JP6734932B2 - 電気化学単セルを生産するための生産性の高い製造プロセスおよびこれにより生産される電気化学単セル - Google Patents

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本発明は、一般に、電気化学単セルに関し、より具体的には、フロー電池やその他の電気化学システムにおいて使用される電気化学単セルの生産性の高い製造プロセスに関する。

電池やスーパーキャパシタなどの電気化学エネルギー貯蔵システムに関しては、大規模なエネルギー貯蔵用途で幅広い提案が行われている。この目的のため、これまでフロー電池などの様々な電池設計が検討されてきた。フロー電池は、電力密度のパラメータとエネルギー密度のパラメータとを互いに切り離すことができるため、他の種類の電気化学エネルギー貯蔵システムと比べて特に大規模用途で有利であり得る。

一般に、フロー電池とは、負の活物質と正の活物質とをそれぞれ対応する電解液中に含み、これらの電解液が、負極と正極とを有する電気化学セル内において膜すなわちセパレータの両側をそれぞれ別々に流れるものである。フロー電池は、これら２つのハーフセル内部で起こる活物質の電気化学反応によって充放電される。本明細書において、「活物質（active material）」、「電気活物質（electroactive material）」、「レドックス活物質（redox-active material）」という用語またはこれらの変化形は、フロー電池またはそれに類する電気化学エネルギー貯蔵システムの動作中（すなわち、充放電中）に酸化状態が変化する物質を指す用語として同義的に用いられる。１つの電気化学セル（フルセル）は、２つのハーフセル（正のハーフセルと負のハーフセル）を有しており、これらのハーフセルはセパレータ材料によって互いに隔てられている。

フロー電池が貯蔵（放出）可能なエネルギー量を増大させるために、複数の個々の電気化学セルを互いに電気的に連通させて配置することができる。通常、複数の個々の電気化学セルを互いに電気的に連通した状態とする場合には、隣接する電気化学セル間の電気的な連通を確保するバイポーラプレートを用いて、複数の個々の電気化学セルを「セルスタック（cell stack）」（「電気化学スタック（electrochemical stack）」）の状態に配置する必要がある。

また通常、個々の電気化学セルの設計、作製においては、様々な「硬質材（hard goods）」と様々な「軟質材（soft goods）」を相互に組み合わせる必要がある。軟質材には、セパレータ材料や、電極、電気化学セル内の所望の領域に電解液を収容するために使用されるシール材などがある。硬質材には、バイポーラプレートや、軟質材の収容に使用される任意のフレーム材などがある。従来の電気化学セルの製造プロセスの多くでは、成形加工、機械加工、あるいはその両方によって、個々のセル毎に硬質材を作製し、その後、軟質材をピックアンドプレース方式によって手動または半自動で配置することによってセルの組み立てを完成させていた。しかし、このような手動または半自動のバッチプロセスで行う電気化学的セルの組み立てでは、製造工程のスピードが制限されるため、高い生産性を実現することはほぼ不可能と言ってよい。さらに、個々の電気化学セルを大量に生産する必要がある場合には、硬質材の作製を成形加工や機械加工で行うことすら問題となる可能性がある。さらに、上述した種類のバッチ製造プロセスでは、オペレータのミスによって、欠陥セルが生産されてしまう可能性も非常に高い。従って、依然として、電気化学セルおよびセルスタックを生産するための製造プロセスは、手間や時間、高コストを要するものである状態から脱していない。

以上のことを考慮すれば、生産性の高い製造プロセスに適合性のある電気化学セルの設計は、当技術分野において非常に望ましいと考えられる。本発明は、上記のニーズを満たすと共に関連する利点も提供するものである。

いくつかの実施形態では、本発明の電気化学単セルは、第１の電極と第２の電極との間に配置されるセパレータであって、該セパレータの両面上に、第１の電極および第２の電極とは接していない第１の周縁領域および第２の周縁領域が設けられるように、第１の電極および第２の電極のサイズと位置とが設定されている、セパレータと；第１の電極に接している第１のバイポーラプレートと；第２の電極に接している第２のバイポーラプレートと；セパレータ上の第１の周縁領域に配置される第１の圧縮性シールと；セパレータ上の第２の周縁領域に配置される第２の圧縮性シールと；第１の圧縮性シールおよび第２の圧縮性シールの外周縁沿いに形成される第１のフレーム層および第２のフレーム層と；第１の圧縮性シールおよび第１のフレーム層に接している第３のフレーム層と；第２の圧縮性シールおよび第２のフレーム層に接している第４のフレーム層と；第３のフレーム層に隣接している第５のフレーム層と；第４のフレーム層に隣接している第６のフレーム層と；第５のフレーム層に隣接している第７のフレーム層であって、第１のバイポーラプレートは該第７のフレーム層に接着されて、該第７のフレーム層の窓を塞いでいる、第７のフレーム層と；第６のフレーム層に隣接している第８のフレーム層であって、第２のバイポーラプレートは該第８のフレーム層に接着されて、該第８のフレーム層の窓を塞いでいる、第８のフレーム層と；を備えており、第１から第８のフレーム層はいずれも非導体材料を含んでいる。

他の種々の実施形態では、本発明の電気化学単セルは、第１の電極と第２の電極との間に配置されるセパレータであって、該セパレータの両面上に、第１の電極および第２の電極とは接していない第１の周縁領域および第２の周縁領域が設けられるように、第１の電極および第２の電極のサイズと位置とが設定されている、セパレータと；第１の電極に接している第１のバイポーラプレートと；第２の電極に接している第２のバイポーラプレートと；セパレータ上の第１の周縁領域に積層される第１のフレーム層と；セパレータ上の第２の周縁領域に積層される第２のフレーム層と；第１のフレーム層に隣接している第３のフレーム層と；第２のフレーム層に隣接している第４のフレーム層と；第３のフレーム層に隣接している第５のフレーム層と；第４のフレーム層に隣接している第６のフレーム層と；第５のフレーム層に隣接している第７のフレーム層であって、第１のバイポーラプレートは該第７のフレーム層に接着されて、該第７のフレーム層の窓を塞いでいる、第７のフレーム層と；第６のフレーム層に隣接している第８のフレーム層であって、第２のバイポーラプレートは該第８のフレーム層に接着されて、該第８のフレーム層の窓を塞いでいる、第８のフレーム層と；を備えており、第１から第８のフレーム層はいずれも非導体材料を含んでいる。

電気化学単セルを複数互いに当接させて電気化学スタックを構成することができる。いくつかの実施形態では、電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルが、共通のバイポーラプレートと、共通のバイポーラプレートに接着された共通のフレーム層とを共有している。いくつかの実施形態では、電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルにおいて、第１の電気化学単セルのバイポーラプレートが、第２の電気化学単セルのバイポーラプレートに当接している。

さらに他の種々の実施形態では、電気化学セルの生産方法は、セパレータ材料のロールと、カソード材料のロールと、アノード材料のロールとを生産ラインに供給することと；生産ラインの第１の位置において、カソード材料とアノード材料とをセパレータ材料の両面にそれぞれ接着して、軟質材アセンブリを形成することと；第１の絶縁体材料のロールと、第２の絶縁体材料のロールとを生産ラインに供給することと；生産ラインにおいて第１の絶縁体材料内と第２の絶縁体材料内とに窓を形成し、生産ラインにおいて、第１の絶縁体材料を含む第１のフレーム層と第２のフレーム層とを軟質材アセンブリの両面に接着し、生産ラインにおいて、第２の絶縁体材料を含む第３のフレーム層を第１のフレーム層に接着し、第２の絶縁体材料を含む第４のフレーム層を第２のフレーム層に接着することと；第３の絶縁体材料のロールを生産ラインに供給することと；生産ラインにおいて第３の絶縁体材料内に窓を形成し、生産ラインにおいて、第３の絶縁体材料を含む第５のフレーム層を第３のフレーム層に接着し、第３の絶縁体材料を含む第６のフレーム層を第４のフレーム層に接着することと；第４の絶縁体材料のロールおよびバイポーラプレート材料のロールを生産ラインに供給することと；生産ラインにおいて第４の絶縁体材料内に窓を形成し、生産ラインにおいて、第４の絶縁体材料の窓がバイポーラプレート材料によって塞がれるように、バイポーラプレート材料を第４の絶縁体材料に接着して、生産ラインにおいて、第４の絶縁体材料を含む第７のフレーム層を第５のフレーム層に接着し、第４の絶縁体材料を含む第８のフレーム層を第６のフレーム層に接着することによって、電気化学単セルを形成することと；を含んでおり、第１のフレーム層、第２のフレーム層、第３のフレーム層、第４のフレーム層、第５のフレーム層および第６のフレーム層として第１の絶縁体材料、第２の絶縁体材料、第３の絶縁体材料を配置したときに、第１の絶縁体材料内の窓と、第２の絶縁体材料内の窓と、第３の絶縁体材料内の窓とは互いに重なっており、軟質材アセンブリの両面それぞれのカソード材料およびアノード材料にバイポーラプレート材料が接している。

さらに他の実施形態では、本発明の方法は、第１の絶縁体材料のロールを生産ラインに供給することと；生産ラインにおいて第１の絶縁体材料内に窓を形成することと；バイポーラプレート材料のロールを生産ラインに供給することと；第１の絶縁体材料の窓がバイポーラプレート材料によって塞がれるように、バイポーラプレート材料を第１の絶縁体材料に接着することと；第２の絶縁体材料のロールを生産ラインに供給することと；生産ラインにおいて第２の絶縁体材料内に窓を形成して、第２の絶縁体材料を第１の絶縁体材料の両面に接着することと；第３の絶縁体材料のロールを生産ラインに供給することと；生産ラインにおいて第３の絶縁体材料内に窓を形成して、第３の絶縁体材料を第１の絶縁体材料の両面に設けられた第２の絶縁体材料に接着することと；第４の絶縁体材料のロールを生産ラインに供給することと；生産ラインにおいて第４の絶縁体材料内に窓を形成して、第４の絶縁体材料を、第１の絶縁体材料の両面に設けられた第２の絶縁体材料に接着されている第３の絶縁体材料に接着することによって、電気化学単セルを形成することとを含んでいる。

上述の記載は、以下の詳細な説明をより良く理解できるように、本発明の特徴をやや大まかに概説したものである。以下に、本発明のさらなる特徴および利点を説明する。上記および上記以外の利点や特徴は、以下の説明からさらに明らかになるであろう。

本発明およびその利点のより完全な理解のために、以下に、本発明の具体的な実施形態を示す添付の図面と併せて読まれるべき説明を記す。

単一の電気化学単セルを備える例示的なフロー電池を示す模式図である。 例示的な電気化学単セル構成の分解図であり、各種セル構成コンポーネントを、その細部を示すため互いに離間した状態で示す。 図２に示す電気化学単セルのカソード側からのより詳細な図を示す。 図２に示す電気化学単セルのアノード側からのより詳細な図を示す。 図２に示す電気化学単セルの各種セル構成コンポーネントが互いに完全に当接した状態の断面図を示す。 例示的な電気化学単セル構成の分解図であり、各種セル構成コンポーネントを、その細部を示すため互いに離間した状態で示す。 図５に示す電気化学単セルの各種セル構成コンポーネントが互いに完全に当接した状態の断面図を示す。 隣接する電気化学セルのバイポーラプレートが互いに当接している例示的な電気化学スタックを示す模式図である。 隣接する電気化学セルが共通のバイポーラプレートを共有する例示的な電気化学スタックを示す模式図である。 電気化学単セルの軟質材の組み立てを連続的に行うことができる例示的な生産ラインを示す模式図である。 図９に示す生産ラインによって生産される軟質材アセンブリの例示的な上面模式図である。 図９に示す生産ラインによって生産される軟質材アセンブリの例示的な側面模式図である。 図１０Ｂをさらに簡略化し、分かりやすくするために下地層を省略した図である。 電気化学単セルの硬質材の組み立てを連続的に行うことができる例示的な生産ラインを示す模式図である。 図１１に示す生産ラインによって作製された硬質材アセンブリを示す例示的な上面模式図である。 図１１に示す生産ラインによって作製された硬質材アセンブリを示す例示的な側面模式図である。 図１２Ｂをさらに簡略化し、分かりやすくするために感圧接着剤層を省略した図である。 図１０Ａ〜図１０Ｃに示す軟質材アセンブリと図１２Ａ〜図１２Ｃに示す硬質材アセンブリとが交互に積層されている例示的な３セル電気化学スタックを示す模式図である。 電気化学単セルを連続的に生産することができる例示的な生産ラインを示す模式図である。

