JP7428362B2 - レドックスフロー電池を用いた蓄電システム - Google Patents

Description

本発明はレドックスフロー電池を用いた蓄電システムに関するものである。

近年、地球温暖化に影響を与えない再生可能エネルギーによる発電の重要性も高まりつつある。しかし、再生可能エネルギーによる発電は不安定であり、これによる電力を有効に利用するためには、大容量の蓄電池が必須となる。

大容量の蓄電池の一つにレドックスフロー電池がある。レドックスフロー電池は、正極電極と負極電極との間に隔膜を挟んだ構造を有する電池セル又は電池セルが積層されたセルスタックに、正極電解液と負極電解液をそれぞれ供給することにより充放電を行う二次電池である。レドックスフロー電池はその構成物質の化学変化による蓄電容量の劣化が無いため、１０年以上の長期間にわたって使用される定置用蓄電池として最適な電池の一つである。

しかし、レドックスフロー電池は、電解液の動作保証温度範囲が０℃から４０℃程度である。電池セル又はセルスタックの温度が、例えば４０℃以上では電解液の消散の可能性が高まり、５０℃を超えると熱可塑性樹脂を用いているセルスタックにおいてクリープによる変形による流路抵抗の増加や電解液漏洩の可能性が高まる。加えて、熱可塑性樹脂の劣化が早まり、セルスタックの寿命が短くなる。一方、電池セル又はセルスタックの温度が低いと、電解液の粘度が高まり電池セルの内部抵抗が高くなるため、電池セルの起電力が低下し蓄電容量が低下する。

このため、電解液の温度が、動作保証温度範囲の０℃から４０℃を逸脱した場合、寿命保証の観点からレドックスフロー電池の充放電を停止するか、或は充放電量を大きく抑制することが必要となる。

このようなレドックスフロー電池の充放電の停止や抑制を防止して効率のよい充放電を実現するため、屋外に設置されたレドックスフロー電池において、電解液の温度制御装置が設けられているものがある（たとえば特許文献１参照）。

特開第２０１５－２２５８２０号公報

しかし、温度制御装置を設けると、蓄電装置であるにもかかわらず、温度制御装置を動作させるためのかなりの電力が必要となる。
本発明は、温度制御装置を設けることなく、適正温度範囲内で動作可能なレドックスフロー電池を用いた蓄電システムを提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために、正極電極、負極電極、及び前記正極電極と前記負極電極との間に挟まれた隔膜を有する少なくとも１層の電池セルを備えるセルスタックと、正極側と負極側とに、それぞれ、電解液を貯蔵する電解液タンクと、前記電解液タンクと前記セルスタックとの間で前記電解液を循環させる循環ポンプと、前記電解液タンクと前記セルスタックとの間を連結し、前記電解液タンクから前記セルスタックへと前記電解液を供給する供給パイプと、前記電解液タンクと前記セルスタックとの間を連結し、前記セルスタックから前記電解液タンクへと前記電解液を排出する排出パイプと、を備えるレドックスフロー電池を具備する蓄電システムにおいて、前記電解液タンクが、地中に埋設されている、蓄電システムを提供する。

前記循環ポンプが地中に埋設されていてもよい。

前記セルスタックが地中に埋設されていてもよい。

前記供給パイプ及び前記排出パイプが地中に埋設されていてもよい。

前記セルスタックから発生したガスを地上部に逃す排気構造を備えていてもよい。

前記レドックスフロー電池における、地中に埋設されている部分が、筐体に覆われていてもよい。

前記筐体が、絶縁体で製造されていてもよい。

前記筐体が、断熱材で製造されていてもよい。

前記筐体が、耐酸性材料で製造されていてもよい。

前記レドックスフロー電池の出力電力が１ｋＷから３０ｋＷ、及び蓄電容量が１ｋＷｈから３０ｋＷｈであってもよい。

温度制御装置を設けることなく、適正温度範囲内で動作可能なレドックスフロー電池を用いた蓄電システムを提供することができる。

第１実施形態のレドックスフロー電池１を用いた蓄電システム１００を説明する図である。 制御装置５０のブロック図である。 第２実施形態のレドックスフロー電池１を用いた蓄電システム２００を説明する図である。 第３実施形態のレドックスフロー電池１を用いた蓄電システム３００を説明する図である。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態のレドックスフロー電池１を用いた蓄電システム１００を説明する図である。蓄電システム１００は、一般の電力会社の発電部１０１により発生された系統電力を需要家等の負荷１０２へ送電する電力線１０３に接続されている。

