JP3307048B2 - 亜鉛−臭素電池の運転方法 - Google Patents

亜鉛−臭素電池の運転方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は電解液循環型積層二次電
池、特に電力貯蔵用亜鉛−臭素電池の運転方法に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】亜鉛−臭素電池は正極活物質に臭素、負
極活物質に亜鉛を用いた2次電池であり、この電池は例
えば電力の昼と夜のアンバランスを解決させるために、
電力需要が少ない夜間に電力を貯蔵して、昼間に放出さ
せるため等に使用される。
【0003】充電時に正極電極側で発生した臭素は、電
解液に添加した臭素錯化剤と反応し、オイル状の沈殿物
となって正極側貯蔵槽へ戻され、放電時はポンプで単電
池内へ送り込まれ還元される。電解液の成分はZnBr
2水溶液と、抵抗を下げるためのNH4Cl等の塩と、負
極亜鉛側のデンドライトを防止し、均一な電着を促進さ
せるためのPb,Sn,4級アンモニウム塩類と、臭素
錯化剤とである。正極電極と負極電極の間にはセパレー
タを介挿してあり、正極電極で発生した臭素が負極電極
へ拡散して亜鉛と反応することによる自己放電を防止し
ている。
【0004】この亜鉛−臭素電池は、主に電極をバイポ
ーラ型とし、複数個の単電池(単セル)を電気的に直列
に積層した電池本体と、電解液貯蔵槽と、これらの間に
電解液を循環させるポンプおよび配管系とで構成されて
いる。
【0005】図4は上記亜鉛−臭素電池を構成する電池
本体の一例を示す分解斜視図であり、矩形平板状のバイ
ポーラ型中間電極1の電極部1aの外周に絶縁性の枠体
1bが配置され、同様に矩形平板状のセパレータ板2
は、セパレータ3の外周に枠体2aが形成されている。
そして上記中間電極1にセパレータ板2及び必要に応じ
てパッキン4,スペーサメッシュ5を重ねて単セルを構
成し、この単セルを複数個積層して電池本体が構成され
ている。
【0006】積層された電池本体の両端部には、集電メ
ッシュ6を有する集電電極7と、一対の締付端板8と、
その内側に位置する押さえ用の積層端板9とが配置され
ている。そして両締付端板8,8間に図外の締付用のボ
ルトを通して、このボルトを締め付けることにより、一
体的に積層固定された電池本体が構成される。
【0007】上記のように構成された電池本体の各単セ
ル内には、各中間電極1及びセパレータ板2の枠体2a
の上下2箇所の隅角部に形成した正極マニホールド10
と、負極マニホールド11より、セパレータ板2の枠体
2aに設けられたチャンネル12及びマイクロチャンネ
ル13を介して電解液が夫々流入排出する。
【0008】図5は上記亜鉛−臭素電池の作動原理を説
明するための概要図であり、図中の14は正極側貯蔵槽
であって該正極側貯蔵槽14内に正極電解液15と臭素
錯化合物16とが貯蔵されている。17は負極側貯蔵槽
であって該負極側貯蔵槽17内に負極電解液18が貯蔵
されている。そして正極電解液15は正極側ポンプ19
の駆動に伴って、四方弁20を介して図中の矢印に示し
た如く電池本体の正極マニホールド10から正極室内を
流通し、正極側貯蔵槽14に還流する一方、負極電解液
18は負極側ポンプ21の駆動に伴って、電池本体の負
極マニホールド11からセパレータ3に隔てられた負極
室内を流通して負極側貯蔵槽17に還流する。
【0009】このような亜鉛−臭素電池の運転パターン
としては、一般に「充電→放電サイクル」を繰り返して
実施するのが普通であるが、通常上記放電サイクルにお
