JP2018524778A - レドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

本発明の一実施例によるレドックスフロー電池は、電流を生成する単位スタックを含む単位モジュールを互いの側面に配置して電気的に連結して形成されるモジュール、前記モジュールに電解液を供給し、前記モジュールから流出される電解液を貯蔵する電解液タンク、前記電解液タンクと前記モジュールを連結して電解液ポンプの駆動で前記電解液を前記モジュールに流入する電解液流入ライン、前記電解液タンクと前記モジュールを連結して前記電解液を前記モジュールから流出する電解液流出ライン、および前記電解液ポンプ速度に対してｒｐｍ制御と周波数制御を併行する電装部を含む。

Description

本発明は、電解液タンクに貯蔵された電解液を電解液ポンプを通じてスタック内部に供給し、排出して電気を生産するレドックスフロー電池に関する。

知られたところによると、亜鉛臭素レドックスフロー電池は、フロー電池の一種で、電解液と電極の間で起こる酸化還元反応で電気を生産する。

例えば、レドックスフロー電池は、バイポーラ電極板（ｂｉｐｏｌａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ）とメンブレイン（ｍｅｍｂｒａｎｅ）を反復的に積層し、積層された最外郭の両側に集電板とエンドキャップを順次に積層して形成され、電解液が供給されて酸化還元反応が起こるスタック、スタックに電解液を供給するポンプと配管、スタックで内部反応後、流出される電解液を貯蔵する電解液タンク、およびスタック内部に電力を一定に制御する電装部を含む。

レドックスフロー電池において、電解液タンクは亜鉛を含むアノード電解液（ａｎｏｌｙｔｅ）を収容するアノード電解液タンク、臭素を含むカソード電解液（ｃａｔｈｏｌｙｔｅ）を収容するカソード電解液タンク、およびカソード電解液の二相（ｐｈａｓｅ）を収容する二相電解液タンクを含む。アノード電解液タンクとカソード電解液タンクは第１オーバーフロー管で連結されて不足した電解液を互いに供給する。

二相電解液タンクは、スタックから流出されるカソード電解液を比重差により分離して、上部に水性臭素（ａｑｕｅｏｕｓ Ｂｒ）と下部に重混合臭素（ｈｅａｖｙ ｃｏｍｐｌｅｘｉｎｇ Ｂｒ、ＱＢｒ）を収容する。カソード電解液タンクと二相電解液タンクは、第２オーバーフロー管で連結されて上部の水性臭素を二相電解液タンクからカソード電解液タンクに供給する。充電時に二相電解液タンクには重混合臭素の量が増加し、放電時に重混合臭素の量が減少する。貯蔵された重混合臭素は放電時にだけ使用される。

一方、アノード電解液配管とカソード電解液配管の長さ比率および電解液ポンプの周波数制御は、電解液ポンプのモータトルクを異なるようにすることができる。充電および放電時にモータトルクの差は、充電および放電時に変わる電解液の粘度により電解液の流速を異なるようにすることができる。

電解液の流速差は、電解液との電極の反応面積を減少させるため、放電量を減少させることがある。電解液の流量不安定は、レドックスフロー電池の長期的な性能を低下させることがある。

本発明の一側面の目的は、亜鉛を含むアノード電解液と臭素を含むカソード電解液を単位スタックの内部に均等に分配するレドックスフロー電池を提供することにある。

本発明の一側面の目的は、電解液ラインの長さ比率と長さ比率に相応するように電解液ポンプを制御して電解液の流れを均一にするレドックスフロー電池を提供することにある。

本発明の一実施例によるレドックスフロー電池は、電流を生成する単位スタックを含む単位モジュールを互いの側面に配置して電気的に連結して形成されるモジュール、前記モジュールに電解液を供給し、前記モジュールで流出される電解液を貯蔵する電解液タンク、前記電解液タンクと前記モジュールを連結して電解液ポンプの駆動で前記電解液を前記モジュールに流入する電解液流入ライン、前記電解液タンクと前記モジュールを連結して前記電解液を前記モジュールから流出する電解液流出ライン、および前記電解液ポンプ速度に対してｒｐｍ制御と周波数制御を併行する電装部を含む。

前記電解液タンクは、アノード電解液ポンプで前記単位スタックのメンブレインとアノード電極の間に供給するアノード電解液を収容するアノード電解液タンク、カソード電解液ポンプで前記単位スタックの前記メンブレインとカソード電極の間に供給するカソード電解液を収容し、前記アノード電解液タンクに第１オーバーフロー管で連結されるカソード電解液タンク、および前記メンブレインと前記カソード電極の間で流出される前記カソード電解液の二相（ｐｈａｓｅ）を収容し、前記カソード電解液タンクに第２オーバーフロー管で連結され、前記カソード電解液タンクの下部と連通管で連結される二相電解液タンクを含んでもよい。

