KR102393561B1 - 레독스 플로우 전지 - Google Patents

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아츠오 이케우치
기요아키 하야시
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

수평 방향으로 횡배열되는 복수의 셀 스택을 포함하는 스택군과, 상기 스택군의 상방에 배치되며, 각 셀 스택에 공급되는 전해액을 냉각하는 열 교환부를 구비하는 레독스 플로우 전지.

Description

레독스 플로우 전지
본 발명은 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
대용량의 축전지의 하나에, 레독스 플로우 전지(이하, RF 전지라고 부르는 경우가 있음)가 있다. RF 전지는 특허문헌 1의 도 7에 기재된 바와 같이, 전지 셀과, 전지 셀에 공급하는 정극 전해액을 저류하는 정극 탱크 및 부극 전해액을 저류하는 부극 탱크와, 전지 셀과 각 탱크에 접속되어, 각 극의 전해액을 유통하는 배관(도관)을 구비한다. 특허문헌 1은 복수의 전지 셀을 적층한 셀 스택을 복수 구비하는 형태를 개시한다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2003-036880호 공보
본 개시의 레독스 플로우 전지는,
수평 방향으로 횡배열되는 복수의 셀 스택을 포함하는 스택군과,
상기 스택군의 상방에 배치되며, 각 셀 스택에 공급되는 전해액을 냉각하는 열 교환부를 구비한다.
도 1은 실시형태 1의 레독스 플로우 전지의 개략 구성을 나타내는 모식 설명도이다.
도 2는 실시형태 1의 레독스 플로우 전지에 구비되는 셀 스택의 일례를 나타내는 개략 단면도이다.
도 3은 실시형태 1의 레독스 플로우 전지에 구비되는 셀 스택의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 4는 실시형태 2의 레독스 플로우 전지를 컨테이너의 폭 방향과 직교하는 평면으로 절단한 종단면도이다.
도 5는 실시형태 2의 레독스 플로우 전지를 컨테이너의 높이 방향과 직교하는 평면으로 절단한 수평 단면도이다.
도 6은 실시형태 2의 레독스 플로우 전지에 있어서, 종단면에 있어서의 중량 밸런스를 설명하는 설명도이다.
도 7은 실시형태 2의 레독스 플로우 전지에 있어서, 수평 단면에 있어서의 중량 밸런스를 설명하는 설명도이다.
도 8은 컨테이너를 현수한 상태를 설명하는 설명도이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
복수의 셀 스택을 구비하는 것 같은 대형의 레독스 플로우 전지(RF 전지)에 대하여, 조립 작업성이 우수한 데다가, 방열성도 우수한 것이 요구된다.
특허문헌 1에 기재된 바와 같이, 복수의 셀 스택을 구비하는 경우에 셀 스택을 상하 방향(중력 방향)으로 겹쳐 쌓는, 소위 세로 적층을 하면, 세로 적층한 셀 스택의 설치 스페이스를 작게 하기 쉽다. 그러나, 세로 적층하면, 중량물인 셀 스택을 안정적으로 지지하기 위해 강고한 가대가 필요하며, 가대의 구성 부재가 많아지기 쉬워, 가대의 조립 시간의 장대화를 초래하기 쉽다. 가대의 구성 부재에는 강재 등의 중량물이 이용되기 때문에, 사용수를 줄여, 작업자의 부담을 경감하는 것이 요구된다. 이와 같이 가대의 조립을 포함한 RF 전지의 조립 작업성의 개선이 요구된다. 한층 더 대출력 전지나 대용량 전지의 요구에 대응하기 위해, 각 셀 스택에 사용하는 전지 셀의 적층수의 증가나 전극의 대형화, 전해액량의 증대에 따른 탱크의 대형화 등으로부터, 각 셀 스택이나 탱크 등의 중량이 증대 경향에 있는 것으로부터도, 보다 조립이 쉬운 RF 전지가 요구된다.
또한, RF 전지에서는, 전지 반응에 따른 발열에 의해 전해액의 온도가 상승하고, 이 온도 상승에 기인하여, RF 전지의 구성 요소의 열화나 전해액의 열화 등을 초래할 수 있다. 복수의 셀 스택을 구비하는 경우에는, 각 셀 스택에 대해서, 전해액의 온도 상승이 생기기 때문에, 전해액을 냉각하는 것이 요구된다. 예컨대, 배관에 열 교환 기구를 마련하는 것이 생각된다. 그러나, 전술한 바와 같이 복수의 셀 스택을 세로 적층하면, 각 셀 스택에 접속되는 배관도 상하로 배치되는 부분이 생기기 쉬워지기 때문에, 배관이 장대화하기 쉬워, 배관의 설치 스페이스의 증대를 초래한다. 배관의 설치 스페이스가 크기 때문에, 열 교환 기구의 설치 스페이스가 작아지기 쉬워, 방열 효율의 저하를 초래하기 쉽다. 따라서, 복수의 셀 스택을 구비하고 있어도, 방열성이 우수한 RF 전지가 요구된다.
그래서, 조립 작업성이 우수한 데다가, 방열성도 우수한 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
[본 개시의 효과]
본 개시의 레독스 플로우 전지는, 조립 작업성이 우수한 데다가, 방열성도 우수하다.
[본원 발명의 실시형태의 설명]
먼저 본원 발명의 실시양태를 열기하여 설명한다.
(1) 본 발명의 일양태에 따른 레독스 플로우 전지(RF 전지)는,
수평 방향으로 횡배열되는 복수의 셀 스택을 포함하는 스택군과,
상기 스택군의 상방에 배치되며, 각 셀 스택에 공급되는 전해액을 냉각하는 열 교환부를 구비한다.
상기 RF 전지는 복수의 셀 스택과 열 교환부를 구비하지만, 셀 스택이 횡배열되며, 스택군 위에 열 교환부를 구비한다고 하는 특정한 배치로 한다. 그 때문에, 상기 RF 전지는, 전술한 세로 적층의 경우와 비교하여, 가대의 구성 부재의 사용수를 적게 하기 쉽다. 대중량인 셀 스택을 열 교환부보다 하방에 배치함으로써도, 그 반대의 배치인 경우와 비교하여, 가대의 보강 정도를 완화시키기 쉬워, 가대의 구성 부재의 사용수를 적게 하기 쉽다. 따라서, 상기 RF 전지는, 가대의 조립 시간을 단축할 수 있는 데다가, 작업자의 부담도 경감할 수 있다. 특히, 상기 RF 전지에서는, 탱크로부터의 전해액을 각 셀 스택의 하방으로부터 상방을 향하여 흐르게 하여, 탱크로 되돌리는 형태(이하, 상승 형태라고 부르는 경우가 있음)로 하며, 귀로의 배관에 열 교환부를 마련하면, 배기 밸브를 생략할 수 있어 배관 구조를 단순하게 하여 쉬워(상세한 것은 후술함), 배관의 조립 시간도 단축할 수 있다. 따라서, 상기 RF 전지에 따르면, 복수의 셀 스택을 구비하지만, 조립 작업성이 우수하다.
또한, 상기 RF 전지는 열 교환부를 구비하고 있고, 이 열 교환부에 의해 전해액을 효율적으로 냉각할 수 있기 때문에, 방열성도 우수하다. 특히, 상기 RF 전지에서는, 횡배열된 스택군의 상방 공간을 열 교환부의 배치 영역으로 하기 위해, 열 교환부의 설치 스페이스를 크게 확보하기 쉽다. 전술한 셀 스택을 세로 적층하는 경우와 비교하여, 배관을 짧게 하기 쉬운 것으로부터도, 열 교환부의 설치 스페이스를 크게 확보하기 쉽다. 이러한 상기 RF 전지는 큰 열 교환부를 배치할 수 있어 방열 효율을 높이기 쉬워, 방열성이 보다 우수하다. 또한, 상기 RF 전지를 전술한 상승 형태로 하고, 귀로의 배관에 열 교환부를 마련하면, 전해액을 효율적으로 냉각할 수 있어, 방열성이 보다 우수하다(상세한 것은 후술함). 또한, 열 교환부의 평면 면적을 스택군의 가상의 평면 면적으로 하면, 열 교환부의 구비에 의한 설치 스페이스의 증대를 초래하는 일도 없어, 방열성이 우수하다.
(2) 상기 RF 전지의 일례로서,
상기 스택군과, 상기 열 교환부와, 상기 전해액을 저류하는 탱크와, 상기 각 셀 스택과 상기 탱크와 접속되어 상기 전해액을 유통하는 배관을 일괄하여 수납하는 컨테이너를 구비하는 형태를 들 수 있다.
