JP2014139905A

JP2014139905A - レドックスフロー電池用セルスタック、及びレドックスフロー電池用セルスタックの製造方法

Info

Publication number: JP2014139905A
Application number: JP2013008793A
Authority: JP
Inventors: Akira Sato; 亮佐藤
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2014-07-31
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: JP5971618B2

Abstract

【課題】製造性に優れるレドックスフロー電池(RF電池)用セルスタック、RF電池用セルスタックの製造方法を提供する。
【解決手段】RF電池用セルスタック1は、複数の電池要素が積層されてなる電池群(複数のサブセルスタック200)と、電池群を挟むように配置された一組のプレート部材(ユニット10,押え板20)と、一組のプレート部材を連結して、電池群の積層状態を保持する複数の連結棒30とを具える。ユニット10は、一対の押え板11,12と、押え板11,12間に介在され、連結棒に挿通されない少なくとも一つの弾性部材14とを具える。セルスタック1は、一対のエンドプレートを連結する複数の棒状体の外周にそれぞれコイルばねを配置した構成に比較して、弾性部材14及び連結棒30の使用数を低減でき、製造性に優れる。
【選択図】図1

Description

本発明は、レドックスフロー電池(以下、RF電池と呼ぶことがある)の主要構成部材であるRF電池用セルスタック、及びRF電池用セルスタックの製造方法に関するものである。特に、製造性に優れるRF電池用セルスタックに関するものである。

大容量の蓄電池の一つにRF電池がある。RF電池100は、図5に示す形態のものが知られている。RF電池100は、正極電極104を内蔵する正極セル102と負極電極105を内蔵する負極セル103との間にイオン交換膜101を介在させた電池要素100cと、電池要素100cに電解液を供給する循環機構とを具える。循環機構は、正極電解液を貯留する正極タンク106と、正極タンク106と電池要素100cとの間で正極電解液を流通する正極配管108,110と、負極電解液を貯留する負極タンク107と、負極タンク107と電池要素100cとの間で負極電解液を流通する負極配管109,111と、上流側の配管108,109にそれぞれ配置されるポンプ112,113とを具える。RF電池100は、循環機構により、正極電解液及び負極電解液を電池要素100cに循環供給して充放電を行う。電解液には、代表的には、酸化還元により価数が変化するバナジウムイオンといった金属イオンを含有する水溶液が利用される。図5においてタンク106,107内のイオンは例示である。また、図5において実線矢印は、充電、破線矢印は放電を意味する。

電池要素100cは、代表的には、図4に示す双極板211を具えるフレーム210を利用して構築される。双極板211は、その表裏にそれぞれ正極電極104,負極電極105が配置される。フレーム210は、この双極板211の外周に形成され、電極104,105に各極の電解液を供給する給液孔213,215及び電極104,105からの各極の電解液を排出する排液孔214,216を有する。そして、電池要素100cは、双極板211を具えるフレーム210、正極電極104、イオン交換膜101、負極電極105、双極板211を有するフレーム210、…と順に繰り返し積層されて構築されたセルスタックと呼ばれる形態で利用される。

セルスタックは、上述のようにして積層されてなる積層セルを挟むように一対のエンドプレート(図示せず)が配置され、更に両エンドプレートに複数の棒状体を挿通して、各棒状体の端部をそれぞれ、ナットで締め付けることで組み立てられる(特許文献1参照)。特許文献1では、複数の棒状体をエンドプレートの外周縁に沿って配置すると共に、一方のエンドプレートの外表面と上記ナットとの間において、各棒状体の外周にそれぞれコイルばねを配置する構成を提案している。これらのコイルばねの伸縮によって、積層セル(電池群)の熱伸縮やクリープによる変形などを吸収できる。

特開平2002-367658号公報

セルスタックの製造性の向上が望まれている。

上述のようにエンドプレートの外表面であって、かつ棒状体の外周にコイルばねを配置する従来の構成では、セルスタックの組み立てに時間がかかり、製造性の低下を招く。その理由の一つとして、コイルばね及び棒状体が多いことが挙げられる。

ここで、ばね定数が大きなコイルばねを用いると、このコイルばねを所定の量に圧縮させるための締付トルクが大きくなることから、締め付け作業性の低下を招く。従って、各コイルばねは、締め付け作業を容易に行えるばね定数が小さいものが望ましい。しかし、ばね定数が小さいコイルばねを用いると、セルスタックに必要な締付力を得るためには、多数のコイルばねを配置する必要がある。また、コイルばねの使用数に応じて、棒状体もエンドプレートの貫通孔に挿通する必要がある。特に、上述の従来の構成では、エンドプレートの外周縁寄りの領域にコイルばねを配置することから、熱伸縮などによる変形が生じ易いセルスタックの中央領域(上記外周縁から離れた内側寄りの領域)に対して、上記変形(膨れ)を抑制しようとすると、必要な締付力が更に大きくなる。この点からもコイルばねの使用数、及び棒状体の使用数が多くなる。このように部品点数が多いことで、上述の従来の構成では、組立時間が長くなることから、製造性の向上が望まれる。

