(57)【要約】【課題】  電解液の温度を制御して、電池効率を高め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。【解決手段】  コンピュータに以下のステップを行わせて、電解液の温度を制御する。1  温度センサにて電解液の温度を測定するステップ2  前記測定温度と設定温度とを比較するステップ3  前記測定温度が設定温度未満の場合、  3a  電圧センサにてセルの電圧を測定するステップ、  3b  両極の電解液とを混合した際に設定下限電圧を維持できるように、前記測定電圧に基づいて混合可能量を求めるステップ、  3c  測定電圧及び測定温度に基づいて混合予定量を求めるステップ、  3d  前記混合可能量と混合予定量とから混合量を求めるステップ、  3e  前記混合量に基づき両極電解液を混合させて電解液を昇温させるステップを行う。【選択図】  図3
2005322447.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充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、電解液の温度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.  温度測定手段にて正極電解液及び負極電解液の少なくとも一方の温度を測定するステップ
2.  前記測定温度と設定温度とを比較し、大小関係を判定するステップ
3.  前記測定温度が設定温度未満の場合、以下のステップを行う。
3a.電圧測定手段にてセルの電圧を測定するステップ
3b.正極電解液と負極電解液とを混合した際に設定下限電圧を維持できるように、前記測定電圧に基づいて正極電解液と負極電解液との混合可能量を求めるステップ
3c.測定電圧及び測定温度に基づいて正極電解液と負極電解液との混合予定量を求めるステップ
3d.前記混合可能量と混合予定量とを比較して、混合予定量が混合可能量以下の場合、混合予定量を混合量とし、混合予定量が混合可能量を超える場合、混合可能量を混合量と判定するステップ
3e.前記混合量に基づき正極電解液と負極電解液とを混合させて電解液を昇温させるステップ
【請求項２】
セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充放電を行う複数の電池モジュールを直列に具える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、電解液の温度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.  第一モジュールにおいて、第一温度測定手段にて正極電解液及び負極電解液の少なくとも一方の温度を測定するステップ
2.  第二モジュールにおいて、第二温度測定手段にて正極電解液及び負極電解液の少なくとも一方の温度を測定するステップ
3.  第一モジュールにおける測定温度と、第二モジュールにおける測定温度との差を演算するステップ
4.  前記温度差が設定範囲内に含まれるか否かを判定するステップ
5.  前記温度差が設定範囲外の場合、以下のステップを行う。
5a.第一モジュール及び第二モジュールのうち、測定温度が小さいモジュールにおいて電圧測定手段にてセルの電圧を測定するステップ
5b.このモジュールにおいて、正極電解液と負極電解液とを混合した際に設定下限電圧を維持できるように、前記測定電圧に基づいて正極電解液と負極電解液との混合可能量を求めるステップ
5c.測定電圧及び温度差に基づいて正極電解液と負極電解液との混合予定量を求めるステップ
5d.前記混合可能量と混合予定量とを比較して、混合予定量が混合可能量以下の場合、混合予定量を混合量とし、混合予定量が混合可能量を超える場合、混合可能量を混合量と判定するステップ
5e.前記混合量に基づき正極電解液と負極電解液とを混合させて電解液を昇温させるステップ
【請求項３】
設定下限電圧は、所定の電池容量となる電圧、又は放電末電圧であることを特徴とする請求項1又は2に記載のレドックスフロー電池システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充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、電解液の温度を制御して、電池効率を高め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8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】
上記充放電反応は、電解液の温度の影響を受け、同温度が高いほど大きな出力が得られるため、電池容量が向上する。そこで、特許文献1では、運転開始時や外部から新たに電解液を補充する場合などで電解液の温度が低いとき、正極電解液と負極電解液とを混合して、自己放電反応により発熱させて電解液の温度を上昇させている。
【０００４】
【特許文献１】特開2001-43884号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のように電解液は、温度が高いほど電池容量を大きくできるため、自己放電反応による発熱量を多くするには、混合量を多くすることが好ましい。しかし、混合量の増加に伴い、電解液の充電深度が低くなるため、混合量を多くしすぎると、電池として機能するのに必要な容量を維持できなく恐れがある。
【０００６】
