特表 2022-543252 レドックスフロー電池アレイ及び充電状態均衡化の方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2022-10-11

(54)【発明の名称】レドックスフロー電池アレイ及び充電状態均衡化の方法

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/18 20060101AFI20221003BHJP

   H01M 8/249 20160101ALI20221003BHJP

   H01M 8/04537 20160101ALI20221003BHJP

   H01M 8/04746 20160101ALI20221003BHJP

   H01M 8/04858 20160101ALI20221003BHJP

   H01M 8/04 20160101ALI20221003BHJP

【ＦＩ】

H01M8/18

H01M8/249

H01M8/04537

H01M8/04746

H01M8/04858

H01M8/04 N

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2022506759

(86)(22)【出願日】2020-07-29

(85)【翻訳文提出日】2022-03-25

(86)【国際出願番号】 US2020044075

(87)【国際公開番号】W WO2021025925

(87)【国際公開日】2021-02-11

(31)【優先権主張番号】62/882,071

(32)【優先日】2019-08-02

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】522044630

【氏名又は名称】インヴィニティ エナジー システムズ （カナダ） コーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100112737

【弁理士】

【氏名又は名称】藤田 考晴

(74)【代理人】

【識別番号】100136168

【弁理士】

【氏名又は名称】川上 美紀

(74)【代理人】

【識別番号】100196117

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 利恵

(72)【発明者】

【氏名】アンドリュー クラッセン

(72)【発明者】

【氏名】デービット ジェンダース

(72)【発明者】

【氏名】マシュー ハーパー

【テーマコード（参考）】

5H126

5H127

【Ｆターム（参考）】

5H126BB10

5H126RR01

5H127AB13

5H127AB14

5H127AC07

5H127AC15

5H127BA21

5H127BA28

5H127BB06

5H127BB13

5H127DB56

5H127DB63

5H127DB82

5H127DC02

5H127DC22

(57)【要約】

レドックスフロー電池アレイの設計及びアレイ内の充電状態を均衡化する方法が開示される。フロー電池ユニットのストリング（ユニットが共通の電解質対を共有する）を備えるアレイにおけるフロー電池ユニットストリングは、共通の電解質対の充電状態を測定し、フロー電池ユニットストリングにおける充電状態を均衡化するように関連する陽極液循環路及び陰極液循環路の１以上におけるフローを適切に調整することによって均衡化される。必要となる装置、すなわち、充電状態測定デバイス、フローレギュレータ及びコントローラは、現行技術の手法に対する大幅な簡素化を示す。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

レドックスフロー電池アレイであって、
電気的に並列接続された少なくとも２本のフロー電池ユニットストリングであって、少なくとも１つのフロー電池ユニットを含み、
少なくとも１つのフロー電池セルを備えるフロー電池ストリングであって、各セルがアノード、カソード並びに陽極液及び陰極液を含むフロー電池ユニット電解質を備える、前記フロー電池ストリングと、
前記フロー電池ユニット電解質の前記陽極液及び前記陰極液の貯蔵のためのそれぞれ陽極液タンク及び陰極液タンクと、
前記フロー電池ストリングにおける前記フロー電池セルにおいて、前記陽極液タンクを前記アノードに接続する供給ライン及び戻りラインを備える陽極液循環路と、
前記フロー電池ストリングにおける前記フロー電池セルにおいて、前記陰極液タンクを前記カソードに接続する前記供給ライン及び前記戻りラインを備える陰極液循環路と、
前記フロー電池ユニットにおいて前記フロー電池ユニット電解質の充電状態を測定することができる充電状態測定デバイスと、
を備える前記フロー電池ユニットストリングと、
少なくとも２本の前記フロー電池ユニットストリングにおける前記フロー電池ユニットの少なくとも１つにおいて、通過する前記陽極液及び前記陰極液の少なくとも一方のフローを調整する、前記陽極液循環路及び前記陰極液循環路の少なくとも一方におけるフローレギュレータと、
少なくとも２本の前記フロー電池ユニットストリングの各々に電気的に接続された制御可能な双方向電力コンバータと、
前記フロー電池ユニットにおける前記充電状態測定デバイスの各々に接続される入力、及び前記フローレギュレータに接続される出力を有するコントローラであって、該コントローラの前記出力は、前記フロー電池ユニットにおける前記フロー電池ユニット電解質の充電状態に応じて、前記フロー電池ストリングにおける前記フロー電池セルにおいて前記アノード及び前記カソードへの前記陽極液及び前記陰極液の少なくとも一方のフローを調整することによって少なくとも２本の前記フロー電池ユニットストリングにおける充電状態を均衡化するように前記フローレギュレータを制御する前記コントローラと、
を備えるレドックスフロー電池アレイ。

【請求項2】

前記フロー電池ユニットストリングのいずれかに電気的に接続された追加の制御可能な双方向電力コンバータがない請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項3】

