(57)【要約】【課題】密閉型構造のフロー電池を提供する。【解決手段】フロー電池は、第１極および第２極と、第１極と第２極との間に配置されたイオン伝導性のセパレータと、電解液が貯蔵されたタンクと、タンク内の電解液を、第１極とセパレータとの間に供給する第１配管と、第１極とセパレータとの間に存在する電解液を、第２極とセパレータとの間に供給する第２配管と、第２極とセパレータとの間に存在する電解液を、タンクに戻す第３配管と、を備える。【選択図】図１
2017224500.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１極および第２極と、
前記第１極と前記第２極との間に配置されたイオン伝導性のセパレータと、
電解液が貯蔵されたタンクと、
前記タンク内の前記電解液を、前記第１極と前記セパレータとの間に供給する第１配管と、
前記第１極と前記セパレータとの間に存在する前記電解液を、前記第２極と前記セパレータとの間に供給する第２配管と、
前記第２極と前記セパレータとの間に存在する電解液を、前記タンクに戻す第３配管と、を備えること
を特徴とするフロー電池。
【請求項２】
前記第１極は正極であり、
前記第２極は負極であること
を特徴とする請求項１に記載のフロー電池。
【請求項３】
前記第１配管は、前記第１極の下側に接続され、
前記第２配管は、前記第１極の上側および前記第２極の下側に接続され、
前記第３配管は、前記第２極の上側に接続されること
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】
前記第１極はニッケルを含有し、
前記第２極は金属板であり、
前記電解液は亜鉛を含有したアルカリ水溶液であること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のフロー電池。
【請求項５】
前記セパレータは水酸化物イオン伝導性を有する緻密膜であること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のフロー電池。
【請求項６】
前記第１極が収容される第１極室が形成され、
前記第１極室は、
上面に前記電解液が排出される第１極室排出口が設けられ、前記第１極室排出口から下方に向かい末広がり形状を有していること
を特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のフロー電池。
【請求項７】
前記第２極が収容される第２極室が形成され、
前記第２極室は、
上面に前記電解液が排出される第２極室排出口が設けられ、前記第２極室排出口から下方に向かい末広がり形状を有していること
を特徴とする請求項１〜６のいずれか一つに記載のフロー電池。
【請求項８】
前記第２極と前記セパレータとの間隔が１ｃｍ以下であること
を特徴とする請求項１〜７のいずれか一つに記載のフロー電池。
【請求項９】
前記第２極と前記セパレータとの間がカーボンフェルトで充填されていること
を特徴とする請求項１〜８のいずれか一つに記載のフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
開示の実施形態は、フロー電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、正極および負極を備え、正極と負極との間にセパレータを配置するとともにＺｎ（ＯＨ）４２−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）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】Journal  of  Power  Sources  235(2013)1-4
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来のフロー電池のように、正極と負極との間にセパレータを配置した場合、電解液の電気分解により正極で発生した酸素はセパレータで妨げられて負極まで到達できない。これにより、負極側には放電されないままの活物質がたまっていくことになる。また、発生した酸素を負極で化学反応させて消費させることができず、発生した酸素が電池内部に溜まって内圧が大きくなる。したがって、従来のフロー電池は開放型構造にせざるを得ず、密閉型構造にすることが困難である。
【０００５】