蓄電システム１００は、レドックスフロー電池１と、レドックスフロー電池１に電力を供給及びレドックスフロー電池１から電力が供給される制御装置５０と、を備える。

（制御装置）
図２は制御装置５０を含むブロック図である。制御装置５０には、レドックスフロー電池１と、電力線１０３と、太陽電池や風力発電機などの発電機１０５とが接続されている。
制御装置５０は、レドックスフロー電池１や発電機１０５で発電した電力を変換するためのコンバータＡ５１と、系統連携インバータ５２と、レドックスフロー電池１の充放電を制御するコンバータＢ５３と、コントローラ５４とを備える。コンバータＡ５１と、コンバータＢ５３と、系統連携インバータ５２とはコントローラ５４に接続されている。コントローラ５４は、ＬＡＮ５５を通じて受信した指令信号に基づいて発電機１０５の発電制御、レドックスフロー電池１の充電又は放電の制御を行う。

発電機１０５やレドックスフロー電池１から送られる電力は、コントローラ５４の制御によってそれぞれコンバータＡ５１、コンバータＢ５３を介して、直流として系統連携インバータ５２に送られ、系統連携インバータ５２によって交流に変換されて電力線１０３へと送電される。

コントローラ５４は、例えば、夜間（深夜）においては、電力線１０３より供給される系統電力によりレドックスフロー電池１を充電させる。
昼間は、太陽光発電などの発電機１０５で発生した電力を負荷１０２での使用のために優先して電力線１０３に出力させる。そして、発電機１０５で発生した電力に余剰がある場合は、レドックスフロー電池１を充電させる。負荷１０２での使用量が、発電機１０５での発電量で十分でない場合、レドックスフロー電池１の電力を電力線１０３に出力させる。そして、系統電力は、太陽光も蓄電池も電力がない場合のみ使用するように制御する。

（レドックスフロー電池）
図１に戻り、レドックスフロー電池１は、セルスタック１２Ａと、正極電解液タンク１４ａ、正極供給パイプ１５ａ、正極排出パイプ１６ａ、正極循環ポンプ１７ａと、負極電解液タンク１４ｂ、負極供給パイプ１５ｂ、負極排出パイプ１６ｂ、負極循環ポンプ１７ｂとを備える。
なお、以下、正極側と負極側とを区別する必要のない場合、正極側と負極側とを合わせて電解液タンク１４、供給パイプ１５、排出パイプ１６、循環ポンプ１７として説明する。

セルスタック１２Ａは、所定の電圧を確保するために積層された複数の電池セル１２の積層体である。なお、図１においては１層の電池セル１２のみ示す。また、セルスタック１２Ａ内のそれぞれの電池セル１２は同様の構成を有するので、以下、一つの電池セル１２の構成のみ説明する。

電池セル１２は、水素イオンを透過させる隔膜１１で正極電池セル１２ａと負極電池セル１２ｂとに分離されている。電池セル１２の正極電池セル１２ａの内部には正極電極１３ａが配置され、正極電池セル１２ａには正極電解液を貯留する正極電解液タンク１４ａが正極供給パイプ１５ａと正極排出パイプ１６ａとを介して接続されている。正極供給パイプ１５ａには、正極循環ポンプ１７ａが配置されている。
正極循環ポンプ１７ａが作動すると、正極電解液は正極供給パイプ１５ａを通って正極電池セル１２ａに供給され、正極電池セル１２ａから正極排出パイプ１６ａを通って正極電解液タンク１４ａに排出される。

