WO2016166904A1 - 枠体、レドックスフロー電池用セルフレーム及びレドックスフロー電池 - Google Patents

枠体、レドックスフロー電池用セルフレーム及びレドックスフロー電池 Download PDF

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毅 寒野
健司 山名
本井　見二
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住友電気工業株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a frame used for a redox flow battery cell, a cell frame for a redox flow battery, and a redox flow battery.
  • the present invention relates to a frame for a redox flow battery cell that can improve the heat dissipation of the electrolyte in a slit provided in the frame and suppress the temperature rise of the electrolyte.
  • a redox flow battery (hereinafter sometimes referred to as “RF battery”) is known (see Patent Documents 1 and 2).
  • Applications of redox flow batteries include load leveling applications, applications such as instantaneous voltage drop compensation and emergency power supplies, and smoothing of natural energy output such as solar power generation and wind power generation that are being introduced in large quantities. Can be mentioned.
  • An RF battery is a battery that performs charge and discharge using an electrolyte containing a metal ion (active material) whose valence is changed by oxidation and reduction in the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte.
  • FIG. 10 shows an operation principle diagram of a vanadium RF battery 300 using a vanadium electrolyte containing V ions as an active material in the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte.
  • a solid line arrow in the battery cell 100 in FIG. 10 indicates a charging reaction, and a broken line arrow indicates a discharging reaction.
  • the RF battery 300 includes a cell 100 separated into a positive electrode cell 102 and a negative electrode cell 103 by an ion exchange membrane 101 that transmits hydrogen ions.
  • a positive electrode 104 is built in the positive electrode cell 102, and a positive electrode electrolyte solution tank 106 for storing the positive electrode electrolyte is connected via conduits 108 and 110.
  • the negative electrode cell 103 contains a negative electrode 105 and is connected to a negative electrode electrolyte tank 107 for storing the negative electrode electrolyte via conduits 109 and 111. Then, the electrolytes stored in the tanks 106 and 107 are circulated and circulated to the cell 100 (the positive electrode cell 102 and the negative electrode cell 103) by the pumps 112 and 113 to perform charging and discharging.
  • the RF battery 300 normally has a configuration including a cell stack in which a plurality of cells 100 are stacked.
  • FIG. 11 is a schematic configuration diagram of a cell stack.
  • a cell stack 10S illustrated in FIG. 11 is formed by laminating a plurality of cell frames 20, a positive electrode 104, an ion exchange membrane 101, and a negative electrode 105 each having a bipolar plate 21 provided inside a rectangular frame-shaped frame body 22.
  • the laminate is sandwiched between two end plates 250 and tightened.
  • the frame body 22 has an opening formed inside thereof, and the cell frame 20 is configured by fitting the bipolar plate 21 into the opening of the frame body 22.
  • a recess (chamber) 24 is formed inside the frame body 22 by the inner peripheral surface of the frame body 22 and the surface of the bipolar plate 21, and the positive electrode 104 is disposed on one surface side of the bipolar plate 21.
  • a negative electrode 105 is arranged on the side.
  • An electrode (positive electrode 104 or negative electrode 105) is accommodated in a chamber 24 formed inside the frame 22, and an internal space of the chamber 24 surrounded by the bipolar plate 21, the frame 22, and the ion exchange membrane 101 is formed. It constitutes a cell (positive electrode cell or negative electrode cell).
  • a pair of positive and negative electrodes 104 and 105 are arranged between adjacent cell frames 20 with an ion exchange membrane 101 interposed therebetween, thereby making one cell (single cell). 100 will be formed.
  • the circulation of the electrolytic solution in the cell stack 10S is performed by the manifold 200 formed through the frame body 22 and the slit 210 formed on the surface of the frame body 22 and connecting the manifold 200 and the chamber 24.
  • the positive electrode electrolyte is stored in the chamber 24 in which the positive electrode 104 is accommodated through the liquid supply slit 211 formed on the one surface side (paper surface side) from the liquid supply manifold 201. , Flows through the chamber 24, and is discharged to the drainage manifold 203 through the drainage slit 213.
  • the negative electrode electrolyte is supplied from the liquid supply manifold 202 to the chamber in which the negative electrode 105 is accommodated via the liquid supply slit 212 formed on the other surface side (the back side of the paper) of the frame body 22, and the liquid discharge slit.
  • the liquid is discharged from the chamber to the drainage manifold 204 through 214.
  • an annular seal member 50 such as an O-ring or a flat packing is disposed along the outer edge portion of the frame body 22 in order to suppress leakage of the electrolytic solution.
  • JP 2013-80613 A Japanese Patent Laid-Open No. 2002-246061
  • a shunt current flows through the electrolyte in the slit and a loss due to the shunt current (shunt current loss) occurs. Due to the shunt current, the electrolytic solution may generate heat, and the temperature of the electrolytic solution may increase. For example, when the RF battery is on standby, since the electrolytic solution remains in the slit, the temperature of the electrolytic solution is likely to rise in the slit as compared with the operation in which the electrolytic solution is circulated. When the temperature of the electrolytic solution rises, precipitates may be generated in the electrolytic solution, which may lead to a decrease in battery performance such as deterioration of the electrolytic solution.
  • the frame may be damaged by the temperature rise of the electrolyte solution, such as the frame being softened and deformed by the heat. Therefore, in order to suppress the temperature rise of the electrolytic solution in the slit, it is desired to improve the heat dissipation of the electrolytic solution.
  • the slit In a frame used for a conventional RF battery cell, generally, the slit has a substantially square cross-sectional shape. Conventionally, sufficient examination has not been made on the cross-sectional shape of the slit from the viewpoint of improving the heat dissipation of the electrolytic solution in the slit.
  • the present invention has been made in view of the above circumstances, and one of the objects of the present invention is to improve the heat dissipation of the electrolyte solution in the slit and to increase the temperature of the electrolyte solution in the frame of the redox flow battery cell. It is in providing the frame which can suppress this.
  • a frame according to an aspect of the present invention is a frame used for a redox flow battery cell, an opening formed inside the frame, a manifold through which an electrolyte flows, the manifold and the opening And a slit that forms a flow path for the electrolyte between the manifold and the opening.
  • the slit has a pair of side walls opposed to each other in a cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte solution, and a width at which the distance between the side walls becomes narrower in the depth direction at least in part of the depth direction of the slit. It has a narrow part.
  • a cell frame for a redox flow battery includes the frame according to an aspect of the present invention and a bipolar plate fitted into an opening of the frame, and the frame and the bipolar plate A chamber is formed inside the frame.
  • the redox flow battery according to one aspect of the present invention includes the cell frame for a redox flow battery according to one aspect of the present invention.
  • the above frame body can improve the heat dissipation of the electrolyte solution in the slit, and can suppress the temperature rise of the electrolyte solution.
  • the cell frame for redox flow battery and the redox flow battery can improve the heat dissipation of the electrolyte solution in the slit provided in the frame constituting the cell and can suppress the temperature rise of the electrolyte solution.
  • FIG. 2 is a schematic front view of a frame according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic front view of a cell frame provided with the frame concerning Embodiment 1.
  • 3 is a schematic cross-sectional view showing a cross-sectional shape of a slit in a frame body according to Embodiment 1.
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the cross-sectional shape of the slit in the frame which concerns on Embodiment 2.
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the cross-sectional shape of the slit in the frame which concerns on Embodiment 3.
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the cross-sectional shape of the slit in the frame which concerns on Embodiment 4.
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the cross-sectional shape of the slit in the frame which concerns on Embodiment 5.
  • FIG. It is a schematic sectional drawing which shows the modification of the cross-sectional shape of a slit. It is a schematic sectional drawing which shows another modification of the cross-sectional shape of a slit. It is a schematic sectional drawing which shows another modification of the cross-sectional shape of a slit. It is a schematic sectional drawing which shows the other modification of the cross-sectional shape of a slit. It is an operation
  • the present inventors examined the cross-sectional shape of the slit that can improve the heat dissipation of the electrolyte solution in the slit and suppress the temperature rise of the electrolyte solution. Tried.
