(57)【要約】      （修正有）【課題】負極と正極との導通を低減することができるフロー電池およびフロー電池システムの提供。【解決手段】フロー電池は、正極２および負極３と、電解液６と、流動装置とを備える。電解液は、正極および負極に接触する。流動装置は、電解液を流動させる。流動する電解液の流速は、正極と負極との中央部分が中央部分よりも負極寄りの負極側部分の２倍以上である。【選択図】図１
2020021561.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極および負極と、
前記正極および前記負極に接触する電解液と、
前記電解液を流動させる流動装置と
を備え、
流動する前記電解液の流速は、前記正極と前記負極との中央部分が前記中央部分よりも負極寄りの負極側部分の２倍以上であることを特徴とするフロー電池。
【請求項２】
前記流動装置は、前記正極および前記負極の下に配置され、前記電解液中に気泡を発生させる発生部を含み、
前記気泡は、前記正極と前記負極との間を浮上することを特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項３】
電流密度Ｄ〔Ａ／ｃｍ３〕での充電時において、前記中央部分のうち、前記負極の厚み方向の幅１ｍｍの範囲に亜鉛成分を含むイオンによって１秒間に供給される電荷供給量Ｘが、Ｘ≧３０×Ｄの関係を有することを特徴とする請求項１または２に記載のフロー電池。
【請求項４】
前記電荷供給量Ｘは、前記電解液中に溶存する亜鉛成分の濃度をＢ〔ｍｏｌ／ｄｍ３〕、前記中央部分を流動する前記電解液の流速をＣ〔ｍｍ／ｓ〕としたとき、９６５００×Ｂ／１０００×２×Ｃであることを特徴とする請求項３に記載のフロー電池。
【請求項５】
前記電荷供給量Ｘは、充電終了の前において、前記関係を有することを特徴とする請求項３または４に記載のフロー電池。
【請求項６】
前記電解液中を移動可能に混在する粉末をさらに備えることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１つに記載のフロー電池。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１つに記載のフロー電池と、
前記フロー電池を制御する制御部と
を備え、
前記制御部は、充電時の電流密度に基づいて前記正極と前記負極との間を流動する前記電解液の流速を制御することを特徴とするフロー電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、フロー電池およびフロー電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、正極と負極との間に、テトラヒドロキシ亜鉛酸イオン（［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−）を含有する電解液を循環させるフロー電池が知られている（例えば、非特許文献１参照）。
【０００３】
また、亜鉛種などの活物質を含む負極を、選択的イオン伝導性を有するイオン伝導層で覆うことでデンドライトの成長を抑制する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１８５２５９号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Y.  Ito.  et  al.:  Zinc  morphology  in  zinc-nickel  flow  assisted  batteries  and  impact  on  performance,  Journal  of  Power  Sources,  Vol.  196,  pp.  2340-2345,  2011
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記に記載のフロー電池では、依然として負極と正極とが導通する懸念があった。
【０００７】
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、負極と正極との導通を低減することができるフロー電池およびフロー電池システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
実施形態の一態様に係るフロー電池は、正極および負極と、電解液と、流動装置とを備える。電解液は、前記正極および前記負極に接触する。流動装置は、前記電解液を流動させる。流動する前記電解液の流速は、前記正極と前記負極との中央部分が前記中央部分よりも負極寄りの負極側部分の２倍以上である。
【発明の効果】
