JP6950870B2 - レドックスフロー電池 - Google Patents
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Description
電池セルと、
前記電池セルに供給する電解液を貯留するタンクと、
前記電池セルと前記タンクとに接続されて、前記電解液を流通する配管と、
前記電池セルと、前記タンクと、前記配管とを一括して収納するコンテナと、
前記コンテナ内に設けられ、前記電解液が前記コンテナ外に漏出することを防止する隔壁部とを備え、
前記隔壁部の高さは、所定量の電解液が前記配管の損傷に伴って前記コンテナ内に漏れ出たときの液面高さ以上であり、
前記所定量は、前記電池セルの容積相当量と前記配管の容積相当量との合計量を含む。
レドックスフロー電池は、代表的には、電池セル、タンク、配管等の構成要素を設置場所に搬送し、設置場所で上記構成要素が接続されて組み立てられる。しかし、設置場所では十分な作業スペースを確保できず、組立作業を行い難い場合がある。そこで、本発明者らは、工場等の作業スペースを確保し易い場所で上記構成要素を組み立てておき、組立状態で設置場所に搬送する形態を検討した。特に、貨物用コンテナといった大容積の容器に上記構成要素を一括して収納する形態を検討した。
本開示のレドックスフロー電池によれば、電解液がコンテナ外に漏出することを防止できる。
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。
(1)本発明の一態様に係るレドックスフロー電池(RF電池)は、
電池セルと、
前記電池セルに供給する電解液を貯留するタンクと、
前記電池セルと前記タンクとに接続されて、前記電解液を流通する配管と、
前記電池セルと、前記タンクと、前記配管とを一括して収納するコンテナと、
前記コンテナ内に設けられ、前記電解液が前記コンテナ外に漏出することを防止する隔壁部とを備え、
前記隔壁部の高さは、所定量の電解液が前記配管の損傷に伴って前記コンテナ内に漏れ出たときの液面高さ以上であり、
前記所定量は、前記電池セルの容積相当量と前記配管の容積相当量との合計量を含む。
前記所定量は、更に、前記タンク内に貯留される電解液のうち、前記タンクにおける前記配管との接続箇所よりも上方に貯留される容積相当量を含む形態が挙げられる。
前記タンクにおける配管との接続箇所は、前記コンテナの内底面から、前記コンテナの高さの70%の地点よりも上方に位置する形態が挙げられる。
更に、前記コンテナの底部に取り付けられる下部ピット部を備え、
前記コンテナの底部は、その内外に貫通する開口部を備え、
前記下部ピット部は、前記コンテナ内に漏れ出て前記開口部を経た電解液を貯留する貯留槽を含む形態が挙げられる。
前記貯留槽内に漏洩検知センサを備える形態が挙げられる。
前記コンテナ内であって、前記隔壁部の上端よりも下方に漏洩検知センサを備える形態が挙げられる。
以下、図面を参照して、本願発明の実施形態に係るレドックスフロー電池(RF電池)を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を意味する。
以下、図1,図2を主に参照して、実施形態1のRF電池1Aを説明する。
図1は、コンテナ2をその幅方向に直交する平面で切断した縦断面図であり、内部構造を簡略化して示す。
図2は、コンテナ2をその高さ方向に直交する平面で切断した水平断面図であり、内部構造を簡略化して示す。
実施形態1のRF電池1Aは、電池セル10Cと、電池セル10Cに電解液を循環供給する供給機構とを備える。供給機構は、電池セル10Cに供給する電解液を貯留するタンク3と、電池セル10Cとタンク3とに接続されて、電解液を流通する配管16,17とを含む。代表的には、RF電池1Aは、交流/直流変換器を介して、発電部と負荷とに接続され、発電部を電力供給源として充電を行い、負荷を電力提供対象として放電を行う(いずれも図示せず)。発電部は、例えば、太陽光発電機、風力発電機、その他一般の発電所等が挙げられる。負荷は、需要家等が挙げられる。充放電は、酸化還元により価数が変化するイオン(代表的には金属イオン)を活物質として含む正極電解液及び負極電解液を使用し、正負のイオンの酸化還元電位差を利用して行う。
