JP5477672B2 - 電解液流通型電池用セルフレーム、電解液流通型電池用セルスタック、及び電解液流通型電池 - Google Patents

電解液流通型電池用セルフレーム、電解液流通型電池用セルスタック、及び電解液流通型電池 Download PDF

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Description

本発明は、組立性に優れる電池用シール構造、並びにこの電池用シール構造を備える電解液流通型電池用セルフレーム、電解液流通型電池用セルスタック、及び電解液流通型電池に関する。
大容量の蓄電池の一つにレドックスフロー電池などの電解液流通型電池がある。レドックスフロー電池は、隔膜と、隔膜を介して対向す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を含有する水溶液が一般的に使用されている。レドックスフロー電池としては、例えば、正極電解液に鉄イオン水溶液、負極電解液にクロムイオン水溶液を用いた鉄‐クロム系レドックスフロー電池の他、正負極の電解液にバナジウムイオン水溶液を用いたバナジウム系レドックスフロー電池がよく知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。
図８は、電解液流通型電池（レドックスフロー電池）を説明するための概要図である。レドックスフロー電池100は、セル110を備える。セル110は、イオンを透過することができる隔膜111で正極セル112と負極セル113とに区画され、正極セル112には正極電極114が、負極セル113には負極電極115がそれぞれ収容されている。また、レドックスフロー電池100は、正極用及び負極用にそれぞれ、電解液を貯蔵する電解液タンク120と、電解液を電解液タンク120と電池セル110（正極セル112、負極セル113）との間で循環させるための循環経路130と、循環経路130に電解液を循環させる循環ポンプ140と、を備える。循環経路130は、電解液を電解液タンク120から電池セル110（正極セル112、負極セル113）に送る往路配管131と、電解液を電池セル110（正極セル112、負極セル113）から電解液タンク120に戻す復路配管132とを有する。なお、図８に示すレドックスフロー電池100では、正負極の電解液にバナジウムイオン水溶液を用いた場合を例に挙げている。また、図８中の電池セル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。
レドックスフロー電池のセルは、一般に、隔膜と、隔膜を介して対向する正極電極及び負極電極とからなるセルを複数積層させたセルスタックと呼ばれる形態で利用される。図９は、セルスタックを説明するための概要図である。セルスタック200には、双極板211と双極板211を固定する枠体212とを備えるセルフレーム210が用いられており、セルスタック200は、正極電極114、隔膜111、負極電極115を重ねたセルを、セルフレーム210を挟んで複数積層した構造となっている。つまり、セルフレーム210（双極板211）間に１つのセルが形成されることになり、セルフレーム210（枠体212）の開口の内部に形成される空間には、双極板211を挟んで表裏に、隣り合うセルの負極電極（負極セル）と正極電極（正極セル）とが配置されることになる。このセルフレーム210の枠体212には、各電極に電解液を供給・排出するため、表裏に貫通する給液用マニホールド213,214及び排液用マニホールド215,216と、表裏面に互い違いに形成され、各マニホールドから各電極に電解液を案内するガイド溝とが設けられている。また、場合によっては、ガイド溝を覆うようにプラスチック製の保護板（図示せず）を配置し、ガイド溝と隔膜111とが直接接触しないようにして、積層した際、隔膜111に破れを生じ難くすることもある。そして、セルスタック200は、正極電極114、隔膜111、負極電極115からなるセルがセルフレーム210を挟んで複数積層された積層体の両側に一対のエンドプレート220を配置し、ボルトなどの締付機構230により両エンドプレート220を積層体の積層方向に締め付けることで構成されている（例えば、特許文献１の段落０００４〜０００５、図９など）。
上記したセルフレームには、プラスチックカーボン（例、黒鉛含有樹脂）製の双極板と、プラスチック（例、塩化ビニル）製の枠体が多用されている。このセルフレームは、通常、一対のフレームの間に双極板の周縁部を挟み、有機溶剤を用いてフレームと双極板とを溶着して一体化することで組み立てられる（例えば、特許文献３の段落００２８など）。この場合、一対のフレームが枠体を構成することになる。そして、フレームと双極板とを有機溶剤で溶着することで、枠体の開口の内部に形成される双極板により隔離された空間をシールするシール構造を形成している。
特開２００２‐３６７６５９号公報 特開２００２‐３６７６６０号公報 特開２００１‐１８９１５６号公報
上記した従来技術では、有機溶剤を用いて溶着することで、一対のフレームと電池用板状部材（双極板）の周縁部との間をシールするシール構造としている。しかし、従来の電池用シール構造では、次のような課題がある。
溶着作業は作業者のスキルに依存するため、品質にばらつきが生じ易く、組立性に課題がある。
