特許 7390090 フロー電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-22

(45)【発行日】2023-12-01

(54)【発明の名称】フロー電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/18 20060101AFI20231124BHJP

   H01M 8/2455 20160101ALI20231124BHJP

   H01M 8/2465 20160101ALI20231124BHJP

   H01M 8/2484 20160101ALI20231124BHJP

   H01M 8/2485 20160101ALI20231124BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20231124BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20231124BHJP

   H01M 8/04186 20160101ALI20231124BHJP

   H01M 8/04014 20160101ALI20231124BHJP

   H01M 8/04276 20160101ALI20231124BHJP

【ＦＩ】

H01M8/18

H01M8/2455

H01M8/2465

H01M8/2484

H01M8/2485

H01M8/249

H01M8/04 H

H01M8/04 M

H01M8/04 N

H01M8/04014

H01M8/04276

【請求項の数】 10

(21)【出願番号】P 2023550244

(86)(22)【出願日】2023-05-17

(86)【国際出願番号】 JP2023018496

【審査請求日】2023-08-22

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】514147491

【氏名又は名称】ｉｎｅｏｖａ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100135965

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 要泰

(74)【代理人】

【識別番号】100100169

【弁理士】

【氏名又は名称】大塩 剛

(72)【発明者】

【氏名】猪口 正幸

【審査官】守安 太郎

(56)【参考文献】

【文献】特表２００３－５３２２６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特表２０１６－５０３９４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１１２３１０４５６（ＣＮ，Ａ）

【文献】実開昭５７－０１４３６９（ＪＰ，Ｕ）

【文献】特表平１１－５０５９９７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開昭６１－２９６６５９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｍ ８／１８

Ｈ０１Ｍ ８／０４

Ｈ０１Ｍ １２／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

Ｎ個（Ｎは１以上の整数）のセルカートリッジと、
Ｎ個以上の取り付けスペースを有し、前記セルカートリッジを該取り付けスペースに相互間に隙間を設けて併置状態に物理的に着脱自在に取り付けられるバックプレーンとを備え、
前記セルカートリッジは、複数個の積層したセルを有する、フロー電池。

【請求項2】

請求項１に記載するフロー電池において、更に、
前記バックプレーンに、各々の前記セルカートリッジと接続する正極液往路チャネル、正極液復路チャネル、及び各接続箇所に設けられたカプラと、
負極液往路チャネル、負極液復路チャネル、及び各接続箇所に設けられたカプラとを備え、
前記バックプレーンに取り付けた前記セルカートリッジに対する正負電解液の流通が確保されている、フロー電池。

【請求項3】

請求項１に記載するフロー電池において、更に、
ラックフレームを備え、
前記ラックフレームに対して、複数段の前記バックプレーンが夫々取り付けられ、
前記ラックフレームに取り付けられた正負電解液往路連結パイプ及び正負電解液復路連結パイプと、各々の前記バックプレーンに取り付けられた正負電解液往路チャネル及び正負電解液復路チャネルとは、カプラを介して夫々接続されて、各々の前記バックプレーンに対する正負電解液の流通が確保されている、フロー電池。

【請求項4】

請求項２又は３に記載するフロー電池において、
前記カプラは、電解液漏洩防止機能付きカプラであり、電解液の漏洩なく、前記バックプレーン又は前記セルカートリッジの交換が可能である、フロー電池。

【請求項5】

請求項１又は２に記載するフロー電池において、
前記セルは、構成部品として、両電極板、セパレータ及び片電極板の内、少なくとも両電極板及び／又は片電極板と、１個のセパレータとが積層されて成り、
前記セルカートリッジ構成部品の一部又は全部が相互に固着されている、フロー電池。

【請求項6】

請求項１又は２に記載するフロー電池において、更に、
前記セルカートリッジの相互間の隙間に送風して熱交換する熱交換部品を備えた、フロー電池。

【請求項7】

請求項１又は２に記載するフロー電池において、更に、
前記バックプレーンに、各々の前記セルカートリッジに対して、該カートリッジの負極にアノード、正極にカソードとなるように並列接続されたダイオード機能部品を備え、稼働時に故障したセルカートリッジを抜き去る時に該バックプレーンに過大な逆電圧がかからないようにした、フロー電池。

【請求項8】

請求項１又は２に記載するフロー電池において、更に、
前記バックプレーンに、前記セルカートリッジを構成する各々のセルの電圧および正負極液の流量、温度、圧力或いは酸化還元電位の内、少なくとも一つを計測できるセンサが組み込まれている、フロー電池。

【請求項9】

請求項２に記載するフロー電池において、更に、
前記バックプレーンの前記正極液往路チャネル及び前記負極液往路チャネルに、電解液流量調整弁が夫々組み込まれている、フロー電池。

【請求項10】

請求項１又は２に記載するフロー電池において、更に、
ＲＦ基幹ユニットと複数の正極液タンク及び複数の負極液タンクとを備え、
ＲＦ基幹ユニットに対して、前記バックプレーンが複数段と往路チャネル及び復路チャネルが取り付けられ、
正極液往路チャネル及び正極液復路チャネルの１組に対して、１組以上の漏洩防止機能付きカプラと、負極液往路チャネル及び負極液復路チャネルの１組に対して、１組以上の漏洩防止機能付きカプラを取り付けることにより、該カプラを介して任意個の電解液タンクと配管を接続或いは離脱し、充放電対象とする電解液の増減及び交換を可能とした、フロー電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、フロー電池、典型的にはレドックスフロー電池（Ｒｅｄｏｘ Ｆｌｏｗ Ｂａｔｔｅｒｙ、以下「ＲＦ電池」という。）に関する。

【背景技術】

【0002】

フロー電池に関して、以下、ＲＦ電池を例にとって、説明する。
太陽光・風力等の再生可能エネルギーの利用が推進されている。太陽光発電・風力発電の出力は、昼夜、天候、環境によって左右され変動するため、電力系統へ導入されると電力系統を乱す問題（電力品質の低下）が生じる。

