JPWO2018092215A1 - セルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

電池セルを構成する電極と接する双極板と、前記双極板の周縁を囲む枠体とを有するセルフレームであって、前記枠体は、前記電池セルの内部に電解液を供給する給液マニホールドを備え、前記双極板は、前記電極側の面に並列されて電解液が流通する複数の主溝部を備え、前記枠体及び前記双極板の少なくとも一方に、前記給液マニホールドからの電解液を前記主溝部の並列方向に拡散させて前記主溝部の各々に供給する給液整流部を備え、前記主溝部における電解液の流入口の幅Ｗｉと、前記給液整流部における前記主溝部の並列方向と直交する方向の幅Ｗｒとの幅比Ｗｒ／Ｗｉが、１．５以上１０以下を満たすセルフレーム。

Description

本発明は、セルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池に関する。

特許文献１〜４には、正極電解液が供給される正極電極と、負極電解液が供給される負極電極と、正極電極と負極電極との間に介在される隔膜とを備える電池セルを主な構成要素とし、各極の電極に各極の電解液を供給して充放電を行うレドックスフロー電池が開示されている。上記電池セルは、正極電極、隔膜、負極電極の積層物を挟むように一組のセルフレームが配置されて構成される。セルフレームは、表裏面に正極電極及び負極電極がそれぞれ配置される双極板と、双極板の外周縁部に設けられる樹脂製の枠体とを備える。

特許文献１〜４には、電池セル内の各極の電極に十分に電解液を行き渡らせるために、電解液が流通する複数の溝部を有する双極板が開示されている。

特開２０１５−１２２２３０号公報 特開２０１５−１２２２３１号公報 特開２０１５−１３８７７１号公報 特開２０１５−２１０８４９号公報

本開示のセルフレームは、
電池セルを構成する電極と接する双極板と、前記双極板の周縁を囲む枠体とを有するセルフレームであって、
前記枠体は、前記電池セルの内部に電解液を供給する給液マニホールドを備え、
前記双極板は、前記電極側の面に並列されて電解液が流通する複数の主溝部を備え、
前記枠体及び前記双極板の少なくとも一方に、前記給液マニホールドからの電解液を前記主溝部の並列方向に拡散させて前記主溝部の各々に供給する給液整流部を備え、
前記主溝部における電解液の流入口の幅Ｗｉと、前記給液整流部における前記主溝部の並列方向と直交する方向の幅Ｗｒとの幅比Ｗｒ／Ｗｉが、１．５以上１０以下を満たす。

本開示のセルスタックは、本開示のセルフレームを備える。

本開示のレドックスフロー電池は、本開示のセルスタックを備える。

実施形態１に係るセルフレームを模式的に示す平面図である。 実施形態２に係るセルフレームを模式的に示す平面図である。 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。

［本開示が解決しようとする課題］
各極の電極への電解液の供給は、枠体の対向する一片に形成される給液マニホールド、給液ガイド溝、及び給液整流部により行われる。各極の電極からの電解液の排出は、枠体の対向する他片に形成される排液整流部、排液ガイド溝、及び排液マニホールドにより行われる。正極電解液（負極電解液）は、給液マニホールドから枠体の一面側（他面側）に形成される給液ガイド溝を通り、その給液ガイド溝に連続して形成される給液整流部により枠体の一面側（他面側）の内周部沿いに拡散されて正極電極（負極電極）に供給される。そして、正極電極（負極電極）内を流通した正極電解液（負極電解液）は、枠体の一面側（他面側）の内周部に形成される排液整流部により集約され、その排液整流部に連続して形成される排液ガイド溝を通って排液マニホールドに排出される。

電解液は、例えば、レドックスフロー電池の組立の途中でゴミ等の異物が混入したり、充放電の繰り返しに伴い、電池セル、循環経路、各極の電解液用のタンク等の構成材料が次第に溶出し、異物として析出したりする場合がある。異物が混入した電解液を使用してレドックスフロー電池を運転（充放電）すると、電解液の流通経路の一部である給液整流部に異物が詰まる虞がある。給液整流部に異物が詰まると、双極板の溝部や電極に電解液が供給されず、電池反応が行われないことで電池性能が低下する。

そこで、本開示は、電解液中における異物の給液整流部への詰まりを抑制して、電池性能の低下を抑制できるセルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池を提供することを目的の一つとする。

［本開示の効果］
本開示によれば、電解液中における異物の給液整流部への詰まりを抑制して、電池性能の低下を抑制できるセルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池を提供できる。

［本発明の実施形態の説明］
最初に、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

（１）本発明の実施形態に係るセルフレームは、
電池セルを構成する電極と接する双極板と、前記双極板の周縁を囲む枠体とを有するセルフレームであって、
前記枠体は、前記電池セルの内部に電解液を供給する給液マニホールドを備え、
前記双極板は、前記電極側の面に並列されて電解液が流通する複数の主溝部を備え、
前記枠体及び前記双極板の少なくとも一方に、前記給液マニホールドからの電解液を前記主溝部の並列方向に拡散させて前記主溝部の各々に供給する給液整流部を備え、
前記主溝部における電解液の流入口の幅Ｗｉと、前記給液整流部における前記主溝部の並列方向と直交する方向の幅Ｗｒとの幅比Ｗｒ／Ｗｉが、１．５以上１０以下を満たす。