負極側においても正極側と同様に、負極電池セル１２ｂの内部には負極電極１３ｂが配置され、負極電池セル１２ｂには負極電解液を貯留する負極電解液タンク１４ｂが負極供給パイプ１５ｂと負極排出パイプ１６ｂとを介して接続されている。負極供給パイプ１５ｂには、負極循環ポンプ１７ｂが配置されている。
そして、負極循環ポンプ１７ｂが作動すると、負極電解液は負極供給パイプ１５ｂを通って負極電池セル１２ｂに供給され、負極電池セル１２ｂから負極排出パイプ１６ｂを通って負極電解液タンク１４ｂに排出される。

レドックスフロー電池１においては、このように正極電解液と負極電解液とが循環することで、正極電解液に含まれるイオンと負極電解液に含まれるイオンとの間の酸化還元電位の差を利用して充放電が行われる。

実施形態のレドックスフロー電池１は、電解液としてバナジウム系電解液を用い、電解液のタンク総容量は５０リットルから１５００リットルであり、蓄電容量は１ｋＷｈから３０ｋＷｈである。すなわちレドックスフロー電池１としては比較的小型な一般家庭用である。

ここで、レドックスフロー電池が、本実施形態と異なり、例えば工場用の大型のレドックスフロー電池である場合、タンク総容量は、１５００リットルよりかなり大きくなる。この場合、電解液の流量が大きいので、外部の温度にあまり影響されない。

しかし、実施形態のレドックスフロー電池１のような電解液のタンク総容量が５０リットルから１５００リットルで、蓄電容量が１ｋＷｈから３０ｋＷｈの場合、容量が小さいのでレドックスフロー電池１の外部の温度の影響を受けやすくなる。
レドックスフロー電池１は、電解液の動作保証温度範囲が０℃から４０℃程度である。電池セル１２の温度が４０℃以上になると電解液の消散の可能性が高まり、５０℃を超えると熱可塑性樹脂を用いている電池セル１２においてクリープによる変形による流路抵抗の増加や電解液漏洩の可能性が高まる。加えて、熱可塑性樹脂の劣化が早まり、電池セル１２の寿命が短くなる。一方、電池セル１２の温度が低くなると、電解液の粘度が高まり電池セル１２の内部抵抗が高くなるため、電池セル１２の起電力が低下し蓄電容量が低下する。

ここで、一般に深さ１０ｍくらいの地中の温度は、年平均気温と略等しい。例えば四国・九州の南部では２０℃、北海道で１０℃、東京や大阪では１７℃程度である。１０ｍより浅い場合であっても、地中であれば大気の温度と比べて温度変化が小さく、地表であっても、０℃から３０℃程度である。すなわち、地表も含めて地中温度は、年間を通じて電解液の動作保証温度範囲である０℃から４０℃の範囲内である。

そこで、第１実施形態において、図１に示すように、レドックスフロー電池１は筐体２０内に配置され、筐体２０ごと地中に埋設されている。筐体２０は、断熱性、絶縁性及び／又は耐酸性を有する材料で製造されていることが好ましい。

（地中埋設の効果１）
レドックスフロー電池１は、電解液が最も長く滞在する電解液タンク１４、外部と接する面積が大きい供給パイプ１５及び排出パイプ１６、発熱する可能性のあるセルスタック１２Ａ、及び循環ポンプ１７を含む、レドックスフロー電池１の全てが地中に埋設されているので、外部環境の温度変化が少ない。したがって、別途、温度制御装置を設けなくても、電解液の温度を、動作保証温度範囲である０℃から４０℃の範囲内に保つことができる。
ゆえに、温度制御装置を動作させるための余分な電力を使用することなく電解液の動作保証温度範囲である０℃から４０℃の範囲内に保つことができる。
さらに、温度制御装置が配置されていないので、温度制御装置の故障がなく、従来のリチウムイオン電池等を用いた定置用蓄電池では実現が困難な２０年以上という長寿命な定置用の蓄電池（レドックスフロー電池１）の実現が可能となる。

