JP2017022130A - レドックスフロー電池用セルフレーム、レドックスフロー電池用セルスタック、レドックスフロー電池 - Google Patents
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Abstract
【課題】生産性に優れ、薄型化が可能であり、電解液の放熱性能の向上及び圧力損失の低減を図ることができるレドックスフロー電池用セルフレームを提供する。【解決手段】双極板の外周に設けられる枠体を有するレドックスフロー電池用セルフレームであって、前記枠体は、その表裏を貫通し、電解液が流通されるマニホールドと、その表面に形成されて、前記マニホールドと前記双極板との間で前記電解液の流路を形成する少なくとも1つのスリットとを備え、前記スリットの長手方向において、前記スリットの断面形状が、前記スリットの幅をw、前記スリットの深さをhとするとき、(A)w≧3mm、及び、(B)1/8<h/w<1を満たすレドックスフロー電池用セルフレーム。【選択図】図1
Description
本発明は、レドックスフロー電池の構成部品であるレドックスフロー電池用セルフレーム、レドックスフロー電池用セルフレームを備えるレドックスフロー電池用セルスタック、レドックスフロー電池用セルスタックを備えるレドックスフロー電池に関する。特に、生産性に優れ、薄型化が可能であり、電解液の放熱性能の向上及び圧力損失の低減を図ることができるレドックスフロー電池用セルフレームに関する。
特開2013−80613号公報(特許文献1)及び特開2002−246061号公報(特許文献2)に記載されているとおり、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。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。
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7に、正極電解液及び負極電解液に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7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。
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。
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8は、セルスタックの概略構成図である。セルスタック10Sは、枠体22に一体化された双極板21を有するセルフレーム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。
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と双極板21との間に設けられたスリット210により行われる。図8に例示するセルスタック10Sでは、正極電解液は、給液マニホールド201から枠体22の一面側(紙面表側)に形成されたスリット211を介して双極板21の正極電極104側に供給され、枠体22の上部に形成されたスリット213を介して排液マニホールド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の他面側(紙面裏側)に形成されたスリット212を介して双極板21の負極電極105側に供給され、枠体22の上部に形成されたスリット214を介して排液マニホールド204に排出される。また、枠体22のスリット211〜214が形成された部分に、イオン交換膜101を保護するプラスチック製の保護板30がそれぞれ配置されている。各保護板30は、各マニホールド201〜204に対応する位置に貫通孔が形成され、各スリット211〜214を覆う大きさを有する。スリット211〜214が保護板30で覆われていることで、各スリット211〜214がイオン交換膜101に接触することがなくなり、スリットの凹凸によってイオン交換膜が損傷することを防止できる。
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電池の需要が拡大している。そこで、RF電池の低コスト化の観点から、RF電池の構成部品であるセルフレームの生産性を向上することが求められている。セルフレームは射出成形により形成することが一般的であるが、生産性を考慮すれば、セルフレームに形成するスリットも射出成形で同時に形成することが望まれる。また、RF電池の小型化の観点から、RF電池に備えるセルスタックを構成するセルフレームの薄型化も求められている。
