JP2020194748A - レドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電池セルの大型化と機械的強度の確保を両立するレドックスフロー電池を提供する。【解決手段】レドックスフロー電池は、長方形状の開口部２２であって、開口部２２の長手方向に平行な第１の方向Ｘに沿って複数の小開口２２ａ〜２２ｃに分割された開口部２２を備えた枠体２１と、複数の領域２３ａ〜２３ｃに分割され、各領域２３ａ〜２３ｃが小開口２２ａ〜２２ｃ内に配置されて複数の凹部を形成する双極板２３とを有するセルフレーム２０と、複数の領域１１ａ〜１１ｃに分割され、各領域１１ａ〜１１ｃが凹部内に収容された電極１１と、を有し、複数の小開口２２ａ〜２２ｃのそれぞれは、長手方向が第１の方向Ｘに平行な長方形である。【選択図】図２

Description

本発明は、レドックスフロー電池に関する。

従来から、電力貯蔵用の二次電池として、電解液に含まれる活物質の酸化還元反応を利用して充放電を行うレドックスフロー電池が知られている。レドックスフロー電池は、大容量化が容易、長寿命、電池の充電状態が正確に監視可能であるなどの特徴を有している。このような特徴から、近年では、特に発電量の変動が大きい再生可能エネルギーの出力安定化や電力負荷平準化の用途としてレドックスフロー電池は大きな注目を集めている。

一般に、レドックスフロー電池は、所定の電圧を得るために、複数の電池セルが積層されたセルスタックから構成されている。さらに、セルスタックを複数設置することで、数ＭＷから数十ＭＷ規模といった高出力の要求に対応することができる（例えば、非特許文献１参照）。一方、スケールメリットによるコスト削減効果に着目すると、高出力の要求に対応するためには、セルスタックの数を増やすのではなく、セルスタックを構成する電池セルを大型化することも考えられる（例えば、非特許文献２参照）。

矢野敬二、外５名、「レドックスフロー電池の開発及び実証状況」、ＳＥＩテクニカルレビュー、２０１７年１月、第１９０号，ｐ．１５−２０ Puiki Leung、外５名、「Progress in redox flow batteries, remaining challenges and their applications in energy storage」、RSC Advances、英国王立化学会（Royal Society of Chemistry）、２０１２年、第２巻、ｐ．１０１２５−１０１５６

電池セルの大型化には、電池セルを構成する枠体や双極板などの大型化が必要になる。しかしながら、双極板は、一般に硬くて脆い性質を有する材料からなり、そのサイズが大きくなると、十分な機械的強度を確保することが難しくなる。その結果、双極板が破損して正極電解液と負極電解液が混合してしまい、自己放電が生じるなどの不具合が発生するおそれがある。

そこで、本発明の目的は、電池セルの大型化と機械的強度の確保を両立するレドックスフロー電池を提供することである。

上述した目的を達成するために、本発明の一態様によるレドックスフロー電池は、長方形状の開口部であって、開口部の長手方向に平行な第１の方向に沿って複数の小開口に分割された開口部を備えた枠体と、複数の領域に分割され、各領域が小開口内に配置されて複数の凹部を形成する双極板とを有するセルフレームと、複数の領域に分割され、各領域が凹部内に収容された電極と、を有し、複数の小開口のそれぞれは、長手方向が第１の方向に平行な長方形である。

また、本発明の他の態様によるレドックスフロー電池は、筐体と、筐体内に収容され板状に保持された電極と、活物質を含む流体を電極内に流通させる流体流通機構であって、流体を電極の第１の面に供給して第１の面と反対側の第２の面から回収するか、あるいは、流体を電極の内側に供給して第１の面または第２の面から回収する流体流通機構と、筐体の外部に設けられ、電極に電気的に接続された導電部と、を有している。

以上、本発明によれば、電池セルの大型化と機械的強度の確保を両立することができる。

第１の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。 第１の実施形態に係る電池セルの分解平面図である。 第１の実施形態に係る偏流抑制機構の追加例を示す図である。 第１の実施形態に係るセルフレームの他の例を示す平面図である。 第２の実施形態に係るレドックスフロー電池を構成するセルスタックの概略構成図である。 第２の実施形態に係る電極保持部と分散板の斜視図および断面図である。 第２の実施形態に係る偏流抑制機構の構成例を示す図である。 第３の実施形態に係るレドックスフロー電池を構成する電池セルの概略構成図である。 第３の実施形態に係る電池セルの概略断面図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の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。図１（ｂ）は、本実施形態のレドックスフロー電池を構成するセルスタックの概略構成図である。

レドックスフロー電池１は、電池セル１０内での正極活物質および負極活物質の酸化還元反応を利用して充放電を行うものであり、積層された複数の電池セル１０を有するセルスタック２を備えている。セルスタック２は、正極側往路配管Ｌ１および正極側復路配管Ｌ２を介して、正極電解液を貯留する正極側タンク３に接続されている。正極側往路配管Ｌ１には、正極側タンク３とセルスタック２との間で正極電解液を循環させる正極側ポンプ４が設けられている。また、セルスタック２は、負極側往路配管Ｌ３および負極側復路配管Ｌ４を介して、負極電解液を貯留する負極側タンク５に接続されている。負極側往路配管Ｌ３には、負極側タンク５とセルスタック２との間で負極電解液を循環させる負極側ポンプ６が設けられている。なお、電解液としては、液相中に粒状の活物質を懸濁・分散させて形成されたスラリーや、液状になった活物質そのものなど、活物質を含むあらゆる流体を用いることができ、活物質の溶液に限定されるものではない。

複数の電池セル１０は、後述するセルフレームと隔膜部とが交互に積層されることで構成されている。セルフレームと隔膜部の詳細な構成については後述する。図１（ｂ）には、４つの電池セル１０が示されているが、セルスタック２を構成する電池セル１０の個数はこれに限定されるものではない。また、詳細は後述するが、各電池セル１０は、セルスタック２の積層方向Ｚに垂直な方向（Ｘ方向）に３つの領域に分割されている。

