JPS60101881A - レドツクスフロ−電池のセル構造 - 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】 （ア）技術分野 本発明はレドックスフロー電池のセル構造に関する。

Ｌ／ドックスフロー電池は、電解液がタンクに貯溜され
ており、ポンプによって循環するようになっているので
、極めて容積効率が高い。

このタメ、レドックスフロー電池は、電力貯蔵用の二次
電池として注目を集めている。特に、夜間電力を貯蔵１
−１昼間の電力需要の多い時に放出する事を目的とした
二次電池としての役割が期待されている。

第６図はレドックスフロー電池を用いた電力貯蔵システ
ム図である。

発電所３１で発電された電力は、変電設備３２で降圧さ
れ、インバータ３４で交直変換される。

レドックスフロー電池３５は直流になった電力を、酸化
還元反応によって、電解液のイオン価数を変化させるこ
とにより、電気化学エネルギーとして貯蔵する。

レドックス７０−電池３５は、２つの正極液タンク３６
ａと３６ｂ、２つの負極液タンク３７ａと３７ｂとを有
する。２つづつのタンクと、電解槽４０との間を循環さ
せるため正極液ポンプ３８と負極液ポンプ３９とが設け
である。

電解槽４０の中には正極４１、負極４２が隔膜４３（で
よって仕切られた空間の中に設けである。

レドックスフロー電池は、充電、放電を繰返すことがで
きる。充電に於て、正極液が酸化、負極液が還元される
。放電に於ては、これと逆の反応が起る。

この反応の間、ポンプ３８．３９によって正、負極液４
４．４５が一方のタンクから、電解槽４０を経て他方の
タンクへ圧送される。酸化還元反応を受けたイオンは、
次々と他方のタンクの中へ送り出されるから、電解槽４
０へは常に未反応の電解液が補充される。従って、電解
槽の大きさによって、充放電量が制限を受ける事がない
。タンク容量を増すことにより、充放電量をいくらでも
大きくする事ができる。電力貯蔵のためには理想的な電
池である。

（イ）従来技術とその問題点 レドックスフロー電池の起電力は、電解液の種類に依存
するが、１ｖ〜２ｖ程度である。そこで、単セルを直列
に連結して、適当な電圧の直流に変える。まだ、十分な
電流を得るだめ、単セルを並列に接続する。

レドックスフロー電池の単セルは、このように、直列、
並列に多数接続されなければならない。縦横（でなるだ
け隙間ができないように並べるために従来のント°ツク
スフロー電池の単セルは、薄い四角形平板状であった。

グラファイトの電極を使う事が多いが、４角形薄板の２
枚のグラファイトの間に、多孔質カーボン繊維電極と隔
膜とを挾みこんだものを単セルとする。一方のグラファ
イトが正極、他方のゲラファイトが負極になる。カーボ
ン繊維電極は正極液、負極液が通過する。カーボン繊維
電極中を流れる間に電解液は酸化、還元反応を受ける。

ところがこのような構造の単セルは、充放電効率が良く
ない、という事が分ってきた。

第７図、第８図は従来の薄形四辺形状の単セル内の電解
液の流れを示す平面図である。

第７図の例は、単セル５００対辺の真中に、電解液（正
、負極液）の入口５１、出口５２があるものを示す。電
解液は多孔質カーボン繊維の中を流れる。

しかしながら、単セルは長方形でしかも薄いから、内部
で澱み領域５３が生ずる。中央の通り易い部分だけを、
電解液が通過するようになる。（斜線を付１−だ）澱み
領域５３の中にも電解液は浸透しているが、動かないの
で、反応に寄与しない。

結局、電池の実効的な体積が減少しだのと同じことにな
る。

第８図に示す例は、単セル５００対角線上に電解液の入
口５１、出口５２を設けたもので、他の対角隅に澱み領
域５３が生ずる。

さて、従来のレドックス７０−電池は、単セルを厚み方
向に何枚も重ねて、集合セルとしていた。

長いボルトを厚み方向に通して、単セルをひとつに固定
する。

この場合、隣接する単セルの間にはパツキンを挾むよう
にするが、それでも液洩れがある。

この他（でも、集合セルが大型化しすぎて、持ち運びに
不便である、という難点がある。

さらに、何本もの長いボルトとナツトで集合セルを構成
するので、組立て、分解が不便である、という欠点もあ
る。

（つ）目　的 本発明の目的は、セル内で電極液が均一に流れ、反応体
積を実効的に高めたレドックスフロー電池のセル構造を
提供することである。

（１）構　成 本発明のレドックスフロー電池のセル構造は、（１）円
筒状の外電極と、 （２）外電極の内側に設けられる円筒状の隔膜と、（３
）隔膜の内側に外電極と絶縁されて設けられる内電極と
、 （４）内電極の内部に設けられる補強芯材ど、（５）外
電極を被覆する外膜と、 （６）外電極に接触する外端子と、 （７）　内電極に接触する内端子と、 より構成され、 （８）外電極、内電極が正極又は負極のいずれかにそれ
ぞれ対応するように、 している。

