JP5422083B2 - ノンフローレドックス電池 - Google Patents
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Description
(電解セルの単位構造)
セルスタック10は、図3に示すように、双極板である電極4を介して複数の単位セル(単位電解セル8ともいう。)を直列接続して構成されている。単位電解セル8は、図2に示すように、正極セル1と、負極セル2と、正極セル1及び負極セル2間に配置されたイオン交換膜3とを有する密封型のセルであり、酸化還元を行う単位セルである。単位電解セル8を構成する正極セル1と負極セル2は、多孔性の内部電極をそれぞれ備えており、その多孔性の内部電極が正極用電解液31及び負極用電解液41にそれぞれ広い表面積で接触し、効率的な酸化還元反応を生じさせている。なお、図1において、符号9は、セルスタック10のフレームであり、図3に示すエンドプレート6a,6bに相当する。
正極セル1と負極セル2は、図1〜図3に示すように、電極(双極板)4に大きい面積で接触する薄型の箱形セルである。正極セル1と負極セル2の厚さは10mm以上、20mm以下の程度であり、従来の循環型レドックス電池の厚さ(5mm前後)に対して2倍以上、4倍以下の厚さになっている。セルの厚さをこの範囲内にすることにより、充放電に必要な十分な量の正極用電解液31及び負極用電解液41を確保することができる。
イオン交換膜3は、正極セル1と負極セル2とを遮る隔膜であるとともに、充放電時に電荷のバランスを保つためのプロトン(H+)を透過させることができ、バナジウムイオンは透過させない膜である。こうしたイオン交換膜3は、バナジウム電解液31,41に対して耐性のある従来公知の膜を好ましく適用できる。なお、通常は、厚さが0.2mm程度の高効率イオン交換膜が用いられる。
電極4は、正極セル1の内部電極(正極)に接触するとともに、負極セル2の内部電極(負極)にも接触する。そして、正極セル1と負極セル2を備えた単位電解セル8が直列接続されるため、この電極4は双極板として作用する。双極板として作用する電極4は、バナジウム電解液31,41に対する耐性と電気伝導性(例えば0.7Ω/cm以下)が必要であり、例えば炭素電極等が好ましく用いられる。電極4の厚さは特に制限されないが、例えば0.2mm以上、1mm以下の程度の厚さであればよい。また、電極4はバナジウム電解液31,41を通過させないことが必要である。
集電板5は、図3(A)に示すように、セルスタック10の左右の両端に設けられている。この集電板5は、複数の単位電解セル8を直列接続した後の両極の集電電極であり、充電電力の供給電極として、また放電電力の取り出し電極として機能する。集電板5の材質は、例えば銅板等を挙げることができ、その厚さは特に制限されないが0.3mm以上、3mm以下の程度とすることができる。なお、この集電板5には、入力又は取り出しのための接続端子(図示しない)が設けられている。
セルスタック10は、単位電解セル8を直列接続して電圧を高めている。単位電解セル8を直列接続するためのフレームとしては、図3に示すように、直列接続した単位電解セル8の両側に設けるエンドプレート6a,6bを挙げることができる。エンドプレート6a,6bとしては、塩化ビニル(PVC)等の樹脂板又は耐食性の金属プレート等を挙げることができる。そのエンドプレート6a,6bの厚さは特に制限されないが、剛性を考慮して、例えば15mm以上、30mm以下とすることが好ましい。
電解液として、バナジウムイオンが2.5mol/L以上4mol/L以下含有する高濃度のバナジウム電解液31,41が用いられる。正極セル1には、4価のバナジウムイオンを2.5mol/L以上4mol/L以下含有するバナジウム電解液31,41が封入され、負極セル2には、2価のバナジウムイオンを2.5mol/L以上4mol/L以下含有するバナジウム電解液31,41が封入される。
以下に、高濃度のバナジウム電解液31,41を得る方法について説明する。高濃度のバナジウム電解液31,41は、以下に示す方法以外の各種の方法で得ることができるが、本出願人が既に特許出願した以下の効率的な高濃度のバナジウム電解液31,41の製造方法で得ることが好ましい。
ノンフローレドックス電池10は、図4示すように、上記した電解セル8を直列接続してなるセルスタック10と、そのセルスタック10に直流を供給する交流直流変換装置と、その交流直流変換装置を制御するシステムコントローラーとで少なくとも構成されている。
交流直流変換装置には、商用交流電源からの交流電圧又は発電機で発電された交流電圧が入力される。入力された交流電圧は、交流直流変換装置内のAC−DC変換機能により、セルスタック10での充電を高効率で安全に行うために必要な直流電力に変換される。
交流直流変換装置は、セルスタック10で充電された電力を、下流側に接続された負荷に出力する。「負荷」は特に限定されないが、家庭用家電機器であってもよいし、工場の製造装置であってもよいし、屋外の公共設備であってもよい。交流直流変換装置は、交流直流変換装置内のDC−AC変換機能又はDC−DC変換機能により、負荷の種類に応じて、安定化した交流電圧又は直流電圧として出力する。
