JP2017010791A - Cell frame, cell stack and redox flow cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レドックスフロー電池の構成部品であるセルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池に関する。特に、セルフレームの枠体の内側に形成される凹部の面積を維持しつつ、枠体の外形面積を小さくできるセルフレームに関する。 The present invention relates to a cell frame and a cell stack, which are components of a redox flow battery, and a redox flow battery. In particular, the present invention relates to a cell frame that can reduce the outer area of the frame while maintaining the area of the recess formed inside the frame of the cell frame.
大容量の蓄電池の一つとして、レドックスフロー電池(以下、「RF電池」と呼ぶ場合がある)が知られている(特許文献1〜3を参照)。レドックスフロー電池の用途としては、負荷平準化用途の他、瞬低補償や非常用電源などの用途、大量導入が進められている太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの出力平滑化用途などが挙げられる。 As one of large-capacity storage batteries, redox flow batteries (hereinafter sometimes referred to as “RF batteries”) are known (see Patent Documents 1 to 3). Applications of redox flow batteries include load leveling applications, applications such as instantaneous voltage drop compensation and emergency power supplies, and smoothing of natural energy output such as solar power generation and wind power generation that are being introduced in large quantities. Can be mentioned.
RF電池は、正極電解液及び負極電解液に酸化還元により価数が変化する金属イオン(活物質)を含有する電解液を使用して充放電を行う電池である。図6に、正極電解液及び負極電解液の活物質にVイオンを含有するバナジウム電解液を使用したバナジウム系RF電池300の動作原理図を示す。図6中の電池セル100内の実線矢印は充電反応を、破線矢印は放電反応をそれぞれ示す。
An RF battery is a battery that performs charge and discharge using an electrolytic solution containing a metal ion (active material) whose valence is changed by oxidation and reduction in a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte. FIG. 6 shows an operation principle diagram of a
RF電池300は、水素イオンを透過させるイオン交換膜101で正極セル102と負極セル103とに分離されたセル100を備える。正極セル102には正極電極104が内蔵され、かつ正極電解液を貯留する正極電解液用タンク106が導管108,110を介して接続されている。同様に、負極セル103には負極電極105が内蔵され、かつ負極電解液を貯留する負極電解液用タンク107が導管109,111を介して接続されている。そして、ポンプ112,113により、各タンク106,107に貯留される電解液をセル100(正極セル102及び負極セル103)に循環流通させて、充放電を行う。
The
上記RF電池300には、通常、複数のセル100が積層されたセルスタックを備える構成が利用されている。図7は、セルスタックの概略構成図である。図7に例示するセルスタック10Sは、矩形枠状の枠体22の内側に双極板21が設けられたセルフレーム20、正極電極104、イオン交換膜101、及び負極電極105を複数積層してなり、その積層体を2枚のエンドプレート250,250で挟み込んで締め付けることで形成されている。セルフレーム20は、双極板21が設けられる枠体22の内側の両面に凹部24が形成され、この凹部24に略同じサイズの電極(正極電極104又は負極電極105)が収納される。これにより、枠体22及び双極板21により形成される凹部24とイオン交換膜101とで囲まれる空間がセル(正極セル又は負極セル)を構成する。
The
上記セルスタック10Sでは、双極板21の一面側に正極電極104、他面側に負極電極105が配置され、隣接するセルフレーム20の間にイオン交換膜101が介在され、1つのセルが形成されることになる。セルスタック10Sにおける電解液の流通は、枠体22に貫通して設けられたマニホールド200、及び枠体22の表面に形成され、マニホールド200と枠体22の内側(凹部)との間に設けられたスリット210により行われる。図7に例示するセルフレーム20は、枠体22の一方の長片(図7では下側の長片)が給液マニホールド201,202と給液スリット211,212とを有する供給側片であり、他方の長片(図7では上側の長片)が排液マニホールド203,204と排液スリット213,214とを有する排液側片である。セルスタック10Sでは、正極電解液は、給液マニホールド201から枠体22の給液側片の一面側(紙面表側)に形成されたスリット211を介して正極電極104が収納される凹部24に供給される。そして、図7の矢印で示すように、凹部24内を下側から上側に流通し、枠体22の排液側片に形成されたスリット213を介して凹部24から排液マニホールド203に排出される。同様に、負極電解液は、給液マニホールド202から枠体22の給液側片の他面側(紙面裏側)に形成されたスリット212を介して負極電極105が収納される凹部に供給される。そして、凹部内を下側から上側に流通し、枠体22の排液側片に形成されたスリット214を介して凹部から排液マニホールド204に排出される。セルフレーム20間には、電解液の漏洩を抑制するため、枠体22の外縁部に沿ってOリングや平パッキンなどの環状のシール部材25が配置されている。
In the
一般に、従来のセルフレーム20は、図8に示すように、枠体22の外形が矩形状であり、枠体22の凹部24の形状も同じ矩形状である。通常、凹部24の下端よりも下側に給液マニホールド201が設けられ、凹部24の上端よりも上側に排液マニホールド203が設けられており、給液マニホールド201と排液マニホールド203とが対角位置に形成されている。図8では、図示を省略しているが、正極電解液用の給液マニホールド201及び排液マニホールド203と左右対称位置に、負極電解液用の給液マニホールド及び排液マニホールドが同様に形成されている。
In general, as shown in FIG. 8, in the
また、セルフレーム20間に介在されるイオン交換膜101は、その外縁部がシール部材25に接する大きさを有しており、イオン交換膜101の面積は、セルフレーム20の面積(枠体22の外形面積)に略等しい。
In addition, the
近年、大規模な自然エネルギー発電の導入が進められつつある中、大容量の電力を蓄電できるRF電池への期待が高まっており、RF電池の更なる小型化・低コスト化が望まれている。 In recent years, with the introduction of large-scale natural energy power generation, there is an increasing expectation for an RF battery that can store a large amount of electric power, and further downsizing and cost reduction of the RF battery are desired. .