前記フロー電池ユニットにおける前記フロー電池ユニット電解質の充電状態に応じて前記陽極液タンク及び前記陰極液タンクを流体的に相互接続及び混合するためのサブシステムがない請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項4】

電気的に並列接続された複数の前記フロー電池ユニットストリングを備える請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項5】

前記フロー電池ユニットストリングの各々における少なくとも１つの前記フロー電池ユニットの両端間に電圧センサと、前記フロー電池ユニットストリングの各々における少なくとも１つの前記フロー電池ユニットに対して直列に電流センサとを備える請求項４に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項6】

前記フロー電池ユニットストリングの各々が、電気的に直列接続された少なくとも２つの前記フロー電池ユニットを備える、請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項7】

前記フロー電池ユニットストリングの各々が、前記フロー電池ユニットストリングにおける前記フロー電池ユニットの少なくとも１つに電気的に並列接続された電流バイパスデバイスを備える、請求項６に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項8】

前記電流バイパスデバイスは、前記フロー電池ユニットストリングの各々において前記フロー電池ユニットの各々に電気的に並列接続された、請求項７に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項9】

通過する前記陽極液及び前記陰極液の各々のフローを調整する、前記フロー電池ユニットストリングの各々における前記フロー電池ユニットの各々における前記陽極液循環路及び前記陰極液循環路の各々に前記フローレギュレータを備え、前記コントローラは、前記陽極液循環路及び前記陰極液循環路の各々における前記フローレギュレータの各々に接続される出力を備える、請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項10】

少なくとも１つの前記フロー電池ユニットの各々における前記充電状態測定デバイスは、
前記フロー電池ユニット電解質の前記陽極液及び前記陰極液が供給される無負荷基準フロー電池セルと、
基準フロー電池の開回路電圧を測定するために基準フロー電池セルの両端間に接続された電圧センサと、
を備える、請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項11】

少なくとも１つの前記フロー電池ユニットの各々における前記充電状態測定デバイスは、前記フロー電池ユニット電解質に光学的にアクセスする比色分析デバイス、前記フロー電池ユニット電解質に光学的にアクセスする分光デバイス、及び電位差滴定デバイスからなる群から選択される、請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項12】

前記フロー電池ストリングにおける前記フロー電池セルは、バナジウムレドックスフロー電池である、請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイ。

【請求項13】

電気的に並列接続された少なくとも２つの請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイを備えるレドックスフロー電池システム。

【請求項14】

請求項１に記載のレドックスフロー電池アレイにおける前記フロー電池ユニットの充電状態を均衡化する方法であって、前記フロー電池ユニットストリングの充電状態を均衡化するステップを備え、該フロー電池ユニットストリングの充電状態を均衡化するステップが、
前記充電状態測定デバイスを用いて、少なくとも２本の前記フロー電池ユニットストリングの各々における前記フロー電池ユニットの前記フロー電池ユニット電解質の充電状態を測定するステップと、
測定された前記充電状態を前記コントローラに入力するステップと、
前記コントローラを用いて、少なくとも２本の前記フロー電池ユニットストリングにおける充電状態を均衡化するように、前記フロー電池ユニットにおける前記フロー電池ユニット電解質の充電状態に応じて、前記フロー電池ユニットの少なくとも１つにおける前記フロー電池セルにおいて前記アノード及び前記カソードへの前記陽極液及び前記陰極液の少なくとも一方のフローを調整するための制御信号を決定するステップと、
前記制御信号を前記フローレギュレータに出力するステップと、
を備える方法。

【請求項15】

少なくとも１つの前記フロー電池ユニットの各々における前記充電状態測定デバイスは、
前記フロー電池ユニット電解質の前記陽極液及び前記陰極液が供給される無負荷基準フロー電池セルと、
基準フロー電池の開回路電圧を測定するために基準フロー電池セルの両端間に接続された電圧センサと、
を備え、
前記充電状態を測定するステップは、前記無負荷基準フロー電池セルの前記開回路電圧を測定するステップを備える、請求項１４に記載の方法。

【請求項16】

前記フロー電池ユニットストリングの各々は電気的に直列接続された少なくとも２つの前記フロー電池ユニットを備え、前記フロー電池ユニットストリングの各々は該フロー電池ユニットストリングにおける前記フロー電池ユニットの少なくとも１つに電気的に並列接続された電流バイパスデバイスを備え、前記方法は、
電流を前記電流バイパスデバイスの１以上に分流することによって前記フロー電池ユニットストリング内でフロー電池ユニット間の充電状態を均衡化するステップをさらに備える請求項１４に記載の方法。

【請求項17】

前記各ステップが、アレイが前記制御可能な双方向電力コンバータを介して充電又は放電している時に行われる、請求項１４に記載の方法。

【請求項18】

前記方法の各ステップが、前記フロー電池ユニット電解質が低充電状態又は高充電状態にあるときに実行される、請求項１４に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レドックスフロー電池のアレイに関し、そのアレイにおけるフロー電池ユニットストリング及びそのストリング内のフロー電池ユニットの充電状態を均衡化する方法に関する。

