JP6903286B2 - レドックスフロー電池 - Google Patents

Description

本発明は、レドックスフロー電池に関する。

太陽光発電や風力発電といった自然エネルギー由来の電力を蓄電する大容量の蓄電池の一つに、特許文献１のレドックスフロー電池（ＲＦ電池）が知られている。特許文献１のＲＦ電池では、黒鉛フェルトからなる正極電極及び負極電極と、両電極間に介在される隔膜と、隔膜の表面上に配設され、水素イオンが透過可能な中間膜と備える。

特開２００５−１５８３８３号公報

本開示のレドックスフロー電池は、
隔膜と、
前記隔膜の両側に圧縮された状態で配置されて前記隔膜を挟む電極とを備え、
前記隔膜の厚さｘ（μｍ）と前記電極の圧縮率ｙ（％）とが以下の（Ａ）又は（Ｂ）の関係を満たすレドックスフロー電池。
（Ａ）前記電極がカーボンフェルトの場合、ｙ＜ｘ＋６０、３０≦ｙ≦８５、５≦ｘ≦６０
（Ｂ）前記電極がカーボンクロス又はカーボンペーパの場合、ｙ＜１．２ｘ＋４２、１０≦ｙ≦８５、５≦ｘ≦６０
ｙ＝｛１−（圧縮時の厚さ／圧縮前の厚さ）｝×１００とする。

実施形態に係るレドックスフロー電池の動作原理図である。 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。 実施形態に係るレドックスフロー電池に備わるセルスタックの概略構成図である。 隔膜の厚さとカーボンフェルトの電極の圧縮率との関係を示すグラフである。 隔膜の厚さとカーボンクロスの電極の圧縮率との関係を示すグラフである。 試験例で使用した破裂試験用治具を示す概略構成図である。

［本開示が解決しようとする課題］
上述のように中間膜を設ければ、電極と隔膜との直接的な接触を抑制し易いことで、隔膜が薄くても電極の接触（突き刺さり）に伴う隔膜の破損（孔空き）などの損傷を抑制し易い。しかし、中間膜のような隔膜の保護部材など別部材を別途設ける必要がある。それにより、内部抵抗の増加や、生産性の低下を招く虞がある。

そこで、別部材を設けることなく厚さの薄い隔膜を損傷させ難い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。

［本開示の効果］
本開示によれば、別部材を設けることなく厚さの薄い隔膜を損傷させ難い。

《本発明の実施形態の説明》
本発明者らは、電極の突き刺さりなど電極の接触に伴う隔膜の損傷を抑制することを鋭意検討したところ、隔膜の厚さと電極の圧縮率とが特定の関係を満たすことで隔膜の損傷を抑制できるとの知見を得た。本発明はこの知見に基づくものである。最初に本発明の実施態様を列記して説明する。

（１）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、
隔膜と、
前記隔膜の両側に圧縮された状態で配置されて前記隔膜を挟む電極とを備え、
前記隔膜の厚さｘ（μｍ）と前記電極の圧縮率ｙ（％）とが以下の（Ａ）又は（Ｂ）の関係を満たすレドックスフロー電池。
（Ａ）前記電極がカーボンフェルトの場合、ｙ＜ｘ＋６０、３０≦ｙ≦８５、５≦ｘ≦６０
（Ｂ）前記電極がカーボンクロス又はカーボンペーパの場合、ｙ＜１．２ｘ＋４２、１０≦ｙ≦８５、５≦ｘ≦６０
ｙ＝｛１−（圧縮時の厚さ／圧縮前の厚さ）｝×１００とする。

上記の構成によれば、別部材を設けることなく厚さの薄い隔膜を損傷させ難い。上記関係を満たすことで、隔膜に対して電極の圧縮の反発力が過度に作用することがなく、隔膜に対する電極の接触（突き刺さり）を抑制し易いからである。

隔膜の厚さｘが５μｍ以上であることで、厚さが過度に薄過ぎず、電極の接触に伴う隔膜の損傷を抑制し易い。その上、隔膜を製造し易く取り扱い易い。隔膜の厚さｘが６０μｍ以下であることで、隔膜の厚さが薄いため、電池の内部抵抗を低減し易い。

上記圧縮率ｙの下限が規定値以上であることで、圧縮率が高いため、電極の電気伝導度を高められる。そのため、セル抵抗率を低減し易い。上記圧縮率ｙが８５以下であることで、電極が過度に圧縮され過ぎないため、電極の反発力による隔膜の損傷を抑制し易い。

