JP2005142056A - レドックスフロー電池システム - Google Patents

Abstract

【課題】 簡単小型化された装置により精度良く電解液の温度を制御することができる、エネルギー効率に優れたレドックスフロー電池システムを提供する。
【解決手段】 電極を含む電池セルに電解液を流通循環させて酸化還元反応により充放電を行なうレドックスフロー電池１と、その電解液が流通循環する経路３内に組み込まれ、該電解液と熱交換する熱媒体が流通される熱交換器８と、上記熱交換器に導入される熱媒体の供給源に、その排熱ガスが用いられる熱機関２１とを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レドックスフロー電池システムに関し、より具体的には電解液の温度調整に未利用のエネルギー源を組み入れたレドックスフロー電池システムに関するものである。

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し、需要の変動に対応することが可能となる。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でき、かつエネルギーの節約にも大きく寄与することができる。

そこで、従来より種々の電力貯蔵法が提案されてきた。既に実施されているものとして、たとえば、揚水発電がある。しかし、揚水発電は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、送変電損失を伴い、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てきた。その１つとして、レドックスフロー電池が有力候補に挙げられるに至っている。

図２は、レドックスフロー電池の一例の概略構成図を示す。このレドックスフロー電池の単一電池セルは、たとえばイオン交換膜からなる隔膜１２１により仕切られており、一方が正極セル１２４、他方が負極セル１２５を構成する。正極セル１２４および負極セル１２５内には、それぞれ電極として正極１２２および負極１２３が配置されている。図２に示したレドックスフロー電池では、たとえば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および負極液ポンプにより電池セルに送液し、酸化還元反応により充放電を行なう。

放電時には、正極では、Ｖ⁵⁺ + ｅ^-→Ｖ⁴⁺ の反応が進行し、また負極では、Ｖ²⁺→Ｖ³⁺+ e^- の反応が進行する。充電時には、正極および負極で、上記と逆向きに反応が進行する。

実際には、単一電池セルが数十枚電気的に直列接続となるように積層され、数十ボルトの出力電圧を有する電池セルスタックとして使用される。すなわち、正極液および負極液を電池セルスタックに送液循環することにより充放電を行なう。

しかしながら、レドックスフロー電池の電極反応では、充放電時に主に電池セルスタックでの電力損失があるため電解液の温度上昇を生じ、電解液温度が所定温度以上になった場合には電解液の析出等、レドックスフロー電池システムの性能に支障をきたすおそれがある。

また、寒冷地での冬季には大気温度は、レドックスフロー電池の電解液の化学反応に適した温度を大きく下回り、やはり運転に支障をきたす。このため、電解液の温度調整装置が必要となり、たとえば気候が温暖な地域では電解液の冷却装置が必要となる。この結果、電解液の冷却装置の運転にエネルギーを消費し、省エネルギーを売り物にするレドックスフロー電池のエネルギー効率を低下させる。

上記のエネルギー効率の低下を回避するために、エンジンの排熱を利用してバッテリーの温度制御を行なうことが提案されている（特許文献１）。
特開２００１−３７００９号公報

しかしながら、上記に開示された温度制御システムは、エンジンの排熱をバッテリーの温度制御に用いるが、クーラント等の熱媒体の液体を介在させてバッテリー全体の温度制御を行なうものである。このため、設備が嵩張るだけでなく精度良く温度制御できないという課題を有する。

本発明は、簡単小型化された装置により精度良く電解液の温度を制御することができる、エネルギー効率に優れたレドックスフロー電池システムを提供することを目的とする。

本発明のレドックスフロー電池システムは、電極を含む電池セルに電解液を流通循環させて酸化還元反応により充放電を行なうレドックスフロー電池と、電解液が流通循環する経路内に組み込まれ、該電解液と熱交換する熱媒体が導入される熱交換器と、熱交換器に導入される熱媒体に、その排熱ガスが用いられる熱機関とを備える。

