JP6677045B2

JP6677045B2 - レドックスフロー電池用枠体、レドックスフロー電池、及びセルスタック

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Publication number: JP6677045B2
Application number: JP2016066323A
Authority: JP
Inventors: 桑原　雅裕; 雅裕桑原; 晴久豊田; 毅寒野; 伊藤　岳文; 岳文伊藤; 山口　英之; 英之山口; 勇人藤田; 高輔白木; 清明林
Original assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 2016-03-29
Filing date: 2016-03-29
Publication date: 2020-04-08
Anticipated expiration: 2036-03-29
Also published as: US20180108930A1; KR101821946B1; KR20170125108A; AU2017242168A1; CN107615541B; AU2017242168B2; US10193178B2; TW201807876A; EP3439094A4; TWI700855B; DE202017106518U1; JP2017182999A; WO2017169463A1; EP3439094A1; EP3439094B1; CN107615541A

Description

本発明は、蓄電池の一つであるレドックスフロー電池、レドックスフロー電池に用いられる枠体、及びセルスタックに関する。

蓄電池の一つに、電解液を電極に供給して電池反応を行うレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池と呼ぶことがある）がある。ＲＦ電池は、（１）大出力化、メガワット級（ＭＷ級）の大容量化が容易である、（２）長寿命である、（３）電池の充電状態（ＳＯＣ：ＳｔａｔｅｏｆＣｈａｒｇｅ）を正確に監視可能である、（４）電池出力と電池容量とを独立して設計できて設計の自由度が高い、等の特徴を有しており、電力系統の安定化用途の蓄電池に適すると期待される。

ＲＦ電池は、正極電解液が供給される正極電極と、負極電解液が供給される負極電極と、両極の電極間に介在される隔膜とを備える電池セルを主な構成要素とする。電池セルは、代表的には、特許文献１に記載されるように、表裏面に各極の電極が配置される双極板と、双極板の外周に設けられた樹脂製の枠体とを備えるセルフレームを用いて形成される。大容量のＲＦ電池では、セルフレーム、一極の電極、隔膜、他極の電極、…を順に繰り返し複数積層した積層体を主体とするセルスタックが利用される。

上記積層体は、各極の電極に未反応の電解液を供給し、電池反応に用いた電解液を各極の電極から排出する正極用給排板及び負極用給排板に挟まれ、更にこの外側を一対のエンドプレートに挟まれ、エンドプレート間を長ボルト及びナットによって締め付けられる（特許文献１の図１）。この積層方向に作用する締付力によって、積層状態が保持される。また、上記締付力によって、隣り合う枠体間に配置されるシール部材によって枠体間が液密に保持され、電解液の漏出を防止する。

特許文献１は、中央部に長方形状の窓部が設けられた長方形状の枠体であって、枠体の外周縁における短辺の長さに対する長辺の長さの比（長辺／短辺）、いわゆるアスペクト比が１を超える横長のものを開示する（図２）。また、特許文献１は、この枠体を、窓部を有する一対の枠片とし、枠片の開口縁近傍で双極板の周縁近傍を挟んで熱融着して、双極板と枠体とを一体化することを開示する。

特開２００２−３６７６５８号公報

レドックスフロー電池（ＲＦ電池）に利用される枠体に対して、作用する圧力によって変形し難いことが望まれる。特に、電解液の流量をより多くして運転する場合などでも変形し難いことが望まれる。

上述のアスペクト比が１を超える枠体において長辺側の枠は、短辺側の枠よりも長い。そのため、仮に枠体の全周に亘って枠幅が等しい場合でも、長辺側の枠は、短辺側の枠よりも剛性に劣り、ＲＦ電池の運転時、電解液を流通して液圧が作用すると、短辺側の枠よりも変形し易いといえる。以下の場合には、長辺側の枠が更に変形し易い。枠体の変形量が大きければ、枠体を破損する恐れがある。

