WO2019106722A1 - レドックスフロー電池 - Google Patents

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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Definitions

  • the present invention relates to a redox flow battery.
  • Patent Document 1 a cell performing charge and discharge with the power system, an electrolytic solution tank storing an electrolytic solution supplied to the cell, and a cell disposed between the cell and the electrolytic solution tank to circulate the electrolytic solution And a circulation mechanism.
  • the circulation mechanism includes a circulation pump, a pipe connected from the electrolyte tank to the circulation pump, a pipe connected from the circulation pump to the cell, and a pipe connected from the cell to the electrolyte tank.
  • the circulation pump is disposed on the side of the electrolyte tank.
  • the redox flow battery of the present disclosure is A redox flow battery comprising: a cell; an electrolytic solution tank for storing an electrolytic solution supplied to the cell; and a circulation mechanism disposed between the cell and the electrolytic solution tank to circulate the electrolytic solution.
  • the circulation mechanism is A suction pipe for sucking up the electrolytic solution from the opening end in the electrolytic solution to the upper side of the liquid surface in the tank of the electrolytic solution in the electrolytic solution tank; A circulation pump provided at an end of the suction pipe; An extrusion pipe connected from the discharge port of the circulation pump to the cell; A return line connected from the cell to the electrolyte tank;
  • the height from the bottom surface in the electrolytic solution tank to the liquid surface in the tank is H 0
  • the length from the liquid surface in the tank to the open end of the suction pipe is H L1 , the above in the depth direction of the electrolytic solution
  • the length from the in-tank liquid surface to the open end of the return pipe is H L2 and the distance from the in-tank liquid surface to the center of the pipeline at the highest position in the return pipe is H d
  • the absolute value of the difference between H L1 and H L2 is at least 0.4 times H 0 , and both H L1 and H L2 are less than H d .
  • FIG. 1 is a schematic configuration view of a redox flow battery of Embodiment 1.
  • FIG. 2 is a schematic configuration view of a circulation mechanism provided in the redox flow battery of Embodiment 1.
  • 5 is a schematic configuration view of a circulation mechanism provided in the redox flow battery of Embodiment 2.
  • a circulation pump is disposed on the side of the electrolyte tank to circulate the electrolyte through the cell. Therefore, if the piping from the electrolytic solution tank to the circulation pump is damaged, almost all the electrolytic solution in the electrolytic solution tank may leak to the outside.
  • an object of the present disclosure is to provide a redox flow battery in which the electrolytic solution is less likely to leak to the outside of the electrolytic solution tank even if the piping from the electrolytic solution tank to the circulation pump is damaged.
  • the present inventors examined a configuration in which the electrolytic solution is absorbed above the electrolytic solution tank.
  • the suction height also referred to as a suction actual lift
  • the pump power of the circulation pump must be increased.
  • the height of the open end of the suction pipe and the height of the open end of the return pipe may be made different to promote convection of the electrolytic solution in the electrolytic solution tank.
  • the suction pipe and return pipe become longer, the pressure loss associated with the friction between the pipe and the electrolyte increases, and the pump power required for the circulation pump increases.
  • the inventor further studies the configuration for sucking up the electrolytic solution, and by defining the relationship between the actual head and the pipe length of the suction pipe and return pipe, the circulation pump used for the circulation mechanism can be miniaturized, and the redox We have found that it is possible to reduce the power consumption required to operate a flow battery.
  • the contents of the embodiments of the present invention will be listed and described below.
  • the redox flow battery concerning ⁇ 1> embodiment is: A redox flow battery comprising: a cell; an electrolytic solution tank for storing an electrolytic solution supplied to the cell; and a circulation mechanism disposed between the cell and the electrolytic solution tank to circulate the electrolytic solution.
  • the circulation mechanism is A suction pipe for sucking up the electrolytic solution from the opening end in the electrolytic solution to the upper side of the liquid surface in the tank of the electrolytic solution in the electrolytic solution tank; A circulation pump provided at an end of the suction pipe; An extrusion pipe connected from the discharge port of the circulation pump to the cell; A return line connected from the cell to the electrolyte tank;
  • the height from the bottom surface in the electrolytic solution tank to the liquid surface in the tank is H 0
  • the length from the liquid surface in the tank to the open end of the suction pipe is H L1 , the above in the depth direction of the electrolytic solution
  • the length from the in-tank liquid surface to the open end of the return pipe is H L2 and the distance from the in-tank liquid surface to the center of the pipeline at the highest position in the return pipe is H d
  • the absolute value of the difference between H L1 and H L2 is at least 0.4 times H 0 , and both H L1 and H L2 are less than H d .
  • the electrolytic solution When circulating the electrolytic solution from the electrolytic solution tank to the cell, the electrolytic solution is absorbed above the liquid surface in the tank, so that even if the suction piping from the electrolytic solution tank to the circulation pump is damaged, the electrolytic solution tank The electrolyte hardly leaks to the outside of the If the suction pipe is damaged, the airtightness of the suction pipe is broken, and the electrolyte in the suction pipe returns to the electrolyte tank by gravity.
  • H L1 and H L2 are 0.4 times or more of H 0 , that is,
  • the suction pipe from the open end of the return pipe Since the distance to the opening end of the above is long and a large convection can easily occur in the electrolytic solution, the utilization rate of the electrolytic solution in the electrolytic solution tank can be improved.
  • H L2 0, ie, H L1 0.40.4H 0 .
  • NPSHr Net Positive Suction Head required
  • NPSHa effective suction head
  • NPSHa [m] [( P A -P V) ⁇ 10 6 / p ⁇ g] -H S -H fs P A ... Absolute pressure applied to the liquid level in the electrolyte tank [MPa] P V ... Vapor pressure of the electrolyte at the inlet temperature of the circulation pump [MPa] p ... Density of electrolyte [kg / m 3 ] g ... Gravitational acceleration [9.8 m / s 2 ] H S ...
  • NPSHa has a physical limit, and there is a possibility that NPSHr ⁇ NPSHa can not be satisfied if H 2 S 2 (suction actual lift) becomes too high. Therefore, the actual head H d accounts suction actual head H S, is preferably not more than 40% of the actual head H d.
  • the circulation pump is a self-priming pump including a pump main body including an impeller and a drive unit for rotating the impeller.
  • the pump body may be disposed above the fluid level in the tank.
  • maintenance of the circulation pump can be easily performed.
  • the electrolytic solution in the suction pipe is returned to the electrolytic solution tank, and there is no need to take out the impeller and the like from the electrolytic solution.
  • the impeller may be disposed in the electrolytic solution. In such a circulation pump, it takes time and effort to take out the impeller from the electrolytic solution at the time of maintenance, and there is also a possibility that the electrolytic solution may be scattered at the time of taking it out.
  • the circulation pump may further include a priming tank disposed between the pump body and the suction pipe.
  • the electrolyte in the priming water tank is sucked by the circulation pump to reduce the pressure of the gas phase in the priming water tank and suck the electrolyte from the electrolyte tank to the priming water tank.
  • the electrolytic solution stored in the electrolytic solution tank is first sucked up, it is sufficient to put the electrolytic solution in the priming tank and operate the circulation pump, and the initial suction operation can be easily performed.
  • the electrolyte pump can not be absorbed unless the circulation pump and the suction pipe are in the preparation state in which the electrolyte is filled.
  • the leaked electrolyte can be easily retained in the cell chamber. As a result, it is easy to treat the leaked electrolyte and to improve the safety of the treatment.
