JP2017016788A - レドックスフロー電池セル、レドックスフロー電池セルスタック、及びレドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

【課題】イオン交換膜の面積を小さくできると共に、正負の電解液の混合を抑制できるレドックスフロー電池セルを提供する。
【解決手段】双極板２１と枠体２２とを有する第一及び第二のセルフレーム２０ａ、２０ｂと、各々のセルフレーム２０ａ、２０ｂの枠体２２の内側に各々形成される凹部２４ａ、２４ｂに収納される正極電極１０４、負極電極１０５と、正負の電極１０４、１０５間に介在されるイオン交換膜１０１と、各々の凹部２４ａ、２４ｂに供給される正極及び負極電解液と、を備え、イオン交換膜１０１の正極電極１０４側及び負極電極１０５側の少なくとも一方の面側に配置され、イオン交換膜１０１の周縁全周に亘って接する内周部４１と、内周部４１より外側に位置して、イオン交換膜１０１に接することなく枠体２２間に挟まれる外周部４２とを有し、正負の電解液を各凹部内に封止する枠シール材４０を備えるレドックスフロー電池セル１００。
【選択図】図２

Description

本発明は、レドックスフロー電池を構成するレドックスフロー電池セル、レドックスフロー電池セルスタック、及びレドックスフロー電池に関する。特に、イオン交換膜の面積を小さくできると共に、正負の電解液の混合を抑制できるレドックスフロー電池セルに関する。

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１〜２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。

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。

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とに隔離されたセル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。

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り、図８は、セルの概略分解断面図である。図７に例示するセルスタック１０Ｓは、双極板２１の周縁部に枠体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。セルフレーム２０は、双極板２１の周縁部を表裏から挟むように枠体２２が形成されており、双極板２１が設けられた枠体２２の内側には、双極板２１の表面及び枠体２２の内周面により凹部２４が形成される。双極板２１の一面側には正極電極１０４が配置され、他面側には負極電極１０５が配置される。枠体２２の内側に形成される凹部２４に略同じサイズの電極（正極電極１０４又は負極電極１０５）が収納され、凹部２４とイオン交換膜１０１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。上記セルスタック１０Ｓでは、図８に示すように、隣接するセルフレーム２０の間に正負一対の電極１０４，１０５が配置され、電極１０４，１０５間にイオン交換膜１０１が介在されることにより、１つのセル（単セル）１００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と枠体２２の内側に形成される凹部２４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）に形成された給液スリット２１１を介して正極電極１０４が収納される凹部２４に供給され、排液スリット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）に形成された給液スリット２１２を介して負極電極１０５が収納される凹部に供給され、排液スリット２１４を介して排液マニホールド２０４に排出される。

スリット２１０の一端はマニホールド２００につながり、他端は凹部２４につながっている。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から延びる給液スリット２１１，２１２が凹部２４の下縁部につながっており、排液マニホールド２０３，２０４から延びる排液スリット２１３，２１４が凹部２４の上縁部につながっている。通常、枠体２２を構成する４つの片のうち、マニホールド２００及びスリット２１０が形成された片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、給液スリット２１１，２１２から供給される電解液を凹部２４の下縁部に沿って拡散させたり、凹部２４の上縁部から排出される電解液を排液スリット２１３，２１４へ集約する機能を有する。この整流部により、図７の矢印で示すように、凹部２４の下縁部から上縁部に向かって凹部２４内を電解液が流通するようになっている。

また、セルフレーム２０（枠体２２）間には、電解液の漏洩を抑制するため、枠体２２の外周縁部に沿ってＯリングや平パッキンなどの環状のシール材２５が配置されている。一般に、従来のセル構造では、イオン交換膜１０１が枠体２２の外周縁部まで延在しており、イオン交換膜１０１の周縁部が枠体２２間に挟まれる。イオン交換膜１０１は、シール材２５に接する大きさであり、イオン交換膜１０１の面積は、電極１０４，１０５の面積（凹部２４の開口面積）よりも大きく、セルフレーム２０の面積に略等しい。

特開２００５−２２８６２２号公報 特開２００５−３４７１０６号公報

従来のレドックスフロー電池セルは、イオン交換膜１０１の周縁部が枠体２２間でシール材２５を介して締め付けられることにより、セル外への電解液の漏洩を抑制すると共に、セル内での正負の電解液の混合を抑制している。従来のイオン交換膜１０１は、シール材２５に接する必要があるため、電極面積に対して２倍（２００％）以上の面積が必要であった。ＲＦ電池の低コスト化の観点から、高価なイオン交換膜のサイズを小さくして、使用量を削減することが望まれる。

