專利名稱：蓄電池及其運(yùn)轉(zhuǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及蓄電池，特別涉及即使在停電等非常時(shí)期中也可以高過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的氧化還原流電池。
背景技術(shù)：
圖6是表示氧化還原流電池的工作原理的說(shuō)明圖。該電池包括隔室1，該隔室1由離子交換膜組成的隔膜4分離為正極隔室1A和負(fù)極隔室1B。正極隔室1A和負(fù)極隔室1B的每個(gè)中內(nèi)置正極電極5和負(fù)極電極6。用于提供/排出正極電解液的正極用容器2通過(guò)導(dǎo)管7、8連接到正極隔室1A。用于提供/排出負(fù)極電解液的負(fù)極用容器3也通過(guò)導(dǎo)管10、11連接到負(fù)極隔室1B。各電解液中使用釩離子等原子價(jià)變化的離子的水溶液，使之通過(guò)泵9、12循環(huán)，隨著正負(fù)極電極5、6中離子的價(jià)數(shù)變化反應(yīng)進(jìn)行充放電。在使用包含釩離子的電解液時(shí)，在隔室內(nèi)充放電時(shí)產(chǎn)生的反應(yīng)如下。
正極V4+→V5++e-(充電)V4+←V5++e-(放電)負(fù)極V3++e-→V2+(充電)V3++e-←V2+(放電)圖7是上述電池中使用的隔室組的概略結(jié)構(gòu)圖。通常在上述的電池中，利用多個(gè)隔室層疊的稱為隔室組100的結(jié)構(gòu)。各隔室中，在隔膜4的兩側(cè)具有由碳?xì)种瞥傻恼龢O5和負(fù)極6。而且，在正極電極5和負(fù)極電極6的各自的外側(cè)設(shè)置隔室構(gòu)架20。
隔室構(gòu)架20包括由塑料碳制成的雙極板21和在其外周形成的構(gòu)架框22。
在構(gòu)架框22中形成稱為マニホ一ルド 23A、23B的多個(gè)孔，構(gòu)成在多個(gè)隔室層疊時(shí)電解液的流路，與圖6中的導(dǎo)管7、8、10、11連接。
這樣的氧化還原流電池，通過(guò)通常在白天等電量消耗量大時(shí)進(jìn)行放電，在夜間等電量消耗量小時(shí)進(jìn)行充電的常規(guī)運(yùn)轉(zhuǎn)，來(lái)實(shí)現(xiàn)負(fù)荷正?；哪康?。這時(shí)，從省能源和低成本的觀點(diǎn)看，希望高效率的運(yùn)轉(zhuǎn)。另一方面，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中發(fā)生瞬間停電時(shí)，則希望即使無(wú)視效率，也要盡量高過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。在此，所謂過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)意為在超過(guò)額定輸出的輸出下運(yùn)轉(zhuǎn)。所謂額定輸出是指超過(guò)具有充電/放電的功率效率的設(shè)計(jì)值的輸出，通常多為達(dá)到80％的程度的情況。
但是，氧化還原流電池雖然可在滿充電狀態(tài)下進(jìn)行很高過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)，但在放電末期和放電結(jié)束后電解液的電能變少的情況下，具有基本上不能過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的問(wèn)題。
氧化還原流電池如電解液的充電深度高則可以高過(guò)負(fù)荷輸出，但如充電深度下降則電壓下降，過(guò)負(fù)荷輸出變得困難。所謂充電深度高，指在釩系電解液的情況下，在正極“(5價(jià)的V離子濃度)/(4價(jià)+5價(jià)的V離子濃度)”的比率大，在負(fù)極“(2價(jià)的V離子濃度)/(2價(jià)+3價(jià)的V離子濃度)”的比率大的狀態(tài)。
在需要應(yīng)對(duì)這樣的過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的情況下，到現(xiàn)在為止，需要大幅度增加電解液量，即使在正常運(yùn)轉(zhuǎn)的放電后也較高地維持電解液的充電深度。但是，負(fù)荷正?；\(yùn)轉(zhuǎn)所必需的電解液，由于需要與數(shù)小時(shí)以上的容量相當(dāng)?shù)囊毫?，因此，如要通過(guò)電解液量的增加，使充電深度經(jīng)常較高，就必需極大量的電解液。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供與正常運(yùn)轉(zhuǎn)中的放電狀態(tài)無(wú)關(guān)的可高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的蓄電池及其運(yùn)轉(zhuǎn)方法。
本發(fā)明中通過(guò)以下結(jié)構(gòu)達(dá)成上述目的事先儲(chǔ)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)用的電解液和其他的充電深度高的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)用電解液，對(duì)于停電等的突發(fā)的事態(tài)，可將該非正常運(yùn)轉(zhuǎn)用的電解液確實(shí)地提供給電池隔室。
