專利名稱：氧化還原流動式電池用電池組的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氧化還原流動式電池用電池組。特別是涉及可靠性高、結(jié)構(gòu)簡單的電池組。
背景技術(shù)：
圖5是表示現(xiàn)在的氧化還原流二次電池動作原理的說明圖。該電池是用能通過離子的隔膜103分離成正極電池100A和負極電池100B的電池100。正極電池100A和負極電池100B各自內(nèi)藏有正極電極104和負極電極105。通過導(dǎo)管106、107把供給和排出正極用電解液的正極用槽101連接在正極電池100A上。同樣，通過導(dǎo)管109、110把供給和排出負極用電解液的負極用槽102連接在負極電池100B上。各電解液使用釩離子等價數(shù)變化的離子水溶液，用泵108、111使其循環(huán)，隨著正極電極104和負極電極105中的離子價數(shù)變化反應(yīng)進行充放電。
圖6是上述電池所用電池組的概略結(jié)構(gòu)圖。通常上述電池使用的是把多個電池層合而被叫做電池組200的結(jié)構(gòu)。各電池在隔膜103的兩側(cè)具有炭氈制的正極電極104和負極電極105。在正極電極104和負極電極105各自的外側(cè)配置有電池框210。
電池框210具有塑料制的框架212和固定在其內(nèi)側(cè)的塑性炭制雙極板211。正極電極104和負極電極105用粘接劑固定在雙極板211上。
這種電池框210與電極104、105的層合體，在其兩端部配置有端板201，把兩端板201用棒狀體202貫通，通過在棒狀體202的端部旋進螺母203來夾緊。使用端板201，把骨架框201B整體化在矩形板201A上進行增強。
但如上所述現(xiàn)在的電池組200是把正極電極104和負極電極105粘接在雙極板211上，所以必須有粘接工序，組裝工序增加了。
當(dāng)用粘接劑進行雙極板211與電極104、105的粘接時，有時粘接劑會劣化而使電極104、105從雙極板211上剝落。其結(jié)果導(dǎo)致電池的內(nèi)阻增加、電池性能降低。
因此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種氧化還原流動式電池用電池組，其不粘接雙極板和電極而提高長期使用的可靠性。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的電池組是把電池框和電極和隔膜層合的氧化還原流動式電池用電池組，其特征是所述電池框具有框架和與框架成整體的雙極板，所述電極不粘接在雙極板上而是用夾緊力緊貼在雙極板上。
這樣通過僅用夾緊力把電池框與電極保持層合狀態(tài)，能省略雙極板與電極的粘接工序，謀求組裝工序數(shù)的減少。另外，由于省略了粘接工序，從而能消除伴隨粘接劑劣化電池性能降低的問題。在此所說的電極是指正極電極和負極電極。
僅用夾緊力保持電池組時，在電池組的結(jié)構(gòu)部件上加有大的夾緊力。于是下面說明對僅用夾緊力保持電池組時的理想結(jié)構(gòu)。
①把電極壓縮到相當(dāng)于框架與雙極板高度差的厚度時，回彈力定為15kPa以上～150kPa以下(0.153kgf/cm2以上～1.53kgf/cm2以下)。
用夾緊力構(gòu)成電池組時，電極在電池組中是被壓縮狀態(tài)。這時通過限定電極的回彈力，能更有效地發(fā)揮作為電池的功能。這是由于當(dāng)上述的下限值下降時，則難于保持電極與雙極板恰當(dāng)?shù)慕佑|阻抗，若超過上限值時，則有可能阻礙浸透電極的電解液順利流動。在上述的范圍中，更理想的是40kPa以上～100kPa以下(0.408kgf/cm2以上～1.02kgf/cm2以下)。
②電極單位面積的重量定在100g/m2以上～1200g/m2以下。
