリと流体的に結合された電解液貯蔵タンクを備え、前記電解液貯蔵タンクは熱交換器を有し、電解液を約40℃から50℃の範囲で加熱す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システム。
- 前記レドックスフロー電池スタックアセンブリを包み込むシリンダー状の支持構造と、
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの第1の側面上の前記シリンダー状の支持構造内に位置する第1の陰極液タンクと、
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの前記第1の側面上の前記シリンダー状の支持構造内に位置する第1の陽極液タンクと、
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの第2の側面上の前記シリンダー状の支持構造内に位置する第2の陰極液タンクと、
前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの前記第2の側面上の前記シリンダー状の支持構造内に位置する第2の陽極液タンクと、
前記第1の陰極液タンクを前記レドックスフロー電池スタックアセンブリ及び前記第2の陰極液タンクに流体的に結合し、前記第1の陽極液タンクを前記レドックスフロー電池スタックアセンブリ及び前記第2の陽極液タンクに流体的に結合する配管とを備え、
前記配管及び前記レドックスフロー電池スタックアセンブリは、前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの前記第1の側面が上方に位置する際に陽極液及び陰極液を充電する反応が発生し、前記レドックスフロー電池スタックアセンブリの前記第1の側面が下方に位置する際に陽極液及び陰極液を放電する反応が発生するよう構成される
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システム。 - 前記シリンダー状の支持構造を支持する少なくとも2つのローラーと、前記少なくとも2つのローラーの1つと結合される駆動機構とをさらに備え、
前記少なくとも2つのローラー及び前記駆動機構は手回しハンドルを回転させることにより前記シリンダー状の支持構造を回転可能に構成される
ことを特徴とする請求項12に記載のレドックスフロー電池システム。 - 前記レドックスフロー電池スタックアセンブリと流体的に結合された反応物質貯蔵タンクをさらに備え、前記反応物質貯蔵タンクは充電反応物質と放電反応物質との混合を抑止するタンクセパレータを有する
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システム。 - 前記タンクセパレータは浮揚性を有し、開状態においてタンクセパレータを介して反応物質が流入することを許可するバルブ機構を含み、前記バルブ機構が閉状態にあり放電反応物質が前記タンクセパレータの上部の前記タンクに入った際に充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるように前記反応物質貯蔵タンク内が構成され、前記バルブメカニズムが開状態にある際に前記タンクセパレータは前記反応物質の上面に浮かぶ
ことを特徴とする請求項14に記載のレドックスフロー電池システム。 - 前記タンクセパレータは前記反応物質貯蔵タンク内に垂直に配置され、前記反応物質貯蔵タンク及び前記タンクセパレータは、前記反応物質が前記タンクセパレータの一側上で前記反応物質貯蔵タンクに供給されるように構成されるとともに、充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるように前記反応物質が前記タンクセパレータの他側から前記反応物質貯蔵タンク外へ排出されるように構成される
ことを特徴とする請求項14に記載のレドックスフロー電池システム。 - 電力源と、
前記電力源から電力を受けて電力を電力負荷に供給するレドックスフロー電池システムと
を備え、
前記レドックスフロー電池システムは、
陰極液反応物質を貯蔵する第1のタンクと、
陽極液反応物質を貯蔵する第2のタンクと、
第1のレドックスフロー電池スタックアセンブリとを有し、
前記第1のレドックスフロー電池スタックアセンブリはそれぞれセルレイヤを介して反応流路に沿って配置される複数のセルを含むセルレイヤのアレイを有し、前記反応流路は第1の端及び第2の端を有し、前記複数のセルのそれぞれは前記反応流路に沿って配置された位置にしたがって設定される
ことを特徴とする電力システム。 - 反応物質を加熱する熱交換器をさらに備え、前記電力源は高温流体を産出する冷却系を備え、前記熱交換器は前記電力源の冷却系からの高温流体を用いて、前記第1のレドックスフロー電池スタックを介して流れる反応物質を40℃から65℃の範囲で加熱する
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 反応物質を加熱する熱交換器をさらに備え、前記電力負荷は高温流体を産出する冷却系を備え、前記熱交換器は前記電力負荷の冷却系からの高温流体を用いて、前記タンクに貯蔵された反応物質を40℃から65℃の範囲で加熱する
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 熱水を産出する地熱エネルギー源と、反応物質を加熱する熱交換器とをさらに備え、
