WO2024029322A1 - レドックスフロー電池 - Google Patents

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WO2024029322A1
WO2024029322A1 PCT/JP2023/026209 JP2023026209W WO2024029322A1 WO 2024029322 A1 WO2024029322 A1 WO 2024029322A1 JP 2023026209 W JP2023026209 W JP 2023026209W WO 2024029322 A1 WO2024029322 A1 WO 2024029322A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
pipe
electrolyte
pump
tank
battery
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/026209
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
清明 林
健太 森上
Original Assignee
住友電気工業株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 住友電気工業株式会社 filed Critical 住友電気工業株式会社
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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04—Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells

Definitions

  • Patent Documents 1 and 2 disclose redox flow batteries.
  • This redox flow battery includes a cell, an electrolyte tank, and a circulation mechanism that circulates the electrolyte between the cell and the electrolyte tank.
  • the circulation mechanism includes a suction pipe that sucks up the electrolyte from the electrolyte tank, a circulation pump provided in the suction pipe, an outgoing pipe that connects the discharge port of the circulation pump to the cell, and a return pipe that connects the cell to the electrolyte tank.
  • This redox flow battery has a circulation pump and a cell installed above an electrolyte tank.
  • the circulation pump includes a priming tank disposed between the pump body and the suction pipe.
  • the redox flow battery of the present disclosure includes: battery cells; A tank in which electrolyte is stored, Piping connecting the tank and the battery cell; A pump provided in the piping, The battery cell and the pump are arranged at a higher position than the tank, having a supply port for introducing gas into the piping, The piping is provided so that the electrolyte is held at the suction port of the pump when the pump is stopped.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the basic configuration of a redox flow battery.
  • FIG. 2 is a schematic diagram showing the configuration of the redox flow battery according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a schematic diagram illustrating a state immediately after the pump provided in the redox flow battery according to the first embodiment is stopped.
  • FIG. 4 is a schematic diagram illustrating a state in which gas is introduced from the supply port provided in the redox flow battery according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic diagram illustrating a state in which gas has been introduced from the supply port provided in the redox flow battery according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a schematic diagram showing the configuration of a redox flow battery according to the second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the configuration of a redox flow battery according to Embodiment 3.
  • the redox flow batteries described in Patent Documents 1 and 2 operate the circulation pump by supplying the electrolyte stored in the priming tank to the suction port of the circulation pump when the circulation pump sucks up the electrolyte from the electrolyte tank. Can be started.
  • Conventional redox flow batteries require a priming tank to start the circulation pump, so the priming tank inevitably increases weight, installation space, and cost.
  • One of the objects of the present disclosure is to provide a redox flow battery that does not require a priming tank and can reduce weight, installation space, and cost. [Effects of this disclosure]
  • the redox flow battery of the present disclosure does not require a priming tank and can reduce weight and cost.
  • the redox flow battery according to the embodiment of the present disclosure includes: battery cells; A tank in which electrolyte is stored, Piping connecting the tank and the battery cell; A pump provided in the piping, The battery cell and the pump are arranged at a higher position than the tank, having a supply port for introducing gas into the piping, The piping is provided so that the electrolyte is held at the suction port of the pump when the pump is stopped.
  • the redox flow battery of the present disclosure does not require a priming tank. According to the redox flow battery of the present disclosure, the electrolytic solution held in the suction port of the pump serves as a priming water, and the pump can be started. Since the redox flow battery of the present disclosure does not include a priming tank, weight, installation space, and cost can be reduced.
  • the electrolyte in the battery cell By introducing gas into the piping from the supply port when the pump is stopped, the electrolyte in the battery cell can be removed. Self-discharge of the electrolytic solution remaining in the battery cells can be suppressed.
  • the piping is a first pipe that is a flow path for the electrolyte going from the tank to the battery cell; a second pipe that is a flow path for the electrolytic solution heading from the battery cell to the tank;
  • the pump is provided in the first pipe,
  • the first piping is a first portion inserted into the electrolyte in the tank; a second portion connected to the battery cell;
  • the supply port may be provided in the second portion of the first pipe or the second pipe.
  • the electrolyte can be retained at the suction port of the pump.
  • the supply port may be provided in the second pipe.
  • the pump may be provided between the first part and the third part, the second part, and the third part.
  • the arrangement of the pumps can be changed as appropriate.
  • a specific example of a redox flow battery according to an embodiment of the present disclosure will be described with reference to the drawings.
  • the same reference numerals in the figures indicate the same or corresponding parts.
  • the redox flow battery may be referred to as an "RF battery”.
  • the basic configuration of the RF battery 1 will be explained with reference to FIG. 1.
  • the RF battery 1 is an electrolyte circulation type secondary battery.
  • the RF battery 1 performs charging and discharging using the difference between the redox potential of the positive electrode active material contained in the positive electrode electrolyte and the redox potential of the negative electrode active material contained in the negative electrode electrolyte.
  • the positive electrode electrolyte includes a positive electrode active material.
  • the positive electrode active material is, for example, one or more selected from the group consisting of manganese ions, vanadium ions, iron ions, polyacids, quinone derivatives, and amines.
  • the negative electrode electrolyte includes a negative electrode active material.
  • the negative electrode active material is, for example, one or more selected from the group consisting of titanium ions, vanadium ions, chromium ions, polyacids, quinone derivatives, and amines.
  • both the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain vanadium ions.
  • the positive electrode electrolyte contains manganese ions
  • the negative electrode electrolyte contains titanium ions.
  • the solvent of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte is, for example, an aqueous solution containing one or more acids or acid salts selected from the group consisting of sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, and hydrochloric acid.
  • the RF battery 1 is typically connected to a power generation unit 8 and a load 9 via an AC/DC converter 7 and substation equipment 71.
  • the RF battery 1 can be charged with power generated by the power generation section 8 and can discharge the charged power to a load 9.
  • the power generation unit 8 is a power generation facility that utilizes natural energy such as solar power generation or wind power generation, or other general power plants.
  • the RF battery 1 is used, for example, for load leveling, momentary sag compensation, emergency power supply, and output smoothing of natural energy power generation.
  • the RF battery 1 includes a battery cell 100, tanks 2p and 2n in which electrolyte is stored, piping 3p and 3n connecting each tank 2p and 2n to the battery cell 100, and a pump provided in each piping 3p and 3n. 40.
  • a positive electrode electrolyte is stored in the tank 2p.
  • a negative electrode electrolyte is stored in the tank 2n.
  • the positive electrode electrolyte circulates between the tank 2p and the battery cell 100 through the pipe 3p.
  • the negative electrode electrolyte circulates between the tank 2n and the battery cell 100 through the piping 3n.
  • the battery cell 100 includes a positive electrode 104, a negative electrode 105, and a diaphragm 101.
  • the diaphragm 101 is arranged between the positive electrode 104 and the negative electrode 105.
  • the battery cell 100 is separated into a positive electrode cell 102 and a negative electrode cell 103 by a diaphragm 101.
  • a positive electrode 104 is placed in the positive cell 102 .
  • Negative electrode 105 is placed in negative cell 103 .
  • a positive electrode electrolyte is supplied to the positive electrode cell 102.
  • a negative electrode electrolyte is supplied to the negative electrode cell 103.
  • any known configuration can be used as appropriate.
  • the piping 3p and the piping 3n have the same configuration.
  • Each pipe 3p, 3n includes a first pipe 31 and a second pipe 32.
  • the pump 40 is provided in the first pipe 31.
  • Pump 40 circulates the electrolyte in tanks 2p and 2n to battery cell 100.
  • the first pipe 31 in the pipe 3p is a pipe that sends the positive electrolyte from the tank 2p to the battery cell 100.
  • the second pipe 32 in the pipe 3p is a pipe that returns the positive electrode electrolyte from the battery cell 100 to the tank 2p. That is, the positive electrode electrolyte is supplied to the positive electrode cell 102 from the tank 2p through the first pipe 31.
  • the positive electrode electrolyte discharged from the positive electrode cell 102 is returned to the tank 2p through the second pipe 32.
  • the first pipe 31 in the pipe 3n is a pipe that sends the negative electrode electrolyte from the tank 2n to the battery cell 100.
