JPWO2019106723A1 - レドックスフロー電池 - Google Patents
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Abstract
電池セルと、正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留する正極電解液タンク及び負極電解液タンクと、前記各タンクと前記電池セルとの間で前記各電解液を循環させる正極循環流路及び負極循環流路と、一方の開口端が前記正極電解液に浸漬され、中間部が前記両電解液の液面よりも上方に架け渡され、他方の開口端が前記負極電解液に浸漬される管材を有する連通管と、を備えるレドックスフロー電池。
Description
本発明は、レドックスフロー電池に関する。
大容量の蓄電池の一つとして、電池セルに正負の各電解液を循環流通させて充放電を行うレドックスフロー電池（以下、「ＲＦ電池」と呼ぶ場合がある）が知られている（例えば、特許文献１、２を参照）。ＲＦ電池は、電池セルと、正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留する正極電解液タンク及び負極電解液タンクと、各タンクと電池セルとの間で各電解液を循環させる正極循環流路及び負極循環流路とを備える。特許文献１、２には、正極電解液タンクと負極電解液タンクとを連通する連通管を備えるＲＦ電池が記載されている。
本開示のレドックスフロー電池は、
電池セルと、
正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留する正極電解液タンク及び負極電解液タンクと、
前記各タンクと前記電池セルとの間で前記各電解液を循環させる正極循環流路及び負極循環流路と、
一方の開口端が前記正極電解液に浸漬され、中間部が前記両電解液の液面よりも上方に架け渡され、他方の開口端が前記負極電解液に浸漬される管材を有する連通管と、を備える。
電池セルと、
正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留する正極電解液タンク及び負極電解液タンクと、
前記各タンクと前記電池セルとの間で前記各電解液を循環させる正極循環流路及び負極循環流路と、
一方の開口端が前記正極電解液に浸漬され、中間部が前記両電解液の液面よりも上方に架け渡され、他方の開口端が前記負極電解液に浸漬される管材を有する連通管と、を備える。
［本開示が解決しようとする課題］
レドックスフロー電池（ＲＦ電池）では、運転中、充放電の繰返しに伴い、電池セル内において正極電極と負極電極との間に介在される隔膜を通って正負の電解液が一方から他方へ移動する現象（「液移り」と呼ばれる）が生じることがある。これにより、正極電解液タンク及び負極電解液タンク内の電解液の液量に差が生じ、電池容量（放電容量）が低下する場合がある。
レドックスフロー電池（ＲＦ電池）では、運転中、充放電の繰返しに伴い、電池セル内において正極電極と負極電極との間に介在される隔膜を通って正負の電解液が一方から他方へ移動する現象（「液移り」と呼ばれる）が生じることがある。これにより、正極電解液タンク及び負極電解液タンク内の電解液の液量に差が生じ、電池容量（放電容量）が低下する場合がある。
このような液移りによる不具合を解消するため、特許文献１、２では、正極電解液タンクと負極電解液タンクとを連通管で接続し、各タンク内の電解液の液量に差が生じたときに、連通管を介して各タンク内の電解液の液面が同じ高さになるように調整している。しかしながら、特許文献１、２では、連通管が各タンク内の電解液の液面と略同じ位置、或いはそれより低い位置に接続されて配置されている。そのため、各タンクの連通管の接続部から電解液が漏出したり、連通管が破損した場合には連通管から電解液が流出する虞がある。
そこで、本開示は、正極電解液タンク及び負極電解液タンク内の電解液の液量を調整できながら、電解液がタンク外に流出することを抑制できるレドックスフロー電池を提供することを目的とする。
［本開示の効果］
本開示によれば、正極電解液タンク及び負極電解液タンク内の電解液の液量を調整できながら、電解液がタンク外に流出することを抑制できるレドックスフロー電池を提供できる。
本開示によれば、正極電解液タンク及び負極電解液タンク内の電解液の液量を調整できながら、電解液がタンク外に流出することを抑制できるレドックスフロー電池を提供できる。
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。
最初に本願発明の実施態様を列記して説明する。
（１）本願発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、
電池セルと、
正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留する正極電解液タンク及び負極電解液タンクと、
前記各タンクと前記電池セルとの間で前記各電解液を循環させる正極循環流路及び負極循環流路と、
一方の開口端が前記正極電解液に浸漬され、中間部が前記両電解液の液面よりも上方に架け渡され、他方の開口端が前記負極電解液に浸漬される管材を有する連通管と、を備える。
電池セルと、
正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留する正極電解液タンク及び負極電解液タンクと、
前記各タンクと前記電池セルとの間で前記各電解液を循環させる正極循環流路及び負極循環流路と、
