セルスタック、セルフレーム、レドックスフロー電池、およびセルスタックの製造方法
【課題】従来の構成よりも電解液が漏れ難いセルスタックを提供する。
【解決手段】枠体１２２に一体化された双極板１２１を備えるセルフレーム１２０と電極１０４，１０５とイオン交換膜１０１とを複数積層した積層体を、その両側から２枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付軸２３１とナット２３２，２３３を備える締付機構２３０により締め付けることで構成されてなるセルスタック１である。このセルスタック１は、枠体１２２の中央側に電解液を閉じ込めるシール部材１２７よりも外側で、２枚のエンドプレート２１０，２２０の間に挟まれることで両エンドプレート２１０，２２０間の間隔を保持する保持部材１０を備える。保持部材１０は、セルフレーム１２０よりも耐クリープ性に優れ、かつ積層されるセルフレーム１２０の合計厚さにほぼ等しい長さを有する。
【解決手段】枠体１２２に一体化された双極板１２１を備えるセルフレーム１２０と電極１０４，１０５とイオン交換膜１０１とを複数積層した積層体を、その両側から２枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付軸２３１とナット２３２，２３３を備える締付機構２３０により締め付けることで構成されてなるセルスタック１である。このセルスタック１は、枠体１２２の中央側に電解液を閉じ込めるシール部材１２７よりも外側で、２枚のエンドプレート２１０，２２０の間に挟まれることで両エンドプレート２１０，２２０間の間隔を保持する保持部材１０を備える。保持部材１０は、セルフレーム１２０よりも耐クリープ性に優れ、かつ積層されるセルフレーム１２０の合計厚さにほぼ等しい長さを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量の蓄電池として利用されるレドックスフロー電池の構成部品であるセルスタック、およびそのセルスタックを利用したレドックスフロー電池、並びにセルスタックの構成部品であるセルフレーム、およびこのセルフレームを使用したセルスタックの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電といった新エネルギーを蓄電する大容量の蓄電池の一つにレドックスフロー電池（ＲＦ電池）がある。ＲＦ電池は、正極用電解液に含まれるイオンと負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位の差を利用して充放電を行う電池である。図６のＲＦ電池の動作原理図に示すように、ＲＦ電池は、水素イオンを透過させるイオン交換膜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。正極セル１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極用電解液を貯留する正極用タンク１０６が導管１０８，１１０を介して接続されている。同様に、負極セル１０３には負極電極１０５が内蔵され、かつ負極用電解液を貯留する負極用タンク１０７が導管１０９，１１１を介して接続されている。各タンク１０６，１０７に貯留される電解液は、ポンプ１１２，１１３によりセル１０２，１０３に循環される。
【０００３】
上記ＲＦ電池には、通常、複数のセル１００を積層させたセルスタックと呼ばれる構成が利用されている（例えば、特許文献１参照）。図７は、セルスタックの概略構成図である。このセルスタック２００は、枠体１２２に一体化された双極板１２１を備えるセルフレーム１２０、正極電極１０４、イオン交換膜１０１、および負極電極１０５を、この順番で積層することで形成される。この構成の場合、隣接するセルフレーム１２０の双極板１２１の間に一つのセルが形成されることになる。このセルスタック２００における電解液の流通は、枠体１２２に形成される給液用マニホールド１２３，１２４と、排液用マニホールド１２５，１２６により行われる。例えば、正極用電解液は、給液用マニホールド１２３から枠体１２２の一面側（紙面表側）に形成される溝を介して正極電極１０４に供給され、枠体１２２の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド１２５に排出される。同様に、負極用電解液は、給液用マニホールド１２４から枠体１２２の他面側（紙面裏側）に形成される溝を介して負極電極１０５に供給され、枠体１２２の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド１２６に排出される。
【０００４】
上記セルスタック２００は、セルフレーム１２０や電極１０４，１０５、イオン交換膜１０１を積層した積層体であるため、各部材の隙間から電解液が漏れないようにする必要がある。通常、各セルフレーム１２０間にＯリングや平パッキンなどの環状のシール部材１２７を配置した状態で、積層体をその両側から２枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込んで締め付けることで電解液の漏れを防止している。
【０００５】
図８は、セルスタックにおける積層体の締付状態を示すセルスタックの部分断面図である。積層体を締め付ける締付機構２３０は、締付軸２３１と、締付軸２３１の両端に螺合されるナット２３２，２３３と、ナット２３２とエンドプレート２１０の間に介在される圧縮バネ２３４とを備える。この締付機構２３０により、積層体をその積層方向に圧縮する内向きの圧力で締め付けることで、各セルフレーム１２０間に隙間ができないようにしている。この内向きの圧力に対して、積層体を広げる方向に作用する外向きの圧力が釣り合い、長期に亘る電解液の漏れが抑制される。外向きの圧力には、締付に対する電極１０４，１０５やセルフレーム１２０、シール部材１２７の反発力や、電解液の圧力などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３６７６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の構成であっても、経年的に電解液が漏れ易くなる恐れがあった。
【０００８】
ＲＦ電池では、充電も放電も行わないときには、待機電力の損失を低減するためにセルスタック２００への電解液の流通を止める、あるいはセルスタック２００内部での自己放電を抑制するためにセルスタック２００から電解液を抜く、といった運用をする。そのような場合、外向きの圧力よりも、締付機構２３０による内向きの圧力の方が大きくなり、セルフレーム１２０に過剰な圧縮力が作用する。セルフレーム１２０は通常、耐食性と絶縁性を確保するために、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などで形成されており、強い圧縮力が長時間作用するとクリープ変形して薄くなる。その結果、セルスタック２００における電解液のシールが不十分となる恐れがある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、従来の構成よりも電解液が漏れ難いセルスタック、そのセルスタックを利用したレドックスフロー電池を提供することにある。また、本発明の別の目的は、従来よりも電解液が漏れ難いセルスタックに使用するセルフレーム、並びにそのセルフレームを用いてセルスタックを製造するセルスタックの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜とを複数積層した積層体を、その両側から２枚のエンドプレートで挟み込み、締付軸とナットを備える締付機構により締め付けることで構成されてなるセルスタックに係る。セルフレームは、枠体と、枠体に一体化された双極板と、枠体に設けられ、枠体の中央側に電解液を閉じ込める環状のシール部材と、を備えている。この本発明セルスタックは、枠体におけるシール部材よりも外側の位置で、２枚のエンドプレートに挟まれることで両エンドプレート間の間隔を保持する保持部材を備える。そして、この保持部材は、セルフレームよりも耐クリープ性に優れ、かつ積層されるセルフレームの合計厚さにほぼ等しい長さを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明セルスタックの構成によれば、例えば、セルスタックへの電解液の供給を止めることで、外向きの圧力が減少した場合でも、エンドプレートに挟まれた各セルフレームに過剰な圧縮力が作用することを抑制できる。それは、２枚のエンドプレートに挟まれた保持部材によりエンドプレート間の距離が一定以下にならないように保持されているからである。