RF電池の小型化の観点から、セルフレーム(枠体)のサイズを小さくすることが考えられる。しかし、単純にセルフレームのサイズを小さくした場合、枠体の内側に形成される凹部のサイズも小さくなるため、この凹部に収納される電極のサイズを小さくせざるを得ない。電極面積が減少すると、出力の低下を招くため、好ましくない。したがって、凹部の面積を維持しつつ、セルフレームの面積(枠体の外形面積)を小さくすることが求められる。 From the viewpoint of miniaturization of the RF battery, it is conceivable to reduce the size of the cell frame (frame body). However, when the size of the cell frame is simply reduced, the size of the recess formed inside the frame is also reduced, so the size of the electrode accommodated in the recess has to be reduced. If the electrode area is reduced, the output is reduced, which is not preferable. Therefore, it is required to reduce the area of the cell frame (outer area of the frame) while maintaining the area of the recess.
また、枠体には、機械的強度を確保するため、凹部を囲む部分やマニホールドの周囲部分にマージン(凹部やマニホールドの開口縁から枠体の外周までの最低限の距離)を確保する必要がある。図8に示すように、従来のセルフレーム20では、凹部24の下端より下側に給液マニホールド201が設けられ、凹部24の上端よりも上側に排液マニホールド203が設けられている。そのため、セルフレーム20(枠体22)の高さFhは、凹部24の高さChと各マニホールド201,203の径Mdと縦方向のマージンmvとを合計した大きさが少なくとも必要となる。なお、図中、Fwはセルフレーム20(枠体22)の幅、Cwは凹部24の幅、mcは横方向のマージン、evは凹部24の上端(上縁)又は下端(下縁)から枠体22の外周までの縦方向の最短距離である。
Also, in order to ensure the mechanical strength of the frame, it is necessary to secure a margin (minimum distance from the opening edge of the recess or manifold to the outer periphery of the frame) in the part surrounding the recess or the peripheral part of the manifold. is there. As shown in FIG. 8, in the
更に、RF電池の低コスト化の観点から、高価なイオン交換膜のサイズを小さくして、使用量を削減することが望まれる。上述したように、イオン交換膜のサイズは、セルフレームと略等しいサイズになることから、セルフレームの面積を小さくすることができれば、イオン交換膜の面積を小さくできるため、低コスト化が可能となる。しかしながら、従来では、枠体の内側に形成される凹部の面積を維持した上で、セルフレームの面積を小さくすることについて、必ずしも十分な検討がなされているとは言えなかった。 Furthermore, from the viewpoint of cost reduction of the RF battery, it is desired to reduce the amount of use by reducing the size of the expensive ion exchange membrane. As described above, the size of the ion exchange membrane is substantially the same as the cell frame. Therefore, if the area of the cell frame can be reduced, the area of the ion exchange membrane can be reduced, so that the cost can be reduced. Become. However, conventionally, it has not been said that sufficient studies have been made to reduce the area of the cell frame while maintaining the area of the recess formed inside the frame.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、セルフレームの枠体の内側に形成される凹部の面積を維持しつつ、枠体の外形面積を小さくできるセルフレームを提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記セルフレームを備えるセルスタック、及びこのセルスタックを備えるレドックスフロー電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of the objects of the present invention is to reduce the outer area of the frame while maintaining the area of the recess formed inside the frame of the cell frame. To provide a cell frame. Another object of the present invention is to provide a cell stack including the cell frame and a redox flow battery including the cell stack.