各電池セル１０は、正極電極１１を収容する正極セル１２と、負極電極１３を収容する負極セル１４と、正極セル１２と負極セル１４とを分離する隔膜１５とを有している。正極セル１２は、個別供給流路Ｐ１および共通供給流路Ｃ１を介して、正極側往路配管Ｌ１に接続され、個別回収流路Ｐ２および共通回収流路Ｃ２を介して、正極側復路配管Ｌ２に接続されている。これにより、正極セル１２には、正極側タンク３から正極活物質を含む正極電解液が供給される。こうして、正極セル１２では、充電動作時に還元状態の正極活物質が酸化状態に変化する酸化反応が起こり、放電動作時に酸化状態の正極活物質が還元状態に変化する還元反応が起こる。一方、負極セル１４は、個別供給流路Ｐ３および共通供給流路Ｃ３を介して、負極側往路配管Ｌ３に接続され、個別回収流路Ｐ４および共通回収流路Ｃ４を介して、負極側復路配管Ｌ４に接続されている。これにより、負極セル１４には、負極側タンク５から負極活物質を含む負極電解液が供給される。こうして、負極セル１４では、充電動作時に酸化状態の負極活物質が還元状態に変化する還元反応が起こり、放電動作時に還元状態の負極活物質が酸化状態に変化する酸化反応が起こる。

図２は、本実施形態の電池セルの分解平面図であり、セルスタックの積層方向から見た平面を示している。ここでは、電池セルを構成するセルフレームおよび隔膜部の長手方向を横向きにした場合を示しているが、これは、電池セルの使用時における姿勢を限定するものではない。

複数の電池セル１０は、上述したように、セルフレーム２０と隔膜部３０とが交互に積層されることで構成されている。セルフレーム２０は、隣接する電池セル１０を互いに区画するものであり、長方形状の枠体２１を有している。枠体２１は、ほぼ長方形状の開口部２２を備え、開口部２２は、その長手方向（第１の方向）Ｘに沿って３つの小開口２２ａ〜２２ｃに分割されている。具体的には、開口部２２は、各小開口２２ａ〜２２ｃの長手方向が開口部２２の長手方向Ｘに平行になるように、３つの長方形状の小開口２２ａ〜２２ｃに分割されている。また、セルフレーム２０は、長方形状の双極板２３を有している。双極板２３は、３つの領域２３ａ〜２３ｃに分割され、これらは、開口部２２の小開口２２ａ〜２２ｃ内にそれぞれ配置されている。これにより、双極板２３の一方の面側（紙面表側）には３つの凹部が形成され、これら３つの凹部内に、正極電極１１の３つに分割された領域１１ａ〜１１ｃがそれぞれ双極板２３に接するように収容される。また、双極板２３の他方の面側（紙面裏側）にも３つの凹部が形成され、これら３つの凹部内に、負極電極１３の３つに分割された領域（図示せず）がそれぞれ双極板２２に接するように収容される。

隔膜部３０は、３つの領域１５ａ〜１５ｃに分割された隔膜１５と、隔膜１５を支持する支持枠部３１とを有している。隔膜部３０は、隔膜１５の３つの領域１５ａ〜１５ｃがそれぞれ双極板２３の３つの領域２３ａ〜２３ｃに対向して上述した３つの凹部を塞ぐように、セルフレーム２０に積層される。こうして、双極板２３の一方の面と隔膜１５との間に、３つの領域に分割された正極セル１２が形成され、双極板２３の他方の面と隔膜１５との間に、３つの領域に分割された負極セル１４が形成される。その結果、電池セル１０は、枠体２１の長手方向Ｘに３つの領域に分割されている。

枠体２１の４つの角部付近には、それぞれ枠体２１を厚み方向Ｚに貫通する貫通孔２４ａ〜２４ｄが形成されている。同様に、支持枠部３１の４つの角部付近には、それぞれ支持枠部３１を厚み方向Ｚに貫通する貫通孔３２ａ〜３２ｄが形成されている。貫通孔２４ａ〜２４ｄ，３２ａ〜３２ｄは、セルフレーム２０と隔膜部３０が交互に積層されてセルスタック２を構成したときに上述した共通流路Ｃ１〜Ｃ４を構成し、それぞれ電解液を流通させる。具体的には、左下の貫通孔２４ａ，３２ａは、正極電解液用の共通供給流路Ｃ１を構成し、右上の貫通孔２４ｂ，３２ｂは、正極電解液用の共通回収流路Ｃ２を構成する。また、右下の貫通孔２４ｃ，３２ｃは、負極電解液用の共通供給流路Ｃ３を構成し、左上の貫通孔２４ｄ，３２ｄは、負極電解液用の共通回収流路Ｃ４を構成する。

さらに、枠体２１の一方の面側（紙面表側）には、２つの流路溝２５，２６が形成されている。２つの流路溝２５，２６は、開口部２２の長手方向Ｘに垂直な幅方向（第２の方向）Ｙにおいて開口部２２の両側に隣接し、開口部２２の長手方向Ｘに延びている。第１の流路溝２５は、貫通孔２４ａ（共通供給流路Ｃ１）と正極セル１２の正極電極１１を収容する凹部とを接続し、正極電解液用の個別供給流路Ｐ１を構成する。また、第２の流路溝２６は、正極セル１２の正極電極１１を収容する凹部と貫通孔２４ｂ（共通回収流路Ｃ２）とを接続する正極電解液用の個別回収流路Ｐ２を構成する。また、図示しないが、枠体２１の他方の面側（紙面裏側）にも同様に、２つの流路溝が形成されている。一方の流路溝は、貫通孔２４ｃ（共通供給流路Ｃ３）と負極セル１４の負極電極１３を収容する凹部とを接続する負極電解液用の個別供給流路Ｐ３を構成する。他方の流路溝は、負極セル１４の負極電極１３を収容する凹部と貫通孔２４ｄ（共通回収流路Ｃ４）とを接続する負極電解液用の個別回収流路Ｐ４を構成する。