【0003】

そこで、電力系統安定化対策の要素技術である電力貯蔵用電池（二次電池）として、ＲＦ電池が注目されている。ＲＦ電池は、他の二次電池と比較して、長寿命、大容量化、安全性等の面で優れた特長を有する。

【0004】

図１は、従来のＲＦ電池の基本構造を説明する図である。基本的に、ＲＦ電池１００は、中央に位置するセルスタック１０１と、その両側に設置された、正極液タンク１０２ｔ及び正極液送液ポンプ１０２ｐ並びに負極液タンク１０３ｔ及び負極液送液ポンプ１０３ｐとで構成される。正極液送液ポンプ１０２ｐは、正極液タンク１０２ｔに貯められている正極液を実線で示すように配管を通じて循環させる。同様に、負極液送液ポンプ１０３ｐは、負極液タンク１０３ｔに貯められている負極液を破線で示すように配管を通じて循環させる。

【0005】

セルスタック１０１は、多数の電池セル１０４を積層したセルスタック構造である。各電池セル１０４は、２枚のセルフレーム１０４ｓｆを含み、両側を両極板１０４ｂｐで挟まれている。２枚のセルフレーム１０４ｓｆの間に、負電極１０４ｎｅ、セパレータ１０４ｓｅ、及び正電極１０４ｐｅが配置されている。積層された電池セル１０４は、両側を電極板１０８で挟まれ、更に両側をエンドプレート１０５で挟まれている。両側のエンドプレート１０５は、その周辺に沿って、締結部材（ボルトとナット）１０６により強く緊縛されている。各電池セルの２枚のセルフレーム１０４ｓｆの間にはセルフレーム端部に沿ってシール材１０７が配置され、電解液（正極液，負極液）が漏洩しないようにシールされている。セルスタック構造は、多数の電池セル１０４がエンドプレート１０５と締結部材１０６により緊縛され一体化されている。

【0006】

このようなセルスタック構造は、電池セルの単純な積層構造であり、電池セルへ電界液を送り・戻す機構も比較的単純である。その結果、セルスタック構造のＲＦ電池は、部品点数が比較的少なく、材料コスト、製造コスト等は比較的安価である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】WO 2020/218418 A1「双極板、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池」

【文献】特開2020-087836「電池用の双極板、電池用の双極板の製造方法、及びレドックスフロー電池」

【文献】特開2022-526449「多孔質シリコン膜材料、その製造、及びそれを組み込んだ電子機器」

【文献】特開2002-015762「レドックスフロー電池」

【文献】特開2020-184406「レドックスフロー電池の運用方法、及びレドックスフロー電池」

【文献】WO 2019/087377「レドックスフロー電池」

【文献】特許第5585311「電池管理システム」

【文献】特許第5916819「電力エネルギーの輸送システム」

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

セルスタック構造のＲＦ電池は、前述の利点がある反面、次のような欠点も有する。
（１）エンドプレート、締結部材等は、比較的重いので、セルスタック全体の重量が非常に重くなる。
（２）締結ボルトは比較的長いので、経時変化、温度変化等により延びて、電池セル間のシール材の効果が失われ、電解液が漏れ出るリスクがある。
（３）電池セルが故障した場合、一体化されたセルスタック構造から、現場で、故障した電池セルを取り出して修理・交換することが困難である。

【0009】

本発明は、これらセルスタック構造の欠点を考慮し、これを改良したフロー電池、典型的にはＲＦ電池を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明に係るフロー電池は、一面において、Ｎ個（Ｎは１以上の整数）のセルカートリッジと、Ｎ個以上の取り付けスペースを有し、前記セルカートリッジを該取り付けスペースに相互間に隙間を設けて併置状態に物理的に着脱自在に取り付けられるバックプレーンとを備えている。

【0011】

上記フロー電池において、更に、前記バックプレーンに、各々の前記セルカートリッジと接続する正極液往路チャネル、正極液復路チャネル、及び各接続箇所に設けられたカプラと、負極液往路チャネル、負極液復路チャネル、及び各接続箇所に設けられたカプラとを備え、前記バックプレーンに取り付けた前記セルカートリッジに対する正負電解液の流通が確保されていてもよい。

【0012】

上記フロー電池において、更に、ラックフレームを備え、前記ラックフレームに対して、複数段の前記バックプレーンが夫々取り付けられ、前記ラックフレームに取り付けられた正負電解液往路連結パイプ及び正負電解液復路連結パイプと、各々の前記バックプレーンに取り付けられた正負電解液往路チャネル及び正負電解液復路チャネルとは、カプラを介して夫々接続されて、各々の前記バックプレーンに対する正負電解液の流通が確保されていてもよい。

【0013】

上記フロー電池において、前記カプラは、電解液漏洩防止機能付きカプラであり、電解液の漏洩なく、前記バックプレーン又は前記セルカートリッジの交換が可能であってよい。

【0014】

上記フロー電池において、前記セルカートリッジは、任意所望の個数の積層したセルを有し、前記セルは、構成部品として、両電極板、セパレータ及び片電極板の内、少なくとも両電極板及び／又は片電極板と、１個のセパレータとが積層されて成り、前記セルカートリッジ構成部品の一部又は全部が相互に固着されていてもよい。

【0015】

上記フロー電池において、更に、前記複数個のセルカートリッジの相互間の隙間に送風して熱交換する熱交換部品を備えていてもよい。

【0016】

上記フロー電池において、更に、前記バックプレーンに、各々の前記セルカートリッジに対して、該カートリッジの負極にアノード、正極にカソードとなるように並列接続されたダイオード機能部品を備え、稼働時に故障したセルカートリッジを抜き去る時に該バックプレーンに過大な逆電圧がかからないようにしてもよい。

