JPWO2019167142A1 - セルスタック、及びレドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

双極板の外周を枠体で支持した複数のセルフレームを含む積層体と、前記積層体をその積層方向の両側から締め付ける一対のエンドプレートと、を備えるセルスタックであって、前記積層体の積層方向から見た前記セルフレームの面積Ｓ［ｃｍ２］と、前記積層体の積層方向の長さＷ［ｍｍ］とが、０．０５≦Ｗ／Ｓ≦０．９の関係を満たすセルスタック。

Description

本発明は、セルスタック、及びレドックスフロー電池に関するものである。

特許文献１〜４には、セルフレーム、正極電極、隔膜、負極電極、及びセルフレームを複数積層し、その積層体を端部給排板で挟み込んだセルスタック、及びそのセルスタックを用いたレドックスフロー電池が記載されている。セルフレームは、正極電極と負極電極との間に挟まれる双極板と、この双極板を外周から支持する枠体とを備える。この構成では、隣接する各セルフレームの双極板の間に一つのセルが形成される。

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

本開示のセルスタックは、
双極板の外周を枠体で支持した複数のセルフレームを含む積層体と、
前記積層体をその積層方向の両側から締め付ける一対のエンドプレートと、を備えるセルスタックであって、
前記積層体の積層方向から見た前記セルフレームの面積Ｓ［ｃｍ^２］と、前記積層体の積層方向の長さＷ［ｍｍ］とが、０．０５≦Ｗ／Ｓ≦０．９の関係を満たす。

レドックスフロー電池の動作原理の説明図である。 レドックスフロー電池の概略構成図である。 レドックスフロー電池のセルの概略構成図である。 実施形態１に係るセルスタックの概略斜視図である。 実施形態１に係るセルスタックの概略側面図である。 実施形態２に係るセルスタックに使用されるセルフレームの平面図である。 実施形態３に係るセルスタックの部分縦断面図である。 図７Ａとは異なるセルスタックの部分縦断面図である。 図７Ａ、図７Ｂとは異なるセルスタックの部分縦断面図である。 図７Ａ〜図７Ｃとは異なるセルスタックの部分縦断面図である。 図７Ａ〜図７Ｄとは異なるセルスタックの部分縦断面図である。 図７Ａ〜図７Ｅとは異なるセルスタックの部分縦断面図である。 実施形態４に係るセルスタックの部分縦断面図である。 実施形態５に係るセルスタックの部分縦断面図である。 試験例１の結果を示すグラフである。

［本開示が解決しようとする課題］
近年、風力や太陽光などの自然エネルギーを利用して得られる電力を蓄電するレドックスフロー電池が注目されており、レドックスフロー電池の高出力化や大容量化が求められている。レドックスフロー電池の高出力化を図るには、セルの積層数、即ちセルフレームの積層数を多くすれば良いが、そうすると積層体の中間部が撓み易く、電解液の液漏れやセルフレームのずれなどの不具合が生じる恐れがある。

本開示は、セルフレームの積層数が多くなっても、それに伴う不具合が生じ難いセルスタック、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。

［本願発明の実施形態の説明］
本発明者らは、セルフレームの積層数を多くしたときに生じる不具合の原因を詳細に調査した。セルフレームの積層数を多くする、即ち積層体の積層方向の長さＷ［ｍｍ］を長くすると、積層体の中間部が撓み易く、その中間部でセルフレームがずれる恐れがある。積層体の中間部の撓みを抑制するには、積層体の積層方向から見たセルフレームの面積Ｓ［ｃｍ^２］を大きくすることが有効である。しかし、セルフレームの枠体は射出成形などで得られる樹脂成形体であることが多いため、面積Ｓを大きくすると、セルフレームの枠体の平面方向の厚みにばらつきができ易くなる。枠体の厚みにばらつきがあると、隣接するセルフレーム間に隙間ができ易く、電解液の液漏れの問題がある。このような調査の結果から、本発明者らは、積層体の積層方向の長さＷとセルフレームの面積Ｓとのバランスをとることが、液漏れ等の不具合を抑制する上で重要であるとの知見を得た。以下に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。

＜１＞実施形態に係るセルスタックは、
双極板の外周を枠体で支持した複数のセルフレームを含む積層体と、
前記積層体をその積層方向の両側から締め付ける一対のエンドプレートと、を備えるセルスタックであって、
前記積層体の積層方向から見た前記セルフレームの面積Ｓ［ｃｍ^２］と、前記積層体の積層方向の長さＷ［ｍｍ］とが、０．０５≦Ｗ／Ｓ≦０．９の関係を満たす。

後述する試験例１に示すように、Ｗ／Ｓを０．０５以上とすることで、隣接するセルフレーム間のシール不良を抑制でき、セルフレーム間からの液漏れを抑制できる。また、Ｗ／Ｓを０．９以下とすることで、セルフレームのずれを抑制できる。

＜２＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記Ｗが１８００ｍｍ以下である形態を挙げることができる。

積層体の積層方向の長さＷが長くなり過ぎると、積層体を構成するセルフレームがずれないように積層体を締め付ける力が強くなり過ぎる恐れがある。締付力が強くなると、セルフレーム（枠体）の材質によってはセルフレームがクリープ変形し、セルフレーム間から液漏れが生じる恐れがある。これに対して、Ｗが１８００ｍｍ以下であれば、一般的にセルフレームの枠体に用いられる材質で構成されるセルフレームのクリープ変形を抑制し易い。もちろん、セルフレームの材質がクリープ変形し難い材質であれば、０．０５≦Ｗ／Ｓ≦０．９の関係を満たす限り、Ｗが１８００ｍｍ超であってもかまわない。

＜３＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記Ｓが１００００ｃｍ^２以下である形態を挙げることができる。

