JP6403009B2 - レドックスフロー電池システム、及びレドックスフロー電池の運転方法 - Google Patents

Description

本発明は、レドックスフロー電池システム、及びレドックスフロー電池の運転方法に関する。特に、ポンプ損失を低減できつつ、安定運転可能なレドックスフロー電池システム、及びレドックスフロー電池の運転方法に関する。

レドックスフロー電池は、（１）安全性が高い、（２）充放電サイクル寿命が長い、（３）大容量化が容易である、（４）充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）の常時監視が可能である、などの特徴を有しており、様々な用途への適用が可能である。レドックスフロー電池の用途としては、負荷平準化用途の他、瞬低補償や非常用電源などの用途、大量導入が進められている太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの出力平滑化用途などが挙げられる。

レドックスフロー電池は、正極電極及び負極電極と、両電極の間に介在される隔膜とを有する電池セルに正極電解液及び負極電解液をそれぞれ循環供給し、電力変換器（例えば、交流／直流変換器など）を介して充放電を行う。電解液には、酸化還元により価数が変化する金属イオン（活物質）を含有する水溶液が使用されている。例えば、正極活物質にＦｅイオン、負極活物質にＣｒイオンを用いた鉄（Ｆｅ^２＋／Ｆｅ^３＋）−クロム（Ｃｒ^３＋／Ｃｒ^２＋）系レドックスフロー電池や、正極及び負極の活物質にＶイオンを用いたバナジウム（Ｖ^２＋／Ｖ^３＋−Ｖ^４＋／Ｖ^５＋）系レドックスフロー電池がよく知られている。

一般に、レドックスフロー電池では、電解液を電池セルに循環させるためのポンプが必要であるため、ポンプ損失が生じ、ポンプの流量（電解液流量）を常に一定にして運転すると、ポンプ損失が大きく、電池効率が低下することがある。そこで、従来、レドックスフロー電池において、電解液の充電状態（「充電深度」と呼ばれることもある）に対応させてポンプの流量を調整して電解液を電池セルに供給することで、ポンプ損失を低減することが行われている（例えば、特許文献１参照）。

従来のレドックスフロー電池では、例えば図３に示すように、放電時と充電時のそれぞれについて、電解液の充電状態が放電末（例、充電状態が１５％）から満充電（例、充電状態が９０％）となる範囲内で各充電状態に対応したポンプ流量を設定している。図３に示すグラフは、放電時と充電時のそれぞれにおける電解液の充電状態（ＳＯＣ）とポンプ流量（Ｑ）との関係（図中、実線が放電時、一点鎖線が充電時）を示しており、横軸が電解液の充電状態（ＳＯＣ）、縦軸がポンプ流量（Ｑ）を表している。この例では、充電状態を段階的に複数の範囲に分け、範囲ごとにポンプ流量を設定している。放電時は、電池セル内で放電反応が起こり、電池セル内の電解液の充電状態が低くなる。電池セルに供給される電解液の充電状態が低い範囲では、電池セル内で充電状態が放電末を超えて過放電（放電停止）とならないように、ポンプの流量を増やす。電解液の充電状態が高い場合は、過放電とならない範囲で、ポンプの流量を減らす。一方、充電時は、電池セル内で充電反応が起こり、電池セル内の電解液の充電状態が高くなる。電池セルに供給される電解液の充電状態が高い範囲では、充電状態が満充電を超えて過充電（過電圧）とならないように、ポンプの流量を増やす。電解液の充電状態が低い場合は、過充電とならない範囲で、ポンプの流量を減らす。このように、電解液の充電状態に応じた必要最低流量をポンプに設定することで、ポンプ流量を一定にする場合に比較して、ポンプ損失を低減できる。

特許文献１には、ポンプ損失をより低減して電池効率を向上させる技術が提案されている。具体的には、セルの端子電圧、開放電圧、負荷電流を測定し、これらの測定結果からセル抵抗値を演算して求め、セル抵抗値に基づいて充電深度（開放電圧）に対応する最適な電解液流量でポンプを運転制御することが提案されている。

特開２００６−１１４３５９号公報

レドックスフロー電池において、運転状況によっては、電解液の充電状態が充放電可能範囲内であっても、電池セルの端子電圧が交流／直流変換器を含む電力変換器の動作電圧範囲の下限や上限を超過して、充放電が停止することがあることが判明した。したがって、電池セルが充放電可能な状態では、充放電を不必要に停止することなく、充放電を継続して行うことができる安定運転が可能なレドックスフロー電池の開発が望まれる。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の１つは、ポンプ損失を低減できつつ、安定運転可能なレドックスフロー電池システム、及び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。

