(57)【要約】【課題】高電圧の入出力に好適に対応でき、且つ漏洩電流を抑制できる二次電池及び蓄電システムを提供すること。【解決手段】  複数のセルスタック２を直列に接続することにより構成された二次電池１であって、前記セルスタック２は、直列に積層された１００以上５００以下の単電池により構成され、前記単電池は、内部抵抗値が１Ωｃｍ２以下であり、且つ活物質流通型電解槽によって構成され、前記セルスタック２ごとに該セルスタック２に供給される活物質を貯蔵する容器６、７が設けられると共に、前記容器６、７と前記セルスタック２との間に活物質の循環系１３、１９を形成し、一つの前記セルスタック２に対応する前記循環系１３、１９内の活物質を、他の前記セルスタック２に対応する前記循環系１３、１９内に移動する活物質移動機構を有することを特徴とする。【選択図】図１
2019186136.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルスタックを直列に接続することにより構成された二次電池であって、
前記セルスタックは、直列に積層された１００以上５００以下の単電池により構成され、
前記単電池は、内部抵抗値が１Ωｃｍ２以下であり、且つ活物質流通型電解槽によって構成され、
前記セルスタックごとに該セルスタックに供給される活物質を貯蔵する容器が設けられると共に、前記容器と前記セルスタックとの間に活物質の循環系を形成し、
一つの前記セルスタックに対応する前記循環系内の活物質を、他の前記セルスタックに対応する前記循環系内に移動する活物質移動機構を有することを特徴とする二次電池。
【請求項２】
レドックス電池であることを特徴とする請求項１記載の二次電池。
【請求項３】
少なくとも１つの前記セルスタックを構成する少なくとも一部の前記単電池間に単電池間接続部が設けられ、該単電池間接続部を入出力接続部として用いることによって入出力電圧を調整可能であることを特徴とする請求項１又は２記載の二次電池。
【請求項４】
請求項１〜３の何れかに記載された二次電池と、
前記二次電池に接続された交流電源からの入力を整流する整流回路と、
前記二次電池に接続された交流負荷への出力を該交流負荷の位相に合わせて交流化する交流化装置と、
によって構成されることを特徴とする蓄電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、二次電池及び蓄電システムに関し、より詳しくは、高電圧の入出力に好適に対応でき、且つ漏洩電流を抑制できる二次電池及び蓄電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
高電圧の入出力に好適に対応でき、且つ漏洩電流を抑制できる二次電池は、十分に確立されていない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
そこで本発明の課題は、高電圧の入出力に好適に対応でき、且つ漏洩電流を抑制できる二次電池及び蓄電システムを提供することにある。
【０００４】
また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題は、以下の各発明によって解決される。
【０００６】
１．
複数のセルスタックを直列に接続することにより構成された二次電池であって、
前記セルスタックは、直列に積層された１００以上５００以下の単電池により構成され、
前記単電池は、内部抵抗値が１Ωｃｍ２以下であり、且つ活物質流通型電解槽によって構成され、
前記セルスタックごとに該セルスタックに供給される活物質を貯蔵する容器が設けられると共に、前記容器と前記セルスタックとの間に活物質の循環系を形成し、
一つの前記セルスタックに対応する前記循環系内の活物質を、他の前記セルスタックに対応する前記循環系内に移動する活物質移動機構を有することを特徴とする二次電池。
２．
レドックス電池であることを特徴とする前記１記載の二次電池。
３．
少なくとも１つの前記セルスタックを構成する少なくとも一部の前記単電池間に単電池間接続部が設けられ、該単電池間接続部を入出力接続部として用いることによって入出力電圧を調整可能であることを特徴とする前記１又は２記載の二次電池。
４．
前記１〜３の何れかに記載された二次電池と、
前記二次電池に接続された交流電源からの入力を整流する整流回路と、
前記二次電池に接続された交流負荷への出力を該交流負荷の位相に合わせて交流化する交流化装置と、
によって構成されることを特徴とする蓄電システム。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、高電圧の入出力に好適に対応でき、且つ漏洩電流を抑制できる二次電池及び蓄電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の二次電池の一例を概念的に説明する図
