(57)【要約】【課題】端子板として、セルを構成する双極板をそのまま使用出来、同時に端子板数を少なく出来るレドックスフロー電池スタックを得る。【解決手段】単一の両面端子板２の両側に、任意の数のセル１を積層し、前記積層したセル１の外側それぞれに、端子板３ａ、３ｂを配置した２組のレドックスフロー電池セルスタックであり、前記セル１を構成する双極板部材の外形、材質と、前記両面端子板２の外形、材質が等しいことを特徴とする２組のレドックスフロー電池セルスタックである。【選択図】図２
2005228617.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
双極板と、
前記双極板の外周部に固定して設けられ、前記双極板の一方の面を底面とする第１凹部と、前記双極板の他方の面を底面とする第２凹部を形成するフレームと、
前記フレームに設けられ、フレーム外部と第１凹部を連絡する第１給液通路、第１排液通路と、
前記フレームに設けられ、フレーム外部と第２凹部を連絡する第２給液通路、第２排液通路からなり、
第１給液通路が前記フレーム表面に形成する入口を通過する液体は、全て第１凹部に流入し、
第２給液通路が前記フレーム表面に形成する入口を通過する液体は、全て第２凹部に流入する、レドックスフロー電池セルスタック用両面端子板。
【請求項２】
請求項１記載のレドックスフロー電池セルスタック用両面端子板の両側に、任意の数のセルを積層し、前記積層したセルの外側それぞれに、端子板を配置した２組のレドックスフロー電池セルスタック。
【請求項３】
前記セルを構成する双極板部材の外形、材質と、前記両面端子板を構成する双極板部材の外形、材質が等しいことを特徴とする請求項２に記載の２組のレドックスフロー電池セルスタック。
【請求項４】
請求項２または３記載の２組のレドックスフロー電池セルスタックを用い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（又はレドックスフロー型二次電池）セルスタック用の端子板、２組のセルスタックの配置に特徴を有するレドックスフロー電池セルスタック、及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】
レドックスフロー電池（又はレドックスフロー型二次電池）は、活物質として電解液中の、イオンの価数の変化（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ともに排ガスが発生せず環境汚染の虞が少ないという特徴を有している。この電池は、イオン交換膜などの隔膜の両側に、電極（正極及び負極）と、双極板を備えたフレームとがそれぞれ配設されたセルから構成されている。そして、隔膜と双極板との間に位置し、かつ正極が配設される正極室に正極液を循環させる。同時に、隔膜と双極板との間に位置し、かつ負極が配設される負極室に負極液を循環させる。（以下、正極液と負極液を合わせて電解液ということがある。）
【０００３】
上記のセルを複数積層することにより、所望の電圧に適合するレドックスフロー電池が形成される。しかし、積層セルの数を多数にすると、シャントカレント（漏洩電流）が増大し、システム損失が増大する。このため、一定数（例えば２５）のセルを積層したセルスタックの両端に、一対の端子電極を配置し、レドックスフロー電池の構成単位としている。（例えば、特許文献１参照。）
【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】
【０００４】
従来の、レドックスフロー電池の構成単位であるセルスタックは、端子電極板を収納する一対の端子板と、正極液、負極液の配管取付け用部材である給排板を必要とした。よって単一のセルスタックに２枚の端子板と給排板が必要であった。
【０００５】