【０００９】
実施形態の一態様のフロー電池およびフロー電池システムによれば、負極と正極との導通を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、実施形態に係るフロー電池システムの概略を示す図である。
【図２】図２は、デンドライトの成長過程を説明する図である。
【図３】図３は、吐出口の第１配置例を示す図である。
【図４】図４は、吐出口の第２配置例を示す図である。
【図５】図５は、実施形態に係るフロー電池システムの機能的構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、実施形態に係るフロー電池システムが備えるフロー電池の電極間の接続の一例について説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、添付図面を参照して、本願の開示するフロー電池およびフロー電池システムの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１２】
図１は、実施形態に係るフロー電池システムの概略を示す図である。図１に示すフロー電池システム１００は、フロー電池１と制御装置４０とを備える。フロー電池１は、筐体１７に収容された反応部１０および発生部９と、供給部１４とを備える。反応部１０は、正極２と、負極３と、隔膜４，５と、電解液６と、粉末７とを備える。フロー電池１は、発生部９で発生した気泡８を電解液６中で浮上させることにより反応部１０内に収容された電解液６を流動させる装置である。発生部９は、流動装置の一例である。
【００１３】
なお、説明を分かりやすくするために、図１には、鉛直上向きを正方向とし、鉛直下向きを負方向とするＺ軸を含む３次元の直交座標系を図示している。かかる直交座標系は、後述の説明に用いる他の図面でも示す場合がある。また、図１に示すフロー電池システム１００と同様の構成については同じ符号を付し、その説明を省略または簡略化する。
【００１４】
正極２は、例えば、ニッケル化合物、マンガン化合物またはコバルト化合物を正極活物質として含有する導電性の部材である。ニッケル化合物は、例えば、オキシ水酸化ニッケル、水酸化ニッケル、コバルト化合物含有水酸化ニッケル等が使用できる。マンガン化合物は、例えば、二酸化マンガン等が使用できる。コバルト化合物は、例えば、水酸化コバルト、オキシ水酸化コバルト等が使用できる。また、正極２は、黒鉛、カーボンブラック、導電性樹脂等を含んでもよい。電解液６が分解される酸化還元電位の観点からは、正極２はニッケル化合物を含有してもよい。また、正極２は、ニッケル金属、コバルト金属またはマンガン金属、あるいはそれらの合金であってもよい。
【００１５】
また、正極２は、例えば、上記した正極活物質や導電体その他の添加剤を複数の粒状体として含む。具体的には、正極２は、例えば、予め定められた割合で配合された粒状の活物質および導電体を、保形性に寄与するバインダとともに含有するペースト状の正極材料を発泡ニッケルなどの導電性を有する発泡金属へ圧入し、所望の形状に成形し、乾燥させたものを使用することができる。
【００１６】
負極３は、負極活物質を金属として含む。負極３は、例えば、ステンレスや銅などの金属板や、ステンレスや銅板の表面をニッケルやスズ、亜鉛でメッキ処理したものを使用することができる。また、メッキ処理された表面が一部酸化されたものを負極３として使用してもよい。
【００１７】
負極３は、正極２を挟んで互いに向かい合うように配置された負極３ａおよび負極３ｂを含む。正極２および負極３は、負極３ａと、正極２と、負極３ｂとが予め定められた間隔でＹ軸方向に沿って順に並ぶように配置されている。このように隣り合う正極２と負極３との間隔をそれぞれ設けることにより、正極２と負極３との間における電解液６および気泡８の流通経路が確保される。
【００１８】
隔膜４，５は、正極２の厚み方向、すなわちＹ軸方向の両側を挟むように配置される。隔膜４，５は、電解液６に含まれるイオンの移動を許容する材料で構成される。具体的には、隔膜４，５の材料として、例えば、隔膜４，５が水酸化物イオン伝導性を有するように、陰イオン伝導性材料が挙げられる。陰イオン伝導性材料としては、例えば、有機ヒドロゲルのような三次元構造を有するゲル状の陰イオン伝導性材料、または固体高分子型陰イオン伝導性材料などが挙げられる。固体高分子型陰イオン伝導性材料は、例えば、ポリマーと、周期表の第１族〜第１７族より選択された少なくとも一種類の元素を含有する、酸化物、水酸化物、層状複水酸化物、硫酸化合物およびリン酸化合物からなる群より選択された少なくとも一つの化合物とを含む。
【００１９】
