JPWO2018105092A1 - 枠体、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

レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板の周囲に設けられる枠体であって、前記枠体の一面側に設けられ、前記正極電極に正極電解液を供給・排出する正極用給液スリット及び正極用排液スリットと、前記枠体の他面側に設けられ、前記負極電極に負極電解液を供給・排出する負極用給液スリット及び負極用排液スリットと、を備え、前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの出口部同士の組のうち少なくとも一組は、前記枠体の厚さ方向において互いに部分的に重なるように設けられている枠体。

Description

本発明は、枠体、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。

大容量の蓄電池の一つとして、レドックスフロー電池（以下、「ＲＦ電池」と呼ぶ場合がある）が知られている（特許文献１〜３を参照）。レドックスフロー電池には、セルフレーム、正極電極、隔膜、負極電極をそれぞれ複数積層してなるセルスタックが用いられている。セルフレームは、正極電極と負極電極との間に配置される双極板と、双極板の周囲に設けられる枠体とを備えている。セルスタックでは、隣接するセルフレームの双極板の間に、隔膜を挟んで正負の電極が配置され、１つのセルが形成される。ＲＦ電池では、正負の各電極に正負の各電解液をそれぞれ循環流通させて充放電を行う。

特許文献１〜３には、枠体の一面側に設けられ、正極電解液が流通する正極電解液用流路と、枠体の他面側に設けられ、負極電解液が流通する負極電解液用流路とを備えるセルフレームが開示されている。正極電解液用流路及び負極電解液用流路は、各電極に各電解液をそれぞれ供給する正極及び負極用の給液スリットと、各電極から各電解液をそれぞれ排出する正極及び負極用の排液スリットとを有する。また、セルフレームの枠体には、各電極に供給される各電解液がそれぞれ流通する正極及び負極用の給液マニホールドと、各電極から排出される各電解液がそれぞれ流通する正極及び負極用の排液マニホールドが枠体に貫通して設けられている。

特開２０１３−８０６１３号公報 特開２００２−２４６０６１号公報 特開２００５−２２８６２２号公報

本開示の枠体は、
レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板の周囲に設けられる枠体であって、
前記枠体は、
前記枠体に貫通して設けられ、前記正極電極に供給される正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、及び、前記正極電極から排出される正極電解液が流通する正極用排液マニホールドと、
前記枠体の一面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記正極用給液マニホールドから前記正極電極に正極電解液を供給する正極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極用排液スリットと、を備える正極電解液用流路と、
前記枠体に貫通して設けられ、前記負極電極に供給される負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、及び、前記負極電極から排出される負極電解液が流通する負極用排液マニホールドと、
前記枠体の他面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記負極用給液マニホールドから前記負極電極に負極電解液を供給する負極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極用排液スリットと、を備える負極電解液用流路と、を備え、
前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの前記入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの前記出口部同士の組のうち少なくとも一組は、前記枠体の厚さ方向において互いに部分的に重なるように設けられている。

本開示のセルフレームは、本開示の枠体と、前記枠体の内側に設けられる前記双極板とを有する。

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。

本開示の別のセルスタックは、
レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板と、前記双極板の周囲に設けられる枠体とを有するセルフレームを備えるセルスタックであって、
前記枠体は、
前記枠体に貫通して設けられ、前記正極電極に供給される正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、及び、前記正極電極から排出される正極電解液が流通する正極用排液マニホールドと、
前記枠体の一面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記正極用給液マニホールドから前記正極電極に正極電解液を供給する正極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極用排液スリットと、を備える正極電解液用流路と、
前記枠体に貫通して設けられ、前記負極電極に供給される負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、及び、前記負極電極から排出される負極電解液が流通する負極用排液マニホールドと、
前記枠体の他面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記負極用給液マニホールドから前記負極電極に負極電解液を供給する負極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極用排液スリットと、を備える負極電解液用流路と、を備え、
前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの前記入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの前記出口部同士の組は、前記枠体の厚さ方向において互いに重なり合うように設けられており、
前記セルフレームが積層され、隣接する前記セルフレームの前記枠体の一面側と他面側とが互いに対向した状態において、一方の前記枠体の一面側に設けられた前記正極用給液スリットの前記入口部及び前記正極用排液スリットの前記出口部と、他方の前記枠体の他面側に設けられた前記負極用給液スリットの前記入口部及び前記負極用排液スリットの前記出口部とが、それぞれ積層方向に互いに部分的に重なるように設けられている。

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。 実施形態に係るセルスタックの概略構成図である。 実施形態１に係るセルフレームを一面側から見た概略平面図である。 実施形態１に係るセルフレームを他面側から見た概略平面図である。 図４のＶＩａ−ＶＩａ線矢視図である。 図４のＶＩｂ−ＶＩｂ線矢視図である。 実施形態１に係るセルフレームを積層したときの正極用給液スリットの入口部と負極用給液スリットの入口部との位置関係を示す模式図である。 実施形態１に係るセルフレームを積層したときの正極用排液スリットの出口部と負極用排液スリットの出口部との位置関係を示す模式図である。 実施形態２に係るセルスタックにおけるセルフレームを一面側から見た概略平面図である。 図８のＩＸａ−ＩＸａ線矢視図である。 図８のＩＸｂ−ＩＸｂ線矢視図である。 実施形態２に係るセルスタックでの隣接するセルフレーム同士における正極用給液スリットの入口部と負極用給液スリットの入口部との位置関係を示す模式図である。 実施形態２に係るセルスタックでの隣接するセルフレーム同士における正極用排液スリットの出口部と負極用排液スリットの出口部との位置関係を示す模式図である。

