JP2020068145A

JP2020068145A - レドックスフロー電池の制御装置

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Publication number: JP2020068145A
Application number: JP2018201009A
Authority: JP
Inventors: 奏田丸; Kana Tamaru
Original assignee: Mitsubishi Motors Corp
Current assignee: Mitsubishi Motors Corp
Priority date: 2018-10-25
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-04-30

Abstract

【課題】レドックスフロー電池の制御装置に関し、ポンプの駆動にかかる電力ロスを削減する。【解決手段】レドックスフロー電池１０のセル１，２に供給される電解液の流量を制御する制御装置２０において、算出部２１及び制御部２３を設ける。算出部２１は、セル１，２に流入する電解液の活物質イオン濃度に相当する入口溶液SOC、及び、セル１，２から流出する電解液の活物質イオン濃度に相当する出口溶液SOCを取得する。制御部２３は、入口溶液SOC及び出口溶液SOCに基づき、電解液の流量を制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、レドックスフロー電池において電解液の流量を制御する制御装置に関する。

従来、電解液（活物質の溶液）を継続的にセル（流通型電解槽，フローセル）に供給することで、充放電反応を実現するレドックスフロー電池（酸化還元フロー電池）が知られている（特許文献１，２参照）。レドックスフロー電池は、保守性や拡張性に優れた二次電池であり、発電所や工場で電力貯蔵用バッテリーとして利用されている。近年では、自動車や自動二輪車などの走行用バッテリーとしての活用の途が検討されている。

特開2014-137898号公報特開2017-091799号公報

レドックスフロー電池の電解液は、ポンプによって各セルに供給される。このポンプとして電動ポンプを用いた場合、レドックスフロー電池で発電した電力の一部がポンプの駆動に消費されることになり、電力ロスが生じる。また、レドックスフロー電池を電気自動車やハイブリッド自動車の走行用バッテリーとして活用したい場合には、ポンプの駆動に伴って生じる電力ロスが、車両の電費や航続可能距離を減少させる要因となってしまう。

本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、ポンプの駆動にかかる電力ロスを削減できるようにしたレドックスフロー電池の制御装置を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。

（１）開示の制御装置は、レドックスフロー電池のセルに供給される電解液の流量を制御する制御装置である。この制御装置は、前記セルに流入する電解液の活物質イオン濃度に相当する入口溶液SOC、及び、前記セルから流出する電解液の活物質イオン濃度に相当する出口溶液SOCを算出する算出部を備える。また、前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCに基づき、前記電解液の流量を制御する制御部を備える。

（２）前記電解液に光を照射する光源と、前記光に対する前記電解液の光学的物性値を測定する測定器とを備え、前記算出部が、前記光学的物性値に基づいて前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを算出することが好ましい。
（３）前記測定器が、前記電解液の紫外線吸収率を測定し、前記算出部が、前記紫外線吸収率に対応する前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを算出することが好ましい。

（４）基準電極に対する前記電解液の電圧を計測する第二計測器と、前記電圧に基づいて前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを算出する第二算出部とを備えることが好ましい。
（５）前記制御部が、前記入口溶液SOCと前記出口溶液SOCとの差の絶対値が所定値未満である場合、または、前記入口溶液SOCに対する前記出口溶液SOCの比と１との差の絶対値が第二所定値未満である場合に、前記電解液の流量を減少させることが好ましい。

（６）前記制御部が、前記入口溶液SOCに基づいて前記出口溶液SOCの目標値である目標出口溶液SOCを設定するとともに、前記出口溶液SOCが前記目標出口溶液SOCに一致するように前記電解液の流量を制御することが好ましい。
（７）前記制御部が、放電時における前記入口溶液SOCが低いほど前記目標出口溶液SOCを0%よりも大きい範囲で前記入口溶液SOCよりも低く設定することが好ましい。

（８）前記制御部が、充電時における前記入口溶液SOCが高いほど前記目標出口溶液SOCを100%よりも小さい範囲で前記入口溶液SOCよりも高く設定することが好ましい。
（９）前記算出部が、正極セル及び負極セルの各々について前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを算出し、前記制御部が、前記正極セル及び前記負極セルの各々に対する前記電解液の流量を個別に制御することが好ましい。

入口溶液SOCと出口溶液SOCとを用いて流量を制御することで、セル内での活物質の反応速度（酸化還元反応の速度）が適正化される流量で電解液をセルに供給することができ、ポンプの駆動にかかる電力ロスを削減することができる。これにより、充放電効率を向上させることができる。