また、電池モジュールを複数具えるレドックスフロー電池システムでは、モジュール間において電解液の温度にばらつきがあると、モジュールごとに電池容量が異なってしまい、システム全体でみると全体を有効に使用できない。例えば、電解液の温度が高いモジュールM1は、電池容量が大きくなることで、充電時、電解液の温度が低いモジュールM2よりも先に充電を終えてしまい、M2にまだ余裕があるにも拘らず、システム全体でみると充電完了となる。逆に、放電時、モジュールM2は、電解液の温度が低いため電池容量が小さいので、モジュールM1よりも先に放電を終えてしまい、M1にまだ余裕があるにも拘わらずシステム全体でみると放電完了となる。従って、電池モジュールを複数具えるレドックスフロー電池システムでは、上記電池として機能するのに必要な容量を維持すると共に、モジュール間での温度のばらつきを抑制することが望まれているが、特許文献1では、この点について検討されていない。
【０００７】
従って、本発明の主目的は、充電深度の低下を低減しながら電解液の温度を制御し、電池容量を向上させ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。
【０００８】
また、本発明の他の目的は、電池モジュールを複数具えるレドックスフロー電池システムにおいて、モジュール間の電解液の温度のばらつきを低減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】
【０００９】
本発明は、セルの電圧と電解液の温度とに基づいて電解液の混合量を決定することで上記目的を達成する。
【００１０】
即ち、本発明は、セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充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、電解液の温度を制御することを特徴とする。
1.  温度測定手段にて正極電解液及び負極電解液の少なくとも一方の温度を測定するステップ
2.  前記測定温度と設定温度とを比較し、大小関係を判定するステップ
3.  前記測定温度が設定温度未満の場合、以下のステップを行う。
3a.電圧測定手段にてセルの電圧を測定するステップ
3b.正極電解液と負極電解液とを混合した際に設定下限電圧を維持できるように、前記測定電圧に基づいて正極電解液と負極電解液との混合可能量を求めるステップ
3c.測定電圧及び測定温度に基づいて正極電解液と負極電解液との混合予定量を求めるステップ
3d.前記混合可能量と混合予定量とを比較して、混合予定量が混合可能量以下の場合、混合予定量を混合量とし、混合予定量が混合可能量を超える場合、混合可能量を混合量と判定するステップ
3e.前記混合量に基づき正極電解液と負極電解液とを混合させて電解液を昇温させるステップ
【００１１】
特許文献1では、温度センサにて電解液の温度を測定し、センサからの信号を制御手段に入力して、正極電解液タンクと負極電解液タンクとを連結する連通管に設けたバルブの開閉を自動的に行う構成を開示している。しかし、具体的な混合量については記載されておらず、混合する量によっては、充電深度を低下させる恐れがある。そこで、本発明は、電池機能を十分に確保できる混合量を決定し、この混合量に基づき電解液の混合を行うことを規定する。
【００１２】
以下、本発明をより詳しく説明する。
レドックスフロー電池システムは、レドックスフロー電池用セルと、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。その他、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。また、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。レドックスフロー電池用セルは、隔膜を介して正極セルと負極セルとを具える。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などを利用するとよい。
【００１３】
そして、本発明では、以下に示す所定の制御プログラムを入力したコンピュータを具えておき、コンピュータの命令に従い、電解液の温度の制御を行う。
1.  温度測定手段にて正極電解液及び負極電解液の少なくとも一方の温度を測定するステップ
2.  前記測定温度と設定温度とを比較し、大小関係を判定するステップ
3.  前記測定温度が設定温度未満の場合、セルの電圧に基づき正極電解液と負極電解液との混合可能量を求めると共に、上記電圧と測定温度に基づいて両極の電解液の混合予定量を求め、混合可能量と混合予定量とから混合量を決定し、両極の電解液を混合させるステップ
【００１４】
上記第一ステップを行うにあたり、電解液が流通或いは貯留される箇所に温度センサなどの温度測定手段を配置しておく。温度測定手段を配置する箇所としては、正極電解液タンクや負極電解液タンク、セルとタンク間を連結する導管などが挙げられ、これらの少なくとも一箇所に温度測定手段を配置するとよい。
【００１５】
上記温度測定手段とコンピュータとは、測定結果(電気信号)を伝送する配線にて連結させておく。また、コンピュータは、信号受信部に温度測定手段からの電気信号が入力されるようにしておく。
【００１６】
上記第二ステップを行うにあたり、所望の電解液温度を設定しておき、コンピュータの記憶手段に設定温度を予め入力しておく。設定温度としては、充放電反応が促進され反応が活発になり易い温度、具体的には、30〜60℃程度が好ましい。また、コンピュータは、記憶手段から設定温度を呼び出して測定温度と比較し、両温度の大小関係を判定するようにしておく。具体的には、測定温度が設定温度を超える場合、判定手段が混合不要と判定するようにしておく。このとき、制御動作を終了するようにしてもよい。
