WO2019150570A1 - セルフレーム、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池 - Google Patents

セルフレーム、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池 Download PDF

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battery
cell
bipolar plate
frame
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PCT/JP2018/003736
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French (fr)
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伊藤 岳文
桑原 雅裕
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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 cell frame, a battery cell, a cell stack, and a redox flow battery.
  • An RF battery mainly includes a battery cell including a positive electrode to which a positive electrode electrolyte is supplied, a negative electrode to which a negative electrode electrolyte is supplied, and a diaphragm interposed between the two electrodes.
  • a battery cell is typically configured using a cell frame that includes a bipolar plate and a frame provided on the outer periphery of the bipolar plate (eg, Patent Document 1).
  • the front and back surfaces of the bipolar plate are the bottom surfaces, and the concave portions having the inner wall of the frame body as the peripheral wall are used as electrode storage locations for the electrodes.
  • an electrolyte solution for each electrode is supplied from a tank for each electrode to each electrode by a pump.
  • the cell frame of the present disclosure is A cell frame comprising a bipolar plate and a frame provided on the outer periphery of the bipolar plate, Provided on one surface of the bipolar plate with a groove for circulating an electrolyte supplied from outside the cell frame;
  • the groove part includes a liquid holding part that holds the electrolytic solution when supply of the electrolytic solution from the outside is stopped,
  • the plane area of the opening of the frame is 250 cm 2 or more,
  • the total volume of the volume of the recess formed by the bipolar plate and the inner wall of the frame and the total volume of the liquid retaining part is 5 cm 3 or more.
  • the battery cell of the present disclosure is A battery cell comprising: an electrode; a cell frame comprising a bipolar plate on which the electrode is disposed; and a frame provided on an outer periphery of the bipolar plate; On one surface of the bipolar plate, a groove portion for circulating an electrolyte supplied from the outside of the battery cell is provided,
  • the groove part includes a liquid holding part that holds the electrolytic solution when supply of the electrolytic solution from the outside is stopped,
  • the planar area of the electrode is 250 cm 2 or more;
  • the total volume of the volume of the electrode and the total volume of the liquid retaining part is 5 cm 3 or more.
  • the cell stack of the present disclosure is A plurality of the battery cells of the present disclosure are provided.
  • the redox flow battery of the present disclosure is The battery cell of the present disclosure described above or the cell stack of the present disclosure described above is provided.
  • FIG. 3 is a schematic plan view showing a cell frame according to the first embodiment.
  • 2 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in the cell frame of Embodiment 1.
  • FIG. 2 is an exploded perspective view showing a battery cell of Embodiment 1 including a cell frame of Embodiment 1, and a schematic perspective view showing a cell stack of Embodiment 1.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a redox flow battery according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in a cell frame of Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in the cell frame of Embodiment 3.
  • FIG. 1 is a schematic configuration diagram illustrating an example of a redox flow battery according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in a cell frame of Embodiment 2.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in the cell frame of Embodiment 4.
  • FIG. 6 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in a cell frame of Embodiment 5.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in a cell frame of Embodiment 6.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in the cell frame of the seventh embodiment.
  • FIG. 10 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in the cell frame of the eighth embodiment.
  • 10 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in the cell frame of Embodiment 9.
  • FIG. 12 is a schematic plan view showing a bipolar plate provided in the cell frame of the tenth embodiment.
  • RF battery redox flow battery
  • the power supply to the pump is stopped, so that the electrolyte cannot be supplied from the tank to the RF battery by the pump, and the RF battery cannot be operated substantially.
  • the pump it is conceivable to start the pump with an uninterruptible power supply, but it is desirable that the pump can be started with the power of the RF battery without having an uninterruptible power supply.
  • the above-described cell frame of the present disclosure, the battery cell of the present disclosure, and the cell stack of the present disclosure can construct a redox flow battery that can start a pump when a power failure occurs in the power system.
  • the redox flow battery of the present disclosure described above can start the pump at the time of a power failure in the power system.
  • a cell frame according to an aspect of the present invention includes: A cell frame comprising a bipolar plate and a frame provided on the outer periphery of the bipolar plate, Provided on one surface of the bipolar plate with a groove for circulating an electrolyte supplied from outside the cell frame;
  • the groove part includes a liquid holding part that holds the electrolytic solution when supply of the electrolytic solution from the outside is stopped,
  • the plane area of the opening of the frame is 250 cm 2 or more,
  • the total volume of the volume of the recess formed by the bipolar plate and the inner wall of the frame and the total volume of the liquid retaining part is 5 cm 3 or more.
  • the RF battery including the cell frame can hold the electrolytic solution in the liquid retaining portion and the concave portion of the bipolar plate provided in the cell frame in a state where the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped.
  • the recesses can hold the electrolytic solution more reliably because the electrode that easily holds the electrolytic solution is accommodated by typically having a gap between fibers such as carbon felt.
  • the amount of the electrolytic solution retained is an amount corresponding to the total volume of the liquid retaining portion provided on one surface of the bipolar plate and the volume of the concave portion, and is quantitatively 5 cm 3 or more.
  • the RF battery can discharge power necessary for starting the pump using this electrolyte solution, and can start the pump at the time of power failure of the power system. If the pump can be started, the electrolyte stored in the tank can be sequentially sent to the RF battery. As a result, the RF battery can continue the discharge operation and can supply power to a load such as a power system.
  • the planar area of the electrode that can be accommodated in the recess can be 250 cm 2 or more.
  • An RF battery including such an electrode having a large planar area can be a high-power battery and can hold the electrolyte more reliably.
  • an RF battery capable of starting the pump in the event of a power system power failure.
  • a high output RF battery can be constructed
  • the said form can construct
  • the battery cell which concerns on 1 aspect of this invention is The cell frame of (1) or (2) is provided.
  • the battery cell can hold an electrolytic solution of 5 cm 3 or more by the cell frame and the electrode housed in the recess in a state where the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped as described above.
  • the battery cell includes the cell frame, a large electrode having a planar area of 250 cm 2 or more is provided as described above. Therefore, according to said battery cell, the RF battery which can start a pump at the time of a power failure of an electric power grid
  • a battery cell includes: A battery cell comprising: an electrode; a cell frame comprising a bipolar plate on which the electrode is disposed; and a frame provided on an outer periphery of the bipolar plate; On one surface of the bipolar plate, a groove portion for circulating an electrolyte supplied from the outside of the battery cell is provided, The groove part includes a liquid holding part that holds the electrolytic solution when supply of the electrolytic solution from the outside is stopped, The planar area of the electrode is 250 cm 2 or more; The total volume of the volume of the electrode and the total volume of the liquid retaining part is 5 cm 3 or more.
  • the RF battery including the battery cell can hold the electrolytic solution in the liquid retaining portion and the electrode of the bipolar plate in a state where the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped.
  • This battery cell is provided with a large electrode having a planar area of 250 cm 2 or more, and from this, the electrolyte can be more reliably retained.
  • the amount of the electrolytic solution retained is an amount corresponding to the total volume of the liquid retaining portion provided on one surface of the bipolar plate and the volume of the electrode, and is quantitatively 5 cm 3 or more.
  • the RF battery can start the pump at the time of power failure of the power system, and further can continue the discharge operation.
  • system can be constructed
  • a high output RF battery can be constructed
  • the said form can construct
  • the groove portion includes an introduction groove for introducing an electrolyte solution and a portion in which discharge grooves for discharging the electrolyte solution are alternately arranged independently of the introduction groove without being communicated,
  • the liquid holding part includes a form including at least a part of the discharge groove.
  • the discharge groove has a portion where the groove end located below the gravitational direction is closed as will be described later, and can function well as a liquid retaining part. Therefore, the said form can construct
  • the introduction groove and the discharge groove are alternately arranged, so that the unreacted electrolyte is supplied from the introduction groove to the electrode arranged on the bipolar plate, and the electrode is used for the battery reaction. It is possible to uniformly and efficiently discharge the reacted electrolytic solution that has been discharged from the electrode.
  • a cell stack according to an aspect of the present invention includes: A plurality of the battery cells according to any one of (3) to (6) above are provided.
  • the RF battery including the cell stack includes a plurality of the above-described battery cells capable of holding an electrolyte solution of 5 cm 3 or more in a state where supply of the electrolyte solution from the outside is stopped as described above.
  • the amount of electrolyte retained corresponds to the amount represented by the product of the amount retained in one battery cell and the number of cells, and can be increased to more reliably output the power required for starting the pump. Therefore, according to the cell stack, it is possible to construct an RF battery that can start the pump more reliably at the time of power failure of the power system.
  • a high output RF battery can be constructed
  • a redox flow battery according to an aspect of the present invention is provided.
  • the battery cell according to any one of (3) to (6) or the cell stack according to (7) is provided.
  • the RF battery includes the above-described battery cell or the above-described cell stack capable of holding an electrolyte of 5 cm 3 or more in a state where supply of the electrolyte from the outside is stopped as described above. Therefore, the RF battery can start the pump at the time of power failure of the power system.
  • the RF battery can be a high-power battery when the above-described electrode having a large planar area is provided, the above-described cell stack is provided, or both of the above-described cell stacks are satisfied. Is expected to be used.
  • FIGS. 1 to 3 and 5 to 13 the grooves 50 provided in the bipolar plates 5, 5A to 5I are highlighted for easy understanding, and may differ from actual dimensions.
  • 2 and 5 to 13 show only the liquid flow area (details will be described later) in the bipolar plates 5 and 5A to 5I.
  • the lower end edge of the liquid circulation region is the supply edge, and the upper end edge is the discharge edge (same as above).
  • 2 and FIG. 5 to FIG. 13 are plan views of the liquid circulation region.
  • the groove 50 is shown with cross-hatching so that the groove 50 can be easily understood.
  • the solid line arrow shown in the groove part 50 virtually shows the flow of the electrolytic solution along the groove part 50
  • the broken line arrow virtually shows the flow of the electrolytic solution from the bipolar plates 5, 5A to 5I through the electrode 13 (FIG. 1 and the like).
  • 2 and 5 to 13 are explanatory diagrams for explaining a state in which the electrolytic solution is held when the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped, and the electrolytic solution holding portion (liquid holding portion 55) is hatched. And show.
  • the cell frame 2, the battery cell 10, the cell stack 3, and the RF battery 1 of the first embodiment will be described in order.
  • the ions shown in the positive electrode tank 16 and the negative electrode tank 17 in FIG. 4 are examples of ionic species included in the electrolyte solution of each electrode.
  • the cell frame 2 of Embodiment 1 is typically used as a component of the RF battery 1 (FIG. 4), and is provided on the outer periphery of the bipolar plate 5 and the bipolar plate 5 as shown in FIG.
  • the frame body 22 is provided.
  • the cell frame 2 of the first embodiment includes a groove portion 50 that circulates an electrolyte supplied from the outside of the cell frame 2 on one surface of the bipolar plate 5.
  • the groove part 50 includes a liquid holding part 55 that holds the electrolytic solution when supply of the electrolytic solution from the outside of the cell frame 2 is stopped.
  • the total volume Va of the above-described concave volume Vf and the total volume Vs of the liquid retaining portion 55 is 5 cm 3 or more.
  • the bipolar plate 5 is a conductive plate-like material that allows current to flow but does not allow electrolyte solution to pass therethrough, and is used to transfer electrons to and from the electrode 13 disposed on the bipolar plate 5.
  • the opening shape of the frame 22 is a rectangle. Therefore, the planar shape of a region exposed from the opening of the frame 22 in the bipolar plate 5 (hereinafter, this region may be referred to as a liquid circulation region) is a rectangle.
  • the lower end edge of the rectangular liquid circulation area is a supply edge disposed on the side where the electrolyte is supplied, and the upper end edge is a discharge edge disposed on the side where the electrolyte is discharged out of the bipolar plate 5.
  • the case where the electrolytic solution is supplied from the supply edge of the liquid flow area of the bipolar plate 5 toward the discharge edge that is, the case where the electrolytic solution is supplied from the bottom to the top of FIG. 1 will be described.
  • FIGS. 5 to 13 to be described later may be referred to as an electrolyte flow direction or a vertical direction.
  • the left-right direction in each of the above drawings may be referred to as a direction orthogonal to the flow direction of the electrolytic solution or a horizontal direction.
  • a groove portion 50 is provided in the liquid circulation region of the bipolar plate 5.
  • the groove part 50 functions as a flow path for the electrolytic solution.
  • the groove portion 50 may not be provided, but the groove portion 50 may be provided. it can.
  • the shape, size (groove length, groove width, groove depth, interval between adjacent grooves, etc.), number, formation position, and the like of the groove portion 50 can be appropriately selected within a range that satisfies the above-described total volume Va.
  • the length is a size along the flow direction of the electrolytic solution
  • the width is a size along a direction orthogonal to the flow direction of the electrolytic solution.
  • the groove depth here is a size along the thickness direction of the bipolar plate 5.
  • the groove part 50 includes a groove that opens to the periphery of the liquid circulation region of the bipolar plate 5 (for example, a vertical groove 51 described later), and includes a groove that does not open to the periphery (for example, the isolated groove in FIGS. 12 and 13). 53), including both of these grooves (eg, FIGS. 12 and 13).
  • the groove part 50 contains one continuous groove
  • the groove 50 may include a plurality of independent grooves (eg, FIGS. 5 to 13).
  • a linear groove for example, a vertical groove 51 or a horizontal groove 52 described later
  • electrolytic Excellent fluidity when the groove group is included, a flange part that partitions between adjacent grooves can be formed, and the flange part can be used as a place in contact with the electrode 13 to be used for an electron transfer region with the electrode 13.
  • the groove portion 50 in this example is one continuous groove that opens at the periphery of the liquid circulation area of the bipolar plate 5 and includes a meandering groove that is meandering substantially over the entire rectangular liquid circulation area.
  • the meandering groove is constituted by a vertical groove 51 extending linearly along the flow direction of the electrolytic solution and a horizontal groove 52 extending along a direction orthogonal to the flow direction of the electrolytic solution.
  • a plurality of vertical grooves 51 extending from the vicinity of the supply edge to the vicinity of the discharge edge are arranged side by side in the horizontal direction, and the vertical grooves 51 and 51 positioned at the right end and the left end in the horizontal direction are the supply edge and the discharge edge, respectively. Open to.
  • the horizontal grooves 52 are arranged so as to connect the upper ends and the lower ends of the adjacent vertical grooves 51, 51.
  • the amplitude direction of the meandering groove composed of the vertical groove 51 and the horizontal groove 52 is the vertical direction.
  • Two adjacent vertical grooves 51, 51 forming a meandering groove and a horizontal groove 52 connecting the lower ends of both vertical grooves 51, 51 are arranged in a U-shape.
  • the intervals between the adjacent vertical grooves 51, 51 are substantially equal, and each vertical groove 51 has the same shape (planar shape and cross-sectional shape is rectangular), and the same size (groove length, groove width, Groove depth).
  • Each lateral groove 52 has the same shape and the same size.
  • a meandering groove composed of vertical grooves 51 and transverse grooves 52 that are parallel to the flow direction of the electrolyte is illustrated, but grooves that intersect non-orthogonally with the flow direction of the electrolyte, such as wavy lines and zigzags. It can be a meandering groove.
  • the above-mentioned opening part can also be provided in the side edge etc. which connect a supply edge and a discharge edge so that it may illustrate in FIG.8, FIG.9 other than a supply edge or a discharge edge.
  • the groove part 50 is provided with a liquid retaining part 55 at least in part.
  • the liquid retaining portion 55 means that the electrolytic solution does not fall out of the cell frame 2 due to its own weight in a state where the supply of the electrolytic solution to the RF battery 1 including the cell frame 2 is stopped in the groove portion 50 or a long time has passed. Although it may fall off, it refers to a portion capable of holding at least the electrolytic solution for a short period of time such as 5 minutes or less after the above supply stop (hereinafter, this time is referred to as a complete stop time).
