JP6807626B2 - Cell stack, laminated battery, electrolytic cell, and dialysis tank - Google Patents
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Description
本発明は、積層電池、電解槽、又は透析槽に適用可能なセルスタック、及び、当該セルスタックを有する積層電池、電解槽、及び透析槽に関する。 The present invention relates to a cell stack applicable to a laminated battery, an electrolytic cell, or a dialysis tank, and a laminated battery, an electrolytic cell, and a dialysis tank having the cell stack.
積層電池、電解槽、透析槽等に適用するために、複数の単位セル(セルユニット)を積層した一体化セルスタックは以前から提案され試作も行われていた。 An integrated cell stack in which a plurality of unit cells (cell units) are laminated has been proposed and prototyped for application to a laminated battery, an electrolytic cell, a dialysis tank, and the like.
例えば、特許文献1には、セルフレームと電極と隔膜とを積層したレドックスフロー電池用セルスタックであって、セルフレームは、フレーム枠と、フレーム枠と一体化される双極板とを具え、電極は、双極板に接着されることなく締付力で双極板に密接されていることを特徴とするとするレドックスフロー電池用セルスタックが記載されている。 For example, Patent Document 1 describes a cell stack for a redox flow battery in which a cell frame, an electrode, and a diaphragm are laminated. The cell frame includes a frame frame and a bipolar plate integrated with the frame frame, and is an electrode. Describes a cell stack for a redox flow battery, characterized in that it is brought into close contact with the bipolar plate by a tightening force without being adhered to the bipolar plate.
このようなレドックスフロー電池セルでは、通常正極室と負極室に電解液を給液、排液するために、矩形状の電極室の端部に単一の穴状の給液部及び廃液部を設けている。 In such a redox flow battery cell, in order to supply and drain the electrolytic solution to the positive electrode chamber and the negative electrode chamber, a single hole-shaped liquid supply portion and a waste liquid portion are usually provided at the end of the rectangular electrode chamber. It is provided.
例えば、特許文献2には、セルスタックに設けられた流入口からセルスタック内に入り、電極反応後、セルスタックに設けられた流出口から外部に出るように、電解液を循環させ、それによって充放電を行なう電解液循環型二次電池において、流入口および流出口を、当該セルスタックの、積層方向に対して平行な側面部に設けたことを特徴とする電解液循環型二次電池用セルスタックが記載されている。 For example, in Patent Document 2, the electrolytic solution is circulated so as to enter the cell stack from the inlet provided in the cell stack, and after the electrode reaction, exit from the outlet provided in the cell stack. In an electrolytic solution circulation type secondary battery for charging and discharging, an electrolytic solution circulation type secondary battery is characterized in that an inlet and an outlet are provided on a side surface portion of the cell stack parallel to the stacking direction. The cell stack is listed.
このようなセルスタックは、高容量、大規模化を実現するためには、単位セル(セルユニット)の積層数を増加させる必要がある。しかしながら、積層数が増加するとそれに伴い、セルスタック全体の重量化や高コスト化が問題となる。 In such a cell stack, it is necessary to increase the number of stacked unit cells (cell units) in order to realize high capacity and large scale. However, as the number of stacks increases, the weight and cost of the entire cell stack become a problem.
また、セルスタック内への溶液の送液手段に関して、電解液をマニホールドから各電極室に導くスリットをチューブ状にしてセルスタックの外部に設けたマニホールドと連通させる方法も、スリットを長くとって電気抵抗を大きくし、マニホールドを流れる漏洩電流値を小さくするために実施されていた。 Further, regarding the means for sending the solution into the cell stack, a method in which a slit for guiding the electrolytic solution from the manifold to each electrode chamber is formed into a tube shape and communicated with a manifold provided outside the cell stack is also a method in which the slit is long and electric It was carried out to increase the resistance and reduce the leakage current value flowing through the manifold.
しかしながら、電極室の厚みを広げてスリット管径を大きくして十分な送液量を確保することは、セルの内部抵抗を上げてしまうため、実用的でなかった。ここで、送液圧を上げて、流量を大きくすることも可能であるが、その圧力(ポンプ吐出圧)が、ともすれば5kg/cm2を超えてしまうこともあり、セルの圧力耐久性を持たせるという、新たな問題が生じていた。 However, increasing the thickness of the electrode chamber and increasing the diameter of the slit tube to secure a sufficient amount of liquid to be fed is not practical because it increases the internal resistance of the cell. Here, it is possible to increase the liquid feed pressure to increase the flow rate, but the pressure (pump discharge pressure) may exceed 5 kg / cm 2 and the pressure durability of the cell. There was a new problem of having a pump.
このようなセルスタックにおいて、各セルへの送液の等配性を良好に維持するためには、一般に、液透過型の電極による流動抵抗がスリットによる流動抵抗の10倍以上必要であり、スリット流動抵抗をいかに小さく押えるかということが重要であった。この解決法として、スリットの断面積を拡げることが有効とされたが、そのためには、硬質の枠体に多くの溝を形成する必要があり、軽量化、低コスト化の阻害要因となっていた。 In such a cell stack, in order to maintain good equal distribution of liquid to each cell, it is generally necessary that the flow resistance of the liquid-permeable electrode is 10 times or more the flow resistance of the slit. It was important how small the flow resistance could be suppressed. As a solution to this, it was considered effective to increase the cross-sectional area of the slit, but for that purpose, it is necessary to form many grooves in the hard frame, which is an obstacle to weight reduction and cost reduction. It was.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、軽量化、低コスト化を実現するとともに、スリット流動抵抗と漏洩電流を抑えて内部へ効率良く溶液を送液することができるセルスタック、及び、当該セルスタックを有する積層電池、電解槽、及び透析槽を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and is a cell stack capable of realizing weight reduction and cost reduction, suppressing slit flow resistance and leakage current, and efficiently sending a solution to the inside. An object of the present invention is to provide a laminated battery, an electrolytic cell, and a dialysis tank having the cell stack.
本発明の一態様は、積層電池、電解槽、又は透析槽に適用され、溶液が充填されるセルスタックであって、少なくとも、1以上の枠体と、枠体を貫通して内部に溶液を流入させる流入スリット管と、枠体を貫通して外部に溶液を流出させる流出スリット管と、枠体内の溶液を隔てる隔膜と、枠体の一部を隔てる極板を備え、枠体は、独立気泡樹脂により構成され、流入スリット管及び流出スリット管は少なくとも1つの枠体に対して複数備えられ、流入スリット管又は流出スリット管内の断面積の合計が、枠体内の溶液が流通する方向に対して垂直な面の断面積の5%以上、30%以下である。 One aspect of the present invention is a cell stack that is applied to a laminated battery, an electrolytic cell, or a dialysis tank and is filled with a solution, and at least one frame and a solution that penetrates the frame and is inside. It is provided with an inflow slit tube for inflow, an outflow slit tube for allowing the solution to flow out through the frame, a diaphragm for separating the solution in the frame, and a electrode plate for separating a part of the frame, and the frame is independent. is constituted by a bubble resin, inlet slots pipe and the outlet slit tube plurality equipped et is for at least one frame, the total cross-sectional area of the inlet slit tube or outlet slits tract, in the direction in which a solution of the frame body flows On the other hand, it is 5% or more and 30% or less of the cross-sectional area of the vertical surface .
