JPS6037652A

JPS6037652A - 電解液流通型集合電池

Info

Publication number: JPS6037652A
Application number: JP58147229A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Nozaki; 健野崎
Original assignee: Agency of Industrial Science and Technology
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 1983-08-11
Filing date: 1983-08-11
Publication date: 1985-02-27

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】できるようにした例えば、レドックス・フルー型集合電
池等の電解液流通型集合電池の構造に関する。

電力は各種のエネルギーへの変換が容易で制御し易く、
消費時の環境汚染がないので、エネルギー消費に占める
割合は年毎に増加している。

電力供給の特異な点は、生産と消費が同時に行われるこ
とである。この制約の中で、電力消費の変動に即応しな
がら、一定周波数、一定電圧の質の高い電力を高い信頼
性で送ることが、電力技術の環境である。そして実際に
は、出力は変えにくいが効率の高い原子力発電や新鋭火
力発電を、方るべく最高効率の定格で運転し、−力覚力
消費の変動に応じて発電を行うのに適した水力発電等で
、昼間の大きな電力需要の増加をまかなっている現状で
ある。

このため、経済性の良好な原子力発電や新鋭火力発電に
よる夜間余剰電力を揚水発電によって貯蔵しているが、
揚水発電の立地条件は次第に厳しくなっている。

以上のような実情から環境汚染がなく、シかモ汎用性の
高いエネルギーである電力を貯蔵する方法として各種の
２次電池が研究され、この中でも特にレドックス電池が
注目されている。

この原理の概要について、第１図、第２図を用いて説明
する。

第１図はレドックス電池を用いた電力貯蔵システムの充
電時の状態を示し、第２図は同じく放電時の状態を示す
。

これらの図において、ｌは発電所、コは変電設備、３は
負荷、グはインバータ、Ｓはレドックス電池で、タンク
６αｒ’ｂｙ７（Ｌ＋７ｂとポンプＫ。

？および流通型電解槽１０から構成される。

流通型電解槽ＩＯは正極／／と負極／コ、および両電極
間を分離する隔膜１３とを備え、隔膜／３で仕切られた
左右の室内には正極液／ｌ／−１負極液１５が収容され
、正極液／１１．とじては例えばｐｃイオンを含む塩酸
溶液が用いられ、負極液／Ｓとしては例えばｑイオンを
含む塩酸溶液が用いられる。

以上の構成において発電所／で発電された変電設備コに
送電された電力は適当な電圧に変圧され、負荷３に供給
される。

一方、夜間になシ余剰電力が出ると、インバータｌによ
り夕直変換を行い、レドックス電池５に充電が行われる
。この場合は、第１図に示すようにタンクＡｂから６α
へ、タンク７ａからりｂヘボングｇ、デで正、負極液／
ｌＩ、ｌ！を徐々に送りながら充電が行われる。正極液
／ｑにＦｅイオン、負極液／！ｒにＣτイオンを使用す
る場合、流通型電解槽ＩＯ内で起る反応は下記箱（１）
〜（３）式中の充電側の反応となる。

このようにして、電力が正極液／ｌ１１負極液／Ｓの中
に蓄積される。

次に、供給電力が需要電力よりも少ない場合は、第２図
に示すようにタンクｔαから６ｂへ、タンク７ｂからり
αヘボンプｇ、？で正、負極ｆｔｔｌＩ。

／Ｓを徐々に送りながら（１）〜（３）式中の放電側の
反応によシ放電が行われ、インバータｑにより直交変換
が行われ、変電設備λを介して負荷３に電力が供給され
る。

レドックス電池を用いた電力貯蔵システムは以上の説明
の通シであるが、実際には上記のレドックス・フロー型
電池は複数個のセルを直列接続して集合電池とし、この
集合電池をまた複数個直列および／または並列接続する
ことによシ、所要の電圧で、かつ所要の容ぢ−のものを
得ている。

ところで、このような集合電池の流通型電解槽の問題点
社、（１）各セルの特性が等しいこと。そのためには各セル
の電解液供給量が等しい必要がある。

（２）直流制電圧設計にすること。そのためには主配管
を集合電池の接地側に接続する必要がおる。主配管が接
地されていないと、タンク、ポンプなどの腐食防止、直
流絶縁などが困難になる。