上記セルフレームによれば、主溝部と給液整流部の幅比Ｗｒ／Ｗｉが上記範囲を満たすことで、電解液中に混入し得る異物が給液整流部に詰まることを抑制できると共に、その異物を複数の主溝部のうち一部の主溝部の流入口で捕捉できる。給液整流部への異物の詰まりを抑制できることで、双極板の主溝部の並列方向の全域に渡って電解液を拡散できる。異物が一部の主溝部の流入口で捕捉されることで、双極板と接する電極中に異物が流入することを抑制でき、異物と電極との反応による不具合（例えば、触媒反応によるガスの発生等）が生じることを抑制できる。異物が一部の主溝部の流入口で捕捉されたとしても、給液整流部への異物の詰まりを抑制できることで、他部の主溝部に電解液を流通させることができる。よって、上記セルフレームによれば、給液整流部に異物が詰まる場合に比較して、電極に十分に電解液を供給できる。

主溝部と給液整流部の幅比Ｗｒ／Ｗｉが１．５以上を満たすことで、主溝部の幅Ｗｉよりも給液整流部の幅Ｗｒが十分に大きく、給液整流部への異物の詰まりを抑制できると共に、主溝部の流入口で異物を捕捉できる。一方、主溝部と給液整流部の幅比Ｗｒ／Ｗｉが１０以下を満たすことで、給液整流部の幅Ｗｒに対して主溝部の幅Ｗｉが急に縮小することによって生じ得る電解液の圧力損失を低減でき、異物が主溝部の奥深くに入り込むことを防止でき、異物が電極中に流入することを防止できる。以上より、上記セルフレームによれば、電極に十分に電解液を供給でき、かつ電極への異物の流入を抑制できることで、電池性能の低下を抑制できる。

（２）上記セルフレームの一例として、前記給液整流部の幅Ｗｒは、０．７５ｍｍ以上５０ｍｍ以下を満たす形態が挙げられる。

給液整流部の幅Ｗｒが０．７５ｍｍ以上を満たすことで、給液整流部への異物の詰まりを抑制でき、双極板の主溝部の並列方向の全域に渡って電解液を拡散できる。一方、給液整流部の幅Ｗｒが５０ｍｍ以下を満たすことで、給液整流部の幅が大きくなり過ぎることによるセルフレームの大型化や電極の小型化を抑制できる。

（３）上記セルフレームの一例として、前記主溝部の流入口の幅Ｗｉは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下を満たす形態が挙げられる。

主溝部の幅Ｗｉが０．５ｍｍ以上を満たすことで、主溝部の幅が小さくなり過ぎることによる流通抵抗の増大を抑制できる。一方、主溝部の幅Ｗｉが５ｍｍ以下を満たすことで、主溝部の流入口で異物を捕捉できる。

（４）上記セルフレームの一例として、前記給液整流部は、前記主溝部の並列方向に沿って前記枠体に形成された切欠部を備え、前記主溝部の流入口は、前記切欠部に連続するように設けられている形態が挙げられる。

給液整流部は、枠体に設けた切欠部で構成できる。この場合、切欠部に連続するように主溝部の流入口が設けられることで、主溝部の並列方向の全域に渡って電解液を拡散できる。

（５）上記セルフレームの一例として、前記給液整流部は、前記主溝部の流入口に連続して前記主溝部の並列方向に沿って前記双極板に形成された分配溝部を備え、前記枠体は、前記分配溝部と前記給液マニホールドとを連通する給液ガイド溝を備える形態が挙げられる。

給液整流部は、双極板に設けた分配溝部で構成できる。この場合、分配溝部と給液マニホールドとを連通する給液ガイド溝部を枠体に設けることで、給液マニホールドからの電解液を主溝部の並列方向の全域に渡って拡散できる。

（６）本発明の実施形態に係るセルスタックは、上記（１）から（５）のいずれか１つに記載のセルフレームを備える。

上記セルスタックは、本発明の実施形態に係るセルフレームを備えるため、電解液中に混入し得る異物が給液整流部に詰まることを抑制できると共に、その異物を複数の主溝部のうち一部の主溝部の流入口で捕捉できる。よって、電極に十分に電解液を供給でき、かつ電極への異物の流入を抑制できることで、電池性能の低下を抑制できる。

