JPH087913A - 全バナジウムレドックス電池 - Google Patents
全バナジウムレドックス電池Info
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- JPH087913A JPH087913A JP6140359A JP14035994A JPH087913A JP H087913 A JPH087913 A JP H087913A JP 6140359 A JP6140359 A JP 6140359A JP 14035994 A JP14035994 A JP 14035994A JP H087913 A JPH087913 A JP H087913A
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- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
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- Fuel Cell (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【目的】 80mA/cm2以上の高電流密度に適応すること
ができ、且つ量産が可能なセル構造を持った、高出力の
バナジウムレドックスフロー型二次電池の提供。 【構成】 複数個の正極室及び負極室に5価/4価バナ
ジウムからなる正極電解液および2価/3価バナジウム
からなる負極電解液を通液し、酸化還元反応により充放
電する電解液循環型の全バナジウムレドックス電池にお
いて、樹脂製の外枠の内部に導電性の板を嵌め込んだバ
イポーラ板と、電解液をセルに循環させるためのマニホ
ールド及びスリットを有し且つ内部に電極が装入保持さ
れるくりぬき部を有する分液板と、隔膜とを、適度な剛
性を有するパッキンを介して面シールにより集層させて
厚さ2.5mm以下の正極室又は負極室を形成し、その
際該スリットは該マニホールドと該くりぬき部の間に穿
設された分液穴を境に表と裏に凹設されていることを特
徴とする全バナジウムレドックス電池。
ができ、且つ量産が可能なセル構造を持った、高出力の
バナジウムレドックスフロー型二次電池の提供。 【構成】 複数個の正極室及び負極室に5価/4価バナ
ジウムからなる正極電解液および2価/3価バナジウム
からなる負極電解液を通液し、酸化還元反応により充放
電する電解液循環型の全バナジウムレドックス電池にお
いて、樹脂製の外枠の内部に導電性の板を嵌め込んだバ
イポーラ板と、電解液をセルに循環させるためのマニホ
ールド及びスリットを有し且つ内部に電極が装入保持さ
れるくりぬき部を有する分液板と、隔膜とを、適度な剛
性を有するパッキンを介して面シールにより集層させて
厚さ2.5mm以下の正極室又は負極室を形成し、その
際該スリットは該マニホールドと該くりぬき部の間に穿
設された分液穴を境に表と裏に凹設されていることを特
徴とする全バナジウムレドックス電池。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、二次電池に関し、さら
に詳しくは、バナジウム(II/III)とバナジウム(V/I
V)をレドックス対とするレドックスフロー型二次電池
(略して、「レドックス電池」と呼ぶことがある)に関
するものであり、特に高電流密度で使用可能な全バナジ
ウムレドックス電池のセル構造に関するものである。
に詳しくは、バナジウム(II/III)とバナジウム(V/I
V)をレドックス対とするレドックスフロー型二次電池
(略して、「レドックス電池」と呼ぶことがある)に関
するものであり、特に高電流密度で使用可能な全バナジ
ウムレドックス電池のセル構造に関するものである。
【0002】
【発明の背景】現在、化石燃料の大量使用による大気中
の炭酸ガス濃度の増加が著しく、地球の温暖化が大きな
問題となっている。このために、クリーンなエネルギー
源である太陽電池の開発が活発に行われているが、太陽
電池は、夜間や雨天時は発電できないため適切な2次電
池の開発が待たれている。一方、従来の発電設備に於い
ても夜と昼、ピーク時の需要の差が激しく発電設備の負
荷率は低下しており、大型の電力貯蔵電池による運転の
平滑化は省エネルギーの面で大きな意味を持っている。
電気エネルギーを貯蔵することは電力関係者の長年の夢
であるが、現在のところ揚水発電以外は実用化されてお
らず、大型の電力貯蔵電池の必要性は大きなものであ
る。レドックス電池はタッピングによって太陽電池の出
力電圧に合わせて充電できることや、構造が比較的シン
プルで大型化しやすい等の特徴を持つために、新型の2
次電池として大きな可能性を秘めている。
の炭酸ガス濃度の増加が著しく、地球の温暖化が大きな
問題となっている。このために、クリーンなエネルギー
源である太陽電池の開発が活発に行われているが、太陽
電池は、夜間や雨天時は発電できないため適切な2次電
池の開発が待たれている。一方、従来の発電設備に於い
ても夜と昼、ピーク時の需要の差が激しく発電設備の負
荷率は低下しており、大型の電力貯蔵電池による運転の
平滑化は省エネルギーの面で大きな意味を持っている。
電気エネルギーを貯蔵することは電力関係者の長年の夢
であるが、現在のところ揚水発電以外は実用化されてお
らず、大型の電力貯蔵電池の必要性は大きなものであ
る。レドックス電池はタッピングによって太陽電池の出
力電圧に合わせて充電できることや、構造が比較的シン
プルで大型化しやすい等の特徴を持つために、新型の2