電極單位面積的重量最好在1200g/m2以下。特別理想的是在100g/m2以上～1000g/m2以下。這是由于若低于該下限值時，則難以保持電極與雙極板恰當(dāng)?shù)慕佑|阻抗，若高于上限值時，則反應(yīng)面積變大、有可能阻礙向電極浸透的電解液順利流動。上述范圍中更理想的是在250g/m2以上～800g/m2以下。
③電池組具備在其兩端部配置的端板和在兩端板間把電池框與電極夾住的夾緊機構(gòu)，該端板是去掉了格子內(nèi)部的格子板。
現(xiàn)在的端板使用的是使格子框架整體形成于矩形板上進行增強的端板，所以，成為端板的重量加大、電池組重量增加的主要原因。
本發(fā)明省略了現(xiàn)在端板中的矩形板，僅采用去掉了格子內(nèi)部的格子板，因而能謀求端板的輕量化。
④電池組具備在其兩端部配置的端板和在兩端板間把電池框與電極夾住的夾緊機構(gòu)，該夾緊機構(gòu)具備貫通端板的棒狀體和嵌入棒狀體的端部并把兩端板夾緊的螺母。
通過使用棒狀體和螺母把端板夾緊，能可靠地保持電池框與電極的層合狀態(tài)。且通過調(diào)整螺母的旋入量還能簡單地進行電池組夾緊力的調(diào)整。
⑤在電池組的夾緊機構(gòu)上設(shè)置彈性部件，用以吸收電池框與電極在層合方向上的伸縮。
電池組因充放電時的發(fā)熱而伸縮。通過由彈性部件吸收該伸縮，則不管電池組的伸縮狀態(tài)如何而能保持恰當(dāng)?shù)膴A緊力。
彈性體最好是彈簧。特別是壓縮螺旋彈簧最合適。該螺旋彈簧根據(jù)電池框的尺寸、其層合數(shù)、夾緊機構(gòu)上所用棒狀體的根數(shù)等，適當(dāng)選擇能吸收伸縮量的彈簧常數(shù)便可。彈性體嵌入在夾緊機構(gòu)的螺母與端板之間的棒狀體外側(cè)就合適。
⑥在夾緊機構(gòu)上使用棒狀體時，在該棒狀體上要設(shè)置絕緣被覆層。
在各電池框之間夾入隔膜，隔膜的外邊緣有時微微從電池框的外邊緣露出。由于隔膜上會浸著電解液，所以，若與從電池框的外邊緣露出的隔膜接觸就通電。通過在接近電池框的外邊緣配置的棒狀體上也設(shè)置絕緣被覆層，可防止通過棒狀體通電。
絕緣被覆層，只要對電池組的電壓具有耐壓性即可而不管其材料·構(gòu)造如何。例如，可舉出用熱收縮套筒形成的被覆、絕緣涂敷或擠壓形成的被覆等。通常具備200V左右的耐壓便可。
⑦在“電池框與電極的層合體”和“夾緊機構(gòu)的棒狀體”之間插入防止電池框錯移的構(gòu)件。
在僅用夾緊力保持電池框時，當(dāng)搬運電池組等時受到?jīng)_擊時，考慮到特別是位于中央部的電池框會向下方錯移。于是，通過在“電池框與電極的層合體”和“夾緊機構(gòu)的棒狀體”之間插入防止電池框錯移的構(gòu)件，可防止電池框的錯移。
也可考慮不用防止錯移構(gòu)件而通過把棒狀體自身設(shè)置在與電池框接觸的位置上使其兼?zhèn)浞乐瑰e移的功能。但這時，棒狀體與電池框間實質(zhì)上沒有間隙，電池組的組裝操作是困難的。在這點上，若對棒狀體如使用其他的防止錯移構(gòu)件就不會妨礙電池組的組裝操作性。
防止錯移構(gòu)件以具有對應(yīng)于棒狀體與電池框間隔厚度的板狀體為合適。為防止錯移構(gòu)件與棒狀體接觸，在棒狀體上沒有絕緣被覆時，最好防止錯移構(gòu)件自身是由絕緣體構(gòu)成，或在導(dǎo)電性的防止錯移構(gòu)件上形成絕緣被覆。
圖1是本發(fā)明電池組的概略結(jié)構(gòu)圖；圖2是本發(fā)明電池組上使用的框片的平面圖；圖3是表示本發(fā)明電池組上使用的電池框與電極的組合狀態(tài)的平面圖；圖4是端板的平面圖；圖5是表示氧化還原流動式電池動作原理的說明圖；圖6是現(xiàn)在的電池組的說明圖。
具體實施例方式
下面說明本發(fā)明的實施例。
(整體結(jié)構(gòu))圖1是從上部看本發(fā)明電池組的概略結(jié)構(gòu)圖。該電池組1的結(jié)構(gòu)是把電池框2和電極3、4和隔膜5加以層合，在該層合體的兩端部配置給排板6和端板7，用夾緊機構(gòu)8夾緊。使用了該電池組1的氧化還原流動式電池的動作原理與圖5中說明的相同，電解液從槽向正極電極3和負極電極4循環(huán)供給這點也相同。雖未圖示，但該電池組1是通過支承臺設(shè)置在大地上。此時，通過把該支承臺制成絕緣子就能確保對大地的絕緣性。
