JP7240638B2 - 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システムの運転方法 - Google Patents

Description

本開示は、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システムの運転方法に関する。

特許文献１のレドックスフロー電池は、セルと、電解液タンクと、配管と、温風を送風する手段とを備える。配管は、セルと電解液タンクとを接続し、電解液タンクからセルに電解液を流通する。温風を送風する手段は、配管の外部から配管の少なくとも一部に温風を送風する。温風によって温められた電解液が電池セルに供給される。その他、レドックスフロー電池を開示するものとして、特許文献２がある。

特開２００２－０１５７６２号公報 特開２００３－１２３８０８号公報

上述のレドックスフロー電池は、タンク内の電解液の温度によっては、電解液が所定の温度に達することなく電池セルに供給されるおそれがある。その場合、電解液の粘度が高いので、圧力損失が高くなる。それにより、充放電反応が抑制されたりすることで電池効率が低下し、電池性能が低下する。

そこで、本開示は、電解液を効率的に温められて、所定の温度に達した電解液を電池セルに供給でき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システムの運転方法を提供することを目的の一つとする。

本開示に係るレドックスフロー電池システムは、
電解液を貯留するタンクと、
電池セルと、
前記タンクと前記電池セルとの間で前記電解液を循環させる流通機構とを備え、
前記流通機構は、
前記タンク内の前記電解液を前記電池セルに供給する往路と、
前記電池セルから前記タンクに前記電解液を排出する復路と、
前記タンク内の前記電解液を圧送するポンプとを有するレドックスフロー電池システムであって、
前記流通機構は、
前記往路と前記復路、又は前記往路と前記タンクとを繋ぎ、前記電池セルをバイパスするバイパス路と、
前記電解液の前記電池セルへの流通と前記バイパス路への流通とを切り替える切替構造とを備える。

本開示に係るレドックスフロー電池システムの運転方法は、
電解液が貯留されたタンクと電池セルとの間で前記電解液を循環させるレドックスフロー電池システムの運転方法であって、
前記タンク内の前記電解液の温度が所定の温度範囲を満たすとき、前記電池セルをバイパスさせて前記電池セルの往路から復路、又は前記往路から前記タンクに前記電解液を流通させる。

本開示に係るレドックスフロー電池システム及び本開示に係るレドックスフロー電池システムの運転方法は、電解液を効率的に温められて、所定の温度に達した電解液を電池セルに供給できる。

図１は、実施形態１に係るレドックスフロー電池システムの概略を示す構成図である。 図２は、実施形態２に係るレドックスフロー電池システムの概略を示す構成図である。 図３は、実施形態３に係るレドックスフロー電池システムの概略を示す構成図である。 図４は、実施形態４に係るレドックスフロー電池システムの概略を示す構成図である。 図５は、実施形態５に係るレドックスフロー電池システムの概略を示す構成図である。 図６は、試験例において、電解液をバイパス路に流通させたときの電解液の温度と外気温との関係を示すグラフである。 図７は、試験例において、タンクを外部からヒータで加温したときの電解液の温度と外気温との関係を示すグラフである。

《本開示の実施形態の説明》
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）本開示の一態様に係るレドックスフロー電池システムは、
電解液を貯留するタンクと、
電池セルと、
前記タンクと前記電池セルとの間で前記電解液を循環させる流通機構とを備え、
前記流通機構は、
前記タンク内の前記電解液を前記電池セルに供給する往路と、
前記電池セルから前記タンクに前記電解液を排出する復路と、
前記タンク内の前記電解液を圧送するポンプとを有するレドックスフロー電池システムであって、
前記流通機構は、
前記往路と前記復路、又は前記往路と前記タンクとを繋ぎ、前記電池セルをバイパスするバイパス路と、
前記電解液の前記電池セルへの流通と前記バイパス路への流通とを切り替える切替構造とを備える。

上記レドックスフロー電池システムは、電解液を効率的に温められて、所定の温度に達した電解液を電池セルに供給できる。以下の説明では、レドックスフロー電池システムをＲＦ電池システムと称することがある。

電解液を効率的に温められる理由は、次の通りである。上記ＲＦ電池システムは、流通機構がバイパス路と切替構造とを有することで、電解液の電池セルへの流通と電解液のバイパス路への流通とを切り替えられる。即ち、上記ＲＦ電池システムは、バイパス路を介することで、電解液を電池セルに供給させることなくタンクに排出できる。電解液は、ポンプの駆動によりポンプの回転子やバイパス路の内面と摩擦されることで温度上昇が生じる。電解液がバイパス路を流通する流通経路の長さは、電解液が電池セルを流通する流通経路に比較して短い。そのため、バイパス路を介することで、ポンプの駆動によって温められた電解液をタンクに素早く戻すことができる。よって、流通経路の途中で電解液の温度が低下し難い。即ち、温められた電解液は、温度がほとんど低下することなく、タンク内に戻されてタンク内の電解液と混合される。

所定の温度に達した電解液を供給できる理由は、次の通りである。上記ＲＦ電池システムは、上述したように、バイパス路を介することでポンプの駆動によって温められた電解液を電池セルに供給することなくタンクへ戻すことができる。そのため、所定の温度に達する前の電解液が電池セルに供給されることを抑制できる。換言すれば、上記ＲＦ電池システムは、所定の温度に達した電解液を電池セルに流通させられる。よって、上記ＲＦ電池システムは、充放電反応を促進できて電池効率を向上できるため、電池性能を向上させられる。

（２）上記ＲＦ電池システムの一形態として、
前記切替構造は、
前記バイパス路を開閉する第一バルブと、
前記往路と前記バイパス路との接続箇所よりも前記往路の下流における前記バイパス路の最高位置よりも高い部分とを有することが挙げられる。

