セルフレーム、セルスタック、およびレドックスフロー電池
【課題】セル内の部材に作用する正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を調整することができるセルフレームを提供する。
【解決手段】セルフレーム１に備わる枠体１２２は、正極電解液の流路となる正極電解液用流路８Ａと、負極電解液の流路となる負極電解液用流路９Ａとを有する。正極電解液用流路８Ａは、正極側入口スリット２３Ａおよび正極側出口スリット２５Ａからなる。負極電解液用流路９Ａは、負極側入口スリット２４Ａおよび負極側出口スリット２６Ａからなる。これら正極電解液用流路８Ａの構造と負極電解液用流路９Ａの構造とを異ならせる。異ならせる構造としては、スリット長、断面形状、断面積などを挙げることができる。
【解決手段】セルフレーム１に備わる枠体１２２は、正極電解液の流路となる正極電解液用流路８Ａと、負極電解液の流路となる負極電解液用流路９Ａとを有する。正極電解液用流路８Ａは、正極側入口スリット２３Ａおよび正極側出口スリット２５Ａからなる。負極電解液用流路９Ａは、負極側入口スリット２４Ａおよび負極側出口スリット２６Ａからなる。これら正極電解液用流路８Ａの構造と負極電解液用流路９Ａの構造とを異ならせる。異ならせる構造としては、スリット長、断面形状、断面積などを挙げることができる。
【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フレーム、そのセルフレームを利用したセルスタック、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に、当該イオンとしてバナジウムイオンを用いたＲＦ電池３００の動作原理図を示す。
【０００３】
図６に示すように、ＲＦ電池３００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。
【０００４】
上記ＲＦ電池３００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を積層し、その積層体を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形成されている。
【０００５】
上記構造のセルスタック２００では、隣接するセルフレーム１２０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に形成される正極用給液マニホールド１２３、負極用給液マニホールド１２４、正極用排液マニホールド１２５、および負極用排液マニホールド１２６により行われる。具体的には、正極用電解液は、正極用給液マニホールド１２３から枠体１２２の一面側（紙面表側）に形成されるスリットを介して正極電極１０４に供給され、枠体１２２の上部に形成されるスリットを介して正極用排液マニホールド１２５に排出される。同様に、負極用電解液は、負極用給液マニホールド１２４から枠体１２２の他面側（紙面裏側）に形成されるスリットを介して負極電極１０５に供給され、枠体１２２の上部に形成されるスリットを介して負極用排液マニホールド１２６に排出される。なお、各セルフレーム１２０間にはＯリングや平パッキンなどの環状のシール部材１２７が配置され、セルフレーム１２０間から電解液が漏れないようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３７３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＲＦ電池３００では、セルフレーム１２０に設けられる正負電解液の流路構造（マニホールドと双極板とを繋ぐスリットの長さ、断面形状、断面積など）が同じであり、そのことがＲＦ電池３００の運用上、問題となる場合がある。
【０００８】
ＲＦ電池３００では、大抵の場合、正極電解液の粘度と負極電解液の粘度とが異なる。そのため、正極電解液の流路構造と負極電解液の流路構造が同じであると、粘度の差異によってセル内のイオン交換膜１０１、双極板１２１などに偏った圧力が作用して、これらの部材１０１，１２１が損傷する恐れがある。既に図７を参照して説明したように、ＲＦ電池３００の双極板１２１とイオン交換膜１０１はその一面側に正極電解液が流通し、他面側に負極電解液が流通する。仮に負極電解液の方が正極電解液よりも高粘度であると、双極板１２１やイオン交換膜１０１に作用する負極電解液の圧力が正極電解液の圧力よりも高くなり、双極板１２１やイオン交換膜１０１が損傷する恐れがある。
【０００９】
なお、ＲＦ電池３００の運用上、敢えて正極側と負極側とで圧力差を設けたい場合もある。しかし、その場合も単に圧力差を設ければ良いというわけではなく、所望の圧力差というものが存在する。これに対して、従来の正極側と負極側で同じ構造を持つ流路では、当該圧力差は両電解液の粘度に大きく依存するため、電解液を送り出すポンプの出力を調整しても、所望の圧力差を達成することができない場合がある。
【００１０】
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、セル内の部材に作用する正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を調整することができるセルフレームを提供することにある。また、本発明の別の目的は、本発明セルフレームを用いたセルスタック、並びにそのセルスタックを用いたレドックスフロー電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明セルフレームは、枠体とその枠体に一体化された双極板とを備え、当該枠体は、枠体に貫通して設けられるマニホールドと、枠体の一面側に設けられる正極電解液用流路と、枠体の他面側に設けられる負極電解液用流路と、を有するセルフレームであって、正極電解液用流路の構造と、負極電解液用流路の構造と、が異なることを特徴とする。
【００１２】
ここで、上記マニホールドには、正極電解液が流通する正極用給液マニホールドおよび正極用排液マニホールドと、負極電解液が流通する負極用給液マニホールドおよび負極用排液マニホールドと、がある。また、正極電解液用流路は、正極用給液マニホールドから双極板の一面側に配される正極電極に正極電解液を導入する正極側入口スリット、および正極電極から正極用排液マニホールドに正極電解液を排出する正極側出口スリットからなる。負極電解液用流路は、負極用給液マニホールドから双極板の他面側に配される負極電極に負極電解液を導入する負極側入口スリット、および負極電極から負極用排液マニホールドに負極電解液を排出する負極側出口スリットからなる。
【００１３】
また、本発明セルスタックは、セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜と、を複数積層してなるセルスタックであって、本発明セルフレームを含むことを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明レドックスフロー電池は、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、を備えるレドックスフロー電池であって、当該セルスタックは、本発明セルスタックであることを特徴とする。なお、循環機構は、電解液を貯留するタンクと、タンクからセルに電解液を送り出す導管と、セルからタンクに電解液を戻す導管と、電解液を循環させるポンプと、を備える。
【００１５】