以下、構成要素ごとに詳細に説明する。
電池セル10Cは、図5,図6に示すように正極電解液が供給される正極電極14と、負極電解液が供給される負極電極15と、正極電極14,負極電極15間に介在される隔膜11とを備える。
隔膜11は、正極電極14,負極電極15間を分離すると共に所定のイオン(例、水素イオン)を透過する部材であり、イオン交換膜等が利用される。
枠体112は、枠内に配置される正極電極14,負極電極15に正極電解液、負極電解液をそれぞれ供給する給液孔113及びスリット114と、電池セル10C外に正極電解液、負極電解液をそれぞれ排出する排液孔115及びスリット116とを有する絶縁性部材である。枠体112の構成材料には、電解液と反応せず、電解液に対する耐性を有する樹脂(例、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン)等が利用される。枠体112の外周縁寄りには環状の溝が設けられてシール材118が配置される。シール材118には、Oリングや平パッキン等の弾性材が利用される。
循環機構は、正極電極14に循環供給する正極電解液を貯留する正極タンク34(図2)と、負極電極15に循環供給する負極電解液を貯留する負極タンク35(図2)と、正極タンク34と電池セル10C(代表的にはセルスタック100、以下同様)間を接続する配管164,174(図2,図5)と、負極タンク35と電池セル10C間を接続する配管165,175(図2,図5)と、各タンク34,35から電池セル10Cに供給する往路をなす配管164,165に設けられた正極のポンプ184,負極のポンプ185(図5)とを備える。往路の配管164,165、電池セル10Cからタンク3に電解液を戻す復路をなす配管174,175はそれぞれ、上述の給液孔113や排液孔115がつくる管路に接続され、正極電解液の循環経路、負極電解液の循環経路を構築する。
ポンプ18には公知のものを適宜利用できる。
電解液は、正負の活物質をバナジウムイオンとするもの(特許文献1)、正極活物質をマンガンイオン、負極活物質をチタンイオンとするもの、その他、公知の組成のものが利用できる。
上述の電池セル10C及び循環機構は、コンテナ2内に一括して収納される。コンテナ2は、代表的には、一般貨物の輸送等に利用されるドライコンテナが挙げられる。コンテナ2の形状は、代表的には直方体状、特に図1に例示するように設置状態において横長の直方体状が挙げられる(図1では紙面下側が設置面側)。このようなコンテナ2は、設置箇所をなす長方形状の底部20と、底部20に対向配置される長方形状の天板部21と、底部20の長辺と天板部21の長辺とを繋ぐ一対の側面部22,22(図2参照。図1では紙面奥側の側面部22のみ見える)と、底部20の短辺と天板部21の短辺とを繋ぐ一対の端面部23,23dとを備えるものが挙げられる。この例では、後述する扉が設けられる端面部23dを除いて、端面部23及び二つの側面部22,22は、底部20に対して、液密に接続されていることが好ましい。以下、コンテナ2の設置状態において、コンテナ2の長手方向に沿った大きさを長さ、長手方向に直交し、底部20から天板部21に向かう方向を高さ方向、高さ方向に沿った大きさを高さ、長手方向に直交し、一方の側面部22から他方の側面部22に向かう方向を幅方向、幅方向に沿った大きさを幅と呼ぶ。
上述のコンテナ2内には、更に、隔壁部4Aを備える。隔壁部4Aは、配管16,17等が損傷して所定量の電解液がコンテナ2内に漏出した場合に、上述の扉(端面部23d)と底部20との隙間等から、コンテナ2外に更に漏出することを防止し、コンテナ2内に電解液を留めるための部材である。この目的から、この例の隔壁部4Aは、端面部23d側の開口部近傍に、この開口部の下方領域を覆うように設けられる。
更に、漏洩検知センサ40を備えると、コンテナ2内に発生した電解液の漏出を早期に検知できて好ましい。早期検知の観点からすると、漏洩検知センサ40は、コンテナ2内であって、隔壁部4Aの上端よりも下方に配置されることが好ましい。図1では、漏洩検知センサ40が底部20の近くに配置される場合を例示する。漏洩検知センサ40の取付高さ(底部20の内面からの高さ)が低く、底部20に近いほど、漏出初期、即ち漏出量が少ない時期に電解液の漏出を検知できる。その結果、ポンプ18を停止する等の対応を速やかに行えて、更なる漏出を防止し易い。また、漏出後の処理等も軽減できる。上記取付高さは、例えば隔壁部4Aの高さH4Aの50%以下、更に40%以下、30%以下程度、又はコンテナ2の高さHの25%以下、更に20%以下、15%以下程度が挙げられる。
