JP2017134920A - セルフレームおよびフロー電池 - Google Patents

Abstract

【課題】 セルスタックの構造の異なる場合であっても、構成を大型化および複雑化することなく、シャントカレントロスを低減することができるセルフレームおよびフロー電池を提供する。
【解決手段】 電解液が供給される電解液供給用マニホールド１３ａ，１３ｂが上辺に設けられた、電極が収容される収容空間を規定する矩形枠状のセルフレーム２ａ,２ｂであって、上辺の電解液供給用マニホールド１３ａ，１３ｂ下方に配設された分散部８ａ，８ｂを含み、分散部８ａ，８ｂは、電解液供給用マニホールドから下面まで延びる複数のスリット９ａ，９ｂが設けられ、電解液供給用マニホールド１３ａ，１３ｂに供給された電界液が、各スリット９ａ，９ｂに分散して流入し、収容空間７ａ，７ｂに滴下して流出する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、セルフレームおよびフロー電池に関する。

近年、負荷の平準化、電力の瞬時低下、停電などの対策として、レドックスフロー電池を利用することが提案されている。レドックスフロー電池は、正極電解液に含まれるイオンと負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位の差を利用して充放電を行う大容量の蓄電池であって、特にバナジウムイオンを用いるレドックスフロー電池は、電解液が単一元素系であるため、正極の電解液と負極の電解液とが混合しても、充電によって再生することができる等の多くの利点を有している。

このようなレドックスフロー電池およびそれに用いられるセルフレームの従来技術は、たとえば特許文献１に記載されている。この従来技術のレドックスフロー電池は、水素イオンを透過させるイオン交換膜によって、正極セルと負極セルとに分離されたセルを備える。正極セルには、正極電極が内蔵され、正極電解液を貯留する正極電解液用タンクが導管を介して接続されている。また、負極セルには、負極電極が内蔵され、負極電解液を貯留する負極電解液用タンクが導管を介して接続され、各タンクからポンプによって電解液が供給され、各セルに循環される。

このようなセルは、複数積層されてセルスタックを構成する。このセルスタックは、枠体に一体化された双極板を備えるセルフレーム、正極電極、イオン交換膜および負極電極を複数積層し、その積層体を２枚のエンドプレートで挟み、各エンドプレートをボルトおよびナットで締め付けた構成とされ、隣接するセルフレームの間に１つのセルが形成される。

セルスタックには、枠体に形成される正極用給液マニホールド、負極用給液マニホールド、正極用排液マニホールドおよび負極用排液マニホールドによって電解液が循環して供給されるように構成される。具体的には、正極電解液は、正極用給液マニホールドから枠体の一方面側に形成されるスリットを介して正極電極に供給され、枠体の上部に形成されるスリットを介して正極用排液マニホールドに排出される。また、負極電解液は、負極用給液マニホールドから枠体の他方面側に形成されるスリットを介して負極電極に供給され、枠体の上部に形成されるスリットを介して負極用排液マニホールドに排出される。

このようなレドックスフロー電池では、セル間を正極電解液および負極電解液で接続しているため、これらの電解液を介して導通し、シャントカレントロスを生じる。この問題を解決するため、中心側に位置するセルフレームと端部側に位置するセルフレームの電解液用流路の構造が異ならせ、中心に位置するセルフレームから端部に位置するセルフレームになるにつれて、電解液用流路における電気抵抗が大きくなるようにして、シャントカレントロスを低減して、レドックスフロー電池のエネルギ効率の向上が図られている。

他の従来技術は、たとえば特許文献２に記載されている。この従来技術では、上記のシャントカレントロスを低減するために、セルスタックの外部で正極電解液供給用マニホールドおよび負極電解液供給用マニホールドに、正極電解液および負極電解液を滴下する構成を設けて、電解液の流路を電気的に遮断する技術が提案されている。

特開２０１３− ８０６１１号公報 特開昭６３−１６４１７２号公報

上記の特許文献１に記載される従来技術では、中心に位置するセルフレームから端部に位置するセルフレームになるにつれて、電解液用流路における電気抵抗が大きくなるように、中心側に位置するセルフレームと端部側に位置するセルフレームの電解液用流路の構造を異ならせる構成であり、セル間は正極電解液および負極電解液で接続されているので、シャントカレントロスが生じるという問題がある。