前記電解液流入ラインは、前記アノード電解液タンクと前記モジュールを連結するアノード電解液流入ライン、および前記カソード電解液タンクと前記モジュールを連結するカソード電解液流入ラインを含み、前記アノード電解液流入ラインの長さと前記カソード電解液流入ラインの長さ比率は、１〜１．５：１であってもよい。

前記アノード電解液ポンプは、２３００〜２７００ｒｐｍに制御され、前記カソード電解液ポンプは、１８００〜２２００ｒｐｍに制御され、前記アノード電解液ポンプは、１５０〜２００Ｈｚに制御され、前記カソード電解液ポンプは、１００〜１５０Ｈｚに制御されてもよい。

前記アノード電解液流入ラインおよび前記カソード電解液流入ラインは、前記モジュールの側方において前記単位モジュールの最上部以下の高さに連結されてもよい。

本発明の一実施例は、電解液タンクとモジュールを連結する電解液流入ラインに備えられる電解液ポンプを電装部でｒｐｍ制御と周波数制御を併行するため、電解液ポンプのモータトルクが変わる現象を防止することができる。

本発明の一実施例は、充電および放電時に電解液ポンプのモータトルクが一定になるため、充電および放電時に電解液の粘度が変わる場合にも電解液の流速、流圧および流量を一定に制御することができる。

電解液の流速、流圧および流量が一定になるため、電解液とのアノード、カソード電極の反応面積が増加して放電量（電流）が増加することができる。つまり、電解液の流速、流圧および流量の安定化でレドックスフロー電池の長期的な性能が向上することができる。

また本発明の一実施例は、単位モジュールを互いの側面に配置して電気的に連結し、電解液流入ラインをモジュールの側方において単位モジュールの最上部以下の高さに連結するため、電解液を単位スタックの内部に均等に分配することができる。

本発明の一実施例によるレドックスフロー電池の構成図である。 図１に適用されるモジュールと電解液タンクを示した斜視図である。 図２に適用される単位スタックの分解斜視図である。 図３のＩＶ−ＩＶ線断面図である。 図３のＶ−Ｖ線断面図である。 比較例によるレドックスフロー電池の構成図である。 比較例と本発明の一実施例において電解液ポンプの速度をｒｐｍ制御と周波数およびｒｐｍ制御によるモジュール効率を比較したグラフである。 本発明の一実施例において電解液ポンプの速度をｒｐｍ制御と周波数およびｒｐｍ制御による放電量（電圧）増加を比較したグラフである。

以下、添付した図面を参照して本発明の実施例について本発明が属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施することができるように詳細に説明する。しかし、本発明は、多様な異なる形態に具現することができ、説明する実施例に限定されない。図面において、本発明を明確に説明するために、説明上不要な部分は省略し、明細書全体を通して同一または類似する構成要素については同一の参照符号を付した。

明細書全体において、ある部分が他の部分と「連結」されているという時、これは「直接的に連結」されている場合のみならず、他の部材を間に置いて「間接的に連結」されたものも含む。また、ある部分がある構成要素を「含む」という時、これは特に反対の記載がない限り、他の構成要素を除くことではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

図１は、本発明の一実施例によるレドックスフロー電池の構成図であり、図２は、図１に適用されるモジュールと電解液タンクを示した斜視図である。図１および図２を参照すると、一実施例のレドックスフロー電池は、電流を発生させるモジュール１２０、およびモジュール１２０に電解液を供給し、モジュール１２０で流出される電解液を貯蔵する電解液タンク２００を含む。

モジュール１２０は、複数の単位モジュール１１０を含む。一例として、モジュール１２０は、二つの単位モジュール１１０を互いの側面に配置して電気的に連結して形成される。単位モジュール１１０は、電解液の循環で電流を発生させるように構成され、一例として、それぞれ四つの単位スタック１００を含む。

例えば、電解液タンク２００は、亜鉛を含むアノード電解液を収容するアノード電解液タンク２１０、臭素を含むカソード電解液を収容するカソード電解液タンク２２０、およびカソード電解液の二相を収容する二相電解液タンク２３０を含む。

また、一実施例のレドックスフロー電池は、電解液タンク２００とモジュール１２０を連結して電解液ポンプＰａ、Ｐｃの駆動で電解液をモジュール１２０に流入する電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１、電解液タンク２００とモジュール１２０を連結して電解液をモジュール１２０から流出する電解液流出ラインＬａ２、Ｌｃ２、および電解液ポンプＰａ、Ｐｃの速度に対してｒｐｍ制御と周波数制御を併行する電装部５００を含む。一例として、電解液ポンプＰａ、Ｐｃは周波数およびｒｐｍ制御で速度調節されるモータポンプから形成されてもよい。

