DE202017107193U1

DE202017107193U1 - Zellenrahmen, Zellenstapel, und Redox-Flow-Batterie

Info

Publication number: DE202017107193U1
Application number: DE202017107193.6U
Authority: DE
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2017-11-28
Publication date: 2017-12-05
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: JPWO2018116467A1; EP3561929A4; WO2018116467A1; KR101870099B1; JP6836723B2; US20180294486A1; CN108232230B; EP3561929A1; CN207611821U; CN108232230A; AU2016402258A1

Abstract

Zellenrahmen mit einer zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode einer Redox-Flow-Batterie angeordneten Bipolarplatte und einem Rahmenelement, das die Bipolarplatte an einem Außenumfang der Bipolarplatte stützt, wobei ein Einleitkanal und ein davon unabhängiger und nicht mit dem Einleitkanal verbundener Ausleitkanal in einer Oberfläche des Zellenrahmens, die der positiven Elektrode zugewandt ist, und einer Oberfläche des Zellenrahmens, die der negativen Elektrode zugewandt ist, vorgesehen sind, der Einleitkanal einen Elektrolyten in eine Entsprechende der Elektroden einleitet, der Ausleitkanal den Elektrolyten von der Entsprechenden der Elektroden ausleitet, wobei der Einleitkanal eine Einleitgleichrichtungsnut und eine Vielzahl von Einleitverteilnuten aufweist, die mit der Einleitgleichrichtungsnut verbunden und voneinander beabstandet sind, wobei der Ausleitkanal eine Ausleitgleichrichtungsnut und eine Vielzahl von Ausleitverteilnuten aufweist, die mit der Ausleitgleichrichtungsnut verbunden und voneinander beabstandet sind, wobei sich die Einleitverteilnuten in Richtung der Einleitgleichrichtungsnut erstrecken und die Ausleitverteilnuten sich in Richtung der Ausleitgleichrichtungsnut erstrecken, und wobei Trennabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut und den Ausleitverteilnuten und Trennungsabstände Y zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut und den Einleitverteilnuten in einem Bereich von 1mm bis 30mm liegen.

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Zellenrahmen, einen Zellenstapel, und eine Redox-Flow-Batterie.
Stand der Technik
PTL 1 bis PTL 4 beschreiben einen Zellenrahmen, einen Zellenstapel und eine Redox-Flow-Batterie einschließlich des Zellenstapels. Der Zellenstapel weist positive Elektroden, Membranen, negative Elektroden und Zellenrahmen, die zusammen gestapelt sind, und Zuführ-/Ausleitplatten auf, die den Stapel sandwichartig umfassen (engl. to sandwich). Jeder Zellenrahmen enthält eine Bipolarplatte, die zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode angeordnet ist, und ein Rahmenelement, das die Bipolarplatte an deren Außenumfang trägt. In dieser Struktur ist eine einzelne Zelle zwischen den Bipolarplatten benachbarter Zellenrahmen ausgebildet.
PTL 1 bis PTL 4 offenbaren eine Struktur, bei der eine Oberfläche der Bipolarplatte, die der positiven Elektrode gegenüberliegt, und eine Oberfläche der Bipolarplatte, die der negativen Elektrode gegenüberliegt, jeweils einen Kanal aufweist, der eine Vielzahl von Nuten enthält, um zu ermöglichen, dass sich die Elektrolyte zuverlässig über die positive Elektrode und die negative Elektrode in der Zelle verteilen.
Zitationsliste
Patentliteratur

PTL 1: ungeprüfte Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2015-122230
PTL 2: ungeprüfte Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2015-122231
PTL 3: ungeprüfte Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2015-138771
PTL 4: ungeprüfte Japanische Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 2015-210849

Darstellung der Erfindung
Ein Zellenrahmen gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf:
eine Bipolarplatte, die zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode einer Redox-Flow-Batterie angeordnet ist, und ein Rahmenelement, das die Bipolarplatte an einem Außenumfang der Bipolarplatte stützt.
Einen Einleitkanal und ein davon unabhängigen und nicht mit dem Einleitkanal verbundenen Ausleitkanal, welche in einer Oberfläche eines Zellenrahmens, die einer positiven Elektrode zugewandt ist, und einer Oberfläche des Zellenrahmens, die einer negativen Elektrode zugewandt ist, vorgesehen sind. Der Einleitkanal leitet einen Elektrolyten in eine Entsprechende der Elektroden ein. Der Ausleitkanal leitet einen Elektrolyten von der Entsprechenden der Elektroden aus.
Der Einleitkanal weist eine Einleitgleichrichtungsnut und eine Vielzahl von Einleitverteilnuten (auch als Einleitverzweignuten verstehbar) auf, die mit der Einleitgleichrichtungsnut verbunden und voneinander beabstandet sind.
Der Ausleitkanal weist eine Ausleitgleichrichtungsnut und eine Vielzahl von Ausleitverteilnuten (auch als Ausleitverzweignuten verstehbar) auf, die mit der Ausleitgleichrichtungsnut verbunden und voneinander beabstandet sind.
Die Einleitverteilnuten erstecken sich in Richtung der Einleitgleichrichtungsnut und die Ausleitverteilnuten erstrecken sich in Richtung der Ausleitgleichrichtungsnut.
Trennabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut und den Ausleitverteilnuten und Trennungsabstände Y zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut und den Einleitverteilnuten sind in einem Bereich von 1 mm bis 30 mm.
Ein Zellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung weist den Zellenrahmen gemäß der vorliegenden Erfindung auf.
Eine Redox-Flow-Batterie gemäß der vorliegenden Erfindung weit einen Zellenstapel gemäß der vorliegenden Erfindung auf.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 veranschaulicht das Funktionsprinzip einer Redox-Flow-Batterie gemäß einer ersten Ausführungsform.
2 ist ein schematisches Diagramm, welches die Redox-Flow-Batterie gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
3 ist ein schematisches Diagramm, das einen Zellenstapel gemäß der ersten Ausführungsform darstellt.
4 ist eine Draufsicht eines Zellenrahmens gemäß der ersten Ausführungsform, von einer Seite aus betrachtet.
5 ist eine Draufsicht auf eine Bipolarplatte eines Zellenrahmens gemäß einer zweiten Ausführungsform, die von einer Seite aus betrachtet wird.
6 ist eine Draufsicht eines Zellenrahmens gemäß einer dritten Ausführungsform, von einer Seite aus betrachtet.
Beschreibung der Ausführungsformen
Durch die Offenbarung zu lösende Probleme
In den letzten Jahren wurden umweltfreundliche Energiesysteme nachgefragt, und es wurde erwartet, dass Redox-Flow-Batterien eine höhere Batterieleistung aufweisen, um solch eine Nachfrage zu befriedigen. Die Erfinder haben eine Struktur zur Verbesserung der Batterieleistung einer Redox-Flow-Batterie durch Fokussierung auf Kanäle auf Bipolarplatten untersucht, die in Zellenrahmen der Redox-Flow-Batterie enthalten sind.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung besteht darin, einen Zellenrahmen und einen Zellenstapel vorzusehen, die in der Lage sind, die Batterieleistung einer Redox-Flow-Batterie zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Redox-Flow-Batterie mit hoher Batterieleistung vorzusehen.
Vorteilhafte Effekte der vorliegenden Erfindung
Gemäß dem Zellenrahmen und dem Zellenstapel der vorliegenden Offenbarung kann die Batterieleistung einer Redox-Flow-Batterie verbessert werden. Die Redox-Flow-Batterie gemäß der vorliegenden Offenbarung weist eine hohe Batterieleistung auf.
Beschreibung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
Zunächst werden Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.

