JP2006324117A - Electrolytic liquid circulation battery - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、正極電極、隔膜、負極電極を有する板状のセルが複数積層して構成されるセル積層体を有する電解液循環型電池に関するものである。 The present invention relates to an electrolyte circulation type battery having a cell laminate formed by laminating a plurality of plate-like cells each having a positive electrode, a diaphragm, and a negative electrode.
電解液循環型電池としては、例えばレドックスフロー電池が知られている。このレドックスフロー電池は、図4の動作原理図に示すように、イオン交換膜からなる隔膜101で正極セル100Aと負極セル100Bとに分離されたセル100を備える。正極セル100A、負極セル100Bにはそれぞれ正極電極102と負極電極103とを内蔵している。
As an electrolyte circulation type battery, for example, a redox flow battery is known. As shown in the operation principle diagram of FIG. 4, the redox flow battery includes a
正極セル100Aには、正極電解液を貯留する正極タンク104Aが導管106Aを介して接続され、負極セル100Bには、負極電解液を貯留する負極タンク104Bが導管106Bを介して接続されている。導管106A,106Bの途中には、循環ポンプ105A、105Bが設けられており、これら導管106A,106Bを介して、各電解液がそれぞれのタンクとセルとの間で循環される。
A
各極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105A、105Bで電解液を循環させながら、正極電極102、負極電極103におけるイオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。そして、上記レドックスフロー電池は、交流/直流変換器に接続させることにより、交流/直流変換器を介して、発電所などの充電対象や需要家などの放電対象と接続し、各対象に対して充放電を行う。 Each electrode electrolyte uses an aqueous solution of ions such as vanadium ions that change in valence. Discharge. The redox flow battery is connected to an AC / DC converter and connected to a charging target such as a power plant or a discharging target such as a consumer via the AC / DC converter. Charge and discharge.
また、レドックスフロー電池は、特許文献1に示すように、通常、複数のセルが積層されたセル積層体が用いられる。このセル積層体200は、図5に示すように、双極板211を有するセルフレーム210、カーボンフェルト製の正極電極102、隔膜101、カーボンフェルト製の負極電極103を順次積層して、双極板211の間に正極電極102、隔膜101、負極電極103が配置されたセルが複数形成される。
Moreover, as shown in Patent Document 1, a cell stack in which a plurality of cells are stacked is usually used for the redox flow battery. As shown in FIG. 5, the
図5では、複数のセルを積層していく際に、給排板220も介在させている。2枚の給排板220の間に、複数のセルを配置させてサブスタック201を構成している。図5のセル積層体200は、これらサブスタック201をさらに複数積層して構成している。
In FIG. 5, a supply /
また、セルフレーム210は、絶縁性を有する合成樹脂で形成されるフレーム部212と、フレーム部212に固定される双極板211とから構成される。正極電極102と負極電極103は、このフレーム部212の内周部の面積より小さく形成され、隔膜101は、フレーム部212の内周部の面積より大きく形成される。そして、セルフレーム210を積層していく際に、フレーム部212で隔膜101の外周縁部を挟持するとともに、双極板211と隔膜101の間に、正極電極102または負極電極103を配置するようになっている。さらに、前記給排板220は、電解液流通路を有し、絶縁性の合成樹脂で形成されている。
The
そして、セル積層体200は、セルフレーム210を積層していく際に、各フレーム部212の間にリング状のシール部材を介在させている。さらに、セル積層体200の積層方向両端部に、エンドプレート31を配置し、2枚のエンドプレート31に連結棒321を貫通させて、連結棒321をナットで締め付けることにより、エンドプレート31でセル積層体200を挟持した状態でセル積層体200を積層方向に締め付けて積層状態を保持している。
In the
一般に使用されるセルフレーム210は、例えば外周の形状が、幅1000mm、高さ780mmなど、面積の大きいものが使用される。しかも、フレーム部212には、電解液が流通されるマニホールド、電解液流通溝、シール部材が嵌め込まれるシール溝などが形成されているため、セルフレーム210は、複雑な形状をしている。
As the
そして、セル積層体200は、通常、数10〜100枚程度のセルフレーム210が積層されて構成されるため、面積が大きく、積層面が複雑な形状をしているフレーム部212は、積層方向に締め付けられた際に、面圧にバラツキが生じる場合がある。このように、フレーム部212に面圧のバラツキが生ずると、電解液が漏れたり、フレーム部212に応力集中による割れが生ずる虞がある。
Since the
特に、セルフレーム210のフレーム部212は、金型の仕上がり精度や合成樹脂の冷却速度の差などにより、フレーム部212の厚みにバラツキが生ずる虞がある。このように、均一な厚みを有するフレーム部212が形成されないときには、前記した面圧のバラツキの原因となる。
In particular, the
さらに、セルフレーム210の間に介在させる正極電極102、隔膜101、負極電極103においても厚さに不均一がある。
Further, the thicknesses of the
セルフレーム、電極、隔膜は、同じ場所で厚みが厚かったり、薄かったりするので、これらの部材を積層するほど、セル積層体全体としては、厚みの不均一による積層方向の厚みの差は大きくなっていく。このように厚みの不均一が生ずるとフレーム部の間に設けたシール部材によるシールが十分に行えなくなり液漏れが生ずる。 Since the cell frame, electrode, and diaphragm are thicker or thinner at the same location, the difference in thickness in the stacking direction due to non-uniform thickness increases as the entire cell stack is stacked. To go. If the thickness becomes uneven as described above, the sealing by the sealing member provided between the frame portions cannot be performed sufficiently and liquid leakage occurs.
