(57)【要約】【課題】  電解液量を過剰に増大することなく、非常用の電池容量を十分に確保できるレドックスフロー電池システムの運転方法を提供する。【解決手段】  セルに電解液を供給して放電を行うレドックスフロー電池システムの運転方法であって、コンピュータに以下のステップを行わせて、非常用容量を確保するために放電の停止を制御する。1.  セルの端子電圧、開放電圧、及び負荷電流を測定するステップ2.  端子電圧と開放電圧との電圧差を演算するステップ3.  演算した電圧差と負荷電流とに基づきセル抵抗を演算するステップ4.  演算したセル抵抗に基づき、非常用容量を確保できる開放電圧の下限値を決定するステップ5.  決定した開放電圧の下限値と測定した開放電圧とを比較し、測定した開放電圧が下限値以上の場合、放電を継続させ、下限値未満の場合、放電を停止させるステップ【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルに電解液を供給して放電を行うレドックスフロー電池システムの運転方法であって、
コンピュータに以下のステップを行わせて、非常用容量を確保するために放電の停止を制御することを特徴とするレドックスフロー電池システムの運転方法。
1.  セルの端子電圧、開放電圧、及び負荷電流を測定するステップ
2.  端子電圧と開放電圧との電圧差を演算するステップ
3.  演算した電圧差と負荷電流とに基づきセル抵抗を演算するステップ
4.  演算したセル抵抗に基づき、非常用容量を確保できる開放電圧の下限値を決定するステップ
5.  決定した開放電圧の下限値と測定した開放電圧とを比較し、測定した開放電圧が下限値以上の場合、放電を継続させ、下限値未満の場合、放電を停止させるステップ
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解液をセルに供給して放電を行うレドックスフロー電池システムの運転方法に関するものである。特に、電解液量を過剰に増大することなく、非常用の電池容量を十分に確保することができるレドックスフロー電池システムの運転方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レドックスフロー電池は、従来、負荷平準化や瞬低対策などとして利用されている。図3はレドックスフロー電池の動作原理を示す説明図である。この電池は、イオン交換膜からなる隔膜101で正極セル100Aと負極セル100Bとに分離されたセル100を具える。正極セル100A、負極セル100Bにはそれぞれ、正極電極102、負極電極103を内蔵している。正極セル100Aには、正極電極102に供給されると共に、正極電極102から排出される正極電解液を貯留する正極電解液タンク104Aが電解液の輸送路となる導管106Aを介して接続されている。負極セル100Bには、負極電極103に供給されると共に、負極電極103から排出される負極電解液を貯留する負極電解液タンク104Bが電解液の輸送路となる導管106Bを介して接続されている。各極電解液にはバナジウムイオンなど原子価が変化するイオンの水溶液を用い、ポンプ105A、105Bで循環させ、正極電極102、負極電極103におけるイオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。例えば、バナジウムイオンを含む電解液を用いた場合、セル内で充放電時に生じる反応は次の通りである。
正極：V4+→V5+＋e-（充電）      V4+←V5+＋e-（放電）
負極：V3+＋e-→V2+（充電）      V3+＋e-←V2+（放電）
【０００３】
上記レドックスフロー電池システムは、交流/直流変換器に接続させ、交流/直流変換器を介して、発電所などの充電電力源や需要家などの放電対象と接続され、各対象に対して充放電を行う。負荷平準化用途のレドックスフロー電池の場合、充電時間帯域、放電時間帯域、待機時間帯域を予め決めておき、充電→放電→待機を繰り返し行っている。このようなレドックスフロー電池システムにおいて、火災時の消火負荷(消火設備)への供給などを目的とした非常用途の電池では、非常時に十分な電力供給が行えるように常に一定の電池容量を確保しておく必要がある。そこで、図4に示すグラフのように非常用容量が維持できる端子電圧v1(又は開放電圧v2)を予め設定しておき、セルの端子電圧(又は開放電圧)を常時監視して、放電中、端子電圧(又は開放電圧)が上記設定した電圧v1(又は電圧v2)に達したら、放電を停止する(又は待機状態にする)ことが行われている。また、特許文献1では、通常の運転に使用する電解液を貯留するタンクと別に充電深度が高い電解液を貯留した非常用タンクを具えて、火災時などの非常時に非常用タンクに切り替えて充電深度が高い電解液を用いて、負荷に電力供給を行う電池システムを開示している。
【０００４】
