(57)【要約】【課題】電極室での電解液の流れがより電極の広い面に及び、かつ加工が容易なレドックスフロー電池セルを得る。【解決手段】隔膜１、第１及び第２双極板２、第１及び第２電極４、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フレーム３ａ及び第２フレーム３ｂからなり、フレームに設けられた双極板の領域は凹部１２に形成され、凹部１２に電極４を収納し、かつ、フレームには電解液の給液口９と排液口１０が設けられたレドックスフロー電池セル５１であって、第１及び第２フレームの上側と下側表面はそれぞれ段部を凹状に形成し、前記段部と前記電極の上端面及び前記電極の下端面によって形成される２つの溝を有し、２枚の保護板６ａ、６ｂが、それぞれ溝を覆うことにより、給液整流路１８と排液整流路１９が形成され、かつ、給液・排液口と給液・排液整流路を導通したレドックスフロー電池セル。【選択図】図１
2005228622.tif 000002
【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の間に配置された矩形状の第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フレーム及び第２フレームからなり、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、前記凹部に嵌合する電極を、前記双極板に接して、前記凹部に収納し、かつ、前記フレームには電解液の給液口と排液口が設けられ、前記給液口と排液口を通じて、前記隔膜と前記双極板の間に電解液を流通させるレドックスフロー電池セルであって、
前記フレームの上側と下側表面は前記凹部に接してそれぞれ段部に形成され、前記段部と前記電極の上端面及び前記電極の下端面によって形成される２つの溝を有し、２枚の保護板が、それぞれ前記溝、溝に接する前記電極の端部近傍と前記溝に接するフレームの端部近傍を覆うことにより、給液整流路と排液整流路が形成され、かつ、前記給液口と前記給液整流路を導通し、前記排液口と前記排液整流路を導通したことを特徴とするレドックスフロー電池セル。
【請求項２】
前記溝に、フレームから突設し、保護板の内表面に接する高さの突起を設けた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セル。
【請求項３】
前記突起の断面が円状であ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セル。
【請求項４】
単一の前記溝に、前記突起を千鳥型に複数配置したことを特徴とする請求項２ないし請求項３のいずれかに記載のレドックスフロー電池セル。
【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セルを複数積層したレドックスフロー電池セルスタックであって、
前記フレームに設けられた前記給液口と排液口は、前記フレームに設けられた貫通穴であり、前記フレームが積層されて前記貫通穴が連絡されることにより、前記レドックスフロー電池セルスタックの給液導管と排液導管が形成されることを特徴とするレドックスフロー電池セルスタック。
【請求項６】
請求項５に記載のレドックスフロー電池セルスタックを用いた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、特に電極室に電解液を給液、排液する流路に特徴を有するレドックスフロー電池セル、レドックスフロー電池セルスタック、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、多孔質電極（正電極及び負電極）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、かつ正電極が配設される正極室に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いうことがある。）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。
【０００３】
従来のレドックスフロー電池セルは、正極室と負極室に電解液を給液、排液するために、矩形状の電極室の下部端部に単一の穴状の給液部を設け、当該給液部の対角線の位置に単一の穴状の排液部を設けている。（例えば、特許文献１参照。）
【０００４】
また、矩形状の電極室下部のフレーム部分に、複数の電解液導入口を設け、各導入口から電極の下端部に向かい複数のスリットを設けているものもある（例えば、特許文献２、３参照。）。
【特許文献１】特開平２−１８３９６８号公報（第１１図）
【特許文献２】特開平１０−１２２６０号公報（第１図）
【特許文献３】特開平１０−１２２６１号公報（第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
電極室に通じる給液部と排液部が各々単一の穴であると、電解液の流れが電極の一部に偏在し、電極の全面が反応に寄与せず、レドックスフロー電池の効率が下がる。
また、複数の導入口を設け、かつ、各導入口から複数のスリットを設けたフレームを製作するのは、加工工数が多くなる。
【０００６】
