(57)【要約】      （修正有）【課題】電極液の小流量の調整を可能にして、小形セルであってもイオン交換能力を効率よくしたレドックス電池用のセルユニットの構成部材により電極液の直列投入を可能にしたスタック構造を提供する。【解決手段】セルフレーム１は、環状の内側に内部電極板５が配置され、対向する２辺1a，1bに電極液の注入口2aと排出口2bを設け、辺1cに電極液の通過穴2cを設け、イオン交換膜３は、隣合う２辺3a，3cに、前記セルフレーム１排出口2b又は投入口2aおよび通過穴2cと同数で同径の電極液の通過穴を設け、双極板と電極板５は、隣合う２辺5a，5cに前記セルフレーム１注入口2a又は排出口2bおよび通過穴2cと同数で同径、かつ、絶縁処理を施した電極液の通過穴6a，6cを設け、エンドプレート７は、隣合う２辺7a，7cに、注入用ノズルを設置できる電極液の注入穴8a，8cを設けた。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
略正方形環状をなすセルフレームは、環状の内側に内部電極板が配置され、対向する２辺に電極液の注入口と排出口を設けると共に、その２辺に挟まれた辺に電極液の通過穴を設けたこと、
前記セルフレームの外形に見合う外形を有するイオン交換膜は、隣合う２辺に、前記セルフレームに設けられた排出口又は注入口および流通穴と同数で少なくとも同径の電極液の通過穴を設けたこと、
前記セルフレームの外形に見合う外形を有する双極板と電極板は、隣合う２辺に前記セルフレームに設けた注入口又は排出口および通過穴と同数で少なくとも同径であり、かつ、絶縁処理を施した電極液の通過穴を設けたこと、
前記セルフレームの外形に見合う外形を有するエンドプレートは、隣合う２辺に、注入用ノズルを設置できる電極液の注入穴を設たこと、
を特徴とするレドックスフロー電池のセルユニットの構成部材。
【請求項２】
エンドプレートと電極板のそれぞれの２辺に設けた穴を合致させて当該プレートと電極板を重ね、
内部電極板を有する前記セルフレームを、その注入口と通過穴を前記エンドプレートの穴に合せて前記電極板と水密に重ね、
前記セルフレームの極液排出口と通過穴にイオン交換膜の２辺の通過穴を合せて水密に重ね、
前記イオン交換膜に前記セルフレームを平面内で反時計回り方向に90度回転させた姿勢の次のセルフレームを水密に重ね、
前記の90度回転させたセルフレームに、前記イオン交換膜の２辺の通過穴と同じ通過穴を２辺に有し、かつ、平面から見て反時計回り方向に90度回転させた姿勢の双極板を水密に重ねてレドックスフロー電池用の一つのセルユニットを形成する、
このようにして形成したセルユニットの複数個を各ユニットごとに反時計回りに90度位相をずらして重ねた全体のセルユニットを、両端のエンドプレートをボルト杆などを利用した結束機構によって緊縛一体化したこと
を特徴とするレドックスフロー電池のセルユニットのスタック構造。
【請求項３】
エンドプレートの２辺に設けた穴から、それぞれに陽極液と陰極液を注入することにより、積層されたセルスタックに電極液が直流で注入される請求項２のセルスタック構造。
【請求項４】
セルフレームの３辺には、８mmφ〜10mmφの穴を少なくとも２個以上設けた請求項１〜３のいずれかのセルユニット構成部材。
【請求項５】
エンドプレート，イオン交換膜，双極板を含む電極板の隣り合う２辺に設けた穴は、セルフレームの３辺に設けた穴と少なくとも同径であり、かつ、同数である請求項４のセルユニット構成部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レドックスフロー電池用のセルユニット、具体的にはセルの構成部材と、この構成部材によるセルユニットで電極液を直流で投入できるようにしたセルスタック構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
レドックスフロー電池は、セルフレーム、一方の極の電極板、イオン交換膜、他方の極の電極板、エンドプレートを、夫々の間にパッキンを含むシール材などを介して各構成部材を水密（液密）に組上げたセルを水密にスタックし、さらにスタックされたセル群を重ねてスタックした構造を備えたものである。