また、一対のフレームと電池用板状部材の周縁部とを有機溶剤で溶着する電池用シール構造の場合、フレームと電池用板状部材との境界部に応力が集中し易く、内部損傷を受け易いという課題がある。
本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、組立性に優れる電池用シール構造を提供することにある。また、別の目的は、この電池用シール構造を備える電解液流通型電池用セルフレーム、電解液流通型電池用セルスタック、及び電解液流通型電池を提供することにある。
本発明は、電池用板状部材の周縁部の表裏を挟持する一対の脚部と、電池用板状部材の外縁でこれら脚部を連結する基部と、を有する弾性材料からなる環状のパッキンを用いることで、上記課題を解決する。
本発明の電池用シール構造は、電池用板状部材と、電池用板状部材の周縁部を挟む一対のフレームとを備え、各フレームの開口の内部に形成される空間をシールする。一対のフレームは表裏から押圧され、一対のフレームには、押圧方向に互いに対向する対向面の間に、電池用板状部材の周縁部を収容する環状の溝が形成されている。そして、この環状溝内に配置され、一対のフレームと電池用板状部材の周縁部との間で圧接される弾性材料からなる環状のパッキンを備える。このパッキンは、電池用板状部材の周縁部の表裏を挟持する一対の脚部と、電池用板状部材の外縁でこれら脚部を連結する基部とを有することを特徴とする。
この構成によれば、一対のフレームの間に電池用板状部材の周縁部を挟み、一対のフレームを表裏から押圧することで、フレームと電池用板状部材とを一体化している。そのため、溶着作業が不要となり、作業者のスキルに依存することのない電池用シール構造とすることができ、組立性に優れる。また、弾性材料からなる環状のパッキンを備えることで、パッキンが一対のフレームと電池用板状部材の周縁部との間で圧接されることで変形して両者に密着し、高いシール性を確保することができる。さらに、パッキンが一対の脚部とこれら脚部を連結する基部とを有することで、パッキンを拡げて電池用板状部材の周縁部に嵌め込むだけの簡単な作業で取り付けることができながら、パッキンが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。
ここで、パッキンが断面略Ｖ字状で、基部から延びる一対の脚部の先端同士の間隔が根元同士の間隔（即ち、電池用板状部材の周縁部の厚さ）より広くなるように形成されていると、電池用板状部材の周縁部にパッキンを取り付ける際に、両脚部の間に電池用板状部材の周縁部を挟み込み易く、パッキンの嵌め込み作業が行い易い。例えば、電池用板状部材の周縁部への取り付け前の状態において、両脚部の先端同士の間隔が、電池用板状部材の周縁部の厚さに比べて２倍以上が好ましく、３倍以上がより好ましい。
パッキンが弾性材料からなることで、電池用板状部材が膨張・収縮変形する事態が生じても、パッキンが電池用板状部材に追従して伸縮する。また、例えば電解液流通型電池のように電解液の流通に伴い、電池用板状部材が変形したり応力を受けたりすることがあっても、パッキンが追従して応力を緩和する効果がある。そのため、フレーム又は電池用板状部材が損傷することを防止することができる。よって、電池用板状部材の材料が限定されることがなく、電池用板状部材の材料の選択肢が拡大する。
パッキン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、用途に応じて適宜選択すればよい。例えば、本発明の電池用シール構造を上記した電解液流通型電池（レドックスフロー電池）のセルフレームに適用する場合、耐電解液性に優れるEPDMやフッ素ゴムを選択することが好ましい。
本発明の電池用シール構造の一形態としては、パッキンの脚部の少なくとも一方が、フレームに対向する外面又は電池用板状部材に対向する内面のいずれか一方若しくは両方に、突起を有することが挙げられる。
各脚部は、フレームと電池用板状部材との間で圧接される。この構成によれば、脚部に突起を有することで、圧接されたときに突起が押し潰され圧縮変形し、シール性を高めることができる。より具体的には、電池用シール構造としたとき、突起が圧縮変形することによって、フレーム及び電池用板状部材との接触箇所で面圧が生じて、高いシール機能を発揮する。脚部の寸法や突起の個数は、特に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。例えば、本発明の電池用シール構造を上記した電解液流通型電池（レドックスフロー電池）のセルフレームに適用する場合、脚部は、非圧縮状態において、厚さ（外面から内面までの距離）を0.2mm〜0.5mmとし、幅（先端から基部までの距離）を1.0mm〜10mmとすることが挙げられる。また、突起は、環状のパッキンの周方向に一連に設け、個数を脚部の一方の面に対し1〜5個とし、非圧縮状態において、高さを0.1mm〜0.5mmとすることが挙げられる。脚部に突起を有するパッキンでは、突起の圧縮量（つぶし率）によって接触面圧が決まり、圧縮量が大きくなるほど接触面圧が高くなる。突起の高さを上記した範囲とすることで、十分な接触面圧を確保してシール性を高めると共に、過大な接触面圧が生じることによるフレーム又は電池用板状部材の損傷や変形を抑えることができる。また、複数の突起を有する場合、脚部の幅方向にわたってフレーム又は電池用板状部材との接触箇所が増え、シール性の信頼性を高めることが可能である。脚部の突起は、パッキン（脚部）を補強するリブとして作用し、保形する機能も兼ね備える。
