(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の正極液の供給流路および正極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した正極側の電気化学反応部形成用板状体と、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の負極液の供給流路および負極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した負極側の電気化学反応部形成用板状体とを、正極側の電極室と負極側の電極室の間に隔膜を配置して積層し、積層体の上端部には正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口以外の開口を有さない端板を、また積層体の下端部にはいずれの開口も有さない端部用板状体を配置し、積層された板状体の正極側電解液貯槽形成用開口によって正極側電解液貯槽を形成し、積層された板状体の負極側電解液貯槽形成用開口によって負極側電解液貯槽を形成し、正極側電解液循環手段と正極側電解液貯槽および正極側供給マニホールドとを、正極側戻りマニホールドと正極側電解液貯槽とを結合し、また負極電解液循環手段と負極側電解液貯槽および負極側供給マニホールドとを、負極側戻りマニホールドと負極電解液貯槽とをそれぞれ結合したことを特徴とするレドックスフロー電池。
【請求項２】
正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の正極液の供給流路および正極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した正極側の電気化学反応部形成用板状体と、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の負極液の供給流路および負極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した負極側の電気化学反応部形成用板状体とを、正極側の電極室と負極側の電極室の間に隔膜を配置したものを単位電池とし、該単位電池を電気化学反応部形成用開口を有さず、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、および負極側戻りマニホールド形成用開口を設けた電気化学反応部端板用板状体を介して積層し、積層体の上端部には正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口以外の開口を有さない端板を、また積層体の下端部にはいずれの開口も有さない端部用板状体を配置し、積層された板状体の正極側電解液貯槽形成用開口によって正極側電解液貯槽を形成し、積層された板状体の負極側電解液貯槽形成用開口によって負極側電解液貯槽を形成し、正極側電解液循環手段と正極側電解液貯槽および正極側供給マニホールドとを、正極側戻りマニホールドと正極側電解液貯槽とを結合し、また負極電解液循環手段と負極側電解液貯槽および負極側供給マニホールドとを、負極側戻りマニホールドと負極電解液貯槽とをそれぞれ結合したことを特徴とするレドックスフロー電池。
【請求項３】
正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の正極液の供給流路および正極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した正極側の電気化学反応部形成用板状体と、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の負極液の供給流路および負極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した負極側の電気化学反応部形成用板状体とを、正極側電極室と負極側電極室の間に隔膜を配置したものを単位電池とし、該単位電池の複数個を直列に接続したもの中間単位体として、電気化学反応部形成用開口を有さず、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、および負極側戻りマニホールド形成用開口を設けた電気化学反応部端板用板状体を介して積層して、積層体の上端部には正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口以外の開口を有さない端板を、また積層体の下端部にはいずれの開口も有さない端部用板状体を配置し、積層体の端部にはいずれの開口も有さない端部用板状体を配置し、積層された板状体の正極側電解液貯槽形成用開口によって正極側電解液貯槽を形成し、積層された板状体の負極側電解液貯槽形成用開口によって負極側電解液貯槽を形成し、正極側電解液循環手段と正極側電解液貯槽および正極側供給マニホールドとを、正極側戻りマニホールドと正極側電解液貯槽とを結合し、また負極電解液循環手段と負極側電解液貯槽および負極側供給マニホールドとを、負極側戻りマニホールドと負極電解液貯槽とをそれぞれ結合したことを特徴とするレドックスフロー電池。