（３）電解液を流動させるポンプ動力を小さくすること
。

（４）　シャントロスを抑制すること。等におる。

ところが、従来のレドックス・フロー型集合電池の構造
では（１）〜（４）の要件を全て満足するようなものは
見出されていない。

そこで、本願発明者等は先に、下記のようなレドックス
・フロー型電池の配管方法を提案した（％願昭５６−６
５６５４号）。

これを第３図に従って説明すると、２０に、２０Ｂは流
通ｍＮ解槽ユｌα〜コ／ｎのｎ個から構成される一対の
集合電池で、各流通型電解槽コ／ａ〜−／ｎは各々正極
液室ココと負極液室コ３、および画室を仕切る隔膜２ダ
と、更に正極液室−２内には正極２左、負極液室コ３内
には負極、２乙とを有する。

彦お集合電池：ｌＯＡと２０Ｂはこの実施例ではそれぞ
れ対応する流通型電解槽、２１ａ、〜”ｎ１２１（Ｌ〜
２／、を対向させて配置され、且つ集合電池ＪｏＡと２
０Ｂで構成される集合電池の一端は負極端子コクとして
接地され、また他端は正極端子バとする。

一方コ９，３０は負極端子、２７側に設けられた正極液
供給主配管と正極液排出主配管、３／、３２は上記各流
通型電解槽ユｌα〜、２／？Ｌ、　２／ａ−２Ｉｎの正
極液供給配管、ｌ？Ｊ、Ｊダは上記各流通型電解槽、２
／ａ〜ユ／ｎ、、２１α〜コ／ｎの正極液排出配管であ
る。

正極液供給配管Ｊ／と３コは高電圧側ｐ、　、　ｐｆで
接続されるとともに、正極供給配管３／の接地側は正極
液供給主配管２９に接続される。更に、正極液排出配管
、ｊ３　、３１Ｉはそれぞれ高電圧側Ｐｔ、Ｐ’ｓで接
続され、正極液排出配管３１Ｉの接地側は正極排出主配
管３０に接続する。

また３！；、、３Ａは正極液供給配管啄、正極液排出主
配管３０と同様に、負極端子２７側に設けられた負極液
供給主配管と負極液排出主配管、３７゜３ｇは上記各流
通型電解槽２／α〜コ／ｎ、　ユ／（Ｚ−コ／７１の負
極液供給配管、３９．ＱＯは上記各流通型電解槽２１α
〜２１ｎ、　２１α〜２１ｆＬの負極液排出配管である
。

負極液側も同様にして、負極液供給配管３９゜４１ｏが
高圧側で接続され、負極液供給配管３デは負極液供給主
配管３３に接続される。また負極液排出配管Ｊ９　、　
ｌＩＯは高電圧側で接続され、負極液排出配管ｑｏの接
地側は負極液排出主配管３６に接続される。

このように、２個の集合電池、ＺＯＡ、ＩＯＢを組合せ
て配管すると、それぞれの集合電池２０Ａ、−〇Ｂにお
ける各流通型電解槽２１α〜コｌｒＬ、、コ／ａ〜コｉ
ｎの正、負極液の供給、排出側配管の長さを等しくでき
、しかも各主配管−タ、３θ、３６．８への各配管３／
、３λ、　３．３　、　Ｊケ、８．３＆、３９，１１０
の接続を接地側で実施できるため、各セルの特性を等し
く、且つ直流耐電圧設計にすることができる。

しかし、上記の配管方法では前記（３）電解液を流動さ
せるポンプ動力を小さくすること。及び（４）シャント
ロスを抑制すること。は依然として解決されていない。

一方（３）　＋　（４）の問題解決のために、伊藤等の
研究がある（化学的エネルギーの研究、昭和５７年度研
究成果報告書）。

このなかで、第４図に示すようなスタックのフローシス
テムにおいてＨ＝２４、Ｗ＝１８．６＝０．１　、Ｌ　
＝　０．７　の七ルＮ榴を積層してスタックを構成した
とき、１槽当り平均流量Ｑを流すに必要なマニホルドの
最小径りの関係が示されている。

そして、ａ＝０．７（一定）の下で次の相関式を示して
いる。

Ｎ　＝　２０，３　Ｑ−０，ｆｉ　［）Ｌ１２　αａ？
！　（ＨＡＩ）　＆Ｈ６、、、（５）この式は有次元で
、Ｑ　（ｍｌ／ｘ＝ｔｘ、　ｃｅｌｌ　）ｆ）　Ｃｃｍ
〕ａ〔１／ｃｒｎ〕、またはセルの形状ルＷには依存す
るが、電極面積ＨＸＷには依存し々いことを示している
。