本発明の一態様に係るセルフレームは、枠体と、前記枠体の内側に設けられる双極板とを備え、前記枠体の内周面及び前記双極板の表面により前記枠体の内側に電極を収納するための凹部が形成される。前記枠体は、給液側片と、この給液側片に対向して設けられる排液側片とを備える。前記給液側片は、前記凹部に供給される電解液が流通する給液マニホールドと、前記給液マニホールドから前記凹部に前記電解液を供給する給液スリットとを有する。前記排液側片は、前記凹部から排出される前記電解液が流通する排液マニホールドと、前記凹部から前記排液マニホールドに前記電解液を排出する排液スリットとを有する。そして、前記セルフレームは、前記給液側片と前記排液側片とが互いに対向する方向を縦方向、前記縦方向に直交する方向を横方向とし、前記縦方向及び前記横方向の各方向において前記枠体の内側に向かう方向を内側、その反対方向を外側とする。このとき、前記給液マニホールドと前記排液マニホールドのうち少なくとも一方のマニホールドにおける前記縦方向の最も内側に位置する点が、前記凹部の前記縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置する。 A cell frame according to an aspect of the present invention includes a frame and a bipolar plate provided inside the frame, and an electrode is provided inside the frame by an inner peripheral surface of the frame and a surface of the bipolar plate. A recess is formed for storing the. The frame includes a liquid supply side piece and a drainage side piece provided to face the liquid supply side piece. The liquid supply side piece includes a liquid supply manifold through which an electrolytic solution supplied to the concave portion flows, and a liquid supply slit for supplying the electrolytic solution from the liquid supply manifold to the concave portion. The drainage side piece has a drainage manifold through which the electrolyte discharged from the recess flows, and a drainage slit for discharging the electrolyte from the recess to the drainage manifold. In the cell frame, a direction in which the liquid supply side piece and the liquid discharge side piece face each other is a vertical direction, a direction orthogonal to the vertical direction is a horizontal direction, and each direction of the vertical direction and the horizontal direction The direction toward the inside of the frame body is the inside, and the opposite direction is the outside. At this time, the point located on the innermost side in the vertical direction in at least one of the liquid supply manifold and the drainage manifold is located on the inner side than the point located on the outermost side in the vertical direction of the recess. .
本発明の一態様に係るセルスタックは、上記本発明の一態様に係るセルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とをそれぞれ複数積層してなる。 A cell stack according to one embodiment of the present invention is formed by stacking a plurality of cell frames according to one embodiment of the present invention, a positive electrode, an ion exchange membrane, and a negative electrode.
本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記本発明の一態様に係るセルスタックを備える。 A redox flow battery according to one embodiment of the present invention includes the cell stack according to one embodiment of the present invention.
上記セルフレームは、枠体の内側に形成される凹部の面積を維持しつつ、枠体の外形面積を小さくできる。上記セルスタック、及びレドックスフロー電池は、小型化と低コスト化が可能である。 The cell frame can reduce the outer area of the frame while maintaining the area of the recess formed inside the frame. The cell stack and the redox flow battery can be reduced in size and cost.
[本発明の実施形態の説明]
本発明者らは、セルフレームの枠体の内側に形成される凹部の面積を維持しつつ、セルフレームの面積(枠体の外形面積)を小さくすることについて鋭意検討した。その結果、マニホールドと凹部との位置関係が特定の条件を満たすことで、凹部の面積を維持できながら、枠体の外形面積を小さくできることを見出し、本発明を完成するに至った。以下、本発明の実施態様を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
The present inventors diligently studied to reduce the area of the cell frame (outer area of the frame) while maintaining the area of the recess formed inside the frame of the cell frame. As a result, the present inventors have found that the external area of the frame can be reduced while maintaining the area of the recess by satisfying a specific condition of the positional relationship between the manifold and the recess, and the present invention has been completed. Hereinafter, embodiments of the present invention will be listed and described.
(1)本発明の一態様に係るセルフレームは、枠体と、前記枠体の内側に設けられる双極板とを備え、前記枠体の内周面及び前記双極板の表面により前記枠体の内側に電極を収納するための凹部が形成される。前記枠体は、給液側片と、この給液側片に対向して設けられる排液側片とを備える。前記給液側片は、前記凹部に供給される電解液が流通する給液マニホールドと、前記給液マニホールドから前記凹部に前記電解液を供給する給液スリットとを有する。前記排液側片は、前記凹部から排出される前記電解液が流通する排液マニホールドと、前記凹部から前記排液マニホールドに前記電解液を排出する排液スリットとを有する。そして、前記セルフレームは、前記給液側片と前記排液側片とが互いに対向する方向を縦方向、前記縦方向に直交する方向を横方向とし、前記縦方向及び前記横方向の各方向において前記枠体の内側に向かう方向を内側、その反対方向を外側とする。このとき、前記給液マニホールドと前記排液マニホールドのうち少なくとも一方のマニホールドにおける前記縦方向の最も内側に位置する点が、前記凹部の前記縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置する。 (1) The cell frame which concerns on 1 aspect of this invention is equipped with the frame and the bipolar plate provided inside the said frame, The inner peripheral surface of the said frame, and the surface of the said bipolar plate of the said frame A recess for accommodating the electrode is formed inside. The frame includes a liquid supply side piece and a drainage side piece provided to face the liquid supply side piece. The liquid supply side piece includes a liquid supply manifold through which an electrolytic solution supplied to the concave portion flows, and a liquid supply slit for supplying the electrolytic solution from the liquid supply manifold to the concave portion. The drainage side piece has a drainage manifold through which the electrolyte discharged from the recess flows, and a drainage slit for discharging the electrolyte from the recess to the drainage manifold. In the cell frame, a direction in which the liquid supply side piece and the liquid discharge side piece face each other is a vertical direction, a direction orthogonal to the vertical direction is a horizontal direction, and each direction of the vertical direction and the horizontal direction The direction toward the inside of the frame body is the inside, and the opposite direction is the outside. At this time, the point located on the innermost side in the vertical direction in at least one of the liquid supply manifold and the drainage manifold is located on the inner side than the point located on the outermost side in the vertical direction of the recess. .