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、密閉型構造のフロー電池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】
【０００６】
実施形態の一態様に係るフロー電池は、第１極および第２極と、前記第１極と前記第２極との間に配置されたイオン伝導性のセパレータと、電解液が貯蔵されたタンクと、前記タンク内の前記電解液を、前記第１極と前記セパレータとの間に供給する第１配管と、前記第１極と前記セパレータとの間に存在する前記電解液を、前記第２極と前記セパレータとの間に供給する第２配管と、前記第２極と前記セパレータとの間に存在する電解液を、前記タンクに戻す第３配管と、を備える。
【発明の効果】
【０００７】
実施形態の一態様によれば、密閉型構造のフロー電池が提供可能となる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、第１の実施形態に係るフロー電池の概念図である。
【図２】図２は、第１の実施形態に係るフロー電池を構成するセルの分解斜視図である。
【図３】図３は、第１の実施形態に係る複数のセルを有するフロー電池を示す概念図である。
【図４】図４は、第２の実施形態に係るフロー電池の概念図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、添付図面を参照して、本願の開示するフロー電池の実施形態について説明する。なお、以下に示す各実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
【００１０】
＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態に係るフロー電池の構成を示す概念図である。なお、図１は１セルのフロー電池について示している。
【００１１】
第１の実施形態に係るフロー電池１は、第１極である正極１０と、第２極である負極１１と、セパレータ１２と、タンク１３と、第１配管１４と、第２配管１５と、第３配管１６とを備える。また、イオン伝導性のセパレータ１２は、正極１０と負極１１との間に配置されている。また、電解液２０がタンク１３に貯蔵され、タンク１３内の電解液２０は、第１配管１４で正極１０とセパレータ１２との間に供給される。また、正極１０とセパレータ１２との間の電解液２０は、第２配管１５で負極１１とセパレータ１２との間に供給される。また、負極１１とセパレータ１２との間の電解液２０は、第３配管１６でタンク１３に戻される。
【００１２】
ここで、第１の実施形態に係るフロー電池１は、正極１０で発生した酸素を、電解液２０とともに第２配管１５を用いて負極１１とセパレータ１２との間に供給することができる。これにより、発生した酸素を負極１１で化学反応させて消費させることができる。したがって、発生した酸素が電池内部に溜まることを防ぐことができ、密閉型構造のフロー電池が実現できる。
【００１３】
以下、第１の実施形態に係るフロー電池１の詳細について説明する。
【００１４】
正極１０は、負極活物質である亜鉛よりも貴な電位の物質が活物質として使用される。正極１０には、一次電池や二次電池で通常用いられるものを用いることができ、例えばオキシ水酸化ニッケル、水酸化ニッケル、コバルト含有水酸化ニッケル等のニッケル含有化合物、二酸化マンガン等のマンガン含有化合物などを用いることができる。また、正極１０には、黒鉛やカーボンブラック、導電性樹脂などを含んでもよい。上述のうち電解液２０が分解される酸化還元電位の観点から、正極１０はニッケルを含むことが好ましい。
【００１５】
負極１１は、ステンレスやＣｕなどの導電体の表面をＮｉやＳｎで被覆して構成することができる。負極１１には、例えば銅板などの金属板、または銅板上に無電解めっきにてニッケルがめっき処理されたものを使用できる。さらに充電をスムーズに進めるために、ニッケルめっき上に亜鉛めっきしたものも用いることが出来る。このような負極１１を使用した場合は、充電によって負極１１の表面に負極活物質である亜鉛種が析出し、放電によって亜鉛種が電解液２０に溶出する。
【００１６】
セパレータ１２は、電極反応に関するイオンを伝導するものであるが、金属Ｚｎは透過しないように緻密質に構成されているほうがよい。ここで、緻密質とは、アルキメデス法で算出して、９０％以上の相対密度を有するものが好ましく、より好ましくは９２％以上、さらに好ましくは９５％以上であるが、亜鉛デンドライトの貫通を防止する程度に緻密で硬いものであればこれに限定されない。
