JP2001043884A

JP2001043884A - レドックスフロー型２次電池およびその運転方法

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Publication number: JP2001043884A
Application number: JP11213650A
Authority: JP
Inventors: Kenji Motoi; 見二本井; Takahiro Kumamoto; 貴浩隈元; Hiroshige Deguchi; 洋成出口; Seiji Ogino; 誠司荻野; Toshio Shigematsu; 敏夫重松; Nobuyuki Tokuda; 信幸徳田
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-07-28
Filing date: 1999-07-28
Publication date: 2001-02-16

Abstract

(57)【要約】【課題】低い電池効率をもたらす低い電解液温度を迅
速、かつ簡便に昇温することが可能なレドックスフロー
型２次電池およびその運転方法を提供する。【解決手段】正極液タンク２と負極液タンク３との間
に連通管１３を備え、かつその連通管１３に開閉手段１
４を設け、正負両電解液を混合することができる構造と
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電力貯蔵のための
レドックスフロー型２次電池およびその運転方法に関
し、特に充電および放電の運転開始直後の電池効率を高
めるために、電解液温度を迅速かつ簡便に上昇させるこ
とが可能なレドックスフロー型２次電池およびその運転
方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】安定した電力供給を行なうには、電力需
要に合せて電力の供給を行なう必要がある。このため、
電力会社は、常に最大需要に見合った発電設備を建設
し、需要に即応して発電を行なっている。しかしなが
ら、昼と夜との間では、電力需要に大きな差が存在す
る。このような電力需要に差が生じる現象は、週、月お
よび季節の間でも生じている。

【０００３】そこで、電力を効率よく貯蔵することがで
きれば、オフピーク時の余剰電力を貯蔵し、ピーク時に
これを放出することにより、需要の変動に効率よく対応
することができる。このようなロードレベリングを達成
することができれば、発電設備を軽減することが可能と
なり、エネルギの節約、すなわち石油等の燃料節減にも
大きく寄与することができる。このため、従来より種々
の電力貯蔵法が提案されてきた。たとえば、揚水発電
は、ロードレベリングの有力手段として周知の方法であ
り、既に実施されている。

【０００４】しかし、揚水発電は、その設備が消費地か
ら遠く隔たった山間部に設置されるので、送変電損失は
不可避であり、かつ自然環境保護の面から立地に制約が
あるなどの問題がある。それゆえ、揚水発電に代わる新
しい電力貯蔵技術の開発が推進され、その成果の１つと
して、レドックスフロー型２次電池が有力候補に挙げら
れるに至っている。

【０００５】図５は、レドックスフロー型２次電池の一
例の概略構成図を示す。このレドックスフロー型２次電
池は、セル１に対して電解液を循環供給する経路と、そ
の経路に含まれる正極液タンク２および負極液タンク３
とを備える。セル１は、電池セル内の電荷担体としての
Ｈ⁺（プロトン）は通すが他のイオンは通さない隔膜４
により仕切られており、一方に正極セル１ａを、また、
他方に負極セル１ｂを備える。正極セル１ａおよび負極
セル１ｂ内には、それぞれ電極として、正極５および負
極６が配置され、単一電池セルが構成されている。

【０００６】図５に示した単一のレドックスフロー型２
次電池では、たとえば各種のバナジウムイオンのような
原子価が変化するイオンの水溶液をタンクに貯蔵し、こ
れを正極液ポンプ９および負極液ポンプ１２により、そ
れぞれ経路７および１０を経て各電池セルに送液し、酸
化還元反応により充電および放電を行なう。たとえば、
正極液としてＶ⁵⁺／Ｖ⁴⁺硫酸水溶液、負極液としてＶ²⁺
／Ｖ³⁺硫酸水溶液を用いると、放電反応において、正極
では、Ｖ⁵⁺＋ｅ→Ｖ⁴⁺の反応が進行し、負極では、Ｖ²⁺
→Ｖ³⁺＋ｅの反応が進行する。充電反応は各反応の進行
の向きが逆になる。反応が終了した正極液および負極液
は、それぞれ経路８および１１を経て正極液タンク２お
よび負極液タンク３に収納される。

