(57)【要約】  レドックスフロー電池１は、セルスタック２と、第１の正極側タンク１１と、第２の正極側タンク１２と、第１の負極側タンク２１と、第２の負極側タンク２２とを有している。セルスタック２は、それぞれが複数の電池セル４からなる複数のセルグループ３に分割されている。複数のセルグループ３は、正極活物質を含む正極流体が複数のセルグループ３を並列に流れるように第１および第２の正極側タンク１１，１２に接続され、かつ、負極活物質を含む負極流体が複数のセルグループ３を並列に流れるように第１および第２の負極側タンク２１，２２に接続されている。各セルグループ３の複数の電池セル４は、正極流体が複数の正極セル５を直列に流れるように互いに接続され、かつ、負極流体が複数の負極セル６を直列に流れるように互いに接続されている。
2019054332.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電池セル内での正極活物質および負極活物質の酸化還元反応を利用して充放電を行うレドックスフロー電池であって、
積層された複数の前記電池セルを有し、前記電池セルが、正極電極を収容し、前記正極活物質を含む正極流体が供給される正極セルと、負極電極を収容し、前記負極活物質を含む負極流体が供給される負極セルと、前記正極セルと前記負極セルとを分離する隔膜とを有する、セルスタックと、
充電状態が相対的に低い前記正極流体を貯留する第１の正極側タンクと、
充電状態が相対的に高い前記正極流体を貯留する第２の正極側タンクと、
充電状態が相対的に低い前記負極流体を貯留する第１の負極側タンクと、
充電状態が相対的に高い前記負極流体を貯留する第２の負極側タンクと、を有し、
前記セルスタックは、それぞれが前記複数の電池セルからなる複数のセルグループに分割され、
前記複数のセルグループは、前記第１の正極側タンクと前記第２の正極側タンクとの間で前記正極流体が前記複数のセルグループを並列に流れるように、前記第１の正極側タンクと前記第２の正極側タンクとに接続され、かつ、前記第１の負極側タンクと前記第２の負極側タンクとの間で前記負極流体が前記複数のセルグループを並列に流れるように、前記第１の負極側タンクと前記第２の負極側タンクとに接続され、
前記各セルグループの前記複数の電池セルは、前記各セルグループに流入した前記正極流体が複数の前記正極セルを直列に流れて前記各セルグループから流出するように互いに接続され、かつ、前記各セルグループに流入した前記負極流体が複数の前記負極セルを直列に流れて前記各セルグループから流出するように互いに接続されている、レドックスフロー電池。
【請求項２】
前記第１の正極側タンク内の前記正極流体を前記第２の正極側タンクに向けて送出する第１の正極側ポンプと、前記第２の正極側タンク内の前記正極流体を前記第１の正極側タンクに向けて送出する第２の正極側ポンプと、前記第１の負極側タンク内の前記負極流体を前記第２の負極側タンクに向けて送出する第１の負極側ポンプと、前記第２の負極側タンク内の前記負極流体を前記第１の負極側タンクに向けて送出する第２の負極側ポンプと、を有する、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項３】
前記第１の正極側タンク内の前記正極流体を前記第２の正極側タンクに向けて送出する正極側ポンプと、前記第１の負極側タンク内の前記負極流体を前記第２の負極側タンクに向けて送出する負極側ポンプと、を有し、
前記第２の正極側タンクは、前記第２の正極側タンク内の前記正極流体が液ヘッド差によって前記第１の正極側タンクまで流れるように、前記第１の正極側タンクよりも高い位置に配置され、
前記第２の負極側タンクは、前記第２の負極側タンク内の前記負極流体が液ヘッド差によって前記第１の負極側タンクに流れるように、前記第１の負極側タンクよりも高い位置に配置されている、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項４】
前記レドックスフロー電池が、３階建て以上の建屋に配置され、
前記セルスタックが、前記第１の正極側タンクと前記第１の負極側タンクの設置階より上層階に設置され、
前記第２の正極側タンクと第２の負極側タンクが、前記セルスタックの設置層より上層階に設置されている、請求項３に記載のレドックスフロー電池。
【請求項５】
前記第１の正極側タンクと前記第２の正極側タンクが、前記第１の正極側タンク内の気相部の圧力と前記第２の正極側タンク内の気相部の圧力とを均一に保持する均圧配管によって接続され、
前記第１の負極側タンクと前記第２の負極側タンクが、前記第１の負極側タンク内の気相部の圧力と前記第２の負極側タンク内の気相部の圧力とを均一に保持する均圧配管によって接続されている、請求項２から４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項６】
前記第１の正極側タンク内の前記正極流体を前記第２の正極側タンクに向けて送出する正極側ポンプと、前記第２の負極側タンク内の前記負極流体を前記第１の負極側タンクに向けて送出する負極側ポンプと、を有し、
