(57)【要約】  正極電極と負極電極と両電極の間に介在される隔膜とを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルであって、前記隔膜は、前記隔膜を平面視したときの少なくとも中央側に、水素イオン透過能を有するイオン透過部を備え、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積が共に２５０ｃｍ２以上で、かつ前記イオン透過部の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さく、更に前記イオン透過部のうち、実際に前記正極電極及び前記負極電極に対向する対向部の平面面積は、前記正極電極及び前記負極電極のうちの小さい方の平面面積の５０％以上９９．９％以下である。
2019171603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極電極と負極電極と両電極の間に介在される隔膜とを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルであって、
前記隔膜は、前記隔膜を平面視したときの少なくとも中央側に、水素イオン透過能を有するイオン透過部を備え、
前記正極電極及び前記負極電極の平面面積が共に２５０ｃｍ２以上で、かつ前記イオン透過部の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さく、
更に前記イオン透過部のうち、実際に前記正極電極及び前記負極電極に対向する対向部の平面面積は、前記正極電極及び前記負極電極のうちの小さい方の平面面積の５０％以上９９．９％以下であるセル。
【請求項２】
前記隔膜の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さい請求項１に記載のセル。
【請求項３】
双極板と枠体とを有し、前記隔膜をその一面側と他面側から挟み込む第一セルフレーム及び第二セルフレームと、
前記隔膜と、前記第一セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記正極電極を収納する正極空間と、
前記隔膜と、前記第二セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記負極電極を収納する負極空間と、
前記隔膜に接することなく前記枠体の内周縁の全周にわたって接する外周部、及び前記隔膜の外周縁の全周にわたって接する内周部を有する枠シールと、を備える請求項２に記載のセル。
【請求項４】
前記隔膜は、前記イオン透過部と、その外周を取り囲む枠状のイオン非透過部と、を備え、
前記隔膜の平面面積が、前記正極電極と前記負極電極のいずれの平面面積よりも大きい請求項１に記載のセル。
【請求項５】
双極板と枠体とを有し、前記隔膜をその一面側と他面側から挟み込む第一セルフレーム及び第二セルフレームと、
前記隔膜と、前記第一セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記正極電極を収納する正極空間と、
前記隔膜と、前記第二セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記負極電極を収納する負極空間と、を備え、
前記隔膜の前記イオン非透過部が、前記第一セルフレームの前記枠体の内周縁と、前記第二セルフレームの前記枠体の内周縁とに接する請求項４に記載のセル。
【請求項６】
前記正極電極と前記負極電極の厚さは共に、０．１ｍｍ以上４ｍｍ以下である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセル。
【請求項７】
請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセルを複数積層した積層体と、
前記積層体をその積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートと、を備えるセルスタック。
【請求項８】
請求項７のセルスタックと、
前記セルに正極電解液を循環させる正極循環機構と、
前記セルに負極電解液を循環させる負極循環機構と、を備えるレドックスフロー電池。
【請求項９】
請求項８に記載のレドックスフロー電池と、
前記レドックスフロー電池に繋がる電力系統の停電を検知する検知装置と、
前記検知装置の検知結果に基づいて、前記セル内に残存する前記正極電解液と前記負極電解液とで、前記正極循環機構及び前記負極循環機構を動作させる制御部と、を備えるレドックスフロー電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、セル、セルスタック、レドックスフロー電池、及びレドックスフロー電池システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１，２には、電力系統との間で充放電を行なうセルと、セルに供給される電解液を貯留するタンクと、セルとタンクとの間で電解液を循環させる循環ポンプと、セルと電力系統との間に配置される交流／直流変換器（電力変換器）と、を備えるレドックスフロー電池システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１２−１６４５３０号公報
【特許文献２】特開２０１７−１６７８８号公報
【発明の概要】
【０００４】
本開示のセルは、
正極電極と負極電極と両電極の間に介在される隔膜とを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルであって、
前記隔膜は、前記隔膜を平面視したときの少なくとも中央側に、水素イオン透過能を有するイオン透過部を備え、