【背景技術】

【0002】

バナジウムレドックスフロー電池などのレドックスフロー電池は、負荷平準化用途など、大容量の電気エネルギーを貯蔵することについて有望視され続けている。それらは、電気エネルギーを、保存可能であり需要がある時に放出される電気エネルギーにその後に変換可能な化学エネルギーに変換する。動作において、液体の電解質がフロー電池に送出され、電気エネルギーを化学エネルギーに変換し、又は化学エネルギーを、電気接続を介して電力負荷に放電可能な電気エネルギーに変換する。

【0003】

個々のレドックスフロー電池セルは、セパレータによって分離されたアノード及びカソードを備える。負の液体電解質すなわち陽極液が陽極液貯蔵タンクからアノードに送出される（流される）とともに、正の液体電解質すなわち陰極液が陰極液貯蔵タンクからカソードに送出されて（流されて）、電気化学的に可逆的なレドックス反応をもたらす。セパレータは微多孔質セパレータ又はイオン交換膜であればよく、電極を分離して電解質が混合するのを防止するが、選択されたイオンが通過してレドックス反応を完結することを可能とする。レドックス反応が起こることを可能とした後、陽極液及び陰極液がそれらのそれぞれの貯蔵タンクに戻される。したがって、そのようなレドックスフロー電池の動作は、陽極液タンク及び陰極液タンクをフロー電池セルにおけるアノード及びカソードにそれぞれ接続する供給ライン及び戻りラインを各々が備える陽極液流体回路及び陰極液流体回路の双方を必要とする。セルの充電状態は、２つの部分の電解質、すなわち、陽極液及び陰極液の化学組成又は状態によって決定される。

【0004】

多数の用途、特に負荷平準化用途において、大量のエネルギー及び電力をそれぞれ貯蔵及び／又は送出するのに多数のフロー電池セルが必要となる。通常は、セルが種々の直列及び並列の組合せで相互接続される大型の複雑なセルのアレイが採用される。望ましくは、それらのアレイにおける多数の個々のフロー電池セルが、共通の陽極液及び陰極液の供給を共有することになる。ここで、そのようなセルの組合せをフロー電池ユニットという。フロー電池ユニットにおけるセルは、直列及び／又は並列で相互接続され得るが全てが共通の陽極液及び陰極液の供給を共有する。結果として、フロー電池ユニットにおける全てのセルは、同じ充電状態となる。

【0005】

大型のアレイでは、フロー電池ユニットは、望ましくはフロー電池ユニットの直列及び／又は並列ストリングにさらに相互接続され得る。そのような合成フロー電池ユニットストリングは、単数又は複数の制御可能な双方向電力コンバータ（例えば、商用ＡＣ／ＤＣコンバータへの接続に対して動作ＤＣを標準的には８００Ｖ超まで昇圧するＤＣ／ＤＣ及び／又はＡＣ／ＤＣコンバータ）を介して所望の用途における使用のために送電及び受電する。

【0006】

これまで、共用の共通電解質供給によるフロー電池ユニットは、電気的に直列及び／又は並列の構成において、それらの全ての間の容量均衡化を効率的にかつ高いコスト効率で管理することができないために、効果的に使用されてこなかった。過去のある手法では、フロー電池ユニット内の直列接続されたセルの最大電圧は、商用ＡＣ／ＤＣコンバータへの接続に対して標準的には８００Ｖに制限され得るものであった。またさらに、前述のものは、特定のフロー電池ユニットにおいてセルの直列接続スタックをオン及びオフ切換する電気接点の使用とともに採用され、容量均衡化のための独立したステップにおいて充電／放電電流を変化させることになる。ＤＣ／ＤＣコンバータは、電流を管理して昇圧するためにこれまで通り依然として使用され得る。

【0007】

個々のフロー電池ユニット内でセルの直列スタックを昇圧すると、シャント軽減対策（セルとスタックの間のより長くより薄いフローチャネル、流体の陽極液／陰極液に必要なポンピング電力の増加など）によってコストが増加して全体の効率が低下するため、システムコストが増加する。

【0008】

残念ながら、前述の手法の全ては、各フロー電池ユニットから生成される最大ＤＣ電圧を制限し、フロー電池を現行技術のＡＣ／ＤＣコンバータの８００Ｖ超のＤＣ接続要件に統合することを困難とする。主電流回路において多数のＤＣ／ＤＣコンバータを使用すると、コストがかさみ、システムの全体往復効率が減少するので、フロー電池から得られるはずの最大性能及びコスト利益が低下してしまう。また、スタックをオン／オフ切換するための複数の接点の使用は、高価なものとなる。また、接点は負荷存在下で切り換えられると短寿命となり、セルスタックはスタック内で電解質を放電し続けることになり、システム効率が低下する。