次電池として大きな可能性を秘めている。
【0003】レドックス型二次電池とは、電池活物質が
液状であり、正、負極の電池活物質を液透過型の電解槽
に流通せしめ、酸化還元反応を利用して充放電を行うも
のである。従来の二次電池と比べレドックス型二次電池
は 次の利点を有する。 (1) 蓄電容量を大きくするためには、貯蔵容器の容量を
大きくし、活物質量を増加させるだけでよく、出力を大
きくしない限り、電解槽自体はそのままでよい。 (2) 正、負極活物質は容器に完全に分離して貯蔵できる
ので、活物質が電極に接しているような電池と異なり、
自己放電の可能性が小さい。 (3) この電池で使用される液透過型炭素多孔質電極にお
いては、活物質イオンの充放電反応(電極反応)は、単
に、電極表面で電子の交換を行うのみで、亜鉛ー臭素電
池における、亜鉛イオンのように電極に析出することは
ないので、電池の反応が単純である。
液状であり、正、負極の電池活物質を液透過型の電解槽
に流通せしめ、酸化還元反応を利用して充放電を行うも
のである。従来の二次電池と比べレドックス型二次電池
は 次の利点を有する。 (1) 蓄電容量を大きくするためには、貯蔵容器の容量を
大きくし、活物質量を増加させるだけでよく、出力を大
きくしない限り、電解槽自体はそのままでよい。 (2) 正、負極活物質は容器に完全に分離して貯蔵できる
ので、活物質が電極に接しているような電池と異なり、
自己放電の可能性が小さい。 (3) この電池で使用される液透過型炭素多孔質電極にお
いては、活物質イオンの充放電反応(電極反応)は、単
に、電極表面で電子の交換を行うのみで、亜鉛ー臭素電
池における、亜鉛イオンのように電極に析出することは
ないので、電池の反応が単純である。
【0004】
【従来の技術】レドックスフロー型二次電池として、鉄
−クロム系電池が知られているが、該電池はエネルギー
密度が小さいこと、イオン交換膜を介して鉄とクロムが
混合することなどの欠点があるために、これに代わるも
のとして全バナジウム系電池が提案されている(特開昭
62-186473号公報)。この電池は、起電力、電池容量など
に優れており、電解液が一金属系であるため隔膜を介し
て正、負極液が相互に混合しても充電によって簡単に再
生することができ、電池容量が低下せず、電解液を完全
にクローズド化できる等の利点を持っている。しかし、
従来の全バナジウム系電池では、使用可能な高電流密度
は高々60mA/cm2程度であり、さらに高い電流密度での
使用は不可能であった。
−クロム系電池が知られているが、該電池はエネルギー
密度が小さいこと、イオン交換膜を介して鉄とクロムが
混合することなどの欠点があるために、これに代わるも
のとして全バナジウム系電池が提案されている(特開昭
62-186473号公報)。この電池は、起電力、電池容量など
に優れており、電解液が一金属系であるため隔膜を介し
て正、負極液が相互に混合しても充電によって簡単に再
生することができ、電池容量が低下せず、電解液を完全
にクローズド化できる等の利点を持っている。しかし、
従来の全バナジウム系電池では、使用可能な高電流密度
は高々60mA/cm2程度であり、さらに高い電流密度での
使用は不可能であった。
【0005】例えば80mA/cm2以上の高電流密度を採用
して、高い電力効率を維持するためには、セルの抵抗を
1.5Ω/cm2以下にしなければならず、電極の電気抵
抗、電解液の導電率を考慮すると正極室及び負極室のセ
ル厚は2.5mm以下にすることが望ましく、新たなる
セルの開発が必要となってきた。
して、高い電力効率を維持するためには、セルの抵抗を
1.5Ω/cm2以下にしなければならず、電極の電気抵
抗、電解液の導電率を考慮すると正極室及び負極室のセ
ル厚は2.5mm以下にすることが望ましく、新たなる
セルの開発が必要となってきた。
【0006】従来の鉄−クロム系レドックス電池のセル
構造の一例としては、バイポーラ板とマニホールドから
電解液をセル内に分液するスリットとが一体化された構
造になっている。詳しくは、厚さ3mm前後の樹脂製の
外枠に、マニホールド、スリット、液漏れと接着時ズレ
を防止するための溝を刻み込み、内側にカーボン板をは
め込み、その両側からスリット及び液漏れとズレ防止用
の溝を刻み込んだ樹脂製の板を接着剤で張り合わせて、
分液するスリットとバイポーラ板が一体化されている。
このために、非常に多くの人手による接着作業を要し、
量産化する事は難しく、不良品等の解体、修理にも多く
の手間がかかり、経済的に制作するには支障がある。ま
た、バイポーラ板やセルの厚みを薄くすることが出来
ず、セルの抵抗を下げることも難しい。
構造の一例としては、バイポーラ板とマニホールドから
電解液をセル内に分液するスリットとが一体化された構
造になっている。詳しくは、厚さ3mm前後の樹脂製の
外枠に、マニホールド、スリット、液漏れと接着時ズレ
を防止するための溝を刻み込み、内側にカーボン板をは
め込み、その両側からスリット及び液漏れとズレ防止用
の溝を刻み込んだ樹脂製の板を接着剤で張り合わせて、
分液するスリットとバイポーラ板が一体化されている。
このために、非常に多くの人手による接着作業を要し、
量産化する事は難しく、不良品等の解体、修理にも多く
の手間がかかり、経済的に制作するには支障がある。ま
た、バイポーラ板やセルの厚みを薄くすることが出来
ず、セルの抵抗を下げることも難しい。
【0007】特開昭63-298977号では、弾性体で作成さ
れた反応電極の支持枠の外部に、トンネル状のスリット
孔を有するマニホールド部を設け、これをバイポーラ板
