JP2017134954A - 電池、及びシール材 - Google Patents
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Abstract
【課題】電池用流体のシール性を容易に確保でき、組立作業性に優れる電池、及びシール材を提供する。【解決手段】電池用流体の流路となるマニホールド１３０を有する枠体１２２と、前記枠体１２２の内側に配置される双極板１２１とを有し、互いに重ねて配置される少なくとも一対のセルフレーム１２０と、一対のセルフレーム１２０の双極板１２１間で対向配置される正極電極１０４及び負極電極１０５と、重なり合う枠体１２２間及び両電極１０４、１０５間に介在されると共に、マニホールド１３０に対応する貫通孔１０１ｈを有する隔膜１０１とを備える電池であって、貫通孔１０１ｈの内周に配置される環状基部３１０と、環状基部３１０から隔膜１０１を挟むように貫通孔１０１ｈの外方側に伸びる二股状の環状脚部３２０とを有し、重なり合う枠体１２２間に介在されるシール材３００を備える電池。【選択図】図１
Description
本発明は、燃料電池やレドックスフロー電池などの流体流通型の電池、及び流体流通型の電池に用いられるシール材に関する。
流体流通型の電池の代表例として、レドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池と呼ぶことがある）が挙げられる。ＲＦ電池は、隔膜と、隔膜を介して対向配置される正極電極及び負極電極とからなるセルに正極電解液及び負極電解液をそれぞれ供給して充放電を行う。電解液には、酸化還元により価数が変化する金属イオン（活物質）を含有する水溶液が一般的に使用される。図４に、正極電解液及び負極電解液の活物質にバナジウム（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のＲＦ電池１００の動作原理を示す。
ＲＦ電池１００は、水素イオンを透過させる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離された電池セル１００Ｃ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。各タンク１０６，１０７に貯留される電解液は、充放電の際にポンプ１１２，１１３により各セル１０２，１０３内に循環される。図４中の電池セル１００Ｃ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。
上記電池セル１００Ｃは通常、図５の下図に示すように、積層されてセルスタック２００と呼ばれる形態で利用される。セルスタック２００は、図５の上図に示すように、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５を重ねた電池セル１００Ｃを、セルフレーム１２０で挟んで複数積層した構成を備える。セルスタック２００における電池セル１００Ｃの積層方向の両端に位置する電極１０４，１０５には、セルフレーム１２０に代えて集電板（図示せず）が配置される。セルスタック２００における電池セル１００Ｃの積層方向の両端にはエンドプレート２０１が配置され、一対のエンドプレート２０１，２０１間が長ボルトなどの連結部材２０２で連結されて一体化される。
セルフレーム１２０は、プラスチックカーボン（例えば、黒鉛含有樹脂）製の双極板１２１と、この双極板１２１の外周に形成されるプラスチック製の額縁状の枠体１２２とを備える。枠体１２２には、各電池セル１００Ｃに電解液を供給する給液マニホールド１３１，１３２及び給液スリット１３１ｓ，１３２ｓと、電解液を排出する排液マニホールド１３３，１３４及び排液スリット１３３ｓ，１３４ｓとを備える。正極電解液は、給液マニホールド１３１から枠体１２２の一面側（紙面表側）に形成された給液スリット１３１ｓを介して正極電極１０４に供給され、排液スリット１３３ｓを介して排液マニホールド１３３に排出される。同様に、負極電解液は、給液マニホールド１３２から枠体１２２の他面側（紙面裏側）に形成された給液スリット１３２ｓを介して負極電極１０５に供給され、排液スリット１３４ｓを介して排液マニホールド１３４に排出される。
セルスタック２００は、あるセルフレーム１２０、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、別のセルフレーム１２０、…と順に繰り返し積層されて構成される。そのため、各マニホールド１３１〜１３４によって、セルスタック２００における電池セル１００Ｃの積層方向に電解液の流通管路が形成される。隔膜１０１は、セルフレーム１２０とほぼ同等の面積を有し、セルフレーム１２０の枠体１２２に形成された各マニホールド１３１〜１３４に面する箇所には貫通孔１０１ｈが形成されている（特許文献１，２を参照）。この貫通孔１０１ｈを介して正極セル１０２と負極セル１０３との間で電解液が漏れたり、貫通孔１０１ｈからセルスタック２００の外部へ電解液が漏れたりすることを防止するために、隔膜１０１における各貫通孔１０１ｈの周囲にはＯリング（図示せず）が配置されることが一般的である。
隔膜の貫通孔を通る電解液をシールするにあたり、隔膜の表裏面の一方又は双方にＯリングを配置する。隔膜の表裏面の一方にのみＯリングを配置する場合、Ｏリングを配置していない側のシールが不十分となる虞がある。また、隔膜の表裏面の一方にのみＯリングを配置する場合、Ｏリングによる押圧が隔膜の片側にのみ作用するため、隔膜が破れる虞がある。一方、隔膜の表裏面の双方にＯリングを配置する場合、Ｏリングが二つ必要な上、隔膜の表裏面でＯリングを対向させるための位置合わせが必要となり、Ｏリングの配置作業が煩雑である。隔膜の表裏面でＯリングの位置がずれると、Ｏリングによる押圧が表裏面の異なる箇所で作用するため、隔膜が破れる虞があるからである。そこで、隔膜の貫通孔を通る電解液のシールを確実にかつ少ない部品点数で行うことが求められる。
