(57)【要約】【課題】入出力密度及びエネルギー密度の大きい電力調整システムを提供することを目的とする。【解決手段】出力が変動する電源装置及び／又は入力が変動する負荷に併設されて使用される正・負極活物質を有する二次電池式の電力調整システム１０であって、正・負極活物質の少なくとも一方は酸化還元性の活物質液を含侵又は流通する電極と入出力端子１４とを有する１以上の蓄電ユニット１１と、１以上の蓄電ユニット１１のうちの任意の入出力端子１４の電圧値及び／又は電流値を検出又は予測する検出部１２と、検出部１２で検出又は予測された値に基づいて活物質液の流入出量及び／又は外部機器に対する入出力端子１４位置を制御する制御部１３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
出力が変動する電源装置及び／又は入力が変動する負荷に併設されて使用される正・負極活物質を有する二次電池式の電力調整システムであって、
前記正・負極活物質の少なくとも一方は酸化還元性の活物質液を含侵又は流通する電極と入出力端子とを有する１以上の蓄電ユニットと、
前記１以上の蓄電ユニットのうちの任意の入出力端子の電圧値及び／又は電流値を検出又は予測する検出部と、
前記検出部で検出又は予測された値に基づいて前記活物質液の流入出量及び／又は外部機器に対する入出力端子位置を制御する制御部とを備えることを特徴とする電力調整システム。
【請求項２】
前記複数の蓄電ユニットは、レドックスフロー二次電池の単電池が直列に積層された電池列であることを特徴とする請求項１に記載の電力調整システム。
【請求項３】
複数の前記電池列が電気的に並列に配置されていることを特徴とする請求項２に記載の電力調整システム。
【請求項４】
充放電深度の異なる前記活物質液が複数のタンクに貯蔵され、前記制御部において、それぞれの前記タンクから前記セルスタックの各セルへの流路の接続及び／又は流量を制御することを特徴とする請求項２に記載の電力調整システム。
【請求項５】
前記検出部は、前記蓄電ユニットの入出力時の電圧及び／又は電流を検出又は予測することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の電力調整システム。
【請求項６】
二次電池が前記１以上の蓄電ユニットに対して電気的に並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力調整システム。
【請求項７】
前記蓄電ユニットに接続される前記電源装置又は前記負荷の少なくとも１つがリチウムイオン二次電池及び／又はリチウムイオン二次電池モジュールであることを特徴とする請求項６に記載の電力調整システム。
【請求項８】
充電対象とする蓄電池に接続可能で、急速充電を行うことが可能な請求項７に記載の電力調整システム。
【請求項９】
前記出力が変動する電源装置と前記１以上の蓄電ユニットに対して電気的に並列接続されている前記二次電池とが継電器及び／又は開閉器によって電気的に直接接続することが可能なことを特徴とする請求項６乃至請求項８のいずれか１項に記載の電力調整システム。
【請求項１０】
前記制御部は人工知能により制御を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項に記載の電力調整システム。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の電力調整システムがエレベータに併設され、前記電力調整システムを用いて電源と前記エレベータとの間の電力を調整することを特徴とするエレベータシステム。
【請求項１２】
請求項１乃至請求項１０のいずれか１項に記載の電力調整システムが車両に併設され、前記電力調整システムを用いて電源と前記車両との間の電力を調整することを特徴とする車両システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力が変動する電源装置及び／又は入力が変動する負荷に併設されて使用される正・負極活物質を有する二次電池式の電力調整システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
蓄電池の中でも、レドックスフロー二次電池は、大型化が容易、長寿命、高い安全性等といった特長とともに、炭素繊維電極を用いることによる大きな静電容量や、各単電池間に共通の活物質を供給できるという特徴を持っている。そのため、内部抵抗を低減することによって、入出力変動の激しい電源や負荷に対しても優れた充電受入性や負荷追随性を発揮することが可能である。レドックスフロー二次電池は、例えば、出力変動の調整を図るために、太陽光発電や風力発電等の出力が安定しない自然エネルギーの発電装置に併設されて使用される。レドックスフロー二次電池は、活物質液を電極中に流通又は含浸させる電池の一種であり、電池活物質を含む活物質液の循環によって充放電を行うものである。
【０００３】
例えば、特許文献１には、電池セルにバナジウムを活物質として含む電解液を循環させて充放電を行うレドックスフロー電池システムが記載されている。特許文献１では、電解液は、溶解したバナジウム化合物と粒子状に分散したバナジウム化合物とを含み、両バナジウム化合物のバナジウム濃度の合計が１．７ｍｏｌ／Ｌ以上であり、電解液が循環する循環経路に、粒子状に分散したバナジウム化合物の粒径を小さく調整する粒径調整手段を備えることで、高濃度のバナジウム電解液を用いた場合であっても、完全溶解系と同じくその濃度に基づく電極反応性を得ることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１８／１２３９６３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
レドックスフロー電池のエネルギー密度およびコスト（製作費）は、活物質電解液によって大きく影響を受けるので、十分な活物質利用率を維持していくことは、レドックス電池の経済性評価で非常に重要である。例えば、上述したようなバナジウム系レドックス電池では、活物質利用率が９０％から５０％に低下すると、従来の蓄電機能だけを目的とする電池では製作コストは５０％以上上昇し、リチウムイオン二次電池（ＬＩＢ）などと比べて利点が乏しいと考えられる。