と隔膜により押圧したレドックスフロー型セルが提案さ
れている。このセルは、弾性体による面シールにより接
着作業の大幅な削減ができるが、隔膜にイオン交換膜を
使用した場合、イオン交換膜の外側に取り付けられるマ
ニホールドスペーサをを0.1mm以下の弾性体で作ら
なければシールが完全にできず、現実的ではない。ま
た、多孔性電極、樹脂製の電解液流通配管、セルの製作
時に使用される接着剤等の劣化による電解液中のコンタ
ミがスリットに詰まるため、特開昭63-281362号では電
解液を濾過したり、特開昭63-291365では、電解液の通
液方向を逆転する事などが提案されている。しかし、フ
ィルターは、いずれ目詰まりし、スリット等の洗浄が必
要となるために、セルを解体しなければならなず、より
簡単に解体洗浄できるセル構造であることが必要とな
る。
れた反応電極の支持枠の外部に、トンネル状のスリット
孔を有するマニホールド部を設け、これをバイポーラ板
と隔膜により押圧したレドックスフロー型セルが提案さ
れている。このセルは、弾性体による面シールにより接
着作業の大幅な削減ができるが、隔膜にイオン交換膜を
使用した場合、イオン交換膜の外側に取り付けられるマ
ニホールドスペーサをを0.1mm以下の弾性体で作ら
なければシールが完全にできず、現実的ではない。ま
た、多孔性電極、樹脂製の電解液流通配管、セルの製作
時に使用される接着剤等の劣化による電解液中のコンタ
ミがスリットに詰まるため、特開昭63-281362号では電
解液を濾過したり、特開昭63-291365では、電解液の通
液方向を逆転する事などが提案されている。しかし、フ
ィルターは、いずれ目詰まりし、スリット等の洗浄が必
要となるために、セルを解体しなければならなず、より
簡単に解体洗浄できるセル構造であることが必要とな
る。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、バナ
ジウムレドックス電池の内部抵抗を低減させて高電流密
度に適応することができ、且つ量産が可能なセル構造を
持った、高出力の新規なバナジウムレドックス電池セル
を開発することである。本発明における高電流密度と
は、80〜120mA/cm2である。電流密度をあげて、高
い効率を維持するためには、セルの内部抵抗を出来るだ
け小さくしなければならない。従来のレドックスセル
は、セルの構造上の問題から40〜60mA/cm2までの低
電流密度用に設計されており、上記目的を達成すること
は困難である。
ジウムレドックス電池の内部抵抗を低減させて高電流密
度に適応することができ、且つ量産が可能なセル構造を
持った、高出力の新規なバナジウムレドックス電池セル
を開発することである。本発明における高電流密度と
は、80〜120mA/cm2である。電流密度をあげて、高
い効率を維持するためには、セルの内部抵抗を出来るだ
け小さくしなければならない。従来のレドックスセル
は、セルの構造上の問題から40〜60mA/cm2までの低
電流密度用に設計されており、上記目的を達成すること
は困難である。
【0009】バナジウムレドックス電池の内部抵抗は、
バイポーラ板の抵抗、多孔性電極の抵抗、電解液の抵
抗、イオン交換膜の抵抗、及び各部材の接触抵抗の総和
である。本発明者らは、先に、ポリスルホン系のイオン
交換膜を採用して、イオン交換膜の抵抗を大幅に下げ、
高電流密度に適応しうるバナジウムレドックス電池を提
案したが(特願平4−4043号)、80mA/cm2以上の
電流を流して、高い効率を出すバナジウムレドックス電
池とするには、バイポーラ板の抵抗、多孔性電極の抵抗
および電解液の抵抗を共に低減し、なおかつ、量産が可
能なセル構造にしなければならない。レドックス電池に
おいては、電流は厚さ方向に流れるため出来るだけ薄い
方が抵抗は小さくなる。しかしながら、カーボン板やセ
ルの厚さを薄くしようとすると、バイポーラ板、パッキ
ン等のセルの構成部材を制作する上で種々の問題にぶつ
かる。
バイポーラ板の抵抗、多孔性電極の抵抗、電解液の抵
抗、イオン交換膜の抵抗、及び各部材の接触抵抗の総和
である。本発明者らは、先に、ポリスルホン系のイオン
交換膜を採用して、イオン交換膜の抵抗を大幅に下げ、
高電流密度に適応しうるバナジウムレドックス電池を提
案したが(特願平4−4043号)、80mA/cm2以上の
電流を流して、高い効率を出すバナジウムレドックス電
池とするには、バイポーラ板の抵抗、多孔性電極の抵抗
および電解液の抵抗を共に低減し、なおかつ、量産が可
能なセル構造にしなければならない。レドックス電池に
おいては、電流は厚さ方向に流れるため出来るだけ薄い
方が抵抗は小さくなる。しかしながら、カーボン板やセ
ルの厚さを薄くしようとすると、バイポーラ板、パッキ
ン等のセルの構成部材を制作する上で種々の問題にぶつ
かる。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、セルの厚み、
殊にバイポーラ板の厚みを出来るだけ薄くして、抵抗を
下げ、なおかつ、面シールによってセルの接着作業を大
幅に低減し、量産が可能なセル構造とすることにより上
記問題点を解決した。即ち、本発明の全バナジウム系レ
ドックス電池は、樹脂製の外枠の内部に導電性の板を嵌
め込んだバイポーラ板と、電解液をセルに循環させるた
めのマニホールド及びスリットを有し且つ内部に電極が
装入保持されるくりぬき部を有する分液板と、隔膜と
を、適度な剛性を有するパッキンを介して面シールによ
り集層させて厚さ2.5mm以下の正極室又は負極室を
形成し、その際該スリットは該マニホールドと該くりぬ