上記本発明の構成に示すように、正極側の電解液の流路を構成する正極電解液用流路の構造と、負極側の電解液の流路を構成する負極電解液用流路の構造とを異ならせることで、各スリットを通過する各電解液の圧力損失を異ならせることができる。この圧力損失をどの程度とするかによって、双極板の位置（電極配置箇所）での正極電解液による圧力と負極電解液による圧力の圧力差を容易に調整することができる。例えば、正極電解液の粘度と負極電解液の粘度とが異なる場合に、当該圧力差を小さくすることができる。場合によっては、圧力差を殆ど無くすことができる。また、正負極間の圧力差を容易に調整できるため、敢えて正負極間に圧力差を形成する場合に、その圧力差を所望の値にすることも容易にできる。
【００１６】
以下、本発明セルフレームの構成をより詳細に説明する。
【００１７】
本発明セルフレームにより、双極板の位置において、粘度の異なる正極電解液の圧力と負極電解液の圧力を同じにしたいのであれば、粘度が高い方の電解液の圧力損失を小さくする、あるいは粘度が低い方の電解液の圧力損失を大きくする、のいずれかを選択すると良い。セルを構成する部材への負担を考慮すれば、前者の構成が好ましい。
【００１８】
本発明セルフレームにおいて、正極電解液用流路の構造と負極電解液用流路の構造の異ならせる場合、以下に示すように、流路を構成する出口スリットの構造のみを異ならせても良いし、入口スリットの構造のみを異ならせても良いし、両スリットの構造を異ならせても良い。
（１）出口スリットのみの構造を変える
正極側入口スリットの構造＝負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造≠負極側出口スリットの構造
（２）入口スリットのみの構造を変える
正極側入口スリットの構造≠負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造＝負極側出口スリットの構造
（３）入口スリットと出口スリットの両方の構造を変える
正極側入口スリットの構造≠負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造≠負極側出口スリットの構造
【００１９】
入口スリットと出口スリットからなる流路の構造の具体的な異ならせ方としては、代表的に次の４つを挙げることができる。
（Ａ）各電解液用流路のスリット長を異ならせる
（Ｂ）各電解液用流路の少なくとも一部の断面形状を異ならせる
（Ｃ）各電解液用流路の少なくとも一部の断面積を異ならせる
（Ｄ）各電解液用流路を構成するスリットの本数を異ならせる
なお、これら（Ａ）〜（Ｄ）は組み合わせて行なうことができる。
【００２０】
上記（Ａ）に記載のように各電解液用流路のスリット長（即ち、入口スリットと出口スリットの合計長さ）を異ならせる場合、スリット長を長くするほど、電解液の圧力損失が大きくなる。例えば、正極電解液による圧力を高くしたい場合、正極電解液用流路のスリット長を負極電解液用流路のスリット長よりも長くする。反対に、正極電解液による圧力を低くしたい場合、正極電解液用流路のスリット長を負極電解液用流路のスリット長よりも短くする。
【００２１】
なお、後述する（Ｄ）に示すように、入口スリットや出口スリットを複数本とする場合、複数本のスリットと等価な圧力損失をもたらす１本の等価スリットを求め、正負のスリット長の長短を判断すると良い（等価スリットの断面積・断面形状は一定とする）。例えば、正負共に３本の入口スリットと２本の出口スリットを持つ場合、まず正極側の３本の入口スリットと等価な圧力損失をもたらす１本の等価スリットを計算により求め、２本の出口スリットと等価な圧力損失をもたらす１本の等価スリットを計算により求める。これら入口側の等価スリットと出口側の等価スリットの合計長さを正極電解液用流路のスリット長と考える。次いで、負極側についても、正極側の等価スリットと同じ断面積・断面形状となる等価スリット（つまり、長さ以外の条件が正極側と同じ等価スリット）を計算により求め、負極電解液用流路のスリット長を求める。そして、正負で等価スリットのスリット長を比較する。
【００２２】
上記（Ｂ）に記載のように各電解液用流路の少なくとも一部の断面形状を異ならせる場合、断面形状を複雑にするほど、圧力損失が大きくなる。例えば、半円状断面のスリットと、矩形などの多角形状断面のスリットとを比較すれば、後者の圧力損失の方が前者よりも大きくなる。
【００２３】
上記（Ｃ）に記載のように各電解液用流路の少なくとも一部の断面積を異ならせる場合、断面積を小さくするほど、圧力損失が大きくなる。但し、次に説明する（Ｄ）と組み合わせた場合、その限りではない。
【００２４】
上記（Ｄ）に記載のように各電解液用流路を構成するスリットの本数を異ならせる場合、正極側と負極側でスリットの合計断面積が等しければ、スリットの本数が多い電解液用流路の圧力損失の方が、他方の電解液用流路の圧力損失よりも大きくなる。スリットの本数が多いほど、電解液に接触するスリットの面積が大きくなるからである。なお、正極側と負極側とでスリットの合計断面積が異なる場合、一概にスリットの本数が多くなるほど圧力損失が大きくなるとは限らない。
【００２５】
ここで、上記（Ａ）〜（Ｄ）に記載のように正極電解液用流路の構造と負極電解液用流路の構造とを異ならせるにあたり、正極電解液用流路（負極電解液用流路）を構成する入口スリットの構造と出口スリットの構造を同じにする必要はない。つまり、正極電解液用流路と負極電解液用流路の各々において、入口スリットと出口スリットの構造を異ならせても良い。例えば、シャントカレントによる発熱によって電解液の温度が上昇し、電解液の成分が析出することがある。充電時におけるシャントカレントを抑制する場合、入口スリットより出口スリットを長くすると良い。
【００２６】
以上説明した（１）〜（３）、（Ａ）〜（Ｄ）を適宜組み合わせて、各電解液の圧力損失を調節することができる。その中でも特に、正極側入口スリットの構造と負極側出口スリットの構造とを同じとし、正極側出口スリットの構造と負極側入口スリットの構造とを同じとすると、後述する実施形態４に示すように、双極板の位置での正極電解液の圧力と負極電解液の圧力を異ならせつつ、マニホールドの位置での正極側の圧力損失と負極側の圧力損失を同じにすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明セルフレームによれば、セルスタックに組み上げてレドックスフロー電池としたときに、正極電解液と負極電解液の粘度に関わらず、正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との相対的なバランスを所望の値に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に示すセルフレームの概略正面図である。
【図２】実施形態２に示すセルフレームの概略正面図である。
【図３】実施形態３に示すセルフレームの概略正面図である。
【図４】実施形態４示すセルフレームの概略正面図である。
【図５】実施形態４に示すセルフレームを使用したときの入口スリットから出口スリットまでの間における正極電解液の圧力損失と負極電解液の圧力損失の関係を示すグラフである。
【図６】レドックスフロー電池の動作原理図である。
【図７】セルスタックの概略構成図である。