(電池框)電池框2由框架2A和固定在框架內(nèi)側(cè)的雙極板9構(gòu)成。
框架2A是由氯乙烯等塑料形成的框狀體。而雙極板9是由含有石墨的導(dǎo)電性塑性炭制成的矩形板構(gòu)成。把框架2A和雙極板9制成一體的方法中，有方法①準(zhǔn)備由注射成型等得到的2片框片，把這些框片進行接合，構(gòu)成框架2A，同時把雙極板9的外周部夾在兩框片的內(nèi)周部間；和方法②把雙極板9作為芯子，用注射成型來形成框架的方法。本例是通過前者構(gòu)成電池框2的。
圖2表示框片的平面圖?？蚱?0的長邊上形成有多個集流腔21A、21B。把多個電池框?qū)雍蠒r，集流腔21A、21B形成在層合方向上延伸的電解液流路。本例是把在框片20長邊方向上并列的集流腔交替地用作正極電解液用集流腔21A和負極電解液用集流腔21B。
該框片20表面上具有電解液的流通部22A。流通部22A包括電解液導(dǎo)向槽22A-1，其是從集流腔21A延伸的；整流部22A-2，其使從導(dǎo)向槽22A-1供給的電解液沿正極電極的邊部擴散。整流部22A-2是沿框片20長邊形成的矩形凹凸部，通過該凹部把電解液引導(dǎo)向正(負)極電極。導(dǎo)向槽22A-1和整流部22A-2都不一定限定于本例的形狀和數(shù)量。
框片20的一長邊和另一長邊上的導(dǎo)向槽22A-1的配置是點對稱。利用該配置，如果把同一形狀的框片20彼此改變朝向進行接合即能形成框架，而不需要準(zhǔn)備多種形狀的框片20。
圖3表示在所述框片接合后的電池框上配置了電極和保護板的狀態(tài)的局部平面圖。
圖3中，實線的導(dǎo)向槽22A-1在框架2A的表面形成，虛線的導(dǎo)向槽22B-1在框架2A的背面形成。即，左側(cè)的集流腔是正極電解液用集流腔21A，從這里通過實線的導(dǎo)向槽22A-1的正極電解液被引導(dǎo)向配置在雙極板9表面?zhèn)鹊恼龢O電極3。右側(cè)的集流腔是負極電解液用集流腔21B，從這里通過虛線的導(dǎo)向槽22B-1的負極電解液被引導(dǎo)向配置在雙極板9背面?zhèn)鹊呢摌O電極(未圖示)。
這種導(dǎo)向槽22A-1和整流部22A-2被塑料制的保護板23覆蓋。該保護板23在對應(yīng)于集流腔21A的位置形成圓孔，具有覆蓋導(dǎo)向槽22A-1和整流部22A-2整面以及到整流部22A-2的若干上部的大小。在形成電池組1(參照圖1)時，在電池框2(同)的兩面配置隔膜5(同)。之所以使用保護板23，是為了防止有凹凸的導(dǎo)向槽22A-1和整流部22A-2與隔膜5接觸而使薄的隔膜5產(chǎn)生破損。之所以把保護板23制成覆蓋到整流部22A-2若干上部的大小，是為了用保護板23把正極電極3(負極電極4)的上下端夾入其和雙極板9間，使其具有按壓功能而謀求提高組裝操作性。保護板23的厚度是0.1～0.3mm左右。在保護板23的安裝位置，有與其外邊緣形狀對應(yīng)的凹部24在框架2A上形成(參照圖2)，能容易地使保護板23對準(zhǔn)位置。
在集流腔周邊形成的圓槽25和沿電池框外周形成的框槽26內(nèi)、裝入在層合電池框結(jié)構(gòu)時密封各集流腔21A、21B的O形環(huán)和防止電解液向電池框外部泄漏的O形環(huán)。
(電極)在所述雙極板9的表面配置有正極電極3，在背面配置有負極電極。通常正(負)極電極3使用炭氈。正(負)極電極3的大小是與電池框內(nèi)形成的矩形空間對應(yīng)的尺寸。目前，正(負)極電極3是用粘接劑粘接在雙極板9上，但本發(fā)明不使用粘接劑而是通過后述的夾緊機構(gòu)的夾緊力來保持電池組的形態(tài)。