前記正極電極及び前記負極電極の平面面積が共に２５０ｃｍ２以上で、かつ前記イオン透過部の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さく、
更に前記イオン透過部のうち、実際に前記正極電極及び前記負極電極に対向する対向部の平面面積は、前記正極電極及び前記負極電極のうちの小さい方の平面面積の５０％以上９９．９％以下である。
【０００５】
本開示のセルスタックは、
本開示のセルを複数積層した積層体と、
前記積層体をその積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートと、を備える。
【０００６】
本開示のレドックスフロー電池は、
本開示のセルスタックと、
前記セルに正極電解液を循環させる正極循環機構と、
前記セルに負極電解液を循環させる負極循環機構と、を備える。
【０００７】
本開示のレドックスフロー電池システムは、
本開示のレドックスフロー電池と、
前記レドックスフロー電池に繋がる電力系統の停電を検知する検知装置と、
前記検知装置の検知結果に基づいて、前記セル内に残存する前記正極電解液と前記負極電解液とで、前記正極循環機構及び前記負極循環機構を動作させる制御部と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】レドックスフロー電池の動作原理を説明する図である。
【図２】実施形態１に係るセルの分解図である。
【図３】実施形態１に係るセルの縦断面図である。
【図４】実施形態１に係るセルスタックの縦断面図である。
【図５】実施形態１に係るレドックスフロー電池を備えるレドックスフロー電池システムの概略構成図である。
【図６】実施形態２に係るセルの分解図である。
【図７】実施形態２に係るセルの縦断面図である。
【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］
レドックスフロー電池システムは、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できない。レドックスフロー電池システムでは、セル内に電解液を循環させる循環ポンプが停止すると、継続的に充放電できないからである。その対策として、特許文献１では、電力系統の停電時に循環ポンプを駆動する無停電電源装置（Ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｉｂｌｅ  Ｐｏｗｅｒ  Ｓｕｐｐｌｙ：ＵＰＳ）が設けられている。しかし、循環ポンプを動作させる電力をまかなうためのＵＰＳはレドックスフロー電池の電池容量に応じて大型化するため、設置スペースを多く必要とするという問題や、設置コストがかかるという問題がある。
【００１０】
そこで、本開示は、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できるレドックスフロー電池を構築できるセル、及びセルスタックを提供することを目的の一つとする。また、本開示は、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できるレドックスフロー電池、及びレドックスフロー電池システム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＞実施形態に係るセルは、
正極電極と負極電極と両電極の間に介在される隔膜とを備え、レドックスフロー電池に用いられるセルであって、
前記隔膜は、前記隔膜を平面視したときの少なくとも中央側に、水素イオン透過能を有するイオン透過部を備え、
前記正極電極及び前記負極電極の平面面積が共に２５０ｃｍ２以上で、かつ前記イオン透過部の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さく、
更に前記イオン透過部のうち、実際に前記正極電極及び前記負極電極に対向する対向部の平面面積は、前記正極電極及び前記負極電極のうちの小さい方の平面面積の５０％以上９９．９％以下である。
【００１３】
上記構成のセルによれば、両電極内に非常用の電解液を貯留しておくことができるので、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できるレドックスフロー電池を構築することができる。両電極内に非常用の電解液を貯留できるのは、両電極を平面視したときの平面面積が２５０ｃｍ２以上で、かつ正極電極、負極電極、及び隔膜のイオン透過部の対向部の平面面積のうち、対向部の平面面積が最も小さくなっているからである。イオン透過部の対向部の平面面積を両電極の平面面積よりも小さくすることで、両電極においてイオン透過部が接触しない非接触部分が形成され、当該非接触部分にある電解液の電池反応を抑制できる。この電池反応が抑制された電解液が、停電時に非常用の電解液として利用できる。ここで、両電極の平面面積を２５０ｃｍ２以上とすることで、両電極に流通される電解液量が多くなり、非常用の電解液が十分な量確保できる。
【００１４】
イオン透過部の対向部の平面面積が、小さい方の電極の平面面積の９９．９％以下であれば、レドックスフロー電池の再起動に十分な量の電解液を各電極に貯留できる。一方、イオン透過部の平面面積が、小さい方の電極の平面面積の５０％以上であれば、電池反応面積が小さくなり過ぎて、レドックスフロー電池の電池容量が低下し過ぎることを抑制できる。イオン透過部の平面面積は更に、小さい方の電極の平面面積の６０％以上９５％以下とすることが好ましく、７０％以上９０％以下とすることがより好ましい。
【００１５】
＜２＞実施形態に係るセルの一形態として、
