JP5719851B2 - 循環電解液貯留システム - Google Patents

Description

本発明は、電解液循環型電池に関する。本発明は、特に、これに限定されるわけではないが、タンク内にタンクを有する循環電解液貯留システムに関する。

スタンドアロン型の電源システムで使用される電池は通常鉛蓄電池である。しかし、鉛蓄電池は性能と環境安全性の面で限界を有する。たとえば、典型的な鉛蓄電池では、暑い気候条件で、特に時折完全に放電されるような場合には、しばしば寿命が非常に短くなる。鉛蓄電池は環境にも有害である。なぜなら、鉛が鉛蓄電池の主要な構成要素であるため、製造時や廃棄時に重大な環境問題を引き起こす可能性があるからである。

亜鉛臭素電池、亜鉛塩素電池、バナジウムフロー電池などの電解液循環型電池は、鉛蓄電池の上記限界を打開する可能性を秘めている。特に、電解液循環型電池の実用寿命は深放電が行われることによって影響されず、電解液循環型電池のエネルギー対重量比は鉛蓄電池の６倍も高い。

電解液循環型電池は、鉛蓄電池と同様、個々のセルよりも高い全電圧を生成するセルのスタックを有する。しかし、鉛蓄電池とは異なり、電解液循環型電池のセルは、電解液循環経路を介して流体的に接続されている。

図１を参照すると、先行技術によって知られた基本的な亜鉛−臭素電解液循環型電池１００のフロー図が示されている。亜鉛−臭素電池１００は、負極電解液循環経路１０５と独立した正極電解液循環経路１１０を有する。負極電解液循環経路１０５は活性化学物質として亜鉛イオンを含み、正極電解液循環経路１１０は活性化学物質として臭素イオンを含む。亜鉛−臭素電池１００はまた、負極電解液ポンプ１１５、正極電解液ポンプ１２０、負極亜鉛電解液（アノライト）タンク１２５、正極臭素電解液（カソライト）タンク１３０を有する。ポリ臭素錯体を形成させて元素状臭素の反応性と蒸気圧を減少させるために、錯化剤が臭素電解液に通常添加される。

高電圧を得るために、亜鉛−臭素電池１００はさらに、バイポーラ構成で接続されたセルのスタックを有する。たとえば、セル１３５は、バイポーラ電極板１５５を含む半セル１４０、１４５と、微多孔セパレータ板１６５を有する。亜鉛−臭素電池１００は、集電電極板１６０に正の極性端と、他の集電電極板１５０に負の極性端を有する。

半セル１４５の様な正の半セルにおける充電中の化学反応は、次式で表すことができる。
２Ｂｒ⁻ → Ｂｒ_２ ＋ ２ｅ⁻ （式１）
このように臭素が正の電解液循環路１１０と流体的に接続された半セルで形成され、その後正極臭素電解液タンク１３０に貯留される。半セル１４５のような負の半セルにおける充電中の化学反応は、次式で表すことができる。
Ｚｎ^２＋ ＋ ２ｅ⁻ → Ｚｎ （式２）
このように金属亜鉛層１７０が負極電解液循環経路１０５と接触している集電電極板１５０上に形成される。半セル１４０、１４５における放電中の化学反応は、式１および式２の逆になる。

先行技術は電解液循環型電池システムのパッケージングについて、電解液貯留タンクの標準サイズと位置を含む種々のアプローチを開示している。一般に、２つの独立したタンク、アノライト用とカソライト用、が互いに隣接して、電池セルスタックに隣接して配置される。ポンプとホースを含む適切な「配管」が、電解液を貯留タンクから、セルスタックを経て、元の貯留タンクに循環させるために用いられる。しかし、このような電解液貯留タンクの従来の形状と配置は、電解液の漏れに関連する安全上の懸念、過度の配管コスト、材料の無駄遣い、高い製造コスト、大きすぎるシステムなどの多くの問題を引き起こす。

したがって、先行技術の電解質循環型電池に付随する上記問題の多くを克服または軽減することが必要とされている。

したがって、本発明の目的は、先行技術における１つまたはそれ以上の限界を克服または軽減することであり、それらは、電解液を電池セルスタックを通って循環させるための改良された循環電解液貯留システムを提供すること、製造コストを下げ、安全性を向上し、電解液タンクの構造安定性を向上させ、およびタンクのサイズと重量を減らすことを含む。

一態様によれば、本発明は、電解液循環型電池の循環電解液貯留システムであって、
電池セルスタックと、
前記電池セルスタックの下方に位置する外側タンクと、
前記外槽タンクの内側であって前記電池セルスタックの下方に位置する内側タンクとを有し、
前記外側タンクから前記電池セルスタックへの負極電解液の流入口および正極電解液の流出口が、前記外側タンクの真上にあって、前記内側タンクの真上にはない。