［本開示が解決しようとする課題］
更なるレドックスフロー電池の信頼性及び性能の向上が望まれている。

ＲＦ電池では、セルフレームの枠体において、正極電解液用流路及び負極電解液用流路を構成する正極及び負極用の各スリット（給液スリット及び排液スリット）内に充電状態の電解液が満たされていると、各スリット内において電解液を通じてシャント電流が流れ、シャント電流による損失（シャント電流損失）が生じる。このシャント電流に起因して電解液が発熱し、電解液の温度が上昇する場合があり、場合によっては、正極電解液と負極電解液との間に温度差が生じることがある。例えば、ＲＦ電池の待機時は、スリット内に電解液が留まっているため、電解液を流通させる運転時に比較して、スリット内で電解液の温度が上昇し易い。電解液の温度が上昇すると、電解液に析出物が生じることがあり、電解液が劣化するなど電池性能の低下を招く虞がある。また、正極電解液と負極電解液との間に温度差が生じると、枠体に反りなどの変形が発生する可能性があり、枠体（セルフレーム）にダメージを与える虞がある。したがって、正負の電解液が流通する各スリット内における両電解液の温度を均一化しつつ、両電解液の温度上昇を抑制することが望まれる。

また、セルフレームを積層してセルスタックを構成した場合、隣接するセルフレームの枠体の一面側と他面側とが互いに対向して突き合わされた状態となる。枠体の一面側（表面側）及び他面側（裏面側）には、正極電解液用流路及び負極電解液用流路を構成する正極及び負極用の各スリットがそれぞれ設けられている。セルスタックを構成したとき、隣接する枠体のうち、一方の枠体の一面側に設けられた正極用スリットが他方の枠体の他面側に対向し、他方の枠体の他面側に設けられた負極用スリットが一方の枠体の一面側に対向することになる。

従来の枠体では、通常、正極及び負極用の各スリットが表裏で実質的に同じパターンで形成されている。ここで、正極用スリットにおける枠体の内側に開口する開口部（入口部又は出口部）と負極用スリットにおける枠体の内側に開口する開口部とが、表裏で同じ位置（つまり、枠体の厚さ方向に重なり合う位置）に設けられたセルフレームを用いてセルスタックを構成することを考える。この場合、セルスタックを構成したとき、一方の枠体の一面側に設けられた正極用スリットの開口部と、他方の枠体の他面側に設けられた負極用スリットの開口部とが互いに付き合わされた状態になる。そのため、それぞれの開口部同士が互いに付き合わされることによって、開口部の角部に面圧が集中して、角部に欠けなどの破損が生じる可能性があり、信頼性を損なう虞がある。また、開口部の角部に面圧が集中することによって、隣接する枠体の間に介在する隔膜などが損傷する可能性もある。

そこで、本開示は、レドックスフロー電池の信頼性及び性能の向上を図ることができる枠体、セルフレーム、及びセルスタックを提供することを目的の一つとする。また、本開示は、信頼性が高く、電池性能に優れる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、レドックスフロー電池の信頼性及び性能の向上を図ることができる枠体、セルフレーム、及びセルスタックを提供できる。また、本開示によれば、信頼性が高く、電池性能に優れるレドックスフロー電池を提供できる。

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

（１）実施形態に係る枠体は、
レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板の周囲に設けられる枠体であって、
前記枠体は、
前記枠体に貫通して設けられ、前記正極電極に供給される正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、及び、前記正極電極から排出される正極電解液が流通する正極用排液マニホールドと、
前記枠体の一面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記正極用給液マニホールドから前記正極電極に正極電解液を供給する正極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極用排液スリットと、を備える正極電解液用流路と、
前記枠体に貫通して設けられ、前記負極電極に供給される負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、及び、前記負極電極から排出される負極電解液が流通する負極用排液マニホールドと、
前記枠体の他面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記負極用給液マニホールドから前記負極電極に負極電解液を供給する負極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極用排液スリットと、を備える負極電解液用流路と、を備え、
前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの前記入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの前記出口部同士の組のうち少なくとも一組は、前記枠体の厚さ方向において互いに部分的に重なるように設けられている。

上記枠体によれば、正極及び負極用の各スリットの開口部（入口部及び出口部）同士の少なくとも一方の組が、枠体の厚さ方向において互いに部分的に重なるように設けられている。「枠体の厚さ方向において互いに部分的に重なる」とは、枠体の厚さ方向（一方の面から他方の面に向かう方向）から透視的に見たとき、枠体の厚さ方向に一部が重なり、かつ、枠体の周方向にずれていることを意味する。枠体の厚さ方向に部分的に重なることで、正極及び負極用の各スリットに流通する正負の電解液に温度差が生じた場合、高温側の電解液から低温側の電解液への熱伝導が起こり、正負の電解液の温度を均一化できる。また、熱伝導によって高温側の電解液が冷却され、電解液の温度上昇が抑制されるため、電解液成分の析出を抑制でき、電解液の劣化を抑制できる。正負の電解液に温度差が生じ難くなるため、枠体に反りなどの変形も発生し難い。