【０００３】
組上げられたセルスタックは、各セルスタックにそのイオン交換膜を通して二種類のイオン溶液（電極液）が流通するようにして多層構造のレドックスフロー電池に形成されるが、充電中にはプラス極に電流が流入（即ち、電子が流出）してプラス電極が酸化されると共に、マイナス極ではその電流を得て還元される反応をする（放電時には、充電時とは逆の反応が進む）ことが知られている。
【０００４】
上記の電極の充，放電反応を進行させるため、循環ポンプによって各セルスタック内に未反応のイオンの供給、つまりイオン溶液の供給がなされるが、繰返して充，放電をするために、各セルスタックと溶液タンクの間でイオン溶液を円滑に循環させる必要がある。
【０００５】
ところが使用するイオン溶液は水溶液であるため、充放電時に生じる電気分解の電位がネックとなってエネルギー密度を上げられないという問題がある。この問題は装置を大型化する、すなわちレドックスフロー電池の各セルスタックを大型化することにより改善することがきるが、溶液温度が上ると大型化ゆえに熱容量も大きくなって新たに発熱問題を派生し、別途冷却装置を必要とするなどの問題があって、レドックスフロー電池の小型化を図れない大きな要因となっている。
【０００６】
また、小型化したレドックスフロー電池では、ポンプ能力との関係もあって、イオン交換膜の有効面積に対し0.4ml／cm２〜0.8ml／cm２程度の流量の微細な調整を必要とするが、この微細調整が困難で過流量となってセル能力を発揮させることができないという問題もある。因みに、従来技術によるレドックスフロー電池のセルスタックに関しては、特許文献１〜３などにより公知である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３６５７５３８号公報
【特許文献２】特許第３６８２２４４号公報
【特許文献３】特許第３９７９７７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は上述した公知のレドックスフロー電池用のセルスタックの問題点、すなわち、レドックスフロー電池の小型化が難しい点に鑑み、電極液の小流量の調整を容易に可能にして、小形セルであってもイオン交換能力を効率よく引出すことができるようにしたレドックス電池用のセルユニットの構成部材と、この構成部材により形成したセルユニットであって電極液の直列投入を可能にしたスタック構造を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決することを目的としてなされた本発明セルスタック構造を形成するセルユニットの構成部材の構成は、
略正方形環状をなすセルフレームは、環状の内側に内部電極板が配置され、対向する２辺に電極液の注入口と排出口を設けると共に、その２辺に挟まれた辺に電極液の通過穴を設けたこと、
前記セルフレームの外形に見合う外形を有するイオン交換膜は、隣合う２辺に、前記セルフレームに設けられた排出口又は注入口および通過穴と同数で少なくとも同径の電極液の通過穴を設けたこと、
前記セルフレームの外形に見合う外形を有する双極板と電極板は、隣合う２辺に前記セルフレームに設けた注入口又は排出口および通過穴と同数で少なくとも同径であり、かつ、絶縁処理を施した電極液の通過穴を設けたこと、
前記セルフレームの外形に見合う外形を有するエンドプレートは、隣合う２辺に、注入用ノズルを設置できる電極液の注入穴を設たこと、
をセルユニット構成部材の特徴とする。
【００１０】
次に、上記構成部材を用いて形成したセルによる本発明セルスタックの構成は、
前記のエンドプレートと電極板のそれぞれの２辺に設けた穴を合致させて当該プレートと電極板を重ね、
内部電極板を有する前記セルフレームを、その注入口と通過穴を前記エンドプレートの穴に合せて前記電極板と水密に重ね、
前記セルフレームの極液排出口と通過穴にイオン交換膜の２辺の通過穴を合せて水密に重ね、
前記イオン交換膜に前記セルフレームを平面内で反時計回り方向に90度回転させた姿勢の次のセルフレームを水密に重ね、
前記の90度回転させたセルフレームに、前記イオン交換膜の２辺の通過穴と同じ通過穴を２辺に有し、かつ、平面から見て反時計回り方向に90度回転させた姿勢の双極板を水密に重ねてレドックスフロー電池用の一つのセルユニットを形成する、