このように、本実施形態では、枠体２１の開口部２２が３つの小開口２２ａ〜２２ｃに分割され、それに応じて、双極板２３も３つの領域２３ａ〜２３ｃに分割されている。そのため、双極板２３全体のサイズを大きくしても、個々の領域２３ａ〜２３ｃのサイズを従来の双極板のサイズと同程度に維持することで、双極板２３全体として機械的強度の低下を抑制することができる。また、枠体２１には、開口部２２を幅方向Ｙに横断して３つの小開口２２ａ〜２２ｃに分割する梁状部分２２ｄ，２２ｅが形成されているが、これら梁状部分２２ｄ，２２ｅが枠体２１の剛性を高めるための補強部として機能する。そのため、枠体２１の大型化に伴う強度低下も最小限に抑えることができる。その結果、電池セル１０すなわちセルフレーム２０の機械的強度を確保しながら、電池セル１０の大型化を実現することができる。

図示した実施形態では、双極板２３の３つの領域２３ａ〜２３ｃは互いに電気的に接続されておらず、したがって、電極セル１０の３つの分割された領域も互いに電気的に接続されていない。ただし、電池セル１０の分割された領域間で電位差が大きくなり、それによる充放電性能の低下が懸念される場合には、双極板２３の３つの領域２３ａ〜２３ｃは互いに電気的に接続されていてもよい。そのために、例えば、枠体２１の梁状部分２２ｄ，２２ｅの内部に、双極板２３の３つの領域２３ａ〜２３ｃを電気的に接続する導電部材が設置されていてもよい。なお、枠体２１の開口部２２および双極板２３はそれぞれ３つに分割されているが、この数に特に制限はない。電池セル１０の所望のサイズに応じて、開口部２２および双極板２３をそれぞれ適切な数の領域に分割することができる。すなわち、電池セル１０のサイズをさらに大きくしたい場合、開口部２２および双極板２３をそれぞれ４つ以上の領域に分割することができる。

双極板２３は、開口部２２と双極板２３との隙間から電解液の漏れが発生しないように開口部２２に液密に装着される必要がある。双極板２３を複数に分割することは、このような装着の作業性を向上させることができる点でも好ましい。双極板２３の材料としては、機械的強度に加えて電解液に対する耐性（耐薬品性、耐酸性など）の観点から、一般に、炭素を含有する導電性材料が用いられる。ただし、より高い機械的強度が要求される場合には、炭素メッキされた金属板からなる双極板２３を用いてもよい。なお、枠体２１は絶縁性材料からなる。枠体２１の材料としては、適度な剛性を有するとともに、電解液と反応せず、電解液に対する耐性を有するものを用いることができ、例えば、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレンなどを用いることができる。

隔膜１５は、必ずしも複数の領域に分割されていなくてもよく、例えば、枠体２１の全面に設けられていてもよい。ただし、枠体２１のうち開口部２２を除いた領域、すなわち、電解液と接触しない領域に、イオン交換膜である隔膜１５が設けられていても、その領域は電池セル１０として機能しない。そのため、結果的に高価なイオン交換膜が無駄になってしまう。また、隔膜１５にも、サイズが大きくなると強度が不足したり取扱性が悪化したりするという懸念が生じる。したがって、隔膜１５も複数の領域１５ａ〜１５ｃに分割されていることが好ましく、さらに、図示したように、隔膜１５の各領域１５ａ〜１５ｃがマトリクス状の複数の小領域に分割されていることがより好ましい。なお、隔膜１５の分割数は、開口部２２すなわち双極板２３の分割数と同じでなくてもよい。一方、支持枠部３１は、隔膜１５の材料よりも強度が高い材料から形成されていることが好ましく、そのような材料としては、例えば、プラスチックが挙げられる。

各電極１１，１３の材料としては、炭素材料を用いることが好ましく、その形態としては、フェルト状、シート状などが挙げられる。ただし、必要な量の電極材料をセル１２，１４内に均一に設置する際の容易さやコストの点から、例えば、球状、粒状、タブレット状、リング状などの形態や、断面が多葉状の押出成形された形態などを含むペレット状の炭素材料を用いることもできる。

ところで、枠体２１の大型化に伴って開口部２２の長手方向Ｘの長さが長くなると、電池セル１０の長手方向Ｘの長さも長くなり、電池セル１０内での電解液の流れに偏流が発生するおそれがある。このような偏流は、小開口２２ａ〜２２ｃの間に形成される梁状部分２２ｄ，２２ｅによってもある程度抑制されるが、その効果は限定的である。そこで、本実施形態では、第１の流路溝２５と開口部２２との間に、両者を連通する複数の溝からなる第１の連通部２７が形成されている。また、第２の流路溝２６と開口部２２との間にも、両者を連通する複数の溝からなる第２の連通部２８が形成されている。各連通部２７，２８を構成する複数の溝は、各流路溝２５，２６と開口部２２との間で開口部２２の長手方向Ｘに配列されている。このような連通部２７，２８により、電解液が開口部２２の長手方向Ｘに分散して電池セル１０に供給されるため、上述した偏流の発生を抑制して充放電性能を最大限に発揮させることができる。偏流の抑制効果を高めるために、連通部２６，２７は、開口部２２の長手方向Ｘの全体にわたって形成されていることが好ましい。したがって、流路溝２５，２６も、開口部２２の長手方向Ｘの全体にわたって延びていることが好ましい。

電池セル１０内を流れる電解液の偏流を抑制する偏流抑制機構としては、上述した連通部２７，２８に限定されず、他の構成を追加的に採用することもできる。図３（ａ）は、そのような追加的な偏流抑制機構をセルフレームに設置した状態を示す平面図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す偏流抑制機構の斜視図であり、図３（ｃ）は、その分解斜視図である。