上記の構成は、第一バルブによりバイパス路を開通させることで、電解液をバイパス路へ流通させられる。往路がその下流にバイパス路の最高位置よりも高い部分を有することで、往路の揚程がバイパス路よりも大きい。そのため、第一バルブによりバイパス路を開通させると、電解液が往路の下流へ流れ難くなり、バイパス路へ流れ易くできる。また、上記の構成は、第一バルブによりバイパス路を閉鎖させることで、電解液を電池セルへ供給できる。

（３）上記ＲＦ電池システムの一形態として、
前記切替構造は、
前記バイパス路を開閉する第一バルブと、
前記往路と前記バイパス路との接続箇所よりも前記往路の下流を開閉する第二バルブとを有することが挙げられる。

上記の構成は、第一バルブによりバイパス路を開通させ、第二バルブにより往路の下流を閉鎖させることで、電解液をバイパス路へ流通させられる。また、上記の構成は、第一バルブによりバイパス路を閉鎖させ、第二バルブにより往路の下流を開通させることで、電解液を電池セルへ供給できる。

（４）上記ＲＦ電池システムの一形態として、
前記切替構造は、
前記バイパス路を開閉する第一バルブと、
前記バイパス路における内部空間の断面積が前記往路における内部空間の断面積よりも大きい部分とを有することが挙げられる。

上記の構成は、第一バルブによりバイパス路を開通させることで、電解液をバイパス路へ流通させられる。バイパス路が往路よりも内部空間の断面積の大きい部分を有することで、第一バルブによりバイパス路を開通させると、電解液がバイパス路へ流れ易くなるからである。また、上記の構成は、第一バルブによりバイパス路を閉鎖させることで、電解液を電池セルへ供給できる。

（５）上記ＲＦ電池システムの一形態として、
前記切替構造は、前記往路と前記バイパス路との接続箇所に取り付けられる切替弁を有することが挙げられる。

上記の構成は、切替弁によりバイパス路を開通させ、往路の下流を閉鎖させることで、電解液をバイパス路へ流通させられる。また、上記の構成は、切替弁によりバイパス路を閉鎖させ、往路の下流を開通させることで、電解液を電池セルへ供給できる。

（６）上記ＲＦ電池システムの一形態として、
前記タンク内の電解液の温度を検知する液温検知部と、
前記液温検知部の検知結果に基づき、前記ポンプの動作と前記切替構造の切り替え動作とを制御する運転制御部とを備えることが挙げられる。

上記の構成は、電解液の温度に応じて、電解液の電池セルへの流通とバイパス路への流通とを切り替えられるため、所定の温度に達する前の電解液が電池セルに供給されることを抑制できて、所定の温度に達した電解液を電池セルに流通させられる。

（７）本開示の一態様に係るＲＦ電池システムの運転方法は、
電解液が貯留されたタンクと電池セルとの間で前記電解液を循環させるレドックスフロー電池システムの運転方法であって、
前記タンク内の前記電解液の温度が所定の温度範囲を満たすとき、前記電池セルをバイパスさせて前記電池セルの往路から復路、又は前記往路から前記タンクに前記電解液を流通させる。

上記ＲＦ電池システムの運転方法は、電解液を効率的に温められて、所定の温度に達した電解液を電池セルに供給できる。電池セルをバイパスさせることで、ポンプの駆動によって温められた電解液がタンクに素早く戻される。そのため、流通経路の途中で電解液の温度が低下し難い。即ち、温められた電解液は、温度がほとんど低下することなく、タンク内に戻されてタンク内の電解液と混合される。よって、上記ＲＦ電池システムの運転方法は、電解液を効率的に温められる。また、上記ＲＦ電池システムの運転方法は、電池セルをバイパスさせられることで、所定の温度に達する前の電解液が電池セルに供給されることを抑制できる。換言すれば、上記ＲＦ電池システムの運転方法は、所定の温度に達した電解液を電池セルに流通させられる。よって、上記ＲＦ電池システムの運転方法は、充放電反応を促進できて電池効率を向上できるため、電池性能を向上させられる。

《本開示の実施形態の詳細》
本開示の実施形態の詳細を、以下に説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。

《実施形態１》
〔ＲＦ電池システム〕
図１を参照して、実施形態１のＲＦ電池システム１を説明する。本形態のＲＦ電池システム１は、タンク３と、電池セル１０と、流通機構５とを備える。タンク３は、電解液４を貯留する。流通機構５は、タンク３と電池セル１０との間で電解液４を循環させる。この流通機構５は、往路５１と、復路５２と、ポンプ５４とを有する。往路５１は、タンク３内の電解液４を電池セル１０に供給する。復路５２は、電池セル１０からタンク３に電解液４を排出する。ポンプ５４は、タンク３内の電解液４を圧送する。ＲＦ電池システム１の特徴の一つは、流通機構５がバイパス路５３と特定の切替構造５５とを有する点にある。バイパス路５３は、往路５１と復路５２又はタンク３とを繋いで電池セル１０をバイパスする。切替構造５５は、電解液４の電池セル１０への流通とバイパス路５３への流通とを切り替える。以下の説明は、ＲＦ電池システム１の概要、ＲＦ電池システム１の各構成の詳細、ＲＦ電池システムの運転方法の順に行う。

