JP5881858B2 - スタンバイモードを有するフロー電池装置 - Google Patents

Description

本発明は、電気エネルギーを選択的に貯蔵、放出するフロー電池に関する。

レドックスフロー電池またはレドックスフローセルとして知られるフロー電池は、電気エネルギーを、蓄電可能であるとともに電力需要があるときに電気エネルギーを後で放出することが可能な、化学エネルギーに変換するように設計される。一例として、フロー電池は、風力発電装置などの再生可能エネルギーシステムとともに用いられて、消費者需要を超えたエネルギーを貯蔵し、それ以降の需要が高いときにそのエネルギーを放出する。

基本的なフロー電池は、電解質層によって隔離された負極および正極を有するレドックスフローセルを含み、電解質層は、イオン交換膜などのセパレータを含む。負極電解液が負極に送られ、正極電解液が正極に送られて、電気化学的に可逆的なレドックス反応を生じさせる。充電時に、供給された電気エネルギーにより一方の電解液で化学的還元反応が生じるとともに、他方の電解液で酸化反応が生じる。セパレータは電解液の混合を防止するが、選択されたイオンは透過してレドックス反応を完了させる。放電時は、電解液中に含まれる化学エネルギーを逆反応で放出させて、電極から電気エネルギーが引き出される。とりわけフロー電池は、可逆的な電気化学反応に関わる外部供給される電解液を使用することにより、その他の電気化学的装置とは区別される。

開示の実施例の様々な特徴および利点が、以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるであろう。詳細な説明に添付の図面を以下のように簡単に説明する。

一例のフロー電池装置のＯＮモードを示す図。 一例のフロー電池の電気化学的セルを示す図。 フロー電池装置のＯＦＦモードを示す図。 フロー電池装置のスタンバイモードを示す図。 フロー電池をＯＮモード、ＯＦＦモード、スタンバイモード間で作動させるための一例の論理図。

図１Ａ，図２，図３は、従来のフロー電池装置に比べて性能が向上した一例のフロー電池装置２０の選択された部分を示す。一例として、フロー電池装置２０は、風力発電装置などの再生可能エネルギーシステムで発生させた電気エネルギーを、以降の電気エネルギーが必要となる時期まで貯蔵することが可能な化学エネルギーに変換するように用いられ、次いでフロー電池２０は、化学エネルギーを電気エネルギーに変換する。フロー電池装置２０は、例えば配電網に電池エネルギーを供給する。

従来のフロー電池装置は、ＯＮモードおよびＯＦＦモードの２モードにおける一つで作動する。ＯＮモードでは、アノード液およびカソード液から電力が引き出される間、またはアノード液およびカソード液に電力が貯蔵される間、アノード液およびカソード液は各貯蔵タンクから電気化学的セルを通して循環される。フロー電池装置から電力が引き出されない、または電力が貯蔵されない期間中、フロー電池装置の自己放電を防止するように、フロー電池装置はＯＮモードからＯＦＦモードに切り換えられる。

ＯＦＦモードでは、アノード液およびカソード液は電気化学的セルから各貯蔵タンクへと移され、空にされる。それにより、電気化学的セルのイオン交換膜を通した電気化学的活性種の拡散による、フロー電池装置の自己放電を防ぐ。ＯＦＦモードへの切り替えにおける欠点は、フロー電池装置から電力を引き出す需要がある場合、またはフロー電池装置に電力を貯蔵する需要がある場合に、従来技術のフロー電池装置は反応が遅い。すなわち、従来技術のフロー電池装置のエネルギー容量にアクセスするように、その装置は電気化学的セルを通してアノード液およびカソード液を循環させる必要がある。したがって、補助コンポーネントを起動させ、次いでアノード液／カソード液を各貯蔵タンクから電気化学的セルへと循環させるのに必要な時間だけ、従来技術のフロー電池装置から電力を引き出す、または従来技術のフロー電池装置に電力を貯蔵する能力が遅延する。こうした遅延により、従来技術のフロー電池装置を完全に充電または放電するのに必要な時間が増え、電力出力が変更される割合が増える。

以下に詳述するように、本発明のフロー電池装置２０は、フロー電池装置２０がＯＮモードまたはＯＦＦモードのいずれでもない場合に、フロー電池装置２０の全容量の一部に即時に、またはほぼ即時にアクセスすることができる第３のモード、すなわちスタンバイモードを提供する。

