循環再生純水を電解液とした酸化還元型蓄電装置
【課題】高濃度でバナジューム塩を純水に溶解することにより、電気密度の高い電解液酸化還元型蓄電装置を廉価で提供する。
【解決手段】遠赤外線領域の共鳴電磁波により純水の水素結合を切り離し、バナジューム塩の溶解能力の大きい水にできる電解液再生循環装置を、電解液循環系統に設けることにより、電解液を循環再生させ、安定して高濃度でバナジューム塩を溶解させる。また電極板と電解液の間にカーボン微粉末と少量の樹脂を混練圧密化した電極補助板を介在させることにより、集電効率を上げるとともに、電極板が直接電解液と接する必要性をなくし、高価な耐食性のある金属を使用する必要がなく、廉価な装置を提供できる。
【解決手段】遠赤外線領域の共鳴電磁波により純水の水素結合を切り離し、バナジューム塩の溶解能力の大きい水にできる電解液再生循環装置を、電解液循環系統に設けることにより、電解液を循環再生させ、安定して高濃度でバナジューム塩を溶解させる。また電極板と電解液の間にカーボン微粉末と少量の樹脂を混練圧密化した電極補助板を介在させることにより、集電効率を上げるとともに、電極板が直接電解液と接する必要性をなくし、高価な耐食性のある金属を使用する必要がなく、廉価な装置を提供できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、純水にイオン価数の変化する電解物質を溶解した電解液の酸化還元作用を利用した蓄電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電池は、電極の化学変化で充放電する方式で 耐久性や電気密度が小さいため大容量の装置化や廉価で伝導度の高い電極の実用化に問題あった。
【０００３】
また希硫酸にバナジューム塩を溶解した電解液を使用した本発明装置と同様の酸化還元型蓄電装置も実用化されている。電解液に溶解したバナジュームのイオン価数の変化で充放電するため、電極の化学反応による寿命阻害要因がなく、長寿命で、大容量で、設置スペース自由度の大きい蓄電装置の実現が可能となったが、電解液の危険性や腐食性や硫化水素ガスの発生の問題で小型化や一般普及が困難とされている。
【０００４】
また上記の欠点を解決するため、イオン価数の異なるバナジュームを希硫酸で溶解した原液を純水で希釈溶解した電解液を使用した本発明装置と同様の酸化還元型蓄電装置も開発されているが、バナジューム塩の純水での溶解性に問題があり実用化に至っていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、イオン価数の異なるバナジューム電解液の酸化還元作用を利用した蓄電装置は、多くの長所を持っているが、その普及実用化については解決すべきいくつかの問題点もある。第一に、装置の効率を高め、小型化するために高濃度で、安定した、保守管理が容易で安全なバナジューム電解液が必要とされる。
【０００６】
また、電池セル内で電解液と接し電気を集めるため耐食性が高く、伝導性の優れた白金やチタン合金等の高価な電極板が使用されているが、価格が高いため汎用普及が難しい。耐食性が高く伝導性の優れた価格の安い電極板または電極装置が必要とされる。
【０００７】
また、電池の動作の発停時に、陰極側に、水素ガスが発生し、円滑な運転を阻害されるため、水素のガス化蓄積の防止が必要とされる。
【０００８】
また、電解液貯蔵タンクを屋外に設置する場合、季節によって電解液の凍結や温度上昇が問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するために本発明者は、天然深成岩や凝灰岩や金属やそれらの焼結体から放射される５〜１０テラヘルツの遠赤外線領域の共鳴電磁波により、水の水素結合を分離し、水分子同士の結合しているクラスターを微細化し、水分子間の隙間の小さい純水にすることにより、バナジューム塩の微粉末が安定して溶解することを見出し、本発明をなすに至った。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明の純水の電解液循環再生装置は、天然深成岩や凝灰岩や金属やそれらの焼結体から放射される５〜１０テラヘルツの遠赤外線領域の共鳴電磁波で、遠赤外線領域のエネルギー領域の水素結合を励起し、切り離す。
【００１１】
電解液循環再生装置が純水の水素結合を切り離し、クラスターを小さくしていることは、この電解循環再生装置を通過する水に空気を送り込むことで、小さくなった隙にナノバブル化された酸素が安定して溶存され、溶存酸素量が１．５〜２．５倍増加することや、水のＰＨが、通常の純水より１．５〜３倍上昇することで証明される。
【００１２】