本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的の一つは、電池用流体のシール性を容易に確保でき、組立作業性に優れる電池を提供することにある。また、本発明の別の目的は、電池用流体のシール性を容易に確保できるシール材を提供することにある。
本発明の一態様に係る電池は、
電池用流体の流路となるマニホールドを有する枠体と、前記枠体の内側に配置される双極板とを有し、互いに重ねて配置される少なくとも一対のセルフレームと、
前記一対のセルフレームの双極板間で対向配置される正極電極及び負極電極と、
重なり合う前記枠体間及び前記両電極間に介在されると共に、前記マニホールドに対応する貫通孔を有する隔膜とを備える電池であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記隔膜を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを有し、重なり合う前記枠体間に介在されるシール材を備える。
電池用流体の流路となるマニホールドを有する枠体と、前記枠体の内側に配置される双極板とを有し、互いに重ねて配置される少なくとも一対のセルフレームと、
前記一対のセルフレームの双極板間で対向配置される正極電極及び負極電極と、
重なり合う前記枠体間及び前記両電極間に介在されると共に、前記マニホールドに対応する貫通孔を有する隔膜とを備える電池であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記隔膜を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを有し、重なり合う前記枠体間に介在されるシール材を備える。
本発明の一態様に係るシール材は、
電池用流体が通る貫通孔を有するセル部材に対して前記電池用流体をシールするシール材であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記セル部材を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを備える。
電池用流体が通る貫通孔を有するセル部材に対して前記電池用流体をシールするシール材であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記セル部材を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを備える。
上記電池は、電池用流体のシール性を容易に確保でき、組立作業性に優れる。また、上記シール材は、電池用流体のシール性を容易に確保できる。
［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本発明の実施形態に係る電池は、
電池用流体の流路となるマニホールドを有する枠体と、前記枠体の内側に配置される双極板とを有し、互いに重ねて配置される少なくとも一対のセルフレームと、
前記一対のセルフレームの双極板間で対向配置される正極電極及び負極電極と、
重なり合う前記枠体間及び前記両電極間に介在されると共に、前記マニホールドに対応する貫通孔を有する隔膜とを備える電池であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記隔膜を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを有し、重なり合う前記枠体間に介在されるシール材を備える。
電池用流体の流路となるマニホールドを有する枠体と、前記枠体の内側に配置される双極板とを有し、互いに重ねて配置される少なくとも一対のセルフレームと、
前記一対のセルフレームの双極板間で対向配置される正極電極及び負極電極と、
重なり合う前記枠体間及び前記両電極間に介在されると共に、前記マニホールドに対応する貫通孔を有する隔膜とを備える電池であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記隔膜を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを有し、重なり合う前記枠体間に介在されるシール材を備える。
上記構成によれば、二股状の環状脚部により、隔膜の表裏面と重なり合う枠体の双方との間のシールを行うことができる。具体的には、二股状の環状脚部のうち、一方の環状脚部で隔膜の一面と一方の枠体とのシールを、他方の環状脚部で隔膜の他面と他方の枠体とのシールを行う。また、環状基部により、隔膜の一面（表面）から貫通孔を介して他面（裏面）に亘る間のシールを行うことができる。二股状の環状脚部と環状基部とは一体物であるため、隔膜の一面と一方の枠体とのシール・隔膜の他面と他方の枠体とのシール・隔膜の一面から他面に亘る間のシールという三つのシールを単一のシール材で行うことができる。さらに、上記構成によれば、隔膜の貫通孔の内周縁部を全体に亘ってシールすることで、マニホールド内外及び正負極の電解液間を電気的に絶縁することができる。
シール材が、隔膜の貫通孔の内周に配置される環状基部とこの環状基部から貫通孔の外方に伸びる二股状の環状脚部とを備えることで、シール材の環状基部を貫通孔の内周に配置すると共に、二股状の環状脚部で隔膜を挟むだけで、隔膜にシール材を容易に取り付けることができる。また、シール材が、隔膜の貫通孔の全周において貫通孔の内周から外方に亘って配置されるため、シール材が隔膜からずれたり外れたりすることなく確実に取り付けることができる。よって、隔膜の表裏面の各々にＯリングを配置する場合に比較して、二股状の環状脚部の一方の環状脚部に対して他方の環状脚部がずれるといったことが生じ難く、隔膜に破れなどの損傷が生じ難いと共に、電池の組み立て作業性に優れる。
（２）上記の電池の一例として、前記環状脚部は、前記枠体との対向面に突起を備える形態が挙げられる。
環状脚部は、隔膜と枠体との間で圧接される。よって、環状脚部の枠体側の面に突起を備えることで、圧接されたときに突起が押し潰されて圧縮変形し、枠体との接触箇所で面圧が生じることによって、シール性を高めることができる。
