JP2013080611A - 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】セルスタック200は、セルフレーム120と正極電極104とイオン交換膜101と負極電極105とを複数積層してなる。セルフレームは、正極電解液および負極電解液の流路となる正極電解液用流路と負極電解液用流路とを有し、各電解液用流路は、それぞれ入口スリットおよび出口スリットからなる。そして、セルスタックは、中心側に位置するセルフレームと端部側に位置するセルフレームとを比較したとき、各々のセルフレームの電解液用流路の構造が異なり、中心に位置するセルフレームから端部に位置するセルフレームになるにつれて、電解液用流路における電気抵抗が、大きくなるように構成されている。
【選択図】図10
Description
(1)出口スリットのみの構造を変える
正極側入口スリットの構造=負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造≠負極側出口スリットの構造
(2)入口スリットのみの構造を変える
正極側入口スリットの構造≠負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造=負極側出口スリットの構造
(3)入口スリットと出口スリットの両方の構造を変える
正極側入口スリットの構造≠負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造≠負極側出口スリットの構造
(A)各電解液用流路のスリット長を異ならせる
(B)各電解液用流路の少なくとも一部の断面形状を異ならせる
(C)各電解液用流路の少なくとも一部の断面積を異ならせる
(D)各電解液用流路を構成するスリットの本数を異ならせる
なお、これら(A)〜(D)は組み合わせて行うことができる。
実施形態1では、中心側に位置するセルフレームと端部側に位置するセルフレームの電解液用流路の構造を異ならせ、中心に位置するセルフレームから端部に位置するセルフレームになるにつれて、電解液用流路における電気抵抗が大きくなるように構成された本発明のセルスタックをRF電池に利用した場合のシャントカレントロス低減効果について評価した。
(I)中心から端部になるにつれて電解液用流路における電気抵抗が一次関数的に大きくなるように設計した場合
(II)中心から端部になるにつれて電解液用流路における電気抵抗が二次関数的に大きくなるように設計した場合
セルフレームの積層数は21枚とし、一方の端部に位置するセルフレームから他方の端部に位置するセルフレームに向かって順に0番、1番、…、19番、20番というようにセルフレーム番号を付した(中心に位置するセルフレームの番号は10番)。また、中心に位置するセルフレームにおける電解液用流路のスリット長は500mm、端部に位置するセルフレームにおける電解液用流路のスリット長は1000mmと固定した。なお、中心に位置するセルフレーム(10番)を挟んで対称に位置するセルフレーム(0番と20番、1番と19番、…)の電解液用流路の構造は各々同一とし、対称性を考慮してセルスタックの1/2部分(中心の10番から端部の20番のセルフレーム)を計算対象とした。
実施形態2では、正極側と負極側とで、マニホールド123〜126と双極板121との間に形成される電解液の流路長(スリット長)を異ならせることで、双極板121の位置(電極配置箇所)における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図4に基づいて説明する。
・正極側入口スリット23A≠負極側入口スリット24A
・正極側出口スリット25A≠負極側出口スリット26A
・正極電解液用流路8Aのスリット長>負極電解液用流路9Aのスリット長
実施形態2の構成に加えて、スリットの断面積は同じであるが、断面形状を異ならせて、さらに各流路8A,9Aにおける圧力損失を調整しても良い。例えば、正極電解液用流路8Aの断面形状を矩形とし、負極電解液用流路9Aの断面形状を半円形とすれば、正極電解液用流路8Aにおける圧力損失と比較して、負極電解液用流路9Aにおける圧力損失をさらに小さくできる。
実施形態3では、正極側と負極側とで流路断面積を異ならせることで、双極板121の位置(電極配置箇所)における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図5に基づいて説明する。
・正極側入口スリット23B≠負極側入口スリット24B
・正極側出口スリット25B≠負極側出口スリット26B
・正極側入口スリット23Bの断面積<負極側入口スリット24Bの断面積
・正極側出口スリット25Bの断面積<負極側出口スリット26Bの断面積
実施形態4では、正極側と負極側とでスリットの数を異ならせることで、双極板121の位置(電極配置箇所)における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図6に基づいて説明する。
・正極側入口スリット23C≠負極側入口スリット24C
・正極側出口スリット25C≠負極側出口スリット26C
・正極側入口スリット23Cの本数>負極側入口スリット24Cの本数
・正極側出口スリット25Cの本数>負極側出口スリット26Cの本数
・正極電解液用流路8Cのスリット長(等価スリットの長さ)>負極電解液用流路9Cのスリット長(等価スリットの長さ)
実施形態5では、正極電解液の粘度と負極電解液の粘度とが殆ど同じである場合に、双極板121の位置で敢えて正極電解液の圧力と負極電解液の圧力とに差を生じさせるための構成を図7に基づいて説明する。
8A,8B,8C,8D 正極電解液用流路
23A,23B,23C,23D 正極側入口スリット
25A,25B,25C,25D 正極側出口スリット
9A,9B,9C,9D 負極電解液用流路
24A,24B,24C,24D 負極側入口スリット
26A,26B,26C,26D 負極側出口スリット
100 セル
