JPS6069A

JPS6069A - 改良電池構造

Info

Publication number: JPS6069A
Application number: JP58107290A
Authority: JP
Inventors: Michikazu Murakami; 路一村上; Hironaga Matsubara; 松原　宏長; Toshio Shigematsu; 敏夫重松; Mamoru Kondo; 守近藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1983-06-15
Filing date: 1983-06-15
Publication date: 1985-01-05

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】（７）　技　術　分　野本発明はレドックスフロー電池の改良電池構造に関する
。

安定した電力供給を行うためには、電力需要（消費）に
合わせて、電力供給（発電）する必要がある。

電力需要は、昼夜によって異なり、週間、季間によって
も変動する。第２図は一日の電力需要の推移を例示する
グラフである。左半分は夜、右半分は昼の電力需要を示
す。

平均電力需要をＰａとする。昼間は、Ｐａより大きい電
力需要があり、夜間はＰａより小さい電力需要がある。

これは−日の変動であるが、−週間の範囲で考えても、
平日、体Ｈ１週末などにより、電力需要のパターンが異
なる。さらに、夏、冬の電力需要は、春、秋の電力需要
より大きい。

電力会社は、いかなる電力需要にも対応できるのでなけ
ればならない。そこで、電力会社は、常に、最大需要ｐ
ｍに見合った発電膜ＵＮを建設しておき、需要に即応し
て発電している。

しかし、昼夜間、週間、季間の電力需要差は、今後増々
増大してゆくことが予想される。

たとえ平均需要Ｐａがあまり増えなくても、最大需要ｐ
ｎ＋が増大するならば、新しく発電Ｖ備を建設してゆか
なければならない。

しかし、発電所の新設は、巨額の費用と長い年月を必要
とし、困難も多い。

電力を効率よく貯蔵できれば、オフピーク時（例えば夜
間）の余剰電力を貯蔵し、ピーク時に貯蔵した電力を放
出して、需要変動に対応することができる。これをロー
ドレベリングと言う。第３図はロードレベリングの原理
を説明する図である。波線は電力需要を示し、水平の実
線が発電量を示す。

発電量を一定とすると、夜間は発電量が需要を上まわる
ので、余剰電力を貯蔵Ｓする。昼間は、発電量が不足す
るので、不足分下を貯蔵電力Ｓの放出によって補う。

このようにすれば、平均電力需要に対応できるだけの発
電設備で足りることになる。発電所建設の負坦を軽減で
きるし、省エネルギーや石油代替の効果も大きい。

電気エネルギーはそのままの形では、貯蔵が困難である
。貯蔵可能なエネルギー形態に変換しなしすればならな
い。

電力貯蔵法としては、既に揚水発電が実用化されている
。これは、水の位置エネルギーという形態でエネルギー
を貯蔵する。しかし、揚水発電設備ｃコ、環境保全など
の観点から立地条件に制約があるし、、一般に遠隔地に
設置されるので、送変電ロスか伴う。

エネルギー変換ロスが少なく、立地条件に制約のない新
しい電力貯蔵技術の開発が急がれている。

（イ）従来技術とその問題点新しい電力貯蔵技術のＯ・どっとして、レドンクスフロ
ー（ＲＥＤＯＸ　ＦＬＯＷ　）電池の開発が進められて
いる。レドックス反応は、一方の反応物か酸化され、他
方の反応物が還元されることで、これが同時に行われる
。

二種類のイオン溶液を、隔膜によって仕切り、それぞれ
に電極を設ける。イオン溶液は別に設けたタンクと電解
槽の間をポンプによって循環できるようになっている。

電極間に電流を流すと、二種類のイオンが、それぞれ酸
化又は還元反応を受ける。原子価が変化したイオンは電
解槽からタンクへ送られて貯蔵される。

第４図によって、レドックスフロー電池の構成を説明す
る。

発電所１で発′亀された電力は、送電されて、変電設備
２を経て需要家３に供給される〇一部の電力は変換器４で、直流に変換され、レドックス
７０−電池５に与えられ、これを充電する。

発電量が不足する場合は、逆に、レドックス７０−電池
５が放電し、変換器４で交流に変換され変電設備２を経
て需要家３へ供給される０レドツクスフロー電池５は、二種類のイオンの水溶液を
収容した流通型電解槽６と、正極液を貯溜しておく正極
液タンク７、負極液を貯溜しておく負極液タンク８、正
極液、負極液を循環させるポンプ９．１０とよりなる。