ところで、前記したレドックスフロー電池では、セル積層体の構成部材であるセルフレームは、フレーム部と双極板とを一体化している。フレーム部と双極板とを一体化する方法には、以下の二つの方法がある。一つの方法では、フレーム部を射出成形などで得られた2枚のフレーム片で構成し、両フレーム片の内周部の間に双極板の外周部を挟み込んでおいて、これらフレーム片を接着剤を用いて貼り合わせることによりフレーム部と双極板とを一体化させている。他の一つの方法では、双極板を中子としてフレーム部を射出成形にて形成することにより、フレーム部と双極板とを一体化させている。 By the way, in the above-described redox flow battery, the cell frame which is a constituent member of the cell laminate is formed by integrating the frame portion and the bipolar plate. There are the following two methods for integrating the frame portion and the bipolar plate. In one method, the frame part is composed of two frame pieces obtained by injection molding or the like, the outer peripheral part of the bipolar plate is sandwiched between the inner peripheral parts of both frame pieces, and these frame pieces are bonded. The frame part and the bipolar plate are integrated by bonding using an agent. In another method, the frame portion and the bipolar plate are integrated by forming the frame portion by injection molding using the bipolar plate as a core.
フレーム部を、薄肉のフレーム片を接着剤で貼り合わせて構成する場合には、フレーム部は、接着剤が塗布された部分で膨潤してしまう。その結果、フレーム部は、膨潤していた部分が日数の経過で収縮してしまい、貼り合わせた直後と、接着して数日が経過した後とで、フレーム部の厚みが異なる問題が生ずる。 In the case where the frame portion is configured by bonding thin frame pieces with an adhesive, the frame portion swells at a portion where the adhesive is applied. As a result, the swollen portion of the frame portion shrinks over time, and there is a problem that the thickness of the frame portion differs immediately after bonding and after several days have passed after bonding.
また、フレーム部は、合成樹脂で形成されているため、クリープ現象により締付応力で厚みが時間の経過とともに減少してしまう。 Further, since the frame portion is formed of a synthetic resin, the thickness decreases with time due to a clamping stress due to a creep phenomenon.
このように、時間の経過でフレーム部の厚みが減少してしまうと、エンドプレート、連結棒、ナットを用いてセル積層体を締め付けていても、ナットによる締付状態(締付力)には変化がないので、厚み減少による隙間の発生で、液漏れが発生する場合がある。 In this way, when the thickness of the frame part decreases with the passage of time, even if the cell stack is tightened using the end plate, connecting rod, and nut, the tightening state (tightening force) with the nut Since there is no change, liquid leakage may occur due to generation of a gap due to thickness reduction.
従って、本発明の主目的は、セル積層体を構成する部材の厚みに不均一が生じても、締付機構によるセル積層体の積層方向への締め付け力により、セルの積層面にかかる面圧を均一にして、セルフレームなどの部材の破損や、液漏れを防止できる電解液循環型電池を提供することを目的とする。 Therefore, the main object of the present invention is to provide a surface pressure applied to the cell stack surface by the tightening force in the stacking direction of the cell stack by the tightening mechanism even if the thickness of the members constituting the cell stack is uneven. It is an object of the present invention to provide an electrolyte circulation type battery that can prevent the breakage of members such as a cell frame and the leakage of liquids.
本発明の電解液循環型電池は、正極電極、隔膜、負極電極を有する板状のセルが複数積層して構成されるセル積層体と、セル積層体を積層方向に締め付ける締付機構とを有する。 The electrolyte circulation type battery of the present invention has a cell laminate formed by laminating a plurality of plate-like cells having a positive electrode, a diaphragm, and a negative electrode, and a tightening mechanism for fastening the cell laminate in the laminating direction. .
セル積層体には、さらに、双極板、正極電極、隔膜、負極電極を順次積層する際に、各セルの正極電極または負極電極に電解液を給排するための給排板や、セル積層体に対して電気の入出力を行う端子電極も備えている。給排板は、セル積層体とセル外部との間で電解液を流通させる電解液流通路を有する。 The cell laminate further includes a supply / discharge plate for supplying / discharging the electrolyte to / from the positive electrode or the negative electrode of each cell when sequentially laminating a bipolar plate, a positive electrode, a diaphragm, and a negative electrode. A terminal electrode for inputting and outputting electricity is also provided. The supply / discharge plate has an electrolyte flow passage for allowing the electrolyte to flow between the cell stack and the outside of the cell.
本発明の電解液循環型電池は、例えば、各極の電解液を貯留する正極タンクと負極タンクとに配管を介して連結されて構成される。電解液循環型電池は、負荷または電力系統に接続されて充放電を行う。さらに、電解液循環型電池は、セル積層体の正極電極と正極タンクとの間で正極電解液を循環させ、セル積層体の負極電極と負極タンクとの間で負極電解液を循環させる構成となっている。 The electrolyte circulation type battery of the present invention is configured, for example, by being connected via a pipe to a positive electrode tank and a negative electrode tank that store an electrolyte solution of each electrode. The electrolyte circulation type battery is connected to a load or a power system to perform charging / discharging. Further, the electrolyte circulation type battery has a configuration in which the positive electrode electrolyte is circulated between the positive electrode of the cell stack and the positive electrode tank, and the negative electrode electrolyte is circulated between the negative electrode of the cell stack and the negative electrode tank. It has become.