【００１７】
上記第三ステップを行うにあたり、セルの電圧を測定する電圧測定手段をセルに配置しておく。この電圧測定手段とコンピュータとは、測定結果(電気信号)を伝送する配線にて連結させておく。また、コンピュータは、信号受信部に電圧測定手段からの電気信号が入力されるようにしておく。
【００１８】
正極電解液と負極電解液とを混合させると、各極の電解液の充電深度が低下するため、セルの電圧が低下する。従って、正極電解液と負極電解液とを混合した際にセルに維持させておきたい電圧(下限電圧)を予め設定しておく。上記下限電圧は、任意に設定するとよく、例えば、所定の電池容量となる電圧としてもよいし、放電末電圧としてもよい。所定の電池容量としては、例えば、瞬低や停電などの非常時に要求される容量が挙げられる。なお、放電末電圧とは、放電を中止するべき電圧(放電終期電圧)である。
【００１９】
そして、セルの電圧値と、上記下限電圧を満たすことができる混合する液量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。具体的には、電圧ごとに、セルが下限電圧になるまでにどの程度の液量を混合できるかを求め、電圧ごとの混合可能な液量をコンピュータに記憶させておく。セルの電圧が大きいほど電解液の充電深度が高い傾向にあり、混合可能な液量は大きくなる。そして、コンピュータは、電圧測定手段から得られた測定電圧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、混合可能量を求めるようにしておく。
【００２０】
正極電解液と負極電解液とを混合した際の電解液の温度は、セルの電圧(電解液の充電深度)により異なる。従って、電解液の温度と、電解液が設定温度となるのに必要な混合液量との関係をセルの電圧ごとに求めておき、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。セルの電圧が高いほど(電解液の充電深度が大きいほど)、混合に必要な液量は少なくなる傾向にある。そして、コンピュータは、電圧測定手段から得られた測定電圧に対応する関係値データを記憶手段から呼び出し、温度測定手段から得られた測定温度とこの関係値データとを照らし合わせて、混合予定量を求めるようにしておく。
【００２１】
更に、コンピュータは、求めた混合可能量と混合予定量とを比較して、混合予定量が混合可能量以下の場合、混合予定量を混合量とし、混合予定量が混合可能量を超える場合、混合可能量を混合量と判定して、混合量を決定するようにしておく。
【００２２】
また、レドックスフロー電池システムは、正極電解液と負極電解液とを混合可能な構成としておく。具体的には、例えば、正極電解液タンクと負極電解液タンクとを連結管により連結したり、タンクとセル間に配置される正極側の導管と負極側の導管とを連結管により連結すると共に、上記連結管に開閉可能な開閉部を設ける構成が挙げられる。この構成は、開閉部を開くことで、正極電解液と負極電解液とが連結管内で混合され、開閉部を閉じることで、両極の電解液の混合を防止する。開閉部としては、電気信号によって開閉動作を制御可能な構成を具えるもの、例えば、電動バルブが挙げられる。この開閉部とコンピュータとは、開閉部との間で電気信号を伝送する配線にて連結させておく。そして、コンピュータは、信号受信部に開閉部からの電気信号が入力される/信号送信部から開閉部に電気信号を出力されるようにしておくと共に、上記混合量に基づき、開閉部の制御を行うようにしておく。
【００２３】
正極電解液と負極電解液とを混合するにあたり、ポンプを駆動させる場合、ポンプもコンピュータにより運転を制御する構成とすることが好ましい。具体的には、混合量ごとに、ポンプの運転時間、流通速度などのポンプの運転条件を設定しておき、コンピュータの記憶手段に予めこの運転条件を入力しておく。そして、コンピュータは、決定した混合量に対応する運転条件を記憶手段から呼び出し、この条件に基づいてポンプに制御信号を送るようにしておく。
【００２４】
なお、開閉部を開かせて電解液の混合を行い、決定した混合量を混合し終わったら、コンピュータは、制御プログラムを終了するようにしてもよい。また、上記一連の制御プログラムは、所望のタイミングで動作させるようにしてもよいし、タイマ手段などを具えておき、一定の時間ごとに自動的に行うようにしておいてもよい。このような制御プログラムは、レドックスフロー電池用セルと、正極電解液タンクを含む正極電解液の循環路と、負極電解液タンクを含む負極電解液の循環路とを具える電池モジュールを一つ具えるレドックスフロー電池システムについて適用するとよい。
【００２５】
一方、レドックスフロー電池システムとして、単一の電池モジュールでなく、複数の電池モジュールを直列に具える構成のものがある。この構成では、各電池モジュールの電解液の温度が低いことで電池効率が低下する恐れに加えて、モジュール間における電解液の温度差が大きすぎる、即ちばらつきが大きいと、システム全体として電池効率が低下する恐れがある。そこで、本発明は、電池モジュール間における電解液の温度のばらつきをなくすべく、以下の運転方法を提案する。
【００２６】
即ち、本発明は、セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充放電を行う複数の電池モジュールを直列に具える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、電解液の温度を制御することを特徴とする。
