JP2003100337A - 間歇循環型レドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 電解液を循環させるポンプの効率や、シャン
ト電流損失を改善できる間歇循環型レドックスフロー電
池を提供する。 【解決手段】 セルフレーム10と電極70とを重ねたセル
構造を有する間歇循環型レドックスフロー電池である。
セルフレーム10は、電極70よりも上部に配置される給液
用および排液用マニホールド12、13と、各マニホールド
と電極70との間において電解液を連通させるスリット1
4、15とを具える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、間歇循環型レドッ
クスフロー電池に関するものである。特に、電解液を循
環させるポンプの効率や、シャント電流損失を改善でき
る間歇循環型レドックスフロー電池に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】図７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140で正極セル101と負極セル102とに分離された
セル100を具える。正極セル101と負極セル102の各々に
は正極電極150と負極電極160とを内蔵している。正極セ
ル101には正極電解液を供給・排出するための正極用タ
ンク120が導管170，180を介して接続されている。負極
セル102にも負極電解液を供給・排出する負極用タンク1
30が同様に導管171、181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イオン価数が変化するイ
オンの水溶液を用い、ポンプ190、191で循環させ、正負
極電極150、160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８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、レドックスフロー電池に
は、複数のセルが積層されたセルスタック300と呼ばれ
る構成が利用される。各セルは、隔膜140の両側にカー
ボンフェルト製の正極電極150および負極電極160を具え
る。そして、正極電極150と負極電極160の各々の外側に
は、セルフレーム200が配置される。

【０００５】セルフレーム200は、プラスチックカーボ
ン製の双極板210と、その外周に形成されるフレーム枠2
20とを具える。

【０００６】フレーム枠220には、マニホールド231、23
2と呼ばれる複数の孔が形成されている。マニホールド2
31、232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７における導管170、171、180、181へとつ
ながっている。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
（図８）、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。すなわち、セ
ルフレームの下方から電解液を供給し、正負電極の垂直
方向に電解液を流通させてセルフレームの上方へと排出
する流路を形成している。

【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をフロート充電などに用いる場合、
非効率的であると言う問題があった。

【０００８】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
に無瞬断または短時間の停電で電池より負荷へ電力を供
給する方式である。このフロート充電では、充電電流値
が微小で良いため、セル内への電解液供給も微量または
間歇的で良い。

【０００９】ところが、上記のレドックスフロー電池で
は、基本的に常時電解液を流通させる構成になってお
り、常時ポンプを運転するための電力が必要となって総
合的に電池の効率が悪くなる。これは、セルフレーム下
辺のマニホールドから電解液を供給し、上辺のマニホー
ルドから排出しているため、ポンプを停止するとセルフ
レーム内の電解液が下がり、電極に電解液が含浸された
状態を保持できないからである。また、マニホールド内
の電解液を介してシャント電流が流れて損失が生じるこ
とでも電池効率が低下する。

【００１０】一方、電解液の供給用マニホールドと排出
用マニホールドをセルフレームの上辺に配置し、供給用
マニホールドからセルフレーム枠の表面に形成したガイ
ド溝を介してセルフレームの下辺側に迂回して電極に電
解液を供給する構成も考えられる。

【００１１】しかし、このセルフレームでは構造が複雑
で、加工・貼り合せ作業が煩雑になる。その上、フレー
ムを厚くする必要があり、コストアップのみならず放熱
性能も低下することになる。

【００１２】従って、本発明の主目的は、電解液を循環
させるポンプの電力損失や、シャント電流損失を改善で
きる間歇循環型レドックスフロー電池を提供することに
ある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、セルフレーム
における電極上面より上部から電解液を供給し、電極側
部の一側から側部の他側へ電解液を流通させて、さらに
電極上部から電解液を排出するように構成することで上
記の目的を達成する。

