JP2012164495A - Electrolyte circulation type battery system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte circulation type battery system that prevents self-discharge.SOLUTION: An electrolyte circulation type battery system includes: a battery cell; electrolyte tanks in which respective electrolytes are stored; circulation routes that form respective electrolyte flow paths between the battery cell and the respective electrolyte tanks; and circulation pumps that allow the respective electrolytes to circulate through the respective circulation routes. The system has: a battery unit 2 in which the battery cell, which ranges from one to thirty in number, is connected in series; and a booster means (booster transformer means 50) that transforms a voltage of the battery unit 2 to an AC voltage higher than the voltage of the unit 2 and outputs the AC voltage.

Description

本発明は、レドックスフロー電池(以下、RF電池と呼ぶことがある)システムなどの電解液流通型電池システムに関する。特に、シャント電流による自己放電を抑制できる電解液流通型電池システムに関する。   The present invention relates to an electrolyte solution type battery system such as a redox flow battery (hereinafter sometimes referred to as RF battery) system. In particular, the present invention relates to an electrolyte flow type battery system that can suppress self-discharge due to a shunt current.

瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池として、RF電池が利用されている。図5に示すように、RF電池1は、電池セル10を備える。電池セル10は、イオンを透過することができる隔膜101で正極セル102と負極セル103とに区画され、正極セル102には正極電極104が、負極セル103には負極電極105がそれぞれ内蔵されている。また、RF電池1は、正極用及び負極用にそれぞれ、電解液21,22を貯蔵する電解液タンク20と、電解液21,22を電解液タンク20と電池セル10（正極セル102、負極セル103）との間で循環させるための循環経路30と、循環経路30に電解液を循環させる循環ポンプ40とを備える。循環経路30は、電解液を電解液タンク20から電池セル10（正極セル102、負極セル103）に送る往路配管31と、電解液を電池セル10（正極セル102、負極セル103）から電解液タンク20に戻す復路配管32とを有する。   RF batteries are used as large-capacity storage batteries for the purpose of instantaneous voltage drop, power failure countermeasures, and load leveling. As shown in FIG. 5, the RF battery 1 includes a battery cell 10. The battery cell 10 is divided into a positive electrode cell 102 and a negative electrode cell 103 by a diaphragm 101 that can transmit ions. The positive electrode cell 102 includes a positive electrode 104, and the negative electrode cell 103 includes a negative electrode 105. Yes. The RF battery 1 includes an electrolyte tank 20 that stores electrolytes 21 and 22 for the positive electrode and the negative electrode, respectively, and the electrolyte tanks 21 and 22 are connected to the electrolyte tank 20 and the battery cell 10 (the positive electrode cell 102 and the negative electrode cell). 103) and a circulation pump 40 that circulates the electrolyte in the circulation path 30. The circulation path 30 includes an outward piping 31 for sending an electrolytic solution from the electrolytic solution tank 20 to the battery cell 10 (positive electrode cell 102, negative electrode cell 103), and an electrolytic solution from the battery cell 10 (positive electrode cell 102, negative electrode cell 103) to the electrolytic solution. And a return pipe 32 that returns to the tank 20.

RF電池1では、電解液タンク20と電池セル10とを連通するように往路配管31が接続され、電解液タンク20と電池セル10とを連通するように復路配管32が接続されている。そして、正極側及び負極側のそれぞれにおいて、循環ポンプ40が起動されることで、電解液タンク20から往路配管31を介して電解液21,22が電池セル10に送られる。電池セル10に供給された電解液21,22は、電池セル10の下方から内部を通って上方に排出され、復路配管32を介して電解液タンク20に戻されて循環する。電池セル10内では、電池反応（充放電反応）が行われる。図5中の電池セル10内の実線矢印は充電反応を、破線矢印は放電反応をそれぞれ示す。なお、ここでのRF電池1は、正負極の電解液21,22にバナジウムイオン水溶液を用いた場合を例に挙げている。   In the RF battery 1, the forward piping 31 is connected so as to communicate between the electrolytic solution tank 20 and the battery cell 10, and the backward piping 32 is connected so as to communicate between the electrolytic solution tank 20 and the battery cell 10. Then, on each of the positive electrode side and the negative electrode side, the circulation pump 40 is activated, so that the electrolyte solutions 21 and 22 are sent from the electrolyte solution tank 20 to the battery cell 10 via the outward piping 31. The electrolytes 21 and 22 supplied to the battery cell 10 are discharged upward from the bottom of the battery cell 10 through the inside thereof, and returned to the electrolyte tank 20 through the return pipe 32 and circulate. In the battery cell 10, a battery reaction (charge / discharge reaction) is performed. A solid line arrow in the battery cell 10 in FIG. 5 indicates a charging reaction, and a broken line arrow indicates a discharging reaction. In the RF battery 1 here, a case where a vanadium ion aqueous solution is used for the positive and negative electrode electrolytes 21 and 22 is taken as an example.

RF電池は、所望の電圧を得るべく、複数の電池セルを積層させることで直列に接続したセルスタックと呼ばれる形態でRF電池システムの一部として利用されることが多い。図6に示すように、セルスタック200は、双極板201を有するセルフレーム202、正極電極104、隔膜101、負極電極105、双極板201を有するセルフレーム202を順に繰り返し積層した構造となっている。このセルスタック200では、両側に一対のエンドプレート210を配置し、ボルトなどの締付部材220で両エンドプレート210を締め付けることで構成されている。   In order to obtain a desired voltage, an RF battery is often used as a part of an RF battery system in a form called a cell stack in which a plurality of battery cells are stacked and connected in series. As shown in FIG. 6, the cell stack 200 has a structure in which a cell frame 202 having a bipolar plate 201, a positive electrode 104, a diaphragm 101, a negative electrode 105, and a cell frame 202 having a bipolar plate 201 are repeatedly laminated in order. . This cell stack 200 is configured by arranging a pair of end plates 210 on both sides and fastening both end plates 210 with fastening members 220 such as bolts.

