WO2019058850A1 - レドックスフロー電池システム - Google Patents

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WO2019058850A1
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switch
flow battery
power converter
battery
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藤川　一洋
敬二 矢野
博揮 井上
克也 山西
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住友電気工業株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01M10/42—Methods or arrangements for servicing or maintenance of secondary cells or secondary half-cells
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology
    • Y02E60/50—Fuel cells

Definitions

  • the present disclosure relates to a redox flow battery system.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-180742 filed on Sep. 20, 2017, and incorporates all the contents described in the aforementioned Japanese application.
  • Patent Document 1 a cell performing charging and discharging with the electric power system, a tank storing an electrolytic solution supplied to the cell, a circulation pump circulating the electrolytic solution between the cell and the tank, a cell
  • An AC / DC converter (power converter) disposed between the power system and the redox flow battery system is disclosed.
  • the redox flow battery system of the present disclosure is A redox flow battery that charges and discharges with the power system, A power converter disposed between the redox flow battery and the power system; Positive wiring and negative wiring connected from the power converter to the redox flow battery; A charge / discharge control unit that controls charge / discharge of the redox flow battery by controlling the operation of the power converter; A redox flow battery system comprising A current reduction mechanism is provided that is connected to at least one of the positive electrode wire and the negative electrode wire to reduce inrush current at the time of initial charge.
  • FIG. 1 is a schematic view of a redox flow battery system according to Embodiment 1.
  • FIG. 5 is a schematic view of a redox flow battery system according to a second embodiment.
  • FIG. 7 is a schematic view of a redox flow battery system according to a third embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic view of a redox flow battery system according to a fourth embodiment.
  • the cathode electrolyte and the anode electrolyte are mixed, for example, back to a neutral electrolyte in order to prevent the safety of the work and the performance deterioration due to the oxidation of the electrolyte. Sometimes. Also in this case, after the end of maintenance, the initial charging is required again.
  • the electromotive force of the redox flow battery is 0 V because the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte are electrically neutral. That is, a power converter such as an AC / DC converter used for initial charging is shorted by the internal resistance of the redox flow battery, and a very large inrush current flows in the power converter. If this inrush current becomes too large, the power converter may fail.
  • an object of the present disclosure is to provide a redox flow battery system capable of suppressing a failure of a power converter at the time of initial charge of the redox flow battery.
  • the redox flow battery system which concerns on ⁇ 1> embodiment, A redox flow battery that charges and discharges with the power system, A power converter disposed between the redox flow battery and the power system; Positive wiring and negative wiring connected from the power converter to the redox flow battery; A charge / discharge control unit that controls charge / discharge of the redox flow battery by controlling the operation of the power converter; A redox flow battery system comprising A current reduction mechanism is provided that is connected to at least one of the positive electrode wire and the negative electrode wire to reduce inrush current at the time of initial charge.
  • the current reduction mechanism A first switch provided on either the positive electrode wiring or the negative electrode wiring; A second switch and a resistor connected in parallel to the first switch and connected in series with each other; According to an embodiment of the present invention, an opening / closing control unit configured to control opening / closing of the first switch and the second switch can be provided.
  • the switching controller reduces the rush current by turning off the first switch and turning on the second switch at the time of initial charging, and interposing a resistor on the charge route from the power converter to the redox flow battery. Plan.
  • the switching control unit turns on the first switch and turns off the second switch during charging and discharging of the redox flow battery other than at the time of initial charge, and power is transmitted between the electric power system and the redox flow battery via the power converter.
  • the open / close control unit can be configured as part of a charge / discharge control unit.
  • the current reduction mechanism may include a DC / DC converter connected in series between the power converter and the redox flow battery.
  • the redox flow battery is charged through the direct current / direct current converter at the time of initial charge and at the time of other normal charge.
  • a direct current / direct current converter between the power converter and the redox flow battery, it is possible to prevent the power converter from being shorted by the internal resistance of the redox flow battery.
  • charging and discharging of the redox flow battery can be performed at an optimum voltage and current according to the storage state of the redox flow battery.
  • the current reduction mechanism A first switch provided between the power converter and the redox flow battery; A DC power supply circuit connected in parallel with the redox flow battery; A second switch provided between the DC power supply circuit and the redox flow battery; According to an embodiment of the present invention, an opening / closing control unit configured to control opening / closing of the first switch and the second switch can be provided.
  • the open / close control unit configured as described above turns off the first switch and turns on the second switch at the time of initial charging to charge the redox flow battery from the DC power supply circuit. That is, the DC power supply circuit connected in parallel to the redox flow battery is a power supply connected to the redox flow battery at the time of initial charge by the switching control unit, that is, a power supply used exclusively for the initial charge. With this configuration, it is possible to use a DC power supply circuit designed specifically for initial charging, and to reduce inrush current flowing in the DC power supply circuit. In addition, even if the DC power supply circuit fails during initial charging, the first switch is turned ON and the second switch is turned OFF to continue the initial charging of the redox flow battery using the power converter connected to the power system. There is no hindrance to the charge and discharge of the redox flow battery after the initial charge.
  • the current reduction mechanism A connecting wire connected to the positive electrode wire and the negative electrode wire; A first switch provided closer to the power converter than the connection wiring in any of the positive electrode wiring and the negative electrode wiring; A second switch provided closer to the redox flow battery than the connection wiring in the wiring where the first switch is provided; A third switch provided in the connection wiring; A capacitor and a resistor provided in the connection wiring; An embodiment may be provided that includes an open / close control unit that controls the opening / closing of the first switch, the second switch, and the third switch.
