JP2012119288A - 電池の集電構造、電池用セルスタック、およびレドックスフロー電池 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電池の集電構造1は、セル100と外部機器との間で電気を入出力するためのもので、セル100を構成する正極電極104と負極電極105のどちらか一方の電極が接触する一面を有する双極板11bと、この双極板11bの他面と導通される集電板10と、双極板11bと集電板10との間に介在されるクッション層13とを具える。双極板11bは、双極板11bの他面の少なくとも一部に形成される金属層12を有する。クッション層13は、セル100内が大気圧の場合の双極板11bと集電体10との間の抵抗値Rp、セル100内が負圧の場合の双極板11bと集電体10との間の抵抗値をRmとするとき、Rm≦1.4Rpを満たすような変形能を有する。
【選択図】図1
Description
本発明RF電池は、RF電池に備わるセルスタックの一部に特徴がある。それ以外の構成は、図4を用いて説明した従来のRF電池と同様、セルスタックに正極用電解液を循環させるためのポンプ112、導管108、110、タンク106を有する正極用循環機構と、セルスタックの負極用電解液を循環させるためのポンプ113、導管109、111、タンク107を有する負極用循環機構とを具える。したがって、以下の実施形態では、従来のRF電池(セルスタック)との相違点を中心に説明し、従来と同様の構成については、図4、5と同一符号を付してその説明を省略する。
図1に示す本発明のセルスタック20は、図4を参照した従来のセルスタック200と同様に、正極電極104と隔膜101と負極電極105を具えるセル100とセルフレーム120とを交互に積層した積層体を具える。その積層体の両側には、複数のセル100と外部機器との間で電気を入出力するための集電板10が配され、さらにその外側にはエンドプレート210、220が設けられている。これら積層体、集電板10、およびエンドプレート210、220が締付機構で締め付けられて、セルスタック20が構成される。本発明の特徴は、セルフレーム11を構成する双極板11bと集電板10とを導通させるための集電構造にある。以下、図1の紙面左側の集電構造1について説明する。
本発明の集電構造1は、セル100を構成する正極電極104と負極105のどちらか一方の電極が接触する一面を有する双極板11bと、双極板11bの他面と導通される集電板10とを具える。双極板11bにおいて、他面の少なくとも一部には金属層12が形成されている。そして、双極板11bと集電板10との間には、クッション層13が介在されている。
集電板10は、双極板11bを介して外部機器とセル100とで電気の入出力を行う導電部材である。この集電板10には、例えばインバータなどの外部機器に接続するための端子(図示せず)が具えられている。集電板10の材料は、電気抵抗の小さい金属材料からなることが好ましく、具体的には、銅が挙げられる。その他にも鉄、ニッケル、クロム、錫、アルミニウム、およびこれらのいずれかの元素を主成分とする合金などから形成されていてもよい。
双極板11bは、積層体の両端部以外では正極電極104と負極電極105との間に介在されて各セル100間を直列につなぐ導電接続板で、集電構造1を構成する積層体の両端部においては外部機器とセル100とで電気の入出力を行う集電用導電板として機能する。集電構造1において、この双極板11bは、プラスチック製のフレーム11fの内側に装着されて、一方の面にセル100を構成する正極電極104(負極電極105)が接触し、他方の面で集電板10と導通される。そして、他面の少なくとも一部には後述する金属層12を有している。
金属層12は、双極板11bと集電板10とを導通させ易くするための層で、双極板11bにおいて電極が接触しない他方の面の少なくとも一部に形成されている。
クッション層13は、集電板10と双極板11bとの間の抵抗を低減し、さらに負圧下において、両者の間の抵抗の上昇を抑制するためのもので、集電板10と双極板11bとの間に介在されている。
上述したセルスタック20は、以下に示す準備工程、積層工程の各工程を施して製造することができる。以下、各工程について説明する。