1.  第一モジュールにおいて、第一温度測定手段にて正極電解液及び負極電解液の少なくとも一方の温度を測定するステップ
2.  第二モジュールにおいて、第二温度測定手段にて正極電解液及び負極電解液の少なくとも一方の温度を測定するステップ
3.  第一モジュールにおける測定温度と、第二モジュールにおける測定温度との差を演算するステップ
4.  前記温度差が設定範囲内に含まれるか否かを判定するステップ
5.  前記温度差が設定範囲外の場合、以下のステップを行う。
5a.第一モジュール及び第二モジュールのうち、測定温度が小さいモジュールにおいて電圧測定手段にてセルの電圧を測定するステップ
5b.このモジュールにおいて、正極電解液と負極電解液とを混合した際に設定下限電圧を維持できるように、前記測定電圧に基づいて正極電解液と負極電解液との混合可能量を求めるステップと、
5c.測定電圧及び温度差に基づいて正極電解液と負極電解液との混合予定量を求めるステップ
5d.前記混合可能量と混合予定量とを比較して、混合予定量が混合可能量以下の場合、混合予定量を混合量とし、混合予定量が混合可能量を超える場合、混合可能量を混合量と判定するステップ
5e.前記混合量に基づき正極電解液と負極電解液とを混合させて電解液を昇温させるステップ
【００２７】
上記運転方法を行うレドックスフロー電池システムの基本的構成は、上述した単一の電池モジュールを具えるシステムと同様にするとよい。そして、上記ステップを具える制御プログラムを入力したコンピュータを具えておき、モジュール間における電解液の温度の制御を行う。
【００２８】
具体的には、第一ステップ、第二ステップを行うにあたり、上記単一の電池モジュールを具えるシステムと同様に、温度センサなどの温度測定手段を配置しておくと共に、コンピュータと温度測定手段とを配線により連結しておき、測定手段からの測定結果(電気信号)がコンピュータに入力されるようにしておく。
【００２９】
第三ステップを行うにあたり、コンピュータは、第一モジュールにおける測定温度と、第二モジュールにおける測定温度との差を演算手段により演算するようにしておく。温度差は、（第一モジュールにおける測定温度−第二モジュールにおける測定温度）とする場合、温度差が正の数のとき、第一モジュールの方が電解液の温度が高く、温度差が負の数のとき、第二モジュールの方が電解液温度が高いことになる。(第二モジュールにおける測定温度−第一モジュールにおける測定温度)とする場合、上記と逆になる。
【００３０】
第四ステップを行うにあたり、所望の温度差の範囲を設定しておき、コンピュータの記憶手段に予め設定範囲を入力しておく。設定範囲としては、例えば、モジュール間における電解液の温度差(ばらつき)として許容できる範囲が挙げられる。そして、コンピュータは、記憶手段から設定範囲を呼び出して演算した温度差と比較し、温度差が設定範囲内か否かを判定するようにしておく。具体的には、温度差が設定範囲内の場合、モジュール間のばらつきが小さい或いはないため、判定手段が混合不要と判定するようにしておく。このとき、制御動作を終了するようにしてもよい。
【００３１】
第五のステップを行うにあたり、第一モジュールのセル及び第二モジュールのセルにセルの電圧を測定する電圧測定手段をそれぞれ配置しておき、コンピュータと各電圧測定手段とを配線にて連結しておく。コンピュータは、配線を介して、各電圧測定手段からの測定結果(電気信号)がそれぞれ入力されるようにしておく。また、上記と同様に、正極電解液と負極電解液とを混合した際にセルに維持させておきたい電圧(下限電圧)を設定し、セルの電圧値と、上記下限電圧を満たせる混合液量との関係を求めて、コンピュータの記憶手段にこの関係値を予め入力しておく。そして、コンピュータは、電圧測定手段から得られた測定電圧と、記憶手段から呼び出した液量データとを照らし合わせて、混合可能量を求めるようにしておく。
【００３２】
次に、上記単一の電池モジュールを具えるシステムと同様にして、電解液の温度差と、電解液の温度差が設定範囲内となるのに必要な混合液量との関係をセルの電圧(電解液の充電深度)ごとに求めておき、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。そして、コンピュータは、電圧測定手段から得られた測定電圧に対応する関係値データを記憶手段から呼び出し、演算した温度差とこの関係値データとを照らし合わせて、混合予定量を求めるようにしておく。更に、上記単一の電池モジュールを具えるシステムと同様にして、コンピュータは、得られた混合可能量と混合予定量とから混合量を決定し、電解液を混合させるようにしておく。
【００３３】
上記電池モジュールを複数具える場合も単一の電池モジュールを具えるシステムと同様に、上記一連の制御プログラムを所望のタイミングで動作させるようにしてもよいし、タイマ手段などを具えておき、一定の時間ごとに自動的に行うようにしておいてもよい。また、各電池モジュールにおいて電解液の温度の制御をそれぞれ行うと共に、モジュール間の電解液の温度の制御を行ってもよい。このとき、モジュール全体の電解液温度を適切な温度とすることができ、電池容量をより向上させることができる。
【発明の効果】
【００３４】
上記構成を具える本発明は、充電深度の低下を抑制しながら、電解液の温度を簡単に制御することができ、電池容量の向上を図ることができる。特に、複数の電池モジュールを具える電池システムの場合、モジュール間における電解液の温度のばらつきをも低減して、電池容量の更なる向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００３６】
