(57)【要約】【課題】複数の電気系統を得ても、電池の設置面積が小さく、かつエネルギー効率をより向上させることができるレドックスフロー電池に最適なセルフレームを提供する。【解決手段】セルフレーム１は、複数の開口部３が縦方向に並列に形成されたフレーム枠２と、前記各開口部３に具えられると共に、両面に電極が配置される双極板４とを具え、前記各開口部３は、横方向の長さＬが縦方向の長さＨよりも大きい。このようなセルフレーム１と電極とを積層させたレドックスフロー電池は、横長のセルを具えることでエネルギー効率が高いと同時に、一つのセルフレームに縦方向に複数のセルを具えることで、一つの電池で複数の電気系統が得られながら、設置面積が一つの電池分で済む。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の開口部が縦方向に並列に形成されたフレーム枠と、
前記各開口部に具えられると共に、両面に電極が配置される双極板とを具え、
前記各開口部は、横方向の長さが縦方向の長さよりも大きいことを特徴とするレドックスフロー電池用セルフレーム。
【請求項２】
更に、フレーム枠には、各双極板の両面に配置される電極に電解液を供給する給液用マニホールドと、同電極から電解液を排出する排液用マニホールドとを具え、これら両マニホールドは、各開口部の上辺よりも上方に配置され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用セルフレーム。
【請求項３】
セルフレームと電極とを重ねたセルを複数積層して構成されるレドックスフロー電池であって、
前記セルフレームは、請求項１又は２に記載のセルフレームを用い、セルフレームの縦方向に複数のセルを形成し、
積層された各セル間には、隔膜を具えることを特徴とするレドックスフロー電池。
【請求項４】
更に、隔膜は、セルフレームの縦方向に並ぶ複数のセルに共通に配置されることを特徴とする請求項３に記載のレドックスフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レドックスフロー電池に適したセルフレーム、及びこのセルフレームを用いたレドックスフロー電池に関するものである。特に、圧損が小さくエネルギー効率に優れると共に、設置空間を有効に利用することができるレドックスフロー電池を構築することができるセルフレーム、及びこのセルフレームを用いたレドックスフロー電池に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レドックスフロー電池は、従来、負荷平準化や瞬低対策などとして利用されている。図４はレドックスフロー電池の動作原理を示す説明図である。この電池は、イオン交換膜からなる隔膜１０３で正極セル１００Ａと負極セル１００Ｂとに分離されたセル１００を具える。正極セル１００Ａと負極セル１００Ｂの各々には正極電極１０４と負極電極１０５とを内蔵している。正極セル１００Ａには正極電解液を供給・排出するための正極用タンク１０１が導管１０６、１０７を介して接続されている。負極セル１００Ｂにも負極電解液を導入・排出する負極用タンク１０２が同様に導管１０９、１１０を介して接続されている。各電解液にはバナジウムイオンなど原子価が変化するイオンの水溶液を用い、ポンプ１０８、１１１で循環させ、正負極電極１０４、１０５におけるイオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。例えば、バナジウムイオンを含む電解液を用いた場合、セル内で充放電時に生じる反応は次のとおりである。
正極：Ｖ４＋→Ｖ５＋＋ｅ−（充電）      Ｖ４＋←Ｖ５＋＋ｅ−（放電）
負極：Ｖ３＋＋ｅ−→Ｖ２＋（充電）      Ｖ３＋＋ｅ−←Ｖ２＋（放電）
【０００３】
図５は、上記電池に用いるセルスタックの概略構成図である。通常、上記電池には、複数のセルを積層してサブセルスタック２０１と呼ばれる積層体を形成し、このサブセルスタック２０１を複数積層させたセルスタック２００と呼ばれる構成が利用される。各セルは、隔膜１０３の両側にカーボンフェルト製の正極電極１０４及び負極電極１０５を具える。そして、正極電極１０４及び負極電極１０５の各々の外側には、セルフレーム１２０が配置される。セルフレーム１２０は、プラスチックカーボン製の双極板１２１と、その外周に形成されるフレーム枠１２２とを具える。
