JP2019029106A - セルフレーム、セルスタック、およびレドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

【課題】リーク流路を分断でき、かつ枠体における双極板の位置決めができるセルフレームを提供する。【解決手段】貫通窓２２ｗと内周縁凹部２２ｃと入口スリット１２３ｓ、１２４ｓと出口スリット１２５ｓ，１２６ｓとを有する枠体２２と、内周縁凹部２２ｃの厚み方向に外周縁部が重なる双極板２１と、を備えるセルフレーム２であって、双極板２１と内周縁凹部２２ｃとの間に形成される環状の隙間９のうち、最も下方に位置する箇所を含む直線部９Ａ又は曲線部に介在される下方介在部材４０と、下方介在部材４０よりも上方側で、水平方向の一方側に位置する箇所に介在される一側介在部材４１と、下方介在部材４０よりも上方側で、水平方向の他方側に位置する箇所に介在される他側介在部材４２と、を備え、これら介在部材４０，４１，４２，４３のうち、少なくとも一部の部材が電解液の逃げ道であるリーク流路９２を分断する位置に設けられているセルフレーム２。【選択図】図４

Description

本発明は、セルフレーム、セルスタック、およびレドックスフロー電池に関するものである。

特許文献１には、レドックスフロー電池に用いられるセルフレームであって、枠体の貫通孔に双極板を嵌め込んだ嵌込式のセルフレームが開示されている。特許文献１では、枠体における貫通窓を全周にわたって取り囲む周縁部を他の部分よりも薄くした内周縁凹部を形成し、その内周縁凹部の厚み方向に双極板の外周縁を重ねて、枠体と双極板とを係合させている。また、特許文献１では、セルフレームを正面視したときに、枠体の内周縁凹部と、双極板との間に形成される隙間を分断する分断構造を備える。分断構造によって、電解液が当該隙間を通って電極に殆ど接触せずにセルフレームから排出されるリークパスを抑制できる。

国際公開第２０１６／０７２１９１号

嵌込式のセルフレームでは、セル内へ電解液を流通する際の液圧や温度変化による膨張・収縮などによって、双極板が当初の配置位置から移動することがある。双極板が移動すると、双極板の厚み方向に重ねられる電極も移動し、電極の縁部が枠体などに強く押し当てられたり、電極の縁部が内周縁凹部と双極板との隙間に挟まれたりして、電極が損傷する恐れがある。そのため、双極板が当初の配置位置からずれることなく、内周縁凹部の外周縁部と、双極板の外周縁部との隙間が維持されることが望まれる。

そこで本開示は、リーク流路を分断でき、かつ枠体における双極板の位置決めができるセルフレームを提供することを目的の一つとする。また、本開示は、使用時における電解液のリークパスを抑制でき、かつ電極の損傷を抑制できるセルスタックおよびレドックスフロー電池を提供することを目的の一つとする。

本開示のセルフレームは、
貫通窓と前記貫通窓を全周にわたって取り囲む内周縁凹部とを有する枠体と、前記内周縁凹部の厚み方向に外周縁部が重なる双極板と、を備え、
前記枠体は、前記内周縁凹部の下方側に設けられ、前記内周縁凹部に電解液を導入する入口スリット、および前記内周縁凹部の上方側に設けられ、前記内周縁凹部から電解液を排出する出口スリットを有するセルフレームであって、
前記双極板と前記内周縁凹部との間に形成される環状の隙間のうち、最も下方に位置する箇所を含む直線部または曲線部に介在される下方介在部材と、
前記環状の隙間のうち、前記下方介在部材よりも上方側で、水平方向の一方側に位置する箇所に介在される一側介在部材と、
前記環状の隙間のうち、前記下方介在部材よりも上方側で、水平方向の他方側に位置する箇所に介在される他側介在部材と、を備え、
前記下方介在部材、前記一側介在部材、および前記他側介在部材のうち、少なくとも一部の部材が、前記環状の隙間における前記入口スリットと前記出口スリットとを連通させる電解液の逃げ道であるリーク流路を分断する位置に設けられている。

本開示のセルスタックは、
本開示のセルフレームを備える。

本開示のレドックスフロー電池は、
本開示のセルスタックを備える。

上記セルフレームによれば、リーク流路を分断でき、かつ枠体における双極板の位置決めができる。

上記セルスタックおよびレドックスフロー電池によれば、その使用時に電解液のリークパスが生じ難く、電極の損傷も抑制できる。

実施形態に係るレドックスフロー電池の動作原理の説明図である。 実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。 実施形態に係るセルスタックの概略構成図である。 実施形態１に係るセルフレームにおける枠体に対する双極板の取付状態の一例を示す概略図である。 図４のＶ−Ｖ断面図である。 枠体に対する双極板の取付状態の一例を示す概略図である。 枠体に対する双極板の取付状態の一例を示す概略図である。 枠体に対する双極板の取付状態の一例を示す概略図である。 枠体に対する双極板の取付状態の一例を示す概略図である。 枠体に対する双極板の取付状態の一例を示す概略図である。 実施形態２に係るセルフレームにおける枠体に対する双極板の取付状態の一例を示す概略図である。 図１１のＸＩＩ−ＸＩＩ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形態の内容を列記して説明する。

