WO2016117263A1 - レドックスフロー電池の運転方法、およびレドックスフロー電池 - Google Patents

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negative electrode
positive electrode
electrolyte
cell stack
positive
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克也 山西
康充 筒井
貴浩 隈元
敬二 矢野
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住友電気工業株式会社
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present invention relates to a redox flow battery used for instantaneous voltage drop countermeasures, power failure countermeasures, load leveling, and the like, and a redox flow battery operation method.
  • An electrolyte circulation type battery typically a redox flow battery (RF battery).
  • An RF battery is a battery that charges and discharges using a difference in redox potential between ions contained in a positive electrode electrolyte and ions contained in a negative electrode electrolyte (see, for example, Patent Document 1).
  • the RF battery ⁇ includes a battery cell 100 separated into a positive electrode portion 102 and a negative electrode portion 103 by a diaphragm 101 that allows hydrogen ions to pass therethrough.
  • a positive electrode 104 is built in the positive electrode part 102, and a positive electrode tank 106 for storing a positive electrode electrolyte is connected to the positive electrode forward pipe 108 and the positive electrode return pipe 110.
  • the positive electrode forward pipe 108 is provided with a pump (positive electrode liquid feeding device) 112, and a positive electrode circulation mechanism 100 ⁇ / b> P that circulates the positive electrode electrolyte is constituted by these members 106, 108, 110, and 112.
  • the negative electrode unit 103 includes a negative electrode 105 therein, and a negative electrode tank 107 that stores a negative electrode electrolyte is connected to the negative electrode forward tube 109 and the negative electrode return tube 111.
  • the negative electrode forward pipe 109 is provided with a pump (negative electrode liquid feeding device) 113, and these members 107, 109, 111, 113 constitute a negative electrode circulation mechanism 100 N that circulates the negative electrode electrolyte. .
  • the electrolyte stored in the tanks 106 and 107 is circulated in the cells 102 and 103 by the pumps 112 and 113 during charging and discharging. When charging / discharging is not performed, the pumps 112 and 113 are stopped and the electrolytic solution is not circulated.
  • a plurality of the battery cells 100 are usually stacked inside a structure called a cell stack 200 as shown in FIG.
  • the cell stack 200 is configured by sandwiching a laminated structure called a sub-stack 200 s from both sides with two end plates 210 and 220 and tightening with a tightening mechanism 230 (in the illustrated configuration, a plurality of sub-stacks are arranged). 200 s is used).
  • the sub-stack 200s is formed by stacking a plurality of cell units including the cell frame 120, the positive electrode 104, the diaphragm 101, the negative electrode 105, and the cell frame 120, and supplying the stacked body.
  • the cell frame 120 provided in the cell unit includes a frame 122 having a through window and a bipolar plate 121 that closes the through window, and is arranged so that the positive electrode 104 is in contact with one surface side of the bipolar plate 121.
  • the negative electrode 105 is disposed on the other surface side of the bipolar plate 121 so as to be in contact therewith.
  • one battery cell 100 is formed between the bipolar plates 121 of the adjacent cell frames 120.
  • Distribution of the electrolyte solution to the battery cell 100 via the supply / discharge plates 190, 190 in the sub stack 200 s is performed by the supply manifolds 123, 124 formed in the frame body 122 and the discharge manifolds 125, 126. .
  • the positive electrode electrolyte is supplied from the liquid supply manifold 123 to the positive electrode 104 through an inlet slit formed on one side (the front side of the paper) of the frame 122, and the outlet slit formed at the top of the frame 122 Then, the liquid is discharged to the drainage manifold 125.
  • the negative electrode electrolyte is supplied from the liquid supply manifold 124 to the negative electrode 105 through an inlet slit (shown by a dotted line) formed on the other surface side (back side of the paper surface) of the frame body 122. Is discharged to the drainage manifold 126 through an outlet slit (shown by a dotted line) formed in the upper portion of the liquid.
  • An annular sealing member 127 such as an O-ring or a flat packing is disposed between the cell frames 120, and leakage of the electrolyte from the sub stack 200s is suppressed.
  • the input / output of electric power between the battery cell 100 provided in the sub stack 200s and the external device is performed by a current collecting structure using a current collecting plate made of a conductive material.
  • a pair of current collecting plates is provided for each sub-stack 200s, and each current collecting plate is electrically connected to the bipolar plate 121 of the cell frame 120 positioned at both ends in the stacking direction among the stacked cell frames 120. Has been.
  • both electrolytes are circulated so that the pressure of the positive electrode electrolyte and the pressure of the negative electrode electrolyte are the same.
  • liquid transfer occurs from the negative electrode side to the positive electrode side through the diaphragm. For this reason, when the amount of liquid transfer increases due to repeated charge and discharge, the amount of electrolyte in the electrolyte tank becomes unbalanced, which may cause problems such as overflowing of the positive electrode electrolyte from the positive electrode tank.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and one of its purposes is to provide a redox flow battery operating method and a redox flow battery capable of suppressing liquid transfer from the negative electrode side to the positive electrode side. There is to do.
  • a method for operating a redox flow battery is to circulate a positive electrode electrolyte using a positive electrode circulation mechanism in a cell stack in which a plurality of battery cells having a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm are stacked, This is a method for operating a redox flow battery in which a negative electrode electrolyte is circulated using a negative electrode circulation mechanism.
  • the difference in which the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm is higher than the pressure of the negative electrode electrolyte. Maintain pressure.
  • a redox flow battery includes a cell stack in which a plurality of battery cells each having a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm are stacked, a positive electrode circulation mechanism that circulates a positive electrode electrolyte in the cell stack, and the cell A redox flow battery comprising: a negative electrode circulation mechanism that circulates a negative electrode electrolyte in a stack.
  • This redox flow battery has a differential pressure in which the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm is higher than the pressure of the negative electrode electrolyte when the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte are circulated through the cell stack.
  • a differential pressure forming mechanism for creating a state is provided.
  • the operation method of the redox flow battery according to the embodiment circulates the positive electrode electrolyte using a positive electrode circulation mechanism in a cell stack in which a plurality of battery cells each having a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm are stacked.
  • This is a method for operating a redox flow battery in which a negative electrode electrolyte is circulated using a negative electrode circulation mechanism.
  • the difference in which the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm is higher than the pressure of the negative electrode electrolyte. Maintain pressure.
  • the differential pressure state in which the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm is higher than the pressure of the negative electrode electrolyte liquid transfer from the negative electrode side to the positive electrode side through the diaphragm can be suppressed.