  • FIG. 1 Prior to the description of the redox flow battery according to the embodiment, the basic configuration of the redox flow battery (hereinafter, RF battery 1) will be described based on FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 the basic configuration of the redox flow battery (hereinafter, RF battery 1) will be described based on FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 1 the basic configuration of the redox flow battery (hereinafter, RF battery 1) will be described based on FIGS. 1 to 3.
  • An RF battery is one of the electrolyte circulation type storage batteries, and is used for storing new energy such as solar power generation and wind power generation.
  • the operation principle of this RF battery 1 will be described based on FIG.
  • the RF battery 1 has a redox potential of the active material ion (vanadium ion in FIG. 1) contained in the positive electrode electrolyte and a redox potential of the active material ion (vanadium ion in FIG. 1) contained in the negative electrode electrolyte. Charge and discharge using the difference between The RF battery 1 is connected to the substation facility 90 of the power system 9 via the power converter 91, and performs charging and discharging with the power system 9.
  • electric power converter 91 is an AC / DC converter. If the power system is a power system that performs DC power transmission, the power converter 91 is a DC / DC converter.
  • the RF battery 1 includes the cell 100 separated into the positive electrode cell 102 and the negative electrode cell 103 by the diaphragm 101 which transmits hydrogen ions.
  • a positive electrode 104 is contained in the positive electrode cell 102, and a positive electrode electrolyte tank 106 for storing a positive electrode electrolyte is connected via conduits 108 and 110.
  • the conduit 108 is provided with a circulation pump 112, and these members 106, 108, 110, 112 constitute a positive electrode circulation mechanism 100P for circulating the positive electrode electrolyte.
  • a negative electrode 105 is contained in the negative electrode cell 103, and a negative electrode electrolyte tank 107 for storing a negative electrode electrolyte is connected via conduits 109 and 111.
  • the conduit 109 is provided with a circulation pump 113, and these members 107, 109, 111, and 113 constitute an anode circulation mechanism 100N for circulating the electrolyte for the anode.
  • the electrolyte stored in each of the electrolyte tanks 106 and 107 is circulated into the cells 102 and 103 by the circulation pumps 112 and 113 at the time of charge and discharge. When charging and discharging are not performed, the circulation pumps 112 and 113 are stopped and the electrolyte is not circulated.
  • the cell 100 is usually formed inside a structure called a cell stack 200 as shown in FIGS. 2 and 3.
  • the cell stack 200 is configured by sandwiching a laminated structure called a substack 200s (FIG. 3) by two end plates 210 and 220 from both sides thereof and clamping them by a clamping mechanism 230 (illustrated in FIG. 3) In the configuration, a plurality of substacks 200s are used).
  • a plurality of cell frames 120, positive electrodes 104, diaphragms 101, and negative electrodes 105 are stacked, and the stacked body is provided with discharge plates 190 and 190 (see the lower figure in FIG. 3; omitted in FIG. 2). It has a configuration sandwiched between).
  • the cell frame 120 has a frame 122 having a through window and a bipolar plate 121 closing the through window. That is, the frame 122 supports the bipolar plate 121 from the outer peripheral side.
  • a cell frame 120 can be produced, for example, by molding the frame 122 integrally on the outer peripheral portion of the bipolar plate 121. Also, prepare a frame 122 in which the outer peripheral edge of the through window is formed thin and a bipolar plate 121 manufactured separately from the frame 122, and fit the outer peripheral portion of the bipolar plate 121 in the thin portion of the frame 122 Thus, the cell frame 120 can also be manufactured.
  • the positive electrode 104 is disposed on one side of the bipolar plate 121 of the cell frame 120 so as to be in contact with the other side, and the negative electrode 105 is disposed on the other side of the bipolar plate 121.
  • one cell 100 is formed between the bipolar plates 121 fitted into the adjacent cell frames 120.
  • the flow of the electrolytic solution to the cell 100 through the supply and discharge plates 190 and 190 shown in FIG. 3 is performed by the liquid supply manifolds 123 and 124 formed on the cell frame 120 and the liquid discharge manifolds 125 and 126.
  • the electrolytic solution for the positive electrode is supplied to the positive electrode 104 through an inlet slit 123s (see a curved line shown by a solid line) formed on one surface side (the front side in the drawing) of the cell frame 120 from the supply manifold 123.
  • the fluid is discharged to the drainage manifold 125 via an outlet slit 125s (see a curved line shown by a solid line) formed at the top of the 120.
  • the negative electrode electrolyte is supplied from the liquid supply manifold 124 to the negative electrode 105 via the inlet slit 124s (see a curved path shown by a broken line) formed on the other surface side (the back side of the drawing) of the cell frame 120. And is discharged to the drainage manifold 126 through an outlet slit 126s (see a curved path shown by a broken line) formed at the top of the cell frame 120.
  • An annular seal member 127 such as an O-ring or a flat packing is disposed between the cell frames 120 to suppress the leakage of the electrolytic solution from the sub stack 200s.
  • Electrolyte solution one having a positive and negative active material as vanadium ion, one having a positive electrode active material as manganese ion, and one having a negative electrode active material as titanium ion, and others having known compositions can be used.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram of the RF battery 1
  • FIG. 5 is a schematic block diagram of the vicinity of the positive electrode circulation mechanism 100 P of the RF battery 1.
  • the constituent members are dispersedly arranged in three sections.
  • the first section is a cell stack 2 including the cell 100 and the circulation mechanisms 100P and 100N in the RF battery 1.
  • the first compartment is a container in this example.
  • the second section is a positive electrode tank container that functions as an electrolytic solution tank 106 for the positive electrode.
  • the third section is a negative electrode tank container that functions as an electrolytic solution tank 107 for the negative electrode.
  • the container which comprises the cell chamber 2 is arrange
  • the container which comprises the cell chamber 2 and the electrolyte solution tank 106, 107 utilizing the container of a standard article, for example, the container for sea transport, is mentioned.
  • the size of the container can be appropriately selected in accordance with the battery capacity, battery output, and the like of the RF battery 1.
  • the electrolytic solution tanks 106 and 107 may be formed of a large (small) container.
  • containers for international sea freight that conform to ISO standards for example, ISO 1496-1 (2013)
  • a 20-foot container or a 40-foot container, a 20-foot high cube container taller than them or a 40-foot high cube container can be used.
  • the circulation mechanism 100P (100N) includes the suction pipe 5, the circulation pump 112 (113), the extrusion pipe 6, and the return pipe 7.
  • the suction pipe 5 is a pipe whose open end is disposed in the electrolytic solution 8 and which sucks the electrolytic solution 8 above the electrolytic solution tank 106 (107).
  • the extrusion pipe 6 is a pipe connected from the discharge port of the circulation pump 112 (113) to the cell 100, and may be considered to correspond to the conduit 108 (109) in FIG.
  • the return line pipe 7 may be a pipe connected from the cell 100 to the electrolytic solution tank 106 (107), and may be considered to correspond to the conduit 110 (111) in FIG.
  • the return line piping 7 of this example is opened to the gas phase of the electrolytic solution tank 106 (107).
  • the return pipe 7 is preferably disposed at a position separated from the suction pipe 5 in the planar direction of the in-tank liquid surface, for example, at a diagonal position. This is because the convection of the electrolyte can be promoted by separating the two pipes 5 and 7 from each other.