(1) Ein Zellenrahmen gemäß einer Ausführungsform weist auf: Eine Bipolarplatte, die zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode einer Redox-Flow-Batterie angeordnet ist, und ein Rahmenelement, welches die Bipolarplatte an einem Außenumfang der Bipolarplatte stützt. einen Einleitkanal und einen Ausleitkanal, der unabhängig davon und nicht mit dem Einleitkanal verbunden ist, welche in einer Oberfläche eines Zellenrahmens, die einer positiven Elektrode zugewandt ist, und einer Oberfläche des Zellenrahmens, die einer negativen Elektrode zugewandt ist, vorgesehen sind. Der Einleitkanal leitet einen Elektrolyten in eine Entsprechende der Elektroden ein. Der Ausleitkanal leitet einen Elektrolyten von der Entsprechenden der Elektroden aus. Der Einleitkanal weist eine Einleitgleichrichtungsnut und eine Vielzahl von Einleitverteilnuten auf, die mit der Einleitgleichrichtungsnut verbunden und voneinander beabstandet sind. Der Ausleitkanal weist eine Ausleitgleichrichtungsnut und eine Vielzahl von Ausleitverteilnuten auf, die mit der Ausleitgleichrichtungsnut verbunden und voneinander beabstandet sind. Die Einleitverteilnuten erstecken sich in Richtung der Einleitgleichrichtungsnut und die Ausleitverteilnuten erstrecken sich in Richtung der Ausleitgleichrichtungsnut. Trennabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut und den Ausleitverteilnuten und Trennungsabstände Y zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut und den Einleitverteilnuten sind in einem Bereich von 1 mm bis 30 mm.

Da der Einleitkanal in dem Zellenrahmen vorgesehen ist, breitet sich der Elektrolyt schnell über die gesamte Oberfläche der Bipolarplatte des Zellenrahmens aus, und kann gleichmäßig an der gesamten Oberfläche der entsprechenden Elektrode, die der Bipolarplatte benachbart ist, vorgesehen werden. Da der Ausleitkanal in dem Zellenrahmen vorgesehen ist, kann darüber hinaus der Elektrolyt, welcher der Elektrode zugeführt wurde und der ein aktives Material enthält, dessen Wertigkeit sich geändert hat, gleichmäßig und schnell von der gesamten Oberfläche der Elektrode gesammelt werden.
In dem oben beschriebenen Zellenrahmen liegen die Trennungsabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut und den Ausleitverteilnuten und die Trennungsabstände Y zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut und den Einleitverteilnuten im Bereich von 1 mm bis 30 mm. Hier sind die "Trennungsabstände X und Y" die kürzesten Abstände von den Gleichrichtungsnuten zu den Verteilnuten. Wenn beispielsweise die Ausleitverteilnuten konisch sind, sind die minimalen Abstände von den konischen Spitzen zur Einleitgleichrichtungsnut die Trennungsabstände X. Zusätzlich bedeutet der Ausdruck "die Trennungsabstände X und Y im Bereich von 1 mm bis 30 mm“, dass die Trennabstände X und Y entlang der Bipolarplatte alle im Bereich von 1 mm bis 30 mm liegen. Wenn zum Beispiel vier Ausleitverteilnuten (Einleitverteilnuten) in der Bipolarplatte ausgebildet werden, sind vier Trennungsabstände X (Trennungsabstände Y) von den vier Ausleitverteilnuten (Einleitverteilnuten) zu der Einleitgleichrichtungsnut(Ausleitgleichrichtungsnut) alle im Bereich von 1 mm bis 30 mm.
Wenn die Trennungsabstände X und die Trennungsabstände Y größer oder gleich 1 mm sind, kann das Auftreten von Leckpfaden, entlang denen der Elektrolyt vom Einleitkanal zum Ausleitkanal strömt, ohne die Elektrode zu passieren, verringert werden. Die Menge an aktivem Material, das aus jeder Zelle der Redox-Flow-Batterie ausgeleitet wird, ohne deren Wertigkeit zu ändern, kann verringert werden, indem das Auftreten von Leckpfaden verringert wird. Dementsprechend kann die Batterieleistung der Redox-Flow-Batterie verbessert werden. Wenn die Trennungsabstände X und die Trennungsabstände Y kleiner oder gleich 30 mm sind, kann Gas, das als Antwort auf eine Batterie-Reaktion des Elektrolyten und des Gases erzeugt wird, das ursprünglich in dem Elektrolyten gemischt ist, leicht aus jeder Zelle der Redox-Flow-Batterie ausgeleitet werden. Infolgedessen kann das Auftreten von Problemen aufgrund von Ansammlung von Gas in jeder Zelle, beispielsweise eine Verringerung der Kontaktfläche zwischen dem Elektrolyten und der Elektrode aufgrund des in der Zelle angesammelten Gases, reduziert werden. Daher kann das Auftreten einer Zunahme des Zellenwiderstandes der Redox-Flow-Batterie aufgrund der Probleme verringert werden. Gas wird in den Elektrolyten gemischt, wenn der Elektrolyt von einem Zellenstapel zu einem Tank zurückkehrt oder wenn die Zirkulation des Elektrolyten durch den Zellenstapel gestartet wird. Insbesondere wenn die Zirkulation des Elektrolyten durch den Zellenstapel zum ersten Mal gestartet wird oder wenn die Zirkulation des Elektrolyten erneut gestartet wird, nachdem der Elektrolyt aus dem Zellenstapel als Reaktion auf ein Stoppen der Zirkulation des Elektrolyten ausgeleitet worden ist, kann der Widerstand der Redox-Flow-Batterie deutlich erhöht werden, wenn das Gas in jeder Zelle nicht vollständig ausgeleitet wird. Ein solches Problem tritt jedoch in dem Zellenrahmen gemäß der Ausführungsform nicht leicht auf, da das Gas leicht aus jeder Zelle ausgeleitet werden kann. Wie oben beschrieben, kann gemäß dem Zellenrahmen dieser Ausführungsform das Auftreten eines Anstiegs des Zellenwiderstandes der Redox-Flow-Batterie verringert werden, und als Ergebnis kann die Batterieleistung der Redox-Flow-Batterie verbessert werden.

(2) In einem Aspekt des Zellenrahmens gemäß der Ausführungsform können die Einleitgleichrichtungsnut, die Ausleitgleichrichtungsnut, die Einleitverteilnuten und die Ausleitverteilnuten alle in der Bipolarplatte vorgesehen sein.

Eine Redox-Flow-Batterie mit verbesserter Batterieleistung kann unter Verwendung des oben beschriebenen Zellenrahmens hergestellt werden. Dies liegt daran, dass das Auftreten von Leckpfaden und Gasansammlung in jeder Zelle verringert werden kann, da die Trennabstände zwischen den Gleichrichtungsnuten und den in der Bipolarplatte des Zellenrahmens vorgesehenen Verteilnuten innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen.

(3) In einem Aspekt des Zellenrahmens gemäß der Ausführungsform können die Einleitgleichrichtungsnut und die Ausleitgleichrichtungsnut in dem Rahmenbauteil vorgesehen sein, und die Einleitverteilnuten und die Ausleitverteilnuten können in der Bipolarplatte vorgesehen sein.

Eine Redox-Flow-Batterie mit verbesserter Batterieleistung kann unter Verwendung des oben beschriebenen Zellenrahmens hergestellt werden. Dies liegt daran, dass das Auftreten von Leckpfaden und Gasansammlung in jeder Zelle verringert werden kann, da die Trennungsabstände zwischen den in dem Rahmenelement vorgesehenen Gleichrichtungsnuten und den in der Bipolarplatte vorgesehenen Verteilnuten innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegen.

(4) In einem Aspekt des Zellenrahmens gemäß der Ausführungsform, können die Einleitverteilnuten und die Ausleitverteilnuten abwechselnd angeordnet sein, und die Trennungsabstände X und die Trennungsabstände Y können größer als oder gleich 1/10 der Trennungsabstände Z zwischen den Einleitverteilnuten und den Ausleitverteilnuten sind, die einander benachbart sind, und weniger als oder gleich dem 10-fachen der Trennungsabstände Z sein.

