JPH0411340Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】

考案の目的 技術分野 この考案は、たとえばレドツクスフロー電池の
ような電力貯蔵に用いられる電池構造の改良に関
し、特に電解液および電解液貯蔵タンクが改善さ
れた電池に関する。 従来の技術 電気エネルギは、そのままの形態では貯蔵が困
難であるため、貯蔵可能なエネルギ形態に変換し
なければならない。他方、安定した電力供給を行
なうには、電力需要に合わせて供給すなわち発電
を行なう必要がある。このため、電力会社は、常
に最大需要に見合つた発電設備を建設し、需要に
即応して発電を行なつている。しかしながら、第
４図に電力需要曲線Ａで示すように、昼間および
夜間では、電力の需要に大きな差が存在する。同
様の現象は、週、月および季節間でも生じてい
る。 そこで、電力を効率良く貯蔵することが可能で
あれば、オフピーク時の余剰電力（第４図のＸで
示した部分に相当する）を貯蔵し、ピーク時にこ
れを放出すれば第４図のＹで示した部分を賄うこ
とができ、需要の変動に対応することができ、常
にほぼ一定の電力（第４図の破線Ｚに相当する
量）のみを発電すればよいことになる。このよう
なロードレベリングを達成することができれば、
発電設備を軽減することが可能となり、かつエネ
ルギの節約ならびに石油等の燃料節減にも大きく
寄与することができる。 そこで、従来より種々の電力貯蔵法が提案され
ている。たとえば揚水発電が既に実施されている
が、揚水発電では設備が消費地から遠く隔たつた
所に設置されており、したがつて送変電損失を伴
なうこと、ならびに環境面でも立地に制約がある
ことなどの問題がある。それゆえに、揚水発電に
代わる新しい電力貯蔵技術の開発が望まれている
が、その１つとしてレドツクスフロー電池の開発
が進められている。 第５図は、既に提案されているレドツクスフロ
ー電池の一例を示す概略構成図である。このレド
ツクスフロー電池１は、セル２および正極液タン
ク３および負極液タンク４を備え、２個のタンク
３，４を用いるため２タンク方式と呼ばれている
ものである。セル２内は、たとえばイオン交換膜
からなる隔膜５により仕切られており、一方側が
正極セル２ａ、他方側が負極セル２ｂを構成す
る。正極セル２ａおよび負極セル２ｂ内には、そ
れぞれ、電極として正極６および負極７が配置さ
れている。 第５図に示したレドツクスフロー電池１では、
たとえば鉄イオン、クロムイオンのような原子価
が変化するイオンの水溶液をタンク３，４に貯蔵
し、これをポンプP₁，P₂で流通型電解セル２に
送液し、酸化還元反応により充放電を行なう。た
とえば、正極液としてFe³⁺／Fe²⁺塩酸溶液、負
極液としてCr²⁺／Cr³⁺塩酸溶液を用いると、各酸
化還元系の両極６，７における電池反応は、次式
のようになり、起電力は約1Vである。 正極：Fe²⁺充電 ――――→ ←―――― 放電Fe³⁺＋ｅ 負極：Cr³⁺充電 ――――→ ←―――― 放電Cr²⁺−ｅ セル２の正極セル２ａと正極液タンク３とは、
第１の導管１１および第２の導管１２により連結
されている。他方、負極液タンク４についても同
様に、第３の導管１３および第４の導管１４によ
り連結されている。正極液タンク３および負極液
タンク４には、それぞれ、反応液として正極液お
よび負極液が貯留されており、第１の導管１１お
よび第３の導管１３に設けられた反応液給送手段
としてのポンプP₁，P₂によりセル２内に供給さ
れる。供給された正極液および負極液は、正極セ
ル２ａおよび負極セル２ｂ内で反応し、反応の終
了した液は、それぞれ、第２の導管１２および第
４の導管１４を経て正極液タンク３および負極液
タンク４内に戻される。 第６Ａ図および第６Ｂ図は、第５図に示した従
来のレドツクスフロー電池における充電の際およ