まず、準備工程では、セルスタック20の構成部材を用意する。図1に示すセルスタック20を作製するには、セルスタック20の構成部材、即ち、複数の正極電極104、隔膜101、負極電極105、セルフレーム120、一対の集電板10、一対のクッション層13、金属層12が形成された双極板11bおよびその外周に装着されたフレーム11fを有するセルフレーム11を一対、一対のエンドプレート210、220、および、そのエンドプレート210、220を締め付ける締付機構230を用意する。この締付機構230は、締付軸231と、締付軸231の両端に螺合されるナット232,233と、ナット232とエンドプレート210の間に介在される圧縮バネ234とを具える。
積層工程では、上記各構成部材を積層する。この工程では、まず、エンドプレート220に締付軸231とナット233を取り付ける。締付軸231を取り付けたエンドプレート220を設置面に平行において、そのエンドプレート220上に、集電板10を配置し、その上にクッション層13を介在させて、金属層12が形成された双極板11を具えるセルフレーム11を積層する。続けて、正極電極104(負極電極105)、隔膜101、負極電極105(正極電極104)からなるセル100、セルフレーム120の順に繰り返し積層する。この積層工程は、集電構造1の上に、順次正極電極104、隔膜101、負極電極105を一枚ずつ積み重ねていくことで行っても良いし、所定数のセルフレーム120や正極電極104、隔膜101、負極電極105を積層した積層体をエンドプレート220上の集電構造1の上に載せることを繰り返すことで行っても良い。そして、所望のセル数を積層した後、再び、金属層12が形成された双極板11を有するセルフレーム11を、最後のセル100の上に載せ、クッション層13を介在させて集電板10を積層する。その後、集電板10の上に、エンドプレート210を配置して、締付軸231の端部に圧縮バネ234を配置してナット232を取り付ける。そうして、締付機構230で締め付けてセルスタックを完成させる。
上述した実施形態によれば、以下の効果を奏する。
試験例1として、次のRF電池の各試料を作製し、負圧下における集電板と双極板との間の抵抗値を測定した。まず、正・負の両電極と、金属層が形成された双極板を有するセルフレームを一対と、一対の銅製の集電板と、一対のクッション層を用意する。続いてこれらの部材を積層する。集電板の上に、クッション層、クッション層と金属層が接触するようにセルフレーム、正極電極の順に積層してから、その逆順、つまり、負極電極、金属層が形成されていない面と電極が接触するようにセルフレーム、クッション層、集電板の順で積層する。その際、表1に示すように、双極板に形成した金属層の形成手段、材料、および層厚と、集電板と金属層との間に介在させたクッション層の材料、部材、および層厚とを種々選択して積層したものを試料1〜3とした。試料3のクッション層を構成するメッシュの素線の径は、0.01mmで、メッシュサイズは、100mm×100mmである。さらに、試料3において、クッション層を介在させていないものを作製して試料4とし、同様に、双極板に金属層を形成していないものを作製して試料5とした。そのため、試料4は双極板に金属層が形成されているが、集電体と双極板との間にクッション層は介在されていない形態であり、試料5は双極板に金属層が形成されていないが、集電体と双極板との間にクッション層が介在されている形態である。
上述のようにして作製された試料1〜5に対して、真空引きを施すことで負圧状況を作り出し、順次負圧を変えていきながら、双極板と集電板との間の抵抗値を測定した。その際、圧力は、負圧状況を作り出すために試料内部に直結したパイプに取り付けた連成計で確認した。この抵抗値は、常温において双極板と集電板とに端子を接続し、両端子間の抵抗を四端子法により求めた。その結果を表2、および図2に示す。
以上の試験を行った結果、双極板に金属層を形成し、金属層と集電板との間にクッション層を介在させた試料1〜3は、集電板と双極板との間の抵抗が低い値となった上に、抵抗がほとんど上昇しなかった。つまり、抵抗を低減することができることに加えて、抵抗の上昇を抑制することができた。このような結果となったのは、双極板に金属層を形成したことで、双極板と導通し易くなったこと、および、クッション層を介在させたことで、負圧下においても、金属層と集電板との導通を確保することができたためであると考えられる。
[加圧抵抗測定試験]
試験例2として、試験例1における試料2〜4に対して加圧下における集電板と双極板との間の抵抗を測定する。まず、各試料をその積層方向が、設置面と垂直となるように配置する。そして、最上部に位置する集電板の面上に錘を乗せて荷重を付加していき、集電板と双極板との間の抵抗値を試験例1と同様の測定方法により測定した。その際、測定圧は、付加した荷重をクッション層の面積で割って求めた数値とした。クッション層のない試料は、付加した荷重を金属層の面積(上記クッション層と同じ面積)で割って求めた数値を測定圧とした。また、集電板の面上に錘を乗せていない状態(自重のみ)を面圧0とした。その結果を表3、および図3に示す。