【０００４】
フレーム枠１２２には、電極１０４、１０５に電解液を供給する給液用マニホールド１２３と、電極１０４、１０５からの電解液を外部に排出する排液用マニホールド１２４とが複数形成されている。給液用マニホールド１２３は、電極１０４、１０５の下方に、排液用マニホールド１２４は、電極１０４、１０５の上方に通常設けられている。図５に示すセルフレーム１２０では、電極１０４、１０５の下方に４つ、電極１０４、１０５の上方に４つの合計８つのマニホールドが設けられ、同下方の２つが正極電解液の給液用マニホールド１２３Ａ、残り２つが負極電解液の給液用マニホールド１２３Ｂ、同上方の２つが正極電解液の排液用マニホールド１２４Ａ、残り２つが負極電解液の排液用マニホールド１２４Ｂとなっている。
【０００５】
また、フレーム枠１２２には、給液用マニホードル１２３から双極板１２１に配置された電極１０４、１０５までの間、及び同電極１０４、１０５から排液用マニホールドまでの間に電解液を流通する給液用スリット１２５Ａ、１２５Ｂ及び排液用スリット１２６Ａ、１２６Ｂがそれぞれ設けられている。
【０００６】
上記マニホールド１２３、１２４は、多数のセルを積層することで電解液の流路を構成し、サブセルスタック２０１の両側に配置される給排板２０２を介して図４における導管１０６、１０７、１０９、１１０へと接続される。給排板２０２は、電解液を供給する給液口２０３及び電解液を排出する排液口２０４を具える。また、図４では、図示していないが、セルスタック２００の両側には、中央部に双極板が配置されると共に、出力端子を突出させた銅製のプレートが配置され、この出力端子を介して電極を負荷側に供給する。
【０００７】
このようなレドックスフロー電池として、例えば、特許文献１に記載のものがある。このレドックスフロー電池は、電圧効力及び電力効率を高くするべく、電極の形状を規定している。また、セルスタックの定格電圧に多様性を持たせるために、一つのセルフレームに二つのセルを具えるレドックスフロー電池がある（特許文献２参照）。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１０−１２２６０号公報（特許請求の範囲、図１参照）
【特許文献２】
特開２０００−１８８１６６号公報（特許請求の範囲、図１参照）
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来のレドックスフロー電池では、エネルギー効率を更に向上させると、電池が設置される空間を有効利用することが困難であるという問題がある。
【００１０】
従来のレドックスフロー電池は、通常、図５に示すように一つのセルフレームに一つのセルが形成される。電池電圧は、セルスタック内のセル数と、セル一つ当りの電圧とで決められるため、一つのセルフレームに一つのセルを具える従来のレドックスフロー電池では、より多くの電気系統を得ようとしたり、より大きな電力を得ようとすると、複数個設置する必要がある。しかし、通常のレドックスフロー電池は、立方体状であり、重量も極めて大きいことから、複数個設置する場合、積み重ねず、水平方向に並べることが一般的である。
【００１１】
ここで、特許文献１に記載されるレドックスフロー電池は、エネルギー効率の向上を図るべく、特定の縦横比の電極、端的に言うと横長の電極を用いているため、電池自体の形状も横長である。従って、エネルギー効率が高いレドックスフロー電池を得ることができるが、より多くの電気系統を得るためなどで、このように横長の電池を複数個設置する場合、大きな設置面積が必要となる。
【００１２】
特許文献２では、セルスタック内に２以上の電気系統の電池を形成するべく、一つのフレームに二つのセルを形成する構造が開示されている。従って、特許文献２に記載されるレドックスフロー電池では、電池一つ分の設置面積で、二つの電気系統を得ることができる。しかし、特許文献２では、セルを横方向に並べて配置していることで設置面積が大きくなる傾向にある。また、特許文献２では、エネルギー効率をより向上するための構成を開示していない。