き部の間に穿設された分液穴を境に表と裏に凹設されて
いることを特徴とするものである。
殊にバイポーラ板の厚みを出来るだけ薄くして、抵抗を
下げ、なおかつ、面シールによってセルの接着作業を大
幅に低減し、量産が可能なセル構造とすることにより上
記問題点を解決した。即ち、本発明の全バナジウム系レ
ドックス電池は、樹脂製の外枠の内部に導電性の板を嵌
め込んだバイポーラ板と、電解液をセルに循環させるた
めのマニホールド及びスリットを有し且つ内部に電極が
装入保持されるくりぬき部を有する分液板と、隔膜と
を、適度な剛性を有するパッキンを介して面シールによ
り集層させて厚さ2.5mm以下の正極室又は負極室を
形成し、その際該スリットは該マニホールドと該くりぬ
き部の間に穿設された分液穴を境に表と裏に凹設されて
いることを特徴とするものである。
【0011】
【発明の具体的説明】本発明のレドックス電池の構成に
ついて、図面を参考にしてに詳しく説明する。 (1)セル構成部材 (1) バイポーラ板 本発明の新規なセルに使用されるバイポーラ板1は、樹
脂性の外枠2の内部に、導電性の板3を嵌め込んだもの
である。外枠2に用いられる樹脂は、適度の耐薬品性と
剛性を有するものであれば良く、例えば、ポリ塩化ビニ
ル、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン,AS樹脂,
ABS樹脂、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォ
ン、ポリエーテルエーテルケトン、テフロン等を用いる
ことができ、各成型法により最適の物を適宜使用するこ
とができる。
ついて、図面を参考にしてに詳しく説明する。 (1)セル構成部材 (1) バイポーラ板 本発明の新規なセルに使用されるバイポーラ板1は、樹
脂性の外枠2の内部に、導電性の板3を嵌め込んだもの
である。外枠2に用いられる樹脂は、適度の耐薬品性と
剛性を有するものであれば良く、例えば、ポリ塩化ビニ
ル、高密度ポリエチレン、ポリプロピレン,AS樹脂,
ABS樹脂、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォ
ン、ポリエーテルエーテルケトン、テフロン等を用いる
ことができ、各成型法により最適の物を適宜使用するこ
とができる。
【0012】導電性板3としては、導電性が良く、加工
性と剛性が適度なものであれば特に制限されないが、グ
ラッシーカーボン、フェノール結着カーボン、プラスチ
ックカーボン等が使用できる。バイポーラ板1は、電気
抵抗を少なくするために、出来るだけ薄くすることが好
ましいが、内部に導電性板3、例えばカーボン板を加工
装着する必要性から、0.5〜1.5mmの厚さである
ことが好ましい。樹脂性の外枠2の内部にくり貫かれた
部分に、同じ厚さのカーボン板を完全に密着させ、外枠
2とカーボン板3が同一平面になるようにする。カーボ
ン板は加工性が悪く、通常の切削工具では割れてしまう
ため、水流ジェットにより切削することが好ましい。こ
れによりバイポーラ板1は、特注品でなく、従来リン酸
型燃料電池に用いらているカーボン材料を使って自由に
作ることが出来る。
性と剛性が適度なものであれば特に制限されないが、グ
ラッシーカーボン、フェノール結着カーボン、プラスチ
ックカーボン等が使用できる。バイポーラ板1は、電気
抵抗を少なくするために、出来るだけ薄くすることが好
ましいが、内部に導電性板3、例えばカーボン板を加工
装着する必要性から、0.5〜1.5mmの厚さである
ことが好ましい。樹脂性の外枠2の内部にくり貫かれた
部分に、同じ厚さのカーボン板を完全に密着させ、外枠
2とカーボン板3が同一平面になるようにする。カーボ
ン板は加工性が悪く、通常の切削工具では割れてしまう
ため、水流ジェットにより切削することが好ましい。こ
れによりバイポーラ板1は、特注品でなく、従来リン酸
型燃料電池に用いらているカーボン材料を使って自由に
作ることが出来る。
【0013】(2) 分液板 本発明のセルにおいては、電解液をマニホールド4から
カーボン板3の表面および電極へ通液し、ついで排出す
るためのスリット5を、従来のようにバイポーラ板1に
付設せずに、バイポーラ板1から独立した分液板6を使
用することが重要である。該分液板6の採用により、ス
リットの断面積と長さを変えて、使用目的により種々の
セルを作ることができ、セルの設計の自由度が大幅に向
上する。また、スリットの詰まり等が起こったときも簡
単に分解洗浄が可能となる。
カーボン板3の表面および電極へ通液し、ついで排出す
るためのスリット5を、従来のようにバイポーラ板1に
付設せずに、バイポーラ板1から独立した分液板6を使
用することが重要である。該分液板6の採用により、ス
リットの断面積と長さを変えて、使用目的により種々の
セルを作ることができ、セルの設計の自由度が大幅に向
上する。また、スリットの詰まり等が起こったときも簡
単に分解洗浄が可能となる。
【0014】分液板6は、バイポーラ板内部のカーボン
板接合部13の保護及びバイポーラ板側の面シールとイ
オン交換膜側の面シールをする役割がある。電解液を通
液させるスリット5が分液板6の片面にのみ刻設され、
特にスリット5の溝面積が大きい場合は、その面積に対
してパッキンと接触する分液板平面の面積が少なくな
り、十分な面シールが困難となることがある。このた
め、本発明の分液板6では、図2、図3および図4に示
すように、マニホールド4とくりぬき部7との間に分液
穴8を設け、この穴を境に分液板6の表と裏にスリット
5a及び5bを刻むことにより、完全な両面のシールを
