JPWO2019171603A1 - セル、セルスタック、レドックスフロー電池、及びレドックスフロー電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
正極電極と負極電極と両電極の間に介在される隔膜とを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルであって、
前記隔膜は、前記隔膜を平面視したときの少なくとも中央側に、水素イオン透過能を有するイオン透過部を備え、
前記正極電極及び前記負極電極の平面面積が共に250cm2以上で、かつ前記イオン透過部の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さく、
更に前記イオン透過部のうち、実際に前記正極電極及び前記負極電極に対向する対向部の平面面積は、前記正極電極及び前記負極電極のうちの小さい方の平面面積の50%以上99.9%以下である。
本開示のセルを複数積層した積層体と、
前記積層体をその積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートと、を備える。
本開示のセルスタックと、
前記セルに正極電解液を循環させる正極循環機構と、
前記セルに負極電解液を循環させる負極循環機構と、を備える。
本開示のレドックスフロー電池と、
前記レドックスフロー電池に繋がる電力系統の停電を検知する検知装置と、
前記検知装置の検知結果に基づいて、前記セル内に残存する前記正極電解液と前記負極電解液とで、前記正極循環機構及び前記負極循環機構を動作させる制御部と、を備える。
レドックスフロー電池システムは、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できない。レドックスフロー電池システムでは、セル内に電解液を循環させる循環ポンプが停止すると、継続的に充放電できないからである。その対策として、特許文献1では、電力系統の停電時に循環ポンプを駆動する無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply:UPS)が設けられている。しかし、循環ポンプを動作させる電力をまかなうためのUPSはレドックスフロー電池の電池容量に応じて大型化するため、設置スペースを多く必要とするという問題や、設置コストがかかるという問題がある。
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
正極電極と負極電極と両電極の間に介在される隔膜とを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルであって、
前記隔膜は、前記隔膜を平面視したときの少なくとも中央側に、水素イオン透過能を有するイオン透過部を備え、
前記正極電極及び前記負極電極の平面面積が共に250cm2以上で、かつ前記イオン透過部の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さく、
更に前記イオン透過部のうち、実際に前記正極電極及び前記負極電極に対向する対向部の平面面積は、前記正極電極及び前記負極電極のうちの小さい方の平面面積の50%以上99.9%以下である。
前記隔膜の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さい形態を挙げることができる。
双極板と枠体とを有し、前記隔膜をその一面側と他面側から挟み込む第一セルフレーム及び第二セルフレームと、
前記隔膜と、前記第一セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記正極電極を収納する正極空間と、
前記隔膜と、前記第二セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記負極電極を収納する負極空間と、
前記隔膜に接することなく前記枠体の内周縁の全周にわたって接する外周部、及び前記隔膜の外周縁の全周にわたって接する内周部を有する枠シールと、を備える形態を挙げることができる。
前記隔膜は、前記イオン透過部と、その外周を取り囲む枠状のイオン非透過部と、を備え、
前記隔膜の平面面積が、前記正極電極と前記負極電極のいずれの平面面積よりも大きい形態を挙げることができる。
双極板と枠体とを有し、前記隔膜をその一面側と他面側から挟み込む第一セルフレーム及び第二セルフレームと、
前記隔膜と、前記第一セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記正極電極を収納する正極空間と、
前記隔膜と、前記第二セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記負極電極を収納する負極空間と、を備え、
前記隔膜の前記イオン非透過部が、前記第一セルフレームの前記枠体の内周縁と、前記第二セルフレームの前記枠体の内周縁とに接する形態を挙げることができる。
前記正極電極と前記負極電極の厚さは共に、0.1mm以上4mm以下である形態を挙げることができる。
上記<1>から<6>のいずれかのセルを複数積層した積層体と、
前記積層体をその積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートと、を備える。