セルフレームの面積Ｓを大きくし過ぎると、積層体内のセルの容積が大きくなり、セルに流通させる電解液の圧力が高くなり過ぎる恐れがある。電解液の圧力が高くなると、セルフレーム（枠体）の材質によってはセルフレームに亀裂などができてセルフレーム間から液漏れが生じる恐れがある。これに対してＳが１００００ｃｍ^２以下であれば、一般的にセルフレームの枠体に用いられる材質で構成されるセルフレームの破損を抑制し易い。もちろん、セルフレームの材質が高剛性の材質であれば、０．０５≦Ｗ／Ｓ≦０．９の関係を満たす限り、Ｓが１００００ｃｍ^２超であってもかまわない。

＜４＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記セルフレームの前記枠体は、前記積層方向に隣接する他のセルフレームの枠体に対向するフレーム対向面を備え、
前記フレーム対向面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上３．２μｍ以下である形態を挙げることができる。

積層するセルフレームの枠体の表面（フレーム対向面）が滑らか過ぎると、セルスタックを設置場所に運搬する際の振動や衝撃、セルスタックの内部に電解液を循環させたときの電解液の内圧などによって、隣接するセルフレームが大きくズレる恐れがある。隣接するセルフレームが大きくズレると、セルスタック内を循環する電解液が外部に漏れるといった不具合が生じる恐れがある。一方、積層するセルフレームの枠体の表面が粗すぎると、枠体の間に大きな隙間ができ易く、セルスタック内を循環する電解液が外部に漏れるといった不具合が生じる恐れがある。

上述の問題に対して、フレーム対向面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上であれば、セルスタックを運搬するときや、セルスタックの内部に電解液を循環させたときに、隣接するセルフレームがズレ難くなる。また、フレーム対向面の表面粗さＲａが３．２μｍ以下であれば、隣接するセルフレームの枠体の間に大きな隙間ができ難い。そのため、上記構成を備えるセルスタックであれば、その内部に電解液を循環させたときに、電解液が外部に漏れ難い。ここで、本明細書におけるＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１（２００１年）に規定される算術平均粗さである。

＜５＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記枠体は、外周端部を含む所定幅の外周部を有し、
前記外周部は、前記枠体の中心側から前記外周端部側に向うに従って徐々に薄肉となる薄肉領域を備える形態を挙げることができる。

従来のセルフレームの枠体では、外周部の厚み方向に沿った断面形状は矩形であった。そのため、複数のセルフレームを積層するとき、及び積層した複数のセルフレームを締め付けるときなど、隣接する一方のセルフレームに備わる枠体の外周端部に形成される角部が、他方のセルフレームの枠体を損傷する場合がある。セルスタックのセルフレームは、金型内に樹脂を射出する射出成形で製造されることが多いため、上記角部による損傷によって割れる恐れもある。

上述の問題に対して、上記＜５＞の枠体であれば、複数のセルフレームを積層したときや、積層したセルフレームを締め付けたときに、隣接する一方のセルフレームの角部が、他方のセルフレームの枠体に接触して他方のセルフレームが損傷することを抑制できる。その結果、セルフレームの枠体の損傷に伴う不具合、例えば隣接するセルフレーム間から電解液が漏れるなどの不具合を回避することができる。ここで、外周部の全周に亘って薄肉領域が形成されていても良いし、一部に薄肉領域が形成されていても良い。

＜６＞上記＜５＞に示すセルスタックの一形態として、
前記枠体の厚み方向に沿った切断面において、前記薄肉領域の断面形状は、ペンシルダウン形状、Ｒ面取りされた形状、Ｃ面取りされた形状のいずれかを有する形態を挙げることができる。

上記断面形状とすることで、積層した複数のセルフレームの各枠体に損傷が生じることを抑制できる。

＜７＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記枠体は、前記枠体の軸方向に沿った厚みと、前記軸方向に直交して互いに直角方向に延びる長さ及び幅を有し、
前記厚みは、前記長さよりも短く、前記幅よりも短い形態を挙げることができる。

上記＜７＞では、枠体の長さ、幅、厚さのうち、厚みが最も短い。枠体の厚みが小さいことで、枠体を備えるセルフレームを積層したときに、セルスタックが過度に長くなることを抑制できる。ここで、枠体の長さ方向、幅方向、厚さ方向の定義に基づけば、上記＜５＞における外周端部は、枠体を厚さ方向から平面視したときの外周輪郭線を形成する部分である。

＜８＞上記＜７＞に示すセルスタックの一形態として、
前記枠体の前記長さは、前記枠体の前記幅よりも長い形態を挙げることができる。

上記構成では、枠体の厚さ＜枠体の幅＜枠体の長さとなる。セルスタックの設置スペースの形状によっては、セルスタックの設置が容易になる。

＜９＞上記＜７＞に示すセルスタックの一形態として、
前記枠体の前記長さは、前記枠体の前記幅よりも短い形態を挙げることができる。

上記構成では、枠体の厚さ＜枠体の長さ＜枠体の幅となる。セルスタックの設置スペースの形状によっては、セルスタックの設置が容易になる。

＜１０＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記枠体の前記厚みは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のセルスタック。

枠体の厚みを上記範囲とすることで、枠体の剛性を確保することができる。

＜１１＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記積層方向に隣接する一対の前記セルフレームをそれぞれ第一セルフレームと第二セルフレームとし、前記第一セルフレームと前記第二セルフレームとの組み合わせをセルフレーム対としたとき、
前記セルフレーム対において、
前記第一セルフレームに備わる前記枠体の外周端部は、前記第二セルフレームに備わる前記枠体の外周端部に対して、前記積層方向と交差する方向に０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下ずれている形態を挙げることができる。