  • the open / close control unit configured as described above turns on the first switch and the third switch, turns off the second switch, and turns on the second switch and the third switch in the capacitor during initial charging, and turns on the second switch and the third switch.
  • An operation of turning off one switch and discharging the power stored in the capacitor to the redox flow battery is repeated. That is, in the above configuration, once charging the capacitor, discharging the power of the capacitor to the redox flow battery is repeated. In this case, when the power converter and the capacitor are electrically connected, the current flowing through the power converter becomes an inrush current.
  • the capacity of the capacitor may be smaller than the capacity of the redox flow battery, which can reduce the inrush current flowing in the power converter.
  • FIG. 1 Prior to the description of the redox flow battery system according to the embodiment, the basic configuration of the redox flow battery (hereinafter, abbreviated as RF battery) will be described based on FIGS. 1 to 3.
  • RF battery the basic configuration of the redox flow battery
  • An RF battery is one of the electrolyte circulation type storage batteries, and is used for storing new energy such as solar power generation and wind power generation. The operation principle of this RF battery 1 will be described based on FIG.
  • the RF battery 1 is a battery that performs charge and discharge utilizing the difference between the oxidation reduction potential of the active material ions contained in the positive electrode electrolyte and the oxidation reduction potential of the active material ions contained in the negative electrode electrolyte.
  • the RF battery 1 is connected to the substation facility 90 of the power system 9 via the power converter 91, and performs charging and discharging with the power system 9.
  • the positive electrode wiring 1P and the negative electrode wiring 1N are connected to the RF battery 1 from the power converter 91.
  • the electric power system 9 of this example is an electric power system that performs AC power transmission, and the power converter 91 is an AC / DC converter.
  • the RF battery 1 includes the cell 100 separated into the positive electrode cell 102 and the negative electrode cell 103 by the diaphragm 101 which transmits hydrogen ions.
  • a positive electrode 104 is contained in the positive electrode cell 102, and a positive electrode electrolyte tank 106 for storing a positive electrode electrolyte is connected via conduits 108 and 110.
  • the conduit 108 is provided with a circulation pump 112, and these members 106, 108, 110, 112 constitute a positive electrode circulation mechanism 100P for circulating the positive electrode electrolyte.
  • a negative electrode 105 is contained in the negative electrode cell 103, and a negative electrode electrolyte tank 107 for storing a negative electrode electrolyte is connected via conduits 109 and 111.
  • the conduit 109 is provided with a circulation pump 113, and these members 107, 109, 111, and 113 constitute an anode circulation mechanism 100N for circulating the electrolyte for the anode.
  • the electrolyte stored in each of the tanks 106 and 107 is circulated into the cells 102 and 103 by the circulation pumps 112 and 113 during charge and discharge. When charging and discharging are not performed, the circulation pumps 112 and 113 are stopped and the electrolyte is not circulated.
  • the cell 100 is usually formed inside a structure called a cell stack 200 as shown in FIGS. 2 and 3.
  • the cell stack 200 is configured by sandwiching a laminated structure called a substack 200s (FIG. 3) by two end plates 210 and 220 from both sides thereof and clamping them by a clamping mechanism 230 (illustrated in FIG. 3) In the configuration, a plurality of substacks 200s are used).
  • a plurality of cell frames 120, positive electrodes 104, diaphragms 101, and negative electrodes 105 are stacked, and the stacked body is provided with discharge plates 190 and 190 (see the lower figure in FIG. 3; It has a configuration sandwiched between).
  • the cell frame 120 has a frame 122 having a through window and a bipolar plate 121 closing the through window. That is, the frame 122 supports the bipolar plate 121 from the outer peripheral side.
  • a cell frame 120 can be produced, for example, by molding the frame 122 integrally on the outer peripheral portion of the bipolar plate 121. Also, prepare a frame 122 in which the outer peripheral edge of the through window is formed thin and a bipolar plate 121 manufactured separately from the frame 122, and fit the outer peripheral portion of the bipolar plate 121 in the thin portion of the frame 122 Thus, the cell frame 120 can also be manufactured.
  • the positive electrode 104 is disposed on one side of the bipolar plate 121 of the cell frame 120 so as to be in contact with the other side, and the negative electrode 105 is disposed on the other side of the bipolar plate 121.
  • one cell 100 is formed between the bipolar plates 121 fitted into the adjacent cell frames 120.
  • the flow of the electrolytic solution to the cell 100 through the supply and discharge plates 190 and 190 shown in FIG. 3 is performed by the liquid supply manifolds 123 and 124 formed on the cell frame 120 and the liquid discharge manifolds 125 and 126.
  • the electrolytic solution for positive electrode is supplied to the positive electrode 104 through an inlet slit (see a curved line shown by a solid line) formed on one surface side (front side in the drawing) of the cell frame 120 from the liquid supply manifold 123.
  • the fluid is discharged to the drainage manifold 125 through an outlet slit (see a curved path shown by a solid line) formed in the upper part of the.
  • the electrolyte for the negative electrode is supplied to the negative electrode 105 through an inlet slit (see a curved path shown by a broken line) formed on the other surface side (back side in the drawing) of the cell frame 120 from the supply manifold 124.
  • the fluid is discharged to the drainage manifold 126 via an outlet slit (see a curved path shown by a broken line) formed at the top of the cell frame 120.
  • An annular seal member 127 such as an O-ring or a flat packing is disposed between the cell frames 120 to suppress the leakage of the electrolytic solution from the sub stack 200s.