本発明は、部分的には、生産性の高い製造プロセスと適合性のある電気化学単セルおよび電気化学セルスタックに関する。また、本発明は、部分的には、材料がロール状の原料から生産ラインに供給される、電気化学単セルおよび電気化学セルスタックの製造プロセスに関する。さらにまた、本発明は、部分的には、電気化学単セルおよび電気化学セルスタックを製造するための生産ラインシステムに関する。

本発明は、添付の図面および例に関連付けて以下の記載を参照することによって、さらに容易に理解することができるであろう。添付の図面および例はいずれも本発明の一部をなすものである。本発明が本明細書に記載および／または図示する具体的な製品、方法、条件、またはパラメータには限定されないことを理解されたい。本明細書で用いる用語は、単に一例としての特定の実施形態を説明するためのものであって、特に明記しない限り、限定を意図するものではない。同様に、特に明記しない限り、本明細書内において、ある組成物に対する説明はいずれも、該組成物の固体、液体の双方を対象とすることを意図しており、さらに該組成物を含有する溶液および電解液、およびそのような溶液および電解液を含む電気化学セル、フロー電池、およびその他のエネルギー貯蔵システムをも対象とすることが意図されている。さらに、本発明において、電気化学セル、フロー電池、または他のエネルギー貯蔵システムについて説明していると考えられる場合には、電気化学セル、フロー電池、または他のエネルギー貯蔵システムを動作させる方法についても暗に説明しているものと認識されたい。

また、本明細書では、分かりやすくするため、本発明のいくつかの特徴を別個の実施形態と関連させて記載しているが、これらの特徴を、相互に組み合わせて単一の実施形態において備えることができることが認められよう。すなわち、明らかに両立できないかまたは明示的に排除される場合を除いて、個々の実施形態は１つ以上の他のいずれかの実施形態と組み合わせることができると考えられ、そのような組み合わせは全く別の実施形態であると見なされる。逆に、簡潔にするため、本発明の種々の特徴を単一の実施形態に関連させて説明する場合があるが、これらの特徴を、別々にまたは任意のより小さい組み合わせで備えることも可能である。さらにまた、ある特定の実施形態を一連のステップの一部としてまたはより包括的な構造の一部として記載する場合があるが、各ステップまたは各下位構造はそれ自体を独立した実施形態と見なすことも可能である。

特に明記しない限り、要素をリストアップしている場合には、リストアップした各要素および同リスト内の各要素のすべての組み合わせをそれぞれ別個の実施形態として解釈すべきであると理解されたい。例えば、「Ａ、ＢまたはＣ」と示される実施形態のリストは、「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」、「ＡまたはＢ」、「ＡまたはＣ」、「ＢまたはＣ」または「Ａ、ＢまたはＣ」という実施形態を含むものとして解釈される。

本発明において、文脈上明らかに他の意味を示す場合を除き、単数の冠詞「a（１つの）」、「an（１つの）」および「the（その／前記）」は、対応する複数に対する言及も包含するものであり、特定の数値に対する言及は、少なくともその特定の値を包含するものである。このため、例えば「a material（１つの物質）」は、そのような物質およびその均等物のうち少なくとも１つを指す。

一般に、「約（about）」という用語を使用する場合、本発明の主題が達成しようとする所望の特性に応じて変動する可能性のある近似値を示し、機能に基づいて状況に応じて解釈されるべきものである。従って当業者であれば、個々の状況に応じてある程度の変動範囲を汲み取ることができるであろう。「約」という用語が許容する変動を規定する代表的な技法として、特定の値を表す際に有効桁数を使用することが考えられる。あるいは、「約」という用語が許容する変動範囲を、一連の値に段階を設けることによって規定することもできる。さらに、本発明におけるすべての範囲は上下限値を含みかつ連結可能であり、ある範囲で規定される値に対して言及する場合、その言及は範囲内のすべての個々の値を包含するものである。

上述のように、高い効率値を維持しながら大規模に動作することができるエネルギー貯蔵システムが非常に望ましい場合がある。フロー電池はこの点で大きな関心を集めてきたが、真に商業的に実現可能なフロー電池技術は未だ開発されていない。商業的なフロー電池の開発実現の妨げとなっている問題の１つに、フロー電池の製造、特にフロー電池に含まれる個々の電気化学単セルやそのような電気化学単セルの電気化学スタックの製造全般において、生産性の高いプロセスが確立されていないことが挙げられる。以下では、例示的なフロー電池、並びにそれらの用途および動作特性を、例として記載する。

本発明者は、生産性の高い製造技術と容易に組み合わせることができる電気化学単セルの設計を各種開発した。本発明の個々の電気化学単セルは、相互に組み合わせて電気化学スタックとすることにより、フロー電池の貯蔵（放出）エネルギー量を増大させることもできるものである。より具体的には、本発明者が開発したのは、ロール状の原料から生産ラインに供給される材料で全てあるいはほぼ全てを製造することができる電気化学セル設計であり、個々の電気化学単セルの大量生産を可能にするものである。以下では、これらの電気化学単セルの設計やその作製のための製造プロセスについてさらに説明する前に、まず、フロー電池とその各種コンポーネントの概要を説明する。

図１は、単一の電気化学単セルを備える例示的なフロー電池を示す模式図である。活物質やその他のコンポーネントが単一のアセンブリに収容される一般的な電池技術（例えばリチウムイオン電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等）とは異なり、フロー電池は、貯蔵タンクのレドックス活性エネルギー貯蔵物質を（例えばポンピングによって）電気化学スタックを通過させて輸送するものである。この設計上の特徴により、電気エネルギー貯蔵システムの電力がエネルギー貯蔵容量から切り離されるため、大幅な設計の柔軟性とコストの最適化が実現可能となる。

図１に示すように、フロー電池システム１は電気化学セルを備えている。この電気化学セルは、その２つの電極１０，１０’を隔てるセパレータ２０（例えば膜）を備えることを特徴とするものである。電極１０，１０’は、金属、炭素、グラファイトなどの適切な導体材料から形成される。タンク５０は、酸化状態と還元状態との間を循環可能な第１の活物質３０を収容する。

ポンプ６０は、第１の活物質３０をタンク５０から電気化学セルに輸送するためのものである。フロー電池はまた適宜、第２の活物質４０を収容する第２のタンク５０’も含む。第２の活物質４０は、活物質３０と同一の物質であってよく、または異なる物質であってもよい。第２のポンプ６０’は、第２の活物質４０を電気化学セルに輸送するためのものである。また、電気化学セルからタンク５０，５０’に活物質を戻す輸送のためにもポンプを用いてよい（図１には図示していない）。また、例えばサイフォンなどの、流体輸送に作用する他の方法によっても、第１の活物質３０および第２の活物質４０を電気化学セル内外に適宜輸送することができる。図１には電源または負荷７０も図示されている。電源または負荷７０によって電気化学セル回路が完成し、回路の動作中、ユーザによる電気の蓄積（貯蔵）が可能となる。

図１は、フロー電池の具体的な構成を示すものであり、限定を意図するものではないことを理解されたい。従って、本発明の精神と合致するフロー電池および電気化学単セルが図１の構成とは様々な面で異なる場合がある。一例として、フロー電池システムは、固体、気体、および／または液体に溶解した気体である１つ以上の活物質を含むことができる。活物質は、大気に開放しているかまたは単に大気への通気口を設けたタンクまたは容器に貯蔵することができる。

本明細書において、「セパレータ（separator）」および「膜（membrane）」という用語は、電気化学セルの正極と負極との間（すなわち、負のハーフセルと正のハーフセルとの間）に配置されたイオン伝導性と電気的絶縁性とを有する材料を指す。セパレータは、いくつかの実施形態では多孔質膜、および／または他の種々の実施形態ではアイオノマー膜とすることができる。いくつかの実施形態では、セパレータをイオン伝導性ポリマーから形成することができる。

ポリマー膜は、アニオン伝導性またはカチオン伝導性の電解質とすることができる。「アイオノマー（ionomer）」と記載する場合、この用語は、電気的に中性な繰返し単位およびイオン化した繰返し単位の双方を含有するポリマー膜を指し、ここでイオン化した繰返し単位はペンダント基としてポリマー骨格に共有結合している。一般に、イオン化した繰返し単位の比率は約１ｍｏｌ％〜約９０ｍｏｌ％の範囲とすることができる。アイオノマー内のイオン化した繰返し単位としては、スルホン酸基、カルボン酸基などのアニオン性官能基が挙げられる。これらの官能基は、アルカリまたはアルカリ土類金属などの一価または二価以上のカチオンによって電荷を平衡させることができる。またアイオノマーとしては、結合されたまたは組み込まれた第四級アンモニウム、スルホニウム、ホスファゼニウム、およびグアニジニウムの残基または塩を含有するポリマー組成物も挙げられる。適切な例については、当業者にはよく知られているであろう。

いくつかの実施形態では、セパレータとして利用できるポリマーが、高フッ素化ポリマー骨格または過フッ素化ポリマー骨格を含む場合がある。本発明において利用できる特定のポリマーとしては、テトラフルオロエチレンと、１つ以上のフッ素化された酸性官能性コモノマーとの共重合体が挙げられる。この共重合体は、デュポン（DuPont）社からナフィオン（NAFION）（登録商標）過フッ素化ポリマー電解質として市販されているものである。他の利用可能な過フッ素化ポリマーとしては、テトラフルオロエチレンと、ＦＳＯ_２−ＣＦ_２ＣＦ_２ＣＦ_２ＣＦ_２−Ｏ−ＣＦ＝ＣＦ_２との共重合体、フレミオン（FLEMION）（登録商標）およびセレミオン（SELEMION）（登録商標）が挙げられる。

さらに、スルホン酸基（またはカチオン交換スルホン酸基）で修飾した、実質的にフッ素化されていない膜を用いることもできる。このような膜としては、実質的に芳香族の骨格を有するものが挙げられ、例えばポリスチレン、ポリフェニレン、ビフェニルスルホン（ＢＰＳＨ）、またはポリエーテルケトンおよびポリエーテルスルホンなどの熱可塑性物質などを含むことができる。

電池セパレータ用の多孔質膜も本セパレータとして使用可能である。そのような膜はそれ自身ではイオン伝導能力を待たないため、通常、セパレータとして機能させるために添加物を含浸させている。一般に、これらの膜は、ポリマーと無機充填剤との混合物を含有し、多くの開放孔を有する。適切なポリマーとしては、例えば高密度ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、またはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）が挙げられる。適切な無機充填剤としては、炭化ケイ素マトリックス材、二酸化チタン、二酸化ケイ素、リン化亜鉛およびセリアが挙げられる。

セパレータは、ポリエステルや、ポリエーテルケトン、ポリ（塩化ビニル）、ビニルポリマー、置換ビニルポリマーで形成することもできる。これらは単独で、または前述のポリマーのいずれかと組み合わせて使用できる。

多孔質セパレータは、電解液で満たされた開放路を介した両電極間の電荷移動を可能とする非導体膜である。多孔質セパレータの孔のサイズの分布は、両電解液間での活物質のクロスオーバーを実質的に防止するものであれば十分であり得る。適切な多孔質膜の平均孔サイズ分布は、約０．００１ｎｍ〜２０μｍ、より典型的には約０．００１ｎｍ〜１００ｎｍとすることができる。多孔質膜の孔のサイズ分布はかなり広くとることができる。言い換えれば、多孔質膜は、非常に小さい径（略１ｎｍ未満）の第１の複数の孔と、非常に大きい径（略１０μｍ超）の第２の複数の孔とを含むことができる。孔のサイズが大きくなれば、活物質のクロスオーバー量が増大するおそれがある。多孔質膜が有する、活物質のクロスオーバーの実質的な防止力は、平均孔サイズと活物質のサイズとの相対的な差によって決まり得る。例えば、活物質が金属を中心とする配位錯体である場合には、該配位錯体の平均径は本多孔質膜の平均孔サイズよりも約５０％大きくなり得る。一方、もし多孔質膜が実質的に均一な孔サイズを有していた場合には、該配位錯体の平均径はこの多孔質膜の平均孔サイズよりも約２０％大きくなり得る。また、配位錯体が少なくとも１つの水分子とさらに配位結合すると、配位錯体の平均径はさらに大きくなる。少なくとも１つの水分子を持つ配位錯体の径は、一般に流体力学的径と見なされるものである。このような実施形態では、この流体力学的径が平均孔サイズより概ね少なくとも約３５％大きくなる。一方、平均孔サイズが実質的に均一である場合には、この流体力学的半径が平均孔サイズよりも約１０％大きくなり得る。

