JP6008225B1 - 枠体、レドックスフロー電池用セルフレーム及びレドックスフロー電池 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明者らは、枠体に設けられた曲部を有するスリットに関して、スリット内の電解液の放熱を改善できると共に、スリット形成部分での歪の発生を抑制できる曲部の構成、特に、曲部の曲率半径について検討を試みた。そして、以下のような知見を得た。
本発明の実施形態に係る枠体、並びにレドックフロー電池用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。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。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。
〈枠体〉
図1〜図3を参照して、実施形態1に係る枠体及びセルフレームについて説明する。図1に例示する枠体22は、互いに対向する一対の長片22Lと、長片22Lの端部同士を繋ぐ一対の短片22Sとを有する矩形枠状であり、その内側に開口22oが形成されている。この開口22oには、後述する双極板21が嵌め込まれる。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。
マニホールド201,202は枠体22の一方の長片22L(図1では下側の長片)に形成され、マニホールド203,204は枠体22の他方の長片22L(図1では上側の長片)に形成されている。スリット211,213は枠体22の一面側に形成されており、スリット211は一方の長片22Lに形成され、スリット213は他方の長片22Lに形成されている。スリット212,214は枠体22の他面側に形成されており、スリット212は一方の長片22Lに形成され、スリット214は他方の長片22Lに形成されている。各スリット211〜214の一端はそれぞれ各マニホールド201〜204に繋がり、他端は開口22oに繋がっており、各スリット211〜214はそれぞれ、各マニホールド201〜204と枠体22の内側に形成された開口22oとを接続する。
図2を参照して、図1に示す実施形態1に係る枠体を備えるセルフレームについて説明する。図2に例示するセルフレーム20は、枠体22と、枠体22の開口22o(図1参照)に嵌め込まれる双極板21とを備える。セルフレーム20は、双極板21の周縁部を表裏から挟むように枠体22が形成され、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いる。枠体22の開口22oに双極板21が嵌め込まれることで、枠体22及び双極板21により凹部(チャンバー24)が形成される。具体的には、セルフレーム20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)が収納されるチャンバー24が形成されている。図2では、セルフレーム20の一面側(紙面表側)のチャンバー24のみ図示しているが、他面側(紙面裏側)にもチャンバーが形成されている。セルフレーム20の一面側のチャンバーに正極電極、他面側のチャンバーに負極電極が収納され、双極板21の一面側に正極電極、他面側に負極電極が配置される(図10参照)。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。
セルフレーム20には、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(図10参照)を保護するプラスチック製の保護板40が配置されていてもよい。保護板40は、各スリット211〜214を覆うように枠体22の長片22Lの表面にそれぞれ配置され、各保護板40には、各マニホールド201〜204に対応する位置に貫通孔又は切欠きが形成されている。図2に例示する保護板40の場合、正極電解液用のスリット211,213が形成された枠体22の一面側に配置される保護板40については、正極電解液用のマニホールド201,203に対して円形状の貫通孔が形成され、負極電解液用のマニホールド202,204に対しては矩形状の切欠きが形成されている。逆に、負極電解液用のスリット212,214が形成された枠体22の他面側に配置される保護板40では、正極電解液用のマニホールド201,203に対して矩形状の切欠きが形成され、負極電解液用のマニホールド202,204に対しては円形状の貫通孔が形成されている。セルフレーム20を用いてレドックスフロー電池のセル(図10参照)を構成したとき、この保護板40によって、各スリット211〜214がイオン交換膜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。図2では、枠体22の一面側に形成されたスリット211,213を覆う保護板40のみ図示しているが、枠体22の他面側にも保護板が配置されており、スリット212,214が保護板で覆われている。
