JP2017041418A - Bipolar plate, cell frame, cell stack and redox flow cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レドックスフロー電池の構成部品である双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池に関する。特に、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の流量分布を均一化できる双極板に関する。 The present invention relates to a bipolar plate, a cell frame and a cell stack, which are components of a redox flow battery, and a redox flow battery. In particular, the present invention relates to a bipolar plate that can make the flow rate distribution of the electrolyte uniform while reducing the pressure loss of the electrolyte in the cell.
大容量の蓄電池の一つとして、レドックスフロー電池(以下、「RF電池」と呼ぶ場合がある)が知られている(特許文献1〜3を参照)。レドックスフロー電池の用途としては、負荷平準化用途の他、瞬低補償や非常用電源などの用途、大量導入が進められている太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの出力平滑化用途などが挙げられる。
As one of large-capacity storage batteries, redox flow batteries (hereinafter sometimes referred to as “RF batteries”) are known (see
RF電池は、正極電解液及び負極電解液に酸化還元により価数が変化する金属イオン(活物質)を含有する電解液を使用して充放電を行う電池である。図6に、正極電解液及び負極電解液の活物質にVイオンを含有するバナジウム電解液を使用したバナジウム系RF電池300の動作原理図を示す。図6中の電池セル100内の実線矢印は充電反応を、破線矢印は放電反応をそれぞれ示す。
An RF battery is a battery that performs charge and discharge using an electrolytic solution containing a metal ion (active material) whose valence is changed by oxidation and reduction in a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte. FIG. 6 shows an operation principle diagram of a
RF電池300は、水素イオンを透過させるイオン交換膜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。正極セル102には正極電極104が内蔵され、かつ正極電解液を貯留する正極電解液用タンク106が導管108,110を介して接続されている。同様に、負極セル103には負極電極105が内蔵され、かつ負極電解液を貯留する負極電解液用タンク107が導管109,111を介して接続されている。そして、ポンプ112,113により、各タンク106,107に貯留される電解液をセル100(正極セル102及び負極セル103)に循環流通させて、充放電を行う。
The
上記RF電池300には、通常、複数のセル100が積層されたセルスタックを備える構成が利用されている。図7は、セルスタックの概略構成図である。図7に例示するセルスタック10Sは、双極板21の外周に枠体22が設けられたセルフレーム20、正極電極104、イオン交換膜101、及び負極電極105を複数積層してなり、その積層体を2枚のエンドプレート250,250で挟み込んで締め付けることで形成されている。
The
上記セルスタック10Sでは、双極板21の一面側に正極電極104、他面側に負極電極105が配置され、隣接するセルフレーム20の間に1つのセルが形成されることになる。セルスタック10Sにおける電解液の流通は、枠体22に貫通して設けられたマニホールド200、及び枠体22の表面に形成され、マニホールド200と双極板21との間に設けられたスリット210により行われる。セルスタック10Sでは、正極電解液は、給液マニホールド201から枠体22の一面側(紙面表側)に形成されたスリット211を介して双極板21の正極電極104側に供給され、枠体22の上部に形成されたスリット213を介して排液マニホールド203に排出される。同様に、負極電解液は、給液マニホールド202から枠体22の他面側(紙面裏側)に形成されたスリット212を介して双極板21の負極電極105側に供給され、枠体22の上部に形成されたスリット214を介して排液マニホールド204に排出される。また、枠体22のスリット211〜214が形成された部分に、イオン交換膜101を保護するプラスチック製の保護板30がそれぞれ配置されている。各保護板30は、各マニホールド201〜204に対応する位置に貫通孔が形成され、各スリット211〜214を覆う大きさを有する。スリット211〜214が保護板30で覆われていることで、各スリット211〜214がイオン交換膜101に接触することがなくなり、スリットの凹凸によってイオン交換膜が損傷することを防止できる。
In the cell stack 10 </ b> S, the
セルフレーム20は、双極板21と、双極板21の外周に設けられる枠体22とを備える。枠体22は、双極板21の外周部を表裏から挟むように形成されており、例えば射出成形により双極板21と一体化されている。セルフレーム20における双極板21の領域は凹部になっており、凹部の形状は、双極板21の形状に対応した形状になっている。この凹部に略同形状の電極(正極電極104又は負極電極105)が収納され、双極板21とイオン交換膜101と枠体22とで囲まれる空間がセル(正極セル又は負極セル)を構成する。
The
枠体22に形成されたスリット210の一端はマニホールド200につながり、
他端は枠体22の内縁部につながっており、マニホールド200と上記凹部とはスリット210を介して連通している。図7に例示するセルフレーム20の場合、給液マニホールド201,202から延びるスリット211,212が枠体22(凹部)の下側の内縁部につながっており、排液マニホールド203,204から延びるスリット213,214が枠体22(凹部)の上側の内縁部につながっている。つまり、双極板21(電極)の下側から上記セル内に電解液が供給され、双極板21(電極)の上側から電解液が排出される。通常、枠体22の内縁部には整流部(図示せず)が形成されており、スリット210の他端は整流部につながっている。整流部は、供給された電解液を凹部に収納された電極の縁部に沿って拡散させたり、電極から排出される電解液をスリット210へ集約する機能を有する。この整流部により、双極板21(電極)の一方の縁部(図7では下側の縁部)から他方の縁部(図7では上側の縁部)に向かってセル内を電解液が流れるようになっている。
One end of the
The other end is connected to the inner edge portion of the
