(57)【要約】  平面セルの少なくとも１つのスタック（１７）と、少なくとも１つの負の電解質タンク（３）と、少なくとも１つの正の電解質タンク（４）と、少なくとも２つのポンプ（５及び６）とを備えて、平面セルの少なくとも１つのスタック（１７）に電解質を供給するタイプのフロー電池。第１のタンク（３）及び第２のタンク（４）の一方又は両方、１次キャビネット（１９）、地下タンク容器（２０）とタンク（３及び４）との間に断熱材（１８）を有する地下タンク容器（２０）、少なくとも１つの２次熱交換器（２１）、少なくとも１つの１次熱交換器（２２）、少なくとも１つの冷却材ポンプ（２３）であり、前記容器（２０）が地下に埋設される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つのスタック１７と、少なくとも１つの負の電解質タンク３と、少なくとも１つの正の電解質タンク４と、少なくとも２つのポンプ５及び６と、１次キャビネット１９と、各タンク用の地下容器２０と、前記タンク３及び４と前記容器２０との間、並びに前記タンク３と４の間の断熱材１８と、少なくとも１つの２次熱交換器２１と、少なくとも１つの１次熱交換器２２と、少なくとも１つの冷却材ポンプ２３とを備え、前記地下タンク容器２０が地下に埋設され、前記１次キャビネット１９が地上に配置される、フロー電池。
【請求項２】
同じく地下にあるあらゆる構成要素を、前記地下タンク容器２０の内側に配置することによって、前記１次キャビネット１９をなくすことができ、地面でのアクセスを可能にする、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項３】
前記地下タンク容器が、温度範囲が適切なレベルで安定している特定の深さに配置される、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項４】
前記２次熱交換器は、管状又は他の断面形状とすることができ、ポリプロピレン又はポリエチレンなど比較的低コストのプラスチック材料から構成され、管状又は他の断面形状の前記２次熱交換器が、地面と直接接触しており、効率を最大化する最良の熱伝達を得る、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項５】
管状又は他の形状の前記１次熱交換器は、ポリプロピレン又はポリエチレンの例など低コストのプラスチック材料から作製してもよく、前記電解質に直接接触している両方の前記電解質タンクの内側に配置され、効率を最大化する前記最良の熱伝達を得る、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項６】
冷却材ポンプが、管状又は他の断面形状の前記１次熱交換器の片側に接続され、前記ポンプのもう一方の側が、管状又は他の断面形状の前記２次熱交換器に接続され、１次熱交換器と２次熱交換器の両方のもう一方側が、相互に互いへ接続されて、単一回路を形成する、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項７】
エチレングリコール又は他の抗凍結化合物溶液が、熱交換器回路の内部で使用される、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項８】
反応によって生成される熱が、前記熱交換器回路によって地面に放散される、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項９】
サイズが従来のサイズよりもコンパクトであり、地下に配置された前記タンクはまた、外部の衝撃によって生じる潜在的な損傷から保護される、請求項１に記載のフロー電池。
【請求項１０】
前記地下タンク容器２０が、流出物封じ込め容器としての追加機能を有する、請求項１に記載のフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はフロー電池に関し、詳細には、陽極液タンク及び陰極液タンクが地下に埋められていて、この電解質の温度を安全範囲に保持する、新規なフロー電池モジュールに関する。
【背景技術】
【０００２】
フロー電池は、溶解した１つ又は複数の電気活性物質を含む電解質が電気化学セルを通って流れる充電式電池のタイプであり、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換する。電解質は外部タンクに貯蔵され、反応槽のセルを通してポンプでくみ出される。
【０００３】