更に、正極及び負極用の各スリットの開口部（入口部及び出口部）同士の少なくとも一方の組が、枠体の厚さ方向から見て、周方向にずれていることで、上記枠体を有するセルフレームを積層してセルスタックを構成したとき、それぞれの開口部同士が互いに付き合わされた状態にならない。そのため、それぞれの開口部の角部に面圧が集中することを回避できるので、角部に欠けなどの破損が生じ難い。また、開口部の角部の面圧集中を回避することによって、隣接する枠体の間に介在する隔膜などが損傷することも抑制できる。したがって、上記枠体は、正負の電解液の温度を均一化しつつ、両電解液の温度上昇を抑制できながら、セルスタックを構成したときの枠体の破損などを抑制できるので、レドックスフロー電池の信頼性及び性能の向上を図ることができる。

（２）上記枠体の一形態として、前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの前記入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの前記出口部同士の組のうち少なくとも一組は、前記枠体の厚さ方向における互いに重なる範囲がそれぞれの開口幅の１０％以上９９％以下であることが挙げられる。

正極及び負極用の各スリットの開口部（入口部及び出口部）同士の少なくとも一方の組において、枠体の厚さ方向における互いに重なる重複範囲がそれぞれの開口幅の１０％以上であることで、高温側の電解液から低温側の電解液への熱伝導を確保し易い。そのため、正負の電解液の温度を効果的に均一化できると共に、高温側の電解液の冷却効率を高め、電解液の温度上昇をより抑制できる。また、重複範囲がそれぞれの開口幅の９９％以下であることで、開口部の角部同士のずれを確保し易い。そのため、それぞれの開口部の角部に面圧が集中することを効果的に回避でき、面圧集中によって角部に欠けなどの破損が生じたり、隔膜などが損傷することをより抑制できる。上記枠体において、上記重複範囲の下限は、それぞれの開口幅の２０％以上、３０％以上、更に５０％以上であることが好ましく、上限は、それぞれの開口幅の９５％以下、更に９０％以下であることが好ましい。

（３）実施形態に係るセルフレームは、上記（１）又は（２）に記載の枠体と、前記枠体の内側に設けられる前記双極板とを有する。

上記セルフレームによれば、上記した実施形態に係る枠体を有することから、レドックスフロー電池の信頼性及び性能の向上を図ることができる。

（４）実施形態に係るセルスタックは、上記（３）に記載のセルフレームを備える。

上記セルスタックによれば、上記した実施形態に係るセルフレームを備えることから、レドックスフロー電池の信頼性及び性能の向上を図ることができる。

（５）別の実施形態に係るセルスタックは、
レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板と、前記双極板の周囲に設けられる枠体とを有するセルフレームを備えるセルスタックであって、
前記枠体は、
前記枠体に貫通して設けられ、前記正極電極に供給される正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、及び、前記正極電極から排出される正極電解液が流通する正極用排液マニホールドと、
前記枠体の一面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記正極用給液マニホールドから前記正極電極に正極電解液を供給する正極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極用排液スリットと、を備える正極電解液用流路と、
前記枠体に貫通して設けられ、前記負極電極に供給される負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、及び、前記負極電極から排出される負極電解液が流通する負極用排液マニホールドと、
前記枠体の他面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記負極用給液マニホールドから前記負極電極に負極電解液を供給する負極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極用排液スリットと、を備える負極電解液用流路と、を備え、
前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの前記入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの前記出口部同士の組は、前記枠体の厚さ方向において互いに重なり合うように設けられており、
前記セルフレームが積層され、隣接する前記セルフレームの前記枠体の一面側と他面側とが互いに対向した状態において、一方の前記枠体の一面側に設けられた前記正極用給液スリットの前記入口部及び前記正極用排液スリットの前記出口部と、他方の前記枠体の他面側に設けられた前記負極用給液スリットの前記入口部及び前記負極用排液スリットの前記出口部とが、それぞれ積層方向に互いに部分的に重なるように設けられている。

上記セルスタックによれば、セルフレームの枠体において、正極及び負極用の各スリットの開口部（入口部及び出口部）同士の組が、枠体の厚さ方向において互いに重なり合うように設けられている。「枠体の厚さ方向において互いに重なり合う」とは、枠体の厚さ方向（一方の面から他方の面に向かう方向）から透視的に見たとき、実質的に同じ位置に重複していることを意味する。例えば、正極及び負極用の各スリットの開口部同士の組において、枠体の厚さ方向における互いに重なる重複範囲がそれぞれの開口幅の９０％超１００％以下であることが挙げられる。枠体の厚さ方向に重なり合うことで、正極及び負極用の各スリットに流通する正負の電解液に温度差が生じた場合、高温側の電解液から低温側の電解液への熱伝導が起こり、正負の電解液の温度を均一化できる。また、熱伝導によって高温側の電解液が冷却され、電解液の温度上昇が抑制されるため、電解液成分の析出を抑制でき、電解液の劣化を抑制できる。正負の電解液に温度差が生じ難くなるため、枠体に反りなどの変形も発生し難い。上記セルスタックを構成する個々のセルフレームの枠体において、正極及び負極用の各スリットの開口部同士の組の厚さ方向における上記重複範囲の下限は、それぞれの開口幅の９５％超、更に９９％超であることが好ましい。