このようにして形成したセルユニットの複数個を各ユニットごとに反時計回りに90度位相をずらして重ねた全体のセルユニットを、両端のエンドプレートをボルト杆などを利用した結束機構によって緊縛一体化し、電極液を直列投入できるようにしたことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明では、略正方形環状をなすセルフレームは、環状の内側に内部電極板が配置され、対向する２辺に電極液の注入口と排出口を設けると共に、その２辺に挟まれた辺に電極液の通過穴を設けたこと、前記セルフレームの外形に見合う外形を有するイオン交換膜は、隣合う２辺に、前記セルフレームに設けられた排出口又は注入口および通過穴と同数で少なくとも同径の電極液の通過穴を設けたこと、前記セルフレームの外形に見合う外形を有する双極板と電極板は、隣合う２辺に前記セルフレームに設けた注入口又は排出口および通過穴と同数で少なくとも同径であり、かつ、絶縁処理を施した電極液の通過穴を設けたこと、前記セルフレームの外形に見合う外形を有するエンドプレートは、隣合う２辺に、注入用ノズルを設置できる電極液の注入穴を設たことにより、セルユニットの構成部材を形成したので、この構成部材を、エンドプレートと電極板のそれぞれの２辺に設けた穴を合致させて当該プレートと電極板を重ね、内部電極板を有する前記セルフレームを、その注入口と通過穴を前記エンドプレートの穴に合せて前記電極板と水密に重ね、前記セルフレームの極液排出口と通過穴にイオン交換膜の２辺の通過穴を合せて水密に重ね、前記イオン交換膜に前記セルフレームを平面内で反時計回り方向に90度回転させた姿勢の次のセルフレームを水密に重ね、前記の90度回転させたセルフレームに、前記イオン交換膜の２辺の通過穴と同じ通過穴を２辺に有し、かつ、平面から見て反時計回り方向に90度回転させた姿勢の双極板を水密に重ねてレドックスフロー電池用の一つのセルユニットを形成することができ、従って、このセルユニットの複数個を各ユニットごとに反時計回りに90度位相をずらして重ねた全体のセルユニットを、両端のエンドプレートをボルト杆などを利用した結束機構によって緊縛一体化することにより、電極液を直列投入できる小形のレドックスフロー電池を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】セルフレームの平面図。
【図２】イオン交換膜の平面図。
【図３】電極板（双極板）の平面図。
【図４】エンドプレートの平面図。
【図５】図４の底面図。
【図６】図４の右側面図。
【図７】図１〜図６に例示したセルユニットの構成部材を順次積層してレドックスフロー電池のセルスタック状態と、スタックされた各セルユニットにおける投入電極液の通過ルートを説明するための斜視図。
【図８】図７のセルスタックの複数個を結束機構で結束した状態の本発明レドックスフロー電池の一例を示した正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１において、１は、レドックスフロー電池におけるセルユニットを構成する一部材であるセルフレームである。このセルフレーム１は、耐酸性の高い合成樹脂、一例として塩化ビニルなどの合成樹脂により外形が略正方形をなす環状に形成され、その３辺（図１においては上，下の辺1a，1bと右側の辺1c）に、0.8mmφ〜10mmφの同径の穴2a，2b，2cが３辺とも等ピッチで３個設けられている。なお、前記セルフレーム１の枠（辺）の内側には、内部電極51が設けられている。
【００１４】
図１の上記３辺1a〜1cにおける各辺の３組の穴2a〜2cのうち、上，下辺1aと1bの穴2a，2bは、穴2aが電極液の投入口（注入口ともいう、以下、同じ）、穴2bが該液の排出口として機能するため、３個の各穴2aと2bには、当該セルフレーム１における各辺1aと1bの内部側に連通するための溝又は孔21aと21bが付設形成されている。辺1cの穴2cは、その辺1cの上下を貫通した形態で設けられ、電極液の通過穴として作用する。
【００１５】
