(57)【要約】  本発明は、レドックスフロー電池に適用できる電解液貯蔵部及びこれを含むバナジウムレドックスフロー電池に関する。本発明のレドックスフロー電池用電解液貯蔵部は、電解液と空気との接触面積を最小化して電池の自己放電現象を改善することができるし、電池駆動中に発生する電解液の濃度及び体積不均衡の問題を改善することができる。ここで、電解液の再生工程周期を延ばすことができるし、電池の容量及び寿命特性を改善することができる。また、本発明の電解液貯蔵部は、外部からの衝撃にも電解液が互いに混ざる恐れがないので、取り扱い及び設置が容易である。
2019508857.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクを含むレドックスフロー電池用の電解液貯蔵部であって、
前記正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクのそれぞれは、一側端部で垂直方向に突出された水位検知管を含み、前記水位検知管は内側に水位検知センサーを備え、
前記電解液貯蔵部は、各タンク内の電解液の水位を同一に調節できるように中央端部にポンプを備える「∩」字形の電解液移送管を含み、
前記電解液移送管の一側及び他側末端は、各タンクの水位検知管内に側壁から所定距離が離隔された状態で挿入して配置され、
前記各タンク内の電解液の水位を水位検知センサーで測定し、これによって前記ポンプが自動に作動できるように電気的制御部を含むことを特徴とする電解液貯蔵部。
【請求項２】
前記正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクのうち、少なくとも１以上は、上部にチェックバルブをさらに含むことを特徴とする、請求項１に記載の電解液貯蔵部。
【請求項３】
前記正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクのうち、少なくとも１以上は、内部に圧力センサーをさらに含み、
貯蔵タンクの内部圧力によって前記チェックバルブが自動に動作できるように、前記圧力センサーとチェックバルブが電気的に連結された電気的制御部を含むことを特徴とする、請求項２に記載の電解液貯蔵部。
【請求項４】
前記チェックバルブは、リフトチェックバルブ、スウィングチェックバルブ、ボールチェックバルブ、ねじ締めチェックバルブ、バタフライチェックバルブ、デュアルプレートチェックバルブ、シングルプレートチェックバルブ、傾斜ディスクチェックバルブ、またはフットバルブからなる群から選択される１種であることを特徴とする、請求項２に記載の電解液貯蔵部。
【請求項５】
前記正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクそれぞれの断面積をＡ、各電解液貯蔵タンクの水位検知管の断面積をＢとする時、
前記Ａ：Ｂは、２：１ないし１００：１であることを特徴とする、請求項１に記載の電解液貯蔵部。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載の電解液貯蔵部を含む、バナジウムレドックスフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２０１６年１０月１３日付韓国特許出願第１０−２０１６−０１３２６６９号に基づく優先権の利益を主張し、当該韓国特許出願の文献に記載された全ての内容を本明細書の一部として含む。
【０００２】
本発明は、レドックスフロー電池に適用できる電解液貯蔵部及びこれを含むバナジウムレドックスフロー電池に関する。
【背景技術】
【０００３】
世界中にエネルギーに対する需要が急増し、化石燃料の使用による環境汚染及び地球温暖化に対する問題意識が高まることにつれ、新再生エネルギーが未来のエネルギー源として注目されている。しかし、新再生エネルギーは、気候環境による出力の変動が大きいため、安定的な電力供給が不可能であり、電力需給計画を立てるのに大きい困難性がある。これに対する解決方案として、消費されていない電力を貯蔵しておき、電力が必要な時期に供給するエネルギー貯蔵装置（ＥＳＳ、Ｅｎｅｒｇｙ Ｓｔｏｒａｇｅ Ｓｙｓｔｅｍ）の重要性が全世界的に台頭されている。
【０００４】