また、イオン交換膜１０１は薄く破れ易いため、セルを組み立てたときに、シール材２５に接する部分で強く押圧されることにより破れが生じ易い。イオン交換膜１０１に破れが生じると、正負の電解液の混合が生じて、充電効率が低下する虞がある。

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、イオン交換膜の面積を小さくできると共に、正負の電解液の混合を抑制できるレドックスフロー電池セルを提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記セルを備えるレドックスフロー電池セルスタック、及びレドックスフロー電池を提供することにある。

本発明の一態様に係るレドックスフロー電池セルは、双極板と、前記双極板の周縁部に設けられる枠体とを有し、互いに隣接する第一及び第二のセルフレームと、前記両セルフレーム間に配置される正極電極、負極電極、及びイオン交換膜と、正極電解液及び負極電解液と、を備える。前記正極電極は、前記第一のセルフレームの前記双極板の一面及び前記枠体の内周面により前記枠体の内側に形成される第一凹部に収納される。前記負極電極は、前記第二のセルフレームの前記双極板の他面及び前記枠体の内周面により前記枠体の内側に形成される第二凹部に収納される。前記イオン交換膜は、前記両セルフレーム間で前記正負の電極間に介在され、前記両凹部を隔離する。前記正極電解液は前記第一凹部に供給され、前記負極電解液は前記第二凹部に供給される。そして、前記セルは、前記イオン交換膜の前記正極電極側及び前記負極電極側の少なくとも一方の面側に配置され、前記イオン交換膜の周縁部に全周に亘って接する内周部と、前記内周部より外側に位置して、前記イオン交換膜に接することなく前記枠体間に挟まれる外周部とを有し、前記正負の電解液を前記各凹部内に封止する枠シール材を備える。

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レドックスフロー電池セルを複数備える。

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レドックスフロー電池セルを備える。

上記レドックスフロー電池セルは、イオン交換膜の面積を小さくできると共に、正負の電解液の混合を抑制できる。上記レドックスフロー電池セルスタック、及びレドックスフロー電池は、イオン交換膜の使用量を削減でき、低コスト化が可能である。

実施形態１に係るレドックスフロー電池セルの構成を示す概略分解斜視図である。 実施形態１に係るレドックスフロー電池セルの構成を示す概略分解断面図である。 変形例１−１に係るレドックスフロー電池セルの構成を示す概略分解断面図である。 変形例１−２に係るレドックスフロー電池セルの構成を示す概略分解断面図である。 実施形態２に係るレドックスフロー電池セルの構成を示す概略分解断面図である。 レドックスフロー電池の動作原理図である。 セルスタックの概略構成図である。 従来のレドックスフロー電池セルの構成例を示す概略分解断面図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池セルは、双極板と、前記双極板の周縁部に設けられる枠体とを有し、互いに隣接する第一及び第二のセルフレームと、前記両セルフレーム間に配置される正極電極、負極電極、及びイオン交換膜と、正極電解液及び負極電解液と、を備える。前記正極電極は、前記第一のセルフレームの前記双極板の一面及び前記枠体の内周面により前記枠体の内側に形成される第一凹部に収納される。前記負極電極は、前記第二のセルフレームの前記双極板の他面及び前記枠体の内周面により前記枠体の内側に形成される第二凹部に収納される。前記イオン交換膜は、前記両セルフレーム間で前記正負の電極間に介在され、前記両凹部を隔離する。前記正極電解液は前記第一凹部に供給され、前記負極電解液は前記第二凹部に供給される。そして、前記セルは、前記イオン交換膜の前記正極電極側及び前記負極電極側の少なくとも一方の面側に配置され、前記イオン交換膜の周縁部に全周に亘って接する内周部と、前記内周部より外側に位置して、前記イオン交換膜に接することなく前記枠体間に挟まれる外周部とを有し、前記正負の電解液を前記各凹部内に封止する枠シール材を備える。