また本発明の第２の酸化還元型蓄電装置において、カーボン微粉末を９０〜９５％程度の重量比で樹脂バインダーと混練して圧密を繰り返すことにより、嵩比重を高め、伝導度を高めた電極補助板を、電極に圧接し、電解液に直接接する側に使用することにより、電解液の酸化還元により生ずる起電力、または充放電のための電力を、高効率で電解液を介して集電供給することにより電池セルの小型が図れるとともに、電極の腐食を防止する。
【００１３】
また本発明の第３の酸化還元型蓄電装置において、電池セルの電解液室内に充填され電解液内の電荷を効率良く集電するためのスポンジ状カーボンの粗密度を陰極電解液室側で、正極電解液室側よりも微細にすることにより、電池動作の発停時の円滑な動作を阻害する水素ガスが、陰極で蓄積されないようにする。
【００１４】
また本発明の第４の酸化還元型蓄電装置において、電解液貯蔵タンクの外表面に、輻射熱を遮蔽するフィルムを貼り付けることにより、電解液貯蔵タンクを屋外に設置した場合の紫外線等の輻射熱による電解液の温度上昇や放射冷却による電解液の凍結を防止するとともに、有害電磁波ノイズの電解液への影響を防止する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、バナジューム塩を高濃度で安定して溶解でき、炭素含有率の高い電極補助板により高効率で集電し、陰極側の水素ガス蓄積を防ぐように電解液室に充填するスポンジカーボンの密度を高めることにより、小型で高効率の電解液酸化還元型蓄電装置を廉価で生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の概念を示すフロー図である。この蓄電装置は、電池セル内でイオン交換膜１１をはさんで、イオン価数の異なる正極電解液室９と陰極電解液室１０が接していて、充電時には水素イオンが、イオン交換膜１１を介して陰極電解液室から陽極電解液室へ移動し、放電時には、陽極電解液室９から陰極電解液室１０に水素イオンが移動するように構成され、電力は陽極電極板７及び陰極電極板８を介して取り出されるようになっている。
【００１７】
正極及び陰極の電解液は、それぞれ正極液電解液貯蔵タンク１および陰極電解液貯蔵タンク２に貯蔵され、正極電解液循環ポンプ３および陰極電解液循環ポンプ４により電池セルを介して循環され、電池セル内でイオン交換膜１１を介して、水素イオンを正極および陰極電解液室９及び１０の間で移動することにより充放電を行なう。従って充放電能力は電池セル能力により決定されるが、蓄電量は電解液貯蔵タンク１及び２の容量で決定される。
【００１８】
装置全体を小型高効率化するためには、電気密度を高濃度にする必要があり、そのためにバナジューム塩を安定して均一に溶解する方法として、本発明では、天然深成岩や凝灰岩や金属やそれらの焼結体による５〜１０テラヘルツの遠赤外線領域の共鳴電磁波発生体５１及び６１を充填した電解液循環再生装置５及び６を電極液循環系統の電解液循環ポンプ３および４の出口側設けていて、電解液の水分子間の水素結合を分離し、バナジューム塩を高濃度で安定して溶解する。
【００１９】
図２は、本発明の電池セルの模式図で、イオン交換膜１１をはさんで正極電解液室９と陰極電解液室１０があり、イオン価数の異なるバナジューム水溶液が循環ポンプ３及び４により電解液貯蔵タンク１及び２から移送され、陽極電解液室９では、充電時に、４価のバナジュームが５価のバナジュームとなり、放電時には５価の４価のバナジュームになる。また陰極電解液室１０では、充電時に３価のバナジュームが２価のバナジュームになり、放電時には２価のバナジュームが３価になる。イオンの移動は水素イオンで行なわれる。
【００２０】
正極及び陰極電解液室内９及び１０には、電解液の正極及び陰極電極補助板７１及び８１で効率良く電荷の移動による集電を行なうために、純綿を炭化したカーボンスポンジが充填され、陰極電極液室１０には、正極電解液室９よりも微細で、空隙のサイズの細かい材料を使用することにより、電池動作停止時に水素ガスが陰極電解液室１０に蓄積されることで、次の円滑な運転の阻害を防止する。
【００２１】
充放電動作で、正極及び陰極電解液室９及び１０を、イオン交換膜１１を介して移動する電荷を、効率良く集電し、金属電極の腐食を防止するため、カーボン微粉末を９０〜９５％程度の重量比で樹脂バインダーと混練して圧密を繰り返すことにより、嵩比重を高め、伝導度を高めた正極及び陰極電極補助板７１及び８１を、正極電極板７および陰極電極板８と圧接して構成している。
【００２２】
電解液貯蔵タンク１及び２を電池セルと分離して屋外に設置する場合、紫外線等の輻射熱による電解液の温度上昇や放射冷却による電解液の凍結を防止したり、有害電磁波ノイズの電解液への影響を防止するため、電解液貯蔵タンク１及び２の外表面に、輻射熱を遮蔽するフィルムを貼り付ける。
