JPWO2019021441A1 - セルフレーム、セルスタック、およびレドックスフロー電池 - Google Patents
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Abstract
Description
レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板と、前記双極板を外周側から支持する枠体と、を備え、
前記枠体は、前記双極板に電解液を導入する入口スリットと、前記双極板から前記電解液を排出する出口スリットと、を有するセルフレームであって、
前記入口スリットに繋がり、前記セルフレームの幅方向に延びる導入側整流溝と、
前記出口スリットに繋がり、前記幅方向に延びる排出側整流溝と、
前記導入側整流溝と前記排出側整流溝とを連通する拡散溝ユニットと、を備え、
前記拡散溝ユニットは、
前記導入側整流溝から分岐して前記排出側整流溝に向って伸び、前記排出側整流溝に直接連通していない導入側縦溝と、
前記排出側整流溝から分岐して前記導入側整流溝に向って延び、前記導入側整流溝に直接連通していない排出側縦溝と、
前記導入側縦溝と前記排出側縦溝とに連通する一つ以上の横溝と、を備える。
本開示のセルフレームを備える。
本開示のセルスタックを備える。
近年、自然環境に配慮したエネルギーシステムの構築が望まれており、その一環としてレドックスフロー電池の電池性能の向上が期待されている。発明者らは、レドックスフロー電池のセルフレームに備わる双極板の溝に着目し、レドックスフロー電池の電池性能を向上させることができる構成を検討した。
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板と、前記双極板を外周側から支持する枠体と、を備え、
前記枠体は、前記双極板に電解液を導入する入口スリットと、前記双極板から前記電解液を排出する出口スリットと、を有するセルフレームであって、
前記入口スリットに繋がり、前記セルフレームの幅方向に延びる導入側整流溝と、
前記出口スリットに繋がり、前記幅方向に延びる排出側整流溝と、
前記導入側整流溝と前記排出側整流溝とを連通する拡散溝ユニットと、を備え、
前記拡散溝ユニットは、
前記導入側整流溝から分岐して前記排出側整流溝に向って伸び、前記排出側整流溝に直接連通していない導入側縦溝と、
前記排出側整流溝から分岐して前記導入側整流溝に向って延び、前記導入側整流溝に直接連通していない排出側縦溝と、
前記導入側縦溝と前記排出側縦溝とに連通する一つ以上の横溝と、を備える。
前記複数の横溝は、
前記導入側縦溝の端部から前記排出側縦溝に向って伸びる第一横溝と、
前記排出側縦溝の端部から前記導入側縦溝に向って伸びる第二横溝と、を含む形態を挙げることができる。
前記横溝の幅は、前記導入側縦溝の幅および前記排出側縦溝の幅よりも狭い形態を挙げることができる。
前記横溝の幅は、前記導入側縦溝の幅および前記排出側縦溝の幅の1/10以上1倍未満である形態を挙げることができる。
前記横溝の深さは、前記導入側縦溝および前記排出側縦溝の深さよりも浅い形態を挙げることができる。
前記拡散溝ユニットが、前記セルフレームの幅方向に複数並び、
隣接する前記拡散溝ユニット間で前記導入側縦溝または前記排出側縦溝を共用する形態を挙げることができる。
前記導入側整流溝、前記排出側整流溝、および前記拡散溝ユニットが前記双極板に設けられている形態を挙げることができる。
前記導入側整流溝および前記排出側整流溝が、前記枠体に設けられ、
前記拡散溝ユニットが、前記双極板に設けられている形態を挙げることができる。
実施形態に係るセルフレームを備える。
実施形態に係るセルスタックを備える。
以下、本開示のレドックスフロー電池(RF電池)の実施形態を説明する。なお、本願発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。
実施形態に係るレドックスフロー電池(以下、RF電池)を図1〜図4に基づいて説明する。
RF電池は、電解液循環型の蓄電池の一つであって、太陽光発電や風力発電といった新エネルギーの蓄電などに利用されている。このRF電池1の動作原理を図1に示す。RF電池1は、正極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位と、負極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位との差を利用して充放電を行う電池である。RF電池1は、水素イオンを透過させる隔膜101で正極セル102と負極セル103とに分離されたセル100を備える。
