(57)【要約】【課題】  電解液の循環を停止させている待機中において、セル内部の温度上昇を抑制して、昇温によるセルの劣化を抑制することができるレドックスフロー電池システムを提供する。【解決手段】  セル10に電解液を循環供給して充放電を行うレドックスフロー電池本体1に、電解液の循環停止中においてセル10内の電解液に残存する電気エネルギーを消費する停止時用負荷2を接続させる。電池本体1と停止時用負荷2との間は、電池本体1から停止時用負荷2への電気エネルギーの供給及び停止を制御する開閉部3を配置させる。電解液の循環が停止されると、開閉部3が閉じて電池本体1と停止時用負荷2とが電気的に接続され、電池本体1に残存する活物質の電気エネルギーが停止時用負荷2にて消費され、電池本体1が自己放電を起こすことを抑制する。【選択図】  図1
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルに電解液を循環供給して充放電を行うレドックスフロー電池本体と、
前記電池本体に接続され、電解液の循環停止中においてセル内の電解液に残存する活物質の電気エネルギーを消費する停止時用負荷と、
前記電池本体と停止時用負荷との間に配置され、電池本体から停止時用負荷への電気エネルギーの供給及び停止を制御する開閉部とを具えることを特徴とするレドックスフロー電池システム。
【請求項２】
更に、電解液が循環されているか停止されているかを検出する検出部を具え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電池システム。
【請求項３】
更に、電池本体が停止時用負荷に電気エネルギーを供給している際の時間を検出するタイマ部を具え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電池システム。
【請求項４】
更に、電池本体が停止時用負荷に電気エネルギーを供給している際のセル電圧を検出する電圧測定部を具え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電池システム。
【請求項５】
更に、停止時用負荷を冷却する冷却ファンを具え、この冷却ファンは、電池本体に接続されて、電池本体から電気エネルギーが供給され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電池システム。
【請求項６】
開閉部は、電磁石により開閉を行うコンタクタであり、電池本体から電気エネルギーが供給されて開閉を行うことを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、負荷平準化や瞬低・停電対策などに利用されるレドックスフロー電池システムに関するものである。特に、電解液の循環を停止している期間において、セル内部の温度上昇を抑制することができるレドックスフロー電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、負荷平準化用途や瞬低・停電対策用途などに、レドックスフロー電池を利用することが提案されている。レドックスフロー電池は、図7に示すようにセル100に電解液を循環供給して充放電を行う構成の電池である。セル100は、イオン交換隔膜101により分離された正極セル102と負極セル103とを具え、各極セル102,103はそれぞれ、正極電極104、負極電極105を内蔵している。また、各極セル102,103にはそれぞれ、タンク106,107に貯留される正極電解液、負極電解液が循環供給される。このようなレドックスフロー電池のうち、特に、電解液としてバナジウムイオンを含む溶液を利用するバナジウムレドックスフロー電池は、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を混合しても、充電により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。
【０００３】
上記レドックスフロー電池は、通常、放電―充電―待機を繰り返す運転が行われている。バナジウムレドックスフロー電池の運転条件として、特許文献1では、バナジウムの析出などにより電池容量や電圧効率などが低下することを防止するべく、充放電を行う際、電解液の温度を10〜45℃程度にすることを開示している。
【０００４】
一方、特許文献2には、リン酸型燃料電池を用いた燃料電池発電プラントにおいて、発電操作から停止操作に移行する際、電池本体に窒素を供給して、水素ガスや圧縮空気を追い出す窒素パージを行うことが記載されている。
【０００５】
【特許文献１】特開2003-157882号公報
【特許文献２】特開平11-67254号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