【０００７】上記の放電反応における出力電圧および出
力電流は、温度の影響を受け、温度が高いほど、出力電
圧および出力電流が高くなり、電池容量は向上する。す
なわち、低温ではレドックスフロー型２次電池の内部抵
抗は高くなり、出力側から見た電池容量が低下する。こ
の温度の影響は、充電反応に対しても同様であり、低温
では低い効率でしか充電することができない。

【０００８】この電池効率の温度依存性は、レドックス
フロー型２次電池以外の他の方式の電池でも同様の傾向
がある。たとえば、液体燃料電池の場合、運転開始直後
の電池効率を高めるために、加熱用ヒータを備え、定格
出力電圧より低い出力電圧で運転し、そのヒータの発熱
と熱暴走による自己発熱との両方によって液温を高める
方法が開示されている（特開昭６１−１３１３７２号公
報）。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】レドックスフロー型２
次電池においても、液体燃料電池と同様に、電解液の温
度を上昇させるために加熱ヒータを設置することが考え
られる。しかしながら、ヒータを設置すると、その分コ
ストアップが生ずる。また、投げ込みヒータの場合に
は、電解液、たとえば硫酸水溶液を用いる場合、投げ込
みヒータの耐酸性を考慮しなければならず、大きなコス
トアップの負担を負う。しかも、ヒータの場合は、適温
に上昇するのに時間がかかる。

【００１０】本発明は、充電または放電の運転開始前
に、または運転中に、迅速に電解液の温度を上昇させる
ことが可能な、大きなコストアップを伴なわないレドッ
クスフロー型２次電池およびその運転方法を提供するこ
とを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明の最も基本的なレ
ドックスフロー型２次電池の構造は次のものである。す
なわち、正極を含む正極セルと、負極を含む負極セル
と、正極セルと負極セルとを隔て、両セル内の電荷担体
としてのプロトンの通過を許容する隔膜と、正極液タン
クを含む、正極液を循環供給する正極液循環経路と、負
極液タンクを含む、負極液を循環供給する負極液循環経
路と、正極液循環経路と負極液循環経路とを連通する連
通管と、連通管に設けられ、流路を開閉する開閉手段と
を備えたレドックスフロー型２次電池とする。

【００１２】このようなレドックスフロー型２次電池の
構造とすることにより、正極液、負極液、またはその両
方の液温が低い場合に電池効率を高めるために、開閉手
段を開き連通管を開放し、上記の正負の両電解液を混合
させることによって自己放電をさせ電解液の温度を高め
ることができる。その結果、電池の内部抵抗を下げ、電
池効率を高めることができる。

【００１３】上記のレドックスフロー型２次電池におい
ては、温度を高めるために自己放電が行なわれることが
必須である。したがって、開閉手段付連通管は次の働き
をするものでなければならない。すなわち、上記の開閉
手段の開放により混合した正極液および負極液に自己放
電の反応が生じるものである上記のレドックスフロー型
２次電池とする。

【００１４】連通管に備えられた開閉手段を開放するこ
とにより、正負電解液の混合が生じ、例えば、Ｖ²⁺とＶ
⁵⁺との近接により自己放電が生じ、その発熱反応により
液温を迅速に高め、したがって、電池効率を迅速に高め
ることが可能となる。

【００１５】上記のレドックスフロー２次電池は、その
動作を自動化することにより無人運転でも、電池効率を
高めることができる。すなわち、正極液および負極液の
いずれか一方、または両方の温度を測定する温度測定手
段と、温度測定手段の信号を受取り、開閉手段の開閉を
判断し、その開閉を制御する制御手段とを備えるレドッ
クスフロー型２次電池の構造とする。

【００１６】このような構造とすることにより、迅速に
かつ自動的に電解液の混合を行なわせ、自己放電反応を
進行させることにより液温を高め、内部抵抗を下げて電
池効率を向上させることができる。また、無人運転等を
行なう場合に上記の構造を備えることが必須要件とな
る。

【００１７】上記のレドックスフロー型２次電池を用い
て充電または放電を行なう場合は、原則として次の運転
方法による。すなわち、正極を含む正極セルと、負極を
含む負極セルと、正極セルと負極セルとを隔て、上記の
両セル内の電荷担体としてのプロトンの通過を許容する
隔膜と、正極液タンクを含む、正極液を循環供給する正
極液循環経路と、負極液タンクを含む、負極液を循環供
給する負極液循環経路と、正極液循環経路と前記負極液
循環経路とを連通する連通管と、連通管に設けられた流
路を開閉する開閉手段とを備えたレドックスフロー型２
次電池の運転方法であって、正極液と負極液とを混合さ
せ、自己放電反応を起こさせ、発熱させて、正極液およ
び負極液を昇温させるレドックスフロー型２次電池の運
転方法による。