セルスタックは、複数のセルフレームを積層して構成され、隣接するセルフレームの枠体の一面側と他面側とが互いに対向した状態となる。上記セルスタックでは、隣接する枠体のうち、一方の一面側に設けられた正極用の各スリットの開口部（入口部及び出口部）と、他方の他面側に設けられた負極用の各スリットの開口部とが積層方向に互いに部分的に重なるように設けられている。「積層方向に互いに部分的に重なる」とは、セルフレームの積層方向から透視的に見たとき、積層方向に一部が重なり、かつ、枠体の周方向にずれていることを意味する。つまり、隣接するセルフレームの枠体同士において、一方の正極用の各スリットの開口部と他方の負極用の各スリットの開口部とが、積層方向から見て、周方向にずれていることから、それぞれの開口部同士が互いに付き合わされた状態にならない。そのため、それぞれの開口部の角部に面圧が集中することを回避できるので、角部に欠けなどの破損が生じ難い。また、開口部の角部の面圧集中を回避することによって、隣接する枠体の間に介在する隔膜などが損傷することも抑制できる。したがって、上記セルスタックは、正負の電解液の温度を均一化しつつ、両電解液の温度上昇を抑制できながら、枠体（セルフレーム）の破損などを抑制できるので、レドックスフロー電池の信頼性及び性能の向上を図ることができる。ここで、隣接するセルフレームの一方の枠体の一面側に設けられた正極用の各スリットの開口部と、他方の枠体の他面側に設けられた負極用の各スリットの開口部とが積層方向に互いに重なる重複範囲としては、例えば、それぞれの開口幅の１０％以上９９％以下であることが挙げられる。隣接するセルフレームの枠体において、一方の一面側に設けられた正極用の各スリットの開口部と、他方の他面側に設けられた負極用の各スリットの開口部との積層方向における上記重複範囲の下限は、それぞれの開口幅の２０％以上、３０％以上、更に５０％以上であることが好ましく、上限は、それぞれの開口幅の９５％以下、更に９０％以下であることが好ましい。

（６）実施形態に係るレドックスフロー電池は、上記（４）又は（５）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によれば、上記した実施形態に係るセルスタックを備えることから、信頼性が高く、電池性能に優れる。

［本願発明の実施形態の詳細］
本願発明の実施形態に係る枠体、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）の具体例を、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又は相当部分を示す。なお、本願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。

《ＲＦ電池》
図１、図２を参照して、実施形態に係るレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）の一例を説明する。ＲＦ電池１は、正極電解液及び負極電解液に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充放電を行う電池である。ここでは、ＲＦ電池１の一例として、正極電解液及び負極電解液に活物質となるＶイオンを含有するバナジウム電解液を使用したバナジウム系ＲＦ電池の場合を示す。図１中のセル１００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している。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１は、水素イオンを透過させる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離されたセル１００を備える。正極セル１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極電解液を貯留する正極電解液用タンク１０６が導管１０８、１１０を介して接続されている。導管１０８には、正極電解液を正極セル１０２に圧送するポンプ１１２が設けられており、これらの部材１０６、１０８、１１０、１１２によって正極電解液を循環させる正極用循環機構１００Ｐが構成されている。同様に、負極セル１０３には負極電極１０５が内蔵され、かつ負極電解液を貯留する負極電解液用タンク１０７が導管１０９、１１１を介して接続されている。導管１０９には、負極電解液を負極セル１０３に圧送するポンプ１１３が設けられており、これらの部材１０７、１０９、１１１、１１３によって負極電解液を循環させる負極用循環機構１００Ｎが構成されている。各タンク１０６、１０７に貯留される各電解液は、充放電を行う運転時には、ポンプ１１２、１１３によりセル１００（正極セル１０２及び負極セル１０３）内に循環され、充放電を行わない待機時には、ポンプ１１２、１１３が停止され、循環されない。

《セルスタック》
セル１００は通常、図２、図３に示すような、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２００（図３参照）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２２０で挟み込み、両側のエンドプレート２２０を締付機構２３０で締め付けることで構成されている（図３に例示する構成では、複数のサブスタック２００を備える）。サブスタック２００は、セルフレーム３、正極電極１０４、隔膜１０１、及び負極電極１０５を複数積層してなり、その積層体の両端に給排板２１０（図３の下図参照、図２では省略）が配置された構成である。

《セルフレーム》
セルフレーム３は、図２、図３に示すように、正極電極１０４と負極電極１０５との間に配置される双極板３１と、双極板３１の周囲に設けられる枠体３２とを有する。双極板３１の一面側には、正極電極１０４が接触するように配置され、双極板３１の他面側には、負極電極１０５が接触するように配置される。枠体３２の内側には、双極板３１が設けられ、正極電極１０４及び負極電極１０５が双極板３１を挟んで収納される。サブスタック２００（セルスタック２）では、隣接する各セルフレーム３の双極板３１の間にそれぞれ１つのセル１００が形成されることになり、隣接する各セルフレーム３の枠体３２の一面側と他面側とが互いに対向して突き合わされた状態となる。

双極板３１は、例えば、プラスチックカーボンなどで形成され、枠体３２は、例えば、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などのプラスチックで形成されている。双極板３１は、例えば、射出成型、プレス成型、真空成型などの公知の方法によって成形されている。セルフレーム３は、双極板３１の周囲に枠体３２が射出成型などにより一体化されている。

《枠体》
枠体３２は、正極電極１０４及び負極電極１０５の各電極に供給される正極電解液及び負極電解液の各電解液が流通する給液マニホールド３３、３４、及び、各電極から排出される各電解液が流通する排液マニホールド３５、３６を備える。また、枠体３２には、各給液マニホールド３３、３４から各電極に各電解液を供給する給液スリット３３ｓ、３４ｓと、各電極から各排液マニホールド３５、３６に各電解液を排出する排液スリット３５ｓ、３６ｓとを備える。正極電極１０４及び負極電極１０５への正負の各電解液の流通は、給排板２１０（図３の下図参照）を介して、図３に示す枠体３２に貫通して設けられた給液マニホールド３３、３４及び排液マニホールド３５、３６と、枠体３２の一面側と他面側にそれぞれ設けられた給液スリット３３ｓ、３４ｓ及び排液スリット３５ｓ、３６ｓにより行われる（図４、図５も合わせて参照）。

