(57)【要約】【課題】電極とフレームの凹部間に電解液のバイパスが生じないレドックスフロー電池のセル構造を得る。【解決手段】隔膜と、隔膜を間に挟んで配置された第１及び第２双極板と、隔膜と双極板との間に配置された第１及び第２電極と、第１及び第２双極板のそれぞれの外周端部を取り囲むように固定して設けられた第１及び第２フレームを有し、フレームに設けられた双極板の領域は凹部に形成され、該凹部内に電極が双極板に接して収納され、双極板とフレームと隔膜に囲まれ、内部に電極を収納した第１及び第２電極室が形成され、第１及び第２電極室は上端または下端に電解液の導入孔を、他端に電解液の排出孔を有するレドックスフロー電池のセルであって、前記電極の左右両端が、前記フレームの凹部の左右両側の内壁に接触する部分を有していることを特徴とするレドックスフロー電池のセル【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔膜と、前記隔膜を間に挟んで配置された第１及び第２双極板と、前記隔膜と前記双極板との間に配置された第１及び第２電極と、前記第１及び第２双極板のそれぞれの外周端部を取り囲むように固定して設けられた第１及び第２フレームを有し、
前記フレームに設けられた前記双極板の領域は凹部に形成され、該凹部内に前記電極が前記双極板に接して収納され、前記双極板と前記フレームと前記隔膜に囲まれ、内部に電極を収納した第１及び第２電極室が形成され、
前記第１及び第２電極室は上端または下端に電解液の導入孔を、他端に電解液の排出孔を有するレドックスフロー電池のセルであって、
前記電極の左右両端が、前記フレームの凹部の左右両側の内壁に接触する部分を有していることを特徴とするレドックスフロー電池のセル。
【請求項２】
前記電極の左右両端側には凹み部が形成され、該凹み部に対向する前記フレームの左右両側の内壁に前記凹み部内に入り込む凸出部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池のセル。
【請求項３】
前記凹み部は、少なくともその一部が前記凸出部に当接されていることを特徴とする請求項２に記載のレドックスフロー電池のセル。
【請求項４】
前記フレームは、凹部の左右の内壁の少なくとも１方が電解液の下流側において対向する電極の端部に接触するように内側に傾斜し、これにより前記電極の左右両端の少なくとも一部が各々前記フレームの凹部の左右両側の内壁に接触していることを特徴とする請求項１に記載のレドックスフロー電池のセル。
【請求項５】
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレドックスフロー電池のセルを有することを特徴とするレドックスフロー電池。
【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に関し、特に電解液がバイパスして流れることのない構造のセルおよびこのようなセルを有するレドックスフロー電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
レドックスフロー電池（又はレドックスフロー型２次電池）は、活物質として電解液のイオン価数の変化（酸化還元反応）を利用した電池であり、活物質の劣化が少なく、電池寿命が長く、高速応答性及び高出力対応が可能であると共に、排ガスが発生せず環境汚染の恐れが少ないという特徴を有している。このため、将来の電力貯蔵二次電池等への大規模な採用、実用化を目指して鋭意開発がなされている。
【０００３】
この電池は、イオン交換膜などの隔膜の両側に、電極と、双極板（バイポーラプレート）を備えたフレームとがそれぞれ配設されたセルからなる。具体的には、双極板はフレームに固定され、電極はフレームに形成された凹部に双極板に接して収納されている。そして、隔膜と双極板との間に位置し、かつ正電極が配設される正極室には、正極液を流通させている。同時に、隔膜と双極板との間に位置し、かつ負電極が配設される負極室には負極液を流通させている（以下、正極液と負極液を合わせて電解液と記すことがある）。
【０００４】
また、電解液の電極への供給のために、矩形状の電極室の下部のフレーム部分に電解液の導入孔を設け、当該導入孔の対角線の位置に排出孔を設けている。
さらに、電極室の上下両端には各々導入孔と排出孔に連通する水平な溝が形成されており、これにより電極の下端部の略全縁から上端部の略全縁に渡って電解液が均一に流れるようになされている。なお電解液としては、バナジウム硫酸水溶液、鉄クロム系イオン水溶液等が使用される。