Die Trennungsabstände Z sind die Abstände zwischen den Einleitverteilnuten und den Ausleitverteilnuten in einer Richtung orthogonal zu der Strömungsrichtung des Elektrolyten. Die Trennabstände Z erfüllen die oben beschriebenen Beziehungen zu den Trennungsabständen X und Y an einer beliebigen Position in der Strömungsrichtung des Elektrolyten. Die Strömungsrichtung des Elektrolyten ist die Gesamtrichtung, in welcher der Elektrolyt entlang der Bipolarplatte strömt. Wenn zum Beispiel die Bipolarplatte rechteckig ist, ist die Strömungsrichtung des Elektrolyten die Richtung von einer Seite, an welcher der Elektrolyt zugeführt wird, zu einer anderen Seite, an welcher der Elektrolyt ausgeleitet wird. Zum Beispiel ist in 4, auf die in der nachstehend beschriebenen ersten Ausführungsform Bezug genommen wird, die Strömungsrichtung des Elektrolyten die Aufwärtsrichtung, die durch den fettgedruckten Pfeil angegeben ist.
Die Beschränkung von (4) kann ausgedrückt werden als Z/10 ≤ X ≤ 10Z und Z/10 ≤ Y ≤ 10Z. Wenn die Trennungsabstände X und Y und die Trennungsabstände Z diese Ungleichungen erfüllen, kann das Auftreten von Leckpfaden von den Einleitverteilnuten zu den Ausleitverteilnuten und der Gasansammlung in jeder Zelle effektiver reduziert werden. Infolgedessen kann die Batterieleistung der Redox-Flow-Batterie verbessert werden.

(5) In einem Aspekt des Zellenrahmens gemäß der Ausführungsform kann ein Dispersionsbereich der Trennungsabstände X kleiner oder gleich 3 mm sein.

Wenn der Dispersionsbereich der Trennungsabstände X (Differenz zwischen dem maximalen Trennungsabstand X und dem minimalen Trennungsabstand X) kleiner als oder gleich 3 mm ist, bewegt sich der Elektrolyt gleichmäßig von der Einleitgleichrichtungsnut zu den Ausleitverteilnuten und kann sich leicht über die gesamte Oberfläche der Elektrode verteilen. Je kleiner der Dispersionsbereich ist, desto gleichmäßiger bewegt sich der Elektrolyt. Daher ist der Dispersionsbereich beispielsweise vorzugsweise auf 1 mm oder weniger eingestellt, so dass die Differenz zwischen jedem Trennungsabstand X und dem Durchschnittswert der Trennungsabstände X innerhalb von ±4% des Durchschnittswerts liegt. Besonders bevorzugt ist, dass der Dispersionsbereich auf einen Toleranzbereich eingestellt ist. Mit anderen Worten können die Auslegungswerte der Trennungsabstände X auf den gleichen Wert eingestellt werden, so dass die Trennungsabstände X im Wesentlichen gleich sind. Die Trennungsabstände X können außerhalb eines Bereichs von 1 mm bis 30 mm mit einem typischen Toleranzbereich (zum Beispiel innerhalb von ±4%) liegen. Wenn beispielsweise der Auslegungswert der Trennungsabstände X 1 mm beträgt, wird angenommen, dass ein Trennungsabstand X von 0,96 mm innerhalb des Bereichs der Ausführungsform liegt.

(6) In einem Aspekt des Zellenrahmens gemäß der Ausführungsform kann ein Dispersionsbereich der Trennungsabstände Y kleiner oder gleich 3 mm sein.

Wenn der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Y kleiner oder gleich 3 mm ist, bewegt sich der Elektrolyt gleichmäßig von den Einleitverteilnuten zu der Ausleitgleichrichtungsnut und der Elektrolyt kann gleichmäßig von der gesamten Oberfläche der Elektrode ausgeleitet werden. Je kleiner der Dispersionsbereich ist, desto gleichmäßiger bewegt sich der Elektrolyt. Daher ist der Dispersionsbereich beispielsweise vorzugsweise auf 1 mm oder weniger eingestellt, so dass die Differenz zwischen jedem Trennungsabstand Y und dem Durchschnittswert der Trennungsabstände Y innerhalb von ±4% des Durchschnittswerts liegt. Bevorzugter ist der Dispersionsbereich auf einen typischen Toleranzbereich eingestellt. Mit anderen Worten können die Entwurfswerte der Trennungsabstände Y auf denselben Wert eingestellt werden, so dass die Trennungsabstände Y im Wesentlichen gleich sind. Die Trennungsabstände Y können auch innerhalb eines typischen Toleranzbereichs außerhalb eines Bereichs von 1 mm bis 30 mm liegen.

(7) In einem Aspekt des Zellenrahmens gemäß der Ausführungsform kann ein Dispersionsbereich der Trennungsabstände Z an verschiedenen Positionen in Strömungsrichtung des Elektrolyts kleiner oder gleich 2 mm sein.

Wenn der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Z kleiner oder gleich 2 mm ist, bewegt sich der Elektrolyt gleichmäßig von den Einleitverteilnuten zu den Ausleitverteilnuten und verteilt sich leicht über die gesamte Oberfläche der Elektrode. Der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Z kann durch Messen der Trennungsabstände Z an verschiedenen Positionen (zum Beispiel drei oder mehr gleichmäßig beabstandete Positionen) in der Strömungsrichtung des Elektrolyten und durch Vergleichen der gemessenen Trennungsabstände Z bestimmt werden. Je kleiner der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Z ist, desto gleichmäßiger bewegt sich der Elektrolyt. Daher ist der Dispersionsbereich beispielsweise vorzugsweise auf 1 mm oder weniger eingestellt, so dass die Differenz zwischen jedem Trennungsabstand Z und dem Durchschnittswert der Trennungsabstände Z innerhalb von ≥ ±5% des Durchschnittswerts liegt. Bevorzugter ist der Dispersionsbereich auf einen typischen Toleranzbereich eingestellt. Mit anderen Worten können die Einleitverteilnuten und die Ausleitverteilnuten, die einander benachbart sind, in konstanten Intervallen angeordnet sein, um sich parallel zueinander zu erstrecken. Der Dispersionsbereich der Trennabstände Z kann auch 2 mm mittels eines Werts innerhalb eines typischen Toleranzbereichs überschreiten.

(8) Ein Zellenstapel gemäß einer Ausführungsform weist den Zellenstapel gemäß der Ausführungsform auf.

Eine Redox-Flow-Batterie mit verbesserter Batterieleistung kann unter Verwendung des oben beschriebenen Zellenstapels hergestellt werden. Dies liegt daran, dass das Auftreten von Leckpfaden und Gasansammlung in jeder Zelle in dem Zellenstapel aufgrund der Bipolarplatte gemäß der Ausführungsform, die in dem Zellenrahmen des Zellenstapels enthalten ist, verringert werden kann.

(9) In einem Aspekt des Zellenstapels gemäß der Ausführungsform können die positive Elektrode und die negative Elektrode jeweils ein Flächengewicht von mehr als oder gleich 30 g/m² aufweisen.

Im Allgemeinen wird es schwierig, Gas aus jeder Zelle auszuleiten, wenn die Elektroden ein großes Flächengewicht haben. Der Zellenstapel gemäß der Ausführungsform ermöglicht jedoch, dass Gas leicht aus jeder Zelle ausgeleitet wird, da der Zellenstapel gemäß der Ausführungsform den Zellenrahmen gemäß der Ausführungsform enthält. Selbst wenn die Elektroden des Zellenstapels gemäß der Ausführungsform ein Flächengewicht haben, das größer oder gleich 30 g/m² ist, sammelt sich daher Gas nicht leicht in der Zelle an.

(10) Eine Redox-Flow-Batterie gemäß einer Ausführungsform weist den Zellenstapel gemäß der Ausführungsform auf.

Die Redox-Flow-Batterie gemäß der Ausführungsform hat eine hohe Batterieleistung.

(11) In einem Aspekt der Redox-Flow-Batterie gemäß der Ausführungsform kann der Elektrolyt, der durch den Zellenstapel zirkuliert, eine Viskosität aufweisen, die kleiner oder gleich 10^–2 Pa·s ist.

Im Allgemeinen treten Leckpfade des Elektrolyten leicht auf, wenn der Elektrolyt eine niedrige Viskosität aufweist. Die Redox-Flow-Batterie gemäß der Ausführungsform verursacht jedoch nicht leicht Leckpfade, da die Redox-Flow-Batterie gemäß der Ausführungsform den Zellenrahmen gemäß der Ausführungsform enthält. Selbst wenn der Elektrolyt der Redox-Flow-Batterie gemäß der Ausführungsform eine Viskosität hat, die kleiner oder gleich 10^–2 Pa·s ist, tritt eine Verringerung der Batterieleistung der Redox-Flow-Batterie aufgrund der Leckpfade nicht leicht auf.