上記<7>のセルスタックと、
前記セルに正極電解液を循環させる正極循環機構と、
前記セルに負極電解液を循環させる負極循環機構と、を備える。
上記<8>のレドックスフロー電池と、
前記レドックスフロー電池に繋がる電力系統の停電を検知する検知装置と、
前記検知装置の検知結果に基づいて、前記セル内に残存する前記正極電解液と前記負極電解液とで、前記正極循環機構及び前記負極循環機構を動作させる制御部と、を備える。
[1]UPSの設置スペースを確保する必要がないため、レドックスフロー電池システムの設置場所の自由度が高い。
[2]UPSの設置スペースに利用していた空間により大型のタンクを設置するなどして、レドックスフロー電池システムの電池容量の向上を図ることができる。
[3]UPSの設置の手間、コストを削減することができる。
以下、本開示のセル、セルスタック、レドックスフロー電池、及びレドックスフロー電池システムの実施形態を説明する。なお、本願発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、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の全ての変更が含まれることを意図する。
実施形態に係るセル、セルスタック、レドックスフロー電池、及びレドックスフロー電池システムの説明に先立ち、レドックスフロー電池(以下、RF電池)の基本構成を図1に基づいて説明する。
RF電池は、電解液循環型の蓄電池の一つであって、太陽光発電や風力発電といった新エネルギーの蓄電などに利用されている。このRF電池の動作原理を図1に基づいて説明する。RF電池は、正極電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位と、負極電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位との差を利用して充放電を行う電池である。RF電池は、電力変換器91を介して、電力系統9の変電設備90に繋がっており、電力系統9との間で充放電を行なう。本例の電力系統9は交流送電を行う電力系統であって、電力変換器91は交流/直流変換器である。電力系統は直流送電を行う電力系統であっても良く、その場合、電力変換器は直流/直流変換器である。一方、RF電池は、水素イオンを透過させる隔膜101で正極セル102と負極セル103とに分離されたセル100を備える。
以上説明したRF電池の基本構成を踏まえて、実施形態に係るセル1を図2,3に基づいて説明する。本例のセル1は、互いに隣接する第一セルフレーム2A及び第二セルフレーム2Bと、両セルフレーム2A,2B間に配置される正極電極104、負極電極105、及び隔膜3を備える。本例のセル1は更に、一対の枠シール4A,4Bを備える。ここで、図3では第一セルフレーム2Aと第二セルフレーム2Bとを離隔した状態で示しているが、実際にはセルフレーム2A,2Bはほぼ密着している。以下、セル1の各構成を詳細に説明する。
第一セルフレーム2Aと第二セルフレーム2Bとは、同じ部材であり、貫通窓を有する枠体22と、貫通窓を塞ぐ双極板21と、を有している。つまり、枠体22は、双極板21をその外周側から支持している。本例では、各セルフレーム2A,2Bに備わる枠体22の外形も双極板21の形状も矩形状であるが、円形状や多角形状などであってもかまわない。第一セルフレーム2Aの枠体22と第二セルフレーム2Bの枠体22との間にはシール部材2sが挟み込まれており、枠体22同士の隙間から電解液が漏れないようになっている。
図3に示すように、正極電極104は、第一セルフレーム2Aの正極空間204に収納され、負極電極105は、第二セルフレーム2Bの負極空間205に収納される。正極電極104と負極電極105とは隔膜3を挟んで互いに対向して配置される。本例の正極電極104及び負極電極105はそれぞれ、正極空間204及び負極空間205と略同じサイズ・同じ形状である。正極電極104と負極電極105とはサイズや形状が異なっていてもかまわない。
隔膜3は、両セルフレーム2A,2B間で正負の電極104,105間に介在される。隔膜3は、隔膜3を平面視したときの少なくとも中央側にイオン透過部30を備える。イオン透過部30は水素イオンを透過させるが、活物質イオンは透過させない部分であって、本例の隔膜3はその全面がイオン透過部30で構成されている。
枠シール4A,4Bは、隔膜3の正極電極104側及び負極電極105側に配置される枠状の部材であって、正負の電解液をそれぞれ正極空間204及び負極空間205内に封止する。隔膜3の正極電極104側にのみ枠シール4Aを設けても良いし、隔膜3の負極電極105側にのみ枠シール4Bを設けても良い。枠シール4A,4Bは貫通孔40(特に図2参照)を有し、枠シール4A,4Bの内周輪郭線(貫通孔40の輪郭線)は隔膜3よりも小さく、外周輪郭線は枠体22の内周輪郭線よりも小さい。そのため、枠シール4A,4Bは、隔膜3の周縁部に全周に亘って接する内周部41と、隔膜3に接することなく両セルフレーム2A,2Bの枠体22間に挟まれる外周部42と、に機能上区分することができる。
