JPWO2019049333A1 - レドックスフロー電池セル、レドックスフロー電池セルスタック、及びレドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

正極電極と、負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に介在される隔膜とを備えるレドックスフロー電池セルであって、前記正極電極と前記負極電極とが前記隔膜を介して重なり合う重複領域と、前記正極電極と前記負極電極の少なくとも一方において前記隔膜を介して重なり合わない非重複領域とを有し、前記非重複領域の合計面積が、前記重複領域の面積の０．１％以上２０％以下であるレドックスフロー電池セル。

Description

本発明は、レドックスフロー電池セル、レドックスフロー電池セルスタック、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、隔膜を挟んで配置された正負の各電極にそれぞれ電解液を循環流通させて充放電を行う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を参照）。特許文献１には、セルフレーム、正極電極、隔膜（イオン交換膜）、負極電極を複数積層したセルスタックが開示されている。セルフレームは、枠体と、枠体に一体化された双極板とを備える。このセルスタックでは、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。

特開２０１２−９９３６８号公報

本開示のレドックスフロー電池セルは、
正極電極と、負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に介在される隔膜とを備えるレドックスフロー電池セルであって、
前記正極電極と前記負極電極とが前記隔膜を介して重なり合う重複領域と、前記正極電極と前記負極電極の少なくとも一方において前記隔膜を介して重なり合わない非重複領域とを有し、
前記非重複領域の合計面積が、前記重複領域の面積の０．１％以上２０％以下である。

本開示のレドックスフロー電池セルスタックは、
上記本開示のレドックスフロー電池セルを複数積層して備える。

本開示のレドックスフロー電池は、
上記本開示のレドックスフロー電池セル、又は、上記本開示のレドックスフロー電池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。 実施形態に係るセルスタックに備えるセルフレームを一面側から見た概略平面図である。 実施形態に係るセルにおける正極電極と負極電極の配置形態の一例を透視的に示す概略平面図である。

［本開示が解決しようとする課題］
ＲＦ電池において、電力系統の停電時に自力で運転を再開できることが望まれている。

ＲＦ電池は、隔膜を挟んで正極電極と負極電極とが対向するように配置されたセル内に電解液をポンプにより循環させて充放電を行う。一般に、ＲＦ電池では、外部の電力系統からポンプに電力を供給してポンプを駆動している。そのため、電力系統が停電すると、ポンプが停止して電解液の流通が停止することから、ＲＦ電池から電力系統に放電したくても放電することができない。そこで、電力系統の停電時にＲＦ電池の運転を自力で再開できるようにするため、セル（又はセルスタック）からポンプの起動に必要な電力を供給することが求められている。

ＲＦ電池では、電力系統の停電時にポンプが停止しても、セル内に電解液が残存することになるため、セル内の正負の電極間の電解液の放電による電力を利用してポンプを起動することが可能である。しかしながら、従来のＲＦ電池におけるセルは、通常、正負の両電極の面積が同等で、且つ、両電極の全面が隔膜を挟んで互いに重複するように配置されているため、両電極の全面で電池反応が生じる。そのため、従来のセルでは、例えばＲＦ電池の放電時に電力系統の停電が起きた場合、放電反応に伴いセル内における電解液が放電した状態になっているため、セル内に残存する電解液によってポンプを起動するために必要な電力を十分に確保できない場合がある。また、両電極間で電解液の自己放電が進行し易く、ポンプの停止中にセル内の電解液に蓄えられた電力が自己放電により消費され易いため、電力系統の停電によりポンプが停止してからポンプを起動するまでの時間的制約が厳しい。

そこで、本開示は、電力系統の停電時にポンプを起動する電力を供給することが可能なレドックスフロー電池セル及びレドックスフロー電池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、電力系統の停電時に自力で運転を再開することが可能な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、電力系統の停電時にポンプを起動する電力を供給することが可能なレドックスフロー電池セル及びレドックスフロー電池セルスタックを提供できる。また、本開示によれば、電力系統の停電時に自力で運転を再開することが可能な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）実施形態に係るレドックスフロー電池セルは、
正極電極と、負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に介在される隔膜とを備えるレドックスフロー電池セルであって、
前記正極電極と前記負極電極とが前記隔膜を介して重なり合う重複領域と、前記正極電極と前記負極電極の少なくとも一方において前記隔膜を介して重なり合わない非重複領域とを有し、
前記非重複領域の合計面積が、前記重複領域の面積の０．１％以上２０％以下である。