（ａ）長辺側の枠を電解液の流通方向に直交するように配置する場合（特許文献１の図８参照）。
液圧は流通方向に作用し易いため、長辺側の枠に作用する液圧が大きくなるからである。
（ｂ）運転時、電池性能の向上などを目的として電解液の流量を増大する場合。
電解液の流量の増大に伴い、液圧も大きくなるからである。
（ｃ）長辺側の枠が水平方向に沿って配置されるように、ＲＦ電池が設置される場合（特許文献１の図５参照）。
電解液の自重が長辺側の枠に加わり易いからである。

一方、ＲＦ電池の電解液には、バナジウムイオンを含む硫酸水溶液などの酸性液が利用される。枠体は、上記酸性液に接触するため、塩化ビニル（特許文献１の［００２４］）といった耐液性に優れる樹脂製とする。このような樹脂製の枠体では、十分な剛性を有するとはいえず、上述の液圧などの応力が大きくなれば変形し得る。枠体の変形防止のために、電解液の流量を減少すれば、上述の電解液の流量増大などの要望に十分に対応できない。

そこで、本発明の目的の一つは、変形し難いレドックスフロー電池用枠体を提供することにある。また、本発明の他の目的は、変形し難い枠体を備えるレドックスフロー電池、及びセルスタックを提供することにある。

本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用枠体は、
電極が配置される窓部を備えるレドックスフロー電池用枠体であって、
前記窓部を包絡する長方形の長辺の長さをＡ、前記長辺に対応する横枠の幅をＢ、前記長方形の短辺の長さをＣ、前記短辺に対応する縦枠の幅をＤとするとき、
Ａ＞Ｃ、
Ｂ＞Ｄ、
（Ｂ／Ａ）≧０．２を満たすレドックスフロー電池用枠体。

本発明の一態様に係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用枠体を備える。

本発明の一態様に係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用枠体及び前記窓部の内側に配置される双極板と、正極電極と、隔膜と、負極電極とが順に複数積層され、この積層方向に締め付ける圧力によって積層状態が保持される積層体と、
前記積層体と共に積層される正極給排板及び負極給排板とを備え、
前記積層体における前記枠体の横枠の外周縁が、前記正極給排板の外周縁及び前記負極給排板の外周縁から突出している。

本発明の一態様に係るセルスタックは、上記のレドックスフロー電池用枠体を備える。

本発明の一態様に係るセルスタックは、
上記のレドックスフロー電池用枠体及び前記窓部の内側に配置される双極板と、正極電極と、隔膜と、負極電極とが順に複数積層され、この積層方向に締め付ける圧力によって積層状態が保持される積層体と、
前記積層体と共に積層される正極給排板及び負極給排板とを備え、
前記積層体における前記枠体の横枠の外周縁が、前記正極給排板の外周縁及び前記負極給排板の外周縁から突出している。

上記のレドックスフロー電池用枠体は、変形し難い。

上記のレドックスフロー電池、及び上記のセルスタックは、枠体が変形し難い。

実施形態１のレドックスフロー電池用枠体を示す概略平面図である。実施形態１のレドックスフロー電池用枠体を備える電池セルの概略を示す分解斜視図、及びこの電池セルを備える実施形態１のセルスタックの概略を示す側面図である。実施形態１のレドックスフロー電池の動作原理図である。

［本発明の実施形態の説明］
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
（１）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池用枠体は、
電極が配置される窓部を備えるレドックスフロー電池用枠体であって、
前記窓部を包絡する長方形の長辺の長さをＡ、前記長辺に対応する横枠の幅をＢ、前記長方形の短辺の長さをＣ、前記短辺に対応する縦枠の幅をＤとするとき、
Ａ＞Ｃ、
Ｂ＞Ｄ、
（Ｂ／Ａ）≧０．２を満たす。

上記のレドックスフロー電池用枠体及び上記窓部は、代表的には長方形状が挙げられる。但し、長方形状に限らない（後述の変形例（ＩＩ）参照）。
上記のレドックスフロー電池用枠体の外周縁と上記窓部の開口縁とは、双方が長方形状である場合でも、Ｂ＞Ｄより、相似ではない。
上記窓部は、Ａ＞Ｃから、長辺／短辺（Ａ／Ｃ）で表されるアスペクト比が１超である横長の長方形に包絡される形状である。
上記のレドックスフロー電池（ＲＦ電池）用枠体は、この横長の窓部における上記長辺に対応する横枠と、上記短辺に対応する縦枠とを備えるため、代表的にはアスペクト比が１超である横長又は縦長の長方形に包絡される形状といえる。