  • the second pipe 32 in the pipe 3n is a pipe that returns the negative electrode electrolyte from the battery cell 100 to the tank 2n. That is, the negative electrode electrolyte is supplied from the tank 2n to the negative electrode cell 103 through the first pipe 31.
  • the negative electrode electrolyte discharged from the negative electrode cell 103 is returned to the tank 2n through the second pipe 32.
  • the RF battery 1 may have a configuration including a single battery cell 100 or a configuration including a plurality of battery cells 100.
  • a cell stack 200 in which a plurality of battery cells 100 are stacked is provided.
  • the cell stack 200 is configured by repeatedly stacking a cell frame 120, a positive electrode 104, a diaphragm 101, and a negative electrode 105 in this order.
  • End plates 210 are arranged at both ends of the cell stack 200.
  • the cell stack 200 is integrated by tightening the end plates 210 with the tightening member 230.
  • As the configuration of the cell stack 200 a known configuration can be used as appropriate.
  • the cell frame 120 has a bipolar plate 121 and a frame 122.
  • Bipolar plate 121 is placed between positive electrode 104 and negative electrode 105.
  • a frame 122 is provided around the bipolar plate 121.
  • a recess is formed inside the frame 122 by the bipolar plate 121 and the frame 122 .
  • the recesses are provided on both sides of the bipolar plate 121, respectively.
  • a positive electrode 104 and a negative electrode 105 are housed in each recess with the bipolar plate 121 in between.
  • one battery cell 100 is formed by placing a positive electrode 104 and a negative electrode 105 between the bipolar plates 121 of adjacent cell frames 120 with the diaphragm 101 in between.
  • an annular sealing member 127 is arranged between the frames 122 of each cell frame 120.
  • the number of stacked battery cells 100 in the cell stack 200 can be selected as appropriate.
  • the frame 122 has a liquid supply manifold that supplies each electrolyte and a drain manifold that discharges each electrolyte.
  • Each manifold is provided so as to penetrate the frame 122, and the cell frames 120 are stacked to form a flow path for each electrolytic solution.
  • Each of these channels is connected to a first pipe 31 and a second pipe 32, respectively.
  • FIG. 2 shows the configuration of the pipe 3p among the pipes 3p and 3n shown in FIG.
  • the detailed configuration of the pipe 3p will be described. Since the piping 3n has the same configuration as the piping 3p, illustration and description thereof will be omitted.
  • the battery cell 100 and the pump 40 are arranged at a higher position than the tank 2p. Since the battery cell 100 and the pump 40 are arranged at a higher position than the tank 2p, the battery cell 100 and the pump 40 are arranged at a higher position than the liquid level of the electrolytic solution stored in the tank 2p.
  • the battery cell 100 is composed of a cell stack 200. Although not shown, a cell chamber housing the battery cells 100 is arranged above the tank 2p. A pipe 3p including a pump 40 is also housed in the cell chamber. Each of the cell room and the tank 2p is constructed of a container.
  • the first pipe 31 of the pipe 3p is a flow path for electrolyte from the tank 2p to the battery cell 100.
  • the electrolytic solution in the tank 2p is supplied to the battery cell 100 through the first pipe 31.
  • the first piping 31 includes a first portion 31a, a second portion 31b, and a third portion 31c.
  • the first piping 31 of this embodiment further includes a first intermediate portion 31d and a second intermediate portion 31e.
  • the first portion 31a is a portion disposed within the tank 2p.
  • the first portion 31a includes a portion inserted into the electrolyte in the tank 2p.
  • the first portion 31a has an open end disposed in the electrolyte.
  • the second portion 31b is a portion connected to the battery cell 100.
  • the second portion 31b includes an end connected to the battery cell 100 and has a certain length.
  • the second portion 31b of this embodiment is arranged at a position lower than the lower surface of the battery cell 100.
  • the third portion 31c is a portion of the first pipe 31 located at the highest position.
  • the third portion 31c is located at a higher position than the first portion 31a and the second portion 31b. From another perspective, since the third portion 31c is the highest portion of the first pipe 31, the third portion 31c is arranged at a higher position than the first portion 31a and the second portion 31b. This is the part of the first piping 31 that is The third portion 31c is arranged between the first portion 31a and the second portion 31b.
  • the first intermediate portion 31d is a portion that connects the first portion 31a and the third portion 31c.
  • the second intermediate portion 31e is a portion that connects the second portion 31b and the third portion 31c. These parts are arranged in the order of the first part 31a, the first intermediate part 31d, the third part 31c, the second intermediate part 31e, and the second part 31b from the tank 2p toward the battery cell 100.
  • a boundary 351 between the first portion 31a and the first intermediate portion 31d, a boundary 352 between the second portion 31b and the second intermediate portion 31e, a boundary 353 between the third portion 31c and the first intermediate portion 31d, and a boundary 353 between the third portion 31c and the first intermediate portion 31d are shown.
  • a boundary 354 between the portion 31c and the second intermediate portion 31e is shown by a thin solid line.
  • the open end of the first portion 31a is located at a position lower than the liquid level of the electrolytic solution and opens into the electrolytic solution.
  • the first portion 31a of this embodiment extends to the top of the tank 2p.
  • the end of the second portion 31b of this embodiment is connected to the lower part of the battery cell 100.
  • the second portion 31b is located at a higher position than the tank 2p.
  • the second portion 31b may be disposed at a position lower than the reaction section of the battery cell 100.
  • the end of the second portion 31b may be connected to a portion below the lower end of the reaction section.
  • the reaction part of the battery cell 100 is a part where electrodes are arranged. Specifically, the reaction part is a part where the positive electrode cell 102 shown in FIG. 1 is provided.
  • the first portion 31a is composed of a vertical tube extending in the vertical direction.
  • the second portion 31b includes a vertical tube extending downward from the battery cell 100 and a horizontal tube extending horizontally from the lower end of the vertical tube. That is, the second portion 31b is an L-shaped portion.
  • the third portion 31c is arranged at a higher position than the upper surface of the battery cell 100.
  • the third portion 31c is composed of a horizontal tube.
  • the first intermediate portion 31d is arranged between the first portion 31a and the third portion 31c.
  • the first intermediate portion 31d includes a short vertical tube connected to the first portion 31a, a horizontal tube extending horizontally from the upper end of the vertical tube, and a long vertical tube connecting the horizontal tube and the third portion 31c.
  • the horizontal pipe of the first intermediate portion 31d extends in the left-right direction so as to connect the two vertical pipes.
  • the second intermediate portion 31e is arranged between the second portion 31b and the third portion 31c.
  • the second intermediate portion 31e is composed of a vertical tube.
  • the horizontal pipe of the second portion 31b is connected to the lower end of the second intermediate portion 31e.
  • the third portion 31c, the first intermediate portion 31d, and the second intermediate portion 31e are connected in an inverted U shape.
  • the second pipe 32 of the pipe 3p is a flow path for electrolyte from the battery cell 100 to the tank 2p.
  • the electrolytic solution discharged from the battery cell 100 is returned to the tank 2p through the second pipe 32.
  • the second pipe 32 has a first end 32a and a second end 32b.
  • the first end portion 32a is a portion disposed within the tank 2p.
  • the open end of the first end portion 32a is disposed at a position lower than the liquid level of the electrolytic solution and opens into the electrolytic solution.
  • the open end of the first end portion 32a may be arranged at a position higher than the liquid level of the electrolytic solution and open into the gas phase.
  • the second end portion 32b is connected to the upper part of the battery cell 100.
  • the second end portion 32b may be disposed at a higher position than the reaction portion of the battery cell 100, and may be connected to a portion above the upper end of the reaction portion.
  • the material of the pipe 3p may be any material such as resin, rubber, glass, or metal.
  • the inner surface of the pipe 3p may be coated with resin to prevent corrosion due to contact with the electrolytic solution.
  • the pipe 3p is made of transparent resin or glass, the state of the electrolyte in the pipe 3p can be visually confirmed from the outside.
  • the transparent resin is, for example, vinyl chloride resin.
  • a window portion may be provided in the pipe 3p. If this window is made of transparent resin or glass, the state of the electrolyte can be visually checked through the window.
  • the pump 40 sucks up the electrolyte from the tank 2p and sends the electrolyte to the battery cell 100 through the first pipe 31.