一方の開口端が前記正極電解液に浸漬され、中間部が前記両電解液の液面よりも上方に架け渡され、他方の開口端が前記負極電解液に浸漬される管材を有する連通管と、を備える。
上記レドックスフロー電池によれば、連通管の一方及び他方の開口端がそれぞれ正極電解液及び負極電解液に浸漬され、連通管の中間部が両電解液の液面よりも上方に架け渡されている。連通管内に電解液が満たされることによって連通管がサイフォン状態になり、連通管は、各タンク内の電解液の液量に差が生じたときに、サイフォンの原理により両電解液の液面が同じになるように調整する。よって、各タンク内の電解液の液面が維持されるように、電解液の液量を自動的に調整できる。連通管が破損した場合、連通管内に空気が入り込み、サイフォン状態が破られる。連通管の中間部が両電解液の液面よりも上方に配置されているため、破損したとしても、サイフォン状態が破られることによって連通管内の電解液が各タンク内に戻される。よって、連通管が破損したとしても、連通管から電解液がタンク外に流出することを抑制できる。したがって、上記レドックスフロー電池は、正極電解液タンク及び負極電解液タンク内の電解液の液量を調整できながら、電解液がタンク外に流出することを抑制できる。
（２）上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記正極循環流路及び前記負極循環流路の少なくとも一方の循環流路と前記連通管とを接続する導入管と、
前記導入管を開閉する開閉弁と、を備えることが挙げられる。
前記正極循環流路及び前記負極循環流路の少なくとも一方の循環流路と前記連通管とを接続する導入管と、
前記導入管を開閉する開閉弁と、を備えることが挙げられる。
連通管をサイフォン状態にするためには、連通管内に電解液を満たしておく必要がある。上記形態によれば、導入管を備えることで、レドックスフロー電池の始動時に導入管を利用して連通管に電解液を導入することができ、連通管内に電解液を満たすことができる。また、開閉弁を備えており、連通管内に電解液が満たされた状態で開閉弁により導入管を閉じて循環流路と連通管との間を遮断することで、サイフォン状態を形成することができる。
（３）上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記連通管の開口端が前記各タンク内の底部側に位置することが挙げられる。
前記連通管の開口端が前記各タンク内の底部側に位置することが挙げられる。
連通管内に気体が入ると、サイフォン状態が破られる虞がある。各タンク内の電解液の液面近傍では気泡が発生することがあるため、各タンク内の液面に近い位置に連通管の開口端が位置する場合、開口端から気泡が取り込まれ易い。上記形態によれば、連通管の開口端が各タンク内の底部側に位置することで、開口端から気泡が取り込まれ難く、連通管のサイフォン状態が維持され易い。
（４）上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記連通管の開口端が上に向くように形成されていることが挙げられる。
前記連通管の開口端が上に向くように形成されていることが挙げられる。
上記形態によれば、連通管の開口端が上に向くように形成されていることで、開口端から気泡が取り込まれ難く、連通管のサイフォン状態が維持され易い。
（５）上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記連通管に流量調整弁を備えることが挙げられる。
前記連通管に流量調整弁を備えることが挙げられる。
上記形態によれば、連通管に流量調整弁を備えることで、連通管を介してサイフォンの原理により両タンク内の電解液の液量を調整する際に、連通管に流れる電解液の流量（移動量）を流量調整弁によって制御することが可能である。
（６）上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記連通管内から気泡を抜くためのガス抜き配管を備え、
前記ガス抜き配管は、前記連通管に一端が接続され、前記正極循環流路及び前記負極循環流路の少なくとも一方の循環流路に他端が接続されていることが挙げられる。
前記連通管内から気泡を抜くためのガス抜き配管を備え、
前記ガス抜き配管は、前記連通管に一端が接続され、前記正極循環流路及び前記負極循環流路の少なくとも一方の循環流路に他端が接続されていることが挙げられる。
上記形態によれば、ガス抜き配管を備えることで、連通管内に滞留する気泡をガス抜き配管を通して循環流路に排出することができ、連通管のサイフォン状態を維持することが可能である。
［本願発明の実施形態の詳細］
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）の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
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）の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。なお、本願発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
《ＲＦ電池》
