JP2019102179A - Flow battery - Google Patents
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Abstract
Description
開示の実施形態は、フロー電池に関する。 Embodiments of the disclosure relate to flow batteries.
従来、正極と負極との間に、テトラヒドロキシ亜鉛酸イオン([Zn(OH)4]2−)を含有する電解液を循環させるフロー電池が知られている(例えば、非特許文献1参照)。 Conventionally, a flow battery is known in which an electrolytic solution containing tetrahydroxyzincate ion ([Zn (OH) 4 ] 2− ) is circulated between a positive electrode and a negative electrode (see, for example, Non-Patent Document 1) .
また、亜鉛種等の活物質を含む負極を、選択的イオン電導性を有するイオン電導層で覆うことでデンドライトの成長を抑制する技術が提案されている(例えば、特許文献1参照)。 There is also proposed a technology for suppressing the growth of dendrite by covering a negative electrode containing an active material such as a zinc species with an ion conductive layer having selective ion conductivity (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、上記に記載の電池では、亜鉛等の負極活物質を電解液中に溶解させる粉末を多く電解液中に混在させた場合、かかる粉末が電解液を循環させる流動装置で目詰まりなどを起こす恐れがある。一方で、かかる粉末を電解液中に少なく混在させた場合、電解液中の負極活物質が不足する恐れがある。 However, in the battery described above, when a large amount of powder in which an anode active material such as zinc is dissolved in an electrolyte is mixed in the electrolyte, such powder causes clogging or the like in a fluidizer that circulates the electrolyte. There is a fear. On the other hand, when such powder is mixed less in the electrolyte, there is a risk that the negative electrode active material in the electrolyte will run short.
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、電解液中に混在させる粉末の量を少なくしたとしても、十分な量の負極活物質を電解液中に溶解させることができるフロー電池を提供することを目的とする。 One aspect of the embodiment is made in view of the above, and a sufficient amount of the negative electrode active material can be dissolved in the electrolyte even if the amount of powder mixed in the electrolyte is reduced. The purpose is to provide a flow battery.
実施形態の一態様に係るフロー電池は、正極および負極と、電解液と、流動装置と、亜鉛板とを備える。前記電解液は、前記正極および前記負極に接触する。前記流動装置は、前記電解液を流動させる。前記亜鉛板は、前記電解液に浸漬される。 The flow battery according to one aspect of the embodiment includes a positive electrode and a negative electrode, an electrolytic solution, a flow device, and a zinc plate. The electrolyte contacts the positive electrode and the negative electrode. The flow device flows the electrolyte. The zinc plate is immersed in the electrolyte.
実施形態の一態様によれば、電解液中に混在させる粉末の量を少なくしたとしても、十分な量の負極活物質を電解液中に溶解させることができる。 According to one aspect of the embodiment, a sufficient amount of the negative electrode active material can be dissolved in the electrolyte even if the amount of powder mixed in the electrolyte is reduced.
以下、添付図面を参照して、本願の開示するフロー電池の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。 Hereinafter, embodiments of the disclosed flow battery will be described in detail with reference to the attached drawings. Note that the present invention is not limited by the embodiments described below.
<実施形態>
図1は、実施形態に係るフロー電池1の概略を示す図である。図1に示すフロー電池1は、正極2と、負極3と、隔膜4,5と、電解液6と、粉末7と、発生部9と、亜鉛板10と、供給部14と、筐体17と、上板18とを備える。フロー電池1は、発生部9で発生した気泡8を浮上させることにより電解液6を流動させる装置である。発生部9は、流動装置の一例である。
Embodiment
FIG. 1 is a schematic view of a
なお、説明を分かりやすくするために、図1には、鉛直上向きを正方向とし、鉛直下向きを負方向とするZ軸を含む3次元の直交座標系を図示している。 In order to make the description easy to understand, FIG. 1 illustrates a three-dimensional orthogonal coordinate system including a Z axis in which the vertically upward direction is a positive direction and the vertically downward direction is a negative direction.
