(57)【要約】【課題】  性能が良好で簡単な構成のレドックスフロー電池およびレドックスフロー電池システムを提供する。【解決手段】  レドックスフロー電池１００は、正極セルと負極セルとを有するセルスタック１０と、循環する正極電解液を正極セルへ供給するポンプ５０Ａと、循環する負極電解液を負極セルへ供給するポンプ５０Ｂとを備え、ポンプ５０Ａとポンプ５０Ｂとを同時に駆動する単一の駆動部７０が設けられている。駆動部７０は、例えば、内部に回転力発生器を含み、その回転出力軸７１が、ポンプ５０Ａとポンプ５０Ｂの出力軸に同軸接続された構成である。【選択図】  図１
2006093016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極セルと負極セルとを有するセルスタックと、
循環する正極電解液を前記正極セルへ供給する正極ポンプと、
循環する負極電解液を前記負極セルへ供給する負極ポンプとを備えたレドックスフロー電池において、
前記正極ポンプと前記負極ポンプとを同時に駆動する単一の駆動部を備えたことを特徴とするレドックスフロー電池。
【請求項２】
前記駆動部は、前記正極ポンプと前記負極ポンプに同軸接続された回転出力軸を含む、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項３】
前記正極ポンプは、前記回転出力軸に接続された正極羽根部材を含み、
前記負極ポンプは、前記回転出力軸に接続された負極羽根部材を含み、
前記負極羽根部材の半径と前記正極羽根部材の半径が互いに異なる、請求項２に記載のレドックスフロー電池。
【請求項４】
前記負極羽根部材の半径が、前記正極羽根部材の半径よりも大きい、請求項３に記載のレドックスフロー電池。
【請求項５】
前記駆動部は、回転力を発生する回転力発生器と、
前記回転力発生器によって発生した回転力を前記回転出力軸へ伝達する回転力伝達機構とをさらに含む、請求項２に記載のレドックスフロー電池。
【請求項６】
前記駆動部は、回転力を発生する回転力発生器をさらに含み、
前記回転出力軸が前記回転力発生器に直結されている、請求項２に記載のレドックスフロー電池。
【請求項７】
正極セルと負極セルとを有するセルスタックと、循環する正極電解液を前記正極セルへ供給する正極ポンプと、循環する負極電解液を前記負極セルへ供給する負極ポンプとを有するレドックスフロー電池を複数備え、
前記複数のレドックスフロー電池の正極ポンプと前記負極ポンプとを同時に駆動する単一の駆動部を備えたことを特徴とするレドックスフロー電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、正極セルと負極セルとを有するセルスタックと、循環する正極電解液を正極セルへ供給する正極ポンプと、循環する負極電解液を負極セルへ供給する負極ポンプとを備えたレドックスフロー電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
図６は従来のレドックスフロー電池９０の構成を示すブロック図であり、図７は従来のレドックスフロー電池９０に設けられたセルスタック１０の構成を説明するためのブロック図である。セルスタック１０は、隔膜４によって分離された正極セル１Ａおよび負極セル１Ｂを含む。正極セル１Ａには正極電極５が設けられ、負極セル１Ｂには負極電極６が設けられている。
【０００３】
正極セル１Ａには、正極電解液を供給排出するための正極タンク２０Ａが、往路配管３０Ａ、ポンプ５０Ａおよび復路配管４０Ａを介して接続されている。負極セル１Ｂには、負極電解液を供給排出するための負極タンク２０Ｂが、往路配管３０Ｂ、ポンプ５０Ｂおよび復路配管４０Ｂを介して接続されている。
【０００４】
正極電解液および負極電解液は、バナジウムイオン等のイオン価数が変化するイオンの水溶液であり、ポンプ５０Ａおよびポンプ５０Ｂによってそれぞれ循環され、正極電極５および負極電極６におけるイオンの価数変化反応によって充電および放電する。
【０００５】
正極電解液および負極電解液がバナジウムイオンを含むときに、各セル１Ａおよび１Ｂ内での充電および放電時に生じる反応は次に示すとおりである。
【０００６】
正極：Ｖ4+  →  Ｖ5+＋ｅ-（充電）、Ｖ4+  ←  Ｖ5+＋ｅ-（放電）、
負極：Ｖ3+＋ｅ-  →  Ｖ2+（充電）、Ｖ3+＋ｅ-  ←  Ｖ2+（放電）、
図８は、従来のレドックスフロー電池９０に設けられたポンプ５０Ａ、５０Ｂおよび駆動部６０Ａ、６０Ｂの構成を説明するための模式図である。ポンプ５０Ａには回転出力軸７１Ａを介して駆動部６０Ａが接続されており、ポンプ５０Ｂには回転出力軸７１Ｂを介して駆動部６０Ｂが接続されている。