(12) In einem Aspekt der Redox-Flow-Batterie gemäß der Ausführungsform kann ein Zellenwiderstand der Redox-Flow-Batterie um 30% oder mehr niedriger sein als der Zellenwiderstand einer Redox-Flow-Batterie mit einer Bipolarplatte mit Oberflächen ohne Nuten.

Eine Redox-Flow-Batterie mit einem niedrigen Zellwiderstand ist bevorzugt, da ein Energieverlust, der während des Ladens/ Entladens auftritt, gering ist und natürliche Energie effizient gespeichert werden kann. Hier ist die "Redox-Flow-Batterie mit einer Bipolarplatte mit Oberflächen ohne Nuten" eine Redox-Flow-Batterie mit denselben Strukturen, wie Formen, Abmessungen und Materialien, wie diejenigen der Redox-Flow-Batterie gemäß der Ausführungsform mit Ausnahme der Anwesenheit/Abwesenheit der Nuten.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung
Redox-Flow-Batterien (RF-Batterien) gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden nun beschrieben. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die in den Ausführungsformen beschriebenen Strukturen beschränkt und wird durch die Ansprüche definiert. Die vorliegende Erfindung soll Äquivalente zu dem Umfang der Ansprüche und allen Modifikationen innerhalb des Umfangs der Ansprüche einschließen.
<Erste Ausführungsform>
Eine Redox-Flow-Batterie (nachfolgend als RF-Batterie bezeichnet) gemäß einer Ausführungsform wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 5 beschrieben.
<<RF Batterie>>
Bei einer RF-Batterie handelt es sich um eine Elektrolyt-zirkulierende Speicherbatterie zur Speicherung neuer Energie wie Sonnenenergie und Windkraft. Wie in 1, die das Funktionsprinzip einer RF-Batterie 1 veranschaulicht, gezeigt, lädt und entlädt sich die RF-Batterie 1 unter Verwendung einer Differenz zwischen einem Oxidations-Reduktions-Potential von in einem positiven Elektrolyten enthaltenen Aktivmaterialionen und einem Oxidations-Reduktions-Potential von in einem negativen Elektrolyten enthaltenen Aktivmaterialionen. Die RF-Batterie 1 weist Zellen 100 auf, von denen jede in eine positive Elektrodenzelle 102 und eine negativ Elektrodenzelle 103 durch eine Membran 101, die ermöglicht, dass Wasserstoffionen hindurchtreten, unterteilt ist.
Die positive Elektrodenzelle 102 nimmt eine positive Elektrode 104 auf und ist mit einem positiven Elektrolyttank 106, der den positiven Elektrolyten speichert, durch die Leitungen 108 und 110 verbunden. Die Leitung 108 ist mit einer Pumpe 112 verbunden. Diese Komponenten 106, 108, 110 und 112 bilden einen positiven Elektrolytzirkulationsmechanismus 100P, der den positiven Elektrolyten zirkuliert. In ähnlicher Weise nimmt die negative Elektrodenzelle 103 eine negative Elektrode 105 auf und ist mit einem negativen Elektrolyttank 107 verbunden, der den negativen Elektrolyten durch die Leitungen 109 und 111 speichert. Die Leitung 109 ist mit einer Pumpe 113 verbunden. Diese Komponenten 107, 109, 111 und 113 bilden einen negativen Elektrolytzirkulationsmechanismus 100N, der den negativen Elektrolyten zirkuliert. Die in den Tanks 106 und 107 gespeicherten Elektrolyten werden durch die Zellen 102 und 103 mittels der Pumpen 112 und 113 zirkuliert. Wenn weder Laden noch Entladen durchgeführt wird, werden die Pumpen 112 und 113 angehalten, so dass die Elektrolyten nicht zirkulieren.
<<Zellenstapel>>
Wie in den 2 und 3 gezeigt, sind die oben beschriebenen Zellen 100 typischerweise in einer Struktur ausgebildet, die als Zellenstapel 2 bezeichnet wird. Der Zellenstapel 2 wird ausgebildet, indem eine gestapelte Struktur, die als ein Teilstapel 200 (3) bezeichnet wird, mit zwei Endplatten 210 und 220 an beiden Enden sandwichartig angeordnet wird und sie zusammen mit einem Klemmmechanismus 230 geklemmt werden (einer Vielzahl von Teilstapel 200 sind in der in 3 dargestellten Struktur vorgesehen).
Jeder Teilstapel 200 (3) enthält Zellenrahmen 3, positive Elektroden 104, Membranen 101 und negative Elektroden 105, die miteinander gestapelt sind, und Zufuhr-/Ausleitplatten 190 und 190 (siehe unten in 3; ausgelassen in 2), die den Stapel sandwichartig umfassen. Die RF-Batterie 1 gemäß dieser Ausführungsform mit der oben beschriebenen Struktur ist zum Beispiel durch die Struktur der Zellenrahmen 3 gekennzeichnet. Die Struktur jedes Zellenrahmens 3 wird nun im Detail beschrieben.
<<Zellenrahmen>>
Jeder Zellenrahmen 3 enthält ein Rahmenelement 32, das ein sich durch diesen erstreckendes Fenster aufweist, und eine Bipolarplatte 31, die das Fenster blockiert. Mit anderen Worten stützt das Rahmenelement 32 die Bipolarplatte 31 an deren Außenumfang. Eine positive Elektrode 104 ist in Kontakt mit einer Seite der Bipolarplatte 31 und eine negative Elektrode 105 ist in Kontakt mit der anderen Seite der Bipolarplatte 31. Bei dieser Struktur ist eine einzelne Zelle 100 zwischen den Bipolarplatten 31 ausgebildet, die in benachbarten Zellenrahmen 3 ausgestaltet sind.
Zufuhrverteiler 33 und 34 und Ausleitverteiler 35 und 36, die in jedem Zellenrahmen 3 ausgebildet sind (siehe auch 4), ermöglichen es den Elektrolyten, durch die gezeigten Zufuhr-/ Ausleitplatten 190 und 190 in jede Zelle 100 wie in 3 gezeigt hinein und aus dieser heraus zu strömen. Der positive Elektrolyt wird von dem Zufuhrverteiler 33 durch einen Einlassschlitz 33s (4), der in einer Seite des Zellenrahmens 3 (Vorderseite in 4) ausgebildet ist, zur positiven Elektrode 104 zugeführt und wird über einen Auslassschlitz 35s (4), der in einem oberen Abschnitt des Zellenrahmens 3 ausgebildet ist, zu dem Ausleitverteiler 35 ausgeleitet. In ähnlicher Weise wird der negative Elektrolyt von dem Zufuhrverteiler 34 zu der negativen Elektrode 105 durch einen Einlassschlitz 34s 4), der auf der anderen Seite des Zellenrahmens 3 (Rückseite in 4) ausgebildet ist, zugeführt, und wird durch einen Auslassschlitz 36s (4), der im oberen Abschnitt des Zellenrahmens 3 ausgebildet ist, ausgeleitet. Schleifenförmige Dichtungselemente 37 (3), wie z. B. Flachdichtungen, sind zwischen den Zellenrahmen 3 angeordnet, um ein Austreten der Elektrolyten aus dem Teilstapel 200 zu verhindern.
In dieser Ausführungsform ist, wie in der Draufsicht von 4 dargestellt, ein Einleitkanal 4 in einer vorderen Oberfläche der Bipolarplatte 31 (Oberfläche in 4 sichtbar) ausgebildet, so dass sich der positive Elektrolyt, der durch die vordere Oberfläche der Bipolarplatte 31 durch den Einlassschlitz 33s zugeführt wird, gleichmäßig über die gesamte Oberfläche der positiven Elektrode 104 (3) verteilt. Außerdem ist ein Ausleitkanal 5 ausgebildet, so dass der positive Elektrolyt, der ein aktives Positivelektrodenmaterial enthält, dessen Wert sich an der positiven Elektrode 104 (3) geändert hat, schnell von der gesamten Oberfläche der positiven Elektrode 104 gesammelt und zu dem Auslassschlitz 35s geführt werden kann. In 4 ist der Bereich der Bipolarplatte 31, in dem weder der Einleitkanal 4 noch der Ausleitkanal 5 ausgebildet sind, kreuzschraffiert. Wie in 4 dargestellt, sind der Einleitkanal 4 und der Ausleitkanal 5 unabhängig voneinander und nicht miteinander verbunden. Die Gesamtrichtung, in welcher der Elektrolyt entlang der Bipolarplatte 31 (Strömungsrichtung) strömt, ist in 4 nach oben gerichtet, wie durch den fettgedruckten Pfeil links in 4 angedeutet ist.