RF電池では、セルフレームのスリット内の電解液を通じてシャント電流が流れ、シャント電流による損失(シャントカレントロス)が生じる。このシャント電流に起因して電解液が発熱し、電解液の温度上昇により、セルフレームが軟化して変形するなどセルフレームにダメージを与えることがある。したがって、スリット内の電解液の温度上昇を抑えるため、電解液の放熱性能を向上できるセルフレームが望まれる。更に、セルフレームのスリットに流通する電解液の圧力損失を低減できるセルフレームが望まれる。
従来のセルフレームでは、一般に、スリットの断面形状は、スリットの幅wと深さhの寸法比が1に略等しく(h≒w)、略正方形状である。従来、セルフレームのスリットの断面形状について、電解液の放熱性能の向上及び圧力損失の低減を図る観点から、十分に検討されていなかった。また、従来では、スリットの断面形状は正方形状を採用しているため、断面積を大きくしようとすると、深さも大きくなり、セルフレームの厚さを厚くする必要があった。そのため、セルスタックのサイズが大きくなる要因になっていた。
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1つは、生産性に優れ、薄型化が可能であり、電解液の放熱性能の向上及び圧力損失の低減を図ることができるレドックスフロー電池用セルフレームを提供することにある。また、別の目的は、上記レドックスフロー電池用セルフレームを備えるレドックスフロー電池用セルスタックを提供することにある。更に別の目的は、上記レドックスフロー電池用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。
本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルフレームは、双極板の外周に設けられる枠体を有するセルフレームである。前記枠体は、その表裏を貫通し、電解液が流通されるマニホールドと、その表面に形成されて、前記マニホールドと前記双極板との間で前記電解液の流路を形成する少なくとも1つのスリットとを備える。そして、前記スリットの長手方向において、前記スリットの断面形状が、前記スリットの幅をw、前記スリットの深さをhとするとき、(A)w≧3mm、及び、(B)1/8<h/w<1を満たす。
本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルスタックは、双極板を有するセルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とを複数積層してなるセルスタックである。そして、このセルスタックは、前記セルフレームとして、上記本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルフレームを備える。
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レドックスフロー電池用セルスタックを備える。
上記レドックスフロー電池用セルフレームは、生産性に優れ、薄型化が可能であり、電解液の放熱性能の向上及び圧力損失の低減を図ることができる。上記レドックスフロー電池用セルスタック及びレドックスフロー電池は、小型化が可能で、電解液の放熱性能の向上及び圧力損失の低減を図ることができる。
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
(1)本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルフレームは、双極板の外周に設けられる枠体を有するセルフレームである。前記枠体は、その表裏を貫通し、電解液が流通されるマニホールドと、その表面に形成されて、前記マニホールドと前記双極板との間で前記電解液の流路を形成する少なくとも1つのスリットとを備える。そして、前記スリットの長手方向において、前記スリットの断面形状が、前記スリットの幅をw、前記スリットの深さをhとするとき、(A)w≧3mm、及び、(B)1/8<h/w<1を満たす。
上記セルフレームによれば、スリットの断面形状が上記(A)の要件「w≧3mm」を満たすことから、スリットの幅が3mm以上であり、セルフレームを射出成形により形成する際にスリットを同時に形成し易い。よって、生産性に優れる。スリットの幅が3mm未満の場合、射出成形で精度よくスリットを形成することが難しい。上記セルフレームは、スリットの断面形状が上記(B)の要件「1/8<h/w<1」(換言すれば、h<w、かつ、h>w/8)を満たす。h/w<1(即ち、h<w)を満たすことから、スリットの断面形状が幅広(横長)である。スリットの断面形状が横長であることで、従来の正方形状に比較して、スリット断面積を同じとした場合、深さが小さくなり、セルフレームの厚さを薄くできる。そのため、セルフレームの薄型化が可能であり、セルスタックの小型化、延いてはレドックスフロー電池の小型化を図ることができる。h/wが小さいほど、スリットの断面形状が扁平になり、深さがより小さくなる。