本発明のレドックスフロー電池システムは、電池セルと、電解液タンクと、前記電解液タンクから前記電池セルに電解液を循環供給する循環配管と、前記循環配管に前記電解液を循環させるポンプと、前記電池セルに接続され、充放電制御を行う電力変換器と、を備える。更に、本発明のレドックスフロー電池システムは、前記ポンプの流量を制御するポンプ制御部と、前記電解液の充電状態を測定する充電状態測定部と、前記電池セルの端子電圧を測定する端子電圧測定部と、を備える。そして、前記ポンプ制御部は、以下の基準流量取得部と、端子電圧判定部と、ポンプ流量設定部と、を有する。
前記基準流量取得部は、前記電解液の充電状態に対応した前記ポンプの基準流量を取得する。
前記端子電圧判定部は、前記電池セルの端子電圧が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かを判定する。
前記ポンプ流量設定部は、前記端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達しない場合は、前記基準流量を前記ポンプに設定し、前記端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達する場合は、前記基準流量に所定の流量を加算した流量を前記ポンプに設定する。

本発明のレドックスフロー電池の運転方法は、電解液タンクから電池セルに電解液をポンプにより循環供給し、電力変換器を介して充放電を行う。そして、本発明のレドックスフロー電池の運転方法は、以下の充電状態測定ステップと、端子電圧測定ステップと、基準流量取得ステップと、端子電圧判定ステップと、ポンプ流量設定ステップと、を備える。
前記充電状態測定ステップは、前記電解液の充電状態を測定する。
前記端子電圧測定ステップは、前記電池セルの端子電圧を測定する。
前記基準流量取得ステップは、前記電解液の充電状態に対応した前記ポンプの基準流量を取得する。
前記端子電圧判定ステップは、前記電池セルの端子電圧が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かを判定する。
前記ポンプ流量設定ステップは、前記端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達しない場合は、前記基準流量を前記ポンプに設定し、前記端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達する場合は、前記基準流量に所定の流量を加算した流量を前記ポンプに設定する。

本発明のレドックスフロー電池システム、及びレドックスフロー電池の運転方法は、ポンプ損失を低減できつつ、安定運転可能である。

実施形態１に係るレドックスフロー電池システムの説明図である。 実施形態１に係るレドックスフロー電池システムにおけるポンプの制御フローを説明する図である。 電解液の充電状態に応じてポンプ流量を制御する場合の充電状態とポンプ流量の関係の一例を示すグラフである。

［本発明の実施形態の説明］
本発明者らが鋭意研究を進めた結果、レドックスフロー電池の運転中、電解液の充電状態（電池セルの開放電圧）に応じてポンプ流量を制御した場合、運転条件によっては電池セルの端子電圧が瞬間的に変動することが分かった。

電池セルは、電力変換器（例、交流／直流変換器、直流／直流変換器など）により充放電制御が行われる。一般に、電力変換器は、動作電圧が設定されており、電池セルの端子電圧が最低動作電圧を下回ると停止するように設計されている。また、電池セルの端子電圧が上限電圧（最大電圧）を上回ると、電池セルが劣化や故障する可能性がある。そこで、電力変換器は、最大動作電圧が電池セルの上限電圧に設定されており、電池セルの端子電圧が上限電圧を上回ると停止するように設計されている。

電解液の充電状態（開放電圧）と端子電圧とは相関関係があり、充電状態が放電末から満充電の充放電可能範囲内で充放電を行えば、通常、端子電圧も電力変換器の動作電圧の範囲内に保たれると考えられていた。しかしながら、本発明者らが鋭意研究を進めたところ、ポンプ流量や充放電（入出力）量などの運転条件によっては、端子電圧が予想外に低下したり上昇したりする現象が起こることが分かった。具体的には、放電時に端子電圧が低下して、電力変換器の最低動作電圧を下回ったり、充電時に端子電圧が上昇して、電力変換器の最大動作電圧を上回ったりすることがある。そのため、従来のレドックスフロー電池において、電解液の充電状態が充放電可能範囲内であっても、電力変換器が停止する可能性があり、安定運転できない虞がある。例えば、バナジウム系レドックスフロー電池の場合、単セルあたり、放電末（充電状態：１５％）の開放電圧は約１．２Ｖ／セル程度、満充電（充電状態：９０％）の開放電圧は約１．５Ｖ／セル程度である。電力変換器の最低動作電圧は、単セルの電圧に換算して、放電末の開放電圧より低く（例えば１．０Ｖ）、最大動作電圧は満充電の開放電圧より高く（例えば１．６Ｖ）設定されている。