また、上述の従来の構成では、コイルばねの圧縮量の調整にも時間がかかる。この理由は、複数の棒状体に対し、一本ずつナットを締め付けてコイルばねの圧縮量が所定の量となるように調整する必要があるためである。コイルばね及び棒状体の使用数が多いほど、調整時間が長くなり、組立時間の長大化を招く。また、コイルばねの使用数が多くなると、圧縮量のばらつきも生じ易くなり、調整にますます時間がかかる。

更に、経時的な使用によって、少なくとも一つのコイルばねが緩んだ場合や交換が必要になった場合、全てのコイルばねについて締め付けを解除し、再度、組み立てにあたり、全てのコイルばねについて一つずつ圧縮量を調整する必要がある。従って、メンテナンス時などでも、セルスタックを再度組み立てるにあたり、作業性の向上が望まれる。

そこで、本発明の目的の一つは、製造性に優れるレドックスフロー電池用セルスタックを提供することにある。また、本発明の他の目的は、レドックスフロー電池用セルスタックを容易に組み立てられるレドックスフロー電池用セルスタックの製造方法を提供することにある。

本発明は、エンドプレートの構造を工夫する、具体的には弾性部材を具えるユニットを利用することで上記目的を達成する。

本発明のレドックスフロー電池用セルスタックは、複数の電池要素が積層されてなる電池群と、上記電池群を挟むように配置された一組のプレート部材と、上記一組のプレート部材を連結して、上記電池群の積層状態を保持する複数の連結棒とを具える。上記一組のプレート部材のうち、少なくとも一方は、一対の押え板と、上記一対の押え板間に介在され、かつ上記連結棒に挿通されない少なくとも一つの弾性部材とを具えるユニットである。

本発明のRF電池用セルスタックに具えるユニットは、一対の押え板の間に弾性部材が挟まれたものであり、押え板に対する弾性部材の配置位置を代表的には押え板の中央領域とすることができる。つまり、電池群に上記ユニットを配置した場合、ユニットの押え板と電池群とが重なることで、電池群の中央領域(上記押え板が配置される端面において外周縁から離れた内側の領域)に弾性部材による付勢力を適切に作用させることができる。そのため、上記ユニットを少なくとも一つ具える本発明のRF電池用セルスタックは、セルスタックに必要な締付力を低減できる結果、弾性部材の使用数や電池群の積層状態を維持する連結棒の使用数を低減できる。また、弾性部材の使用数と連結棒の使用数とを一致させる必要もない。更に、ばね定数が大きな弾性部材を用いた場合でも、上記ユニットを容易に構築でき、セルスタックの組立作業性の低下に影響を与え難いため、ばね定数を任意に選択できる。従って、例えば、ばね定数が大きな弾性部材を使用することで、弾性部材の使用数をより低減できる。更に、弾性部材が連結棒に挿通されないため、連結棒の大きさを弾性部材の大きさに無関係に決定できる。従って、例えば、太い連結棒とすることができ、この場合、連結棒の使用数をより低減できる。このように本発明のRF電池用セルスタックは、連結棒が挿通されない弾性部材を具える特定のユニットを少なくとも一つ具えることで、部品点数を低減できるため、組立時間を短縮でき、製造性を向上できる。

また、上記ユニットは、上記連結棒の配置とは無関係に、電池群に作用させる付勢力(弾性部材の圧縮量)を調整できる。そして、付勢力の調整は、弾性部材の使用数や各弾性部材のばね定数、ユニットに具える押え板に対する弾性部材の配置位置などを変更することで、容易に行える。このようなユニットを独立した部材とし、別途、組み立てられることからも、本発明のRF電池用セルスタックは、製造性に優れる。

更に、上記ユニットは、電池群の両側に配置した一方のプレート部材(ユニットの押え板)と他方のプレート部材(別のユニットの押え板、又は単なる押え板)とに連結棒を配置して連結棒を固定することでセルスタックを容易に構築でき、上述の従来の構成のようにコイルばねの圧縮量を一つずつ調整する必要もない。このことからも、本発明のRF電池用セルスタックは、組立時間を短縮でき、製造性に優れる。また、本発明のRF電池用セルスタックは、上記ユニットに対して圧縮量の調整や弾性部材の交換などを行えばよく、メンテナンス時の組み立ても容易に行える。その他、上述の従来の構成では、コイルばねが、エンドプレートの外表面から電池群の積層方向に突出していたため、搬送時や設置時などでコイルばねを引っ掛けて損傷する恐れがあったが、本発明のRF電池用セルスタックでは、弾性部材が押え板の外周縁から突出していない。従って、本発明のRF電池用セルスタックでは、搬送時などで弾性部材を引っ掛けることが無く、弾性部材の損傷も防止できる。