レドックスフロー電池の制御装置が適用された車両の模式図である。溶液SOCの算出手法を説明するための模式図である。光吸収率と溶液SOCとの関係を例示するグラフである。溶液SOCの算出手法を説明するための模式図である。 (A),(B)は、溶液電圧と溶液SOCとの関係を例示するグラフである。目標出口溶液SOCの設定手法を説明するためのグラフである。制御装置での制御内容を説明するためのフローチャートである。

［１．装置構成］
以下、図面を参照して実施形態としてのレドックスフロー電池１０の制御装置２０を説明する。レドックスフロー電池１０及び制御装置２０は、図１に示す車両１９に適用される。車両１９の種類は電気自動車やハイブリッド自動車など、バッテリーの電力を利用した走行が可能な車両である。また、レドックスフロー電池１０とは、活物質の溶液（電解液）を正極セル１及び負極セル２の各々に積極的に供給することで充放電反応（酸化還元反応）を継続的に生じさせるフロー電池の一種である。本実施例のレドックスフロー電池１０は、車両１９の走行用バッテリーとして使用される。

正極セル１の内部には正極４が内蔵され、負極セル２の内部には負極５が内蔵される。正極４及び負極５はともに不活性電極である。また、正極セル１と負極セル２との間は、活物質イオンを通さないセパレーター３で区画される。各極の酸化還元反応で水素イオンが生成される場合には、プロトン交換膜（イオン交換膜）がセパレーター３として使用される。

正極セル１に供給される電解液（正極電解液）は、正極タンク６に貯留され、正極ポンプ８によって送給される。同様に、負極セル２に供給される電解液（負極電解液）は、負極タンク７に貯留され、負極ポンプ９によって送給される。正極タンク６，負極タンク７の容積は正極セル１，負極セル２の数百〜数千倍以上であり、大量の電解液が各々のタンク６，７に貯留される。また、正極ポンプ８，負極ポンプ９のそれぞれが吐出する電解液の流量は可変であり、各ポンプ８，９の回転数に応じた大きさの流量が得られるようになっている。各ポンプ８，９の回転数は、制御装置２０によって制御される。

正極電解液に含まれる活物質の例としては、硫黄，バナジウム，鉄，臭素，マンガンなどが挙げられる。また、負極電解液に含まれる活物質の例としては、硫黄，バナジウム，クロム，チタンなどが挙げられる。これらの活物質は、レドックスフロー電池１０の充放電に際し、一方が還元（Reduction）されるときに他方が酸化（Oxidation）される特性を持つ。正極電解液及び負極電解液のそれぞれに含まれる活物質とその組み合わせに関するいくつかの具体例A〜Lを以下に示す。

ここで、正極４及び負極５における充放電反応式を例示する。具体例Aの充放電反応は、以下の通りに表される。左辺から右辺への反応が放電反応を示し、右辺から左辺への反応が充電反応を示す。

具体例Dの充放電反応は、以下の通りである。

また、具体例Iに関する充放電反応は、以下の通りである。

正極セル１と正極タンク６との間は、正極入口路１１及び正極出口路１２の二通路で接続される。正極入口路１１は正極セル１に流入する正極電解液の通路であり、正極出口路１２は正極セル１から流出する正極電解液の通路である。正極電解液は、正極入口路１１，正極セル１，正極出口路１２，正極タンク６の順に循環する。なお、図１では正極ポンプ８が正極入口路１１に介装されているが、正極ポンプ８の位置は不問である。例えば、正極ポンプ８を正極出口路１２に介装させてもよいし、正極タンク６に内蔵させてもよい。

同様に、負極セル２と負極タンク７との間は、負極入口路１３及び負極出口路１４の二通路で接続される。負極入口路１３は負極セル２に流入する負極電解液の通路であり、負極出口路１４は負極セル２から流出する負極電解液の通路である。負極電解液は、負極入口路１３，負極セル２，負極出口路１４，負極タンク７の順に循環する。負極ポンプ９の位置は負極入口路１３上でなくてもよい。例えば、負極ポンプ９を負極出口路１４に介装させてもよいし、負極タンク７に内蔵させてもよい。