正極2は、例えば、ニッケル化合物、マンガン化合物またはコバルト化合物を正極活物質として含有する導電性の部材である。ニッケル化合物は、例えば、オキシ水酸化ニッケル、水酸化ニッケル、コバルト化合物含有水酸化ニッケル等が使用できる。マンガン化合物は、例えば、二酸化マンガン等が使用できる。コバルト化合物は、例えば、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト等が使用できる。また、正極2は、黒鉛、カーボンブラック、導電性樹脂等を含んでもよい。電解液6が分解される酸化還元電位の観点からは、正極2はニッケル化合物を含有してもよい。
The
負極3は、負極活物質を金属として含む。負極3は、例えば、ステンレスや銅等の金属板や、ステンレスや銅板の表面をニッケルやスズ、亜鉛でメッキ処理したものを使用することができる。また、メッキ処理された表面が一部酸化されたものを負極3として使用してもよい。
The
正極2は、正極2Aおよび正極2Bを含む。負極3は、負極3A、負極3Bおよび負極3Cを含む。正極2および負極3は、負極3Aと、正極2Aと、負極3Bと、正極2Bと、負極3Cとが予め定められた間隔でY軸方向に沿って順に並ぶように配置されている。このように隣り合う正極2と負極3との間隔をそれぞれ設けることにより、正極2と負極3との間に電解液6および気泡8の流通経路が確保される。
隔膜4,5は、正極2の厚み方向、すなわちY軸方向の両側を挟むように配置される。隔膜4,5は、電解液6に含まれるイオンの移動を許容する材料で構成される。隔膜4,5の材料としては、例えば、水酸化物イオン伝導性を有する陰イオン伝導性材料が挙げられる。陰イオン伝導性材料としては、例えば、有機ヒドロゲルのような三次元構造を有するゲル状の陰イオン伝導性材料、または固体高分子型陰イオン伝導性材料等が挙げられる。固体高分子型陰イオン伝導性材料は、例えば、ポリマーと、周期表の第1族〜第17族より選択された少なくとも一種類の元素を含有する、酸化物、水酸化物、層状複水酸化物、硫酸化合物およびリン酸化合物からなる群より選択された少なくとも一つの化合物とを含む。
The
隔膜4,5は、好ましくは、水酸化物イオンよりも大きいイオン半径を備えた[Zn(OH)4]2−等の金属イオン錯体の透過を抑制するように緻密な材料で構成されるとともに所定の厚さを有する。緻密な材料としては、例えば、アルキメデス法で算出された90%以上、より好ましくは92%以上、さらに好ましくは95%以上の相対密度を有する材料が挙げられる。所定の厚さは、例えば、10μm〜1000μm、より好ましくは50μm〜500μmである。
The
この場合には、充電の際に、負極3A〜3Cにおいて析出する亜鉛がデンドライト(針状結晶)として成長し、隔膜4,5を貫通することを低減することができる。その結果、互いに向かい合う負極3と正極2との間の導通を低減することができる。
In this case, zinc deposited in the
電解液6は、亜鉛種を含有するアルカリ水溶液である。電解液6中の亜鉛種は、[Zn(OH)4]2−として電解液6中に溶存している。電解液6は、例えば、K+やOH−を含むアルカリ水溶液に亜鉛種を飽和させたものを使用することができる。なお、電解液6は、後述する粉末7とともに調製すれば、充電容量を大きくできる。ここで、アルカリ水溶液としては、例えば、6.7moldm−3の水酸化カリウム水溶液を使用することができる。また、1dm−3の水酸化カリウム水溶液に対し、0.5molの割合でZnOを添加し、必要に応じて後述する粉末7を追加することにより電解液6を調製することができる。さらに、酸素発生抑制を目的に、水酸化リチウムや水酸化ナトリウム等のアルカリ金属の水酸化物を添加してもよい。
The
粉末7は、亜鉛を含む。具体的には、粉末7は、例えば粉末状に加工または生成された酸化亜鉛、水酸化亜鉛等である。粉末7は、アルカリ水溶液中には容易に溶解するが、亜鉛種の飽和した電解液6中には溶解せずに分散または浮遊し、一部が沈降した状態で電解液6中に混在する。電解液6が長時間静置されていた場合、ほとんどの粉末7が、電解液6の中で沈降した状態になることもあるが、電解液6に対流等を生じさせれば、沈降していた粉末7の一部は、電解液6に分散または浮遊した状態になる。つまり、粉末7は、電解液6中に移動可能に存在している。なお、ここで移動可能とは、粉末7が、周囲の他の粉末7の間にできた局所的な空間の中のみを移動できることではなく、電解液6の中を別の位置に粉末7が移動することにより、当初の位置以外の電解液6に粉末7が晒されるようになっていることを表す。さらに、移動可能の範疇には、正極2および負極3の両方の近傍まで粉末7が移動できるようになっていることや、筐体17内に存在する電解液6中の、ほぼどこにでも粉末7が移動できるようになっていることが含まれる。電解液6中に溶存する亜鉛種である[Zn(OH)4]2−が消費されると、電解液6中に混在する粉末7は、粉末7および電解液6が互いに平衡状態を維持するように電解液6中に溶存する亜鉛種が飽和するまで溶解する。
気泡8は、例えば正極2A,2B、負極3A,3B,3Cおよび電解液6に対して不活性な気体で構成される。このような気体としては、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、またはアルゴンガス等が挙げられる。電解液6に不活性な気体の気泡8を発生させることにより、電解液6の変性を低減することができる。また、例えば、亜鉛種を含有するアルカリ水溶液である電解液6の劣化を低減し、電解液6のイオン伝導度を高く維持することができる。なお、気体は空気であってもよい。
The