図1は、電池モジュールを一つ具え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10と、セルスタック10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11と、セルスタック10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12と、セルスタック10と各タンク11、12とを連結する電解液の輸送路となる導管13a、13b、14a、14bとを具える。また、セルスタック10に電解液を容易に供給できるように供給用の導管13a、14aには、それぞれポンプ15a、15bを具える。
【００３７】
セルスタック10は、レドックスフロー電池用セルを複数積層させた積層体構造である。本例では、二つのセルスタック10を直列に配置している。これらセルスタック10と、正極電解液タンク11及び導管13a、13bで構成される正極電解液循環路と、負極電解液タンク12及び導管14a、14bで構成される負極電解液循環路とから電池モジュールを構成する。
【００３８】
レドックスフロー電池用セルの基本的構成は、図8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。
【００３９】
そして、本発明では、正極電解液と負極電解液との混合を行えるように、正極電解液の供給用導管13aと、負極電解液の排出用導管14bとを連結する連結管16aを具える。と共に、導管13a、14b、連結管16aには、それぞれ開閉可能な電動バルブv1、v4、v5を具える。本例では、更に、負極電解液の供給用導管14aと、正極電解液の排出用導管13bとを連結する連結管16bを具え、導管13b、14a、連結管16bにそれぞれ開閉可能な電動バルブv2、v3、v6を具える。この構成により、通常運転時は、バルブv1〜v4を開き、バルブv5、v6を閉じることで、セルスタック10に電解液の供給/セルスタック10から電解液の排出を行うことができる。また、電解液の混合時は、バルブv1〜v4を閉じ、バルブv5及びv6の少なくとも一方を開けることで、電解液の混合を行うことができる。このようなバルブv1〜v6は、コンピュータ17に配線(図示せず)にて接続され、コンピュータ17からの電気信号により開閉動作が制御される。なお、図1では、連結管16a、16bを正極側の導管と負極側の導管との間に配置したが、正極電解液タンク11と負極電解液タンク12との間を連結するように配置してもよい。後述する実施例2についても同様である。
【００４０】
本例では、電解液の混合を行う際、連結管16a、16bに電解液を供給するべく、ポンプ15a、15bを駆動する。そこで、本例では、ポンプ15a、15bもコンピュータ17に配線を介して接続させており、コンピュータ17からの電気信号により駆動が制御される構成である。
【００４１】
また、本発明では、電解液の温度に基づいて両極の電解液の混合を行う。そこで、温度センサ18を導管14bに配置している。この温度センサ18も、コンピュータ17に配線にて接続され、温度センサ18からの測定結果(電気信号)がコンピュータ17の信号受信部に入力される構成である。なお、図1に示す例において温度センサは、負極側の導管14bに配置しているが、正極側の導管に配置してもよいし、待機中などで導管内の電解液が排出されることがある場合などではタンク11、12に配置してもよい。導管及びタンクの双方に温度センサを配置してもよい。
【００４２】
そして、本発明は、セルの電圧によって、正極電解液と負極電解液とを混合した際の電解液の温度が異なることに着目して、セルの電圧を考慮して、電解液の混合量を決定する。そこで、セルの電圧を測定するべく、電圧計(電圧測定手段)19を配置している。この電圧計19は、コンピュータ17に配線にて接続され、電圧計19からの測定結果(電気信号)がコンピュータ17の信号受信部に入力される構成である。
【００４３】
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、電解液の温度の制御手順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機能ブロック図である。本発明運転方法は、以下の手順で行う。即ち、温度センサにて電解液温度A(℃)を測定して、コンピュータに測定結果を伝送し、予めコンピュータの記憶手段に入力されている設定温度X(℃)と測定温度A(℃)とを比較し、測定温度A(℃)が設定温度X(℃)以下の場合、電解液の混合を行う。測定温度A(℃)が設定温度X(℃)よりも大きい場合、電解液を混合しない。電解液を混合する場合、電圧計にてセルの電圧a(V)を測定して、コンピュータに測定結果を伝送し、コンピュータに予め記憶させておいたセルの電圧と混合できる液量との関係値データから、電圧a(V)における混合可能量nを求める。と共に、コンピュータに予め記憶させておいたセルの電圧ごとの電解液温度と混合する液量との関係値データから、電圧a(V)に対応する関係値データを選択して、測定温度A(℃)における混合予定量mを求める。そして、混合予定量mと混合可能量nから混合量を決定し、混合量に基づき電解液の混合を行う。本例では、連結管を介して電解液の混合を行うべく、ポンプの駆動及びバルブの開閉を行う。そこで、コンピュータに予め記憶させておいた混合量ごとのポンプの運転条件から、ポンプの運転時間を算出すると共に、運転時間に合わせて、バルブの開閉を制御することで、電解液の混合を行う。