  • the differential pressure state in which the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm is higher than the pressure of the negative electrode electrolyte suppresses the liquid transfer of the electrolyte to the extent that does not substantially hinder the operation of the redox flow battery.
  • the difference between the pressure of the positive electrode electrolyte and the pressure of the negative electrode electrolyte can be 1000 Pa or more.
  • the positive electrode circulation mechanism and the negative electrode circulation mechanism have the following configuration, and perform at least one of the following [1] and [2].
  • the form which forms a pressure state can be mentioned.
  • the positive electrode circulation mechanism includes a positive electrode tank, a positive electrode forward pipe for supplying the positive electrode electrolyte from the positive electrode tank to the cell stack, and a discharge of the positive electrode electrolyte from the cell stack to the positive electrode tank. And a positive electrode liquid supply device for supplying the positive electrode electrolyte solution to the cell stack.
  • the negative electrode circulation mechanism includes a negative electrode tank, a negative electrode forward pipe that supplies the negative electrode electrolyte from the negative electrode tank to the cell stack, and the negative electrode electrolyte is discharged from the cell stack to the negative electrode tank. And a negative electrode liquid feeding device for feeding the negative electrode electrolyte solution to the cell stack.
  • the pressure loss of the positive electrode return pipe is made larger than the pressure loss of the negative electrode return pipe.
  • the pressure loss of the negative electrode outward pipe is made larger than the pressure loss of the positive electrode outward pipe.
  • a mode in which the liquid feeding amount from the positive electrode liquid feeding device is made larger than the liquid feeding amount from the negative electrode liquid feeding device can be exemplified.
  • the pressure of the positive electrode electrolyte supplied into the cell stack is made higher than the pressure of the negative electrode electrolyte by making the amount of liquid fed from the positive electrode liquid feeder larger than the amount of liquid fed from the negative electrode liquid feeder. be able to. As a result, it is easy to maintain the differential pressure state.
  • a redox flow battery includes a cell stack in which a plurality of battery cells having a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm are stacked, a positive electrode circulation mechanism that circulates a positive electrode electrolyte in the cell stack, and the cell
  • a redox flow battery comprising: a negative electrode circulation mechanism that circulates a negative electrode electrolyte in a stack.
  • This redox flow battery has a differential pressure in which the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm is higher than the pressure of the negative electrode electrolyte when the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte are circulated through the cell stack.
  • a differential pressure forming mechanism for creating a state is provided.
  • the differential pressure state can be created. Therefore, in the above redox flow battery, liquid transfer can be suppressed even when charging and discharging are repeated by circulation of the electrolytic solution, and the total amount of the positive electrode electrolyte does not exceed the total amount of the negative electrode electrolyte.
  • the RF battery 1 includes a cell stack 2, a positive electrode circulation mechanism 3P, and a negative electrode circulation mechanism 3N, as in the conventional RF battery.
  • the configuration of the cell stack 2 is shown in a simplified manner, but actually, a configuration in which a plurality of sub-stacks 200 s are fastened with end plates 210 and 220 as described with reference to the lower diagram of FIG. 7. It has.
  • a plurality of battery cells 100 are actually stacked.
  • Each battery cell 100 includes a positive electrode 104, a negative electrode 105, and a diaphragm 101 that separates both electrodes 104 and 105.
  • the positive electrode circulation mechanism 3 ⁇ / b> P includes a positive electrode tank 106, a positive electrode pipe line including a positive electrode forward pipe 108 and a positive electrode return pipe 110, and a pump (a positive electrode liquid feeding device) 112.
  • the positive electrode forward pipe 108 is a pipe that supplies the positive electrode electrolyte from the positive electrode tank 106 to the cell stack 2
  • the positive electrode return pipe 110 is a pipe that discharges the positive electrode electrolyte from the cell stack 2 to the positive electrode tank 106.
  • the pump 112 is provided in the middle of the positive electrode outgoing pipe 108 and sends out the positive electrode electrolyte to the cell stack 2.
  • the negative electrode circulation mechanism 3 ⁇ / b> N includes a negative electrode tank 107, a negative electrode pipe composed of a negative electrode forward pipe 109 and a negative electrode return pipe 111, and a pump (negative electrode liquid feeding device) 113.
  • the negative electrode forward pipe 109 is a pipe for supplying a negative electrode electrolyte from the negative electrode tank 107 to the cell stack 2
  • the negative electrode return pipe 111 is a pipe for discharging the negative electrode electrolyte from the cell stack 2 to the negative electrode tank 107.
  • the pump 113 is provided in the middle of the negative electrode outgoing pipe 109 and sends out the negative electrode electrolyte to the cell stack 2.
  • the main difference between the RF battery 1 of the embodiment having the above configuration and the conventional one is that when the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte are circulated in the cell stack 2, the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm 101 is negative electrode electrolysis.
  • a differential pressure forming mechanism that creates a differential pressure state higher than the pressure of the liquid is provided (pressure acts on the diaphragm 101 in the direction of the white arrow shown in the battery cell 100 of FIG. 1).
  • the differential pressure forming mechanism is formed by changing the configuration (mainly the dimensions) of the existing members provided in the RF battery 1, specifically by providing a structural difference between the positive electrode circulation mechanism 3P and the negative electrode circulation mechanism 3N. Is done.
  • an embodiment of the differential pressure forming mechanism will be described with reference to FIGS. 2 to 4, the tank, the pump and the valve are omitted, and in FIG. 5, the cell stack is also omitted.
  • FIG. 2 shows a differential pressure forming mechanism 6 ⁇ / b> A formed by making the positive return pipe 110 longer than the negative return pipe 111.
  • the pressure loss of the electrolyte flowing in the tube increases.
  • the pressure loss of the positive return pipe 110 is larger than the pressure loss of the negative return pipe 111.
  • the pressure of the positive electrode electrolyte in the cell stack 2 becomes higher than the pressure of the negative electrode electrolyte, and the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm 101 over the entire surface of the diaphragm 101 in the cell stack 2 is the pressure of the negative electrode electrolyte.
  • a higher differential pressure state can be created.
  • the differential pressure forming mechanism 6A may be formed by making the negative electrode outward tube 109 longer than the positive electrode outward tube 108. In this case, the pressure of the negative electrode electrolyte in the cell stack 2 is lowered, and a state in which the pressure of the positive electrode electrolyte is relatively higher than the pressure of the negative electrode electrolyte is created.