発生部9から電解液6中に供給された気体により発生した気泡8は、所定の間隔で配置された電極間、すなわち、負極3Aと正極2Aとの間、正極2Aと負極3Bとの間、負極3Bと正極2Bとの間、正極2Bと負極3Cとの間において、それぞれ電解液6中を浮上する。電解液6中を気泡8として浮上した気体は、電解液6の液面で消滅し、上板18と電解液6の液面との間に気体層13を構成する。
The
ここで、フロー電池1における電極反応について、正極活物質として水酸化ニッケルを適用したニッケル亜鉛電池を例に挙げて説明する。充電時における正極2および負極3での反応式はそれぞれ、以下のとおりである。
Here, the electrode reaction in the
正極:Ni(OH)2 + OH− → NiOOH + H2O + e−
負極:[Zn(OH)4]2− + 2e− → Zn +4OH−
Positive electrode: Ni (OH) 2 + OH − → NiOOH + H 2 O + e −
The negative electrode: [Zn (OH) 4] 2- + 2e - → Zn + 4OH -
一般的には、この反応に伴って負極3で生成したデンドライトが正極2側へ成長し、正極2と負極3とが導通する懸念がある。反応式から明らかなように、負極3では、充電により亜鉛が析出するのに伴い、負極3の近傍における[Zn(OH)4]2−の濃度が低下する。そして、析出した亜鉛の近傍で[Zn(OH)4]2−の濃度が低下する現象が、デンドライトとして成長する一因である。すなわち、充電時に消費される電解液6中の[Zn(OH)4]2−を補給することにより、電解液6中の亜鉛種である[Zn(OH)4]2−の濃度が飽和状態に保持される。これにより、デンドライトの成長が低減され、正極2と負極3との導通が低減される。
In general, there is a concern that the dendrite generated at the
実施形態に係るフロー電池1では、電解液6中に亜鉛を含む粉末7を混在させるとともに、発生部9の吐出口9aから電解液6中に気体を供給して気泡8を発生させる。気泡8は、負極3Aと正極2Aとの間、正極2Aと負極3Bとの間、負極3Bと正極2Bとの間、正極2Bと負極3Cとの間のそれぞれにおいて筐体17の下方から上方に向かって電解液6中を浮上する。
In the
また、電極間における上記した気泡8の浮上に伴い、電解液6には上昇液流が発生し、負極3Aと正極2Aとの間、正極2Aと負極3Bとの間、負極3Bと正極2Bとの間、正極2Bと負極3Cとの間では筐体17の内底側から上方に向かって電解液6が流動する。そして、電解液6の上昇液流に伴い、主に筐体17の内壁17aと負極3Aとの間、および内壁17bと負極3Cとの間で下降液流が発生し、電解液6が筐体17の上方から下方に向かって流動する。
Further, with the floating of the air bubbles 8 between the electrodes, a rising liquid flow is generated in the
これにより、充電によって電解液6中の[Zn(OH)4]2−が消費されると、これに追従するように粉末7中の亜鉛が溶解することで[Zn(OH)4]2−が電解液6中に補給される。このため、電解液6中の[Zn(OH)4]2−の濃度を飽和状態に保つことができ、デンドライトの成長に伴う正極2と負極3との導通を低減することができる。
Thereby, when [Zn (OH) 4 ] 2- in the
なお、粉末7としては、酸化亜鉛および水酸化亜鉛以外に、金属亜鉛、亜鉛酸カルシウム、炭酸亜鉛、硫酸亜鉛、塩化亜鉛等が挙げられ、酸化亜鉛および水酸化亜鉛が好ましい。
In addition to zinc oxide and zinc hydroxide, examples of the
また、負極3では、放電によりZnが消費され、[Zn(OH)4]2−を生成するが、電解液6はすでに飽和状態であるため、電解液6中では、過剰となった[Zn(OH)4]2−からZnOが析出する。このとき負極3で消費される亜鉛は、充電時に負極3の表面に析出した亜鉛である。このため、元来亜鉛種を含有する負極を用いて充放電を繰り返す場合とは異なり、負極3の表面形状が変化するいわゆるシェイプチェンジが生じない。これにより、実施形態に係るフロー電池1によれば、負極3の経時劣化を低減することができる。なお、電解液6の状態によっては、過剰となった[Zn(OH)4]2−から析出するのは、Zn(OH)2や、ZnOとZn(OH)2とが混合したものになる。
In addition, in the
発生部9は、筐体17の下部、より具体的には正極2および負極3の下方に配置されている。発生部9は、X軸方向およびY軸方向に沿って並ぶ複数の吐出口9aを有している。吐出口9aは、後述する供給部14から供給された気体を吐出することにより、電解液6中に気泡8を発生させる。吐出口9aは、例えば0.05mm以上0.1mm以下の直径を有する。吐出口9aの直径をこのように規定することにより、吐出口9aから発生部9の内部に電解液6や粉末7が進入する不具合を低減することができる。また、吐出口9aから吐出される気体に対し、気泡8を発生させるのに適した圧力損失を与えることができる。
The generating
また、吐出口9aのX軸方向に沿った間隔(ピッチ)は、例えば、2.5mm以上10mm以下である。ただし、吐出口9aは、発生した気泡8を互いに向かい合う正極2と負極3との間にそれぞれ適切に流動させることができるように配置されるものであれば、大きさや間隔に制限はない。
Moreover, the space | interval (pitch) along the X-axis direction of the