図３を参照すると、正極電極１１の各領域１１ａ〜１１ｃは、開口部２２の長手方向Ｘに３つ、幅方向Ｙに２つ、合わせて６つの小領域（電極片）１１ｄにさらに分割されている。そして、各電極片１１ｄの電解液が流入する側の面、すなわち、第１の流路溝２５に対向する面に、複数の孔を有する有孔シート１６が設けられている。加えて、各電極片１１ｄの有孔シート１６が設けられた面に隣接する２つの側面に、それぞれ整流シート１７が設けられている。有孔シート１６により、開口部２２の長手方向Ｘへの電解液の分散が促進され、整流シート１７により、開口部２２の長手方向Ｘへの電解液の拡散が抑制される。こうして、電池セル１０内での電解液の偏流をより一層抑制することができる。なお、隣接する整流シート１７の間を電解液がすり抜けてしまわないようにするために、隣接する整流シート１７は互いに接着されていることが好ましい。有孔シート１６および整流シート１７の材料としては、電池セル１０の内部の形状に適合可能な柔軟性を有し、電解液に対する耐性を有するものを用いることができ、例えば、プラスチックを用いることができる。

有孔シート１６は、電池セル１０内で開口部２２の長手方向Ｘに沿って配置されていれば、その設置場所や設置数は特に限定されるものではない。したがって、有孔シート１６は、正極電極１１の各領域１１ａ〜１１ｃのうち、第１の流路溝２５に対向する端面にのみ設けられていてもよい。その場合、正極電極１１の各領域１１ａ〜１１ｃは、必ずしも開口部２２の幅方向Ｙに分割されていなくてもよい。一方、整流シート１７は、電池セル１０内で開口部２２の幅方向Ｙに沿って配置されていれば所望の効果を発揮することができる。ただし、そのためには、正極電極１１の各領域１１ａ〜１１ｃが開口部２２の長手方向Ｘに２つ以上の小領域（電極片）に分割されている必要がある。

上述した実施形態では、電解液が流れる方向（Ｙ方向）における開口部２２の長さを従来と同程度に維持しつつ、この方向と垂直な方向（Ｘ方向）における開口部２２の長さを大きくすることで、電池セル１０の大型化を実現することができる。このような構成によれば、電池セル１０の大型化に伴って発生しうる不具合の発生も抑制することが可能になる。すなわち、電極１１，１３の高さ（Ｙ方向の長さ）を大きくすると、電解液が個々の電極１１，１３を通過する際の圧力損失が大きくなり、電極１１，１３の厚み（Ｚ方向の長さ）を大きくすると、電池セル１０の内部抵抗が増大するが、このような圧力損失や内部抵抗の増大を共に抑制することができる。一方で、電解液が流れる方向（Ｙ方向）に沿って枠体２１に複数の開口部２２を形成することで、上述した圧力損失や内部抵抗の増大を抑制しながら、その方向にも電池セル１０のサイズを大きくすることができる。図４は、そのような複数の開口部を備えた枠体を有するセルフレームの構成例を示す平面図である。

図４を参照すると、複数の開口部２２は、開口部２２の長手方向Ｘが互いに平行になるように、開口部２２の幅方向Ｙに沿って配列されている。第１の流路溝２５は、開口部２２の配列方向Ｙに延びる第１の共通流路溝２５ａと、それぞれが開口部２２の長手方向Ｙに延びる複数の第１の個別流路溝２５ｂとから構成されている。第２の流路溝２６も同様に、開口部２２の配列方向Ｙに延びる第２の共通流路溝２６ａと、それぞれが開口部２２の長手方向Ｙに延びる複数の第２の個別流路溝２６ｂとから構成されている。第１の共通流路溝２５ａは、左下の貫通孔２４ａから上方に延び、第２の共通流路溝２６ａは、右上の貫通孔２４ｂから下方に延びている。第１の個別流路溝２５ｂと第２の個別流路溝２６ｂは、配列方向Ｙに隣接する開口部２２の間に交互に配置され、隣接する開口部２２にそれぞれ接続されている。

このように、図４に示すセルフレーム２０では、電解液が流れる方向（Ｙ方向）において、開口部２２のサイズを大きくして電極１１，１３のサイズを大きくするのではなく、開口部２２の個数を増やして電極１１，１３の個数を増やしている。その結果、電池セル１０全体のサイズを大きくして高出力化を実現する一方、個々の電極１１，１３のサイズが大きくなることを抑制することができる。これにより、図４に示すセルフレーム２０においても、電池セル１０の大型化に伴って発生しうる上述した不具合の発生を抑制することが可能になる。すなわち、電解液が個々の電極１１，１３内を高さ方向Ｙに流れる流路の長さが長くならないため、その圧力損失が大きくなることを抑制することができる。また、個々の電極１１，１３の厚み（Ｚ方向の長さ）も大きくならないため、電極１１，１３の内部抵抗が増大することを抑制することができる。なお、図４に示すセルフレーム２０では、枠体２１に４つの開口部２２が形成され、各開口部２２は４つの小開口に分割されているが、開口部２２の個数に特に制限はなく、小開口の個数も特に制限はない。したがって、枠体２１には、２つ、３つ、または５つ以上の開口部２２が形成されていてもよく、各開口部２２も、２つ、３つ、または５つ以上の小開口に分割されていてもよい。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係るレドックスフロー電池を構成するセルスタックの概略構成図である。本実施形態は、第１の実施形態の変形例であり、双極板が設けられていない点で第１の実施形態と異なっている。以下、第１の実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、第１の実施形態と異なる構成のみ説明する。

本実施形態では、電池セル１０は、扁平な直方体状のセルケース（筐体）４０から構成されている。したがって、セルスタック２は、複数のセルケース４０が積層されることで構成されている。セルケース４０は、セルスタック２の積層方向Ｚにおいて互いに対向する１対の隔壁４１，４２を有し、隔膜１５は、一対の隔壁４１，４２の間に配置されている。したがって、正極セル１２は、第１の隔壁４１と隔膜１５との間に形成され、負極セル１４は、第２の隔壁４２と隔膜１５との間に形成されている。セルケース４０の材料としては、適度な剛性を有するとともに、電解液と反応せず、電解液に対する耐性を有するものが好ましい。そのような材料としては、例えば、第１の実施形態の枠体２１と同じ絶縁性材料を用いることができる。なお、セルスタック２を構成する電池セル１０の個数は、図示したものに限定されるものではない。