また、通常は上記のセルを複数積層することにより（セルスタックという）、レドックスフロー電池の主要部が形成される。
【特許文献１】特開平２−１８３９６８号公報（第１１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記のセル構造において、製造のバラツキ等のため電極の左右（電解液の主な流れ方向に直交する方向）両側の縁と、フレームの凹部の左右の内縁壁（以下、内壁と記す）間に隙間があると、その部分の通液（流路）抵抗が少ないため、電解液はその部分を集中的に流れ、いわゆるバイパス流が生じることとなる。その結果、その分電池反応が行われず、電池性能の悪化につながる。
【０００６】
このため、レドックスフロー電池において、電極とフレームの凹部の左右の内壁間に電解液のバイパス流が発生せず、しかも簡単な構造で製造、組立ても容易なセルの開発が望まれていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、以上の課題を解決するためなされたものであり、電極の左右両側の縁と、フレームの凹部の左右の内壁の形状、構造に工夫を凝らして、電解液のバイパス流が発生しないようにしたものである。
以下、各請求項の発明を説明する。
【０００８】
請求項１に記載の発明は、
隔膜と、前記隔膜を間に挟んで配置された第１及び第２双極板と、前記隔膜と前記双極板との間に配置された第１及び第２電極と、前記第１及び第２双極板のそれぞれの外周端部を取り囲むように固定して設けられた第１及び第２フレームを有し、
前記フレームに設けられた前記双極板の領域は凹部に形成され、該凹部内に前記電極が前記双極板に接して収納され、前記双極板と前記フレームと前記隔膜に囲まれ、内部に電極を収納した第１及び第２電極室が形成され、
前記第１及び第２電極室は上端または下端に電解液の導入孔を、他端に電解液の排出孔を有するレドックスフロー電池のセルであって、
前記電極の左右両端が、前記フレームの凹部の左右両側の内壁に接触する部分を有していることを特徴とするレドックスフロー電池のセルである。
【０００９】
本請求項の発明においては、電極の左右両端側とこれに対向するフレームの凹部の内壁間の隙間には接触する部分があるため、隙間の流路抵抗が大きくなる。このため、導入用溝から排出用溝に流れる電解液はこの隙間を流れず、そのほとんど全てが電極内を流れることとなり、ほぼ全ての電解液が電池反応に寄与することとなる。その結果、電解液のバイパス流による電池効率の低下が防止される。
【００１０】
なおここに、「電極室の上端、下端」及び「電極の左右」とは、相互の位置関係、方向の明確化あるいは構成の明確化と、説明の便宜のため使用するものであり、現実のレドックスフロー電池において、逆に設置されている場合、例えば電解液が上方から下方に流れている場合、電極とフレームの凹部の内壁間の隙間は水平であるような場合、も本発明に含まれる。
【００１１】
また、このセルにおいては、第１及び第２電極並びに第１及び第２電極室はいずれも矩形あるいは略矩形であり、該矩形あるいは略矩形の電極の全面に電解液が流れるように電極室の上下両端には、各々電解液の導入孔または排出孔のいずれかに接続され、かつ前記電極の左右両端に達する溝が水平方向に形成されている構造となっている。なおここに、「略矩形」とは、左右の側部に小さな凹凸が形成されている、４隅に小さな丸みが付けられている、上下の辺の長さが僅かに異なる台形である等となされているが、全体としては矩形となる形状を指す。
さらに、原則としてこのセルは、重ね合わせてセルスタック構造とされる。
【００１２】
請求項２に記載の発明においては、前記のレドックスフロー電池のセルであって、
前記電極の左右両端側には凹み部が形成され、該凹み部に対向する前記フレームの左右両側の内壁に前記凹み部内に入り込む凸出部が形成されていることを特徴とするレドックスフロー電池のセルである。
【００１３】
本請求項の発明においては、電極の左右両端側とこれに対応するフレームの凹部の内壁間の隙間には、途中に電極の凹み部内にフレームの凸出部が入り込んで形成された遮蔽があるため流路抵抗が大きくなり、導入用溝から排出用溝に流れる電解液はこの隙間を流れず、そのほとんど全てが電極内を流れる。このため、電解液はほぼ全て電池反応に寄与することとなり、電解液のバイパス流による電池効率の低下が防止される。