上記レドックスフロー電池セルは、正極電極と負極電極との重複領域と非重複領域とを有するように両電極が配置されており、両電極における非重複領域の合計面積が重複領域の面積の０．１％以上２０％以下である。「重複領域」とは、正極電極及び負極電極を一方側から透視して見た場合に、正極電極及び負極電極が互いに重なり合う領域のことである。一方、「非重複領域」とは、重複領域を除く、互いに重なり合わない領域のことである。重複領域は両電極間で電池反応に寄与する部分であり、非重複領域は両電極間で電池反応に寄与しない部分である。

上記レドックスフロー電池セルによれば、正極電極と負極電極の少なくとも一方において、非重複領域を有している。非重複領域では電池反応に寄与しないため、非重複領域には電池反応していない未反応の電解液が存在することになる。つまり、電力系統の停電時にポンプが停止して電解液の流通が停止した場合、セル内に未反応の電解液が一部に残存した状態になる。そして、ポンプの停止中、非重複領域に存在する未反応の電解液が重複領域に拡散することで、両電極間での放電により、セルからポンプの起動に必要な電力を供給することが可能となる。そのため、例えば、ＲＦ電池の放電時に電力系統の停電が起きてポンプが停止したとしても、セル内における非重複領域に存在する放電反応していない電解液によってポンプを起動するために必要な電力を確保できる。また、ポンプの停止中に、両電極間の重複領域で電解液の自己放電が進行しても、非重複領域に存在する未反応の電解液が重複領域に拡散することにより、未反応の電解液に蓄えられた電力を長時間に亘って放電可能となる。よって、電力系統の停電によりポンプが停止してからポンプを起動するまでの時間的制約を緩和できる。したがって、上記レドックスフロー電池セルは、電力系統の停電時にポンプを起動する電力を供給することが可能であり、外部からポンプに電力供給がない状態であっても、ポンプを起動することが可能となる。

上記レドックスフロー電池セルでは、非重複領域の合計面積が重複領域の面積の０．１％以上であることで、非重複領域に流れる電解液の量を確保して、電力系統の停電時にポンプの起動に必要な電力を確保し易い。一方で、非重複領域の面積比率が大きいほど、非重複領域を流れる電解液の比率が大きくなり、重複領域に流れる電解液の量が減ることになる。非重複領域の合計面積が重複領域の面積の２０％以下であることで、電池反応に寄与する重複領域を確保して、充放電時の出力の低下を抑制できる。

（２）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、前記正極電極と前記負極電極との双方が前記非重複領域を有することが挙げられる。

正極電極と負極電極との双方が非重複領域を有することで、各電極の非重複領域に未反応の電解液が存在することになる。そのため、両電極間で電解液の放電を確実に起こさせることができ、電力系統の停電時にポンプの起動に必要な電力を供給して、ポンプを確実に起動することが可能となる。

（３）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、前記正極電極と前記負極電極との面積が同等であることが挙げられる。

正極電極と負極電極との面積が同等である場合、正極電極と負極電極との双方に同じ面積の非重複領域が形成され、各電極の非重複領域に流れる電解液の量が等しくなる。そのため、両電極間で電解液の放電を十分に起こさせることができ、電力系統の停電時にポンプの起動に必要な電力を十分に供給することが可能となる。「正極電極と負極電極との面積が同等」とは、両電極の面積が実質的に同じであることを意味し、例えば、両電極の面積の差が各々の面積の０．０１％以下である場合は同等の面積とみなす。ここで、正極電極と負極電極の各面積は、各電極の互いに対向する面の平面面積である。

（４）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、前記正極電極及び前記負極電極の厚さが０．０５ｍｍ以上であることが挙げられる。

両電極の厚さが０．０５ｍｍ以上であることで、非重複領域に流れる電解液の量を十分に確保し易い。よって、電力系統の停電時にポンプの起動に必要な電力を十分に確保し易い。ここで、正極電極と負極電極の各厚さは、セル内に配置された状態での各電極の厚さであり、電極が圧縮された状態でセル内に収納されている場合は圧縮状態における厚さである。