図３は、図２に適用される単位スタックの分解斜視図である。図２および図３を参照すると、アノード電解液タンク２１０は、単位スタック１００のメンブレイン１０とアノード電極３２の間にアノード電解液を供給し、メンブレイン１０とアノード電極３２の間を経由して流出されるアノード電解液を収容する。

カソード電解液タンク２２０は、単位スタック１００のメンブレイン１０とカソード電極３１の間に供給するカソード電解液を収容し、アノード電解液タンク２１０に第１オーバーフロー管２０１で連結される。第１オーバーフロー管２０１は、アノード、カソード電解液タンク２１０、２２０の電解液を互いに交換することができるようにする。

二相電解液タンク２３０は、単位スタック１００のメンブレイン１０とカソード電極３１の間を経由して流出されるカソード電解液（水性臭素と重混合臭素の二相（ｐｈａｓｅ）を含む電解液）を収容し、カソード電解液タンク２２０に第２オーバーフロー管２０２で連結される。また二相電解液タンク２３０の下部とカソード電解液タンク２２０の下部は連通管２０３で連結される。

二相電解液タンク２３０は、メンブレイン１０とカソード電極３１の間で流出されるカソード電解液を比重により二相に分離して、つまり、下側に重混合臭素を収容し、上側に水性臭素を収容する。水性臭素は第２オーバーフロー管２０２を通じてカソード電解液タンク２２０に供給される。

つまり、第２オーバーフロー管２０２は、上側の水性臭素をカソード電解液タンク２２０に供給する。放電時、下側の重混合臭素は連通管２０３を通じてカソード電解液タンク２２０のカソード電解液に代わってメンブレイン１０とカソード電極３１の間に供給されてもよい。

そのために、電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１は、アノード電解液タンク２１０をモジュール１２０に連結するアノード電解液流入ラインＬａ１、および放電時に二相電解液タンク２３０または充電時にカソード電解液タンク２２０をモジュール１２０に連結するカソード電解液流入ラインＬｃ１を含む。

電解液流出ラインＬａ２、Ｌｃ２は、モジュール１２０にアノード電解液タンク２１０を連結するアノード電解液流出ラインＬａ２、およびモジュール１２０に二相電解液タンク２３０を連結するカソード電解液流出ラインＬｃ２を含む。

アノード、カソード電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１は、アノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃを介して、単位スタック１００の電解液流入口Ｈ２１、Ｈ３１をアノード電解液タンク２１０とカソード電解液タンク２２０または二相電解液タンク２３０にそれぞれ連結する。アノード、カソード電解液流出ラインＬａ２、Ｌｃ２は、単位スタック１００の電解液流出口Ｈ２２、Ｈ３２にアノード電解液タンク２１０と二相電解液タンク２３０をそれぞれ連結する。

アノード電解液タンク２１０は、亜鉛を含むアノード電解液（ａｎｏｌｙｔｅ）を内蔵し、アノード電解液ポンプＰａの駆動で単位スタック１００のメンブレイン１０とアノード電極３２の間にアノード電解液を循環させる。

カソード電解液タンク２２０または二相電解液タンク２３０は、臭素を含むカソード電解液（ｃａｔｈｏｌｙｔｅ）を内蔵し、カソード電解液ポンプＰｃの駆動で単位スタック１００のメンブレイン１０とカソード電極３１の間にカソード電解液を循環させる。

また、二相電解液タンク２３０は、カソード電解液ポンプＰｃの駆動で単位スタック１００のメンブレイン１０とカソード電極３１の間で流出されるカソード電解液をカソード電解液流出ラインＬｃ２に供給を受けて比重差により下側に重混合臭素を収容し、上側に水性臭素を収容する。

一方、カソード電解液流入ラインＬｃ１およびカソード電解液流出ラインＬｃ２は、四方弁２０５を介して、カソード電解液タンク２２０および二相電解液タンク２３０を選択的にモジュール１２０に連結するため、モジュール１２０に対するカソード電解液の流入と流出作動を選択的に行うことができる。

連通管２０３には仕切弁２０６が備えられて、放電時にカソード電解液ポンプＰｃの駆動で、二相電解液タンク２３０のカソード電解液をモジュール１２０に供給することができる。つまり、充電時に仕切弁２０６が閉鎖されると、カソード電解液タンク２２０のカソード電解液がカソード電解液流入ラインＬｃ１に供給され、放電時に仕切弁２０６が開放されると、二相電解液タンク２３０のカソード電解液がカソード電解液流入ラインＬｃ１に供給される。