ける放電終止電圧を1.0(ボルト/セル)とし、セル
電圧がこの放電終止電圧に達した際に次段の充電操作に
移行するのが通例となっている。
【0010】更に上記亜鉛−臭素電池の運転パターンの
特徴として、充放電時の毎サイクル後、もしくは少なく
とも数サイクルに1度は完全放電を実施する必要があ
る。この完全放電とは、通常の放電後に負極上に残留し
ている亜鉛を電気化学的に溶解することを目的として行
うものである。
【0011】前記したように電解液の成分中には、抵抗
を下げるためのNH4Cl等の塩類の外、負極亜鉛側の
デンドライトを防止するためのPb,Sn,4級アンモ
ニウム塩類が含まれているが、通常の放電後に負極上に
亜鉛のデンドライトが残留することがあり、このデンド
ライトが前記セパレータ3を貫通して正極液中の臭素と
直接反応して放電容量が低下するという現象が生じる。
これに対処して電池電圧が零以下になっても強制的に放
電方向に電流を流す完全放電を行って、亜鉛の溶解を促
進している。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】しかしながらこのよう
な亜鉛−臭素電池の場合、良好な電池の運転を継続する
ために前記したように充放電運転の毎サイクル後、もし
くは少なくとも数サイクルに1度は完全放電を実施する
ことが必要であるが、この完全放電処理には約1時間を
要する上、完全放電直後に直ちに充電を開始することが
できないので、使い勝手が低下してしまうという課題が
ある。
【0013】例えば図6(A)に示したように、負極上
の亜鉛厚みは充電後が最も大きく、放電後は小さくなっ
ているが、同図(B)(C)(D)に示したように、充
放電サイクルを2〜4回繰り返すことによって電着され
た亜鉛の表面が次第に大きな粗面となり、同図(E)に
示したように第5サイクル目には充電後の粗面となった
亜鉛表面にデンドライトdが発生して、このデンドライ
トに起因して前記したような放電容量の低下現象を来し
てしまうことになる。特に一定の電圧で充放電を繰り返
した場合には、放電から充電に切り換った時の亜鉛表面
が剥がれ易い状態下にあることが確認された。
【0014】完全放電を行わなかった場合には、充放電
の4〜5サイクル程度で負極亜鉛側に上記デンドライト
dが発生し、この後に完全放電を行って亜鉛を溶解して
もセパレータ3にデンドライトdの影響が残っているた
め、次段の充電時に同じ場所にデンドライトdが発生し
易くなり、且つ放電容量が回復せず、電池性能の劣化を
招来してしまうという問題が生ずる。
【0015】本発明は上記の問題点に鑑みてなされたも
のであり、充放電サイクルの繰り返しにより負極上に電
着する亜鉛表面の粗面化とデンドライトの発生を防止し
て、仮に完全放電を行わなかった場合であっても電池の
放電容量の低下現象を防止することができる亜鉛−臭素
電池の運転方法を提供することを目的とするものであ
る。
【0016】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、充放電時に電池本体と別置きにした正極側
貯蔵槽及び負極側貯蔵槽から電池本体の正極室及び負極
室に電解液がポンプで循環され、充電時に正極で発生し
た臭素が電解液に添加した臭素錯化剤と反応して正極側
貯蔵へ戻されるとともに、放電時には臭素錯化合物がポ
ンプで電池本体内へ送り込まれて還元されるようにした
亜鉛−臭素電池において、この亜鉛−臭素電池の放電サ
イクルにおけるセル電圧が急激に低下する電圧値を放電
終止電圧として第1サイクル目の充電を開始し、所定の
充電を行ってから放電に移行して、前記第1サイクル目