上記窓部を包絡する長方形は、窓部を形成する開口縁のうち、最小周長をとるものとする。例えば、窓部が長方形状である場合、窓部を形成する開口縁がつくる長方形が上記包絡する長方形に相当する。窓部が長方形以外の形状である場合、窓部を形成する開口縁を包絡する最小の長方形とする。
上記横枠の幅は、上記窓部を包絡する長方形の長辺から、横枠の外周縁までの最大距離とする。例えば、窓部が長方形状である場合、上記開口縁がつくる長方形の長辺から横枠の外周縁までの最大距離である。
上記縦枠の幅は、上記窓部を包絡する長方形の短辺から、縦枠の外周縁までの最大距離とする。例えば、窓部が長方形状である場合、上記開口縁がつくる長方形の短辺から縦枠の外周縁までの最大距離である。

横長の窓部に対して横枠の幅Ｂは、縦枠の幅Ｄよりも大きく、かつ、窓部における上記長辺の長さＡに対しても十分に大きく、広幅といえる。上記のＲＦ電池用枠体は、横枠が広幅であるため、例えば横枠の長手方向に直交する方向の応力を受けても、横枠が変形し難い。このような上記のＲＦ電池用枠体をＲＦ電池に用いた場合、横枠を電解液の流通方向に直交するように配置したり、運転時に電解液の流量を増大したり、横枠が水平方向に沿って配置されるようにＲＦ電池を設置したり（以下、横長設置と呼ぶことがある）などしても、上記のＲＦ電池用枠体が変形し難い。従って、上記のＲＦ電池用枠体は、耐圧性に優れるＲＦ電池を構築できる。

（２）上記のＲＦ電池用枠体の一例として、（Ｄ／Ｃ）≧０．２を満たす形態が挙げられる。

上記形態における縦枠の幅Ｄは、窓部における上記短辺の長さＣに対して十分に大きく、広幅といえる。そのため、短辺の長さＣの絶対値が大きい場合でも、縦枠が変形し難い。上記形態は、横枠及び縦枠の双方が変形し難く、全体的に変形し難い。

（３）上記のＲＦ電池用枠体の一例として、前記レドックスフロー電池用枠体及び前記窓部が長方形状であり、前記レドックスフロー電池用枠体における前記横枠を含む長辺の長さをＬ、前記縦枠を含む短辺の高さをＨとするとき、Ｌ＞Ｈを満たす形態が挙げられる。この形態は、横枠の全長に亘って均一的な大きさの幅Ｂを有し、縦枠の全長に亘って均一的な大きさの幅Ｄを有する。

上記形態は、Ｌ＞Ｈから、長辺／短辺（Ｌ／Ｈ）で表されるアスペクト比が１超である横長の長方形状の枠体に、横長の長方形状の窓部を備えるといえる。従って、上記形態は、横枠が変形し易い形状であるものの、横枠の幅Ｂが広幅であるため、変形し難い。

（４）上記のＲＦ電池用枠体の一例として、前記横枠は、締結軸が挿通される貫通孔を備える形態が挙げられる。上記連結軸は、代表的には、積層された複数の枠体を連通し、積層状態の保持に用いられる。

横枠は広幅であり、貫通孔の形成領域を十分に有することができる。上記形態の枠体を積層した積層体に締結軸を挿通配置すれば、締結軸を横枠の補強材に利用できて、横枠の剛性を高められる。また、締結軸によって横枠の変位が規制される。これらのことから、上記形態は、より変形し難い。更に、枠体自身に貫通孔を備えるため、横枠に貫通孔の形成領域を備えることに伴って、エンドプレートを大きくする必要が無い。従って、上記形態は、変形し難い上に、小型なＲＦ電池を構築できる。