上記セルフレームによれば、マニホールドの縦方向の最も内側に位置する点が、凹部の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置することで、枠体の高さを小さくでき、枠体の外形面積を小さくできる。この場合、従来のセルフレームと凹部の高さを同じとし、凹部の面積を同じとするとき、従来に比べて凹部の幅が大きくなり、枠体の幅が大きくなることがあるが、枠体全体の外形寸法を小さくできる。したがって、上記セルフレームは、枠体の内側に形成される凹部の面積を維持しつつ、枠体の外形面積を小さくできる。そのため、電極面積を維持して、出力の低下を回避しつつ、小型化を図ることができる。また、セルフレームの面積が小さくなるので、その分、イオン交換膜の面積を小さくでき、低コスト化を図ることができる。ここで、「高さ」とは縦方向の長さであり、「幅」とは横方向の長さを指す。 According to the above cell frame, the height of the frame can be reduced because the point located on the innermost side in the vertical direction of the manifold is located on the inner side of the point located on the outermost side in the vertical direction of the recess. The external area of the body can be reduced. In this case, when the height of the concave portion is the same as that of the conventional cell frame and the area of the concave portion is the same, the width of the concave portion becomes larger and the width of the frame body may be larger than the conventional one. The overall external dimensions can be reduced. Therefore, the cell frame can reduce the outer area of the frame while maintaining the area of the recess formed inside the frame. Therefore, it is possible to reduce the size while maintaining the electrode area and avoiding a decrease in output. Moreover, since the area of the cell frame is reduced, the area of the ion exchange membrane can be reduced correspondingly, and the cost can be reduced. Here, “height” refers to the length in the vertical direction, and “width” refers to the length in the horizontal direction.
(2)上記セルフレームの一形態として、上記少なくとも一方のマニホールドにおける上記横方向の最も内側に位置する点が、上記凹部の上記横方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置することが挙げられる。 (2) As one form of the cell frame, a point located on the innermost side in the lateral direction in the at least one manifold may be located on an inner side than a point located on the outermost side in the lateral direction of the recess. Can be mentioned.
上記形態によれば、マニホールドの横方向の最も内側に位置する点が、凹部の横方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置することで、枠体の幅を小さくでき、凹部の面積を維持しながら、枠体の外形面積をより小さくできる。 According to the said form, the width | variety of a frame can be made small by the point located in the innermost side of the horizontal direction of a manifold being located inside the point located in the outermost side of the horizontal direction of a recessed part, and the area of a recessed part While maintaining the above, the outer area of the frame can be made smaller.
(3)上記セルフレームの一形態として、上記少なくとも一方のマニホールドにおける上記縦方向の最も外側に位置する点が、上記凹部の上記縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置することが挙げられる。 (3) As one form of the cell frame, a point located on the outermost side in the vertical direction in the at least one manifold may be located on an inner side than a point located on the outermost side in the vertical direction of the recess. Can be mentioned.
上記形態によれば、マニホールドの縦方向の最も外側に位置する点が、凹部の横方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置することで、枠体の高さを更に小さくでき、凹部の面積を維持しながら、枠体の外形面積を更に小さくできる。 According to the above aspect, the height of the frame body can be further reduced because the point located on the outermost side in the vertical direction of the manifold is located on the inner side of the point located on the outermost side in the lateral direction of the recess. The outer area of the frame can be further reduced while maintaining the area.
(4)本発明の一態様に係るセルスタックは、上記(1)〜(3)のいずれか1つに記載のセルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とをそれぞれ複数積層してなる。 (4) A cell stack according to an aspect of the present invention includes a plurality of cell frames, positive electrodes, ion exchange membranes, and negative electrodes, each of which is any one of the above (1) to (3). Do it.
上記セルスタックによれば、本発明の一態様に係るセルフレームを備えることから、セルフレームにおける電極が収納される凹部の面積を維持しつつ、セルフレームの面積を小さくできる。そのため、電極面積を維持しながら小型化が可能であり、また、イオン交換膜の面積を小さくできるため、低コスト化が可能である。 According to the cell stack, since the cell frame according to one aspect of the present invention is provided, the area of the cell frame can be reduced while maintaining the area of the concave portion in which the electrode in the cell frame is stored. Therefore, it is possible to reduce the size while maintaining the electrode area, and it is possible to reduce the cost because the area of the ion exchange membrane can be reduced.
(5)本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記(4)に記載のセルスタックを備える。 (5) The redox flow battery which concerns on 1 aspect of this invention is equipped with the cell stack as described in said (4).
上記レドックスフロー電池によれば、本発明の一態様に係るセルスタックを備えることから、小型化と低コスト化が可能である。 According to the redox flow battery, since the cell stack according to one embodiment of the present invention is provided, the size and cost can be reduced.
[本発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係るセルフレームの具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本発明の実施形態に係るセルスタック及びレドックスフロー電池は、本発明の実施形態に係るセルフレームを用いたことに特徴があり、それ以外の構成は、図6,図7を参照して説明した従来と同様の構成を採用できる。したがって、以下では、セルスタック及びレドックスフロー電池について、その詳しい説明を省略する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the present invention]
A specific example of a cell frame according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The cell stack and the redox flow battery according to the embodiment of the present invention are characterized by using the cell frame according to the embodiment of the present invention, and other configurations are described with reference to FIGS. 6 and 7. A configuration similar to the conventional one can be adopted. Therefore, below, the detailed description is abbreviate | omitted about a cell stack and a redox flow battery. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to a claim are included.
