JP6536840B2 - レドックスフロー電池 - Google Patents

Description

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１０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１１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１１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１１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

レドックスフロー電池の運用上、セルスタック内の隔膜に作用する負極電解液の圧力および正極電解液の圧力のいずれか一方を他方よりも高くしたいというニーズがある。ここで、いずれの圧力を高くするかについてはケースバイケースであるため、所望の圧力の関係を簡単に達成することができる構成が望まれている。

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、セルスタック内の隔膜に作用する負極電解液の圧力および正極電解液の圧力のいずれか一方を他方よりも高くすることが容易にできる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は、セルスタックと、正極用循環機構と、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。前記セルスタックは、正極電極、負極電極、および隔膜を有する。前記正極用循環機構は、正極電解液を貯留する正極用タンク、前記正極用タンクと前記セルスタックとの間を繋ぐ正極用管路、および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を備える。前記負極用循環機構は、負極電解液を貯留する負極用タンク、前記負極用タンクと前記セルスタックとの間を繋ぐ負極用管路、および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。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と前記負極電解液の圧力との間に差がある差圧状態を作り出すために、前記正極用管路の圧力損失、および前記負極用管路の圧力損失のいずれか一方を他方よりも大きくする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、簡単な構成で、セルスタック内の隔膜に作用する負極電解液の圧力および正極電解液の圧力のいずれか一方を他方よりも高くすることができる。

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複雑に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。 負極用復路管を正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。 負極用復路管を正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。 負極用復路管を正極用復路管よりも複雑に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は、セルスタックと、正極用循環機構と、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。前記セルスタックは、正極電極、負極電極、および隔膜を有する。前記正極用循環機構は、正極電解液を貯留する正極用タンク、前記正極用タンクと前記セルスタックとの間を繋ぐ正極用管路、および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を備える。前記負極用循環機構は、負極電解液を貯留する負極用タンク、前記負極用タンクと前記セルスタックとの間を繋ぐ負極用管路、および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。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と前記負極電解液の圧力との間に差がある差圧状態を作り出すために、前記正極用管路の圧力損失、および前記負極用管路の圧力損失のいずれか一方を他方よりも大きくする差圧形成機構を備える。

特許文献１のレドックスフロー電池のように、セルスタック内のセルフレームにおける正極電解液の流路と負極電解液の流路とを異ならせる場合、例えば電解液の種類などの電解液の流通条件を変化させたときに、その流通条件の変化に応じて所望の差圧状態を作り出すことが難しい。流通条件に応じたセルフレームとするには、セルスタックを分解する手間、セルフレームを加工する手間、再びセルスタックを組み立てる手間がかかる上、加工したセルフレームで所望の差圧状態を達成することができない場合、さらに分解・加工・組み立てを行う必要があるからである。これに対して、上記実施形態に係るレドックスフロー電池では、正極用と負極用の両管路の圧力損失を調整することで、セルスタック内の隔膜に作用する正極電解液の圧力および負極電解液の圧力のいずれか一方を他方よりも高くしている。そのため、セルスタックを分解することなく所望の差圧状態を容易に達成することができる。
ここで、隔膜に作用する正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との間に差がある差圧状態とは、レドックスフロー電池の運転に実質的な支障が出ない程度に正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との間に差をつけた状態（すなわち一方の電解液の圧力が他方の電解液の圧力よりも高い状態）をいう。両電解液の圧力の差は、目的に応じて適宜設定できる。例えば、レドックスフロー電池の運転中において、正極電解液の圧力と負極電解液の圧力の差は１０００Ｐａ以上とすることができる。

＜２＞実施形態に係るレドックスフロー電池として、前記正極用管路に備わる正極用復路管（下記参照）の圧力損失、および前記負極用管路に備わる負極用復路管（下記参照）の圧力損失のいずれか一方が他方よりも大きい形態を挙げることができる。
・前記正極用管路は、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を備える。
・前記負極用管路は、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を備える。

正極用復路管と負極用復路管との間に圧力損失の差を形成することで、正極用往路管と負極用往路管との間に圧力損失の差を形成するよりも、前記差圧状態を形成・維持し易い。もちろん、正極用復路管と負極用復路管の間に圧力損失の差を形成することに加えて、正極用往路管と負極用往路管の間に圧力損失の差を形成することで、より確実に前記差圧状態を形成・維持することができる。