【０００６】
本発明は、入出力調整機能を持つレドックスフロー型二次電池として用いることによって、電源、負荷のほかに他の二次電池を直接接続して、従来にない電池システムの最適化を図ることを可能にした。
【０００７】
特に本発明は、ＬＩＢモジュールなどと組み合わせることによって、入出力密度及びエネルギー密度の大きい電力調整システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち、本発明の一態様は、出力が変動する電源装置及び／又は入力が変動する負荷に併設されて使用される正・負極活物質を有する二次電池式の電力調整システムであって、正・負極活物質の少なくとも一方は酸化還元性の活物質液を含侵又は流通する電極と入出力端子とを有する１以上の蓄電ユニットと、１以上の蓄電ユニットのうちの任意の入出力端子の電圧値及び／又は電流値を検出又は予測する検出部と、検出部で検出又は予測された値に基づいて活物質液の流入出量及び／又は外部機器に対する入出力端子位置を制御する制御部とを備える。
【０００９】
本発明の一態様によれば、入出力端子の電圧値及び／又は電流値を検出しながら、その値に応じて活物質液の流入出量や外部機器に対する入出力端子位置を制御するため、高い充電受入性と負荷との出力適合性を実現することができる。
【００１０】
このとき、本発明の一態様では、複数の蓄電ユニットは、レドックスフロー二次電池の単電池が直列に積層された電池列とすることができる。
【００１１】
レドックスフロー二次電池のセルスタックとすることで、各電池セル単位での細かい制御が可能となり、より効率的で信頼性の高い制御が可能となる。
【００１２】
また、本発明の一態様では、複数の電池列が電気的に並列に配置されている構成としてもよく、直列及び並列は任意変更することができる。
【００１３】
このような構成とすることで、蓄電ユニットの一部が破損又は故障したような場合であっても、作動可能な電力調整システムとすることができる。
【００１４】
また、本発明の一態様では、充放電深度の異なる活物質液が複数のタンクに貯蔵され、制御部において、それぞれのタンクからセルスタックの各セルへの流路の接続及び／又は流量を制御しても良い。
【００１５】
充放電深度の異なる活物質液を用いることにより、状況に応じて活物質液を切り替えることでより多様な制御が可能となる。
【００１６】
また、本発明の一態様では、検出部は、セルスタックの入出力時の電圧及び／又は電流を検出するか、さらにそれらの制御因子を予測して制御する方法がとられる。
【００１７】
入出力時の電圧及び／又は電流を検出及び予測することで、より状況に適した制御が可能となる。
【００１８】
また、本発明の一態様では、二次電池が１以上の蓄電ユニットに対して電気的に並列接続されている構成としても良い。
【００１９】
二次電池が電気的に並列接続することで、二次電池の過度的な入出力を電力調整システム全体で防止することができる。
【００２０】
また、本発明の一態様では、蓄電ユニットに接続される電源装置又は負荷の少なくとも１つがリチウムイオン二次電池及び／又はリチウムイオン二次電池モジュールであるとしても良い。
【００２１】
二次電池としてリチウムイオン二次電池及び／又はリチウムイオン二次電池モジュールと併設することにより、様々な用途でＬＩＢの性能を向上させることができる。
【００２２】
また、本発明の一態様では、充電対象とする蓄電池に接続可能で、急速充電を行うことが可能としても良い。
【００２３】
ＬＩＢとレドックス二次電池を併用することで、急速充電を行うことも可能となる。
【００２４】
また、本発明の一態様では、出力が変動する電源装置と１以上の蓄電ユニットに対して電気的に並列接続されている二次電池とが継電器及び／又は開閉器によって電気的に直接接続することが可能としても良い。
【００２５】
電源の入力変動が二次電池（ＬＩＢ）の受け入れ範囲になればレドックス電池反応を行うことなく接続することができる。
【００２６】
また、本発明の一態様では、制御部は人工知能により制御を行うこととしても良い。
【００２７】
人工知能により制御を行うことにより、より複雑な状況に対しても適切な制御を行うことが可能となる。
【００２８】
また、本発明の他の態様では、電力調整システムがエレベータ又は車両に併設され、電力調整システムを用いて電源とエレベータ又は車両との間の電力を調整するエレベータシステム又は車両システムとすることができる。
【００２９】
本発明の他の態様によればエレベータの稼働や車両の駆動時に生じる回生電力を効率的に利用することができる。
【発明の効果】
【００３０】
以上説明したように本発明によれば、入出力密度及びエネルギー密度の大きい電力調整システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力調整システムの構成を示した概略図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電力調整システムの適用状態を示したブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る電力調整システムにおけるレドックス二次電池システムの一例を示した斜視図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電力調整システムにおけるレドックス二次電池システムのセルの構造の一例を示す斜視図である。
【図５】本発明の一実施形態に係る電力調整システムにおける制御の一例を表した概念図である。
【図６】レドックス電池システムとＬＩＢモジュールを併設した電力調整システムの一例を示した概略図である。
【図７】レドックス電池システムとＬＩＢモジュールを併設した電力調整システムの他の例を示した概略図である。