前記隔膜の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さい形態を挙げることができる。
【００１６】
隔膜の平面面積が両電極よりも小さいことで、非常用の電解液を確実に確保できるし、隔膜の材料を低減できる。
【００１７】
＜３＞前記隔膜の平面面積が、前記正極電極及び前記負極電極の平面面積よりも小さい実施形態に係るセルの一形態として、
双極板と枠体とを有し、前記隔膜をその一面側と他面側から挟み込む第一セルフレーム及び第二セルフレームと、
前記隔膜と、前記第一セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記正極電極を収納する正極空間と、
前記隔膜と、前記第二セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記負極電極を収納する負極空間と、
前記隔膜に接することなく前記枠体の内周縁の全周にわたって接する外周部、及び前記隔膜の外周縁の全周にわたって接する内周部を有する枠シールと、を備える形態を挙げることができる。
【００１８】
第一セルフレームと第二セルフレームとで隔膜を挟み込み、枠シールで隔膜を支持することで、セル内における隔膜のずれを効果的に抑制できる。また、枠シールによって隔膜の外周縁と枠体の内周縁とを封止することで、セル内で正極電解液と負極電解液とが混ざることを抑制できる。
【００１９】
＜４＞実施形態に係るセルの一形態として、
前記隔膜は、前記イオン透過部と、その外周を取り囲む枠状のイオン非透過部と、を備え、
前記隔膜の平面面積が、前記正極電極と前記負極電極のいずれの平面面積よりも大きい形態を挙げることができる。
【００２０】
隔膜の平面面積を両電極の平面面積よりも大きくすることで、両電極の接触を効果的に防止できる。また、隔膜の平面面積を大きくするにあたり、イオン透過部とイオン非透過部とで隔膜を形成することで、イオン透過部を構成する材料を削減できる。
【００２１】
＜５＞隔膜の平面面積が両電極の平面面積よりも大きい実施形態に係るセルの一形態として、
双極板と枠体とを有し、前記隔膜をその一面側と他面側から挟み込む第一セルフレーム及び第二セルフレームと、
前記隔膜と、前記第一セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記正極電極を収納する正極空間と、
前記隔膜と、前記第二セルフレームの前記双極板と、の間に形成され、前記負極電極を収納する負極空間と、を備え、
前記隔膜の前記イオン非透過部が、前記第一セルフレームの前記枠体の内周縁と、前記第二セルフレームの前記枠体の内周縁とに接する形態を挙げることができる。
【００２２】
第一セルフレームの枠体と第二セルフレームの枠体とで隔膜のイオン非透過部を挟み込むことで、セル内における隔膜のずれを効果的に抑制できる。また、隣接する両セルフレームの枠体間に挟持された隔膜によって、セル内で正極電解液と負極電解液との混合を抑制できる。
【００２３】
＜６＞実施形態に係るセルの一形態として、
前記正極電極と前記負極電極の厚さは共に、０．１ｍｍ以上４ｍｍ以下である形態を挙げることができる。
【００２４】
両電極の厚さを０．１ｍｍ以上とすることで、電極内に貯留できる非常用の電解液の量を十分に確保できる。また、両電極の厚さを４ｍｍ以下とすることで、セルの厚みが厚くなり過ぎることを抑制できる。上記厚さは、０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることがより好ましい。
【００２５】
＜７＞実施形態に係るセルスタックは、
上記＜１＞から＜６＞のいずれかのセルを複数積層した積層体と、
前記積層体をその積層方向の両側から挟み込む一対のエンドプレートと、を備える。
【００２６】
上記セルスタックを用いてレドックスフロー電池を構築することで、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できるレドックスフロー電池とすることができる。実施形態に係るセルを用いてセルスタックを形成することで、セルスタック内の複数のセルのそれぞれに非常用の電解液を貯留できるからである。
【００２７】
＜８＞実施形態に係るレドックスフロー電池は、
上記＜７＞のセルスタックと、
前記セルに正極電解液を循環させる正極循環機構と、
前記セルに負極電解液を循環させる負極循環機構と、を備える。
【００２８】
上記レドックスフロー電池によれば、電力系統の停電時、セル内に残存する電解液の電力を利用して正負極の循環機構に備わる循環ポンプを動作させることができる。循環ポンプを動作させることができれば、正負極の循環機構に備わるタンク内に貯留される電解液の電力を取り出すことができ、その電力でさらに循環ポンプの動作を継続させることができる。その結果、タンク内の電解液の電力を電力系統に放電することができる。このように、実施形態に係るレドックスフロー電池は自力で電力系統に放電できる。
【００２９】
＜９＞実施形態に係るレドックスフロー電池システムは、
上記＜８＞のレドックスフロー電池と、
前記レドックスフロー電池に繋がる電力系統の停電を検知する検知装置と、
前記検知装置の検知結果に基づいて、前記セル内に残存する前記正極電解液と前記負極電解液とで、前記正極循環機構及び前記負極循環機構を動作させる制御部と、を備える。
【００３０】
検知装置と制御部とを備える上記レドックスフロー電池システムによれば、電力系統の停電時に自動でレドックスフロー電池を再起動し、レドックスフロー電池から電力系統に放電することができる。
【００３１】
電力系統の停電時に自力で放電できる実施形態のレドックスフロー電池システムは、ＵＰＳを必要としない。ＵＰＳを必要としないことで、例えば次のような効果を得ることができる。