  • Pump 40 is a self-priming pump.
  • the pump 40 is provided between the first portion 31a and the third portion 31c in the first piping 31.
  • the pump 40 is disposed in the middle of the horizontal pipe that constitutes the first intermediate portion 31d.
  • FIG. 2 shows the operating state of the RF battery.
  • the pump 40 is driven to circulate the electrolyte between the tank 2p and the battery cell 100.
  • the solid arrows in FIG. 2 represent the flow of the electrolyte.
  • the direction in which the electrolyte flows by driving the pump 40 is downstream, and the opposite direction is upstream. Specifically, the direction indicated by the solid arrow in FIG. 2 is downstream, and the opposite direction is upstream.
  • the electrolyte in the tank 2p is sucked up from the first portion 31a by the pump 40, passes through the first pipe 31, the battery cell 100, and the second pipe 32, and is returned to the tank 2p.
  • the first pipe 31, the battery cell 100, and the second pipe 32 are filled with electrolyte.
  • the RF battery of Embodiment 1 has a supply port 50 for introducing gas into the pipe 3p.
  • the supply port 50 is provided in the second pipe 32.
  • the supply port 50 is provided between the first end 32a and the second end 32b and located outside the tank 2p.
  • the supply port 50 is connected to the gas phase in the tank 2p via a gas pipe 51. Therefore, the gas filled in the gas phase in the tank 2p is introduced into the pipe 3p from the supply port 50.
  • the gas pipe 51 may be connected to a gas supply source provided outside the tank 2p.
  • the above gas is a non-oxidizing gas such as nitrogen gas.
  • the function of the supply port 50 is to break the siphon formed in the first pipe 31 by the gas introduced into the pipe 3p when the pump 40 is stopped. "Breaking the siphon” here refers to dividing the electrolytic solution within the siphon formed in the first pipe 31 upstream and downstream of the third portion 31c.
  • the upstream side of the third portion 31c is the left side of the third portion 31c in FIG.
  • the downstream side of the third portion 31c is the right side of the third portion 31c in FIG.
  • the function of the supply port 50 will be described later.
  • the supply port 50 may be provided in the second portion 31b of the first piping 31.
  • the opening diameter of the supply port 50 is, for example, 1 mm or more and 50 mm or less.
  • the opening diameter of the supply port 50 means the diameter of a circle that is equal to the opening area of the supply port 50.
  • the flow rate of gas introduced from the supply port 50 can be controlled by the opening diameter of the supply port 50 . If the opening diameter of the supply port 50 is small, the gas flow rate will be small. The larger the opening diameter of the supply port 50, the larger the gas flow rate. The reason why the opening diameter of the supply port 50 is set within the above range will be described later.
  • a check valve 52 may be provided at the supply port 50.
  • the check valve 52 prevents the electrolyte in the second pipe 32 from flowing into the gas pipe 51.
  • the check valve 52 may be of any type, such as a ball type or a swing type.
  • An orifice 53 may be provided at the connection between the supply port 50 and the check valve 52. By changing the opening diameter of the supply port 50 using the orifice 53, the gas flow rate can be adjusted. The gas flow rate can also be adjusted by changing the diameter of the gas pipe 51 and the opening degree of the check valve 52, for example.
  • a regulating valve may be provided in the middle of the gas pipe 51 to regulate the flow rate of the gas.
  • the regulating valve is a ball valve, a needle valve, or the like.
  • the supply port 50 is provided in a portion of the second pipe 32 located outside the tank 2p, but the supply port 50 may be provided in a portion located inside the tank 2p.
  • the supply port 50 When the open end of the first end 32a of the second pipe 32 opens into the gas phase in the tank 2p, this open end functions as the supply port 50.
  • the supply port 50 is formed in the side wall of the portion of the first end 32a located in the gas phase in the tank 2p. may be provided. In either case, gas can be introduced from the supply port 50 when the pump 40 is stopped.
  • the supply port 50 is located inside the tank 2p, the gas pipe 51 and the check valve 52 are unnecessary.
  • FIG. 3 shows the state immediately after the pump 40 has stopped.
  • the first pipe 31, the battery cell 100, and the second pipe 32 are filled with electrolyte.
  • gas is introduced from the supply port 50.
  • the electrolytic solution downstream of the supply port 50 flows by gravity to the tank 2p through the second pipe 32 while replacing the gas.
  • the electrolytic solution upstream of the supply port 50 flows to the first pipe 31 via the battery cell 100 according to the siphon principle.
  • the electrolytic solution in the first pipe 31 flows backward through the first pipe 31 and returns to the tank 2p.
  • the gas introduced from the supply port 50 mixes with the electrolyte and flows toward the first portion 31a.
  • the solid line arrows in FIGS. 3 and 4 represent the flow of electrolyte, and the dotted line arrows represent the flow of gas.
  • the electrolytic solution is held in each of the region between the third portion 31c and the first portion 31a and the region between the third portion 31c and the second portion 31b.
  • the electrolytic solution is held in each of the first portion 31a and the first intermediate portion 31d, and the second portion 31b and the second intermediate portion 31e.
  • the second portion 31b is arranged at a position lower than the battery cell 100, it is difficult for the electrolyte to remain in the battery cell 100.
  • the RF battery When the RF battery is on standby, it is in the state shown in FIG. 5 described above. In this state, an electrolyte is filled between the first portion 31a and the third portion 31c of the first pipe 31, and the electrolyte is held in the suction port 41 and the discharge port 42 of the pump 40. In other words, the inside of the pump 40 is filled with electrolyte.
  • the electrolyte held in the suction port 41 of the pump 40 can be used as priming water when starting the pump. In other words, the pump 40 can be started from the standby state of the RF battery. Therefore, the RF battery of this embodiment does not require a priming tank. Furthermore, as shown in FIG. 5, since the electrolyte is removed from the battery cell 100, self-discharge of the electrolyte remaining in the battery cell 100 can be suppressed.
  • the electrolyte in the tank 2p is sucked up from the first portion 31a, and the electrolyte is returned to the tank 2p through the first pipe 31, the battery cell 100, and the second pipe 32. It will be done.
  • the gas in the third portion 31c is pushed out by the electrolyte and flows through the battery cell 100 and the second pipe 32 to the tank 2p.
  • the height h1 is the height from the upper end of the suction port 41 of the pump 40 to the highest position of the third portion 31c.
  • the upper end of the suction port 41 is the highest position of the suction port 41.
  • the height h0 is the height from the liquid level of the electrolytic solution in the tank 2p to the upper end of the suction port 41 of the pump 40.
  • the height h1 is, for example, not less than 1.05 times and not more than 3 times the height h0.
  • the electrolyte can be sufficiently retained in the region upstream of the third portion 31c in the first piping 31 when the pump 40 is stopped. Since the space between the first portion 31a and the third portion 31c can be sufficiently filled with the electrolyte, the electrolyte can be easily retained in the suction port 41 of the pump 40.
  • the height h1 is three times or less than the height h0, the height of the third portion 31c becomes low, so that the piping 3p becomes compact. Such piping 3p can be easily accommodated in a container constituting a cell chamber.
  • the height h1 may be 1.1 times or more and 3 times or less the height h0. If the height h1 is 2.5 times or less, furthermore 2 times or less, the height h0, the pipe 3p becomes more compact.
  • the height h2 is the height from the upper end of the suction port 41 of the pump 40 to the liquid level.
  • the region from the pump 40 to the third portion 31c is the first intermediate portion 31d.
  • the height h2 is the height from the upper end of the suction port 41 of the pump 40 to the liquid level of the electrolytic solution held in the first intermediate portion 31d.
  • the height h2 is 0 or more.
  • the height h2 is, for example, 0.05 times or more the height h0.
  • the height h2 is 0.05 times or more the height h0, the electrolyte is sufficiently filled between the first portion 31a and the third portion 31c, and the suction port 41 of the pump 40 is Electrolyte is reliably retained.
  • the upper limit of height h2 is a value smaller than height h1.
  • the height h2 may be 0.1 times or more the height h0.
  • the height h2 may be 0.05 times or more and 1 time or less of the height h0, or 0.1 times or more and 1 time or less of the height h0.