セルフレームに備わる枠体は、金型内に樹脂を射出する射出成形で製造されることが多い。しかし、射出成形で製造される枠体の外周端部近傍の位置には、局所的に厚くなった部分ができ易い。その局所的に厚くなった部分は、意図して厚くした部分ではなく、射出成形の特性上、厚くなってしまう部分であり、枠体における同じような位置にでき易い。そのため、複数のセルフレームを積層して締め付けたときに、各枠体の局所的に厚くなった部分が重なってしまい、その厚くなった部分に応力が集中して、セルフレームの枠体が損傷する恐れがある。

上記問題に対して、上記＜１１＞の構成によれば、枠体の割れなどの損傷を抑制できる。第一セルフレームの外周端部と第二セルフレームの外周端部とがずれるように両セルフレームを重ねることで、第一セルフレームの枠体における局所的に厚くなった部分と、第二セルフレームの枠体における局所的に厚くなった部分とが、セルフレームの平面方向にずれるからである。

＜１２＞実施形態に係るレドックスフロー電池は、
上記＜１＞から＜１１＞のいずれかのセルスタックを有する。

レドックスフロー電池のセルスタックとして、実施形態に係るセルスタックを採用することで、レドックスフロー電池の高出力化を図り易い。実施形態に係るセルスタックは、セルフレームの積層数を多くしたことに伴う不具合を抑制できるので、当該積層数を多くしてレドックスフロー電池を高出力化できるからである。

［本願発明の実施形態の詳細］
以下、レドックスフロー電池の構成部材である本開示の枠体、セルフレーム、及びセルスタックの実施形態を説明する。なお、本願発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、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の全ての変更が含まれることを意図する。

＜実施形態１＞
実施形態のセルスタックの説明に先立ち、レドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）の基本構成を図１〜図３に基づいて説明する。その後、実施形態のセルスタックの詳細な説明を行う。

≪ＲＦ電池≫
ＲＦ電池は、電解液循環型の蓄電池の一つであって、太陽光発電や風力発電といった新エネルギーの蓄電などに利用されている。このＲＦ電池１の動作原理を図１に示す。ＲＦ電池１は、正極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位と、負極用電解液に含まれる活物質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。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、かつ正極用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にはポンプ１１２が設けられており、これら部材１０６，１０８，１１０，１１２によって正極用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、かつ負極用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によって負極用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に貯留される電解液は、充放電の際にポンプ１１２，１１３によりセル１０２，１０３内に循環される。充放電を行なわない場合、ポンプ１１２，１１３は停止され、電解液は循環されない。

図２に示すように、上記セル１００は通常、セルフレーム１２０（図３参照）、正極電極１０４、隔膜１０１、及び負極電極１０５を複数積層した積層体を、その積層方向から一対のエンドプレート２２０で締め付けたセルスタック２００の形態で用いられる。

セルフレーム１２０は、図３に示すように、貫通窓を有する枠体１２２と、貫通窓を塞ぐ双極板１２１と、を有している。つまり、枠体１２２は、双極板１２１をその外周側から支持している。このようなセルフレーム１２０は、例えば、双極板１２１の外周部に一体に枠体１２２を成形することで作製することができる（図２も合わせて参照）。また、貫通窓の外周近傍を薄肉に形成した枠体１２２と、枠体１２２とは別に作製した双極板１２１とを用意し、枠体１２２の薄肉部に双極板１２１の外周部を嵌めこむことで、セルフレーム１２０を作製することもできる。この場合、双極板１２１は枠体１２２に重ねられているだけでも良いし、接着されていても良い。このセルフレーム１２０の双極板１２１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１２１の他面側には負極電極１０５が接触するように配置される。この構成では、隣接する各セルフレーム１２０に嵌め込まれた双極板１２１の間に一つのセル１００が形成されることになる。

セル１００への電解液の流通は、セルフレーム１２０に形成される給液用マニホールド１２３，１２４、及び排液用マニホールド１２５，１２６により行われる。正極用電解液は、給液用マニホールド１２３からセルフレーム１２０の一面側（紙面表側）に形成される入口スリット１２３ｓを介して正極電極１０４に供給され、セルフレーム１２０の上部に形成される出口スリット１２５ｓを介して排液用マニホールド１２５に排出される。同様に、負極用電解液は、給液用マニホールド１２４からセルフレーム１２０の他面側（紙面裏側）に形成される入口スリット１２４ｓを介して負極電極１０５に供給され、セルフレーム１２０の上部に形成される出口スリット１２６ｓを介して排液用マニホールド１２６に排出される。各セルフレーム１２０間には、Ｏリングや平パッキンなどの環状シール部材１２７が配置され、セルフレーム１２０間からの電解液の漏れが抑制されている。

≪実施形態のセルスタック≫
以上説明したＲＦ電池１の基本構成を踏まえて、実施形態に係るセルスタック３を図４，５に基づいて説明する。図４，５では、図２に示すエンドプレート２２０の図示を省略している。

図４，５のセルスタック３は、セルフレーム１２０を複数積層した積層体３０を備える。本例の積層体３０は、端部給排板２１０と中間給排板２１１を含んでいるが、中間給排板２１１は無くても構わない。給排板２１０，２１１は、特許文献１の図１８などに記載されるように、セルスタック３の外部からセル１００（図３）内に電解液を流通させる部材である。