この例では、給液マニホールド３３及び排液マニホールド３５は正極電解液が流通するマニホールドである。具体的には、給液マニホールド３３は正極電極１０４に供給される正極電解液が流通する正極用給液マニホールドであり、排液マニホールド３５は正極電極１０４から排出される正極電解液が流通する正極用排液マニホールドである。一方、給液マニホールド３４及び排液マニホールド３６は負極電解液が流通するマニホールドである。具体的には、給液マニホールド３４は負極電極１０５に供給される負極電解液が流通する負極用給液マニホールドであり、排液マニホールド３６は負極電極１０５から排出される負極電解液が流通する負極用排液マニホールドである。

また、図４に示す枠体３２の一面側（表面側）に設けられた給液スリット３３ｓ及び排液スリット３５ｓは正極電解液用流路３２ｐを構成するスリットである。具体的には、給液スリット３３ｓは正極用給液マニホールド３３から正極電極１０４に正極電解液を供給する正極用給液スリットであり、排液スリット３５ｓは正極電極１０４から正極用排液マニホールド３５に正極電解液を排出する正極用排液スリットである。正極用給液スリット３３ｓは枠体３２の内側に開口する入口部３３ｉを有し、正極用排液スリット３５ｓは枠体３２の内側に開口する出口部３５ｏを有する。一方、図５に示す枠体３２の他面側（裏面側）に設けられた給液スリット３４ｓ及び排液スリット３６ｓは負極電解液用流路３２ｎを構成するスリットである。具体的には、給液スリット３４ｓは負極用給液マニホールド３４から負極電極１０５に負極電解液を供給する負極用給液スリットであり、排液スリット３５ｓは負極電極から１０５から負極用排液マニホールド３６に負極電解液を排出する負極用排液スリットである。負極用給液スリット３４ｓは枠体３２の内側に開口する入口部３４ｉを有し、負極用排液スリット３６ｓは枠体３２の内側に開口する出口部３６ｏを有する。正極用給液スリット３３ｓと負極用給液スリット３４ｓとは、スリットの形状、長さ、幅及び深さが実質的に同じであり、正極用排液スリット３５ｓと負極用排液スリット３６ｓとは、スリットの形状、長さ、幅及び深さが実質的に同じである。

各スリットの深さは、例えば、０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下とし、枠体３２の機械的強度を確保する観点から、枠体３２の厚さの１０％以上４５％以下程度を満たすことが挙げられる。各スリットの幅は、例えば、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下、更に１．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下を満たすことが挙げられる。ここでは、各スリットの長さ方向に直交する断面形状が矩形状であるが、これに限らず、各スリットの断面形状は、例えば、三角形状、台形状、半円形状、半楕円形状などであってもよい。

この例に示す枠体３２（セルフレーム３）の場合、正極電解液は、図４に示すように、給液マニホールド３３から枠体３２の下部に形成された給液スリット３３ｓを介して正極電極１０４（図３参照）に供給され、枠体３２の上部に形成された排液スリット３５ｓを介して排液マニホールド３５に排出される。同様に、負極電解液は、図５に示すように、給液マニホールド３４から枠体３２の下部に形成された給液スリット３４ｓを介して負極電極１０５（図３参照）に供給され、枠体３２の上部に形成された排液スリット３６ｓを介して排液マニホールド３６に排出される。枠体３２の内側下縁部及び内側上縁部には、縁部に沿って整流部（図示せず）が形成されていてもよい。整流部は、給液スリット３３ｓ、３４ｓから供給される各電解液を各電極の下縁部に沿って拡散させたり、各電極の上縁部から排出される各電解液を排液スリット３５ｓ、３６ｓへ集約する機能を有する。

その他、各セルフレーム３の枠体３２の間には、電解液の漏洩を抑制するため、Ｏリングや平パッキンなどの環状のシール部材３７（図２、図３参照）が配置されている。枠体３２には、シール部材３７を配置するためのシール溝３８（図４、図５参照）が形成されている。

［実施形態１］
実施形態に係る枠体３２の特徴の一つは、正極用給液スリット３３ｓと負極用給液スリット３４ｓとの入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組、及び、正極用排液スリット３５ｓと負極用排液スリット３６ｓとの出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組のうち少なくとも一組が、枠体３２の厚さ方向において互いに部分的に重なるように設けられている点にある。以下、図４〜図８を参照して、実施形態１に係る枠体３２（セルフレーム３）、及びこのセルフレーム３を備えるセルスタック２について、詳しく説明する

図４、図５に示すセルフレーム３の枠体３２は、図６Ａに示すように、正極用給液スリット３３ｓの入口部３３ｉと負極用給液スリット３４ｓの入口部３４ｉとが、枠体３２の厚さ方向において互いに部分的に重なるように位置する。また、このセルフレーム３の枠体３２は、図６Ｂに示すように、枠体３２の正極用排液スリット３５ｓの出口部３５ｏと負極用排液スリット３６ｓの出口部３６ｏとが、枠体３２の厚さ方向において互いに部分的に重なるように位置する。したがって、実施形態１に係るセルフレーム３では、入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組と出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組のそれぞれが、枠体３２の厚さ方向において互いに部分的に重なるように設けられている。