この構成により、ディーゼルエンジンなどの熱機関の排熱を、直接、レドックスフロー電池の電解液の温度制御に用いることにより、設備を簡単小型化し、より高精度な温度制御を行なった上で、エネルギー効率低下を避けることができる。

次に図面を用いて本発明の実施の形態について説明する。図１は本発明の実施の形態におけるレドックスフロー電池システム５０を示す図である。図１において、レドックスフロー電池１は、正電極および負電極が積層されたセルスタック５、熱交換器８および電解液タンク９を含む電解液流通循環路３を流通循環し、そのセルスタック５を通過する際、上述の電池反応を行なって充放電に与る。電解液は、ポンプ７に駆動されて、電解液流通循環路３を流通循環される。ここでは、一つの電解液タンクおよび電解液流通循環路しか示していないが、実際には正極電解液用と負極電解液用の２つのタンクと流通循環路が存在する。

セルスタック５は、交流／直流変換器１２を介して、負荷３１および商用電力系統３３に電気的に接続されている。セルスタック５において、放電がなされるときは負荷３１に電力が送られ、充電されるときは商用電力系統３３から電力の供給を受ける。

上記の充放電に際し、損失が発生するため電解液の温度が上昇し、所定温度以上になると電解液から析出が生じるなど運転に支障をきたす。また、寒冷地の冬季には電解液温度が大幅に低下して、やはり電解液の効率的な作動に支障をきたす。電解液の上記所定範囲を逸脱する変動を防止するため、本発明の本実施の形態では、ディーゼルエンジンやコージェネシステム等の熱機関２１の排熱を、上記の熱交換器８に流通させる。上記の熱機関は、高温と冷温とを問わずその排熱が熱交換器に供給されて電解液の温度調整に利用できるものであれば何でもよい。排熱は、電解液に対して高温でも低温でもよい。電解液が高温になるおそれがある場合は低温の排熱ガスを用い、低温になるおそれがある場合は高温の排熱ガスを用いる。高温の排熱ガスと低温の排熱ガスとを混合して用いてもよい。また、熱機関から直接排出される排熱の温度が高温過ぎる場合には、何段階か別の熱交換器を通して電解液の温度調整をする熱交換器に熱媒体（排熱ガス）を供給してもよい。その場合、別の熱交換器と電解液の温度調整をする熱交換器との間を、上記熱媒体が流通循環してもよい。すなわち、熱機関から排出される排熱が最終的に電解液の温度調整をする熱交換器に用いられれば、途中の経路は問わない。

排熱の利用を自動化するため、電解液流通循環路の電解液タンク９内の電解液の温度を検知する温度検知装置１１を配置する。この温度検知装置１１は、電解液タンク９内の電解液の温度に限定されず、電解液流通循環路３のいずれの位置の電解液温度を検知してもよい。

熱交換器８には、熱機関の排熱が導入される排熱供給路１７が連結されている。排熱供給路１７には、ディーゼルエンジンなどの発電機２３の燃焼室から排出される排熱ガスを流通させるディーゼルエンジン排熱路１９ａが電磁バルブ１５ａを介して連結されている。その他、排熱ガスの供給としては、吸着式冷凍機等の排熱利用機器２５から排出される冷風を流通させる冷風路１９ｂが、やはり電磁バルブ１５ｂを介在させて排熱供給路１７に連結されている。また、吸着式冷凍機等の排熱利用機器２５から排出される排熱を流通させる排熱路１９ｃが、やはり電磁バルブ１５ｃを介在させて排熱供給路１７に連結されている。

電磁バルブ１５ａ，１５ｂ，１５ｃは、温度検知装置１１によって検知された温度信号を受信する温度制御装置１３によって、そのバルブの開閉が制御される。すなわち、温度検知装置によって検知される電解液温度が許容範囲より高い場合、温度制御装置は少なくとも冷風路１９ｂと排熱供給路１７との間の電磁バルブ１５ｂを開く。冷風の温度が過度に低い場合には、他の排熱ガスと混合して適度な温度にするため、他の電磁バルブ１５ａ，１５ｃを開けてもよい。上記のように熱交換器に流通された排熱ガスや冷風は、熱交換した後、循環再利用されることなく、そのまま排気される。