［１］ＵＰＳの設置スペースを確保する必要がないため、レドックスフロー電池システムの設置場所の自由度が高い。
［２］ＵＰＳの設置スペースに利用していた空間により大型のタンクを設置するなどして、レドックスフロー電池システムの電池容量の向上を図ることができる。
［３］ＵＰＳの設置の手間、コストを削減することができる。
【００３２】
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本開示のセル、セルスタック、レドックスフロー電池、及びレドックスフロー電池システムの実施形態を説明する。なお、本願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。
【００３３】
＜実施形態１＞
実施形態に係るセル、セルスタック、レドックスフロー電池、及びレドックスフロー電池システムの説明に先立ち、レドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）の基本構成を図１に基づいて説明する。
【００３４】
≪基本構成≫
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などに利用されている。このＲＦ電池の動作原理を図１に基づいて説明する。ＲＦ電池は、正極電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位と、負極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電池は、電力変換器９１を介して、電力系統９の変電設備９０に繋がっており、電力系統９との間で充放電を行なう。本例の電力系統９は交流送電を行う電力系統であって、電力変換器９１は交流／直流変換器である。電力系統は直流送電を行う電力系統であっても良く、その場合、電力変換器は直流／直流変換器である。一方、ＲＦ電池は、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。
【００３５】
正極セル１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極電解液８Ｐ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には循環ポンプ１１２が設けられており、これら部材１０６，１０８，１１０，１１２によって正極電解液８Ｐ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、かつ負極電解液８Ｎ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には循環ポンプ１１３が設けられており、これらの部材１０７，１０９，１１１，１１３によって負極電解液８Ｎ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８Ｐ，８Ｎは、充放電の際に循環ポンプ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、循環ポンプ１１２，１１３は停止され、電解液８Ｐ，８Ｎは循環されない。
【００３６】
≪セル≫
以上説明したＲＦ電池の基本構成を踏まえて、実施形態に係るセル１を図２，３に基づいて説明する。本例のセル１は、互いに隣接する第一セルフレーム２Ａ及び第二セルフレーム２Ｂと、両セルフレーム２Ａ，２Ｂ間に配置される正極電極１０４、負極電極１０５、及び隔膜３を備える。本例のセル１は更に、一対の枠シール４Ａ，４Ｂを備える。ここで、図３では第一セルフレーム２Ａと第二セルフレーム２Ｂとを離隔した状態で示しているが、実際にはセルフレーム２Ａ，２Ｂはほぼ密着している。以下、セル１の各構成を詳細に説明する。
【００３７】
［セルフレーム］
第一セルフレーム２Ａと第二セルフレーム２Ｂとは、同じ部材であり、貫通窓を有する枠体２２と、貫通窓を塞ぐ双極板２１と、を有している。つまり、枠体２２は、双極板２１をその外周側から支持している。本例では、各セルフレーム２Ａ，２Ｂに備わる枠体２２の外形も双極板２１の形状も矩形状であるが、円形状や多角形状などであってもかまわない。第一セルフレーム２Ａの枠体２２と第二セルフレーム２Ｂの枠体２２との間にはシール部材２ｓが挟み込まれており、枠体２２同士の隙間から電解液が漏れないようになっている。
【００３８】
セルフレーム２Ａ，２Ｂは、例えば、双極板２１の外周部に一体に枠体２２を成形することで作製することができる。また、貫通窓の外周近傍を薄肉に形成した枠体２２と、枠体２２とは別に作製した双極板２１とを用意し、枠体２２の薄肉部に双極板２１の外周部を嵌めこむことで、セルフレーム２Ａ，２Ｂを作製することもできる。この場合、双極板２１は枠体２２に重ねられているだけでも良いし、接着されていても良い。
【００３９】
図３に示すように、第一セルフレーム２Ａには、双極板２１の一面と、枠体２２の内周面と、後述する隔膜３と、で囲まれる正極空間２０４が形成され、この正極空間２０４に正極電極１０４が配置される。また、第二セルフレーム２Ｂには、双極板２１の他面と、枠体２２の内周面と、後述する隔膜３と、で囲まれる負極空間２０５が形成され、この負極空間２０５に負極電極１０５が配置される。この構成では、隣接する各セルフレーム２Ａ，２Ｂに嵌め込まれた双極板２１の間に一つのセル１が形成されることになる。
【００４０】
枠体２２への電解液の流通は、給液用マニホールド２３，２４、及び排液用マニホールド２５，２６により行われる（図２）。正極電解液は、給液用マニホールド２３からセルフレーム２Ａ，２Ｂの一面側（紙面表側）に形成される入口スリット２３ｓを介して正極電極１０４に供給され、セルフレーム２Ａ，２Ｂの上部に形成される出口スリット２５ｓを介して排液用マニホールド２５に排出される。同様に、負極電解液は、給液用マニホールド２４からセルフレーム２Ａ，２Ｂの他面側（紙面裏側）に形成される入口スリット２４ｓを介して負極電極１０５に供給され、セルフレーム２Ａ，２Ｂの上部に形成される出口スリット２６ｓを介して排液用マニホールド２６に排出される。