図1の丸囲み図は、実施形態1に係る枠体におけるスリット210(211)の拡大平面図である。図1では、代表してスリット211の平面形状を示している。また、図3は、スリット210の断面形状を示しており、図1の丸囲み図におけるIII−III線に沿う概略拡大断面図である。図1に示すように、スリット210は、少なくとも1つの曲部35を有する。以下、図1,図3を参照して、実施形態1のスリット210の平面形状について、より詳しく説明する。
曲部35は、曲率半径rが2.0mm以上200mm以下である。図1に示す実施形態1のスリット210では、曲部35が円弧状であり、曲部35の中心角θが略直角(90°)である。「曲部の中心角」とは、曲部の曲率半径の中心と曲部の一端及び他端とをそれぞれ結ぶ2つの線分がなす角度を意味する。曲部35の曲率半径rは10mm以上60mm以下であることが好ましい。
接続部36は、曲率半径が200mm超(曲率が1/200未満)であり、直線状(曲率が0)の場合も含む。図1に示すスリット210では、接続部36が直線状である。接続部36の長さaは5.0mm以上200mm以下であることが好ましく、10mm以上50mm以下であることがより好ましい。
スリット210の断面形状は、図3に示すように矩形状である。スリット210の断面形状は、矩形状に限定されるものではなく、例えば、等脚台形状などの四角形状、二等辺三角形状などの三角形状、半円形状や半楕円形状などであってもよい。具体的には、スリット断面において、開口部を長辺、底部を短辺とする台形状や、底部を頂点とし、開口部を底辺とする三角形状であるなど、開口部側の方が底部側よりも幅広の形状であることが挙げられる。また、スリット断面の角部が面取りされていてもよく、角部が曲面状に形成されていてもよい。
スリット210の深さhは、例えば0.5mm以上10mm以下、更に1.0mm以上5.0mm以下であることが好ましい。スリット210の幅wは、例えば0.5mm以上20mm以下、更に1.0mm以上8.0mm以下であることが好ましい。
実施形態1に係る枠体22(セルフレーム20)は、スリット210の一部に曲部35を有することで、1本の直線状のスリットを形成する場合に比較して、スリット長を長くすることができ、シャント電流損失を低減できる。更に、曲部35の曲率半径rが2.0mm以上200mm以下であることで、スリット内の電解液の放熱を改善できると共に、スリット形成部分での歪の発生を抑制できる。具体的には、曲部35の曲率半径rが2.0mm以上であることで、枠体22(長辺22L)の平面における曲部35の形成領域(図1の丸囲み図におけるハッチングを施した領域)を大きくでき、曲部35の形成部分での熱容量が大きくなる。したがって、曲部形成部分において電解液からの放熱量を増やすことができ、熱がこもり難い。よって、電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できるため、電解液成分の析出を抑制したり、枠体の軟化、変形を抑制できる。
図1に示す実施形態1では、枠体22の長片22Lにスリット210の曲部35が形成されている形態を例に挙げて説明した。図4に示す実施形態2では、長片22Lと短片22Sとが交差する枠体22の角部22Cに曲部35が形成されている。
図1に示す実施形態1では、スリット210が1つの曲部35を有する形態を例に挙げて説明したが、曲部35の数は複数であってもよい。図5に示す実施形態3では、スリット210が複数の曲部35を有する形態を説明する。
スリットにおける曲部の曲率半径を変化させたときの放熱性能及び歪量を評価した。評価条件を次に示す。
放熱性能は、曲部35内の電解液の発熱量と枠体22における曲部35の形成部分の熱容量との比(後述する温度上昇速度ΔT)で評価した。曲部35内の電解液の発熱量Q及び曲部35の形成部分の熱容量Cは、次のようにして求めた。
発熱量Q(W)は、曲部35内の電解液の電気抵抗R(Ω)とスリット間電圧v(V)から求める。電気抵抗Rは、電解液の抵抗率をρ(Ω・cm)として、次式により算出する。
[式1]R=ρ×(πr/2)×(1/wh)
そして、発熱量Qは次式により算出する。
[式2]Q=v2/R=v2×(2wh/ρπr)
熱容量C(J/℃)は、枠体22の比熱容量Cp(J/cm3・℃)と曲部形成部分の体積V(cm3)から求める。比熱容量Cpは、枠体22の比熱c(J/kg・℃)と比重d(g/cm3)から次式により算出する。
[式3]Cp=c×d
体積Vは、枠体22における曲部35の形成領域(図6のクロスハッチングで示す領域)での体積とし、次式により算出する。枠体22の厚さtは5mmとする。
[式4]V=(πr2/4)×t
そして、熱容量Cは次式により算出する。
[式5]C=Cp×V=Cp×(πr2t/4)
上記計算式を用いて算出した発熱量Q(W)と熱容量C(J/℃)から、次式により温度上昇速度ΔT(℃/s)を算出する。
