(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のセルからなるセルスタックを具えるレドックスフロー電池の運転方法であって、
正負極の電解液が供給・排出されるセルスタック内の少なくとも一部のセルで常時は直流/交流変換機に接続されないセルを電解液の充電率測定に用いる補助セルとし、
セルスタック内のセルにおいて直流/交流変換機に接続される他のセルを充放電に用いる主セルとし、主セルの通電を停止させることなく、前記補助セルを用いて回路電圧を測定し、
前記補助セルから得られる回路電圧に基づいて主セルの充電の停止及び放電の停止の少なくとも一方を行うことを特徴とするレドックスフロー電池の運転方法。
【請求項２】
複数のセルからなるセルスタックを具えるレドックスフロー電池の運転方法であって、
正負極の電解液が供給・排出されるセルスタック内の少なくとも一部のセルで常時は直流/交流変換機に接続されないセルを電解液の充電率測定に用いる補助セルとし、
前記補助セルから得られる回路電圧に基づいて補助セルを充電又は放電して電解液の充電率を変化させることを特徴とするレドックスフロー電池の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レドックスフロー電池の運転方法に関するものである。特に、常時、充電状態を把握することができ、出力容量を安定させるのに最適なレドックスフロー電池の運転方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レドックスフロー電池は、従来、負荷平準化や瞬停対策用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103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と負極セル100Bの各々には正極電極104と負極電極105とを内蔵している。正極セル100Aには正極電解液を供給・排出するための正極用タンク101が導管106、107を介して接続されている。負極セル100Bにも負極電解液を導入・排出する負極用タンク102が同様に導管109、110を介して接続されている。各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108、111で循環させ、正負極電極104、105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とおりである。
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】
図４は、上記の電池に用いるセルスタックの概略構成図である。通常、上記の電池には、複数のセルが積層されたサブスタック201を更に複数積層させたセルスタック200と呼ばれる構成が利用される。各セルは、隔膜103の両側にカーボンフェルト製の正極電極104および負極電極105を具える。そして、正極電極104と負極電極105の各々の外側には、セルフレーム210が配置される。セルフレーム210は、プラスチックカーボン製の双極板211と、その外周に形成されるフレーム枠212とを具える。
【０００４】
フレーム枠212には、マニホールドと呼ばれる複数の孔が形成されている。１枚のセルフレームには、例えば下辺に４つ、上辺に４つの合計８つのマニホールドが設けられ、下辺の２つが正極電解液供給用、残り２つが負極電解液供給用、上辺の２つが正極電解液排出用、残り２つが負極電解液排出用となっている。マニホールドは、多数のセルを積層することで電解液の流路を構成し、図3における導管106、107、109、110へとつながっている。そして、電解液は、サブスタック201ごとに供給排出される。図2に示すように、サブスタック201毎に正負極電解液の供給用パイプ220、221、排出用パイプ222、223が接続されている。
【０００５】
上記サブスタック201間は銅板などの導電性板224で結線されており、電解液の供給用パイプ220、221、排出用パイプ222、223と異なる面に電気端子(図示せず)を具える。この電気端子を介してセルスタック200全体の結線は、通常、直流/交流変換機(インバータ)225に接続されている。
【０００６】
このようなレドックスフロー電池において負荷平準化用途では、従来、予め定められた通電電圧の上限値及び下限値によって、充電の停止や放電の停止を行っており、いずれの停止も通電電圧(セルに通電している状態での電圧)によって決められている。また、従来、セル内の電解液の充電状態(充電率)は、回路電圧(セルに通電していない状態での電圧)によって把握することが行われている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のレドックスフロー電池には、以下の問題があった。
(1)  通電電圧により充電や放電の停止を決めると、充電率にばらつきが生じることがある。
運転条件は、電池の劣化程度によって電池抵抗が異なることや温度などの環境などで変動するものであり、例えば、一般に温度が高いほど充放電がよく行える。そのため、通電電圧により充電の停止や放電の停止を決めると、運転条件によって充電停止時の充電率や放電停止時の充電率がばらつく、即ち、出力容量(KWH)がばらつく恐れがある。
【０００８】