（３）上記の電池の一例として、前記環状脚部は、前記隔膜との対向面が平面状である形態が挙げられる。
環状脚部は、隔膜と枠体との間で圧接される。隔膜は比較的薄くて破れ易いため、環状脚部の隔膜側の面が平面状であることで、隔膜の損傷や破れなどを抑制できる。
（４）上記の電池の一例として、前記環状基部は、前記枠体との対向面に突起を備える形態が挙げられる。
環状基部は、重なり合う枠体間で圧接される。よって、環状基部の枠体側の面に突起を備えることで、圧接されたときに突起が押し潰されて圧縮変形し、枠体との接触箇所で面圧が生じることによって、シール性を高めることができる。
（５）上記の電池の一例として、前記隔膜の厚みが１．０ｍｍ以下である形態が挙げられる。
隔膜の厚みが１．０ｍｍ以下と薄い場合であっても、環状基部と環状脚部とを備えるシール材であれば、シール材の環状基部を貫通孔の内周に配置すると共に、二股状の環状脚部で隔膜を挟むだけで、隔膜にシール材を容易に取り付けることができる。
（６）上記の電池の一例として、前記貫通孔の内径が３ｍｍ以上５０ｍｍ以下である形態が挙げられる。
貫通孔の内径は、３ｍｍ以上であることで電池用流体を流通させ易く、５０ｍｍ以下であることで枠体の大型化を抑制できる。上記実施形態のシール材であれば、環状基部の内径を変えることで、所望の貫通孔の内径に適したシール材とでき、電池用流体のシール性を容易に確保できる。
（７）上記の電池の一例として、重なり合う前記枠体間に挟まれた状態での前記シール材の厚みが３ｍｍ以下である形態が挙げられる。
上記シール材の厚みが３ｍｍ以下であることで、電池セルの厚みが厚くなることを抑制でき、電池の大型化を抑制できる。
（８）上記の電池の一例として、前記電池用流体が電解液で、前記電池がレドックスフロー電池である形態が挙げられる。
上記実施形態のシール材であれば、貫通孔を介して正極セルと負極セルとの間で電解液が漏れて正極電解液と負極電解液とが混合することを抑制できると共に、貫通孔からセルスタックの外部へ電解液が漏れることを抑制できるため、レドックスフロー電池に好適に利用できる。
（９）本発明の実施形態に係るシール材は、
電池用流体が通る貫通孔を有するセル部材に対して前記電池用流体をシールするシール材であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記セル部材を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを備える。
電池用流体が通る貫通孔を有するセル部材に対して前記電池用流体をシールするシール材であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記セル部材を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを備える。
上記構成によれば、二股状の環状脚部によりセル部材の表裏面を挟み、隣り合う相手部材間でシール材が圧接されて変形する状況に置かれると、セル部材の表裏面の各々とその相手部材との間のシールを行うことができる。また、環状基部により、セル部材の一面（表面）から他面（裏面）に亘るシールを行うことができる。二股状の環状脚部と環状基部とは一体物であるため、セル部材の表裏面の各々とその相手部材とのシール・セル部材の一面から他面に亘るシールという三つのシールを単一のシール材で行うことができる。
シール材が、セル部材の貫通孔の内周に配置される環状基部とこの環状基部から貫通孔の外方に伸びる二股状の環状脚部とを備えることで、シール材の環状基部を貫通孔の内周に配置すると共に、二股状の環状脚部でセル部材を挟むだけで、セル部材にシール材を容易に取り付けることができる。また、シール材が、セル部材の貫通孔の全周において貫通孔の内周から外方に亘って配置されるため、シール材がセル部材からずれたり外れたりすることなく確実に取り付けることができる。
（１０）上記のシール材の一例として、外力の作用しない状態での前記シール材の横断面において、前記環状脚部は前記環状基部からＶ状に広がる形態が挙げられる。
シール材の横断面形状がＶ状で、環状脚部における先端部同士の間隔が環状基部側の端部同士の間隔よりも広くなっていることで、セル部材の貫通孔の周縁部にシール材を取り付ける際に、両環状脚部間に貫通孔の周縁部を挟み込み易く、シール材の取り付け作業が行い易い。
（１１）上記のシール材の一例として、前記環状脚部は、前記セル部材と対向する面と反対側の外面に突起を備える形態が挙げられる。
環状脚部は、セル部材とその対向面との間で圧接される。よって、環状脚部に突起を備えることで、圧接されたときに突起が押し潰されて圧縮変形し、相手面との接触箇所で面圧が生じることによって、シール性を高めることができる。
（１２）上記のシール材の一例として、前記環状脚部は、前記セル部材と対向する内面が平面状である形態が挙げられる。
環状脚部のセル部材側の面が平面状であることで、環状脚部によってセル部材に損傷や破れなどが生じることを抑制できる。
（１３）上記のシール材の一例として、前記環状基部は、その表裏面に突起を備える形態が挙げられる。
環状基部は、シール材とその対向面との間で圧接される。よって、環状基部に突起を備えることで、圧接されたときに突起が押し潰されて圧縮変形し、相手面との接触箇所で面圧が生じることによって、シール性を高めることができる。
（１４）上記のシール材の一例として、前記環状脚部における前記環状基部側の端部の間隔が１．０ｍｍ以下である形態が挙げられる。
環状脚部における環状基部側の端部の間隔が１．０ｍｍ以下と薄い場合であっても、環状基部と環状脚部とを備えるシール材であれば、シール材の環状基部を貫通孔の内周に配置すると共に、二股状の環状脚部セル部材を挟むだけで、セル部材にシール材を容易に取り付けることができる。