상기 형태는, 컨테이너라고 하는 용기에, 스택군, 열 교환부, 탱크, 배관이라고 하는 구성 요소를 일괄하여 수납한다. 그 때문에, 공장이라고 하는, 작업 스페이스를 확보하기 쉬운 장소에서 상기 구성 요소를 미리 조립할 수 있어, 조립 작업성이 우수하다. 또한, 상기 구성 요소를 조립한 상태로 RF 전지의 설치 장소에 반송하면, 설치 현장에서의 작업을 대폭 삭감할 수 있어, 작업자의 부담도 경감할 수 있다.
또한, 상기 형태는, 컨테이너 내에 일괄하여 스택군이 수납되지만, 스택군의 상방에 열 교환부를 구비하기 때문에, 전술한 바와 같이 방열성이 우수하다. 복수의 셀 스택이 횡배열됨으로써, 전술한 세로 적층의 경우보다 대기의 유동 공간을 비교적 넓게 확보하기 쉬워, 대기가 유동하여, 배관이 공냉되기 쉬울 것으로 기대되는 것으로부터도 방열성이 우수하다.
(3) 컨테이너를 구비하는 상기 RF 전지의 일례로서,
상기 컨테이너 내에 있어서, 상기 스택군 및 상기 열 교환부 및 상기 배관을 수납하는 셀실과, 상기 탱크를 수납하는 탱크실이 상기 컨테이너의 길이 방향으로 횡배열되는 형태를 들 수 있다.
상기 형태는, 컨테이너 내의 길이 방향의 일단측을 셀실로 하고, 타단측을 탱크실로 하여, 스택군, 열 교환부, 배관을 셀실에 집약하여 수납한다. 그 때문에, 예컨대 탱크를 사이에 두고, 일단측에 스택군, 타단측에 열 교환부가 배치되는 형태(이하, 탱크 개재 형태라고 부르는 경우가 있음)와 비교하여, 배관을 짧게 하기 쉽고, 또한 단순한 배치 구조로 하기 쉽다. 따라서, 상기 형태는, 배관의 조립 시간을 보다 단축하기 쉬워, 조립 작업성이 보다 우수하다. 또한, 상기 형태는, 배관이 짧기 때문에, 전술한 바와 같이 열 교환부의 설치 스페이스를 크게 확보하기 쉬운 데다가, 전해액을 열 교환부에 조속하게 도입하기 쉬워져, 효율적으로 냉각할 수 있는 것으로부터도, 방열성이 우수하다. 특히, 전술한 상승 형태로 하여, 귀로의 배관에 열 교환부를 마련하면, 탱크 개재 형태와 비교하여, 고온의 전해액을 열 교환부에 조속하게 도입할 수 있어, 보다 효율적으로 냉각할 수 있다.
(4) 컨테이너 내에 셀실과 탱크실을 구비하는 상기 RF 전지의 일례로서,
상기 탱크실의 길이는 상기 셀실의 길이보다 길고,
상기 컨테이너의 길이 방향 및 높이 방향의 중심을 P, 상기 컨테이너의 길이 방향 및 폭 방향의 중심을 Q, 상기 컨테이너의 길이를 L, 상기 컨테이너의 폭을 W, 상기 컨테이너의 무게 중심을 G로 하고,
상기 스택군, 상기 열 교환부, 상기 탱크 및 상기 배관을 수납한 상태의 상기 컨테이너의 종단면에 있어서, 상기 중심(P)으로부터 상기 무게 중심(G)까지의 거리(x)는, x≤(1/3)×L을 만족하고, 상기 컨테이너의 수평 단면에 있어서, 상기 중심(Q)으로부터 상기 무게 중심(G)까지의 거리(y)는, y≤(1/20)×W를 만족하는 형태를 들 수 있다.
상기 형태는, 스택군 등의 구성 요소가 수납된 컨테이너를 트랙 등의 차량으로 육상 반송하는 경우에 차량이 안정적으로 주행할 수 있는 데다가, 이 컨테이너를 설치 장소에 배치하기 위해 크레인 등으로 인양할 때에, 상기 컨테이너를 안정적으로 인양할 수 있다. 따라서, 상기 형태는, 반송 작업성, 설치 작업성도 우수하다.
[본원 발명의 실시형태의 상세]
이하, 도면을 참조하여, 본원 발명의 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지(RF 전지)를 구체적으로 설명한다. 도면 중, 동일 부호는 동일 명칭물을 의미한다.
[실시형태 1]
이하, 도 1∼도 3을 주로 참조하여, 실시형태 1의 RF 전지(1A)를 설명한다.
(기본 구성)
실시형태 1의 RF 전지(1A)는, 복수의 셀 스택을 포함하는 스택군(100)과, 각 셀 스택에 전해액을 순환 공급하는 공급 기구를 구비한다. 도 1에서는, 스택군(100)에 2개의 셀 스택(101, 102)을 구비하는 경우를 예시한다. 셀 스택(101, 102)은 모두, 도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이 복수의 전지 셀(10C)이 적층되어 이루어지는 것이다. 이하, 대표하여 셀 스택(10)이라고 부르는 경우가 있다.
공급 기구는 각 셀 스택(10)에 공급하는 정극 전해액을 저류하는 정극 탱크(34) 및 부극 전해액을 저류하는 부극 탱크(35)와, 각 셀 스택(10)과 각 탱크(34, 35)에 접속되어, 전해액을 유통하는 배관(16, 17)을 포함한다.
이러한 RF 전지(1A)는 대표적으로는, 교류/직류 변환기를 통해, 발전부와 부하에 접속되어, 발전부를 전력 공급원으로 하여 충전을 행하고, 부하를 전력 제공 대상으로 하여 방전을 행한다(모두 도시하지 않음). 발전부는 예컨대, 태양광 발전기, 풍력 발전기, 그 외에 일반 발전소 등을 들 수 있다. 부하는 수요가 등을 들 수 있다. 충방전은 산화 환원에 의해 가수가 변화하는 이온(대표적으로는 금속 이온)을 활물질로서 포함하는 정극 전해액 및 부극 전해액을 사용하며, 정부의 이온의 산화 환원 전위차를 이용하여 행한다.
특히, 실시형태 1의 RF 전지(1A)는 스택군(100)을 구성하는 복수의 셀 스택(10)이 수평 방향(도 1에서는 좌우 방향)으로 횡배열되어 있고, 이 스택군(100)의 상방에 각 셀 스택(10)에 공급되는 전해액을 냉각하는 열 교환부(4)를 구비한다. 이러한 RF 전지(1A)는 복수의 셀 스택(10)을 구비하지만, 조립하기 쉬운 데다가, 방열성도 우수하다. 이하, 구성 요소마다 상세하게 설명한다.
(전지 셀)
전지 셀(10C)은 도 2, 도 3에 나타내는 바와 같이 정극 전해액이 공급되는 정극 전극(14)과, 부극 전해액이 공급되는 부극 전극(15)과, 정극 전극(14), 부극 전극(15) 사이에 개재되는 격막(11)을 구비한다.
정극 전극(14), 부극 전극(15)은, 정극 전해액, 부극 전해액이 각각 공급되어 활물질이 전지 반응을 하는 반응장이고, 탄소 재료의 섬유 집합체라고 하는 다공체 등이 이용된다.
격막(11)은 정극 전극(14), 부극 전극(15) 사이를 분리하며 미리 정해진 이온(예, 수소 이온)을 투과하는 부재이고, 이온 교환막 등이 이용된다.
전지 셀(10C)은 대표적으로는, 도 3에 예시하는 셀 프레임(110)을 이용하여 구축된다. 셀 프레임(110)은 쌍극판(111)과, 쌍극판(111)의 둘레 가장자리부에 마련되는 프레임체(112)를 포함한다.
쌍극판(111)은 대표적으로는, 일면에 정극 전극(14)이 배치되고, 타면에 부극 전극(15)이 배치되고, 전류가 흐르지만 전해액을 통과시키지 않는 도전성 부재이다. 쌍극판(111)에는 흑연 등과 유기재를 포함하는 도전성 플라스틱판 등이 이용된다.
프레임체(112)는 프레임 내에 배치되는 정극 전극(14), 부극 전극(15)에 정극 전해액, 부극 전해액을 각각 공급하는 급액 구멍(113) 및 슬릿(114)과, 전지 셀(10C) 밖에 정극 전해액, 부극 전해액을 각각 배출하는 배액 구멍(115) 및 슬릿(116)을 갖는 절연성 부재이다. 프레임체(112)의 구성 재료에는, 전해액과 반응하지 않으며, 전해액에 대한 내성을 갖는 수지(예, 폴리염화비닐, 폴리에틸렌) 등이 이용된다. 프레임체(112)의 바깥 둘레 가장자리 쪽에는 환형의 홈이 마련되어 시일재(118)가 배치된다. 시일재(118)에는 O 링이나 평패킹 등의 탄성재가 이용된다.