  • the height from the liquid level of the electrolyte in the tank 2p to the liquid level of the electrolyte held in the first intermediate part 31d that is, the total height of the height h0 and the height h2
  • the height h3 of the electrolytic solution held in the second intermediate portion 31e is substantially equal to the height h3. This is because, as mentioned above, when the siphon breaks at the third portion 31c, a balance of weight is established between the electrolyte upstream of the third portion 31c and the electrolyte downstream of the third portion 31c. be.
  • the height h2 is 0.05 times or more the height h0
  • the height h3 is 1.05 times or more the height h0.
  • the height h3 is less than or equal to the height h1.
  • the flow rate of gas introduced from the supply port 50 when the pump 40 is stopped increases, the amount of gas accumulated in the third portion 31c increases, and thus the liquid level of the electrolytic solution held in the first intermediate portion 31d becomes lower. There is a risk. If the opening diameter of the supply port 50 is 1 mm or more, the introduced gas can break the siphon in a short time. If the opening diameter of the supply port 50 is 50 mm or less, it is easy to ensure a sufficient height h2.
  • the opening diameter of the supply port 50 may be 2 mm or more and 25 mm or less.
  • the first pipe 31, the battery cell 100, and the second pipe 32 are not filled with electrolyte.
  • the second pipe 32 is provided with a connection port for connecting a vacuum pump.
  • the connection port is provided between the first end 32a and the second end 32b and in a portion located outside the tank 2p.
  • the first pipe 31, the battery cell 100, and the second pipe 32 are brought into a vacuum state by a vacuum pump, and the electrolyte is sucked up from the tank 2p through the first pipe 31 and the second pipe 32. Thereby, the first pipe 31 can be filled with the electrolyte.
  • a gate valve 60 may be provided in the second pipe 32.
  • the gate valve 60 is located downstream of the connection port of the vacuum pump described above. In the initial state, the gate valve 60 is closed to block the flow path of the second pipe 32.
  • the first pipe 31, the battery cell 100, and the second pipe 32 are brought into a vacuum state by a vacuum pump, and the electrolyte is sucked up from the tank 2p through the first pipe 31. Thereby, the first pipe 31 can be filled with the electrolyte.
  • the first end 32a of the second pipe 32 opens into the gas phase in the tank 2p and the gate valve 60 is not provided, the gas in the gas phase passes through the second pipe 32. is absorbed.
  • the gate valve 60 By keeping the gate valve 60 closed, the electrolyte can be sucked up through the first pipe 31. If the first end 32a of the second pipe 32 opens into the electrolyte in the tank 2p, the gate valve 60 may not be provided.
  • the gate valve 60 may be of any type, such as a butterfly valve, a ball valve, or a gate valve.
  • Embodiment 2 The configuration of the RF battery according to the second embodiment will be described with reference to FIG. 6.
  • the RF battery of the second embodiment is different from the RF battery of the first embodiment shown in FIG. 2 described above in the position of the pump 40.
  • differences from Embodiment 1 will be mainly explained. Descriptions of configurations common to Embodiment 1 will be omitted.
  • the pump 40 is provided in the second portion 31b of the first piping 31. Specifically, the pump 40 is disposed in the middle of the above-mentioned horizontal pipe that constitutes the second portion 31b.
  • the first intermediate portion 31d is configured with a vertical tube extending in the vertical direction. The first portion 31a and the first intermediate portion 31d are linearly connected in the vertical direction.
  • Embodiment 3 The configuration of the RF battery according to the third embodiment will be described with reference to FIG. 7.
  • the RF battery of the third embodiment is different from the RF battery of the first embodiment shown in FIG. 2 described above in the position of the pump 40.
