JPS63213261A - 電解液流通型電池 - 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、電解液流通型電池、たとえば電力貯蔵を目
的とするレドックスフロー型電池や亜鉛−ハロゲン電池
、そのほか燃料電池などの電池に関し、とくに、複数個
の単位セルを電気的に直列に接続または積層した電解槽
（以下セルとする）の電解液をセルの外部より供給し、
セル内で電極反応させる電解液流通型電池に関するもの
である。

［従来の技術］ 流通型電池の損失には、電池の内部抵抗に依る電圧損失
、電解液流路を通って流れる漏洩電流（シャント電流）
損失および送液のためのポンプ動力損がある。このなか
でシャント電流損失は、特に単位セルを多数個電気的に
直列に接続し、電解液を各セルに並列に供給した場合に
著しい。一方、直流／交流電力変換装置をはじめとする
電気設備からは高電圧小電流が望ましく、単位セルの起
電力が低いためセルの直列接続を数百ないし子側程度に
する必要があり、シャント電流損失の割合は極めて大き
くなる。

従来の積層電池の電解液流通経路の一例を概念的な説明
図として示した第５図によって説明する。

図において、１はセルの正極室、２は負極室であり、そ
の中に設けたそれぞれ正極電極９及び負極電極１０が隔
膜８によって仕切られ単位セルを形成する。この単位セ
ルは、複極板１１によって直列に積層され、電池のセル
を形成している。

各単位セルには、正極電解液３と負極電解液３ａがそれ
ぞれの共通の主管４及び５と、各単位セルに連結する分
岐管４ａ及び５ａを介して並列に接続された流路により
流入される。

各単位セルで電極反応した電解液３及び３ａは、それぞ
れ分岐管６ａ及び７ａと共通の主管６及び７を通って流
出され、通常は図示しないタンクを介して循環される。

なお、電解液の循環はそれぞれポンプ１３及び１３ａを
作動して行われる。

ここで、電池電流は各単位セルの正極室１−隔膜８−負
極室２−複極板１１を通って流れるが、この外に各単位
セルを連結している電解液流路、すなわち主管４，６．
５及び７と、分岐管４ａ、５ａ、６ａ及び７ａの中の電
解液を通して符号１６で示した漏洩電流（シャント電流
）が流れ、電流損失を生じている。これは第６図に示す
ような電気的等価回路で表されることが実験からも確め
られている。第６図においてｓＲ５は分岐管４ａ〜７ａ
の電気抵抗、Ｒｍは主管４〜７の電気抵抗、Ｅｃは単位
セルの起電力、Ｒｃは単位セルの内部抵抗である。

従来の電池では、電気的に直列に接続された各単位セル
すべてに対して電解液が並列に供給されており、このよ
うな構成においては、上記のような漏洩電流による損失
の割合は、並列に電解液が供給される単位セルの積層数
が多くなるにつれて増加することは避けられないのが現
状である。−例として、第７図はドレックスフロー型電
池における電流損失の状態を示す線図である。図におい
て、横軸は単位セルの積層数、縦軸は電流損失率を％で
示した。

［発明が解決しようとする問題点コ 上記のような従来の電池では、各単位セルへ並列に電解
液が供給されているので、単位セルの積層数が多くなる
につれて漏洩電流による損失の割合が増大するため、多
積層による高電圧化に支障を来すことが指摘されている
。

以上のような電流損失の問題に対して、従来は各単位セ
ル間の電解液流路の断面積を小さくしたり、流路を長く
して流路の電気抵抗、つまり第６図のＲｓ　ｓ　Ｒｍを
大きくしている。しかしこの方法では、電解液の流れの
抵抗が増加するためポンプ動力損が大きくなったり、主
管からの各単位セルへの電解液の等配ができなくなるな
どの問題から限界があり、積層数が多くなると不十分で
あった。

また、特開昭６１−２８９８６６号公報に開示されてい
るように、絶縁材料による回転別車や弁などの機械的な
絶縁手段を電解液流路の途中に挿入して漏洩電流を遮断
する方法は、非常に部品個数が多くなり、かつ配管が複
雑になるため機械的耐久性及び信頼性、保守性の点で問
題がある。

さらに特開昭６０−２５８８５０号公報に開示された発
明においては、電解液流路の途中に電解液の自然落下に
よる液切れ部を設けて漏洩電流を防止しているが、液切
れに必要な自然落下距離は流量が多い時には非常に長く
なり、また電解液の劣化を防ぐため密閉容器に納める必
要がある。しかも電解液流通時の液切れ部での圧力変化
による容器内の気体の体積変動の対策などが複雑でまた
個数もたくさん必要となり、信頼性、保守性の点で問題
がある。