［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態の詳細を、図を用いて説明する。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及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。
本発明の実施形態の詳細を、図を用いて説明する。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及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≫
実施形態１では、流体流通型の電池としてレドックスフロー電池（ＲＦ電池）を例に説明する。実施形態１に係るＲＦ電池は、隔膜のシール構造に特徴があり、それ以外の構成は、図４，５を参照して説明した従来のＲＦ電池１００と同様の構成を採用できる。従って、以下では、隔膜のシール構造について、図１〜３を参照しつつ説明し、従来と同様の構成については、図４，５と同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。以下、まずシール材について説明し、その後にこのシール材を用いたＲＦ電池について説明する。
実施形態１では、流体流通型の電池としてレドックスフロー電池（ＲＦ電池）を例に説明する。実施形態１に係るＲＦ電池は、隔膜のシール構造に特徴があり、それ以外の構成は、図４，５を参照して説明した従来のＲＦ電池１００と同様の構成を採用できる。従って、以下では、隔膜のシール構造について、図１〜３を参照しつつ説明し、従来と同様の構成については、図４，５と同一の符号を付してその詳しい説明は省略する。以下、まずシール材について説明し、その後にこのシール材を用いたＲＦ電池について説明する。
〔シール材〕
シール材３００は、図１に示すように、隔膜１０１に形成された貫通孔１０１ｈの内周縁部に取り付けられる部材であり、この貫通孔１０１ｈを通る電解液（正極電解液又は負極電解液）をシールする部材である。シール材３００は、図１〜３に示すように、貫通孔１０１ｈ（図１，２）の内周に配置される環状基部３１０と、この環状基部３１０から隔膜１０１を挟むように貫通孔１０１ｈの外方側に伸びる二股状の環状脚部３２０とを備える。環状基部３１０と環状脚部３２０とは、全周に亘って環状に一体に成形されている。
シール材３００は、図１に示すように、隔膜１０１に形成された貫通孔１０１ｈの内周縁部に取り付けられる部材であり、この貫通孔１０１ｈを通る電解液（正極電解液又は負極電解液）をシールする部材である。シール材３００は、図１〜３に示すように、貫通孔１０１ｈ（図１，２）の内周に配置される環状基部３１０と、この環状基部３１０から隔膜１０１を挟むように貫通孔１０１ｈの外方側に伸びる二股状の環状脚部３２０とを備える。環状基部３１０と環状脚部３２０とは、全周に亘って環状に一体に成形されている。
図２，３は、電池セル１００Ｃを組み立てる前のシール材３００を示す図である。シール材３００は、図２，３に示すように、外力の作用しない状態（非圧縮状態）において、シール材３００の周方向に直交する横断面形状が略Ｖ字状である。具体的には、シール材３００は、環状基部３１０から伸びる一対の環状脚部３２０の先端部同士の間隔が環状基部３１０側の端部同士の間隔よりも広くなっている。一対の環状脚部３２０の環状基部３１０側の端部同士の間隔は、隔膜１０１の厚みに相当し、１．０ｍｍ以下、更に０．８ｍｍ以下、特に０．３ｍｍ以下であることが挙げられる。一対の環状脚部３２０の先端部同士の間隔は、非圧縮状態において、隔膜１０１の厚みの２倍以上、更に５倍以上、特に７倍以上であることが挙げられる。
・環状脚部
環状脚部３２０は、隔膜１０１を挟む部分であり、隔膜１０１と対向する内面３２０ｉと、その反対側の外面３２０ｏとを有する。二股状の環状脚部３２０のそれぞれは、シート状である。環状脚部３２０は、隔膜１０１を挟むことができれば、所望の寸法を選択できる。例えば、環状脚部３２０は、非圧縮状態において、環状基部３１０側の端部から先端部までの長さが１ｍｍ以上１５ｍｍ以下、更に３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に４ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが挙げられる。また、環状脚部３２０は、非圧縮状態において、内面３２０ｉと外面３２０ｏとの間の長さ（後述する突起３２２を除く）が２ｍｍ以上２０ｍｍ以下、更に３ｍｍ以上１５ｍｍ以下、特に４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが挙げられる。
環状脚部３２０は、隔膜１０１を挟む部分であり、隔膜１０１と対向する内面３２０ｉと、その反対側の外面３２０ｏとを有する。二股状の環状脚部３２０のそれぞれは、シート状である。環状脚部３２０は、隔膜１０１を挟むことができれば、所望の寸法を選択できる。例えば、環状脚部３２０は、非圧縮状態において、環状基部３１０側の端部から先端部までの長さが１ｍｍ以上１５ｍｍ以下、更に３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に４ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが挙げられる。また、環状脚部３２０は、非圧縮状態において、内面３２０ｉと外面３２０ｏとの間の長さ（後述する突起３２２を除く）が２ｍｍ以上２０ｍｍ以下、更に３ｍｍ以上１５ｍｍ以下、特に４ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが挙げられる。
