KR102482306B1 - 셀 스택 및 레독스 플로우 전지 - Google Patents

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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

쌍극판의 외주를 프레임체로 지지한 복수의 셀 프레임을 포함하는 적층체와, 상기 적층체를 그 적층 방향의 양측으로부터 체결하는 한쌍의 엔드 플레이트를 구비하는 셀 스택으로서, 상기 적층체의 적층 방향에서 본 상기 셀 프레임의 면적(S)[㎠]과, 상기 적층체의 적층 방향의 길이(W)[㎜]가, 0.05≤W/S≤0.9의 관계를 만족하는 것인 셀 스택.

Description

셀 스택 및 레독스 플로우 전지
본 발명은 셀 스택 및 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
특허문헌 1∼4에는 셀 프레임, 정극 전극, 격막, 부극 전극 및 셀 프레임을 복수 적층하여, 그 적층체를 단부 급배판으로 끼워 넣은 셀 스택 및 그 셀 스택을 이용한 레독스 플로우 전지가 기재되어 있다. 셀 프레임은 정극 전극과 부극 전극 사이에 끼워지는 쌍극판과, 이 쌍극판을 외주로부터 지지하는 프레임체를 구비한다. 이 구성에서는, 인접하는 각 셀 프레임의 쌍극판 사이에 하나의 셀이 형성된다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2015-122230호 공보 특허문헌 2: 일본 특허 공개 제2015-122231호 공보 특허문헌 3: 일본 특허 공개 제2015-138771호 공보 특허문헌 4: 일본 특허 공개 제2015-210849호 공보
본 개시의 셀 스택은,
쌍극판의 외주를 프레임체로 지지한 복수의 셀 프레임을 포함하는 적층체와,
상기 적층체를 그 적층 방향의 양측으로부터 체결하는 한쌍의 엔드 플레이트를 구비하는 셀 스택으로서,
상기 적층체의 적층 방향에서 본 상기 셀 프레임의 면적(S)[㎠]과, 상기 적층체의 적층 방향의 길이(W)[㎜]가, 0.05≤W/S≤0.9의 관계를 만족한다.
도 1은 레독스 플로우 전지의 동작 원리의 설명도이다.
도 2는 레독스 플로우 전지의 개략 구성도이다.
도 3은 레독스 플로우 전지의 셀의 개략 구성도이다.
도 4는 실시형태 1에 따른 셀 스택의 개략 사시도이다.
도 5는 실시형태 1에 따른 셀 스택의 개략 측면도이다.
도 6은 실시형태 2에 따른 셀 스택에 사용되는 셀 프레임의 평면도이다.
도 7a는 실시형태 3에 따른 셀 스택의 부분 종단면도이다.
도 7b는 도 7a와는 다른 셀 스택의 부분 종단면도이다.
도 7c는 도 7a, 도 7b와는 다른 셀 스택의 부분 종단면도이다.
도 7d는 도 7a∼도 7c와는 다른 셀 스택의 부분 종단면도이다.
도 7e는 도 7a∼도 7d와는 다른 셀 스택의 부분 종단면도이다.
도 7f는 도 7a∼도 7e와는 다른 셀 스택의 부분 종단면도이다.
도 8은 실시형태 4에 따른 셀 스택의 부분 종단면도이다.
도 9는 실시형태 5에 따른 셀 스택의 부분 종단면도이다.
도 10은 시험예 1의 결과를 나타내는 그래프이다.
[본 개시가 해결하고자 하는 과제]
최근, 풍력이나 태양광 등의 자연 에너지를 이용하여 얻어지는 전력을 축전하는 레독스 플로우 전지가 주목되고 있고, 레독스 플로우 전지의 고출력화나 대용량화가 요구되고 있다. 레독스 플로우 전지의 고출력화를 도모하기 위해서는, 셀의 적층수, 즉 셀 프레임의 적층수를 많게 하면 좋지만, 그렇게 하면 적층체의 중간부가 휘기 쉬워, 전해액의 액 누설이나 셀 프레임의 어긋남 등의 문제가 생길 우려가 있다.
본 개시는, 셀 프레임의 적층수가 많아져도, 그에 따른 문제가 생기기 어려운 셀 스택 및 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
[본원 발명의 실시형태의 설명]
본 발명자들은 셀 프레임의 적층수를 많게 하였을 때에 생기는 문제의 원인을 상세하게 조사하였다. 셀 프레임의 적층수를 많게 하는 것, 즉 적층체의 적층 방향의 길이(W)[㎜]를 길게 하면, 적층체의 중간부가 휘기 쉬워, 그 중간부에서 셀 프레임이 어긋날 우려가 있다. 적층체의 중간부의 휨을 억제하기 위해서는, 적층체의 적층 방향에서 본 셀 프레임의 면적(S)[㎠]을 크게 하는 것이 유효하다. 그러나, 셀 프레임의 프레임체는 사출 성형 등으로 얻어지는 수지 성형체인 경우가 많기 때문에, 면적(S)을 크게 하면, 셀 프레임의 프레임체의 평면 방향의 두께에 편차가 생기기 쉬워진다. 프레임체의 두께에 편차가 있으면, 인접하는 셀 프레임 사이에 간극이 생기기 쉬워, 전해액의 액 누설의 문제가 있다. 이러한 조사의 결과로부터, 본 발명자들은 적층체의 적층 방향의 길이(W)와 셀 프레임의 면적(S)의 밸런스를 잡는 것이, 액 누설 등의 문제를 억제하는 데 있어서 중요하다는 지견을 얻었다. 이하에 본원 발명의 실시형태의 내용을 열기하여 설명한다.
<1> 실시형태에 따른 셀 스택은,
쌍극판의 외주를 프레임체로 지지한 복수의 셀 프레임을 포함하는 적층체와,
상기 적층체를 그 적층 방향의 양측으로부터 체결하는 한쌍의 엔드 플레이트를 구비하는 셀 스택으로서,
상기 적층체의 적층 방향에서 본 상기 셀 프레임의 면적(S)[㎠]과, 상기 적층체의 적층 방향의 길이(W)[㎜]가, 0.05≤W/S≤0.9의 관계를 만족한다.
후술하는 시험예 1에 나타내는 바와 같이, W/S를 0.05 이상으로 함으로써, 인접하는 셀 프레임 간의 시일 불량을 억제할 수 있어, 셀 프레임 사이로부터의 액 누설을 억제할 수 있다. 또한, W/S를 0.9 이하로 함으로써, 셀 프레임의 어긋남을 억제할 수 있다.
<2> 실시형태에 따른 셀 스택의 일형태로서,
상기 W가 1800 ㎜ 이하인 형태를 들 수 있다.
적층체의 적층 방향의 길이(W)가 지나치게 길어지면, 적층체를 구성하는 셀 프레임이 어긋나지 않도록 적층체를 체결하는 힘이 지나치게 강해질 우려가 있다. 체결력이 강해지면, 셀 프레임(프레임체)의 재질에 따라서는 셀 프레임이 크리프 변형하여, 셀 프레임 사이로부터 액 누설이 생길 우려가 있다. 이에 대하여, W가 1800 ㎜ 이하이면, 일반적으로 셀 프레임의 프레임체에 이용되는 재질로 구성되는 셀 프레임의 크리프 변형을 억제하기 쉽다. 물론, 셀 프레임의 재질이 크리프 변형하기 어려운 재질이면, 0.05≤W/S≤0.9의 관계를 만족하는 한, W가 1800 ㎜ 초과여도 상관없다.