셀 스택(10)은 대표적으로는, 셀 프레임(110)[쌍극판(111)], 정극 전극(14), 격막(11), 부극 전극(15)이라고 하는 순서로 복수 적층된 적층체와, 이 적층체를 사이에 끼우는 한쌍의 엔드 플레이트(130, 130)와, 양 엔드 플레이트(130, 130) 사이를 체결하는 복수의 체결 부재(132)를 구비한다. 이 적층 방향의 체결력에 의해 적층 상태를 유지하며, 인접하는 프레임체(112, 112) 사이에 개재되는 시일재(118)를 찌부러뜨려 적층체를 액밀하게 유지하여(도 2도 참조), 셀 스택(10)으로부터의 전해액의 누출을 방지한다. 셀 스택(10)에 있어서의 전지 셀(10C)의 수(셀수)는 적절하게 선택할 수 있다. 셀 스택(10)의 사양(전극의 크기, 셀수 등)은, 원하는 특성으로 되도록 적절하게 선택할 수 있다. 셀수가 많을수록, 또한 전극을 대형으로 할수록 대출력 전지로 하기 쉽다.
그 외에, 도 3에 예시하는 바와 같이 셀 스택(10)은, 미리 정해진 셀수의 적층체를 서브 셀 스택(120)으로 하고, 복수의 서브 셀 스택(120)이 적층된 집합체로 할 수 있다. 각 서브 셀 스택(120)은 전해액의 급배판(122)을 구비할 수 있다.
(순환 기구)
순환 기구는 정극 전극(14)에 순환 공급하는 정극 전해액을 저류하는 정극 탱크(34)(도 1)와, 부극 전극(15)에 순환 공급하는 부극 전해액을 저류하는 부극 탱크(35)(상동)와, 정극 탱크(34)와 각 셀 스택(10) 사이를 접속하는 배관(164, 174)(도 1, 도 2)과, 부극 탱크(35)와 각 셀 스택(10) 사이를 접속하는 배관(165, 175)(상동)과, 각 탱크(34, 35)로부터 각 셀 스택(10)에 공급하는 왕로를 이루는 배관(164, 165)에 마련된 정극의 펌프(184), 부극의 펌프(185)(도 1)를 구비한다. 왕로의 배관(164, 165), 각 셀 스택(10)으로부터 각 탱크(34, 35)에 전해액을 복귀시키는 귀로를 이루는 배관(174, 175)은 각각, 전술한 급액 구멍(113)이나 배액 구멍(115)이 만드는 관로에 접속되어, 정극 전해액의 순환 경로, 부극 전해액의 순환 경로를 구축한다.
배관(16, 17)의 구성 재료에는, 전해액과 반응하지 않으며, 전해액에 대한 내성을 갖는 전술한 수지 등을 들 수 있다.
펌프(184, 185)에는 공지의 것을 적절하게 이용할 수 있다.
각 탱크(34, 35)는 전술한 전해액을 저류하는 상자형의 용기이며, 적절한 형상의 것을 이용할 수 있다. 저류량은 스택군(100)의 용량 등에 따라 적절하게 선택하면 좋다. 탱크(3)의 구성 재료는, 전해액과 반응하지 않으며, 전해액에 대한 내성을 갖는 전술한 수지나 고무 등을 들 수 있다.
전해액은 정부의 활물질을 바나듐 이온으로 하는 것(특허문헌 1), 정극 활물질을 망간 이온, 부극 활물질을 티탄 이온으로 하는 것, 그 외에, 공지의 조성의 것을 이용할 수 있다.
정극 전해액의 순환 경로, 부극 전해액의 순환 경로의 일례로서, 각 탱크(34, 35)로부터의 전해액을 각 셀 스택(10)의 하방으로부터 상방을 향하여 흐르게 하여, 각 탱크(34, 35)로 되돌리는 상승 형태로 하는 것을 들 수 있다. 상승 형태는, 전해액이 전극의 전체 영역에 걸쳐 확산되기 쉽고, 이 점에서 전지 특성을 높이기 쉬워 바람직하다. 도 3에 나타내는 셀 프레임(110)은, 급액 구멍(113)을 하방, 배액 구멍(115)을 상방에 구비하기 때문에, 상승 형태에 적합하게 이용할 수 있다.
(스택군)
RF 전지(1A)에서는, 전술한 셀 스택(10)을 복수 구비하며, 이들 셀 스택(10)이 수평 방향으로 횡배열된다. 대표적으로는, 복수의 셀 스택(10)이 동일 평면 상에 일렬로 횡배열되는 형태, 즉 스택군(100)이 직육면체형인 형태를 들 수 있다. 복수의 셀 스택(10)이 동일 평면 상에 배치되면 일렬이 아니어도 좋다. 예컨대, 4개의 셀 스택(10)을 포함하는 스택군(100)에서는, 2×2의 모눈형으로 배열되는 형태 등을 들 수 있다.
스택군(100)을 구성하는 각 셀 스택(10)은, 전기적인 직렬 접속 및 전기적인 병렬 접속 중 적어도 한쪽의 접속이 이루어진다.
스택군(100)을 구성하는 각 셀 스택(10)은, 대표적으로는, 전극의 크기나 셀수, 그 외의 사양이 같은 형태를 들 수 있다. 셀수가 상이한 셀 스택(10)을 포함하는 형태 등으로 할 수도 있다.
(열 교환부)
열 교환부(4)는 전술한 순환 기구에 있어서, 왕로의 배관(16) 및 귀로의 배관(17) 중 적어도 한쪽에 마련되어, 전해액의 온도를 변화시키는 부재, 대표적으로는 전해액을 냉각하는 부재이다(도 1). 열 교환부(4)는 온도(T0)의 전해액이 도입되고, 온도(T0)로부터 온도(T1)가 된 전해액을 배출하는 배관 집적부(40)를 구비한다. 강제 냉각을 행하는 열 교환부(4)에서는, 더욱, 냉각 기구(42)를 구비한다.
배관 집적부(40)는 대표적으로는, 정극 전해액이나 부극 전해액이 유통되는 정극 배관이나 부극 배관을, 표면적을 크게 확보하기 위해, 비교적 세경의 배관을 이용하거나, 사행 배치하거나, 나선형으로 권취 배치하거나 하는 등에 의해 구성된다. 열 교환부(4)는 배관 집적부(40)로서 정극 배관 및 부극 배관의 쌍방을 구비하는 형태, 정극 배관만을 구비하는 형태, 부극 배관만을 구비하는 형태를 들 수 있다. RF 전지(1A)는 전술한 정극 배관 및 부극 배관의 쌍방을 일괄하여 구비하는 열 교환부(4)를 포함하는 일괄 형태(도 1), 전술한 정극 배관만을 구비하는 열 교환부(4)와 부극 배관만을 구비하는 열 교환부(4)를 각각 포함하는 독립 형태(도시하지 않음) 모두 이용할 수 있다.
일괄 형태에서는, 예컨대, 하나의 케이스에 정극 배관 및 부극 배관을 수납하여, 냉각 기구(42)를 공용하는 구성으로 하면, 부품 개수를 적게 할 수 있어, 열 교환부(4)의 조립 작업성이 우수하다. 복수의 냉각 기구(42)를 구비하는 경우에는, 냉각능을 높일 수 있다.
독립 형태에서는, 각 열 교환부(4)를 다른 사양[배관 길이, 냉각 기구(42)의 유무, 냉각 기구(42)의 사양 등]으로 하기 쉬워, 정극 전해액과 부극 전해액에서 온도가 상이한 경우에 각 온도에 따라 냉각 기구(42)를 제어할 수 있기 때문에, 전해액을 보다 적절한 온도로 냉각하기 쉽다.
냉각 방법은 자연 공냉, 강제 냉각 등을 들 수 있다. 강제 냉각을 행하는 경우, 냉각 기구(42)로서, 팬(강제 공냉)이나, 냉각 매체를 유통하는 유통 기구(강제 수냉) 등을 구비하면 좋다. 도 1에서는, 전술한 일괄 형태로서, 냉각 기구(42)를 공용하는 경우를 이점 쇄선으로 가상적으로 나타낸다. 또한, 필요에 따라, 유통 기구에 온수 등의 가열 매체를 유통시키면, 전해액을 가열할 수도 있다.
