JP2013206566A - レドックスフロー電池用熱交換器、およびレドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

【課題】液漏れするリスクが低く、信頼性の高いレドックスフロー電池用熱交換器、およびレドックスフロー電池を提供する。
【解決手段】円筒状の冷却用配管３１内に流通する電解液を冷却させるレドックスフロー電池用熱交換器であって、前記冷却用配管３１は樹脂によって構成され、前記冷却用配管３１の外径をＤ（ｍｍ）、前記冷却用配管３１の厚さをｔ（ｍｍ）としたとき、Ｄとｔとは次式を満足し、０．０２Ｄ≦ｔ≦０．３Ｄ、前記冷却用配管３１は略平行に配置された複数の配管直線部３５と隣り合う前記配管直線部３５の端部をつなぐ配管曲がり部３６とを有し、前記配管曲がり部３６によって接続される一対の配管直線部３５同士の中心間の距離をＸ（ｍｍ）としたとき、ＤとＸとは次式を満足し、１．２Ｄ≦Ｘ≦１０Ｄ、前記配管曲がり部３６と前記配管直線部３５との接続が継手を用いることなく構成されている。
【選択図】図３

Description

本発明は、信頼性の高いレドックスフロー電池用熱交換器、およびレドックスフロー電池に関する。

近年、地球温暖化への対策として、太陽光発電、風力発電といった自然エネルギーの導入が世界的に推進されている。これらの発電出力は、天候に影響されるため、大量に導入が進むと、周波数や電圧の維持が困難になるといった電力系統の運用に際しての問題が予測されている。この問題の対策の一つとして、大容量の二次電池を設置して、出力変動の平滑化、余剰電力の貯蓄、発電電力不足時の電力供給などを図ることが期待される。

大容量の二次電池の一つにレドックスフロー電池がある。レドックスフロー電池は、図１に示す形態のものが知られている（特許文献１など）。レドックスフロー電池１００は、正極電極１５ａを内蔵する正極セル１２ａと負極電極１５ｂを内蔵する負極セル１２ｂとの間に隔膜１１を介在させた電池要素１０と、電解液８の循環機構とを具え、循環機構により、正極電解液８ａ及び負極電解液８ｂを電池要素１０に循環供給して充放電を行う。循環機構は、正極電解液８ａを貯留する正極タンク１６ａと、負極電解液８ｂを貯留する負極タンク１６ｂと、正極電解液８ａを循環させる正極ポンプ１７ａと、負極電解液８ｂを循環させる負極ポンプ１７ｂと、正極電解液８ａを冷却させる正極熱交換器３ａと、負極電解液８ｂを冷却させる負極熱交換器３ｂと、循環機構を構成する上記各要素同士をつなぎ電解液８を流通させる配管２０（２０ａ、２０ｂ）とを具える。

電解液８には、代表的には、酸化還元により価数が変化するバナジウムイオンといった金属イオンを含有する水溶液が利用される。図１の電池要素１０内の実線矢印は、充電、破線矢印は放電を意味する。

またレドックスフロー電池の循環機構に用いられる配管は、電解液が直接接触することから、電解液と反応せず、電解液に対する耐性に優れる材料、代表的にはポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）といった樹脂によって構成されるものが利用されている。

一方、一般に電池は、充放電を行うと、内部抵抗などの影響により発熱し、発熱と放熱とのバランスがとれるまで温度が徐々に上昇する。レドックスフロー電池も同様に、温度が上昇するため、一般的には何らかの冷却手段が必要である。レドックスフロー電池の発熱部分は、主として電池要素であるが、電池要素から発生する熱は電解液に伝えられて、電解液の温度も上昇する。逆に電解液の温度を冷却すれば、電池要素の温度を下げることができる。したがってレドックスフロー電池は、電解液の循環機構に熱交換器を備え、電解液を冷却することで、電池要素を効率的に冷却させるのが一般的である。