即本發(fā)明的蓄電池至少有一組的第1容器，存儲(chǔ)在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電解液；至少有一組的第2容器，存儲(chǔ)在非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電解液；切換部件，切換第1容器的電解液和第2容器的電解液，在隔室內(nèi)循環(huán)，在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的所示第2容器的電解液，是在充電反應(yīng)中生成的活性物質(zhì)量與全部活性物質(zhì)量的比率在50％以上的電解液。
在用于負(fù)荷正常化等的正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，利用第1容器的電解液進(jìn)行充放電，在停電等非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，將第1容器的電解液切換到第2容器的電解液進(jìn)行放電。由此，可在任何時(shí)刻將充電深度高的第2容器的電解液提供給隔室，可進(jìn)行與第1容器的放電狀態(tài)無(wú)關(guān)的高過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
關(guān)于在過(guò)負(fù)荷率高的輸出下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的過(guò)負(fù)荷輸出值的確定，與容器中殘留的電解液的總?cè)萘肯啾?，向隔室提供的電解液的充電深度成為更主要的原因。因此，即使在有大量充電深度低的電解液時(shí)，也不能期望過(guò)負(fù)荷輸出。
另外，通常對(duì)于在用于負(fù)荷正?；某浞烹姇r(shí)，需要與8個(gè)小時(shí)程度相當(dāng)?shù)碾娊庖毫?，在用于停電等需要非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，充其量只要有與2個(gè)小時(shí)程度的容量相當(dāng)?shù)碾娊庖毫烤涂梢?。因此，如象現(xiàn)有那樣不進(jìn)行電解液的切換，增加電解液的量以經(jīng)常高地維持充電深度，就不得不使大量電解液所需要的容器大型化。但是，如進(jìn)行本發(fā)明所述的電解液的切換，只需要少量的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)用的電解液量，第2容器可以是與第1容器相比小型的容器。
在此，第1容器、第2容器共同作為“一組”，意為以正極電解液和負(fù)極電解液的各電解液用的容器為一組。
第2容器的電解液，設(shè)為實(shí)質(zhì)的滿充電狀態(tài)或接近滿充電狀態(tài)的電解液。即，使用充電深度高的電解液。所謂充電深度高是在釩系電解液的情況下，正極中“(5價(jià)的V離子濃度)/(4價(jià)+5價(jià)的V離子濃度)”的比率大，在負(fù)極“(2價(jià)的V離子濃度)/(2價(jià)+3價(jià)的V離子濃度)”的比率大的狀態(tài)。最好(5價(jià)的V離子濃度)/(4價(jià)+5價(jià)的V離子濃度)的比率在50％以上，(2價(jià)的V離子濃度)/(2價(jià)+3價(jià)的V離子濃度)的比率在50％以上。
切換部件采用閥很合適。最好具有與從所述第1容器或第2容器排出電解液側(cè)的切換部件和向所述第1容器或第2容器提供電解液側(cè)的切換部件的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。通過(guò)該聯(lián)動(dòng)，可謀求容器切換動(dòng)作時(shí)，從容器的電解液的排出量和向容器內(nèi)的電解液的供給量的平衡，不會(huì)因液量的平衡的較大的偏差，產(chǎn)生大的壓力變化。切換部件的聯(lián)動(dòng)，可通過(guò)電控制閥的開(kāi)閉容易地實(shí)現(xiàn)。
另外，最好在從所述第1容器或第2容器排出電解液側(cè)的切換部件和隔室之間，配置了電解液循環(huán)泵。通過(guò)該機(jī)構(gòu)，可共用第1容器用泵和第2容器用泵。當(dāng)然，不用說(shuō)也可將用于從第1容器向隔室提供電解液的泵和用于從第2容器向隔室提供電解液的泵獨(dú)立設(shè)置。
再有，本發(fā)明的蓄電池的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，其特征在于在非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，切換到與正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電解液相比充電深度為同等以上的電解液運(yùn)轉(zhuǎn)。


圖1是本發(fā)明的氧化還原流電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)圖。