【0017】

上記フロー電池において、更に、前記バックプレーンに、前記セルカートリッジを構成する各々のセルの電圧を計測できるセンサが組み込まれていてもよい。

【0018】

上記フロー電池において、更に、前記バックプレーンに、セルカートリッジを構成する各々のセルの電圧および正負極液の流量、温度、圧力或いは酸化還元電位の内、少なくとも一つを計測できるセンサが組み込まれていてもよい。

【0019】

上記フロー電池において、更に、前記バックプレーンの前記正極液往路チャネル及び前記負極液往路チャネルに、電解液流量調整弁が夫々組み込まれていてもよい。

【0020】

上記フロー電池において、更に、ＲＦ基幹ユニットと複数の正極液タンク及び複数の負極液タンクとを備え、ＲＦ基幹ユニットに対して、前記バックプレーンが複数段と往路チャネル及び復路チャネルが取り付けられ、正極液往路チャネル及び正極液復路チャネルの１組に対して、１組以上の漏洩防止機能付きカプラと、負極液往路チャネル及び負極液復路チャネルの１組に対して、１組以上の漏洩防止機能付きカプラを取り付けることにより、該カプラを介して任意個の電解液タンクと配管を接続或いは離脱し、充放電対象とする電解液の増減及び充電後の電解液と放電後の電解液との交換を可能としてもよい。

【0021】

本発明に係るフロー電池は、一面において、電池部は、任意個のセルを有するスタックを備え、該セルは、構成部品として、両電極板、セパレータ及び片電極板の内、少なくとも両電極板及び／又は片電極板と、１個のセパレータとが適宜積層され、両電極板又は片電極板は固着（接着又は溶着）されて一体化されている、もしくは、隣接する該構成部品は、相互に固着（接着又は溶着）されて一体化されている。

【0022】

上記フロー電池において、スタックは、隣接するセルが相互に固着（接着又は溶着）されて一体化されていてもよい。

【0023】

上記フロー電池において、前記セルは、セルスタック構造の電池セル及び前記セルカートリッジ－バックプレーン構造のセル電池のいずれに適用してもよい。

【発明の効果】

【0024】

本発明によれば、セルスタック構造の欠点を補い、これを改良したフロー電池、典型的にはＲＦ電池を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0025】

【図1】図１は、従来のＲＦ電池の基本構造を説明する図である。

【図2】図２は、第１実施形態に係るＲＦ電池を構成するセルカートリッジ・モジュールの例を示す。

【図3】図３は、セルカートリッジ・モジュールを上下に４段、ラックフレームに取り付けた図である。

【図4】図４は、セルカートリッジを示す図である。

【図5A】図５Ａは、図５Ｂと共に、本実施形態に係るＲＦ電池の全体図である。

【図5B】図５Ｂは、図５Ａと共に、本実施形態に係るＲＦ電池の全体図である。

【図6】図６は、片電極板と両電極板によりセルカートリッジを作成した例である。

【図7】図７は、導電不透過シートにより実現した両電極板の構成例を示す。

【図8A】図８Ａは、図８Ｂと共に、漏洩防止バルブ付き電解液カプラを示す図である。

【図8B】図８Ｂは、図８Ａと共に、漏洩防止バルブ付き電解液カプラを示す図である。

【図9】図９は、バックプレーンとセルカートリッジの電気関連の構造と配線図を示す。

【図10】図１０は、カートリッジ・モジュールにモジュールの管理や制御に必要な機能をバックプレーンへ組込んだ例を示す図である。

【図11】図１１は、バックプレーンへ組込まれたマルチセンス制御通信基板のブロック図である。

【図12】図１２は、ＲＦ電池において、負極液タンク及び正極液タンクを分離可能なシステムの例を示す。

【発明を実施するための形態】

【0026】

以下、本発明に係るフロー電池の実施形態を、ＲＦ電池を例にとって、添付の図面を参照しながら詳細に説明する。図面において、同じ要素に対しては同じ参照符号を付して、重複した説明を省略する。

【0027】

［第１実施形態］
図２は、第１実施形態に係るＲＦ電池１０（図５Ａ参照）を構成するセルカートリッジ・モジュール１２の例を示す。（ａ）はセルカートリッジ・モジュールの正面図であり、（ｂ）はそのＡ－Ａ断面図である。

【0028】

第１実施形態に係るＲＦ電池１０は、実装形態に関して、図１に示すＲＦ電池のセルスタック１０１のスタック構造に代えてセルカートリッジ－バックプレーン構造（セルカートリッジ・モジュール１２の構造）を採用している。各セルカートリッジ１１は、相互に隙間を空けて実装されている。

【0029】

以下に、セルカートリッジ－バックプレーン構造を実現したセルカートリッジ・モジュールの構造と、セルカートリッジの詳細な構造、及びセルカートリッジ・モジュールにより実現したＲＦ電池全体の構成とについて説明する。

【0030】

（セルカートリッジ・モジュールの構造）
図２の（ａ）の正面図に示すように、セルカートリッジ・モジュール１２には、３個のセルカートリッジ１１が、カートリッジ固定ボルト１５１を用いてバックプレーン１３に取り付けられている。バックプレーン１３は、バックプレーン固定ボルト１５２を用いて水平角パイプ１４に対して取り付けられている。水平角パイプ１４は、予めラックフレーム１５（図３参照）へ固定されている。バックプレーン１３に取り付けるセルカートリッジ１１の個数は、図２では３個であるが、任意所望の個数であってよい。バックプレーン１３の取り付けエリアは、実際のセルカートリッジ１１の個数以上用意されていてもよい。

【0031】

各セルカートリッジ１１には、電解液が流入する入口と出口に電解液カプラ３３，３４が夫々に設けられている。各セルカートリッジ１１の内部を通過する電解液は、正極用ルートと負極用ルートとは分離されている。そのため、正極用ルートの要素には参照符号に「ｐ」を付し、負極用ルートの要素には「ｎ」を付して区別する。