本発明の一態様によれば、枠体を独立気泡樹脂で構成することで軽量化、低コスト化を実現し、流入スリット管及び流出スリット管を少なくとも1つの枠体に対して複数備えるようにすることでスリット流動抵抗と漏洩電流を抑えてセルスタックへ効率良く溶液を送液することができる。 According to one aspect of the present invention, the frame body is made of closed cell resin to realize weight reduction and cost reduction, and a plurality of inflow slit tubes and outflow slit tubes are provided for at least one frame body. By doing so, the slit flow resistance and the leakage current can be suppressed, and the solution can be efficiently sent to the cell stack.
本発明の一態様によれば、スリット管の断面積の比率を上記数値範囲内とすることが、セルスタックへ効率良く溶液を送液する点で最も好ましい。 According to one aspect of the present invention, it is most preferable that the ratio of the cross-sectional area of the slit tube is within the above numerical range from the viewpoint of efficiently delivering the solution to the cell stack.
また、本発明の一態様では、枠体は、ポリ塩化ビニル及び/又はポリ塩化ビニリデンを含有する樹脂から成るようにしてもよい。 Further, in one aspect of the present invention, the frame may be made of a resin containing polyvinyl chloride and / or polyvinylidene chloride.
ポリ塩化ビニルやポリ塩化ビニリデンは軽量化の面で望ましいし、接着性や融着性に優れているため、積層するのに適している。 Polyvinyl chloride and polyvinylidene chloride are desirable in terms of weight reduction, and are suitable for laminating because of their excellent adhesiveness and fusion property.
また、本発明の一態様では、枠体内部に溶液透過型電極を備え、溶液の電極内透過抵抗が流入スリット管又は流出スリット管の透過抵抗の10倍以上である。 Further, in one aspect of the present invention, the solution permeation type electrode is provided inside the frame, and the permeation resistance of the solution in the electrode is 10 times or more the permeation resistance of the inflow slit tube or the outflow slit tube.
透過抵抗の比率が上記数値範囲となるように流入スリット管又は流出スリット管の本数を設計することで、セルスタックへ効率良く溶液を送液することができる。 By designing the number of inflow slit tubes or outflow slit tubes so that the ratio of transmission resistance is within the above numerical range, the solution can be efficiently sent to the cell stack.
本発明の他の態様は、上述したセルスタックを有する積層電池であって、セルスタックは、枠体、隔膜、及び電極板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の流入スリット管及び流出スリット管を通して活物質液がセルスタック内を流通する。 Another aspect of the present invention is a laminated battery having the above-mentioned cell stack, in which the frame body, the diaphragm, and the electrode plate as the electrode plate are laminated by adhesion and / or fusion, and the cell stack is formed on the frame body. The active material liquid flows through the cell stack through a plurality of inflow slit tubes and outflow slit tubes provided by adhesion and / or fusion.
このように、上述したセルスタックの構造を用いて積層電池を構成すれば、積層電池の軽量化、低コスト化を実現するとともに、スリット流動抵抗と漏洩電流を抑えて積層電池を構成するセルスタックへ効率良く活物質液を送液することができる。 In this way, if the laminated battery is constructed by using the cell stack structure described above, the weight and cost of the laminated battery can be reduced, and the slit flow resistance and the leakage current can be suppressed to form the laminated battery. The active material liquid can be efficiently sent to.
このとき、本発明の他の態様では、極板は複極仕切板を含み、該複極仕切板は、集電用の端子を有し、セルスタックの外部と直接入出力できるようにしてもよい。 At this time, in another aspect of the present invention, the electrode plate includes a multi-pole partition plate, and the multi-pole partition plate has a terminal for collecting current so that it can directly input / output to and from the outside of the cell stack. Good.
このように、積層された単電池ユニット間に中間入出力端子を持つことによって、効率の良い入出力可能な積層電池とすることができる。 By having an intermediate input / output terminal between the stacked single battery units in this way, it is possible to obtain a laminated battery capable of efficient input / output.
また、本発明の他の態様は、上述したセルスタックを有する電解槽であって、セルスタックは、枠体、隔膜、及び電極板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の流入スリット管及び流出スリット管を通して電解液がセルスタック内を流通する。 In addition, another aspect of the present invention is an electrolytic cell having the above-mentioned cell stack, in which the frame body, the diaphragm, and the electrode plate as the electrode plate are laminated by adhesion and / or fusion, and the frame is formed. The electrolytic solution flows through the cell stack through a plurality of inflow slit tubes and outflow slit tubes provided on the body by adhesion and / or fusion.
このように、上述したセルスタックの構造を用いて電解槽を構成すれば、電解槽の軽量化、低コスト化を実現するとともに、スリット流動抵抗と漏洩電流を抑えて電解槽を構成するセルスタックへ効率良く電解液を送液することができる。 In this way, if the electrolytic cell is constructed using the cell stack structure described above, the weight and cost of the electrolytic cell can be reduced, and the slit flow resistance and leakage current can be suppressed to form the electrolytic cell. The electrolytic solution can be efficiently sent to.
このとき、本発明の他の態様では、極板は複極仕切板を含み、該複極仕切板は、集電用の端子を有し、セルスタックの外部と直接入出力できるようにしてもよい。 At this time, in another aspect of the present invention, the electrode plate includes a multi-pole partition plate, and the multi-pole partition plate has a terminal for collecting current so that it can directly input / output to and from the outside of the cell stack. Good.
このように、積層された電解槽ユニット間に中間入出力端子を持つことによって、効率の良い入出力可能な電解槽とすることができる。 By having the intermediate input / output terminals between the stacked electrolytic cell units in this way, it is possible to obtain an electrolytic cell capable of efficient input / output.
また、本発明の他の態様は、上述したセルスタックを有する透析槽であって、セルスタックは、枠体、隔膜、及び集電板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の流入スリット管及び流出スリット管を通して被処理液又は濃縮用溶液がセルスタック内を流通する。 In addition, another aspect of the present invention is a dialysis tank having the above-mentioned cell stack, in which the frame body, the diaphragm, and the electrode plate as the current collector plate are laminated by adhesion and / or fusion. The liquid to be treated or the solution for concentration flows through the cell stack through a plurality of inflow slit tubes and outflow slit tubes provided on the frame by adhesion and / or fusion.
このように、上述したセルスタックの構造を用いて透析槽を構成すれば、透析槽の軽量化、低コスト化を実現すると共に、スリット流動抵抗と漏洩電流を抑えて透析槽を構成するセルスタックへ効率良く溶液を送液することができる。 In this way, if the dialysis tank is constructed using the cell stack structure described above, the weight and cost of the dialysis tank can be reduced, and the slit flow resistance and leakage current can be suppressed to form the dialysis tank. The solution can be efficiently sent to.
このとき、本発明の他の態様では、極板は複極仕切板を含み、該複極仕切板は、集電用の端子を有し、セルスタックの外部と直接入出力できるようにしてもよい。 At this time, in another aspect of the present invention, the electrode plate includes a multi-pole partition plate, and the multi-pole partition plate has a terminal for collecting current so that it can directly input / output to and from the outside of the cell stack. Good.
このように、積層された透析槽ユニット間に中間入出力端子を持つことによって、効率の良い透析槽とすることができる。 By having an intermediate input / output terminal between the stacked dialysis tank units in this way, an efficient dialysis tank can be obtained.
以上説明したように本発明によれば、セルスタック全体の軽量化、低コスト化を実現すると共に、スリット流動抵抗と漏洩電流を抑えてセルスタックへの送液の等配性を良好に維持できる。 As described above, according to the present invention, it is possible to realize weight reduction and cost reduction of the entire cell stack, and to suppress slit flow resistance and leakage current to maintain good equal distribution of liquid to the cell stack. ..