本発明者らは、ポンプ流量を増加することで、端子電圧の変動を抑制でき、電池が不必要に停止することを抑制できることを見出した。そして、電解液の充電状態だけでなく、端子電圧も加味してポンプ流量を制御することで、ポンプ損失の低減と安定運転を両立できることを見出した。本発明は、以上の知見に基づいてなされたものである。最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）実施形態に係るレドックスフロー電池システムは、電池セルと、電解液タンクと、電解液タンクから電池セルに電解液を循環供給する循環配管と、循環配管に電解液を循環させるポンプと、電池セルに接続され、充放電制御を行う電力変換器と、を備える。更に、レドックスフロー電池システムは、ポンプの流量を制御するポンプ制御部と、電解液の充電状態を測定する充電状態測定部と、電池セルの端子電圧を測定する端子電圧測定部と、を備える。そして、ポンプ制御部は、以下の基準流量取得部と、端子電圧判定部と、ポンプ流量設定部と、を有する。
基準流量取得部は、電解液の充電状態に対応したポンプの基準流量を取得する。
端子電圧判定部は、電池セルの端子電圧が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かを判定する。
ポンプ流量設定部は、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達しない場合は、基準流量をポンプに設定し、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達する場合は、基準流量に所定の流量を加算した流量をポンプに設定する。

上記レドックスフロー電池システムによれば、運転中の電解液の充電状態を把握し、充電状態に対応した基準流量をポンプに設定することで、ポンプ損失を低減できる。更に、電池セルの端子電圧を把握し、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達することが予測される場合は、基準流量に所定の流量を加算してポンプの流量を増加することで、端子電圧の変動を抑制でき、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達することを抑制できる。つまり、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達する前に、ポンプの流量を増加することによって、端子電圧が所定の電圧範囲外になることを抑制できる。具体的には、放電時に端子電圧が予想外に低下して、端子電圧が所定の電圧範囲の下限を下回ったり、充電時に端子電圧が予想外に上昇して、端子電圧が所定の電圧範囲の上限を上回ったりすることを抑制できる。そのため、電解液の充電状態が充放電可能範囲内にあるにも関わらず、端子電圧が所定の電圧範囲外になることによって電池が不必要に停止する不具合を回避できる。したがって、電池セルが充放電可能な状態である場合は、電池が不必要に停止することを抑制でき、継続して充放電運転を行うことができるので、安定運転が可能である。

「基準流量」とは、放電時と充電時のそれぞれについて、各充電状態に応じて設定されたポンプの流量のことである。基準流量は、例えば、充電状態ごとに、放電の場合は定格出力（例、最大出力）、充電の場合は定格入力を得るために必要な最低流量を設定することが挙げられる。また、加算する流量は、例えば、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達しないように設定することが挙げられる。

（２）上記レドックスフロー電池システムの一形態としては、端子電圧の所定の電圧範囲は、電力変換器の動作電圧に基づいて設定されていることが挙げられる。

上記構成によれば、端子電圧が電力変換器の動作電圧の上下限に達する前に、ポンプの流量を増加することによって、端子電圧が動作電圧の範囲外になることを抑制できる。よって、電解液の充電状態が充放電可能範囲内にあるにも関わらず、端子電圧が、放電時に電力変換器の最低動作電圧を下回ったり、充電時に電力変換器の最大動作電圧を上回ったりすることを抑制できる。したがって、電力変換器が不必要に停止することによって電池が停止する不具合を回避でき、安定運転が可能である。

（３）上記レドックスフロー電池システムの一形態としては、充電状態測定部は、電池セルの開放電圧を測定することによって、電解液の充電状態を測定することが挙げられる。

電解液の充電状態（ＳＯＣ：Ｓｔａｔｅ Ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）は、電池セルの開放電圧（正極電解液と負極電解液との電位差）を測定することによって求めることができる。開放電圧の測定には、例えば、モニターセルを用いることが挙げられる。モニターセルを用いて開放電圧を測定することで、運転中であっても充電状態を求めることができる。