  • the “cross-sectional shape of the slit” means a cross-sectional shape orthogonal to the flow direction of the electrolytic solution, and is represented by a closed region surrounded by the wall surface and the opening constituting the slit.
  • the “cross section of the slit” means a cross section orthogonal to the flow direction of the electrolytic solution.
  • the cross-sectional shape of the conventional slit is substantially square as described above, and a bottom wall parallel to the surface of the frame body and a pair extending in a direction perpendicular to the bottom wall from the surface of the frame body and facing each other in parallel. It is a shape which has a side wall. That is, in the conventional slit, the interval between the side walls is substantially constant over the entire depth direction of the slit, and the angle formed between the side wall and the bottom wall is a right angle (90 °).
  • “Slit depth direction” means a direction perpendicular to the surface of the frame from the slit opening toward the bottom in the cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte (that is, the thickness direction of the frame). Means.
  • the cross-sectional shape of the slit is a shape having a narrow portion in which the interval between the side walls becomes narrow in the depth direction.
  • the slit In the slit, at least one of the side walls is inclined with respect to the depth direction in the narrow portion, and convection of the electrolyte moving along the side wall is promoted when convection occurs in the electrolyte in the slit.
  • the slit having such a cross-sectional shape can improve the heat dissipation of the electrolytic solution because the convection of the electrolytic solution is promoted as compared with the conventional slit whose side walls are opposed to each other and parallel to the depth direction. It is thought that the temperature rise of electrolyte solution can be suppressed.
  • a frame according to an aspect of the present invention is a frame used for a cell of a redox flow battery, wherein an opening formed inside the frame, a manifold through which an electrolyte flows, and the manifold And a slit for connecting the opening and forming a flow path for the electrolyte between the manifold and the opening.
  • the slit has a pair of side walls opposed to each other in a cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte solution, and a width at which the distance between the side walls becomes narrower in the depth direction at least in part of the depth direction of the slit. It has a narrow part.
  • the convection of the electrolytic solution is promoted because the slit has a narrow part in which the interval between the side walls becomes narrow in the depth direction in at least a part of the slit in the depth direction in the cross section. .
  • the narrow portion at least one of the side walls is inclined with respect to the depth direction, and convection of the electrolyte moving along the inclined surface of the side walls can be promoted. As a result, the heat dissipation effect of the electrolyte solution by convection is improved.
  • the heat dissipation of the electrolytic solution in the slit can be improved and the temperature rise of the electrolytic solution can be suppressed, so that the deposition of the electrolytic solution component can be suppressed. Further, the softening and deformation of the frame body due to the influence of the heat of the electrolytic solution can be suppressed.
  • the “narrow portion” is a portion where the interval between the side walls continuously changes so as to gradually narrow toward the depth direction of the slit (from the opening side to the bottom side).
  • at least one of the side walls may be inclined with respect to the depth direction, one side wall may be inclined with respect to the depth direction, and the other side wall may be along the depth direction. Both side walls may be inclined with respect to the depth direction.
  • “Along the depth direction” means substantially parallel to the depth direction (that is, perpendicular to the surface of the frame from the opening side toward the bottom side).
  • the narrow portion may be at least part of the depth direction of the slit, the narrow portion is formed in a part of the depth direction, and the other portion has a substantially constant sidewall distance. Also good.
  • the distance between the side walls from the opening to the middle position in the depth direction may be substantially constant, and a portion having the same width as the opening may exist.
  • the number of narrow portions may be one or plural. It is preferable that the narrow portion is formed over the entire depth direction.
  • the slit has a bottom wall, and the bottom wall has a flat surface parallel to the surface of the frame.
  • the circumferential length of the slit is Can be long. If the perimeter of the slit becomes longer, the contact area with the electrolytic solution is increased correspondingly, and heat transfer from the electrolytic solution to the slit wall surface increases, so that the heat dissipation effect of the electrolytic solution by heat conduction is improved. Therefore, the heat dissipation of the electrolyte solution in the slit can be further improved, and the temperature rise of the electrolyte solution can be further suppressed.
  • the “peripheral length of the slit” means the peripheral length in a cross section orthogonal to the flow direction of the electrolyte, and in the cross section, the peripheral length of the wall surface constituting the slit (the total length of the side wall and the bottom wall), and the opening portion It is expressed as the total length of the width.
  • an angle formed by at least one of the side walls and the bottom wall is 91 ° or more and 120 ° or less.
  • the angle between the side wall and the bottom wall is a right angle (90 °), as in a conventional slit having a square cross section, convection along the corner between the side wall and the bottom wall is difficult to occur, and in the vicinity of the corner, It is difficult to dissipate heat from the electrolyte due to convection. Since the angle formed by the side wall and the bottom wall is 91 ° or more, the electrolyte solution easily convects along the inclined surface of the side wall at the corner portion of the side wall and the bottom wall, and the heat dissipation of the electrolyte solution in the vicinity of the corner portion. Is promoted.
  • the cross-sectional area of the slit is constant because the angle between the side wall and the bottom wall is 120 ° or less, the circumferential length of the slit is not too long, and the pressure loss when the electrolyte flows is excessively large. Can be suppressed. Since the pressure loss decreases as the cross-sectional area of the slit increases or the peripheral length of the slit decreases, the pressure loss can be reduced as the cross-sectional area is the same. In addition, when the angle formed between the side wall and the bottom wall is 120 ° or less, the depth of the slit does not become too shallow, and it is easy to form the slit.
  • the slit may be formed at the same time when the frame is formed by injection molding, or may be formed by cutting. Further, if the angle formed between the side wall and the bottom wall is 120 ° or less, the width of the opening of the slit does not become too wide, the width of the frame can be reduced, and the size of the frame can be reduced.
  • the angle formed between the side wall and the bottom wall is preferably 95 ° or more and 110 ° or less, for example.
  • the radius of curvature of the corner may be 0.1 mm or more and 10 mm or less, and further 0.2 mm or more and 5.0 mm or less.
  • At least one of the side walls has an inclined surface inclined with respect to the depth direction, and the inclined surface is a flat surface.
  • the inclined surface of the side wall in the narrow part is a flat surface, it is easy to form with high precision, such as when the slit is formed by cutting.
  • At least one of the side walls has an inclined surface inclined with respect to the depth direction, and the inclined surface is a curved surface.
  • the inclined surface of the side wall in the narrow portion is a curved surface, the convection of the electrolyte moving along the inclined surface is more easily promoted, and the heat dissipation efficiency of the electrolyte due to the convection is further improved.
  • the slit has a bottom wall, and the bottom wall has a curved surface protruding in the depth direction of the slit.
  • the bottom wall has a curved surface protruding in the depth direction of the slit, so that the electrolyte solution easily convects along the curved surface of the bottom wall, and heat dissipation of the electrolyte solution in the vicinity of the bottom wall is promoted.
  • One form of the frame described in (7) is that the entire side wall and the bottom wall are formed in a curved shape.
  • the entire surface of the side wall and the bottom wall is curved, that is, the entire wall surface of the slit is formed into a curved surface, so that the electrolyte solution can easily convect along the wall surface (side wall and bottom wall) of the slit, and heat dissipation of the electrolyte solution by convection is possible. Efficiency is further improved.
  • the interval between the side walls at an arbitrary position in the depth direction of the slit is equal to or less than the interval between the side walls on the opening side than the position. It is done.
  • the distance between the side walls is equal to or smaller than the width of the opening throughout the depth direction of the slit, and is widest at the opening and narrowest at the bottom. Since the distance between the side walls becomes narrower from the opening toward the bottom and there is no portion that becomes wider in the depth direction, it is easy to form a slit. For example, the distance between the side walls at a position that is half the depth of the slit from the bottom is narrower than the opening, or the distance between the side walls is gradually narrowed at a position closer to the bottom than a quarter of the depth of the slit from the bottom. It is mentioned that.