いくつかの実施形態において、セパレータは、安定性を高めるための補強材料を含むこともできる。適切な補強材料としては、ナイロン、綿、ポリエステル、結晶シリカ、結晶チタニア、非晶質シリカ、非晶質チタニア、ゴム、アスベスト、木材、またはこれらの任意の組み合わせが挙げられる。当業者であれば、他の適切な補強材料についても想到することができるであろう。

フロー電池内のセパレータは、約５００μｍ未満、約３００μｍ未満、約２５０μｍ未満、約２００μｍ未満、約１００μｍ未満、約７５μｍ未満、約５０μｍ未満、約３０μｍ未満、約２５μｍ未満、約２０μｍ未満、約１５μｍ未満、または約１０μｍ未満の膜厚を有することができる。適切なセパレータとしては、セパレータが１００μｍの膜厚を有する場合に、フロー電池が約８５％超の電流効率および１００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で動作可能であるものが挙げられる。さらなる実施形態においては、フロー電池は、セパレータが約５０μｍ未満の膜厚を有する場合に９９．５％超の電流効率で、セパレータが約２５μｍ未満の膜厚を有する場合に９９％超の電流効率で、セパレータが約１０μｍ未満の膜厚を有する場合に９８％超の電流効率で動作することができる。従って、適切なセパレータとして、フロー電池が６０％超の電圧効率および１００ｍＡ／ｃｍ^２の電流密度で動作可能であるものが挙げられる。さらなる実施形態では、適切なセパレータとして、フロー電池が７０％超、８０％超、または９０％超の電圧効率で動作可能であるものが挙げられる。

また、フロー電池は、第１の電極および第２の電極に電気的に接続された外部の電気回路を含むことができる。この回路は動作中、フロー電池を充放電することができる。第１の活物質および第２の活物質のいずれか一方または両方の正味のイオン電荷の符号について言及する場合、その言及は、フロー電池が動作中の条件下でのレドックス活物質の酸化形態および還元形態の両方における正味のイオン電荷の符号に関するものである。フロー電池のさらなる例示的な実施形態によって以下が得られる。すなわち、（ａ）第１の活物質は、正味の正または負の電荷を帯びると共にシステムの負の動作電位の範囲内の電位に対して酸化形態または還元形態をとることができ、これにより、得られる第１の活物質の酸化形態または還元形態が第１の活物質と同じ電荷符号（正または負）を有し、かつアイオノマー膜も同符号の正味のイオン電荷を有すること、（ｂ）第２の活物質は、正味の正または負の電荷を帯びると共にシステムの正の動作電位の範囲内の電位に対して酸化形態または還元形態をとることができ、これにより、得られる第２の活物質の酸化形態または還元形態が第２の活物質と同じ電荷符号（正または負の符号）を有し、かつアイオノマー膜も同じ符号の正味のイオン電荷を有すること、または（ａ）および（ｂ）の双方、である。第１の活物質および第２の活物質の少なくとも一方の電荷とアイオノマー膜の電荷とを一致させることにより、高い選択性が得られ得る。より具体的には、このように電荷を一致させることにより、アイオノマー膜を通過する第１の活物質由来または第２の活物質由来のイオンのモル流束を、約３％未満、約２％未満、約１％未満、約０．５％未満、約０．２％未満、または約０．１％未満とすることができる。「イオンのモル流束（molar flux of ions）」という用語は、アイオノマー膜を通過し、外部の電気／電子の流れが帯びている電荷を平衡させるイオンの量を指す。

特定の電極材料として、炭素や各種金属を挙げることができる。電極材料の一部を、非導電性プラスチック材料で構成することもできる。また、いくつかの実施形態では、電極上に触媒を堆積させることができる。さらに、他の種類の層を電極材料上に設けることもできる。このような任意選択的な層の機能として、例えば、セルの組み立てを助ける機能、接触抵抗を改善する機能、および／またはセパレータを保護する機能などを挙げることができる。

以上、一般的なフロー電池システムについて説明、図示してきたが、以下では、本発明の種々の実施形態を、図面を参照してより詳細に説明する。図２〜図６は、生産性の高い製造技術を用いて製造可能な電気化学単セルの単体の例示的な構成を示している。図７および図８は、図２に示す電気化学単セルを複数組み込んだ電気化学セルスタックの例示的な構成を示している。以下では、これらの図についてさらに詳しく説明する。また、このような電気化学単セルおよび電気化学セルスタックを作製するための生産性の高い製造技術についても、以下により詳細に説明する。

図２は、例示的な電気化学単セル構成の分解図である。図２において、各種セル構成コンポーネントは、その細部を示すため互いに離間した状態で図示されている。しかし実際には、例えば図４に示すように、これら各種セル構成コンポーネントは互いに接した状態とされる。電気化学単セル１００の中心には、セパレータ１０２が配置される。カソード１０４およびアノード１０６は、セパレータ１０２の両面にそれぞれ当接している。カソード１０４およびアノード１０６は、いずれもセパレータ１０２よりサイズが小さく、セパレータ１０２の両面の周縁沿いに、非接触周縁領域１０８，１０８’が形成されるように配置されている（図２には、非接触周縁領域１０８’は図示していない）。圧縮性シール１１０，１１０’は、非接触周縁領域１０８，１０８’内にそれぞれ配置され、セパレータ１０２に接している（図２には、圧縮性シール１１０’は図示していない）。図３Ａは、電気化学単セル１００のカソード側からのより詳細な図を示している。図３Ａでは、非接触周縁領域１０８とこれに対応する圧縮性シール１１０の配置をより明確に見て取ることができる。図３Ｂは、図３Ａに対応するアノード側からの図である。以下により詳細に説明するように、セパレータ１０２と圧縮性シール１１０，１１０’との間には下地材を設けることができる。下地材によって、剛性が得られるとともに、後の組立プロセスにおける位置合わせの支援や、圧縮性シール１１０，１１０’の圧縮制御、異種材料間の接合促進が可能となる。セパレータ１０２と、カソード１０４と、アノード１０６と、圧縮性シール１１０，１１０’とによって、電気化学単セル１００の「軟質材（soft goods）」（「軟質材アセンブリ（soft goods assembly）」）が構成されている。

ここで、図２、図３Ａ、図３Ｂを参照して、電気化学単セル１００の「硬質材（hard goods）」についてさらに説明する。フレーム層１２０，１２０’はそれぞれ、窓１２２，１２２’を有している。図３Ａおよび図３Ｂにより詳細に示すように、窓１２２，１２２’のサイズは、フレーム層１２０，１２０’が圧縮性シール１１０，１１０’の外周縁にぴったり合うように設定される。後述するように、さらに層を追加した場合の圧縮性シール１１０，１１０’の圧縮度は、フレーム層１２０，１２０’の厚さによって決まる。なお、図３Ａおよび図３Ｂでは、フレーム層１２０，１２０’が圧縮性シール１１０，１１０’とそれぞれ直接接しているように図示しているが、窓１２２，１２２’のサイズによっては、両者の間に多少の空間が存在する場合もあることを認識されたい。この空間はまた、圧縮時に圧縮性シール１１０，１１０’がどの程度外方に広がり得るかを決定するものでもある。

引き続き図２を参照すると、フレーム層１３０，１３０’が、フレーム層１２０，１２０’にそれぞれ接するとともに、圧縮性シール１１０，１１０’にもそれぞれ接している。フレーム層１３０，１３０’には、窓１３２，１３２’がそれぞれ形成されている。窓１３２，１３２’のサイズは、窓１２２，１２２’よりも小さく設定され、これによりフレーム層１３０，１３０’が圧縮性シール１１０，１１０’に接することができる。フレーム層１２０，１２０’は、圧縮性シール１１０，１１０’の圧縮可能度を決めるだけでなく、フレーム層１３０，１３０’が圧縮力を加える際の安定した構造となり、フレーム層１３０，１３０’は、このフレーム層１２０，１２０’を支えに圧縮力を加えることができる。また、フレーム層１４０，１４０’が、フレーム層１３０，１３０’にそれぞれ接しており、フレーム層１４０，１４０’の内部には窓１４２，１４２’がそれぞれ形成されている。フレーム層１４０，１４０’の内部にはさらに、フロー分配路１４４，１４４’がそれぞれ形成されている。フロー分配路１４４，１４４’は、フレーム層１４０，１４０’の中に形成されている開口、すなわち窓１４２，１４２’まで延びている。これらフロー分配路１４４，１４４’によって、（例えば、流体分配マニホールドから）電気化学単セル１００の両ハーフセルに対して、それぞれ独立に電解液を供給することが可能となる。図２には図示していないが、同様のフロー分配路をフレーム層１５０，１５０’内にも設けることができる。また、さらに追加のフレーム層を設けてもよく、圧縮性シール１１０，１１０’に接しないフレーム層であれば、いずれの追加のフレーム層も、フレーム層１４０，１４０’に示したものと同様のフロー分配路を備えることができる。

さらに、各フレーム層１２０，１２０’，１３０，１３０’，１４０，１４０’，１５０，１５０’の内部には複数の開口が設けられており、これらの開口からフロー分配路１４４，１４４’に電解液を供給することができる。これらの開口によって、電気化学単セル１００を通る連続的な流路が形成される。より詳細には、電気化学単セル１００を流体分配マニホールドに接続すると、これらの開口を介して対応するハーフセルへの電解液の流出入が起こる。これらの開口は、各電解液がそれぞれ１つのハーフセルにのみ流入するように、両側で対となるようにフレーム層１２０，１２０’，１３０，１３０’，１４０，１４０’，１５０，１５０’に形成されている。なお、図２では、これら複数の開口が略円形形状を有するように図示しているが、他の形状も可能であることを認識されたい。

引き続き図２を参照すると、電気化学単セル１００はまた、フレーム層１５０，１５０’を備えており、フレーム層１５０，１５０’の内部には窓１５２，１５２’がそれぞれ形成されている。バイポーラプレート１６０，１６０’は、対応するフレーム層１５０，１５０’の窓１５２，１５２’を塞いでいる。バイポーラプレート１６０，１６０’のフレーム層１５０，１５０’への接合は、例えば、接着接合、レーザ溶接、超音波溶接、熱板溶接、熱間圧延、あるいは感圧接着剤または熱接合フィルムを用いた積層加工などの技術によって行われる。バイポーラプレート１６０，１６０’をフレーム層１５０，１５０’にそれぞれ接着することによって、完成したセルにおいてバイポーラプレート１６０，１６０’の周囲に電解液が漏出してしまう事態を防ぐことができる。バイポーラプレート１６０は、さらに窓１２２，１３２，１４２も貫通して、カソード１０４に接している。同様に、バイポーラプレート１６０’は、さらに窓１２２’，１３２’，１４２’も貫通して、アノード１０６に接している。バイポーラプレート１６０，１６０’の膜厚は、電気化学単セル１００全体の厚さやその各種の層の層厚を考慮して選択、調整され得る。あるいは、同様に、電気化学単セル１００全体の厚さを考慮して、カソード１０４およびアノード１０６の厚さを選択、調整することもできる。