発生部9、筐体17および上板18は、例えば、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル等、耐アルカリ性および絶縁性を有する樹脂材料で構成される。筐体17および上板18は、好ましくは互いに同じ材料で構成されるが、異なる材料で構成されてもよい。また、筐体17および上板18は、発生部9とは同じ材料で構成されてもよく、また異なる材料で構成されてもよい。
The
供給部14は、配管16を介して筐体17の内部から回収された気体を、配管15を介して発生部9に供給する。供給部14は、例えば気体を移送可能なポンプ(気体ポンプ)、コンプレッサまたはブロワである。供給部14の気密性を高くすれば、気体や電解液6に由来する水蒸気を外部に漏出させることによるフロー電池1の発電性能の低下が起き難い。
The
ここまで説明したように、実施形態に係るフロー電池1では、電解液6中に粉末7を混在させて、かかる粉末7に含まれる亜鉛を溶解させることにより、電解液6中に負極活物質である亜鉛を供給することができる。しかしながら、粉末7が多く電解液6中に混在される場合、発生部9の吐出口9aが目詰まりするなどの不具合が生じる恐れがある。一方で、粉末7が電解液6中に少なく混在される場合、負極活物質である亜鉛を電解液6中に十分に供給できない恐れがある。
As described above, in the
そこで、実施形態に係るフロー電池1では、電解液6中に亜鉛板10を浸漬させている。例えば、図1に示すように、亜鉛板10は、亜鉛板10Aおよび亜鉛板10Bを含む。そして、亜鉛板10Aが筐体17の内壁17aと負極3Aとの間に固定され、亜鉛板10Bが内壁17bと負極3Cとの間に固定される。そして、亜鉛板10に含まれる亜鉛を電解液6中に溶解させることにより、電解液6中に負極活物質である亜鉛を供給することができる。したがって、実施形態によれば、電解液6中に混在させる粉末7の量を少なくしたとしても、十分な量の負極活物質を電解液6中に溶解させることができる。さらに、亜鉛板10はフロー電池1内で固定されていることから、発生部9の吐出口9aで目詰まりを起こすことはない。
Therefore, in the
例えば、亜鉛の密度は7.1g/cm3であることから、亜鉛板10を長さ10cm×幅20cm×厚さ0.1cmのサイズで構成した場合、亜鉛板10の質量は10×20×0.1×7.1=142gとなる。そして、亜鉛の原子量は65.39であることから、亜鉛板10の物質量は142/65.39=2.17molとなる。したがって、実施形態に係るフロー電池1では、一対の亜鉛板10A、10Bを電解液6中に浸漬させることにより、2.17×2=4.34molの亜鉛を負極活物質として活用することができる。なお、亜鉛板10のサイズや形状、枚数については上述の実施形態に限られることはない。
For example, since the density of zinc is 7.1 g / cm 3 , when the
亜鉛板10は、正極2および負極3から離間して配置され、亜鉛を主成分として含んでいる。また、亜鉛板10は、亜鉛と不可避不純物とからなるとよい。これにより、亜鉛板10から電解液6中に不純物が混入することを抑制することができることから、フロー電池1を安定に動作させることができる。
The
また、実施形態に係るフロー電池1は、充電時に筐体17の内部で発生する酸素や水素などのガスを検知するガス検知部22を備える。ガス検知部22は、例えば、配管16に設けられ、配管16内を通流する気体の中に含まれる酸素や水素などのガスを検知することができる。なお、ガス検知部22は配管16に設けられる場合に限られず、充電時に筐体17の内部で発生するガスを検知可能であればどのような箇所に設けられていてもよい。かかるガス検知部22の用途については後述する。
In addition, the
さらに、実施形態に係るフロー電池1は、制御装置30を備える。かかる制御装置30は、フロー電池1の充電および放電を制御する制御部31と、記憶部32とを有する。
Furthermore, the
制御部31は、例えば、CPU(Central Processing Unit)、ROM(Read Only Memory)、RAM(Random Access Memory)、HDD(Hard Desk Drive)、入出力ポートなどを有するコンピュータや各種回路を含む。かかるコンピュータのCPUは、例えば、ROMに記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、制御部31として機能する。 The control unit 31 includes, for example, a computer having a central processing unit (CPU), a read only memory (ROM), a random access memory (RAM), a hard desk drive (HDD), an input / output port, and various circuits. The CPU of the computer functions as the control unit 31 by, for example, reading and executing a program stored in the ROM.
また、制御部31をASIC(Application Specific Integrated Circuit)やFPGA(Field Programmable Gate Array)等のハードウェアで構成することもできる。 The control unit 31 can also be configured by hardware such as an application specific integrated circuit (ASIC) or a field programmable gate array (FPGA).