更なるレドックスフロー電池の電池性能の向上が望まれており、その一つとして電池の内部抵抗を低減することが求められている。この内部抵抗を増大させる要因の一つに、電解液の流通抵抗に起因する圧力損失が挙げられる。しかしながら、従来では、セル内での電解液の圧力損失を低減した上で、電解液の流量分布を均一化することについて、必ずしも十分な検討がなされているとは言えなかった。 Further improvement of the battery performance of the redox flow battery is desired, and as one of them, it is required to reduce the internal resistance of the battery. One of the factors that increase the internal resistance is pressure loss due to the flow resistance of the electrolyte. However, in the past, it has not been said that sufficient studies have been made to make the flow rate distribution of the electrolyte uniform while reducing the pressure loss of the electrolyte in the cell.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の流量分布を均一化できる双極板を提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記双極板を備えるセルフレーム及びこのセルフレームを備えるセルスタック、並びにこのセルスタックを備えるレドックスフロー電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of the objects of the present invention is to provide a bipolar plate capable of reducing the pressure loss of the electrolytic solution in the cell while making the flow rate distribution of the electrolytic solution uniform. There is to do. Another object of the present invention is to provide a cell frame including the bipolar plate, a cell stack including the cell frame, and a redox flow battery including the cell stack.
本発明の一態様に係る双極板は、一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される。この双極板は、正極電極側及び負極電極側の少なくとも一方の面に、電解液の流通方向に沿って形成された複数の溝を備え、前記複数の溝は、長さの異なる2以上の溝を有する。そして、溝の長さが長い領域と溝の長さが短い領域との圧力損失の差が小さくなるように前記溝が形成されている。 In the bipolar plate according to one embodiment of the present invention, the positive electrode is disposed on one side and the negative electrode is disposed on the other side. The bipolar plate includes a plurality of grooves formed along the flow direction of the electrolyte on at least one surface of the positive electrode side and the negative electrode side, and the plurality of grooves include two or more grooves having different lengths. Have And the said groove | channel is formed so that the difference of the pressure loss of the area | region where the length of a groove | channel is long and the area | region where a groove | channel length is short may become small.
本発明の一態様に係るセルフレームは、上記本発明の一態様に係る双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体とを備える。 The cell frame which concerns on 1 aspect of this invention is equipped with the bipolar plate which concerns on the said 1 aspect of this invention, and the frame provided in the outer periphery of the said bipolar plate.
本発明の一態様に係るセルスタックは、上記本発明の一態様に係るセルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とをそれぞれ複数積層してなる。 A cell stack according to one embodiment of the present invention is formed by stacking a plurality of cell frames according to one embodiment of the present invention, a positive electrode, an ion exchange membrane, and a negative electrode.
本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記本発明の一態様に係るセルスタックを備える。 A redox flow battery according to one embodiment of the present invention includes the cell stack according to one embodiment of the present invention.
上記双極板は、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の流量分布を均一化できる。上記セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池は、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の流量分布を均一化できる。 The bipolar plate can reduce the pressure loss of the electrolytic solution in the cell and make the flow rate distribution of the electrolytic solution uniform. The cell frame, the cell stack, and the redox flow battery can reduce the pressure loss of the electrolytic solution in the cell and can make the flow rate distribution of the electrolytic solution uniform.
[本発明の実施形態の説明]
本発明者らは、レドックスフロー電池において、双極板の電極が配置される面に、電解液の流通方向に沿って複数の溝を形成して流路を構成することで、セル内での電解液の圧力損失を低減することを検討した。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
In the redox flow battery, the inventors have formed a plurality of grooves along the flow direction of the electrolytic solution on the surface on which the electrode of the bipolar plate is arranged, thereby constituting a flow path, thereby allowing electrolysis in the cell. We studied to reduce the pressure loss of the liquid.