フロー電池には、（電力構成部品とエネルギー構成部品を分離することによる）柔軟なレイアウト、長いライフ・サイクル、迅速な応答時間、充電を平滑化する必要がないこと、及び有害な放出物がないことといった利点がある。
【０００４】
フロー電池は、１ｋＷｈ〜数ＭＷｈのエネルギー需要を伴う定置用途向けに使用される。すなわち、グリッドの負荷を平滑化するのに使用され、ここで、この電池を使用して、夜間にエネルギーを低コストで蓄積し、相対的にコストが高いときにこのエネルギーをグリッドに戻すが、太陽エネルギーや風力などの再生可能資源からやはり電力を蓄積して、次いでエネルギー需要のピーク期間にこのエネルギーを供給する。
【０００５】
具体的には、バナジウム・フロー電池は、２つの電解質がプロトン交換膜によって分離されている１組の電気化学セルを備える。両方の電解質はバナジウムを基にしている。すなわち、正の半電池での電解質はＶ４＋イオン及びＶ５＋イオンを含み、負の半電池での電解質はＶ３＋イオン及びＶ２＋イオンを含む。この電解質は、いくつかの方式で、たとえば硫酸（Ｈ２ＳＯ４）に五酸化バナジウム（Ｖ２Ｏ５）を電解溶解することによって調製することができる。使用される溶液は、強酸性のままである。バナジウム・フロー電池では、さらに非常に大量の電解質を含む貯蔵タンクに２つの半電池が接続され、この電解質がポンプによってセル内を循環するようになる。
【０００６】
電池を充電している間、正の半電池ではバナジウムが酸化され、Ｖ４＋がＶ５＋に変換される。除去された電子が負の半電池に移動され、そこでバナジウムをＶ３＋からＶ２＋に還元する。動作中、このプロセスが逆向きに発生し、開回路において２５℃で１．４１Ｖの電位差が得られる。陽極液電解質及び陰極液電解質は、通常０〜５０℃の限定温度範囲において安定である。この温度範囲外では、バナジウム種の沈殿が発生することになり、もはや電池反応に関与しなくなり、貯蔵容量を失う。
【０００７】
他のあらゆる電池技術で一般に見られるように、バナジウム・フロー電池は、プレート又は電極ではなく電解質に電気エネルギーを蓄積する唯一の電池である。
【０００８】
他のあらゆる電池とは違って、バナジウム・レドックス電池では、タンク内に含まれる電解質は、いったん充電されると自動放電されないが、電気化学セル内で静止している電解質部分は時間が経過するにつれて自動放電する。
【０００９】
電池に蓄えられる電気エネルギーの量は、タンクに含まれる電解質の量によって決まる。
【００１０】
特に効率的で具体的な建設的解決策によれば、バナジウム・フロー電池は、２つの電解質が高分子膜電解質によって内部で相互に分離されている１組の電気化学セルを含む。両方の電解質とも、溶解したバナジウムの酸性溶液から構成されている。正の電解質は、Ｖ５＋イオン及びＶ４＋イオンを含み、負の電解質はＶ２＋イオン及びＶ３＋イオンを含む。電池が充電されている間、正の半電池ではバナジウムが酸化し、負の半電池ではバナジウムが還元される。放電ステップ中、このプロセスは逆になる。電気的に直列で複数のセルを接続すると、電池の両端の電圧を上昇させることができ、その電圧は、セルの数に１．４１Ｖを掛けたものに等しい。
【００１１】
充電段階では、エネルギーを蓄えるためにポンプがオンになり、電気化学関連セル内を電解質が流れるようになる。電気化学セルに印加される電気エネルギーは、膜によってプロトン交換を促進し、電池を充電する。
【００１２】
放電段階では、ポンプがオンになり、電解質が電気化学セル内部に流れ、関連するセルにおいて正圧を生成し、したがって蓄積されたエネルギーを放出する。
【００１３】
内部抵抗値に起因する電池の動作中、レドックス反応によって熱が発生する。電解質中に溶解したバナジウム種がタンクの底に沈殿し、もはやレドックス反応に関与しなくなる臨界温度としての５０℃の限界に達するのを避けるために、前記熱を放散しなければならない。
【００１４】
図１は、従来のバナジウム・レドックス・フロー電池を示す概略図である。図１に示すように、従来のバナジウム・レドックス・フロー電池は、複数の正極７、複数の負極８、正の電解質１、負の電解質２、正の電解質タンク３、及び負の電解質タンク４を備える。正の電解質１及び負の電解質２は、それぞれタンク３及びタンク４に貯蔵される。同時に、正の電解質１及び負の電解質２はそれぞれ、正の接続パイプライン及び負の接続パイプラインを介して、正極７及び負極８を通過して、やはり図１に矢印で示してあるそれぞれのループを形成する。ポンプ５及びポンプ６は、電解質を電極に絶えず給送するように、接続パイプラインに取り付けられることが多い。
【００１５】