  • a cell frame for a redox flow battery includes the frame according to any one of (1) to (9) above and a bipolar plate that is fitted into an opening of the frame.
  • a chamber is formed inside the frame by the frame and the bipolar plate.
  • the frame according to one aspect of the present invention since the frame according to one aspect of the present invention is provided, in the frame constituting the cell of the redox flow battery, the heat dissipation of the electrolytic solution in the slit can be improved, and the temperature of the electrolytic solution is increased. Can be suppressed. Therefore, precipitation of the electrolytic solution component can be suppressed, and softening and deformation of the frame body due to the influence of the heat of the electrolytic solution can be suppressed.
  • a redox flow battery according to an aspect of the present invention includes the cell frame for a redox flow battery described in (10) above.
  • the cell frame according to one aspect of the present invention since the cell frame according to one aspect of the present invention is provided, in the frame constituting the cell, the heat dissipation of the electrolyte solution in the slit can be improved, and the temperature rise of the electrolyte solution can be suppressed. . Therefore, precipitation of the electrolytic solution component can be suppressed, and softening and deformation of the frame body due to the influence of the heat of the electrolytic solution can be suppressed.
  • the frame body 22 illustrated in FIG. 1 has a rectangular frame shape having a pair of long pieces 22L facing each other and a pair of short pieces 22S connecting the ends of the long pieces 22L, and an opening 22o is formed inside thereof. ing. A bipolar plate 21 to be described later is fitted into the opening 22o.
  • the frame body 22 may be formed of plastic or rubber such as vinyl chloride resin, polypropylene, polyethylene, fluorine resin, or epoxy resin.
  • the frame body 22 is formed on the surface of the manifold 200 (manifolds 201 to 204) through which the electrolyte solution flows and passes through the front and back surfaces, and forms a flow path for the electrolyte solution between the manifold 200 and the opening 22o.
  • Slit 210 slits 211 to 214.
  • the manifold 200 and the slit 210 can be formed at the same time when the frame 22 is formed by injection molding, for example.
  • Manifold slit The manifolds 201 and 202 are formed on one long piece 22L (the lower long piece in FIG. 1) of the frame 22, and the manifolds 203 and 204 are the other long piece 22L (the upper long piece in FIG. 1). ).
  • the slits 211 and 213 are formed on one surface side of the frame body 22, and the slits 212 and 214 are formed on the other surface side of the frame body 22.
  • One end of each slit 211 to 214 is connected to each manifold 201 to 204, and the other end is connected to the opening 22o.
  • Each slit 211 to 214 is formed inside each manifold 201 to 204 and the frame body 22, respectively.
  • the opening 22o is connected.
  • the cell frame 20 illustrated in FIG. 2 includes a frame body 22 and a bipolar plate 21 that is fitted into the opening 22o (see FIG. 1) of the frame body 22.
  • a frame body 22 is formed so as to sandwich the peripheral portion of the bipolar plate 21 from the front and back, and the frame body 22 is integrated with the outer periphery of the bipolar plate 21 by injection molding or the like.
  • a recess is formed by the frame body 22 and the bipolar plate 21.
  • a chamber 24 in which an electrode (not shown) is accommodated inside the frame body 22 is formed by the inner peripheral surface of the frame body 22 and the surface of the bipolar plate 21.
  • FIG. 2 only the chamber 24 on one side (the front side of the drawing) of the cell frame 20 is illustrated, but the chamber is also formed on the other side (the back side of the drawing).
  • a positive electrode is housed in a chamber on one surface side of the cell frame 20
  • a negative electrode is housed in a chamber on the other surface side
  • a positive electrode is disposed on one surface side of the bipolar plate 21, and a negative electrode is disposed on the other surface side (see FIG. 11).
  • the bipolar plate 21 can be made of plastic carbon.
  • the manifolds 201 and 203 are a supply manifold and a discharge manifold for the positive electrode electrolyte
  • the slits 211 and 213 are a supply slit for the positive electrode electrolyte and It is a drainage slit
  • Manifolds 202 and 204 are a supply manifold and a drainage manifold for the negative electrode electrolyte
  • slits 212 and 214 are a supply slit and a drainage slit for the negative electrode electrolyte.
  • Each liquid supply slit 211, 212 extending from each liquid supply manifold 201, 202 is connected to the lower edge of the chamber 24 (opening 22o (see FIG. 1)), and each liquid discharge slit extending from each liquid discharge manifold 203, 204. 213 and 214 are connected to the upper edge of the chamber 24 (opening 22o). That is, the electrolytic solution is introduced into the chamber 24 from the lower side of the chamber 24, and the electrolytic solution is discharged from the upper side of the chamber 24.
  • a rectification unit (not shown) is formed along the edge at the lower edge and the upper edge of the chamber 24.
  • the rectifying unit diffuses the electrolyte introduced from the liquid supply slits 211 and 212 along the lower edge of the chamber 24, and discharges the electrolyte discharged from the upper edge of the chamber 24 to the drain slits 213 and 214. It has a function to aggregate. By this rectifying portion, the electrolyte solution flows in the chamber 24 from the lower edge portion of the chamber 24 toward the upper edge portion.
  • positive and negative electrolytes known electrolytes can be used.
  • a positive / negative electrolytic solution a combination of a V-based electrolytic solution containing V ions as a positive electrode and negative electrode active material, a Fe / Cr-based electrolytic solution containing Fe ions as a positive electrode active material, and Cr ions as a negative electrode active material
  • a Ti / Mn electrolyte containing Mn ions as the positive electrode active material and Ti ions as the negative electrode active material.
  • a plastic protection plate 40 that protects the ion exchange membrane may be disposed at a portion of the frame body 22 where the slits 211 to 214 are formed.
  • the protection plate 40 is disposed on the surface of the long piece 22L of the frame 22 so as to cover the slits 211 to 214, and each protection plate 40 has a through-hole or notch at a position corresponding to each manifold 201 to 204. Is formed.
  • the protection plate 40 disposed on one surface side of the frame 22 in which the slits 211 and 213 for the positive electrode electrolyte are formed is connected to the manifolds 201 and 203 for the positive electrode electrolyte.
  • a circular through hole is formed, and rectangular notches are formed in the manifolds 202 and 204 for the negative electrode electrolyte.
  • rectangular cutouts are formed with respect to the manifolds 201 and 203 for the positive electrode electrolyte.
  • the protective plate 40 prevents the slits 211 to 214 from coming into contact with the ion exchange membrane. Can be prevented from being damaged.
  • FIG. 2 only the protective plate 40 that covers the slits 211 and 213 formed on one surface side of the frame body 22 is illustrated, but a protective plate is also disposed on the other surface side of the frame body 22, and the slits 212, 214 is covered with a protective plate.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional shape of the slit 210 in the frame (cell frame) according to the first embodiment.
  • the slit 210 has a pair of side walls 31 opposed to each other in a cross section perpendicular to the flow direction of the electrolyte solution, and a width at which the distance between the side walls 31 is narrowed in the depth direction at least in part of the depth direction of the slit 210. It has a narrow portion 310.
  • the cross-sectional shape of the slit 210 of the first embodiment will be described in more detail.
  • the slit 210 of the first embodiment has a bottom wall 32 that connects lower ends (bottom side) of the pair of side walls 31.
  • the bottom wall 32 has a flat surface parallel to the surface of the frame body 22.
  • the pair of side walls 31 are inclined with respect to the depth direction, and the interval between the side walls 31 is gradually narrowed toward the depth direction (from the opening 33 to the bottom wall 32).
  • Each side wall 31 has an inclined surface from the opening 33 to the bottom wall 32, and the inclined surface is a flat surface.
  • the inclination angle ⁇ with respect to the depth direction of each side wall 31 (inclined surface) is substantially equal.
  • the narrow portion 310 is formed over the entire depth direction, and the cross-sectional shape of the slit is such that the opening 33 is a long side and the bottom wall 32 is a short side.
  • the shape (specifically, isosceles trapezoidal shape).