従来の双極板は矩形状のものが多い。矩形状の双極板を備える従来のセルフレームの場合、図8の矢印で示すように、双極板21の下側縁部から上側縁部に向かってセル内を電解液が流れる。図8に示す矩形状の双極板21では、下側縁部から上側縁部までの距離が幅方向で一定であり、セル内の電解液の流れる長さが双極板21の幅方向に亘って実質的に同じである。そのため、矩形状の双極板21の表面に、電解液の流通方向に沿って同じ断面形状で同じサイズ(同じ溝幅、溝深さ)の複数の溝を等間隔で形成した場合、各溝の長さは同じになる。ここで、各溝での電解液の圧力損失(ΔP)は、次の式1で表され、溝の長さ(L)に比例することから、各溝の長さが同じであれば、各溝の圧力損失も等しくなり、各溝の流量も等しくなる。したがって、矩形状の双極板の場合は、各溝に流れる電解液の流量が均一になるため、セル内における電解液の流量分布を均一化し易い。
Many conventional bipolar plates are rectangular. In the case of a conventional cell frame having a rectangular bipolar plate, the electrolyte flows through the cell from the lower edge of the
(式1)ΔP=128×μ×(Q×L)/(π×De 4)
μ:電解液の粘度
Q:電解液の流量
L:溝の長さ
De:溝の等価直径(De=4S/l、S:溝の断面積、l=溝の周長)
ここで、溝の長さLとは、双極板を平面視したとき、溝の一端から他端まで溝に沿って測定した長さである。溝の周長lとは、電解液の流通方向に直交する溝の断面における周長を意味し、当該断面において、溝を構成する壁面の周長と、溝の開口部の幅とを合計した長さである。例えば、溝の断面形状が矩形状で、溝幅wが1mm、溝深さhが1mmの場合、溝の周長lは4mmである。また、この場合、溝の断面積Sは1mm2であり、溝の等価直径Deは1mmとなる。
(Expression 1) ΔP = 128 × μ × (Q × L) / (π × D e 4 )
μ: electrolyte viscosity Q: electrolyte flow rate L: groove length De : equivalent groove diameter (D e = 4 S / l, S: groove cross-sectional area, l = groove circumference)
Here, the length L of the groove is a length measured along the groove from one end to the other end of the groove when the bipolar plate is viewed in plan. The circumferential length l of the groove means the circumferential length in the cross section of the groove perpendicular to the flowing direction of the electrolyte, and in the cross section, the circumferential length of the wall surface constituting the groove and the width of the opening of the groove are totaled. Length. For example, when the cross-sectional shape of the groove is rectangular, the groove width w is 1 mm, and the groove depth h is 1 mm, the circumferential length l of the groove is 4 mm. In this case, the sectional area S of the groove is 1 mm 2, the equivalent diameter D e of the groove becomes 1 mm.
一方で、特許文献3に示されるような、台形状の双極板を備えるセルフレームの場合、図9の矢印で示すように、セル内を電解液が流れる。図9に示す台形状の双極板21では、下側縁部から上側縁部までの距離が幅方向で異なり、幅方向の両端部での上下縁部間の距離が中央部に比べて長くなる。つまり、幅方向の両端部の領域では、中央部に比べて電解液の流れる長さが長くなる。そのため、台形状の双極板21の表面に、電解液の流通方向に沿って同じ断面形状で同じサイズ(同じ溝幅、溝深さ)の複数の溝を等間隔で形成した場合は、長さの異なる溝が形成されることになる。具体的には、両端部の領域では、溝の長さが中央部に比べて長くなる。上述したように、各溝での電解液の圧力損失(ΔP)は溝の長さに比例することから、両端部の溝の圧力損失は中央部の溝よりも高くなり、両端部の溝への流量が中央部に比べて少なくなる。したがって、台形状の双極板のように、長さの異なる溝が形成される場合は、各溝に流れる電解液の流量が不均一になるため、セル内における電解液の流量分布も不均一になる。セル内において電解液の流量分布が不均一になると、電解液の流量の少ない領域での電解液の供給不足により、セル部材(電極や双極板など)の損傷や、電池性能の低下を招く虞がある。
On the other hand, in the case of a cell frame having a trapezoidal bipolar plate as shown in
本発明者らは、以上の点に着目し、双極板に長さの異なる複数の溝が形成される場合でも、セル内における電解液の流量分布を均一化することについて更に検討を進め、本願発明を完成するに至った。以下、本発明の実施態様を列記して説明する。 The present inventors paid attention to the above points, and proceeded further studies on uniformizing the flow rate distribution of the electrolyte in the cell even when a plurality of grooves having different lengths are formed in the bipolar plate. The invention has been completed. Hereinafter, embodiments of the present invention will be listed and described.
(1)本発明の一態様に係る双極板は、一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される。この双極板は、正極電極側及び負極電極側の少なくとも一方の面に、電解液の流通方向に沿って形成された複数の溝を備え、前記複数の溝は、長さの異なる2以上の溝を有する。そして、溝の長さが長い領域と溝の長さが短い領域との圧力損失の差が小さくなるように前記溝が形成されている。 (1) In the bipolar plate according to one aspect of the present invention, the positive electrode is disposed on one side and the negative electrode is disposed on the other side. The bipolar plate includes a plurality of grooves formed along the flow direction of the electrolyte on at least one surface of the positive electrode side and the negative electrode side, and the plurality of grooves include two or more grooves having different lengths. Have And the said groove | channel is formed so that the difference of the pressure loss of the area | region where the length of a groove | channel is long and the area | region where a groove | channel length is short may become small.