  • the differential pressure forming mechanism 6A can be formed by combining a configuration in which the lengths of the return pipes 110 and 111 are different from a configuration in which the lengths of the outgoing pipes 108 and 109 are different.
  • FIG. 3 shows a differential pressure forming mechanism 6B formed by making the positive return pipe 110 thinner than the negative return pipe 111.
  • the positive electrode return pipe 110 is made thinner than the negative electrode return pipe 111, so that the pressure loss of the positive electrode return pipe 110 is larger than the pressure loss of the negative electrode return pipe 111.
  • the pressure of the positive electrode electrolyte in the cell stack 2 becomes higher than the pressure of the negative electrode electrolyte, and the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm 101 over the entire surface of the diaphragm 101 in the cell stack 2 is the pressure of the negative electrode electrolyte.
  • a higher differential pressure state can be created.
  • the differential pressure forming mechanism 6B may be formed by making the negative electrode outward tube 109 thinner than the positive electrode outward tube 108. In this case, the pressure of the negative electrode electrolyte in the cell stack 2 is lowered, and a state in which the pressure of the positive electrode electrolyte is relatively higher than the pressure of the negative electrode electrolyte is created.
  • the differential pressure forming mechanism 6B can be formed by combining a configuration in which the return pipes 110 and 111 have different thicknesses and a configuration in which the forward pipes 108 and 109 have different thicknesses.
  • FIG. 4 shows a differential pressure forming mechanism 6 ⁇ / b> C formed by bending the positive return pipe 110 more complicatedly than the negative return pipe 111. If there are many bent portions of the tube, the pressure loss of the electrolyte flowing in the tube increases. In the case of FIG. 4, since the positive return pipe 110 is bent more complicatedly than the negative return pipe 111, the pressure loss of the positive return pipe 110 is larger than the pressure loss of the negative return pipe 111.
  • the pressure of the positive electrode electrolyte in the cell stack 2 becomes higher than the pressure of the negative electrode electrolyte, and the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm 101 over the entire surface of the diaphragm 101 in the cell stack 2 is the pressure of the negative electrode electrolyte.
  • a higher differential pressure state can be created.
  • the tube can be bent in a complicated manner, for example, by reducing the bending radius of the bent portion of the tube.
  • the differential pressure forming mechanism 6C may be formed by bending the negative electrode outward tube 109 more complicatedly than the positive electrode outward tube 108.
  • the differential pressure forming mechanism 6C can be formed by combining a configuration in which the return pipes 110 and 111 have different bending states and a configuration in which the outgoing pipes 108 and 109 have different bending states.
  • Valves 114 and 116 exist in the positive electrode conduit of the RF battery 1 shown in FIG. 1, and valves 115 and 117 exist in the negative electrode conduit. These valves 114 to 117 are used when stopping the circulation of the electrolyte solution to the cell stack 2. These valves can be used to form a differential pressure forming mechanism. For example, the valve 116 of the positive return pipe 110 is throttled (the opening degree is made smaller) than the valve 117 of the negative return pipe 111, thereby reducing the pressure loss of the positive return pipe 110 to the pressure loss of the negative return pipe 111. Can be bigger.
  • the pressure of the positive electrode electrolyte in the cell stack 2 becomes higher than the pressure of the negative electrode electrolyte, and the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm 101 over the entire surface of the diaphragm 101 in the cell stack 2 is the pressure of the negative electrode electrolyte.
  • a higher differential pressure state can be created.
  • the above-mentioned differential pressure state can also be created by lowering the pressure of the negative electrode electrolyte in the cell stack 2 by narrowing the valve 115 of the negative electrode outward tube 109 than the valve 114 of the positive electrode outward tube 108.
  • a differential pressure forming mechanism is formed by combining a configuration in which the opening degrees of the valves 116 and 117 of the return pipes 110 and 111 are different from a configuration in which the opening degrees of the valves 114 and 115 of the outgoing pipes 108 and 109 are different. You can also.
  • the number and position of the valves provided in the positive electrode conduit and the negative electrode conduit are not limited to the configuration and arrangement shown in FIG. 1 and can be set as appropriate.
  • each of the positive electrode conduit and the negative electrode conduit may include three or more valves, or one valve each.
  • each of the pumps 112 and 113 may be controlled by the flow rate control unit 5 based on values obtained in advance using the test RF battery 1. Also by adjusting the amount of liquid fed from the pumps 112 and 113, the pressure of the positive electrode electrolyte in the cell stack 2 becomes higher than the pressure of the negative electrode electrolyte, and acts on the diaphragm 101 over the entire surface of the diaphragm 101 in the cell stack 2. Thus, a differential pressure state in which the pressure of the positive electrode electrolyte is higher than the pressure of the negative electrode electrolyte can be created.
  • the RF battery 1 shown in FIG. 1 includes a positive electrode heat exchanger 4P provided in the middle of the positive electrode return pipe 110 and a negative electrode heat exchanger 4N provided in the middle of the negative electrode return pipe 111.
  • the differential pressure forming mechanism 6D can also be formed by these heat exchangers 4P and 4N.
  • FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the negative electrode heat exchanger 4N, and a lower configuration of FIG. 5 is a schematic configuration diagram of the positive electrode heat exchanger 4P.
  • the basic configuration of the heat exchanger is known as described in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-206566.
  • the heat exchanger 4P (4N) can be configured by placing a pipe 42P (42N) in a container 41P (41N) that stores the refrigerant 40P (40N).
  • the pipe 42P (42N) is connected to the return pipe 110 (111), and therefore, the positive electrode electrolyte (the negative electrode electrolyte) flows therein.
  • the positive electrode electrolyte (negative electrode electrolyte) is cooled by the refrigerant 40P (40N) while flowing through the pipe 42P (42N).
  • the refrigerant 40P (40N) includes a gas refrigerant for air cooling and a liquid refrigerant for water cooling, and is cooled by a cooling mechanism (not shown).
  • the pipe 42P (42N) can be regarded as a part of the return pipe 110 (111).
  • the pipe 42P of the positive electrode heat exchanger 4P may be made longer than the pipe 42N of the negative electrode heat exchanger 4N as illustrated. By doing so, the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm 101 over the entire surface of the diaphragm 101 is higher than the pressure of the negative electrode electrolyte for the same reason as the differential pressure forming mechanism 6A in which the lengths of the return pipes 110 and 111 are different. A differential pressure state can be created.
  • the above-mentioned differential pressure can be obtained by making the pipe 42P thinner than the pipe 42N, increasing the bent part of the pipe 42P more than the bent part of the pipe 42N, or making the bending radius of the pipe 42P smaller than the bending radius of the pipe 42N. Can create a state.