(2)  従来のレドックスフロー電池では、充電率を常時把握することが困難である。
回路電圧を測定するためには、通電を停止する必要がある。従って、従来のように回路電圧により充電状態(充電率)を常時把握しようとすると、通電を停止し続けることになり、現実的でない。また、近年、出力容量を安定化させるために風力発電や太陽光発電などにレドックスフロー電池を組み合わせることが知られている。このとき、電解液の充電率を把握して充電率を適宜変更させないと、十分に充放電できない恐れがある。そのため、充電率を常時把握できることが望まれている。
【０００９】
そこで、本発明の主目的は、充電状態をより確実に把握することができ、出力容量を安定させることが可能なレドックスフロー電池の運転方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、セルスタック内に回路電圧を監視するためのモニタ用の補助セルを一体に具えることで上記の目的を達成する。
【００１１】
即ち、本発明は、複数のセルからなるセルスタックを具えるレドックスフロー電池の運転方法である。正負極の電解液が供給・排出されるセルスタック内の少なくとも一部のセルで常時は直流/交流変換機に接続されないセルを電解液の充電率測定に用いる補助セルとする。セルスタック内のセルにおいて常時は直流/交流変換機に接続される他のセルを充放電に用いる主セルとする。この主セルの通電を停止させることなく、上記補助セルを用いて回路電圧を測定する。そして、この補助セルから得られる回路電圧に応じて主セルの充電の停止及び放電の停止の少なくとも一方を行う。
【００１２】
本発明は、電解液を共通するように構成されているセルスタック内のうち、一部のセルを補助セルとして充電率測定に用いる。即ち、この補助セルは、セルスタック内に常時は電解液を流通させているだけで充放電を行わないセルとなる。その他のセルは、充放電に用いられるセル(主セル)となる。そして、主セルの充電や放電の停止は、補助セルから測定した回路電圧が一定の値に達したときに行うとよい。上記補助セルを具えることで、回路電圧を測定する際、従来のように通電を停止させることなく、ほぼ常時、回路電圧を測定することができる。また、回路電圧を充電の停止信号や放電の停止信号に用いると、ほぼ同じ充電状態の範囲で電池を使用することができるため、安定した出力容量を確保することができる。
【００１３】
ここで、従来のレドックスフロー電池において、充放電を行うためのセルスタックと別にモニタ用のセルスタックを設置することが考えられる。しかし、モニタ用のセルスタックを別途設けた場合、設備が大きくなるだけでなく、コストアップにもつながる。これに対し、本発明では、充放電を行うためのセルスタックの一部を補助セルとした一体構造であるため、特別な設備などを必要とせず、生産性に優れるだけでなく、設備の縮小、コストの低減が可能である。
【００１４】
また、本発明運転方法は、上記と同様にセルスタック内の少なくとも一部のセルで常時は直流/交流変換機に接続されないセルを補助セルとし、補助セルから得られる回路電圧に応じて補助セルを充電又は放電して電解液の充電率を変化させることを特徴とする。
【００１５】
上述の発明は、補助セルから測定した回路電圧により主セルの充電の停止や放電の停止を制御するものであり、補助セルをほぼ常時回路電圧の測定に用いる。この発明は、回路電圧の測定に加え、補助セルから測定した回路電圧の値が一定の値である場合、モニタを停止し、補助セルを一時的に充放電に用いる。このような本発明運転方法は、風力発電や太陽光発電などとレドックスフロー電池を組み合わせる場合や、需給制御のような出力容量が不安定となるような電池運転を行う場合などに最適である。このとき、通常充放電を行う主セルの充電率を補助セルにより確実に把握できると共に、主セルの充電率が下がり過ぎたり上がり過ぎた場合であっても、補助セルで充電や放電させることで充放電用の主セルが放電や充電を続けることができ、出力容量を安定させることが可能である。
【００１６】
なお、補助セルで充放電を行う場合は、別途電源を取り付けてから行うとよい。
【００１７】
このような本発明運転方法には、以下のようなセルスタックを用いることが好適である。即ち、このセルスタックは、複数のセルを具えるレドックスフロー電池セルスタックであって、以下の主セルと補助セルとを一体に具える。
正負極の電解液を供給・排出させると共に直流/交流変換機に接続される主セル。
前記主セルと電解液を共通するように接続されたセルで常時は直流/交流変換機に接続されない電解液の充電率測定用の補助セル。
【００１８】
補助セルは、主セルを構成するサブスタックと同様の構成とすればよく、複数のセルを積層して形成するとよい。このとき、補助セルは、サブスタックを構成するセルの数よりも少ない方が設備を縮小でき、またコストを低減できるため、好ましい。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
(試験例1)
AC170KW×8時間のレドックスフロー電池を作製し、温度を変化させて電池容量の変化を調べてみた。試験では、図3、4に示すレドックスフロー電池を組み立た。試料No.1-1は、図1に示すようにセル(図示せず)を25枚積層させたサブスタック201を4組(主セル3)、同様のセル1枚からなる補助セル2を１組、計5組のセル群からなるセルスタック1を用いた電池とした。試料No.1-2は、図2に示すようにサブスタック201：4組からなり、補助セルを有しない(主セルのみからなる)セルスタック200を用いた電池とした。試験における運転条件を以下に示す。また、表1に試験結果を示す。