ＥＳＳは、電力を生産する発電所から消費者まで、電力網系全般にわたって多様な用途で使われることができるが、ＥＳＳを利用して軽負荷（夜間）時に遊休電力を貯蔵し、過負荷（昼間）時に使用することで、負荷平準化（Ｌｏａｄ ｌｅｖｅｌｉｎｇ）を通じて電力運営の最適化が可能である。ＥＳＳのための技術としては、２次電池、スーパーキャパシタ、フライホイール、圧縮空気エネルギー貯蔵、揚水発展などの多様な技術が存在するが、地理的制約がなくて多様な容量の設置が可能な２次電池方式がＥＳＳのための技術として最も注目を浴びている。
【０００５】
２次電池のうち、レドックスフロー電池は、電解液の中の活物質が酸化／還元されて充放電するシステムであって、電解液の化学的エネルギーを直接電気エネルギーとして貯蔵する電気化学的蓄電装置である。レドックスフローバッテリーは、大容量化が可能で、メインテナンス費用が少なくて、常温での作動が可能であり、容量と出力をそれぞれ独立に設計できる特徴があるので、最近大容量二次電池として開発するために多くの研究が進められている。
【０００６】
この中でも、バナジウムイオンを利用するバナジウムレドックスフロー電池は、バナジウム活物質が正極と負極を循環し、酸化数が変化しながら充放電が行われるので、物質の消耗がない長所で注目されている。
しかし、バナジウムレドックスフロー電池の商用化のためには、バナジウムイオンの分離膜透過（ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）現象、負極での水素発生、そして空気露出時にバナジウムイオンの酸化反応などで発生する電池容量の低下現象を改善できる方案が必要な実情である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】韓国登録特許第１０−１５５８０８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前記問題を解決するために、本発明者らは電解液の自然的再生が可能な方法及びそれを具現できる装置に関して研究し、その結果、本発明を完成した。
したがって、本発明の目的は、レドックスフロー電池用電解液貯蔵部を提供することである。
【０００９】
また、本発明の別の目的は、前記電解液貯蔵部を含むバナジウムレドックスフロー電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明は、正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクを含むレドックスフロー電池用電解液貯蔵部であって、
前記正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクのそれぞれは、一側端部で垂直方向に突出された水位検知管を含み、この時、前記水位検知管は内側に水位検知センサーを備え、
前記電解液貯蔵部は、各タンク内の電解液の水位を同一に調節できるように中央端部にポンプを備える「∩」字形電解液移送管を含み、この時、前記移送管の一側及び他側末端は、各タンクの水位検知管内に側壁から所定距離が離隔された状態で挿入して配置され、
前記各タンク内の電解液の水位を水位検知センサーで測定し、これによって前記ポンプが自動に作動できるように電気的制御部を含むことを特徴とする電解液貯蔵部を提供する。
【００１１】
この時、前記正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクのうち、少なくとも１以上は、上部にチェックバルブをさらに含むことができる。
【００１２】
この時、前記正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクのうち、少なくとも１以上は内部に圧力センサーをさらに含み、
貯蔵タンクの内部圧力によって前記チェックバルブが自動で動作できるように、前記圧力センサーとチェックバルブが電気的に連結された電気的制御部を含むことができる。
【００１３】
この時、前記チェックバルブは、リフトチェックバルブ、スウィングチェックバルブ、ボールチェックバルブ、ねじ締めチェックバルブ、バタフライチェックバルブ、デュアルプレートチェックバルブ、シングルプレートチェックバルブ、傾斜ディスクチェックバルブ、またはフットバルブからなる群から選択される１種であってもよい。
【００１４】
この時、前記正極及び負極電解液貯蔵タンクそれぞれの断面積をＡ、各電解液貯蔵タンクの水位検知管の断面積をＢとする時、
前記Ａ：Ｂは、２：１ないし１００：１であってもよい。
【００１５】
