JP2016031790A - 電解液循環型電池 - Google Patents
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Abstract
Description
最初に本発明の実施態様の内容を列記して説明する。
本発明の実施形態の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。ここでは、電解液循環型電池としてレドックスフロー電池(RF電池)を例に説明する。
実施形態1に係るRF電池は、図4を用いて説明した従来のRF電池100と同様、電池セル10と、正極セル12に循環させる正極電解液を貯留するタンク20と、負極セル13に循環させる負極電解液を貯留するタンク21とを備える。各極電解液の循環は、各循環路(供給流路30、31、排出流路32、33)を介して、それらの途中に設けたポンプ34,35により行う。実施形態1に係るRF電池の主たる特徴とするところは、タンクの気相部の圧力を調整する圧力調整機構が、タンクの外に設けられる圧力調整バッグを備える点にある。即ち、実施形態1に係るRF電池は、タンク周辺の構成が従来のRF電池と異なるため、以下の説明は、図1(適宜図4)を参照してその相違点を中心に行う。従来と同様の構成については、図4と同一符号を付してその説明を省略する。
圧力調整機構4Aは、各タンク20,21の気相部20g、21gの圧力を調整する。ここでは、圧力調整機構4Aは、各タンク20,21の気相部20g、21gの圧力変化(正圧及び負圧)に追従して膨張及び収縮する圧力調整バッグ40を備える。圧力調整バッグ40は、各タンク20、21の外に設けられており、気相部20g、21gに連通する直通導管41により各タンク20,21に接続されている。ここでは、各タンク20,21に圧力調整バッグ40を設けているが、両タンク20,21のいずれか一方にのみ圧力調整バッグ40を設けても良い。
圧力調整バッグ40は、膨張及び収縮により気相部20g、21gの圧力を調整することで、各タンク20、21の過度な変形(膨張及び収縮)を抑制して各タンク20,21の破裂や凹みを抑制する。圧力調整バッグ40は、気相部20g、21gの正圧抑制及び負圧抑制の両方の機能を併せ持つ。
圧力調整バッグ40により正圧を抑制する場合、例えば、圧力調整バッグ40を収縮させた状態としておくことが挙げられる。圧力調整バッグ40は、気相部20g、21gが正圧(例えば大気圧よりも0.1kPa〜10kPa高い圧力)になると、図1の太破線矢印に示すように、気相部20g、21gのガスを吸い込み膨張する。このガスは、通常、後述する不活性ガスである。そうして、気相部20g,21gの圧力を大気圧付近に低下させる。気相部20g、21gが正圧になるのは、例えば、外気温の影響や、気相部20g、21gの温度が上昇したり、電解液の液面上昇により気相部20g、21gの容積が減少したりすることなどが挙げられる。
圧力調整バッグ40により負圧を抑制する場合、圧力調整バッグ40内には、不活性ガスを貯留させておく。圧力調整バッグ40は、気相部20g、21gが負圧(例えば大気圧よりも0.1kPa〜10kPa低い圧力)になると、図1の太実線矢印に示すように、収縮して圧力調整バッグ40内の不活性ガスを気相部20g、21gへ供給する。そうして、気相部20g,21gの圧力を大気圧付近に上昇させる。気相部20g、21gが負圧になるのは、気相部20g、21gの温度が低下したり、電解液の液面が循環開始時に下降するなどで気相部20g、21gの容積が増加したりすることなどが挙げられる。
圧力調整バッグ40は、単一層のシート材で構成してもよいが、複数の層を積層した積層材を備えることが好ましい。具体的には、防食層40aと、その外周に形成される酸素遮断層40bとを有することが挙げられる。