  • the interval between the side walls 31 at an arbitrary position in the depth direction is equal to or less than the interval between the side walls 31 on the opening 33 side than the position. That is, the interval between the side walls 31 is equal to or smaller than the width of the opening 33 over the entire depth direction, and is widest at the opening 33 and narrowest at the bottom wall 32 side.
  • the angle ⁇ of the corner portion 34 formed by the side wall 31 and the bottom wall 32 is more than 90 ° and less than 180 °, for example, 91 ° to 120 °, preferably 95 ° to 110 °. Can be mentioned.
  • the inclination angle ⁇ with respect to the depth direction of the side wall 31 (inclined surface) is, for example, 1 ° to 45 °, further 30 ° or less, preferably 5 ° to 20 °.
  • the width w of the opening 33 is, for example, 0.1 mm or more, particularly 0.5 mm or more and 20 mm or less, and further 1.0 mm or more and 8.0 mm or less.
  • the depth h (the length in the depth direction from the opening 33 to the bottom wall 32) is, for example, not less than 0.1 mm, particularly not less than 0.5 mm and not more than 10 mm, more preferably not less than 1.0 mm and not more than 5.0 mm. It is done.
  • the frame body 22 (cell frame 20) according to the first embodiment has a narrow portion 310 at least in the depth direction of the slit 210, and convection of the electrolytic solution that moves along the inclined surface of the side wall 31. Can be promoted. Since the heat dissipation efficiency of the electrolyte solution by convection is improved, the heat dissipation of the electrolyte solution in the slit can be improved, and the temperature rise of the electrolyte solution can be suppressed. As a result, precipitation of the electrolyte component can be suppressed.
  • the side wall 31 is inclined with respect to the depth direction, the entire side wall 31 is an inclined surface, and the narrow portion 310 is formed over the entire depth direction.
  • the electrolyte solution is easy to convect, and the heat dissipation effect of the electrolyte solution by convection is high. Furthermore, since the angle ⁇ formed between the side wall 31 and the bottom wall 32 is 91 ° or more and 120 ° or less, the electrolyte solution easily convects along the inclined surface of the side wall 31 at the corner portion 34, and in the vicinity of the corner portion 34. Heat dissipation from the electrolyte can be promoted.
  • the slit 210 of the first embodiment has a trapezoidal cross section (specifically, isosceles trapezoidal shape), and has the same cross-sectional area as that of a conventional slit having a square cross section.
  • the circumference becomes longer. Therefore, the contact area with the electrolytic solution is increased, and the heat dissipation efficiency of the electrolytic solution due to heat conduction is improved.
  • the cross-sectional shape of the slit 210 is an isosceles trapezoid
  • the pair of side walls 31 constituting the narrow portion 310 are inclined with respect to the depth direction
  • the interval between the side walls 31 faces the depth direction.
  • the narrowing form As a modification of the first embodiment, one of the pair of side walls 31 may be inclined with respect to the depth direction, and the other side wall 31 may be along the depth direction. Further, the inclination angle ⁇ of each side wall 31 may be different.
  • Embodiment 2 In Embodiment 2 shown in FIG. 4, the corner
  • the corner portion 34 is formed into a curved surface, so that the electrolyte solution easily convects along the corner portion 34 and heat dissipation of the electrolyte solution in the vicinity of the corner portion 34 is promoted.
  • the radius of curvature r of the corner portion 34 is, for example, from 0.1 mm to 10 mm, and further from 0.2 mm to 5.0 mm.
  • the inclined surface of the side wall 31 which comprises the narrow part 310 is a curved surface.
  • the inclined surface of the side wall 31 is a curved surface, the convection of the electrolyte moving along the inclined surface can be further promoted, and the heat dissipation efficiency of the electrolyte due to the convection is further improved.
  • the shape of the curved surface include an arc shape and an elliptic arc shape.
  • the bottom wall 32 has a curved surface protruding in the depth direction.
  • the electrolyte solution easily convects along the curved surface of the bottom wall 32 and heat dissipation of the electrolyte solution in the vicinity of the bottom wall 32 is promoted.
  • Embodiment 5 In Embodiment 5 shown in FIG. 7, the whole surface of the side wall 31 and the bottom wall 32 is formed in the curved surface shape.
  • the entire surfaces of the side wall 31 and the bottom wall 32 are curved, that is, the entire wall surface of the slit 210 is formed into a curved surface, the electrolytic solution easily convects along the wall surface (side wall 31 and bottom wall 32), and electrolysis by convection occurs. The heat dissipation efficiency of the liquid is further improved.
  • Examples of the cross-sectional shape of the slit 210 include a semicircular shape and a semi-elliptical shape. In the case of the slit 210 shown in FIG.
  • the form having the bottom wall 32 has been described.
  • the cross-sectional shape of the slit is a triangular shape having the bottom as the apex and the opening 33 as the base (specific example). , Isosceles triangle shape).
  • the entire surface of the side wall 31 is an inclined surface, and the form which has the narrow part 310 over the whole depth direction was demonstrated,
  • a part of side wall 31 is an inclined surface and the depth direction
  • the narrow portion 310 may be formed in a part of the side wall, and the interval between the side walls 31 may be substantially constant in the other part.
  • the upper end (opening 33 side) of the side wall 31 is inclined, and a form having a narrow portion 310 on the opening 33 side, or as shown in FIG.
  • the form which has the narrow part 310 in the bottom wall 32 side inclines the lower end (bottom wall 32 side) of the side wall 31 is mentioned. In the case of FIG.
  • the interval between the side walls 31 is constant in the portion closer to the bottom wall 32 than the narrow portion 310, and in the case of FIG. 8B, in the portion from the opening 33 to the narrow portion 310, The interval between the side walls 31 is equal to the width of the opening 33.
  • the center of the side wall 31 may incline and the narrow part 310 may be formed in the middle of the depth direction.
  • the number of the narrow portions 310 is not limited to one and may be plural.
  • the form which has the narrow part 310 in the opening part 33 side and the bottom wall 32 side is mentioned, for example.
  • the inclination angle of the side wall 31 (inclined surface) in each narrow portion 310 may be the same or different.
  • a redox flow battery including the cell frame according to the embodiment described above will be described.
  • the cell frame When the cell frame is applied to a redox flow battery, it is used in the form of a cell stack (see FIG. 11) in which a plurality of cell frames, positive electrodes, ion exchange membranes, and negative electrodes are stacked. And it is mentioned that a redox flow battery is set as the structure provided with this cell stack.
  • the frame body and cell frame of the present invention can be suitably used as a component part of a redox flow battery.