ここで、脚部の突起は、一対の脚部の少なくとも一方に有すればよく、両方に設けてもよいし、一方にのみ設けてもよい。また、脚部の突起は、一方の脚部において外面と内面のいずれか一方に有すればよく、両面に設けてもよいし、一方の面にのみ設けてもよい。例えば、一方の脚部には外面に突起を設け、他方の脚部には内面に突起を設けたり、両方の脚部の外面又は内面のいずれか一方の面にのみ突起を設けたりしてもよい。一方の脚部において外面と内面の両面に突起を設ける場合、突起は、外面と内面とで脚部の幅方向に位置をずらして設けてもよいし、脚部の幅方向の同じ位置に設けてもよい。両方の脚部に突起を設ける場合、一方の脚部と他方の脚部とで突起の位置を異ならせてもよいし、突起の位置を一致させてもよい。
本発明の電池用シール構造の一形態としては、パッキンの脚部の少なくとも一方が、基部から直線状に延びる根元部と、この根元部から先端にかけて形成された少なくとも１つの屈曲部を有することが挙げられる。
各脚部は、フレームと電池用板状部材との間で圧接される。この構成によれば、脚部に屈曲部を有することで、圧接されたときに屈曲部の折り曲げ状態が広げられて扁平に弾性変形し、シール性を高めることができる。より具体的には、電池用シール構造としたとき、屈曲部が弾性変形することによって、フレーム及び電池用板状部材との接触箇所で面圧が生じて、高いシール機能を発揮する。屈曲部の寸法・形状や屈曲部の個数は、特に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。例えば、本発明の電池用シール構造を上記した電解液流通型電池（レドックスフロー電池）のセルフレームに適用する場合、脚部は、非圧縮状態において、厚さ（外面から内面までの距離）を0.2mm〜0.5mmとし、幅（先端から基部までの距離）を1.0mm〜10mmとすることが挙げられる。また、屈曲部は、環状のパッキンの周方向に一連に設け、個数を1〜5個とし、非圧縮状態において、屈曲角度を80°〜150°、屈曲高さを0.3mm〜3mmとすることが挙げられる。屈曲部の形状は、V字状でもU字状（円弧状、弓状）でもよく、複数の屈曲部を形成して波形状としてもよい。複数の屈曲部を有することで、脚部の幅方向にわたってフレーム又は電池用板状部材との接触箇所が増え、シール性の信頼性を高めることが可能である。
なお、屈曲部の屈曲角度とは、屈曲部を形成する２辺（面）のなす角度のことである。この屈曲角度が小さ過ぎると、圧接されたときに屈曲部が座屈する虞がある。一方、屈曲角度が大き過ぎると、屈曲高さを一定とした場合、脚部の幅を長くとる必要があり、圧接されたときに脚部の先端が環状溝からはみ出る虞がある。また、屈曲部の屈曲高さとは、根元部を基準として、フレームに対向する外面側に凸となる屈曲部である場合は、根元部における電池用板状部材に対向する内面から屈曲部の頂点までの距離のことであり、内面側に凸となる屈曲部である場合は、根元部における外面から屈曲部の頂点までの距離のことである。脚部に屈曲部を有するパッキンでは、屈曲部の圧縮量（屈曲高さの変形量）によって接触面圧が決まり、圧縮量が大きくなるほど接触面圧が高くなる。屈曲部の屈曲高さを上記した範囲とすることで、十分な接触面圧を確保してシール性を高めることができる。この屈曲高さが高過ぎると、脚部の幅が長くなり、圧接されたときに脚部の先端が環状溝からはみ出る虞がある。
ここで、屈曲部は、次の条件を満たすものが含まれる。
（１）根元部に連続し、かつ根元部に対して傾斜する第１辺部と、この第１辺部に連続し、かつ第１辺部に対して傾斜する第２辺部とから形成されている。
（２）上記第２辺部の先端側が根元部の少なくとも延長線上まで延びている。
（３）脚部はパッキンの径方向内方に向かって延び、屈曲部で基部側（パッキンの径方向外方）に折り返されない。
脚部に屈曲部を有し、屈曲部の弾性変形を利用してシール機能を発揮するタイプの上記したパッキンは、圧縮変形を利用してシール機能を発揮するタイプのパッキン（例えばOリング）に比較して、更に次のような利点がある。圧縮量を決定する、脚部が配置されるフレームと電池用板状部材の周縁部との間の距離は、これら部材の製造公差や組み付け誤差に起因したばらつきが生じることがある。脚部に屈曲部を有するパッキンの場合、Oリングに比較して、圧縮量の差（上記した距離のばらつき）による接触面圧の変化が小さく、安定した接触面圧が得られる。そのため、屈曲部の屈曲高さを上記した距離の設計値より十分に高くすることで、上記した距離にばらつきがあっても、安定した接触面圧によってシール性を確保でき、また、製造公差や組み付け誤差を吸収できるため、各部材の製造公差を大きく設計できる。さらに、例えば電池運転時に、フレームと電池用板状部材との熱膨張係数の差に起因する応力によって、フレームに対して電池用板状部材が相対的に移動する事態が生じることがある。脚部に屈曲部を有するパッキンの場合、上記した距離のばらつきによらず、安定した接触面圧が得られるため、電池用板状部材の移動が阻害されることが少ない。その結果、上記した熱膨張係数差に起因する応力によって、電池用板状部材が損傷することを抑えることができる。これに対し、Oリングの場合、上記した距離にばらつきがあると、接触面圧が過小になったり過大になったりして、接触面圧の変化が大きく、安定した接触面圧が得られない。そのため、製造公差や組み付け誤差を考慮して、Oリングの直径（高さ）を上記した距離の設計値より大きくした場合、過大な接触面圧が生じ、フレーム又は電池用板状部材が損傷や変形する虞がある。さらに、Oリングの場合、上記した距離のばらつきによって、過大な接触面圧が生じることがあることから、電池用板状部材の移動が阻害され、上記した熱膨張係数差に起因する応力によって、電池用板状部材が損傷する虞がある。