【００１３】
そこで、本発明の主目的は、複数の電気系統やより大きな電力を得る場合であっても、電池の設置面積が小さく、かつエネルギー効率をより向上させることができるレドックスフロー電池に最適なセルフレームを提供することにある。
【００１４】
また、本発明の別の目的は、上記セルフレームを用いたレドックスフロー電池を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、横長の開口部を縦方向に複数設けたフレーム枠を具えることで、上記目的を達成する。
【００１６】
即ち、本発明レドックスフロー電池用セルフレームは、複数の開口部が縦方向に並列に形成されたフレーム枠と、前記各開口部に具えられると共に、両面に電極が配置される双極板とを具え、前記各開口部は、横方向の長さが縦方向の長さよりも大きいことを特徴とする。
【００１７】
エネルギー効率を向上するためには、シャント電流による損失（ロス）を小さくすること、及びポンプ電力による損失（ロス）を小さくする必要がある。特許文献１では、ポンプ電力によるロスを低減するべく、横長の電極を用いている。しかし、横長の電極を用いることで電池自体が横長になり、電気系統の増大などするべく、このような電池を複数個設置すると、設置面積が大きくなる。また、特許文献１では、シャント電流によるロスを低減する構成について検討されていない。
【００１８】
一方、特許文献２に記載されるレドックスフロー電池では、一つの電池で二つの電気系統を得ることができるが、上記のように一つのセルフレームに横方向に二つのセルを形成することで、設置面積が大きくなり易い。
【００１９】
本発明は、横長の電極を用いた横長の電池の場合、設置場所において電池の上方の空間が空いていることに着目し、一つのセルフレームに横方向にセルを形成するのではなく、縦方向に複数のセルを形成することで、設置空間を有効利用すると共に、エネルギー効率の更なる向上を実現するものである。即ち、本発明は、レドックスフロー電池一つ分の設置面積で、複数の電気系統や大きな出力電圧が得られると共に、高いエネルギー効率のレドックスフロー電池を提供することができる。以下、本発明をより詳しく説明する。
【００２０】
本発明セルフレームの基本的構成は、双極板と、その外周に形成されるフレーム枠とを具える構造であり、フレーム枠には、双極板を配置するための開口部を形成する。特に、本発明セルフレームでは、この開口部を縦方向に複数並べて具える。そして、各開口部は、横方向の長さが縦方向の長さよりも大きい、即ち、横長とする。なお、本発明セルフレームにおいて、縦方向とは、このセルフレームを用いたレドックスフロー電池を設置した際において垂直方向、即ち、上下方向とし、同横方向とは、同水平方向、即ち、左右方向とする。このようなセルフレームは、塩化ビニルなどの絶縁性の樹脂で形成するとよい。
【００２１】
上記各開口部の大きさにより、各開口部に具えた双極板に配置される電極の大きさが決定される。即ち、各開口部の大きさは、それぞれ電極の大きさにほぼ適合する。従って、各開口部において横方向の長さが長すぎると、各電極も大きくなることで、電池の設置面積が大きくなりすぎるだけでなく、レドックスフロー電池を構成して運転した際、各電極中の電解液の流れ分布が不均一になってセル抵抗が増大し、電力効率が低下する恐れがある。また、各開口部の縦方向の長さが長すぎると、レドックスフロー電池を構成して運転した際、各双極板に配置された各電極に電解液を浸透させるためのポンプの動力が大きくなって、エネルギー効率が低下する恐れがある。そこで、各開口部の大きさは、レドックスフロー電池の設置面積が過大にならず、かつ電池を構成して運転した際、エネルギー効率が低下しない程度の大きさが望まれる。具体的には、縦方向の長さＨと横方向の長さＬとの比Ｈ／Ｌが０．１以上０．５以下となるように各開口部を設けることが好ましい。より好ましくは、同比Ｈ／Ｌが、０．２以上０．４以下である。
【００２２】
