JPH02250269A - 電解液循環型二次電池 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ この発明は電解液循環型二次電池に関するものであり、
シャントカレントを減少させるために改良を加えた電解
液循環型二次電池に関するものである。

［従来の技術］ 第４図は、従来より提案されているレドッロスフロー型
二次電池の概略構成図である。レドックスフロー電池は
、セル１、正極液タンク６および負極液タンク５を備え
る。セル１内は、たとえばイオン交換膜からなる隔膜２
により仕切られており、−刃側が正極セル１ａを構成し
、他方側が負極セル１ｂを構成している。正極セル１ａ
および負極セルｌｂ内には、それぞれ電極として正極４
または負極３が設けられている。

正極セル１ａには正極用電解液を導入するための正極用
電解液導入管３０が設けられている。また、正極セル１
ａには、該正極セル１ａ内に入っていた正極用電解液を
流出させる正極用電解液流出管３１が設けられている。

正極用電解液導入管３０の一端および正極用電解液流出
管３１の一端は、正極液タンク６に連結されている。

負極セル１ｂには、負極用電解液を導入するための負極
用電解液導入管３２が設けられている。

また、負極セル１ｂには、負極セルｌｂ内に入っていた
負極用電解液を流出させる負極用電解液流出管３３が設
けられている。負極用電解液導入管３２の一端および負
極用電解液流出管３３の一端は、負極液タンク５に連結
されている。

第４図に示したレドックスフロー電池では、たとえば鉄
イオン、クロムイオンのような原子価の変化するイオン
の水溶液を正極液タンク６、負極液タンク５に貯蔵し、
これをポンプＰ　ｌ　＋　ポンプＰ２により、セル１に
送液し、酸化還元反応により充放電を行なう。

たとえば、正極活物質と１．てＦｅ”／Ｆｅ２＋、負極
活物質と１７てＣｒ　２　＋　／　Ｃｒ　３＋を用い、
それぞれ、塩酸溶液とした場合、各酸化還元系の両極３
，４における電池反応は、下記の式のようになる。

上述の式の電気化学反応により、約１ボルトの電圧が得
られる。

ところで、レドックスフロー電池では、その発生電圧を
高めるため、セルを直列に複数個接続した多段接続型の
レドックスフロー電池が提唱されている。第５図に、１
セル型のレドックスフロー電池のセル構造を分解斜視図
で示す。

第５図を参照して、セル１には、図中、左から、双極板
１５、負極板１３、隔膜１２、正極板１４および双極板
１６の構成要素が順に配列される。

多段接続型は、このセル１が多数積層されたものであり
、すなわち、双極板１５、負極板１３、隔膜１２、正極
板１，４および双極板１６からなる構成要素が多数積層
されたものであり、その両端部が端子板１７および端子
板１８で把持される。セル１が多数積層されたものを、
セルスタックという。双極板１５は双極板フレーム１５
ｆを備え、負極板１３は負極板フレーム１３ｆを備え、
正極板１４は正極板フレーム１４ｆを備え、双極板１６
は双極板フレーム１６ｆを備えている。そして、双極板
フレーム１５ｆ１負極板フレーム１３ｆ１隔膜１２、正
極板フレーム１４ｆおよび双極板フレーム１６ｆは穴を
有しており、積層されることによってマニホールドと呼
ばれるセル内部に配管の役目をする通路が形成される。

マニホールドには、負極液送り込み用メイン管路２０、
正極液送り込み用メイン管路２１、負極液戻し用メイン
管路２２、正極液戻し用メイン管路２３がある。

双極板フレーム１５ｆには、正極電解液取込管路１５ａ
１正極電解液戻し用管路１５ｂ１負極電解液取込管路１
５ｃ１負極電解液戻し用管路１５ｄが設けられている。

正極電解液取込管路１．５　ａは正極液送り込み用メイ
ン管路２１に接続され、正極電解液戻し用管路１５ｂは
正極液戻し用メイン管路２３に接続され、負極電解液取
込管路１５Ｃは負極液送り込み用メイン管路２０に接続
され、負極電解液戻し用管路１５ｄは負極液戻し用メイ
ン管路２２に接続されている。