【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電池に備わるセルフレームに特徴があり、それ以外の構成は、図６，７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、即ち従来のセルフレーム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６，７と同一の符号を付してその説明を省略する。なお、以下に説明する実施形態１〜３（実施形態４を除く）では、負極電解液の方が正極電解液よりも高粘度であることを前提に説明を行なう。
【００３０】
＜実施形態１＞
実施形態１では、正極側と負極側とで、マニホールド１２３〜１２６と双極板１２１との間に形成される電解液の流路長（スリット長）を異ならせることで、双極板１２１の位置（電極配置箇所）における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図１に基づいて説明する。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態のセルフレーム１は、その表面側に正極電解液を流通させる正極電解液用流路８Ａと、その裏面側に負極電解液を流通させる負極電解液用流路９Ａとを備える。
【００３２】
正極電解液用流路８Ａは、正極用給液マニホールド１２３から双極板１２１の表面側における左側下端に向かって円弧状に伸びる正極側入口スリット２３Ａと、双極板１２１の表面側における右側上端から正極用排液マニホールド１２５に向かって円弧状に伸びる正極側出口スリット２５Ａと、からなる。
【００３３】
一方、負極電解液用流路９Ａは、負極用給液マニホールド１２４から双極板２１の裏面側における右側下端に向かって直線状に伸びる負極側入口スリット２４Ａと、双極板２１の裏面側における左側上端から負極用排液マニホールド１２６に向かって直線状に伸びる負極側出口スリット２６Ａと、からなる。
【００３４】
以上説明した構成をまとめると次のようになる。
・正極側入口スリット２３Ａ≠負極側入口スリット２４Ａ
・正極側出口スリット２５Ａ≠負極側出口スリット２６Ａ
・正極電解液用流路８Ａのスリット長＞負極電解液用流路９Ａのスリット長
【００３５】
本実施形態では、負極電解液用流路９Ａのスリット長が正極電解液用流路８Ａのスリット長よりも短いため、負極電解液用流路９Ａにおける圧力損失を正極電解液用流路８Ａにおける圧力損失よりも小さくできる。その結果、双極板１２１の位置での負極電解液の圧力が小さくなり、当該位置での両電解液の圧力差も小さくなる。
【００３６】
＜変形実施形態１−１＞
実施形態１の構成に加えて、スリットの断面積は同じであるが、断面形状を異ならせて、さらに各流路８Ａ，９Ａにおける圧力損失を調整しても良い。例えば、正極電解液用流路８Ａの断面形状を矩形とし、負極電解液用流路９Ａの断面形状を半円形とすれば、正極電解液用流路８Ａにおける圧力損失と比較して、負極電解液用流路９Ａにおける圧力損失をさらに小さくできる。
【００３７】
なお、スリットの断面形状を異ならせる構成は、単独で適用することができるし、後述する実施形態２〜４の構成に組み合わせて適用することもできる。
【００３８】
＜実施形態２＞
実施形態２では、正極側と負極側とで流路断面積を異ならせることで、双極板１２１の位置（電極配置箇所）における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図２に基づいて説明する。
【００３９】
図２に示す本実施形態のセルフレーム２は、実施形態１と同様に、その表面側に正極電解液用流路８Ｂを備え、かつその裏面側に負極電解液用流路９Ｂとを備える。
【００４０】
正極電解液用流路８Ｂを構成する正極側入口スリット２３Ｂと正極側出口スリット２５Ｂは共に直線状とした。一方、負極電解液用流路９Ｂを構成する負極側入口スリット２４Ｂと負極側出口スリット２６Ｂも共に直線状とした。但し、負極側のスリット２４Ｂ，２６Ｂの幅を正極側のスリット２３Ｂ，２５Ｂの幅よりも大きくすることで、負極側のスリット２４Ｂ，２６Ｂの断面積を、正極側のスリット２３Ｂ，２５Ｂの断面積よりも大きくした。
【００４１】
以上説明した構成をまとめると次のようになる。
・正極側入口スリット２３Ｂ≠負極側入口スリット２４Ｂ
・正極側出口スリット２５Ｂ≠負極側出口スリット２６Ｂ
・正極側入口スリット２３Ｂの断面積＜負極側入口スリット２４Ｂの断面積
・正極側出口スリット２５Ｂの断面積＜負極側出口スリット２６Ｂの断面積
【００４２】
本実施形態では、負極電解液用流路９Ｂの断面積が正極電解液用流路８Ｂの断面積がよりも大きいため、負極電解液用流路９Ｂにおける圧力損失を正極電解液用流路８Ｂにおける圧力損失よりも小さくできる。その結果、双極板１２１の位置での負極電解液の圧力が小さくなり、当該位置での両電解液の圧力差も小さくなる。
【００４３】
なお、負極側のスリット２４Ｂ，２６Ｂの深さを正極側のスリット２３Ｂ，２５Ｂの深さよりも深くすることで、負極側のスリット２４Ｂ，２６Ｂの断面積を、正極側のスリット２３Ｂ，２５Ｂの断面積よりも大きくしても良い。もちろん、深さと幅の両方を異ならせることで、正負のスリットの断面積を異ならせても良い。
【００４４】
＜実施形態３＞
実施形態３では、正極側と負極側とでスリットの数を異ならせることで、双極板１２１の位置（電極配置箇所）における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図３に基づいて説明する。
【００４５】
この実施形態３のセルフレーム３の表面側に設けられる正極電解液用流路８Ｃは、１本の直線状に伸びる正極側入口スリット２３Ｃと、２本の円弧状に伸びる正極側入口スリット２３Ｃと、４本の円弧状に伸びる正極側出口スリット２５Ｃとからなる。一方、セルフレーム３の裏面側に設けられる負極電解液用流路９Ｃは、２本の円弧状に伸びる負極側入口スリット２４Ｃと１本の直線状に伸びる負極側出口スリット２６Ｃとからなる。なお、スリット２３Ｃ〜２６Ｃの断面形状はスリットの全長にわたって一様であり、３本の正極側入口スリット２３Ｃの合計断面積＝２本の負極側入口スリット２４Ｃの合計断面積、４本の正極側出口スリット２５Ｃの合計断面積＝１本の負極側出口スリット２６Ｃの断面積である。
【００４６】
以上説明した構成をまとめると次のようになる。
・正極側入口スリット２３Ｃ≠負極側入口スリット２４Ｃ
・正極側出口スリット２５Ｃ≠負極側出口スリット２６Ｃ
・正極側入口スリット２３Ｃの本数＞負極側入口スリット２４Ｃの本数
・正極側出口スリット２５Ｃの本数＞負極側出口スリット２６Ｃの本数
・正極電解液用流路８Ｃのスリット長（等価スリットの長さ）＞負極電解液用流路９Ｃのスリット長（等価スリットの長さ）
【００４７】
本実施形態では、負極電解液用流路９Ｃを構成するスリットの本数が正極電解液用流路８Ｃを構成するスリットの本数よりも少ないため、負極電解液用流路９Ｃにおける圧力損失を正極電解液用流路８Ｃにおける圧力損失よりも小さくできる。その結果、双極板１２１の位置での負極電解液の圧力が小さくなり、当該位置での両電解液の圧力差も小さくなる。加えて、負極電解液用流路９Ｃのスリット長が正極電解液用流路８Ｃのスリット長よりも短いため、その分だけ、負極電解液用流路９Ｃにおける圧力損失を正極電解液用流路８Ｃにおける圧力損失よりも小さくできる。
【００４８】
＜実施形態４＞
実施形態４では、正極電解液の粘度と負極電解液の粘度とが殆ど同じである場合に、双極板１２１の位置で敢えて正極電解液の圧力と負極電解液の圧力とに差を生じさせるための構成を図４に基づいて説明する。
【００４９】