【産業上の利用の可能性】
【００２３】
本発明によれば、保守点検が容易な、長寿命で、比較的容量の大きい電解液酸化還元型蓄電装置を、低価格で提供できるため、太陽光発電や風力発電のような不安定な起電力の自然エネルギーの蓄積が可能となり、温室効果ガスの排出削減にも貢献できる。また夜間の廉価な電気を蓄電、需要の多い昼間の電力として使用することにより、電力の平準化と節電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】は、本発明の概念を示すフロー図である。
【図２】は、本発明の電池セルの断面模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１． 正極電解液貯蔵槽
２． 陰極電解液貯蔵槽
３． 正極電解液循環ポンプ
４． 陰極電解液循環ポンプ
５． 正極電解液循環再生装置
６． 陰極電解液循環再生装置
７． 正極電極板
８． 陰極電極板
９． 正極電解液室
１０．陰極電解液室
１１．イオン交換膜
２０．正極電解液入り口配管
２１．正極電解液出口配管
３０．陰極電解液入り口配管
３１．陰極電解液出口配管
５１．共鳴電磁波発生体
６１．共鳴電磁波発生体
７１．正極補助電極板
８１．陰極補助電極板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、純水にイオン価数の変化する電解物質を溶解した電解液の酸化還元作用を利用した蓄電装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電池は、電極の化学変化で充放電する方式で 耐久性や電気密度が小さいため大容量の装置化や廉価で伝導度の高い電極の実用化に問題あった。
【０００３】
また希硫酸にバナジューム塩を溶解した電解液を使用した本発明装置と同様の酸化還元型蓄電装置も実用化されている。電解液に溶解したバナジュームのイオン価数の変化で充放電するため、電極の化学反応による寿命阻害要因がなく、長寿命で、大容量で、設置スペース自由度の大きい蓄電装置の実現が可能となったが、電解液の危険性や腐食性や硫化水素ガスの発生の問題で小型化や一般普及が困難とされている。
【０００４】
また上記の欠点を解決するため、イオン価数の異なるバナジュームを希硫酸で溶解した原液を純水で希釈溶解した電解液を使用した本発明装置と同様の酸化還元型蓄電装置も開発されているが、バナジューム塩の純水での溶解性に問題があり実用化に至っていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のように、イオン価数の異なるバナジューム電解液の酸化還元作用を利用した蓄電装置は、多くの長所を持っているが、その普及実用化については解決すべきいくつかの問題点もある。第一に、装置の効率を高め、小型化するために高濃度で、安定した、保守管理が容易で安全なバナジューム電解液が必要とされる。
【０００６】
また、電池セル内で電解液と接し電気を集めるため耐食性が高く、伝導性の優れた白金やチタン合金等の高価な電極板が使用されているが、価格が高いため汎用普及が難しい。耐食性が高く伝導性の優れた価格の安い電極板または電極装置が必要とされる。
【０００７】
また、電池の動作の発停時に、陰極側に、水素ガスが発生し、円滑な運転を阻害されるため、水素のガス化蓄積の防止が必要とされる。
【０００８】
また、電解液貯蔵タンクを屋外に設置する場合、季節によって電解液の凍結や温度上昇が問題となる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
このような課題を解決するために本発明者は、天然深成岩や凝灰岩や金属やそれらの焼結体から放射される５〜１０テラヘルツの遠赤外線領域の共鳴電磁波により、水の水素結合を分離し、水分子同士の結合しているクラスターを微細化し、水分子間の隙間の小さい純水にすることにより、バナジューム塩の微粉末が安定して溶解することを見出し、本発明をなすに至った。
【００１０】
すなわち、上記課題を解決するために、本発明の純水の電解液循環再生装置は、天然深成岩や凝灰岩や金属やそれらの焼結体から放射される５〜１０テラヘルツの遠赤外線領域の共鳴電磁波で、遠赤外線領域のエネルギー領域の水素結合を励起し、切り離す。
【００１１】
電解液循環再生装置が純水の水素結合を切り離し、クラスターを小さくしていることは、この電解循環再生装置を通過する水に空気を送り込むことで、小さくなった隙にナノバブル化された酸素が安定して溶存され、溶存酸素量が１．５〜２．５倍増加することや、水のＰＨが、通常の純水より１．５〜３倍上昇することで証明される。
【００１２】