上記双極板によれば、電解液の流通方向に沿って複数の溝を備えることで、セル内の電解液の流通抵抗を小さくして、セル内での電解液の圧力損失を低減できる。よって、電池の内部抵抗を低減できる。また、溝の長さが長い領域(即ち、流路の長い領域)と溝の長さが短い領域(即ち、流路の短い領域)とで、圧力損失の差が小さくなるように溝が形成されていることから、領域間の電解液の流量の差を小さくできる。つまり、長さの異なる溝を有する場合であっても、溝(流路)の長い領域への流量を増やして、セル内における電解液の流量分布を均一化できる。そのため、セル内において電解液の供給不足が生じ難く、セル部材の損傷や、電池性能の低下を抑制できる。 According to the bipolar plate, by providing the plurality of grooves along the flow direction of the electrolytic solution, the flow resistance of the electrolytic solution in the cell can be reduced, and the pressure loss of the electrolytic solution in the cell can be reduced. Therefore, the internal resistance of the battery can be reduced. In addition, the groove is formed so that the difference in pressure loss is small between the region where the groove length is long (ie, the region where the flow path is long) and the region where the groove length is short (ie the region where the flow path is short). Therefore, the difference in the electrolyte flow rate between the regions can be reduced. That is, even when the grooves have different lengths, the flow rate distribution of the electrolyte solution in the cell can be made uniform by increasing the flow rate to the long region of the groove (flow path). Therefore, it is difficult for the electrolyte to be insufficiently supplied in the cell, and damage to the cell member and deterioration of the battery performance can be suppressed.
領域間の圧力損失の差は、小さいほど好ましい。具体的には、溝(流路)の長さに応じて、双極板を幅方向に少なくとも2つ以上の領域に等分したとき、溝の長さが最も長い領域と最も短い領域との圧力損失の差が、溝の長さが最も短い領域に対して20%以下、更に10%以下であることが好ましい。各領域の圧力損失は、各領域に設けられた溝の圧力損失を算出し、それを合計して求めることができる。領域間の圧力損失の差は、実質的に0(つまり、溝の長さが長い領域と短い領域での圧力損失が同じ)であることが最も好ましい。 The smaller the difference in pressure loss between the regions, the better. Specifically, when the bipolar plate is equally divided into at least two regions in the width direction according to the length of the groove (channel), the pressure between the longest and shortest regions of the groove The difference in loss is preferably 20% or less, more preferably 10% or less, with respect to the region having the shortest groove length. The pressure loss in each region can be obtained by calculating the pressure loss of the grooves provided in each region and summing them. Most preferably, the difference in pressure loss between the regions is substantially zero (that is, the pressure loss in the long and short regions of the groove is the same).
(2)上記双極板の一形態として、上記複数の溝は、以下の要件を満たす長さの長い溝と短い溝とを含むことが挙げられる。
前記長さの長い溝の等価直径が、前記長さの短い溝の等価直径よりも大きい。
(2) As one form of the bipolar plate, the plurality of grooves include a long groove and a short groove that satisfy the following requirements.
The equivalent diameter of the long groove is larger than the equivalent diameter of the short groove.
溝の圧力損失は、溝の断面積が大きいほど、低くなる。厳密には、溝の圧力損失は、溝の断面積の他、溝の周長にも影響を受け、溝の周長が小さいほど、低くなる。よって、溝の圧力損失は、上記式(1)に示されるように、溝の断面積(S)と周長(l)の比(S/l)で表される等価直径(De)が大きいほど、低くなる。 The groove pressure loss decreases as the groove cross-sectional area increases. Strictly speaking, the pressure loss of the groove is influenced not only by the cross-sectional area of the groove but also by the circumferential length of the groove, and becomes lower as the circumferential length of the groove is smaller. Therefore, the pressure loss of the groove has an equivalent diameter (D e ) represented by the ratio (S / l) of the cross-sectional area (S) of the groove to the circumferential length (l), as shown in the above formula (1). The larger it is, the lower it is.