特開２０００−０３０７２９号公報 特開２００１−２８０８６０号公報

図２にレドックスフロー電池用熱交換器の概略構成図を示す。電解液８が入口３３から熱交換器３内に入り、冷却用配管３１を通って出口３４から熱交換器３の外に出る。そして冷却手段３２によって冷却用配管３１内の電解液８を冷却する。したがって入口３３から熱交換器３内に入る電解液８は、冷却用配管３１を通る間に熱が奪われ、出口３４から熱交換器３の外にでる時点では、入口３３から入る時よりも電解液８の温度は下がっている。なお冷却手段３２には、ファンなどを用いた空冷式や、冷却用配管３１の周りを冷却水などで循環させることにより冷却用配管３１内の電解液８を冷却させる水冷式などが使われている。

ここで熱交換器３内の冷却用配管３１は、放熱性が高いことが要求される。しかしレドックスフロー電池用の配管は、前述の通り、電解液が直接接触することから、金属のような物質自体が放熱性の高い材料を用いることができず、樹脂性の配管を利用している。このため、少しでも放熱性を高くするために、細い配管を蛇行させることによって、冷却手段３２から出される空気や水といった冷却媒体が接触する面積を広くしている。したがって、レドックスフロー電池用熱交換器の冷却用配管３１には、曲がり部が多く存在している。

またレドックスフロー電池用の電解液が酸素にさらされると、電池容量の低下を招く恐れがあるため、酸素の透過防止を考慮して、レドックスフロー電池用配管の厚さは、比較的厚くする必要がある。樹脂性で且つ厚肉の配管は、金属管のようには容易に曲げ加工ができなかったため、また樹脂性で厚肉の直線状の配管および配管を直角に曲げるための直角継手が市販されていることもあり、従来のレドックスフロー電池用配管は、配管の曲がり部には、配管と配管とをつなぐ継手を利用していた（特許文献２など）。

図５に従来のレドックスフロー電池用配管を略９０°や略１８０°に曲げる場合の構成例を示す。図５（Ａ）の例では、二つの直線配管５１ａ、５１ｂを、直角継手５０の両端に接続することで、配管を略９０°に曲げている。図５（Ｂ）の例では、短い直線配管５１ｃの両端に、二つの直角継手５０のそれぞれ一端を接続し、二つの直角継手５０のそれぞれ他端に、互いに略平行の二つの直線配管５１ｄ、５１ｅを接続することで、配管を略１８０°に曲げている。

レドックスフロー電池用熱交換器の冷却用配管３１は、前述の通り放熱性を高くすることから、略１８０°に曲げる箇所が多いため、従来のレドックスフロー電池用熱交換器には多くの直角継手が用いられていた。

しかしながら、配管の曲がり部に直角継手を用いた場合、配管と配管との接続箇所において、例えば配管施工時の作業ミスや材料の不具合などがあった場合、接着不良による液漏れのリスクが高くなるという問題がある。レドックスフロー電池用熱交換器の冷却用配管は、直角継手が多数使われることが多く、液漏れのリスクが懸念される。さらに万一、液漏れが大量に発生した場合は、単に電解液量が減ると言う問題だけではなく、電気的に短絡や地絡が生じ、重大事故につながる可能性もある。

本発明は、以上の問題を鑑みてなされたものであり、その目的は、液漏れするリスクが低く、信頼性の高いレドックスフロー電池用熱交換器、およびレドックスフロー電池を提供することにある。

本発明に係るレドックスフロー電池用熱交換器は、円筒状の冷却用配管内に流通する電解液を冷却させるレドックスフロー電池用熱交換器であって、前記冷却用配管は樹脂によって構成され、前記冷却用配管の外径をＤ（ｍｍ）、前記冷却用配管の厚さをｔ（ｍｍ）としたとき、Ｄとｔとは次式を満足し、
０．０２Ｄ≦ｔ≦０．３Ｄ
前記冷却用配管は、略平行に配置された複数の配管直線部と、隣り合う前記配管直線部の端部をつなぐ配管曲がり部とを有し、前記配管曲がり部によって接続される一対の配管直線部同士の中心間の距離をＸ（ｍｍ）としたとき、ＤとＸとは次式を満足し、
１．２Ｄ≦Ｘ≦１０Ｄ
前記配管曲がり部と前記配管直線部との接続が継手を用いることなく構成されている（請求項１）。