［ＲＦ電池システムの概要］
ＲＦ電池システム１は、代表的には、交流／直流変換器１００と変電設備１２０とを介して発電部１１０と負荷１３０との間に接続される（図１）。ＲＦ電池システム１は、発電部１１０で発電した電力を充電して蓄え、蓄えた電力を放電して負荷１３０に供給する。発電部１１０としては、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が挙げられる。負荷１３０としては、例えば、電力の需要家などが挙げられる。ＲＦ電池システム１は、電解液４を正極電解液と負極電解液とに使用する。電解液４は、酸化還元により価数が変化する金属イオンを活物質として含有する。ＲＦ電池システム１の充放電は、正極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位と負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位との差を利用して行われる。金属イオンとしては、例えば、バナジウムイオン、チタンイオン、マンガンイオンなどが挙げられる。電解液４の溶媒としては、例えば、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸からなる群より選択される１種以上の酸又は酸塩を含む水溶液が挙げられる。ＲＦ電池システム１は、例えば、負荷平準化の用途、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の用途などに利用される。

［タンク］
タンク３は、電池セル１０に流通される電解液４を貯留する（図１）。図１は、正極用のタンク３のみを示す。また、図１は、電解液４の流通方向を白抜き矢印で示す。これらの点は、後述する図２から図５でも同様である。図１は、負極用のタンクを省略している。負極用のタンクの構成は、正極用のタンク３と同様とすることができる。タンク３の大きさは、電池容量に応じて適宜選択できる。

［電池セル］
電池セル１０は、水素イオンを透過させる隔膜で正極セルと負極セルとに分離されている。隔膜と正極セルと負極セルの図示は省略する。正極セルには、正極電極が内蔵されている。正極セルには、後述の流通機構５により上述のタンク３から正極電解液が流通される。負極セルには、負極電極が内蔵されている。負極セルには、流通機構５により負極用のタンクから負極電解液が流通される。電池セル１０の設置箇所は、本形態ではタンク３、往路５１、及びバイパス路５３の最高位置よりも高い位置である。そのため、充放電を行う運転時から充放電を行わない待機時に動作を移行したとき、電池セル１０とタンク３との高低差を利用して電池セル１０内に溜まった電解液４が往路５１を通してタンク３に戻され易い。電池セル１０は、公知のものを利用できる。電池セル１０は、通常、セルスタック２０と呼ばれる構造体の内部に形成される。

［セルスタック］
セルスタック２０は、サブスタックと呼ばれる積層体と、積層体をその両側から挟み込む２枚のエンドプレートと、両エンドプレートを締め付ける締付機構とで構成されている。積層体とエンドプレートと締付機構の図示は省略する。サブスタックの数は、単数でもよいし複数でもよい。サブスタックは、セルフレーム、正極電極、隔膜、及び負極電極を、この順番で複数積層した積層体と、その積層体の両端に配置される給排板とを有する。セルフレームは、双極板と双極板の外周縁部を囲む枠体とを有する。隣接するセルフレームの双極板の間に一つの電池セル１０が形成される。双極板を挟んで表裏に、隣り合う電池セル１０の正極電極と負極電極とが配置される。即ち、双極板を挟んで表裏に、隣り合う電池セル１０の正極セルと負極セルとが形成される。セルフレームの枠体は、電池セル１０の内部に電解液４を供給する給液マニホールド及び給液スリットと、電池セル１０の外部に電解液４を排出する排液マニホールド、及び排液スリットとを有する。各枠体間には、環状のシール溝にＯリングや平パッキンなどの環状のシール部材が配置され、電池セル１０からの電解液４の漏洩を抑制している。セルスタック２０は、公知のものを利用できる。

［流通機構］
流通機構５は、タンク３と電池セル１０との間で電解液４を循環させる。流通機構５は、往路５１と復路５２とバイパス路５３とポンプ５４と切替構造５５とを有する。図１は、正極用の流通機構５のみを示す。負極用の流通機構の図示は、図１では省略する。負極用の流通機構の構成は、正極用の流通機構５と同様とすることができる。

（往路・復路）
往路５１は、タンク３内の電解液４をタンク３から電池セル１０に供給する。往路５１の上流は、タンク３内の電解液４中に開口する。往路５１の下流は、セルスタック２０に繋がる。往路５１の途中には、後述するバイパス路５３の一端が接続されている。往路５１は、往路５１とバイパス路５３との接続箇所５１０よりも上流側の第一流路５１１と、接続箇所５１０よりも下流側の第二流路５１２とを有する。この第一流路５１１と第二流路５１２とは連通している。

復路５２は、電池セル１０からタンク３に電解液４を排出する。復路５２の上流は、セルスタック２０に繋がる。本例では、復路５２の下流は、タンク３内の気相に開口する。復路５２の途中には、後述するバイパス路５３の他端が接続されている。

往路５１及び復路５２は、タンク３の上方に引き出されている。即ち、往路５１及び復路５２のタンク３から露出する全ての部分は、タンク３の上方に位置する。

往路５１及び復路５２は、例えば、樹脂管や被覆管で構成できる。樹脂管の材質は、例えば、ポリ塩化ビニルが挙げられる。被覆管は、金属製の管状部材と、その管状部材のうち電解液４との接触箇所を覆うコーティング層とを備える。管状部材は、例えば、ステンレス鋼管が利用できる。コーティング層の材料は、電解液４と反応せず、電解液４に対する耐性に優れる樹脂やゴムが挙げられる。樹脂としては、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）などが挙げられる。

往路５１及び復路５２の内部空間の断面積は、互いに同一である。往路５１の内部空間の断面積は、往路５１の長手方向に直交する断面において、管の内周面で囲まれる領域の面積をいう。同様に、復路５２の内部空間の断面積は、復路５２の長手方向に直交する断面において、管の内周面で囲まれる領域の面積をいう。往路５１の長手方向と復路５２の長手方向とは、電解液４の流通方向をいう。