  • FIG. 4 shows the configuration of the RF battery 1 in a simplified manner, it may be considered that the same configuration as that of FIG. 2 is provided.
  • the RF battery system ⁇ includes the RF battery 1 and a charge / discharge control unit 3 that controls the operation of the power converter 91 to control the charge / discharge of the RF battery 1. Furthermore, the RF battery system ⁇ of the present example includes the current reduction mechanism 2 connected to at least one of the positive electrode wire 1P and the negative electrode wire 1N to reduce inrush current at the time of initial charge.
  • the current reduction mechanism 2 of this example includes a first switch S1 provided on the positive electrode wire 1P, a second switch S2 and a resistor 4 connected in parallel to the first switch S1, and a first switch S1 and a second switch S2. And an opening / closing control unit 30 for controlling the opening / closing.
  • the second switch S2 and the resistor 4 are provided in the branch line 1B connected to the upstream side and the downstream side of the first switch S1 in the positive electrode wiring 1P. That is, the second switch S2 and the resistor 4 are connected in series. Further, the charge / discharge control unit 3 of this example is configured by a computer, and the charge / discharge control unit 3 also functions as the open / close control unit 30.
  • the open / close control unit 30 turns off the first switch S1 at the time of initial charging so that the power converter 91 does not directly connect to the RF battery 1,
  • the switch S2 is turned ON so that the resistor 4 is arranged in series between the power converter 91 and the RF battery 1.
  • the open / close control unit 30 When the RF battery 1 is charged to some extent, the open / close control unit 30 turns on the first switch S1 and turns off the second switch S2. By doing so, the consumption of power by the resistor 4 can be eliminated. After the initial charge, the open / close control unit 30 maintains the state in which the first switch S1 is turned on and the second switch S2 is turned off, and the RF battery 1 is charged and discharged.
  • the current reduction mechanism 2 of the RF battery system ⁇ of this example includes a DC / DC converter 5 connected in series between the power converter 91 and the RF battery 1. Similar to the power converter 91, the DC / DC converter 5 is controlled by the charge / discharge control unit 3.
  • the RF battery system ⁇ having the above configuration charges the RF battery 1 via the DC / DC converter 5 during initial charging and other normal charging.
  • DC / DC converters are generally designed to control current even at zero voltage. Therefore, by interposing DC / DC converter 5 between power converter 91 and RF battery 1, it is possible to reduce the inrush current flowing through power converter 91 and DC / DC converter 5.
  • charging and discharging of the RF battery 1 can be performed at an optimal voltage and current according to the storage state of the RF battery 1.
  • Embodiment 3 In the third embodiment, an RF battery system ⁇ provided with a current reduction mechanism 2 different from the first and second embodiments will be described based on FIG.
  • the current reduction mechanism 2 of the RF battery system ⁇ of the present example includes a first switch S1, a second switch S2, a DC power supply circuit 6, and an open / close control unit 30.
  • the DC power supply circuit 6 may be an AC / DC converter connected to the power system 9 (see FIG. 1) or a DC current source such as a battery. In this example, it is an AC / DC converter.
  • a positive electrode connection line 1X connected to the positive electrode wiring 1P and a negative electrode connection line 1Y connected to the negative electrode wiring 1N extend from the DC power supply circuit 6, and as a result, the RF battery 1 and the DC power supply circuit 6 are connected in parallel.
  • the first switch S1 is provided between the power converter 91 and the RF battery 1, and is provided in the positive electrode wiring 1P in this example.
  • the second switch S2 is provided between the DC power supply circuit 6 and the RF battery 1, and is provided in the positive electrode connection line 1X in this example.
  • the open / close control unit 30 of this example is provided in the charge / discharge control unit 3 and controls the opening / closing of the switches S1 and S2.
  • the first switch S1 may be provided on the negative electrode wire 1N
  • the second switch S2 may be provided on the negative electrode connection line 1Y.
  • the open / close control unit 30 of the RF battery system ⁇ having the above configuration turns off the first switch S1 at the time of initial charge, electrically disconnects the RF battery 1 and the power converter 91, and turns on the second switch S2. , And the DC battery circuit 6 are electrically connected.
  • the DC power supply circuit 6 is a power supply exclusively used for initial charging, and can have a dedicated design suitable for initial charging. Therefore, the rush current flowing from the DC power supply circuit 6 to the RF battery 1 can be reduced.
  • the switching controller 30 turns on the first switch S1 and turns off the second switch S2. Initial charging of the RF battery 1 can be continued.
  • the DC power supply circuit 6 fails, no problem occurs in charging and discharging of the RF battery 1 after the initial charging, so that the DC power supply circuit 6 can be repaired without stopping the RF battery system ⁇ .
  • the open / close control unit 30 turns on the first switch S1 and turns off the second switch S2.
  • exchange of electric power is performed between the electric power system 9 (see FIG. 1) and the RF battery 1 through the electric power converter 91.
  • the first switch S1 is kept ON and the second switch S2 is kept OFF.
  • the current reduction mechanism 2 of the RF battery system ⁇ of this example includes a connection wire 1C, a first switch S1, a second switch S2, a third switch S3, a capacitor 7, a resistor 8, and an open / close control unit 30.
  • the connection wiring 1C is connected to the positive electrode wiring 1P and the negative electrode wiring 1N, and the third switch S3, the capacitor 7, and the resistor 8 are disposed in this connection wiring 1C in this order from the positive electrode wiring 1P side.
  • the capacitance of the capacitor 7 is smaller than the capacitance of the RF battery 1.