また、本発明は、前記電解液貯蔵部を含むバナジウムレドックスフロー電池を提供する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明のレドックスフロー電池用電解液貯蔵部は、電解液と空気との接触面積を最小化して電池の自己放電現象を改善することができるし、電池駆動中に発生する電解液濃度及び体積不均衡の問題を改善することができる。ここで、電解液再生工程周期を延ばすことができ、電池の容量及び寿命特性を改善することができる。また、本発明の電解液貯蔵部は、外部からの衝撃にも電解液が相互混ざる恐れがないので、取り扱い及び設置が容易である。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】レドックスフロー電池の一般的な構造を概略的に図示した図面である。
【図２】本発明の好ましい一具現例による電解液貯蔵部の断面図である。
【図３】製造例１で電解液貯蔵タンクとして使われた容器の写真である。
【図４】製造例１で製造された電池の構造を概略的に図示した図面である。
【図５】実施例１及び比較例１の電池容量グラフである。
【図６】実施例１及び比較例１の電池効率グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施例を添付の例示図面に基づいて詳しく説明する。このような図面は、本発明を説明するための一具現例であって、幾つか異なる形態で具現されてもよく、本明細書に限定されない。この時、図面では本発明を明確に説明するために、説明と関係ない部分を省略し、明細書全体にわたって類似する部分に対しては、類似する図面符号を使用した。また、図面で表示された構成要素の大きさ及び相対的な大きさは、実際の縮尺とは無関係であり、説明の明瞭性のために縮めたり誇張したものである。
本明細書において、他に断らない限り、「バナジウムイオン」または「イオン」は、バナジウムカチオンを意味する。
【００１９】
電解液貯蔵部
図１は、レドックスフロー電池１００の一般的な構造を概略的に図示した図面である。
【００２０】
図１に図示されたように、レドックスフロー電池１００は、電源／負荷３０と連結された正極３１、負極３２及び分離膜３３を含むセル、前記正極３１へ供給される正極電解液を収容する正極電解液貯蔵タンク１０、及び前記負極３２へ供給される負極電解液を収容する負極電解液貯蔵タンク２０を含む。
【００２１】
レドックスフロー電池は、電解液中の活物質が酸化及び還元されて充放電する電池であって、電解液貯蔵タンク１０、２０の電解液がポンプ１１、２１によってセルに供給され、酸化／還元反応を起こすことで電気的エネルギーを生産する。バナジウムレドックスフロー電池の場合、放電時、正極３１は５価のバナジウムイオンが還元されて４価のバナジウムイオンを形成し、負極３２は２価のバナジウムイオンが酸化されて３価のバナジウムイオンを形成する。一方、充電時は、これとは逆の酸化／還元反応が起きる。
【００２２】
しかし、このようなバナジウムレドックスフロー電池は、バナジウムイオンの分離膜透過（ｃｒｏｓｓ−ｏｖｅｒ）現象による問題点を有している。
【００２３】
具体的に、バナジウムレドックスフロー電池は、上述したように、正極と負極電解液が１：１の体積比を有し、相互異なる酸化数を有するバナジウムイオンで構成されているが、カチオン交換膜を分離膜として使用する場合、負極のバナジウム２価イオンは、正極のバナジウム４価または５価イオンに比べて分離膜を透過する速度が速いため、充放電サイクルが進められるほどバナジウム２価イオンの正極への移動によって負極電解液のバナジウム濃度及び体積は減少し、正極電解液のバナジウム濃度及び体積は上昇する。逆に、アニオン交換膜を使うと、負極電解液の水位が継続的に高くなる。
【００２４】
このように正極と負極電解質のイオンの均衡が崩れるようになれば、急激な電池容量の低下が起きるし、これを回復させるために周期的に電解液を再生する工程が必要である。このような電解液再生工程は、別途の時間及び電気的、化学的エネルギーが必要となり、再生工程中には電池を運用することができないので、レドックスフロー電池の商用化において大きい邪魔となる。
【００２５】
本発明では、正極及び負極電解液の濃度及び体積を一定に維持させることで、別途のエネルギーを与えなくても電池駆動中に自然に電解液が再生できるようにすることで前記問題点を解決した。
【００２６】
具体的に、本発明は正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクを含むレドックスフロー電池用電解液貯蔵部であって、