【特許文献１】特開2002-329522号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記従来の技術では、電池システムの大型化、コストアップを招くという問題がある。
端子電圧が同じであっても、セルの内部抵抗によって放電可能な電池容量が変化する。セルの内部抵抗の変化は、温度変化や経年劣化などに起因する。そこで、温度変化や経年劣化などを予め想定しておき、セルの内部抵抗が増大した最悪の条件であっても非常用の容量が確保できるように、放電の停止時を決定する電圧を充分高めに設定して時間容量を大きくするべく、電解液を増大していた。しかし、電解液を多くすることで、貯留するタンクを大型にせざるを得ず、電池システムの大型化を招いていた。また、セルの内部抵抗が増大した最悪の条件下となることはほとんどなく、通常は、セルの内部抵抗がほとんどない良好な条件下で放電されるため、運転時間の大部分に対して過剰な設計となっていた。また、運転時間の大部分が余分な容量を残して運転しており、電池効率の改善が望まれている。
【０００６】
一方、特許文献1では、充電深度が高い電解液を貯留した非常用タンクを具えているため、通常の運転に使用する電解液を貯留したタンクを大型にしなくてもよいが、別途非常用タンクを設けることで電池システムの大型化を招いてしまう。
【０００７】
従って、本発明の主目的は、電池システムを大型化することなく、非常用の容量を確実に維持することができるレドックスフロー電池システムの運転方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、放電時、セルの内部抵抗を常に検出し、内部抵抗に応じて放電の停止時期を変化させることで上記目的を達成する。
【０００９】
即ち、本発明は、セルに電解液を供給して放電を行うレドックスフロー電池システムの運転方法であって、コンピュータに以下のステップを行わせて、非常用容量を確保するために放電の停止を制御することを特徴とする。
1.  セルの端子電圧、開放電圧、及び負荷電流を測定するステップ
2.  端子電圧と開放電圧との電圧差を演算するステップ
3.  演算した電圧差と負荷電流とに基づきセル抵抗を演算するステップ
4.  演算したセル抵抗に基づき、非常用容量を確保できる開放電圧の下限値を決定するステップ
5.  決定した開放電圧の下限値と測定した開放電圧とを比較し、測定した開放電圧が下限値以上の場合、放電を継続させ、下限値未満の場合、放電を停止させるステップ
【００１０】
以下、本発明をより詳しく説明する。
本発明運転方法に利用するレドックスフロー電池システムは、負荷に接続されて充放電を行うレドックスフロー電池用のセル(主セル)と、このセルに供給/排出される電解液を貯留するタンクと、セルとタンクとを連結する電解液の輸送路とを具える構成が挙げられる。タンクから電解液をセルに供給し易いようにポンプを具えていてもよい。上記電池用のセルとしては、隔膜を介して正極セルと負極セルとを具える構成が挙げられる。電解液としては、1.起電力が高く、2.エネルギー密度が大きく、3.電解液が単一元素系であるため正極電解液と負極電解液とが混合しても充電によって再生することができるといった多くの利点を有しているバナジウムイオン溶液が好適である。電解液の輸送路としては、電解液が接触しても短絡などの事故が生じないように絶縁材料にて形成されたパイプ(配管)などを利用するとよい。その他、本発明では、通常の運転時、特に放電時において開放電圧(非通電時の電圧)を測定するため、通電状態においても非通電状態の電圧を測定できる構成としておく。具体的には、負荷に接続されて充放電を行う上記主セルとは別に開放電圧測定用のモニタセルを具えておくことが挙げられる。モニタセルは、上記主セルと同様の構成のものを利用してもよい。公知のレドックスフロー電池システムを利用してもよい。上記構成を具えるレドックスフロー電池システムは、交流/直流変換器に接続させ、交流/直流変換器を介して系統(発電所などの充電電力源、需要家などの放電対象(負荷))に接続させて、充放電を行えるようにしておく。
【００１１】
そして、本発明では、記憶、演算、判定などの種々の処理を行うことが可能なコンピュータを利用して、放電の停止時期の制御を行う。具体的には、以下に示す所定の制御プログラムをコンピュータに予め入力しておき、コンピュータの命令に従い、放電を継続或いは停止させる。
(1)  セルの端子電圧、開放電圧、及び負荷電流を測定するステップ
(2)  測定した端子電圧、開放電圧、負荷電流に基づきセル抵抗を演算するステップ
(3)  演算したセル抵抗に基づき、非常用容量を確保できる開放電圧の下限値を決定し、決定した下限値と測定した開放電圧とを比較して放電の継続/停止を判定するステップ
【００１２】