【請求項４】
電解液貯槽の内部に電解液貯槽の壁面と電解液を分離する内側容器を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項記載のレドックスフロー電池。
【請求項５】
正極電解液および負極電解液に酸化還元状態の異なるバナジウムのイオン対を用いたことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項記載のレドックスフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電解槽、電池等の電気化学装置に関し、とくに電気化学反応部と電解液の貯槽部を一体に構成したレドックスフロー電池に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電解槽、電池等の電気化学装置においては、電極を構成する物質が実質的に変化しない電極を用いた電気化学装置では、電気化学反応部とは別に設けた電解液貯槽から電解液を連続的に供給し、また生成物を電気化学反応部から取り除くことにより、長期間にわたり連続的に運転することができるという特徴を有しており、食塩水の電気分解による塩素と水酸化ナトリウムの製造、海水の電気分解による次亜塩素酸塩の製造、海水の電気透析による海水の濃縮を利用した製塩、酸化状態と還元状態のイオン対を用いたレドックスフロー電池等として利用されている。
【０００３】
例えば、レドックスフロー電池は、電池活物質として金属イオンを溶解した液体を用いているため、電解液貯槽に蓄えた電解液の量に応じて任意の時間の運転が可能であり、また電気化学反応部とは別の部分に電解液を貯蔵することができるので自己放電が小さい等の特徴を有している。
レドックスフロー電池は、電気化学反応部および電解液貯槽を大型化することが容易であるために、季節、時間帯によって大きく変動する電力需要に対応して夜間に電力を貯蔵し、昼間に電力を供給する電力貯蔵手段の一つとして開発が進められてきた。
【０００４】
一方、電力需要の平準化としては、電気事業者が行う大規模な電力貯蔵とともに、需要側で深夜電力の利用によって各種の形態で電気エネルギーを貯蔵する電力需要のピークカットも進められているが、需要側での電気エネルギーの貯蔵は、冷熱、温熱として熱エネルギーとして貯蔵する方法が一般的であり、電気エネルギーとして貯蔵することは行われていなかった。
これには種々な理由があるものと思われるが、一つには、エネルギー変換効率に優れ、取り扱いが容易な比較的小型の電力貯蔵設備が開発されていなかったことが挙げられる。
【０００５】
近年、電気を利用した機器の普及が事業の形態を問わず進んでいる。例えば、小売店舗においては、冷蔵、冷凍機器、照明機器、販売管理機器等の数多くの電気利用機器が利用されており、電気が何らかの原因で停止すると販売、商品の品質保持等に重大な障害を及ぼすことは避けられない。
そこで、自家発電設備等の非常用電源を設けることが考慮されるが、大きな騒音を発生する装置がない電池は、非常用電源として極めて有力なものであるものの、小規模であっても電力貯蔵効率が高く保守管理が容易な電池は提案されてこなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小型で、保守が容易なレドックスフロー型電池を提供することを課題とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の正極液の供給流路および正極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した正極側の電気化学反応部形成用板状体と、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の負極液の供給流路および負極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した負極側の電気化学反応部形成用板状体とを、正極側の電極室と負極側の電極室の間に隔膜を配置して積層し、積層体の上端部には正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口以外の開口を有さない端板を、また積層体の下端部にはいずれの開口も有さない端部用板状体を配置し、積層された板状体の正極側電解液貯槽形成用開口によって正極側電解液貯槽を形成し、積層された板状体の負極側電解液貯槽形成用開口によって負極側電解液貯槽を形成し、正極側電解液循環手段と正極側電解液貯槽および正極側供給マニホールドとを、正極側戻りマニホールドと正極側電解液貯槽とを結合し、また負極電解液循環手段と負極側電解液貯槽および負極側供給マニホールドとを、負極側戻りマニホールドと負極電解液貯槽とをそれぞれ結合したレドックスフロー電池である。
【０００８】