上記セルによれば、イオン交換膜の少なくとも一方の面側に、イオン交換膜の周縁部に全周に亘って接する内周部と、その外側に枠体間に挟まれる外周部を有する枠シール材を備えることで、従来に比較してイオン交換膜のサイズ（面積）を小さくできる。具体的には、従来のようにイオン交換膜が枠体の外周縁部まで至っておらず、イオン交換膜の面積をセルフレームの面積よりも小さくでき、電極の面積（凹部の開口面積）に対応した大きさにすることができる。イオン交換膜の面積を小さくできるため、イオン交換膜の使用量を削減でき、低コスト化が可能である。また、枠シール材は、内周部がイオン交換膜の周縁部に全周に亘って接すると共に、外周部が枠体間に挟まれることで、両セルフレームにおける各凹部内からの電解液の漏洩を抑制して、正負の電解液の混合を抑制できる。枠シール材は、イオン交換膜の少なくとも一方の面側に配置されていればよく、イオン交換膜の片面側にのみ配置されていてもよいし、イオン交換膜の両面側にそれぞれ配置されていてもよい。

（２）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、上記枠シール材の内周部が、上記電極の周縁部まで延在され、上記電極と上記イオン交換膜との間に介在されていることが挙げられる。

上記形態によれば、枠シール材の内周部が電極とイオン交換膜との間に介在することで、電極の反発力によって枠シール材の内周部を押圧して、枠シール材の内周部とイオン交換膜の周縁部とを強固に密接（密着）させることができる。これにより、枠シール材の内周部とイオン交換膜との間に高いシール性を発現でき、凹部内からの電解液の漏洩をより抑制して、正負の電解液の混合を効果的に抑制できる。また、電極の反発力を利用することにより、安定したシール性を確保できる。電極の反発力は、例えば０．０５ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であることが好ましい。電極の反発力が０．０５ＭＰａ以上であることで、安定したシール性を確保し易く、５ＭＰａ以下であることで、電極に接するイオン交換膜などのセル構成部材の過度の変形や損傷を回避し易い。より好ましい電極の反発力は、０．３ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下である。

（３）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、上記枠シール材の内周部と上記イオン交換膜とが融着又は接着されている、若しくは上記枠シール材の内周部と上記イオン交換膜との間に介在されるパッキンを備えることが挙げられる。

上記形態によれば、枠シール材の内周部とイオン交換膜とが融着又は接着されている、若しくは枠シール材の内周部とイオン交換膜との間にパッキンを備えることで、枠シール材の内周部とイオン交換膜との間のシール性の向上を図ることができる。枠シール材の内周部とイオン交換膜とが融着又は接着されている場合は、枠シール材とイオン交換膜とを一体に取り扱うことができ、セルフレームに対するイオン交換膜の組み付け作業を容易にし、セルの組立性が向上する。一方、枠シール材の内周部とイオン交換膜との間にパッキンを備える場合は、枠シール材の内周部とイオン交換膜との間のシール性をより高めることができ、凹部内からの電解液の漏洩をより抑制して、正負の電解液の混合を効果的に抑制できる。

（４）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、上記枠シール材の外周部と上記枠体との間に介在される環状の外側シール材を備えることが挙げられる。

上記形態によれば、枠シール材の外周部と枠体との間に外側シール材を備えることで、枠シール材の外周部と枠体との間のシール性をより高めることができる。よって、電解液の漏洩をより抑制できる。

（５）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、上記イオン交換膜の面積が上記電極の面積の８０％以上１６０％以下であることが挙げられる。

上記形態によれば、従来に比較してイオン交換膜の面積が小さく、イオン交換膜の使用量を削減でき、低コスト化が可能である。また、上記イオン交換膜の面積が電極の面積の８０％以上であることで、電極における枠シール材によって覆われる領域を小さくでき、電池反応面積（正負の電極の対向面積）が大幅に減少することを抑えることができる。つまり、電池反応面積をある程度確保して、出力の低下を抑えることができる。

（６）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池セルスタックは、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池セルを複数備える。

上記セルスタックによれば、本発明の一態様に係る上記セルを備えることから、イオン交換膜の面積を小さくできると共に、正負の電解液の混合を抑制できる。イオン交換膜の面積を小さくできるため、イオン交換膜の使用量を削減でき、低コスト化が可能である。

（７）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記（１）〜（５）のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池セルを備える。

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上記セルを備えることから、イオン交換膜の面積を小さくできると共に、正負の電解液の混合を抑制できる。イオン交換膜の面積を小さくできるため、イオン交換膜の使用量を削減でき、低コスト化が可能である。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池セル（以下、単に「セル」と呼ぶ場合がある）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の特徴の１つは、枠シール材を備える点にある。以下では、本発明の実施形態に係るセルについて、図７，８に示す従来のセルとの相違点を中心に説明し、従来のセルと同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。また、本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池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セルを備えることに特徴があり、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ため、その詳しい説明は省略する。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。