  • the differential pressure state may be created by combining the pipe length, the pipe thickness, and the bent state of the pipe.
  • the differential pressure state can also be created by providing only the positive electrode heat exchanger 4P and not the negative electrode heat exchanger 4N.
  • the above-described differential pressure state can be formed.
  • the differential pressure state can also be formed by routing the positive return pipe 110 to a position higher than the negative return pipe 111.
  • each of the differential pressure forming mechanisms described above can be used alone or in combination.
  • a desired differential pressure state is easily formed.
  • the positive and negative pumps (positive electrode liquid feeding device) and the negative electrode pump (negative electrode liquid feeding device) Since the amount of liquid is different, it is possible to finely adjust the differential pressure state, which is preferable.
  • the flow path of the positive electrode electrolyte and the flow path of the negative electrode electrolyte in the cell stack 2 are identical in configuration.
  • the configuration of the cell frame 120 in FIG. 7 must be changed. This is because it is not easy to change the cell frame 120 because a mold is necessary for manufacturing the cell frame 120.
  • the differential pressure forming mechanism in the present embodiment can be easily formed by providing structural differences between the positive electrode circulation mechanism 3P and the negative electrode circulation mechanism 3N.
  • the test RF battery 1 is produced by combining the above differential pressure forming mechanisms individually or in combination. Then, the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte are circulated in the cell stack 2 while monitoring the pressure in the diaphragm 101 of the test RF battery 1. Based on the monitoring results, readjustment of the shape and size of each part of the RF battery 1 or change the output of the pumps 112 and 113 to optimize the optimum value of the shape and dimension of each part and the output of the pumps 112 and 113 Determine the value.
  • the pressure of the positive electrode electrolyte acting on the diaphragm 101 over the entire surface of the diaphragm 101 is always higher than the pressure of the negative electrode electrolyte acting on the diaphragm 101. Can do. As a result, liquid transfer from the negative electrode side to the positive electrode side through the diaphragm 101 can be suppressed.
  • the differential pressure forming mechanism 6B referring to FIG. 3 when the differential pressure forming mechanism 6B referring to FIG. 3 is employed, if the inner diameter of the positive electrode return pipe 110 is 80% or less of the inner diameter of the negative electrode return pipe 111, it acts on the diaphragm 101 in the battery cell 100.
  • the pressure of the positive electrode electrolyte that is applied can be higher than the pressure of the negative electrode electrolyte that acts on the diaphragm 101.
  • the pressure difference state can be maintained until the circulation of the electrolytic solution is stopped by stopping the pump 113 on the negative electrode side before the pump 112 on the positive electrode side.
  • the latter method can be rephrased as a method of moving the positive-side pump 112 for a while after the negative-side pump 113 is stopped.
  • the redox flow battery and the operation method of the redox flow battery according to the present invention include stabilization of fluctuations in power generation output, power storage when surplus generated power, load leveling for new energy power generation such as solar power generation and wind power generation.