上記のレドックスフロー電池システム５０によれば、排熱ガスや排気される冷風を用いるために、エネルギー効率を低下させることがない。また、電解液が流通循環する経路に組み込まれた熱交換器に上記排熱ガスまたは冷風が流通されるので、装置が簡単で小型化され、さらに直接的に電解液の温度制御を行なうので、高精度で即応性に富んだ電解液温度制御が可能となる。

上記の本発明の実施の形態と重複するものを含むが、本発明の実施の形態の他の例を羅列的に説明する。

上記の排熱を生成する熱機関としては、ディーゼルエンジンおよびコージェネシステム中の熱機関、のうちの少なくとも一方を用いることができる。コージェネシステム中の熱機関は１つだけでなく２つ以上ともに用いてもよい。また、電解液の昇温のためだけでなく冷却のために冷熱媒体を用いてもよい。

この構成により、とくにディーゼルエンジンの発電機や、コージェネシステム等が設けられている箇所に、上記本発明のレドックスフロー電池システムを好都合で配置することが可能になる。

また、上記の熱機関から熱交換器へと排熱ガスを導入する熱媒体供給路に設けられ、排熱ガスの流通を開閉する電磁バルブと、電解液が流通循環する経路に配置されて電解液の温度を検知する温度検知装置の温度信号を受け、電磁バルブの開閉を制御することにより電解液の温度制御を行なう温度制御装置とを備えてもよい。

この構成により、簡単な自動化機構により本発明のレドックスフロー電池システムを構成することが可能となる。

上記において、本発明の実施の形態について説明を行ったが、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ものである。

本発明のレドックスフロー電池システムを用いることにより、簡単、小型化した設備により、電解液の温度制御を高精度で行なう、エネルギー効率に優れたレドックスフロー電池システムを得ることができるので、今後、大規模発電所による発電を補う補助設備として広範に利用されることが期待される。

本発明の実施の形態におけるレドックスフロー電池システムを示す図である。 レドックスフロー電池の模式図である。

符号の説明

１ レドックスフロー電池、３ 電解液流通循環路、５ セルスタック、７ ポンプ、８ 熱交換器、９ 電解液タンク、１１ 温度検知装置、１２ 交流／直流変換器、１３ 温度制御装置、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ 電磁バルブ、１７ 排熱供給路、１９ａ，１９ｃ 排熱ガス路、１９ｂ 排熱ガス路（冷風路）、２１ 熱機関、２３ 発電機（ディーゼルエンジン）、２５ 吸着式冷凍機等の排熱利用機器、３１ 負荷、３３ 商用電力系統、５０ レドックスフロー電池システム。

Claims (3)

1. 電極を含む電池セルに電解液を流通循環させて酸化還元反応により充放電を行なうレドックスフロー電池と、
   前記電解液が流通循環する経路内に組み込まれ、該電解液と熱交換する熱媒体が導入される熱交換器と、
   前記熱交換器に導入される熱媒体に、その排熱ガスが用いられる熱機関とを備える、レドックスフロー電池システム。
2. 前記熱機関が、ディーゼルエンジンおよびコージェネシステム中の熱機関、のうちの少なくとも一方である、請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
3. 前記熱機関から前記熱交換器へと前記排熱ガスを導入する熱媒体供給路に設けられ、前記排熱ガスの流通を開閉する電磁バルブと、前記電解液が流通循環する経路に配置されて電解液の温度を検知する温度検知装置の温度信号を受け、前記電磁バルブの開閉を制御することにより前記電解液の温度制御を行なう温度制御装置とを備える、請求項１または２に記載のレドックスフロー電池システム。

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