セルフレームにおいて、スリット断面積が小さく、スリット長が長い方が、スリット内の電解液の電気抵抗が大きくなり、シャント電流による熱量が小さくなる。また、スリット表面積が大きい方が、放熱面積が増えるため、電解液の放熱性能が高くなる。よって、スリット長が同じ場合、スリットの濡れ縁長(断面の周囲長)が長い方が、スリット表面積が大きくなり、電解液の放熱性能が向上する。つまり、電解液の放熱性能の観点から、断面積に対して周囲長が長いことが好ましい。スリットの断面形状がh<wを満たすことで、断面形状が横長であり、従来の正方形状に比較して、スリット断面積を同じとした場合、スリットの周囲長が長くなるため、電解液の放熱性能を向上できる。h/wが小さいほど、スリットの周囲長がより長くなる。一方、圧力損失は、断面積が大きく、周囲長が短い方が小さくなるため、圧力損失を考慮すれば、スリットの断面形状が正方形状の場合に最も低減できる。スリットの断面形状がh/w>1/8を満たすことで、周囲長が過大になるのを防ぎ、圧力損失が過大になることを抑制できる。そのため、スリット断面積を同じとした場合、圧力損失の低減を図ることができる。したがって、上記セルフレームによれば、上記(A)及び(B)の要件を満たすことで、生産性に優れると共に、セルフレームの薄型化を図りつつ、電解液の放熱性能の向上と圧力損失の低減とを両立できる。
ここでいう、スリットの断面形状とは、スリットの長手方向(電解液の流通方向)と直交する断面における形状のことである。また、スリットの幅とは、断面形状における幅の平均値を意味し、スリットの深さとは、断面形状における深さの平均値を意味する。
(2)上記レドックスフロー電池用セルフレームの一形態として、上記スリットの断面形状が、(C)w≦8mmを満たすことが挙げられる。
スリットの断面形状が上記(C)の要件「w≦8mm」を満たすことから、スリットの幅が8mm以下であり、スリットを覆うように配置される保護板がスリット内に陥没することを抑制できる。
(3)上記(2)に記載のレドックスフロー電池用セルフレームの一形態として、更に、上記スリットの断面形状が、(D)h≦5mmを満たすことが挙げられる。
スリットの断面形状が上記(D)の要件「h≦5mm」を満たすことから、スリットの深さが5mm以下であり、セルフレームの厚さを薄くできるため、セルフレームの薄型化が可能である。
(4)上記(3)に記載のレドックスフロー電池用セルフレームの一形態として、更に、上記スリットの断面形状が、(E)h/w≦3/5を満たすことが挙げられる。
スリットの断面形状が上記(E)の要件「h/w≦3/5」(換言すれば、h≦3w/5)を満たすことで、周囲長をある程度確保して、電解液の放熱性能をより向上できる。また、スリットの断面形状が扁平になり、深さが小さくなることから、セルフレームの薄型化が可能である。
(5)本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルスタックは、双極板を有するセルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とを複数積層してなるセルスタックである。そして、このセルスタックは、前記セルフレームとして、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池用セルフレームを備える。
上記セルスタックによれば、本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルフレームを有することから、セルスタックの小型化(薄型化)が可能であり、電解液の放熱性能の向上及び圧力損失の低減を図ることができる。
(6)本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記(5)に記載のレドックスフロー電池用セルスタックを備える。
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レドックスフロー電池用セルスタックを備えることで、レドックスフロー電池の小型化が可能であり、電解液の放熱性能の向上及び圧力損失の低減を図ることができる。