Abstract

スリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できるレドックスフロー電池のセルに用いられる枠体を提供する。レドックスフロー電池のセルに用いられる枠体であって、前記枠体の内側に形成された開口と、電解液が流通するマニホールドと、前記マニホールドと前記開口とを接続し、前記マニホールドと前記開口との間で前記電解液の流路を形成するスリットとを備え、前記スリットは、前記電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁を有し、前記スリットの深さ方向の少なくとも一部に、前記側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する枠体。

Description

枠体、レドックスフロー電池用セルフレーム及びレドックスフロー電池
　本発明は、レドックスフロー電池のセルに用いられる枠体、レドックスフロー電池用セルフレーム及びレドックスフロー電池に関する。特に、枠体に設けられたスリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できるレドックスフロー電池用セルの枠体に関する。
　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、２を参照）。レドックスフロー電池の用途としては、負荷平準化用途の他、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が挙げられる。
　ＲＦ電池は、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（活物質）を含有する電解液を使用して充放電を行う電池である。図１０に、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３００の動作原理図を示す。図１０中の電池セル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す。
　ＲＦ電池３００は、水素イオンを透過させるイオン交換膜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。一方、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。そして、ポンプ１１２，１１３により、各タンク１０６，１０７に貯留される電解液をセル１００（正極セル１０２及び負極セル１０３）に循環流通させて、充放電を行う。
　上記ＲＦ電池３００には、通常、複数のセル１００が積層されたセルスタックを備える構成が利用されている。図１１は、セルスタックの概略構成図である。図１１に例示するセルスタック１０Ｓは、矩形枠状の枠体２２の内側に双極板２１が設けられたセルフレーム２０、正極電極１０４、イオン交換膜１０１、及び負極電極１０５をそれぞれ複数積層してなり、その積層体を２枚のエンドプレート２５０で挟み込んで締め付けることで形成されている。枠体２２は、その内側に開口が形成されており、セルフレーム２０は、枠体２２の開口に双極板２１が嵌め込まれて構成されている。セルフレーム２０は、枠体２２の内周面及び双極板２１の表面により枠体２２の内側に凹部（チャンバー）２４が形成され、双極板２１の一面側に正極電極１０４が配置され、他面側に負極電極１０５が配置される。枠体２２の内側に形成されたチャンバー２４には、電極（正極電極１０４又は負極電極１０５）が収納され、双極板２１と枠体２２とイオン交換膜１０１とで囲まれるチャンバー２４の内部空間がセル（正極セル又は負極セル）を構成する。上記セルスタック１０Ｓでは、図１１に示すように、隣接するセルフレーム２０の間に、イオン交換膜１０１を挟んで正負一対の電極１０４，１０５が配置されることにより、１つのセル（単セル）１００が形成されることになる。
　セルスタック１０Ｓにおける電解液の流通は、枠体２２に貫通して形成されたマニホールド２００、及び枠体２２の表面に形成され、マニホールド２００とチャンバー２４との間を接続するスリット２１０により行われる。図１１に例示するセルスタック１０Ｓでは、正極電解液は、給液マニホールド２０１から枠体２２の一面側（紙面表側）に形成された給液スリット２１１を介して正極電極１０４が収納されるチャンバー２４に供給され、このチャンバー２４内を流通し、排液スリット２１３を介して排液マニホールド２０３に排出される。同様に、負極電解液は、給液マニホールド２０２から枠体２２の他面側（紙面裏側）に形成された給液スリット２１２を介して負極電極１０５が収納されるチャンバーに供給され、排液スリット２１４を介してチャンバーから排液マニホールド２０４に排出される。セルフレーム２０間には、電解液の漏洩を抑制するため、枠体２２の外縁部に沿ってＯリングや平パッキンなどの環状のシール部材５０が配置されている。
特開２０１３－８０６１３号公報 特開２００２－２４６０６１号公報
　ＲＦ電池では、スリット内に充電状態の電解液が満たされていると、スリット内の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、電解液の温度上昇により、その熱によって枠体が軟化して変形するなど枠体（セルフレーム）にダメージを与える虞がある。したがって、スリット内の電解液の温度上昇を抑制するため、電解液の放熱を改善することが望まれる。
　従来のＲＦ電池のセルに用いられている枠体では、一般に、スリットの断面形状が略正方形状である。従来、スリットの断面形状について、スリット内の電解液の放熱を改善する観点から、必ずしも十分な検討が行われていなかった。
　本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の１つは、レドックスフロー電池用セルの枠体において、スリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できる枠体を提供することにある。
　本発明の一態様に係る枠体は、レドックスフロー電池のセルに用いられる枠体であって、前記枠体の内側に形成された開口と、電解液が流通するマニホールドと、前記マニホールドと前記開口とを接続し、前記マニホールドと前記開口との間で前記電解液の流路を形成するスリットとを備える。前記スリットは、前記電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁を有し、前記スリットの深さ方向の少なくとも一部に、前記側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する。
　本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルフレームは、上記本発明の一態様に係る枠体と、前記枠体の開口に嵌め込まれる双極板とを備え、前記枠体及び前記双極板により前記枠体の内側にチャンバーが形成されている。
　本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルフレームを備える。
　上記枠体は、スリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できる。上記レドックスフロー電池用セルフレーム及びレドックスフロー電池は、セルを構成する枠体に設けられたスリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できる。
実施形態１に係る枠体の概略正面図である。 実施形態１に係る枠体を備えるセルフレームの概略正面図である。 実施形態１に係る枠体におけるスリットの断面形状を示す概略断面図である。 実施形態２に係る枠体におけるスリットの断面形状を示す概略断面図である。 実施形態３に係る枠体におけるスリットの断面形状を示す概略断面図である。 実施形態４に係る枠体におけるスリットの断面形状を示す概略断面図である。 実施形態５に係る枠体におけるスリットの断面形状を示す概略断面図である。 スリットの断面形状の変形例を示す概略断面図である。 スリットの断面形状の別の変形例を示す概略断面図である。 スリットの断面形状の更に別の変形例を示す概略断面図である。 スリットの断面形状の他の変形例を示す概略断面図である。 レドックスフロー電池の動作原理図である。 セルスタックの概略構成図である。
　［本発明の実施形態の説明］
　本発明者らは、枠体に設けられたスリットでの電解液成分の析出を抑制するため、スリット内の電解液の放熱を改善して電解液の温度上昇を抑制できるスリットの断面形状について検討を試みた。「スリットの断面形状」とは、電解液の流通方向に直交する断面の形状を意味し、当該断面において、スリットを構成する壁面と開口部とで囲まれる閉領域で表される。以下の説明において、特に断りがない限り、「スリットの断面」とは、電解液の流通方向に直交する断面を意味する。
　シャント電流による発熱によってスリット内の電解液の温度が上昇した場合、電解液の熱は電解液が接するスリットの壁面から放熱され、冷却される。そのため、スリット内において、スリットの壁面に接している部分では、熱伝導によって電解液の温度が低くなり、温度差により電解液の対流が起こる。この対流を促進させることができれば、電解液からスリット壁面への熱の移動が促進され、電解液の放熱効率が向上すると考えられる。そこで、本発明者らは、電解液の対流を促進できるスリットの断面形状について種々検討した。