前記した締付機構は、セル積層体の積層方向両端の外側に配置されるエンドプレートと、エンドプレート間の間隔を調整する調整部と、セル積層体の積層方向最外面とエンドプレートとの間に設けられる変形部とを備えている。 The tightening mechanism described above includes an end plate disposed outside both ends of the cell stack in the stacking direction, an adjustment unit that adjusts an interval between the end plates, and a position between the outermost surface in the stacking direction of the cell stack and the end plate. And a deformation portion provided in the.
エンドプレートは、セル積層体の積層面、具体的には、双極板が固定されるセルフレームの面積より大きい面積を有している。 The end plate has an area larger than the area of the cell laminate, specifically, the cell frame to which the bipolar plate is fixed.
調整部は、例えば、2枚のエンドプレートに貫通される連結棒と、この連結棒の端部に取り付けられるナットと、ナットとエンドプレートとの間に介在され、連結棒に挿通されるコイルバネにより構成することができる。 For example, the adjusting portion is formed by a connecting rod that passes through two end plates, a nut that is attached to an end of the connecting rod, a coil spring that is interposed between the nut and the end plate, and is inserted through the connecting rod. Can be configured.
エンドプレートの外周縁部全周には、適宜間隔を空けて、連結棒が挿通される挿通孔が多数形成されている。連結棒を、エンドプレートの挿通孔に挿通させることにより、連結棒がセル積層体の外側に配置されるようになっている。 A number of insertion holes through which the connecting rods are inserted are formed on the entire circumference of the outer peripheral edge portion of the end plate at appropriate intervals. By inserting the connecting rod into the insertion hole of the end plate, the connecting rod is arranged outside the cell stack.
連結棒の両端部には、所定の長さだけ螺子溝が形成されている。そして、エンドプレートに挿通された連結棒にコイルバネを挿通させた後、連結棒の両端にナットを取り付ける。ナットを締め込んでいくことにより、エンドプレートの間隔が狭くなっていき、エンドプレートによりセル積層体が積層方向に押圧されて、セル積層体の締付が行われる。 A screw groove having a predetermined length is formed at both ends of the connecting rod. Then, after inserting a coil spring through the connecting rod inserted through the end plate, nuts are attached to both ends of the connecting rod. By tightening the nut, the interval between the end plates becomes narrower, the cell stack is pressed in the stacking direction by the end plate, and the cell stack is tightened.
変形部は、前記したように、セル積層体の積層方向最外面とエンドプレートとの間に設けられ、セル積層体の前記最外面の全体を覆い、セル積層体の前記最外面に沿って変形して、エンドプレートでセル積層体を押圧する際に、セル積層体に対して均一に圧力を掛ける構成となっている。 As described above, the deforming portion is provided between the outermost surface in the stacking direction of the cell stack and the end plate, covers the entire outermost surface of the cell stack, and deforms along the outermost surface of the cell stack. And when pressing a cell laminated body with an end plate, it becomes the structure which applies a pressure uniformly with respect to a cell laminated body.
例えば、所定の厚みを有する板状の軟質ゴム部材や、ゴムなどの合成樹脂で形成され、内部に流体が充填される袋状部材を、セル積層体の最外面に対して積層方向と直交する方向に移動または変形せず、積層方向に変形可能なようにガイド部材で保持することにより変形部を構成することができる。 For example, a plate-like soft rubber member having a predetermined thickness or a bag-like member formed of a synthetic resin such as rubber and filled with fluid inside is orthogonal to the outermost surface of the cell stack. The deforming portion can be configured by holding the guide member so that it can be deformed in the stacking direction without moving or deforming in the direction.
変形部が、袋状部材とガイド部材を有する構成とする場合、袋状部材の内部に流体を充填させることにより、袋状部材の変形により袋内部で流体が移動し、袋状部材の外面がセル積層体の積層面の形状に沿うようになる。袋状部材の内部に充填される流体は、空気など気体としてもよいし、水などの液体としてもよい。 When the deforming portion has a bag-shaped member and a guide member, by filling the bag-shaped member with fluid, the fluid moves inside the bag due to deformation of the bag-shaped member, and the outer surface of the bag-shaped member is It follows the shape of the laminated surface of the cell laminate. The fluid filled in the bag-like member may be a gas such as air or a liquid such as water.
また、ガイド部材は、袋状部材が、積層方向と直交する方向へ変形するのを阻止し、積層方向へは変形するように、セル積層体に袋状部材を当接させた状態で、袋状部材を覆って、積層方向へ移動可能にセル積層体の外周に嵌合される蓋状に形成される。 In addition, the guide member prevents the bag-like member from being deformed in a direction orthogonal to the stacking direction, and the bag-shaped member is in contact with the cell stack so that the bag-shaped member is deformed in the stacking direction. The cover member is formed in a lid shape that is fitted to the outer periphery of the cell stack so as to be movable in the stacking direction.