＜３＞実施形態に係るレドックスフロー電池として、前記正極用管路の長さ、および前記負極用管路の長さのいずれか一方が他方よりも長い形態を挙げることができる。

管路を長くすると、管路内を流れる電解液の圧力損失が増大する。例えば、正極用管路の正極用復路管の長さを、負極用管路の負極用復路管の長さよりも長くすれば、正極用復路管の圧力損失が負極用復路管の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック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、セルスタック内の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高い差圧状態を作り出すことができる。

＜４＞実施形態に係るレドックスフロー電池として、前記正極用管路の太さ、および前記負極用管路の太さのいずれか一方が他方より細い形態を挙げることができる。

管路を細くすると、管路内を流れる電解液の圧力損失が増大する。例えば、正極用管路の正極用復路管の太さを負極用管路の負極用復路管の太さよりも細くすれば、正極用復路管の圧力損失が負極用復路管の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック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、セルスタック内の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高い差圧状態を作り出すことができる。

＜５＞実施形態に係るレドックスフロー電池として、前記正極用管路、および前記負極用管路のいずれか一方が他方よりも複雑に屈曲している形態を挙げることができる。

管路の屈曲箇所が多い、屈曲箇所の曲げ半径が小さいなど、管路が複雑に屈曲していると、管路内を流れる電解液の圧力損失が増大する。例えば、正極用管路の正極用復路管を負極用管路の負極用復路管よりも複雑に屈曲させれば、正極用復路管の圧力損失が負極用復路管の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック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、セルスタック内の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高い差圧状態を作り出すことができる。

＜６＞実施形態に係るレドックスフロー電池として、前記正極用管路と前記負極用管路とはそれぞれバルブを備え、前記正極用管路のバルブ、および前記負極用管路のバルブのいずれか一方が他方よりも絞られている形態を挙げることができる。

管路に設けられるバルブが絞られていれば、管路内を流れる電解液の圧力損失が増大する。例えば、正極用管路の正極用復路管のバルブを負極用管路の負極用復路管のバルブよりも絞れば（開度を小さくすれば）、正極用復路管の圧力損失が負極用復路管の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック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、セルスタック内の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高い差圧状態を作り出すことができる。

＜７＞実施形態に係るレドックスフロー電池として、前前記差圧形成機構は更に、前記正極用送液装置の出力と前記負極用送液装置の出力を制御して、前記正極用送液装置からの送液量、および前記負極用送液装置からの送液量のいずれか一方を他方よりも大きくする流量制御部を備える形態を挙げることができる。

管路に対する送液量が多くなると、管路内の電解液の圧力が高くなる。例えば、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れば、セルスタック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、セルスタック内の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高い差圧状態を作り出すことができる。

＜８＞実施形態に係るレドックスフロー電池として、前記正極用復路管と前記負極用復路管のいずれか一方に設けられる第一の熱交換器を備え、他方には熱交換器が設けられていないか、または前記第一の熱交換器よりも圧力損失が小さい第二の熱交換器が設けられている形態を挙げることができる。

管路に熱交換器を設けることで、管路内を流れる電解液の圧力損失が大きくなる。電解液の冷却に用いられる熱交換器は通常、電解液を流通させる配管と、配管の外部に配置される冷媒と、を備えており、熱交換器を設けた管路は、熱交換器に備わる配管の分だけ実質的に管路が長くなるからである。例えば、正極用管路に第一の熱交換器を設け、負極用管路に熱交換器を設けないか、または第一の熱交換器よりも圧力損失が小さい第二の熱交換器を設ければ、正極用管路の圧力損失が負極用管路の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック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、セルスタック内の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高い差圧状態を作り出すことができる。

［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、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１１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（塗り潰し矢印の方向に圧力が作用する状態）を作り出す第一の差圧形成機構を備えることである。

≪第一の差圧形成機構≫
第一の差圧形成機構は、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、第一の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。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％以下とすることが好ましい。