<3> 실시형태에 따른 셀 스택의 일형태로서,
상기 S가 10000 ㎠ 이하인 형태를 들 수 있다.
셀 프레임의 면적(S)을 지나치게 크게 하면, 적층체 내의 셀의 용적이 커져, 셀에 유통시키는 전해액의 압력이 지나치게 높아질 우려가 있다. 전해액의 압력이 높아지면, 셀 프레임(프레임체)의 재질에 따라서는 셀 프레임에 균열 등이 생겨 셀 프레임 사이로부터 액 누설이 생길 우려가 있다. 이에 대하여 S가 10000 ㎠ 이하이면, 일반적으로 셀 프레임의 프레임체에 이용되는 재질로 구성되는 셀 프레임의 파손을 억제하기 쉽다. 물론, 셀 프레임의 재질이 고강성의 재질이면, 0.05≤W/S≤0.9의 관계를 만족하는 한, S가 10000 ㎠ 초과여도 상관없다.
<4> 실시형태에 따른 셀 스택의 일형태로서,
상기 셀 프레임의 상기 프레임체는, 상기 적층 방향으로 인접하는 다른 셀 프레임의 프레임체에 대향하는 프레임 대향면을 구비하고,
상기 프레임 대향면의 표면 거칠기(Ra)가 0.03 ㎛ 이상 3.2 ㎛ 이하인 형태를 들 수 있다.
적층하는 셀 프레임의 프레임체의 표면(프레임 대향면)이 지나치게 매끄러우면, 셀 스택을 설치 장소로 운반할 때의 진동이나 충격, 셀 스택의 내부에 전해액을 순환시켰을 때의 전해액의 내압 등에 의해, 인접하는 셀 프레임이 크게 어긋날 우려가 있다. 인접하는 셀 프레임이 크게 어긋나면, 셀 스택 내를 순환하는 전해액이 외부로 샌다고 하는 문제가 생길 우려가 있다. 한편, 적층하는 셀 프레임의 프레임체의 표면이 지나치게 거칠면, 프레임체 사이에 큰 간극이 생기기 쉬워, 셀 스택 내를 순환하는 전해액이 외부로 샌다고 하는 문제가 생길 우려가 있다.
전술한 문제에 대하여, 프레임 대향면의 표면 거칠기(Ra)가 0.03 ㎛ 이상이면, 셀 스택을 운반할 때나, 셀 스택의 내부에 전해액을 순환시켰을 때에, 인접하는 셀 프레임이 어긋나기 어려워진다. 또한, 프레임 대향면의 표면 거칠기(Ra)가 3.2 ㎛ 이하이면, 인접하는 셀 프레임의 프레임체 사이에 큰 간극이 생기기 어렵다. 그 때문에, 상기 구성을 구비하는 셀 스택이면, 그 내부에 전해액을 순환시켰을 때에, 전해액이 외부로 새기 어렵다. 여기서, 본 명세서에 있어서의 Ra는, JIS B0601(2001년)로 규정되는 산술 평균 거칠기이다.
<5> 실시형태에 따른 셀 스택의 일형태로서,
상기 프레임체는, 외주 단부를 포함하는 미리 정해진 폭의 외주부를 가지고,
상기 외주부는, 상기 프레임체의 중심측으로부터 상기 외주 단부측을 향함에 따라 서서히 박육이 되는 박육 영역을 구비하는 형태를 들 수 있다.
종래의 셀 프레임의 프레임체에서는, 외주부의 두께 방향을 따른 단면 형상은 직사각형이었다. 그 때문에, 복수의 셀 프레임을 적층할 때 및 적층한 복수의 셀 프레임을 체결할 때 등, 인접하는 한쪽의 셀 프레임에 구비되는 프레임체의 외주 단부에 형성되는 코너부가, 다른쪽의 셀 프레임의 프레임체를 손상시키는 경우가 있다. 셀 스택의 셀 프레임은, 금형 내에 수지를 사출하는 사출 성형으로 제조되는 경우가 많기 때문에, 상기 코너부에 의한 손상에 의해 깨질 우려도 있다.
전술한 문제에 대하여, 상기 <5>의 프레임체이면, 복수의 셀 프레임을 적층하였을 때나, 적층한 셀 프레임을 체결하였을 때에, 인접하는 한쪽의 셀 프레임의 코너부가, 다른쪽의 셀 프레임의 프레임체에 접촉하여 다른쪽의 셀 프레임이 손상되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 셀 프레임의 프레임체의 손상에 따른 문제, 예컨대 인접하는 셀 프레임 사이에서 전해액이 새는 등의 문제를 회피할 수 있다. 여기서, 외주부의 전체 둘레에 걸쳐 박육 영역이 형성되어 있어도 좋고, 일부에 박육 영역이 형성되어 있어도 좋다.
<6> 상기 <5>에 나타내는 셀 스택의 일형태로서,
상기 프레임체의 두께 방향을 따른 절단면에 있어서, 상기 박육 영역의 단면 형상은, 펜슬다운 형상, R 면취된 형상, C 면취된 형상 중 어느 하나를 갖는 형태를 들 수 있다.
상기 단면 형상으로 함으로써, 적층한 복수의 셀 프레임의 각 프레임체에 손상이 생기는 것을 억제할 수 있다.
<7> 실시형태에 따른 셀 스택의 일형태로서,
상기 프레임체는, 상기 프레임체의 축방향을 따른 두께와, 상기 축방향에 직교하여 서로 직각 방향으로 연장되는 길이 및 폭을 가지고,
상기 두께는, 상기 길이보다 짧고, 상기 폭보다 짧은 형태를 들 수 있다.
상기 <7>에서는, 프레임체의 길이, 폭, 두께 중, 두께가 가장 짧다. 프레임체의 두께가 작음으로써, 프레임체를 구비하는 셀 프레임을 적층하였을 때에, 셀 스택이 과도하게 길어지는 것을 억제할 수 있다. 여기서, 프레임체의 길이 방향, 폭 방향, 두께 방향의 정의에 기초하면, 상기 <5>에 있어서의 외주 단부는, 프레임체를 두께 방향에서 평면으로 보았을 때의 외주 윤곽선을 형성하는 부분이다.
<8> 상기 <7>에 나타내는 셀 스택의 일형태로서,
상기 프레임체의 상기 길이는, 상기 프레임체의 상기 폭보다 긴 형태를 들 수 있다.
상기 구성에서는, 프레임체의 두께＜프레임체의 폭＜프레임체의 길이가 된다. 셀 스택의 설치 스페이스의 형상에 따라서는, 셀 스택의 설치가 용이해진다.
<9> 상기 <7>에 나타내는 셀 스택의 일형태로서,
상기 프레임체의 상기 길이는, 상기 프레임체의 상기 폭보다 짧은 형태를 들 수 있다.
상기 구성에서는, 프레임체의 두께＜프레임체의 길이＜프레임체의 폭이 된다. 셀 스택의 설치 스페이스의 형상에 따라서는, 셀 스택의 설치가 용이해진다.
<10> 실시형태에 따른 셀 스택의 일형태로서,
상기 프레임체의 상기 두께는 3 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하인 형태를 들 수 있다.
프레임체의 두께를 상기 범위로 함으로써, 프레임체의 강성을 확보할 수 있다.