【0009】

さらに他の手法では、フロー電池ユニットの直列ストリング内の容量均衡化が、ストリング内のフロー電池ユニット間の不均衡を検出し、その後に陽極液タンク及び陰極液タンクの部分を流体的に相互接続及び混合することによって単数又は複数のユニットにおける充電状態を適宜調整して充電状態を共通の目標値まで低下させる（ブリーダー抵抗器を用いてそのユニット内のセルを放電することに類似する）サブシステムを用いて実現され得る。そのようなサブシステムによって、明らかに無用なコスト及び複雑さが加わる。

【0010】

大規模商用用途のために現実的なレドックスフロー電池アレイの開発には多くの進歩があったが、それでもなお更なる簡素化、高効率化及び低コスト化へのニーズがある。フロー電池ユニットの直列及び並列ストリングにおける充電状態の均衡化及びエネルギー貯蔵容量の均衡化に改良を加えることは、特に有用なものとなる。本発明は、以下に開示するように、これらのニーズに対処するとともに他の利益も提供する。

【発明の概要】

【0011】

本発明は、改善されたレドックスフロー電池アレイ及びそのアレイ内の充電状態を均衡化する方法を開示する。ユニットが共通の電解質対を共有するフロー電池ユニットのストリングを備えるアレイにおけるフロー電池ユニットストリングの均衡化は、関与する共通の電解質対の充電状態を測定し、その後に関連する陽極液循環路及び陰極液循環路の１以上においてフローを適切に調整することによって達成される。実施形態は、充電状態測定デバイス、フローレギュレータ及びコントローラを要するが、全体として本発明のアレイは従来技術の手法と比較して大幅に簡素化される。例えば、本レドックスフロー電池アレイは、電気的に並列接続されたフロー電池ユニットストリングのセットの各々に対して１つの制御可能な双方向電力コンバータしか必要としない（すなわち、関与するフロー電池ユニットストリングのいずれかに電気的に接続される追加の制御可能な双方向電力コンバータはなくてよい）。また、アレイには、陽極液タンク及び陰極液タンクを流体的に相互接続及び混合して充電状態均衡化をもたらすために、一部の従来技術の手法にあるようなサブシステムはなくてもよい。

【0012】

具体的には、本発明は電気的に並列接続された少なくとも２本のフロー電池ユニットストリングを備えるレドックスフロー電池アレイに関し、各フロー電池ユニットストリングは少なくとも１つのフロー電池ユニットを備える。そのようなフロー電池ユニットは、少なくとも１つのフロー電池セルを備えるフロー電池ストリングを備える。なお、フロー電池ストリングは、通常は直列及び／又は並列の組合せで相互接続された多数のセルを備え得る。各セルは、アノード、カソード並びに陽極液及び陰極液を備えるフロー電池ユニット電解質を備える。フロー電池ユニットはまた、フロー電池ユニット電解質の陽極液及び陰極液の貯蔵のためのそれぞれ陽極液タンク及び陰極液タンクを備える。一部の実施形態では、陽極液又は陰極液の各々に対して２以上のタンクが採用され得る。とはいえ、所与のフロー電池ユニットにおける陽極液及び陰極液は、当該所与のユニットにおける全てのセルに共通である。フロー電池ユニットはまた、フロー電池ストリングにおいて陽極液タンクをフロー電池セルにおけるアノードに接続する供給ライン及び戻りラインを備える陽極液循環路、並びに同様にフロー電池ストリングにおいて陰極液タンクをフロー電池セルにおけるカソードに接続する供給ライン及び戻りラインを備える陰極液循環路を備える。フロー電池アレイは、関与するフロー電池ユニットストリングの各々に電気的に接続された制御可能な双方向電力コンバータをさらに備える。ただし、上述したように、関与するフロー電池ユニットストリングに対して１つの上記制御可能な双方向電力コンバータしか必要とならない。

【0013】

本発明では、各フロー電池ユニットは、そのユニットにおけるフロー電池ユニット電解質の充電状態を測定可能な充電状態測定デバイスを備える。さらに、アレイは、少なくとも２本のフロー電池ユニットストリングにおけるフロー電池ユニットの少なくとも１つにおいて、通過する陽極液及び陰極液の少なくとも一方のフローを調整するフローレギュレータを陽極液循環路及び陰極液循環路の少なくとも一方に備える。これは一部の実施形態において許容可能な均衡化を達成可能とし得る一方で、好適な実施形態では、フローレギュレータは関与する各フロー電池ユニットストリングにおけるフロー電池ユニットの各々における陽極液循環路及び陰極液循環路の各々に設けられる。そして、さらに、アレイはフロー電池ユニットにおける充電状態測定デバイスの各々に接続される入力及び関与する単数又は複数のフローレギュレータに接続される出力を有するコントローラも備える。コントローラの出力は、フロー電池ユニットにおけるフロー電池ユニット電解質の充電状態に応じて、フロー電池ストリングにおけるフロー電池セルにおいてアノード及びカソードへの陽極液及び陰極液の少なくとも一方のフローを調整することによって少なくとも２本のフロー電池ユニットストリングにおける充電状態を均衡化するように単数又は複数のフローレギュレータを制御する。