この実施形態４では、セルフレーム４において、正極側入口スリット２３Ｄの構造＝負極側出口スリット２６Ｄの構造＝２本の円弧状に伸びるスリット、負極側入口スリット２４Ｄの構造＝正極側出口スリット２５Ｄ＝１本の直線状に伸びるスリットとした。この場合も、図４を参照すれば明らかなように、正極電解液用流路８Ｄと負極電解液用流路９Ｄの構造は異なっている。
【００５０】
以上説明したスリットを備えるセルフレーム４に粘度が同じ正負電解液を流通させた場合の入口スリットから出口スリットまでの間における正極電解液の圧力損失と負極電解液の圧力損失の関係を図５にグラフで示す。グラフの横軸は入口スリットの始端から出口スリットの終端までの位置を、縦軸は各位置での圧力損失の大きさを示す。また、グラフの実線は負極電解液の圧力損失を、点線は正極電解液の圧力損失を示す。なお、圧力損失は、電解液の粘度と各スリットの形状に基づいて計算により求めた。
【００５１】
図５のグラフに示すように、入口スリットの始端（即ち、図４の給液マニホールド１２３，１２４の位置）では正負共に電解液の圧力損失は同じであるが、入口スリットの終端（即ち、図４の双極板１２１に連絡する位置）では正極電解液の圧力損失が負極電解液の圧力損失よりも大きくなっている。この圧力損失差は、正極側入口スリット２３Ｄと負極側入口スリット２４Ｄの構造の相違によって生じる（図４参照）。
【００５２】
次に、双極板１２１（図４参照）の位置では正負の入口スリットにより形成された圧力損失の差が維持され、そして出口スリットを経るに従って正極電解液の圧力損失と負極電解液の圧力損失との差が小さくなる（グラフ上はほぼ同じ圧力損失となる）。これは、負極側出口スリット２６Ｄと正極側出口スリット２５Ｄの構造の相違（図４参照）によって、負極電解液の圧力損失が正極電解液の圧力損失よりも大きくなるからである。
【００５３】
以上説明した構成によれば、正負の電解液の粘度がほぼ同じであっても、双極板１２１の位置で正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との間に所望の圧力差を形成することができる。
【００５４】
また、例えば、本構成であれば、正負の入口スリットの始端の位置（即ち、正負の給液マニホールドの位置）における正負の電解液の圧力を同じにでき、かつ正負の出口スリットの終端の位置（即ち、正負の排液マニホールドの位置）における正負の電解液の圧力を同じにできる。
【００５５】
本発明は、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、適宜変更して実施することができる。例えば、電解液に用いるイオンは、バナジウムイオンに限定されるわけではなく、正極電解液にＦｅイオン、負極電解液にＣｒイオンを用いる鉄−クロム系レドックスフロー電池であっても良い。その他、正極電解液にＭｎイオン、負極電解液にＴｉイオンを用いるマンガン−チタン系レドックスフロー電池とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明セルフレーム、セルスタックは、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】
【００５７】
１，２，３，４ セルフレーム
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 正極電解液用流路
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ 正極側入口スリット
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ 正極側出口スリット
９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ 負極電解液用流路
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ 負極側入口スリット
２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄ 負極側出口スリット
１２１ 双極板
１２２ 枠体
１２３ 正極用給液マニホールド １２５ 正極用排液マニホールド
１２４ 負極用給液マニホールド １２６ 負極用排液マニホールド
１２７ シール部材
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
２００ セルスタック
２１０，２２０ エンドプレート
３００ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
【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フレーム、そのセルフレームを利用したセルスタック、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に、当該イオンとしてバナジウムイオンを用いたＲＦ電池３００の動作原理図を示す。
【０００３】
図６に示すように、ＲＦ電池３００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。
【０００４】
上記ＲＦ電池３００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を積層し、その積層体を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形成されている。
【０００５】
上記構造のセルスタック２００では、隣接するセルフレーム１２０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に形成される正極用給液マニホールド１２３、負極用給液マニホールド１２４、正極用排液マニホールド１２５、および負極用排液マニホールド１２６により行われる。具体的には、正極用電解液は、正極用給液マニホールド１２３から枠体１２２の一面側（紙面表側）に形成されるスリットを介して正極電極１０４に供給され、枠体１２２の上部に形成されるスリットを介して正極用排液マニホールド１２５に排出される。同様に、負極用電解液は、負極用給液マニホールド１２４から枠体１２２の他面側（紙面裏側）に形成されるスリットを介して負極電極１０５に供給され、枠体１２２の上部に形成されるスリットを介して負極用排液マニホールド１２６に排出される。なお、各セルフレーム１２０間にはＯリングや平パッキンなどの環状のシール部材１２７が配置され、セルフレーム１２０間から電解液が漏れないようになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２３７３２３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来のＲＦ電池３００では、セルフレーム１２０に設けられる正負電解液の流路構造（マニホールドと双極板とを繋ぐスリットの長さ、断面形状、断面積など）が同じであり、そのことがＲＦ電池３００の運用上、問題となる場合がある。
【０００８】
ＲＦ電池３００では、大抵の場合、正極電解液の粘度と負極電解液の粘度とが異なる。そのため、正極電解液の流路構造と負極電解液の流路構造が同じであると、粘度の差異によってセル内のイオン交換膜１０１、双極板１２１などに偏った圧力が作用して、これらの部材１０１，１２１が損傷する恐れがある。既に図７を参照して説明したように、ＲＦ電池３００の双極板１２１とイオン交換膜１０１はその一面側に正極電解液が流通し、他面側に負極電解液が流通する。仮に負極電解液の方が正極電解液よりも高粘度であると、双極板１２１やイオン交換膜１０１に作用する負極電解液の圧力が正極電解液の圧力よりも高くなり、双極板１２１やイオン交換膜１０１が損傷する恐れがある。