圧力調整バッグ40の容積は、気相部20g、21gの容積の1/30以上1/2以下が好ましい。圧力調整バッグ40の容積を気相部20g、21gの容積の1/30以上とすることで、気相部20g、21gの圧力調整を良好に行える。圧力調整バッグ40の容積を気相部20g、21gの容積の1/2以下とすることで、圧力調整バッグの設置スペースが大きくなり過ぎない。特に、圧力調整バッグ40の容積は、気相部20g、21gの容積の1/10以上1/5以下が好ましい。圧力調整バッグ40の容積は、圧力調整バッグ40の膨張可能な最大容積をいう。
圧力調整バッグ40の数は、各気相部20g、21gに対して単数としてもよいし、複数としてもよい。複数とする場合、各圧力調整バッグ40のサイズを小さくできる。複数とする場合、複数の圧力調整バッグ40の合計容積を気相部20g、21gの容積の1/30以上1/2以下とすることが好ましい。
直通導管41は、圧力調整バッグ40と気相部20g,21gとを連通させる。直通導管41の一端が圧力調整バッグ40に開口し、他端が気相部20g,21gに開口している。直通導管41のサイズは、気相部20g,21gの圧力が変化した際、圧力調整バッグ40が素早く膨張及び収縮できるサイズであればよい。例えば、直通導管41のサイズは、その長さと内径との兼ね合いにもよるが、長さが短く、内径は大きい方が好ましい。直通導管41のサイズは、実用的には、長さが100mm以上10000mm以下程度、内径が5mm以上100mm以下程度とすることができる。直通導管41の材質は、圧力調整バッグ40の防食層40aと同様、耐食性に優れる材質が好適である。
圧力調整バッグ40の外周には、圧力調整バッグ40を収納する収納箱60を設けることが好ましい。収納箱60は、圧力調整バッグ40を機械的に保護できる。特に、収納箱60は、圧力調整バッグ40の膨張に伴う内圧を分担するものであることが好ましい。そうすれば、圧力調整バッグの破裂を効果的に抑制できる。また、収納箱60に圧力調整バッグ40の内圧を分担させれば、圧力調整バッグ40の材質に耐圧性の低いものでも利用できる。そのため、圧力調整バッグ40の材料選択の自由度を高められる。
実施形態1のRF電池によれば、圧力調整バッグ40を各タンク20、21の外に設けることで、圧力調整バッグのメンテナンス性に優れる。また、圧力調整バッグ40を各タンク20、21の外に設けることで、圧力調整バッグの容積の制約が少なく、圧力調整バッグ40による気相部20g,21gの圧力の調整可能範囲を広くできる。タンク20,21の内に圧力調整バッグ40を設ける場合とタンク20,21の大きさ及び圧力調整バッグ40の容積が同じ場合、電解液の量を多くすることができる。そのため、電池容量を多くできる。タンク20,21の内に圧力調整バッグ40を設ける場合とタンク20,21内の電解液の量及び圧力調整バッグ40の容積が同じ場合、タンク20,21の大きさを小さくできる。そのため、タンク20,21の設置スペースを小さくでき、余ったスペースを有効活用できる。
実施形態2として、図2に示すように、圧力調整機構4Bが、圧力調整バッグ40を備えることに加えて、各タンク20、21の気相部20g,21gのガスを各タンク20、21の外に排出するガス排出機構5を備えることができる。即ち、実施形態2に係るRF電池は、ガス排出機構5を備える点が実施形態1のRF電池と相違し、その他の構成は実施形態1と同様である。実施形態2では、圧力調整バッグ40を気相部20g、21gの負圧抑制に用い、ガス排出機構5を気相部20g、21gの正圧抑制に用いる。以下、実施形態1との相違点を中心に説明し、実施形態1と同様の構成については、図1と同一符号を付してその説明を省略する。図2の太実線矢印は、気体の流れを示す。
ガス排出機構5は、気相部20g、21gのガスを各タンク20,21の外へ排出して気相部20g,21gの圧力を調整する。そうして、各タンク20、21の過度な膨張に伴うタンクの破裂を抑制する。ここでは、ガス排出機構5は、水封弁50を備える。