図４は、図２に示す電気化学単セルの各種セル構成コンポーネントが互いに完全に当接した状態の断面図を示している。各種コンポーネントを互いに当接させて図４に示す構成とする際には、フレーム層１２０，１３０，１４０，１５０を互いに接着して１つにまとめるとともに、フレーム層１２０’，１３０’，１４０’，１５０’を互いに接着して１つにまとめることができる。図４に示す構成においては、フレーム層１２０，１２０’は、圧縮力によって、互いに当接して所定の位置に保持されているだけである。あるいは、図６を参照して後述するように、フレーム層１２０，１２０’を互いに接着することにより、全てのフレーム層を互いに接着して１つにまとめることもできる。これら各種の層を互いに接着することにより、セパレータ１０２の両側それぞれに、電解液が通過して循環することができるチャンバが形成される。すなわち、フレーム層１２０，１３０，１４０は、セパレータ１０２と、圧縮性シール１１０と、バイポーラプレート１６０とともに閉チャンバを形成し、この閉チャンバでは第１の電解液がカソード１０４の周囲を流れることができる。同様に、フレーム層１２０’，１３０’，１４０’は、セパレータ１０２と、圧縮性シール１１０’と、バイポーラプレート１６０’とともに閉チャンバを形成し、この閉チャンバでは、第２の電解液がアノード１０６の周囲を流れることができる。そして、圧縮性シール１１０，１１０’が、第１の電解液と第２の電解液とを別々に収容するこれら２つの閉チャンバ間の漏出入を防止して、これらのチャンバ間で望ましくない流体移動が生じることを防いでいる。また、各チャンバの容積は、例えば、各種フレーム層の厚さやその窓のサイズなどによって決まる。以下にさらに説明するように、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図４に示したものと同様の電気化学セルは、各コンポーネントの供給をロール状の原料から行うことができる材料によって作製することができ、これにより、生産性の高い製造プロセスによる作製が可能とされている。

図２および図４に示す電気化学単セル構成では、圧縮性シール１１０，１１０’がセパレータ１０２の両面にそれぞれ接着されている。しかしながら、これらの図に示すセル構成に代えて、圧縮性シールを硬質材アセンブリの側に設けることもできる。いくつかの実施形態では、圧縮性シール１１０，１１０’を、第１のフレーム層１２０および第２のフレーム層１２０’内の窓１２２，１２２’の周縁沿いに設けることができる。他の実施形態では、圧縮性シール１１０，１１０’を、バイポーラプレート１６０，１６０’の表面上、具体的には、バイポーラプレート１６０，１６０’の外周縁沿いに設けることができる。これらの代替的なシール封止位置を採用した場合でも、各電解液をそれぞれのハーフセル内に収容するという機能を同様に発揮することができる。

より特定的な実施形態では、本発明の電気化学単セル１００や、他の電気化学単セル、そして電気化学セルスタックの各コンポーネントを、ロール状に供給される材料から形成することができる。すなわち、いくつかの実施形態では、各材料をリールツーリール（reel-to-reel）式製造プロセスで供給して、電気化学セルやこれに関連する電気化学セルスタックを生産することができる。以下では、電気化学単セルおよび電気化学セルスタックの例示的な製造プロセスについてさらに説明する。既に上述した場合を除き、電気化学単セルの各種コンポーネントに適した材料についても、以下でより詳細に説明する。

各フレーム層１２０，１２０’，１３０，１３０’，１４０，１４０’，１５０，１５０’は、非導体材料（例えば、絶縁体）から形成することができ、特に、フィルムやシートなどの、ロール状での供給が可能な材料から形成することができる。より特定的な実施形態では、各フレーム層は、ポリエチレンや他のポリオレフィン材料などの熱可塑性材料から形成することができる。また、他の適切なポリオレフィン材料の例として、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）共重合体、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニルなどを挙げることができる。さらに、（例えば、ナイロンなどの）ポリアミド、ポリエステル、（例えば、ウルテム（ULTEM）などの）ポリエーテルイミド、（例えば、カプトン（KAPTON）などの）ポリイミド、ポリエーテルケトン、ポリスルホンなどの非オレフィン系ポリマーも好適に用いることができる。また、当業者であれば、各種フレーム層を形成するのに適した材料を他にも同様に想到することができるであろう。なお、フレーム層１２０，１２０’，１３０，１３０’，１４０，１４０’，１５０，１５０’を形成する材料として具体的にどれを選択するかは、例えば、想定される動作環境や、フレーム層に接する特定の電解液との化学的な相性についての懸念事項などによって決まり得る。

セパレータ１０２を形成するのに適した材料には、上記で概説したものが含まれ得る。このようなセパレータ材料は、例えば、デュポン（DuPont）社や、ゴア（Gore）社、ソルベイ（Solvay）社、スリーエム（３Ｍ）社などの多くの供給業者から、ロール状の形態で供給を受けることができる。多孔質セパレータ、イオン交換（アイオノマー）膜のいずれであっても、この形態で入手することができる。

また、カソード１０４およびアノード１０６に適した材料には、フロー電池や他の電気化学システムにおいて従来からこの用途で使用されている導体材料が概ね含まれ得る。電極を形成するのに適した材料の特定の例については、上述の通りである。本明細書に記載の電気化学単セルの他のコンポーネントと同様、カソード１０４およびアノード１０６の材料も、ロール状の形態で供給を受けることができる。より具体的な実施形態では、カソード１０４およびアノード１０６のうち少なくとも一方を、カーボンフェルト、特に、非コートカーボンフェルトで作製することができる。他のより具体的な実施形態では、カソード１０４およびアノード１０６を、織布や、メッシュ、スクリーン、不織紙、フィルム、箔、シートといった、ロール状の形態で供給を受けることが可能な任意の導体材料で作製することができる。特定の電極材料としては、ロール状の形態で供給される炭素や各種金属を挙げることができる。また、このロール状の形態で供給される電極材料の一部を、非導電性プラスチック材料で構成することもできる。また、いくつかの実施形態では、カソード１０４およびアノード１０６のうち少なくとも一方の上に触媒を堆積させることができる。その場合、電気化学セルの作製時に、（例えば、ロール状の形態の）電極材料上に触媒を供給することができる。また任意選択的に、他の層をカソード１０４およびアノード１０６のうち少なくとも一方の上に設けることもできる。このような任意選択的な層の機能としては、例えば、セルの組み立てを助ける機能、接触抵抗を改善する機能、セパレータ１０２を保護する機能、のいずれかあるいはその組み合わせなどを挙げることができる。そして、そのような追加的な層の積層は、カソード１０４およびアノード１０６のうち少なくとも一方を形成する材料に対して、例えば、スプレー被覆、スクリーン印刷、ローラ被覆、グラビア被覆、浸漬被覆、スロットダイ被覆などの種々の成膜技術のうち任意の技術を用いて行うことができる。このような被覆は、納入状態の導体材料に予め施されていてもよく、あるいは電気化学単セルの作製時に一連の連続的なプロセスの中で施されてもよい。

上述したように、圧縮性シール１１０，１１０’は、第１の電解液と第２の電解液とがそれぞれ別々に流れることができる互いに密着した２つのチャンバの構築を助けるものである。すなわち、圧縮性シール１１０，１１０’の機能として、対向する２つのチャンバ間の漏出入を防止して、セパレータ１０２の周辺において、第１の電解液および第２の電解液の望ましくない流体移動が生じることを防ぐことを挙げることができる。そして、本発明の電気化学単セル１００や、他の電気化学単セル、そして電気化学セルスタックにおいては、流体移動のイオン伝導によってセパレータ１０２を介した物質移動が生じている。

より特定的な実施形態においては、圧縮性シール１１０，１１０’は、エラストマー材料から形成することができる。圧縮性シール１１０，１１０’を形成するのに適したエラストマー材料の例については、当業者にはよく知られているであろう。また、そのようなエラストマー材料の選択については、例えば、電解液との化学的な相性、電気化学単セルの動作条件との環境上の適合性、あるいはその両方を満たすように行うことができる。適切なエラストマー材料としては、例えば、シリコーンポリマー、フルオロエラストマー、エチレンプロピレンジエン共重合体（ＥＰＤＭ）、ポリテトラフルオロエチレン、天然ゴム、合成ゴムなどが挙げられる。そして、適切なエラストマー材料も、ロール状の形態で供給を受けることができる。より特定的な実施形態では、熱可塑性下地材（図２、図３Ａ、図３Ｂ、図４には図示していない）を、セパレータ１０２と圧縮性シール１１０，１１０’との間に設けることもできる。圧縮性シール１１０，１１０’と同様に、熱可塑性下地材もセパレータ１０２の両面の非接触周縁領域１０８，１０８’内に配置される。より特定的な実施形態においては、圧縮性シール１１０，１１０’と、これに対応する熱可塑性下地材と、セパレータ１０２とを接着接合などによって互いに接着して、軟質材アセンブリを形成することができる。この接着接合は、電気化学単セルの作製時に行うことができる。その際に利用可能な適切な接着接合技術や接着接合組成物としては、例えば、感圧接着剤、ＵＶ硬化接着剤や、熱接合フィルム、エポキシ樹脂、溶剤接合接着剤、そして高温プレス加工技術や高温積層加工技術などを挙げることができる。いくつかの実施形態では、圧縮性シール１１０，１１０’のうち少なくとも一方をエラストマービーズによるシールの形態で設けることができる。いくつかの実施形態または他の実施形態では、圧縮性シール１１０，１１０’のうち少なくとも一方を平坦形状のエラストマーガスケットの形態で設けることができる。

バイポーラプレート１６０，１６０’は、実質的に非透過性の任意の適切な導電材料で形成することができる。より具体的な実施形態においては、バイポーラプレート１６０，１６０’のうちの少なくとも一方を、可撓性グラファイト箔、膨張グラファイト箔、あるいは金属フィルム、金属箔、金属シートから形成することができる。いくつかの実施形態では、そのような材料もロール状の形態で供給を受けることができる。いくつかの実施形態では、バイポーラプレート１６０，１６０’のうちの少なくとも一方が、電気化学単セル１００あるいはこれに類する電気化学単セルの２つのハーフセルのうちの一方または両方に含まれる電解液のフロー分布を変化させるように機能する表面形状を有している。例えば、この表面形状は、カソード１０４、アノード１０６、またはその両方の表面全体への電解液の均一な分配に資することができるものであってよい。例示的な実施形態では、表面形状として、交互配列（interdigitated）または準交互配列（quasi-interdigitated）された流路を形成することができる。そのような流路の形成は、付加式の生産方法、除去式の生産方法のいずれを用いても行うことができ、例えば、押出法や、プレス加工、ミリング、アブレーション、ローラエンボス加工などによって行うことができる。

上述したように、バイポーラプレート１６０，１６０’は、窓１５２，１５２’をそれぞれ通って伸びている。これにより、個々の電気化学単セルを互いに組み合わせて電気化学スタックとすることができる。電解液漏れを起こすことなく電解液を流通させることができる瑕疵のないチャンバとするため、バイポーラプレート１６０，１６０’をそれぞれ、フレーム層１５０，１５０’に接着し、その窓１５２，１５２’を塞ぐことができる。さらに、バイポーラプレート１６０，１６０’は、電気化学単セル１００内の他のフレーム層も貫通し、カソード１０４およびアノード１０６にそれぞれ接することができる。

電気化学単セル１００あるいはこれに類する電気化学単セルの作製時には、フレーム層１２０，１３０，１４０，１５０，１２０’，１３０’，１４０’，１５０’のうち任意のフレーム層の原料を適切なロール状の形態で供給することができ、各フレーム層内の（例えば、窓、フロー分配路、ヘッダ、プレナム、流体マニホールド、位置合わせ機構などの）各種機構を、適切な製造技術によって形成することができる。各フレーム層内にこれらの機構を形成するための適切な製造技術としては、例えば、打ち抜き加工、レーザ加工、プレス加工などを挙げることができる。

電気化学単セル１００あるいはこれに類する電気化学単セルの作製を終えると、フレーム層１２０，１３０，１４０，１５０が互いに接着して１つにまとめられ、フレーム層１２０’，１３０’，１４０’，１５０’が互いに接着して１つにまとめられた状態とすることができる。上述の通り、これにより、第１の電解液と第２の電解液とが各ハーフセルをそれぞれ流れることを可能にする密着した２つのチャンバが形成される。これらのフレーム層を互いに接着するのに適した技術には、上述したものが含まれ得る。また、フレーム層の接着に特に適した技術としては、例えば感圧接着剤や、熱硬化接着剤、ＵＶ硬化接着剤、エポキシ樹脂などの接着接合技術や接着接合組成物を挙げることができる。代替的な実施形態では、レーザ溶接や、超音波溶接、熱板溶接、熱間圧延、攪拌摩擦溶接、感圧接着剤、熱接合フィルムなどの技術を用いて、フレーム層を互いに適切に接着することができる。