図６Ａに示すように、入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組が枠体３２の厚さ方向に部分的に重なることで、正極用給液スリット３３ｓに流通する正極電解液と負極用給液スリット３４ｓに流通する負極電解液との間で熱伝導が効率よく行われる。一方、図６Ｂに示すように、出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組が枠体３２の厚さ方向に部分的に重なることで、正極用排液スリット３５ｓに流通する正極電解液と負極用排液スリット３６ｓに流通する負極電解液との間で熱伝導が効率よく行われる。したがって、正極電解液と負極電解液との間に温度差が生じた場合、高温側の電解液から低温側の電解液への熱伝導が起こり、両電解液の温度を均一化しつつ、両電解液の温度上昇を抑制できる。

セルフレーム３を用いてセルスタック２（図２、図３参照）を構成した場合、図７Ａ、Ｂに示すように、隣接するセルフレーム３の枠体３２の一面側と他面側とが互いに対向して積層される。入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組が、枠体３２の厚さ方向から見て周方向にずれていることで、図７Ａに示すように、入口部３３ｉ、３４ｉの角部（図７Ａ中の丸で囲む部分）同士が互いに付き合わされた状態にならない。そのため、入口部３３ｉ、３４ｉの角部に面圧が集中することを回避できる。一方、出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組が、枠体３２の厚さ方向から見て周方向にずれていることで、図７Ｂに示すように、出口部３５ｏ、３６ｏの角部（図７Ｂ中の丸で囲む部分）同士が互いに付き合わされた状態にならない。そのため、出口部３５ｏ、３６ｏの角部に面圧が集中することを回避できる。したがって、セルフレーム３を積層したときに、正極及び負極用の各スリット３３ｓ〜３６ｓにおける開口部（入口部３３ｉ、３４ｉ及び出口部３５ｏ、３６ｏ）の角部に欠けなどの破損が生じ難い。

図６Ａに示す入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組は、その開口幅をＷｉとするとき、枠体３２の厚さ方向における互いに重なる重複範囲Ｌｉが開口幅Ｗｉの１０％以上９９％以下を満たすことが挙げられる。また、図６Ｂに示す出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組は、その開口幅をＷｏとするとき、枠体３２の厚さ方向における互いに重なる重複範囲Ｌｏが開口幅Ｗｏの１０％以上９９％以下を満たすことが挙げられる。入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組の重複範囲Ｌｉ及び出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組の重複範囲Ｌｏはそれぞれ、０．１Ｗｉ≦Ｌｉ≦０．９９Ｗｉ、０．１Ｗｏ≦Ｌｏ≦０．９９Ｗｏで表される。重複範囲Ｌｉ（Ｌｏ）が開口幅Ｗｉ（Ｗｏ）の１０％以上を満たす場合、正極及び負極用の給液スリット３３ｓ、３４ｓの入口部３３ｉ、３４ｉ（排液スリット３５ｓ、３６ｓの出口部３５ｏ、３６ｏ）において、高温側の電解液から低温側の電解液への熱伝導を確保し易い。そのため、正負の電解液の温度を効果的に均一化できると共に、高温側の電解液の冷却効率を高め、電解液の温度上昇をより抑制できる。重複範囲Ｌｉ（Ｌｏ）が開口幅Ｗｉ（Ｗｏ）の９９％以下を満たす場合、入口部３３ｉ、３４ｉ（出口部３５ｏ、３６ｏ）の角部のずれを確保し易く、面圧集中による角部の破損を効果的に抑制できる。本実施形態において、上記重複範囲Ｌｉ及びＬｏはそれぞれ、上記開口幅Ｗｉ及びＷｏの２０％以上、３０％以上、更に５０％以上であることが好ましく、９５％以下、更に９０％以下であることが好ましい。

｛作用効果｝
実施形態１に係る枠体３２は、次の作用効果を奏する。

入口部３３ｉ、３４ｉ同士及び出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組が枠体３２の厚さ方向に部分的に重なることで、正負の電解液に温度差が生じた場合に、高温側の電解液から低温側の電解液への熱伝導が起こり、正負の電解液の温度を均一化できる。熱伝導によって高温側の電解液が冷却され、電解液の温度上昇が抑制されるため、電解液成分の析出を抑制でき、電解液の劣化を抑制できる。また、正負の電解液に温度差が生じ難くなるため、枠体３２に反りなどの変形も発生し難い。

更に、入口部３３ｉ、３４ｉ同士及び出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組が枠体３２の厚さ方向から見て周方向にずれていることで、セルフレーム３を積層したとき、隣接する枠体３２の入口部３３ｉ、３４ｉ同士及び出口部３５ｏ、３６ｏ同士が互いに付き合わされた状態になることを回避できる。そのため、入口部３３ｉ、３４ｉ及び出口部３５ｏ、３６ｏの角部に面圧が集中することを回避できるので、角部に欠けなどの破損が生じ難い。また、角部の面圧集中を回避することによって、隣接する枠体３２の間に介在する隔膜１０１が損傷することも抑制できる。したがって、セルフレーム３は、正負の電解液の温度を均一化しつつ、両電解液の温度上昇を抑制できながら、セルスタック２を構成したときの枠体３２の破損などを抑制できるので、ＲＦ電池１の信頼性及び性能の向上を図ることができる。