（７）本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池は、上記（６）に記載のセルスタックを備える。

上記レドックスフロー電池は、本発明の実施形態に係るセルスタックを備えるため、電解液中に混入し得る異物が給液整流部に詰まることを抑制できると共に、その異物を複数の主溝部のうち一部の主溝部の流入口で捕捉できる。よって、電極に十分に電解液を供給でき、かつ電極への異物の流入を抑制できることで、電池性能の低下を抑制できる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係るセルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池（ＲＦ電池）の詳細を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一名称物を示す。まず、図３〜図５を参照して、実施形態のＲＦ電池１の基本構成を説明し、その後、主として図１及び図２を参照して実施形態のＲＦ電池１に備わるセルフレームの各実施形態について説明する。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及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。

〔ＲＦ電池〕
ＲＦ電池１は、代表的には、図３に示すように、交流／直流変換器や変電設備等を介して、発電部と、電力系統や需要家等の負荷とに接続され、発電部を電力供給源として充電を行い、負荷を電力消費対象として放電を行う。発電部は、例えば、太陽光発電機、風力発電機、その他一般の発電所等が挙げられる。

ＲＦ電池１は、隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離された電池セル１００を備える。正極セル１０２には、正極電解液が供給される正極電極１０４が内蔵され、負極セル１０３には、負極電解液が供給される負極電極１０５が内蔵されている。ＲＦ電池１は、代表的には、複数の電池セル１００を備えて、隣り合う電池セル１００，１００間に双極板３を有するセルフレーム２（図５）を備える。

正極電極１０４及び負極電極１０５は、供給された電解液に含まれる活物質イオンが電池反応を行う反応場である。隔膜１０１は、正極電極１０４と負極電極１０５とを分離すると共に、所定のイオンを透過する分離部材である。双極板３は、正極電極１０４と負極電極１０５との間に介在され、電流を流すが電解液を流さない導電部材である。セルフレーム２は、図５に示すように、双極板３と、双極板３の周縁を囲む枠体４とを備える。

正極セル１０２に正極電解液を循環供給する正極循環機構１００Ｐは、正極電解液を貯留する正極電解液タンク１０６と、正極電解液タンク１０６と正極セル１０２との間を繋ぐ導管１０８，１１０と、上流側（供給側）の導管１０８に設けられたポンプ１１２とを備える。負極セル１０３に負極電解液を循環供給する負極循環機構１００Ｎは、負極電解液を貯留する負極電解液タンク１０７と、負極電解液タンク１０７と負極セル１０３との間を繋ぐ導管１０９，１１１と、上流側（供給側）の導管１０９に設けられたポンプ１１３とを備える。

正極電解液は、正極電解液タンク１０６から上流側の導管１０８を介して正極電極１０４に供給され、正極電極１０４から下流側（排出側）の導管１１０を介して正極電解液タンク１０６に戻される。また、負極電解液は、負極電解液タンク１０７から上流側の導管１０９を介して負極電極１０５に供給され、負極電極１０５から下流側（排出側）の導管１１１を介して負極電解液タンク１０７に戻される。正極電解液の循環及び負極電解液の循環によって、正極電極１０４に正極電解液を循環供給すると共に、負極電極１０５に負極電解液を循環供給しながら、各極の電解液中の活物質イオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。図３及び図４において、正極電解液タンク１０６内及び負極電解液タンク１０７内に示すバナジウムイオンは、正極電解液中及び負極電解液中に活物質として含むイオン種の一例を示す。図３において、実線矢印は充電、破線矢印は放電を意味する。

ＲＦ電池１は、代表的には、複数の電池セル１００が積層されたセルスタック２００と呼ばれる形態で利用される。セルスタック２００は、図５に示すように、あるセルフレーム２、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、別のセルフレーム２が繰り返し積層された積層体と、積層体を挟む一対のエンドプレート２１０，２２０と、エンドプレート２１０，２２０間を繋ぐ長ボルト等の連結部材２３０及びナット等の締結部材とを備える。締結部材によってエンドプレート２１０，２２０間が締め付けられると、積層体は、その積層方向の締付力によって積層状態が保持される。セルスタック２００は、所定数の電池セル１００をサブスタック２００Ｓとし、複数のサブスタック２００Ｓを積層した形態で利用される。サブスタック２００Ｓやセルスタック２００における電池セル１００の積層方向の両端に位置するセルフレーム２には、双極板３に代えて給排板（図示せず）が配置される。

正極電極１０４及び負極電極１０５への各極の電解液の供給は、セルフレーム２における枠体４の対向する一片（給液側片、図５の紙面下側）に形成される給液マニホールド４４、給液ガイド溝４６、及び給液整流部（図示せず）により行われる。正極電極１０４及び負極電極１０５からの各極の電解液の排出は、枠体４の対向する他片（排液側片、図５の紙面上側）に形成される排液整流部（図示せず）、排液ガイド溝４７、及び排液マニホールド４５により行われる。正極電解液は、給液マニホールド４４から枠体４の一面側（紙面表側）に形成される給液ガイド溝４６を通り、その給液ガイド溝４６に連続して形成される給液整流部により枠体４の一面側の内周部沿いに拡散されて正極電極１０４に供給される。そして、図５上図の矢印に示すように正極電極１０４の下側から上側へ流通し、枠体４の一面側（紙面表側）の内周部に形成される排液整流部により集約され、その排液整流部に連続して形成される排液ガイド溝４７を通って排液マニホールド４５に排出される。負極電解液の供給及び排出は、枠体４の他面側（紙面裏側）で行われる点を除き、正極電解液と同じである。各枠体４間には、Ｏリングや平パッキン等の環状のシール部材５が配置され、電池セル１００からの電解液の漏洩が抑制されている。