【００１２】
以下、本発明セルスタックの好ましい形態、セルスタックに使用されるセルフレームの構成などについて説明する。
【００１３】
本発明セルスタックの一形態として、保持部材は筒状に形成されており、その筒内部に締付機構の締付軸が貫通していることが好ましい。
【００１４】
上記構成であれば、セルスタックにおける保持部材の位置決めを容易に行うことができる。また、この構成であれば、保持部材がエンドプレート間から外れることも防止できる。
【００１５】
本発明セルスタックの一形態として、保持部材が複数の分割片（圧力支持部材）からなり、その圧力支持部材が各セルフレームに個別に設けられていることが好ましい。具体的には、セルフレームの枠体には、枠体の中央側に電解液を封じ込めるシール部材が嵌め込まれるシール溝が設けられているが、そのシール溝の外側に、枠体の厚さにほぼ等しい長さを有する圧力支持部材を設ける。その場合、積層された複数のセルフレームの圧力支持部材が直列に繋がることで、保持部材が形成される。ここで、圧力支持部材は、締付軸を貫通させることができる筒状であっても良いし、中実の柱状であっても良い。筒状であれ柱状であれ、各圧力支持部材は、同一の端面形状を有することが好ましい。そうすることで、各圧力支持部材の端面に作用する単位面積当たりの圧力を均一化できるからである。
【００１６】
ここで、保持部材が複数の分割片ではなく一つの部材でできている場合、エンドプレートから積層体全体に作用する面圧を低減することはできるが、積層体における各セルフレームに個別に作用する面圧を制御することはできない。通常、積層体を構成する各セルフレームが完全に同一の耐クリープ性を有することはありえないし、一枚のセルフレームにおいても場所によって極わずかな耐クリープ性の違いがあるため、耐クリープ性に劣る部分に変形が生じる恐れがある。これに対して、各セルフレームに対して個別に圧力支持部材を設けておけば、その圧力支持部材で各セルフレームに作用する面圧を受けることができ、その結果、セルフレームの変形をより効果的に抑制することができる。
【００１７】
また、一つの部材からなる保持部材の場合、２つのエンドプレート間で積層体を圧縮し始めてから保持部材の両端にエンドプレートが接触するまでの間、積層体を構成するセルフレームにはエンドプレートから加わる面圧が直接作用する。これに対して、各セルフレームに個別に圧力支持部材がある場合、積層体の圧縮開始から終了にかけて各セルフレームに作用する面圧を低減することができる。
【００１８】
保持部材の分割片である圧力支持部材は枠体に対して着脱自在に構成されていても良い。その場合、圧力支持部材の軸方向の一端側には、圧力支持部材の軸方向と直交する方向に伸びるフランジが形成されていることが好ましい。
【００１９】
圧力支持部材を枠体に対して着脱自在にすることで、圧力支持部材のみを交換することが可能になる。このような構成であれば、経年的なセルスタックの部品の交換にあたり、セルフレーム全体ではなく、圧力支持部材のみを交換すれば足りる場合に、部材の節約になる。加えて、セルフレームを廃棄処分する場合、素材ごとの分別が容易になる。また、枠体に対して着脱自在とした圧力支持部材にフランジを形成することで、枠体の厚み方向における枠体と圧力支持部材の位置合わせを容易にすることができる。
【００２０】
さらに、本発明セルスタックの一形態として、圧力支持部材がセルフレームに設けられる金属製の部材である場合、枠体は、圧力支持部材の周縁を取り囲むように形成される排液溝を備えることが好ましい。この排液溝は、セルフレームの枠体に設けられるシール部材（シール溝）から外側に電解液が漏れ出したときに、その漏れ出した電解液が圧力支持部材に接触し難くなるように電解液を逃がす溝である。
【００２１】
上記構成によれば、仮にシール部材（シール溝）から外側に電解液が漏れたとしても、その漏れた電解液が金属製の圧力支持部材に接触する可能性を低減できるので、電解液に蓄えられる電力が圧力支持部材を介して失われることを抑制できる。
【００２２】
以上説明したセルスタックに備わるセルフレームの構成のうち、特に筒状の圧力支持部材を備えるセルフレームを使用すれば、セルスタックの製造を容易にすることができる。筒状の圧力支持部材を備えるセルフレームを使用したセルスタックの製造方法は、以下の工程を備える。
［工程Ａ］一方のエンドプレートに締付軸を取り付けた状態とする。
［工程Ｂ］当該エンドプレート上に、筒状の圧力支持部材を備えるセルフレームを含む積層体を配置する。ここで、セルフレームに備わる圧力支持部材の筒状内部に締付軸を挿通する。
［工程Ｃ］当該積層体上に、他方のエンドプレートを配置して、締付軸をナット締めする。
【００２３】
上記セルスタックの製造方法の工程Ｂにおける積層体の配置は、エンドプレート上に、セルフレーム、電極、イオン交換膜を一つずつ積み重ねていくことで行っても良いし、所定数のセルフレームと電極とイオン交換膜を積層して、それをエンドプレート上に載せることを繰り返すことで行っても良い。
【００２４】
以上説明したセルスタックは、レドックスフロー電池（ＲＦ電池）の構成部材として利用できる。即ち、本発明ＲＦ電池は、本発明セルスタックと、セルスタックに正極用電解液を循環させる正極用循環機構と、セルスタックに負極用電解液を循環させる負極用循環機構と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明ＲＦ電池の循環機構は、従来のＲＦ電池と同様に、電解液を貯留するタンクと、タンクからセルスタックに電解液を送り込むための導管と、セルスタックからタンクに電解液を戻すための排管と、電解液を循環させるポンプなどの送液装置と、から構成される。
【００２６】
本発明セルスタックは、長期に亘って電解液が漏れ難い構造であるため、このセルスタックを用いたＲＦ電池は、安全でメンテナンスの手間が小さい。その結果、このＲＦ電池を利用した蓄電システムの安全性を高めることができるし、当該蓄電システムのメンテナンスの手間を低減することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明セルスタックおよびセルフレームによれば、従来よりも電解液が漏れ難いＲＦ電池を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に示すセルスタックの部分断面図である。
【図２】実施形態２に示すセルスタックの部分断面図である。
【図３】（Ａ）は、実施形態１のセルスタックに使用されるセルフレームの正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図、（Ｃ）は変形例における（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図４】実施形態３に示すセルスタックの部分断面図である。
【図５】実施形態４に示すセルフレームの正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図６】レドックスフロー電池の動作原理図である。
【図７】従来のセルスタックの概略構成図である。
【図８】従来のセルスタックの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明レドックスフロー電池（ＲＦ電池）の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明ＲＦ電池は、ＲＦ電池に備わるセルスタックの一部に特徴があり、それ以外の構成は、図６〜８を用いて説明した従来のＲＦ電池と同様の構成を備える。従って、以下の実施形態では、従来のＲＦ電池との相違点、即ち従来のセルスタックとの相違点を中心に説明し、従来と同様の構成については図６〜８と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