（２）上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記電極がカーボンフェルトであり、
前記隔膜の厚さｘ（μｍ）が、ｘ≦５０を満たすことが挙げられる。

上記の構成によれば、更に隔膜の厚さが薄いため、電池の内部抵抗を低減し易い。

（３）前記電極がカーボンフェルトである上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記電極の圧縮率ｙ（％）が、４０≦ｙを満たすことが挙げられる。

上記の構成によれば、更に圧縮率が高いため、電極の電気伝導度を高められる。そのため、セル抵抗率を低減し易い。

（４）上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記電極がカーボンクロス又はカーボンペーパであり、
前記隔膜の厚さｘ（μｍ）が、ｘ≦５０を満たすことが挙げられる。

上記の構成によれば、更に隔膜の厚さが薄いため、電池の内部抵抗を低減し易い。

（５）前記電極がカーボンクロス又はカーボンペーパである上記レドックスフロー電池の一形態として、
前記電極の圧縮率ｙ（％）が、２０≦ｙを満たすことが挙げられる。

上記の構成によれば、更に圧縮率が高いため、電極の電気伝導度を高められる。そのため、セル抵抗率を低減し易い。

（６）上記レドックスフロー電池の一形態とし、
前記電極の比重が０．０２ｇ／ｃｍ^３以上０．５ｇ／ｃｍ^３以下であることが挙げられる。

電極の比重が０．０２ｇ／ｃｍ^３以上であれば、導電成分が多いため、電池の内部抵抗を低減し易い。電極の比重が０．５ｇ／ｃｍ^３以下であれば、電極の反発力が過度に高くなり過ぎないため、隔膜の損傷を抑制し易い。

《本発明の実施形態の詳細》
本発明の実施形態の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。まず、図１〜図３を参照して、実施形態に係るレドックスフロー電池（ＲＦ電池）１の概要及び基本構成を説明し、その後、図１〜図５を参照して、実施形態１に係るＲＦ電池の各構成を詳細に説明する。

〔ＲＦ電池の概要〕
ＲＦ電池１は、代表的には、図１に示すように、交流／直流変換器を介して発電部（例えば、太陽光発電装置や風力発電装置、その他一般の発電所など）と負荷（需要家など）との間に接続され、発電部で発電した電力を充電して蓄え、蓄えた電力を放電して負荷に供給する。この充放電は、酸化還元により価数が変化する金属イオンを活物質として含有する電解液を正極電解液と負極電解液とに使用し、正極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位と負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位との差を利用して行う。図１では、各極電解液に含まれるイオンとしてバナジウムイオンを例示しており、実線矢印は充電、破線矢印は放電を意味する。ＲＦ電池１は、例えば、負荷平準化用途、瞬低補償や非常用電源などの用途、大量導入が進められている太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーの出力平滑化用途などに利用される。

〔ＲＦ電池の基本構成〕
ＲＦ電池１は、水素イオンを透過させる隔膜１１で正極セル１２と負極セル１３とに分離された電池セル１０を備える。正極セル１２には、正極電極１４が内蔵され、正極用循環機構１０Ｐにより正極電解液が循環する。正極用循環機構１０Ｐは、正極電解液を貯留する正極電解液タンク１６と、正極セル１２と正極電解液タンク１６とを接続する供給導管１６１、排出導管１６２と、供給導管１６１の途中に設けられたポンプ１６３とを備える。同様に、負極セル１３には、負極電極１５が内蔵され、負極用循環機構１０Ｎにより負極電解液が循環する。負極用循環機構１０Ｎは、負極電解液を貯留する負極電解液タンク１７と、負極セル１３と負極電解液タンク１７とを接続する供給導管１７１、排出導管１７２と、供給導管１７１の途中に設けられたポンプ１７３とを備える。充放電を行う運転時、ポンプ１６３，１７３により、各極電解液は、各極電解液タンク１６，１７から各供給導管１６１、１７１を流通して各極セル１２、１３に供給され、各極セル１２、１３から各排出導管１６２、１７２を流通して各極電解液タンク１６、１７に排出されることで各極セル１２、１３に循環される。充放電を行わない待機時、ポンプ１６３、１７３が停止され、各極電解液は循環されない。