  • the liquid retaining part 55 is a part arranged on the supply edge side of the opening in the discharge edge of the liquid circulation area of the bipolar plate 5 as in this example, and is positioned below the gravity direction. It is mentioned that the groove end to be closed includes a closed portion. Alternatively, the liquid retaining part 55 may include a groove (for example, an isolated groove 53) that does not open at the periphery of the liquid circulation region of the bipolar plate 5.
  • the retained amount of the electrolytic solution refers to the amount that can be retained during the complete stop time
  • the description that the groove 50, the concave portion, and the electrode 13 retain the electrolytic solution refers to the complete stop time. It means holding.
  • the liquid retaining portion 55 in this example includes the portions (four in FIG. 2) arranged in the above-described U shape in the groove portion 50.
  • the U-shaped portion is closed at the bottom in the direction of gravity, and the U-shaped portion can be said to be a location where the electrolyte is difficult to come off. Since the liquid retaining portion 55 includes a portion where such an electrolytic solution is difficult to come off, it is easier to retain the electrolytic solution when the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped.
  • the specifications such as the shape and size (groove length, groove width, groove depth, volume) of each liquid retaining portion 55 can be the same as in this example. Can be different.
  • the larger the proportion of the liquid retaining portion 55 in the groove portion 50 the larger the amount of electrolytic solution retained.
  • the ratio of the total planar area of the liquid retaining part 55 to the total planar area of the groove part 50 is 45% or more, and further 55% or more.
  • Examples of the constituent material of the bipolar plate 5 include an organic composite material including a conductive material such as a carbon-based material or metal and an organic material such as a thermoplastic resin, so-called conductive plastic.
  • the bipolar plate 5 can be manufactured, for example, by forming it into a plate shape by a known method and also forming the groove portion 50. Examples of the method for forming the conductive plastic include injection molding, press molding, and vacuum molding.
  • the groove part 50 can also be formed by performing cutting or the like on a flat plate material.
  • the frame body 22 supports the bipolar plate 5, exposes the liquid flow area of the bipolar plate 5 from the opening, forms a recess by the liquid flow area and the inner side wall 220, and reaches the electrode 13 accommodated in the recess. This is used for supplying the electrolyte solution and discharging the electrolyte solution from the electrode 13. Therefore, the frame 22 includes an electrolyte supply path and a discharge path.
  • the supply path includes a liquid supply manifold (24 for the positive electrode and 25 for the negative electrode).
  • the discharge path includes a drainage manifold (26 for the positive electrode and 27 for the negative electrode).
  • the liquid supply path and the drainage path are provided with slits (28 for the positive electrode and 29 for the negative electrode) that connect each manifold and the opening (window).
  • slits 28 for the positive electrode and 29 for the negative electrode
  • the frame body 22 is provided so that the openings of the slits 28 and 29 and the supply edge or discharge edge of the liquid flow area of the bipolar plate 5 substantially coincide. It is done.
  • the frame body 22 can include a rectifying groove (not shown) extending along the inner periphery of the opening. Since this rectification groove is provided along the supply edge and the discharge edge of the bipolar plate 5, when the rectification groove is provided, the electrolyte solution can be introduced uniformly in the lateral direction of the bipolar plate 5 and the electrode 13, It is easy to discharge. When the rectifying groove is provided, the slits 28 and 29 are opened in the rectifying groove.
  • the frame body 22 in this example has a rectangular opening as described above and has a rectangular outer shape, but the opening shape and outer shape can be changed as appropriate. As shown in FIG. 1, the opening shape and the outer shape are similar shapes (rectangles with different ratios of long side to short side), similar shapes, or completely different shapes such as a combination of a circular shape and a rectangular shape, etc. It can also be.
  • the planar area Sf of the opening of the frame body 22 is 250 cm 2 or more. If the planar area Sf is 250 cm 2 or more, the volume Vf of the recesses is likely to increase, and the amount of electrolyte retained in the recesses can be increased. In this case, the planar area Se of the electrode 13 that can be accommodated in the recess can be 250 cm 2 or more. If the large electrode 13 can be stored in the recess, the electrolytic solution can be easily held by the large electrode 13. Further, in this case, a high output battery can be constructed.
  • planar area Sf is large, the increase in volume Vf, also are possible size therefore large output of the electrode 13, the plane area Sf is 300 cm 2 or more, further 800 cm 2 or more, it further is 2000 cm 2 or more Can be mentioned. Considering the rigidity / strength of the frame 22 and the assembly workability of the RF battery 1, the planar area Sf is 5000 cm 2 or less.
  • the size along the thickness direction of the frame 22 on the inner wall 220 of the frame 22 is defined as the height.
  • the height of the inner wall 220 is typically substantially equal to the maximum thickness of the electrode 13 that can be accommodated in the recess.
  • the height is a parameter related to the volume Vf of the recess as well as the planar area Sf of the opening. Therefore, the height may be adjusted according to the thickness, volume Vf, and area Sf of the electrode 13 within a range where the total volume Va satisfies 5 cm 3 or more.
  • the larger the height the larger the volume Vf of the recess, even if the planar area Sf is small to some extent, and the amount of electrolyte retained in the recess can be increased.
  • the height is 0.05 mm or more. If the height is small, it is easy to make the cell frame 2 thin, and when constructing a multi-cell battery having a plurality of battery cells 10 (FIG. 4), it is easy to make the cell frame 2 thin and small. From this point, it is mentioned that the height is 8 mm or less. Even if the height is small, if the planar area Sf is large to some extent, it is easy to increase the volume Vf of the recess.
  • the volume Vf of the recess is, for example, 15 cm 3 or more, the amount of electrolyte retained in the recess can be increased. If the volume Vf is, for example, 250 cm 3 or less, the rigidity / strength of the frame body 22 decreases due to the plane area Sf of the opening of the frame body 22 being too large, the assembly workability of the RF battery 1 is decreased, or the frame It is easy to reduce the increase in size due to the height of the inner wall 220 of the body 22 being too large.
  • the constituent material of the frame body 22 include a resin excellent in resistance to an electrolytic solution and electrical insulation.
  • the frame body 22 includes, for example, a pair of frame body pieces that are divided in the thickness direction of the frame body 22, and supports the peripheral region of the bipolar plate 5 between the frame body pieces from the front and back of the bipolar plate 5. A form is mentioned. A pair of frame pieces sandwiching the bipolar plate 5 may be appropriately joined together.
  • the total volume Va of the volume Vf of the concave portion and the total volume Vs of the liquid retaining portion 55 is 5 cm 3 or more.
  • the total volume Va is larger, the amount of electrolyte retained by the recess and the liquid retaining section 55 can be increased, and the power necessary for starting the pumps 160 and 170 (FIG. 4) can be generated more reliably. From this point, it is mentioned that the total volume Va is 10 cm 3 or more.
  • the total volume Va is 100 cm 3 or more, even when the RF battery 1 is a large output battery including a multi-cell battery or a large electrode 13, the starting power of the pumps 160 and 170 can be generated more reliably.
  • the total volume Vs of the liquid retaining portion 55 and the volume Vf of the recess may be adjusted so that the total volume Va becomes a desired value. If the total volume Va is too large, the assembly workability is reduced due to the increase in the size of the constituent elements of the RF battery 1, and the total volume Va is, for example, 1000 cm 3 or less in consideration of the assembly work.
  • the ratio ((Vs / Va) ⁇ 100) of the total volume Vs of the liquid retaining part 55 to the total volume Va of the volume Vf of the concave part and the total volume Vs of the liquid retaining part 55 is 5% or more.
  • the electrolytic solution falls first from the concave portion and then the electrolytic solution falls from the liquid retaining portion 55. Therefore, when the above ratio is 5% or more, the volume ratio of the liquid retaining portion 55 that easily holds the electrolytic solution than the concave portion is large, and the electrolytic solution can be held more reliably.
  • the cell frame 2 of the first embodiment can be used for either a single cell battery or a multi-cell battery including one battery cell 10.
  • two cell frames 2 hereinafter sometimes referred to as single-sided groove frames
  • groove portions 50 including liquid retaining portions 55 are prepared only on one surface of the bipolar plate 5.
  • One single-sided groove frame is used for the positive electrode
  • the other single-sided groove frame is used for the negative electrode.
  • a cell frame 2 hereinafter sometimes referred to as a double-sided groove frame
  • a groove 50 including a liquid retaining portion 55 is prepared on both the front and back surfaces of the bipolar plate 5, and a concave portion on one side is prepared.
  • a double-sided groove frame is provided at an intermediate position and a single-sided groove frame is provided at both end positions.
  • the battery cell 10 of Embodiment 1 typically constitutes the main element of the RF battery 1 and includes an electrode 13 and a cell frame 2 as shown in FIG.
  • the cell frame 2 includes a bipolar plate 5 on which the electrodes 13 are arranged, and a frame body 22 provided on the outer periphery of the bipolar plate 5.
  • One surface of the bipolar plate 5 is provided with a groove 50 through which an electrolytic solution supplied from the outside of the battery cell 10 flows.
  • the groove part 50 includes a liquid holding part 55 that holds the electrolytic solution when supply of the electrolytic solution from the outside of the battery cell 10 is stopped.
  • the total volume Vc of the volume Ve of the electrode 13 and the total volume Vs of the liquid retaining part 55 is 5 cm 3 or more.
  • the cell frame 2 provided in the battery cell 10 of the first embodiment the cell frame 2 of the first embodiment can be suitably used.
  • the planar area Sf of the opening of the frame body 22 is 250 cm 2 or more
  • the total volume Vc of the volume Vf of the recess and the total volume Vs of the liquid retaining part 55 is 5 cm 3 or more.
  • the total volume Vc on the positive electrode side is 5 cm 3 or more
  • the total volume Vc on the negative electrode side is 5 cm 3 or more. Therefore, the positive and negative total volume Vc in one battery cell 10 is 10 cm 3 or more.
  • the battery cell 10 includes a positive electrode 14 or a negative electrode 15 as the electrode 13.
  • the battery cell 10 includes a positive electrode 14 to which a positive electrode electrolyte is supplied, a negative electrode 15 to which a negative electrode electrolyte is supplied, a diaphragm 11 interposed between the positive electrode 14 and the negative electrode 15, A positive electrode 14 that sandwiches the diaphragm 11 and a set of cell frames 2 and 2 that further sandwich the negative electrode 15 are provided (see also FIG. 4).
  • the positive electrode 14 and the negative electrode 15 may be collectively referred to as electrodes 14 and 15.
  • the cell frame 2 provided in the battery cell 10 of Embodiment 1 includes at least one of the above-described single-sided groove frame and double-sided groove frame.
  • the battery cell 10 of Embodiment 1 is a single cell battery, providing a set of single-sided groove
  • the battery cell 10 of Embodiment 1 is a multi-cell battery, the form provided with at least 1 double-sided groove frame, the form provided with a set of single-sided groove frames, and these combination forms are mentioned.
  • the above-described combination form can increase the amount of electrolyte solution retained.
  • the positive electrode 14 is accommodated in the concave portion of one single-sided groove frame, and the negative electrode 15 is accommodated in the concave portion of the other single-sided groove frame.
  • the positive electrode 14 is accommodated in one recess of the double-sided groove frame, and the negative electrode 15 is accommodated in the other recess.
  • the electrodes 14 and 15 are reaction fields in which an electrolyte containing an active material is supplied and the active material (ions) undergoes a battery reaction.
  • fiber assemblies of carbon materials carbon felt, carbon paper, carbon Cross.
  • the fiber aggregate is typically hydrophilic, and easily retains the electrolyte in a gap such as a gap between the fibers, and the electrolyte does not easily fall off during the complete stop time.
  • a well-known thing can be utilized.
  • the size of the electrodes 14 and 15 can be selected as appropriate within a range that can be accommodated in the recess of the cell frame 2.
  • the planar area Se of the electrodes 14 and 15 is 250 cm 2 or more, the volume Ve of the electrodes 14 and 15 tends to increase, and the electrolyte solution can be more reliably held when the supply of the electrolyte solution from the outside is stopped.
  • the larger the planar area Se the higher the output battery can be constructed.
  • planar area Se is, 300 cm 2 or more, further 800 cm 2 or more, and it further is 2000 cm 2 or more.
  • the planar area Se is 5000 cm 2 or less. If the planar area Se of the electrodes 14 and 15 is substantially equal to the planar area Sf of the opening of the frame 22, the volume Ve tends to increase. If the planar area Se of the electrodes 14 and 15 is smaller than the planar area Sf of the opening of the frame body 22, it is easy to dispose the electrode 13 in the frame body 22.
  • the thickness of the electrodes 14 and 15 can be appropriately selected within the range of the height of the inner wall 220 or less. Within this range, the larger the thickness is, the easier it is to increase the volume Ve of the electrodes 14 and 15, and it is easier to hold the electrolyte more reliably when the supply of electrolyte from the outside is stopped. From this point, it is mentioned that the thickness is 0.05 mm or more.
  • the battery cell 10 When constructing the RF battery 1, the battery cell 10 is usually compressed in the stacking direction of the constituent elements. Therefore, even if the thickness before construction is larger than the height of the inner wall 220 as the electrodes 14 and 15, the electrodes 14 and 15 of the electrodes 14 and 15 are in a state where the above-described compression is performed (a state where the RF battery 1 is constructed).
  • the maximum thickness corresponds to the height of the inner wall 220.
  • the total volume Vc of the volume Ve of the electrode 13 and the total volume Vs of the liquid retaining part 55 is 5 cm 3 or more. As the total volume Vc increases, the amount of electrolyte retained by the electrode 13 and the liquid retaining section 55 can be increased, and the power necessary for starting the pumps 160 and 170 can be generated more reliably. From this point, it is mentioned that the total volume Vc is 10 cm 3 or more. When the total volume Vc is 100 cm 3 or more, even when the RF battery 1 is a multi-cell battery or a large output battery including a large electrode 13, the starting power of the pumps 160 and 170 can be generated more reliably.
  • the total volume Vs of the liquid retaining part 55 and the volume Ve (planar area Se, thickness) of the electrodes 14 and 15 may be adjusted so that the total volume Vc becomes a desired value. If the total volume Vc is too large, the assembly workability is reduced due to an increase in the size of the components of the RF battery 1, and therefore the total volume Vc is, for example, 1000 cm 3 or less in consideration of the assembly work.
  • the ratio ((Vs / Vc) ⁇ 100) of the total volume Vs of the liquid retaining portion 55 to the total volume Vc of the electrode volume Ve and the total volume Vs of the liquid retaining portion 55 is 5% or more.
  • the electrolytic solution is held in the electrode 13 and the liquid retaining portion 55, it is considered that the electrolytic solution is first dropped from the electrode 13 and then the electrolytic solution is dropped from the liquid retaining portion 55. Therefore, if the above ratio is 5% or more, the volume ratio of the liquid retaining portion 55 that is easier to hold the electrolytic solution than the electrode 13 is large, and the electrolytic solution can be held more reliably.
  • the total volume Vc can take a value smaller than the total volume Va of the volume Vf of the above-described recess and the total volume Vs of the liquid retaining portion 55 because the electrode 13 is accommodated in the recess. However, if the total volume Vc and the total volume Va are substantially equal, it is expected that the electrolyte corresponding to the amount of electrolyte retained in the recess can be retained by the electrode 13 as described above, and the electrolyte is less likely to fall off.
  • the diaphragm 11 is a member that separates the positive electrode 14 and the negative electrode 15 and transmits predetermined ions, and an ion exchange membrane or the like is used.
  • the cell stack 3 according to the first embodiment includes a plurality of battery cells 10 according to the first embodiment and is a main element of the RF battery 1.
  • the cell stack 3 is a stacked body in which a plurality of battery cells 10 are stacked in multiple layers as shown in FIGS. 3 and 4 and is used for a multi-cell battery.
  • the cell stack 3 includes a cell frame 2 (bipolar plate 5), a positive electrode 14, a diaphragm 11, and a negative electrode 15 stacked in order, and a pair of ends sandwiching the stacked body.
  • Plates 32, 32, a connecting member 33 such as a long bolt connecting the end plates 32, 32, and a fastening member such as a nut are provided.