  • the return pipe 7 is preferably disposed at a position separated from the suction pipe 5 in the planar direction of the in-tank liquid surface, for example, at a point-symmetrical position with respect to the center of the in-tank liquid surface. This is because the convection of the electrolyte can be promoted by separating the two pipes 5 and 7 from each other.
  • the circulation pump 112 is a self-priming pump provided with a pump main body 3 incorporating an impeller 30 and a drive unit 31 for rotating the impeller 30.
  • the pump body 3 is disposed in the cell chamber 2 and is not immersed in the electrolyte 8.
  • the configuration of the circulation pump 113 of FIG. 4 is also the same as that of the circulation pump 112 shown in FIG.
  • the circulation pump 112 further includes a priming tank 4 disposed between the pump body 3 and the suction pipe 5.
  • a priming tank 4 disposed between the pump body 3 and the suction pipe 5.
  • the pressure of the gas phase in the priming water tank 4 is reduced by suctioning the electrolyte solution 8 in the priming water tank 4 by the circulation pump 112, and the electrolyte from the electrolyte solution tank 106 to the priming water tank 4 I can suck up eight.
  • the electrolytic solution 8 stored in the electrolytic solution tank 106 is first sucked up, it is sufficient to put the electrolytic solution 8 in the priming tank 4 and operate the circulating pump 112, and the initial suction operation can be easily performed. .
  • the priming water tank 4 it is preferable to provide a valve (not shown) in the pipe that connects the pump body 3 and the priming water tank 4. At the time of maintenance of the pump body 3, it is preferable to close the valve and then remove the pump body 3 from the circulation mechanism 100P.
  • the RF battery 1 of FIG. 4 is configured to absorb the electrolytic solution 8 above the electrolytic solution tank 106 (107). According to this configuration, even if the suction pipe 5 extending from the electrolyte solution tank 106 (107) to the circulation pump 112 (113) is damaged, the electrolyte solution 8 hardly leaks to the outside of the electrolyte solution tank 106 (107). If the suction pipe 5 is damaged, the airtightness of the suction pipe 5 is broken, and the electrolyte 8 in the suction pipe 5 returns to the electrolyte tank 106 (107) by gravity.
  • the pump main body 3 of the circulation pump 112 (113) of this example is not immersed in the electrolyte 8, maintenance of the circulation pump 112 (113) can be easily performed.
  • the electrolytic solution 8 in the suction pipe 5 is returned to the electrolytic solution tank 106 (107) simply by stopping the circulation pump 112 (113), and there is no time for taking out the impeller 30 (FIG. 5) and the like from the electrolytic solution 8.
  • the pump body 3 is disposed in the cell chamber 2 formed above the electrolyte tank 106. Therefore, even if the electrolyte 8 leaks in the vicinity of the pump main body 3, the leaked electrolyte 8 is easily retained in the cell chamber 2. As a result, the processing operation of the leaked electrolyte solution 8 can be easily performed, and the safety of the processing operation can be easily improved.
  • the absolute value of the difference between H L1 and H L2 is 0.4 times or more of H 0 , and both H L1 and H L2 are H d or less.
  • H L1 The length from the liquid level in the tank to the open end 50 of the suction pipe 5.
  • H d The distance from the liquid level in the tank to the center of the highest pipeline of the return piping 7.
  • the return pipe 7 for discharging the electrolytic solution 8 around the cell 100 The distance from the open end 70 to the open end 50 of the suction pipe 5 is long, and large convection is likely to occur in the electrolytic solution 8.
  • the utilization rate of the electrolytic solution 8 in the electrolytic solution tank 106 can be improved.
  • it is preferably in the H L1 -H L2 ⁇ 0.6H 0, H L1 -H L2 ⁇ 0.8H 0 or H L1 -H L2 ⁇ 0.9H, It can be 0 .
  • H d tends to be high, and the pump power of the circulation pump 112 tends to be increased accordingly. Therefore, in order to suppress an increase in the pump power, it is preferable to reduce the friction loss in the suction pipe 5 and the return pipe 7 in the range in which the utilization rate of the electrolytic solution 8 is not reduced.
  • a circulation pump 112 for suctioning and circulating the electrolytic solution 8 by setting the H L1 related to the length of the suction pipe 5 and the H L2 related to the length of the return pipe 7 to the actual head H d or less. It is preferable to keep the pump power of As a result, power consumption when operating the RF battery 1 can be reduced, and there is a possibility that efficient operation of the RF battery 1 can be performed.
  • the suction actual lift H S is 0.4 times or less of H d. to, i.e. the like be H S ⁇ 0.4H d.
  • NPSHa has a physical limit, and if H 2 S becomes too high, NPSHa may decrease and NPSHr ⁇ NPSHa may not be satisfied. More, in order to suppress a decrease in NPSHa, H S ⁇ 0.3H d, and it is more preferable that the H S ⁇ 0.2H d.
  • the convection of the electrolyte solution 8 can be promoted, and the utilization rate of the electrolyte solution 8 can be improved. This is because the difference in height between the open end 50 of the suction pipe 5 and the open end 70 of the return pipe 7 is large, so that convection can easily occur in the electrolytic solution 8.
  • it is preferably in the H L2 -H L1 ⁇ 0.6H 0, H L2 -H L1 ⁇ 0.8H 0 or H L2 -H L1 ⁇ 0.9H, It can be 0 .
  • H L1 and H L2 are set to H d or less also in the second embodiment.
  • the H S ⁇ 0.4 H d and more preferably in the H S ⁇ 0.3H d or H S ⁇ 0.2H d,.
  • Example 1 the liquid utilization height ratio H L1 / H 0 0.9 0.96, and the utilization efficiency of the active material ions in the electrolytic solution is sufficiently ensured.
  • the liquid utilization height ratio is one of the indicators of the utilization rate of the electrolytic solution.
  • H d HH L1 and H L2 are satisfied, the pressure loss head (suction piping loss) of suction piping 5 is 0.79 m, and the pressure loss heads of extrusion piping 6 and return piping 7 are 9.60 m. there were.
  • the latter pressure drop head is larger than the former pressure drop head because the pressure drop head of the small diameter pipe portion in the vicinity of the cell stack 200 is large.
  • H S ⁇ 0.4H d is satisfied, NPSHa ⁇ 8.71 m, and NPSHr ⁇ NPSHa is satisfied, and the electrolyte can be circulated without any problem.
  • Example 2 shows a calculation example of the RF battery 1 of Embodiment 2 with reference to FIG.
  • the in-liquid length H L1 of the suction pipe 5 is 0.1 m
  • the in-liquid length H L2 of the return pipe 7 is 2.7 m
  • the other preconditions are the same as in Example 1.
  • the utilization efficiency of the active material ions in the electrolytic solution is sufficiently ensured.
  • Example 2 H d HH L1 and H L2 are satisfied, the pressure loss head (suction piping loss) of suction piping 5 is 0.67 m, and the pressure loss heads of extrusion piping 6 and return piping 7 are 9.73 m. there were.
  • the latter pressure drop head is larger than the former pressure drop head because the pressure drop head of the small diameter pipe portion in the vicinity of the cell stack 200 is large.
  • H S ⁇ 0.4H d is satisfied, NPSHa ⁇ 8.83 m, and NPSHr ⁇ NPSHa is satisfied, and the electrolyte can be circulated without any problem.
  • the amount of power necessary for the operation of the RF battery 1 can be reduced as compared to the case of H L1 and H L2 > H d , and the RF battery 1 can be operated efficiently. Can.