必要に応じて、前記内側タンクは、前記外側タンクの対角の間で前記電池セルスタックの対角の下方に、横切って配置されている。

必要に応じて、前記システムは、前記外側タンクの上に、前記電池セルスタックに隣接して設けられた第１のポンプと、前記内側タンクの上に、前記電池セルスタックに隣接して設けられた第２のポンプとを有する。

必要に応じて、前記外側タンクは亜鉛電解液を含み、前記内側タンクは臭素電解液を含む。

必要に応じて、前記外側タンクおよび前記内側タンクは回転成形されたプラスチックで形成されている。

必要に応じて、前記外側タンクおよび前記内側タンクが共通の蓋を共有する。

必要に応じて、前記外側タンクおよび前記内側タンクは、完全な、分離可能なタンクであり、前記内側タンクは前記外側タンクのくぼみに収まっている。

必要に応じて、前記外側タンクの縁に、隆起したリップが一体化されている。

必要に応じて、前記内側タンクの底面は、電解液回収領域に向かって傾斜している。

必要に応じて、前記内側および外側タンクの上部は、冷却機構のための空洞の壁を形成している。

必要に応じて、前記冷却機構のための空洞の壁は、冷却ファンを取り付けるための穴を有する。

発明の理解を助け、当業者が本発明を実施可能とするために、本発明の好ましい実施形態が、図を参照して、以下に例示される。
先行技術によって知られた基本的な亜鉛−臭素電解液循環型電池を示す図である。 本発明のいくつかの実施形態による電解液循環型電池の循環電解液貯留システムの、隠れた詳細部分を含む上面図である。 図１のＡ−Ａにおける側断面図であり、本発明のいくつかの実施形態による循環電解液貯留システムにおける亜鉛電解液の循環経路を示している。 図１のＢ−Ｂにおける側断面図であり、本発明のいくつかの実施形態による循環電解液貯留システムにおける臭素電解液の循環経路を示している。 本発明の他の実施形態による循環電解液貯留システム５００の上面図である。 図５のＣ−Ｃにおける側断面図であり、本発明の他の実施形態による循環電解液貯留システムにおける亜鉛電解液の循環経路を示している。 図５のＤ−Ｄにおける側断面図であり、本発明の他の実施形態による循環電解液貯留システムにおける臭素電解液の循環経路を示している。 本発明の他の実施形態による電解液循環型電池の図５の循環電解液貯留システムの前面分解透視図である。 本発明の他の実施形態による電解液循環型電池の図５の循環電解液貯留システムの背面分解透視図である。 本発明の他の実施形態による電解液循環型電池の図５の循環電解液貯留システムの前面組立透視図である。

当業者は、図に示した構成要素の配置からのわずかなずれは、本発明の開示された実施形態の正常な機能を損なうものではないことを理解するであろう。

本発明の実施形態は、電解液循環型電池のセルスタックを含む。本発明の要素は、図において簡潔な概要が示されており、本発明の実施形態を理解するのに必要な具体的詳細のみを示し、しかし本明細書に照らして当業者に明らかな過度な詳細によって開示が乱雑にならないようにしている。

本明細書において、第一と第二、左と右、前面と背面、上と下のような形容詞は、必ずしもその形容詞で表される特定の相対位置や順序を必要とするものではなく、単に、一つの要素または工程を他の要素または工程から明確にするために使用される。「有する」または「含む」のような語は、要素や工程の排他的なセットを定義するために使用されているのでない。むしろ、そのような語は単に、本発明の特定の実施形態に含まれる要素や工程の最小セットを定義する。

図２を参照すると、図は本発明のいくつかの実施形態による電解液循環型電池の循環電解液貯留システム２００の上面図を、隠れた詳細部分を含めて示している。このシステム２００は、セルスタック２０５、臭素電解液タンク２１０としての内側タンク、亜鉛電解液タンク２１５としての外側タンクを含む。臭素電解液ポンプ２２０が臭素電解液タンク２１０の上方に配置され、亜鉛電解液ポンプ２２５が亜鉛電解液タンク２１５の上方に配置されている。

亜鉛流入口２３０によって、亜鉛電解液が亜鉛電解液タンク２１５からセルスタック２０５に流れることが可能となり、亜鉛流出口２３５によって亜鉛電解液がセルスタック２０５から亜鉛電解液タンク２１５に流れることが可能となる。同様に、臭素流入口２４０によって、臭素電解液が臭素電解液タンク２１０からセルスタック２０５に流れることが可能となり、臭素流出口２４５によって臭素電解液がセルスタック２０５から臭素電解液タンク２１０に流れることが可能となる。