【００４４】
図3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。本例に示す制御手順は、所望のタイミングで電解液の混合を行う場合である。従って、例えば、運転開始時などの電解液温度の低下が予想される場合、以下の手順により電解液の混合を行うようにコンピュータに制御プログラムを入力しておく。具体的には、まず、温度センサにより電解液の温度を測定し、温度センサが測定した結果(電気信号)がコンピュータの信号受信部に入力されるようにする(ステップS1)。このとき、コンピュータは、入力された電気信号を温度A(℃)に読み替え、記憶手段に一時的に保存しておく。
【００４５】
次に、コンピュータは、記憶手段に保存されている設定温度X(℃)を呼び出し(ステップS2)、測定温度A(℃)と設定温度X(℃)とを比較し、大小関係を判定する(ステップS3)。ステップS2を行うにあたり、所望の電解液温度を設定し、コンピュータに入力しておく。設定温度は、本例に示すレドックスフロー電池システムの場合、30〜60℃程度が好ましい。
【００４６】
測定温度A(℃)が設定温度X(℃)以上の場合、コンピュータの判定手段は、電解液の混合を不要と判定し(ステップS4)、制御を終える。一方、測定温度A(℃)が設定温度X(℃)未満の場合、コンピュータの判定手段は、電解液の混合を必要と判定し、混合動作を開始する。具体的には、まず、コンピュータは、電圧計が測定した結果(電気信号)を信号受信部に入力する(ステップS5)。このとき、コンピュータは、入力された電気信号を電圧a(V)に読み替え、記憶手段に一時的に保存しておく。
【００４７】
次に、コンピュータは、記憶手段に保存されている電圧と混合できる液量との関係値データを呼び出し(ステップS6)、測定電圧a(V)に照らし合わせて、混合可能量nを決定する(ステップS7)。ステップS6を行うにあたり、正極電解液と負極電解液とを混合した際に設定下限電圧を維持できるような液量を電圧ごとに求めておき、求めた電圧と混合できる液量との関係値データをコンピュータに入力しておく。設定下限電圧は、任意に設定するとよく、例えば、非常時に要求される電池容量を維持できる電圧としてもよいし、放電末電圧としてもよい。
【００４８】
次に、コンピュータは、記憶手段から測定電圧a(V)を呼び出すと共に(ステップS8)、記憶手段に保存されている電圧ごとに作成された電解液温度と混合する液量との関係値データから、電圧a(V)に対応した関係値データを呼び出す(ステップS9)。そして、コンピュータは、測定温度A(℃)を呼び出すと共に(ステップS10)、呼び出した関係値データを測定温度A(℃)に照らし合わせて、混合予定量mを決定する(ステップS11)。セルの電圧により、電解液の充電深度が異なるため、同じ温度の電解液であっても混合する液量が異なる。そこで、ステップS9を行うにあたり、電圧ごとに、電解液の温度と混合する液量との関係値データを求めておき、コンピュータに入力しておく。なお、セルの電圧から電解液の充電深度が予想できるため、本発明では、セルの電圧を利用する。
【００４９】
次に、コンピュータは、得られた混合可能量nと混合予定量mとを比較し、大小関係を判定し(ステップS12)、実際に電解液を混合させる混合量を決定する。具体的には、混合予定量mが混合可能量n以上の場合、コンピュータの判定手段は、混合量として混合可能量nを選択する(ステップS13)。混合予定量mが混合可能量n未満の場合、コンピュータの判定手段は、混合量として混合予定量mを選択する(ステップS14)。
【００５０】
次に、コンピュータは、決定した混合量に基づき、混合させるのに必要なポンプの運転時間を算出する(ステップS15)。ステップS15を行うにあたり、混合量ごとにポンプの運転条件を設定しておき、コンピュータに予め入力し、コンピュータは、この運転条件データから適切な運転時間を選択するようにしておく。
【００５１】
そして、コンピュータは、ポンプの運転時間に基づきバルブの開閉動作を制御する制御信号をバルブに出力する(ステップS16)。この制御信号により、図1に示すバルブv1〜v4が閉じられ、バルブv5、v6が開かれることで、電解液の混合が行われ、バルブv5、v6が閉じられることで混合動作が終了する。このとき、コンピュータは、制御動作を終了する。
【００５２】
上記構成を具える本発明は、実際に電解液を混合する液量を規定すると共に、電池として機能するのに十分な容量を維持した状態で電解液の温度の制御を行うため、より効果的な電池容量の増大を図ることができる。
【実施例２】
【００５３】
上記実施例1では、電池モジュールを一つ具えるレドックスフロー電池システムについて説明したが、この例では、電池モジュールを二つ具えるシステムについて説明する。図4は、電池モジュールを複数具え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1と同一符号は同一物を示す。このレドックスフロー電池システム2は、基本的構成は図1に示すレドックスフロー電池システム1と同様であり、電池モジュールを二つ直列に具える点が異なるだけである。本例では、図1に示す電池モジュールと同様の構成の電池モジュールA及び電池モジュールBを用いており、各モジュールにはそれぞれ、セルスタック10と、正極電解液タンクを含む正極電解液循環路(モジュールAは図1と同様、モジュールBはタンク21及び導管23a、23bで構成される)と、負極電解液タンクを含む負極電解液循環路(モジュールAは図1と同様、モジュールBはタンク22及び導管24a、24bで構成される)とを具える。また、モジュールBも、モジュールAと同様に正極電解液と負極電解液との混合を行えるように、導管23aと導管24bとを連結管26aで、導管23b、24aを連結管26bで連結し、各管には、それぞれ開閉可能な電動バルブv7〜v12を具える。これらバルブv1〜v12は、コンピュータ27に配線(図示せず)にて接続され、コンピュータ27からの電気信号により開閉動作が制御される。