열 교환부(4)는 귀로의 배관(17)에 마련되는 것이 바람직하고, 배관(17)에 있어서의 각 셀 스택(10)과의 접속 부분 근방에 마련되는 것이 보다 바람직하다. 전해액의 온도는 각 셀 스택(10)으로부터 배출된 직후가 가장 높은 경우가 많다. 그 때문에, 귀로의 배관(17) 중, 특히 각 셀 스택(10)과의 접속 부분 근방에서는, 외부 환경의 온도와의 온도차를 크게 확보하기 쉬워, 상기 접속 부분 근방에 열 교환부(4)를 마련하면, 열 교환부(4)에 의해 전해액을 효율적으로 냉각할 수 있기 때문이다. 도 1에서는, 귀로의 배관(17)에 있어서, 각 셀 스택(10)과의 접속 부분에 가까운 부분[배출 근방 부분(170, 171)]에 열 교환부(4)를 구비하는 경우를 예시한다.
열 교환부(4)는 스택군(100)의 상방에 마련된다. 복수의 셀 스택(10)이 횡배열되어 있기 때문에, 스택군(100)의 상방에는, 복수의 셀 스택(10)의 상면을 합계한 가상의 평면 면적을 갖는 공간이 있다. 이 가상의 평면 면적은 전술한 세로 적층의 경우보다, 셀 스택(10)의 수만큼 크다. 그 때문에, 전술한 상방 공간을 열 교환부(4)의 배치 부분으로 하면, 평면 면적이 큰 열 교환부(4), 즉 높은 냉각능을 갖는 열 교환부(4)를 구비할 수 있다. 복수의 셀 스택(10)을 횡배열로 함으로써, 접속되는 배관(16, 17)의 길이를 전술한 세로 적층의 경우보다 짧게 하기 쉬워, 열 교환부(4)의 설치 스페이스를 크게 확보하기 쉬운 것으로부터도, 큰 열 교환부(4)를 구비할 수 있다. 또한, 스택군(100)과 열 교환부(4)를 그 적층 방향(상하 방향)으로 투시하여, 스택군(100)의 평면 면적 내에 열 교환부(4)가 들어가도록, 열 교환부(4)의 평면 면적을 조정하면, 대형의 열 교환부(4)를 구비하여도, 열 교환부(4)의 구비에 의한 설치 스페이스의 증대를 실질적으로 초래하지 않는다. 전술한 독립 형태인 경우에는, 예컨대 정극용의 열 교환부(4)와 부극용의 열 교환부(4)를 횡배열하였을 때의 평면 면적이 스택군(100)의 평면 면적 내에 들어가도록, 각 열 교환부(4, 4)의 평면 면적을 조정하면, 이들 열 교환부(4, 4)의 구비에 의한 설치 스페이스의 증대를 실질적으로 초래하지 않는다.
도 1에 예시하는 바와 같이, 정부의 순환 경로를 전술한 상승 형태로 하고, 열 교환부(4)를 귀로의 배관(17)의 배출 근방 부분(170, 171)에 구비하면, 귀로의 배관 구조를 단순하게 하기 쉽다. 상승 형태에서는, 각 셀 스택(10) 내의 정극 전해액, 부극 전해액이 상방을 향하여 흐르기 때문에, 각 셀 스택(10)으로부터 배출된 직후의 정극 전해액, 부극 전해액은, 상방을 향하고 있다. 따라서, 스택군(100)의 상방, 또한 배출 근방 부분(170, 171)에 열 교환부(4)를 구비하면, 각 셀 스택(10)으로부터 배출된 정극 전해액, 부극 전해액을, 스택군(100)의 상방에 위치하는 열 교환부(4)에 용이하게 도입할 수 있다. 이 경우, 귀로의 배관(17)은, 전해액이 상향, 또는 수평 방향으로 흐르도록 마련할 수 있기 때문에, 귀로의 배관 구조, 특히 각 셀 스택(10)과 열 교환부(4) 사이의 배관 구조를 단순하게 하기 쉽다. 도 1에서는, 각 셀 스택(10)의 최상단이나 열 교환부(4)의 최상단으로부터, 전해액을 상향으로 흐르게 하는 경우를 예시하지만 전해액을 수평 방향으로 흐르게 하는 부분을 마련할 수 있다. 열 교환부(4)로부터 배출된 정극 전해액, 부극 전해액을 각 탱크(34, 35)를 향하여 흐르게 하는 배관에 대해서, 전해액이 상향으로부터 하향으로 흐르는 구간을 마련할 필요가 없다. 그 때문에, 전해액이 상향으로부터 하향으로 흐르는 경우에 필요한 배기 밸브를 생략 가능한 것으로부터도, 귀로의 배관 구조를 단순하게 하기 쉽다.
만약, 전술한 상승 형태로 하여, 열 교환부(4)를 귀로에 마련하지만, 스택군(100)의 상방이 아니라, 예컨대 횡배열하는 경우에는, 귀로의 배관(17)도, 전해액이 상향으로부터 하향으로 흐르는 구간이 생긴다. 그 때문에, 배기 밸브를 마련할 필요가 있어, 귀로의 배관 구조가 복잡해지기 쉽다.
(용도)
실시형태 1의 RF 전지(1A)는 태양광 발전, 풍력 발전 등의 자연 에너지의 발전에 대하여, 발전 출력의 변동의 안정화, 발전 전력의 잉여 시의 축전, 부하 평준화 등을 목적으로 한 축전지에 이용할 수 있다. 또한, 실시형태 1의 RF 전지(1A)는, 일반적인 발전소에 병설되어, 순시 전압 저하·정전 대책이나 부하 평준화를 목적으로 한 축전지로서 이용할 수 있다.
(주요한 효과)
실시형태 1의 RF 전지(1A)는 복수의 셀 스택(10)이 횡배열되기 때문에, 전술한 세로 적층의 경우와 비교하여, 가대의 구성 부재의 사용수를 적게 하기 쉽다. 또한, 중량물인 셀 스택(10)이 하방, 열 교환부(4)가 스택군(100)의 상방에 배치되기 때문에, 열 교환부(4)가 스택군(100)의 하방에 배치되는 경우와 비교하여, 가대의 보강 정도를 완화시키기 쉬운 것으로부터도, 가대의 구성 부재의 사용수를 적게 하기 쉽다. 따라서, RF 전지(1A)는 가대의 조립 시간을 단축할 수 있어, 가대의 조립을 포함하여, 조립 작업성이 우수하다. 특히, 대형의 전극을 구비하는 셀 스택(10)이나, 셀수가 많은 셀 스택(10)을 구비하여, 각 셀 스택(10)의 중량이 보다 큰 경우라도, 전술한 세로 적층의 경우와 비교하여, 가대의 조립 시간을 단축하기 쉬운 데다가, 작업자의 부담을 효과적으로 경감할 수 있다.
또한, 실시형태 1의 RF 전지(1A)는 열 교환부(4)를 구비하여, 전해액을 효율적으로 냉각할 수 있기 때문에, 방열성도 우수하다. 또한, RF 전지(1A)에서는, 스택군(100)의 상방 공간을 열 교환부(4)의 배치 영역으로 하기 위해, 전술한 세로 적층의 경우와 비교하여 열 교환부(4)의 설치 스페이스를 넓게 확보하기 쉽다. 전술한 세로 적층의 경우와 비교하여 배관(16, 17)을 짧게 하기 쉬운 것으로부터도, 열 교환부(4)의 설치 스페이스를 넓게 확보하기 쉽다. 그 때문에, RF 전지(1A)에서는, 냉각능이 높은 대형의 열 교환부(4)를 구비할 수 있어, 방열성에 보다 한층 더 우수하다. 또한, 대형의 열 교환부(4)를 구비하는 경우라도, 스택군(100)과 열 교환부(4)의 설치 스페이스가 중복하기 때문에, 열 교환부(4)의 구비에 의한 설치 스페이스의 증대를 저감하기 쉽거나, 또는 실질적으로 설치 스페이스의 증대를 초래하지 않는다.
이 예와 같이, 정부의 순환 경로를 전술한 상승 형태로 하여, 귀로의 배관(17)의 배출 근방 부분(170, 171)에 열 교환부(4)를 구비하는 경우에는, 전술한 바와 같이 귀로의 배관 구조를 단순하게 하기 쉽다. 또한, 이 경우, 전술한 바와 같이 전해액이 상향으로부터 하향으로 흐르는 구간을 마련할 필요가 없어, 배기 밸브를 생략할 수 있는 것으로부터도, 귀로의 배관 구조를 보다 단순하게 하기 쉽다. 그 때문에, 배관(16, 17)을 조립하기 쉬워, 배관(16, 17)의 조립을 포함하여, 조립 작업성이 보다 우수하다. 또한, 배출 근방 부분(170, 171)으로부터 고온의 전해액을 열 교환부(4)에 도입하여 효율적으로 냉각할 수 있기 때문에, 방열성이 보다 우수하다.