隔膜４，５は、好ましくは、水酸化物イオンよりも大きいイオン半径を備えた［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−等の金属イオン錯体の透過を抑制するように緻密な材料で構成されると共に所定の厚さを有する。緻密な材料としては、例えば、アルキメデス法で算出された９０％以上、より好ましくは９２％以上、さらに好ましくは９５％以上の相対密度を有する材料が挙げられる。所定の厚さは、例えば、１０μｍ〜１０００μｍ、より好ましくは５０μｍ〜５００μｍである。
【００２０】
この場合には、充電の際に、負極３ａ，３ｂにおいて析出する亜鉛がデンドライト（針状結晶）として成長し、隔膜４，５を貫通することを低減することができる。その結果、互いに向かい合う負極３と正極２との間の導通を低減することができる。
【００２１】
電解液６は、６ｍｏｌ・ｄｍ−３以上のアルカリ金属を含有するアルカリ水溶液である。アルカリ金属は、例えばカリウムである。具体的には、例えば、６〜６．７ｍｏｌｄｍ−３の水酸化カリウム水溶液を電解液６として使用することができる。また、酸素発生抑制を目的に、リチウムやナトリウムなどのアルカリ金属を水酸化物（水酸化リチウム、水酸化ナトリウム）として添加してもよい。
【００２２】
また、電解液６は、亜鉛成分を含有する。亜鉛成分は、［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−として電解液６中に溶存している。亜鉛成分としては、例えば酸化亜鉛または水酸化亜鉛を使用することができる。また、１ｄｍ−３の水酸化カリウム水溶液に対し、０．５ｍｏｌの割合でＺｎＯを添加し、必要に応じて後述する粉末７を追加することにより電解液６を調製することができる。未使用、あるいは放電終了後の電解液６は、例えば１×１０−４ｍｏｌ・ｄｍ−３以上５×１０−２ｍｏｌ・ｄｍ−３以下、好ましくは１×１０−３ｍｏｌ・ｄｍ−３以上２．５×１０−２ｍｏｌ・ｄｍ−３以下の亜鉛成分を含有することができる。
【００２３】
粉末７は、亜鉛を含む。具体的には、粉末７は、例えば粉末状に加工または生成された酸化亜鉛、水酸化亜鉛等である。粉末７は、アルカリ水溶液中には容易に溶解するが、亜鉛種の飽和した電解液６中には溶解せずに分散または浮遊し、一部が沈降した状態で電解液６中に混在する。電解液６が長時間静置されていた場合、ほとんどの粉末７が、電解液６の中で沈降した状態になることもあるが、電解液６に対流等を生じさせれば、沈降していた粉末７の一部は、電解液６に分散または浮遊した状態になる。つまり、粉末７は、電解液６中に移動可能に存在している。なお、ここで移動可能とは、粉末７が、周囲の他の粉末７の間にできた局所的な空間の中のみを移動できることではなく、電解液６の中を別の位置に粉末７が移動することにより、当初の位置以外の電解液６に粉末７が晒されるようになっていることを表す。さらに、移動可能の範疇には、正極２および負極３の両方の近傍まで粉末７が移動できるようになっていることや、筐体１７内に存在する電解液６中の、ほぼどこにでも粉末７が移動できるようになっていることが含まれる。電解液６中に溶存する［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−が消費されると、電解液６中に混在する粉末７は、粉末７および電解液６が互いに平衡状態を維持するよう電解液６中に溶存する［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−が飽和濃度に近づくように溶解する。粉末７は、電解液６中の亜鉛濃度を調整するとともに、電解液６のイオン伝導度を高く維持することができる。
【００２４】
気泡８は、例えば正極２、負極３および電解液６に対して不活性な気体で構成される。このような気体としては、例えば、窒素ガス、ヘリウムガス、ネオンガス、またはアルゴンガスなどが挙げられる。電解液６に不活性な気体の気泡８を発生させることにより、電解液６の変性を低減することができる。また、例えば、亜鉛種を含有するアルカリ水溶液である電解液６の劣化を低減し、電解液６のイオン伝導度を高く維持することができる。なお、気体は空気を含有してもよい。
【００２５】
発生部９から電解液６中に供給された気体により発生した気泡８は、所定の間隔で配置された電極間、より具体的には、負極３ａと正極２との間、正極２と負極３ｂとの間において、それぞれ電解液６中を浮上する。電解液６中を気泡８として浮上した気体は、電解液６の液面６ａで消滅し、上板１８と電解液６の液面６ａとの間に気体層１３を構成する。
【００２６】
ここで、フロー電池１における電極反応について、正極活物質として水酸化ニッケルを適用したニッケル亜鉛電池を例に挙げて説明する。充電時における正極２および負極３での反応式はそれぞれ、以下のとおりである。