び放電の際のセル内の反応状態を示す部分切欠正
面図である。第６Ａ図および第６Ｂ図において矢
印Ａ……Ｄで示すように、従来のレドツクスフロ
ー電池では、充電動作および放電動作を繰返すう
ちに、正極活物質および負極活物質が隔膜２を透
過し、その結果正極液および負極液内の電極活物
質が減少するため電力貯蔵量が低下し、充放電効
率が低下するという欠点があつた。 考案が解決しようとする問題点 それゆえに、この考案の目的は、長期間使用し
た場合であつても電力貯蔵量および充放電効率の
低下が極めて小さな電池構造を提供することにあ
る。 考案の構成 問題点を解決するための手段 この考案に係る電池は、 隔膜により分離された正極および負極を、含む
セルと、 正極液を貯える正極液タンクと、 負極液を貯える負極液タンクと、 上記正極液タンクと上記セルとの間で上記正極
液を循環させる第１の循環経路と、 上記負極液タンクと上記セルとの間で上記負極
液を循環させる第２の循環経路と、を備え、 上記正極液タンクより上記正極に上記第１の循
環経路を通じて上記正極液を、上記負極液タンク
より上記負極に上記第２の循環経路を通じて上記
負極液を供給し、充放電を行ない電池を前提とし
ている。 そして、上記目的を達成するために、充電前の
上記正極液および上記負極液が、ほぼ等モルの正
極活物質および負極活物質を含む同一組成の電解
液で構成されており、さらに、上記正極液タンク
と上記負極液タンクとが、充放電時には閉じてお
り、かつ必要時に一時的に開くことができるよう
にされた、上記セルを通らない第３の循環経路に
よつても接続されている、ことを特徴としてい
る。 充電前の電解液すなわち正極液タンクおよび負
極液タンクの双方に貯蔵される電解液としては、
たとえばCrC₃−FeC₂塩酸溶液を用いること
ができるが、従来よりこの種の電池の電解液とし
て用いられている任意の電極活物質を使用するこ
とができる。 作 用 この考案は、上記したように、まず充電前の正
極液および負極液が、ほぼ等モルの正極活物質お
よび負極活物質を含む同一組成の電解液で構成さ
れているものであり、したがつてセル内での隔膜
の両側すなわち正極セルと負極セルとの間に電極
活物質の濃度勾配が生じないため、隔膜を介した
電極活物質の移動が起こらない。 また、正極液タンクと負極液タンクとが、充放
電時には閉じており、かつ必要時に一時的に開く
ことができるようにされた、上記セルを通らない
第３の循環経路によつても接続されているため、
後述する実施例の説明から明らかなように、正極
液および負極液を放電動作の後に該経路により混
合することができ、したがつて放電動作時に未反
応の電極活物質が存在したとしても、他方側の未
反応の電極活物質と反応し、その結果正極活物質
および負極活物質濃度は、使用開始当初と同一に
保たれ得る。 実施例の説明 第１図は、この考案の一実施例を示す概略構成
図である。第１図に示した実施例もまた、第５図
に示した従来のレドツクスフロー電池１と同様に
２タンク方式の構成の電池であり、流通型電解セ
ル２２と、正極液タンク２３および負極液タンク
２４とを備える。正極液タンク２３および負極液
タンク２４は、それぞれ、隔膜２５で仕切られた
セル２２内の正極セル２２ａおよび負極セル２２
ｂに、導管３１……３４により接続されている。
導管３２と３１は、正極液タンク２３とセル２２
との間で正極液を循環させる第１の循環経路を形
成する。また、導管３３と３４は、負極液タンク
２４とセル２２との間で負極液を循環させる第２
の循環経路を形成する。ここまでは、第５図に示
した従来のレドツクスフロー電池と同様の構成で
ある。 この実施例の特徴は、正極液タンク２３と負極
液タンク２４とが第３の循環経路を形成する導管
４１および４２により、セル２２を介さずに直接
に接続され得るように構成されていることにあ
る。すなわち正極液タンク２３から延びる導管４
