【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレドックスフロー電池に関するものである。 特に、瞬間的な停電時に電力供給を行えるよう、フロート充電することに好適なレドックスフロー電池に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図4はレドックスフロー電池の動作原理を示す説明図である。 この電池は、イオン交換膜からなる隔膜４で正極セル1Aと負極セル1Bとに分離されたセル
1を具える。 正極セル1Aと負極セル1Bの各々には正極電極５と負極電極６とを内蔵している。 正極セル1Aには正極電解液を供給・排出するための正極用タンク２が導管７，８を介して接続されている。 負極セル1Bにも負極電解液を導入・排出する負極用タンク３が同様に導管10、
11を介して接続されている。 各電解液にはバナジウムイオンなどイオン価数が変化するイオンの水溶液を用い、
ポンプ9、12で循環させ、正負極電極５，６におけるイオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。 バナジウムイオンを含む電解液を用いた場合、セル内で充放電時に生じる反応は次のとおりである。

【０００３】 正極：V ⁴⁺ →V ⁵⁺ ＋e ^- （充電） V ⁴⁺ ←V ⁵⁺ ＋e ^- （放電） 負極：V ³⁺ ＋e ^- →V ²⁺ （充電） V ³⁺ ＋e ^- ←V ²⁺ （放電）

【０００４】図5は、上記の電池に用いるセルスタックの概略構成図である。 通常、上記の電池には、複数のセルが積層されたセルスタック100と呼ばれる構成が利用される。 各セルは、隔膜4の両側にカーボンフェルト製の正極電極5および負極電極6を具える。 そして、正極電極5と負極電極6の各々の外側には、セルフレーム構造20
が配置される。

【０００５】セルフレーム構造20は、プラスチックカーボン製の双極板21と、その外周に形成されるセルフレーム22とを具える。

【０００６】セルフレーム22には、マニホールド23A、2
3Bと呼ばれる複数の孔が形成されている。 １枚のセルフレームには、例えば下辺に４つ、上辺に４つの合計８つのマニホールドが設けられ、下辺の２つが正極電解液供給用、残り２つが負極電解液供給用、上辺の２つが正極電解液排出用、残り２つが負極電解液排出用となっている。 マニホールド23A、23Bは、多数のセルを積層することで電解液の流路を構成し、図4における導管7、8、1
0、11へとつながっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなレドックスフロー電池では、充放電に伴って隔膜を通って
H ⁺イオンが移動したり、正極電解液を圧送するポンプと負極電解液を圧送するポンプの圧力差や正負極電解液間の浸透圧により、隔膜を介して電解液が片極側に移動する液移りが生じる。

【０００８】特に、フロート充電の場合、液移りが顕著に生じる。 フロート充電とは、充電装置にレドックスフロー電池と負荷とを並列に接続し、電池に常に一定の電圧を加えて充電状態にしておき、停電時や負荷変動時に無瞬断または短時間の停電で電池より負荷へ電力を供給する方式である。 液移りが顕著に生じると、両極間の電解液量のバランスが崩れ、抵抗の増加、容量の低下、電解液の析出が引き起こされる。

【０００９】従って、本発明の主目的は、両極間の電解液量や液成分のアンバランスが抑制でき、フロート充電においても電解液の析出などによる容量低下を抑制できるレドックスフロー電池を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、正負極の電解液流路を合流させることで上記の目的を達成する。

【００１１】すなわち、本発明レドックスフロー電池は、主セルに正極電解液と負極電解液とを供給・排出させる循環機構を有するレドックスフロー電池において、
前記セルの電解液排出側で正極電解液と負極電解液を混合する合流部と、前記セルの電解液供給側で、混合された正極電解液と負極電解液とを分流する分岐部とを具えることを特徴とする。