【００１７】
セパレータ１２は、陰イオン伝導性材料を用いて形成されるものが好ましい。ここで述べる陰イオン伝導性材料は、固体高分子型陰イオン伝導材料であり、例えば、ポリマーと、周期表の第１族〜第１７族から選ばれる少なくとも１種の元素を含有する化合物とを含む。また、かかる化合物は、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ばれる少なくとも１つの化合物であればよい。
【００１８】
陰イオン伝導性材料は、電池反応に関与する水酸化物イオン等の陰イオンは透過しやすく、陰イオンであってもイオン半径の大きな金属イオンの拡散は十分防止することができる。ここで、陰イオン伝導性とは、水酸化物イオン等のイオン半径の小さな陰イオンを十分に透過すること、または、かかる陰イオンの透過性能を意味する。金属イオン等のイオン半径の大きな陰イオンは、より透過しにくいものであり、全く透過しなくても構わない。陰イオン伝導性材料は、電池反応に関与する陰イオンを選択的に透過し、イオン半径の大きな金属イオンを選択的に透過しにくくすることが可能である。例えば、負極活物質に亜鉛を用いる場合は、電荷キャリアの水酸化物イオン等の陰イオンは透過しやすく、Ｚｎ（ＯＨ）４２−等の金属イオンは透過しにくいため、優れた電池性能を保持したまま、亜鉛デンドライトによる短絡を防止してサイクル寿命を長くする効果を発揮する。また、上述の陰イオン伝導性材料は、場合によっては、イオン半径の比較的小さなＬｉ、Ｎａイオンを透過させることも可能である。
【００１９】
陰イオン伝導性材料は、有機ヒドロゲルのような三次元構造を持つゲル状であってもよい。また、陰イオン伝導性材料は、本発明の効果を発揮できる限り、その表面や内部に空孔を有するものであってもよく、空孔を有さないものであってもよい。例えば、陰イオン伝導性を向上させる観点からは、陰イオン伝導性材料は、空孔を有することが好ましい場合がある。また、金属イオンの拡散をより抑える観点からは、陰イオン伝導性材料は、空孔を有さないことが好ましい場合がある。
【００２０】
以下、第１の実施形態に係る陰イオン伝導性材料に含まれるものとして、ポリマーおよび化合物について順に説明する。
【００２１】
ポリマーには、一次電池や二次電池で通常用いられるものを用いることができ、例えば、ポリプロピレンやポリエチレンなどの炭化水素部位含有ポリマー、ポリスチレンなどの芳香族基含有ポリマー、アルキレングリコールなどのエーテル基含有ポリマー、ポリビニルアルコールなどの水酸基含有ポリマー、ポリアミドなどのアミド基含有ポリマーなどを用いることができる。
【００２２】
化合物のうち、酸化物としては、酸素欠陥を有しイオン伝導性を示す酸化セリウム、酸化ジルコニウムなどを用いることができる。また、酸化物としては、例えば、酸化セリウムに酸化サマリウムや酸化ガドリニウム、酸化ビスマスなどの金属酸化物がドープされたものや、酸化セリウムと酸化ジルコニウムなどの金属酸化物との固溶体であってもよい。
【００２３】
化合物のうち、水酸化物としては、例えば、水酸化セリウム、水酸化ジルコニウム、水酸化アルミニウム、水酸化マグネシウムやそれらの層状複水酸化物が好ましい。なお、ここで、水酸化物とは、層状複水酸化物以外の水酸化物を言う。層状複水酸化物としては、例えば、ハイドロタルサイトが好ましい。かかる層状複水酸化物を用いることにより、陰イオン伝導性材料の陰イオン伝導性を際立って優れたものとすることができる。
【００２４】
なお、陰イオン伝導性材料としてハイドロタルサイトを用いた場合には、層間にアニオン伝導層が形成され、また層状化合物間のサイズによりイオンの選択的透過機能を有することで、選択的に陰イオンを透過させることができる。
【００２５】
なお、セパレータ１２として有機材料であるポリマーと、化合物とで構成される例について示したが、セパレータ１２の構成はこれに限られない。例えば、セパレータ１２を無機材料で構成してもよい。フロー電池１において、セパレータ１２が電極反応に関するイオンを伝導すると共に、金属Ｚｎは透過しないような緻密質で構成されていればよい。
【００２６】
また、フロー電池１は、セパレータ１２によって第１極室である正極室２ａおよび第２極室である負極室２ｂに分割されたセル２を備えており、正極室２ａには正極１０が収容され、負極室２ｂには負極１１が収容されている。第１の実施形態において、セル２は、正極用集電板２ｃ、正極用フレーム２ｄ、セパレータ１２、負極用フレーム２ｅ、負極１１および負極用集電板２ｆが積層して構成されている。そして、セル２においては、正極用集電板２ｃ、正極用フレーム２ｄおよびセパレータ１２に囲まれるように正極室２ａが形成され、セパレータ１２、負極用フレーム２ｅおよび負極１１に囲まれるように負極室２ｂが形成されている。