また、記憶部32は、例えば、ROMおよびHDDに対応する。ROMおよびHDDは、制御装置30における各種の設定情報を記憶することができる。なお、制御部31は、有線や無線のネットワークで接続された他のコンピュータや可搬型記録媒体を介して各種情報を取得することとしてもよい。
The
ここで、実施形態に係るフロー電池1は、亜鉛板10とプラス端子20(図2参照)との間がスイッチS3(図2参照)を介して接続されている。そして、制御部31は、かかるスイッチS3を制御することによって亜鉛板10をプラス端子20に接続して、亜鉛板10に正電圧を印加することができる。これにより、亜鉛板10に含まれる亜鉛を電解液6中に効率よく溶解させることができることから、電解液6中に負極活物質である亜鉛を効率よく供給することができる。
Here, in the
次に、フロー電池1における正極2、負極3および亜鉛板10の間の接続について説明する。図2は、実施形態に係るフロー電池1の正極2、負極3および亜鉛板10の間の接続の一例について説明する図である。
Next, the connection between the
図2に示すように、正極2Aおよび2Bは、正極2Aおよび2Bがそれぞれ有するタブ2A1,2B1を介して並列接続されている。また、正極2Aおよび2Bは、スイッチS1を介してプラス端子20に接続されるとともに、スイッチS4を介してマイナス端子21に接続されている。負極3A,3Bおよび3Cは、負極3A,3Bおよび3Cがそれぞれ有するタブ3A1,3B1,3C1を介して並列接続されている。また、負極3A,3Bおよび3Cは、スイッチS2を介してプラス端子20に接続されるとともに、スイッチS5を介してマイナス端子21に接続されている。このように正極2および負極3をそれぞれ並列に接続することにより、正極2および負極3の総数が異なる場合であってもフロー電池1の各電極間を適切に接続し、使用することができる。
As shown in FIG. 2, the
さらに、亜鉛板10Aおよび10Bは、亜鉛板10Aおよび10Bがそれぞれ有するタブ10A1,10B1を介して並列接続されている。また、亜鉛板10Aおよび10Bは、スイッチS3を介してプラス端子20に接続されている。このように亜鉛板10Aおよび10Bを並列に接続することにより、亜鉛板10が複数設けられる場合であっても亜鉛板10に正電圧を適切に印加することができる。
Further, the
なお、図1および図2に示すフロー電池1では、合計5枚の電極が、負極3および正極2が交互に配置されるように構成されたが、これに限らず、3枚または6枚以上の電極を交互に配置するようにしてもよく、正極2および負極3をそれぞれ1枚ずつ配置させてもよい。また、図1および図2に示すフロー電池1では、両端がともに負極(3A,3C)となるように構成されたが、これに限らず、両端がともに正極となるように構成してもよい。
In the
さらに、一方の端部が正極2、他方の端部が負極3となるように同枚数の負極3および正極2をそれぞれ交互に配置してもよい。かかる場合、電極間の接続は並列であってもよく、直列であってもよい。
Furthermore, the same number of
図3は、実施形態に係るフロー電池1の機能的構成を示すブロック図である。フロー電池1は、上述のガス検知部22と、制御装置30と、スイッチS1〜S5とに加えて、電圧検出部23と、クーロン効率算出部24とを有する。
FIG. 3 is a block diagram showing a functional configuration of the
ガス検知部22は、充電時に筐体17の内部で発生する酸素や水素などのガスを検知して、かかるガス検知の情報を制御部31に送信する。電圧検出部23は、フロー電池1のプラス端子20とマイナス端子21との間の電圧(以下、「端子間電圧」とも呼称する。)を検出して、かかる端子間電圧の情報を制御部31に送信する。クーロン効率算出部24は、フロー電池1における充電電気量と放電容量とをそれぞれモニタリングして、かかる充電電気量に対する放電容量の比率であるクーロン効率を算出し、算出されたクーロン効率の情報を制御部31に送信する。
The
制御部31は、ガス検知部22、電圧検出部23およびクーロン効率算出部24から送られてくる各種情報と、記憶部32に記憶される各種の設定情報とに基づいて、スイッチS1〜S5のON/OFFを制御する。また、制御部31は、端末100からの指示に基づいて、スイッチS1〜S5のON/OFFを制御することができる。
The control unit 31 controls the switches S1 to S5 based on various information sent from the
つづいて、実施形態に係るフロー電池1における各種処理の詳細について、図4〜図7を参照しながら説明する。図4は、実施形態に係る充電モードにおける正極2、負極3および亜鉛板10の間の接続状態について説明する図である。制御部31は、端末100を介してフロー電池1に充電するよう指示があった場合に、図4に示すように、スイッチS1およびS5をONにするとともに、スイッチS2〜S4をOFFにする。これにより、正極2がプラス端子20に接続されるとともに負極3がマイナス端子21に接続されて、フロー電池1が充電される。この充電モードは、例えば、フロー電池1の充電量を使い切った場合や、昼間にソーラーパネルからの余剰電力でフロー電池1に充電する場合、夜間に夜間電気料金でフロー電池1に充電する場合などに実施される。
Then, the detail of the various processes in the
図5は、実施形態に係る放電モードにおける正極2、負極3および亜鉛板10の間の接続状態について説明する図である。制御部31は、端末100を介してフロー電池1から放電するよう指示があった場合に、図5に示すように、スイッチS2およびS4をONにするとともに、スイッチS1,S3およびS5をOFFにする。これにより、正極2がマイナス端子21に接続されるとともに負極3がプラス端子20に接続されて、フロー電池1から放電される。
FIG. 5 is a view for explaining a connection state between the
図6は、実施形態に係る特別充電モードにおける正極2、負極3および亜鉛板10の間の接続状態について説明する図である。かかる「特別充電モード」とは、フロー電池1が充電されている際に所定の条件を満たした場合に、充電モードから切り替わって実施される動作モードである。具体的には、電圧検出部23により検出される端子間電圧が所定の充電上限電圧(例えば、2.1V)を超えた場合や、ガス検知部22によって筐体17の内部でガスが発生したことが検知された場合に、充電モードから特別充電モードに切り替わる。
FIG. 6 is a view for explaining a connection state between the
制御部31は、充電モードの際に、端子間電圧が充電上限電圧を超えた場合や、筐体17の内部でガスが発生した場合に、図6に示すように、スイッチS3およびS5をONにするとともに、スイッチS1,S2およびS4をOFFにする。これにより、亜鉛板10がプラス端子20に接続されるとともに、負極3がマイナス端子21に接続される。
The control unit 31 turns on the switches S3 and S5 as shown in FIG. 6 when the voltage between terminals exceeds the charge upper limit voltage in the charge mode or when gas is generated inside the
このように、特別充電モードでは、端子間電圧が充電上限電圧を超えた場合や筐体17の内部でガスが発生した場合など、充電時に正極2がダメージを受けるような場合に、正極2に対する正電圧の印加を停止させることによって、正極2を保護することができる。さらに、特別充電モードでは、亜鉛板10に正電圧が印加されていることから、亜鉛板10に含まれる亜鉛を電解液6中に効率よく溶解させることができる。