その他、コンテナ2内には、循環機構においてポンプ18等の電解液の循環に関与する機器等を制御する制御部、以下のタンク3の換気機構(いずれも図示せず)等を収納できる。電池セル10C、ポンプ18や制御部等の機器は、上述の重量バランスを考慮しつつ、底部20からの配置高さをある程度高くすると、仮にタンク3内から電解液がコンテナ2内に漏出した場合でも漏出した電解液に浸漬し難い。
ガス発生装置は、タンク3の気相を換気するためのフローガスを発生させるものである。ここで、RF電池では、例えば、電池反応の副反応等に起因して負極で水素元素を含有するガスが発生して負極タンクの気相に貯まることがある。フローガスによって例えば負極タンク35の気相を換気すれば、負極タンク35の気相中の水素濃度を低下させて大気中に放出できる。フローガスは不活性ガスを含む、又は実質的に不活性ガスであることが好ましい。不活性ガスは、例えば、窒素や希ガス(アルゴン、ネオン、ヘリウム)等が挙げられる。窒素を発生可能なガス発生装置であれば、大気中から窒素を取り出せるため、半永久的にフローガスを供給できる。
実施形態1のRF電池1Aは、太陽光発電、風力発電等の自然エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化等を目的とした蓄電池に利用できる。また、実施形態1のRF電池1Aは、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした蓄電池として利用できる。
実施形態1に係るRF電池1Aは、コンテナ2内に特定の高さH4Aを有する隔壁部4Aを備えるため、仮に配管16,17等が損傷して、所定量の電解液がコンテナ2内に漏出しても、隔壁部4Aによって、コンテナ2外に更に漏出することを防止できる。仮に上記所定量の電解液の全量が漏出しても、隔壁部4Aの上端が漏出した電解液の液面よりも上に位置するからである。この例の上記所定量は、セル等漏出量とタンク3内の上部容積61の相当量との合計量である。そのため、例えば配管16,17の容積相当量の少なくとも一部の量の電解液がコンテナ2内に漏出する場合は勿論、所定量の電解液が全てコンテナ2内に漏出しても、コンテナ2外に更に漏出することを防止できる。また、この例のRF電池1Aでは、セル室2Cを形成する仕切部24と、仕切部24に対向配置される隔壁部4A間、即ち端面部23d側の開口部の下方に電解液が溜められるため、漏出後の処理等を行うにあたり、扉を開けても電解液が隔壁部4A外に流出しない。漏洩検知センサ40を備える場合には、漏出量が比較的少ない時期に上述の電解液の漏出を検知でき、コンテナ2外への電解液の漏出をより確実に防止できる。このようなRF電池1Aでは、上述のコンテナ2の外周を囲む堰部を省略したり、堰部を簡素な構成としたりすることができ、設置工期や配置変更工期等を短縮できると期待される。
(1)一つのコンテナ2に、電池セル10C、タンク3、配管16,17等の構成要素が一括して収納されているため、搬送し易い、設置し易い、上記構成要素をコンテナ2によって保護できる、といった効果を奏する。
(2)コンテナ2内をセル室2Cとタンク室2Tとに分け、セル室2C内に配管16,17をまとめることで、配管16,17の合計長を短くし易い。この点から、配管16,17の損傷に起因する電解液の漏出を低減し易いと期待される。また、上記合計長が短いことで、組立時間を短縮でき、組立作業性にも優れる。
(3)コンテナ2内をセル室2Cとタンク室2Tとに分けることで、電池セル10Cやポンプ18、上述の制御部等の点検等を行い易い。
以下、主に図3を参照して、実施形態2のRF電池1Bを説明する。
