1. はじめに

フロー電池は、大規模な電気化学的エネルギー貯蔵装置の新しいタイプです。正極および負極の電解液の両方にバナジウム塩溶液を用いる場合、全バナジウム型フロー電池（VFVB）と呼ばれ、一般的にはバナジウム電池と称されます。充電率（SOC）が100%のとき、この電池の開回路電圧（OCV）は1.5Vに達することができます。

フロー電池のエネルギー貯蔵システムは、主に以下の構成要素から成り立っています。

1.電気化学セルスタックユニット

2.電解液および電解液貯蔵・供給ユニット

3.制御・管理ユニット

フロー電池システムの中核は電気化学セルスタックです。このスタックは、特定の要件に従って数十個のセルを直列に接続して形成されます。各セルは、充放電プロセスを可能にする酸化還元反応を担っています。このスタックの構造は、燃料電池スタックの構造と類似しています。

2. フロー電池の動作原理

フロー電池は、新しいタイプの二次電池です。正極と負極の電解液が分離され、それぞれ独立して循環する高性能な電池であり、大容量、幅広い適用性（多様な環境での使用）、長いサイクル寿命といった特長を備えた新しいエネルギー製品です。レドックスフロー電池（RFB）は、大容量の電気化学的エネルギー貯蔵装置として研究・開発が進められており、従来の固体または気体電極を用いる電池とは異なり、活物質として流動する電解液溶液を使用します。その最大の特徴は、大規模なエネルギー貯蔵に適している点です。再生可能エネルギーの普及に伴い、フロー電池は急速な発展期を迎えることが予想されます。

全バナジウム型フロー電池（VFVB）のエネルギー貯蔵システムは、主に以下の要素から構成されます。

1.電解液

2.電気化学セルスタック

3.電池管理システム（BMS）

4.補助システム

電解液はポンプおよび配管によってセルスタックに循環され、電極表面で酸化還元反応が生じることで、電気エネルギーと化学エネルギーの変換が行われます。

正極電解液：V⁴⁺（バナジウム(IV)）およびV⁵⁺（バナジウム(V)）イオン溶液

負極電解液：V²⁺（バナジウム(II)）およびV³⁺（バナジウム(III)）イオン溶液

これらのバナジウムイオン種による酸化還元反応が電極表面で起こり、その後、電解液はそれぞれの貯蔵タンクに戻ります。

図1 全バナジウム型レドックスフロー電池の模式図

図1に示す模式図のとおり：

1.電解液溶液（エネルギー貯蔵媒体）は外部タンクに貯蔵されます。

2.電池セル内部では、陽極室と陰極室がイオン交換膜によって分離されています。

3.運転中、正極および負極の電解液はポンプによりそれぞれの反応室に強制的に循環され、電気化学反応に関与します。

充電時：外部電源から供給された電気エネルギーが化学エネルギーに変換され、電解液溶液に蓄積されます。

放電時：外部負荷が接続され、電解液溶液に蓄積された化学エネルギーが再び電気エネルギーに変換され、負荷に電力を供給します。

電気化学反応：

充電時

正極：VO²⁺ + H₂O → VO₂⁺ + 2H⁺ + e⁻

負極：V³⁺ + e⁻ → V²⁺

放電時

正極：VO₂⁺ + 2H⁺ + e⁻ → VO²⁺ + H₂O

負極：V²⁺ → V³⁺ + e⁻

全体反応（放電時）

VO₂⁺ + 2H⁺ + V²⁺ → VO²⁺ + H₂O + V³⁺

3. 試験装置の概要

充放電サイクル試験は、図2に示すNEWARE多チャンネル電池試験システムを用いて実施することができます。データは直接エクスポート可能であり、Originソフトウェアを用いてプロットすることで結果を生成できます。

図2 NEWARE 電池試験システム

（1）充電モード：定電流（CC）、定電圧（CV）、定電流–定電圧（CC-CV）、定電力（CP）充電に対応しています。停止条件は、電圧、電流、相対時間、容量、エネルギー、または－△V（電圧増分）です。