電解槽６には、正極、負極の電極ｌＬ１２が浸漬しであ
る。正極液と負極液は隔膜１３によって仕切られている
。隔膜１３はイオン交換膜畝イオン、もしくは（Ｊ−イ
オンのみを通す。

この例では、正極液として、Ｆｅ３＋／／Ｆｅ坪塩酸溶
液、負極液としてＯｒ″／　Ｃｒ”十塩酸溶液を使って
いる。

電極は炭素繊維電極を用いている。

正極、負極での電池反応は、次式のよってある。

Ｅは標準酸化電位である。

正極：Ｆｆ″＋＋　ｅ　：　Ｆｅ２＋Ｅ　＝０．６Ｖ負
極：　Ｃｒ”　：　Ｃｒ”　＋　ｅ　Ｅ　−−０，４Ｖ
反応の方向が左から右へ向うのが放電、右から左へ向う
、のが充電反応である。

充電反応を説明する。変換器４から直流電流が止る。負
極では、電極１２から電子ｅが放出されＣｒ３’−が還
元されて、Ｃ「２＋になる。電気的中性を保つため＋に、隔膜１３を通り、Ｈイオンが正極から負極へと移動
する。（もしくはＣ４イオンが負極から正極へ）放電反
応はこの逆で、第４図には、放電反応を記した。放電反
応に於ては、Ｆｅ３＋とＣｒ２＋が、それぞれＦ゛♂±
、Ｃｒ３＋に還元、酸化される。これによって起電力が
約ＩＶの電池が実現する。

レドックスフロー電池に於て、タンク７．８の存在が極
めて重要である。

正極液タンク７はＦ♂十／　Ｆｅ”王水溶液を貯溜する
。

１タンクであっても良いが、２タンクに分けてそれぞれ
Ｆｅ２＋とＦｅ３＋とを分離して貯溜する方が良い。負
極液タンク８についても同じことである。

放電が終った時、正極液タンク１、には「ｅ２＋、負極
液タンク８にはＣｒ３＋のイオンのみが存在する。ポン
プ９．１０により、これらイオンの水溶液を電解槽６へ
導き、充電してゆくと、イオンはＦｅ３＋、Ｃｒ２＋に
変換され、それぞれのタンク７．８に貯溜される。

正、負極液タンク７．８が１タンクの場合、反応前と反
応後のイオンが混合されてタンク内に貯溜される。反応
が進むに従い、反応前のイオンが減り、反応後のイオン
が増える。

正、負極液タンク１．８がそれぞれ２タンクの場合（合
計４タンク）、反応前のイオンと反応後のイオンは混る
ことがない。

ポンプの負担が軽減され、反応の速度も速い。

タンクが反応後のイオン溶液によって占められるまで反
応を続けることができる。正、負極液タンクを大きくす
れば、より多くのイオンＦｅ３＋、Ｃｒ２十を貯溜でき
る。電解槽６の広さによって、電池容量が決定される他
の二次電池とは、この点に於て著しく異なる。タンクを
大きくすれば、いくらでも電池容量を大きくできる。

このように、単位容積あたりの電池容量を大きくできる
、という長所があるので、電力貯溜用にレドックス電池
が有望視される。

レドックス電池は、酸化数が２とおり以上ある金属元素
２種類と、両方のイオンを水溶液の状態で存在させるこ
とのできる溶液を組合せれば良いので、多くの種類があ
る。

０内は価数の変化を示している。

（ａ）　塩酸溶液を使うものＦｅ　（８／２）　、　Ｃｒ　（２／８）Ｆｅ　（３／
２）　、　ＴＩ　（３／４）（ｂ）　リン酸溶液を使う
ものＭｎ　（８／２）　、　Ｃｒ　（２／３）ｒＶｉｎ　（
３／２）　、　Ｃｕ　（１／２）Ｃｒ　（６／３）　、
　Ｃｒ　（２／３）（Ｃ）　ビロリン酸溶液を使うものｒＬＱｎ　（３／２）　、　Ｃｒ　（２／３）Ｃｒ　（
６／３）　、　Ｃｒ　（２／３）などが有る。