【００１８】このような運転方法を行なうことにより、
運転開始時等に、液温が低いために電池効率が低い状態
のものを迅速に温度上昇させ、電池効率を高めることが
可能となる。このような方法は加熱ヒータ等を用いる場
合よりも急速に温度上昇が得られる点に特徴がある。ま
た、電解液を新たに外部から補充するような場合、液温
が低下し、電池効率が低下するような状態が生ずるが、
この一時的な電池効率の低い状態はできるだけ短い時間
に抑制しなければならない。このような場合にも、上記
のように連通管の開放手段を開放し両電解液を混合し、
自己放電させて液温を高めることが有効である。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は、本発明のレドックスフロ
ー型２次電池の構成の概要を示す。正極液タンク２に
は、Ｖ⁵⁺およびＶ⁴⁺硫酸水溶液が、また負極液タンク３
には、Ｖ²⁺およびＶ³⁺硫酸水溶液がそれぞれ貯蔵され
る。セル１は、プロトンの通過を許容し、他のイオンを
通さないイオン交換膜からなる隔膜４によって隔てられ
ている。このイオン交換膜４によって隔てられている一
方は正極セル１ａ，また他方は負極セル１ｂを構成し、
正極セル１ａには正極５、または負極セル１ｂには負極
６が含まれている。正極セル１ａと負極セル１ｂは、そ
れぞれのタンクに入路および出路の２本の経路で連結さ
れており、また、電解液の給送促進手段として、ポンプ
９、１２を用いている。本発明のレドックスフロー型２
次電池の最も大きな特徴は、正極液タンク２および負極
液タンク３が連通管１３で連結され、かつその連通管１
３に流路を開閉する開閉手段１４が備えられていること
である。

【００２０】図１の場合、連通管１３に備えられた開閉
手段１４はバルブとし、このバルブを開放することによ
り両電解液の混合が起こり、自己放電反応が生じ、電解
液の温度が上昇する。

【００２１】図２に示すように、バルブ１４は、制御手
段の一部としてのモータ等により開放または遮蔽するこ
とが可能なバルブとし、制御手段には液温を測定する温
度センサからの信号を入力し、開閉の判断をすることが
できるようにしておく。このような自動開閉を可能とす
る装置とすることにより、自動的に電池効率を高めるこ
とが可能となり、無人運転等に適したレドックスフロー
型２次電池とすることができる。

【００２２】図１は、単一電池セルにおけるレドックス
フロー型２次電池の構成の概要を示したが、通常は、レ
ドックスフロー型２次電池は単一電池セルを数枚から数
十枚直列に電気的に接続し、積層した電池セルスタック
として用いる場合が多い。

【００２３】図３は、この電池セルスタックを示す図面
である。（ａ）は、単一電池セルの部品を分解して概念
的に示した図であり、また（ｂ）は、それらの単一電池
セルを電気的に直列に接続し積層し積み上げた電池セル
スタックを示す。電池セルスタック内の各単一電池セル
には、正極液タンクおよび負極液タンクから、単一電池
セルに並列に、それぞれの経路を経て電解液が循環供給
される。

【００２４】このような電池セルスタックを用いること
により、出力電圧を高めることができ、実用化に不可欠
なレドックスフロー型２次電池の大容量化が可能とな
る。

【００２５】図４は、単一電池セルを６枚直列に積層し
た電池セルスタックに、電解液を供給する場合の本発明
のレドックスフロー型２次電池を示す。各単一電池セル
には正極液および負極液が並列に循環供給されている。
図４においても、正極液タンクと負極液タンクとは、連
通管１３によって結ばれ、かつその連通管は流路を開閉
する開閉手段１４を備えている。

【００２６】上記の開閉手段付連通管を有することによ
り、実用レベルの大容量レドックスフロー型２次電池に
おいても、電解液の温度を迅速に高めることができ、電
池効率を低下させる期間を短縮することが可能となる。