また、特開昭５９−１２７３７８号公報に開示された発
明の場合は、電解液流通路の液中に気泡を混入して液流
路の電気抵抗の増加を図っているが、単位セルの積層が
多くなると電解液の流速が速く、気泡が細かくなって各
単位セルの反応部へ気泡がはいって妨げてしまう。また
気泡の混入により主管から各単位セルへの電解液の等配
ができなくなるなどの問題がある。

以上のほか特開昭６０−１８１２８８号公報で開示され
たものは、並列に電解液を供給する単位セルの個数を制
限する方法であるが、これはいわば低電圧の電池装置を
直列に接続したもので、タンクやポンプ及び配管類が多
数必要となり、電池装置の容量増加時のスケールアップ
によるコストメリットの効果が少ない。

上記のような従来の電池の電流損失に関する諸問題を要
約して下記に列挙する。

（１）高電圧の電池装置における電流損失の増大（２）
電解液流通路の途中に電解液を遮断または電気抵抗を増
加させるために装置を付加することによる経済性、信頼
性及び保守性の問題。

（３）各単位セルへの電解液の等配ができないことによ
る電池性能の低下。

（４）電池装置の容量増加時のスケールアップによるコ
ストメリットの効果が少ない。

この発明は、上記の問題点を解決するためになされたも
ので、セルに供給する電解液を並列と直列の両方式を組
合わせることにより、漏洩電流を極力小さくした流通手
段を備えた積層電池を得ることを目的とするものである
。

［問題点を解決するための手段］ この発明に係る電解液流通型電池は、電気的に直列に接
続または積層した複数個の単位セルを小グループに分け
、この小グループ内の各単位セルには従来通り電解液を
並列に供給し、一方各小グループ間では電解液を直列に
供給する流通手段を備えることにより上記問題点を解決
したものである。

［作用］ この発明においては、積層したセルを小グループに分割
し、電気的には直列に接続するが、電解液は各小グルー
プ毎に並列して流通させるから、電解液通路に加わる電
圧を低く抑えることができるので、多数の単位セルを高
電圧用に積層した場合でも漏洩電流は小さく制御される
。

また、この電解液流通方式においては、小グループを構
成する単位セルの個数は漏洩電流による電流損失の割合
が問題にならない程度に任意に選択される。

ここで、この発明の電流損失低減作用をや・定量的に、
第６図その他の電気的等価回路により説明する。

例えばレドックスフロー型電池の場合の一般的なデータ
として、単位セルの内部抵抗（Ｒｅ）−２Ωｃｉ、起電
力（Ｅｃ）−１Ｖ、電流密度４０ｍＡ／ｃｊであり、漏
洩電流の影響を無視した充／放電電流によるセル電圧降
下は０．０８Ｖとセル電圧の１割以下である。また主管
の電気抵抗（Ｒ■）く分岐管の電気抵抗（Ｒｓ）である
ことから、上記作用の説明を容易にするため、ＲＲｅ−
０１Ｒｍｏとした第８図のような簡易回路を用いてもよ
い近似が得られる。

この時、主管内の電解液の電位は、主管で連絡された両
端の単位セルの電位のちょうど中間電位に等しくなる。

また各単位セルの電位は、単位セル１個当たりＥｃ　　
［Ｖ］として、基準単位セルからの直列セル数で決まる
。

以上のことから各分岐管の両端には第８図の等価回路図
に示したように主管内電解液の電位と各単位セルの電位
の差による電位差（Ｖｓ）を生じ、漏洩電流が流れる。

そこで、共通の主管に基準単位セルからに＋１番目〜に
＋Ｎ番目までの単位セルがつながっている時の漏洩電流
による損失を求めてみる。

まず、各単位セルの電位は Ｖ　ｃ（Ｋ＋１）　−Ｅ　ｃ　Ｘ　（Ｋ＋ｉ）　、　こ
こでｉ−１〜Ｎ主管内の電解液の電位は は Ｎ＋１ Ｖｓ（１）　　−Ｖｉ　−Ｖｃ（Ｋ＋ｉ）　　−ＥｃＸ
　（−−１）漏洩電流による損失は となる。

このように、共通の主管で連絡された単位セルの数がＮ
個で、このグループがＭ式あって、Ｎ×Ｍ個の単位セル
が電気的に直列接続されて構成されている電池装置の全
体としての漏洩電流による損失は先に求めたＬｓのＭ倍
に、さらに、流入／流出分岐管、正極／負極液、充／放
電時を勘案すると、８倍となる。一方電池装置出力は、
■を充／放電電流とすると Ｐ−（Ｉ　ＸＥｃ　ｘＮ）ｘＭ 以上から漏洩電流による損失率は となり、単位セル合計数の（ＮＸＭ）個ではなく、共通
の主管につながった単位セルの数Ｎ個で決まってしまい
、しかもその２乗に比例する。このような観点からこの
発明と従来の方式とを比較すれば明らかなように、従来
方式では共通の主管に全単位セルがつながっているのに
対し、この発明によれば共通の主管につながるのは小グ
ループ２つ分の単位セル数で済む。従って、小グループ
を構成する単位セル数を少なくする一方、小グループの
数をその分増すことで非常に大きな漏洩電流の損失率の
低減を達成することができる。すなわちおおよそ の低減効果がある。