更に、本発明セルフレームのフレーム枠には、各双極板の両面に配置されるそれぞれ電極に電解液を供給する給液用マニホールド、及びそれぞれ電極から電解液を外部に排出する排液用マニホールドを具えることが好ましい。これら給液用マニホールド及び排液用マニホールドは、いずれも単数でもよいし、複数でもよい。また、本発明セルフレームでは、一つのフレーム枠で縦方向に複数の電極が配置されるが、このフレーム枠の一面に配置される複数の電極に対して、各電極にそれぞれ給液用マニホールド及び排液用マニホールドを設けることが好ましい。即ち、一つのフレーム枠に給液用マニホールド及び排液用マニホールドを複数設け、各電極に対して、各マニホールドを一つずつ割り当てる構成である。この構成の場合、レドックスフロー電池を組み立てて運転する際、複数のセルのうち、任意の数のセルのみに電解液を供給して、必要な数のセルのみ稼動させることも可能である。なお、複数の電極に共通する給液用マニホールド及び排液用マニホールドを設ける場合、スリット部分の圧損が非常に大きく、現実的でない。
【００２３】
レドックスフロー電池において電解液は、電極への供給が十分に行われるように、電極の下面側から上面側に向かって供給されることが好ましい。従って、各開口部に対して、給液用マニホールドを電極の下面が接する各開口部の下辺側、排液用マニホールドを電極の上面が接する各開口部の上辺側に設けてもよい。より具体的には、各開口部の下辺より下方に給液用マニホールド、各開口部の上辺より上方に排液用マニホールドを設けてもよい。しかし、本発明セルフレームを用いたレドックスフロー電池を瞬低用途や非常用途とする場合、ポンプを停止する待機中にマニホールドを介したシャント電流によるロスを低減するべく、待機中、両マニホールドに電解液が残存しにくいように、両マニホールドは、各開口部の上辺よりも上方に配置してもよい。より具体的には、各開口部の一辺側に給液用マニホールド及び排液用マニホールドを並行させて設け、これらマニホールドを設けた側を上方とするとよい。
【００２４】
本発明セルフレームのフレーム枠には、更に、各双極板に配置された各電極から上記給液用マニホールドに至るまでの間、及び同電極から排液用マニホールドに至るまでの間には、電解液の流路となるスリットを設けてもよい。具体的には、各電極から給液用マニホールドに至るまでの間に給液用スリットを、電極から排液用マニホールドに至るまでの間に排液用スリットを形成してもよい。
【００２５】
各開口部に対して、上記のように両マニホールドを開口部の上辺よりも上方に配置する場合、電解液を電極の下面側から供給できるように、給液用スリットは、給液用マニホールドと開口部の上辺側とを結ぶのではなく、開口部の下辺側とを結ぶように形成されることが好ましい。より具体的な形状としては、給液用マニホールドから開口部の下辺側に向かったＪ字状が挙げられる。排液用スリットは、排液用マニホールドと開口部の上辺側とを結ぶ直線状やＬ字状が挙げられる。このような形状のスリットを具えることで、レドックスフロー電池を構成し、待機中などでポンプを停止した際、電解液は、自重により、各マニホールドから各スリットを介してこれらマニホールドの下方に配置される電極側に向かい、これらマニホールドに電解液が残存することを防止する。給液用マニホールド及び排液用マニホールドに対して設けるスリット数は、それぞれ単数でもよいし複数でもよい。
【００２６】
ここで、本発明者らは、検討の結果、エネルギー効率の更なる向上には、特許文献１のように電極の縦横比だけでなく、給液用スリット及び排液用スリットの断面積比をも考慮することが好ましいとの知見を得た。具体的には、上記開口部の長さの比Ｈ／Ｌを０．１以上０．５以下とするとき、上記給液用スリットの断面積Ｓ１と排液用スリットの断面積Ｓ２の比Ｓ１／Ｓ２を２以上３以下とすることが好ましいとの知見を得た。特に、同比Ｓ１／Ｓ２が２．２以上２．８以下であることが好ましい。なお、給液用スリット、排液用スリットを複数設ける場合、上記断面積Ｓ１、Ｓ２は、それぞれ複数の断面積の総和とする。
【００２７】