可能にすることができる。分液板6の表側とは隔膜側の
面であり、裏側とはバイポーラ板の面を意味する。分液
板6の表側に凹設されるスリット5aは分液穴とくりぬ
き部の間に設けられ、裏側に凹設されるスリット5bは
マニホールドと分液穴の間に設けられる。分液穴8およ
びスリット5は、分液板6の中心より対称の位置に2箇
所に設けられ、その一方が電解液の供給に、他方が電解
液の排出に寄与する。このようにスリット5を付設する
ことにより、スリット溝の面積に対してパッキンと接触
する分液板の表面の面積が大きくなり、パッキンが該溝
に食い込むことが防止されると共に、完全なシールが可
能となる。
板接合部13の保護及びバイポーラ板側の面シールとイ
オン交換膜側の面シールをする役割がある。電解液を通
液させるスリット5が分液板6の片面にのみ刻設され、
特にスリット5の溝面積が大きい場合は、その面積に対
してパッキンと接触する分液板平面の面積が少なくな
り、十分な面シールが困難となることがある。このた
め、本発明の分液板6では、図2、図3および図4に示
すように、マニホールド4とくりぬき部7との間に分液
穴8を設け、この穴を境に分液板6の表と裏にスリット
5a及び5bを刻むことにより、完全な両面のシールを
可能にすることができる。分液板6の表側とは隔膜側の
面であり、裏側とはバイポーラ板の面を意味する。分液
板6の表側に凹設されるスリット5aは分液穴とくりぬ
き部の間に設けられ、裏側に凹設されるスリット5bは
マニホールドと分液穴の間に設けられる。分液穴8およ
びスリット5は、分液板6の中心より対称の位置に2箇
所に設けられ、その一方が電解液の供給に、他方が電解
液の排出に寄与する。このようにスリット5を付設する
ことにより、スリット溝の面積に対してパッキンと接触
する分液板の表面の面積が大きくなり、パッキンが該溝
に食い込むことが防止されると共に、完全なシールが可
能となる。
【0015】スリットの口径(溝の幅と深さ)と長さ
は、シャント電流損失に関係し、口径は小さいほど、長
さは長い程、シャント電流損失は少なくなる。一方、電
解液の流動抵抗は小さければ小さい程、ポンプロスが少
なく望ましいが、スリットの口径が大きく、長さは短い
ほど小さくなる。従って、スリットの口径、本数及び長
さは、シャント電流損失と流動抵抗の両者を考慮して決
定される。各スリットの溝幅は1〜3mm、その深さは
0.5〜1.5mmが好ましい。溝幅が3mm超過で
は、パッキンが溝に食い込み、1mm未満では電解液の
流動抵抗が高くなりすぎるので好ましくない。スリット
の深さが0.5mm未満では切削加工が困難であり、
1.5mm超過では分液板を厚くしなければならないの
で好ましくない。複数設けられたスリットの間隔は、自
由に取れるが、広く取ると電池が大きくなり、極端に狭
いと締め付け応力に樹脂板が耐えられず、スリット間隔
は1〜3mmが適している。また、スリット全体の幅
(溝及び間隔の和)はスリットの本数により異なるが、
通常はマニホールドの径と一致させることが好ましい。
分液穴8は、表側スリット5aから裏側スリット5bへ
の(またはその逆)の電解液の流通が支障なく行われる
のに適したサイズであればよく、例えば、長辺がマニホ
ールド径と同一で、短辺が2〜5mmの長方形状または
楕円形状のものが適当である。
は、シャント電流損失に関係し、口径は小さいほど、長
さは長い程、シャント電流損失は少なくなる。一方、電
解液の流動抵抗は小さければ小さい程、ポンプロスが少
なく望ましいが、スリットの口径が大きく、長さは短い
ほど小さくなる。従って、スリットの口径、本数及び長
さは、シャント電流損失と流動抵抗の両者を考慮して決
定される。各スリットの溝幅は1〜3mm、その深さは
0.5〜1.5mmが好ましい。溝幅が3mm超過で
は、パッキンが溝に食い込み、1mm未満では電解液の
流動抵抗が高くなりすぎるので好ましくない。スリット
の深さが0.5mm未満では切削加工が困難であり、
1.5mm超過では分液板を厚くしなければならないの
で好ましくない。複数設けられたスリットの間隔は、自
由に取れるが、広く取ると電池が大きくなり、極端に狭
いと締め付け応力に樹脂板が耐えられず、スリット間隔
は1〜3mmが適している。また、スリット全体の幅
(溝及び間隔の和)はスリットの本数により異なるが、
通常はマニホールドの径と一致させることが好ましい。
分液穴8は、表側スリット5aから裏側スリット5bへ
の(またはその逆)の電解液の流通が支障なく行われる
のに適したサイズであればよく、例えば、長辺がマニホ
ールド径と同一で、短辺が2〜5mmの長方形状または
楕円形状のものが適当である。
【0016】分液板6に用いる樹脂性の板は、適度の耐
薬品性と剛性を有するものであれば良く、バイポーラ板
1の外枠2に使用することのできる上記した材料から選
ぶことができる。
薬品性と剛性を有するものであれば良く、バイポーラ板
1の外枠2に使用することのできる上記した材料から選
ぶことができる。
【0017】(3) パッキン 本発明のセルに使用されるパッキン9は、その周縁部に
はマニホールド4が、その内部にはバイポーラ板の外枠
とカーボン板の境目13を被うように、カーボン板のサ
イズより僅かに小さめにくり貫かれており(10)、境
目からの液漏れを防いでいる。パッキン9は、その厚さ
が0.2〜1mmで、デュ−ロ硬度(Aタイプ)が80
〜120のものであれば良く、低密度ポリエチレン、エ
チレン−プロピレンゴム、ポリプロピレン、ネオプレン
ゴム、バイトンゴム、テフロンシート等の樹脂またはゴ
ム質材料を使用することができる。パッキンの厚さが