  • load leveling for new energy power generation such as solar power generation and wind power generation.
  • it can also be used for instantaneous voltage drop countermeasures, power outage countermeasures, and load leveling.

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Abstract

　正極電極、負極電極、および隔膜を有する電池セルを複数積層したセルスタックに、正極用循環機構を用いて正極電解液を循環させると共に、負極用循環機構を用いて負極電解液を循環させるレドックスフロー電池の運転方法である。このレドックスフロー電池の運転方法では、前記正極電解液と前記負極電解液を前記セルスタックに循環させる際、前記隔膜に作用する前記正極電解液の圧力を前記負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態を維持する。

Description

レドックスフロー電池の運転方法、およびレドックスフロー電池
　本発明は、瞬時電圧低下対策・停電対策や負荷平準化などに用いられるレドックスフロー電池、およびレドックスフロー電池の運転方法に関するものである。
　太陽光発電や風力発電といった新エネルギーを蓄電する大容量の蓄電池の一つに電解液循環型電池、代表的にはレドックスフロー電池（ＲＦ電池）がある。ＲＦ電池は、正極用電解液に含まれるイオンと負極用電解液に含まれるイオンの酸化還元電位の差を利用して充放電を行う電池である（例えば、特許文献１参照）。図６のＲＦ電池αの動作原理図に示すように、ＲＦ電池αは、水素イオンを透過させる隔膜１０１で正極部１０２と負極部１０３とに分離された電池セル１００を備える。正極部１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極用電解液を貯留する正極用タンク１０６が正極用往路管１０８と正極用復路管１１０を介して接続されている。正極用往路管１０８にはポンプ（正極用送液装置）１１２が設けられており、これら部材１０６，１０８，１１０，１１２によって正極用電解液を循環させる正極用循環機構１００Ｐが構成されている。同様に、負極部１０３には負極電極１０５が内蔵され、かつ負極用電解液を貯留する負極用タンク１０７が負極用往路管１０９と負極用復路管１１１を介して接続されている。負極用往路管１０９にはポンプ（負極用送液装置）１１３が設けられており、これらの部材１０７，１０９，１１１，１１３によって負極用電解液を循環させる負極用循環機構１００Ｎが構成されている。各タンク１０６，１０７に貯留される電解液は、充放電の際にポンプ１１２，１１３によりセル１０２，１０３内に循環される。充放電を行なわない場合、ポンプ１１２，１１３は停止され、電解液は循環されない。
　上記電池セル１００は通常、図７に示すような、セルスタック２００と呼ばれる構造体の内部に複数積層される。セルスタック２００は、サブスタック２００ｓと呼ばれる積層構造物をその両側から二枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付機構２３０で締め付けることで構成されている（図示する構成では、複数のサブスタック２００ｓを用いている）。サブスタック２００ｓは、図７の上図に示すように、セルフレーム１２０、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、およびセルフレーム１２０で構成されるセルユニットを複数積層し、その積層体を給排板１９０，１９０（図７の下図参照）で挟み込んだ構成を備える。セルユニットに備わるセルフレーム１２０は、貫通窓を有する枠体１２２と貫通窓を塞ぐ双極板１２１とを有しており、双極板１２１の一面側には正極電極１０４が接触するように配置され、双極板１２１の他面側には負極電極１０５が接触するように配置される。この構成では、隣接する各セルフレーム１２０の双極板１２１の間に一つの電池セル１００が形成されることになる。
　サブスタック２００ｓにおける給排板１９０，１９０を介した電池セル１００への電解液の流通は、枠体１２２に形成される給液用マニホールド１２３，１２４と、排液用マニホールド１２５，１２６により行われる。正極用電解液は、給液用マニホールド１２３から枠体１２２の一面側（紙面表側）に形成される入口スリットを介して正極電極１０４に供給され、枠体１２２の上部に形成される出口スリットを介して排液用マニホールド１２５に排出される。同様に、負極用電解液は、給液用マニホールド１２４から枠体１２２の他面側（紙面裏側）に形成される入口スリット（点線で示す）を介して負極電極１０５に供給され、枠体１２２の上部に形成される出口スリット（点線で示す）を介して排液用マニホールド１２６に排出される。各セルフレーム１２０間には、Ｏリングや平パッキンなどの環状のシール部材１２７が配置され、サブスタック２００ｓからの電解液の漏れが抑制されている。
　サブスタック２００ｓに備わる電池セル１００と外部機器との間の電力の入出力は、導電性材料で構成された集電板を用いた集電構造によって行われる。集電板は、各サブスタック２００ｓにつき一対設けられており、各集電板はそれぞれ、積層される複数のセルフレーム１２０のうち、積層方向の両端に位置するセルフレーム１２０の双極板１２１に導通されている。
特開２０１３－８０６１３号公報
　従来のＲＦ電池では、正極電解液の圧力と負極電解液の圧力とが同じになるように両電解液を循環させている。しかし、ＲＦ電池で用いられる電解液の種類や隔膜の特性によっては、隔膜を介して負極側から正極側に液移りが生じる。そのため、充放電を繰り返して液移りの量が大きくなった場合、電解液タンクの液量がアンバランスになって、正極電解液が正極用タンクから溢れるなどの問題が生じる恐れがある。
　本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、負極側から正極側への液移り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、およびレドックスフロー電池を提供することにある。
　本発明の一形態に係るレドックスフロー電池の運転方法は、正極電極、負極電極、および隔膜を有する電池セルを複数積層したセルスタックに、正極用循環機構を用いて正極電解液を循環させると共に、負極用循環機構を用いて負極電解液を循環させるレドックスフロー電池の運転方法である。このレドックスフロー電池の運転方法では、前記正極電解液と前記負極電解液を前記セルスタックに循環させる際、前記隔膜に作用する前記正極電解液の圧力を前記負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態を維持する。
　本発明の一形態に係るレドックスフロー電池は、正極電極、負極電極、および隔膜を有する電池セルを複数積層したセルスタックと、前記セルスタックに正極電解液を循環させる正極用循環機構と、前記セルスタックに負極電解液を循環させる負極用循環機構と、を備えるレドックスフロー電池である。このレドックスフロー電池は、前記正極電解液と前記負極電解液を前記セルスタックに循環させたときに、前記隔膜に作用する前記正極電解液の圧力を前記負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態を作り出す差圧形成機構を備える。
　上記レドックスフロー電池の運転方法およびレドックスフロー電池によれば、負極側から正極側への液移りを抑制することができる。
実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。 正極用復路管を負極用復路管よりも長くすることで構成した差圧形成機構の概略構成図である。 正極用復路管を負極用復路管よりも細くすることで構成した差圧形成機構の概略構成図である。 正極用復路管を負極用復路管よりも屈曲させることで構成した差圧形成機構の概略構成図である。 正極用熱交換器と負極用熱交換器とで構成した差圧形成機構の概略構成図である。 レドックスフロー電池の動作原理図である。 セルスタックの概略構成図である。