【図２】二次電池を構成するセルスタックの一例を概念的に説明する図
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本発明を実施するための形態について詳しく説明する。
【００１０】
図１は本発明の二次電池の一例を概念的に説明する図であり、図２は二次電池を構成するセルスタックの一例を概念的に説明する図である。
【００１１】
図１に示すように、二次電池１は、複数のセルスタック２を直列に接続することにより構成される。なお、図１は、主に活物質の流通経路を説明する図であるため、複数のセルスタック２を直列に接続する配線は省略されている。
【００１２】
図２に示すように、セルスタック２は、直列に積層された１００以上５００以下の単電池３により構成される。
【００１３】
単電池３は、内部抵抗値が１Ωｃｍ２以下、好ましくは０．５Ωｃｍ２以下である。内部抵抗値は、２つ以上の電流密度の差と、それぞれに対応する入力もしくは出力電圧の差から算出された値である。
【００１４】
単電池３は隔膜を介して並設された正極４及び負極５によって構成される。単電池３は、活物質流通型電解槽であり、正極及び負極の一方又は両方（本実施形態では両方）に活物質を流通させて充放電に伴う電解反応を行う。
【００１５】
本実施形態において、二次電池１は、バナジウムレドックス・フロー型二次電池であり、正極活物質として４価及び５価バナジウムイオンを含む液を用い、負極活物質として２価及び３価バナジウムイオンを含む液を用いる。
【００１６】
図１に示すように、セルスタック２ごとに、該セルスタック２に供給される正極活物質を含む液（以下、正極液ともいう。）を貯蔵する正極液容器６と、該セルスタック２に供給される負極活物質を含む液（以下、負極液ともいう。）を貯蔵する負極液容器７とが設けられる。
【００１７】
図１及び図２に示すように、正極液容器６からポンプ８によって移送される正極液は、供給ライン９を介して流入マニホールド１０に導入され、該流入マニホールド１０によって分岐され、セルスタック２を構成する複数の単電池３の正極４に流入する。複数の正極４から流出した正極液は、流出マニホールド１１によって合流され、返送ライン１２を介して、正極液容器６に返送される。このようにして、セルスタック２ごとに正極液循環系１３が形成される。
【００１８】
また、負極液容器７からポンプ１４によって移送される負極液は、供給ライン１５を介して流入マニホールド１６に導入され、該流入マニホールド１６によって分岐され、セルスタック２を構成する複数の単電池３の負極５に流入する。複数の負極５から流出した負極液は、流出マニホールド１７によって合流され、返送ライン１８を介して、負極液容器７に返送される。このようにして、セルスタック２ごとに負極液循環系１９が形成される。
【００１９】
二次電池１は、一つのセルスタック２に対応する正極液循環系１３内の活物質を、他のセルスタック２に対応する正極液循環系１３内に移動する正極活物質移動機構を有する。本実施形態では、一つのセルスタック２に対応する正極液循環系１３を構成する供給ライン９上に３方弁２０が設けられ、該３方弁２０から分岐された分岐ライン２１が、他のセルスタック２に対応する正極液循環系１３を構成する正極液容器６に接続されている。これにより、上述した正極活物質移動機構が形成される。
【００２０】
また、二次電池１は、一つのセルスタック２に対応する負極液循環系１９内の活物質を、他のセルスタック２に対応する負極液循環系１９内に移動する負極活物質移動機構を有する。本実施形態では、一つのセルスタック２に対応する負極液循環系１９を構成する供給ライン１５上に３方弁２２が設けられ、該３方弁２２から分岐された分岐ライン２３が、他のセルスタック２に対応する負極液循環系１９を構成する負極液容器７に接続されている。これにより、上述した負極活物質移動機構が形成される。
【００２１】
以下、説明の便宜上、正極側の活物質移動機構について主に詳述するが、これらの説明は負極側にも援用される。
【００２２】
活物質移動を開始する場合は、ポンプ８を駆動した状態で、分岐ライン２１が開となるように３方弁２０を切り換える。これにより、一つのセルスタック２に対応する循環系１３内の活物質を、分岐ライン２１を介して、他のセルスタック２に対応する循環系１３内に移動することができる。活物質移動を終了する場合は、分岐ライン２１が閉となるように３方弁２０を切り換える。
【００２３】