また、上記の特許文献２に記載される従来技術では、セルスタックの外部で正極電解液供給用マニホールドおよび負極電解液供給用マニホールドに、正極電解液および負極電解液を滴下する構成が設けられるので、構成が大型化および複雑化するという問題がある。

本発明の目的は、構成を大型化および複雑化することなく、シャントカレントロスを低減することができるセルフレームおよびフロー電池を提供することである。

本発明のセルフレームは、電解液が供給される電解液供給用マニホールドが上辺に設けられた、電極が収容される収容空間を規定する矩形枠状のセルフレームであって、
前記上辺の前記電解液供給用マニホールド下方に配設された分散部を含み、
前記分散部は、前記電解液供給用マニホールドから下面まで延び、前記電解液供給用マニホールドに供給された電界液が前記収容空間側に滴下するスリットを有していることを特徴とする。

本発明によれば、セルフレームは、電解液が供給される電解液供給用マニホールドと、電極が収容される収容空間とを有し、電解液供給用マニホールドが収容空間よりも上方に配置された状態で用いられる。このセルフレームは、電解液供給用マニホールドと収容空間との間に配設される分散部であって、電解液供給用マニホールドから電解液が流入するスリットが設けられており、スリットから電解液が滴下する分散部を備える。これによって、電解液の流路に絶縁区間を介在させ、大型化および複雑化することなく簡単な構成でシャントカレントの発生を抑制し、シャントカレントロスを低減することができる。

本発明の一実施形態のレドックスフロー電池の概略的構成を示す分解斜視図である。 レドックスフロー電池に備えられる正極用セルフレームの一部およびその付近の断面図である。 本発明の他の実施形態のセルフレームの一部およびその付近の拡大断面図である。 図３のＡ部の拡大図である。 本発明の他の実施形態のセルフレームの一部およびその付近の断面図である。 図５の切断面線ＶＩ−ＶＩから見た断面図である。 本発明の他の実施形態のセルフレームの一部およびその付近の断面図である。 本発明のさらに他の実施形態の分散部の一部を示す拡大斜視図である。

図１は、本発明の一実施形態のレドックスフロー電池１の概略的構成を示す分解斜視図であり、図２はレドックスフロー電池１に備えられる正極用セルフレーム２ａの一部およびその付近の断面図である。以下の説明において、正極用の構成には添え字“ａ”を付した参照符を用い、負極用の構成には添え字“ｂ”を付した参照符を用いる。なお、総称する場合には、用語「正極」、「負極」を省略する場合がある。本実施形態のレドックスフロー電池１は、矩形枠状の正極用セルフレーム２ａと、正極電極３ａと、イオン交換膜４と、負極電極３ｂと、矩形枠状の負極用セルフレーム２ｂとが積層される１または複数のセルを含んで構成される。

正極用セルフレーム２ａは、該正極用セルフレーム２ａの上辺に、正極電解液が供給される正極電解液供給用マニホールド６ａが設けられ、正極電極３ａが収容される正極収容空間７ａを規定するもので、正極電解液供給用マニホールド６ａが正極収容空間７ａよりも上方に配置される。

具体的には、正極用セルフレーム２ａの上辺には、正極電解液供給用マニホールド６ａと正極収容空間７ａとの間に正極分散部８ａが配設され、正極電解液供給用マニホールド６ａから正極電解液が分散して流入する複数の正極スリット９ａが設けられている。正極スリット９ａは単数でも良いが、電解液供給量および電解液の液滴化の点から、複数あることが望ましい。

正極電解液の液面Ｌａは、正極電極３ａの上端よりも上方に位置しており、液面Ｌａと正極分散部８ａとの間には正極側空隙１０ａが存在する。言い換えれば、正極スリット９ａの開口部と正極電解液の液面Ｌａとが正極側空隙１０ａを介して対面しており、電解液は、正極スリット９ａの開口部から正極電解液の液面Ｌａ上に滴下することになる。

正極電解液の液面Ｌａは、正極スリット９ａの開口部と正極電極３ａの上端との間に位置するように制御されている。

また、正極用セルフレーム２ａの下辺には、正極収容空間７ａよりも下方に設けられる正極電解液排出用マニホールド１３ａと、正極電解液排出用マニホールド１３ａおよび正極収容空間７ａを連通する正極電解液排出用スリット１８ａとが設けられる。これらの正極スリット９ａは、正極用セルフレーム２ａの一方の主面に形成された凹溝から成り、セルスタック５として組立てられた状態では、後述の正極パッキン２４ａによって液密な状態で覆われ、正極電解液の流路を構成する。