電池１単位分の起電力は、イオンの組合せによるが、１
ボルト程度で、低い。必要な電圧を得るには、単セルを
適当数、直列に接続しなければならない。

このため、従来のレドックスフロー電池は、薄い単セル
を厚み方向に重ねて集合セルとし、集合セルをいくつか
並列に接続して、電池構造を構成していた。

第５図はレドックス電池の単セルを構成する部材の分解
斜視図である。

Ａは正極板、Ｂは隔膜板、Ｃは負極板、Ｄはバイポーラ
板である。それぞれ同一縦横寸法の板であって重ね合わ
すことができる。正、負極板Ａ。

Ｃの中央の空間には炭素繊維電極１１．１２が固定され
ている。隔膜板日の中央には隔膜１３が設けである。正
極板Ａは、隣りの単セルのバイポーラ板りに接触する。

このように、単セルを重ね合わせて集合セルを作る。

それぞれの板Ａ％　Ｂ、Ｃ，Ｄには、４個の溶液通し穴
１６、・・・・・・が重ね合せ方向同一対応位置に穿孔
されている。板が重ね合された場合、溶液通し穴１６、
・・・は、正極、負極へ溶液を導入し、排出するための
通路を構成する。

この例での各板のイみを示す。

正極板Ａは１ｍｍ、隔膜板Ｂは０６５ｍｍ、負極板Ｃは
１ｍｍ、バイポーラ板は３　ｍｍである。単セルの厚み
はこれらの合計で５．５ｍｍである。

第６図は従来のレドックス電池構造を示す。

レドックス電池構造は、ｎ個の単セルを重ね合せて一体
化した集合セルＧをｍ個並列につなぎ、集合セルＧ１、
・・・・・・Ｇｍの両端から正端子、負端子をとりだし
たものである。

集合セルＧ１は、単セルＵ１、Ｕ２、・・・・・・Ｕｎ
を長手方向に重ね合わせ、バイポーラ板Ｄｏで正極を閉
じた杉になっている。単セルＵｉは、正極板Ａｉｓ隔膜
板Ｂｉｓ負極板Ｃｉｓバイポーラ板Ｄｉよりなる。起電
力は単セルのｎ倍になる。

集合セルＧｊをｍ個並列に接続しているから、電流はｍ
倍になる。

正極液、負極液の流れは図示していないが、各集合セル
Ｇｊについて、４本のパイプが取りつけられて、溶液が
循環する。タンクは既に述べたように、正極液タンク２
個、負極液タンク２個を用いるのが望ましい。

溶液の流れ方向については、例えば特開昭５７−１８０
０８１　（公開１９８２年１１月５日）などの発明があ
る。これは、集合セル間の溶液の流れを工夫して、４本
の溶液主配管を接地電位に近づけ、主配管に高電圧が加
オつらないようにしたものである。単セルの配置につい
ては従来とおりである。

このような従来のレドックス電池構造は、次の欠点があ
る。

（１）　内部抵抗が大きい。

伯セルはバイポーラ板、電極、隔膜よりなる。

バイポーラ板はフェノール樹脂を含浸したグラファイト
板を用いているが、その抵抗が内部抵抗を上げる要因と
なっている。

（２）　セルのコストが高い。

バイポーラ板が高価てセルのコストを高＜シている。

（３）　セルが大きい。

バイポーラ板の嵩が大きいからである。極板Ａ、Ｃ，隔
膜板日に比してバイポーラ板りは厚いので、セルを肥大
化させる。

容積効率がよくない。

（つ）技術的課題バイポーラ板りの存在が、これら欠点の原因となってい
る。バイポーラ板を除くことができれば、これら欠点を
解決できる。

バイポーラ板りの役目は、正極と負極の間にあって、両
者を電気的に接続させることと、電解液をそれぞれの単
セルに封じこめることである。

単に液体を封じこめるのであれば、薄いプラスチックフ
ィルムでよいが、導電性がなければならないので、プラ
スチックは使えない。そこでグラファイト板にフェノー
ル樹脂を含浸して使っている。厚いのは、グラファイト
の機械的強度が小さいからである。

バイポーラ板が必要な理由は、単セルを厚み方向に重ね
て、電気的に正負極を結合しなければならない、という
事に起因する。

電気的に結合しなければならない単セルを厚み方向と直
角な方向に並べることとすれば、バイポーラ板を必要と
しないはずである。

厚み方向と直角な方向、つまり極板と平行な方向を長手
方向と定義する。

単セルを長手方向に並べることとすれば、バイポーラ板
は不要となる。

（：Ｃ）本発明の構成本発明の電池は、Ａ　正　極　板日　隔　膜　板Ｃ負　極　板Ｅ　長手方向絶縁隔壁Ｆ　導通隔壁Ｈ横絶縁隔壁を用い、縦横に単セル電池を正負の向きを交互に変えて
並べたものである。