また本発明の第２の酸化還元型蓄電装置において、カーボン微粉末を９０〜９５％程度の重量比で樹脂バインダーと混練して圧密を繰り返すことにより、嵩比重を高め、伝導度を高めた電極補助板を、電極に圧接し、電解液に直接接する側に使用することにより、電解液の酸化還元により生ずる起電力、または充放電のための電力を、高効率で電解液を介して集電供給することにより電池セルの小型が図れるとともに、電極の腐食を防止する。
【００１３】
また本発明の第３の酸化還元型蓄電装置において、電池セルの電解液室内に充填され電解液内の電荷を効率良く集電するためのスポンジ状カーボンの粗密度を陰極電解液室側で、正極電解液室側よりも微細にすることにより、電池動作の発停時の円滑な動作を阻害する水素ガスが、陰極で蓄積されないようにする。
【００１４】
また本発明の第４の酸化還元型蓄電装置において、電解液貯蔵タンクの外表面に、輻射熱を遮蔽するフィルムを貼り付けることにより、電解液貯蔵タンクを屋外に設置した場合の紫外線等の輻射熱による電解液の温度上昇や放射冷却による電解液の凍結を防止するとともに、有害電磁波ノイズの電解液への影響を防止する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、バナジューム塩を高濃度で安定して溶解でき、炭素含有率の高い電極補助板により高効率で集電し、陰極側の水素ガス蓄積を防ぐように電解液室に充填するスポンジカーボンの密度を高めることにより、小型で高効率の電解液酸化還元型蓄電装置を廉価で生産することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、本発明の概念を示すフロー図である。この蓄電装置は、電池セル内でイオン交換膜１１をはさんで、イオン価数の異なる正極電解液室９と陰極電解液室１０が接していて、充電時には水素イオンが、イオン交換膜１１を介して陰極電解液室から陽極電解液室へ移動し、放電時には、陽極電解液室９から陰極電解液室１０に水素イオンが移動するように構成され、電力は陽極電極板７及び陰極電極板８を介して取り出されるようになっている。
【００１７】
正極及び陰極の電解液は、それぞれ正極液電解液貯蔵タンク１および陰極電解液貯蔵タンク２に貯蔵され、正極電解液循環ポンプ３および陰極電解液循環ポンプ４により電池セルを介して循環され、電池セル内でイオン交換膜１１を介して、水素イオンを正極および陰極電解液室９及び１０の間で移動することにより充放電を行なう。従って充放電能力は電池セル能力により決定されるが、蓄電量は電解液貯蔵タンク１及び２の容量で決定される。
【００１８】
装置全体を小型高効率化するためには、電気密度を高濃度にする必要があり、そのためにバナジューム塩を安定して均一に溶解する方法として、本発明では、天然深成岩や凝灰岩や金属やそれらの焼結体による５〜１０テラヘルツの遠赤外線領域の共鳴電磁波発生体５１及び６１を充填した電解液循環再生装置５及び６を電極液循環系統の電解液循環ポンプ３および４の出口側設けていて、電解液の水分子間の水素結合を分離し、バナジューム塩を高濃度で安定して溶解する。
【００１９】
図２は、本発明の電池セルの模式図で、イオン交換膜１１をはさんで正極電解液室９と陰極電解液室１０があり、イオン価数の異なるバナジューム水溶液が循環ポンプ３及び４により電解液貯蔵タンク１及び２から移送され、陽極電解液室９では、充電時に、４価のバナジュームが５価のバナジュームとなり、放電時には５価の４価のバナジュームになる。また陰極電解液室１０では、充電時に３価のバナジュームが２価のバナジュームになり、放電時には２価のバナジュームが３価になる。イオンの移動は水素イオンで行なわれる。
【００２０】
正極及び陰極電解液室内９及び１０には、電解液の正極及び陰極電極補助板７１及び８１で効率良く電荷の移動による集電を行なうために、純綿を炭化したカーボンスポンジが充填され、陰極電極液室１０には、正極電解液室９よりも微細で、空隙のサイズの細かい材料を使用することにより、電池動作停止時に水素ガスが陰極電解液室１０に蓄積されることで、次の円滑な運転の阻害を防止する。
【００２１】
充放電動作で、正極及び陰極電解液室９及び１０を、イオン交換膜１１を介して移動する電荷を、効率良く集電し、金属電極の腐食を防止するため、カーボン微粉末を９０〜９５％程度の重量比で樹脂バインダーと混練して圧密を繰り返すことにより、嵩比重を高め、伝導度を高めた正極及び陰極電極補助板７１及び８１を、正極電極板７および陰極電極板８と圧接して構成している。
【００２２】
電解液貯蔵タンク１及び２を電池セルと分離して屋外に設置する場合、紫外線等の輻射熱による電解液の温度上昇や放射冷却による電解液の凍結を防止したり、有害電磁波ノイズの電解液への影響を防止するため、電解液貯蔵タンク１及び２の外表面に、輻射熱を遮蔽するフィルムを貼り付ける。