  • differences from Embodiment 1 will be mainly explained. Descriptions of configurations common to Embodiments 1 and 2 will be omitted.
  • the pump 40 is provided in the third portion 31c of the first pipe 31. Specifically, the pump 40 is disposed in the middle of the above-mentioned horizontal pipe that constitutes the third portion 31c.
  • Embodiment 1 has a shorter piping length from the tank 2p to the pump 40 than Embodiments 2 and 3, so the pump head is smaller. As a result, pump loss can be reduced. Furthermore, in Embodiment 1, compared to Embodiment 3, air bubbles are less likely to be drawn in when the pump is started, so cavitation is less likely to occur.
  • Redox flow battery (RF battery), 7 AC/DC converter, 71 Substation equipment, 8 Power generation section, 9 Load, 2p, 2n tank, 3p, 3n piping, 31 First piping, 31a first part, 31b second part , 31c third part, 31d first intermediate part, 31e second intermediate part, 32 second piping, 32a first end, 32b second end, 351, 352, 353, 354 boundary, 40 pump, 41 suction port , 42 discharge port, 50 supply port, 51 gas pipe, 52 check valve, 53 orifice, 60 gate valve, 100 battery cell, 101 diaphragm, 102 positive electrode cell, 103 negative electrode cell, 104 positive electrode, 105 negative electrode, 120 cell frame , 121 bipolar plate, 122 frame, 127 sealing member, 200 cell stack, 210 end plate, 230 tightening member, h0, h1, h2, h3 height.

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Abstract

電池セルと、電解液が貯留されたタンクと、前記タンクと前記電池セルとをつなぐ配管と、前記配管に設けられたポンプと、を備え、前記電池セル及び前記ポンプは、前記タンクよりも高い位置に配置され、前記配管にガスを導入するための供給口を有し、前記配管は、前記ポンプの停止時に、前記ポンプの吸込口に前記電解液が保持されるように設けられている、レドックスフロー電池。

Description

レドックスフロー電池
　本開示は、レドックスフロー電池に関する。本出願は、２０２２年８月４日に出願した日本特許出願である特願２０２２－１２５０９１号に基づく優先権を主張する。当該日本特許出願に記載された全ての記載内容は、参照によって本明細書に援用される。
　特許文献１、２はレドックスフロー電池を開示する。このレドックスフロー電池は、セルと、電解液タンクと、セルと電解液タンクとの間で電解液を循環させる循環機構とを備える。循環機構は、電解液タンクから電解液を吸い上げる吸込み配管と、吸込み配管に設けられる循環ポンプと、循環ポンプの吐出口からセルにつながる往路配管と、セルから電解液タンクにつながる帰路配管とを備える。このレドックスフロー電池は、電解液タンクの上方に循環ポンプとセルとが設置されている。循環ポンプは、ポンプ本体と吸込み配管との間に配置される呼び水タンクを備える。
国際公開第２０１９／１０６７２１号 国際公開第２０１９／１０６７２２号
　本開示のレドックスフロー電池は、
　電池セルと、
　電解液が貯留されたタンクと、
　前記タンクと前記電池セルとをつなぐ配管と、
　前記配管に設けられたポンプと、を備え、
　前記電池セル及び前記ポンプは、前記タンクよりも高い位置に配置され、
　前記配管にガスを導入するための供給口を有し、
　前記配管は、前記ポンプの停止時に、前記ポンプの吸込口に前記電解液が保持されるように設けられている。
図１は、レドックスフロー電池の基本構成を示す概略図である。 図２は、実施形態１に係るレドックスフロー電池の構成を示す概略図である。 図３は、実施形態１に係るレドックスフロー電池に備えるポンプの停止直後の状態を説明する概略図である。 図４は、実施形態１に係るレドックスフロー電池に備える供給口からガスを導入した途中の状態を説明する概略図である。 図５は、実施形態１に係るレドックスフロー電池に備える供給口からガスの導入を完了した状態を説明する概略図である。 図６は、実施形態２に係るレドックスフロー電池の構成を示す概略図である。 図７は、実施形態３に係るレドックスフロー電池の構成を示す概略図である。
[本開示が解決しようとする課題]
　特許文献１、２に記載のレドックスフロー電池は、電解液タンクから電解液を循環ポンプで吸い上げる際に、呼び水タンクに貯留された電解液を循環ポンプの吸込口に供給することで、循環ポンプを起動することができる。従来のレドックスフロー電池は、循環ポンプを起動するための呼び水タンクが必要であるため、呼び水タンクによる重量、設置スペース、及びコストの増加が避けられない。
　本開示は、呼び水タンクが不要であり、重量、設置スペース、及びコストを低減できるレドックスフロー電池を提供することを目的の一つとする。
[本開示の効果]
　本開示のレドックスフロー電池は、呼び水タンクが不要であり、重量とコストを低減できる。
　［本開示の実施形態の説明］
　最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
　（１）本開示の実施態様に係るレドックスフロー電池は、
　電池セルと、
　電解液が貯留されたタンクと、
　前記タンクと前記電池セルとをつなぐ配管と、
　前記配管に設けられたポンプと、を備え、
　前記電池セル及び前記ポンプは、前記タンクよりも高い位置に配置され、
　前記配管にガスを導入するための供給口を有し、
　前記配管は、前記ポンプの停止時に、前記ポンプの吸込口に前記電解液が保持されるように設けられている。
　本開示のレドックスフロー電池は、呼び水タンクが不要である。本開示のレドックスフロー電池によれば、ポンプの吸込口に保持された電解液が呼び水となり、ポンプを起動することができる。本開示のレドックスフロー電池は、呼び水タンクを備えていないため、重量、設置スペース、及びコストを低減できる。
　ポンプの停止時に、供給口から配管にガスが導入されることで、電池セル内の電解液を抜くことができる。電池セル内に残った電解液が自己放電することを抑制できる。
　（２）上記（１）のレドックスフロー電池において、
　前記配管は、
　　前記タンクから前記電池セルへ向かう前記電解液の流路である第一配管と、
　　前記電池セルから前記タンクへ向かう前記電解液の流路である第二配管と、を備え、
　前記ポンプは、前記第一配管に設けられており、
　前記第一配管は、
　　前記タンク内の前記電解液中に挿入された第一部分と、
　　前記電池セルに接続された第二部分と、
　　前記第一配管のうち、最も高い位置を構成する第三部分と、を含み、
　前記供給口は、前記第一配管の前記第二部分、又は前記第二配管に設けられていてもよい。
　上記（２）の構成によれば、ポンプが停止しても、ポンプの吸込口に電解液を保持することができる。
　（３）上記（２）のレドックスフロー電池において、
　前記供給口は、前記第二配管に設けられていてもよい。
　上記（３）の構成によれば、ポンプの停止時に、第一配管に保持される電解液を十分に確保し易い。この構成により、ポンプの吸込口に電解液が保持され易い。
　（４）上記（２）又は（３）のレドックスフロー電池において、
　前記ポンプは、前記第一部分と前記第三部分との間、前記第二部分、及び前記第三部分のうちのいずれかに設けられていてもよい。
　上記（４）の構成によれば、ポンプの配置を適宜変更できる。
　［本開示の実施形態の詳細］
　以下、図面を参照して、本開示の実施形態に係るレドックスフロー電池の具体例を説明する。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。以下、レドックスフロー電池を「ＲＦ電池」と呼ぶ場合がある。
　なお、本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電池の基本構成＞