＜実施形態１＞
図１に示すように、本実施形態のセルスタック１は、図８を参照した従来のセルスタック２００と同様に、セルフレーム１２０と正極電極１０４と負極電極１０５とイオン交換膜１０１を適宜積層した積層体をエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付機構２３０で締め付ける構成を備える。本実施形態のセルスタック１はさらに、エンドプレート２１０，２２０の間に挟まれる保持部材１０を備える。
【００３１】
保持部材１０は、エンドプレート２１０，２２０で締め付けられるセルフレーム２０に過剰な圧縮力が作用しないように、両プレート２１０，２２０の間隔を保持する部材である。この観点から、保持部材１０は、ＰＶＣやＰＥでできたセルフレーム１２０よりも高硬度で高ヤング率の耐クリープ性に優れる材料で構成する。このような材料としては金属、特にＳＵＳなどの合金や、セラミック、繊維強化プラスチックなどを挙げることができる。特にＳＵＳは、耐クリープ性に優れるだけでなく、耐食性にも優れるため、好ましい。
【００３２】
保持部材１０の長さは、エンドプレート２１０，２２０間に挟まれるセルプレート１２０の合計厚さとほぼ同じ長さになっている。そのため、エンドプレート２１０，２２０間に保持部材１０を配置しておけば、積層体を締め付けて圧縮する際、各セルフレーム１２０間にほぼ隙間ができないように積層体を圧縮することができるし、セルフレーム１２０の合計厚さ以上に積層体が圧縮されることを回避することができる。その結果、セルフレーム１２０に過剰な圧縮力が作用することを抑制し、セルフレーム１２０のクリープ変形を抑制することができる。なお、保持部材１０の断面形状は特に限定されず、例えば、真円を含む楕円形であっても良いし、多角形であっても良い。
【００３３】
また、本実施形態における保持部材１０は、その内部に締付機構２３０の締付軸２３１が貫通する円筒状の部材である。保持部材１０の数は、締付軸２３１と同じ数だけあっても良いし、締付軸２３１よりも少なくても良い。後者の場合、それら保持部材１０は、積層体周りに均等な間隔を空けて配置することが好ましい。
【００３４】
＜実施形態２＞
実施形態２では、実施形態１のセルスタックよりもセルフレームのクリープ変形をより効果的に抑制できるセルスタックを、図２，３に基づいて説明する。実施形態２のセルスタックは、実施形態１とは保持部材を設ける位置が異なり、その相違に伴いセルフレームの構成も異なる。
【００３５】
図２に示すように、本実施形態のセルスタック２では、セルフレーム２０に筒状の保持部材１０が設けられ、その保持部材１０の内部に締付機構２３０の締付軸２３１が貫通している。この保持部材１０は、セルフレーム２０に個別に設けられる分割片（圧力支持部材１１）を複数直列に繋げることで形成される。各圧力支持部材１１は、セルフレーム２０に一体に形成されている。
【００３６】
本実施形態で使用するセルフレーム２０は、図３（Ａ）に示すように、枠体２２と枠体２２に一体化された双極板２１を備える。このセルフレーム２０のうち、双極板２１は従来と同様の構成を備え、枠体２２は従来と異なる構成を備える。以下、枠体２２の構成を詳細に説明する。
【００３７】
枠体２２には、従来の枠体と同様に電解液の流路となるマニホールド１２３〜１２６が形成されている。枠体２２の表側（正極電極が配置される側であり、図３（Ａ）に示される側）には、正極用の給液用マニホールド１２３（排液用マニホールド１２５）から双極板２１に向かう液溝１２３Ｇ（液溝１２５Ｇ）が形成されている。一方、枠体２２の裏側には、図示しないが、負極用のマニホールド１２４，１２６から双極板に向かう液溝が形成されている。
【００３８】
枠体２２の表側のうち、負極用のマニホールド１２４，１２６の周囲には、マニホールド１２４，１２６から枠体２２の表側に負極用電解液が漏れないようにするＯリングを嵌め込むための環状溝１２４Ｇ，１２６Ｇが形成されている。ここで、枠体２２の裏側では、マニホールド１２３，１２５の周りに環状溝が形成されており、枠体２２の裏側に正極用電解液が漏れないようになっている。
【００３９】
上述したマニホールド１２３〜１２６、および液溝１２３Ｇ，１２５Ｇからなる電解液の流路の周囲には、これらの構成を取り囲んでセルフレーム２０外への電解液の漏れを防止するシール機構が設けられている。本実施形態では、枠体２２に形成される環状のシール溝１２７Ｇと、このシール溝１２７Ｇに嵌め込まれるＯリングや平パッキンなどのシール部材１２７（図２参照）とで、シール機構が形成されており、シール溝１２７Ｇ（シール部材）の内側に電解液を封じ込める。その他、積層したセルフレーム２０（枠体２２）同士を熱融着させることで、シール機構を形成しても良い。その場合、枠体２２に通電用の導電部材を配置し、その導電部材に通電してジュール熱で枠体２２を溶融させ、枠体２２同士を融着させると良い。
【００４０】
さらに、枠体２２の最外周には、枠体２２の外方に突出する突出部２２Ｐが形成されており、その突出部２２Ｐには筒状の圧力支持部材１１が一体に形成されている。この圧力支持部材１１は、既に述べたように保持部材１０を構成する筒状の分割片の一つである（図２を参照）。
【００４１】
圧力支持部材１１は、インサート成形により枠体２２の突出部２２Ｐに一体化された金属製の円筒体であり、図３（Ｂ）に示すようにその両端にフランジ１１Ｆを有する。フランジ１１Ｆを含む圧力支持部材１１の軸方向の長さは、枠体２２の突出部２２Ｐの厚み、即ち枠体２２の厚みに等しい。そのため、圧力支持部材１１のフランジ１１Ｆは、枠体２２の突出部２２Ｐと面一になる。また、圧力支持部材１１の長さを突出部２２Ｐの厚みに等しくすることで、積層した各セルフレーム２０の圧力支持部材１１が直列に繋がったときの長さ、即ち保持部材１０の長さは、積層されるセルフレーム２０の合計厚さに等しくなる。
【００４２】
上記圧力支持部材１１を各セルフレーム２０に個別に設けることで、積層体全体に作用する面圧を低減できるだけでなく、各セルフレーム２０に個別に作用する面圧も低減することができる。その結果、セルスタック２の使用に伴うセルフレーム２０のクリープ変形を、実施形態１の構成よりも効果的に抑制することができる。
【００４３】
上記圧力支持部材１１が設けられる突出部２２Ｐには、圧力支持部材１１を取り囲むように設けられる排液溝２２Ｇが形成されている（図３（Ａ）参照）。この排液溝２２Ｇにより、万が一、シール溝１２７Ｇの外側に電解液が漏れたときに、その電解液が圧力支持部材１１に接触しないように逃がすことができ、電解液から保持部材１０に電力が逃げることを防止できる。
【００４４】
なお、図３とは異なり、突出部２２Ｐを形成せずに、矩形の輪郭形状を有する枠体２２の外周縁部にインサート成形で圧力支持部材１１を埋め込んでもかまわない。
【００４５】
ここで、本実施形態の構成では、セルスタック２の作製作業が容易になるという効果もある。そこで、セルスタック２の製造方法を以下に説明する。
【００４６】
図２に示すセルスタック２を作製するには、まずエンドプレート２２０に締付軸２３１とナット２３３を取り付ける。
【００４７】
次に、締付軸２３１を取り付けたエンドプレート２２０を地面に平行において、そのエンドプレート２２０上に、積層体を積み重ねる。その際、積層体に含まれるセルフレーム２０には、筒状の圧力支持部材１１が設けられているので、その筒内に締付軸２３１が挿通されるようにする。そうすることで、エンドプレート２２０に対する積層体の位置決めを容易に行うことができる。積層体は、エンドプレート２２０上に、セルフレーム２０、電極１０４，１０５、イオン交換膜１０１を一枚ずつ積み重ねていくことで行っても良いし、所定数のセルフレーム２０や電極１０４，１０５、イオン交換膜１０１を積層した積層体をエンドプレート２２０上に載せることを繰り返すことで行っても良い。
【００４８】