上記スリットの断面積の比Ｓ１／Ｓ２が２以上３以下であっても、Ｈ／Ｌが０．１未満（Ｈ／Ｌ＜０．１）では、各開口部（電極）の縦方向の長さが小さくなることで、給液用スリットの縦方向の長さを小さくすることができる。従って、本発明セルフレームを用いてレドックスフロー電池を組み立て運転した際、スリット部分における圧損を小さくでき、ポンプ電力によるロスを小さくできる。しかし、各開口部（電極）の横方向の長さが過度に大きくなることで、同様に電池を運転した際、電極中の電解液の流れ分布が不均一となり易く、電池性能が低下する。また、上記スリットの断面積の比Ｓ１／Ｓ２が２以上３以下であっても、Ｈ／Ｌが０．５超（Ｈ／Ｌ＞０．５）では、同様に電池を運転した際、電極中の電解液の流れ分布が均一になり易く電池性能は良好である。しかし、開口部（電極）の縦方向の長さが大きくなることで、同様に電池を運転した際、給液用スリットの縦方向の長さも大きくなるため、スリット部分における圧損が大きくなり、ポンプ電力によるロスを大きくなる。
【００２８】
一方、上記開口部（電極）の長さの比Ｈ／Ｌが０．１以上０．５以下であっても、Ｓ１／Ｓ２が２未満（Ｓ１／Ｓ２＜２）では、給液用スリットの断面積が小さくなることで、本発明セルフレームを用いてレドックスフロー電池を組み立て運転した際、シャント電流によるロスが小さく電池性能は良好であるが、スリット部分における圧損が極めて大きくなる。また、上記開口部（電極）の長さの比Ｈ／Ｌが０．１以上０．５以下であっても、Ｓ１／Ｓ２が３超（Ｓ１／Ｓ２＞３）では、給液用スリットの断面積が大きくなることで、同様に電池を運転した際、スリット部分における圧損は小さくなるが、シャント電流によるロスが大きくなり電池性能が低下する。
【００２９】
更に、本発明セルフレームには、電極の縦方向に電解液が均一に流れ易いように、溝を形成することが好ましい。この溝は、各開口部の上辺及び下辺に沿って、即ち、各双極板に配置される各電極において、電極上面及び下面に沿って上記フレーム枠に形成するとよい。このような溝を設けることで、電解液を溝の横方向に整流し、電極内の流れ分布を均一にすることも可能である。そして、本発明セルフレームを用いたレドックスフロー電池の電池性能及びエネルギー効率をより向上させるために、この溝の縦方向の長さｈと開口部の縦方向の長さＨとの比ｈ／Ｈが０．０２以上０．０７以下であることが好ましい。特に、０．０４以上０．０６以下が好ましい。この溝と開口部の比ｈ／Ｈが０．０２未満（ｈ／Ｈ＜０．０２）では、溝が小さすぎて、電池を組み立てて電解液を流通させると、溝による電解液の整流の効果が得られにくく、また、電極中の電解液の均一な分散が不十分になり易い。また、溝と開口部の比ｈ／Ｈが０．０７超（ｈ／Ｈ＞０．０７）では、同様に電解液を流通させると、溝による電解液の整流の効果が飽和すると共に、溝の増大に伴って給液用スリットの縦方向の長さが２ｈ分長くなって、スリット部分の圧損が増大し易い。加えて、フレーム枠の大きさを一定にして溝を大きくし過ぎると、電極の面積が低下するので好ましくない。
【００３０】
本発明セルフレームの各開口部に配置する双極板は、両面に電極が配置されるものであり、プラスチックカーボンなどからなるものが挙げられる。また、各双極板は、開口部の大きさに適した大きさのものを用いるとよい。
【００３１】
このような本発明セルフレームは、レドックスフロー電池に用いる。即ち、本発明レドックスフロー電池は、セルフレームと電極とを重ねたセルを複数積層して構成される電池であって、セルフレームに上記セルフレームを用い、積層させたセル間に隔膜を具えることを特徴とする。従って、本発明レドックスフロー電池は、一つのセルフレームにおいて、縦方向に複数の横長のセルを具えるものである。基本的構成は、図５に示す従来のレドックスフロー電池と同様としてもよい。
【００３２】
本発明電池に用いる電極は、例えば、カーボンフェルトなどからなるものが挙げられる。この電極は、上記本発明セルフレームの各双極板の両面にそれぞれ配置され、一方を正極電極、他方を負極電極とする。
【００３３】
本発明電池に用いる隔膜は、例えば、イオン交換膜からなるものが挙げられる。この隔膜は、積層されるセル間、より詳しくは、正極電極と負極電極間に配置されるものである。ここで、本発明レドックスフロー電池は、本発明セルフレームを用いるため、一つのセルフレームにおいて縦方向に複数のセルを具えている。従って、隔膜の配置は、これら同一のセルフレームに存在する各セルに一枚ずつ行ってもよい。また、これら同一のセルフレームに存在する複数のセルに一枚の隔膜を共通に配置してもよい。このとき、部品点数を減らすことができるだけでなく、複数のセルに対し一度に隔膜を配置できるため、組み立て作業性もよく好ましい。