【００２７】
ここで、正極用集電板２ｃおよび負極用集電板２ｆは、銅やアルミニウムなどの導電体で構成されている。また、正極用フレーム２ｄおよび負極用フレーム２ｅは、塩化ビニルなどの絶縁性の樹脂で構成されている。
【００２８】
フロー電池１には、セル２とは別にタンク１３が設けられ、タンク１３には電解液２０が貯蔵されている。タンク１３は、フロー電池１の用途や使用場所などに応じて、その形状を適宜決定できる。また、タンク１３の容量は、フロー電池１の所望する容量に応じて、適宜決定できる。さらに、タンク１３を構成する物質は、電解液２０を保持できれば特に限定されない。
【００２９】
フロー電池１には、タンク１３とセル２の正極室２ａとの間を接続し、タンク１３内の電解液２０を正極１０とセパレータ１２との間に供給する第１配管１４が設けられる。また、フロー電池１には、セル２の正極室２ａと負極室２ｂとの間を接続し、正極１０とセパレータ１２との間の電解液２０を、負極１１とセパレータ１２との間に供給する第２配管１５が設けられる。さらに、フロー電池１には、セル２の負極室２ｂとタンク１３との間を接続し、負極１１とセパレータ１２との間の電解液２０をタンク１３に戻す第３配管１６が設けられる。したがって、フロー電池１においては、第１配管１４、第２配管１５および第３配管１６を用いて、電解液２０がタンク１３と、正極室２ａと、負極室２ｂとの間で循環可能に構成されており、フロー電池１の内部は電解液２０で満たされている。
【００３０】
第１配管１４、第２配管１５および第３配管１６は、フロー電池１の用途や使用場所等に応じて、その形状を適宜決定できる。また、第１配管１４、第２配管１５および第３配管１６を構成する材質は、電解液２０を保持できれば特に限定されない。
【００３１】
なお、電解液２０をフロー電池１内で循環させる手段としては、例えば、第１配管１４の上流側に設けられるポンプ３０を用いることができる。しかしながら、フロー電池１において、電解液２０を循環させる手段はポンプに限られない。
【００３２】
フロー電池１内を循環する電解液２０は、Ｚｎを含有するアルカリ水溶液で、Ｚｎは金属イオンＺｎ（ＯＨ）４２−として存在し、アルカリ水溶液としては、例えば、Ｋ＋、ＯＨ―などを含む水溶液を用いることができる。フロー電池１においては、タンク１３内に負極活物質２１を沈殿させて、負極活物質２１を飽和させたアルカリ水溶液を電解液２０として用いることができる。また、タンク１３内に沈殿させる負極活物質２１としては、例えば、粉末状の酸化亜鉛を用いることができる。
【００３３】
以上のように構成されたフロー電池１において、充電時の化学反応は、以下のようになる。
正極：Ｎｉ（ＯＨ）２＋ＯＨ−→ＮｉＯＯＨ＋Ｈ２Ｏ＋ｅ−
負極：Ｚｎ（ＯＨ）４２−＋２ｅ−→Ｚｎ＋４ＯＨ−
【００３４】
そして、フロー電池１においては、充電時に正極１０で生じる電子に起因して電解液２０中の水が電気分解し、正極１０で酸素ガスが発生する場合がある。かかる水の電気分解は、例えば、正極１０が均一に形成されていない場合に電界集中する箇所が生じ、電界集中した箇所で水が電気分解するしきい電圧を超えた場合などに発生する。
【００３５】
そこで、フロー電池１においては、充電時に正極１０で発生した酸素ガスを、第２配管１５を用いて電解液２０と共に負極室２ｂに供給する。これにより、正極１０で発生した酸素ガスを、以下の化学反応により負極１１で水酸化物イオンに戻して、消費させることができる。
負極：Ｏ２＋２Ｈ２Ｏ＋４ｅ−→４ＯＨ−
【００３６】
したがって、充電時に正極１０で酸素ガスが発生したとしても、フロー電池１の内部に酸素ガスが蓄積されることを防止できることから、密閉型構造のフロー電池１を実現することができる。
【００３７】
また、フロー電池１において、第１配管１４は正極１０の下側に接続され、第２配管１５は正極１０の上側および負極１１の下側に接続され、第３配管１６は負極１１の上側に接続されている。すなわち、フロー電池１においては、第１配管１４と正極室２ａとが接続している正極室供給口２ａａは正極１０の下側に設置され、第２配管１５と正極室２ａとが接続している正極室排出口２ａｂは正極１０の上側に設置される。また、フロー電池１においては、第２配管１５と負極室２ｂとが接続している負極室供給口２ｂａは負極１１の下側に設置され、第３配管１６と負極室２ｂとが接続している負極室排出口２ｂｂは負極１１の上側に設置される。例えば、図１に示すように、正極室排出口２ａｂは正極室２ａの上面に設けられ、負極室排出口２ｂｂは負極室２ｂの上面に設けられる。これらの構成により、正極１０とセパレータ１２との間および負極１１とセパレータ１２との間において、電解液２０は下側から上側に向かって流れる。