このようなセルスタックを用いたRF電池システムでは、上記のセルスタックを単独で利用したり、或いは複数のセルスタックを直列に接続して構成される電池ユニットと呼ばれる形態として利用されることがある(特許文献1参照)。この場合、電池システムとして求められる高電圧を確保するため、例えば、直列される複数の電池セルの合計数は80〜100セル程度、その合計電圧は100〜150V程度とされる。そして、この合計電圧を有する電池ユニットに対してインバータ（交流／直流変換器）が接続されている。   In an RF battery system using such a cell stack, the above cell stack may be used alone, or may be used as a form called a battery unit configured by connecting a plurality of cell stacks in series. (See Patent Document 1). In this case, in order to ensure the high voltage required for the battery system, for example, the total number of battery cells in series is about 80 to 100 cells, and the total voltage is about 100 to 150V. An inverter (AC / DC converter) is connected to the battery unit having this total voltage.

特開2007-207620号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2007-207620

上述のように、セルスタックの電解液は、通常、電解液タンクから全電池セルに並列に供給される構成になっている。ところで、電池の電圧を高めるために、電池セルの直列数を増加させる場合には、各電池セル間の電解液、或いはセルスタック間をつなぐ配管内の電解液を通じてシャント電流などの自己放電電流が増加することがある。   As described above, the cell stack electrolyte is normally supplied in parallel from the electrolyte tank to all battery cells. By the way, when increasing the number of battery cells in series in order to increase the voltage of the battery, a self-discharge current such as a shunt current is generated through the electrolyte solution between the battery cells or the electrolyte solution in the pipe connecting the cell stacks. May increase.

このシャント電流を減少させる方策の一つとして、セルスタック内の電解液の流路やセルスタック同士をつなぐ電解液の配管を細く又は長くし、流路内の電解液の抵抗を高くすることが挙げられる。しかし、このような方策は、(1)流路の細径化に伴って電解液の流れが阻害されることを補償するため、循環ポンプの出力を増大させたり、(2)流路の細径化・長尺化に伴って電池セルの構造を複雑化させたり、(3)長尺の配管を設置するスペースを確保する必要がある。   One way to reduce this shunt current is to increase the resistance of the electrolyte in the flow path by narrowing or lengthening the electrolyte flow path in the cell stack and the electrolyte pipe connecting the cell stacks. Can be mentioned. However, such measures (1) increase the output of the circulation pump to compensate that the flow of the electrolyte is obstructed as the diameter of the flow path is reduced, or (2) narrow the flow path. It is necessary to make the structure of the battery cell complicated as the diameter and length increase, and (3) to secure a space for installing a long pipe.

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的の一つは、簡易な構成にて、シャント電流による自己放電を抑制できる電解液流通型電池システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of such circumstances, and one of its purposes is to provide an electrolyte solution battery system capable of suppressing self-discharge due to shunt current with a simple configuration.

本発明者は、シャント電流を減少させるべく、上述した電解液流路の細径化や長尺化とは異なる方策を鋭意検討した結果、直列される電池セルの数を調整することで上記の目的を達成できるとの知見を得て、本発明を完成するに至った。   As a result of earnestly studying measures different from the above-described narrowing and lengthening of the electrolyte flow path in order to reduce the shunt current, the present inventor has adjusted the number of battery cells in series as described above. Obtaining knowledge that the object can be achieved, the present invention has been completed.

本発明の電解液流通型電池システムは、電池セルと、電解液を貯蔵する電解液タンクと、前記電池セルと前記電解液タンクとの間で電解液の流路を構成する循環経路と、前記循環経路に前記電解液を循環させる循環ポンプとを備える。このシステムは、1〜30セルまでの数の前記電池セルを直列に接続した電池ユニットと、この電池ユニットの電圧を当該ユニットの電圧よりも高電圧に昇圧して出力する昇圧変換手段とを備える。   An electrolytic solution flow type battery system of the present invention includes a battery cell, an electrolytic solution tank that stores the electrolytic solution, a circulation path that constitutes a flow path of the electrolytic solution between the battery cell and the electrolytic solution tank, A circulation pump for circulating the electrolyte in the circulation path. This system includes a battery unit in which the number of battery cells of 1 to 30 cells are connected in series, and boost conversion means for boosting and outputting the voltage of the battery unit to a voltage higher than the voltage of the unit. .

シャント電流は、積層した電池セルの合計電圧が高い場合に生じやすい。そのため、上記の構成によれば、直列に接続される電池セルの数を限定することで、シャント電流を低減することができる。このシャント電流の低減は、電解液の流路を細くしたり長くすることなく実現できるため、電池セルの構造の複雑化、電池システムの大型化や、循環ポンプの出力増加を必要としない。一方で、電解液流通型電池システムとして求められる所定の高電圧は、昇圧手段を用いることで、従来の電解液流通型電池システムと同等以上に確保することができる。   A shunt current is likely to occur when the total voltage of the stacked battery cells is high. Therefore, according to the above configuration, the shunt current can be reduced by limiting the number of battery cells connected in series. This reduction of the shunt current can be realized without narrowing or lengthening the flow path of the electrolytic solution, so that the structure of the battery cell, the enlargement of the battery system, and the increase of the output of the circulation pump are not required. On the other hand, the predetermined high voltage required as the electrolyte solution-flowing battery system can be ensured to be equal to or higher than that of the conventional electrolyte solution-flowing battery system by using the boosting means.