また、電極の凹み部、フレームの凸出部の形状は、矩形に限定されず、三角形、半円形等の電解液のバイパス流を防止できる種々の形状を含む。
【００１４】
請求項３に記載の発明は、前記のレドックスフロー電池のセルであって、
前記凹み部は、少なくともその一部が前記凸出部に当接されていることを特徴とするレドックスフロー電池のセルである。
【００１５】
本請求項の発明においては、左右の凹み部と凸出部とは、いずれも当接されているため、確実に電解液のバイパス流れの発生を防止する。
【００１６】
請求項４に記載の発明においては、前記のレドックスフロー電池のセルであって、
前記フレームは、凹部の左右の内壁の少なくとも１方が電解液の下流側において対向する電極の端部に接触するように内側に傾斜し、これにより前記電極の左右両端の少なくとも一部が各々前記フレームの凹部の左右両側の内壁に接触していることを特徴とするレドックスフロー電池のセルである。
【００１７】
本請求項の発明においては、フレームの凹部の左右の内壁の少なくも一方が電解液の下流側において対向する電極の端部に接触するように内側に傾斜しているため、その部分で隙間の流路抵抗が大きくなる。このため、導入用溝から排出用溝に流れる電解液はこの隙間を流れず、そのほとんど全てが電極内を流れることとなり、電解液のバイパス流による電池効率の低下が防止される。
電極の平面形を電解液の下流側が短くなる台形とし、フレームの左右の内壁の傾斜もこれに整合させた傾斜にすると、電解液の均一な流れ、フレームの凹部内への電極のはめ込み等の面から好都合である。
なお、本発明にはフレームの内壁の傾斜を左右のいずれか一方のみにし、電解液の流れによる電極の僅かな傾きあるいは下流側への移動により他方の内壁と電極端面とが接触するようにしている場合も含まれる。
【００１８】
請求項５の発明は、
請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のレドックスフロー電池のセルを有することを特徴とするレドックスフロー電池である。
【００１９】
本請求項の発明のレドックスフロー電池においては、電解液のバイパス流が生じないため、その分電池効率の低下が防止される。
【発明の効果】
【００２０】
本発明においては、レドックスフロー電池において、電極の左右両端がいずれも前記フレームの凹部の左右両側の内壁に接触する部分を有している、具体的には、例えば電極の左右両側の側壁に形成された凹み部内に、フレームの凹部の左右両側の内壁に形成された凸出部が入り込む構造のセル、あるいはフレームの凹部の内壁が電解液の下流側方向が狭くなるように傾斜した構造のセルとしている。このため、電極とフレーム間に形成された隙間の内部に電解液のバイパス流が発生することが防止される。この結果、電池反応に寄与しない無駄な電解液の流れが生ぜず、その分電池効率が増加する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明をその最良の実施の形態に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。本発明と同一および均等の範囲内において、以下の実施の形態に対して種々の変更を加えることが可能である。
【００２２】
（第１の実施の形態）
本実施の形態は、電極の左右両端側の凹み部内に対向するフレームの内壁の凸出部が入り込んで接触するものである。
図１に、本第１の実施の形態のレドックスフロー電池のセルの構造の一部を概念的に示す。図１は、隔膜を取除いた状態で隔膜の方向から一方の電極室を見た平面図である。図１において、１０はポリ塩化ビニール系樹脂からなるフレームである。２０は、炭素繊維フェルトからなる電極である。３０は、双極板である。１８は電解液の電極室への導入孔であり、１９は同じく排出孔である。
【００２３】
１５は、電極２０の左右両端とフレーム１０の凹部（紙面の表側から裏側方向への凹部）の左右の内壁間に、製造、組立の便宜等から生じた隙間である。１６は、電解液を前記電極に均一に供給するため前記電極２０の下端とフレーム１０の凹部の下端の内壁間に形成された導入用溝であり、１７は同じく前記電極の上端とフレームの凹部の上端の内壁間に形成された排出用溝であり、その底部は双極板３０である。