の放電終止電圧よりも低い放電終止電圧で第2サイクル
目の充電を開始し、以下同様に前段サイクルの放電終止
電圧よりも低い放電終止電圧で次段サイクルの充電を開
始するようにした亜鉛−臭素電池の運転方法を提供す
る。
【0017】
【作用】かかる亜鉛−臭素電池の運転方法によれば、充
放電サイクルの繰り返しにより負極上に電着される亜鉛
の表面がほとんど粗面とならず、且つこの亜鉛表面にデ
ンドライトが発生することが防止されて、このようなデ
ンドライトに起因する電池の放電容量の低下現象が防止
される。又、次段のサイクルにおける充電時の初期電圧
が低いため、少ないエネルギー損失で負極電解液中の臭
素の還元を行うことができる。
【0018】そして充放電の各サイクル毎に完全放電を
行わなくても、上記デンドライトの影響により次段の充
電時に同じ場所にデンドライトが発生することがなくな
り、放電容量の回復を促して電池性能の劣化をなくし、
電池の寿命を延ばすことができる。
【0019】
【実施例】以下図面を参照しながら本発明にかかる亜鉛
−臭素電池の運転方法の一実施例を、前記従来の構成部
分と同一の構成部分に同一の符号を付して詳述する。
【0020】図2は本実施例を適用した亜鉛−臭素電池
の基本的構成を示す概要図であり、図中の14は正極側
貯蔵槽であって、該正極側貯蔵槽14内に正極電解液1
5と臭素錯化合物16とが貯蔵されている。17は負極
側貯蔵槽であって該負極側貯蔵槽17内に負極電解液1
8が貯蔵されている。19は正極側ポンプ、20は四方
弁、30は電池本体である。
【0021】上記負極側貯蔵槽17と電池本体30間に
は負極電解液循環用の管路24,25が配設されてい
て、一方の管路24に負極側ポンプ21が配備されてい
る。
【0022】かかる構成による亜鉛−臭素電池の運転方
法の概略を述べると、充電時に正極側ポンプ19と負極
側ポンプ21の駆動を開始すると、正極電解液15は正
極側ポンプ19の駆動に伴って、図中の矢印に示したよ
うに四方弁20を介して電池本体30の正極マニホール
ドから正極室内を流通し、正極側貯蔵槽14に還流する
一方、負極電解液18は負極側ポンプ21の駆動に伴っ
て電池本体の負極マニホールドからセパレータに隔てら
れた負極室内を流通し、管路25を介して負極側貯蔵槽
17に還流する。
【0023】図1は本実施例による運転方法を適用した
際のセル電圧の推移特性図を示しており、同図によれば
充電の進行に伴ってセル電圧が次第に高くなり、充電の
停止により開路電圧が約1.8ボルトとなる。この開路
電圧とは、常温で電流を流していない場合の電圧であ
り、電解液の組成とか充電量によっても多少異なってく
る。
【0024】この開路電圧1.8ボルトの状態から放電
に移行すると、セルの放電電圧曲線は内部抵抗による電
圧低下分だけ低い電圧から低下傾向を示しながら該セル
電圧が推移するが、本実施例で用いた電池(放電電流密
度が26mA/cm2)では、セル電圧が1.4ボルト
近辺で急激に低下している。
【0025】そこで本実施例では、先ず放電終止電圧を
セル電圧が急激に低下する電圧値である1.4(ボルト
/セル)として第1サイクル目の充電を開始する。そし
て所定の充電を行ってから上記と同様に放電に移行し、
放電終止電圧を1.35(ボルト/セル)として第2サ
イクル目の充電を開始する。即ち、第1サイクル目にお
ける放電終止電圧1.4ボルトよりも低い放電終止電圧
で第2サイクル目の充電を開始することが本実施例の特
徴となっている。
【0026】上記第2サイクル目の放電後、更に低い放
電終止電圧1.30(ボルト/セル)で第3サイクル目
の充電を開始し、放電後に放電終止電圧を更に低い1.