（地中埋設の効果２）
レドックスフロー電池１を用いた蓄電システム１００は、電解液タンク１４が大型で重量も大きいため、一般家庭等に設置する場合、スペースが問題となる。しかし、レドックスフロー電池１は地中に埋設され、地上には制御装置５０のみが配置される。制御装置５０のサイズはレドックスフロー電池１と比べると小さいので、地上のスペースを大量に占拠することがない。

（地中埋設の効果３）
住宅地等に屋外設置されたレドックスフロー電池１においては周囲環境への騒音をおよそ４５ｄＢ以下に抑制することが必要である。循環ポンプ１７は騒音源となるため、循環ポンプが地上に配置されている場合、騒音を抑制する防音機構が必要となる。そうすると、防音機構を配置するスペースが必要となり、さらにコストもかかる。
しかし、レドックスフロー電池１は筐体２０内に配置され、さらに地中に埋設されているので、循環ポンプ１７が発する騒音の周囲環境への伝搬を抑制することができる。

（筐体内配置の効果）
また、レドックスフロー電池１は、筐体２０内で配置されている。例えば、レドックスフロー電池１が筐体２０内に配置されずに、そのまま地中に配置されていた場合、雨水や地下水などがレドックスフロー電池１の周囲に溜まる可能性がある。そうすると、レドックスフロー電池１において発生された電力が外部に漏電する可能性がある。
しかし、実施形態でレドックスフロー電池１は筐体２０内に設置されているので、雨水や地下水などがレドックスフロー電池１の周囲に溜まることがなく、レドックスフロー電池１において発生された電力が外部に漏電することがない。

（筐体が断熱材である効果）
筐体２０が断熱性を有する場合、筐体２０内の温度を、より一定に保つことができる。したがって、電解液の温度をより一定に保つことができる。

（筐体が絶縁材である効果）
また、レドックスフロー電池１においては、電解液中をシャント電流が流れている。電解液の漏洩等によって、シャント電流が外部に流れると漏電となる。特に循環ポンプ１７が絶縁されていない場合、シャント電流が外に流れる可能性が高くなる。また、レドックスフロー電池１において蓄電容量が４８００Ａｈ・セル（約１０ｋＷｈ）以上となる場合には、火災予防条例により電解液の主成分である希硫酸の流出防止工ことが必須となる。
筐体２０を、絶縁性を有する材料で製造した場合、筐体２０の外部へのシャント電流の漏電を防止することができる。

（筐体が耐酸性材である効果）
筐体２０が耐酸性材料で製造されている場合、例えば地震などの災害時にタンクやパイプが破壊されて電解液が漏洩した場合においても、電解液が筐体２０外部に流出することを防止することができ、環境破壊が防止される。

また、図１に示すように、セルスタック１２Ａから負極電解液タンク１４ｂへ延びる負極排出パイプ１６ｂに、筐体２０の外部への排気構造として、地上に向かって延びる排気パイプ２１が設けられている。排気パイプ２１における地上部には逆止弁２２が設けられ、さらに排気パイプ２１の上端は、気体の流入を防止並びに気化した電解液の流出を防止するように、水中に開口されている。

（排気構造の効果）
レドックスフロー電池１の充放電制御に異常が生じて水素ガスが発生する場合がある。セルスタック１２Ａが地下に埋設されていると、セルスタック１２Ａで発生した水素ガスが、セルスタック１２Ａや、筐体２０の天井部に溜まる可能性がある。
しかし、排気パイプ２１が設けられているので、水素ガスを、排気パイプ２１によって地上に放出することができる。
なお、実施形態では排気構造をセルスタック１２Ａから負極電解液タンク１４ｂへ延びる負極排出パイプ１６ｂに排気パイプ２１を設けたが、これに限らず、排気パイプ２１はセルスタック１２Ａに設けてもよく、また負極電解液タンク１４ｂに設けてもよい。