［実施形態１］
図１，図２を参照して、実施形態１に係るセル１００について説明する。セル１００は、互いに隣接する第一及び第二のセルフレーム２０ａ，２０ｂと、両セルフレーム２０ａ，２０ｂ間に配置される正極電極１０４、負極電極１０５、及びイオン交換膜１０１と、枠シール材４０とを備える。

（セルフレーム）
第一及び第二のセルフレーム２０ａ，２０ｂは、同じ部材であり、双極板２１と、双極板２１の周縁部に設けられる枠体２２とを有する。枠体２２は、双極板２１の周縁部を表裏から挟むように形成されており、例えば射出成形などにより双極板２１と一体化されている。図２に示すように、セルフレーム２０ａは、双極板２１の一面及び枠体２２の内周面により枠体２２の内側に第一凹部２４ａが形成され、セルフレーム２０ｂは、双極板２１の他面及び枠体２２の内周面により枠体２２の内側に第二凹部２４ｂが形成されている。各凹部２４ａ，２４ｂには正負の電極１０４，１０５が収納され、双極板２１の一面側に正極電極１０４、他面側に負極電極１０５が配置される。この例では、各セルフレーム２０ａ，２０ｂは、枠体２２の外形が矩形状であり、双極板２１の形状（凹部２４の開口形状）が矩形状である。

双極板２１及び枠体２２は、公知の材料で形成することができる。例えば、双極板２１は、プラスチックカーボンなどで形成したり、枠体２２は、塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などのプラスチックで形成することが挙げられる。

（電極）
正極電極１０４は、セルフレーム２０ａの第一凹部２４ａに収納され、負極電極１０５は、セルフレーム２０ｂの第二凹部２４ｂに収納されており、正極電極１０４と負極電極１０５とは互いに対向して配置されている。正極電極１０４及び負極電極１０５はそれぞれ、第一凹部２４ａ及び第二凹部２４ｂと略同じサイズ・同じ形状である。この例では、セル１００の組み立て前の状態において、図２に示すように、各電極１０４，１０５の厚さがそれぞれ各凹部２４ａ，２４ｂの深さよりも大きく、各電極１０４，１０５の一部が各凹部２４ａ，２４ｂの開口から突出している。そして、セルフレーム２０ａ，２０ｂ同士を積層方向（図２の紙面左右方向）に締め付けてセル１００を組み立てたとき、各電極１０４，１０５は圧縮され、各凹部２４ａ，２４ｂ内に収納された状態になる。

正負の電極１０４，１０５は、公知の材料で形成することができ、弾性を有する多孔質材料で形成することが好ましい。各電極１０４，１０５は、例えば、カーボンフェルトなどで形成することが挙げられる。

（電解液）
正極電極１０４が収納される凹部２４ａには正極電解液が供給され、負極電極１０５が収納される凹部２４ｂには負極電解液が供給される。正負の電解液には、公知の電解液を使用できる。例えば、正負の電解液としては、正極及び負極の活物質としてＶイオンを含有する電解液、正極活物質としてＦｅイオン、負極活物質としてＣｒイオンを含有する電解液、正極活物質としてＭｎイオン、負極活物質としてＴｉイオンを含有する電解液などが挙げられる。

（イオン交換膜）
イオン交換膜１０１は、両セルフレーム２０ａ，２０ｂ間で正負の電極１０４，１０５間に介在され、両凹部２４ａ，２４ｂを隔離する。イオン交換膜１０１は枠体２２の外周縁部まで達しない大きさに形成されており、イオン交換膜１０１のサイズ（面積）はセルフレーム２０ａ，２０ｂのサイズよりも小さい。イオン交換膜１０１の面積は、例えば、電極１０４，１０５の面積（凹部２４の開口面積）の８０％以上１６０％以下である。この例では、イオン交換膜１０１の面積が、電極１０４，１０５の面積と略同等又はそれよりも小さく、例えば電極面積の８０％以上１００％以下（又は１００％未満）である。

イオン交換膜１０１は、公知の材料で形成することができる。イオン交換膜１０１は、例えば、スチレンとジビニルベンゼンのスルホン化共重合体や、パーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレンの共重合体などで形成することが挙げられる。