双極板フレーム１６ｆには、正極電解液取込管路１６ａ
５正極電解液戻し用管路１６ｂ１負極電解液取込管路１
６ｃおよび負極電解液戻し用管路１６ｄが設けられてい
る。正極電解液取込管路１６ａは正極液送り込み用メイ
ン管路２１に接続され、正極電解液戻し用管路１６ｂは
正極液戻し用メイン管路２３に接続され、負極電解液取
込管路１６ｃは負極液送り込み用メイン管路２０に接続
れ、負極電解液戻し用メイン管路１６ｄは負極液戻し用
メイン管路２２に接続されている。

セルスタック内に存在する多くの双極板１６のうち、端
子板１８に接する双極板１６の双極板フレーム１６ｆに
設けられた負極電解液取込管路１６ｃおよび負極電解液
戻し用管路］、　６　ｄは閉鎖される。また、セルスタ
ック内に存在する多数の双極板１５のうち、端子板１７
に接する双極板１５の双極板フレーム１５ｆに設けられ
た正極電解液取込管路１５ａおよび正極電解液戻し用管
路１５ｂは閉鎖される。

充放電動作の際、正極電解液は正極液送り込み用メイン
管路２１を通って、正極電解液取込管路１６ａから正極
セル１ａ内部に供給され、正極反応電極１４ｅにて充放
電の後、正極電解液戻し用管路１６ｂから正極液戻し用
メイン管路２３に送出される。また、負極電解液は負極
液送り込み用メイン管路２０を通って、負極電解液取込
管路１５Ｃから負極セル１ｂ内部に供給され、負極反応
電極１３ｅにて充放電の後、負極電解液戻し用管路１５
ｄから負極液戻し用メイン管路２２に送出される。この
とき、両端子板１７．１８間に電圧が発生し、電流が取
出される。

なお、第４図を参照して、タンク（負極液タンク５．正
極液タンク６）、ポンプ（ポンプＰ２　＋ポンプＰ、）
、セルスタックのそれぞれを結ぶ配管は、電解液に耐え
る材料を用いたパイプ、フランジ、シール材等により構
成されている。

次に、双極板１５，１６の外枠１５ｆ、１６ｆに設けら
れた電解液取込管路および電解液戻し用管路の構造につ
いて説明する。

第６図は、双極板１６の外枠１６ｆに設けられた負極電
解液取込管路１６ｃの部分の拡大図である。正極電解液
取込管路１５ａ、１６ａｓ負極電解液取込管路１５Ｃ％
正極電解液戻し用管路１５ｂ、１６ｂおよび負極電解液
戻し用管路１５ｄ。

１６ｄの構造も、第６図に示した負極電解液取込管路１
６ｃの構造と同様である。

第７図は、第６図における■−■線に沿う断面図であり
、第８図は第６図における■−■線に沿う断面図であり
、第９図は第６図におけるＡ方向から見た矢視図である
。

これらの図を参照して、双極板１６は双極板フレーム１
６ｆに嵌め込まれている。双極板フレーム１６ｆには負
極液送り込み用メイン管路２ｏが設けられている。双極
板の外枠１６ｆには、負極液送り込み用メイン管路２０
に流れている電解液をセル内に取込む負極電解液取込管
路１６ｃが設けられている。負極電解液取込管路１６ｃ
は、双極板フレーム１６【に溝を形成することによって
形成される。

［発明が解決しようとする課題〕 以上説明したとおり、電解液循環型二次電池は電力貯蔵
用二次電池として検討されており、その発生電圧を高め
る必要があるため、セルを直列に多数接続して用いるこ
とが従来より提唱されている。この場合、１組の正極と
負極から構成される単セルを多数積層したセルスタック
（集合電池）を１つの単位として、必要とする電力貯蔵
量に応じてセルスタックを複数個組合わせることにより
、１つ蓄電池システムを構成している。第１０図に、セ
ルスタックの片方の電極のみについての、電気的等価回
路を示す。第１０図において、Ｅは単セルの起電力、Ｒ
ｉは単セルの内部抵抗、Ｒｓはセルスタックの電解液取
込管路および電解液戻し用管路の抵抗、Ｒｍはセルスタ
ック内のマニホールド部の抵抗をそれぞれ示す。蓄電池
システムに充放電する際、セルスタックには内部回路を
流れる電流以外に、第１０図にｉで示すような各単セル
間の電位差に基づくシャントカレントが流れる。