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の正極用管路と負極用管路のそれぞれには複数のバルブが存在する。図１では、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。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１１４〜１１７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、バルブ１１４〜１１７の位置は図１に示される位置に限定されない。また、図１では正極用管路と負極用管路のそれぞれに２つずつのバルブが存在するが、バルブの数はこれに限定されない。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。

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。

［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にポンプ制御部（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ポンプ制御部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（図５参照）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の長さを変化させた差圧形成機構６Ａと同様の理由により、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、あるいは配管４２Ｐの屈曲箇所を配管４２Ｎの屈曲箇所よりも多くすることでも、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）の送液量が異なる構成は、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、第一の差圧形成機構を備える本実施形態では、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１１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第一の差圧形成機構は、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、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。

なお、差圧状態は、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であることが好ましい。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い場合があるからである。上述の差圧形成機構により、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可能である。

≪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。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、正極側のポンプ１１２からの送液量が負極側のポンプ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、両ポンプ１１２，１１３の出力を弱めていき、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。

＜実施形態２＞
実施形態２では、図１に示すＲＦ電池１において、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に作用する負極電解液の圧力が正極電解液の圧力よりも高い差圧状態（隔膜１０１に対して、図１の電池セル１００中の白抜き矢印の方向に圧力が作用する状態）を作り出す第二の差圧形成機構を備える構成を説明する。第二の差圧形成機構以外の構成は、実施形態１と同様であるため、その説明を省略する。

≪第二の差圧形成機構≫
隔膜１０１に作用する負極電解液の圧力が正極電解液の圧力よりも高い第二の差圧形成機構は、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、第二の差圧形成機構の一形態を図６〜図９に基づいて説明する。図６〜図８ではタンク、ポンプ及びバルブを省略し、図９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６には、負極用復路管１１１を、正極用復路管１１０よりも長くすることで形成した差圧形成機構６Ｅ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６の場合は、負極用復路管１１１を正極用復路管１１０よりも長くしているので、負極用復路管１１１の圧力損失が正極用復路管１１０の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック２内の負極電解液の圧力が正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に作用する負極電解液の圧力が正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、正極用往路管１０８を、負極用往路管１０９よりも長くすることで、差圧形成機構６Ｅを形成しても構わない。この場合、セルスタック２内の正極電解液の圧力が低くなり、相対的に負極電解液の圧力が正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７には、負極用復路管１１１を、正極用復路管１１０よりも細くすることで形成した差圧形成機構６Ｆ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７の場合は、負極用復路管１１１を正極用復路管１１０よりも細くしているので、負極用復路管１１１の圧力損失が正極用復路管１１０の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック２内の負極電解液の圧力が正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に作用する負極電解液の圧力が正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。差圧形成機構６Ｆを採用する場合、負極用復路管１１１の内径を、正極用復路管１１０の内径の８０％以下とすることが好ましい。

図示しないが、正極用往路管１０８を、負極用往路管１０９よりも細くすることで、差圧形成機構６Ｆを形成しても構わない。この場合、セルスタック２内の正極電解液の圧力が低くなり、相対的に負極電解液の圧力が正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８には、負極用復路管１１１を、正極用復路管１１０よりも複雑に屈曲させることで形成した差圧形成機構６Ｇ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８の場合は、負極用復路管１１１を正極用復路管１１０よりも複雑に屈曲させているので、負極用復路管１１１の圧力損失が正極用復路管１１０の圧力損失よりも大きくなる。その結果、セルスタック２内の負極電解液の圧力が正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に作用する負極電解液の圧力が正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、正極用往路管１０８を、負極用往路管１０９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６Ｇ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の正極用管路と負極用管路のそれぞれには複数のバルブが存在する。図１では、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。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１１４〜１１７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、負極用復路管１１１のバルブ１１７を、正極用復路管１１０のバルブ１１６よりも絞る（開度を小さくする）ことで、負極用復路管１１１の圧力損失を正極用復路管１１０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内の負極電解液の圧力が正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に作用する負極電解液の圧力が正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、バルブ１１４〜１１７の位置は図１に示される位置に限定されない。また、図１では正極用管路と負極用管路のそれぞれに２つずつのバルブが存在するが、バルブの数はこれに限定されない。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。