本発明では、前記したように、セル積層体とエンドプレートとの間に、セル積層体の前記最外面の全体を覆うように、変形部を設ける。その結果、セル積層体全体として、厚みに不均一が生じ、厚みの厚い部分や厚みの薄い部分によりセル積層体の最外面が変形した場合、変形部が、セル積層体の前記最外面に沿って変形して、エンドプレートでセル積層体を押圧する際に、セル積層体に対して均一に圧力を掛けることができる。 In the present invention, as described above, the deforming portion is provided between the cell stack and the end plate so as to cover the entire outermost surface of the cell stack. As a result, the thickness of the cell stack as a whole is uneven, and when the outermost surface of the cell stack is deformed by a thick portion or a thin portion, the deformed portion follows the outermost surface of the cell stack. When the cell stack is pressed by the end plate, it is possible to uniformly apply pressure to the cell stack.
特に、変形部を流体が充填された袋状部材を有するようにすれば、セル積層体の積層面の変形に追従しやすくなるので、セル積層体をエンドプレートで押圧したときに、セル積層体の積層面全体により均一に圧力を掛けることができる。 In particular, if the deformed portion has a bag-shaped member filled with fluid, it becomes easier to follow the deformation of the laminated surface of the cell laminate, so that when the cell laminate is pressed with an end plate, the cell laminate A uniform pressure can be applied to the entire laminated surface.
変形部が、袋状部材とガイド部材を有する構成とする場合には、さらに、袋状部材をゴムなどの伸縮可能な材料で形成し、セル積層体の外方に、袋状部材内に配管を介して連通する流体貯留部と、袋状部材内の圧力を検出する圧力検出手段と、流体貯留部内の流体を袋状部材に対して給排する給排手段を備える構成にすることができる。 In the case where the deformable portion has a bag-shaped member and a guide member, the bag-shaped member is further formed of a stretchable material such as rubber and is piped in the bag-shaped member outside the cell stack. The fluid storage part communicated through the pressure sensor, the pressure detection means for detecting the pressure in the bag-like member, and the supply / discharge means for supplying and discharging the fluid in the fluid storage part to and from the bag-like member can be provided. .
袋状部材を内圧により自在に変形可能な材料で形成することにより、袋状部材の内部に充填させる流体の量を所望の圧力が得られるように調整することが可能となる。そして、袋状部材に対する流体の給排をポンプ、四方切換弁などから構成される給排手段を用いて、流体貯留部内の流体を袋状部材内に供給したり、袋状部材内の流体を流体貯留部へ戻したりすることにより、袋状部材内の流体の量を調整する。 By forming the bag-like member with a material that can be freely deformed by the internal pressure, the amount of fluid filled in the bag-like member can be adjusted so as to obtain a desired pressure. Then, supply / discharge of fluid to / from the bag-like member is performed by using a supply / discharge means including a pump, a four-way switching valve, etc. The amount of fluid in the bag-like member is adjusted by returning it to the fluid reservoir.
袋状部材内の流体の量の調整は、袋状部材と流体貯留部とが配管で連通されていることから、例えば、配管における袋状部材とポンプとの間の流体の圧力を検出して、その圧力検出結果に基づいて、袋状部材内の圧力が所定の圧力より下がらないように給排手段で流体の袋状部材内の流体の充填量を制御する。なお、前記した所定の圧力は、セル積層体の締付力が液漏れの生じない締付力となる圧力であって、フレームなどの締付過ぎによる損傷が起こらない圧力のことをいう。 Adjustment of the amount of fluid in the bag-like member is performed by detecting the pressure of the fluid between the bag-like member and the pump in the pipe, for example, because the bag-like member and the fluid storage portion are communicated with each other through the pipe. Based on the pressure detection result, the fluid filling amount of the fluid in the bag-like member is controlled by the supply / discharge means so that the pressure in the bag-like member does not drop below a predetermined pressure. The above-mentioned predetermined pressure is a pressure at which the cell stack is tightened without causing liquid leakage and does not cause damage due to excessive tightening of the frame or the like.
このように、流体貯留部と給排手段を設けて、袋状部材の圧力を自由に調整することにより、セル積層体の締付機構による締め付け力を積層面に均一に掛けることができることはもちろんのこと、エンドプレートとナットとの間に配設していたコイルバネを設ける必要が無くなる。 In this way, by providing the fluid storage section and the supply / discharge means and freely adjusting the pressure of the bag-like member, it is possible to uniformly apply the tightening force by the tightening mechanism of the cell stack to the stacked surface. In other words, it is not necessary to provide a coil spring that has been disposed between the end plate and the nut.
また、変形部を構成する部材として軟質ゴム部材を用いる場合、その材質は、軟質のシリコーンゴムやプロピレンゴムとすることができる。 Moreover, when using a soft rubber member as a member which comprises a deformation | transformation part, the material can be made into soft silicone rubber or propylene rubber.
さらに、本発明の電解液循環型電池は、電解液の性質からレドックスフロー電池に用いることが好ましい。なお、本発明の電解液循環型電池は、常時電解液を循環するタイプのものだけでなく、間歇的に電解液を循環するタイプのものも含む。 Furthermore, the electrolyte circulation type battery of the present invention is preferably used for a redox flow battery because of the properties of the electrolyte. Note that the electrolyte circulation type battery of the present invention includes not only a type that constantly circulates the electrolyte solution but also a type that intermittently circulates the electrolyte solution.