このように、脚部に屈曲部を有するパッキンを用いることで、（１）安定した接触面圧が得られる。（２）シール性を確保しながら、フレームや電池用板状部材の製造公差や組み付け誤差を吸収できる。（３）過大な接触面圧が生じることを抑え、電池用板状部材の移動をスムーズにできる。といった有利な効果が期待できる。そして、各部材の製造公差を大きくすることが可能であるので、電池用シール構造の低コスト化を図ることができる。また、電池用板状部材が損傷するリスクがより軽減されることから、電池用板状部材の要求強度を更に低減でき、電池用板状部材の材料の選択肢がより拡大する。
本発明の電池用シール構造の一形態としては、パッキンの基部が、一対のフレームに対向する表裏の少なくとも一方の面に、突起を有することが挙げられる。
基部は、一対のフレーム間で圧接される。この構成によれば、基部に突起を有することで、圧接されたときに突起が押し潰され圧縮変形し、シール性を高めることができる。より具体的には、電池用シール構造としたとき、突起が圧縮変形することによって、フレームとの接触箇所で面圧が生じて、高いシール機能を発揮する。基部の寸法や突起の個数は、特に限定されるものではなく、適宜設定すればよい。例えば、本発明の電池用シール構造を上記した電解液流通型電池（レドックスフロー電池）のセルフレームに適用する場合、基部は、非圧縮状態において、厚さ（表面から裏面までの距離）を0.5mm〜1.2mmとし、幅（電池用板状部材の外縁に接する内周縁から外周縁までの距離）を0.5mm〜1.5mmとすることが挙げられる。また、突起は、環状のパッキンの周方向に一連に設け、個数を脚部の一方の面に対し1〜3個とし、非圧縮状態において、高さを0.1mm〜0.5mmとすることが挙げられる。この突起の圧縮量（つぶし率）によって接触面圧が決まり、圧縮量が大きくなるほど接触面圧が高くなる。突起の高さを上記した範囲とすることで、十分な接触面圧を確保してシール性を高めると共に、過大な接触面圧が生じることによるフレームの損傷や変形を抑えることができる。また、複数の突起を有する場合、基部の幅方向にわたってフレームとの接触箇所が増え、シール性の信頼性を高めることが可能である。基部の突起は、パッキン（基部）を補強するリブとして作用し、保形する機能も兼ね備える。
ここで、基部の突起は、表裏の少なくとも一方の面に有すればよく、両面に設けてもよいし、一方の面にのみ設けてもよい。基部において表裏の両面に突起を設ける場合、突起は、表面と裏面とで基部の幅方向に位置をずらして設けてもよいし、基部の幅方向の同じ位置に設けてもよい。
本発明の電解液流通型電池用セルフレームは、電池用板状部材と、電池用板状部材の周縁部を挟む一対のフレームとを備える。そして、電池用板状部材が双極板であり、上記した本発明の電池用シール構造を備えることを特徴とする。
この構成によれば、上記した本発明の電池用シール構造を備えることで、上述したように、組立性に優れる。また、パッキンが弾性材料からなることで、上述したように、パッキンがフレームと双極板との境界部での応力集中を緩和して、フレーム又は双極板が損傷することを防止することができる。よって、双極板の材料が限定されることがなく、双極板の材料の選択肢が拡大する。例えば、黒鉛を10質量％〜50質量％程度含有するプラスチックカーボンの他、黒鉛含有量が高い（例えば60質量％以上）プラスチックカーボン、或いは黒鉛のみからなるカーボン板を双極板に用いることも容易である。
本発明の電解液流通型電池用セルスタックは、隔膜と、隔膜を介して対向する正極電極及び負極電極とからなるセルがセルフレームを挟んで複数積層された積層体を備える。そして、セルフレームが上記した本発明の電解液流通型電池用セルフレームである。また、積層体の両端に配置される一対のエンドプレートと、両エンドプレートを積層体の積層方向に締め付ける締付機構とを備えることを特徴とする。
この構成によれば、セルフレームが上記した本発明のセルフレームであることで、組立性に優れ、セルフレームを構成するフレームと双極板との境界部での応力集中に起因する損傷を防止することができる。また、エンドプレートと締付機構とにより締め付けることで、セルフレームを構成する一対のフレームを表裏から押圧することができる。
本発明の電解液流通型電池は、上記した本発明の電解液流通型電池用セルスタックを備えることを特徴とする。
この構成によれば、上記した本発明の電解液流通型電池用セルスタックを備えることで、組立性に優れる。また、セルフレームを構成するフレームと双極板との境界部での応力集中に起因する損傷を防止することができるので、電池の運転条件や保管条件が急激に変化する環境に設置しても安定して動作することができる。
本発明の電解液流通型電池の一形態としては、レドックスフロー電池であることが挙げられる。
レドックスフロー電池としては、特に限定されるものではなく、例えば、正負極の電解液が以下の（1）〜（2）のいずれかであることが挙げられる。
（1）正負極の電解液はそれぞれ、バナジウムイオンを含有する。