  • the RF battery according to the embodiment is used as a storage battery for the purpose of stabilizing the fluctuation of the power generation output, storing power when surplus power is generated, load leveling, etc. for the generation of new energy such as solar power generation and wind power generation. it can.
  • the RF battery of the present embodiment can be used as a large capacity storage battery system, which is juxtaposed to a general power plant, for the purpose of a countermeasure against instantaneous drop and power failure and load leveling.
  • Redox flow battery (RF battery) Reference Signs List 2 cell chamber 3 pump body 30 impeller 31 drive unit 32 suction port 33 discharge port 4 prime water tank 5 suction piping 50 opening end 6 extrusion piping 7 return piping 70 opening end 8 electrolyte 9 electric power system 90 substation equipment 91 power converter 100 cells 101 diaphragm 102 positive electrode cell 103 negative electrode cell 100 P positive electrode circulation mechanism 100 N negative electrode circulation mechanism 104 positive electrode 105 negative electrode 106 negative electrode electrolyte tank 107 negative electrode electrolyte tank 108, 109, 110, 111 conduit 112, 113 circulation Pump 120 Cell frame 121 Bipolar plate 122 Frame 123, 124 Supply manifold 125, 126 Drain manifold 123s, 124s Inlet slit 125s, 126s Outlet slit 127 Ring seal member 200 Cell stack 190 Supply / discharge plate 20 0s sub stack 210, 220 end plate 230 tightening mechanism

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Abstract

セルと電解液タンクと循環機構とを備えるレドックスフロー電池であって、前記循環機構は、前記電解液中の開口端から前記電解液タンク中の前記電解液のタンク内液面の上方に前記電解液を吸い上げる吸込み配管と、前記吸込み配管の端部に設けられる循環ポンプと、前記循環ポンプの吐出口から前記セルに繋がる押出し配管と、前記セルから前記電解液タンクに繋がる帰路配管と、を備え、前記電解液タンク内の底面から前記タンク内液面までの高さをＨ０、前記タンク内液面から前記吸込み配管の開口端までの長さをＨＬ１、前記電解液の深さ方向における前記タンク内液面から前記帰路配管の開口端までの長さをＨＬ２、前記タンク内液面から前記帰路配管のうちで最も高い位置にある管路の中央までの距離をＨｄとしたとき、ＨＬ１とＨＬ２との差の絶対値がＨ０の０．４倍以上で、ＨＬ１とＨＬ２が共にＨｄ以下である。

Description

レドックスフロー電池
　本発明は、レドックスフロー電池に関するものである。
　特許文献１には、電力系統との間で充放電を行なうセルと、セルに供給される電解液を貯留する電解液タンクと、セルと電解液タンクとの間に配されて電解液を循環させる循環機構と、を備えるレドックスフロー電池が開示されている。循環機構は、循環ポンプと、電解液タンクから循環ポンプに繋がる配管と、循環ポンプからセルに繋がる配管と、セルから電解液タンクに繋がる配管と、で構成されている。循環ポンプは、電解液タンクの側方に配置されている。
特開２０１２－１６４５３０号公報
　本開示のレドックスフロー電池は、
　セルと、前記セルに供給される電解液を貯留する電解液タンクと、前記セルと前記電解液タンクとの間に配されて前記電解液を循環させる循環機構と、を備えるレドックスフロー電池であって、
　前記循環機構は、
　　前記電解液中の開口端から前記電解液タンク中の前記電解液のタンク内液面の上方に前記電解液を吸い上げる吸込み配管と、
　　前記吸込み配管の端部に設けられる循環ポンプと、
　　前記循環ポンプの吐出口から前記セルに繋がる押出し配管と、
　　前記セルから前記電解液タンクに繋がる帰路配管と、を備え、
　前記電解液タンク内の底面から前記タンク内液面までの高さをＨ０、前記タンク内液面から前記吸込み配管の開口端までの長さをＨＬ１、前記電解液の深さ方向における前記タンク内液面から前記帰路配管の開口端までの長さをＨＬ２、前記タンク内液面から前記帰路配管のうちで最も高い位置にある管路の中央までの距離をＨｄとしたとき、
　ＨＬ１とＨＬ２との差の絶対値がＨ０の０．４倍以上で、ＨＬ１とＨＬ２が共にＨｄ以下である。
　但し、前記帰路配管の開口端が前記タンク内液面よりも上にある場合、ＨＬ１とＨＬ２との差はＨＬ１とする。
レドックスフロー電池の動作原理を説明する図である。 レドックスフロー電池の概略構成図である。 セルスタックの概略構成図である。 実施形態１のレドックスフロー電池の概略構成図である。 実施形態１のレドックスフロー電池に備わる循環機構の概略構成図である。 実施形態２のレドックスフロー電池に備わる循環機構の概略構成図である。
［本開示が解決しようとする課題］
　従来のレドックスフロー電池では、電解液タンクの側方に循環ポンプを配置してセルに電解液を循環させていた。そのため、電解液タンクから循環ポンプに至る配管に損傷が生じると、電解液タンクの殆ど全ての電解液が外部に漏洩する恐れがある。
　そこで、本開示は、電解液タンクから循環ポンプに至る配管に損傷が生じても電解液タンクの外部に電解液が漏洩し難いレドックスフロー電池を提供することを目的の一つとする。
［本願発明の実施形態の説明］