[式6]ΔT=Q/C=(v2×2wh/ρπr)/(Cp×(πr2t/4))=(v2×2wh×4)/(ρπr×Cp×πr2t)=(8v2/ρπ2Cp)×(wh/r3t)
曲部35の曲率半径rを1.0mm〜300mmの範囲で変化させたときの温度上昇速度ΔT(℃/s)を算出し、これに基づいて放熱性能を評価した。温度上昇速度ΔTが小さいほど、放熱性能が高いことを意味する。放熱性能の評価は、温度上昇速度ΔTの値が10(℃/s)以下の場合を「A」、500(℃/s)以下の場合を「B」、それ以外を「C」とした。温度上昇速度ΔTの値と放熱性能の評価を表1に示す。
歪量は、曲部35の形成部分に加わる液圧による総荷重Pで評価した。荷重P(N)は、図7に示すように、XY平面上での曲部35の中心角dθの微小区間に加わる単位液圧p(N/mm)による荷重を0≦θ≦π/2の範囲で積分することで求めた。この場合、荷重Pを図7に示すX方向とY方向に分けて考えると、次式により、荷重Pは単位液圧pと曲率半径rとの積として表すことができる。
[式7]
(X方向)P=∫(p×r・cosθdθ)=p×r
(Y方向)P=∫(p×r・sinθdθ)=p×r
単位液圧p(N/mm)は、液圧σ(MPa)とスリット深さh(mm)の積として、次式で与えられる。液圧σは0.5MPaとする。
[式8]p=σ×h
次式により曲部35での荷重P(N)を算出し、この荷重PをPrとする。
[式9]P=p×r=σ×h×r
曲部35の曲率半径rを1.0mm〜300mmの範囲で変化させたときの荷重Pr(N)を算出し、これに基づいて歪量を評価した。荷重Prが小さいほど、曲部35での歪量が小さいことを意味する。歪量の評価は、荷重Prの値が50(N)以下の場合を「A」、100(N)以下の場合を「B」、それ以外を「C」とした。荷重Prの値と歪量の評価を表1に示す。
表1に示す各曲率半径の曲部について、放熱性能及び歪量の評価に基づいて総合評価を行った。総合評価は、放熱性能及び歪量の全ての評価が「A」である(「B」、「C」がない)場合を「A」、少なくとも1つの評価が「B」であり、「C」がない場合を「B」、少なくとも1つの評価が「C」である場合を「C」とした。その結果を表1に示す。
スリットにおける接続部の長さを変化させたときの整流効果及び歪量を評価した。評価条件を次に示す。
整流効果は、曲部35を通過する電解液に作用する遠心力と接続部36の長さとの比(後述する偏流作用D)で評価した。電解液に作用する遠心力Fは、次のようにして求めた。
遠心力F(N/m3)は、電解液の比重をm(kg/m3)、電解液の流速をu(m/s)として、次式により算出する。
[式10]F=m×(u2/r)
流速u(m/s)は、電解液の流量をQ(L/min)とするとき、次式で与えられる。
[式11]u=Q/(h×w)
電解液に作用する遠心力F(N/m3)と接続部36の長さa(mm)との比を偏流作用Dと定義し、次式により偏流作用D(N/m4)を算出する。
[式12]D=F/a
接続部36の長さaを1.0mm〜300mmの範囲で変化させたときの偏流作用D(N/m4)を算出し、これに基づいて整流効果を評価した。偏流作用Dが小さいほど、整流効果が高いことを意味する。整流効果の評価は、偏流作用Dの値が5.0×107(N/m4)以下の場合を「A」、1.0×108(N/m4)以下の場合を「B」、それ以外を「C」とした。偏流作用Dの値と整流効果の評価を表2に示す。
歪量は、接続部36の形成部分に加わる液圧による総荷重Pで評価した。接続部36での荷重P(N)は、単位液圧p(N/mm)と長さa(mm)との積として、次式により表される。
[式13]P=p×a
単位液圧p(N/mm)は、試算例1と同様に、液圧σ(MPa)とスリット深さh(mm)の積として、[σ×h]で与えられる。液圧σは0.5MPaとする。
次式により接続部36での荷重P(N)を算出し、この荷重PをPaとする。
[式14]P=p×a=σ×h×a
接続部36の長さaを1.0mm〜300mmの範囲で変化させたときの荷重Pa(N)を算出し、これに基づいて歪量を評価した。荷重Paが小さいほど、接続部での歪量が小さいことを意味する。歪量の評価は、荷重Paの値が50(N)以下の場合を「A」、100(N)以下の場合を「B」、それ以外を「C」とした。荷重Paの値と歪量の評価を表2に示す。
表2に示す各長さの接続部について、整流効果及び歪量の評価に基づいて総合評価を行った。総合評価は、整流効果及び歪量の全ての評価が「A」である(「B」、「C」がない)場合を「A」、少なくとも1つの評価が「B」であり、「C」がない場合を「B」、少なくとも1つの評価が「C」である場合を「C」とした。その結果を表2に示す。
スリットの深さを変化させたときの整流効果及び歪量を評価した。評価条件を次に示す。
整流効果は、試算例2で説明した計算式を用いて、スリットの深さhを0.1mm〜15mmの範囲で変化させたときの偏流作用D(N/m4)を算出し、これに基づいて評価した。整流効果の評価は、偏流作用Dの値が5.0×107(N/m4)以下の場合を「A」、1.0×108(N/m4)以下の場合を「B」、それ以外を「C」とした。偏流作用Dの値と整流効果の評価を表3に示す。