ＲＦ電池１の基本構成は、公知の構成を適宜利用できる。

〔ＲＦ電池の主な特徴点〕
実施形態のＲＦ電池１は、電解液中に混入し得る異物が、電解液の流通経路の一部である給液整流部に詰まることを抑制できると共に、電極中に流入することを抑制できるセルフレームを用いる点を特徴の一つとする。以下、上述した実施形態のＲＦ電池１に備わるセルフレームについて詳細に説明する。

≪実施形態１≫
図１を参照して、実施形態１に係るセルフレーム２Ａについて説明する。このセルフレーム２Ａは、上述したセルフレーム２に相当する部材である。セルフレーム２Ａは、電池セル１００（図５）を構成する正極電極１０４及び負極電極１０５と接する双極板３Ａと、双極板３Ａの周縁を囲む枠体４Ａとを備える。双極板３Ａは、表裏面に並列されて電解液が流通する複数の主溝部３１を備える。枠体４Ａは、電池セル１００の内部に電解液を供給する給液マニホールド４４と、主溝部３１の並列方向に沿って形成された切欠部４８ｓで構成される給液整流部４８と、給液マニホールド４４と給液整流部４８とを繋ぐ給液ガイド溝４６とを備える。各主溝部３１の流入口３１ｉは、給液整流部４８（切欠部４８ｓ）に連続するように設けられている。

実施形態１のセルフレーム２Ａは、主溝部３１における電解液の流入口３１ｉの幅Ｗｉと、給液整流部４８における主溝部３１の並列方向と直交する方向の幅Ｗｒとの幅比Ｗｒ／Ｗｉが、１．５以上１０以下を満たすことを特徴の一つとする。幅比Ｗｒ／Ｗｉが上記範囲を満たすことで、電解液中に混入し得る異物が給液整流部４８に詰まることを抑制できると共に、その異物を主溝部３１のうち一部の主溝部３１の流入口３１ｉで捕捉できる。給液整流部４８への異物の詰まりを抑制できることで、主溝部３１の並列方向の全域に渡って電解液を拡散でき、複数の主溝部３１に電解液を供給できる。異物が一部の主溝部３１の流入口３１ｉで捕捉されることで、双極板３Ａと接する電極中に異物が流入することを抑制できる。異物が一部の主溝部３１の流入口３１ｉで捕捉された場合、その主溝部３１には電解液が流通され難い又は流通されないが、給液整流部４８による電解液の拡散はできるため、他部の主溝部３１に電解液を流通させることができる。

（双極板）
双極板３Ａは、原則として隣接する電池セル１００(図５)を仕切る。双極板３Ａは、矩形状の平板である。双極板３Ａの表裏面にはそれぞれ、隣り合う電池セル１００の正極電極１０４と負極電極１０５とが配置される。双極板３Ａは、正極電極１０４との対向面及び負極電極１０５との対向面にそれぞれ、並列して形成された複数の主溝部３１を備える。複数の主溝部３１は、電解液が流通する流路として機能する。正極電極１０４が対向配置される双極板３Ａの一面に設けられた主溝部３１には正極電解液が流通され、負極電極１０５が対向配置される双極板３Ａの他面に設けられた主溝部３１には負極電解液が流通される。各電池セル１００内での電解液の流れは、主溝部３１の形状や寸法等によって調整できる。

本例では、主溝部３１は、後述する枠体４Ａの給液側片４１から排液側片４２に向かう方向（連結片４３）に沿った縦溝で構成されている。隣り合う主溝部３１間には、畝部３４が形成される。図１では、説明の便宜上、畝部３４にハッチングを付している。双極板３Ａ上での電解液の流れは、主溝部３１に沿った流れと、畝部３４を渡るような流れとを形成する。

主溝部３１は、電解液の流入口３１ｉの幅Ｗｉが、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下を満たすことが好ましい。主溝部３１の横断面形状は、任意の形状とでき、例えば、矩形状や半円状等の形状が挙げられる。主溝部３１の横断面形状が半円形状のように、幅が開口部から底部に向かって一様でない場合、上記幅Ｗｉは、最大幅を採用する。本例では、主溝部３１の横断面形状は、幅が開口部から底部に向かって一様な矩形状である。幅Ｗｉが０．５ｍｍ以上を満たすことで、主溝部３１の幅が小さくなり過ぎることによる電解液の流通抵抗の増大を抑制できる。一方、幅Ｗｉが５ｍｍ以下を満たすことで、電解液に混入し得る異物を捕捉できる。主溝部３１の流入口３１ｉで異物を捕捉するためには、幅Ｗｉは狭い方が好ましく、更に３ｍｍ以下、特に１ｍｍ以下であることが好ましい。