正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の正極液の供給流路および正極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した正極側の電気化学反応部形成用板状体と、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の負極液の供給流路および負極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した負極側の電気化学反応部形成用板状体とを、正極側の電極室と負極側の電極室の間に隔膜を配置したものを単位電池とし、該単位電池を電気化学反応部形成用開口を有さず、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、および負極側戻りマニホールド形成用開口を設けた電気化学反応部端板用板状体を介して積層し、積層体の上端部には正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口以外の開口を有さない端板を、また積層体の下端部にはいずれの開口も有さない端部用板状体を配置し、積層された板状体の正極側電解液貯槽形成用開口によって正極側電解液貯槽を形成し、積層された板状体の負極側電解液貯槽形成用開口によって負極側電解液貯槽を形成し、正極側電解液循環手段と正極側電解液貯槽および正極側供給マニホールドとを、正極側戻りマニホールドと正極側電解液貯槽とを結合し、また負極電解液循環手段と負極側電解液貯槽および負極側供給マニホールドとを、負極側戻りマニホールドと負極電解液貯槽とをそれぞれ結合したレドックスフロー電池である。
また、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の正極液の供給流路および正極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した正極側の電気化学反応部形成用板状体と、正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口、電極室を形成する電気化学反応部形成用開口、および電極室との間の負極液の供給流路および負極液の排出流路を有し、電極室に電極および集電体を配置した負極側の電気化学反応部形成用板状体とを、正極側電極室と負極側電極室の間に隔膜を配置したものを単位電池とし、該単位電池の複数個を直列に接続したもの中間単位体として、電気化学反応部形成用開口を有さず正極側電解液貯槽形成用開口、負極側電解液貯槽形成用開口、正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、および負極側戻りマニホールド形成用開口を設けた電気化学反応部端板用板状体を介して積層して、積層体の上端部には正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口以外の開口を有さない端板を、また積層体の下端部にはいずれの開口も有さない端部用板状体を配置し、積層体の端部にはいずれの開口も有さない端部用板状体を配置し、積層された板状体の正極側電解液貯槽形成用開口によって正極側電解液貯槽を形成し、積層された板状体の負極側電解液貯槽形成用開口によって負極側電解液貯槽を形成し、正極側電解液循環手段と正極側電解液貯槽および正極側供給マニホールドとを、正極側戻りマニホールドと正極側電解液貯槽とを結合し、また負極電解液循環手段と負極側電解液貯槽および負極側供給マニホールドとを、負極側戻りマニホールドと負極電解液貯槽とをそれぞれ結合したレドックスフロー電池である。
また、電解液貯槽の内部に電解液貯槽の壁面と電解液を分離する内側容器を有する前記のレドックスフロー電池である。
正極電解液および負極電解液に酸化還元状態の異なるバナジウムのイオン対を用いた前記のレドックスフロー電池である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のレドックスフロー電池は、積層体の内部に電解液貯槽を形成したことを特徴としたものであり、電気化学反応部と電解液貯槽を一体に形成することによって、従来のレドックスフロー電池において必須であった電解液貯槽の設置が必要ではなく、レドックスフロー電池の設置、保守が容易であり、設置場所の制約も少なくなるという特徴を有するものである。
【００１０】
以下に図面を参照して本発明を説明する。
図１は、本発明の一実施例を説明する図であり、本発明のレドックスフロー電池およびそれを構成する板状体を説明する斜視図である。
本発明のレドックスフロー電池１は、複数の板状体を積層し積層体２を形成したものであり、積層体を構成する板状体には、電気化学反応部形成用開口３および電解液貯槽形成用開口４を有する電気化学反応部形成用板状体５と、電気化学反応部形成用開口３を有さない、電解液貯槽形成用開口４のみを設けた電気化学反応部端板用板状体６、電気化学反応部形成用開口、電解液貯槽用開口のいずれをも有さない電気化学装置の両端部に設けた両端部用板状体７から構成されている。