本例のセルスタック３は、積層体３０の積層方向の長さＷ［ｍｍ］と、積層体３０の積層方向を向くセルフレーム１２０の面積Ｓ［ｃｍ^２］との比であるＷ／Ｓが、所定範囲にあることを特徴の一つとする。ここで、セルフレーム１２０の面積Ｓは、セルフレーム１２０に備わる枠体１２２の外周輪郭線よりも内側の面積であり、枠体１２２から露出する双極板１２１（図３）の面積も含む。本例では、積層体３０の積層方向から見たときの端部給排板２１０の形状がセルフレーム１２０とほぼ同じになっている。そのため、図４のクロスハッチングで示す端部給排板２１０の一面側の面積が、セルフレーム１２０の面積Ｓに等しいと考えて良い。一方、積層体３０の長さＷは、図５に示すように、積層体３０の一端に配置される端部給排板２１０の外面と、他端に配置される端部給排板２１０の外面と、の間の長さである。

セルフレーム１２０の面積Ｓを大きくすると、セルフレーム１２０の面内厚みのばらつきが大きくなり、セルフレーム１２０間にシール不良が生じ易い。そのシール不良は、積層体３０の長さＷが大きくなりセルフレーム１２０の積層数が多くなると、低減される。セルフレーム１２０の積層数が多くなると、積層体３０に及ぼす各セルフレーム１２０の面内厚みのばらつきの影響が小さくなるからである。しかし、セルフレーム１２０の積層数が多くなり過ぎると、積層体３０の中間部が撓み易く、セルフレーム１２０のずれが生じ易くなる。このように、ＲＦ電池１（図１）の容量を高めるために面積Ｓを大きくしたり、出力を高めるために長さＷを長くしたときに積層体３０に生じる種々の不具合を抑制するには、面積Ｓと長さＷとのバランスをとることが重要である。

Ｗ／Ｓは、具体的には０．０５以上０．９以下とする。Ｗ／Ｓを０．０５以上とすることで、隣接するセルフレーム１２０間のシール不良を抑制でき、セルフレーム１２０間からの液漏れを抑制できる。長さＷに対して面積Ｓが過度に大きくないため、各セルフレーム１２０の枠体１２２の面内厚みのばらつきの影響が小さくなるからである。また、Ｗ／Ｓを０．９以下とすることで、積層体３０の中間部が撓んで、セルフレーム１２０がずれすることを抑制できる。面積Ｓに対して長さＷが長くなり過ぎないからである。Ｗ／Ｓは、０．１以上０．８以下とすることが好ましい。

積層体３０の長さＷは、０．０５≦Ｗ／Ｓ≦０．９以下を満たす限り、特に限定されない。しかし、長さＷが長くなり過ぎると、積層体３０を構成するセルフレーム１２０や給排板２１０，２１１がずれないように、積層体３０を締め付ける力が強くなる。締付力が強くなると、セルフレーム１２０の枠体１２２（図３）の材質によっては枠体１２２がクリープ変形し、セルフレーム１２０間から液漏れが生じる恐れがある。そのため、長さＷは１８００ｍｍ以下とすることが好ましい。長さＷが１８００ｍｍ以下であれば、一般的にセルフレーム１２０の枠体１２２に用いられる材質で構成されるセルフレーム１２０のクリープ変形を抑制し易い。長さＷの上限値はさらに１７００ｍｍ以下とすることが好ましい。

長さＷの下限は１００ｍｍとすることが好ましい。長さＷは、セルフレーム１２０の積層数、即ちセル１００（図２，３）の直列接続数と相関関係にあるからである。長さＷを１００ｍｍ以上とすることで、セル１００の直列接続数を多くでき、十分な出力を有するＲＦ電池１（図１）とできる。ＲＦ電池１の高出力化を図るのであれば、長さＷを２００ｍｍ以上とすることが好ましい。長さＷが長くなるほど、セルフレーム１２０の積層数が多くなるからである。ここで、一般的なセルフレーム１２０の厚さは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下（あるいは５ｍｍ以上８ｍｍ以下）程度であるため、長さＷとセルフレーム１２０の厚さとからセルフレーム１２０の積層数を計算で求めることができる。但し、積層体３０には、給排板２１０，２１１が配置されているので、長さＷから給排板２１０，２１１の厚さを引いた上で、セルフレーム１２０の積層数を計算する必要がある。

セルフレーム１２０の面積Ｓは、０．０５≦Ｗ／Ｓ≦０．９以下を満たす限り、特に限定されない。しかし、面積Ｓを大きくし過ぎると、積層体３０内のセル１００（図２，３）の容積が大きくなり、セル１００に流通させる電解液の圧力が高くなり過ぎる恐れがある。電解液の圧力が高くなると、セルフレーム１２０の枠体１２２（図３）の材質（剛性）によっては枠体１２２に亀裂などができてセルフレーム１２０間から液漏れが生じる恐れがある。そのため、面積Ｓは、１００００ｃｍ^２以下とすることが好ましい。面積Ｓが１００００ｃｍ^２以下であれば、一般的に枠体１２２に用いられる材質で構成されるセルフレーム１２０の破損を抑制し易い。面積Ｓの上限値はさらに９０００ｃｍ^２以下とすることが好ましい。

面積Ｓの下限は５００ｃｍ^２とすることが好ましい。面積Ｓは、セルフレーム１２０の双極板１２１の大きさ、即ちＲＦ電池１（図１）の容量と相関関係にあるからである。面積Ｓを５００ｃｍ^２以上とすることで、双極板１２１を大きくでき、十分な容量を有するＲＦ電池１（図１）とできる。ＲＦ電池１の高容量化を図るのであれば、面積Ｓを１０００ｃｍ^２以上とすることが好ましい。

＜実施形態２＞
実施形態２では、セルフレーム２の枠体２２の表面粗さを所定値としたセルスタックを図６に基づいて説明する。

図６に示す本例のセルフレーム２は、従来のセルフレーム１２０（図３）と同様に双極板２１と枠体２２とを備える。枠体２２の紙面下側の枠片には給液用マニホールド１２３，１２４が、紙面上側の枠片には排液用マニホールド１２５，１２６が配置されている。つまり、図６のセルフレーム２では、紙面下側から上側に向う方向が電解液の流通方向であって、当該セルフレーム２は、流通方向の長さよりも、流通方向に直交する方向の長さが長い横長のセルフレーム２である。