実施形態に係るＲＦ電池は、代表的には、交流／直流変換器を介して電力系統に接続され、充電と放電とを行う。充放電は、酸化還元により価数が変化する金属イオンを活物質として含有する正極電解液及び負極電解液を使用し、正極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位と、負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位との差を利用して行う。
実施形態に係るＲＦ電池は、代表的には、交流／直流変換器を介して電力系統に接続され、充電と放電とを行う。充放電は、酸化還元により価数が変化する金属イオンを活物質として含有する正極電解液及び負極電解液を使用し、正極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位と、負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位との差を利用して行う。
図１〜図２を参照して、実施形態に係るＲＦ電池１の一例を説明する。実施形態のＲＦ電池１は、図１に示すように、電池セル１００と、正極電解液タンク１０６及び負極電解液タンク１０７と、正極循環流路１２０及び負極循環流路１３０とを備える。ＲＦ電池１の特徴の１つは、サイフォンの原理により正極電解液タンク１０６及び負極電解液タンク１０７内の両電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面が同じになるように調整する連通管４０を備える点にある。以下、ＲＦ電池１の構成について詳しく説明する。
（電池セル）
電池セル１００は、図１に示すように、正極電極１０４と、負極電極１０５と、両電極１０４、１０５間に介在される隔膜１０１とを有し、隔膜１０１を挟んで正極セル１０２と負極セル１０３とが形成されている。隔膜１０１は、例えば水素イオンを透過するイオン交換膜である。電池セル１００（正極セル１０２及び負極セル１０３）には、正極循環流路１２０及び負極循環流路１３０が接続され、正極電解液１０Ｐ及び負極電解液１０Ｎが循環する。電解液１０Ｐ、１０Ｎは、活物質として同種の金属イオンを含有するものが挙げられる。電解液１０Ｐ、１０Ｎとしては、例えば、バナジウムイオンを含有する電解液、マンガンイオン又はチタンイオン、或いはマンガンイオン及びチタンイオンの双方を含有する電解液などが挙げられる。
電池セル１００は、図１に示すように、正極電極１０４と、負極電極１０５と、両電極１０４、１０５間に介在される隔膜１０１とを有し、隔膜１０１を挟んで正極セル１０２と負極セル１０３とが形成されている。隔膜１０１は、例えば水素イオンを透過するイオン交換膜である。電池セル１００（正極セル１０２及び負極セル１０３）には、正極循環流路１２０及び負極循環流路１３０が接続され、正極電解液１０Ｐ及び負極電解液１０Ｎが循環する。電解液１０Ｐ、１０Ｎは、活物質として同種の金属イオンを含有するものが挙げられる。電解液１０Ｐ、１０Ｎとしては、例えば、バナジウムイオンを含有する電解液、マンガンイオン又はチタンイオン、或いはマンガンイオン及びチタンイオンの双方を含有する電解液などが挙げられる。
電池セル１００は、単数の電池セル１００を備える単セルで構成されていてもよいし、複数の電池セル１００を備える多セルで構成されていてもよい。多セルの場合、図２に示すような、電池セル１００を複数積層してなるセルスタック２と呼ばれる形態が利用される。セルスタック２は、サブスタック２００をその両側から２枚のエンドプレート２２０で挟み込み、両側のエンドプレート２２０を締付機構２３０で締め付けることで構成されている（図２の下図参照）。図２では、複数のサブスタック２００を備える形態を例示している。サブスタック２００は、セルフレーム３、正極電極１０４、隔膜１０１、及び負極電極１０５を順に複数積層してなり（図２の上図参照）、その積層体の両端に給排板２１０が配置された構成である。セルスタック２における電池セル１００の積層数は適宜選択できる。
セルフレーム３は、図２の上図に示すように、正極電極１０４と負極電極１０５との間に配置される双極板３１と、双極板３１の周囲に設けられる枠体３２とを有する。双極板３１の一面側には、正極電極１０４が配置され、双極板３１の他面側には、負極電極１０５が配置される。枠体３２の内側には、双極板３１が設けられ、双極板３１と枠体３２により凹部３２ｏが形成される。凹部３２ｏは、双極板３１の両側にそれぞれ形成されている。各凹部３２ｏに正極電極１０４及び負極電極１０５が双極板３１を挟んで収納され、隣接する各セルフレーム３の枠体３２の一面側と他面側とが互いに対向して突き合わされる。サブスタック２００（セルスタック２）では、隣接する各セルフレーム３の双極板３１の間に、隔膜１０１を挟んで正極電極１０４及び負極電極１０５が配置され、１つの電池セル１００が形成されることになる。各セルフレーム３の枠体３２の間には、電解液の漏洩を抑制するため、Ｏリングや平パッキンなどの環状のシール部材３７が配置されている。
双極板３１は、例えば、プラスチックカーボンなどで形成され、枠体３２は、例えば、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などのプラスチックで形成されている。この例では、セルフレーム３は、双極板３１の周囲に枠体３２が射出成型などにより一体化されている。