[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、セルスタック及びレドックスフロー電池の具体例を以下に説明する。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、セルフレームのスリットの断面形状に特徴があり、それ以外の構成は、図7,図8を参照して説明した従来のセルスタック及びレドックスフロー電池と同じである。したがって、以下では、本発明の実施形態に係るセルフレームについて、図面を参照しつつ説明し、従来と同様の構成については、図7,図8と同一の符号を付してその説明を省略する。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。
本発明の実施形態に係るセルフレーム、セルスタック及びレドックスフロー電池の具体例を以下に説明する。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、セルフレームのスリットの断面形状に特徴があり、それ以外の構成は、図7,図8を参照して説明した従来のセルスタック及びレドックスフロー電池と同じである。したがって、以下では、本発明の実施形態に係るセルフレームについて、図面を参照しつつ説明し、従来と同様の構成については、図7,図8と同一の符号を付してその説明を省略する。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。
図1に示すセルフレーム20は、双極板21の外周に設けられる枠体22を有し、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。枠体22は、その表裏を貫通し、電解液が流通されるマニホールド200(マニホールド201〜204)と、その表面に形成されて、各マニホールド201〜204と双極板21との間で電解液の流通路を形成するスリット210(スリット211〜214)とを備える。スリット211及び213は、枠体22の一面側(紙面表側)に形成され、スリット212及び214は、枠体22の他面側(紙面裏側)に形成されている。また、セルフレーム20において、枠体22の一面側のスリット211及び213が形成された部分には保護板30がそれぞれ配置され、スリット211及び213が保護板30で覆われている。図示しないが、枠体22の他面側にも保護板が配置されており、スリット212及び214が保護板で覆われている。
セルフレーム20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。
枠体22は、双極板21の外縁部を表裏から挟むように双極板21と一体化されている。そのため、枠体22は双極板21よりも厚く、枠体22と双極板21との境界には段差面が形成されている。この段差面に沿って、双極板21の一面側に正極電極(図8参照)が配置され、他面側に負極電極(図8)が配置される。セルフレーム20(枠体22)の厚さは、例えば2mm以上10mm以下とすることが挙げられる。
スリット210の一端はマニホールド200につながり、他端は枠体22における双極板21との段差面につながっている。通常、枠体22を構成する4つの辺のうち、マニホールド200が形成された辺の内縁部には整流部が形成されており、スリット210の他端は整流部につながっている。整流部はスリット210から供給された電解液を電極の縁部に沿って拡散させたり、電極から排出される電解液をスリット210へ集約する機能を果たす。
図2は、図1のII−II線に沿ったスリット210の断面形状を示している。スリット210の断面形状は、矩形状であり、スリットの幅をw、スリットの深さをhとするとき、以下の要件(A)、(B)を満たす。
(A)w≧3mm
(B)1/8<h/w<1(換言すれば、h<w、かつ、h>w/8)
上記(A)の要件を満たすことにより、スリット210の幅が3mm以上であることから、セルフレーム20を射出成形により形成する際にスリット210を精度よく形成できる。
(B)1/8<h/w<1(換言すれば、h<w、かつ、h>w/8)
上記(A)の要件を満たすことにより、スリット210の幅が3mm以上であることから、セルフレーム20を射出成形により形成する際にスリット210を精度よく形成できる。
上記(B)の要件を満たすことにより、h<wであることから、スリット210の断面形状が幅広(横長)である。スリット210の断面形状が横長であることで、従来の正方形状に比較して、スリット断面積を同じとした場合、深さが小さくなるため、セルフレーム20の厚さを薄くできる。h/wが小さいほど、スリットの断面形状が扁平になり、深さがより小さくなるため、セルフレーム20の厚さをより薄くできる。