以下、本発明の好適な実施の形態について図面を参照しながら下記順序にて詳細に説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
1.セルスタック
1−1.枠体
1−2.流入スリット管及び流出スリット管
1−3.隔膜
1−4.極板
1−5.電極
2.積層電池
3.電解槽
4.透析槽
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail in the following order with reference to the drawings. It should be noted that the present embodiment described below does not unreasonably limit the content of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are essential as a means for solving the present invention. Is not always the case.
1. 1. Cell stack 1-1. Frame 1-2. Inflow slit pipe and outflow slit pipe 1-3. Septum 1-4. Plate 1-5. Electrode 2. Laminated battery 3. Electrolytic cell 4. Dialysis tank
<1.セルスタック>
図1に、本発明の一実施形態に係るセルスタックの構成の一例を示す分解斜視図を示す。また、図2は、本発明の一実施形態に係るセルスタックの一部の構成の一例を示す図である。本発明の一実施形態は、積層電池、電解槽、又は透析槽に適用され、溶液が充填されるセルスタック10であって、少なくとも、1以上の枠体11、21と、枠体11、21を貫通して内部に溶液を流入させる流入スリット管12、22と、枠体を貫通して外部に溶液を流出させる流出スリット管13、23と、枠体内の溶液を隔てる隔膜14と、枠体21を隔てる極板15を備え、枠体11、21は、独立気泡樹脂により構成され、流入スリット管12、22及び流出スリット管13、23は少なくとも1つの枠体11、21に対して複数備えられていることを特徴とする。
<1. Cell stack>
FIG. 1 shows an exploded perspective view showing an example of a configuration of a cell stack according to an embodiment of the present invention. Further, FIG. 2 is a diagram showing an example of a partial configuration of a cell stack according to an embodiment of the present invention. One embodiment of the present invention is a
このように、枠体11、21を独立気泡樹脂で構成することで軽量化、低コスト化を実現し、流入スリット管12、22及び流出スリット管13、23を少なくとも1つの枠体11、21に対して複数備えるようにすることでスリット流動抵抗と漏洩電流を抑えてセルスタック10へ効率良く溶液を送液することができる。以下、本発明の一実施形態に係るセルスタック10の構成要素についてそれぞれ説明し、セルスタック10を用いた積層電池40、電解槽40、及び透析槽60についても説明する。
In this way, by forming the
(1−1.枠体)
本発明の一実施形態に係るセルスタック10で用いられる枠体11、21は、独立気泡樹脂により構成される。独立気泡とは、空気の入った気泡がつながっていないものをいい、これにより、樹脂内を溶液が透過するのを防止することができる。また、このような独立気泡樹脂は軽量であるため、セルスタック10のように複数のセルユニットを多く積層した場合であっても全体の重量を抑えることができる。
(1-1. Frame)
The
枠体11、21は、独立気泡樹脂であれば特に限定はされないが、ポリ塩化ビニル(PVC)及び/又はポリ塩化ビニリデン(PVDC)を含有する樹脂から成ることが好ましい。ポリ塩化ビニルやポリ塩化ビニリデンは軽量化の面で望まく、接着性や融着性に優れているため、積層するのに適している。
The
枠体11、21は、その用途に応じて後述する隔膜14や極板15により仕切られる。一例として、図1に示すように、枠体11と枠体21の間は隔膜14により隔てられ、枠体21の他端側は極板15により仕切られる。なお、図1の構成は、セルスタックの一部を示したものであり、実際にはこのような順で幾重にも積層されて多数の層から成るセルスタックを構成することができる。このとき、複数の枠体11、21は隔膜14又は極板15を介して接着又は融着により積層することが好ましい。接着又は熱融着によって、枠体11、21と隔膜14や極板15を一体化することにより、セルの積層数が増加していく場合に、セルスタック10をボルト等で抑える力を低減することができ、セルスタック10全体の重量を軽減することができる。
The
また、枠体11、21は独立気泡樹脂で形成されるため、積層する際の加圧により、厚さ方向に圧縮されて薄層化されるような構成としてもよい。このようにすることで、セルスタック10全体の薄層化を実現することができる。なお、加圧により枠体11、21を薄層化する場合には、枠体11、21に備えられる流入スリット管及び流出スリット管や電極等は、枠体11、21の薄層化を考慮に入れて設計しておくことが望ましい。
Further, since the
本発明の一実施形態に係るセルスタック10が積層電池又は電解槽に用いられる場合には、図2に示すように、セルユニット30は、枠体31の内部に透液性の電極34を備えるように構成することができる。このとき、各極板15は隣接する枠体の電極34と接しており、極板15には、集電用端子16が備えられていることが好ましい。そして、後述するように直列に積層されるセル数を調節することによって、直流−直流コンバータの機能を持たせることができる。
When the
(1−2.流入スリット管及び流出スリット管)
セルスタックの枠体11、21には、溶液を循環させるためのスリット状の配管である流入スリット管12(12A、12B、12C)、22(22A、22B、22C)と流出スリット管13(13A、13B、13C)、23(23A、23B、23C)が複数設けられている。流入スリット管12、22及び流出スリット管13、23は例えば、ポリ塩化ビニル(PVC)製の物が用いられ、溶剤(例えばアセトン)等により枠体11、21に接着されるか、又は、融着されることが好ましい。これにより、スリット流動抵抗とスリットからの漏洩電流を抑えることができる。
(1-2. Inflow slit pipe and outflow slit pipe)
Inflow slit pipes 12 (12A, 12B, 12C), 22 (22A, 22B, 22C) and outflow slit pipes 13 (13A), which are slit-shaped pipes for circulating the solution, are provided in the cell stack frames 11 and 21. , 13B, 13C), 23 (23A, 23B, 23C) are provided. For the inflow slit
複数の流入スリット管12、22又は流出スリット管13、23は、その断面積の合計が、枠体11、21内の溶液が流通する方向に対して垂直な面の断面積の5%以上、30%以下とすることが好ましい。スリット管の断面積の比率をこの数値範囲内とすることが、セルスタックへ効率良く溶液を送液する点で望ましい。例えば、内部が、厚さ3mm、幅30mm、高さ20mmの枠体を用い、幅方向に垂直に内径1.5mmのスリット管を設ける場合、1本あたりのスリット管の断面積は、約1.8mm2であり、流通する方向に対して垂直な面の断面積は90mm2となり、その割合は約2.0%であるため、断面積の比を5%以上とするためにスリット管は3本以上あることが好ましい。この断面積の割合が5%未満の場合には、スリット内における流動抵抗が高くなりすぎてしまう。また、断面積の割合が30%を超える場合には、スリット管、マニホールドを通って流れる漏洩電流が増えすぎてしまい効率的ではない。
The total cross-sectional area of the plurality of inflow slit
流入スリット管32(32A、32B、32C)及び/又は流出スリット管33(33A、33B、33C)は、例えば、図2に示すように外部に流入用マニホールド37及び/又は流出用マニホールド38が取り付けられていることが好ましい。このようにすれば、漏洩電流による損失分を低減し、セルスタックの枠体内に効率良く溶液を送液することができる。また、複数ある流入スリット管32及び/又は流出スリット管33に流入側開閉弁35(35A、35B、35C)及び/又は流出側開閉弁36(36A、36B、36C)を設けることにより、場合や状況に応じて、使用するスリット管の本数を調節できるようにすることが好ましい。図2では、流入スリット管32及び/又は流出スリット管33は枠体31の上部から挿通されているが、枠体31の左右から挿通されるような態様でもよい。枠体内部に溶液透過型電極を備える場合、溶液の電極内透過抵抗が流入スリット管又は流出スリット管の透過抵抗の10倍以上となるようにすることが好ましい。これによって、溶液のセル内等配性が容易に実現可能となる。
