TWI642227B - 氧化還原液流電池 - Google Patents

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Abstract

氧化還原液流電池具備：電池單元，正極用電解液槽，負極用電解液槽，及壓力調整機構。電池單元具有正極電極、負極電極及隔膜。正極用電解液槽貯存供給至電池單元的正極電解液。負極用電解液槽，貯存供給至電池單元的負極電解液。壓力調整機構，安裝於正極用電解液槽及負極用電解液槽之至少一方，用於調節該電解液槽內的氣相之壓力。該壓力調整機構具備：水封閥，其具備：貯存調壓液的貯存容器；第一排氣管，由電解液槽內的氣相延伸，通過貯存容器內的氣相，而於貯存容器內的液相內具有開口；及第二排氣管，一端於貯存容器內的氣相具有開口，另一端於大氣具有開口；調壓液於常溫．常壓下為非揮發性之液體。

Description

氧化還原液流電池
本發明關於使電解液流通於電池單元進行充放電的氧化還原液流電池。
近來作為地球暖化之對策而利用太陽光發電、風力發電等自然能源(所謂可再生能源)的發電在世界上被活撥進行。彼等發電輸出受到天候等自然條件大幅左右。因此，自然能源佔有電力系統之比例增加時，電力系統運用時的問題，例如頻率或電壓維持變為困難之問題是可以預測。作為該問題的對策之一，例如可以設置大容量之蓄電池，達成輸出變動之平滑化、多餘電力之蓄電、負載平準化等。
大容量的蓄電池之一有圖4之動作原理圖所示氧化還原液流電池(以下稱RF電池β)。代表性之RF電池β係透過交流/直流轉換器連接於發電部(例如太陽光發電裝置或風力發電裝置、其他一般的發電所等)與負載(需要家等)之間，發電部發電之電力進行充電並儲 存，或將儲存的電力放電供給至負載。
RF電池β具備單數或複數個電池單元100。 電池單元100具備：正極片部102，內建有正極電極104；負極片部103，內建有負極電極105；及分離兩片部102、103之同時透過離子的隔膜101；負責充放電。於正極片部102透過配管108、110連接有貯存正極電解液的正極用電解液槽106。於負極片部103透過配管109、111連接有貯存負極電解液的負極用電解液槽107。又，配管108、109上分別設置使各電解液循環的泵112、113。電池單元100藉由配管108~111與泵112、113對正極片部102(正極電極104)及負極片部103(負極電極105)分別循環供給正極用槽106的正極電解液及負極用槽107的負極電解液，伴隨成為兩極之電解液中之活物質的金屬離子(圖示例為釩離子)之價數變化進行充放電。
於此，RF電池β中電解液槽106、107內的 氣相隨設置環境之溫度變化或充放電時之發熱等而膨脹或收縮。例如電解液槽106、107內成為高於大氣壓的正壓時，電解液槽106、107有破裂之虞。又，電解液槽106、107內成為低於大氣壓的負壓時，電解液槽106、107有凹陷損傷之虞。作為其對策被提案在氧化還原液流電池設置將電解液槽106、107之內部調整成為大氣壓附近的壓力調整機構(例如參照專利文獻1)。
專利文獻1揭示由儲存儲存調壓液的第1氣 壓保持容器與第2氣壓保持容器構成的壓力調整機構(參 照專利文獻1之圖1)。第1氣壓保持容器內的氣相透過第1連通手段與貯液槽(電解液槽)內的氣相連通，第1氣壓保持容器內的液相與第2氣壓保持容器內的液相透過第2連通手段連通。另外，第2氣壓保持容器內的氣相開放為大氣。若是此一構成之壓力調整機構，當電解液槽為正壓時，如專利文獻1之圖2所示第1氣壓保持容器的液面下降，第2氣壓保持容器的液面上升，依此則電解液槽內之壓力下降至大氣壓附近。另一方面，電解液槽成為負壓時，如專利文獻1之圖3所示第1氣壓保持容器的液面上升，第2氣壓保持容器的液面下降，電解液槽內之壓力上升至大氣壓附近。