（４）実施形態に係るレドックスフロー電池の運転方法は、電解液タンクから電池セルに電解液をポンプにより循環供給し、電力変換器を介して充放電を行う。そして、レドックスフロー電池の運転方法は、以下の充電状態測定ステップと、端子電圧測定ステップと、基準流量取得ステップと、端子電圧判定ステップと、ポンプ流量設定ステップと、を備える。
充電状態測定ステップは、電解液の充電状態を測定する。
端子電圧測定ステップは、電池セルの端子電圧を測定する。
基準流量取得ステップは、電解液の充電状態に対応したポンプの基準流量を取得する。
端子電圧判定ステップは、電池セルの端子電圧が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かを判定する。
ポンプ流量設定ステップは、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達しない場合は、基準流量をポンプに設定し、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達する場合は、基準流量に所定の流量を加算した流量をポンプに設定する。

上記レドックスフロー電池の運転方法によれば、運転中の電解液の充電状態を把握し、充電状態に対応した基準流量をポンプに設定することで、ポンプ損失を低減できる。更に、電池セルの端子電圧を把握し、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達することが予測される場合は、基準流量に所定の流量を加算してポンプの流量を増加することで、電解液の充電状態だけでなく、端子電圧の変動を抑制して、端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達することを抑制できる。具体的には、放電時に端子電圧が予想外に低下して、端子電圧が所定の電圧範囲の下限を下回ったり、充電時に端子電圧が予想外に上昇して、端子電圧が所定の電圧範囲の上限を上回ったりすることを抑制できる。したがって、電解液の充電状態が充放電可能範囲内にあるにも関わらず、端子電圧が所定の電圧範囲外になることによって電池が不必要に停止する不具合を回避できるので、継続して充放電運転を行うことができ、安定運転が可能である。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池システム、及びレドックスフロー電池の運転方法の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。以下では、「レドックスフロー電池」を「ＲＦ電池」と呼ぶ場合がある。また、図中の同一符号は同一名称物を示す。なお、本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

＜ＲＦ電池システムの全体構成＞
図１〜図２を参照して、実施形態に係るＲＦ電池システム１を説明する。図１に示すＲＦ電池システム１は、電力変換器Ｃ（例えば、交流／直流変換器や直流／直流変換器（例、ＤＣ−ＤＣコンバータ）など）を介して、発電部Ｇ（例えば、太陽光発電装置や風力発電装置、その他一般の発電所など）と負荷Ｌ（電力系統や需要家）との間に接続され、発電部Ｇから供給された電力を充電したり、蓄えた電力を放電して負荷Ｌに供給する。また、ＲＦ電池システム１は、電池セル１０と、この電池セル１０に電解液を供給する循環機構（タンク、配管、ポンプ）とを備える。

（電池セル及び循環機構）
ＲＦ電池システム１は、電池セル１０を備える。電池セル１０は、イオン透過膜からなる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに区画され、正極セル１０２には正極電極１０４が、負極セル１０３には負極電極１０５がそれぞれ内蔵されている。また、ＲＦ電池システム１は、正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留する正極電解液タンク２０及び負極電解液タンク３０と、各電解液タンク２０，３０から電池セル１０（正極セル１０２，負極セル１０３）に正極電解液及び負極電解液をそれぞれ循環供給する正極側循環配管２５及び負極側循環配管３５と、各循環配管２５，３５にそれぞれ正極電解液及び負極電解液を循環させるポンプ４０，４０とを備える。正極側循環配管２５は、正極電解液タンク２０から正極電解液を正極セル１０２に送る往路配管２６と、正極セル１０２から正極電解液を正極電解液タンク２０に戻す復路配管２７とを有する。負極側循環配管３５は、負極電解液タンク３０から負極電解液を負極セル１０３に送る往路配管３６と、負極セル１０３から負極電解液を負極電解液タンク３０に戻す復路配管３７とを有する。ポンプ４０，４０は、回転数を制御可能な可変ポンプであり、回転数によって流量を調整できる。ポンプ４０，４０は、ポンプ制御部６０によって回転数（流量）が制御される。そして、各循環配管２５，３５に設けられた各ポンプ４０，４０により、電解液タンク２０，３０から電池セル１０に正極電解液及び負極電解液を循環供給して、電池セル１０内で両電解液中のイオン価数の変化に伴う電池反応（充放電反応）が行われる。なお、図１に示すＲＦ電池システム１では、正極及び負極の活物質にＶイオンを用いたバナジウム系ＲＦ電池を例に挙げている。また、図１中の電池セル１０内の実線矢印は充電反応を、破線矢印は放電反応をそれぞれ示す。