正極電極１１は、後述する電極保持部に板状に保持された状態で、正極セル１２内に収容されている。正極電極１１は、互いに反対側を向いた２つの面（第１および第２の面）のうち一方の面側で、第１の隔壁４１に間隔を置いて対向し、他方の面側で、隔膜１５に間隔を置いて対向している。これにより、正極セル１２内には、第１の隔壁４１と正極電極１１の一方の面との間に空間Ｓ１が形成され、正極電極１１の他方の面と隔膜１５との間にも空間Ｓ２が形成される。また、負極電極１３も、後述する電極保持部に板状に保持された状態で、負極セル１４内に収容されている。負極電極１３は、互いに反対側を向いた２つの面（第１および第２の面）のうち一方の面側で、第２の隔壁４２に間隔を置いて対向し、他方の面側で、隔膜１５に間隔を置いて対向している。これにより、負極セル１４内には、第２の隔壁４２と負極電極１３の一方の面との間に空間Ｓ３が形成され、負極電極１３の他方の面と隔膜１５との間にも空間Ｓ４が形成される。各電極１１，１３の材料としては、第１の実施形態と同様に、フェルト状やシート状の炭素材料の他、ペレット状の炭素材料を用いることもできる。

個別流路Ｐ１〜Ｐ４は、それぞれが独立した配管部材としてセルケース４０に接続され、電池セル１０の内部に連通している。正極電解液用の個別供給流路Ｐ１は、正極セル１２内の空間Ｓ１に接続され、個別回収流路Ｐ２は、正極セル１２内の空間Ｓ２に接続されている。したがって、正極電解液は、個別供給流路Ｐ１から空間Ｓ１を通じて正極電極１１に供給され、正極電極１１内を厚み方向Ｚに流れた後、空間Ｓ２から個別回収流路Ｐ２へと回収される。すなわち、空間Ｓ１は、正極電極１１に正極電解液を供給する流体供給部として機能し、空間Ｓ２は、正極電極１１から正極電解液を回収する流体回収部として機能し、これらは、正極電解液を正極電極１１内に流通させる流体流通機構を構成する。また、負極電解液用の個別供給流路Ｐ３は、負極セル１４内の空間Ｓ３に接続され、個別回収流路Ｐ４は、負極セル１４内の空間Ｓ４に接続されている。したがって、負極電解液は、個別供給流路Ｐ３から空間Ｓ３を通じて負極電極１３に供給され、負極電極１３内を厚み方向Ｚに流れた後、空間Ｓ４から個別回収流路Ｐ４へと回収される。すなわち、空間Ｓ３は、負極電極１３に負極電解液を供給する流体供給部として機能し、空間Ｓ４は、負極電極１３から負極電解液を回収する流体回収部として機能し、これらは、負極電解液を負極電極１３内に流通させる流体流通機構を構成する。なお、本実施形態では、共通流路Ｃ１〜Ｃ４も、個別流路Ｐ１〜Ｐ４と同様に、それぞれがセルケース４０とは独立した別個の配管部材として構成されている。

第１の実施形態では、正極電極１１と負極電極１３との電気的な接続は双極板２３によって行われるが、本実施形態では、そのような双極板の代わりに導電部１８が設けられている。導電部１８は、セルケース４０の外部に配置され、隣接する電池セル１０の正極電極１１と負極電極１３とを電気的に接続する機能を有している。具体的には、導電部１８は、セルケース４０の側面に形成された開口部（図示せず）を通じて、後述する電極保持部の集電部に接続され、これにより、正極電極１１または負極電極１３に電気的に接続されている。導電部１８を用いることは、双極板２３を用いる場合に比べて、電気経路の長さが長くなる点や断面積が小さくなる点では好ましくないが、電解液と接しないことから電解液に対する耐性を考慮しなくてもよい点で有利である。このため、導電部１８の材料としては、導電性の高い金属材料を用いることができる。一方で、双極板２３とは異なり、導電部１８にはそれほどの機械的強度が要求されないため、導電部１８の材料としては、導電性の高い炭素材料を選択することもできる。導電部１８は、最大でセルケース４０の４つの側面に設けられていてもよく、それにより、正極電極１１と負極電極１３との間の電気抵抗をより減少させることができる。

このように、本実施形態では、電池セル１０のサイズを大きくした場合に機械的強度の低下が問題になる双極板が設けられていない。これにより、大きな機械的強度の低下を伴うことなく電池セル１０の大型化を実現することができる。加えて、電池セル１０に対する電解液の供給および回収は、セルケース４０とは独立した別個の配管部材Ｃ１〜Ｃ４，Ｐ１〜Ｐ４によって行われる。そのため、セルケース４０自体に電解液の流路となる溝を形成する必要がなく、スケールメリットによるコスト削減効果がより一層期待できる。さらに、電解液が個々の電極１１，１３内を厚み方向Ｚに流れるため、電池セル１０のサイズを大きくしても、電解液が個々の電極１１，１３を通過する際の圧力損失が大幅に増大することも抑制される。なお、上述したように、隔膜１５にも、大型化に伴う強度不足や取扱性悪化の懸念がある。したがって、本実施形態の隔膜１５も、第１の実施形態と同様に、複数の領域に分割されるか、あるいはそれに加えて、複数の小領域に分割されていてよく、それらは、例えばプラスチックからなる支持枠部に支持されていてもよい。

電池セル１０の大型化に伴って個々の電極１１，１３の平面サイズ（ＸＹ平面におけるサイズ）が大きくなると、電極１１，１３内を厚み方向Ｚに通過する電解液の流れに偏流が発生するおそれがある。そこで、本実施形態では、各供給空間Ｓ１，Ｓ３内に、各電極１１，１３に対向するように分散板１９が設けられている。分散板１９は、後述するようにマトリクス状に配置された複数の孔を有している。これにより、各供給空間Ｓ１，Ｓ３内に供給された電解液が個々の電極１１，１３の表面に均一に分散される。その結果、上述した偏流の発生を抑制して充放電性能を最大限に発揮させることができる。分散板１９は、各回収空間Ｓ２，Ｓ４内にも設けられていてよい。