【００１４】すなわち、本発明間歇循環型レドックスフ
ロー電池は、セルフレームと電極とを重ねたセル構造を
有する間歇循環型レドックスフロー電池であって、前記
セルフレームは、電極上面よりも上部に配置される給液
用および排液用マニホールドと、各マニホールドと電極
との間において電解液を連通させるスリットとを具える
ことを特徴とする。

【００１５】本発明のレドックスフロー電池は、正極電
解液と負極電解液とを混合してセル内に供給するタイプ
と、両電解液を独立してセル内に供給するタイプのいず
れでも良い。

【００１６】セルフレームにおける電極上面よりも上部
に給排液用のマニホールドを設けることで、電解液の循
環を停止した際に、マニホールド内に電解液が残留する
ことを防止し、シャント電流損失を無くすことができ
る。このようなセルフレームを用いたセルを有するシス
テムに電解液を間歇的に循環させ、フロート充電させる
ことで、ポンプ電力損失、シャント電流損失をより抑制
させることができる。

【００１７】給液用と排液用のマニホールドは、それぞ
れ電極の両側に離隔して設けることが好ましい。これに
より、電極の一側から他側に電解液を流通させることが
でき、電極の全面にわたって電解液を行き渡らせること
ができる。

【００１８】セルフレームにおける電極の側方にスリッ
トと連通される電解液の液溜まりを具えることが好まし
い。電極の側方に液溜まりを設けることで、電極内に均
一に電解液を流すことができ、さらに電極全体内の電解
液を容易かつ確実に入れ替えることができる。

【００１９】また、セルフレームにおける液溜まりと電
極側面との境界部に、電解液を分岐して流通させる整流
部を具えることが望ましい。整流部により、電解液を電
極の縦幅方向にほぼ均一に流通させることができ、電極
内の電解液の入れ替えも均一に行うことができる。その
上、整流部を設けることで電極の位置固定も行いやす
い。

【００２０】さらに、給液用または排液用の少なくとも
一方のマニホールドが複数設けられ、これらのマニホー
ルドにより電解液が供給・排出される電極をセルフレー
ムの片側に複数面設けることも好ましい。複数面の電極
を設けることで、電解液が一つの電極を通過する距離を
短くし、圧力損失を低減することができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明
する。 （実施例１）図１は本発明レドックスフロー電池のポン
プ運転時における概略説明図、図２はそのポンプ停止時
における概略説明図である。

【００２２】このレドックスフロー電池は、セルフレー
ム10に電極70を重ねたセル構造を持っている。このセル
構造には電解液タンク80とポンプ90が接続され、タンク
80の電解液をポンプ90で送ることにより電極70に電解液
を供給し、電極70を通った電解液は再度タンク80に戻さ
れる循環流路を形成している。

【００２３】図１、図２では、セルフレームの表面側を
示しており、正極電極と負極電極のうち、一方の電極し
か示していないが、セルフレームの裏面側には他方の電
極（図示せず）が配置されている。

【００２４】この電池に用いるセルフレーム10は、プラ
スチック製のフレーム枠11と、その枠内に固定された導
電性プラスチック製の双極板（電極の裏に隠れている）
とからなる。双極板の一面側には正極電極が、他面側に
は負極電極が配置される。そして、このセルフレームと
正負極電極を重ね合わせたものをイオン交換膜からなる
隔膜を介して多数積層することでセルスタックを構成で
きる。

【００２５】ここで、セルフレーム10における電極70の
配置面よりも上部に、給液用と排液用の各マニホールド
12、13が形成されている。本例では、フレーム枠11のほ
ぼ両側に給液用と排液用のマニホールド12、13を隔てて
設けた。このマニホールドはセルフレーム10を積層する
ことで、積層方向へ伸びる電解液の流路を構成する。

【００２６】各マニホールドの下方には、スリット14、
15が伸びている。このスリット14、15は、マニホールド
12、13と電極70との間を連通する電解液のガイドであ
る。また、電解液の流通を停止した際には、電解液面が
スリット14、15内に位置してマニホールド12、13内にま
で達することを防ぐ。本例では、セルフレーム10の表裏
面に溝を形成することでスリット14、15を構成した。