シャントカレントは、蓄電池システムの充放電のエネル
ギ効率を低下させるため、できるだけ減少させたものが
望まれている。

このようなシャントカレントは、１１１セルの積層数が
増加するにつれて高まる傾向にある。第１１図に、セル
電流に対するシャントカレントの割合と積層セル数との
関係を示す。第１１図は、第６図に示す従来の双極板を
備えた、１５００ｃｍ２級セルを用いて、計算した一例
である。第１１図を参照して、積層セル数が増加するに
つれて、シャントカレントの割合が増加している。した
がって、第６図に示す従来の双極板を用いる限り、セル
スタックのシャントカレントを減少させるためには、単
層セルの積層数を１５〜３０セル以下に制限せざるを得
なかった。この積層数の制限は発生電圧を高める要望が
ある現状において、大きな問題点となっていた。

この発明は上記のような問題点を解決するためになされ
たもので、シャントカレントを減少させて、より高い発
生電圧が得られる電解液循環型二次電池を提供すること
を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 第１０図の等価回路図かられかるとおり、シャントカレ
ントは、ＲｓあるいはＲｍを大きくすれば、小さく抑え
ることができる。抵抗は次式で表わされる。

Ｒ−ρ・立／Ｓ 上式において、Ｒは抵抗、ρは体積固有抵抗、肛は長さ
、Ｓは面積である。ρは電解液の体積固有抵抗であるか
ら一定と考えると、電解液取込管路および電解液戻し用
管路、マニホールドの長さを長くし、あるいは電解液取
込管路、電解液戻し用管路、マニホールドの液通路断面
積を小さくすれば、Ｒｓ、Ｒｍが大きくなり、シャント
カレントを小さくできることがわかる。マニホールドの
長さは単セルの厚みとなるため、長くすることは難しく
、断面積もセルスタックの場合、多数セルへの液の通路
となるため、極端に小さくできない。

結局、シャントカレントを減少させるための最も効果の
ある手段としては、電解液取込管路および電解液戻し用
管路を細く、長くし、この部分の電気抵抗Ｒｓを大きく
させることであることを知見し、本発明を完成させるに
至った。

すなわち、本発明は双極板を有するセルを備え、前記双
極板は外枠を含んでおり、電解液貯蔵タンクから上記セ
ル内に電解液を循環させて充放電を行なわせるものであ
り、上記電解液貯蔵タンクから上記セル内に送り込む電
解液を流すための送り込み用メイン管路と、上記セル内
より上記電解液貯蔵タンクに戻す電解液を流すための戻
し用メイン管路と、上記双極板の外枠中に設けられ、上
記送り込みメイン管路に流れている電解液を上記セル内
に取込む電解液取込管路と、上記双極板の外枠中に設け
られ、上記戻し用メイン管路に上記セル内の電解液を戻
す電解液戻し用管路と、を備えた電解液循環型二次電池
に係るものである。そして、電解液取込管路および電解
液戻し用管路を屈曲させて形成し、それによって上記電
解液取込管路および上記電解液戻１．用管路の管路長を
長くしたことを特徴とする。

そして、この場合、電解液取込管路および電解液戻し用
管路の径を、電解液が流れる範囲で細くすることが望ま
しい。

［作用］ 電解液取込管路および電解液戻し用管路を屈曲させて形
成し、それによって電解液取込管路および電解液戻し用
管路の管路長を長くしたので、電解液取込管路および電
解液戻し用管路の部分の電気抵抗Ｒｓが大きくなり、シ
ャントカレントが小さくなる。