個々の電極１１，１３内を電解液が通過する方向は、図示した方向と逆であってもよい。すなわち、正極セル１２内では、正極電解液が隔膜１５側の空間Ｓ２から隔壁４１側の空間Ｓ１に向かって流れてもよい。換言すると、個別供給流路Ｐ１が、隔膜１５側の空間Ｓ２に接続され、個別回収流路Ｐ２が、隔壁４１側の空間Ｓ１に接続されていてもよい。また、負極セル１４内では、負極電解液が隔膜１５側の空間Ｓ４から隔壁４１側の空間Ｓ３に向かって流れてもよい。換言すると、個別供給流路Ｐ３が、隔膜１５側の空間Ｓ４に接続され、個別回収流路Ｐ４が、隔壁４２側の空間Ｓ３に接続されていてもよい。この場合、分散板１９は、隔膜１５側の空間Ｓ２，Ｓ４に設けられていることが好ましい。

また、個々の電極１１，１３内を電解液が通過する方向は、充電動作時と放電動作時で異なっていてもよい。一例として、正極側往路配管Ｌ１と正極側復路配管Ｌ２との間と負極側往路配管Ｌ３と負極側復路配管Ｌ４との間にそれぞれ配管切り替え装置を設けるなどして、充電動作時と放電動作時で電解液の流れる方向を切り替えてもよい。この場合、分散板１９は、隔壁４１，４２側の空間Ｓ１，Ｓ３だけでなく、隔膜１５側の空間Ｓ２，Ｓ４にも設けられていることが好ましい。

ここで、セルケース内に収容され、各電極を板状に保持する電極保持部の構成について説明する。正極電極を保持する電極保持部と負極電極を保持する電極保持部は同一の構成を有している。しがたって、以下では、正極電極を保持する電極保持部の構成のみ説明する。図６（ａ）は、正極電極を保持する電極保持部とそれに付随して設けられる分散板の斜視図である。図６（ｂ）から図６（ｄ）は、電極保持部を構成する集電部と補強部の断面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ−Ａ線に沿った断面図、図６（ｃ）は、図６（ａ）のＢ−Ｂ線に沿った断面図、図６（ｄ）は、図６（ａ）のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。

電極保持部４３は、扁平な直方体状に形成され、直方体の４つの側面を構成する枠部４４と、直方体の残りの２面を構成する格子部４５と有している。電極保持部４３は、内部に正極電極１１を収容し、対向する一対の格子部４５が第１の隔壁４１と隔膜１５にそれぞれ対向するようにセルケース４０内に収容される。これにより、正極電解液は、一方の格子部４５を通じて正極電極１１に流入し、正極電極１１内を厚み方向Ｚに流れた後、他方の格子部４５を通じて正極電極１１から流出することが可能になる。

枠部４４および格子部４５はそれぞれ、集電部４６と補強部４７から構成されている。集電部４６は、導電性材料からなり、枠部４４および格子部４５のそれぞれの内面、すなわち、正極電極１１に対向して接触する面を構成する。集電部４６の材料としては、導電性の高い炭素材料を用いることが好ましい。補強部４７は、集電部４６を補強する機能を有し、隔膜１５の材料よりも強度が高い材料から形成されていることが好ましい。そのような材料としては、例えば、プラスチックが挙げられる。補強部４７は、枠部４４および格子部４５のそれぞれの外面を構成するが、枠部４４の外面の一部には設けられていない。したがって、集電部４６は、その部分で枠部４４の外面に露出し、この露出した部分に導電部１８が接続される。これにより、導電部１８を正極電極１１に電気的に接続することができる。集電部４６が露出する位置は、枠部４４の少なくとも１箇所で集電部４６が外面に露出していれば、図示した位置に限定されるものではない。なお、集電部４６の材料として、例えば炭素メッキされた金属板など、一定以上の機械的強度を有するものを用いる場合、補強部４７は必ずしも設けられていなくてもよい。

分散板１９は、上述したように、マトリクス状に配置された複数の孔１９ａを有し、電極保持部４３の格子部４５に対向するように設けられている。このような分散板１９により、複数の孔１９ａを通過した正極電解液が正極電極１１の表面に均一に分散され、正極電極１１内を厚み方向Ｚに通過する電解液の偏流を抑制することができる。ただし、本実施形態における電解液の偏流抑制機構としては、このような分散板１９に限定されず、他の構成を採用することもできる。図７（ａ）および図７（ｂ）は、そのような偏流抑制機構の他の例を示す斜視図である。

図７（ａ）に示す例では、分散板１９が設けられていない代わりに、電極保持部４３自体が偏流抑制機構を備えている。すなわち、電極保持部４３は、隔壁４１に対向する面に分散板部４８を有している。分散板部４８は、マトリクス状に配置された複数の孔４８ａを有し、これにより、分散板１９が設けられているのと同様の効果をもたらすことができる。分散板部４８は、枠部４４と同様に、電極保持部４３の内面を構成する集電部４６と、外面を構成する補強部４７とから構成されている。分散板部４８は、電極保持部４３の隔膜１５に対向する面にも設けられていてよい。

一方、図７（ｂ）に示す例では、分散板１９の代わりに、それぞれが複数の供給口５０ａを有する複数の電解液導入管（流体導入管）５０が設けられている。電解液導入管５０は、個別供給流路Ｐ１に接続され、複数の供給口５０ａを通じて正極電極１１に正極電解液を供給する流体供給部として機能する。その一方、電解液導入管５０は、複数の供給口５０ａが隔壁４１に向けて（Ｚ軸の負の方向に）開口していることから、正極電解液を正極電極１１に均一に分散させる機能も有している。こうして、この例においても、分散板１９が設けられている場合と同様の効果を得ることができる。