＜１＞実施形態に係るセルフレームは、
貫通窓と前記貫通窓を全周にわたって取り囲む内周縁凹部とを有する枠体と、前記内周縁凹部の厚み方向に外周縁部が重なる双極板と、を備え、
前記枠体は、前記内周縁凹部の下方側に設けられ、前記内周縁凹部に電解液を導入する入口スリット、および前記内周縁凹部の上方側に設けられ、前記内周縁凹部から電解液を排出する出口スリットを有するセルフレームであって、
前記双極板と前記内周縁凹部との間に形成される環状の隙間のうち、最も下方に位置する箇所を含む直線部または曲線部に介在される下方介在部材と、
前記環状の隙間のうち、前記下方介在部材よりも上方側で、水平方向の一方側に位置する箇所に介在される一側介在部材と、
前記環状の隙間のうち、前記下方介在部材よりも上方側で、水平方向の他方側に位置する箇所に介在される他側介在部材と、を備え、
前記下方介在部材、前記一側介在部材、および前記他側介在部材のうち、少なくとも一部の部材が、前記環状の隙間における前記入口スリットと前記出口スリットとを連通させる電解液の逃げ道であるリーク流路を分断する位置に設けられている。

上記構成によれば、内周縁凹部の外周縁部と双極板の外周縁部との間の全周にわたって所定の隙間が形成された状態で、枠体の内周縁凹部における双極板の位置を固定できる。その結果、このセルフレームを用いてセルスタックを構成したときに、双極板に重ねられる電極が当初の配置位置からずれ難くなり、セルスタックの使用に伴う電極の損傷を抑制できる。

また、上記構成によれば、介在部材によって、入口スリットから出口スリットに至るリーク流路が分断されているので、リーク流路を流れる電解液の量を大幅に低減することができる。その結果、リーク流路に起因する電池セルの充放電効率の低下を抑制することができる。

＜２＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記内周縁凹部は、前記内周縁凹部の中心を通る鉛直線を挟んで線対称形状であり、
前記一側介在部材と前記他側介在部材とは、前記中心に対して点対称、または前記鉛直線に対して線対称の位置に配置される形態を挙げることができる。

上記構成とすることで、双極板と内周縁凹部との間の環状の隙間において、介在部材がバランス良く配置され、内周縁凹部における双極板の安定性が増す。その結果、双極板の位置ずれ、および双極板に重ねられる電極の位置ずれを抑制でき、電極の損傷を抑制し易い。

＜３＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記下方介在部材と前記一側介在部材とが一体に形成された第一規制部材、および前記下方介在部材と前記他側介在部材とが一体に形成された第二規制部材の少なくとも一方を備える形態を挙げることができる。

鉛直下方への移動と水平方向の移動を同時に規制する第一規制部材および第二規制部材の少なくとも一方を用いることで、環状の隙間に介在させる部材の数を減らすことができ、セルフレームの生産性を向上させることができる。ここで、第一規制部材と第二規制部材の両方を備えるセルフレームでは、下方介在部材が少なくとも二つ存在することになる。

＜４＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記環状の隙間のうち、最も上方に位置する箇所を含む直線部または曲線部に介在される上方介在部材を備える形態を挙げることができる。

上方介在部材を設けることで、枠体における双極板の上下左右の移動を規制できるので、レドックスフロー電池の運転時などの双極板のずれや電極のずれを効果的に抑制することができる。

＜５＞上方介在部材を備える実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記上方介在部材と前記一側介在部材とが一体に形成された第三規制部材、および前記上方介在部材と前記他側介在部材とが一体に形成された第四規制部材の少なくとも一方を備える形態を挙げることができる。

上記構成によれば、双極板の上下左右の移動を規制しつつ、環状の隙間に介在させる部材の数が増加することを抑制できる。第三規制部材と第四規制部材の両方を備えるセルフレームでは、上方介在部材が少なくとも二つ存在することになる。

＜６＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記下方介在部材と、前記一側介在部材と、前記他側介在部材はそれぞれ、エラストマー、発泡ポリエチレン、発泡ウレタン、発泡ポリスチレン、カーボン不織布、カーボンクロス、カーボンペーパー、またはフッ素繊維で構成される形態を挙げることができる。

これらの材料は、柔軟性および耐酸性に優れる。柔軟性に優れる介在部材は、枠体と双極板との隙間に配置し易い。また、耐酸性に優れる介在部材は、電解液に接触しても損傷し難い。

＜７＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記内周縁凹部の外周縁形状は、前記双極板の外形に相似する形状であり、
前記外形は、円形状、楕円形状、レーストラック形状、または多角形状である形態を挙げることができる。