さらに、電力変換ユニット１１、たとえば、ＤＣ／ＡＣ変換器は、バナジウム・レドックス・フロー電池に使用することができ、電力変換ユニット１１は、正の接続線９及び負の接続線１０を介して、それぞれ正極７及び負極８に電気的に接続され、この電力変換ユニット１１はまた、外部入力電源１２及び外部負荷１３にそれぞれ電気的に接続して、この外部入力電源１２によって生成されるＡＣ電力をＤＣ電力に変換して、バナジウム・レドックス・フロー電池を充電することができ、又はバナジウム・レドックス・フロー電池によって放電されるＤＣ電力をＡＣ電力に変換して、外部負荷１３に出力することができる。
【００１６】
図２には、最新技術による従来のフロー電池の概略図が示してあり、この電池は、図１に記載されるように、フロー電池全体を、専用のキャビネット１５に備えていて、電池を安全な温度範囲に維持し、熱管理装置１４が組み込まれている。
【００１７】
前述の専用キャビネット１５は、屋外設置向けに設計されている。断熱材１６によって、キャビネット１５は、寒い季節での過酷な気候、及び暖かい季節での太陽照射から生じる熱から電池を保護するが、（たとえば、空気調和ユニット、又は熱シンクに連通している単純な熱交換器とすることができる）熱管理装置１４、１７が、図２に示すように、ポンプ５及び６とともに、電池のエネルギーを使用して、温度が最大温度限度を超えたときに熱を放散するか、又は代替的に寒い天候の場合に電池を加熱することにする。
【００１８】
しかし、最新技術による先に述べた従来のフロー電池の欠点によって、電池を理想的な温度範囲内に保つように動作するとき、熱管理装置１４、１７の電力消費に起因する効率の低下が引き起こされることになる。
【００１９】
最新技術による先に述べた従来のフロー電池のさらなる欠点は、キャビネット１５のサイズが重要であり、通信塔又は住宅など、サイズが重要なある種の施設を排除することである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
したがって、先に述べた従来のフロー電池設計によって提示された問題を解決して、改善された効率及び信頼性を実現し、同時に運用コストを削減し、回収期間を短縮するために、熱管理が改善されたバナジウム・レドックス・フロー電池を実現する必要がある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
図３に示すように、本発明の目的は、革新的な形状を有し、少なくとも１つのスタック１７と、少なくとも１つの負の電解質タンク３と、少なくとも１つの正の電解質タンク４と、少なくとも２つのポンプ５及び６と、１次キャビネット１９と、タンク３及び４用の地下容器２０であって、この容器２０とタンク３及び４との間に断熱材１８を有する地下容器２０と、少なくとも１つの２次熱交換器２１と、少なくとも１つの１次熱交換器２２と、少なくとも１つの冷却材ポンプ２３とを備える、バナジウム・レドックス・フロー電池モジュールを実現することであり、ここで、容器２０は地下に埋設され、１次キャビネット１９は地上にとどまる。地下タンク容器２０は、流出物封じ込め容器としても働く追加機能を有する。
【００２２】
地下容器２０は、地熱エネルギーを取り込んで、図４に説明する安全範囲内に電解質温度を保つように、たとえば地下２メートルに埋設され、熱管理システムの電力消費を最小限に抑えることになる。一方で、本発明では、地熱温度の安定性によって、総合的な効率及び信頼性が向上する。地下２メートルでは、地表での設置に典型的な広い温度変動から電池モジュールを保護するバナジウム・フロー電池の安定性のために、地表温度は理想的な範囲内にとどまる。
【００２３】
本発明のさらなる目的は、サイズが小さく、動作するのに比較的単純であり、使用するのに安全なフロー電池を実現することである。
【００２４】
本発明のさらなる特徴及び利点は、添付図面に限定されない例として示してある、本発明によるフロー電池の好ましいが排他的ではない実施形態の説明からさらに明らかになろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】従来のバナジウム・フロー電池を示す概略図である。
【図２】最新技術によるフロー電池モジュールの概略図である。
【図３】本発明によるバナジウム・フロー電池の概略図である。
【図４】様々な深さでの年間を通しての地熱温度の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