【0014】

本発明のアレイは、電気的に並列接続された複数のフロー電池ユニットストリング（すなわち、少なくとも２本以上のそのようなフロー電池ユニットストリング）を備え得る。また、関与するフロー電池ユニットストリングは、電気的に直列接続された２以上のフロー電池ユニットを備え得る。

【0015】

関与するフロー電池ユニットの抵抗値及び／又は抵抗値の変化率を測定するために、電圧センサがフロー電池ユニットの両端間に組み込まれてもよく、それに対して直列に電流センサが設けられてもよい。したがって、フロー電池ユニットストリングの抵抗値及び抵抗値の変化率は、アレイを予測的に制御するための追加の入力を提供し得る。

【0016】

フロー電池ユニットストリングにおいて電気的に直列接続された２以上のフロー電池ユニットを備える実施形態では、ストリング内でユニットを均衡化するのに適切な電流バイパスデバイスが採用され得る。例えば、この目的のために、フロー電池ユニットストリングの各々は、これらのストリングにおいてフロー電池ユニットの１以上に電気的に並列接続された電流バイパスデバイスを備え得る。

【0017】

充電状態を測定するために種々のタイプのデバイスが検討され得る。１つの望ましい手法では、無負荷（開回路）基準フロー電池セルが、そのユニットに供給される同じ陽極液及び陰極液が供給される各フロー電池ユニットについて取り込まれ得る。この手法では、スタックに流入する電解質の開回路電圧を測定するために、それゆえ基準フロー電池セル及びしたがってフロー電池ユニットにおける全てのセルの双方の充電状態を測定するために、電圧センサが基準フロー電池セルの両端間に接続される。

【0018】

他の手法では、採用される充電状態測定デバイスは、本技術で周知のように、電解質の充電状態を決定するのに使用可能な、フロー電池ユニット電解質に（例えば、陽極液及び陰極液の循環路又はタンクにおける適切な窓を介して）光学的にアクセスする比色分析デバイス又は分光デバイスであり得る。あるいは、上記基準セル以外の電位差滴定デバイスが、総充電状態を決定するように各々が合計されて、共通の基準電極（例えば、飽和カロメル、塩化銀など）に対して陽極液及び陰極液の充電状態を別個に測定するのに採用されてもよい。

【0019】

本発明は、一般にレドックスフロー電池アレイでの使用に適するが、特にバナジウムレドックスフロー電池を備えるアレイに特に適する。また、本発明は、単一のアレイを含む用途又は本発明の２以上のアレイを備える大型で一層複雑な用途における使用に適する。

【0020】

前述のレドックスフロー電池アレイにおけるフロー電池ユニットストリングの充電状態の均衡化は、充電状態測定デバイスを用いて、少なくとも２本のフロー電池ユニットストリングの各々におけるフロー電池ユニットにおけるフロー電池ユニット電解質の充電状態を測定するステップと、測定された充電状態をコントローラに入力するステップと、コントローラを用いて、少なくとも２本のフロー電池ユニットストリングにおける充電状態を均衡化するように、フロー電池ユニットにおけるフロー電池ユニット電解質の充電状態に応じて、フロー電池ユニットの少なくとも１つにおけるフロー電池セルにおいてアノード及びカソードへの陽極液及び陰極液の少なくとも一方のフローを調整するための制御信号を決定するステップと、制御信号をフローレギュレータに出力するステップとを備える方法によって達成可能となる。

【0021】

フロー電池ユニットの各々が上述のような無負荷基準セル及び電圧センサを備える実施形態では、充電状態を測定するステップは、無負荷基準フロー電池セルの開回路電圧を測定するステップを備え得る。

【0022】

電気的に直列接続された少なくとも２つのフロー電池ユニットをフロー電池ユニットストリングの各々が備え、フロー電池ユニットストリングにおけるフロー電池ユニットの少なくとも１つに電気的に並列接続された電流バイパスデバイスをフロー電池ユニットストリングの各々が備える実施形態では、フロー電池ユニットストリング内のフロー電池ユニット間の充電状態の均衡化は総電流の一部を電流バイパスデバイスの１以上に分流することによって達成可能となる。

【0023】

従来技術における一部の手法とは異なり、本発明の有利な効果は、制御可能な双方向電力コンバータを介してアレイが充電又は放電する際に充電状態均衡化のステップが実行され得ることである。そして、方法は、全ての充放電の際に実行される必要はなく、おそらくはフロー電池ユニットの電解質が低充電状態又は高充電状態にある場合にのみ実行される必要がある。

【図面の簡単な説明】

【0024】

【図1】電気的に並列接続された２本のフロー電池ユニットストリングを備える本発明の単純な実施形態の模式図を示し、各ストリングに１つのみのフロー電池ユニットがあり、各ユニットに１つのみのフロー電池セルがある。