前記第２の正極側タンク内の圧力が、前記第１の正極側タンク内の圧力よりも高く、前記第１の負極側タンク内の圧力が、前記第２の負極側タンク内の圧力よりも高い、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項７】
前記第１の正極側タンクと前記第２の負極側タンクが、前記第１の正極側タンク内の気相部の圧力と前記第２の負極側タンク内の気相部の圧力とを均一に保持する均圧配管によって接続され、
前記第２の正極側タンクと前記第１の負極側タンクが、前記第２の正極側タンク内の気相部の圧力と前記第１の負極側タンク内の気相部の圧力とを均一に保持する均圧配管によって接続されている、請求項６に記載のレドックスフロー電池。
【請求項８】
前記第２の正極側タンクは、前記第２の正極側タンク内の前記正極流体が液ヘッド差によって前記第１の正極側タンクまで流れるように、前記第１の正極側タンクよりも高い位置に配置され、
前記第１の負極側タンクは、前記第１の負極側タンク内の前記負極流体が液ヘッド差によって前記第２の負極側タンクに流れるように、前記第２の負極側タンクよりも高い位置に配置されている、請求項６または７に記載のレドックスフロー電池。
【請求項９】
前記第２の正極側タンク内の前記正極流体を前記第１の正極側タンクに向けて送出する正極側ポンプと、前記第１の負極側タンク内の前記負極流体を前記第２の負極側タンクに向けて送出する負極側ポンプと、を有し、
前記第１の正極側タンク内の圧力が、前記第２の正極側タンク内の圧力よりも高く、前記第２の負極側タンク内の圧力が、前記第１の負極側タンク内の圧力よりも高い、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項１０】
前記第２の正極側タンクと前記第１の負極側タンクが、前記第２の正極側タンク内の気相部の圧力と前記第１の負極側タンク内の気相部の圧力とを均一に保持する均圧配管によって接続され、
前記第１の正極側タンクと前記第２の負極側タンクが、前記第１の正極側タンク内の気相部の圧力と前記第２の負極側タンク内の気相部の圧力とを均一に保持する均圧配管によって接続されている、請求項９に記載のレドックスフロー電池。
【請求項１１】
前記第１の正極側タンクは、前記第１の正極側タンク内の前記正極流体が液ヘッド差によって前記第２の正極側タンクまで流れるように、前記第２の正極側タンクよりも高い位置に配置され、
前記第２の負極側タンクは、前記第２の負極側タンク内の前記負極流体が液ヘッド差によって前記第１の負極側タンクに流れるように、前記第１の負極側タンクよりも高い位置に配置されている、請求項９または１０に記載のレドックスフロー電池。
【請求項１２】
前記複数のセルグループが、前記各タンクから前記複数のセルグループに向かって階層的に分岐するトーナメント形状の流通配管によって、前記各タンクに接続されている、請求項１から１１のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項１３】
前記各セルグループの前記複数の電池セルは、前記各電池セル内で前記正極流体と前記負極流体とが反対方向に流れるように互いに接続されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項１４】
前記各セルグループの前記複数の電池セルは、前記各電池セル内で前記正極流体と前記負極流体とが同じ方向に流れるように互いに接続されている、請求項１から１２のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項１５】
前記各セルグループの前記複数の電池セルは、前記正極流体が前記セルグループのうち一方の端部の電池セルに流入して他方の端部の電池セルから流出し、前記負極流体が前記他方の端部の電池セルに流入して前記一方の端部の電池セルから流出するように、互いに接続されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項１６】
前記各セルグループの前記複数の電池セルは、前記正極流体および前記負極流体が共に前記セルグループのうち一方の端部の電池セルに流入して他方の端部の電池セルから流出するように互いに接続されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電池セル内での正極活物質および負極活物質の酸化還元反応を利用して充放電を行うレドックスフロー電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、電力貯蔵用の二次電池として、電解液に含まれる活物質の酸化還元反応を利用して充放電を行うレドックスフロー電池が知られている。レドックスフロー電池は、大容量化が容易、長寿命、電池の充電状態が正確に監視可能であるなどの特徴を有している。このような特徴から、近年では、特に発電量の変動が大きい再生可能エネルギーの出力安定化や電力負荷平準化の用途としてレドックスフロー電池は大きな注目を集めている。【０００３】