本発明のRF電池用セルスタックの一形態として、上記一対の押え板を連結し、上記弾性部材が上記一対の押え板によって挟持された状態を維持する固定部材を更に具える形態が挙げられる。

上記形態に具えるユニットは、固定部材によって一対の押え板の間に弾性部材が挟まれた状態を維持できるため、取り扱い易い。従って、上記形態は、一対の押え板と弾性部材とが固定部材によって一体化されている上記ユニットを従来のエンドプレートと同様に、電池群の一端、又は両端に簡単に配置でき、製造性に更に優れる。また、上記形態は、上述の付勢力(圧縮量)を調整するパラメータの一つとして、固定部材の大きさ(長さ)も利用できる。

本発明のRF電池用セルスタックの一形態として、上記一組のプレート部材のうち、一方が上記ユニットであり、他方は、押え板である形態が挙げられる。

上記形態は、弾性部材を具えるユニットが一つであるため、部品点数をより低減し易く、製造性に更に優れる。

本発明のRF電池用セルスタックの一形態として、上記プレート部材に上記連結棒が嵌め込まれる切欠を具える形態が挙げられる。

上記形態は、プレート部材の押え板(ユニットの押え板、又は単なる押え板)に切欠を具えることで、一方のプレート部材(ユニットの押え板)と電池群と他方のプレート部材(別のユニットの押え板、又は単なる押え板)との組物の外周側から、連結棒を嵌め込めるため、連結棒を容易に配置でき、製造性に優れる。特に、電池群における積層数が多くなると、連結棒を長くする必要があるが、この場合でも、連結棒を容易に配置できる。

本発明のRF電池用セルスタックの一形態として、上記弾性部材はいずれも、上記一対の押え板を上記電池群の積層方向に平面視したとき、上記一対の押え板と上記電池群とが重なる領域に配置された形態が挙げられる。

上記形態は、例えば、弾性部材が上述の電池群の中央領域にのみ配置された状態が挙げられる。この場合、上記形態は、弾性部材による付勢力を電池群に良好に作用できるため、弾性部材の使用数をより低減できる。

本発明のRF電池用セルスタックの製造方法として、以下の準備工程、組物作製工程、連結工程を具えるものを提案する。
準備工程一組のプレート部材を用意し、そのうち、少なくとも一方は、一対の押え板の間に少なくとも一つの弾性部材を配置して、上記弾性部材が上記一対の押え板によって挟持されたユニットを用意する工程。
組物作製工程複数の電池要素が積層されてなる電池群の両側にそれぞれ、上記プレート部材を配置して、上記一組のプレート部材間に上記電池群を挟んだ組物を得る工程。
連結工程上記組物が所定の寸法となるように上記組物を加圧装置によって圧縮した状態で、上記組物に複数の連結棒を配置し、上記弾性部材に挿通されないこれらの連結棒によって上記一組のプレート部材を連結すると共に、上記組物の圧縮状態を固定した後、上記加圧装置による加圧を解放する工程。

本発明のRF電池用セルスタックの製造方法は、弾性部材を具えるユニットを少なくとも一つ用意しておくことで、上記組物を容易に構築できる。また、本発明のRF電池用セルスタックの製造方法は、この組物に連結棒を配置して、一組のプレート部材同士を連結することで、上述の従来の構成のようにコイルばねの圧縮量を一つずつ調整することなく、上記組物に所定の締付力を付与したセルスタック(代表的には本発明のRF電池用セルスタック)を容易に構築できる。

本発明レドックスフロー電池用セルスタックは、製造性に優れる。本発明のレドックスフロー電池用セルスタックの製造方法は、レドックスロー電池用セルスタックを容易に構築できる。

(A)は、実施形態のRF電池用セルスタックの概略斜視図、(B)は正面図である。実施形態のRF電池用セルスタックに具えるユニットの概略を示す分解斜視図である。 (A)は、実施形態のRF電池用セルスタックに具えるユニットの押え板と連結棒との接続方法を説明する分解斜視図、(B)は、他方の押え板と連結棒との接続方法を説明する分解斜視図である。実施形態のRF電池用セルスタックを構築する単セルの概略を示す分解斜視図、及びサブセルスタックの概略を示す斜視図である。 RF電池の基本構成及び動作原理を示す説明図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。