　従来のスリットの断面形状は、上述したように略正方形状であり、枠体の表面に平行な底壁と、枠体の表面から底壁に対して垂直方向に延び、互いに平行に対向する一対の側壁とを有する形状である。つまり、従来のスリットは、スリットの深さ方向の全体に亘って側壁の間隔が実質的に一定であり、側壁と底壁とのなす角度が直角（９０°）である。「スリットの深さ方向」とは、電解液の流通方向に直交する断面において、スリットの開口部から底部に向かって枠体の表面に対して垂直な方向（即ち、枠体の厚さ方向）を意味する。
　本発明者らは、電解液の対流を促進するため、スリットの断面形状を、側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する形状とすることを考えた。このスリットは、幅狭部において側壁の少なくとも一方が深さ方向に対して傾斜しており、スリット内の電解液に対流が生じた際に側壁に沿って移動する電解液の対流が促進されると考えられる。したがって、このような断面形状のスリットは、側壁が互いに対向し、且つ深さ方向に平行な従来のスリットに比較して、電解液の対流が促進されるため、電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できると考えられる。
　本発明者らは、上述の考えに基づいて、本発明を完成するに至った。最初に本発明の実施態様を列記して説明する。
　（１）本発明の一態様に係る枠体は、レドックスフロー電池のセルに用いられる枠体であって、前記枠体の内側に形成された開口と、電解液が流通するマニホールドと、前記マニホールドと前記開口とを接続し、前記マニホールドと前記開口との間で前記電解液の流路を形成するスリットとを備える。前記スリットは、前記電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁を有し、前記スリットの深さ方向の少なくとも一部に、前記側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する。
　上記枠体によれば、スリットが、その断面において、スリットの深さ方向の少なくとも一部に側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有することから、電解液の対流が促進される。具体的には、幅狭部において、側壁の少なくとも一方が深さ方向に対して傾斜しており、この側壁の傾斜面に沿って移動する電解液の対流を促進できる。その結果、対流による電解液の放熱効果が向上する。したがって、従来に比較して、スリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できるので、電解液成分の析出を抑制できる。また、電解液の熱の影響による枠体の軟化、変形を抑制できる。
　「幅狭部」とは、側壁の間隔が、スリットの深さ方向（開口部側から底部側）に向かって徐々に狭くなるように連続的に変化する部分である。幅狭部において、側壁の少なくとも一方が深さ方向に対して傾斜していればよく、一方の側壁が深さ方向に対して傾斜し、他方の側壁が深さ方向に沿っていてもよいし、両方の側壁が深さ方向に対して傾斜していてもよい。「深さ方向に沿って」とは、深さ方向に対して実質的に平行（つまり、開口部側から底部側に向かって枠体表面に対して垂直）であることを意味する。また、幅狭部は、スリットの深さ方向の少なくとも一部にあればよく、深さ方向の一部に幅狭部が形成され、その他の部分は側壁の間隔が実質的に一定であってもよい。例えば、開口部から深さ方向の途中位置まで側壁の間隔が実質的に一定で、開口部の幅と同じ部分が存在してもよい。幅狭部の数は１つであってもよいし、複数であってもよい。深さ方向の全体に亘って幅狭部が形成されていることが好ましい。
　（２）上記枠体の一形態として、上記スリットは、底壁を有し、前記底壁は、上記枠体の表面に平行な平坦面を有することが挙げられる。
　上記形態によれば、底壁が枠体の表面に平行な平坦面を有することで、従来の断面正方形状のスリットに比較して、スリットの断面積を同じとした場合、スリットの周長を長くできる。スリットの周長が長くなれば、その分、電解液との接触面積が大きくなり、電解液からスリット壁面への熱の移動が多くなることから、熱伝導による電解液の放熱効果が向上する。よって、スリット内の電解液の放熱をより改善でき、電解液の温度上昇をより抑制できる。「スリットの周長」とは、電解液の流通方向に直交する断面における周長を意味し、当該断面において、スリットを構成する壁面の周長（側壁及び底壁の全長）と、開口部の幅とを合計した長さで表される。
　（３）上記（２）に記載の枠体の一形態として、少なくとも一方の上記側壁と上記底壁とのなす角度が９１°以上１２０°以下であることが挙げられる。
　従来の断面正方形状のスリットのように、側壁と底壁とのなす角度が直角（９０°）であると、側壁と底壁との角部に沿った対流が生じ難く、角部近傍において、対流による電解液の放熱が促進され難い。側壁と底壁とのなす角度が９１°以上であることで、側壁と底壁との角部において、側壁の傾斜面に沿って電解液が対流し易く、角部近傍での電解液の放熱が促進される。側壁と底壁とのなす角度が１２０°以下であることで、スリットの断面積を一定とした場合、スリットの周長が長くなり過ぎず、電解液が流通する際の圧力損失が過度に大きくなることを抑制できる。スリットの断面積が大きいほど、或いはスリットの周長が短いほど、圧力損失は小さくなるため、断面積を同じとした場合、周長が短い方が圧力損失を小さくできる。その他、側壁と底壁とのなす角度が１２０°以下であることで、スリットの深さが浅くなり過ぎず、スリットを形成し易い。スリットは、例えば、枠体を射出成形により形成する際に同時に形成したり、切削加工により形成することが挙げられる。また、側壁と底壁とのなす角度が１２０°以下であれば、スリットの開口部の幅が広くなり過ぎず、枠体の幅を小さくでき、枠体の小型化を図ることができる。側壁と底壁とのなす角度は、例えば９５°以上１１０°以下であることが好ましい。
　（４）上記（２）又は（３）に記載の枠体の一形態として、少なくとも一方の上記側壁と上記底壁との角部が曲面状に形成されていることが挙げられる。
　側壁と底壁との角部が曲面状に形成されていることで、角部に沿って電解液が対流し易く、角部近傍での電解液の放熱が促進される。例えば、角部の曲率半径は０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが挙げられる。
　（５）上記枠体の一形態として、上記幅狭部において、上記側壁の少なくとも一方は、深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、上記傾斜面が平面であることが挙げられる。
　幅狭部における側壁の傾斜面が平面であることで、スリットを切削加工により形成する場合など、精度よく形成し易い。
　（６）上記枠体の一形態として、上記幅狭部において、上記側壁の少なくとも一方は、深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、上記傾斜面が曲面であることが挙げられる。
　幅狭部における側壁の傾斜面が曲面であることで、傾斜面に沿って移動する電解液の対流がより促進され易く、対流による電解液の放熱効率がより向上する。
　（７）上記枠体の一形態として、上記スリットは、底壁を有し、前記底壁は、上記スリットの深さ方向に突出する曲面を有することが挙げられる。
　上記形態によれば、底壁がスリットの深さ方向に突出する曲面を有することで、底壁の曲面に沿って電解液が対流し易く、底壁近傍での電解液の放熱が促進される。
　（８）上記（７）に記載の枠体の一形態として、上記側壁と上記底壁の全面が曲面状に形成されていることが挙げられる。
　側壁と底壁の全面が曲面状、即ちスリットの壁面全体が曲面に形成されていることで、スリットの壁面（側壁及び底壁）に沿って電解液が対流し易く、対流による電解液の放熱効率がより向上する。
　（９）上記枠体の一形態として、上記スリットの深さ方向の任意の位置における上記側壁の間隔が、その位置よりも開口部側における上記側壁の間隔に対して同等以下であることが挙げられる。
　上記形態によれば、側壁の間隔が、スリットの深さ方向の全体に亘って開口部の幅以下で、かつ、開口部で最も広く、底部で最も狭くなる。側壁の間隔が、開口部から底部に向かって狭くなり、深さ方向の途中で広くなる部分がないため、スリットを形成し易い。例えば、底部からスリットの深さの半分の位置における側壁の間隔が開口部より狭くなっていたり、底部からスリットの深さの１／４の位置より底部側の部分で側壁の間隔が徐々に狭くなっていることが挙げられる。
　（１０）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用セルフレームは、上記（１）～（９）のいずれか１つに記載の枠体と、前記枠体の開口に嵌め込まれる双極板とを備え、前記枠体及び前記双極板により前記枠体の内側にチャンバーが形成されている。
　上記セルフレームによれば、本発明の一態様に係る上記枠体を備えることから、レドックスフロー電池のセルを構成する枠体において、スリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できる。したがって、電解液成分の析出を抑制したり、電解液の熱の影響による枠体の軟化、変形を抑制できる。