セルフレーム２の枠体２２は、セルフレーム２を積層したときに他のセルフレーム２の枠体２２に対向するフレーム対向面２０ｆ（クロスハッチング部分を参照）を有している。フレーム対向面２０ｆは、セルフレーム２におけるマニホールド１２３〜１２６、スリット１２３ｓ〜１２６ｓを除く部分である。本例では、セルスタック３からの電解液の漏洩対策として、そのフレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１：２００１の算術平均粗さ）を０．０３μｍ以上３．２μｍ以下としている。表面粗さＲａは、フレーム対向面２０ｆにおける１０箇所以上の領域を市販の測定器で測定し、それらの測定結果を平均することで求めることができる。

フレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａが０．０３μｍ以上であれば、積層したセルフレーム２のフレーム対向面２０ｆの間に適度な摩擦力が発生する。その結果、セルスタック３（図４，５）を運搬するときや、セルスタック３の内部に電解液を循環させたときに、隣接するセルフレーム２がズレ難くなる。また、フレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａが３．２μｍ以下であれば、隣接するセルフレーム２の枠体２２間に大きな隙間ができ難い。そのため、表面粗さＲａ０．０３μｍ以上３．２μｍ以下のフレーム対向面２０ｆを備えるセルフレーム２を用いてセルスタック３を製造すれば、セルスタック３の内部に電解液を循環させたときに、セルスタック３から電解液が漏れ難くなる。フレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａは０．０３μｍ以上３．２μｍ以下とすることが好ましく、更に０．０５μｍ以上１．５μｍ以下とすることが好ましい。

＜実施形態３＞
実施形態３では、枠体２２の外周端部２２Ｅを含む所定幅の外周部に薄肉領域２２Ｒを形成したセルフレーム２を備えるセルスタック３を図７Ａ〜図７Ｆに基づいて説明する。図７Ａ〜図７Ｆは、セルスタック３の部分縦断面図（枠体２２の厚み方向に沿った断面図）である。

図７Ａ〜７Ｆに示すように、薄肉領域２２Ｒは、枠体２２の中心から外周端部２２Ｅに向うに従って徐々に薄肉となる領域である。枠体２２に薄肉領域２２Ｒを設けることで、複数のセルフレーム２を積層したときや、積層したセルフレーム２を締め付けたときに、隣接する一方のセルフレーム２に備わる枠体２２の外周端部２２Ｅの角部が、他方のセルフレーム２の枠体２２に接触して他方のセルフレーム２が損傷することを抑制できる。その結果、セルフレーム２の枠体２２の損傷に伴う不具合、例えば隣接するセルフレーム２間から電解液が漏れるなどの不具合を回避することができる。

薄肉領域２２Ｒの断面形状は、外周端部２２Ｅに向うに従って徐々に薄肉になる形状であれば特に限定されない。図７Ａでは、薄肉領域２２Ｒの断面形状が細長い等脚台形状に形成されている。薄肉領域２２Ｒと平面部との繋ぎ目部分（白抜き矢印参照）を曲面（断面においては曲線）とすることが好ましい。本例の薄肉領域２２Ｒの断面形状は、等脚台形の先端が丸み付けられた形状、いわゆるペンシルダウン形状である。そのため、セルフレーム２の平面に沿った方向における薄肉領域２２Ｒの形成開始位置から外周端部２２Ｅまでの長さＬ１は、セルフレーム２の厚み方向における外周端部２２Ｅからセルフレーム２の平面を延長した仮想面までの長さＬ２よりも長くなっている。長さＬ１は、例えば１ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることが好ましく、更に５ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが好ましい。また、長さＬ２は、セルフレーム２の厚さの１／２以下であれば特に限定されず、例えば０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とすることが好ましく、更に１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

図７Ｂに示す例では、薄肉領域２２Ｒの断面形状が、矩形の角部（点線参照）がＲ面取りされた形状に形成されている。面取り半径Ｒの値は、セルフレーム２の厚さの１／２以下であれば特に限定されない。例えば、面取り半径Ｒは、０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とすることが好ましく、更に１．０ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

図７Ｃに示す例では、薄肉領域２２Ｒの断面形状が、矩形の角部（点線参照）がＣ面取りされた形状に形成されている。薄肉領域２２Ｒと平面部との繋ぎ目部分（白抜き矢印参照）を曲面（断面においては曲線）とすることが好ましい。面取り長さＣの値は、セルフレーム２の厚さの１／２以下であれば特に限定されない。例えば、面取り長さＣは、０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とすることが好ましく、更に１．０ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることが好ましい。

図７Ｄに示す例では、薄肉領域２２Ｒの断面形状が半円形（即ち曲線）形状に形成されている。この構成によっても、隣接する一方のセルフレーム２の繋ぎ目部分が、他方のセルフレーム２を損傷することを抑制できる。

ここで、薄肉領域２２Ｒの断面形状が曲線のみで構成されていれば、その断面形状は半円形に限定されるわけではない。例えば、当該断面形状は、半楕円形であっても良いし、図７Ａの等脚台形の直線部分を丸めたような形状であっても良い。

図７Ｅに示す例では、セルフレーム２の枠体２２の外周部のうち、一面側のみが厚み方向に傾斜することで薄肉領域２２Ｒが形成されている。そのため、薄肉領域２２Ｒの断面形状は、直角台形状に形成されている。この構成によっても、隣接するセルフレーム２の損傷を抑制することができる。