【０００７】
このようにレドックスフロー電池９０は、１個の電解液循環系に対して、１台のポンプと１台の駆動部とを設けた構成を有する。
【０００８】
このように構成されたレドックスフロー電池９０では、駆動部６０Ａおよび６０Ｂが回転を開始すると、駆動部６０Ａおよび６０Ｂのそれぞれの回転出力軸７１Ａおよび７１Ｂに直結されたポンプ５０Ａおよび５０Ｂが作動する。そして、ポンプ５０Ａは正極セル１Ａへ正極電解液を循環供給し、ポンプ５０Ｂは負極セル１Ｂへ負極電解液を循環供給する。
【特許文献１】特開２００３−１２３８０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、前述した従来技術の構成では、電解液循環系の数だけ駆動部を設ける必要がある。また、駆動部を制御するための調速装置も、駆動部と同数だけ必要になる。このため、構成が複雑になるという問題がある。また、前記従来の構成では、駆動部６０Ａはポンプ５０Ａによる正極電解液の供給量が所定量となるように、また、駆動部６０Ｂはポンプ５０Ｂによる負極電解液の供給量が所定量となるように駆動しており、正極または負極電解液の駆動部または調速装置に異常が生じると、正極と負極との電解液循環系の電解液の量にアンバランスが生じるという問題がある。
【００１０】
本発明の目的は、単一の駆動部を設けることにより、性能が良好で簡単な構成のレドックスフロー電池およびレドックスフロー電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の目的を達成するために、本発明にかかるレドックスフロー電池は、正極セルと負極セルとを有するセルスタックと、循環する正極電解液を前記正極セルへ供給する正極ポンプと、循環する負極電解液を前記負極セルへ供給する負極ポンプとを備えたレドックスフロー電池において、前記正極ポンプと前記負極ポンプとを同時に駆動する単一の駆動部を備えたことを特徴とする。
【００１２】
また、本発明にかかるレドックスフロー電池システムは、正極セルと負極セルとを有するセルスタックと、循環する正極電解液を前記正極セルへ供給する正極ポンプと、循環する負極電解液を前記負極セルへ供給する負極ポンプとを有するレドックスフロー電池を複数備え、前記複数のレドックスフロー電池の正極ポンプと前記負極ポンプとを同時に駆動する単一の駆動部を備えたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、性能が良好で簡単な構成のレドックスフロー電池およびレドックスフロー電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本実施形態にかかるレドックスフロー電池においては、正極ポンプと負極ポンプとを同時に駆動する単一の駆動部が設けられている。このため、正極ポンプによって正極セルへ供給される正極電解液の量と負極ポンプによって負極セルへ供給される負極電解液の量との間にアンバランスが生じない。その結果、性能が良好なレドックスフロー電池を得ることができる。
【００１５】
この実施形態にかかるレドックスフロー電池では、前記駆動部は、前記正極ポンプと前記負極ポンプとに同軸接続された回転出力軸を含むことが好ましい。
【００１６】
また、上記のレドックスフロー電池において、正極ポンプが、前記回転出力軸に接続された正極羽根部材を含み、負極ポンプが、前記回転出力軸に接続された負極羽根部材を含み、負極羽根部材の半径と正極羽根部材の半径が互いに異なる構成としても良い。負極羽部材の半径と正極羽部材の半径との比率は、負極ポンプと正極ポンプの所望の出力比率に応じて決定すれば良い。
【００１７】
なお、上記のレドックスフロー電池において、前記負極羽根部材の半径が、前記正極羽根部材の半径よりも大きい構成とすれば、正極電解液よりも負極電解液の粘度が高い場合に、セルスタック内での圧力損失は負極電解液の方が大きくなるため、正極電解液よりも負極電解液の吐出圧力を高めることにより、セルスタック内での圧力をバランスさせることができるという利点がある。
【００１８】
上記のレドックスフロー電池において、前記駆動部は、回転力を発生する回転力発生器と、前記回転力発生器によって発生した回転力を前記回転出力軸へ伝達する回転力伝達機構とをさらに含む構成としても良い。あるいは、前記駆動部は、回転力を発生する回転力発生器をさらに含み、前記回転出力軸が前記回転力発生器に直結されている構成としても良い。