溝の幅や深さを大きくするなど溝の断面積を大きくしたり、溝の断面積が同じでも溝の形状を変更するなど溝の周長を小さくすることによって、溝の等価直径を大きくすることで、溝の圧力損失を低減できる。したがって、長さの長い溝の等価直径が長さの短い溝の等価直径よりも大きいという要件を満たす長い溝と短い溝とを含むことで、長さの異なる各溝間の圧力損失の差を小さくでき、各溝に流れる電解液の流量の差を小さくできる。つまり、長さの長い溝への流量を増やして、各溝の流量を均一にでき、セル内における電解液の流量分布を均一化できる。より好ましくは、溝の長さに応じて、溝の等価直径が大きくなるように溝を形成することが挙げられる。 Increasing the groove equivalent diameter by increasing the groove cross-sectional area, such as increasing the groove width or depth, or by reducing the groove circumference, such as changing the groove shape even if the groove cross-sectional area is the same. Thus, the pressure loss of the groove can be reduced. Therefore, by including a long groove and a short groove that satisfy the requirement that the equivalent diameter of the long length groove is larger than the equivalent diameter of the short length groove, the difference in pressure loss between the different length grooves can be reduced. The difference in the flow rate of the electrolyte flowing through each groove can be reduced. That is, by increasing the flow rate to the long groove, the flow rate of each groove can be made uniform, and the flow rate distribution of the electrolyte in the cell can be made uniform. More preferably, the groove is formed so that the equivalent diameter of the groove is increased according to the length of the groove.
上記形態では、複数の溝が等間隔に形成されている場合、各溝間の圧力損失差が小さくなるように形成されている。具体的には、最も長い溝と最も短い溝との圧力損失の差が、最も短い溝の圧力損失に対して20%以下、更に10%以下であることが好ましい。特に、各溝間の圧力損失差が実質的に0(つまり、各溝の圧力損失が同じ)であることが最も好ましい。 In the said form, when the some groove | channel is formed at equal intervals, it forms so that the pressure loss difference between each groove | channel may become small. Specifically, the difference in pressure loss between the longest groove and the shortest groove is preferably 20% or less, more preferably 10% or less, with respect to the pressure loss of the shortest groove. In particular, it is most preferable that the pressure loss difference between the grooves is substantially 0 (that is, the pressure loss of each groove is the same).
(3)上記双極板の一形態として、上記複数の溝は、以下の要件を満たす長さの長い溝と短い溝とを含むことが挙げられる。
前記長さの長い溝とそれに隣り合う溝との間隔が、前記長さの短い溝とそれに隣り合う溝との間隔よりも小さい。
(3) As one form of the bipolar plate, the plurality of grooves include a long groove and a short groove that satisfy the following requirements.
The distance between the long groove and the adjacent groove is smaller than the distance between the short groove and the adjacent groove.
隣り合う溝の間隔を小さくすることで、溝が密に設けられた領域が形成され、その領域における溝の本数が増えることから、その領域での圧力損失を低減できる。したがって、長さの長い溝とそれに隣り合う溝との間隔が長さの短い溝とそれに隣り合う溝との間隔よりも小さいという要件を満たす長い溝と短い溝とを含むことで、溝(流路)の長さが異なる領域間の圧力損失の差を小さくでき、各領域に流れる電解液の流量の差を小さくできる。つまり、溝(流路)の長い領域への流量を増やして、セル内における電解液の流量分布を均一化できる。より好ましくは、溝の長さに応じて、隣り合う溝の間隔が小さくなるように溝を形成することが挙げられる。 By reducing the interval between adjacent grooves, a region in which the grooves are densely formed is formed, and the number of grooves in the region increases, so that pressure loss in the region can be reduced. Therefore, by including a long groove and a short groove that satisfy the requirement that the distance between the long groove and the adjacent groove is smaller than the distance between the short groove and the adjacent groove, the groove (flow The difference in pressure loss between regions having different path lengths can be reduced, and the difference in the flow rate of the electrolyte flowing in each region can be reduced. In other words, the flow rate distribution to the long region of the groove (flow path) can be increased, and the flow rate distribution of the electrolytic solution in the cell can be made uniform. More preferably, according to the length of a groove | channel, forming a groove | channel so that the space | interval of an adjacent groove | channel may become small is mentioned.
(4)上記双極板の一形態として、溝の長さが最も長い領域と溝の長さが最も短い領域との圧力損失の差が、前記溝の長さが最も短い領域の圧力損失に対して20%以下であることが挙げられる。 (4) As one form of the bipolar plate, the difference in pressure loss between the region with the longest groove and the region with the shortest groove is less than the pressure loss in the region with the shortest groove. 20% or less.
上記形態によれば、電解液が流通する際、最も長い溝を有する部分の圧力損失と、最も短い溝を有する部分の圧力損失との差を、最も短い溝を有する部分の圧力損失に対して20%以下とすることができる。これにより、セル内における電解液の流量分布を十分に均一化でき、電解液の供給不足に起因するセル部材の損傷や、電池性能の低下を抑制する効果が高い。より好ましい圧力損失の差は、10%以下である。 According to the above aspect, when the electrolyte flows, the difference between the pressure loss of the portion having the longest groove and the pressure loss of the portion having the shortest groove is determined with respect to the pressure loss of the portion having the shortest groove. It can be 20% or less. Thereby, the flow distribution of the electrolyte solution in the cell can be made sufficiently uniform, and the effect of suppressing the damage of the cell member due to the insufficient supply of the electrolyte solution and the deterioration of the battery performance is high. A more preferable difference in pressure loss is 10% or less.