双極板として、局所的な凸部や凹部を有さない単純形状の双極板を利用することで、セルフレームの生産性を向上させることができる。例えば、既存の双極板を利用することができる。ここで、多角形状に局所的な凸部や凹部が無いことは、多角形状に内角が１８０°以上となる角部が存在しないこと、と言い換えることもできる。

＜８＞実施形態に係るセルスタックは、
実施形態に係るセルフレームを備える。

上記セルスタックによれば、使用時における電解液のリークパスを抑制でき、かつ電極の損傷を抑制できる。

＜９＞実施形態に係るレドックスフロー電池は、
実施形態に係るセルスタックを備える。

上記レドックスフロー電池は、使用時に電解液のリークパスが抑制されていることで、優れた放電容量を備える。また、上記レドックスフロー電池は、電極に損傷が生じ難いため、電極の長寿命化が実現され、メンテナンス性に優れる。

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、実施形態に係るレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）の実施形態を説明する。なお、本願発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、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の全ての変更が含まれることを意図する。

＜実施形態１＞
実施形態に係るレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）を図１〜図５に基づいて説明する。

≪ＲＦ電池≫
ＲＦ電池は、電解液循環型の蓄電池の一つであって、太陽光発電や風力発電といった新エネルギーの蓄電などに利用されている。このＲＦ電池１の動作原理を図１に示す。ＲＦ電池１は、正極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位と、負極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位との差を利用して充放電を行う電池である。ＲＦ電池１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、かつ正極用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。導管１０８にはポンプ１１２が設けられており、これら部材１０６，１０８，１１０，１１２によって正極用電解液を循環させる正極用循環機構１００Ｐが構成されている。同様に、負極セル１０３には負極電極１０５が内蔵され、かつ負極用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。導管１０９にはポンプ１１３が設けられており、これらの部材１０７，１０９，１１１，１１３によって負極用電解液を循環させる負極用循環機構１００Ｎが構成されている。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によりセル１０２，１０３内に循環される。充放電を行なわない場合、ポンプ１１２，１１３は停止され、電解液は循環されない。

≪セルスタック≫
上記セル１００は通常、図２，３に示すような、セルスタック２００と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック２００は、サブスタック２００ｓ（図３）と呼ばれる積層構造物をその両側から二枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付機構２３０で締め付けることで構成されている（図３に例示する構成では、複数のサブスタック２００ｓを用いている）。

サブスタック２００ｓ（図３）は、セルフレーム２、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、およびセルフレーム２を複数積層し、その積層体を給排板１９０，１９０（図３の下図参照、図２では省略）で挟み込んだ構成を備える。セルフレーム２は、貫通窓を有する枠体２２と貫通窓を塞ぐ双極板２１とを有しており、双極板２１の一面側には正極電極１０４が接触するように配置され、双極板２１の他面側には負極電極１０５が接触するように配置される。この構成では、隣接する各セルフレーム２の双極板２１の間に一つのセル１００が形成されることになる。

≪セルフレーム≫
セルフレーム２の説明には、図４に示すセルフレーム２の正面図と、図４のＶ−Ｖ断面図である図５を主に参照する。本例のセルフレーム２は、枠体２２と双極板２１とを備える。枠体２２は、その厚さ方向に貫通する貫通窓２２ｗと、貫通窓２２ｗを全周にわたって取り囲む環状の内周縁凹部２２ｃと、を備えている。本例の貫通窓２２ｗは局所的な凹凸の無い矩形で、内周縁凹部２２ｃの外周縁形状は貫通窓２２ｗの形状に相似する矩形である。内周縁凹部２２ｃは、枠体のその他の部分よりも薄くなっており、図４の紙面奥側に向って凹んでいる。その内周縁凹部２２ｃに係合するように後述する双極板２１が嵌め込まれ、双極板２１が貫通窓２２ｗを封止している。

［枠体］
枠体２２は、後述する双極板２１を支持する部材である。この枠体２２には、給排板１９０，１９０（図３）を介したセル１００への電解液の流通に用いられる給液用マニホールド１２３，１２４と、排液用マニホールド１２５，１２６と、入口スリット１２３ｓ，１２４ｓと、出口スリット１２５ｓ，１２６ｓと、を備える。本例の給液用マニホールド１２３（１２４）は、枠体２２のうち、鉛直下方側（紙面下側）に配置される枠片部を貫通するように形成され、排液用マニホールド１２６（１２５）は、枠体２２のうち、鉛直上方側（紙面上側）に配置される枠片部を貫通するように形成される。ここで、本例では、給液用マニホールド１２３，１２４と排液用マニホールド１２５，１２６とが離隔する方向である図４の紙面上下方向が枠体２２の長さ方向であり、給液用マニホールド１２３と給液用マニホールド１２４とが離隔する方向である紙面左右方向が枠体２２の幅方向、紙面奥行き方向が枠体２２の厚さ方向である。