【０００９】
なお、ＲＦ電池３００の運用上、敢えて正極側と負極側とで圧力差を設けたい場合もある。しかし、その場合も単に圧力差を設ければ良いというわけではなく、所望の圧力差というものが存在する。これに対して、従来の正極側と負極側で同じ構造を持つ流路では、当該圧力差は両電解液の粘度に大きく依存するため、電解液を送り出すポンプの出力を調整しても、所望の圧力差を達成することができない場合がある。
【００１０】
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、セル内の部材に作用する正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を調整することができるセルフレームを提供することにある。また、本発明の別の目的は、本発明セルフレームを用いたセルスタック、並びにそのセルスタックを用いたレドックスフロー電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明セルフレームは、枠体とその枠体に一体化された双極板とを備え、当該枠体は、枠体に貫通して設けられるマニホールドと、枠体の一面側に設けられる正極電解液用流路と、枠体の他面側に設けられる負極電解液用流路と、を有するセルフレームであって、正極電解液用流路の構造と、負極電解液用流路の構造と、が異なることを特徴とする。
【００１２】
ここで、上記マニホールドには、正極電解液が流通する正極用給液マニホールドおよび正極用排液マニホールドと、負極電解液が流通する負極用給液マニホールドおよび負極用排液マニホールドと、がある。また、正極電解液用流路は、正極用給液マニホールドから双極板の一面側に配される正極電極に正極電解液を導入する正極側入口スリット、および正極電極から正極用排液マニホールドに正極電解液を排出する正極側出口スリットからなる。負極電解液用流路は、負極用給液マニホールドから双極板の他面側に配される負極電極に負極電解液を導入する負極側入口スリット、および負極電極から負極用排液マニホールドに負極電解液を排出する負極側出口スリットからなる。
【００１３】
また、本発明セルスタックは、セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜と、を複数積層してなるセルスタックであって、本発明セルフレームを含むことを特徴とする。
【００１４】
さらに、本発明レドックスフロー電池は、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、を備えるレドックスフロー電池であって、当該セルスタックは、本発明セルスタックであることを特徴とする。なお、循環機構は、電解液を貯留するタンクと、タンクからセルに電解液を送り出す導管と、セルからタンクに電解液を戻す導管と、電解液を循環させるポンプと、を備える。
【００１５】
上記本発明の構成に示すように、正極側の電解液の流路を構成する正極電解液用流路の構造と、負極側の電解液の流路を構成する負極電解液用流路の構造とを異ならせることで、各スリットを通過する各電解液の圧力損失を異ならせることができる。この圧力損失をどの程度とするかによって、双極板の位置（電極配置箇所）での正極電解液による圧力と負極電解液による圧力の圧力差を容易に調整することができる。例えば、正極電解液の粘度と負極電解液の粘度とが異なる場合に、当該圧力差を小さくすることができる。場合によっては、圧力差を殆ど無くすことができる。また、正負極間の圧力差を容易に調整できるため、敢えて正負極間に圧力差を形成する場合に、その圧力差を所望の値にすることも容易にできる。
【００１６】
以下、本発明セルフレームの構成をより詳細に説明する。
【００１７】
本発明セルフレームにより、双極板の位置において、粘度の異なる正極電解液の圧力と負極電解液の圧力を同じにしたいのであれば、粘度が高い方の電解液の圧力損失を小さくする、あるいは粘度が低い方の電解液の圧力損失を大きくする、のいずれかを選択すると良い。セルを構成する部材への負担を考慮すれば、前者の構成が好ましい。
【００１８】
本発明セルフレームにおいて、正極電解液用流路の構造と負極電解液用流路の構造の異ならせる場合、以下に示すように、流路を構成する出口スリットの構造のみを異ならせても良いし、入口スリットの構造のみを異ならせても良いし、両スリットの構造を異ならせても良い。
（１）出口スリットのみの構造を変える
正極側入口スリットの構造＝負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造≠負極側出口スリットの構造
（２）入口スリットのみの構造を変える
正極側入口スリットの構造≠負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造＝負極側出口スリットの構造
（３）入口スリットと出口スリットの両方の構造を変える
正極側入口スリットの構造≠負極側入口スリットの構造
正極側出口スリットの構造≠負極側出口スリットの構造
【００１９】
入口スリットと出口スリットからなる流路の構造の具体的な異ならせ方としては、代表的に次の４つを挙げることができる。
（Ａ）各電解液用流路のスリット長を異ならせる
（Ｂ）各電解液用流路の少なくとも一部の断面形状を異ならせる
（Ｃ）各電解液用流路の少なくとも一部の断面積を異ならせる
（Ｄ）各電解液用流路を構成するスリットの本数を異ならせる
なお、これら（Ａ）〜（Ｄ）は組み合わせて行なうことができる。
【００２０】
上記（Ａ）に記載のように各電解液用流路のスリット長（即ち、入口スリットと出口スリットの合計長さ）を異ならせる場合、スリット長を長くするほど、電解液の圧力損失が大きくなる。例えば、正極電解液による圧力を高くしたい場合、正極電解液用流路のスリット長を負極電解液用流路のスリット長よりも長くする。反対に、正極電解液による圧力を低くしたい場合、正極電解液用流路のスリット長を負極電解液用流路のスリット長よりも短くする。
【００２１】
なお、後述する（Ｄ）に示すように、入口スリットや出口スリットを複数本とする場合、複数本のスリットと等価な圧力損失をもたらす１本の等価スリットを求め、正負のスリット長の長短を判断すると良い（等価スリットの断面積・断面形状は一定とする）。例えば、正負共に３本の入口スリットと２本の出口スリットを持つ場合、まず正極側の３本の入口スリットと等価な圧力損失をもたらす１本の等価スリットを計算により求め、２本の出口スリットと等価な圧力損失をもたらす１本の等価スリットを計算により求める。これら入口側の等価スリットと出口側の等価スリットの合計長さを正極電解液用流路のスリット長と考える。次いで、負極側についても、正極側の等価スリットと同じ断面積・断面形状となる等価スリット（つまり、長さ以外の条件が正極側と同じ等価スリット）を計算により求め、負極電解液用流路のスリット長を求める。そして、正負で等価スリットのスリット長を比較する。
【００２２】
上記（Ｂ）に記載のように各電解液用流路の少なくとも一部の断面形状を異ならせる場合、断面形状を複雑にするほど、圧力損失が大きくなる。例えば、半円状断面のスリットと、矩形などの多角形状断面のスリットとを比較すれば、後者の圧力損失の方が前者よりも大きくなる。
【００２３】