電池セル１００への電解液の流通は、給排板２１０（図２の下図参照）を介して、図２の上図に示すセルフレーム３の枠体３２に貫通して設けられた給液マニホールド３３、３４及び排液マニホールド３５、３６と、枠体３２に形成された給液スリット３３ｓ、３４ｓ及び排液スリット３５ｓ、３６ｓにより行われる。この例に示すセルフレーム３（枠体３２）の場合、正極電解液は、枠体３２の下部に設けられた給液マニホールド３３から枠体３２の一面側に形成された給液スリット３３ｓを介して正極電極１０４に供給され、枠体３２の上部に形成された排液スリット３５ｓを介して排液マニホールド３５に排出される。同様に、負極電解液は、枠体３２の下部に設けられた給液マニホールド３４から枠体３２の他面側に形成された給液スリット３４ｓを介して負極電極１０５に供給され、枠体３２の上部に形成された排液スリット３６ｓを介して排液マニホールド３６に排出される。双極板３１が設けられる枠体３２の内側の下縁部及び上縁部には、縁部に沿って整流部（図示せず）が形成されていてもよい。整流部は、給液スリット３３ｓ、３４ｓから供給される各電解液を各電極１０４、１０５の下縁部に沿って拡散させたり、各電極１０４、１０５の上縁部から排出される各電解液を排液スリット３５ｓ、３６ｓへ集約する機能を有する。
（正極電解液タンク及び負極電解液タンク）
正極電解液タンク１０６及び負極電解液タンク１０７は、図１に示すように、正極電解液１０Ｐ及び負極電解液１０Ｎをそれぞれ貯留する。各タンク１０６、１０７の形状は同じで、容量も同じである。各タンク１０６、１０７内の上部側（電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも上側）は気相部になっている。各タンク１０６、１０７は、各循環流路１２０、１３０の往路配管１０８、１０９及び復路配管１１０、１１１が接続される出口部６１、７１及び入口部６２、７２を有する。この例では、出口部６１、７１及び入口部６２、７２は、各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも高い位置、具体的には、各タンク１０６、１０７の上部に設けられている。出口部６１、７１及び入口部６２、７２にはそれぞれ、開閉弁６６、７６が取り付けられている。
正極電解液タンク１０６及び負極電解液タンク１０７は、図１に示すように、正極電解液１０Ｐ及び負極電解液１０Ｎをそれぞれ貯留する。各タンク１０６、１０７の形状は同じで、容量も同じである。各タンク１０６、１０７内の上部側（電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも上側）は気相部になっている。各タンク１０６、１０７は、各循環流路１２０、１３０の往路配管１０８、１０９及び復路配管１１０、１１１が接続される出口部６１、７１及び入口部６２、７２を有する。この例では、出口部６１、７１及び入口部６２、７２は、各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも高い位置、具体的には、各タンク１０６、１０７の上部に設けられている。出口部６１、７１及び入口部６２、７２にはそれぞれ、開閉弁６６、７６が取り付けられている。
また、各タンク１０６、１０７は、各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも高い位置に連通管４０が接続される開口部６４、７４を有する。この例では、各タンク１０６、１０７の上部に開口部６４、７４が設けられている。開口部６４、７４には、開閉弁６７、７７が取り付けられている。
（正極循環流路及び負極循環流路）
正極循環流路１２０及び負極循環流路１３０は、図１に示すように、各タンク１０６、１０７と電池セル１００との間を接続し、各タンク１０６、１０７と電池セル１００との間で各電解液１０Ｐ、１０Ｎを循環させる。正極循環流路１２０は、正極電解液タンク１０６から正極セル１０２へ正極電解液１０Ｐを送る往路配管１０８と、正極セル１０２から正極電解液タンク１０６へ正極電解液１０Ｐを戻す復路配管１１０とを有する。負極循環流路１３０は、負極電解液タンク１０７から負極セル１０３へ負極電解液１０Ｎを送る往路配管１０９と、負極セル１０３から負極電解液タンク１０７へ負極電解液１０Ｎを戻す復路配管１１１とを有する。各循環流路１２０、１３０の往路配管１０８、１０９は各タンク１０６、１０７の出口部６１、７１に接続され、復路配管１１０、１１１は各タンク１０６、１０７の入口部６２、７２に接続される。
正極循環流路１２０及び負極循環流路１３０は、図１に示すように、各タンク１０６、１０７と電池セル１００との間を接続し、各タンク１０６、１０７と電池セル１００との間で各電解液１０Ｐ、１０Ｎを循環させる。正極循環流路１２０は、正極電解液タンク１０６から正極セル１０２へ正極電解液１０Ｐを送る往路配管１０８と、正極セル１０２から正極電解液タンク１０６へ正極電解液１０Ｐを戻す復路配管１１０とを有する。負極循環流路１３０は、負極電解液タンク１０７から負極セル１０３へ負極電解液１０Ｎを送る往路配管１０９と、負極セル１０３から負極電解液タンク１０７へ負極電解液１０Ｎを戻す復路配管１１１とを有する。各循環流路１２０、１３０の往路配管１０８、１０９は各タンク１０６、１０７の出口部６１、７１に接続され、復路配管１１０、１１１は各タンク１０６、１０７の入口部６２、７２に接続される。