図７Ｆに示すように、隣接するセルフレーム２の薄肉領域２２Ｒの形成幅が異なっていても良い。本例では、左右のセルフレーム２の薄肉領域２２Ｒが扁平な等脚台形状、真ん中のセルフレーム２の薄肉領域２２Ｒが細長い等脚台形状であるが、この組合せに限定されるわけではない。

＜実施形態４＞
実施形態４では、隣接するセルフレーム２Ａ，２Ｂ（２Ｂ，２Ｃ）の外周端部２２Ｅをずらしたセルスタック３を図８に基づいて説明する。図８は、セルスタック３の部分縦断面図である。

図８では、セルフレーム２Ａ（第一セルフレーム）とセルフレーム２Ｂ（第二セルフレーム）とでセルフレーム対４が構成され、セルフレーム２Ｂ（第一セルフレーム）とセルフレーム２Ｃ（第二セルフレーム）とでセルフレーム対５が構成されている。図８に示すように、セルフレーム対４における第一セルフレーム２Ａの枠体２２における外周端部２２Ｅと、第二セルフレーム２Ｂの枠体２２における外周端部２２Ｅとが、長さＬ３だけずれている。また、セルフレーム対５における第一セルフレーム２Ｂの枠体２２の外周端部２２Ｅと、第二セルフレーム２Ｃの外周端部２２Ｅとが、長さＬ４だけずれている。このように、異なるセルフレーム対４，５におけるずれ量（長さＬ３，Ｌ４）は異なっていても良い。

外周端部２２Ｅのずれ量（長さＬ３，Ｌ４）は、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とする。外周端部２２Ｅのずれ量が０．５ｍｍ以上であれば、セルフレーム２Ａ（２Ｂ）の枠体２２における局所的に厚くなった部分と、セルフレーム２Ｂ（２Ｃ）の枠体２２における局所的に厚くなった部分とが、セルフレーム２Ａ，２Ｂ（２Ｂ，２Ｃ）の平面方向にずれる。その結果、締め付け時に各セルフレーム２Ａ，２Ｂ，２Ｃの枠体２２における局所的に厚くなった部分に過大な応力が作用し難くなり、当該部分に割れなどの不具合が生じ難くなる。一方、外周端部２２Ｅのずれ量が２０ｍｍ以下であれば、隣接するセルフレーム２Ａ，２Ｂ（２Ｂ，２Ｃ）のマニホールド１２３〜１２６（図４など）がずれて、マニホールド１２３〜１２６が閉塞することがない。上記外周端部２２Ｅのずれ量は、０．８ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることが好ましく、更には１．２ｍｍ以上５ｍｍ以下とすることがより好ましい。

図８では、二つのセルフレーム対４，５についてのみ説明を行なったが、本例では、セルスタック３に備わる全てのセルフレーム対において、第一セルフレームと第二セルフレームの外周端部２２Ｅがずれている。そうすることで、セルスタック３に備わる全てのセルフレームにおいて局所的に過剰な応力が作用することを抑制できる。本例と異なり、一部のセルフレーム対において、第一セルフレームと第二セルフレームの外周端部２２Ｅがずれている構成であっても、セルフレームに過剰な応力が作用することを抑制できる。なお、セルスタック３に備わる全てのセルフレームの最大ずれ量を２０ｍｍ以下とすることが好ましい。最大ずれ量とは、全てのセルフレームのうち、最も低い位置にあるセルフレームと最も高い位置にあるセルフレームとのずれ量のことである。

≪その他≫
図８に示す例では、隣接する二つのセルフレームが、セルスタックを設置する設置面を基準にして上下方向（鉛直方向に沿った長さ方向）にずれた状態を説明したが、左右方向（幅方向）にずれた状態としても良い。また、隣接する二つのセルフレームが、設置面を基準にして上下方向と左右方向の両方にずれた状態としても構わない。この場合、上下方向のずれ量と左右方向のずれ量はそれぞれ、０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下とする。

その他、隣接する第一セルフレームと第二セルフレームとで、局所的に厚くなった部分をセルフレームの平面方向にずらす構成として、第一セルフレームに備わる枠体の大きさと、第二セルフレームに備わる枠体の大きさとを異ならせても構わない。大きさの異なる枠体を備えるセルフレームを重ねれば、積層方向に直交する方向から見た第一セルフレームに備わる枠体の外周端部と、第二セルフレームに備わる枠体の外周端部とがずれるし、第一セルフレームの枠体における局所的に厚くなった部分と、第二セルフレームの枠体における局所的に厚くなった部分とがセルフレームの平面方向にずれる。

＜実施形態５＞
実施形態５では、実施形態３の構成と実施形態４の構成を組み合わせたセルスタック３を図９に基づいて説明する。図９は、実施形態５のセルスタック３の部分縦断面図である。

図９に示すように、本例のセルスタック３では、隣接するセルフレーム２Ａ，２Ｂ（２Ｂ，２Ｃ）の外周端部２２Ｅをずらすだけでなく、各セルフレーム２Ａ，２Ｂ，２Ｃの枠体２２に薄肉領域２２Ｒを形成している。そうすることで、枠体２２の外周端部２２Ｅの角部によって、隣接するセルフレーム２Ａ，２Ｂ，２Ｃに過度な応力が作用することを抑制できる。ここで、図９に示す例では、薄肉領域２２Ｒの断面形状はペンシルダウン形状であるが、Ｒ面取りされた形状やＣ面取りされた形状などであっても良い。

＜試験例１＞
試験例１では、図５に示す積層体３０の長さＷと、図４に示すセルフレーム１２０の面積Ｓとを変化させた試験体Ｎｏ．１〜１６を作製した。そして、各試験体における液漏れの有無、セルフレーム１２０のずれの有無、クリープ変形の有無、及び液圧損壊の有無を調べた。その測定結果を、各試験体の長さＷと面積Ｓ、及びＷ／Ｓと共に表１に示す。