そこで、本発明の課題は、電極室での電解液の流れがより電極の広い面に及び、かつ加工が容易なレドックスフロー電池セルを得ることにある。また、本発明の課題は、同様なレドックスフロー電池セルスタックを得ることにあり、さらにこれを用い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】
【０００７】
本発明にかかるレドックスフロー電池セルは、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の間に配置された矩形状の第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フレーム及び第２フレームからなり、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、前記凹部に嵌合する電極を、前記双極板に接して、前記凹部に収納し、かつ、前記フレームには電解液の給液口と排液口が設けられ、前記給液口と排液口を通じて、前記隔膜と前記双極板の間に電解液を流通させるレドックスフロー電池セルであって、
前記フレームの上側と下側表面は前記凹部に接してそれぞれ段部に形成され、前記段部と前記電極の上端面及び前記電極の下端面によって形成される２つの溝を有し、２枚の保護板が、それぞれ前記溝、溝に接する前記電極の端部近傍と前記溝に接するフレームの端部近傍を覆うことにより、給液整流路と排液整流路が形成され、かつ、前記給液口と前記給液整流路を導通し、前記排液口と前記排液整流路を導通したことを特徴とするレドックスフロー電池セル。
【０００８】
このレドックスフロー電池は、電解液が電極の下端部の略全縁から給液され、電極の上端部の略全縁から排液されるので、電解液の流れは電極の広い範囲に渡る。よって電極の広い範囲が電極反応に使用される。また、整流路形成の加工が容易に行える。
【０００９】
本発明において、前記給液整流路及び／又は前記排液整流路は電極の横方向長さと略等しくすることが好ましい。電解液の流れが、電極のより広い範囲に及ぶようになるからである。また、本発明において、給液口及び／又は排液口は単数でも良く、複数設けてもよい。
【００１０】
本発明の一つの実施形態において、前記溝に、フレームから突設し、保護板の内表面に接する高さの突起を設けても良い。
突起は保護板が溝に陥没することを防ぐ役割をする。一対のレドックスフロー電池セルは、正極室と負極室に流入する電解液の圧力が相違する場合がある。そして、保護板を薄くすると電解液の圧力差により、一方の保護板が溝方向に陥没する場合も生じる。この突起を設けることにより、保護板を薄くしても陥没が生じにくい整流路となる。
【００１１】
単一の溝に、単一の突起を設けても良く、複数の突起を設けても良い。複数の突起を設けることが好ましい。また、突起は給液整流路を構成する溝、又は排液整流路を構成する溝のいずれか一方に設けても良く、両者の溝に設けても良い。両者の溝に設けることが好ましい。
【００１２】
本発明の別の実施形態において、前記突起の断面を円状としても良い。突起は保護板を陥没から防ぐ一方で、電解液流に対する抵抗となる。一定の保護板支持面積を得る突起の中では、断面を円形にした突起は、電解液流に対する抵抗を最小限にすることが出来る。
【００１３】
本発明のさらに別の実施形態において、単一の前記溝に、前記突起を千鳥型に複数配置しても良い。保護板の陥没を防ぐためには、突起間の間隔を狭くすることが好ましい。突起を千鳥型に配置すれば、一定の保護板支持間隔条件下で、突起数を最小限にすることが可能であり、ひいては、突起の数の増加に起因する、電解液流に対する抵抗を最小限にすることが出来る。
【００１４】
本発明の一つの実施形態において、前記給液口が前記給液整流路の長手方向延長方向に位置し、及び／又は前記排液口が前記排液整流路の長手方向延長方向に位置するようにしても良い。この位置関係にすれば、整流流路の電解液の流れ方向と電極室内での電解液の流れ方向が略９０度の角度で交わることになり、電極のより広範囲に電解液が導入される。ひいては、電極の広範囲を反応に使用でき、レドックスフロー電池の効率が高まる。
【００１５】
また、本発明の別の実施形態において、前記突起は、電極の端面及びフレームの前記凹部外周部から一定距離をおいて設けることが出来る。保護板の内表面はその一部が電極表面とフレームに接しており、当該接触面の近郊は陥没に対して抵抗力がある。接触面から一定距離をおいて突起を設けることにより、電解液流に対する抵抗を軽減することが出来る。
【００１６】
本発明にかかるレドックスフロー電池セルスタックは、上記のレドックスフロー電池セルを複数積層したものであって、前記フレームに設けられた前記給液口と排液口は、前記フレームに設けられた貫通穴であり、前記フレームが積層されて前記貫通穴が連絡されることにより、前記レドックスフロー電池セルスタックの給液導管と排液導管が形成されることを特徴とする。
【００１７】
このレドックスフロー電池セルスタックは、セルスタックの給・排液マニホールドを容易に作成することが出来る。
本発明にかかるレドックスフロー電池は、上記のセルスタックを用いた電池である。
以上説明した本発明の実施の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】