［セルスタック］
電池セル１０は、通常、図２，図３の下図に示すセルスタック２と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック２は、サブスタック２０（図３の下図）と呼ばれる積層体を、その両側から２枚のエンドプレート２２で挟み込み、両エンドプレート２２を締付機構２３により締め付けることで構成されている。図３の下図では、複数のサブスタック２０を備える形態を例示している。サブスタック２０は、図２，図３の上図に示すように、セルフレーム３、正極電極１４、隔膜１１、及び負極電極１５を、この順番で複数積層してなり、その積層体の両端に給排板２１（図３の下図（図２では省略））が配置される。

［セルフレーム］
セルフレーム３は、双極板４とその外周縁部を囲む枠体５とを備え、双極板４の表面と枠体５の内周面とで正極電極１４（負極電極１５）を配置する凹部３０を形成する。隣接するセルフレーム３の双極板４の間に一つの電池セル１０が形成され、双極板４を挟んで表裏に、隣り合う電池セル１０の正極電極１４（正極セル１２）と負極電極１５（負極セル１３）とが配置される。

セルフレーム３は、上記積層体の隣り合う電池セル１０（図１〜図３）の間に配置される中間セルフレームと、上記積層体の両端に配置される端部セルフレームとがある。中間セルフレームは、双極板４の表裏に一方の電池セル１０の正極電極１４及び他方の電池セル１０の負極電極１５が接し、端部セルフレームは、双極板４の一方の面に電池セル１０の正極電極１４及び負極電極１５のいずれかの一方の電極と接して他方の面には電極が存在しない。セルフレーム３の表裏（正極側・負極側）面の構成は、中間セルフレーム及び端部セルフレームのいずれにおいても同様である。

枠体５は、双極板４を支持し、内側に電池セル１０となる領域を形成する。枠体５の形状は、矩形枠状であり、凹部３０の開口形状は、矩形状である。枠体５は、電池セル１０の内部に電解液を供給する給液マニホールド５１ｍ及び給液スリット５１ｓを有する給液側片５１（図３紙面下側）と、給液側片５１に対向し、電池セル１０の外部に電解液を排出する排液マニホールド５２ｍ、及び排液スリット５２ｓを有する排液側片５２（図３紙面上側）とを備える。セルフレーム３を平面視した際、給液側片５１と排液側片５２とが互いに対向する方向を縦方向、縦方向に直交する方向を横方向とすると、給液側片５１が上記縦方向下側、排液側片５２が上記縦方向上側に位置している。即ち、電解液の流れは、枠体５の上記縦方向下側から上記縦方向上側に向かう方向である。

給液側片５１には、その内縁に形成されて、給液スリット５１ｓを流通する電解液をその内縁沿いに拡散する給液整流部（図示略）が形成されていてもよい。排液側片５２には、その内縁に形成され、正極電極１４（負極電極１５）を流通した電解液を集約して排液スリット５２ｓに流通させる排液整流部（図示略）が形成されていてもよい。

セルフレーム３における各極電解液の流れは、次の通りである。正極電解液は、給液マニホールド５１ｍから枠体５の一面側（紙面表側）の給液側片５１に形成される給液スリット５１ｓを流通して正極電極１４に供給される。そして、正極電解液は、図３の上図の矢印に示すように、正極電極１４の下側から上側へ流通し、排液側片５２に形成される排液スリット５２ｓを流通して排液マニホールド５２ｍに排出される。負極電解液の供給及び排出は、枠体５の他面側（紙面裏側）で行われる点を除き、正極電解液と同様である。

各枠体５間には、環状のシール溝にＯリングや平パッキンなどの環状のシール部材６が配置され、電池セル１０からの電解液の漏洩を抑制している。

《実施形態１》
図１〜図５を参照して、実施形態１に係るＲＦ電池１を説明する。実施形態１に係るＲＦ電池１の特徴の一つは、隔膜の厚さｘ（μｍ）と、正極電極１４及び負極電極１５の圧縮率ｙ（％）とが特定の関係を満たす点にある。以下、詳細を説明する。

［隔膜］
隔膜１１は、正極セル１２と負極セル１３とを区画し、両セル１２，１３間で水素イオンを透過させる。隔膜１１は、正極電極１４と負極電極１５との間に介在され、上述したセルスタック２のエンドプレート２２と締付機構２３との締付けにより、正極電極１４と負極電極１５とで挟まれる。隔膜１１の一面側は、正極電極１４と直接接触し、その他面側は、負極電極１５と直接接触する。

隔膜１１の種類は、陽イオン交換膜や陰イオン交換膜といったイオン交換膜が挙げられる。隔膜１１の材質は、例えば、塩化ビニル、フッ素樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。隔膜１１の材質は、公知の材質を用いることができる。