レドックスフロー電池では、電解液の温度が電池容量や電圧効率などの特性に影響を及ぼすため、充放電中において電解液の温度管理が重要である。しかし、本発明者が検討した結果、充放電時だけでなく、電力系統に対する通常の充放電を行っていないとき、具体的には、電解液の循環を停止させているときにも、セル内部の温度が上昇して、セルの構成部材の劣化を促進させる恐れがあるとの知見を得た。例えば、充電後待機状態に移行するべく、電解液の循環を停止すると、セル内部には、満充電状態の活物質が残留する。この状態で電解液の循環を停止し続けると、これらセルに残存する活物質が自己放電を起こし、この自己放電に伴う反応熱により、セル内部の温度を上昇させてしまう。
【０００７】
そこで、本発明の主目的は、電解液の循環を停止させている期間において、セル内部の温度上昇をより効果的に抑制することができるレドックスフロー電池システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、電解液の循環を停止した後のセル内部の温度推移を調べてみた。図5は、従来のレドックスフロー電池システムにおいて、電解液の循環を停止した後のセル内部の温度推移を示すグラフである。このグラフにおいて横軸は、電解液の循環を停止させた時からの経過時間(秒)を示し、縦軸は、セル内部の温度(℃)を示す。図5のグラフに示すように、電解液の循環を停止してからすぐは、温度が低下しているが、最下温度に達してから約8時間の間は、温度の上昇が続き、ピークでは、最下温度から約16℃程度上昇しており、その後徐々に温度が低下しているが、比較的高温の状態が継続される。
【０００９】
そこで、本発明者は、電解液の循環を停止させた後、燃料電池において行われているようにセル内部に窒素ガスといった不活性ガスを充填させて、活物質を除去することを試みた。しかし、セルの電極として、汎用されているカーボンフェルト製電極を利用する場合、電極に電解液が染み込んでいるため、窒素パージでは、電解液中の活物質を十分に除去できず、温度上昇の抑制効果を十分に得ることができなかった。図6は、従来のレドックスフロー電池システムにおいて、電解液の循環を停止した後、セルを窒素パージした場合のセル内部の温度推移を示すグラフである。このグラフの横軸は、電解液の循環を停止させた後、窒素パージを行った時からの経過時間(秒)を示し、縦軸は、セル内部の温度(℃)を示す。図6のグラフに示すように、電解液の循環を停止して窒素パージを行ってからすぐは、温度が低下しているが、最下温度に達した後温度が上昇していき、ピークでは、最下温度から約13℃程度上昇している。従って、窒素パージを行わない場合よりも窒素パージを行った場合の方が温度上昇の抑制効果が得られるものの、その効果が約3℃程度と小さい。
【００１０】
そこで、本発明は、通常の充放電を行わない電解液の循環停止中においてセル内部の温度上昇をより効果的に抑えるべく、セル内部に残留してセルの温度上昇を生じさせる原因となる活物質の電気エネルギーを消費するための停止時用負荷を通常の放電対象となる外部負荷とは別に具えることを規定する。即ち、本発明レドックスフロー電池システムは、セルに電解液を循環供給して充放電を行うレドックスフロー電池本体と、この電池本体に接続され、電解液の循環停止中においてセル内の電解液に残存する活物質の電気エネルギーを消費する停止時用負荷と、上記電池本体と停止時用負荷との間に配置され、電池本体から停止時用負荷への電気エネルギーの供給及び停止を制御にする開閉部とを具えることを特徴とする。以下、本発明をより詳しく説明する。
【００１１】
レドックスフロー電池は、通常、イオンが通過可能な隔膜(イオン交換隔膜)により正極セルと負極セルとに分離されたセルを具える。これら正極セル及び負極セルはそれぞれ、正極電極、負極電極を内蔵している。セルの形成には、一般的には、一面に正極電極、他面に負極電極が配置される双極板と、その外周に設けられるフレーム枠とを具えるセルフレームが用いられる。フレーム枠には、各電極にそれぞれ電解液を供給するためのマニホールド、電解液を排出するためのマニホールドを具える。そして、セルフレームの一面側が正極セル、他面側が負極セルとして利用される。各極セルにはそれぞれ、タンクに貯留される正極電解液、負極電解液が供給及び排出される。また、一つのセルフレームの正極電極と別のセルフレームの負極電極との間に隔膜を配置するというようにセルフレームを多数積層した積層体(セルスタック)で利用されることが多い。このようなセルにおいて本発明では、電解液の循環を停止しても電解液をセル内に貯留することが可能な構成とする。例えば、セルフレームとして、フレーム枠の上辺側に電解液の供給用マニホールド、排出用マニホールドを具えるものを利用したり、セルの設置位置がタンクに貯留される電解液の液面よりも低くなるようにセルを配置するが挙げられる。公知の構成のセルやセルスタックを利用してもよい。
【００１２】