本発明の電解液循環型電池によれば、締付機構に、セル積層体とエンドプレートとの間に設ける変形部を備えるようにしているので、この変形部が、セル積層体の積層面の変形に追従し、セル積層体をエンドプレートで押圧したときに、セル積層体の積層面全体に均一に圧力を掛けることができる。 According to the electrolyte circulation type battery of the present invention, since the tightening mechanism is provided with the deformed portion provided between the cell stack and the end plate, the deformed portion is formed on the stack surface of the cell stack. When following the deformation and pressing the cell stack with the end plate, it is possible to uniformly apply pressure to the entire stack surface of the cell stack.
以下、本発明電解液循環型電池の実施の形態を説明する。本実施形態の電解液循環型電池は、レドックスフロー電池である。 Hereinafter, embodiments of the electrolyte circulation type battery of the present invention will be described. The electrolyte circulation type battery of this embodiment is a redox flow battery.
[第1実施形態]
(全体構成)
図1は、本発明の電解液循環型電池を構成するセル積層体200の正面から見た断面図と、セルを構成する部材の斜視図とを示している。このセル積層体200は、双極板211を有するセルフレーム210、正極電極102、隔膜101、負極電極103を複数備える。そして、各セルフレーム210の間に正極電極102と隔膜101と負極電極103とが有するようにこれらの部材を積層してセル積層体200を構成している。
[First Embodiment]
(overall structure)
FIG. 1 shows a cross-sectional view seen from the front of a
セル積層体200は、複数のセルを積層し、その積層方向両端部に給排板220を配置して構成されるサブスタック201を、さらに複数積層して構成されている。
The
そして、複数のサブスタック201を積層した状態のセル積層体200を、エンドプレート31を有する締付機構3にて各部材を積層方向に締め付けて、液漏れが生じないように、セル積層体200の積層状態を維持している。
Then, the
また、セル積層体の単位セルは、2枚のセルフレーム210の間に正極電極102、隔膜101、負極電極103を配置することにより構成される。そして、2枚のセルフレーム210のフレーム部212で隔膜101の外周縁部を挟持した状態にするとともに、隔膜101とセルフレーム210の双極板211との間に正極電極102または負極電極103を配置させている。
A unit cell of the cell stack is configured by disposing a
本実施形態に用いるセル積層体は、図示していないが、セルの正極電極と正極タンクとが接続され、セルの負極電解と負極タンクとが接続されて、レドックスフロー電池が構成される。そして、本実施形態のレドックスフロー電池の動作原理は、図4に示した動作原理図に基づいて説明したものと同様であり、正極電解液が正極タンクと正極電極との間で循環されて正極電極に正極電解液が循環供給され、負極電解液が負極タンクと負極電極との間で循環されて負極電極に負極電解液が循環供給される。 Although the cell stack used in the present embodiment is not shown in the drawing, the positive electrode of the cell and the positive electrode tank are connected, and the negative electrode electrolysis of the cell and the negative electrode tank are connected to constitute a redox flow battery. The operating principle of the redox flow battery of the present embodiment is the same as that described based on the operating principle diagram shown in FIG. 4, and the positive electrode electrolyte is circulated between the positive electrode tank and the positive electrode, The positive electrode electrolyte is circulated and supplied to the electrode, the negative electrode electrolyte is circulated between the negative electrode tank and the negative electrode, and the negative electrode electrolyte is circulated and supplied to the negative electrode.
(セルフレーム)
セルフレーム210は、図1に示すように、フレーム部212と、フレーム部212の内側に固定された双極板211とから構成される。フレーム部212は塩化ビニルを主成分とする合成樹脂で形成された枠状体である。一方、双極板211は黒鉛を含有した導電性プラスチックカーボン製の矩形板からなる。
(Cell frame)
As shown in FIG. 1, the
フレーム部212と双極板211とは一体化されており、本実施形態では、射出成形などで得られた2枚のフレーム片を用意し、これらフレーム片を接合してフレーム部212を構成すると共に、両フレーム片を接合する際に両フレーム片の内周部の間に双極板211の外周部を挟み込んで接着してセルフレーム210を構成している。
The
なお、セルフレーム210のフレーム部212には、図1に示すように、フレーム部212の長辺において、複数のマニホールド213が形成されている。これらのマニホールド213は、正極電解液用として用いるものと負極電解液用として用いるものとに区別されている。複数のセルフレームを積層した際、各セルフレームのマニホールド213が連続した状態となって、これらマニホールド213により積層方向に伸びる電解液の流路が形成される。さらに、フレーム部の表面には、一つのマニホールドとフレーム部の内周面とを連通する流通溝214が形成されている。
