(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気的に直列に接続された複数の電池セルスタックを含み、前記複数の電池セルスタックは複数のグループに分けられており、
前記複数の電池セルスタックを通して電解液を循環させる複数の電解液循環系統をさらに含み、前記複数の電解液循環系統は各前記系統ごとに独立したタンク、ポンプ、および電解液配管が設けられていて電気的に互いに分離されており、１つの前記電解液循環系統は前記グループの１つ内の複数の前記電池セルスタックのみを通して前記電解液を循環させることを特徴とするレドックスフロー型二次電池システム。
【請求項２】
前記電池セルスタックの各々は電気的に直列に接続された複数のセルを含み、前記電解液循環系統の１つは前記グループの電流効率が０．９５以上になるような電池セルの数にのみ前記電解液を循環させることを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー型二次電池システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電力負荷平準化などを目的として開発されているレドックスフロー型二次電池システムに関し、特に、高電圧で大容量のレドックスフロー型二次電池の電流効率の改善に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図４は、従来のレドックスフロー型二次電池システムを概略的に図解するブロック図である。この電池システムは、６つの電池セルスタック１を含んでいる。それらの電池セルスタック１の各々は１対の入出力端子を含んでおり、電気的には導線８によって互いに直列に接続されている。電池セルスタック１の各々はまた、１対の入出力端子間において直接直列接続された複数の電池セルを含んでいる。それらの電池セルの各々は、正極と負極およびそれらの間に設けられたイオン交換膜を含んでいる。
【０００３】
６つの電池セルスタック１のそれぞれには１つの正極電解液タンク２から正極電解液用ポンプ４と正極電解液用配管６を介して正極電解液が並列に送り込まれ、各セルスタック１から排出された正極電解液は正極電解液タンク２に戻される。同様に、６つのセルスタック１のそれぞれにはまた、１つの負極電解液タンク３から負極電解液用ポンプ５と負極電解液用配管７を介して負極電解液が並列に送り込まれ、各セルスタック１から排出された負極電解液は負極電解液タンク３に戻される。
【０００４】
各電池セルスタック１内の複数のセルにおいて、それぞれのイオン交換膜の正極側には正極電解液が並列に供給され、同様にそれぞれのイオン交換膜の負極側には負極電解液が並列に供給される。そして、イオン交換膜を介した正極電解液と負極電解液との化学反応によって、二次電池の充放電が生じる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
図４に示されているような従来のレドックスフロー型二次電池システムにおいては、すべての複数の電池セルスタックを流れる電解液が共通しているので、それらの直列接続されたすべての複数のセルスタックの電圧がその電解液中に印加され、電池システムの充放電に寄与しない漏れ電流が配管内の電解液中を流れる。したがって、高い入出力電圧を得るために直列接続する電池セルスタックの数を増大すれば、共通な電解液中を流れる漏れ電流が増大し、電池システムの電流効率の低下を生じるという問題がある。
【０００６】
従来、このような問題を低減するために、電解液の配管を細くかつ長くすることによって漏れ電流に対する電解液の電気抵抗を増大させ、これによって電解液中の漏れ電流を減らすことが試みられている。しかし、このような従来の試みでは、配管径の減少と配管長さの増大のために、電解液を送出するポンプ動力の負担の増大を招き、電池システムの大容量化においてトータルのエネルギ効率が低下するという課題がある。
【０００７】
以上のような先行技術における課題に鑑み、本発明は、電流効率やエネルギ効率を低下させることなく、高い入出力電圧を有し得る大容量のレドックスフロー型二次電池システムを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるレドックスフロー型二次電池システムは、電気的に直列に接続された複数の電池セルスタックを含み、それらの複数の電池セルスタックは複数のグループに分けられており、電池システムは複数の電池セルスタックを通して電解液を循環させる複数の電解液循環系統をさらに含み、複数の電解液循環系統は各系統ごとに独立したタンク、ポンプ、および電解液配管が設けられていて電気的に互いに分離されており、１つの電解液循環系統は１つのグループ内の複数の電池セルスタックのみを通して電解液を循環させることを特徴としている。
【０００９】
本発明によるレドックスフロー型二次電池システムにおいては、複数の電解液循環系統が設けられており、それらの複数の電解液循環系統は各系統ごとに独立したタンク、ポンプ、および電解液配管が設けられていて電気的に互いに分離されており、１つの電解液循環系統が１つのグループ内の電池セルスタックのみを通して電解液を循環させるので、電池システム全体にかかる高い入出力電圧が１つの電解液循環系統内の電解液に印加されることがなく、電解液中を流れる漏れ電流が減少され得る。したがって、電池の電流効率を低下させることなく、高い入出力電圧を有しかつ大容量のレドックスフロー型二次電池システムを提供することが可能となる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の１つの実施の形態によるレドックスフロー型二次電池システムを概略的に図解するブロック図である。図１の電池システムは、電気的に直列接続された６個の電池セルスタックを含んでいる。２個のセルスタック１ａを含む第１のセルスタックグループには、第１の正極側電解液タンク２ａから第１の正極側電解液用ポンプ４ａによって第１の正極側電解液用配管６ａを介して第１の正極側電解液が循環させられると同時に、第１の負極側電解液タンク３ａから第１の負極側電解液用ポンプ５ａによって第１の負極側電解液用配管７ａを介して第１の負極側電解液が循環させられる。