水封弁50は、容器51と、その内部に貯留される調圧液51Lと、気相部20g、21gと連通する連結管52と、容器51内のガスを容器51の外へ排出する排出管53とを備える。連結管52は、一端が各タンク20、21の気相部20g、21gに開口し、容器51の気相部を通って調圧液51L中に他端が開口している。排出管53は、一端が容器51の気相部51gに開口し、他端が大気中に開口している。
実施形態2のRF電池によれば、圧力調整バッグ40により気相部20g、21gの負圧を抑制し、ガス排出機構5により気相部20g、21gの正圧を抑制できる。このように、気相部20g、21gの正圧抑制と負圧抑制とを異なる部材に分担させられるため、その正圧抑制と負圧抑制を効果的に行える。また、圧力調整バッグ40を気相部20g,21gの負圧抑制専用にできることで、圧力調整バッグ40が正圧抑制及び負圧抑制の両方を兼ねる場合と圧力調整バッグ40の容積が同じ場合、負圧の抑制可能範囲を広くできる。
実施形態3として、図3に示すように、圧力調整バッグ40及びガス供給機構5を有する圧力調整機構4Cを備えることに加えて、ガス供給機構7を備えることができる。即ち、実施形態3に係るRF電池は、ガス供給機構7を備える点が実施形態2のRF電池と相違し、その他の構成は実施形態2と同様である。以下、実施形態2との相違点を中心に説明し、実施形態2と同様の構成については、図2と同一符号を付してその説明を省略する。図3の太実線矢印及び太破線矢印は、気体の流れを示す。
ガス供給機構7は、上述と同様の不活性ガスを含むフローガスを気相部20g、21gに供給する。そうして、気相部20g,21gに充満する発生ガスを希釈する。希釈した発生ガスは、ガス排出機構5により各タンク20、21の外へ排出できる。ここでは、ガス供給機構7は、ガス供給源70とガス供給導管71とを備える。
ガス供給源70は、各タンク20,21に供給する不活性ガスを含むフローガスを貯留又は発生させる。ガス供給源70は、例えば、不活性ガスを貯留する貯留部材(ボンベ、タンクなど)を備える構成としても良いし、或いは不活性ガスを発生させるガス発生装置を備える構成としても良い。前者の構成は、簡単に構築することができ、好ましい。後者の構成は、不活性ガスの補充の手間を低減できる。特に、窒素を発生させるガス発生装置の場合、大気中から窒素を取り出すことができるので、半永久的にフローガスを供給することができる。
ガス供給導管71は、ガス供給源70から各タンク20,21の気相部20g,21gにフローガスを供給する(太実線矢印)。ガス供給導管71の一端は、ガス供給源70に接続され、ガス供給導管72の他端は、各タンク20、21の気相部20g,21gに開口している。このガス供給導管71には、気相部20g,21gへ常時フローガスを供給し続けるガス流量調整機構が設けられることが好ましい。
ガス流量調整機構は、ガス供給源70から各タンク20,21に供給されるフローガスの供給量を所定値以上の一定量に調整する。ガス流量調整機構は、例えば、流量計72とバルブ73とを備える。流量計72は、ガス供給導管71に流通するフローガスの流量を計測する。バルブ73は、流量計72で計測した流量に基づいて流量が所定値以上で一定となるように弁の開度を調整してガス供給導管71に流通するフローガスの流量を調整する。流量に基づく開度の決定やバルブ73の動作は、図示しない制御部(例えば、コンピュータなど)によって行える。フローガスの各タンク20、21への供給量は、例えば、0.1リットル/分以上で一定とすることが好ましい。そうすれば、気相部20g、21gの発生ガスを十分に希釈でき、ガス排出機構5により希釈された発生ガスを排出すれば気相部20g,21gの換気を十分に行える。
圧力調整機構4Cは、実施形態2と同様、圧力調整バッグ40とガス排出機構5(水封弁50)とを備える。ここでは、圧力調整バッグ40は、ガス供給導管71を介して気相部20g,21gに連通している。具体的には、一端が圧力調整バッグ40に接続されて、他端がガス供給導管71の途中に連通される連通導管42が設けられている。
