JP2002329523A - レドックスフロー電池用セルフレーム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 フロート充電においても電解液の析出などを
抑制できると共に、簡単な構造で効率の良いレドックス
フロー電池を構成することができるセルフレームを提供
する。 【解決手段】 正極電解液と負極電解液の混合液が流通
されるマニホールドを有すると共に、2つのセル室45、4
6を形成するフレーム枠42と、フレーム枠内に配置され
て両セル室45、46に共通する双極板43とを具える。２つ
のセル室を持って、両セル室に共通する双極板43を有す
るセルフレームを用いることで、簡易な構造でロスの少
ないレドックスフロー電池システムを構成することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はレドックスフロー電
池用のセルフレームに関するものである。また、本発明
は、前記セルフレームを用いたセルスタック並びにフロ
ート充電用レドックスフロー電池システムに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図9はレドックスフロー電池の動作原理
を示す説明図である。この電池は、イオン交換膜からな
る隔膜４で正極セル1Aと負極セル1Bとに分離されたセル
1を具える。正極セル1Aと負極セル1Bの各々には正極電
極5と負極電極6とを内蔵している。正極セル1Aには正極
電解液を供給・排出するための正極用タンク2が導管7、
8を介して接続されている。負極セル1Bにも負極電解液
を導入・排出する負極用タンク３が同様に導管10、11を
介して接続されている。各電解液にはバナジウムイオン
など原子価が変化するイオンの水溶液を用い、ポンプ
9、12で循環させ、正負極電極5、6におけるイオンの価
数変化反応に伴って充放電を行う。バナジウムイオンを
含む電解液を用いた場合、セル内で充放電時に生じる反
応は次のとおりである。

【０００３】 正極：V⁴⁺→V⁵⁺＋e^-（充電） V⁴⁺←V⁵⁺＋e^-（放電） 負極：V³⁺＋e^-→V²⁺（充電） V³⁺＋e^-←V²⁺（放電）

【０００４】図10は、上記の電池に用いるセルスタック
の概略構成図である。通常、上記の電池には、複数のセ
ルが積層されたセルスタック100と呼ばれる構成が利用
される。各セルは、隔膜4の両側にカーボンフェルト製
の正極電極5および負極電極6を具える。そして、正極電
極5と負極電極6の各々の外側には、セルフレーム20が配
置される。

【０００５】セルフレーム20は、プラスチックカーボン
製の双極板21と、その外周に形成されるフレーム枠22と
を具える。

【０００６】フレーム枠22には、マニホールド23A、23B
と呼ばれる複数の孔が形成されている。１枚のセルフレ
ームには、例えば下辺に４つ、上辺に４つの合計８つの
マニホールドが設けられ、下辺の２つが正極電解液供給
用、残り２つが負極電解液供給用、上辺の２つが正極電
解液排出用、残り２つが負極電解液排出用となってい
る。マニホールド23A、23Bは、多数のセルを積層するこ
とで電解液の流路を構成し、図9における導管7、8、1
0、11へとつながっている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このようなレ
ドックスフロー電池では、充放電に伴って隔膜を通って
H⁺イオンが移動したり、正極電解液を圧送するポンプと
負極電解液を圧送するポンプの圧力差や正負極電解液間
の浸透圧により、隔膜を介して電解液が片極側に移動す
る液移りが生じる。

【０００８】特に、フロート充電の場合、液移りが顕著
に生じる。フロート充電とは、充電装置にレドックスフ
ロー電池と負荷とを並列に接続し、電池に常に一定の電
圧を加えて充電状態にしておき、停電時や負荷変動時に
無瞬断で電池より負荷へ電力を供給する方式である。液
移りが顕著に生じると、両極間の電解液量のバランスが
崩れ、抵抗の増加、容量の低下、電解液の析出が引き起
こされる。この電解液の析出は、5価のバナジウムイオ
ンが水と反応することで起こる。

【０００９】一方、正極電解液用タンクと負極電解液用
タンクの２つのタンクを設けるのではなく、両電解液が
混合して貯留される1つのタンクを用いたフロート充電
用レドックスフロー電池システムも提案されている。こ
の1タンク型電池システムでは液移りによる電解液量の
アンバランスは問題とならない。

【００１０】しかし、電解液に貯えられたエネルギーは
タンク内で熱の形で放出されてしまい、効率が非常に悪
くなってしまう。これは、セル内である程度充電された
正負極の電解液が1つのタンク内で混合されるため、正
極で5価、負極で2価であった電解液が混合により自己放
電してしまい、熱の形でエネルギーが消費されてしまう
からである。

