(57)【要約】【課題】電極室のシール手段として、部品点数と加工を少なく出来、また、隔膜の面積を減少出来るレドックスフロー電池セルを得る。【解決手段】隔膜１と、隔膜１を間に挟んで配置された第１及び第２双極板２ａ、２ｂと、隔膜１と前記双極板との間に配置された第１及び第２の電極４ａ、４ｂと、前記第１及び第２双極板の、それぞれの外周部に固定して設けられた第１及び第２フレーム３ａ、３ｂと、前記フレームに設けられた配液口からなり、前記第１、第２のフレームを重ね合わせて、前記隔膜、双極板とフレームに囲まれてなり、前記電極を収納した第１及び第２の電極室を形成し、前記電極室と前記配液口を連絡したレドックスフロー電池セルであって、前記第１、第２フレームの間に前記隔膜１の外周部１０１を挟着し、前記隔膜を前記電極室のシール部材としたことを特徴とする。【選択図】図３
2005347106.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との間に配置された第１及び第２の電極と、前記第１及び第２双極板の、それぞれの外周部に固定して設けられた第１及び第２フレームと、前記フレームに設けられた配液口からなり、
前記第１、第２のフレームを重ね合わせて、前記隔膜、双極板とフレームに囲まれてなり、前記電極を収納した第１及び第２の電極室を形成し、前記電極室と前記配液口を連絡したレドックスフロー電池セルであって、
前記第１、第２フレームの間に前記隔膜の外周部を挟着し、前記隔膜を前記電極室のシール部材と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】
前記第１、第２フレームの重ね合わせ面に、前記隔膜外周端部を取り囲む第２シール手段を付加した請求項１記載のレドックスフロー電池セル。
【請求項３】
前記配液口はフレームに設けられ、前記重ね合わせ面に開口した貫通穴であり、前記フレームの重ね合わせにより、前記配液口を連絡し、配液導管が形成され、かつ、前記配液口は、前記隔膜の外周端部の外側に位置付けられている請求項１乃至２いずれか記載のレドックスフロー電池セル。
【請求項４】
請求項１乃至３いずれか記載のレドックスフロー電池セル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、特に電極室を循環する電解液のシール手段に特徴を有するレドックスフロー電池セル、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循環させる。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。）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、電極室のシール手段として、内周側シール手段と外周側シール手段の２つのシール手段を有する。内周側シール手段は、フレームに溝を設け、溝の中にＯリングを設置したものである。隔膜外周部の一方表面が当該Ｏリングに接し、隔膜の他方表面がフレームに接して、これらを挟着して液漏れを防止している。外周側シール手段は、同様な溝とＯリングからなり、隔膜を介することなく、Ｏリングがフレームに接して液漏れを防止している（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２０００−２６０４６０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
レドックスフロー電池セルの電極室のシール手段として、溝とＯリングによるシール手段を２つ設けるのは、部品点数が増え、また、加工に手数がかかる問題点がある。
【０００５】
次に、隔膜の役割は、正電極と負電極で生じる電荷の過不足を、イオンを透過することにより補償することにある。このため、隔膜は電極室を覆う大きさがあれば役割が果たせるものである。一方、フレームに溝を設けるためには、溝の両側に一定の距離が必要である。よって、溝に設置されたＯリングに隔膜外周部が接する構造のレドックスフロー電池セルでは、電極室の面積よりも大きい面積の隔膜を用いる必要があり、反応に寄与しない無駄な隔膜部分が存在している。
【０００６】
そこで、本発明は、電極室のシール手段として、部品点数と加工を少なく出来るレドックスフロー電池セルを得ることを課題とする。また、本発明の課題は、隔膜の面積を減少出来るレドックスフロー電池セルを得ることを課題とする。さらに、本発明は、上記と同様なレドックスフロー電池を得ることを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の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との間に配置された第１及び第２の電極と、前記第１及び第２双極板の、それぞれの外周部に固定して設けられた第１及び第２フレームと、前記フレームに設けられた配液口からなり、前記第１、第２のフレームを重ね合わせて、前記隔膜、双極板とフレームに囲まれてなり、前記電極を収納した第１及び第２の電極室を形成し、前記電極室と前記配液口を連絡したレドックスフロー電池セルであって、前記第１、第２フレームの間に前記隔膜の外周部を挟着し、前記隔膜を前記電極室のシール部材としたことを特徴とする。
【０００８】
隔膜は一定の厚みを有し、また、圧力により変形可能である。このような隔膜の性質に着目して、本セルは隔膜外周部分をシール部材に使用するものである。よって、シール手段として、溝やシール部材（例えばＯリングなど）が不要になる。また、隔膜の大きさは、電極室を覆う大きさに加えて、わずかにフレーム間に挟着される部分を加えた大きさがあれば足りる。
【０００９】
本発明の一の実施形態において、前記第１、第２フレームの重ね合わせ面に、前記隔膜外周端部を取り囲む第２シール手段を付加しても良い。
