JP7149623B2 - レドックスフロー電池 - Google Patents
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Description
system)に最も適することが知られている。
[式1]
Vh≧0.05Vc
[式2]
0.05秒≦T≦Vh/Qmin
(式中、Vhは流体制御部に流入する電解液の最大体積、Vcは酸化-還元反応に参加する電解液の体積、Tは流体制御部の作動周期、Qminは電解液の分あたり平均流量を意味する。)
陽極電極と陰極電極との間に備えられる分離膜、及び陽極と陰極の外側面に積層される分離板を含む一つまたは二つ以上の電池セルと、
前記電池モジュールの内部に備えられ、前記陽極または陰極へ陽極電解液または陰極電解液を供給する一対の電解液タンクと、
前記電池セルと電解液タンクとを連結して電解液を移送する電解液流路と、
前記電解液流路に備えられ、電池モジュールの外部から伝達される圧力を電解液流路へ伝達して電解液の流れを制御する一つまたは二つ以上の流体制御部とを含むことを特徴とする。
前記電解液流路の一部に備えられ、一方向に電解液の流れを誘導する一つまたは複数の逆止弁と、
前記逆止弁に隣接して電解液流路に連通し、前記電池モジュールの外部から伝達される圧力を電解液流路へ直接伝達する流体移送管とを含むか、或いは
前記電解液流路の一側端に備えられ、前記電解液タンク内に位置する制御部ハウジングと、
前記電池モジュールの外部から伝達される圧力を制御部ハウジング内へ直接伝達する流体移送管と、
前記制御部ハウジングの側面に備えられ、電解液タンクから制御部ハウジングへ電解液を誘導し且つ制御部ハウジングから電解液流路へ電解液を誘導する一つまたは複数の逆止弁とを含むことができる。
[式1]
Vh≧0.05Vc
[式a]
T≦Vh/Qmin
[式2]
0.05秒≦T≦Vh/Qmin
(モジュール)
流体制御部:8,000mm3の体積を有し、ソレノイドイド弁付きPVC(polyvinylchloride)材質のハウジング
圧力発生器:最大0.1kWの消費電力、-0.1MPa~0.1MPaの圧力出力を有する陽圧-陰圧コンバーチブル型ポンプ、自体の逆止弁構造を持っており、2つのポートがそれぞれ陽圧と陰圧を発生させるポンプ
弁膜:エチレン-プロピレン-ジエンモノマーゴムとフッ素ゴム
陽極、陰極:炭素繊維及び黒鉛、炭素複合材料
(電解液)
電解液は、バナジウム(V)電解液であって、バナジウムイオンの濃度は1.6molであり、その他に硫酸を含むものを使用した。
(電解液の最大体積(Vh))
流体制御部に電解液タンクと前記ポンプを接続した後、前記ポンプを介して流体制御部に陰圧を加えて電解液を流体制御部へ移送させたときの最大流量を測定した。
(電解液の反応体積(Vc))
電池セルの反応面積は横70mm、縦70mmであり、電極の圧縮厚さは2mmであり、電解液の流路のうち幅が最も狭いところの幅が2mmであり、最終的に電解液の反応体積は9,800mm3であった。
(電流効率)
電圧範囲1.2V乃至1.6V、電流密度40mA/cm2乃至200mA/cm2で充電及び放電を行うが、これを1サイクル(cycle)にして10サイクル繰り返し行った後、平均値を計算した。
(流量偏差比率)
流体制御部ごとに一定時間の間に測定された電解液の最大体積を下記式3に代入して計算した。
[式3]
流量偏差比率=(L-S)/L
(式3中、Lは各流体制御部の流量の最大値であり、Sは各流体制御部の流量の最小値である。)
(効率偏差比率)
各流体制御部に接続された電池セルのエネルギー効率を測定し、下記式4に代入して計算した。
[式4]
効率偏差比率=(M-N)/M
(式4中、Mは電池セルのエネルギー効率の最大値であり、Nは電池セルのエネルギー効率の最小値である。)
流体制御部は、合計10つを備えるが、一つの圧力発生器に接続した。一つの電解液タンクにそれぞれ2つの流体制御部を接続した。そして、それぞれの流体制御部を介して移送される電解液の流量を個別に測定した。このとき、電解液の最大体積Vhと電解液の反応体積Vcとの割合をそれぞれ0.05(実施例1)、0.02(比較例1)、20(比
較例2)に調節したときに流量偏差比率を測定し、図14a乃至図14c及び表1に記載した。
流量臨界値を測定するために、実施例1の条件と同様にするが、1分あたりの平均流量がVcの0.5%であるときから3000%の範囲で実験を行い、電池セルの効率変化を測定した。この範囲で式4に基づいて計算した効率偏差比率を示した。このとき、1分あたりの平均流量がVcの10%以上である場合、明確な結果値の差異がないので、0.5%乃至10%の範囲の値を示した。
10 電池モジュール
100 電池セル
110 陽極
120 陰極
130 分離膜
140 分離板
150 ハウジング
200 電解液タンク
210 陽極電解液タンク
220 陰極電解液タンク
300 流体制御部
310 逆止弁
311 第1逆止弁
312 第2逆止弁
320 制御部ハウジング
330 流体移送管