歪量は、試算例1で説明した計算式を用いて、スリットの深さhを0.1mm〜15mmの範囲で変化させたときの荷重Pr(N)を算出し、これに基づいて評価した。歪量の評価は、荷重Prの値が50(N)以下の場合を「A」、100(N)以下の場合を「B」、それ以外を「C」とした。荷重Prの値と歪量の評価を表3に示す。
表3に示す各深さのスリットについて、整流効果及び歪量の評価に基づいて総合評価を行った。総合評価は、整流効果及び歪量の全ての評価が「A」である(「B」、「C」がない)場合を「A」、少なくとも1つの評価が「B」であり、「C」がない場合を「B」、少なくとも1つの評価が「C」である場合を「C」とした。その結果を表3に示す。
スリットの幅を変化させたときの整流効果及び放熱性能を評価した。評価条件を次に示す。
整流効果は、試算例2で説明した計算式を用いて、スリットの幅wを0.1mm〜25mmの範囲で変化させたときの偏流作用D(N/m4)を算出し、これに基づいて評価した。整流効果の評価は、偏流作用Dの値が5.0×108(N/m4)以下の場合を「A」、1.0×1010(N/m4)以下の場合を「B」、それ以外を「C」とした。偏流作用Dの値と整流効果の評価を表4に示す。
放熱性能は、試算例1で説明した計算式を用いて、スリットの幅wを0.1mm〜25mmの範囲で変化させたときの温度上昇速度ΔT(℃/s)を算出し、これに基づいて評価した。放熱性能の評価は、温度上昇速度ΔTの値が5.0(℃/s)以下の場合を「A」、8.0(℃/s)以下の場合を「B」、それ以外を「C」とした。温度上昇速度ΔTの値と放熱性能の評価を表4に示す。
表4に示す各幅のスリットについて、整流効果及び放熱性能の評価に基づいて総合評価を行った。総合評価は、整流効果及び放熱性能の全ての評価が「A」である(「B」、「C」がない)場合を「A」、少なくとも1つの評価が「B」であり、「C」がない場合を「B」、少なくとも1つの評価が「C」である場合を「C」とした。その結果を表4に示す。
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
22L 長片 22S 短片 22C 角部
22o 開口
24 チャンバー
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
35,35a〜35c 曲部
36 接続部
40 保護板
50 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)
Claims (9)
- レドックスフロー電池のセルに用いられる枠体であって、
前記枠体の内側に形成された開口と、
電解液が流通するマニホールドと、
前記マニホールドと前記開口とを接続し、前記マニホールドと前記開口との間で前記電解液の流路を形成するスリットとを備え、
前記スリットは、少なくとも1つの曲部を有し、
少なくとも1つの前記曲部の曲率半径が2.0mm以上200mm以下である枠体。 - 前記スリットは、前記曲部のうち、最も前記開口側に位置する曲部と前記開口との間に、曲率半径が200mm超の接続部を有する請求項1に記載の枠体。
- 前記接続部の長さが5.0mm以上200mm以下である請求項2に記載の枠体。
- 前記スリットの深さが0.5mm以上10mm以下である請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の枠体。
- 前記スリットの幅が0.5mm以上20mm以下である請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の枠体。
- 互いに対向する一対の長片と、前記長片の端部同士を繋ぐ一対の短片とを有し、
前記長片に、少なくとも1つの前記曲部が形成されている請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の枠体。 - 互いに対向する一対の長片と、前記長片の端部同士を繋ぐ一対の短片とを有し、
前記長片と前記短片とが交差する角部に、少なくとも1つの前記曲部が形成されている請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の枠体。 - 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の枠体と、
前記枠体の開口に嵌め込まれる双極板とを備え、
前記枠体及び前記双極板により前記枠体の内側にチャンバーが形成されているレドックスフロー電池用セルフレーム。 - 請求項8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レドックスフロー電池。
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