【図８】（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る電力調整システムの他の構成を示した概略図であり、（Ｂ）は、ブロック図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る電力調整システムにおける直列と並列の切り替えの一例を表す概略図である。
【図１０】レドックス電池システムの構成の１例を示す簡略図である。
【図１１】（Ａ）は、定電流充電における各スタックの電流値の時間変化を表す図であり、（Ｂ）は、定電流充電における各スタックの電圧値の時間変化を表す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る電力調整システムを適用したエレベータシステムにおける構成の一例を示した概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３３】
二次電池による電力貯蔵において重要な点は、１：充電受け入れ性、負荷追随性（入出力密度）と２：エネルギー密度であり、レドックス電池は、寿命特性や電解液が共通であるというメリットを持ちながら、内部抵抗が大きいことおよび電解液における活物質溶解度の制限のために、主要な電力貯蔵用二次電池として、広く普及するまでに至っていない。
【００３４】
レドックス電池における見掛けの単位面積あたりの面積抵抗率は、バナジウム系、鉄クロム系など、ともに０．５Ωｃｍ２程度までの低減が可能であるが、積層したスタックレベルで見ると、鉛二次電池やリチウムイオン電池などと比べて、かなり大きい。とくに、近年はリチウムイオン電池の普及によって、据え置き型二次電池も、リチウムイオン電池が、上記条件を満たし、経済性の面でも優れた二次電池として、世界的に普及する兆しがある。
【００３５】
しかしながら、変電所設置型、スマートグリッド用、大型の回生電流受電用の二次電池としては、制御系（コンデイショナー）を含めた経済性の点で不十分であり、現在はいずれの分野も、二次電池を用いずに、グリッド（受給電）調整によって、効率向上等を図ろうとする傾向にある。安価な電池を用いる方法として、ＬＩＢ（リチウムイオン二次電池）をＥＶ（電気自動車）で使用した中古品のうち、据え置き型として十分に使用できるものを選択し、電力貯蔵設備を作る場合でも、制御系のコスト低減が不十分であり、電力貯蔵設備が導入できる分野は限定的になっている。
【００３６】
レドックス電池は、多孔質炭素繊維電極を用いることによって大きな電気二重層容量を持つこと、電極面積を大きくすること、もしくは電池列を並列化することによって、実質的に電池の内部抵抗を小さくし、入力、負荷への十分な対応性を持たせることができる。電解液（活物質）が共通でない従来の二次電池では、電池列を複数化する場合、それぞれの電池列にコンデイショナーを取り付けて、各電池列の均等化を図っているが、レドックス電池はその必要がない。
【００３７】
図１は、本発明の一実施形態に係る電力調整システムの構成を示した概略図であり、図２は、電力調整システムの適用状態を示したブロック図である。本発明の一態様は、出力が変動する電源装置及び／又は入力が変動する負荷に併設されて使用される正・負極活物質を有する二次電池式の電力調整システム１０であって、正・負極活物質の少なくとも一方は酸化還元性の活物質液を含侵又は流通する電極と入出力端子１４とを有する１以上の蓄電ユニット１１と、１以上の蓄電ユニット１１のうちの任意の入出力端子１４の電圧値及び／又は電流値を検出又は予測する検出部１２と、検出部１２で検出又は予測された値に基づいて活物質液の流入出量及び／又は外部機器に対する入出力端子１４位置を制御する制御部１３とを備える。
【００３８】
このように、入出力端子１４の電圧値及び／又は電流値を検出又は予測しながら、その値に応じて活物質液の流入出量や外部機器に対する入出力端子位置を制御するため、入出力密度及びエネルギー密度の大きい電力調整システムを実現することができる。図２に示すように、本発明の一実施形態に係る電力調整システム１を接続することにより、充電電源２（例えば太陽光パネル等）に電気的に直結することも可能であるため、発電電圧が低い場合であっても充電を行うことが可能となり、自然エネルギーにおいて、入力電圧の大きさに関わらず安定した操業と電池効率の向上が可能となる。
【００３９】
検出部１２は、充放電の状況を的確に把握し、状況の変化に応じた適切な制御を行うための情報を取得する。検出部１２としては、電流計、電圧計、流量計等が挙げられる。検出部１２は、複数の蓄電ユニット全体の状況を検出するが、各蓄電ユニットごとの個々の情報を取得するように設置するとより好ましい。
【００４０】
制御部１３は、例えば、ＣＰＵ、主記憶装置、外部記憶装置、通信装置、入力装置、出力装置、表示装置等を備えている。制御部１３は、検出部１２で検出された情報に基づいて制御を行う。制御部１３の詳しい制御については後述する。
【００４１】
各蓄電ユニットには入出力端子１４が備えられており、制御部１３は、出力電力等を安定させるために、複数設置された蓄電ユニット１１の中から所望とする電圧となるように接続する入出力端子１４を選択する。また、活物質液は、例えば、タンク１５に貯蔵され、ポンプ１６により蓄電ユニット１１内を循環させる。したがって、例えば、制御部１３は、ポンプ１６の動作を制御することにより活物質液の流入出量を調整することができる。また、タンク１５は濃度及び／又は種類の異なる活物質液を貯蔵できるよう複数設置されていることが好ましい。
【００４２】
複数の蓄電ユニット１１としては、以下に説明するようなレドックスフロー二次電池のセルスタック（以下、レドックス二次電池システムと称する）を用いることが好ましい。図３は、本発明の一実施形態に係る電力調整システムにおけるレドックス二次電池システムの一例を示した斜視図であり、図４は、レドックス二次電池システムを構成するセルの構造の一例を示す斜視図である。
【００４３】
レドックス二次電池システム２０は、例えば図３や図４に示すように、電極２１と枠体２２と隔膜２３を有し、活物質液を含む複数のセル３０と、電極２１と接するようにセル３０を仕切る極板２５と、活物質液を循環させるためのポンプ２４とを備え、極板２５は入出力端子２６を有する。以下、各構成について簡単に説明する。