一方で、レドックスフロー電池は、所定の電圧を得るために、複数の電池セルが積層されたセルスタックを有する構成が一般的であるが、そのような構成には、電解液を通じて電流損失（シャントカレントロス）が生じるという課題がある。このシャントカレントロスを低減してエネルギー効率を向上させるために、例えば、特許文献１には、セルスタックを構成する複数の電池セルに電解液を直列に流通させる方法が提案されている。この方法では、電解液による短絡を隣接する電池セル間のみに限定してシャントカレントロスを最小限に抑えることが期待されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６４７５６６１号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の方法では、電解液がセルスタックを通過する際の圧力損失が過大になり、電解液を移送するためのポンプ動力が増大してしまう。そのため、消費電力が大きくなり、結果的に、エネルギー効率を向上させることが困難になる。【０００６】
そこで、本発明の目的は、システム全体としてエネルギー効率の向上を実現するレドックスフロー電池を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した目的を達成するために、本発明のレドックスフロー電池は、電池セル内での正極活物質および負極活物質の酸化還元反応を利用して充放電を行うレドックスフロー電池であって、積層された複数の電池セルを有し、電池セルが、正極電極を収容し、正極活物質を含む正極流体が供給される正極セルと、負極電極を収容し、負極活物質を含む負極流体が供給される負極セルと、正極セルと負極セルとを分離する隔膜とを有する、セルスタックと、充電状態が相対的に低い正極流体を貯留する第１の正極側タンクと、充電状態が相対的に高い正極流体を貯留する第２の正極側タンクと、充電状態が相対的に低い負極流体を貯留する第１の負極側タンクと、充電状態が相対的に高い負極流体を貯留する第２の負極側タンクと、を有し、セルスタックは、それぞれが複数の電池セルからなる複数のセルグループに分割され、複数のセルグループは、第１の正極側タンクと第２の正極側タンクとの間で正極流体が複数のセルグループを並列に流れるように、第１の正極側タンクと第２の正極側タンクとに接続され、かつ、第１の負極側タンクと第２の負極側タンクとの間で負極流体が複数のセルグループを並列に流れるように、第１の負極側タンクと第２の負極側タンクとに接続され、各セルグループの複数の電池セルは、各セルグループに流入した正極流体が複数の正極セルを直列に流れて各セルグループから流出するように互いに接続され、かつ、各セルグループに流入した負極流体が複数の負極セルを直列に流れて各セルグループから流出するように互いに接続されている。【０００８】
このようなレドックスフロー電池によれば、活物質を含む流体はセルグループ内のみで複数の電池セルを直列に流れる。そのため、シャントカレントロスの低減を実現しながら、圧力損失の増大によるポンプ動力の増大を極力抑制することができる。
【発明の効果】
【０００９】
以上、本発明によれば、システム全体としてエネルギー効率の向上を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。
【図１Ｂ】第１の実施形態に係るレドックスフロー電池を構成するセルグループの概略構成図である。
【図２】第１および第２の正極側流通配管の変形例を示す概略構成図である。
【図３Ａ】セルグループ内で複数の電池セルを接続する流路の変形例を示す概略構成図である。
【図３Ｂ】セルグループ内で複数の電池セルを接続する流路の変形例を示す概略構成図である。
【図３Ｃ】セルグループ内で複数の電池セルを接続する流路の変形例を示す概略構成図である。
【図４】本発明の第２の実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。
【図５】本発明の第３の実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【００１２】
（第１の実施形態）
図１Ａは、本発明の第１の実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。図１Ｂは、本実施形態のレドックスフロー電池を構成するセルグループの概略構成図である。
【００１３】
レドックスフロー電池１は、電池セル４内での正極活物質および負極活物質の酸化還元反応を利用して充放電を行うものであり、積層された複数の電池セル４を有するセルスタック２を備えている。本実施形態では、セルスタック２は、それぞれが複数の電池セル４からなる複数のセルグループ３に分割されている。
【００１４】
各電池セル４は、正極電極５ａを収容し、正極活物質を含む流体（正極流体）が供給される正極セル５と、負極電極６ａを収容し、負極活物質を含む流体（負極流体）が供給される負極セル６と、正極セル５と負極セル６とを分離する隔膜７とを有している。正極セル５では、充電動作時に還元状態の正極活物質が酸化状態に変化する酸化反応が起こり、放電動作時に酸化状態の正極活物質が還元状態に変化する還元反応が起こる。換言すると、正極セル５では、充電動作により正極流体の充電状態が上昇し、放電動作により正極流体の充電状態が低下する。一方、負極セル６では、充電動作時に酸化状態の負極活物質が還元状態に変化する還元反応が起こり、放電動作時に還元状態の負極活物質が酸化状態に変化する酸化反応が起こる。換言すると、負極セル６では、充電動作により負極流体の充電状態が上昇し、放電動作により負極流体の充電状態が低下する。