As described above, in the special charging mode, the
なお、端子間電圧が充電上限電圧を超えて特別充電モードに切り替わった場合、フロー電池1に接続される図示しないパワーコンディショナー(以下、「PCS」と呼称する。)が充電上限電圧を超えたことを検知して、かかるPCSがフロー電池1への充電を停止するまで特別充電モードが実施される。また、筐体17の内部でガスが発生して特別充電モードに切り替わった場合、負極3の残り充電量がゼロ(すなわち、負極3の充電量が100%)になるまで特別充電モードが実施される。かかる残り充電量とは、負極3の全容量から、特別充電モード開始時の負極3の容量を引いた値である。
In addition, when the voltage between terminals exceeds the charge upper limit voltage and it switches to the special charge mode, the power conditioner (it calls "PCS" hereafter) connected to the
図7は、実施形態に係る特別放電モードにおける正極2、負極3および亜鉛板10の間の接続状態について説明する図である。かかる「特別放電モード」とは、フロー電池1が放電されている際に所定の条件を満たした場合に、放電モードから切り替わって実施される動作モードである。具体的には、電圧検出部23により検出される端子間電圧が所定の放電下限電圧(例えば、1.2V)以下になった場合や、フロー電池1のクーロン効率が所定のしきい値(例えば、80%)以下になった場合に、放電モードから特別放電モードに切り替わる。
FIG. 7 is a view for explaining a connection state between the
制御部31は、放電モードの際に、端子間電圧が放電下限電圧以下になった場合や、クーロン効率が所定のしきい値以下になった場合に、図7に示すように、スイッチS3およびS4をONにするとともに、スイッチS1,S2およびS5をOFFにする。これにより、亜鉛板10がプラス端子20に接続されるとともに、正極2がマイナス端子21に接続される。
In the discharge mode, as shown in FIG. 7, the control unit 31 performs the switch S3 and the switch S3 as shown in FIG. 7 when the inter-terminal voltage becomes lower than the discharge lower limit voltage or when the coulomb efficiency becomes lower than a predetermined threshold S4 is turned ON, and switches S1, S2 and S5 are turned OFF. Thereby, the
このように、特別放電モードでは、端子間電圧が放電下限電圧以下になり、フロー電池1が過放電状態になった場合に、負極3に対する正電圧の印加を停止させることによって、負極3を保護することができる。また、特別放電モードでは、クーロン効率が所定のしきい値以下になり、正極2のリフレッシュ動作が求められる場合に、正極2に対して負電圧を印加することによって、正極2をリフレッシュすることができる。さらに、特別放電モードでは、亜鉛板10に正電圧が印加されていることから、亜鉛板10に含まれる亜鉛を電解液6中に効率よく溶解させることができる。
Thus, in the special discharge mode, when the voltage across the terminals becomes equal to or lower than the discharge lower limit voltage and the
なお、端子間電圧が放電下限電圧以下になって特別放電モードに切り替わった場合、放電下限電圧以下になったことをフロー電池1に付属するPCSが検知して、かかるPCSがフロー電池1からの放電を停止するまで特別放電モードが実施される。また、クーロン効率が所定のしきい値以下になって特別放電モードに切り替わった場合、正極2のリフレッシュ動作が完了するまで特別放電モードが実施される。なお、かかる正極2のリフレッシュ動作は、例えば、以下の式(1)で算出される放電時間の間行われる。
放電時間(h)=正極2の全容量(Ah)×1.6/放電電流(A) ・・(1)
When the inter-terminal voltage becomes lower than the discharge lower limit voltage and switched to the special discharge mode, the PCS attached to the
Discharge time (h) = total capacity of positive electrode 2 (Ah) × 1.6 / discharge current (A) ··· (1)
図8は、実施形態に係るプラス端子20側の論理回路の一例を示した図であり、図9は、実施形態に係るマイナス端子21側の論理回路の一例を示した図である。実施形態では、例えば、図8および図9に示した論理回路により、図10に示すように、上述の各種動作モードにおけるスイッチS1〜S5のON/OFFを制御することができる。図10は、実施形態に係る各種動作モードと複数のスイッチS1〜S5のON/OFFとの関係を示した図であり、「0」が非動作(スイッチOFF)を表し、「1」が動作(スイッチON)を表している。
FIG. 8 is a diagram showing an example of the logic circuit on the
なお、実施形態において、亜鉛板10の表面は、粗くてもよいし粗くなくてもよい。例えば、亜鉛板10の表面を粗くした場合は、亜鉛板10に含まれる亜鉛を電解液6中にさらに効率よく溶解させることができる。また、亜鉛板10の表面を粗くしない場合は、特別充電モードや特別放電モードにおいて、亜鉛板10に含まれる亜鉛が過剰に電解液6中に溶解することを抑制することができる。
In the embodiment, the surface of the
<充放電時に実行する処理の詳細>
つづいて、図11および図12を参照しながら、実施形態に係るフロー電池1が充放電時に実行する処理の詳細について説明する。図11は、実施形態に係るフロー電池1が充電時に実行する処理の処理手順を示すフローチャートである。
<Details of processing to be performed during charge and discharge>
Subsequently, the details of the process executed by the
制御部31は、端末100を介してフロー電池1に充電するよう指示があった場合に、動作モードを充電モードに設定することにより、フロー電池1の充電を開始する(ステップS101)。かかる充電モードでは、例えば、図4に示したように、スイッチS1およびS5をONにするとともにスイッチS2〜S4をOFFにして、正極2をプラス端子20に接続するとともに、負極3をマイナス端子21に接続する。
When instructed to charge the
次に、制御部31は、電圧検出部23から送られる情報に基づいて、端子間電圧が所定の充電上限電圧を越えたか否かを判定する(ステップS102)。そして、端子間電圧が所定の充電上限電圧を越えていない場合(ステップS102,No)、制御部31は、ガス検知部22から送られる情報に基づいて、筐体17内でガスが発生したか否かを判定する(ステップS103)。そして、筐体17内でガスが発生していない場合(ステップS103,No)、制御部31は、充電が完了したか否かを判定する(ステップS104)。そして、端末100からの充電終了の指示や、正極2および負極3の残り充電量がゼロになるなどして充電が完了した場合(ステップS104,Yes)、充電モードを終了して(ステップS105)、充電時における処理を終了する。一方で、充電が完了していない場合(ステップS104,No)、ステップS102の処理に戻る。