  • the capacity of the capacitor 7 is, for example, 0.002% or more and 0.02% or less, preferably 0.005% or more and 0.01% or less of the capacity of the RF battery 1.
  • the first switch S1 is provided closer to the power converter 91 than the connecting wire 1C in the positive electrode wire 1P (or the negative electrode wire 1N).
  • the second switch S2 is provided closer to the RF battery 1 than the connection wiring 1C in the wiring (in this example, the positive electrode wiring 1P) in which the first switch S1 is provided.
  • the open / close control unit 30 of this example is provided in the charge / discharge control unit 3 and controls the opening / closing of the switches S1 to S3.
  • the open / close control unit 30 of the RF battery system ⁇ having the above configuration repeats the operation of storing the capacitor 7 and the operation of discharging the power stored in the capacitor 7 to the RF battery 1 at the time of initial charging.
  • the open / close control unit 30 turns on the first switch S1 and the third switch S3 and turns off the second switch S2.
  • the switching control unit 30 turns on the second switch S 2 and the third switch S 3 and turns off the first switch S 1.
  • the open / close control unit 30 turns on the first switch S1 and the second switch S2, and turns off the third switch S3.
  • exchange of electric power is performed between the electric power system 9 (see FIG. 1) and the RF battery 1 through the electric power converter 91.
  • the first switch S1 and the second switch S2 are kept ON, and the third switch S3 is kept OFF.
  • RF battery system 1 Redox flow battery (RF battery) 1P positive electrode wire 1N negative electrode wire 1B branch wire 1C connecting wire 1X positive electrode connecting wire 1Y negative electrode connecting wire 2 current reduction mechanism S1 first switch S2 second switch S3 third switch 3 charge / discharge control unit 30 opening / closing control unit 4 resistor 5 direct current / DC converter 6 DC power supply circuit 7 capacitor 8 resistor 9 power system 90 substation equipment 91 power converter (AC / DC converter) 100 cell 101 diaphragm 102 positive electrode cell 103 negative electrode cell 100 P positive electrode circulation mechanism 100 N negative electrode circulation mechanism 104 positive electrode 105 negative electrode 106 positive electrode electrolyte tank 107 negative electrode electrolyte tank 108, 109, 110, 111 conduit 112, 113 circulation Pump 120 Cell frame 121 Bipolar plate 122 Frame 123, 124 Supply manifold 125, 126 Drain manifold 127 Annular seal member 200 Cell stack 190 Supply / discharge plate 200s Substack 210

Abstract

電力系統との間で充放電を行うレドックスフロー電池と、前記レドックスフロー電池と前記電力系統との間に配置される電力変換器と、前記電力変換器から前記レドックスフロー電池に繋がる正極配線および負極配線と、前記電力変換器の動作を制御することで前記レドックスフロー電池の充放電を制御する充放電制御部と、を備えるレドックスフロー電池システムであって、前記正極配線および前記負極配線の少なくとも一方に繋がり、初期充電時の突入電流を低減する電流低減機構を備える。