【００４４】
レドックス二次電池システム２０で用いられる電極２１は、活物質液を流通、含浸する多孔質導電体であり、材質は炭素又は、鉛などの金属である。電極２１は、例えば、炭素繊維フェルト（炭素繊維電極）である。また、炭素繊維電極を構成する炭素繊維は、繊維直径５μｍ以下のものの存在が顕微鏡観察（例えば走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ））によって確認できることが活物質補足性の点で好ましい。
【００４５】
セル３０は、図４に示すように、枠体２２の中に１対以上の電極２１が隔膜２３を隔てて備えられている。セル３０内のそれぞれの電極２１には、例えば、正極液・負極液流入管２７、２８を通じて活物質液が循環供給される。各正極液・負極液流入管２７、２８は、例えば外部のマニホールドと接続され、最終的には制御部により、活物質液の切り替えや流量が制御される。
【００４６】
レドックス二次電池システム２０で用いられる活物質液は、例えば、鉄・クロム系溶液やバナジウム系溶液が挙げられる。電極反応性を上げるには、電極との親和性があること、流動性が大きいことなどが重要な要件になる。また、硫酸酸性の場合は粘性率、導電率に配慮する必要がある。硫酸酸性バナジウム水溶液を活物質とする場合、バナジウム濃度が２．５Ｍ、全硫酸根濃度５Ｍを超えるような高濃度化は、活物質液のエネルギー密度はある程度大きくできるが、粘性率が大きくなり、また、導電率が小さくなってセル抵抗は大きくなりやすい。なお、活物質液（通常の電解液だけでなく、懸濁液も含む）は、セル３０内に常に流通（循環）させてもよいし、間歇的に流通させてもよいし、あるいは流通させずに電極２１を含浸させておくだけでも良い。
【００４７】
隔膜２３は、主にプロトン導電性の大きい陽、陰イオン交換膜である。例えば、フッ素樹脂系（ナフィオン（Nafion（登録商標）１１７，２１１など）やポリスチレンスルホン酸系、ポリオレフィン系などのイオン交換膜が用いられている。多孔質膜としては精密ろ過膜（ＭＦ）、限外ろ過膜（ＵＦ）、ナノろ過膜（ＮＦ）などの使用例がある。鉄・クロム系活物質液の体積抵抗率は塩酸に近い１Ωｃｍ程度であるが、硫酸酸性のバナジウム水溶液を活物質とする場合は、この数倍以上の抵抗があり、隔膜のイオン交換容量や厚さに十分に配慮する必要がある。
【００４８】
このようにして構成されるセル３０は、極板２５により仕切られる。すなわち、一例として、複数のセル３０は極板２５を介して積層され、各極板２５は隣接するセル３０の電極２１と接している。極板２５には、入出力端子２６が備えられている。このように直列に積層されるセル数を調節することによって、電力調整の機能を持たせることができる。
【００４９】
レドックス二次電池システム２０では、多くの入出力端子（トリムセル端子）を用いて入出力（電圧）の最適化を図るため、極板（複極仕切板、バイポーラプレート）は金属の入出力端子を持つ構造であることが好ましい。一方で、金属の極板を用いた場合には、セル内の活物質液と接触した際に溶解したり水素が発生したりする恐れがある。そこで、本発明では極板２５は図４に示すように、金属シート３１を導電性樹脂シート３２、３３で挟み込むようにして形成することで内部抵抗（セル面積抵抗率）を低減すると共に、入出力端子２６を極板２５の一端に有することで、極板全面に渡って均一な電位分布を作る配慮が必要なくなるようにしたものである。なお、図４に示す極板２５Ａ、２５Ｂは、極板の構造を説明するために厚く図示したものであり、実際の極板の厚みを示すものではない。
【００５０】
極板２５（バイポーラプレート）の一例としては、カーボンプラスチックスシート／入出力端子を持つ銅シート／カーボンプラスチックスシートという構成が好ましい。なお、極板２５の両面に電極が接する複極仕切板（バイポーラプレート）の場合には、金属シートの両面を導電性樹脂シート３２，３３で挟み込む必要があるが、セルスタックの両端において片側のみが電極と接する単極仕切板（エンドプレート）の場合には、電極と接する面だけを導電性樹脂シート３２，３３で被覆してもよい。
【００５１】
さらに、本発明に用いるカーボンプラスチックスシートは樹脂にポリエチレンやポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂を用い、熱融着、溶剤による溶着などの手段によって電極である導電性炭素繊維不織布と一体化することが好ましい。熱融着に適したカーボンプラスチックシートの樹脂はポリオレフィン系樹脂などであり、溶着に適した樹脂はポリ塩化ビニルなどである。また、熱融着によって、極板と電極を一体化することにより、セルの積層数が増加していく場合に、セルスタックをボルト等で抑える力を低減することができる。
【００５２】
ポンプ２４は、活物質液をセル３０内の電極２１に循環供給するために用いられる。本発明の一態様では、検出部１２によりセルスタックの電圧又は任意のセルの電圧を測定し、制御部１３により、ポンプ２４による活物質液の輸送を調節（オン・オフ制御を含む）することで、液輸送の所要動力を大きく低減できる。さらに、ポンプ２４は、正極用ポンプと負極用ポンプのように正極と負極で分けて用いてもよいが、活物質液を正極及び負極の双方に送液可能である両軸式活物質液送液ポンプを用いてもよい。
【００５３】
活物質電解液の電極内流動抵抗を低減し、また、高い活物質利用率と充放電エネルギー効率(充放電におけるクーロン効率と電圧効率との積)を維持するためには、次のような手法をとることによって達成できる。すなわち、電池本体(セルスタック)および電解液容器(タンク)を正負極液ともにそれぞれ複数化して、入出力値に応じて通電させるセルスタックおよびスタックに送液する電解液タンクを制御部によって限定する。これによって、例えば、充電時には、充電深度の小さい電解液を最適な規模(単電池積層数など)のセルスタックに供給して、高い充電受け入れ性を長く維持するとともに、逆に放電時には充電深度の高い電解液のタンクからセルスタックに送液して、大きな出力をできるだけ維持するというような制御が重要である。これによって、通常の定格入出力よりも高い入出力で充放電することが可能となる。