Ein Einleitkanal, durch den der negative Elektrolyt der negativen Elektrode 105 (3) zugeführt wird, und ein Ausleitkanal, durch den der negative Elektrolyt ausgeleitet wird, sind in einer hinteren Oberfläche der Bipolarplatte 31 ausgebildet. Die Struktur des Einleitkanals und des Ausleitkanals in der hinteren Oberfläche der Bipolarplatte 31 ist der gleiche wie derjenige des Einleitkanals 4 und des Ausleitkanals 5 in 4, und eine Beschreibung davon wird somit weggelassen. Die Struktur um die positive Elektrode wird im Folgenden hauptsächlich beschrieben.
Der Einleitkanal 4 umfasst eine Einleitgleichrichtungsnut 40 und eine Vielzahl von Einleitverteilnuten 41. Die Einleitgleichrichtungsnut 40 dieser Ausführungsform erstreckt sich in einer Richtung, welche die Strömungsrichtung (Richtung orthogonal zu der Strömungsrichtung bei dieser Ausführungsform) kreuzt, und ist mit dem Einlassschlitz 33s verbunden. Die Einleitverteilnuten 41 erstrecken sich in einer Richtung, welche die Einleitgleichrichtungsnut 40 kreuzt (in dieser Ausführungsform orthogonal zu der Einleitgleichrichtungsnut 40). Die Richtung, in der sich die Einleitverteilnuten 41 erstrecken, ist im Wesentlichen parallel zu der Strömungsrichtung und ist eine Richtung zu einer Ausleitgleichrichtungsnut 50, die nachstehend beschrieben wird. Die Einleitverteilnuten 41 sind voneinander beabstandet. Die oben beschriebene Struktur des Einleitkanals 4 ermöglicht es dem positiven Elektrolyten, der durch den Einlassschlitz 33s in die Bipolarplatte 31 eingeleitet wird, in der Richtung, in der sich die Einleitgleichrichtungsnut 40 erstreckt, sich zu verteilen und entlang der Einleitverteilnuten 41 über die gesamte Oberfläche zu strömen.
Während der positive Elektrolyt von den Nuten 40 und 41 zu den Nuten 50 und 51 strömt, tritt der positive Elektrolyt in die positive Elektrode 104 (3) ein, die der vorderen Oberfläche der Bipolarplatte 31 zugewandt ist, und die Wertigkeit des in dem positiven Elektrolyten enthaltenen positiven Elektrodenaktivmaterial ändert sich.
Die Einleitverteilnuten 41 können sich, wie bei dieser Ausführungsform, parallel zur Strömungsrichtung erstrecken oder in einem Winkel relativ zu der Strömungsrichtung sein. Alternativ können die Einleitverteilnuten 41 eine mäanderförmige Form haben. Die Einleitverteilnuten 41 können eine konstante Breite, wie dargestellt, oder eine variierende Breite aufweisen. Zum Beispiel können die Einleitverteilnuten 41 eine Breite aufweisen, die zu deren Spitzen hin abnimmt. In einem solchen Fall haben die Einleitverteilnuten 41 eine trapezförmige oder dreieckige Form.
Der Ausleitkanal 5 weist eine Ausleitgleichrichtungsnut 50 und eine Vielzahl von Ausleitverteilnuten 51 auf. Die Ausleitgleichrichtungsnut 50 dieser Ausführungsform erstreckt sich in einer Richtung, welche die Strömungsrichtung (Richtung orthogonal zu der Strömungsrichtung bei dieser Ausführungsform) kreuzt, und ist mit dem Auslassschlitz 35s verbunden. Die Ausleitverteilnuten 51 erstrecken sich in einer Richtung, welche die Ausleitgleichrichtungsnut 50 kreuzt (in dieser Ausführungsform orthogonal zu der Ausleitgleichrichtungsnut 50). Die Richtung, in der sich die Ausleitverteilnuten 51 erstrecken, ist entgegengesetzt zu der Strömungsrichtung und ist eine Richtung zu der oben beschriebenen Einleitgleichrichtungsnut 40. Die Ausleitverteilnuten 51 sind voneinander beabstandet. Die Ausleitverteilnuten 51 und die oben beschriebenen Einleitverteilnuten 41 sind abwechselnd in der Richtung angeordnet, in der die Ausleitverteilnuten 51 voneinander beabstandet sind. Die von der positiven Elektrode 104 (3) durch die Ausleitverteilnuten 51 gesammelten Ströme des positiven Elektrolyten werden in der Ausleitgleichrichtungsnut 50 miteinander kombiniert. Dann wird der positive Elektrolyt zu dem Auslassschlitz 35s ausgeleitet. Da die Ausleitverteilnuten 51 über die gesamte Oberfläche der Bipolarplatte 31 verteilt sind, kann der positive Elektrolyt von der gesamten Oberfläche der positiven Elektrode 104 (3) gesammelt werden.
Die Ausleitverteilnuten 51 können sich wie bei dieser Ausführungsform parallel zur Strömungsrichtung erstrecken oder in einem Winkel relativ zu der Strömungsrichtung sein. Alternativ können die Ausleitverteilnuten 51 eine mäanderförmige Form haben. Die Ausleitverteilnuten 51 können eine konstante Breite, wie dargestellt, oder eine variierende Breite aufweisen. Zum Beispiel können die Ausleitverteilnuten 51 eine Breite aufweisen, die zu deren Spitzen hin abnimmt. In einem solchen Fall haben die Ausleitverteilnuten 51 eine Trapez- oder Dreiecksform.
Trennabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut 40 und den Ausleitverteilnuten 51 und Trennungsabständen Y zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut 50 und den Einleitverteilnuten 41 liegen im Bereich von 1 mm bis 30 mm. In dieser Ausführungsform sind sechs Ausleitverteilnuten 51 vorgesehen, und die sechs Trennungsabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut 40 und den sechs Ausleitverteilnuten 51 liegen alle im Bereich von 1 mm bis 30 mm. In dieser Ausführungsform sind auch sechs Einleitverteilnuten 41 vorgesehen, und die sechs Trennungsabstände Y zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut 50 und den sechs Einleitverteilnuten 41 liegen alle im Bereich von 1 mm bis 30 mm. Obwohl die Trennungsabstände X und Y in dieser Ausführungsform im Wesentlichen gleich sind, können die Trennungsabstände X und Y stattdessen unterschiedlich sein. Zum Beispiel können die Trennungsabstände X für drei der sechs Ausleitverteilnuten 51 10 mm und für die verbleibenden Ausleitverteilnuten 51 20 mm betragen (dies gilt auch für die Trennungsabstände Y). Alternativ können die Trennungsabstände X und Y individuell unterschiedlich sein. Die Trennabstände X und Y sind nicht begrenzt, solange alle Trennabstände X und Y im Bereich von 1 bis 30 mm liegen.
Wenn die Trennabstände X (Y) größer oder gleich 1 mm sind, kann das Auftreten von Leckpfaden, entlang derer der positive Elektrolyt von dem Einleitkanal 4 zum Ausleitkanal 5 intensiv strömt, verringert werden. Die Menge an aktivem Material, das von jeder Zelle 100 der RF-Batterie 1 (siehe 1 und 2) entladen wird, ohne deren Wertigkeit zu ändern, kann reduziert werden, indem das Auftreten von Leckpfaden verringert wird. Dementsprechend kann die Batterieleistung der RF-Batterie 1 verbessert werden. Wenn die Trennungsabstände X (Y) kleiner oder gleich 30 mm sind, wird Gas, das als Reaktion auf eine Batterie-Reaktion des positiven Elektrolyten erzeugt wird, Gas, das ursprünglich in dem positiven Elektrolyten gemischt ist, und Gas, das in den positiven Elektrolyten während der Zirkulation des positiven Elektrolyten gemischt wird, leicht von jeder Zelle 100 der RF-Batterie 1 ausgeleitet werden. Als ein Ergebnis kann das Auftreten von Problemen aufgrund von Ansammlung von Gas in jeder Zelle 100, z. B. eine Zunahme des Zellenwiderstandes der RF-Batterie 1, die durch eine Verringerung der Kontaktfläche zwischen dem positiven Elektrolyten und der positiven Elektrode 104 aufgrund des Gases verursacht wird, verringert werden. Die Batterieleistung der RF-Batterie 1 kann in Übereinstimmung mit dem Betrag verbessert werden, um den die Zunahme des Zellenwiderstandes verringert wird. Die Trennabstände X und Y liegen vorzugsweise im Bereich von 2 mm bis 20 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 3 mm bis 10 mm.