【００１１】また、前述した通常のセルフレームは2タ
ンク型電池システムでの電池効率を向上させるべく最適
化されており、1タンク型電池システムにそのまま適用
して電池効率の改善しようとしても、電解液流路、電気
回路接続が複雑になってしまう。

【００１２】従って、本発明の主目的は、フロート充電
においても電解液の析出などを抑制できると共に、簡単
な構造で効率の良いレドックスフロー電池を構成するこ
とができるセルフレームを提供することにある。

【００１３】また、本発明の他の目的は、前記のセルフ
レームを用いたセルスタック及びレドックスフロー電池
システムを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、正・負極の電
解液の混合を許容すると共に、セルフレームに形成され
るセル室の構成に工夫を施すことで上記の目的を達成す
る。

【００１５】すなわち、本発明セルフレームは、正極電
解液と負極電解液の混合液が流通されるマニホールドを
有すると共に、2つのセル室を形成するフレーム枠と、
フレーム枠内に配置されて両セル室に共通する双極板と
を具えることを特徴とする。

【００１６】このセルフレームは、図1に示すフロート
充電用レドックスフロー電池システムの副セルに用いる
ことが好適である。この電池システムは、従来と同様の
セルフレームで構成される主セルと、本発明セルフレー
ムで構成される副セルとを接続し、さらに正負極電極液
が混合される貯留タンクを接続したものである。

【００１７】このような電池システムでは、フロート充
電中、主セルの電解液排出側においた副セル内の電解液
は主セルの電解液供給側においた副セル内の電解液に比
べて充電深度が高い。すなわち、正極では「（5価のVイ
オン濃度）/（4価＋5価のイオン濃度）」の比率が大き
く、負極では「（2価のVイオン濃度）/（2価＋3価のイ
オン濃度）」の比率が大きい。これらの副セルは、主セ
ルに近いもの同士が双極板を介して電気的に接続される
ことで、電解液排出側の副セルで電解液供給側の副セル
を充電する。このように構成することで、副セルを用い
ない場合におけるフロート充電の電流値よりも小さな電
流値で主セルは充電でき、ロス低減を図ることができ
る。

【００１８】本発明セルフレームは、フレーム枠内に2
つのセル室を形成することで、図1における主セルの電
解液排出側（右側）の副セルと主セルの電解液供給側
（左側）の副セルとを容易に一体化することができ電解
液流路を形成するために複雑なパイプの配管や接続の必
要がない。

【００１９】また、形成した２つのセル室では、正負極
は各々独立しているが、双極板を共通部品とすることで
電気的接続も容易に行うことができる。

【００２０】本発明セルフレームの片面に正極、他面に
負極を配置すると共に、隔膜を挟み込んで積層すること
でセルスタックを構成することができる。

【００２１】そして、そのセルスタックに電解液の貯留
タンクを接続することでフロート充電用レドックスフロ
ー電池システムを構成することができる。通常、貯留タ
ンクはセルスタックとは独立して配管を介して接続され
る。この貯留タンクでは、正極電解液と負極電解液が混
合される。貯留タンクの形状は特に問わないが、セルス
タックに一体化できるように、セルスタックとほぼ同一
面積を有する板状容器とすることが好ましい。セルスタ
ックと貯留タンクの一体化により、一層電池システムを
コンパクト化することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 （電池システムの概略構成）本発明フロート充電用1タ
ンク型レドックスフロー電池システムの概略図を図1に
示す。この電池システムは、図10に示した従来のセルフ
レームで構成される主セル30と、主セル30の前後（電解
液供給側と排出側）に接続される副セル群40Lと、副セ
ル群40Rの間に接続されて正負極電極液が混合される貯
留タンク60とを具える。そして、主セル30→右側（電解
液排出側）副セル群40R→貯留タンク60→左側（電解液
供給側）副セル群40L→主セル30の循環経路を形成して
いる。

【００２３】この電池システムでは、正極電解液と負極
極電解液は貯留タンク60で混合されるため、混合電解液
が流通される。正極電解液と負極電解液が混合される
と、次の反応が起こる。

【００２４】V⁵⁺＋V²⁺→V³⁺＋V⁴⁺ V⁵⁺＋V³⁺→2V⁴⁺ V⁴⁺＋V²⁺→2V³⁺ V⁴⁺＋V³⁺→V⁴⁺＋V³⁺

【００２５】また、主セル30に供給された混合電解液
は、フロート充電により常時は次の反応を生じる。 正極：V⁴⁺→V⁵⁺＋e^-（充電） 負極：V³⁺＋e^-→V²⁺（充電）

【００２６】バナジウムイオンが5価の状態になるの
は、正極電解液が充電状態にあるときである。そのた
め、正負極電解液の混合により、充電により生じたV⁵⁺
をV⁴⁺にすれば、フロート充電を長期間行っても5価のバ
ナジウムイオンが析出することを抑制できる。