正極用往路管１０８のバルブ１１４を、負極用往路管１０９のバルブ１１５よりも絞ることでも、セルスタック２内の正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。

［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（負極用送液装置）１１３からの負極電解液の送液量を、ポンプ（正極用送液装置）１１２からの正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にポンプ制御部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ポンプ制御部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内の負極電解液の圧力が正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に作用する負極電解液の圧力が正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６Ｈ（図９参照）を形成することができる。

図９の上部には負極用熱交換器４Ｎの概略構成図が、図９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９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６Ｈを形成する場合、図示するように、負極用熱交換器４Ｎの配管４２Ｎを、正極用熱交換器４Ｐの配管４２Ｐ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に作用する負極電解液の圧力が正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４２Ｎを配管４２Ｐよりも細くする、あるいは配管４２Ｎの屈曲箇所を配管４２Ｐの屈曲箇所よりも多くすることでも、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、負極用熱交換器４Ｎのみを設けて、正極用熱交換器４Ｐ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の負極用タンク１０７を正極用タンク１０６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、負極用復路管１１１を正極用復路管１１０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、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）の送液量が異なる構成は、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、第二の差圧形成機構を備える本実施形態では、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１１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第二の差圧形成機構は、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、隔膜１０１に作用する負極電解液の圧力を、隔膜１０１に作用する正極電解液の圧力よりも高くすることができる。

なお、差圧状態は、隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する負極電解液の圧力が正極電解液の圧力よりも高い差圧状態であることが好ましい。これは、単にセルスタックから排出された直後の負極電解液の圧力が正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負極電解液の圧力が正極電解液の圧力よりも小さい場合があるからである。上述の差圧形成機構により、隔膜１０１の全面にわたって隔膜１０１に作用する負極電解液の圧力が正極電解液の圧力よりも高い差圧状態を作り出すことが可能である。

≪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。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、負極側のポンプ１１３からの送液量が正極側のポンプ１１２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、両ポンプ１１２，１１３の出力を弱めていき、正極側のポンプ１１２を負極側のポンプ１１３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、正極側のポンプ１１２が停止した後も暫くは負極側のポンプ１１３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 負極用復路管のバルブ
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 ポンプ制御部（流量制御部）
６Ａ，６Ｂ，６Ｃ，６Ｄ，６Ｅ，６Ｆ，６Ｇ，６Ｈ 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 (8)

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と、
   正極電解液を貯留する正極用タンク、前記正極用タンクと前記セルスタックとの間を繋ぐ正極用管路、および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を備える正極用循環機構と、
   負極電解液を貯留する負極用タンク、前記負極用タンクと前記セルスタックとの間を繋ぐ負極用管路、および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と前記負極電解液の圧力との間に差がある差圧状態を作り出すために、前記正極用管路の圧力損失、および前記負極用管路の圧力損失のいずれか一方を他方よりも大きくする差圧形成機構を備えるレドックスフロー電池。
2. 前記正極用管路は、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を備え、
   前記負極用管路は、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を備え、
   前記正極用復路管の圧力損失、および前記負極用復路管の圧力損失のいずれか一方が他方よりも大きい請求項１に記載のレドックスフロー電池。
3. 前記正極用管路の長さ、および前記負極用管路の長さのいずれか一方が他方よりも長い請求項１または請求項２に記載のレドックスフロー電池。
4. 前記正極用管路の太さ、および前記負極用管路の太さのいずれか一方が他方より細い請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
5. 前記正極用管路、および前記負極用管路のいずれか一方が他方よりも複雑に屈曲している請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
6. 前記正極用管路と前記負極用管路とはそれぞれバルブを備え、
   前記正極用管路のバルブ、および前記負極用管路のバルブのいずれか一方が他方よりも絞られている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
7. 前記差圧形成機構は更に、前記正極用送液装置の出力と前記負極用送液装置の出力を制御して、前記正極用送液装置からの送液量、および前記負極用送液装置からの送液量のいずれか一方を他方よりも大きくする流量制御部を備える請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
8. 前記正極用復路管と前記負極用復路管のいずれか一方に設けられる第一の熱交換器を備え、
   他方には熱交換器が設けられていないか、または前記第一の熱交換器よりも圧力損失が小さい第二の熱交換器が設けられている請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。

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