As shown in FIG. 1, a plurality of
本実施形態の電解液循環型電池では、セルフレーム210の下部に設ける正極電解液用のマニホールドから正極用流通溝を介してフレーム部212の内周面に正極電解液を供給し、この内周面に供給された正極電解液を上部に設ける正極用流通溝を介して正極電解液用マニホールドから排出させるようなっている。また、負極電解液も、セルフレーム210の下部に設ける負極電解液用のマニホールドから負極用流通溝を介してフレーム部212の内周面に負極電解液を供給し、この内周面に供給された負極電解液をセルフレーム210の上部に設ける負極用流通溝を介して負極電解液用マニホールドから排出させるようなっている。
In the electrolyte circulation type battery of this embodiment, the positive electrode electrolyte is supplied to the inner peripheral surface of the
セルフレーム210は、各セルフレーム210の間に、正極電極102、隔膜101、負極電極103を配置した状態で、セルフレーム210のフレーム部212同士をパッキンなどのシール部材を介して重ね合わしていく。このとき、2枚のフレーム部212で隔膜101の外周縁部を挟持した状態にするとともに、フレーム部212の枠内で、双極板211と隔膜101との間に正極電極102または負極電極103を配置させる。
In the
(正極電極と負極電極)
前述したように各セルフレーム210の間に正極電極102と負極電極103が配置されることから、双極板211の一方の面には正極電極102が、他方の面には負極電極103が配置されることになる。通常、正極電極102および負極電極103には、カーボンフェルトが用いられる。これら電極102,103の大きさは、セルフレーム210のフレーム部212の枠内に形成される矩形空間に対応したサイズとしている。なお、これら電極102,103は双極板211に接着剤で接着するようにしてもよいし、後述する締付機構3の締付力により双極板211に各電極102,103を接触させるようにしてもよい。
(Positive electrode and negative electrode)
As described above, since the
(隔膜)
隔膜101は、イオン交換膜を用いる。材料にはイオン交換樹脂に塩化ビニル、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを含有したものが利用できる。この隔膜101は、セルフレーム210とほぼ同等の面積か、フレーム部212の外周縁より小さく、フレーム部212の内周縁よりも大きい外周縁を有する面積か、フレーム部212の外周縁より大きい面積を有するものとすることができる。なお、隔膜101は、フレーム部212に形成するマニホールドと重なる部分を有する場合には、マニホールドに面する個所に透孔を形成する。隔膜101は、その外周縁部をフレーム部212で挟持することにより、隔膜101の形状を保持するようになっている。
(diaphragm)
The
(給排板)
給排板220は、サブスタック201の積層方向両端に配置される。給排板220は、図示していないが、各電解液タンクとセルフレーム210のマニホールド213とを連結する電解液流通路を有する。給排板220に形成する電解液流通路にはパイプが取り付けられ、このパイプは電解液タンクへと接続される。
(Supply / discharge plate)
The supply /
(締付機構)
締付機構3は、図1および図2に示すように、複数積層されたサブスタック201の積層方向外側に配置されるエンドプレート31と、エンドプレート31間の間隔を調整する調整部32と、セル積層体200の積層方向最外面とエンドプレート31との間に設けられる変形部33とを備えている。
(Tightening mechanism)
As shown in FIGS. 1 and 2, the
エンドプレート31は、給排板220、セルフレーム210よりも面積が大きく、エンドプレート31における給排板220およびセルフレーム210からはみ出した部分で、エンドプレート31の外周縁部の全周には、連結棒321を挿通させる挿通孔311が複数形成されている。
The
調整部32は、エンドプレート31を連結する複数の連結棒321と、連結棒321の両端部に装着されるナット322と、連結棒321に挿通され、エンドプレート31とナット322との間に配設され、連結棒321に挿通されるコイルバネ323を備える。連結棒321は、その両端部にナット322をねじ込むための雄ネジ加工がなされている。
The
そして、連結棒321を、エンドプレート31の挿通孔311に挿通させた後、連結棒321にコイルバネ323を挿通させ、連結棒321の両端にナット322を取り付ける。ナット322を締め込んでいくことにより、エンドプレート31の間隔が狭くなっていき、エンドプレート31によりセル積層体200が積層方向に押圧されて、セル積層体の締め付けが行われるようなっている。なお、連結棒321に装着されるコイルバネ323は、セル積層体200を構成する部材の熱伸縮を吸収するために用いる。
Then, after the connecting
変形部33は、セル積層体200の積層方向最外面、即ち、最も外側のサブスタック201とエンドプレート31との間に設けられる。そして、変形部33は、内部に気体または液体が充填される袋状部材331と、この袋状部材331を保持するガイド部材332を有する。
The
袋状部材331は、ゴムなどの合成樹脂により形成されており、セル積層体200の前記最外面の全体を覆う大きさを有した板状に形成されている。袋状部材331の内部に流体を充填させることにより、袋状部材331の変形により袋内部で流体が移動し、袋状部材331の外面がセル積層体の積層最外面の形状に沿うようになっている。袋状部材331の内部に充填される流体は、空気など気体としてもよいし、水などの液体としてもよく、袋状部材が損傷して、内部の流体が流出しても、人体に害を及ぼさないものが好ましい。
The bag-shaped
ガイド部材332は、袋状部材331をセル積層体200の最外面に対して積層方向と直交する方向に移動または変形せず、積層方向に変形可能なように保持するものである。
The
ガイド部材332は、セル積層体200に袋状部材331を当接させた状態で、袋状部材331を覆い、積層方向へ移動可能にセル積層体200の外周に嵌合される蓋状に形成されている。このガイド部材332を袋状部材331を覆うように設けることにより、袋状部材331が積層方向と直交する方向へ変形するのを阻止し、積層方向へ変形することは可能となり、袋状部材331によるセル積層体200への押圧力を積層方向に集中させることができる。
The
このように、第一実施形態では、袋状部材331とガイド部材332を、セル積層体200とエンドプレート31との間に配置して、前記ナット322を締め付けていくことにより、袋状部材331がエンドプレート31に押されながら、セル積層体200の前記最外面に沿って変形し、セル積層体に対して均一に締付力が掛かるようになっている。
As described above, in the first embodiment, the bag-shaped