このレドックスフロー電池セルは、万一、隔膜をシール部材に使用した内周側シールが液漏れしても、外周側シール手段により外部への漏液を防止可能とするものである。
【００１０】
本発明の他の実施形態において、前記配液口はフレームに設けられ、前記重ね合わせ面に開口した貫通穴であり、前記フレームの重ね合わせにより、前記配液口を連絡し、配液導管が形成され、かつ、前記配液口は、前記隔膜の外周端部の外側に位置付けられていても良い。
【００１１】
このレドックスフロー電池セルは、隔膜の面積をより小さくすることができる。また、配液口を隔膜が覆っていれば、配液導管を連絡するために隔膜に穴を開ける必要があるが、本実施態様により、隔膜に配液導管連絡のための穴を設ける必要が無くなる。さらに、本発明により、電極、電解液、隔膜、配液導管を通じるシャントカレント（漏洩電流）を削減出来る効果がある。
本発明にかかるレドックスフロー電池は、上記のレドックスフロー電池セルを用いる。
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】
【００１２】
本発明のレドックスフロー電池セルと本発明レドックスフロー電池は、電極室からの電解液液漏れを防止するシール手段を部品点数少なく構成でき、また、隔膜の面積を減少することが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
【００１４】
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は電極室シール構造の説明図であり、図３は電極室シール構造を示す部分断面説明図である。
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多孔質電極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。（本明細書では、正極室、負極室を単に電極室という場合がある。）
【００１５】
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１２を形成するため、凹部として形成されている。電極室１２には電極４ａ、４ｂが収納される。
【００１６】
フレーム３ａの重ね合わせ面は、凹部の内縁とフレーム外周端の間にある面であり、図１中では、紙面右側に面している（図３中に符号４３ａで示している。）。また、フレーム３ｂの重ね合わせ面は、凹部の内縁とフレーム外周端の間にある面であり、図１中では、紙面左側に面している（図３中に符号４３ｂで示している。）。
【００１７】
電極室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、電極室１２の厚みよりも浅い。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６ａ、６ｂ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。
【００１８】
図２を参照して、フレーム３ａの凹部である電極室１２には電極４ａが収納されている。電極室１２の上端端面と、電極４ａの上端面の間には、溝状の隙間があり、この溝を保護板６ａで覆って排液整流路１９が形成されている。同時に、上部保護板６ａの上部、及び両側端部分は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。
【００１９】
同様に、電極室１２の下端端面と、電極４ａの下端面の間には、溝状の隙間があり、この溝を保護板６ｂで覆って給液整流路１８が形成されている。同時に下部保護板６ｂの下部、及び両側端部は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。
【００２０】
９ａは、フレーム３ａに設けられた配液口たる給液口である。また、１０ａは、フレーム３ａに設けられた配液口たる排液口である。給液口９ａと排液口１０ａは、フレームの重ね合わせ面４３ａに開口した、貫通穴である。なお、給液口９ａと排液口１０ａの他方の開口部は図２の紙面裏側にある。給液整流路１８は給液側導通路２０を介して給液口９ａと導通している。また、排液整流路１９は排液側導通路２１を介して排液口１０ａ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で覆って形成されている。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。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。
【００２１】
隔膜１は、電極室１２よりも一回り大きく、隔膜１の外周部１０１はフレームの重ね合わせ面４３ａに達している。図２では、隔膜１を１点鎖線で示している。
図示した状態でフレーム３ａにフレーム３ｂが重ね合わされる。図３は、図２中の線分ＸＹの断面説明図である。図３を参照して、隔膜１の外周部１０１は、フレーム３ａの重ね合わせ面４３ａとフレーム３ｂの重ね合わせ面４３ｂに挟着される。フレーム３ａ、３ｂが締め付けられると挟着された隔膜の外周部１０１に圧迫力が働き、隔膜の外周部１０１は一部変形する。すなわち、隔膜はシール部材として作用する。よって、電極室からの電解液の液漏れが防止される。
【００２２】
隔膜１は、有機高分子をベースにしたイオン交換膜を用いることができる。好ましいベースとしては、スチレンージビニルベンゼン共重合体などを挙げることができる。このようなベースを持つカチオン交換膜及びアニオン交換膜いずれのイオン交換膜も用いることができる。
【００２３】
カチオン交換膜は、
(1) スチレンージビニルベンゼン共重合体をスルホン化して得られるカチオン交換膜、
(2) テトラフルオロエチレンとパーフルオロ・スルホニル・エトキシビニルエーテルの共重合体をベースにスルホン酸基を導入したカチオン交換膜、