概念的な効果としては以上のようになるが、実際には主
管内の電解液の抵抗性の影響もあるので、これを含めて
シミュレーションして求めたのが第７図である。

［実施例］ 以下この発明の実施例を図によって具体的に説明する。

第１図はこの発明の一実施例を示す電解液流通型電池の
模式説明図である。図において、符号１４は電解液タン
クであり、これ以外の符号は第５図で説明したものと同
一の部品又は部分を示す。

第１図に示したように、複数個（図では５個）の単位セ
ルＣ１，・・・Ｃ５が電気的に直列に接続され小グルー
プ０１等を構成し、この小グループの中では電解液３は
入り側の主管４から分岐管４ａを通って各単位セルに並
列に供給され、反応後は分岐管６ａを経由して出側の主
管６に集められ、次の段の小グループへ供給される（図
では正極液の流路のみを示す）。各小グループ（図では
１０個）Ｇ１．・・・ＧＩＯの内部構成はすべて０１と
同様である。これら小グループ間は電気的に直列に接続
され、また電解液は直列に供給される。すなわち、Ｇ１
を通過した電解液３は、Ｇ２．Ｇ３．・・・ＧＩＯと各
小グループを順次通過し、タンク１４に貯えられる。な
お、タンク１４は図では便宜上左右に１つづつ２個画か
れているが、実際は同一のものとしてもよい（以下の図
においても同様）。

また電解液の流れ方向がとなりあう小グループで反対方
向に示しであるが、便宜上、画かれているにすぎず、同
方向でもよい。なお電池の下方より流入した方がセル内
の気泡ぬきの点ですぐれている。

このような構成にすることにより、電解液に加わる電圧
は小グループ２つ分（図では１０セル分）となり、全て
の単位セルに並列に電解液を供給した場合に加わる５０
セル分に比べ１１５に抑制され、電流損失が低減される
。またここで小グループ間をつなぐ電解液流路の断面積
を小さくし長さを長くして電気抵抗を高くすると、電流
損失の低減効果がさらに大きくなる。なお小グループ内
の主管は、各単位セルへの電解液の等配が得られるよう
な断面積とすることにより、より好ましい流通方式が得
られる。

さらに、小グループ間では電解液の圧力による差が大き
いため、この小グループ間を電気的に接続する複極板１
２は、通常の単位セル間の複極板１１のものよりも圧力
によって破損しないように、何らかの方法で補強したも
のが使用される。

第２図はこの発明の他の実施例を示すものである。図に
みられるように、各小グループの内部構成は第１図に示
したものと同じである。第２図は、小グループの接続段
数が多くなり電解液の送り側の圧力が高くなった場合に
、小グループの途中で電解液を一旦大気開放する方式を
採用したものである。例えば図の小グループＧａ＋の流
出側に大気圧開放型の補助タンクＬ４ａを設け、このタ
ンクから再度ポンプ１３ｂで下流の小グループ（図では
Ｇｌ’以下）の方へ電解液を供給するようになっている
。

第３図は別の実施例を示す構成図である。この例では第
１図と同じ積層電池（Ｇｌ、Ｇ２．・・・の積層電池と
Ｇｌ’　、Ｇ２’　、・・・の積層電池）を２段直列に
接続し、この２段電池の中央から電解液を供給して電圧
の高くなる＋側と低くなる一側の両方向に送るものであ
る。この構成によって、タンク及びポンプの個数を増や
すことなく、また電流損失の割合を増大させることなく
電池電圧を２倍に高めることができる。換言すれば、第
３図の方式を採用すると、同一電圧を得る目的に対して
は、タンク及びポンプの個数が１／２ですませることが
できる利点が得られる。

ただし、この構成の電池においては、電池の両端から送
り出される反応後の電解液は各電位が異なるので、漏洩
電流を遮断するために、タンクＩ４に入る前に液切り部
１５を設ける。

なお、上記の実施例では単位セルを電気的に直列に接続
又は積層する方式の電池を示したが、電流を大きくとる
必要のあるときなどで、電気的に並列に接続する場合に
対しては、第４図に示すように、第１図と同じ積層電池
を２連分並列接続する。このような電池構成においても
電流損失の割合は変らないない。

以上この発明の実施例を第１図〜第４図に示したが、こ
こで従来方式とこの発明の方式に対する電流損失低減の
効果を比較して、第９図及び第１０図の電気的等価回路
を用いて説明する。