Description

レドックスフロー電池システム
　本開示は、レドックスフロー電池システムに関するものである。
　本出願は、２０１７年９月２０日出願の日本出願第２０１７－１８０７４２号に基づく優先権を主張し、上記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
　特許文献１には、電力系統との間で充放電を行なうセルと、セルに供給される電解液を貯留するタンクと、セルとタンクとの間で電解液を循環させる循環ポンプと、セルと電力系統との間に配置される交流／直流変換器（電力変換器）と、を備えるレドックスフロー電池システムが開示されている。
特開２０１２－１６４５３０号公報
　本開示のレドックスフロー電池システムは、
　電力系統との間で充放電を行うレドックスフロー電池と、
　前記レドックスフロー電池と前記電力系統との間に配置される電力変換器と、
　前記電力変換器から前記レドックスフロー電池に繋がる正極配線および負極配線と、
　前記電力変換器の動作を制御することで前記レドックスフロー電池の充放電を制御する充放電制御部と、
　を備えるレドックスフロー電池システムであって、
　前記正極配線および前記負極配線の少なくとも一方に繋がり、初期充電時の突入電流を低減する電流低減機構を備える。
レドックスフロー電池の動作原理を説明する図である。 レドックスフロー電池の概略構成図である。 セルスタックの概略構成図である。 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図である。 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図である。 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図である。 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図である。
［本開示が解決しようとする課題］
　レドックスフロー電池システムでは、その設置後にレドックスフロー電池に電解液を注入する際、電気的に中性の電解液を注入する。例えば、正極および負極の活物質としてバナジウムを用いたバナジウムレドックスフロー電池では、価数が３．５価のバナジウム電解液を用いる。これは、負極電解液が還元性を持つため、電解液の輸送中や注入作業中に酸化されることによる性能低下を防止すると共に、設置工事中の感電事故を防止するためである。この場合、電解液の注入後に、中性の電解液を正極電解液と負極電解液に変化させるための初期充電が必要となる。
　また、レドックスフロー電池システムのメンテナンスを行う場合、作業の安全性と電解液の酸化による性能低下を防止するため、正極電解液と負極電解液とを混合するなどして中性の電解液に戻すことがある。この場合も、メンテナンス終了後には、再度初期充電が必要となる。
　ここで、初期充電の開始時には、正極電解液および負極電解液が電気的に中性であるため、レドックスフロー電池の起電力が０Ｖである。つまり、初期充電に用いる交流／直流変換器などの電力変換器を、レドックスフロー電池の内部抵抗で短絡した状態となり、電力変換器に非常に大きな突入電流（ｉｎｒｕｓｈ　ｃｕｒｒｅｎｔ）が流れる。この突入電流が大きくなり過ぎると電力変換器が故障する可能性がある。
　そこで、本開示は、レドックスフロー電池の初期充電時における電力変換器の故障を抑制できるレドックスフロー電池システムを提供することを目的の一つとする。
［本開示の効果］
　本開示のレドックスフロー電池システムによれば、レドックスフロー電池の初期充電時における電力変換器の故障を抑制できる。
［本開示の実施形態の説明］
　最初に本開示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電池システムは、
　電力系統との間で充放電を行うレドックスフロー電池と、
　前記レドックスフロー電池と前記電力系統との間に配置される電力変換器と、
　前記電力変換器から前記レドックスフロー電池に繋がる正極配線および負極配線と、
　前記電力変換器の動作を制御することで前記レドックスフロー電池の充放電を制御する充放電制御部と、
　を備えるレドックスフロー電池システムであって、
　前記正極配線および前記負極配線の少なくとも一方に繋がり、初期充電時の突入電流を低減する電流低減機構を備える。
　上記構成に示すように、初期充電時の突入電流を低減する電流低減機構を備えることで、電力系統からレドックスフロー電池に電力を供給する電力変換器に過大な突入電流が流れることを抑制できる。その結果、レドックスフロー電池の初期充電時における電力変換器の故障を抑制できる。
＜２＞実施形態に係るレドックスフロー電池システムの一形態として、
　前記電流低減機構は、
　　前記正極配線または前記負極配線のいずれかに設けられる第一スイッチと、
　　前記第一スイッチに並列接続され、互いに直列接続される第二スイッチおよび抵抗器と、
　　前記第一スイッチおよび前記第二スイッチの開閉を制御する開閉制御部と、を備える形態を挙げることができる。
　上記構成によれば、簡単な構成で効果的に初期充電時の突入電流を低減することができる。上記構成の開閉制御部は、初期充電時に第一スイッチをＯＦＦに、第二スイッチをＯＮにし、電力変換器からレドックスフロー電池に至る充電ルート上に抵抗器を介在させることで、突入電流の低減を図る。開閉制御部は、初期充電時以外のレドックスフロー電池の充放電時は、第一スイッチをＯＮに、第二スイッチをＯＦＦにし、電力変換器を介して電力系統とレドックスフロー電池との間で電力の遣り取りを行わせる。ここで、上記開閉制御部は、充放電制御部の一部で構成することができる。
＜３＞実施形態に係るレドックスフロー電池システムの一形態として、
　前記電流低減機構は、前記電力変換器と、前記レドックスフロー電池と、の間に直列接続される直流／直流変換器を備える形態を挙げることができる。
　上記構成では、初期充電時もそれ以外の通常充電時も、直流／直流変換器を介してレドックスフロー電池に充電を行なう。電力変換器とレドックスフロー電池との間に直流／直流変換器を介在させることで、電力変換器がレドックスフロー電池の内部抵抗で短絡された状態となることを回避できる。その結果、電力変換器と直流／直流変換器に流れる突入電流を低減することができる。また、直流／直流変換器を用いることで、レドックスフロー電池の蓄電状態に応じた最適な電圧・電流で、レドックスフロー電池の充放電を行なうことができる。