また、上記(B)の要件を満たすことにより、スリット210の断面形状が横長(h<w)であることから、従来の正方形状に比較して、スリット断面積を同じとした場合、スリット210の周囲長が長くなるため、電解液の放熱性能を向上できる。h/wが小さいほど、スリット210の周囲長がより長くなるため、電解液の放熱性能がより向上する。スリット210の周囲長は、断面形状における上辺(スリットの開口側の辺)と下辺(底面側の辺)、及び左右の側辺(深さ方向に沿う辺)の長さの合計として算出でき、断面形状が矩形状の場合、(w+h)×2になる。更に、スリット210の断面形状がh>w/8を満たすことから、スリット断面積を同じとした場合、圧力損失を十分に低減できる。h≦8/wの場合、周囲長が過大になり、圧力損失が過大になる。スリット210の断面形状がh>w/8を満たすことで、断面積が同じで、正方形状のスリットでの圧力損失の2.5倍以下に抑えることができる。
図3は、横軸をスリットの幅(mm)、縦軸をスリットの深さ(mm)とし、スリットの断面形状が、上記(A)及び(B)の要件を満たす範囲を示すグラフである。図3中、ハッチング部分が、上記(A)及び(B)の要件を満たす範囲を示す。
スリット210の断面形状が、上記(A)及び(B)の要件に加えて、以下の要件(C)を満たすことが好ましい。
(C)w≦8mm
上記(C)の要件を満たすことにより、スリット210の幅が8mm以下であることから、保護板30がスリット210内に陥没することを抑制できる。
上記(C)の要件を満たすことにより、スリット210の幅が8mm以下であることから、保護板30がスリット210内に陥没することを抑制できる。
図4は、横軸をスリットの幅(mm)、縦軸をスリットの深さ(mm)とし、スリットの断面形状が、上記(A)〜(C)の要件を全て満たす範囲を示すグラフである。図4中、ハッチング部分が、上記(A)〜(C)の要件を満たす範囲を示す。
更に、スリット210の断面形状が、上記(A)〜(C)の要件に加えて、以下の要件(D)を満たすことが好ましい。
(D)h≦5mm
上記(D)の要件を満たすことにより、スリット210の深さが5mm以下であることから、セルフレーム20の厚さを薄くできる。
上記(D)の要件を満たすことにより、スリット210の深さが5mm以下であることから、セルフレーム20の厚さを薄くできる。
図5は、横軸をスリットの幅(mm)、縦軸をスリットの深さ(mm)とし、スリットの断面形状が、上記(A)〜(D)の要件を全て満たす範囲を示すグラフである。図5中、ハッチング部分が、上記(A)〜(D)の要件を満たす範囲を示す。
更に、スリット210の断面形状が、上記(A)〜(D)の要件に加えて、以下の要件(E)を満たすことが好ましい。
(E)h/w≦3/5
上記(E)の要件を満たすことにより、周囲長がある程度長くなり、電解液の放熱性能をより向上できる。また、スリット210の断面形状が扁平になり、深さが小さくなることから、セルフレーム20の厚さを薄くできる。
上記(E)の要件を満たすことにより、周囲長がある程度長くなり、電解液の放熱性能をより向上できる。また、スリット210の断面形状が扁平になり、深さが小さくなることから、セルフレーム20の厚さを薄くできる。
図6は、横軸をスリットの幅(mm)、縦軸をスリットの深さ(mm)とし、スリットの断面形状が、上記(A)〜(E)の要件を全て満たす範囲を示すグラフである。図6中、ハッチング部分が、上記(A)〜(E)の要件を満たす範囲を示す。
(その他)
上述の実施形態1では、スリット210の断面形状が矩形状である場合を例に挙げ説明したが、スリットの断面形状は、必ずしも矩形状である必要はなく、例えば、台形状などの四角形状、二等辺三角形状などの三角形状、半円状や半楕円形状などであってもよい。また、上述の実施形態1では、1つのマニホールド200に対して1つのスリット210が形成されているが、スリットの数は複数であってもよい。
上述の実施形態1では、スリット210の断面形状が矩形状である場合を例に挙げ説明したが、スリットの断面形状は、必ずしも矩形状である必要はなく、例えば、台形状などの四角形状、二等辺三角形状などの三角形状、半円状や半楕円形状などであってもよい。また、上述の実施形態1では、1つのマニホールド200に対して1つのスリット210が形成されているが、スリットの数は複数であってもよい。
図2に示すスリット210の断面形状において、深さ方向に沿う側辺の少なくとも一方が、テーパ状に形成されていてもよい。この場合、テーパ角α(側辺が枠体22の表面に垂直な線に対してなす角)は、例えば5°以上15°以下とすることが挙げられる。また、側辺と下辺との角部がR状に形成されていてもよい。この場合、角部の曲率半径rは、例えば0.2mm以上0.8mm以下、更に0.4mm以上0.6mm以下とすることが挙げられる。このように、側辺をテーパ状に形成したり、側辺と下辺との角部をR状に形成したりすることで、射出成形によりスリットを形成し易い。