（バイパス路）
バイパス路５３は、往路５１の途中と復路５２の途中、又は往路５１の途中とタンク３とを繋いで電池セル１０をバイパスする。本形態では、バイパス路５３は、往路５１の途中と復路５２の途中とを繋ぐ。往路５１の途中とタンク３とを繋ぐ形態は、実施形態５で説明する。バイパス路５３は、往路５１を流れる電解液４を電池セル１０に流通させず、往路５１の途中の接続箇所５１０から復路５２の途中に流通させる。即ち、バイパス路５３を流通する電解液４は、電池セル１０を通らずタンク３に排出される。バイパス路５３は、その長手方向の全長にわたってタンク３の上方に配置されている。バイパス路５３は、往路５１と同様の樹脂管や被覆管で構成できる。

バイパス路５３の内部空間の断面積は、本形態では往路５１の内部空間の断面積と同一である。なお、バイパス路５３の内部空間の断面積は、後述する実施形態３で説明するように、往路５１の内部空間の断面積よりも大きくてもよい。バイパス路５３の内部空間の断面積は、往路５１などと同様、バイパス路５３の長手方向に直交する断面において、管の内周面で囲まれる領域の面積をいう。バイパス路５３の長手方向は、電解液４の流通方向をいう。

（ポンプ）
ポンプ５４は、タンク３内の電解液４を圧送する。ポンプ５４の設置箇所は、本例では往路５１の第一流路５１１の途中である。即ち、ポンプ５４の設置箇所は、接続箇所５１０よりも上流である。ポンプ５４の種類は、適宜選択でき、例えば自吸式ポンプが挙げられる。ポンプ５４は、後述する制御機構６のポンプ制御部６５１により制御される。

（切替構造）
切替構造５５は、電解液４の電池セル１０への流通とバイパス路５３への流通とを切り替える。切替構造５５は、例えば本形態や後述する実施形態２、３、５のように、複数の部材で構成されていてもよい。また、切替構造５５は、例えば後述する実施形態４のように、単数の部材で構成されていてもよい。切替構造５５を複数の部材で構成する本形態では、切替構造５５は第一バルブ５５１と往路５１の第二流路５１２の少なくとも一部とで構成している。また、実施形態２では、切替構造５５は第一バルブ５５１と第二バルブ５５２とで構成している（図２）。更に、実施形態３では、切替構造５５は第一バルブ５５１とバイパス路５３の少なくとも一部とで構成している（図３）。そして、実施形態５では、切替構造５５は実施形態１の切替構造５５と同じである。一方、切替構造５５を単数の部材で構成する実施形態４では、切替構造５５は切替弁５５３で構成されている（図４）。

〈第一バルブ〉
第一バルブ５５１は、バイパス路５３を開閉する。第一バルブ５５１によりバイパス路５３が開通すると、バイパス路５３への電解液４の流通が可能になる。第一バルブ５５１によりバイパス路５３が閉鎖すると、バイパス路５３への電解液４の流通が防止される。第一バルブ５５１によるバイパス路５３の閉鎖が、往路５１の第二流路５１２から電池セル１０への電解液４の流通を可能にする。第一バルブ５５１の設置箇所は、バイパス路５３の途中である。第一バルブ５５１の種類は、適宜選択できる。第一バルブ５５１の種類は、例えば、ゲートバルブ、グローブバルブ、ボールバルブ、バタフライバルブ、ダイヤフラムバルブなどが挙げられる。第一バルブ５５１は、後述する制御機構６のバルブ制御部６５２により制御される。

〈第二流路〉
第二流路５１２は、高位置部５１３を有する。高位置部５１３は、バイパス路５３の最高位置よりも高い位置に配置される部分である。即ち、第二流路５１２の少なくとも一部は、バイパス路５３の最高位置よりも高い位置に配置されている。そのため、第二流路５１２の揚程がバイパス路５３よりも大きい。よって、第一バルブ５５１によりバイパス路５３が開通すると、バイパス路５３の最高位置よりも高い位置に配置される部分によって第二流路５１２への電解液４の流通が規制される。この電解液４の流通の規制が、バイパス路５３への電解液４の流通を可能にする。第二流路５１２やバイパス路５３の最高位置とは、各管路の中心軸の最高箇所とする。

第二流路５１２は、高位置部５１３を有していれば、更に、低位置部や基準位置部５１４を有していてもよい。低位置部は、バイパス路５３の最高位置よりも低い位置に配置される部分である。基準位置部５１４は、バイパス路５３の最高位置と同じ位置に配置される部分である。即ち、第二流路５１２の一部がバイパス路５３の最高位置よりも高い位置に配置され、第二流路５１２の他部がバイパス路５３の最高位置よりも低い位置や最高位置と同じ位置に配置されていてもよい。勿論、第二流路５１２は、バイパス路５３の最高位置よりも高い位置に配置される部分のみで構成されていてもよい。即ち、第二流路５１２の全てがバイパス路５３の最高位置よりも高い位置に配置されていてもよい。

本形態の第二流路５１２は、高位置部５１３と、基準位置部５１４とを有する。高位置部５１３は、第二流路５１２における電池セル１０側に設けられている。基準位置部５１４は、第二流路５１２における第一流路５１１側に設けられている。高位置部５１３が電池セル１０側に設けられ、基準位置部５１４が第一流路５１１側に設けられていることで、運転時から待機時に動作を移行したとき、第二流路５１２を介して電池セル１０内に溜まった電解液４を抜き易い。