各往路配管１０８、１０９の端部は、各タンク１０６、１０７の出口部６１、７１から各タンク１０６、１０７内に挿入され、端部の開口端８１、９１が各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも低い位置に設けられている。つまり、各往路配管１０８、１０９の開口端８１、９１が各電解液１０Ｐ、１０Ｎに浸漬されており、それぞれの開口端８１、９１から各電解液１０Ｐ、１０Ｎが取り込まれる。この例では、各往路配管１０８、１０９の開口端８１、９１が各タンク１０６、１０７内の底部側に位置する。ここでいう「各タンク内の底部側」とは、電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも下側であって、各タンク１０６、１０７の底面から電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面までの高さをｈとするとき、各タンク１０６、１０７の底面からｈ／２以下の範囲をいう。
各往路配管１０８、１０９には、各タンク１０６、１０７から各電解液１０Ｐ、１０Ｎを吸い上げて圧送するポンプ１１２、１１３が設けられている。充放電を行う運転時、各ポンプ１１２、１１３により、各電解液１０Ｐ、１０Ｎが電池セル１００（正極セル１０２及び負極セル１０３）に循環される。充放電を行わない待機時には、各ポンプ１１２、１１３が停止され、各電解液１０Ｐ、１０Ｎが循環されない。
（連通管）
連通管４０は、図１に示すように、一方の開口端４１が正極電解液１０Ｐに浸漬され、中間部４３が両電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも上方に架け渡され、他方の開口端４２が負極電解液１０Ｎに浸漬される管材であり、各タンク１０６、１０７内の液相部同士を連通する。連通管４０は、各タンク１０６、１０７の開口部６４、７４に接続される。この例では、連通管４０の両端部が各タンク１０６、１０７の開口部６４、７４から各タンク１０６、１０７内に挿入され、両端部の開口端４１、４２が各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも低い位置にそれぞれ設けられている。中間部４３は、各タンク１０６、１０７よりも高い位置に取り付けられている。また、この例では、連通管４０の開口端４１、４２が各タンク１０６、１０７内の底部側に位置する。
連通管４０は、図１に示すように、一方の開口端４１が正極電解液１０Ｐに浸漬され、中間部４３が両電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも上方に架け渡され、他方の開口端４２が負極電解液１０Ｎに浸漬される管材であり、各タンク１０６、１０７内の液相部同士を連通する。連通管４０は、各タンク１０６、１０７の開口部６４、７４に接続される。この例では、連通管４０の両端部が各タンク１０６、１０７の開口部６４、７４から各タンク１０６、１０７内に挿入され、両端部の開口端４１、４２が各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも低い位置にそれぞれ設けられている。中間部４３は、各タンク１０６、１０７よりも高い位置に取り付けられている。また、この例では、連通管４０の開口端４１、４２が各タンク１０６、１０７内の底部側に位置する。
連通管４０は、連通管４０内に電解液が満たされることによりサイフォン状態になる。これにより、各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液量に差が生じたときに、サイフォンの原理により両電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面が同じ高さになるように調整する。連通管４０（特に、中間部４３）を構成する管材が透明材料で形成されている場合、連通管４０内に電解液が満たされていることを外から視認できる。中間部４３における頂部（最も高い位置となる部分）に窓部を設け、この窓部を透明材料で形成してもよい。透明材料としては、例えば、塩化ビニル樹脂などの透明樹脂やガラスが挙げられる。
連通管４０は、サイフォンの原理が成立するように適宜設計すればよい。以下では、図３を主に参照して、連通管の寸法について説明する。
各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面から連通管４０の頂部までの高さＨを高くし過ぎると、サイフォンの原理による電解液の移送が不可能になる。サイフォンの原理が成立する最大高さＨｍａｘは、タンク内の圧力Ｐ０（Ｎ／ｍ２）、電解液の密度ρ（ｋｇ／ｍ３）、重力加速度ｇ（ｍ／ｓ２）とするとき、次式により求まる。
Ｈｍａｘ＝Ｐ０／ρ・ｇ
ここで、圧力Ｐ０が大気圧（１．０１３×１０５Ｎ／ｍ２）と等しく、電解液の密度ρが１４００ｋｇ／ｍ３である場合、Ｈｍａｘは７．３８ｍになる。よって、中間部４３の取付高さ（高さＨに相当）は、各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面から７．３８ｍ未満とすることが挙げられる。
Ｈｍａｘ＝Ｐ０／ρ・ｇ
ここで、圧力Ｐ０が大気圧（１．０１３×１０５Ｎ／ｍ２）と等しく、電解液の密度ρが１４００ｋｇ／ｍ３である場合、Ｈｍａｘは７．３８ｍになる。よって、中間部４３の取付高さ（高さＨに相当）は、各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面から７．３８ｍ未満とすることが挙げられる。