101 イオン交換膜
102 正極セル
104 正極電極
106 正極電解液用タンク 108,110 導管 112 ポンプ
103 負極セル
105 負極電極
107 負極電解液用タンク 109,111 導管 113 ポンプ
120 セルフレーム
121 双極板
122 枠体
123 正極用給液マニホールド 125 正極用排液マニホールド
124 負極用給液マニホールド 126 負極用排液マニホールド
127 シール部材
200 セルスタック
210,220 エンドプレート
300 レドックスフロー電池(RF電池)
Claims (15)
- セルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極と、を複数積層してなるセルスタックであって、
前記セルフレームは、
枠体と、前記枠体に一体化された双極板と、を備え、
前記枠体に貫通して設けられ、正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、および正極用排液マニホールドと、
前記枠体の一面側に設けられ、前記正極用給液マニホールドから前記双極板の一面側に配される前記正極電極に前記正極電解液を導入する正極側入口スリット、および前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極側出口スリットからなる正極電解液用流路と、
前記枠体に貫通して設けられ、負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、および負極用排液マニホールドと、
前記枠体の他面側に設けられ、前記負極用給液マニホールドから前記双極板の他面側に配される前記負極電極に前記負極電解液を導入する負極側入口スリット、および前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極側出口スリットからなる負極電解液用流路と、を有し、
前記セルスタックの中心側に位置する前記セルフレームと端部側に位置する前記セルフレームとを比較したとき、各々の前記セルフレームにおける前記正極電解液用流路および前記負極電解液用流路の少なくとも一方の電解液用流路の構造が異なり、
中心に位置する前記セルフレームから端部に位置する前記セルフレームになるにつれて、前記電解液用流路における電気抵抗が、大きくなるように構成されていることを特徴とするセルスタック。 - 前記セルフレームの積層数が、10枚以上であることを特徴とする請求項1に記載のセルスタック。
- 前記セルフレームの積層数のうち、2/3以上の前記セルフレームの前記電解液用流路における電気抵抗が、中心に位置する前記セルフレームの前記電解液用流路における電気抵抗より大きいことを特徴とする請求項1又は2に記載のセルスタック。
- 前記電解液用流路における電気抵抗が、線形的に大きくなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のセルスタック。
- 前記電解液用流路における電気抵抗が、非線形的に大きくなることを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のセルスタック。
- 前記電解液用流路における入口スリットおよび出口スリットの少なくとも一方のスリットの構造が異なることを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載のセルスタック。
- 前記電解液用流路のスリット長、スリット断面積およびスリット本数の少なくともいずれか一つが異なることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載のセルスタック。
- 少なくとも一つの前記セルフレームにおいて、前記正極電解液用流路の構造と、前記負極電解液用流路の構造と、が異なることを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載のセルスタック。
- 少なくとも一つの前記セルフレームにおいて、前記正極電解液用流路と前記負極電解液用流路の各々における入口スリットと出口スリットの構造とが異なることを特徴とする請求項8に記載のセルスタック。
- 少なくとも一つの前記セルフレームにおいて、前記正極電解液用流路のスリット長と、前記負極電解液用流路のスリット長と、が異なることを特徴とする請求項8又は9に記載のセルスタック。
- 少なくとも一つの前記セルフレームにおいて、前記正極電解液用流路の少なくとも一部の断面形状と、前記負極電解液用流路の少なくとも一部の断面形状と、が異なることを特徴とする請求項8〜10のいずれか一項に記載のセルスタック。
- 少なくとも一つの前記セルフレームにおいて、前記正極電解液用流路の少なくとも一部の断面積と、前記負極電解液用流路の少なくとも一部の断面積と、が異なることを特徴とする請求項8〜11のいずれか一項に記載のセルスタック。
- 少なくとも一つの前記セルフレームにおいて、前記正極電解液用流路を構成するスリットの本数と、前記負極電解液用流路を構成するスリットの本数と、が異なることを特徴とする請求項8〜12のいずれか一項に記載のセルスタック。
- 少なくとも一つの前記セルフレームにおいて、前記正極側入口スリットの構造と前記負極側出口スリットの構造とが同じで、前記正極側出口スリットの構造と前記負極側入口スリットの構造とが同じであることを特徴とする請求項9に記載のセルスタック。
- セルスタックと、前記セルスタックに正極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電解液を循環させる負極用循環機構と、を備えるレドックスフロー電池であって、
前記セルスタックは、請求項1〜14のいずれか一項に記載のセルスタックであることを特徴とするレドックスフロー電池。
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