（2）正極電解液は、鉄イオンを含有し、負極電解液は、バナジウムイオン、クロムイオン、亜鉛イオン、及びスズイオンから選択される少なくとも一種の金属イオンを含有する。
本発明の電池用シール構造は、一対の脚部とこれら脚部を連結する基部とを有する弾性材料からなる環状のパッキンを用いることで、組立性に優れながら、高いシール性を確保することができる。また、フレームと電池用板状部材との境界部での応力集中に起因する損傷を防止することができ、電池用板状部材の材料の選択肢が拡大する。また、本発明の電解液流通型電池用セルフレーム、電解液流通型電池用セルスタック、及び電解液流通型電池は、上記した本発明の電池用シール構造を備えることで、組立性に優れ、フレームと双極板との境界部での応力集中に起因する損傷を防止することができ、双極板の材料の選択肢が拡大する。
実施の形態１に係るセルフレームを備えるセルスタックを説明するための概略一部拡大断面図である。 実施の形態１に係るセルフレームに用いたパッキンを説明するための概略一部拡大断面図である。 実施の形態１に係るセルフレームの組立手順を説明するための概略一部拡大断面図であり、（A）は組立前の状態を示し、（B）は組立後の状態を示す。 実施の形態２に係るセルフレームに用いたパッキンを説明するための概略一部拡大断面図である。 実施の形態２に係るセルフレームの組立手順を説明するための概略一部拡大断面図であり、（A）は組立前の状態を示し、（B）は組立後の状態を示す。 実施の形態２に係るセルフレームの組立後の状態の一例を説明するための概略一部拡大断面図である。 フレームの変形例を説明するための概略一部拡大断面図であり、（A）はその一例を示し、（B）は別の一例を示す。 レドックスフロー電池を説明するための概要図である。 セルスタックを説明するための概要図である。
本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。なお、以下に説明する実施の形態では、電解液流通型電池（レドックスフロー電池）のセルフレームを例に挙げて説明する。図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係るセルフレーム10を備えるセルスタックを示す図である。このセルスタックは、隔膜111、隔膜111を介して対向する正極電極114及び負極電極115とからなるセルを、セルフレーム10を挟んで複数積層しており、セルフレーム10を除いてその他の構成は、図９を用いて説明したセルスタック200と同様の構成であるので、ここでは説明を省略する。
セルフレーム10は、電池用板状部材（双極板）11と、一対のフレーム12a,12bと、パッキン20とを備える。以下、各構成部材について詳しく説明する。
双極板11は、矩形板状であり、例えば、プラスチックカーボンやカーボン板が用いられている。この例では、厚さを0.6mmに設計している。
フレーム12a,12bはそれぞれ、矩形枠状であり、例えば、塩化ビニル製のものである。この例では、断面略Ｌ字状の同一形状とし、且つ、双極板11を挟んで対称配置されている。なお、ここでいう断面は、フレーム12a,12bの周方向に直交する断面である。フレーム12a,12bは、双極板11の周縁部を挟み、表裏から押圧されている（ここでは、図１中、上側を「表側」、下側を「裏側」とする）。フレーム12a,12bの押圧方向に互いに対向する対向面にはそれぞれ、内周縁部の厚さが薄くなるように段差面13が形成されており、フレーム12aとフレーム12bとの対向面の間に環状の溝14が形成されている。そして、この環状溝14内に双極板11の周縁部が収容される。
パッキン20は、矩形環状であり、例えば、EPDMやフッ素ゴムといった弾性材料からなり、この例では、EPDMで形成されている。パッキン20は、双極板11の周縁部に嵌め込まれて取り付けられており、環状溝14内に配置され、フレーム12a,12bと双極板11の周縁部との間で圧接されている。このパッキン20は、双極板11の周縁部の表裏を挟持する一対の脚部21と、双極板11の外縁でこれら脚部21を連結する基部22とを有する。脚部21は、フレーム12a（12b）に対向する外面と双極板11に対向する内面とを有し、基部22は、フレーム12aに対向する表面とフレーム12bに対向する裏面とを有する。脚部21と基部22とは一体に形成されている。
図２は、セルフレームを組み立てる前のパッキンを示す図である。パッキン20は、図２に示すように、断面略Ｖ字状であり、脚部21と基部22のそれぞれには突起23が設けられている。なお、ここでいう断面は、パッキン20の周方向に直交する断面である。この例では、両方の脚部21に突起23が設けられると共に、両方の脚部21において外面と内面の両面に突起23が設けられており、基部21においても表面と裏面の両面に突起23が設けられている。また、脚部21の突起23は片面に対して3個ずつ（両面で計6個）、基部22の突起23は片面に対して2個ずつ（両面で計4個）、それぞれ設けられており、脚部21と基部22のいずれにおいても、その幅方向の同じ位置に両面に突起23が設けられている。両方の脚部21において突起23の位置は一致し、各脚部21同士は対称形状である。なお、脚部21及び基部22の突起23は、環状のパッキン20の周方向に沿って一連に形成されている。
