(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レドックスフロー電池のセルスタックに用いられる平面状のセルフレームの一部であり、前記セルフレームに備わる双極板を外周側から支持する枠体であって、
前記セルフレームを複数積層したときに、積層方向に隣接する他のセルフレームの枠体に対向するフレーム対向面を備え、
前記フレーム対向面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上３．２μｍ以下である枠体。
【請求項２】
環状シール部材が嵌め込まれるシール溝を備え、
前記シール溝の内周面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上３．２μｍ以下である請求項１に記載の枠体。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の枠体と、前記枠体に支持される双極板と、を備えるセルフレーム。
【請求項４】
積層された複数のセルフレームを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルスタックであって、
前記セルフレームは、請求項３に記載のセルフレームであるセルスタック。
【請求項５】
前記積層方向に隣接する一対の前記セルフレームの枠体の間に介在される環状シール部材を備える請求項４に記載のセルスタック。
【請求項６】
セルスタックと、正極電解液用タンクと、負極電解液用タンクとを備えるレドックスフロー電池であって、
前記セルスタックが、請求項４または請求項５に記載のセルスタックであ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、枠体、セルフレーム、セルスタック、およびレドックスフロー電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、双極板を有するセルフレーム、正極電極、隔膜、負極電極、およびセルフレームを複数積層し、その積層体を給排板で挟み込んだセルスタック、およびそのセルスタックを用いたレドックスフロー電池が記載されている。セルフレームは、双極板と、この双極板の外周に配置される枠体とを備える。この構成では、隣接する各セルフレームの双極板の間に一つのセルが形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１５−７９７３８号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示の枠体は、
レドックスフロー電池のセルスタックに用いられる平面状のセルフレームの一部であり、前記セルフレームに備わる双極板を外周側から支持する枠体であって、
前記セルフレームを複数積層したときに、積層方向に隣接する他のセルフレームの枠体に対向するフレーム対向面を備え、
前記フレーム対向面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上３．２μｍ以下である。
【０００５】
本開示のセルフレームは、
本開示の枠体と、前記枠体に支持される双極板と、を備える。
【０００６】
本開示のセルスタックは、
積層された複数のセルフレームを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルスタックであって、
前記セルフレームは、本開示のセルフレームである。
【０００７】
本開示のレドックスフロー電池は、
セルスタックと、正極電解液用タンクと、負極電解液用タンクとを備えるレドックスフロー電池であって、
前記セルスタックが、本開示のセルスタックである。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態に係るレドックスフロー電池の動作原理図である。
【図２】実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。
【図３】実施形態に係るセルスタックの概略構成図である。
【図４】実施形態に係るセルフレームを一面側から見た平面図である。
【図５】実施形態に係るセルフレームを他面側から見た平面図である。
【図６】実施形態に係るセルスタックの部分断面図である。
【図７】図６のシール溝近傍の部分拡大図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
［本開示が解決しようとする課題］
積層するセルフレームの枠体の表面が滑らか過ぎると、セルスタックを設置場所に運搬する際の振動や衝撃、セルスタックの内部に電解液を循環させたときの電解液の内圧などによって、隣接するセルフレームが大きくズレる恐れがある。隣接するセルフレームが大きくズレると、セルスタック内を循環する電解液が外部に漏れるといった不具合が生じる恐れがある。一方、積層するセルフレームの枠体の表面が粗すぎると、枠体の間に大きな隙間ができ易く、セルスタック内を循環する電解液が外部に漏れるといった不具合が生じる恐れがある。
【００１０】
そこで、本開示では、セルスタック内を循環する電解液が外部に漏れることを効果的に抑制できる枠体およびセルフレームを提供することを目的の一つとする。また、本開示では、セルスタック内の電解液が外部に漏れ難いセルスタックおよびレドックスフロー電池を提供することを目的の一つとする。