【0032】

タンク３６ｔ（図５Ａ参照）から供給された正極液（実線で示す。）は、正極液往路チャネル１７ｐからセルカートリッジ単位で設けられた電解液カプラ３３ｐで分流され、セルカートリッジを構成するセルの正電極１０４５へ供給される。正電極１０４５で反応した電解液は、電解液カプラ３４ｐから正極液復路チャネル１９ｐで合流し、タンク３６ｔへ還流される。負極液（破線で示す。）も同様である。

【0033】

電解液カプラ３３ｐには、セルカートリッジ１１側に凸型の挿抜カプラ（以下、「プラグ」という。）３３１ｐが設けられており、バックプレーン側に凹型の受けカプラ（以下、「ソケット」という）３３２ｐが設けられている。プラグとソケットは、Ｏリング３３３ｐを介して接続している。電解液カプラ３４ｐの（プラグ、ソケット、及びＯリングの）機構も同様である。プラグ３３１ｐとソケット３３２ｐの機構により挿抜が可能である。負極用ルートの電解液カプラ３３ｎ及び電解液カプラ３４ｎの機構も同様である。

【0034】

セルカートリッジ１１は、電解液カプラを介してバックプレーン側と接続されている。電解液カプラを液漏れ防止機能付きカプラにすると、運転中にセルカートリッジ１１をバックプレーンに取り付け・取り外ししても電解液の漏洩は生じない。このような電解液カプラの液漏れ防止機構に関しては、図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら、詳細に説明する。

【0035】

図１に示す一体化セルスタック構造と比較して、図２に示すセルカートリッジ・モジュール１２は、セルカートリッジ間に隙間（好ましくは、１～５０ｍｍの空間）があり、バックプレーン１３への取り付け・取り外しが可能である。この結果、セルカートリッジ１１は、セルカートリッジ単位で取り扱いが可能となる。即ち、セルカートリッジ単位は小型・軽量であるため、運搬、設置、交換、保守等が容易になる。更に、各セルカートリッジ１１で発生する熱は、相互間の隙間を利用して強制空冷により外部へ効率よく放出することができる。必要に応じて、この隙間に温風を送り、各セルカートリッジ１１を加温することもできる。

【0036】

図３は、セルカートリッジ・モジュール１２を上下に４段、ラックフレーム１５に取り付けた図である。（ａ）は正面パネルを取り外した状態の正面図であり、（ｂ）はＡ－Ａ断面図である。

【0037】

ラックフレーム１５の上段に、冷却用ファン２２が設置されている。また、ラックフレーム１５に対して、予め、上下２本の水平角パイプ１４が４組取り付けられており、４組のセルカートリッジ・モジュール１２を固定することができる。

【0038】

（ｂ）に示す記号は、次の通りである。ＰＦ：往路正極液、ＰＲ：復路正極液、ＮＦ：往路負極液、ＮＲ：復路負極液。

【0039】

ラックフレーム下部の正極液往路連結パイプ１８ｐからの正極液ＰＦは、４つのセルカートリッジ・モジュール１２の正極液往路チャネル１７ｐへ分流する。セルカートリッジ・モジュールの正極液復路チャネル１９ｐからの正極液ＰＲは、一つに纏められてラックフレーム上部の正極液復路連結パイプ２０ｐへ合流する。負極液も同様に、負極液往路連結パイプ１８ｎからの負極液ＮＦは、各セルカートリッジ・モジュールの負極液往路チャネル１７ｎへ分流し、セルカートリッジ・モジュールの負極液復路チャネル１９ｎからの負極液ＮＲは、負極液復路連結パイプ２０ｎへ合流する。

【0040】

上記ラックフレームは、連結して、コンテナ等大型の筐体にも容易に設置することができる。

【0041】

（セルカートリッジの詳細な構造）
図４は、セルカートリッジ１１を示す図である。ここで、（ａ）はセルカートリッジ１１の正面図、（ｂ）は左側面図、（ｃ）はＡ－Ａ断面図である。

【0042】

セルカートリッジ１１は、任意の個数のセル２８を積層して構成することができる。図示の例では、（ｂ）に示すように、２個のセル２８から構成されている。このセルカートリッジ１１は、１つの両電極板１２１を挟んで２枚のセパレータ１２２と２枚の片電極板１２３とで構成され、締結部材（絶縁ブッシュ１２４と締結ネジ１２５）で緊縛されている。一般に、セルカートリッジ１１は、任意の個数Ｎのセルを積層することができ、この場合、Ｎ－１個の両電極板、Ｎ枚のセパレータ、２枚の片電極板とで構成される。

【0043】

セルカートリッジ１１には、（ａ）及び（ｂ）に示すように、セル本体の上下に２個の電解液カプラ３３，３４が備えられている。下の電解液カプラ３３は、バックプレーン１３の正極液往路チャネル１７ｐと負極液往路チャネル１７ｎとに結合する突起部（プラグ）を備えており、上の電解液カプラ３４は、バックプレーン１３の正極液復路チャネル１９ｐと負極液復路チャネル１９ｎとに結合する突起部（プラグ）を備えており、セルカートリッジをバックプレーンに取り付けることにより、電解液の流通が確保される。

【0044】

（ａ），（ｂ）に示すように、往路チャネル１７ｐ／１７ｎから送られた正極液／負極液は、下の電解液カプラ３３へ供給され、セルカートリッジに搭載されているセルの正電極／負電極に分流され、夫々正電極／負電極を通り、上の電解液カプラ３４で合流して、復路チャネル１９ｐ／１９ｎへ排出される。セルカートリッジ１１は、電解液カプラ３３，３４により、バックプレーンへの取り付け・取り外しが可能になる。

【0045】

（ＲＦ電池全体の構成）
図５Ａ及び図５Ｂは、本実施形態に係るＲＦ電池の全体図である。図５Ａは電池部である。図５Ｂの（ａ）は制御部であり、（ｂ）は電力変換部である。