なお、電気化学単セル１００は、セパレータ１０２の両側それぞれに４つのフレーム層（すなわち、１２０，１３０，１４０，１５０、および１２０’，１３０’，１４０’，１５０’）を有しているが、本発明の他の実施形態では、追加のフレーム層を設けることもできることを認識されたい。追加のフレーム層は、特定の設計上の課題を解決するためや、電気化学単セル１００全体の厚さを調整するため、あるいはその両方の目的のために設けることができる。いくつかの実施形態では、電気化学単セル１００のセル厚を大きくするために追加される任意のフレーム層の内部には、バイポーラプレートが貫通することができるように窓が形成されるが、そのような追加のフレーム層は、その他の構造的な機構は有していなくてもよい。ただし、いくつかのまたは他の実施形態では、追加のフレーム層が、特定の設計上のニーズを満たすのに適した構造的機構を備えることもでき、そのような機構の例として、所定のハーフセル内の特定の位置で流体が流入できるようにするフロー分配機構やフロー分配導管などを挙げることができる。

図５は、他の例示的な電気化学単セル構成の分解図である。図５において、各種セル構成コンポーネントは、その細部を示すため互いに離間した状態で図示されている。図５に示す電気化学単セル２００と、図２、図３Ａ、図３Ｂ、図４に示す電気化学単セル１００との主な違いは、圧縮性シール１１０，１１０’が各非接触周縁領域１０８，１０８’から省略されている点にある。その他の点では、図５に示す電気化学単セル構成の各要素は、図２などに示したものと同様であり、よって対応する要素には同様の参照符号を使用している。同様に、図２と図５との間で共通の要素については、その配置が図５に示す代替的なセル構成において変更されている場合を除いて、改めて詳細に説明することはしない。

図５に示すセル構成では、フレーム層１２０，１２０’は、セパレータ１０２の両面にそれぞれ直接接するとともに、接着接合などによって接着されている。この種の直接接合によっても、図２に示すセル構成における圧縮性シール１１０，１１０’と同様のシール封止に資する機能を果たすことができる。従って、図５に示す電気化学単セル構成では、圧縮性シール１１０，１１０’を省略することができる。これにより、図２に示すセル構成に比べて、図５に示すセル構成の方が、（例えば、一定期間セルを動作させた後に分析や検査を行う目的などのために）セルを分解する場合に、それがより困難になり得るという違いが生じている。具体的には、図５に示すセル構成においては、両ハーフセルがセパレータ１０２で互いに接合されているのに対し、図２に示すセル構成は、フレーム層１２０，１２０’から圧縮性シール１１０，１１０’に加えられる封止圧を解除すれば分解することができるという違いがある。代替的な構成として、図５に示すセル構成が、図２を参照して上述したものと同様の圧縮性シールを備えることもできる。シールを設ける場合には、場合によって、シールの下地材を設けることもできる。あるいは、セルの組み立てを助ける構成として、セパレータ１０２とフレーム層１２０，１２０’との間にシールの下地材を設けることもできる。図６は、図５に示す電気化学単セルの各種セル構成コンポーネントが互いに完全に当接した状態の断面図を示している。

上述したように、複数の電気化学単セルを互いに組み合わせて、様々なサイズの電気化学スタックを生産することができる。より詳細には、各電気化学単セルのバイポーラプレートと、カソードと、セパレータと、アノードとを貫通するように定められる軸線に沿って複数の個々の電気化学単セルが互いに当接するように個々の電気化学単セルを積層することができる。これら複数の個々の電気化学単セル間の電気的な連通は、各電気化学単セルの軸線方向端部に配置されたバイポーラプレートを介して行われる。電気化学単セルの製造方法に応じて、隣接する電気化学単セルどうしは、共通のバイポーラプレートとこの共通のバイポーラプレートに接着されたフレーム層とを共有してもよく、あるいは電気化学スタック内の隣接する電気化学セルのバイポーラプレートが（セルの一側が別のセルの他側に接する（head-to-tail）ように）互いに当接していてもよい。

いくつかの実施形態では、電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルのバイポーラプレートを互いに当接させることができる。図７は、隣接する電気化学単セルのバイポーラプレートが互いに当接している例示的な電気化学スタックを示す模式図である。図７に示す複数の電気化学単セルはそれぞれ、図４に示したセル構成と同様のセル構成を有しており、ここで改めて詳細に説明することはしない。また、図７に示す電気化学スタックにおいて、図６に示すセル構成も同様に採用することができる。図７は、例示的な３セル電気化学スタック３００を示している。電気化学スタック３００は、電気化学単セル３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃを有しており、これら電気化学単セル３０２ａ，３０２ｂ，３０２ｃはセルの一側が別のセルの他側に接するように配置されている。すなわち、隣接する電気化学セル３０２ａ，３０２ｂにおいて、バイポーラプレート３１０ａ’，３１０ｂが互いに当接しており、隣接する電気化学セル３０２ｂ，３０２ｃにおいて、バイポーラプレート３１０ｂ’，３１０ｃが互いに当接している。バイポーラプレート３１０ａ，３１０ｃ’は、電気化学スタック３００の軸線方向端部にあり、他のバイポーラプレートに当接していない。同様に、フレーム層３２０ａ’，３２０ｂは互いに当接し、フレーム層３２０ｂ’，３２０ｃも互いに当接している。フレーム層３２０ａ，３２０ｃ’は、軸線方向端部に位置し、他のフレーム層に当接していない。

代替的な実施形態では、電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルは、共通のバイポーラプレートを共有することができる。図８は、隣接する電気化学セルが共通のバイポーラプレートを共有する例示的な電気化学スタックを示す模式図である。図８に示す複数の電気化学単セルもそれぞれ、図４に示したセル構成と同様のセル構成を有しており、ここで改めて詳細に説明することはしない。また、図８に示す電気化学スタックにおいて、図６に示すセル構成も同様に採用することができる。図８は、例示的な３セル電気化学スタック４００を示している。電気化学スタック４００は、電気化学単セル４０２ａ，４０２ｂ，４０２ｃを有しており、隣接する電気化学単セルどうしは、共通のバイポーラプレートと共通のフレーム層とを共有している。基本的には、電気化学単セル４０２ａ〜４０２ｃは、図２および図７に示した電気化学単セルと同様であるが、２つ目のバイポーラプレートとこの２つ目のバイポーラプレートを囲むフレーム層とを有していない点が異なっている。従って、電気化学スタック４００内において繰り返される単位は、電気化学スタック３００内において繰り返される単位とは異なっている。図８をより詳細に参照すると、隣接する電気化学単セル４０２ａ，４０２ｂはバイポーラプレート４１０ｂを共有しており、隣接する電気化学単セル４０２ｂ，４０２ｃはバイポーラプレート４１０ｃを共有している。バイポーラプレート４１０ａ，４１０ｄならびにフレーム層４２０ａ，４２０ｄは、電気化学スタック４００の軸線方向端部に位置しており、他の電気化学単セルと共有されていない。同様に、フレーム層４２０ｂは、隣接する電気化学単セル４０２ａ，４０２ｂの間で共有されており、フレーム層４２０ｃは、隣接する電気化学単セル４０２ｂ，４０２ｃの間で共有されている。なお、図８に示すものと同様の電気化学スタック構成は、本明細書に記載の製造プロセスの下流工程に変更を加えることにより作成することができる。

図７および図８では、図４に示した特定の電気化学単セル構成を有する電気化学スタック３００，４００が図示されているが、図６に示した電気化学単セル構成を採用しても、同様の電気化学スタックを生産できることを認識されたい。さらに、本発明のいくつかの実施形態では、動作上の各種考慮事項に応じて、所定の１つの電気化学スタック内に異なる複数の単セル構成を設けることもできる。さらに、いくつかの実施形態では、図８に示す電気化学スタック構成を繰り返し積層して、さらに大型の電気化学スタックを生産することもできる。例えば、図８に示した構成と同様の３セルスタック構成を１０回繰り返し積層すれば、３０セルの電気化学スタックを生産することができる。あるいは、図７に示す電気化学スタックの構成に含まれる個々の電気化学単セルを、図８に示すスタック構成を有する電気化学スタックに組み込んで、変形電気化学スタックとすることもできる。このように、図７および図８に示す電気化学スタック構成は、限定を意図したものと見なされるべきではない。

同様に、図７および図８は、３セルの電気化学スタックを示しているが、所望の貯蔵電力量や他の動作上の考慮事項に応じて、任意の数の個々の電気化学単セルを有することができることを理解されたい。このように、図７および図８に示した電気化学スタック構成は限定を意図したものと見なされるべきではない。種々の実施形態においては、電気化学スタックが、約３０〜２００個の個々の電気化学単セルを有していてもよく、あるいは約５０〜約１００個の個々の電気化学単セル、または約１００〜約２００個の個々の電気化学単セルを有することもできる。そして、電気化学スタックにおける各種電気化学単セル間の相互接続は、本明細書に記載の接着技術のいずれによっても行うことができ、例えば、接着接合、高温プレス加工、積層加工、レーザ溶接、超音波溶接などによって行うことができる。

上述したように、本発明の電気化学単セルは、リール式の製造技術などの生産性の高い各種製造技術で作製することができる。以下では、本発明の電気化学単セルの例示的な製造技術を、より詳細に説明する。

究極的には、本発明の電気化学単セルやこれに関連する電気化学セルスタックは、１つの生産ラインで軟質材と硬質材とを両方同時に処理する「ユニット化した（unitized）」方式で作製するのが望ましいと言える。ただし、軟質材と硬質材を別々の生産ラインで処理してから、硬質材と軟質材を１つに合わせて電気化学単セルを完成させる方法でも、各電気化学単セルを作成できることも認識されたい。「ユニット化した」生産プロセスをよりよく理解する助けにもなるため、以下では、軟質材と硬質材とを別々に作製するプロセスについてまず説明する。

図９は、電気化学単セルの軟質材の組み立てを連続的に行うことができる例示的な生産ラインを示す模式図である。図９に示すように、軟質材を形成する各原材料の供給は、ロール状の原料から行うことができる。図９では、これらの原材料に対して、必要に応じて図２〜図８と対応する参照符号を付している。従って、図２〜図８を参照することにより、図９をよりよく理解することができるであろう。

図９に示すように、セパレータ１０２のロールが、リール５０２から生産ライン５００に供給される。セパレータ１０２は、ローラ５０６を有するステーション５０５で下地材の上に積層加工される。ステーション５０５に到達する前に、リール５０８から下地材のロールが供給され、ローラ５１２を有するステーション５１１で下地材の両面に感圧接着剤が積層加工される。これらの感圧接着剤層は、リール５１４から供給される。ステーション５１９では、ダイス５２０を用いて、下地材と感圧接着剤に対して、打ち抜き加工あるいはこれに類する加工が施される。打ち抜き加工は、開口（窓）を形成するものであり、セパレータ１０２に下地材を取り付けた後は、カソード１０４やアノード１０６がこれらの窓を介してセパレータ１０２に接することができる。そして、これらの感圧接着剤層のうち一方の層の台紙材（backing material）をリール５２２で巻き取って、この感圧接着剤層を露出させる。

そしてステーション５０５で、下地材と感圧接着剤をセパレータ１０２に積層した後に、今度は、感圧接着剤層のうちもう一方の層の台紙材をリール５２４で巻き取って、この感圧接着剤層を露出させる。次にセパレータ１０２とこれに接着された下地材とは、ステーション５２５に進み、ここで、圧縮性シール１１０，１１０’への接着接合が行われる。ステーション５２５はローラ５２６を有しており、このローラ５２６により、感圧接着剤がセパレータ１０２上に積層加工されて、接着接合プロセスが完了する。なお、他の接合技術も同様に用いることができる。

ステーション５２５に到達する前に、圧縮性シール１１０，１１０’を形成するシール材のロールが、リール５２８から供給される。ステーション５２９では、ダイス５３０を用いて、シール材に対して、打ち抜き加工あるいはこれに類する加工が施される。下地材の場合と同様に、打ち抜き加工によって、カソード１０４やアノード１０６がセパレータ１０２に接することを可能にする開口（窓）が形成される。ステーション５２９で形成される開口は、ステーション５１９で形成される開口と略同一のサイズを有しており、これにより周縁に配置される圧縮性シール１１０，１１０’の下には、水平方向の寸法が略同一の下地材が設けられる。