【図2】電気的に並列接続されたｎ本のフロー電池ユニットストリングを備える本発明の実施形態の模式図を示し、Ｎ本のストリングの各々に少なくとも１つのフロー電池ユニットがある。図２では、任意選択的な電圧センサ及び電流センサが設けられる。

【図3】電気的に並列接続された２本のフロー電池ユニットストリングを備える本発明の実施形態の模式図を示し、各ストリングにｎ個のフロー電池ユニットがある。ストリングの各々において、電流バイパスデバイスが第１のフロー電池ユニットの両端間に設けられる。

【図4】電気的に並列接続された２本のフロー電池ユニットストリングを備える本発明の実施形態の模式図を示し、各ストリングにｎ個のフロー電池ユニットがある。ストリングの各々において電流バイパスデバイス及び電圧センサが各フロー電池ユニットの両端間に設けられ、電流センサがストリングに対して直列に設けられる。

【図5】商用ＡＣ電力用途での使用に適した本発明の複合的な実施形態の模式図を示す。図示する実施形態は、電気的に並列接続された本発明のＮ´個のフロー電池アレイを備える。アレイは、電気的に並列接続されたＮ本のフロー電池ユニットストリング及びフロー電池ユニットストリングの各々におけるｎ個のフロー電池ユニットを備える。図示するように、電流バイパスデバイスは、各フロー電池ユニットの両端間に設けられる。

【発明を実施するための形態】

【0025】

文脈がそれ以外を要件としない限り、本明細書及び特許請求の範囲の全体を通じて、文言「備える」、「備えている」などは、オープンで包含的な意味で解されるものとする。文言「ａ」、「ａｎ」などは、少なくとも１つを意味するものとして解されるものとし、１つのみに限定するものではない。

【0026】

ここで、用語「ストリング」は、直列構成及び／又は並列構成の双方で電気的に相互接続された構成要素の組合せをいうのに用いられる。

【0027】

レドックスフロー電池に関して、充電状態は、フロー電池電解質の状態の関数である。電解質が陽極液及び陰極液の双方を備えるということは、総充電状態は陽極液及び陰極液についての合成状態の関数となる。

【0028】

以下の説明において、レドックスフロー電池アレイは符号ＡＲで表記され、１～Ｎ´の番号が振られる（例えば、ＡＲ１、ＡＲ２、・・・ＡＲＮ´）。フロー電池ユニットストリングは符号Ｓで表記され、Ａ～Ｎの番号が振られる（例えば、ＳＡ、ＳＢ、・・・ＳＮ）。フロー電池ユニットは、それらが現れるユニットストリングに従って表記され、１～ｎの番号が振られる（例えば、Ａ１、Ｂ３、Ｎ１、Ｎｎなど）。

【0029】

図１は、電気的に並列接続された２本のフロー電池ユニットストリングＳＡ、ＳＢのみを備える本発明のレドックスフロー電池アレイＡＲ１の単純な実施形態の模式図を示す。ここで、各ストリングには１つのフロー電池ユニットＡ１、Ｂ１のみがあり、各ユニットには１つのフロー電池セル２ａ、２ｂのみがある。各セルは、アノード３ａ、３ｂ、カソード４ａ、４ｎ、並びに陽極液５ａ、５ｂ及び陰極液６ａ、６ｂを備えるフロー電池ユニット電解質を備える。陽極液タンク７ａ、７ｂ及び陰極液タンク８ａ、８ｂは、アレイにおける各フロー電池ユニット電解質について、それぞれ陽極液５ａ、５ｂ及び陰極液６ａ、６ｂの貯蔵のために設けられる。（なお、一部の実施形態では、２以上のタンクが、共通の陽極液又は共通の陰極液の供給を貯蔵するのに採用され得る。とはいえ、所与のフロー電池ユニットにおける各セルは、陽極液の共通の供給及び陰極液の共通の供給を共有する。結果的に、当該所与のフロー電池ユニットにおける各セルはまた、同じ充電状態を共有する。）また、供給ライン１０ａ、１０ｂ及び戻りライン１１ａ、１１ｂを備える陽極液循環路９ａ、９ｂが、それぞれの陽極液タンク７ａ、７ｂを１以上のセルにおけるセルアノード３ａ、３ｂに接続するように設けられる。同様に、供給ライン１３ａ、１３ｂ及び戻りライン１４ａ、１４ｂを備える陰極液循環路１２ａ、１２ｂが、陰極液タンク８ａ、８ｂを１以上のセルにおけるセルカソード４ａ、４ｂに接続するように設けられる。制御可能な双方向電力コンバータ１６が、各フロー電池ユニットストリングＳＡ、ＳＢに電気的に接続され、アレイの放電又は充電中にそれぞれアレイから又はアレイへの電力の適切な変換を行う。コンバータ１６は任意の時間において電圧モード、電流モード又は電力モードで動作されることになり、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＤＣ／ＡＣコンバータのいずれかとなり得る。