【００１１】
［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１２】
＜１＞実施形態に係る枠体は、
レドックスフロー電池のセルスタックに用いられる平面状のセルフレームの一部であり、前記セルフレームに備わる双極板を外周側から支持する枠体であって、
前記セルフレームを複数積層したときに、積層方向に隣接する他のセルフレームの枠体に対向するフレーム対向面を備え、
前記フレーム対向面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上３．２μｍ以下である。
【００１３】
本明細書におけるＲａは、ＪＩＳ  Ｂ０６０１（２００１年）に規定される算術平均粗さである。フレーム対向面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上であれば、セルスタックを運搬するときや、セルスタックの内部に電解液を循環させたときに、隣接するセルフレームがズレ難くなる。また、フレーム対向面の表面粗さＲａが３．２μｍ以下であれば、隣接するセルフレームの枠体の間に大きな隙間ができ難い。そのため、上記構成を備えるセルスタックであれば、その内部に電解液を循環させたときに、電解液が外部に漏れ難い。
【００１４】
＜２＞実施形態に係る枠体の一形態として、環状シール部材が嵌め込まれるシール溝を備え、前記シール溝の内周面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上３．２μｍ以下である形態を挙げることができる。
【００１５】
シール溝の内周面のＲａが０．０３μｍ以上であれば、運搬時の衝撃や電解液の内圧によってセルフレームの積層方向に直交する方向に圧力が作用しても、シール溝から環状シール部材が外れることを防止し易い。シール溝から環状シール部材が外れ難くなるのは、シール溝の内周面と環状シール部材との間に適切な摩擦力が発生するからである。また、シール溝のＲａが３．２μｍ以下であれば、一対のセルフレームに締め付けられて変形した環状シール部材がシール溝の内周面に隙間なく密着し、環状シール部材のシール性が向上すると共に、シール溝から環状シール部材が外れることを防止し易い。
【００１６】
＜３＞実施形態に係るセルフレームは、
実施形態に係る枠体と、前記枠体に支持される双極板と、を備える。
【００１７】
セルフレームに備わる枠体のフレーム対向面の表面粗さＲａが０．０３μｍ以上であれば、セルスタックを運搬するときや、セルスタックの内部に電解液を循環させたときに、隣接するセルフレームがズレ難くなる。また、フレーム対向面の表面粗さＲａが３．２μｍ以下であれば、隣接するセルフレームの枠体の間に大きな隙間ができ難い。そのため、上記構成を備えるセルスタックであれば、その内部に電解液を循環させたときに、電解液が外部に漏れ難い。
【００１８】
＜４＞実施形態に係るセルスタックは、
積層された複数のセルフレームを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルスタックであって、
前記セルフレームは、実施形態に係るセルフレームである。
【００１９】
セルフレームに備わる枠体の表面粗さが所定範囲であるセルスタックであれば、その内部に電解液を循環させたときに、電解液が外部に漏れ難い。
【００２０】
＜５＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、前記積層方向に隣接する一対の前記セルフレームの枠体の間に介在される環状シール部材を備える形態を挙げることができる。
【００２１】
環状シール部材を設けることで、隣接するセルフレームの間から電解液が漏れることを効果的に防止できる。特に、枠体にシール溝が形成されている場合、電解液の漏れをより効果的に抑制できる。
【００２２】
＜６＞実施形態に係るレドックスフロー電池は、
セルスタックと、正極電解液用タンクと、負極電解液用タンクとを備えるレドックスフロー電池であって、
前記セルスタックが、実施形態に係るセルスタックである。
【００２３】
実施形態に係るレドックスフロー電池は、実施形態に係るセルスタックを用いているため、運転時にセルスタックからの液漏れが生じ難い。
【００２４】
［本発明の実施形態の詳細］
以下、実施形態に係るレドックスフロー電池（ＲＦ電池）の実施形態を説明する。なお、本発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。
【００２５】
＜実施形態１＞
実施形態に係るレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）を図１〜図７に基づいて説明する。
【００２６】
≪ＲＦ電池≫
ＲＦ電池は、電解液循環型の蓄電池の一つであって、太陽光発電や風力発電といった新エネルギーの蓄電に利用されている。図１のＲＦ電池１の動作原理図に示すように、ＲＦ電池１は、正極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位と、負極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位との差を利用して充放電を行う電池である。ＲＦ電池１は、水素イオンを透過させる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離されたセル１００を備える。