[実施例1]
スリットの幅w及び深さhが異なるスリットが形成された各セルフレームについて、放熱性能、圧力損失、並びにセルフレームの厚さを評価した。
スリットの幅w及び深さhが異なるスリットが形成された各セルフレームについて、放熱性能、圧力損失、並びにセルフレームの厚さを評価した。
(スリットのサイズ)
スリットの断面形状は矩形状とし、表1に示す幅w及び深さhのスリットが形成されたセルフレームを想定し、試料No.1〜15、及びNo.101〜112とした。また、表1に示す試料No.1〜15、及びNo.101〜112のスリットについて、図3〜図6のグラフ上にプロットした。
スリットの断面形状は矩形状とし、表1に示す幅w及び深さhのスリットが形成されたセルフレームを想定し、試料No.1〜15、及びNo.101〜112とした。また、表1に示す試料No.1〜15、及びNo.101〜112のスリットについて、図3〜図6のグラフ上にプロットした。
表1に示すスリットの幅w及び深さhから、各スリットの周囲長及び断面積を以下の式により算出した。
周囲長l(mm):l=2(w+h)
断面積S(mm):S=w×h
また、スリットの長さLを100mmとし、各スリットの表面積を以下の式により算出した。
断面積S(mm):S=w×h
また、スリットの長さLを100mmとし、各スリットの表面積を以下の式により算出した。
表面積A(cm2):A=l×L
算出した周囲長l、断面積S、長さL、及び表面積Aを表1に示す。
算出した周囲長l、断面積S、長さL、及び表面積Aを表1に示す。
(スリット内の電解液の電気抵抗)
放熱性能を求めるにあたり、まず、各スリット内における電解液の電気抵抗Rを以下の式により算出した。ここでは、電解液の比抵抗ρを2.07Ωcmとした。
放熱性能を求めるにあたり、まず、各スリット内における電解液の電気抵抗Rを以下の式により算出した。ここでは、電解液の比抵抗ρを2.07Ωcmとした。
電気抵抗R(kΩ)=ρ×L/l
(シャント電流による熱量)
次に、上記電気抵抗Rから、各スリット内でのシャント電流による熱量Qを以下の式により算出した。ここでは、セルの積層数Nを100とし、1セルあたりの起電力Eを1.48V/セルとした。
(シャント電流による熱量)
次に、上記電気抵抗Rから、各スリット内でのシャント電流による熱量Qを以下の式により算出した。ここでは、セルの積層数Nを100とし、1セルあたりの起電力Eを1.48V/セルとした。
熱量Q(W)=(V/2)2/R
(V:セルの全電圧、V=E×N)
(放熱性能)
上記表面積A及び熱量Qに基づいて、各スリットによる電解液の放熱性能Cを以下の式により算出した。
(V:セルの全電圧、V=E×N)
(放熱性能)
上記表面積A及び熱量Qに基づいて、各スリットによる電解液の放熱性能Cを以下の式により算出した。
放熱性能C(W/cm2)=Q/A
算出した電気抵抗R、熱量Q及び放熱性能Cを表1に示す。放熱性能Cの値が小さい方が、放熱性能に優れるといえる。
算出した電気抵抗R、熱量Q及び放熱性能Cを表1に示す。放熱性能Cの値が小さい方が、放熱性能に優れるといえる。
(圧力損失)
スリットの長さLを100mmとし、上記周囲長l及び断面積Sに基づいて、各スリットでの電解液の圧力損失ΔPを以下の式により算出した。ここでは、電解液の動粘度νを3.5295mm2/秒、電解液の比重ρhを1.37kg/リットルとし、1スリットあたりの電解液の流量qを0.083リットル/分とした。
スリットの長さLを100mmとし、上記周囲長l及び断面積Sに基づいて、各スリットでの電解液の圧力損失ΔPを以下の式により算出した。ここでは、電解液の動粘度νを3.5295mm2/秒、電解液の比重ρhを1.37kg/リットルとし、1スリットあたりの電解液の流量qを0.083リットル/分とした。
圧力損失ΔP(Pa)=2×L×ν×q×ρh×l2/S3
算出した圧力損失ΔPを表1に示す。
算出した圧力損失ΔPを表1に示す。
(セルフレームの厚さ)
スリットの深さhから、セルフレームの厚さをどの程度まで薄くできるのかの指標として、セルフレームの最小可能厚さTnを求めた。セルフレームの最小可能厚さTnは、スリットの深さhに厚さ1.3mmを加算した値とした。その結果を表1に示す。
スリットの深さhから、セルフレームの厚さをどの程度まで薄くできるのかの指標として、セルフレームの最小可能厚さTnを求めた。セルフレームの最小可能厚さTnは、スリットの深さhに厚さ1.3mmを加算した値とした。その結果を表1に示す。