【００２７】このような正負極電解液の循環は、両電解
液が混合されることによるエネルギー損失がシステム効
率に影響を及ぼさない程度に非常にゆっくり行うことが
望ましい。電解液の循環は、循環経路における適宜な個
所に設けたポンプ（図示せず）で行えば良い。

【００２８】各副セル40の詳細構造は後に説明する。副
セル40のサイズ、数は限定されない。主セル31に比べて
大きくても小さくても何対あっても構わない。ポンプの
圧力損失や製作コストを考慮して副セル40のサイズや数
を適宜決定すればよい。各副セル40は、主セル30に近い
もの同士が電気的に接続されることで、電解液排出側
（右側）の副セル群40Rで電解液供給側（左側）の副セ
ル群40Lを充電する。このように構成することで、副セ
ルを用いない場合におけるフロート充電の電流値よりも
小さな電流値で主セルは充電でき、ロス低減を図ること
ができる。

【００２９】（電池システムの具体的構成）図１のシス
テムの具体的構成図を図２に示す。図２は本発明電池シ
ステムの横断面図である。実線矢印は正極電解液の流路
を、破線矢印は負極電解液の流路を示している。図１で
は、右側副セル群40Rと左側副セル群40Lが独立して示さ
れているが、図２の構成では、一つのセルフレーム内に
右側副セルと左側副セルを形成している。

【００３０】（主セル）主セル30は、図１では簡略化し
て示しているが、図10で説明したものと同様の構成であ
る。主セル30における正極セルと負極セルの各々はイオ
ン交換膜からなる隔膜4で分離されている。主セル30を
構成するセルフレーム31は、図3に示すように、プラス
チック製のフレーム枠32と、フレーム枠内に配置される
双極板33とを具える。フレーム枠32には合計4つのマニ
ホールド34、35、36、37が形成されている。フレーム枠
の下方の角部に位置するマニホールド34、35は電解液の
供給用であり、同上方の角部に位置するマニホールド3
6、37は電解液排出用である。また、双極板33の片面に
正極が、他面に負極が配置される。図３の正面側に正極
を配置した場合、正極液はマニホールド34から導入さ
れ、正面側の正極を通ってマニホールド36から排出され
る。負極液はマニホールド35から導入され、背面側の負
極を通ってマニホールド37から排出される。

【００３１】（副セル）副セル40を構成するセルフレー
ムの平面図を図4、5に示す。ここでは2種類のセルフレ
ーム41A,41Bを用いる。両フレーム41A,41Bは上下が逆に
なっている点を除いて同一構成である。このセルフレー
ム41A,41Bもフレーム枠42と、この枠内に配置された双
極板43とを具えているが、フレーム枠42がほぼ中央の仕
切板44で左右に区画されて２つのセル室45、46を形成す
る。すなわち、双極板43の片面側に２つのセル室を、他
面側にも２つのセル室を形成する。双極板43の片面側に
おける２つのセル室には各々正極が配置され、双極板の
他面側における２つのセル室には各々負極が配置され
る。双極板43は仕切板44を挟んで分割されているのでは
なく、仕切板44の内部を通って連続している。従って、
仕切板44を挟んで隣接する２つのセル室45、46は、独立
した電極を有しているが共通する双極板43を有してお
り、電気的に接続されることになる。

【００３２】フレーム枠42には、合計8つのマニホール
ド51〜58が形成されている。各マニホールドは貫通孔で
はなく、実線部が表面側に、破線部が裏面側に溝状に形
成されていることを示している。各マニホールドは、溝
部47を通じて正極5または負極6に電解液を連通される。
このようなセルフレームの積層には、図6に示すよう
に、一辺側のみに４つの孔が形成されて上下の向きが異
なる隔膜4A,4Bを用い、フレーム41A、隔膜4A、フレーム
41B、隔膜4B、フレーム41A、隔膜4A、フレーム41B、隔
膜4B…の順に積層してセルスタックを構成する。

【００３３】このように形成されたセルスタックにおけ
る電解液の流路を図7に示す。ここでは、正極液の往路
を実線で、負極液の復路を破線で示し、負極液の往路と
正極液の復路は省略している。図示のように、正極液は
フレーム41Aの左側のセル室では上から下に、フレーム4
1Bの左側のセル室では下から上に、負極液はフレーム41
Aの右側のセル室では下から上に、フレーム41Bの右側の
セル室では上から下に流れる。

【００３４】なお、図4〜図7におけるセルフレーム41A,
41Bは、図2に記載した副セル40における4枚のセルフレ
ームのうち、中間の2枚を示している。両端のセルフレ
ームは、図2の流路から明らかなように、一部のマニホ
ールドを貫通させる必要がある。