複数の主溝部３１は、電解液の流入口３１ｉの幅Ｗｉが全て同じであってもよいし、異なっていてもよい。複数の主溝部３１で電解液の流入口３１ｉの幅Ｗｉが異なる場合、全ての流入口３１ｉの幅Ｗｉが上記範囲を満たす。そうすることで、電解液中に混入し得る異物がいずれの主溝部３１に流れ着いたとしても、その異物を主溝部３１の流入口３１ｉで捕捉でき、電極中に異物が流入することを抑制できる。

主溝部３１の幅は、その長手方向に一様であってもよいし、流入口３１ｉから流出口３１ｏに向かって幅が広くなったり、逆に狭くなったり、その長手方向に異なっていてもよい。本例では、長手方向に一様としている。

双極板３Ａの材質には、電流は通すが電解液は通さない材料を用いることができる。加えて、耐酸性及び適度な剛性を有する材料であることが好ましい。双極板３Ａの材質は、例えば、黒鉛及びポリオレフィン系有機化合物又は塩素化有機化合物から形成される導電性プラスチックが挙げられる。黒鉛の一部をカーボンブラック及びダイヤモンドライクカーボンの少なくとも一方に置換した導電性プラスチックでもよい。ポリオレフィン系有機化合物は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等が挙げられる。塩素化有機化合物は、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、塩素化パラフィン等が挙げられる。双極板３Ａがこのような材料から形成されることで、双極板３Ａの電気抵抗を小さくできる上に、耐酸性に優れる。

（枠体）
枠体４Ａは、内側に電池セル１００（図５）となる領域を形成する。枠体４Ａは、給液側片４１と、給液側片４１に対向する排液側片４２と、給液側片４１と排液側片４２との端部同士を連結し、互いに対向すると共に給液側片４１及び排液側片４２に対して直交する一対の連結片４３とを備える。枠体４Ａの形状は、矩形枠状である。給液側片４１及び排液側片４２は、矩形枠の長片を構成し、連結片４３は、矩形枠の短片を構成する。セルフレーム２Ａを平面視した際、給液側片４１と排液側片４２とが互いに対向する方向を縦方向、縦方向と直交する方向を横方向とするとき、給液側片４１が縦方向の下側、排液側片４２が縦方向の上側に位置している。電解液の流れは、枠体４Ａの縦方向下側から縦方向上側に向かう方向である。

枠体４Ａの厚みは、双極板３Ａの厚みよりも大きい。そのため、双極板３Ａの周縁を枠体４Ａにより囲むことで、双極板３Ａの表面（裏面）と枠体４Ａの表面（裏面）とで、内部に正極電極１０４（負極電極１０５）が配置される空間を形成する段差ができる。

・給液側片
給液側片４１には、電池セル１００の内部に電解液を供給する給液マニホールド４４と、給液マニホールド４４から延びる給液ガイド溝４６と、給液ガイド溝４６から供給される電解液を双極板３Ａにおける主溝部３１の並列方向に沿って拡散させる給液整流部４８とを備える。給液整流部４８は、主溝部３１の並列方向に沿って給液側片４１に形成された切欠部４８ｓで構成されている。切欠部４８ｓは、給液側片４１の内周部の表裏面を所定幅に亘って除去することで形成された長尺の薄板状の空間である。この切欠部４８ｓによって、給液側片４１の内周部の表裏面は段差状に形成され、この表裏面の段差状部分で挟まれる内周部が薄肉部になっている。電解液は、この薄肉部を底面として、切欠部４８ｓ内を流通する。給液ガイド溝４６及び給液整流部４８は、セルスタック２００（図５）を構築する際、プラスチック製の保護板（図示せず）により覆われる。それにより、電解液が給液ガイド溝４６及び給液整流部４８から漏れることなく給液マニホールド４４と双極板３Ａとの間で電解液を流通させられる。

双極板３Ａの主溝部３１の流入口３１ｉは、枠体４Ａの給液整流部４８に連続するように設けられている。そうすることで、給液マニホールド４４から供給された電解液は、給液ガイド溝４６を通り、給液整流部４８により双極板３Ａにおける主溝部３１の並列方向に拡散されて双極板３Ａの幅方向の全域に渡り、各主溝部３１の流入口３１ｉに到達し、電極の全域に流通される。本例では、給液ガイド溝４６の底面と、給液整流部４８の底面と、主溝部３１の底面とは、実質的に面一である。各底面同士の間には段差を有していてもよい。