【００１９】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００２０】
図１は本実施の形態にかかるレドックスフロー電池１００の構成を示すブロック図であり、図２はレドックスフロー電池１００に設けられたセルスタック１０の構成を模式的に示す斜視図であり、図３はセルスタック１０の構成を説明するための図である。
【００２１】
レドックスフロー電池１００は、セルスタック１０を備えている。セルスタック１０は、隔膜４によって分離された正極セル１Ａおよび負極セル１Ｂを含む。正極セル１Ａには正極電極５が設けられ、負極セル１Ｂには負極電極６が設けられている。
【００２２】
正極電極５を挟んで隔膜４と対向する位置および負極電極６を挟んで隔膜４と対向する位置には、セルフレーム８０がそれぞれ設けられている。各セルフレーム８０は、プラスチック製のフレーム枠８１とフレーム枠８１に固定されたプラスチックカーボン製の双極板８２とを含む。フレーム枠８１には、マニホールドと呼ばれる図示しない複数の孔が形成されている。１枚のセルフレーム８０には、例えば下辺に４個、上辺に４個の合計８個のマニホールドが形成されており、下辺の２個のマニホールドが正極電解液供給用に使用され、残りの２個のマニホールドが負極電解液供給用に使用される。上辺の２個のマニホールドは正極電解液排出用に使用され、残りの２個のマニホールドは負極電解液排出用に使用される。多数のセルを積層すると、マニホールドによって電解液の流路が形成され、これらの流路は図１に示す往路配管３０Ａ、復路配管４０Ａ、および往路配管３０Ｂ、復路配管４０Ｂへつながっている。
【００２３】
正極セル１Ａには、正極電解液を供給排出するための正極タンク２０Ａが、往路配管３０Ａ、ポンプ５０Ａおよび復路配管４０Ａを介して接続されている。負極セル１Ｂには、負極電解液を供給排出するための負極タンク２０Ｂが、往路配管３０Ｂ、ポンプ５０Ｂおよび復路配管４０Ｂを介して接続されている。
【００２４】
正極電解液および負極電解液は、バナジウムイオン等のイオン価数が変化するイオンの水溶液であり、ポンプ５０Ａおよびポンプ５０Ｂによってそれぞれ循環され、正極電極５および負極電極６におけるイオンの価数変化反応によって充電および放電する。
【００２５】
正極電解液および負極電解液がバナジウムイオンを含むときに、各セル１Ａおよび１Ｂ内での充電および放電時に生じる反応は次に示すとおりである。
【００２６】
正極：Ｖ4+  →  Ｖ5+＋ｅ-（充電）、Ｖ4+  ←  Ｖ5+＋ｅ-（放電）、
負極：Ｖ3+＋ｅ-  →  Ｖ2+（充電）、Ｖ3+＋ｅ-  ←  Ｖ2+（放電）、
レドックスフロー電池１００は、駆動部７０を備えている。駆動部７０は、ポンプ５０Ａとポンプ５０Ｂとを同時に駆動する。図４は、駆動部７０の構成を説明するための図である。駆動部７０は、ポンプ５０Ａとポンプ５０Ｂとに接続された単一の回転出力軸７１を含む。駆動部７０は、回転力を発生する回転力発生器６０をさらに含み、回転出力軸７１は、回転力発生器６０に直結されている。
【００２７】
ポンプ５０Ａは、回転出力軸７１に接続された正極羽根部材５１Ａを含み、ポンプ５０Ｂは、回転出力軸７１に接続された負極羽根部材５１Ｂを含む。負極羽根部材５１Ｂの半径は、正極羽根部材５１Ａの半径よりも大きい。このように、ポンプ５０Ａは回転出力軸７１の一端側に接続され、ポンプ５０Ｂは回転出力軸７１の他端側に接続されている。
【００２８】
このように構成されたレドックスフロー電池１００の動作を説明する。まず、駆動部７０の回転力発生器６０が起動すると、回転出力軸７１が回転する。そして、回転出力軸７１に接続された正極羽根部材５１Ａおよび負極羽根部材５１Ｂが互いに同一の回転速度によって同時に回転する。
【００２９】
次に正極羽根部材５１Ａが設けられたポンプ５０Ａは、正極タンク２０Ａから正極電解液をセルスタック１０の正極セル１Ａへ循環供給する。負極羽根部材５１Ｂが設けられたポンプ５０Ｂは、負極タンク２０Ｂから負極電解液をセルスタック１０の負極セル１Ｂへ循環供給する。
【００３０】
負極羽根部材５１Ｂの半径は、正極羽根部材５１Ａの半径よりも大きいので、ポンプ５０Ｂが供給する負極電解液の流量は、ポンプ５０Ａが供給する正極電解液の流量よりも大きい。このように、ポンプ５０Ａとポンプ５０Ｂとの出力の比率に応じて正極電解液および負極電解液がそれぞれ循環する。
【００３１】