(3) テトラフルオロエチレンとカルボキシル基を側鎖に持つパーフルオロビニルエーテルとの共重合体からなるカチオン交換膜、
(4) 芳香族ポリスルホン共重合体をベースにスルホン酸基を導入したカチオン交換膜
などを用いることができる。
【００２４】
アニオン交換膜は、
(1) スチレンージビニルベンゼン共重合体をベースにクロロメチル基の導入、アミノ化したアニオン交換膜、
(2) ビニルピリジンージビニルベンゼン共重合体を４級ピリジウム化したアニオン交換膜、
(3) 芳香族ポリスルホン共重合体をベースにクロロメチル基の導入、アミノ化したアニオン交換膜などを用いることができる。
【００２５】
隔膜は、フレーム外周を越える大きさにまで大きくすることが出来、また、図示したようにフレーム外周よりも小さくすることも出来る。隔膜を節約することが出来る観点から、電極室よりも一回り大きい大きさとすることが好ましい。
隔膜１は、通常１０μｍ〜２００μｍの厚さのものが用いられる。より好ましい厚さは、５０〜１５０μｍであり、本実施例では１３０μｍ厚さの膜を使用した。
【００２６】
また、隔膜は、フレームに設けられた配液口たる、給液口、排液口を覆わない形状及び／又は大きさであることが好ましい。さらに、隔膜を矩形にして、隔膜の外側に配液口が位置付けられることがより好ましい。
【００２７】
図２に示したように、隔膜外周において、保護板６ａ、６ｂが隔膜よりはみ出す部分の近傍は、フレーム面が保護板を介して隔膜を挟着することになる。保護板は、隔膜よりも圧力に強く、隔膜と同時に締め付けられると隔膜がまず変形する。さらに、保護板表面は、フレーム面と面一に取付けられている。よって、隔膜のシール部材としての作用は、フレーム面に直接挟着されている隔膜部分のシール部材としての作用と略等しい。
【００２８】
さらに、フレーム３ａの重ね合わせ面４３ａ及び／又はフレーム３ｂの重ね合わせ面４３ｂに、電極室を取巻く凸部を設けることも出来る。フレームを重ね合わせ締め付けた場合に、当該凸部に締付け力が集中し、ひいては、凸部に接触する隔膜の一部分に締め付け力が集中するので、隔膜をシール部材とする液漏れ防止がより信頼性を増す。
【００２９】
図１及び図３を参照して、フレーム３ａ、３ｂの重ね合わせ面４３ａ、４３ｂであって、隔膜の外周端部の外側には環状溝１１ａ、１１ｂが形成され（図面では一対の正極室と負極室からなるセルを形成する重ね合わせ面にだけ環状溝を図示している）、各環状溝には、第２シール手段たるＯリング４２ａ、４２ｂを設置している。フレーム３ａ、３ｂが重ね合わされ締め付けられるとＯリングが一部変形し、液漏れが防止される。一対の重ね合わせ面に、単一のＯリングを設けてシール手段とすることも出来る。
【００３０】
シール手段は断面四角形の溝とＯリングの組合せの他に、断面Ｕ字形の溝とＯリングの組合せ、断面四角形の溝とその他の断面形状を持つシール部材の組合せ、環状突起と突起に係止されたＯリングその他のシール部材との組合せ、ガスケット、など公知のシール手段を用いることが出来る。
【００３１】
図１を参照して、給液口９ａ、９ｂ及び排液口１０ａ、１０ｂからの電解液の漏れを防止するために、給液口９ａ、９ｂ及び排液口１０ａ、１０ｂの周囲には、それぞれＯリング（図示せず）が装着可能な環状凹部（図示せず）が形成されている。また、隔膜はＯリングを覆わない形状及び／又は大きさであることが好ましい。
【００３２】
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１２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。
【００３３】
フレーム３ａ、３ｂが重ね合わせられると、給液口９ａ、９ｂは連絡して配液導管たる給液導管が形成される。同時に、排液口１０ａ、１０ｂは連絡して配液導管たる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２０を通過して、給液整流路１８を通り、正極４ａ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。
同様に、負極液給液マニホールド、排液通路が構成される。
【００３４】
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。
【００３５】
図４はレドックスフロー電池主要部の外観図である。
図４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、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。
【００３６】
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。
【００３７】
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】
【００３８】
【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セルの電極室シール構造の説明図である。
【図３】レドックスフロー電池セルの電極室シール構造の、部分断面説明図である。
【図４】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】
【００３９】
１  隔膜
２ａ、２ｂ  双極板
３ａ、３ｂ  フレーム
４ａ、４ｂ  電極
９ａ、９ｂ  配液口たる給液口
１０ａ、１０ｂ  配液口たる排液口
１１ａ、１１ｂ  環状溝
１２  電極室
４２ａ、４２ｂ  第２シール手段たるＯリング
４３ａ、４３ｂ  フレームの重ね合わせ面
１０１  隔膜の外周部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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