このようにすれば、継手を用いずに配管を曲げていることから、継手の接着不良などによる液漏れのリスクが低減され、信頼性が高くなる。

なお昨今の配管加工技術の向上により、加工時の曲げ条件や温度条件などを種々調整することで、厚肉で樹脂性の配管も精度良く曲げられるようになってきた。しかし配管の厚さｔが、配管の外径Ｄの０．３倍を超えると、精度良く曲げ加工を行うのが困難である。ｔは０．３Ｄ以下であれば良いが、０．２Ｄ以下がより好ましい。また配管の厚さｔが、配管の外径Ｄの０．０２倍未満の場合は、配管外部から配管内部への酸素透過性が大きく、電池容量の低下を招く恐れがある。ｔは０．０２Ｄ以上であれば良いが、０．０４Ｄ以上がより好ましい。

また直角継手を二つ使って配管を略１８０°に曲げる場合（図５（Ｂ）参照）と比べて、本発明では、緩やかな角度で（例えば半円状に）曲げることも可能であり、この場合は、電解液を流す際に生じる圧力損失を小さくすることができる。

さらに直角継手を二つ使って配管を略１８０°に曲げる場合（図５（Ｂ）参照）は、直角継手の大きさが制限となり、一対の配管直線部同士の中心間の距離Ｘは、ある一定の値以下にすることができず、熱交換器全体のサイズが大きくなってしまう。これに比して本発明では、このような直角継手を用いていないため、一対の配管直線部同士の中心間の距離Ｘを自由に設計することができる。一対の配管直線部同士の中心間の距離Ｘが、配管の外径Ｄの１０倍以下であれば、熱交換器全体のサイズをコンパクトに設計できるが、配管の外径Ｄの５倍以下であればより好ましい。一方、冷却用配管の放熱性を高くするためには、一対の配管直線部同士の中心間の距離Ｘをある程度大きくする必要があり、一対の配管直線部同士の中心間の距離Ｘは、配管の外径Ｄの１．２倍以上であれば良いが、１．５倍以上であればより好ましい。

なお熱交換器の冷却用配管を構成する配管曲がり部と配管直線部との接続は、その全てにおいて継手を用いないことが最も好ましいが、少なくとも一つの接続に継手を用いていなければ本発明の効果が得られる。

また本発明に係るレドックスフロー電池用熱交換器の冷却用配管を構成する樹脂は、耐衝撃用塩化ビニルであることが好ましい（請求項２）。

塩化ビニルは耐酸性に優れ、加工性にも優れている。また他の樹脂と比べて酸素透過性が低い。また耐衝撃用の塩化ビニルは強度が優れており、電解液の圧力や地震などの外力にも強いため、レドックスフロー電池用の配管として優れている。

本発明に係るレドックスフロー電池は、配管を介して、タンクと電池要素との間を電解液が循環するレドックスフロー電池であって、前記配管の一部が、上記本発明に係るレドックスフロー電池用熱交換器の冷却用配管である（請求項３）。

本発明に係るレドックスフロー電池用熱交換器を具えることで、上述の通り液漏れのリスクが低減されるため、レドックスフロー電池の信頼性が高くなる。

本発明によれば、継手の接着不良などによる液漏れのリスクを低減し、信頼性の高いレドックスフロー電池用熱交換器、およびレドックスフロー電池を提供することができる。

レドックスフロー電池の動作原理図である。 レドックスフロー電池用熱交換器の概略構成図である。 本発明レドックスフロー電池用熱交換器に具える冷却用配管の一部を示す断面図である。 本発明レドックスフロー電池用熱交換器に具える冷却用配管の一部を示す斜視図である。 従来のレドックスフロー電池用配管を曲げる場合の概略構成図である。 レドックスフロー電池の一部を示す概略構成図である。 レドックスフロー電池の電池要素の概略構成図である。

以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。

図１はレドックスフロー電池の動作原理図である。レドックスフロー電池１００は、電池要素１０と、電解液８の循環機構とを具えている。循環機構は、電解液８を貯留するタンク１６（１６ａ、１６ｂ）と、電解液８を循環させるポンプ１７（１７ａ、１７ｂ）と、電解液８を冷却させる熱交換器３（３ａ、３ｂ）と、循環機構を構成する上記各要素同士をつなぎ電解液８を流通させる配管２０（２０ａ、２０ｂ）とを具えている。