以上説明した構成を備えるセル1によれば、両電極104,105内に非常用の電解液を貯留しておくことができるので、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できるレドックスフロー電池を構築することができる。両電極104,105内に非常用の電解液を貯留できるのは、両電極104,105を平面視したときの平面面積が250cm2以上で、かつイオン透過部30の対向部の平面面積が両電極104,105の平面面積よりも小さくなっているからである。イオン透過部30の対向部の平面面積を両電極104,105の平面面積よりも小さくすることで、両電極104,105においてイオン透過部30が接触しない非接触部分が形成され、当該非接触部分にある電解液の電池反応を抑制できる。この電池反応が抑制された電解液が、停電時に非常用の電解液として利用できる。ここで、両電極104,105の平面面積を250cm2以上とすることで、両電極104,105に流通される電解液量が多くなり、非常用の電解液が十分な量確保できる。
上記セル1は通常、図4に示すような、セルスタック5と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック5はサブスタック5sを複数積層した積層体50を二枚のエンドプレート52,52で挟み込み、締付機構53で締め付けることで構成されている。サブスタック5sは、図2,3に示すセル1を複数積層し、その積層体を給排板51,51で挟み込んだ構成を備える。
図5を参照して、RF電池10と、そのRF電池10を備えるRF電池システムαを説明する。RF電池10は、図4に示すセルスタック5と、セルスタック5に繋がる循環機構100P,100Nと、を備える。循環機構100P,100Nの構成は、図1を参照して説明した基本構成と同じである。図5では便宜上、セルスタック5の代わりにセル1を図示している。また、図5ではセル1内に貯留される電解液8の液面を模式的に示しているが、実際のセル1内では、正極電解液8Pと負極電解液8Nとは混合されない。
本例のRF電池システムαは、セル1の充放電を制御する充放電制御部6を備える。より具体的には、充放電制御部6は、細線矢印で示す信号線によって、電力変換器91と循環ポンプ112,113の動作を制御することで、セル1の充放電を制御する。充放電制御部6で制御する電力変換器91は、電力系統9が交流であれば直流/交流変換器、直流であれば直流/直流変換器などである。
RF電池10に用いる正極電解液8Pと負極電解液8Nには、公知の電解液を使用できる。例えば、正負の電解液としては、正極及び負極の活物質としてVイオンを含有する電解液、正極活物質としてFeイオン、負極活物質としてCrイオンを含有する電解液、正極活物質としてMnイオン、負極活物質としてTiイオンを含有する電解液などが挙げられる。
[通常運転時]
RF電池システムαの通常運転時(非停電時)、RF電池システムαの充放電制御部6は、電力変換器91と循環ポンプ112,113の動作を制御してセル1の充放電を制御する。
電力系統9の停電時、RF電池システムαの充放電制御部6は、セル1内に残存する電解液8の電力を利用して、循環ポンプ112,113を動作させ、タンク106,107内の電解液8P,8Nの電力を電力系統9に放電する。循環ポンプ112,113を動作させるのに十分な電力をセル1内の電解液8から取り出せるのは、図2,3を参照して説明したセル1が、その内部に非常用の電解液8を貯留できる構成となっているからである。
上述したように、本例のRF電池システムαによれば、電力系統9の停電時に自力で放電できるため、RF電池システムαにUPSを必要としない。UPSを必要としないことで、次のような効果を得ることができる。
[1]UPSの設置スペースを確保する必要がないため、RF電池システムαの設置場所の自由度が高い。
[2]UPSの設置スペースに利用していた空間により大型のタンク106,107を設置するなどして、RF電池システムαの電池容量の向上を図ることができる。
[3]UPSの設置の手間、コストを削減することができる。
実施形態2では、実施形態1とは異なるセル1を図6,7に基づいて説明する。
実施形態のRF電池システムαは、太陽光発電、風力発電などの新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、負荷平準化などを目的とした蓄電池システムとして利用できる。また、本実施形態のRF電池システムα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大容量の蓄電池システムとしても利用することができる。
試験例では、実施形態1のセル1における隔膜3の平面面積を変化させた試験体セルA〜Dを作製し、試験体セルA〜D内に残存する電解液で図5のRF電池システムαの循環ポンプ112,113を起動させることができるかを試験した。各試験体セルA〜Dに用いる電極104,105は共通で、電極104,105の平面面積は250cm2、厚さは1mmであった。
・試験体セルB…対向部の平面面積を電極104,105の平面面積の75%としたセル1
・試験体セルC…対向部の平面面積を電極104,105の平面面積の99.95%としたセル1
・試験体セルD…対向部の平面面積が電極104,105の平面面積と同じとしたセル1
10 レドックスフロー電池(RF電池)
1 セル
2A 第一セルフレーム 2B 第二セルフレーム 2s シール部材
21 双極板 22 枠体
23,24 給液用マニホールド 25,26 排液用マニホールド