The inflow slit pipe 32 (32A, 32B, 32C) and / or the outflow slit pipe 33 (33A, 33B, 33C) has, for example, an
マニホールド37、38に接続された流入スリット管32及び流出スリット管33は、ポンプなどを介して溶液を循環供給する。さらに、セルスタックの電圧又は任意のセルユニット30の電圧等の数値を測定する制御部を備え、ポンプによる溶液の輸送を調節(オン・オフ制御を含む)することで、液輸送の所要動力を大きく低減できるようにすることもできる。さらに、正極用ポンプと負極用ポンプのように正極と負極で分けて用いてもよく、溶液を正極及び負極の双方に送液可能である両軸式活物質液送液ポンプを用いることが好ましい。例えば、両軸式活物質液送液ポンプを用いることで、ポンプ動力を約30%低減することができる。また、この時、活物質液が制止するような静止系となってもよい。
The inflow slit
(1−3.隔膜)
隔膜14は、主にプロトン導電性の大きい陽、陰イオン交換膜である。例えば、フッ素樹脂系(ナフィオン(Nafion(登録商標)117,211など)やポリスチレンスルホン酸系、ポリオレフィン系などのイオン交換膜が用いられている。多孔質膜としては精密ろ過膜(MF)、限外ろ過膜(UF)、ナノろ過膜(NF)などの使用例がある。鉄・クロム系活物質液の体積抵抗率は塩酸に近い1Ωcm程度であるが、硫酸酸性のバナジウムを活物質とする場合は、この数倍以上の抵抗があり、隔膜のイオン交換容量や厚さに十分に配慮する必要がある。
(1-3. Septum)
The
(1−4.極板)
本発明の一実施の形態に係るセルスタック10では、多くの中間入出力端子(トリムセル端子)を用いて入出力(電圧)の最適化を図るため、極板15(複極仕切板、バイポーラプレート)は金属の集電用端子16を持つ構造であることが好ましい。一方で、金属の極板15を用いた場合には、セル内の活物質液等と接触した際に溶解したり水素が発生したりする恐れがある。そこで、本発明では例えば、極板15は、金属シートを導電性樹脂シートで挟み込むようにして形成することができる。このようにすることで内部抵抗(セル面積抵抗率)を低減すると共に、集電用端子16を極板15の一端に有することで、極板15全面に渡って均一な電位分布を作る配慮が必要なくなる。
(1-4. Plate)
In the
極板15(バイポーラプレート)の一例としては、カーボンプラスチックスシート/集電用端子を持つ銅シート/カーボンプラスチックスシート、もしくは、銅メッシュ/カーボンプラスチックシートという構成が好ましい。なお、極板15の両面に電極が接する複極仕切板(バイポーラプレート)の場合には、金属シートの両面を導電性樹脂シートで挟み込む必要があるが、セルスタック10の両端において片側のみが電極と接する単極仕切板(エンドプレート)の場合には、電極と接する面だけを導電性樹脂シートで被覆してもよい。
As an example of the electrode plate 15 (bipolar plate), a carbon plastic sheet / a copper sheet having a current collecting terminal / a carbon plastic sheet, or a copper mesh / a carbon plastic sheet is preferable. In the case of a multi-pole partition plate (bipolar plate) in which electrodes are in contact with both sides of the
極板15の平均体積抵抗率は0.01Ωcm以下、好ましくは0.005Ωcm以下、更に好ましくは0.001Ωcm以下とすることが望ましい。全体の長さ方向の体積抵抗率を低くすることが電極面において均一な充放電反応を行うと共に、高い電圧効率を維持するうえで重要である。ただし、均一な電位分布を得るために、そのような0.01Ωcmの極板は、厚さを3〜5mm以上にする必要があり、厚さを1mm〜2mm程度にして小型のセルスタック10の製作を実現するためには、平均体積抵抗率を0.005Ωcm乃至0.0005Ωcm以下にすることが好ましい。このためには、高い導電性を持つ金属シートあるいはメッシュを挟み込んだ極板にする必要がある。
The average volume resistivity of the
さらに、カーボンプラスチックスシートは樹脂にポリエチレンやポリプロピレンなどの熱可塑性樹脂を用い、熱融着、溶剤による溶着などの手段によって電極である導電性炭素繊維不織布と一体化することが好ましい。熱融着に適したカーボンプラスチックシートの樹脂はポリオレフィン系樹脂などであり、溶着に適した樹脂はポリ塩化ビニルなどである。これにより、電極・プレート間の接触抵抗を最小にすることができる。融着した場合としない場合との両者の接触抵抗は、面積抵抗率として、それぞれ、0.01Ωcm2と0.10Ωcm2程度の差が生じてくる。 Further, it is preferable that the carbon plastic sheet uses a thermoplastic resin such as polyethylene or polypropylene as the resin and is integrated with the conductive carbon fiber non-woven fabric which is an electrode by means such as heat welding and welding with a solvent. The resin of the carbon plastic sheet suitable for heat welding is a polyolefin resin or the like, and the resin suitable for welding is polyvinyl chloride or the like. As a result, the contact resistance between the electrode and the plate can be minimized. The contact resistance between the case of fusion and the case of no fusion has a difference of about 0.01Ωcm 2 and 0.10Ωcm 2 in area resistivity, respectively.
(1−5.電極)
本発明の一実施の形態に係るセルスタックが、積層電池又は電解槽に用いられる場合には、図2のように、枠体31内に電極34を有する。電極34は、活物質液を流通、含浸する多孔質導電体であり、材質は炭素又は、鉛などの金属である。電極34は、例えば、炭素繊維フェルト(炭素繊維電極)である。また、炭素繊維電極を構成する炭素繊維は、繊維直径5μm以下のものの存在が顕微鏡観察(例えば走査型電子顕微鏡(SEM))によって確認できることが活物質補足性の点で好ましい。
(1-5. Electrode)
When the cell stack according to the embodiment of the present invention is used for a laminated battery or an electrolytic cell, it has an
従来のポリアクリロニトリル(PAN)、セルロース、ピッチ、カイノール系などの繊維径は7〜12μm程度の範囲であり、SEMによる観察では、通常直径5μm以下の繊維は存在しない。このような電極34(炭素繊維フェルト)を用いる場合、良好な電圧効率(例えば85%以上)を維持できる電流密度は100mAcm−2程度までであった。 The fiber diameter of conventional polyacrylonitrile (PAN), cellulose, pitch, quinol, etc. is in the range of about 7 to 12 μm, and as observed by SEM, there are usually no fibers having a diameter of 5 μm or less. When such an electrode 34 (carbon fiber felt) was used, the current density capable of maintaining good voltage efficiency (for example, 85% or more) was up to about 100 mAcm- 2 .