<11> 실시형태에 따른 셀 스택의 일형태로서,
상기 적층 방향으로 인접하는 한쌍의 상기 셀 프레임을 각각 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임으로 하고, 상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임의 조합을 셀 프레임쌍으로 하였을 때,
상기 셀 프레임쌍에 있어서,
상기 제1 셀 프레임에 구비되는 상기 프레임체의 외주 단부는, 상기 제2 셀 프레임에 구비되는 상기 프레임체의 외주 단부에 대하여, 상기 적층 방향과 교차하는 방향으로 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하만큼 어긋나 있는 형태를 들 수 있다.
셀 프레임에 구비되는 프레임체는, 금형 내에 수지를 사출하는 사출 성형으로 제조되는 경우가 많다. 그러나, 사출 성형으로 제조되는 프레임체의 외주 단부 근방의 위치에는, 국소적으로 두꺼워진 부분이 생기기 쉽다. 그 국소적으로 두꺼워진 부분은, 의도하여 두껍게 한 부분이 아니라, 사출 성형의 특성상, 두꺼워져 버리는 부분이고, 프레임체에 있어서의 같은 위치에 생기기 쉽다. 그 때문에, 복수의 셀 프레임을 적층하여 체결하였을 때에, 각 프레임체가 국소적으로 두꺼워진 부분이 중첩되어 버려, 그 두꺼워진 부분에 응력이 집중하여, 셀 프레임의 프레임체가 손상될 우려가 있다.
상기 문제에 대하여, 상기 <11>의 구성에 따르면, 프레임체의 깨짐 등의 손상을 억제할 수 있다. 제1 셀 프레임의 외주 단부와 제2 셀 프레임의 외주 단부가 어긋나도록 양 셀 프레임을 중첩함으로써, 제1 셀 프레임의 프레임체에 있어서의 국소적으로 두꺼워진 부분과, 제2 셀 프레임의 프레임체에 있어서의 국소적으로 두꺼워진 부분이, 셀 프레임의 평면 방향으로 어긋나기 때문이다.
<12> 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지는,
상기 <1> 내지 <11> 중 어느 하나의 셀 스택을 갖는다.
레독스 플로우 전지의 셀 스택으로서, 실시형태에 따른 셀 스택을 채용함으로써, 레독스 플로우 전지의 고출력화를 도모하기 쉽다. 실시형태에 따른 셀 스택은, 셀 프레임의 적층수를 많게 한 것에 따른 문제를 억제할 수 있기 때문에, 그 적층수를 많게 하여 레독스 플로우 전지를 고출력화할 수 있기 때문이다.
[본원 발명의 실시형태의 상세]
이하, 레독스 플로우 전지의 구성 부재인 본 개시의 프레임체, 셀 프레임 및 셀 스택의 실시형태를 설명한다. 또한, 본원 발명은 실시형태에 나타내는 구성에 한정되는 것이 아니고, 청구범위에 의해 나타나며, 청구범위와 균등의 의미 및 범위 내의 모든 변경이 포함되는 것을 의도한다.
<실시형태 1>
실시형태의 셀 스택의 설명에 앞서, 레독스 플로우 전지(이하, RF 전지)의 기본 구성을 도 1∼도 3에 기초하여 설명한다. 그 후, 실시형태의 셀 스택의 상세한 설명을 행한다.
≪RF 전지≫
RF 전지는, 전해액 순환형의 축전지의 하나로서, 태양광 발전이나 풍력 발전이라고 하는 신에너지의 축전 등에 이용되고 있다. 이 RF 전지(1)의 동작 원리를 도 1에 나타낸다. RF 전지(1)는, 정극용 전해액에 포함되는 활물질 이온의 산화 환원 전위와, 부극용 전해액에 포함되는 활물질 이온의 산화 환원 전위의 차를 이용하여 충방전을 행하는 전지이다. RF 전지(1)는, 수소 이온을 투과시키는 격막(101)으로 정극 셀(102)과 부극 셀(103)로 분리된 셀(100)을 구비한다.
정극 셀(102)에는 정극 전극(104)이 내장되고, 또한 정극용 전해액을 저류하는 정극 전해액용 탱크(106)가 도관(108, 110)을 통해 접속되어 있다. 도관(108)에는 펌프(112)가 마련되어 있고, 이들 부재(106, 108, 110, 112)에 의해 정극용 전해액을 순환시키는 정극용 순환 기구(100P)가 구성되어 있다. 마찬가지로, 부극 셀(103)에는 부극 전극(105)이 내장되고, 또한 부극용 전해액을 저류하는 부극 전해액용 탱크(107)가 도관(109, 111)을 통해 접속되어 있다. 도관(109)에는 펌프(113)가 마련되어 있고, 이들 부재(107, 109, 111, 113)에 의해 부극용 전해액을 순환시키는 부극용 순환 기구(100N)가 구성되어 있다. 각 탱크(106, 107)에 저류되는 전해액은, 충방전 시에 펌프(112, 113)에 의해 셀(102, 103) 내에 순환된다. 충방전을 행하지 않는 경우, 펌프(112, 113)는 정지되어, 전해액은 순환되지 않는다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 상기 셀(100)은 통상, 셀 프레임(120)(도 3 참조), 정극 전극(104), 격막(101) 및 부극 전극(105)을 복수 적층한 적층체를, 그 적층 방향으로부터 한쌍의 엔드 플레이트(220)로 체결한 셀 스택(200)의 형태로 이용된다.
셀 프레임(120)은, 도 3에 나타내는 바와 같이, 관통창을 갖는 프레임체(122)와, 관통창을 막는 쌍극판(121)을 가지고 있다. 즉, 프레임체(122)는, 쌍극판(121)을 그 외주측으로부터 지지하고 있다. 이러한 셀 프레임(120)은, 예컨대, 쌍극판(121)의 외주부에 일체로 프레임체(122)를 성형함으로써 제작할 수 있다(도 2도 함께 참조). 또한, 관통창의 외주 근방을 박육으로 형성한 프레임체(122)와, 프레임체(122)와는 별도로 제작한 쌍극판(121)을 준비하고, 프레임체(122)의 박육부에 쌍극판(121)의 외주부를 끼워 넣음으로써, 셀 프레임(120)을 제작할 수도 있다. 이 경우, 쌍극판(121)은 프레임체(122)에 중첩되어 있을 뿐이어도 좋고, 접착되어 있어도 좋다. 이 셀 프레임(120)의 쌍극판(121)의 일면측에는 정극 전극(104)이 접촉하도록 배치되고, 쌍극판(121)의 다른 면측에는 부극 전극(105)이 접촉하도록 배치된다. 이 구성에서는, 인접하는 각 셀 프레임(120)에 끼워 넣어진 쌍극판(121) 사이에 하나의 셀(100)이 형성되게 된다.
