JP6944067B2 - レドックスフロー電池及びその運転方法 - Google Patents
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Description
レドックスフロー電池100は、イオン交換膜からなる隔膜101で正極セル100Aと負極セル100Bとに分離された電池セル110と、電解液を貯留する電解液タンク104A,104Bと、電解液タンク104A,104Bから電池セル110に電解液を循環供給する循環配管106A,106Bと、循環配管106A,106Bに接続されて電解液を循環させる循環ポンプ105A,105Bと、を備える。
また、正極セル100Aには、正極電解液を貯留する正極電解液タンク104Aが正極電解液循環配管106Aを介して接続され、負極セル100Bには、負極電解液を貯留する負極電解液タンク104Bが負極電解液循環配管106Bを介して接続されている。循環配管106A,106Bにはそれぞれ、循環ポンプ105A,105Bが設けられており、正極電解液循環配管106A、負極電解液循環配管106Bを介して、各電解液がそれぞれのタンクとセルとの間で循環される。
正極:V4+ → V5+ + e-(充電) ・V4+ ← V5+ + e-(放電)
負極:V3+ + e- → V2+(充電) ・V3+ + e- ← V2+(放電)
レドックスフロー電池では、電解液の充電状態(SOC:State Of Charge)は、電解液中のイオン価数の比率によって決まる。例えば、バナジウム系レドックスフロー電池の場合、正極電解液では、正極電解液中のバナジウムイオン(V4+/V5+)におけるV5+の比率、負極電解液では、負極電解液中のバナジウムイオン(V2+/V3+)におけるV2+の比率で表される。充電時の電池反応は、電池セル内で正極ではV4+がV5+に酸化され、負極ではV3+がV2+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。
[1] 循環ポンプにより、電池セルに電解液を循環させることで充放電を行うレドックスフロー電池であって、前記レドックスフロー電池の充放電電圧及び充放電電流をそれぞれ測定する電圧・電流測定手段と、前記循環ポンプの単位時間当たりに消費される消費エネルギーWpを測定する消費エネルギー測定手段と、前記電圧・電流測定手段により測定された充放電電圧及び充放電電流に基づき、前記レドックスフロー電池の内部抵抗により消費される消費エネルギーWrを算出するとともに、前記消費エネルギーWp及び前記消費エネルギーWrに基づき、前記循環ポンプを制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記循環ポンプを制御して、循環する前記電解液の流量が変化した時の消費エネルギーWpの変化量ΔWpと、消費エネルギーWrの変化量ΔWrと、を算出し、ΔWp+ΔWr=0となるように、前記循環ポンプを制御して、前記電解液の流量を変化させるレドックスフロー電池。
ただし、一定の電流で充電または放電を行い、かつ、流量を増加または減少させたとき、
[3] 前記制御手段は、
ΔWp+ΔWr>0の場合には、前記電解液の流量を減少させ、
ΔWp+ΔWr<0の場合には、前記電解液の流量を増加させる項[1]または[2]に記載のレドックスフロー電池。
[5] 前記流量を増加させる場合の流量変化量と、前記流量を減少させる場合の流量変化量と、が異なる項[4]に記載のレドックスフロー電池。
[8] 前記流量を増加させる場合の流量変化量は、前記流量を減少させる場合の流量変化量よりも大きい項[5]から[7]のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
ΔWp+ΔWr=0の場合には、前記電解液の流量を減少させる項[1]から[8]のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
前記消費エネルギー測定手段が、ワットメーターである項[1]から[9]のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
前記正極セル及び負極セルのそれぞれについて、前記循環ポンプ、前記消費エネルギー測定手段、及び、前記制御手段を有する項[1]から[10]のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
前記流量を変化させる際に、前記正極セルに循環させる電解液の流量と、前記負極セルに循環させる電解液の流量と、の両方を同時に変化させる項[11]に記載のレドックスフロー電池。
前記前記正極セルに循環させる電解液の流量と、前記負極セルに循環させる電解液の流量と、を同流量となるように制御する項[12]に記載のレドックスフロー電池。
図1に示すように、レドックスフロー電池10は、イオン交換膜からなる隔膜11で正極セル10Aと負極セル10Bとに分離された電池セル20と、電解液を貯留する電解液タンク14A,14Bと、電解液タンク14A,14Bから電池セル20に電解液を循環供給させる循環配管16A,16Bと、循環配管16A,16Bに接続されて電解液を循環させる循環ポンプ15A,15Bと、を備える。正極セル10Aには正極電極12が、また、負極セル10Bには負極電極13がそれぞれ内蔵されている。なお、本発明における電池セル20としては、公知の構成を採用することができる。