前記正極電解液貯蔵タンク及び負極電解液貯蔵タンクのそれぞれは、一側端部で垂直方向に突出された水位検知管を含み、この時、前記水位検知管は内側に水位検知センサーを備え、
前記電解液貯蔵部は、各タンク内の電解液の水位を同一に調節できるように、中央端部にポンプを備える「∩」字形電解液移送管を含み、この時、前記移送管の一側及び他側末端は、各タンクの水位検知管内に側壁から所定距離が離隔された状態で挿入して配置され、
前記各タンク内の電解液の水位を水位検知センサーで測定し、これによって前記ポンプが自動に作動できるように電気的制御部を含むことを特徴とする電解液貯蔵部を提供する。
【００２７】
本発明の電解液貯蔵部は、水位検知管内に備えられた水位検知センサーによって貯蔵タンクに貯蔵された電解液の体積変化が即に検知できるし、一側の貯蔵タンクの電解液増加が検知された時、ポンプを備える電解液移送管によって電解液の増加分が他側の貯蔵タンクに移送される。このような電解液体積の即刻な補正によって正極及び負極電解質イオンの均衡を保つことができるし、レドックスフロー電池の電池容量低下現象を大きく改善することができる。
【００２８】
図２は、本発明の好ましい一具現例による電解液貯蔵部の断面図である。以下、図２を参照して本発明を詳しく説明する。
【００２９】
本発明の電解液貯蔵部２００において、正極及び負極電解液貯蔵タンク１０、２０は、それぞれ一側端部で上方に突出された水位検知管１４、２４を含む。このような水位検知管１４、２４を備える場合、貯蔵タンクの体積が大きくても微細な水位変化を検知できる効果があり、貯蔵タンク内に貯蔵された電解液１２、２２の空気の接触を最小化することができる長所がある。
【００３０】
前記水位検知管１４、２４は、各貯蔵タンク１０、２０の上部１６、１７より上方へ突出するように設けられ、図２に図示されたように垂直方向に真っ直ぐ設けられることが好ましい。
【００３１】
既存のレドックスフロー電池用電解液貯蔵タンクは、タンク内に電解液をいっぱい満たした状態で電池を駆動させると、充放電によって増減する電解液を各タンクで収容することができないため、タンクを一部だけ満たした状態で使用した。この場合、タンクの内部に存在する空気によって電解液内の活物質が酸化して自己放電を起こす問題があった。これを防ぐために、電解液貯蔵タンクを窒素のような不活性気体でパージング（ｐｕｒｇｉｎｇ）する方法が用いられているが、より根本的に電解液と空気層の接触面積を最小化する方法が必要な実情であった。
【００３２】
本発明の電解液貯蔵部２００は、前記水位検知管１４、２４を各電解液貯蔵タンク１０、２０に備えることで前記問題を解決した。
【００３３】
すなわち、本発明の電解液貯蔵部２００は、タンク１０、２０の上部１６、１７より上方へ突出されている水位検知管１４、２４で電解液増加分の収容が可能なので、貯蔵タンク１０、２０の水位検知管１４、２４を除いた部分は、空気との接触面積がないように上部まで電解液１２、２２を満たして使用することができる。このように使用する場合、貯蔵タンク１０、２０に貯蔵された電解液は水位検知管１４、２４の面積位のみ空気中に露出するので、電解液の酸化による自己放電現象を最小化することができる。
【００３４】
前記水位検知管１４、２４は、貯蔵タンク１０、２０内で発生する電解液の体積変化を敏感に検知できるように、狭い管の形象であることが好ましい。すなわち、同一の体積が増減する時、管の断面積が小さいほど、水位の差（高さの差）が大きく表れるので、水位検知管１４、２４の断面積が小さいほど電解液の体積増減に対する敏感度は高くなる。
【００３５】
より具体的に、前記正極及び負極電解液貯蔵タンク１０、２０それぞれの断面積をＡ、各電解液貯蔵タンクの水位検知管１４、２４の断面積をＢとする時、前記Ａ：Ｂは２：１ないし１００：１であることが好ましい。もし、Ａ：Ｂが２：１未満であると、水位検知管の断面積が広すぎて電解液の体積が即に補正されにくいし、１００：１を超えると、水位検知の敏感度が高すぎて、水位検知センサー１５、２５及び電解液移送管内のポンプ４１の継続的な作動によって電力消耗がひどくなる問題があるので、前記範囲内で適切に調節する。
【００３６】
前記水位検知管１４、２４の高さは、電解液体積の一時的増加分を収容できるほどの高さであれば特に制限されないし、通常の技術者が水位検知管１４、２４の断面積によって適切な高さで調節することができる。
【００３７】