図１Ａを参照すると、フロー電池装置２０がＯＮモードにあることを示す。フロー電池装置２０内のコントローラ２２は、ＯＮモード、ＯＦＦモード、およびスタンバイモード間の切り替えを制御する。コントローラ２２は、ソフトウェア、ハードウェア、またはその両方を含む。一例では、コントローラ２２は、フロー電池装置２０の動作を制御するソフトウェアを有するコンピュータである。本発明の記載を考慮すれば、記載のコントローラ２２をどのように実装するかは当業者にとって理解されるであろう。

図示されるように、フロー電池装置２０は、アノード液およびカソード液を含み、これらは、電気化学的セル２４内で発生する電気化学反応のレドックス対として機能する。例えば、アノード液およびカソード液の電気化学的活性種は、バナジウム、臭素、鉄、クロム、亜鉛、セリウム、鉛、またはそれらの組合せに基づく。実施例では、アノード液またはカソード液は上記の一つ以上の電気化学的活性種を含む水溶液である。

アノード液およびカソード液は、それぞれ、外部貯蔵部２６，２８に収容される。図示されるように、外部貯蔵部２６，２８は、実質的に同等の円筒状の貯蔵タンクである。しかしながら、外部貯蔵部２６，２８は、代替的にその他の形状やサイズを有してもよい。さらに図１Ａでは、外部貯蔵部２６，２８が一つまたは複数の電気化学的セル２４の下に配置されるように示されるが、代替的な配置では、外部貯蔵部２６，２８は、一つまたは複数のセル２４よりも上、または一つまたは複数のセル２４と同じ鉛直レベルに配置されてもよい。

アノード液およびカソード液は、それぞれ、供給管３０を通してフロー電池装置２０の一つまたは複数のセル２４に供給（例えば、ポンプ輸送）され、戻り管３２により一つまたは複数のセル２４から外部貯蔵部２６，２８へと戻される。

図示の例では、供給管３０の各々が、その内部に互いに平行に配置されたポンプ３４および弁３６を含む。コントローラ２２が少なくとも弁３６およびポンプ３４に電気的に接続されて、それらの動作を制御する。またコントローラ２２は、一つまたは複数のセル２４において電気化学的なレドックス反応を完了させるように回路を完成させる電気経路３８を含む、フロー電池装置２０内のその他の補助コンポーネントに電気的に接続される。

図１Ｂは、複数のセル２４のうちの一つにおける一部の断面図を示す。当然のことながら、フロー電池２０は、フロー電池２０の設計容量に応じて、スタック内に複数のこうしたセル２４を含むことができる。図示のように、セル２４は第１のバイポーラ板４０と、該第１のバイポーラ板４０から離間された第２のバイポーラ板４２と、を含む。バイポーラ板４０，４２は導電性を有し、例えば黒鉛板または金属板であってもよい。

第１のバイポーラ板４０は複数の流路４０ａを含み、それらの流路４０ａは、第１の流路４４と、リブ４８により第１の流路４４から離間された、隣接する第２の流路４６と、を含む。この例では、第２のバイポーラ板４２が代替的に異なる形態を有することが考えられるが、第２のバイポーラ板４２の形態は第１のバイポーラ板４０と実質的に同様である。

多孔質電極５２，５４が、それぞれ、第１および第２のバイポーラ板４０，４２にすぐ隣接するように配置される。したがって、多孔質電極５２は第１のバイポーラ板４０の表面と接触しており、多孔質電極５４は第２のバイポーラ板４２の表面と接触する。イオン交換膜などのセパレータ５６が、多孔質電極５２，５４の間に配置される。

多孔質電極５２，５４の一方または両方が、炭素、または、白金やニッケルなどの触媒材料が分散された炭素等の、アノード液およびカソード液に関して触媒活性を有する導電性材料を含む。すなわち、電極材料の表面はフロー電池２０において触媒活性を有する。フロー電池２０のレドックス反応では、反応に対するエネルギー障壁は比較的低く、酸素または水素などの気体反応物質を利用する電気化学的装置のように、貴金属や合金等のより強力な触媒材料を一般に必要としない。一例では、電極材料は炭素であり、炭素材料を清浄化し、改良された活性触媒部位としての機能を果たす炭素表面を形成させるように、従来の熱処理および／または化学処理法を用いることにより活性化される。当然のことながら、バイポーラ板４０，４２および流路４０ａはフロー電池２０において任意選択的である。すなわち、フロー電池２０は、代替的に流れ場流路を用いることなく電解液を電極５２，５４へと直接ポンプ輸送する「流通」運転を行うように構成されうる。