また、単位スタック１００は、バスバーＢ１、Ｂ２を通じて隣接した他の単位スタック１００と電気的に連結される。単位モジュール１１０およびモジュール１２０は、バスバーＢ１、Ｂ２を通じて単位スタック１００の内部で生成された電流を放電したり、外部の電源に連結されてアノード電解液タンク２１０と二相電解液タンク２３０に電流を充電することができる。

例えば、単位スタック１００は、単位セルＣ１、Ｃ２を複数に積層して形成されてもよい。便宜上、本実施例は二つの単位セルＣ１、Ｃ２を積層して形成された単位スタック１００を例示する。

単位スタック１００を図２に示すように積層するため、単位モジュール１１０が形成される。単位モジュール１１０を互いの側面に配置するため、モジュール１２０が形成される。したがって、単位モジュールが上下方向に配置される場合（図６の比較例）に比べて、モジュール１２０の単位スタック１００に対する電解液の流れおよび内部圧力が均一になることができる。

電解液の流れおよび内部圧力の均一性は電解液とカソード、アノード電極３１、３２の反応面積を増加させるため、放電量（電流）を増加させることができる。つまり、充電および放電時にモジュール効率が向上することができる。モジュール向上は単位スタック１００の耐久性および長期サイクル安定性を向上させることができる。

単位スタック１００で左側単位セルＣ１に電解液流入口Ｈ２１、Ｈ３１が備えられ、電解液流入口Ｈ２１、Ｈ３１はアノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃを介してアノード、カソード電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１でアノード電解液タンク２１０とカソード電解液タンク２２０または二相電解液タンク２３０にそれぞれ連結される。

また、右側単位セルＣ２に電解液流出口Ｈ２２、Ｈ３２が備えられ、電解液流出口Ｈ２２、Ｈ３２はアノード、カソード電解液流出ラインＬａ２、Ｌｃ２でアノード電解液タンク２１０と二相電解液タンク２３０にそれぞれ連結される。

電解液流入口Ｈ２１、Ｈ３１は、アノード電解液タンク２１０とカソード電解液タンク２２０または二相電解液タンク２３０の電解液を左側単位セルＣ１にそれぞれ流入する。電解液流出口Ｈ２２、Ｈ３２は、単位スタック１００を経由して、右側単位セルＣ２から流出される電解液をアノード電解液タンク２１０と二相電解液タンク２３０にそれぞれ流出する。

図４は、図３のＩＶ−ＩＶ線断面図であり、図５は、図３のＶ−Ｖ線断面図である。図３乃至図５を参照すると、単位スタック１００は、メンブレイン１０、スペーサ２０、電極板３０、フローフレーム（例えば、メンブレインフローフレーム４０、電極フローフレーム５０）、第１、第２集電板６１、６２および第１、第２エンドキャップ７１、７２を含む。

一例として、単位スタック１００は、二つの単位セルＣ１、Ｃ２を備えるため、一つの電極フローフレーム５０を中央に備え、電極フローフレーム５０の両側に左右対称構造に配置される二つのメンブレインフローフレーム４０、およびメンブレインフローフレーム４０の外郭にそれぞれ配置される二つの第１、第２エンドキャップ７１、７２を含む。

メンブレイン１０は、イオンを通過させるように構成され、メンブレインフローフレーム４０にメンブレインフローフレーム４０の厚さ方向中心に結合する。電極板３０は、電極フローフレーム５０に電極フローフレーム５０の厚さ方向中心に結合する。

第１エンドキャップ７１、メンブレインフローフレーム４０、電極フローフレーム５０、メンブレインフローフレーム４０および第２エンドキャップ７２を配置し、メンブレイン１０と電極板３０の間にそれぞれスペーサ２０を介してメンブレインフローフレーム４０、電極フローフレーム５０および第１、第２エンドキャップ７１、７２を互いに接合することによって、二つの単位セルＣ１、Ｃ２を備えた単位スタック１００が形成される。

電極板３０は、二つの単位セルＣ１、Ｃ２が連結される部分では一側にアノード電極３２を形成し、他側にカソード電極３１を形成して、二つの単位セルＣ１、Ｃ２を直列に連結するバイポーラ電極を形成する。カソード電極３１にはカーボンコーティング層が形成されてもよい。

メンブレインフローフレーム４０、電極フローフレーム５０および第１、第２エンドキャップ７１、７２は互いに接着されてメンブレイン１０と電極板３０の間に内部容積ＩＶを設定し、内部容積ＩＶに電解液を供給する第１、第２流路チャンネルＣＨ１（図４参照）、ＣＨ２（図５参照））を備える。第１、第２流路チャンネルＣＨ１、ＣＨ２は、メンブレイン１０の両面でそれぞれ均一な圧力と量で電解液を供給するように構成される。