＜４＞実施形態に係るレドックスフロー電池システムの一形態として、
　前記電流低減機構は、
　　前記電力変換器と前記レドックスフロー電池との間に設けられる第一スイッチと、
　　前記レドックスフロー電池と並列に繋がる直流電源回路と、
　　前記直流電源回路と前記レドックスフロー電池との間に設けられる第二スイッチと、
　　前記第一スイッチおよび前記第二スイッチの開閉を制御する開閉制御部と、を備える形態を挙げることができる。
　上記構成の開閉制御部は、初期充電時に第一スイッチをＯＦＦに、第二スイッチをＯＮにし、直流電源回路からレドックスフロー電池に充電を行わせる。つまり、レドックスフロー電池と並列に繋がる直流電源回路は、開閉制御部によって初期充電時にレドックスフロー電池に繋がる電源、即ち初期充電に専ら用いられる電源である。この構成であれば、初期充電に適した専用の設計を行なった直流電源回路を利用することができ、直流電源回路に流れる突入電流を小さくできる。また、仮に初期充電時に直流電源回路が故障した場合でも、第一スイッチをＯＮに、第二スイッチをＯＦＦにすることで、電力系統に繋がる電力変換器を用いてレドックスフロー電池の初期充電を継続することができるし、初期充電以降のレドックスフロー電池の充放電にも支障が生じない。
＜５＞実施形態にレドックスフロー電池システムの一形態として、
　前記電流低減機構は、
　　前記正極配線と前記負極配線とに接続される連結配線と、
　　前記正極配線と前記負極配線のいずれかにおける前記連結配線よりも前記電力変換器側に設けられる第一スイッチと、
　　前記第一スイッチが設けられる配線における前記連結配線よりも前記レドックスフロー電池側に設けられる第二スイッチと、
　　前記連結配線に設けられる第三スイッチと、
　　前記連結配線に設けられるキャパシタおよび抵抗器と、
　　前記第一スイッチ、前記第二スイッチ、および前記第三スイッチの開閉を制御する開閉制御部と、を備える形態を挙げることができる。
　上記構成の開閉制御部は、初期充電時に、第一スイッチと第三スイッチをＯＮに、第二スイッチをＯＦＦにして、キャパシタに蓄電する操作と、第二スイッチと第三スイッチをＯＮに、第一スイッチをＯＦＦにして、キャパシタに蓄積した電力をレドックスフロー電池に放電する操作と、を繰り返す。つまり、上記構成では、一旦キャパシタに充電してから、キャパシタの電力をレドックスフロー電池に放電することを繰り返す。この場合、電力変換器とキャパシタとを電気的に接続したときに電力変換器に流れる電流が突入電流となる。キャパシタの容量はレドックスフロー電池の容量よりも小さくすれば良く、そのため電力変換器に流れる突入電流を低減できる。
［本開示の実施形態の詳細］
　以下、本開示のレドックスフロー電池システムの実施形態を説明する。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、請求の範囲によって示され、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＞
　実施形態に係るレドックスフロー電池システムの説明に先立ち、レドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池と略す）の基本構成を図１～図３に基づいて説明する。
　≪ＲＦ電池≫
　ＲＦ電池は、電解液循環型の蓄電池の一つであって、太陽光発電や風力発電といった新エネルギーの蓄電などに利用されている。このＲＦ電池１の動作原理を図１に基づいて説明する。ＲＦ電池１は、正極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位と、負極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位との差を利用して充放電を行う電池である。ＲＦ電池１は、電力変換器９１を介して、電力系統９の変電設備９０に繋がっており、電力系統９との間で充放電を行なう。電力変換器９１からＲＦ電池１には正極配線１Ｐおよび負極配線１Ｎが繋がっている。本例の電力系統９は交流送電を行う電力系統であって、電力変換器９１は交流／直流変換器である。一方、ＲＦ電池１は、水素イオンを透過させる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離されたセル１００を備える。
　正極セル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電解液用タンク１０６が導管１０８，１１０を介して接続されている。導管１０８には循環ポンプ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、負極セル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電解液用タンク１０７が導管１０９，１１１を介して接続されている。導管１０９には循環ポンプ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、充放電の際に循環ポンプ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、循環ポンプ１１２，１１３は停止され、電解液は循環されない。
　［セルスタック］
　上記セル１００は通常、図２、図３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形成される。セルスタック２００は、サブスタック２００ｓ（図３）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３に例示する構成では、複数のサブスタック２００ｓを用いている）。
　サブスタック２００ｓ（図３）は、セルフレーム１２０、正極電極１０４、隔膜１０１、および負極電極１０５を複数積層し、その積層体を給排板１９０，１９０（図３の下図参照、図２では省略）で挟み込んだ構成を備える。
　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、を有している。つまり、枠体１２２は、双極板１２１をその外周側から支持している。このようなセルフレーム１２０は、例えば、双極板１２１の外周部に一体に枠体１２２を成形することで作製することができる。また、貫通窓の外周縁部を薄肉に形成した枠体１２２と、枠体１２２とは別に作製した双極板１２１とを用意し、枠体１２２の薄肉部に双極板１２１の外周部を嵌めこむことで、セルフレーム１２０を作製することもできる。このセルフレーム１２０の双極板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に嵌め込まれた双極板１２１の間に一つのセル１００が形成されることになる。