図３を参照すると、図１のＡ−Ａにおける側断面図は、本発明のいくつかの実施形態による循環電解液貯留システム２００における亜鉛電解液の循環経路を示している。図のように、亜鉛電解液タンク２１５の底に近い亜鉛電解液が吸入チューブ３０５に入り、次いで亜鉛電解液ポンプ２２５によって亜鉛流入口２３０へと送られる。矢印で示されるように、亜鉛電解液はその後セルスタック２０５の様々な電極板の間を通って、亜鉛流出口２３５を出て亜鉛電解液タンク２１５に戻る。

臭素電解液タンク２１０と亜鉛電解液タンク２１５の双方が、共通の蓋３２０を共有している。さらに、臭素錯体の回収と処理を改善するために、臭素電解液タンク２１０の底面が循環電解液貯留システム２００の底面に対して傾斜していてもよい。

線３１０、３１５は、それぞれ亜鉛電解液と臭素電解液の液面を示している。図のように、電池セルスタック２０５の亜鉛電解液流入口２３０と亜鉛電解液流出口２３５は、亜鉛電解液タンク２１５の真上にあり、臭素電解液タンク２１０の真上にはない。これにより、ホースと接続器具のような最小限の「配管」器具のみによって、亜鉛電解液が、直接亜鉛電解液タンク２１５から電池セルスタック２０５へ往復して流れることが可能となる。さらに、このような配管におけるどのような漏れも自己完結的であり、亜鉛電解液タンク２１５と臭素電解液タンク２１０の間の電解液の相互汚染をもたらさない可能性が高い。

また、亜鉛電解液タンク２１５の縁に沿った隆起したリップ３３０によって、セルスタック２０５、ポンプ２２０、２２５、その他の配管ホース３３５から起こり得る漏れを効率的に回収して蓋３２０の上に保持することができる。これにより、臭素電解液タンク２１０と亜鉛電解液タンク２１５双方の下に汚染物質の受け皿を追加する必要がなくなる。

図４を参照すると、図１のＢ−Ｂにおける側断面図は、本発明のいくつかの実施形態による循環電解液貯留システム２００における臭素電解液の循環経路を示している。図のように、臭素電解液タンク２１０の底に近い臭素電解液が吸入チューブ４０５に入り、次いで臭素電解液ポンプ２２０によって臭素流入口２４０へと送られる。矢印で示されるように、臭素電解液はその後セルスタック２０５の様々な電極板の間を通って、臭素流出口２４５を出て臭素電解液タンク２１０に戻る。

図２に示されるように、亜鉛電解液が流入口２３０から入って流出口２３５から出るように、そして臭素電解液が流入口２４０から入って流出口２４５から出るように、電解液は通常電池セルスタック２０５を横切って流れる。臭素電解液タンク２１０を電池セルスタック２０５に対して対角線上に設置することによって、流出口２４５からの臭素電解液の戻りは、真下にある臭素電解液タンク２１０にぴったりと合う。同様に、流出口２３５からの亜鉛電解液の戻りは、真下にある亜鉛電解液タンク２１５にぴったりと合う。したがって、電解液を電池セルスタック２０５から臭素電解液タンク２１０または亜鉛電解液タンク２１５のいずれに戻すためにも、追加の配管は不要である。

また、一般的に臭素電解液の臭素錯体は亜鉛電解液よりも著しく化学的に活性であることが知られている。臭素電解液タンク２１０を亜鉛電解液タンク２１５の内部に配置することによって、臭素電解液は事実上二重壁の容器中に保持されることになるので、臭素錯体がシステム２００の外部に漏れる危険性が低減される。

当業者は循環電解液貯留システム２００を製造するために様々な手法があることを理解するであろう。例えば、回転成形によって、臭素電解液タンク２１０と亜鉛電解液タンク２１５の両方を同時に一体的に成形することができる。したがって、システム２００の電解液の容器を完成させるためには、蓋３２０を固定するために溶接を１回行うだけでよい。さらに、本発明のタンク内タンク構造によってタンク壁の全体の剛性が向上し、そのことがより薄い壁とより小さな総重量を可能とする。