［本発明の実施形態の説明］
　最初に本発明の実施形態の内容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の運転方法は、正極電極、負極電極、および隔膜を有する電池セルを複数積層したセルスタックに、正極用循環機構を用いて正極電解液を循環させると共に、負極用循環機構を用いて負極電解液を循環させるレドックスフロー電池の運転方法である。このレドックスフロー電池の運転方法では、前記正極電解液と前記負極電解液を前記セルスタックに循環させる際、前記隔膜に作用する前記正極電解液の圧力を前記負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態を維持する。
　隔膜に作用する正極電解液の圧力を負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態を維持することで、隔膜を介した負極側から正極側への液移りを抑制することができる。ここで、隔膜に作用する正極電解液の圧力を負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態とは、レドックスフロー電池の運転に実質的な支障が生じない程度に電解液の液移りを抑制できるよう、正極電解液の圧力を負極電解液の圧力よりも高くした状態を言う。レドックスフロー電池の運転中においては、例えば、正極電解液の圧力と負極電解液の圧力の差を１０００Ｐａ以上とできる。また、電解液の液移りをより確実に抑制するためには、隔膜の全面にわたって上記差圧状態を形成することがより好ましい。これは、単にセルスタックから排出された直後の正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高かったとしても、隔膜の面上の局所で隔膜に作用する正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも小さくなる場合があるからである。
＜２＞実施形態に係るレドックスフロー電池の運転方法として、前記正極用循環機構および前記負極用循環機構が下記構成を備え、下記［１］および［２］の少なくとも一方を行うことで、前記差圧状態を形成する形態を挙げることができる。
・前記正極用循環機構は、正極用タンクと、前記正極用タンクから前記セルスタックに前記正極電解液を供給する正極用往路管、および前記セルスタックから前記正極用タンクに前記正極電解液を排出する正極用復路管で構成される正極用管路と、前記正極電解液を前記セルスタックに送り出す正極用送液装置と、を備える。
・前記負極用循環機構は、負極用タンクと、前記負極用タンクから前記セルスタックに前記負極電解液を供給する負極用往路管、および前記セルスタックから前記負極用タンクに前記負極電解液を排出する負極用復路管で構成される負極用管路と、前記負極電解液を前記セルスタックに送り出す負極用送液装置を備える。
［１］前記正極用復路管の圧力損失を前記負極用復路管の圧力損失よりも大きくする。
［２］前記負極用往路管の圧力損失を前記正極用往路管の圧力損失よりも大きくする。
　セルスタックから電解液を排出する復路管の圧力損失を大きくすると、セルスタックから復路管に電解液が排出され難くなるため、セルスタック内の電解液の圧力が上昇する。一方、セルスタックに電解液を供給する往路管の圧力損失を大きくすると、往路管内で電解液の圧力が減じられるので、セルスタック内の電解液の圧力は減少する。このように、管路（往路管・復路管）の圧力損失と、セルスタック内の電解液の圧力と、が密接に関係しているため、正極用・負極用の管路の圧力損失を調整することで、前記差圧状態を容易に形成することができる。管路の圧力損失を調整するための構成については、実施形態で詳しく述べる。
＜３＞実施形態に係るレドックスフロー電池の運転方法として、前記正極用送液装置からの送液量を前記負極用送液装置からの送液量よりも大きくする形態を挙げることができる。
　正極用送液装置からの送液量を負極用送液装置からの送液量よりも大きくすることで、セルスタック内に供給される正極電解液の圧力を負極電解液の圧力よりも高くすることができる。その結果、上記差圧状態を維持し易い。
＜４＞実施形態に係るレドックスフロー電池は、正極電極、負極電極、および隔膜を有する電池セルを複数積層したセルスタックと、前記セルスタックに正極電解液を循環させる正極用循環機構と、前記セルスタックに負極電解液を循環させる負極用循環機構と、を備えるレドックスフロー電池である。このレドックスフロー電池は、前記正極電解液と前記負極電解液を前記セルスタックに循環させたときに、前記隔膜に作用する前記正極電解液の圧力を前記負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態を作り出す差圧形成機構を備える。
　上記レドックスフロー電池によれば、正極電解液と負極電解液をセルスタックに循環させる際、前記差圧状態を作り出すことができる。そのため、上記レドックスフロー電池では、電解液の循環によって充放電を繰り返しても液移りを抑制でき、正極電解液の総量が負極電解液の総量よりも多くなり過ぎない。
［本発明の実施形態の詳細］
　以下、実施形態に係るレドックスフロー電池（ＲＦ電池）の運転方法、およびＲＦ電池の実施形態を説明する。実施形態において、同一の符号で示される部材は、同一の機能を備える。なお、本発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。
＜実施形態１＞
　≪ＲＦ電池の全体構成≫
　図１の概略図に示すように、本実施形態に係るＲＦ電池１は、従来のＲＦ電池と同様に、セルスタック２と、正極用循環機構３Ｐと、負極用循環機構３Ｎと、を備える。この図１では、セルスタック２の構成を簡素化して示しているが、実際には図７の下図を参照して説明したように、複数のサブスタック２００ｓをエンドプレート２１０，２２０で締め付けた構成を備えている。また、図１のセルスタック２には、電池セル１００を一つだけ図示しているが、実際には複数の電池セル１００が積層されている。各電池セル１００は、正極電極１０４と、負極電極１０５と、両電極１０４，１０５を隔てる隔膜１０１と、で構成される。
　正極用循環機構３Ｐは、正極用タンク１０６と、正極用往路管１０８および正極用復路管１１０で構成される正極用管路と、ポンプ（正極用送液装置）１１２と、を備える。正極用往路管１０８は、正極用タンク１０６からセルスタック２に正極電解液を供給する配管であり、正極用復路管１１０はセルスタック２から正極用タンク１０６に正極電解液を排出する配管である。ポンプ１１２は、正極用往路管１０８の途中に設けられ、正極電解液をセルスタック２に送り出す。
　負極用循環機構３Ｎは、負極用タンク１０７と、負極用往路管１０９および負極用復路管１１１で構成される負極用管路と、ポンプ（負極用送液装置）１１３と、を備える。負極用往路管１０９は、負極用タンク１０７からセルスタック２に負極電解液を供給する配管であり、負極用復路管１１１はセルスタック２から負極用タンク１０７に負極電解液を排出する配管である。ポンプ１１３は、負極用往路管１０９の途中に設けられ、負極電解液をセルスタック２に送り出す。
　上記構成を備える実施形態のＲＦ電池１における従来との主な相違点は、セルスタック２内に正極電解液と負極電解液を循環させる際、隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い差圧状態を作り出す差圧形成機構を備えることである（隔膜１０１に対して、図１の電池セル１００中に図示された白抜き矢印の方向に圧力が作用する）。
　≪差圧形成機構≫
　差圧形成機構は、ＲＦ電池１に備わる既存の部材の構成（主として寸法）を変えること、具体的には正極用循環機構３Ｐと負極用循環機構３Ｎとに構成上の差異を設けることで形成される。以下、差圧形成機構の一形態を図２～図５に基づいて説明する。図２～図４ではタンク、ポンプ及びバルブを省略し、図５ではさらにセルスタックも省略している。
　　［正極用管路と負極用管路の長さが異なることによる差圧状態の形成］