図４に実線で示される入口スリット１２３ｓと出口スリット１２５ｓは紙面手前側に設けられ、点線で示される入口スリット１２４ｓと出口スリット１２６ｓは紙面奥側に設けられている。入口スリット１２３ｓと出口スリット１２５ｓは、枠体２２の一面側（紙面手前側）で内周縁凹部２２ｃに繋がっている。正極電解液は、入口スリット１２３ｓを介して給液用マニホールド１２３から内周縁凹部２２ｃに導入され、枠体２２の内周縁凹部２２ｃ側に配置される正極電極１０４（図５）に行き渡った後、出口スリット１２５ｓを介して排液用マニホールド１２５に排出される。一方、入口スリット１２４ｓと出口スリット１２６ｓは、枠体２２の他面側（紙面奥側）で貫通窓２２ｗに繋がっている。負極電解液は、入口スリット１２４ｓを介して給液用マニホールド１２４から貫通窓２２ｗに負極電解液が導入され、貫通窓２２ｗ内に配置される負極電極１０５（図５）に行き渡った後、出口スリット１２６ｓを介して排液用マニホールド１２６に排出される。

マニホールド１２３〜１２６とスリット１２３ｓ〜１２６ｓの外周は、シール溝１２７ｇで囲まれている。そのシール溝１２７ｇにＯリングなどのシール部材１２７（図３）を嵌め込むことで、シール部材１２７の内側から外側に電解液が漏れないようになっている。ここで、Ｏリングの代わりに環状の平パッキンを利用することもでき、その場合、シール溝１２７ｇはなくても良い。

枠体２２の材料は、絶縁性に優れることが好ましく、加えて耐酸性を有することがより好ましい。枠体２２の材料として、例えば、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、塩素化パラフィンなどを利用することができる。

枠体２２の厚さ（後述する内周縁凹部２２ｃを除く部分の厚さ）は、４ｍｍ以上とすることが好ましい。枠体２２には、マニホールド１２３〜１２６やスリット１２３ｓ〜１２６ｓなどが設けられるため、枠体２２にある程度の厚さを持たせて、枠体２２の強度を確保する必要があるからである。

［双極板］
双極板２１は、その一面側が正極電極に接触し、他面側が負極電極に接触する部材である。本例の双極板２１は、ほぼ一様な厚さを有する板材である。積層される双極板２１のうち、端部に配置される双極板２１は、集電板に接触・導通される。

本例の双極板２１の一面側と他面側には、入口スリット１２３ｓ，１２４ｓを介して供給された電解液を双極板２１の全面にわたって分散させる流通溝（図示略）を形成することができる。この流通溝は特に、双極板の一面側と他面側に配置する正極電極と負極電極を薄くしたときに有効に機能する。流通溝の形状は特に限定されず、例えば櫛歯状に形成することもできるし、樹状に形成することもできる。

双極板２１の材料は、導電性に優れることが好ましく、加えて耐酸性および可撓性を有することがより好ましい。例えば、炭素材を含有する導電性材料からなることが挙げられ、具体的には、黒鉛と塩素化有機化合物とからなる導電性プラスチックが挙げられる。その黒鉛の一部をカーボンブラックとダイヤモンドライクカーボンの少なくとも一方に置換した導電性プラスチックでもよい。この塩素化有機化合物には、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、塩素化パラフィンなどが挙げられる。このような材料から双極板２１を構成することで、電気抵抗を小さく、かつ耐酸性および可撓性に優れる双極板２１とすることができる。

双極板２１の厚さは特に限定されないが、２ｍｍ以上とすることが好ましい。嵌込構造の場合、双極板２１にある程度の強度が要求されるからである。双極板２１の厚さは、双極板２１の両側に電極を配置することを考慮して、枠体２２の厚さよりも０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下程度小さい値（即ち、［双極板２１の厚さ］＝［枠体２２の厚さ］−［０．５ｍｍ〜２ｍｍ］）とすると良い。

［嵌込構造］
嵌込構造は、セルフレーム２を正面視したときに、枠体２２の貫通窓２２ｗを塞ぐように配置した双極板２１の外周縁部が全周にわたって枠体２２に重複するように寸法を調整すると共に、枠体２２における双極板２１と重複する部分を凹ませることで構成される。本例においては、枠体２２の貫通窓２２ｗを全周にわたって取り囲む周縁部が枠体２２の他の部分よりも薄くなっており、その薄くなった部分が、双極板２１を嵌め込むための内周縁凹部２２ｃを形成している。本例における内周縁凹部２２ｃは、枠体２２の一面側にのみ形成されている。つまり、内周縁凹部２２ｃの他面（裏側の面）は、その面よりも外側の部分に平坦に繋がっている（図５を参照）。