　図１を参照して、ＲＦ電池１の基本構成を説明する。ＲＦ電池１は、電解液循環型の二次電池である。ＲＦ電池１は、正極電解液に含まれる正極活物質の酸化還元電位と負極電解液に含まれる負極活物質の酸化還元電位との差を利用して充電及び放電を行う。
　電解液は、公知のものを使用することができる。正極電解液は正極活物質を含む。正極活物資は、例えばマンガンイオン、バナジウムイオン、鉄イオン、ポリ酸、キノン誘導体、及びアミンからなる群より選択される１種以上である。負極電解液は負極活物質を含む。負極活物質は例えば、チタンイオン、バナジウムイオン、クロムイオン、ポリ酸、キノン誘導体、及びアミンからなる群より選択される１種以上である。電解液の具体例は、正極電解液及び負極電解液の双方がバナジウムイオンを含む。電解液の別の例は、正極電解液がマンガンイオンを含み、負極電解液がチタンイオンを含む。正極電解液及び負極電解液の溶媒は、例えば、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸からなる群より選択される１種以上の酸又は酸塩を含む水溶液である。
　ＲＦ電池１は、代表的には、交流／直流変換器７や変電設備７１を介して発電部８及び負荷９に接続される。ＲＦ電池１は、発電部８で発電された電力を充電したり、充電した電力を負荷９に放電したりすることが可能である。発電部８は、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーを利用した発電設備やその他一般の発電所である。ＲＦ電池１は、例えば、負荷平準化用途、瞬低補償、非常用電源といった用途、自然エネルギー発電の出力平滑化用途に利用される。
　ＲＦ電池１は、電池セル１００と、電解液が貯留されたタンク２ｐ、２ｎと、各タンク２ｐ、２ｎと電池セル１００とをつなぐ配管３ｐ、３ｎと、各配管３ｐ、３ｎに設けられたポンプ４０とを備える。タンク２ｐは正極電解液が貯留されている。タンク２ｎは負極電解液が貯留されている。正極電解液は、配管３ｐを通ってタンク２ｐと電池セル１００との間を循環する。負極電解液は、配管３ｎを通ってタンク２ｎと電池セル１００との間を循環する。
　（電池セル）
　電池セル１００は、正極電極１０４と負極電極１０５と隔膜１０１とを備える。隔膜１０１は正極電極１０４と負極電極１０５との間に配置される。電池セル１００は、隔膜１０１によって正極セル１０２と負極セル１０３とに分離されている。正極電極１０４は正極セル１０２に配置されている。負極電極１０５は負極セル１０３に配置されている。正極セル１０２には正極電解液が供給される。負極セル１０３には負極電解液が供給される。電池セル１００の構成は、公知の構成を適宜利用できる。
　配管３ｐ及び配管３ｎは同じ構成である。各配管３ｐ、３ｎは、第一配管３１と第二配管３２とを備える。ポンプ４０は第一配管３１に設けられている。ポンプ４０は、タンク２ｐ、２ｎ内の電解液を電池セル１００へ循環させる。配管３ｐにおける第一配管３１は、タンク２ｐから電池セル１００に正極電解液を送る配管である。配管３ｐにおける第二配管３２は、電池セル１００からタンク２ｐに正極電解液を戻す配管である。即ち、正極電解液は、タンク２ｐから第一配管３１を通って正極セル１０２に供給される。正極セル１０２から排出された正極電解液は、第二配管３２を通ってタンク２ｐに戻される。配管３ｎにおける第一配管３１は、タンク２ｎから電池セル１００に負極電解液を送る配管である。配管３ｎにおける第二配管３２は、電池セル１００からタンク２ｎに負極電解液を戻す配管である。即ち、負極電解液は、タンク２ｎから第一配管３１を通って負極セル１０３に供給される。負極セル１０３から排出された負極電解液は、第二配管３２を通ってタンク２ｎに戻される。充電又は放電を行うときは、電解液がポンプ４０によって循環される。充電及び放電を行わないときは、ポンプ４０が停止され、電解液が循環されない。
　ＲＦ電池１は、単数の電池セル１００を備える構成でもよいし、複数の電池セル１００を備える構成でもよい。本実施形態では、図１に示すように、複数の電池セル１００が積層されたセルスタック２００を備える。セルスタック２００は、セルフレーム１２０、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５が順に繰り返し積層されて構成される。セルスタック２００の両端にはエンドプレート２１０が配置される。エンドプレート２１０間を締付部材２３０で締め付けることによりセルスタック２００が一体化される。セルスタック２００の構成は、公知の構成を適宜利用できる。
　セルフレーム１２０は双極板１２１と枠体１２２とを有する。双極板１２１は正極電極１０４と負極電極１０５との間に配置される。枠体１２２は双極板１２１の周囲に設けられる。枠体１２２の内側には、双極板１２１と枠体１２２により凹部が形成される。凹部は、双極板１２１の両側にそれぞれ設けられている。各凹部には、双極板１２１を挟んで正極電極１０４と負極電極１０５とがそれぞれ収納される。
　図１に示すように、隣り合う各セルフレーム１２０の双極板１２１の間に、隔膜１０１を挟んで正極電極１０４及び負極電極１０５が配置されることにより、１つの電池セル１００が形成される。各セルフレーム１２０の枠体１２２の間には、例えば環状のシール部材１２７が配置される。セルスタック２００における電池セル１００の積層数は適宜選択できる。
　図示しないが、枠体１２２は、各電解液を供給する給液マニホールド及び各電解液を排出する排液マニホールドを有する。各マニホールドは、枠体１２２を貫通するように設けられており、セルフレーム１２０が積層されることで各電解液の流路を構成する。これら各流路は、第一配管３１及び第二配管３２とそれぞれつながっている。
　［実施形態１］
　図２を参照して、実施形態１に係るＲＦ電池１を説明する。図２は、図１に示す配管３ｐ、３ｎのうち、配管３ｐの構成を示している。ここでは、配管３ｐの詳細な構成について説明する。配管３ｎは配管３ｐと同様の構成であるので、図示及び説明を省略する。
　実施形態１のＲＦ電池１は、図２に示すように、電池セル１００及びポンプ４０がタンク２ｐよりも高い位置に配置されている。電池セル１００およびポンプ４０がタンク２ｐよりも高い位置に配置されることで、電池セル１００およびポンプ４０は、タンク２ｐ内に貯留される電解液の液面よりも高い位置に配置されている。電池セル１００は、セルスタック２００で構成されている。図示は省略するが、タンク２ｐの上に、電池セル１００を収納するセル室が配置されている。セル室には、ポンプ４０を含む配管３ｐも収納されている。セル室及びタンク２ｐの各々はコンテナで構成されている。
　（第一配管）
　配管３ｐの第一配管３１は、タンク２ｐから電池セル１００へ向かう電解液の流路である。タンク２ｐ内の電解液は、第一配管３１を通って電池セル１００に供給される。第一配管３１は、第一部分３１ａと第二部分３１ｂと第三部分３１ｃとを含む。本実施形態の第一配管３１は、更に、第一中間部３１ｄと第二中間部３１ｅとを含む。第一部分３１ａは、タンク２ｐ内に配置された部分である。第一部分３１ａには、タンク２ｐ内の電解液中に挿入されている部分が含まれる。第一部分３１ａは、電解液中に配置された開口端を有する。第二部分３１ｂは、電池セル１００に接続された部分である。第二部分３１ｂは、電池セル１００に接続された端部を含み、ある程度の長さを有する部分である。本実施形態の第二部分３１ｂは、電池セル１００の下面よりも低い位置に配置されている。第三部分３１ｃは、第一配管３１のうち、最も高い位置に配置された部分である。第三部分３１ｃは、第一部分３１ａ及び第二部分３１ｂよりも高い位置に配置されている。別の観点から言えば、第三部分３１ｃは第一配管３１の最も高い位置を構成する部分であることから、第三部分３１ｃは、第一部分３１ａおよび第二部分３１ｂよりも高い位置に配置されている第一配管３１の部分となる。第三部分３１ｃは、第一部分３１ａと第二部分３１ｂとの間に配置されている。第一中間部３１ｄは、第一部分３１ａと第三部分３１ｃとを接続する部分である。第二中間部３１ｅは、第二部分３１ｂと第三部分３１ｃとを接続する部分である。これらの部分は、タンク２ｐから電池セル１００に向かって、第一部分３１ａ、第一中間部３１ｄ、第三部分３１ｃ、第二中間部３１ｅ、第二部分３１ｂの順に配置されている。図２では、第一部分３１ａと第一中間部３１ｄとの境界３５１、第二部分３１ｂと第二中間部３１ｅとの境界３５２、第三部分３１ｃと第一中間部３１ｄとの境界３５３、第三部分３１ｃと第二中間部３１ｅとの境界３５４を細い実線で示している。
　第一部分３１ａの開口端は、電解液の液面よりも低い位置に配置され、電解液中に開口している。本実施形態の第一部分３１ａは、タンク２ｐの上部まで延びている。本実施形態の第二部分３１ｂの端部は、電池セル１００の下部に接続されている。第二部分３１ｂは、タンク２ｐよりも高い位置に配置されている。第二部分３１ｂは、電池セル１００の反応部よりも低い位置に配置されていていればよい。第二部分３１ｂの端部は、反応部の下端よりも下側の部位に接続されていてもよい。電池セル１００の反応部は、電極が配置されている部分である。具体的には、反応部は、図１に示す正極セル１０２が設けられている部分である。