上記第一ステップを行うにあたり、端子電圧の測定手段、開放電圧の測定手段、負荷電流の測定手段を具えておく。端子電圧、負荷電流の測定手段を具える交流/直流変換器を利用してもよい。開放電圧の測定手段は、電圧を測定できるものであればよい。これら測定手段とコンピュータとは、測定結果(電気信号)を伝送する配線を介して連結させておく。また、処理手段は、信号受信部に各測定手段からの電気信号が入力されるようにしておく。
【００１３】
上記第二ステップを行うにあたり、コンピュータに具える演算手段では、端子電圧と開放電圧との差を求め、この電圧差を負荷電流で割ってセル抵抗を求めるようにしておく。
【００１４】
上記第三ステップを行うに当たり、セル抵抗と、非常用容量を確保できる開放電圧との関係を予め求めておき、コンピュータの記憶手段にこの関係値データを予め入力しておく。所望の非常用容量を複数設けておき、これら容量ごとに関係値データを作成して、所望の非常用容量の関係値データを適宜選択できるようにしておいてもよい。そして、コンピュータに具える照合決定手段は、演算手段から得られたセル抵抗と記憶手段から呼び出した関係値データとを照らし合わせて、非常用容量が確保可能な開放電圧の下限値を求めるようにしておく。次に、コンピュータの判定手段は、測定した開放電圧を記憶手段から呼び出し、この測定値と上記下限値との大小関係を判定するようにしておく。具体的には、測定値が下限値以上の場合、非常用容量を充分に確保できるため、そのまま運転(放電)を継続すると判定するようにしておく。一方、測定値が下限値未満の場合、放電を続けると非常用容量を確保できなくなるため、運転(放電)を停止する(或いは待機状態に移行する)と判定するようにしておく。なお、コンピュータの他、上記のような記憶、演算、判定などの種々の処理を行える処理装置を利用してもよい。
【発明の効果】
【００１５】
上記構成を具える本発明運転方法は、非常用容量を確保するべく、放電の停止時期を決定する電圧を固定値とするのではなく、セル抵抗に応じて変更するため、非常用容量を確実に確保できると共に、電解液のタンクを大型化したり、非常用タンクを設けることがなく、電池システムの大型化を招くことがない。そのため、小型な電池システム、或いは従来と同等の大きさの電池システムであっても、非常用容量を充分に確保することができ、また、余分な容量を残すことがなく、効率的な運転を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【００１７】
図1は、本発明運転方法を適用するレドックスフロー電池システムの概略構成図である。このレドックスフロー電池システム1は、セルスタック2と、セルスタック2に供給/排出される正極電解液を貯留する正極電解液タンク3aと、セルスタック2に供給/排出される負極電解液を貯留する負極電解液タンク3bと、セルスタック2と各タンク3a、3bとを連結する電解液の輸送路となる配管4a、4b、5a、5bとを具える。また、セルスタック2に電解液を容易に供給できるように供給用の配管4a、4bには、それぞれポンプ6a、6bを具える。
【００１８】
セルスタック2は、レドックスフロー電池用のセルを複数積層させた積層体構造であり、通常の運転に使用する主セル2aと、開放電圧を測定するためのモニタセル2bとを具える。主セル2aは、交流/直流変換器11に接続され、交流/直流変換器11を介して、発電所などの充電電力源や需要家などの放電対象といった系統に接続される。モニタセル2bは、主セル2aと共通して各極の電解液が輸送されるセルであり、系統に接続されず、充放電に用いられないセルである。即ち、このモニタセル2bは、常時非通電状態となる。このようなセルスタック2と正極電解液タンク3a及び配管4a、5aにて正極電解液循環路を構成し、セルスタック2と負極電解液タンク3b及び配管4b、5bにて負極電解液循環路を構成する。
【００１９】
主セル2a、モニタセル2bを構成するセルの基本的構成は、図3に示すセル100と同様であり、イオン交換膜(隔膜)により正極セルと負極セルとに分離され、正極セルに正極電極、負極セルに負極電極を内蔵し、各電極にそれぞれ正極電解液、負極電解液が供給される。本例では、正極電解液にV5+を含む溶液、負極電解液にV2+を含む溶液を用いた。
【００２０】
上記交流/直流変換器11は、主セル2aの端子電圧A(V)、負荷電流C(A)が測定できる測定手段(図示せず)を具えているものを用い、各測定手段からの測定結果がコンピュータ20に伝送されるように配線を介してコンピュータ20に接続される。モニタセル2bには、開放電圧を測定するべく電圧測定手段12を接続させ、この電圧測定手段12は、測定結果がコンピュータ20に伝送されるように配線を介してコンピュータ20に接続される。なお、本例では、コンピュータ20にて交流/直流変換器11を制御して、外部からの充電、外部への放電を制御する。また、ポンプ6a、6bもコンピュータ20に配線を介して接続させており、コンピュータ20にてポンプ6a、6bの駆動も制御する。本例においてコンピュータ20は、記憶、演算、判定などの種々の処理が行える公知のものを用いた。