【００５４】
更に、モジュールBも、モジュールAと同様にポンプ25a、25bを駆動させて連結管26a、26bに電解液を供給して混合を行う。従って、ポンプ15a、15b、25a、25bもコンピュータ27に配線を介して接続させており、コンピュータ27からの電気信号により駆動が制御される構成である。その他、モジュールBには、モジュールAと同様に、温度センサ28、電圧計29を配置しており、これら温度センサ18、28、電圧計19、29も、コンピュータ27に配線を介して接続させており、センサや電圧計からの測定結果(電気信号)がコンピュータ27の信号受信部に入力される構成である。
【００５５】
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、モジュール間の電解液温度のばらつきを制御する手順を具体的に説明する。図5は、本発明レドックスフロー電池システムの運転方法の機能ブロック図である。本発明運転方法は、以下の手順で行う。即ち、各モジュールにおいてそれぞれ、温度センサにて電解液温度A(℃)、B(℃)を測定して、コンピュータに測定結果を伝送し、モジュール間の電解液の温度差C＝A-Bを演算する。この温度差Cが、予めコンピュータの記憶手段に入力されている設定温度範囲(Y(℃)以上Z(℃)以下)を満たすか否かを判定し、温度差C(℃)が範囲外の場合、モジュールA又はモジュールBにおいて電解液の混合を行う。温度差C(℃)が範囲内の場合、電解液を混合しない。電解液の混合を行う場合、該当するモジュールに以下の手順で電解液の混合を行わせる。まず、電圧計にてセルの電圧a(V)を測定して、コンピュータに測定結果を伝送し、コンピュータに予め記憶させておいたセルの電圧と混合できる液量との関係値データから、電圧a(V)における混合可能量nを求める。と共に、コンピュータに予め記憶させておいたセルの電圧ごとの温度差と混合する液量との関係値データから、電圧a(V)に対応する関係値データを選択して、温度差|C|(℃)における混合予定量mを求める。そして、混合予定量mと混合可能量nから混合量を決定し、混合量に基づき電解液の混合を行う。本例では、連結管を介して電解液の混合を行うべく、ポンプの駆動及びバルブの開閉を行う。そこで、コンピュータに予め記憶させておいた混合量ごとのポンプの運転条件から、ポンプの運転時間を算出すると共に、運転時間に合わせて、バルブの開閉を制御することで、電解液の混合を行う。
【００５６】
図6は、電池モジュールを複数具える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。本例に示す制御手順は、所望のタイミングで、モジュール間の電解液温度のばらつきを制御する場合である。まず、各温度センサにて電解液の温度を測定し、測定した結果(電気信号)がコンピュータの信号受信部に入力されるようにする(ステップS20)。このとき、コンピュータは、入力された各電気信号をそれぞれ温度A(℃)、B(℃)に読み替え、記憶手段に一時的に保存しておく。
【００５７】
次に、コンピュータは、演算手段により温度差C＝A-Bを演算する(ステップS21)。このとき、コンピュータは、演算した温度差Cを記憶手段に一時的に保存しておく。なお、本例では、温度差CをA-Bとしているが、もちろんB-Aとしてもよい。
【００５８】
次に、コンピュータは、記憶手段に保存されている設定温度Z(℃)、Y(℃)を呼び出し(ステップS22)、温度差C(℃)が設定温度Y(℃)以上Z(℃)以下の範囲に含まれるか否かを判定する(ステップS23)。ステップS23を行うにあたり、所望の温度範囲を設定し、コンピュータに入力しておく。
【００５９】
温度差C(℃)が設定範囲(Y(℃)以上Z(℃)以下)に含まれる場合、コンピュータの判定手段は、いずれのモジュールについても電解液の混合を不要と判定し(ステップS24)、制御を終える。一方、温度差C(℃)が設定範囲外の場合、コンピュータの判定手段は、いずれかのモジュールにおいて電解液の混合を必要と判定し、いずれのモジュールかを判定する。具体的には、温度差C(℃)が上限値Z(℃)よりも大きいか否かを判定する(ステップS25)。温度差C(℃)が上限値Z(℃)よりも大きい場合、モジュールAの電解液の温度A(℃)がモジュールBの電解液の温度B(℃)よりも高い、即ち、温度B(℃)の方が低いことがわかる。そこで、コンピュータは、温度差C(℃)が上限値Z(℃)よりも大きい場合、モジュールBについて混合動作を開始する(ステップS26)。一方、温度差C(℃)が上限値Z(℃)よりも大きくない場合、温度差C(℃)が下限値Y(℃)よりも小さい場合となる。このとき、モジュールBの電解液の温度B(℃)がモジュールAの電解液の温度A(℃)よりも高い、即ち、温度A(℃)の方が低いことがわかる。そこで、コンピュータは、温度差C(℃)が上限値Z(℃)よりも大きくない場合、モジュールAについて混合動作を開始する(ステップS27)。
【００６０】
図7は、混合動作の手順を示すフローチャートである。混合動作を行う場合、まず、コンピュータは、記憶手段から温度差Cを呼び出し(ステップS30)、演算手段によりその絶対値|C|を演算する(ステップS31)。このとき、コンピュータは、演算した温度差の絶対値|C|を記憶手段に一時的に保存しておく。