　本実施形態では、図２に示すように、第一部分３１ａは上下方向に延びる縦管で構成されている。第二部分３１ｂは、電池セル１００から下方向に延びる縦管と、この縦管の下端部から水平方向に延びる横管とで構成されている。つまり、第二部分３１ｂは、Ｌ字状の部分である。第三部分３１ｃは、電池セル１００の上面よりも高い位置に配置されている。第三部分３１ｃは横管で構成されている。第一中間部３１ｄは、第一部分３１ａと第三部分３１ｃとの間に配置されている。第一中間部３１ｄは、第一部分３１ａと連結される短い縦管と、この縦管の上端部から水平方向に延びる横管と、この横管と第三部分３１ｃとをつなぐ長い縦管とで構成されている。図２では、第一中間部３１ｄの横管は、上記２つの縦管の間をつなぐように左右方向に延びている。第二中間部３１ｅは、第二部分３１ｂと第三部分３１ｃとの間に配置されている。第二中間部３１ｅは縦管で構成されている。第二部分３１ｂの横管は、第二中間部３１ｅの下端部に連結されている。第三部分３１ｃ、第一中間部３１ｄ及び第二中間部３１ｅは逆Ｕ字状に連結されている。
　（第二配管）
　配管３ｐの第二配管３２は、電池セル１００からタンク２ｐへ向かう電解液の流路である。電池セル１００から排出された電解液は、第二配管３２を通ってタンク２ｐに戻される。第二配管３２は、第一端部３２ａと第二端部３２ｂとを有する。第一端部３２ａは、タンク２ｐ内に配置された部分である。本実施形態では、第一端部３２ａの開口端は、電解液の液面よりも低い位置に配置され、電解液中に開口している。第一端部３２ａの開口端は、電解液の液面よりも高い位置に配置され、気相中に開口していてもよい。第二端部３２ｂは、電池セル１００の上部に接続されている。第二端部３２ｂは、電池セル１００の反応部よりも高い位置に配置されていていればよく、反応部の上端よりも上側の部位に接続されていてもよい。
　配管３ｐの材料は、樹脂、ゴム、ガラス、金属などのいずれの材料でもよい。配管３ｐが金属で構成されている場合、配管３ｐの内面は、電解液との接触による腐食を防止するために、樹脂が被覆されていてもよい。配管３ｐが透明な樹脂又はガラスで構成されていると、配管３ｐ内の電解液の状態を外から視認できる。透明な樹脂は、例えば、塩化ビニル樹脂である。また、配管３ｐに窓部が設けられていてもよい。この窓部が透明な樹脂又はガラスで構成されていると、窓部から電解液の状態を視認できる。
　（ポンプ）
　ポンプ４０は、タンク２ｐから電解液を吸い上げて、第一配管３１を通して電解液を電池セル１００に送る。ポンプ４０は自吸式ポンプである。本実施形態では、ポンプ４０が第一配管３１における第一部分３１ａと第三部分３１ｃとの間に設けられている。具体的には、ポンプ４０は、第一中間部３１ｄを構成する上記横管の途中に配置されている。
　図２は、ＲＦ電池の運転中の状態を示している。ＲＦ電池の運転中は、ポンプ４０を駆動して、タンク２ｐと電池セル１００との間で電解液が循環される。図２の実線矢印は、電解液の流れを表している。ポンプ４０の駆動により電解液が流れていく方向が下流であり、その反対方向が上流である。具体的には、図２の実線矢印の示す方向が下流であり、その逆が上流である。タンク２ｐ内の電解液は、ポンプ４０によって第一部分３１ａから吸い上げられ、第一配管３１、電池セル１００、第二配管３２を通ってタンク２ｐに戻される。ＲＦ電池の運転中は、第一配管３１、電池セル１００、及び第二配管３２が電解液で満たされている。
　（供給口）
　実施形態１のＲＦ電池は、図２に示すように、配管３ｐ内にガスを導入するための供給口５０を有する。本実施形態では、供給口５０が第二配管３２に設けられている。具体的には、供給口５０は、第一端部３２ａと第二端部３２ｂとの間であって、タンク２ｐ外に位置する部分に設けられている。また、供給口５０はガス管５１を介してタンク２ｐ内の気相とつながっている。そのため、タンク２ｐ内の気相に充填されているガスが供給口５０から配管３ｐ内に導入される。ガス管５１は、タンク２ｐ外に設けられたガス供給源につながっていてもよい。上記ガスは、窒素ガスなどの非酸化性ガスである。供給口５０の作用は、ポンプ４０の停止時に配管３ｐ内に導入されたガスにより、第一配管３１に形成されたサイフォンを破ることである。ここでいう「サイフォンを破る」とは、第一配管３１に形成されたサイフォン内の電解液を第三部分３１ｃの上流と下流で分断することをいう。第三部分３１ｃの上流は、図２では、第三部分３１ｃの左側である。第三部分３１ｃの下流は、図２では、第三部分３１ｃの右側である。供給口５０の作用については、後述する。供給口５０は、第一配管３１の第二部分３１ｂに設けられていてもよい。
　　〈開口径〉
　供給口５０の開口径は、例えば１ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。供給口５０の開口径とは、供給口５０の開口面積と等しい円の直径を意味する。供給口５０の開口径によって、供給口５０から導入されるガスの流量を制御できる。供給口５０の開口径が小さいと、ガスの流量が少なくなる。供給口５０の開口径が大きいほど、ガスの流量が多くなる。供給口５０の開口径を上記範囲とする理由は後述する。
　　〈チェッキ弁〉
　供給口５０にチェッキ弁５２が設けられていてもよい。チェッキ弁５２は、第二配管３２内の電解液がガス管５１に流入することを阻止する。チェッキ弁５２の種類は、ボール式、スイング式などいずれでもよい。
　供給口５０とチェッキ弁５２との接続部にオリフィス５３が設けられていてもよい。このオリフィス５３によって供給口５０の開口径を変えることにより、ガスの流量を調整できる。ガスの流量は、例えば、ガス管５１の直径、チェッキ弁５２の開度を変えることによっても調整できる。ガス管５１の途中に、ガスの流量を調整する調整弁を設けてもよい。調整弁は、ボールバルブ又はニードルバルブなどである。
　本実施形態では、供給口５０が、第二配管３２におけるタンク２ｐ外に位置する部分に設けられているが、供給口５０は、タンク２ｐ内に位置する部分に設けられていてもよい。第二配管３２における第一端部３２ａの開口端がタンク２ｐ内の気相中に開口している場合は、この開口端が供給口５０として機能する。また、第一端部３２ａの開口端がタンク２ｐ内の電解液中に開口している場合、第一端部３２ａのうち、タンク２ｐ内の気相に位置する部分の側壁に供給口５０が設けられていてもよい。いずれの場合であっても、ポンプ４０の停止時に供給口５０からガスを導入することができる。また、供給口５０がタンク２ｐ内に位置する場合は、ガス管５１、チェッキ弁５２は不要である。
　図３から図５を参照して、ポンプ４０を停止したときの動作を説明する。図３はポンプ４０が停止した直後の状態を示している。この状態では、第一配管３１、電池セル１００、及び第二配管３２が電解液で満たされている。ポンプ４０が停止すると、供給口５０からガスが導入される。供給口５０からガスが導入されると、供給口５０よりも下流の電解液は、ガスと置き換わりながら、重力により第二配管３２を通ってタンク２ｐへ流れる。また、供給口５０よりも上流の電解液は、サイフォンの原理により、電池セル１００を経由して第一配管３１へ流れる。第一配管３１内の電解液は、第一配管３１を逆流してタンク２ｐへ戻る。このとき、供給口５０から導入されたガスは、電解液に混入して第一部分３１ａへ向けて流れる。図３及び図４の実線矢印は電解液の流れを表し、点線矢印はガスの流れを表している。電池セル１００内の電解液がガスと置換されることで、図４に示すように、電池セル１００内から電解液が抜けていく。第一配管３１における第三部分３１ｃ内の電解液がガスと置換されることで、図４に示すように、第三部分３１ｃにガスが溜まる。第三部分３１ｃにガスが溜まると、第一配管３１に形成されたサイフォンが破れる。第一配管３１の第三部分３１ｃでサイフォンが破れることで、図５に示すように、第三部分３１ｃよりも上流の電解液と第三部分３１ｃよりも下流の電解液とで自重のつり合いが成立する。これにより、第三部分３１ｃと第一部分３１ａとの間の領域、及び第三部分３１ｃと第二部分３１ｂとの間の領域のそれぞれに電解液が保持された状態となる。図５では、第一部分３１ａと第一中間部３１ｄ、及び、第二部分３１ｂと第二中間部３１ｅのそれぞれに電解液が保持されている。第二部分３１ｂが電池セル１００よりも低い位置に配置されている場合、電池セル１００内に電解液が残り難い。
　ＲＦ電池の待機中は、上述した図５の状態である。この状態では、第一配管３１の第一部分３１ａと第三部分３１ｃとの間に電解液が満たされており、ポンプ４０の吸込口４１及び吐出口４２に電解液が保持されている。つまり、ポンプ４０内が電解液で満たされている。図５に示す待機状態では、ポンプ４０の吸込口４１に保持された電解液をポンプ起動時の呼び水として利用できる。つまり、ＲＦ電池の待機状態からポンプ４０を起動することができる。したがって、本実施形態のＲＦ電池は、呼び水タンクが不要である。また、図５に示すように、電池セル１００内から電解液が抜けていることで、電池セル１００内に残った電解液が自己放電することを抑制できる。
　図５に示す待機状態からポンプ４０を起動すると、タンク２ｐ内の電解液が第一部分３１ａから吸い上げられ、電解液は第一配管３１、電池セル１００、第二配管３２を通ってタンク２ｐに戻される。第三部分３１ｃ内のガスは電解液に押し出され、電池セル１００、第二配管３２を通ってタンク２ｐへ流れる。第一配管３１、電池セル１００、第二配管３２が電解液で満たされることにより、図２に示す運転状態になる。