(5)本発明の一態様に係るセルフレームは、上記(1)〜(4)のいずれか1つに記載の双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体とを備える。 (5) The cell frame which concerns on 1 aspect of this invention is equipped with the bipolar plate as described in any one of said (1)-(4), and the frame provided in the outer periphery of the said bipolar plate.
上記セルフレームによれば、本発明の一態様に係る双極板を備えることから、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の流量分布を均一化できる。セル内における電解液の流量分布を均一化できるため、電解液の供給不足に起因するセル部材の損傷や、電池性能の低下を抑制できる。 According to the cell frame, since the bipolar plate according to one aspect of the present invention is provided, the flow rate distribution of the electrolytic solution can be made uniform while reducing the pressure loss of the electrolytic solution in the cell. Since the flow distribution of the electrolytic solution in the cell can be made uniform, damage to the cell member due to insufficient supply of the electrolytic solution and a decrease in battery performance can be suppressed.
(6)本発明の一態様に係るセルスタックは、上記(5)に記載のセルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とをそれぞれ複数積層してなる。 (6) A cell stack according to one embodiment of the present invention is formed by laminating a plurality of cell frames, positive electrode electrodes, ion exchange membranes, and negative electrode electrodes described in (5) above.
上記セルスタックによれば、本発明の一態様に係るセルフレームを備えることから、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の流量分布を均一化できる。セル内における電解液の流量分布を均一化できるため、電解液の供給不足に起因するセル部材の損傷や、電池性能の低下を抑制できる。 According to the cell stack, since the cell frame according to one aspect of the present invention is provided, the flow rate distribution of the electrolytic solution can be made uniform while reducing the pressure loss of the electrolytic solution in the cell. Since the flow distribution of the electrolytic solution in the cell can be made uniform, damage to the cell member due to insufficient supply of the electrolytic solution and a decrease in battery performance can be suppressed.
(7)本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記(6)に記載のセルスタックを備える。 (7) The redox flow battery which concerns on 1 aspect of this invention is equipped with the cell stack as described in said (6).
上記レドックスフロー電池によれば、本発明の一態様に係るセルスタックを備えることから、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の流量分布を均一化できる。セル内における電解液の流量分布を均一化できるため、電解液の供給不足に起因するセル部材の損傷や、電池性能の低下を抑制できる。 According to the redox flow battery, since the cell stack according to one aspect of the present invention is provided, the flow rate distribution of the electrolytic solution can be made uniform while reducing the pressure loss of the electrolytic solution in the cell. Since the flow distribution of the electrolytic solution in the cell can be made uniform, damage to the cell member due to insufficient supply of the electrolytic solution and a decrease in battery performance can be suppressed.
[本発明の実施形態の詳細]
本発明の実施形態に係る双極板の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。本発明の実施形態に係るセルフレーム、セルスタック及びレドックスフロー電池は、本発明の実施形態に係る双極板を用いたことに特徴があり、それ以外の構成は、図6,図7を参照して説明した従来と同様の構成を採用できる。したがって、以下では、セルフレーム、セルスタック及びレドックスフロー電池について、その詳しい説明を省略する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
[Details of the embodiment of the present invention]
Specific examples of the bipolar plate according to the embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. The cell frame, the cell stack, and the redox flow battery according to the embodiment of the present invention are characterized by using the bipolar plate according to the embodiment of the present invention. For other configurations, refer to FIG. 6 and FIG. A configuration similar to the conventional one described above can be employed. Therefore, in the following, detailed descriptions of the cell frame, the cell stack, and the redox flow battery are omitted. In addition, this invention is not limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the meaning and range equivalent to a claim are included.