実施形態3のRF電池によれば、圧力調整バッグ40による負圧抑制に加えて、ガス供給機構7を備えることで、発生ガスを希釈でき、ガス排出機構5を備えることで、発生ガスを低濃度の状態で大気中に排出できる。そのため、各タンク20、21内を換気でき、タンク内に有害な発生ガスが滞留することを抑制できる。特に、常時、フローガスを供給し続ければ、気相部20g,21gの発生ガスを常に低濃度の状態に保っていられる。
変形例1として、各タンクの気相部同士を連通する気相連通管を備えることができる。上記気相連通管を備えることで、両タンクで一つの気相部と見做せる。そのため、圧力調整バッグは一方のタンクの気相部にのみ設けてもよい。また、ガス排出機構やガス供給機構を設ける場合、いずれも圧力調整バッグと同様、一方のタンクの気相部にのみ設けてもよい。例えば、圧力調整バッグ及びガス排出機構は負極電解液タンクに設け、ガス供給機構は正極電解液タンクに設けることが挙げられる。このとき、ガス供給導管から正極電解液タンクにフローガスを流すと、その一部は気相連通管を介して負極電解液タンクに導入される。RF電池では、負極電解液タンクで有害な発生ガスが発生し易い傾向にある。そのため、このように正極電解液タンクから負極電解液タンクにフローガスが流れるようにすれば、有害な発生ガスが正極電解液タンクに導入されることを回避できる。フローガスの供給量の調整は、例えば、負極電解液タンクの気相部へのフローガスの供給量が0.1リットル/分以上となるように行うとよい。そうすれば、各タンクの気相部の換気を十分に行える。
変形例2として、ガス供給機構を備える場合、圧力調整バッグはガス供給導管を介して気相部に連通されず、気相部への直通導管により直接連通されていてもよい。
10 電池セル
11 隔膜 12 正極セル 13 負極セル
14 正極電極 15 負極電極
20 正極電解液タンク 20g 気相部
21 負極電解液タンク 21g 気相部
30、31 供給流路 32、33 排出流路 34、35 ポンプ
4A、4B、4C 圧力調整機構
40 圧力調整バッグ
40a 防食層 40b 酸素遮断層
41 直通導管 42 連通導管
5 ガス排出機構
50 水封弁
51 容器 51g 気相部 51L 調圧液
52 連結管 53 排出管
60 収納箱
7 ガス供給機構
70 ガス供給源 71 ガス供給導管 72 流量計 73バルブ
110 呼吸袋(圧力調整バッグ)
Claims (7)
- 電池セルに循環される電解液を貯留するタンクを備える電解液循環型電池であって、
前記タンクの気相部の圧力を調整する圧力調整機構を備え、
前記圧力調整機構は、前記タンクの外に設けられて、前記タンクの気相部の圧力変化に追従して膨張及び収縮する圧力調整バッグを備える電解液循環型電池。 - 前記圧力調整機構は、前記タンクの気相部のガスを前記タンクの外へ排出するガス排出機構を備える請求項1に記載の電解液循環型電池。
- ガス供給導管を介して不活性ガスを含むフローガスを前記気相部に供給するガス供給機構を備える請求項1又は請求項2に記載の電解液循環型電池。
- 前記圧力調整バッグは、前記ガス供給導管を介して前記気相部に連通している請求項3に記載の電解液循環型電池。
- 前記圧力調整バッグを収納して、前記圧力調整バッグの膨張に伴う内圧を分担する収納箱を備える請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電解液循環型電池。
- 前記圧力調整バッグは、防食層と、その外周に形成される酸素遮断層とを有する積層材を備える請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電解液循環型電池。
- 前記圧力調整バッグの容積は、前記気相部の容積の1/30以上1/2以下である請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の電解液循環型電池。
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