電気化学反応部形成用板状体５および電気化学反応部端板用板状体６には、電解液貯槽からの電解液を、電気化学装置の全体に供給、生成物の排出等を行う共通マニホールド形成用開口８Ａ（正極側供給マニホールド形成用開口、正極側戻りマニホールド形成用開口、負極側供給マニホールド形成用開口、負極側戻りマニホールド形成用開口とも称す）が設けられている。
また、電気化学反応部形成用板状体５の電気化学反応部形成用開口３には、電極９Ａおよび隔膜１０を装着し、正および負の電極室１１が形成される。また、電極９Ａには、導電接続を行うために集電板９Ｂが積層されている。
【００１１】
図１に示した例では、共通マニホールド形成用開口８Ａからは、直接に電極室１１に電解液の供給、あるいは戻り電解液や生成物の排出等を行っておらず、いくつかの個数の電気化学反応部形成体ごとに設けた部分マニホールド形成用開口８Ｂと結合されている。
すなわち、共通マニホールド形成用開口８Ａと部分マニホールド形成用開口８Ｂとの間は、外側電解液流路１２Ａで結合されており、電解液は、共通マニホールド８Ａによって形成される共通マニホールド１５Ａから、外側電解液流路１２Ａを通じて、部分マニホールド形成用開口８Ｂによって形成された部分マニホールド１５Ｂから内側電解液流路１２Ｂを通じて電極室１１へと供給される。
次いで、電極室１１から外側電解液流路１２Ｂを通じて、部分マニホールドへ電解液および生成物の取り出しが行われる。
外側電解液流路１２Ａおよび内側電解液流路１２Ｂは、電気化学反応部に供給する電解液の供給量、生成物の流量、およびマニホールドを通じた電流の漏洩の防止等を考慮して、断面積、および長さが決定される。
【００１２】
積層体２は底部に両端部用板状体７を設けた後に、電気化学反応部端板用板状体６を載置し、所定の個数の電気化学反応部形成用板状体５を積層し、その上部に電気化学反応部端板用板状体６を積層し、更に所定の個数の電気化学反応部形成用板状体５を積層し、更に電気化学反応部端板用板状体６を積層した後に、両端部板状体７を設けている。
また、積層体２の内部に形成された電解液貯槽１３Ａおよび１３Ｂには、電解液を循環するための電解液供給管１４Ａおよび１４Ｂが設けられており、積層体の外部に設けた電解液循環手段（図示せず）によって電解液が電解液供給管１４Ａおよび１４Ｂから汲み出されて、共通マニホールド形成用開口８Ａによって形成された共通マニホールド１５Ａを通じて電気化学反応部に供給される。また、電気化学反応部での反応生成物等は、同様に共通マニホールドを通じて積層体から流出し、電解液返送管１６Ａ、１６Ｂを通じて電解液貯槽１３Ａおよび１３Ｂへ返送される。
【００１３】
本発明のレドックスフロー電池１では、電解液と接触する部分については、電解液が漏液しないように気密に保持することが必要であり、接液部との界面部にＯ−リング等のガスケットを設けても良いが、電気化学反応部形成用板状体として、可撓性のある合成樹脂、特にゴムを用いたり、板状体の表面をこれらの物質で被覆することによってＯ−リング等のガスケットを設けなくても電解液の漏液等を防止することが可能となる。
また、可撓性のある部材を用いると、電極および集電板の部分においてもＯ−リング等を用いなくても漏液を防止することが可能である。
また、所定の個数の電気化学反応部形成用板状体を積層して形成した単位体の相互は、直列、並列のいずれの方法によっても導電接続することができるが、電気化学反応部端板用板状体に導電性接続部を形成することによって、外部に導電接続体を設けることなく電気的な接続が可能となる。
【００１４】
以上の説明においては、共通マニホールドから直接には、電解液が電極室に供給されず、部分マニホールドに分液して供給する装置について説明をした。このような構成とすることによって、積層体内に直列に配置した積層体単位を並列に接続することが可能となり、積層体の全体に印加される電圧を小さくすることができるが、共通マニホールドから直接に各電極室へと供給される構造としても良い。
また、電気化学反応部形成用板状体６を設けずに、直接に両端部用板状体７を設けても良い。
【００１５】
図２は、本発明のレドックスフロー電池の組立体を説明する斜視図である。
本発明のレドックスフロー電池では、任意の数の積層が可能であるが、図２は、２４枚の電気化学反応部形成用板状体を積層した例を示す図である。
レドックスフロー電池１は、底部に締付枠２０を有し、締付枠２０上に両端部用板状体７を載置した後に、電気化学反応部端板用板状体と２４枚の電気化学反応部形成用板状体５を積層し、上部に電気化学反応部端板用板状体を配置して中間単位体２１を形成したものであり、中間単位体２１を８段積層した後に、上部に両端部用板状体７を載置し、皿バネ２２を介在させて押し枠２３を載置して、取り付けボルト等によって一体に締め付けたものである。押し枠２３には、電解液循環ポンプ２６および２７等を始めとした機器類を載置することができる。
【００１６】
このように、複数の電気化学反応部形成用板状体を積層するとともに電気化学反応部端板用板状体を積層した中間単位体を形成することによって、電気化学装置の動作電圧および動作電流を任意に設定することが可能となる。また、このように配置すると電極を全て直列に配置した場合に生じる電圧の上昇によるマニホールドを通じた漏洩電流の増大を防止することもできる。