셀(100)에의 전해액의 유통은, 셀 프레임(120)에 형성되는 급액용 매니폴드(123, 124) 및 배액용 매니폴드(125, 126)에 의해 행해진다. 정극용 전해액은, 급액용 매니폴드(123)로부터 셀 프레임(120)의 일면측(지면 표면측)에 형성되는 입구 슬릿(123s)을 통해 정극 전극(104)에 공급되고, 셀 프레임(120)의 상부에 형성되는 출구 슬릿(125s)을 통해 배액용 매니폴드(125)에 배출된다. 마찬가지로, 부극용 전해액은, 급액용 매니폴드(124)로부터 셀 프레임(120)의 타면측(지면 이면측)에 형성되는 입구 슬릿(124s)을 통해 부극 전극(105)에 공급되고, 셀 프레임(120)의 상부에 형성되는 출구 슬릿(126s)을 통해 배액용 매니폴드(126)에 배출된다. 각 셀 프레임(120) 사이에는, O링이나 평패킹 등의 환형 시일 부재(127)가 배치되어, 셀 프레임(120) 사이에서의 전해액의 누설이 억제되고 있다.
≪실시형태의 셀 스택≫
이상 설명한 RF 전지(1)의 기본 구성을 근거로 하여, 실시형태에 따른 셀 스택(3)을 도 4, 5에 기초하여 설명한다. 도 4, 5에서는, 도 2에 나타내는 엔드 플레이트(220)의 도시를 생략하고 있다.
도 4, 5의 셀 스택(3)은, 셀 프레임(120)을 복수 적층한 적층체(30)를 구비한다. 본 예의 적층체(30)는, 단부 급배판(210)과 중간 급배판(211)을 포함하고 있지만, 중간 급배판(211)은 없어도 괜찮다. 급배판(210, 211)은, 특허문헌 1의 도 18 등에 기재된 바와 같이, 셀 스택(3)의 외부로부터 셀(100)(도 3) 내에 전해액을 유통시키는 부재이다.
본 예의 셀 스택(3)은, 적층체(30)의 적층 방향의 길이(W)[㎜]와, 적층체(30)의 적층 방향을 향하는 셀 프레임(120)의 면적(S)[㎠]의 비인 W/S가, 미리 정해진 범위에 있는 것을 특징의 하나로 한다. 여기서, 셀 프레임(120)의 면적(S)은, 셀 프레임(120)에 구비되는 프레임체(122)의 외주 윤곽선보다 내측의 면적이고, 프레임체(122)로부터 노출되는 쌍극판(121)(도 3)의 면적도 포함한다. 본 예에서는, 적층체(30)의 적층 방향에서 보았을 때의 단부 급배판(210)의 형상이 셀 프레임(120)과 거의 같게 되어 있다. 그 때문에, 도 4의 크로스 해칭으로 나타내는 단부 급배판(210)의 일면측의 면적이, 셀 프레임(120)의 면적(S)과 같다고 생각해도 좋다. 한편, 적층체(30)의 길이(W)는, 도 5에 나타내는 바와 같이, 적층체(30)의 일단에 배치되는 단부 급배판(210)의 외면과, 타단에 배치되는 단부 급배판(210)의 외면 사이의 길이이다.
셀 프레임(120)의 면적(S)을 크게 하면, 셀 프레임(120)의 면내 두께의 편차가 커져, 셀 프레임(120) 간에 시일 불량이 생기기 쉽다. 그 시일 불량은, 적층체(30)의 길이(W)가 커져 셀 프레임(120)의 적층수가 많아지면, 저감된다. 셀 프레임(120)의 적층수가 많아지면, 적층체(30)에 미치는 각 셀 프레임(120)의 면내 두께의 편차의 영향이 작아지기 때문이다. 그러나, 셀 프레임(120)의 적층수가 지나치게 많아지면, 적층체(30)의 중간부가 휘기 쉬워, 셀 프레임(120)의 어긋남이 생기기 쉬워진다. 이와 같이, RF 전지(1)(도 1)의 용량을 높이기 위해 면적(S)을 크게 하거나, 출력을 높이기 위해 길이(W)를 길게 하였을 때에 적층체(30)에 생기는 여러 가지의 문제를 억제하기 위해서는, 면적(S)과 길이(W)의 밸런스를 잡는 것이 중요하다.
W/S는, 구체적으로는 0.05 이상 0.9 이하로 한다. W/S를 0.05 이상으로 함으로써, 인접하는 셀 프레임(120) 간의 시일 불량을 억제할 수 있어, 셀 프레임(120) 사이로부터의 액 누설을 억제할 수 있다. 길이(W)에 대하여 면적(S)이 과도하게 크지 않기 때문에, 각 셀 프레임(120)의 프레임체(122)의 면내 두께의 편차의 영향이 작아지기 때문이다. 또한, W/S를 0.9 이하로 함으로써, 적층체(30)의 중간부가 휘어, 셀 프레임(120)이 어긋나는 것을 억제할 수 있다. 면적(S)에 대하여 길이(W)가 지나치게 길어지지 않기 때문이다. W/S는, 0.1 이상 0.8 이하로 하는 것이 바람직하다.
적층체(30)의 길이(W)는, 0.05≤W/S≤0.9를 만족하는 한, 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 길이(W)가 지나치게 길어지면, 적층체(30)를 구성하는 셀 프레임(120)이나 급배판(210, 211)이 어긋나지 않도록, 적층체(30)를 체결하는 힘이 강해진다. 체결력이 강해지면, 셀 프레임(120)의 프레임체(122)(도 3)의 재질에 따라서는 프레임체(122)가 크리프 변형하여, 셀 프레임(120) 사이로부터 액 누설이 생길 우려가 있다. 그 때문에, 길이(W)는 1800 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 길이(W)가 1800 ㎜ 이하이면, 일반적으로 셀 프레임(120)의 프레임체(122)에 이용되는 재질로 구성되는 셀 프레임(120)의 크리프 변형을 억제하기 쉽다. 길이(W)의 상한값은 1700 ㎜ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
길이(W)의 하한은 100 ㎜로 하는 것이 바람직하다. 길이(W)는, 셀 프레임(120)의 적층수, 즉 셀(100)(도 2, 3)의 직렬 접속수와 상관 관계에 있기 때문이다. 길이(W)를 100 ㎜ 이상으로 함으로써, 셀(100)의 직렬 접속수를 많게 할 수 있어, 충분한 출력을 갖는 RF 전지(1)(도 1)로 할 수 있다. RF 전지(1)의 고출력화를 도모하는 것이면, 길이(W)를 200 ㎜ 이상으로 하는 것이 바람직하다. 길이(W)가 길어질수록, 셀 프레임(120)의 적층수가 많아지기 때문이다. 여기서, 일반적인 셀 프레임(120)의 두께는 3 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하(또는 5 ㎜ 이상 8 ㎜ 이하) 정도이기 때문에, 길이(W)와 셀 프레임(120)의 두께로부터 셀 프레임(120)의 적층수를 계산으로 구할 수 있다. 단, 적층체(30)에는, 급배판(210, 211)이 배치되어 있기 때문에, 길이(W)로부터 급배판(210, 211)의 두께를 뺀 뒤에, 셀 프레임(120)의 적층수를 계산해야 한다.