圖2是表示從基本滿充電狀態(tài)開(kāi)始的放電特性的曲線圖。
圖3是表示從放電末期開(kāi)始的放電特性的曲線圖。
圖4是泵共用型的本發(fā)明的氧化還原流電池系統(tǒng)的部分概略圖。
圖5是具有多個(gè)隔室組的本發(fā)明的氧化還原流電池系統(tǒng)的部分概略圖。
圖6是氧化還原流電池的工作原理的說(shuō)明圖。
圖7是氧化還原流電池的隔室組的結(jié)構(gòu)圖。
具體實(shí)施例方式
以下，說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例。
實(shí)施例1圖1是本發(fā)明的氧化還原流電池系統(tǒng)的概略結(jié)構(gòu)圖。
該電池具有一個(gè)隔室組100、儲(chǔ)存電解液的2組容器31～34、切換兩容器31～34內(nèi)的電解液提供給隔室組100的閥41～48和進(jìn)行電解液的循環(huán)的泵51～54。
隔室組100的機(jī)構(gòu)如圖6和圖7說(shuō)明那樣，與現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)相同。
容器31～34，由負(fù)荷正?；玫日＿\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行電解液的提供的第1容器31，32和停電等的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)進(jìn)行電解液的提供的第2容器33，34組成。第1容器和第2容器各自由正極電解液容器31，33和負(fù)極電解液容器32，33組成。
第1容器、第2容器共同存儲(chǔ)的電解液是釩系電解液。正極電解液中包含V4+/V5+離子，負(fù)極電解液中包含V3+/V2+離子。
第2容器33，34的電解液是滿充電狀態(tài)的電解液?？墒褂谜龢O中“(5價(jià)的V離子濃度)/(4價(jià)+5價(jià)的V離子濃度)”的比率大，在負(fù)極“(2價(jià)的V離子濃度)/(2價(jià)+3價(jià)的V離子濃度)”的比率大的電解液就可以。
閥41～48共設(shè)置8個(gè)。即控制從第1容器31、32向隔室組100提供的電解液的閥41、42，控制從隔室組100向第1容器31、32排出電解液的閥43、44，控制從第2容器33、34向隔室組100提供的電解液的閥45、46，控制從隔室組100向第2容器33、34排出電解液的閥47、48。
泵51～54共設(shè)置4個(gè)。即從第1容器31送出正極電解液的泵51，從第1容器32送出負(fù)極電解液的泵52，從第2容器33送出正極電解液的泵53，從第2容器34送出負(fù)極電解液的泵54。
在這樣結(jié)構(gòu)的氧化還原流電池系統(tǒng)中，在負(fù)荷正?；恼＿\(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，使用第1容器31、32的電解液進(jìn)行充放電。這時(shí)，閥45～48關(guān)閉使泵53、54不工作，開(kāi)放泵41～44使泵51、52工作。在該正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，充電之后等第1容器內(nèi)的電解液的充電深度高的情況下，可以進(jìn)行高過(guò)負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)，在放電末期或放電結(jié)束后，進(jìn)行高過(guò)負(fù)荷的運(yùn)轉(zhuǎn)就非常困難。
圖2是表示從基本滿充電的狀態(tài)開(kāi)始的放電特性的曲線圖，圖3是表示從放電末期開(kāi)始的放電特性的曲線圖。圖2的曲線圖是表示使用60mA/cm2的放電下保持約2小時(shí)的容量的電池，從滿充電狀態(tài)的1.55V開(kāi)始的放電曲線。圖3的曲線圖是表示使用60mA/cm2的放電下保持約2小時(shí)的容量的電池，在1小時(shí)48分后，從1.21V開(kāi)始的放電曲線。如比較兩曲線可知，從電解液的充電深度高的滿充電狀態(tài)開(kāi)始，可以在高電壓下輸出，但從電解液的充電深度低的放電末期開(kāi)始隔室內(nèi)的電壓急劇降低直到放電停止，基本上不能過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
另一方面，在停電等的非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，第1容器31、32的電解液切換到第2容器33、34的電解液提供給隔室組100放電，進(jìn)行高過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。該切換通過(guò)關(guān)閉閥41～44使泵51、52停止，開(kāi)放閥45～48運(yùn)轉(zhuǎn)泵53、54進(jìn)行。第2容器33、34的電解液一直保持在充電深度高的狀態(tài)，因此于第1容器內(nèi)的電解液的充電深度無(wú)關(guān)，任何時(shí)候都可進(jìn)行高過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