一方で、気相成長炭素繊維の場合は直径が0.1μm程度以下であり、高次元拡散による電解ができるようになり、集合電極として用いると活物質液静止系でも高い電流密度(例えば、静止系でも100mAcm−2)が得られるようになる。また、繊維径を細くした炭素繊維電極は電解酸化処理などによっても得ることができる。このように、電極34として繊維径を細くした炭素繊維電極を用いることで、電池本体(電解槽)における出力密度が大きくなって、電池を小型化(場合によっては1/2以下のサイズ)し、製造コストを大きく下げることが可能になる。実際に繊維直径は5μm程度以下にすれば、物質移動性は改善でき、フロー型で数100mAcm−2の電流密度が可能になる。
On the other hand, in the case of vapor-grown carbon fiber, the diameter is about 0.1 μm or less, which enables electrolysis by high-dimensional diffusion, and when used as a collecting electrode, it has a high current density (for example, stationary) even in an active material liquid stationary system. Even in the system, 100 mAcm- 2 ) can be obtained. Further, the carbon fiber electrode having a reduced fiber diameter can also be obtained by electrolytic oxidation treatment or the like. In this way, by using the carbon fiber electrode having a reduced fiber diameter as the
また、炭素繊維フェルトを希硫酸中などで電解酸化処理してもよい。これにより、繊維径が小さくなっていくと共に、表面が著しく酸化エッチングを受け、比表面積が1〜2桁増加(例えば、窒素ガスによるBET比表面積値として1m2/g程度から10〜100m2/gへの増加)する。同時に、表面に酸素元素がカルボニル基、カルボキシル基などとして導入(例えば、ESCAのO/C比として0.1%程度から1〜5%)され、充放電反応における電子移動反応速度を大きくすると共に、副反応であるガス発生を過電圧向上によって抑えることができるようになる。さらに、2000℃〜2500℃の温度で焼成することでグラファイト化度を向上するようにさせてもよい。 Further, the carbon fiber felt may be electrolytically oxidized in dilute sulfuric acid or the like. Thus, the fiber diameter becomes smaller, the surface is subjected to significantly oxide etch, increase the specific surface area is 1 to 2 orders of magnitude (e.g., 10 to 100 m from 1 m 2 / g approximately as a BET specific surface area by nitrogen gas 2 / Increase to g). At the same time, an oxygen element is introduced into the surface as a carbonyl group, a carboxyl group, etc. (for example, the O / C ratio of ESCA is about 0.1% to 1 to 5%) to increase the electron transfer reaction rate in the charge / discharge reaction. , Gas generation, which is a side reaction, can be suppressed by improving the overvoltage. Further, the degree of graphitization may be improved by firing at a temperature of 2000 ° C. to 2500 ° C.
このような炭素繊維電極を用いることによって、従来型電極の電池と比べて一般に電圧効率を10%以上、マニホールドの漏洩電流損失(シャントカレントロス)を除くクーロン効率を1〜2%程度向上させることができるようになる。 By using such a carbon fiber electrode, the voltage efficiency is generally improved by 10% or more and the Coulomb efficiency excluding the leakage current loss (shunt current loss) of the manifold is improved by about 1 to 2% as compared with the battery of the conventional electrode. Will be able to.
<2.積層電池>
本発明の一実施形態は、上述したセルスタックを有する積層電池であって、セルスタックは、枠体、隔膜、及び電極板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の流入スリット管及び流出スリット管を通して活物質液がセルスタック内を流通する。
<2. Laminated battery >
One embodiment of the present invention is a laminated battery having the cell stack described above. In the cell stack, a frame body, a diaphragm, and an electrode plate as an electrode plate are laminated by adhesion and / or fusion, and the cell stack is formed on the frame body. The active material liquid flows through the cell stack through a plurality of inflow slit tubes and outflow slit tubes provided by adhesion and / or fusion.
図3は、本発明の一実施形態に係るセルスタックを適用した積層電池又は後述する電解槽の構成の一例を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る積層電池40は、・・・/枠体41/極板42/枠体43/隔膜44/枠体45/極板46/枠体47/隔膜48/枠体49/隔膜50/エンドプレート51といったように、枠体、隔膜、及び電極板としての極板がセルスタックとして積層された構造を有し、各枠体の内部には電極を有する。
FIG. 3 is a perspective view showing an example of the configuration of a laminated battery to which the cell stack according to the embodiment of the present invention is applied or an electrolytic cell described later. The
積層電池40では、流通させる溶液は活物質液である。活物質液は、溶液(活物質液)、懸濁液、又は塊状等の固形活物質を含む液をいう。活物質液としては、例えば、鉄・クロム系溶液やバナジウム系溶液が挙げられる。電極反応性を上げるには、電極との親和性があること、流動性が大きいことなどが重要な要件になる。また、硫酸酸性の場合は粘性率、導電率に配慮する必要がある。硫酸酸性バナジウム水溶液を活物質とする場合、バナジウム濃度が2.5M、全硫酸根濃度5Mを超えるような高濃度化は、活物質液のエネルギー密度はある程度大きくできるが、粘性率が大きくなり、また、導電率が小さくなってセル抵抗は大きくなりやすい。
In the
活物質液(通常の電解液だけでなく、懸濁液も含む)は、セル内に常に流通(循環)させてもよいし、間歇的に流通させてもよい。 The active material solution (including not only a normal electrolytic solution but also a suspension) may be constantly circulated (circulated) in the cell, or may be circulated intermittently.
積層電池40の構成の一例としては、外装板 / 集電板 / エンドプレート・電極一体化(片面)電極板 / 枠体 / 隔膜 / 枠体 / 複極仕切板・電極一体化(両面)電極板 / 隔膜 / 枠体 / 複極仕切板・電極一体化(両面)電極板 /・・・/ 枠体 / 隔膜 / 枠体 / エンドプレート・電極一体化(片面)電極板 / 枠体 / エンドプレート・電極一体化(片面)電極板 / 外装板 のような構成が挙げられる。すなわち、枠体、隔膜、極板が適宜積層されたセルスタックの構造を有する。各構成要素は、互いに融着及び/又は接着されている。
As an example of the configuration of the
このように、本発明の一実施形態に係る積層電池では、極板は複極仕切板を含み、複極仕切板は、集電用の端子を有し、セルスタックの外部と直接入出力できるようにすることができる。 As described above, in the laminated battery according to the embodiment of the present invention, the electrode plate includes a multi-pole partition plate, and the multi-pole partition plate has a terminal for current collection and can directly input / output to the outside of the cell stack. Can be done.
例えば、同じ規格の単電池ユニットを多数直列配列することにより、任意の電圧、電流定格値を持つ二次電池を作ることができ、近接する単電池ユニット間に中間入出力端子を持つことによって、効率の良い入出力可能な二次電池システムとすることができる。このような、二次電池システムでは、例えば、自然エネルギーの発電装置の出力電圧に基づいて複数のセルの集電用端子の少なくとも何れかに切り替え可能とする無接点切替素子と接点式の切替スイッチを備え、安価な方法でDC−DCコンバータなどを用いずに充電受入れ性を向上することができる。このような切替機構を有することで、効率の良い入出力可能な積層電池40(二次電池システム)とすることができる。 For example, by arranging a large number of cell units of the same standard in series, it is possible to make a secondary battery with an arbitrary voltage and current rating value, and by having an intermediate input / output terminal between adjacent cell cell units, It can be a secondary battery system capable of efficient input / output. In such a secondary battery system, for example, a contactless switching element and a contact type switching switch that can switch to at least one of the current collecting terminals of a plurality of cells based on the output voltage of a natural energy power generation device. It is possible to improve the charge acceptability by an inexpensive method without using a DC-DC converter or the like. By having such a switching mechanism, it is possible to obtain a laminated battery 40 (secondary battery system) capable of efficient input / output.