（組み立て方法）
レドックスフロー電池１は、地中に埋設する前に、地上において筐体２０内で組み立てられて配置されている。すなわち、筐体２０が地上にある状態で、セルスタック１２Ａ（電池セル１２）、電極１３、電解液タンク１４、供給パイプ１５、排出パイプ１６、循環ポンプ１７が組み立てられる。電解液のみ、筐体２０を地中に埋設した後に電解液タンク１４内に充填される。

（組み立ての効果）
すなわち、筐体２０内にレドックスフロー電池１を配置するところまで、工場で行うことが可能である。そして、レドックスフロー電池１が内部に配置された筐体２０を、設置場所である例えば個人宅の庭等まで運搬する。そして、庭に掘られた穴の中に、レドックスフロー電池１を筐体２０ごと埋設する。
このようにすることで、レドックスフロー電池１の筐体２０内への設置を、設備の整った工場内で行うことができる。したがって、レドックスフロー電池１の設置を容易且つ正確に行うことができる。また、個人宅の庭等での設置工事を簡略化することができる。ただし、これに限らず、筐体２０を用いずに例えば個人宅の庭等の地中に地下室を形成した後にレドックスフロー電池１をその地下室に設置するようにしてもよい。
また、最も重量の重い電解液は筐体２０を地中に埋設した後に電解液タンク１４に充填する。したがって、筐体２０の地中への埋設時において筐体２０とレドックスフロー電池１との重量はそれほど重くないので、設置が容易になる。

（第２実施形態）
図３は本発明の第２実施形態のレドックスフロー電池１を用いた蓄電システム２００を説明する図である。第１実施形態では、レドックスフロー電池１の全体が地中に埋設されている形態について説明した。ただし、本発明はこれに限らず、レドックスフロー電池１の全体が地中になくても、少なくとも電解液タンク１４が地中に埋設されていればよい。第２実施形態において、セルスタック１２Ａは地上に配置されている。なお、それ以外の構成については第１実施形態と同様であるので同一の符号を付してその説明を省略する。

上述のように、電解液としてバナジウム系電解液を用いた場合、電解液のタンク総容量は５０リットルから１５００リットルであり、蓄電容量が１ｋＷｈから３０ｋＷｈである。例えば、Ｖｏｌｔｅｒｉｏｎ（ＴＭ）製のセルスタック１２Ａを搭載したレドックスフロー電池１で、蓄電容量１０ｋＷｈの場合、電解液量は合計３００リットル程度である。そして、電解液は、セルスタック１２Ａに２０リットル、電解液タンク１４に２５０リットル、供給パイプ１５、排出パイプ１６及び循環ポンプ１７に３０リットル程度含まれる。

また、Ｖｏｌｔｅｒｉｏｎ（ＴＭ）製のセルスタック１２Ａの場合、流量は３リットル／ｍｉｎから１５リットル／ｍｉｎである。従って、稼働時に温度上昇するセルスタック１２Ａに電解液が滞留する時間は、最長で２０リットル÷３リットル／分＝６．７分、最短で２０リットル÷１５リットル／分＝１．３分となる。
一方、電解液タンク１４に電解液が滞留する時間は、最長で２５０リットル÷３リットル／分＝８３．３分、最短で２５０リットル÷１５リットル／分＝１６．７分となる。
また、供給パイプ１５、排出パイプ１６及び循環ポンプ１７に電解液が滞留する時間は、最長で３０リットル÷３リットル／分＝１０分、最短で３０リットル÷１５リットル／分＝２分となる。すなわち、電解液が電解液タンク１４に滞在している時間が最も長い。

したがって、第２実施形態及び次に述べる第３実施形態のように、少なくとも電解液タンク１４が地中に埋設されていれば、温度制御装置を設けなくても、電解液の温度を、動作保証温度範囲である０℃から４０℃の範囲内に保つという第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、その他の効果も第１実施形態と同様である。なお、第２実施形態及び次に述べる第３実施形態では、セルスタック１２Ａが地上に設けられているため、水素ガスを筐体２０外に排気するための排気パイプ２１を例えば負極排出パイプ１６ｂの地上部に取り付けてもよい。