メンブレインフローフレーム４０、電極フローフレーム５０および第１、第２エンドキャップ７１、７２は、合成樹脂成分を含む電気絶縁材で形成されて、熱融着または振動融着で接着されてもよい。

第１流路チャンネルＣＨ１は、電解液流入口Ｈ２１、内部容積ＩＶおよび電解液流出口Ｈ２２を連結して、アノード電解液ポンプＰａの駆動によって、メンブレイン１０とアノード電極３２の間に設定される内部容積ＩＶにアノード電解液を流入して反応後、流出可能にする（図４参照）。

第２流路チャンネルＣＨ２は、電解液流入口Ｈ３１、内部容積ＩＶおよび電解液流出口Ｈ３２を連結して、カソード電解液ポンプＰｃの駆動によって、メンブレイン１０とカソード電極３１の間に設定される内部容積ＩＶにカソード電解液を流入して反応後、流出可能にする（図５参照）。

アノード電解液は、内部容積ＩＶのアノード電極３２側で酸化還元反応して電流を生成してアノード電解液タンク２００に貯蔵される。カソード電解液は、内部容積ＩＶのカソード電極３１側で酸化還元反応して電流を生成して二相電解液タンク２３０に貯蔵される。

充電時、メンブレイン１０とカソード電極３１の間で、
２Ｂｒ⁻→２Ｂｒ＋２ｅ⁻（式１）
のような化学反応が起こり、カソード電解液に含まれている臭素が生産されて二相電解液タンク２３０に貯蔵される。この時、臭素はカソード電解液のように単位スタック１００から即時に除去される高密度の第二相を形成するようにカソード電解液中で四アンモニウムイオンによって即時に混合される。二相電解液タンク２３０で分離された水性臭素は、第２オーバーフロー管２０２を通じて、カソード電解液タンク２２０にオーバーフローされる。

充電時、メンブレイン１０とアノード電極３２の間で、
Ｚｎ^２＋＋２ｅ⁻→Ｚｎ（式２）
のような化学反応が起こり、アノード電解液に含まれている亜鉛がアノード電極３２に蒸着されて貯蔵される。この時、アノード電解液タンク２１０とカソード電解液タンク２２０の間でアノード電解液またはカソード電解液は第１オーバーフロー管２０１を通じて相互オーバーフローされてもよい。

放電時、メンブレイン１０とカソード電極３１の間で、式１の逆反応が起こり、メンブレイン１０とアノード電極３２の間で式２の逆反応が起こる。

第１、第２集電板６１、６２は、カソード電極３１とアノード電極３２で生成された電流を集めたり、外部でカソード電極３１とアノード電極３２に電流を供給するように最外郭電極板３０、３０に接着されて電気的に連結される。

単位スタック１００、単位モジュール１１０およびモジュール１２０で生成された電流を放電したり、外部電源に連結されてアノード電解液タンク２１０と二相電解液タンク２３０に電流を充電する必要がある。

そのために、第１エンドキャップ７１は、バスバーＢ１が連結された第１集電板６１と、第１集電板６１に連結される電極板３０を収容して一体に形成されて、単位スタック１００の一側外郭を形成する。第１エンドキャップ７１は、バスバーＢ１、第１集電板６１、および電極板３０を挿入してインサート射出で成形されてもよい。

第２エンドキャップ７２は、バスバーＢ２が連結された第２集電板６２と、第２集電板６２に連結される電極板３０を収容して一体に形成されて単位スタック１００の他の一側外郭を形成する。第２エンドキャップ７２は、バスバーＢ２、第２集電板６２、および電極板３０を挿入してインサート射出で成形されてもよい。

第１エンドキャップ７１は、一側にアノード、カソード電解液流入口Ｈ２１、Ｈ３１を備えて第１、第２流路チャンネルＣＨ１、ＣＨ２に連結されて、カソード電解液とアノード電解液をそれぞれ流入する。第２エンドキャップ７２は、一側に電解液流出口Ｈ２２、Ｈ３２を備えて第１、第２流路チャンネルＣＨ１、ＣＨ２に連結されてカソード電解液とアノード電解液をそれぞれ流出する。

つまり、カソード電解液流出ラインＬｃ２および四方弁２０５を通じて流出されるカソード電解液は二相電解液タンク２３０に流入される。したがって、二相電解液タンク２３０に流入されたカソード電解液に含まれている重混合臭素は下側に位置する。

したがって、二相電解液タンク２３０で第２オーバーフロー管２０２にオーバーフローされるものは、上側に位置する水性臭素であり、下側に位置する重混合臭素はオーバーフローされない。