【００５４】
一方、このようなレドックス電池は、電解液中の活物質濃度(バナジウム化合物濃度)の制約によって、エネルギー密度を大きくとれないという欠点があり、これがレドックス電池の普及を妨げている。本発明においては、レドックス電池に二次電池を電気的に並列に接続することにより、入出力の調整をフロー型のレドックス電池、電力貯蔵を二次電池（リチウムイオン電池）によって行うことができ、２つのタイプの電池の特徴を活かした電力貯蔵設備を提供することができる。
【００５５】
また、本発明の一実施の形態に係る電力調整システムでは、自然エネルギーの発電装置等の出力電圧に基づいて複数のセルの入出力端子の少なくとも何れかに切り替え可能とする無接点切替素子や接点式の切替スイッチ等を備え、これらを制御部により制御することで、充電受入れ性を向上することができる。
【００５６】
図５は、本発明の一実施形態に係る電力調整システム４０における制御の一例を表した概念図である。例えば、自然エネルギーの発電装置４１として、太陽光パネルを用いた場合、曇りや雨などの天候の場合には出力電圧が大幅に下がってしまう。この時、検出部４２により太陽光パネルからの出力電圧を読み取り、その値に応じて制御部４３によってレドックス電池システム４４の入出力端子４５位置を切り替えるような構成（ＳＥＬ）とすることができる。一例として、曇りや雨などの天候で出力電圧が低い時には、スイッチをレドックス二次電池システム４４の少ないセル数となるような入出力端子４５に切り替えることで１セル分の電圧（例えば１．５Ｖ）で充電を行うことができる。一方で、晴れなどの天候で出力電圧が上昇している時には、入出力端子４５を積層セル数が多くなる位置に切り替えることで、レドックス二次電池システム４４の出力電圧を調整することができる。切替スイッチは、機械的切替時の過電流発生などの問題点を解消する観点から、入出力印加がされていない時に切り替えることが望ましい。或いは、電解液の送液量や送液タンク４６の切り替え（Ｆｒｅｑ）を調整することにより、充電深度を調整することもできる。
【００５７】
また、これらの制御は検出部の実測値に限らず、予測によるものでも良い。例えば、上述した太陽光パネルや、風力発電の場合、その日の天候、日照時間、風速・風向きの予測等を事前にＩｏＴ技術により入手することにより、必要な入出力端子位置（ＳＥＬ）や電解液送液の条件（Ｆｒｅｑ）を決定することもできる。さらには、入出力端子位置におけるセルスタックの電圧ｓ（ｔ）、太陽光パネルの電圧ＶＰ（ｔ）、電流の変化量ΔＩ（ｔ）、電圧の変化量ΔＶ（ｔ）を監視して、これらをパラメータとする関数
ＳＥＬ＝ｆ１（ｓ（ｔ），ＶＰ（ｔ），ΔＩ（ｔ），ΔＶ（ｔ））
Ｆｒｅｑ＝ｆ２（ｓ（ｔ），ＶＰ（ｔ），ΔＩ（ｔ），ΔＶ（ｔ））
を人工知能等による計算により決定しても良い。
【００５８】
また、検出部は、セルスタックの入出力時の電圧及び／又は電流を検出することが好ましい。セルスタックへの充電時は、セルスタック印加電圧もしくは印加電流の許容域を超えないように、充電の途中で定電圧モードもしくは低電力化による充電電圧上昇を抑制したモードに切り替える制御になる。一方、放電時はセルスタックからの出力電圧の低下もしくは出力電流の増大を抑制するため、定電圧モードや低出力化によって、許容域を超えた放電電圧低下を防止するための制御となる。
【００５９】
このように、制御部によって、太陽光発電のように変動の激しい出力を整流(平滑はとくに不要)したのち、入出力端子を持つ直列のキャパシタ機能および二次電池機能を持つレドックスフロー型電池の単電池列の最適な入出力端子に入力する。一方、レドックスフロー型電池システムから負荷への出力時には、同様に制御部によって最適な入出力端子から負荷へと出力する。電源、負荷との入出力を同時に行なう場合は、入力をできるだけ電池反応を行わずにコンデンサ機能による処理後、直接、負荷側に入力されるように制御する。
【００６０】
また、自然エネルギーの発電装置以外にも、負荷が二次電池、例えば、ＬＩＢ(リチウムイオン電池)の場合、レドックス電池システムとＬＩＢとは電源に対して並列接続することによって、ＬＩＢに対して最適、かつ、安全な充放電を行う制御機能を本発明に係る電力調整システムが担うことになる。この制御とはＬＩＢの最適充放電電圧および電流とする制御である。これによって、ＬＩＢを安全に使用することができるとともに、電力調整システム全体の蓄電効率も大きく高められる。
【００６１】
図６は、レドックス電池システムとＬＩＢモジュールを併設した電力調整システム５０の一例を示した概略図である。図６に示すように、検出部５１において電源装置５２及び／又は負荷装置５３の電圧や電流を検出又は予測し、状況に応じて制御部５１によりレドックスフロー型二次電池列５４の入出力端子の選択やレドックスフロー型二次電池列５４間の直列・並列の変更を行うことができる。また、ＬＩＢモジュール用ＢＭＳ５５（バッテリマネージメントシステム）により、ＬＩＢモジュール５６の充電深度等を調整し、各ＬＩＢの充電深度を均等化するように調整しても良い。このような構成とすることで、出力が変動する電源装置及び／又は入力が変動する負荷に対して、ＬＩＢ単独で接続するよりも、状況の変化に対して迅速に適応することが可能で信頼性の高いバッテリーシステムを構築することができる。
【００６２】
また、このようにレドックス電池システムとＬＩＢモジュールを併設することにより、急速充電装置として活用することも可能である。すなわち、例えば、太陽光パネル（ＰＶ）や深夜電力により、ＬＩＢモジュールに対して充電を行い。高電圧で放電して急速充電を行う際には、レドックス電池システムを並列接続することにより対応することが可能となる。
【００６３】