本実施形態では、締付機構3に変形部33を備えるようにしているので、セル積層体全体として、厚みに不均一が生じ、厚みの厚い部分や厚みの薄い部分によりセル積層体の最外面が変形しても、エンドプレート31でセル積層体を押圧する際に、袋状部材331が、セル積層体200の最外面に沿って変形してセル積層体200に対して均一に圧力を掛けることができる。
In the present embodiment, since the
特に、本実施形態では、変形部33を流体が充填された袋状部材331を有するようにしているので、この袋状部材331は、セル積層体200の積層面の変形に追従しやすく、セル積層体200をエンドプレート31で押圧したときに、セル積層体200の積層面全体に均一に圧力を掛けることができる。
In particular, in the present embodiment, since the
[第2実施形態]
前記第1実施形態の電解液循環型電池では、締付機構3の変形部33が、袋状部材331とガイド部材332とにより構成されたが、図3に示す第2実施形態では、袋状部材331の内部圧力を調整できるようにしている。なお、第2実施形態の電解液循環型電池は、締付機構3の構成が第1実施形態と異なるだけであり、他の構成は、第1実施形態と同じ構成であるので、説明を省略する。
[Second Embodiment]
In the electrolyte circulation type battery of the first embodiment, the deforming
第2実施形態では、締付機構3は、エンドプレート31と調整部32と変形部33とを備える。エンドプレート31と調整部32を構成する部材は、コイルバネを削除したことを除いては同じものを使用している。
In the second embodiment, the
変形部33は、第一実施形態と同様に袋状部材331とガイド部材332を有する。ただし、袋状部材331は、ゴムなどの伸縮可能な材料で形成する。さらに、変形部33は、セル積層体200の外方に、袋状部材331内に配管41を介して連通すると、流体貯留部42内の圧力を検出する圧力検出手段5と、流体貯留部42内の流体を袋状部材331に対して給排する給排手段6も備える。
The
第2実施形態では、流体貯留部42と袋状部材331とを連通する配管の途中に、袋状部材331側から圧力検出部43と四方切換弁61とポンプ62とを設けている。圧力検出部43には、圧力センサー(圧力検出手段)5が設けられており、圧力検出部43内の流体の圧力を検出することにより、この圧力検出部43と略同圧の袋状部材331内の圧力を検出するようにしている。
In the second embodiment, the
四方切換弁61は、その切換動作で、ポンプ62の吸込み側が流体貯留部42に連通し、吐出側が袋状部材331側となるように配管41を接続したり、または、ポンプ62の吸込み側が袋状部材331に連通し、吐出側が流体貯留部42側となるように配管41を接続したりするようになっている。本実施形態では、ポンプ62と四方切換弁61により前記給排手段6を構成している。
In the switching operation, the four-
前記圧力センサー5で検出した圧力検出結果は、コンピュータなどの制御装置7に送られ、制御装置7は、その圧力検出結果に基づいて、四方切換弁61とポンプ62を駆動制御するようになっている。
The pressure detection result detected by the
具体的には、袋状部材331内の圧力が予め設定されている所定の圧力の範囲にある場合には、四方切換弁61を流通不可とするとともに、ポンプ62を停止する。所定の圧力は、セル積層体の締付力が液漏れの生じない締付力となる圧力であって、フレームなどの締付過ぎによる損傷が起こらない圧力に設定する。
Specifically, when the pressure in the bag-shaped
また、袋状部材331内の圧力が予め設定されている所定の圧力よりも小さい場合には、四方切換弁61を、ポンプ62の吸込み側が流体貯留部42に連通し、吐出側が袋状部材331側となるように配管41が接続されるように制御するとともに、袋状部材331内の圧力が所定圧力に上昇するまでポンプ62を駆動させる。この場合には、流体貯留部42内の流体が袋状部材331に供給され、袋状部材331内の圧力を上昇させることができる。
When the pressure in the bag-shaped
また、袋状部材331内の圧力が予め設定されている所定の圧力より高くなり過ぎた場合には、四方切換弁61を、ポンプ62の吸込み側が袋状部材331に連通し、吐出側が流体貯留部42側となるように配管41が接続されるように制御するとともに、袋状部材331内の圧力が所定圧力に下がるまでポンプ62を駆動させる。この場合には、袋状部材331内の流体が流体貯留部42内に戻され、袋状部材331内の圧力を降下させることができる。
Further, when the pressure in the bag-
以上のように、第2実施形態では、袋状部材331を内圧により自在に変形可能な材料で形成することにより、袋状部材の内部に充填させる流体の量を所望の圧力が得られるように調整することが可能となる。そして、袋状部材331に対する流体の給排を給排手段6を用いて、流体貯留部42内の流体を袋状部材331内に供給したり、袋状部材331内の流体を流体貯留部42へ戻したりすることにより、袋状部331材内の流体の量を調整して、袋状部材331内の圧力を調整することができる。
As described above, in the second embodiment, the bag-shaped
このように、流体貯留部42と給排手段6を設けて、袋状部材331の圧力を自由に調整することにより、締付機構3による締め付け力をセル積層体200の積層面に均一に掛けることができることはもちろんのこと、エンドプレートとナットとの間に配設していたコイルバネを設ける必要が無くなる。
Thus, by providing the
前記した第1実施形態の構成のセル積層体を用いたレドックスフロー電池について、袋状部材の内部に水を充填させ、袋状部材をセル積層体とエンドプレートとの間に配置させた状態で、ナットを締付けたときに、内部圧力が0.25MPaとなるように、袋状部材の圧力を調整した。このときのセル積層体の最外面の面圧のバラツキを調べたところ、0.2〜0.3MPaのバラツキであった。なお、従来のように、袋状部材を設けない場合のセル積層体の最外面の面圧のバラツキは、0.1〜0.5MPaのバラツキであった。 About the redox flow battery using the cell laminate of the configuration of the first embodiment described above, the bag-like member is filled with water, and the bag-like member is disposed between the cell laminate and the end plate. The pressure of the bag-like member was adjusted so that the internal pressure became 0.25 MPa when the nut was tightened. When the variation in the surface pressure of the outermost surface of the cell laminate was examined, the variation was 0.2 to 0.3 MPa. Note that, as in the prior art, the variation in the surface pressure of the outermost surface of the cell laminate in the case where no bag-like member is provided was 0.1 to 0.5 MPa.