外電極１は円筒状で、カーボン繊維のよう（で多孔質で
導電性のあるものを巻いたものである。隔膜２は、正イ
オン（例えばＨ＋イオン）又は負イオン（例えばＣｎ−
）のみを通すイオン交換膜である。

内電極３も円筒形状である。カーボン繊維などを数回、
渦巻状に巻いて、厚みをもたせる。これは電極を大きく
し、反応面積を増やすためである。

正負電極は、内、外の電極のいずれに対応させてもよい
。この例では、外電極１が正極に、内電極３が負極にな
っている。この逆でも差支えない。

（オ）実施例 本発明のレドックスフロー電池のセルは、長方形薄板状
ではなく、円筒形状である。正、負極及び隔膜を同心円
状に配置し、中心に補強のだめの芯材を挿入した形状と
なっている。

第１図は本発明の実施例に係るレドックスフロー電池の
単セルの縦断斜視図である。第２図は縦断面図、第３図
は第２図中の■−■断面図である。

単セルは、外電極１、隔膜２、内電極３を、外周から中
心に向って互（（同心円状に配置したものである。この
図は長手方向には縮少して、半径方向には拡大して描い
である。

電極は、抵抗をより低く下げる必要がある場合は、カー
ボン粉、グラファイト粉など導電性があって腐蝕しない
粉体を加えるとよい。

内電極３のさらに内部ては、補強芯材４を挿入しである
。これは硬質プラスチックなどの丸棒である。

電極１．３、隔膜２の寸法は、任意に目的により決定す
ればよい。−例を記すと、外電極１の外径が０．８６Ｉ
ｎφ、内径が０．６６ｍφ、隔膜直径が０．６　ａｍφ
、内電極３の外径が０６−φ（隔膜の厚みは無視できる
ほど薄い）内径が０．３ヒφとしている。電極の長さは
２５６Ｉｎである。

外電極１の外側には、外膜５が設けられ全体を被覆し−
ｃいる。多孔質ポリテトラフルオルエチレン製の膜（ボ
アフロン：商標名）々どが適する。

外膜５Ｉ″ｉ外電解液（この例では正極液）を通さなけ
ればならない。

外電極１には導体の外端子６（この例では正極端子）が
接触しており、内電極３には内端子７（この例では負極
端子）が接触している。外端子６は絶縁体１６によって
外電極１と絶縁される。絶縁体１６はプリント基板１０
の一部を延長したものでもよい。

外電極１と内電極２へは、電解液が流入し、流出するよ
うになっている。これは円筒の軸に沿う流れとなる。こ
のだめ、内電極２に対しては、上下に円錐形状の出入口
円錐８．８が設けである。

出入口内ｆ＆　８．８の先端の細径部が内電極３の上下
端に差込んである。先端細径部の側壁には、多数の流入
口９．９・・が開口している。

出入口円錐８から供給された内極液（この例では負極液
）は、入口側１４から、流入口９を通って内電極３の多
孔質体の中へ入る。内電極３を軸方向に通り抜けた内極
液は出口側１５の流出口９′を通って出入口円錐８の中
へ入り、外部へと導かれる。

外電極１に接触している外端子６及び内電極３に接触し
ている内端子７を、隣接するセルに接続するだめ、プリ
ント基板１０が、外電極１の端面近くに、水平に設けら
れる。

プリント基板１０の上下は、電解液とプリント基板とを
絶縁するための絶縁体１１．１１が設けられている。

外膜５の外側には、外極液（ここでは正極液）があって
、入口１２から出口１３へ向って流れている。外極液は
外膜５を透過して外電極１の中へ入り、電極中を流れ、
外電極１から流出する。

以上が単セルの構造である。電解液は、円筒の軸の方向
に流れる。また、流れは円筒上に於てほぼ均等であるか
ら、澱み領域は生じない。

このよう々単セルは、容易に集合セルに構成することが
できる。長いボルトや、ナツトを必要としない。

第４図は単セルを集合セルにした状態を示す斜視図であ
る。円柱状になった単セルを、軸が平行になるよう、同
一水平面上に、縦横行列をなすよう並べる。

集合セルは、単セルの長さよりも大きい深さを持った集
合槽１８の中に、前記のように、縦横に複数の単セルを
並べたものである。

集合槽１８の中に、絶縁体１１．１１を支持体として、
単セルを支持する。板状の絶縁体１１は、単セルを玉子
両端に於て支持すると同時に、集合槽１８を上、中、下
の三領域に分割している。