さらに、本発明の一実施形態に係る電力調整システムでは、出力が変動する電源装置と１以上の蓄電ユニットに対して電気的に並列接続されている二次電池とが継電器及び／又は開閉器によって電気的に直接接続することが可能な構成とすることができる。図７は、レドックス電池システムとＬＩＢモジュールを併設した電力調整システムの他の例を示した概略図である。本発明の一態様に係る電力調整システム６０では、電源（太陽電池（ＰＶ）６２Ａ、風力発電（ＷＴ）６２Ｂ、直流電源（ＤＣＰＳ）６２Ｃ）の入力変動がＬＩＢ（６６Ａ，６６Ｂ）の受け入れ範囲になれば、バッテリマネージメントシステム（ＢＭＳ、検出部、制御部を含む）６５により、レドックス電池（６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ）の入力と出力が同じ端子になるように継電器及び／又は開閉器によって入出力端子が選択されることにより、レドックス電池反応を行うことなく接続することが可能である。
【００６４】
本発明の電力調整システムは入力電源と出力負荷とのコンデイショナー機能だけでなく蓄電機能を持たせることによって、激しい入力、負荷変動に対応できるようになっている。従来、このような機能は電気二重層キャパシタなどを用いることによって対応してきたが、ここで用いるレドックス二次電池を用いると、その蓄電容量は数桁大きくなり、効率よく適用できる範囲が大幅に向上する。例えば、回生電流受け入れや瞬動予備力に対する高効率対応も本発明のシステムを用いることによって可能になる。このとき、レドックス電池と、それに並列接続される二次電池（例えばLIB）とは、入出力電圧値がMPPTなどによって近接したあとは、入出力はレドックス電池反応を経由せずに、電源―LIB、LIB―負荷を直結することによって、レドックス電池を経由することによる電力の損失を回避することができる。本システムに対して入出力変動の激しい場合に機能させることで、有効に、効率よく作用する。しかし、安定した入出力状態が維持される場合は、レドックス電池反応による損失（充放電効率による損失）を回避するために、電源―LIB、LIB―負荷を直結することが好ましい。
【００６５】
レドックス電池およびＬＩＢ特性の経時変化などのために、最適な制御レベルは常に変化するが、これは例えば人工知能（ＡＩ）技術によって対応していくことができる。また、様々な因子（入力情報として、電源・負荷の種類、電流、電圧、温度、日時、各電解液の充放電深度など）に基づく各入出力量の予測に対応した制御はＩｏＴ技術によって対応できる。例えば、風力発電機の出力を受け入れる場合、非常に急激な出力変動に対応したレドックス電池の運転が求められ、安定な入力とは異なる送液ポンプの運転法が求められる。さらに入力される電源は風力発電機だけではなく、他からの入力にも合わせて対応する必要があり、これはＩｏＴ技術によって対応することになる。
【００６６】
本発明の一実施形態に係る電力調整システムに上述したようなレドックスフロー型電池を導入することによって、従来用いられていた各電源、各負荷ごとの入出力調整機能が大幅に、あるいは全く不要になり、各種、例えば、スマートグリッド、マイクログリッド、回生電力回収(有効利用)装置や間歇発電のための電力貯蔵設備などの経済性を大きく改善できる。
【００６７】
図８（Ａ）は、本発明の一実施形態に係る電力調整システムの他の構成を示した概略図であり、図８（Ｂ）は、ブロック図である。電力調整システムの一態様では、図８（Ａ）に示すように、複数の蓄電ユニット（セルスタック）を電気的に並列に接続してもよい。このような構成とすることで、例えば、１ブロックから１０ブロックの系統の１つに不具合が生じた場合であっても適宜、制御部により回路を切り替えることで支障なく作動し続けることができるため、より信頼性の高い電力調整システムとすることができる。
【００６８】
この時、本発明の一実施形態に係る電力調整システムでは、図８（Ａ）に示すように、検出部（電流計）Ａ１〜Ａ１０によりブロック電流を検出することにより、適宜、制御部によりスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ１０を操作することで、電力調整を行うことができる。スイッチング素子としては例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）を用いることができる。
【００６９】
さらに、本発明の一実施形態に係る電力調整システムでは、直列に積層して接続されたセルスタックの各セルに対して、セル間同士の迂回回路等を設けてスイッチングにより積層数を変化させることができるように制御してもよい。このような構成とすると、セルスタックの一部が破損又は故障した場合であっても、迂回回路によって当該セルを回避するよう回路を接続しなおすことで、電力調整システムを停止させることなく、セルの交換を行うことも可能となる。
【００７０】
図９は、本発明の一実施形態に係る電力調整システムにおける直列と並列の切り替えの一例を表す概略図である。図中の各ＳＴはセルスタックを表し、各ＳＷはスイッチを表している。図９において、ＳＷ１２、ＳＷ２３、ＳＷ３４、ＳＷ４５、ＳＷ５６及びＳＷＰ１、ＳＷＮ６をＯＮ（接続）とし、ＳＷＰ２〜ＳＷＰ５及びＳＷＮ２〜ＳＷＮ５をＯＦＦ（非接続）とすることでセルスタックＳＴ＃１〜ＳＴ＃６の全てを直列に接続することができる。また、ＳＷ１２、ＳＷ２３、ＳＷ３４、ＳＷ４５、ＳＷ５６をＯＦＦとし、ＳＷＰ１〜ＳＷＰ６及びＳＷＮ１〜ＳＷＮ６をＯＮとすることでセルスタックＳＴ＃１〜ＳＴ＃６の全てを並列に接続することができる。あるいは、ＳＷ１２、ＳＷ３４、ＳＷ５６をＯＮ、ＳＷ２３、ＳＷ４５をＯＦＦとし、ＳＷＰ１、ＳＷＮ２、ＳＷＰ３、ＳＷＮ４、ＳＷＰ５、ＳＷＮ６をＯＮ、ＳＷＮ１、ＳＷＰ２、ＳＷＮ３、ＳＷＰ４、ＳＷＮ５、ＳＷＰ６をＯＦＦとすると、ＳＴ＃１とＳＴ＃２、ＳＴ＃３とＳＴ＃４、ＳＴ＃５とＳＴ＃６の間は直列で、その３セットの直列電池を並列に接続することも可能である。このような、直列、並列の切り替えは、検出部において検出又は予測された情報に基づいて制御部で判断し、各スイッチのＯＮ／ＯＦＦを切り替えることで、全体の制御を行うことが可能である。
【００７１】
以上説明してきたように、各セルスタック単位、さらには、セルスタックの各セル単位での制御を行うことによって、より状況に即した細かな制御を行うことが可能となるが、その反面、多数のデータ処理と、その中から最適な条件の解を導き出すための計算量は膨大なものとなってしまう。そこで、本発明の一実施形態に係る電力調整システムでは、人工知能（ＡＩ）を用いた制御を行うとより効果的である。人工知能は、過去の実施データを蓄積し、機械学習させることで、各状況に応じた制御が可能となる。
