JP2003317788A - レドックスフロー電池の運転方法及びレドックスフロー電池セルスタック - Google Patents

レドックスフロー電池の運転方法及びレドックスフロー電池セルスタック

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JP2003317788A JP2002120165A JP2002120165A JP2003317788A JP 2003317788 A JP2003317788 A JP 2003317788A JP 2002120165 A JP2002120165 A JP 2002120165A JP 2002120165 A JP2002120165 A JP 2002120165A JP 2003317788 A JP2003317788 A JP 2003317788A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 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。 【解決手段】 複数のセルからなるセルスタック1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1内の一部のセ
ルで常時は直流/交流変換機225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2とする。そして、
この補助セル2から得られる回路電圧によって主セル3の
充電の停止や放電の停止を制御する。セルスタック1内
に補助セル2を一体に具えることで、主セル3の通電を停
止することなく確実に充電状態を把握することができる
と共に、測定した回路電圧により主セル3の充電や放電
の停止を制御することで、出力容量が安定する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、レドックスフロー
電池の運転方法及びセルスタック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、及びこの運転方法に最適なレドックスフロー電池の
セルスタック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、10
7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2
01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、及びこの
運転方法に最適なセルスタック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。そして、この補助セルから得られる回路電圧に
応じて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、本
発明セルスタックは、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2
5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】
【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、説明したように本発明レドックス
フロー電池セルスタックによれば、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 22
4 導電性板 225 直流/交流変換機
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (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 RR01

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【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、 前記補助セルから得られる回路電圧に基づいて電池の充
    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。
  2. 【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。
  3. 【請求項３】 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、 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と、 前記主セルと電解液を共通するように接続された電解液
    充電率測定用のセルで常時は直流/交流変換機に接続さ
    れない補助セルとを一体に具えることを特徴とするレド
    ックスフロー電池セルスタック。
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