【００１５】
なお、ここでいう「正極流体」および「負極流体」とは、それぞれ正極活物質および負極活物質を含むあらゆる流体を意味し、活物質の電解液に限定されるものではない。例えば、正極流体としては、液相中に粒状の正極活物質を懸濁・分散させて形成されたスラリーであってもよく、液状になった正極活物質そのものであってもよい。また、負極流体としても同様である。
【００１６】
また、充電状態（ＳＯＣ）は、充電の程度（深度）を示す指標であり、流体中の酸化状態の活物質の量と還元状態の活物質の量に依存する。ＳＯＣについては様々な観点からの定義が可能であるが、例えば、このような活物質の量を用いて流体のＳＯＣを表すこともできる。この場合、正極流体のＳＯＣは、流体中の酸化状態の活物質濃度と還元状態の活物質濃度の和に対する酸化状態の活物質濃度の割合として表すことができる。また、負極流体のＳＯＣは、流体中の酸化状態の活物質濃度と還元状態の活物質濃度の和に対する還元状態の活物質濃度の割合として表すことができる。正極流体のＳＯＣは、充電動作（酸化反応）が進行して還元状態の正極活物質が減少し酸化状態の正極活物質が増加するほど高くなり、放電動作（還元反応）が進行して酸化状態の正極活物質が減少し還元状態の正極活物質が増加するほど低くなる。一方、負極流体のＳＯＣは、充電動作（還元反応）が進行して酸化状態の負極活物質が減少し還元状態の負極活物質が増加するほど高くなり、放電動作（酸化反応）が進行して還元状態の負極活物質が減少し酸化状態の負極活物質が増加するほど低くなる。
【００１７】
本実施形態では、放電動作を経てＳＯＣが相対的に低くなった正極流体と充電動作を経てＳＯＣが相対的に高くなった正極流体はそれぞれ別に貯留されている。同様に、放電動作を経てＳＯＣが相対的に低くなった負極流体と充電動作を経てＳＯＣが相対的に高くなった負極流体はそれぞれ別に貯留されている。すなわち、レドックスフロー電池１は、ＳＯＣが相対的に低い正極流体を貯留する第１の正極側タンク１１と、ＳＯＣが相対的に高い正極流体を貯留する第２の正極側タンク１２と、ＳＯＣが相対的に低い負極流体を貯留する第１の負極側タンク２１と、ＳＯＣが相対的に高い負極流体を貯留する第２の負極側タンク２２とを有している。換言すると、第１の正極タンク１１には、酸化状態の正極活物質に比べて還元状態の正極活物質が相対的に多い正極流体が貯留され、第２の正極タンク１２には、還元状態の正極活物質に比べて酸化状態の正極活物質が相対的に多い正極流体が貯留されている。また、第１の負極タンク２１には、還元状態の負極活物質に比べて酸化状態の負極活物質が相対的に多い負極流体が貯留され、第２の負極タンク２２には、酸化状態の負極活物質に比べて還元状態の負極活物質が相対的に多い負極流体が貯留されている。
【００１８】
セルスタック２を構成する複数のセルグループ３は、第１の正極側タンク１１と第２の正極側タンク１２との間で互いに並列に接続され、かつ、第１の負極側タンク２１と第２の負極側タンク２２との間で互いに並列に接続されている。具体的には、複数のセルグループ３は、第１の正極側流通配管Ｌ１１を介して第１の正極側タンク１１に接続され、第２の正極側流通配管Ｌ１２を介して第２の正極側タンク１２に接続されている。また、複数のセルグループ３は、第１の負極側流通配管Ｌ２１を介して第１の負極側タンク２１に接続され、第２の負極側流通配管Ｌ２２を介して第２の負極側タンク２２に接続されている。
【００１９】
これに対し、各セルグループ３内の複数の電池セル４は、正極流体および負極流体がそれぞれ複数の正極セル５および複数の負極セル６を直列に流れるように互いに接続されている。具体的には、複数の正極セル５は、第１の正極側流通配管Ｌ１１と第２の正極側流通配管Ｌ１２とを連通させる直列流路を形成し、複数の負極セル６は、第１の負極側流通配管Ｌ２１と第２の負極側流通配管Ｌ２２とを連通させる直列流路を形成している。
【００２０】
本実施形態では、第１の正極側タンク１１と第２の正極側タンク１２との間で正極流体を流通させる手段として、いずれもポンプが用いられている。具体的には、第１の正極側流通配管Ｌ１１には、第１の正極側タンク１１内の正極流体を第２の正極側タンク１２に向けて送出する第１の正極側ポンプ１３が設けられ、第２の正極側流通配管Ｌ１２には、第２の正極側タンク１２内の正極流体を第１の正極側タンク１１に向けて送出する第２の正極側ポンプ１４が設けられている。なお、一部の特殊なポンプを除き、吐出側から吸込側に向けてポンプ内部に流体を逆流させることは困難である。そのため、第１の正極側流通配管Ｌ１１は、図示したように、２つに分岐して第１の正極側タンク１１に接続され、その一方に第１の正極側ポンプ１３が設けられていることが好ましい。また、第２の正極側流通配管Ｌ１２も、図示したように、２つに分岐して第２の正極側タンク１２に接続され、その一方に第２の正極側ポンプ１４が設けられていることが好ましい。例えば、それぞれの分岐配管にバルブを設置したり、分岐部に三方チェックバルブを設置したりすることにより、充電時と放電時で正極流体の流れの向きを切り替えることができる。