図２は、イオン交換膜３の平面図で、この交換膜３は塩化ビニル，フッ素樹脂，ポリエチレン，ポリプロピレンなどの公知材料によって前記セルフレーム１と同じ外形寸法で、厚さを例えば、20μm〜400μm程度に形成したものである。イオン交換膜３は、前記セルフレーム１の３辺1a〜1cと異なり、隣り合う２辺3a，3c（又は3b，3cでも可）の側に、セルフレーム１の各穴1a〜1cと同径の穴4aと4cが同じピッチで設けられている。前記穴4aと4cは、いずれもこのイオン交換膜３を上下方向で貫通して設けられている。
【００１６】
図３は、双極板、又は、電極板として形成された導電性の電極板５の平面図で、図１のセルフレーム１と同一の外形寸法を有するが、セルフレーム１，イオン交換膜３とは異なり、外形の四隅はカットされていない正方形である。そして、この電極板５の隣り合う２辺5aと5c（又は5bと5cでも可）にも、前記イオン交換膜３の場合と同じ径，同ピッチ４の３個の穴6a，6cが形成されているが、各穴6aと6cには絶縁処理が施されている。
【００１７】
図４〜図６は、複数個の積層されたセルスタックの上，下面に配置されるエンドプレート７で、このプレート７も、セルフレーム１と同じ外形を有するが、板厚は一例として10mm前後である。
このエンドプレート７も、その隣り合う２辺7a，7cに例えば６〜８mmφ程度の穴8a，8cが設けられるが、この穴8a，8cは当該プレート７の厚さ方向を貫通せず、各辺7a，7cの外側面に通じるように、プレートの厚さ内で90度進路変更するように形成されており、図示した例では辺7aの側の穴が陽極液投入口8aとして、また辺7cの側面の穴が陰極液投入口8cとして、それぞれ設けられている。
【００１８】
以上により本発明セルユニットの構成部材の一例を形成するので、次に、上記の各構成部材をセルスタックに組上げる手順と要領について説明する。
【００１９】
まず、図４〜図６に例示したエンドプレート７の隣接する２辺7a，7cに設けた穴、つまり、陽極液投入口8aと陰極液投入口8cの辺7aと7cの上面に露出した穴（8a，8c）に合せて当該プレート７の上面に、図３の電極板５を重ねる。この電極板５の２辺5a，5cの穴6aと6cは、当該エンドプレート７の２辺7a，7cの上面に位置した穴8a，8cと合致するように重ねると共に、重ねる際に両者の間には、シール材又はパッキング（以下、両者を単に「シール材」又は「水（液）密材」ともいう）をかませる。上記電極板５は集電板として機能する部材である。
【００２０】
次いで、シール材を挟んでセルフレーム１に炭素製の内部電極51を挿入する形で重ねる。このときセルフレーム１は、その投入口2aをエンドプレート７の陽極液投入口8aと電極板５の通過穴6aに合せると共に、当該セルフレーム１の通過穴2cをエンドプレート７の陰極液投入口8cと電極板５の通過穴6cに合せる。
【００２１】
次に、イオン交換膜３の辺3aを前記セルフレーム１の辺1cに、同じく辺3cを辺1bに夫々に合せる。そうすると、イオン交換膜３の穴4aとその下方のセルフレーム１における辺1cの穴2cが合致し、同じく穴4cと穴2bが合致するので、この状態で両部材３と１の間にシール材をかませて水密に重ねる。
【００２２】
上記イオン交換膜３の上には、次のセルフレーム１を重ねるが、このフレーム１は、上記のセルフレーム１（エンドプレート７の上に重ねたセルフレーム１）に対し、図７において、反時計回り方向に90度回転した向きで重ねる。従って、このセルフレーム１の投入口2aと当該フレーム１の下に位置するイオン交換膜３の通過穴4aが合致し、同じく穴4cが穴2cと合致して、この両部材３と１とが間にシール材を介して水密に重ねられる。なお、このセルフレーム１（イオン交換膜３の上のフレーム１）も、上記のセルフレーム１と同様に、内部に炭素製の内部電極51を備えたものである。
【００２３】
上記のセルフレーム１の上には、図３の電極板５が双極板として、その２辺5a，5cの穴6a，6cをイオン交換膜３の２辺3a，3cの穴4a，4cに対し、反時計回り方向に90度回転させた向きで配置される。これにより、双極板となる電極板５の穴6aはセルフレーム１の穴2cと、同じく穴6cは穴2bとそれぞれ合致した状態で、シール材を介して水密に重ねられる。
【００２４】