【００１８】
本発明により、電極室での電解液の流れがより電極の広い面に及び、かつ加工が容易なレドックスフロー電池セル、レドックスフロー電池スタック、レドックスフロー電池を得ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
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、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をさらに説明する。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。
【００２０】
図１はレドックスフロー電池セルの概略分解斜視図であり、図２はレドックスフロー電池主要部の外観図であり、図３は整流路の説明図であり、図４はレドックスフロー電池セルスタックの部分説明図である。
【００２１】
図１を参照して、レドックスフロー電池セル５１は、イオン交換膜である矩形状隔膜１と、隔膜１の両側にそれぞれ配設された矩形状双極板（バイポーラプレート）２ａ、２ｂと、各双極板の外周部を固定保持するフレーム３ａ、３ｂと、前記隔膜１と前記双極板２ａ、２ｂとの間にそれぞれ配設された矩形状の通液性電極４ａ、４ｂとを備えている。電極４ａは、隔膜１と双極板３ａとの間の正極室に配設された正極であり、電極４ｂは、隔膜１と双極板３ｂとの間の負極室に配設された負極である。（以下、正極室、負極室を単に電極室という場合がある。）
【００２２】
フレーム３ａ、３ｂ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、電極４ａ、４ｂは炭素繊維フェルトで構成されている。
双極板２ａ、２ｂの外周部は、フレーム３ａ、３ｂ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３ａ、３ｂに配設された双極板２ａ、２ｂの領域は、電極室を形成するため、凹部１２として形成されている。凹部１２には電極４ａ、４ｂが収納される。図４を参照して、矢印１２１は凹部１２の厚さを示している。図１を参照して、凹部１２の内縁部は切欠段部５ａ、５ｂが形成されている。切欠段部５ａ、５ｂの切欠深さは、保護板６ａ、６ｂの厚さと等しく、凹部１２の厚みよりも浅く、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。切欠段部５ａ、５ｂは、保護板６ａ、６ｂを位置決めする係止部であり、凹部１２の内側縁を越えてフレームの外縁方向に及んでいる。
【００２３】
図３を参照して、矢印１４は凹部１２（フレーム面の溝部分を含む）の上下方向距離を示し、矢印１５は電極４ａの上下方向距離を示している。凹部１２の上下方向距離は、電極４ａの上下方向距離よりも長い。電極４ａは、電極４ａの上下中央線と凹部１２の上下中央線を合わせて、凹部１２に収納されている。なお、電極の収納位置は、電極の上端部及び下端部と、凹部内縁端部が接することがなければ良く、必ずしも電極と凹部の中央線を一致させなくても良い。１３ａは、フレームの上方表面に凹状に形成された段部と電極の上端面によって形成される溝である。１３ｂは、フレームの下方表面に凹状に形成された段部と電極の下端面によって形成される溝である。本実施例では溝１３ａ、１３ｂは幅２０ｍｍ、深さ１．５ｍｍである。溝１３ａ、１３ｂは電極４ａの左端部、右端部にまで至っている。
【００２４】
保護板６ａ、６ｂ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。本実施例では厚さ４００μｍのプレートを使用した。上部保護板６ａは、電極４ａの上部端面１７近傍、溝１３ａ、フレームの内縁部を覆っている。同時に、上部保護板６ａの上部及び両側端部は、溝１３ａに接してフレームに形成された切欠段部５ａに係止され、保護板の表面とフレーム面は面一になっている。このように溝１３ａの開口部が保護板６ａに覆われ排液整流路１９が形成される。同様に、下部保護板６ｂは、電極４ａの下部端面１６近傍、溝１３ｂ、フレームの内縁部を覆っている。同様に下部保護板６ｂの下部及び両側端部は、溝１３ｂに接してフレームに形成された切欠段部５ｂに係止され、保護板の表面とフレーム面は面一になっている。このように溝１３ｂの開口部が保護板６ｂに覆われ給液整流路１８が形成される。
【００２５】
９ａは、フレーム３ａに設けられた電解液の給液口であり、給液側導通路２０により、給液整流路１８と導通している。１０ａは、フレーム３ａに設けられた電解液の排液口であり、排液側導通路２１により、排液整流路１９と導通している。給液側導通路２０、排液側導通路２１はそれぞれフレーム３ａの表面に溝を形成し、当該溝の開口部を保護板６ｂ、６ａで覆って構成される。なお、保護板６ａ、６ｂの一方の端部には、給液口９ａ、排液口１０ａと同軸に配置される穴８ａ、８ｂが開けられている。また、給液口９ａ、排液口１０ａに対応する隔膜１の部分にも貫通穴（図示せず）が開けられている。
【００２６】
電解液は、給液口９ａ、給液側導通路２０、給液整流路１８を通り、電極室内に給液され、排液整流路１９、排液側導通路２１、排液口１０ａを通り排液される。
