【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のセルフレームと、それを用いた電池に関するものである。 特に、セルフレーム内で正負極の電解液の漏れに対して信頼性が高く、製造性に優れるセルフレーム構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５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４で正極セル1Aと負極セル1Bとに分離されたセル
1を具える。 正極セル1Aと負極セル1Bの各々には正極電極５と負極電極６とを内蔵している。 正極セル1Aには正極電解液を供給・排出するための正極用タンク２が導管７，８を介して接続されている。 負極セル1Bにも負極電解液を導入・排出する負極用タンク３が同様に導管10、
11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9、12で循環させ、正負極電極５，６におけるイオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。

【０００３】図６は、上記の電池に用いるセルスタックの概略構成図である。 通常、上記の電池には、複数のセルが積層されたセルスタック100と呼ばれる構成が利用される。 各セルは、隔膜4の両側にカーボンフェルト製の正極5および負極6を具える。 そして、正極電極5と負極電極6の各々の外側には、セルフレーム構造20が配置される。

【０００４】セルフレーム構造20は、プラスチックカーボン製の双極板21と、その外周に形成されるセルフレーム22とを具える。

【０００５】セルフレーム22には、マニホールド23A、2
3Bと呼ばれる複数の孔が形成されている。 １枚のセルフレームには、例えば下辺に４つ、上辺に４つの合計８つのマニホールドが設けられ、下辺の２つが正極電解液供給用、残り２つが負極電解液供給用、上辺の２つが正極電解液排出用、残り２つが負極電解液排出用となっている。 マニホールド23A、23Bは、多数のセルを積層することで電解液の流路を構成する。 また、セルフレームには、マニホールド23A、23Bとセルフレームの内縁をつなぐスリットも形成されている。 このスリットは、セルフレームに形成された垂直溝部60Aで構成され、正極電解液用スリットは双極板21の表面側に、図示されない負極電解液用スリットは双極板21の裏面側に形成されている。

【０００６】ところで、このようなレドックスフロー電池では、充放電に伴って隔膜を通ってH ⁺イオンが移動したり、正極電解液を圧送するポンプと負極電解液を圧送するポンプの圧力差や正負極電解液間の浸透圧により、
隔膜を介して電解液が片極側に移動する液移りが生じる。 そのため、正極用タンクと負極用タンクの電解液量は常に変動しており、この電解液量のバランスが極端に崩れた場合、タンクの容量を越え、外部へ電解液が漏洩する危険性がある。

【０００７】この電解液量の変動を抑制する手段として、実開平4-124754号公報に記載の技術が知られている。 これは、正極用タンクと負極用タンクとを連通管でつなぎ、連通管の一端を正極液の液面よりも上部に、他端を負極液の液面よりも上部に配置することで、一方のタンクの電解液量が増えた場合に、連通管を通じて電解液の移動を行わせるものである。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の技術では電解液の移動を正極液貯蔵タンクと負極液貯蔵タンクとをつなぐ連通管で行っており、連通管自体を用意しなければならないことや、連通管を配置するためにかなりのスペースを必要とすると言った問題があった。

【０００９】従って、本発明の主目的は、連通管を用いることなく正負極電極液の液量をほぼ均一に保持することができるセルフレームと、それを用いた電池を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、セルフレームで正負極電解液の移動を可能とすることで上記の目的を達成する。

【００１１】すなわち、本発明セルフレームは、正極電解液用マニホールドと、負極電解液用マニホールドとを具えるセルフレームであって、前記両マニホールドを連通するスリットを有することを特徴とする。

【００１２】正極電解液用マニホールドと負極電解液用マニホールドとをスリットで連通することで、セル内で正極電解液と負極電解液の移動を可能にする。 従って、
一方の液量が増加した場合にスリットを介して他方に移動させることで両極の電解液の液量バランスを保持することができる。 その際、セル内で電解液の移動が可能になるため、従来用いていた連通管は必要ない。