正極入口路１１と正極セル１との接続箇所の近傍には、正極入口センサー１５が取り付けられる。正極入口センサー１５は、正極セル１に流入する正極電解液の入口溶液SOCを計測するためのセンサーである。本実施形態の正極入口センサー１５は、正極電解液の入口溶液SOCと相関を持つパラメーターを検出する。ここでいう入口溶液SOCとは、正極セル１に流入する正極電解液の活物質イオン濃度や活量（活動濃度）に相当するパラメーターであり、正極セル１の入口付近における溶液SOCを意味する。本実施形態の溶液SOCは、以下の式で定義される。

例えば、具体例Aの正極４で充電時に生成される活物質イオンは、S₄ ^2-イオン（多硫黄イオン）である。したがって、具体例Aにおける正極セル１の入口溶液SOCは、満充電時を基準としたS₄ ^2-イオン濃度の百分率として表現される。同様に、具体例Dの入口溶液SOCは、満充電時を基準としたVO₂ ⁺イオン濃度（V⁵⁺イオン濃度）の百分率として表現される。また、具体例Iの入口溶液SOCは、満充電時を基準としたFe³⁺イオン濃度の百分率として表現される。

正極出口路１２と正極セル１との接続箇所の近傍には、正極出口センサー１６が取り付けられる。正極出口センサー１６は、正極セル１から流出する正極電解液の出口溶液SOCを計測するためのセンサーである。本実施形態の正極出口センサー１６は、正極電解液の出口溶液SOCと相関を持つパラメーターを検出する。ここでいう出口溶液SOCとは、正極セル１から流出する正極電解液の活物質イオン濃度に相当するパラメーターであり、正極セル１の出口付近における溶液SOCを意味する。一般に、放電時には出口溶液SOCが入口溶液SOCよりも低下し、充電時には出口溶液SOCが入口溶液SOCよりも上昇する。

このとき、充放電反応の反応性（言い換えれば、反応速度や反応の激しさ）は、入口溶液SOCと出口溶液SOCとの差や比の大きさに反映される。したがって、入口溶液SOC及び出口溶液SOCの双方を参照することで、充放電の反応性が良好であるか否か（電解液の流量に見合った十分な速度で充放電反応が進行しているか否か、あるいは、充放電の反応性の大小を踏まえて電解液の流量が適切といえるか否か）を精度よく把握できる。

負極セル２側にも同様のセンサーが設けられる。すなわち、負極入口路１３と負極セル２との接続箇所の近傍には負極入口センサー１７が取り付けられ、負極出口路１４と負極セル２との接続箇所の近傍には負極出口センサー１８が取り付けられる。負極入口センサー１７は、負極セル２に流入する負極電解液の入口溶液SOC（負極セル２に流入する負極電解液の活物質イオン濃度に相当するパラメーター）を計測するためのセンサーである。また、負極出口センサー１８は、負極セル２から流出する負極電解液の出口溶液SOC（負極セル２から流出する負極電解液の活物質イオン濃度に相当するパラメーター）を計測するためのセンサーである。

活物質イオンの濃度を計測するための手法としては、電解液の光学的物性値に基づく手法（光学的手法）と、電解液の電気的物性値に基づく手法（電気的手法）との二通りが挙げられる。これらの手法は互いに独立して実施することが可能であり、いずれか一方のみを実施してもよいし、双方の手法を併用してもよい。また、二つの手法を併用する場合に、信頼性の高いいずれか一方の結果を用いることとしてもよいし、二つの結果から平均値や推定値を求めてもよい。

図２に示すように、光学的手法を採用する場合の装置構成には、各センサー１５〜１８に光源３１とフォトダイオード３２（測定器）とが含まれる。光源３１は、電解液に光（電磁波）を照射するものであり、フォトダイオード３２は、電解液による光の吸収率や反射率といった光学的物性値を測定する測定器である。光源３１から照射される光の波長やスペクトラムは、電解液に含まれる活物質イオンの種類に応じて適宜設定される。また、フォトダイオード３２が検出可能な光の波長範囲は、光源３１から照射される光の波長に応じて設定される。

例えば、具体例Aの正極４で充電時に生成されるS₄ ^2-イオンは、波長が320[nm]付近の紫外線を吸収する特性を持つ。そこで、波長が320[nm]付近の紫外線を光源３１から所定の強度で照射し、フォトダイオード３２に入射する紫外線の強度がどの程度低下しているのかを計測する。これにより、電解液に含まれるS₄ ^2-イオンで吸収された紫外線量や紫外線吸収率（光吸収率）を推定できる。