<3.電解槽>
本発明の一実施形態は、上述したセルスタックを有する電解槽40であって、セルスタックは、枠体、隔膜、及び電極板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の流入スリット管及び流出スリット管を通して電解液がセルスタック内を流通する。
<3. Electrolytic cell >
One embodiment of the present invention is an
電解槽で用いられるセルスタックの構造は、基本的は積層電池と同様である。内部を流通するのが電解液であり、極板を通して電圧が印加されて化学分解が行われる。 The structure of the cell stack used in the electrolytic cell is basically the same as that of the laminated battery. The electrolytic solution circulates inside, and a voltage is applied through the electrode plate to perform chemical decomposition.
なお、積層電池と電解槽とを分けて説明しているが、本発明の一実施形態に係るセルスタックは、充放電可能なレドックスフロー二次電池として適用することももちろん可能である。 Although the laminated battery and the electrolytic cell are described separately, the cell stack according to the embodiment of the present invention can of course be applied as a rechargeable redox flow secondary battery.
<4.透析槽>
本発明の一実施形態は、上述したセルスタックを有する透析槽であって、セルスタックは、枠体、隔膜、及び集電板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の流入スリット管及び流出スリット管を通して被処理液又は濃縮用溶液が前記セルスタック内を流通する。本発明の一実施形態に係る透析槽においては、極板は、エンドプレート(端子板)としてセルスタック構成の両端にある場合と、シングルセルの1ユニット毎に複極仕切板として設ける場合とがある。
<4. Dialysis tank >
One embodiment of the present invention is a dialysis tank having the above-mentioned cell stack. In the cell stack, a frame body, a diaphragm, and a electrode plate as a current collecting plate are laminated by adhesion and / or fusion, and the frame body is formed. The liquid to be treated or the solution for concentration flows through the cell stack through a plurality of inflow slit tubes and outflow slit tubes provided by adhesion and / or fusion. In the dialysis tank according to the embodiment of the present invention, the electrode plates may be provided as end plates (terminal plates) at both ends of the cell stack configuration, or may be provided as a multi-pole partition plate for each single cell unit. is there.
本発明の一実施形態に係る透析槽は、溶液状、懸濁液状被処理液から重金属成分を分離・回収するための装置として適用可能である。例えば、本発明の一実施形態に係る透析槽は、めっき工程などから排出される液など重金属を含有する各種工程廃液からの重金属回収、水処理施設放流水中の重金属濃度を基準値以下にする場合など、広い範囲で適用することが可能である。特に環境基準までの重金属除去が必要な場合で、被処理液の導電性が小さい用水や自然水では所要処理面積を大きくすることによって対応できる。また、下水汚泥などのスラリーあるいはスラッジを対象にする場合は、被処理物導入部の変更と電着法式の付加等により対応することもできる。さらに、本発明の一実施形態に係る透析槽は、滞留時間を調整することが容易であるため、どのような場合でも1段処理の装置で対応可能となる。 The dialysis tank according to the embodiment of the present invention can be applied as an apparatus for separating and recovering heavy metal components from a solution or suspension liquid to be treated. For example, in the dialysis tank according to the embodiment of the present invention, heavy metal recovery from various process waste liquids containing heavy metals such as liquid discharged from a plating process, and heavy metal concentration in water discharged from a water treatment facility are set to a reference value or less. It can be applied in a wide range. Especially when it is necessary to remove heavy metals up to the environmental standard, it can be dealt with by increasing the required treatment area for irrigation water or natural water with low conductivity of the liquid to be treated. Further, when targeting a slurry or sludge such as sewage sludge, it can be dealt with by changing the introduction portion of the object to be treated and adding an electrodeposition method. Further, since the dialysis tank according to the embodiment of the present invention can easily adjust the residence time, any case can be dealt with by the one-stage treatment apparatus.
図4は、本発明の一実施形態に係るセルスタックを適用した透析槽の構成の一例を示す斜視図である。本発明の一実施形態に係る透析槽60は、陰極側集電板62/陰極室63/隔膜64/被処理液導入室65/隔膜66/陽極室67/陽極側集電板68といった構成を有する。陰極室63、被処理液導入室65、陽極室67には流入スリット管及び流出スリット管が備えられているが、すべての枠体に複数備えられていなくてもよい。例えば、被処理液が流通する被処理液導入室65には、1本のみの流入スリット管及び流出スリット管が備えられ、濃縮用溶液等が流通する陰極室63や陽極室67には複数(例えば3本)の流入スリット管及び流出スリット管が備えられているような構成としてもよい。
FIG. 4 is a perspective view showing an example of the configuration of a dialysis tank to which the cell stack according to the embodiment of the present invention is applied. The
なお、本発明の一実施形態に係る透析槽60は、上記構成を1単位として、さらに層を積層してもよい。例えば、外装板 / 集電板 / エンドプレート / 枠体 / 隔膜 / 枠体 / 隔膜 / 枠体/・・・/ 枠体 / 隔膜 / 枠体 / エンドプレート / 集電板 / 外装板 のような構成でもよい。このとき、各構成要素は、互いに融着及び/又は接着されている。また、本発明の一実施形態に係る透析槽60では、極板は複極仕切板を含み、複極仕切板は、集電用の端子を有し、セルスタックの外部と直接入出力できるようにすることができる。
The
陰極側集電板62は、エンドセル(エンドプレート)の他は複極仕切板として用いるが、いずれの場合も水電解用の電極板を使用する。陰極側集電版は、例えば、ステンレス鋼やチタンの板に白金系の貴金属をコーテイングしたものである。
The cathode side
陰極室61、63は、伸縮性のある枠材によって囲まれ、片面を陰極、他の面を透過膜で仕切られている。透過膜を透過してきた重金属をここで塩基性化合物として析出させる。本発明の一実施形態に係る透析槽60では、析出工程後に陰極室を圧縮して水分を減少させて、重金属スラッジとしても回収できる。陰極に亜鉛などの重金属が電着しているときは、スラッジを回収後、水を注入し、陰極から陽極に極性反転して重金属を溶出させ、濃縮液として回収する。
The
隔膜64、66、70は、被処理液導入室の両面にあって、イオン化している重金属を主体的に処理する場合と懸濁質状の重金属を主体的に処理する場合とで、イオン透過性隔膜にするか、あるいは微多孔性隔膜にするかを選択する。
The
被処理液導入室65、71は、透析処理を行うための溶液が流通する。この溶液から例えば、重金属等が除かれる。被処理液は、その流量が大きいと、透析処理が十分に行えない可能性もあるため、被処理液はゆっくりと流通させることが好ましい。
Solutions for performing dialysis treatment flow through the liquid to be introduced
陽極室67、69では、重金属は一般に析出しにくく、透過してきた重金属はここで濃縮され、濃縮液として回収される。また、陽極側集電板68は、陰極側集電板と同じくエンドセル(エンドプレート)のほかは複極仕切板構造となり、陰極側集電板と同じものを使用することができる。
In the
本発明の一実施形態に係る透析槽では、例えば、以下に挙げるような重金属を対象とすることができる。 In the dialysis tank according to the embodiment of the present invention, for example, heavy metals such as those listed below can be targeted.