又，依據上述專利文獻1之構成，電解液槽 內成為負壓時，可以抑制大氣被吸入電解液槽內，可以抑制大氣造成電解液之劣化。之所以能抑制大氣被吸入電解液槽內，係基於連接第2氣壓保持容器與第1氣壓保持容器的第2連通手段充滿調壓液。
〔先前技術文獻〕 〔專利文獻〕
[專利文獻1]特開2001-253495號公報
但是，專利文獻1之構成中，第2氣壓保持 容器內的氣相開放為大氣，因此容器內之調壓液蒸散。因此，需要相當頻繁地監控調壓液之液量，適宜進行補充。 如此地進行氧化還原液流電池之運轉時之維護作業極為繁雜，因此期待減輕該作業。
本發明有鑑於上述事情，本發明的目的之一 在於提供運轉時的維護作業較少的氧化還原液流電池。
本發明一態樣的氧化還原液流電池，係具 備：電池單元，正極用電解液槽，負極用電解液槽，及壓力調整機構。電池單元具有正極電極、負極電極及隔膜。 正極用電解液槽貯存供給至電池單元的正極電解液。負極用電解液槽，貯存供給至電池單元的負極電解液。壓力調整機構，安裝於正極用電解液槽及負極用電解液槽之至少一方，用於調節該電解液槽內的氣相之壓力。該壓力調整機構具備：水封閥，其具備：貯存調壓液的貯存容器；第一排氣管，由電解液槽內的氣相延伸，通過貯存容器內的氣相，而於貯存容器內的液相內具有開口；及第二排氣管，一端於貯存容器內的氣相具有開口，另一端於大氣具有開口；調壓液於常溫．常壓下為非揮發性之液體。
上述氧化還原液流電池之維護作業較少。
α‧‧‧氧化還原液流電池(RF電池α)
1‧‧‧壓力調整機構
1A、1B‧‧‧水封閥
10‧‧‧貯存容器
11‧‧‧第一排氣管
12‧‧‧第二排氣管
13‧‧‧防波筒
14‧‧‧溢流管
141、143‧‧‧橫向配管
142‧‧‧縱向配管
15‧‧‧溢流管
151、153‧‧‧橫向配管
152‧‧‧U字配管
10L‧‧‧調壓液
10W‧‧‧結露水
3‧‧‧呼吸袋
9‧‧‧氣相連通管
β‧‧‧氧化還原液流電池(RF電池β)
100‧‧‧電池單元
101‧‧‧隔膜
102‧‧‧正極片部
103‧‧‧負極片部
104‧‧‧正極電極
105‧‧‧負極電極
106‧‧‧正極用電解液槽
107‧‧‧負極用電解液槽
108~111‧‧‧配管
112、113‧‧‧泵
[圖1]實施形態的氧化還原液流電池之概略構成圖。
[圖2]實施形態1所示壓力調整機構之概略構成圖。
[圖3]實施形態2所示壓力調整機構之概略構成圖。
[圖4]氧化還原液流電池之動作原理圖。
〔本發明之實施形態的說明〕
首先以下說明本發明的實施形態之內容。
[1]實施形態的氧化還原液流電池，係具備：電池單元，正極用電解液槽，負極用電解液槽，及壓力調整機構。電池單元具有正極電極、負極電極及隔膜。正極用電解液槽貯存供給至電池單元的正極電解液。負極用電解液槽貯存供給至電池單元的負極電解液。壓力調整機構，安裝於正極用電解液槽及負極用電解液槽之至少一方，用於調節該電解液槽內的氣相之壓力。該壓力調整機構具備：水封閥，其具備：貯存調壓液的貯存容器；第一排氣管，由電解液槽內的氣相延伸，通過貯存容器內的氣相，而於貯存容器內的液相內具有開口；及第二排氣管，一端於貯存容器內的氣相具有開口，另一端於大氣具有開口；調壓液於常溫．常壓下為非揮發性之液體。