図４のＶ−Ｖ断面図である図５に示すように、枠体２２の内周縁凹部２２ｃに双極板２１を嵌め込むことで、双極板２１の外周縁全周にわたる所定幅の部分である外周縁係合部と内周縁凹部２２ｃとが枠体２２の厚み方向に係合する。その結果、枠体２２の貫通窓２２ｗ（図４）が双極板２１で塞がれた状態になる。ここで、嵌込構造を採用する場合、双極板２１の一面側と他面側との間で電解液が流通しないようにするために、枠体２２と双極板２１との間をシールする必要がある。本例では、双極板２１における内周縁凹部２２ｃと重複する部分に環状の溝を形成し、その溝にＯリング２１ｏを配置することで、シール構造を形成している。Ｏリング２１ｏは、複数のセルフレーム２を積層して締め付けた際に圧縮され、シールとして機能する。その他、内周縁凹部２２ｃに接着剤を塗布し、内周縁凹部２２ｃと双極板２１を接着することで、シール構造を形成しても構わない。

次に、図５を参照して双極板２１に対する電極の配置状態を説明する。図５の図示しない下端側の断面形状は、図示する上端側とほぼ同じと考えて良い。この図５では、双極板２１の右側には正極電極１０４が、左側には負極電極１０５が配置されている。両電極１０４，１０５は、変形性を有する多孔体であって、積層されるセルフレーム２の間で圧縮されている。また、両電極１０４，１０５は、その上端位置と図示しない下端位置とが異なる構成、即ち正極電極１０４の紙面縦方向の長さが負極電極１０５よりも長い構成となっている。このような構成となっているのは、枠体２２の凹部に両電極１０４，１０５が隙間無く配置されるようにするためである。図中では電極１０４，１０５と隣接する部材との間に隙間があるように描かれているが、実際には電極１０４，１０５の変形性の故に当該隙間は形成されない。電極１０４，１０５は、薄く形成することが好ましく、例えば０．５ｍｍ以下とすることが好ましい。電極１０４，１０５が厚くなるほど、セルの内部抵抗が高くなる傾向にあるからである。

上記嵌込構造を採用することで、図４に示すように、枠体２２の内周縁凹部２２ｃに双極板２１を嵌め込むだけで枠体２２の貫通窓２２ｗに双極板２１を配置することができる。そのため、セルフレーム２の生産性を向上させることができる。

ここで、嵌込構造を採用する場合、作製時の公差によって、内周縁凹部２２ｃの外寸と双極板２１の外寸とを同じにすることは難しく、また同じにすることができた場合には枠体２２に双極板２１を嵌め込み難くなるという問題がある。そこで、内周縁凹部２２ｃの外周縁形状を双極板２１の外形に相似する形状とすると共に、内周縁凹部２２ｃの外寸を双極板２１の外寸よりも大きくし、枠体２２への双極板２１の嵌め込みを容易にしている。この構成では、図４の裏面側からセルフレーム２を正面視したときには、枠体２２と双極板２１との間に隙間はできないが、図４に示すように、セルフレーム２を内周縁凹部２２ｃの形成側から正面視したときには、枠体２２の内周縁凹部２２ｃと双極板２１との間に環状の隙間９が形成される。この環状の隙間９のために、内周縁凹部２２ｃ内で双極板２１と、双極板２１に接する電極１０４，１０５（図５）が動く可能性がある。特に、セル１００（図１，２）内に電解液を流通させたとき、その流通圧力によって電極１０４，１０５が動いてしまい、電極１０４，１０５に局所的な応力が作用して損傷してしまう恐れがある。

また、上記環状の隙間９には、入口スリット１２３ｓと出口スリット１２５ｓとを連通させる正極電解液の逃げ道であるリーク流路９１，９２が形成されるという問題もある。リーク流路９１，９２は、部材間の隙間であって、その流路抵抗が非常に小さいため、入口スリット１２３ｓから双極板２１に導入された正極電解液は、リーク流路９１，９２に流れ込み易い。リーク流路９１，９２に流れ込んだ正極電解液は、双極板２１上に配置される正極電極１０４（図５）に殆ど接触しないまま出口スリット１２５ｓに排出されるため、リーク流路９１，９２を流れる正極電解液が多くなるほど、セルの充放電効率が低下する。

［介在部材］
上記環状の隙間９に係る問題点に鑑み、本実施形態では、枠体２２の内周縁凹部２２ｃにおける双極板２１の位置決めと、リーク流路９１，９２の分断を行なうことができる介在部材４０〜４３を環状の隙間９に介在させる。

図４に示すように、内周縁凹部２２ｃの外周縁形状と、双極板２１の外形は共に横長の矩形となっている。そのため、環状の隙間９は、下方側で水平方向に延びる下方直線部９Ａと、下方直線部９Ａの紙面左端から上方に延びる一側直線部９Ｂと、下方直線部９Ａの紙面右端から上方に延びる他側直線部９Ｃと、一側直線部９Ｂの上端と他側直線部９Ｃの上端とを繋ぐ水平方向に延びる上方直線部９Ｄと、で構成される矩形環状となっている。下方直線部９Ａは、環状の隙間９のうち、最も下方に位置する箇所を含み、一側直線部９Ｂは、環状の隙間９の水平方向の一側（紙面左側）の端部を含み、他側直線部９Ｃは、環状の隙間９の水平方向の他側の端部を含む。上方直線部９Ｄは、環状の隙間９のうち、最も上方に位置する箇所を含む。