（枠シール材）
枠シール材４０は、イオン交換膜１０１の正極電極１０４側及び負極電極１０５側の少なくとも一方の面側であって、イオン交換膜１０１の周縁部に配置される枠状の部材であり、正負の電解液を各凹部２４ａ，２４ｂ内に封止する。枠シール材４０は、イオン交換膜１０１の周縁部に全周に亘って接する内周部４１と、内周部４１より外側に位置して、イオン交換膜１０１に接することなく枠体２２間に挟まれる外周部４２とを有する。枠シール材４０は、内周部４１がイオン交換膜１０１の周縁部と重なり合うように形成されており、その内側が開口している。枠シール材４０の開口部の面積は、例えば、電極面積の８０％以上である。枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１の周縁部とを融着（熱融着など）又は接着して、枠シール材４０とイオン交換膜１０１とを一体化してもよい。

この例では、イオン交換膜１０１の周縁部の両面に矩形枠状の枠シール材４０がそれぞれ配置されている。また、各枠シール材４０の内周部４１が、各電極１０４，１０５の周縁部に重なり合う位置まで延在され、各電極１０４，１０５とイオン交換膜１０１との間に介在されている。各電極１０４，１０５における枠シール材４０によって覆われる領域の面積比率は、例えば２０％以下である。

セルフレーム２０ａ，２０ｂ同士を積層方向（図２の紙面左右方向）に締め付けてセル１００を組み立てたとき、各枠シール材４０の内周部４１は、各電極１０４，１０５の反発力によって押圧され、イオン交換膜１０１の周縁部と密接（密着）した状態になる。各電極１０４，１０５の反発力は、例えば０．０５ＭＰａ以上５ＭＰａ以下が好ましく、０．３ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下がより好ましい。電極１０４，１０５の反発力は、セル１００を組み立てた状態、即ち電極１０４，１０５をセルフレーム２０ａ，２０ｂの凹部２４ａ，２４ｂ内に収納した状態と同じ厚さまで圧縮したときの面圧である。また、各枠シール材４０の外周部４２は、枠体２２間に挟まれて圧接され、枠体２２と密接（密着）した状態になる。枠シール材４０の外周部４２と枠体２２とは、少なくとも一部が溶剤による溶着又は熱融着されていることが望ましい。

枠シール材４０は、シート状又はフィルム状であり、その厚さが例えば０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ〜０．６ｍｍ程度である。枠シール材４０は、電解液に対する耐性を有し、イオン交換膜１０１よりも安価で強度の高い材料で形成することが挙げられる。枠シール材４１は、例えば、塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などのプラスチックやゴムで形成することが挙げられる。

｛作用効果｝
図１，図２に示す実施形態１のセル１００は、電極１０４，１０５の反発力によって枠シール材４０の内周部４１がイオン交換膜１０１の周縁部と密着することで、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１との間をシールすることができる。また、枠シール材４０の外周部４２が枠体２２と密着することで、枠シール材４０の外周部４２と枠体２２との間をシールすることができる。したがって、枠シール材４０により、従来に比較してイオン交換膜１０１のサイズ（面積）を小さくできながら、各凹部２４ａ，２４ｂ内からの電解液の漏洩を抑制でき、正負の電解液の混合を抑制できる。イオン交換膜１０１の面積が小さくて済むため、イオン交換膜１０１の形成材料の使用量を削減でき、低コスト化が可能である。

特に、実施形態１のセル１００では、イオン交換膜１０１の面積が電極面積の８０％以上１００％以下であり、イオン交換膜１０１の面積を大幅に削減できる。イオン交換膜１０１の面積（枠シール材４０の開口部の面積）が電極面積の８０％以上であるので、電池反応面積（電極１０４，１０５の対向面積）をある程度確保することができ、出力が大幅に低下することを回避できる。また、実施形態１のセル１００のように、イオン交換膜１０１が電極面積の１００％以下であり、イオン交換膜１０１が凹部２４ａ，２４ｂの開口よりも小さければ、イオン交換膜１０１が枠体２２間に挟まれることがなく、イオン交換膜１０１に破れが生じ難い。また、電極１０４，１０５が、フェルト状やスポンジ状などの多孔質電極であれば、枠体２２に比べて弾性（クッション性）があり、枠シール材４０の内周部４１を介してイオン交換膜１０１の周縁部を過度に押圧することがなく、イオン交換膜１０１に破れが生じ難い。