図３に示すように、本発明の目的は、革新的な形状を有し、少なくとも１つのスタック１７と、少なくとも１つの負の電解質タンク３と、少なくとも１つの正の電解質タンク４と、少なくとも２つのポンプ５及び６と、１次キャビネット１９と、タンク３及び４用の地下容器２０であって、この容器２０とタンク３及び４との間に断熱材１８を有する地下容器２０と、少なくとも１つの２次熱交換器２１と、少なくとも１つの１次熱交換器２２と、少なくとも１つの冷却材ポンプ２３とを備える、バナジウム・レドックス・フロー電池モジュールを実現することであり、ここで、容器２０は地下に埋設され、１次キャビネット１９は地上にとどまる。地下タンク容器２０は、流出物封じ込め容器としても働く追加機能を有する。
【００２７】
地下容器２０は、地熱エネルギーを取り込んで、図４に説明するように、安全範囲内に電解質温度を保つように、たとえば地下２メートルに埋設され、熱管理システムの電力消費を最小限に抑えることになる。一方で、本発明では、地熱温度の安定性によって、総合的な効率及び信頼性が向上する。地下２メートルでは、地表での設置に典型的な広い温度変動から電池モジュールを保護するバナジウム・フロー電池の安定性のために、地表温度は理想的な範囲内にとどまる。
【００２８】
本発明のさらなる目的は、サイズが小さく、動作するのに比較的単純であり、使用するのに安全なフロー電池を実現することである。
【００２９】
図４には、概して、様々な深さにおける、１年のうちの１日に対する地表温度の一例を示す図が示してある。たとえば２メートルでの熱サイクルは、寒い季節での摂氏６度から、暖かい季節での摂氏１３度までの間に含まれる範囲において安定である。
【００３０】
本発明によるフロー電池モジュールでは、地表温度サイクルが、図４に説明されるものなど外部環境よりも安定している、たとえば地下２メートルに地下容器２０が埋設されることになり、熱調整にエネルギー消費を要する温度のピークを解消する。
【００３１】
本発明によるフロー電池モジュールでは、断熱材１８が、地下タンク容器２０と２つのタンク３及び４との間でそれぞれ、電解質タンクを断熱状態に保つことになる。
【００３２】
本発明によるフロー電池モジュールでは、２次管状熱交換器２１が、地下タンク容器２０の周り全体に配置される。２次管状熱交換器２１は、ポリプロピレン又はポリエチレンなど低コストのプラスチック材料から製造されてもよく、この２次管状熱交換器は、地面に直接接触しており、ほぼ最良の熱伝達を実現し、効率を最大化しようとする。
【００３３】
本発明によるフロー電池モジュールでは、１次管状熱交換器２２は、電解質タンク３と４の両方の内側に配置され、電解質と直接接触している。冷却材ポンプ２３によって、１次管状熱交換器の片側が、２次管状熱交換器２１の片側に接続されており、１次熱交換器２２と２次管状熱交換器２１の両方のもう一方の側が相互に接続されて、単一回路を形成する。エチレングリコール溶液が、熱交換器回路の内側を満たす。
【００３４】
本発明によるフロー電池モジュールは、過酷な気候の場合、地下タンク容器２０に伝達される地熱温度によって、摂氏＋５度〜摂氏＋１３度の間の理想的な温度範囲内にとどまることになる。
【００３５】
本発明によるフロー電池モジュールは、暑い気候の場合、地下タンク容器２０から地面に熱を伝達し、理想的な温度範囲内にとどまることになるが、それというのも、反応によって生成される熱が、熱交換器回路を用いて地面によって放散されるからである。
【００３６】
本発明のフロー電池モジュールでは、さらなる利点は、そのサイズが従来のサイズよりもコンパクトであるという事実からなり、地下に設置されたタンクはまた、外部からの衝突又は打撃によって生じる潜在的な損傷から保護される。
【００３７】
本発明のフロー電池モジュールでは、さらなる利点は、地下タンク容器２０が、流出物封じ込め容器として働く追加機能を有するという事実からなる。
【００３８】
一方、本発明では、地熱温度の安定性によって総合効率及び信頼性が向上し、この地熱温度の安定性が、電解質を安全に貯蔵するための理想的な範囲内にとどまることになり、熱管理装置のエネルギー消費を最小限に抑える。
【００３９】
任意の請求項で言及される技術的特徴の後に参照符号が続く場合、そうした参照符号は、もっぱら特許請求の範囲の理解しやすさを向上させるために含まれてきており、したがって、このような参照符号は、一例としてこのような参照符号によって識別される各要素の解釈になんら限定的な影響を及ぼすものではない。本発明の好ましい実施形態を参照して本発明を説明してきたが、添付特許請求の範囲によって定義されるものである本発明の範囲から逸脱することなく、様々な修正及び変更を加えてもよいことが当業者には明らかである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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