  • the cell stack 3 may have a form in which a predetermined number of battery cells 10 are subcell stacks and a plurality of subcell stacks are stacked.
  • a sealing material 18 is disposed between the adjacent frame bodies 22 and 22 (FIG. 4) to hold the laminated body in a liquid-tight manner.
  • Examples of the cell frame 2 provided in the cell stack 3 include a single-sided groove frame at both ends in the stacking direction of the laminate and a double-sided groove frame at an intermediate position in the stacking direction.
  • the single-sided groove frame may be a current collector plate made of metal or the like on the surface of the bipolar plate 5 where the electrode 13 is not disposed.
  • the number of cells in the cell stack 3 can be selected as appropriate.
  • the amount of electrolyte retained by the recess or electrode 13 and the fluid retaining portion 55 in the cell stack 3 is the product of the amount of electrolyte retained in one battery cell 10 (the aforementioned total volume Va or total volume Vc) and the number of cells. It corresponds to the quantity represented by. Therefore, as the number of cells increases, the amount of electrolyte retained can be increased, and the power required for starting the pumps 160 and 170 can be more reliably output.
  • the larger the number of cells the larger the output battery can be constructed. From the above points, the number of cells is, for example, 20 or more, and further 200 or more.
  • the RF battery 1 according to the first embodiment is connected to a power generation unit and a load such as a power system or a consumer via an AC / DC converter, a substation facility, and the like. Charging is performed as a supply source, and discharging is performed using a load as a power supply target.
  • Examples of the power generation unit include a solar power generator, a wind power generator, and other general power plants.
  • the RF battery 1 according to the first embodiment is a single-cell battery including one battery cell 10 according to the first embodiment, a multi-cell battery including a plurality, or a multi-cell battery including the cell stack 3 according to the first embodiment.
  • the RF battery 1 includes a circulation mechanism that circulates and supplies the electrolytic solution to the battery cell 10 or the cell stack 3. The details of the battery cell 10 and the cell stack 3 are as described above, and the circulation mechanism will be described below.
  • the circulation mechanism includes a positive electrode tank 16, a negative electrode tank 17, pipes 162, 164, 172, 174, and pumps 160, 170.
  • the positive electrode tank 16 stores a positive electrode electrolyte that is circulated and supplied to the positive electrode 14.
  • the negative electrode tank 17 stores a negative electrode electrolyte that is circulated and supplied to the negative electrode 15.
  • the pipes 162 and 164 connect between the positive electrode tank 16 and the battery cell 10 (cell stack 3).
  • the pipes 172 and 174 connect between the negative electrode tank 17 and the battery cell 10 (cell stack 3).
  • the pumps 160 and 170 are provided in the pipes 162 and 172 on the supply side to the battery cell 10 (cell stack 3).
  • the pipes 162, 164, 172, and 174 are connected so that the electrolyte can flow between the liquid supply manifolds 24 and 25 and the drainage manifolds 26 and 27 of the cell frame 2, respectively. Build up.
  • the cell stack 3, and the RF battery known configurations and materials can be referred to as appropriate.
  • a positive active material having vanadium ions Patent Document 1
  • a positive electrode active material using manganese ions a negative electrode active material using titanium ions, and other known compositions can be used.
  • the RF battery 1 can start the pumps 160 and 170 even when power supply to the pumps 160 and 170 is stopped due to a power failure of the power system.
  • the cell frame 2 includes the liquid retaining part 55 on the bipolar plate 5, and the total volume Va of the total volume Vs of the liquid retaining part 55 and the volume Vf of the recess satisfies 5 cm 3 or more. Therefore, in a state where supply of the electrolytic solution from the outside is stopped, the amount of electrolytic solution (5 cm 3 or more) that can generate electric power necessary for starting the pumps 160 and 170 can be secured by the concave portion and the liquid retaining portion 55.
  • the RF battery 1 since the cell frame 2 of the first embodiment has the planar area Sf of the opening of the frame body 22 of 250 cm 2 or more and can accommodate the electrode 13 having the planar area Se of 250 cm 2 or more in the recess, the RF battery 1 has the above electrode.
  • the electrolyte solution can be held more reliably by 13.
  • the cell frame 2 of Embodiment 1 can accommodate the electrode 13 having a planar area Se of 250 cm 2 or more in the recess, a high-power battery can be constructed.
  • the RF battery 1 can prevent the power supply to the pumps 160 and 170 from being stopped due to a power failure or the like of the power system.
  • the pumps 160 and 170 can be activated.
  • the battery cell 10 and the cell stack 3 include the cell frame 2 of the first embodiment described above, and the total volume Va satisfies 5 cm 3 or more, or the total of the volume Ve of the electrode 13 and the total volume Vs of the liquid retaining portion 55.
  • the volume Vc satisfies 5 cm 3 or more.
  • the amount of the electrolytic solution (5 cm 3 or more) that can generate electric power necessary for starting the pumps 160 and 170 by the liquid retaining portion 55 and the concave portion or the electrode 13 of the bipolar plate 5 ) Can be secured.
  • the battery cell 10 of the first embodiment and the cell stack 3 of the first embodiment include the electrode 13 having a planar area Se of 250 cm 2 or more, the electrode 13 can hold the electrolyte more reliably, and a high-power battery Can be built.
  • the RF battery 1 can start the pumps 160 and 170 even when power supply to the pumps 160 and 170 is stopped due to a power failure of the power system.
  • the RF battery 1 includes the battery cell 10 of the first embodiment or the cell stack 3 of the first embodiment, and the total volume Va or the total volume Vc described above satisfies 5 cm 3 or more. Therefore, in the state in which the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped, the amount of the electrolytic solution (5 cm 3 or more) that can generate electric power necessary for starting the pumps 160 and 170 by the liquid retaining portion 55 and the concave portion or the electrode 13 of the bipolar plate 5 ) Can be secured.
  • the battery cell 10 of Embodiment 1 includes the electrode 13 having a planar area Se of 250 cm 2 or more, the electrode 13 can hold the electrolyte more reliably and can be a high-power battery.
  • the RF battery 1 according to the first embodiment is a storage battery for the purpose of stabilizing fluctuations in power generation output, storing power when surplus generated power, load leveling, etc., with respect to natural power generation such as solar power generation and wind power generation.
  • the RF battery 1 of Embodiment 1 can be used as a storage battery that is provided in a general power plant and is used for the purpose of instantaneous voltage drop / power failure countermeasures and load leveling.
  • the RF battery 1 of the first embodiment can be suitably used as a storage battery for the purpose of power failure countermeasures because the pumps 160 and 170 can be activated when power is not supplied to the pumps 160 and 170 from a power system or the like due to a power failure or the like.
  • the cell frame 2, the battery cell 10, and the cell stack 3 of Embodiment 1 can be suitably used for the constituent elements of the above-described storage battery.
  • Embodiments 2 to 10 The cell frames of Embodiments 2 to 10 will be described with reference to FIGS.
  • the main difference between the first embodiment and the second to eleventh embodiments is the groove 50.
  • description will be made with the groove portion 50 as the center, and detailed description of other configurations and effects will be omitted.
  • the groove part 50 of the bipolar plate 5 ⁇ / b> A provided in the cell frame of Embodiment 2 shown in FIG. 5 includes a plurality of independent vertical grooves 51.
  • the introduction groove 5i for introducing the electrolyte solution and the discharge groove 5o for discharging the electrolyte solution are provided without being connected to the introduction groove 5i.
  • an unreacted electrolyte is supplied from the introduction groove 5i to the electrode 13 (FIG. 1 and the like), and the reacted electrolyte used for the battery reaction at the electrode 13 is discharged from the electrode 13 through the discharge groove 5o. Both discharges can be performed uniformly and efficiently.
  • the introduction groove 5i has an opening at the periphery of the liquid circulation region of the bipolar plate 5, and a groove having a portion where the groove end disposed on the discharge edge side from the opening is closed at a position away from the opening.
  • Each introduction groove 5 i illustrated in FIG. 5 includes a vertical groove 51 that extends linearly along the flow direction of the electrolytic solution.
  • the vertical groove 51 is provided so that one end thereof opens to a supply edge forming a part of the periphery of the liquid circulation region, extends from the opening toward the discharge edge, and the other end arranged on the discharge edge side is provided. It is closed at a position away from the opening, in other words, at a position close to the discharge edge.
  • the groove length is long, and the flowability of the electrolyte is excellent.
  • the opening of the introduction groove 5i serves as an introduction port for the electrolytic solution.
  • the discharge groove 5o here is a groove having an opening at the periphery of the liquid circulation region of the bipolar plate 5 and a portion where a groove end disposed closer to the supply edge than the opening is closed at a position away from the opening.
  • Each discharge groove 5 o illustrated in FIG. 5 includes a vertical groove 51.
  • the longitudinal groove 51 is provided so that one end thereof opens to a discharge edge forming a part of the periphery of the liquid circulation region, extends from the opening toward the supply edge, and the other end disposed on the supply edge side is provided. It is closed at a position away from the opening, in other words, at a position close to the supply edge.
  • the groove length is long and the flowability of the electrolyte is excellent.
  • the opening of the discharge groove 5o serves as an electrolyte outlet.
  • the groove part 50 includes a part where the introduction groove 5i and the discharge groove 5o are alternately arranged.
  • the alternately arranged portions are arranged so that the grooves forming the introduction grooves 5i and the grooves forming the discharge grooves 5o face each other (hereinafter sometimes referred to as a meshing type opposed comb-tooth shape).
  • a meshing type opposed comb-tooth shape the grooves forming the introduction grooves 5i and the grooves forming the discharge grooves 5o face each other.
  • a part of the grooves may be alternately arranged, and the other part may be configured such that the same type of grooves are adjacent to each other.
  • the bipolar plate 5 of this example includes a groove 50 over substantially the entire rectangular liquid circulation region.
  • the groove part 50 of this example is provided with the several vertical groove
  • Each vertical groove 51 forms the introduction groove 5i and the discharge groove 5o as described above, and has a meshing opposed comb shape in which the introduction grooves 5i and the discharge grooves 5o are alternately arranged. The intervals between adjacent introduction grooves 5i and discharge grooves 5o are substantially equal.
  • Each vertical groove 51 has the same shape (planar shape and cross-sectional shape is rectangular), and the same size (groove length, groove width, groove depth).
  • the cell frame 2 including the bipolar plate 5 provided with the plurality of introduction grooves 5i and the plurality of discharge grooves 5o and further provided with the groove portion 50 having the meshing opposed comb shape is described below as (a) to ( The effect of d) is produced.
  • the groove 50 in this example does not include the lateral groove 52.
  • the flow rate of the electrolytic solution in each groove portion 50 is not easily changed, and the flowability of the electrolytic solution is excellent.
  • B Although it depends on the groove width, it is easy to increase the number of the longitudinal grooves 51 and is excellent in the flowability of the electrolytic solution.
  • C The eaves part which divides the adjacent vertical grooves 51 and 51 also has an elongated rectangular shape extending in the flow direction of the electrolyte along the shape of the elongate groove 51, and the width of the eaves part extends over the entire area in the longitudinal direction. Substantially equal. Therefore, it is possible to satisfactorily secure the electron transfer area (the collar).
  • the liquid retaining part 55 in this example includes at least a part of the discharge groove 5o.
  • the discharge groove 5o is disposed on the supply edge side of the opening, and has a portion where the groove end on the supply edge side is closed. That is, the groove end located below the gravitational direction has a closed portion. The entire closed portion can hold the electrolytic solution, and forms a liquid retaining portion 55.
  • the entire vertical groove 51 forming the discharge groove 5o forms the liquid retaining portion 55 (see the lower diagram in FIG. 5).
  • the introduction groove 5i and the discharge groove 5o are provided, at least a part of the discharge groove 5o (FIGS. 8 and 9) and the entire discharge groove 5o (for example, FIG. 5 (this example), FIG. 6) can form the liquid retaining portion 55.
  • the liquid retaining part 55 may include a part of the introduction groove 5i (for example, FIG. 9).
  • the entire discharge groove 5o forms the liquid retaining portion 55 as described above, and it is easy to hold the electrolytic solution when the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped. Therefore, the RF battery including the cell frame of the second embodiment can start the pump more reliably at the time of power failure of the power system (see also Test Example 1 described later).
  • the groove part 50 of the bipolar plate 5B provided in the cell frame of the third embodiment shown in FIG. 6 includes a plurality of vertical grooves 51 as in the second embodiment, and the introduction groove 5i and the discharge groove 5o are meshing type opposing combs. Includes a tooth-shaped part. Further, the groove portion 50 includes a lateral groove 52 extending along a direction (left-right direction in FIG. 6) orthogonal to the flowing direction of the electrolytic solution.
  • the groove portion 50 of the bipolar plate 5B is provided along the supply edge and opens at the supply edge, and is provided along the discharge groove and the lateral groove 52 forming a part of the introduction groove 5i and opens at the discharge edge. And a lateral groove 52 forming a part of the discharge groove 5o.
  • One end of each vertical groove 51 opens into the horizontal groove 52. That is, a plurality of vertical grooves 51 forming the other part of the introduction groove 5i extend from the horizontal groove 52 forming a part of the introduction groove 5i. A plurality of vertical grooves 51 forming the other part of the discharge groove 5o extend from the horizontal groove 52 forming a part of the discharge groove 5o. Therefore, the groove part 50 includes the vertical groove 51 and the horizontal groove 52 in both the introduction groove 5i and the discharge groove 5o.
  • the entire discharge groove 5o forms the liquid retaining portion 55 as in the cell frame of the second embodiment.
  • the liquid retaining part 55 includes a lateral groove 52. Since the horizontal groove 52 is arranged so as to be orthogonal to the direction of gravity, the electrolytic solution tends to be a portion where the electrolyte solution is difficult to fall off due to its own weight, compared to the vertical groove 51 extending along the direction of gravity. Therefore, the liquid retaining unit 55 is easier to hold the electrolytic solution when the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped. Therefore, the RF battery including the cell frame of Embodiment 3 is expected to be able to start the pump more reliably at the time of power failure of the power system.
  • the lateral groove 52 can be used as a rectifying groove, and it is easy to uniformly introduce and discharge the electrolyte in the lateral direction of the bipolar plate 5B and the electrode 13 (FIG. 1 and the like).
  • the groove part 50 of the bipolar plate 5C provided in the cell frame of the fourth embodiment shown in FIG. 7 includes the introduction groove 5i including the vertical groove 51 and the horizontal groove 52 and the discharge groove 5o, as in the third embodiment.
  • the lateral groove 52 does not open to the supply edge and the discharge edge, but includes a groove (a short vertical groove 51 described later) that opens to the supply edge and the discharge edge.
  • the introduction groove 5i extends from the horizontal groove 52 toward the discharge edge, and has a plurality of vertical grooves 51 having a meshing-type opposed comb shape, and one relatively short vertical groove extending from the horizontal groove 52 toward the supply edge. 51.
  • the short vertical groove 51 forms a place where the electrolytic solution is collectively introduced into the horizontal groove 52 forming the rectifying groove.
  • the discharge groove 5o extends from the horizontal groove 52 toward the supply edge, and includes a plurality of vertical grooves 51 that form a meshing opposed comb shape, and one relatively short vertical groove 51 that extends from the horizontal groove 52 toward the discharge edge.
  • the short vertical groove 51 functions as a portion for collecting and discharging the electrolytic solution with respect to the horizontal groove 52 forming the rectifying groove.
  • the entire discharge groove 5o forms the liquid retaining portion 55 as in the cell frame of the second embodiment. Since the liquid retaining unit 55 includes the lateral groove 52 as in the third embodiment, the RF battery including the cell frame of the fourth embodiment is expected to be able to start the pump more reliably in the event of a power failure in the power system. .
  • the groove part 50 of the bipolar plate 5D provided in the cell frame of the fifth embodiment shown in FIG. 8 includes the introduction groove 5i including the vertical groove 51 and the horizontal groove 52 and the discharge groove 5o, as in the third embodiment.