レドックスフロー電池10の内部抵抗は、流量が増加すると減少し、流量が減少すると増加する傾向がある。レドックスフロー電池10の充放電電流がほぼ一定であれば、図2に示すように、内部抵抗により消費されるエネルギー(以下、単に「消費エネルギーWr」という。)も同様の傾向になる。また、循環ポンプ15A,15Bの消費エネルギーWpは、流量が増加すると増加し、流量が減少すると減少する。
2)流量を増加させる場合の流量変化量と、流量を減少させる場合の流量変化量とが異なることが好ましい。これは、増加させる流量と、減少させる流量とが同じ場合、試行の繰り返しが生じる可能性があるためである。
(1)流量を増加させる場合の流量変化量及び流量を減少させる場合の流量変化量のいずれか大きい方の流量変化量をΔF1とし、小さい方の流量変化量をΔF2としたとき、ΔF2は、ΔF1の0.1〜0.9倍であることが好ましく、ΔF2は、ΔF1/n(ただし、nは2〜4の整数)ではないことがさらに好ましい。
硫酸(H2SO4)濃度が4.0mol/Lの硫酸水溶液100Lに、90molの硫酸バナジウム(V2(SO4)3)と、180molの酸化硫酸バナジウム(VOSO4)とを添加して、溶液の体積が200Lになるように0.8mol/Lの硫酸水溶液を加えて攪拌することにより、電解液200Lを調製した。
循環ポンプの周波数を変更させず、常に流速を5L/分に設定して、充放電を行った以外は、実施例1と同様の条件で、10サイクル目の充放電のエネルギー効率と、循環ポンプによるエネルギー損失と、の充放電エネルギーに対する割合を算出し、充放電のエネルギー効率から循環ポンプによるエネルギー損失を引いた「合計のエネルギー効率」を計算した。その結果を表1に示す。
10A 正極セル
10B 負極セル
11 隔膜
12 正極電極
13 負極電極
15A 循環ポンプ
15B 循環ポンプ
16A 正極電解液循環配管
16B 負極電解液循環配管
20 電池セル
22 電圧・電流測定手段
24 消費エネルギー測定手段
26A 制御手段
26B 制御手段
100 レドックスフロー電池
100A 正極セル
100B 負極セル
101 隔膜
102 正極電極
103 負極電極
104A 正極電解液タンク
104B 負極電解液タンク
105A 循環ポンプ
105B 循環ポンプ
106A 正極電解液循環配管
106B 負極電解液循環配管
110 電池セル
Claims (13)
- 循環ポンプにより、電池セルに電解液を循環させることで充放電を行うレドックスフロー電池であって、
前記レドックスフロー電池の充放電電圧及び充放電電流をそれぞれ測定する電圧・電流測定手段と、
前記循環ポンプの単位時間当たりに消費される消費エネルギーWpを測定する消費エネルギー測定手段と、
前記電圧・電流測定手段により測定された充放電電圧及び充放電電流に基づき、前記レドックスフロー電池の内部抵抗により消費される消費エネルギーWrを算出するとともに、前記消費エネルギーWp及び前記消費エネルギーWrに基づき、前記循環ポンプを制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、
前記循環ポンプを制御して、循環する前記電解液の流量が変化した時の消費エネルギーWpの変化量ΔWpと、消費エネルギーWrの変化量ΔWrと、を算出し、
ΔWp+ΔWr=0となるように、前記循環ポンプを制御して、前記電解液の流量を変化させるレドックスフロー電池。
ただし、一定の電流で充電または放電を行い、かつ、流量を増加または減少させたとき、
- 前記制御手段が、一定時間毎に前記電解液の流量を変化させる請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記制御手段は、
ΔWp+ΔWr>0の場合には、前記電解液の流量を減少させ、
ΔWp+ΔWr<0の場合には、前記電解液の流量を増加させる請求項1または2に記載のレドックスフロー電池。 - 前記流量を増加させる場合の流量変化量と、前記流量を減少させる場合の流量変化量と、が異なる請求項4に記載のレドックスフロー電池。
- 前記流量を増加させる場合の流量変化量及び前記流量を減少させる場合の流量変化量のいずれか大きい方の流量変化量をΔF1とし、小さい方の流量変化量をΔF2としたとき、ΔF2は、ΔF1の0.1〜0.9倍である請求項5に記載のレドックスフロー電池。
- ΔF2は、ΔF1/n(ただし、nは2〜4の整数)ではない請求項6に記載のレドックスフロー電池。
- 前記流量を増加させる場合の流量変化量は、前記流量を減少させる場合の流量変化量よりも大きい請求項5から7のいずれかに記載のレドックスフロー電池。
- 前記制御手段は、
ΔWp+ΔWr=0の場合には、前記電解液の流量を減少させる請求項1から8のいずれかに記載のレドックスフロー電池。 - 前記循環ポンプが電動であり、
前記消費エネルギー測定手段が、ワットメーターである請求項1から9のいずれかに記載のレドックスフロー電池。 - 前記電池セルが、正極セル及び負極セルを備え、
前記正極セル及び負極セルのそれぞれについて、前記循環ポンプ、前記消費エネルギー測定手段、及び、前記制御手段を有する請求項1から10のいずれかに記載のレドックスフロー電池。 - 前記制御手段は、
前記流量を変化させる際に、前記正極セルに循環させる電解液の流量と、前記負極セルに循環させる電解液の流量と、の両方を同時に変化させる請求項11に記載のレドックスフロー電池。 - 前記制御手段は、
前記正極セルに循環させる電解液の流量と、前記負極セルに循環させる電解液の流量と、を同流量となるように制御する請求項12に記載のレドックスフロー電池。
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