レドックスフロー電池システムの代表的な構成は、上記セルを具える電池本体と、セルに供給される又はセルから排出される電解液を貯留するタンクと、セルとタンクとの間を連結する電解液の輸送路と、セルに電解液を循環するために輸送路に設けられるポンプとを具える構成が挙げられる。また、電池が充電を行う際に電池に電力を供給する発電設備や、電池が放電を行う際に電池の放電対象となる外部負荷といった電力系統と電池本体との間には、直交流変換器を具える。本発明システムは、このような構成のシステムを利用する。また、本発明システムにおいて利用する電解液は、バナジウムイオン溶液が好適である。
【００１３】
レドックスフロー電池システムでは、電力系統に対して充放電を行う際、ポンプにより電解液がセルに循環され、電力系統に対して充放電を行わない待機状態の場合、ポンプの駆動を停止して、電解液の循環を停止することが行われている。このようなレドックスフロー電池システムにおいて、本発明では、電力系統に対して充放電を行わない電解液の循環停止中において、セル内部の電解液に残存する活物質の電気エネルギーを消費するべく停止時用負荷を具え、セルに残存してセルの温度上昇に寄与するような余分な電気エネルギーを停止時用負荷に供給する。具体的には、電池本体に停止時用負荷を接続させておき、電解液の循環停止中において、セルの電極に染み込んだ電解液中に残留する活物質の電気エネルギーを停止時用負荷に供給して消費させる。本発明システムは、停止時用負荷を具えることで電解液の循環停止中において、セル内の電解液中に残存する活物質の電気エネルギーを効果的に消費して電池本体が自己放電を起こすことを低減して自己放電による発熱を防止し、セル内部の温度上昇を抑制する。このような停止時用負荷は、電気エネルギーを消費できるものであればよく、電気抵抗部材を利用することが挙げられる。電気抵抗部材の抵抗値の大きさは、消費する電気エネルギーの大きさに応じて適宜選択するとよい。
【００１４】
上記停止時用負荷は、電解液の循環停止中のみ電池本体と電気的に接続されて電気エネルギーが供給されるように、本発明システムには、電池本体と停止時用負荷との間に開閉部を具える。この開閉部は、電解液の循環が停止されるとONされて、電池本体と停止時用負荷とが電気的に接続され、電池本体から電気エネルギーが停止時用負荷に供給され、電解液の循環を開始する前に、開閉部をOFFにすることで、電池本体と停止時用負荷とが電気的に分離され、電池本体から電気エネルギーが停止時用負荷に供給されないようにできる。
【００１５】
このような開閉部は、作業者が手作業により開閉動作を操作する構成としてもよいが、開閉部自体が自動的に開閉を行う構成のものを利用してもよい。このような開閉部として、例えば、電磁石により開閉を行うコンタクタが挙げられる。また、開閉部が自動的に開閉動作を行うのに必要な電気エネルギーは、電力系統から得られるようにしてもよいが、電池本体から得られるように構成してもよい。開閉部の開閉動作に必要な電力を電池本体から得る構成とすれば、例えば、発電設備の異常(停電など)、直交流変換器やポンプなどの装置などの事故(故障など)といった事情により、電解液の循環が停止した場合であっても、開閉部は、開閉動作を行うことができる。開閉部の開閉動作に必要な電力を電力系統から得る構成とする場合は、上記異常や事故などが生じても開閉部が開閉動作を行うことができるように、別途電源を設けておくことが好ましい。更に、制御部を具えておき、制御部により、開閉部の開閉状態を制御する構成としてもよい。このとき、制御部は、電解液の循環が停止された際、開閉部をONにするように開閉部にON命令を出し、電解液の循環が行われる際、開閉部をOFFにするように開閉部にOFF命令を出すように構成しておく。この制御部の駆動に必要な電気エネルギーも、電力系統や別途設けた電源から得るようにしてもよいし、電池本体から得られるようにしておいてもよい。
【００１６】
更に、本発明システムには、電解液が循環されているか停止されているかを検出する検出部を具えていてもよい。検出部は、電解液の循環に関与するポンプなどの装置から種々のデータを検知する検知部と、このデータに基づき循環・停止を判定する判定部とを具える構成が挙げられる。データとしては、例えば、ポンプの運転・停止を制御する信号やポンプの輸送圧力、電解液の流量などが挙げられる。具体的には、例えば、ポンプの圧力により電解液の循環・停止を検出する場合、ポンプ圧力を測定する圧力測定部(検知部)と、圧力測定部の測定結果により電解液が循環されているか否かを判定する判定部とを具える構成が挙げられる。上記制御部を具える場合、判定部は、上記制御部に具える判定手段を利用してもよい。そして、圧力測定部の測定結果が制御部に伝送されるようにしておき、制御部の判定手段は、測定結果により電解液が循環されているか否かを判定するように構成しておくとよい。より具体的には、例えば、予め制御部に設定値を入力しておき、判定手段は、設定値と測定圧力との大小関係を比較し、測定圧力が設定値を超える場合、ポンプが駆動されている、即ち、電解液が循環されていると判定し、測定圧力が設定値以下の場合、ポンプが停止している、即ち、電解液が循環されていないと判定するように構成しておく。そして、制御部の命令手段は、この判定結果に基づき上記開閉部にON命令・OFF命令を出すように構成するとよい。圧力測定部は、電解液の輸送路においてポンプとセルとの間に配置するとよい。