一方スタックの各槽内の流量Ｑ（→はスタックの両端部
で大きく中央部で小さい。この不均一性は槽数Ｎが多い
ほど、マニホルド径りが小さいほど、炭素クロスの流体
抵抗（α）が小さいほど、大きくなる。Ｄを大きくすれ
ば、６槽の流量は、均一化され、ポンプ動力も小さく々
る。しかし、マニホルドを通してシャントロスはＤ２に
比例シて大きくなる。シャントロスが大きくなる時には
、マニホルドの両端（Ｎ／１ｏ）の口径のみ小さく設計
すれば、ポンプ動力の増大もなくシャントロスを抑制す
ることができるとの提案がなされている。

しかし、以上のように配管の両端の口径のみを／」・さ
くした場合には、電解液の給液側配管の流入口及び排出
側配管の流出口である配管において流量が増大し１、太
＠外流体圧を受けるため、配管内における電解液の流速
が不均一になる。

このため、各電解槽に電解液が均一に分配されなかった
り、或はシャントロスを生ずる等の不都合がある。

そこで、本願発明者等は、上記実情に鑑み各電解槽に電
解液が均一に分配されなかったり、或はシャントロスを
生ずる等の不都合を！ｉＩ′決するために鋭意研究の結
果、レドックス・フロー型集合電池において上記電解液
供給管の中央に拡径部を形成し、該拡径部に電解液の流
入口を形成することにより、上記のような不都合を解決
できることを見出したものである。

即ち、上述の伊藤等の提案のように電解液の供給配管の
中央に拡径部を形成し、該供給配管の端部より電解液を
流入した場合には、配管の端部において可成り大きな流
体圧を生ずるが、この発明のように拡径部中央に電解液
の流入口を設け、これより配管内に電解液を流入するよ
うにすれば、電解液は大きな流体圧を受りること〃く配
管内に流入させることができる。しかも配管終端付近で
は、配管内の流量は減少するので、配管を細くしても何
等支障はない。したがってシャントロスを生ずることな
く各電解槽に電解液を均一に分配させることができる。

この発明を、第６図に示したレドックス・フロー型集合
電池における正極液供給配管３／の中央に拡径部３／ａ
を設けた実施例について説明すると、該拡径部３／の中
央には電解液の流入口３／ｌ）を設け、該流入０．３／
ｉ）を正極液供給主配管、２９に接続する。

そして正極液供給主配管コワの正極液は、拡径部３／α
の中央に設けられた流入口３１ｂより拡径部３／α内に
流入し、該拡径部３／αより両端付近の管径の小さな配
管部分、３／ｃ、３／ｃに供給されるため、管の小さな
配管部分３／ｃ、　３／ｃにおいても太きガ流体圧を生
ずることなく、シたがって正極液の供給配管３／内にお
いて大きなシャントロスを生ずることなく、マた供給配
管３／に供給された正極液を各枝管を通して各電解槽２
１α〜２Ｉｎの各々の正極液室２．２．・・・　に均一
に供給することができる。

以上の実施例では、正極液供給配管３／について説明し
たが、他の正極液供給配管３２及び負極液供給配管、３
’ｌ、３ｇについても同様に構成することによシ、大き
なシャントロスを生ずることなく、且つ電解液を各々の
電極液室に均一に供給することができる。

また正極液排出配管３３．３’ｌ、負極液排出配管３９
．４１０の中央に拡径部を形成し、該拡径部の中央に電
解液の流出口を設けるようにしてもよい。

また集合電池が大型化１〜で正極液供給配管３／。

３．２及び負極液供給配管３７．３ｇの長さが長くなる
場合には、拡径部をその長さ方向に沿って一定間隔を置
いて複数個設け、該拡径部それぞれに電解液の流入口を
設ければよい。

更に正極液排出配管３３．．３’ｌ及び負極液排出配管
３９，１１．０についても、上述の電極液供給配管と同
様に拡径部を形成することにより、上記供給配管に拡径
部を設けた場合と同様な効果を期待するととができる。

なお本願発明者等の研究によれば、上述のような電解液
流通型集合電池において電解液の供給配管と排出配管に
、それぞれ電解液の流入口と流出口を有する拡径部を形
成する場合、′ｒＰＬＭ液の供線配管の供給口の端部が
電解液の排出配管の中央部に位置させるようにすれば、
シャントロスを抑制し、更に電解槽には均一に電解液を
供給することができるのである。

即ち、以上のように構成することにより例えば供給配管
内で電解液の流速が不均一となるような場合にも、この
不均一な流れはこれと非対称に設けられた排出配管によ
シ是正される。