上述した活物質移動により、一つの循環系１３の活物質と他の循環系１３の活物質とを混合することができる。これにより、一つの循環系１３の活物質の平均価数（充電深度に対応する。）と、他の循環系１３の活物質の平均価数とにバラツキが生じていても、均一化することができる。
【００２４】
以上に説明した二次電池１によれば、高電圧の入出力に好適に対応でき、且つ漏洩電流を抑制できる効果が得られる。
【００２５】
即ち、高電圧の入出力に対応できるように、多数の単電池３を直列に接続する場合においても、複数のセルスタック２を用いることによって、１つのセルスタック２あたりの単電池３の数が少なくなる。１つのセルスタック２あたりの単電池３の数が少ないことによって、該１つのセルスタック２に対応する循環系１３内においてマニホールド１０、１１への漏洩電流が抑制される。また、この漏洩電流は、単電池の内部抵抗値が１Ωｃｍ２以下、好ましくは０．５Ωｃｍ２以下という低い値であることによって、更に抑制される。漏洩電流の抑制によって充放電クーロン効率が向上し、高電圧の入出力を効率よく行うことができる。
【００２６】
特に高入出力（ハイレート充放電）を行う場合は、そのレート分だけクーロン効率が上昇する。例えば２Ｃ（Ｃは定格容量であり、１Ｃは、１時間で定格容量の充電もしくは放電を行うことができる入出力電流値に対応する。）で充放電を行う場合、クーロン効率損失分は最大半減する。このとき、一つのセルスタック２あたりの単電池３の積層数が５００以下であることによって、該セルスタック２の両端の電圧が低く抑えられ、使用できる素子の汎用性が高まり、絶縁性を確保するコストが抑えられる。
【００２７】
また、セルスタック２ごとに活物質の循環系１３を形成しているにもかかわらず、循環系１３間で活物質移動を行う活物質移動機構を有することによって、セルスタック２間で充電深度を均一化できる。このことも、高電圧の入出力を効率よく行うことに寄与する。
【００２８】
３方弁２０は、例えば、セルスタック２への供給ライン９が開であり且つ分岐ライン２１が閉である状態と、セルスタック２への供給ライン９が閉であり且つ分岐ライン２１が開である状態とを切り換え可能に構成することができる。
【００２９】
セルスタック２への供給ライン９が開であり且つ分岐ライン２１が閉である状態では、充放電に際して分岐ライン２１への漏洩電流も抑制することができる。また、セルスタック２への供給ライン９が閉であり且つ分岐ライン２１が開である状態では、セルスタック２への新たな活物質の供給は停止されるが、二次電池１は内部に静電容量を有するため、これをキャパシタとして使用してもよい。
【００３０】
３方弁２０は、上記の例に限定されず、例えば、セルスタック２への供給ライン９が開であり且つ分岐ライン２１が閉である状態と、セルスタック２への供給ライン９が開であり且つ分岐ライン２１が開である状態とを切り換え可能に構成してもよい。これにより、継続的な充放電が可能になる。セルスタック２への供給ライン９が開であり且つ分岐ライン２１が開である状態においては、３方弁２０あるいは追加的に設けられる流量調整弁等によって、セルスタック２への流量と、分岐ライン２１への流量とを調整できるようにしてもよい。
【００３１】
上述した活物質移動は、例えば、タイマー制御によって所定の時間間隔で所定の時間実行されるようにしてもよいし、上述した充電深度のバラツキが大きい場合に実行されるようにしてもよい。あるいは、活物質移動を常時行いながら、上述した流量調整を行ってもよい。
【００３２】
特に図２に示されるように、二次電池１は、セルスタック２を構成する単電池３間に単電池間接続部２４を備える。
【００３３】
単電池間接続部２４としては、単電池３間に設けられたバイポーラプレート等を用いることができる。
【００３４】
二次電池１は、単電池間接続部２４を入出力接続部として用いることによって入出力電圧を調整可能に構成される。即ち、単電池間接続部２４の選択によって、入出力の対象となる直列に接続された単電池３の数が決まり、これにより入出力電圧が調整される。
【００３５】
また、各セルスタック２の両端に設けられる接続部（末端接続部）であるエンドプレート２５は、複数のセルスタック２間を直列に接続するために用いることができるが、入出力接続部を兼ねることもできる。
【００３６】
そのため、二次電池１は、一つの電源又は負荷への入出力に用いる一対の接続部（２つの接続部）として、末端接続部であるエンドプレート２５と、単電池間接続部２４とからなる複数の接続部の中から、２つの接続部を選択できる。２つの接続部の選択は、１つのセルスタック２の中で行うことができるだけでなく、直列に接続された複数のセルスタック２全体の中で行うことができる。これにより、幅広い入出力、特に高入出力に好適に対応できる。