充電時には仕切弁２０６が閉鎖されてカソード電解液タンク２２０でカソード電解液流入ラインＬｃ１にカソード電解液が供給される。この時、二相電解液タンク２３０はカソード電解液を収容している。

放電時にはカソード電解液タンク２２０でカソード電解液流入ラインＬｃ１にカソード電解液が供給される。また放電時に仕切弁２０６が開放されて重混合臭素が含まれているカソード電解液をカソード電解液流入ラインＬｃ１に供給する。

再び図１および図２を参照すると、電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１は、モジュール１２０の側方において単位モジュール１１０の最上部以下の高さに連結される。つまり、電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１は単位モジュール１１０の最高高さよりも高くない。

具体的にみると、アノード電解液流入ラインＬａ１およびカソード電解液流入ラインＬｃ１は、モジュール１２０の側方において単位モジュール１１０の最上部以下の高さに連結される。つまり、単位モジュール１１０が互いの側方に配置されるため、モジュール１２０の全体的な高さは単位モジュール１１０の高さと同一に設定される。

単位モジュールを上下方向に積層する場合（下記に開示された比較例）に比べて、本実施例は単位モジュール１１０を平面に配置するため、単位モジュール１１０および単位スタック１００の交換が容易であり、電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１の高さ方向の長さが短くなりながら単位モジュール１１０に対する電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１の高さが均一になる。

したがって、単位モジュール１１０に対して電解液が均等に分配され、また各単位モジュール１１０内で単位スタック１００に対して電解液が均等に注入され得る。つまり、分巻電流（ｓｈｕｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）の抵抗が減少され得る。また電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１の高さ方向の長さが短くなることによって内部圧力の減少によって単位スタック１００の安定性が向上することができる。

つまり、電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１で電解液の流れが円滑であるため、単位スタック１００の内部抵抗が減少し、亜鉛蒸着（Ｚｎ−Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を均等に溶解することができるため、単位スタック１００の内部圧力が減少することができる。

また、四方弁２０５を介してカソード電解液タンク２２０および二相電解液タンク２３０がモジュール１２０に連結される、カソード電解液流入ラインＬｃ１およびカソード電解液流出ラインＬｃ２はモジュール１２０の両側側方で単位モジュール１１０の最上部以下の高さに連結される。

充電時に生成され、放電時に使用される重混合臭素（ＱＢｒ）は重く、粘度が高いが、単位モジュール１１０を側方に配列して電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１の長さを短くし、長さ差が除去されるため円滑に流れることができる。

したがって、モジュール１２０の内部抵抗が減少し、分巻電流の流れに優れているため、アノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃの駆動速度を高めないことができる。これによって、電解液流入ラインＬａ１、Ｌｃ１およびモジュール１２０内部の圧力が減少し、電解液リーク（ｌｅａｋ）の危険性が低くなることができる。

一方、一実施例のレドックスフロー電池は、モジュール１２０、電解液タンク２００および電装部５００を内蔵するフレーム３００をさらに含む。フレーム３００は、下部に電解液タンク２００を収容し、上部にモジュール１２０を収容し、上部の一側に電装部５００を備えるように構成される。

電装部５００は、ＢＭＳ（Ｂａｔｔｅｒｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）を備えて、ＢＭＳでｒｐｍ制御と周波数制御を併行してアノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃのモータ速度をより正確に制御することができる。一例として、アノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃのモータは、ＢＬＤＣモータであり、フックメートル（ｈｏｏｋ−ｍｅｔｅｒ）によって周波数が測定され得る。

電装部５００のＢＭＳは、モータ速度をより正確に制御するため、レドックスフロー電池の運営で電解液の粘度変化の時にも電解液の流速、流圧および流量を正確に制御して、カソード、アノード電極３１、３２周囲に電解液を均一に供給することができる。

この時、アノード電解液流入ラインＬａ１の長さ（Ｌａ）とカソード電解液流入ラインＬｃ１の長さ（Ｌｃ）の比率（Ｌａ：Ｌｃ）は、１〜１．５：１（Ｌａ：Ｌｃ＝１〜１．５：１）である。アノード電解液流入ラインＬａ１の長さ（Ｌａ）がカソード電解液流入ラインＬｃ１の長さ（Ｌｃ）以上である。つまり、電装部５００のＢＭＳは、長さ（Ｌａ、Ｌｃ）比率（Ｌａ：Ｌｃ）を反映してアノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃのモータ速度を制御する。

モジュール１２０の配置および長さ（Ｌａ、Ｌｃ）比率（Ｌａ：Ｌｃ）は、電解液とカソード、アノード電極３１、３２の反応面積を増加させて放電量（電流）を増加させる。したがって、モジュール効率がさらに向上することができる。