【００４１】
双極板２１及び枠体２２は、公知の材料で形成することができる。例えば、双極板２１は、プラスチックカーボンなどで形成したり、枠体２２は、塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などのプラスチックで形成することが挙げられる。
【００４２】
［電極］
図３に示すように、正極電極１０４は、第一セルフレーム２Ａの正極空間２０４に収納され、負極電極１０５は、第二セルフレーム２Ｂの負極空間２０５に収納される。正極電極１０４と負極電極１０５とは隔膜３を挟んで互いに対向して配置される。本例の正極電極１０４及び負極電極１０５はそれぞれ、正極空間２０４及び負極空間２０５と略同じサイズ・同じ形状である。正極電極１０４と負極電極１０５とはサイズや形状が異なっていてもかまわない。
【００４３】
ここで、正極電極１０４（負極電極１０５）の厚さは、正極空間２０４（負極空間２０５）の深さよりも大きくてもかまわない。その場合、セルフレーム２Ａ，２Ｂ同士を積層方向（図２の紙面左右方向）に締め付けてセル１を組み立てたとき、正極電極１０４（負極電極１０５）は圧縮され、正極空間２０４（負極空間２０５）に収納された状態になる。
【００４４】
電極１０４，１０５を平面視したときの平面面積は共に、２５０ｃｍ２以上とする。電極１０４，１０５の平面面積を２５０ｃｍ２以上とすることで、後述するように、ＲＦ電池１０を再起動するのに十分な量の非常用の電解液をセル１内に貯めておくことができる。また、上記平面面積を大きくすることでＲＦ電池の出力を大きくすることができる。これらの点に鑑み、上記平面面積は更に３００ｃｍ２以上とすることが好ましく、４００ｃｍ２以上とすることがより好ましい。
【００４５】
また、正極空間２０４（負極空間２０５）に収納された状態の正極電極１０４（負極電極１０５）の厚みは、０．１ｍｍ以上４ｍｍ以下とすることが好ましい。両電極１０４，１０５の厚さを０．１ｍｍ以上とすることで、電極１０４，１０５内に貯留できる非常用の電解液の量を十分に確保できる。また、電極１０４，１０５の厚さを４ｍｍ以下とすることで、セル１の厚みが厚くなり過ぎることを抑制できる。上記厚さは、０．１ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とすることが好ましく、０．１ｍｍ以上１．５ｍｍ以下とすることがより好ましい。
【００４６】
電極１０４，１０５は、公知の材料で形成することができ、弾性を有する多孔質材料で形成することが好ましい。電極１０４，１０５は、例えば、カーボンフェルトなどで形成することが挙げられる。
【００４７】
［隔膜］
隔膜３は、両セルフレーム２Ａ，２Ｂ間で正負の電極１０４，１０５間に介在される。隔膜３は、隔膜３を平面視したときの少なくとも中央側にイオン透過部３０を備える。イオン透過部３０は水素イオンを透過させるが、活物質イオンは透過させない部分であって、本例の隔膜３はその全面がイオン透過部３０で構成されている。
【００４８】
本例の隔膜３は枠体２２の内周縁部に達しない大きさに形成されており、隔膜３の平面面積、即ちイオン透過部３０の平面面積は、電極１０４，１０５の平面面積よりも小さい。更に本例の場合、後述する枠シール４Ａ，４Ｂが隔膜３と電極１０４，１０５との間に介在されているため、イオン透過部３０のうち、実際に電極１０４，１０５に対向する対向部の平面面積は、イオン透過部３０全体の平面面積よりも小さくなっている。その対向部の平面面積は、電極１０４，１０５のうち、小さい方の電極の平面面積の５０％以上９９．９％以下とする。対向部の平面面積は、小さい方の電極の平面面積の６０％以上９５％以下とすることが好ましく、７０％以上９０％以下とすることがより好ましい。対向部の平面面積を限定する意義については、後段の効果の欄に詳述する。
【００４９】
隔膜３は、公知の材料で形成することができる。隔膜３は、例えば、スチレンとジビニルベンゼンのスルホン化共重合体や、パーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレンの共重合体などで形成することが挙げられる。
【００５０】
［枠シール］
枠シール４Ａ，４Ｂは、隔膜３の正極電極１０４側及び負極電極１０５側に配置される枠状の部材であって、正負の電解液をそれぞれ正極空間２０４及び負極空間２０５内に封止する。隔膜３の正極電極１０４側にのみ枠シール４Ａを設けても良いし、隔膜３の負極電極１０５側にのみ枠シール４Ｂを設けても良い。枠シール４Ａ，４Ｂは貫通孔４０（特に図２参照）を有し、枠シール４Ａ，４Ｂの内周輪郭線（貫通孔４０の輪郭線）は隔膜３よりも小さく、外周輪郭線は枠体２２の内周輪郭線よりも小さい。そのため、枠シール４Ａ，４Ｂは、隔膜３の周縁部に全周に亘って接する内周部４１と、隔膜３に接することなく両セルフレーム２Ａ，２Ｂの枠体２２間に挟まれる外周部４２と、に機能上区分することができる。
【００５１】
上記構成を備える枠シール４Ａ，４Ｂを隔膜３と電極１０４，１０５との間に介在させると、図３に示すように、隔膜３のイオン透過部３０のうち、枠シール４Ａ，４Ｂの貫通孔４０が露出する部分が、実際に電極１０４，１０５に対向する対向部となる。つまり、本例の場合、イオン透過部３０の対向部の平面面積は、枠シール４Ａ，４Ｂの貫通孔４０の開口面積に等しいと言える。
【００５２】