Next, based on the information sent from the voltage detection unit 23, the control unit 31 determines whether or not the inter-terminal voltage exceeds a predetermined charging upper limit voltage (step S102). Then, if the inter-terminal voltage does not exceed the predetermined charging upper limit voltage (step S102, No), the control unit 31 determines whether gas is generated in the
また、端子間電圧が所定の充電上限電圧を越えている場合(ステップS102,Yes)、制御部31は、動作モードを特別充電モードに変更する(ステップS106)。かかる特別充電モードでは、図6に示したように、スイッチS3およびS5をONにするとともにスイッチS1,S2およびS4をOFFにして、亜鉛板10をプラス端子20に接続するとともに、負極3をマイナス端子21に接続する。次に、制御部31は、PCSからの電力供給が停止されたか否かを判定し(ステップS107)、PCSからの電力供給が停止された場合(ステップS107,Yes)、特別充電モードを終了して(ステップS108)、充電時における処理を終了する。また、PCSからの電力供給が停止されていない場合(ステップS107,No)、ステップS107の処理をくり返す。
When the inter-terminal voltage exceeds the predetermined charging upper limit voltage (Yes in step S102), the control unit 31 changes the operation mode to the special charging mode (step S106). In this special charging mode, as shown in FIG. 6, the switches S3 and S5 are turned on and the switches S1, S2 and S4 are turned off to connect the
さらに、筐体17内でガスが発生している場合(ステップS103,Yes)、制御部31は、動作モードを特別充電モードに変更する(ステップS109)。次に、制御部31は、負極3の残り充電量がゼロになったか否かを判定し(ステップS110)、負極3の残り充電量がゼロになった場合(ステップS110,Yes)、特別充電モードを終了して(ステップS108)、充電時における処理を終了する。また、負極3の残り充電量がゼロになっていない場合(ステップS110,No)、ステップS110の処理をくり返す。
Furthermore, when gas is generated in the housing 17 (step S103, Yes), the control unit 31 changes the operation mode to the special charging mode (step S109). Next, the control unit 31 determines whether or not the remaining charge amount of the
図12は、実施形態に係るフロー電池1が放電時に実行する処理の処理手順を示すフローチャートである。
FIG. 12 is a flowchart showing a processing procedure of processing executed by the
制御部31は、端末100を介してフロー電池1から放電するよう指示があった場合に、動作モードを放電モードに設定することにより、フロー電池1からの放電を開始する(ステップS201)。かかる放電モードでは、例えば、図5に示したように、スイッチS2およびS4をONにするとともにスイッチS1,S3およびS5をOFFにして、負極3をプラス端子20に接続するとともに、正極2をマイナス端子21に接続する。
When instructed to discharge the
次に、制御部31は、電圧検出部23から送られる情報に基づいて、端子間電圧が所定の放電下限電圧以下であるか否かを判定する(ステップS202)。そして、端子間電圧が所定の放電下限電圧以下でない場合(ステップS202,No)、制御部31は、クーロン効率算出部24から送られる情報に基づいて、フロー電池1のクーロン効率が所定のしきい値以下であるか否かを判定する(ステップS203)。そして、フロー電池1のクーロン効率が所定のしきい値以下でない場合(ステップS203,No)、制御部31は、放電が完了したか否かを判定する(ステップS204)。そして、端末100からの放電終了の指示や、正極2または負極3の容量がゼロになるなどして、放電が完了した場合(ステップS204,Yes)、放電モードを終了して(ステップS205)、放電時における処理を終了する。一方で、放電が完了していない場合(ステップS204,No)、ステップS202の処理に戻る。
Next, based on the information sent from the voltage detection unit 23, the control unit 31 determines whether the inter-terminal voltage is less than or equal to a predetermined discharge lower limit voltage (step S202). When the inter-terminal voltage is not lower than the predetermined discharge lower limit voltage (No in step S202), the control unit 31 determines that the coulombic efficiency of the
また、端子間電圧が所定の放電下限電圧以下である場合(ステップS202,Yes)、制御部31は、動作モードを特別放電モードに変更する(ステップS206)。かかる特別放電モードでは、図7に示したように、スイッチS3およびS4をONにするとともにスイッチS1,S2およびS5をOFFにして、亜鉛板10をプラス端子20に接続するとともに、正極2をマイナス端子21に接続する。次に、制御部31は、PCSを介した外部への放電が停止されたか否かを判定し(ステップS207)、PCSを介した外部への放電が停止された場合(ステップS207,Yes)、特別放電モードを終了して(ステップS208)、放電時における処理を終了する。また、PCSを介した外部への放電が停止されていない場合(ステップS207,No)、ステップS207の処理をくり返す。
If the inter-terminal voltage is less than or equal to the predetermined discharge lower limit voltage (Yes at step S202), the control unit 31 changes the operation mode to the special discharge mode (step S206). In the special discharge mode, as shown in FIG. 7, the switches S3 and S4 are turned on and the switches S1, S2 and S5 are turned off to connect the