【００３８】
これにより、正極１０で発生した気泡状の酸素ガスを、電解液２０の下側から上側への流れに沿って正極室２ａから効率よく排出させることができる。また、電解液２０の下側から上側への流れに沿って負極１１の全体と接触させ、効率よく負極１１と化学反応させることができる。これにより、低いエネルギーでフロー電池１内部に発生した酸素ガスを循環させることができる。したがって、削減されたエネルギーを電池出力に回すことができることから、フロー電池１のエネルギー密度を向上させることができる。
【００３９】
なお、フロー電池１のエネルギー密度に余裕があるなどの場合には、電解液２０を正極１０および負極１１の下側から上側に向けて流す必要は無い。さらに、正極１０または負極１１の一方にのみ電解液２０を下側から上側に向けて流してもよい。
【００４０】
また、フロー電池１においては、亜鉛を含有したアルカリ水溶液である電解液２０を循環させている。負極活物質として亜鉛を含有した物質を用いた従来の二次電池においては、充電時に亜鉛デンドライトが負極に生成して正極側に成長することにより、正負極間の短絡が生じる場合がある。しかしながら、フロー電池１では電解液２０を内部で循環させていることから、負極１１での亜鉛デンドライトの形成および成長を抑制することが可能となる。
【００４１】
さらに、フロー電池１においては、第２配管１５を用いて正極１０で発生した酸素ガスを負極１１に送ることができることから、セパレータ１２で酸素ガスを正極室２ａから負極室２ｂに透過させる必要がなくなる。これにより、セパレータ１２として、水酸化物イオン伝導性を有するが、亜鉛イオンは透過できないといった選択性を有する緻密膜を用いることができる。したがって、セパレータ１２に到達した亜鉛デンドライトの先端部に対して、亜鉛イオンの供給を抑制することができることから、亜鉛デンドライトの成長をセパレータ１２で物理的に抑制することが可能となる。
【００４２】
また、フロー電池１において、正極室２ａは、その上面に設けられた正極室排出口２ａｂから下方に向かい末広がり形状を有している。したがって、上側に流れて排出される電解液２０の正極室排出口２ａｂ周辺での流れをよりスムーズにできることから、正極室２ａ内で酸素ガスが滞留することを防止することができる。
【００４３】
さらに、フロー電池１において、負極室２ｂは、その上面に設けられた負極室排出口２ｂｂから下方に向かい末広がり形状を有している。したがって、上側に流れて排出される電解液２０の負極室排出口２ｂｂ周辺での流れをよりスムーズにできることから、負極室２ｂ内で酸素ガスが滞留することを防止することができる。なお、負極室２ｂから排出された酸素ガスは、タンク１３および正極室２ａを経由して、再度負極室２ｂに送られ、負極１１で消費させることができる。
【００４４】
なお、フロー電池１においては、正極室２ａおよび負極室２ｂのいずれも、排出口から下方に向かい末広がり形状を有している。しかしながら、正極室２ａおよび負極室２ｂのいずれにも末広がり形状を設ける必要は無く、例えばどちらか一方にのみ末広がり形状を設けてもよい。
【００４５】
また、フロー電池１においては、略平行に向かい合う負極１１とセパレータ１２との間隔をおおよそ１ｃｍ以下にするとよい。これにより、負極室２ｂに流れる全ての電解液２０を負極１１に近接させて流すことができることから、電解液２０に含まれる酸素ガスを効率よく負極１１と接触させ、化学反応させることができる。
【００４６】
なお、フロー電池１においては、負極１１に金属板を用いており、負極活物質である酸化亜鉛を形成していない。酸化亜鉛を負極活物質として用いる従来の二次電池においては、充放電サイクルを重ねることで活物質の酸化亜鉛の形状が変化する、いわゆるシェイプチェンジが発生する場合がある。そして、上述のシェイプチェンジにより負極の酸化亜鉛の形状が変化することで、電池容量が低下してしまうという課題がある。
【００４７】