給液整流部４８は、主溝部３１の並列方向と直交する方向（縦方向）の幅Ｗｒが、主溝部３１の流入口３１ｉの幅Ｗｉに対する幅比Ｗｒ／Ｗｉで、１．５以上１０以下を満たす大きさである。給液整流部４８の幅Ｗｒは、セルフレーム２Ａを平面視した際、その平面上における主溝部３１の並列方向と直交する方向の長さのことである。つまり、給液整流部４８の幅Ｗｒは、主溝部３１の並列方向及び主溝部３１の深さ方向の双方に直交する方向の長さのことである。給液整流部４８の横断面形状は、任意の形状とでき、例えば、幅が開口部から底部に向かって一様な矩形状が挙げられる。給液整流部４８の横断面形状は、幅が開口部から底部に向かって一様でない場合がある。その場合、上記幅Ｗｒは、最小幅を採用する。本例では、給液整流部４８の横断面形状は、幅が開口部から底部に向かって一様な矩形状である。

Ｗｒ／Ｗｉが１．５以上であることで、電解液中に混入し得る異物が給液整流部４８に詰まることを抑制できる。一方、Ｗｒ／Ｗｉが１０以下であることで、給液整流部４８の幅Ｗｒに対して主溝部３１の幅Ｗｉが急に縮小することによって生じ得る電解液の圧力損失を低減でき、異物が主溝部３１の奥深くに入り込むことを防止でき、異物が電極中に流入することを防止できる。また、電極の大きさを一定とする場合、給液側片４１の大型化を抑制できる、ひいてはセルフレーム２Ａの大型化を抑制できる。又は、セルフレーム２Ａの大きさを一定とする場合、電極の小型化を抑制できる。給液整流部４８への異物の詰まりを抑制するためには、幅比Ｗｒ／Ｗｉは大きい方が好ましく、更に５以上、特に７以上であることが好ましい。給液整流部４８の幅Ｗｒは、例えば、０．７５ｍｍ以上５０ｍｍ以下、更に２．５ｍｍ以上３５ｍｍ以下を満たすことが挙げられる。

給液整流部４８の幅は、主溝部３１の並列方向に沿って一様であってもよいし、幅の広い部分を有していてもよい。幅が一様でない場合、上記Ｗｒは最小幅を採用する。本例では、主溝部３１の並列方向に沿って一様としている。

・排液側片
排液側片４２には、双極板３Ａから排出される電解液を集約する排液整流部４９と、排液整流部４９からの電解液を排液マニホールド４５に導く排液ガイド溝４７と、電池セル１００の外部に電解液を排出する排液マニホールド４５とを備える。排液整流部４９は、主溝部３１の並列方向に沿って排液側片４２に形成された切欠部４９ｓで構成されている。切欠部４９ｓは、排液側片４２の内周部の表裏面を所定幅に亘って除去することで形成された長尺の薄板状の空間である。この切欠部４９ｓによって、排液側片４２の内周部の表裏面は段差状に形成され、この表裏面の段差状部分で挟まれる内周部が薄肉部になっている。電解液は、この薄肉部を底面として、切欠部４９ｓ内を流通する。排液ガイド溝４７及び排液整流部４９は、セルスタック２００（図５）を構築する際、プラスチック製の保護板（図示せず）により覆われる。それにより、電解液が排液ガイド溝４７及び排液整流部４９から漏れることなく双極板３Ａと排液マニホールド４５との間で電解液を流通させられる。

双極板３Ａの主溝部３１の流出口３１ｏは、枠体４Ａの排液整流部４９に連続するように設けられている。そうすることで、双極板３Ａ（電極）から排出された電解液は、双極板３Ａにおける主溝部３１の並列方向に沿って排液整流部４９で集約され、排液ガイド溝４７を通って排液マニホールド４５から排出される。本例では、主溝部３１の底面と、排液整流部４９の底面と、排液ガイド溝４７の底面とは、実質的に面一である。各底面同士の間には段差を有していてもよい。

枠体４Ａの材質は、耐酸性、電気絶縁性、機械的特性を満たす材料が挙げられる。枠体４Ａの材質は、例えば、ポリテトラフルオロエチレン等の種々のフッ素系樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエチレン樹脂、塩化ビニル樹脂が挙げられる。

枠体４Ａには、環状のシール部材５（図５）を配置するためのシール溝５ｓが周方向にわたって形成されている。

≪実施形態２≫
図２を参照して、実施形態２に係るセルフレーム２Ｂについて説明する。このセルフレーム２Ｂは、給液整流部が双極板３Ｂに設けられている点が実施形態１のセルフレーム２Ａとの主な相違点である。また、セルフレーム２Ｂは、双極板３Ｂに形成された主溝部３１の形状が実施形態１の双極板３Ａと異なる。以下、実施形態１のセルフレーム２Ａとの相違点を中心に説明する。

（双極板）
双極板３Ｂは、主溝部３１として、電解液を電極に導入する導入側主溝部３１ａと、電解液を電極から排出する排出側主溝部３１ｂとを備える。導入側主溝部３１ａと排出側主溝部３１ｂとは、連通せずに独立しており、所定の間隔を有して交互に並列配置され、後述する分配溝部３２及び集約溝部３３とで形成される対向櫛歯構造である。導入側主溝部３１ａに電解液の流入口３１ｉを有し、排出側主溝部３１ｂに電解液の流出口３１ｏを有する。隣り合う導入側主溝部３１ａと排出側主溝部３１ｂとの間に、畝部３４が形成される。