23s,24s 入口スリット 25s,26s 出口スリット
204 正極空間 205 負極空間
3 隔膜
30 イオン透過部 31 イオン非透過部
4A,4B 枠シール
40 貫通孔 41 内周部 42 外周部
5 セルスタック 5s サブスタック
50 積層体 51 給排板 52 エンドプレート 53 締付機構
6 充放電制御部(制御部)
7 ポンプ配線
8 電解液 8P 正極電解液 8N 負極電解液
9 電力系統
90 変電設備 91 電力変換器 90S 検知装置
100 セル 101 隔膜 102 正極セル 103 負極セル
100P 正極用循環機構 100N 負極用循環機構
104 正極電極 105 負極電極 106 正極電解液用タンク
107 負極電解液用タンク 108,109,110,111 導管
112,113 循環ポンプ
枠シール4A,4Bは、隔膜3の正極電極104側及び負極電極105側に配置される枠状の部材であって、正負の電解液をそれぞれ正極空間204及び負極空間205内に封止する。隔膜3の正極電極104側にのみ枠シール4Aを設けても良いし、隔膜3の負極電極105側にのみ枠シール4Bを設けても良い。枠シール4A,4Bは貫通孔40(特に図2参照)を有し、枠シール4A,4Bの内周輪郭線(貫通孔40の輪郭線)は隔膜3よりも小さく、外周輪郭線は枠体22の内周輪郭線よりも大きい。そのため、枠シール4A,4Bは、隔膜3の周縁部に全周に亘って接する内周部41と、隔膜3に接することなく両セルフレーム2A,2Bの枠体22間に挟まれる外周部42と、に機能上区分することができる。
Claims (9)
- 正極電極と負極電極と両電極の間に介在される隔膜とを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルであって、
前記隔膜は、前記隔膜を平面視したときの少なくとも中央側に、水素イオン透過能を有するイオン透過部を備え、
前記正極電極及び前記負極電極の平面面積が共に250cm2以上で、かつ前記イオン透過部の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さく、
更に前記イオン透過部のうち、実際に前記正極電極及び前記負極電極に対向する対向部の平面面積は、前記正極電極及び前記負極電極のうちの小さい方の平面面積の50%以上99.9%以下であるセル。 - 前記隔膜の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さい請求項1に記載のセル。
- 双極板と枠体とを有し、前記隔膜をその一面側と他面側から挟み込む第一セルフレーム及び第二セルフレームと、
前記隔膜と、前記第一セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記正極電極を収納する正極空間と、
前記隔膜と、前記第二セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記負極電極を収納する負極空間と、
前記隔膜に接することなく前記枠体の内周縁の全周にわたって接する外周部、及び前記隔膜の外周縁の全周にわたって接する内周部を有する枠シールと、を備える請求項2に記載のセル。 - 前記隔膜は、前記イオン透過部と、その外周を取り囲む枠状のイオン非透過部と、を備え、
前記隔膜の平面面積が、前記正極電極と前記負極電極のいずれの平面面積よりも大きい請求項1に記載のセル。 - 双極板と枠体とを有し、前記隔膜をその一面側と他面側から挟み込む第一セルフレーム及び第二セルフレームと、
前記隔膜と、前記第一セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記正極電極を収納する正極空間と、
前記隔膜と、前記第二セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記負極電極を収納する負極空間と、を備え、
前記隔膜の前記イオン非透過部が、前記第一セルフレームの前記枠体の内周縁と、前記第二セルフレームの前記枠体の内周縁とに接する請求項4に記載のセル。 - 前記正極電極と前記負極電極の厚さは共に、0.1mm以上4mm以下である請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のセル。
- 請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のセルを複数積層した積層体と、
前記積層体をその積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートと、を備えるセルスタック。 - 請求項7のセルスタックと、
前記セルに正極電解液を循環させる正極循環機構と、
前記セルに負極電解液を循環させる負極循環機構と、を備えるレドックスフロー電池。 - 請求項8に記載のレドックスフロー電池と、
前記レドックスフロー電池に繋がる電力系統の停電を検知する検知装置と、
前記検知装置の検知結果に基づいて、前記セル内に残存する前記正極電解液と前記負極電解液とで、前記正極循環機構及び前記負極循環機構を動作させる制御部と、を備えるレドックスフロー電池システム。
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