【００３５】図2を見れば、副セル内において電解液の
流路がかなり長くなることがわかる。しかし、フロート
充電システムの場合、電解液の循環は非常に遅くても構
わないため、セルスタック内の流路が長いことによるポ
ンプの損失も問題とはならない。

【００３６】（貯留タンク）前述した副セル40は、電解
液の貯留タンク60に接続される（図２）。この貯留タン
ク60では、主セル側から副セルを通って送られてきた正
極電解液と負極電解液が混合され、混合電解液が再度副
セルを通って主セル側に循環される。

【００３７】タンク60の形状は特に限定されない。図2
では断面が円形のタンク60を示し、副セル40とはパイプ
などで接続している。ただし、図8に示すように、タン
ク自体を板状容器とすることで、主セル30、副セル40お
よび貯留タンク60を一体化し、電池システム全体で立方
体状のシンプルな構成にすることができる。その場合、
副セル40とタンク60との接続はマニホールドで行われ、
パイプなどの配管は不必要である。図8と図2の電池シス
テムは、貯留タンクの形状が相違する点を除いて同一の
構成である。

【００３８】（動作）フロート充電中、主セル30の電解
液排出側においた副セル40内の電解液は主セル30の電解
液供給側においた副セル36内の電解液に比べて充電深度
が高い。すなわち、正極では「（5価のVイオン濃度）/
（4価＋5価のイオン濃度）」の比率が大きく、負極では
「（2価のVイオン濃度）/（2価＋3価のイオン濃度）」
の比率が大きくなる。主セル30に近い副セル同士を電気
的に接続することで、電解液排出側（図1の右側）の副
セル群40Rは電解液給液側（図1の左側）の副セル群40L
を充電する。従って、副セルを用いない場合におけるフ
ロート充電の電流値よりも小さな電流値で主セル30を充
電でき、正負極の電解液が混ざり合うことによるロス低
減を図ることができる。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明セルフレー
ムによれば、次の効果を奏することができる。

【００４０】２つのセル室を持って、両セル室に共通す
る双極板を有するセルフレームを用いることで、簡易な
構造でロスの少ないレドックスフロー電池システムを構
成することができる。特に、貯留タンクの前後でのセル
スタック接続および電気系統の接続が容易に行える。

【００４１】貯留タンクを板状容器とすることで、セル
スタックと一体化することができ、フロート充電システ
ムをさらにシンプルにすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明電池システムの概略図である。

【図２】本発明電池システムの具体的構成図である。

【図３】主セルに用いるセルフレームの平面図である。

【図４】副セルに用いるセルフレーム41Aの平面図であ
る。

【図５】図４のセルフレームとは上下が反対のセルフレ
ーム41Bの平面図である。

【図６】セルフレーム41A、41Bおよび隔膜4A,4Bの積層
順を示す説明図である。

【図７】セルフレーム41A、41Bにより形成される電解液
の流路を示す説明図である。

【図８】板状容器の貯留タンクを用いた本発明電池シス
テムの具体的構成図である。

【図９】レドックスフロー電池の動作原理の説明図であ
る。

【図10】セルスタックの説明図である。

【符号の説明】

1 セル 1A 正極セル 1B 負極セル ２ 正極用タンク ３ 負極用タンク ４ 隔膜 ５ 正極電極 ６ 負極電極 7、8 導管 9、10 ポンプ 20 セルフレーム 21 双極板 22 フレーム枠 23A、23B マニホールド 30 主セル 31 セルフレーム 32 フレーム枠 33 双極板 34 マニホールド 35 マニホールド 40 副セル 40R 右側副セル群 40L 左側副セル群 41 セルフレーム 42 フレーム枠 43 双極板 44 仕切板 45、46 セル室 47 溝部 51、53 供給用マニホールド 52、54 排出用マニホールド 60 貯留タンク 100 セルスタック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 徳田 信幸 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA01 CC08 CX05 CX10 EE18 RR01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 正極電解液と負極電解液の混合液が流通
   されるマニホールドを有すると共に、2つのセル室を形
   成するフレーム枠と、 フレーム枠内に配置されて両セル室に共通する双極板と
   を具えることを特徴とするレドックスフロー電池用セル
   フレーム。
2. 【請求項2】 請求項１に記載のセルフレームを積層し
   たことを特徴とするセルスタック。
3. 【請求項3】 さらに正極電解液と負極電解液の貯留タ
   ンクとなる板状容器を一体化したことを特徴とする請求
   項2に記載のセルスタック。
4. 【請求項4】 請求項2または3に記載のセルスタックを
   用いて構成されたことを特徴とするフロート充電用レド
   ックスフロー電池システム。