[실시형태 2]
이하, 도 4∼도 8을 주로 참조하여, 실시형태 2의 RF 전지(1B)를 설명한다.
도 4는 컨테이너(2)를 그 폭 방향과 직교하는 평면으로 절단한 종단면도이며, 내부 구조를 간략화하여 나타낸다.
도 5는 컨테이너(2)를 그 높이 방향과 직교하는 평면으로 절단한 수평 단면도이며, 내부 구조를 간략화하여 나타낸다.
도 6은 컨테이너(2)의 종단면도이고, 도 7은 컨테이너(2)의 수평 단면도이고, 도 8은 컨테이너(2)의 사시도이고, 내부 구조를 생략하며 모식적으로 나타낸다.
실시형태 2의 RF 전지(1B)의 기본적 구성은 실시형태 1의 RF 전지(1A)와 동일하다. 구체적으로는, RF 전지(1B)는 스택군(100)과, 스택군(100)의 상방에 배치되는 열 교환부(4)와, 전해액(6)을 저류하는 탱크(3)[정극 탱크(34), 부극 탱크(35), 도 5]와, 각 셀 스택(10)[여기서는 셀 스택(101, 102)]과 탱크(3)에 접속되어 전해액을 유통하는 배관(16, 17)을 구비한다. 실시형태 2의 RF 전지(1B)는 스택군(100)과, 열 교환부(4)와, 탱크(3)와, 배관(16, 17)을 일괄하여 수납하는 컨테이너(2)를 더 구비한다. 이 컨테이너(2)를 구비하는 점이 실시형태 1과의 주된 상위점이다.
이하, 실시형태 2에 대해서, 실시형태 1과의 상위점을 상세하게 설명하고, 실시형태 1과 공통하는 구성 및 그 효과는 상세한 설명을 생략한다.
도 4에서는, 설명의 편의상, 탱크(3), 왕로의 배관(16), 귀로의 배관(17), 펌프(18)를 각각 하나씩 나타내지만, 실제로는, 실시형태 1에서 설명한 바와 같이, 정극용의 탱크(34) 및 배관(164, 174)과 펌프(184), 부극용의 탱크(35) 및 배관(165, 175)과 펌프(185)를 각각 구비한다. 도 5에 대해서도 동일하다. 이하, 탱크(3), 배관(16, 17), 펌프(18)라고 통합하여 부르는 경우가 있다.
(컨테이너)
컨테이너(2)는 대표적으로는, 일반 화물의 수송 등에 이용되는 드라이 컨테이너를 들 수 있다. 컨테이너(2)의 형상은 대표적으로는 직육면체형, 특히 도 4에 예시하는 바와 같이 설치 상태에 있어서 가로로 긴 직육면체형을 들 수 있다(도 4의 지면 하측이 설치면측). 이러한 컨테이너(2)는 설치 부분을 이루는 직사각 형상의 바닥부(20)와, 바닥부(20)에 대향 배치되는 직사각 형상의 천장판부(21)와, 바닥부(20)의 장변과 천장판부(21)의 장변을 잇는 한쌍의 측면부(22, 22)[도 5 참조. 도 4에서는 지면 안쪽의 측면부(22)만 보임]와, 바닥부(20)의 단변과 천장판부(21)의 단변을 잇는 한쌍의 단부면부(23, 23)를 구비하는 것을 들 수 있다. 컨테이너(2)는, 단부면부(23)나 측면부(22) 등에 개폐 가능한 도어(도시하지 않음)를 구비할 수 있다. 필요에 따라 도어를 개방하여, RF 전지(1B)의 운전 조건을 조정하거나, RF 전지(1B)의 구성 요소를 점검하거나 하는 것 등을 할 수 있다. 여기서는 컨테이너(2)의 설치 상태에 있어서, 컨테이너(2)의 길이 방향을 따른 크기를 길이, 길이 방향과 직교하며, 바닥부(20)로부터 천장판부(21)를 향하는 방향을 높이 방향, 높이 방향을 따른 크기를 높이, 길이 방향과 직교하며, 한쪽의 측면부(22)로부터 다른쪽의 측면부(22)를 향하는 방향을 폭 방향, 폭 방향을 따른 크기를 폭이라고 부른다.
컨테이너(2)의 사이즈는, 수납하는 구성 요소의 크기 등에 따라 적절하게 선택할 수 있다. 컨테이너(2)로서, 예컨대, ISO 규격(예, ISO 1496-1:2013 등)에 준거하는 국제 해상 화물용 컨테이너, 대표적으로는 20 피트 컨테이너나 40 피트 컨테이너, 45 피트 컨테이너, 이들보다 높이가 큰 20 피트 하이 큐브 컨테이너나 40 피트 하이 큐브 컨테이너, 45 피트 하이 큐브 컨테이너 등을 이용할 수 있다. 컨테이너(2)와 같은 대형의 용기이면, 복수의 셀 스택(10)이 횡배열된 스택군(100), 또한 대형의 셀 스택(10)을 포함하는 스택군(100) 등을 수납할 수 있어, 대출력 전지로 하기 쉽다. 컨테이너(2)의 구성 재료는, 강철(예, 일반 구조용 압연 강재 SS400) 등의 금속을 들 수 있다. 컨테이너(2)의 구성 부재를 금속제로 하는 경우, 전해액이 접촉할 가능성이 있는 영역, 적어도 탱크실(2T)(후술)의 내면 등에는, 전해액과 반응하지 않으며, 전해액에 대한 내성을 갖는 수지(실시형태 1 참조)나 내산 도장, 도금(예, 귀금속이나 니켈, 크롬 등의 금속) 등으로 이루어지는 피복층을 구비하는 것이 바람직하다. 컨테이너(2)의 내면 전체면[후술하는 칸막이부(24)를 포함함]에 피복층을 구비하는 것이 보다 바람직하다.
이 예의 컨테이너(2)는 그 가로로 긴 내부 공간을 컨테이너(2)의 길이 방향으로 2개로 나누는 칸막이부(24)를 구비하고, 한쪽의 단부면부(23)측(도 4에서는 우측)을 셀실(2C)로 하고, 다른쪽(상동, 좌측)의 단부면부(23)측을 탱크실(2T)로 한다. 즉, 컨테이너(2) 내에 있어서, 셀실(2C)과 탱크실(2T)이 컨테이너의 길이 방향으로 횡배열된다. 셀실(2C)은 스택군(100), 열 교환부(4), 펌프(18)를 포함하여 배관(16, 17)을 수납한다. 탱크실(2T)은 탱크(3)를 수납한다. 컨테이너(2) 내의 길이 방향의 일단측에 스택군(100), 열 교환부(4), 배관(16, 17)을 통합하여 수납하고, 타단측에 탱크(3)를 수납하는 형태(이하, 사이드 형태라고 부름)는, 예컨대 탱크(3)를 사이에 두고 일단측에 스택군(100) 및 배관(16, 17)의 일부, 타단측에 펌프(18) 및 배관(16, 17)의 잔부, 열 교환부(4) 등이 배치되는 탱크 개재 형태와 비교하여, 각 셀 스택(10)과 탱크(3) 사이의 배관(16, 17)의 배치 구조를 단순하게 하기 쉬운 데다가, 배관(16, 17)을 짧게 하기 쉽다. 그 때문에, 각 셀 스택(10)과 배관(16, 17)의 접속 작업이나 열 교환부(4)의 장착 등을 행하기 쉽다. 또한, 스택군(100)과 열 교환부(4)를 근접 배치하기 쉬워, 전해액을 효율적으로 냉각할 수 있다.
이 예의 칸막이부(24)는, 바닥부(20)로부터 세워서 설치되고, 그 상단이 천장판부(21)에 이르는 높이와, 한쪽의 측면부(22)로부터 다른쪽의 측면부(22) 사이에 이르는 폭을 갖는 직사각 형상의 판재이며, 말하자면 단부면부(23)의 가상의 평면 면적에 가까운 크기 및 형상을 갖는다. 이러한 칸막이부(24)는 고무 등의 가요성 재료로 이루어지는 탱크(3)여도 보형하기 쉽다. 이 칸막이부(24)에는 탱크(3)에 접속되는 배관(16, 17)이 삽입 관통되는 삽입 관통 구멍을 마련하면, 탱크실(2T)과 셀실(2C) 사이에서 전해액을 유통할 수 있다. 칸막이부(24)의 형상, 크기 등은 적절하게 변경할 수 있다. 칸막이부(24)의 적어도 일부를 생략할 수도 있다. 칸막이부(24)에 있어서의 바닥부(20)의 내면으로부터의 설치 높이를 예컨대 탱크(3)에 있어서의 배관(16, 17)과의 접속 부분의 위치보다 낮게 하면, 전술한 삽입 관통 구멍을 불필요하게 할 수 있다.