隔膜１１の形状は、セルフレーム３の外形状と同じ形状が挙げられ、本例では矩形状としている。隔膜の大きさは、セルフレーム３の大きさと同等の大きさが挙げられる。隔膜１１の給液・排液マニホールド５１ｍ，５２ｍに面する箇所には、透孔が形成されている（図３）。

隔膜１１の厚さｘは、薄いほど内部抵抗を低減できて好ましいが、後述する正極・負極電極１４，１５の圧縮率ｙ（％）にもよるが、過度に薄過ぎると正極・負極電極１４，１５の接触（突き刺さり）に伴い破損など損傷し易い。そこで、隔膜１１の厚さｘは、詳しくは後述するように、正極・負極電極１４，１５の圧縮率ｙ（％）と特定の関係を満たす厚さであることが挙げられる。隔膜１１の厚さｘとは、正極電極１４と負極電極１５とで挟まれる箇所の厚さをいい、上記積層体を組み立てた状態で、かつ電解液に浸漬されていない状態での厚さをいう。

［正極電極・負極電極］
正極電極１４及び負極電極１５は、電解液が流通することで電池反応を行う。各極の電極１４，１５の種類は、炭素繊維からなるカーボンフェルトやカーボンクロスの他、カーボンペーパなどが挙げられる。カーボンフェルトは、例えば、ニードルパンチ法や水流交絡法などによって炭素繊維を絡ませてフェルト状に仕上げたものをいう。カーボンクロスは、例えば、炭素繊維を織って平織、朱子織、綾織などの組織を持つ織物に仕上げたものをいう。カーボンペーパは、例えば、高温で熱処理して紙状の炭素繊維と炭素の複合材料に仕上げたものをいう。

各極の電極１４，１５は、セルフレーム３の凹部３０の内側に配置されている。各極の電極１４，１５の形状は、セルフレーム３の凹部３０の形状に沿った矩形状である。各極の電極１４，１５の大きさは、セルフレーム３の凹部３０の大きさと同程度が挙げられる。各極の電極１４，１５の厚さは、その種類や上記積層体の組立前における各極の電極１４，１５の非圧縮状態の厚さなどにもよるが、例えば０．３ｍｍ以上３．０ｍｍ以下が挙げられる。ここでいう各極の電極１４，１５の厚さとは、各極の電極１４，１５のうち隔膜１１と双極板４とで挟まれる箇所の厚さであり、上記積層体を組み立てた状態で、かつ電解液に浸漬されていない状態での厚さをいう。上記積層体の組立前における各極の電極１４，１５の非圧縮状態の厚さは、その種類や、比重、目付、面積などにもよるが、各極の電極１４，１５がカーボンフェルトの場合、例えば０．５ｍｍ以上５．０ｍｍ以下が挙げられ、各極の電極１４，１５がカーボンクロスやカーボンペーパの場合、例えば０．３ｍｍ以上１．０ｍｍ以下が挙げられる。

各極の電極１４，１５の比重は、例えば、０．０２ｇ／ｃｍ^３以上０．５ｇ／ｃｍ^３以下が挙げられ、更には、０．０５ｇ／ｃｍ^３以上０．４ｇ／ｃｍ^３以下が挙げられる。各極の電極１４，１５の比重が０．０２ｇ／ｃｍ^３以上であれば、導電成分が多いため、ＲＦ電池１の内部抵抗を低減し易い。各極の電極１４，１５の比重が０．５ｇ／ｃｍ^３以下であれば、各極の電極１４，１５の反発力が過度に高くなり過ぎないため、隔膜１１の損傷を抑制し易い。

［隔膜の厚さｘと電極の圧縮率ｙとの関係］
各極の電極１４，１５の種類は上述のようにカーボンフェルト、カーボンクロス、カーボンペーパなどが挙げられ、主に各極の電極１４，１５の種類に応じて、隔膜１１の厚さｘ（μｍ）と各極の電極１４，１５の圧縮率ｙ（％）との関係を適宜選択できる。圧縮率ｙ（％）＝｛１−（圧縮時の厚さ／圧縮前の厚さ）｝×１００とする。圧縮時の厚さは、上記積層体を組み立てた状態で、かつ電解液に浸漬されていない状態での厚さをいう。圧縮前の厚さは、カーボンフェルトの場合、「ＪＩＳ Ｌ １９１３（２０１０） 一般不織布試験方法」で測定される厚さをいい、カーボンクロスの場合、「ＪＩＳ Ｌ １０９６（２０１０） 織物及び編物の生地試験方法」で測定される厚さをいい、カーボンペーパの場合、「ＪＩＳ Ｐ ８１１８（２０１４） 紙及び板紙−厚さ、密度及び比容積の試験方法」で測定される厚さをいう。各極の電極１４，１５がカーボンフェルトの場合は、隔膜１１の厚さをｘ_Ａ、各極の電極１４，１５の圧縮率ｙ_Ａとし、各極の電極１４，１５がカーボンクロス又はカーボンペーパの場合は、隔膜１１の厚さをｘ_Ｂ、各極の電極１４，１５の圧縮率ｙ_Ｂとする。