（５）上記レドックスフロー電池セルの一形態として、前記正極電極及び前記負極電極の面積が２５０ｃｍ^２以上であることが挙げられる。

両電極の面積が２５０ｃｍ^２以上であることで、重複領域及び非重複領域のそれぞれの面積を十分に確保し易く、各領域に流れる電解液の量を十分に確保し易い。よって、充放電時の出力を確保すると共に、電力系統の停電時にポンプの起動に必要な電力を十分に確保し易い。

（６）実施形態に係るレドックスフロー電池セルスタックは、
上記（１）から（５）のいずれか１つに記載のレドックスフロー電池セルを複数積層して備える。

上記レドックスフロー電池セルスタックは、上記した実施形態に係るレドックスフロー電池セルを備えることで、電力系統の停電時にポンプを起動する電力を供給することが可能である。上記レドックスフロー電池セルスタックでは、複数のセルを備えており、各セル内における非重複領域に存在する未反応の電解液によってポンプを起動するために必要な電力を確保できる。よって、セルスタックからポンプの起動に必要な電力を十分に供給することが可能となる。

（７）実施形態に係るレドックスフロー電池は、
上記（１）から（５）のいずれか１つに記載のレドックスフロー電池セル、又は、上記（６）に記載のレドックスフロー電池セルスタックを備える。

上記レドックスフロー電池は、上記した実施形態に係るレドックスフロー電池セル又はレドックスフロー電池セルスタックを備えることで、電力系統の停電時にセル又はセルスタックからポンプの起動に必要な電力を供給することが可能であり、ポンプを起動することが可能となる。したがって、上記レドックスフロー電池によれば、電力系統の停電時に自力で運転を再開することが可能である。

［本願発明の実施形態の詳細］
本願発明の実施形態に係るレドックスフロー電池セル（以下、単に「セル」と呼ぶ場合がある）、レドックスフロー電池セルスタック（以下、単に「セルスタック」と呼ぶ場合がある）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５を参照して、実施形態に係るＲＦ電池１、並びに、ＲＦ電池１に備えるセル１００及びセルスタック２の一例を説明する。図１、図２に示す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。図１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、交流／直流変換器Ｃを介して電力系統Ｌに接続され、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。

《セル》
ＲＦ電池１には、正極電極１０４と、負極電極１０５と、正極電極１０４と負極電極１０５との間に介在される隔膜１０１とを備えるセル１００を備える（図１参照）。この例に示すセル１００の構造は、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、正極セル１０２に正極電極１０４が、負極セル１０３に負極電極１０５がそれぞれ内蔵されている。正極セル１０２には、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、正極電解液を正極電解液用タンク１０６から正極セル１０２に循環させるポンプ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、負極電解液を負極電解液用タンク１０７から負極セル１０３に循環させるポンプ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。充放電を行う運転時には、ポンプ１１２、１１３が駆動して、セル１００（正極セル１０２及び負極セル１０３）内に正負の各電解液が流通し、充放電を行わない待機時には、ポンプ１１２、１１３が停止して、各電解液の流通が停止する。この例では、通常の運転時は、電力系統Ｌからポンプ１１２、１１３に電力を供給してポンプ１１２、１１３を駆動する。

《セルスタック》
この例に示すＲＦ電池１では、図２、図３に示すように、セル１００を複数積層して備えるセルスタック２を備える。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。セルスタック２におけるセル１００の積層数は、例えば５以上、５０以上、更に１００以上であることが挙げられる。セル１００の積層数の上限は、特に限定されないが、例えば２００以下である。

《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、双極板３１と枠体３２により凹部３２ｏが形成される（図４も参照）。凹部３２ｏは、双極板３１の両側（図４において紙面の手前側及び奥側）にそれぞれ形成され、各凹部３２ｏに正極電極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、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。この例に示すセルフレーム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。この例では、双極板３１の平面形状（平面視したときの形状）が矩形状であり、枠体３２の形状が矩形枠状である。