環状脚部３２０は、隔膜１０１と対向する内面３２０ｉと反対側の外面３２０ｏに突起３２２を備える。環状脚部３２０に突起３２２を備えることで、電池セル１００Ｃを組み立てて圧縮状態としたとき、隔膜１０１と枠体１２２との間で突起３２２が押し潰されて圧縮変形し（図１の下図を参照）、枠体１２２との接触面積で面圧が生じることによって、シール性を高めることができる。突起３２２を備える場合、突起３２２の圧縮量（つぶし率）によって接触面圧が決まり、圧縮量が大きいほど接触面圧が大きくなる。よって、突起３２２は、その高さが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、更に０．１５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、特に０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下であることが挙げられる。
突起３２２は、環状脚部３２０の周方向に沿って一連に形成されている（図３を参照）。突起３２２の個数は、特に限定されるものではなく、適宜選択できる。本例では、一対の環状脚部３２０，３２０の双方に、三つずつ設けている。複数の突起３２２を備えることで、環状脚部３２０において、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの内周から貫通孔１０１ｈの外方側に向かって、枠体１２２との間で接触面圧が高い箇所が増え、シール性をより高めることができる。一対の環状脚部３２０，３２０の双方に突起３２２を設ける場合、一方の環状脚部３２０と他方の環状脚部３２０とで突起３２２の位置を異ならせてもよいし、一致させてもよい。本例では、両環状脚部３２０，３２０における突起３２２の位置は一致し、各環状脚部３２０同士は環状基部３１０に対して対称形状である。突起３２２は、一方の環状脚部３２０の外面３２０ｏにのみ設けてもよい。
環状脚部３２０の突起は、環状脚部３２０（シール材３００）を補強するリブとしても作用し、保形する機能も兼ね備える。
隔膜１０１は比較的薄くて破れ易いため、環状脚部３２０は、隔膜１０１と対向する内面３２０ｉが平面状であることが好ましい。環状脚部３２０の内面３２０ｉに突起を設ける場合、隔膜１０１が損傷しないように、例えば突起の高さや形状を調整するとよい。
・環状基部
環状基部３１０は、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの内周に配置される部分であり、対向配置される一対の枠体１２２，１２２の一方の枠体１２２に対向する表面と、他方の枠体１２２に対向する裏面と、表裏面とを繋ぐ内周面及び外周面とを有する（図１を参照）。環状基部３１０は、シール材３００の周方向に直交する横断面形状が略矩形状である。環状基部３１０の外径は、貫通孔１０１ｈの内径と同等である。環状基部３１０の内径は、貫通孔１０１ｈの内径の８０％以上９９％以下であることが挙げられる。環状基部３１０の内径が小さい、つまり環状基部３１０の内周面と外周面との間の長さが長いと、電解液が流通する流通路が小さくなる。そのため、環状基部３１０の内径が貫通孔１０１ｈの内径の８０％以上であることで、電解液の流通路を確保することができる。一方、環状基部３１０の内径が貫通孔１０１ｈの内径の９９％以下であることで、環状基部３１０に剛性を持たせ易く、一対の環状脚部３２０，３２０を一体に保持し易い。
環状基部３１０は、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの内周に配置される部分であり、対向配置される一対の枠体１２２，１２２の一方の枠体１２２に対向する表面と、他方の枠体１２２に対向する裏面と、表裏面とを繋ぐ内周面及び外周面とを有する（図１を参照）。環状基部３１０は、シール材３００の周方向に直交する横断面形状が略矩形状である。環状基部３１０の外径は、貫通孔１０１ｈの内径と同等である。環状基部３１０の内径は、貫通孔１０１ｈの内径の８０％以上９９％以下であることが挙げられる。環状基部３１０の内径が小さい、つまり環状基部３１０の内周面と外周面との間の長さが長いと、電解液が流通する流通路が小さくなる。そのため、環状基部３１０の内径が貫通孔１０１ｈの内径の８０％以上であることで、電解液の流通路を確保することができる。一方、環状基部３１０の内径が貫通孔１０１ｈの内径の９９％以下であることで、環状基部３１０に剛性を持たせ易く、一対の環状脚部３２０，３２０を一体に保持し易い。
環状基部３１０は、外周面に環状脚部３２０を設けることができれば、所望の寸法を選択できる。例えば、環状基部３１０は、非圧縮状態において、表裏面間の長さが、隔膜１０１の厚みと環状脚部３２０の厚み（内面３２０ｉと外面３２０ｏとの間の長さ）との合計長さであることが挙げられる。
環状基部３１０は、枠体１２２との対向面である表裏面に突起３１２を備える。環状基部３１０に突起３１２を備えることで、電池セル１００Ｃを組み立てて圧縮状態としたとき、一対の枠体１２２，１２２間で突起３１２が押し潰されて圧縮変形し（図１の下図を参照）、枠体１２２との接触面積で面圧が生じることによって、シール性を高めることができる。突起３１２を備える場合、突起３１２の圧縮量（つぶし率）によって接触面圧が決まり、圧縮量が大きいほど接触面圧が大きくなる。よって、突起３１２は、その高さが０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、更に０．１５ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、特に０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下とすることが挙げられる。
突起３１２は、環状基部３１０の周方向に沿って一連に形成されている。突起３１２の個数は、特に限定されるものではなく、適宜選択できる。本例では、環状基部３１０の表裏面に二つずつ設けている。環状基部３１０の表裏面に突起３１２を設ける場合、表面と裏面とで突起３１２の位置をずらして設けてもよいし、一致させてもよい。本例では、環状基部３１０の表裏面で突起３１２の位置は一致している。突起３１２は、表裏面の一方の面にのみ設けてもよい。
環状基部３１０の突起は、環状基部３１０（シール材３００）を補強するリブとしても作用し、保形する機能も兼ね備える。