実施形態１では、入口部３３ｉ、３４ｉ同士及び出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組のそれぞれが、枠体３２の厚さ方向において互いに部分的に重なるように設けられている形態を例に挙げて説明した。これに限らず、入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組のみが部分的に重なるように設けられていてもよいし、出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組のみが部分的に重なるように設けられていてもよい。

［実施形態２］
以下、図８〜図１０を参照して、別の実施形態に係るセルスタック２について、説明する。以下では、実施形態１との相違点を中心に説明し、実施形態１で説明した内容と同じ内容についてはその説明を省略する。実施形態２に係るセルスタック２の特徴の一つは、図８、図９に示すように、セルスタック２を構成する個々のセルフレーム３の枠体３２において、正極用給液スリット３３ｓと負極用給液スリット３４ｓとの入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組、及び、正極用排液スリット３５ｓと負極用排液スリット３６ｓとの出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組が、枠体３２の厚さ方向において互いに重なり合うように設けられている点にある。また、セルスタック２の別の特徴の１つは、図１０に示すように、隣接するセルフレーム３同士において、一方の枠体３２の一面側に設けられた正極用給液スリット３３ｓの入口部３３ｉ及び正極用排液スリット３５ｓの出口部３５ｏと、他方の枠体３２の他面側に設けられた負極用給液スリット３４ｓの入口部３４ｉ及び負極用排液スリット３６ｓの出口部３６ｏとが、それぞれ積層方向に互いに部分的に重なるように設けられている点にある。

実施形態２に係るセルスタック２では、図８、図９Ａに示すように、セルフレーム３の枠体３２において、正極用給液スリット３３ｓの入口部３３ｉと負極用給液スリット３４ｓの入口部３４ｉとが、枠体３２の厚さ方向において互いに重なり合うように位置する。また、図８、図９Ｂに示すように、枠体３２の正極用排液スリット３５ｓの出口部３５ｏと負極用排液スリット３６ｓの出口部３６ｏとが、枠体３２の厚さ方向において互いに重なり合うように位置する。したがって、実施形態２のセルスタック２におけるセルフレーム３（枠体３２）では、入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組と出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組のそれぞれが、枠体３２の厚さ方向において互いに重なり合うように設けられている。

図９Ａに示すように、入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組が枠体３２の厚さ方向に重なり合うことで、正極用給液スリット３３ｓに流通する正極電解液と負極用給液スリット３４ｓに流通する負極電解液との間で熱伝導が効率よく行われる。一方、図９Ｂに示すように、出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組が枠体３２の厚さ方向に重なり合うことで、正極用排液スリット３５ｓに流通する正極電解液と負極用排液スリット３６ｓに流通する負極電解液との間で熱伝導が効率よく行われる。したがって、正極電解液と負極電解液との間に温度差が生じた場合、高温側の電解液から低温側の電解液への熱伝導が起こり、両電解液の温度を均一化しつつ、両電解液の温度上昇を抑制できる。

入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組、及び、出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組は、図８に示すように、枠体３２の厚さ方向から透視的に見たとき、実質的に同じ位置に重複して設けられている。図９Ａに示す入口部３３ｉ、３４ｉ同士の組は、その開口幅をＷｉとするとき、枠体３２の厚さ方向における互いに重なる重複範囲Ｌｉが開口幅Ｗｉの９０％超１００％以下を満たすことが挙げられる。また、図９Ｂに示す出口部３５ｏ、３６ｏ同士の組は、その開口幅をＷｏとするとき、枠体３２の厚さ方向における互いに重なる重複範囲Ｌｏが開口幅Ｗｏの９０％超１００％以下を満たすことが挙げられる。この例では、重複範囲Ｌｉ及びＬｏが開口幅Ｗｉ及びＷｏと同等である（Ｌｉ＝Ｗｉ、Ｌｏ＝Ｗｏ）。本実施形態において、上記重複範囲Ｌｉ及びＬｏはそれぞれ、上記開口幅Ｗｉ及びＷｏの９５％超、更に９９％超であることが好ましい。

ここで、実施形態２のセルスタック２では、複数のセルフレーム３が互いにずれて積層されている。そして、セルフレーム３が積層された状態において、図１０Ａに示すように、隣接する枠体３２のうち、一方の一面側に設けられた正極用給液スリット３３ｓの入口部３３ｉと、他方の他面側に設けられた負極用給液スリット３４ｓの入口部３４ｉとが積層方向に互いに部分的に重なるように設けられている。また、図１０Ｂに示すように、一方の一面側に設けられた正極用排液スリット３５ｓの出口部３５ｏと、他方の他面側に設けられた負極用排液スリット３６ｓの出口部３６ｏとが積層方向に互いに部分的に重なるように設けられている。

つまり、実施形態２のセルスタック２では、図１０Ａ、Ｂに示すように、隣接する枠体３２同士において、一方の一面側に設けられた入口部３３ｉ及び出口部３５ｏと、他方の他面側に設けられた入口部３４ｉ及び出口部３６ｏとが、それぞれ積層方向から見て周方向にずれている。そのため、入口部３３ｉ、３４ｉの角部（図１０Ａ中の丸で囲む部分）同士、並びに、出口部３５ｏ、３６ｏの角部（図１０Ｂ中の丸で囲む部分）同士が互いに付き合わされた状態にならない。よって、入口部３３ｉ、３４ｉの角部、並びに、出口部３５ｏ、３６ｏの角部に面圧が集中することを回避できる。したがって、正極及び負極用の各スリット３３ｓ〜３６ｓにおける開口部（入口部３３ｉ、３４ｉ及び出口部３５ｏ、３６ｏ）の角部に欠けなどの破損が生じ難い。