セル１００への電解液の流通は、給排板２１０（図３の下図参照）を介して、図３に示すセルフレーム３の枠体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に形成された給液スリット３３ｓ、３４ｓ及び排液スリット３５ｓ、３６ｓにより行われる（図４も併せて参照）。この例に示すセルフレーム３（枠体３２）の場合、正極電解液は、枠体３２の下部に設けられた給液マニホールド３３から枠体３２の一面側（図４の紙面手前側）に形成された給液スリット３３ｓを介して正極電極１０４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、枠体３２の下部に設けられた給液マニホールド３４から枠体３２の他面側（図４の紙面奥側）に形成された給液スリット３４ｓを介して負極電極１０５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。双極板３１が設けられる枠体３２の内側の下縁部及び上縁部には、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１０４、１０５の下縁部に沿って拡散させたり、各電極１０４、１０５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。

この例に示すセル１００では、正極電極１０４及び負極電極１０５の下側からそれぞれ電解液が供給され、各電極１０４、１０５の上側から電解液が排出されるようになっており、各電極１０４、１０５の下縁部から上縁部に向かって電解液が流れる（図４中、紙面左側の太線矢印は、電解液の全体的な電解液の流通方向を示す）。双極板３１の各電極１０４、１０５と接する表面には、電解液の流通方向に沿って複数の溝部（図示せず）が形成されていてもよい。これにより、電解液の流通抵抗を小さくでき、電解液の圧力損失を低減できる。溝部の断面形状（電解液の流通方向に直交する断面の形状）は、特に限定されず、例えば、矩形状、三角形状（Ｖ字状）、台形状、半円形状や半楕円形状などが挙げられる。

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４参照）が形成されている。

実施形態に係るセル１００の特徴の一つは、隔膜１０１を挟んで互いに対向して配置される正極電極１０４と負極電極１０５の配置形態にある。具体的には、正極電極１０４と負極電極１０５とが隔膜１０１を介して重なり合う重複領域ＯＡと、正極電極１０４と負極電極１０５の少なくとも一方において隔膜１０１を介して重なり合わない非重複領域ＳＡとを有する（図５参照）。以下、図５を主に参照して、セル１００における正極電極１０４と負極電極１０５の配置形態について説明する。図５では、隔膜を省略している。

《正極電極及び負極電極》
正極電極１０４及び負極電極１０５は、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。各電極１０４、１０５は、公知の材料で形成することができ、例えば、カーボンファイバからなる不織布（カーボンフェルト）又は織布（カーボンクロス）や、紙（カーボンペーパ）などで形成されている。この例では、各電極１０４、１０５の平面形状が矩形状である。

各電極１０４、１０５の厚さは、特に限定されないが、例えば０．０５ｍｍ以上、更に０．２ｍｍ以上であることが挙げられる。各電極１０４、１０５の厚さが０．０５ｍｍ以上であることで、各電極１０４、１０５に流れる電解液の量を確保して、充放電時の出力を確保し易い。ここでいう各電極１０４、１０５の厚さは、セル１００（図３参照）が組み立てられた状態での厚さであり、セル１００内（セルフレーム３の凹部３２ｏ）に各電極１０４、１０５が厚さ方向に圧縮された状態で収納されている場合は圧縮状態での厚さである。この場合、凹部３２ｏの深さが各電極１０４、１０５の厚さに相当する。各電極１０４、１０５の厚さの上限は、例えば３．０ｍｍ以下である。

各電極１０４、１０５の面積は、特に限定されないが、例えば２５０ｃｍ^２以上、更に５００ｃｍ^２以上であることが挙げられる。各電極１０４、１０５の面積が２５０ｃｍ^２以上であることで、各電極１０４、１０５に流れる電解液の量を確保して、充放電時の出力を確保し易い。ここでいう各電極１０４、１０５の面積は、互いに対向する面の平面面積である。両電極１０４、１０５の面積は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。この例では、両電極１０４、１０５の面積が同等である。各電極１０４、１０５の面積の上限は、例えば８０００ｃｍ^２程度である。