[実施形態1]
図1を参照して、実施形態1に係るセルフレーム20Aについて説明する。セルフレーム20Aは、枠体22と、枠体22の内側に設けられる双極板21とを備え、双極板21の外周に枠体22が射出成形などにより一体化されて形成されている。セルフレーム20Aは、枠体22の内周面及び双極板21の表面により枠体22の内側に電極(図示せず)を収納するための凹部24が形成されている。セルフレーム20Aを構成する枠体22は、例えば塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などのプラスチックやゴムで形成することが挙げられる。双極板21には、プラスチックカーボン製のものが利用できる。
[Embodiment 1]
A
(枠体)
枠体22は、その外形が矩形状であり、一対の長片と一対の短片とで構成されている。枠体22は、給液側片221と、この給液側片221に対向して設けられる排液側片222とを備える。給液側片221は、凹部24に供給される電解液が流通する給液マニホールド201と、給液マニホールド201から凹部24に電解液を供給する給液スリット211とを有する。排液側片222は、凹部24から排出される電解液が流通する排液マニホールド203と、凹部24から排液マニホールド203に電解液を排出する排液スリット213とを有する。給液側片221と排液側片222の両端部は、互いに対向すると共に、これら給液側片221及び排液側片222に対して直交する一対の連結片223により連結されている。図1に例示するセルフレーム20Aでは、枠体22の一方の長片(図1では下側の長片)が給液側片221、他方の長片が(図1では上側の長片)が排液側片222であり、連結片223が枠体22の短片を構成する。ここで、セルフレーム20Aを平面視したとき、給液側片221と排液側片222とが互いに対向する方向を縦方向(上下方向)、縦方向に直交する方向を横方向(左右方向)とし、縦方向及び横方向の各方向において枠体の内側に向かう方向を内側、その反対方向を外側とする。
(Frame)
The
給液マニホールド201及び排液マニホールド203は、枠体22(給液側片221及び排液側片222)の表裏に貫通して設けられている。また、給液スリット211及び排液スリット213は、枠体22(給液側片221及び排液側片222)の表面に形成され、各スリット211,213の一端はそれぞれ各マニホールド201,203につながり、他端は枠体22の内側に形成された凹部24につながっている。図1に例示するセルフレーム20Aの場合、給液マニホールド201が枠体22の左下隅に設けられ、その対角位置である右上隅に排液マニホールド203が設けられている。そして、給液マニホールド201から延びる給液スリット211が凹部24の下縁部につながっており、排液マニホールド203から延びる排液スリット213が凹部24の上縁部につながっている。つまり、凹部24の下側から凹部24内に電解液が供給され、凹部24の上側から電解液が排出される。通常、枠体22(給液側片221及び排液側片222)の内縁部には整流部(図示せず)が形成されており、各スリット211,213の他端は整流部につながっている。この整流部は給液スリット211から供給された電解液を凹部24の下縁部に沿って拡散させたり、凹部24の上縁部から排出される電解液を排液スリット213へ集約する機能を有する。この整流部により、凹部24の下縁部から上縁部に向かって凹部24内を電解液が流通するようになっている。
The
図1では、正極電解液用の給液マニホールド201及び排液マニホールド203のみを図示しているが、枠体22(給液側片221及び排液側片222)には、負極電解液用の給液マニホールド及び排液マニホールドが形成されている。具体的には、正極電解液用の給液マニホールド201及び排液マニホールド203と左右対称位置に、負極電解液用の給液マニホールド及び排液マニホールドが同様に形成されている。また、枠体22(給液側片221及び排液側片222)の裏面には、正極電解液用の給液スリット211及び排液スリット213と同じように、負極電解液用の各マニホールドと凹部24とをそれぞれつなぐ給液スリット及び排液スリットが形成されている。
In FIG. 1, only the
(凹部)
凹部24の形状は、代表的には、凹部24の輪郭線に外接する仮想の長方形を描いたとき、長方形の角部が切り取られたような形状である。仮想の長方形とは、具体的には、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点(上端、下端)を通る横方向に平行な2本の仮想直線と、凹部24の横方向の最も外側に位置する点(左端、右端)を通る縦方向に平行な2本の仮想直線とにより形成される長方形のことである。図1に例示するセルフレーム20Aでは、凹部24の形状が六角形状であり、凹部24の高さ(縦方向の長さ)が幅方向(横方向)の中央側(内側)で最大となり、左右両側(外側)に向かって小さくなっている。換言すれば、凹部24の上縁又は下縁から枠体22の外周までの縦方向の最短距離が幅方向(横方向)の中央側(内側)で最小となり、左右両側(外側)で最大となっている。つまり、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点(上端及び下端)に対して、凹部24の左右両側の角部(給液側片221及び排液側片222のそれぞれの内縁と連結片223の内縁との交点)の位置が、縦方向において内側に位置している。
(Concave)
The shape of the
(マニホールドと凹部の位置関係)
図1に例示するセルフレーム20Aでは、枠体22の給液側片221において、給液マニホールド201の縦方向の最も内側に位置する点(上端)が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点(下端)よりも内側(上側)に位置している。また、排液側片222においても、排液マニホールド203の縦方向の最も内側に位置する点(下端)が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点(上端)よりも内側(下側)に位置している。つまり、両マニホールド201,203における縦方向の最も内側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置している。
(Position relationship between manifold and recess)
In the
{作用効果}
図8に例示するような従来のセルフレーム20では、凹部24の形状が矩形状であり、マニホールド201,203の縦方向の最も内側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも外側に位置する。これに対し、実施形態1のセルフレーム20Aでは、各マニホールド201,203の縦方向の最も内側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置する。そして、実施形態1のセルフレーム20Aによれば、従来と同等の凹部24の面積を維持しながら、従来に比較してセルフレーム20(枠体22)の高さFhを小さくでき、枠体22の外形面積を小さくすることが可能である。したがって、セルフレーム20AをRF電池の構成部品に利用することで、電極面積を維持しながら小型化が可能であると共に、イオン交換膜の面積を小さくできるため、低コスト化も図ることができる。
{Function and effect}
In the
[実施形態2]