（５）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池（ＲＦ電池）は、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池用枠体を備える。

上記のＲＦ電池は、液圧などの応力を受けても変形し難い上記ＲＦ電池用枠体を備える。そのため、上記のＲＦ電池によれば、横枠を電解液の流通方向に直交するように配置したり、運転時に電解液の流量を増大したり、横長設置したりなどしても、上記ＲＦ電池用枠体が変形し難く、耐圧性に優れる。

（６）本発明の一態様に係るレドックスフロー電池（ＲＦ電池）は、
上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池用枠体及び前記窓部の内側に配置される双極板と、正極電極と、隔膜と、負極電極とが順に複数積層され、この積層方向に締め付ける圧力によって積層状態が保持される積層体と、
前記積層体と共に積層される正極給排板及び負極給排板とを備え、
前記積層体における前記枠体の横枠の外周縁が、前記正極給排板の外周縁及び前記負極給排板の外周縁から突出している。

上記のＲＦ電池に備える積層体は、液圧などの応力を受けても変形し難い上記ＲＦ電池用枠体を備える。そのため、上記のＲＦ電池によれば、横枠を電解液の流通方向に直交するように配置したり、運転時に電解液の流量を増大したり、横長設置したりするなどしても、上記ＲＦ電池用枠体が変形し難く、耐圧性に優れる。更に、上記のＲＦ電池に備える正極給排板及び負極給排板は、広幅な横枠の外周縁よりも内側に位置しており小型である。従って、上記のＲＦ電池は、上記ＲＦ電池用枠体と同一外形寸法を有する正極給排板及び負極給排板を備える場合に比較して、軽量である。

（７）本発明の一態様に係るセルスタックは、上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池用枠体を備える。

上記のセルスタックは、横枠の長手方向に直交する方向の応力などを受けても変形し難い上記ＲＦ電池用枠体を備えるため、耐圧性に優れるＲＦ電池を構築できる。

（８）本発明の一態様に係るセルスタックは、
上記（１）〜（４）のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池用枠体及び前記窓部の内側に配置される双極板と、正極電極と、隔膜と、負極電極とが順に複数積層され、この積層方向に締め付ける圧力によって積層状態が保持される積層体と、
前記積層体と共に積層される正極給排板及び負極給排板とを備え、
前記積層体における前記枠体の横枠の外周縁が、前記正極給排板の外周縁及び前記負極給排板の外周縁から突出している。

上記のセルスタックに備える積層体は、横枠の長手方向に直交する方向の応力などを受けても変形し難い上記ＲＦ電池用枠体を備えるため、耐圧性に優れるＲＦ電池を構築できる。また、上記のセルスタックに備える正極給排板及び負極給排板は、広幅な横枠の外周縁よりも内側に位置しており小型である。従って、上記のセルスタックは、上記ＲＦ電池用枠体と同一外形寸法を有する正極給排板及び負極給排板を備える場合に比較して、軽量なＲＦ電池を構築できる。

［本発明の実施形態の詳細］
以下に図面を参照して、本発明の実施形態の具体例を説明する。図において同一符号は同一名称物を意味する。

［実施形態１］
まず、実施形態１のレドックスフロー電池（ＲＦ電池）１０の概要を説明し、次に、部材ごとに詳細に説明する。
図３の正極タンク１６内及び負極タンク１７内に示すイオンは、各極の電解液中に含むイオン種の一例を示す。図３において実線矢印は充電、破線矢印は放電を意味する。

（ＲＦ電池の概要）
実施形態１のＲＦ電池１０は、図３に示すように、電池セル１０Ｃと、電池セル１０Ｃに電解液を循環供給する循環機構とを備える。代表的には、ＲＦ電池１０は、交流／直流変換器４００や変電設備４１０などを介して、発電部４２０と、電力系統や需要家などの負荷４４０とに接続され、発電部４２０を電力供給源として充電を行い、負荷４４０を電力提供対象として放電を行う。発電部４２０は、例えば、太陽光発電機、風力発電機、その他一般の発電所などが挙げられる。