【００１３】スリットの具体的な構成としては、セルフレーム一面に正極電解液用マニホールドから伸びる溝部を形成し、他面側に負極電解液用マニホールドから伸びる溝部を形成しておく。 そして、セルフレームを重ねた際に、正極電解液用マニホールドから伸びる溝部と負極電解液用マニホールドから伸びる溝部とが部分的に重複して両溝部をつなぐ連通孔が形成されるように構成することが好ましい。

【００１４】例えば、セルフレームの下部に２つ、上部に２つの合計４つのマニホールドが設けられ、下部の一方が負極液供給用、他方が正極液供給用、上部の一方が負極液排出用、他方が正極液排出用となっている場合を例に説明する。 セルフレーム一面に正極電解液用マニホールドから伸びる溝部を形成し、他面側に負極電解液用マニホールドから伸びる溝部を形成しておく。 そして、
一対のセルフレームを隣接させた際、正負極液排出用マニホールドのほぼ中間に連通孔が形成されることで、両溝部が連通されるように構成する。

【００１５】スリットのサイズ（連通孔の断面積や溝部の幅と深さ）は小さくすることが好ましい。 スリットが大きいと正極電解液と負極電解液とを混合させることになり、自己放電につながるためである。 スリットの断面積が小さければ、正負極電解液が双方ともにほぼ等圧に印加されている場合、移動する電解液量は少なく、セル内のシャント電流ロスと比べられる程度で収まって問題はない。

【００１６】また、スリットの配置は連通孔を中心として左右対称に構成しても良いが、左右非対称とすることで、電解液が一方のマニホールドから他方のマニホールドにのみ移動するように構成してもよい。 例えば、バナジウム型レドックスフロー電池では、隔膜を介して正極から負極側に電解液が移動する。 そのため、セル内では、負極から正極にのみ電解液が移動するように構成すれば良い。 要するに、スリットを逆止弁のように機能させ、セル内の電解液の移動を一方向に限定するのである。 より具体的には、負極液排出用マニホールドにつながる溝部を正極液排出用マニホールドにつながる溝部よりも高く構成することなどが上げられる。

【００１７】さらに、スリットを、各マニホールドをつながる溝部と、溝部同士をつなぐ連通孔とで構成し、連通孔から各マニホールドに至る間において、前記連通孔よりも高い位置の段差部を具えることが好ましい。 この構成により、片極のセル内で増加した液がスリットを通じ、他極のセル内に入るときに、マニホールドからセル外部（正負用タンク）に流出することなくスリットを通って他極側に移動させることができる。

【００１８】そして、本発明電池は、上記セルフレームを用いたことを特徴とする。 セルフレームの構成が従来と異なる点を除いて、他の構成は基本的に従来のレドックスフロー電池と同様で構わない。 本発明セルフレームは、電解液循環型電池、電解液間歇循環型電池、電解液静止型電池のいずれにも適用することができる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を説明する。 （実施例１）図１は本発明セルフレーム22の平面図である。 このセルフレーム22は枠状に形成されたプラスチック板で、中央の中抜き部分にプラスチックカーボン製の双極板21がはめ込まれている。 枠状部分の下辺には正極電解液供給用マニホールド23Aと負極電解液供給用マニホールド23Bとを有し、上辺には正極電解液排出用マニホールド24Aと負極電解液排出用マニホールド24Bとを有する。 各マニホールド23A、23B、24A、24Bは、セルフレームを貫通する孔で、複数のセルを積層した際に積層方向に電解液の流路を構成する。 正（負）極電解液供給用マニホールド23A、23Bと正（負）極電解液排出用マニホールド24A、24Bとはほぼ対角位置に形成している。