シール材３００は弾性材料で構成される。シール材３００が弾性材料で構成されることで、電池セル１００Ｃが膨張・収縮変形しても、シール材３００が枠体１２２や隔膜１０１に追従して伸縮するため、シール性を確保することができる。また、電池セル１００Ｃの膨張・収縮変形により枠体１２２が応力を受けても、シール材３００が追従して応力を緩和する効果もあり、隔膜１０１の損傷や破れなどを抑制できる。シール材３００に用いる弾性材料としては、例えば、エチレン-プロピレン-ジエンゴム（ＥＰＤＭ）、フッ素ゴム、シリコーンゴムなどのゴムが挙げられる。特に、ＲＦ電池１００の隔膜１０１に取り付ける場合、耐電解液性に優れるＥＰＤＭやフッ素ゴムを用いることが好ましい。
〔ＲＦ電池の基本構成部材〕
・セルフレーム
セルフレーム１２０は、電解液（正極電解液及び負極電解液）の各流路となるマニホールド１３０（給液マニホールド１３１，１３２及び排液マニホールド１３３，１３４）を有する枠体１２２と、枠体１２２の内側に配置される双極板１２１と、を有する。双極板１２１は、電気抵抗が小さい導電性材料であって、電解液と反応せず、電解液に対する耐性（耐薬品性、耐酸性など）を有するもの、例えば、炭素材と有機材とを含有する複合材料を利用できる。より具体的には黒鉛などの導電性無機材（粉末や繊維など）とポリオレフィン系有機化合物や塩素化有機化合物などの有機材とを含む導電性プラスチックなどを板状に成形したものを利用できる。枠体１２２は、電解液に対する耐性、電気絶縁性に優れる樹脂などで構成される。
・セルフレーム
セルフレーム１２０は、電解液（正極電解液及び負極電解液）の各流路となるマニホールド１３０（給液マニホールド１３１，１３２及び排液マニホールド１３３，１３４）を有する枠体１２２と、枠体１２２の内側に配置される双極板１２１と、を有する。双極板１２１は、電気抵抗が小さい導電性材料であって、電解液と反応せず、電解液に対する耐性（耐薬品性、耐酸性など）を有するもの、例えば、炭素材と有機材とを含有する複合材料を利用できる。より具体的には黒鉛などの導電性無機材（粉末や繊維など）とポリオレフィン系有機化合物や塩素化有機化合物などの有機材とを含む導電性プラスチックなどを板状に成形したものを利用できる。枠体１２２は、電解液に対する耐性、電気絶縁性に優れる樹脂などで構成される。
本例では、セルフレーム１２０は、段差面を有する一対の枠片を接合して枠体１２２を構成すると共に、両枠片の段差面によって形成された空間に双極板１２１の外周縁を挟み込むことで構成される（図１の上図を参照）。両枠片で双極板１２１を挟み込むことで、双極板１２１の表裏面の各々と隔膜１０１との間で双極板１２１が露出する収納空間が形成される。本例では、双極板１２１と枠体１２２との間にＯリング５００を設けているが、このＯリング５００の代わりに、双極板の外周に枠体を射出成形で溶着させてもよい。
・正極電極及び負極電極
正極電極１０４及び負極電極１０５は、一対のセルフレーム１２０，１２０の双極板１２１，１２１間で対向配置される。具体的には、一方の双極板１２１の一面側において、セルフレーム１２０に形成された上記収納空間内に正極電極１０４が収納され、他方の双極板１２１の他面側において、セルフレーム１２０に形成された上記収納空間内に負極電極１０５が収納される。
正極電極１０４及び負極電極１０５は、一対のセルフレーム１２０，１２０の双極板１２１，１２１間で対向配置される。具体的には、一方の双極板１２１の一面側において、セルフレーム１２０に形成された上記収納空間内に正極電極１０４が収納され、他方の双極板１２１の他面側において、セルフレーム１２０に形成された上記収納空間内に負極電極１０５が収納される。
・隔膜
隔膜１０１は、隣り合う枠体１２２，１２２間及び正極電極１０４と負極電極１０５との間に介在される。隔膜１０１は、セルフレーム１２０とほぼ同等の面積を有し、セルフレーム１２０の枠体１２２に形成された各マニホールド１３０に面する箇所に貫通孔１０１ｈを有する。隔膜１０１は、例えば、陽イオン交換膜や陰イオン交換膜といったイオン交換膜が挙げられる。イオン交換膜は、（１）正極活物質のイオンと負極活物質のイオンとの隔離性に優れる、（２）電池セル１００Ｃ内での電荷担体であるＨ＋イオンの透過性に優れる、といった特性を有しており、隔膜１０１に好適に利用できる。公知の隔膜を利用できる。隔膜１０１の厚みは、１．０ｍｍ以下、更に０．８ｍｍ以下、特に０．３ｍｍ以下であることが挙げられる。また、貫通孔１０１ｈの内径は、３ｍｍ以上５０ｍｍ以下、更に５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、特に８ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが挙げられる。
隔膜１０１は、隣り合う枠体１２２，１２２間及び正極電極１０４と負極電極１０５との間に介在される。隔膜１０１は、セルフレーム１２０とほぼ同等の面積を有し、セルフレーム１２０の枠体１２２に形成された各マニホールド１３０に面する箇所に貫通孔１０１ｈを有する。隔膜１０１は、例えば、陽イオン交換膜や陰イオン交換膜といったイオン交換膜が挙げられる。イオン交換膜は、（１）正極活物質のイオンと負極活物質のイオンとの隔離性に優れる、（２）電池セル１００Ｃ内での電荷担体であるＨ＋イオンの透過性に優れる、といった特性を有しており、隔膜１０１に好適に利用できる。公知の隔膜を利用できる。隔膜１０１の厚みは、１．０ｍｍ以下、更に０．８ｍｍ以下、特に０．３ｍｍ以下であることが挙げられる。また、貫通孔１０１ｈの内径は、３ｍｍ以上５０ｍｍ以下、更に５ｍｍ以上４０ｍｍ以下、特に８ｍｍ以上４０ｍｍ以下であることが挙げられる。
・電解液
ＲＦ電池１００に利用する電解液は、金属イオンや非金属イオンなどの活物質イオンを含む。例えば、正極活物質及び負極活物質として、価数の異なるバナジウムイオン（図４）を含むバナジウム系電解液が挙げられる。その他、正極活物質として鉄（Ｆｅ）イオン、負極活物質としてクロム（Ｃｒ）イオンを含む鉄−クロム系電解液、正極活物質としてマンガン（Ｍｎ）イオン、負極活物質としてチタン（Ｔｉ）イオンを含むマンガン−チタン系電解液などが挙げられる。電解液は、活物質に加えて、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸から選択される少なくとも１種の酸又は酸塩を含む水溶液などを利用できる。