なお、本願でのスリットとは、一般的な意味でのスリット（セルフレームの両主面を貫通する）であっても良い。この場合には、例えば、正極スリット９ａを後述の正極パッキン２４ａ、２５ａで挟み込むことにより流路を形成することができる。

負極用セルフレーム２ｂは、該負極用セルフレーム２ｂの上辺に、負極電解液が供給される負極電解液供給用マニホールド６ｂが設けられ、負極電極３ｂが収容される負極収容空間７ｂを規定するもので、負極電解液供給用マニホールド６ｂが負極収容空間７ｂよりも上方に配置される。このような負極用セルフレーム２ｂは、上記の正極用セルフレーム２ａと中心軸線Ｌに関して回転対称に構成されている。

具体的には、負極用セルフレーム２ｂの上辺には、負極電解液供給用マニホールド６ｂと負極収容空間７ｂとの間に負極分散部８ｂが配設され、この負極分散部８ａには、負極電解液供給用マニホールド６ｂから負極電解液が流入する複数の負極スリット９ｂが設けられている。負極スリット９ｂは単数でも良いが、電解液供給量および電解液の液滴化の点から、複数あることが望ましい。

負極電解液の液面Ｌｂは、負極電極３ｂの上端よりも上方に位置しており、液面Ｌｂと負極分散部８ｂとの間には負極側空隙１０ｂが存在する。言い換えれば、負極スリット９ｂの開口部と負極電解液の液面Ｌｂとが負極側空隙１０ｂを介して対面しており、電解液は、負極スリット９ｂの開口部から負極電解液の液面Ｌｂ上に滴下することになる。負極電解液の液面Ｌｂは、負極スリット９ｂの開口部と負極電極３ｂの上端との間に位置するように制御されている。

なお、正極電解液の液面Ｌａ、負極電解液の液面Ｌｂは、必ずしも電極３ａ、３ｂの上端よりも上方に位置する必要はない。、液面Ｌａ、Ｌｂが、電極３ａ、３ｂの上端以下にある場合には、スリット９ａ、９ｂの開口部が、電極３ａ、３ｂの上端面と対面することになる。

また、負極用セルフレーム２ｂの下辺には、負極収容空間７ｂよりも下方に負極電解液排出用マニホールド１３ｂが設けられ、負極電解液排出用マニホールド１３ｂおよび負極収容空間７ｂを連通する負極電解液排出用スリット１８ｂが設けられている。

これらの負極スリット９ｂ、１８ｂは、負極用セルフレーム２ｂにおいて正極用セルフレーム２ａに対向する一方の主面に形成された凹溝から成り、セルスタック５として組立てられた状態では、後述の負極パッキン２４ｂによって液密な状態で覆われ、負極電解液の流路を構成する。

上記のようにレドックスフロー電池１は、水素イオンを透過させるイオン交換膜４によって、正極収容空間７ａと負極収容空間７ｂとに分離されたセルを備える。正極収容空間７ａには、正極電極３ａが内蔵され、かつ正極電解液を貯留する正極電解液用タンク（図示せず）とは、導管、正極電解液供給用マニホールド６ａを介して接続される。同様に、負極収容空間７ｂには、負極電極３ｂが内蔵され、かつ負極電解液を貯留する負極電解液用タンク（図示せず）とは、導管、負極電解液供給用マニホールド６ｂを介して接続される。各タンクに貯留される電解液は、ポンプによって収容空間７ａ，７ｂに供給されて循環される。電解液としては、たとえば硫酸バナジウム溶液が用いられ、前述のポンプによって、濃度１．８ｍｏｌ／リットルの正極電解液Ｖ^４＋および負極電解液Ｖ^３＋がそれぞれ供給される。

このようなレドックスフロー電池１は、複数のセルが積層されたセルスタック５が利用されるが、１つのセルだけによって構成されてもよい。セルスタック５は、図１に示すように、双極板１４ａ，１４ｂおよび集電板１５ａ，１５ｂが分液板１６ａ，１６ｂを介して、エンドプレート１７ａ，１７ｂによって挟み込まれ、２枚のエンドプレート１７ａ，１７ｂをボルトおよびナットによって締付けて接合されたブロック状の組立て体として構成される。