【００２７】
正極セル１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極用電解液を貯留する正極電解液用タンク１０６が導管１０８，１１０を介して接続されている。導管１０８にはポンプ１１２が設けられており、これら部材１０６，１０８，１１０，１１２によって正極用電解液を循環させる正極用循環機構１００Ｐが構成されている。同様に、負極セル１０３には負極電極１０５が内蔵され、かつ負極用電解液を貯留する負極電解液用タンク１０７が導管１０９，１１１を介して接続されている。導管１０９にはポンプ１１３が設けられており、これらの部材１０７，１０９，１１１，１１３によって負極用電解液を循環させる負極用循環機構１００Ｎが構成されている。各タンク１０６，１０７に貯留される電解液は、充放電の際にポンプ１１２，１１３によりセル１０２，１０３内に循環される。充放電を行なわない場合、ポンプ１１２，１１３は停止され、電解液は循環されない。
【００２８】
≪セルスタック≫
上記セル１００は通常、図２、図３に示すような、セルスタック２と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック２は、サブスタック２００（図３）と呼ばれる積層構造物をその両側から二枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付機構２３０で締め付けることで構成されている（図３に例示する構成では、複数のサブスタック２００を用いている）。
【００２９】
サブスタック２００（図３）は、セルフレーム３、正極電極１０４、隔膜１０１、および負極電極１０５を複数積層し、その積層体を給排板１９０，１９０（図３の下図参照、図２では省略）で挟み込んだ構成を備える。セルフレーム３は、貫通窓を有する枠体３２と貫通窓を塞ぐ双極板３１とを有しており、双極板３１の一面側には正極電極１０４が接触するように配置され、双極板３１の他面側には負極電極１０５が接触するように配置される。この構成では、隣接する各セルフレーム３に嵌め込まれた双極板３１の間に一つのセル１００が形成されることになる。
【００３０】
給排板１９０，１９０を介したセル１００への電解液の流通は、セルフレーム３に形成される給液用マニホールド３３，３４と、排液用マニホールド３５，３６により行われる。正極用電解液は、給液用マニホールド３３からセルフレーム３の一面側（紙面表側）に形成される入口スリットを介して正極電極１０４に供給され、セルフレーム３の上部に形成される出口スリットを介して排液用マニホールド３５に排出される。同様に、負極用電解液は、給液用マニホールド３４からセルフレーム３の他面側（紙面裏側）に形成される入口スリット（破線で示す）を介して負極電極１０５に供給され、セルフレーム３の上部に形成される出口スリット（破線で示す）を介して排液用マニホールド３６に排出される。各セルフレーム３間には、Ｏリングや平パッキンなどの環状シール部材３７が配置され、サブスタック２００からの電解液の漏れが抑制されている。
【００３１】
積層するセルフレームの枠体の表面が滑らか過ぎると、セルスタックを設置場所に運搬する際の振動や衝撃、セルスタックの内部に電解液を循環させたときの電解液の内圧などによって、隣接するセルフレームが大きくズレる恐れがある。隣接するセルフレームが大きくズレると、セルスタック内を循環する電解液が外部に漏れるといった不具合が生じる恐れがある。一方、積層するセルフレームの枠体の表面が粗すぎると、枠体の間に大きな隙間ができ易く、セルスタック内を循環する電解液が外部に漏れるといった不具合が生じる恐れがある。上記問題点に鑑み、本例のＲＦ電池１では、セルフレーム３の枠体３２の一部の表面粗さを所定範囲としている。その詳細については、図４〜図７に基づいて説明する。
【００３２】
図４は、本実施形態１のセルフレーム３を一面側から見た平面図、図５は図４のセルフレーム３を他面側から見た平面図である。セルフレーム３の外周縁に沿って形成され、全てのマニホールド３３〜３６を取り囲むシール溝３７ｓは、図３の環状シール部材３７を嵌め込むための溝である。ここで、図４，５に示すマニホールド３３〜３６の形状やその位置、およびマニホールド３３〜３６から双極板３１に向って伸びる入口スリットと出口スリットの形状やその配置は一例に過ぎず、特に限定されない。
【００３３】
図４，５に示すように、セルフレーム３は、セルスタック２（図３）における他のセルフレーム３に対向するフレーム対向面３０ｆ，３０ｂ（クロスハッチング部分を参照）を有している。フレーム対向面３０ｆ（３０ｂ）は、セルフレーム３の一面側（他面側）におけるマニホールド３３〜３６、入口スリット、出口スリット、およびシール溝３７ｓを除く部分である。本例では、上述したセルスタック２からの電解液の漏れの対策として、そのフレーム対向面３０ｆ，３０ｂの表面粗さＲａ（ＪＩＳ  Ｂ０６０１：２００１の算術平均粗さ）を０．０３μｍ以上３．２μｍ以下としている。表面粗さＲａは、フレーム対向面３０ｆ，３０ｂにおける１０箇所以上の領域を市販の測定器で測定し、それらの測定結果を平均することで求めることができる。