Der Dispersionsbereich der Trennungsabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut 40 und den Ausleitverteilnuten 51 ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 3 mm. In einem solchen Fall bewegt sich der positive Elektrolyt gleichmäßig von der Einleitgleichrichtungsnut 40 zu den Ausleitverteilnuten 51 und verteilt sich leicht über die gesamte Oberfläche der positiven Elektrode 104 (siehe 1 bis 3). Dieser Effekt nimmt zu, wenn der Dispersionsbereich der Trennungsabstände X abnimmt. Daher ist der Dispersionsbereich vorzugsweise kleiner als oder gleich 1 mm und bevorzugter im Wesentlichen 0 mm (mit anderen Worten, die Trennungsabstände X sind vorzugsweise auf denselben Wert eingestellt). Der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Y zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut 50 und den Einleitverteilnuten 41 ist vorzugsweise kleiner als oder gleich 3 mm. In einem solchen Fall bewegt sich der positive Elektrolyt gleichmäßig von den Einleitverteilnuten 41 zu der Ausleitgleichrichtungsnut 50 und kann sanft von der gesamten Oberfläche der positiven Elektrode 104 (siehe 1 bis 3) ausgeleitet werden. Dieser Effekt nimmt zu, wenn der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Y abnimmt. Daher ist der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Y vorzugsweise kleiner als oder gleich 1 mm und bevorzugter im Wesentlichen 0 mm (mit anderen Worten, die Trennungsabstände Y sind vorzugsweise auf denselben Wert eingestellt).
Die Trennabstände Z zwischen den Einleitverteilnuten 41 und den Ausleitverteilnuten 51, die einander benachbart sind, erfüllen vorzugsweise Z/10 ≤ X ≤ 10Z und Z/10 ≤ Y ≤ 10Z. Die Trennungsabstände Z erfüllen diese Beziehungen mit den Trennungsabständen X und Y an einer beliebigen Position in der Strömungsrichtung des Elektrolyten.
Wenn die Trennungsabstände X und Y und die Trennungsabstände Z die obigen Ungleichungen erfüllen, kann das Auftreten von Leckpfaden von den Einleitverteilnuten 41 zu den Ausleitverteilnuten 51 und die Ansammlung von Gas in jeder Zelle 100 (2) effektiv reduziert werden. Infolgedessen kann die Batterieleistung der RF-Batterie 1 (2) verbessert werden. Die Trennabstände X und die Trennabstände Z erfüllen bevorzugter Z/8 ≤ X ≤ 9Z und noch bevorzugter erfüllen sie Z/3 ≤ X ≤ 7Z. Die Trennabstände Y und die Trennabstände Z erfüllen noch stärker bevorzugt Z/8 ≤ Y ≤ 9Z und noch bevorzugter erfüllen sie Z/3 ≤ Y ≤ 7Z.
Der Dispersionsbereich der Trennabstände Z ist vorzugsweise kleiner oder gleich 2 mm. Der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Z kann durch Messen der Trennungsabstände Z an verschiedenen Positionen (zum Beispiel drei oder mehr gleich beanstandeten Positionen) in der Strömungsrichtung des Elektrolyten und Vergleichen der gemessenen Trennungsabstände Z bestimmt werden. Wenn der Dispersionsbereich der Trennabstände Z klein ist, sind die Einleitverteilnuten 41 und die Ausleitverteilnuten 51, die einander benachbart sind, in im Wesentlichen konstanten Intervallen angeordnet, um sich parallel zueinander zu erstrecken. Gemäß dieser Struktur bewegt sich der positive Elektrolyt gleichmäßig von den Einleitverteilnuten 41 zu den Ausleitverteilnuten 51 und verteilt sich leicht über die gesamte Oberfläche der positiven Elektrode 104 (siehe 1 bis 3). Der Dispersionsbereich der Trennabstände Z ist vorzugsweise so klein wie möglich. Zum Beispiel ist der Dispersionsbereich der Trennungsabstände Z vorzugsweise 1 mm oder weniger und bevorzugter im Wesentlichen 0 mm (mit anderen Worten, die Trennungsabstände Z sind vorzugsweise auf denselben Wert eingestellt).
<<Vorteile>>
Die Batterieleistung der RF-Batterie 1 kann verbessert werden, indem Bipolarplatten 31 verwendet werden, die jeweils den Einleitkanal 4 und den Ausleitkanal 5 enthalten, die oben unter Bezugnahme auf 4 beschrieben wurden. Dies liegt daran, dass, wenn der Einleitkanal 4 und der Ausleitkanal 5 bestimmte Bedingungen erfüllen, Leckpfade in jeder Zelle 100 der RF-Batterie 1 nicht leicht auftreten, und Gas, das in dem Elektrolyten enthalten ist, sich nicht leicht in jeder Zelle 100 ansammelt.
<< Andere Strukturen >>
Wenn die Gewichte pro Flächeneinheit (engl. weights per unit area, auch Gewicht pro Einheitsfläche möglich) der Elektroden 104 und 105 erhöht werden, können die Kontaktflächen zwischen den Elektroden 104 und 105 (siehe 3) und den Elektrolyten erhöht werden, und die Batterieleistung der RF-Batterie 1 (siehe 1 und 2) kann entsprechend verbessert werden. Die Schlitze um die Elektroden 104 und 105 werden jedoch kleiner und komplexer und daher sammelt sich Gas in jeder Zelle 100 leichter an. Da die RF-Batterie 1 dieser Ausführungsform die Bipolarplatten 31 enthält, die jeweils die in 4 dargestellte Struktur haben, kann das Gas leicht aus jeder Zelle 100 ausgeleitet werden. Dementsprechend können die Gewichte pro Flächeneinheit der Elektroden 104 und 105 erhöht werden. Genauer gesagt können die Elektroden 104 und 105 jeweils ein Flächengewicht haben, das beispielsweise größer oder gleich 30 g/m² ist. Das Flächengewicht kann stattdessen gleich oder größer als 50g/m² sein. Die Obergrenze für das Flächengewicht kann beispielsweise 500 g/m² betragen.
Wenn die Viskositäten der Elektrolyten reduziert werden, können die Lasten der Pumpen 112 und 113 (siehe 1 und 2), welche die Elektrolyten zirkulieren, reduziert werden und die Betriebskosten der RF-Batterie 1 können entsprechend verringert werden. Leckpfade der Elektrolyte können jedoch leichter auftreten. Da die RF-Batterie 1 dieser Ausführungsform die Bipolarplatten 31 enthält, die jeweils die in 4 dargestellte Struktur haben, treten Leckpfade nicht leicht auf. Daher können die Viskosität der Elektrolyten reduziert werden.
Insbesondere können die Elektrolyten jeweils eine Viskosität aufweisen, die kleiner oder gleich 10^–2 Pa·s ist. Die Viskosität kann stattdessen niedriger als oder gleich 8 × 10^–3 Pa·s oder weniger sein. Die untere Grenze der Viskosität beträgt 10^–3 Pa·s.
<Zweite Ausführungsform>
Eine zweite Ausführungsform, bei der ein Einleitkanal 4 und ein Ausleitkanal 5, die in einer Bipolarplatte 31 ausgebildet sind, sich von denen in der ersten Ausführungsform unterscheidet, wird unter Bezugnahme auf 5 beschrieben. Die von der Bipolarplatte 31 unterschiedlichen Strukturen können im Wesentlichen ähnlich denen in der ersten Ausführungsform sein. Daher zeigt 5 nur die Bipolarplatte 31, und eine Beschreibung der anderen Strukturen als der Bipolarplatte 31 wird in der zweiten Ausführungsform weggelassen.
Die in 5 dargestellte Bipolarplatte 31 ist lang in der durch den fettgedruckten Pfeil angegebenen Strömungsrichtung. Der Einleitkanal 4 und der Ausleitkanal 5, die in der Bipolarplatte 31 vorgesehen sind, weisen jeweils eine Einleitgleichrichtungsnut 40 und eine Ausleitgleichrichtungsnut 50 auf, die sich in der Strömungsrichtung erstrecken. Auch in dieser Struktur liegen die Trennungsabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut 40 und den Ausleitverteilnuten 51 und Trennungsabständen Y liegen zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut 50 und den Einleitverteilnuten 41 im Bereich von 1 mm bis 30 mm. Auch die Trennungsabstände X und Y und Trennabstände Z erfüllen vorzugsweise Z/10 ≤ X ≤ 10Z und Z/10 ≤ Y ≤ 10Z.
<< Vorteile >>
Auch in der Struktur dieser Ausführungsform treten Leckpfade in jeder Zelle 100 der RF-Batterie 1 nicht leicht auf (siehe 1 und 2), und Gas, das in dem Elektrolyten enthalten ist, sammelt sich nicht leicht in jeder Zelle 100 an. Die Batterieleistung der RF-Batterie 1 kann verbessert werden.
<Dritte Ausführungsform>
Eine dritte Ausführungsform, bei der jeder Zellenrahmen 3 ein Rahmenelement 32 mit Gleichrichtungsnuten 40 und 50 und eine Bipolarplatte 31 mit Verteilnuten 41 und 51 enthält, wird unter Bezugnahme auf 6 beschrieben.