本発明は、端子板と給排板数を少なく出来る、レドックスフロー電池セルスタックを得ることを課題とする。また、本発明は端子板として、セルを構成する双極板をそのまま使用出来るレドックスフロー電池スタックを得ることを課題とする。さらに、本発明の課題は、このようなセルスタックを使用したレドックスフロー電池を得ることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明にかかるレドックスフロー電池セルスタック用両面端子板は、双極板と、前記双極板の外周部に固定して設けられ、前記双極板の一方の面を底面とする第１凹部と、前記双極板の他方の面を底面とする第２凹部を形成するフレームと、前記フレームに設けられ、フレーム外部と第１凹部を連絡する第１給液通路、第１排液通路と、前記フレームに設けられ、フレーム外部と第２凹部を連絡する第２給液通路、第２排液通路からなり、第１給液通路が前記フレーム表面に形成する入口を通過する液体は、全て第１凹部に流入し、第２給液通路が前記フレーム表面に形成する入口を通過する液体は、全て第２凹部に流入することを特徴とする。
【０００７】
本発明にかかる２組のレドックスフロー電池セルスタックは、請求項１記載のレドックスフロー電池セルスタック用両面端子板の両側に、任意の数のセルを積層し、前記積層したセルの外側それぞれに、端子板を配置したことを特徴とする。
本発明の実施形態において、２組のレドックスフロー電池セルスタックは、前記セルを構成する双極板部材の外形、材質と、前記両面端子板を構成する双極板部材の外形、材質が等しいものでも良い。
本発明にかかるレドックスフロー電池は、本発明にかかる２組のレドックスフロー電池セルスタックを用いることを特徴とする。
以上説明した本発明の実施形態は可能な限り組み合わせることができる。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の両面端子板は、セルを構成する双極板を、新たに加工することなくそのまま使用出来る。ひいては、レドックスフロー電池の製造コストを引き下げることができる。
本発明の２組のレドックスフロー電池セルスタックは、必要な端子板および給排板を少なくすることが出来る。ひいては、製造時の組み立て工数を削減することが出来る。
本発明のレドックスフロー電池は、上記の効果を有するレドックスフロー電池である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に実施例により、本発明にかかるレドックスフロー電池セルスタック用両面端子板（以下、両面端子板という場合がある）、レドックスフロー電池セルスタック（以下、セルスタックという場合がある）、レドックスフロー電池を説明する。この発明の実施例に記載されている部材や部分の寸法、材質、形状、その相対位置などは、とくに特定的な記載のない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではなく、単なる説明例にすぎない。
【００１０】
図１は２組のセルスタックの分解説明図、図２は２組のセルスタックの断面説明図、図３は両面端子板の説明図である。
図１において、２組のセルスタック６は、１組のセルスタック５ａと１組のセルスタック５ｂからなる。セルスタック５ａは、複数の、双極板を備えたフレーム７の積層体の一方に、端子板３ａと給配板４ａを重ね合わせ、他方に両面端子板２の一方の凹部を重ね合わせて構成される。セルスタック５ｂは、複数の双極板を備えたフレーム７の積層体の一方に、端子板３ｂと給配板４ｂを重ね合わせ、他方に両面端子板２の他方の凹部を重ね合わせて構成される。両面端子板２は２組のセルスタックの間に位置し、２組のセルスタック５ａ、５ｂに共通する構成部材である。
【００１１】
図２を参照して、１組のセルスタック５ａ、５ｂはレドックスフロー電池セル（以下、セルという場合がある）１を複数含む。セル１は、イオン交換膜である矩形状隔膜１１の両側に正極１４と負極１５（以下、正極と負極を電極という場合がある）を配置し、その両側にそれぞれ矩形状双極板（バイポーラプレート）１２が配置されている。双極板１２の外周部は、フレーム１３の内周壁に形成された溝内に収容され、かつ、挟着され、フレームと一体化している。また、フレーム１３に配設された双極板１２の領域は、正極１４、負極１５を収納する凹部（電極室）が形成されている。
【００１２】
フレーム１３はポリ塩化ビニル系樹脂などの耐酸性材料で形成されており、正極１４、負極１５は炭素繊維フェルトで構成されている。
給配板４ａは、側面に正極液入口７２ａ、負極液入口、正極液出口、負極液出口７５ａを持ち、これらから延設される穴状部分は、給配板の重ね合わせ面に開口している。給配板４ｂは、給配板４ａと同様の構造である。
【００１３】