上述した実施形態1のセルフレーム20Aでは、マニホールド201,203の縦方向の最も内側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置する形態を説明した。実施形態2では、これに加えて、マニホールド201,203の横方向の最も内側に位置する点が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置する形態を説明する。以下、図2を参照して、実施形態2に係るセルフレーム20Bについて、実施形態1のセルフレーム20Aとの相違点を中心に説明する。
[Embodiment 2]
In the
図2に例示する実施形態2のセルフレーム20Bは、実施形態1と同様に、両マニホールド201,203における縦方向の最も内側に位置する点が、凹部の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置している。これに加えて、実施形態2のセルフレーム20Bでは、枠体22の給液側片221において、給液マニホールド201の横方向の最も内側に位置する点(右端)が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点(左端)よりも内側(右側)に位置している。また、排液側片222においても、排液マニホールド203の横方向の最も内側に位置する点(左端)が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点(右端)よりも内側(左側)に位置している。つまり、両マニホールド201,203における横方向の最も内側に位置する点が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置している。
The
実施形態2のセルフレーム20Bによれば、実施形態1と同等の凹部24の面積を維持しながら、実施形態1に比較してセルフレーム20(枠体22)の幅Fwを小さくでき、枠体22の外形面積をより小さくすることが可能である。なお、図中の点線は、実施形態1のセルフレーム20Aのサイズを示している。
According to the
更に、セルフレーム20Bにおいて、給液マニホールド201の横方向の最も外側に位置する点(左端)が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点(左端)よりも内側(右側)に位置していてもよい。また、排液マニホールド203の横方向の最も外側に位置する点(右端)が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点(右端)よりも内側(左側)に位置していてもよい。つまり、両マニホールド201,203における横方向の最も外側に位置する点が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置していてもよい。これにより、セルフレーム20(枠体22)の幅Fwをより小さくでき、枠体22の外形面積を更に小さくすることが可能である。各マニホールド201,203における横方向の最も外側に位置する点が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点と同じ横方向位置にあってもよい。
Furthermore, in the
[実施形態3]
上述した実施形態1のセルフレーム20Aでは、マニホールド201,203の縦方向の最も内側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置する形態を説明した。実施形態3では、更に、マニホールド201,203の縦方向の最も外側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置する形態を説明する。以下、図3を参照して、実施形態3に係るセルフレーム20Cについて、実施形態1のセルフレーム20Aとの相違点を中心に説明する。
[Embodiment 3]
In the
図3に例示する実施形態3のセルフレーム20Cでは、枠体22の給液側片221において、給液マニホールド201の縦方向の最も外側に位置する点(下端)が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点(下端)よりも内側(上側)に位置している。また、排液側片222においても、排液マニホールド203の縦方向の最も外側に位置する点(上端)が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点(上端)よりも内側(下側)に位置している。つまり、両マニホールド201,203における縦方向の最も外側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置している。各マニホールド201,203における縦方向の最も外側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点と同じ縦方向位置にあってもよい。
In the
実施形態3のセルフレーム20Cによれば、実施形態1と同等の凹部24の面積を維持しながら、実施形態1に比較してセルフレーム20(枠体22)の高さFhを更に小さくでき、枠体22の外形面積を更に小さくすることが可能である。なお、図中の点線は、実施形態1のセルフレーム20Aのサイズを示している。
According to the cell frame 20C of the third embodiment, the height Fh of the cell frame 20 (frame body 22) can be further reduced as compared with the first embodiment while maintaining the area of the
[変形例]
上述した実施形態では、凹部24の形状が六角形状である場合を例示したが、凹部24の形状はこれに限定されるものではない。例えば、図4に例示するような形状が挙げられる。
[Modification]
In the embodiment described above, the case where the shape of the
図4の上から1番目の図に示すセルフレーム20aは、凹部24の形状が、凹部24の輪郭線に外接する仮想の長方形の角部が直線状に面取りされた形状(所謂、八角形状)である。
The
図4の上から2番目と3番目の図に示すセルフレーム20b,20cは、凹部24の形状が、上述した仮想の長方形の角部が曲線状に面取りされた形状である。セルフレーム20bでは、長方形の角部が外側に膨らむようにR面取りされた形状である。セルフレーム20cでは、長方形の角部が内側に凹むようにR面取りされた形状である。
The cell frames 20b and 20c shown in the second and third diagrams from the top of FIG. 4 have a shape of the
図4の上から4番目の図に示すセルフレーム20dは、凹部24の形状が、上述した仮想の長方形の角部が直交する2本の直線によって切り欠かれた形状(所謂、十字状)である。
The
図4に例示するセルフレーム20a〜20dはいずれも、マニホールド201,203の縦方向の最も内側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置している。かつ、マニホールド201,203の横方向の最も内側に位置する点が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置している。
In any of the cell frames 20a to 20d illustrated in FIG. 4, the point located on the innermost side in the vertical direction of the
[実施モデルと比較モデルとの対比]
図5の上図に示すセルフレーム20X(実施モデル)と、図5の下図に示すセルフレーム20Y(比較モデル)を用いて、実施形態に係るセルフレームによる面積縮減効果を検証した。