電池セル１０は、正極電極１０４（正極セル１０２）と負極電極１０５（負極セル１０３）と隔膜１０１とを構成要素とする単セルを複数積層したセルスタック（図示せず）と呼ばれる形態で利用される。セルスタックには、一面に正極電極１０４、他面に負極電極１０５が配置される双極板（図示せず）と、正極電解液及び負極電解液の各電解液を供給する給液孔及び各電解液を排出する排液孔を有し、上記双極板の外周に形成される枠体（図示せず）とを備えるセルフレームが利用される。複数のセルフレームを積層することで、上記給液孔及び排液孔は各電解液の流路を構成し、これら流路は各循環配管２５，３５に接続される。セルスタックは、セルフレーム、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、セルフレーム、…の順に積層して構成される。

ＲＦ電池システム１は、電池セル１０に接続され、充放電制御を行う電力変換器Ｃを備える。この例では、電力変換器Ｃは交流／直流変換器である。そして、ＲＦ電池システム１は、電力変換器（交流／直流変換器）Ｃを介して、電池セル１０の正極電極１０４及び負極電極１０５に充放電電流が入出力されることで、充放電を行う。具体的には、充電時には、電力変換器Ｃを介して電池セル１０の正極電極１０４及び負極電極１０５に充電電流が入力され、電池セル１０内で充電反応が起こる。一方、放電時には、電池セル１０内で放電反応が起こり、電力変換器Ｃを介して電池セル１０の正極電極１０４及び負極電極１０５から放電電流が出力される。電力変換器（交流／直流変換器）Ｃは、動作電圧が設定されており、電池セル１０の端子電圧が動作電圧の範囲外になると停止するように設計されている。

（充電状態測定部）
ＲＦ電池システム１は、電解液の充電状態（ＳＯＣ）を測定する充電状態測定部５１を備える。この例では、充電状態測定部５１は、電池セル１０に供給される電解液のＳＯＣを測定する。

電解液のＳＯＣは、電解液中のイオン価数の比率によって決まる。ＳＯＣは、例えばバナジウム系ＲＦ電池の場合、正極電解液では、正極電解液中のＶイオン（Ｖ^４＋／Ｖ^５＋）におけるＶ^５＋の比率、負極電解液では、負極電解液中のＶイオン（Ｖ^２＋／Ｖ^３＋）におけるＶ^２＋の比率で表され、それぞれ次式で示される。充電時の電池反応は、電池セル内で正極ではＶ^４＋がＶ^５＋に酸化され、負極ではＶ^３＋がＶ^２＋に還元される。放電時の電池反応は、充電時と逆の反応になる。
正極：Ｖ^５＋／（Ｖ^４＋＋Ｖ^５＋）
負極：Ｖ^２＋／（Ｖ^２＋＋Ｖ^３＋）

また、イオン価数によって電位が異なることから、電解液中のイオン価数の比率と電解液の電位とには相間関係があり、電解液の電位からＳＯＣを求めることもできる。例えば、Ｖ^５＋及びＶ^２＋の標準酸化還元電位はそれぞれ１．００Ｖ及び−０．２６Ｖである。

通常、ＲＦ電池では、電池反応が電解液中のイオン価数の変化であり、正極電解液と負極電解液のＳＯＣは同じになる。よって、ＳＯＣは、正極電解液又は負極電解液における電解液中のイオン価数の比率を測定することで求めてもよいし、電解液の電位を測定することで求めてもよい。また、正極電解液と負極電解液との電位差（開放電圧）を測定することで求めてもよい。更に、活物質の金属イオンによっては、電解液中のイオン価数の比率によって電解液の色相や透明度、吸光度が変化することから、電解液の色相や透明度又は吸光度を指標としてＳＯＣを求めてもよい。例えば、電解液の電位の測定には電圧計を用いたり、電位差（開放電圧）の測定にはモニターセルを用いたり、電解液の色相や透明度、吸光度の測定には分光光度計を用いることができる。モニターセルとは、電池セル１０と同様の構成を備えるが、電力変換器Ｃに接続されず、充放電に寄与しない電池セルである。そして、電池セル１０と同様に、モニターセルに正極電解液及び負極電解液を供給し、モニターセルの開放電圧を測定することで、運転中であってもＳＯＣを求めることができる。