本発明の電解液流通型電池システムの一形態として、前記昇圧手段は、電池ユニットの出力を当該ユニットの電圧よりも高電圧の交流に変換出力する昇圧変換手段であることが挙げられる。   As one form of the electrolyte solution type battery system of the present invention, the boosting means may be boosting conversion means for converting the output of the battery unit into an alternating current having a voltage higher than the voltage of the unit.

この構成によれば、直流である電池ユニットの出力を交流に変換することで、電池ユニットの出力を交流の電力系統に出力することができる。   According to this configuration, the output of the battery unit can be output to an AC power system by converting the output of the battery unit that is DC into AC.

本発明の電解液流通型電池システムの一形態として、一つの前記昇圧手段（昇圧変換手段）に対して複数の前記電池ユニットが並列に接続されていることが挙げられる。   As one form of the electrolyte flow type battery system of the present invention, a plurality of battery units are connected in parallel to one of the boosting means (boost conversion means).

この構成によれば、複数の電池ユニットを並列に備えることで、電解液流通型電池システムとして十分な電力を確保することができる。   According to this configuration, by providing the plurality of battery units in parallel, it is possible to ensure sufficient power as the electrolyte flow type battery system.

本発明の電解液流通型電池システムの一形態として、昇圧変換手段を、DC/DCコンバータと、DC/ACインバータとを備える構成とすることが挙げられる。このDC/DCコンバータは、電池ユニットから出力される直流を高電圧の直流に昇圧する。前記DC/ACインバータは、DC/DCコンバータで高電圧に昇圧された直流を高電圧の交流に変換する。   As one form of the electrolyte flow type battery system of the present invention, the step-up conversion means may include a DC / DC converter and a DC / AC inverter. This DC / DC converter boosts the direct current output from the battery unit to a high voltage direct current. The DC / AC inverter converts a direct current boosted to a high voltage by a DC / DC converter into a high voltage alternating current.

この構成によれば、DC/DCコンバータにより、低電圧の電池ユニットの直流を所定の高電圧の直流に昇圧し、さらにDC/ACインバータにより、高電圧の直流を高電圧の交流として変換出力することができる。そのため、この電解液流通型電池システムから所定の高電圧の交流を出力することができる。   According to this configuration, the direct current of the low voltage battery unit is boosted to a predetermined high voltage direct current by the DC / DC converter, and the high voltage direct current is converted and output as a high voltage alternating current by the DC / AC inverter. be able to. Therefore, a predetermined high-voltage alternating current can be output from the electrolyte solution battery system.

本発明の電解液流通型電池システムの一形態として、昇圧変換手段を、DC/ACインバータと、トランスとを備える構成とすることが挙げられる。このDC/ACインバータは、電池ユニットから出力される直流を交流に変換する。前記トランスは、DC/ACインバータで変換された交流を高電圧の交流に昇圧する。   As one form of the electrolyte flow type battery system of the present invention, the step-up conversion means includes a DC / AC inverter and a transformer. The DC / AC inverter converts direct current output from the battery unit into alternating current. The transformer boosts the alternating current converted by the DC / AC inverter to a high-voltage alternating current.

この構成によれば、DC/ACインバータにより低電圧の電池ユニットの直流を低電圧の交流に変換し、さらにトランスにより低電圧の交流を所定の高電圧の交流に変換出力することができる。そのため、この電解液流通型電池システムから所定の高電圧の交流を出力することができる。   According to this configuration, the DC / AC inverter can convert the direct current of the low-voltage battery unit into a low-voltage alternating current, and the transformer can convert the low-voltage alternating current into a predetermined high-voltage alternating current. Therefore, a predetermined high-voltage alternating current can be output from the electrolyte solution battery system.

本発明の電解液流通型電池システムの一形態として、前記電池ユニットと前記昇圧手段（昇圧変換手段）との組合せを複数組並列に接続したことが挙げられる。   As one form of the electrolyte flow type battery system of the present invention, a plurality of combinations of the battery unit and the boosting means (boosting conversion means) are connected in parallel.

一つの昇圧手段（昇圧変換手段）に対して多数の電池ユニットを並列に接続する場合、大型の昇圧手段（昇圧変換手段）が必要な場合がある。上記の構成によれば、昇圧手段（昇圧変換手段）と電池ユニットを複数備えることで、一つ当たりの昇圧手段（昇圧変換手段）のサイズを小型化することができ、電池システム全体としての低コスト化に寄与できる。また、複数の昇圧手段（昇圧変換手段）を個別に制御することで、上記組合せ単位毎に充電・放電・停止を制御できる。   When a large number of battery units are connected in parallel to one booster (boost converter), a large booster (boost converter) may be required. According to the above configuration, by providing a plurality of boosting means (boost conversion means) and battery units, the size of each boosting means (boost conversion means) can be reduced, and the overall battery system can be reduced. This can contribute to cost reduction. Further, by individually controlling a plurality of boosting means (boost conversion means), charging / discharging / stopping can be controlled for each combination unit.