（ＲＦ電池の基本構成）
・電池セル
電池セル１０Ｃは、正極電解液が供給される正極電極１４と、負極電解液が供給される負極電極１５と、正極電極１４，負極電極１５間に介在される隔膜１１とを備える。
正極電極１４，負極電極１５は、活物質を含む電解液が供給されて、活物質（イオン）が電池反応を行う反応場であり、炭素材料の繊維集合体といった多孔体が利用される。代表的には、長方形状である（図２）。
隔膜１１は、正極電極１４，負極電極１５間を分離すると共に所定のイオンを透過する部材であり、イオン交換膜などが利用される。

・セルフレーム
電池セル１０Ｃは、図２に示すセルフレーム２０を用いて構成される。
セルフレーム２０は、双極板２１と、双極板２１の周縁部に設けられる枠体２２とを有する。
双極板２１は、一面に正極電極１４が配置され、他面に負極電極１５が配置され、電流を流すが電解液を通さない導電性部材である。双極板２１には黒鉛などと有機材とを含む導電性プラスチック板などが利用される。代表的には、長方形状である（図２）。
枠体２２は、窓部２２ｗを備える。窓部２２ｗの内側に、双極板２１と、正極電極１４、負極電極１５とが配置される。枠体２２は、正極電極１４、負極電極１５にそれぞれ供給する電解液の供給路と、正極電極１４、負極電極１５からそれぞれ排出される電解液の排出路とを備える絶縁性部材である。上記供給路は、給液孔２４ｉ，２５ｉと、給液孔２４ｉ，２５ｉから窓部２２ｗに至るスリットなどとを備える。上記排出路は、排液孔２４ｏ，２５ｏと、窓部２２ｗから排液孔２４ｏ，２５ｏに至るスリットなどとを備える。
この例の枠体２２は、窓部２２ｗを囲み、給液孔２４ｉ，２５ｉ及び排液孔２４ｏ，２５ｏよりも外方にシール溝２５０（図１）を備える。シール溝２５０には、Ｏリングなどのシール部材５０が嵌め込まれ、隣り合う枠体２２，２２間に介在される。図１では、長方形状の窓部２２ｗを囲むように、長方形状のシール溝２５０を備える例を示す。

・セルスタック
図３では、単一の電池セル１０Ｃを含む単セル電池を示すが、この例のＲＦ電池１０は、複数の電池セル１０Ｃを備える多セル電池である。多セル電池では、図２に示すセルスタック３０と呼ばれる形態が利用される。
セルスタック３０は、代表的には、枠体２２及び双極板２１を備えるセルフレーム２０と、正極電極１４と、隔膜１１と、負極電極１５とが順に複数積層される積層体と、正極給排板３４及び負極給排板３５と、積層体の端部に配置される一対のエンドプレート３２，３２と、エンドプレート３２，３２間を連通する長ボルトなどの締結軸３３及びナットなどの締結部材とを備える。積層体を挟むように正極給排板３４及び負極給排板３５が積層され、この組物を挟むようにエンドプレート３２，３２が配置されて、締結部材で一体化される。

正極給排板３４及び負極給排板３５はそれぞれ、積層された複数のセルフレーム２０の給液孔２４ｉ，２５ｉ及び排液孔２４ｏ，２５ｏによってそれぞれ形成される電解液の流通管路に接続される。
正極給排板３４は、正極電極１４に正極電解液を供給し、かつ正極電極１４からの正極電解液を排出する。
負極給排板３５は、負極電極１５に負極電解液を供給し、かつ負極電極１５からの負極電解液を排出する。

締結部材によってエンドプレート３２，３２間が締め付けられると、積層体は、その積層方向に締め付ける圧力によって積層状態が保持される。この積層方向の締付力によって、上述の枠体２２，２２間のシール部材５０が押圧されて、枠体２２，２２間が液密に保持される。
セルスタック３０は、図２に示すように、所定数の電池セル１０Ｃをサブセルスタック３００とし、複数（図２では二つ）のサブセルスタック３００を積層した形態で利用されることがある。代表的には、サブセルスタック３００ごとに正極給排板３４及び負極給排板３５を備える。
サブセルスタック３００やセルスタック３０における電池セル１０Ｃの積層方向の両端に位置するセルフレームには、双極板２１に代えて集電板（図示せず）が配置されたものが利用される。