表１における各試験体の液漏れの有無は、セルスタックの電解液の流路内にＨｅガスを流通させ、セルフレーム１２０の機械的な変形・損壊を伴わずに積層体３０の外部にＨｅがリークしているか否かで判断した。Ｈｅの測定感度は１０^−４Ｐａ・ｍ^３／ｓ以上とした。各試験体のセルフレーム１２０のずれは、試験体を持ち上げて振動させたときに、積層体３０のいずれかの箇所でセルフレーム１２０が０．５ｍｍ以上ずれたか否かで判断した。クリープ変形（常温）は、試験体を持ち上げることができる程度に積層体３０を締め付け、所定時間経過後に積層体３０を解体したときに、セルフレーム１２０にクリープ変形が生じているか否かで判断した。試験体の液圧損壊は、液圧３００ｋＰａ以上で試験体内に電解液を循環させたときに、セルフレーム１２０（枠体１２２）に割れが生じたか否かで判断した。ここで、液圧３００ｋＰａは、通常のＲＦ電池１の運転時に比べて過剰気味の圧力である。

表１に示すように、Ｗ／Ｓが０．０５以上０．９以下を満たし、かつ長さＷが１８００ｍｍ以下、面積Ｓが１００００ｃｍ^２以下である試験体Ｎｏ．１〜１１では、いずれの不具合も生じなかった。一方、Ｗ／Ｓが０．０５未満である試験体Ｎｏ．１３，１４では、セルフレーム１２０のずれは生じないものの、液漏れが生じた。また、Ｗ／Ｓが０．９超である試験体Ｎｏ．１２では、液漏れは生じないものの、セルフレーム１２０のずれが生じた。これらの結果から、Ｗ／Ｓが０．０５以上０．９以下を満たすことが、積層体３０からの液漏れとセルフレーム１２０のずれの抑制に重要であることが分かった。

Ｗ／Ｓが０．０５以上０．９以下を満たすものの、長さＷが１８００ｍｍ超である試験体Ｎｏ．１５では、電解液の循環初期には液漏れが生じなかったし、セルフレーム１２０のずれも生じなかった。しかし、試験体Ｎｏ．１５のセルフレーム１２０にクリープ変形が生じたため、電解液の循環を継続すると液漏れが生じる可能性がある。また、Ｗ／Ｓが０．０５以上０．９以下を満たすものの、面積Ｓが１００００ｃｍ^２超である試験体Ｎｏ．１６でも、電解液の循環初期には液漏れが生じなかったし、セルフレーム１２０のずれも生じなかった。しかし、試験体Ｎｏ．１６のセルフレーム１２０では、電解液の流通量が増加したとき、内圧によって液圧損壊が生じ、電解液が漏れた。この結果から、たとえ長さＷが長かったり面積Ｓが大きかったりしても、Ｗ／Ｓを０．０５以上０．９以下とすることで、少なくともセルフレーム１２０の機械的な変形・損壊を伴わない液漏れとセルフレーム１２０のずれは抑制できることが明らかになった。クリープ変形や液圧損壊は、セルフレーム１２０の枠体１２２の材質によっては抑制可能である。

次に、表１に示す測定結果をグラフ化し、表１に示すいずれの不具合も生じないＷ／Ｓの範囲を検討した。図１０は、表１の測定結果をプロットしたグラフである。図１０の横軸はセルフレーム１２０の面積Ｓ、縦軸は積層体３０の積層方向の長さＷである。いずれの不具合も生じなかった試験体Ｎｏ．１〜１１のプロットはダイヤマーク、セルフレーム１２０のずれが生じた試験体Ｎｏ．１２は四角マーク、液漏れが生じた試験体Ｎｏ．１３，１４は三角マーク、クリープ変形が生じた試験体Ｎｏ．１５はバツマーク、液圧損壊が生じた試験体Ｎｏ．１６はアスタリスクマークで示す。

図１０に示すように、試験体Ｎｏ．１〜１１を内包する領域を形成する五本の直線を求めた。各直線は、実験結果から計算により求めた。
・縦軸方向の破線…Ｓ＝５００ｃｍ^２、Ｗ＝２５ｍｍ以上４５０ｍｍ以下
・右上がり点線…Ｗ=０．９Ｓ、Ｓ＝５００ｃｍ^２以上２０００ｃｍ^２以下
・横軸方向の二点鎖線…Ｗ＝１８００ｍｍ、Ｓ＝２０００ｃｍ^２以上１００００ｃｍ^２以下
・縦軸方向の一点鎖線…Ｓ＝１００００ｃｍ^２、Ｗ＝５００ｍｍ以上１８００ｍｍ以下
・右上がり破線…Ｗ＝０．０５Ｓ

長さＷと面積Ｓとが図１０の五本の直線で囲まれた範囲にある積層体３０であれば、いずれの不具合も生じないものと考えられる。

＜試験例２＞
試験例２では、図６に示すセルフレーム２のフレーム対向面２０ｆの表面粗さの相違が、セルスタック３における電解液の漏洩に及ぼす影響を調べた。フレーム対向面２０ｆの表面粗さが異なる５つのセルスタック（試験体Ｑ〜Ｕ）を用意し、各セルスタックの内部に電解液を循環させ、セルスタックの外部に電解液が漏れるか否かを試験する。試験体Ｑ〜Ｕの概略構成は以下の通りである。

・試験体Ｑ…フレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａ＝０．０３μｍ
・試験体Ｒ…フレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａ＝１．５μｍ
・試験体Ｓ…フレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａ＝３．２μｍ
・試験体Ｔ…フレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａ＝０．０１μｍ
・試験体Ｕ…フレーム対向面２０ｆの表面粗さＲａ＝３．５μｍ