　本発明者らは、上記課題に鑑み、電解液タンクの上方に電解液を吸い上げる構成を検討した。ここで、電解液を上方に吸い上げる構成では、電解液を循環ポンプに吸い上げる吸込み高さ（吸込み実揚程ともいう）と、循環ポンプから上方に向って電解液を押し上げる高さ（押上げ実揚程）が大きくなり易い。吸込み実揚程と押上げ実揚程の合計が高くなるほど、循環ポンプのポンプ動力を大きくしなければならない。
　また、レドックスフロー電池では、電解液タンク内の電解液の利用率についても考慮しなければならない。レドックスフロー電池では、電解液に含まれる活物質イオンの価数の変化によって充放電を行なう。そのため、電解液を吸い上げる吸込み配管の開口端の高さと、電解液を電解液タンクに戻す帰路配管の開口端の高さと、が揃っていては電解液の対流が生じ難いので、電解液タンクにおける活物質を有効に利用することができない。電解液の利用率を上げるためには、吸込み配管の開口端の高さと帰路配管の開口端の高さに差をつけて、電解液タンク内の電解液の対流を促進すれば良い。しかし、吸込み配管や帰路配管が長くなると、配管と電解液との摩擦に伴う圧力損失が大きくなるため、循環ポンプに求められるポンプ動力が増加する。
　本発明者は電解液を吸い上げる構成についてさらに踏み込んで検討を行ない、実揚程と、吸込み配管及び帰路配管の管長と、の関係を規定することで、循環機構に用いる循環ポンプを小型化でき、レドックスフロー電池の運転に必要な消費電力を低減できる可能性があるとの知見を得た。以下に、本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
＜１＞実施形態に係るレドックスフロー電池は、
　セルと、前記セルに供給される電解液を貯留する電解液タンクと、前記セルと前記電解液タンクとの間に配されて前記電解液を循環させる循環機構と、を備えるレドックスフロー電池であって、
　前記循環機構は、
　　前記電解液中の開口端から前記電解液タンク中の前記電解液のタンク内液面の上方に前記電解液を吸い上げる吸込み配管と、
　　前記吸込み配管の端部に設けられる循環ポンプと、
　　前記循環ポンプの吐出口から前記セルに繋がる押出し配管と、
　　前記セルから前記電解液タンクに繋がる帰路配管と、を備え、
　前記電解液タンク内の底面から前記タンク内液面までの高さをＨ０、前記タンク内液面から前記吸込み配管の開口端までの長さをＨＬ１、前記電解液の深さ方向における前記タンク内液面から前記帰路配管の開口端までの長さをＨＬ２、前記タンク内液面から前記帰路配管のうちで最も高い位置にある管路の中央までの距離をＨｄとしたとき、
　ＨＬ１とＨＬ２との差の絶対値がＨ０の０．４倍以上で、ＨＬ１とＨＬ２が共にＨｄ以下である。
　但し、前記帰路配管の開口端が前記タンク内液面よりも上にある場合、ＨＬ１とＨＬ２との差はＨＬ１とする。
　電解液タンクからセルに電解液を循環させる際、タンク内液面の上方に電解液を吸い上げる構成とすることで、電解液タンクから循環ポンプに至る吸込み配管に損傷が生じても、電解液タンクの外部に電解液が漏れ難くなる。吸込み配管に損傷が生じれば、吸込み配管の気密が破れ、吸込み配管の電解液は重力で電解液タンクに戻るからである。
　ＨＬ１とＨＬ２との差が小さい場合、電解液タンク内での電解液の対流が生じ難く、電解液タンク内で利用され難い電解液が生じる。そのため、電解液タンクの容量を大きくしてもレドックスフロー電池の時間容量の向上効果が得難い。これに対して、ＨＬ１とＨＬ２との差をＨ０の０．４倍以上とする、即ち|ＨＬ１－ＨＬ２｜≧０．４Ｈ０とする場合、帰路配管の開口端から吸込み配管の開口端までの距離が長くなり、電解液中に大きな対流ができ易いので、電解液タンク内の電解液の利用率を向上させることができる。ここで、帰路配管の開口端がタンク内液面よりも上にある場合、ＨＬ２＝０とする、即ちＨＬ１≧０．４Ｈ０とする。
　既に述べたように、電解液を上方に吸い上げる構成では、タンク内液面から帰路配管のうちで最も高い位置にある管路の中央までの距離Ｈｄが高くなり易く、その分だけ循環ポンプのポンプ動力を大きくしなければならない。そのため、ポンプ動力の増大を抑制するためには、吸込み配管と帰路配管における摩擦損失を、電解液の利用率を低下させない範囲で小さくすることが重要である。具体的には、ＨＬ１とＨＬ２を共にＨｄ以下とすることで、電解液を吸い上げて循環させるための循環ポンプのポンプ動力を低く抑えることができる。その結果、レドックスフロー電池を運転する際の電力消費を低減でき、効率的なレドックスフロー電池の運転を行なえる可能性がある。
＜２＞実施形態に係るレドックスフロー電池の一形態として、
　前記タンク内液面から前記循環ポンプの吸込み口の中央までの高さＨＳとしたとき、
　ＨＳが、Ｈｄの０．４倍以下である形態を挙げることができる。
　電解液の吸い上げを行なう場合、循環ポンプの必要吸込みヘッド（Ｎｅｔ　Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｓｕｃｔｉｏｎ　Ｈｅａｄ　ｒｅｑｕｉｒｅｄ；ＮＰＳＨｒ）と、吸い上げ条件を考慮した有効吸込みヘッド（Ｎｅｔ　Ｐｏｓｉｔｉｖｅ　Ｓｕｃｔｉｏｎ　Ｈｅａｄ　ａｖａｉｌａｂｌｅ；ＮＰＳＨａ）を考慮する必要がある。ＮＰＳＨｒは、キャビテーションによるポンプの効率低下を避けるために最低限必要な吸込み圧力を電解液の高さ［ｍ］に換算した値であって、液性などとは無関係なポンプ固有の値である。一方、ＮＰＳＨａは、吸い上げ条件を考慮した揚程であって、電解液の吸い上げ時のキャビテーションに対する余裕を示す値であり、以下の式で求めることができる。上記キャビテーションを防ぐためにはＮＰＳＨｒ＜ＮＰＳＨａを満たすようにしなければならない。
・ＮＰＳＨａ［ｍ］＝［（ＰＡ－ＰＶ）×１０６／ｐ・ｇ］－ＨＳ－Ｈｆｓ
　　ＰＡ…電解液タンクのタンク内液面にかかる絶対圧力［ＭＰａ］
　　ＰＶ…循環ポンプの吸込口の温度における電解液の蒸気圧［ＭＰａ］
　　ｐ…電解液の密度［ｋｇ／ｍ３］
　　ｇ…重力加速度［９．８ｍ／ｓ２］
　　ＨＳ…電解液タンクのタンク内液面から循環ポンプの吸込口の中央までの吸込み高さ［ｍ］
　　Ｈｆｓ…吸込み配管における損失ヘッド［ｍ］
※Ｈｆｓは、例えば以下に示すダルシー・ワイズバッハの式にて求めることができる。
・損失ヘッドｈ［ｍ］＝α・λ・（Ｌ／ｄ）・（ｖ２／２ｇ）
　　α…安全率（例えば、１．３）
　　λ…管摩擦係数
　　Ｌ…配管長、または配管相当長［ｍ］
　　ｄ…管内径［ｍ］
　　ｖ…電解液の流速［ｍ／ｓ］
　上記導出式に示すように、ＮＰＳＨａには物理的な限界があり、ＨＳ（吸込み実揚程）が高くなり過ぎると、ＮＰＳＨｒ＜ＮＰＳＨａを満たすことができない恐れがある。そのため、実揚程Ｈｄに占める吸込み実揚程ＨＳを、実揚程Ｈｄの４０％以下とすることが好ましい。
＜３＞実施形態に係るレドックスフロー電池の一形態として、
　前記循環ポンプは、インペラと前記インペラを回転させる駆動部とを内蔵するポンプ本体を備える自吸式ポンプであり、
　前記ポンプ本体が、前記タンク内液面よりも上方に配置される形態を挙げることができる。
　上記構成によれば、循環ポンプのメンテナンスを容易に行なうことができる。循環ポンプのメンテナンスの際、循環ポンプを止めることで、吸込み配管内の電解液が電解液タンクに戻り、インペラなどを電解液中から取り出す手間がないからである。これに対して、循環ポンプの種類によっては、駆動部が電解液のタンク内液面よりも上にあるが、インペラは電解液中に配置される場合もある。このような循環ポンプでは、そのメンテナンス時に電解液中からインペラを取り出す手間がかかるし、その取り出しの際に電解液が飛散する恐れもある。