[Contrast between implementation model and comparative model]
Using the
実施モデルのセルフレーム20Xは、凹部24の形状が六角形状であり、各マニホールド201,203の縦方向の最も内側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置している。かつ、マニホールド201,203の横方向の最も外側に位置する点が、凹部24の横方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置している。一方、比較モデルのセルフレーム20Yは、従来と同様、凹部24の形状が矩形状であり、マニホールド201,203の縦方向の最も内側に位置する点が、凹部24の縦方向の最も外側に位置する点よりも外側に位置している。実施モデルと比較モデルのセルフレームにおいて、凹部24の面積が同等となるように寸法を以下のように設定した。
In the
(前提条件)
前提条件として、枠体22における縦方向及び横方向の各方向のマージンと、各マニホールド201,203の径Mdとを次のように設定した。
縦方向のマージンmv:5cm
横方向のマージンmc:10cm
マニホールドの径Md:5cm
(Prerequisite)
As preconditions, margins in the vertical and horizontal directions of the
Vertical margin mv: 5cm
Horizontal margin mc: 10 cm
Manifold diameter Md: 5cm
(実施モデル:セルフレーム20X)
凹部の形状:六角形状
凹部の高さ(最大高さ)Ch:30cm
凹部の幅(最大幅)Cw:80cm
凹部の上端又は下端から枠体の外周までの縦方向の最短距離ev:7cm
凹部の上端と左右両側の角部との縦方向の距離差dv:5cm
凹部の面積:2000cm2
(Execution model:
Concave shape: hexagonal shape Concave height (maximum height) Ch: 30 cm
Recess width (maximum width) Cw: 80 cm
The shortest vertical distance ev from the upper or lower end of the recess to the outer periphery of the frame: 7 cm
Vertical distance difference dv between the upper end of the recess and the left and right corners dv: 5 cm
Recessed area: 2000 cm 2
(比較モデル:セルフレーム20Y)
凹部の形状:矩形状
凹部の高さCh:30cm
凹部の幅(最大幅)Cw:67cm
凹部の上端又は下端から枠体の外周までの縦方向の最短距離ev:12cm
凹部の上端と左右両側の角部との縦方向の距離差:0cm
凹部の面積:2010cm2(約2000cm2)
(Comparative model:
Concave shape: rectangular shape Concave height Ch: 30 cm
Recess width (maximum width) Cw: 67 cm
The shortest vertical distance ev from the upper or lower end of the recess to the outer periphery of the frame body: 12 cm
Vertical distance difference between the upper end of the recess and the left and right corners: 0 cm
Area of the recess: 2010cm 2 (approximately 2000 cm 2)
以上の寸法条件に基づいて、実施モデルと比較モデルにおけるセルフレームの寸法及び面積(枠体22の外形寸法及び外形面積)を計算すると次のようになる。 Based on the above dimensional conditions, the cell frame size and area (outer dimensions and outer area of the frame 22) in the implementation model and the comparison model are calculated as follows.
(実施モデル:セルフレーム20X)
セルフレーム(枠体)の高さFh:44cm
セルフレーム(枠体)の幅Fw:100cm
セルフレームの面積(枠体の外形面積):4400cm2
(Execution model:
Cell frame (frame) height Fh: 44 cm
Cell frame (frame) width Fw: 100 cm
Cell frame area (outer frame area): 4400 cm 2
(比較モデル:セルフレーム20Y)
セルフレーム(枠体)の高さFh:54cm
セルフレーム(枠体)の幅Fw:87cm
セルフレームの面積(枠体の外形面積):4698cm2(約4700cm2)
(Comparative model:
Cell frame (frame) height Fh: 54 cm
Cell frame (frame) width Fw: 87 cm
Cell frame area (frame body outer area): 4698 cm 2 (about 4700 cm 2 )
以上の検証結果から、実施モデルと比較モデルを対比すると、実施モデルは、比較モデルよりもセルフレームの面積(枠体22の外形面積)が小さいことが分かる。この場合では、比較モデルに対する実施モデルの面積縮減効果は、[(4700−4400)/4700]≒6.4(%)である。したがって、実施形態に係るセルフレームによれば、従来と同等の凹部の面積を維持しながら、従来に比較してセルフレームの面積(枠体22の外形面積)を小さくすることが可能であることが分かる。 From the above verification results, comparing the implementation model with the comparison model, it can be seen that the implementation model has a smaller cell frame area (outer area of the frame body 22) than the comparison model. In this case, the area reduction effect of the implementation model with respect to the comparison model is [(4700-4400) / 4700] ≈6.4 (%). Therefore, according to the cell frame according to the embodiment, it is possible to reduce the area of the cell frame (outer area of the frame body 22) as compared with the conventional one while maintaining the concave area equivalent to the conventional one. I understand.