この例では、充電状態測定部５１は、モニターセルを利用しており、モニターセルの開放電圧を測定することによって、電解液のＳＯＣを測定する。モニターセル５１は、正極及び負極の往路配管２６，３６から一部の正極電解液及び負極電解液がそれぞれ供給され、モニターセル５１から各電解液が正極及び負極の復路配管２７，３７に戻されるように、設けられている。モニターセル５１には、電池セル１０に供給される電解液と同じ電解液が供給されることから、モニターセル５１の開放電圧を測定することは、電池セル１０の開放電圧を測定することと同義である。モニターセル５１によって測定された開放電圧（ＳＯＣ）の測定値は、信号線を介してポンプ制御部６０に送信される。その他、充電状態測定部５１は、電解液タンク２０，３０内の電解液のＳＯＣを測定してもよい。

（端子電圧測定部）
ＲＦ電池システム１は、電池セル１０の端子電圧（Ｖｔ）を測定する端子電圧測定部５２を備える。この例では、端子電圧測定部５２は、電圧計を利用しており、電力変換器（交流／直流変換器）Ｃに設けられている。端子電圧測定部５２によって測定された端子電圧の測定値は、信号線を介してポンプ制御部６０に送信される。

（ポンプ制御部）
ＲＦ電池システム１は、ポンプの回転数を制御してポンプ４０，４０の流量を制御するポンプ制御部６０を備える。ポンプ制御部６０は、基準流量取得部６１と、端子電圧判定部６２と、ポンプ流量設定部６３とを有する。ポンプ制御部６０は、コンピューターを利用できる。

（基準流量取得部）
基準流量取得部６１は、充電状態測定部５１で測定した電解液のＳＯＣに対応したポンプの基準流量（Ｑｎ）を取得する。基準流量（Ｑｎ）は、放電時と充電時のそれぞれについて、各ＳＯＣに応じて設定されたポンプの流量のことである。この例では、放電時と充電時のそれぞれについて、ＳＯＣごとに、放電の場合は定格出力（例、最大出力）、充電の場合は定格入力を得るために必要な最低流量を予め実験などで求め、これら最低必要流量を基準流量（Ｑｎ）とする。そして、これら基準流量（Ｑｎ）をＳＯＣに対応させてコンピューターの記憶装置に予め記憶させておき、基準流量取得部６１は、ＳＯＣに対応した基準流量（Ｑｎ）を記憶装置から取得する。

基準流量（Ｑｎ）は、更に、充放電（入出力）量や電解液温度ごとに、放電時と充電時のそれぞれについて、各ＳＯＣに対応した最低必要流量を求め、設定してもよい。

（端子電圧判定部）
端子電圧判定部６２は、端子電圧測定部５２で測定した電池セル１０の端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かを判定する。この例では、端子電圧（Ｖｔ）の所定の電圧範囲は、電力変換器Ｃの動作電圧に基づいて設定されており、下限が電力変換器Ｃの最低動作電圧、上限が電力変換器Ｃの最大動作電圧（電池セル１０の上限電圧）に設定されている。また、この例では、端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かの判定は、端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の下限（最低動作電圧）又は上限（最低動作電圧）に近付いた場合に、下限又は上限に達するものと判定する。例えば、端子電圧（Ｖｔ）が、電力変換器Ｃの動作電圧の下限又は上限から所定の範囲内（例、上下限から５％、更には１０％の範囲内など）になった場合に、下限又は上限に達すると判定する。

（ポンプ流量設定部）
ポンプ流量設定部６３は、端子電圧判定部６２で端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の上下限に達しないと判定した場合は、基準流量取得部６１で取得した基準流量（Ｑｎ）をポンプ流量（Ｑ）としてポンプ４０，４０に設定する。一方、端子電圧判定部６２で端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の上下限に達すると判定した場合は、基準流量（Ｑｎ）に所定の流量（Ｑａ）を加算した流量（Ｑｎ＋Ｑａ）をポンプ流量（Ｑ）としてポンプ４０，４０に設定する。つまり、端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の上下限に達することが予測される場合は、ポンプ４０，４０の流量を増加する。加算する流量（Ｑａ）は、端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の下限（最低動作電圧）又は上限（最低動作電圧）に達しないように設定する。例えば、基準流量（Ｑｎ）を１０％、更に２０％増やしたり、或いは、ポンプ流量（Ｑ）が定格流量（例、最大流量）となるように設定することが挙げられる。加算する流量（Ｑａ）は、予め実験などにより端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の上下限に達しないために必要な最低流量を求め、設定することが好ましい。