　（１１）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記（１０）に記載のレドックスフロー電池用セルフレームを備える。
　上記レドックスフロー電池によれば、本発明の一態様に係る上記セルフレームを備えることから、セルを構成する枠体において、スリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できる。したがって、電解液成分の析出を抑制したり、電解液の熱の影響による枠体の軟化、変形を抑制できる。
　［本発明の実施形態の詳細］
　本発明の実施形態に係る枠体、並びにレドックフロー電池用セルフレームの具体例を、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、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。
　［実施形態１］
　〈枠体〉
　図１～図３を参照して、実施形態１に係る枠体及びセルフレームについて説明する。図１に例示する枠体２２は、互いに対向する一対の長片２２Ｌと、長片２２Ｌの端部同士を繋ぐ一対の短片２２Ｓとを有する矩形枠状であり、その内側に開口２２ｏが形成されている。この開口２２ｏには、後述する双極板２１が嵌め込まれる。枠体２２は、例えば塩化ビニル樹脂、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やゴムで形成することが挙げられる。
　枠体２２は、その表裏を貫通し、電解液が流通するマニホールド２００（マニホールド２０１～２０４）と、その表面に形成されて、マニホールド２００と開口２２ｏとの間で電解液の流路を形成するスリット２１０（スリット２１１～２１４）とを備える。マニホールド２００及びスリット２１０は、例えば、枠体２２を射出成形により形成する際に同時に形成することができる。
　（マニホールド・スリット）
　マニホールド２０１，２０２は枠体２２の一方の長片２２Ｌ（図１では下側の長片）に形成され、マニホールド２０３，２０４は枠体２２の他方の長片２２Ｌ（図１では上側の長片）に形成されている。スリット２１１，２１３は枠体２２の一面側に形成され、スリット２１２，２１４は枠体２２の他面側に形成されている。各スリット２１１～２１４の一端はそれぞれ各マニホールド２０１～２０４に繋がり、他端は開口２２ｏに繋がっており、各スリット２１１～２１４はそれぞれ、各マニホールド２０１～２０４と枠体２２の内側に形成された開口２２ｏとを接続する。
　〈セルフレーム〉
　図２を参照して、図１に示す実施形態１に係る枠体を備えるセルフレームについて説明する。図２に例示するセルフレーム２０は、枠体２２と、枠体２２の開口２２ｏ（図１参照）に嵌め込まれる双極板２１とを備える。セルフレーム２０は、双極板２１の周縁部を表裏から挟むように枠体２２が形成され、双極板２１の外周に枠体２２が射出成形などにより一体化されている。枠体２２の開口２２ｏに双極板２１が嵌め込まれることで、枠体２２及び双極板２１により凹部（チャンバー２４）が形成される。具体的には、セルフレーム２０は、枠体２２の内周面及び双極板２１の表面により枠体２２の内側に電極（図示せず）が収納されるチャンバー２４が形成されている。図２では、セルフレーム２０の一面側（紙面表側）のチャンバー２４のみ図示しているが、他面側（紙面裏側）にもチャンバーが形成されている。セルフレーム２０の一面側のチャンバーに正極電極、他面側のチャンバーに負極電極が収納され、双極板２１の一面側に正極電極、他面側に負極電極が配置される（図１１参照）。双極板２１には、プラスチックカーボン製のものが利用できる。
　図２に例示するセルフレーム２０（枠体２２）の場合、マニホールド２０１及び２０３が正極電解液用の給液マニホールド及び排液マニホールドであり、スリット２１１及び２１３が正極電解液用の給液スリット及び排液スリットである。マニホールド２０２及び２０４が負極電解液用の給液マニホールド及び排液マニホールドであり、スリット２１２及び２１４が負極電解液用の給液スリット及び排液スリットである。各給液マニホールド２０１，２０２から延びる各給液スリット２１１，２１２がチャンバー２４（開口２２ｏ（図１参照））の下縁部に繋がっており、各排液マニホールド２０３，２０４から延びる各排液スリット２１３，２１４がチャンバー２４（開口２２ｏ）の上縁部に繋がっている。つまり、チャンバー２４の下側からチャンバー２４内に電解液が導入され、チャンバー２４の上側から電解液が排出される。チャンバー２４の下縁部及び上縁部には、縁部に沿って整流部（図示せず）が形成されている。整流部は、給液スリット２１１，２１２から導入された電解液をチャンバー２４の下縁部に沿って拡散させたり、チャンバー２４の上縁部から排出される電解液を排液スリット２１３，２１４へ集約する機能を有する。この整流部により、チャンバー２４の下縁部から上縁部に向かってチャンバー２４内を電解液が流通するようになっている。
　正負の電解液には、公知の電解液を利用できる。例えば、正負の電解液としては、正極及び負極の活物質としてＶイオンを含有するＶ系電解液、正極活物質としてＦｅイオン、負極活物質としてＣｒイオンを含有するＦｅ／Ｃｒ系電解液の組み合わせ、正極活物質としてＭｎイオン、負極活物質としてＴｉイオンを含有するＴｉ／Ｍｎ系電解液などが挙げられる。
　（保護板）
　セルフレーム２０には、枠体２２のスリット２１１～２１４が形成された部分に、イオン交換膜（図１１参照）を保護するプラスチック製の保護板４０が配置されていてもよい。保護板４０は、各スリット２１１～２１４を覆うように枠体２２の長片２２Ｌの表面にそれぞれ配置され、各保護板４０には、各マニホールド２０１～２０４に対応する位置に貫通孔又は切欠きが形成されている。図２に例示する保護板４０の場合、正極電解液用のスリット２１１，２１３が形成された枠体２２の一面側に配置される保護板４０については、正極電解液用のマニホールド２０１，２０３に対して円形状の貫通孔が形成され、負極電解液用のマニホールド２０２，２０４に対しては矩形状の切欠きが形成されている。逆に、負極電解液用のスリット２１２，２１４が形成された枠体２２の他面側に配置される保護板４０では、正極電解液用のマニホールド２０１，２０３に対して矩形状の切欠きが形成され、負極電解液用のマニホールド２０２，２０４に対しては円形状の貫通孔が形成されている。この保護板４０によって、セルフレーム２０を用いてレドックスフロー電池のセル（図１１参照）を構成したとき、各スリット２１１～２１４がイオン交換膜に接触することがなくなり、スリットの凹凸によってイオン交換膜が損傷することを防止できる。図２では、枠体２２の一面側に形成されたスリット２１１，２１３を覆う保護板４０のみ図示しているが、枠体２２の他面側にも保護板が配置されており、スリット２１２，２１４が保護板で覆われている。
　（スリットの断面形状）
　図３は、実施形態１に係る枠体（セルフレーム）におけるスリット２１０の断面形状を示している。スリット２１０は、電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁３１を有し、スリット２１０の深さ方向の少なくとも一部に、側壁３１の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部３１０を有する。以下、実施形態１のスリット２１０の断面形状について、より詳しく説明する。
　実施形態１のスリット２１０は、一対の側壁３１の下端（底部側）同士を繋ぐ底壁３２を有する。この底壁３２は、枠体２２の表面に平行な平坦面を有する。一対の側壁３１は、深さ方向に対して傾斜しており、側壁３１の間隔が深さ方向（開口部３３から底壁３２）に向かって徐々に狭くなっている。各側壁３１は、開口部３３から底壁３２にかけて全面が傾斜面となっており、傾斜面が平面である。各側壁３１（傾斜面）の深さ方向に対する傾斜角度βは略等しい。したがって、実施形態１のスリット２１０では、深さ方向の全体に亘って幅狭部３１０が形成されており、スリットの断面形状が、開口部３３を長辺、底壁３２を短辺とする台形状（具体的には等脚台形状）である。
　このスリット２１０は、深さ方向の任意の位置における側壁３１の間隔が、その位置よりも開口部３３側における側壁３１の間隔に対して同等以下である。つまり、側壁３１の間隔が、深さ方向の全体に亘って開口部３３の幅以下で、かつ、開口部３３で最も広く、底壁３２側で最も狭くなる。
　スリット２１０において、側壁３１と底壁３２とがなす角部３４の角度αは、９０°超１８０°未満であり、例えば９１°以上１２０°以下、好ましくは９５°以上１１０°以下であることが挙げられる。側壁３１（傾斜面）の深さ方向に対する傾斜角度βは、例えば１°以上４５°以下、更に３０°以下、好ましくは５°以上２０°以下であることが挙げられる。開口部３３の幅ｗは、例えば０．１ｍｍ以上、特に０．５ｍｍ以上２０ｍｍ以下、更に１．０ｍｍ以上８．０ｍｍ以下であることが挙げられる。深さｈ（開口部３３から底壁３２までの深さ方向の長さ）は、例えば０．１ｍｍ以上、特に０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に１．０ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが挙げられる。
　｛作用効果｝