図２はレドックスフロー電池用熱交換器の概略構成図である。電解液８が入口３３から熱交換器３内に入り、冷却用配管３１を通って出口３４から熱交換器３の外に出る。そして冷却手段３２によって冷却用配管３１内の電解液８を冷却する。したがって入口３３から熱交換器３内に入る電解液８は、冷却用配管３１を通る間に熱が奪われ、出口３４から熱交換器３の外にでる時点では、入口３３から入る時よりも電解液８の温度は下がっている。そして、冷却用配管３１は放熱性を高くする必要があるため、細い配管が蛇行するように構成されている。

図３は本発明レドックスフロー電池用熱交換器に具える冷却用配管３１の一部を示す断面図である。冷却用配管３１は耐衝撃用塩化ビニルで構成されている。ただし、冷却用配管３１を構成する材質は耐衝撃用塩化ビニルに限られたものではなく、一般の塩化ビニル、または他の樹脂でも構わない。

略平行に配置された一対の配管直線部３５の端部が、配管曲がり部３６の両端に、それぞれ接続されている。配管曲がり部３６の曲がり角度は任意に設計される。配管曲がり部と一対の配管直線部３５とを合わせた形状は、図３に示すような略Ｕの字でも構わないし、略コの字でも構わない。ここで配管曲がり部３５と配管直線部との接続には、図５に示すような継手が用いていない。したがって、継手の接着不良などによる液漏れのリスクが低減され、信頼性が高い。

また図３のＤは冷却用配管３１の外径、Ｃは冷却用配管３１の中心線、Ｘは一対の配管直線部同士の中心間の距離を、それぞれ示している。ここで、ＸはＤに対して、大きすぎると熱交換器全体のサイズがコンパクトに設計することができなくなり、また小さすぎると熱交換器の放熱性が悪くなる。したがって、Ｘは１．２Ｄ以上、１０Ｄ以下であれば良く、１．５Ｄ以上、５Ｄ以下であればより好ましい。

図４は本発明レドックスフロー電池用熱交換器に具える冷却用配管３１の一部を示す斜視図であり、模式的に冷却用配管３１の一部を、軸方向と垂直な方向に切断した状態を示している。図４中のｔは冷却用配管の厚さ、Ｄは冷却用配管の外径を、それぞれ示している。耐衝撃用塩化ビニルなどの樹脂で構成される冷却用配管の場合、ｔはＤに対して、大きすぎると精度良く曲げ加工を行うことが困難であり、また小さすぎると配管外部から配管内部への酸素透過性が大きくなり、電池容量の低下を招く恐れがある。したがって、ｔは０．０２Ｄ以上、０．３Ｄ以下であれば良く、０．０４以上、０．２Ｄ以下であればより好ましい。

次にレドックスフロー電池用熱交換器の構成例について述べる。図２を参照し、冷却用配管３１内の電解液８は、冷却手段３２によって冷却されるが、ここで入口３３から入った電解液８の温度と、冷却手段３２から冷却用配管３１に対して放出される冷媒（空気や水など）の温度との差が大きいほど、熱交換量が大きく、効率的に電解液８が冷却される。図１で示すレドックスフロー電池１００では、電解液８の発熱源は電池要素１０であるため、循環機構の配管２０に流れる電解液８の内、電池要素１０の直ぐ下流側の配管２０（電池要素１０と熱交換器３との間の配管２０）に流れる電解液８の温度が最も高い。したがって、熱交換器３は、図１に示す通り、電池要素１０の直ぐ下流側に位置させた場合が、最も効率的に電解液を冷却することができる。ただし、熱交換器３の位置は、図１に示したものに限らず、タンク１６の下流側の配管２０（タンク１６とポンプ１７との間の配管２０）や、ポンプ１７の下流側の配管２０（ポンプ１７と電池要素１０との間の配管２０）に位置しても構わない。熱交換器３の位置は、上述の熱交換効率の点の他、設置条件など、種々の観点から適宜判断される。