＜４＞前記ポンプ本体が前記タンク内液面よりも上方に配置される実施形態に係るレドックスフロー電池の一形態として、
　前記循環ポンプはさらに、前記ポンプ本体と前記吸込み配管との間に配置される呼び水タンクを備える形態を挙げることができる。
　呼び水タンクを備える構成では、呼び水タンク内の電解液を循環ポンプで吸引することで、呼び水タンク内の気相の圧力を低下させ、電解液タンクから呼び水タンクに電解液を吸い上げる。この構成では、電解液タンクに貯留させた電解液を最初に吸い上げる際、呼び水タンクに電解液を入れて循環ポンプを動作させるだけで良く、簡便に初期の吸い上げ操作を行なえる。呼び水タンクがない構成では、循環ポンプと吸込み配管に電解液を満たした準備状態としてからでないと電解液を吸い上げることができないため、上記準備状態とする手間がかかる。
＜５＞前記ポンプ本体が前記タンク内液面よりも上方に配置される実施形態に係るレドックスフロー電池の一形態として、
　前記電解液タンクの上面に配置され、前記セルを内蔵するセル室を備え、
　前記ポンプ本体は、前記セル室に載置される形態を挙げることができる。
　上記構成によれば、ポンプ本体の近傍で電解液の漏洩が生じても、その漏洩した電解液をセル室内に留め易い。その結果、漏洩した電解液の処理作業を行ない易く、またその処理作業の安全性を高め易い。
［本願発明の実施形態の詳細］
　以下、本開示に係るレドックスフロー電池の実施形態を説明する。なお、本願発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。
＜実施形態１＞
　実施形態に係るレドックスフロー電池の説明に先立ち、レドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池１）の基本構成を図１～図３に基づいて説明する。
　≪ＲＦ電池の基本構成≫
　ＲＦ電池は、電解液循環型の蓄電池の一つであって、太陽光発電や風力発電といった新エネルギーの蓄電などに利用されている。このＲＦ電池１の動作原理を図１に基づいて説明する。ＲＦ電池１は、正極用電解液に含まれる活物質イオン（図１ではバナジウムイオン）の酸化還元電位と、負極用電解液に含まれる活物質イオン（図１ではバナジウムイオン）の酸化還元電位との差を利用して充放電を行なう電池である。ＲＦ電池１は、電力変換器９１を介して、電力系統９の変電設備９０に繋がっており、電力系統９との間で充放電を行なう。電力系統９が交流送電を行なう電力系統であれば、電力変換器９１は交流／直流変換器である。電力系統が直流送電を行なう電力系統であれば、電力変換器９１は直流／直流変換器である。一方、ＲＦ電池１は、水素イオンを透過させる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離されたセル１００を備える。
　正極セル１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極用電解液を貯留する正極用の電解液タンク１０６が導管１０８，１１０を介して接続されている。導管１０８には循環ポンプ１１２が設けられており、これら部材１０６，１０８，１１０，１１２によって正極用電解液を循環させる正極用循環機構１００Ｐが構成されている。同様に、負極セル１０３には負極電極１０５が内蔵され、かつ負極用電解液を貯留する負極用の電解液タンク１０７が導管１０９，１１１を介して接続されている。導管１０９には循環ポンプ１１３が設けられており、これらの部材１０７，１０９，１１１，１１３によって負極用電解液を循環させる負極用循環機構１００Ｎが構成されている。各電解液タンク１０６，１０７に貯留される電解液は、充放電の際に循環ポンプ１１２，１１３によりセル１０２，１０３内に循環される。充放電を行なわない場合、循環ポンプ１１２，１１３は停止され、電解液は循環されない。
　［セルスタック］
　上記セル１００は通常、図２、図３に示すような、セルスタック２００と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック２００は、サブスタック２００ｓ（図３）と呼ばれる積層構造物をその両側から二枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付機構２３０で締め付けることで構成されている（図３に例示する構成では、複数のサブスタック２００ｓを用いている）。
　サブスタック２００ｓ（図３）は、セルフレーム１２０、正極電極１０４、隔膜１０１、および負極電極１０５を複数積層し、その積層体を給排板１９０，１９０（図３の下図参照、図２では省略）で挟み込んだ構成を備える。
　セルフレーム１２０は、貫通窓を有する枠体１２２と、貫通窓を塞ぐ双極板１２１と、を有している。つまり、枠体１２２は、双極板１２１をその外周側から支持している。このようなセルフレーム１２０は、例えば、双極板１２１の外周部に一体に枠体１２２を成形することで作製することができる。また、貫通窓の外周縁部を薄肉に形成した枠体１２２と、枠体１２２とは別に作製した双極板１２１とを用意し、枠体１２２の薄肉部に双極板１２１の外周部を嵌めこむことで、セルフレーム１２０を作製することもできる。このセルフレーム１２０の双極板１２１の一面側には正極電極１０４が接触するように配置され、双極板１２１の他面側には負極電極１０５が接触するように配置される。この構成では、隣接する各セルフレーム１２０に嵌め込まれた双極板１２１の間に一つのセル１００が形成されることになる。
　図３に示す給排板１９０，１９０を介したセル１００への電解液の流通は、セルフレーム１２０に形成される給液用マニホールド１２３，１２４と、排液用マニホールド１２５，１２６により行われる。正極用電解液は、給液用マニホールド１２３からセルフレーム１２０の一面側（紙面表側）に形成される入口スリット１２３ｓ（実線で示す湾曲路を参照）を介して正極電極１０４に供給され、セルフレーム１２０の上部に形成される出口スリット１２５ｓ（実線で示す湾曲路を参照）を介して排液用マニホールド１２５に排出される。同様に、負極用電解液は、給液用マニホールド１２４からセルフレーム１２０の他面側（紙面裏側）に形成される入口スリット１２４ｓ（破線で示す湾曲路を参照）を介して負極電極１０５に供給され、セルフレーム１２０の上部に形成される出口スリット１２６ｓ（破線で示す湾曲路を参照）を介して排液用マニホールド１２６に排出される。各セルフレーム１２０間には、Ｏリングや平パッキンなどの環状シール部材１２７が配置され、サブスタック２００ｓからの電解液の漏れが抑制されている。
　［電解液］
　電解液は、正負の活物質をバナジウムイオンとするもの、正極活物質をマンガンイオン、負極活物質をチタンイオンとするもの、その他、公知の組成のものが利用できる。
　≪実施形態に係るＲＦ電池≫
　以上説明したＲＦ電池１の基本構成を踏まえて、実施形態に係るＲＦ電池１を図４，５に基づいて説明する。ここで、図４は、ＲＦ電池１の概略構成図であり、図５はそのＲＦ電池１の正極用循環機構１００Ｐ近傍の概略構成図である。