上述氧化還原液流電池之壓力調整機構具備 的水封閥，在電解液槽的內部成為正壓時可以將電解液槽內之氣體放出至大氣。具體說明電解液槽內之氣體的移動狀態如下，電解液槽內之氣體經由第一排氣管排出至貯存容器內的液相，移行至貯存容器內的氣相。貯存容器之氣體經由第二排氣管被放出至大氣，結果，電解液槽內之氣體被放出至外部，可以防止電解液槽之破裂。另一方面，上述水封閥在電解液槽的內部成為負壓時亦有助於提升電解液槽之壓力。電解液槽成為負壓時，調壓液被吸入第一排氣管，第一排氣管內的氣相之容積減少該吸入之調壓液量。
又，具備上述壓力調整機構的氧化還原液流 電池，係維護作業較少的氧化還原液流電池。其基於水封閥的貯存容器貯存的調壓液於常溫．常壓下為非揮發性之液體，調壓液幾乎一點都不減少。
[2]本實施形態的氧化還原液流電池中，一形 態可為調壓液的比重較水的比重輕。此情況下，水封閥另具備：溢流管，係於貯存容器之側部或底部具有開口，用於將在貯存容器內滯留於調壓液下方的結露水排出外部。
貯存容器內的氣相包含較多水蒸氣，因此氧 化還原液流電池之設置環境之溫度降低時，貯存容器內的水蒸氣結露而使結露水在貯存容器內滯留於調壓液下方。 結露水導致貯存容器內之液量過多時，會有調壓的壓力值上昇之問題，或調壓液溢出第二排氣管致使水封閥無法發揮作用之問題。針對該問題，藉由設置由貯存容器排出結 露水的溢流管，可將貯存容器內貯存的液量限制於特定量以下，可以抑制上述問題之發生。
[3]本實施形態的氧化還原液流電池中，一形 態可為調壓液的比重較水的比重重。此情況下，水封閥另具備：溢流管，係於貯存容器之側部具有開口，用於將在貯存容器內滯留於調壓液上方的結露水排出外部。
如上述說明，貯存容器內滯留結露水。因比 重之關係結露水滯留於調壓液上方，結露水導致貯存容器之液量過多時，有可能結露水溢出第二排氣管致使水封閥無法發揮作用。針對此一問題，藉由設置由貯存容器排出結露水的溢流管，可將貯存容器內的液量限制於特定量以下，可以抑制上述問題之發生。
[4]調壓液的比重較水的比重重，由調壓液上 方排出結露水的實施形態的氧化還原液流電池中，水封閥可以是另具備防波筒的形態，該防波筒之內部用於收納第一排氣管之開口部側之部分，且兩端具有開口。該防波筒的下方側之開口部及上方側之開口部分別在較第一排氣管之開口部更低的位置及較液面高的位置具有開口。
防波筒的下方側之開口部之開口較第一排氣 管之開口部位於更下側，因此由電解液槽排出至第一排氣管的大多數氣泡會進入防波筒內的液相。防波筒之上方側開口部之開口較液面位於更高的位置，因此進入防波筒內液相之氣泡在防波筒內部的液面爆開。防波筒內部的液面與防波筒外部的液面藉由防波筒區隔，因此可以抑制防波 筒外側的液面之波浪．起泡。如此則，只要能抑制貯存容器內的液面之波浪．起泡，即可抑制在貯存容器內的液面附近結露水與調壓液之混合，可以抑制結露水與調壓液同時由溢流管排出。
[5]本實施形態的氧化還原液流電池之型態， 可以具備安裝於正極用電解液槽及負極用電解液槽之至少一方的呼吸袋。
依據具備呼吸袋的氧化還原液流電池，可以 有效防止電解液槽的內部成為負壓時，電解液槽之凹陷。
〔本發明之實施形態的詳細〕
依據圖面說明本實施形態的氧化還原液流電池(以下稱為RF電池α)。又，本發明不限定於彼等例示，亦包含申請專利範圍所示、與申請專利範圍具有均等意義及範圍內全部變更。
<實施形態1>
圖1所示RF電池α，除具備氣相連通管9與壓力調整機構1以外均和使用圖4之動作原理圖說明的RF電池β同樣之構成。因此，圖1的RF電池α中和圖4的RF電池β共通之構成附加同一符號並省略說明。
≪RF電池之全體構成≫
和習知的RF電池β同樣，圖1所示RF電池α具 備：電池單元100；對該電池單元100供給電解液的循環機構(電解液槽106、107，配管108~111，泵112、113)。但是，圖1所示RF電池α中之各構件之配置設為和實際之配置接近的配置。例如圖1之電解液槽106、107之位置配置於較電池單元100更低的位置。