【００２１】
同様に、本実施形態では、第１の負極側タンク２１と第２の負極側タンク２２との間で負極流体を流通させる手段として、いずれもポンプが用いられている。具体的には、第１の負極側流通配管Ｌ２１には、第１の負極側タンク２１内の負極流体を第２の負極側タンク２２に向けて送出する第１の負極側ポンプ２３が設けられ、第２の負極側流通配管Ｌ２２には、第２の負極側タンク２２内の負極流体を第１の負極側タンク２１に向けて送出する第２の負極側ポンプ２４が設けられている。なお、一部の特殊なポンプを除き、吐出側から吸込側に向けてポンプ内部に流体を逆流させることは困難である。そのため、第１の負極側流通配管Ｌ２１は、図示したように、２つに分岐して第１の負極側タンク２１に接続され、その一方に第１の負極側ポンプ２３が設けられていることが好ましい。また、第２の負極側流通配管Ｌ２２も、２つに分岐して第２の負極側タンク２２に接続され、その一方に第２の負極側ポンプ２４が設けられていることが好ましい。例えば、それぞれの分岐配管にバルブを設置したり、分岐部に三方チェックバルブを設置したりすることにより、充電時と放電時で負極流体の流れの向きを切り替えることができる。
【００２２】
レドックスフロー電池１の充電動作は、以下のように行われる。まず、第１の正極側流通配管Ｌ１１を通じて、第１の正極側タンク１１内の正極流体が正極セル５に供給され、第１の負極側流通配管Ｌ２１を通じて、第１の負極側タンク２１内の負極流体が負極セル６に供給される。正極セル５内では、正極流体に含まれる還元状態の正極活物質が酸化状態に変化する酸化反応が連続的に進行し、負極セル６内では、負極流体に含まれる酸化状態の負極活物質が還元状態に変化する還元反応が連続的に進行する。こうして、正極セル５および負極セル６における酸化還元反応を通じて充電が行われる。そして、充電動作により酸化状態に変化した正極活物質を含む正極流体は、第２の正極側流通配管Ｌ１２を通じて第２の正極側タンク１２に貯留される。また、充電動作により還元状態に変化した負極活物質を含む負極流体は、第２の負極側流通配管Ｌ２２を通じて第２の負極側タンク２２に貯留される。
【００２３】
また、レドックスフロー電池１の放電動作は、以下のように行われる。まず、第２の正極側流通配管Ｌ１２を通じて、第２の正極側タンク１２内の正極流体が正極セル５に供給され、第２の負極側流通配管Ｌ２２を通じて、第２の負極側タンク２２内の負極流体が負極セル６に供給される。正極セル５内では、正極流体に含まれる酸化状態の正極活物質が還元状態に変化する還元反応が連続的に進行し、負極セル６内では、負極流体に含まれる還元状態の負極活物質が酸化状態に変化する酸化反応が連続的に進行する。こうして、正極セル５および負極セル６における酸化還元反応を通じて放電が行われる。そして、放電動作により還元状態に変化した正極活物質を含む正極流体は、第１の正極側流通配管Ｌ１１を通じて第１の正極側タンク１１に貯留される。また、放電動作により酸化状態に変化した負極活物質を含む負極流体は、第１の負極側流通配管Ｌ２１を通じて第１の負極側タンク２１に貯留される。
【００２４】
本実施形態によれば、第１の正極側タンク１１と第２の正極側タンク１２との間で正極流体は複数のセルグループ３を並列に流れるのに対し、各セルグループ３に流入した正極流体は、複数の正極セル５を直列に流れて各セルグループ３から流出するようになっている。同様に、第１の負極側タンク２１と第２の負極側タンク２２との間で負極流体は複数のセルグループ３を並列に流れるのに対し、各セルグループ３に流入した負極流体は、複数の負極セル６を直列に流れて各セルグループ３から流出するようになっている。すなわち、各流体がセルグループ３内のみで複数の電池セル４を直列に流れるため、セルスタック２の全ての電池セル４を直列に流れる場合に比べて、セルスタック２を通過する際の圧力損失を小さくすることができる。したがって、各流体を複数の電池セル４に直列に流通させることでシャントカレントロスの低減を実現しながら、必要なポンプ動力の増大も極力抑制することができる。その結果、システム全体としてエネルギー効率の向上を実現することができる。
【００２５】
また、本実施形態では、放電動作を経てＳＯＣが相対的に低くなった正極流体と充電動作を経てＳＯＣが相対的に高くなった正極流体がそれぞれ別個に貯留されているため、これらが混合して正極セル５に供給されることがない。同様に、放電動作を経てＳＯＣが相対的に低くなった負極流体と充電動作を経てＳＯＣが相対的に高くなった負極流体もそれぞれ別個に貯留されているため、これらが混合して負極セル６に供給されることがない。これに伴い、充電および放電の各動作において、充電状態が一定の流体を電池セル４に供給することができ、レドックスフロー電池１の安定した運用も可能になる。例えば、レドックスフロー電池の中には、正極流体を貯留するタンクと負極流体を貯留するタンクをそれぞれ１基ずつ備え、電池セルに供給される流体が供給元のタンクと同じタンクに戻されるタイプのものがある。