（電極がカーボンフェルトの場合）
上記関係は、図４の実線で示すように、ｙ_Ａ＜ｘ_Ａ＋６０、３０≦ｙ_Ａ≦８５、５≦ｘ_Ａ≦６０を満たすことが挙げられる。そうすれば、別部材を設けることなく厚さの薄い隔膜１１を損傷させ難い。

圧縮率ｙ_Ａが３０以上であることで、各極の電極１４，１５の圧縮率が高いため、各極の電極１４，１５の電気伝導度を高められる。そのため、セル抵抗率を低減し易い。圧縮率ｙ_Ａが８５以下であることで、各極の電極１４，１５が過度に圧縮され過ぎないため、その反発力による隔膜１１の損傷を抑制し易い。また、各極の電極１４，１５が過度に圧縮されて各極の電極１４，１５の構成繊維が折れることで反発力が弱くなることも抑制できるため、ポンプ１６３，１７３の異常動作によって隔膜１１に過度な圧力が作用して隔膜１１が破損する虞が少ない。

隔膜１１の厚さｘ_Ａが５μｍ以上であることで、過度に薄過ぎず正極・負極電極１４，１５の接触に伴う隔膜１１の損傷を抑制し易い。その上、隔膜１１を製造し易く、取り扱い易い。隔膜１１の厚さｘが６０μｍ以下であることで、厚さが薄いため、ＲＦ電池１の内部抵抗を低減し易い。

上記関係は、更に、ｙ_Ａ≦ｘ_Ａ＋５５（図４の破線で示す）を満たすことが好ましく、特に、ｙ_Ａ≦ｘ_Ａ＋５０（図４の点線で示す）を満たすことが好ましい。各極の電極１４，１５の圧縮率ｙ_Ａは、更に４０≦ｙ_Ａを満たすことが好ましい。各極の電極１４，１５の圧縮率ｙ_Ａは、更にｙ_Ａ≦７０を満たすことが好ましい。隔膜１１の厚さｘ_Ａは、更にｘ_Ａ≦５０μｍを満たすことが好ましく、特にｘ_Ａ≦４０μｍを満たすことが好ましい。隔膜１１の厚さｘ_Ａは、更に１５μｍ≦ｘ_Ａを満たすことが好ましい。

（電極がカーボンクロス又はカーボンペーパの場合）
上記関係は、図５の実線で示すように、ｙ_Ｂ＜１．２ｘ_Ｂ＋４２、１０≦ｙ_Ｂ≦８５、５≦ｘ_Ｂ≦６０を満たすことが挙げられる。そうすれば、カーボンフェルトの場合と同様、別部材を設けることなく厚さの薄い隔膜１１を損傷させ難い。
圧縮率ｙ_Ｂの上下限値の理由、及び隔膜の厚さｘ_Ｂの上下限値の理由は、カーボンフェルトの場合と同様である。上記関係は、更に、ｙ_Ｂ≦１．２ｘ_Ｂ＋３２（図５の破線で示す）を満たすことが好ましく、特に、ｙ_Ｂ≦１．２ｘ_Ｂ＋２１（図５の点線で示す）を満たすことが好ましい。各極の電極１４，１５の圧縮率ｙ_Ｂは、更に２０≦ｙ_Ｂを満たすことが好ましく、各極の電極１４，１５の圧縮率ｙ_Ｂは、更にｙ_Ｂ≦６０を満たすことが好ましい。隔膜１１の厚さｘ_Ｂは、更にｘ_Ｂ≦５０μｍを満たすことが好ましく、特にｘ_Ｂ≦４０μｍを満たすことが好ましい。隔膜１１の厚さｘ_Ｂは、更に１５μｍ≦ｘ_Ｂを満たすことが好ましい。