【００１２】従来のレドックスフロー電池システムでは正極電解液用タンクと負極電解液用タンクを設けていた。 本発明では、これらのタンクを設けることなく、主セルから排出された正負極電解液を一旦合流し、再度分岐して正極および負極に供給することで液移りによる抵抗の増加、容量の低下、電解液の析出を防止する。 電解液の循環にはポンプを用いればよい。 ポンプはセルに電解液を供給、排出できるようになっていれば場所や台数はこだわらない。 また、正負極電解液の循環は、正極電解液と負極電解液とが混合されることによるエネルギー損失がシステム効率に影響を及ぼさない程度にゆっくりと行うことが望ましいが、間歇的に運転することも可能である。 例えば、正負極電解液のゆっくりとした循環とは、セル内の電解液が約5分〜約1ヶ月に1回入れ替わる速度の循環である。

【００１３】ここで、主セルの電解液排出側にリザーバタンクを設けることが好ましい。 循環機構中にリザーバタンクを設けることにより、ポンプを長期停止の間歇運転することが容易になる。 ポンプ停止時に液移りが激しく生じても、リザーバタンク内の電解液で補い、主セル内の電解液が空になることがない。

【００１４】また、主セルの電解液供給側と排出側に複数の副セルを設け、主セルに近い順の副セル同士を電気的に接続し、主セルの電解液排出側の副セルが、主セルの電解液供給側の副セルを充電するように構成することが好ましい。

【００１５】フロート充電中、主セルの電解液排出側においた副セル内の電解液は主セルの電解液供給側においた副セル内の電解液に比べて充電深度が高い。 充電深度が高いとは、正極では「(5価のVイオン濃度)/(4価＋5価のイオン濃度)」の比率が大きく、負極では「(2価のVイオン濃度)/(2価＋3価のイオン濃度)」の比率が大きいことを言う。 これらの副セルは、主セルに近いもの同士を電気的に接続して電解液排出側の副セルで電解液給液側の副セルを充電する。 このように構成することで、副セルを用いない場合におけるフロート充電の電流値よりも小さな電流値で主セルは充電でき、ロス低減を図ることができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明する。 （実施例１）図１は本発明レドックスフロー電池の概略構成図である。 この電池は、主セル31と、主セル31内の正負極電解液を循環させる循環機構とを具えている。

【００１７】主セル31は、図１では簡略化して示しているが、図5で説明したものと同様の構成である。 主セル3
1における正極セルと負極セルの各々はイオン交換膜からなる隔膜で分離されており、正極セル内には正極電解液が、負極セル内には負極電解液が供給される。 正極電解液にはV ⁵⁺ /V ⁴⁺を含む電解液が、負極電解液にはV ²⁺ /V
³⁺を含む電解液が用いられる。

【００１８】ここで、正極セルから排出された正極電解液と、負極セルから排出された負極電解液は、それぞれ独立した流路を通るが、途中に設けられた合流部32で混合される。 正極電解液と負極電解液が混合されると、次の反応が起こる。

【００１９】V ⁵⁺ ＋V ²⁺ →V ³⁺ ＋V ⁴⁺ V ⁵⁺ ＋V ³⁺ →2V ⁴⁺ V ⁴⁺ ＋V ²⁺ →2V ³⁺ V ⁴⁺ ＋V ³⁺ →V ⁴⁺ ＋V ³⁺

【００２０】混合された正負極電解液はポンプ33により加圧されてから分岐部34で分流され、再度主セル31の正極セルと負極セルの各々に供給される。

【００２１】このような正負極電解液の循環は、両電解液が混合されることによるエネルギー損失がシステム効率に影響を及ぼさない程度に非常にゆっくり行うことが望ましい。

【００２２】そして、主セル31に供給された混合電解液は、フロート充電により常時は次の反応を生じる。 正極：V ⁴⁺ →V ⁵⁺ ＋e ^- （充電） 負極：V ³⁺ ＋e ^- →V ²⁺ （充電）

【００２３】このように、正（負）極電解液用タンクを用いることなく正極電解液と負極電解液を混合することで、液移りによる電解液量のアンバランスを解消することができる。

【００２４】また、正極電解液と負極電解液の混合により、5価のバナジウムイオンが析出することを防止することができる。 バナジウムイオンが5価の状態になるのは、正極電解液が充電状態にあるときである。 そのため、正負極電解液の混合により、充電により生じたV ⁵⁺
をV ⁴⁺にすれば、フロート充電を長期間行ってもバナジウム5価イオンが析出することを抑制できる。