【００２７】
正極：Ｎｉ（ＯＨ）２  ＋  ＯＨ−  →  ＮｉＯＯＨ  ＋  Ｈ２Ｏ  ＋  ｅ−
負極：［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−  ＋  ２ｅ−  →  Ｚｎ  ＋４ＯＨ−
【００２８】
一般的には、この反応に伴って負極３で生成したデンドライトが正極２側へ成長し、正極２と負極３とが導通する懸念がある。反応式から明らかなように、負極３では、充電により亜鉛が析出するのに伴い、負極３の近傍における［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−の濃度が低下する。そして、析出した亜鉛の近傍で［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−の濃度が低下する現象が、デンドライトとして成長する一因である。すなわち、充電時に消費される電解液６中の［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−を補給することにより、電解液６中の亜鉛種である［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−の濃度が高い状態に保持される。これにより、デンドライトの成長が低減され、正極２と負極３とが導通する可能性が低減される。
【００２９】
フロー電池１では、電解液６中に亜鉛を含む粉末７を混在させるとともに、発生部９の吐出口９ａから電解液６中に気体を供給して気泡８を発生させる。気泡８は、負極３ａと正極２との間、正極２と負極３ｂとの間のそれぞれにおいて筐体１７の下方から上方に向かって電解液６中を浮上する。
【００３０】
また、電極間における上記した気泡８の浮上に伴い、電解液６には上昇液流が発生し、負極３ａと正極２との間、正極２と負極３ｂとの間では反応部１０の内底１０ｅ側から上方に向かって電解液６が流動する。そして、電解液６の上昇液流に伴い、主に反応部１０の内壁１０ａと負極３ａとの間、および内壁１０ｂと負極３ｂとの間で下降液流が発生し、電解液６が反応部１０の内部を上方から下方に向かって流動する。
【００３１】
これにより、充電によって電解液６中の［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−が消費されると、これに追従するように粉末７中の亜鉛が溶解することで高濃度の［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−を含有する電解液６が負極３の近傍に補給される。このため、電解液６中の［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−を濃度が高い状態に保つことができ、デンドライトの成長に伴う正極２と負極３との導通の可能性を低減することができる。
【００３２】
なお、粉末７としては、酸化亜鉛および水酸化亜鉛以外に、金属亜鉛、亜鉛酸カルシウム、炭酸亜鉛、硫酸亜鉛、塩化亜鉛などが挙げられ、酸化亜鉛および水酸化亜鉛が好ましい。
【００３３】
また、負極３では、放電によりＺｎが消費され、［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−を生成するが、電解液６はすでに飽和状態であるため、電解液６中では、過剰となった［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−からＺｎＯが析出する。このとき負極３で消費される亜鉛は、充電時に負極３の表面に析出した亜鉛である。このため、元来亜鉛種を含有する負極を用いて充放電を繰り返す場合とは異なり、負極３の表面形状が変化するいわゆるシェイプチェンジが生じない。これにより、実施形態に係るフロー電池１によれば、負極３の経時劣化を低減することができる。なお、電解液６の状態によっては、過剰となった［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−から析出するのは、Ｚｎ（ＯＨ）２や、ＺｎＯとＺｎ（ＯＨ）２とが混合したものになる。
【００３４】
実施形態に係るフロー電池１についてさらに説明する。発生部９は、反応部１０の下方に配置されている。発生部９は、後述する供給部１４から供給された気体を一時的に貯留するよう内部が中空となっている。また、反応部１０の内底１０ｅは、発生部９の中空部分を覆うように配置されており、発生部９の天板を兼ねている。
【００３５】