　図４に示すように、本例のＲＦ電池１では、その構成部材が三つの区画に分散して配置されている。一つ目の区画は、ＲＦ電池１のうち、セル１００を含むセルスタック２００や循環機構１００Ｐ，１００Ｎを内部に収納するセル室２であって、本例ではコンテナで構成されている。二つ目の区画は、正極用の電解液タンク１０６として機能する正極タンクコンテナである。三つ目の区画は、負極用の電解液タンク１０７として機能する負極タンクコンテナである。本例では、両タンクコンテナに跨がるようにセル室２を構成するコンテナが配置されている。
　セル室２及び電解液タンク１０６，１０７を構成するコンテナとして、規格品のコンテナ、例えば海上輸送用コンテナを利用することが挙げられる。コンテナのサイズは、ＲＦ電池１の電池容量や電池出力などに応じて適宜選択できる。例えば大（小）容量のＲＦ電池１とする場合、大きな（小さな）コンテナで電解液タンク１０６，１０７を構成することが挙げられる。コンテナとしては、ＩＳＯ規格（例えば、ＩＳＯ　１４９６－１（２０１３））に準拠した国際海上貨物用コンテナが利用できる。代表的には、２０フィートコンテナや４０フィートコンテナ、それらよりも高さの高い２０フィートハイキューブコンテナや４０フィートハイキューブコンテナなどが利用できる。
　図４に示す構成では、循環機構１００Ｐ（１００Ｎ）が、吸込み配管５、循環ポンプ１１２（１１３）、押出し配管６、及び帰路配管７を備える。吸込み配管５は、その開口端が電解液８中に配置されており、電解液タンク１０６（１０７）の上方に電解液８を吸い上げる配管である。押出し配管６は、循環ポンプ１１２（１１３）の吐出口からセル１００に繋がる配管であって、図１の導管１０８（１０９）に相当すると考えて良い。また、帰路配管７は、セル１００から電解液タンク１０６（１０７）に繋がる配管であって、図１の導管１１０（１１１）に相当すると考えて良い。本例の帰路配管７は、電解液タンク１０６（１０７）の気相に開口している。帰路配管７は、タンク内液面の平面方向に吸込み配管５から離隔した位置、例えば対角位置に配置することが好ましい。両配管５，７を離隔させることで、電解液の対流を促進できるからである。帰路配管７は、タンク内液面の平面方向に吸込み配管５から離隔した位置、例えばタンク内液面の中心に対して点対称の位置に配置することが好ましい。両配管５，７を離隔させることで、電解液の対流を促進できるからである。
　一方、循環ポンプ１１２は、図５に示すように、インペラ３０とインペラ３０を回転させる駆動部３１を内蔵するポンプ本体３を備える自吸式ポンプである。ポンプ本体３はセル室２内に配置され、電解液８中に浸かっていない。なお、図４の循環ポンプ１１３の構成も図５に示す循環ポンプ１１２と同じである。
　循環ポンプ１１２はさらに、ポンプ本体３と吸込み配管５との間に配置される呼び水タンク４を備える。呼び水タンク４を備える構成では、呼び水タンク４内の電解液８を循環ポンプ１１２で吸引することで、呼び水タンク４内の気相の圧力を低下させ、電解液タンク１０６から呼び水タンク４に電解液８を吸い上げることができる。この構成では、電解液タンク１０６に貯留させた電解液８を最初に吸い上げる際、呼び水タンク４に電解液８を入れて循環ポンプ１１２を動作させるだけで良く、簡便に初期の吸い上げ操作を行なえる。呼び水タンク４を備える構成では、ポンプ本体３と呼び水タンク４とを繋ぐ配管にバルブ（図示せず）を設けることが好ましい。ポンプ本体３のメンテナンス時はバルブを閉じてからポンプ本体３を循環機構１００Ｐから外すと良い。
　上記図４のＲＦ電池１は、電解液タンク１０６（１０７）の上方に電解液８を吸い上げる構成となっている。この構成によれば、電解液タンク１０６（１０７）から循環ポンプ１１２（１１３）に至る吸込み配管５に損傷が生じても、電解液タンク１０６（１０７）の外部に電解液８が漏れ難くなる。吸込み配管５に損傷が生じれば、吸込み配管５の気密が破れ、吸込み配管５の電解液８は重力で電解液タンク１０６（１０７）に戻るからである。ここで、本例の循環ポンプ１１２（１１３）のポンプ本体３は電解液８中に浸かっていないため、循環ポンプ１１２（１１３）のメンテナンスを容易に行なうことができる。循環ポンプ１１２（１１３）を止めるだけで、吸込み配管５内の電解液８が電解液タンク１０６（１０７）に戻り、インペラ３０（図５）などを電解液８中から取り出す手間がないからである。
　また、ＲＦ電池１では、ポンプ本体３が、電解液タンク１０６の上方に形成されるセル室２内に配置されている。そのため、ポンプ本体３の近傍で電解液８の漏洩が生じても、その漏洩した電解液８をセル室２内に留め易い。その結果、漏洩した電解液８の処理作業を行ない易く、またその処理作業の安全性を高め易い。
　実施形態に係るＲＦ電池１ではさらに、ＨＬ１とＨＬ２との差の絶対値をＨ０の０．４倍以上とし、ＨＬ１とＨＬ２を共にＨｄ以下とする。
・Ｈ０…電解液タンク１０６内の底面から電解液８のタンク内液面までの高さ。
・ＨＬ１…タンク内液面から吸込み配管５の開口端５０までの長さ。
・ＨＬ２…電解液８の深さ方向におけるタンク内液面から帰路配管７の開口端７０までの長さ。本例の場合、帰路配管７が電解液タンク１０６の気相に開口するため、ＨＬ２＝０ｍとする。
・Ｈｄ…タンク内液面から帰路配管７のうちで最も高い位置にある管路の中央までの距離。
　ＨＬ１－ＨＬ２≧０．４Ｈ０（ＨＬ２＝０である本例の場合、ＨＬ１≧０．４Ｈ０）とすることで、セル１００を巡った電解液８が吐出される帰路配管７の開口端７０から吸込み配管５の開口端５０までの距離が長くなり、電解液８中に大きな対流ができ易い。その結果、電解液タンク１０６内の電解液８の利用率を向上させることができる。電解液８の利用率をより向上させるには、ＨＬ１－ＨＬ２≧０．６Ｈ０とすることが好ましく、ＨＬ１－ＨＬ２≧０．８Ｈ０、あるいはＨＬ１－ＨＬ２≧０．９Ｈ０とすることができる。
　電解液８を上方に吸い上げる構成ではＨｄが高くなり易く、その分だけ循環ポンプ１１２のポンプ動力が大きくなる傾向にある。そのため、ポンプ動力の増大を抑制するために、吸込み配管５と帰路配管７における摩擦損失を、電解液８の利用率を低下させない範囲で小さくすることが好ましい。具体的には、吸込み配管５の長さに関連するＨＬ１と帰路配管７の長さに関連するＨＬ２とを実揚程Ｈｄ以下とし、電解液８を吸い上げて循環させるための循環ポンプ１１２のポンプ動力を低く抑えることが好ましい。その結果、ＲＦ電池１を運転する際の電力消費を低減でき、効率的なＲＦ電池１の運転を行なえる可能性がある。
　さらに好ましい構成として、タンク内液面から循環ポンプ１１２の吸込口３２の中央までの高さ（吸込み実揚程）をＨＳとしたとき、吸込み実揚程ＨＳをＨｄの０．４倍以下とする、即ちＨＳ≦０．４Ｈｄとすることが挙げられる。既に述べたように、ＮＰＳＨａには物理的な限界があり、ＨＳが高くなり過ぎるとＮＰＳＨａが低下し、ＮＰＳＨｒ＜ＮＰＳＨａを満たさない恐れがあるからである。より一層、ＮＰＳＨａの低下を抑制するために、ＨＳ≦０．３Ｈｄ、さらにはＨＳ≦０．２Ｈｄとすることが好ましい。
＜実施形態２＞
　実施形態２では、吸込み配管５の液中長さＨＬ１よりも帰路配管７の液中長さＨＬ２が長いＲＦ電池１を図６に基づいて説明する。図６では、図５と同一の機能を有する部材には図５と同一の符号を付している。