本例では、環状の隙間９の各直線部９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄのほぼ中央の位置にそれぞれ、下方介在部材４０、一側介在部材４１、他側介在部材４２、上方介在部材４３を介在させている。つまり、介在部材４０〜４３は、双極板２１の中心を通る鉛直線（一点鎖線参照）を挟んで左右対称に配置されている。下方介在部材４０によって鉛直下方から双極板２１が支持され、双極板２１の鉛直下方への移動が規制される。また、一側介在部材４１によって双極板２１の水平方向の一方側への移動が規制され、他側介在部材４２によって双極板２１の水平方向の他方側への移動が規制される。さらに、上方介在部材４３によって双極板２１の鉛直上方への移動が規制される。

上述した介在部材４０〜４３によって、内周縁凹部２２ｃにおける双極板２１の位置が決まり、その位置がずれ難くなる。また、リーク流路９１は介在部材４０，４１で分断され、リーク流路９２は介在部材４２，４３で分断されているため、正極電解液のリークパスを抑制することができる。ここで、双極板２１には重力が作用しており、双極板２１は鉛直上方に移動し難いため、上方介在部材４３は無くても構わない。リーク流路９２は、他側介在部材４２で分断されているため、その点でも上方介在部材４３は必須ではない。

上記介在部材４０〜４３に求められる特性は、適度な柔軟性を持ち、電解液を通し難いことである。また、電解液に接触したときに電解液への溶出物が少なく、耐酸性があることも、介在部材４０〜４３に求められる特性の一つである。介在部材４０〜４３の柔軟性の指標としては、ＪＩＳ Ｋ ６４００に準拠する圧縮応力が３０ｋＰａ以上１５０ｋＰａ以下であることを挙げることができる。

上記特性の少なくとも一つを満たす介在部材４０〜４３の材料として、例えば、エラストマー（ゴム）、発泡ポリエチレン、発泡ウレタン、発泡ポリスチレンなどを挙げることができる。また、カーボン不織布、カーボンクロス、カーボンペーパー、フッ素繊維などで介在部材４０〜４３を構成することもできる。ここで、下方介在部材４０には双極板２１の荷重が作用するため、変形し難い材料で構成することが好ましい。例えば、下方介在部材４０をエラストマーで構成し、それ以外の介在部材４１〜４３をエラストマー以外の比較的柔軟な材料（例えばカーボンクロス）で構成することが挙げられる。

環状の隙間９の幅、即ち各直線部９Ａ〜９Ｄの幅は、大型のセルフレーム２であっても、広くなり過ぎないことが好ましい。環状の隙間９への介在部材４０〜４３の嵌め込み易さを考慮して、当該幅は３ｍｍ以上２０ｍｍ以下とすることが好ましく、３ｍｍ以上７ｍｍ以下とすることがより好ましい。

＜変形例＞
以下、図６〜１０を参照し、実施形態１とは一部の構成が異なるセルフレーム２の変形例を説明する。各図において実施形態１と同一の機能を有する部材については実施形態１と同一の符号を付して、その説明を省略する。また、図６〜８では、貫通窓２２ｗと内周縁凹部２２ｃの図示を省略している。

［例１］
図６，７に示すように、環状の隙間９の各直線部９Ａ〜９Ｄにそれぞれ複数の介在部材４０〜４３を設けても構わない。図６，７のセルフレーム２では、下方直線部９Ａに二つの下方介在部材４０，４０を、一側直線部９Ｂに二つの一側介在部材４１，４１を、他側直線部９Ｃに二つの他側介在部材４２，４２を、上方直線部９Ｄに二つの上方介在部材４３，４３を設けている。各介在部材４０〜４３は、図６に示すように双極板２１の中心を通る鉛直線（一点鎖線参照）を挟んで左右対称に配置しても良いし、図７に示すように左右非対称に配置しても良い。また、図６，７とは異なり、各直線部９Ａ〜９Ｄに配置する介在部材４０〜４３の数が異なっても構わない。左右対称配置の図６の構成は、左右非対称の図７の構成よりも、介在部材４０〜４３の配置のバランスが良く、双極板２１の位置が安定し易い。