具体的には、実施形態のセルフレームは、凹部の形状が矩形状のセルフレームに比較して、実質的に同等の凹部の面積を有しながら、枠体の外形面積が小さくなるように、次の条件を満たす。 Specifically, in the cell frame of the embodiment, the outer shape area of the frame body is reduced while the shape of the concave portion is substantially the same as the concave portion area as compared to the rectangular cell frame. The following conditions are met.
実施形態のセルフレームと、凹部の形状が矩形状のセルフレームとにおいて、マニホールド及び凹部の開口縁から枠体の外周までの縦方向の距離のうち短い方の距離を縦方向のマージン、その横方向の距離のうち短い方の距離を横方向のマージンとし、各方向のマージンを同じとする。また、マニホールドは、同じ形状、同じサイズとする。そして、両者のセルフレームにおける凹部の面積が実質的に同じとなるように設計したとき、実施形態のセルフレームは、マニホールドと凹部とが特定の位置関係にあり、凹部の形状が矩形状のセルフレームに比較して枠体の外形面積が小さくなるような凹部の形状を有する。 In the cell frame of the embodiment and the cell frame having a rectangular recess, the shorter one of the vertical distances from the manifold and the opening edge of the recess to the outer periphery of the frame is defined as the vertical margin and the horizontal The shorter one of the direction distances is defined as the horizontal margin, and the margins in the respective directions are the same. The manifolds have the same shape and the same size. Then, when designed so that the areas of the recesses in both cell frames are substantially the same, the cell frame of the embodiment has a specific positional relationship between the manifold and the recesses, and the shape of the recesses is a rectangular cell. The shape of the recess is such that the outer area of the frame is smaller than that of the frame.
本発明のセルフレームは、レドックスフロー電池に好適に利用可能である。 The cell frame of the present invention can be suitably used for a redox flow battery.
100 セル
101 イオン交換膜
102 正極セル 104 正極電極
103 負極セル 105 負極電極
106 正極電解液用タンク
108,110 導管 112 ポンプ
107 負極電解液用タンク
109,111 導管 113 ポンプ
20,20A〜20C,20a〜20d,20X,20Y セルフレーム
21 双極板
22 枠体
200 マニホールド
201,202 給液マニホールド
203,204 排液マニホールド
210 スリット
211,212 給液スリット
213,214 排液スリット
221 供給側片 222 排出側片
223 連結片
24 凹部
25 シール部材
10S セルスタック
250 エンドプレート
300 レドックスフロー電池(RF電池)
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記枠体は、
前記凹部に供給される電解液が流通する給液マニホールドと、前記給液マニホールドから前記凹部に前記電解液を供給する給液スリットとを有する給液側片と、
前記給液側片に対向して設けられ、前記凹部から排出される前記電解液が流通する排液マニホールドと、前記凹部から前記排液マニホールドに前記電解液を排出する排液スリットとを有する排液側片と、を備え、
前記給液側片と前記排液側片とが互いに対向する方向を縦方向、前記縦方向に直交する方向を横方向とし、前記縦方向及び前記横方向の各方向において前記枠体の内側に向かう方向を内側、その反対方向を外側とするとき、
前記給液マニホールドと前記排液マニホールドのうち少なくとも一方のマニホールドにおける前記縦方向の最も内側に位置する点が、前記凹部の前記縦方向の最も外側に位置する点よりも内側に位置するセルフレーム。 A cell comprising a frame and a bipolar plate provided inside the frame, wherein a recess for accommodating an electrode is formed inside the frame by an inner peripheral surface of the frame and a surface of the bipolar plate A frame,
The frame is
A liquid supply side piece having a liquid supply manifold through which the electrolyte supplied to the recess flows, and a liquid supply slit for supplying the electrolyte from the liquid supply manifold to the recess;
A drainage manifold provided facing the liquid supply side piece and having a drainage manifold through which the electrolyte discharged from the recess flows, and a drainage slit for discharging the electrolyte from the recess to the drainage manifold. A liquid side piece,
The direction in which the liquid supply side piece and the drainage side piece face each other is the vertical direction, the direction orthogonal to the vertical direction is the horizontal direction, and the inside of the frame body in each of the vertical direction and the horizontal direction. When the direction to go is inside and the opposite direction is outside,
A cell frame in which a point located on the innermost side in the vertical direction in at least one of the liquid supply manifold and the drainage manifold is located on an inner side than a point located on the outermost side in the vertical direction of the recess.
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