【００１７】
電解液の流量により電解液の循環・停止を検出する場合、検知部として流量を測定する流量測定部を具えておく。そして、上記と同様に制御部の判定手段は、測定流量が設定値を超える場合、電解液が循環されていると判定し、測定流量が設定値以下の場合、電解液が循環されていないと判定するように構成しておく。流量測定部は、電解液の輸送路(タンクの出口から入り口までの間)において任意の箇所に配置するとよい。
【００１８】
ポンプの運転・停止は、ポンプに設けられたコンタクタの開閉により行われるものやインバータ制御により行われるものがある。前者の場合、コンタクタの接点信号、後者の場合、インバータの接点信号のON/OFFを検知部により検知し、判定部は、このON/OFFにより電解液の循環・停止を判定するように構成してもよい。このとき、判定部は、接点信号がONのとき、ポンプ(インバータ)が駆動されている、即ち、電解液が循環されていると判定し、接点信号がOFFのとき、ポンプ(インバータ)が停止している、即ち、電解液が循環されていないと判定するように構成しておく。この判定部も制御部に具える判定手段を利用してもよい。これら圧力測定部などの検出部の駆動に必要な電気エネルギーも電池本体から得られるようにしておいてもよい。
【００１９】
このように検出部や制御部を具えるシステムとすることで、電解液の循環が停止されると自動的に開閉部がONとなり、セル内の電解液に残存する電気エネルギーを停止時用負荷に供給し、電解液の循環が開始されると自動的に開閉部がOFFとなって、停止時用負荷への電気エネルギーの供給を停止することができる。
【００２０】
開閉部がONの間、セル内部に残存する活物質の電気エネルギーは、停止時用負荷に供給されて消費され、この消費に伴い、セルの電圧は0Vに向かって低下していき、セル内部の温度上昇も抑制される。このとき、上記開閉部や検出部などの電源を電池本体とする場合などでは、停止時用負荷に電気エネルギーを供給している間、セル内部の温度上昇を十分に抑制すると同時に、開閉部や検出部などが正常に動作できる程度の電力(電圧)を電池本体に残存させておくことが望まれる。従って、このような場合、電池本体に必要な電力が確保できるシステムとしておく。即ち、停止時用負荷によってセル内部に残存する活物質の電気エネルギーの消費が十分に行われ、かつセルの電力が開閉部などの駆動に必要な電力が確保されていることが確認できるシステムとしておく。
【００２１】
例えば、電池本体が停止時用負荷に電気エネルギーを供給している際の時間を検出するタイマ部を具え、停止時用負荷に放電する時間を設定しておき、所定時間となったら、開閉部をOFFにして停止時用負荷への電気エネルギーの供給を停止することが挙げられる。このとき、停止時用負荷に放電中、タイマ部により放電時間を検出して検出結果を制御部に伝送し、所定時間となったら、制御部は、開閉部をOFFにするようにしてもよい。このようなタイマ部は、制御部と別個に具えてもよいし、制御部としてタイマ部を内蔵するものを利用してもよい。また、タイマ部は、停止時用負荷に放電を行っている際のみ駆動させ、それ以外のときは停止させてもよいし、常時作動させておき、停止時用負荷への電気エネルギーの供給が行われているときのみ検出結果が制御部に送られるように構成してもよい。なお、前者の場合、タイマ部の動作制御も制御部が行うようにしてもよい。停止時用負荷の消費電力は、選択した抵抗値により決められるため、タイマ部により放電時間を測定することで、セルに残る電力を把握することができる。このようにタイマ部を用いることで、停止時用負荷は、電気エネルギーの消費を十分に行うことができ、かつ開閉部を正常に動作させることができる。
【００２２】
或いは、電池本体が停止時用負荷に電気エネルギーを供給している際のセル電圧を測定する電圧測定部を具え、必要なセル電圧(設定電圧)を予め設定しておき、セル電圧が設定値となったら、開閉部をOFFにして停止時用負荷への電気エネルギーの供給を停止することが挙げられる。このとき、停止時用負荷に放電中、電圧測定部によりセル電圧を検出して、検出結果を制御部に伝送し、測定電圧が所定の電圧(設定値)となったら、制御部は、開閉部をOFFにするようにしてもよい。電圧測定部は、停止時用負荷に放電を行っている際のみ駆動させ、それ以外のときは停止させてもよいし、常時作動させておき、停止時用負荷への電気エネルギーの供給が行われているときのみ検出結果が制御部に送られるように構成してもよい。なお、前者の場合、電圧測定部の動作制御も制御部が行うようにしてもよい。セル電圧は、セルに残る電力を端的に示すものであり、セル電圧を測定することで、開閉部などが正常に動作可能な電圧を満たすか否かを簡単に把握することができる。また、セル電圧を測定することで、セル内部の活物質の消費状況を検出することも可能である。例えば、セル電圧が設定値以下であれば、活物質の消費が十分に行われていると判断できる。このように電圧測定部を用いることで、停止時用負荷は、電気エネルギーの消費を十分に行うことができ、かつ開閉部を正常に動作させることができる。