【００２１】
上記構成を具えるレドックスフロー電池システムにおいて、消火設備などへの電力供給を行うなどといった非常用の電池容量を確保するために、放電の停止時期を制御する本発明運転方法を具体的に説明する。図2は、本発明レドックスフロー電池システムの運転方法の制御手順を示すフローチャートである。なお、本例では、放電時、交流/直流変換器に具える測定手段により、端子電圧A(V)及び負荷電流C(A)を、電圧測定手段により開放電圧B(V)を常時測定し、コンピュータに入力させる構成とした。
【００２２】
本発明運転方法は、まず、交流/直流変換器の測定手段により端子電圧A(V)、負荷電流C(A)を測定し(ステップS1)、電圧測定手段により開放電圧B(V)を測定する(ステップS2)。測定結果(電気信号)はコンピュータの信号受信部に入力されるようにする。このとき、コンピュータは、入力された電気信号をそれぞれ端子電圧A(V)、開放電圧B(V)、負荷電流C(A)に読み替え、記憶手段に一時的に保存しておく。
【００２３】
次に、コンピュータの演算手段は、測定した端子電圧A(V)と開放電圧B(V)との差E(V)＝A-Bを演算し(ステップS3)、この電圧差E(V)を測定した負荷電流C(A)で割って、セル抵抗F(Ω)＝E/Cを演算する(ステップS4)。そして、コンピュータの照合決定手段は、記憶手段に保存されているセル抵抗と開放電圧との関係値データを呼び出し、セル抵抗F(Ω)に照らし合わせて、非常用容量が確保できる開放電圧の下限値G(V)を決定する(ステップS5)。本例では、ステップS5を行うにあたり、種々の要望の非常用容量に対応することができるように、複数の非常用容量を予め設定して、非常用容量ごとにセル抵抗と開放電圧との関係値データを作成してコンピュータに入力しておき、所望の非常用容量の関係値データを選択するようにしている。
【００２４】
次に、コンピュータの判定手段は、決定した開放電圧の下限値G(V)と測定した開放電圧B(V)との大小関係を判定する(ステップS6)。測定した開放電圧B(V)が下限値G(V)以上の場合、レドックスフロー電池システムは、非常用容量を充分維持できる。従って、放電を停止する必要がないため、コンピュータの判定手段は、放電を継続すると判定する(ステップS7)。その後、本例では、放電を行っている間、放電停止の制御を行うため、ステップS1以降の手順を繰り返す。一方、測定した開放電圧B(V)が下限値G(V)未満の場合、このまま放電を続けると非常用容量を確保できなくなる。そこで、コンピュータの判定手段は、放電を停止すると判定し(ステップS8)、制御を終了する。放電を終了した場合、待機とし、その後、予め設定した各動作時間帯域(充電、放電、待機)となったら、各動作を行うように設定しておくとよい。そして、放電を行っている際は、上記放電停止の制御を行う。
【００２５】
上記構成を具える本発明は、セルの内部抵抗に応じて放電を停止する電圧を変化させるため、セル抵抗によって放電可能な電池容量が変化しても、非常用容量を充分に確保することができる。また、過剰設計することがなく、従来のレドックスフロー電池システムに適用した場合、より効率的な運転を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２６】
本発明は、特に、負荷平準化用途に加えて火災時の消火負荷への供給などを目的とした非常用のレドックスフロー電池システムの運転に利用することが好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明レドックスフロー電池システムの運転方法を適用するレドックスフロー電池システムの概略構成図である。
【図２】本発明レドックスフロー電池システムの運転方法の操作手順を示すフローチャートである。
【図３】バナジウムレドックスフロー電池システムの動作原理を示す説明図である。
【図４】電池容量と電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
【００２８】
1  レドックスフロー電池システム  2  セルスタック  2a  主セル
2b  モニタセル  3a  正極電解液タンク  3b  負極電解液タンク
4a,4b,5a,5b  配管  6a,6b  ポンプ
11  交流/直流変換器  12  電圧測定手段  20  コンピュータ
100  セル  100A  正極セル  100B  負極セル  101  隔膜  102  正極電極
103  負極電極  104A  正極電解液タンク  104B  負極電解液タンク
105A,105B  ポンプ  106A,106B  導管
【図１】
2006114360.tif 000002
【図２】
2006114360.tif 000003
【図３】
2006114360.tif 000004
【図４】
2006114360.tif 000005