また、内底１０ｅは、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に沿って並ぶ複数の吐出口９ａを有している。発生部９は、供給部１４から供給された気体を吐出口９ａから吐出することにより、電解液６中に気泡８を発生させる。吐出口９ａは、例えば０．０５ｍｍ以上０．５ｍｍ以下の直径を有する。吐出口９ａの直径をこのように規定することにより、吐出口９ａから発生部９の内部の中空部分に電解液６や粉末７が進入する不具合を低減することができる。また、吐出口９ａから吐出される気体に対し、気泡８を発生させるのに適した圧力損失を与えることができる。
【００３６】
上記したように、負極３では、電解液６中の［Ｚｎ（ＯＨ）４］２−濃度を高い状態に保つことによりデンドライトの成長が低減される。ただし、充電時に負極３の表面で生成したデンドライトは、放電によっても完全には電解液６中に溶解せずに残存することがある。そして、負極３の表面に残存したデンドライトは、充放電の繰り返しにより徐々に正極２側への成長を続け、やがて正極２と負極３とが導通する懸念がある。
【００３７】
そこで、実施形態に係るフロー電池システム１００では、充電時に流動する電解液６の流速を、正極２と負極３との中央部分と、中央部分よりも負極３寄りの負極側部分とで異ならせ、デンドライトを積極的に成長させることで負極３と正極２との導通を低減することとした。この点について、図２を用いて説明する。
【００３８】
図２は、デンドライトの成長過程を説明する図である。なお、図２では、説明の簡略化を目的として、充放電により負極３の表面３１で析出と溶解とを繰り返す亜鉛および電解液６中に混在する粉末７は図示を省略している。
【００３９】
図２（ａ）に示すように、充電時に負極３の表面３１に付着した亜鉛の一部はデンドライト５０を生成する。ここで、負極３と正極２との中央部分ＣＰでは、中央部分ＣＰよりも負極３寄りの負極側部分ＮＰと比較して電解液６の流速が２倍以上、さらに３倍以上となるように電解液６が流動している。このため、充電時には、負極側部分ＮＰよりも電解液６中に溶存する亜鉛成分の濃度が高い中央部分ＣＰに向けてデンドライト５０の端部５１が成長する。
【００４０】
中央部分ＣＰでは、充電中においても電解液６中に溶存する亜鉛成分の濃度が高い状態で推移する。このため、中央部分ＣＰの近くまで到達したデンドライト５０の端部５１は、放射状に成長し、瘤状または塊状の先端部５２が生成する（図２（ｂ）参照）。先端部５２は、充放電を繰り返すと、充電時に析出する亜鉛により、さらに成長を続ける（図２（ｃ）、（ｄ）参照）。
【００４１】
成長した先端部５２は、自重および電解液６の流動に伴う圧力により、負極３側の端部であるネック部５３で電解液６中に脱落する（図２（ｅ）参照）。その後、先端部５２が脱落したデンドライト５０は、ネック部５３を端部として図２（ａ）〜（ｅ）に示す先端部５２の成長および脱落を繰り返すこととなる。このように、中央部分ＣＰと負極側部分ＮＰとで電解液６の流速を異ならせることにより、デンドライト５０を介した負極３と正極２との導通の可能性が低減する。
【００４２】
ここで、中央部分ＣＰの厚み方向の幅ｄＣは、例えば１ｍｍとすることができる。また、負極側部分ＮＰの負極３の厚み方向の幅ｄＮと、中央部分ＣＰよりも正極２寄りの正極側部分ＰＰの負極３の厚み方向の幅ｄＰはいずれも、同じとすることができる。なお、負極３と正極２との間の幅ｄが３ｍｍ以上の場合、ｄＮ＝ｄＣ＝ｄＰとしてもよい。
【００４３】
また、電解液６の流速は、例えば、負極側部分ＮＰで３．５ｍｍ／ｓ以下とすることができ、中央部分ＣＰで１０ｍｍ／ｓ以上とすることができる。このように電解液６の流速を調整し、デンドライト５０を積極的に成長させることで負極３と正極２との導通の可能性を低減することができる。なお、正極側部分ＰＰにおける電解液６の流速には特に制限はなく、例えば、消費電力が小さくなるように調整してもよい。例えば、正極側部分ＰＰにおける電解液６の流速を、負極側部分ＮＰと同じとしてもよく、中央部分ＣＰと同じとしてもよい。以下、中央部分ＣＰにおける電解液６の流速を負極側部分ＮＰにおける電解液６の流速と異ならせる具体例について、図３、図４を用いて説明する。
【００４４】
図３は、吐出口の第１配置例を示す図である。図３および後述する図４は、図１に示すフロー電池１が有する反応部１０の内底１０ｅを平面視したものに相当する。
【００４５】
図３に示すように、吐出口９ａは平面視で負極３ａと正極２との間、正極２と負極３ｂとの間に配置されるようにＸ軸方向に沿って並設されている。このように配置された吐出口９ａにおいて、Ｘ軸方向に沿った間隔（ピッチ）を変更することにより、中央部分ＣＰにおける電解液６の流速を変動させることができる。具体的には、平面視で中央部分ＣＰと重なるように配置された吐出口９ａのピッチを密にすると、中央部分ＣＰにおける電解液６の流速が大きくなり、吐出口９ａのピッチを疎にすると、中央部分ＣＰにおける電解液６の流速が小さくなる。