上記セル100は通常、図2、図3に示すような、セルスタック200と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック200は、サブスタック200s(図3)と呼ばれる積層構造物をその両側から二枚のエンドプレート210,220で挟み込み、締付機構230で締め付けることで構成されている(図3に例示する構成では、複数のサブスタック200sを用いている)。
セルフレーム2は、貫通窓を有する枠体22と、貫通窓を塞ぐ双極板21と、を有している。つまり、枠体22は、双極板21をその外周側から支持している。このようなセルフレーム2は、例えば、双極板21の外周部に一体に枠体22を成形することで作製することができる。また、貫通孔の外周縁部を薄肉に形成した枠体22と、枠体22とは別に作製した双極板21とを用意し、枠体22の薄肉部に双極板21の外周部を嵌めこむことで、セルフレーム2を作製することもできる。このセルフレーム2の双極板21の一面側には正極電極104が接触するように配置され、双極板21の他面側には負極電極105が接触するように配置される。この構成では、隣接する各セルフレーム2に嵌め込まれた双極板21の間に一つのセル100が形成されることになる。
双極板21の鉛直下方側に形成される導入側整流溝2Aは、セルフレーム2の幅方向であって流通方向に交差する方向(本例では直交する方向)に延びており、入口スリット123sの端部に繋がっている。導入側整流溝2Aは、入口スリット123sから導入された正極電解液を、セルフレーム2の幅方向(流通方向に直交する方向)に速やかに拡散させるための溝である。正極電解液をセルフレーム2の幅方向に拡散させることで、双極板21の全面、即ち双極板21に重ねられる正極電極104(図3)の全面に正極電解液を行き渡り易くする。
上記整流溝2A,2Bに加え、本例のセルフレーム2の双極板21は、セルフレーム2の幅方向に並ぶ複数の拡散溝ユニット3を備える。拡散溝ユニット3は、導入側縦溝4Aと、排出側縦溝4Bと、両縦溝4A,4Bに連通する少なくとも一つの横溝(本例では複数の横溝51,52,53)と、で構成されており、導入側整流溝2Aと排出側整流溝2Bとを連通し、双極板21の平面方向に正極電解液を拡散させる機能を持つ。
拡散溝ユニット3に備わる導入側縦溝4Aは、導入側整流溝2Aに連通し、排出側整流溝2Bに向って伸びている。本例では、導入側縦溝4Aは、正極電解液の流通方向に沿った方向に伸びているが、流通方向に対して傾斜していても構わない。また、本例の導入側縦溝4Aは直線状であるが、ジグザグ状であっても良いし、蛇行していても良い。この導入側縦溝4Aは、排出側整流溝2Bに向って伸びているが、排出側整流溝2Bには直接連通していない。
拡散溝ユニット3はさらに、導入側縦溝4Aと排出側縦溝4Bとに交差する方向に伸びる第一横溝51,第二横溝52,および中間横溝53を備える。本例では三つの横溝51,52,53が形成されているが、二つでも良いし、四つ以上でも良い。複数の横溝51,52,53のうち、少なくとも一つは、両縦溝4A,4Bの両方に連通している必要がある。本例では、全ての横溝51,52,53が、両縦溝4A,4Bに連通している。
電解液の流れに加え、導入側整流溝2Aから流通方向に沿って第二横溝52に向う正極電解液の流れが形成され易くなる。その結果、双極板21における導入側整流溝2Aと第二横溝52との間の部分に正極電解液を行き渡らせ易くできる。
上記拡散溝ユニット3に加えて、導入側縦溝4Aと排出側縦溝4Bとの間に配置され、両縦溝4A,4Bに交差する方向に延びるが、両縦溝4A,4Bを連通させない補助溝を備えていても構わない。補助溝は、導入側縦溝4Aに連通するが、排出側縦溝4Bに非連通となっている溝でも良いし、導入側縦溝4Aに非連通であるが、排出側縦溝4Bに連通している溝でも良いし、両縦溝4A,4Bに非連通となっている溝でも良い。また、補助溝は、単数であっても複数であっても良い。補助溝を設けることで、正極電解液のリークパスを抑制しつつ、双極板21の全面に正極電解液を行き渡り易くできる。
図4を参照して説明した整流溝2A,2Bと拡散溝ユニット3を備えるセルフレーム2を用いることで、RF電池1の電池性能を向上させることができる。特に、双極板21に複数の拡散溝ユニット3を設けることで、双極板21に格子状の溝が形成され、双極板21の全面に電解液が行き渡り易くなるからである。
電極104,105(図3参照)の目付量を大きくすれば、電極104,105と電解液との接触面積が大きくなりRF電池1(図1,2参照)の電池性能が向上する。その反面、電極104,105の空隙が狭く複雑になり、セル100内にガスが滞留し易くなる。これに対して、本例のRF電池1では、図4に示す双極板21を採用することで、セル100内のガスが抜け易くなっているため、電極104,105の目付量を大きくすることができる。具体的には、例えば電極104,105の目付量を30g/m2以上とすることができる。当該目付量は50g/m2以上とすることもできる。当該目付量の上限値は、500g/m2とすることが挙げられる。