上記（Ｃ）に記載のように各電解液用流路の少なくとも一部の断面積を異ならせる場合、断面積を小さくするほど、圧力損失が大きくなる。但し、次に説明する（Ｄ）と組み合わせた場合、その限りではない。
【００２４】
上記（Ｄ）に記載のように各電解液用流路を構成するスリットの本数を異ならせる場合、正極側と負極側でスリットの合計断面積が等しければ、スリットの本数が多い電解液用流路の圧力損失の方が、他方の電解液用流路の圧力損失よりも大きくなる。スリットの本数が多いほど、電解液に接触するスリットの面積が大きくなるからである。なお、正極側と負極側とでスリットの合計断面積が異なる場合、一概にスリットの本数が多くなるほど圧力損失が大きくなるとは限らない。
【００２５】
ここで、上記（Ａ）〜（Ｄ）に記載のように正極電解液用流路の構造と負極電解液用流路の構造とを異ならせるにあたり、正極電解液用流路（負極電解液用流路）を構成する入口スリットの構造と出口スリットの構造を同じにする必要はない。つまり、正極電解液用流路と負極電解液用流路の各々において、入口スリットと出口スリットの構造を異ならせても良い。例えば、シャントカレントによる発熱によって電解液の温度が上昇し、電解液の成分が析出することがある。充電時におけるシャントカレントを抑制する場合、入口スリットより出口スリットを長くすると良い。
【００２６】
以上説明した（１）〜（３）、（Ａ）〜（Ｄ）を適宜組み合わせて、各電解液の圧力損失を調節することができる。その中でも特に、正極側入口スリットの構造と負極側出口スリットの構造とを同じとし、正極側出口スリットの構造と負極側入口スリットの構造とを同じとすると、後述する実施形態４に示すように、双極板の位置での正極電解液の圧力と負極電解液の圧力を異ならせつつ、マニホールドの位置での正極側の圧力損失と負極側の圧力損失を同じにすることができる。
【発明の効果】
【００２７】
本発明セルフレームによれば、セルスタックに組み上げてレドックスフロー電池としたときに、正極電解液と負極電解液の粘度に関わらず、正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との相対的なバランスを所望の値に調整することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】実施形態１に示すセルフレームの概略正面図である。
【図２】実施形態２に示すセルフレームの概略正面図である。
【図３】実施形態３に示すセルフレームの概略正面図である。
【図４】実施形態４示すセルフレームの概略正面図である。
【図５】実施形態４に示すセルフレームを使用したときの入口スリットから出口スリットまでの間における正極電解液の圧力損失と負極電解液の圧力損失の関係を示すグラフである。
【図６】レドックスフロー電池の動作原理図である。
【図７】セルスタックの概略構成図である。
【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電池に備わるセルフレームに特徴があり、それ以外の構成は、図６，７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、即ち従来のセルフレーム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６，７と同一の符号を付してその説明を省略する。なお、以下に説明する実施形態１〜３（実施形態４を除く）では、負極電解液の方が正極電解液よりも高粘度であることを前提に説明を行なう。
【００３０】
＜実施形態１＞
実施形態１では、正極側と負極側とで、マニホールド１２３〜１２６と双極板１２１との間に形成される電解液の流路長（スリット長）を異ならせることで、双極板１２１の位置（電極配置箇所）における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図１に基づいて説明する。
【００３１】
図１に示すように、本実施形態のセルフレーム１は、その表面側に正極電解液を流通させる正極電解液用流路８Ａと、その裏面側に負極電解液を流通させる負極電解液用流路９Ａとを備える。
【００３２】
正極電解液用流路８Ａは、正極用給液マニホールド１２３から双極板１２１の表面側における左側下端に向かって円弧状に伸びる正極側入口スリット２３Ａと、双極板１２１の表面側における右側上端から正極用排液マニホールド１２５に向かって円弧状に伸びる正極側出口スリット２５Ａと、からなる。
【００３３】
一方、負極電解液用流路９Ａは、負極用給液マニホールド１２４から双極板２１の裏面側における右側下端に向かって直線状に伸びる負極側入口スリット２４Ａと、双極板２１の裏面側における左側上端から負極用排液マニホールド１２６に向かって直線状に伸びる負極側出口スリット２６Ａと、からなる。
【００３４】
以上説明した構成をまとめると次のようになる。
・正極側入口スリット２３Ａ≠負極側入口スリット２４Ａ
・正極側出口スリット２５Ａ≠負極側出口スリット２６Ａ
・正極電解液用流路８Ａのスリット長＞負極電解液用流路９Ａのスリット長
【００３５】
本実施形態では、負極電解液用流路９Ａのスリット長が正極電解液用流路８Ａのスリット長よりも短いため、負極電解液用流路９Ａにおける圧力損失を正極電解液用流路８Ａにおける圧力損失よりも小さくできる。その結果、双極板１２１の位置での負極電解液の圧力が小さくなり、当該位置での両電解液の圧力差も小さくなる。
【００３６】
＜変形実施形態１−１＞
実施形態１の構成に加えて、スリットの断面積は同じであるが、断面形状を異ならせて、さらに各流路８Ａ，９Ａにおける圧力損失を調整しても良い。例えば、正極電解液用流路８Ａの断面形状を矩形とし、負極電解液用流路９Ａの断面形状を半円形とすれば、正極電解液用流路８Ａにおける圧力損失と比較して、負極電解液用流路９Ａにおける圧力損失をさらに小さくできる。
【００３７】
なお、スリットの断面形状を異ならせる構成は、単独で適用することができるし、後述する実施形態２〜４の構成に組み合わせて適用することもできる。
【００３８】
＜実施形態２＞
実施形態２では、正極側と負極側とで流路断面積を異ならせることで、双極板１２１の位置（電極配置箇所）における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図２に基づいて説明する。
【００３９】
図２に示す本実施形態のセルフレーム２は、実施形態１と同様に、その表面側に正極電解液用流路８Ｂを備え、かつその裏面側に負極電解液用流路９Ｂとを備える。
【００４０】
正極電解液用流路８Ｂを構成する正極側入口スリット２３Ｂと正極側出口スリット２５Ｂは共に直線状とした。一方、負極電解液用流路９Ｂを構成する負極側入口スリット２４Ｂと負極側出口スリット２６Ｂも共に直線状とした。但し、負極側のスリット２４Ｂ，２６Ｂの幅を正極側のスリット２３Ｂ，２５Ｂの幅よりも大きくすることで、負極側のスリット２４Ｂ，２６Ｂの断面積を、正極側のスリット２３Ｂ，２５Ｂの断面積よりも大きくした。
【００４１】
以上説明した構成をまとめると次のようになる。
・正極側入口スリット２３Ｂ≠負極側入口スリット２４Ｂ
・正極側出口スリット２５Ｂ≠負極側出口スリット２６Ｂ
・正極側入口スリット２３Ｂの断面積＜負極側入口スリット２４Ｂの断面積
・正極側出口スリット２５Ｂの断面積＜負極側出口スリット２６Ｂの断面積
【００４２】
本実施形態では、負極電解液用流路９Ｂの断面積が正極電解液用流路８Ｂの断面積がよりも大きいため、負極電解液用流路９Ｂにおける圧力損失を正極電解液用流路８Ｂにおける圧力損失よりも小さくできる。その結果、双極板１２１の位置での負極電解液の圧力が小さくなり、当該位置での両電解液の圧力差も小さくなる。