［用途］
実施形態１のＲＦ電池１は、太陽光発電、風力発電などの自然エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした蓄電池に利用できる。また、実施形態１のＲＦ電池１は、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした蓄電池として利用できる。

〔作用効果〕
実施形態１に係るＲＦ電池１によれば、隔膜１１に対して正極・負極電極１４，１５の圧縮の反発力が過度に作用することがなく、隔膜１１に対する各極の電極１４，１５の接触（突き刺さり）を抑制し易い。そのため、別部材を設けることなく厚さの薄い隔膜１１を損傷させ難い。

《試験例》
電極の種類ごとに、隔膜の厚さｘ（μｍ）と正極電極及び負極電極の圧縮率ｙ（％）とを種々変更して、隔膜への電極の突き刺さりの有無、隔膜の破裂の有無、及びセル抵抗率（Ω・ｃｍ^２）を評価した。

［隔膜・電極］
隔膜にはフッ素系陽イオン交換膜を用意し、各極の電極にはカーボンフェルトとカーボンクロスの２種類を用意した。隔膜と電極の形状は矩形状とし、隔膜と電極の大きさは同じ大きさとした。隔膜の厚さは、表１に示すように種々変更した。カーボンフェルト、及びカーボンクロスの諸元は、以下の通りである。

（カーボンフェルト）
厚さ：２ｍｍ
比重：０．１３ｇ／ｃｍ^３

（カーボンクロス）
厚さ：０．９ｍｍ
比重：０．２８ｇ／ｃｍ^３

〔突き刺さりの有無〕
突き刺さりの有無の評価は、次のようにして抵抗値を測定することで行った。一つの隔膜の表裏面の両側に各極の電極を配置し、各極の電極の両外側から両電極を２枚の銅板で圧縮する。隔膜の厚さと各極の電極の構成材料及び圧縮率とは表１に示す通りとした。各極の電極の圧縮率は、ｙ＝｛１−（圧縮時の厚さ／圧縮前の厚さ）｝×１００とした。この点は、後述する破裂の有無の評価とセル抵抗値の測定とでも同様である。市販のテスター（カスタム社製ＣＤＭ−１７Ｄ）の端子を銅板に接続し、両端子間の抵抗値（Ω）を測定した。抵抗値が１００Ω超の場合を突き刺さり無しとして「Ｇｏｏｄ」とし、１００Ω以下の場合を突き刺さり有りとして「Ｂａｄ」とした。その結果を表１に示す。

〔破裂の有無〕
破裂の有無の評価は、図６に示す破裂試験用治具１００を用い、次のようにしてガスを検出することで行った。破裂試験用治具１００は、２枚の圧縮板１０１，１０２を備える。この圧縮板１０１，１０２は、その中央に表裏に貫通する貫通孔１０３，１０４が形成されている。圧縮板１０１，１０２の形状は、各極の電極１４，１５と同じ矩形状とし、圧縮板１０１，１０２の大きさは、各極の電極１４，１５よりも大きい。一つの隔膜１１の両側に各極の電極１４，１５を配置し、その隔膜１１の一方側に一方の電極１４の周囲を囲むシール部材６を配置し、各極の電極１４，１５の両外側から両電極１４，１５及びシール部材６を２枚の圧縮板１０１，１０２で圧縮する。隔膜１１の厚さ、各極の電極１４，１５の構成材料及び圧縮率は表１に示す通りとした。電解液を流通させることなく、一方の圧縮板１０１の貫通孔１０３から所定のガス圧の窒素ガスを導入して一方の電極１４に所定の圧力を作用させ、他方の圧縮板１０２の貫通孔１０４から排出されるガスの有無を検出する。ガス圧を０．５ＭＰａとしたとき、ガスが検出されなかった場合を破裂無しとして「Ｇｏｏｄ」とし、ガス圧を０．５ＭＰａとしたとき、ガスが検出された場合を破裂有りとして「Ｂａｄ」とした。その結果を表１に示す。