本発明における前記水位検知管１４、２４は、内部に水位変化を検知するための水位検知センサー１５、２５を備える。
【００３８】
前記水位検知センサー１５、２５は、既設定された水位を脱した状態を検知できるセンサーであって、電解液移送管に備えられたポンプと電気的に繋がる。したがって、水位検知管の電解液の水位変化を即刻検知し、自動的に両側の電解液の体積を補正することが可能である。
【００３９】
前記水位検知センサー１５、２５を感応させる電解液の体積変化量は、必要に応じて調節することができるが、電解液の自然的再生効果を確保するために、好ましくは、最初の電解液体積の２０％以下、好ましくは、０．００１ないし１％の体積変化を感応させる。
本発明の電解液貯蔵部２００によって具現される電解液の自然的再生（ｐａｓｓｉｖｅ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）は、電池駆動中にバナジウムイオンの分離膜透過現象によって発生した一側の貯蔵タンクの電解液増加分を直ちに他側の貯蔵タンクに移送して正極及び負極電解液の水位を一定に維持させることによって自然に電解液が再生される方式であって、別途の電気、化学的エネルギーを要する既存の強制的再生（ａｃｔｉｖｅ ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ）と区別される。
【００４０】
具体的に、強制的再生法は、正極及び負極電解液を物理的に混合した後、体積比を１：１に分けてスタックに供給及び充電して、正極４価、負極３価の酸化数を有するバナジウムイオンを再生する方法からなる。
【００４１】
一方、前記自然的再生は、反対極の貯蔵タンクに移送された少量の電解液内のバナジウムイオンが酸化／還元反応を通じて周辺の電解液と同じ酸化数を持つバナジウムイオンで再生されることであって、別途のエネルギーを要しない。この時、一側電解液が移送される他側電解液によってイオン不均衡を起こさずに、適切な酸化数のイオンに再生できるようにするためには、一度に移送される他側電解液の量は、一側電解液の全体積に対して２０％以下であることが求められ、０．００１ないし１％の範囲であることがより好ましい。よって、前記範囲の体積変化を水位検知センサー１５、２５が感応できるようにすることが本発明の効果確保の側面で好ましい。
【００４２】
本発明の電解液貯蔵部２００のような装置を介して電解液が少量ずつ反対極に移送される場合は、正極と負極の電解液がいっぺんに多量混ざる場合とは違い、イオン不均衡を起こさないし、分離膜透過現象によって発生した電解液のイオン及び体積不均衡が持続的に補正される。よって、レドックスフロー電池の性能低下速度が顕著に落ちるようになり、電解液再生工程の周期を増やすことができる。
【００４３】
本発明の電解液貯蔵部は、水位検知センサー１５、２５によって電解液の増減が感応された時に電解液を移動させられるように、正極及び負極電解液貯蔵タンク１０、２０を連結する「∩」字形移送管４０を備える。
【００４４】
前記「∩」字形移送管４０の一側末端は、正極電解液貯蔵タンク１０の水位検知管１４の内に、他側末端は負極電解液貯蔵タンク２０の水位検知管２４の内に位置され、正極及び負極電解液が相互移動できるようにする。
【００４５】
この時、前記「∩」字形移送管４０の中央端部には、ポンプ４１が備えられる。前記ポンプ４１は、前記水位検知センサー１５、２５と電気的制御部（未図示）によって繋がって自動的に電解液を移送する役割をする。また、前記ポンプ４１によって一度に移送される電解液の量、または移送される電解液の流速を調節することができる。
【００４６】
本発明の電解液貯蔵部２００は、上述したように上方へ突出された水位検知管１４、２４及びここに位置する「∩」字形移送管４０を備えて電解液の自然的再生ができることはもとより、外部からの衝撃によって不必要に電解液が混合する恐れがないので、取り扱い及び設置が容易という長所を有する。
【００４７】
一方、本発明の電解液貯蔵部の正極電解液貯蔵タンク１０及び負極電解液貯蔵タンク２０のうち、少なくとも１以上は上部１６、２６にチェックバルブ１７、２７をさらに含むことができる。
【００４８】
前記チェックバルブ１７、２７は、電解液貯蔵部２００に発生した水素、酸素などの気体を排出して内部圧力を一定に維持できるようにする１方向バルブである。
【００４９】