【００４３】
なお、負極側のスリット２４Ｂ，２６Ｂの深さを正極側のスリット２３Ｂ，２５Ｂの深さよりも深くすることで、負極側のスリット２４Ｂ，２６Ｂの断面積を、正極側のスリット２３Ｂ，２５Ｂの断面積よりも大きくしても良い。もちろん、深さと幅の両方を異ならせることで、正負のスリットの断面積を異ならせても良い。
【００４４】
＜実施形態３＞
実施形態３では、正極側と負極側とでスリットの数を異ならせることで、双極板１２１の位置（電極配置箇所）における正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との圧力差を小さくする構成を図３に基づいて説明する。
【００４５】
この実施形態３のセルフレーム３の表面側に設けられる正極電解液用流路８Ｃは、１本の直線状に伸びる正極側入口スリット２３Ｃと、２本の円弧状に伸びる正極側入口スリット２３Ｃと、４本の円弧状に伸びる正極側出口スリット２５Ｃとからなる。一方、セルフレーム３の裏面側に設けられる負極電解液用流路９Ｃは、２本の円弧状に伸びる負極側入口スリット２４Ｃと１本の直線状に伸びる負極側出口スリット２６Ｃとからなる。なお、スリット２３Ｃ〜２６Ｃの断面形状はスリットの全長にわたって一様であり、３本の正極側入口スリット２３Ｃの合計断面積＝２本の負極側入口スリット２４Ｃの合計断面積、４本の正極側出口スリット２５Ｃの合計断面積＝１本の負極側出口スリット２６Ｃの断面積である。
【００４６】
以上説明した構成をまとめると次のようになる。
・正極側入口スリット２３Ｃ≠負極側入口スリット２４Ｃ
・正極側出口スリット２５Ｃ≠負極側出口スリット２６Ｃ
・正極側入口スリット２３Ｃの本数＞負極側入口スリット２４Ｃの本数
・正極側出口スリット２５Ｃの本数＞負極側出口スリット２６Ｃの本数
・正極電解液用流路８Ｃのスリット長（等価スリットの長さ）＞負極電解液用流路９Ｃのスリット長（等価スリットの長さ）
【００４７】
本実施形態では、負極電解液用流路９Ｃを構成するスリットの本数が正極電解液用流路８Ｃを構成するスリットの本数よりも少ないため、負極電解液用流路９Ｃにおける圧力損失を正極電解液用流路８Ｃにおける圧力損失よりも小さくできる。その結果、双極板１２１の位置での負極電解液の圧力が小さくなり、当該位置での両電解液の圧力差も小さくなる。加えて、負極電解液用流路９Ｃのスリット長が正極電解液用流路８Ｃのスリット長よりも短いため、その分だけ、負極電解液用流路９Ｃにおける圧力損失を正極電解液用流路８Ｃにおける圧力損失よりも小さくできる。
【００４８】
＜実施形態４＞
実施形態４では、正極電解液の粘度と負極電解液の粘度とが殆ど同じである場合に、双極板１２１の位置で敢えて正極電解液の圧力と負極電解液の圧力とに差を生じさせるための構成を図４に基づいて説明する。
【００４９】
この実施形態４では、セルフレーム４において、正極側入口スリット２３Ｄの構造＝負極側出口スリット２６Ｄの構造＝２本の円弧状に伸びるスリット、負極側入口スリット２４Ｄの構造＝正極側出口スリット２５Ｄ＝１本の直線状に伸びるスリットとした。この場合も、図４を参照すれば明らかなように、正極電解液用流路８Ｄと負極電解液用流路９Ｄの構造は異なっている。
【００５０】
以上説明したスリットを備えるセルフレーム４に粘度が同じ正負電解液を流通させた場合の入口スリットから出口スリットまでの間における正極電解液の圧力損失と負極電解液の圧力損失の関係を図５にグラフで示す。グラフの横軸は入口スリットの始端から出口スリットの終端までの位置を、縦軸は各位置での圧力損失の大きさを示す。また、グラフの実線は負極電解液の圧力損失を、点線は正極電解液の圧力損失を示す。なお、圧力損失は、電解液の粘度と各スリットの形状に基づいて計算により求めた。
【００５１】
図５のグラフに示すように、入口スリットの始端（即ち、図４の給液マニホールド１２３，１２４の位置）では正負共に電解液の圧力損失は同じであるが、入口スリットの終端（即ち、図４の双極板１２１に連絡する位置）では正極電解液の圧力損失が負極電解液の圧力損失よりも大きくなっている。この圧力損失差は、正極側入口スリット２３Ｄと負極側入口スリット２４Ｄの構造の相違によって生じる（図４参照）。
【００５２】
次に、双極板１２１（図４参照）の位置では正負の入口スリットにより形成された圧力損失の差が維持され、そして出口スリットを経るに従って正極電解液の圧力損失と負極電解液の圧力損失との差が小さくなる（グラフ上はほぼ同じ圧力損失となる）。これは、負極側出口スリット２６Ｄと正極側出口スリット２５Ｄの構造の相違（図４参照）によって、負極電解液の圧力損失が正極電解液の圧力損失よりも大きくなるからである。
【００５３】
以上説明した構成によれば、正負の電解液の粘度がほぼ同じであっても、双極板１２１の位置で正極電解液の圧力と負極電解液の圧力との間に所望の圧力差を形成することができる。
【００５４】
また、例えば、本構成であれば、正負の入口スリットの始端の位置（即ち、正負の給液マニホールドの位置）における正負の電解液の圧力を同じにでき、かつ正負の出口スリットの終端の位置（即ち、正負の排液マニホールドの位置）における正負の電解液の圧力を同じにできる。
【００５５】
本発明は、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、適宜変更して実施することができる。例えば、電解液に用いるイオンは、バナジウムイオンに限定されるわけではなく、正極電解液にＦｅイオン、負極電解液にＣｒイオンを用いる鉄−クロム系レドックスフロー電池であっても良い。その他、正極電解液にＭｎイオン、負極電解液にＴｉイオンを用いるマンガン−チタン系レドックスフロー電池とすることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００５６】
本発明セルフレーム、セルスタックは、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】
【００５７】
１，２，３，４ セルフレーム
８Ａ，８Ｂ，８Ｃ，８Ｄ 正極電解液用流路
２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ 正極側入口スリット
２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，２５Ｄ 正極側出口スリット
９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ 負極電解液用流路
２４Ａ，２４Ｂ，２４Ｃ，２４Ｄ 負極側入口スリット
２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ，２６Ｄ 負極側出口スリット
１２１ 双極板
１２２ 枠体
１２３ 正極用給液マニホールド １２５ 正極用排液マニホールド
１２４ 負極用給液マニホールド １２６ 負極用排液マニホールド
１２７ シール部材
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
２００ セルスタック
２１０，２２０ エンドプレート
３００ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
【特許請求の範囲】
【請求項１】
枠体と、前記枠体に一体化された双極板と、を備え、
前記枠体は、