また、光吸収率と溶液SOCとの対応関係をあらかじめ把握しておくことで、光吸収率に対応する溶液SOCの値を算出できる。光吸収率と溶液SOCとの対応関係は、図３に示すように、光吸収率が増加するほど溶液SOCが上昇するような相関関係を数式，マップ，テーブルなどの形式で制御装置２０に記憶させておけばよい。なお、S₄ ^2-イオンの紫外線吸収特性については、B. S. Kim et al., “Journal of the Electrochemical Society”, 140 (1993), 115を参照されたい。

また、硫酸バナジウム水溶液の色は、その水溶液に含まれるバナジウムイオンの価数に応じて、幅広い波長域内で変色する（紫，青，緑，黄色などになる）ことが知られている。そこで、具体例Dの正極４において光源３１から自然光に近い波長帯の光を照射し、フォトダイオード３２で光のスペクトラムを計測する。これにより、電解液に含まれるバナジウムイオンで吸収された光の量や光吸収率を推定でき、溶液SOCの値を算出できる。

図４に示すように、電気的手法を採用する場合の装置構成には、各センサー１５〜１８に流路部３３，基準極部３４，分離膜３５，流路電極３６，基準電極３７，電圧センサー３８が含まれる。流路部３３は、電解液が導入されて通過する部屋である。流路部３３の内部には流路電極３６が配置される。一方、基準極部３４は、電位の基準点を与える基準電極３７（例えば、標準水素電極）が内蔵される部屋である。流路部３３及び基準極部３４は分離膜３５で区画される。

電圧センサー３８は、流路電極３６と基準電極３７との間の電圧（溶液電圧）を計測するセンサー（第二計測器）である。ここで計測される正極溶液電圧は、以下に示すネルンストの式に従い、活物質イオンの溶液SOC（活物質イオンの活量）に応じた値となる。この式中のVは溶液電圧、V₀は溶液SOCが50[%]のときの溶液電圧、Rは気体定数、Fはファラデー定数、Tは絶対温度である。なお、負極溶液電圧は、数6に示すように、右辺第2項が異なる。

したがって、溶液電圧と溶液SOCとの対応関係をあらかじめ把握しておくことで、溶液電圧に対応する溶液SOCの値を算出できる。溶液電圧と溶液SOCとの対応関係は、図５(A),(B)に示すようなマップ，テーブル，数式などの形式で制御装置２０に記憶させておけばよい。なお、図５(A)は正極セル１での推定時に用いられる対応関係を表している。ここでは、溶液電圧が所定電圧（正の値）よりも高い範囲において、溶液電圧が上昇するほど溶液SOCが上昇する特性が定められる。反対に、図５(B)は負極セル２での推定時に用いられる対応関係を表している。ここでは、溶液電圧が第二所定電圧（負の値）よりも低い範囲において、溶液電圧が低下するほど溶液SOCが上昇する特性が定められる。所定電圧や第二所定電圧の値は、電解液に含まれる活物質の種類に応じた値である。

上記の正極入口センサー１５，正極出口センサー１６，負極入口センサー１７，負極出口センサー１８で計測された溶液SOCの情報は、制御装置２０に随時伝達される。制御装置２０は、正極ポンプ８，負極ポンプの各回転数を制御することで、正極セル１，負極セル２のそれぞれに流入する電解液の流量（単位時間あたりの供給量）を適正化するためのコンピューターである。この制御装置２０には、プロセッサー（中央処理装置），メモリ（メインメモリ），記憶装置（ストレージ），インタフェース装置などが内蔵され、これらが内部バスを介して互いに接続されている。

プロセッサは、制御ユニット（制御回路）や演算ユニット（演算回路），キャッシュメモリ（レジスタ群）などを内蔵する中央処理装置である。また、メモリは、プログラムや作業中のデータが格納される記憶装置であり、例えばROM（Read Only Memory），RAM（Random Access Memory）がこれに含まれる。補助記憶装置は、メモリよりも長期的に保持されるデータやファームウェアが格納されるメモリ装置であり、例えばフラッシュメモリやEEPROMなどの不揮発性メモリがこれに含まれる。