上述の本発明の電解液流通型電池システムに利用できる電解液としては、以下の(1)〜(5)のいずれかが挙げられる。
(1) 正極電解液は、マンガンイオンを含有し、負極電解液は、チタンイオン、バナジウムイオン、クロムイオン、亜鉛イオン、及びスズイオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有する。
(2) 正極電解液は、マンガンイオン及びチタンイオンの双方を含有し、負極電解液は、チタンイオン、バナジウムイオン、クロムイオン、亜鉛イオン、及びスズイオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有する。
(3) 正極電解液及び負極電解液は、マンガンイオン及びチタンイオンの双方を含有する。
(4) 正極電解液及び負極電解液は、バナジウムイオンを含有する。
(5) 正極電解液は、鉄イオンを含有し、負極電解液は、チタンイオン、バナジウムイオン、クロムイオン、亜鉛イオン、及びスズイオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有する。 Any of the following (1) to (5) may be mentioned as an electrolytic solution that can be used in the above-described electrolytic solution battery system of the present invention.
(1) The positive electrode electrolyte contains manganese ions, and the negative electrode electrolyte contains at least one metal ion selected from titanium ions, vanadium ions, chromium ions, zinc ions, and tin ions.
(2) The positive electrode electrolyte contains both manganese ions and titanium ions, and the negative electrode electrolyte contains at least one metal ion selected from titanium ions, vanadium ions, chromium ions, zinc ions, and tin ions. .
(3) The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain both manganese ions and titanium ions.
(4) The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain vanadium ions.
(5) The positive electrode electrolyte contains iron ions, and the negative electrode electrolyte contains at least one metal ion selected from titanium ions, vanadium ions, chromium ions, zinc ions, and tin ions.

これらの電解液は、いずれも好ましい電解液流通型電池システムを構成することができる。特に、上記(1),(2)の電解液として、正極活物質にマンガンイオン、負極活物質に上記列挙したチタンイオンやバナジウムイオンなどを用いることで、高い起電力が得られる。上記(3)の電解液として、正極活物質にマンガンイオン、負極活物質にチタンイオンを用いることで、高い起電力が得られる。更に、上記(2),(3)の電解液において正極活物質をマンガンイオンとし、別途チタンイオンを含有することで、高い起電力が得られる上に、電池抵抗の増加につながる析出物の発生を効果的に抑制することができる。上記(5)の電解液としては、正極電解液が鉄イオンを含有し、負極電解液がクロムイオンを含有する構成が好適である。   Any of these electrolyte solutions can constitute a preferable electrolyte flow type battery system. In particular, as the electrolytic solutions (1) and (2), high electromotive force can be obtained by using manganese ions as the positive electrode active material and titanium ions or vanadium ions listed above as the negative electrode active material. A high electromotive force can be obtained by using manganese ions as the positive electrode active material and titanium ions as the negative electrode active material as the electrolytic solution of (3) above. Furthermore, in the electrolytes of (2) and (3) above, the positive electrode active material is manganese ions, and by separately containing titanium ions, high electromotive force is obtained, and precipitates that increase battery resistance are generated. Can be effectively suppressed. As the electrolyte solution of the above (5), a configuration in which the positive electrode electrolyte solution contains iron ions and the negative electrode electrolyte solution contains chromium ions is preferable.

本発明の電解液流通型電池システムによれば、簡易な構成にて、シャント電流を抑制しながら、電池システムとして求められる高電圧を確保することができる。   According to the electrolytic solution flow type battery system of the present invention, a high voltage required as a battery system can be secured with a simple configuration while suppressing a shunt current.

実施形態1に係る本発明RF電池システムの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of an RF battery system of the present invention according to Embodiment 1. FIG. 実施形態2に係る本発明RF電池システムの概略構成図である。3 is a schematic configuration diagram of an RF battery system of the present invention according to Embodiment 2. FIG. 実施形態3に係る本発明RF電池システムの概略構成図である。4 is a schematic configuration diagram of an RF battery system of the present invention according to Embodiment 3. FIG. 実施形態4に係る本発明RF電池システムの概略構成図である。5 is a schematic configuration diagram of an RF battery system of the present invention according to Embodiment 4. FIG. RF電池の動作原理を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the operation principle of RF battery. セルスタックの概略構成図である。It is a schematic block diagram of a cell stack.

以下、図面を参照して、実施形態に係る電解液流通型電池システムを、RF電池システムを例として説明する。各実施形態の説明において、基本的に従来と共通する構成であるRF電池やセルスタックの構成について述べる際は、図5、図6を参照する。各図において同一符号は、同一名称物を示す。   Hereinafter, an electrolyte solution battery system according to an embodiment will be described with an RF battery system as an example with reference to the drawings. In the description of each embodiment, reference is made to FIGS. 5 and 6 when describing the configuration of an RF battery or a cell stack, which is basically a configuration common to the related art. In each figure, the same code | symbol shows the same name thing.

（実施形態１）
実施形態1に係るRF電池システムを図1に基づいて説明する。このRF電池システムは、電池ユニット2及び昇圧変換手段50を備え、この昇圧変換手段50を介して電池ユニット2の電力を母線100へ所定の電圧の交流で出力し、母線100からの電力を電池ユニット2へ所定の電圧の直流で入力できるように構成されている。母線100は、例えば電力系統の一部を構成する。本例では、単一の電池ユニット2に対して単一の昇圧変換手段50を組み合わせた構成である。本例のシステムの特徴の一つは、電池ユニット2を構成する電池セルの数を限定し、さらにこの電池ユニット2に昇圧変換手段50を組み合わせた点にある。 (Embodiment 1)
An RF battery system according to Embodiment 1 will be described with reference to FIG. This RF battery system includes a battery unit 2 and a boost converter 50, and outputs the power of the battery unit 2 to the bus 100 through the boost converter 50 with an alternating current of a predetermined voltage, and the power from the bus 100 is supplied to the battery. The unit 2 is configured to be input with a direct current of a predetermined voltage. The bus 100 constitutes a part of the power system, for example. In this example, a single boost conversion means 50 is combined with a single battery unit 2. One of the features of the system of this example is that the number of battery cells constituting the battery unit 2 is limited, and further, the step-up conversion means 50 is combined with the battery unit 2.