（第３実施形態）
図４は本発明の第３実施形態のレドックスフロー電池１を用いた蓄電システム３００を説明する図である。
上述したように、レドックスフロー電池１の全体が地中になくても、少なくとも電解液タンク１４が地中に埋設されていればよく。第３実施形態において、セルスタック１２Ａと循環ポンプ１７が地上に配置されている。なお、それ以外の構成については第１実施形態と同様であるので同一の符号を付してその説明を省略する。

第３実施形態においてが、循環ポンプ１７が地上に配置されているため騒音対策が必要となるが、他の効果については第１実施形態と同様である。

（変形形態）
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変更が可能である。

例えば、筐体２０の上部を開閉可能とすることができる。この場合、レドックスフロー電池１において、最初の設置後の新たなタンク増設による蓄電容量アップも可能であり、電力需要の増加に合わせた蓄電容量の確保が容易となり、加えて循環ポンプ、タンク、パイプ等のメンテナンスが容易となる。

また、第２実施形態及び第３実施形態で地上に配置されている部分も、断熱性や絶縁性を有する材料で覆うことができる。これにより、地上部に配置されているセルスタック１２Ａの外気からの影響を低減することができる。

１ レドックスフロー電池
１１ 隔膜
１２ 電池セル
１２Ａ セルスタック
１３ 電極
１４ 電解液タンク
１５ 供給パイプ
１６ 排出パイプ
１７ 循環ポンプ
２０ 筐体
２１ 排気パイプ
２２ 逆止弁
５０ 制御装置
５１ コンバータＡ
５２ 系統連携インバータ
５３ コンバータＢ
５４ コントローラ
１００，２００，３００ 蓄電システム

Claims (9)

1. 正極電極、負極電極、及び前記正極電極と前記負極電極との間に挟まれた隔膜を有する少なくとも１層の電池セルを備えるセルスタックと、
   正極側と負極側とに、それぞれ、
   電解液を貯蔵する電解液タンクと、
   前記電解液タンクと前記セルスタックとの間で前記電解液を循環させる循環ポンプと、
   前記電解液タンクと前記セルスタックとの間を連結し、前記電解液タンクから前記セルスタックへと前記電解液を供給する供給パイプと、
   前記電解液タンクと前記セルスタックとの間を連結し、前記セルスタックから前記電解液タンクへと前記電解液を排出する排出パイプと、
   を備え、
   前記循環ポンプが地中に埋設されている、
   前記電解液タンクが、地中に埋設されている、レドックスフロー電池を用いた蓄電システム。
2. 前記セルスタックが地中に埋設されている、
   請求項１に記載のレドックスフロー電池を用いた蓄電システム。
3. 前記供給パイプ及び前記排出パイプが地中に埋設されている、
   請求項１又は２に記載の、レドックスフロー電池を用いた蓄電システム。
4. 前記セルスタックから発生したガスを地上部に逃す排気構造を備える、
   請求項１から３のいずれか１項に記載の、レドックスフロー電池を用いた蓄電システム。
5. 前記レドックスフロー電池における、地中に埋設されている部分が、筐体に覆われている、
   請求項１から４のいずれか１項に記載の、レドックスフロー電池を用いた蓄電システム。
6. 前記筐体が、絶縁体で製造されている、
   請求項５に記載の、レドックスフロー電池を用いた蓄電システム。
7. 前記筐体が、断熱材で製造されている、
   請求項５又は６に記載の、レドックスフロー電池を用いた蓄電システム。
8. 前記筐体が、耐酸性材料で製造されている、
   請求項５から７のいずれか１項に記載の、レドックスフロー電池を用いた蓄電システム。
9. 前記レドックスフロー電池の出力電力が１ｋＷから３０ｋＷ、及び蓄電容量が１ｋＷｈから３０ｋＷｈである、
   請求項１から８のいずれか１項に記載の、レドックスフロー電池を用いた蓄電システム。

Images