この例では、パッキン20が非圧縮状態のとき、脚部21は、厚さT1を0.3mm、幅W1を3.0mm、脚部21の突起23の高さH1を0.3mmに設計し、基部22は、厚さT2を1.0mm、幅W2を1.0mm、基部22の突起23の高さH2を0.3mmに設計している。また、基部22の内周縁から延びる一対の脚部21の根元同士の間隔C1を0.6mmに設計している。
次に、図１に示すセルフレーム10の組立手順を、図３を用いて説明する。まず、パッキン20を拡径すると共に、両脚部21の間に双極板11の周縁部を挟み込んで、双極板11の周縁部にパッキン20を取り付ける（図３（A）参照）。次に、一対のフレーム12a,12bの間にパッキン20を装着した双極板11の周縁部を挟み、フレーム12a,12bを表裏から押圧する（図３（B）参照。図中、白抜き矢印は押圧方向を示す）。これにより、パッキン20がフレーム12a,12bと双極板11の周縁部との間で圧接されることで変形して両者に密着し、各フレーム12a,12bの開口の内部に形成される空間（双極板11を挟んで負極電極115と正極電極114とが配置される空間（図１参照））をシールする電池用シール構造が形成される。また、脚部21及び基部22に突起23を有することで、パッキン20が圧接されたとき、脚部21及び基部22の突起23が押し潰され、シール性を高めることができる。
この例では、フレーム12a,12bの段差面13（環状溝14）の幅に対してパッキン20全体の幅が短く、環状溝14内にパッキン20が配置されたとき、基部22の外周縁面が環状溝14の底面に接さず、また、脚部21の先端が環状溝14から突出しない。そのため、フレーム12a,12bを図３（B）の白抜き矢印方向に押圧してパッキン20が圧接されたとき、脚部21及び基部22が圧縮され幅方向（図３（B）中、黒矢印方向）に伸びても、環状溝14内の空間に逃がすことができる。このような逃がし代を確保することで、押圧荷重を高くしても、パッキン20の異常変形を防止し易い。
以上説明した実施の形態１に係るセルフレームのシール構造は、溶着作業が不要であり、作業者のスキルに依存することのない電池用シール構造とすることができ、組立性に優れる。また、パッキンがフレームと双極板の周縁部との間で圧接されることで変形して両者に密着し、高いシール性を確保しながら、脚部又は基部に突起を有することで、シール性を高めることができる。脚部又は基部の突起は、パッキンを補強するリブとして作用し、保形する機能も兼ね備える。さらに、パッキンは、双極板の周縁部に嵌め込むだけの簡単な作業で取り付けることができ、脚部と基部とを有することで、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。
その他、このシール構造は、双極板が膨張・収縮変形する事態が生じても、パッキンが双極板に追従して伸縮する。そのため、パッキンがフレームと双極板との境界部での応力集中を緩和して、フレーム又は双極板が損傷することを防止することができる。よって、双極板の材料が限定されることがなく、双極板の材料の選択肢が拡大する。
そして、このようなセルフレームを備えるセルスタック、並びにこのセルスタックを備える電解液流通型電池（レドックスフロー電池）は、組立性に優れ、セルフレームを構成するフレームと双極板との境界部での応力集中に起因する損傷を防止することができる。また、この電解液流通型電池（レドックスフロー電池）は、電池の運転条件などが急激に変化する環境に設置しても安定して動作することができる。
（実施の形態２）
実施の形態１では、図１〜３を用いて、脚部に突起を有するパッキンを用いたセルフレームのシール構造について説明した。この実施の形態２では、図４〜６を用いて、脚部に屈曲部を有するパッキンを用いたセルフレームのシール構造について説明する。なお、実施の形態２において、セルスタック（セルフレーム）の概略構成や、セルフレームの構成部材である双極板、一対のフレーム及びパッキンの基本構成は、実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。
図４は、セルフレームを組み立てる前のパッキンを示す図である。パッキン20は、図４に示すように、断面略Ｖ字状であり、脚部21には屈曲部25が設けられ、基部22には突起23が設けられている。なお、ここでいう断面は、パッキン20の周方向に直交する断面である。この例では、両方の脚部21に屈曲部25が設けられると共に、両方の脚部21において基部22から直線状に延びる根元部26が設けられ、この根元部26から先端にかけて屈曲部25が形成されており、各脚部21同士は対称形状である。また、脚部21の屈曲部25は、根元部26を基準として外面側に凸となるように１個設けられている。一方、基部22の突起23は、片面に対して1個ずつ（両面で計2個）設けられており、基部22において、その幅方向の同じ位置に両面に突起23が設けられている。なお、脚部21の屈曲部25及び基部22の突起23は、環状のパッキン20の周方向に沿って一連に形成されている。
この例では、パッキン20が非圧縮状態のとき、脚部21は、厚さT1を0.3mm、屈曲部25における屈曲角度θ及び屈曲高さH3をそれぞれ98°、0.99mmに設計し、基部22は、厚さT2を1.0mm、幅W2を1.0mm、突起23の高さH2を0.3mmに設計している。また、基部22の内周縁から延びる一対の脚部21の根元同士の間隔C1を0.6mmに設計している。