【００２７】さらに、各スリット14、15の下方には電解
液の液溜まり16、17が形成されている。この液溜まり1
6、17は、マニホールド12、13とスリット14、15を通っ
て供給された電解液を電極70に供給する前に一旦セルフ
レーム内に貯え、電極70の側縁沿いに電解液を満たして
電極の供給側・排出側の電解液圧を均等に保ち、電極内
に均一に電解液を流すためのものである。液溜まり16、
17はフレーム枠11の表面と裏面に形成した凹部で、電極
70の側縁に沿って構成されている。

【００２８】このような構成の電池において、ポンプ運
転時（図１）は、給液用マニホールド12からスリット1
4、液溜まり16を介して電極70に電解液が供給される。
供給された電解液は、電極の一側（図1の右側）から他
側（図1の左側）に向かってほぼ水平方向に流れる。そ
して、電解液は、液溜まり17、スリット15および排液用
マニホールド13を通って再度電解液タンク80に戻され
る。

【００２９】一方、ポンプ90を停止時（図２）は、電解
液の循環がないため、セル内に電解液が残留した状態と
なる。このとき、電解液の液面60は丁度スリット14、15
の途中に位置してマニホールド12、13に達しないよう
に、タンク80への電解液の戻りを調整する。これによ
り、マニホールド12、13内に電解液が残留せず、シャン
ト電流による損失を抑制することができる。また、ポン
プ90を間歇運転して、電極内の電解液を適宜入れ替える
ことで、効率的にフロート充電を行うことができる。

【００３０】電解液の戻りの調整は、図３に示すよう
に、セル内のマニホールドをタンク80の電解液面より上
方に位置させ、タンクからセルまでの電解液供給流路の
途中を分岐してタンク80の気中部につながる戻り流路を
設けることなどで行う。この戻り流路にはバルブ85を設
ける。電解液流通時、バルブ85を閉じてセル内に電解液
を供給し、ポンプ停止時、バルブ85を開けてマニホール
ド内の余剰の電解液は戻り流路を介してタンクに戻され
る。

【００３１】（実施例２）次に、整流部を設けたセルフ
レームを図４に基づいて説明する。図４は整流部を設け
たセルフレームの平面図である。

【００３２】このセルフレームも、電極70の上部に給排
液用マニホールド12、13を具え、さらに電極の両側縁に
沿って液溜まり16、17が形成されて、マニホールド12、
13と液溜まり16、17をスリット14、15でつないでいる点
は図1、2のセルフレームと同様である。相違点は、液溜
まり16、17と電極70の境界部に電解液を分岐して流通さ
せる整流部18、19を設けた。整流部18、19は、フレーム
枠11の表裏面で液溜まりの縦方向に連続する多数の凹凸
である。このうちの凹部が電解液の流れる溝となる。す
なわち、多数の連続的な凹凸を形成することで、電極70
の側縁沿いの全長にわたって電解液を均一に供給するこ
とができ、電極内の電解液の入れ替えも均一に行うこと
ができて総合的な性能向上が図れる。

【００３３】（実施例３）さらに、セルフレームの片側
に複数面の電極を設けたセルフレームを図５、図６に示
す。図５は給液用と排液用マニホールドを一対ずつ設け
たセルフレームの平面図、図６は一対の給液用マニホー
ルドと一つの排液用マニホールドを設けたセルフレーム
の平面図である。

【００３４】図５のセルフレームは、フレーム枠内を左
右の２つに仕切り、仕切られた各々の枠内を電極71、72
の配置面とする。そして、各電極71、72のそれぞれに給
液用マニホールド21、22と排液用マニホールド23、24か
ら電解液を供給・排出できるように構成した。ここで
は、左側のマニホールド21、22を給液用、右側のマニホ
ールド23、24を排液用とした。各マニホールド21〜24か
ら電極71、72までの間にスリット25〜28と液溜まり29〜
32が設けられている点は実施例１と同様である。