0.2mm未満では面タッチシールが不可能であり、1m
m超過ではセルの厚さを薄くできない。また、デュ−ロ
硬度が80未満では、スリットにパッキンが食い込み、
詰まったり、電解液の均等分配ができなくなり、硬度1
20超過では面シールが困難となる。
はマニホールド4が、その内部にはバイポーラ板の外枠
とカーボン板の境目13を被うように、カーボン板のサ
イズより僅かに小さめにくり貫かれており(10)、境
目からの液漏れを防いでいる。パッキン9は、その厚さ
が0.2〜1mmで、デュ−ロ硬度(Aタイプ)が80
〜120のものであれば良く、低密度ポリエチレン、エ
チレン−プロピレンゴム、ポリプロピレン、ネオプレン
ゴム、バイトンゴム、テフロンシート等の樹脂またはゴ
ム質材料を使用することができる。パッキンの厚さが
0.2mm未満では面タッチシールが不可能であり、1m
m超過ではセルの厚さを薄くできない。また、デュ−ロ
硬度が80未満では、スリットにパッキンが食い込み、
詰まったり、電解液の均等分配ができなくなり、硬度1
20超過では面シールが困難となる。
【0018】(4) 隔膜 正極室と負極室とを分離する隔膜11は通常イオン交換
膜が使用される。イオン交換膜としては、5価のバナジ
ウムイオンの酸化力に耐性のあるものであれば、陽イオ
ン、陰イオンどちらのイオン交換膜でも良い。具体的に
は、ポリスルホン樹脂をベースにしたイオン交換膜やフ
ッ素樹脂をベースにしたイオン交換膜が使用できるが、
80mA/cm2以上の高電流密度で使用するには、イオン交
換樹脂層の厚さが20μm〜150μmであることが好
ましい。これより薄い膜であればセル抵抗は低くなる
が、正極と負極の液移動が激しくて充放電をすることが
難しく、これ以上厚ければセル抵抗が高くなりすぎて所
定の効率を達成することが困難となる。
膜が使用される。イオン交換膜としては、5価のバナジ
ウムイオンの酸化力に耐性のあるものであれば、陽イオ
ン、陰イオンどちらのイオン交換膜でも良い。具体的に
は、ポリスルホン樹脂をベースにしたイオン交換膜やフ
ッ素樹脂をベースにしたイオン交換膜が使用できるが、
80mA/cm2以上の高電流密度で使用するには、イオン交
換樹脂層の厚さが20μm〜150μmであることが好
ましい。これより薄い膜であればセル抵抗は低くなる
が、正極と負極の液移動が激しくて充放電をすることが
難しく、これ以上厚ければセル抵抗が高くなりすぎて所
定の効率を達成することが困難となる。
【0019】(5) 電極 本発明に使用される電極12は、レドックスフロー型電
池に通常用いられる液透過性の多孔性電極であれば、い
ずれでも使用することができる。好ましい電極の例とし
ては、セルロース系の炭素繊維やPAN系の炭素繊維を
挙げることができる。
池に通常用いられる液透過性の多孔性電極であれば、い
ずれでも使用することができる。好ましい電極の例とし
ては、セルロース系の炭素繊維やPAN系の炭素繊維を
挙げることができる。
【0020】(2)セルの構成 上記のバイポーラ板1、分液板6、パッキン9および隔
膜11の各部材を、図1に示す順序の配列で集積して正
極室(または負極室)を構成し、一方、隔膜を挟んで対
称的に同様の構成の負極室(または正極室)を構成し
て、単位セルが形成される。さらに、該単位セルが複数
個、例えば20〜30個積層させることにより、電池の
内部抵抗を大幅に低減させ、高電流密度に最適で且つ量
産可能な積層型全バナジウムレドックス電池が提供され
る。
膜11の各部材を、図1に示す順序の配列で集積して正
極室(または負極室)を構成し、一方、隔膜を挟んで対
称的に同様の構成の負極室(または正極室)を構成し
て、単位セルが形成される。さらに、該単位セルが複数
個、例えば20〜30個積層させることにより、電池の
内部抵抗を大幅に低減させ、高電流密度に最適で且つ量
産可能な積層型全バナジウムレドックス電池が提供され
る。
【0021】本発明のセルでは、パッキン9によりバイ
ポーラ板1と分液板6と隔膜11とがそれぞれ面タッチ
シールにより集積されるので、接着作業が不要である。
パッキン9の硬度とスリットの幅を上記範囲で適度に組
み合わせることにより、スリット5の内部にパッキンが
食い込んでスリットの径が変わるような事はなく、各セ
ルへの電解液の均等な配分を保証している。隔膜11を
介しての正・負極液の混合は、分液板6の表と裏にスリ
ットを分けて刻み、分液板6の両面にフラットな面を必
ず残し、面シールする事によって完全に防いでいる。セ
ルの厚さは、パッキン9と分液板6の厚さの和であり、
これらを適宜組み合わせることにより、2.5mm以下
の最適のセル厚みを設定することができる。
ポーラ板1と分液板6と隔膜11とがそれぞれ面タッチ
シールにより集積されるので、接着作業が不要である。
パッキン9の硬度とスリットの幅を上記範囲で適度に組
み合わせることにより、スリット5の内部にパッキンが
食い込んでスリットの径が変わるような事はなく、各セ
ルへの電解液の均等な配分を保証している。隔膜11を
介しての正・負極液の混合は、分液板6の表と裏にスリ
ットを分けて刻み、分液板6の両面にフラットな面を必
ず残し、面シールする事によって完全に防いでいる。セ
ルの厚さは、パッキン9と分液板6の厚さの和であり、
これらを適宜組み合わせることにより、2.5mm以下
の最適のセル厚みを設定することができる。
【0022】
【実施例】以下、実施例及び比較例に基づいて、本発明
を具体的に説明する。 実施例1 第1図に示したようなセル構成において、厚さ100μ
mのポリスルホン系ポリマーから成るイオン交換膜11