〈電極の配置形態〉
本実施形態では、図５に示すように、平面視において、正極電極１０４と負極電極１０５との重複領域ＯＡと非重複領域ＳＡとを有するように両電極１０４、１０５が配置されている。図５は、セル１００における正極電極１０４及び負極電極１０５を正極電極１０４側から透視して見た場合の電極の配置状態を示しており、図５に示す電極の配置形態の例では、正極電極１０４と負極電極１０５とが互いに斜め方向にずれて配置されている。具体的には、正極電極１０４及び負極電極１０５のそれぞれ中心が一致するように重なり合う状態から、正極電極１０４が左斜め上方向、負極電極１０５が右斜め下方向にずれるように配置されている。この例では、正極電極１０４と負極電極１０５との面積が同等であり、正極電極１０４と負極電極１０５との双方が非重複領域ＳＡを有する。また、正極電極１０４の非重複領域ＳＡと負極電極１０５の非重複領域ＳＡとが同じ面積である。図５では、分かり易くするため、正極電極１０４と負極電極１０５との重複領域ＯＡをダブルハッチングで示し、正極電極１０４の非重複領域ＳＡを右上がりのハッチング、負極電極１０５の非重複領域ＳＡを右下がりのハッチングでそれぞれ示している。

図５に示す例では、正極電極１０４と負極電極１０５とが互いに斜め方向にずれて配置されている場合を例示しているが、正極電極１０４と負極電極１０５とが互いに上下方向（縦方向）にずれて配置されていてもよいし、左右方向（横方向）にずれて配置されていてもよい。

また、正極電極１０４と負極電極１０５との面積が異なっていてもよく、その場合、面積が大きい一方の電極に対して面積が小さい他方の電極の全体が重なるように配置することが挙げられる。この場合、正極電極１０４及び負極電極１０５のうち、面積の大きい一方の電極にのみ非重複領域ＳＡが形成され、面積が小さい他方の電極には重複領域ＯＡのみ有することになる。その他、正極電極１０４と負極電極１０５との面積が異なる場合において、面積が大きい一方の電極に対して面積が小さい他方の電極の一部がはみ出るように配置することも可能である。この場合、面積が小さい他方の電極にも非重複領域ＳＡを有することができる。

各電極１０４、１０５が収納されるセルフレーム３の凹部３２ｏ（図３参照）に対して電極のサイズが小さい場合、電極を位置決めするため、枠体３２の内周面に電極側に突出する突起部（図示せず）を形成したり、電極の外周面に枠体３２側に突出する突起部（図示せず）を形成してもよい。突起部のサイズは電極を支持できる程度であればよく、電極の外周面に突起部を設ける場合は、重複領域が増え過ぎないように、できるだけ小さく形成するとよい。或いは、枠体３２の内周面と各電極１０４、１０５の外周面との間に別体の位置決め片（図示せず）を挿入して、電極を位置決めすることも可能である。位置決め片は、適度な柔軟性と電解液に対する耐性（耐電解液性）を有する材料、例えば、ゴムやスポンジゴム、又は樹脂などの材料で形成することが挙げられる。位置決め片を形成する樹脂としては、例えば、発泡ポリエチレン、発泡ウレタン、発泡ポリスチレンなどが挙げられる。

図５に示すように、正極電極１０４と負極電極１０５の少なくとも一方（この例では両方）に非重複領域ＳＡを有する場合、非重複領域ＳＡには電池反応していない未反応の電解液が存在することになる。これは、非重複領域ＳＡは両電極１０４、１０５間で電池反応に寄与しない部分であるため、非重複領域ＳＡには電解液が未反応の状態で流れるからである。つまり、電力系統Ｌの停電時にポンプ１１２、１１３が停止して電解液の流通が停止した場合（図１や図２参照）、セル１００内に未反応の電解液が一部に残存した状態になる。そして、非重複領域ＳＡに存在する未反応の電解液が重複領域ＯＡに拡散することで、両電極１０４、１０５間で電池反応を起こさせることにより、停電時にセル１００（セルスタック２）からポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を供給することが可能となる。この例では、正極電極１０４と負極電極１０５との双方に非重複領域ＳＡを有することから、それぞれの非重複領域ＳＡに未反応の電解液が存在することになるため、両電極１０４、１０５間で電池反応を確実に起こさせることができる。また、正極電極１０４及び負極電極１０５における非重複領域ＳＡの面積が同じであり、それぞれの非重複領域ＳＡに流れる電解液の量が等しくなるため、両電極１０４、１０５間で電池反応を十分に起こさせることができる。