また図１では、熱交換器３が、正極用（３ａ）と負極用（３ｂ）と、それぞれ独立して具えられているが、図６に示すように、正極用と負極用とを一括にしても良い。つまり、電池要素１０から正極配管２０ａを介して正極冷却用配管３１ａに流入される正極電解液８ａと、電池要素１０から負極配管２０ｂを介して負極冷却用配管３１ｂに流入される負極電解液８ｂとが、いずれも共通の熱交換器３の冷却手段３２によって、冷却されるような形態でも構わない。ただし、レドックスフロー電池の種々の特性や運転条件によっては、正極と負極の電解液温度に差が生じる場合があり、また異常時には片極の電解液のみ異常発熱する場合もあるため、図１に示すような形態、つまり熱交換器３が、正極用（３ａ）と、負極用（３ｂ）と、別々に具えられている形態で、それぞれ独立に温度制御できるようになっていることが好ましい。

図１に示すレドックスフロー電池１００は、簡単のため、電池要素１０は一つのみ示しているが、実際のレドックスフロー電池は、図７に示す通り、複数の電池要素１０が積層されているのが一般的である。図７は、模式的に２枚の電池要素１０を積層したものを示しているが、実際はさらに多くの電池要素１０が積層される場合が多い。これら複数の電池要素１０は電気的には直列につながっているが、正極電解液８ａおよび負極電解液８ｂは、それぞれ積層された電池要素１０に並列に循環される。したがって、例えば隣り合う電池要素１０の同極同士をつなぐ配管２０の両端には電位差が発生するため、電解液８を通じて漏れ電流（シャントカレント）が流れる（図７中の矢印Ｉ）。このシャントカレントの値が大きいと、エネルギーの損失（シャントカレントロス）が大きくなってしまう。シャントカレントロスを低減させるためには、隣り合う電池要素１０の同極同士をつなぐ配管２０を、できるだけ細く長くして、配管２０内の電解液の電気抵抗を大きくすれば良い。この目的で電池要素１０付近には細く長い配管を具えることがあり、これをシャントキラー配管と呼んでいる。このシャントキラー配管は、細くて長いため、配管の表面積が大きい。したがって、冷却手段でこのシャントキラー配管を冷却することにより、効率的に電解液を冷却させることができる。言い換えると、熱交換器の冷却用配管に、シャントキラー配管の機能を持たせることで、レドックスフロー電池の省スペース化や製造コストの低減を図ることもできる。

１０ 電池要素、１００ レドックスフロー電池
１１ 隔膜
１２ セル、１２ａ 正極セル、１２ｂ 負極セル
１５ 電極、１５ａ 正極電極、１５ｂ 負極電極
１６ タンク、１６ａ 正極タンク、１６ｂ 負極タンク
１７ ポンプ、１７ａ 正極ポンプ、１７ｂ 負極ポンプ
２０ 配管、２０ａ 正極配管、２０ｂ 負極配管
３ 熱交換器、３ａ 正極熱交換器、３ｂ 負極熱交換器
３１ 冷却用配管、３１ａ 正極冷却用配管、３１ｂ 負極冷却用配管
３２ 冷却手段
３３ 入口、３４ 出口
３５ 配管直線部
３６ 配管曲がり部
５０ 直角継手
５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ、５１ｅ 直線配管
８ 電解液、８ａ 正極電解液、８ｂ 負極電解液

Claims (3)

1. 円筒状の冷却用配管内に流通する電解液を冷却させるレドックスフロー電池用熱交換器であって、
   前記冷却用配管は樹脂によって構成され、
   前記冷却用配管の外径をＤ（ｍｍ）、前記冷却用配管の厚さをｔ（ｍｍ）としたとき、Ｄとｔとは次式を満足し、
   ０．０２Ｄ≦ｔ≦０．３Ｄ
   前記冷却用配管は、略平行に配置された複数の配管直線部と、隣り合う前記配管直線部の端部をつなぐ配管曲がり部とを有し、
   前記配管曲がり部によって接続される一対の配管直線部同士の中心間の距離をＸ（ｍｍ）としたとき、ＤとＸとは次式を満足し、
   １．２Ｄ≦Ｘ≦１０Ｄ
   前記配管曲がり部と前記配管直線部との接続が継手を用いることなく構成されていることを特徴とするレドックスフロー電池用熱交換器。
2. 前記冷却用配管を構成する前記樹脂は耐衝撃用塩化ビニルであ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用熱交換器。
3. 配管を介して、タンクと電池要素との間を電解液が循環するレドックスフロー電池であって、
   前記配管の一部が、請求項１または２に記載のレドックスフロー電池用熱交換器の冷却用配管であることを特徴とするレドックスフロー電池。

Images