中間の領域には、外極液（ここでは正極液）が入口１２
から供給され、出口１３から排出されるようになってい
る。充電と放電とでは、外極液の流れは逆になる。

上、下には、内極液が供給され排出される。上領域に内
極液が流入すると出入口円錐８から、単セルの内電極３
へと入ってゆく。自重Ｗ１３を軸方向に通過した内極液
（ここでは負極液）は、下領域に排出されここから外部
へ出てゆく。このため上領域に内極液出入管２０．２１
が設けである。

単セルの外端子６、内端子７はプリント基板１０の配線
パターンによって任意に直列、並列接続することかでき
る。

第５図は集合セルの端子接続例を示す平面図である。こ
れは、２つづつの隣接した単セルを直列につなぎ、これ
をさらに並列に接続した例を示している。導体パターン
１９により、接続の懲様はどのようにでも決定できる。

導体パターン１９は上下から絶縁体で被覆されており、
電極液には接触しない。

この実施例では、外電極１を正極に、内電極を負極にし
たが、この逆でも差支えない。

電解液は使用するイオンに応じて、塩酸、リン酸、ピロ
リン酸溶液などが使用できる。電解液とイオンの組合わ
せは公知であり、以下のいずれでも差支えない。

（ａ）　塩酸溶液を使うもの Ｆｅ　（３／２）、　０ｒ（２／３） Ｆｅ（３／２）、　Ｔｉ（３／４”＋ （ｂ）　リン酸溶液を使うもの Ｍｎ　（３／２）、Ｃｒ（２／３） Ｍｎ（３／２）、　Ｃｕ　（１／２） Ｃｒ　（６／３）、Ｃｒ　（２／３） （Ｃ）　ピロリン酸を使うもの Ｍｎ　（３／２）、Ｃｒ　（２／３） Ｃｒ（６／３）、Ｃｒ　（２／３） ここで、に）内の数字は酸化還元反応のイオン価数の変
化を示している。

Ｃ力）効　果 （１）本発明のセル構造は、正極、負極液とも、円筒形
の外電極、又は内電極の中を、軸方向に流れるので、流
れが均一になる。澱み領域が生じない。円筒形の方が薄
い長方形のセルよりも対称性が高いからである。

（２）反応面積が実効的に増大するので、電池効率が向
上する。

（３）液もれの心配がない。

集合セルにした場合、全体を集合槽の外へすっぽり挿入
できるからである。

（４）組立てが簡単〒ある。

長いボルトなどを多数必要としない。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例に係るレドックスフロー電池の
単セルの縦断斜視図。 第２図は同じ単セルを集合槽内に設置した場合の縦断面
図。 第３図は第２図中の１１１１−ＩＩＩ断面図。 第４図は単セルを集合槽内に縦横にならべて、集合セル
としたものの斜視図。 第５図は集合セル中の外端子、内端子の導体パターンに
よる接続例を示す平面図。 第６図は公知のレドックス７０−電池の電力貯蔵システ
ム図。 第７図は従来のレドックスフロー電池の単セルで対辺の
中間に液の出入口が設けられたものの中に於ける電解液
の流れを示す平面図。 第８図は従来のレドックス７０−電池の単セルで対角隅
に液の出入口が設けられたものの中に於ける電解液の流
れを示す平面図。 １・・−・・・外電極 ２　・　・隔　膜 ３・・・・　内電極 ４　・・・・補強芯材 ５　・・・・・・　外　膜 ６　・・・外端子 ７　・　−内　端　子 ８　・　出入口円錐 ｇ、９′　・・　−流入口、流出口 １０−　プリント基板 １１・・−−絶縁体 １２　−　外極液入口 １３・・・　・　外極液出口 １４　内極液入口 １５・・・−内極液出口 １８・・・・集合槽 ２０　・　−内極液出入管 ２１・　内極液出入管 発　明　者　深　萱　正　入 電　松　敏　夫 近　藤　守 −Ａ＾７−

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 正極と負極とを隔膜によって分離し、正極に正極液を、
   負極に負極液を供給し、両極に於て可逆的に酸化還元反
   応を行わせ充放電するレドックスフロー電池に放て、円
   筒状の外電極１と、外電極１の内側に設けられる円筒状
   の隔膜２と、隔膜２の内側に外電極１と絶縁されて設け
   られる内電極３と、内電極３の内部に設けられる補強芯
   材４と、外電極１を被覆する外膜５と、外電極１及び内
   電極２に接触する外端子６、及び内端子７とより構成さ
   れ、外電極１、内電極３が正極又は負極に対応するよう
   にした事を特徴とするしＦツクスフ０−電池のセル構造
   。