　実施形態１に係る枠体２２（セルフレーム２０）は、スリット２１０の深さ方向の少なくとも一部に幅狭部３１０を有しており、側壁３１の傾斜面に沿って移動する電解液の対流を促進できる。対流による電解液の放熱効率が向上するため、スリット内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できる。その結果、電解液成分の析出を抑制できる。特に、側壁３１が深さ方向に対して傾斜し、側壁３１の全面が傾斜面となっており、深さ方向の全体に亘って幅狭部３１０が形成されていることから、側壁３１に沿って電解液が対流し易く、対流による電解液の放熱効果が高い。更に、側壁３１と底壁３２とのなす角度αが９１°以上１２０°以下であることで、角部３４において、側壁３１の傾斜面に沿って電解液が対流し易く、角部３４近傍での電解液からの放熱を促進できる。
　実施形態１のスリット２１０は、断面形状が台形状（具体的には等脚台形状）であり、断面形状が正方形状の従来のスリットに比較して、断面積を同じとした場合、スリットの周長が長くなる。そのため、電解液との接触面積が大きくなり、熱伝導による電解液の放熱効率が向上する。
　また、側壁３１の間隔が、開口部３３から底壁３２に向かって狭くなっていることから、深さ方向の途中で広くなる部分がないため、スリット２１０を形成し易い。
　［変形例］
　実施形態１では、スリット２１０の断面形状が等脚台形状であり、幅狭部３１０を構成する一対の側壁３１が深さ方向に対して互いに傾斜し、側壁３１の間隔が深さ方向に向かって狭くなる形態を説明した。実施形態１の変形例として、一対の側壁３１のうち、一方の側壁３１が深さ方向に対して傾斜し、他方の側壁３１が深さ方向に沿っていてもよい。また、各側壁３１の傾斜角度βが異なっていてもよい。
　次に、図４～図７に基づいて、スリット２１０の断面形状の他の形態例を説明する。以下では、スリット２１０について、上述の実施形態１と同様の構成には同一符号を付してその説明を省略し、実施形態１との相違点を中心に説明する。
　［実施形態２］
　図４に示す実施形態２では、側壁３１と底壁３２との角部３４が曲面状に形成されている。
　実施形態２のスリット２１０は、角部３４が曲面状に形成されていることで、角部３４に沿って電解液が対流し易く、角部３４近傍での電解液の放熱が促進される。角部３４の曲率半径ｒは、例えば０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に０．２ｍｍ以上５．０ｍｍ以下であることが挙げられる。
　［実施形態３］
　図５に示す実施形態３では、幅狭部３１０を構成する側壁３１の傾斜面が曲面である。
　実施形態３のスリット２１０は、側壁３１の傾斜面が曲面であることで、傾斜面に沿って移動する電解液の対流をより促進でき、対流による電解液の放熱効率がより向上する。曲面の形状としては、例えば、円弧形状、楕円弧形状などが挙げられる。
　［実施形態４］
　図６に示す実施形態４では、底壁３２が深さ方向に突出する曲面を有する。
　実施形態４のスリット２１０は、底壁３２が曲面を有することで、底壁３２の曲面に沿って電解液が対流し易く、底壁３２近傍での電解液の放熱が促進される。
　［実施形態５］
　図７に示す実施形態５では、側壁３１と底壁３２の全面が曲面状に形成されている。
　側壁３１と底壁３２の全面が曲面状、即ちスリット２１０の壁面全体が曲面に形成されていることで、壁面（側壁３１及び底壁３２）に沿って電解液が対流し易く、対流による電解液の放熱効率がより向上する。スリット２１０の断面形状としては、半円形状、半楕円形状などが挙げられ、図７に示すスリット２１０の場合、半楕円形状である。
　（その他）
　上述の実施形態では、底壁３２を有する形態を説明したが、底壁を有さない形態、例えば、スリットの断面形状が、底部を頂点とし、開口部３３を底辺とする三角形状（具体例、二等辺三角形状）であってもよい。
　上述の実施形態では、側壁３１の全面が傾斜面であり、深さ方向の全体に亘って幅狭部３１０を有する形態を説明したが、側壁３１の一部が傾斜面であり、深さ方向の一部に幅狭部３１０が形成され、その他の部分は側壁３１の間隔が実質的に一定であってもよい。例えば、図８（ａ）に示すように、側壁３１の上端（開口部３３側）が傾斜し、開口部３３側に幅狭部３１０を有する形態や、図８（ｂ）に示すように、側壁３１の下端（底壁３２側）が傾斜し、底壁３２側に幅狭部３１０を有する形態が挙げられる。図８（ａ）の場合、幅狭部３１０より底壁３２側の部分で側壁３１の間隔が一定であり、図８（ｂ）の場合、開口部３３から幅狭部３１０までの部分では、側壁３１の間隔が開口部３３の幅と同等である。また、図８（ｃ）に示すように、側壁３１の中央が傾斜し、深さ方向の途中に幅狭部３１０が形成されていてもよい。
　更に、幅狭部３１０の数は１つに限らず、複数であってもよい。例えば、図９に示すように、開口部３３側と底壁３２側にそれぞれ幅狭部３１０を有する形態が挙げられる。この場合、各幅狭部３１０における側壁３１（傾斜面）の傾斜角度は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
以上説明した実施形態に係るセルフレームを備えるレドックスフロー電池について説明する。セルフレームをレドックスフロー電池に適用する場合は、セルフレームと、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とをそれぞれ複数積層してなるセルスタック（図１１参照）の形態で利用される。そして、レドックスフロー電池は、このセルスタックを備える構成とすることが挙げられる。
　本発明の枠体及びセルフレームは、レドックスフロー電池の構成部品に好適に利用可能である。
　１００　セル
　　１０１　イオン交換膜
　　１０２　正極セル　　１０４　正極電極
　　１０３　負極セル　　１０５　負極電極
　１０６　正極電解液用タンク
　１０８，１１０　導管　　１１２　ポンプ
　１０７　負極電解液用タンク
　１０９，１１１　導管　１１３　ポンプ
　２０　セルフレーム
　　２１　双極板　　２２　枠体
　　２２Ｌ　長片　　２２Ｓ　短片　　２２ｏ　開口
　　２４　チャンバー
　　２００　マニホールド
　　　２０１，２０２　給液マニホールド
　　　２０３，２０４　排液マニホールド
　　２１０　スリット
　　　２１１，２１２　給液スリット
　　　２１３，２１４　排液スリット
　　３１　側壁　　３１０幅狭部
　　３２　底壁
　　３３　開口部　　３４　角部
　４０　保護板
　５０　シール部材
　１０Ｓ　セルスタック
　　２５０　エンドプレート
　３００　レドックスフロー電池（ＲＦ電池）

Claims (11)

  1. 　レドックスフロー電池のセルに用いられる枠体であって、
    　前記枠体の内側に形成された開口と、
    　電解液が流通するマニホールドと、
    　前記マニホールドと前記開口とを接続し、前記マニホールドと前記開口との間で前記電解液の流路を形成するスリットとを備え、
    　前記スリットは、前記電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁を有し、
    　前記スリットの深さ方向の少なくとも一部に、前記側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する枠体。
  2. 　前記スリットは、底壁を有し、
    　前記底壁は、前記枠体の表面に平行な平坦面を有する請求項１に記載の枠体。
  3. 　少なくとも一方の前記側壁と前記底壁とのなす角度が９１°以上１２０°以下である請求項２に記載の枠体。
  4. 　少なくとも一方の前記側壁と前記底壁との角部が曲面状に形成されている請求項２又は請求項３に記載の枠体。
  5. 　前記幅狭部において、前記側壁の少なくとも一方は、深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、前記傾斜面が平面である請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の枠体。
  6. 　前記幅狭部において、前記側壁の少なくとも一方は、深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、前記傾斜面が曲面である請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の枠体。
  7. 　前記スリットは、底壁を有し、
    　前記底壁は、前記スリットの深さ方向に突出する曲面を有する請求項１に記載の枠体。
  8. 　前記側壁と前記底壁の全面が曲面状に形成されている請求項７に記載の枠体。
  9. 　前記スリットの深さ方向の任意の位置における前記側壁の間隔が、その位置よりも開口部側における前記側壁の間隔に対して同等以下である請求項１～請求項８のいずれか１項に記載の枠体。
  10. 　請求項１～請求項９のいずれか１項に記載の枠体と、
    　前記枠体の開口に嵌め込まれる双極板とを備え、
    　前記枠体及び前記双極板により前記枠体の内側にチャンバーが形成されているレドックスフロー電池用セルフレーム。
  11. 　請求項１０に記載のレドックスフロー電池用セルフレームを備えるレドックスフロー電池。
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