在所述電解液切換時(shí)，最好聯(lián)動(dòng)從第1容器和第2容器排出電解液側(cè)的閥41、42、45、46和向第1容器和第2容器提供電解液側(cè)的閥43、44、47、48的開(kāi)閉動(dòng)作。通過(guò)該聯(lián)動(dòng)，可謀求容器切換動(dòng)作時(shí)，從容器排出的電解液的排出量和向容器提供電解液的提供量的平衡，防止液量的平衡有大的偏差而發(fā)生大的壓力變化的問(wèn)題。
實(shí)施例2在實(shí)施例1中，第1容器31、32的電解液用和第2容器33、34的電解液用的各個(gè)中設(shè)置了泵51～54，但也可以將兩個(gè)容器用的泵共用。圖4是該泵共用型的氧化還原流電池系統(tǒng)的部分外略圖。與圖1相同的部分附以相同標(biāo)號(hào)。
如圖所示，“在閥41和閥45的中間”和“隔室組100”之間，以及“在閥42和閥46的中間”和“隔室組100”之間”通過(guò)泵55、56的連接，可用合計(jì)2個(gè)泵55、56切換第1容器的電解液和第2容器的電解液，使之循環(huán)。
在電解液切換時(shí)的閥41～48的開(kāi)閉動(dòng)作與前述實(shí)施例1相同。
實(shí)施例3再有，圖5表示使用多個(gè)隔室組100～102時(shí)的氧化還原流電池系統(tǒng)的部分概略圖。在該實(shí)施例3中，與實(shí)施例1相同，通過(guò)進(jìn)行閥41～48的開(kāi)閉，進(jìn)行第1容器和第2容器的電解液的切換，可進(jìn)行與第1容器中的電解液的充電深度無(wú)關(guān)的高過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
如以上說(shuō)明那樣，按照本發(fā)明，除了通常的負(fù)荷正?；\(yùn)轉(zhuǎn)用的電解液容器以外，還準(zhǔn)備始終存儲(chǔ)接近滿充電的電解液的容器，在非正常時(shí)通過(guò)從該容器提供電解液，可進(jìn)行于負(fù)荷正常化運(yùn)轉(zhuǎn)的狀態(tài)無(wú)關(guān)的過(guò)負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。
權(quán)利要求
1.一種蓄電池，包括至少一組第1容器，存儲(chǔ)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電解液；至少一組第2容器，存儲(chǔ)非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電解液；切換部件，切換第1容器的電解液和第2容器的電解液，并在隔室內(nèi)循環(huán)，正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的所述第2容器的電解液是在充電反應(yīng)中生成的活性物質(zhì)量與全部活性物質(zhì)量的比率在50％以上的電解液。
2.如權(quán)利要求1所述的蓄電池，其特征在于具有與從所述第1容器或第2容器排出電解液側(cè)的切換部件和向所述第1容器或第2容器提供電解液側(cè)的切換部件的聯(lián)動(dòng)機(jī)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的蓄電池，其特征在于在從所述第1容器或第2容器排出電解液側(cè)的切換部件和隔室之間，配置了電解液循環(huán)泵。
4.一種蓄電池的運(yùn)轉(zhuǎn)方法，其特征在于在非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，切換為充電深度在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的電解液之上的電解液來(lái)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可進(jìn)行與正常運(yùn)轉(zhuǎn)中的放電狀態(tài)無(wú)關(guān)的高負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的蓄電池及其運(yùn)轉(zhuǎn)方法。包括在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存儲(chǔ)電解液的第1容器(31)、(32)；在非正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)存儲(chǔ)電解液的第2容器(33)、(34)。第1容器(31)、(32)的電解液和第2容器(33)、(34)的電解液通過(guò)閥(41)～(48)的開(kāi)閉進(jìn)行切換，使之在隔室組(100)中循環(huán)。第2容器(33)、(34)的電解液是在充電反應(yīng)下生成的活性物質(zhì)量占全部活性物質(zhì)量的50％以上的電解液。
文檔編號(hào)H01M8/18GK1535488SQ0280928
公開(kāi)日2004年10月6日 申請(qǐng)日期2002年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2001年5月1日
發(fā)明者筒井康充, 幸, 德田信幸 申請(qǐng)人:住友電氣工業(yè)株式會(huì)社, 關(guān)西電力株式會(huì)社