第１図は本発明の電池構造を示す平面図である。

行列構造をなす電池を説明する。縦に並ぶ要素の群を列
といい、横に並ぶ要素の群を行と呼ぶ。

正極板、負極板は長手方向を行方向に、厚さ方向を列方
向に合致するよう並べる。

正極板、負極板は行、列方向ともに交互に並んでいる。

例えば１列目の配列は、上から下へ、正極、負極、正極
、負極、・・・・・・と配列されている。２列目は上か
ら下へ、負極、正極、負極、・・・と配列されている。

奇数列はＡ、、Ｃ，Ａ、Ｃ，・・・、偶数列はＣ，Ａ、
Ｃ，Ａ、・・・と並ぶわけである。

ｉ行ｊ列の行列要素をａ　＋　Ｊとすると、である。

２行ごとに集合セルＧ１、Ｇ２、・・・、Ｇ　が並べら
れている。集合セルＧ、　、Ｇ２　、、・・・、Ｇｍの
間に長手方向に端から端まで連続する長手方向絶縁隔壁
Ｅを設ける。

集合セルＧ１、Ｇ２、・・・は互いに分離しており、始
端、終端にリード線に、Ｌを共通に設けて、ひとつのレ
ドックスフロー電池にまとめ上げる。

各集合セルには、１個の単セルＵ１、Ｕ２、・・・、Ｕ
ｎが含まれる。これらは厚み方向にではなく、長手方向
に連続している。このためバイポーラ板を必要としない
。

単セルＵｉは正極Ａ１負極Ｃを隔膜日を間に挾んでいる
。これは従来のレドックス単セルと変わらない。

単セル同士の接続の形態が異なる。

単セルＵ１　、ＬＪ２　、・・・　は正極ハ、負極Ｃの
位置が互に反Ｓ＝＋になっている。つまり奇数番の単セ
ルＵ１、Ｕ３、・・・は正極Ａ１負極Ｃと列方向に並ん
でいるが、偶数番ｕ２　、Ｕ４・・・は負極Ｃ１正極Ａ
と列方向に並ｉ番単セルＵ、の負極は（ｉ＋１）番車セ
ルの止■ 極に接続されなくてはならない。１番目単セルの正極は
、（ｉ＋１）番車セルの負極と絶縁されなくてはならな
い。

そこで、１番単セルの負極、（ｉ→−Ｉ）番車セルの正
極の間は導通隔壁Ｆを設ける。１番単セルの正極、（ｉ
＋１）番車セルの負極の間には横絶縁隔壁Ｈを設ける。

これら隔壁Ｆ、Ｈの幅は電極板の厚みに等しい。

従って極めて小さな隔壁で良い。これによって増加する
体積は僅かである。さらに、導通隔９Ｆを省くこともで
きる。両電極の接触が十分てあれば、隔壁Ｆを省いても
差支えないからである。

結局、集合セルＧ、に於て、導通隔壁「と横絶縁隔壁Ｈ
とは行方向に上、下交互に並ぶことになる。

電流の流れは、従来の集合セルと異なり、左右に蛇行し
てゆく。

この例では、正極液、負極液の流れは図示していないが
、正極板、負極板１、隔膜板を貫いて溶液通し穴を作る
点は第５図に示す従来例と共通している。

第１図に示す配置で、（１）式により、正、負電極の配
列が決定されるのは、−例にすぎない。（１）式で行列
方向に、交互に、Ａ、％Ｃが並ぶものを表わしており、
もつとも規則的である。

しかし、２行ごとに集合セルＧ１、Ｇ２、・・・が構成
され、集合セル同士は長手方向絶縁隔壁Ｅによって仕切
られているのであるから、いくつかの集合セルの中の単
セルの配置は反転していても差支えない。

つまり、Ｇ、集合セルの単セルＵ、が負極Ｃ１正極Ａと
列方向に並び、Ｕ２が正極Ａ１負極Ｃと列方向に並んで
も差支えない。

（１）式をより一般化すると、集合セルＧ、に於て（ｋ＝２　ｉ　、２ｉ−１）又はとなるよう、いずれか一方に決めれば良い。

結局、本発明のレドックス、フロー電池の構造は（１）
正極板Ａ１隔隔膜板、負極板Ｃよりなる単セルＵ、を、
正負極の配置が厚み方向で交互に変化するよう長手方向
に並べ、（２）　隣接する単セルＵｉ、Ｕｉ＋１の間には、導通
隔壁Ｆと横絶縁隔壁Ｈを交互に設け、Ｕ、の負極とｕｉ
＋ｔの正極が導通し、Ｕｌの正極とＵｉ＋１の負極が絶
縁されることとし、（３）　一連の単セルＵ１、Ｕ２、・・・、Ｕｏよりな
る集合セルＧ１　、Ｇ２　、・・・、Ｇｒｎを長手方向
絶縁隔壁Ｅによって互に絶縁し、厚み方向に重ねてなる
。