　図３に示す給排板１９０，１９０を介したセル１００への電解液の流通は、セルフレーム１２０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からセルフレーム１２０の一面側（紙面表側）に形成される入口スリット（実線で示す湾曲路を参照）を介して正極電極１０４に供給され、セルフレーム１２０の上部に形成される出口スリット（実線で示す湾曲路を参照）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からセルフレーム１２０の他面側（紙面裏側）に形成される入口スリット（破線で示す湾曲路を参照）を介して負極電極１０５に供給され、セルフレーム１２０の上部に形成される出口スリット（破線で示す湾曲路を参照）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。
　≪ＲＦ電池システム≫
　以上説明したＲＦ電池１の基本構成を踏まえて、実施形態に係るＲＦ電池システムαを図４に基づいて説明する。図４では、ＲＦ電池１の構成を簡略化して示しているが、図２と同様の構成を備えると考えて良い。
　本例のＲＦ電池システムαは、ＲＦ電池１と、電力変換器９１の動作を制御することでＲＦ電池１の充放電を制御する充放電制御部３と、を備える。さらに、本例のＲＦ電池システムαは、正極配線１Ｐおよび負極配線１Ｎの少なくとも一方に繋がり、初期充電時の突入電流を低減する電流低減機構２を備える。
　本例の電流低減機構２は、正極配線１Ｐに設けられる第一スイッチＳ１と、第一スイッチＳ１に並列接続される第二スイッチＳ２および抵抗器４と、第一スイッチＳ１および第二スイッチＳ２の開閉を制御する開閉制御部３０と、を備える。
　第二スイッチＳ２と抵抗器４は、正極配線１Ｐにおける第一スイッチＳ１の上流側と下流側とに繋がる分岐線１Ｂに設けられている。即ち、第二スイッチＳ２と抵抗器４とは直列接続されている。また、本例の充放電制御部３は、コンピューターで構成されており、充放電制御部３が開閉制御部３０の機能を兼ねている。
　≪ＲＦ電池システムの運転方法≫
　上記構成を備えるＲＦ電池システムαで初期充電を行なう場合、開閉制御部３０は、初期充電時に第一スイッチＳ１をＯＦＦにして、電力変換器９１が直接ＲＦ電池１と繋がらないようにし、第二スイッチＳ２をＯＮにして、電力変換器９１とＲＦ電池１との間に抵抗器４が直列配置されるようにする。その結果、電力変換器９１がＲＦ電池１の内部抵抗で短絡された状態を回避することができ、突入電流を低減することができる。
　ＲＦ電池１がある程度充電されたら、開閉制御部３０は、第一スイッチＳ１をＯＮに、第二スイッチＳ２をＯＦＦにする。そうすることで、抵抗器４による電力の消費をなくすことができる。初期充電以降、開閉制御部３０は、第一スイッチＳ１をＯＮに、第二スイッチＳ２をＯＦＦとした状態を維持し、ＲＦ電池１の充放電を行なう。
＜実施形態２＞
　実施形態２では、実施形態１とは異なる電流低減機構２を備えるＲＦ電池システムβを図５に基づいて説明する。
　≪ＲＦ電池システム≫
　本例のＲＦ電池システムβの電流低減機構２は、電力変換器９１とＲＦ電池１との間に直列接続される直流／直流変換器５を備える。直流／直流変換器５は、電力変換器９１と同様に、充放電制御部３によって制御される。
　≪ＲＦ電池システムの運転方法≫
　上記構成を備えるＲＦ電池システムβは、初期充電時もそれ以外の通常充電時も、直流／直流変換器５を介してＲＦ電池１に充電を行なう。直流／直流変換器は一般的に、電圧がゼロでも電流を制御できるように設計されている。そのため、電力変換器９１とＲＦ電池１との間に直流／直流変換器５を介在させることで、電力変換器９１と直流／直流変換器５に流れる突入電流を低減することができる。また、直流／直流変換器５を用いることで、ＲＦ電池１の蓄電状態に応じた最適な電圧・電流で、ＲＦ電池１の充放電を行なうことができる。
＜実施形態３＞
　実施形態３では、実施形態１，２とは異なる電流低減機構２を備えるＲＦ電池システムγを図６に基づいて説明する。
　≪ＲＦ電池システム≫
　本例のＲＦ電池システムγの電流低減機構２は、第一スイッチＳ１、第二スイッチＳ２、直流電源回路６、および開閉制御部３０を備える。直流電源回路６は、電力系統９（図１参照）に繋がる交流／直流変換器や、電池などの直流電流源であっても良い。本例では交流／直流変換器である。直流電源回路６からは、正極配線１Ｐに繋がる正極連絡線１Ｘと負極配線１Ｎに繋がる負極連絡線１Ｙとが延びており、その結果、ＲＦ電池１と直流電源回路６とが並列に繋がる。第一スイッチＳ１は、電力変換器９１とＲＦ電池１との間に設けられており、本例では正極配線１Ｐに設けられている。第二スイッチＳ２は、直流電源回路６とＲＦ電池１との間に設けられており、本例では正極連絡線１Ｘに設けられている。また、本例の開閉制御部３０は充放電制御部３に備わっており、スイッチＳ１，Ｓ２の開閉を制御する。ここで、第一スイッチＳ１を負極配線１Ｎに、第二スイッチＳ２を負極連絡線１Ｙに設けてもかまわない。
　≪ＲＦ電池システムの運転方法≫
　上記構成を備えるＲＦ電池システムγの開閉制御部３０は、初期充電時に第一スイッチＳ１をＯＦＦにして、ＲＦ電池１と電力変換器９１とを電気的に切り離し、第二スイッチＳ２をＯＮにして、ＲＦ電池１と直流電源回路６とを電気的に接続する。直流電源回路６は専ら初期充電に用いられる電源であって、初期充電に適した専用の設計を行なうことができる。そのため、直流電源回路６からＲＦ電池１に流れる突入電流を小さくできる。また、この構成であれば、仮に初期充電時に直流電源回路６が故障した場合でも、開閉制御部３０が第一スイッチＳ１をＯＮに、第二スイッチＳ２をＯＦＦにすることで、電力変換器９１を用いてＲＦ電池１の初期充電を継続できる。しかも、直流電源回路６が故障した場合でも、初期充電以降のＲＦ電池１の充放電にも支障が生じないため、ＲＦ電池システムγを停止させることなく、直流電源回路６を修理できる。
　ＲＦ電池１がある程度充電されたら、開閉制御部３０は第一スイッチＳ１をＯＮに、第二スイッチＳ２をＯＦＦにする。その結果、電力変換器９１を介して電力系統９（図１参照）とＲＦ電池１との間で電力の遣り取りが行なわれる。初期充電時以外のＲＦ電池１の充放電時は、第一スイッチＳ１をＯＮに、第二スイッチＳ２をＯＦＦに維持しておく。