Cr(III)の透析分離。Cr(III)は、金属として電着しにくい(Cr(II)→Cr(0)の電極電位〜−1.0V 、Cr(III)→Cr(II)の電極電位〜−0.4V)ため、透析法によって分離し、水素イオンが消費される陰極室側で塩基性の析出物として濃縮・回収する。鉄に近い挙動をするが、鉄よりも両性元素としての性質が強く、強アルカリ性で溶出させて鉄と分離することが可能である(pH10以上で十分に溶解)。Crはアンモニア錯体をあまり作らず、一方、酢酸などの有機酸との錯体はある程度作るという点で鉄に類似している。
Separation of Cr (III) by dialysis. Cr (III) is difficult to electrodeposit as a metal (Cr (II) → Cr (0) electrode potential ~ −1.0V, Cr (III) → Cr (II) electrode potential ~ −0.4V), so dialysis It is separated by the method and concentrated and recovered as a basic precipitate on the cathode chamber side where hydrogen ions are consumed. Although it behaves like iron, it has stronger properties as an amphoteric element than iron, and can be eluted with strong alkalinity and separated from iron (sufficiently dissolved at
Ni(II)の分離、透析法及び電着・溶出法。Ni(II)は、透析法の方が比較的容易に回収できると考えられるが、電極を卑に維持することによって電着も可能(Ni(II)→Ni(0)の電極電位〜−0.25V)である。この場合、溶出電位を調整して亜鉛や銅と分離して回収することができると考えられ、特に貴な電位で電着するCuとの分離は容易である。一方、Niは強アルカリには不溶だが、アンモニア錯体を作って溶解し易い点で、CrやFeとは異なる。しかしながら、Znとはアルカリ、錯配位子、硫化物イオンとの反応性などが類似するため化学反応で安価に分離するのは難しく、電着・溶出電位を変えて分離する方法が良い。 Separation of Ni (II), dialysis method and electrodeposition / elution method. It is thought that Ni (II) can be recovered relatively easily by the dialysis method, but electrodeposition is also possible by keeping the electrodes low (Ni (II) → Ni (0) electrode potential ~ -0.25. V). In this case, it is considered that the elution potential can be adjusted to separate and recover from zinc and copper, and separation from Cu, which is electrodeposited at a noble potential, is particularly easy. On the other hand, Ni is insoluble in strong alkali, but differs from Cr and Fe in that it forms an ammonia complex and is easily dissolved. However, since it is similar to Zn in reactivity with alkali, complex ligand, sulfide ion, etc., it is difficult to separate it inexpensively by a chemical reaction, and a method of separating by changing the electrodeposition / elution potential is preferable.
Zn(II)は、電極を十分に卑に維持することによって電着可能である。さらに溶出電位を調整して他の金属との分離回収も可能である。(Zn(II)→Zn(0)の電極電位〜−0.76V) Zn (II) can be electrodeposited by keeping the electrodes sufficiently low. Furthermore, the elution potential can be adjusted to separate and recover from other metals. (Electrode potential of Zn (II) → Zn (0) ~ -0.76V)
Cu(II)は、電極電位が貴にても、容易に電着可能である。また、溶出電位を調整して他の電着した重金属と分離回収することも可能ある。(Cu(II)→Cu(0)の電極電位〜+0.34V, 多量のハロゲン化物イオン共存下では、錯形成によって電位がマイナスになる場合もある。) Cu (II) can be easily electrodeposited even if the electrode potential is noble. It is also possible to adjust the elution potential to separate and recover from other electrodeposited heavy metals. (Cu (II) → Cu (0) electrode potential ~ + 0.34V, in the presence of a large amount of halide ions, the potential may become negative due to complex formation.)
その他に、有害物質としての重金属として以下のものもある。
Pb、Hgは、貴な電位での電着が可能であり、銅と同じく溶出電位を調整して分離回収できる。
Cd、Asは、電着による回収は困難であり、一般に電気透析法にて選択分離して回収する。
In addition, there are the following heavy metals as harmful substances.
Pb and Hg can be electrodeposited at a noble potential, and can be separated and recovered by adjusting the elution potential in the same manner as copper.
Cd and As are difficult to recover by electrodeposition, and are generally selectively separated and recovered by an electrodialysis method.
以下、本発明について、実施例を用いてさらに具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に何ら限定されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
厚さ3mmの電極室を持つ横30mm、縦20mmの複極式電解槽(3セル積層型)を用いて、3.5M硫酸酸性1.5Mバナジウムイオン(負極側はバナジウム2価および3価、正極側はバナジウム4価および5価)を活物質液とする図3に示すような構成のレドックスフロー二次電池の充放電試験を行った。 Using a multi-pole electrolytic cell (3-cell laminated type) with a width of 30 mm and a length of 20 mm, which has an electrode chamber with a thickness of 3 mm, 3.5 M sulfate-acidic 1.5 M vanadium ion (vanadium divalent and trivalent on the negative electrode side, A charge / discharge test of a redox flow secondary battery having a configuration as shown in FIG. 3 using vanadium tetravalent and pentavalent) as an active material solution was performed on the positive electrode side.
発泡ポリ塩化ビニル樹脂(PVC)製の枠体に上下それぞれ3本ずつのPVC製流入出チューブを挿入して、溶剤(アセトン)で接着した。PVC枠体で囲まれた電極室内には陽極酸化処理を行って活性化した炭素繊維フェルトが充填され、室内の上下にはそれぞれ2mmの空隙ができるようにした。複極仕切板は300メッシュ銅網をグラファイト粉末を混練したPVC樹脂シートで挟み込んで製作し、さらに上述の活性化した炭素繊維フェルトをホットプレスによって融着して一体化した。(隔膜にはポリオレフィン系の陽イオン交換膜を使用した。) Three PVC inflow / outflow tubes were inserted into the frame made of foamed polyvinyl chloride resin (PVC), and three PVC inflow / outflow tubes were inserted into the frame and adhered with a solvent (acetone). The electrode chamber surrounded by the PVC frame was filled with carbon fiber felt activated by anodizing, so that gaps of 2 mm were formed above and below the chamber. The multi-pole partition plate was manufactured by sandwiching a 300 mesh copper net between PVC resin sheets kneaded with graphite powder, and further fused and integrated the above-mentioned activated carbon fiber felt by hot pressing. (A polyolefin-based cation exchange membrane was used for the diaphragm.)
両極室への活物質液の送液はチューブポンプで行い、各室にそれぞれ3本ずつある活物質液流入出管の途中にスクリューコックを取り付けて本数を任意に決められるようにした。
セルの積層数は3セルとした。
The active material liquid was sent to both polar chambers by a tube pump, and a screw cock was attached in the middle of the active material liquid inflow and outflow pipes, each of which had three in each chamber, so that the number could be arbitrarily determined.
The number of stacked cells was set to 3.
電極室への電解液導入をスリット管1本で行ったときの、送液量と送液圧(ポンプ吐出圧)および充放電1A充放電(約170mA/cm2充放電)の面積抵抗率([充放電の電圧差]/[電流密度×2])を求めた。結果は以下の通りである。 Area resistivity of liquid feed amount, liquid feed pressure (pump discharge pressure) and charge / discharge 1A charge / discharge (about 170 mA / cm 2 charge / discharge) when the electrolyte is introduced into the electrode chamber with a single slit tube. [Charge / discharge voltage difference] / [Current density x 2]) was determined. The results are as follows.