ステーション５２５を出たセパレータと圧縮性シールの積層体は、ステーション５２９に送られ、そこで、ダイス５３０を用いて、セパレータと圧縮性シールの積層体の外周部が切り落とされる。後述するように、これにより、電気化学セルの最終的なサイズ、特にこの積層体にこの後取り付けられる硬質材のサイズが決まる。打ち抜き加工が施されたセパレータと圧縮性シールの積層体は、電気化学単セルあるいは電気化学単セルスタックとするためのさらなる組み立て処理に備えて、ステーション５３１でシート仕上げ（sheet）される。図１０Ａおよび図１０Ｂは、図９に示す生産ラインによって生産される軟質材アセンブリ５４０を示す例示的な上面模式図および側面模式図である。軟質材アセンブリ５４０において、セパレータと圧縮性シール１１０，１１０’との間には下地材５４２，５４２’がそれぞれ挟み込まれている。分かりやすくするため、図１０Ａおよび図１０Ｂには、感圧接着剤となる追加の層は示していない。また、図１０Ｃは、図１０Ｂをさらに簡略化し、分かりやすくするために下地材５４２，５４２’を省略した図である。

上述したように、通常は、カソード１０４およびアノード１０６も電気化学単セルの軟質材の一部と見なされる。しかし図９においては、簡略化のため、カソード１０４およびアノード１０６を設置するための機構の図示は省略されている。生産ライン５００において、ロール状の原材料からカソード１０４およびアノード１０６を組み入れる例示的な位置としては、例えば、ステーション５０５の直前やステーション５２５の直前を挙げることができる。生産ライン５００で組み立てられた他のコンポーネントに対するカソード１０４およびアノード１０６の相対的な位置を示すため、図１０Ａ〜図１０Ｃの軟質材アセンブリ５４０においては、カソード１０４およびアノード１０６を破線で示している。電気化学単セル内へのカソード１０４とアノード１０６の組み込みについては、後述の硬質材と軟質材を１つに組み立てて電気化学単セルとするためのユニット化したプロセスにおいて、さらに詳細に説明する。

ここで、硬質材の説明に移る。図１１は、電気化学単セルの硬質材の組み立てを連続的に行うことができる例示的な生産ラインを示す模式図である。図１１に示すように、硬質材を形成する各原材料の供給は、ロール状の原料から行うことができる。図１１でも、これらの原材料に対して、必要に応じて図２〜図８と対応する参照符号を付している。従って、図２〜図８を参照することにより、図１１をよりよく理解することができるであろう。

より具体的には、フレーム層１５０を形成する材料ロールが、リール６０２から生産ライン６００に供給される。フレーム層１５０などの各フレーム層を形成するのに適した材料については、上述した通りである。ステーション６０５では、ダイス６０６を用いて、フレーム層の材料に対して打ち抜き加工あるいはこれに類する加工が施され、開口が形成される。なお、この開口は、最終的にはバイポーラプレート１６０で再び塞がれるものである。次に、ステーション６０７で、液槽６０８とローラ６０９とによって接着剤が塗布される。図１１では、ステーション６０７はグラビア式の印刷ローラとして示されているが、代替的な実施形態では、スクリーン印刷や、スプレー被覆、浸漬被覆、ローラ被覆、スロットダイ被覆、あるいはこれらに類する成膜技術によって、接着剤の塗布を行うことができるものと認識されたい。接着剤被覆が施された材料はステーション６１１に送られ、そこでバイポーラプレート１６０が取り付けられる。

バイポーラプレート１６０を形成する材料は、リール６１４から供給され、ローラ６１２を有するステーション６１１に送られる。ステーション６１１に到達すると、バイポーラプレート材料と接着剤被覆が施されたフレーム層材料とがローラ６１２を通過し、これによりバイポーラプレート材料が接着剤被覆を施したフレーム層に接着される。このとき、予めステーション６０５においてフレーム層材料に形成されている開口がバイポーラプレート材料によって塞がれる。なお、ステーション６１１では、様々な接合機構を用いることができる。例示的な実施形態では、バイポーラプレート材料と接着剤被覆が施されたフレーム層との接合は、低温積層加工、高温積層加工、ＵＶ硬化、熱硬化、レーザ溶接、超音波溶接などによって行うことができる。例えば、熱硬化の場合であれば、バイポーラプレート材料とフレーム層材料を加熱炉や、加熱コイル、熱風送風機などの熱源を通過させることによって、互いに接合する。どのような技術が接着接合の促進に適しているかは、ステーション６０７で塗布する接着剤に何を選択するかによって異なるが、そのような考慮事項は、当業者の知識の範疇にあると考えられる。

ステーション６１１を出たフレーム層材料とこれに接着されたバイポーラプレート材料とは、さらに一連のステーションに送られ、そこでフレーム層１２０，１２０’，１３０，１３０’，１４０，１４０’を形成する材料が、順にフレーム層１５０を形成する材料の上に積層される。具体的には、フレーム層１４０，１４０’の材料はステーション６２１で貼り付けられ、フレーム層１３０，１３０’の材料はステーション６３１で貼り付けられ、フレーム層１２０，１２０’の材料はステーション６４１で貼り付けられる。後述するように、ステーション６２１，６３１，６４１で貼り付けられるこれらフレーム層の材料は、供給アーム６２０，６３０，６４０からそれぞれ提供される。なお、各フレーム層材料を供給する際、供給アーム６２０，６３０，６４０は同様の動作を行う。ステーション６２１，６３１，６４１は、各種の層を相互に積層する加工を支援するローラ６２４，６３４，６４４をそれぞれ有している。

簡単に説明すると、各供給アーム６２０，６３０，６４０は、ロール状のフレーム層材料を供給するリール６５０とロール状の感圧接着剤を供給するリール６５２とを有している。そして、フレーム層材料と感圧接着剤とは、ローラ６５４を有しているステーション６５３で積層加工される。ステーション６５３を出たフレーム層と接着剤の積層体は、ダイス６５６を有しているステーション６５５に移動し、そこで打ち抜き加工によって各フレーム層に開口が形成される。なお、これらの開口は、最終的には、完成後の電気化学単セルの窓１２２，１２２’，１３２，１３２’，１４２，１４２’となるものである。そして、ステーション６５５で、感圧接着剤の外表面から台紙材が剥がされて、リール６５８で巻き取られる。

その結果、ステーション６４１を出た時点で、７層の積層体（感圧接着剤による層は含まない）が得られる（図１２Ａおよび図１２Ｂを参照）。その後、ステーション６６１で、７層の積層体の外周が、ダイス６６２を用いた打ち抜き加工によって切り落とされる。このステーション６６１での打ち抜き加工は、硬質材のサイズが、生産ライン５００で作製される軟質材のサイズに対して相補的となるように行われる。完成した硬質材アセンブリは、生産ライン５００の場合と同様に、ステーション６７１でシート仕上げされる。

図１２Ａおよび図１２Ｂは、図１１に示す生産ラインによって作製された硬質材アセンブリ６８０を示す例示的な上面模式図および側面模式図である。図１２Ａに示すように、バイポーラプレート１６０は、フレーム層１５０に接着されて、フレーム層１５０に初期に形成されていた開口（窓）を塞いでいる。フレーム層１５０上には、フレーム層１４０，１３０，１２０とフレーム層１４０’，１３０’，１２０’とが連続して積層されている（図１２Ａでは、フレーム層１２０のみが示されている）。各フレーム層１２０，１２０’，１３０，１３０’，１４０，１４０’は、いずれも開口を有しており、従って、バイポーラプレート１６０の露出を妨げることがない。図１２Ｂでは、硬質材アセンブリ６８０の７層の積層構造をより明確に見て取ることができる。図１２Ｂに示すように、フレーム層１５０は、７層の積層体の中央に配置され、バイポーラプレート１６０（破線で示す）がフレーム層１５０の両面に接着されている。なお、図１２Ｂでは、（破線で示す）バイポーラプレート１６０は、フレーム層１５０内のみに収まっているように図示しているが、上述したように、バイポーラプレート１６０は、フレーム層１２０，１３０，１４０，１２０’，１３０’，１４０’の開口も貫通して延在し得ることを理解されたい。あるいは、カソード１０４およびアノード１０６がこれらの開口を貫通して延在して、バイポーラプレート１６０に接触してもよい。フレーム層１５０の両面上には、フレーム層１４０，１３０，１２０とフレーム層１４０’，１３０’，１２０’とが連続して配置されている。そして、各フレーム層の間には、感圧接着剤層６８２が存在している。なお、各種フレーム層を互いに接着する技術として、他の代替的な技術を使用することもできる。また、図１２Ｃは、図１２Ｂをさらに簡略化し、分かりやすくするために感圧接着剤層６８２を省略した図である。

なお、上述したように、本発明の電気化学単セルが備えるフレーム層の積層数は、様々な動作上のニーズに従って増やしてもよく、あるいは減らしてもよい。本発明がもたらす効果を考慮した上で、任意の数の適切なフレーム層を有する硬質材アセンブリ、そしてそれに対応する電気化学単セルを生産するように、本明細書に記載の生産プロセスを適合させることは、当業者であれば容易に可能であろう。

そして、軟質材アセンブリ５４０と硬質材アセンブリ６８０とを交互に積層することによって、図８に示した構成と同様の、隣接する電気化学単セルの間でバイポーラプレート１６０とフレーム層１５０とが共有される電気化学スタックを生産することができる。図１３は、図１０Ａ〜図１０Ｃに示す軟質材アセンブリと、図１２Ａ〜図１２Ｃに示す硬質材アセンブリとが交互に積層されている例示的な３セル電気化学スタックを示す模式図である。より詳細には、電気化学スタック７００においては、硬質材アセンブリ６８０ａ〜６８０ｄと軟質材アセンブリ５４０ａ〜５４０ｃが交互に配置され、これにより電気化学単セル７０２ａ〜７０２ｃが形成されている。そして、電気化学単セル７０２ａ〜７０２ｃの間では、各バイポーラプレートが共有されている。なお、電気化学スタック７００の上端の電気化学単セル７０２ａと下端の電気化学単セル７０２ｃとは、図８に示した構成と若干異なる構成を有しており、電気化学スタック７００はバイポーラプレート４１０ａ，４１０ｄでは終端していない。その代わりに、必要に応じて追加の電気化学セルと組み合わせることができるように、電気化学スタック７００は、硬質材アセンブリ６８０ａ，６８０ｄが持つ追加のフレーム層で終端している。なお、硬質材アセンブリ６８０ａ，６８０ｄのこれらの追加のフレーム層は、後続の製造工程において適切な部材を用いて終端処理することができる。あるいは、硬質材アセンブリ６８０ａ，６８０ｄを、片側のみにフレーム層を有するように別途製造することもできる。

次に、軟質材アセンブリと硬質材アセンブリの両方を１つの生産ラインで作製し、組み合わせることによって、電気化学単セルをユニット化した方式でダイレクトに生産するプロセスをさらに詳細に説明する。このような電気化学単セルのバイポーラプレートは、電気化学スタックとされた場合に、図７に示す構成のように、隣接する電気化学単セルのバイポーラプレートと互いに当接するものである。隣接する電気化学単セル間の導電性は、互いに当接しているバイポーラプレート間の接触圧によって確保される。以下に説明する統合生産ラインで電気化学単セルを作製することのメリットとしては、特に、製造プロセスの完了時点で、軟質材アセンブリが２つの硬質材アセンブリの間に完全に挟み込まれているため、その内部の壊れやすいセパレータを損傷から保護することができる点が挙げられる。

図１４は、電気化学単セルを連続的に生産することができる例示的な生産ラインを示す模式図である。図１４に示すように、軟質材や硬質材を形成する原材料は、それぞれロール状の原料から供給される。図１４でも、これらの原材料に対して、必要に応じて図２〜図８と対応する参照符号を付している。従って、図２〜図８を参照することにより、図１４をよりよく理解することができるであろう。