〔セル抵抗率〕
セル抵抗率（Ω・ｃｍ^２）は、電極の反応面積が９ｃｍ^２である単セル電池を作製して次のようにして測定した。単セル電池は、正極セルと負極セルとを一つずつ具える電池要素からなるものであり、一つの隔膜（イオン交換膜）の両側にそれぞれ正極電極、負極電極を配置し、双極板を具えるセルフレームで電極の両側を挟んで構成した。隔膜の厚さ、各極の電極の構成材料及び圧縮率は表１に示す通りとした。正極電解液及び負極電解液として硫酸バナジウム溶液（バナジウム濃度：１．７Ｍ（ｍｏｌ／Ｌ））を用い、作製した各試料の単セル電池に電流密度：７０ｍＡ／ｃｍ^２の定電流で充放電を行った。この試験では、予め設定した所定の切替電圧に達したら、充電から放電に切り替え、複数サイクルの充放電を行った。充放電後、各試料についてセル抵抗率を求めた。セル抵抗率は、複数サイクルのうち、任意の１サイクルにおける平均電圧及び平均電流を求め、平均電圧／平均電流とした。その結果を表１に示す。セル抵抗値が１．０Ω・ｃｍ^２以下を「Ｇｏｏｄ」とし、１．０Ω・ｃｍ^２超を「Ｂａｄ」とした。

表１に示すように、試料Ｎｏ．１−１〜Ｎｏ．１−５、Ｎｏ．２−１〜Ｎｏ．２−５はいずれも、突き刺さり及び破裂のいずれも生じていない上に、セル抵抗率が低いことが分かる。これに対して、試料Ｎｏ．１−１０１〜Ｎｏ．１−１０５、Ｎｏ，２−１０１〜Ｎｏ．２−１０５は、突き刺さり及び破裂の少なくとも一方が生じることや、突き刺さり及び破裂のいずれも生じていないがセル抵抗率が高いことが分かる。

電極にカーボンフェルトを用いた試料Ｎｏ．１−１〜Ｎｏ．１−５、Ｎｏ．１−１０１〜Ｎｏ．１−１０５の結果を図４に示し、電極にカーボンクロスを用いた試料Ｎｏ．２−１〜Ｎｏ．２−５、Ｎｏ．２−１０１〜Ｎｏ．２−１０５の結果を図５に示す。図４、図５に示すグラフの横軸は隔膜の厚さ（μｍ）とし、縦軸は電極の圧縮率（％）としている。試料Ｎｏ．１−１〜Ｎｏ．１−５の結果を図４に白丸でプロットし、Ｎｏ．１−１０１〜Ｎｏ．１−１０５の結果を図４に黒三角でプロットしている。試料Ｎｏ．２−１〜Ｎｏ．２−５の結果を図５に白丸でプロットし、試料Ｎｏ．２−１０１〜２−１０５の結果を図５に黒三角でプロットしている。

カーボンフェルトの電極を用いる場合、図４に示すように、最も隔膜が薄い試料のうち、最も電極圧縮率の高い試料Ｎｏ．１−１０２の点と、最も電極圧縮率の高い試料のうち、最も隔膜が厚い試料Ｎｏ．１−１０３の点とを結ぶ直線を採ると、図４の実線で示すように、ｙ_Ａ＝ｘ_Ａ＋６０である。セル抵抗率の観点から、隔膜の厚さｘ_Ａは薄いほど好ましく、電極の圧縮率ｙ_Ａは高いほど好ましい。隔膜の厚さｘ_Ａの上下限値は５μｍ以上６０μｍ以下であり、電極の圧縮率ｙ_Ａの上下限値は３０％以上８５％以下である。従って、カーボンフェルトの電極を用いる場合、隔膜の厚さｘ_Ａと電極の圧縮率ｙ_Ａとの関係は、図４の実線で示すように、ｙ_Ａ＜ｘ_Ａ＋６０、３０≦ｙ_Ａ≦８５、かつ５≦ｘ_Ａ≦６０を満たすことが好ましいことが分かる。また、図４に示すように、ｙ_Ａ＝ｘ_Ａ＋６０（実線）とｙ_Ａ＝ｘ_Ａ＋５０（点線）との間を通り、ｙ_Ａ＝ｘ_Ａ＋６０（実線）と平行な直線を採ると、図４の破線で示すようにｙ_Ａ＝ｘ_Ａ＋５５となる。ｙ_Ａ＝ｘ_Ａ＋５０（点線）は、実施例のうちｙ_Ａ＝ｘ_Ａ＋６０（実線）に最も近い試料Ｎｏ．１−２の点を通ってｙ_Ａ＝ｘ_Ａ＋６０に平行な直線である。これらのことから、上記関係は、図４の破線で示すように、ｙ_Ａ≦ｘ_Ａ＋５５を満たすことが好ましく、図４の点線で示すように、ｙ_Ａ≦ｘ_Ａ＋５０を満たすことが好ましいことが分かる。