端子板３ａは、矩形板状で、その一方面は負極４５ａを収納する凹部（端子板室）が形成されている。端子板３ａの重ね合わせ面の４隅には、貫通穴が各１個設けられ、給配板４ａとフレーム１３の間で、正極液と負極液が流通可能となっている。
【００１４】
端子板３ｂは、矩形板状で、その一方面は正極４４ｂを収納する凹部（端子板室）が形成されている。端子板３ｂの重ね合わせ面の４隅には、貫通穴が各１個設けられ、給配板４ｂとフレーム１３の間で、正極液と負極液が流通可能となっている。
給配板４と端子板３は、ポリ塩化ビニル系樹脂などの耐酸性材料で形成されており、正極端子４４と負極端子４５は銅板からなる。また、電極と同じ炭素繊維フェルトで構成しても良い。
【００１５】
両面端子板２は、矩形状双極板（バイポーラプレート）４２の外周部をフレーム４３で取り囲み形成されている。双極板４２の外周部は、フレーム４３の内周壁に形成された溝内に収容され、かつ、挟着され、フレームと一体化している。また、フレーム４３に配設された双極板４２の領域は、正極４４ａ、負極４５ｂを収納するため、第１凹部４８、第２凹部４９が形成されている。第１凹部４８と第２凹部４９は電極室である。第１凹部４８は、双極板４２の一方表面を底面とし、四周をフレーム４３に囲まれている。第２凹部４９は、双極板４２の他方表面を底面とし、四周をフレーム４３に囲まれている。
【００１６】
図３を参照して、両面端子板４３の第１凹部４８には、負極４５ｂが収納されている。第１凹部４８の内縁部の上端端面と、負極４５ｂの上端面の間には、溝状の隙間があり、この溝を保護板６５ａで覆って排液整流路５７が形成されている。
同様に、第１凹部４８の内縁部の下端端面と、負極４５ｂの下端面の間には、溝状の隙間があり、この溝を保護板６５ｂで覆って給液整流路５６が形成されている。保護板６５ａ、６５ｂはポリ塩化ビニル系樹脂などの耐酸性材料で形成された幅狭の長尺状プレートである。
【００１７】
第１凹部４８の内縁部の上下端面は切欠段部が形成されている。切欠段部の切欠深さは、保護板６５ａ、６５ｂの厚さと等しく、第１凹部の深さ（厚み）よりも浅い。よって切欠段部が形成されたフレーム部分は２段の階段状の凹部となっている。この切欠段部は、保護板６５ａ、６５ｂを位置決めする係止部であり、凹部の内側縁を越えて、フレームの重ね合わせ面６７に及んでいる。フレーム４３に保護板６５ａ、６５ｂを装着すると、保護板の表面とフレーム面は面一になる。
第１凹部４８の図３紙面から見た裏側には、フレーム４３に形成された第２凹部４９があり、第１凹部４８と同様に構成されている。
【００１８】
フレーム４３の四隅には、重ね合わせ面６７と重ね合わせ面６８を貫通する穴である、給液通路５１、排液通路５２、給液通路５３、排液通路５４が設けられている。給液整流路５６は給液側導通路５８を介して給液通路５１と導通している。また、排液整流路５７は排液側導通路５９を介して排液通路５２と導通している。給液側導通路５８、排液側導通路５９はそれぞれフレーム４３の重ね合わせ面６７に溝を形成し、当該溝の開口部を保護板６５ｂ、６５ａで覆って形成されている。なお、保護板６５ｂ、６５ａの一方の端部には、給液通路５１、排液通路５２と同軸に配置される穴が開けられている。
【００１９】
給液通路５１と排液通路５２の重ね合わせ面６８側には、それぞれ栓７１ａ、７１ｂが付されている。給液通路５１の入口たる開口面６１を通過する電解液はその全量が、給液通路側導通路５８を通過して、第１凹部４８への出口たる給液整流路５６に至る。
【００２０】
給液通路５３と排液通路５４の重ね合わせ面６７側には、それぞれ栓７１ｃ、７１ｄが付されている。給液通路５３の入口たる開口面を通過する電解液はその全量が、給液通路側導通路を通過して、第２凹部４９への出口たる給液整流路に至る。
第１凹部４８に流入する電解液の液漏れを防止するために、隔膜１１の外周部をシール部材として用いている。隔膜１１は１点鎖線で図示している。重ね合わせ面６７に、隣接するセルのフレーム１３の重ね合わせ面が重ねられ、締付けられると、隔膜１の外周部が一部変形して、シール作用を発揮する。本実施例では、保護板が隔膜の外周端からはみ出す部分（給液側導通路５８及びまたは排液側導通路５９部分）は、フレームの重ね合わせ面、保護板、シール部材たる隔膜外周部、他方のフレームの重ね合わせ面が挟まれ締付けられる。