図１４に示すように、セパレータ１０２のロールが、リール８０２から生産ライン８００に供給される。同様に、カソード１０４とアノード１０６を形成する材料のロールがリール８０４，８０４から供給される。次に、ローラ８１０を有するステーション８０９で、カソード１０４とアノード１０６がセパレータ１０２上に積層加工される。ステーション８０９での使用に適した積層加工技術としては、高温積層加工、低温積層加工、印刷、（例えば、感圧接着剤を用いた）接着接合などを挙げることができる。なお図１４には示していないが、カソード１０４とアノード１０６を形成する材料に対して、セパレータ１０２への積層加工を容易にする何らかの処理が施されてもよい。例えば、カソード１０４とアノード１０６の端部に熱可塑性材料を含浸させ、適切な場所で感圧接合が起こるようにすることができる。その際、図９に示した機構と同様の機構を利用して、感圧接着剤を塗布することができる。なお、生産ライン８００は、図７に示すものと同様の電気化学単セルを生産するためのものであるため、生産ライン８００で加工された軟質材は、図９に示す生産ライン５００で加工された軟質材とは一部異なっている。しかしながら、当業者であれば、生産ライン５００をどのように変更すれば、図１４と整合性のある形で軟質材を加工することができるかを容易に理解することができるであろう。こうして得られた積層体は、ダイス８１４を有するステーション８１３に通過させることによって、外周縁に（例えば、半抜き（kiss cut）などの）不完全な打ち抜き加工が施され、これにより、軟質材は、硬質材をさらに接着する準備が整った状態となる。そして、打ち抜き加工によって生じた廃材は、リール８１８で再び巻き取ることができる。

こうして得られた軟質材アセンブリは、ステーション８１３を出た後、ステーション８４１，８６１，８８１に送られ、そこで、それぞれ供給アーム８４０，８６０，８８０から受け取った材料を使用して、硬質材アセンブリの各種層を軟質材アセンブリに貼り付けることができる。以下では、これらの各積層工程をさらに詳細に説明する。

供給アーム８４０は、フレーム層１２０，１２０’を形成する材料をリール８２０から供給する。感圧接着剤は、リール８２２に巻き取られた状態から引き出されて、ローラ８２６を有するステーション８２５でフレーム層材料の上に積層加工される。こうして得られた積層体はステーション８２９に送られ、そこでダイス８３０を用いて打ち抜き加工が施される。この打ち抜き加工によって、最終的に窓１２２，１２２’となる開口がフレーム層材料に形成される。次いで、露出している、感圧接着剤の台紙材層が剥離される。その際、台紙材層は、リール８３２で巻き取ることができる。

また、供給アーム８４０は、フレーム層１３０，１３０’を形成する材料のリール８３４からの供給も担う。そして、ステーション８３５で、この材料に対してダイス８３６を用いて打ち抜き加工が施される。この打ち抜き加工によって、最終的に窓１３２，１３２’となる開口が形成される。次に、ローラ８３８を有するステーション８３７で、この打ち抜き加工が施されたフレーム層１３０，１３０’の材料を、フレーム層１２０，１２０’上の露出した感圧接着剤上に積層する加工が行われる。こうして得られたフレーム層１２０，１２０’，１３０，１３０’の積層体は、次にステーション８４１に送られ、そこでローラ８３９を用いて軟質材アセンブリ上に積層する加工が施される。あるいは、フレーム層１２０，１２０’を形成する材料の軟質材アセンブリへの積層加工を、フレーム層１３０，１３０’を形成する材料の積層加工とは別に行うこともできる。その場合、フレーム層１３０，１３０’の材料の供給は、別体の供給アームから行うことができる。

供給アーム８６０は、フレーム層１４０，１４０’を形成する材料を供給する。供給アーム８６０は、図１１に示す供給アーム６３０と実質的に同様であり、よってここでの説明は簡潔にとどめる。すなわち、供給アーム８６０は、ロール状のフレーム層材料を供給するリール８６２と、ロール状の感圧接着剤を供給するリール８６４とを有している。そして、フレーム層材料と感圧接着剤とは、ローラ８６６を有しているステーション８６５で積層加工される。ステーション８６５を出たフレーム層材料と感圧接着剤の積層体は、ステーション８６７に移動し、そこでダイス８６８を用いた打ち抜き加工によって、最終的には窓１４２，１４２’やフロー分配路１４４，１４４’となる開口がフレーム層１４０，１４０’内に形成される。次に、感圧接着剤の台紙材層が剥離される。その際、台紙材層は、リール８７０で巻き取ることができる。そして、ローラ８６０を有するステーション８６１で、フレーム層の材料をフレーム層１３０，１３０’に積層する加工が行われる。

供給アーム８８０は、フレーム層１５０，１５０’ならびにバイポーラプレート１６０，１６０’を形成する材料を供給する。すなわち、供給アーム８８０は、ロール状のフレーム層材料を供給するリール８８２と、ロール状の感圧接着剤を供給するリール８８４とを有している。そして、フレーム層材料と感圧接着剤とは、ローラ８８６を有しているステーション８８５で積層加工される。ステーション８８５を出たフレーム層材料と感圧接着剤の積層体は、ステーション８８７に移動し、そこでダイス８８８を用いた打ち抜き加工によって、最終的には窓１５２，１５２’となる開口がフレーム層１５０，１５０’内に形成される。次に、ステーション８９１で、液槽８９０とローラ８９２とによって接着剤が塗布される。なお、図１１を参照して上述したように、接着剤のフレーム層材料への塗布は、他の方法によっても可能である。接着剤被覆が施された材料はステーション８９５に送られ、そこでバイポーラプレート１６０，１６０’が取り付けられる。

バイポーラプレート１６０，１６０’を形成する材料は、リール８９４から供給され、ステーション８９５に送られる。ステーション８９５に到達すると、バイポーラプレート材料と、ステーション８９１で接着剤被覆が施されたフレーム層材料とがローラ８９８を通過し、これによりバイポーラプレート材料が接着剤被覆を施したフレーム層に接着される。このとき、予めステーション８８７においてフレーム層材料に形成されている開口（すなわち、窓１５２，１５２’）がバイポーラプレート材料によって塞がれる。なお、ステーション８９５では、図１１を参照して上述したような様々な接合技術を用いることができる。

次いで、感圧接着剤の台紙材層が剥離される。その際、台紙材層は、リール９００で巻き取ることができる。その後、フレーム層材料とこれに接着されたバイポーラプレート材料との積層体は、ローラ８８０を有するステーション８８１に進み、そこで、フレーム層１４０，１４０’上に積層する加工が行われる。次いで、ステーション９０３では、ダイス９０４を用いて打ち抜き加工が行われて、図６に示したものと同様の電気化学単セルが完成する。そして、ステーション９０５で、完成した複数の電気化学単セルはシート仕上げされる。

なお、図１４では、１つの電気化学セルを連続的に生産する構成を示しているが、さらに追加の軟質材アセンブリや硬質材アセンブリを１つの生産ラインに組み込むことができ、これにより、１つ以上の電気化学単セルを有する電気化学スタックを作製できることを認識されたい。例えば、複数の生産ライン８００を並行して動作させることが可能であり、よって、各生産ラインから出てきた複数の完成した電気化学単セルを自動的に互いに当接させて電気化学セルスタックを形成することができる。あるいは、複数の生産ラインとしなくとも、個々の電気化学単セルを互いに積み重ねられるように生産ライン８００自体をさらに改変することもできる。さらにまた、複数の電気化学単セルどうしの積層加工において、個々の電気化学単セルの積層を手動、自動、あるいは半自動的なやり方で連続的な生産ライン環境の外で行うこともできる。隣接する電気化学単セルを互いに接着するのに適した技術としては、例えば、接着接合、レーザ溶接、高温プレス、超音波溶接、機械的固定などを挙げることができる。あるいは、電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルどうしの接着は行わず、圧縮をかけるのみとすることもできる。

いくつかの実施形態では、本発明の電気化学単セルを組み込んだフロー電池は、数時間の持続的な充電または放電サイクルに好適である。従って、フロー電池を使用して、エネルギーの供給・需要プロファイルを平滑化し、（例えば、太陽光エネルギーや風力エネルギーなどの再生可能エネルギー源からの）間欠発電資産を安定化させる機構を提供することができる。よって、本発明の種々の実施形態では、このような長い充電または放電の持続時間が望ましいエネルギー貯蔵の用途が含意されていることを理解されたい。例えば、限定を意図しない実施例においては、フロー電池は、送電網に接続されて、再生可能エネルギーの統合（renewables integration）、ピーク負荷シフト、送電網の安定化（grid firming）、ベースロード発電および電力消費、エネルギー裁定取引、送配電資産の繰延、弱送電網のサポート、周波数調整、またはこれらの任意の組み合わせを可能とする。送電網に接続されない場合には、フロー電池を、遠隔キャンプ、前線作戦基地、送電網を利用しない電気通信、遠隔センサ等、およびこれらの任意の組み合わせのための電源として使用することができる。さらに、静止した（stationary）電解液を利用する電気化学エネルギー貯蔵媒体などのフロー電池以外の電気化学エネルギー貯蔵媒体も本明細書に記載の電気化学単セルを内蔵し得るものと理解されたい。

追加の実施形態では、本発明の電気化学単セル、電気化学セルスタックおよびフロー電池を、より大型のエネルギー貯蔵システム内に組み込むことができる。この大型システムは、大型ユニットの動作に有用な配管および制御装置を適宜含むものである。そのようなシステムに適した配管や制御装置などの設備については当技術分野において公知であり、例えば、電解液をセル内外に移動させるために各チャンバと流体連通した配管およびポンプや、充放電した電解液を保持するための貯蔵タンクなどを備えることができる。また、動作管理システムを設けることもできる。動作管理システムは、コンピュータまたはマイクロプロセッサなどの任意の適切なコントローラデバイスであってよく、各種のバルブ、ポンプ、循環回路などのいずれかの動作を設定する論理回路を有することができる。

上記で別の定義を定めている場合を除き、あるいは当業者が別の意味で解している場合を除き、以下の段落における定義を本発明に適用することができる。

本明細書において、「エネルギー密度（energy density）」という用語は、活物質において単位体積当たりで貯蔵され得るエネルギーの量を指す。エネルギー密度は、エネルギー貯蔵の理論上のエネルギー密度を指し、以下の式１によって計算することができる。
エネルギー密度＝（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）×ＯＣＶ×［ｅ⁻］ （１）
式中、ＯＣＶは５０％の充電状態での開路電位であり、（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）はファラデー定数であり、［ｅ⁻］は９９％の充電状態で活物質に貯蔵される電子の濃度である。正の電解液および負の電解液の活物質がいずれも原子種または分子種を主に含む場合、［ｅ⁻］は以下の式２によって計算することができる。
［ｅ⁻］＝［活物質］×Ｎ／２ （２）
式中、［活物質］は負の電解液または正の電解液の活物質のモル濃度のうちいずれか低い方であり、Ｎは活物質１分子当たりの移動電子の数である。関連用語の「電荷密度（charge density）」は、各電解液が含有する電荷の総量を指す。所与の電解液について、電荷密度は以下の式３によって計算することができる。
電荷密度＝（２６．８Ａ−ｈ／ｍｏｌ）×［活物質］×Ｎ （３）
式中、［活物質］およびＮは上記で定めた通りである。

本明細書において、「電流密度（current density）」という用語は、電気化学セルに流れる総電流をセルの電極の幾何学的面積で除したものを指し、一般にｍＡ／ｃｍ^２の単位で表される。

本明細書において、「電流効率（current efficiency）」（Ｉ_eff）という用語は、セルの放電時に生成される総電荷の、充電時に移動する総電荷に対する比率であると説明することができる。電流効率は、フロー電池の充電状態の関数であり得る。限定を意図しないいくつかの実施形態では、電流効率は、充電状態が約３５％〜約６０％の範囲にある場合に求めることができる。

本明細書において、「電圧効率（voltage efficiency）」という用語は、所与の電流密度において観察される電極電位の、その電極のハーフセル電位に対する比率（×１００％）であると説明することができる。電圧効率には、電池の充電工程時の電圧効率や放電工程時の電圧効率、あるいは「往復電圧効率（round trip voltage efficiency）」が含まれ得る。所与の電流密度における往復電圧効率（Ｖ_eff,RT）は、以下の式４を用いて、放電時のセル電圧（Ｖ_discharge）と充電時の電圧（Ｖ_charge）とから計算できる。
Ｖ_eff,RT＝Ｖ_discharge／Ｖ_charge×１００％ （４）