＜電池ユニット＞
電池ユニット2の基本的構成は図5、6に示す従来のRF電池1と同様である。即ち、電池ユニット2は、一つの電池セル10（図5）、或いは複数の電池セルを積層したセルスタック200（図6）の形態で構成される。電池セル10は、正極電解液が流通される正極電極104と、負極電解液が流通される負極電極105と、両電極104,105の間に介在される隔膜(代表的にはイオン交換膜)101とを有する。一方、セルスタック200は、各極電極104,105が表裏に配置される双極板201を有するフレーム202と上記電池セル10とが交互に積層され、各電池セルは電気的に直列に接続されている。電池セル、セルスタックのいずれであっても、各極電極104,105に供給する各極電解液を貯留する各極電解液タンク20(図5)と、電池セル10（セルスタック200）と各極電解液タンク20とに接続されて電解液の流路となる循環経路30(図5)とを備える。電解液としては、バナジウムイオンなどの金属イオンを活物質に含有する硫酸溶液などが用いられる。この電解液は、各極電解液タンク20から循環ポンプ40で電池セル10（セルスタック200）に供給して電池反応に供される。セルスタック200に各極の電解液を供給する場合、各電池セル10には並列に各極の電解液21,22が供給される。なお、本例では正極セル102と負極セル103の各々に正極電解液21、負極電解液22が供給される構成を示しているが、いずれか一方の電極セルにのみ電解液を供給する構成を採ることもできる。 <Battery unit>
The basic configuration of the battery unit 2 is the same as that of the conventional RF battery 1 shown in FIGS. That is, the battery unit 2 is configured in the form of one battery cell 10 (FIG. 5) or a cell stack 200 (FIG. 6) in which a plurality of battery cells are stacked. The battery cell 10 includes a positive electrode 104 through which a positive electrode electrolyte is circulated, a negative electrode 105 through which a negative electrode electrolyte is circulated, and a diaphragm (typically an ion exchange membrane) 101 interposed between both electrodes 104, 105. Have On the other hand, in the cell stack 200, the frame 202 having the bipolar plate 201 on which the electrode electrodes 104 and 105 are arranged on the front and back and the battery cell 10 are alternately stacked, and the battery cells are electrically connected in series. In each of the battery cell and the cell stack, each electrode electrolyte tank 20 (FIG. 5) for storing each electrode electrolyte supplied to each electrode 104, 105, the battery cell 10 (cell stack 200), and each electrode electrolysis A circulation path 30 (FIG. 5) connected to the liquid tank 20 and serving as a flow path for the electrolytic solution is provided. As the electrolytic solution, a sulfuric acid solution containing metal ions such as vanadium ions in the active material is used. This electrolytic solution is supplied from each electrode electrolytic solution tank 20 to the battery cell 10 (cell stack 200) by the circulation pump 40 and used for the battery reaction. When supplying the electrolyte solution of each electrode to the cell stack 200, the electrolyte solutions 21 and 22 of each electrode are supplied to each battery cell 10 in parallel. In this example, a configuration in which the positive electrode electrolyte 21 and the negative electrode electrolyte 22 are supplied to each of the positive electrode cell 102 and the negative electrode cell 103 is shown, but a configuration in which the electrolyte solution is supplied only to one of the electrode cells. It can also be taken.

ここで、電池ユニット2を構成する電池セル10の数は1〜30とする。シャント電流は、電解液を共通し、かつ直列に接続される電池セル10の数が多いと発生し易くなる。特に、電池セル10の数が30セルを超えると顕著にシャント電流が生じる。そのため、本例では一つの電池ユニット2の電池セル10の数を30以下としている。より好ましい電池セル10の数は25以下、さらに好ましい電池セル10の数は20以下である。電池ユニット2を構成する電池セル10の最少数は1であるが、通常、複数の電池セル10、例えば5以上、特に10以上の電池セル10を直列に接続して利用することが実用的である。電池ユニット2の電圧は、電池セル10の数を30以下としたため、一般に50V以下程度である。単一の電池ユニット2の電圧を50V以下とすることで、シャント電流の発生を効果的に低減できる。単一の電池ユニット2の電圧は、40V以下、さらには30V以下としてもよい。   Here, the number of battery cells 10 constituting the battery unit 2 is 1 to 30. The shunt current is likely to be generated when the number of battery cells 10 that share the electrolyte and are connected in series is large. In particular, when the number of battery cells 10 exceeds 30 cells, a shunt current is significantly generated. Therefore, in this example, the number of battery cells 10 of one battery unit 2 is 30 or less. The number of the battery cells 10 is more preferably 25 or less, and the number of the battery cells 10 is more preferably 20 or less. The minimum number of battery cells 10 constituting the battery unit 2 is 1, but it is usually practical to use a plurality of battery cells 10, for example, 5 or more, particularly 10 or more battery cells 10 connected in series. is there. The voltage of the battery unit 2 is generally about 50 V or less because the number of battery cells 10 is 30 or less. By setting the voltage of the single battery unit 2 to 50 V or less, generation of shunt current can be effectively reduced. The voltage of the single battery unit 2 may be 40V or less, and further 30V or less.

＜昇圧変換手段＞
上述のように、電池ユニット2の電池セル数を限定すれば、電池ユニット2の電圧も制約され、負荷側に供給される所定の高電圧を得ることは難しい。そのため、この電池ユニット2の電圧は、昇圧変換手段50により昇圧される。昇圧変換手段50は、電池ユニット2の低電圧の直流を高電圧の交流として母線100に変換出力する機能を有する。勿論、電池ユニット2の充電時、母線100の高電圧の交流は、降圧変換手段の機能も兼ねる昇圧変換手段50により、低電圧の直流に変換されて電池ユニット2に入力される。 <Boost conversion means>
As described above, if the number of battery cells of the battery unit 2 is limited, the voltage of the battery unit 2 is also restricted, and it is difficult to obtain a predetermined high voltage supplied to the load side. Therefore, the voltage of the battery unit 2 is boosted by the boost conversion means 50. The step-up conversion means 50 has a function of converting and outputting the low voltage direct current of the battery unit 2 to the bus 100 as a high voltage alternating current. Of course, when the battery unit 2 is charged, the high-voltage alternating current of the bus 100 is converted into a low-voltage direct current by the step-up conversion means 50 that also functions as a step-down conversion means and is input to the battery unit 2.