該RF電池α具備將正極用電解液槽106內的氣相與負極用電解液槽107內的氣相連通的氣相連通管9。藉由氣相連通管9可以一體處理兩電解液槽106、107內的氣相。於該氣相連通管9之中途可以設置維護用之閥。
又，RF電池α具備安裝於各電解液槽106、107的2個壓力調整機構1，及安裝於各電解液槽106、107的2個呼吸袋3。彼等構件1、3均用於調整電解液槽106、107內之壓力，壓力調整機構1主要在電解液槽106、107內成為正壓時發揮作用，呼吸袋3主要在電解液槽106、107內成為負壓時發揮作用。
≪壓力調整機構≫
壓力調整機構1係如圖2所示具備水封閥1A。將壓力調整機構1各1個設於電解液槽106、107，係為了在任一方故障時另一方可以發揮作用，可以調整電解液槽106、107內之壓力。
〔水封閥〕
壓力調整機構1之水封閥1A具備貯存容器10、第一排氣管11及第二排氣管12。貯存容器10係貯存調壓液10L的構件。第一排氣管11，係由電解液槽106(107)內的氣相延伸，通過貯存容器10內的氣相，於貯存容器10內的液相內具開口的構件。第二排氣管12，其之一端於貯存容器10內的氣相具有開口，另一端於大氣具有開口的構件。
調壓液10L使用常溫．常壓下非揮發性之液體，而且比重較水輕的液體。調壓液10L要求的其他性質例如為有害性較低、與水分離等難以凍結之性質。滿足此種特性的調壓液10L例如有矽油或液體石蠟等。特別是矽油具有耐熱性、耐寒性、耐水性優點，在寬廣溫度範圍內之黏度變化較少，因此作為調壓液10L較好。矽油依側鏈數等而存在複數種，其比重大致上較水的比重輕。貯存容器10內貯存的調壓液10L之量在0.1公升(100cm3)以上5公升以下為較好。
貯存容器10、第一排氣管11及第二排氣管12例如可由聚氯乙烯(PVC)等樹脂構成。聚氯乙烯具有耐水性、耐酸性、耐鹼性、耐溶劑性，價廉因此較好。貯存容器10透明為較好，可由外部確認貯存容器10內的調壓液10L之量。PVC可以對應此一要求。當然，第一排氣管11及第二排氣管12亦可以構成透明。
貯存容器10之內容積在0.5公升以上10公升以下為較好。具有該範圍之內容積的貯存容器10即可充 分發揮水封閥1A之機能。
與電解液槽106(107)的氣相連結的第一排氣管11之下端位置，設為未到達貯存容器10之底面的特定高度為較好。該下端位置較後述之結露水10W在貯存容器10之上限水位更上方為較好。如此則，可以回避後述之結露水10W之起泡，回避調壓液10L與結露水10W激烈混合。該第一排氣管11之內徑在1cm以上10cm以下為較好。只要是具有該範圍之內徑的第一排氣管11，即可使來自電解液槽106(107)之氣體之排出順利，可以迴避由第一排氣管11排出至貯存容器10內的液相的氣體所形成的氣泡之大小變為過大。氣泡過大時，在貯存容器10之底部有可能發生調壓液10L與後述之結露水10W激烈混合。又，本例中將由第一排氣管11排出的氣泡之排出方向限定於一方側，因此將第一排氣管11之開口端斜向裁斷。
第二排氣管12之內徑設為1cm以上10cm以下為較好。只要是具有該範圍之內徑的第二排氣管12，即可迅速使貯存容器10內之氣體排出至外部。
具備上述構成的水封閥1A，係具有在電解液槽106、107內成為正壓時將電解液槽106、107的內部之壓力調整成為大氣壓附近之機能。具體言之為，電解液槽106、107的內部成為正壓時，電解液槽106、107內之氣體通過第一排氣管11被排出至貯存容器10內的液相(參照粗線箭頭)。排出至液相的氣體成為氣泡而於液相中上 昇，移行至貯存容器10內的氣相。如粗線箭頭所示，貯存容器10之氣體透過第二排氣管12被放出至大氣。如此則，電解液槽106、107內之氣體經由水封閥1A被放出至外部，電解液槽106、107的內部壓力被調整成為大氣壓附近。結果，可以防止電解液槽106、107之破裂。