上述したように、コントローラ２２はフロー電池装置２０をＯＮモード、ＯＦＦモード、およびスタンバイモードの間で選択的に切り換える。例えば、コントローラ２２は、電力の需要予測に応じて、かつ／または、フロー電池装置２０とともに動作するように接続された風力エネルギー源などの再生可能または間欠性エネルギー源の状態に応じて、それらのモード間で切り換えられる。概して、スタンバイモードにより、電力入力あるいは電池からの電力出力を問わず、予測できない電力需要を有するシステムにおいて迅速に対応する能力を提供する。

ＯＮモードは、アノード液およびカソード液をそれぞれ外部貯蔵源２６，２８から電気化学的セル２４を通して循環させることにより、フロー電池装置２０の全エネルギー容量へのアクセスを可能にする。したがって、アノード液およびカソード液の循環時は、フロー電池装置２０を完全に充電することができ、あるいは、電気経路３８を用いて完全に放電することができる。

ＯＮモードでは、アノード液およびカソード液が電気化学的セル２４を通流して、別の循環サイクルのために各外部貯蔵源２６，２８へと再循環して戻るように、コントローラ２２がポンプ３４を作動させ、弁３６を閉じる。電気化学的セル２４では、アノード液およびカソード液は各バイポーラ板４０，４２の流路４０ａおよびマニホルド（図示せず）を通流する。

図２は、フロー電池装置２０がＯＦＦモードにあることを示す。ＯＦＦモードは、電気化学的セル２４からアノード液またはカソード液の少なくとも一方を実質的に空にすることにより、全エネルギー容量へのアクセスを不能にする。一部の例では、アノード液およびカソード液の両方が電気化学的セル２４から空にされる。

ＯＦＦモードでは、実質的にアノード液および／またはカソード液の全てが電気化学的セル２４から各外部貯蔵部２６，２８へと排出されるように、コントローラ２２がポンプ３４の一方または両方を停止させ、弁３６の一方または両方を開く。したがって、ＯＦＦモードでは、電気化学的セル２４の流路４０ａおよびマニホルドは、電解液の少なくとも一方が完全または実質的に空にされる。電気化学的セル２４のスタックおよび貯蔵部２６の配置に応じて、電気化学的セル２４スタックの電解質溶液の大部分を空にするその他の方法が考えられる。例えば、電気化学的セル２４のスタックが貯蔵部２６，２８よりも低くない場合、電気化学的セル２４のスタックを空にするようにポンプ３４が使用される。

ＯＦＦモードでは、アノード液またはカソード液の少なくとも一方、またはアノード液およびカソード液の両方が電気化学的セル２４中に存在していない、あるいはセル２４を通して循環していないため、フロー電池装置２０から電力を引き出す、またはフロー電池装置２０に電力を貯蔵する能力はない。さらに、反応物が装置中のどことも直接接触していないため、フロー電池装置２０の自己放電が実質的に低減される。しかしながら、（シールを通した浸透により、または、空気の侵入を防ぐように能動的な不活性パージガスが使用されていない場合に）空気が存在する場合、空気との還元により依然として少量の意図せぬ低率の自己放電が起こりうる。

図３は、フロー電池装置２０がスタンバイモードにあることを示す。スタンバイモードは、電気化学的セル２４中にアノード液およびカソード液の一部を貯蔵することにより、電気化学的セル２４を通してアノード液またはカソード液を循環させることなく全エネルギー容量の一部へのアクセスを可能にする。理解されるように、全エネルギー容量の「一部」とは、容量の１００％未満の量を表す。図１〜３では、電気化学的セル２４、弁３６、およびポンプ３４が電解液を含む、または電解液を含んでいないことを示すように、電気化学的セル２４、弁３６、およびポンプ３４が選択的に網掛けされる。すなわち、網掛けされた箇所では、電気化学的セル２４は電解液を含み、弁は開にされており、ポンプは作動している。