表1に示す試料No.1〜15は、スリットの断面形状が(A)w≧3mmを満たしており、スリットの幅が3mm以上であることから、セルフレームを射出成形によりスリットを精度よく形成できる。一方、試料No.101〜104は、スリットの幅が3mm未満であるため、射出成形によりスリットを精度よく形成することが難しい。更に、試料No.1〜15は、(C)w≦8mmを満たしており、スリットの幅が8mm以下であることから、スリットを覆うように配置される保護板がスリット内に陥没することを抑制できる。
試料No.1〜15は、スリットの断面形状が(B)1/8<h/w<1を満たしており、h<wであることから、スリットの断面形状が横長であり、セルフレームの厚さを薄くできる。試料No.1〜15と試料No.101〜112とで、同じ断面積の試料を比較した場合、具体的には、No.1とNo.102、No.2とNo.103、No.6とNo.107、No.7とNo.105、No.9とNo.108、No.13とNo.110、No.14とNo.106をそれぞれ比較した場合、h<wを満たす前者の方が、セルフレームの最小可能厚さTnが小さく、セルフレームの厚さを薄くできる。特に、試料No.1〜15のうち、No.13を除く試料は、(D)h≦5mmを満たしており、スリットの深さが5mm以下であることから、セルフレームの最小可能厚さTnが絶対的に小さくなる。よって、セルフレームの厚さを薄くできる。
また、試料No.1〜15は、スリットの断面形状が横長(h<w)であることから、スリットの周囲長が長くなるため、電解液の放熱性能を向上できる。試料No.1〜15のうち試料No.1,14と、断面積が同じで、断面形状が正方形状の試料No.102,106とをそれぞれ比較した場合、h<wを満たす試料No.1,14の方が放熱性能Cが小さく、放熱性能の点で優れる。特に、試料No.1〜15のうち、No.1,2,4,5,7,8,11,12,14,15のように、(E)h/w≦3/5を満たす試料は、より扁平であり、周囲長が長くなる。よって、電解液の放熱性能がより向上できる。例えば、断面積が同じNo.3とNo.7を比較した場合、h/w≦3/5を満たすNo.7の方が、放熱性能Cが小さく、放熱性能が良好である。
更に、試料No.1〜15は、スリットの断面形状がh>w/8を満たすことで、圧力損失を十分に低減できる。例えば、試料No.1,14と、断面積が同じで、断面形状が正方形状の試料No.102,106とをそれぞれ比較した場合、試料No.1,14の圧力損失ΔPは、試料No.102,106の圧力損失ΔPの2.5倍以下である。これに対し、h>w/8を満たさない試料No.109,111,112は、圧力損失が過大であり、圧力損失を十分に低減できていない。
本発明のレドックスフロー電池用セルフレームは、レドックスフロー電池用セルスタック及びレドックスフロー電池の構成部品に好適に利用可能である。
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 セルフレーム、21 双極板、22 枠体、200,201〜204 マニホールド、210,211〜214 スリット、30 保護板、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)。
Claims (6)
- 双極板の外周に設けられる枠体を有するレドックスフロー電池用セルフレームであって、
前記枠体は、
その表裏を貫通し、電解液が流通されるマニホールドと、
その表面に形成されて、前記マニホールドと前記双極板との間で前記電解液の流路を形成する少なくとも1つのスリットとを備え、
前記スリットの長手方向において、前記スリットの断面形状が、前記スリットの幅をw、前記スリットの深さをhとするとき、(A)w≧3mm、及び、(B)1/8<h/w<1を満たすレドックスフロー電池用セルフレーム。 - 前記スリットの断面形状が、(C)w≦8mmを満たす請求項1に記載のレドックスフロー電池用セルフレーム。
- 更に、前記スリットの断面形状が、(D)h≦5mmを満たす請求項2に記載のレドックスフロー電池用セルフレーム。
- 更に、前記スリットの断面形状が、(E)h/w≦3/5を満たす請求項3に記載のレドックスフロー電池用セルフレーム。
- 前記双極板を有するセルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とを複数積層してなるレドックスフロー電池用セルスタックであって、
前記セルフレームとして、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の前記レドックスフロー電池用セルフレームを備えるレドックスフロー電池用セルスタック。 - 請求項5に記載の前記レドックスフロー電池用セルスタックを備えるレドックスフロー電池。
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