JP3507818B2 - レドックスフロー電池の運転方法 - Google Patents
レドックスフロー電池の運転方法Info
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Description
電池の運用方法に関するものである。特に、運転待機時
に自己放電などにより生じるエネルギー損失や電解液の
劣化を抑制することができるレドックスフロー電池の運
転方法に関するものである。
を示す説明図である。この電池は、イオンが通過できる
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、正極用電解液を供給及び排出する正極用
タンク101が導管106、107を介して接続されている。同
様に負極セル100Bには、負極用電解液を供給及び排出す
る負極用タンク102が導管109、110を介して接続されて
いる。各電解液は、バナジウムイオンなどの価数が変化
するイオンの水溶液を用い、ポンプ108、111で循環さ
せ、正極電極104及び負極電極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。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。
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。
レーム枠212と、その内側に固定されるプラスチックカ
ーボン製の双極板211とを具える。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、10
7、109、110へとつながっている。
フロー電池システムは、図5(A)に示すように、電解液
タンク101(102)の液面よりも上にセルスタック200を
設置し、運転時、ポンプ108(111)を動作してタンク内
の電解液をセルスタック内に供給して循環させている。
そして、運転待機時、図5(B)に示すように、ポンプ10
8(111)を停止し、セルスタック内の電解液はタンク10
1(102)に落ちる構造としている。
ル内の電解液がタンク内に落ちるにはかなりの時間がか
かる。これは、電極の親水性が高く、電解液の粘度も高
いためである。その結果、電解液の循環停止中、充電状
態の電解液がセル内に残っていると、シャント電流や隔
膜を介した自己放電等によりエネルギー損失を生じる。
さらに、シャント電流や自己放電により発生する熱がセ
ル内にこもり、セルや電解液の劣化の原因にもなる。
自己放電などにより生じるエネルギー損失や電解液の劣
化を抑制することができる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。
セル内に停留する電解液のみを用いて放電させておくこ
とで上記の目的を達成する。
運転方法は、運転時、電解液を貯留するタンクよりセル
スタック内のセルに電解液を供給して充放電を行い、運
転待機時、電解液の流通を止めた状態でセル内の電解液
のみでインバータより放電させておくことを特徴とす
る。
の持つエネルギーは、セル内での自己放電によって消費
され、その熱によりセル及び電解液の劣化が生じるおそ
れがあった。本発明ではインバータにより放電を行なう
ことにより、この残存エネルギーをレドックスフロー電
池につながる電気系統に返す等して効率的に使用でき
る。また、セル内の電解液のみを用いて放電を行うこと
で、セル内に停留する電解液を放電液とし、シャント電
流や隔膜を介した自己放電を防止して、それに伴う発生
熱が要因となるセルや電解液の劣化も抑制する。
面よりも下に設置することが好ましい。タンク内の電解
液面より下にセルスタックを設置した場合、充電後の待
機時、電解液を循環し続けるとか、リザーバタンクを設
けてセル内の電解液を待避させる等、エネルギー損失や
設備の増設等を伴うシステム構成が必要となる。本発明
では、このような問題を生じることなくシステムを運行
させることができる。また、セルスタックをタンクの電
解液液面よりも上に設置しなければ電解液循環の実揚程
が小さくなるため、ポンプ循環による電力損失も低減で
きる。
の混合を止めてインバータより放電を行うことが好まし
い。待機時、タンク内の充電液とセル内の放電液が接触
しているため、その箇所を中心に自己放電が生じ、エネ
ルギー損失要素の一つとなる。しかし、両電解液の混合
を防止することで、このエネルギー損失を防止できる。
タンク内の充電液とセル内の放電液との混合を防止する
には、タンクとセルスタックとをつなぐ配管の途中に開
閉バルブを設けることが好適である。
ンク内の電解液と同じ充電深度にセル内の電解液を充電
してから、電解液を循環させることが望ましい。充電し
て待機後、従来通り電解液を循環して放電をはじめる
と、セル内の放電液とタンク内の充電液がセル内で混合
して自己放電を生じ、セル内で熱が発生してセルや電解
液の劣化の可能性があり、若干のエネルギー損失も伴
う。放電後、運転を再開する際にセル内に停留した放電
液の充電深度をタンク内の電解液の充電深度と合わせる
ことで、発熱に伴うセルや電解液の劣化やエネルギー損
失を抑制することができる。なお、充電深度が高いと
は、バナジウム系電解液の場合、正極では「(5価のVイ
オン濃度)/(4価+5価のVイオン濃度)」の比率が大き
く、負極では「(2価のVイオン濃度)/(2価+3価のVイ
オン濃度)」の比率が大きい状態を言う。
ックで構成し、そのうちの少なくとも一つのサブスタッ
クをフロート充電に用い、他のサブスタックで電解液の
流通を止めた状態にてセル内の電解液のみでインバータ
より放電することが好ましい。本発明運転方法を採った
場合、待機時におけるセル内の電解液は、通常、完全放
電状態であり、停電時などにすぐにセルスタックから放
電して対応することができない。しかし、複数個のサブ