しかしながら、フロー電池１においては、負極活物質２１はタンク１３からセル２に供給されていることから、負極活物質である酸化亜鉛が形成されない金属板を負極１１に用いることができる。したがって、負極１１における上述のシェイプチェンジの発生を防止することができる。
【００４８】
なお、フロー電池１においては、正極１０と電気的に接続され、セル２の内部から外部に導出される正極用外部電極２ｇと、負極１１と電気的に接続され、セル２の内部から外部に導出される負極用外部電極２ｈとを備える。そして、フロー電池１において、負極１１に金属板を用いることにより、負極１１および負極用外部電極２ｈを一体の金属板で構成することができる。したがって、フロー電池１の部品点数を削減することができることから、フロー電池１の製造コストを低減することができる。
【００４９】
また、フロー電池１においては、タンク１３内に負極活物質２１を沈殿させて、負極活物質２１を飽和させたアルカリ水溶液を電解液２０として用い、かかる電解液２０をセル２に供給している。これにより、常に負極活物質２１が飽和した電解液２０を負極室２ｂ内に供給することができる。したがって、フロー電池１においては、負極面上での負極活物質の濃度が低下した場合に生成しやすくなる亜鉛デンドライトの生成を抑制することができる。
【００５０】
図２は、第１の実施形態に係るフロー電池１を構成するセル２の分解斜視図である。前述のように、セル２は、正極用集電板２ｃ、正極用フレーム２ｄ、セパレータ１２、負極用フレーム２ｅ、負極１１および負極用集電板２ｆが積層して構成されている。また、正極用フレーム２ｄの中央部分には、主面同士を貫通する孔部２ｄａが形成されており、孔部２ｄａが正極用集電板２ｃ、正極用フレーム２ｄおよびセパレータ１２に囲まれて正極室２ａが形成されている。また、正極室２ａ内には、正極１０が配置されている。さらに、負極用フレーム２ｅの中央部分には、主面同士を貫通する孔部２ｅａが形成されており、孔部２ｅａがセパレータ１２、負極用フレーム２ｅおよび負極１１に囲まれて負極室２ｂが形成されている。
【００５１】
そして、正極用フレーム２ｄの下面と孔部２ｄａの下面との間を貫通するように正極室供給口２ａａが設けられ、孔部２ｄａの上面と正極用フレーム２ｄの上面との間を貫通するように正極室排出口２ａｂが設けられる。また、負極用フレーム２ｅの下面と孔部２ｅａの下面との間を貫通するように負極室供給口２ｂａが設けられ、孔部２ｅａの上面と負極用フレーム２ｅの上面との間を貫通するように負極室排出口２ｂｂが設けられる。さらに、孔部２ｄａの正極室排出口２ａｂ周辺には下部に向かって末広がり形状が設けられており、孔部２ｅａの負極室排出口２ｂｂ周辺にも下部に向かって末広がり形状が設けられている。
【００５２】
なお、図２においては、孔部２ｄａの正極室供給口２ａａ周辺に上部に向かって末広がり形状が設けられており、孔部２ｅａの負極室供給口２ｂａ周辺にも上部に向かって末広がり形状が設けられている。これにより、正極室２ａおよび負極室２ｂにおける電解液２０の流れをよりスムーズにすることができる。したがって、電解液２０の循環に必要なエネルギーを低減することができることから、フロー電池１のエネルギー密度を向上させることができる。
【００５３】
図３は、第１の実施形態に係る複数のセル２を有するフロー電池１を示す概念図であり、複数のセル２を積層または重ねてセルスタックを構成し、フロー電池１を構成した場合について示している。図３は、４つのセル２（図２参照）を積層してフロー電池１を構成したもので、両端に正極用集電板２ｃおよび負極用集電板２ｆが配置されるとともに、セル２とセル２の間には中間集電板２ｉが配置されており、４つのセル２が直列に接続されている。すなわち、中間集電板２ｉの両面には、正極１０および負極１１が配置され、電気的に接続されている。
【００５４】
そして、タンク１３からポンプ３０を用いて各セル２に電解液２０を供給する第１配管１４は、それぞれのセル２ごとに分岐され、各セル２の正極室２ａの下面に配置される正極室供給口２ａａに接続される。また、各セル２ごとに設けられた第２配管１５が、それぞれのセル２の正極室２ａの上面に配置される正極室排出口２ａｂと、負極室２ｂの下面に配置される負極室供給口２ｂａとの間に接続されている。さらに、それぞれのセル２の負極室２ｂの上面に配置される負極室排出口２ｂｂに接続される第３配管１６は、合流してタンク１３に接続されている。
【００５５】