また、連通管４０の長さＬが長くなると、連通管４０内の摩擦抵抗が増加して損失ヘッドが大きくなり、連通管４０に流れる電解液の流速が低下するため、電解液の液面の調整に時間がかかる。電解液の液面の調整は、例えば１０分（６００秒）以内に完了することが望ましい。よって、連通管４０の長さＬは、連通管４０に流れる電解液の流速が一定以上確保されるように設定することが望ましく、例えば１５ｍ、更に１０ｍ以下とすることが挙げられる。
連通管４０の内径ｄも適宜設定すればよく、例えば１０ｍｍ以上１５０ｍｍ以下、更に２０ｍｍ以上１００ｍｍ以下とすることが挙げられる。なお、連通管４０の内径ｄによっても損失ヘッドの大きさが変わり、内径ｄが小さいほど、損失ヘッドが大きくなる。よって、連通管４０の長さＬは内径ｄに応じて適宜設定することが望ましい。具体的には、各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液量に差が生じたときに、両電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面が同じ高さになるまでの時間が１０分（６００秒）以内となるように設定することが望ましい。この場合、例えば、連通管４０の長さＬは内径ｄの１００倍以下とする（Ｌ≦１００ｄ）ことが挙げられ、具体的には、内径ｄが１００ｍｍでは長さＬは１０ｍ以下、ｄが５０ｍｍではＬは４．５ｍ以下、ｄが２０ｍｍではＬは１．７ｍ以下とすることが挙げられる。
（導入管）
図１に例示するＲＦ電池１は、正極循環流路１２０と連通管４０とを接続する導入管５０と、導入管５０を開閉する開閉弁５１とを備える。この例では、導入管５０は、正極循環流路１２０の往路配管１０８から分岐するように一端が接続され、導入管５０の他端が連通管４０の中間部４３に接続されている。また、この例では、往路配管１０８における導入管５０との接続箇所より下流側（電池セル１００側）に開閉弁６９が設けられている。
図１に例示するＲＦ電池１は、正極循環流路１２０と連通管４０とを接続する導入管５０と、導入管５０を開閉する開閉弁５１とを備える。この例では、導入管５０は、正極循環流路１２０の往路配管１０８から分岐するように一端が接続され、導入管５０の他端が連通管４０の中間部４３に接続されている。また、この例では、往路配管１０８における導入管５０との接続箇所より下流側（電池セル１００側）に開閉弁６９が設けられている。
導入管５０及び開閉弁５１は、ＲＦ電池１の始動時に連通管４０内に電解液を満たしてサイフォン状態を形成するために使用される。具体的には、ＲＦ電池１の始動時、開閉弁５１を開いて往路配管１０８と連通管４０とが導入管５０を介して連通した状態でポンプ１１２を起動し、連通管４０に電解液１０Ｐを流通させる。これにより、連通管４０に電解液１０Ｐを導入して、連通管４０内に電解液を満たすことができる。そして、連通管４０内に電解液が満たされた状態で開閉弁５１により導入管５０を閉じて往路配管１０８と連通管４０との間を遮断し、連通管４０内を液密状態とすることで、サイフォン状態が形成される。ＲＦ電池１の始動後、運転中は開閉弁５１が常時閉状態となる。
ここで、ＲＦ電池１のメンテナンス時など、例えば連通管４０をタンク１０６、１０７から取り外すときは、ポンプ１１２を停止し、開閉弁５１を開状態とする。これにより、サイフォン状態が解除され、連通管４０内の電解液が各タンク１０６、１０７内に戻されるため、メンテナンス作業が容易になる。また、連通管４０をタンク１０６、１０７から取り外した後、開閉弁６７、７７を閉じることで、開口部６４、７４からタンク１０６、１０７内に空気が入り込むことを防止できる。よって、メンテナンス中、電解液１０Ｐ、１０Ｎの酸化を抑制できる。
この例では、導入管５０を正極循環流路１２０（往路配管１０８）に接続して取り付ける場合を例に挙げて説明したが、導入管５０は負極循環流路１３０（往路配管１０９）に取り付けてよいし、両方の循環流路１２０、１３０に取り付けることも可能である。
（気相連通管）
図１に例示するＲＦ電池１は、各タンク１０６、１０７内の気相部同士を連通する気相連通管４５を備える。この気相連通管４５により、両タンク１０６、１０７内の圧力を同じにすることができる。気相連通管４５は、各タンク１０６、１０７の上方に架け渡されるように配置されており、この例では、各タンク１０６、１０７の上部に設けられた開口部６５、７５に気相連通管４５が接続されている。開口部６５、７５には、開閉弁６８、７８が取り付けられている。
図１に例示するＲＦ電池１は、各タンク１０６、１０７内の気相部同士を連通する気相連通管４５を備える。この気相連通管４５により、両タンク１０６、１０７内の圧力を同じにすることができる。気相連通管４５は、各タンク１０６、１０７の上方に架け渡されるように配置されており、この例では、各タンク１０６、１０７の上部に設けられた開口部６５、７５に気相連通管４５が接続されている。開口部６５、７５には、開閉弁６８、７８が取り付けられている。
｛実施形態の効果｝
上述した実施形態に係るＲＦ電池１は、次の作用効果を奏する。
上述した実施形態に係るＲＦ電池１は、次の作用効果を奏する。