次に、エンドプレート２２０上に配置した積層体の上に、エンドプレート２１０を配置して、締付軸２３１の端部にナット２３２を取り付ける。このとき、ナット２３２とエンドプレート２１０との間に圧縮バネ２３４を配置しておく。そして、２枚のエンドプレート２１０，２２０が、圧力支持部材１１の集合体である保持部材１０に当て止めされるまでナット２３２を締め込み、エンドプレート２１０，２２０間の積層体を圧縮する。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態２のセルスタック２であれば、エンドプレート２１０に積層体を配置すると同時にエンドプレート２１０に対する積層体の位置決めを行うことができる。また、セルスタック２を組み立てる際に、積層体の各構成の位置がズレ難いという利点もある。
【００５０】
＜変形実施形態＞
実施形態１の変形実施形態として、圧力支持部材を枠体に対して着脱自在にした構成を図３（Ｃ）を参照しつつ説明する。
【００５１】
図３（Ｃ）に示すように、本実施形態の圧力支持部材１２は、その軸方向の一端側にのみ、圧力支持部材１２の軸方向と直交する方向に延びる環状のフランジ１２Ｆを備える。また、枠体２２の突起部２２Ｐには、圧力支持部材１２のフランジ１２Ｆの外周形状に一致する内周形状を備える大径部と、フランジ１２Ｆ以外の部分の外周形状に一致する内周形状を備える小径部とからなる嵌合孔が形成されている。この構成によれば、嵌合孔に圧力支持部材１２を容易に嵌め込むことができるし、枠体２２に嵌め込んだ圧力支持部材１２の端面と枠体２２の面を面一にすることができる。なお、圧力支持部材１２のフランジ１２Ｆが鉛直上方に向いている限り、枠体２２から圧力支持部材１２が容易に抜け落ちることがないため、セルスタックの組立の際は、フランジ１２Ｆを上方に向けておくと良い。
【００５２】
＜実施形態３＞
実施形態３では、セルフレーム２０に柱状の圧力支持部材１３を設けたセルスタック３を、図４に基づいて説明する。
【００５３】
このセルスタック３では、図３を参照して説明したセルフレーム２０の突出部２２Ｐに柱状の圧力支持部材１３が埋設されている。柱状といった中実の圧力支持部材１３とすることで、筒状の圧力支持部材よりも積層体を圧縮する面圧を長期に亘ってより確実に受けることができる。
【００５４】
なお、本実施形態のセルスタック３では、圧力支持部材１３を柱状とすることにより、圧力支持部材１３に締付軸２３１を貫通させることができない。そのため、このセルスタック３では、締付軸２３１はセルフレーム２０の外周側に配置されている。
【００５５】
＜実施形態４＞
実施形態４では、既存のセルフレーム２０´に、図３（Ｃ）を用いて説明した変形実施形態の圧力支持部材１２を設けたセルスタックを、図５を参照しつつ説明する。
【００５６】
このセルスタックでは、既存のセルフレーム２０´の外周縁部に嵌合孔を形成し、その嵌合孔に圧力支持部材１２を嵌め込む。圧力支持部材１２は既に述べたように、その軸方向の一端側にのみ、環状のフランジ１２Ｆを備え、この圧力支持部材１２が嵌め込まれる嵌合孔は、圧力支持部材１２のフランジ１２Ｆの外周形状に一致する大径部と、フランジ１２Ｆ以外の部分の外周形状に一致する小径部とを備える。
【００５７】
以上説明した構成によれば、既存のセルフレーム２０´であっても、圧力支持部材１２を追加するだけで、セルフレーム２０´のクリープ変形を効果的に抑制することができる。
【００５８】
なお、本実施形態の場合も、圧力支持部材１２を取り囲むように排液溝を形成し、シール溝１２７Ｇの外側に電解液が漏れたときに、その電解液が圧力支持部材１１に接触しないように逃がすようにしても良い。
【００５９】
本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。例えば、実施形態３において、図１を参照して説明した実施形態１の保持部材１０を追加しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明セルスタック、セルフレームは、蓄電システムに利用されるレドックスフロー電池に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１，２，３ セルスタック
１０ 保持部材
１１，１２，１３ 圧力支持部材 １１Ｆ，１２Ｆ フランジ
２０，２０´ セルフレーム
２１ 双極板
２２ 枠体 ２２Ｐ 突出部 ２２Ｇ 排液溝
１２３，１２４ 給液用マニホールド
１２５，１２６ 排液用マニホールド
１２３Ｇ，１２５Ｇ 液溝
１２４Ｇ，１２６Ｇ 環状溝
１２７ シール部材 １２７Ｇ シール溝
２３０ 締付機構
２３１ 締付軸 ２３２，２３３ ナット ２３４ 圧縮バネ
２１０，２２０ エンドプレート
１００ セル
１０１ イオン交換膜
１０２ 正極セル
１０４ 正極電極
１０６ 正極電解液用タンク １０８，１１０ 導管 １１２ ポンプ
１０３ 負極セル
１０５ 負極電極
１０７ 負極電解液用タンク １０９，１１１ 導管 １１３ ポンプ
１２０ セルフレーム
１２１ 双極板
１２２ 枠体
２００ 従来のセルスタック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大容量の蓄電池として利用されるレドックスフロー電池の構成部品であるセルスタック、およびそのセルスタックを利用したレドックスフロー電池、並びにセルスタックの構成部品であるセルフレーム、およびこのセルフレームを使用したセルスタックの製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
太陽光発電や風力発電といった新エネルギーを蓄電する大容量の蓄電池の一つにレドックスフロー電池（ＲＦ電池）がある。ＲＦ電池は、正極用電解液に含まれるイオンと負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位の差を利用して充放電を行う電池である。図６のＲＦ電池の動作原理図に示すように、ＲＦ電池は、水素イオンを透過させるイオン交換膜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。正極セル１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極用電解液を貯留する正極用タンク１０６が導管１０８，１１０を介して接続されている。同様に、負極セル１０３には負極電極１０５が内蔵され、かつ負極用電解液を貯留する負極用タンク１０７が導管１０９，１１１を介して接続されている。各タンク１０６，１０７に貯留される電解液は、ポンプ１１２，１１３によりセル１０２，１０３に循環される。
【０００３】
上記ＲＦ電池には、通常、複数のセル１００を積層させたセルスタックと呼ばれる構成が利用されている（例えば、特許文献１参照）。図７は、セルスタックの概略構成図である。このセルスタック２００は、枠体１２２に一体化された双極板１２１を備えるセルフレーム１２０、正極電極１０４、イオン交換膜１０１、および負極電極１０５を、この順番で積層することで形成される。この構成の場合、隣接するセルフレーム１２０の双極板１２１の間に一つのセルが形成されることになる。このセルスタック２００における電解液の流通は、枠体１２２に形成される給液用マニホールド１２３，１２４と、排液用マニホールド１２５，１２６により行われる。例えば、正極用電解液は、給液用マニホールド１２３から枠体１２２の一面側（紙面表側）に形成される溝を介して正極電極１０４に供給され、枠体１２２の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド１２５に排出される。同様に、負極用電解液は、給液用マニホールド１２４から枠体１２２の他面側（紙面裏側）に形成される溝を介して負極電極１０５に供給され、枠体１２２の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド１２６に排出される。
【０００４】
上記セルスタック２００は、セルフレーム１２０や電極１０４，１０５、イオン交換膜１０１を積層した積層体であるため、各部材の隙間から電解液が漏れないようにする必要がある。通常、各セルフレーム１２０間にＯリングや平パッキンなどの環状のシール部材１２７を配置した状態で、積層体をその両側から２枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込んで締め付けることで電解液の漏れを防止している。