【0030】

本発明では、充電状態（ＳＯＣ）測定デバイス１７ａ、１７ｂが、各フロー電池ユニット電解質について充電状態を測定するのに設けられる。フローレギュレータも、通過する陽極液及び陰極液の少なくとも一方のフローを調整するために、陽極液循環路及び陰極液循環路の少なくとも一方に設けられる。図１では、フローレギュレータ１８が、フロー電池ユニットＡ１、Ｂ１の各々の各陽極液供給ライン１０ａ、１０ｂ及び各陰極液供給ライン１３ａ、１３ｂにおいて示されている。コントローラ１９も、充電状態を監視し、フローレギュレータ１８を制御するのに設けられる。したがって、コントローラ１９は、充電状態測定デバイス１７ａ、１７ｂの各々に接続される入力２０ａ、２０ｂ（本図では破線で示す）及びフローレギュレータ１８に接続される出力２１ａ、２１ｂ（本図では破線で示す）を有する。コントローラ１９の出力２１ａ、２１ｂは、フロー電池セル２ａ、２ｂにおけるアノード３ａ、３ｂ及びカソード４ａ、４ｂへの陽極液５ａ、５ｂ及び陰極液６ａ、６ｂのフローをフロー電池ユニットＡ１、Ｂ１におけるフロー電池ユニット電解質の充電状態に応じて調整するようにフローレギュレータ１８を制御する。これらのフローを調整することによって、フロー電池ユニットにおけるセルの抵抗値及びしたがってフロー電池ユニット自体の抵抗値が、フロー電池ユニットストリング内の充電状態を適切に均衡化するのに必要とされるだけ能動的に増減可能となる。具体的には、充電状態測定デバイスを用いて、フロー電池ユニット電解質の充電状態が測定される。そして、測定された充電状態はコントローラに入力され、コントローラを用いて、陽極液及び陰極液のフローを調整してフロー電池ユニットストリングにおける充電状態の均衡化をもたらすように適宜の制御信号が決定され、その後にそれらの制御信号がフローレギュレータに対して出力される。

【0031】

追加の情報が、充電状態コントローラの動作を高精度化するためにアレイについて取得されてもよい。例えば、充電状態の変化率（ＳＯＣを充電状態として、ｄ（ＳＯＣ）／ｄｔで示す）が決定されてもよい。以下に記載されるように、個々のフロー電池ユニットの抵抗値が、これらのユニットの抵抗値の変化率とともに（例えば、電圧センサ及び電流センサをアレイに適宜含めることによって）動作中に決定されてもよい。そして、その情報が、充電状態均衡化方法の予測可能でかつより堅牢で正確な制御のためにコントローラによって使用され得る。

【0032】

望ましい実施形態では、そのようなアレイにおいて使用される充電状態測定デバイスは、単に、フロー電池ユニット電解質の同じ陽極液及び陰極液が供給される無負荷基準フロー電池セルを備え得る。したがって、基準セルは、そのユニットにおけるセルと同じ充電状態にあることになる。したがって、電圧センサが、その開回路電圧及びそれゆえそのフロー電池ユニットの充電状態を測定するために、基準フロー電池セルの両端間に接続される。

【0033】

ただし、代替の実施形態では、当業者に周知の他のデバイスが、充電状態を測定するのに採用されてもよい。例えば、それを行うのに、フロー電池ユニット電解質に光学的にアクセスすることができるように電解質の供給又は循環路ハードウェアに構成される適切な比色分析デバイス又は分光デバイスが使用されてもよい。あるいは、上述の基準セル以外の電位差滴定デバイスが、総充電状態を決定するように各々が合計された状態で、共通の基準電極（例えば、飽和カロメル、塩化銀など）に対して陽極液及び陰極液の充電状態を別個に測定するのに採用されてもよい。

【0034】

有利なことに、図１に示す均衡化手法は、各ストリングに電気的に接続された別個の制御可能な双方向電力コンバータを要することなく、フロー電池ユニットストリング間の充電状態の均衡化を可能とする。その代わりに、単一の制御可能な双方向電力コンバータが、各アレイのニーズに応え得る。また、充電状態の均衡化を達成するために陽極液タンク及び陰極液タンクを流体的に相互接続及び混合するのにサブシステムは不要である。

【0035】

この手法の更なる有利な効果として、必要となる測定及び制御ステップは、アレイが完全に運用されている時に、すなわち、制御可能な双方向電力コンバータを介して充電又は放電している時に実行され得る。また、方法のステップは、フロー電池ユニット電解質が低充電状態又は高充電状態にあるときなど、定期的に実行されればよい。