各試験体Ｑ〜Ｕの内部に電解液を流通させた。その際、流通させる電解液の圧力を徐々に大きくした。その結果、試験体Ｔにおける隣接するセルフレームの一部がズレて、そのズレた部分から電解液が漏れた。また、試験体Ｕでは隣接するセルフレームにズレは生じなかったが、電解液が漏れた。これに対して、同じ圧力で電解液が流通された試験体Ｑ，Ｒ，Ｓでは、隣接するセルフレームのズレも、電解液の漏れも生じなかった。

この試験例の結果から、セルフレームのフレーム対向面の表面粗さを所定範囲内にすることが、セルスタックからの電解液の漏れを抑制する上で有効であることが分かった。

＜試験例３＞
試験例３では、セルスタック３（図８）に備わる全てのセルフレーム対４，５における外周端部２２Ｅのずれ量が０．５ｍｍ〜３．０ｍｍ前後であるセルスタック（試験体Ｗ）を用意した。また、セルスタック３に備わる全てのセルフレーム対４，５における外周端部２２Ｅのずれ量が０．３ｍｍ前後であるセルスタック(試験体Ｘ)を用意した。そして、セルスタック３の締付機構の締め付け力を徐々に大きくしていった。その結果、所定の締め付け力となったときに、試験体Ｘに備わるセルフレーム２の枠体２２に割れが生じたが、同じ締め付け力で締め付けられた試験体Ｗに備わるセルフレーム２の枠体２２には割れが生じなかった。

この試験例３の結果から、セルフレーム対４，５を構成する第一セルフレーム２Ａ（２Ｂ）に備わる枠体２２の外周端部２２Ｅと、第二セルフレーム２Ｂ（２Ｃ）に備わる枠体２２の外周端部２２Ｅとを０．５ｍｍ以上ずらすことが、セルスタック３の締め付け時のセルフレーム２Ａ，２Ｂ，２Ｃの割れを抑制する上で有効であることが分かった。

＜用途＞
実施形態に係るセルスタックは、ＲＦ電池などの流体流通型の蓄電池の構築に好適に利用可能である。また、実施形態のセルスタックを備えるＲＦ電池は、太陽光発電、風力発電などの新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として利用できる。その他、実施形態のセルスタックを備えるＲＦ電池は、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大容量の蓄電池としても利用することができる。

１ ＲＦ電池（レドックスフロー電池）
２，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，１２０ セルフレーム
２１，１２１ 双極板
２２，１２２ 枠体 ２２Ｅ 外周端部 ２２Ｒ 薄肉領域
２０ｆ フレーム対向面
１２３，１２４ 給液用マニホールド １２５，１２６ 排液用マニホールド
１２３ｓ，１２４ｓ 入口スリット １２５ｓ，１２６ｓ 出口スリット
１２７ 環状シール部材
３ セルスタック
３０ 積層体
４，５ セルフレーム対
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 セルスタック
２１０ 端部給排板 ２１１ 中間給排板
２２０ エンドプレート

＜１０＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記枠体の前記厚みは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である形態を挙げることができる。

Claims (12)

1. 双極板の外周を枠体で支持した複数のセルフレームを含む積層体と、
   前記積層体をその積層方向の両側から締め付ける一対のエンドプレートと、を備えるセルスタックであって、
   前記積層体の積層方向から見た前記セルフレームの面積Ｓｃｍ^２と、前記積層体の積層方向の長さＷｍｍとが、０．０５≦Ｗ／Ｓ≦０．９の関係を満たすセルスタック。
2. 前記Ｗが１８００ｍｍ以下である請求項１に記載のセルスタック。
3. 前記Ｓが１００００ｃｍ^２以下である請求項１又は請求項２に記載のセルスタック。
4. 前記セルフレームの前記枠体は、前記積層方向に隣接する他のセルフレームの枠体に対向するフレーム対向面を備え、
   前記フレーム対向面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上３．２μｍ以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセルスタック。
5. 前記枠体は、外周端部を含む所定幅の外周部を有し、
   前記外周部は、前記枠体の中心側から前記外周端部側に向うに従って徐々に薄肉となる薄肉領域を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセルスタック。
6. 前記枠体の厚み方向に沿った切断面において、前記薄肉領域の断面形状は、ペンシルダウン形状、Ｒ面取りされた形状、Ｃ面取りされた形状のいずれかを有する請求項５に記載のセルスタック。
7. 前記枠体は、前記枠体の軸方向に沿った厚みと、前記軸方向に直交して互いに直角方向に延びる長さ及び幅を有し、
   前記厚みは、前記長さよりも短く、前記幅よりも短い請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセルスタック。
8. 前記枠体の前記長さは、前記枠体の前記幅よりも長い請求項７に記載のセルスタック。
9. 前記枠体の前記長さは、前記枠体の前記幅よりも短い請求項７に記載のセルスタック。
10. 前記枠体の前記厚みは３ｍｍ以上１０ｍｍ以下である請求項７から請求項９のいずれか１項に記載のセルスタック。
11. 前記積層方向に隣接する一対の前記セルフレームをそれぞれ第一セルフレームと第二セルフレームとし、前記第一セルフレームと前記第二セルフレームとの組み合わせをセルフレーム対としたとき、
    前記セルフレーム対において、
    前記第一セルフレームに備わる前記枠体の外周端部は、前記第二セルフレームに備わる前記枠体の外周端部に対して、前記積層方向と交差する方向に０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下ずれている請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載のセルスタック。
12. 請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載のセルスタックを有するレドックスフロー電池。

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