［例２］
図８に示すセルフレーム２では、環状の隙間９の四隅にそれぞれ、第一規制部材５１、第二規制部材５２、第三規制部材５３、および第四規制部材５４が設けられている。第一規制部材５１は、下方介在部材４０と一側介在部材４１とが一体になったＬ型部材であり、第二規制部材５２は、下方介在部材４０と他側介在部材４２とが一体になったＬ型部材である。第三規制部材５３は、上方介在部材４３と一側介在部材４１とが一体になったＬ型部材であり、第四規制部材５４は、上方介在部材４３と他側介在部材４２とが一体になったＬ型部材である。この構成によっても、双極板２１の位置決めと、リーク流路９１，９２の分断を行なうことができる。環状の隙間９の角部を支持する図８の構成では、下方直線部９Ａの中間部に下方介在部材４０が無いため、入口スリット１２３ｓから導入された正極電解液がセルフレーム２の幅方向（左右方向）の全体に拡がり易く、正極電極１０４（図５）全体に正極電解液が行き渡り易い。また、上方直線部９Ｄの中間部に上方介在部材４３が無いため、上方直線部９Ｄのほぼ全長にわたって正極電極１０４（図５）から正極電解液の回収が容易となる。

［例３］
貫通窓２２ｗ、内周縁凹部２２ｃ、および双極板２１の形状は、矩形以外の多角形としても構わない。多角形とする場合、製造の手間やハンドリングの容易性を考慮して、局所的な凹凸の無い単純形状の多角形とすることが好ましい。局所的な凹凸が無い単純形状の多角形には、内角が１８０°以上となる角が存在しない。図９には、横長の八角形状の貫通窓２２ｗ、内周縁凹部２２ｃ、および双極板２１を備えるセルフレーム２が例示されている。このセルフレーム２における環状の隙間９は、下方直線部９Ａ、一側直線部９Ｂ、他側直線部９Ｃ、および上方直線部９Ｄに加え、四つの斜行直線部９Ｅ〜９Ｈを有する。

図９のセルフレーム２では、下方直線部９Ａと斜行直線部９Ｅとの角部に、折れ線状の第一規制部材５１が配置され、下方直線部９Ａと斜行直線部９Ｆとの角部に、折れ線状の第二規制部材５２が配置されている。また、上方直線部９Ｄと斜行直線部９Ｇとの角部に、折れ線状の第三規制部材５３が配置され、上方直線部９Ｄと斜行直線部９Ｈとの角部に、折れ線状の第四規制部材５４が配置されている。これら規制部材５１〜５４によって、双極板２１の位置決めと、リーク流路９１，９２の分断を行なうことができる。

上記構成に加え、規制部材５１〜５４が配置されていない残りの角部や、直線部９Ａ〜９Ｈにさらに介在部材を設けても良い。

［例４］
貫通窓２２ｗ、内周縁凹部２２ｃ、および双極板２１の形状は、円形状や楕円形状、レーストラック形状としても構わない。その場合も、製造の手間やハンドリングの容易性を考慮して、局所的な凹凸の無い単純形状とすることが好ましい。図１０には、円形状の貫通窓２２ｗ、内周縁凹部２２ｃ、および双極板２１を備えるセルフレーム２が例示されている。

本例のセルフレーム２の環状の隙間９は円環状である。環状の隙間９は、円環状の隙間９のうち、最も下方に位置する箇所を含む半円弧状の下方曲線部９Ｍと、最も上方に位置する箇所を含む半円弧状の上方曲線部９Ｎと、に分けることができる。本例では、下方曲線部９Ｍのうち、円弧の中心を含む鉛直線（一点鎖線参照）に線対称な位置に、第一規制部材５１と第二規制部材５２とを設けている。第一規制部材５１は、円形状の双極板２１を鉛直下方から支持する下方介在部材４０の機能と、水平方向の一方側への双極板２１の移動を規制する一側介在部材４１の機能と、を備える。第二規制部材５２は、円形状の双極板２１を鉛直下方から支持する下方介在部材４０の機能と、水平方向の他方側への双極板２１の移動を規制する他側介在部材４２の機能と、を備える。

上記構成に加えて、上方曲線部９Ｎの位置にも介在部材を設けても構わない。

＜実施形態２＞
実施形態２では、双極板３１における枠体３２の内周縁凹部３２ｃに係合する所定幅の部分を、双極板３１のその他の部分よりも薄く形成したセルフレーム３を図１１，１２に基づいて説明する。

図１１は、実施形態２におけるセルフレーム３の概略正面図である。双極板３１の裏面側のうち、枠体３２の内周縁凹部３２ｃに係合する外周縁係合部（点線で示す部分よりも外方側の部分）は、双極板３１のその他の部分よりも薄く形成された薄肉部３１ｃとなっている。薄肉部３１ｃの紙面手前側の面は、その他の部分と面一になっており、従って薄肉部３１ｃの紙面裏側の面が、その他の部分よりも紙面手前側に下がった状態となっている。

上記構成を備える双極板３１を枠体３２に嵌め込んだ場合、図１２に示すように、セルフレーム３の一面側（図１１では紙面手前側、図１２では紙面右側）に環状の隙間９が形成されるだけでなく、他面側（図１１では紙面奥側、図１２では紙面左側）にも環状の隙間９が形成される。そこで、本例では、セルフレーム３の一面側においても他面側においても、環状の隙間９に介在部材４０〜４３を介在させ、双極板３１の位置決めと、リーク流路９１，９２の分断を行なっている。