【００４６】
図４は、吐出口の第２配置例を示す図である。図４に示す吐出口９ａは、負極３寄りに形成された第１吐出口９ａ１と、正極２寄りに形成された第２吐出口９ａ２とを含む。このようにＹ軸方向に複数の吐出口９ａを配置することによっても、中央部分ＣＰにおける電解液６の流速を負極側部分ＮＰにおける電解液６の流速よりも大きくすることができる。なお、第１吐出口９ａ１および第２吐出口９ａ２はいずれも、平面視で中央部分ＣＰと重なるように配置されてもよいが、これに限らず、例えば第１吐出口９ａ１は平面視で中央部分ＣＰと重なり、第２吐出口９ａ２は平面視で正極側部分ＰＰと重なるように配置されてもよい。
【００４７】
このようにＸ軸方向に沿うように並ぶ吐出口９ａの疎密や、Ｙ軸方向に並ぶ吐出口９ａの数を変更することにより、中央部分ＣＰにおける電解液６の流速を負極側部分ＮＰにおける電解液６の流速よりも大きくすることができる。また、必要に応じて、吐出口９ａから単位時間あたりに吐出される気体の吐出量を調節してもよい。
【００４８】
図１に戻り、さらに説明する。制御装置４０は、制御部４１と、記憶部４２とを有する。制御部４１は、例えば、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）、ＨＤＤ（Hard  Disk  Drive）、入出力ポートなどを有するコンピュータや各種回路を含む。かかるコンピュータのＣＰＵは、例えば、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することによって、制御部４１として機能する。
【００４９】
また、制御部４１をＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）やＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）等のハードウェアで構成することもできる。
【００５０】
また、記憶部４２は、例えば、ＲＯＭおよびＨＤＤに対応する。ＲＯＭおよびＨＤＤは、制御装置４０における各種の設定情報を記憶することができる。なお、制御部４１は、有線や無線のネットワークで接続された他のコンピュータや可搬型記録媒体を介して各種情報を取得することとしてもよい。
【００５１】
制御装置４０は、フロー電池１に対し、電解液６の組成に応じた充電制御を行うことにより、負極３と正極２との導通をさらに低減する。この点について、図５を参照してさらに説明する。
【００５２】
図５は、実施形態に係るフロー電池システムの機能的構成を示すブロック図である。図５に示すように、フロー電池システム１００は、上述のフロー電池１と、制御装置４０とに加えて、電流検出部２６と、流速検出部２７とを有する。
【００５３】
電流検出部２６は、フロー電池１の充電時に測定される充電電流を検出して、かかる充電電流の情報を制御部４１に送信する。流速検出部２７は、充電時に正極２と負極３との間に流入する電解液６の流速を検出して、かかる流速の情報を制御部４１に送信する。流速検出部２７は、例えば負極３ａと隔膜４との間、隔膜５と負極３ｂとの間にそれぞれ流入する電解液６の流速をそれぞれ検知する流速計である。流速計としては、例えば、機械式、音波式、電磁式、光学式などを利用することができる。また、電解液６と同速度で運動するマーカー粒子を予め電解液６中に混入させて撮像するＰＩＶ（Particle  Image  Velocimetry)を電流検出部２６として適用してもよい。
【００５４】
そして、制御部４１は、電流検出部２６および流速検出部２７から送られてくる情報と、記憶部４２に記憶される設定情報とに基づいて、フロー電池１の充電を制御する。具体的には、制御部４１は、電流検出部２６から取得した情報に基づいて算出される電流密度Ｄ（単位：〔Ａ／ｃｍ３〕）での充電時において、中央部分ＣＰのうち、Ｙ軸方向の幅１〔ｍｍ〕×Ｘ軸方向の幅１０〔ｍｍ〕の範囲に亜鉛成分を含むイオンである亜鉛酸イオンによって１秒間に供給される電荷供給量Ｘが、Ｘ≧３０×Ｄの関係を有する。ここで、電荷供給量Ｘは、電解液６中に溶存する亜鉛成分の濃度をＢ〔ｍｏｌ／ｄｍ３〕、中央部分ＣＰを流動する電解液６の流速をＣ〔ｍｍ／ｓ〕としたとき、９６５００×Ｂ／１０００×２×Ｃである。このように電荷供給量Ｘを規定することにより、デンドライト５０をさらに積極的に成長させることができ、負極３と正極２との導通の可能性を低減することができる。
【００５５】