(RF電池)
RF電池は、図5に示すように交流/直流変換機を介して、発電部(例えば、太陽光発電機、風力発電機などの発電機、その他、一般の発電所など)と、電力系統や需要家などの負荷とに接続され、発電部を電力供給源として充電を行い、負荷を電力提供対象として放電を行う。図1に示すレドックスフロー電池(RF電池)用セルスタック1は、このようなRF電池の主要構成部材であり、上述した従来のRF電池と同様に、電解液の循環機構(図5)が組み付けられて、正極電解液及び負極電解液が循環供給されて使用される。セルスタック1は、電池群の両側に配置される一組のプレート部材として、少なくとも一方にユニット10を具える点を特徴とし、その他の基本的構成は、従来のRF電池用セルスタックと同様とすることができる。以下、特徴点を中心に説明する。

[RF電池用セルスタック]
RF電池用セルスタック1は、図1に示すように複数の電池要素が積層されてなる電池群と、この電池群を挟むように配置された一組のプレート部材と、電池群を挟んだプレート部材同士を連結する複数の連結棒30とを具える。ここでは、電池群は、積層された複数のサブセルスタック200と、モニタセル220とで構成されている。また、ここでは、一方のプレート部材として、ユニット10を具え、他方のプレート部材として、押え板20を具える。

・電池群
サブセルスタック200は、図4に示すように双極板211を具えるフレーム210、正極電極104、イオン交換膜101、負極電極105、双極板211を有するフレーム210、…と順に繰り返し積層された積層セル201と、積層セル201の両側に配置された給排板202,204とを具える。複数のフレーム210が積層されることで、給液孔213,215や排液孔214,216は、筒状の給液路や排液路を構築する。給排板202,204はそれぞれ、フレーム210に設けられた給液孔213,215、排液孔214,216に連結する部分(図示せず)と、各極の電解液の供給配管及び排出配管とを具え、各極の電解液の供給・排出に利用される。また、給排板202,204は、その内面に、端子部205を具える端子板(図示せず)が配置され、サブセルスタック200と外部装置との電気的接続にも利用される。端子板は銅などの導電性材料から構成され、各端子板には、正極電極104又は負極電極105が接触される。図1では、四つのサブセルスタック200を具える形態を示すが、サブセルスタック200の数は適宜選択することができる。また、積層セル201におけるセル数も適宜選択することができる。更に、図1では、積層した四つのサブセルスタック200の一端に、モニタセル220を具える形態を示すが、モニタセル220を省略することもできる。モニタセル220の構成は、サブセルスタック200と同様であり、セル数のみ異なる(ここでは単セルとしている)。

・プレート部材
電池群の一端に配置されるユニット10は、一対の押え板11,12と、対向配置された押え板11,12間に介在される弾性部材14とを具える。ここでは、ユニット10は、押え板11,12間を所定の間隔に維持する固定部材16も具える。電池群の他端に配置される押え板20は、平板部材であり、従来のコイルばねが配置されていない側のエンドプレートと同様とすることができる。

押え板11,12は、従来のエンドプレートと同様に、押え板20と共に電池群を挟むように配置されて、電池群の保護を機能の一つとする。そのため、押え板11,12,20は、サブセルスタック200の外形に相似形状で、かつサブセルスタック200よりも十分に大きな板材で構成されている。ここでは、押え板11,12,20はいずれも、横長の長方形状の平板材である。押え板11,12,20の大きさは、等しくすることもできるし、異ならせることもできる。ここでは、外側に配置される押え板11,20の大きさを等しくし、内側に配置される押え板12を若干小さくしている。押え板11,12,20の材質は、一般構造用鋼などの高強度材が挙げられる。外側に配置されて連結棒30による力が直接作用する一方の押え板11を上述の鋼などとし、内側に配置される押え板12をアルミニウム合金などの軽量材とすることもできる。

押え板11,12,20は、その外周縁に複数の切欠11b,12b,20bを有する(特に図3参照)。これらの切欠11b,12b,20bに後述する連結棒30が嵌め込まれて、押え板11,12,20は、嵌め込まれた連結棒30によって一体化される。従って、切欠11b,12b,20bはそれぞれ、押え板11,12,20を電池群に組み付けた状態において、同一直線上に並ぶ位置に設けられている。切欠11b,12b,20bに代えて、貫通孔とすることもできる。但し、貫通孔の場合、電池群の積層数が多くなると、連結棒30が長くなるため、一方の外側の押え板11から他方の外側の押え板20に亘って、長い連結棒30を挿通配置させることに時間がかかる恐れがある。一方、押え板11,12,20の外周縁から外方に開口する切欠11b,12b,20bの場合、組物の外周側から連結棒30を嵌め込めるため、連結棒30の長さに関わらず、一方の外側の押え板11から他方の外側の押え板20に亘って、連結棒30を容易に配置できる。