また、インタフェース装置は、制御装置２０と外部との間の入出力（Input and Output；I/O）を司るものである。制御装置２０は、インタフェース装置を介して、記録媒体ドライブ（光ディスクドライブ），記憶装置（SSD），表示装置（ディスプレイ），入力装置（タッチパネル），通信装置などに接続される。なお、制御装置２０には公知のハードウェア構成を適用することが可能である。例えば、制御装置２０の機能をバッテリーECU，モーターECU，EV-ECU（電気自動車ECU），PHEV-ECU（ハイブリッド自動車ECU）といった公知のECU（Electronic Control Unit）に実行させてもよい。

［２．制御］
図１に示すように、制御装置２０には算出部２１，第二算出部２２，制御部２３が設けられる。これらの要素は、制御装置２０での制御内容を便器的に分類して示したものであり、個々の要素を独立したプログラムとして記述してもよいし、二つの機能を兼ね備えた複合プログラムとして記述してもよい。なお、算出部２１及び第二算出部２２は、各センサー１５〜１８の二通りの計測手法に対応するために設けられたものであり、いずれか一方を省略することが可能である。

算出部２１は、上記の正極入口センサー１５，正極出口センサー１６，負極入口センサー１７，負極出口センサー１８で計測された情報に基づいて、入口溶液SOCと出口溶液SOCとを算出する機能を持つ。ここでは、正極セル１及び負極セル２のそれぞれについて、入口溶液SOCと出口溶液SOCとが個別に算出される。また、算出部２１には、各センサー１５〜１８で計測される光学的物性値（例えば光吸収率）と溶液SOCとの対応関係が記録，設定されているものとする。例えば、図３に示すような対応関係があらかじめ保存される。この対応関係は、正極セル１と負極セル２とのそれぞれについて、個別に用意される。

第二算出部２２は、算出部２１と同様に、各センサー１５〜１８で計測された溶液SOCの情報に基づいて、入口溶液SOCと出口溶液SOCとを算出する機能を持つ。ここでも、正極セル１及び負極セル２のそれぞれについて、入口溶液SOCと出口溶液SOCとが個別に算出される。算出部２１が光学的物性値に基づく溶液SOCの推定を実施するのに対し、第二算出部２２は、電気的物性値に基づく溶液SOCの推定を実施する。つまり、第二算出部２２には、各センサー１５〜１８で計測される電気的物性値（例えば電圧）と溶液SOCとの対応関係が記録，設定されている。例えば、図５(A),(B)に示すような対応関係があらかじめ保存される。

制御部２３は、正極ポンプ８，負極ポンプ９の回転数を調節することで、正極電解液，負極電解液の流量を制御する機能を持つ。正極ポンプ８の作動状態は、正極電解液の入口溶液SOC及び出口溶液SOCに基づいて制御される。一方、負極ポンプ９の作動状態は、負極電解液の入口溶液SOC及び出口溶液SOCに基づいて制御される。このように、正極セル１の流量制御と負極セル２の流量制御とは、互いに独立している。

本実施形態の制御部２３は、以下に示す四つの機能を持つ。
機能１. 入口溶液SOCと出口溶液SOCとの差A(または比B)を算出する
機能２. 差Aの絶対値が小さい(比Bが１に近い)場合、電解液の流量を減少させる
機能３. 差Aの絶対値が大きい(比Bが１から遠い)場合、目標出口溶液SOCを設定する
機能４. 出口溶液SOCが目標出口溶液SOCになるようにフィードバック制御する

機能１に関して、制御部２３は入口溶液SOCと出口溶液SOCとの差A、または、入口溶液SOCに対する出口溶液SOCの比Bを算出する。差Aは出口溶液SOCから入口溶液SOCを減じることで算出され、比Bは出口溶液SOCを入口溶液SOCで除することで算出される。充電時において、差Aは正の値となり、比Bは１よりも大きな値となる。また、充電反応性が高いほど、差Aの絶対値が大きくなり、比Bが１から遠くなる（すなわち、比Bと１との差の絶対値が大きくなる）。一方、放電時において、差Aは負の値となり、比Bは正の範囲内で１よりも小さな値となる。また、放電反応性が高いほど、差Aの絶対値が大きくなり、比Bが１から遠くなる（すなわち、比Bと１との差の絶対値が大きくなる）。