ＲＦ電池１００に利用する電解液は、金属イオンや非金属イオンなどの活物質イオンを含む。例えば、正極活物質及び負極活物質として、価数の異なるバナジウムイオン（図４）を含むバナジウム系電解液が挙げられる。その他、正極活物質として鉄（Ｆｅ）イオン、負極活物質としてクロム（Ｃｒ）イオンを含む鉄−クロム系電解液、正極活物質としてマンガン（Ｍｎ）イオン、負極活物質としてチタン（Ｔｉ）イオンを含むマンガン−チタン系電解液などが挙げられる。電解液は、活物質に加えて、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸から選択される少なくとも１種の酸又は酸塩を含む水溶液などを利用できる。
〔シール材の取付方法、及びＲＦ電池の組立方法〕
隔膜１０１に形成された貫通孔１０１ｈへのシール材３００の取付方法、及びこのシール材３００が取り付けられた隔膜１０１を用いたＲＦ電池の組立方法を、図１，２を参照して説明する。
隔膜１０１に形成された貫通孔１０１ｈへのシール材３００の取付方法、及びこのシール材３００が取り付けられた隔膜１０１を用いたＲＦ電池の組立方法を、図１，２を参照して説明する。
まず、図２に示すように、シール材３００の一対の環状脚部３２０，３２０を拡げ、両環状脚部３２０，３２０の間に隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの周縁部を挟み込む。シール材３００は、非圧縮状態において、シール材３００の周方向に直交する横断面形状が略Ｖ字状であることで、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの周縁部にシール材３００を取り付ける際、環状脚部３２０，３２０間に隔膜１０１の周縁部を挟み込み易い。以上より、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの周縁部にシール材３００を容易に取り付けることができる（図１の上図を参照）。
次に、図１の上図に示すように、セルフレーム１２０、正極電極１０４、シール材３００が取り付けられた隔膜１０１、負極電極１０５、セルフレーム１２０、…と順に積層して積層物を構成する。このとき、シール材３００は、まだ非圧縮状態である。この積層物の両端部にエンドプレート２０１，２０１を配置すると共に、一対のエンドプレート２０１，２０１を連結部材２０２で連結してセルスタック２００を構成する（図５を参照）。このとき、一対のセルフレーム１２０，１２０が互いに近接する方向に押圧される（図１の下図を参照、図中、黒矢印は押圧方向を示す）。これにより、隣り合う枠体１２２，１２２間でシール材３００が圧接されて変形する。シール材３００の圧接により、環状基部３１０が両側の枠体１２２，１２２と密着し、環状脚部３２０が隔膜１０１の表裏面及び一対の枠体１２２の双方に密着することで、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈを通る電解液をシールするシール構造が形成される（図１の下図を参照）。環状基部３１０及び環状脚部３２０に、それぞれ突起３１２，３２２を備えることで、シール材３００が圧接されたとき、各突起３１２，３２２は圧接方向に押し潰され、シール性を高めることができる。圧接されて枠体１２２，１２２間に挟まれた状態（圧縮状態）でのシール材３００は、その厚みが３ｍｍ以下、更に２．５ｍｍ以下、特に２ｍｍ以下であることが挙げられる。
〔効果〕
実施形態１に係るシール材３００は、二股状の環状脚部３２０により隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの内周縁部を表裏面から挟むことで、シール材３００が枠体１２２，１２２に圧接されて変形することで、隔膜１０１の表裏面の各々と各枠体１２２，１２２との間のシールを行うことができる。また、環状基部３１０により、隔膜１０１の一面（表面）から貫通孔１０１ｈを介して他面（裏面）に亘る間のシールを行うことができる。
実施形態１に係るシール材３００は、二股状の環状脚部３２０により隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの内周縁部を表裏面から挟むことで、シール材３００が枠体１２２，１２２に圧接されて変形することで、隔膜１０１の表裏面の各々と各枠体１２２，１２２との間のシールを行うことができる。また、環状基部３１０により、隔膜１０１の一面（表面）から貫通孔１０１ｈを介して他面（裏面）に亘る間のシールを行うことができる。
二股状の環状脚部３２０と環状基部３１０とは一体物であるため、上記各シールを単一のシール材３００で行うことができ、組立性に優れる。シール材３００は、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの全周において貫通孔１０１ｈの内周から外方に亘って配置される。そのため、隔膜１０１の表裏面の各々にＯリングを配置する場合に比較して、二股状の環状脚部の一方の環状脚部に３２０対して他方の環状脚部３２０がずれるといったことが生じ難く、隔膜１０１に破れなどの損傷が生じ難い。
特に、シール材３００がその周方向に直交する横断面形状が略Ｖ字状であることで、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの周縁部にシール材３００を取り付ける際、環状脚部３２０，３２０間に隔膜１０１の周縁部を挟み込み易く、シール材３００の取り付け作業が行い易い。また、シール材３００が、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈの全周において貫通孔１０１ｈの内周から外方に亘って配置されるため、シール材３００が隔膜１０１からずれたり外れたりすることなく確実に取り付けることができる。このようなシール材３００であれば、作業者のスキルに依存することのなく隔膜１０１の貫通孔１０１ｈを通る電解液のシール構造を構成することができ、組立性に優れる。