(旭硝子社製)、炭素繊維のフェルト状電極12(面積
20cm2)、ポリ塩化ビニルの外枠に同じ厚さのグラ
ッシーカーボン板から成るバイポーラ板1(厚さ1m
m)、エチレンープロピレンラバーのパッキン9(デュ
−ロ硬度A90,厚さ0.5mm)および厚さ1.5m
mのポリ塩化ビニル製分液板6を集層して、セル厚さが
2.5mmの電池セル(縦150mm及び横110m
m)を作製した。該分液板としては、図2〜4に示すよ
うに、外枠のコーナー部4箇所にマニホールド4(直径
10mm)、その中央部にくりぬき部7(50×50m
m)、該マニホールドと該くりぬき部との中間に分液穴
8(2×10mm)がそれぞれ穿設されており、さらに
3本のスリット5(深さ1.0mm、幅2.0mm、間
隔2.0mm)が、該分液板の表側には分液穴からくり
ぬき部へ向けて、及びその裏側には該マニホールドから
該分液穴へ向けて、それぞれ7mmの長さで凹設されて
いるものを用いた。得られた電池セルを用いて80mA/c
m2及び100mA/cm2で充放電を実施した。その結果を表
−1に示す。
を具体的に説明する。 実施例1 第1図に示したようなセル構成において、厚さ100μ
mのポリスルホン系ポリマーから成るイオン交換膜11
(旭硝子社製)、炭素繊維のフェルト状電極12(面積
20cm2)、ポリ塩化ビニルの外枠に同じ厚さのグラ
ッシーカーボン板から成るバイポーラ板1(厚さ1m
m)、エチレンープロピレンラバーのパッキン9(デュ
−ロ硬度A90,厚さ0.5mm)および厚さ1.5m
mのポリ塩化ビニル製分液板6を集層して、セル厚さが
2.5mmの電池セル(縦150mm及び横110m
m)を作製した。該分液板としては、図2〜4に示すよ
うに、外枠のコーナー部4箇所にマニホールド4(直径
10mm)、その中央部にくりぬき部7(50×50m
m)、該マニホールドと該くりぬき部との中間に分液穴
8(2×10mm)がそれぞれ穿設されており、さらに
3本のスリット5(深さ1.0mm、幅2.0mm、間
隔2.0mm)が、該分液板の表側には分液穴からくり
ぬき部へ向けて、及びその裏側には該マニホールドから
該分液穴へ向けて、それぞれ7mmの長さで凹設されて
いるものを用いた。得られた電池セルを用いて80mA/c
m2及び100mA/cm2で充放電を実施した。その結果を表
−1に示す。
【0023】実施例2 ポリ塩化ビニル製の分液板の厚さを1.0mm、スリッ
トの深さを0.5mmに変える以外は、実施例1と同じ
セル構成でセルの厚さが2mmの電池セルを作製し、8
0mA/cm2及び100mA/cm2で充放電を実施した。結果を
表−1に示す。
トの深さを0.5mmに変える以外は、実施例1と同じ
セル構成でセルの厚さが2mmの電池セルを作製し、8
0mA/cm2及び100mA/cm2で充放電を実施した。結果を
表−1に示す。
【0024】実施例3 図5に示した深さ1.0mm、幅2.0mmのスリットを
3本刻み込んだ厚さ1.5mmのポリ塩化ビニル製分液
板を用いた以外は、実施例1と同じく充放電を行った。
結果を表−1に示す。
3本刻み込んだ厚さ1.5mmのポリ塩化ビニル製分液
板を用いた以外は、実施例1と同じく充放電を行った。
結果を表−1に示す。
【0025】実施例4 隔膜を厚さ60μmのフッ素系ポリマーから成るイオン
交換膜(デユポン社製)を使用した以外は、実施例1と
同様な電池セルを作製し、充放電を実施した。結果を表
−1に示す。
交換膜(デユポン社製)を使用した以外は、実施例1と
同様な電池セルを作製し、充放電を実施した。結果を表
−1に示す。
【0026】実施例5 隔膜を厚さ120μmのフッ素系ポリマーから成るイオ
ン交換膜(デユポン社製)を使用した以外は、実施例1
と同様な電池セルを作製し、充放電を実施した。結果を
表−1に示す。
ン交換膜(デユポン社製)を使用した以外は、実施例1
と同様な電池セルを作製し、充放電を実施した。結果を
表−1に示す。
【0027】
【表1】
【0028】比較例1 従来から鉄-クロム系で使用されている3枚のポリ塩化
ビニル製の板を接着剤で張り付けたスリット一体型のセ
ルを用いて、実施例1と同様な充放電実験を行った。結
果を表−2に示す。外枠に炭素板をはめ込んでいる境界
面がパッキンで覆われていないため、電解液に直接触れ
シリコンペーストが劣化して液漏れが生じた。
ビニル製の板を接着剤で張り付けたスリット一体型のセ
ルを用いて、実施例1と同様な充放電実験を行った。結
果を表−2に示す。外枠に炭素板をはめ込んでいる境界
面がパッキンで覆われていないため、電解液に直接触れ
シリコンペーストが劣化して液漏れが生じた。
【0029】比較例2 厚さ1.0mmのエチレンープロピレンラバーパッキン
用いて、セル厚3.0mmのセルを作製して使用した以
外は、実施例1と同様に行った。結果を表−2に示す。
セル厚を3.0mmにすると効率は低下する。
用いて、セル厚3.0mmのセルを作製して使用した以
外は、実施例1と同様に行った。結果を表−2に示す。
セル厚を3.0mmにすると効率は低下する。
【0030】比較例3 エチレンープロピレンラバーパッキンのデュ−ロ硬度A
を70にする以外は実施例1と同様に行った。結果を表
−2に示す。パッキンがスリット内部に食い込み電解液
が均一に流れず効率が低下した。
を70にする以外は実施例1と同様に行った。結果を表
−2に示す。パッキンがスリット内部に食い込み電解液
が均一に流れず効率が低下した。
【0031】
【表2】
【0032】
【発明の効果】本発明によれば、以下の効果が達成でき
る。 (1)バイポーラ板及びセルの厚さを薄くして、電池セ