  • the lateral groove 52 does not open at the supply edge and the discharge edge but opens at the side edge of the liquid circulation area.
  • the groove portion 50 includes a plurality of relatively short lateral grooves 52 (hereinafter sometimes referred to as step grooves 52) extending from the respective vertical grooves 51.
  • each step groove 52 has a step groove 52 extending from the other vertical groove 51 between the adjacent vertical grooves 51, 51 extending from one vertical groove 51 and arranged in the vertical direction. It is provided as follows.
  • portions of the discharge groove 5o excluding the lateral grooves 52 opened at the side edges, that is, the vertical grooves 51 and the step grooves 52 form the liquid retaining portion 55. Since the liquid retaining unit 55 includes the step groove 52, the RF battery including the cell frame of the fifth embodiment is expected to be able to start the pump more reliably at the time of power failure of the power system.
  • the step groove 52 of the introduction groove 5i and the step groove 52 of the discharge groove 5o form a meshing opposed comb tooth shape.
  • the bipolar plate 5D has a meshing opposing comb tooth shape formed by both the vertical groove 51 and the horizontal groove 52 (step groove 52), so that the electrolyte solution can be easily distributed over the entire liquid circulation region.
  • the supply of the unreacted liquid and the discharge of the reacted liquid can be performed more uniformly and efficiently.
  • each step groove 52 includes a relatively short vertical groove 51 (hereinafter also referred to as a return groove 51) extending from the end portion thereof.
  • the step groove 52 and the return groove 51 are arranged in an L shape.
  • a return groove 51 is provided upward in the vertical direction with respect to the step groove 52 extending to the left in the horizontal direction of the vertical groove 51.
  • a return groove 51 is provided vertically downward with respect to the step groove 52 extending rightward in the horizontal direction of the vertical groove 51.
  • the portion of the discharge groove 5o excluding the lateral groove 52 that opens to the side edge, that is, the vertical groove 51, the step groove 52, and the return groove 51 are liquid retaining portions. 55.
  • the downward return groove 51 of the introduction groove 5 i forms the liquid retaining portion 55.
  • the vertical groove 51, the step groove 52, and the upward return groove 51 are arranged in a J-shape, and this J-shaped portion can be said to be a place where the electrolytic solution is difficult to come off.
  • the liquid retaining portion 55 includes the step groove 52 and the portion where the electrolytic solution is difficult to fall off as described above.
  • the RF battery including the cell frame of the sixth embodiment is expected to be able to start the pump more reliably at the time of power failure of the power system.
  • the cell frame of the sixth embodiment uses part of the introduction groove 5i as the liquid retaining portion 55, the amount of electrolyte retained by the liquid retaining portion 55 may be larger than that of the fifth embodiment.
  • the return groove 51 is provided in addition to the step groove 52, and the upward return groove 51 and the downward return groove 51 are arranged at diagonal positions. Therefore, the bipolar plate 5E makes it easier to distribute the electrolytic solution over the entire liquid circulation region than in the fifth embodiment, and the supply of the unreacted liquid and the reacted liquid to the electrode 13 (FIG. 1 and the like). The discharge can be performed more uniformly and efficiently.
  • the groove portion 50 of the bipolar plate 5F provided in the cell frame of the seventh embodiment shown in FIG. 10 includes an introduction groove 5i including a vertical groove 51 and a horizontal groove 52 and a discharge groove 5o, and has a meshing opposed comb shape. Has a part. However, in the groove portion 50 of the bipolar plate 5F, a plurality of lateral grooves 52 form a meshing opposed comb shape. Further, a plurality of sets of meshing opposing comb-tooth shaped portions are provided side by side in the horizontal direction (two sets are illustrated in FIG. 10).
  • one introduction groove 5i includes a vertical groove 51 that opens to the supply edge, and a plurality of horizontal grooves 52 that extend from the vertical groove 51 to the left in the horizontal direction and are spaced apart in the vertical direction.
  • One discharge groove 5o includes a vertical groove 51 that opens to the discharge edge, and a plurality of horizontal grooves 52 that extend rightward in the horizontal direction from the vertical groove 51 and are spaced apart in the vertical direction.
  • the lateral grooves 52 forming the introduction grooves 5i and the lateral grooves 52 forming the discharge grooves 5o are alternately arranged.
  • the entire discharge groove 5o forms the liquid retaining portion 55 as in the cell frame of the second embodiment. Since the liquid retaining portion 55 includes the lateral groove 52 as in the third embodiment, the RF battery including the cell frame according to the seventh embodiment is expected to be able to start the pump more reliably in the event of a power failure in the power system. .
  • the electrolyte in the bipolar plate 5F, by providing a plurality of sets of meshing opposed comb-shaped portions, the electrolyte can be easily distributed over the entire liquid flow area of the bipolar plate 5F, and the electrode 13 (FIG. 1 and the like) On the other hand, the supply of the unreacted liquid and the discharge of the reacted liquid can be performed more uniformly and efficiently.
  • the groove portion 50 of the bipolar plate 5G provided in the cell frame of Embodiment 8 shown in FIG. 11 includes an introduction groove 5i including a vertical groove 51 and a horizontal groove 52 and a discharge groove 5o.
  • the introduction groove 5 i and the discharge groove 5 o include a vertical groove 51 that opens to the supply edge or the discharge edge, and a plurality of horizontal grooves 52 that extend from the vertical groove 51.
  • the groove portion 50 of the bipolar plate 5G is not in mesh-type opposed comb shape, and each lateral groove 52 forming the introduction groove 5i and each lateral groove 52 forming the discharge groove 5o are arranged at the same position in the vertical direction and mesh with each other. Face each other without.
  • the entire discharge groove 5o forms the liquid retaining portion 55 as in the cell frame of the second embodiment. Since the liquid retaining unit 55 includes the lateral groove 52 as in the third embodiment, the RF battery including the cell frame according to the eighth embodiment is expected to be able to start the pump more reliably in the event of a power failure in the power system. .
  • the groove portion 50 of the bipolar plate 5H provided in the cell frame of Embodiment 9 shown in FIG. 12 includes the introduction groove 5i including the vertical groove 51 and the horizontal groove 52 and the discharge groove 5o, and the peripheral edge of the liquid flow area of the bipolar plate 5H.
  • An isolated groove 53 that does not open is provided.
  • each longitudinal groove 51 having a meshing type opposed comb shape is divided in the longitudinal direction to make a short groove.
  • the short grooves are spaced apart in the vertical direction. This short groove forms an isolated groove 53.
  • the introduction groove 5i includes a plurality of relatively short vertical grooves 51 extending from the horizontal groove 52 toward the discharge edge, and one vertical groove 51 extending from the horizontal groove 52 toward the supply edge and forming the above-described introduction portion.
  • the discharge groove 5o includes a plurality of relatively short vertical grooves 51 extending from the horizontal groove 52 toward the supply edge, and one vertical groove 51 extending from the horizontal groove 52 toward the discharge edge and forming the above-described discharge portion.
  • a plurality of isolated grooves 53 are arranged in a line in the vertical direction so as to extend from the ends of the relatively short vertical grooves 51 in the introduction groove 5i and the discharge groove 5o.
  • the entire discharge groove 5o forms the liquid retaining portion 55 as in the cell frame of the second embodiment.
  • the isolated groove 53 forms the liquid retaining portion 55. Since the isolated groove 53 does not open to the periphery of the liquid flow area of the bipolar plate 5H, it can be said that the electrolytic solution is less likely to come off due to its own weight compared to the vertical groove 51 and the horizontal groove 52. Therefore, the liquid retaining part 55 is easier to hold the electrolytic solution when the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped. Therefore, the RF battery including the cell frame of the ninth embodiment is expected to be able to start the pump more reliably at the time of power failure of the power system.
  • each isolated groove 53 is the same and the planar shape is a rectangle is illustrated, but the shape and size of the isolated groove 53 can be changed as appropriate. This also applies to Embodiment 10 described later. In addition, here, a case where a plurality of isolated grooves 53 are arranged in alignment is illustrated, but the arrangement state can be changed as appropriate.
  • the groove portion 50 of the bipolar plate 5I provided in the cell frame of the tenth embodiment shown in FIG. 13 includes a plurality of vertical grooves 51, and the introduction groove 5i and the discharge groove 5o are meshing type opposing combs. A portion (not shown) having a tooth shape is included. Further, the groove portion 50 includes an isolated groove 53 formed of the vertical groove 51 between the vertical groove 51 forming the introduction groove 5i and the vertical groove 51 forming the discharge groove 5o. In FIG. 13, only one set of groove groups aligned with the introduction groove 5i, the isolated groove 53, and the discharge groove 5o in order from the right is shown as a representative, but the groove groups may be repeatedly arranged in the horizontal direction.
  • One end of the isolated groove 53 in this example is disposed above (the discharge edge side) above the lower end (supply edge) of the adjacent introduction groove 5i and below (the supply edge side) below the lower end of the adjacent discharge groove 5o.
  • the other end of the isolated groove 53 is disposed above the upper end of the adjacent introduction groove 5i and below the upper end (discharge edge) of the adjacent discharge groove 5o. Therefore, both ends of the isolated groove 53 and the vicinity thereof are not sandwiched between the adjacent introduction groove 5i and the discharge groove 5o, and an intermediate portion of the isolated groove 53 is sandwiched between the adjacent introduction groove 5i and the discharge groove 5o. Both ends of the isolated groove 53 are closed.
  • the entire discharge groove 5o forms the liquid retaining portion 55 as in the cell frame of the second embodiment.
  • the isolated groove 53 forms the liquid retaining portion 55. Since the liquid retaining portion 55 includes the isolated groove 53 as in the ninth embodiment, it is easier to retain the electrolytic solution when the supply of the electrolytic solution from the outside is stopped. Therefore, the RF battery including the cell frame of the tenth embodiment is expected to be able to start the pump more reliably at the time of power failure of the power system.
  • Test Example 1 Regarding the RF battery including a cell frame including a bipolar plate provided with a groove as a constituent element, the startup state of the pump by the RF battery was examined. Test conditions are shown below.
  • the RF battery includes a cell stack including a plurality of battery cells.
  • a cell frame prepare a set of single-sided groove frames with the following grooves on only one surface of the bipolar plate, and prepare multiple double-sided groove frames with the following grooves on both surfaces of the bipolar plate.
  • a single-sided groove frame is provided at an end position in the stacking direction of battery cells in the cell stack, and a double-sided groove frame is provided at an intermediate position.
  • the groove portion of the bipolar plate includes a plurality of grooves, and the groove width and depth of each groove are uniform in the longitudinal direction of the groove.
  • Electrode Planar shape Square with one side length of 17.0 cm Thickness: 0.01 cm Plane area Se: 289cm 2 (> 250cm 2 ) Volume Ve: 2.89 cm 3 ⁇ Cell Frame ⁇ Planar shape of the liquid flow area of the bipolar plate: a square with a side length of 17.0 cm Thickness of the bipolar plate: 0.12 cm Planar area of the opening of the frame Sf: 289cm 2 (> 250cm 2 ) Volume Vf of the recess formed by the bipolar plate and the inner wall of the frame: 2.89 cm 3 ⁇ Groove> Basic shape of groove: A plurality of vertical grooves extending from the supply edge or discharge edge of the liquid flow area along the flow direction of the electrolytic solution.
  • Length of one vertical groove 15 cm Groove width of one vertical groove: 0.1 cm Groove depth of one vertical groove: 0.05cm Groove volume of one longitudinal groove: 0.075 cm 3
  • the interval between adjacent discharge grooves is the distance between the centers of the vertical grooves forming each discharge groove.
  • a vertical groove forming one introduction groove is typically interposed between adjacent discharge grooves.
  • the minimum distance between the adjacent discharge groove and the introduction groove is the sample number. 1 is 2.5 mm, sample no. 2 is 1.5 mm.
  • the discharge groove here corresponds to the above-described liquid retaining portion.
  • a cell stack having 240 cells is prepared using electrodes and cell frames that satisfy the above test conditions.
  • the electrolyte solution is supplied to the RF battery of each sample including the cell stack by a pump and the electrolyte solution is stored in the RF battery, and then the power supply to the pump (hereinafter referred to as external power) is stopped.
  • the pump is electrically connected to the RF battery (cell stack) so that it can be driven by power from the RF battery.
  • the electrolytic solution is a vanadium sulfate aqueous solution (V concentration: 1.7 mol / liter, sulfuric acid concentration: 4.3 mol / liter) having an SOC (state of charge, also called charge depth) of 50%.
  • the pump is a commercially available electric pump with a rated capacity of 0.6 kW.
  • the flow rate of the pump is Q
  • the pressure loss due to the liquid flow to the RF battery is ⁇ P
  • the pump efficiency is ⁇ p
  • the time required to pass the electrolytic solution volume V at the flow rate Q is t
  • the mol of active material ions in the electrolytic solution The concentration is n 0
  • the electromotive force of the RF battery is E
  • the dischargeable SOC in the electrolyte is ⁇
  • the electrolyte necessary for starting the pump when the external power to the pump is stopped Let Vx be the volume of the battery and ⁇ c be the battery efficiency.
  • the molar concentration n 0 is 1.7 mol / liter
  • the electromotive force E is 1.4 V
  • the SOC ⁇ is 0.5
  • the battery efficiency ⁇ c is 0.8.
  • pump efficiency (eta) p is set to 0.3 from the performance curve. Substituting these into Equation 1, ⁇ Formula 2> ( ⁇ P ⁇ Q ⁇ t) / 38517 (J / liter) ⁇ V It becomes.
  • the RF battery has an electrolyte corresponding to this total volume. Can hold. As a result, it is confirmed that the RF battery can independently start the pump when the external power to the pump is stopped.