なお、電荷供給量Ｘは、例えば０．４〔ｍｏｌ／ｄｍ３〕など、調製直後の電解液６と比較して濃度Ｂが大幅に低下する充電終了の前においても、上記した関係を有することが好ましい。これにより、充電中の電解液６中では常にデンドライト５０を積極的に成長させることができ、負極３と正極２との導通の可能性を低減することができる。
【００５６】
実施形態に係るフロー電池システム１００が備えるフロー電池１についてさらに説明する。筐体１７および上板１８は、例えば、ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニルなど、耐アルカリ性および絶縁性を有する樹脂材料で構成される。筐体１７および上板１８は、好ましくは互いに同じ材料で構成されるが、異なる材料で構成されてもよい。また、発生部９は、反応部１０の内部に配置されてもよい。
【００５７】
供給部１４は、配管１６を介して筐体１７の内部から回収された気体を、配管１５を介して発生部９に供給する。供給部１４は、例えば気体を移送可能なポンプ（気体ポンプ）、コンプレッサまたはブロワである。供給部１４の気密性を高くすれば、気体や電解液６に由来する水蒸気を外部に漏出させることによるフロー電池１の発電性能の低下が起きにくい。また、供給部１４と発生部９との間に、吐出口９ａから単位時間当たりに吐出される気体の量を調整するための調整弁（不図示）を設けてもよい。かかる調整弁は、例えば、制御部４１からの制御信号に基づいて駆動するよう構成することができる。
【００５８】
次に、フロー電池１における電極間の接続について説明する。図６は、実施形態に係るフロー電池システムが備えるフロー電池の電極間の接続の一例について説明する図である。
【００５９】
図６に示すように、負極３ａおよび負極３ｂは並列接続されている。このように負極３を並列に接続することにより、正極２および負極３の総数が異なる場合であってもフロー電池１の各電極間を適切に接続し、使用することができる。
【００６０】
また、実施形態に係るフロー電池１では、正極２を挟んで互いに向かい合うように配置された負極３ａ，３ｂを備える。このように１つの正極２に対して２つの負極３ａ，３ｂが対応したフロー電池１では、正極２と負極３とが１：１で対応するフロー電池と比較して負極１つ当たりの電流密度が低下する。このため、実施形態に係るフロー電池１によれば、負極３ａ，３ｂでのデンドライトの生成がさらに低減されるため、負極３ａ，３ｂと正極２との導通をさらに低減することができる。
【００６１】
なお、図１に示すフロー電池１では、合計３枚の電極が、負極３および正極２が交互に配置されるように構成されたが、これに限らず、正極２および負極３をそれぞれ１枚ずつ配置させてもよい。また、図１に示すフロー電池１では、両端がともに負極３となるように構成されたが、これに限らず、両端がともに正極２となるように構成してもよい。
【００６２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない限りにおいて種々の変更が可能である。例えば、上記した各実施形態では、電解液６中に粉末７が混在されているとして説明したが、これに限らず、粉末７を有しなくてもよい。このとき、電解液６中に溶存する亜鉛成分は、飽和状態であってもよく、飽和状態よりも低い濃度であってもよい。さらに、電解液６は、過飽和状態となるように亜鉛成分を溶存させたものであってもよい。
【００６３】
また、上記した各実施形態では、隔膜４，５は正極２の厚み方向の両側を挟むように配置されるとして説明したが、これに限らず、正極２を被覆していてもよい。また、隔膜４，５は、必ずしも配置されなくともよい。
【００６４】
なお、供給部１４は、常時動作させてもよいが、電力消費を低減する観点から、放電時には充電時よりも気体の供給レートを低下させてもよい。
【００６５】
また、上記した各実施形態では、制御部４１は、電流検出部２６および流速検出部２７から送られてくる情報と、記憶部４２に記憶される設定情報とに基づいて、フロー電池１の充電を制御するとして説明したが、これに限らず、フロー電池１の充放電を同様に制御することとしてもよい。
【００６６】
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
【符号の説明】
【００６７】
１  フロー電池
２  正極
３，３ａ，３ｂ  負極
４，５  隔膜
６  電解液
７  粉末
８  気泡
９  発生部
９ａ  吐出口
１０  反応部
１４  供給部
１７  筐体
１８  上板
４０  制御装置
４１  制御部
５０  デンドライト
１００  フロー電池システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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