셀 프레임(120)의 면적(S)은, 0.05≤W/S≤0.9를 만족하는 한, 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 면적(S)을 지나치게 크게 하면, 적층체(30) 내의 셀(100)(도 2, 3)의 용적이 커져, 셀(100)에 유통시키는 전해액의 압력이 지나치게 높아질 우려가 있다. 전해액의 압력이 높아지면, 셀 프레임(120)의 프레임체(122)(도 3)의 재질(강성)에 따라서는 프레임체(122)에 균열 등이 생겨 셀 프레임(120) 사이로부터 액 누설이 생길 우려가 있다. 그 때문에, 면적(S)은, 10000 ㎠ 이하로 하는 것이 바람직하다. 면적(S)이 10000 ㎠ 이하이면, 일반적으로 프레임체(122)에 이용되는 재질로 구성되는 셀 프레임(120)의 파손을 억제하기 쉽다. 면적(S)의 상한값은 9000 ㎠ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
면적(S)의 하한은 500 ㎠로 하는 것이 바람직하다. 면적(S)은, 셀 프레임(120)의 쌍극판(121)의 크기, 즉 RF 전지(1)(도 1)의 용량과 상관 관계에 있기 때문이다. 면적(S)을 500 ㎠ 이상으로 함으로써, 쌍극판(121)을 크게 할 수 있어, 충분한 용량을 갖는 RF 전지(1)(도 1)로 할 수 있다. RF 전지(1)의 고용량화를 도모하는 것이면, 면적(S)을 1000 ㎠ 이상으로 하는 것이 바람직하다.
<실시형태 2>
실시형태 2에서는, 셀 프레임(2)의 프레임체(22)의 표면 거칠기를 미리 정해진 값으로 한 셀 스택을 도 6에 기초하여 설명한다.
도 6에 나타내는 본 예의 셀 프레임(2)은, 종래의 셀 프레임(120)(도 3)과 마찬가지로 쌍극판(21)과 프레임체(22)를 구비한다. 프레임체(22)의 지면 하측의 프레임편에는 급액용 매니폴드(123, 124)가, 지면 상측의 프레임편에는 배액용 매니폴드(125, 126)가 배치되어 있다. 즉, 도 6의 셀 프레임(2)에서는, 지면 하측으로부터 상측을 향하는 방향이 전해액의 유통 방향이고, 상기 셀 프레임(2)은, 유통 방향의 길이보다, 유통 방향과 직교하는 방향의 길이가 긴 가로로 긴 셀 프레임(2)이다.
셀 프레임(2)의 프레임체(22)는, 셀 프레임(2)을 적층하였을 때에 다른 셀 프레임(2)의 프레임체(22)에 대향하는 프레임 대향면(20f)(크로스 해칭 부분을 참조)을 가지고 있다. 프레임 대향면(20f)은, 셀 프레임(2)에 있어서의 매니폴드(123∼126), 슬릿(123s∼126s)을 제외한 부분이다. 본 예에서는, 셀 스택(3)으로부터의 전해액의 누설 대책으로서, 그 프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)(JIS B0601: 2001의 산술 평균 거칠기)를 0.03 ㎛ 이상 3.2 ㎛ 이하로 하고 있다. 표면 거칠기(Ra)는, 프레임 대향면(20f)에 있어서의 10개소 이상의 영역을 시판의 측정기로 측정하고, 이들의 측정 결과를 평균함으로써 구할 수 있다.
프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)가 0.03 ㎛ 이상이면, 적층한 셀 프레임(2)의 프레임 대향면(20f) 사이에 적절한 마찰력이 발생한다. 그 결과, 셀 스택(3)(도 4, 5)을 운반할 때나, 셀 스택(3)의 내부에 전해액을 순환시켰을 때에, 인접하는 셀 프레임(2)이 어긋나기 어려워진다. 또한, 프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)가 3.2 ㎛ 이하이면, 인접하는 셀 프레임(2)의 프레임체(22) 사이에 큰 간극이 생기기 어렵다. 그 때문에, 표면 거칠기(Ra) 0.03 ㎛ 이상 3.2 ㎛ 이하의 프레임 대향면(20f)을 구비하는 셀 프레임(2)을 이용하여 셀 스택(3)을 제조하면, 셀 스택(3)의 내부에 전해액을 순환시켰을 때에, 셀 스택(3)으로부터 전해액이 새기 어려워진다. 프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)는 0.03 ㎛ 이상 3.2 ㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 0.05 ㎛ 이상 1.5 ㎛ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
<실시형태 3>
실시형태 3에서는, 프레임체(22)의 외주 단부(22E)를 포함하는 미리 정해진 폭의 외주부에 박육 영역(22R)을 형성한 셀 프레임(2)을 구비하는 셀 스택(3)을 도 7a∼도 7f에 기초하여 설명한다. 도 7a∼도 7f는 셀 스택(3)의 부분 종단면도[프레임체(22)의 두께 방향을 따른 단면도]이다.
도 7a∼7f에 나타내는 바와 같이, 박육 영역(22R)은, 프레임체(22)의 중심으로부터 외주 단부(22E)를 향함에 따라 서서히 박육이 되는 영역이다. 프레임체(22)에 박육 영역(22R)을 마련함으로써, 복수의 셀 프레임(2)을 적층하였을 때나, 적층한 셀 프레임(2)을 체결하였을 때에, 인접하는 한쪽의 셀 프레임(2)에 구비되는 프레임체(22)의 외주 단부(22E)의 코너부가, 다른쪽의 셀 프레임(2)의 프레임체(22)에 접촉하여 다른쪽의 셀 프레임(2)이 손상되는 것을 억제할 수 있다. 그 결과, 셀 프레임(2)의 프레임체(22)의 손상에 따른 문제, 예컨대 인접하는 셀 프레임(2) 사이로부터 전해액이 새는 등의 문제를 회피할 수 있다.
박육 영역(22R)의 단면 형상은, 외주 단부(22E)를 향함에 따라 서서히 박육이 되는 형상이면 특별히 한정되지 않는다. 도 7a에서는, 박육 영역(22R)의 단면 형상이 가늘고 긴 등각 사다리꼴로 형성되어 있다. 박육 영역(22R)과 평면부의 이음매 부분(흰 화살표 참조)을 곡면(단면에 있어서는 곡선)으로 하는 것이 바람직하다. 본 예의 박육 영역(22R)의 단면 형상은, 등각 사다리꼴의 선단이 라운딩된 형상, 소위 펜슬다운 형상이다. 그 때문에, 셀 프레임(2)의 평면을 따른 방향에 있어서의 박육 영역(22R)의 형성 개시 위치로부터 외주 단부(22E)까지의 길이(L1)는, 셀 프레임(2)의 두께 방향에 있어서의 외주 단부(22E)로부터 셀 프레임(2)의 평면을 연장한 가상면까지의 길이(L2)보다 길게 되어 있다. 길이(L1)는, 예컨대 1 ㎜ 이상 30 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 5 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다. 또한, 길이(L2)는, 셀 프레임(2)의 두께의 1/2 이하이면 특별히 한정되지 않고, 예컨대 0.1 ㎜ 이상 2.5 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
도 7b에 나타내는 예에서는, 박육 영역(22R)의 단면 형상이, 직사각형의 코너부(점선 참조)가 R 면취된 형상으로 형성되어 있다. 면취 반경(R)의 값은, 셀 프레임(2)의 두께의 1/2 이하이면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 면취 반경(R)은, 0.1 ㎜ 이상 2.5 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.0 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
도 7c에 나타내는 예에서는, 박육 영역(22R)의 단면 형상이, 직사각형의 코너부(점선 참조)가 C 면취된 형상으로 형성되어 있다. 박육 영역(22R)와 평면부와의 이음매 부분(흰 화살표 참조)을 곡면(단면에 있어서는 곡선)으로 하는 것이 바람직하다. 면취 길이(C)의 값은, 셀 프레임(2)의 두께의 1/2 이하이면 특별히 한정되지 않는다. 예컨대, 면취 길이(C)는, 0.1 ㎜ 이상 2.5 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.0 ㎜ 이상 1.5 ㎜ 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
도 7d에 나타내는 예에서는, 박육 영역(22R)의 단면 형상이 반원형(즉 곡선) 형상으로 형성되어 있다. 이 구성에 의해서도, 인접하는 한쪽의 셀 프레임(2)의 이음매 부분이, 다른쪽의 셀 프레임(2)을 손상시키는 것을 억제할 수 있다.