・循環機構
循環機構は、図３に示すように正極電極１４に循環供給する正極電解液を貯留する正極タンク１６と、負極電極１５に循環供給する負極電解液を貯留する負極タンク１７と、正極タンク１６と電池セル１０Ｃ（セルスタック３０）との間を接続する配管１６２，１６４と、負極タンク１７と電池セル１０Ｃ（セルスタック３０）との間を接続する配管１７２，１７４と、電池セル１０Ｃへの供給側の配管１６２，１７２に設けられたポンプ１６０，１７０とを備える。配管１６２，１６４は正極給排板３４に接続され、配管１７２，１７４は負極給排板３５に接続される。

ＲＦ電池１０の基本構成、材料、電解液などは、公知の構成、材料、電解液などを適宜利用できる。

実施形態１のＲＦ電池１０及び実施形態１のセルスタック３０は、特定の形状である実施形態１の枠体２２を備えることを特徴の一つとする。具体的には、枠体２２に設けられた窓部２２ｗは、横長又は縦長の長方形で包絡される形状である。この例では、窓部２２ｗは、図１に示すように横長の長方形状である。枠体２２は、この窓部２２ｗにおける長辺の長さと、この長辺に対応する横枠２２Ａの幅との比が特定の範囲を満たす。

具体的には、枠体２２は、図１に示すように、窓部２２ｗを包絡する長方形の長辺の長さをＡ、長辺に対応する横枠２２Ａの幅をＢ、長方形の短辺の長さをＣ、短辺に対応する縦枠２２Ｃの幅をＤとするとき、Ａ＞Ｃ、Ｂ＞Ｄ、（Ｂ／Ａ）≧０．２を満たす形状である。この例の枠体２２は、長方形状であり、横枠２２Ａの全長に亘って均一的な幅Ｂを有し、縦枠２２Ｃの全長に亘って均一的な幅Ｄを有し、横枠２２Ａと縦枠２２Ｃとを接続する角部が長さＢ×長さＤの長方形状である。
以下、主に図１を参照して、実施形態１の枠体２２を詳細に説明する。

（枠体）
この例の枠体２２は、その中央部に、その表裏に貫通する窓部２２ｗを有する。この例では、窓部２２ｗに双極板２１を嵌め込むことでセルフレーム２０（図２の右側の枠体２２参照）が構成される。双極板２１と枠体２２とは、上述の締付力によって密着状態が維持される。

この枠体２２は、双極板２１を支持可能な形状である。具体的には、枠体２２における窓部２２ｗの形成箇所は、一面（図１では手前側の面、図２では右面）が高くなる段差形状である。窓部２２ｗの高段側の開口縁（上縁２２ｕ）は、長方形状の双極板２１に対応した長方形状である。この例の低段部２２０の開口縁（最内縁２２ｉ）は、双極板２１の最大外形よりも小さい長方形状である。長方形枠状の低段部２２０は、窓部２２ｗに嵌め込まれた双極板２１の周縁部を支持する。