スタンバイモードでは、コントローラ２２はポンプ３４を停止させ、弁３６を閉にする。したがって、電気化学的セル２４内に存在するアノード液およびカソード液は、各外部貯蔵部２６，２８に逆流することはできない。すなわち、アノード液およびカソード液のそれらの部分は、電極５２，５４および／または流路４０ａなどの電気化学的セル２４や、供給管３０およびマニホルドの少なくとも一部内に貯蔵される。アノード液およびカソード液の一部が電気化学的セル２４内に所定の期間保持され、その間、アノード液およびカソード液から電力は引き出されない、またはアノード液およびカソード液に電力が保存されない。理解されるように、電極および／または流れ場流路および／またはマニホルドの容積容量は、電気化学的セル２４の貯蔵能力を向上させるように選択される。

スタンバイモードにおける電気化学的セル２４内でのアノード液およびカソード液の貯蔵により、セル２４を通してアノード液またはカソード液を循環させることなく、フロー電池装置２０の全エネルギー容量の一部へのアクセスを可能にする。すなわち、電気化学的セル２４内に貯蔵されたアノード液およびカソード液は、瞬時の需要を満たすように、電力を引き出せるまたは電力を貯蔵させるための容量を有する。

図４は、ＯＮモード、ＯＦＦモード、スタンバイモード間でフロー電池装置２０を作動させる一例の論理図を示す。記載のように、コントローラ２２は、電気化学的セル２４を通して循環する電解液を、電気化学的セル２４から空にするか、あるいは、電解液を循環させることなく少なくとも部分的に電気化学的セル２４に補給するかに関して、複数のモード間で切り換えるように、ポンプ３４および弁３６の動作を制御する。更なる例では、図４にも示すように、装置がスタンバイモードにおいて電力供給を行える状態にあることを保証すべく、電気化学的セル２４内に電解液を補給するように（さもなければ徐々に自己放電する）、コントローラ２２は、フロー電池装置２０を短時間、スタンバイモードからＯＮモードに周期的に切り換える。一例として、このコンセプトは無停電電源機能としての機能を果たす、または局部出力の質を向上させるように機能するフロー電池装置２０と組み合わせて用いられる。代替的に、要望が、フロー電池装置２０を集電（すなわち、充電）できるように維持することである場合、スタック中の完全に放電した反応物が集電可能であるため、この周期的な補給は必要ないであろう。

一例では、コントローラ２２が電力の需要予測に応じてフロー電池装置２０をスタンバイモードにする。すなわち、フロー電池装置２０から電力が引き出されるまたはフロー電池装置２０に電力が貯蔵される可能性を見越して、コントローラ２２はフロー電池装置２０をスタンバイモードにする。したがって、どの瞬間においても、フロー電池装置２０は、ポンプ３４が起動してアノード液およびカソード液を電気化学的セル２４に循環させるのを待つ必要により遅延することなく、電力を供給もしくは電力を貯蔵させる能力を有する。その点に関し、本発明に開示のフロー電池装置２０により、複数の電線や瞬時に応答する変圧器を利用する送電および配電容量を補うように、迅速な応答時間を提供し、かつ、より高い割合で電力を変動かつ利用できるようにする。

特徴部の組合せを図示の例に示すが、本発明の様々な実施例の利点を実現するために全ての特徴部を組み合わせる必要はない。換言すれば、本発明の実施例に従って設計されたシステムは、必ずしも図の一つに示された全ての特徴部または図に概略的に示す全ての部位を含むものではない。さらに、一実施例の選択された特徴部をその他の実施例の選択された特徴部と組み合わせてもよい。

上記の記載は本質的に限定的なものではなく例示に過ぎない。本発明の真意を逸脱することなく開示の実施例に対する種々の変形や修正が当業者にとって明らかとなるであろう。本発明に付与される法的保護の範囲は付記の特許請求の範囲を検討することによってのみ決定される。

Claims (10)