[実施形態1]
図1,図2を参照して、実施形態1に係る双極板21Aについて説明する。双極板21Aは、図1に示すように平面形状が略六角形状であり、2つの辺と、その2辺に挟まれる角とで構成される一方の縁部(図1では下側の縁部)が電解液の供給側であり、それに対向する他方の縁部(図1では上側の縁部)が電解液の排出側である。双極板21Aは、図中の矢印で示すように、下側縁部から上側縁部に向かって電解液が流れる。そして、双極板21Aは、電極50(図2参照)が配置される面に、電解液の流通方向(図1では上下方向)に沿って形成された複数の溝40を備え、複数の溝40は、長さの異なる少なくとも2以上の溝40を有する。図1では、分かり易くするため、溝40が形成されていない部分にハッチングを付している(後述する図4も同じ)。双極板21Aには、プラスチックカーボン製のものが利用できる。
[Embodiment 1]
A
(双極板)
双極板21Aは六角形状であり、下側縁部から上側縁部までの距離が幅方向で異なる。具体的には、上下縁部間の距離が幅方向の中央部で長く、両端部で短くなっており、中央部の領域では、両端部に比べて電解液の流れる長さ(流路長)が長くなる。そのため、電解液の流通方向に沿って複数の溝40を形成した場合、長さの異なる溝40が双極板21Aの幅方向(電解液の流通方向と直交する方向。図1では左右方向)に並列に形成され、中央部の領域では、溝40の長さが両端部に比べて長くなる。
(Bipolar plate)
The
双極板21Aの形状は、上下縁部間の距離が幅方向に異なる形状など、電解液の流通方向に沿って複数の溝40を形成した場合に長さの異なる複数の溝40が形成される形状であることが挙げられる。したがって、双極板21Aの形状は、六角形状の他、三角形状、台形状、菱形状、八角形状などであってもよい。
The shape of the
(溝)
双極板21Aは、電解液の流通方向に沿って形成された長さの異なる複数の溝40を備える。実施形態1の双極板21Aでは、電解液の流通方向に沿って等間隔に複数の溝40が形成されており、各溝40の断面形状が略矩形状である(図2参照)。また、この例では、各溝40は、一端が双極板21Aの下側縁部又は上側縁部に連通し、他端が対向する縁部まで一定長さを残して形成されており、双極板21Aの下側縁部に連通する溝40と、双極板21Aの上側縁部に連通する溝40とが交互に並んで形成されている。そして、溝40の長さが長い中央部の領域と溝40の長さが短い両端部の領域との圧力損失の差が小さくなるように溝40が形成されている。具体的には、中央部の領域と両端部の領域との圧力損失の差が、両端部の領域の圧力損失に対して20%以下、更に10%以下となるように、溝40が形成されている。
(groove)
The
溝40の幅や深さ、隣り合う溝の間隔は、双極板21Aのサイズや厚さなどに応じて適宜選択することができ、特に限定されない。例えば、溝40の幅は0.1mm以上10mm以下、更に5mm以下、溝40の深さは0.1mm以上10mm以下、更に5mm以下、隣り合う溝の間隔は0.2mm以上10mm以下とすることが挙げられる。溝40の断面形状も、特に限定されるものではなく、矩形状の他、三角形状、台形状、半円形状や半楕円形状などであってもよい。
The width and depth of the
流路を構成する複数の溝40は、溝40の長さが長い中央部の領域と溝40の長さが短い両端部の領域との圧力損失の差が小さくなるように、長さの長い溝40の等価直径が長さの短い溝40の等価直径よりも大きくなるように形成されている。具体的には、溝40の長さに応じて等価直径が大きくなるように形成されている。この例では、図2に示すように、長さの長い中央側の溝40ほど、溝40の深さを大きくして断面積を大きくすることによって、溝40の等価直径を大きくしている。これにより、長さの長い溝40の圧力損失を低減できる。具体的には、最も長い溝と最も短い溝との圧力損失の差が最も短い溝の圧力損失に対して20%以下、更に10%以下となるように、各溝40の等価直径が設定されている。特に、各溝40の圧力損失が略等しく、各溝40間の圧力損失差が実質的に0となるように、各溝40の等価直径が設定されていることが好ましい。各溝40の圧力損失を等しくする場合、最も短い溝に対してn倍の長さの溝の等価直径は、上記式(1)から、最も短い溝の等価直径の4√n倍に設定すればよい。
The plurality of
{作用効果}
実施形態1の双極板21Aによれば、電極50が配置される面に複数の溝40を備えることで、セル内の電解液の流通抵抗を小さくして、セル内での電解液の圧力損失を低減できる。また、長さの長い溝40の等価直径が長さの短い溝40の等価直径よりも大きくなるように形成されていることで、各溝40間の圧力損失の差を小さくでき、各溝40に流れる電解液の流量の差を小さくできる。したがって、溝40の長さが長い中央部の領域と溝40の長さが短い両端部の領域との圧力損失の差を小さくでき、領域間の流量の差を小さくできる。よって、セル内における電解液の流量分布を均一化でき、電解液の供給不足に起因するセル部材(電極や双極板など)の損傷や、電池性能の低下を抑制できる。
{Function and effect}
According to the
〈変形例〉
図1,図2を参照して説明した実施形態1では、溝40の長さに応じて、溝40の深さを大きくすることによって等価直径を大きくする場合を説明したが、図3に示すように、溝40の幅を大きくすることによっても、溝40の断面積を大きくして等価直径を大きくできる。溝40の長さに応じて幅を大きくする場合(図3参照)は、深さを大きくする場合(図2参照)に比べて、隣り合う溝40の間隔が狭くなり、溝40と溝40との間の畝の幅が狭くなる。そのため、溝40の等価直径を大きくする手段として、溝40の幅を変更する場合は、深さを変更する場合に比べて、双極板21Aと電極50との接触面積が減少する。したがって、双極板21Aと電極50との接触面積を確保して接触抵抗を低減する観点から、溝40の深さを変更する方が好ましい。
<Modification>
In the first embodiment described with reference to FIGS. 1 and 2, the case where the equivalent diameter is increased by increasing the depth of the