ポンプ４０，４０の流量は、設定するポンプ流量（基準流量又は基準流量に所定流量を加算した流量）に応じてポンプの回転数、吐出量、或いは吐出圧力などの制御パラメータを設定することによって制御することが挙げられる。例えば、ポンプ流量に応じたポンプの回転数、吐出量、或いは吐出圧力などの制御パラメータを予め決めておき、流量と制御パラメータとの関係を示す関係式又は関係テーブルから設定流量に対応する制御パラメータを取得して、その制御パラメータを設定することでポンプの流量を制御してもよい。

＜ＲＦ電池システムの運転方法＞
上述した充電状態測定部５１、端子電圧測定部５２及びポンプ制御部６０を備えるＲＦ電池システム１の運転方法について説明する。ＲＦ電池システム１の運転方法は、電解液の充電状態及び端子電圧に基づいてポンプ４０，４０の流量を制御する運転方法であり、以下の充放電状態測定ステップと、端子電圧測定ステップと、基準流量取得ステップと、端子電圧判定ステップと、ポンプ流量設定ステップとを備える。図２に示すフローチャートを参照して、各ステップの具体的な処理を以下に説明する。

（充放電状態測定ステップ）
充放電状態測定ステップは、電解液の充電状態（ＳＯＣ）を測定する（ステップＳ１）。この例では、上述したように、充電状態測定部（モニターセル）５１によって、電池セル１０に供給される電解液のＳＯＣを測定する。

（端子電圧測定ステップ）
端子電圧測定ステップは、電池セル１０の端子電圧（Ｖｔ）を測定する（ステップＳ２）。この例では、上述したように、端子電圧測定部５２によって端子電圧（Ｖｔ）を測定する。

（基準流量取得ステップ）
基準流量取得ステップは、充放電状態測定ステップＳ１で測定した電解液のＳＯＣに対応したポンプの基準流量（Ｑｎ）を取得する（ステップＳ３）。この例では、上述したように、ポンプ制御部６０の基準流量取得部６１によって、コンピューターの記憶装置からＳＯＣに対応した基準流量（Ｑｎ）を取得する。

（端子電圧判定ステップ）
端子電圧判定ステップは、端子電圧測定ステップＳ２で測定した電池セル１０の端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かを判定する（ステップＳ４）。この例では、上述したように、ポンプ制御部６０の端子電圧判定部６２によって、端子電圧（Ｖｔ）が電力変換器Ｃの最低動作電圧又は最大動作電圧に近付いたか否か、具体的には、最低動作電圧又は最大動作電圧から所定の範囲内に達した否かによって、端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否か判定する（図中、下限の最低動作電圧から所定の範囲内を「Ｖｍｉｎ」、上限の最大動作電圧から所定の範囲内を「Ｖｍａｘ」と示す）。そして、最低動作電圧又は最大動作電圧に近付いた場合、即ち最低動作電圧又は最大動作電圧から所定の範囲内になった場合に、下限又は上限に達すると判定する。

（ポンプ流量設定ステップ）
ポンプ流量設定ステップは、端子電圧判定ステップＳ４による端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かの判定結果に応じて、ポンプの流量を設定する（ステップＳ５）。具体的には、端子電圧判定ステップＳ４で端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の上下限に達しないと判定した場合は、基準流量取得部６１で取得した基準流量（Ｑｎ）をポンプ流量（Ｑ）としてポンプ４０，４０に設定する（ステップＳ５−１）。一方、端子電圧判定ステップＳ４で端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の上下限に達すると判定した場合は、基準流量（Ｑｎ）に所定の流量（Ｑａ）を加算した流量（Ｑｎ＋Ｑａ）をポンプ流量（Ｑ）としてポンプ４０，４０に設定する（ステップＳ５−２）。もし、前回のポンプ流量設定ステップで、既に流量（Ｑａ）を加算している場合、加算する流量（Ｑａ）を増量してもよい。