【００２１】
図４は、セル１を構成する双極板を備えたフレーム７の説明図である。双極板を備えたフレーム７の凹部１８には、正極１４が収納されている。凹部１８の内縁部の上端端面と、正極１４の上端面の間には、溝状の隙間があり、この溝を保護板３５ａで覆って排液整流路２７が形成されている。
同様に、凹部１８の内縁部の下端端面と、正極板１４の下端面の間には、溝状の隙間があり、この溝を保護板３５ｂで覆って給液整流路２６が形成されている。保護板３５ａ、３５ｂはポリ塩化ビニル系樹脂などの耐酸性材料で形成された幅狭の長尺状プレートである。
【００２２】
凹部１８の内縁部の上下端面は切欠段部が形成されている。切欠段部の切欠深さは、保護板３５ａ、３５ｂの厚さと等しく、凹部の深さ（厚み）よりも浅い。よって切欠段部が形成されたフレーム部分は２段の階段状の凹部となっている。この切欠段部は、保護板３５ａ、３５ｂを位置決めする係止部であり、凹部の内側縁を越えて、フレームの重ね合わせ面に及んでいる。フレーム１３に保護板３５ａ、３５ｂを装着すると、保護板の表面とフレーム面は面一になる。
【００２３】
凹部１８の図４紙面から見た裏側には、フレーム１３に形成された、負極板１５を収納する凹部があり、凹部１８と同様に構成されている。
フレーム１３の四隅には、重ね合わせ面３７と重ね合わせ面３８を貫通する穴である、給液通路２１、排液通路２２、給液通路２３、排液通路２４が設けられている。給液整流路２６は給液側導通路２８を介して給液通路２１と導通している。また、排液整流路２７は排液側導通路２９を介して排液通路２２と導通している。給液側導通路２８、排液側導通路２９はそれぞれフレーム１３の重ね合わせ面３７に溝を形成し、当該溝の開口部を保護板３５ｂ、３５ａで覆って形成されている。なお、保護板３５ｂ、３５ａの一方の端部には、給液通路２１、排液通路２２と同軸に配置される穴が開けられている。
【００２４】
凹部１８に流入する電解液の液漏れを防止するために、隔膜１１の外周部をシール部材として用いている。隔膜１１は１点鎖線で図示している。重ね合わせ面３７に、隣接するセルのフレームの重ね合わせ面が重ねられ、締付けられると、隔膜１の外周部が一部変形して、シール作用を発揮する。本実施例では、保護板が隔膜の外周端からはみ出す部分（給液側導通路２８及びまたは排液側導通路２９部分）は、フレームの重ね合わせ面、保護板、シール部材たる隔膜外周部、他方のフレームの重ね合わせ面が挟まれ、締付けられる。
【００２５】
また、フレーム１３とフレーム４３の重ね合わせ面外周部分に、環状溝（図示していない）を設け、環状溝の中にＯリング（図示していない）を配設し、液漏れを防止している。また、給液・排液通路２１〜２４、５１〜５４（栓が配設されている入口を除く）の外周部分に環状溝（図示していない）を設け、環状溝の中にＯリング（図示していない）を配設し、液漏れを防止している。ただし、給液・排液通路５１〜５４の開口面であって、栓が配設されている開口面の外周に環状溝が配設されていても、セルスタックの機能に差し支えない。
【００２６】
以上説明したように、両面端子板２と双極板を備えたフレーム７は、給液・排液通路に設ける栓の有無を除き、全く等しい。両面端子板２を構成する双極板４２と、双極板を備えたフレーム７を構成する双極板１２も同一である。フレーム４３とフレーム１３の外形、材質も等しい。さらに、給液・排液通路５１〜５４と給液・排液通路２１〜２４も同じ位置に同じ断面積で貫通している。すなわち、双極板を備えたフレーム７の給液・排液通路に栓を付けると、両面端子板２が出来上がる。給液・排液通路配置する栓は、ゴム板、シリコン樹脂製栓・板、塩化ビニル板、合成樹脂製板など、液体の導通を遮断する任意の部材を使用できる。
【００２７】
さらに、両面端子板２の給液・排液通路５１〜５４は、貫通穴でなく、非貫通穴とすることができる。非貫通穴を設ければ、ゴム栓などの遮断部材は不要である。本発明において、セルを構成する双極板部材と、両面端子板を構成する双極板部材の「外形が等しい」には、両者に設ける給液・排液通路が貫通穴、非貫通穴という差があっても、外形が等しいに含まれる。