【００１１】
同様に、２個のセルスタック１ｂを含む第２のセルスタックグループのために、第２の正極側電解液タンク２ｂ，第２の正極側電解液用ポンプ４ｂ，および第２の正極側電解液用配管６ｂが設けられているとともに、第２の負極側電解液タンク３ｂ，第２の負極側電解液用ポンプ５ｂ，および第２の負極側電解液用配管７ｂが設けられている。
【００１２】
さらに、２個のセルスタック１ｃを含む第３のセルスタックグループのためには、第３の正極側電解液タンク２ｃ，第３の正極側電解液用ポンプ４ｃ，および第３の正極側電解液用配管６ｃが設けられているとともに、第３の負極側電解液タンク３ｃ，第３の負極側電解液用ポンプ５ｃ，および第３の負極側電解液用配管７ｃが設けられている。
【００１３】
すなわち、図１の電池システムは６つのセルスタックに対して３つの電解液循環系統を備え、個々の循環系統内の電解液に印加される電圧がセルスタックの２つ分の電圧に限られるので、電解液中を流れる漏れ電流が低減されて、電池システムのエネルギ損失が低減され得る。
【００１４】
図２においては、電気的に直列に接続された６つのセルスタックに対してｎ個の電解液循環系統を含む電池システムの等価回路図が示されている。すなわち、図２（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）および（Ｄ）に示された電池システムは、６個のセルスタックに対してそれぞれ１つ，２つ，３つおよび６つの電解液循環系統を含んでいる。電解液循環系統の各々は互いにに等しい数のセルスタックに接続されており、１つの循環系統は正極側電解液と負極側電解液との両方の循環系を含んでいる。
【００１５】
すなわち、６個のセルスタックに対してただ１つの電解液循環系統を含む図２（Ａ）の電池システムは図４に示された従来の電池システムに対応している。他方、６個のセルスタックに対して３つの電解液循環系統を含む図２（Ｃ）の電池システムは、図１の実施例の電池システムに対応している。
【００１６】
図３は図２に示された種々の電池システムを定電流制御で運転した場合の電流効率を示している。図３のグラフにおいて、横軸は電解液循環系統の数ｎを表わし、縦軸は電池システムの電流効率を表わしている。また、図２の電池システムにおけるパラメータとしては、充電電流ＩＣ  ＝２５０Ａ，放電電流ＩＤ  ＝２５０Ａ，セルの内部抵抗ＲＣ  ＝０．０４９５Ω，電解液の入出力ポート抵抗ＲＳ  ＝３８．５４Ω，配管のマニホールド内抵抗ＲＭ  ＝１．７Ω，そして電圧Ｅ０  ＝８２．９８Ｖが用いられた。ここで、電流効率＝（充電時の反応電流−充電時の漏れ電流）／（放電時の反応電流＋放電時の漏れ電流）と定義されている。
【００１７】
図３から明らかなように、ただ１つの電解液循環系統を有する従来の電池システムにおいては、０．９４未満の電流効率を有するにすぎないのに対して、２つの電解液循環系統を有する本発明による電池システムにおいては、０．９７を超える電流効率を示しており、電解液循環系統数ｎが増大するに従って電池システムの電流効率が向上することがわかる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、レドックスフロー型二次電池システムにおいて高電圧を得るために多数の電池セルスタックを電気的に直列接続する場合に、複数の電解液循環系統を設けて１循環系統中の電解液が小数のセルスタックにのみ共通に供給されるようにすることによって電解液中を流れる漏れ電流を低減することができ、その結果として電流効率を低下させることなく電池の高電圧化または大容量化が可能となる。また、漏れ電流によって生じる副反応熱が低減されるので、電解液やセル部材などの電池材料の劣化が低減され、電池の寿命が伸びることも期待され、電池の信頼性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１つの実施の形態によるレドックスフロー型電池システムを概略的に示すブロック図である。
【図２】異なる数の電解液循環系統を有する種々のレドックスフロー型電池システムを示す等価回路図である。
【図３】レドックスフロー型電池システムにおける電解液循環系統の数と電流効率との関係を示すグラフである。
【図４】先行技術によるレドックスフロー型電池システムの一例を概略的に示すブロック図である。
【符号の説明】
１，１ａ，１ｂ，１ｃ    電池セルスタック
２，２ａ，２ｂ，２ｃ    正極側電解液タンク
３，３ａ，３ｂ，３ｃ    負極側電解液タンク
４，４ａ，４ｂ，４ｃ    正極側電解液用ポンプ
５，５ａ，５ｂ，５ｃ    負極側電解液用ポンプ
６，６ａ，６ｂ，６ｃ    正極側電解液用配管
７，７ａ，７ｂ，７ｃ    負極側電解液用配管
８    電気配線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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