於此，水封閥1A中的調壓液10L有可能激烈起泡。但是，調壓液10L由常溫．常壓下為非揮發性之液體構成，因此貯存容器10內的調壓液10L幾乎未減少。 因此，可以減少監控調壓液10L之量，或適當補充調壓液10L等之作業。
又，具備上述構成的水封閥1A，係具有在電解液槽106、107成為負壓時將電解液槽106、107的內部壓力調整成為接近大氣壓之機能。電解液槽106、107成為負壓時，調壓液10L被吸入第一排氣管11，第一排氣管11內的氣相之容積減少該部分之量。結果，電解液槽106、107的內部壓力上昇，電解液槽106、107之凹陷被抑制。
又，電解液槽106、107內部產生之氣體有可能是有害的氣體。因此，於第一排氣管11之中途或第二排氣管12之中途設置氣體除去裝置較好。氣體除去裝置可以利用例如特開2007-311209號公報記載者(例如使用氧化銅的過濾器)。
本例之水封閥1A另具備溢流管14。溢流管14係將貯存容器10內貯存的調壓液10L之液位限制於特 定位置以下的構件。貯存容器10內的氣相包含多數水蒸氣，因此RF電池α(圖1)之設置環境之溫度降低時，貯存容器10內的水蒸氣結露而使結露水10W在貯存容器10內滯留於調壓液10L之下方。結露水10W造成貯存容器10內之液量過多時，有可能發生調壓的壓力值增加之問題，或調壓液10L溢出第二排氣管12致使水封閥1A無法發揮作用之問題。針對該問題，藉由設置由貯存容器10排出結露水10W的溢流管14，可將貯存容器10內貯存的液量限制於特定量以下，可以抑制上述問題之發生。
溢流管14具備：與貯存容器10之高度方向之靠近下端的側部連通的橫向配管141；朝鉛直上方延伸的縱向配管142；及與縱向配管142之上端側連結的橫向配管143。藉由設為此一構成，當貯存容器10內的液面到達上方之橫向配管143之高度時，可以自動使結露水10W由溢流管14排出。亦即，貯存容器10內之液量不超出上方之橫向配管143，液不會由貯存容器10溢出。又，溢流管14可以連通於貯存容器10之底部。
≪呼吸袋≫
如圖1所示，呼吸袋3係於電解液槽106、107內下垂，其內部與大氣中連通的構件。呼吸袋3可以使用例如特開2002-175825號公報記載的公知之構成。
呼吸袋3，在電解液槽106、107內成為負壓時，將大氣吸入其內部，減少電解液槽106、107之內容 積(除去呼吸袋3)，使電解液槽106、107內之壓力上昇。又，呼吸袋3在電解液槽106、107內成為正壓時亦發揮作用。具體言之為，將呼吸袋3的內部之氣體放出至大氣，增加電解液槽106、107之內容積(除去呼吸袋3)，降低電解液槽106、107內之壓力。
≪其他≫
利用參照圖2說明的水封閥1A，可以構成呼吸袋3故障無法動作時之備用機構。此時，使水封閥1A之第二排氣管12與電解液槽106(107)內的氣相連通，使第一排氣管11與大氣連通即可。設為此一構成，在電解液槽106、107內成為負壓時呼吸袋3故障時，大氣經由第一排氣管11被吸引，透過第二排氣管12使大氣流入電解液槽106、107內。結果，電解液槽106、107內之壓力上昇，電解液槽106、107之凹陷被抑制。又，大氣有可能導致電解液劣化之虞，因此該構成可以作為呼吸袋3故障時之緊急對策用。
<實施形態2>
實施形態2中依據圖3說明使用比重較水重的調壓液10L來構成水封閥1B。