なお、本形態のＲＦ電池システム１の切替構造５５は、更に、後述する実施形態２で説明する第二バルブ５５２（図２）を有することが好ましい。その理由は、電解液４をバイパス路５３に流通させる際、電解液４の電池セル１０への流通を確実に防止できるからである。

［制御機構］
制御機構６は、電解液４の温度に基づき、電解液４の電池セル１０への流通と、電解液４のバイパス路５３への流通とを制御する。本形態の制御機構６は、液温検知部６１と、運転制御部６５とを有する。

（液温検知部）
液温検知部６１は、タンク３内の電解液４の温度を検知する。液温検知部６１は、例えば、液温を直接測定できる液温センサが利用できる。

（運転制御部）
運転制御部６５は、切替構造５５による電解液４の電池セル１０への流通と電解液４のバイパス路５３への流通との切替を制御する。本形態では、運転制御部６５は、ポンプ制御部６５１とバルブ制御部６５２とを有する。運転制御部６５は、例えば、プロセッサを含むコンピュータなどが利用できる。

〈ポンプ制御部〉
ポンプ制御部６５１は、液温検知部６１の検知結果に基づき、ポンプ５４の動作を制御する。ポンプ制御部６５１は、ポンプ５４を駆動させたり停止させたりする。また、ポンプ制御部６５１は、ポンプ５４の出力を調整する。

〈バルブ制御部〉
バルブ制御部６５２は、液温検知部６１の検知結果に基づき、第一バルブ５５１の動作を制御する。即ち、バルブ制御部６５２は、第一バルブ５５１を開閉させる。

〔ＲＦ電池システムの運転方法〕
本形態に係るＲＦ電池システムの運転方法は、次の通りである。液温検知部６１がタンク３内の電解液４の温度を検知する。検知したタンク３内の電解液４の温度が所定の温度未満のとき、バルブ制御部６５２は第一バルブ５５１を開く。この制御により、バイパス路５３が開通する。電解液４の所定の温度は、例えば、３０℃以上４５℃以下が挙げられる。ポンプ制御部６５１は、ポンプ５４を所定の出力で動作させる。電解液４をバイパス路５３に流通させて温める加温運転時のポンプ５４の出力は、適宜選択できる。加温運転時のポンプ５４の出力を大きくすれば、電解液４の温度が素早く高くなり易い。加温運転時のポンプ５４の出力を小さくすれば、電解液４の温度を温める際の消費電力が小さくなる。加温運転時のポンプ５４の出力は、電解液４を電池セル１０に流通させる通常運転時のポンプ５４の出力に比較して小さくできる。電池セル１０のように電解液４の流通抵抗体となる部材が存在しないからである。加温運転時のポンプ５４の出力は、例えば、通常運転時のポンプ５４の出力の１／２倍以下とすることができ、更に１／３倍以下とすることができる。加温運転時のポンプ５４の出力は、電解液４を温める点から、例えば通常運転時のポンプ５４の出力の１／５倍以上が挙げられる。運転制御部６５は、バルブ制御部６５２やポンプ制御部６５１の制御前に、交流／直流変換器１００をオフにしておくとよい。

一方、検知したタンク３内の電解液４の温度が所定の温度以上のとき、バルブ制御部６５２は、第一バルブ５５１を閉じる。この制御によりバイパス路５３が閉鎖される。ポンプ制御部６５１は、ポンプ５４を所定の出力で動作させる。通常運転時のポンプ５４の出力は、通常、加温運転時のポンプ５４の出力よりも大きい。電池セル１０のように電解液４の流通抵抗体となる部材に電解液４を流通させる必要があるためである。加温運転時から通常運転時への動作移行の際、ポンプ制御部６５１によるポンプ５４の制御は、ポンプ５４を一旦停止させた後に行ってもよいし、ポンプ５４を一旦停止させることなく行ってもよい。運転制御部６５は、バルブ制御部６５２やポンプ制御部６５１の制御前に、交流／直流変換器１００をオンにしておくとよい。

検知したタンク３内の電解液４の温度が所定の温度未満か以上かに関わらず、バルブ制御部６５２とポンプ制御部６５１の制御順序は、同時であってもよいし異なっていてもよい。制御順序が異なる場合、どちらを先にやってもよいが、第一バルブ５５１の開閉時にはポンプ５４は停止していることが好ましい。その理由は、第一バルブ５５１の開閉を容易に行うためである。

〔作用効果〕
本形態のＲＦ電池システム１は、往路５１がバイパス路５３の最高位置よりも高い高位置部５１３を有する。そのため、第一バルブ５５１によりバイパス路５３を開通させると、電解液４が往路５１の第二流路５１２へ流れ難くなってバイパス路５３へ流れ易くなる。電解液４がバイパス路５３を流通する流通経路の長さは、電解液４が電池セル１０を流通する流通経路に比較して短い。そのため、バイパス路５３を介することで、ポンプ５４の駆動によって温められた電解液４をタンク３に素早く戻すことができる。よって、流通経路の途中で電解液４の温度が低下し難い。即ち、温められた電解液４は、温度がほとんど低下することなく、タンク３内に戻されてタンク３内の電解液４と混合される。従って、本形態のＲＦ電池システム１は、タンク３内の電解液４を効率的に温められる。

また、本形態のＲＦ電池システム１は、バイパス路５３を介することで、ポンプ５４の駆動によって温められた電解液４を電池セル１０に供給することなくタンク３へ戻すことができる。そのため、所定の温度に達する前の電解液４が電池セル１０に供給されることを抑制できる。換言すれば、本形態のＲＦ電池システム１は、所定の温度に達した電解液４を電池セル１０に流通させられる。従って、本形態のＲＦ電池システム１は、充放電反応を促進できて電池効率を向上できるため、電池性能を向上させられる。