表1の結果より、電極室への電解液導入量を10ml/分として、スリット管1本、2本および3本としたときの充放電試験を行った。送液圧および充放電1A充放電の面積抵抗率は以下の通りであった。 From the results in Table 1, a charge / discharge test was performed when the amount of the electrolytic solution introduced into the electrode chamber was 10 ml / min and the number of slit tubes was 1, 2, and 3. The area resistivity of the liquid feed pressure and charge / discharge 1A charge / discharge was as follows.
表2の結果からも分かるように、本発明の一実施形態に係る複数のスリット管を有するスタックセルは、従来の比較例1のようなスリット管1本の場合よりも、面積抵抗率を半分以下に低減できていることが分かる。 As can be seen from the results in Table 2, the stack cell having a plurality of slit tubes according to the embodiment of the present invention has half the area resistivity as compared with the case of one slit tube as in the conventional Comparative Example 1. It can be seen that it can be reduced as follows.
なお、上記のように本発明の各実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。 Although each embodiment and each embodiment of the present invention have been described in detail as described above, those skilled in the art can understand that many modifications that do not substantially deviate from the novel matters and effects of the present invention are possible. , Will be easy to understand. Therefore, all such modifications are included in the scope of the present invention.
例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、セルスタック、積層電池、電解槽、及び透析槽の構成、動作も本発明の各実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。 For example, a term described at least once in a specification or drawing with a different term in a broader or synonymous manner may be replaced by that different term anywhere in the specification or drawing. Further, the configuration and operation of the cell stack, the laminated battery, the electrolytic cell, and the dialysis tank are not limited to those described in each embodiment and each embodiment of the present invention, and various modifications can be carried out.
本発明に係るセルスタックは、レドックス二次電池にも適用することができ、レドックス二次電池システムに太陽電池又は風力発電機をスイッチ素子を介して電気的に直結することで電力供給システムとして提供することもできる。本発明の一実施形態に係るセルスタックは、透析槽として、めっき工程などから排出される液など重金属を含有する各種工程廃液からの重金属回収、水処理施設放流水中の重金属濃度を基準値以下にする場合など、広い範囲で適用することが可能である。 The cell stack according to the present invention can also be applied to a redox secondary battery, and is provided as a power supply system by electrically connecting a solar cell or a wind power generator to the redox secondary battery system via a switch element. You can also do it. As a dialysis tank, the cell stack according to the embodiment of the present invention recovers heavy metals from various process waste liquids containing heavy metals such as liquid discharged from a plating process, and reduces the concentration of heavy metals in water discharged from a water treatment facility to a reference value or less. It can be applied in a wide range, such as when
10 セルスタック、11、21、31、41、43、45、47、49 枠体、12(12A、12B、12C)、22(22A、22B、22C)、32(32A、32B、32C) 流入スリット管、13(13A、13B、13C)、23(23A、23B、23C)、33(33A、33B、33C) 流出スリット管、14、44、48、64、66 隔膜、15、42、46、50 極板、16 集電用端子、30 セルユニット、34 電極、35(35A、35B、35C) 流入側開閉弁、36(36A、36B、36C) 流出側開閉弁、37 流入用マニホールド、38 流出用マニホールド、40 積層電池、40 電解槽、51 エンドプレート、60 透析槽、61 陰極室、62 陰極側集電板、63 陰極室、65 被処理液導入室、67 陽極室、68 陽極側集電板 10 cell stack, 11, 21, 31, 41, 43, 45, 47, 49 frame, 12 (12A, 12B, 12C), 22 (22A, 22B, 22C), 32 (32A, 32B, 32C) inflow slit Tube, 13 (13A, 13B, 13C), 23 (23A, 23B, 23C), 33 (33A, 33B, 33C) Outflow slit tube, 14, 44, 48, 64, 66 diaphragm, 15, 42, 46, 50 Plate, 16 current collecting terminals, 30 cell unit, 34 electrodes, 35 (35A, 35B, 35C) inflow side on-off valve, 36 (36A, 36B, 36C) outflow side on-off valve, 37 inflow manifold, 38 outflow Manifold, 40 laminated battery, 40 electrolytic cell, 51 end plate, 60 dialysis tank, 61 cathode chamber, 62 cathode side current collector, 63 cathode chamber, 65 treatment liquid introduction chamber, 67 anode chamber, 68 anode side current collector
Claims (9)
少なくとも、1以上の枠体と、
前記枠体を貫通して内部に前記溶液を流入させる流入スリット管と、
前記枠体を貫通して外部に前記溶液を流出させる流出スリット管と、
前記枠体内の前記溶液を隔てる隔膜と、
前記枠体の一部を隔てる極板を備え、
前記枠体は、独立気泡樹脂により構成され、
前記流入スリット管及び前記流出スリット管は少なくとも1つの枠体に対して複数備えられ、
前記流入スリット管又は前記流出スリット管内の断面積の合計が、前記枠体内の前記溶液が流通する方向に対して垂直な面の断面積の5%以上、30%以下であることを特徴とするセルスタック。 A cell stack that is applied to a laminated battery, an electrolytic cell, or a dialysis tank and is filled with a solution.
At least one or more frames and
An inflow slit tube that penetrates the frame and allows the solution to flow into the inside,
An outflow slit tube that penetrates the frame and allows the solution to flow out to the outside,
The diaphragm that separates the solution in the frame and
A plate that separates a part of the frame is provided.
The frame is made of closed cell resin.
The inlet slit tube and the outlet slit tube plurality equipped et been for at least one frame,
The total cross-sectional area of the inflow slit pipe or the outflow slit pipe is 5% or more and 30% or less of the cross-sectional area of the plane perpendicular to the direction in which the solution flows in the frame. Cell stack.
前記セルスタックは、枠体、隔膜、及び電極板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、前記枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の前記流入スリット管及び前記流出スリット管を通して活物質液が前記セルスタック内を流通することを特徴とする積層電池。 A laminated battery having the cell stack according to any one of claims 1 to 3 .
In the cell stack, a frame body, a diaphragm, and an electrode plate as an electrode plate are laminated by adhesion and / or fusion, and a plurality of the inflow slit tubes provided on the frame body by adhesion and / or fusion and the said A laminated battery characterized in that an active material liquid flows through the cell stack through an outflow slit tube.
前記セルスタックは、枠体、隔膜、及び電極板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、前記枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の前記流入スリット管及び前記流出スリット管を通して電解液が前記セルスタック内を流通することを特徴とする電解槽。 An electrolytic cell having the cell stack according to any one of claims 1 to 3 .
In the cell stack, a frame body, a diaphragm, and an electrode plate as an electrode plate are laminated by adhesion and / or fusion, and a plurality of the inflow slit tubes provided on the frame body by adhesion and / or fusion and the said An electrolytic cell characterized in that an electrolytic solution flows through the cell stack through an outflow slit tube.
前記セルスタックは、枠体、隔膜、及び集電板としての極板が接着及び/又は融着により積層され、前記枠体に接着及び/又は融着により設けられた複数の前記流入スリット管及び前記流出スリット管を通して被処理液又は濃縮用溶液が前記セルスタック内を流通することを特徴とする透析槽。 A dialysis tank having the cell stack according to any one of claims 1 to 3.
In the cell stack, a frame body, a diaphragm, and a electrode plate as a current collecting plate are laminated by adhesion and / or fusion, and a plurality of the inflow slit tubes and the inflow slit tubes provided on the frame body by adhesion and / or fusion. A dialysis tank characterized in that a solution to be treated or a solution for concentration flows through the cell stack through the outflow slit tube.
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