340 圧力制御弁
350 電解液流入防止器
360 流体濾過器
400 電解液流路
500 圧力発生器
600 モジュール連結部
Claims (9)
- レドックスフロー電池において、
前記レドックスフロー電池は、
内部に陽極と陰極に区分される一対の電極、前記電極同士の間に備えられる分離膜、及び前記電極の外側面に積層される分離板を含む電池セル、前記電池セルの陽極または陰極へ陽極電解液または陰極電解液を供給する電解液タンク、前記電池セルと電解液タンクとを連結して電解液を移送する電解液流路、及び電気モジュールの外部の圧力発生器により生成された圧力を前記電解液流路へ伝達して電解液の流れをつくる流体制御部を含む二つ以上の電池モジュールを備え、
前記流体制御部は、
電解液流動空間(Vh_electrolyte)と、前記電解液流動空間と物理的または概念的に分離されて前記流体制御部に圧力を伝達する自由空間(Vh_free)とを含み、
前記圧力発生器により生成される前記圧力を電解液流路へ伝達する流体移送管と、
前記流体移送管から伝達された前記圧力に応じて前記電解液流路に一方向に電解液の流れを誘導する弁とをさらに含み、
前記圧力発生器が陽圧及び陰圧を発生させて前記流体制御部に伝達すると、前記流体制御部内の圧力が変化し、前記弁が動いて電解液の流れを作り、陽圧と陰圧が繰り返されることにより、前記流体制御部が前記電池セルに電解液を供給し、
前記電池モジュールはそれぞれまたは一定の個数の電池モジュールごとに独立して電解液を循環させて充放電し、前記レドックスフロー電池は下記式1及び式2を満足するものである、レドックスフロー電池。
[式1]
Vh≧0.05Vc
[式2]
0.05秒≦T≦Vh/Qmin
(式中、Vhは流体制御部に流入する電解液の最大体積、Qminは臨界流量であって、1分あたり流れる電解液の体積が反応体積Vcの3%に該当する値、Tは流体制御部の作動周期を意味し、
前記流体制御部に流入する電解液の最大体積は、前記流体制御部に前記電解液タンクと前記圧力発生器を連結した後、前記圧力発生器を介して流体制御部に陰圧を加えて電解液を前記流体制御部に移送させたときの最大流量を意味し、
前記反応体積Vcは、前記電解液が直接接触する部分である流路のうち前記電池セルの構成要素である分離膜、分離板、電極を基準に面積が最も小さい構成要素の面積と、電解液の流路のうち対面距離が最も短いところの長さとの積を意味し、
前記流体制御部の作動周期は、Vh/Vc値が固定されたとき、Vhが最も大きい流体制御部を基準に必要な陽圧と陰圧の圧力変換周期を意味する。) - 前記電池モジュールは、
一つまたは二つ以上の電池セルと、
前記電池モジュールの内部に備えられ、前記陽極または陰極へ陽極電解液または陰極電解液を供給する一対の電解液タンクと、
前記電解液流路に備えられ、一つまたは二つ以上の流体制御部とを含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池。 - 前記流体制御部の前記弁は、前記電解液流路の内部に備えられ、一方向に電解液の流れを誘導する一つまたは複数の逆止弁を含み、
前記流体制御部の前記流体移送管は、前記逆止弁に隣接して電解液流路に連通し、前記圧力発生器から伝達される圧力を電解液流路へ直接伝達する、請求項1に記載のレドックスフロー電池。 - 前記流体制御部は、前記電解液流路の一側端に備えられ、
前記電解液タンク内に位置する制御部ハウジングを含み、
前記流体制御部の前記流体移送管は、前記電池モジュールの外部から伝達される圧力を制御部ハウジング内へ直接伝達し、
前記流体制御部の前記弁は、前記制御部ハウジングの側面に備えられ、電解液タンクから制御部ハウジングへ電解液を誘導し且つ制御部ハウジングから電解液流路へ電解液を誘導する一つまたは複数の逆止弁を含む、請求項1に記載のレドックスフロー電池。 - 前記電池モジュールは、二つ以上の流体制御部を備えるものである、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記電池モジュールは、二つの流体制御部を備え、前記流体制御部の圧力供給周期は、いずれか一つの流体制御部の陽圧周期の区間または陰圧周期の区間が互いに重なり合うようにする、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記流体制御部は、一つまたは二つ以上の圧力制御弁をさらに備え、
前記圧力制御弁は、流体制御部に陽圧と陰圧を交互に供給するため前記圧力発生器と前記流体制御部との間に備えられることを特徴とする、請求項1に記載のレドックスフロー電池。 - 前記流体移送管は、内部に弁膜、遮断弁、逆止弁及び浮遊弁から選ばれるいずれか一つまたは二つ以上の電解液流入防止器をさらに備えるものである、請求項3に記載のレドックスフロー電池。
- 前記流体移送管は流体濾過器をさらに備えるものである、請求項3に記載のレドックスフロー電池。
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