以上の試験を行った結果、双極板に金属層を形成し、金属層と集電板との間にクッション層を介在させた試料2、3は、加圧下においても集電板と双極板との間の抵抗値が低い値となった。このような結果となったのは、双極板に金属層を形成したことで、双極板と導通し易くなったこと、および、クッション層を介在させたことで、金属層と集電板との導通を確保することができたためであると考えられる。
以上の試験例1、2から、双極板に金属層を形成し、集電板と金属層との間にクッション層を介在させることで、集電板と双極板との間の抵抗を低減できると共に、負圧下において抵抗の上昇を抑制することができることがわかった。さらに、上記の構成を具えることで、加圧下においても、集電板と双極板との間の抵抗を低減できることが判明した。
10 集電板 11 セルフレーム 11b 双極板 11fフレーム
12 金属層 13 クッション層
20 セルスタック
100 セル 101 隔膜 102 正極セル 103 負極セル
104 正極電極 105 負極電極 106 正極電解液用タンク
107 負極電解液用タンク 108、109、110、111 導管
112、113 ポンプ
120 セルフレーム 121 双極板 122 フレーム
123、124 給液用マニホールド 125、126 排液用マニホールド
127 シール部材
200 従来のセルスタック 210、220 エンドプレート
230 締付機構
231 締付軸 232、233 ナット 234 圧縮バネ
Claims (8)
- セルと外部機器との間で電気を入出力するための電池の集電構造であって、
前記セルを構成する正極電極と負極電極のどちらか一方の電極が接触する一面を有する双極板と、
前記双極板の他面と導通される集電板と、
前記双極板と集電板との間に介在されるクッション層とを具え、
前記双極板は、前記他面の少なくとも一部に、前記双極板よりも導電率の高い金属材料から構成される金属層を有し、
前記クッション層は、セル内が大気圧の場合の双極板と集電体との間の抵抗値をRp、セル内が負圧の場合の双極板と集電体との間の抵抗値をRmとするとき、Rm≦1.4Rpを満たすような変形能を有することを特徴とする電池の集電構造。 - 前記抵抗値Rmが、10mΩ・100cm2以下であることを特徴とする請求項1に記載の電池の集電構造。
- 前記クッション層は、メッシュ、箔、フェルト、および液体金属の中から選択される1つ以上の部材で構成されていることを特徴とする請求項1または2に記載の電池の集電構造。
- 前記金属層は、金、銀、銅、ニッケル、クロム、錫、アルミニウム、これらのいずれかの元素を主成分とする合金、および半田の中から選択される1種以上の材料からなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電池の集電構造。
- 前記金属層は、錫の溶射層からなり、
前記クッション層は、錫メッキした銅メッシュからなって、前記金属層と集電板との間に介在されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電池の集電構造。 - 前記金属層は、錫の溶射層からなり、
前記クッション層は、錫箔からなって、前記集電板と金属層の間に介在されていることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の電池の集電構造。 - 双極板を有する複数のセルフレームと、正極電極、隔膜、および負極電極を具える複数のセルと、前記各セルフレームの間に前記各セルを挟む積層体における両端部の双極板と導通される集電板とを具える電池用セルスタックであって、
前記両端部の双極板、および集電板は、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電池の集電構造を構成していることを特徴とする電池用セルスタック。 - 請求項7に記載のセルスタックと、
前記セルスタックに正極用電解液を循環させる正極用循環機構と、
前記セルスタックに負極用電解液を循環させる負極用循環機構とを具えることを特徴とするレドックスフロー電池。
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