そのようなレドックスフロー電池では、充放電動作の進行と共に電池セルに供給される流体の充電状態が変化し、それに応じて充放電性能が変化する。そのため、安定した充放電性能を発揮させるためには、電池セルへの正極流体および負極流体の供給量の調整が必要になる。それに対して、本実施形態では、充放電動作が進行しても各タンク１１，１２，２１，２２内の流体の充電状態を一定に保持することができる。この場合、充電および放電の各動作において電池セル４に供給される流体の充電状態も一定に保持される。これにより、上述のような供給量の調整を行うことなく常に安定した充放電性能を発揮させることができる。このことは、活物質を送出するポンプ１３，１４，２３，２４として、前述のような送出量の調整を考慮したものを選定する必要がなく、比較的小容量のポンプを選定することができる点でも有利である。
【００２６】
ところで、各タンク１１，１２，２１，２２には、副反応により生じる可能性があるガス（例えば水素）や滞留する大気成分（特に酸素や二酸化炭素）がレドックスフロー電池１の各所に悪影響を及ぼすことを抑制するために、不活性ガス（例えば、窒素ガス）が充填されていることが好ましい。本実施形態では、この不活性ガスの消費量を最小限に抑えるために、第１の正極側タンク１１と第２の正極側タンク１２が、正極側均圧配管１５によって接続され、第１の負極側タンク２１と第２の負極側タンク２２が、負極側均圧配管２５によって接続されている。正極側均圧配管１５は、第１の正極側タンク１１内の気相部の圧力と第２の正極側タンク１２内の気相部の圧力とを均一に保持する機能を有している。そのため、正極流体が第１の正極側タンク１１と第２の正極側タンク１２との間を移動する際に、その移動方向とは逆方向に不活性ガスを移動させることができる。また、負極側均圧配管２５は、第１の負極側タンク２１内の気相部の圧力と第２の負極側タンク２２内の気相部の圧力とを均一に保持する機能を有している。そのため、負極流体が第１の負極側タンク２１と第２の負極側タンク２２との間を移動する際に、その移動方向とは逆方向に不活性ガスを移動させることができる。これにより、充放電時の正極流体および負極流体の移動に伴って各タンク１１，１２，２１，２２内の不活性ガスを無駄に外部に排出する必要がなくなり、不活性ガスの消費量を大幅に削減することができる。
【００２７】
なお、各タンク１１，１２，２１，２２とセルスタック２との接続は、正極流体および負極流体が複数のセルグループ３を並列に流れるようになっていればよく、図示した構成に限定されるものではない。図２は、第１および第２の正極側流通配管の変形例を示す概略構成図である。
【００２８】
図１Ａに示す構成では、第１および第２の正極側流通配管Ｌ１１，Ｌ１２の各タンク１１，１２からセルグループ３までの圧力損失は、各タンク１１，１２からセルグループ３までの距離が遠くなるほど大きくなる。その結果、第１および第２の正極側流通配管Ｌ１１，Ｌ１２に接続された複数のセルグループ３において、各タンク１１，１２からの距離が遠いセルグループ３ほど、正極流体が流れにくくなるおそれがある。すなわち、複数のセルグループ３を流れる正極流体の流れに偏流が発生するおそれがある。これに対し、図２に示す変形例では、第１および第２の正極側流通配管Ｌ１１，Ｌ１２はそれぞれ、各タンク１１，１２から複数のセルグループ３に向かって階層的に分岐するトーナメント形状を有している。そのため、各タンク１１，１２からセルグループ３までの圧力損失がほぼ等しくなり、上述した偏流の発生を抑制して充放電性能を最大限に発揮させることができる。また、図２に示すトーナメント形状の流通配管Ｌ１１，Ｌ１２によれば、図１Ａに示す構成に比べて、正極流体によるセルグループ３間の短絡の可能性をより低減することができ、シャントカレントロスをより一層抑制することができる。なお、このようなトーナメント形状は、第１および第２の負極側流通配管Ｌ２１，Ｌ２２にも適用可能であることは言うまでもない。
【００２９】
一方、セルグループ３内の流路構成についても、複数の正極セル５が直列流路を形成し、複数の負極セル６が直列流路を形成していればよく、図示した例に限定されるものではない。図３Ａから図３Ｃは、セルグループ内で複数の電池セルを接続する流路のいくつかの変形例を示す概略構成図である。図３Ａから図３Ｃでは、充填時の各流体の流れ方向を矢印で示している。
【００３０】
図３Ａに示す流路構成は、各電池セル４内での正極流体と負極流体の流れ方向が図１Ｂに示す流路構成と異なっている。すなわち、図１Ｂに示す流路構成では、各電池セル４内で正極流体と負極流体とが反対方向に流れるようになっているが、図３Ａに示す流路構成では、各電池セル４内で正極流体と負極流体とが同じ方向に流れるようになっている。
【００３１】
また、図３Ｂに示す流路構成は、セルグループ３内で各流体が流入および流出する電池セル４の位置が図１Ｂに示す流路構成と異なっている。例えば充電時に、図１Ｂに示す流路構成では、正極流体がセルグループ３のうち一方の端部の電池セル４に流入して他方の端部の電池セル４から流出し、負極流体が他方の端部の電池セル４に流入して一方の端部の電池セル４から流出するようになっている。それに対し、図３Ｂに示す流路構成では、正極流体および負極流体が共にセルグループ３のうち一方の端部の電池セル４に流入して他方の端部の電池セル４から流出するようになっている。