［変形例１−１］
実施形態１に係るセル１００において、図３に示すように、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１の周縁部との間に環状のパッキン４５を備える構成としてもよい。この例では、パッキン４５は平パッキンである。パッキン４５は、プラスチックやゴム、エラストマーなどの適宜な材料で形成することができ、例えば、フッ素系のプラスチックやゴム、エラストマーで形成することが挙げられる。また、枠シール材４０の内周部４１に、パッキン４５を保持するための環状溝（図示せず）を形成してもよい。

図３に示す変形例１−１のセル１００では、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１の周縁部との間にパッキン４５が介在されることで、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１との間のシール性をより高めることができる。よって、正負の電解液の混合をより効果的に抑制できる。

［変形例１−２］
実施形態１に係るセル１００において、図４に示すように、枠シール材４０の外周部４２と枠体２２との間に環状の外側シール材５０を備える構成としてもよい。この例では、外側シール材５０はＯリングであり、枠体２２の外周縁部に沿って形成された環状溝５１に保持されている。枠シール材４０の外周部４２は、枠体２２の外周縁部まで延在されており、外側シール材５０に接している。外側シール材５０には、平パッキンを用いることも可能である。

図４に示す変形例１−２のセル１００では、枠シール材４０の外周部４２と枠体２２との間に外側シール材５０が介在されることで、枠シール材４０の外周部４２と枠体２２との間のシール性をより高めることができる。よって、電解液の漏洩をより抑制できる。また、枠シール材４０は、イオン交換膜１０１よりも強度の高い材料で形成されているため、外側シール材５０に接する部分で破れが生じ難い。

［実施形態２］
上述した実施形態１のセル１００では、枠シール材４０の内周部４１が電極１０４，１０５の周縁部まで延在され、電極１０４，１０５の反発力によってシールする形態を説明した。実施形態２では、枠シール材４０の内周部４１が電極１０４，１０５の周縁部まで延在されていない形態を説明する。以下、図５を参照して、実施形態２に係るセル１００について、実施形態１との相違点を中心に説明する。

図５に示すセル１００は、イオン交換膜１０１の面積が電極面積よりも大きく、イオン交換膜１０１の周縁部と枠シール材４０の内周部４１とが枠体２２間に挟まれている。イオン交換膜１０１の面積は、例えば電極面積の１００％超１６０％以下である。枠シール材４０は、その外周部４２が枠体２２の外周縁部まで達する大きさに形成されている。また、枠体２２の外周縁部には、Ｏリングや平パッキンなどの環状の外側シール材５０（この例では、Ｏリング）が配置されており、枠シール材４０の外周部４２と枠体２２との間に外側シール材５０が介在されている。枠体２２の外周縁部には、外側シール材５０を保持する環状溝５１が形成されている。

この例では、イオン交換膜１０１の周縁部の片面にのみ枠シール材４０が配置されている。また、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１の周縁部とが融着又は接着されており、枠シール材４０とイオン交換膜１０１とが一体化されている。枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１の周縁部とは、部分的に融着又は接着されていてもよいが、全周に亘って融着又は接着されていていることが好ましい。

図５に示す実施形態２のセル１００は、セル１００を組み立てたとき、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１の周縁部とが枠体２２間に挟まれて圧接されると共に、枠体２２と密接（密着）した状態になる。これにより、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１との間、枠シール材４０及びイオン交換膜１０１と枠体２２との間をシールすることができる。特に、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１の周縁部とが全周に亘って融着又は接着されていると、枠シール材４０の内周部４１とイオン交換膜１０１との間のシール性が確保され易い。したがって、枠シール材４０により、従来に比較してイオン交換膜１０１のサイズ（面積）を小さくできながら、各凹部２４ａ，２４ｂ内からの電解液の漏洩を抑制でき、正負の電解液の混合を抑制できる。また、外側シール材５０によって、枠シール材４０の外周部４２と枠体２２との間のシール性をより高めることができ、電解液の漏洩をより抑制できる。枠シール材４０は、イオン交換膜１０１よりも強度の高い材料で形成されているため、外側シール材５０に接する部分で破れが生じ難い。