　図２には、正極用復路管１１０を、負極用復路管１１１よりも長くすることで形成した差圧形成機構６Ａが示されている。管を長くすると、管内を流れる電解液の圧力損失が増大する。図２の場合は、正極用復路管１１０を負極用復路管１１１よりも長くしているので、正極用復路管１１０の圧力損失が負極用復路管１１１の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック２内の正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高くなり、セルスタック２内の隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い差圧状態を作り出すことができる。
　図示しないが、負極用往路管１０９を、正極用往路管１０８よりも長くすることで、差圧形成機構６Ａを形成しても構わない。この場合、セルスタック２内の負極電解液の圧力が低くなり、相対的に正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い状態が作り出される。もちろん、復路管１１０，１１１の長さが異なる構成と、往路管１０８，１０９の長さが異なる構成と、を組み合わせて差圧形成機構６Ａを形成することもできる。
　　［正極用管路と負極用管路の太さが異なることによる差圧状態の形成］
　図３には、正極用復路管１１０を、負極用復路管１１１よりも細くすることで形成した差圧形成機構６Ｂが示されている。管を細くすると、管内を流れる電解液の圧力損失が増大する。図３の場合は、正極用復路管１１０を負極用復路管１１１よりも細くしているので、正極用復路管１１０の圧力損失が負極用復路管１１１の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック２内の正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高くなり、セルスタック２内の隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い差圧状態を作り出すことができる。
　図示しないが、負極用往路管１０９を、正極用往路管１０８よりも細くすることで、差圧形成機構６Ｂを形成しても構わない。この場合、セルスタック２内の負極電解液の圧力が低くなり、相対的に正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い状態が作り出される。もちろん、復路管１１０，１１１の太さが異なる構成と、往路管１０８，１０９の太さが異なる構成と、を組み合わせて差圧形成機構６Ｂを形成することもできる。
　　［正極用管路と負極用管路の経路が異なることによる差圧状態の形成］
　図４には、正極用復路管１１０を、負極用復路管１１１よりも複雑に屈曲させることで形成した差圧形成機構６Ｃが示されている。管の屈曲箇所が多いと、管内を流れる電解液の圧力損失が増大する。図４の場合は、正極用復路管１１０を負極用復路管１１１よりも複雑に屈曲させているので、正極用復路管１１０の圧力損失が負極用復路管１１１の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック２内の正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高くなり、セルスタック２内の隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い差圧状態を作り出すことができる。なお、管の屈曲箇所を多くすること以外に、例えば管の屈曲箇所の曲げ半径を小さくすることによっても、管を複雑に屈曲させることができる。
　図示しないが、負極用往路管１０９を、正極用往路管１０８よりも複雑に屈曲させることで、差圧形成機構６Ｃを形成しても構わない。もちろん、復路管１１０，１１１の屈曲状態が異なる構成と、往路管１０８，１０９の屈曲状態が異なる構成と、を組み合わせて差圧形成機構６Ｃを形成することもできる。
　　［正極用管路と負極用管路のバルブの開度が異なることによる差圧状態の形成］
　図１に示すＲＦ電池１の正極用管路にはバルブ１１４，１１６が存在し、負極用管路にはバルブ１１５，１１７が存在する。これらのバルブ１１４～１１７は、セルスタック２への電解液の循環を停止する際などに利用される。これらバルブを利用して差圧形成機構を形成することもできる。例えば、正極用復路管１１０のバルブ１１６を、負極用復路管１１１のバルブ１１７よりも絞る（開度を小さくする）ことで、正極用復路管１１０の圧力損失を負極用復路管１１１の圧力損失よりも大きくできる。その結果、セルスタック２内の正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高くなり、セルスタック２内の隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い差圧状態を作り出すことができる。
　負極用往路管１０９のバルブ１１５を、正極用往路管１０８のバルブ１１４よりも絞ることでも、セルスタック２内の負極電解液の圧力を低くして、上記差圧状態を作り出すことができる。もちろん、復路管１１０，１１１の各バルブ１１６，１１７の開度が異なる構成と、往路管１０８，１０９の各バルブ１１４，１１５の開度が異なる構成と、を組み合わせて差圧形成機構を形成することもできる。なお、正極用管路と負極用管路に設けられるバルブの数や位置は図１に示される構成や配置に限定されず、適宜、設定することができる。例えば、正極用管路と負極用管路のそれぞれが３つ以上のバルブを備えていても良いし、１つずつバルブを備えていても良い。
　　［正極用送液装置と負極用送液装置からの送液量が異なることによる差圧状態の形成］
　図１に示すポンプ（正極用送液装置）１１２からの正極電解液の送液量を、ポンプ（負極用送液装置）１１３からの負極電解液の送液量よりも大きくすることで差圧形成機構を形成しても良い。電解液の送液量は、ポンプ１１２，１１３の出力によって調節することができる。図１の構成では、各ポンプ１１２，１１３に流量制御部５が繋がっており、各ポンプ１１２，１１３の相対的な出力の調整を精度良く行うことができるようになっている。各ポンプ１１２，１１３の出力は、予め試験用のＲＦ電池１を用いて求めた値に基づいて流量制御部５が制御すれば良い。このポンプ１１２，１１３からの送液量の調節によっても、セルスタック２内の正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高くなり、セルスタック２内の隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い差圧状態を作り出すことができる。
　　［正極用熱交換器と負極用熱交換器の構成が異なることによる差圧状態の形成］
　図１に示すＲＦ電池１は、正極用復路管１１０の途中に設けられる正極用熱交換器４Ｐと、負極用復路管１１１の途中に設けられる負極用熱交換器４Ｎと、を備える。これら熱交換器４Ｐ，４Ｎによっても差圧形成機構６Ｄを形成することができる。
　図５の上部には負極用熱交換器４Ｎの概略構成図が、図５の下部には正極用熱交換器４Ｐの概略構成図が示されている。熱交換器の基本的な構成は、例えば特開２０１３－２０６５６６号公報に記載のように公知である。例えば、図５に示すように、冷媒４０Ｐ（４０Ｎ）を貯留する容器４１Ｐ（４１Ｎ）内に配管４２Ｐ（４２Ｎ）を這わせることで熱交換器４Ｐ（４Ｎ）を構成することができる。配管４２Ｐ（４２Ｎ）は、復路管１１０（１１１）に繋がっており、従って、その内部には正極電解液（負極電解液）が流れる。正極電解液（負極電解液）は、配管４２Ｐ（４２Ｎ）を流れる間に、冷媒４０Ｐ（４０Ｎ）によって冷却される。冷媒４０Ｐ（４０Ｎ）は、空冷用の気体冷媒や、水冷用の液体冷媒があり、図示しない冷却機構で冷却される。ここで、配管４２Ｐ（４２Ｎ）は、復路管１１０（１１１）の一部と見做すことができる。
　熱交換器４Ｐ，４Ｎで差圧形成機構６Ｄを形成する場合、図示するように、正極用熱交換器４Ｐの配管４２Ｐを、負極用熱交換器４Ｎの配管４２Ｎよりも長くすれば良い。そうすることで、復路管１１０，１１１の長さが異なる差圧形成機構６Ａと同様の理由により、隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力が負極電解液の圧力よりも高い差圧状態を作り出すことができる。