図５を参照すると、図は本発明の他の実施形態による電解液循環型電池の循環電解液貯留システム５００の上面図を、隠れた詳細部分を含めて示している。このシステム５００は、セルスタック６４０、臭素電解液タンク５１０としての内側タンク、亜鉛電解液タンク５１５としての外側タンクを含む。臭素電解液ポンプ５２０が臭素電解液タンク５１０の上方に配置され、亜鉛電解液ポンプ５２５が亜鉛電解液タンク５１５の上方に配置されている。

図６において亜鉛電解液ポンプ５２５の下方に配置された亜鉛流入口５３０によって、亜鉛電解液が亜鉛電解液タンク５１５からセルスタックに流れることが可能となり、亜鉛流出口５３５によって、亜鉛電解液がセルスタックから亜鉛電解液タンク５１５に流れることが可能となる。同様に、図７において、臭素電解液ポンプ５２０の下方に配置された臭素流入口５４０によって、臭素電解液が臭素電解液タンク５１０からセルスタックに流れることが可能となり、臭素流出口５４５によって、臭素電解液がセルスタックから臭素電解液タンク５１０に流れることが可能となる。

臭素ガス回収チューブ５５０が臭素電解液タンク５１０から伸びている。これにより、もし異常な運転などによって圧力が高まっても、好ましくは圧力感知式の安全弁を介して、臭素電解液タンク５１０から臭素ガスを排気することが可能となる。同様に、亜鉛ガス回収チューブ５５５が亜鉛電解液タンク５１５から伸びている。これにより、もし圧力が高まっても、好ましくは圧力感知式の安全弁を介して、亜鉛電解液タンク５１５から亜鉛ガスを排気することが可能となる

図６を参照すると、図５のＣ−Ｃにおける側断面図は、本発明の他の実施形態による循環電解液貯留システム５００における亜鉛電解液の循環経路を示している。図のように、亜鉛電解液は吸入チューブ６０５に入り、次いで亜鉛電解液ポンプ５２５によって亜鉛流入口５３０へと送られる。矢印で示されるように、亜鉛電解液はその後セルスタック６４０の様々な電極板の間を通って、亜鉛流出口５３５を出て亜鉛電解液タンク５１５に戻る。

臭素電解液タンク５１０と亜鉛電解液タンク５１５はともに完全で分離可能なタンクである。さらに、臭素錯体の回収と処理を改善するために、臭素電解液タンク５１０の底面６２５が循環電解液貯留システム５００の底面に対して傾斜していてもよい。

線６１０、６１５は、それぞれ亜鉛電解液と臭素電解液の液面を示している。図のように、電池セルスタック６４０の亜鉛電解液流入口５３０と亜鉛電解液流出口５３５は、亜鉛電解液タンク５１５の真上にあり、臭素電解液タンク５１０の真上にはない。これにより、ホースと接続器具のような最小限の「配管」器具のみによって、亜鉛電解液が、直接亜鉛電解液タンク５１５から電池セルスタック６４０へ往復して流れることが可能となる。さらに、このような配管におけるどのような漏れも自己完結的であり、亜鉛電解液タンク５１５と臭素電解液タンク５１０の間の電解液の相互汚染をもたらさない可能性が高い。

また、亜鉛電解液タンク５１５の縁に沿った隆起したリップ６３０によって、セルスタック６４０、ポンプ５２０、５２５、その他の配管ホース６３５から起こり得る漏れを効率的に回収して亜鉛電解液タンク５１５の上に保持することができる。これにより、臭素電解液タンク５１０と亜鉛電解液タンク５１５双方の下に汚染物質の受け皿を追加する必要がなくなる

図７を参照すると、図５のＤ−Ｄにおける側断面図は、本発明の他の実施形態による循環電解液貯留システム５００における臭素電解液の循環経路を示している。図のように、臭素電解液は吸入チューブ７０５に入り、次いで臭素電解液ポンプ５２０によって臭素流入口５４０へと送られる。矢印で示されるように、臭素電解液はその後セルスタック６４０の様々な電極板の間を通って、臭素流出口５４５を出て臭素電解液タンク５１０に戻る。

亜鉛電解液が流入口５３０から入って流出口５３５から出るように、そして臭素電解液が流入口５４０から入って流出口５４５から出るように、電解液は通常電池セルスタック６４０を横切って流れる。臭素電解液タンク５１０を電池セルスタック６４０に対して対角線上設置することによって、流出口５４５からの臭素電解液の戻りは、真下にある臭素電解液タンク５１０にぴったりと合う。同様に、流出口５３５からの亜鉛電解液の戻りは、真下にある亜鉛電解液タンク５１５にぴったりと合う。したがって、電解液を電池セルスタック６４０から臭素電解液タンク５１０または亜鉛電解液タンク５１５のいずれに戻すためにも、追加の配管は不要である。