【００３２】
また、図３Ｃに示す流路構成は、各電池セル４内での正極流体と負極流体の流れ方向が図１Ｂに示す流路構成と異なっており、セルグループ３内で各流体が流入および流出する電池セル４の位置が図３Ａに示す流路構成と異なっている。すなわち、図１Ｂに示す流路構成では、各電池セル４内で正極流体と負極流体とが反対方向に流れるようになっているが、図３Ｃに示す流路構成では、各電池セル４内で正極流体と負極流体とが同じ方向に流れるようになっている。さらに、図３Ａに示す流路構成では、正極流体がセルグループ３のうち一方の端部の電池セル４に流入して他方の端部の電池セル４から流出し、負極流体が他方の端部の電池セル４に流入して一方の端部の電池セル４から流出するようになっている。それに対し、図３Ｃに示す流路構成では、正極流体および負極流体が共にセルグループ３のうち一方の端部の電池セル４に流入して他方の端部の電池セル４から流出するようになっている。
【００３３】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。以下、第１の実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成のみ説明する。
【００３４】
本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態の第２の正極側ポンプ１４と第２の負極側ポンプ２４が省略されている点で、第１の実施形態と異なっている。これに伴い、本実施形態では、第２の正極側タンク１２内の正極流体と第２の負極側タンク２２内の負極流体を移送する方法として、いずれも液ヘッド差を利用する方法が用いられている。すなわち、第２の正極側タンク１２は、第２の正極側タンク１２内の正極流体が液ヘッド差によって第１の正極側タンク１１まで流れるように、第１の正極側タンク１１よりも高い位置に配置されている。また、第２の負極側タンク２２は、第２の負極側タンク２２内の負極流体が液ヘッド差によって第１の負極側タンク２１に流れるように、第１の負極側タンク２１よりも高い位置に配置されている。なお、ここでいう「液ヘッド」とは、正極流体または負極流体の位置ヘッドを意味する。
【００３５】
このような構成によれば、放電時に正極流体および負極流体を移送するためのポンプ動力が不要になり、エネルギーのさらなる有効利用が可能になる。また、このような液ヘッド差を利用する構成は、レドックスフロー電池１の設置面積を低減することを目的として、レドックスフロー電池１の（タンクやポンプなどの）構成要素を３階建て以上の建屋などの構造物に配置する場合に特に好適に採用可能である。すなわち、レドックスフロー電池１を３階建て以上の建屋に設置する場合、第１の正極側タンク１１および第１の負極側タンク２１の設置階より上層階にセルスタック２を設置し、セルスタック２の設置層より上層階に第２の正極側タンク１２および第２の負極側タンク２２を設置することで、その設置面積を低減することが可能である。このような建屋構成において、本実施形態のように液ヘッド差を利用する方法を好適に用いることができる。
【００３６】
なお、第２の正極側流通配管Ｌ１２は、必ずしも２つに分岐して第２の正極側タンク１２に接続されている必要はない。また、第２の負極側流通配管Ｌ２２も、必ずしも２つに分岐して第２の負極側タンク２２に接続されている必要はない。すなわち、本実施形態のように第２の正極側ポンプ１４および第２の負極側ポンプ２４が省略される場合には、第２の正極側流通配管Ｌ１２および第２の負極側流通配管Ｌ２２の各分岐配管を省略することもできる。このことは、第２の正極側流通配管Ｌ１２および第２の負極側流通配管Ｌ２２にそれぞれ流体の流れ方向を切り替えるためのバルブなどを設置する必要がない点でも有利である。
【００３７】
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。以下、上述した実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、上述した実施形態と異なる構成のみ説明する。
【００３８】
本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、第１の実施形態の第２の正極側ポンプ１４と第１の負極側ポンプ２３が省略されている点で、第１の実施形態と異なっている。これに伴い、本実施形態では、第２の正極側タンク１２内の正極流体と第１の負極側タンク２１内の負極流体を移送する方法として、タンク内の圧力差を利用する方法が用いられている。すなわち、第２の正極側タンク１２内の圧力が、第１の正極側タンク１１内の圧力よりも高く、第１の負極側タンク２１内の圧力が、第２の負極側タンク２２内の圧力よりも高くされている。さらに、第１の実施形態の正極側均圧配管１５と負極側均圧配管２５が省略され、その代わりに、低圧側均圧配管８と高圧側均圧配管９とが設けられている。低圧側均圧配管８は、第１の正極側タンク１１と第２の負極側タンク２２とを接続し、第１の正極側タンク１１内の気相部の圧力と第２の負極側タンク２２内の気相部の圧力とを均一に保持する機能を有している。高圧側均圧配管９は、第２の正極側タンク１２と第１の負極側タンク２１とを接続し、第２の正極側タンク１２内の気相部の圧力と第１の負極側タンク２１内の気相部の圧力とを均一に保持する機能を有している。