　実施形態２においても、ＨＬ２－ＨＬ１≧０．４Ｈ０とすることで、電解液８の対流を促進させ、電解液８の利用率を向上させることができる。吸込み配管５の開口端５０と帰路配管７の開口端７０の高さの差が大きいため、電解液８中に対流ができ易いからである。電解液８の利用率をより向上させるには、ＨＬ２－ＨＬ１≧０．６Ｈ０とすることが好ましく、ＨＬ２－ＨＬ１≧０．８Ｈ０、あるいはＨＬ２－ＨＬ１≧０．９Ｈ０とすることができる。
　また、電解液８を上方に吸い上げる構成ではＨｄが高くなり易いことに鑑み、実施形態２においてもＨＬ１とＨＬ２をＨｄ以下とする。
　さらに、ＮＰＳＨａの低下を抑制するために、ＨＳ≦０．４Ｈｄとすることが好ましく、ＨＳ≦０．３Ｈｄ、あるいはＨＳ≦０．２Ｈｄとすることがより好ましい。
＜計算例＞
　本計算例では、ＮＰＳＨｒ＝２ｍの循環ポンプ１１２を用いた実施形態１，２の構成における配管５，７の摩擦損失やＮＰＳＨａを計算し、循環ポンプ１１２の動力削減の可能性を探る。
　≪例１≫
　例１では、図５に示す実施形態１のＲＦ電池１の計算例を示す。計算の前提条件は以下の通り。
・タンク内液面と、最も高い位置にある管路の中央との距離Ｈｄ＝３．０ｍ
・吸込み実揚程ＨＳ＝０．５ｍ
・電解液深さＨ０＝２．８ｍ
・吸込み配管５の液中長さＨＬ１＝２．７ｍ
・電解液の流量Ｑ＝９６０リットル／分
・吸込み配管５の内径Ｄ＝０．１ｍ
　例１では、液利用高さ比ＨＬ１／Ｈ０≒０．９６であり、電解液中の活物質イオンの利用効率が十分に確保される。液利用高さ比は、電解液の利用率の指標の一つである。また、例１では、Ｈｄ≧ＨＬ１，ＨＬ２を満たしており、吸込み配管５の圧損ヘッド（吸込み配管損失）は０．７９ｍ、押出し配管６と帰路配管７の圧損ヘッドは９．６０ｍであった。後者の圧損ヘッドが前者の圧損ヘッドに比べて大きいのは、セルスタック２００近傍の小径の配管部の圧損ヘッドが大きいからである。さらに、ＨＳ≦０．４Ｈｄを満たし、ＮＰＳＨａ≒８．７１ｍであって、ＮＰＳＨｒ＜ＮＰＳＨａを満たしており、問題なく電解液の循環を行なえる。
　≪例２≫
　例２では、図６を参照する実施形態２のＲＦ電池１の計算例を示す。この例では、吸込み配管５の液中長さＨＬ１＝０．１ｍ、帰路配管７の液中長さＨＬ２＝２．７ｍとしており、それ以外の前提条件は例１と同じである。この場合、液利用率（ＨＬ２－ＨＬ１）／Ｈ０≒０．９３であり、電解液中の活物質イオンの利用効率が十分確保される。また、例２では、Ｈｄ≧ＨＬ１，ＨＬ２を満たしており、吸込み配管５の圧損ヘッド（吸込み配管損失）は０．６７ｍ、押出し配管６と帰路配管７の圧損ヘッドは９．７３ｍであった。後者の圧損ヘッドが前者の圧損ヘッドに比べて大きいのは、セルスタック２００近傍の小径の配管部の圧損ヘッドが大きいからである。さらに、ＨＳ≦０．４Ｈｄを満たし、ＮＰＳＨａ≒８．８３ｍであって、ＮＰＳＨｒ＜ＮＰＳＨａを満たしており、問題なく電解液の循環を行なえる。
　≪まとめ≫
　例１，２に示すように、電解液８を上方に吸い上げる構成では、循環機構１００Ｐにおける圧損ヘッドが大きくなり易いことが分かった。特に、循環機構１００Ｐ以降のセル１００を含む部分の圧損ヘッドが非常に大きくなり易く、循環ポンプ１１２のポンプ動力も大きくなり易い。そのため、液利用高さ比を確保した上で、Ｈｄ≧ＨＬ１，ＨＬ２を満たすようにすることで、循環ポンプ１１２のポンプ動力を削減することには意味がある。Ｈｄ≧ＨＬ１，ＨＬ２を満たすことで、ＨＬ１，ＨＬ２＞Ｈｄの場合に比べてＲＦ電池１の運転に必要な電力量を低減でき、ＲＦ電池１を効率的に運転することができる。
＜用途＞
　実施形態のＲＦ電池は、太陽光発電、風力発電などの新エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした蓄電池として利用できる。また、本実施形態のＲＦ電池は、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池システムとしても利用することができる。
１　レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
２　セル室
３　ポンプ本体
　３０　インペラ　３１　駆動部　３２　吸込口　３３　吐出口
４　呼び水タンク
５　吸込み配管　５０　開口端
６　押出し配管
７　帰路配管　７０　開口端
８　電解液
９　電力系統　９０　変電設備　９１　電力変換器
１００　セル　１０１　隔膜　１０２　正極セル　１０３　負極セル
　１００Ｐ　正極用循環機構　１００Ｎ　負極用循環機構
　１０４　正極電極　１０５　負極電極　１０６　正極用の電解液タンク
　１０７　負極用の電解液タンク　１０８，１０９，１１０，１１１　導管
　１１２，１１３　循環ポンプ
　１２０　セルフレーム
　１２１　双極板　１２２　枠体
　１２３，１２４　給液用マニホールド　１２５，１２６　排液用マニホールド
　１２３ｓ，１２４ｓ　入口スリット　１２５ｓ，１２６ｓ　出口スリット
　１２７　環状シール部材
２００　セルスタック
　１９０　給排板　２００ｓ　サブスタック
　２１０，２２０　エンドプレート
　２３０　締付機構

Claims (5)

  1. 　セルと、前記セルに供給される電解液を貯留する電解液タンクと、前記セルと前記電解液タンクとの間に配されて前記電解液を循環させる循環機構と、を備えるレドックスフロー電池であって、
    　前記循環機構は、
    　　前記電解液中の開口端から前記電解液タンク中の前記電解液のタンク内液面の上方に前記電解液を吸い上げる吸込み配管と、
    　　前記吸込み配管の端部に設けられる循環ポンプと、
    　　前記循環ポンプの吐出口から前記セルに繋がる押出し配管と、
    　　前記セルから前記電解液タンクに繋がる帰路配管と、を備え、
    　前記電解液タンク内の底面から前記タンク内液面までの高さをＨ０、前記タンク内液面から前記吸込み配管の開口端までの長さをＨＬ１、前記電解液の深さ方向における前記タンク内液面から前記帰路配管の開口端までの長さをＨＬ２、前記タンク内液面から前記帰路配管のうちで最も高い位置にある管路の中央までの距離をＨｄとしたとき、
    　ＨＬ１とＨＬ２との差の絶対値がＨ０の０．４倍以上で、ＨＬ１とＨＬ２が共にＨｄ以下であるレドックスフロー電池。
    　但し、前記帰路配管の開口端が前記タンク内液面よりも上にある場合、ＨＬ１とＨＬ２との差はＨＬ１とする。
  2. 　前記タンク内液面から前記循環ポンプの吸込み口の中央までの高さＨＳとしたとき、
    　ＨＳが、Ｈｄの０．４倍以下である請求項１に記載のレドックスフロー電池。
  3. 　前記循環ポンプは、インペラと前記インペラを回転させる駆動部とを内蔵するポンプ本体を備える自吸式ポンプであり、
    　前記ポンプ本体が、前記タンク内液面よりも上方に配置される請求項１または請求項２に記載のレドックスフロー電池。
  4. 　前記循環ポンプはさらに、前記ポンプ本体と前記吸込み配管との間に配置される呼び水タンクを備える請求項３に記載のレドックスフロー電池。
  5. 　前記電解液タンクの上面に配置され、前記セルを内蔵するセル室を備え、
    　前記ポンプ本体は、前記セル室に載置される請求項３または請求項４に記載のレドックスフロー電池。
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