25(ボルト/セル)として第4サイクル目の充電を開
始し、次に放電後の放電終止電圧を1.0(ボルト/セ
ル,下限電圧)として第5サイクル目の充電を開始す
る。この第5サイクル目の放電終止電圧1.0(ボルト
/セル)は、従来の充放電サイクルでは毎回放電終止電
圧として用いていた電圧値である。
【0027】図3(A)〜(E)は上記した充放電の第
1サイクル〜第5サイクルにおける負極上の亜鉛厚みを
示す概略図であり、この亜鉛厚みは充電後が最も大き
く、放電後は小さくなっていることは従来と同様である
が、同図(D)(E)に示したように第4サイクル目及
び第5サイクル目であっても電着された亜鉛の表面がほ
とんど粗面となっておらず、且つ第5サイクル目の亜鉛
表面にも前記デンドライトdが発生していないことが確
認された。
【0028】よって本実施例では、仮に充放電の各サイ
クル毎に前記した完全放電を行わなくても、充電後の亜
鉛表面の粗面化現象と、該粗面に起因するデンドライト
の発生がなくなり、このようなデンドライトに起因する
電池の放電容量の低下現象を防止することができる。更
に次段のサイクルにおける充電時の初期電圧が低いた
め、少ないエネルギー損失で負極電解液中の臭素の還元
を行うことができるという特徴がある。
【0029】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明にか
かる亜鉛−臭素電池の運転方法によれば、充放電サイク
ルの繰り返しにより負極上に電着される亜鉛の表面がほ
とんど粗面とならず、しかも亜鉛表面にデンドライトが
発生することが防止されるので、デンドライトに起因す
る電池の放電容量の低下現象が防止されるとともに次段
のサイクルにおける充電時の初期電圧が低いため、少な
いエネルギー損失で負極電解液中の臭素の還元を行うこ
とができる。
【0030】そして充放電の各サイクル毎に完全放電を
行わなくても次段の充電時に同じ場所にデンドライトが
発生することがなくなり、長時間を要する完全放電処理
を省略することが可能である上、放電容量の回復を促し
て電池性能を高めるとともに寿命を延ばすことができ
る。
【0031】又、完全放電直後に直ちに充電を開始する
ことができて、電池としての使い勝手を高めることがで
きる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施例による運転方法を適用した際のセル電
圧の推移特性図。
【図2】本実施例による運転方法を適用した亜鉛−臭素
電池の要部構成を示す概要図。
【図3】本実施例を適用した充放電の各サイクルにおけ
る負極上の亜鉛厚みを示す概略図。
【図4】本実施例を適用した亜鉛−臭素電池の基本的構
造を示す分解斜視図。
【図5】亜鉛−臭素電池の動作原理を示す概要図。
【図6】従来の充放電の各サイクルにおける負極上の亜
鉛厚みを示す概略図。
【符号の説明】
1…中間電極 1b…枠体 2…セパレータ板 2b…枠体 3…セパレータ 8…締付端板 9…積層端板 10…正極マニホールド 11…負極マニホールド 12…チャンネル 13…マイクロチャンネル 14…正極側貯蔵槽 15…正極電解液 16…臭素錯化合物 17…負極側貯蔵槽 18…負極電解液 19…正極側ポンプ 21…負極側ポンプ 24,25…(循環用)管路 30…電池本体

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 充放電時に電池本体と別置きにした正極
    側貯蔵槽及び負極側貯蔵槽から電池本体の正極室及び負
    極室に電解液がポンプで循環され、充電時に正極で発生
    した臭素が電解液に添加した臭素錯化剤と反応して正極
    側貯蔵へ戻されるとともに、放電時には臭素錯化合物が
    ポンプで電池本体内へ送り込まれて還元されるようにし
    た亜鉛−臭素電池において、 上記亜鉛−臭素電池の放電サイクルにおけるセル電圧が
    急激に低下する電圧値を放電終止電圧として第1サイク
    ル目の充電を開始し、所定の充電を行ってから放電に移
    行して、前記第1サイクル目の放電終止電圧よりも低い
    放電終止電圧で第2サイクル目の充電を開始し、以下同
    様に前段サイクルの放電終止電圧よりも低い放電終止電
    圧で次段サイクルの充電を開始するようにしたことを特
    徴とする亜鉛−臭素電池の運転方法。
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