【0036】

図２は、電気的に並列接続されたＮ本のフロー電池ユニットストリングＳＡ、ＳＢ、・・・ＳＮを備えるフロー電池アレイの模式図を示す。ここで、Ｎ本のストリングの各々において少なくとも１つのフロー電池ユニットＡ１、Ｂ１、・・・Ｎ１がある。任意選択的な電圧センサ２４Ａ、２４Ｂ、・・・２４Ｎ及び電流センサ２５Ａ、２５Ｂ、・・・２５Ｎの位置は、ここでは、ストリングにおける個々のフロー電池ユニットの抵抗値及び抵抗値の変化率を測定する目的のために示される。

【0037】

図３は、電気的に並列接続された２本のフロー電池ユニットストリングＳＡ、ＳＢを備えるフロー電池アレイの模式図を示し、ここでも各ストリングにそれぞれｎ個のフロー電池ユニットＡ１、Ａ２、・・・Ａｎ及びＢ１、Ｂ２、・・・Ｂｎがある。ここで、電流バイパスデバイス（ＣＢＤ）２６Ａ１及び２６Ｂ１が、ストリングの各々において第１のフロー電池ユニットＡ１、Ｂ１の両端間に設けられるものとして示される。電流バイパスデバイスは、電流を電流バイパスデバイスに適切に分流することによってフロー電池ユニットストリング内のフロー電池ユニット間の充電状態を均衡化するのに使用され得る。

【0038】

図４にも、電気的に並列接続された２本のフロー電池ユニットストリングＳＡ、ＳＢを備えるフロー電池アレイの模式図を示し、各ストリングにそれぞれｎ個のフロー電池ユニットＡ１、Ａ２、・・・Ａｎ及びＢ１、Ｂ２、・・・Ｂｎがある。好適な測定及び均衡化の目的のため、電流バイパスデバイス２６Ａ１、２６Ａ２、・・・２６Ａｎ、２６Ｂ１、２６Ｂ２、・・・２６Ｂｎ及び電圧センサ２４Ａ１、２４Ａ２、・・・２４Ａｎ、２４Ｂ１、２４Ｂ２、・・・２４Ｂｎが、ストリングの各々において各フロー電池ユニットの両端間に設けられ、電流センサ２５Ａ及び２５Ｂがストリングに対して直列に設けられる。当業者が認識するように、ストリングＳＡにおける各フロー電池ユニットはそのＳＯＣ状態入力（不図示）をコントローラ１９に提供し、それは、いずれの電流バイパスデバイス２６Ａ１、２６Ａ２、・・・２６Ａｎなどがバイパス電流に方向付けられなければならないかを出力信号（不図示）を介して特定し、ストリングＳＡにおける全てのフロー電池ユニットを同じ電解質充電状態に維持することができる。この有効化制御方法は、１本のフロー電池ユニットストリング内で作用するが、電気的に並列接続された複数のフロー電池ユニットストリングについては作用しない。

【0039】

図５は、ＡＣ設備に接続する商用に適した本発明の複合的な実施形態の模式図を示す。図示する実施形態は、電気的に並列接続された本発明のＮ´個のフロー電池アレイ（すなわち、ＡＲ１、ＡＲ２、・・・ＡＲＮ´）を備える。アレイは、電気的に並列接続されたＮ本のフロー電池ユニットストリング（すなわち、ＳＡ、ＳＢ、・・・ＳＮ）及びフロー電池ユニットストリングの各々におけるｎ個のフロー電池ユニット（すなわち、Ａ１、Ａ２、・・・Ａｎ、Ｂ１、Ｂ２、・・・Ｂｎ、Ｎ１、Ｎ２、・・・Ｎｎ）を備える。［図５は、それ自体がここではＣＳ１～ＣＳｘで表記される並列のセルのスタックを備える電池ユニットＡ１の拡大図も含む。図１と共通する構成要素は、同様に符号が付される。拡大図は、ポンプ、ファン、補助機器及び通信ラインなどの電池ユニットストリングに関連する他のハードウェアも示す。］図５に示すように、電流バイパスデバイスは、各フロー電池ユニットの両端間に設けられる。ここで、各アレイに関連する制御可能な双方向電力コンバータ１６は、ＤＣ接続パネル１６ｉ及び関連するＡＣ／ＤＣコンバータ１６ｉｉを備える。図５は、ＥＳＳ接続パネル及びスイッチギア、主ブレーカー、計測デバイス、現場負荷並びにＡＣラインを含む、ＡＣ設備への接続において通常みられる他のハードウェアも示す。

【0040】

本明細書において言及された上記米国特許、米国特許出願、外国特許、外国特許出願及び非特許文献の全ては、その全体において参照によりここに取り込まれる。

【0041】

本発明の特定の要素、実施形態及び用途を図示及び説明したが、特に上記の教示に照らして、本開示の趣旨及び範囲から逸脱することなく当業者によって変形がなされ得るので、本発明はそれに限定されないことが理解されることは言うまでもない。そのような変形は、ここに添付する特許請求の範囲の権能及び範囲内にあるとみなされる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【国際調査報告】