双極板３Ｂは、給液整流部として、導入側主溝部３１ａの流入口３１ｉに連続して導入側主溝部３１ａの並列方向に沿って形成された分配溝部３２を備える。分配溝部３２は、後述する枠体４Ｂに形成される給液ガイド溝４６を介して給液マニホールド４４と連通している。本例では、主溝部３１が、枠体４Ｂの給液側片４１から排液側片４２に向かう方向に沿った縦溝で構成されており、分配溝部３２が、枠体４Ｂの一対の連結片４３間を渡る方向に沿った横溝で構成されている。

双極板３Ｂは、排液整流部として、排出側主溝部３１ｂの流出口３１ｏに連続して排出側主溝部３１ｂの並列方向に沿って形成された集約溝部３３を備える。集約溝部３３は、後述する枠体４Ｂに形成される排液ガイド溝４７を介して排液マニホールド４５と連通している。本例では、集約溝部３３は、分配溝部３２と同様に横溝で構成されている。

（枠体）
枠体４Ｂは、給液側片４１に、給液マニホールド４４と、給液ガイド溝４６とを備える。給液ガイド溝４６は、双極板３Ｂに形成された分配溝部３２と給液マニホールド４４とを連通するように形成されている。そうすることで、給液マニホールド４４から供給された電解液は、給液ガイド溝４６を通り、双極板３Ｂの分配溝部３２に拡散されて双極板３Ｂの幅方向の全域に渡り、各導入側主溝部３１ａの流入口３１ｉに到達し、電極の全域に流通される。本例では、給液ガイド溝４６の底面と、分配溝部３２の底面と、導入側主溝部３１ａの底面とは、実質的に面一である。各底面同士の間には段差を有していてもよい。

枠体４Ｂは、排液側片４２には、排液マニホールド４５と、排液ガイド溝４７とを備える。排液ガイド溝４７は、双極板３Ｂに形成された集約溝部３３と排液マニホールド４５とを連通するように形成されている。そうすることで、排出側主溝部３１ｂの流出口３１ｏから排出された電解液は、集約溝部３３で集約され、排液ガイド溝４７を通って排液マニホールド４５から排出される。本例では、排出側主溝部３１ｂの底面と、集約溝部３３の底面と、排液ガイド溝４７の底面とは、実質的に面一である。各底面同士の間には段差を有していてもよい。

実施形態２のセルフレーム２Ｂは、実施形態１のセルフレーム２Ａと同様に、導入側主溝部３１ａ（主溝部３１）における電解液の流入口３１ｉの幅Ｗｉと、分配溝部３２（給液整流溝）における導入側主溝部３１ａの並列方向と直交する方向の幅Ｗｒとの幅比Ｗｒ／Ｗｉが、１．５以上１０以下を満たす。そうすることで、電解液中に混入し得る異物が分配溝部３２に詰まることを抑制できると共に、その異物を導入側主溝部３１ａのうち一部の導入側主溝部３１ａの流入口３１ｉで捕捉できる。

≪変形例≫
実施形態１のセルフレーム２Ａ及び実施形態２のセルフレーム２Ｂは、主溝部や給液整流部の形態を以下とすることができる。

（１）主溝部は、流入口と流出口とが連通した一本の縦溝であり（図１を参照）、給液整流部は、流入口に連続して主溝部の並列方向に沿って双極板に形成された分配溝部である（図２を参照）。排液整流部は、流出口に連続して主溝部の並列方向に沿って双極板に形成された集約溝部であってもよいし、枠体に形成された切欠部であってもよい。

（２）主溝部は、流入口を有する導入側主溝部と、流出口を有する排出側主溝部とが連通せずに独立した縦溝であり（図２を参照）、給液整流部は、導入側溝部の流入口に連続して主溝部の並列方向に沿って枠体に形成された切欠部である（図１を参照）。排液整流部は、流出口に連続して主溝部の並列方向に沿って双極板に形成された集約溝部であってもよいし、枠体に形成された切欠部であってもよい。

（３）主溝部として導入側溝部と排出側溝部とを備える場合、導入側主溝部と排出側主溝部とが噛合して交互に配置されるのではなく、電解液の流通方向に間隔を有して対向配置される。