《実施形態２》
〔ＲＦ電池システム〕
図２を参照して、実施形態２に係るＲＦ電池システム１を説明する。本形態のＲＦ電池システム１は、主に、切替構造５５が第一バルブ５５１と第二バルブ５５２とで構成されている点が実施形態１と相違する。第一バルブ５５１は、実施形態１と同様である。以下の説明は、実施形態１との相違点を中心に行う。実施形態１と同様の構成の説明は省略する。図２は、説明の便宜上、交流／直流変換器１００、発電部１１０、変電設備１２０、及び負荷１３０を省略している（いずれも図１参照）。これらの点は、後述する実施形態３から実施形態５（図３から図５）でも同様である。

［流通機構］
（往路・バイパス路）
往路５１とバイパス路５３の最高位置は、本形態では互いに同じである。往路５１やバイパス路５３の最高位置とは、各管路の中心軸の最高箇所とする。第二流路５１２とバイパス路５３の最高位置とは、全長にわたって同一高さである。

（切替構造）
〈第二バルブ〉
第二バルブ５５２は、第二流路５１２を開閉する。第二バルブ５５２により第二流路５１２が開通すると、電池セル１０への電解液４の流通が可能になる。第二バルブ５５２により第二流路５１２が閉鎖すると、第二流路５１２への電解液４の流通が防止される。第二バルブ５５２による第二流路５１２の閉鎖と第一バルブ５５１によるバイパス路５３の開通とが、バイパス路５３への電解液４の流通を可能にする。第二バルブ５５２の設置箇所は、第二流路５１２の途中である。第二バルブ５５２の種類は、第一バルブ５５１の種類と同様とすることができる。第二バルブ５５２は、バルブ制御部６５２により制御される。

［制御機構］
（運転制御部）
〈バルブ制御部〉
バルブ制御部６５２は、液温検知部６１の検知結果に基づき、第一バルブ５５１の動作と第二バルブ５５２の動作の両方を制御する。即ち、バルブ制御部６５２は、第一バルブ５５１の開閉と第二バルブ５５２の開閉とを行う。

〔ＲＦ電池システムの運転方法〕
液温検知部６１により検知したタンク３内の電解液４の温度が所定の温度未満のとき、バルブ制御部６５２は第一バルブ５５１を開く。また、バルブ制御部６５２は第二バルブ５５２を閉じる。この制御により、バイパス路５３が開通する。また、第二流路５１２が閉鎖される。ポンプ制御部６５１は、実施形態１における電解液４の温度が所定の温度未満のときと同様である。バルブ制御部６５２やポンプ制御部６５１による制御前に、運転制御部６５によって交流／直流変換器１００をオフにしておくとよい点は、実施形態１と同様である。

一方、検知したタンク３内の電解液４の温度が所定の温度以上のとき、バルブ制御部６５２は第一バルブ５５１を閉じる。また、バルブ制御部６５２は第二バルブ５５２を開く。この制御により、バイパス路５３が閉鎖される。また、第二流路５１２が開通する。ポンプ制御部６５１は、実施形態１における電解液４の温度が所定の温度以上のときと同様である。バルブ制御部６５２やポンプ制御部６５１による制御前に、運転制御部６５によって交流／直流変換器１００をオンにしておくとよい点は、実施形態１と同様である。

検知したタンク３内の電解液４の温度が所定の温度未満か以上かに関わらず、バルブ制御部６５２による第一バルブ５５１及び第二バルブ５５２の開閉順序は、同時であってもよいし異なっていてもよい。開閉順序が異なる場合、どちらを先に行ってもよい。

〔作用効果〕
本形態のＲＦ電池システム１は、実施形態１と同様、電解液４を効率的に温められて、所定の温度に達した電解液４を電池セル１０に供給できる。特に、本形態のＲＦ電池システム１は、切替構造５５が第二バルブ５５２を有するため、加温運転時に電解液４が電池セル１０に供給されることを確実に防止できる。

《実施形態３》
〔ＲＦ電池システム〕
図３を参照して、実施形態３に係るＲＦ電池システム１を説明する。本形態のＲＦ電池システム１は、切替構造５５が第一バルブ５５１とバイパス路５３の少なくとも一部とで構成されている点が、実施形態１と相違する。第一バルブ５５１及びＲＦ電池システムの運転方法は、実施形態１と同様である。

［流通機構］
（往路）
往路５１の最高位置は、本形態ではバイパス路５３の最高位置と同じである。往路５１やバイパス路５３の最高位置とは、各管路の中心軸の最高箇所とする。第二流路５１２とバイパス路５３の最高位置は、全長にわたって同一高さである。

（切替構造）
〈バイパス路〉
バイパス路５３は、大きい断面積部５３１を有する。大きい断面積部５３１は、内部空間の断面積が第二流路５１２の内部空間の断面積よりも大きい部分である。バイパス路５３は、小さい断面積部を有していなければ、同じ断面積部を有していてもよい。小さい断面積部は、内部空間の断面積が第二流路５１２の内部空間の断面積よりも小さい部分である。同じ断面積部は、内部空間の断面積が第二流路５１２の内部空間の断面積と同じ部分である。バイパス路５３が大きい断面積部５３１を有し、小さい断面積部を有していないことで、第一バルブ５５１によりバイパス路５３が開通した際にバイパス路５３に電解液４を流通させ易い。