また、電解液取込管路および電解液戻し用管路の管路長
を長くする方法として、双極板フレームの寸法を大きく
し、上記電解液取込管路および上記電解液戻し用管路の
管路長を直線的に長くする方法も考えられるが、本発明
では電解液取込管路および電解液戻し用管路を屈曲させ
て形成し、それによって電解液取込管路および電解液戻
し用管路の管路長を長くするので、双極板フレームの寸
法を大きくとる必要がなく、コンパクトな双極板フレー
ムとすることができる。

［実施例］ 以下、この発明の実施例を図について説明する。

第１図は、本発明において採用される双極板の一実施例
の概念図である。双極板の外枠１６ｆには、負極液送り
込み用メイン管路２０、正極液送り込み用メイン管路２
１、負極液戻し用メイン管路２２、正極液戻し用メイン
管路２３が設けられている。正極液送り込み用メイン管
路２１には正極電解液取込管路１６ａが接続され、正極
液戻し用メイン管路２３には正極電解液戻し用管路１６
ｂが接続され、負極液送り込み用メイン管路２０には負
極電解液取込管路１６ｃが接続され、負極液戻し用メイ
ン管路２２には負極電解液戻し用管路１６ｄが接続され
ている。そして、これらの正極電解液取込管路１６ａ１
正極電解液戻し用管路１６ｂ１負極電解液取込管路１６
ｃおよび負極電解液戻し用管路１６ｄは、それぞれ、双
極板の外枠１６ｆ内で屈曲させて形成され、それによっ
て管路長が長くされている。これによって、電解液取込
管路および電解液戻し用管路の部分の電気抵抗Ｒｓが大
きくなり、シャントカレントが小さくなる。したがって
、単セルの積層数を増加させることができるので、より
高い発生電圧が得られるようになる。また、これらの電
解液取込管路および電解液戻し用管路の径を、電解液が
流れる範囲で細くすると、なお−層シヤントカレントを
減少させることができる。

また、電解液取込管路および電解液戻し用管路の管路長
を長くする方法として、双極板フレームの寸法を大きく
し、上記電解液取込管路および電解液戻し用管路の管路
長を直線的に長くする方法もあるが、本実施例では電解
液取込管路および電解液戻し用管路を屈曲させて、長く
するので、双極板フレームの寸法を大きくする必要がな
く、コンパクトな双極板フレームとすることができる。

第２図は、この発明に採用される双極板の他の実施例の
概念図である。第２図に示す実施例は、以下の点を除い
て、第１図に示す実施例と同様であり、同一または相当
する部分には同一の参照番号を付し、その説明を省略す
る。第２図に示す実施例が第１図に示す実施例と異なる
点は、電解液取込管路１６ａ、１６ｃおよび電解液戻し
用管路１６ｂ、１６ｄを２回屈曲させて形成している点
である。このような構成にすることによって、管路長を
、第１図に示す実施例の約３倍にすることができる。し
たがって、よりシャントカレントを小さく抑えることが
できるようになる。

第３図は、本発明において採用される双極板のさらに他
の実施例の概念図である。第３図に示す実施例は、以下
の点を除いて、第１図に示す実施例と同様であるので、
同一または相当する部分には同一の参照番号を付し、そ
の説明を省略する。

第３図に示す実施例が第１図に示す実施例と異なる点は
、負極液送り込み用メイン管路２０、正極液送り込み用
メイン管路２１、負極液戻し用メイン管路２２、正極液
戻し用メイン管路２３、正極電解液取込管路１６ａ、正
極電解液戻し用管路１６ｂ、負極電解液取込管路１６ｃ
および負極電解液戻し用管路１６ｄが、１つの双極板フ
レーム１６ｆに、２つずつ設けられている点である。こ
のような構成にすることによって、電解液が、セル内に
一層均一に供給され、また排出されるようになる。この
場合においても、電解液取込管路１６ａ、１６ｃと電解
液戻し用管路１６ｂ、１６ｄは屈曲させて形成され、そ
れによって電解液取込管路１６ａ、１６ｃおよび電解液
戻し用管路１６ｂ。