また、電気化学反応部形成用板状体を多数積層して両端部のみに電気化学反応部端板用板状体を端部に配置することにより、各単位電気化学反応部を電気的に直列に接続することもできる。
【００１７】
図３は、本発明のレドックスフロー電池の積層体の上部を取り除いた斜視図を説明する図である。
積層体によって形成された電解液貯槽１３Ａおよび１３Ｂには、それぞれポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリ塩化ビニル等の合成樹脂製フィルムからなる可撓性の袋状体からなる非導電性の内側容器２５を設ける例を示している。電解液は、これらの袋状体に収納することによって電解液貯槽からの漏液の可能性をなくすことができる。特に、常時運転を行わない非常用の設備等にあっては、電解液貯槽の内部にこのような袋状体を設けて電解液を収納することによって長期間にわたり漏液のおそれがない設備を得ることができる。
【００１８】
図４は、本発明のレドックスフロー電池の一実施例を説明する図であり、図４（Ａ）は、正面図であり、図４（Ｂ）は、側面図である。
レドックスフロー電池１は、底部に締付枠２０を有し、締付枠２０上に、積層体２を配置し、上部に両端部用板状体７を載置し、皿バネ２２を介在させて押し枠２３を載置し、取り付けボルト２４によって一体に締め付けたものである。押し枠２３には、正極側および負極側の電解液を電解液貯槽から積層体のマニホールドへ循環する電解液循環ポンプ２６および２７が設けられている。
電解液供給ポンプ２６および２７は、回転軸を同一線上に配置しないことが好ましい。
【００１９】
図５は、電解液の流れを説明する図であり、図５（Ａ）は正極側の電解液の流れを示し、図５（Ｂ）は負極側の電解液の流れを説明する図である。
正極側電解液は、正極側電解液循環ポンプ３１によって正極側電解液貯槽３２から吸引されて正極側供給マニホールド３３へと供給される。そして、正極側供給マニホールド３３から電気化学反応部端板用板状体６に設けた電解液流路３４へと流入し、次いで電気化学反応部形成用板状体５に設けた電解液流路３５を通じて正極３６Ａと隔膜３７によって形成された正極室３８へと流入し、電気化学反応を受けた後に、電解液流路３９から正極側戻りマニホールド４０を通じて正極側電解液貯槽３２へと返送される。また、正極３６Ａと接触した正極集電板３６Ｂによって導電接続が行われる。
【００２０】
また、同様に、負極側電解液は、負極側電解液循環ポンプ４１によって負極側電解液貯槽４２から負極側供給マニホールド４３へと供給される。そして、負極側供給マニホールド４３から電気化学反応部端板用板状体６に設けた電解液流路４４から電気化学反応部形成用板状体５に設けた電解液流路４５へと流入し、負極４６Ａと隔膜３７によって形成された負極室４７へと流入し、電気化学反応を受けた後に、電解液流路４８から負極側戻りマニホールド４９を通じて負極側電解液貯槽４２へと戻される。また、負極４６Ａと接触した負極集電板４６Ｂによって導電接続が行われる。
【００２１】
以上のようにして、本発明のレドックスフロー電池においては、積層体内部に設けた電解液貯槽に貯蔵した電解液を循環すると電気化学反応物質の濃度が所定の大きさ以上の間は、レドックスフロー電池としての作用を果たす。
【００２２】
レドックスフロー電池としては、電解液中において安定なイオン対を形成する、クロム、バナジウム、鉄等のイオンを溶解した電解液を、正極液および負極液として用いることができるが、正極液、負極液にバナジウムイオンを溶解した液を用いた電池がイオンの安定性、エネルギー効率の面で好ましい。以下の説明は、バナジウムイオンを用いたレドックスフロー電池について説明する。
【００２３】
バナジウムイオンを用いたレドックスフロー電池において、電極としては、液透過性の多孔性電極は、好ましくはフェルト状、織布状等の炭素繊維、あるいは多孔性炭素の成形体を用いることができるが、電極の背面には、電極室から電解液、生成物が漏洩しないように密に構成することが好ましい。
【００２４】
また、電気化学反応部には、隔膜を設けて正極室と負極室を形成する。隔膜としては、中性膜、イオン交換膜を用いることができるが、イオン交換膜を用いることが好ましい。
イオン交換膜としては、炭化水素系の合成樹脂基体をスルホン化して得られるカチオン交換膜、スルホン酸基、カルボン酸基等を導入したフッ素樹脂系のカチオン交換膜、あるいはアニオン交換膜などを用いることができる。
【００２５】
正極液および負極液として使用されるバナジウムの水溶液は、バナジウムイオン濃度は０．５〜８ｍｏｌ／ｌである。バナジウムの濃度が、０．５ｍｏｌ／ｌ未満であると電池のエネルギー密度が小さくなり、８．０ｍｏｌ／ｌを超えると、電解液の粘度が高くなり電池セルの抵抗が高くなり、電力効率も低いものとなる。
また、電解液としては硫酸水溶液が好ましく、硫酸根の濃度は、好ましくは０．５〜９．０ｍｏｌ／ｌである。
【００２６】