【００２３】
その他、タイマ部により放電時間を検出しておき、所定の時間ごとにセル電圧を検出し、制御部の判定手段により、検出したセル電圧が設定値になっているか否かを調べるようにしてよい。また、タイマ部と電圧測定部との双方を具えておき、放電時間による電力エネルギーの供給停止と、セル電圧による電力エネルギーの供給停止との双方を行うようにしてもよい。このようにタイマ部や電圧測定部を具えて制御部にて制御するシステムとすることで、電解液の循環が停止されると自動的に開閉部がONとなり、停止時用負荷への放電が開始されると共に、セルに残存する電力が所定の値より小さくなった際、自動的に開閉部がOFFとなり停止時用負荷への放電を停止させることができる。従って、このシステムでは、セルの自己放電による温度上昇を抑制すると共に、所望の電力を確実にセルに残存させることができる。また、タイマ部や電圧測定部の駆動に必要な電気エネルギーも電池本体から得られるようにしておいてもよい。このとき、セルに残存させる電力は、開閉部や検出部だけでなく、これら電圧測定部などの駆動も可能な程度となるように設定しておく。
【００２４】
本発明システムでは、停止時用負荷が電気エネルギーを消費することで発熱し、この熱により電池本体が暖められる恐れがある。そこで、本発明システムには、更に、停止時用負荷を冷却する冷却ファンを具えていてもよい。そして、この冷却ファンは、電池本体に接続させておき、冷却ファンの駆動に必要な電気エネルギーも電池本体から得られるようにしておいてもよい。このとき、上記セルに残存させる電力は、開閉部や検出部だけでなく、冷却ファンの駆動も可能な程度となるように設定しておく。また、この冷却ファンも制御部に接続させておき、冷却ファンの始動・停止も制御部により自動的に行われる構成としてもよい。例えば、制御部は、停止時用負荷への放電命令と共に、駆動開始命令を冷却ファンに送り、停止時用負荷への放電停止命令と共に、駆動停止命令を冷却ファンに送るようにしてもよい。冷却ファンの作動期間は、停止時用負荷への放電期間と一致させなくてもよく、例えば、停止時用負荷への放電を開始してから一定時間経過後に冷却ファンを始動させ、停止時用負荷への放電を停止してから一定時間経過後に冷却ファンを停止させるようにしてもよい。このとき、タイマ部にて停止時用負荷への放電時間を検出しておき、制御部は、一定時間経過後に適宜命令を冷却ファンに出すように構成しておくとよい。
【００２５】
上記構成を具える本発明システムは、所定の手順を入力した制御部を具えておき、制御部により、自動的に停止時用負荷への放電を行い、セル内部の温度上昇を抑制するようにしてもよい。制御手順は、例えば、以下の手順が挙げられる。まず、制御部は、電力系統に対する充放電(通常の充放電)動作が行われているか否か、即ち、電解液がセルに循環されているか停止されているかを検出するべく、検知部(例えば、圧力測定部)に検出命令を出し、検知部は、特定のデータ(例えば、圧力)を検出して、その検出結果を制御部に送る。制御部の判定手段は、検出結果により、電解液が循環されているか否かを判定する。電解液が循環されている場合、制御部は、開閉部をOFFのままにさせておく。電解液の循環が停止されている場合、制御部は、開閉部をONするように命令を出し、停止時用負荷への放電を開始させる。このとき、直交流変換器に接続された外部負荷への放電は停止されている。タイマ部や電圧測定部を具えるシステムの場合、制御部は、開閉部のON命令と同時に、タイマ部や電圧測定部に始動命令を出し、検出結果が制御部に送られるようにしてもよいし、タイマ部や電圧測定部を常時作動させておき、検出結果のみが制御部に送られるようにしてもよい。このとき、停止時用負荷への放電時間やセルの残存電力(例えば、電圧)を予め設定して制御部に入力しておき、所定の放電時間や設定電圧に達した際、制御部は、開閉部にOFF命令を出すようにしておいてもよいし、所定の時間ごとに電圧測定部から測定されたセル電圧を取得するようにしておき、測定電圧が設定電圧に達した際、制御部は、開閉部にOFF命令を出すようにしてもよい。制御部は、開閉部をOFFさせることで、停止時用負荷への電力供給を停止する。また、制御部は、OFF命令と同時にタイマ部や電圧測定部の検出を停止する命令を出すようにしておく。