給液口９ａは、給液整流路１８の長手方向延長位置に位置付けられている。また、排液口１０ａは、排液整流路１９の長手方向延長位置に位置付けられている。
【００２７】
前記の構造を有する複数のレドックスフロー電池セルは積層され、レドックスフロー電池セルスタックを構成する。また、レドックスフロー電池セルスタックを一対の端板間に位置させて、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。
【００２８】
図２はレドックスフロー電池主要部の外観図であり、図４はレドックスフロー電池セルスタックの部分説明図である。
図２において、５２はレドックスフロー電池の主要部である。主要部に加えて正極液タンク、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。
【００２９】
図４において、１は隔膜、２ａ、２ｂ、２ｃは双極板、３ａ、３ｂ、３ｃはフレーム、４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄは電極（４ａ、４ｃは正極、４ｂ、４ｄは負極）である。６ｂは下部保護板であり、１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは給液整流路である。その他、前記のセルと同一部分、部材には同一符号を付している。
【００３０】
フレームに設けられた給液口９ａは貫通穴であり、フレーム３ａ〜３ｃが積層されることにより、単一の給液導管４１を構成する。図示した給液導管４１は正極液の給液導管である。給液整流路１８ａと給液整流路１８ｃは、給液側導通路２０により、給液導管４１と導通している。すなわち、給液導管４１、給液整流路（１８ａ、１８ｃ）などが正極液の給液通路を構成している。給液導管４１に流入した正極液は、一部が分流され、給液側導通路２０を通過して、給液整流路１８ａを通り、正極４ａに至り、図示しない排液整流路を通過して、排液導通路、排液導管に導かれる。フレーム３ｂの給液導管４１に至った残余の正極液は、同様に一部が分流され、給液整流路１８ｃ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。
【００３１】
一方、負極液の給液導管は図４紙面の裏側にあり、図示していないが、その構成は正極液の給液導管と同じである。負極液の給液通路もまた、正極液の給液通路と同じである。すなわち、負極液の給液導管に流入した負極液は、一部が分流され、給液側導通路を通過して、給液整流路１８ｂから負極板４ｂ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。残余の負極液が、隣接するフレームの給液導管に導かれる。
【００３２】
図５は溝１３に設ける突起２２の説明図である。
（ａ）は溝１３ｂに碁盤目状に複数の突起２２を設けたものである。突起の断面形状は、円、楕円、正方形など任意の形状にすることが出来る。これらの中では、電解液の流通抵抗を最小に出来ることから断面を円状にすることが好ましい。
【００３３】
突起高さは、先端部分が保護板の内表面に接する高さである。通常、突起の先端面は、フレーム凹部に収納された電極４ａの表面と面一に形成される。
図中、点線１６は電極の下部端面の延長位置を示し、点線３２は凹部１２の外縁の延長位置を示す。突起２２は電極の下部端面から一定距離ｄ１を離して設けられ、また、凹部１２の外縁から一定距離ｄ２を離して設けられている。
【００３４】
（ｂ）は複数の突起２２を千鳥型に設けたものである。このようにすれば、一定数の突起２２で支持される保護板の支持点間隔を最小にすることが出来る。
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）を備えていればよく、単一のフレームに複数対の電極室を有していても良い。
【００３５】
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。
【００３６】
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の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】
【００３７】
【図１】レドックスフロー電池セルの概略分解斜視図である。
【図２】レドックスフロー電池主要部の外観図である。
【図３】整流路の説明図である。
【図４】レドックスフロー電池セルスタックの部分説明図である。
【図５】溝に設ける突起の説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１  隔膜
２ａ、２ｂ  双極板
３ａ、３ｂ  フレーム
４ａ、４ｂ  電極
６ａ、６ｂ  保護板
９ａ、９ｂ  給液口
１０ａ、１０ｂ  排液口
１３ａ、１３ｂ  溝
１８  給液整流路
１９  排液整流路
２２  突起
４１  給液導管
【図１】
2005228622.tif 000003
【図２】
2005228622.tif 000004
【図３】
2005228622.tif 000005
【図４】
2005228622.tif 000006
【図５】
2005228622.tif 000007