框架2A比雙極板9厚。所以，框架2A的表面與雙極板9的表面形成臺階高差。在構(gòu)成電池組時，電極被壓縮到該臺階高差的厚度，所以，通過規(guī)定壓縮時電極的回彈力能提高電池的性能。如從后述的試驗例可知，該回彈力最好是15kPa以上～150kPa以下(0.153kgf/cm2以上～1.53kgf/cm2以下)。且每單位電極的重量在100g/m2以上～1000g/m2以下是合適的。
(隔膜)隔膜使用離子交換膜。厚度是20～400μm左右，材料可利用聚氯乙烯、氟樹脂、聚乙烯、聚丙烯等。該隔膜有與電池框大致同等的面積，面對集流腔的部位形成有透孔。
(接線端子)電池組1的兩端部附近設(shè)有接線端子10，用于進行作為氧化還原流動式電池的充放電。如圖1所示，電池組1是把電池框2、正極電極3、隔膜5、負極電極4、電池框2依次反復(fù)層合構(gòu)成的。該層合體的端部的電極3、4與固定在端部的電池框11內(nèi)部的雙極板接觸，從該端部的電池框11引出接線端子10。
(給排板)給排板6連接電解液槽和電池框2的集流腔，是用于向集流腔供給·排出電解液的結(jié)構(gòu)。給排板6上安裝有導(dǎo)管12，該導(dǎo)管12與電解液槽連接。導(dǎo)管12通過給排板6內(nèi)的電解液流路與電池框2的集流腔連接。本例中把所述接線端子10和導(dǎo)管12的引出方向定在電池組1的相反側(cè)，通過把電氣系統(tǒng)與電解液的流通系統(tǒng)區(qū)分開，能容易地進行接線端子10與機器的連接作業(yè)以及導(dǎo)管12與向槽連接的配管的連接作業(yè)。特別是，即使電解液從導(dǎo)管12漏出，漏出的電解液也不會到達接線端子10，電氣系統(tǒng)不會有電流流動，很理想。
(端板)端板7是把電池框2、電極3、4、隔膜5、給排板6的層合體兩端部夾住的格子板。圖4表示了端板7的平面圖。格子板內(nèi)部被去掉了，以謀求端板7的輕量化。該端板7的外周邊部7A上形成有多個通孔。后述的棒狀體8A插入該通孔內(nèi)，通過用螺母8B緊固而保持電池框2、電極3、4、隔膜5、給排板6的層合結(jié)構(gòu)(參照圖1)。
(夾緊機構(gòu))如圖1所示，夾緊機構(gòu)8用于使兩端板7互相壓接而保持作為電池組1的結(jié)構(gòu)，其具有插入端板7通孔內(nèi)的棒狀體8A和擰入棒狀體8A的螺母8B。棒狀體8A其兩端部被加工成外螺紋以旋入螺母8B，其中間部由熱收縮套筒形成絕緣被覆。用棒狀體8A進行電池框2和電極3、4層合體的夾緊時，形成在層合體的外周并列配置多個棒狀體8A的狀態(tài)。本例在螺母8B與端板7之間把螺旋彈簧13配置在棒狀體8A的外周，形成吸收電池組1熱伸縮的結(jié)構(gòu)。
(防止錯移板)在電池框2層合體的下面與棒狀體8A之間配置了防止錯移板(未圖示)。利用該防止錯移板，即使在電池組1搬運時受到了沖擊也能防止部分電池框2錯移。防止錯移板只要能介于電池框2層合體與棒狀體8A之間即可而不特別限制其材料·結(jié)構(gòu)。
(試制例1)使用上述電池組構(gòu)成氧化還原流動式電池，測量了電池性能和能放電的電量。電池組的材料、尺寸等各要素以及結(jié)果如下。
<框架>
尺寸外尺寸寬度1000mm、高度800mm、厚度5mm內(nèi)尺寸寬度900mm、高度600mm框槽寬度3mm、深度1mm、槽間隔7.5mm框架與雙極板的臺階高差3.0mm材質(zhì)氯乙烯質(zhì)量50％、丙烯腈丁二烯苯乙烯共聚體(ABS)質(zhì)量50％的樹脂制法注射成型<雙極板>
尺寸厚度0.3mm材質(zhì)含有石墨質(zhì)量50％的氯化聚乙烯<電極>
材質(zhì)炭氈回彈力100kPa(1.0kgf/cm2)單位面積重量500g/m2<層合結(jié)構(gòu)>
總電池框片數(shù)100片(預(yù)固定層合25片的層合體，再層合4組該預(yù)層合體層)<電解液>
組成釩離子濃度2.0摩爾/L、游離的硫酸濃度2.0摩爾/L、添加的磷酸濃度0.3摩爾/L電解液量20m3<夾緊機構(gòu)>