【０００５】
図８は、セルスタックにおける積層体の締付状態を示すセルスタックの部分断面図である。積層体を締め付ける締付機構２３０は、締付軸２３１と、締付軸２３１の両端に螺合されるナット２３２，２３３と、ナット２３２とエンドプレート２１０の間に介在される圧縮バネ２３４とを備える。この締付機構２３０により、積層体をその積層方向に圧縮する内向きの圧力で締め付けることで、各セルフレーム１２０間に隙間ができないようにしている。この内向きの圧力に対して、積層体を広げる方向に作用する外向きの圧力が釣り合い、長期に亘る電解液の漏れが抑制される。外向きの圧力には、締付に対する電極１０４，１０５やセルフレーム１２０、シール部材１２７の反発力や、電解液の圧力などがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−３６７６６０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１の構成であっても、経年的に電解液が漏れ易くなる恐れがあった。
【０００８】
ＲＦ電池では、充電も放電も行わないときには、待機電力の損失を低減するためにセルスタック２００への電解液の流通を止める、あるいはセルスタック２００内部での自己放電を抑制するためにセルスタック２００から電解液を抜く、といった運用をする。そのような場合、外向きの圧力よりも、締付機構２３０による内向きの圧力の方が大きくなり、セルフレーム１２０に過剰な圧縮力が作用する。セルフレーム１２０は通常、耐食性と絶縁性を確保するために、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）やポリエチレン（ＰＥ）、ポリプロピレン（ＰＰ）などで形成されており、強い圧縮力が長時間作用するとクリープ変形して薄くなる。その結果、セルスタック２００における電解液のシールが不十分となる恐れがある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的の一つは、従来の構成よりも電解液が漏れ難いセルスタック、そのセルスタックを利用したレドックスフロー電池を提供することにある。また、本発明の別の目的は、従来よりも電解液が漏れ難いセルスタックに使用するセルフレーム、並びにそのセルフレームを用いてセルスタックを製造するセルスタックの製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜とを複数積層した積層体を、その両側から２枚のエンドプレートで挟み込み、締付軸とナットを備える締付機構により締め付けることで構成されてなるセルスタックに係る。セルフレームは、枠体と、枠体に一体化された双極板と、枠体に設けられ、枠体の中央側に電解液を閉じ込める環状のシール部材と、を備えている。この本発明セルスタックは、枠体におけるシール部材よりも外側の位置で、２枚のエンドプレートに挟まれることで両エンドプレート間の間隔を保持する保持部材を備える。そして、この保持部材は、セルフレームよりも耐クリープ性に優れ、かつ積層されるセルフレームの合計厚さにほぼ等しい長さを有することを特徴とする。
【００１１】
本発明セルスタックの構成によれば、例えば、セルスタックへの電解液の供給を止めることで、外向きの圧力が減少した場合でも、エンドプレートに挟まれた各セルフレームに過剰な圧縮力が作用することを抑制できる。それは、２枚のエンドプレートに挟まれた保持部材によりエンドプレート間の距離が一定以下にならないように保持されているからである。
【００１２】
以下、本発明セルスタックの好ましい形態、セルスタックに使用されるセルフレームの構成などについて説明する。
【００１３】
本発明セルスタックの一形態として、保持部材は筒状に形成されており、その筒内部に締付機構の締付軸が貫通していることが好ましい。
【００１４】
上記構成であれば、セルスタックにおける保持部材の位置決めを容易に行うことができる。また、この構成であれば、保持部材がエンドプレート間から外れることも防止できる。
【００１５】
本発明セルスタックの一形態として、保持部材が複数の分割片（圧力支持部材）からなり、その圧力支持部材が各セルフレームに個別に設けられていることが好ましい。具体的には、セルフレームの枠体には、枠体の中央側に電解液を封じ込めるシール部材が嵌め込まれるシール溝が設けられているが、そのシール溝の外側に、枠体の厚さにほぼ等しい長さを有する圧力支持部材を設ける。その場合、積層された複数のセルフレームの圧力支持部材が直列に繋がることで、保持部材が形成される。ここで、圧力支持部材は、締付軸を貫通させることができる筒状であっても良いし、中実の柱状であっても良い。筒状であれ柱状であれ、各圧力支持部材は、同一の端面形状を有することが好ましい。そうすることで、各圧力支持部材の端面に作用する単位面積当たりの圧力を均一化できるからである。
【００１６】
ここで、保持部材が複数の分割片ではなく一つの部材でできている場合、エンドプレートから積層体全体に作用する面圧を低減することはできるが、積層体における各セルフレームに個別に作用する面圧を制御することはできない。通常、積層体を構成する各セルフレームが完全に同一の耐クリープ性を有することはありえないし、一枚のセルフレームにおいても場所によって極わずかな耐クリープ性の違いがあるため、耐クリープ性に劣る部分に変形が生じる恐れがある。これに対して、各セルフレームに対して個別に圧力支持部材を設けておけば、その圧力支持部材で各セルフレームに作用する面圧を受けることができ、その結果、セルフレームの変形をより効果的に抑制することができる。
【００１７】
また、一つの部材からなる保持部材の場合、２つのエンドプレート間で積層体を圧縮し始めてから保持部材の両端にエンドプレートが接触するまでの間、積層体を構成するセルフレームにはエンドプレートから加わる面圧が直接作用する。これに対して、各セルフレームに個別に圧力支持部材がある場合、積層体の圧縮開始から終了にかけて各セルフレームに作用する面圧を低減することができる。
【００１８】
保持部材の分割片である圧力支持部材は枠体に対して着脱自在に構成されていても良い。その場合、圧力支持部材の軸方向の一端側には、圧力支持部材の軸方向と直交する方向に伸びるフランジが形成されていることが好ましい。
【００１９】
圧力支持部材を枠体に対して着脱自在にすることで、圧力支持部材のみを交換することが可能になる。このような構成であれば、経年的なセルスタックの部品の交換にあたり、セルフレーム全体ではなく、圧力支持部材のみを交換すれば足りる場合に、部材の節約になる。加えて、セルフレームを廃棄処分する場合、素材ごとの分別が容易になる。また、枠体に対して着脱自在とした圧力支持部材にフランジを形成することで、枠体の厚み方向における枠体と圧力支持部材の位置合わせを容易にすることができる。
【００２０】
さらに、本発明セルスタックの一形態として、圧力支持部材がセルフレームに設けられる金属製の部材である場合、枠体は、圧力支持部材の周縁を取り囲むように形成される排液溝を備えることが好ましい。この排液溝は、セルフレームの枠体に設けられるシール部材（シール溝）から外側に電解液が漏れ出したときに、その漏れ出した電解液が圧力支持部材に接触し難くなるように電解液を逃がす溝である。
【００２１】
上記構成によれば、仮にシール部材（シール溝）から外側に電解液が漏れたとしても、その漏れた電解液が金属製の圧力支持部材に接触する可能性を低減できるので、電解液に蓄えられる電力が圧力支持部材を介して失われることを抑制できる。
【００２２】
以上説明したセルスタックに備わるセルフレームの構成のうち、特に筒状の圧力支持部材を備えるセルフレームを使用すれば、セルスタックの製造を容易にすることができる。筒状の圧力支持部材を備えるセルフレームを使用したセルスタックの製造方法は、以下の工程を備える。
［工程Ａ］一方のエンドプレートに締付軸を取り付けた状態とする。
［工程Ｂ］当該エンドプレート上に、筒状の圧力支持部材を備えるセルフレームを含む積層体を配置する。ここで、セルフレームに備わる圧力支持部材の筒状内部に締付軸を挿通する。
［工程Ｃ］当該積層体上に、他方のエンドプレートを配置して、締付軸をナット締めする。
【００２３】