ルの内部抵抗を大幅に低減できる。 (2)セルの制作過程で接着作業が不要となり、量産化
が可能である。 (3)バイポーラ板とスリットを有する分液板を分離す
ることにより、セルの組立、解体が容易となり、セルの
破損、スリットの目詰まり等の対応が簡単に出来る。 (4)特殊な切削加工が不要である。 (5)分液板のみを取り替えることで、スリット径及び
長さの異なるセルを作ることができ、セルの設計におい
て大幅な自由度が得られる。
る。 (1)バイポーラ板及びセルの厚さを薄くして、電池セ
ルの内部抵抗を大幅に低減できる。 (2)セルの制作過程で接着作業が不要となり、量産化
が可能である。 (3)バイポーラ板とスリットを有する分液板を分離す
ることにより、セルの組立、解体が容易となり、セルの
破損、スリットの目詰まり等の対応が簡単に出来る。 (4)特殊な切削加工が不要である。 (5)分液板のみを取り替えることで、スリット径及び
長さの異なるセルを作ることができ、セルの設計におい
て大幅な自由度が得られる。
【図1】本発明の単一セルの正極室を構成する部材を示
す斜視説明図である。
す斜視説明図である。
【図2】本発明の分液板の一例を示す平面説明図であ
る。
る。
【図3】本発明の分液板の表側表面に設けたスリット近
傍の拡大斜視説明図である。
傍の拡大斜視説明図である。
【図4】本発明の分液板の裏側表面に設けたスリット近
傍の拡大斜視説明図である。
傍の拡大斜視説明図である。
【図5】本発明の分液板の他の例を示す平面説明図であ
る。
る。
【符号の説明】 1 バイポーラ板 2 バイポーラ板の外枠 3 導電性板 4 マニホールド 5 スリット 6 分液板 7 くりぬき部 8 分液穴 9 パッキン 10 くりぬき部 11 隔膜 12 電極
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 佐藤 完二 茨城県稲敷郡阿見町中央8丁目3番1号 鹿島北共同発電株式会社V電池開発室内
Claims (7)
- 【請求項1】 隔膜を介して正電極及び負電極が配設さ
れ、該電極をその外側から挟持するバイポーラ板により
構成される正極室及び負極室からなるセルを、該バイポ
ーラ板を介して交互に複数個積層して電気的に直列に接
続し、該セル内に設けられたマニホールドを通して複数
個の正極室及び負極室に5価/4価バナジウムからなる
正極電解液および2価/3価バナジウムからなる負極電
解液を通液し、酸化還元反応により充放電する電解液循
環型の全バナジウムレドックス電池において、樹脂製の
外枠の内部に導電性の板を嵌め込んだバイポーラ板と、
電解液をセルに循環させるためのマニホールド及びスリ
ットを有し且つ内部に電極が装入保持されるくりぬき部
を有する分液板と、隔膜とを、適度な剛性を有するパッ
キンを介して面シールにより集層させて厚さ2.5mm
以下の正極室又は負極室を形成し、その際該スリットは
該マニホールドと該くりぬき部の間に穿設された分液穴
を境に表と裏に凹設されていることを特徴とする全バナ
ジウムレドックス電池。 - 【請求項2】 前記バイポーラ板は、カーボン板が前記
外枠と同一平面となるようにその内部に嵌め込まれてお
り、0.5〜1.5mmの厚さを有するものである請求
項1記載の電池。 - 【請求項3】 前記分液板が、幅1〜3mm及び深さ
0.5〜1.5mmの溝状スリットを複数本有し、該ス
リットが分液穴とくりぬき部との間では表側(膜側)
に、マニホールドと分液穴との間では裏側に凹設された
樹脂製の板からなるものである請求項1記載の電池。 - 【請求項4】 前記パッキンが、80〜100のデュー
ロ硬度A(JISK6301)を有し、その厚さが0.
2〜1mmのものである請求項1記載の電池。 - 【請求項5】 前記パッキンおよび分液板の厚さを調節
することにより、正極室または負極室の厚さを2.5m
m以下にする請求項1記載の電池。 - 【請求項6】 前記隔膜が20〜150μmの厚さを有
する耐酸性イオン交換膜である請求項1記載の電池。 - 【請求項7】 80mA/cm2以上の高電流密度で充放電が
行われる請求項1記載の電池。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6140359A JPH087913A (ja) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | 全バナジウムレドックス電池 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP6140359A JPH087913A (ja) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | 全バナジウムレドックス電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH087913A true JPH087913A (ja) | 1996-01-12 |
Family
ID=15266995
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP6140359A Pending JPH087913A (ja) | 1994-06-22 | 1994-06-22 | 全バナジウムレドックス電池 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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