（2）放電モード：定電流（CC）、定電圧（CV）、定電流–定電圧（CC-CV）、定電力（CP）、定抵抗（CR）放電に対応しています。停止条件は、電圧、電流、相対時間、容量、またはエネルギーです。

（3）パルスモード：CCまたはCPでの充電パルスおよび放電パルスに対応しています。最小パルス幅は500ミリ秒です。単一のパルスステップで最大32種類のパルスを設定でき、1ステップ内で充電と放電を連続的に切り替えることが可能です。停止条件は電圧または相対時間です。

直流内部抵抗（DCIR）試験：DCIR算出のための測定点をカスタマイズして選択可能です。

（4）サイクル試験：サイクル範囲は1～65,535回であり、1サイクルあたりのステップ数は最大254です。

（5）ネストサイクル：ループの入れ子機能を備えており、最大3階層までのネストをサポートしています。より詳細な試験機能については、NEWARE技術スタッフにお問い合わせください。

4. パラメータ設定

全バナジウム型フロー電池を例にすると、電流密度を100 mA cm⁻²、電極面積を10 cm²と仮定した場合、電流密度と電極面積に基づいて計算される電流値は1000 mAとなります。具体的なステップ設定は以下のとおりです。

1.シングルポイントの「Initiate」モードを選択します。

2.ステップ1：「定電流（CC）充電」に設定します。

3.ステップ2：「定電流（CC）放電」に設定します。

4.両ステップの電流値を計算値「1000 mA」に設定します。

5.カットオフ電圧は、付図に示すとおりに設定します。

図3 操作手順

「保護条件」をクリックし、必要に応じて設定を行います。同様にサイクル数（ループ回数）も設定します。

図4 保護条件設定

上記のパラメータを設定し、ステップを保存した後、右下の「Start」をクリックすると試験が開始されます。

5. フロー電池の応用シナリオ

（1）大規模電力網向け長時間エネルギー貯蔵

フロー電池は、長時間のエネルギー貯蔵能力と高い安全性という利点を活かし、電力網のピークカット、周波数調整、分散型エネルギー資源の統合において重要な役割を果たします。例えば、風力発電所や太陽光発電所において、フロー電池エネルギー貯蔵システムは余剰電力を効率的に蓄え、供給不足時に放出することで、安定した電力出力を実現し、電力網の不安定性を低減します。

（2）再生可能エネルギー統合貯蔵

フロー電池は、再生可能エネルギーの電力系統統合に広く利用されています。特に風力や太陽光発電において、余剰電力を貯蔵し、供給不足時に放出することで、再生可能エネルギーの利用率を向上させます。

（3）スマートグリッドの発展

スマートグリッドの発展において、フロー電池は安定した電力供給を提供します。具体的には：

電力需要がピークに達する時間帯には、蓄えた電力を放出し需要に対応します。

電力需要が低い時間帯（谷間）には充電を行い、電力網の需給バランスを調整します。

（4）島嶼および遠隔地のオフグリッド電源

フロー電池は、優れた環境適応性と簡易な保守特性により、島嶼や遠隔地のオフグリッド電源システムに最適です。これらの地域では、電力網のカバーがない場合でも、信頼性の高い電力供給を実現します。

（5）バックアップ電源

フロー電池は、高い安全性と長いサイクル寿命を特長とし、バックアップ電源分野において強みを持ちます。特に5G基地局やデータセンターといった新しいインフラに対して、安定かつ信頼性の高い電力を供給し、緊急時の正常な運用を確保します。

（6）産業用ユーザーサイドエネルギー貯蔵

鉄鋼や化学生産などの産業分野において、フロー電池は高い安全性と耐腐食性を備えているため広く利用されています。需要が低い時間帯（谷間）に電力を蓄え、需要が高い時間帯（ピーク）に放電することで、ピークシフト・谷間充填を実現し、電力負荷の平準化と企業の電力コスト削減に寄与します。

以上の応用シナリオから、フロー電池は多様な分野において広範な可能性を有しており、特に高い安全性、長寿命、大容量が求められる場面での利用が期待されます。

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