上記セルスタックの製造方法の工程Ｂにおける積層体の配置は、エンドプレート上に、セルフレーム、電極、イオン交換膜を一つずつ積み重ねていくことで行っても良いし、所定数のセルフレームと電極とイオン交換膜を積層して、それをエンドプレート上に載せることを繰り返すことで行っても良い。
【００２４】
以上説明したセルスタックは、レドックスフロー電池（ＲＦ電池）の構成部材として利用できる。即ち、本発明ＲＦ電池は、本発明セルスタックと、セルスタックに正極用電解液を循環させる正極用循環機構と、セルスタックに負極用電解液を循環させる負極用循環機構と、を備えることを特徴とする。
【００２５】
本発明ＲＦ電池の循環機構は、従来のＲＦ電池と同様に、電解液を貯留するタンクと、タンクからセルスタックに電解液を送り込むための導管と、セルスタックからタンクに電解液を戻すための排管と、電解液を循環させるポンプなどの送液装置と、から構成される。
【００２６】
本発明セルスタックは、長期に亘って電解液が漏れ難い構造であるため、このセルスタックを用いたＲＦ電池は、安全でメンテナンスの手間が小さい。その結果、このＲＦ電池を利用した蓄電システムの安全性を高めることができるし、当該蓄電システムのメンテナンスの手間を低減することができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明セルスタックおよびセルフレームによれば、従来よりも電解液が漏れ難いＲＦ電池を作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に示すセルスタックの部分断面図である。
【図２】実施形態２に示すセルスタックの部分断面図である。
【図３】（Ａ）は、実施形態１のセルスタックに使用されるセルフレームの正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図、（Ｃ）は変形例における（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図４】実施形態３に示すセルスタックの部分断面図である。
【図５】実施形態４に示すセルフレームの正面図、（Ｂ）は（Ａ）のＩ−Ｉ断面図である。
【図６】レドックスフロー電池の動作原理図である。
【図７】従来のセルスタックの概略構成図である。
【図８】従来のセルスタックの部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明レドックスフロー電池（ＲＦ電池）の実施形態を図面に基づいて説明する。本発明ＲＦ電池は、ＲＦ電池に備わるセルスタックの一部に特徴があり、それ以外の構成は、図６〜８を用いて説明した従来のＲＦ電池と同様の構成を備える。従って、以下の実施形態では、従来のＲＦ電池との相違点、即ち従来のセルスタックとの相違点を中心に説明し、従来と同様の構成については図６〜８と同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３０】
＜実施形態１＞
図１に示すように、本実施形態のセルスタック１は、図８を参照した従来のセルスタック２００と同様に、セルフレーム１２０と正極電極１０４と負極電極１０５とイオン交換膜１０１を適宜積層した積層体をエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付機構２３０で締め付ける構成を備える。本実施形態のセルスタック１はさらに、エンドプレート２１０，２２０の間に挟まれる保持部材１０を備える。
【００３１】
保持部材１０は、エンドプレート２１０，２２０で締め付けられるセルフレーム２０に過剰な圧縮力が作用しないように、両プレート２１０，２２０の間隔を保持する部材である。この観点から、保持部材１０は、ＰＶＣやＰＥでできたセルフレーム１２０よりも高硬度で高ヤング率の耐クリープ性に優れる材料で構成する。このような材料としては金属、特にＳＵＳなどの合金や、セラミック、繊維強化プラスチックなどを挙げることができる。特にＳＵＳは、耐クリープ性に優れるだけでなく、耐食性にも優れるため、好ましい。
【００３２】
保持部材１０の長さは、エンドプレート２１０，２２０間に挟まれるセルプレート１２０の合計厚さとほぼ同じ長さになっている。そのため、エンドプレート２１０，２２０間に保持部材１０を配置しておけば、積層体を締め付けて圧縮する際、各セルフレーム１２０間にほぼ隙間ができないように積層体を圧縮することができるし、セルフレーム１２０の合計厚さ以上に積層体が圧縮されることを回避することができる。その結果、セルフレーム１２０に過剰な圧縮力が作用することを抑制し、セルフレーム１２０のクリープ変形を抑制することができる。なお、保持部材１０の断面形状は特に限定されず、例えば、真円を含む楕円形であっても良いし、多角形であっても良い。
【００３３】
また、本実施形態における保持部材１０は、その内部に締付機構２３０の締付軸２３１が貫通する円筒状の部材である。保持部材１０の数は、締付軸２３１と同じ数だけあっても良いし、締付軸２３１よりも少なくても良い。後者の場合、それら保持部材１０は、積層体周りに均等な間隔を空けて配置することが好ましい。
【００３４】
＜実施形態２＞
実施形態２では、実施形態１のセルスタックよりもセルフレームのクリープ変形をより効果的に抑制できるセルスタックを、図２，３に基づいて説明する。実施形態２のセルスタックは、実施形態１とは保持部材を設ける位置が異なり、その相違に伴いセルフレームの構成も異なる。
【００３５】
図２に示すように、本実施形態のセルスタック２では、セルフレーム２０に筒状の保持部材１０が設けられ、その保持部材１０の内部に締付機構２３０の締付軸２３１が貫通している。この保持部材１０は、セルフレーム２０に個別に設けられる分割片（圧力支持部材１１）を複数直列に繋げることで形成される。各圧力支持部材１１は、セルフレーム２０に一体に形成されている。
【００３６】
本実施形態で使用するセルフレーム２０は、図３（Ａ）に示すように、枠体２２と枠体２２に一体化された双極板２１を備える。このセルフレーム２０のうち、双極板２１は従来と同様の構成を備え、枠体２２は従来と異なる構成を備える。以下、枠体２２の構成を詳細に説明する。
【００３７】
枠体２２には、従来の枠体と同様に電解液の流路となるマニホールド１２３〜１２６が形成されている。枠体２２の表側（正極電極が配置される側であり、図３（Ａ）に示される側）には、正極用の給液用マニホールド１２３（排液用マニホールド１２５）から双極板２１に向かう液溝１２３Ｇ（液溝１２５Ｇ）が形成されている。一方、枠体２２の裏側には、図示しないが、負極用のマニホールド１２４，１２６から双極板に向かう液溝が形成されている。
【００３８】
枠体２２の表側のうち、負極用のマニホールド１２４，１２６の周囲には、マニホールド１２４，１２６から枠体２２の表側に負極用電解液が漏れないようにするＯリングを嵌め込むための環状溝１２４Ｇ，１２６Ｇが形成されている。ここで、枠体２２の裏側では、マニホールド１２３，１２５の周りに環状溝が形成されており、枠体２２の裏側に正極用電解液が漏れないようになっている。
【００３９】
上述したマニホールド１２３〜１２６、および液溝１２３Ｇ，１２５Ｇからなる電解液の流路の周囲には、これらの構成を取り囲んでセルフレーム２０外への電解液の漏れを防止するシール機構が設けられている。本実施形態では、枠体２２に形成される環状のシール溝１２７Ｇと、このシール溝１２７Ｇに嵌め込まれるＯリングや平パッキンなどのシール部材１２７（図２参照）とで、シール機構が形成されており、シール溝１２７Ｇ（シール部材）の内側に電解液を封じ込める。その他、積層したセルフレーム２０（枠体２２）同士を熱融着させることで、シール機構を形成しても良い。その場合、枠体２２に通電用の導電部材を配置し、その導電部材に通電してジュール熱で枠体２２を溶融させ、枠体２２同士を融着させると良い。
【００４０】
さらに、枠体２２の最外周には、枠体２２の外方に突出する突出部２２Ｐが形成されており、その突出部２２Ｐには筒状の圧力支持部材１１が一体に形成されている。この圧力支持部材１１は、既に述べたように保持部材１０を構成する筒状の分割片の一つである（図２を参照）。
【００４１】