このような構成により、複数のセル２が積層して構成されたフロー電池１の内部全体に、１つのタンク１３とポンプ３０を用いて電解液２０を供給することができる。そして、第２配管１５をそれぞれのセル２に設けることにより、正極１０で発生した酸素ガスについて、セパレータ１２を介することなく負極１１に供給し、消費させることができる。また、セル２を複数個積層させて直列に接続することができることから、フロー電池１の高出力化が可能となる。
【００５６】
＜第２の実施形態＞
図４は、第２の実施形態に係るフロー電池の概念図である。なお、図４は、第１の実施形態における図１に対応する図である。
【００５７】
第２の実施形態に係るフロー電池１Ａは、負極１１とセパレータ１２との間がカーボンフェルト１７で充填されている。その他の点は、第１の実施形態に係るフロー電池１と同様であり、共通の構成については同一の符号を付して、詳細な説明は省略する。
【００５８】
フロー電池１Ａは、負極１１とセパレータ１２との間が導電性を有するカーボンフェルト１７で充填されている。すなわち、負極室２ｂの内部が、カーボンフェルト１７で充填されている。そして、カーボンフェルト１７は、負極１１およびセパレータ１２と当接している。カーボンフェルト１７は導電性を有していることから、負極１１と当接しているカーボンフェルト１７は負極１１と同電位となる。これにより、カーボンフェルト１７に接触した酸素ガスについても、負極１１と接触した酸素ガスと同様に化学反応させることができる。したがって、負極室２ｂ内部全体での酸素ガスの消費効率を向上させることができる。
【００５９】
なお、カーボンフェルト１７を負極１１とセパレータ１２との間に充填させる手段としては、例えば、負極用フレーム２ｅに設けられた孔部２ｅａ（図２参照）の内部領域にあらかじめカーボンフェルト１７を充填し、その後セル２の各構成部材を積層すればよい。
【００６０】
さらに、フロー電池１Ａにおいては、カーボンフェルト１７が負極１１と同電位になっていることから、負極室２ｂでの単位体積あたりの負極１１の電界密度を小さくすることができる。したがって、負極１１における電界密度が高い場合に生成しやすくなる亜鉛デンドライトの生成を抑制することができる。
【００６１】
なお、フロー電池１Ａにおいて、カーボンフェルト１７は負極室２ｂの内部に隙間無く設ける必要は無い。しかしながら、負極室２ｂの内部に隙間無くカーボンフェルト１７を配置することにより、電解液２０と共に負極室２ｂに流入した酸素ガスがカーボンフェルト１７と接触する確率が高まることから、より効率的に酸素ガスを消費させることができる。
【００６２】
以上、本発明の各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、上述の実施形態においては、電解液２０をタンク１３から正極室２ａ、負極室２ｂの順に循環させてタンク１３に戻すように構成されたフロー電池１およびフロー電池１Ａを示したが、これに限定されるものではない。例えば、電解液２０をタンク１３から負極室２ｂ、正極室２ａの順に循環させてタンク１３に戻すように構成されていてもよい。この場合においても、正極室２ａ内で発生した酸素ガスはタンク１３を経由して負極室２ｂに供給することができることから、負極室２ｂ内で酸素ガスを消費させることができ、フロー電池１、１Ａ内に酸素ガスが蓄積されることを防止することができる。発生した酸素ガスを含む電解液を一度タンクに戻すことで、電解液中の酸素ガスが分散され負極における酸素ガスとの反応が緩やかに均一に進むことも期待できる。
【００６３】
また、上述の実施形態においては、第２配管１５をセル２の外部に配置する例について示したが、第２配管１５はセル２の外部に配置する場合に限られない。例えば、セル２の正極用フレーム２ｄ、セパレータ１２および負極用フレーム２ｅの内部をそれぞれ貫通して接続されるように構成された第２配管１５を用いて、正極室２ａと負極室２ｂとの間を接続してもよい。
【００６４】
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】
【００６５】
１、１Ａ  フロー電池
２    セル
２ａ  正極室
２ｂ  負極室
１０  正極
１１  負極
１２  セパレータ
１３  タンク
１４  第１配管
１５  第２配管
１６  第３配管
１７  カーボンフェルト
２０  電解液
２１  負極活物質
３０  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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