【００３４】
本発明レドックスフロー電池は、複数のセルを積層してサブセルスタックを構成し、更にこのサブセルスタックを複数積層してセルスタックを構成して、組み立ててもよい。このとき、セルスタックの両側には、電解液を電極に供給、又は電極から電解液を排出する給排板、出力端子を具えるプレートを配置する。プレートは、中央部に双極板を配置すると共に、出力端子を具える銅などからなる導電板をセル数分配置した絶縁板などが挙げられる。即ち、出力端子は、セルフレームの縦方向に並んで存在するセル分だけ具えられる。また、これら出力端子を適宜接続して、セルフレームの縦方向に存在する複数のセルを電気的に直列又は並列に接続させてもよい。並列に接続する場合、一つのセルフレームに一つのセルのみを具える従来のレドックスフロー電池と比較して、同一の印加電圧においてより大きな電力を得ることができる。また、並列に接続するには、セルスタックの両側に配置される出力端子において、同じ側の端子同士を接続する、即ち、一方の側（例えば、＋側）の出力端子同士を接続すると共に、他方の側（例えば、−側）の出力端子同士を接続するとよい。直列に接続する場合、フレーム内のセル数に応じた電圧とすることができる。また、直列に接続するには、セルスタックの両側に配置される出力端子において、異なる側の端子同士を接続する、即ち、一方の側（例えば、＋側）の出力端子と他方の側（例えば、−側）の出力端子同士を接続するとよい。更に、これら出力端子を上記のように直列又は並列に接続しない場合、各セルの出力端子にそれぞれ負荷を接続して、複数の電気系統を得ることができる。このとき、一つのセルフレームの縦方向に存在する複数のセルをそれぞれ独立した電源として用いることができる。
【００３５】
このような本発明レドックスフロー電池は、瞬低用途、非常用途はもちろんのこと、負荷平準用途に適する。瞬低用途、非常用途と負荷平準用途とを併用してもよい。
【００３６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明セルフレームの概略図であり、フレーム枠の一面に縦方向に配置される複数の電極に対して、各電極にそれぞれ給液用マニホールド及び排液用マニホールドを具える例である。セルフレーム１は、複数の開口部３を有するフレーム枠２と、各開口部３に具えられる双極板４とを具える。そして、本発明において各開口部３は、縦方向に並列に配置されると共に、横方向の長さＬが縦方向の長さＨよりも大きいものとする。従って、本発明セルフレーム１の各開口部３の内周に具えられる各双極板４に配置される各電極（図示せず）は、各開口部３に適合する横長の形状となる。本例では、図１に示すように、一つのセルフレーム１で三つのセルが構成されるように、同一の大きさの開口部３を三つ設けた。
【００３７】
また、フレーム枠２には、電極に電解液を供給する給液用マニホールド５、及び同電極から電解液を外部に排出する排液用マニホールド６が形成されている。本例では、各開口部３に対し、両マニホールド５、６をそれぞれ１個ずつ設けた構成である。より具体的には、各開口部３の上辺よりも上方に両マニホールド５、６を設けている。即ち、本例において両マニホールド５、６は、開口部３と同数の三つずつ存在する。
【００３８】
更に、フレーム枠２には、各給液用マニホールド５から各電極に電解液を供給するための供給路として、各給液用マニホールド５から各開口部３（電極）に向かって給液用スリット７、及び各電極から電解液を外部に排出するための排出路として、各開口部３（電極）から排液用マニホールド６に向かって排液用スリット８が形成されている。
【００３９】