本実施形態では、電池セル１０の積層数が第１の実施形態と同じであっても、セルフレーム２０とセルケース４０の構造上の違いにより、セルスタック２の積層方向Ｚにおける寸法は、第１の実施形態よりも大きくなる。そのため、第１の実施形態では、セルスタック２を固定する方法として、セルフレーム２０と隔膜部３０からなる積層体をまとめて固定する方法が一般的であるが、本実施形態では、隣接するセルケース４０を個別に固定してもよい。また、電池セル１０のサイズをさらに大きくしたい場合、セルケース４０は、機械的強度を確保する観点から、それぞれが正極セル１２と負極セル１４を構成する２つの半ケースからなっていてもよい。この場合も、隔膜１５を挟んで隣接する２つの半ケースを個別に固定し、そうして固定されたセルケース４０を隣接するセルケース４０と個別に固定してもよい。このような方法は、第１の実施形態のようにセルスタック２全体を固定する方法に比べて、セルスタック２の組み立てが容易になる点で好ましい。

（第３の実施形態）
図８は、本発明の第３の実施形態に係るレドックスフロー電池を構成する電池セルの一部を示す概略側面図、具体的には、正極セルの概略側面図である。図９（ａ）は、図８のＤ−Ｄ線に沿った断面図、図９（ｂ）は、図８のＥ−Ｅ線に沿った断面図、図９（ｃ）は、図８のＦ−Ｆ線に沿った断面図である。本実施形態は、第２の実施形態の変形例であり、電解液を電極内に流通させる流体流通機構の構成が第２の実施形態と異なっている。以下、第２の実施形態と同様の構成については、図面に同じ符号を付してその説明を省略し、第２の実施形態と異なる構成のみ説明する。なお、正極セルと負極セルの構成は実質的に同一であるため、正極セルに対する以下の説明は、負極セルにも当てはまることに留意されたい。

電池セル１０の内部抵抗の増大を抑制する観点から、正極電極１１と隔膜１５との距離はできるだけ近いことが好ましい。そこで、本実施形態では、電極保持部４３は、内部に収容した正極電極１１を隔膜１５に接触させるように構成されている。具体的には、電極保持部４３は、隔膜１５に対向する面が開口しており、内部に収容した正極電極１１が隔膜１５に接触するようにセルケース４０内に収容されている。これに伴い、正極電極１１と隔膜１５との間に空間Ｓ２は形成されていない。そのため、個別回収流路Ｐ２は、正極電極１１と第１の隔壁４１との間の空間Ｓ１に接続されている。また、本実施形態では、正極電極１１に正極電解液を供給する流体供給部として、第２の実施形態と同様の電解液導入管５０が設けられている。ただし、電解液導入管５０は、正極電極１１と第１の隔壁４１との間の空間Ｓ１にではなく、正極電極１１の内側に挿入されている。これに伴い、電解液導入管５０の供給口５０ａは、正極電極１１の側面に向けて（Ｘ軸の正または負の方向に）開口している。加えて、電極保持部４３は、第１の隔壁４１に対向する面に、孔４８ａの形状および配置を除いて第２の実施形態と同様の分散板部４８を有している。分散板部４８の複数の孔４８ａは、セルスタック２の積層方向Ｚから見て複数の電解液導入管５０の間に配置されている。

このような構成により、正極電解液は、個別供給流路Ｐ１から電解液導入管５０の複数の孔５０ａを通じて正極電極１１に流入する。そして、正極電極１１内を厚み方向Ｚと垂直な方向（Ｘ軸の正または負の方向）に流れた後、分散板部４８の複数の孔４８ａから空間Ｓ１に流出し、空間Ｓ１から個別回収流路Ｐ２へと回収される。したがって、本実施形態では、空間Ｓ１が、正極電極１１から正極電解液を回収する流体回収部として機能する。

このように、本実施形態によれば、正極電極１１と隔膜１５との距離を大幅に近づけることができるため、第２の実施形態で得られる効果に加えて、電池セル１０の内部抵抗を低減することができる。また、電解液導入管５０から供給される正極電解液は、最初は正極電極１１内を厚み方向Ｚと垂直な方向（Ｘ方向）に流れるが、最終的には正極電極１１内を厚み方向Ｚに流れて空間Ｓ１へと回収される。そのため、第２の実施形態に比べて、正極電解液が正極電極１１を通過する際の圧力損失が大幅に増加することもない。なお、本実施形態の隔膜１５も、第１の実施形態と同様に、複数の領域に分割されるか、あるいはそれに加えて、複数の小領域に分割されていてよく、それらは、例えばプラスチックからなる支持枠部に支持されていてもよい。

１ レドックスフロー電池
１０ 電池セル
１１，１１ａ〜１１ｃ 正極電極
１２ 正極セル
１３ 負極電極
１４ 負極セル
１５，１５ａ〜１５ｃ 隔膜
１６ 有孔シート
１７ 整流シート
１８ 導電部
１９ 分散板
２０ セルフレーム
２１ 枠体
２２ 開口部
２２ａ〜２２ｃ 小開口
２２ｄ，２２ｅ 梁状部分
２３，２３ａ〜２３ｃ 双極板
２５，２６ 流路溝
２７，２８ 連通部
３０ 隔膜部
３１ 支持枠部
４０ セルケース
４１，４２ 隔壁
４３ 電極保持部
４４ 枠部
４５ 格子部
４６ 集電部
４７ 補強部
４８ 分散板部
５０ 電解液導入管
５０ａ 供給口
Ｓ１〜Ｓ４ 空間
Ｘ （開口部の）長手方向
Ｙ （開口部の）幅方向

Claims (32)