け）実施例正極板、負極板にＰＡＮ系カーボンクロス（日本カーボ
ンＧＦ−２０）を用いた。隔壁（絶縁）として、ポリプ
ロピレンを溶融しなものを用いた。

隔膜はイオン交換膜（旭ガラス製陽イオン交換膜、セレ
ミオンｃｉｖｉｖ（商品名））を使用した。

正極液として、ＦｅＣｌ２１モルを溶した４Ｎ−＋ｌ（
Ｊ溶液、陰極液としてＣｒＣｎ３１モルを溶した４Ｎ−
ＨＣＩ溶液を用いた。

これを使って集合セルを作成し、充電放電実験を行った
。

体積は従来例に比して３０％減少した。しかし、充放電
反応は従来と同じように行われた。内部抵抗は従来例よ
り小さかった。

（力）　効　果バイポーラ板を必要としないので、セルのコストが低減
する。

バイポーラ板がないので、セルの寸法がより小さくなる
。セルの構成中、バイポーラ板が最も厚い部材であった
から、これを省くと、著しく体積が減少する。重量も少
くなり扱いやすい。

バイポーラ板による内部抵抗の問題も解決される。より
効率のよい安定した電池として機能する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の改良電池構造を示す平面図。第２図は昼、夜に於ける電力需要、発電量の変動、を示
すグラフ。第３図はロードレベリングの原理を説明するため昼、夜
に於ける電力需要（破線）、発電量（実線）を示すグラ
フ。第４図はレドックスフロー電池を電力貯蔵に使用した時
の貯蔵供給システム図。第５図はレドックスフロー電池の構成部品の分解斜視図
。第６図は従来例に係るレドックスフロー集合セル平面図
。１　・・・・・・・・・　発　電　所２　・・・・・・・・・　変電設備３　・・・・・・・・・　鼎　要　家４　・・・・・・・・・　変　換　器５　・・・・・・・・・　レドックスフロー電池６　・
・・・・・・・・　流通型電解槽７　・・・・・・・・
・　正極液タンク８　・・・・・・・・　負極液タンク９．１０　・・・　・・・　ポ　ン　プ１１　・・・・
・・・・・　正　極１２　・・・・・・・・　負　極１３　・・・・・・・・・　隔　膜Ａ・・・・・・・・・正極板Ｂ　・・・・・・・・・　隔　膜　板Ｃ・・・・・・・・・　負　極　板Ｄ　・・・・・・・・・　バイポーラ板Ｅ　・・・・・
・・・・　長手方向絶縁隔壁Ｆ　・・・・・・・・・　
導通隔壁Ｈ・・・・・・・・・　横絶縁隔壁Ｇｌ　ｒ　ｃ＋２・・・・・・　集合セルＵ１．Ｕ２・
・・・・・　単　セ　ル発　明　者　村　上　路　− 松　原　宏　長重　松　敏　夫近　藤　守第２図夜　麗第３図夜　麗

Claims

【特許請求の範囲】

正極板Ａと負極板Ｃを隔膜板日によって分離し正極板へ
には正極液を、負極板Ｃには負極液を供給し正極、負極
に於て同時に酸化還元反応を可逆的に行わせることによ
り充電放電を繰返すレドックスフロー電池に於て、正極
板Ａ１隔膜板Ｂ１負極板Ｃよりなる単セルＵ１を、正負
極の配置が厚み方向で交互に変化するよう長手方向に並
べ、隣接する単セルＵｉ１Ｕ１＋１の間には導通隔壁Ｆ
と横絶縁隔壁Ｈを交互に設け、Ｕｉの負極とＵ１＋１の
正極が導通し、Ｕｉの正極と、Ｕｉ＋１の負極が絶縁さ
れるようにし、一連の単セルＵ１、Ｕ２、・・・・・・
・・・Ｕｎを長手方向に並べてなる集合セルＧ□、Ｇ２
、・・・・・・・・・Ｇｍを長手方向絶縁隔壁Ｅによっ
て互に絶縁し、厚み方向に重ねてなることを特徴とする
改良電池構造。