여기서, 박육 영역(22R)의 단면 형상이 곡선만으로 구성되어 있으면, 그 단면 형상은 반원 형태에 한정되는 것은 아니다. 예컨대, 상기 단면 형상은, 반타원형이어도 좋고, 도 7a의 등각 사다리꼴의 직선 부분을 둥글게 한 것 같은 형상이어도 좋다.
도 7e에 나타내는 예에서는, 셀 프레임(2)의 프레임체(22)의 외주부 중, 일면측만이 두께 방향으로 경사함으로써 박육 영역(22R)이 형성되어 있다. 그 때문에, 박육 영역(22R)의 단면 형상은, 직각 사다리꼴로 형성되어 있다. 이 구성에 의해서도, 인접하는 셀 프레임(2)의 손상을 억제할 수 있다.
도 7f에 나타내는 바와 같이, 인접하는 셀 프레임(2)의 박육 영역(22R)의 형성폭이 달라도 좋다. 본 예에서는, 좌우의 셀 프레임(2)의 박육 영역(22R)이 편평한 등각 사다리꼴, 한가운데의 셀 프레임(2)의 박육 영역(22R)이 가늘고 긴 등각 사다리꼴이지만, 이 조합에 한정되는 것이 아니다.
<실시형태 4>
실시형태 4에서는, 인접하는 셀 프레임[2A, 2B(2B, 2C)]의 외주 단부(22E)를 어긋나게 한 셀 스택(3)을 도 8에 기초하여 설명한다. 도 8은 셀 스택(3)의 부분 종단면도이다.
도 8에서는, 셀 프레임(2A)(제1 셀 프레임)과 셀 프레임(2B)(제2 셀 프레임)으로 셀 프레임쌍(4)이 구성되고, 셀 프레임(2B)(제1 셀 프레임)과 셀 프레임(2C)(제2 셀 프레임)으로 셀 프레임쌍(5)이 구성되어 있다. 도 8에 나타내는 바와 같이, 셀 프레임쌍(4)에 있어서의 제1 셀 프레임(2A)의 프레임체(22)에 있어서의 외주 단부(22E)와, 제2 셀 프레임(2B)의 프레임체(22)에 있어서의 외주 단부(22E)가, 길이(L3)만큼 어긋나 있다. 또한, 셀 프레임쌍(5)에 있어서의 제1 셀 프레임(2B)의 프레임체(22)의 외주 단부(22E)와, 제2 셀 프레임(2C)의 외주 단부(22E)가, 길이(L4)만큼 어긋나 있다. 이와 같이, 다른 셀 프레임쌍(4, 5)에 있어서의 어긋남량[길이(L3, L4)]은 달라도 좋다.
외주 단부(22E)가 어긋남량[길이(L3, L4)]은, 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하로 한다. 외주 단부(22E)의 어긋남량이 0.5 ㎜ 이상이면, 셀 프레임[2A(2B)]의 프레임체(22)에 있어서의 국소적으로 두꺼워진 부분과, 셀 프레임[2B(2C)]의 프레임체(22)에 있어서의 국소적으로 두꺼워진 부분이, 셀 프레임[2A, 2B(2B, 2C)]의 평면 방향으로 어긋난다. 그 결과, 체결 시에 각 셀 프레임(2A, 2B, 2C)의 프레임체(22)에 있어서의 국소적으로 두꺼워진 부분에 과대한 응력이 작용하기 어려워져, 그 부분에 깨짐 등의 문제가 생기기 어려워진다. 한편, 외주 단부(22E)의 어긋남량이 20 ㎜ 이하이면, 인접하는 셀 프레임[2A, 2B(2B, 2C)]의 매니폴드(123∼126)(도 4 등)가 어긋나, 매니폴드(123∼126)가 폐색되는 일이 없다. 상기 외주 단부(22E)의 어긋남량은, 0.8 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하고, 또한 1.2 ㎜ 이상 5 ㎜ 이하로 하는 것이 보다 바람직하다.
도 8에서는, 두개의 셀 프레임쌍(4, 5)에 대해서만 설명을 행하였지만, 본 예에서는, 셀 스택(3)에 구비되는 모든 셀 프레임쌍에 있어서, 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임의 외주 단부(22E)가 어긋나 있다. 그렇게 함으로써, 셀 스택(3)에 구비되는 모든 셀 프레임에 있어서 국소적으로 과잉의 응력이 작용하는 것을 억제할 수 있다. 본 예와 다르게, 일부의 셀 프레임쌍에 있어서, 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임의 외주 단부(22E)가 어긋나 있는 구성이어도, 셀 프레임에 과잉의 응력이 작용하는 것을 억제할 수 있다. 또한, 셀 스택(3)에 구비되는 모든 셀 프레임의 최대 어긋남량을 20 ㎜ 이하로 하는 것이 바람직하다. 최대 어긋남량이란, 모든 셀 프레임 중, 가장 낮은 위치에 있는 셀 프레임과 가장 높은 위치에 있는 셀 프레임의 어긋남량을 말한다.
≪그 외≫
도 8에 나타내는 예에서는, 인접하는 2개의 셀 프레임이, 셀 스택을 설치하는 설치면을 기준으로 하여 상하 방향(수직 방향을 따른 길이 방향)으로 어긋난 상태를 설명하였지만, 좌우 방향(폭 방향)으로 어긋난 상태로 하여도 좋다. 또한, 인접하는 2개의 셀 프레임이, 설치면을 기준으로 하여 상하 방향과 좌우 방향의 양방으로 어긋난 상태로 하여도 상관없다. 이 경우, 상하 방향의 어긋남량과 좌우 방향이 어긋남량은 각각, 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하로 한다.
그 외에, 인접하는 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임에서, 국소적으로 두꺼워진 부분을 셀 프레임의 평면 방향으로 어긋나게 하는 구성으로서, 제1 셀 프레임에 구비되는 프레임체의 크기와, 제2 셀 프레임에 구비되는 프레임체의 크기를 다르게 하여도 상관없다. 크기가 다른 프레임체를 구비하는 셀 프레임을 중첩하면, 적층 방향과 직교하는 방향에서 본 제1 셀 프레임에 구비되는 프레임체의 외주 단부와, 제2 셀 프레임에 구비되는 프레임체의 외주 단부가 어긋나고, 제1 셀 프레임의 프레임체에 있어서의 국소적으로 두꺼워진 부분과, 제2 셀 프레임의 프레임체에 있어서의 국소적으로 두꺼워진 부분이 셀 프레임의 평면 방향으로 어긋난다.
<실시형태 5>
실시형태 5에서는, 실시형태 3의 구성과 실시형태 4의 구성을 조합한 셀 스택(3)을 도 9에 기초하여 설명한다. 도 9는 실시형태 5의 셀 스택(3)의 부분 종단면도이다.