図８は、本発明の他の実施形態による電解液循環型電池の循環電解液貯留システム５００の前面分解透視図である。

このシステム５００は、臭素電解液タンク５１０と亜鉛電解液タンク５１５を含む。亜鉛電解液タンク５１５と臭素電解液タンク５１０は完全な、分離可能なタンクであり、臭素電解液タンク５１０が亜鉛電解液タンク５１５のくぼみに収まるように形成されている。臭素電解液ポンプ５２０は臭素電解液タンク５１０の上方に配置され、亜鉛電解液ポンプ５２５が亜鉛電解液タンク５１５の上方に配置されている。

臭素電解液タンク５１０の上面８２０と亜鉛電解液タンク５１５の上面８３０は、セルスタック６４０が置かれる表面を規定している。臭素電解液タンク５１０の上部８１０と亜鉛電解液タンク５１５の上部８００は壁を形成し、セルスタック６４０とともに、冷却機構（図示せず）のための空洞を規定する。

電解液は、亜鉛電解液タンク５１５または臭素電解液タンク５１０に戻される前に、ポンプで空洞内に配置された冷却機構を通って送られる。例えば予め形成された空洞に設置されたファンによって、空洞の一端から他端へ、冷却機構を通って、上部８００と８１０、臭素電解液タンク５１０、亜鉛電解液タンク５１５と電池セルスタック６４０に案内されて、空気を強制的に通すことができる。当業者によって理解されるように、冷却機構の一例は、亜鉛および臭素電解液が熱交換できるような広い表面積を有する一連の長い熱交換チューブである。

図９は、本発明の他の実施形態による電解液循環型電池の循環電解液貯留システム５００の背面分解透視図である。

図１０は、本発明の他の実施形態による電解液循環型電池の循環電解液貯留システム５００の前面組立透視図である。

まとめると、本発明のいくつかの実施形態の効果は、電解液循環型電離システムの改良された頑健性、安全性および効率、ならびに低減された大きさと重量を含む。外部配管のホースと固定器具双方の必要性が低下することによって、電解液が漏れる危険性が低下し、循環電解液貯留システムのコストが減少する。

本発明の様々な実施形態関する上記の説明は、当業者への説明を目的として提供されている。それは、全てを網羅することや発明を開示された実施形態に限定することを意図したものではない。前述のとおり、本発明の数多くの代替と変形が、上記教示の分野における当業者にとって明らかである。したがって、いくつかの代替的な実施形態が具体的に議論されてきたが、他の実施形態は当業者にとって明らかであるか、容易に開発されるものである。したがって、本明細書は、ここで議論された本発明のすべての代替、修正および変形、ならびに上述した発明の精神と範囲内にあるその他の実施形態を包含することを意図している。

Claims (11)

1. 電解液循環型電池の循環電解液貯留システムであって、
   電池セルスタックと、
   前記電池セルスタックの下方に位置する外側タンクと、
   前記外側タンクの内側であって前記電池セルスタックの下方に位置する内側タンクとを有し、
   前記外側タンクから前記電池セルスタックへの負極電解液の流入口および負極電解液の流出口が、前記外側タンクの真上にあって、前記内側タンクの真上にはない、
   ことを特徴とする循環電解液貯留システム。
2. 前記内側タンクが、前記外側タンクの対角の間で前記電池セルスタックの対角の下方に、横切って配置されている、
   請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
3. 前記外側タンクの上に、前記電池セルスタックに隣接して設けられた第１のポンプと、
   前記内側タンクの上に、前記電池セルスタックに隣接して設けられた第２のポンプとをさらに有する、
   請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
4. 前記外側タンクが亜鉛電解液を含み、前記内側タンクが臭素電解液を含む、
   請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
5. 前記外側タンクおよび前記内側タンクが回転成形されたプラスチックで形成されている、
   請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
6. 前記外側タンクおよび前記内側タンクが共通の蓋を共有する、
   請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
7. 前記外側タンクおよび前記内側タンクが、完全な、分離可能なタンクであり、前記内側タンクは前記外側タンクのくぼみに収まっている、
   請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
8. 前記外側タンクの縁に、隆起したリップが一体化されている、
   請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
9. 前記内側タンクの底面は、電解液回収領域に向かって傾斜している、
   請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
10. 前記内側および外側タンクの上部は、冷却機構のための空洞の壁を形成している、
    ことを特徴とする請求項１に記載の循環電解液貯留システム。
11. 前記冷却機構のための空洞の壁は、冷却ファンを取り付けるための穴を有する、
    ことを特徴とする請求項１０に記載の循環電解液貯留システム。

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