したがってシャントロスが抑制さ力、ると同時に、各電
′Ｍ槽に均一ガミ留液を供給することができる。

これを図示の実施例で更に具体的に説明すると、第７図
はレドックス・フロー型集合電池において流通型電解槽
２／ａ　＝　、２／ｎの長さ方向に沿って正極液供給配
管Ｊ／、・・・を設け、且つ該正極液供給配管３／、・
・・の中央には拡径部３／α、・・・を形成し、また該
拡径部３／σ２．・・の中央に電解液の流入口３１ｂ、
・・・を形成し、一方上記流通型電解槽２／ａ　−，２
／７Ｌの他側には長さ方向に沿って正極液排出配管３３
．・・・を設け、且つ該正極液排出配管３３、・・・の
中央に拡径部３３α置を形成し、また該拡径部、３３ｃ
Ｌ、・・・の中央に′ｇｉ解液解散出口３３ｂ、・・・
を形成する。

そして以上の正極液供給配管３／からはその長さ方向に
沿って複数の正極液供給枝管３１，１．・・・を設け、
該枝管３／ｄ、・・・を流通型電解槽、２／α〜λ／１
Ｌの正極室ココ、・・・の−側に接続し、また正極液排
出配管３３からはその長さ方向に沿って複数の正極液排
出枝管３３ｄ、・を設け、該枝管３３ｄ、・・・を上記
正極室ユ２．・・・の他側に接続するとともに、上記正
極液供給枝管ａｉｄ、・・・のうち少なくとも一方の端
部供給口３／ｅが正極液排出枝管３３ｄ、・・・の中央
の供給１’：Ｊ３３ｅに対応するように配置するもので
ある。

以上の構成において、この実施例では正極液供給主配管
２９からは正極液供給配管３／と略平行に配管２９ａ５
を設け、該配管、２．９ａからは、それぞれ正極液の流
入口３１ｂ置に接続される枝管、２９ｂ。

・・・を設け、枝管２９ｂ、・・・より正極液を正極液
供給配管３／に形成された拡径ａ　３／ａ　ｒ・・・に
供給する。

一方正極液排出主配ｇ３θからは正極液排出配管３３と
略平行に配管３０αを設け、該配管３３σからはそ九ぞ
れ正極液の流出口３３ｂ、・・・に接続さノ］。

る枝管３θｂ、・・・を設け、正極液を正極液排出配管
の拡径部３３α、・・・に形成された流出ＩＴ１．？Ｊ
Ｊ・・より排出される正極液を枝管３３ｂ、・・・、配
管、３．３０を通ｌ、て正極液排出主配管３０に戻すよ
うにしである。

以上のような構造において、流入口３１ｂ、・よシ供給
された正極液は正極液室２コｖ、ｙｉより電解槽の正極
液室２コ、・・・内に供給され、また正極液室ココ、・
・・より排出された正極液は正極液排出配管３３を通っ
て拡径部３３α、・・・に形成された流出口３３ｂ、・
・・より排出されるが、この場合正極液供給配管３／と
排出量ｇａ３とは拡径部３／α、・・・と拡径部３３α
、・・・とは以上のような関係で設けられているため、
例えば正極液供給配管３／内で電解液の流速が不均一と
なっても、正極液排出配管３３により上述の電解液の流
速の不均一は打消されて是正される。

更に以上のような構造にすると、正極液供給配管３／と
正極室ユ、・・・と正極液排出配管３３とを結ぶ正極液
の主な流れは、矢印に示すように、供給配管３／の拡径
部３／ａに供給された正極液が最短距離を通って上記拡
径部３／αと上記位置にある排出配管、３３の拡径部３
３αに流れ込む経路をとる。そして、この経路は１Ｌ解
槽２／ａ〜２Ｉｎいずれにおいても同一であり、経路差
が生ずることなく、シたがって電解液の供給に過不足が
生ずることはない。

これに対して正極液の供給配管３／と排出配管３３に設
けられる拡径部３１α、・・・と３３α、・・・を対称
的に配置すると、正極液は最短距離を通って正極液室を
通過するため、電解槽、２／ｃＬ−コ／ｎの端部におい
て他よりも長い正極液の流路が形成され、したがって正
極液の供給に過不足が生ずる。

なお、以上は正極液の、供給配管３１と排出配管３３に
ついて説明したが、他の正極液の供給配管３２とその排
出配管３ダ及び負極液の供給配管３７゜３ｇとその排出
配管３９　、３ｇについても全く同様に構成することが
できる。