도 9에 나타내는 바와 같이, 본예의 셀 스택(3)에서는, 인접하는 셀 프레임[2A, 2B(2B, 2C)]의 외주 단부(22E)를 어긋나게 할 뿐만 아니라, 각 셀 프레임(2A, 2B, 2C)의 프레임체(22)에 박육 영역(22R)을 형성하고 있다. 그렇게 함으로써, 프레임체(22)의 외주 단부(22E)의 코너부에 의해, 인접하는 셀 프레임(2A, 2B, 2C)에 과도한 응력이 작용하는 것을 억제할 수 있다. 여기서, 도 9에 나타내는 예에서는, 박육 영역(22R)의 단면 형상은 펜슬다운 형상이지만, R 면취된 형상이나 C 면취된 형상 등이어도 좋다.
<시험예 1>
시험예 1에서는, 도 5에 나타내는 적층체(30)의 길이(W)와, 도 4에 나타내는 셀 프레임(120)의 면적(S)을 변화시킨 시험체 No.1∼16을 제작하였다. 그리고, 각 시험체에 있어서의 액 누설의 유무, 셀 프레임(120)의 어긋남의 유무, 크리프 변형의 유무 및 액압 손괴의 유무를 조사하였다. 그 측정 결과를, 각 시험체의 길이(W)와 면적(S) 및 W/S와 함께 표 1에 나타낸다.
Figure 112020088095602-pct00001
표 1에 있어서의 각 시험체의 액 누설의 유무는, 셀 스택의 전해액의 유로 내에 He 가스를 유통시켜, 셀 프레임(120)이 기계적인 변형·손괴를 수반하지 않고 적층체(30)의 외부에 He가 누설되고 있는지의 여부로 판단하였다. He의 측정 감도는 10-4 ㎩·㎥/s 이상으로 하였다. 각 시험체의 셀 프레임(120)의 어긋남은, 시험체를 들어올려 진동시켰을 때에, 적층체(30) 중 어느 하나의 개소에서 셀 프레임(120)이 0.5 ㎜ 이상 어긋났는지의 여부로 판단하였다. 크리프 변형(상온)은, 시험체를 들어올릴 수 있을 정도로 적층체(30)를 체결하고, 미리 정해진 시간 경과 후에 적층체(30)를 해체하였을 때에, 셀 프레임(120)에 크리프 변형이 생겼는지의 여부로 판단하였다. 시험체의 액압 손괴는, 액압 300 ㎪ 이상에서 시험체 내에 전해액을 순환시켰을 때에, 셀 프레임(120)[프레임체(122)]에 균열이 생겼는지의 여부로 판단하였다. 여기서, 액압 300 ㎪는, 통상의 RF 전지(1)의 운전 시에 비해서 과잉 기미의 압력이다.
표 1에 나타내는 바와 같이, W/S가 0.05 이상 0.9 이하를 만족하고, 또한 길이(W)가 1800 ㎜ 이하, 면적(S)이 10000 ㎠ 이하인 시험체 No.1∼11에서는, 어떠한 문제도 생기지 않았다. 한편, W/S가 0.05 미만인 시험체 No.13, 14에서는, 셀 프레임(120)의 어긋남은 생기지 않지만, 액 누설이 생겼다. 또한, W/S가 0.9 초과인 시험체 No.12에서는, 액 누설은 생기지 않지만, 셀 프레임(120)의 어긋남이 생겼다. 이들 결과로부터, W/S가 0.05 이상 0.9 이하를 만족하는 것이, 적층체(30)로부터의 액 누설과 셀 프레임(120)의 어긋남의 억제에 중요한 것을 알았다.
W/S가 0.05 이상 0.9 이하를 만족하지만, 길이(W)가 1800 ㎜ 초과인 시험체 No.15에서는, 전해액의 순환 초기에는 액 누설이 생기지 않았고, 셀 프레임(120)의 어긋남도 생기지 않았다. 그러나, 시험체 No.15의 셀 프레임(120)에 크리프 변형이 생겼기 때문에, 전해액의 순환을 계속하면 액 누설이 생길 가능성이 있다. 또한, W/S가 0.05 이상 0.9 이하를 만족하지만, 면적(S)이 10000 ㎠ 초과인 시험체 No.16에서도, 전해액의 순환 초기에는 액 누설이 생기지 않았고, 셀 프레임(120)의 어긋남도 생기지 않았다. 그러나, 시험체 No.16의 셀 프레임(120)에서는, 전해액의 유통량이 증가하였을 때, 내압에 의해 액압 손괴가 생겨, 전해액이 새었다. 이 결과로부터, 가령 길이(W)가 길거나 면적(S)이 크거나 하여도, W/S를 0.05 이상 0.9 이하로 함으로써, 적어도 셀 프레임(120)의 기계적인 변형·손괴를 수반하지 않는 액 누설과 셀 프레임(120)의 어긋남은 억제할 수 있는 것이 밝혀졌다. 크리프 변형이나 액압 손괴는, 셀 프레임(120)의 프레임체(122)의 재질에 따라서는 억제 가능하다.
다음에, 표 1에 나타내는 측정 결과를 그래프화하여, 표 1에 나타내는 어떠한 문제도 생기지 않는 W/S의 범위를 검토하였다. 도 10은 표 1의 측정 결과를 플롯한 그래프이다. 도 10의 횡축은 셀 프레임(120)의 면적(S), 종축은 적층체(30)의 적층 방향의 길이(W)이다. 어떠한 문제도 생기지 않은 시험체 No.1∼11의 플롯은 다이아 마크, 셀 프레임(120)의 어긋남이 생긴 시험체 No.12는 사각 마크, 액 누설이 생긴 시험체 No.13, 14는 삼각 마크, 크리프 변형이 생긴 시험체 No.15는 엑스 마크, 액압 손괴가 생긴 시험체 No.16은 별표 마크로 나타낸다.
도 10에 나타내는 바와 같이, 시험체 No.1∼11을 내포하는 영역을 형성하는 5개의 직선을 구하였다. 각 직선은, 실험 결과로부터 계산에 의해 구하였다.
·종축 방향의 파선…S=500 ㎠, W=25 ㎜ 이상 450 ㎜ 이하
·우상향 점선…W=0.9 S, S=500 ㎠ 이상 2000 ㎠ 이하
·횡축 방향의 2점 쇄선…W=1800 ㎜, S=2000 ㎠ 이상 10000 ㎠ 이하
·종축 방향의 1점 쇄선…S=10000 ㎠, W=500 ㎜ 이상 1800 ㎜ 이하
·우상향 파선…W=0.05 S
길이(W)와 면적(S)이 도 10의 5개의 직선으로 둘러싸인 범위에 있는 적층체(30)이면, 어떠한 문제도 생기지 않는 것으로 생각된다.
<시험예 2>
시험예 2에서는, 도 6에 나타내는 셀 프레임(2)의 프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기의 차이가, 셀 스택(3)에 있어서의 전해액의 누설에 미치는 영향을 조사하였다. 프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기가 다른 5개의 셀 스택(시험체 Q∼U)을 준비하고, 각 셀 스택의 내부에 전해액을 순환시켜, 셀 스택의 외부에 전해액이 새는지의 여부를 시험한다. 시험체 Q∼U의 개략 구성은 이하와 같다.