フレーム１３が重ね合わせられると、給液通路２１、２３は互いに連絡して給液導管が形成される。同時に、排液通路２２、２４は互いに連絡して排液導管が形成される。給液導管、給液整流路１８などが正極液の給液マニホールドを構成している。すなわち、給液導管に流入した正極液は、一部が分流され、給液側導通路２８を通過して、給液整流路２６を通り、正極板１４が収納された正極室に至り、排液整流路を通過して、排液導通路、排液導管に導かれる。隣接するセルの給液導管に達した残余の正極液は、同様に一部が分流され、給液整流路に至る。その後の正極液の流れは上述した正極液の流れと同様である。
【００２８】
図１を参照して、セルスタック５ｂを流通する電解液の流れを説明する。給配板の正極液入口７２ｂに入る正極液の流れは矢印８２１で示す。正極液は、給液導管中を矢印８２２の方向に流れる。また、正極液の一部は給液マニホールドを通過して、正極室に流入する。正極室での正極液の流れを矢印８２５で示す。また、両面端子板の電極室での正極液の流れを矢印８２６で示す。これら、正極室と端子板室を通過した正極液は排液導管中を矢印８２３の方向に流れ、給配板４ｂの正極液出口から排出される。正極液の排出方向の流れを矢印８２４で示している。
【００２９】
給配板４ｂの負極液入口に入る負極液の流れを矢印９２１で示す。負極液は、給液導管中を矢印９２２の方向に流れる。また、負極液の一部は給液マニホールドを通過して、負極室に流入する、負極室での負極液の流れを矢印９２５で示す。また、端子板３ｂの電極室にも負極液が流入する。負極室と端子板室を通過した負極液は排液導管中を矢印９２３の方向に流れ、給配板４ｂの負極液出口から排出される。負極液の排出方向の流れを矢印９２４で示している。
同様に、セルスタック５ａ中の電解液の流れを矢印で示している。
さらに、図２中には、正極液マニホールドを通過する正極液の流れ方向を矢印で示している。
【００３０】
前記の構造を有する２組のレドックスフロー電池セルスタックは、さらに積層され一対の端子板間に位置させて、ボルトナットなどの締結具で締め付け、電解液の給液管と排液管を備えた給配部材を装着することにより、レドックスフロー電池主要部が構成される。
【００３１】
図５はレドックスフロー電池主要部の外観図である。
図５において、１０１はレドックスフロー電池の主要部である。主要部に、正極液タンク、同循環用ポンプ、同配管、負極液タンク、同循環用ポンプ、同配管などが付加されて、レドックスフロー電池が構成される。
レドックスフロー電池セルは、少なくとも一対の電極室（正極室と負極室）を備えていれば良い。
【００３２】
本発明にかかるレドックスフロー電池に使用する電解液としては、イオンの酸化還元反応が可能な種々の電解液が使用できる。例えば、バナジウムイオンを含む電解液（バナジウム硫酸水溶液）や鉄−クロム系電池を構成する電解液（鉄イオンを含む電解液とクロムイオンを含むイオンの組合せ）が使用できる。
【００３３】
本発明にかかるレドックスフロー電池は、電力貯蔵二次電池として有用であり、負担平準化、瞬時の電圧降下や停電に対する補助電力、風力発電や太陽光発電の平準化など種々の分野に利用でき、電力の需要制御や電力品質の確保にも利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】２組のレドックスフロー電池セルスタックの分解説明図である。
【図２】２組のレドックスフロー電池セルスタックの断面説明図である。
【図３】両面端子板の説明図である。
【図４】双極板１２の説明図である。
【図５】レドックスフロー電池主要部の外観図である。
【符号の説明】
【００３５】
１  レドックスフロー電池セル
２  両面端子板
３ａ、３ｂ  端子板
４ａ、４ｂ  給配板
５ａ、５ｂ  １組のレドックスフロー電池セルスタック
６  ２組のレドックスフロー電池セルスタック
７  双極板を備えたフレーム
１１  隔膜
４２  双極板
４３  フレーム
４８  電極室たる第１凹部
４９  電極室たる第２凹部
５１、５３  給液通路
７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ  栓
【図１】
2005228617.tif 000003
【図２】
2005228617.tif 000004
【図３】
2005228617.tif 000005
【図４】
2005228617.tif 000006
【図５】
2005228617.tif 000007