各枠シール４Ａ，４Ｂの内周部４１は、セルフレーム２Ａ，２Ｂ同士を積層方向（図２の紙面左右方向）に締め付けてセル１を組み立てたとき、各電極１０４，１０５の反発力によって押圧され、隔膜３の周縁部と密接（密着）した状態になる。また、各枠シール４Ａ，４Ｂの外周部４２は、枠体２２間に挟まれて圧接され、枠体２２と密接（密着）した状態になる。枠シール４Ａ，４Ｂによってセルフレーム２Ａ，２Ｂの枠体２２，２２間の隙間を封止できるのであれば、図３のシール部材２ｓを省略してもかまわない。
【００５３】
枠シール４Ａ，４Ｂは、シート状又はフィルム状であり、その厚さは例えば、０．１ｍｍ以上２．０ｍｍ以下、好ましくは０．２ｍｍ以上０．６ｍｍ以下である。枠シール４Ａ，４Ｂは、電解液に対する耐性を有し、隔膜３よりも安価で強度の高い材料で形成することが挙げられる。枠シール４Ａ，４Ｂは、例えば、塩化ビニル樹脂、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などのプラスチックやゴムで形成することが挙げられる。
【００５４】
電極１０４，１０５の反発力によって枠シール４Ａ，４Ｂの内周部４１が隔膜３の周縁部と密着することで、枠シール４Ａ，４Ｂの内周部４１と隔膜３との間をシールすることができる。また、枠シール４Ａ，４Ｂの外周部４２が枠体２２と密着することで、枠シール４Ａ，４Ｂの外周部４２と枠体２２との間をシールすることができる。従って、枠シール４Ａ，４Ｂにより、従来に比較して隔膜３の平面面積を小さくできながら、空間２０４，２０５内からの電解液の漏洩を抑制でき、正負の電解液の混合を抑制できる。隔膜３の面積が小さくて済むため、隔膜３の形成材料の使用量を削減でき、低コスト化が可能である。
【００５５】
［効果］
以上説明した構成を備えるセル１によれば、両電極１０４，１０５内に非常用の電解液を貯留しておくことができるので、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できるレドックスフロー電池を構築することができる。両電極１０４，１０５内に非常用の電解液を貯留できるのは、両電極１０４，１０５を平面視したときの平面面積が２５０ｃｍ２以上で、かつイオン透過部３０の対向部の平面面積が両電極１０４，１０５の平面面積よりも小さくなっているからである。イオン透過部３０の対向部の平面面積を両電極１０４，１０５の平面面積よりも小さくすることで、両電極１０４，１０５においてイオン透過部３０が接触しない非接触部分が形成され、当該非接触部分にある電解液の電池反応を抑制できる。この電池反応が抑制された電解液が、停電時に非常用の電解液として利用できる。ここで、両電極１０４，１０５の平面面積を２５０ｃｍ２以上とすることで、両電極１０４，１０５に流通される電解液量が多くなり、非常用の電解液が十分な量確保できる。
【００５６】
≪セルスタック≫
上記セル１は通常、図４に示すような、セルスタック５と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック５はサブスタック５ｓを複数積層した積層体５０を二枚のエンドプレート５２，５２で挟み込み、締付機構５３で締め付けることで構成されている。サブスタック５ｓは、図２，３に示すセル１を複数積層し、その積層体を給排板５１，５１で挟み込んだ構成を備える。
【００５７】
セルスタック５を用いてレドックスフロー電池を構築することで、電力系統の停電時に自力で電力系統に放電できるレドックスフロー電池とすることができる。図２，３に示すセル１を用いてセルスタック５を形成することで、セルスタック５内の複数のセル１のそれぞれに非常用の電解液を貯留できるからである。
【００５８】
≪ＲＦ電池、及びＲＦ電池システム≫
図５を参照して、ＲＦ電池１０と、そのＲＦ電池１０を備えるＲＦ電池システムαを説明する。ＲＦ電池１０は、図４に示すセルスタック５と、セルスタック５に繋がる循環機構１００Ｐ，１００Ｎと、を備える。循環機構１００Ｐ，１００Ｎの構成は、図１を参照して説明した基本構成と同じである。図５では便宜上、セルスタック５の代わりにセル１を図示している。また、図５ではセル１内に貯留される電解液８の液面を模式的に示しているが、実際のセル１内では、正極電解液８Ｐと負極電解液８Ｎとは混合されない。
【００５９】
［充放電制御部］
本例のＲＦ電池システムαは、セル１の充放電を制御する充放電制御部６を備える。より具体的には、充放電制御部６は、細線矢印で示す信号線によって、電力変換器９１と循環ポンプ１１２，１１３の動作を制御することで、セル１の充放電を制御する。充放電制御部６で制御する電力変換器９１は、電力系統９が交流であれば直流／交流変換器、直流であれば直流／直流変換器などである。
【００６０】
充放電制御部６には、電力系統９の停電を検知する検知装置９０Ｓから延びる信号線が繋がっている。そのため、充放電制御部６は、検知装置９０Ｓの検知結果に基づいて電力系統９の停電を把握することができる。検知装置９０Ｓとしては、変電設備９０に備わり、電力系統９の電圧を監視する電圧計などを利用することができる。
【００６１】
充放電制御部６は、電力変換器９１に電気的に繋がっている。充放電制御部６は、常時セル１から電力を供給されるように構成しても良いし、電力系統９の非停電時は電力系統９から電力を供給され、電力系統９の停電時はセル１から電力を供給されるように構成しても良い。
【００６２】