【実施例】
【００７２】
以下、本発明について、実施例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。
【００７３】
＜実施例１．レドックス電池システムに対する制御＞
本発明の一実施形態に係る電力調整システムを適用するために、例えば、以下のような１０ｋＷ−１０ｋＷｈレドックス電池システムが考えられる。
【００７４】
（レドックス電池システムの構成）
実施の一例として、４０セルの積層体からなる２ｋＷ／４０セルスタックを１単位とし、このセルスタックを５基使用し、電解液量は５００Ｌとする。５スタックを電気的に直列接続し、一方、電解液は各スタックごとに分けて正負極液タンクを合計１０基使用する。電解液は、３．５価のバナジウム電解液５００Ｌとし、正極液および負極液をそれぞれ２５０Ｌとして、約４０Ｌタンク１０基を用いる。
【００７５】
各セルスタックに各１基ずつの正極液ポンプおよび負極液ポンプを配置し、５セルスタックのいずれも単独にそれぞれ２基の正負極液タンクから送液するように配管する。ここでは、ポンプとタンク間に弁を設けることなどによるコストとポンプ動力の上昇を抑えるために、タンク・ポンプ・スタックを１対のものとして使用する。ただし、これらのポンプによって、電解液を各タンク間で移動できる配管を設ける。この配管は各タンク内の電解液量バランスの崩れにおいても、液量を調整する機能を持つ。
【００７６】
（検出項目）
本発明の一実施形態に係る電力調整システムに、複数の入力(電源)および負荷を同時に対応させるために、上述したレドックス電池システムについて、制御部による制御のために検出部において以下の項目を検出することが考えられる。
（１）入力(電源)の出力条件・・・電圧、電流→スタック電圧、タンク内電極電位とともに、各入出力に対応してどの電池サブシステムをどのような負荷割合で使用するか決定する重要な測定項目。
（２）スタック電圧
（３）ストリング(直列接続の電池列)電流
（４）電解液・・・タンク内液レベル、タンク内電極電位、電解液温度等
（５）ポンプ・・・温度→ポンプ温度が許容上限に達した場合、このポンプによる送液量を減らして、他の電池サブシステムの負荷を大きくする。
【００７７】
（制御）
負荷変動等を事前に把握して、使用するスタックの選定やポンプ送液量の調整を事象開始前に行うことは、信頼性向上のために重要であり、そのために予想される電源の出力パタンや負荷パタンに基づいた制御を行うようにする。また、人工知能を用いた制御の例として、太陽光発電の場合、その日の予想される日照量などからの電池システムに入力されるパタンを予測し、分割された電池サブシステムの中で、使用する順序等を制御することが考えられる。
【００７８】
同時入出力に対応するときは、電源からの入力を、できるだけ電池反応を経由せずに直接、負荷側に出力できるように制御する。本レドックス電池システムに電源および負荷として、二次電池、特にリチウムイオン電池(ＬＩＢ)などを接続する場合は、ＬＩＢなどがレドックス電池システムに並列接続される形になるが、ＬＩＢなどの電圧、電流(さらに安全のために電池温度)を測定することによって、ＬＩＢなどの入出力は電力調整システムによって制御される。
【００７９】
（定電流充電における制御例）
図１０は、レドックス電池システムの構成の１例を示す簡略図である。Ｓ１〜Ｓ４はセルスタックであり、例えば、１スタックが２ｋＷ／４０セルである。ＴＡ１、ＴＡ２は、正極液タンクで、ＴＣ１、ＴＣ２は負極液タンクであり、Ｐ１〜Ｐ８はポンプを表している。検出部（不図示）は、各スタックの電流及び電圧の値を検出し、制御部（不図示）は、各ポンプのＯＮ／ＯＦＦも含め、送液する活物質液の流量を制御する。このような構成の元、定電流での充電を行った。
【００８０】
図１１（Ａ）は、定電流充電における各スタックの電流値の時間変化を表す図であり、図１１（Ｂ）は、定電流充電における各スタックの電圧値の時間変化を表す図である。時間０〜ｔ１の間は、ポンプＰ１、Ｐ２のみをＯＮとし、タンクＴＡ１とＴＣ１から送液されるように制御し、セルスタックＳ１のみを使用した。
【００８１】
図１１（Ｂ）に示すように、時間の経過とともにスタックＳ１の電圧が上昇した。Ｓ１の電圧が上限電圧（８０Ｖ）を超えたところで、ポンプＰ３、Ｐ４を作動させスタックＳ１とＳ２の２つを用いた充電へと切り替えた（時間ｔ１〜ｔ２）。上限電圧を超えるとスタック内で顕著にガスが発生してしまうためである。
【００８２】
さらに時間が経過すると各スタックＳ１、Ｓ２の電圧が上限電圧に達したため、ポンプＰ５〜Ｐ８もさらに稼働させて、スタックＳ１〜Ｓ４すべてを用いた充電へと切り替えた（時間ｔ２〜ｔ３）。以上の流れを制御部で行えるよう設定された電力調整システムとすることにより、以下に挙げるような利点を有することができる。
【００８３】
ある一定の値で出力される電源を入力して、ＴＡ１とＴＣ１に蓄電する場合、ポンプの消費電力は送液量にもよるが、おおよそ、スタックの定格入出力値の５％程度（４ｋＷスタックならば２００Ｗ）であり、充放電を考慮すると１０％になる。したがって、充電初期にはポンプの稼働数は少ないほうが望ましい。
【００８４】
ＴＡ１とＴＣ１の活物質液充電深度（ＳＯＣ）を８０％まで上げて、ＴＡ２、ＴＣ２は低いＳＯＣのままにしておけば、放電時はＴＡ１、ＴＣ１の活物質液によって、また、さらに充電するときは、ＴＡ２、ＴＣ２の低ＳＯＣの活物質によって、高率で電池に入力することができる。
【００８５】
なお、レドックス電池においてポンプの流量制御によって、スタックの入出力密度を調整するには限界があり、活物質液を高いＳＯＣまで充電するには、充電時の電流、電圧の調整が必要である。もちろん、放電においても同様の調節は必要になる。本発明の一実施形態に係る電力調整システムを用いることにより、高い活物質利用率を維持しつつ高い充放電効率を実現することができる。