【００６１】
次に、混合を行うモジュールについて、電圧計にてセルの電圧を測定し、測定した結果(電気信号)がコンピュータの信号受信部に入力されるようにする(ステップS32)。このとき、コンピュータは、入力された電気信号を電圧a(V)に読み替え、記憶手段に一時的に保存しておく。
【００６２】
次に、コンピュータは、記憶手段に保存されている電圧と混合できる液量との関係値データを呼び出し(ステップS33)、測定電圧a(V)に照らし合わせて、混合可能量nを決定する(ステップS34)。ステップS33を行うにあたり、ステップS6の場合と同様に、下限電圧を設定し、セルの電圧と混合できる液量との関係値データをコンピュータに入力しておく。
【００６３】
次に、コンピュータは、記憶手段から測定電圧a(V)を呼び出すと共に(ステップS35)、記憶手段に保存されている電圧ごとに作成された電解液温度と混合する液量との関係値データから、電圧a(V)に対応した関係値データを呼び出す(ステップS36)。そして、コンピュータは、測定温度(A(℃)又はB(℃))を呼び出すと共に(ステップS37)、呼び出した関係値データを測定温度に照らし合わせて、混合予定量mを決定する(ステップS38)。ステップS37を行うにあたり、ステップS9と同様に、電圧ごとに、電解液の温度と混合する液量との関係値データを求めておき、コンピュータに入力しておく。
【００６４】
以下の手順は、ステップS12からS16と同様に行う。即ち、コンピュータは、得られた混合可能量nと混合予定量mとを比較し(ステップS39)、混合予定量mが混合可能量n以上の場合、混合量として混合可能量nを選択し(ステップS40)、混合予定量mが混合可能量n未満の場合、混合量として混合予定量mを選択する(ステップS41)。そして、コンピュータは、上記混合量に基づきポンプの運転時間を算出し(ステップS42)、ポンプの運転時間に基づきバルブの開閉動作を制御する制御信号をバルブに出力する(ステップS43)。この制御信号により、モジュールAについて電解液の混合を行う場合、図4に示すバルブv1〜v4が閉じられ、バルブv5、v6が開かれることで、電解液の混合が行われ、バルブv5、v6が閉じられることで混合動作が終了する。このとき、コンピュータは、制御動作を終了する。一方、モジュールBについて電解液の混合を行う場合、図4に示すバルブv7〜v10が閉じられ、バルブv11、v12が開かれることで、電解液の混合が行われ、バルブv11、v12が閉じられることで混合動作が終了する。このとき、コンピュータは、制御動作を終了する。
【００６５】
上記構成を具える本発明は、電池機能に必要な容量を維持した状態でモジュール間の電解液温度のばらつきを抑制することができる。従って、複数の電池モジュールを具えるレドックスフロー電池システムにおいて、より効果的な電池容量の増大を図ることができる。
【００６６】
なお、上記モジュール間の電解液温度のばらつきを抑制するための動作に加えて、各モジュールにおいて、実施例1で示した電解液の温度制御動作を合わせて行ってもよい。このとき、システム全体でみると、電解液の温度のばらつきが少なく、適正な電解液温度とすることができるため、電池容量をより向上させることができる。具体的には、まず、各モジュールについて、実施例1で示した電解液の温度制御動作を行って、電解液温度を高めておき、その後、実施例2で示したばらつき制御動作を行うことが挙げられる。
【産業上の利用可能性】
【００６７】
本発明は、負荷平準化や瞬低対策などとして利用されている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】
【００６８】
【図１】電池モジュールを一つ具え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機能ブロック図である。
【図３】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。
【図４】電池モジュールを複数具え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５】電池モジュールを複数具える本発明レドックスフロー電池システムの運転方法の機能ブロック図である。
【図６】電池モジュールを複数具える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。
【図７】混合動作の手順を示すフローチャートである。
【図８】レドックスフロー電池の動作原理の説明図である。
【符号の説明】
【００６９】
1,2  レドックスフロー電池システム
10  セルスタック  11,21  正極電解液タンク  12,22  負極電解液タンク
13a,13b,14a,14b,23a,23b,24a,24b  導管  15a,15b,25a,25b  ポンプ
16a,16b,26a,26b  連結管  17,27  コンピュータ  18,28  温度センサ
19,29  電圧計
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】
2005322447.tif 000003
【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】
2005322447.tif 000008
【図７】
2005322447.tif 000009
【図８】
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