＜実施形態４＞
　実施形態４では、実施形態１～３とは異なる電流低減機構２を備えるＲＦ電池システムδを図７に基づいて説明する。
　本例のＲＦ電池システムδの電流低減機構２は、連結配線１Ｃ、第一スイッチＳ１、第二スイッチＳ２、第三スイッチＳ３、キャパシタ７、抵抗器８、および開閉制御部３０を備える。連結配線１Ｃは、正極配線１Ｐと負極配線１Ｎとに接続され、この連結配線１Ｃには、正極配線１Ｐ側から順に、第三スイッチＳ３、キャパシタ７、および抵抗器８が配置されている。キャパシタ７の容量は、ＲＦ電池１の容量よりも小さい。キャパシタ７の容量は、例えばＲＦ電池１の容量の０．００２％以上０．０２％以下、好ましくは０．００５％以上０．０１％以下である。第一スイッチＳ１は、正極配線１Ｐ（負極配線１Ｎでも良い）における連結配線１Ｃよりも電力変換器９１側に設けられている。第二スイッチＳ２は、第一スイッチＳ１が設けられる配線（本例では、正極配線１Ｐ）における連結配線１ＣよりもＲＦ電池１側に設けられている。また、本例の開閉制御部３０は充放電制御部３に備わっており、スイッチＳ１～Ｓ３の開閉を制御する。
　≪ＲＦ電池システムの運転方法≫
　上記構成を備えるＲＦ電池システムδの開閉制御部３０は、初期充電時に、キャパシタ７に蓄電する操作と、キャパシタ７に蓄電した電力をＲＦ電池１に放電する操作と、を繰り返す。キャパシタ７に蓄電する場合、開閉制御部３０は、第一スイッチＳ１と第三スイッチＳ３をＯＮに、第二スイッチＳ２をＯＦＦにする。キャパシタ７からＲＦ電池１に放電する場合、開閉制御部３０は、第二スイッチＳ２と第三スイッチＳ３をＯＮに、第一スイッチＳ１をＯＦＦにする。
　上記構成では、一旦キャパシタ７に充電してから、キャパシタ７の電力をＲＦ電池１に放電することを繰り返す。この場合、電力変換器９１とキャパシタ７とを電気的に接続したときに電力変換器９１に流れる電流が突入電流となる。キャパシタ７の容量はＲＦ電池１の容量よりも小さいため、電力変換器９１に流れる突入電流の継続時間を電力変換器９１の許容時間以内に抑えることができる。また、キャパシタ７に直列に抵抗器８が配置されているため、突入電流の増大を抑制できる。
　ＲＦ電池１がある程度充電されたら、開閉制御部３０は、第一スイッチＳ１および第二スイッチＳ２をＯＮに、第三スイッチＳ３をＯＦＦにする。その結果、電力変換器９１を介して電力系統９（図１参照）とＲＦ電池１との間で電力の遣り取りが行なわれる。初期充電時以外のＲＦ電池１の充放電時は、第一スイッチＳ１および第二スイッチＳ２をＯＮに、第三スイッチＳ３をＯＦＦに維持しておく。
α，β，γ，δ　レドックスフロー電池システム（ＲＦ電池システム）
１　レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
　１Ｐ　正極配線　１Ｎ　負極配線
　１Ｂ　分岐線　１Ｃ　連結配線　１Ｘ　正極連絡線　１Ｙ　負極連絡線
２　電流低減機構
　Ｓ１　第一スイッチ　Ｓ２　第二スイッチ　Ｓ３　第三スイッチ
３　充放電制御部　３０　開閉制御部
４　抵抗器　５　直流／直流変換器　６　直流電源回路
７　キャパシタ　８　抵抗器
９　電力系統　９０　変電設備　９１　電力変換器（交流／直流変換器）
１００　セル　１０１　隔膜　１０２　正極セル　１０３　負極セル
　１００Ｐ　正極用循環機構　１００Ｎ　負極用循環機構
　１０４　正極電極　１０５　負極電極　１０６　正極電解液用タンク
　１０７　負極電解液用タンク　１０８，１０９，１１０，１１１　導管
　１１２，１１３　循環ポンプ
　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　環状シール部材
２００　セルスタック　１９０　給排板　２００ｓ　サブスタック
　２１０，２２０　エンドプレート　２３０　締付機構

Claims (5)

  1. 　電力系統との間で充放電を行うレドックスフロー電池と、
    　前記レドックスフロー電池と前記電力系統との間に配置される電力変換器と、
    　前記電力変換器から前記レドックスフロー電池に繋がる正極配線および負極配線と、
    　前記電力変換器の動作を制御することで前記レドックスフロー電池の充放電を制御する充放電制御部と、
    　を備えるレドックスフロー電池システムであって、
    　前記正極配線および前記負極配線の少なくとも一方に繋がり、初期充電時の突入電流を低減する電流低減機構を備えるレドックスフロー電池システム。
  2. 　前記電流低減機構は、
    　　前記正極配線または前記負極配線のいずれかに設けられる第一スイッチと、
    　　前記第一スイッチに並列接続され、互いに直列接続される第二スイッチおよび抵抗器と、
    　　前記第一スイッチおよび前記第二スイッチの開閉を制御する開閉制御部と、を備える請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
  3. 　前記電流低減機構は、前記電力変換器と、前記レドックスフロー電池と、の間に直列接続される直流／直流変換器を備える請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
  4. 　前記電流低減機構は、
    　　前記電力変換器と前記レドックスフロー電池との間に設けられる第一スイッチと、
    　　前記レドックスフロー電池と並列に繋がる直流電源回路と、
    　　前記直流電源回路と前記レドックスフロー電池との間に設けられる第二スイッチと、
    　　前記第一スイッチおよび前記第二スイッチの開閉を制御する開閉制御部と、を備える請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
  5. 　前記電流低減機構は、
    　　前記正極配線と前記負極配線とに接続される連結配線と、
    　　前記正極配線と前記負極配線のいずれかにおける前記連結配線よりも前記電力変換器側に設けられる第一スイッチと、
    　　前記第一スイッチが設けられる配線における前記連結配線よりも前記レドックスフロー電池側に設けられる第二スイッチと、
    　　前記連結配線に設けられる第三スイッチと、
    　　前記連結配線に設けられるキャパシタおよび抵抗器と、
    　　前記第一スイッチ、前記第二スイッチ、および前記第三スイッチの開閉を制御する開閉制御部と、を備える請求項１に記載のレドックスフロー電池システム。
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