【産業上の利用の可能性】
【００２３】
本発明によれば、保守点検が容易な、長寿命で、比較的容量の大きい電解液酸化還元型蓄電装置を、低価格で提供できるため、太陽光発電や風力発電のような不安定な起電力の自然エネルギーの蓄積が可能となり、温室効果ガスの排出削減にも貢献できる。また夜間の廉価な電気を蓄電、需要の多い昼間の電力として使用することにより、電力の平準化と節電が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】は、本発明の概念を示すフロー図である。
【図２】は、本発明の電池セルの断面模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１． 正極電解液貯蔵槽
２． 陰極電解液貯蔵槽
３． 正極電解液循環ポンプ
４． 陰極電解液循環ポンプ
５． 正極電解液循環再生装置
６． 陰極電解液循環再生装置
７． 正極電極板
８． 陰極電極板
９． 正極電解液室
１０．陰極電解液室
１１．イオン交換膜
２０．正極電解液入り口配管
２１．正極電解液出口配管
３０．陰極電解液入り口配管
３１．陰極電解液出口配管
５１．共鳴電磁波発生体
６１．共鳴電磁波発生体
７１．正極補助電極板
８１．陰極補助電極板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解質のバナジューム塩を純水に溶解し電解液とする酸化還元型蓄電装置において、電解液の循環配管系統に、遠赤外線領域の電磁波を発生する装置を設けることを特徴とする酸化還元型蓄電装置。
【請求項２】
請求項１に記載される酸化還元型蓄電装置において、カーボン微粉末を９０％〜９５％の重量比で樹脂バインダーと混練して圧密を繰り返すことにより、嵩比重を高め、電気伝導度を高めた電極補助板を電極板と圧接して、電解液に直接接する側に使用することを特徴とする酸化還元型蓄電装置。
【請求項３】
請求項１及び請求項２に記載される酸化還元型蓄電装置において、イオン交換膜をはさんで正極と陰極間に分けられている電解液室内に、陰極室に正極室より細く、スポンジ状に繊維密度を高くして重ね織りした炭素繊維を充填することを特徴とする酸化還元型蓄電装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載される酸化還元型蓄電装置において、電解液貯蔵タンクの外表面に、輻射熱を遮蔽するフィルムを貼り付けることを特徴とする酸化還元型蓄電装置。
【請求項１】
電解質のバナジューム塩を純水に溶解し電解液とする酸化還元型蓄電装置において、電解液の循環配管系統に、遠赤外線領域の電磁波を発生する装置を設けることを特徴とする酸化還元型蓄電装置。
【請求項２】
請求項１に記載される酸化還元型蓄電装置において、カーボン微粉末を９０％〜９５％の重量比で樹脂バインダーと混練して圧密を繰り返すことにより、嵩比重を高め、電気伝導度を高めた電極補助板を電極板と圧接して、電解液に直接接する側に使用することを特徴とする酸化還元型蓄電装置。
【請求項３】
請求項１及び請求項２に記載される酸化還元型蓄電装置において、イオン交換膜をはさんで正極と陰極間に分けられている電解液室内に、陰極室に正極室より細く、スポンジ状に繊維密度を高くして重ね織りした炭素繊維を充填することを特徴とする酸化還元型蓄電装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３に記載される酸化還元型蓄電装置において、電解液貯蔵タンクの外表面に、輻射熱を遮蔽するフィルムを貼り付けることを特徴とする酸化還元型蓄電装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００９−２８３４２５（Ｐ２００９−２８３４２５Ａ）
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５４６１０（Ｐ２００８−１５４６１０）
【出願日】平成２０年５月１９日（２００８．５．１９）
【出願人】（５９４０６９９９３）山菱工業株式会社 (4)
【出願人】（５０８１７５８９１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月３日（２００９．１２．３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１９日（２００８．５．１９）
【出願人】（５９４０６９９９３）山菱工業株式会社 (4)
【出願人】（５０８１７５８９１）
【Ｆターム（参考）】
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