【0046】

図５Ａに示すように、負極液タンク３５ｔ内の負極液は、負極液ポンプ３５ｐにより送出され、往路配管３５ｆを通過してカートリッジ・モジュール１２に供給され、セルカートリッジ１１内を経由して復路配管３５ｒを通過してタンク３５ｔへ戻される。同様に、正極液タンク３６ｔ内の正極液は、正極液ポンプ３６ｐにより送出され、往路配管３６ｆを通過してカートリッジ・モジュール１２に供給され、セルカートリッジ１１内を経由して復路配管３６ｒを通過してタンク３６ｔへ戻される。

【0047】

図５Ｂの（ａ）の制御部は、ＲＦ電池の動作を制御するシステムコントローラ４０により構成されている。（ｂ）の電力変換部は、電池部の出力を系統（交流１００Ｖあるいは２００Ｖ）へ変換するインバータ（直流→交流変換器）４１と系統から電池を充電する充電器（交流→直流変換器）４２で構成されている。

【0048】

システムコントローラ４０は、デマンドに応じて、電力系統からＲＦ電池へ充電したり、ＲＦ電池から電力系統へ電力を供給したりできるように、インバータ４１及び充電器４２を制御する。このような制御は、電力系統電力の平準化や無停電電源などに応用することができる。

【0049】

この他に、システムコントローラ４０は、各信号を監視し、種々の制御を行う。例えば、充電・放電の際は、各セルが、過電流、過充電状態、又は過放電状態にならないように、充電器４２若しくはインバータ４１を制御する。入力監視信号としては、各電池セルの電圧（ｖ０～ｖＮ）４０１、正極液レベル計値４０２、正極液酸化還元電位計値４０３、負極液レベル計値４０４、負極液酸化還元電位計値４０５、正極液温度計値４０６、負極液温度計値４０７等がある。出力制御信号としては、正極液ポンプ制御出力４０８、負極液ポンプ制御出力４０９、冷却ファン回転制御出力４１０、インバータ制御出力４１１、充電器制御出力４１２、アラーム発信出力４１３等がある。

【0050】

第１実施形態係るＲＦ電池で説明した技術的事項は、第２実施形態以降においても共通する技術的事項である。

【0051】

［第２実施形態］
（構成）
第２実施形態では、セルカートリッジ１１の具体例を説明する。図６は、片電極板と両電極板により構成したセルカートリッジ１１である。（ａ）に片電極板１２３と、（ｂ）に両電極板１２１の構成、及び（ｃ）に組み立てたセルカートリッジ１１を示す。ここでは、電解液カプラ３３，３４は図示を省略している。

【0052】

（ａ）に示すように、片電極板１２３は、フランジの付いた導電板１２３１、導電シール材１２３２、高耐薬品性の導電接着剤１２３３、反応電極材１２３４、及び樹脂枠板１２３５から構成されている。

【0053】

導電板１２３１は、導電率が高い金属（銅、アルミニウム等）から形成される。導電シール材１２３２は、電解液を通さず耐薬品性の高い導電性の高い材料（カーボンシート等）から形成される。反応電極材１２３４は、炭素繊維でできたフェルト、布等が用いられる。樹脂枠板１２３５は、耐薬品性の高い樹脂（塩化ビニール、ポリエチレン、ポリプロピレン等）が用いられる。樹脂枠板１２３５は、図示するように反応電極材が入る部分がくり抜かれた額縁状の形状をしており、上部に電解液復路溝１２１７、下部に電解液往路溝１２１６が形成されている。導電シール材１２３２、反応電極材１２３４及び樹脂枠板１２３５は、圧接され導電接着剤１２３３により接着されている。

【0054】

（ｂ）に示すように、両電極板１２１は、導電板１２１１を中央に、導電シール材１２１２、高耐薬品性の導電接着剤１２１３、反応電極材１２３４及び樹脂枠板１２１５から構成されている。夫々の材料は前記と同じであるが、樹脂枠板１２１５は、片電極の樹脂枠板１２３５に加えて、図示するようにＯリング溝１２３６が掘られている。片電極板１２３同様に、両電極板１２１において、導電シール材１２１２、反応電極材１２３４及び樹脂枠板１２１５は、圧接され導電接着剤１２１３により接着されている。

【0055】

（ｃ）に示すように、セルカートリッジ１１の構成は、１枚の両電極板１２１、２枚の片電極板１２３、２枚のセパレータ１２２及び２個のＯリング１２６で構成され、締結ネジ１２７、絶縁ブッシュ１２８、ワッシャ１２９及びナット１３０により緊縛される。セパレータ１２２には、典型的にはイオン透過膜が使用される。

【0056】

（動作）
セルカートリッジ１１を構成する片電極板１２３と両電極板１２１の間はＯリング１２６によりシールされている。このため、電解液往路口１２１６から供給された電解液は、セル２８の外部へ漏洩することなく、全てが電解液復路口１２１７から排出される。セルカートリッジ１１は、比較的少ない数のセル２８で緊縛されているため、経時変化や温度変化によるネジの緩みや伸びの影響が少なく、それ故にセルから電解液が漏洩するリスクを低減することができる。

【0057】

また、従来は、反応電極材と導電シール材及び導電板を低接触抵抗で面接続するために緊縛する方法が用いられていた。しかし、本実施形態では、これらが低抵抗の高耐薬品性導電接着剤を用いて加圧接着されているため、セル２８を強い圧力で緊縛する必要がない。片電極板１２３は、金属製導電板により支持されているため、セルカートリッジ１１は電解液の圧力変動や振動などに対して十分な強度を維持することができる。