セルスタック５は、隣接するセルフレーム２ａ，２ｂの間に１つのセルが形成されることになる。セルスタック５において、正極電解液は、正極電解液供給用マニホールド６ａ、正極収容空間７ａおよび正極電解液排出用マニホールド１３ａを経て流下するように構成される。すなわち、正極電解液は、正極電解液供給用マニホールド６ａから正極用セルフレーム２ａの一方主面に形成される正極スリット９ａ、正極側空隙１０ａを介して正極電極３ａに供給され、正極用セルフレーム２ａの下部に形成される正極排出用スリット１８ａを介して正極電解液排出用マニホールド１３ａに排出される。

同様に、負極電解液は、負極電解液供給用マニホールド６ｂ、負極収容空間７ｂ、および負極電解液排出用マニホールド１３ｂを経て流下するように構成される。すなわち、負極電解液は、負極電解液供給用マニホールド６ｂから負極用セルフレーム２ｂの他方主面に形成される負極スリット９ｂ、負極側空隙１０ｂを介して負極電極３ｂに供給され、負極用セルフレーム２ｂの下部に形成される負極排出用スリット１８ｂを介して負極電解液排出用マニホールド１３ｂに排出される。

なお、正極排出用スリット１８ａおよび負極排出用スリット１８ｂについても、セルフレーム２ａ，２ｂの幅方向に複数設けても良い。この場合には、電極３ａ，３ｂ内の電解液の流れを均一化できる。

上記の正極用セルフレーム２ａとイオン交換膜４との間には、正極パッキン２４ａが介在され、正極用セルフレーム２ａと正極分液板１６ａとの間には、正極パッキン２５ａが介在され、また負極用セルフレーム２ｂとイオン交換膜４との間には、負極パッキン２４ｂが介在され、負極用セルフレーム２ｂと負極分液板１６ｂとの間には、負極パッキン２５ｂが介在されて、正極電解液および負極電解液の漏れが防がれている。これらのイオン交換膜４、パッキン２４，２５、正極分液板１６ａ，１６ｂには、正極電解液供給用マニホールド６ａ、負極電解液供給用マニホールド６ｂ、正極電解液排出用マニホールド１３ａ、および負極電解液排出用マニホールド１３ｂのそれぞれに連通する透孔が形成され、電解液の流路が構成されている。

上記のように本実施形態では、セルフレーム２ａ，２ｂは、電解液が供給される電解液供給用マニホールド６ａ，６ｂと、電極３ａ，３ｂが収容される収容空間７ａ，７ｂとを有し、電解液供給用マニホールド６ａ，６ｂが収容空間７ａ，７ｂよりも上方に配置された状態で用いられる。このセルフレーム２ａ，２ｂは、電解液供給用マニホールド６ａ，６ｂと収容空間７ａ，７ｂとの間に配設される分散部８ａ，８ｂであって、電解液供給用マニホールド６ａ，６ｂから電解液が分散して流入する複数のスリット９ａ，９ｂを有し、各スリット９ａ，９ｂに流入した電解液が滴下しながら流出する分散部８ａ，８ｂを備える。

このような構成によって、電解液の流路に電気的絶縁区間を介在させ、簡単な構成でシャントカレントの発生を抑制し、シャントカレントロスを低減することができる。

図３は、本発明のさらに他の実施形態の正極用セルフレーム２ａ２の一部およびその付近の断面図であり、図４は図３のＡ部の拡大図である。なお、負極用セルフレームは正極用セルフレーム２ａ２と中心軸線Ｌに関して回転対称に構成されるので、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では、各スリット９ａ，９ｂの液滴流出口（開口部）には、流路断面積が絞られたオリフィス部３０が形成される。このようなオリフィス部３０を設けることによって、液滴化し易くできるとともに、液滴の滴下する流量を調整することができ、適切な流量で電解液を供給することができる。

図５は、本発明の他の実施形態の正極用セルフレーム２ａ３の一部およびその付近の断面図であり、図６は図５の切断面線ＶＩ−ＶＩから見た拡大断面図である。なお、負極用セルフレームは正極用セルフレーム２ａ３と中心軸線Ｌに関して左右対称に構成されるので、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複する説明は省略する。本実施形態では、分散部８ａ，８ｂの下部に凹所３１が形成され、この凹所３１に向かって下方に傾斜した液案内面３２が形成される。このような構成によって、液案内面３２と凹所３１を規定する内面とが交差する角部３３に電解液を導き、液滴を生成することができる。これによって、液滴の大きさまたは重量の均一化を図り、滴下される電解液の供給量を安定させて、より高精度で調整することができる。

