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レドックス・フロー電池(-でんち、英:redox flow cell,redox flow battery)は設備型二次電池の一種で、イオンの酸化還元反応を溶液のポンプ循環によって進行させて、充電と放電を行う。

redoxはreduction-oxidation reaction の短縮表現で、フローは省略される事もある。

エネルギー密度が低く小型化に向かない反面、構造が単純で大型化に適するため、電力用設備として実用化されている。

◆ 概要

1974年、NASAにより基本原理が発表され、1980年代に研究が進み特許出願もピークとなった。

2000年頃から住友電気工業が販売を開始し、電力貯蔵用設備として日間負荷変動の平準化や瞬時低電圧対策、風力発電の発電力均等化等に利用されている。

原理は、膜で隔てた二種類のイオン溶液に電極を設け、それぞれ酸化反応と還元反応を進行させる。実際のセルは炭素電極とイオン交換膜による多層構造となる。

当初は鉄イオンとクロムイオンを使う、鉄-クロム系が主だったが、次第に両者が混合し容量が低下する問題があり、同じ元素なのでこの点で有利なバナジウム系が開発され実用化に至った。

◆ 原理

図では充電中のイオン価の変化と水素イオンの移動を示している。充電中はプラス極に電流が流入(電子が流出)するので、4価のバナジウムは(電子を失い)5価に酸化される。同じくマイナス極では3価のバナジウムが(電子を得て)2価に還元される。放電時には、充電時の逆の反応が進行する。

この時、バナジウムのカウンターイオンである硫酸イオンから見ると、ブラス側では相手が過剰となり、マイナス側では不足する。これを調整するため陽イオン交換膜を水素イオンが通過し、バランスを取る。通過するプロトン量は充電された電荷に等しくなる。

循環ポンプにより、タンク内から未反応のイオンが供給される限り反応は進むが、反応済みイオンの濃度が増すにつれ充電効率が低下する。このため、最大充電容量は、全イオン量よりある程度低く設定される。

実際には電極上でバナジウムは酸素と反応し、これが性能上のネックとなっていた。ウラニウムを使用するとこの問題を回避できるため、研究が進められている。

◆ 特徴

室温で作動するため熱源は特に必要としない。また、燃焼性・爆発性の物質を使用・発生せず、先行して実用化されたナトリウム・硫黄電池より安全性で優れている。

また、イオン種によっては化学反応を伴わないため溶液の組成が変化しにくく安定性も高い。設備も、大部分が一般的な機器で構成できるうえ、繰り返し充放電で長寿命を期待できる。レアメタルなどの希少資源の必要性も低い。

電池容量を増すには、ほぼ溶液のタンクを増設するだけですむため、大型設備に適している。

一方、水溶液を使用するため、水の電気分解が生じる電位が制限となり、エネルギー密度を上げることができない、大型化は容易だが小型化は困難、溶液温度が上昇すると支障があるため冷却装置が必要、などの制限もある。

◆ 関連項目

・ 電気二重層コンデンサ

◆ 外部リンク

・ 東京電力 [外部リンク] 新型二次電池の開発状況

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