【0058】

また、図示していないが、導電板１２３１には、熱交換効率を高めるために、フィンを設けることができる。

【0059】

［第３実施形態］
（構成）
第３実施形態では、セルカートリッジ１１の他の具体例を説明する。図７は、導電不透過シート４３１により実現した両電極板４３の構成例を示す。（ａ）は両電極板４３の外観図であり、（ｂ）は両電極板４３の構成図、（ｃ）は両電極板４３によるセルカートリッジの作成例である。（ｂ）に図示するように、両電極板４３は、導電不透過シート４３１、２枚の反応電極材４３３及び２枚の樹脂枠シート４３２で構成されている。図示していないが、片電極板は、導電不透過シート４３１、１枚の反応電極材４３３及び１枚の樹脂枠シート４３２で容易に構成することができる。（ｃ）のセルカートリッジ１１は、両電極板４３の間にセパレータを挟んで積層し、樹脂枠シート間はボンドや溶着等により接着されている。図示の例では、セルカートリッジ１１は、両電極板４３のみで実現されている。

【0060】

（動作）
図７の（ａ）に示した両電極板４３は、導電不透過シート４３１を用いて、（ｂ）に示す構成により実現できる。導電不透過シート４３１は、高い導電性を維持しつつ電解液の透過を防止し機械的な強度を持つシートである。例えば、導電不透過シートは、シート状に加工された低抵抗のＣＦＲＰ（Ｃａｒｂｏｎ Ｆｉｂｅｒ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ Ｐｌａｓｔｉｃｓ）で作成することができる。

【0061】

ＣＦＲＰの樹脂には、低抵抗とするため、良導電性のフィラーを混練りした高耐薬品樹脂を使用することが望ましい。また、ＣＦＲＰシートの反応電極接合部は、電解液の流れを良くするために波板形状、穴あきパイプ形状、穴あきダンボール形状等の任意の形状としてもよい。

【0062】

導電不透過シート４３１を使用することにより、反応電極間の接合抵抗を低く抑え、長期間電解液に対する耐腐蝕性を有する両電極板や片電極板を作成することができる。

【0063】

本実施形態によれば、両電極板は、図６の（ｂ）で示した両電極板１２１より更に簡単な構成となり、部品数を削減でき、樹脂枠板をシート状にできるため軽量化することができる。また、導電不透過シート作成時に同時に反応電極を接着することができるため、製造工程を簡略化することができる。更に、樹脂枠シートの周囲を接着することにより、図６の（ｂ）で使用していたＯリングやネジ類を削除することができる。

【0064】

［第４実施形態］
（構成）
電解液カプラ３３，３４において、セルカートリッジ１１のプラグとバックプレーン１３のソケットを、漏洩防止バルブ付き電解液カプラを介して接続することにより、電解液の漏洩なしで、セルカートリッジ１１をバックプレーン１３へ挿抜できる構造とすることができる。（図２参照）
図８Ａ及び図８Ｂは、漏洩防止バルブ付き電解液カプラの一例を示す図である。バックプレーン側にソケット４４１を組み込み、セルカートリッジ側にプラグ４４２を組み込んでいる。

【0065】

（動作）
図８Ａ及び図８Ｂを参照しながら、漏洩防止バルブ付き電解液カプラの機能を説明する。ここでは、電解液の流れを太い線で表す。また、太い線の先端の黒丸は、電解液の流れを堰き止められている状態を表す。

【0066】

図８の（ａ）は、セルカートリッジ１２を挿入する前の状態である。ソケット４４１及びプラグ４４２の両者のコイルスプリング４４３，４４４の押圧力により、往路チャネル内の電解液及びセルカートリッジ内の電解液は、いずれも漏洩防止Ｏリング１２６で堰き止められており、漏洩することはない。セルカートリッジを図の矢印の方向にバックプレーン１３へ押し込む過程で、（ｂ）に示すように、未だ両者の中央部にあるロッド（突起部）４４１ｐ，４４２ｐが接触する前までは、（ａ）と同様に電解液は漏洩することはない。
（ｃ）に示すように、セルカートリッジ１１のプラグ４４２の突起部４４２ｐがチャネルの漏洩防止バルブの突起部４４１ｐに接触するが両本体部は離れている場合は、プラグもしくはソケットのＯリング１２６が開く（図はプラグ４４２のＯリング１２６が開いた状態）が、結合シール用Ｏリング１２７により漏洩が阻止されている。

【0067】

（ｄ）に示すように、両本体部が接触するまで挿入された場合、挿入力が両者のコイルスプリング４４３，４４４の押圧力に打ち勝ち、プラグ４４２とソケット４４１の両方のＯリング１２６が開くため、往路チャネル内の電解液はセルカートリッジへ送出される。

【0068】

反対に、セルカートリッジをバックプレーン１３から引き抜く場合、逆に、（ｄ）→（ｃ）→（ｂ）→（ａ）の順に作動する。この時も、電解液が漏洩することは無い。

【0069】

この電解液カプラの機構を備えたセルカートリッジ・モジュールでは、セルカートリッジは、電解液が循環中であっても、電解液の漏出なくバックプレーン１３へ挿抜することが可能となる。

【0070】

［第５実施形態］
（構成）
第４実施形態で、稼働中のＲＦ電池であっても、セルカートリッジ１１は、バックプレーン１３へ挿抜することが可能であると説明した。

【0071】

図９は、バックプレーン１３とセルカートリッジ１１の電気関連の構造と配線図を示す。バックプレーン１３には、３個のセルカートリッジ１１－１，１１－２，１１－３を取り付けることができる。バックプレーン１３は、（ａ）の左側面図に示すように、ベース板４６の上に絶縁板４５が取り付けられ、絶縁板４５の上に電極連結板（銅板）４７が取り付けられている。Ｖ０～Ｖ６はバックプレーン上の端子パターンであり、Ｖ０，Ｖ２，Ｖ４，Ｖ６は電極連結板４７に接続されている。更に、Ｖ０～Ｖ６の各電位は、電圧計測通信基板４９を介して、システムコントローラ４０に送られる。

【0072】

この例では、（ｂ）の正面図に示すように、電極連結板４７は、カートリッジ１１を直列に接続するように配置されている。なお、電極連結板４７による配線は、並列に配線してもよい。バックプレーン１３の外側の電極連結板４７には、モジュール連結用の電極連結ネジ穴４７１が設けられており、カートリッジ・モジュールを直列／並列接続するためのケーブルをネジ留めするために使用される。