칸막이부(24)는 셀실(2C), 탱크실(2T)이 원하는 용적이 되도록 마련하면 좋다. 이 예에서는, 탱크실(2T)의 용적이 셀실(2C)의 용적의 대략 2배 정도가 되는 위치에 칸막이부(24)를 마련하고 있지만, 적절하게 변경할 수 있다. 예컨대, 탱크실(2T)의 용적과 셀실(2C)의 용적을 실질적으로 같게 하거나, 셀실(2C)을 보다 크게[탱크실(2T)을 보다 작게]하거나 할 수도 있다. 탱크실(2T)이 크기 때문에, 전해액량을 증대할 수 있어, 대용량 전지로 할 수 있다.
전술한 사이드 형태에서는, RF 전지(1B)를 설치할 때에, 구성 요소를 수납한 컨테이너(2)를 크레인 등으로 인양하면 기우는 일이 있어, 미리 정해진 설치 장소에 바닥부(20)를 배치하기 어려운 것이 생각된다. 따라서, 인양 시에 컨테이너(2)가 기울지 않도록, 바람직하게는 바닥부(20)가 수평으로 유지되도록 중량 밸런스를 고려하여, 셀실(2C)과 탱크실(2T)의 용적 분배 비율, 셀실(2C) 내의 수납물(후술하는 그 외의 수납 부재도 포함함)에 대해서 질량이나 셀실(2C) 내에서의 배치 위치, 탱크(3)의 질량 등을 조정하는 것이 바람직하다.
이하, 탱크실(2T)의 용적이 셀실(2C)의 용적보다 크고, 탱크실(2T)의 길이(L2T)가 셀실(2C)의 길이(L2C)보다 긴 경우를 생각한다. 도 6, 도 7에 나타내는 바와 같이, 컨테이너(2)의 길이 방향 및 높이 방향의 중심을 P(도 6), 컨테이너(2)의 길이 방향 및 폭 방향의 중심을 Q(도 7), 컨테이너(2)의 길이를 L, 컨테이너(2)의 폭을 W(도 7), 컨테이너(2)의 무게 중심을 G로 한다. 또한, 도 6에 나타내는 바와 같이, 중심(P)으로부터 컨테이너(2)의 좌측의 단부면부(23)까지의 영역을 탱크실(2T)의 대영역(t1)으로 하고, 중심(P)으로부터 컨테이너(2)의 우측의 단부면부(23)까지의 영역 중, 칸막이부(24)까지의 영역을 탱크실(2T)의 소영역(t2)으로 하고, 그 잔부를 셀실(2C)로 한다. 이러한 컨테이너(2)에 스택군(100), 열 교환부(4), 탱크(3), 배관(16, 17)을 수납한 상태(도 4등)의 종단면에 있어서, 탱크실(2T)의 대영역(t1)의 질량을 wt1로 하고, 중심(P)으로부터 대영역(t1)의 무게 중심[점(P1)]까지의 거리를 Lt1로 한다. 탱크실(2T)의 소영역(t2)의 질량을(wt2)으로 하고, 중심(P)으로부터 소영역(t2)의 무게 중심[점(P2)]까지의 거리를 Lt2로 한다. 셀실(2C)의 질량을 wc로 하여, 중심(P)으로부터 셀실(2C)의 무게 중심[점(Pc)]까지의 거리를 Lc로 한다. 이때, 전술한 스택군(100) 등을 수납한 상태의 컨테이너(2)에 있어서, 중심(P)으로부터 무게 중심(G)까지의 거리를 x라고 하면, 무게 중심(G)의 주위의 모멘트의 식은, wt1×(Lt1+x)+wt2×(x-Lt2)=wc×(Lc-x)이다. 따라서, x=(wc×Lc-wt1×Lt1+wt2×Lt2)/(wc+wt1+wt2)가 된다.
여기서, 직육면체형의 컨테이너(2)로서, 그 무게 중심(G0)이 직육면체의 중심(길이 방향의 중심선과 폭 방향의 중심선과 높이 방향의 중심선의 교점)에 있는 것을 도 8에 나타내는 바와 같이 컨테이너(2)의 천장판부(21)의 4 코너에 와이어를 장착하여, 무게 중심(G0)을 통과하는 직선 방향으로 인양하는 경우를 생각한다. 여기서의 인양점(R)은, 무게 중심(G0)을 통과하여, 천장판부(21)에 수직인 직선과, 각 와이어를 따른 직선으로서 천장판부(21)에 대한 각도가 θ인 직선과의 교점이다. 이 경우, 각 와이어의 장력은 모두 같고, 좌측의 장력을 F1, 우측의 장력을 F2로 하고, 컨테이너의 질량을 w로 하면, F1=F2=(1/4)×(1/sinθ)×w×중력 가속도로 나타낸다. 컨테이너(2)의 무게 중심(G0)이 편측(도 6에서는 우측)으로 어긋나면, 장력(F1, F2)의 밸런스가 변화한다. 이와 같이 직육면체형의 컨테이너(2)의 무게 중심이 컨테이너(2)의 종단면에 있어서의 중심으로부터 길이 방향의 일단 또는 타단으로 치우친 경우라도, 안전하게 인양되도록, 컨테이너(2)의 중량 밸런스를 조정하는 것이 요구된다.
도 6에 나타내는 바와 같이 컨테이너(2)의 천장판부(21)의 길이 방향의 일단 및 타단을 각각 힘(M1, M2)으로 인양한 경우, 무게 중심(G)의 둘레의 모멘트의 식은, M1×[(1/2)×L+x]=M2×[(1/2)×L-x]이다. 따라서, M1=[(1/2)×L-x]/[(1/2)×L+x]×M2가 된다. x=(1/2)×L∼(1/20)×L을 대입하여, M1과 M2의 비(M1:M2)로부터, 전술한 장력(F1과 F2)의 비(F1:F2)를 구하고, 이 장력의 비로부터 무게 중심 위치가 G0로부터 G로 어긋난 경우의 편심률은, +100％∼+10％가 된다. 예컨대, x=(1/3)×L일 때, M1:M2=(1/5):1이다. 이 비율을 이용하여, 2×F1+2×F2=1이 되는 분모는 12이기 때문에, F1:F2=(1/12):(5/12)가 된다. 이때, Δ(F2-F1)×2=2/3이기 때문에, x=(1/3)×L일 때의 편심률은 +66.7％이다. 상기 편심률은 x의 값이 작을수록 낮아진다. 여기서, 상기 편심률이 70％ 미만이면, 안전한 인양을 행할 수 있기 때문에, x≤(1/3)×L을 만족하도록, 컨테이너(2)의 중량 밸런스가 조정되어 있는 것이 바람직하다. x≤(1/4)×L(편심률 50％ 이하), 더욱 x≤(1/6)×L(편심률 33％ 이하)을 만족하면, 중 량밸런스가 보다 우수하여, 컨테이너(2)를 보다 안정적으로 인양할 수 있다.
또한, RF 전지(1B)의 설치 이전에는 탱크(3) 내에 전해액(6)을 저류하지 않고 빈 상태로 설치 현장에 반송하고, 설치 후에 탱크(3) 내에 전해액(6)을 저류하면, RF 전지(1B)의 반송 시의 중량을 경감할 수 있어, 반송이나 설치 작업을 행하기 쉽다. 이 경우, 탱크실(2T)측의 질량은, 중량물인 스택군(100)등의 구성 요소를 수납하는 셀실(2C)측의 질량과 비교하여 작아지기 쉽다. 따라서, 전술한 바와 같이 x≤(1/3)×L을 만족하도록, 각 구성 요소의 질량이나 길이 방향의 배치 위치 등을 조정하면 설치 작업성이 우수하여 바람직하다.
전술한 탱크 개재 형태에서는, 예컨대 탱크(3)의 중심이 컨테이너(2)의 길이 방향의 중심과 중복하도록 탱크(3)를 컨테이너(2) 내에 수납하고, 이 탱크(3)를 사이에 끼우도록, 컨테이너(2)의 일단측에 스택군(100), 타단측에 펌프(18)를 포함하는 배관(16, 17) 및 열 교환부(4) 등을 수납하면, 종단면에 있어서의 중량 밸런스를 취하기 쉬운 경향에 있다.