本例のＲＦ電池システムαでは、電力変換器９１から循環ポンプ１１２，１１３に電力を供給するポンプ配線７が設けられている。ポンプ配線７は、電力変換器９１と電力系統９との間から分岐して循環ポンプ１１２，１１３に延びていても良い。このような構成とすることで、電力系統９の非停電時には、電力系統９からの電力で循環ポンプ１１２，１１３を動作できるし、電力系統９の停電時には、セル１内に残留する電解液８の電力を利用して循環ポンプ１１２，１１３を動作できる。循環ポンプ１１２，１１３に供給される電力量は、充放電制御部６によって制御される。本例の循環ポンプ１１２，１１３の動作信号は、細線矢印で示すように、充放電制御部６から発せられる。動作信号は、循環ポンプ１１２，１１３のＯＮ／ＯＦＦを切り替える信号である。ここで、本例の循環ポンプ１１２，１１３は、交流で動作するものを利用している。電力系統９が直流送電系統であれば、循環ポンプ１１２，１１３は直流で動作するものを利用する。
【００６３】
［電解液］
ＲＦ電池１０に用いる正極電解液８Ｐと負極電解液８Ｎには、公知の電解液を使用できる。例えば、正負の電解液としては、正極及び負極の活物質としてＶイオンを含有する電解液、正極活物質としてＦｅイオン、負極活物質としてＣｒイオンを含有する電解液、正極活物質としてＭｎイオン、負極活物質としてＴｉイオンを含有する電解液などが挙げられる。
【００６４】
本例では、タンク１０６，１０７内の電解液８Ｐ，８Ｎの液面が、セル１内の電解液８の液面よりも高くなるようにタンク１０６，１０７を配置している。これは、電解液８Ｐ，８Ｎの循環が停止したときに、電解液８をセル１内に留めておくためである。その他、導管１０８，１０９にバルブを設け、電解液８Ｐ，８Ｎの循環を止めてもセル１内に電解液８を留めておけるようにしても良い。その場合、タンク１０６，１０７の配置は特に限定されない。
【００６５】
≪ＲＦ電池システムの運転方法≫
［通常運転時］
ＲＦ電池システムαの通常運転時（非停電時）、ＲＦ電池システムαの充放電制御部６は、電力変換器９１と循環ポンプ１１２，１１３の動作を制御してセル１の充放電を制御する。
【００６６】
ＲＦ電池システムαの通常運転時、循環ポンプ１１２，１１３を停止して、セル１への電解液８Ｐ，８Ｎの循環を停止することがある。循環ポンプ１１２，１１３を停止する状況としては、例えば、ＲＦ電池１０が十分に充電された場合などを挙げることができる。
【００６７】
［電力系統の停電時］
電力系統９の停電時、ＲＦ電池システムαの充放電制御部６は、セル１内に残存する電解液８の電力を利用して、循環ポンプ１１２，１１３を動作させ、タンク１０６，１０７内の電解液８Ｐ，８Ｎの電力を電力系統９に放電する。循環ポンプ１１２，１１３を動作させるのに十分な電力をセル１内の電解液８から取り出せるのは、図２，３を参照して説明したセル１が、その内部に非常用の電解液８を貯留できる構成となっているからである。
【００６８】
電力系統９の停電時の具体的なＲＦ電池システムαの挙動を説明する。まず、充放電制御部６は、検知装置９０Ｓによって電力系統９の電圧の変化に基づいて電力系統９の停電を検知する。電力系統９の停電を検知すると、充放電制御部６は、停電時専用のモードで再起動する。充放電制御部６の再起動の電力は、セル１内に残存する電解液８の電力で行なわれる。
【００６９】
停電時専用のモードで起動した充放電制御部６は、電力変換器９１に指令し、電力変換器９１に循環ポンプ１１２，１１３を動作させるのに最適な周波数の交流電力を生成させる。そして、充放電制御部６は、電力変換器９１にその交流を循環ポンプ１１２，１１３に供給させ、循環ポンプ１１２，１１３を動作させる。循環ポンプ１１２，１１３が一旦動いてしまえば、タンク１０６，１０７内の電解液８Ｐ，８Ｎがセル１００に送り込まれ、電解液８Ｐ，８Ｎの電力も取り出せるので、循環ポンプ１１２，１１３の動作を継続できる。その結果、タンク１０６，１０７内の電解液８Ｐ，８Ｎの電力を電力系統９に放電することができる。
【００７０】
［効果］
上述したように、本例のＲＦ電池システムαによれば、電力系統９の停電時に自力で放電できるため、ＲＦ電池システムαにＵＰＳを必要としない。ＵＰＳを必要としないことで、次のような効果を得ることができる。
［１］ＵＰＳの設置スペースを確保する必要がないため、ＲＦ電池システムαの設置場所の自由度が高い。
［２］ＵＰＳの設置スペースに利用していた空間により大型のタンク１０６，１０７を設置するなどして、ＲＦ電池システムαの電池容量の向上を図ることができる。
［３］ＵＰＳの設置の手間、コストを削減することができる。
【００７１】
＜実施形態２＞
実施形態２では、実施形態１とは異なるセル１を図６，７に基づいて説明する。
【００７２】
図６，７に示すように、本例のセル１は、枠シール４Ａ，４Ｂ（図２，３）を用いていない点、隔膜３が電極１０４，１０５よりも大きくなっている点で、実施形態１のセル１と異なる。
【００７３】
隔膜３は、イオン透過部３０と、その外周を取り囲むイオン非透過部３１と、で構成されている。このような隔膜３は、例えば、水素イオンを透過しない基材を用意し、その基材の中央部分を後処理することで得られる。この場合、基材のうち、後処理された部分がイオン透過部３０となり、それ以外の部分がイオン非透過部３１となる。後処理としては、例えば、イオン交換樹脂の塗布や含浸、ポリマーアルコールの含浸焼結を挙げることができる。
【００７４】
隔膜３のイオン透過部３０の平面面積は、電極１０４，１０５の平面面積よりも小さくなっており、隔膜３全体の平面面積は、枠体２２の貫通窓の平面面積よりも大きくなっている。この隔膜３をセルフレーム２Ａ，２Ｂで挟み込むと、隔膜３のイオン非透過部３１が、第一セルフレーム２Ａの枠体２２の内周縁と、第二セルフレーム２Ｂの枠体２２の内周縁とに接する。イオン非透過部３１は更に、シール部材２ｓに及ぶ大きさとすることが好ましく、そうすることで正負の電解液をそれぞれ正極空間２０４及び負極空間２０５内に封止し易いし、セル１外に電解液が漏れ難い。
【００７５】