ユニット10に具える押え板11,12は、電池群に所定の付勢力を付与する弾性部材14を保持することを機能の一つとする。そのため、押え板11,12にはそれぞれ、その対向面(内面)に弾性部材14が嵌め込まれるばね座11s(図2)を具える。ばね座11sを具えることで、弾性部材14を容易に位置決めできる上に、弾性部材14のずれを防止できる。また、図2に示すように複数のばね座11sを具えることで、所望の数の弾性部材14を所望の位置に配置することができる。

ばね座11sの形状、大きさ(直径、深さ)、数、配置位置などは、適宜選択することができる。図2に示すばね座11sはいずれも、同じ直径を有する円形溝としているが、異なる直径を有する円形溝を具えることもできるし、円形以外の形状とすることもできる。また、一つの溝について深さ方向に直径が異なる段差形状の溝とし、この一つの溝に対して、直径が異なる弾性部材14を嵌め込むことが可能な構成とすることもできる。図2に示すばね座11sの数は例示であり、更に多くすることもできるし、少なくすることもできる。

図2に示す例では、押え板11,12における中央領域にばね座11sを具える。従って、ユニット10を組み立てた場合、弾性部材14は、押え板11,12の中央領域に配置される。特に、図2に示す例では、ばね座11sのいずれも、押え板11,12の外周縁よりも十分に内側に位置する。このようなユニット10を具えるRF電池用セルスタック1を組み立てた場合、セルスタック1を電池群の積層方向に平面視したとき、ユニット10の押え板11,12と電池群とが重なる領域(ここでは電池群の中央領域)に、弾性部材14の付勢力に基づく締付力を良好に付与することができる。また、ユニット10を組み立てた場合、弾性部材14は全てユニット10の外表面に突出しない。そのため、セルスタック1を構築途中や搬送する際、設置する際などで、弾性部材14のいずれも、作業者や周辺の部品などに引っ掛かることが無く、この引っ掛かりなどによる弾性部材14の損傷を防止できる。図2に示すばね座11sの位置も例示であり、上述の中央領域だけでなく、例えば、押え板11,12の外周縁寄りの領域にばね座11sを設けることもできる。

また、ここでは、ばね座11sはいずれも円形溝としているが、円環溝としてもよい。その他、ばね座11sは溝に代えて、環状に配置した複数の突起、又は環状の突起とすることもできる。

弾性部材14は、コイルばね(圧縮ばね)を好適に利用できる。弾性部材14のばね定数、ばね径、自由長などは適宜選択することができる。複数の弾性部材14を具えるユニット10を構築する場合、電池群に対して必要な付勢力を発生できれば、各弾性部材14のばね定数やばね径を等しくすることもできるし、異ならせることもできる。また、一定の付勢力を発生する場合にばね定数が大きな弾性部材14を用いると、弾性部材14の使用数を低減できる。ばね定数が小さい弾性部材14を用いる場合には、弾性部材14の使用数を多くする。

固定部材16は、対向配置させた一対の押え板11,12を連結すると共に、一対の押え板11,12間に所定の大きさの間隔を保持する部材である。押え板11,12間の間隔が所定の大きさに保持されることで、弾性部材14は、その間隔に応じて圧縮状態に維持される。また、固定部材16は、弾性部材14の更なる圧縮を許容し、かつ伸長を規制するように押え板11,12を連結する。このような固定部材16は、一端側領域がねじ切りされたボルトなどを好適に利用できる。押え板11,12における固定部材16の固定方法は、適宜選択することができる。ここでは、図2に示すように一方の押え板11に、固定部材16のねじ領域が螺合する連結穴11pを具え、他方の押え板12は、図2,図3(A)に示すように固定部材16の頭部を受ける連結台座12pを具える。連結台座12pは、押え板12の外周縁側及び電池群に接する表面側(図3(A)では右側)が開口した溝であり、溝の底部を構成する部分の厚さが押え板12の厚みよりも薄い薄肉部分となっている。この舌片状の薄肉部分に固定部材16が挿通される貫通孔が設けられている。固定部材16をこの連結台座12pの貫通孔に挿通し、固定部材16の一端を押え板11に固定すると、固定部材16の頭部が薄肉部分に掛止されることで、一対の押え板11,12間の間隔が規制される。固定部材16の頭部が薄肉部分に掛止されたときの押え板11,12間の間隔が最大の大きさである。ユニット10を組み立てた状態では、この最大の間隔になっている。弾性部材14の更なる圧縮状態については、連結棒30の項で説明する。