１は、負極液タンク２４から延びる導管３３の一
部に三方バルブ４３を介して接続されている。同
様に、導管４２は三方バルブ４４により導管３１
に接続されている。したがつてバルブ４３，４４
を、操作し、導管３１，３３と各タンク２３，２
４を遮断するようにすれば、正極液タンク２３と
負極液タンク２４とが直接接続されることにな
る。 この実施例のもう１つの特徴は、充電前の正極
液タンク２３および負極液タンク２４に貯蔵され
る正極液および負極液が、共に、CrC₃および
FeC₂を等モル含まれた塩酸溶液からなる電解
液が貯蔵されていることにある。 上述のように構成されているので、第１図に示
した実施例において充電動作を行なう場合には、
電解液は、ポンプP₁，P₂により、正極液タンク
２３および負極液タンク２４内に貯蔵された正極
液および負極液（上述のように同一の組成である
ことを想起されたい）は、それぞれ、正極セル２
２ａおよび負極セル２２ｂに供給され、電極反応
を起こし、反応が終了した正極液および負極液
は、再度導管３２，３４を介して正極液タンク２
３および負極液タンク２４に排出される。他方、
充電動作終了後、電力を貯蔵した状態から放電動
作をさせる場合には、再度正極液タンク２３およ
び負極液タンク２４からセル２２の正極セル２２
ａ，負極セル２２ｂに、それぞれ、正極液および
負極液が供給され排出される。 第１図に示した実施例における電極反応は、正
極および負極において、それぞれ次の式により行
なわれる。 正極： Fe²⁺＋Cr³⁺充電 ――――→ ←―――― 放電Fe³⁺＋Cr³⁺＋ｅ 負極： Fe²⁺＋Cr³⁺充電 ――――→ ←―――― 放電Fe²⁺＋Cr²⁺−ｅ ところで、第１図に示した実施例のレドツクス
フロー電池では、充電前の電解液が、正極活物質
としてのFe²⁺および負極活物質としてのCr³⁺を
等モル含んでいるため、セル２２内において隔膜
２５を介した物質移動は効果的に防止され、それ
ゆえに正極セル２２ａおよび負極セル２２ｂ内で
のそれぞれの電極活物質の濃度低下は確実に防止
され得る。すなわち第２Ａ図に充電動作時のセル
２２内を略図的正面図で示すが、この場合矢印Ａ
およびＢで示される物質移動はほとんど生じない
ことになるのである。 同様に、放電動作時においても、隔膜２５を隔
てた物質移動はほとんど起こらず、よつて第２Ｂ
図に略図的正面図で示すように、放電動作時にお
いても矢印ＣおよびＤで示す方向の物質移動は生
じない。ただし、これらの場合にも、電解液の送
液圧力差等による若干の物質移動が生じて正負電
解液組成が異なつてしまう場合があるかもしれな
い。 さらに、第１図に示した実施例では、充電動作
における電極反応を終えた正極液および負極液
は、正極液タンク２３および負極液タンク２４に
排出され貯蔵されているが、この場合正極液タン
ク２３ではFe³⁺およびCr³⁺が存在し、負極液タ
ンク２４内にはFe²⁺およびCr²⁺が存在する。他
方、放電動作時には正極液タンク２３および負極
液タンク２４内の正極液および負極液が、再度セ
ル２２に供給されて電極反応を起こすのである
が、正極液および負極液中のすべての電極物質が
反応するとは限らない。たとえば、正極セル２２
ａにおいて、供給されたFe³⁺の一部が電極反応
を生じず、Fe³⁺のまま再度正極液タンク２３に
排出されることがあり、同様に負極側においても
Cr²⁺が一部未反応のまま負極液タンク２４に排出
されるかもしれない。 しかしながら、このような未反応のFe³⁺およ
びCr²⁺が残存していたとしても、バルブ４３，４
４を操作し、正極液タンク２３と負極液タンク２
４とを導管４１，４２により接続し、両タンク２
３，２４内の正極液および負極液を混合させれ
ば、Fe³⁺とCr²⁺は混合されて反応し、Fe²⁺およ
びCr³⁺に変換される。よつて、たとえ未反応の