一例として、電装部５００は、アノード電解液ポンプＰａの速度を２３００〜２７００ｒｐｍに制御し、カソード電解液ポンプＰｃの速度を１８００〜２２００ｒｐｍに制御し、アノード電解液ポンプＰａの速度を１５０〜２００Ｈｚに制御し、カソード電解液ポンプＰｃの速度を１００〜１５０Ｈｚに制御する。

アノード電解液流入ラインＬａ１の長さ（Ｌａ）がカソード電解液流入ラインＬｃ１の長さ（Ｌｃ）よりもさらに長いため、アノード電解液ポンプＰａ速度のｒｐｍおよび周波数（Ｈｚ）がカソード電解液ポンプＰｃ速度のｒｐｍおよび周波数（Ｈｚ）よりも高い。

一実施例のレドックスフロー電池において電解液ポンプＰａ、Ｐｃ速度をｒｐｍだけで制御した場合と周波数およびｒｐｍで制御した場合の平均モジュール効率を比較すると表１のとおりである。

表１をみると、一実施例のアノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃの速度を同一のｒｐｍだけで制御する場合の６０．６５％に比べて、同一の周波数およびｒｐｍで制御する場合で６４．３４％で、５サイクル平均モジュール効率がより高く現れた。

図６は、比較例によるレドックスフロー電池の構成図である。図６を参照すると、比較例のレドックスフロー電池は、フレーム８１の下側にアノード電解液タンク８２、カソード電解液タンク８３、および二相電解液タンク８４を備え、その上部にスタック８５を２段に積層配置し、スタック８５の上部に電装部８６を備える。

アノード電解液タンク８２とスタック８５を連結するアノード配管８２１と、カソード電解液タンク８３とスタック８５を連結するカソード配管８３１、８３２は、２段のスタック８５に電解液を供給するために、２層スタック８５に対応する高さ範囲の長さＬ８２、Ｌ８３を一実施例に比べてさらに含む。

スタック８５が２段に積層され、アノード配管８２１とカソード配管８３１が高さ差を有するため、スタック８５に対する電解液分配の均一性が低下し、電解液の供給側で配管８２１、８３１（８３２）の長さＬ８２、Ｌ８３がより長くなることによって内部圧力の増加でスタックの安定性が一実施例に比べて低下することがある。

比較例のレドックスフロー電池において電解液ポンプＰａ、Ｐｃの速度をｒｐｍだけで制御した場合と周波数およびｒｐｍで制御した場合の平均モジュール効率を比較すれば表２のとおりである。

表２をみると、比較例のアノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃの速度を同一のｒｐｍだけで制御する場合の５８．５６％に比べて、同一の周波数およびｒｐｍで制御する場合で５９．７２％で、５サイクル平均モジュール効率がより高く現れた。

つまり、モジュール１２０を形成する単位モジュール１１０の配置に関係なしにアノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃの速度を周波数およびｒｐｍで制御する場合がｒｐｍだけで制御する場合に比べて、平均モジュール効率がより高いということが分かる。

図７は、比較例と本発明の一実施例で電解液ポンプの速度をｒｐｍ制御と周波数およびｒｐｍ制御によるモジュール効率を比較したグラフである。図７を参照すると、比較例および一実施例は、ｒｐｍ制御に比べて、周波数およびｒｐｍ制御を併行する場合にモジュール効率を増加させる。

比較例は、ｒｐｍ制御に比べて、周波数およびｒｐｍ制御を併行する場合にモジュール効率の上昇が微弱であるが、これに比べて、一実施例は、ｒｐｍ制御に比べて、周波数およびｒｐｍ制御を併行する場合にモジュール効率の上昇がより大きいことが分かる。

図８は、本発明の一実施例で電解液ポンプの速度をｒｐｍ制御と周波数およびｒｐｍ制御による放電量（電圧）増加を比較したグラフである。図８を参照すると、一実施例は、ｒｐｍ制御（Ｒ）に比べて、周波数およびｒｐｍ制御（ＦＲ）を併行する場合、放電量（電圧）がより高いことが分かる。

比較例および一実施例は、電解液流入ラインの長さ比率（Ｌａ：Ｌｃ）にアノード、カソード電解液ポンプＰａ、Ｐｃの速度を周波数およびｒｐｍ制御を併行した場合、表３および表４のようなモジュール効率を実現する。

表３の同一のｒｐｍおよび周波数でアノード電解液流入ラインＬａ１の長さ（Ｌａ）とカソード電解液流入ラインＬｃ１の長さ（Ｌｃ）の比率（Ｌａ：Ｌｃ）が１．５：１である一実施例が１．１：１である比較例の５９．７２％に比べてより低い５８．４８％のモジュール効率を示す。