固定部材16の大きさ(直径、長さ)、本数などは、適宜選択することができる。弾性部材14の最小の圧縮量(圧縮長さ)が所定の量となるように、つまり、上述の最大の間隔が確保できるように固定部材16の長さを調整する。なお、押え板11,12がばね座11sを有することで、固定部材16を省略しても、RF電池用セルスタック1を構築できるが、固定部材16によって押え板11,12間を予め連結しておく方が、押え板11,12と弾性部材14とがばらばらにならず、ユニット10を取り扱い易く、製造性に更に優れる。

・連結棒
連結棒30は、長ボルトなどを好適に利用できる。ここでは、各連結棒30は、図3に示すように両端部にねじ穴を有する丸棒状のシャフト31と、各ねじ穴にそれぞれ螺合される二つのボルト33,35と、ボルト33,35の頭部よりも大きな外径を有する環状のカラー33c,35cとで構成している。ボルト33及びカラー33cは、電池群の一端(図1では左端)に配置される押え板11に止め付けられる。ボルト35,カラー35cは、電池群の他端(図1では右端)に配置される押え板20に止め付けられる。RF電池用セルスタック1の中間部に配置される押え板12には、シャフト31が挿通された状態で配置される。

連結棒30による連結状態をより詳しく説明する。ここでは、カラー33c,35cとして、その内径が、ボルト33,35の軸部の外径よりも大きいが、シャフト31の外径よりも小さいものを用いている。また、図3(A)に示すように、押え板11の切欠11bは、押え板11の外周縁がU字状に切り欠かれて設けられており、この切欠11bの幅がシャフト31の外径よりも大きい。更に、このU字状の切欠11bにおいて押え板11の外表面(図3(A)では左面)に、U字の湾曲部分よりも大きな径を有するC字状の浅い溝を具える。この浅い溝に環状のカラー33cを嵌め込むと共に、シャフト31の一端部近傍を押え板12の切欠12bに嵌め、シャフト31の一端部を押え板11の内面(図3(A)では右面)側から切欠11bに臨ませる。そして、シャフト31の一端部に、カラー33cを貫通するボルト33を押え板11の外表面側からねじ込む。こうすることで、連結棒30の一端部は、押え板11に止め付けられる。押え板20も、上述の押え板11と同様に、押え板20の外周縁がU字状に切り欠かれ、その幅がシャフト31の外径よりも大きい切欠20bを具える。また、図3(B)に示すように、U字状の切欠20bにおいて押え板20の内面(図3(B)では左面)にC字状の浅い溝が設けられている。この浅い溝にカラー35cを嵌め込み、シャフト31の他端部を押え板20の内面側から切欠20bに臨ませる。そして、ボルト35をカラー35cに挿通させて、更にボルト35をシャフト31の他端部にねじ込むことで、連結棒30の他端部は、押え板20に止め付けられる。このシャフト31に対するボルト33,35の締め付けにより、一つの連結棒30を構築することができる。なお、押え板12の切欠12bの幅も、シャフト31の外径よりも大きい。シャフト31の外周に熱収縮チューブなどからなる絶縁被覆を形成すると、シャフト31と電池群などとの間の絶縁性を高められる。

RF電池用セルスタック1では、連結棒30が弾性部材14を挿通しない。つまり、連結棒30の外周に弾性部材14が配置されない。そのため、弾性部材14の大きさ(主として内径)に無関係に連結棒30の大きさを選択できる。例えば、コイルばねに挿通配置されていた従来の棒状体よりも、連結棒30を太くすることができる。その結果、連結棒30の使用数を低減できる。また、太い連結棒30を利用することで、電池群に作用する締付力を大きくできることから、複数のサブセルスタック200の積層状態を維持し易く、サブセルスタック200間の位置ずれが生じ難い。そのため、サブセルスタック200間の位置ずれを防止する支持部材なども省略できる場合がある。ここでは、支持部材を省略した形態を示す。

上述のようにシャフト31、ボルト33,35、カラー33c,35cによって連結棒30を構築したとき、押え板12は、連結棒30に挿通されるだけであり、連結棒30に対して、電池群の積層方向に移動可能(図1において左右方向に移動可能)に支持される。例えば、電池群が膨れるように変形する場合、電池群に接する押え板12,20を押圧する。このとき、外側の押え板11,20は、連結棒30が止め付けられていることで移動を規制されている(移動できない)が、中間部の押え板12は、連結棒30をガイドとして移動できる。具体的には、弾性部材14を圧縮するように移動する(図1では左側に向かって移動する)。逆に電池群が収縮するように変形する場合、弾性部材14が押え板12を押圧する。このとき、押え板12は、連結棒30をガイドとして移動でき、弾性部材14の圧縮状態を緩和するように移動する(図1では右側に向かって移動する)。