レドックスフロー電池は、不純物による電解液の副反応によってセル内で気体が発生することがある。このような気体が持続的に発生すると、圧力によって電解液貯蔵部の破損する危険があり、酸素の場合、活物質の酸化を促進して自己放電を起こす問題があるので、一定圧力以上へ逹した時、外部に気体を排出することができる手段を備えることが好ましい。
【００５０】
ここで、本発明では、電解液貯蔵タンク１０、２０の上部にチェックバルブ１７、２７を含んで電解液貯蔵部２００の内部圧を一定に維持できるようにした。
【００５１】
この時、使用できるチェックバルブ１７、２７の種類は、本発明で特に制限されないし、当業界で通常使われるバルブを使用することができる。前記チェックバルブの非制限的な例としては、リフトチェックバルブ、スウィングチェックバルブ、ボールチェックバルブ、ねじ締めチェックバルブ、バタフライチェックバルブ、デュアルプレートチェックバルブ、シングルプレートチェックバルブ、傾斜ディスクチェックバルブ、またはフットバルブを挙げることができる。
【００５２】
また、本発明の電解液貯蔵部２００は、正極及び負極電解液貯蔵タンク１０、２０のうち、少なくとも１以上の内部に圧力検知センサー（未図示）を設け、圧力検知センサーと前記チェックバルブ１７、２７を電気的に連結する電気的制御部（未図示）をさらに含むことにより、圧力の上昇によって前記チェックバルブ１７、２７が自動に開かれるようにして電解液貯蔵部１０、２０の内部圧が一定に維持できるようにする。
【００５３】
本発明の電解液貯蔵部を構成する電解液貯蔵タンク１０、２０、水位検知管１４、２４、「∩」字形移送管４０、ポンプ４１、チェックバルブ１７、２７、水位検知センサー１５、２５、圧力検知センサー（未図示）などの材質は、電解液と反応せずに耐酸性を有する素材であれば、本発明で特に限定しない。
【００５４】
このような素材の非制限的な例としては、内部が耐酸性材料でコーティングされた金属材、硝子、ポリビニルクロリド、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリビニリデンフルオリド、塩素化されたポリエチレン、塩素化されたポリプロピレン、ポリ（ビニリデンジフルオリド）、ポリエステル、ポリカーボネート、ポリアルコール、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリエーテル、ポリアミド、ポリイミド、ポリフェニレンスルフィド、ポリ（エーテル−ケトン）、ポリ（エーテル−エーテル−ケトン）、ポリ（フタラジノン−エーテル−ケトン）、ポリベンズイミダゾール、ポリスチレン、ポリイソブチレン、及びポリアクリロニトリルからなる群から選択された１種以上を挙げることができる。
【００５５】
バナジウムレドックスフロー電池
本発明によるバナジウムレドックスフロー電池は電解液貯蔵部であって、本発明による電解液貯蔵部を使用する。
【００５６】
本発明による電解液貯蔵部を使用すると、バナジウムイオンの分離膜透過現象による電解液不均衡問題が改善され、電池性能の低下速度が顕著に減るし、別途の電解液再生工程回数を減少させることができて電池運用の効率性を高めることができる。
【００５７】
前記バナジウムレドックスフロー電池の正極、負極、分離膜及び電解液の構成は、本発明において特に限定せずに、この分野で公知されたところに従う。
【００５８】
正極及び負極は電子の通路の役割をし、酸化／還元反応が発生する場所になるので、抵抗が低くて酸化／還元反応の効率が良いものを使用する。正極及び負極は、この分野で一般的に使用されるものを使うことができるが、好ましくは、カーボンフェルト、カーボンクロスなどの炭素電極である。
【００５９】
前記分離膜としては、カチオンまたはアニオン交換膜を使用し、バナジウム系の場合、電解質として遷移金属の元素と強酸を混合した活物質を使用するため、高い耐酸性、耐酸化性、選択的透過性を有することが求められる。例えば、ナフィオン、ＣＭＶ、ＡＭＶ、ＤＭＶなどを利用することができるし、好ましくは、ナフィオンである。
【００６０】
レドックスフロー電池で電解質は活物質を含み、バナジウム電解液は、Ｖ２Ｏ５、ＶＯＳＯ４、またはＶ２（ＳＯ４）３のようなバナジウム酸化物を硫酸、塩酸、リン酸、硝酸などのような酸に溶解させ、還元剤を用いてバナジウム電解液が一定した酸化数を有するようにして製造することができる。一例として、３Ｍ Ｈ２ＳＯ４中のＶＯＳＯ４ １Ｍの溶液を製造してバナジウム４価イオン電解液を製造し、電気化学的方法で還元させてバナジウム３価イオン電解液を製造することができる。
【００６１】