前記熱交換器は前記地熱エネルギー源からの熱水を用いて反応物質を40℃から65℃の範囲で加熱する
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 反応物質を加熱する熱交換器をさらに備え、
前記電力源は冷却系を有する風力タービンを備え、
前記熱交換器は前記風力タービンの冷却系から流体を受ける
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 反応物質を加熱する熱交換器をさらに備え、
前記電力源は冷却系を有する太陽エネルギー変換システムを備え、
前記熱交換器は前記太陽エネルギー変換システムの冷却系から流体を受ける
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 前記電力源は燃料電池を備える
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 前記電力負荷は電気自動車充電システム、データセンター、製造施設及び電力系統と切さ属された電気変換器のうちから選択される
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 前記レドックスフロー電池システムは第2のレドックスフロー電池スタックアセンブリをさらに備え、前記第2のレドックスフロー電池スタックアセンブリはそれぞれセルレイヤを介して反応流路に沿って配置される複数のセルを含むセルレイヤのアレイを有し、前記反応流路は第1の端及び第2の端を有し、前記複数のセルのそれぞれは前記反応流路に沿って配置された位置にしたがって設定され、
前記第1のレドックスフロー電池スタックアセンブリは前記電力源と接続されて陰極液及び陽極液の反応物質を充電し、
前記第2のレドックスフロー電池スタックアセンブリは前記電力源と接続されて陰極液及び陽極液を放電して前記電力負荷へ電力を供給する
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 前記第1のタンク及び前記第2のタンクは充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるよう構成されたタンクセパレータをそれぞれ有する
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 前記タンクセパレータはそれぞれ浮揚性を有し、開状態においてタンクセパレータを介して反応物質が流入することを許可するバルブ機構を含み、前記バルブ機構が閉状態にあり放電反応物質が前記タンクセパレータの上部の前記タンクに入った際に充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるように前記反応物質貯蔵タンク内が構成され、前記バルブメカニズムが開状態にある際に前記タンクセパレータは前記反応物質の上面に浮かぶ
ことを特徴とする請求項26に記載の電力システム。 - 前記タンクセパレータは前記反応物質貯蔵タンク内に垂直に配置され、前記反応物質貯蔵タンク及び前記タンクセパレータは、前記反応物質が前記タンクセパレータの一側上で前記反応物質貯蔵タンクに供給されるように構成されるとともに、充電反応物質と放電反応物質との混合が抑止されるように前記反応物質が前記タンクセパレータの他側から前記反応物質貯蔵タンク外へ排出されるように構成される
ことを特徴とする請求項26に記載の電力システム。 - 放電された陰極液の反応物質を貯蔵する第3のタンクと、
放電された陽極液の反応物質を貯蔵する第4のタンクとをさらに備え、
放電モードでの動作中、充電された陰極液を前記第1のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第1のタンクから前記第3のタンクへと流し、充電された陽極液を前記第1のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第2のタンクから前記第4のタンクへと流す
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 放電された陰極液及び陽極液の反応物質を貯蔵する第3のタンクをさらに備え、
放電モードでの動作中、充電された陰極液を前記第1のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第1のタンクから前記第3のタンクへと流し、充電された陽極液を前記第1のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第2のタンクから前記第3のタンクへと流し、充電モードでの動作中、電解液を前記第3のタンクから前記第1のレドックスフロー電池スタックアセンブリを介して前記第1のタンク及び前記第2のタンクのそれぞれへと流す
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。 - 前記レドックスフロー電池システムは、充電モードと放電モードのいずれにおいても陰極液反応と陽極液反応が同一方向へと進行するよう構成される
ことを特徴とする請求項17に記載の電力システム。
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