固定部材16に加えて、ガイドピン(図示せず)を具える形態とすることができる。ガイドピンは、上述のように押え板12が移動するときに、両押え板11,12の位置がずれすることなく、平行状態を維持したまま移動することに寄与する。このようなガイドピンは、一端を、連結棒30が止め付けられる押え板11に固定し、他端を、連結棒30に対して移動可能な押え板12に対して固定されないように配置するとよい。例えば、ガイドピンの一端にねじ加工などを施し、一方の押え板11にはガイドピンの一端が螺合されるねじ穴などを設け、他方の押え板12には、ガイドピンの他端が挿通配置される貫通孔を設けることが挙げられる。ガイドピンの長さは、固定部材16と同等以上の長さを有していればよい。このようなガイドピンを利用することで、一対の押え板11,12の平行状態をより確実に維持でき、電池群に対する弾性部材14の位置ずれを防止できる。

[RF電池用セルスタックの製造方法]
上記構成を具えるRF電池用セルスタック1の製造手順を説明する。このセルスタック1は、一組のプレート部材(ユニット10,押え板20)の用意⇒一組のプレート部材と電池群との組物の作製⇒連結棒30による一組のプレート部材の連結、という手順で構築することができる。

・準備工程
必要な締付力に応じて、弾性部材14のばね定数や大きさ、使用数を選択して、弾性部材14を用意する。図2に示すように一方の押え板11(又は押え板12)のばね座11sに弾性部材14を嵌め込み、他方の押え板12(又は押え板11)のばね座に上記弾性部材14が嵌め込まれるように、他方の押え板12を一方の押え板11に対向配置させる。このとき、上述のガイドピンを弾性部材14と共に配置することもできる。そして、固定部材16をそれぞれ押え板11,12に配置することで、固定部材16によって押え板11,12と弾性部材14とが一体に保持されたユニット10が得られる。

・組物作製工程
所望の数のサブセルスタック200、適宜モニタセル220を用意して積層する。ここでは、積層したサブセルスタック200、適宜モニタセル220は、直方体状に構築される。この直方体における対向する各端面にそれぞれ、ユニット10、及び別途用意した押え板20を配置して、ユニット10と押え板20との間に電池群(複数のサブセルスタック200など)を挟んだ組物を得る。なお、各サブセルスタック200やモニタセル220は、積層セル201と給排板202,204とが位置ずれしないように連結部材(図示せず)などによって一体化しておくと、取り扱い易い。

・連結工程
上記組物は、単に積層した状態では、積層方向の寸法がRF電池用セルスタック1(完成品)を構成した後における所定の寸法よりも若干大きい(膨らんでいる)。そこで、上記組物が所定の寸法となるように、上記組物を加圧圧縮する。具体的には、直方体状の組物の一端面(ここでは、ユニット10に具える押え板11の外表面)をプレス装置といった加圧装置(図示せず)によって押圧する。この加圧圧縮した状態を保持しながら、組物の外周側から、押え板11,12,20の切欠11b,12b,20bにそれぞれ、連結棒30を嵌め込む。ここでは、連結棒30の主要部を構成するシャフト31を嵌め込む。一方の押え板11の外表面側(図1,図3(A)では左側)にカラー33cを配置し、他方の押え板20の内側(図1,図3(B)では左側)にカラー35cを配置しておく。そして、シャフト31の各端部にボルト33,35をそれぞれねじ込み、一組のプレート部材(ユニット10と押え板20)を連結棒30によって連結する。また、この連結によって、組物の圧縮状態を固定して、所定の寸法のRF電池用セルスタック1が得られる。上記組物の圧縮状態を固定できてから、上記プレス装置による加圧を除去する。

なお、RF電池用セルスタック1に具える正極電極104,負極電極105には、炭素繊維からなる不織布(カーボンフェルト)が挙げられる。イオン交換膜101は、塩化ビニル、フッ素樹脂、ポリオレフィン(例えば、ポリエチレン:PE、ポリプロピレン:PP)などの樹脂からなる基材に、イオン交換基を有するイオン交換樹脂、又はイオン交換樹脂とマトリクス樹脂との複合樹脂が付着されたものが挙げられる。双極板211は、プラスチックカーボンからなるもの、フレーム210は、塩化ビニルなどの樹脂からなるものが挙げられる。また、セルスタック1を用いてRF電池を構築した場合、正負の各極の活物質となる金属イオンの対は、(正極が鉄イオン、負極がクロムイオン)、(正極及び負極の双方がバナジウムイオン)、(正極がマンガンイオン、負極がチタンイオン)など、が挙げられる。