また、本発明の電池においては、正極電解液中では、充電状態で４価／５価のバナジウムイオンの混合状態、または５価のバナジウムイオン単独の状態をとりうるが、好ましくは充電終止状態における正極電解液中の５価のバナジウムイオンの濃度は、０．５〜７．５ｍｏｌ／ｌである。５価のバナジウムイオン濃度が、０．５ｍｏｌ／ｌ未満であると電池のエネルギー密度が低下し、７．５ｍｏｌ／ｌを超えると充電時における５価のバナジウムの析出が起こり易くなり電池としての安定性に問題が生じる。
充電終止状態における正極電解液中の５価のバナジウムイオンの濃度の全バナジウムイオンの濃度に対する割合は、好ましくは５０〜１００％とすることが好ましい。
【００２７】
また、正極電解液中では、放電状態で４価／５価のバナジウムイオンの混合状態、又は４価のバナジウムイオン単独あるいはし４価／３価のバナジウムイオンの混合状態をとり得るが、好ましくは放電終止状態における正極電解液中の４価のバナジウムイオンの濃度は、０．５〜７．５ｍｏｌ／ｌであることが好ましい。
放電終止状態における正極電解液中の４価のバナジウムイオンの濃度の全バナジウムイオンの濃度に対する割合は、好ましくは５０〜１００％である。
【００２８】
また、正極室および負極室に正極液と負極液を導入する導入口及び正極室および負極室から正極液と負極液を排出する排出口は、電流の漏洩を減少するために断面積と長さを調整することが好ましい。
【００２９】
図６に、バナジウムレドックスフロー電池の電解液の流れを説明する図を示す。
レドックスフロー電池５０は、板状の積層体から形成されており、板状の積層体内部に正極液貯槽５１および負極液貯槽５２が形成されている。また、積層体の中央部には、それぞれ５個の単電池を直列に配置した４個の中間体５３〜５６を有しており、正極液５７および負極液５８は、正極液循環ポンプ５９および負極液循環ポンプ６０からそれぞれの中間体を単位として供給されている。
このように、直列配置した単電池からなる複数個の中間体に対して並列に正極液および負極液を供給することにより、全ての単電池を直列接続した場合に比べて電位差が小さくなるので、電解液を通じた漏洩電流を小さくすることができる。
【００３０】
本発明のレドックスフロー電池は、板状体を積層した積層体によって構成するとともに、積層体の内部に電解液貯槽を設けたので、安全な設置が容易となり、レドックスフロー電池は、非常用の電源として商業施設、居住施設等にも配置することも可能となり、自動制御装置による自動運転も可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
積層体の内部に電解液貯槽を形成したことを特徴としたものであり、電気化学反応部と電解液貯槽を一体に形成することによって、従来のレドックスフロー電池において必須であった電解液貯槽の設置が必要ではなく、レドックスフロー電池の設置、保守が容易であり、設置場所の制約も少なくなり、非常用の電源設備として設置することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明のレドックスフロー電池の一実施例を説明する図である。
【図２】  図２は、本発明のレドックスフロー電池の組立体を説明する斜視図である。
【図３】  図３は、本発明のレドックスフロー電池の積層体の上部を取り除いた斜視図を説明する図である。
【図４】  図４は、本発明のレドックスフロー電池の一実施例を説明する図である。
【図５】  図５は、電解液の流れを説明する図である。
【図６】  図６に、バナジウムレドックスフロー電池の電解液の流れを説明する図である。
【符号の説明】
１…レドックスフロー電池、２…積層体、３…電気化学反応部形成用開口、４…電解液貯槽形成用開口、５…電気化学反応部形成用板状体、６…電気化学反応部端板用板状体、７…両端部用板状体、８Ａ…共通マニホールド形成用開口、８Ｂ…部分マニホールド形成用開口、９Ａ…電極、９Ｂ…集電板、１０…隔膜、１１…電極室、１２Ａ…外側電解液流路、１２Ｂ…内側電解液流路、１３Ａ，１３Ｂ…電解液貯槽、１４Ａ，１４Ｂ…電解液供給管、１５Ａ…共通マニホールド、１５Ｂ…部分マニホールド、１６Ａ，１６Ｂ…電解液返送管、２０…締付枠、２１…中間単位体、２２…皿バネ、２３…押し枠、２４…取り付けボルト、２５…内側容器、２６，２７…電解液循環ポンプ、３１…正極側電解液循環ポンプ、３２…正極側電解液貯槽、３３…正極側供給マニホールド、３４…電解液流路、３５…電解液流路、３６Ａ…正極、３６Ｂ…正極集電板、３７…隔膜、３８…正極室、３９…電解液流路、４０…正極側戻りマニホールド、３２…正極側電解液貯槽、４１…負極側電解液循環ポンプ、４２…負極側電解液貯槽、４３…負極側供給マニホールド、４４…電解液流路、４５…電解液流路、４６Ａ…負極、４６Ｂ…負極集電板、４７…負極室、４８…電解液流路、４９…負極側戻りマニホールド、５０…レドックスフロー電池、５１…正極液貯槽、５２…負極液貯槽、５３，５４，５５，５６…中間体、５７…正極液、５８…負極液、５９…正極液循環ポンプ、６０…負極液循環ポンプ
【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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