以下、本発明の理解を助けるために、好ましい実施例を示すが、下記実施例は本発明を例示することに過ぎないし、本発明の範疇及び技術思想の範囲内で多様な変更及び修正ができることは、当業者にとって自明なことであり、このような変更及び修正が添付の特許請求範囲に属することも当然なことである。
【００６２】
[実施例]
製造例１：バナジウムレドックスフロー電池の製造
【００６３】
図３のように、上部の側面に狭い管を有する容器を電解液貯蔵タンクにして、図４のようにバナジウムレドックスフロー電池を製造した。
【００６４】
この時、正極及び負極電解液は、それぞれ１．６Ｍのバナジウム水溶液（オクスケム社）６０ｍｌを電気化学的に酸化／還元して使用し、電解液を充填した後、貯蔵タンクは窒素パージング（ｐｕｒｇｉｎｇ）をした。電極としては、５０×５０ｍｍのカーボンフェルト（ＸＦ３０Ａ）、分離膜としては、ナフィオン２１２を使用した。
【００６５】
実験例１：電池性能評価
前記製造例１の電池を実施例１として、これに対する電池性能評価を実施した。この時、比較例では前記製造例１と同じ電池構成を有するが、電池駆動中に電解液の移送がないレドックスフロー電池を使用した。電池駆動条件は次のとおりである。
【００６６】
電解液供給速度：ｃｍ２当たり２ｍｌ／ｍｉｎ
充放電電流密度：１００ｍＡ／ｃｍ２、定電流（ｃｏｎｓｔａｎｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）
充放電電圧：０．８〜１．７Ｖ
移送管内のポンプの電解液供給速度：ｃｍ２当たり０．３ｍｌ／ｍｉｎ
【００６７】
前記実験結果を図５及び図６に示した。図５は、実施例１及び比較例１の放電容量グラフであり、図６は、電流効率ＣＥ、電圧効率ＶＥ、及びエネルギー効率ＥＥを示したグラフである。
【００６８】
図５を見れば、実施例１の場合、電解液移送管を介して電解液が移送される時（１ないし６に表記した部分）に即刻容量増加の効果が発生することを確認することができる。各電解液の移送前／後の電池容量変化を下記表１に具体的に示した。
【００６９】
【表１】
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【００７０】
表１を参照すれば、電解液が移送される度に発現容量が５ないし１２％位増加する効果を示すことを確認できるし、電解液を移送する前まで減少された電池容量が持続的な電解液移送によって次第に回復することが分かる。
【００７１】
実施例１及び比較例１の電池をそれぞれ１７０サイクル運用した結果、比較例１は初期放電容量に対して５０％の発現容量を示したが、実施例１は８３％の非常に優れた発現容量を示した。
【００７２】
また、前記のように、高い容量維持率を示す実施例１の電池は、既存電池（比較例１）と対等な電池効率を示した（図６及び表２）。
【００７３】
【表２】
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【００７４】
前記結果から、本発明のレドックスフロー電池用電解液貯蔵部は、電池駆動中に電解液が自然に再生できるようにして電池の容量特性を向上し、これによって別途の電解液再生工程周期を延ばすことができるので、電池運用の効率性が増大されることが分かる。
【００７５】
また、本発明の電解液貯蔵部は、貯蔵タンク内での電解液の水位維持が自動的に行われて、電解液再生が連続的に行われることができるし、使用便宜性が高い上、水位検知管及びここに位置される電解液移送管を備える構造によって、外部からの衝撃にも電解液が互いに混ざる恐れがないので、取り扱い及び設置が容易である。
【符号の説明】
【００７６】
１０：正極電解液貯蔵タンク
１１、２１：ポンプ
１２：正極電解液
２０：負極電解液貯蔵タンク
２２：負極電解液
３０：電源／負荷
３１：正極
３２：負極
３３：分離膜
１４、２４：水位検知管
１５、２５：水位検知センサー
１６、２６：電解液貯蔵タンクの上部
１７、２７：チェックバルブ
１８：正極電解液流入口
１９：正極電解液流出口
２８：負極電解液流入口
２９：負極電解液流出口
１００：レドックスフロー電池
２００：電解液貯蔵部
【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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【国際調査報告】
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