【００２０】これらの各マニホールドには、正極または負極との間を連通する垂直溝部60A,60Bおよび凹型溝部6
1A、61Bが形成されている。 本例では、供給用マニホールド23A,23Bに直線状の垂直溝部60A,60Bをつなぎ、排出用マニホールド24A,24Bに凹型溝部61A,61Bをつないだ。
すなわち、正（負）極電解液供給用マニホールドから垂直溝部60A,60Bを通って正（負）極に電解液を供給し、
凹型溝部61A,61Bを通って正（負）極電解液排出用マニホールド24A,24Bへと電解液が排出される。 正極電解液供給用マニホールドにつながる垂直溝部60Aと、正極電解液排出用マニホールドにつながる凹型溝部61Aとはセルフレームの表面側に形成され（実線表示）、負極電解液供給用マニホールドにつながる垂直溝部60Bと、負極電解液排出用マニホールドにつながる凹型溝部61Bとはセルフレームの裏面側に形成されている（破線表示）。

【００２１】この凹型溝部61A,61Bは正負極電解液排出用のマニホールド24A,24Bを連通するスリットの一部として機能する。 スリットは凹型溝部61A,61Bにつながる直線状の水平溝部70A、70Bを具える。 図１におけるII-I
I断面を図２に示す。 図２は図１のセルフレームを２枚重ねた状態を示している。 ２枚のセルフレームを隣接させた際、一方のセルフレームにおける水平溝部70Aと他方のセルフレームにおける水平溝部70Bとの端部が重複し、この重複個所に連通孔50が形成される。 この構成により、正負極電解液排出用のマニホールド24A,24Bが連通される。 水平溝部70A、70Bの幅は凹型溝部61A,61Bの幅よりも狭く構成し（図１）、長さは長くして電解液循環時の正負極電解液の混合を抑えることが好ましい。 また、水平溝部70A、70Bの深さも電解液の移動が過剰に起こることのないよう、浅く形成しておくことが好ましい。 さらに、本例では、連通孔50、水平溝部70A、70Bおよび凹型溝部61A,61Bの水平部を各マニホールド24A,24B
よりも高い位置に形成した。

【００２２】通常、正極電解液と負極電解液の液量はほぼ均等にバランスしており、両電解液がほぼ均等な圧力で供給されると、連通用スリットを通しての電解液の移動はほとんどなく、電池性能に支障はない。 一方、液移りが起こって正極電解液または負極電解液のいずれかの液量が増加した場合、連通用スリットを通して電解液が増加した方から少ない方へと移動し、これによって不均一な正負電解液量をほぼ均等な状態に復帰させることができる。

【００２３】このようなセルフレームを用いたレドックスフロー電池は、従来と同様に隔膜の両側にカーボンフェルト製の正極および負極を配置させる。 そして、正極と負極の各々の外側にはセルフレームを配置して、順次同様の積層を繰り返してセルスタックを構成する。 正極電解液を供給・排出するための正極用タンクと正極電解液供給（排出）用マニホールドと導管で接続し、負極電解液を導入・排出するための負極用タンクと負極電解液供給（排出）用マニホールドと導管で接続することも従来の電池と同様である。 ただし、本発明電池はセル内で電解液の移動を可能にしたため、電解液量の不均一を是正するための連通管は用いる必要がない。

【００２４】（実施例2）次に左右非対称の連通用スリットを持つ構成のセルフレームを図３に基づいて説明する。 このセルフレームは、電解液が移って液量が増加する側（バナジウム型レドックスフロー電池では負極側）
のスリットを高くすることで、片極側の電解液をマニホールドに流すことなく他極側に戻すことができる。

【００２５】すなわち、負極液排出用マニホールド24B
につながる凹型溝部61Bの水平部が最も高く、順次、凹型溝部61Bから連通孔50までの水平溝部72B、連通孔50から凹型溝部61AまでのL型溝部72Aの順に低くなっている。 そして、正極液排出用マニホールド24Aにつながる凹型溝部61Aの水平部の高さはL型溝部72Aとほぼ同等とした。 この実施例でも一対のセルフレーム接合した際、
一方のセルフレームにおける水平溝部72Bの先端と他方のセルフレームにおけるL型溝部72Aの先端との重複個所に連通孔50が形成され、スリットが構成される。