圧力支持部材１１は、インサート成形により枠体２２の突出部２２Ｐに一体化された金属製の円筒体であり、図３（Ｂ）に示すようにその両端にフランジ１１Ｆを有する。フランジ１１Ｆを含む圧力支持部材１１の軸方向の長さは、枠体２２の突出部２２Ｐの厚み、即ち枠体２２の厚みに等しい。そのため、圧力支持部材１１のフランジ１１Ｆは、枠体２２の突出部２２Ｐと面一になる。また、圧力支持部材１１の長さを突出部２２Ｐの厚みに等しくすることで、積層した各セルフレーム２０の圧力支持部材１１が直列に繋がったときの長さ、即ち保持部材１０の長さは、積層されるセルフレーム２０の合計厚さに等しくなる。
【００４２】
上記圧力支持部材１１を各セルフレーム２０に個別に設けることで、積層体全体に作用する面圧を低減できるだけでなく、各セルフレーム２０に個別に作用する面圧も低減することができる。その結果、セルスタック２の使用に伴うセルフレーム２０のクリープ変形を、実施形態１の構成よりも効果的に抑制することができる。
【００４３】
上記圧力支持部材１１が設けられる突出部２２Ｐには、圧力支持部材１１を取り囲むように設けられる排液溝２２Ｇが形成されている（図３（Ａ）参照）。この排液溝２２Ｇにより、万が一、シール溝１２７Ｇの外側に電解液が漏れたときに、その電解液が圧力支持部材１１に接触しないように逃がすことができ、電解液から保持部材１０に電力が逃げることを防止できる。
【００４４】
なお、図３とは異なり、突出部２２Ｐを形成せずに、矩形の輪郭形状を有する枠体２２の外周縁部にインサート成形で圧力支持部材１１を埋め込んでもかまわない。
【００４５】
ここで、本実施形態の構成では、セルスタック２の作製作業が容易になるという効果もある。そこで、セルスタック２の製造方法を以下に説明する。
【００４６】
図２に示すセルスタック２を作製するには、まずエンドプレート２２０に締付軸２３１とナット２３３を取り付ける。
【００４７】
次に、締付軸２３１を取り付けたエンドプレート２２０を地面に平行において、そのエンドプレート２２０上に、積層体を積み重ねる。その際、積層体に含まれるセルフレーム２０には、筒状の圧力支持部材１１が設けられているので、その筒内に締付軸２３１が挿通されるようにする。そうすることで、エンドプレート２２０に対する積層体の位置決めを容易に行うことができる。積層体は、エンドプレート２２０上に、セルフレーム２０、電極１０４，１０５、イオン交換膜１０１を一枚ずつ積み重ねていくことで行っても良いし、所定数のセルフレーム２０や電極１０４，１０５、イオン交換膜１０１を積層した積層体をエンドプレート２２０上に載せることを繰り返すことで行っても良い。
【００４８】
次に、エンドプレート２２０上に配置した積層体の上に、エンドプレート２１０を配置して、締付軸２３１の端部にナット２３２を取り付ける。このとき、ナット２３２とエンドプレート２１０との間に圧縮バネ２３４を配置しておく。そして、２枚のエンドプレート２１０，２２０が、圧力支持部材１１の集合体である保持部材１０に当て止めされるまでナット２３２を締め込み、エンドプレート２１０，２２０間の積層体を圧縮する。
【００４９】
以上説明したように、本実施形態２のセルスタック２であれば、エンドプレート２１０に積層体を配置すると同時にエンドプレート２１０に対する積層体の位置決めを行うことができる。また、セルスタック２を組み立てる際に、積層体の各構成の位置がズレ難いという利点もある。
【００５０】
＜変形実施形態＞
実施形態１の変形実施形態として、圧力支持部材を枠体に対して着脱自在にした構成を図３（Ｃ）を参照しつつ説明する。
【００５１】
図３（Ｃ）に示すように、本実施形態の圧力支持部材１２は、その軸方向の一端側にのみ、圧力支持部材１２の軸方向と直交する方向に延びる環状のフランジ１２Ｆを備える。また、枠体２２の突起部２２Ｐには、圧力支持部材１２のフランジ１２Ｆの外周形状に一致する内周形状を備える大径部と、フランジ１２Ｆ以外の部分の外周形状に一致する内周形状を備える小径部とからなる嵌合孔が形成されている。この構成によれば、嵌合孔に圧力支持部材１２を容易に嵌め込むことができるし、枠体２２に嵌め込んだ圧力支持部材１２の端面と枠体２２の面を面一にすることができる。なお、圧力支持部材１２のフランジ１２Ｆが鉛直上方に向いている限り、枠体２２から圧力支持部材１２が容易に抜け落ちることがないため、セルスタックの組立の際は、フランジ１２Ｆを上方に向けておくと良い。
【００５２】
＜実施形態３＞
実施形態３では、セルフレーム２０に柱状の圧力支持部材１３を設けたセルスタック３を、図４に基づいて説明する。
【００５３】
このセルスタック３では、図３を参照して説明したセルフレーム２０の突出部２２Ｐに柱状の圧力支持部材１３が埋設されている。柱状といった中実の圧力支持部材１３とすることで、筒状の圧力支持部材よりも積層体を圧縮する面圧を長期に亘ってより確実に受けることができる。
【００５４】
なお、本実施形態のセルスタック３では、圧力支持部材１３を柱状とすることにより、圧力支持部材１３に締付軸２３１を貫通させることができない。そのため、このセルスタック３では、締付軸２３１はセルフレーム２０の外周側に配置されている。
【００５５】
＜実施形態４＞
実施形態４では、既存のセルフレーム２０´に、図３（Ｃ）を用いて説明した変形実施形態の圧力支持部材１２を設けたセルスタックを、図５を参照しつつ説明する。
【００５６】
このセルスタックでは、既存のセルフレーム２０´の外周縁部に嵌合孔を形成し、その嵌合孔に圧力支持部材１２を嵌め込む。圧力支持部材１２は既に述べたように、その軸方向の一端側にのみ、環状のフランジ１２Ｆを備え、この圧力支持部材１２が嵌め込まれる嵌合孔は、圧力支持部材１２のフランジ１２Ｆの外周形状に一致する大径部と、フランジ１２Ｆ以外の部分の外周形状に一致する小径部とを備える。
【００５７】
以上説明した構成によれば、既存のセルフレーム２０´であっても、圧力支持部材１２を追加するだけで、セルフレーム２０´のクリープ変形を効果的に抑制することができる。
【００５８】
なお、本実施形態の場合も、圧力支持部材１２を取り囲むように排液溝を形成し、シール溝１２７Ｇの外側に電解液が漏れたときに、その電解液が圧力支持部材１１に接触しないように逃がすようにしても良い。
【００５９】
本発明の実施形態は、上述した実施形態に限定されるわけではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、適宜変更することができる。例えば、実施形態３において、図１を参照して説明した実施形態１の保持部材１０を追加しても良い。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明セルスタック、セルフレームは、蓄電システムに利用されるレドックスフロー電池に好適に利用可能である。
【符号の説明】
【００６１】
１，２，３ セルスタック
１０ 保持部材
１１，１２，１３ 圧力支持部材 １１Ｆ，１２Ｆ フランジ
２０，２０´ セルフレーム
２１ 双極板
２２ 枠体 ２２Ｐ 突出部 ２２Ｇ 排液溝
１２３，１２４ 給液用マニホールド
１２５，１２６ 排液用マニホールド
１２３Ｇ，１２５Ｇ 液溝
１２４Ｇ，１２６Ｇ 環状溝
１２７ シール部材 １２７Ｇ シール溝
２３０ 締付機構
２３１ 締付軸 ２３２，２３３ ナット ２３４ 圧縮バネ
２１０，２２０ エンドプレート
１００ セル
１０１ イオン交換膜
１０２ 正極セル
１０４ 正極電極
１０６ 正極電解液用タンク １０８，１１０ 導管 １１２ ポンプ
１０３ 負極セル
１０５ 負極電極
１０７ 負極電解液用タンク １０９，１１１ 導管 １１３ ポンプ
１２０ セルフレーム
１２１ 双極板
１２２ 枠体
２００ 従来のセルスタック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜とを複数積層した積層体を、その両側から２枚のエンドプレートで挟み込み、締付軸とナットを備える締付機構により締め付けることで構成されてなるセルスタックであって、
前記セルフレームは、枠体と、枠体に一体化された双極板と、枠体に設けられ、枠体の中央側に電解液を閉じ込める環状のシール部材と、を備えており、