１６ｄの管路長が長くされている。したがって、シャン
トカレントは減少する。この場合、３０００　ｃ　ｍ２
級セルを作製し、１５セル積層したセルスタックを用い
て実験すると、シャントカレントによる充放電効率の低
下が約１％以内に抑えることができ、高い充放電効率を
有する電池を与えることがわかった。

以上、具体的な実施例を挙げて、この発明の電解液循環
型二次電池について説明したが、本発明は、その精神ま
たは主要な特徴から逸脱することなく、他の色々な形で
実施することができる。それゆえ、前述の実施例はあら
ゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはなら
ない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示すも
のであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに
、特許請求の範囲の均等範囲に属する変型や変更は、す
べて本発明の範囲内のものである。

［発明の効果］ 以上説明したとおり、この発明によれば、電解液取込管
路および電解液戻し用管路を屈曲させて形成し、それに
よって電解液取込管路および電解液戻し用管路の管路長
を長くしたので、電解液取込管路および電解液戻し用管
路の部分の電気抵抗Ｒｓが大きくなり、シャントカレン
トは小さくなる。その結果、単セルの積層数を増加させ
ることができるので、より高い発生電圧が得られるとい
う効果を奏する。

また、電解液取込管路および電解液戻し用管路の管路長
を長くする手段として、双極板フレームの寸法を大きく
し、電解液取込管路および電解液戻し用管路の管路を直
線的に長くする手段もあるが、本発明では、電解液取込
管路および電解液戻し用管路を屈曲させて形成し、それ
によってこれらの管路長を長くするので、双極板フレー
ムの寸法を大きくする必要がなく、コンパクトな双極板
フレームとすることができるという効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に採用される一実施例の概念図である
。第２図はこの発明に採用される双極板の他の実施例の
概念図である。第３図はこの発明に採用される双極板の
さらに他の実施例の概念図である。第４図は、従来より
採用されているレドックスフロー二次電池の概念図であ
る。第５図は従来のセルの分解斜視図である。第６図は
従来の双極板の部分拡大図である。第７図は第６図にお
ける■−■線に沿う断面図である。第８図は第６図にお
ける■−■線に沿う断面図である。第９図は、第６図に
おけるＡ方向からた矢視図である。 第１０図はセルスタックの電気的等価回路図である。第
１１図は積層セル数とセル電流に対するシャントカレン
トの割合の関係を示した図である。 図において、１はセル、５は負極液タンク、６は正極液
タンク、１５．１６は双極板、１５ｆ。 １６ｆは双極板に設けられた外枠、２ｏは負極液送り込
み用メイン管路、２１は正極液送り込み用メイン管路、
２２は負極液戻し用メイン管路、２３は正極液戻し用メ
イン管路、１５　ａ　、１６　ａは正極電解液取込管路
、１５ｂ、　　１５ｂは正極電解液戻し用管路、１５ｃ
、１６ｃは負極電解液取込管路、１５ｄ、１６ｄは負極
電解液戻し用管路である。 なお、各図中同一符号は同一または相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）双極板を有するセルを備え、前記双極板は外枠を
   含んでおり、電解液貯蔵タンクから前記セル内に電解液
   を循環させて充放電を行なわせるものであり、 前記電解液貯蔵タンクから前記セル内に送り込む電解液
   を流すための送り込み用メイン管路と、前記セル内より
   前記電解液貯蔵タンクに戻す電解液を流すための戻し用
   メイン管路と、 前記双極板の外枠中に設けられ、前記送り込み用メイン
   管路に流れている電解液を前記セル内に取込む電解液取
   込管路と、 前記双極板の外枠中に設けられ、前記戻し用メイン管路
   に前記セル内の電解液を戻す電解液戻し用管路と、を備
   えた電解液循環型二次電池において、 前記電解液取込管路および前記電解液戻し用管路を屈曲
   させて形成し、それによって前記電解液取込管路および
   前記電解液戻し用管路の管路長を長くしたことを特徴と
   する、電解液循環型二次電池。