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Abstract

双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体とを備えるセルフレームであって、前記双極板の一面に、前記セルフレームの外部から供給される電解液を流通する溝部を備え、前記溝部は、前記外部からの電解液の供給停止時に前記電解液を保持する保液部を備え、前記枠体の開口部の平面面積が250cm以上であり、前記双極板と前記枠体の内側壁とがつくる凹部の体積と、前記保液部の合計体積との合計体積が5cm以上であるセルフレーム。

Description

セルフレーム、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池
 本発明は、セルフレーム、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池に関する。
 蓄電池の一つに、電解液を電極に供給して電池反応を行うレドックスフロー電池(以下、RF電池と呼ぶことがある)がある。RF電池は、正極電解液が供給される正極電極と、負極電解液が供給される負極電極と、両電極間に介在される隔膜とを備える電池セルを主要素とする。電池セルは、代表的には、双極板と、双極板の外周に設けられる枠体とを備えるセルフレームを用いて構成される(例、特許文献1)。セルフレームは、双極板の表裏面をそれぞれ底面とし、枠体の内側壁を周壁とする凹部を各極の電極の収納箇所とする。RF電池の運転時、ポンプによって各極の電解液を各極のタンクから各極の電極に供給する。
特開2015-122230号公報
 本開示のセルフレームは、
 双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体とを備えるセルフレームであって、
 前記双極板の一面に、前記セルフレームの外部から供給される電解液を流通する溝部を備え、
 前記溝部は、前記外部からの電解液の供給停止時に前記電解液を保持する保液部を備え、
 前記枠体の開口部の平面面積が250cm以上であり、
 前記双極板と前記枠体の内側壁とがつくる凹部の体積と、前記保液部の合計体積との合計体積が5cm以上である。
 本開示の電池セルは、
 電極と、前記電極が配置される双極板と前記双極板の外周に設けられる枠体とを備えるセルフレームとを備える電池セルであって、
 前記双極板の一面に、前記電池セルの外部から供給される電解液を流通する溝部を備え、
 前記溝部は、前記外部からの電解液の供給停止時に前記電解液を保持する保液部を備え、
 前記電極の平面面積が250cm以上であり、
 前記電極の体積と、前記保液部の合計体積との合計体積が5cm以上である。
 本開示のセルスタックは、
 上記の本開示の電池セルを複数備える。
 本開示のレドックスフロー電池は、
 上記の本開示の電池セル、又は上記の本開示のセルスタックを備える。
実施形態1のセルフレームを示す概略平面図である。 実施形態1のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態1のセルフレームを備える実施形態1の電池セルを示す分解斜視図、及び実施形態1のセルスタックを示す概略斜視図である。 実施形態1のレドックスフロー電池の一例を示す概略構成図である。 実施形態2のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態3のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態4のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態5のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態6のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態7のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態8のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態9のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。 実施形態10のセルフレームに備えられる双極板を示す概略平面図である。
[本開示が解決しようとする課題]
 上述のポンプに電力を供給する電力系統が停電した場合でも、レドックスフロー電池(RF電池)がポンプを起動できることが望まれる。
 電力系統の停電時には、ポンプへの電力供給が停止されるため、ポンプによって電解液をタンクからRF電池に供給できず、RF電池を実質的に運転できない。例えば無停電電源装置を備えてポンプを起動することが考えられるが、無停電電源装置等を具備することなく、RF電池の電力によってポンプを起動できることが望まれる。
 そこで、電力系統の停電時にポンプを起動可能なレドックスフロー電池を構築できるセルフレームを提供することを目的の一つとする。また、電力系統の停電時にポンプを起動可能なレドックスフロー電池を構築できる電池セル、セルスタック、及び電力系統の停電時にポンプを起動可能なレドックスフロー電池を提供することを別の目的の一つとする。
[本開示の効果]
 上記の本開示のセルフレーム、本開示の電池セル、及び本開示のセルスタックは、電力系統の停電時にポンプを起動可能なレドックスフロー電池を構築できる。上記の本開示のレドックスフロー電池は、電力系統の停電時にポンプを起動可能である。
[本願発明の実施形態の説明]
 最初に本願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セルフレームは、
 双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体とを備えるセルフレームであって、
 前記双極板の一面に、前記セルフレームの外部から供給される電解液を流通する溝部を備え、
 前記溝部は、前記外部からの電解液の供給停止時に前記電解液を保持する保液部を備え、
 前記枠体の開口部の平面面積が250cm以上であり、
 前記双極板と前記枠体の内側壁とがつくる凹部の体積と、前記保液部の合計体積との合計体積が5cm以上である。
 上記のセルフレームを備えるRF電池は、外部からの電解液の供給が停止された状態において、上記のセルフレームに備えられる双極板の保液部と、凹部とに電解液を保持できる。特に、凹部は、代表的にはカーボンフェルトのような繊維間に空隙を有することで電解液を保持し易い電極が収納されるため、電解液をより確実に保持できる。この電解液の保持量は、双極板の一面に設けられた保液部の合計体積と、凹部の体積との合計体積に相当する量であり、定量的には5cm以上である。5cm以上の電解液が有れば、この電解液を利用してRF電池は、ポンプの起動に必要な電力を放電でき、電力系統の停電時にポンプを起動できる。ポンプを起動できれば、タンクに貯留される電解液をRF電池に順次送ることができる。その結果、RF電池は、放電運転を継続でき、電力系統等の負荷に電力を供給できる。
 特に、上記のセルフレームは、枠体の開口部の平面面積が250cm以上であるため、凹部に収納可能な電極の平面面積を250cm以上とすることができる。このような平面面積が大きい電極を備えるRF電池は、大出力電池とすることができる上に、電解液をより確実に保持できる。
 従って、上記のセルフレームによれば、電力系統の停電時にポンプを起動可能なRF電池を構築できる。また、上記のセルフレームによれば、大出力のRF電池を構築でき、電力系統の停電時での活用が期待される。
(2)上記のセルフレームの一例として、
 前記凹部の体積と前記保液部の合計体積との合計体積に対する前記保液部の合計体積の割合が5%以上である形態が挙げられる。
 上記形態は、凹部と保液部との電解液の保持量において保液部の割合がある程度高いため、電解液をより保持し易い。凹部に保持される電解液が抜け落ちてから、保液部で保持される電解液が抜け落ちると考えられるからである。従って、上記形態は、電力系統の停電時にポンプを起動可能なRF電池をより確実に構築できる。
(3)本発明の一態様に係る電池セルは、
 上記(1)又は(2)のセルフレームを備える。
 上記の電池セルは、上述のように外部からの電解液の供給が停止された状態において、上記のセルフレームと凹部に収納される電極とによって5cm以上の電解液を保持できる。また、上記の電池セルは、上記のセルフレームを備えるため、上述のように平面面積が250cm以上という大きな電極を備えられる。従って、上記の電池セルによれば、電力系統の停電時にポンプを起動可能なRF電池を構築できる。また、上記の電池セルによれば、大出力のRF電池を構築でき、電力系統の停電時の活用が期待される。
(4)本発明の別の態様に係る電池セルは、
 電極と、前記電極が配置される双極板と前記双極板の外周に設けられる枠体とを備えるセルフレームとを備える電池セルであって、
 前記双極板の一面に、前記電池セルの外部から供給される電解液を流通する溝部を備え、
 前記溝部は、前記外部からの電解液の供給停止時に前記電解液を保持する保液部を備え、
 前記電極の平面面積が250cm以上であり、
 前記電極の体積と、前記保液部の合計体積との合計体積が5cm以上である。
 上記の電池セルを備えるRF電池は、外部からの電解液の供給が停止された状態において、双極板の保液部と電極とに電解液を保持できる。この電池セルは、平面面積が250cm以上である大きな電極を備えており、このことからも、電解液をより確実に保持できる。この電解液の保持量は、双極板の一面に設けられた保液部の合計体積と電極の体積との合計体積に相当する量であり、定量的には5cm以上である。上述のように5cm以上の電解液が有れば、RF電池は、電力系統の停電時にポンプを起動でき、更には放電運転を継続できる。従って、上記の電池セルによれば、電力系統の停電時にポンプを起動可能なRF電池を構築できる。また、上記の電池セルによれば、上述のよう平面面積が大きい電極を備えるため、大出力のRF電池を構築でき、電力系統の停電時の活用が期待される。
(5)上記の電池セルの一例として、
 前記電極の体積と前記保液部の合計体積との合計体積に対する前記保液部の合計体積の割合が5%以上である形態が挙げられる。
 上記形態は、電極と保液部との電解液の保持量において保液部の割合がある程度高いため、電解液をより保持し易い。電極に保持される電解液が抜け落ちてから、保液部で保持される電解液が抜け落ちると考えられるからである。従って、上記形態は、電力系統の停電時にポンプを起動可能なRF電池をより確実に構築できる。
(6)上記の電池セルの一例として、
 前記溝部は、電解液を導入する導入溝と、前記導入溝とは連通せずに独立しており、電解液を排出する排出溝とが交互に配置される部分を含み、
 前記保液部は、前記排出溝の少なくとも一部を含む形態が挙げられる。
 上記形態において排出溝は、後述するように重力方向下方に位置する溝端が閉じた部分を有し、保液部として良好に機能できる。従って、上記形態は、電力系統の停電時にポンプを起動可能なRF電池を構築できる。また、上記形態は、導入溝と排出溝とが交互に配置されることで、導入溝から双極板上に配置される電極に未反応の電解液を供給すること、及び電極で電池反応に用いた反応済の電解液を電極から排出することの双方を均一的かつ効率良く行える。
(7)本発明の一態様に係るセルスタックは、
 上記(3)から(6)のいずれか一つの電池セルを複数備える。
 上記のセルスタックを備えるRF電池は、上述のように外部からの電解液の供給が停止された状態において、5cm以上の電解液を保持可能な上述の電池セルを複数備える。電解液の保持量は、一つの電池セルにおける保持量とセル数との積で表される量に相当し、より多くできて、ポンプの起動に必要な電力をより確実に出力できる。従って、上記のセルスタックによれば、電力系統の停電時にポンプをより確実に起動可能なRF電池を構築できる。また、上記のセルスタックによれば、複数の電池セルを備えることで大出力のRF電池を構築でき、電力系統の停電時の活用が期待される。上述の平面面積が250cm以上の電極を備える場合には、更に大出力電池を構築できる。
(8)本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、
 上記(3)から(6)のいずれか一つの電池セル、又は上記(7)のセルスタックを備える。
 上記のRF電池は、上述のように外部からの電解液の供給が停止された状態において5cm以上の電解液を保持可能な上述の電池セル、又は上述のセルスタックを備える。従って、上記のRF電池は、電力系統の停電時にポンプを起動可能である。また、上記のRF電池は、上述の平面面積が大きい電極を備える場合や上述のセルスタックを備える場合、更にはその双方を満たす場合には大出力電池とすることができ、電力系統の停電時の活用が期待される。
[本願発明の実施形態の詳細]
 以下、図面を参照して、本願発明の実施形態を具体的に説明する。図中、同一符号は同一名称物を示す。
 図1~図3,図5~図13において、双極板5,5A~5Iに設けられた溝部50は分かり易いように強調して示し、実際の寸法とは異なる場合がある。
 図2,図5~図13では双極板5,5A~5Iにおける液流通域(詳細は後述)のみを示す。図2,図5~図13の各図において、液流通域の下端縁が供給縁、上端縁が排出縁である(同)。
 図2,図5~図13の上図は液流通域の平面図であり、溝部50が分かり易いように畝部にクロスハッチングを付して示す。溝部50内に示す実線矢印は、溝部50に沿った電解液の流れ、破線矢印は双極板5,5A~5Iから電極13(図1等)を介した電解液の流れを仮想的に示す。
 図2,図5~図13の下図は、外部からの電解液の供給停止時に電解液を保持する状態を説明する説明図であり、電解液の保持箇所(保液部55)にハッチングを付して示す。
[実施形態1]
 図1~図4を参照して、実施形態1のセルフレーム2、電池セル10、セルスタック3、及びRF電池1を順に説明する。
 図4の正極タンク16内及び負極タンク17内に示すイオンは、各極の電解液中に含むイオン種の一例を示す。
<セルフレーム>
《概要》
 実施形態1のセルフレーム2は、代表的には、RF電池1(図4)の構成要素に利用されるものであり、図1に示すように双極板5と、双極板5の外周に設けられる枠体22とを備える。双極板5と枠体22の内側壁220とがつくる凹部、詳しくは双極板5の一面を底面とし、内側壁220を周壁とする凹部(図3も参照)は、RF電池1の電極13の収納空間、及びRF電池1の外部から供給される電解液の流通空間として利用される。
 実施形態1のセルフレーム2は、双極板5の一面に、セルフレーム2の外部から供給される電解液を流通する溝部50を備える。溝部50は、セルフレーム2の外部からの電解液の供給停止時に電解液を保持する保液部55を備える。更に、実施形態1のセルフレーム2は、上述の凹部の体積Vfと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vaが5cm以上である。
《双極板》
 双極板5は、電流を流すが電解液を通さない導電性の板状材であり、双極板5上に配置される電極13との間で電子の受け渡しに利用される。
 この例では、枠体22の開口形状を長方形とする。そのため、双極板5において枠体22の開口部から露出される領域(以下、この領域を液流通域と呼ぶことがある)の平面形状は長方形である。この長方形の液流通域の下端縁を、電解液が供給される側に配置される供給縁とし、上端縁を、電解液を双極板5外に排出する側に配置される排出縁とする。ここでは、電解液は、双極板5の液流通域の供給縁から排出縁に向かって供給する、即ち図1の下から上に向かうように電解液を供給する場合を説明する。以下、図1~図4及び後述の図5~図13の上下方向を電解液の流通方向、又は縦方向と呼ぶことがある。上述の各図の左右方向を電解液の流通方向に直交方向、又は横方向と呼ぶことがある。
〈溝部〉
 双極板5の液流通域には溝部50が設けられる。溝部50は、電解液の流路として機能する。双極板5において枠体22に支持される周縁領域(図1,図3では枠体22に隠れて見えない領域)には、溝部50を備えていなくてもよいが、溝部50を備えることもできる。
 溝部50の形状、大きさ(溝長さ、溝幅、溝深さ、隣り合う溝間の間隔等)、個数、形成位置等は、上述の合計体積Vaを満たす範囲で適宜選択できる。ここでの長さとは、電解液の流通方向に沿った大きさとし、幅とは電解液の流通方向に直交する方向に沿った大きさとする。ここでの溝深さとは双極板5の厚さ方向に沿った大きさとする。
 溝部50は、双極板5の液流通域の周縁に開口する溝を含むこと(例、後述の縦溝51)、上記周縁に開口しない溝を含むこと(例、図12,図13の孤立溝53)、これらの双方の溝を含むこと(例、図12,図13)が挙げられる。
 また、溝部50は、本例に示すように一つの連続する溝を含むことが挙げられる。又は、溝部50は、独立した複数の溝を含むことが挙げられる(例、図5~図13)。いずれの場合も、例えば、一様な方向に延びる直線状の溝(例、縦溝51又は後述の横溝52)であって、所定の間隔をあけて並列配置される溝群を含むと、電解液の流通性に優れる。また、上記溝群を含むと、隣り合う溝間を仕切る畝部を形成でき、畝部を電極13に接触する箇所とし、電極13との間での電子の受け渡し領域に利用できる。