〈重複領域と非重複領域の面積比率〉
本実施形態では、正極電極１０４及び負極電極１０５における非重複領域ＳＡの合計面積が重複領域ＯＡの面積の０．１％以上２０％以下である。非重複領域ＳＡの合計面積が重複領域ＯＡの面積の０．１％以上であることで、非重複領域ＳＡに流れる電解液の量を確保して、停電時にポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を確保し易い。一方で、非重複領域ＳＡの面積比率（非重複領域ＳＡの合計面積／重複領域ＯＡの面積）が大きいほど、非重複領域ＳＡを流れる電解液の比率が大きくなり、重複領域ＯＡに流れる電解液の量が減ることになる。非重複領域ＳＡの合計面積が重複領域ＯＡの面積の２０％以下であることで、電池反応に寄与する重複領域ＯＡを確保して、充放電時の出力の低下を抑制できる。非重複領域ＳＡの合計面積は、重複領域ＯＡの面積の例えば０．２％以上１５％以下が好ましい。

｛実施形態の効果｝
実施形態に係るセル１００、セルスタック２及びＲＦ電池１は、次の作用効果を奏する。

《セル》
実施形態に係るセル１００によれば、正極電極１０４と負極電極１０５の少なくとも一方に非重複領域ＳＡを有している。これにより、電力系統Ｌの停電時にポンプ１１２、１１３が停止した場合、非重複領域ＳＡに存在する未反応の電解液が重複領域ＯＡに拡散することで、両電極１０４、１０５間での放電により、ポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を放電することが可能である。したがって、実施形態のセル１００は、電力系統Ｌの停電時にポンプ１１２、１１３を起動する電力を供給することが可能である。

セル１００を備えるＲＦ電池１は、外部からポンプ１１２、１１３に電力供給がない状態であっても、セル１００からポンプ１１２、１１３に電力を供給することで、ポンプ１１２、１１３を起動することが可能となる。例えば、ＲＦ電池１の放電時に電力系統Ｌの停電が起きてポンプ１１２、１１３が停止したとしても、セル１００内における非重複領域ＳＡに存在する放電反応していない電解液によってポンプ１１２、１１３を起動するために必要な電力を確保できる。また、ポンプ１１２、１１３の停止中に、両電極１０４、１０５間の重複領域ＯＡで電解液の自己放電が進行しても、非重複領域ＳＡに存在する未反応の電解液が重複領域ＯＡに拡散することにより、未反応の電解液に蓄えられた電力を長時間に亘って放電可能となる。そのため、停電によりポンプ１１２、１１３が停止してからポンプ１１２、１１３を起動するまでの時間的制約を緩和できる。

非重複領域ＳＡの合計面積が重複領域ＯＡの面積の０．１％以上２０％以下であることで、非重複領域ＳＡ及び重複領域ＯＡの各領域に流れる電解液の量を適度に確保し易く、停電時におけるポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を確保すると共に、通常運転時における充放電時の出力を確保し易い。

実施形態のセル１００のように、正極電極１０４と負極電極１０５との双方が非重複領域ＳＡを有する場合、各電極１０４、１０５の非重複領域ＳＡに未反応の電解液が存在することになる。そのため、両電極１０４、１０５間で電解液の放電を確実に起こさせることができ、停電時にポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を供給して、ポンプ１１２、１１３を確実に起動することが可能となる。また、正極電極１０４と負極電極１０５との面積が同等である場合、正極電極１０４と負極電極１０５との双方に同じ面積の非重複領域ＳＡが形成されることになる。そのため、両電極１０４、１０５間で電解液の放電を十分に起こさせることができ、停電時にポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を十分に供給することが可能となる。

更に、正極電極１０４及び負極電極１０５の厚さが０．０５ｍｍ以上であることで、非重複領域ＳＡに流れる電解液の量を十分に確保し易い。よって、停電時にポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を十分に確保し易い。正極電極１０４及び負極電極１０５の面積が２５０ｃｍ^２以上であることで、重複領域ＯＡ及び非重複領域ＳＡのそれぞれの面積を十分に確保し易く、各領域に流れる電解液の量を十分に確保し易い。よって、充放電時の出力を確保すると共に、停電時にポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を十分に確保し易い。

《セルスタック》
実施形態に係るセルスタック２によれば、上述した実施形態のセル１００を備えることで、電力系統Ｌの停電時にポンプ１１２、１１３を起動する電力を供給することが可能である。セルスタック２は、複数のセル１００を備えており、各セル１００内における非重複領域ＳＡに存在する未反応の電解液によってポンプ１１２、１１３を起動するために必要な電力を確保することが容易である。よって、セルスタック２からポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を十分に供給することが可能となる。