本明細書において、「負極（negative electrode）」および「正極（positive electrode）」という用語は、相互に相対的に規定された電極のことであり、充電サイクルおよび放電サイクルのいずれにおいてもそれらが動作する実際の電位とは無関係に、負極が正極より負の電位で（またその逆で）動作するかまたは動作するように設計もしくは意図されるものである。負極は、可逆水素電極より負の電位で実際に動作するかまたは動作するように設計もしくは意図される場合があり、そうでない場合もある。本明細書に記載するように、負極は第１の電解液に関連付けられ、正極は第２の電解液に関連付けられている。負極に関連付けられた電解液をネゴライト（negolyte、負極電解液）、正極に関連付けられた電解液をポソライト（posolyte、正極電解液）と記載することがある。

上述した実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者であれば、これらの実施形態が本発明を例示するものに過ぎないことが容易に認められるであろう。本発明の精神から逸脱することなく種々の変更が可能であることを理解されたい。上記の説明には含まれないが本発明の精神および範囲に相応する任意の数の変形、改変、置き換え、または同等の構成を組み込むことにより本発明を変更することができる。さらに、本発明の種々の実施形態について説明したが、本発明の態様は記載した実施形態の一部のみを含み得ることを理解されたい。従って、本発明は上述の記載によって限定されると見なされるべきではない。

Claims (22)

1. 第１の電極と第２の電極との間に配置されるセパレータであって、該セパレータの両面上に、前記第１の電極および前記第２の電極とは接していない第１の周縁領域および第２の周縁領域が設けられるように、前記第１の電極および前記第２の電極のサイズと位置とが設定されている、セパレータと、
   前記第１の電極に接している第１のバイポーラプレートと、
   前記第２の電極に接している第２のバイポーラプレートと、
   前記セパレータ上の前記第１の周縁領域に配置される第１の圧縮性シールと、
   前記セパレータ上の前記第２の周縁領域に配置される第２の圧縮性シールと、
   前記第１の圧縮性シールおよび前記第２の圧縮性シールの外周縁沿いに形成される第１のフレーム層および第２のフレーム層と、
   前記第１の圧縮性シールおよび前記第１のフレーム層に接している第３のフレーム層と、
   前記第２の圧縮性シールおよび前記第２のフレーム層に接している第４のフレーム層と、
   前記第３のフレーム層に隣接している第５のフレーム層と、
   前記第４のフレーム層に隣接している第６のフレーム層と、
   前記第５のフレーム層に隣接している第７のフレーム層であって、前記第１のバイポーラプレートは該第７のフレーム層に接着されて、該第７のフレーム層の窓を塞いでいる、第７のフレーム層と、
   前記第６のフレーム層に隣接している第８のフレーム層であって、前記第２のバイポーラプレートは該第８のフレーム層に接着されて、該第８のフレーム層の窓を塞いでいる、第８のフレーム層と
   を備える電気化学単セルであって、
   前記第１から第８のフレーム層はいずれも非導体材料を含んでいる、電気化学単セル。
2. 前記第５のフレーム層および前記第６のフレーム層の少なくとも一方に、フロー分配路が形成されている、請求項１に記載の電気化学単セル。
3. 前記第５のフレーム層が前記第３のフレーム層に接しており、
   前記第６のフレーム層が前記第４のフレーム層に接しており、
   前記第７のフレーム層が前記第５のフレーム層に接しており、
   前記第８のフレーム層が前記第６のフレーム層に接している、
   請求項１に記載の電気化学単セル。
4. 前記セパレータ、前記第１の電極、前記第２の電極、前記第１のバイポーラプレート、前記第２のバイポーラプレート、前記第１の圧縮性シール、前記第２の圧縮性シール、および前記各フレーム層が、いずれもロール状の原材料から作製される、請求項１に記載の電気化学単セル。
5. 前記第１のフレーム層と、前記第３のフレーム層と、前記第５のフレーム層と、前記第７のフレーム層とが互いに接着されて１つにまとめられ、
   前記第２のフレーム層と、前記第４のフレーム層と、前記第６のフレーム層と、前記第８のフレーム層とが互いに接着されて１つにまとめられる、
   請求項１に記載の電気化学単セル。
6. 請求項１に記載の前記電気化学単セルを複数互いに当接させて構成された電気化学スタック。
7. 前記電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルが、共通のバイポーラプレートと、前記共通のバイポーラプレートに接着された共通のフレーム層とを共有している、請求項６に記載の電気化学スタック。
8. 前記電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルにおいて、第１の電気化学単セルのバイポーラプレートが、第２の電気化学単セルのバイポーラプレートに当接している、請求項６に記載の電気化学スタック。
9. 第１の電極と第２の電極との間に配置されるセパレータであって、該セパレータの両面上に、前記第１の電極および前記第２の電極とは接していない第１の周縁領域および第２の周縁領域が設けられるように、前記第１の電極および前記第２の電極のサイズと位置とが設定されている、セパレータと、
   前記第１の電極に接している第１のバイポーラプレートと、
   前記第２の電極に接している第２のバイポーラプレートと、
   前記セパレータ上の前記第１の周縁領域に積層される第１のフレーム層と、
   前記セパレータ上の前記第２の周縁領域に積層される第２のフレーム層と、
   前記第１のフレーム層に隣接している第３のフレーム層と、
   前記第２のフレーム層に隣接している第４のフレーム層と、
   前記第３のフレーム層に隣接している第５のフレーム層と、
   前記第４のフレーム層に隣接している第６のフレーム層と、
   前記第５のフレーム層に隣接している第７のフレーム層であって、前記第１のバイポーラプレートは該第７のフレーム層に接着されて、該第７のフレーム層の窓を塞いでいる、第７のフレーム層と、
   前記第６のフレーム層に隣接している第８のフレーム層であって、前記第２のバイポーラプレートは該第８のフレーム層に接着されて、該第８のフレーム層の窓を塞いでいる、第８のフレーム層と、
   を備える電気化学単セルであって、
   前記第１から第８のフレーム層はいずれも非導体材料を含んでいる、電気化学単セル。
10. 前記第５のフレーム層と前記第６のフレーム層のうち少なくとも一方に、フロー分配路が形成されている、請求項９に記載の電気化学単セル。
11. 前記第３のフレーム層が前記第１のフレーム層に接しており、
    前記第４のフレーム層が前記第２のフレーム層に接しており、
    前記第５のフレーム層が前記第３のフレーム層に接しており、
    前記第６のフレーム層が前記第４のフレーム層に接しており、
    前記第７のフレーム層が前記第５のフレーム層に接しており、
    前記第８のフレーム層が前記第６のフレーム層に接している、
    請求項９に記載の電気化学単セル。
12. 前記セパレータ、前記第１の電極、前記第２の電極、前記第１のバイポーラプレート、前記第２のバイポーラプレート、および前記各フレーム層が、いずれもロール状の原料から作製される、請求項９に記載の電気化学単セル。
13. 前記各フレーム層が互いに接着されて１つにまとめられる、請求項９に記載の電気化学単セル。
14. 請求項９に記載の前記電気化学単セルを複数互いに当接させて構成された電気化学スタック。
15. 前記電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルにおいて、第１の電気化学単セルのバイポーラプレートが、第２の電気化学単セルのバイポーラプレートに当接している、請求項１４に記載の電気化学スタック。
16. 前記電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルが、共通のバイポーラプレートと、前記共通のバイポーラプレートに接着された共通のフレーム層とを共有している、請求項１４に記載の電気化学スタック。
17. セパレータ材料のロールと、カソード材料のロールと、アノード材料のロールとを生産ラインに供給することと、
    前記生産ラインの第１の位置において、前記カソード材料と前記アノード材料とを前記セパレータ材料の両面にそれぞれ接着して、軟質材アセンブリを形成することと、
    第１の絶縁体材料のロールと、第２の絶縁体材料のロールとを前記生産ラインに供給することと、
    前記生産ラインにおいて前記第１の絶縁体材料内と前記第２の絶縁体材料内とに窓を形成し、前記生産ラインにおいて、前記第１の絶縁体材料を含む第１のフレーム層と第２のフレーム層とを前記軟質材アセンブリの両面に接着し、前記生産ラインにおいて、前記第２の絶縁体材料を含む第３のフレーム層を前記第１のフレーム層に接着し、前記第２の絶縁体材料を含む第４のフレーム層を前記第２のフレーム層に接着することと、
    第３の絶縁体材料のロールを前記生産ラインに供給することと、
    前記生産ラインにおいて前記第３の絶縁体材料内に窓を形成し、前記生産ラインにおいて、前記第３の絶縁体材料を含む第５のフレーム層を前記第３のフレーム層に接着し、前記第３の絶縁体材料を含む第６のフレーム層を前記第４のフレーム層に接着することと、
    第４の絶縁体材料のロールおよびバイポーラプレート材料のロールを前記生産ラインに供給することと、
    前記生産ラインにおいて前記第４の絶縁体材料内に窓を形成し、前記生産ラインにおいて、前記第４の絶縁体材料の前記窓が前記バイポーラプレート材料によって塞がれるように、前記バイポーラプレート材料を前記第４の絶縁体材料に接着して、前記生産ラインにおいて、前記第４の絶縁体材料を含む第７のフレーム層を前記第５のフレーム層に接着し、前記第４の絶縁体材料を含む第８のフレーム層を前記第６のフレーム層に接着することによって、電気化学単セルを形成することと、
    を含む方法であって、
    前記第１のフレーム層、前記第２のフレーム層、前記第３のフレーム層、前記第４のフレーム層、前記第５のフレーム層および前記第６のフレーム層として前記第１の絶縁体材料、前記第２の絶縁体材料、前記第３の絶縁体材料を配置したときに、前記第１の絶縁体材料内の窓と、前記第２の絶縁体材料内の窓と、前記第３の絶縁体材料内の窓とは互いに重なっており、
    前記軟質材アセンブリの両面それぞれの前記カソード材料および前記アノード材料に前記バイポーラプレート材料が接している、方法。
18. 前記第１のフレーム層と前記第２のフレーム層とを前記軟質材アセンブリに接着する前に、前記第１の絶縁体材料と前記第２の絶縁体材料を互いに接着することをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記カソード材料と前記アノード材料とは、感圧接着剤を用いて前記セパレータ材料に接着される、請求項１７に記載の方法。
20. 前記各フレーム層が互いに接着されて１つにまとめられる、請求項１７に記載の方法。
21. 複数の前記電気化学単セルを互いに直列接続して電気化学スタックを形成することをさらに含む方法であって、
    前記電気化学スタック内の隣接する電気化学単セルにおいて、第１の電気化学単セルのバイポーラプレートが、第２の電気化学単セルのバイポーラプレートに当接している、請求項１７に記載の方法。
22. 第１の絶縁体材料のロールを生産ラインに供給することと、
    前記生産ラインにおいて前記第１の絶縁体材料内に窓を形成することと、
    バイポーラプレート材料のロールを前記生産ラインに供給することと、
    前記第１の絶縁体材料の前記窓が前記バイポーラプレート材料によって塞がれるように、前記バイポーラプレート材料を前記第１の絶縁体材料に接着することと、
    第２の絶縁体材料のロールを前記生産ラインに供給することと、
    前記生産ラインにおいて前記第２の絶縁体材料内に窓を形成して、前記第２の絶縁体材料を前記第１の絶縁体材料の両面に接着することと、
    第３の絶縁体材料のロールを前記生産ラインに供給することと、
    前記生産ラインにおいて前記第３の絶縁体材料内に窓を形成して、前記第３の絶縁体材料を前記第１の絶縁体材料の両面に設けられた前記第２の絶縁体材料に接着することと、
    第４の絶縁体材料のロールを前記生産ラインに供給することと、
    前記生産ラインにおいて前記第４の絶縁体材料内に窓を形成して、前記第４の絶縁体材料を、前記第１の絶縁体材料の両面に設けられた前記第２の絶縁体材料に接着されている前記第３の絶縁体材料に接着することによって、電気化学単セルを形成することと、
    を含む方法。