전술한 사이드 형태, 탱크 개재 형태 중 어느 것에 대해서도, 컨테이너(2)의 무게 중심 위치가 컨테이너(2)의 수평 단면에 있어서의 중심으로부터 좌측 또는 우측으로 치우쳐 있는 경우에는, 컨테이너(2)의 수평 단면에 있어서의 중량 밸런스를 조정하는 것이 바람직하다. 이 중량 밸런스의 조정은, 이 컨테이너(2)를 트랙 등의 차량에 의해 육상 수송하는 경우에, 도로의 커브에서의 원심력에 의해 트랙 등이 전도하지 않도록 행하는 것이 요구된다. 구체적으로는, 편하중이 10％ 이내가 되도록 중량 밸런스를 조정하는 것이 바람직하다. 도 7에 나타내는 바와 같이 컨테이너(2)의 수평 단면에 있어서, 중심(Q)으로부터 무게 중심(G)까지의 거리를 y로 하고, 전술한 종단면에서의 편심률을 구하는 방법과 동일하게 하여, 거리(x)를 거리(y)로 치환하고, 길이(L)을 폭(W)으로 치환하면, 편하중을 10％ 이하로 하기 위해서는, y≤(1/20)×W를 만족하도록, 컨테이너(2)의 중량 밸런스가 조정되어 있는 것이 바람직하다. y≤(1/25)×W(편하중: 8％ 이하), 더욱 y≤(1/30)×W(편하중: 6.7％ 이하)를 만족하면, 중량 밸런스가 보다 우수하여, 컨테이너(2)를 보다 안정적으로 인양할 수 있다.
그 외에, 컨테이너(2)에 있어서 탱크(3)를 둘러싸는 영역에는 단열재를 배치하면, 컨테이너(2) 밖의 환경에 기인하는 탱크(3) 내의 전해액(6)의 온도 변화를 억제하기 쉬워 바람직하다. 귀로의 배관(17)에 열 교환부(4)를 마련하여, 냉각한 전해액(6)을 탱크(3)로 되돌리도록 구성하면, 전해액(6)이나 배관(16, 17) 등의 열열화를 방지하기 쉽다. 이 예에서는, 칸막이부(24), 도 4에 있어서 좌측의 단부면부(23), 바닥부(20) 및 천장판부(21)와 2개의 측면부(22, 22)에 있어서의 탱크실(2T)의 형성 영역에 단열재를 구비하는 것을 들 수 있다.
(탱크)
탱크(3)는 컨테이너(2)를 따른 형상, 여기서는 직육면체형으로 하면, 탱크(3)의 용적을 크게 하여 전해액의 저류량을 증대하기 쉽다. 이 예의 정극 탱크(34) 및 부극 탱크(35)는 모두 가로로 긴 직육면체형이며, 동일한 크기이다. 양탱크(34, 35)를 합하면, 탱크실(2T)의 내주 형상을 따르고 있고, 이 합한 크기는, 탱크실(2T)의 내부 치수보다 약간 작은 정도이다(도 5). 이 예에서는, 양 탱크(34, 35)는 컨테이너(2)의 폭 방향으로 배열되어 수납된다. 특히, 고무 등의 가요성 재료로 이루어지는 탱크(3)이면, 탄성 변형 가능하기 때문에, 대용적의 탱크(3)여도 컨테이너(2) 내에 수납하기 쉬운 데다가, 탱크(3)의 내부 압력이 변동하여도, 탄성 변형에 의해 내부 압력에 기인하는 응력을 완화하기 쉽다.
전술한 상승 형태로 하는 경우에는, 도 4에 나타내는 바와 같이 탱크(3)에 있어서의 왕로의 배관(16)과의 접속 부분을 탱크(3)의 하방[도 4에서는 컨테이너(2)의 바닥부(20) 쪽]에 마련하고, 탱크(3)에 있어서의 귀로의 배관(17)과의 접속 부분을 탱크(3)의 상방[상동, 천장판부(21) 쪽]에 마련하는 것을 들 수 있다.
(열 교환부)
열 교환부(4)는 실시형태 1과 마찬가지로 스택군(100)의 상방에 마련한다. 도 5에서는, 열 교환부(4)의 하방에 스택군(100)이 위치하며, 양자가 겹쳐진 상태를 예시한다. 실시형태 1에서 설명한 바와 같이, 열 교환부(4)의 평면 면적을 스택군(100)의 가상의 평면 면적에 대응시킴으로써, 컨테이너(2) 내, 특히 셀실(2C) 내라고 하는 용적이 비교적 작은 영역 내라도, 대형의 열 교환부(4)를 수납할 수 있다. 이 예에서는, 정부의 순환 경로를 전술한 상승 형태로 하고, 귀로의 배관(17) 중, 배출 근방 부분(170, 171)에 열 교환부(4)를 마련하고 있다.
(그 외의 수납 부재)
그 외에, 컨테이너(2) 내에는, 순환 기구에 있어서 펌프(18) 등의 전해액의 순환에 관여하는 기기 등을 제어하는 제어부, 이하의 탱크(3)의 환기 기구(모두 도시하지 않음) 등을 수납할 수 있다.
탱크(3)의 환기 기구는, 예컨대, 가스 발생 장치, 가스 유량 조정 기구, 역류 방지 기구, 탱크(3)에 접속되는 배관 등을 구비한다.
가스 발생 장치는 탱크(3)의 기상을 환기하기 위한 플로우 가스를 발생시키는 것이다. 여기서, RF 전지에서는, 예컨대, 전지 반응의 부반응 등에 기인하여 부극에서 수소 원소를 함유하는 가스가 발생하여 부극 탱크의 기상에 모이는 경우가 있다. 플로우 가스에 의해 예컨대 부극 탱크(35)의 기상을 환기하면, 부극 탱크(35)의 기상 중의 수소 농도를 저하시켜 대기 중에 방출할 수 있다. 플로우 가스는 불활성 가스를 포함하거나, 또는 실질적으로 불활성 가스인 것이 바람직하다. 불활성 가스는 예컨대, 질소나 희가스(아르곤, 네온, 헬륨) 등을 들 수 있다. 질소를 발생 가능한 가스 발생 장치이면, 대기 중으로부터 질소를 취출할 수 있기 때문에, 반영구적으로 플로우 가스를 공급할 수 있다.
가스 유량 조정 기구는 전술한 가스 발생 장치 등의 가스 공급원으로부터 탱크(3)의 기상에 공급되는 플로우 가스의 공급량을 조정하는 것이다. 가스 유량 조정 기구는 예컨대, 유량계와 밸브를 구비하여, 유량계로 계측한 플로우 가스의 유량에 기초하여 밸브의 개방도를 조정한다. 유량에 기초하는 개방도의 결정이나 밸브의 동작 등은 전술하는 제어부에 의해 행하는 것을 들 수 있다.
역류 방지 기구는 탱크(3)에 접속된 배기용의 배관에 마련되어, 배기 가스가 탱크(3)의 기상으로 역류하는 것을 방지한다. 역류 방지 기구는 예컨대, 공지의 수봉 밸브 등을 이용할 수 있다.
전술한 플로우 가스에 의해 탱크(3)의 기상을 환기하는 구체적인 형태로서, 양 탱크(34, 35)를 연속하여 환기하는 형태 (1), (2), 각 탱크(34, 35)를 독립적으로 환기하는 형태 (3)을 들 수 있다. (1) 정극 탱크(34)⇒부극 탱크(35)⇒배기라고 하는 형태에서는, 양 탱크(34, 35)의 기상을 연통관으로 접속하며, 정극 탱크(34)의 기상에 전술한 가스 발생 장치를 접속하고, 부극 탱크(35)의 기상에 배기용의 배관을 접속한다. 그리고, 정극 탱크(34)의 기상에 플로우 가스를 도입하고, 정극 탱크(34) 및 연통관을 통해 부극 탱크(35)의 기상에도 플로우 가스를 공급하며, 배기용의 배관으로부터 배출한다. 배기용의 배관의 일단은 탱크(3)에 접속하고, 타단은 컨테이너(2) 밖으로 개구시켜, 컨테이너(2) 밖의 대기 중에 배기하거나, 컨테이너(2) 내로 개구시켜 컨테이너(2)의 측면부(22) 등에 마련한 환기구로부터 배기하거나 하는 것을 들 수 있다. (2) 부극 탱크(35)⇒정극 탱크(34)⇒배기라고 하는 형태에서는, 상기 (1)과 마찬가지로 연통관을 접속하며, 상기 (1)과는 반대로, 정극 탱크(34)의 기상에 배기용의 배관을 접속하고, 부극 탱크(35)의 기상에 전술한 가스 발생 장치를 접속한다. 부극 탱크(35)의 기상에 플로우 가스를 도입하고, 연통관 및 부극 탱크(35)의 기상을 통해 정극 탱크(34)의 기상에 플로우 가스를 공급하며 배기한다. (3)의 형태에서는, 각 탱크(34, 35)의 기상에 전술한 가스 발생 장치와 배기용의 배관을 접속하고, 각 탱크(34, 35)의 기상에 플로우 가스를 도입하며 배기한다.