機能２に関して、制御部２３は各セル１，２内での充放電の反応性が低い場合に、電解液の流量を減少させることでしっかりと充放電反応をさせる制御を実施する。すなわち、差Aの絶対値が所定値A₀未満である場合か、比Bが１に近い値である場合（比Bと１との差の絶対値が第二所定値B₀未満である場合）に、正極ポンプ８，負極ポンプ９の回転数を低下させて、電解液の流量を減少させる。これにより、正極４，負極５の近傍に電解質イオンが長時間とどまりやすくなり、充放電の反応性が改善される。

機能３，４に関して、制御部２３は各セル１，２内での充放電の反応性が高い場合に、電解液の流量を最適化するためのフィードバック制御を実施する。すなわち、入口溶液SOCに基づいて出口溶液SOCの目標値である目標出口溶液SOCを設定するとともに、出口溶液SOCが目標出口溶液SOCに一致するように電解液の流量を制御する。目標出口溶液SOCは、充放電状態と入口溶液SOCとに応じて設定される。

本実施形態における入口溶液SOCと目標出口溶液SOCとの関係を、図６に例示する。まず、充電時の目標出口溶液SOCは、入口溶液SOCよりも高い値に（図６中の破線よりも上の範囲内で）設定される。一方、放電時の目標出口溶液SOCは、入口溶液SOCよりも低い値に（図６中の破線よりも下の範囲内で）設定される。いずれの場合においても、入口溶液SOCが高いほど目標出口溶液SOCが高く設定され、入口溶液SOCが低いほど目標出口溶液SOCが低く設定される。このように、出口溶液SOCの最適値は入口溶液SOCに応じて変化する。

また、目標出口溶液SOCは、図６に示す下限値X₁から上限値X₂までの範囲内で設定される。下限値X₁は0[%]よりも大きい値とし、上限値X₂は100[%]よりも小さい値とする。これは、下限値X₁を0[%]に設定してしまうと、放電時の電解液の流量が過剰なのか適切なのかを判断できなくなるからである。同様に、上限値X₂を100[%]に設定してしまうと、充電時の電解液の流量が過小なのか適切なのかを判断できなくなる。したがって、放電時における目標出口溶液SOCは、0[%]よりも大きい範囲で入口溶液SOCが低いほど低く設定する。また、充電時における目標出口溶液SOCは、100[%]よりも小さい範囲で入口溶液SOCが高いほど高く設定する。

［３．フローチャート］
図７は、制御装置２０による制御の流れを説明するためのフローチャートである。ここでは、各センサー１５〜１８が光学的手法を用いて活物質イオンの濃度を計測する場合の制御例を示している。すなわち、各センサー１５〜１８のフォトダイオード３２が電解液の光吸収度を測定し（ステップＡ１）、その測定情報を制御装置２０の算出部２１に伝達する。これを受けて算出部２１は、入口溶液SOCと出口溶液SOCとを算出する（ステップＡ２）。

正極セル１の入口溶液SOCは、正極入口センサー１５で測定された光吸収率に基づいて算出され、出口溶液SOCは、正極出口センサー１６で測定された光吸収率に基づいて算出される。また、負極セル２の入口溶液SOCは負極入口センサー１７で測定された光吸収率に基づいて算出され、負極セル２の出口溶液SOCは、負極出口センサー１８で測定された光吸収率に基づいて算出される。

制御部２３は、正極セル１及び負極セル２のそれぞれについて、入口溶液SOCと出口溶液SOCとの差Aを算出し（ステップＡ３）、その絶対値|A|が所定値A₀未満であるか否かを判定する（ステップＡ４）。ここで、|A|<A₀である場合には充放電の反応性が低いものと判断し、電解液の流量を減少させる（ステップＡ５）。このとき、|A|<A₀であるセルが正極セル１ならば正極ポンプ８の回転数を低下させ、負極セル２ならば負極ポンプ９の回転数を低下させる。これにより、正極４，負極５の近傍に活物質イオンが長時間とどまりやすくなり、充放電の反応性が改善される。なお、正極ポンプ８の回転数，負極ポンプ９の回転数は個別に制御されうるものであって、必ずしも一致させる必要はない。

ステップＡ４の条件が不成立の場合にはステップＡ６に進み、放電中であるか否かを判定する。ここで放電中であれば、制御部２３が入口溶液SOCに基づいて放電時の目標出口溶液SOCを設定する（ステップＡ７）。また、出口溶液SOCと目標出口溶液SOCとの大小関係を比較し（ステップＡ８）、出口溶液SOCが目標出口溶液SOCよりも低い場合には、過剰に放電されていると判断して電解液の流量を増加させる（ステップＡ９）。反対に、出口溶液SOCが目標出口溶液SOC以上の場合には、放電が過小であると判断して電解液の流量を減少させる（ステップＡ１０）。このような制御により、放電時における正極ポンプ８，負極ポンプ９のそれぞれの回転数が適正化され、電力ロスが削減されるとともに放電効率が最適化される。