一方第８図に示すように、上記集合電池の単電池を内部
に黒鉛板１１．／ｃＬを設け、外部にＰＶＣ等の枠材’
ｌ／ｂを設けたバイポーラ板Ｉｌ／、内部に炭素布４（
，２αを設け、外部にＰＶＣ等の砕料１．２ｂを設けた
正極板ｌ／、２、内部にイオン交換膜ｌ／、２ｃＬを設
けた隔膜板り３、内部に炭素布ｔｌＩαを設け、外部に
ＰＶＣ等の枠材１１．グｂを設けた負極板邦を積層して
構成し、これ等の単電池を２０〜５０セル集積して集合
電池を形成することが行われている。

そして、以上の構成では正極液供給配管３／、負極液供
給配管３り及び正極液排出配管３３、負極液排出配管３
９はバイポーラ板ケへ正極板ダコ、隔膜板り３、負極板
４１にそれぞれその対応する位置に設けられた孔３１ｚ
・・・、孔３７二・・・、孔３３Ｓ・・・、孔３９′。

・・・を互いに重ね合わせることにより形成されＺが、
以上のように集積さ九た集合電池においては、孔３／’
、　３７’、　、？、？’、　、７９’の径が規格化さ
れているため、前述のように配管３／、３り、３３．３
９の中央に拡径部を形成するのが極めて困難である。

この場合には同一径の規格化された配管内に両端より縮
径部材ｌＩｇ　、　ｑｓを挿入し、その先端間隙に拡径
部を形成するようにすれば、極めて簡単に、且つ経済的
に拡径部を形成することができる。

゛以上、レドックス・フロー涜の集合電池について具体
例を述べてきたが、この発明は電解液を流通させる形式
の集合電池について基本的、且つ共通のものである。

このため、レドックス・フロー型電池と同様に電解液を
循環させる必要のある亜鉛−塩素電池、亜鉛−臭素電池
、水素−塩素電池、水素−臭素電池などの二次電池およ
びメタノールあるいはヒドラジンなどの燃料を電解液に
溶解して供給する燃料溶解型燃料電池及び電解液循環形
−水素燃料電池についても同様な配管構造を有する電解
液流通屋集合電池を構成することが可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図はレドックス電池の動作原理説明図、第
３図はレドックス電池の従来の配管方法を示す図、第４
図はスタックのフローシステム図、第５図はＨ＝２４、
Ｗ−１８、ｂ　＝　０．１、Ｌ＝０．７のセルＮ槽を積
層してスタックを構成したとき、１槽当り平均流量Ｑを
流すに必要なマニホルドの最小径りの関係図、第６図は
本願第１発明の一実施例を示すレドックス電池の配管方
法を示す図、第７図は、本願第２発明の一実施例を示す
レドックス電池の配管方法を示す図、第８図は、レドッ
クス集合電池における単電池の構成例を示す斜視図、第
９図は、同上の実施例において配管内に拡径部を形成す
る一例を示す斜視図である。図中、コ／α〜：２／ｎは電解液流通型電解槽、３／。３２は正極液供給配管１．？、？、、？ダは正極液排出
配管、３７．３ｇは負極液供給配管１．３９．ｌＩＯは
負極液排出配管、３／α、　３３ａは拡径部、３１ｂは
正極液の流入口、３３ｂは正極液の流出口。第１図第２序１

Claims

【特許請求の範囲】

（１）電解液を複数個直列接続した流通型電解槽に電解
液供給配管を通して送液し、電解液排出配管を通して排
出し、電力を得る電解液流通型集合電池において、上記電解液の供給配管または排出配管の中央に拡径部を
形成し、該拡径部に電解液の流入口または流出口を形成
するようにしたことを特徴とする電解液流通型集合電池
。
（２）　上記電解液の供給配管または排出配管として同
一径のものを使用し、該配管内に縮径部材を挿入してそ
の中央に拡径部を形成する特許請求の範囲第１項記載の
集合電池。
（３）電解液を複数個直列接続した流通型電解槽に電解
液供給配管を通して送液し、電解液排出配管を通して排
出し、電力を得る電解液流通型集合電池において、上記電解液の供給配管と排出配管にそれぞれ拡径部を形
成し、該拡径部にはそれぞれ電解液の流入口、流出口を
形成するとともに、上記供給配管の供給口の端部が上記
排出配管の中央部に位置させるようにしたことを特徴と
する電解液流通型集合電池。
（４）　上記電解液供給配管、電解液排出配管として同
一径のものを使用し、該配管内に縮径部材を挿入して配
管内縮径部材を挿入して配管内に拡径部を形成する特許
請求の範囲第５項記載の集合電池。