【００８６】
＜実施例２．直列及び並列での充放電試験＞
見掛けの電極面積４７０ｃｍ２（炭素繊維フェルト電極の見掛けの面積）の単電池４０セルを積層したスタックを１基のみ使用、２基並列で使用、３基並列で使用および３基直列で使用する充放電試験を行った。隔膜にナフィオン117、複極仕切板にグラファイト結
着板、電解液に１Ｍ塩化物イオン共存系の２．０Ｍ硫酸酸性、２．０Ｍ塩酸酸性、２．１Ｍ硫酸バナジル水溶液から酸化還元状態の調整（バナジウム３価：４価濃度比１：１に調整）を行った電解液を用いた。充放電における電圧差と電流密度の比から求めたこの単電池の面積抵抗率は約０．５Ωｃｍ２であった。結果を表１に示す。
【００８７】
【表１】
2020047397.tif 000003
【００８８】
表１に示すように、並列の場合には高率の電圧効率を実現することができ、直列の場合には高電圧を実現できるため、用途や状況に応じて直列・並列を切り替えることが効率的である。
【００８９】
＜実施例３．エレベータシステムにおける制御＞
図１２は、本発明の一実施形態に係る電力調整システムを適用したエレベータシステム７０における構成の一例を示した概略図である。
【００９０】
一般的なロープ式エレベータは、電動機７１を介して乗りかご７２の反対側に重り７３を配置した構造をとっている。したがって、（乗員を含めた乗りかごの重量（以下、単に「乗りかごの重量」とする））＞（重りの重量）で上昇する場合や（乗りかごの重量）＜（重りの重量）で下降する場合には、電源７４からインバータ７５を通じて電動機７１（モーター）を駆動させる必要がある。一方で、（乗りかごの重量）＞（重りの重量）で下降する場合や（乗りかごの重量）＜（重りの重量）で上昇する場合には、乗りかご７２又は重り７３の自重によって下降又は上昇するため、その動力は電動機７１において電気エネルギー（回生電力）へと変換され、インバータ７５へと戻ってしまうため、回生電力を処理する必要が生じる。
【００９１】
そこで、本発明の一実施形態に係る電力調整システムを適用したエレベータシステムでは、レドックス二次電池システムを用いた電力調整システム７６を接続することにより、回生電力発生時にはレドックス二次電池システムで充電されるように回路を切り替え、また逆の動作を行う際には、レドックス二次電池システムから放電して電動機を駆動させることにより、電源電流を小さくすることができるので、消費電力量や電源容量を小さくすることが可能である。また、レドックス二次電池システムに蓄えた電力により、停電時等の非常時においても救出運転が可能となる。
【００９２】
電力調整システムにおける検出部では、例えば、乗りかごの重量や、エレベータの現在位置と行き先（上昇又は下降）や、停電発生等を検出する。そして、検出部で検出又は予測された情報に基づいて制御部においてスイッチ等による回路の切り替え制御等を行うことができる。
【００９３】
＜実施例４．車両システムにおける制御＞
実施例３で説明した電力調整システムによる回生電力の充放電は、車両システムにおいても適用可能である。車両としては自動車（電気自動車（ＥＶ）、ハイブリッドカー等）、バス、鉄道等に適用される。回生電力は、タイヤや車輪の回転を利用して電動機（モーター等）を発電機として作動させる際に生じる（回生ブレーキ）。
【００９４】
電源は特に限定されないが、例えば、自動車の場合１ｍ２以下、１５０Ｗの太陽電池パネルを例えば屋根部分に設置することができ、レドックスフロー型二次電池は、定格２００Ｗ、効率１０ｋＷのものを利用し、例えば、１０ｋＷｈリチウムイオン二次電池と併設させる。また、バス型の場合には、例えば、太陽光パネルは１０ｍ２以下、１．５ｋＷで、レドックス電池は２ｋＷ定格、高率１００ｋＷのものを使用することができる。
【００９５】
このような電力調整システムを用いることで、例えば、検出部により、車両の速度、ブレーキ発生の有無等を検出し、制御部において充放電の切り替え等を制御することにより、回生電力の有効活用を行うことが可能となる。
【００９６】
なお、上記のように本発明の各実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。
【００９７】
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、電力調整システムの構成、動作も本発明の各実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００９８】
１，１０  電力調整システム、２  充電電源、３  負荷、１１  蓄電ユニット、１２  検出部、１３  制御部、１４  入出力端子、１５  タンク、１６  ポンプ、２０  レドックス二次電池システム、２１  電極、２２  枠体、２３  隔膜、２４  ポンプ、２５  極板、２６  入出力端子、２７，２８  正極液・負極液流入管、３１  金属シート、３２，３３  導電性樹脂シート、４０  電力調整システム、４１  発電装置、４２  検出部、４３  制御部、４４  レドックス二次電池システム、４５  入出力端子、４６  送液タンク、５０  電力調整システム、５１  検出部・制御部、５２  電源装置、５３  負荷装置、５４  レドックスフロー型二次電池、５５  ＬＩＢモジュール用ＢＭＳ、５６  ＬＩＢモジュール、６０  電力調整システム、６２Ａ  太陽電池、６２Ｂ  風力発電、６２Ｃ  直流電源、６３  負荷、６４Ａ，６４Ｂ，６４Ｃ  レドックス電池、６５  バッテリマネージメントシステム、７０  エレベータシステム、７１  電動機、７２  乗りかご、７３  重り、７４  電源、７５  インバータ、７６  電力調整システム
【図１】
2020047397.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
2020047397.tif 000011
【図９】
2020047397.tif 000012
【図１０】
2020047397.tif 000013
【図１１】
2020047397.tif 000014
【図１２】
2020047397.tif 000015