ステップＡ６で充電中ならば、制御部２３が入口溶液SOCに基づいて充電時の目標出口溶液SOCを設定する（ステップＡ１１）。また、出口溶液SOCと目標出口溶液SOCとの大小関係を比較し（ステップＡ１２）、出口溶液SOCが目標出口溶液SOCを超える場合には、過剰に充電されていると判断して電解液の流量を増加させる（ステップＡ１３）。反対に、出口溶液SOCが目標出口溶液SOC以下の場合には、充電が過小であると判断して電解液の流量を減少させる（ステップＡ１４）。このような制御により、充電時における正極ポンプ８，負極ポンプ９のそれぞれの回転数が適正化され、電力ロスが削減されるとともに充電効率が最適化される。

［４．作用・効果］
（１）上記のレドックスフロー電池１０の制御装置２０では、算出部２１で各セル１，２の入口溶液SOCと出口溶液SOCとが算出される。また、制御部２３では、入口溶液SOCと出口溶液SOCとに基づいて電解液の流量が制御される。このような制御を実施することで、活物質の反応速度（酸化還元反応の速度）が適正化される流量になるように、電解液の供給量を調節することができ、ポンプ８，９の駆動にかかる電力ロスを削減することができる。これにより、レドックスフロー電池１０の充放電効率を向上させることができる。

（２）図２に示すように、電解液に光源３１の光を照射することで光学的物性値を測定することで、入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを精度よく求めることができ、活物質の反応速度の制御精度を向上させることができる。これにより、電力ロスの削減効率を高めることができ、レドックスフロー電池１０の充放電効率をさらに高めることができる。

（３）また、光源３１から紫外線を照射して、電解液の紫外線吸収率を測定することで、S₄ ^2-イオンの存在量（多硫黄イオン濃度，S₄ ^2-イオン濃度）を精度よく求めることができる。つまり、活物質としての硫黄を含むレドックスフロー電池１０において、入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを精度よく求めることができる。したがって、電力ロスの削減効率を高めることができ、充放電効率をさらに高めることができる。

（４）図４に示すように、基準電極に対する電解液の電圧を計測することで、入口溶液SOC及び出口溶液SOCを容易に求めることができる。活物質イオンの濃度推定に際し、光吸収率の測定ができない場合であっても、入口溶液SOCと出口溶液SOCとを求めることができる。したがって、電力ロスの削減効率を高めることができ、充放電効率をさらに高めることができる。

（５）上記の制御装置２０では、入口溶液SOCと出口溶液SOCとの差Aの絶対値が所定値A₀未満であるか、入口溶液SOCに対する出口溶液SOCの比Bと１との差の絶対値（すなわち|B-1|）が第二所定値B₀未満である場合に、電解液の流量を減少させている。このような制御により、正極４，負極５の近傍に活物質イオンを長時間にわたってとどまらせることができ、充放電の反応性を改善させてしっかりと充放電反応を行わせることができる。

（６）また、入口溶液SOCに基づいて目標出口溶液SOCを設定し、出口溶液SOCが目標出口溶液SOCになるようにフィードバック制御することで、正極４や負極５での活物質の反応速度を常に適正化することができる。例えば、入口溶液SOCが変動したとしても、均一な充放電効率を維持することができる。また、フィードバック制御によって電解液の流量が最適化されることから、電力ロスの削減を適切に継続させることができる。

（７）図６に示すように、放電時における目標出口溶液SOCは、入口溶液SOCが低いほど低く、0[％]よりも大きい範囲（0[％]を含まない範囲）で入口溶液SOCよりも低く設定される。これにより、放電時の電解液の流量が過剰なのか適切なのかを判断することが可能となる。したがって、電力ロスの削減効率を高めることができ、放電効率を向上させることができる。

（８）同様に、充電時における目標出口溶液SOCは、入口溶液SOCが高いほど高く、100[％]よりも小さい範囲（100[％]を含まない範囲）で入口溶液SOCよりも高く設定される。これにより、充電時の電解液の流量が過小なのか適切なのかを判断することが可能となる。したがって、電力ロスの削減効率を高めることができ、充電効率を向上させることができる。