同様に、カーボンクロスの電極を用いる場合、図５に示すように、最も隔膜が薄い試料のうち、最も電極圧縮率の高い試料Ｎｏ．２−１０２の点と、最も電極圧縮率の高い試料のうち、最も隔膜が厚い試料Ｎｏ．２−１０４の点とを結ぶ直線を採ると、図５の実線で示すように、ｙ_Ｂ＝１．２ｘ_Ｂ＋４２である。隔膜の厚さｘ_Ｂの上下限値は５μｍ以上６０μｍ以下であり、電極の圧縮率ｙ_Ｂの上下限値は１０％以上８５％以下である。従って、カーボンクロスの電極を用いる場合、隔膜の厚さｘ_Ｂと電極の圧縮率ｙ_Ｂとの関係は、図５の実線で示すように、ｙ_Ｂ＜１．２ｘ_Ｂ＋４２、１０≦ｙ_Ｂ≦８５、かつ５≦ｘ_Ｂ≦６０を満たすことが好ましいことが分かる。また、図５に示すように、ｙ_Ｂ＝１．２ｘ_Ｂ＋４２（実線）とｙ_Ｂ＝１．２ｘ_Ｂ＋２１（点線）との間を通り、ｙ_Ｂ＝１．２ｘ_Ｂ＋４２と平行な直線を採ると、図５の破線で示すようにｙ_Ｂ＝１．２ｘ_Ｂ＋３２となる。ｙ_Ｂ＝１．２ｘ_Ｂ＋２１（点線）は、実施例のうちｙ_Ｂ＝１．２ｘ_Ｂ＋４２（実線）に最も近い試料Ｎｏ．２−２の点を通ってｙ_Ｂ＝１．２ｘ_Ｂ＋４２に平行な直線である。これらのことから、上記関係は、図５の破線で示すように、ｙ_Ｂ≦１．２ｘ_Ｂ＋３２を満たすことが好ましく、図５の点線で示すように、ｙ_Ｂ≦１．２ｘ_Ｂ＋２１を満たすことが好ましいことが分かる。

１ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
１０ 電池セル
１１ 隔膜
１２ 正極セル
１４ 正極電極
１３ 負極セル
１５ 負極電極
１０Ｐ 正極用循環機構
１０Ｎ 負極用循環機構
１６ 正極電解液タンク
１７ 負極電解液タンク
１６１，１７１ 供給導管
１６２，１７２ 排出導管
１６３，１７３ ポンプ
２ セルスタック
２０ サブスタック
２１ 給排板
２２ エンドプレート
２３ 締付機構
３ セルフレーム
３０ 凹部
４ 双極板
５ 枠体
５１ 給液側片
５１ｍ 給液マニホールド
５１ｓ 給液スリット
５２ 排液側片
５２ｍ 排液マニホールド
５２ｓ 排液スリット
６ シール部材
１００ 破裂試験用治具
１０１，１０２ 圧縮板
１０３，１０４ 貫通孔

Claims (5)

1. 隔膜と、
   前記隔膜の両側に圧縮された状態で配置されて前記隔膜を挟む電極とを備え、
   前記電極の比重が０．０２ｇ／ｃｍ ^３ 以上０．５ｇ／ｃｍ ^３ 以下であり、
   前記隔膜の厚さｘ（μｍ）と前記電極の圧縮率ｙ（％）とが以下の（Ａ）又は（Ｂ）の関係を満たす、
   レドックスフロー電池。
   （Ａ）前記電極がカーボンフェルトの場合、ｙ＜ｘ＋６０、３０≦ｙ≦８５、５≦ｘ≦６０
   （Ｂ）前記電極がカーボンクロス又はカーボンペーパの場合、ｙ＜１．２ｘ＋４２、１０≦ｙ≦８５、５≦ｘ≦６０
   ｙ＝｛１−（圧縮時の厚さ／圧縮前の厚さ）｝×１００とする。
2. 前記電極がカーボンフェルトであり、
   前記隔膜の厚さｘ（μｍ）が、ｘ≦５０を満たす請求項１に記載のレドックスフロー電池。
3. 前記電極の圧縮率ｙ（％）が、４０≦ｙを満たす請求項２に記載のレドックスフロー電池。
4. 前記電極がカーボンクロス又はカーボンペーパであり、
   前記隔膜の厚さｘ（μｍ）が、ｘ≦５０を満たす請求項１に記載のレドックスフロー電池。
5. 前記電極の圧縮率ｙ（％）が、２０≦ｙを満たす請求項４に記載のレドックスフロー電池。

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