前記フレーム１０は、その左右の内壁の中央に凸出部１１が形成されている。また、電極２０には、左右両端の中央部に凹み部２１が形成されている。さらに前記フレーム１０の凸出部１１の下端面１に前記電極２０の凹み部２１の下端面が当接する態様で凹み２１内に凸出部１１が入り込んでいる。またこのため、凹み部２１の寸法は、凸出部１１より多少大きくしてある。
【００２４】
電極の凹み部２１とフレームの凸出部１１を上下方向の中央部に形成してあるのは、多数のセルと重ね合わせたセルスタック構造においては、同一の電極、フレームを製造して、裏返して使用することが可能であることを考慮したものである。
なお、有機高分子をベースにした厚さ１３０μｍのイオン交換膜からなる隔膜（図示せず）がフレーム１０の上面に設けられている。
また、一組のセル構造は、図１に示す構造体２つを、電極側を向かい合わせて、両極間に隔膜を設けてフレームをボルト等により締め付けて結合して形成されている。
【００２５】
以上の構造の下で、導入孔１８から導入された電解液は、導入用溝１６から電極２０内を通過し、さらに排出用溝１７を経て排出孔１９から排出される。この流れを、図１に矢印で示す。
前記のごとく、電極２０の左右両端とフレーム１０の凹部の左右の内壁間には、隙間１５があるが、図１に示すセル構造においては、この隙間１５は、前記電極２０の凹み部２１と該凹み部内に入り込んだフレーム１０の凸出部１１とにより途中が塞がれている。このため、従来のセル構造と異なり、電極２０内を通過せず、この隙間１５を通って導入用溝１６から排出用溝１７に至るバイパス流は生じない。これを、図１のバツ印のついた矢印で示す。
そして、フレーム１０の凸出部１１の下端面１に、電極２０の凹み部２１の下端面が当接されているため、電解液の流れにより、電極が双極板に対してずれることが防止されている。
【００２６】
（第２の実施の形態）
本実施の形態は、電極、フレームの凹部とも左右のいずれか一方が電解液の下流側が小さくなる傾斜形状として、さらにフレームの内壁の傾斜角を対向する電極の端面の傾斜角より大きくしたものである。
図２に、本第２の実施の形態のレドックスフロー電池のセルの構造の一部を概念的に示す。なお、図２においては、図１と同じものについては同一の符号を付してその説明を省略し、本実施の形態の固有の構成についてのみ説明する。図２において、１２はフレーム１０の凹部の左方の内壁であり、１３は右方の内壁である。２５は、電極の左方の端部であり、２６は右方の端部である。
【００２７】
図２に示すように、このフレーム１０の凹部の内壁と電極２０の端部は、左方はいずれも電解液の流れ方向に平行そして導入用溝１６と排出用溝１７に直交している。しかし、右方はいずれも電解液の下流側が左方寄りに傾斜しており、さらにフレーム１０の内壁１３の方が電極１０の端部２６よりも傾斜角が大きい。このため、フレーム１０の凹部の左方の内壁１２と電極２０の左方の端部２５とは線で接触し、それらの間には隙間が発生しない。また、フレーム１０の凹部の右方の内壁１３と電極２０の右方の端部２６とは右方の最下流側で図面上点接触することとなり、それらの間にある隙間には最後に大きな流路抵抗が発生する。これらの結果、フレーム１０と電極２０間の隙間にバイパス流が発生して電池効率が低下することが防止される。
なお、本第２の実施の形態では、フレーム１０の凹部と電極２０はいずれも右側のみに傾斜が付された形状としているが、これは例えば左右両側に傾斜が付された台形等他の形状であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の第１の実施の形態のレドックスフロー電池のセルの構造を概念的に示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態のレドックスフロー電池のセルの構造を概念的に示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
１０    フレーム
１１    フレームの凸出部
１２    フレームの凹部の左方の内壁
１３    フレームの凹部の右方の内壁
１５    フレームと電極間の隙間
１６    導入用溝
１７    排出用溝
１８    導入孔
１９    排出孔
２０    電極
２１    電極の凹み部
２５    電極の左方の端部
２６    電極の右方の端部
３０    双極板
【図１】
2006324129.tif 000003
【図２】
2006324129.tif 000004