本例において各給液用スリット７及び排液用スリット８は、それぞれ同様の形状である。給液用スリット７のより具体的な形状は、開口部３に具えられる双極板４に配置される電極の下面側から上面側に向かって電解液を供給するために、開口部３の上辺側に接するのではなく、開口部３の下辺側に接する形状である。本例では、給液用マニホールド５から下方に向かって開口部３の縦方向の長さ程度に延び、そこから横方向に曲がり、更に上方に向かって、開口部３の下辺と接する（電極の下面に接する）溝９ｂ（後述）に接するまで延びるＪ字状である。排液用スリット８のより具体的な形状は、開口部３の上辺と接する（電極の上面と接する）溝９ａ（後述）から更に上方に向かって延び、そこから横方向に曲がったＬ字状である。本例において、各スリット７、８は、それぞれ１本ずつ設けたが、複数本でもよい。
【００４０】
更に、フレーム枠２には、各開口部３の上辺及び下辺（各双極板４に配置される各電極上面及び下面）に沿って、各電極の縦方向に電解液を均一に流れ易くさせるための溝９ａ、９ｂを設けている。本例では、図１に示すように各電極上面に接するように横方向に連続する溝９ａと、各電極下面に接するように横方向に連続する溝９ｂとを設けた。図１では、省略しているが、溝９ａ、９ｂには、電解液を整流させ易いように複数の通路を設けている。
【００４１】
このような本発明セルフレームと、炭素繊維製の電極とを重ねたセル構造を有するレドックスフロー電池を作製し、以下の充放電条件で充放電を行い、ポンプ圧損（ポンプ動力によるロス）、電力効率を評価した。
【００４２】
試験に用いたレドックスフロー電池は、図１に示す形状のセルフレームを用いた。このセルフレームと電極とを重ねたセルを１８セル積層してサブセルスタックを作製した。サブセルスタックの両側には、図２に示す給排板１０、及び図３に示す出力端子１５ａを具えるプレート１１を配置した。このサブセルスタックを２直列して、図５に示すようなセルスタック（合計３６セル直列）を構成した。
【００４３】
給排板１０は、図２に示すように給液用マニホールド５及び排液用マニホールド６を具えると共に、図４に示す導管１０６又は導管１０９に接続されて給液用マニホールド５に電解液を供給する供給管１２、及び図４に示す導管１０７又は導管１１０に接続されて排液用マニホールド６から電解液を排出する排出管１３を内蔵する塩化ビニル製の板状体である。プレート１１は、図３に示すように塩化ビニル製の板材１４と、この板材１４上に配置されると共に銅製の出力端子１５ａを具える導電板１５と、この導電板１５上に配置される双極板４とを具える。本例では、一つのセルフレームに具えるセル数に対応させて出力端子１５ａを正極用又は負極用として三つ具える。本例では、一つのセルフレームに具える三つのセルが直列に接続されるようにこれら三つの出力端子１５ａを接続した。また、本例において積層したセル間に具える隔膜（図示せず）は、イオン交換膜からなるものを用い、一つのセルフレームに具える三つのセルに共通に配置した。即ち、同三つのセルに対し、一つの隔膜を配置した。
【００４４】
（充放電条件）
充放電方法：定電流
電解液：硫酸バナジウム溶液
（正極電解液；Ｖ４＋：１．８ｍｏｌ／ｌ、負極電解液；Ｖ３＋：１．８ｍｏｌ／ｌ）
電流密度    ：１００（ｍＡ／ｃｍ２）
充電終了電圧：１．５５（Ｖ）
放電終了電圧：１．００（Ｖ）
温      度  ：２５℃
電解液流量  ：６９ｌ／分
充放電時間  ：合計４時間
【００４５】
本試験では、図１に示す形状のセルフレームを用い、各開口部が同等、又は同程度の大きさとなるレドックスフロー電池を複数作製し、同様の条件で充放電を行って、同様にポンプ圧損、電力効率を評価した。その結果を表１に示す。また、各レドックスフロー電池において、各開口部（電極）の縦方向の長さＨ（ｃｍ）、各開口部（電極）の横方向の長さＬ（ｃｍ）、各開口部（電極）の長さの比Ｈ／Ｌ、給液用スリットの断面積Ｓ１（ｃｍ２）、排液用スリットの断面積Ｓ２（ｃｍ２）、スリットの断面積の比Ｓ１／Ｓ２を表１に示す。なお、試料Ｎｏ．１、４〜７、及び９〜１１は、溝の縦方向の長さｈと各開口部（電極）の縦方向の長さＨとの比ｈ／Ｈが０．０５、Ｎｏ．２は、同比ｈ／Ｈが０．０７、試料Ｎｏ．３は、同比ｈ／Ｈが０．０２、試料Ｎｏ．８は、同比ｈ／Ｈが０．０８となるようにそれぞれ溝を設けた。
【００４６】
【表１】
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【００４７】