スタックを用い、その一部をフロート充電しておくこと
で、フロート充電されているセルスタックから直ちに放
電することができ、瞬停などにも支障なく対応できる。
なお、フロート充電とは、充電装置にレドックスフロー
電池と負荷とを並列に接続し、電池に常に一定の電圧を
加えて充電状態にしておき、停電時や負荷変動時に無瞬
断または短時間の停電で電池より負荷へ電力を供給する
方式である。
する。図1は本発明運転方法の説明図で、(A)は電解
液循環時、(B)は電解液の循環停止時を示している。
電解液を貯留するタンク2と、タンク2内の電解液をセル
スタック1に供給するポンプ3とを具える。ここでは単一
の電解液タンク2しか示していないが、実際には正極電
解液と負極電解液の各々にタンクが存在する。セルスタ
ック1の構成は図3、4で示したものと同様である。
液面より下に設置し、タンク2とセルスタック1とをつな
ぐ配管において、ポンプ3とセルスタック1との間に開閉
バルブ4を設けている。また、セルスタック1はインバー
タ5に接続され、さらにインバータ5は図示しない電気系
統に接続されて、インバータ5を介してセルスタック1か
ら充放電できるように構成されている。
ブ4を開き、ポンプ3を作動させて電解液を循環させ、セ
ルスタック1内のセルに電解液を供給する。
3を止めて電解液の循環を停止する。例えば、充電運転
を行った後にポンプ3を停止すると、セルスタック1内に
は充電深度の高い充電液が満たされた状態となる。
ータ5を用いて放電し、セル内のエネルギーを放出す
る。この放電は完全に行うことが好ましい。このような
運転方法により、自己放電に伴う熱がセル内にこもり、
セルや電解液が劣化するのを防ぐことができる。放電
後、セル内には充電深度の低い放電液が充填され、タン
ク2内には充電深度の高い充電液が貯留されていること
になるが、放電液が拡散により充電液と混合し、エネル
ギー損失する速度は非常に小さい。ポンプ停止時、配管
のバルブ4を閉じておけば、この充電液と放電液の拡散
を確実に防止でき、エネルギー損失を抑制することがで
きる。
時には、セル内で停留している放電液とタンク2から流
入してくる充電液とが混合することによりエネルギー損
失につながり、セルに悪影響を及ぼすことが考えられ
る。そこで、セルスタック1を電解液の循環を止めたま
ま充電してセル内の電解液の充電深度とタンク内の電解
液の充電深度を合わせてからポンプを運転させる方が望
ましい。両電解液の充電深度を合わせることは、充電停
止直前時のセル状態(充電電流値、セル電圧)に合わせ
た充電を再度行う等により確認することができる。充電
深度の揃った電解液同士であれば混合されてもエネルギ
ー損失につながるおそれがない。
のサブスタック1A,1Bで構成し、そのうちの少なくとも
一つのサブスタック1Aをフロート充電に用い、他のサブ
スタック1Bで電解液の流通を止めた状態にてセル内の電
解液のみでインバータより放電することが好ましい。
したセルスタックと同様の構成である。本例では、電解
液タンクからセルスタックにつながる配管を途中で二つ
に分岐し、一方をフロート充電用サブスタック1Aに、他
方を待機時放電用のサブスタック1Bにつなげる。電解液
を循環するポンプ3は、この配管の分岐個所と電解液タ
ンクとの間に設ける。また、分岐個所と待機時放電用の
サブスタック1Bとの間に開閉バルブ4を設ける。開閉バ
ルブ4を経た後、さらに配管は分岐されて各待機時放電
用サブスタック1Bにつながる。
バルブ4を開いてすべてのサブスタック1A,1Bに電解液を
循環させ、全サブスタック1A,1Bを充電する。これに対
して待機時は、バルブ4を閉じてフロート充電用サブス
タック1Aにのみ電解液を循環させてフロート充電し、常
時放電可能な状態を準備しておく。一方、待機時放電用
のサブスタック1Bは電解液が流れないようにし、インバ
ータを介して放電しておく。このように運転すること
で、電気系統の停電時でもすぐにフロート充電用サブス
タック1Aより放電することが可能である。また、フロー
ト充電用サブスタック1Aのみで自己放電が生じ、他のサ
ブスタック1Bでは自己放電や発熱の問題はないため、電
池システム全体としてはエネルギー損失や劣化を大幅に
抑制できる。
よれば、電解液の循環停止時、セルスタック内のエネル
ギーをインバータを介して放電しておくことで、自己放
電に伴うエネルギー損失や、自己放電による発熱に伴う
セルや電解液の劣化を防止することができる。
環時、(B)は電解液の循環停止時を示す。
説明図である。
である。
環時、(B)は電解液の循環停止時を示す。
Claims (5)
- 【請求項1】 運転時、電解液を貯留するタンクよりセ
ルスタック内のセルに電解液を供給して充放電を行い、 運転待機時、電解液の流通を止めた状態でセル内の電解
液のみでインバータより放電しておくことを特徴とする
レドックスフロー電池の運転方法。 - 【請求項2】 セルスタックをタンクの電解液液面より
も下に設置することを特徴とする請求項1に記載のレド
ックスフロー電池の運転方法。 - 【請求項3】 タンクとセルスタックの間における電解
液の混合を止めてインバータより放電を行うことを特徴
とする請求項1に記載のレドックスフロー電池の運転方
法。 - 【請求項4】 運転待機後に運転を再開する際、タンク
内の電解液と同じ充電深度にセル内の電解液を充電して
から、電解液を循環させることを特徴とする請求項1に
記載のレドックスフロー電池の運転方法。 - 【請求項5】 前記セルスタックは複数個のサブスタッ
クを有し、 そのうちの少なくとも一つのサブスタックをフロート充
電に用い、 他のサブスタックで電解液の流通を止めた状態にてセル
内の電解液のみでインバータより放電することを特徴と
する請求項1に記載のレドックスフロー電池の運転方
法。
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