実施形態2のRF電池1Bの基本的構成は実施形態1のRF電池1Aと同様であり、電池セル10Cと、タンク3と、配管16,17と、隔壁部4Bと、これらを収納するコンテナ2とを備える。実施形態2のRF電池1Bは、更に、コンテナ2の底部20に取り付けられる下部ピット部25を備えており、タンク3等から電解液がコンテナ2内に漏出した場合に漏出液の一部を下部ピット部25に貯留できる。この下部ピット部25を備える点が実施形態1との主な相違点である。以下、実施形態2について、実施形態1との相違点を詳細に説明し、実施形態1と共通する構成及びその効果は詳細な説明を省略する。
下部ピット部25は、受け皿状の部材であり、底部250と、底部250の周縁から立設する周壁部251とを備える。RF電池1Bに備えられるコンテナ2では、この下部ピット部25が底部20に取り付けられて、いわば二重底になっており、コンテナ2の底部20が内側底をなし、下部ピット部25の底部250が外側底をなす。内側底である底部20は、その内外(表裏)に貫通する開口部20hを備える。下部ピット部25は、コンテナ2内に漏れ出て開口部20hを経た電解液を貯留する貯留槽を含む。貯留槽は、その内面の一部が開口部20hの下方に位置して、開口部20hを覆うように設けられる。この例の下部ピット部25はその全体を貯留槽とする。
更に、下部ピット部25の貯留槽内に漏洩検知センサ42を備えると、コンテナ2内に発生した電解液の漏出を早期に検知できて好ましい。電解液の漏出初期には、貯留槽内に電解液が溜まるからである。漏出量が少ない時期に電解液の漏出を検知すれば、ポンプ18を停止する等の対応を速やかに行えて、更なる漏出を防止し易く、漏出後の処理も軽減できる。貯留槽内に漏洩検知センサ42を備えることに加えて、コンテナ2内(この例ではセル室2C内)にも漏洩検知センサ40を備えると(実施形態1参照)、上述の電解液の漏出をより確実に検知できる。また、両センサ40,42のうち、一方のセンサをバックアップとしても利用できる。コンテナ2内に漏洩検知センサ40を備えて、貯留槽内には漏洩検知センサ42を備えないこともできる。
実施形態2のRF電池1Bは、隔壁部4Bに加えて、下部ピット部25を備えることで、上述のようにコンテナ2内(この例ではセル室2C内)における漏出液の液面高さを低くできる。そのため、仮に上述の所定量の電解液が全てコンテナ2内に漏出した場合でもコンテナ2外への電解液の漏出をより防止し易い。特に、コンテナ2内の隔壁部4Bの高さH4Bをより低くしても(H4B<H4A)、コンテナ2外への電解液の漏出を防止できる上に、隔壁部4Bを軽量・小型にすることもできる。このような実施形態2のRF電池1Bは、上述のコンテナ2の外周を囲む堰部の省略、堰部の省略に伴う設置工期や配置変更工期の短縮、隔壁部4Bの小型化・軽量化による組立作業性の向上等が期待できる。更に、コンテナ2内における漏出液の液面高さを低くできる点から、コンテナ2内の収納物、特に電池セル10C、ポンプ18や制御部等の電気機器類等が電解液に浸漬されることを低減又は回避し易い。コンテナ2の内面自体についても、漏洩した電解液によって汚染される領域を低減できる。従って、電解液の漏出後の処理等も軽減できる。
以下、主に図4を参照して、実施形態3のRF電池を説明する。
実施形態3のRF電池の基本的構成は、実施形態2のRF電池1Bと同様であり、実施形態2との主な相違点は、コンテナ2の底部20において、開口部20hの形成位置と隔壁部4B(図4では右側に位置する)の形成位置との間に立設される小壁部26を備え、小壁部26の高さH26は、隔壁部4Bの高さH4Bよりも小さい点にある。以下、実施形態3について、実施形態2との相違点を詳細に説明し、実施形態2と共通する構成及びその効果は詳細な説明を省略する。
図4は、実施形態3のRF電池について、コンテナ2をその幅方向に直交する平面で切断した縦断面図であり、コンテナ2の底部20に設けられた開口部20h近傍を拡大して示す。
実施形態4のRF電池として、隔壁部の高さを設定する所定量をセル等漏出量とすることができる。
(1)図1,図2において、スタック数、循環経路等を変更したり、コンテナ2内の収納物の配置を変更したり、仕切部24を省略したりする。
(2)隔壁部4A,4Bを扉の形成箇所に加えて、その他の箇所に設ける。
例えば、実施形態1で説明した隔壁部4Aを、端面部23dの近傍に加えて、仕切部24に対面するように別途設けることが挙げられる。又は、隔壁部4AをL字状とし、端面部23dから一方の側面部22に渡るように設けたり、長方形の枠状としたり、有底の容器状とすることが挙げられる。