次に、セルフレームの組立手順を、図５を用いて説明する。まず、パッキン20を拡径すると共に、両脚部21の間に双極板11の周縁部を挟み込んで、双極板11の周縁部にパッキン20を取り付ける（図５（A）参照）。次に、一対のフレーム12a,12bの間にパッキン20を装着した双極板11の周縁部を挟み、フレーム12a,12bを表裏から押圧する（図５（B）参照。図中、白抜き矢印は押圧方向を示す）。これにより、パッキン20がフレーム12a,12bと双極板11の周縁部との間で圧接されることで変形して両者に密着し、各フレーム12a,12bの開口の内部に形成される空間（双極板11を挟んで負極電極115と正極電極114とが配置される空間（図１参照））をシールする電池用シール構造が形成される。また、脚部21に屈曲部25及び基部22に突起23を有することで、パッキン20が圧接されたとき、脚部21の屈曲部25が直線状に扁平に弾性変形すると共に、基部22の突起23が押し潰されて圧縮変形することで、シール性を高めることができる。
この例でも、実施の形態１と同様に、フレーム12a,12bの段差面13（環状溝14）の幅に対してパッキン20全体の幅が短い。そして、環状溝14内にパッキン20が配置されたとき、基部22の外周縁面が環状溝14の底面に接さず、また、脚部21の先端が環状溝14から突出しない。そのため、フレーム12a,12bを図５（B）の白抜き矢印方向に押圧してパッキン20が圧接されたとき、脚部21及び基部22が圧縮され幅方向（図５（B）中、黒矢印方向）に伸びても、環状溝14内の空間に逃がすことができる。このような逃がし代を確保することで、押圧荷重を高くしても、パッキン20の異常変形を防止し易い。
以上説明した実施の形態２に係るセルフレームのシール構造は、実施の形態１のセルフレームのシール構造と同様の効果を得ることができ、更に次の効果を奏する。脚部21に屈曲部25を有するパッキン20の場合、圧縮量の差による接触面圧の変化が小さく、安定した接触面圧が得られる。例えば、フレーム12a（12b）又は双極板11の製造公差や組み付け誤差に起因して、パッキン20の脚部21が配置されるフレーム12a（12b）と双極板11の周縁部との間の距離dが、図６に示すように、設計値よりも大きくなったとする。具体例としては、距離dの設計値が0.3mmのとき、製造公差などに起因して実際の距離dが0.8mmであったとする。このとき、屈曲部25の高さを距離dの設計値よりも高く（例えば0.9mm以上）設計しておくことで、図６に示すように、屈曲部25の弾性変形によって、フレーム12a（12b）及び双極板11との接触箇所で面圧が生じて、シール機能を発揮できる。
ここで、実施の形態２に係るセルフレームのシール構造（試験例１）における上記した距離dと接触面圧との関係を表１に示す。また、比較として、脚部に屈曲部を有するパッキンに代えて、フレームと双極板の周縁部との間にOリングを配置したシール構造（比較例１）における距離dと接触面圧との関係を表１に併せて示す。なお、表１中、各接触面圧は、試験例１での距離d＝0.3mmのときの接触面圧を1とする相対値で示す。また、試験例１において、屈曲部の厚さは0.25mmとし、比較例１において、Oリングの直径は0.55mmとした。
Figure 0005477672
表１の結果から、脚部に屈曲部を有するパッキンを用いた試験例１は、Oリングを用いた比較例１に比較して、距離dが変化しても接触面圧の変化が小さく、安定した接触面圧が得られることが分かる。具体的には、試験例１の場合、距離dが0.25mmのときの接触面圧の増加率は50％程度、距離dが0.8mmのときの接触面圧の低下率は50％程度であり、距離dが小さくなっても過大な接触面圧が生じることを抑えることができ、一方、距離dが大きくなってもある程度の接触面圧を確保できる。そのため、距離dに多少のばらつきがあっても、安定した接触面圧によってシール性を確保でき、また、製造公差や組み付け誤差を吸収できるため、各部材の製造公差を大きく設計できる。これに対し、比較例１の場合、距離dが小さくなると接触面圧が大幅に増加し、過大な接触面圧が生じることによって、フレーム又は双極板に損傷や変形が起こる可能性がある。一方、距離dが0.55mm（Oリングの直径）以上になると接触面圧が0になり、シール性が得られない。つまり、比較例１では、距離dの変化に対する接触面圧の変化が大きく、距離dを厳密に管理する必要がある。
さらに、試験例１では、上記した距離dのばらつきによる過大な接触面圧が生じることを抑えることができるため、例えば電池運転時にフレームと双極板との熱膨張係数の差に起因する応力が発生したときに、双極板がフレームに対して相対的に移動し易い。そのため、上記した熱膨張係数差に起因する応力によって、双極板が損傷することを回避し易い。一方、比較例１では、過大な接触面圧が生じることがあることから、双極板の移動が阻害され、上記した熱膨張係数差に起因する応力によって、双極板が損傷する可能性がある。よって、試験例１では、双極板が損傷するリスクがより軽減されることから、双極板の要求強度をより低減でき、双極板の材料の選択肢がより拡大する。
（変形例１）
上記した実施の形態に係るセルフレーム10では、一対のフレーム12a,12bが段差面13を有する同一形状とし、且つ、対称配置されている場合を例に説明したが、一対のフレームの形状は互いに異なる形状としてもよい。