【００３４】
このようなセルフレーム３を積層して得られたセルスタック２の部分断面図を図６に示す。図６の部分断面図は、セルスタック２におけるセルフレーム３の外周縁部近傍の縦断面である。図６に示すように、対向するフレーム対向面３０ｆ，３０ｂの表面粗さＲａが０．０３μｍ以上であれば、両フレーム対向面３０ｆ，３０ｂの間に適度な摩擦力が発生する。その結果、セルスタック２を運搬するときや、セルスタック２の内部に電解液を循環させたときに、隣接するセルフレーム３，３がズレ難くなる。また、フレーム対向面３０ｆ，３０ｂの表面粗さＲａが３．２μｍ以下であれば、隣接するセルフレーム３の枠体３２間に大きな隙間ができ難い。そのため、表面粗さＲａ０．０３μｍ以上３．２μｍ以下のフレーム対向面３０ｆ，３０ｂを備えるセルフレーム３を用いてセルスタック２を製造すれば、セルスタック２の内部に電解液を循環させたときに、セルスタック２から電解液が漏れ難くなる。フレーム対向面３０ｆ，３０ｂの表面粗さＲａは０．０３μｍ以上３．２μｍ以下とすることが好ましく、さらに０．０５μｍ以上１．５μｍ以下とすることが好ましい。
【００３５】
本例のセルフレーム３では、図７の拡大断面図に示すように、シール溝３７ｓの内周面の表面粗さＲａも０．０３μｍ以上３．２μｍ以下としている。シール溝３７ｓの内周面の表面粗さＲａを０．０３μｍ以上とすることで、シール溝３７ｓの内周面と環状シール部材３７との間に適度な摩擦力が発生する。その結果、隣接するセルフレーム３がズレる方向に応力が作用しても、シール溝３７ｓの環状シール部材３７が滑って、シール溝３７ｓから環状シール部材３７が外れることを抑制できる。また、シール溝３７ｓの内周面の表面粗さＲａを３．２μｍ以下とすることで、シール溝３７ｓ内で圧縮されて変形した環状シール部材３７が、シール溝３７ｓの内周面に隙間なく密着する。その結果、環状シール部材３７のシール性が向上すると共に、シール溝３７ｓから環状シール部材３７が外れ難くなる。シール溝３７ｓの表面粗さＲａは０．０３μｍ以上３．２μｍ以下とすることが好ましく、さらに０．０５μｍ以上１．５μｍ以下とすることが好ましい。
【００３６】
＜試験例＞
構成が異なる５つのセルスタック（試験体Ａ〜Ｅ）を用意し、各セルスタックの内部に電解液を循環させ、セルスタックの外部に電解液が漏れるか否かを試験する。試験体Ａ〜Ｅの概略構成は以下の通りである。
【００３７】
・試験体Ａ
試験体Ａのセルスタックは、実施形態１で説明したセルスタック２と同様である。ここで、フレーム対向面３０ｆ，３０ｂ（図６）の表面粗さＲａは０．０３μｍ、シール溝３７ｓ（図７）の内周面の表面粗さＲａは０．０３μｍである。
・試験体Ｂ
試験体Ｂのセルスタックは、フレーム対向面３０ｆ，３０ｂ（図６）の表面粗さＲａが１．５μｍ、シール溝３７ｓ（図７）の内周面の表面粗さＲａが１．５μｍであること以外、試験体Ａのセルスタックと同じである。
・試験体Ｃ
試験体Ｃのセルスタックは、フレーム対向面３０ｆ，３０ｂ（図６）の表面粗さＲａが３．２μｍ、シール溝３７ｓ（図７）の内周面の表面粗さＲａが３．２μｍであること以外、試験体Ａのセルスタックと同じである。
・試験体Ｄ
試験体Ｄのセルスタックは、フレーム対向面３０ｆ，３０ｂ（図６）の表面粗さＲａが０．０１μｍ、シール溝３７ｓ（図７）の内周面の表面粗さＲａが０．０１μｍであること以外、試験体Ａのセルスタックと同じである。
・試験体Ｅ
試験体Ｅのセルスタックは、フレーム対向面３０ｆ，３０ｂ（図６）の表面粗さＲａが３．５μｍ、シール溝３７ｓ（図７）の内周面の表面粗さＲａが３．５μｍであること以外、試験体Ａのセルスタックと同じである。
【００３８】
各試験体Ａ〜Ｅの内部に電解液を流通させる。その際、流通させる電解液の圧力を徐々に大きくする。その結果、試験体Ｄにおける隣接するセルフレームの一部がズレて、そのズレた部分から電解液が漏れる。また、試験体Ｅでは隣接するセルフレームにズレは生じなかったが、電解液が漏れる。これに対して、同じ圧力で電解液が流通された試験体Ａ〜Ｃでは、隣接するセルフレームのズレも、電解液の漏れも生じない。
【００３９】
この試験例の結果から、セルフレームのフレーム対向面の表面粗さを所定範囲内にすることが、セルスタックからの電解液の漏れを抑制する上で有効であることが分かる。
【符号の説明】
【００４０】
１  ＲＦ電池（レドックスフロー電池）
２  セルスタック
３  セルフレーム
３０ｆ，３０ｂ  フレーム対向面
３０  薄肉領域  ３１  双極板  ３２  枠体
３３，３４  給液用マニホールド  ３５，３６  排液用マニホールド
３７  シール部材  ３７ｓ  シール溝
１００  セル  １０１  隔膜  １０２  正極セル  １０３  負極セル
１００Ｐ  正極用循環機構  １００Ｎ  負極用循環機構
１０４  正極電極  １０５  負極電極  １０６  正極電解液用タンク
１０７  負極電解液用タンク  １０８，１０９，１１０，１１１  導管
１１２，１１３  ポンプ
１９０  給排板  ２００  サブスタック
２１０，２２０  エンドプレート
２３０  締付機構
【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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