枠体におけるシール部材よりも外側の位置で、２枚のエンドプレートに挟まれることで両エンドプレート間の間隔を保持する保持部材を備え、
保持部材は、セルフレームよりも耐クリープ性に優れ、かつ積層されるセルフレームの合計厚さにほぼ等しい長さを有することを特徴とするセルスタック。
【請求項２】
前記保持部材は筒状に形成されており、その筒内部に締付機構の締付軸が貫通していることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック。
【請求項３】
前記保持部材は、各セルフレームの枠体に個別に設けられる圧力支持部材が直列に繋がることで形成されており、
圧力支持部材は、枠体の厚さにほぼ等しい長さを有し、前記締付機構の締め付けによって生じる圧力であって、積層される各セルフレームをその厚さ方向に圧縮する圧力を支持することを特徴とする請求項１または２に記載のセルスタック。
【請求項４】
前記圧力支持部材は枠体に対して着脱自在に構成され、かつ、
圧力支持部材の一端に、圧力支持部材の軸方向と直交する方向に伸びるフランジが形成されていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック。
【請求項５】
前記圧力支持部材は、セルフレームに設けられる金属製の部材であり、
前記枠体は、圧力支持部材の周縁を取り囲むように形成される排液溝を備え、
シール部材から外側に電解液が漏れ出したときに、漏れ出した電解液が圧力支持部材に接触し難くなるように電解液を排液溝に逃がすように構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のセルスタック。
【請求項６】
枠体と、枠体に一体化された双極板と、枠体の中央側に電解液を閉じ込めるシール部材が嵌め込まれるシール溝と、を備え、
正極電極、負極電極、およびイオン交換膜と共に積層されることでセルスタックを構成するセルフレームであって、
枠体におけるシール溝よりも外側に配置され、セルフレームをその厚さ方向に圧縮する圧力を支持する圧力支持部材を備え、
その圧力支持部材は、枠体の厚さにほぼ等しい長さを有することを特徴とするセルフレーム。
【請求項７】
前記圧力支持部材は、その軸方向の一端側に圧力支持部材の軸方向と直交する方向に伸びるフランジを有し、枠体に対して着脱自在に構成されていることを特徴とする請求項６に記載のセルフレーム。
【請求項８】
前記圧力支持部材は、筒状に形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載のセルフレーム。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセルスタックと、
セルスタックに正極用電解液を循環させる正極用循環機構と、
セルスタックに負極用電解液を循環させる負極用循環機構と、
を備えることを特徴とするレドックスフロー電池。
【請求項１０】
セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜とを複数積層した積層体を、その両側から２枚のエンドプレートで挟み込み、締付軸とナットを備える締付機構により締め付けることで構成されてなるセルスタックを製造するためのセルスタックの製造方法であって、
一方のエンドプレートに締付軸を取り付けた状態とする工程Ａと、
当該エンドプレート上に、請求項８に記載のセルフレームを含む積層体を配置する工程Ｂと、
当該積層体上に、他方のエンドプレートを配置して、締付軸をナット締めする工程Ｃと、を備え、
工程Ｂで、セルフレームに備わる圧力支持部材の筒内部に締付軸を挿通することを特徴とするセルスタックの製造方法。
【請求項１】
セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜とを複数積層した積層体を、その両側から２枚のエンドプレートで挟み込み、締付軸とナットを備える締付機構により締め付けることで構成されてなるセルスタックであって、
前記セルフレームは、枠体と、枠体に一体化された双極板と、枠体に設けられ、枠体の中央側に電解液を閉じ込める環状のシール部材と、を備えており、
枠体におけるシール部材よりも外側の位置で、２枚のエンドプレートに挟まれることで両エンドプレート間の間隔を保持する保持部材を備え、
保持部材は、セルフレームよりも耐クリープ性に優れ、かつ積層されるセルフレームの合計厚さにほぼ等しい長さを有することを特徴とするセルスタック。
【請求項２】
前記保持部材は筒状に形成されており、その筒内部に締付機構の締付軸が貫通していることを特徴とする請求項１に記載のセルスタック。
【請求項３】
前記保持部材は、各セルフレームの枠体に個別に設けられる圧力支持部材が直列に繋がることで形成されており、
圧力支持部材は、枠体の厚さにほぼ等しい長さを有し、前記締付機構の締め付けによって生じる圧力であって、積層される各セルフレームをその厚さ方向に圧縮する圧力を支持することを特徴とする請求項１または２に記載のセルスタック。
【請求項４】
前記圧力支持部材は枠体に対して着脱自在に構成され、かつ、
圧力支持部材の一端に、圧力支持部材の軸方向と直交する方向に伸びるフランジが形成されていることを特徴とする請求項３に記載のセルスタック。
【請求項５】
前記圧力支持部材は、セルフレームに設けられる金属製の部材であり、
前記枠体は、圧力支持部材の周縁を取り囲むように形成される排液溝を備え、
シール部材から外側に電解液が漏れ出したときに、漏れ出した電解液が圧力支持部材に接触し難くなるように電解液を排液溝に逃がすように構成されていることを特徴とする請求項３または４に記載のセルスタック。
【請求項６】
枠体と、枠体に一体化された双極板と、枠体の中央側に電解液を閉じ込めるシール部材が嵌め込まれるシール溝と、を備え、
正極電極、負極電極、およびイオン交換膜と共に積層されることでセルスタックを構成するセルフレームであって、
枠体におけるシール溝よりも外側に配置され、セルフレームをその厚さ方向に圧縮する圧力を支持する圧力支持部材を備え、
その圧力支持部材は、枠体の厚さにほぼ等しい長さを有することを特徴とするセルフレーム。
【請求項７】
前記圧力支持部材は、その軸方向の一端側に圧力支持部材の軸方向と直交する方向に伸びるフランジを有し、枠体に対して着脱自在に構成されていることを特徴とする請求項６に記載のセルフレーム。
【請求項８】
前記圧力支持部材は、筒状に形成されていることを特徴とする請求項６または７に記載のセルフレーム。
【請求項９】
請求項１〜５のいずれか一項に記載のセルスタックと、
セルスタックに正極用電解液を循環させる正極用循環機構と、
セルスタックに負極用電解液を循環させる負極用循環機構と、
を備えることを特徴とするレドックスフロー電池。
【請求項１０】
セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜とを複数積層した積層体を、その両側から２枚のエンドプレートで挟み込み、締付軸とナットを備える締付機構により締め付けることで構成されてなるセルスタックを製造するためのセルスタックの製造方法であって、
一方のエンドプレートに締付軸を取り付けた状態とする工程Ａと、
当該エンドプレート上に、請求項８に記載のセルフレームを含む積層体を配置する工程Ｂと、
当該積層体上に、他方のエンドプレートを配置して、締付軸をナット締めする工程Ｃと、を備え、
工程Ｂで、セルフレームに備わる圧力支持部材の筒内部に締付軸を挿通することを特徴とするセルスタックの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−９９３６８（Ｐ２０１２−９９３６８Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４６７７０（Ｐ２０１０−２４６７７０）
【出願日】平成２２年１１月２日（２０１０．１１．２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月２日（２０１０．１１．２）
【出願人】（０００００２１３０）住友電気工業株式会社 (12,747)
【Ｆターム（参考）】
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