【0073】

また、絶縁板４５の上には板バネコンタクト４８が取り付けられており、セルカートリッジ１１がバックプレーン１３に取り付けられ、カートリッジ固定ボルト（ネジ穴４７２）で締め付けられると、板バネコンタクト４８がセルカートリッジの両電極板の、図６の（ｂ）の導電板１２１１や図７の（ｂ）の導電不透過シート４３１と接触し、電極の電位を検出できる構造となっている。

【0074】

図示するように、バックプレーン１３には、Ｖ０－Ｖ２，Ｖ２－Ｖ４，Ｖ４－Ｖ６の間に、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３のダイオードが夫々接続されている。

【0075】

（動作）
セルカートリッジ１１をバックプレーン１３に差し込み、導電板フランジをカートリッジ固定ボルト１５１でバックプレーン１３のカートリッジ固定穴４７２へ締結すると、セルカートリッジ１１の片電極板の導電板１２３１が電極連結板４７と結合され、板バネコンタクト４８がセルカートリッジの両電極板の導電板１２１１又は導電不透過シート４３１と接触する。これにより、カートリッジ・モジュールに搭載されたセルカートリッジ１～３を構成する全てのセルの端子をバックプレーン上のＶ０～Ｖ６端子パターンへ接続し、セルカートリッジ１～３を直列に接続することができる。

【0076】

ダイオードＤ１～Ｄ３は、各セルに並列に設置されている。ここでは、全てのカートリッジの図の左側が負、右側が正となるように電解液が満たされているとすると、夫々のカートリッジにおいて、セルの負極がダイオードのアノードに、セルの正極がダイオードのカソードに接続される。この状態では、ダイオードには逆電圧が印加されるため、電流は極僅かな漏洩電流しか流れない。

【0077】

稼働中に、故障した１個のセルカートリッジを引き抜いた場合、ダイオードが無い場合には、それに対応するバックプレーン端子に過大な逆電圧がかかるおそれがある。Ｄ１～Ｄ３があると、このような逆電圧がかかった場合、ダイオードには順方向電流が流れるため、数Ｖ程度しか端子間にかからない。これにより、セルカートリッジの挿抜が、安全に行える。但し、大型セルでは、稼働中に挿抜すると数百Ａの電流が流れ火花の発生、端子の溶着若しくはダイオードの破壊を生じる可能性がある。セルの発電が停止した状態で挿抜することが望ましい。ダイオードの特性改善のために理想ダイオードを使用することもできる。

【0078】

［第６実施形態］
第６実施形態は、更に、稼働中のＲＦ電池の稼働を適切に維持し、安全性を高める例を説明する図である。

【0079】

（構成）
図１０は、ＲＦ電池１０にモジュールの管理や制御に必要な機能をバックプレーン１３へ組込んだ例を示す。この例では、電解液の管理をするための制御器として、正極／負極毎に電解液流量調節弁５３，５４、電解液流量計５５，５６、電解液圧力計５７，５８、電解液温度計５９，６１が設置されている。これらの計測・制御を行うため、マルチセンス制御通信基板５１が設置されている。

【0080】

また、製造やメンテナンスの作業性を高めるため、電解液の往路／復路の接続箇所に接続ニップル（雄ネジと雌ネジ切りがしてある一対の接続継手）或いはカプラ６０が取り付けられている。接続ニップル／カプラ６０からホース等により、図３のように、ラックの電解液往路／復路連結パイプ１８ｐ，１８ｎ／２０ｐ，２０ｎへ接続される。

【0081】

（動作）
図１１は、バックプレーン１３へ組込まれたマルチセンス制御通信基板のブロック図である。マルチセンス制御通信基板５１は、マイクロプロセッサ５２により、バックプレーン内の全てのセル電圧及び上記センサの信号を読み取る機能と、正極／負極液流量調整弁を制御する機能と、絶縁された通信回路５４により上位のホストコンピュータと通信を行う機能とを備えている。

【0082】

マイクロプロセッサ５２に対する入力信号としては、各電池セルの電圧（ｖ０～ｖＮ）５２１、正極液圧力計値５２２、正極液流量計値５２３、正極液温度計値５２４、負極液圧力計値５２５、負極液流量計値５２６、負極液温度計値５２７、電源５３２から絶縁電源５２９を介しての駆動電源５２８等がある。出力信号としては、正極液流量調整弁制御出力５３０、負極液流量調整弁制御出力５３１等がある。これにより、マイクロプロセッサ５２は、電池セル内の負極／正極液流量を適切に維持し、負極、正極の電解液の圧力を計測・管理し、電解液の温度を一定となるように制御している。また、故障したセルカートリッジの交換に当たっては、正極／負極液流量調整弁５３，５４を閉じることにより、モジュール全体を停止させることができるので、セルカートリッジを安全に交換することが可能となる。

【0083】

このマイクロプロセッサ５２は、バックプレーン単位の管理・制御を行い、上位のホストコンピュータは、複数のバックプレーンの管理・制御を行う。

【0084】

［第７実施形態］
（構成）
図１２は、ＲＦ電池１０において、ＲＦ基幹ユニット６２を用いて、ＲＦ基幹ユニット６２から負極液タンク３５ｔ及び正極液タンク３６ｔを分離可能としたシステムの例を示す。ＲＦ基幹ユニット６２は、複数のカートリッジ・モジュール若しくは複数のラックフレーム、送液ポンプ、配管等で構成されており、電気エネルギーと化学エネルギーを相互に変換する機能を持つユニットである。

【0085】

ＲＦ基幹ユニット６２と、負極液タンク３５ｔ及び正極液タンク３６ｔとは、夫々、正電解液及び負電解液の１組又は２組以上の漏洩防止バルブ付きカプラ４４（図８Ａ及び図８Ｂ参照）で着脱自在に接続されている。更に、異常時に電解液の流出を防止するための遮断バルブ５０を設置してもよい。２組以上の漏洩防止バルブ付きカプラを設けることにより、稼働中であっても、充放電動作を止めずに電解液タンクを交換することができる。