より具体的には、昇圧変換手段50は、DC/DCコンバータ51とDC/ACインバータ52とを備える。DC/DCコンバータ51は、電池ユニット2に接続されて、電池ユニット2から出力される低電圧の直流を高電圧の直流に昇圧する。一方、DC/ACインバータ52は、母線100とDC/DCコンバータと51の間に接続され、DC/DCコンバータ51で高電圧に昇圧された直流を高電圧の交流に変換する。この昇圧と変換により、電池ユニット2の低電圧の直流を高電圧の交流として母線100に出力（放電）することができる。   More specifically, the boost conversion means 50 includes a DC / DC converter 51 and a DC / AC inverter 52. The DC / DC converter 51 is connected to the battery unit 2 and boosts a low-voltage direct current output from the battery unit 2 to a high-voltage direct current. On the other hand, the DC / AC inverter 52 is connected between the bus 100 and the DC / DC converter 51, and converts the direct current boosted to a high voltage by the DC / DC converter 51 into a high voltage alternating current. By this boosting and conversion, the low voltage direct current of the battery unit 2 can be output (discharged) to the bus 100 as a high voltage alternating current.

逆に、母線100からの電力を電池ユニット2に入力（充電）する場合、母線100の高電圧の交流を整流器（図示略）で高電圧の直流に整流し、その高電圧の直流をDC/DCコンバータ51で降圧して低電圧の直流として電池ユニット2に入力させる。この整流器は、DC/ACインバータ52の一部として構成してもよい。さらには、DC/DCコンバータ51をDC/ACインバータ52に内蔵させることもできる。   Conversely, when the power from the bus 100 is input (charged) to the battery unit 2, the high voltage AC of the bus 100 is rectified to a high voltage DC by a rectifier (not shown), and the high voltage DC is converted to DC / The voltage is stepped down by the DC converter 51 and input to the battery unit 2 as a low voltage direct current. This rectifier may be configured as part of the DC / AC inverter 52. Furthermore, the DC / DC converter 51 can be incorporated in the DC / AC inverter 52.

＜作用効果＞
上記の電池システムによれば、電池ユニットを構成する電池セルの数を限定することで電池ユニットの電圧を低く抑え、それによりシャント電流を低減することができる。このシャント電流の低減は、電解液の流路の細径化や長尺化を伴うことなく実現できる。そのため、電解液流路を形成する電池セルの構造を複雑にしたり、ポンプ出力を増大させる必要もない。 <Effect>
According to said battery system, the voltage of a battery unit can be restrained low by limiting the number of the battery cells which comprise a battery unit, and, thereby, shunt electric current can be reduced. This reduction of the shunt current can be realized without reducing the diameter or length of the electrolyte flow path. Therefore, there is no need to complicate the structure of the battery cell that forms the electrolyte flow path or increase the pump output.

また、この電池システムによれば、電池ユニットに昇圧変換手段を組み合わせることで、低い電池ユニットの電圧を所定の高電圧の交流に昇圧変換して、母線に出力することができる。   In addition, according to this battery system, by combining the battery unit with the step-up conversion means, the voltage of the low battery unit can be step-up converted into a predetermined high voltage alternating current and output to the bus.

さらに、この電池システムは、風力、太陽電池などの自然エネルギーを用いた発電機と組み合わせて、その発電機の出力平滑化などに利用することができる。これら発電機は、出力変動が大きく、さらには組み合わされる電池システムに長い待機時間が求められることがある。そのような特性の発電機に対しても、本例の電池システムはシャント電流による自己放電が少ないため、好適に利用できる。   Furthermore, this battery system can be used for smoothing the output of the generator in combination with a generator using natural energy such as wind power or a solar battery. These generators have large output fluctuations and may require a long standby time for the battery system to be combined. Even for a generator having such characteristics, the battery system of this example can be suitably used because it has less self-discharge due to shunt current.

（実施形態2）
次に、実施形態2に係るRF電池システムを図2に基づいて説明する。本例のシステムは、昇圧変換手段に対して接続される電池ユニットの数が実施形態1のシステムと異なり、他の構成は基本的に実施形態1のシステムと共通である。以下、主に相違点を説明する。 (Embodiment 2)
Next, an RF battery system according to Embodiment 2 will be described with reference to FIG. The system of this example is different from the system of the first embodiment in the number of battery units connected to the boost converter, and other configurations are basically the same as the system of the first embodiment. Hereinafter, differences will be mainly described.

本例のシステムでは、一つの昇圧変換手段50に対して、複数の電池ユニット2が並列に接続されている。各電池ユニット2を構成する電池セル10の数が30以下である点や、昇圧変換手段50の構成は実施形態1と同様である。電池ユニット2の数は特に制限されないが、実用的には、2〜30程度である。各電池ユニット2を構成する電池セル10の数は全て同じとすることが好ましい。これにより、各電池ユニット2間での電圧の相違を無くすことができる。   In the system of this example, a plurality of battery units 2 are connected in parallel to one boost conversion means 50. The point that the number of battery cells 10 constituting each battery unit 2 is 30 or less, and the configuration of the boost converter 50 are the same as those in the first embodiment. The number of battery units 2 is not particularly limited, but is practically about 2 to 30. The number of battery cells 10 constituting each battery unit 2 is preferably the same. Thereby, the voltage difference between the battery units 2 can be eliminated.