（４）主溝部は、横溝構造である。その場合、給液整流部及び排液整流部が縦方向に設けられることになる。

［試験例］
表裏面に縦溝構造の複数の主溝部を有する双極板と、給液整流部として切欠部を有する枠体とを備えるセルフレーム（図１）を用いた複数のＲＦ電池を作製した（試験体Ａ〜Ｊ）。そして、各ＲＦ電池を用いて充放電試験を行なうことで、各ＲＦ電池のセル抵抗率を測定した。充放電試験の条件は、放電終了電圧：１Ｖ、充電終了電圧：１．６Ｖ、電流：２５Ａとした。セル抵抗率の評価は、充放電試験に基づいて充放電曲線を作成し、その充放電曲線から３サイクル目のセル抵抗率で行なった。各試験体について、主溝部における電解液の流入口の幅Ｗｉ、給液整流部における主溝部の並列方向と直交する方向の幅Ｗｒ、幅Ｗｉと幅Ｗｒとの幅比Ｗｒ／Ｗｉ、及びセル抵抗率を表１に示す。なお、本例では、複数の主溝部は、全て同じ形状及び寸法であり、各溝部は、長手方向及び深さ方向に一様な幅である。また、給液整流部は、長手方向に一様な幅である。

表１より、幅比Ｗｒ／Ｗｉが１．５以上１０以下を満たす試験体Ａ〜試験体Ｅは、ＲＦ電池のセル抵抗率を低減できることがわかった。これは、主溝部の幅Ｗｉよりも給液整流部の幅Ｗｒが十分に大きいことで、電解液中に混入し得る異物が給液整流部に詰まることを抑制でき、かつその異物を主溝部の流入口で捕捉できたことによると考えられる。一方、Ｗｒ／Ｗｉが１．５未満又は１０超では、ＲＦ電池のセル抵抗率が高いことがわかった。これは、以下の理由によると考えられる。試験体Ｆ及び試験体Ｇでは、給液整流部の幅Ｗｒが小さ過ぎることによって異物が給液整流部に詰まり、電極に十分に電解液を供給できなかったことによると考えられる。試験体Ｈでは、主溝部の幅Ｗｉが小さ過ぎることによって電解液の流通抵抗が増大したことによると考えられる。試験体Ｉ及び試験体Ｊでは、主溝部の幅Ｗｉが大き過ぎることによって異物が電極中に流入し、電極で異物の触媒作用によりガスが発生し、電極中で滞留することによって電極における電池反応面積が減少したことによると考えられる。

１ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
２，２Ａ，２Ｂ セルフレーム
３，３Ａ，３Ｂ 双極板
３１ 主溝部 ３１ｉ 流入口 ３１ｏ 流出口
３１ａ 導入側主溝部 ３１ｂ 排出側主溝部
３２ 分配溝部（給液整流部）
３３ 集約溝部（排液整流部）
３４ 畝部
４，４Ａ，４Ｂ 枠体
４１ 給液側片 ４２ 排液側片 ４３ 連結片
４４ 給液マニホールド ４５ 排液マニホールド
４６ 給液ガイド溝 ４７ 排液ガイド溝
４８ 給液整流部 ４８ｓ 切欠部
４９ 排液整流部 ４９ｓ 切欠部
５ シール部材 ５ｓ シール溝
１００ 電池セル
１０１ 隔膜
１０２ 正極セル １０３ 負極セル
１０４ 正極電極 １０５ 負極電極
１００Ｐ 正極循環機構 １００Ｎ 負極循環機構
１０６ 正極電解液タンク １０７ 負極電解液タンク
１０８，１０９，１１０，１１１ 導管
１１２，１１３ ポンプ
２００ セルスタック ２００Ｓ サブスタック
２１０，２２０ エンドプレート ２３０ 連結部材

Claims (7)

1. 電池セルを構成する電極と接する双極板と、前記双極板の周縁を囲む枠体とを有するセルフレームであって、
   前記枠体は、前記電池セルの内部に電解液を供給する給液マニホールドを備え、
   前記双極板は、前記電極側の面に並列されて電解液が流通する複数の主溝部を備え、
   前記枠体及び前記双極板の少なくとも一方に、前記給液マニホールドからの電解液を前記主溝部の並列方向に拡散させて前記主溝部の各々に供給する給液整流部を備え、
   前記主溝部における電解液の流入口の幅Ｗｉと、前記給液整流部における前記主溝部の並列方向と直交する方向の幅Ｗｒとの幅比Ｗｒ／Ｗｉが、１．５以上１０以下を満たすセルフレーム。
2. 前記給液整流部の幅Ｗｒは、０．７５ｍｍ以上５０ｍｍ以下を満たす請求項１に記載のセルフレーム。
3. 前記主溝部の流入口の幅Ｗｉは、０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下を満たす請求項１又は請求項２に記載のセルフレーム。
4. 前記給液整流部は、前記主溝部の並列方向に沿って前記枠体に形成された切欠部を備え、
   前記主溝部の流入口は、前記切欠部に連続するように設けられている請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセルフレーム。
5. 前記給液整流部は、前記主溝部の流入口に連続して前記主溝部の並列方向に沿って前記双極板に形成された分配溝部を備え、
   前記枠体は、前記分配溝部と前記給液マニホールドとを連通する給液ガイド溝を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセルフレーム。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセルフレームを備えるセルスタック。
7. 請求項６に記載のセルスタックを備えるレドックスフロー電池。

Images