第９図及び第１０図は、２００個の単位セルを電気的に
直列に接続した電池について、それぞれこの発明の回路
と従来の回路を示す。この発明の回路例では、小グルー
プを１０個の単位セルで構成し、２０の小グループから
成る。ここで第９図の破線で囲った漏洩電流回路に注目
すると、これは小グループを構成する単位セルの数の２
倍に当たる２０個の単位セルを従来の回路方式で組んだ
ものと等価であることが解る。したがって、この発明に
よって回路を組めば、２００個の単位セルの直列接続で
ありながら等価的に第１０図に示す従来回路の場合の２
０個の単位セルの直列接続時の電流損失となり、第７図
から解るように極めて優れた電流損失の低減効果かえら
れる。また主管に流れる電解液の量が１／２０となり、
主管の断面積を従来に比べ小さくできるので主管の電気
抵抗Ｒ１が大きくなり、さらに電流損失の低減効果が得
られる。一方ボンブ動力損は、各単位セルに流す流量は
従来と変わらないため、単位セル１個当たりに使われる
ポンプ動力は従来と同じである。従来との差は、ポンプ
の吐出圧が高くなり、吐出流量が減少する点である。

第１表は、以上の電流損失の低減効果を実験により計ａ
ＰＩ　した結果を示す。

第　　１　　表 実験条件は、電極面積１０００ｃｍのレドックスフロー
型電池の単位セル計３０個を５個ずつの小グループ６群
に分けてこの発明の構成にしたものと、従来通り３０個
の単位セルに並列に電解液を供給したものとを電流密度
２０ｍＡ／ｃ−で比較したものである。

第１表から明らかなように、この発明による電池を従来
方式の電池と比較すると、電流損失率は約１７１０に低
減され、電圧損失にも若干の効果が認められる。

［発明の効果］ この発明は以上説明したとおり、電解液流通型電池の電
解液流通方式として、積層セルを小グループに分け、こ
の小グループ内の単位セルには電解液を並列に供給し、
一方各小グループ間では直列に供給するようにしたこと
により、電池損失のうちの大きな割合を占める漏洩によ
る電流損失分を、従来のすべての単位セルに並列に供給
する方式に比べて、約１１１Ｏに低減することができた
。

この効果による波及的効果としては、タンクやポンプ及
び配管類が簡素化されるので、これらの機械的耐久性、
電解液等配などの信頼性及び保守に対して経済的にも優
位を保つことができるとともに、とくに電池装置の電圧
、電流容量のスヶ一ルアツブによるコストメリットに著
しい効果がある。

主管より分岐するセルの数が少なくなるので液の各セル
への等配は良好となり特に電池の品質のばらつきによる
充電／放電のふぞろいが最終段の小グループの品質のみ
で決まり、従来方式のように電池を構成する全てのセル
の品質で決まるものではないので格段に信頼性、保守性
が向上する。

以上のほか、設備的には電解液流量が減少することによ
り電解液配管に細い径のバイブが使用できる利点がある
。なお、電流損失のほかに電池の電圧損失に対しても若
干ながら効果があることが明らかとなった。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明の一実施例を示す電解液流通型電池の
電解液流通方式を示す説明図、第２図はこの発明の他の
実施例を示し、電解液の送り側の圧力増大に対応する流
通方式の模式説明図、第３図はこの発明の別の実施例で
あり、電解液の流れ方向を互いに反対方向にして倍電圧
を得る場合の流通方式を示す模式説明図、第４図は同じ
〈実施例の別の態様を示す電流容量増大に対処する並列
組合せ方式の模式説明図、第５図は従来の電池の電解液
流通方式の構成説明図、第６図は第５図の電気的等価回
路図、第７図は単位セル積層数と電流損失率との関係の
シミュレーション計算結果を示す線図、第８図はこの発
明の電流損失を定量的に説明するための電池構成の電気
的等価回路図、第９図はこの発明によって２００個の単
位セルを電気的に直列に接続した場合の電池構成の電気
的等価回路図、第１０図は従来の２００個の単位セルを
直列に接続した場合の電気的等価回路図である。 図において、３，３ａは電解液、４，５．６及び７は電
解液の主管、４ａ、５ａ、６ａ及び７ａは分岐管、１１
は複極板、１２は補強複極板、１４はタンク、１４ａは
補助タンク、１５は液切り部、１６は漏洩電流である。 図中、同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 複数個の単位セルを電気的に直列に接続または積層した
   電池電解槽に電解液が流通されて電極反応が行われる電
   池において、この電池を小グループに分け、各小グルー
   プを構成する複数の単位セルを電気的に直列に接続して
   電解液を並列に供給するとともに、上記各小グループ間
   は電気的に直列に接続し電解液を直列に供給する電解液
   流通手段を備えることにより、電解液流通路を流れる漏
   洩電流による電池損失を低減したことを特徴とする電解
   液流通型電池。