1. 電解液であって、該電解液から引き出すことが可能なまたはそれらに貯蔵することが可能な電力量に関する全エネルギー容量を画定する電解液と、
   電気化学的セルと、
   前記電解液を貯蔵するように、前記電気化学的セルと流体的に連結された、外部貯蔵部と、
   ＯＮモードと、ＯＦＦモードと、スタンバイモードと、を備えたレドックスフロー電池装置であって、
   前記ＯＮモードは、前記外部貯蔵部から電気化学的セルを通して前記電解液を循環させることにより、前記レドックスフロー電池装置から引き出すことが可能なまたは前記レドックスフロー電池装置に貯蔵することが可能な電力量に関する該レドックスフロー電池装置の全エネルギー容量へのアクセスを可能にし、
   前記ＯＦＦモードは、前記電気化学的セルから前記電解液を空にすることにより、前記全エネルギー容量へのアクセスを不能にし、
   前記スタンバイモードは、前記電気化学的セル中に前記電解液を貯蔵することにより、該電気化学的セルを通して前記電解液を循環させることなく前記全エネルギー容量の一部へのアクセスを可能にすることを特徴とするレドックスフロー電池装置。
2. 前記電解液は、アノード液およびカソード液を含む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装置。
3. 前記外部貯蔵部は、第１の外部貯蔵部および第２の外部貯蔵部と、を含む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装置。
4. アノード液およびカソード液であって、該アノード液および該カソード液から引き出すことが可能なまたはそれらに貯蔵することが可能な電力量に関する全エネルギー容量を画定するアノード液およびカソード液と、
   電気化学的セルと、
   前記アノード液および前記カソード液の各々を貯蔵するように、それぞれ前記電気化学的セルと流体的に連結された、第１の外部貯蔵部および第２の外部貯蔵部と、
   ＯＮモード、ＯＦＦモード、およびスタンバイモードを有するように構成されたコントローラと、
   を備えたフロー電池装置であって、
   前記ＯＮモードは、それぞれ、前記第１の外部貯蔵部および前記第２の外部貯蔵部から電気化学的セルを通して前記アノード液および前記カソード液の各々を循環させることにより、前記全エネルギー容量へのアクセスを可能にし、前記ＯＦＦモードは、前記電気化学的セルから前記アノード液または前記カソード液の少なくとも一方を空にすることにより、前記全エネルギー容量へのアクセスを不能にし、前記スタンバイモードは、前記電気化学的セル中に前記アノード液および前記カソード液の各々の一部を貯蔵することにより、該電気化学的セルを通して前記アノード液または前記カソード液を循環させることなく前記全エネルギー容量の一部へのアクセスを可能にすることを特徴とする、フロー電池装置。
5. それぞれ、前記第１の外部貯蔵部と前記電気化学的セルとの間、および、前記第２の外部貯蔵部と前記電気化学的セルとの間に連結された供給管を含み、前記供給管の各々は、互いに並列に配置された弁およびポンプを含むことを特徴とする請求項４に記載のフロー電池装置。
6. アノード液およびカソード液であって、該アノード液および該カソード液から引き出すことが可能なまたはそれらに貯蔵することが可能な電力量に関する全エネルギー容量を画定するアノード液およびカソード液と、
   電気化学的セルと、
   前記アノード液および前記カソード液の各々を貯蔵するように、それぞれ前記電気化学的セルと流体的に連結された、第１の外部貯蔵部および第２の外部貯蔵部と、
   を備えたフロー電池装置の運転方法であって、
   それぞれ、前記第１の外部貯蔵部および前記第２の外部貯蔵部から前記電気化学的セルを通して前記アノード液および前記カソード液の各々を循環させることにより、該アノード液および該カソード液の全エネルギー容量へのアクセスを可能にするＯＮモードで運転し、
   前記電気化学的セルから前記アノード液または前記カソード液の少なくとも一方を空にすることにより、前記全エネルギー容量へのアクセスを不能にするＯＦＦモードで運転し、
   前記電気化学的セル中に前記アノード液および前記カソード液の各々の一部を貯蔵することにより、該電気化学的セルを通して前記アノード液または前記カソード液を循環させることなく前記全エネルギー容量の一部へのアクセスを可能にするスタンバイモードで運転する、
   ことを備えた運転方法。
7. 電力の需要予測に応じて、前記スタンバイモードで運転することを含むことを特徴とする請求項６に記載の運転方法。
8. 間欠性電源からの電力の貯蔵予測に応じて、前記スタンバイモードで運転することを特徴とする請求項６に記載の運転方法。
9. 前記スタンバイモードで運転しながら、前記アノード液および前記カソード液から電力を引き出す、または前記アノード液および前記カソード液に電力を貯蔵することを含むことを特徴とする請求項６に記載の運転方法。
10. 前記ＯＮモードで運転することによる周期的な補給を行いながら、前記スタンバイモードで運転することを含むことを特徴とする請求項６に記載の運転方法。

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