表４の同一のｒｐｍおよび周波数でアノード電解液流入ラインＬａ１の長さ（Ｌａ）とカソード電解液流入ラインＬｃ１の長さ（Ｌｃ）の比率（Ｌａ：Ｌｃ）が１．５：１である一実施例が１．１：１である比較例の５７．３９％に比べてより高い６４．３４％のモジュール効率を示す。

このように、長さ（Ｌａ、Ｌｃ）の比率（Ｌａ：Ｌｃ）により電解液ポンプＰａ、Ｐｃを最適の周波数およびｒｐｍ制御するため、電解液ポンプＰａ、Ｐｃのモータのトルクが一定になる。したがって、レドックスフロー電池の充電および放電時に電解液粘度が変わる場合にも電解液の流速制御が可能になる。これによって、電解液との電極の反応面積が増加し、放電量（電流）が増加し、電解液の流量が安定化することができる。

以上を通じて本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれに限定されるのではなく、特許請求の範囲と発明の詳細な説明および添付した図面の範囲内で多様に変形して実施することが可能であり、これも本発明の範囲に属することは当然である。

１０：メンブレイン
２０：スペーサ
３０：電極板
３１：カソード電極
３２：アノード電極
４０、５０：（メンブレイン、電極）フローフレーム
６１、６２：第１、第２集電板
７１、７２：第１、第２エンドキャップ
１００：単位スタック
１１０：単位モジュール
１２０：モジュール
２００：電解液タンク
２０１、２０２：第１、第２オーバーフロー管
２０３：連通管
２０５：四方弁
２０６：仕切弁
２１０：アノード電解液タンク
２２０：カソード電解液タンク
２３０：二相電解液タンク
３００：フレーム
５００：電装部
Ｂ１、Ｂ２：バスバー
Ｃ１、Ｃ２：単位セル
ＣＨ１、ＣＨ２：第１、第２流路チャンネル
Ｈ２１、Ｈ３１：電解液流入口
Ｈ２２、Ｈ３２：電解液流出口
Ｌａ１、Ｌｃ１：（アノード、カソード）電解液流入ライン
Ｌａ２、Ｌｃ２：（アノード、カソード）電解液流出ライン
Ｐａ、Ｐｃ：（アノード、カソード）電解液ポンプ
Ｌａ、Ｌｃ：長さ
ＩＶ：内部容積

Claims (5)

1. 電流を生成する単位スタックを含む単位モジュールを互いの側面に配置して電気的に連結して形成されるモジュール；
   前記モジュールに電解液を供給し、前記モジュールから流出される電解液を貯蔵する電解液タンク；
   前記電解液タンクと前記モジュールを連結して電解液ポンプの駆動で前記電解液を前記モジュールに流入する電解液流入ライン；
   前記電解液タンクと前記モジュールを連結して前記電解液を前記モジュールから流出する電解液流出ライン；および
   前記電解液ポンプ速度に対してｒｐｍ制御と周波数制御を併行する電装部
   を含むレドックスフロー電池。
2. 前記電解液タンクは、
   アノード電解液ポンプで前記単位スタックのメンブレインとアノード電極の間に供給するアノード電解液を収容するアノード電解液タンク、
   カソード電解液ポンプで前記単位スタックの前記メンブレインとカソード電極の間に供給するカソード電解液を収容し、前記アノード電解液タンクに第１オーバーフロー管で連結されるカソード電解液タンク、および
   前記メンブレインと前記カソード電極の間から流出される前記カソード電解液の二相（ｐｈａｓｅ）を収容し、前記カソード電解液タンクに第２オーバーフロー管で連結され、前記カソード電解液タンクの下部と連通管で連結される二相電解液タンク
   を含む、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
3. 前記電解液流入ラインは、
   前記アノード電解液タンクと前記モジュールを連結するアノード電解液流入ライン、および
   前記カソード電解液タンクと前記モジュールを連結するカソード電解液流入ラインを含み、
   前記アノード電解液流入ラインの長さと前記カソード電解液流入ラインの長さ比率は、
   １〜１．５：１である、請求項２に記載のレドックスフロー電池。
4. 前記アノード電解液ポンプは、２３００〜２７００ｒｐｍに制御され、前記カソード電解液ポンプは、１８００〜２２００ｒｐｍに制御され、
   前記アノード電解液ポンプは、１５０〜２００Ｈｚに制御され、前記カソード電解液ポンプは、１００〜１５０Ｈｚに制御される、請求項３に記載のレドックスフロー電池。
5. 前記アノード電解液流入ラインおよび前記カソード電解液流入ラインは、
   前記モジュールの側方において前記単位モジュールの最上部以下の高さに連結される、請求項３に記載のレドックスフロー電池。

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