実施形態2では、枠体22に整流溝2A,2Bを、双極板21に拡散溝ユニット3を設けたセルフレーム2を図5に基づいて説明する。
本例の構成によっても、双極板21の全面に電解液を行き渡らせることができ、また電解液中のガスがセル100(図1,2)内に滞留し難くなるため、その分だけRF電池1の電池性能を向上させることができる。
実施形態のセルフレームは、RF電池などの流体流通型の蓄電池の構築に好適に利用可能である。また、実施形態のセルスタックを備えるRF電池は、太陽光発電、風力発電などの新エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした蓄電池として利用できる他、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池としても利用することができる。
2 セルフレーム
21 双極板 22 枠体
123,124 給液用マニホールド 125,126 排液用マニホールド
123s,124s 入口スリット 125s,126s 出口スリット
127 環状シール部材
2A 導入側整流溝 2B 排出側整流溝
3 拡散溝ユニット
4A 導入側縦溝 4B 排出側縦溝
51 第一横溝(横溝) 52 第二横溝(横溝) 53 中間横溝(横溝)
100 セル 101 隔膜 102 正極セル 103 負極セル
100P 正極用循環機構 100N 負極用循環機構
104 正極電極 105 負極電極 106 正極電解液用タンク
107 負極電解液用タンク 108,109,110,111 導管
112,113 ポンプ
200 セルスタック
190 給排板 200s サブスタック
210,220 エンドプレート
230 締付機構
Claims (10)
- レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板と、前記双極板を外周側から支持する枠体と、を備え、
前記枠体は、前記双極板に電解液を導入する入口スリットと、前記双極板から前記電解液を排出する出口スリットと、を有するセルフレームであって、
前記入口スリットに繋がり、前記セルフレームの幅方向に延びる導入側整流溝と、
前記出口スリットに繋がり、前記幅方向に延びる排出側整流溝と、
前記導入側整流溝と前記排出側整流溝とを連通する拡散溝ユニットと、を備え、
前記拡散溝ユニットは、
前記導入側整流溝から分岐して前記排出側整流溝に向って伸び、前記排出側整流溝に直接連通していない導入側縦溝と、
前記排出側整流溝から分岐して前記導入側整流溝に向って延び、前記導入側整流溝に直接連通していない排出側縦溝と、
前記導入側縦溝と前記排出側縦溝とに連通する一つ以上の横溝と、を備えるセルフレーム。 - 前記複数の横溝は、
前記導入側縦溝の端部から前記排出側縦溝に向って伸びる第一横溝と、
前記排出側縦溝の端部から前記導入側縦溝に向って伸びる第二横溝と、を含む請求項1に記載のセルフレーム。 - 前記横溝の幅は、前記導入側縦溝の幅および前記排出側縦溝の幅よりも狭い請求項1または請求項2に記載のセルフレーム。
- 前記横溝の幅は、前記導入側縦溝の幅および前記排出側縦溝の幅の1/10以上1倍未満である請求項3に記載のセルフレーム。
- 前記横溝の深さは、前記導入側縦溝および前記排出側縦溝の深さよりも浅い請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のセルフレーム。
- 前記拡散溝ユニットが、前記セルフレームの幅方向に複数並び、
隣接する前記拡散溝ユニット間で前記導入側縦溝または前記排出側縦溝を共用する請求項1から請求項5のいずれか1項に記載のセルフレーム。 - 前記導入側整流溝、前記排出側整流溝、および前記拡散溝ユニットが前記双極板に設けられている請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のセルフレーム。
- 前記導入側整流溝および前記排出側整流溝が、前記枠体に設けられ、
前記拡散溝ユニットが、前記双極板に設けられている請求項1から請求項6のいずれか1項に記載のセルフレーム。 - 請求項1から請求項8のいずれか1項に記載のセルフレームを備えるセルスタック。
- 請求項9に記載のセルスタックを備えるレドックスフロー電池。
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