実施形態１に係るＲＦ電池は、シール材３００が取り付けられた隔膜１０１を備えるため、隔膜１０１の貫通孔１０１ｈを介して正極セル１０２と負極セル１０３との間で電解液が漏れたり、貫通孔１０１ｈからセルスタック２００の外部へ電解液が漏れたりすることを防止することができる。隔膜１０１の貫通孔１０１ｈを流れる電解液のシール性を確保できることから、ＲＦ電池は、運転条件などが急激に変化する環境に設置されても安定して動作することができる。
本発明の電池は、レドックスフロー電池や燃料電池といった流体流通型の電池として好適に利用でき、太陽光発電、風力発電などの自然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蓄電池として好適に利用できる。また、本発明の電池は、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした蓄電池としても利用できる。特に、本発明の電池は、上述の目的の大容量の蓄電池に好適に利用できる。本発明のシール材は、レドックスフロー電池や燃料電池といった流体流通型の電池のシール構造に好適に利用できる。
１００ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
１００Ｃ 電池セル
１０１ 隔膜 １０１ｈ 貫通孔
１０２ 正極セル １０３ 負極セル
１０４ 正極電極 １０５ 負極電極
１０６ 正極電解液用タンク １０７ 負極電解液用タンク
１０８〜１１１ 導管 １１２，１１３ ポンプ
２００ セルスタック
２０１ エンドプレート ２０２ 連結部材
１２０ セルフレーム １２１ 双極板 １２２ 枠体
１３０ マニホールド
１３１，１３２ 給液マニホールド １３３，１３４ 排液マニホールド
１３１ｓ，１３２ｓ 給液スリット １３３ｓ，１３４ｓ 排液スリット
３００ シール材
３１０ 環状基部 ３１２ 突起
３２０ 環状脚部 ３２０ｉ 内面 ３２０ｏ 外面
３２２ 突起
５００ Ｏリング
１００Ｃ 電池セル
１０１ 隔膜 １０１ｈ 貫通孔
１０２ 正極セル １０３ 負極セル
１０４ 正極電極 １０５ 負極電極
１０６ 正極電解液用タンク １０７ 負極電解液用タンク
１０８〜１１１ 導管 １１２，１１３ ポンプ
２００ セルスタック
２０１ エンドプレート ２０２ 連結部材
１２０ セルフレーム １２１ 双極板 １２２ 枠体
１３０ マニホールド
１３１，１３２ 給液マニホールド １３３，１３４ 排液マニホールド
１３１ｓ，１３２ｓ 給液スリット １３３ｓ，１３４ｓ 排液スリット
３００ シール材
３１０ 環状基部 ３１２ 突起
３２０ 環状脚部 ３２０ｉ 内面 ３２０ｏ 外面
３２２ 突起
５００ Ｏリング
Claims (14)
- 電池用流体の流路となるマニホールドを有する枠体と、前記枠体の内側に配置される双極板とを有し、互いに重ねて配置される少なくとも一対のセルフレームと、
前記一対のセルフレームの双極板間で対向配置される正極電極及び負極電極と、
重なり合う前記枠体間及び前記両電極間に介在されると共に、前記マニホールドに対応する貫通孔を有する隔膜とを備える電池であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記隔膜を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを有し、重なり合う前記枠体間に介在されるシール材を備える電池。 - 前記環状脚部は、前記枠体との対向面に突起を備える請求項１に記載の電池。
- 前記環状脚部は、前記隔膜との対向面が平面状である請求項１又は請求項２に記載の電池。
- 前記環状基部は、前記枠体との対向面に突起を備える請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電池。
- 前記隔膜の厚みが１．０ｍｍ以下である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電池。
- 前記貫通孔の内径が３ｍｍ以上５０ｍｍ以下である請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電池。
- 重なり合う前記枠体間に挟まれた状態での前記シール材の厚みが３ｍｍ以下である請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電池。
- 前記電池用流体が電解液で、前記電池がレドックスフロー電池である請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電池。
- 電池用流体が通る貫通孔を有するセル部材に対して前記電池用流体をシールするシール材であって、
前記貫通孔の内周に配置される環状基部と、前記環状基部から前記セル部材を挟むように前記貫通孔の外方側に伸びる二股状の環状脚部とを備えるシール材。 - 外力の作用しない状態での前記シール材の横断面において、前記環状脚部は前記環状基部からＶ状に広がる請求項９に記載のシール材。
- 前記環状脚部は、前記セル部材と対向する面と反対側の外面に突起を備える請求項９又は請求項１０に記載のシール材。
- 前記環状脚部は、前記セル部材と対向する内面が平面状である請求項９〜請求項１１のいずれか１項に記載のシール材。
- 前記環状基部は、その表裏面に突起を備える請求項９〜請求項１２のいずれか１項に記載のシール材。
- 前記環状脚部における前記環状基部側の端部の間隔が１．０ｍｍ以下である請求項９〜請求項１３のいずれか１項に記載のシール材。
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