本例のシステムによれば、実施形態1と同様の作用効果に加え、複数の電池ユニットを並列に昇圧変換手段に接続することで、母線に出力するのに十分な電力を確保することができる。   According to the system of this example, in addition to the same effects as in the first embodiment, it is possible to secure sufficient power to output to the bus by connecting a plurality of battery units to the boost converter in parallel. .

（実施形態3）
次に、実施形態3に係るRF電池システムを図3に基づいて説明する。本例のシステムは、昇圧変換手段の構成が実施形態2のシステムと異なり、他の構成は基本的に実施形態2のシステムと共通である。以下、主に相違点を説明する。 (Embodiment 3)
Next, an RF battery system according to Embodiment 3 will be described with reference to FIG. The system of this example is different from the system of the second embodiment in the configuration of the boost conversion means, and the other configurations are basically the same as the system of the second embodiment. Hereinafter, differences will be mainly described.

本例の昇圧変換手段50は、DC/ACインバータ52とトランス53とを備える。DC/ACインバータ52は、電池ユニット2に接続されて、電池ユニット2から出力される低電圧の直流を低電圧の交流に変換出力する。一方、トランス53は、母線100とDC/ACコンバータ52との間に接続され、DC/ACインバータ52から出力される低電圧の交流を高電圧の交流に昇圧して出力する。この変換と昇圧により、電池ユニット2の低電圧の直流を高電圧の交流として母線100に出力（放電）することができる。   The step-up conversion means 50 of this example includes a DC / AC inverter 52 and a transformer 53. The DC / AC inverter 52 is connected to the battery unit 2 and converts a low-voltage direct current output from the battery unit 2 into a low-voltage alternating current. On the other hand, the transformer 53 is connected between the bus 100 and the DC / AC converter 52, and boosts and outputs the low-voltage alternating current output from the DC / AC inverter 52 to the high-voltage alternating current. By this conversion and boosting, the low voltage direct current of the battery unit 2 can be output (discharged) to the bus 100 as a high voltage alternating current.

逆に、母線100からの電力を電池ユニット2に入力（充電）する場合、母線100の高電圧の交流をトランス53で低電圧の交流に変換し、その低電圧の交流を整流器（図示略）で低電圧の直流として電池ユニット2に入力させる。この整流器は、DC/ACインバータ52の一部として構成してもよい。   Conversely, when the power from the bus 100 is input (charged) to the battery unit 2, the high-voltage AC of the bus 100 is converted into a low-voltage AC by the transformer 53, and the low-voltage AC is rectified (not shown). Then, the battery unit 2 is input as a low voltage direct current. This rectifier may be configured as part of the DC / AC inverter 52.

本例の場合も、実施形態2と同様の作用効果を期待できる。また、実施形態2で必要だったDC/DCコンバータが不要になることから、システムの制御が簡単になり、その信頼性向上、低コスト化が期待できる。   In the case of this example, the same effect as that of the second embodiment can be expected. Further, since the DC / DC converter required in the second embodiment is not required, the control of the system is simplified, and the reliability can be improved and the cost can be reduced.

（実施形態4）
さらに、実施形態4に係るRF電池システムを図4に基づいて説明する。本例のシステムは、電池ユニット及び昇圧変換手段の組合せの数が実施形態2のシステムと異なり、他の構成は基本的に実施形態2のシステムと共通である。以下、主に相違点を説明する。 (Embodiment 4)
Furthermore, an RF battery system according to Embodiment 4 will be described with reference to FIG. The system of this example is different from the system of the second embodiment in the number of combinations of battery units and boost converters, and other configurations are basically the same as those of the system of the second embodiment. Hereinafter, differences will be mainly described.

実施形態2では、電池ユニット2及び昇圧変換手段50の組合せの数が一つだったが、本例では複数としている。そして、これら複数の組合せ70（図4では破線表示）は、母線100に対して並列に接続している。なお、本例では、昇圧変換手段50としてDC/DCコンバータ51とDC/ACインバータ52を用いているが、その代わりに、実施形態3と同様に、DC/ACインバータ52とトランス53を用いてもよい。   In the second embodiment, the number of combinations of the battery unit 2 and the boosting converter 50 is one, but in this example, a plurality of combinations are used. The plurality of combinations 70 (indicated by broken lines in FIG. 4) are connected in parallel to the bus 100. In this example, the DC / DC converter 51 and the DC / AC inverter 52 are used as the step-up conversion means 50. Instead, the DC / AC inverter 52 and the transformer 53 are used as in the third embodiment. Also good.

本例の構成においても、実施形態2と同様の作用効果を奏することができる。また、一つの組合せを構成する電池ユニットの数を調整する、例えば少なくすることで、個々の組合せに接続される昇圧変換手段は小型のものを利用でき、電池システム全体の低コスト化が期待できる。また、複数の昇圧変換手段を個別に制御することで、上記組合せ単位毎に充電・放電・停止を制御できる。例えば、(1)一部の組合せに対してメンテナンスが必要なとき、その組合せの運転を停止させたり、(2)一部の組合せに充電が必要な場合、その組合せのみ充電運転させたり、(3)要求される電池システムの出力に応じて、一部の組合せの運転を停止させたりすることができる。   Also in the configuration of this example, the same operational effects as those of the second embodiment can be achieved. Further, by adjusting the number of battery units constituting one combination, for example, by reducing the number, the step-up conversion means connected to each combination can use a small one, and the cost reduction of the entire battery system can be expected. . In addition, by individually controlling the plurality of boost converters, charging / discharging / stopping can be controlled for each combination unit. For example, (1) when maintenance is required for some combinations, stop the operation of those combinations, or (2) when some combinations require charging, charge only those combinations, ( 3) Depending on the required output of the battery system, some combinations can be stopped.

なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、電解液の種類をバナジウム系電解液以外の電解液に変更してもよい。具体的には、上述したMn/Ti系電解液などとすることができる。その他、一つ以上の電池ユニットに対して一つのDC/DCコンバータ（昇圧手段）を接続し、電池ユニットの出力を高電圧の直流として、直流の系統に出力することができる。その場合、DC/ACコンバータを省略すればよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the gist of the present invention. For example, the type of the electrolytic solution may be changed to an electrolytic solution other than the vanadium-based electrolytic solution. Specifically, the Mn / Ti-based electrolyte described above can be used. In addition, one DC / DC converter (step-up means) can be connected to one or more battery units, and the output of the battery unit can be output as a high voltage direct current to a direct current system. In that case, the DC / AC converter may be omitted.

本発明の電解液流通型電池システムは、自然エネルギーを利用した発電機の出力変動の平滑化、余剰電力の貯蔵、負荷平準化などを図ることを目的とした大容量蓄電池に好適に利用可能である。   The electrolyte circulation type battery system of the present invention can be suitably used for a large capacity storage battery for the purpose of smoothing output fluctuation of a generator using natural energy, storing surplus power, leveling a load, etc. is there.

1 電解液流通型電池（レドックスフロー電池）
2 電池ユニット
10 電池セル
101 隔膜 102 正極セル 103 負極セル
104 正極電極 105 負極電極
20 電解液タンク
21 （正極）電解液 22 （負極）電解液
30 循環経路
31 往路配管 32 復路配管
40 循環ポンプ
50 昇圧変換手段
51 DC/DCコンバータ 52 DC/ACインバータ 53 トランス
70 組合せ
100 母線
200 セルスタック
201 双極板 202 セルフレーム
210 エンドプレート 220 締結部材 1 Electrolyte battery (redox flow battery)
2 Battery unit
10 battery cells
101 Diaphragm 102 Positive electrode cell 103 Negative electrode cell
104 Positive electrode 105 Negative electrode
20 Electrolyte tank
21 (Positive electrode) Electrolytic solution 22 (Negative electrode) Electrolytic solution
30 Circulation path
31 Outward piping 32 Return piping
40 Circulation pump
50 Boost converter
51 DC / DC converter 52 DC / AC inverter 53 Transformer
70 combinations
100 busbar
200 cell stack
201 Bipolar plate 202 Cell frame
210 End plate 220 Fastener

Claims (6)

電池セルと、
電解液を貯蔵する電解液タンクと、
前記電池セルと前記電解液タンクとの間で電解液の流路を構成する循環経路と、
前記循環経路に前記電解液を循環させる循環ポンプとを備える電解液流通型電池システムであって、
1〜30セルまでの数の前記電池セルを直列に接続した電池ユニットと、
この電池ユニットの電圧を当該ユニットの電圧よりも高電圧に昇圧して出力する昇圧手段とを備えることを特徴とする電解液流通型電池システム。 A battery cell;
An electrolyte tank for storing the electrolyte;
A circulation path that constitutes a flow path of the electrolytic solution between the battery cell and the electrolytic solution tank;
An electrolyte flow type battery system comprising a circulation pump for circulating the electrolyte in the circulation path,
A battery unit in which the battery cells of the number of 1 to 30 cells are connected in series;
An electrolyte flow type battery system comprising: a boosting unit that boosts and outputs the voltage of the battery unit to a voltage higher than the voltage of the unit. 前記昇圧手段は、電池ユニットの出力を当該ユニットの電圧よりも高電圧の交流に変換出力する昇圧変換手段であることを特徴とする請求項1に記載の電解液流通型電池システム。   2. The electrolyte circulation type battery system according to claim 1, wherein the boosting means is boosting conversion means for converting the output of the battery unit into an alternating current having a voltage higher than the voltage of the unit. 一つの前記昇圧手段に対して複数の前記電池ユニットが並列に接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の電解液流通型電池システム。   3. The electrolyte flow type battery system according to claim 1, wherein a plurality of the battery units are connected in parallel to one of the boosting means. 前記昇圧変換手段は、
前記電池ユニットから出力される直流を高電圧の直流に昇圧するDC/DCコンバータと、
このDC/DCコンバータで高電圧に昇圧された直流を高電圧の交流に変換するDC/ACインバータとを備えることを特徴とする請求項2又は3に記載の電解液流通型電池システム。 The step-up conversion means includes
A DC / DC converter that boosts the direct current output from the battery unit to a high-voltage direct current;
4. The electrolyte flow type battery system according to claim 2, further comprising a DC / AC inverter that converts a direct current boosted to a high voltage by the DC / DC converter into a high voltage alternating current. 前記昇圧変換手段は、
前記電池ユニットから出力される直流を交流に変換するDC/ACインバータと、
このDC/ACインバータで変換された交流を高電圧の交流に昇圧するトランスとを備えることを特徴とする請求項2又は3に記載の電解液流通型電池システム。 The step-up conversion means includes
A DC / AC inverter that converts direct current output from the battery unit into alternating current;
4. The electrolyte solution type battery system according to claim 2, further comprising a transformer that boosts the alternating current converted by the DC / AC inverter to a high-voltage alternating current. 前記電池ユニットと前記昇圧変換手段との組合せを複数組並列に接続したことを特徴とする請求項2〜5のいずれか一項に記載の電解液流通型電池システム。   6. The electrolyte circulation type battery system according to claim 2, wherein a plurality of combinations of the battery unit and the boost converter are connected in parallel.
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