本発明レドックスフロー電池は、一つのセルフレームに縦方向に複数の開口部を具えて一つのセルフレームに複数のセルを構成すると共に、各開口部を横長とする、即ち、各開口部に具える双極板に配置される各電極を横長とすることで、一つのセルフレームに一つのセルのみを具える従来のレドックスフロー電池と比較して、より大きな出力電圧を得ながら、設置面積を低減することができる。
【００４８】
特に、各開口部（電極）の長さの比Ｈ／Ｌが０．１〜０．５で、スリットの断面積の比Ｓ１／Ｓ２が２〜３ある試料Ｎｏ．１〜８は、ポンプ圧損が小さく、電力効率が８５％以上であり、エネルギー効率に優れることがわかる。その中でも、試料Ｎｏ．１〜７は、開口部と溝の比ｈ／Ｈが０．０２〜０．０７の範囲にあることで、試料Ｎｏ．８と比較して給液用スリットの縦方向の長さが短いことから、圧損がより小さく、電池性能により優れることがわかる。特に、試料Ｎｏ．１は、試料Ｎｏ．２、３と比較しても、圧損、電力効率の双方共に優れていた。また、各開口部の長さの比Ｈ／Ｌが０．２〜０．４の範囲にあり、スリットの断面積の比が２．２〜２．８範囲にあると共に、開口部と溝の比ｈ／Ｈが０．０４〜０．０６の範囲にある試料Ｎｏ．１は、ポンプ圧損が７０ｋＰａ未満、電力効率が８８％超であり、エネルギー効率に更に優れることがわかる。
【００４９】
更に、試料Ｎｏ．１〜８の電池を瞬低用に用いてみた。すると、これら試料Ｎｏ．１〜８は、いずれも給液用マニホールド及び排液用マニホールドを各開口部の上辺（電極上面）よりも上方に設けていることで、待機中に両マニホールドに電解液がほとんど残存せず、シャント電流によるロスがほとんどなかった。
【００５０】
これらのことから、本発明レドックスフロー電池は、瞬低用途や非常用途において待機中にシャント電流によるロスを低減すると共に、負荷平準用途においてエネルギー効率をも向上することができることがわかる。
【００５１】
また、本例では、一枚の隔膜を複数のセルに対して共通に配置していたことから、組み立て易かった。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、一つのセルフレームに対し、縦方向に複数の横長のセルを構成できるため、圧損が小さくエネルギー効率に優れると共に、設置面積を低減することができるという優れた効果を奏し得る。また、本発明は、一つのセルフレームで複数の電気系統を得ることができるため、レドックスフロー電池の仕様の多様化をも実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明セルフレームの概略図である。
【図２】本発明レドックスフロー電池に用いられる給排板の概略図である。
【図３】本発明レドックスフロー電池に用いられる出力端子を有するプレートの概略図である。
【図４】レドックスフロー電池の動作原理の説明図である。
【図５】従来のレドックスフロー電池に用いるセルスタックの概略構成図である。
【符号の説明】
１  セルフレーム  ２  フレーム枠  ３  開口部  ４  双極板
５  給液用マニホールド  ６  排液用マニホールド  ７  給液用スリット
８  排液用スリット  ９ａ、９ｂ  溝  １０  給排板  １１  プレート
１２  供給管  １３  排出管  １４  板材  １５  導電板  １５ａ  出力端子
１００  セル  １００Ａ  正極セル  １００Ｂ  負極セル  １０１  正極用タンク
１０２  負極用タンク  １０３  隔膜  １０４  正極電極
１０５  負極電極  １０６、１０７  導管  １０８  ポンプ  １０９、１１０  導管
１２０  セルフレーム  １２１  双極板  １２２  フレーム枠
１２３、１２３Ａ、１２３Ｂ  給液用マニホールド
１２４、１２４Ａ、１２４Ｂ  排液用マニホールド  １２５Ａ、１２５Ｂ  給液用スリット
１２６Ａ、１２６Ｂ  排液用スリット
２００  セルスタック  ２０１  サブセルスタック
【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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