　図５を参照して、ポンプ４０から第三部分３１ｃまでの高さｈ１と、タンク２ｐ内の電解液の液面からポンプ４０までの高さｈ０との関係について説明する。高さｈ１は、ポンプ４０の吸込口４１の上端から第三部分３１ｃの最も高い位置までの高さである。吸込口４１の上端は、吸込口４１の最も高い位置である。高さｈ０は、タンク２ｐ内の電解液の液面からポンプ４０の吸込口４１の上端までの高さである。高さｈ１は、例えば、高さｈ０の１．０５倍以上３倍以下である。高さｈ１が高さｈ０の１．０５倍以上であれば、ポンプ４０の停止時に、第一配管３１における第三部分３１ｃよりも上流の領域に電解液を十分に保持することができる。第一部分３１ａと第三部分３１ｃとの間に電解液を十分に満たすことができるので、ポンプ４０の吸込口４１に電解液が保持され易い。高さｈ１が高さｈ０の３倍以下であれば、第三部分３１ｃの高さが低くなるので、配管３ｐがコンパクトになる。このような配管３ｐはセル室を構成するコンテナに収納し易い。高さｈ１は、更に、高さｈ０の１．１倍以上３倍以下でもよい。高さｈ１が高さｈ０の２．５倍以下、更に２倍以下であれば、配管３ｐがよりコンパクトになる。
　ポンプ４０の停止時において、ポンプ４０から第三部分３１ｃまでの領域に保持された電解液の液面のポンプ４０からの高さｈ２と、高さｈ０との関係について説明する。高さｈ２は、ポンプ４０の吸込口４１の上端から上記液面までの高さである。ポンプ４０から第三部分３１ｃまでの領域とは、具体的には、第一中間部３１ｄのことである。高さｈ２は、具体的には、ポンプ４０の吸込口４１の上端から第一中間部３１ｄに保持された電解液の液面までの高さである。高さｈ２は０以上である。高さｈ２は、例えば、高さｈ０の０．０５倍以上である。高さｈ２が高さｈ０の０．０５倍以上であれば、第一部分３１ａと第三部分３１ｃとの間に電解液が十分に満たされた状態となることで、ポンプ４０の吸込口４１に電解液が確実に保持される。高さｈ２の上限は高さｈ１より小さい値である。高さｈ２は、更に、高さｈ０の０．１倍以上でもよい。高さｈ２は、高さｈ０の０．０５倍以上１倍以下、高さｈ０の０．１倍以上１倍以下でもよい。第一配管３１が透明な樹脂又はガラスで構成されている、又は、第一配管３１に上述した窓部が設けられている場合、第一配管３１に保持されている電解液の液面の位置を外部から確認できる。
　ポンプ４０の停止時において、タンク２ｐ内の電解液の液面から第一中間部３１ｄに保持された電解液の液面までの高さ、即ち高さｈ０と高さｈ２との合計高さと、第二中間部３１ｅに保持された電解液の液面の高さｈ３とは、実質的に等しくなる。これは、上述したように、第三部分３１ｃでサイフォンが破れることで、第三部分３１ｃよりも上流の電解液と第三部分３１ｃよりも下流の電解液とで自重のつり合いが成立するからである。高さｈ２が高さｈ０の０．０５倍以上である場合、高さｈ３は高さｈ０の１．０５倍以上となる。高さｈ３は高さｈ１以下である。
　ポンプ４０の停止時に供給口５０から導入されるガスの流量が多いほど、第三部分３１ｃにガスが溜まるまでの時間が短くなる。つまり、第一配管３１に形成されたサイフォンが破れるまで時間が短くなる。ポンプ４０の停止時に供給口５０から導入されるガスの流量が多いほど、第三部分３１ｃに溜まるガスの量が増加するため、第一中間部３１ｄに保持される電解液の液面が低くなるおそれがある。供給口５０の開口径が１ｍｍ以上であれば、導入されたガスによりサイフォンを短時間で破ることができる。供給口５０の開口径が５０ｍｍ以下であれば、高さｈ２が十分に確保され易い。第一部分３１ａと第三部分３１ｃとの間に電解液が十分に満たされた状態となり易いため、ポンプ４０の吸込口４１に電解液が保持され易い。供給口５０の開口径は、更に、２ｍｍ以上２５ｍｍ以下でもよい。本実施形態のように供給口５０が第二配管３２に設けられている場合、供給口５０から導入されたガスは、図４に示すように、電池セル１００を通って第一配管３１へ流れる。この場合、電池セル１００によって、ガスが第一配管３１へ流れる際の抵抗が大きくなる。そのため、供給口５０の開口径を小さくしたのと同じような作用が生じると考えられる。
　ＲＦ電池を組み立てた後、ＲＦ電池の運転を開始する初期の状態では、第一配管３１、電池セル１００、及び第二配管３２が電解液で満たされていない。この初期状態では、ポンプ４０を起動しても、ポンプ４０が空転するため、タンク２ｐから電解液を吸い上げることができない。詳しい図示は省略するが、第二配管３２には、真空ポンプを接続するための接続口が設けられている。接続口は、第一端部３２ａと第二端部３２ｂとの間であって、タンク２ｐ外に位置する部分に設けられている。真空ポンプによって第一配管３１、電池セル１００、及び第二配管３２を真空状態にして、タンク２ｐから第一配管３１及び第二配管３２を通して電解液を吸い上げる。これにより、第一配管３１を電解液で満たすことができる。
　図２に示すように、第二配管３２に仕切弁６０が設けられていてもよい。仕切弁６０は、上述した真空ポンプの接続口よりも下流側に位置する。初期状態において、仕切弁６０を閉じて第二配管３２の流路を遮断する。真空ポンプによって第一配管３１、電池セル１００、及び第二配管３２を真空状態にして、タンク２ｐから第一配管３１を通して電解液を吸い上げる。これにより、第一配管３１を電解液で満たすことができる。第二配管３２の第一端部３２ａが、タンク２ｐ内の気相中に開口している場合であって、仕切弁６０が設けられていない場合は、第二配管３２を通して気相中のガスが吸い上げられる。仕切弁６０を閉じておくことで、第一配管３１を通して電解液を吸い上げることができる。第二配管３２の第一端部３２ａが、タンク２ｐ内の電解液中に開口している場合は、仕切弁６０がなくてもよい。
　仕切弁６０の種類は、バタフライバルブ、ボールバルブ、ゲートバルブなどいずれでもよい。
　［実施形態２］
　図６を参照して、実施形態２に係るＲＦ電池の構成を説明する。実施形態２のＲＦ電池は、ポンプ４０の位置が上述した図２に示す実施形態１のＲＦ電池と相違する。以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。実施形態１と共通する構成についてはその説明を省略する。
　実施形態２では、ポンプ４０が第一配管３１の第二部分３１ｂに設けられている。具体的には、ポンプ４０は、第二部分３１ｂを構成する上述した横管の途中に配置されている。実施形態２では、第一中間部３１ｄが上下方向に延びる縦管で構成されている。第一部分３１ａと第一中間部３１ｄとが上下方向に直線状に連結されている。
　［実施形態３］
　図７を参照して、実施形態３に係るＲＦ電池の構成を説明する。実施形態３のＲＦ電池は、ポンプ４０の位置が上述した図２に示す実施形態１のＲＦ電池と相違する。以下、実施形態１との相違点を中心に説明する。実施形態１、２と共通する構成についてはその説明を省略する。
　実施形態３では、ポンプ４０が第一配管３１の第三部分３１ｃに設けられている。具体的には、ポンプ４０は、第三部分３１ｃを構成する上述した横管の途中に配置されている。
　図６、図７に示す実施形態２、３のいずれの構成であっても、図２に示す実施形態１と同様に、呼び水タンクが不要である。実施形態１から３を比較した場合、実施形態１は、実施形態２、３に比べてタンク２ｐからポンプ４０までの配管長が短いため、揚程が小さい。その結果、ポンプロスを低減できる。また、実施形態１は、実施形態３に比べてポンプ起動時に気泡を巻き込み難いため、キャビテーションが発生し難い。
　１　レドックスフロー電池（ＲＦ電池）、７　交流／直流変換器、７１　変電設備、８　発電部、９　負荷、２ｐ、２ｎ　タンク、３ｐ、３ｎ　配管、３１　第一配管、３１ａ　第一部分、３１ｂ　第二部分、３１ｃ　第三部分、３１ｄ　第一中間部、３１ｅ　第二中間部、３２　第二配管、３２ａ　第一端部、３２ｂ　第二端部、３５１、３５２、３５３、３５４　境界、４０　ポンプ、４１　吸込口、４２　吐出口、５０　供給口、５１　ガス管、５２　チェッキ弁、５３　オリフィス、６０　仕切弁、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、１２０　セルフレーム、１２１　双極板、１２２　枠体、１２７　シール部材、２００　セルスタック、２１０　エンドプレート、２３０　締付部材、ｈ０、ｈ１、ｈ２、ｈ３　高さ。

Claims (4)

  1. 　電池セルと、
    　電解液が貯留されたタンクと、
    　前記タンクと前記電池セルとをつなぐ配管と、
    　前記配管に設けられたポンプと、を備え、
    　前記電池セル及び前記ポンプは、前記タンクよりも高い位置に配置され、
    　前記配管にガスを導入するための供給口を有し、
    　前記配管は、前記ポンプの停止時に、前記ポンプの吸込口に前記電解液が保持されるように設けられている、
    レドックスフロー電池。
  2. 　前記配管は、
    　　前記タンクから前記電池セルへ向かう前記電解液の流路である第一配管と、
    　　前記電池セルから前記タンクへ向かう前記電解液の流路である第二配管と、を備え、
    　前記ポンプは、前記第一配管に設けられており、
    　前記第一配管は、
    　　前記タンク内の前記電解液中に挿入された第一部分と、
    　　前記電池セルに接続された第二部分と、
    　　前記第一配管のうち、最も高い位置を構成する第三部分と、を含み、
    　前記供給口は、前記第一配管の前記第二部分、または前記第二配管に設けられている、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
  3. 　前記供給口は、前記第二配管に設けられている、請求項２に記載のレドックスフロー電池。
  4. 　前記ポンプは、前記第一部分と前記第三部分との間、前記第二部分、及び前記第三部分のうちのいずれかに設けられている、請求項２または請求項３に記載のレドックスフロー電池。
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