【００２６】この構成のセルフレームをバナジウム型レドックスフロー電池に用いた場合、負極側の電解液が増加するが、電解液は負極液排出用マニホールド24Bに流れるよりも先に水平溝部72B、連通孔50およびL型溝部72
Aを介して正極側に戻されるため、負極用タンク内の電解液量が許容量を上回ることを抑制できる。

【００２７】このセルフレームを用いたレドックスフロー電池の構成も実施例１と同様であり、説明を省略する。

【００２８】（実施例３）次に、左右対称のスリットであるが、連通孔から各マニホールドまでの間に連通孔よりも高い位置の段差部80を形成したセルフレームを図４
に基づいて説明する。 このセルフレームでは、各マニホールドにつながる凹型溝部61A,61Bの水平部に溝幅を狭めた段差部80を形成し、この段差部の高さを連通孔50よりも高く構成した。 この実施例でも、２枚のセルフレームを隣接させた際、一方のセルフレームにおける水平溝部73Aと他方のセルフレームにおける水平溝部73Bとの端部が重複し、この重複個所に連通孔50が形成され、スリットが構成される。

【００２９】この構成のセルフレームをレドックスフロー電池に用いた場合、片極側の電解液が増加するが、段差部80により電解液は片極液排出用マニホールドに流れるよりも先に水平溝部73A,73Bおよび連通孔50を介して他極側に戻されるため、片極用タンク内の電解液量が許容量を上回ることを抑制できる。

【００３０】このセルフレームを用いたレドックスフロー電池の構成も実施例１と同様である。

【００３１】なお、本例のセルフレームを電解液静止型電池として運転し、メンテナンス等で電解液を下側マニホールドから入れ換えると、凹型溝部内に段差があるために、スリット内（水平溝部73A,73B）に電解液が溜まる。 その結果、残留した電解液を通じて自己放電・シャント電流等流れ、効率低下につながることがある。 このスリット内の残留電解液を抜くには、セルを傾けたり、
窒素ガンで吹き飛ばすこと等により行えば良い。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次の効果を奏することができる。

【００３３】セルフレームに正負極の電解液を連通するスリットを設けることで、セル内で電解液の移動を可能にし、正極電解液と負極電解液の液量をほぼ均一に保持することができる。

【００３４】電解液の移動をセル内で行うため、従来のように連通管を配置する必要がなく、そのための配管スペースを考慮する必要もない。 単にセルフレームに溝部と連通孔とを形成するだけで良く、連通管を用いる場合に比べてコスト削減も図ることができる。

【００３５】スリットの配置を左右非対称とすることで、電解液が一方のマニホールドから他方のマニホールドにのみ移動するように構成し、不必要なセル内の電解液の連通を生じなくできる。

【００３６】連通孔から各マニホールドまでの間に連通孔よりも高い位置の段差部を形成することで、段差部により電解液は片極液排出用マニホールドに流れるよりも先に水平溝部、連通孔および水平溝部を介して他極側に戻されるため、片極用タンク内の電解液量が許容量を上回ることを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】スリットが左右対称の本発明セルフレームの平面図である。

【図２】２枚のスリットを隣接した状態における図１の
II−II断面図である。

【図３】スリットが左右非対称の本発明セルフレームの平面図である。

【図４】段差部を形成した本発明セルフレームの平面図である。

【図５】レドックスフロー電池の動作原理の説明図である。

【図６】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 1A 正極セル 1B 負極セル 2 正極用タンク 3 負極用タンク 4 隔膜 5 正極電極 6 負極電極 7、8、10、11 導管 9、12 ポンプ 100 セルスタック 20セルフレーム構造 21 双極板 22 セルフレーム 23A、23B、24A、24B マニホールド 50 連通孔 60A、60B 垂直溝部 61A、61B、71B 凹型溝部 70A,70B,72B,73A,73B 水平溝部 71A、72A L型溝部 80 段差部 100 セルスタック

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 徳田 信幸 大阪府大阪市北区中之島３丁目３番22号 関西電力株式会社内 Ｆターム(参考） 5H026 AA10 CC08 CV06 HH03 5H027 AA10 MM01