前記枠体に貫通して設けられ、正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、および正極用排液マニホールドと、
前記枠体の一面側に設けられ、前記正極用給液マニホールドから前記双極板の一面側に配される正極電極に前記正極電解液を導入する正極側入口スリット、および前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極側出口スリットからなる正極電解液用流路と、
前記枠体に貫通して設けられ、負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、および負極用排液マニホールドと、
前記枠体の他面側に設けられ、前記負極用給液マニホールドから前記双極板の他面側に配される負極電極に前記負極電解液を導入する負極側入口スリット、および前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極側出口スリットからなる負極電解液用流路と、を有するセルフレームであって、
前記正極電解液用流路の構造と、前記負極電解液用流路の構造と、が異なることを特徴とするセルフレーム。
【請求項２】
前記正極電解液用流路と前記負極電解液用流路の各々において、入口スリットと出口スリットの構造とが異なることを特徴とする請求項１に記載のセルフレーム。
【請求項３】
前記正極電解液用流路のスリット長と、前記負極電解液用流路のスリット長と、が異なることを特徴とする請求項１または２に記載のセルフレーム。
【請求項４】
前記正極電解液用流路の少なくとも一部の断面形状と、前記負極電解液用流路の少なくとも一部の断面形状と、が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセルフレーム。
【請求項５】
前記正極電解液用流路の少なくとも一部の断面積と、前記負極電解液用流路の少なくとも一部の断面積と、が異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセルフレーム。
【請求項６】
前記正極電解液用流路を構成するスリットの本数と、前記負極電解液用流路を構成するスリットの本数と、が異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセルフレーム。
【請求項７】
前記正極側入口スリットの構造と前記負極側出口スリットの構造とが同じで、前記正極側出口スリットの構造と前記負極側入口スリットの構造とが同じであることを特徴とする請求項２に記載のセルフレーム。
【請求項８】
セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜と、を複数積層してなるセルスタックであって、
請求項１〜７のいずれか一項に記載のセルフレームを含むことを特徴とするセルスタック。
【請求項９】
セルスタックと、前記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、前記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、を備えるレドックスフロー電池であって、
前記セルスタックは、請求項８に記載のセルスタックであることを特徴とするレドックスフロー電池。
【請求項１】
枠体と、前記枠体に一体化された双極板と、を備え、
前記枠体は、
前記枠体に貫通して設けられ、正極電解液が流通する正極用給液マニホールド、および正極用排液マニホールドと、
前記枠体の一面側に設けられ、前記正極用給液マニホールドから前記双極板の一面側に配される正極電極に前記正極電解液を導入する正極側入口スリット、および前記正極電極から前記正極用排液マニホールドに前記正極電解液を排出する正極側出口スリットからなる正極電解液用流路と、
前記枠体に貫通して設けられ、負極電解液が流通する負極用給液マニホールド、および負極用排液マニホールドと、
前記枠体の他面側に設けられ、前記負極用給液マニホールドから前記双極板の他面側に配される負極電極に前記負極電解液を導入する負極側入口スリット、および前記負極電極から前記負極用排液マニホールドに前記負極電解液を排出する負極側出口スリットからなる負極電解液用流路と、を有するセルフレームであって、
前記正極電解液用流路の構造と、前記負極電解液用流路の構造と、が異なることを特徴とするセルフレーム。
【請求項２】
前記正極電解液用流路と前記負極電解液用流路の各々において、入口スリットと出口スリットの構造とが異なることを特徴とする請求項１に記載のセルフレーム。
【請求項３】
前記正極電解液用流路のスリット長と、前記負極電解液用流路のスリット長と、が異なることを特徴とする請求項１または２に記載のセルフレーム。
【請求項４】
前記正極電解液用流路の少なくとも一部の断面形状と、前記負極電解液用流路の少なくとも一部の断面形状と、が異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のセルフレーム。
【請求項５】
前記正極電解液用流路の少なくとも一部の断面積と、前記負極電解液用流路の少なくとも一部の断面積と、が異なることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載のセルフレーム。
【請求項６】
前記正極電解液用流路を構成するスリットの本数と、前記負極電解液用流路を構成するスリットの本数と、が異なることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のセルフレーム。
【請求項７】
前記正極側入口スリットの構造と前記負極側出口スリットの構造とが同じで、前記正極側出口スリットの構造と前記負極側入口スリットの構造とが同じであることを特徴とする請求項２に記載のセルフレーム。
【請求項８】
セルフレームと、正極電極と、負極電極と、イオン交換膜と、を複数積層してなるセルスタックであって、
請求項１〜７のいずれか一項に記載のセルフレームを含むことを特徴とするセルスタック。
【請求項９】
セルスタックと、前記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、前記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、を備えるレドックスフロー電池であって、
前記セルスタックは、請求項８に記載のセルスタックであることを特徴とするレドックスフロー電池。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−８０６１３（Ｐ２０１３−８０６１３Ａ）
【公開日】平成２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２１９９１４（Ｐ２０１１−２１９９１４）
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【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２５年５月２日（２０１３．５．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月４日（２０１１．１０．４）
【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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