以上のように本実施の形態によれば、正極のポンプ５０Ａと負極のポンプ５０Ｂとを同時に駆動する単一の駆動部７０が設けられている。このため、駆動部や調整装置に異常が生じ、流量が変動した場合でも、正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との比率は変動しない。その結果、異常時の圧力差により隔膜４を損傷する恐れがなく、性能が良好なレドックスフロー電池を得ることができる。また、２台の駆動部が必要であった従来の構成に比べて、本実施の形態では駆動部を１台しか必要としないので、駆動部のためのコストを半減することができる。
【００３２】
図５は、本発明の他の実施形態にかかるレドックスフロー電池に設けられた駆動部７０Ａの構成を説明するための図である。図１および図４を参照して前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
【００３３】
図４に示した駆動部７０が、回転力発生器６０の回転出力軸７１とポンプ５０Ａ，５０Ｂとが同軸接続されていたのに対して、図５に示した駆動部７０Ａは、回転力発生器６０の回転力をポンプ５０Ａ，５０Ｂへの回転出力軸７１へ伝達するための回転力伝達機構７２を備えている。回転力伝達機構７２は、回転力発生器６０の出力軸に接続された歯車７３と、歯車７３と噛み合う位置で回転出力軸７１に取り付けられた歯車７４とを含む。
【００３４】
このように構成されたレドックスフロー電池の動作を説明する。まず、駆動部７０Ａの回転力発生器６０が起動すると、回転力発生器６０の出力軸に接続された歯車７３が回転する。そして、歯車７３と噛み合う歯車７４が回転し、歯車７４が取り付けられた回転出力軸７１が回転する。そして、回転出力軸７１に接続された正極羽根部材５１Ａおよび負極羽根部材５１Ｂが互いに同一の回転速度によって同時に回転する。
【００３５】
次に正極羽根部材５１Ａが設けられたポンプ５０Ａは、正極タンク２０Ａから正極電解液をセルスタック１０の正極セル１Ａへ循環供給する。負極羽根部材５１Ｂが設けられたポンプ５０Ｂは、負極タンク２０Ｂから負極電解液をセルスタック１０の負極セル１Ｂへ循環供給する。
【００３６】
なお、図５に示した歯車７４Ａのように、歯車７３に噛み合って動力を伝達する他の歯車をさらに設け、それらの歯車の回転軸を、他のレドックスフロー電池の正極用ポンプと負極用ポンプの出力軸にそれぞれ接続すれば、複数台のレドックスフロー電池に設けられた正極用ポンプと負極用ポンプの全てを、単一の駆動部７０Ａによって同時に駆動することも可能である。
【００３７】
２台の駆動部が必要であった従来の構成に比べて、本実施の形態では１台の駆動部と回転力伝達機構としか必要としないので、駆動部のためのコストを低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、正極セルと負極セルとを有するセルスタックと、循環する正極電解液を正極セルへ供給する正極ポンプと、循環する負極電解液を負極セルへ供給する負極ポンプとを備えたレドックスフロー電池に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本実施の形態にかかるレドックスフロー電池の構成を示すブロック図
【図２】本実施の形態にかかるレドックスフロー電池に設けられたセルスタックの構成を模式的に示す斜視図
【図３】本実施の形態にかかるレドックスフロー電池に設けられたセルスタックの構成を説明するための図
【図４】本実施の形態にかかるレドックスフロー電池に設けられた駆動部の構成を説明するための図
【図５】本実施の形態にかかるレドックスフロー電池に設けられた他の駆動部の構成を説明するための図
【図６】従来のレドックスフロー電池の構成を示すブロック図
【図７】従来のレドックスフロー電池に設けられたセルスタックの構成を説明するためのブロック図
【図８】従来のレドックスフロー電池に設けられたポンプおよび駆動部の構成を説明するための模式図
【符号の説明】
【００４０】
１０  セルスタック
２０Ａ  正極タンク
２０Ｂ  負極タンク
５０Ａ  ポンプ
５０Ｂ  ポンプ
６０  回転力発生器
７０，７０Ａ  駆動部
７１  回転出力軸
７２  回転力伝達機構
７３  歯車
７４  歯車
１００  レドックスフロー電池
【図１】
2006093016.tif 000003
【図２】
2006093016.tif 000004
【図３】
2006093016.tif 000005
【図４】
2006093016.tif 000006
【図５】
2006093016.tif 000007
【図６】
2006093016.tif 000008
【図７】
2006093016.tif 000009
【図８】
2006093016.tif 000010