棒狀體根數(shù)20根螺旋彈簧的彈簧常數(shù)1000N/m有效圈數(shù)3.0夾緊時從螺旋彈簧自由長度的收縮量30mm<結(jié)果>
電池效率86％能放電的電量350kWh其他運轉(zhuǎn)時電池組即使產(chǎn)生熱收縮也沒任何問題，也全都沒有電解液從電池框間的泄漏。
(試制例2)試制了試制例1中電極的回彈力和單位面積重量變化的氧化還原流動式電池系統(tǒng)，分析了各電池的電池電阻(Ω·cm2)和電解液的流通狀態(tài)。在此準(zhǔn)備的電極的回彈力和單位面積重量和試驗結(jié)果示于表1。
表1
◎非常良好 ○良好 ×不良由表1可知，通過把回彈力定為15kPa以上～150kPa以下(0.153kgf/cm2以上～1.53kgf/cm2以下)，把單位面積重量定為100g/2以上～1200g/m2以下，特別是在1000g/m2以下，則能把電池電阻減小到1.5Ω·cm2以下，且電解液的流通沒有障礙。由表1可知，通過把回彈力定為40kPa以上～100kPa以下(0.408kgf/cm2以上～1.02kgf/cm2以下)，把單位面積重量定為250g/m2以上～800g/m2以下，則能把電池電阻減小到1.3Ω·cm2以下，更理想。
如以上所說明，本發(fā)明電池組不粘接雙極板和電極，而是通過夾緊力保持層合結(jié)構(gòu)，省略了雙極板和電極的粘接工序，能減少組裝工序數(shù)。而且，通過省略粘接工序還能消除伴隨粘接劑劣化電池性能降低的問題。
權(quán)利要求
1.一種氧化還原流動式電池用電池組，其是把電池框和電極和隔膜加以層合而構(gòu)成的氧化還原流動式電池用電池組，其特征在于，該氧化還原流動式電池用電池組中所述電池框具有框架和與框架構(gòu)成一體的雙極板，所述電極不粘接在雙極板上，而是通過夾緊力貼緊在雙極板上。
2.如權(quán)利要求1所述的氧化還原流動式電池用電池組，其特征在于，把所述電極壓縮到相當(dāng)于框架與雙極板臺階高差的厚度時，電極的回彈力為15kPa以上～150kPa以下(0.153kgf/cm2以上～1.53kgf/cm2以下)。
3.如權(quán)利要求1所述的氧化還原流動式電池用電池組，其特征在于，所述電極的單位面積重量是100g/m2以上～1200g/m2以下。
4.如權(quán)利要求1所述的氧化還原流動式電池用電池組，其特征在于，所述電池組具有配置在其兩端部的端板和把電池框與電極夾在兩端板間的夾緊機構(gòu)，所述端板是去掉了格子內(nèi)部的格子板。
5.如權(quán)利要求1所述的氧化還原流動式電池用電池組，其特征在于，所述電池組具有配置在其兩端部的端板和用于把電池框與電極夾在兩端板間的棒狀體，所述棒狀體具有絕緣被覆層。
6.如權(quán)利要求4或5所述的氧化還原流動式電池用電池組，其特征在于，所述夾緊機構(gòu)具有把電池框和電極在層合方向上的伸縮加以吸收的彈性部件。
7.如權(quán)利要求5所述的氧化還原流動式電池用電池組，其特征在于，把電池框的防止錯移構(gòu)件設(shè)于電池框與電極的層合體和所述棒狀體之間。
全文摘要
提供一種氧化還原流動式電池用電池組，其不用粘接雙極板和電極，可提交長期使用時的可靠性。氧化還原流動式電池組(1)把電池框(2)和電極(3)、(4)和隔膜(5)加以層合。電池框(2)具有框架(2A)和設(shè)在框架(2A)內(nèi)側(cè)的雙極板(9)。電極(3)、(4)不粘接在雙極板(9)上而是用夾緊力貼緊在雙極板(9)上。把電極(3)、(4)壓縮到相當(dāng)于框架(2A)與雙極板(9)的臺階高差的厚度時，其回彈力最好是15kPa以上～150kPa以下(0.153kgf/cm
文檔編號H01M8/02GK1515047SQ0281162
公開日2004年7月21日 申請日期2002年5月7日 優(yōu)先權(quán)日2001年6月12日
發(fā)明者中石博之, 寒野毅, 荻野誠司, 伊藤岳文, 德田信幸, 重松敏夫, 司, 夫, 幸, 文 申請人:住友電氣工業(yè)株式會社, 關(guān)西電力株式會社