図５に示す実施形態２のセル１００では、イオン交換膜１０１の周縁部の片面にのみ枠シール材４０を配置しているが、両面に枠シール材４０を配置することも可能である。この場合、イオン交換膜の両側に配置された各枠シール材がそれぞれ、イオン交換膜と部分的に融着又は接着されていてもよいし、イオン交換膜と全周に亘って融着又は接着されていてもよい。或いは、一方の枠シール材がイオン交換膜と部分的に融着又は接着され、他方の枠シール材がイオン交換膜と全周に亘って融着又は接着されていてもよい。

本発明のレドックスフロー電池セルは、レドックスフロー電池に好適に利用可能である。

１００ レドックスフロー電池セル
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
２０ａ 第一のセルフレーム ２０ｂ 第二のセルフレーム
２１ 双極板
２２ 枠体
２００ マニホールド
２０１，２０２ 給液マニホールド
２０３，２０４ 排液マニホールド
２１０ スリット
２１１，２１２ 給液スリット
２１３，２１４ 排液スリット
２４ 凹部
２４ａ 第一凹部 ２４ｂ 第二凹部
２５ シール材
４０ 枠シール材
４１ 内周部 ４２ 外周部
４５ パッキン（平パッキン）
５０ 外側シール材（Ｏリング） ５１ 環状溝
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）

（２）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、上記枠シール材の外周部と上記枠体との間に介在される環状の外側シール材を備えることが挙げられる。

上記形態によれば、枠シール材の外周部と枠体との間に外側シール材を備えることで、枠シール材の外周部と枠体との間のシール性をより高めることができる。よって、電解液の漏洩をより抑制できる。

（４）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、上記枠シール材の内周部が、上記電極の周縁部まで延在され、上記電極と上記イオン交換膜との間に介在されていることが挙げられる。

上記形態によれば、枠シール材の内周部が電極とイオン交換膜との間に介在することで、電極の反発力によって枠シール材の内周部を押圧して、枠シール材の内周部とイオン交換膜の周縁部とを強固に密接（密着）させることができる。これにより、枠シール材の内周部とイオン交換膜との間に高いシール性を発現でき、凹部内からの電解液の漏洩をより抑制して、正負の電解液の混合を効果的に抑制できる。また、電極の反発力を利用することにより、安定したシール性を確保できる。電極の反発力は、例えば０．０５ＭＰａ以上５ＭＰａ以下であることが好ましい。電極の反発力が０．０５ＭＰａ以上であることで、安定したシール性を確保し易く、５ＭＰａ以下であることで、電極に接するイオン交換膜などのセル構成部材の過度の変形や損傷を回避し易い。より好ましい電極の反発力は、０．３ＭＰａ以上２．０ＭＰａ以下である。

Claims (7)

1. 双極板と、前記双極板の周縁部に設けられる枠体とを有し、互いに隣接する第一及び第二のセルフレームと、
   前記第一のセルフレームの前記双極板の一面及び前記枠体の内周面により前記枠体の内側に形成される第一凹部に収納される正極電極と、
   前記第二のセルフレームの前記双極板の他面及び前記枠体の内周面により前記枠体の内側に形成される第二凹部に収納される負極電極と、
   前記両セルフレーム間で前記正負の電極間に介在され、前記両凹部を隔離するイオン交換膜と、
   前記第一凹部に供給される正極電解液及び前記第二凹部に供給される負極電解液と、を備えるレドックスフロー電池セルであって、
   前記イオン交換膜の前記正極電極側及び前記負極電極側の少なくとも一方の面側に配置され、前記イオン交換膜の周縁部に全周に亘って接する内周部と、前記内周部より外側に位置して、前記イオン交換膜に接することなく前記枠体間に挟まれる外周部とを有し、前記正負の電解液を前記各凹部内に封止する枠シール材を備えるレドックスフロー電池セル。
2. 前記枠シール材の内周部が、前記電極の周縁部まで延在され、前記電極と前記イオン交換膜との間に介在されている請求項１に記載のレドックスフロー電池セル。
3. 前記枠シール材の内周部と前記イオン交換膜とが融着又は接着されている、若しくは前記枠シール材の内周部と前記イオン交換膜との間に介在されるパッキンを備える請求項１又は請求項２に記載のレドックスフロー電池セル。
4. 前記枠シール材の外周部と前記枠体との間に介在される環状の外側シール材を備える請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池セル。
5. 前記イオン交換膜の面積が前記電極の面積の８０％以上１６０％以下である請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池セル。
6. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池セルを複数備えるレドックスフロー電池セルスタック。
7. 請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載のレドックスフロー電池セルを備えるレドックスフロー電池。

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