一方の枠体３２の一面側に設けられた入口部３３ｉ及び出口部３５ｏと、他方の枠体３２の他面側に設けられた入口部３４ｉ及び出口部３６ｏとが積層方向に互いに重なる重複範囲Ｌｘは、例えば、それぞれの開口幅Ｗｉ及びＷｏ（図９参照）の１０％以上９９％以下を満たすことが挙げられる。本実施形態において、上記重複範囲Ｌｘは、上記開口幅Ｗｉ及びＷｏの２０％以上、３０％以上、更に５０％以上であることが好ましく、９５％以下、更に９０％以下であることが好ましい。

実施形態２に係るセルスタック２は、実施形態１で説明した内容と同様の効果を奏することができる。

［本願発明の実施形態の用途］
本願発明の実施形態に係る枠体、セルフレーム、及びセルスタックは、ＲＦ電池に好適に利用可能である。

１ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
２ セルスタック
３ セルフレーム
３１ 双極板
３２ 枠体
３２ｐ 正極電解液用流路
３２ｎ 負極電解液用流路
３３ 給液マニホールド（正極用給液マニホールド）
３４ 給液マニホールド（負極用給液マニホールド）
３５ 排液マニホールド（正極用排液マニホールド）
３６ 排液マニホールド（負極用排液マニホールド）
３３ｓ 給液スリット（正極用給液スリット）
３３ｉ 入口部
３４ｓ 給液スリット（負極用給液スリット）
３４ｉ 入口部
３５ｓ 排液スリット（正極用排液スリット）
３５ｏ 出口部
３６ｓ 排液スリット（負極用排液スリット）
３６ｏ 出口部
３７ シール部材
３８ シール溝
１００ セル
１０１ 隔膜
１０２ 正極セル
１０３ 負極セル
１００Ｐ 正極用循環機構
１００Ｎ 負極用循環機構
１０４ 正極電極
１０５ 負極電極
１０６ 正極電解液用タンク
１０７ 負極電解液用タンク
１０８、１０９、１１０、１１１ 導管
１１２、１１３ ポンプ
２００ サブスタック
２１０ 給排板
２２０ エンドプレート
２３０ 締付機構

Claims (6)

1. レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板の周囲に設けられる枠体であって、
   前記枠体は、
   前記枠体に貫通して設けられ、前記正極電極に供給される正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、及び、前記正極電極から排出される正極電解液が流通する正極用排液マニホールドと、
   前記枠体の一面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記正極用給液マニホールドから前記正極電極に正極電解液を供給する正極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極用排液スリットと、を備える正極電解液用流路と、
   前記枠体に貫通して設けられ、前記負極電極に供給される負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、及び、前記負極電極から排出される負極電解液が流通する負極用排液マニホールドと、
   前記枠体の他面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記負極用給液マニホールドから前記負極電極に負極電解液を供給する負極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極用排液スリットと、を備える負極電解液用流路と、を備え、
   前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの前記入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの前記出口部同士の組のうち少なくとも一組は、前記枠体の厚さ方向において互いに部分的に重なるように設けられている枠体。
2. 前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの前記入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの前記出口部同士の組のうち少なくとも一組は、前記枠体の厚さ方向における互いに重なる範囲がそれぞれの開口幅の１０％以上９９％以下である請求項１に記載の枠体。
3. 請求項１又は請求項２に記載の枠体と、前記枠体の内側に設けられる前記双極板とを有するセルフレーム。
4. 請求項３に記載のセルフレームを備えるセルスタック。
5. レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板と、前記双極板の周囲に設けられる枠体とを有するセルフレームを備えるセルスタックであって、
   前記枠体は、
   前記枠体に貫通して設けられ、前記正極電極に供給される正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、及び、前記正極電極から排出される正極電解液が流通する正極用排液マニホールドと、
   前記枠体の一面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記正極用給液マニホールドから前記正極電極に正極電解液を供給する正極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極用排液スリットと、を備える正極電解液用流路と、
   前記枠体に貫通して設けられ、前記負極電極に供給される負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、及び、前記負極電極から排出される負極電解液が流通する負極用排液マニホールドと、
   前記枠体の他面側に設けられ、前記枠体の内側に開口する入口部を有し、前記負極用給液マニホールドから前記負極電極に負極電解液を供給する負極用給液スリットと、前記枠体の内側に開口する出口部を有し、前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極用排液スリットと、を備える負極電解液用流路と、を備え、
   前記正極用給液スリットと前記負極用給液スリットとの前記入口部同士の組、及び、前記正極用排液スリットと前記負極用排液スリットとの前記出口部同士の組は、前記枠体の厚さ方向において互いに重なり合うように設けられており、
   前記セルフレームが積層され、隣接する前記セルフレームの前記枠体の一面側と他面側とが互いに対向した状態において、一方の前記枠体の一面側に設けられた前記正極用給液スリットの前記入口部及び前記正極用排液スリットの前記出口部と、他方の前記枠体の他面側に設けられた前記負極用給液スリットの前記入口部及び前記負極用排液スリットの前記出口部とが、それぞれ積層方向に互いに部分的に重なるように設けられているセルスタック。
6. 請求項４又は請求項５に記載のセルスタックを備えるレドックスフロー電池。

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