·시험체 Q…프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)=0.03 ㎛
·시험체 R…프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)=1.5 ㎛
·시험체 S…프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)=3.2 ㎛
·시험체 T…프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)=0.01 ㎛
·시험체 U…프레임 대향면(20f)의 표면 거칠기(Ra)=3.5 ㎛
각 시험체 Q∼U의 내부에 전해액을 유통시켰다. 그때, 유통시키는 전해액의 압력을 서서히 크게 하였다. 그 결과, 시험체 T에 있어서의 인접하는 셀 프레임의 일부가 어긋나고, 그 어긋난 부분으로부터 전해액이 새었다. 또한, 시험체 U에서는 인접하는 셀 프레임에 어긋남은 생기지 않았지만, 전해액이 새었다. 이에 대하여, 동일한 압력으로 전해액이 유통된 시험체 Q, R, S에서는, 인접하는 셀 프레임의 어긋남도, 전해액의 누설도 생기지 않았다.
이 시험예의 결과로부터, 셀 프레임의 프레임 대향면의 표면 거칠기를 미리 정해진 범위 내로 하는 것이, 셀 스택으로부터의 전해액의 누설을 억제하는 데 있어서 유효한 것을 알았다.
<시험예 3>
시험예 3에서는, 셀 스택(3)(도 8)에 구비되는 모든 셀 프레임쌍(4, 5)에 있어서의 외주 단부(22E)가 어긋남량이 0.5 ㎜∼3.0 ㎜ 전후인 셀 스택(시험체 W)을 준비하였다. 또한, 셀 스택(3)에 구비되는 모든 셀 프레임쌍(4, 5)에 있어서의 외주 단부(22E)의 어긋남량이 0.3 ㎜ 전후인 셀 스택(시험체 X)을 준비하였다. 그리고, 셀 스택(3)의 체결 기구의 체결력을 서서히 크게 해 갔다. 그 결과, 미리 정해진 체결력이 되었을 때에, 시험체 X에 구비되는 셀 프레임(2)의 프레임체(22)에 균열이 생겼지만, 동일한 체결력으로 체결된 시험체 W에 구비되는 셀 프레임(2)의 프레임체(22)에는 균열이 생기지 않았다.
이 시험예 3의 결과로부터, 셀 프레임쌍(4, 5)을 구성하는 제1 셀 프레임[2A(2B)]에 구비되는 프레임체(22)의 외주 단부(22E)와, 제2 셀 프레임[2B(2C)]에 구비되는 프레임체(22)의 외주 단부(22E)를 0.5 ㎜ 이상 어긋나게 하는 것이, 셀 스택(3)의 체결 시의 셀 프레임(2A, 2B, 2C)의 균열을 억제하는 데 있어서 유효한 것을 알았다.
<용도>
실시형태에 따른 셀 스택은, RF 전지 등의 유체 유통형의 축전지의 구축에 적합하게 이용 가능하다. 또한, 실시형태의 셀 스택을 구비하는 RF 전지는, 태양광 발전, 풍력 발전 등의 신에너지의 발전에 대하여, 발전 출력의 변동의 안정화, 발전 전력의 잉여 시의 축전, 부하 평준화 등을 목적으로 한 축전지로서 이용할 수 있다. 그 외에, 실시형태의 셀 스택을 구비하는 RF 전지는, 일반적인 발전소에 병설되어, 순간 전압 강하·정전 대책이나 부하 평준화를 목적으로 한 대용량의 축전지로서도 이용할 수 있다.
1 RF 전지(레독스 플로우 전지)
2, 2A, 2B, 2C, 120 셀 프레임
21, 121 쌍극판
22, 122 프레임체
22E 외주 단부
22R 박육 영역
20f 프레임 대향면
123, 124 급액용 매니폴드
125, 126 배액용 매니폴드
123s, 124s 입구 슬릿
125s, 126s 출구 슬릿
127 환형 시일 부재
3 셀 스택
30 적층체
4, 5 셀 프레임쌍
100 셀
101 격막
102 정극 셀
103 부극 셀
100P 정극용 순환 기구
100N 부극용 순환 기구
104 정극 전극
105 부극 전극
106 정극 전해액용 탱크
107 부극 전해액용 탱크
108, 109, 110, 111 도관
112, 113 펌프
200 셀 스택
210 단부 급배판
211 중간 급배판
220 엔드 플레이트

Claims (12)

  1. 레독스 플로우 전지용 셀 스택으로서,
    쌍극판의 외주를 프레임체로 지지한 복수의 셀 프레임을 포함하는 적층체와,
    상기 적층체를 그 적층 방향의 양측으로부터 체결하는 한쌍의 엔드 플레이트
    를 구비하고,
    상기 적층체의 적층 방향에서 본 상기 셀 프레임의 면적(S)[㎠]과 상기 적층체의 적층 방향의 길이(W)[㎜]가 0.05≤W/S≤0.9의 관계를 만족하며,
    상기 셀 프레임의 상기 프레임체는 상기 적층 방향으로 인접하는 다른 셀 프레임의 프레임체에 대향하는 프레임 대향면을 구비하고,
    상기 프레임 대향면의 표면 거칠기(Ra)가 0.03 ㎛ 이상 3.2 ㎛ 이하인 것인 셀 스택.
  2. 제1항에 있어서, 상기 W가 1800 ㎜ 이하인 것인 셀 스택.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 S가 10000 ㎠ 이하인 것인 셀 스택.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레임체가 외주 단부를 포함하는 미리 정해진 폭의 외주부를 가지고,
    상기 외주부가 상기 프레임체의 중심측으로부터 상기 외주 단부측을 향함에 따라 서서히 박육이 되는 박육 영역을 구비하는 것인 셀 스택.
  5. 제4항에 있어서, 상기 프레임체의 두께 방향을 따른 절단면에 있어서, 상기 박육 영역의 단면 형상이 펜슬다운(pencil down) 형상, R 면취된 형상, C 면취된 형상 중 어느 하나를 갖는 것인 셀 스택.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 프레임체가 상기 프레임체의 축방향을 따른 두께와, 상기 축방향에 직교하여 서로 직각 방향으로 연장되는 길이 및 폭을 가지고,
    상기 두께는 상기 길이보다 짧고 상기 폭보다 짧은 것인 셀 스택.
  7. 제6항에 있어서, 상기 프레임체의 상기 길이가 상기 프레임체의 상기 폭보다 긴 것인 셀 스택.
  8. 제6항에 있어서, 상기 프레임체의 상기 길이가 상기 프레임체의 상기 폭보다 짧은 것인 셀 스택.
  9. 제6항에 있어서, 상기 프레임체의 상기 두께가 3 ㎜ 이상 10 ㎜ 이하인 것인 셀 스택.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 적층 방향으로 인접하는 한쌍의 상기 셀 프레임을 각각 제1 셀 프레임과 제2 셀 프레임으로 하고, 상기 제1 셀 프레임과 상기 제2 셀 프레임의 조합을 셀 프레임쌍으로 하였을 때,
    상기 셀 프레임쌍에 있어서,
    상기 제1 셀 프레임에 구비되는 상기 프레임체의 외주 단부가, 상기 제2 셀 프레임에 구비되는 상기 프레임체의 외주 단부에 대하여, 상기 적층 방향과 교차하는 방향으로 0.5 ㎜ 이상 20 ㎜ 이하만큼 어긋나 있는 것인 셀 스택.
  11. 제1항 또는 제2항에 기재된 셀 스택
    을 갖는 레독스 플로우 전지.
  12. 삭제
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