連通管４０を備えることで、ＲＦ電池１の運転中、各タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液量に差が生じたときは、連通管４０を介してサイフォンの原理により両電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面が同じになるように自動的に調整できる。また、連通管４０の中間部４３が両電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも上方に配置されているため、破損したとしても、サイフォン状態が破られることによって連通管４０内の電解液が各タンク１０６、１０７内に戻される。よって、連通管４０が破損したとしても、連通管４０から電解液がタンク１０６、１０７外に流出することを抑制できる。更に、各タンク１０６、１０７において、両電解液１０Ｐ、１０Ｎの液面よりも高い位置に連通管４０が接続される開口部６４、７４が設けられているため、開口部６４、７４から電解液１０Ｐ、１０Ｎが漏出することがない。よって、正極電解液タンク１０６及び負極電解液タンク１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液量を自動的に調整できながら、電解液１０Ｐ、１０Ｎがタンク１０６、１０７外に流出することを効果的に抑制できる。
導入管５０及び開閉弁５１を備えることで、ＲＦ電池１の始動時に連通管４０内に電解液を満たしてサイフォン状態を形成することができる。
連通管４０の開口端４１、４２が各タンク１０６、１０７内の底部側に位置するため、開口端４１、４２から気泡が取り込まれ難く、連通管４０のサイフォン状態が維持され易い。
更に、図４に示すように、連通管４０の両端部の先端がＪ字状に屈曲して、開口端４１、４２が上に向くように形成されていると、開口端４１、４２から気泡が取り込まれ難く、サイフォン状態がより維持され易い。
図５、図６を参照して、実施形態に係るＲＦ電池１の変形例を説明する。
［変形例１］
図５に示す変形例１のＲＦ電池１は、連通管４０に流量調整弁４４を備える点が上述した図１に示す実施形態と相違しており、その他の構成は同様である。
図５に示す変形例１のＲＦ電池１は、連通管４０に流量調整弁４４を備える点が上述した図１に示す実施形態と相違しており、その他の構成は同様である。
（流量調整弁）
流量調整弁４４は、連通管４０の途中に設けられており、連通管４０に流れる電解液の流量を制御する。この例では、図５に示すように、流量調整弁４４が連通管４０の中間部４３に設けられている。変形例１のＲＦ電池１では、連通管４０を介して両タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液量を調整する際に、電解液の流量（移動量）を流量調整弁４４によって制御することが可能である。また、場合によっては、流量調整弁４４を閉じて、電解液の移送を停止することも可能である。この例では、流量調整弁４４が電動弁である。
流量調整弁４４は、連通管４０の途中に設けられており、連通管４０に流れる電解液の流量を制御する。この例では、図５に示すように、流量調整弁４４が連通管４０の中間部４３に設けられている。変形例１のＲＦ電池１では、連通管４０を介して両タンク１０６、１０７内の電解液１０Ｐ、１０Ｎの液量を調整する際に、電解液の流量（移動量）を流量調整弁４４によって制御することが可能である。また、場合によっては、流量調整弁４４を閉じて、電解液の移送を停止することも可能である。この例では、流量調整弁４４が電動弁である。
［変形例２］
図６に示す変形例２のＲＦ電池１は、連通管４０内から気泡を抜くためのガス抜き配管５５を備える点が上述した図１に示す実施形態と相違しており、その他の構成は同様である。
図６に示す変形例２のＲＦ電池１は、連通管４０内から気泡を抜くためのガス抜き配管５５を備える点が上述した図１に示す実施形態と相違しており、その他の構成は同様である。
（ガス抜き配管）
ガス抜き配管５５は、連通管４０内に誤って取り込まれた気泡を連通管４０内から排出するために使用される。ガス抜き配管５５は、連通管４０に一端が接続され、正極循環流路１２０及び負極循環流路１３０の少なくとも一方の循環流路に他端が接続されている。この例では、図６に示すように、ガス抜き配管５５の一端が連通管４０から分岐するように中間部４３に接続され、ガス抜き配管５５の他端が負極循環流路１３０の往路配管１０９に合流するように接続されている。より具体的には、ガス抜き配管５５の一端が中間部４３における頂部に接続され、ガス抜き配管５５の他端が往路配管１０９のポンプ１１３より上流側（タンク１０７側）に接続されている。
ガス抜き配管５５は、連通管４０内に誤って取り込まれた気泡を連通管４０内から排出するために使用される。ガス抜き配管５５は、連通管４０に一端が接続され、正極循環流路１２０及び負極循環流路１３０の少なくとも一方の循環流路に他端が接続されている。この例では、図６に示すように、ガス抜き配管５５の一端が連通管４０から分岐するように中間部４３に接続され、ガス抜き配管５５の他端が負極循環流路１３０の往路配管１０９に合流するように接続されている。より具体的には、ガス抜き配管５５の一端が中間部４３における頂部に接続され、ガス抜き配管５５の他端が往路配管１０９のポンプ１１３より上流側（タンク１０７側）に接続されている。
ガス抜き配管５５には、逆止弁５６を備える。逆止弁５６は、ガス抜き配管５５の途中に設けられ、負極循環流路１３０（往路配管１０９）から連通管４０への流通を阻止する。更に、この例では、逆止弁５６より下流側（往路配管１０９側）に開閉弁５７が設けられている。開閉弁５７は、連通管４０内から気泡を抜くときは開状態とし、連通管４０内から気泡を抜く必要がないときは閉状態とする。