【００２５】なお、ここでは主セルとして単一のセルしか図示していないが、通常、実際の主セルは多数のセルが積層されたセルスタックに構成されている。

【００２６】（実施例２）次に、リザーバタンクを設けた実施例を図2に示す。 本例は、循環機構の途中にリザーバタンクを設けた点を除いて図1と同様の循環機構であるため、主に相違点のみを説明する。

【００２７】図２の循環機構は、主セル31の電解液排出側にリザーバタンク35を設け、リザーバタンク35を介してから混合電解液をポンプ33側に送る構成としている。
つまり、本例ではリザーバタンク35自体が合流部に相当する。

【００２８】リザーバタンク35を設けることで、ポンプ
33を長期間停止した間歇運転が容易になる。 ポンプ停止時に液移りが激しく生じても、電解液は一旦リザーバタンクに戻ると両極間の電解液が全て均一化されるので、
バナジウム5価イオン析出などの問題発生が防止できる。

【００２９】（実施例３）次に、主セル31とは別に副セル36を用いた実施例を図3に基づいて説明する。 本例における電解液の循環機構は、実施例1と同様に、正極電解液と負極電解液の合流部32と、混合された正極電解液と負極電解液とを分流する分岐部34とを具える。 そして、主セル31の前後、つまり主セル31と合流部32の間ならびに分岐部34と主セル31の間に複数の副セル36を具えている。

【００３０】副セル36の各々は、主セル31とサイズが異なるだけで基本的な構成は同一である。 ただし、副セルのサイズ、数は限定されない。 主セル31に比べて大きくても小さくても何対あっても構わない。 ポンプの圧力損失や製作コストを考慮して副セルのサイズや数を適宜決定すればよい。 これらの副セル36は、主セル31に近いもの同士を順次電気的に接続する。 すなわち、図３における右側の副セルの正負極を左側の副セルの正負極にそれぞれ接続する。 図3における実線矢印は循環機構の接続を示し、破線矢印は電気的接続を示している。

【００３１】フロート充電中、主セル31の電解液排出側においた副セル36内の電解液は主セル31の電解液供給側においた副セル36内の電解液に比べて充電深度が高い。
主セル31に近い副セル同士を電気的に接続することで、
電解液排出側（図3の右側）の副セル36は電解液給液側（図3の左側）の副セル36を充電する。 従って、副セルを用いない場合におけるフロート充電の電流値よりも小さな電流値で主セルを充電でき、ロス低減を図ることができる。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明レドックスフロー電池によれば、正負極の配管を合流させることで液移りによる抵抗の増加、容量の低下、電解液の析出を防止することができる。

【００３３】また、リザーバタンクを設けることで、ポンプを間歇的に運転させても、セル内の片極の電解液が液移りにより空になることを防止することができる。

【００３４】さらに、主セル前後に副セルを設置し、主セルに近い副セル同士を電気的に接続することで、主セルに導入される前の電解液は副セル内での充電によって
V ⁴⁺からV ⁵⁺またはV ³⁺からV ²⁺に復帰され、主セルにおけるフロート充電の電流値を低減させることができる。 すなわち、副セルを用いないシステムにおける電解液混合によるロス分を低減させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明実施例を示す概略図である。

【図２】リザーバタンクを設けた本発明実施例の概略図である。

【図３】副セルを用いた本発明実施例の概略図である。

【図４】レドックスフロー電池の動作原理を示す説明図である。

【図５】セルスタックの説明図である。

【符号の説明】

1 セル 1A 正極セル 1B 負極セル ２ 正極用タンク ３ 負極用タンク ４ 隔膜 ５ 正極電極 ６ 負極電極 ７，８ 導管 9 ポンプ 10、11 導管 20 セルフレーム構造 21 双極板 22 セルフレーム 23A、23B マニホールド 31 主セル 32 合流部 33 ポンプ 34 分岐部 35 リザーバタンク 36 副セル 100 セルスタック

フロントページの続き (72)発明者 徳田 信幸 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA10 CX10 5H027 AA10