大きい断面積部５３１の内部空間の断面積は、例えば第二流路５１２の内部空間の断面積の２倍以上が好ましく、更に３倍以上が好ましく、特に４倍以上が好ましい。大きい断面積部５３１の内部空間の断面積は、例えば、第二流路５１２の内部空間の断面積の１０倍以下が挙げられる。バイパス路５３の全長に占める大きい断面積部５３１の割合は、大きいほどバイパス路５３に電解液４を流通させ易い。バイパス路５３の全長に占める大きい断面積部５３１の割合が１００％、即ち、バイパス路５３が全長にわたって大きい断面積部５３１で構成されていれば、バイパス路５３に電解液４を特に流通させ易い。

なお、本形態のＲＦ電池システム１の切替構造５５は、更に、実施形態２で説明した第二バルブ５５２（図２）を有することが好ましい。その理由は、電解液４をバイパス路５３に流通させる際、電解液４の電池セル１０への流通を確実に防止できるからである。

〔作用効果〕
本形態のＲＦ電池システム１は、実施形態１と同様、電解液４を効率的に温められて、所定の温度に達した電解液４を電池セル１０に供給できる。

《実施形態４》
〔ＲＦ電池システム〕
図４を参照して、実施形態４に係るＲＦ電池システム１を説明する。本形態のＲＦ電池システム１は、主に、切替構造５５が切替弁５５３で構成されている点が、実施形態１と相違する。

（切替構造）
〈切替弁〉
切替弁５５３は、往路５１の第二流路５１２とバイパス路５３の一方の開通と他方の閉鎖とを行う。即ち、切替弁５５３は、往路５１の第一流路５１１から第二流路５１２への電解液４の流通と、往路５１の第一流路５１１からバイパス路５３への電解液４の流通とを切り替える。切替弁５５３の設置箇所は、往路５１とバイパス路５３との接続箇所５１０である。切替弁５５３の種類は、例えば、三方弁が挙げられる。

（運転制御部）
〈バルブ制御部〉
バルブ制御部６５２は、液量検知部の検知結果に基づき、切替弁５５３を動作させる。バルブ制御部６５２は、往路５１の第二流路５１２とバイパス路５３の一方を開通させて、他方を閉鎖させるように切替弁５５３を動作させる。

〔ＲＦ電池システムの運転方法〕
液温検知部６１により検知したタンク３内の電解液４の温度が所定の温度未満のとき、バルブ制御部６５２は、バイパス路５３を開通させて第二流路５１２を閉鎖するように、切替弁５５３を動作させる。ポンプ制御部６５１は、実施形態１における電解液４の温度が所定の温度未満のときと同様である。バルブ制御部６５２やポンプ制御部６５１による制御前に、運転制御部６５によって交流／直流変換器１００をオフにしておくとよい点は、実施形態１と同様である。

一方、タンク３内の電解液４の温度が所定の温度以上のとき、バルブ制御部６５２は、第二流路５１２を開通させてバイパス路５３を閉鎖するように、切替弁５５３を動作させる。ポンプ制御部６５１は、実施形態１における電解液４の温度が所定の温度以上のときと同様である。バルブ制御部６５２やポンプ制御部６５１による制御前に、運転制御部６５によって交流／直流変換器１００をオンにしておくとよい点は、実施形態１と同様である。

〔作用効果〕
本形態のＲＦ電池システム１は、実施形態１と同様、電解液４を効率的に温められて、所定の温度に達した電解液４を電池セル１０に供給できる。特に、本形態のＲＦ電池システム１は、切替構造５５が切替弁５５３を有するため、加温運転時に電解液４が電池セル１０に供給されることを確実に防止できる。

《実施形態５》
〔ＲＦ電池システム〕
図５を参照して、実施形態５に係るＲＦ電池システム１を説明する。本形態のＲＦ電池システム１は、バイパス路５３が復路５２に繋がれることなく往路５１の途中とタンク３とを繋ぐ点が、実施形態１と相違する。ＲＦ電池システムの運転方法は、実施形態１と同様である。

（バイパス路）
バイパス路５３は、往路５１を流れる電解液４を電池セル１０に流通させず、往路５１の途中の接続箇所５１０からタンク３に流通させる。即ち、バイパス路５３を流通する電解液４は、電池セル１０と復路５２とを通らず、タンク３に排出される。バイパス路５３の上流は、タンク３の上方に配置されている。バイパス路５３の下流は、タンク３内の気相に開口する。

〔作用効果〕
本形態のＲＦ電池システム１は、実施形態１と同様、電解液４を効率的に温められて、所定の温度に達した電解液４を電池セル１０に供給できる。特に、本形態のＲＦ電池システム１は、バイパス路５３の下流を復路５２の途中に繋ぐ場合に比較して、電解液４がバイパス路５３を流通してタンク３に戻る流通経路を短くし易い。そのため、本形態のＲＦ電池システム１は、流通経路の途中で電解液４の温度がより一層低下し難い。

《試験例》
試験例では、図１を参照して説明した実施形態１に係るＲＦ電池システム１を用い、電解液４を電池セル１０に流通させずバイパス路５３に流通させて、タンク３内の電解液４の温度を測定した。即ち、試験例では、第一バルブ５５１を開いてバイパス路５３を開通させ、ポンプ５４により電解液４を圧送した。電解液４は、タンク３、往路５１の第一流路５１１、バイパス路５３、復路５２、タンク３の順に流通させた。ポンプ５４の動力は、４．１ｋＷとした。

電解液４の温度は、電解液４を流通し続けて、ｎ時からｎ＋２４時まで２４時間にわたって測定した。その結果を図６に示す。図６のグラフは、時間経過に対する電解液４の温度変化と外気温の変化とを示す。電解液４の温度変化は、実線で示す。外気温の変化は、破線で示す。図６の横軸は、時間（Ｈｏｕｒ）である。図６の縦軸は、温度（℃）である。