変形例２のＲＦ電池１では、連通管４０内に誤って気泡が取り込まれた場合に、ポンプ１１３の吸引を利用して、連通管４０内に滞留する気泡をガス抜き配管５５を通して負極循環流路１３０（往路配管１０９）に排出することができる。よって、連通管４０のサイフォン状態を維持することが可能である。また、ガス抜き配管５５に逆止弁５６が設けられているので、ポンプ１１３が停止して往路配管１０９が空の状態になっても、往路配管１０９から連通管４０への気体の侵入を阻止できる。そのため、ポンプ１１３が停止しても、連通管４０のサイフォン状態が維持されることになり、連通管４０内の電解液が各タンク１０６、１０７内に戻されることもない。
更に、開閉弁５７の開度を調整することで、ガス抜き配管５５に流れる電解液の流量を制御し、連通管４０から往路配管１０９へ電解液が不用意に流出することを抑制できる。具体的には、ポンプ１１３の吸引でガス抜き配管５５を通して連通管４０から往路配管１０９へ電解液を少量ずつ送り、連通管４０内に滞留する気泡を効率的に取り除く。また、ＲＦ電池１のメンテナンス時など、連通管４０を取り外すときは、開閉弁５７を閉じることで、往路配管１０９内に空気が入り込むことを防止できる。
{実施形態の用途}
実施形態に係るレドックスフロー電池は、負荷平準化用途、瞬低補償や非常用電源などの用途、大量導入が進められている太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの出力平滑化用途などに利用できる。
実施形態に係るレドックスフロー電池は、負荷平準化用途、瞬低補償や非常用電源などの用途、大量導入が進められている太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの出力平滑化用途などに利用できる。
１ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
２ セルスタック
３ セルフレーム
３１ 双極板
３２ 枠体
３２ｏ 凹部
３３、３４ 給液マニホールド
３５、３６ 排液マニホールド
３３ｓ、３４ｓ 給液スリット
３５ｓ、３６ｓ 排液スリット
３７ シール部材
４０ 連通管
４１、４２ 開口端
４３ 中間部
４４ 流量調整弁
４５ 気相連通管
５０ 導入管
５１ 開閉弁
５５ ガス抜き配管
５６ 逆止弁
５７ 開閉弁
６１、７１ 出口部
６２、７２ 入口部
６４、７４ 開口部
６５、７５ 開口部
６６、６７、６８、６９、７６、７７、７８ 開閉弁
８１、９１ 開口端
１００ 電池セル
１０１ 隔膜
１０２ 正極セル
１０３ 負極セル
１０４ 正極電極
１０５ 負極電極
１０６ 正極電解液タンク
１０７ 負極電解液タンク
１０８、１０９ 往路配管
１１０、１１１ 復路配管
１１２、１１３ ポンプ
１２０ 正極循環流路
１３０ 負極循環流路
１０Ｐ 正極電解液
１０Ｎ 負極電解液
２００ サブスタック
２１０ 給排板
２２０ エンドプレート
２３０ 締付機構
２ セルスタック
３ セルフレーム
３１ 双極板
３２ 枠体
３２ｏ 凹部
３３、３４ 給液マニホールド
３５、３６ 排液マニホールド
３３ｓ、３４ｓ 給液スリット
３５ｓ、３６ｓ 排液スリット
３７ シール部材
４０ 連通管
４１、４２ 開口端
４３ 中間部
４４ 流量調整弁
４５ 気相連通管
５０ 導入管
５１ 開閉弁
５５ ガス抜き配管
５６ 逆止弁
５７ 開閉弁
６１、７１ 出口部
６２、７２ 入口部
６４、７４ 開口部
６５、７５ 開口部
６６、６７、６８、６９、７６、７７、７８ 開閉弁
８１、９１ 開口端
１００ 電池セル
１０１ 隔膜
１０２ 正極セル
１０３ 負極セル
１０４ 正極電極
１０５ 負極電極
１０６ 正極電解液タンク
１０７ 負極電解液タンク
１０８、１０９ 往路配管
１１０、１１１ 復路配管
１１２、１１３ ポンプ
１２０ 正極循環流路
１３０ 負極循環流路
１０Ｐ 正極電解液
１０Ｎ 負極電解液
２００ サブスタック
２１０ 給排板
２２０ エンドプレート
２３０ 締付機構
Claims (6)
- 電池セルと、
正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留する正極電解液タンク及び負極電解液タンクと、
前記各タンクと前記電池セルとの間で前記各電解液を循環させる正極循環流路及び負極循環流路と、
一方の開口端が前記正極電解液に浸漬され、中間部が前記両電解液の液面よりも上方に架け渡され、他方の開口端が前記負極電解液に浸漬される管材を有する連通管と、を備えるレドックスフロー電池。 - 前記正極循環流路及び前記負極循環流路の少なくとも一方の循環流路と前記連通管とを接続する導入管と、
前記導入管を開閉する開閉弁と、を備える請求項１に記載のレドックスフロー電池。 - 前記連通管の開口端が前記各タンク内の底部側に位置する請求項１又は請求項２に記載のレドックスフロー電池。
- 前記連通管の開口端が上に向くように形成されている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記連通管に流量調整弁を備える請求項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。
- 前記連通管内から気泡を抜くためのガス抜き配管を備え、
前記ガス抜き配管は、前記連通管に一端が接続され、前記正極循環流路及び前記負極循環流路の少なくとも一方の循環流路に他端が接続されている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
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