次に、この構成のレドックスフロー電池を用いた電池システムにおいて、電池試験を-5℃〜45℃の条件で、ヒートサイクル試験を100回実施した結果、本発明のレドックスフロー電池では、液漏れや、セルフレームの応力集中による割れは生じなかった。 Next, in the battery system using the redox flow battery of this configuration, the battery test was performed 100 times under the condition of −5 ° C. to 45 ° C. As a result, in the redox flow battery of the present invention, liquid leakage and Cracks due to stress concentration in the cell frame did not occur.
本発明の電解液循環型電池は、特にレドックスフロー電池の運転に利用することが好適である。 The electrolyte circulation type battery of the present invention is particularly preferably used for operation of a redox flow battery.
100 セル 100A 正極セル 100B 負極セル
101 隔膜 102 正極電極 103 負極電極
104A 正極タンク 104B 負極タンク
105A,105B ポンプ 106A,106B 導管
200 セル積層体
201サブスタック
210 セルフレーム 211 双極板 212 フレーム部
213 マニホールド 214 流通溝
220 給排板
3 締付機構
31 エンドプレート 311 挿通孔
32 調整部 321 連結棒 322 ナット 323 コイルバネ
33 変形部 331 袋状部材 332 ガイド部材
41 配管 42 流体貯留部 43 圧力検出部
6 給排手段 62 ポンプ 61 四方切換弁
5 圧力センサー(圧力検出手段)
7 制御装置
100
104A
105A,
200 cell laminate
201 substack
210
220 Supply / discharge plate
3 Tightening mechanism
31
32
33
41
6 Supply / discharge means 62
5 Pressure sensor (pressure detection means)
7 Control unit
Claims (5)
締付機構は、セル積層体の積層方向両端の外側に配置されるエンドプレートと、
エンドプレート間の間隔を調整する調整部と、
セル積層体の積層方向最外面とエンドプレートとの間に設けられ、セル積層体の前記最外面の全体を覆い、エンドプレートでセル積層体を押圧する際に、セル積層体の前記最外面に沿って変形して、セル積層体に対して均一に圧力を掛ける変形部とを備えていることを特徴とする電解液循環型電池。 An electrolyte circulation type battery having a cell laminate constituted by laminating a plurality of plate-like cells having a positive electrode, a diaphragm, and a negative electrode, and a tightening mechanism for fastening the cell laminate in the laminating direction,
The tightening mechanism includes end plates disposed outside both ends in the stacking direction of the cell stack,
An adjustment unit for adjusting the distance between the end plates;
It is provided between the outermost surface in the stacking direction of the cell stack and the end plate, covers the entire outermost surface of the cell stack, and presses the cell stack with the end plate to the outermost surface of the cell stack. An electrolyte circulation type battery comprising: a deformation portion that deforms along the cell stack and applies pressure uniformly to the cell stack.
内部に流体が充填される袋状部材と、
袋状部材の積層方向と直交する方向への変形を阻止し、積層方向への変形を可能とするように、セル積層体に袋状部材を当接させた状態で、袋状部材を覆って、積層方向へ移動可能にセル積層体の外周に嵌合される蓋状のガイド部材とを備えることを特徴とする請求項1に記載の電解液循環型電池。 The deformation part is
A bag-like member filled with fluid;
Covering the bag-like member with the bag-like member in contact with the cell laminate so as to prevent the bag-like member from deforming in the direction perpendicular to the stacking direction and allowing deformation in the stacking direction. The electrolyte circulation battery according to claim 1, further comprising: a lid-shaped guide member fitted to the outer periphery of the cell stack so as to be movable in the stacking direction.
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