純度が99.5質量%以上の酸化硫酸バナジウム(IV)水和物950gを1mol/Lの希硫酸水溶液に溶解して1Lの4価のバナジウムイオン溶液を調製した。こうして得られた4価のバナジウムイオン溶液のバナジウムイオン濃度は2.7mol/Lである。このバナジウムイオン溶液を、図5に示すように、酸化電解用の第1の循環槽と還元電解用の第2の循環槽に入れ、その後、窒素ガスを注入させるとともに、槽内で窒素ガスをバブリングさせて、バナジウムイオン溶液中の溶存酸素を0.02ppmを上限として管理した。一方、硫酸ナトリウムを用い、純水に溶解して3mol/Lの硫酸ナトリウム溶液を1L調製した。この硫酸ナトリウム溶液を第3の循環槽に入れた。
実施例1において、酸化硫酸バナジウム水和物の配合量を調整して、バナジウムイオン濃度が4mol/Lになるように調製した他は、実施例1と同様にして、5価のバナジウムイオン溶液と2価のバナジウムイオン溶液を得て、得られた5価のバナジウムイオン溶液と2価のバナジウムイオン溶液を用いて、図2及び図3に示す非循環のノンフローレドックス電池10を構成した。
実施例2において、ノンフローレドックス電池10を構成する各単位電解セル8のセルフレーム(四角形のセルフレーム)の隣接する2辺に、バイモル(登録商標)ポンプ(日東工器株式会社製、型式:BPH−414G、最大流量:450mL/分、寸法:74mm×68mm×24mm、材質:外装はポリプロピレンで、内部はフッ素ゴム)のチューブを接続した。バイモル(登録商標)ポンプは、セルスタックのエンドプレート側面に装着した。それ以外は実施例2と同様にして、得られた5価のバナジウムイオン溶液と2価のバナジウムイオン溶液をバイモル(登録商標)ポンプを装着した単位電解セル8に注入し、弱循環(実質非循環)のノンフローレドックス電池10を構成した。
実施例1において、ノンフローレドックス電池10を構成する各単位電解セル8のセルフレーム(四角形のセルフレーム)の隣接する2辺に、チューブポンプ(株式会社ウエルコ製、型式:WPM1−P2−AA、寸法:46mm×49mm×96mm、耐酸チューブを使用)のチューブを接続した。チューブポンプは、セルスタックのエンドプレート側面に装着した。それ以外は実施例2と同様にして、得られた5価のバナジウムイオン溶液と2価のバナジウムイオン溶液をバイモル(登録商標)ポンプを装着した単位電解セル8に注入し、弱循環(実質非循環)のノンフローレドックス電池10を構成した。このチューブポンプのポンプ流量も、コントローラで実施例3の場合と同程度に調整し、弱い循環流量で充放電を行った。
実施例1〜4のノンフローレドックス電池10は、充放電を繰り返してもスラッジが生成しなかった。また、実施例1,2のノンフローレドックス電池10ではポンプとタンクとを使用しないので、メンテナンスが煩雑ではなく、液漏れも見られなかった。実施例3,4のノンフローレドックス電池10では、弱循環用のバイモル(登録商標)ポンプとチューブポンプをそれぞれ使用したので、充放電反応効率がより高まるとともに、従来のような強循環ポンプや循環タンクを使用しないので、メンテナンスが煩雑ではなく液漏れも見られなかった。
2 負極セル
3 イオン交換膜
4 電極(双極板)
5 集電板
6a,6b エンドプレート
6c 締め付け治具
7 注入口又はリーク口
8 単位電解セル
9 フレーム
10 ノンフローレドックス電池(セルスタック)
31 正極用電解液
41 負極用電解液
101 電解セル
101A 正極セル
101B 負極セル
102 正極電解液タンク
103 負極電解液タンク
104 隔膜
105 正極
106 負極
107,108 配管
109,112 ポンプ
110,111 配管
Claims (5)
- バナジウムイオンを2.5mol/L以上4mol/L以下含有する正極用電解液が封入された正極セルと、バナジウムイオンを2.5mol/L以上4mol/L以下含有する負極用電解液が封入された負極セルと、前記正極セル及び前記負極セル間に配置されたイオン交換膜とを有する密封型電解セルが複数直列接続され、
前記正極セル及び前記負極セルは、前記正極用電解液及び前記負極用電解液を循環するための循環タンクと循環ポンプとに接続されておらず、
前記正極セル及び前記負極セルは、セルフレームをそれぞれ有し、
前記セルフレームは、前記正極セル及び前記負極セルの内部に各々連通する複数の孔をそれぞれ備えていることを特徴とするノンフローレドックス電池。 - 前記正極セル及び前記負極セルは、前記正極用電解液及び前記負極用電解液を当該セル内で弱流動させるためのバイモル(登録商標)ポンプ又はチューブポンプ等の液送定量ポンプに接続されている、請求項1に記載のノンフローレドックス電池。
- 交流直流変換装置及び充放電制御装置を有する、請求項1又は2に記載のノンフローレドックス電池。
- 前記正極セル及び前記負極セルには多孔性電極が挿入され、該正極セル及び該負極セルの厚さが10mm以上20mm以下である、請求項1〜3のいずれか1項に記載のノンフローレドックス電池。
- 前記正極用電解液及び前記負極用電解液が、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、鉄、ケイ素及びクロムのうち1又は2以上の元素が合計0.4質量%未満であり、溶存酸素が0.1ppm以下である、請求項1〜4のいずれか1項に記載のノンフローレドックス電池。
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