 この例の溝部50は、双極板5の液流通域の周縁に開口する一つの連続する溝であって、長方形の液流通域の実質的に全体に亘って蛇行してなる蛇行溝を備える。この蛇行溝は、電解液の流通方向に沿って直線状に延びる縦溝51と電解液の流通方向に直交する方向に沿って延びる横溝52とによって構成される。詳しくは、供給縁近くから排出縁近くに至るように延びる複数の縦溝51が横方向に離間して並列され、横方向右端及び左端に位置する縦溝51,51がそれぞれ供給縁、排出縁に開口する。隣り合う縦溝51,51の上端同士、下端同士を繋ぐように横溝52が配置される。これら縦溝51と横溝52とからなる蛇行溝の振幅方向は、縦方向である。蛇行溝をなす隣り合う二つの縦溝51,51と、両縦溝51,51の下端同士を繋ぐ横溝52とはU字状に配置される。隣り合う縦溝51,51の間隔は実質的に等間隔であり、各縦溝51は、同一形状(平面形状及び断面形状が長方形)であり、同一の大きさ(溝長さ、溝幅、溝深さ)である。各横溝52も同一形状、同一の大きさである。
 ここでは、電解液の流通方向に平行する縦溝51及び直交する横溝52からなる蛇行溝を例示するが、電解液の流通方向に非直交に交差する溝、例えば、波線状やジグザグ状等の蛇行溝とすることができる。また、上述の開口部は、供給縁又は排出縁の他、図8,図9に例示するように供給縁と排出縁とを繋ぐ側縁等に設けることもできる。
〈保液部〉
 溝部50は、その少なくとも一部に保液部55を備える。
 保液部55とは、溝部50において、セルフレーム2を備えるRF電池1への電解液の供給が停止された状態において、電解液がその自重によってセルフレーム2から抜け落ちない、又は長時間経過すれば抜け落ちる可能性があるが、上述の供給停止から5分間以下といった短時間(以下、この時間を完全停止時間と呼ぶ)の間は少なくとも電解液を保持可能な部分をいう。保液部55は、本例のように双極板5の液流通域の排出縁に開口部を有する溝において、この開口部よりも供給縁側に配置される部分であって、重力方向下方に位置する溝端が閉じた部分を含むことが挙げられる。又は、保液部55は、双極板5の液流通域の周縁に開口しない溝(例、孤立溝53)を含むことが挙げられる。
 なお、以下の説明において、電解液の保持量とは、上記完全停止時間において保持可能な量をいい、溝部50や凹部、電極13が電解液を保持する旨の記載は、上記完全停止時間において保持することをいう。
 この例の保液部55は、溝部50のうち、上述のU字状に配置される部分(図2では4つ)を含む。このU字状に配置される部分は、重力方向下方が閉じた形状であり、このU字状の部分は、電解液が抜け落ち難い箇所といえる。この保液部55は、このような電解液が抜け落ち難い部分を含むため、外部からの電解液の供給停止時に電解液をより保持し易い。
 保液部55の合計体積Vsは、凹部の体積Vfとの合計体積Vaが5cm以上を満たす範囲で適宜選択できる。双極板5の大きさ(液流通域の平面面積=開口部の平面面積Sf、厚さ等)にもよるが、合計体積Vsが所定の大きさを満たすように、溝形状や溝長さ、溝幅、溝深さ等を調整するとよい。本例のように複数の保液部55を備える場合には、合計体積Vsが所定の大きさを満たすように、各保液部55の体積、保液部55の個数等を調整するとよい。複数の保液部55を備える場合、各保液部55の形状、大きさ(溝長さ、溝幅、溝深さ、体積)等の仕様を本例のように同一とすることもできるし、異ならせることもできる。更に、溝部50において保液部55の割合が大きいほど、電解液の保持量を多く確保できる。例えば、溝部50の合計平面面積に対して、保液部55の合計平面面積の割合が45%以上、更に55%以上であることが挙げられる。
 双極板5の構成材料は、例えば炭素系材料や金属等の導電性材料と熱可塑性樹脂等の有機材とを含む有機複合材、いわゆる導電性プラスチック等が挙げられる。双極板5は、例えば公知の方法によって板状に成形すると共に、溝部50も成形することで製造できる。導電性プラスチックの成形方法は、例えば射出成型、プレス成型、真空成型等が挙げられる。平坦な平板材に切削加工等を行って、溝部50を形成することもできる。
《枠体》
 枠体22は、双極板5を支持すると共に、開口部から双極板5の液流通域を露出させ、この液流通域と内側壁220とによって凹部を形成し、凹部に収納された電極13への電解液の供給、電極13からの電解液の排出に利用される。そのため、枠体22は電解液の供給路及び排出路を備える。供給路は、給液マニホールド(正極では24,負極では25)を備える。排出路は、排液マニホールド(正極では26,負極では27)を備える。また、給液路及び排液路は、各マニホールドと開口部(窓部)との間を繋ぐスリット(正極では28,負極では29)を備える。図1に示すようにセルフレーム2を平面視すれば、スリット28,29の開口部と双極板5の液流通域の供給縁又は排出縁とは実質的に一致するように枠体22が設けられる。
 その他、枠体22は、開口部の内周縁に沿って延びる整流溝(図示せず)を備えることができる。この整流溝は、双極板5の供給縁や排出縁に沿って設けられることになるため、整流溝を備えると、双極板5及び電極13の横方向に均一的に電解液を導入したり、排出したりし易い。整流溝を備える場合、上述のスリット28,29は整流溝に開口させる。
 この例の枠体22は、上述のように長方形の開口部を有し、長方形の外形を有する枠であるが、開口形状、外形は適宜変更できる。図1に示すように開口形状と外形とが類似の形状(長辺と短辺との比が異なる長方形)である他、相似形状、又は円形と長方形との組み合わせのような完全に異なる形状等とすることもできる。
 枠体22の開口部の平面面積Sfは、250cm以上である。平面面積Sfが250cm以上であれば、凹部の体積Vfが大きくなり易く、凹部における電解液の保持量を多くできる。また、この場合、凹部に収納可能な電極13の平面面積Seを250cm以上とすることができる。凹部に大型の電極13を収納可能であれば、大型の電極13によって電解液を保持し易い。更に、この場合、大出力電池を構築できる。平面面積Sfは大きいほど、体積Vfの増大、また、電極13の大型化ひいては大出力化が可能であり、平面面積Sfが300cm以上、更に800cm以上、更には2000cm以上であることが挙げられる。枠体22の剛性・強度やRF電池1の組立作業性等を考慮して、平面面積Sfが5000cm以下であることが挙げられる。
 枠体22の内側壁220における枠体22の厚さ方向に沿った大きさを高さとする。内側壁220の高さは、代表的には凹部に収納可能な電極13の最大厚さに実質的に等しいことが挙げられる。また、上記高さは、開口部の平面面積Sfと共に凹部の体積Vfに関与するパラメータである。従って、上記高さは、合計体積Vaが5cm以上を満たす範囲で、電極13の厚さ、体積Vf、面積Sfに応じて調整するとよい。上記高さが大きいほど、平面面積Sfがある程度小さくても、凹部の体積Vfを大きくし易く、凹部における電解液の保持量を多くできる。この点から、上記高さが0.05mm以上であることが挙げられる。上記高さが小さければ、セルフレーム2を薄くし易く、複数の電池セル10(図4)を備える多セル電池を構築する場合に、薄型・小型にし易い。この点から、上記高さが8mm以下であることが挙げられる。なお、上記高さが小さくても、平面面積Sfがある程度大きければ、凹部の体積Vfを大きくし易い。
 凹部の体積Vfは例えば15cm以上であると、凹部における電解液の保持量を多くできる。上記体積Vfは例えば250cm以下であると、枠体22の開口部の平面面積Sfが大き過ぎることによる枠体22の剛性・強度の低下やRF電池1の組立作業性等の低下、又は枠体22の内側壁220の高さが大き過ぎることによる大型化を低減し易い。
 枠体22の構成材料は、例えば、電解液に対する耐性、電気絶縁性に優れる樹脂等が挙げられる。また、枠体22は、例えば、枠体22の厚さ方向に分割される一対の枠体片を備え、双極板5の周縁領域を双極板5の表裏から枠体片間に挟んで支持する形態が挙げられる。双極板5を挟んだ一対の枠体片同士は適宜接合することが挙げられる。
《保液部と凹部との合計体積》
 実施形態1のセルフレーム2では、凹部の体積Vfと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vaが5cm以上である。合計体積Vaが大きいほど、凹部及び保液部55による電解液の保持量を多くでき、ポンプ160,170(図4)の起動に必要な電力をより確実に発生できる。この点から、合計体積Vaは10cm以上であることが挙げられる。合計体積Vaは100cm以上であると、RF電池1が多セル電池や大型の電極13を備える大出力電池である場合でも、ポンプ160,170の起動電力をより確実に発生できる。合計体積Vaが所望の値となるように、保液部55の合計体積Vs、凹部の体積Vf(枠体22の開口部の平面面積Sf、内側壁220の高さ)を調整するとよい。合計体積Vaが大き過ぎるとRF電池1の構成要素の大型化による組立作業性の低下等を招くため、組立作業等を考慮して、合計体積Vaは例えば1000cm以下であることが挙げられる。
 凹部の体積Vfと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vaに対する保液部55の合計体積Vsの割合((Vs/Va)×100)が5%以上であることが挙げられる。凹部と保液部55とに電解液が保持されると、凹部から先に電解液が抜け落ち、次に保液部55から電解液が抜け落ちると考えられる。そのため、上記の割合が5%以上であれば、凹部よりも電解液を保持し易い保液部55の体積割合が大きく、電解液をより確実に保持できる。
(適用例)
 実施形態1のセルフレーム2は、電池セル10を一つ備える単セル電池、多セル電池のいずれにも利用できる。
 単セル電池を構築する場合、双極板5の表裏面の一面にのみ、保液部55を含む溝部50を備えるセルフレーム2(以下、片面溝フレームと呼ぶことがある)を二つ用意し、一方の片面溝フレームを正極用、他方の片面溝フレームを負極用とすることが挙げられる。
 多セル電池を構築する場合、双極板5の表裏面の双方に、保液部55を含む溝部50を備えるセルフレーム2(以下、両面溝フレームと呼ぶことある)を用意し、一面側の凹部を正極用、他面側の凹部を負極用とすることが挙げられる。多セル電池の一例として、積層された複数の電池セル10のうち、中間位置に両面溝フレームを備え、両端位置に片面溝フレームを備えることが挙げられる。
<電池セル>
 実施形態1の電池セル10は、代表的には、RF電池1の主要素をなし、図3に示すように電極13と、セルフレーム2とを備える。セルフレーム2は、電極13が配置される双極板5と、双極板5の外周に設けられる枠体22とを備える。双極板5の一面には、電池セル10の外部から供給される電解液を流通する溝部50を備える。溝部50は、電池セル10の外部からの電解液の供給停止時に電解液を保持する保液部55を備える。更に、実施形態1の電池セル10は、電極13の体積Veと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vcが5cm以上である。このような実施形態1の電池セル10に備えられるセルフレーム2として、上述の実施形態1のセルフレーム2を好適に利用できる。また、実施形態1の電池セル10の代表例として、実施形態1のセルフレーム2を備えるものが挙げられる。実施形態1のセルフレーム2を備える電池セル10は、枠体22の開口部の平面面積Sfが250cm以上であり、凹部の体積Vfと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vcが5cm以上である。なお、一つの電池セル10において、正極側の合計体積Vcが5cm以上であり、負極側の合計体積Vcが5cm以上である。そのため、一つの電池セル10における正負の合計体積Vcは10cm以上である。
 電池セル10には電極13として、正極電極14又は負極電極15が備えられる。代表的には、電池セル10は、正極電解液が供給される正極電極14と、負極電解液が供給される負極電極15と、正極電極14,負極電極15間に介在される隔膜11と、隔膜11を挟む正極電極14,負極電極15を更に挟む一組のセルフレーム2,2とを備える(図4も参照)。以下、正極電極14,負極電極15をまとめて電極14,15と呼ぶことがある。
 実施形態1の電池セル10に備えられるセルフレーム2は、上述の片面溝フレーム及び両面溝フレームの少なくとも一方が挙げられる。実施形態1の電池セル10が単セル電池である場合、一組の片面溝フレームを備えることが挙げられる。実施形態1の電池セル10が多セル電池である場合、少なくとも一つの両面溝フレームを備える形態、一組の片面溝フレームを備える形態、及びこれらの組み合わせ形態が挙げられる。多セル電池では、上述の組み合わせ形態であると、電解液の保持量を多くできて好ましい。一組の片面溝フレームのうち、一方の片面溝フレームの凹部には正極電極14が収納され、他方の片面溝フレームの凹部には負極電極15が収納される。両面溝フレームの一方の凹部には正極電極14が収納され、他方の凹部には負極電極15が収納される。
 電極14,15は、活物質を含む電解液が供給されて、活物質(イオン)が電池反応を行う反応場であり、代表例として、炭素材料の繊維集合体(カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロス等)が挙げられる。繊維集合体は、代表的には親水性である上に、繊維間の隙間等の空隙に電解液を保持し易く、完全停止時間において電解液が抜け落ち難い。その他、公知のものを利用できる。
 電極14,15の大きさは、セルフレーム2の凹部に収納可能な範囲で適宜選択できる。特に電極14,15の平面面積Seが250cm以上であると、電極14,15の体積Veが大きくなり易く、外部からの電解液の供給停止時において、電解液をより確実に保持し易い。また、平面面積Seが大きいほど、大出力電池を構築できる。上記の点から、例えば、平面面積Seは、300cm以上、更に800cm以上、更には2000cm以上であることが挙げられる。一方、平面面積Seがある程度小さくても、電極14,15の厚さがある程度厚ければ、体積Veが大きくなり易い。また、電極14,15を収納するセルフレーム2の剛性・強度やRF電池1の組立作業性等を考慮すると、平面面積Seが5000cm以下であることが挙げられる。なお、電極14,15の平面面積Seは、枠体22の開口部の平面面積Sfに実質的に等しいと、体積Veが大きくなり易い。電極14,15の平面面積Seが枠体22の開口部の平面面積Sfより小さいと、枠体22内に電極13を配置し易い。
 電極14,15の厚さは、内側壁220の高さ以下の範囲で適宜選択できる。この範囲で、上記厚さが大きいほど、電極14,15の体積Veを大きくし易く、外部からの電解液の供給停止時において、電解液をより確実に保持し易い。この点から、上記厚さは0.05mm以上であることが挙げられる。なお、RF電池1を構築する場合、通常、電池セル10を構成要素の積層方向に圧縮する。そのため、電極14,15として構築前の厚さが内側壁220の高さよりも大きいものを用いていても、上述の圧縮がなされた状態(RF電池1を構築した状態)では電極14,15の最大厚さは、内側壁220の高さに相当する。
《保液部と電極との合計体積》
 実施形態1の電池セル10では、電極13の体積Veと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vcが5cm以上である。合計体積Vcが大きいほど、電極13及び保液部55による電解液の保持量を多くでき、ポンプ160,170の起動に必要な電力をより確実に発生できる。この点から、合計体積Vcは10cm以上であることが挙げられる。合計体積Vcは100cm以上であると、RF電池1が多セル電池や大型の電極13を備える大出力電池である場合でも、ポンプ160,170の起動電力をより確実に発生できる。合計体積Vcが所望の値となるように、保液部55の合計体積Vs、電極14,15の体積Ve(平面面積Se、厚さ)を調整するとよい。合計体積Vcが大き過ぎるとRF電池1の構成要素の大型化による組立作業性の低下等を招くため、組立作業等を考慮して、合計体積Vcは例えば1000cm以下であることが挙げられる。
 電極の体積Veと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vcに対する保液部55の合計体積Vsの割合((Vs/Vc)×100)が5%以上であることが挙げられる。電極13と保液部55とに電解液が保持されると、電極13から先に電解液が抜け落ち、次に保液部55から電解液が抜け落ちると考えられる。そのため、上記の割合が5%以上であれば、電極13よりも電解液を保持し易い保液部55の体積割合が大きく、電解液をより確実に保持できる。
 合計体積Vcは、凹部に電極13を収納する関係上、上述の凹部の体積Vfと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vaよりも小さい値をとり得る。しかし、合計体積Vcと合計体積Vaとは実質的に等しいと、上述のように凹部における電解液の保持量に相当する電解液を、電極13が保持できて電解液がより抜け落ち難いと期待される。
 隔膜11は、正極電極14,負極電極15間を分離すると共に所定のイオンを透過する部材であり、イオン交換膜等が利用される。
<セルスタック>