【００３９】
本実施形態の充電動作では、第１の正極側タンク１１内の正極流体が、第１の正極側ポンプ１３により第２の正極側タンク１２まで移送されるのに対し、第１の負極側タンク２１内の負極流体は、第１の負極側タンク２１内の圧力と第２の負極側タンク２２内の圧力との差により、第２の負極側タンク２２まで移送される。同様に、本実施形態の放電動作では、第２の負極側タンク２２内の負極流体が、第２の負極側ポンプ２４により第１の負極側タンク２１まで移送されるのに対し、第２の正極側タンク１２内の正極流体は、第２の正極側タンク１２内の圧力と第１の正極側タンク１１内の圧力との差により、第１の正極側タンク１１まで移送される。
【００４０】
こうして、本実施形態では、充電時および放電時のそれぞれにおいて動作するポンプの数を１つに減らすことができ、第１の実施形態に比べて、エネルギーのさらなる有効利用が可能である。また、充電時および放電時のいずれにおいても、低圧側均圧配管８により、第１の正極側タンク１１と第２の負極側タンク２２との間での不活性ガスのやり取りが可能になり、高圧側均圧配管９により、第２の正極側タンク１２と第１の負極側タンク２１との間での不活性ガスのやり取りが可能になる。したがって、本実施形態においても、不活性ガスの無駄な排出を抑制することができ、不活性ガスの消費量を大幅に削減することができる。
【００４１】
第２の正極側タンク１２内の正極流体と第１の負極側タンク２１内の負極流体を移送する方法としては、第２の実施形態における液ヘッド差を利用する方法をタンク内の圧力差を利用する方法と併用することもできる。すなわち、第２の正極側タンク１２内の正極流体が液ヘッド差によって第１の正極側タンク１１まで流れるように、第２の正極側タンク１２が、第１の正極側タンク１１よりも高い位置に配置されていてもよい。また、第１の負極側タンク２１内の負極流体が液ヘッド差によって第２の負極側タンク２２に流れるように、第１の負極側タンク２１が、第２の負極側タンク２２よりも高い位置に配置されていてもよい。液ヘッド差を利用することで、第２の正極側タンク１２内の気相部の圧力と第１の負極側タンク２１内の気相部の圧力をそれぞれ相対的に低くすることができる。なお、第２の正極側タンク１２と第１の負極側タンク２１のどちらか一方で液ヘッド差を利用するようになっていてもよい。このことは、正極流体が流れるのに必要な圧力と負極流体が流れるのに必要な圧力が異なる場合に特に有効である。
【００４２】
なお、第２の正極側流通配管Ｌ１２は、必ずしも２つに分岐して第２の正極側タンク１２に接続されている必要はない。また、第１の負極側流通配管Ｌ２１も、必ずしも２つに分岐して第１の負極側タンク２１に接続されている必要はない。すなわち、本実施形態のように第２の正極側ポンプ１４および第１の負極側ポンプ２３が省略される場合には、第２の正極側流通配管Ｌ１２および第１の負極側流通配管Ｌ２１の各分岐配管を省略することもできる。このことは、第２の正極側流通配管Ｌ１２および第１の負極側流通配管Ｌ２２にそれぞれ流体の流れ方向を切り替えるためのバルブなどを設置する必要がない点でも有利である。
【００４３】
本実施形態では、第１の実施形態に対して、第２の正極側ポンプ１４と第１の負極側ポンプ２３が省略されているが、その代わりに、第１の正極側ポンプ１３と第２の負極側ポンプ２４が省略されていてもよいことは、当業者には明らかであろう。
【符号の説明】
【００４４】
１  レドックスフロー電池
２  セルスタック
３  セルグループ
４  電池セル
５  正極セル
５ａ  正極電極
６  負極セル
６ａ  負極電極
７  隔膜
８  低圧側均圧配管
９  高圧側均圧配管
１１  第１の正極側タンク
１２  第２の正極側タンク
１３  第１の正極側ポンプ
１４  第２の正極側ポンプ
１５  正極側均圧配管
２１  第１の負極側タンク
２２  第２の負極側タンク
２３  第１の負極側ポンプ
２４  第２の負極側ポンプ
２５  負極側均圧配管
Ｌ１１  第１の正極側流通配管
Ｌ１２  第２の正極側流通配管
Ｌ２１  第１の負極側流通配管
Ｌ２２  第２の負極側流通配管
【図１Ａ】
2019054332.tif 000003
【図１Ｂ】
2019054332.tif 000004
【図２】
2019054332.tif 000005
【図３Ａ】
2019054332.tif 000006
【図３Ｂ】
2019054332.tif 000007
【図３Ｃ】
2019054332.tif 000008
【図４】
2019054332.tif 000009
【図５】
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【国際調査報告】
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