図６に示すように、外気温は、２４時間にわたって上昇と下降とを繰り返していた。外気温の最低温度と最高温度との差が１０℃程度であった。このように外気温が大きく変化しているにもかかわらず、電解液４の温度は、２４時間にわたって３０．３℃以上３１．２℃以下の範囲内に保つことができた。また、外気温の平均温度は、９．５℃であった。電解液４の平均温度は、３０．８℃であった。電解液４の平均温度と外気の平均温度との温度差は、２１．３℃であった。ポンプ５４の動力／上記温度差で求められる上記温度差当たりの消費電力は、０．１９ｋＷ／℃程度であった。

比較として、実施形態１に係るＲＦ電池システム１において、電解液４を流通させることなくタンク３の底を外部からヒータで温めて、タンク３内の電解液４の温度を測定した。ヒータの動力は、４．９ｋＷとした。

電解液４の温度は、ヒータでタンク３の底を温め続けて、ｎ時からｎ＋１２時まで１２時間にわたって測定した。その結果を図７に示す。図７のグラフは、図６と同様、時間経過に対する電解液４の温度変化と外気温の変化とを示す。電解液４の温度変化は、実線で示す。外気温の変化は、破線で示す。図７の横軸は、時間（Ｈｏｕｒ）である。図７の縦軸は、温度（℃）である。

図７に示すように、外気温は、１２時間にわたって１２℃から１５℃の範囲内でほとんど変化がなかった。このように外気温がほとんど変化していないにも関わらず、電解液４の温度は、１２時間にわたって３０℃以上にならず、２６．４℃以上２７．０℃以下の範囲内であった。また、外気温の平均温度は、１３．１℃であった。電解液４の平均温度は、２６．７℃であった。電解液４の平均温度と外気の平均温度との温度差は、１３．６℃であった。ヒータの動力／上記温度差で求められる上記温度差当たりの消費電力は、０．３６ｋＷ／℃程度であった。

電解液４をバイパス路５３に流通させる場合の上記消費電力は、電解液４をヒータで温める場合の上記消費電力に対して４７％程度低い。よって、電解液４をバイパス路５３に流通させることで、電解液４をヒータで温める場合に比較して、省エネルギーで電解液４を温められることがわかった。即ち、電解液４をバイパス路５３に流通させることは、電解液４をヒータで温める場合に比較して、電解液４を温めることに効率的であることがわかった。

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すべての変更が含まれることが意図される。例えば、切替構造は、第二流路の高位置部、バイパス路の大きい断面積部、及び第二バルブからなる群より選択される２つ以上と、第一バルブとで構成することもできる。また、切替構造は、第一バルブと、バイパス路の全長よりも長い往路の第二流路とで構成されていてもよい。

１ ＲＦ電池システム
１０ 電池セル
２０ セルスタック
３ タンク
４ 電解液
５ 流通機構
５１ 往路
５１０ 接続箇所
５１１ 第一流路
５１２ 第二流路
５１３ 高位置部
５１４ 基準位置部
５２ 復路
５３ バイパス路
５３１ 大きい断面積部
５４ ポンプ
５５ 切替構造
５５１ 第一バルブ
５５２ 第二バルブ
５５３ 切替弁
６ 制御機構
６１ 液温検知部
６５ 運転制御部
６５１ ポンプ制御部
６５２ バルブ制御部
１００ 交流／直流変換器
１１０ 発電部
１２０ 変電設備
１３０ 負荷

Claims (6)

1. 電解液を貯留するタンクと、
   電池セルと、
   前記タンクと前記電池セルとの間で前記電解液を循環させる流通機構とを備え、
   前記流通機構は、
   前記タンク内の前記電解液を前記電池セルに供給する往路と、
   前記電池セルから前記タンクに前記電解液を排出する復路と、
   前記タンク内の前記電解液を圧送するポンプとを有するレドックスフロー電池システムであって、
   前記流通機構は、
   前記往路と前記復路、又は前記往路と前記タンクとを繋ぎ、前記電池セルをバイパスするバイパス路と、
   前記電解液の前記電池セルへの流通と前記バイパス路への流通とを切り替える切替構造とを備え、
   更に、
   前記タンク内の電解液の温度を検知する液温検知部と、
   前記液温検知部の検知結果に基づき、前記ポンプの動作と前記切替構造の切り替え動作とを制御する運転制御部とを備える、
   レドックスフロー電池システム。
2. 前記切替構造は、
   前記バイパス路を開閉する第一バルブと、
   前記往路と前記バイパス路との接続箇所よりも前記往路の下流における前記バイパス路の最高位置よりも高い部分とを有する請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
3. 前記切替構造は、
   前記バイパス路を開閉する第一バルブと、
   前記往路と前記バイパス路との接続箇所よりも前記往路の下流を開閉する第二バルブとを有する請求項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. 前記切替構造は、
   前記バイパス路を開閉する第一バルブと、
   前記バイパス路における内部空間の断面積が前記往路における内部空間の断面積よりも大きい部分とを有する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池システム。
5. 前記切替構造は、前記往路と前記バイパス路との接続箇所に取り付けられる切替弁を有する請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池システム。
6. 電解液が貯留されたタンクと電池セルとの間で前記電解液を循環させるレドックスフロー電池システムの運転方法であって、
   前記タンク内の前記電解液の温度が所定の温度範囲を満たすとき、前記電池セルをバイパスさせて前記電池セルの往路から復路、又は前記往路から前記タンクに前記電解液を流通させる、
   レドックスフロー電池システムの運転方法。
   

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