 実施形態1のセルスタック3は、実施形態1の電池セル10を複数備え、RF電池1の主要素をなす。セルスタック3は、図3,図4に示すように複数の電池セル10を多層に積層してなる積層体であり、多セル電池に利用される。
 代表的には、セルスタック3は、セルフレーム2(双極板5)と、正極電極14と、隔膜11と、負極電極15とが順に複数積層された積層体と、積層体を挟む一対のエンドプレート32,32と、エンドプレート32,32間を繋ぐ長ボルト等の連結材33及びナット等の締結部材とを備える。締結部材によってエンドプレート32,32間が締め付けられると、積層体は、その積層方向の締付力によって積層状態が保持される。セルスタック3は、図3に例示するように所定数の電池セル10をサブセルスタックとし、複数のサブセルスタックが積層された形態とすることができる。隣り合う枠体22,22間にはシール材18が配置され(図4)、積層体を液密に保持する。
 セルスタック3に備えられるセルフレーム2として、積層体の積層方向の両端に片面溝フレーム、積層方向の中間位置に両面溝フレームを備えることが挙げられる。この片面溝フレームは、双極板5における電極13が配置されない面に金属等からなる集電板が配置されたものとすることができる。
 セルスタック3におけるセル数は適宜選択できる。セルスタック3における凹部又は電極13と保液部55とによる電解液の保持量は、一つの電池セル10における電解液の保持量(上述の合計体積Va又は合計体積Vc)とセル数との積で表される量に相当する。そのため、セル数が多いほど、電解液の保持量を多くでき、ポンプ160,170の起動に必要な電力をより確実に出力できる。また、セル数が多いほど、大出力電池を構築できる。上記の点から、セル数は、例えば、20以上、更に200以上であることが挙げられる。
<RF電池>
 実施形態1のRF電池1は、図4に示すように、交流/直流変換器や変電設備等を介して、発電部と、電力系統や需要家等の負荷とに接続され、発電部を電力供給源として充電を行い、負荷を電力提供対象として放電を行う。発電部は、例えば、太陽光発電機、風力発電機、その他一般の発電所等が挙げられる。実施形態1のRF電池1は、実施形態1の電池セル10を一つ備える単セル電池、又は複数備える多セル電池、又は実施形態1のセルスタック3を備える多セル電池であることが挙げられる。更に、RF電池1は、電池セル10又はセルスタック3に電解液を循環供給する循環機構を備える。電池セル10及びセルスタック3の詳細は、上述の通りであり、以下、循環機構を説明する。
《循環機構》
 循環機構は、正極タンク16と、負極タンク17と、配管162,164,172,174と、ポンプ160,170とを備える。正極タンク16は、正極電極14に循環供給する正極電解液を貯留する。負極タンク17は、負極電極15に循環供給する負極電解液を貯留する。配管162,164は、正極タンク16と電池セル10(セルスタック3)間を接続する。配管172,174は、負極タンク17と電池セル10(セルスタック3)間を接続する。ポンプ160,170は、電池セル10(セルスタック3)への供給側の配管162,172に設けられる。配管162,164,172,174はそれぞれ、セルフレーム2の給液マニホールド24,25、排液マニホールド26,27との間で電解液を流通可能に接続されて、各極の電解液の循環経路を構築する。
 なお、電池セル10、セルスタック3、RF電池1の基本構成、材料等は、公知の構成、材料等を適宜参照できる。電解液は、正負の活物質をバナジウムイオンとするもの(特許文献1)、正極活物質をマンガンイオン、負極活物質をチタンイオンとするもの、その他、公知の組成のものが利用できる。
(主要な効果)
 実施形態1のセルフレーム2をRF電池1に利用することで、RF電池1は、電力系統の停電等によってポンプ160,170への電力供給が停止されても、ポンプ160,170を起動できる。セルフレーム2は、双極板5に保液部55を備えると共に、保液部55の合計体積Vsと凹部の体積Vfとの合計体積Vaが5cm以上を満たす。そのため、外部からの電解液の供給停止状態において、凹部及び保液部55によって、ポンプ160,170の起動に必要な電力を発生可能な電解液量(5cm以上)を確保できるからである。特に実施形態1のセルフレーム2は、枠体22の開口部の平面面積Sfが250cm以上であり、平面面積Seが250cm以上の電極13を凹部に収納できるため、RF電池1は上記電極13によって電解液をより確実に保持できる。更に、実施形態1のセルフレーム2は、平面面積Seが250cm以上の電極13を凹部に収納できるため、大出力電池を構築することができる。
 実施形態1の電池セル10、又は実施形態1のセルスタック3をRF電池1に利用することで、RF電池1は、電力系統の停電等によってポンプ160,170への電力供給が停止されても、ポンプ160,170を起動できる。電池セル10及びセルスタック3は、上述の実施形態1のセルフレーム2を備えて、合計体積Vaが5cm以上を満たす、又は電極13の体積Veと保液部55の合計体積Vsとの合計体積Vcが5cm以上を満たす。そのため、外部からの電解液の供給停止状態において、双極板5の保液部55と凹部又は電極13とによって、ポンプ160,170の起動に必要な電力を発生可能な電解液量(5cm以上)を確保できるからである。特に実施形態1の電池セル10及び実施形態1のセルスタック3は、平面面積Seが250cm以上の電極13を備えると、電極13によって電解液をより確実に保持できる上に、大出力電池を構築することができる。
 実施形態1のRF電池1は、電力系統の停電等によってポンプ160,170への電力供給が停止されても、ポンプ160,170を起動できる。RF電池1は、実施形態1の電池セル10、又は実施形態1のセルスタック3を備えて、上述の合計体積Va又は合計体積Vcが5cm以上を満たす。そのため、外部からの電解液の供給停止状態において、双極板5の保液部55と凹部又は電極13とによって、ポンプ160,170の起動に必要な電力を発生可能な電解液量(5cm以上)を確保できるからである。特に実施形態1の電池セル10は、平面面積Seが250cm以上の電極13を備えると、電極13によって電解液をより確実に保持できる上に、大出力電池とすることができる。
[用途]
 実施形態1のRF電池1は、太陽光発電、風力発電等の自然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、負荷平準化等を目的とした蓄電池に利用できる。また、実施形態1のRF電池1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蓄電池として利用できる。特に、実施形態1のRF電池1は、停電等で電力系統等からポンプ160,170に電力が供給されない場合にポンプ160,170を起動できるため、停電対策を目的とした蓄電池に好適に利用できる。実施形態1のセルフレーム2、電池セル10、及びセルスタック3は、上述の蓄電池の構成要素に好適に利用できる。
[実施形態2~10]
 図5~図13を参照して、実施形態2~10のセルフレームを説明する。実施形態1と実施形態2~11との主な相違点は、溝部50にある。以下、溝部50を中心に説明し、その他の構成及び効果等は詳細な説明を省略する。
[実施形態2]
 図5に示す実施形態2のセルフレームに備えられる双極板5Aの溝部50は、独立した複数の縦溝51を備える。
 ここで、溝部50が複数の溝を含む場合、例えば、電解液を導入する導入溝5iと、導入溝5iとは連通せずに独立しており、電解液を排出する排出溝5oとを備えることが挙げられる。この形態は、導入溝5iから電極13(図1等)に未反応の電解液を供給すること、及び電極13で電池反応に用いた反応済の電解液を電極13から排出溝5oを介して排出することの双方を均一的かつ効率良く行える。
 ここでの導入溝5iとは、双極板5の液流通域の周縁に開口部を有すると共に、開口部よりも排出縁側に配置される溝端が開口部から離れた位置で閉じた部分を有する溝が挙げられる。図5に例示する各導入溝5iは、電解液の流通方向に沿って直線状に延びる縦溝51からなる。この縦溝51は、その一端部が液流通域の周縁の一部をなす供給縁に開口し、開口部から排出縁に向かって延びるように設けられ、排出縁側に配置される他端部が開口部から離れた位置、換言すれば排出縁に近い位置で閉じている。このように導入溝5iをなす溝の排出縁側の端部が排出縁の近くに位置すると、溝長さが長く、電解液の流通性に優れる。導入溝5iの開口部は、電解液の導入口をなす。
 ここでの排出溝5oとは、双極板5の液流通域の周縁に開口部を有すると共に、開口部よりも供給縁側に配置される溝端が開口部から離れた位置で閉じた部分を有する溝が挙げられる。図5に例示する各排出溝5oは縦溝51からなる。この縦溝51は、その一端部が液流通域の周縁の一部をなす排出縁に開口し、開口部から供給縁に向かって延びるように設けられ、供給縁側に配置される他端部が開口部から離れた位置、換言すれば供給縁に近い位置で閉じている。このように排出溝5oをなす溝の供給縁側の端部が供給縁の近くに位置すると、溝長さが長く、電解液の流通性に優れる。排出溝5oの開口部は、電解液の排出口をなす。
 更に、溝部50は、導入溝5iと排出溝5oとが交互に配置される部分を含むことが挙げられる。この交互配置部分は、導入溝5iをなす溝と排出溝5oをなす溝とが対向して噛み合うように配置される(以下、噛合型の対向櫛歯形状と呼ぶことがある)。この形態は、上述の未反応液の供給と反応済液の排出とをより均一的かつ効率よく行える。複数の導入溝5i及び複数の排出溝5oを備える場合に、一部が交互に配置され、他部は同種の溝同士が隣り合って並ぶ形態とすることもできる。
 この例の双極板5は、長方形の液流通域の実質的に全体に亘って溝部50を備える。この例の溝部50は、図5に示すように横方向に離間されて並列配置される複数の縦溝51を備える。各縦溝51は、上述のように導入溝5i,排出溝5oをなすと共に、導入溝5iと排出溝5oとが交互に配置される噛合型の対向櫛歯形状をなす。隣り合う導入溝5iと排出溝5oとの間隔は実質的に等間隔である。また、各縦溝51は、同一形状(平面形状及び断面形状が長方形)であり、同一の大きさ(溝長さ、溝幅、溝深さ)である。このように複数の導入溝5iと複数の排出溝5oとを備え、更に噛合型の対向櫛歯形状をなす溝部50が設けられた双極板5を備えるセルフレーム2は、以下(a)~(d)の効果を奏する。なお、この例の溝部50は、横溝52を備えていない。
(a)各溝部50内での電解液の流通圧力の変動が生じ難く、電解液の流通性に優れる。
(b)溝幅にもよるが、縦溝51の個数を多くし易く、電解液の流通性により優れる。
(c)隣り合う縦溝51,51を仕切る畝部も、縦溝51の形状に沿って電解液の流通方向に延びる細長い長方形状をなし、その長手方向の全域に亘って畝部の幅が実質的に等しい。そのため、電子の受け渡し領域(畝部)を良好に確保できる。また、電極13において畝部に対応する領域も電解液の流通方向に沿って設けられるため、電極13における電池反応を行う反応領域を広く確保でき、電池反応を良好に行える。
(d)複数の縦溝51及び畝部を有するものの単純な形状であり、双極板5の製造性に優れる。
 この例の保液部55は、排出溝5oの少なくとも一部を含む。排出溝5oは、上述のように開口部よりも供給縁側に配置されると共に、供給縁側の溝端が閉じた部分を有する。即ち、重力方向下方に位置する溝端が閉じた部分を有する。この閉じた部分の全体が電解液を保持でき、保液部55をなす。この例では、排出溝5oをなす縦溝51の全体が保液部55をなす(図5の下図参照)。導入溝5iと排出溝5oとを備える場合、このように排出溝5oの少なくとも一部(図8、図9)、溝形状によっては排出溝5oの全体(例、図5(本例)、図6等)が保液部55をなすことができる。又は、保液部55は、導入溝5iの一部を含むことが挙げられる(例、図9)。
 このような双極板5Aを備える実施形態2のセルフレームでは、上述のように排出溝5oの全体が保液部55をなし、外部からの電解液の供給停止時に電解液を保持し易い。従って、実施形態2のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等でポンプをより確実に起動できる(後述の試験例1も参照)。
[実施形態3]
 図6に示す実施形態3のセルフレームに備えられる双極板5Bの溝部50は、実施形態2と同様に、複数の縦溝51を備えると共に、導入溝5i及び排出溝5oが噛合型の対向櫛歯形状をなす部分を含む。更に、この溝部50は、電解液の流通方向に直交する方向(図6では左右方向)に沿って延びる横溝52を含む。
 詳しくは、双極板5Bの溝部50は、供給縁に沿って設けられると共に供給縁に開口し、導入溝5iの一部をなす横溝52と、排出縁に沿って設けられると共に排出縁に開口し、排出溝5oの一部をなす横溝52とを備える。各縦溝51の一端部は、横溝52に開口する。即ち、導入溝5iの一部をなす横溝52から導入溝5iの他部をなす複数の縦溝51が延びる。排出溝5oの一部をなす横溝52から排出溝5oの他部をなす複数の縦溝51が延びる。そのため、溝部50は、導入溝5i及び排出溝5oの双方に縦溝51及び横溝52を含む。
 このような双極板5Bを備える実施形態3のセルフレームは、実施形態2のセルフレームと同様に排出溝5oの全体が保液部55をなす。更に、この保液部55は、横溝52を含む。横溝52は、重力方向に直交するように配置されるため、重力方向に沿って延びる縦溝51に比較して、電解液がその自重で抜け落ち難い箇所となり易い。そのため、この保液部55は、外部からの電解液の供給停止時に電解液をより保持し易い。従って、実施形態3のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等で、ポンプをより確実に起動できると期待される。
 その他、双極板5Bでは、横溝52を整流溝として利用でき、双極板5B及び電極13(図1等)の横方向に均一的に電解液を導入したり、排出したりし易い。
[実施形態4]
 図7に示す実施形態4のセルフレームに備えられる双極板5Cの溝部50は、上述の実施形態3と同様に、縦溝51と横溝52とを含む導入溝5i及び排出溝5oを備える。但し、双極板5Cの溝部50では、横溝52が供給縁、排出縁に開口せず、供給縁、排出縁に開口する溝(後述の短い縦溝51)を別途備える。
 詳しくは、導入溝5iは、横溝52から排出縁に向かって延び、噛合型の対向櫛歯形状をなす複数の縦溝51と、横溝52から供給縁に向かって延びる一つの比較的短い縦溝51とを備える。この短い縦溝51は、整流溝をなす横溝52に対して、電解液を一括して導入する箇所をなす。排出溝5oは、横溝52から供給縁に向かって延び、噛合型の対向櫛歯形状をなす複数の縦溝51と、横溝52から排出縁に向かって延びる一つの比較的短い縦溝51とを備える。この短い縦溝51は、整流溝をなす横溝52に対して、電解液を集約して排出する箇所として機能する。
 このような双極板5Cを備える実施形態4のセルフレームは、実施形態2のセルフレームと同様に排出溝5oの全体が保液部55をなす。この保液部55は、実施形態3と同様に横溝52を含むため、実施形態4のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等で、ポンプをより確実に起動できると期待される。
[実施形態5]
 図8に示す実施形態5のセルフレームに備えられる双極板5Dの溝部50は、上述の実施形態3と同様に、縦溝51と横溝52とを含む導入溝5i及び排出溝5oを備える。但し、双極板5Dの溝部50は、横溝52が供給縁、排出縁に開口せず、液流通域の側縁に開口する。また、この溝部50は、各縦溝51から延びる比較的短い横溝52(以下、ステップ溝52と呼ぶことがある)を複数備える。
 詳しくは、複数の縦溝51のうち、双極板5Dの横方向の両端に配置されるもの以外は、横方向左方と、横方向右方とにそれぞれ突出する複数のステップ溝52を縦方向に離間して備える。双極板5Dの横方向の両端に位置する縦溝51は、液流通域の側縁から離れる側にのみステップ溝52を備える。縦溝51の左方のステップ溝52と右方のステップ溝52とは縦方向にずれて配置される。そのため、各ステップ溝52は、隣り合う縦溝51,51において、一方の縦溝51から延びて縦方向に並ぶステップ溝52,52間に、他方の縦溝51から延びるステップ溝52が介在するように設けられる。
 このような双極板5Dを備える実施形態5のセルフレームは、排出溝5oのうち、側縁に開口する横溝52を除いた部分、即ち縦溝51及びステップ溝52が保液部55をなす。この保液部55は、ステップ溝52を含むため、実施形態5のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等で、ポンプをより確実に起動できると期待される。
 その他、双極板5Dでは、導入溝5iのステップ溝52と排出溝5oのステップ溝52とが噛合型の対向櫛歯形状をなす。双極板5Dは、縦溝51と横溝52(ステップ溝52)との双方による噛合型の対向櫛歯形状を備えることで、液流通域の全体に亘って電解液を行き渡らせ易く、電極13(図1等)に対して、上述の未反応液の供給と反応済液の排出とをより一層均一的かつ効率よく行える。
[実施形態6]
 図9に示す実施形態6のセルフレームに備えられる双極板5Eの溝部50は、上述の実施形態5のセルフレームに備えられる双極板5Dの溝部50に対して、ステップ溝52の端部形状が異なる。詳しくは、各ステップ溝52は、その端部から延びる比較的短い縦溝51(以下、返し溝51と呼ぶことがある)を備える。ステップ溝52と返し溝51とはL字状に配置される。