【0086】

ＲＦ基幹ユニット６２から、負極液タンク３５ｔ及び正極液タンク３６ｔを分離できる構造とすることにより、電解液の交換や輸送、電解液容量の増減が可能になる。また、ＲＦ基幹ユニット６２の増減により入出力電力の変更も容易になる。

【0087】

従来は、ＲＦ電池は、予め決まった電力出力（Ｗ）と最大蓄電容量（Ｗｈ）のシステムしか構築できなかった。しかし、本実施形態では、ＲＦ基幹ユニット機構により、需要に応じて出力と蓄電容量を適宜増減したり、システム間で融通したり、システム全体を止めずに保守したりすることが可能となった。多数のＲＦ基幹ユニット６２及び多数のタンク３５ｔ，３６ｔを駐機することにより、巨大な容量の電池へ拡張することも容易である。

【0088】

［本実施形態の利点・効果］
本実施形態に係るセルカートリッジ－バックプレーン構造及びＲＦ基幹ユニット機構のＲＦ電池によれば、設計、設置、保守、交換等の作業がセルカートリッジ、カートリッジ・モジュール、ＲＦ基幹ユニット、電解液タンク単位で行うことができるため、以下のような利点・効果が期待できる。

【0089】

（１）セルカートリッジ構造により、従来のスタック構造よりも、軽量化、部品削減、製造工程削減が実現でき、この結果ライフサイクルにおける下記効果が期待できる。
（ａ）設計時において、ＲＦ電池の所望の電力条件（出力電圧、出力電力、蓄電容量等）を満たすため、必要なセルカートリッジの台数やカートリッジ・モジュールの数、ＲＦ基幹ユニット及び電解液の量や電解液タンクの数量を容易に決定できる。
（ｂ）製造時において、セルカートリッジは規格化できるため、大量生産及び自動化により製造コストを削減することができる。また、大規模なＲＦ電池であっても、ＲＦ基幹ユニットや電解液タンクのプレファブリケーションにより、コスト削減、工期短縮が可能である。
（ｃ）検査工程において、セルカートリッジ単位での試験や評価を容易に実施でき、従来生じていたスタック不良時の大きな出戻り（分解、改修、組立、再検査）を回避できる。
（ｄ）設置時において、カートリッジ・モジュール単位での設置が可能であり、狭小スペースへの設置も容易である。
（ｅ）保守部品としてセルカートリッジをストックしておくことにより、故障時に迅速にセルカートリッジの交換が可能となる。

【0090】

（２）複数組の漏洩防止バルブ付きカプラが付いたＲＦ基幹ユニットによれば、稼働中に於いて電解液タンクの交換、電解液タンクの増減、輸送等が容易となる。

【0091】

［変形例・その他］
本実施形態に係るＲＦ電池は、各種のレドックスフロー電池だけでなく、スタック形態のセルを備える装置（例えば、燃料電池や電気分解素子）にも適用可能である。

【0092】

例えば、スタック形態のセルを備える装置において、スタックは、任意の個数のセルを備え、前記セルは、構成部品として、両電極板、セパレータ、及び片電極板を有し、隣接する該構成部品は、一部又は全部が相互に固着（接着又は溶着）されて一体化されている装置に適用できる。更に、セル間は、固着（接着又は溶着）されていても良い。

【0093】

また、正極液、負極液の片方しか使用しない、フロー電池にも適用することができる。

【0094】

当業者が容易になし得る本実施形態に関する追加・削除・変更・改良は、本発明の範囲内である。本発明の技術的範囲は、添付の特許請求の範囲の記載によって定められる。

【符号の説明】

【0095】

１０：ＲＦ電池、 １１：セルカートリッジ、 １２：セルカートリッジ・モジュール、 １３：バックプレーン、 １５：ラックフレーム、 ３３、３４：電解液カプラ、 ４０：システムコントローラ、 ４１：インバータ、 ４２：充電器、 ４４：漏洩防止カプラ、 ６２：基幹ユニット、 １００：ＲＦ電池、 １０１：セルスタック、 １０４：各電池セル、 １２１：両電極板、 １２２：セパレータ、 １２３：片電極板、 １２４：絶縁ブッシュ、 １２５：締結ネジ、 １２６：Ｏリング、 １２７：締結ネジ、 ４３１：導電不透過シート、 ４３２：樹脂枠シート、 ４３３：反応電極材、 ４４１：ソケット、 ４４２：プラグ、 １２１１：導電板、 １２１２：導電シール材、 １２１３：導電接着剤、 １２１５：樹脂枠板、 １２１６：電解液往路口/往路溝、 １２１７：電解液復路口/復路溝、 １２３１：導電板、 １２３２：導電シール材、 １２３３：導電接着剤、 １２３４：反応電極材、 １２３５：樹脂枠板、 １２３６：Ｏリング溝

【要約】

【課題】本発明は、従来のセルスタック構造の欠点を考慮し、これを改良したフロー電池、典型的にはＲＦ電池を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係るフロー電池は、セルスタックを複数個の挿抜可能なセルカートリッジで構築するものであり、セルカートリッジは複数個のセルで構成され、各セルは小さな緊縛力により、電極間が低抵抗で接続され、かつ、電解液の漏洩が防止されている。また、本発明に係るフロー電池は、複数個の前記セルカートリッジと、前記複数個のセルカートリッジを相互間に隙間を設けて併置状態に物理的に挿抜自在に取り付けたバックプレーンを備えており、前記バックプレーンを複数個実装したラックやユニットを備え、着脱自在の電解液タンクを備えることにより、フロー電池の出力及び容量をデマンドに応じて自在に設計、変更可能とする。
【選択図】図２

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5A】

【図5B】

【図6】

【図7】

【図8A】

【図8B】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】