《ＲＦ電池》
実施形態に係るＲＦ電池１によれば、上述した実施形態のセル１００又はセルスタック２を備えることで、電力系統Ｌの停電時にセル１００又はセルスタック２からポンプ１１２、１１３の起動に必要な電力を供給することが可能であり、ポンプ１１２、１１３を起動することが可能となる。したがって、実施形態のＲＦ電池１は、電力系統Ｌの停電時に自力で運転を再開することが可能である。

［試験例１］
セルにおける正極電極と負極電極の配置形態が異なるＲＦ電池（試験体Ａ〜Ｃ）をそれぞれ組み立て、各ＲＦ電池を用いてポンプの起動試験を行った。

セルフレーム、正極電極、隔膜、及び負極電極を順に複数積層して積層体を構成し、セルスタックを作製した。正極電極及び負極電極には、同じ形状・サイズのカーボンフェルト製の電極を使用した。使用した正極電極及び負極電極は、平面形状が矩形状で、面積及び厚さが同じであり、面積が２５０ｃｍ^２、厚さが０．３ｍｍである。セルスタックにおけるセルの積層数は５とした。

この試験では、セルスタックを構成する各セルにおいて、正極電極及び負極電極における非重複領域の合計面積が重複領域の面積の０．１％、２０％、０．０５％、０％となるように電極を配置した３種類のセルスタックを作製した。そして、それぞれのセルスタックに電解液を循環させる循環機構を取り付けて、ＲＦ電池の試験体Ａ〜Ｃを組み立てた。ここで、非重複領域の合計面積が重複領域の面積の０％とは、両電極の全面が互いに重複することを意味する。

試験方法は、各試験体のＲＦ電池を充電した後に放電を行い、放電時にポンプを停止し、ポンプの停止中にセルスタックからポンプに電力を供給して、ポンプが起動するかを調べた。ポンプの起動の可否を表１に示す。使用したポンプの起動時に必要な電力は５Ｗである。表１では、ポンプを起動できた場合を「Ａ」、ポンプを起動できなかった場合を「Ｂ」として示す。

表１の結果から、非重複領域の合計面積が重複領域の面積の０．１％以上であれば、ポンプを起動する電力を供給可能であることが確認できた。

{実施形態の用途}
実施形態に係るレドックスフロー電池セル及びレドックスフロー電池セルスタックは、レドックスフロー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）
Ｌ 電力系統
Ｃ 交流／直流変換器
２ レドックスフロー電池セルスタック（セルスタック）
３ セルフレーム
３１ 双極板
３２ 枠体
３２ｏ 凹部
３３、３４ 給液マニホールド
３５、３６ 排液マニホールド
３３ｓ、３４ｓ 給液スリット
３５ｓ、３６ｓ 排液スリット
３７ シール部材
３８ シール溝
１００ レドックスフロー電池セル（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
ＯＡ 重複領域
ＳＡ 非重複領域

Claims (7)

1. 正極電極と、負極電極と、前記正極電極と前記負極電極との間に介在される隔膜とを備えるレドックスフロー電池セルであって、
   前記正極電極と前記負極電極とが前記隔膜を介して重なり合う重複領域と、前記正極電極と前記負極電極の少なくとも一方において前記隔膜を介して重なり合わない非重複領域とを有し、
   前記非重複領域の合計面積が、前記重複領域の面積の０．１％以上２０％以下であるレドックスフロー電池セル。
2. 前記正極電極と前記負極電極との双方が前記非重複領域を有する請求項１に記載のレドックスフロー電池セル。
3. 前記正極電極と前記負極電極との面積が同等である請求項１又は請求項２に記載のレドックスフロー電池セル。
4. 前記正極電極及び前記負極電極の厚さが０．０５ｍｍ以上である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池セル。
5. 前記正極電極及び前記負極電極の面積が２５０ｃｍ^２以上である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池セル。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池セルを複数積層して備えるレドックスフロー電池セルスタック。
7. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池セル、又は、請求項６に記載のレドックスフロー電池セルスタックを備えるレドックスフロー電池。

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