 この例では、縦溝51の横方向左方に延びるステップ溝52に対して、縦方向上向きに返し溝51が設けられる。縦溝51の横方向右方に延びるステップ溝52に対して、縦方向下向きに返し溝51が設けられる。
 このような双極板5Eを備える実施形態6のセルフレームは、排出溝5oのうち、側縁に開口する横溝52を除いた部分、即ち縦溝51及びステップ溝52並びに返し溝51が保液部55をなす。また、導入溝5iのうち、下向きの返し溝51が保液部55をなす。更に、排出溝5oのうち、縦溝51とステップ溝52と上向きの返し溝51とがJ字状に配置され、このJ字状の部分は、電解液が抜け落ち難い箇所といえる。この保液部55は、ステップ溝52を含む上に、上述のように電解液が抜け落ち難い部分を含む。そのため、実施形態6のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等で、ポンプを更に確実に起動できると期待される。また、実施形態6のセルフレームは導入溝5iの一部を保液部55とするため、保液部55による電解液の保持量を実施形態5よりも多くできる場合がある。
 その他、双極板5Eでは、ステップ溝52に加えて返し溝51を備える上に、上述の上向きの返し溝51と下向きの返し溝51とは対角位置に配置される。そのため、双極板5Eは、実施形態5よりも液流通域の全体に亘って電解液を行き渡らせ易く、電極13(図1等)に対して、上述の未反応液の供給と反応済液の排出とをより一層均一的かつ効率よく行える。
[実施形態7]
 図10に示す実施形態7のセルフレームに備えられる双極板5Fの溝部50は、縦溝51と横溝52とを含む導入溝5i及び排出溝5oを備えると共に、噛合型の対向櫛歯形状をなす部分を有する。但し、双極板5Fの溝部50は、複数の横溝52が噛合型の対向櫛歯形状をなす。また、噛合型の対向櫛歯形状をなす部分を横方向に並んで複数組備える(図10では二組を例示)。
 詳しくは、一つの導入溝5iは、供給縁に開口する縦溝51と、この縦溝51から横方向左方に延び、縦方向に離間して配置される複数の横溝52とを備える。一つの排出溝5oは、排出縁に開口する縦溝51と、この縦溝51から横方向右方に延び、縦方向に離間して配置される複数の横溝52とを備える。導入溝5iをなす横溝52と排出溝5oをなす横溝52とが交互に配置される。
 このような双極板5Fを備える実施形態7のセルフレームは、実施形態2のセルフレームと同様に排出溝5oの全体が保液部55をなす。この保液部55は、実施形態3と同様に横溝52を含むため、実施形態7のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等で、ポンプをより確実に起動できると期待される。
 その他、双極板5Fでは、噛合型の対向櫛歯形状をなす部分を複数組備えることで、双極板5Fの液流通域の全体に亘って電解液を行き渡らせ易く、電極13(図1等)に対して、上述の未反応液の供給と反応済液の排出とをより一層均一的かつ効率よく行える。
[実施形態8]
 図11に示す実施形態8のセルフレームに備えられる双極板5Gの溝部50は、縦溝51と横溝52とを含む導入溝5i及び排出溝5oを備える。この導入溝5i及び排出溝5oは、実施形態7と同様に、供給縁又は排出縁に開口する縦溝51と、この縦溝51から延びる複数の横溝52とを備える。但し、双極板5Gの溝部50は、噛合型の対向櫛歯形状ではなく、導入溝5iをなす各横溝52と排出溝5oをなす各横溝52とが縦方向の同じ位置に配置されて噛合することなく向かい合う。
 このような双極板5Gを備える実施形態8のセルフレームは、実施形態2のセルフレームと同様に排出溝5oの全体が保液部55をなす。この保液部55は、実施形態3と同様に横溝52を含むため、実施形態8のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等で、ポンプをより確実に起動できると期待される。
[実施形態9]
 図12に示す実施形態9のセルフレームに備えられる双極板5Hの溝部50は、縦溝51と横溝52とを含む導入溝5i及び排出溝5oを備えると共に、双極板5Hの液流通域の周縁に開口しない孤立溝53を備える。端的にいうと、上述の実施形態4のセルフレームに備えられる双極板5Cの溝部50(図7)において、噛合型の対向櫛歯形状をなす各縦溝51を縦方向に分断して短い溝とし、この短い溝が縦方向に離間して配置される。この短い溝が孤立溝53をなす。
 詳しくは、導入溝5iは、横溝52から排出縁に向かって延びる複数の比較的短い縦溝51と、横溝52から供給縁に向かって延び、上述の導入箇所をなす一つの縦溝51とを備える。排出溝5oは、横溝52から供給縁に向かって延びる複数の比較的短い縦溝51と、横溝52から排出縁に向かって延び、上述の排出箇所をなす一つの縦溝51とを備える。そして、導入溝5i及び排出溝5oにおける上述の比較的短い縦溝51の端部から延びるように、複数の孤立溝53が縦方向に一列に並ぶ。
 このような双極板5Hを備える実施形態9のセルフレームは、実施形態2のセルフレームと同様に排出溝5oの全体が保液部55をなす。また、孤立溝53が保液部55をなす。孤立溝53は、双極板5Hの液流通域の周縁に開口しないため、縦溝51や横溝52に比較して電解液がその自重によって抜け落ち難い箇所といえる。そのため、この保液部55は、外部からの電解液の供給停止時に電解液を更に保持し易い。従って、実施形態9のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等で、ポンプをより確実に起動できると期待される。
 ここでは、各孤立溝53の形状、大きさは同一とし、平面形状が長方形である場合を例示するが、孤立溝53の形状、大きさは適宜変更できる。この点は、後述する実施形態10についても同様である。また、ここでは、複数の孤立溝53が整列配置される場合を例示するが、配列状態も適宜変更できる。
[実施形態10]
 図13に示す実施形態10のセルフレームに備えられる双極板5Iの溝部50は、実施形態2と同様に、複数の縦溝51を備えると共に、導入溝5i及び排出溝5oが噛合型の対向櫛歯形状をなす部分(図示せず)を含む。更に、この溝部50は、導入溝5iをなす縦溝51と排出溝5oをなす縦溝51との間に縦溝51からなる孤立溝53を備える。なお、図13では、代表して、右から順に導入溝5i、孤立溝53、排出溝5oと並ぶ溝群を一組のみ示すが、上記溝群を横方向に繰り返し並べることが挙げられる。
 この例の孤立溝53の一端部は、隣り合う導入溝5iの下端(供給縁)よりも上方(排出縁側)かつ、隣り合う排出溝5oの下端よりも下方(供給縁側)に配置される。孤立溝53の他端部は、隣り合う導入溝5iの上端よりも上方、かつ隣り合う排出溝5oの上端(排出縁)よりも下方に配置される。そのため、孤立溝53の両端部及びその近傍は、隣り合う導入溝5iと排出溝5oとに挟まれず、孤立溝53の中間部は、隣り合う導入溝5iと排出溝5oとに挟まれる。孤立溝53の両端部はいずれも閉じている。
 このような双極板5Iを備える実施形態10のセルフレームは、実施形態2のセルフレームと同様に排出溝5oの全体が保液部55をなす。また、孤立溝53が保液部55をなす。この保液部55は、実施形態9と同様に孤立溝53を備えるため、外部からの電解液の供給停止時に電解液を更に保持し易い。従って、実施形態10のセルフレームを備えるRF電池は、電力系統の停電時等で、ポンプをより確実に起動できると期待される。
[試験例1]
 溝部が設けられた双極板を備えるセルフレームを構成要素とするRF電池について、RF電池によるポンプの起動状態を調べた。試験条件を以下に示す。
 この試験では、双極板の溝部の仕様が異なる点を除いて、同一構成のRF電池を用意する。RF電池は、複数の電池セルを備えるセルスタックを備えるものとする。セルフレームとして、双極板の表裏面の一面にのみ、以下の溝部を備える片面溝フレームを一組用意すると共に、双極板の表裏面の両面に、以下の溝部を備える両面溝フレームを複数用意する。セルスタックにおける電池セルの積層方向の端部位置に片面溝フレームを備え、中間位置に両面溝フレームを備えるものとする。双極板の溝部は、複数の溝を備え、各溝の溝幅及び溝深さは、溝の長手方向に一様とする。
<試験条件>
《電極》
 平面形状:一辺の長さが17.0cmである正方形
 厚さ:0.01cm
 平面面積Se:289cm(>250cm
 体積Ve:2.89cm
《セルフレーム》
 双極板の液流通域の平面形状:一辺の長さが17.0cmである正方形
 双極板の厚さ:0.12cm
 枠体の開口部の平面面積Sf:289cm(>250cm
 双極板と枠体の内側壁とがつくる凹部の体積Vf:2.89cm
 〈溝部〉
  溝の基本形状:液流通域の供給縁又は排出縁から電解液の流通方向に沿って延びる複数の縦溝
  一つの縦溝の溝長さ:15cm
  一つの縦溝の溝幅:0.1cm
  一つの縦溝の溝深さ:0.05cm
  一つの縦溝の溝体積:0.075cm
  一つの縦溝の溝断面形状:長方形
  溝の配置形態:縦溝からなる導入溝と、縦溝からなる排出溝とを備える噛合型の対向櫛歯形状(図5参照)
〈溝の配置寸法〉
 試料No.1 隣り合う排出溝の間隔:0.7cm(=7mm)
        排出溝の個数:24本、導入溝の個数:24本
        排出溝の合計体積:1.8cm
 試料No.2 隣り合う排出溝の間隔:0.5cm(=5mm)
        排出溝の個数:32本、導入溝の個数:32本
        排出溝の合計体積:2.4cm
        溝部の合計平面面積に対する排出溝の合計平面面積の割合:50%
《電極又は凹部と排出溝との合計体積》
 試料No.1:4.69cm(<5cm
 試料No.2:5.29cm(≧5cm
《電極又は凹部と排出溝との合計体積に対する排出溝の合計体積の割合》
 試料No.1:38.4%(≒(1.8/4.69)×100)
 試料No.2:45.4%(≒(2.4/5.29)×100)
 隣り合う排出溝の間隔とは、各排出溝をなす縦溝の中心間の距離とする。隣り合う排出溝間には、代表的には、一つの導入溝をなす縦溝が介在する。
 隣り合う排出溝と導入溝との間の最小距離(各溝の周縁のうち、近接配置される側縁間の距離)は、試料No.1では2.5mm、試料No.2では1.5mmである。
 ここでの排出溝は、上述の保液部に相当する。
 上述の試験条件を満たす電極及びセルフレームを用いて、セル数が240セルであるセルスタックを用意する。このセルスタックを備える各試料のRF電池に電解液をポンプで供給して、RF電池に電解液を溜めた後、ポンプへの電力供給(以下、外部電力と呼ぶ)を停止する。ポンプは、RF電池からの電力によって駆動できるように、RF電池(セルスタック)に電気的に接続される。
 電解液は、SOC(state of charge、充電深度とも呼ばれる)が50%である硫酸バナジウム水溶液(V濃度:1.7mol/リットル、硫酸濃度:4.3mol/リットル)である。
 ポンプは、市販の電動ポンプであり、定格容量が0.6kWのものである。
 上述のポンプへの外部電力の停止後、5分以内に起動可能か否かを調べたところ、試料No.1のRF電池では起動できず、試料No.2のRF電池は起動できた。このことから、電極の体積Ve又はセルフレームの凹部の体積Vfと排出溝の合計体積Vsとの合計体積Va又はVcが5cm以上であるRF電池は、ポンプへの外部電力の停止時にポンプを起動できることが示された。また、この試験から、合計体積Va又はVcが5cm以上となるように、電極の体積Ve又はセルフレームの凹部の体積Vf、及び溝部における電解液を保持可能な部分(ここでは排出溝)の合計体積Vsの少なくとも一方を調整すれば、ポンプへの外部電力の停止時であってもRF電池独自でポンプを起動できるといえる。
[考察]
 以下、ポンプへの外部電力の停止時にRF電池が独自でポンプを起動可能な電解液量V(リットル)について検討する。
 ポンプの流量をQ、RF電池への通液に伴う圧損をΔP、ポンプ効率をηp、電解液量Vを流量Qで通液するために必要な時間をt、電解液の活物質イオンのモル濃度をn、ファラデー定数をF(=96500C/mol)、RF電池の起電力をE、電解液における放電可能なSOCをχ、ポンプへの外部電力の停止時にポンプの起動に必要な電解液の体積をVx、電池効率をηcとする。
 ポンプへの外部電力の停止時にRF電池が独自でポンプを起動するには、電解液が有するエネルギーを考慮すると、以下の式1が成立する必要がある。
〈式1〉 ((ΔP×Q)/ηp)×t≦(n×F×E×χ×Vx)/√ηc
 例えば、バナジウム系RF電池の使用条件等を参照して、モル濃度nを1.7mol/リットル、起電力Eを1.4V、SOCχを0.5、電池効率ηcを0.8とする。また、従来RF電池に利用されているポンプにおいて、その性能曲線からポンプ効率ηpを0.3とする。これらを式1に代入すれば、
〈式2〉(ΔP×Q×t)/38517(J/リットル)≦V
となる。
 上述の使用条件等を参照して、流量Qの最小値を1リットル/分、時間tの最小値を2分、実測値等から圧損ΔPの最小値を95kPaとし、式2に代入すると、
 (95×1×2)/38517≒0.005(リットル)=5cm≦V
となる。
 この考察からも、電極の体積Ve又は凹部の体積Vfと双極板の保液部の合計体積Vsとの合計体積が5cm以上であれば、RF電池は、この合計体積に相当する電解液を保持できる。その結果、ポンプへの外部電力の停止時にRF電池が独自でポンプを起動できることが裏付けられる。
[変形例]
 実施形態のセルフレーム2、及び実施形態の電池セル10、セルスタック3、RF電池1に備えられるセルフレーム2について、以下の少なくとも一つの変更が可能である。
(1)双極板5の液流通域(枠体22)の平面形状を変更する。例えば、楕円やレーストラック状等、六角形や八角形等の多角形状等が挙げられる。
(2)溝の平面形状を変更する。例えば、溝幅が部分的に異なり、太い箇所や細い箇所を局所的に有する形状や、波線といった曲線的な形状等が挙げられる。その他、縦溝51や横溝52の一端部から他端部に向かって、幅が細くなるテーパ形状等が挙げられる。
(3)溝の断面形状を変更する。例えば、半円弧状、V字状、U字状、溝の開口幅が底面の幅よりも狭い蟻溝状等が挙げられる。
 本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
 1 レドックスフロー電池(RF電池)
  10 電池セル
  11 隔膜
  13 電極
  14 正極電極
  15 負極電極
  16 正極タンク
  17 負極タンク
  160,170 ポンプ
  162,164,172,174 配管
  18 シール材
 2 セルフレーム
  5,5A~5I 双極板
   50 溝部
   51 縦溝(返し溝)
   52 横溝(ステップ溝)
   53 孤立溝
   55 保液部
   5i 導入溝
   5o 排出溝
  22 枠体
   220 内側壁
  24,25 給液マニホールド
  26,27 排液マニホールド
  28,29 スリット
 3 セルスタック
  32 エンドプレート
  33 連結材

Claims (8)

  1.  双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体とを備えるセルフレームであって、
     前記双極板の一面に、前記セルフレームの外部から供給される電解液を流通する溝部を備え、
     前記溝部は、前記外部からの電解液の供給停止時に前記電解液を保持する保液部を備え、
     前記枠体の開口部の平面面積が250cm以上であり、
     前記双極板と前記枠体の内側壁とがつくる凹部の体積と、前記保液部の合計体積との合計体積が5cm以上であるセルフレーム。
  2.  前記凹部の体積と前記保液部の合計体積との合計体積に対する前記保液部の合計体積の割合が5%以上である請求項1に記載のセルフレーム。
  3.  請求項1又は請求項2に記載のセルフレームを備える電池セル。
  4.  電極と、前記電極が配置される双極板と前記双極板の外周に設けられる枠体とを備えるセルフレームとを備える電池セルであって、
     前記双極板の一面に、前記電池セルの外部から供給される電解液を流通する溝部を備え、
     前記溝部は、前記外部からの電解液の供給停止時に前記電解液を保持する保液部を備え、
     前記電極の平面面積が250cm以上であり、
     前記電極の体積と、前記保液部の合計体積との合計体積が5cm以上である電池セル。
  5.  前記電極の体積と前記保液部の合計体積との合計体積に対する前記保液部の合計体積の割合が5%以上である請求項4に記載の電池セル。
  6.  前記溝部は、電解液を導入する導入溝と、前記導入溝とは連通せずに独立しており、電解液を排出する排出溝とが交互に配置される部分を含み、
     前記保液部は、前記排出溝の少なくとも一部を含む請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の電池セル。
  7.  請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の電池セルを複数備えるセルスタック。
  8.  請求項3から請求項6のいずれか1項に記載の電池セル、又は請求項7に記載のセルスタックを備えるレドックスフロー電池。
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