本発明の他の実施形態として、図７に示されるように、分散部８ａ,８ｂに１本の第１流路４０から幅方向に間隔をあけて複数の第２流路４１に分岐した流路を形成するための、スリット９ａ，９ｂが形成されてもよい。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付し、重複を避けて説明は省略する。

図８は、本発明のさらに他の実施形態の分散部の一部を示す拡大斜視図である。なお、前述の実施形態と対応する部分には、同一の参照符を付す。本実施形態では、図８に示されるように、分散部８ａ，８ｂの下端部に、厚み方向両側から近接するにつれて下方に傾斜し、かつ凹所３１に向かって下方に傾斜した液案内面３２が形成されてもよい。これによって電解液の液滴を第１分散部８ａ，８ｂからより落下しやすくし、電気的に遮断状態を維持しながら、電解液の供給量をより多くすることができる。

上記の各実施形態では、セルフレーム２ａ，２ｂと、分散部８ａ，８ｂとを別部材で構成したが、一体化した構成であっても良い。

また、上記の各実施形態では、電極３ａ，３ｂの側面と、収容空間７ａ，７ｂとの間には、隙間があるように構成されたが、電極３ａ,３ｂの側面は収容空間を規定する壁面に当接していることが望ましい。

１ レドックスフロー電池
２ａ，２ｂ セルフレーム
３ａ，３ｂ 電極
４ イオン交換膜
５ セルスタック
６ａ，６ｂ 電解液供給用マニホールド
７ａ，７ｂ 収容空間
８ａ，８ｂ 分散部
９ａ，９ｂ スリット
１０ａ，１０ｂ 空隙
１３ａ，１３ｂ 電解液排出用マニホールド
１４ａ，１４ｂ 双極板
１５ａ，１５ｂ 集電板
１６ａ，１６ｂ 分液板
１７ａ，１７ｂ エンドプレート
１８ａ，１８ｂ 電解液排出用スリット

Claims (5)

1. 電解液が供給される電解液供給用マニホールドが上辺に設けられた、電極が収容される収容空間を規定する矩形枠状のセルフレームであって、
   前記上辺の前記電解液供給用マニホールド下方に配設された分散部を含み、
   前記分散部は、前記電解液供給用マニホールドから下面まで延び、前記電解液供給用マニホールドに供給された電界液が前記収容空間側に滴下するスリットを有していることを特徴とするセルフレーム。
2. 前記下面は、前記収容空間に臨んで凹凸状に屈曲した屈曲面であることを特徴とする請求項１に記載のセルフレーム。
3. イオン交換膜の一方側に、正極用のセルフレームと、前記正極用のセルフレームに収容される正極用の電極とが配置され、前記イオン交換膜の他方側に、負極用のセルフレームと、前記負極用のセルフレームに収容される負極用の電極とが配置されたセルスタックを、少なくとも１つ備えるフロー電池であって、前記正極用のセルフレームおよび前記負極用のセルフレームが、請求項１または２に記載のセルフレームからなることを特徴とするフロー電池。
4. 正極用セルフレームと、前記正極用セルフレームに収容される正極電極と、イオン交換膜と、負極用セルフレームと、前記負極用セルフレームに収容される負極電極とを含むセルスタックを、少なくとも１つ備えるフロー電池であって、
   前記正極用セルフレームは、正極電解液が供給される正極電解液供給用マニホールドが上辺に設けられた、前記正極電極が収容される正極収容空間を規定する矩形枠状であって、
   前記上辺の前記正極電解液供給用マニホールド下方に配設された正極分散部を含み、
   前記正極分散部は、前記正極電解液供給用マニホールドから下面まで延び、前記正極電解液供給用マニホールドに供給された電解液が前記正極収容空間側に滴下するスリットを有しており、
   前記負極用セルフレームは、負極電解液が供給される負極電解液供給用マニホールドが上辺に設けられた、前記負極電極が収容される負極収容空間を規定する矩形枠状であって、
   前記上辺の前記負極電解液供給用マニホールド下方に配設された負極分散部を含み、
   前記負極分散部は、前記負極電解液供給用マニホールドから下面まで延び、前記負極電解液供給用マニホールドに供給された電解液が前記負極収容空間側に滴下するスリットを有していることを特徴とするフロー電池。
5. 前記正極電解液の液面および負極電解液の液面は、前記正極電極の上端および前記負極電極の上端よりもそれぞれ上方に位置することを特徴とする請求項４に記載のフロー電池。

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