Wie in 6 dargestellt, ist in jedem Zellenrahmen 3 dieser Ausführungsform eine Einleitgleichrichtungsnut 40 in einem inneren Umfangsabschnitt des Rahmenelements 32 (Abschnitt in der Nähe eines Fensters, in dem die Bipolarplatte 31 angebracht ist) an einer Seite benachbart zu den Zufuhrverteilern 33 und 34 vorgesehen. Eine Ausleitgleichrichtungsnut 50 ist in dem inneren Umfangsabschnitt des Rahmenelements 32 an einer Seite benachbart zu den Ausleitverteilern 35 und 36 vorgesehen. Die Einleitgleichrichtungsnut 40 erstreckt sich in einer Richtung, in der die Zufuhrverteiler 33 und 34 angeordnet sind, und die obere Kante davon (Kante gegenüber den Ausleitverteilern 35 und 36) ist mit dem Fenster verbunden. Die Ausleitgleichrichtungsnut 50 erstreckt sich in einer Richtung, in der die Ausleitverteiler 35 und 36 angeordnet sind, und deren Unterkante (Kante gegenüber den Zufuhrverteilern 33 und 34) ist mit dem Fenster verbunden.
In der Bipolarplatte 31 sind Einleitverteilnuten 41 und Ausleitverteilnuten 51 vorgesehen, um abwechselnd angeordnet zu sein. Die Einleitverteilnuten 41 sind mit der Einleitgleichrichtungsnut 40 verbunden, sind jedoch nicht mit der Ausleitgleichrichtungsnut 50 verbunden. Die Ausleitverteilnuten 51 sind mit der Ausleitgleichrichtungsnut 50 verbunden, sind aber nicht mit der Einlassgleichrichtungsnut 40 verbunden.
Auch bei der oben beschriebenen Struktur kann das Auftreten von Leckpfaden in jeder Zelle 100 und Ansammlung von Gas in jeder Zelle 100 durch Einstellen der Trennungsabstände X, Y und Z wie in der ersten Ausführungsform reduziert werden, und die Batterieleistung der RF-Batterie 1 kann entsprechend verbessert werden. In dieser Ausführungsform sind ähnlich wie in der ersten Ausführungsform die Trennungsabstände X, Y und Z jeweils die Trennungsabstände zwischen der Einleitgleichrichtungsnut 40 und den Ausleitverteilnuten 51, die Trennungsabstände zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut 50 und den Einleitverteilnuten 41 und die Trennungsabstände zwischen den Einleitverteilnuten 41 und den Ausleitverteilnuten 51, die einander benachbart sind.
<< Vorteile >>
Auch in der Struktur dieser Ausführungsform treten Leckpfade in jeder Zelle 100 der RF-Batterie 1 nicht leicht auf (siehe 1 und 2), und Gas, das in dem Elektrolyten enthalten ist, sammelt sich nicht leicht in jeder Zelle 100 an. Die Batterieleistung der RF-Batterie 1 kann verbessert werden.
<< Andere >>
Die Struktur, in der die Gleichrichtungsnuten 40 und 50 in dem Rahmenelement 32 vorgesehen sind und die Verteilnuten 41 und 51 in der Bipolarplatte 31 vorgesehen sind, kann an Zellenrahmen angewendet werden, die wie die zweite Ausführungsform, in der Strömungsrichtung des Elektrolyten lang sind.
<Testbeispiel 1>
Eine Vielzahl von RF-Batterien 1 (Testobjekte A bis G) mit den Zellenrahmen 3 einschließlich der Bipolarplatten 31 mit der in 4 dargestellten Struktur mit unterschiedlichen Trennungsabständen X, Y und Z wurden vorbereitet. Zusätzlich wurde eine RF-Batterie (Testobjekt H) mit Oberflächen ohne Nuten (Einleitkanal und Ausleitkanal) vorbereitet. Die Elektroden 104 und 105 (siehe 1 und 2) hatten ein Flächengewicht von 150 bis 200 g/m² und die Elektrolyten hatten eine Viskosität von 4 × 10^–3 Pa·s. Der Zellwiderstand jeder RF-Batterie 1 wurde gemessen, indem ein Lade-/ Entlade-Test mit der RF-Batterie 1 durchgeführt wurde. Im Lade-/ Entlade-Test wurde eine Entladungsendspannung auf 1V eingestellt und eine Ladungsendspannung auf 1,6 V. Eine Lade/Entlade-Kurve wurde auf der Grundlage des Ergebnisses des Lade-/Entlade-Tests erhalten und der Zellwiderstand im dritten Zyklus wurde auf der Grundlage der Lade-/ Entlade-Kurve ausgewertet.
• Testobjekt A
In jeder Bipolarplatte 31 des Testobjekts A waren die Trennungsabstände X und Y 1 mm und die Trennungsabstände Z 1 mm. Die Dispersionsbereiche der Trennungsabstände X, Y und Z lagen alle innerhalb der Toleranz. Der Zellwiderstand des Testobjekts A betrug 0,63 Ω·cm².
• Testobjekt B
In jeder Bipolarplatte 31 des Testobjekts B waren die Trennungsabstände X und Y 3 mm und die Trennungsabstände Z 3 mm. Die Dispersionsbereiche der Trennungsabstände X, Y und Z lagen alle innerhalb der Toleranz. Andere Bedingungen (Formen, Abmessungen, Materialien usw.) waren genau dieselben wie diejenigen des Testobjekts A. Der Zellwiderstand des Testobjekts B betrug 0,58 Ω·cm².
• Testobjekt C
In jeder Bipolarplatte 31 des Testobjekts C waren die Trennungsabstände X und Y 7 mm und die Trennungsabstände Z 7 mm. Die Dispersionsbereiche der Trennungsabstände X, Y und Z lagen alle innerhalb der Toleranz. Andere Bedingungen waren genau dieselben wie diejenigen des Testobjekts A. Der Zellwiderstand des Testobjekts C betrug 0,57 Ω·cm².
• Testobjekt D
In jeder Bipolarplatte 31 des Testobjekts D waren die Trennungsabstände X und Y 3 mm und die Trennungsabstände Z 1 mm. Die Dispersionsbereiche der Trennungsabstände X, Y und Z lagen alle innerhalb der Toleranz. Andere Bedingungen waren genau die gleichen wie diejenigen des Testobjekts A. Der Zellwiderstand des Testobjekts D betrug 0,65 Ω·cm².
• Testobjekt E
In jeder Bipolarplatte 31 des Testobjekts E waren die Trennungsabstände X und Y 3 mm und die Trennungsabstände Z 7 mm. Die Dispersionsbereiche der Trennungsabstände X, Y und Z lagen alle innerhalb der Toleranz. Andere Bedingungen waren genau dieselben wie diejenigen des Testobjekts A. Der Zellwiderstand des Testobjekts E betrug 0,55 Ω·cm².
• Testobjekt F
In jeder Bipolarplatte 31 des Testobjekts F waren die Trennungsabstände X und Y 26 mm und die Trennungsabstände Z 4 mm. Die Dispersionsbereiche der Trennungsabstände X, Y und Z lagen alle innerhalb der Toleranz. Andere Bedingungen waren genau dieselben wie diejenigen des Testobjekts A. Der Zellwiderstand des Testobjekts F betrug 0,57 Ω·cm².
• Testobjekt G
In jeder Bipolarplatte 31 des Testobjekts G waren die Trennungsabstände X und Y 41 mm und die Trennungsabstände Z 1 mm. Die Dispersionsbereiche der Trennungsabstände X, Y und Z lagen alle innerhalb der Toleranz. Andere Bedingungen (Formen, Abmessungen, Materialien usw.) waren genau dieselben wie diejenigen des Testobjekts A. Der Zellwiderstand des Testobjekts G war 0,71 Ω·cm².
• Testobjekt H
Testobjekt H war eine RF-Batterie mit Zellenrahmen ohne den Einleitkanal und den Ausleitkanal. Andere Bedingungen als das Vorhandensein/Nichtvorhandensein der Kanäle (Formen, Abmessungen, Materialien, usw.) waren genau dieselben wie diejenigen des Testobjekts A. Der Zellwiderstand des Testobjekts H betrug 0,97 Ω·cm².
<< Zusammenfassung der Testergebnisse >>
Ein Vergleich zwischen den Zellwiderständen der oben beschriebenen Testobjekte zeigt, dass, wenn die Trennungsabstände X und Y im Bereich von 1 mm bis 30 mm liegen, der Zellwiderstand der RF-Batterie 1 reduziert werden kann. Der Zellwiderstand der RF-Batterie 1 kann auch verringert werden, wenn die Trennungsabstände X und Y und die Trennungsabstände Z Z/10 ≤ X ≤ 10Z und Z/10 ≤ Y ≤ 10Z erfüllen. Ferner zeigt ein Vergleich der Testobjekte A bis F, bei denen die Abstände X und Y der Kanäle 4 und 5 im Bereich von 1 mm bis 30 mm lagen, mit dem Testobjekt H, das die Kanäle nicht enthielt, dass die Zellwiderstände der Testobjekte A bis F um 30% oder mehr niedriger waren als der Zellwiderstand des Testobjekts H. Wenn die RF-Batterie 1 einen kleinen Zellwiderstand aufweist, ist der Energieverlust, der während des Ladens/Entladens auftritt, gering und die RF-Batterie 1 arbeitet effizient.
Bezugszeichenliste