このとき、タイマ部や電圧測定部の駆動を停止する場合は、これらの停止命令を出すようにしておく。冷却ファンを具えるシステムの場合、制御部は、開閉部のON命令と同時に、冷却ファンの始動命令を出し、開閉部のOFF命令と同時に、冷却ファンの停止命令を出すようにしてもよいし、開閉部のON命令・OFF命令から一定時間経過後、冷却ファンに始動命令や停止命令を出すようにしてもよい。このとき、タイマ部により経過時間を検出するとよい。上記制御手順を行う制御部としては、圧力測定部などの検知部、タイマ部、電圧測定部などからの検出結果を取得する取得手段、各種の判定を行う判定手段、設定値などを記憶しておく記憶手段、各種命令を出す命令手段などを具えたものを利用するとよい。例えば、制御部として、汎用されているコンピュータ、シーケンサー、マイクロコンピューターなどを利用してもよい。
【発明の効果】
【００２６】
本発明レドックスフロー電池システムは、電解液の循環が停止されている期間において、満充電状態の活物質がセル内に残存することを低減し、これら活物質の残存による自己放電を効果的に低減する。そのため、本発明システムは、直交流変換器に接続される発電設備や外部負荷といった電力系統を対象とする通常の充放電を行っていない待機中において、セル内部の温度上昇を効果的に抑制することができ、自己放電による温度上昇に起因するセルの構成部材の劣化を低減する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態を説明する。図1は、本発明レドックスフロー電池システムを示す概略構成図、図2は、本発明レドックスフロー電池システムに利用した電池本体の概略構成図である。このシステムは、セル10を有する電池本体1と、セル10に供給/排出される電解液を貯留するタンク11,12と、セル10とタンク11,12とを連結する電解液の輸送路13,14と、各輸送路13,14に配置されてタンク11,12からそれぞれ正極電解液、負極電解液をセル10に循環させるためのポンプ15,16とを具える。電池本体1には、直交流変換器20が接続され、直交流変換器20を介して、電池が充電する際に電池に電力を供給する発電設備、電池が放電する際に電池が電力を供給する外部負荷といった電力系統30が接続される。ここまでの構成は、従来のレドックスフロー電池システムと同様であり、本発明システムの特徴とするところは、セル10に対して電解液の循環を停止させている際、セル10内の電解液に残存する活物質の電気エネルギーを消費する停止時用負荷2と、停止時用負荷2への電気エネルギーの供給及び停止を制御する開閉部3とを具えることにある。
【００２８】
電池本体1は、図2に示すように複数のレドックスフロー電池用のセルを積層した積層体(セルスタック)構造とした。各セルは、イオンが通過できるイオン交換隔膜10iの両側にカーボンフェルト製の正極電極10p及び負極電極10nを具える。正極電極10p及び負極電極10nの各々の外側には、セルフレーム10sが配置される。セルフレーム10sは、プラスチックカーボン製の双極板10cと、その外周に形成されるフレーム枠10fとを具える。フレーム枠10fには、電極10p,10nに電解液を供給する給液用マニホールド10sp,10snと、電極10p,10nからの電解液を外部に排出する排液用マニホールド10dp,10dnとが複数形成されている。給液用マニホールド10sp,10snは、電極10p,10nの下方に、排液用マニホールド10dp,10dnは、電極10p,10nの上方に設けており、電解液は、図2の矢印で示すように電極10p,10nの下方から上方に向かって流通される。これらマニホールド10sp,10sn,10dp,10dnは、多数のセルを積層することで電解液の流路を構成し、図1における導管13,14へと接続される。フレーム枠10fにおいてマニホールド10sp,10sn,10dp,10dnと双極板10cとの間には、電解液を流通するスリット10gがそれぞれ設けられている。各電極10p,10nには、それぞれタンク11,12(図1)から輸送路13,14(図1)を介して正極電解液、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。また、このセルスタックは、電解液の循環を停止しても電解液をセルに貯留することができるように、電池本体1の位置がタンクに貯留される電解液の液面よりも低くなるように、電池本体1及びタンクを配置した。
【００２９】
停止時用負荷2は、市販の電気抵抗部材であり、電池本体1に直列に接続させている。開閉部3は、電磁石により開閉動作を行うコンタクタであり、停止時用負荷2と電池本体1との間に電池本体1と直列に接続される。本例において開閉部3の開閉動作に必要な電力は、電池本体1から供給される構成とした。
【００３０】