【００２７】

【実施例】図１に示すレドックスフロー型２次電池を用
いて、電解液の温度の制御の試験を行なった。タンクの
電解液の量は正極液また負極液ともに、それぞれ４００
ｃｃずつとし、連通管は内径１ｃｍの合成樹脂製のパイ
プとした。予め、電池を充電状態、すなわち、正極液は
Ｖ⁵⁺のみ、負極液はＶ²⁺のみにしておき、液温を測定し
ながら連通管のバルブを開放した。その結果、１分後に
は２℃、また１時間後には１０℃液温が上昇することを
確認することができた。

【００２８】上記において、本発明の実施の形態につい
て説明を行なったが、上記に開示された本発明の実施の
形態は、あくまで例示であって、本発明の範囲はこれら
発明の実施の形態に限定されない。本発明の範囲は、特
許請求の範囲の記載によって示され、さらに特許請求の
範囲の記載と均等の意味および範囲内でのすべての変更
を含む。

【００２９】

【発明の効果】本発明のレドックスフロー型２次電池を
用いることにより、運転開始前、または運転中の液温の
低い状態を短時間とすることができ、電池効率を高め、
ひいては発電コストを低いままに抑えることが可能とな
る。また、自動的に電解液の測温、開閉装置の開閉等を
行なうことにより無人運転等にも適した構造とすること
ができ、より一層発電コストの低減に資することが可能
である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のレドックスフロー型２次電池を示す図
である。

【図２】温度測定手段と制御手段とを備えた本発明のレ
ドックスフロー型２次電池の概略図である。

【図３】レドックスフロー型２次電池の電池セル部分を
示す図である。（ａ）は、単一電池セルを、また（ｂ）
は、電池セルスタックを示す。

【図４】電池セルスタックを用いた、本発明のレドック
スフロー型２次電池を示す図である。

【図５】従来のレドックスフロー型２次電池を示す図で
ある。

【符号の説明】

１反応セル１ａ正極セル１ｂ負極セル２正極液循環経路の一部としての正極液タンク３負極液循環経路の一部としての負極液タンク４隔膜５正極６負極７、８正極液循環経路１０、１１負極液循環経路９、１２ポンプ１３連通管１４開閉手段（バルブ）

フロントページの続き (72)発明者隈元貴浩大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者出口洋成大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者荻野誠司大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者重松敏夫大阪市此花区島屋一丁目１番３号住友電気工業株式会社大阪製作所内 (72)発明者徳田信幸大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号関西電力株式会社内Ｆターム(参考） 5H026 AA10 5H027 AA10 KK44 MM02

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】正極を含む正極セルと、負極を含む負極セルと、前記正極セルと前記負極セルとを隔て、前記両セル内の
電荷担体としてのプロトンの通過を許容する隔膜と、正極液タンクを含む、正極液を循環供給する正極液循環
経路と、負極液タンクを含む、負極液を循環供給する負極液循環
経路と、前記正極液循環経路と前記負極液循環経路とを連通する
連通管と、前記連通管に設けられ、流路を開閉する開閉手段とを備
えたレドックスフロー型２次電池。
【請求項２】前記開閉手段の開放により混合した前記正
極液および前記負極液に自己放電の反応が生じるもので
ある請求項１に記載のレドックスフロー型２次電池。
【請求項３】正極液および負極液のいずれか一方、また
は両方の温度を測定する温度測定手段と、前記温度測定手段の信号を受取り、前記開閉手段の開閉
を判断し、その開閉を制御する制御手段とを備える請求
項１または２に記載のレドックスフロー型２次電池。
【請求項４】正極を含む正極セルと、負極を含む負極セルと、前記正極セルと前記負極セルとを隔て、前記両セル内の
電荷担体としてのプロトンの通過を許容する隔膜と、正極液タンクを含む、正極液を循環供給する正極液循環
経路と、負極液タンクを含む、負極液を循環供給する負極液循環
経路と、前記正極液循環経路と前記負極液循環経路とを連通する
連通管と、前記連通管に設けられた流路を開閉する開閉手段とを備
えたレドックスフロー型２次電池の運転方法であって、前記正極液と前記負極液とを混合させ、自己放電反応を
起こさせ、発熱させて、正極液および負極液を昇温させ
るレドックスフロー型２次電池の運転方法。