実施形態２における介在部材４０〜４３の配置は、図１１に図示する例に限定されるわけではなく、図６〜８に例示した配置とすることもできる。また、実施形態２における双極板３１などの形状も、図１１に図示する例に限定されるわけではなく、図９，１０に例示した形状とすることもできる。

＜用途＞
実施形態のセルフレームは、ＲＦ電池などの流体流通型の蓄電池の構築に好適に利用可能である。また、実施形態のセルスタックを備えるＲＦ電池は、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蓄電池として利用できる他、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大容量の蓄電池としても利用することができる。

１ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
２，３ セルフレーム
２１，３１ 双極板
３１ｃ 薄肉部 ２１ｏ Ｏリング
２２，３２ 枠体
２２ｃ，３２ｃ 内周縁凹部 ２２ｗ 貫通窓
４０ 下方介在部材 ４１ 一側介在部材
４２ 他側介在部材 ４３ 上方介在部材
５１ 第一規制部材 ５２ 第二規制部材
５３ 第三規制部材 ５４ 第四規制部材
９ 環状の隙間 ９１，９２ リーク流路
９Ａ 下方直線部 ９Ｂ 一側直線部 ９Ｃ 他側直線部 ９Ｄ 上方直線部
９Ｅ，９Ｆ，９Ｇ，９Ｈ 斜行直線部 ９Ｍ 下方曲線部 ９Ｎ 上方曲線部
１００ セル １０１ 隔膜 １０２ 正極セル １０３ 負極セル
１００Ｐ 正極用循環機構 １００Ｎ 負極用循環機構
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 １０８，１０９，１１０，１１１ 導管
１１２，１１３ ポンプ
１２３，１２４ 給液用マニホールド
１２５，１２６ 排液用マニホールド
１２３ｓ，１２４ｓ 入口スリット １２５ｓ，１２６ｓ 出口スリット
１２７ シール部材 １２７ｇ シール溝
１９０ 給排板 ２１０，２２０ エンドプレート
２００ セルスタック ２００ｓ サブスタック
２３０ 締付機構

Claims (9)

1. 貫通窓と前記貫通窓を全周にわたって取り囲む内周縁凹部とを有する枠体と、前記内周縁凹部の厚み方向に外周縁部が重なる双極板と、を備え、
   前記枠体は、前記内周縁凹部の下方側に設けられ、前記内周縁凹部に電解液を導入する入口スリット、および前記内周縁凹部の上方側に設けられ、前記内周縁凹部から電解液を排出する出口スリットを有するセルフレームであって、
   前記双極板と前記内周縁凹部との間に形成される環状の隙間のうち、最も下方に位置する箇所を含む直線部または曲線部に介在される下方介在部材と、
   前記環状の隙間のうち、前記下方介在部材よりも上方側で、水平方向の一方側に位置する箇所に介在される一側介在部材と、
   前記環状の隙間のうち、前記下方介在部材よりも上方側で、水平方向の他方側に位置する箇所に介在される他側介在部材と、を備え、
   前記下方介在部材、前記一側介在部材、および前記他側介在部材のうち、少なくとも一部の部材が、前記環状の隙間における前記入口スリットと前記出口スリットとを連通させる電解液の逃げ道であるリーク流路を分断する位置に設けられているセルフレーム。
2. 前記内周縁凹部は、前記内周縁凹部の中心を通る鉛直線を挟んで線対称形状であり、
   前記一側介在部材と前記他側介在部材とは、前記中心に対して点対称、または前記鉛直線に対して線対称の位置に配置される請求項１に記載のセルフレーム。
3. 前記下方介在部材と前記一側介在部材とが一体に形成された第一規制部材、および前記下方介在部材と前記他側介在部材とが一体に形成された第二規制部材の少なくとも一方を備える請求項１または請求項２に記載のセルフレーム。
4. 前記環状の隙間のうち、最も上方に位置する箇所を含む直線部または曲線部に介在される上方介在部材を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセルフレーム。
5. 前記上方介在部材と前記一側介在部材とが一体に形成された第三規制部材、および前記上方介在部材と前記他側介在部材とが一体に形成された第四規制部材の少なくとも一方を備える請求項４に記載のセルフレーム。
6. 前記下方介在部材と、前記一側介在部材と、前記他側介在部材はそれぞれ、エラストマー、発泡ポリエチレン、発泡ウレタン、発泡ポリスチレン、カーボン不織布、カーボンクロス、カーボンペーパー、またはフッ素繊維で構成される請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセルフレーム。
7. 前記内周縁凹部の外周縁形状は、前記双極板の外形に相似する形状であり、
   前記外形は、円形状、楕円形状、レーストラック形状、または多角形状である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセルフレーム。
8. 請求項１から請求項７のいずれか１項に記載のセルフレームを備えるセルスタック。
9. 請求項８のセルスタックを備えるレドックスフロー電池。

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