1: RF-Batterie (Redox-Flow-Batterie)
2: Zellenstapel
3: Zellenrahmen
31: Bipolarplatte
32: Rahmenelement
33, 34: Zufuhrverteiler
35, 36: Ausleitverteiler
33s, 34s: Einlassschlitz
35s, 36s: Auslassschlitz
37: schleifenförmiges Dichtungselement
4: Einleitkanal
40: Einleitgleichrichtungsnut
41: Einleitverteilnut
5: Ausleitkanal
50: Ausleitgleichrichtungsnut
51: Ausleitverteilnut
100: Zellen
101: Membran
102: positive Elektrodenzelle
103: negative Elektrodenzelle
100P: positiver Elektrolytzirkulationsmechanismus
100N: negativer Elektrolytzirkulationsmechanismus
104: positive Elektrode
105: negative Elektrode
106: positiver Elektrolyttank
107: negativer Elektrolyttank
108, 109, 110, 111: Leitung
112, 113: Pumpe
190: Zufuhr-/Ausleitplatte
200: Teilstapel
210, 220: Endplatte
230: Klemmmechanismus

Claims

Zellenrahmen mit einer zwischen einer positiven Elektrode und einer negativen Elektrode einer Redox-Flow-Batterie angeordneten Bipolarplatte und einem Rahmenelement, das die Bipolarplatte an einem Außenumfang der Bipolarplatte stützt, wobei ein Einleitkanal und ein davon unabhängiger und nicht mit dem Einleitkanal verbundener Ausleitkanal in einer Oberfläche des Zellenrahmens, die der positiven Elektrode zugewandt ist, und einer Oberfläche des Zellenrahmens, die der negativen Elektrode zugewandt ist, vorgesehen sind, der Einleitkanal einen Elektrolyten in eine Entsprechende der Elektroden einleitet, der Ausleitkanal den Elektrolyten von der Entsprechenden der Elektroden ausleitet, wobei der Einleitkanal eine Einleitgleichrichtungsnut und eine Vielzahl von Einleitverteilnuten aufweist, die mit der Einleitgleichrichtungsnut verbunden und voneinander beabstandet sind, wobei der Ausleitkanal eine Ausleitgleichrichtungsnut und eine Vielzahl von Ausleitverteilnuten aufweist, die mit der Ausleitgleichrichtungsnut verbunden und voneinander beabstandet sind, wobei sich die Einleitverteilnuten in Richtung der Einleitgleichrichtungsnut erstrecken und die Ausleitverteilnuten sich in Richtung der Ausleitgleichrichtungsnut erstrecken, und wobei Trennabstände X zwischen der Einleitgleichrichtungsnut und den Ausleitverteilnuten und Trennungsabstände Y zwischen der Ausleitgleichrichtungsnut und den Einleitverteilnuten in einem Bereich von 1mm bis 30mm liegen.
Zellenrahmen nach Anspruch 1, wobei die Einleitgleichrichtungsnut, die Ausleitgleichrichtungsnut, die Einleitverteilnuten und die Ausleitverteilnuten alle in der Bipolarplatte vorgesehen sind.
Zellenrahmen nach Anspruch 1, wobei die Einleitgleichrichtungsnut und die Ausleitgleichrichtungsnut in dem Rahmenbauteil vorgesehen sind, und wobei die Einleitverteilnuten und die Ausleitverteilnuten in der Bipolarplatte vorgesehen sind.
Zellenrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Einleitverteilnuten und die Ausleitverteilnuten abwechselnd angeordnet sind, und wobei die Trennungsabstände X und die Trennungsabstände Y größer als oder gleich 1/10 der Trennungsabstände Z zwischen den Einleitverteilnuten und den Ausleitverteilnuten sind, die einander benachbart sind, und weniger als oder gleich dem 10-fachen der Trennungsabstände Z sind.
Zellenrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei ein Dispersionsbereich der Trennungsabstände X kleiner oder gleich 3 mm ist.
Zellenrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei ein Dispersionsbereich der Trennungsabstände Y kleiner oder gleich 3 mm ist.
Zellenrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei ein Dispersionsbereich der Trennungsabstände Z an verschiedenen Positionen in Strömungsrichtung des Elektrolyts kleiner oder gleich 2 mm ist.
Zellenstapel mit einem Zellenrahmen nach einem der Ansprüche 1 bis 7.
Zellenstapel nach Anspruch 8, wobei die positive Elektrode und die negative Elektrode jeweils ein Flächengewicht von mehr als oder gleich 30 g/m² aufweisen.
Redox-Flow-Batterie mit dem Zellenstapel nach Anspruch 8 oder 9.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 10, wobei der Elektrolyt, der durch den Zellenstapel zirkuliert, eine Viskosität aufweist, die kleiner oder gleich 10^–2 Pa·s ist.
Redox-Flow-Batterie nach Anspruch 10 oder 11, wobei ein Zellenwiderstand der Redox-Flow-Batterie um 30% oder mehr niedriger ist als der Zellenwiderstand einer Redox-Flow-Batterie mit einer Bipolarplatte mit Oberflächen ohne Nuten.