以上のようにしてセルユニットの各構成部材７，５，１，３，１，５が水密に積層されると共に、各部材の所要の各穴が合致して連通した状態で、本発明レッドフロー電池におけるセルユニットCuの一つ（図７参照）を形成する。
【００２５】
本発明では、上記セルユニットCuの上に、内部電極51を備えたセルフレーム１、イオン交換膜３、内部電極51を備えたセルフレーム１、双極板となる電極板５の各部材を下から順であって、かつ、各部材１，３，１，５が順次90度ずつ回転した向きにおいて水密にシールされた状態で積層したセルユニットCuの複数個（複数セルユニット）を順次積み上げていく（各セルユニット自体も夫々に90度回転した向きで積上げられる）ことにより、レドックスフロー電池用のセルスタック構造Csを形成する。
【００２６】
上記の構成により、図７の陽極液投入口8aから投入された電極液は、図７に点線で示すように、セルスタックが有する複数枚のセルフレーム１において、１枚おきのセルフレーム１の内部に投入されるルートを通って最上位の双極板５に到達する。一方、図７の陰極液投入口8cから投入される電極液は、図７に１点鎖線で示すように、陽極液がフレーム辺の通過穴をパスした１枚おきのセルフレーム１（つまり、陽極液がフレームの内部を通過していないセルフレーム１）の内部に投入されて通過するルートを経て最上位の双極板（集電板）５に到達する。
【００２７】
上記のセルスタック構造Csにおいて最下位の電極液投入口から投入された陽極液と陰極液は、それぞれに最上位のエンドプレート（図示せず）の電極液排出口から取出されて、両方の極液タンク（図示せず）に戻り、循環ポンプ（図示せず）を介して再び両極液の投入口（最下位のエンドプレート７の夫々の極液投入口に循環される。
これによって、図７に要部の構成を分解して例示したスタック構造Cuでは、各セルユニットCuが直列した形になるので、両端の電極板（集電板）から電池出力を取出すことができることになる。
【００２８】
すなわち、図７においては、図の最上位の電極板５が下位の電極板５による集電板と同じ集電板になるので、この上位の集電板の上に、最下位のエンドプレート７とその下に配置した結束用プレート９と同様に、エンドプレートと結束用プレート（いずれも図示せず）を配置して、例えば10個〜12個のセルユニットCuを用いたセルスタック構造Csを形成する。図８は、このセルスタック構造Csを４層構造にした例の正面図で、各セルスタック構造Cuにおける夫々の結束用プレート９の周囲に、複数本の結束用ボルト10を貫通させて設け上，下端をナット11により緊締し、１ユニットのレドックスフロー電池Buに構成されている。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明は、以上の通りであるから、１つのセルスタック構造のエンドプレートに設けた陽極液投入口と陰極液投入口から同時に電極液を投入することができるようになった直列投入方式のセルスタック構造を得ることができる。
【００３０】
特に、本発明のセルスタックの構造は、電極液の投入が積層したセルユニットの中を直列に流れるようにしたことにより、電極液の過流量によるイオン交換効率の低下を大幅に抑制することができるので、小型のレドックスフロー電池にきわめて好適である。
【符号の説明】
【００３１】
１        セルフレーム
2a        極液投入口
2b        極液排出口
2c        極液通過穴
３        イオン交換膜
3a，3c    イオン交換膜の隣り合う辺
4a，4c    極液通過穴
５        電極板（双極板）
5a，5c    電極板の隣り合う辺
6a，6c    極液通過穴
７        エンドプレート
7a，7c    エンドプレートの隣り合う辺
8a        陽極液投入口
8c        陰極液投入口
９        結束用プレート
10        結束用ボルト
11        緊締用ナット
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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