1. 長方形状の開口部であって、該開口部の長手方向に平行な第１の方向に沿って複数の小開口に分割された開口部を備えた枠体と、複数の領域に分割され、該各領域が前記小開口内に配置されて複数の凹部を形成する双極板とを有するセルフレームと、
   複数の領域に分割され、該各領域が前記凹部内に収容された電極と、を有し、
   前記複数の小開口のそれぞれは、長手方向が前記第１の方向に平行な長方形である、レドックスフロー電池。
2. 複数の領域に分割され、該各領域が前記凹部を塞ぐように配置された隔膜を有する、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
3. 前記隔膜の前記複数の領域のそれぞれが、複数の小領域に分割されている、請求項２に記載のレドックスフロー電池。
4. 前記隔膜が、プラスチックからなる支持枠部に支持されている、請求項２または３に記載のレドックスフロー電池。
5. 前記双極板が、炭素メッキされた金属板からなる、請求項１から４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
6. 前記枠体が、前記第１の方向に垂直な第２の方向において前記開口部に隣接して該開口部に接続され、前記開口部との間で活物質を含む流体を流通させる２つの流路溝を有する、請求項１から５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
7. 前記複数の凹部内を流れる前記流体の偏流を抑制する偏流抑制機構を有する、請求項６に記載のレドックスフロー電池。
8. 前記偏流抑制機構が、前記枠体に形成された複数の溝であって、前記流路溝と前記開口部との間で前記第１の方向に配列され、前記流路溝と前記開口部とを連通する複数の溝からなる連通部を有する、請求項７に記載のレドックスフロー電池。
9. 前記偏流抑制機構が、前記凹部内で前記第１の方向に沿って配置された有孔シートを有する、請求項７または８に記載のレドックスフロー電池。
10. 前記偏流抑制機構が、前記凹部内で前記第２の方向に沿って配置された整流シートを有する、請求項７から９のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
11. 前記２つの流路溝が、前記開口部の前記第１の方向の全体にわたって該第１の方向に延びている、請求項６から１０のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
12. 前記枠体が、前記開口部を前記第１の方向に垂直な第２の方向に横断して該開口部を前記複数の小開口に分割する梁状部分を有する、請求項１から１１のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
13. 前記枠体が、前記梁状部分の内部に設けられ、前記双極板の前記複数の領域を電気的に接続する導電部材を有する、請求項１２に記載のレドックスフロー電池。
14. 前記枠体は、長手方向が前記第１の方向に平行な長方形である、請求項１から１３のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
15. 前記枠体が、複数の前記開口部を備え、前記複数の開口部は、該開口部の長手方向が互いに平行になるように、前記開口部の長手方向と垂直な方向に沿って配列されている、請求項１から１４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
16. 筐体と、
    前記筐体内に収容され板状に保持された電極と、
    活物質を含む流体を前記電極内に流通させる流体流通機構であって、前記流体を前記電極の第１の面に供給して該第１の面と反対側の第２の面から回収するか、あるいは、前記流体を前記電極の内側に供給して前記第１の面または前記第２の面から回収する流体流通機構と、
    前記筐体の外部に設けられ、前記電極に電気的に接続された導電部と、を有する、レドックスフロー電池。
17. 前記流体流通機構が、前記流体を前記電極の前記第１の面に供給して前記第２の面から回収するように構成され、前記電極に前記流体を供給する流体供給部と、前記電極から前記流体を回収する流体回収部とを有する、請求項１６に記載のレドックスフロー電池。
18. 前記筐体が、前記電極の前記第１および第２の面の一方の面に間隔を置いて対向する隔壁と、前記電極の前記第１および第２の面の他方の面に間隔を置いて対向する隔膜とを有する、請求項１７に記載のレドックスフロー電池。
19. 前記流体供給部が、前記筐体内で前記電極の前記第１の面と前記隔壁または前記隔膜との間に形成された空間から構成されている、請求項１８に記載のレドックスフロー電池。
20. マトリクス状に配置された複数の孔を有する分散板であって、前記電極の前記第１の面に対向して設けられ、前記空間内に供給された前記流体を前記第１の面に分散させる分散板を有する、請求項１９に記載のレドックスフロー電池。
21. 前記流体供給部が、前記筐体内で前記電極の前記第１の面と前記隔壁または前記隔膜との間に形成された空間に設けられた複数の流体導入管から構成されている、請求項１８に記載のレドックスフロー電池。
22. 前記流体導入管が、前記第１の面に対向する前記隔壁または前記隔膜に向けて開口する複数の供給口を有する、請求項２１に記載のレドックスフロー電池。
23. 前記流体回収部が、前記筐体内で前記電極の前記第２の面と前記隔壁または前記隔膜との間に形成された空間から構成されている、請求項１８から２２のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
24. 前記流体流通機構が、前記流体を前記電極の内側に供給して前記第１の面または前記第２の面から回収するように構成され、前記電極に前記流体を供給する流体供給部と、前記電極から前記流体を回収する流体回収部とを有する、請求項１６に記載のレドックスフロー電池。
25. 前記筐体が、前記電極の前記第１および第２の面の一方の面に間隔を置いて対向する隔壁と、前記電極の前記第１および第２の面の他方の面に対向して接触する隔膜とを有し、
    前記流体供給部が、前記電極の内側に挿入された複数の流体導入管から構成され、前記流体回収部が、前記筐体内で前記電極の前記一方の面と前記隔壁との間に形成された空間から構成されている、請求項２４に記載のレドックスフロー電池。
26. 前記流体導入管が、前記電極の側面に向けて開口する複数の供給口を有する、請求項２５に記載のレドックスフロー電池。
27. 前記隔膜が、複数の領域に分割され、プラスチックからなる支持枠部に支持されている、請求項１８から２３、２５、２６のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
28. 前記隔膜の前記複数の領域のそれぞれが、複数の小領域に分割されている、請求項２７に記載のレドックスフロー電池。
29. 前記筐体内に収容され、前記電極を板状に保持する電極保持部を有する、請求項１６から２８のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
30. 前記電極保持部が、導電性材料からなり、前記電極保持部の内面を構成する集電部であって、少なくとも一部が前記電極保持部の外面に露出する集電部を有し、
    前記導電部が、前記集電部の前記少なくとも一部に電気的に接続されている、請求項２９に記載のレドックスフロー電池。
31. 前記電極保持部が、プラスチックからなり、前記電極保持部の外面を構成して前記集電部を補強する補強部を有する、請求項３０に記載のレドックスフロー電池。
32. 前記導電性材料が炭素を含む、請求項３０または３１に記載のレドックスフロー電池。

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