【００３７】
複数のセルスタック２全体の中から単電池間接続部２４を含む接続部を選択することは、通常の電池（レドックスフロー電池も含む）では充電深度のバラツキを生じるため実施できないが、本発明では、上述した活物質移動によって充電深度を均一化できるため実施可能になる。
【００３８】
２つの接続部のうち１つが接地される場合は、選択される接続部は１つでよい。
【００３９】
接続部の選択には図示しない切替素子を用いることができる。切替素子によって、選択された接続部を、電源又は負荷側の接続部に接続することができる。このとき、接続部の電圧を測定するだけで、該電圧に応じて、切替素子による接続部の選択を制御することができる。
【００４０】
これにより、外部回路によるＤＣ−ＤＣ変換等を行わなくても、単電池間接続部２４を用いた多段階の入出力電圧の調整によって、二次電池１への効率的な入出力が可能になり、コストを抑えることができる。また、新たな電源や負荷の追加に際して、高価な追加設備（変換装置等）を設ける必要がなく、容易に二次電池に接続することができる。
【００４１】
以上に説明した二次電池は、交流電源や交流負荷への入出力にも好適に対応できる。この場合、図示は省略するが、二次電池と、二次電池に接続された交流電源からの入力を整流する整流回路と、二次電池１に接続された交流負荷への出力を該交流負荷の位相に合わせて交流化する交流化装置とによって蓄電システムを構築することができる。交流化装置としては、例えばＰＷＭ（パルス幅変調）コンバータ等を用いることができる。
【００４２】
以上の説明では、活物質移動において、一つの循環系１３の供給ライン９から他の循環系１３の容器６に活物質を移動する場合について主に示したが、これに限定されない。活物質移動は、一つの循環系１３内の活物質を他の循環系１３内に移動するものであればよく、一つの循環系１３内の何れかの部位から他の循環系１３内の何れかの部位へ活物質を移動するものであればよい。
【００４３】
以上の説明では、セルスタック２を構成する全ての単電池３間に単電池間接続部２４を設ける場合について示しているが、これに限定されない。単電池間接続部２４を設ける場合、少なくとも１つのセルスタック２を構成する少なくとも一部の単電池３間に設けるだけでも入出力電圧の調整は可能である。
【００４４】
以上の説明では、二次電池がバナジウムレドックス・フロー型二次電池である場合について主に示したが、これに限定されない。二次電池は、レドックス電池であることが好ましく、例えば、バナジウムレドックス・フロー型二次電池の他に、クロム・臭素電池等が挙げられる。また、二次電池を構成する単電池は、両極に活物質を循環供給する活物質流通型電解槽である場合に限定されず、例えば、正極及び負極の一方に活物質を循環供給する活物質流通型電解槽であってもよい。このような二次電池として、例えば、バナジウム−空気電池等が挙げられる。
【００４５】
二次電池に接続される電源は格別限定されず、例えば、太陽光発電設備が備える太陽光パネル、風力発電設備が備える風車、水力発電設備が備える水車、回生電源等が挙げられる。二次電池に接続される負荷は格別限定されず、種々の負荷を接続できる。負荷として、例えば売電のための商用電源系統に接続してもよい。
【００４６】
二次電池には、複数の電源及び複数の負荷を同時に接続して、同時に入出力を行うことができる。これらの入出力が変動する場合においても、上述した切替素子を用いることによって、好適に対応できる。
【００４７】
また、二次電池には、電源である状態と負荷である状態が経時的に切り替わる負荷兼電源を１又は複数接続することもできる。負荷兼電源としては、例えば、駆動時に負荷となり、制動時に電源となる、回生制動機能を有する電動機等が挙げられる。このような複数の電動機を二次電池に接続する場合、該複数の電動機としては、例えば、複数の軌道の各々に載線された車両を駆動又は制動する電動機、あるいは、複数の昇降機（エレベーター）のかごを駆動又は制動する電動機等が挙げられる。
【符号の説明】
【００４８】
１：二次電池
２：セルスタック
３：単電池
４：正極
５：負極
６：正極液容器
７：負極液容器
８：ポンプ
９：供給ライン
１０：流入マニホールド
１１：流出マニホールド
１２：返送ライン
１３：循環系
１４：ポンプ
１５：供給ライン
１６：流入マニホールド
１７：流出マニホールド
１８：返送ライン
１９：循環系
２０：３方弁
２１：分岐ライン
２２：３方弁
２３：分岐ライン
２４：単電池間接続部（バイポーラプレート）
２５：末端接続部（エンドプレート）
【図１】
2019186136.tif 000003
【図２】
2019186136.tif 000004