(주요한 효과)
실시형태 2의 RF 전지(1B)는 컨테이너(2) 내에 일괄하여 스택군(100), 탱크(3), 열 교환부(4), 배관(16, 17)을 수납하기 때문에, 공장이라고 하는 작업 스페이스를 크게 확보하기 쉬운 장소에서 조립할 수 있어, 조립 작업성이 보다 우수하다. 이 예와 같이, 컨테이너(2) 내의 길이 방향의 일단측을 셀실(2C)로 하고, 스택군(100), 열 교환부(4), 배관(16, 17)을 셀실(2C)에 수납하는 경우에는, 전술한 탱크 개재 형태와 비교하여, 배관 구조를 단순하게 하기 쉬운 데다가, 배관(16, 17)을 짧게 하기 쉽다. 이것으로부터, 배관(16, 17)의 조립 시간이나, 열 교환부(4)의 조립 시간 등도 단축 가능하여, 조립 작업성이 보다 우수하다.
또한, 실시형태 2의 RF 전지(1B)는, 컨테이너(2) 내에 일괄하여 스택군(100)이 수납되지만, 스택군(100)의 상방에 열 교환부(4)를 구비하기 때문에, 실시형태 1과 마찬가지로 방열성이 우수하다. 배관(16, 17)을 짧게 하기 쉬운 것으로부터도, 열 교환부(4)의 설치 스페이스를 크게 확보하기 쉬워, 큰 열 교환부(4)를 구비할 수 있는 것으로부터도, 방열성이 우수하다. 이 예와 같이 셀실(2C)이라고 하는 비교적 좁은 스페이스에 스택군(100)이 수납되는 경우라도, 전술한 세로 적층의 경우보다 대기의 유동 공간을 비교적 넓게 확보하기 쉽고, 대기가 유동하여 배관(16, 17)이 공냉되기 쉬울 것으로 기대되는 것으로부터도, 방열성이 우수하다. 또한, 이 예와 같이 스택군(100), 열 교환부(4), 배관(16, 17)을 셀실(2C)에 수납하는 경우에는, 전술한 바와 같이 배관(16, 17)이 짧으면, 전해액을 열 교환부(4)에 조속하게 도입하기 쉬워, 효율적으로 냉각할 수 있는 것으로부터도, 방열성이 우수하다. 또한, 이 예와 같이, 정부의 순환 경로를 전술한 상승 형태로 하고, 열 교환부(4)의 배치 부분을 배출 근방 부분(170, 171)으로 하면, 고온의 전해액을 조속하게 열 교환부(4)에 도입할 수 있어, 효율적으로 냉각할 수 있는 것으로부터도, 방열성이 우수하다.
덧붙여, 전술한 바와 같이 중량 밸런스를 고려하여, 스택군(100)이나 배관(16, 17), 탱크(3)의 질량이나 길이 방향의 배치 위치, 또한 폭 방향의 배치 위치를 조정함으로써, 전술한 구성 요소를 수납한 컨테이너(2)를 설치 장소에 배치할 때에, 크레인 등으로 컨테이너(2)를 안정적으로 인양할 수 있다. 전술한 구성 요소를 수납한 컨테이너(2)를 트랙 등으로 반송할 때에는, 트랙 등을 안정적으로 주행할 수 있다. 그 때문에, 설치 작업성, 반송 작업성도 우수하다.
그 외에, RF 전지(1B)는 이하의 효과를 가져온다.
(1) 하나의 컨테이너(2)에, 스택군(100), 탱크(3), 배관(16, 17) 등의 구성 요소가 일괄하여 수납되어 있기 때문에, 반송하기 쉽고, 설치하기 쉽고, 상기 구성 요소를 컨테이너(2)에 의해 보호할 수 있다고 하는 효과를 가져온다.
(2) 컨테이너(2) 내를 셀실(2C)과 탱크실(2T)로 나눔으로써, 각 셀 스택(10)이나 펌프(18), 전술한 제어부 등의 점검 등을 행하기 쉽다.
본 발명은 이들 예시에 한정되는 것이 아니며, 청구범위에 의해 나타나고, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
예컨대, 도 1, 도 4, 도 5에 있어서, 스택수, 순환 경로 등을 변경하거나, 도 4, 도 5에 있어서 컨테이너(2) 내의 수납물의 배치를 변경하거나, 칸막이부(24)를 생략하거나 하는 것 등을 들 수 있다.
스택군(100)을 주로 수납하는 컨테이너와, 탱크(3)를 주로 수납하는 컨테이너를 각각 독립된 컨테이너로 할 수 있다.
예컨대, 스택군(100)과, 열 교환부(4), 배관(16, 17) 등을 수납하고, 탱크(3)를 수납하지 않는 기기용 컨테이너와, 탱크(3)를 수납하고, 스택군(100)을 수납하지 않는 탱크용 컨테이너를 구비하는 RF 전지로 하는 것을 들 수 있다. 기기용 컨테이너와 탱크용 컨테이너로 나눔으로써, 스택수를 보다 많게 하기 쉽다. 탱크용 컨테이너는 정부의 탱크(34, 35)를 일괄하여 수납하는 형태, 정극 탱크(34)를 수납하는 정극 컨테이너와, 부극 탱크(35)를 수납하는 부극 컨테이너를 구비하는 형태 모두 이용할 수 있다.
1A, 1B 레독스 플로우 전지(RF 전지) 10C 전지 셀
11 격막 14 정극 전극
15 부극 전극
16, 17, 164, 165, 174, 175 배관 170, 171 배출 근방 부분
18, 184, 185 펌프 100 스택군
10, 101, 102 셀 스택 110 셀 프레임
111 쌍극판 112 프레임체
113 급액 구멍 114, 116 슬릿
115 배액 구멍 118 시일재
120 서브 셀 스택 122 급배판
130 엔드 플레이트 132 체결 부재
2 컨테이너 2C 셀실
2T 탱크실 20 바닥부
21 천장판부 22 측면부
23 단부면부 24 칸막이부
3 탱크 34 정극 탱크
35 부극 탱크 4 열 교환부
40 배관 집적부 42 냉각 기구
6 전해액 t1 대영역
t2 소영역

Claims (4)

  1. 레독스 플로우 전지로서,
    수평 방향으로 횡배열되는 복수의 셀 스택을 포함하는 스택군과,
    상기 스택군의 상방에 배치되며, 각 셀 스택에 공급되는 전해액을 냉각하는 열 교환부와,
    상기 스택군과, 상기 열 교환부와, 상기 전해액을 저류하는 탱크와, 상기 각 셀 스택과 상기 탱크에 접속되어 상기 전해액을 유통하는 배관을 일괄하여 수납하는 컨테이너를 구비하고,
    상기 컨테이너 내에 있어서, 상기 스택군 및 상기 열 교환부와 상기 배관을 수납하는 셀실과, 상기 탱크를 수납하는 탱크실은 상기 컨테이너의 길이 방향으로 횡배열되며,
    상기 탱크실의 길이는 상기 셀실의 길이보다 길고,
    상기 스택군, 상기 열 교환부, 상기 탱크 및 상기 배관이 수납된 상태의 상기 컨테이너의 길이 방향 및 높이 방향의 중심을 P, 상기 컨테이너의 길이 방향 및 폭 방향의 중심을 Q, 상기 컨테이너의 길이를 L, 상기 컨테이너의 폭을 W, 상기 탱크가 상기 전해액을 저류하지 않고 빈 상태에서 상기 컨테이너의 무게 중심을 G로 할 때,
    상기 중심(P)과 상기 무게 중심(G)을 상기 컨테이너의 종단면에 투영했을 때 상기 중심(P)을 지나면서 상기 컨테이너의 길이 방향과 직교하는 직선과 상기 무게 중심(G)의 거리(x)는 x≤(1/3)×L을 만족하고, 상기 중심(Q)과 상기 무게 중심(G)을 상기 컨테이너의 수평 단면에 투영했을 때 상기 중심(Q)을 지나면서 상기 컨테이너의 폭 방향과 직교하는 직선과 상기 무게 중심(G)의 거리(y)는 y≤(1/20)×W를 만족하는 것인,
    레독스 플로우 전지.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
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