（９）上記の制御装置２０では、正極セル１及び負極セル２の各々について、入口溶液SOCと出口溶液SOCとが算出される。正極電解液の流量は、正極電解液の入口溶液SOC及び出口溶液SOCに基づいて制御される。一方、負極電解液の流量は、負極電解液の入口溶液SOC及び出口溶液SOCに基づいて制御される。このように、正極セル１側の制御と負極セル２側の制御とを独立させることで、充放電反応の種類や反応速度が相違する場合であっても、適切に両極の電解液流量を適正化することができる。したがって、レドックスフロー電池１０の全体的な（トータルの）電力ロスを削減することができ、充放電効率を向上させることができる。

［５．変形例］
上記の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、本実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。

上述の実施形態では、各ポンプ８，９の回転数を調節することで正極電解液，負極電解液の流量を適正化しているが、制御対象となる装置は正極ポンプ８や負極ポンプ９に限定されない。例えば、正極入口路１１や正極出口路１２に流量制御弁を介装させ、そのバルブ開度を調節することで流量を増減させてもよい。少なくとも、電解液の流量を増減させるように機能する装置は、制御装置２０の制御対象となりうる。

１正極セル
２負極セル
３セパレーター
４正極
５負極
６正極タンク
７負極タンク
８正極ポンプ
９負極ポンプ
１０レドックスフロー電池
１１正極入口路
１２正極出口路
１３負極入口路
１４負極出口路
１５正極入口センサー
１６正極出口センサー
１７負極入口センサー
１８負極出口センサー
１９車両
２０制御装置
２１算出部
２２第二算出部
２３制御部
３１光源
３２フォトダイオード（測定器）
３３流路部
３４基準極部
３５分離膜
３６流路電極
３７基準電極
３８電圧センサー（第二計測器）

Claims

レドックスフロー電池のセルに供給される電解液の流量を制御する制御装置であって、
前記セルに流入する電解液の活物質イオン濃度に相当する入口溶液SOC、及び、前記セルから流出する電解液の活物質イオン濃度に相当する出口溶液SOCを算出する算出部と、
前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCに基づき、前記電解液の流量を制御する制御部と
を備えることを特徴とする、レドックスフロー電池の制御装置。
前記電解液に光を照射する光源と、
前記光に対する前記電解液の光学的物性値を測定する測定器とを備え、
前記算出部が、前記光学的物性値に基づいて前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを算出する
ことを特徴とする、請求項１記載のレドックスフロー電池の制御装置。
前記測定器が、前記電解液の紫外線吸収率を測定し、
前記算出部が、前記紫外線吸収率に対応する前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを算出する
ことを特徴とする、請求項２記載のレドックスフロー電池の制御装置。
基準電極に対する前記電解液の電圧を計測する第二計測器と、
前記電圧に基づいて前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを算出する第二算出部とを備える
ことを特徴とする、請求項１記載のレドックスフロー電池の制御装置。
前記制御部が、前記入口溶液SOCと前記出口溶液SOCとの差の絶対値が所定値未満である場合、または、前記入口溶液SOCに対する前記出口溶液SOCの比と１との差の絶対値が第二所定値未満である場合に、前記電解液の流量を減少させる
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池の制御装置。
前記制御部が、前記入口溶液SOCに基づいて前記出口溶液SOCの目標値である目標出口溶液SOCを設定するとともに、前記出口溶液SOCが前記目標出口溶液SOCに一致するように前記電解液の流量を制御する
ことを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池の制御装置。
前記制御部が、放電時における前記入口溶液SOCが低いほど前記目標出口溶液SOCを0%よりも大きい範囲で前記入口溶液SOCよりも低く設定する
ことを特徴とする、請求項６記載のレドックスフロー電池の制御装置。
前記制御部が、充電時における前記入口溶液SOCが高いほど前記目標出口溶液SOCを100%よりも小さい範囲で前記入口溶液SOCよりも高く設定する
ことを特徴とする、請求項６または７記載のレドックスフロー電池の制御装置。
前記算出部が、正極セル及び負極セルの各々について前記入口溶液SOC及び前記出口溶液SOCを算出し、
前記制御部が、前記正極セル及び前記負極セルの各々に対する前記電解液の流量を個別に制御する
ことを特徴とする、請求項１〜８のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池の制御装置。