【００２０】
試料No.1-1：補助セルにより回路電圧を常時測定し、回路電圧により主セルの充電の停止、放電の停止を制御する。回路電圧1.46V/セルまで充電、回路電圧1.33V/セルまで放電を行う。
試料No.1-2：通電電圧を常時測定し、通電電圧により主セルの充電の停止、放電の停止を制御する。充電電圧1.55V/セル、放電電圧1V/セルとして運転を行う。
【００２１】
【表１】
0004140691.tif 000002
【００２２】
表1に示すようにいずれの試料も、比較的高温である35℃では、放電出力容量は定格の8時間であった。しかし、比較的低温である25℃では、通電電圧により主セルの充電や放電の停止を行った試料No.1-2は定格を下回る容量しか得られなかった。これに対し、回路電圧により主セルの充電や放電の停止を行った試料No.1-1は、定格である8時間の放電出力容量が得られた。
【００２３】
この試験の結果から、補助セルにより回路電圧を測定し、回路電圧により主セルの充電や放電の停止を制御する本発明は、温度などに影響されることなく出力容量を安定できることがわかる。また、補助セルをセルスタックに一体に具えて、この補助セルにより回路電圧を測定するため、測定の際に主セルの通電を停止する必要がない。
【００２４】
(試験例2)
AC170KW×6時間のレドックスフロー電池を作製し、主セルの充電率が下がった際、補助セルを充電させてみた。電池の基本的構成は、試験例1で用いた試料No.1-1のレドックスフロー電池と同様とした。試験は、補助セルにより回路電圧を測定しておき、回路電圧が1.35V/セルになったら、補助セルに直流電源を別途取り付けて、通電開始した。
【００２５】
試験の結果、定電流運転で補助セルによって約100KWh充電することで、低下していた主セルの充電率を上げることができ、補助セルで充電した分、放電を続けることができた。そして、出力容量は、ほぼ6.5時間であった。比較として、回路電圧が1.35V/セルになっても補助セルを充電させなかったものは、出力容量が6時間で放電が終了した。
【００２６】
この試験から、補助セルは、回路電圧を常時測定できるだけでなく、必要に応じて主セルの充電に用いてもよいことがわかる。また、補助セルを充電に用いることで、出力容量を増加することができる。
【００２７】
(試験例3)
試験例2で作製したレドックスフロー電池(AC170KW×6時間)を風力発電機に組み合わせて、主セルの充電率が下がった際、風力発電機と電池を合わせた総合出力を下げてみた。試験は、補助セルにより回路電圧を測定しておき、回路電圧が1.37V/セルになったら総合出力を下げ、回路電圧が1.35V/セルになるまで運転を行った。以下に、風力発電機の仕様を示す。
【００２８】
(風力発電機の仕様)
型式：誘電発電機
定格出力：275kW
定格電圧：400V
定格回転数：1500rpm
【００２９】
試験の結果、総合出力を下げたことで主セルの充電率を上げることができ、放電を続けることができた。そして、出力容量は、ほぼ1120kWhであった。比較として、回路電圧が1.37V/セルになっても総合出力を下げなかった場合は、出力容量は1020kWhであった。
【００３０】
実施例2及び3では、主セルの充電率を上げる場合について調べたが、主セルの充電率が上がり過ぎて充電ができない場合は、逆に補助セルを放電させたり、総合出力を上げることで充電率を下げることができた。
【００３１】
【発明の効果】
以上、説明したように補助セルをセルスタックに一体に具えることで、通電を停止することなく回路電圧をほぼ常時測定することができるという優れた効果を奏し得る。また、本発明運転方法は、測定で得られた回路電圧によって主セルの充電の停止や放電の停止を制御することで、出力容量をより安定させることができる。従って、本発明運転方法は、風力発電や需要制御のような不規則な運転であっても、出力容量の安定化を実現する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明レドックスフロー電池の運転方法に用いるセルスタックの模式図である。
【図２】従来のセルスタックの模式図である。
【図３】レドックスフロー電池の動作原理を示す説明図である。
【図４】レドックスフロー電池に用いるセルスタックの概略構成図である。
【符号の説明】
1  セルスタック  2  補助セル  3  主セル
100  セル  100A  正極セル  100B  負極セル  101  正極用タンク
102  負極用タンク  103  隔膜  104  正極電極  104  正負極電極
105  負極電極  106  導管  108  ポンプ  109  導管
200  セルスタック  201  サブスタック
210  セルフレーム  211  双極板  212  フレーム枠
220、221  供給用パイプ  222、223  排出用パイプ  224  導電性板
225  直流/交流変換機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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