さらに、クーロン効率が所定のしきい値以下である場合(ステップS203,Yes)、制御部31は、動作モードを特別充電モードに変更する(ステップS209)。次に、制御部31は、正極2のリフレッシュ動作が完了したか否かを判定し(ステップS210)、正極2のリフレッシュ動作が完了した場合(ステップS210,Yes)、特別放電モードを終了して(ステップS208)、放電時における処理を終了する。また、正極2のリフレッシュ動作が完了していない場合(ステップS210,No)、ステップS210の処理をくり返す。
Furthermore, when the coulomb efficiency is equal to or less than the predetermined threshold (Yes at step S203), the control unit 31 changes the operation mode to the special charging mode (step S209). Next, control unit 31 determines whether or not the refresh operation of
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記した実施形態では、電解液6中に粉末7が混在されているとして説明したが、これに限らず、粉末7を有しなくてもよい。かかる場合、亜鉛板10が含有する負極活物質を増量するとよい。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various change is possible unless it deviates from the meaning. For example, in the embodiment described above, the
また、上記した実施形態では、隔膜4,5は正極2の厚み方向の両側を挟むように配置されるとして説明したが、これに限らず、正極2と負極3との間に配置されていればよく、また、正極2を被覆していてもよい。
In the above-described embodiment, the
なお、供給部14は、常時動作させてもよいが、電力消費を低減する観点から、放電時には充電時よりも気体の供給レートを低下させてもよい。
Although the
また、上記した実施形態では、発生部9で気泡8を発生させることにより電解液6を筐体17の内部で流動させていたが、電解液6を筐体17の内部で流動させる方法はこの方法に限られない。
Further, in the above-described embodiment, the
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。 Further effects and modifications can be easily derived by those skilled in the art. Thus, the broader aspects of the invention are not limited to the specific details and representative embodiments represented and described above. Accordingly, various modifications may be made without departing from the spirit or scope of the general inventive concept as defined by the appended claims and their equivalents.
1 フロー電池
2,2A,2B 正極
3,3A,3B,3C 負極
4,5 隔膜
6 電解液
7 粉末
8 気泡
9 発生部
9a 吐出口
10,10A,10B 亜鉛板
14 供給部
17 筐体
18 上板
20 プラス端子
21 マイナス端子
22 ガス検知部
23 電圧検出部
24 クーロン効率算出部
30 制御装置
31 制御部
32 記憶部
S1〜S5 スイッチ
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記正極および前記負極に接触する電解液と、
前記電解液を流動させる流動装置と、
前記電解液に浸漬される亜鉛板と
を備えることを特徴とするフロー電池。 Positive electrode and negative electrode,
An electrolytic solution contacting the positive electrode and the negative electrode;
A flow device for flowing the electrolyte;
And a zinc plate to be immersed in the electrolytic solution.
充電および放電を制御する制御部とをさらに備え、
前記制御部は、前記亜鉛板を前記プラス端子に接続することを特徴とする請求項1に記載のフロー電池。 Plus and minus terminals,
And a controller for controlling charging and discharging,
The flow battery according to claim 1, wherein the control unit connects the zinc plate to the positive terminal.
前記気泡は、前記第1負極と前記正極との間、および前記正極と前記第2負極との間を浮上し、
前記電解液は、前記電解液を収容する筐体の第1内壁と前記第1負極との間、および前記第1内壁と向かい合う前記筐体の第2内壁と前記第2負極との間を下降することを特徴とする請求項5に記載のフロー電池。 The negative electrode includes a first negative electrode and a second negative electrode facing each other with the positive electrode interposed therebetween,
The air bubbles float between the first negative electrode and the positive electrode, and between the positive electrode and the second negative electrode.
The electrolytic solution descends between a first inner wall and a first negative electrode of a case containing the electrolytic solution, and between a second inner wall of the case facing the first inner wall and the second negative electrode. The flow battery according to claim 5, characterized in that:
をさらに備えることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一つに記載のフロー電池。 The flow battery according to any one of claims 1 to 6, further comprising: a powder containing zinc and movably mixed in the electrolyte.
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