Fe³⁺およびCr²⁺が残存したとしても、この反応
により正極液タンク２３および負極液タンク２４
内に貯蔵される電解液をすべてFe²⁺およびCr³⁺
を等モル含む当初の電解液と同一組成とすること
ができる。よつて、長期間にわたり充放電動作を
繰返したとしても、充放電効率の低下は全く生じ
ないことがわかる。 上記の実施例では、電極活物質として、FeC
_２およびCrC₃を用いた場合につき説明したが、
これに限らず、下記の表に示すような種々の電極
活物質を用いることができることは言うまでもな
い。

【表】 なお、正極液タンク２３と負極液タンク２４と
のセル２２を介しない接続構造については、第１
図に示した導管４１，４２およびバルブ４３，４
４を用いたものに限らず、たとえば第３図に示す
ように、正極液タンク２３と負極液タンク２４と
を、２本の導管５１，５２を用いて接続してもよ
く、その場合には両タンク２３，２４内の電解液
を混合するために２個のポンプP₃，P₄が追加さ
れることになる。 考案の効果 以上のように、この考案によれば、充電前の正
極液および負極液が、ほぼ等モルの正極活物質お
よび負極活物質を含む同一組成の電解液で構成さ
れており、さらに、正極液タンクと負極液タンク
とが、充放電時には閉じており、かつ必要時に一
時的に開くことができるようにされた、セルを通
らない第３の循環経路によつても接続されている
ため、セル内での隔膜を介した電極活物質の移動
を防止することができ、また放電動作後に正極液
および負極液を混合することにより電解液を当初
と同一の組成とすることができるので、電力貯蔵
量の低下および充放電効率の低下が極めて小さな
電池構造を実現することが可能となる。 この考案は、レドツクスフロー電池に限らず、
電力貯蔵用２次電池一般に応用し得るものである
ことを指摘しておく。

【図面の簡単な説明】

第１図は、この考案の一実施例の概略構成図で
ある。第２Ａ図および第２Ｂ図は、第１図に示し
た実施例におけるセル内の充電動作時および放電
動作時の反応状態を示す図である。第３図は、こ
の考案の他の実施例を示す概略構成図である。第
４図は、電力需要曲線を示す図である。第５図
は、従来のレドツクスフロー電池の一例を示す概
略構成図である。第６Ａ図および第６Ｂ図は、第
５図に示した従来のレドツクスフロー電池のセル
内の充電動作時および放電動作時の反応状態を示
す略図的部分切欠正面図である。 図において、２２はセル、２３は正極液タン
ク、２４は負極液タンク、２５は隔膜、４１，４
２，５１，５２は正極液タンクと負極液タンクと
セルを介さずに接続するための導管を示す。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 隔膜により分離された正極および負極を、含
   むセルと、 正極液を貯える正極液タンクと、 負極液を貯える負極液タンクと、 前記正極液タンクと前記セルとの間で前記正
   極液を循環させる第１の循環経路と、 前記負極液タンクと前記セルとの間で前記負
   極液を循環させる第２の循環経路と、を備え、 前記正極液タンクより前記正極に前記第１の
   循環経路を通じて前記正極液を、前記負極液タ
   ンクより前記負極に前記第２の循環経路を通じ
   て前記負極液を供給し、充放電を行なう電池に
   おいて、 充電前の前記正極液および前記負極液が、ほ
   ぼ等モルの正極活物質および負極活物質を含む
   同一組成の電解液で構成されており、かつ 前記正極液タンクと前記負極液タンクとが、
   充放電時には閉じており、かつ必要時に一時的
   に開くことができるようにされた、前記セルを
   通らない第３の循環経路によつても接続されて
   いることを特徴とする、電池。 (2) 充電前の電解液が、CrCl₃−FeCl₂塩酸溶液
   である、実用新案登録請求の範囲第１項記載の
   電池。