本例の構成では、イオン透過部３０の全面が電極１０４，１０５に対向する対向部となっている。つまり、対向部の平面面積は、即ちイオン透過部３０の平面面積である。この場合、イオン透過部３０の平面面積を電極１０４，１０５の平面面積の５０％以上９９．９％以下とすることで、実施形態１のセル１と同様に、セル１内に非常用の電解液を貯留することができる。そのため、本例のセル１を用いて、図５に示すＲＦ電池システムαを構築すれば、電力系統９の停電時に自力で電力系統９に放電を行なうことができるＲＦ電池システムαとできる。
【００７６】
＜用途＞
実施形態のＲＦ電池システムαは、太陽光発電、風力発電などの新エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした蓄電池システムとして利用できる。また、本実施形態のＲＦ電池システムαは、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池システムとしても利用することができる。
【００７７】
＜試験例＞
試験例では、実施形態１のセル１における隔膜３の平面面積を変化させた試験体セルＡ〜Ｄを作製し、試験体セルＡ〜Ｄ内に残存する電解液で図５のＲＦ電池システムαの循環ポンプ１１２，１１３を起動させることができるかを試験した。各試験体セルＡ〜Ｄに用いる電極１０４，１０５は共通で、電極１０４，１０５の平面面積は２５０ｃｍ２、厚さは１ｍｍであった。
【００７８】
・試験体セルＡ…イオン透過部３０における電極１０４，１０５に対向する対向部の平面面積を電極１０４，１０５の平面面積の９９．９％としたセル１
・試験体セルＢ…対向部の平面面積を電極１０４，１０５の平面面積の７５％としたセル１
・試験体セルＣ…対向部の平面面積を電極１０４，１０５の平面面積の９９．９５％としたセル１
・試験体セルＤ…対向部の平面面積が電極１０４，１０５の平面面積と同じとしたセル１
【００７９】
試験の結果、試験体セルＡ，Ｂは循環ポンプ１１２，１１３を起動できたが、試験体セルＣ，Ｄは循環ポンプ１１２，１１３を起動できなかった。これらの結果から、セル１内に循環ポンプ１１２，１１３を起動できるだけの非常用の電解液を貯留するためには、少なくともイオン透過部３０の対向部の平面面積を電極１０４，１０５の平面面積の９９．９％以下とする必要があることが分かった。
【符号の説明】
【００８０】
α  レドックスフロー電池システム（ＲＦ電池システム）
１０  レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
１  セル
２Ａ  第一セルフレーム  ２Ｂ  第二セルフレーム  ２ｓ  シール部材
２１  双極板  ２２  枠体
２３，２４  給液用マニホールド  ２５，２６  排液用マニホールド
２３ｓ，２４ｓ  入口スリット  ２５ｓ，２６ｓ  出口スリット
２０４  正極空間  ２０５  負極空間
３  隔膜
３０  イオン透過部  ３１  イオン非透過部
４Ａ，４Ｂ  枠シール
４０  貫通孔  ４１  内周部  ４２  外周部
５  セルスタック  ５ｓ  サブスタック
５０  積層体  ５１  給排板  ５２  エンドプレート  ５３  締付機構
６  充放電制御部（制御部）
７  ポンプ配線
８  電解液  ８Ｐ  正極電解液  ８Ｎ  負極電解液
９  電力系統
９０  変電設備  ９１  電力変換器  ９０Ｓ  検知装置
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  循環ポンプ
【図１】
2019171603.tif 000003
【図２】
2019171603.tif 000004
【図３】
2019171603.tif 000005
【図４】
2019171603.tif 000006
【図５】
2019171603.tif 000007
【図６】
2019171603.tif 000008
【図７】
2019171603.tif 000009
【手続補正書】
【提出日】令和2年9月30日(2020.9.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５０】
［枠シール］
枠シール４Ａ，４Ｂは、隔膜３の正極電極１０４側及び負極電極１０５側に配置される枠状の部材であって、正負の電解液をそれぞれ正極空間２０４及び負極空間２０５内に封止する。隔膜３の正極電極１０４側にのみ枠シール４Ａを設けても良いし、隔膜３の負極電極１０５側にのみ枠シール４Ｂを設けても良い。枠シール４Ａ，４Ｂは貫通孔４０（特に図２参照）を有し、枠シール４Ａ，４Ｂの内周輪郭線（貫通孔４０の輪郭線）は隔膜３よりも小さく、外周輪郭線は枠体２２の内周輪郭線よりも大きい。そのため、枠シール４Ａ，４Ｂは、隔膜３の周縁部に全周に亘って接する内周部４１と、隔膜３に接することなく両セルフレーム２Ａ，２Ｂの枠体２２間に挟まれる外周部４２と、に機能上区分することができる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６９】
停電時専用のモードで起動した充放電制御部６は、電力変換器９１に指令し、電力変換器９１に循環ポンプ１１２，１１３を動作させるのに最適な周波数の交流電力を生成させる。そして、充放電制御部６は、電力変換器９１にその交流を循環ポンプ１１２，１１３に供給させ、循環ポンプ１１２，１１３を動作させる。循環ポンプ１１２，１１３が一旦動いてしまえば、タンク１０６，１０７内の電解液８Ｐ，８Ｎがセル１に送り込まれ、電解液８Ｐ，８Ｎの電力も取り出せるので、循環ポンプ１１２，１１３の動作を継続できる。その結果、タンク１０６，１０７内の電解液８Ｐ，８Ｎの電力を電力系統９に放電することができる。
【国際調査報告】
2019171603.tif 000010
2019171603.tif 000011
2019171603.tif 000012
2019171603.tif 000013