(効果)
RF電池用セルスタック1は、少なくとも一つの弾性部材14を具えるユニット10を構成要素とすることで、棒状体の外周にコイルばねを配置していた従来の構成と比較して、弾性部材14及び連結棒30の使用数を低減できる。特に、弾性部材14の大きさに規制されることなく、連結棒30を太いものとした場合、連結棒30の使用数を更に低減できる。また、ユニット10が電池群や連結棒30とは独立した部材であり、連結棒30が弾性部材14に挿通配置されないことから、ユニット10のみを容易に組み立てられる。更に、このユニット10と、電池群と、押え板20とを一体化にするにあたり、上述の従来の構成のようにコイルばねの圧縮量を一つずつ調整しながら棒状体を固定する必要がなく、複数の連結棒30を組物に容易に組み付けられる。加えて、上述のようにコイルばねの圧縮量を一つずつ調整する必要がないため、ばね定数が大きな弾性部材14を用いることができ、この場合、弾性部材14の使用数を更に低減できる。

これらの点から、RF電池用セルスタック1は、部品点数が少なく、製造性に優れる。また、弾性部材14に連結棒30を挿通配置させない構成としていることで、連結棒30が長くなったとしても、セルスタック1は、連結棒30の配置・固定なども容易に行える。この点からも、セルスタック1は、製造性に優れる。

更に、ユニット10を具える構成とすることで、従来の構成のようにコイルばねを一つずつ圧縮する必要がないため、メンテナンス時などにおいても容易に構築できる。

特に、この実施形態のRF電池用セルスタック1では、連結棒30を組物の外周側から嵌め込む構成であり、連結棒30の配置作業を容易に行える。この点からも、セルスタック1は、製造性に優れる。

本発明は、上述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。例えば、実施形態では、ユニットを一つ具える構成としたが、ユニットを二つ具える構成とすることができる。

本発明のレドックスフロー電池用セルスタックは、太陽光発電、風力発電などの新エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした大容量の蓄電池の要素に好適に利用できる。その他、本発明のレドックスフロー電池用セルスタックは、一般的な発電所や工場などに併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池の要素としても好適に利用することができる。本発明のレドックスフロー電池用セルスタックの製造方法は、上記レドックスフロー電池用セルスタックの構築に好適に利用できる。

1 レドックスフロー電池用セルスタック
10 ユニット
11,12 押え板 11b,12b,20b 切欠 11p 連結孔 11s ばね座
12p 連結台座 14 弾性部材 16 固定部材
20 押え板
30 連結棒 31 シャフト 33,35 ボルト 33c,35c カラー
100 レドックスフロー電池 100c 電池要素 101 イオン交換膜
102 正極セル 103 負極セル 104 正極電極 105 負極電極
106 正極タンク 107 負極タンク 108,110 正極配管 109,111 負極配管
112,113 ポンプ
200 サブセルスタック 201 積層セル 202,204 給排板 205 端子部
210 フレーム 211 双極板 213,215 給液孔 214,216 排液孔
220 モニタセル

Claims

複数の電池要素が積層されてなる電池群と、
前記電池群を挟むように配置された一組のプレート部材と、
前記一組のプレート部材を連結して、前記電池群の積層状態を保持する複数の連結棒とを具え、
前記一組のプレート部材のうち、少なくとも一方は、
一対の押え板と、
前記一対の押え板間に介在され、かつ前記連結棒に挿通されない少なくとも一つの弾性部材とを具えるユニットであるレドックスフロー電池用セルスタック。
前記ユニットは、前記一対の押え板を連結し、前記弾性部材が前記一対の押え板によって挟持された状態を維持する固定部材を更に具える請求項1に記載のレドックスフロー電池用セルスタック。
前記一組のプレート部材のうち、一方が前記ユニットであり、他方は、押え板である請求項1又は2に記載のレドックスフロー電池用セルスタック。
前記プレート部材には、前記連結棒が嵌め込まれる切欠を具える請求項1〜3のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池用セルスタック。
前記弾性部材はいずれも、前記一対の押え板を前記電池群の積層方向に平面視したとき、前記一対の押え板と前記電池群とが重なる領域に配置されている請求項1〜4のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池用セルスタック。
一組のプレート部材を用意し、そのうち、少なくとも一方は、一対の押え板の間に少なくとも一つの弾性部材を配置して、前記弾性部材が前記一対の押え板によって挟持されたユニットを用意する工程と、
複数の電池要素が積層されてなる電池群の両側にそれぞれ、前記プレート部材を配置して、前記一組のプレート部材間に前記電池群を挟んだ組物を得る工程と、
前記組物が所定の寸法となるように前記組物を加圧装置によって圧縮した状態で、前記組物に複数の連結棒を配置し、前記弾性部材に挿通されないこれらの連結棒によって前記一組のプレート部材を連結すると共に、前記組物の圧縮状態を固定した後、前記加圧装置による加圧を解放する工程とを具えるレドックスフロー電池用セルスタックの製造方法。