　その他、配管４２Ｐを配管４２Ｎよりも細くする、配管４２Ｐの屈曲箇所を配管４２Ｎの屈曲箇所よりも多くする、あるいは配管４２Ｐの曲げ半径を配管４２Ｎの曲げ半径よりも小さくすることでも、上記差圧状態を作り出すことができる。もちろん、配管長、配管太さ、配管の屈曲状態を組み合わせて上記差圧状態を作り出しても良い。なお、正極用熱交換器４Ｐのみを設けて、負極用熱交換器４Ｎを設けないことでも、上記差圧状態を作り出すことができる。
　　［その他の方策］
　図１の正極用タンク１０６を負極用タンク１０７よりも高く配設することで、上記差圧状態を形成することもできる。また、正極用復路管１１０を負極用復路管１１１より高い位置に取回すことでも上記差圧状態を形成することができる。
　　［組み合わせについて］
　以上説明した各差圧形成機構は、単独あるいは組み合わせて用いることができる。例えば、正極用管路と負極用管路の長さが異なる構成と、正極用管路と負極用管路の太さが異なる構成と、を組み合わせると、所望の差圧状態を形成し易い。さらに、正極用管路と負極用管路の管路長と管路径が異なることに加えて、正極側のポンプ（正極用送液装置）と負極側のポンプ（負極用送液装置）の送液量が異なることで、上記差圧状態の微妙な調整が可能となるため、好ましい。
　　［付記］
　ここで、本実施形態では、セルスタック２内における正極電解液の流路と負極電解液の流路は構成上、同一である。セルスタック２内の流路を変化させるには、図７のセルフレーム１２０の構成を変化させなければならない。セルフレーム１２０の作製には金型が必要なので、セルフレーム１２０の変更は容易ではないからである。一方、上述の通り、本実施形態における差圧形成機構は、正極用循環機構３Ｐと負極用循環機構３Ｎとに構成上の差異を設けることで容易に形成できる。
　≪ＲＦ電池の運転方法≫
　上記各差圧形成機構を単独、あるいは組み合わせた試験用のＲＦ電池１を作製する。そして、その試験用のＲＦ電池１の隔膜１０１における圧力をモニタリングしながら、セルスタック２内に正極電解液と負極電解液を循環させる。そのモニタリング結果に基づいて、ＲＦ電池１の各部の形状・寸法の再調整を行ったり、ポンプ１１２，１１３の出力を変化させ、各部の形状・寸法の最適値やポンプ１１２，１１３の出力の最適値を決定する。その最適値に基づいて設計されたＲＦ電池１を用いれば、常に、隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力を、隔膜１０１に作用する負極電解液の圧力よりも高くすることができる。その結果、隔膜１０１を介した負極側から正極側への液移りを抑制することができる。
　例えば、図３を参照する差圧形成機構６Ｂを採用する場合、正極用復路管１１０の内径を、負極用復路管１１１の内径の８０％以下とすれば、電池セル１００内の隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力を、隔膜１０１に作用する負極電解液の圧力よりも高くすることができる。
　≪その他≫
　ＲＦ電池１を停止する、即ち電解液の循環を停止する際にも、前記差圧状態を維持することが好ましい。そうすることで、負極側から正極側への液移りを効果的に抑制することができる。例えば、差圧状態が維持されるように、両ポンプ１１２，１１３の出力を弱めていき、両ポンプ１１２，１１３を同時に停止する。その際、両ポンプ１１２，１１３が停止するまでの間、正極用のポンプ１１２からの送液量が負極用のポンプ１１３からの送液量よりも大きくなるように両ポンプ１１２，１１３の出力を調節することで、電解液の循環が止まるまで差圧状態を維持することができる。あるいは、負極側のポンプ１１３を正極側のポンプ１１２よりも先に停止することでも、電解液の循環が止まるまで差圧状態を維持することができる。後者の手法は、負極側のポンプ１１３が停止した後も暫くは正極側のポンプ１１２を動かしておく手法と言い換えることもできる。
　本発明のレドックスフロー電池およびレドックスフロー電池の運転方法は、太陽光発電、風力発電などの新エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などに利用できる他、一般的な発電所に併設されて、瞬時電圧低下対策・停電対策や負荷平準化にも利用することができる。
　１，α　レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
　２　セルスタック
　　１００　電池セル
　　１０１　隔膜　１０２　正極部　１０３　負極部　
　　１０４　正極電極　１０５　負極電極
　３Ｐ，１００Ｐ　正極用循環機構
　　１０６　正極用タンク　１０８　正極用往路管　１１０　正極用復路管
　　１１２　ポンプ（正極用送液装置）　１１４　正極用往路管のバルブ　
　　１１６　正極用復路管のバルブ
　３Ｎ，１００Ｎ　負極用循環機構
　　１０７　負極用タンク　１０９　負極用往路管　１１１　負極用復路管
　　１１３　ポンプ（負極用送液装置）　１１５　負極用往路管のバルブ
　　１１７　負極用復路管のバルブ
　４Ｐ　正極用熱交換器
　　４０Ｐ　冷媒　４１Ｐ　容器　４２Ｐ　配管
　４Ｎ　負極用熱交換器
　　４０Ｎ　冷媒　４１Ｎ　容器　４２Ｎ　配管
　５　流量制御部
　６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ　差圧形成機構
　１２０　セルフレーム　１２１　双極板　１２２　枠体
　１２３，１２４　給液用マニホールド　１２５，１２６　排液用マニホールド
　１２７　シール部材　１９０　給排板　２１０，２２０　エンドプレート
　２００　セルスタック　２００ｓ　サブスタック　２３０　締付機構

Claims (4)

  1. 　正極電極、負極電極、および隔膜を有する電池セルを複数積層したセルスタックに、正極用循環機構を用いて正極電解液を循環させると共に、負極用循環機構を用いて負極電解液を循環させるレドックスフロー電池の運転方法であって、
    　前記正極電解液と前記負極電解液を前記セルスタックに循環させる際、前記隔膜に作用する前記正極電解液の圧力を前記負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態を維持するレドックスフロー電池の運転方法。
  2. 　前記正極用循環機構は、
    　　正極用タンクと、
    　　前記正極用タンクから前記セルスタックに前記正極電解液を供給する正極用往路管、および前記セルスタックから前記正極用タンクに前記正極電解液を排出する正極用復路管で構成される正極用管路と、
    　　前記正極電解液を前記セルスタックに送り出す正極用送液装置と、を備え、
    　前記負極用循環機構は、
    　　負極用タンクと、
    　　前記負極用タンクから前記セルスタックに前記負極電解液を供給する負極用往路管、および前記セルスタックから前記負極用タンクに前記負極電解液を排出する負極用復路管で構成される負極用管路と、
    　　前記負極電解液を前記セルスタックに送り出す負極用送液装置を備え、
    　下記［１］および［２］の少なくとも一方を行うことで、前記差圧状態を形成する請求項１に記載のレドックスフロー電池の運転方法。
    ［１］前記正極用復路管の圧力損失を前記負極用復路管の圧力損失よりも大きくする。
    ［２］前記負極用往路管の圧力損失を前記正極用往路管の圧力損失よりも大きくする。
  3. 　前記正極用送液装置からの送液量を前記負極用送液装置からの送液量よりも大きくする請求項２に記載のレドックスフロー電池の運転方法。
  4. 　正極電極、負極電極、および隔膜を有する電池セルを複数積層したセルスタックと、前記セルスタックに正極電解液を循環させる正極用循環機構と、前記セルスタックに負極電解液を循環させる負極用循環機構と、を備えるレドックスフロー電池であって、
    　前記正極電解液と前記負極電解液を前記セルスタックに循環させたときに、前記隔膜に作用する前記正極電解液の圧力を前記負極電解液の圧力よりも高くした差圧状態を作り出す差圧形成機構を備えるレドックスフロー電池。
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