その他、本例に示すシステムでは、図1に示すように開閉部3の開閉動作を自動的に制御する制御部4、ポンプ15,16の輸送圧力を検出する圧力測定部5、セルの電圧を検出する電圧測定部6を具える。制御部4は、停止時用負荷2への放電が開始されてから停止されるまでの間の時間を測定するタイマ部7を内蔵している。圧力測定部5は、輸送路13,14においてポンプ15,16と電池本体1との間に配置した。電圧測定部6及びタイマ部7は、常時作動させている。また、本例に示すシステムでは、停止時用負荷2に通電されている際の発熱により、電池本体10などが加熱されることを防止するべく、停止時用負荷2を冷却する冷却ファン8を具える。この冷却ファン8は、停止時用負荷2に並列に配置した。
【００３１】
制御部4は、圧力測定部5の始動・停止の制御、圧力測定部5からの検出結果の取得、この検出結果から電解液が循環されているか否かの判定、電圧測定部6からの検出結果の取得、タイマ部7からの検出結果の取得、判定結果や検出結果に基づく開閉部3の開閉動作の制御、冷却ファン8の始動・停止の制御などといった種々の処理を行う。具体的な処理は、後述の制御手順の説明にて行う。このような制御部4として本例では、検出結果などを取得する取得手段、各種判定を行う判定手段、設定値などを記憶する記憶手段、各種の命令を行う命令手段、各種比較を行う比較手段などを具える市販のコンピュータを利用した。また、本例において制御部4,圧力測定部5,電圧測定部6,タイマ部7,冷却ファン8に必要な電力は、電池本体1から供給される構成とした。
【００３２】
上記システムにおいて電力系統30に対して充放電を行う場合、各電解液は、タンク11,12に接続された正極電解液用の輸送路13、負極電解液用の輸送路14を介してセル10に供給される。そして、セル10で電池反応が行われた後、各電解液は、セル10から排出されてそれぞれ輸送路13,14を経てタンク11,12に戻される。電力系統30に対する充放電中は、このような電解液の循環が繰り返し行われる。
【００３３】
一方、電力系統30に対して充放電を停止する待機中、即ち、電池本体1が外部負荷に対して電力供給を行わない状態のとき、電解液の循環を停止する。このとき、本発明システムでは、開閉部3が閉じて電池本体1に停止時用負荷2が電気的に接続された状態となる。従って、電解液の循環を停止後、セル10内に残存する余分な活物質の電気エネルギーを停止時用負荷2にて消費することができる。即ち、本発明システムは、電解液が循環されている通常運転時、電力系統30に対して通常の放電を行い、電解液が循環されていない待機時、停止時用負荷2に対して放電を行う。この構成により、本発明システムは、待機中において、セル10内に残存する活物質が自己放電して発熱し、セル内部の温度を上昇させることを緩和する。従って、本発明システムは、温度上昇によるセルの構成部材などの劣化を抑制することができる。
【００３４】
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、待機中におけるセル内部の温度制御手順を具体的に説明する。図3は、本発明レドックスフロー電池システムにおいて、電解液の循環停止中におけるセルの温度制御手順を示すフローチャートである。まず、制御部は、命令手段により圧力測定部に始動命令を出して始動させ、セルに電解液が循環されているか否かを判定するべく、取得手段によりポンプの輸送圧力を取得する(ステップS1)。制御部の判定手段は、取得した圧力が設定値Xを超えるか否かを判定する(ステップS2)。ポンプの圧力が設定値Xを超える場合、ポンプが駆動して電解液の循環を行っていることになる。即ち、電力系統に対して充電又は放電を行っていることになる。従って、待機中ではないので、停止時用負荷への電力供給を行わない。一方、ポンプの圧力が設定値X以下である場合、ポンプが駆動しておらず電解液の循環を行っていない、即ち、電力系統に対して充電又は放電を行わない待機中となる。そこで、停止時用負荷に対する放電処理を開始する。まず、制御部は、命令手段により開閉部にON命令を出してONにさせ(ステップS3)、セルに残存する電解液中の余分な活物質の電気エネルギーが停止時用負荷にて消費されるようにする。
【００３５】
また、制御部は、開閉部がONされたら、同時に冷却ファンに始動命令を命令手段より出して始動させる。更に、制御部の取得手段は、タイマ部により開閉部がONされてからの時間を検出して、検出結果を取得できるようにしておく。本例では、開閉部をONにしてからt時間経過したら、制御部は、命令手段により開閉部をOFFにする構成とした。即ち、本例では、セルが所定の電力(設定電圧)になったら停止時用負荷への放電が停止される。このように所定時間のみ開閉部をONにして、停止時用負荷の放電を行うことで、セルには、開閉部や制御部などの駆動に必要な電力が確保できるようにした。加えて、制御部の取得手段は、電圧測定部によりセル電圧を検出して、検出結果を取得できるようにしておく。セル電圧を測定することで、セルに残存される電力を容易に把握することができる。開閉部がONされた後、制御部の判定手段は、タイマ部の検出結果から、開閉部をONにしてからt時間が経過したか否かを判定する(ステップS4)。t時間経過している場合、制御部は、開放部をOFFにする(ステップS5)。この構成により、セルは、所定の電力が確保され、開閉部や制御部などを正常に駆動させることができる。一方、t時間経過していない場合、制御部の取得手段は、電圧測定部からセル電圧を取得する(ステップS6)。