圖3所示水封閥1B使用的調壓液10L，其比重較水的比重重。除此之外本例的調壓液10L要求的特性均和實施形態1的調壓液10L相同(非揮發性等)。滿足 該特性的調壓液10L例如可為磷酸酯、氯化石蠟、氟系列油等。
調壓液10L的比重較水的比重重時，結露水10W滯留於調壓液10L之上方。本實施形態中將溢流管15配置於貯存容器10之高度方向中間部中之側部。溢流管15具備：U字配管152；及配置於其兩端部的2個橫向配管151、153。相比於U字配管152之左側(貯存容器10側)之橫向配管151，右側之橫向配管153配置於稍微低的位置。藉由此一構成，在貯存容器10內的液面到達右側之橫向配管153之高度時，貯存容器10內之氣體不被排出，可以自動將結露水10W由溢流管15排出。亦即，貯存容器10內之液量不超出右側之橫向配管153之高度，液不會由貯存容器10溢出。
於本例之水封閥1B另外可於貯存容器10的內部具備防波筒13(虛線)。防波筒13，係將第一排氣管11之開口部側之部分收納於其內部，抑制由第一排氣管11排出的氣泡所產生的貯存容器10中的液面之波浪的構件。防波筒13之兩端具有開口。
防波筒13的下方側之開口部比第一排氣管11之開口部位於更下側，因此由電解液槽106(107)排出至第一排氣管11的大多數氣泡進入防波筒13內的液相。 防波筒13之上方側開口部之開口位於較液面高的位置，因此進入防波筒13內的液相之氣泡被防波筒13的內部的液面爆開。防波筒13的內部液面藉由防波筒13被和防波 筒13之外部液面作區隔，因此可以抑制防波筒13之外側液面之波浪．起泡。如上述說明，只要抑制貯存容器10內的液面之波浪．起泡，即可抑制在貯存容器10內的液面附近結露水10W與調壓液10L之混合，可以抑制結露水10W與調壓液10L同時由溢流管15排出。
〔產業上之可利用性〕
本發明之氧化還原液流電池適合利用於負載平準用途或瞬間降低．停電對策用之電池。

Claims (5)

  1. 一種氧化還原液流電池，具備：電池單元，具有正極電極、負極電極及隔膜；正極用電解液槽，貯存供給至上述電池單元的正極電解液；負極用電解液槽，貯存供給至上述電池單元的負極電解液；及壓力調整機構，安裝於上述正極用電解液槽及上述負極用電解液槽之至少一方，用於調節上述電解液槽內的氣相之壓力；上述壓力調整機構具有水封閥，該水封閥具備：貯存調壓液的貯存容器；第一排氣管，由上述電解液槽內的上述氣相延伸，通過上述貯存容器內的氣相，而於上述貯存容器內的液相內具有開口；及第二排氣管，一端於上述貯存容器內的上述氣相具有開口，另一端於大氣具有開口；上述調壓液於常溫．常壓下為非揮發性之液體。
  2. 如申請專利範圍第1項之氧化還原液流電池，其中上述調壓液的比重較水的比重輕，上述水封閥另具備：溢流管，係於上述貯存容器之側部或底部具有開口，用於將在上述貯存容器內滯留於上述調壓液下方的結露水排出外部。
  3. 如申請專利範圍第1項之氧化還原液流電池，其中 上述調壓液的比重較水的比重重，上述水封閥另具備：溢流管，係於上述貯存容器之側部具有開口，用於將在上述貯存容器內滯留於上述調壓液上方的結露水排出外部。
  4. 如申請專利範圍第3項之氧化還原液流電池，其中上述水封閥另具備：防波筒，內部用於收納上述第一排氣管的開口部側之部分，兩端具有開口；上述防波筒的下方側之開口部及上方側之開口部的開口位置，分別為較上述第一排氣管的上述開口部低的位置及較上述液面高的位置。
  5. 如申請專利範圍第1至4項中任一項之氧化還原液流電池，其中具備呼吸袋，被安裝於上述正極用電解液槽與上述負極用電解液槽之至少一方。
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