以上説明した実施形態１に係るＲＦ電池システム１によれば、運転中、電解液のＳＯＣを常時把握し、ＳＯＣに対応した基準流量をポンプ４０，４０に設定することから、ポンプ損失を低減できる。更に、電池セル１０の端子電圧を常時把握し、万が一、端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲の上下限に達することが予測される場合は、基準流量に所定の流量を加算してポンプ４０，４０の流量を増加することで、端子電圧（Ｖｔ）の変動を抑制できる。その結果、ＳＯＣが充放電可能範囲内にあるにも関わらず端子電圧（Ｖｔ）が所定の電圧範囲外になることを抑制でき、安定運転が可能である。

上述した実施形態１のＲＦ電池システム１では、充電状態測定部５１によって、電池セル１０に供給される電解液のＳＯＣを測定する形態を例に挙げて説明したが、測定するＳＯＣは、電池セル１０から排出される電解液のＳＯＣであってもよい。

上述した実施形態１のＲＦ電池システム１では、正極及び負極の活物質にＶイオンを用いたバナジウム系ＲＦ電池を例に挙げて説明したが、バナジウム系ＲＦ電池以外にも、鉄−クロム系ＲＦ電池や、正極活物質にＭｎイオン、負極活物質にＴｉイオンを用いたチタン−マンガン系ＲＦ電池にも適用できる。

本発明のレドックスフロー電池システムは、自然エネルギーを利用した発電の出力変動平滑化、余剰電力の貯蔵、負荷平準化などを図ることを目的とした大容量蓄電池に利用可能である。本発明のレドックスフロー電池の運転方法は、電解液を電池セルに循環させるためのポンプを備えるレドックスフロー電池システムの運転に利用可能である。

１ レドックスフロー電池システム
１０ 電池セル
１０１ 隔膜 １０２ 正極セル １０３ 負極セル
１０４ 正極電極 １０５ 負極電極
２０ 正極電解液タンク
２５ 正極側循環配管 ２６ 往路配管 ２７ 復路配管
３０ 負極電解液タンク
３５ 負極側循環配管 ３６ 往路配管 ３７ 復路配管
４０ ポンプ
５１ 充電状態測定部（モニターセル）
５２ 端子電圧測定部
６０ ポンプ制御部
６１ 基準流量取得部 ６２ 端子電圧判定部
６３ ポンプ流量設定部
Ｃ 電力変換器（交流／直流変換器）
Ｇ 発電部 Ｌ 負荷

Claims (4)

1. 電池セルと、
   電解液タンクと、
   前記電解液タンクから前記電池セルに電解液を循環供給する循環配管と、
   前記循環配管に前記電解液を循環させるポンプと、
   前記電池セルに接続され、充放電制御を行う電力変換器と、を備えるレドックスフロー電池システムであって、
   前記ポンプの流量を制御するポンプ制御部と、
   前記電解液の充電状態を測定する充電状態測定部と、
   前記電池セルの端子電圧を測定する端子電圧測定部と、を備え、
   前記ポンプ制御部は、
   前記電解液の充電状態に対応した前記ポンプの基準流量を取得する基準流量取得部と、
   前記電池セルの端子電圧が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かを判定する端子電圧判定部と、
   前記端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達しない場合は、前記基準流量を前記ポンプに設定し、前記端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達する場合は、前記基準流量に所定の流量を加算した流量を前記ポンプに設定するポンプ流量設定部と、を有するレドックスフロー電池システム。
2. 前記端子電圧の所定の電圧範囲は、前記電力変換器の動作電圧に基づいて設定されている請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
3. 前記充電状態測定部は、前記電池セルの開放電圧を測定することによって、前記電解液の充電状態を測定する請求項１又は請求項２に記載のレドックスフロー電池システム。
4. 電解液タンクから電池セルに電解液をポンプにより循環供給し、電力変換器を介して充放電を行うレドックスフロー電池の運転方法であって、
   前記電解液の充電状態を測定する充電状態測定ステップと、
   前記電池セルの端子電圧を測定する端子電圧測定ステップと、
   前記電解液の充電状態に対応した前記ポンプの基準流量を取得する基準流量取得ステップと、
   前記電池セルの端子電圧が所定の電圧範囲の下限又は上限に達するか否かを判定する端子電圧判定ステップと、
   前記端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達しない場合は、前記基準流量を前記ポンプに設定し、前記端子電圧が所定の電圧範囲の上下限に達する場合は、前記基準流量に所定の流量を加算した流量を前記ポンプに設定するポンプ流量設定ステップと、を備えるレドックスフロー電池の運転方法。

Images