また、実施形態1では、全ての溝40の断面形状が同じ略矩形状である場合を説明したが、一部の溝40の断面形状を異ならせることも可能である。溝40の等価直径は、溝40の周長を小さくすることによっても大きくできることから、溝40の長さに応じて溝40の周長を小さくすることが考えられる。例えば、実施形態1の双極板21Aにおいて、溝40の長さが長い中央部の領域では溝40の断面形状を半円形状にするなど、溝40の周長を小さくすることによって等価直径を大きくすることが挙げられる。
Moreover, although
[実施形態2]
上述した実施形態1の双極板21Aでは、長さの長い溝40の等価直径が長さの短い溝40の等価直径よりも大きい形態を説明した。実施形態2では、長さの長い溝40とそれに隣り合う溝40との間隔が長さの短い溝40とそれに隣り合う溝40との間隔よりも小さい形態を説明する。以下、図4,図5を参照して、実施形態2に係る双極板21Bについて、実施形態1の双極板21Aとの相違点を中心に説明する。
[Embodiment 2]
In the
実施形態2の双極板21Bでは、全ての溝40の断面形状が同じ矩形状で、かつ、幅や深さなど断面積、等価直径の大きさも同じである。そして、溝40の長さが長い中央部の領域と溝40の長さが短い両端部の領域との圧力損失の差が小さくなるように、長さの長い溝40とそれに隣り合う溝40との間隔が長さの短い溝40とそれに隣り合う溝40との間隔よりも小さくなるように形成されている。具体的には、溝40の長さに応じて隣り合う溝40の間隔が小さくなっている。つまり、長さの長い中央側の溝40ほど、隣り合う溝40との間隔が狭く、中央部の領域では、両端部の領域に比べて溝40と溝40との間の畝の幅が狭くなっている。そのため、中央部の領域は溝40が密に形成された領域となり、中央部の領域の圧力損失を低減できる。したがって、長さの長い溝40とそれに隣り合う溝40との間隔が長さの短い溝40とそれに隣り合う溝40との間隔よりも小さくなるように形成されていることで、溝40の長さが異なる領域間の圧力損失の差を小さくでき、各領域に流れる電解液の流量の差を小さくできる。よって、セル内における電解液の流量分布を均一化できる。
In the
更に、溝40の長さに応じて、溝40の等価直径を大きくすると共に、隣り合う40の間隔を小さくしてもよく、これにより、溝40の長さが異なる領域間の圧力損失の差を小さくすることも可能である。
Further, according to the length of the
本発明の双極板は、レドックスフロー電池に好適に利用可能である。 The bipolar plate of the present invention can be suitably used for a redox flow battery.
100 セル
101 イオン交換膜
102 正極セル 104 正極電極
103 負極セル 105 負極電極
106 正極電解液用タンク
108,110 導管 112 ポンプ
107 負極電解液用タンク
109,111 導管 113 ポンプ
20 セルフレーム
21,21A,21B 双極板
22 枠体
200,201〜204 マニホールド
210,211〜214 スリット
30 保護板
40 溝
50 電極
10S セルスタック
250 エンドプレート
300 レドックスフロー電池(RF電池)
DESCRIPTION OF
Claims (7)
正極電極側及び負極電極側の少なくとも一方の面に、電解液の流通方向に沿って形成された複数の溝を備え、
前記複数の溝は、長さの異なる2以上の溝を有し、
溝の長さが長い領域と溝の長さが短い領域との圧力損失の差が小さくなるように前記溝が形成されている双極板。 A bipolar plate in which a positive electrode is arranged on one side and a negative electrode is arranged on the other side,
Provided with a plurality of grooves formed along the flow direction of the electrolyte on at least one surface of the positive electrode side and the negative electrode side,
The plurality of grooves have two or more grooves having different lengths,
A bipolar plate in which the groove is formed so that a difference in pressure loss between a region having a long groove length and a region having a short groove length is reduced.
前記長さの長い溝の等価直径が、前記長さの短い溝の等価直径よりも大きい。 The bipolar plate according to claim 1, wherein the plurality of grooves include a long groove and a short groove that satisfy the following requirements.
The equivalent diameter of the long groove is larger than the equivalent diameter of the short groove.
前記長さの長い溝とそれに隣り合う溝との間隔が、前記長さの短い溝とそれに隣り合う溝との間隔よりも小さい。 The bipolar plate according to claim 1, wherein the plurality of grooves include a long groove and a short groove that satisfy the following requirements.
The distance between the long groove and the adjacent groove is smaller than the distance between the short groove and the adjacent groove.
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