上述の実施形態1〜4等の他、タンク内の電解液がコンテナ内に漏出した場合に、コンテナ外への電解液の漏出を防止できるRF電池として、例えば、以下の構成とすることができる。
[付記1]
電池セルと、
前記電池セルに供給する電解液を貯留するタンクと、
前記電池セルと前記タンクとに接続されて、前記電解液を流通する配管と、
前記電池セルと、前記タンクと、前記配管とを一括して収納するコンテナと、
前記コンテナの底部に取り付けられる下部ピット部とを備え、
前記底部は、その内外に貫通する開口部を備え、
前記下部ピット部は、前記コンテナ内に漏れ出て前記開口部を経た電解液を貯留する貯留槽を含むレドックスフロー電池。
[付記2]
上記貯留槽の容積は、前記タンク内に貯留される電解液のうち、前記タンクにおける前記配管との接続箇所よりも上方に貯留される容積と同等以上である[付記1]に記載のレドックスフロー電池。
[付記3]
前記貯留槽内に漏洩検知センサを備える[付記1]又は[付記2]に記載のレドックスフロー電池。
10C 電池セル
11 隔膜
14 正極電極
15 負極電極
16,17,164,165,174,175 配管
18,184,185 ポンプ
100 セルスタック
110 セルフレーム
111 双極板
112 枠体
113 給液孔
114,116 スリット
115 排液孔
118 シール材
120 サブセルスタック
122 給排板
130 エンドプレート
132 締付部材
2 コンテナ
2C セル室
2T タンク室
20 底部
20h 開口部
21 天板部
22 側面部
23,23d 端面部
24 仕切部
240 隙間
25 下部ピット部(貯留槽)
250 底部
251 周壁部
26 小壁部
3 タンク
34 正極タンク
35 負極タンク
4A,4B 隔壁部
40,42 漏洩検知センサ
6 電解液
61 上部容積
Claims (6)
- 電池セルと、
前記電池セルに供給する電解液を貯留するタンクと、
前記電池セルと前記タンクとに接続されて、前記電解液を流通する配管と、
前記電池セルと、前記タンクと、前記配管とを一括して収納するコンテナと、
前記コンテナ内に設けられ、前記電解液が前記コンテナ外に漏出することを防止する隔壁部と、
前記コンテナの底部に取り付けられる下部ピット部とを備え、
前記コンテナの底部は、その内外に貫通する開口部を備え、
前記下部ピット部は、前記コンテナ内に漏れ出て前記開口部を経た電解液を貯留する貯留槽を含み、
前記隔壁部の高さは、所定量の電解液が前記配管の損傷に伴って前記コンテナ内に漏れ出たときの液面高さ以上であり、
前記所定量は、前記電池セルの容積相当量と前記配管の容積相当量との合計量を含むレドックスフロー電池。 - 前記貯留槽内に漏洩検知センサを備える請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記コンテナ内であって、前記隔壁部の上端よりも下方に漏洩検知センサを備える請求項1又は請求項2に記載のレドックスフロー電池。
- 電池セルと、
前記電池セルに供給する電解液を貯留するタンクと、
前記電池セルと前記タンクとに接続されて、前記電解液を流通する配管と、
前記電池セルと、前記タンクと、前記配管とを一括して収納するコンテナと、
前記コンテナ内に設けられ、前記電解液が前記コンテナ外に漏出することを防止する隔壁部と、
前記コンテナ内であって、前記隔壁部の上端よりも下方に漏洩検知センサとを備え、
前記隔壁部の高さは、所定量の電解液が前記配管の損傷に伴って前記コンテナ内に漏れ出たときの液面高さ以上であり、
前記所定量は、前記電池セルの容積相当量と前記配管の容積相当量との合計量を含むレドックスフロー電池。 - 前記所定量は、更に、前記タンク内に貯留される電解液のうち、前記タンクにおける前記配管との接続箇所よりも上方に貯留される容積相当量を含む請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記タンクにおける配管との接続箇所は、前記コンテナの内底面から、前記コンテナの高さの70%の地点よりも上方に位置する請求項5に記載のレドックスフロー電池。
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