図７（A）に示す一対のフレーム12a,12bは、一方のフレーム12aが平板枠状であり、このフレーム12aのフレーム12bに対向する対向面が平面である。また、他方のフレーム12bが断面略Ｌ字状であり、このフレーム12bのフレーム12aに対向する対向面には、内周縁部の厚さが薄くなるように、段差面13が形成されている。さらに、フレーム12aの幅は、フレーム12bの段差面13の幅とほぼ等しい。そして、フレーム12aとフレーム12bとの対向面の間に環状溝14が形成され、この環状溝14内にパッキン20を装着した双極板11の周縁部が収容される。
図７（B）に示す一対のフレーム12a,12bは、一方のフレーム12aが平板枠状であり、このフレーム12aのフレーム12bに対向する対向面が平面である。また、他方のフレーム12bが断面略Ｌ字状であり、このフレーム12bのフレーム12aに対向する対向面には、外周縁側から内周縁側に向かって段階的に厚さが薄くなるように第１段差面13a及び第２段差面13bが形成されている。さらに、フレーム12aの幅は、フレーム12bの第１及び第２の段差面13a,13bを合わせた幅とほぼ等しく、フレーム12aの一部がフレーム12bの第１段差面13aに当接する。そして、フレーム12aとフレーム12bとの対向面の間に環状溝14が形成され、この環状溝14内にパッキン20を装着した双極板11の周縁部が収容される。
なお、本発明は、上述した実施の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可能である。例えば、セルフレームを構成する双極板、フレーム及びパッキンの材質を適宜変更してもよい。また、パッキンの脚部及び基部の寸法や、脚部又は基部に設ける突起の個数・位置を適宜変更してもよい。
本発明の電池用シール構造は、電解液流通型電池（レドックスフロー電池）、燃料電池などの各種電池のシール構造に利用できる。この電池用シール構造は、電解液流通型電池用セルフレーム、電解液流通型電池用セルスタック、電解液流通型電池に好適に利用できる。本発明の電解液流通型電池は、負荷平準化、出力安定化用の大容量蓄電池として好適に利用できる。
10 セルフレーム
11 電池用板状部材（双極板） 12a,12b フレーム
13 段差面 13a 第１段差面 13b 第２段差面
14 環状溝
20 パッキン
21 脚部 22 基部 23 突起
25 屈曲部 26 根元部
100 電解液流通型電池（レドックスフロー電池）
110 セル
111 隔膜 112 正極セル 113 負極セル
114 正極電極 115 負極電極
120 電解液タンク
130 循環経路 131 往路配管 132 復路配管
140 循環ポンプ
200 セルスタック
210 セルフレーム
211 双極板 212 枠体
213,214 給液用マニホールド
215,216 排液用マニホールド
220 エンドプレート
230 締結機構

Claims (7)

  1. 電池用板状部材と、前記電池用板状部材の周縁部を挟む一対のフレームと、を備える電解液流通型電池用セルフレームであって、
    前記電池用板状部材が、双極板であり、
    前記一対のフレームは、表裏から押圧され、
    前記一対のフレームには、押圧方向に互いに対向する対向面の間に、前記電池用板状部材の周縁部を収容する環状の溝が形成されており、
    前記環状溝内に配置され、前記一対のフレームと前記電池用板状部材の周縁部との間で圧接される弾性材料からなる環状のパッキンを備え、
    このパッキンは、
    前記電池用板状部材の周縁部の表裏を挟持する一対の脚部と、
    前記電池用板状部材の外縁でこれら脚部を連結する基部と、を有しており、
    前記各フレームの開口の内部に形成される空間をシールするシール構造を備える電解液流通型電池用セルフレーム。
  2. 前記パッキンの前記脚部の少なくとも一方が、前記フレームに対向する外面又は前記電池用板状部材に対向する内面のいずれか一方若しくは両方に、突起を有する請求項１に記載の電解液流通型電池用セルフレーム。
  3. 前記パッキンの前記脚部の少なくとも一方が、前記基部から直線状に延びる根元部と、この根元部から先端にかけて形成された少なくとも１つの屈曲部を有する請求項１に記載の電解液流通型電池用セルフレーム。
  4. 前記パッキンの前記基部が、前記一対のフレームに対向する表裏の少なくとも一方の面に、突起を有する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電解液流通型電池用セルフレーム。
  5. 隔膜と、隔膜を介して対向する正極電極及び負極電極とからなるセルがセルフレームを挟んで複数積層された積層体を備える電解液流通型電池用セルスタックであって、
    前記セルフレームが請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電解液流通型電池用セルフレームであり、
    前記積層体の両端に配置される一対のエンドプレートと、
    前記両エンドプレートを前記積層体の積層方向に締め付ける締付機構と、を備える電解液流通型電池用セルスタック。
  6. 請求項５に記載の電解液流通型電池用セルスタックを備える電解液流通型電池。
  7. レドックスフロー電池である請求項６に記載の電解液流通型電池。
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