【００３５】このようなセルフレームに電解液を流通す
ると、各電極において図４の左側から右側に向かって電
極液が流通されることになる。その際、実施例１に比べ
て電解液が一つの電極を横切る長さが短いため、圧力損
失を低減してポンプの負荷低減に寄与することができ
る。

【００３６】図６のセルフレームも、一対の電極71、72
が左右に並列配置されている点で図５のセルフレームと
同様である。ただし、セルフレームの両側に給液用マニ
ホールド41、42を設けて、中央部に一つの排液用マニホ
ールド43を設けた。そして、給液用マニホールド41、42
はスリット44、45を介して液溜り46、47につながり、排
液用マニホールド43はスリット49を介して両電極71、72
に共通する液溜り50につながっている。

【００３７】このようなセルフレームに電解液を流通す
ると、一方の電極71の左側からと、他方の電極72の右側
から電解液が供給され、中央に向かって電解液が流通さ
れる。そして、セルフレームの中央部に位置する排液用
マニホールド43を介して両電極71、72を通った電解液が
排出される。この構成でも、実施例１に比べて電解液が
一つの電極を横切る長さが短いため、圧力損失を低減し
てポンプの負荷低減に寄与することができる。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電極よりも上部に給排液用マニホールドを設けること
で、電解液の流通を停止した際にマニホールド内に電解
液が残留することを防止し、シャント電流損失を低減す
ることができる。これにより、電解液の流通を間歇的に
行っても支障はなく、電解液を循環させるポンプも効率
的に運転することができる。従って、特に瞬停用などの
ためにフロート充電を行うレドックスフロー電池として
最適である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明レドックスフロー電池のポンプ運転時に
おける概略説明図である。

【図２】本発明レドックスフロー電池のポンプ停止時に
おける概略説明図である。

【図３】本発明レドックスフロー電池のポンプ停止時の
電解液面を調整する方法の説明図である。

【図４】本発明電池に用いる整流部付のセルフレームを
示す平面図である。

【図５】電極が２面ある本発明電池用セルフレームを示
す平面図である。

【図６】電極が２面ある本発明電池用セルフレームを示
す平面図である。

【図７】レドックスフロー電池の原理を示す説明図であ
る。

【図８】セルスタックの概略構成図である。

【符号の説明】

10 セルフレーム 11 フレーム枠 12、13、21、22、23、24、41、42、43 マニホールド 14、15、25、26、27、28、44、45、49 スリット 16、17、29、30、31、32、46、47、50 液溜り 18、19 整流部 60 液面 70、71、72 電極 80 電解液タンク 85 バルブ 90 ポンプ 100 セル 101 正極セル 102 負極セル 120 正極用タンク 130 負極用タンク 140 隔膜 150 正極電極 160 負極電極 170、171、180、181 導管 190 ポンプ 200 セルフレーム 210 双極板 220 フレーム枠 231、232 マニホールド 300 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 AA10 CC01 CC03 CC06 CC08 HH03 RR01

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 セルフレームと電極とを重ねたセル構造
   を有する間歇循環型レドックスフロー電池であって、 前記セルフレームは、電極上面よりも上部に配置される
   給液用および排液用マニホールドと、各マニホールドと
   電極との間において電解液を連通させるスリットとを具
   えることを特徴とする間歇循環型レドックスフロー電
   池。
2. 【請求項２】 さらに、セルフレームにおける電極の側
   方にスリットと連通される電解液の液溜まりを具えるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の間歇循環型レドックス
   フロー電池。
3. 【請求項３】 セルフレームにおける液溜まりと電極側
   面との境界部に、電解液を分岐して流通させる整流部を
   具えることを特徴とする請求項２に記載の間歇循環型レ
   ドックスフロー電池。
4. 【請求項４】 給液用または排液用の少なくとも一方の
   マニホールドが複数設けられ、 これらのマニホールドにより電解液が供給・排出される
   電極をセルフレームの片側に複数面設けたことを特徴と
   する間歇循環型レドックスフロー電池。