【００３６】
ここで、セルに残存させておきたい電力を予め決めておき、その電力に対応したセル電圧(設定電圧)Yを設定して、制御部の記憶手段に予め入力しておく。そして、制御部は、予め記憶手段に保存されている設定電圧Yを呼び出し、比較手段により測定されたセル電圧(測定電圧)と設定電圧Yとの大小関係を比較する(ステップS7)。測定電圧が設定電圧Y以下の場合、このまま停止時用負荷への放電を続けると、セルが所望の電力を確保できなくなるため、制御部の命令手段は、開閉部にOFF命令を出してOFFにし(ステップS7)、停止時用負荷への放電を停止する。同時に制御部の命令手段は、冷却ファンに停止命令を出して停止させる。また、制御部の命令手段は、取得手段にセル電圧の取得、経過時間の取得を停止する命令を出す。一方、測定電圧が設定電圧Yより大きい場合、セル内の電解液中に余分な活物質が残存された状態であるため、このまま停止時用負荷への放電を続けるべく、制御部は、開閉部をONにしたままにする(ステップS8)。その後、制御部は、ステップS4からの手順を繰り返し、セル電圧を取得して開閉部のON/OFFを制御する。
【００３７】
(試験例)
図1に示すような本発明レドックスフロー電池システムを複数形成し、上記制御手順に従って、満充電状態で電解液の循環を停止させた際、停止時用負荷に放電を行う操作を行い、電解液の循環を停止した後のセル内部の温度推移を調べた。その結果を図4のグラフに示す。このグラフにおいて横軸は、電解液の循環を停止させた時からの経過時間(時間)を示し、縦軸は、セル内部の温度(℃)を示す。図4のグラフに示すように、本発明システムでは、電解液の循環を停止させてすぐに電解液の温度が低下し、最下温度に達した後、温度が上昇するが、ピークでも最下温度から約7℃程度上昇に留まっている。また、最高温度に達した後は、温度が低下していっていき、室温程度となっている。従って、本発明システムは、従来のレドックスフロー電池システムよりも、電解液の循環停止中におけるセルの劣化を効果的に抑制できると考えられる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明レドックスフロー電池システムは、負荷平準化用途や瞬低・停電用途において好適に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明レドックスフロー電池システムを示す概略構成図である。
【図２】本発明レドックスフロー電池システムに利用した電池本体の概略構成図である。
【図３】本発明レドックスフロー電池システムにおいて、電解液の循環を停止させている待機中にセルの温度を制御する制御手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明レドックスフロー電池システムにおいて、電解液の循環を停止した後のセル内部の温度推移を示すグラフである。
【図５】従来のレドックスフロー電池システムにおいて、電解液の循環を停止した後のセル内部の温度推移を示すグラフである。
【図６】従来のレドックスフロー電池システムにおいて、電解液の循環を停止した後窒素パージをした場合のセル内部の温度推移を示すグラフである。
【図７】レドックスフロー電池の概略構成を示す説明図である。
【符号の説明】
【００４０】
1  電池本体  2  停止時用負荷  3  開閉部  4  制御部  5  圧力測定部
6  電圧測定部  7  タイマ部  8  冷却ファン
10  セル  10c  双極板  10dn,10dp  排液用マニホールド  10f  フレーム枠
10g  スリット  10i  イオン交換膜  10n  負極電極  10p  正極電極
10s  セルフレーム  10sn,10sp  給液用マニホールド
11,12  タンク  13,14  輸送路  15,16  ポンプ
20  直交流変換器  30  電力系統
100  セル  101  イオン交換隔膜  102  正極セル  103  負極セル
104  正極電極  105  負極電極  106,107  タンク
【図１】
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【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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