上述のように段差形状であるため、枠体２２の一面に設けられる上縁２２ｕの周長と、他面に設けられる最内縁２２ｉの周長とが異なる。最内縁２２ｉの周長の方が短い。

この例では、窓部２２ｗが長方形状であるため、窓部２２ｗを包絡する長方形の長辺の長さＡ及び短辺の長さＣはそれぞれ、窓部２２ｗを形成する開口縁のうち、最内縁２２ｉがつくる長方形の長辺の長さ及び短辺の長さに相当する。
横枠２２Ａは、最内縁２２ｉの長辺を一辺とする長方形の領域であり、その幅Ｂは、最内縁２２ｉの長辺から、横枠２２Ａの外周縁２２２までの距離に相当する。
縦枠２２Ｃは、最内縁２２ｉの短辺を一辺とする長方形の領域であり、その幅Ｃは、最内縁２２ｉの短辺から縦枠２２Ｃの外周縁までの距離に相当する。
また、この例の枠体２２は、横枠２２Ａを含む長辺の長さをＬ、縦枠２２Ｃを含む短辺の高さをＨとするとき、長さＬは高さＨよりも大きい（Ｌ＞Ｈ）。従って、この例の枠体２２は、（横枠２２Ａの幅Ｂ）＞（縦枠２２Ｃの幅Ｄ）を満たし、アスペクト比（長さＬ／高さＨ）が１超の横長の長方形といえる。

・横枠
枠体２２は、（横枠２２Ａの幅Ｂ）／（窓部２２ｗの長辺の長さＡ）が０．２以上を満たす。定性的には、横枠２２Ａは、横長の窓部２２ｗの長辺に対して、比較的広幅である。（Ｂ／Ａ）≧０．２を満たす枠体２２は、特に横枠２２Ａの長手方向に直交する方向（図１では上下方向）の応力を受けても、（Ｂ／Ａ）が０．２未満である枠体に比較して、横枠２２Ａの変位が小さく、変形し難い。この理由を、枠体２２の変位量を、両端固定かつ等分布荷重における梁のたわみ量σと等価とみなして説明する。

分布荷重をｗ、梁の長さをｌ、梁のヤング率をＥ、断面二次モーメントをＩ、梁の幅をｂ、梁の高さをｈとすると、梁のたわみの公式により、
たわみ量σ＝（ｗ×ｌ^４）／（３８４×Ｅ×Ｉ）である。
断面二次モーメントＩは、Ｉ＝（ｂ×ｈ^３）／１２である。
「分布荷重ｗ」を「枠体２２に作用する応力」、「梁の長さｌ」を「窓部２２ｗの長辺の長さＡ」、「梁のヤング率Ｅ」を「枠体２２の構成材料のヤング率」、「梁の幅ｂ」を「枠体２２の厚さ」、「梁の高さｈ」を「枠体２２の横枠の幅Ｂ」に読み替え、梁のたわみの公式に、断面二次モーメントの式を代入すると、枠体２２の変位（たわみ量σ）は、横枠２２Ａの幅Ｂの３乗に反比例するといえる。

例えば、特許文献１の明細書［００３８］、［００４６］に記載される長方形状の枠体（以下、従来の枠体と呼ぶ）を考える。窓部の長辺の長さＡが９００ｍｍ、横枠の幅Ｂが（８００−６００）／２又は（５００−３００）／２＝１００ｍｍである。従って、従来の枠体の（Ｂ／Ａ）は、９００／１００≒０．１１である。
（Ｂ／Ａ）を０．２とした場合のたわみ量は、従来の枠体のたわみ量に対して、２０％未満（約１７％）である。
そのため、実施形態１の枠体２２は、横枠２２Ａの長手方向に直交する方向の応力を受けた場合でも、従来の枠体よりも横枠２２Ａの変位が小さく、変形し難いといえる。

次に、横枠２２Ａの幅Ｂの大きさを調整する理由を説明する。
梁の曲げモーメントＭは、分布荷重ｗと梁の長さｌとを用いて、
Ｍ＝（ｗ×ｌ^２）／１２である。
「梁の長さｌ」を「窓部２２ｗの長辺の長さＡ」又は「窓部２２ｗの短辺の長さＣ」に読み替えると、Ａ＞Ｃであるため、横枠２２Ａの曲げモーメントが縦枠２２Ｃよりも大きい。従って、窓部２２ｗの長辺に対応する横枠２２Ａは、短辺に対応する縦枠２２Ｃよりも枠体２２の外方に向かって変形し易いからである。

（Ｂ／Ａ）の値が大きいほど、上述の応力を受けても横枠２２Ａの変位が小さく、変形し難い。特に、（Ｂ／Ａ）の値が０．２４以上、更に０．３以上、０．３３以上、０．３５以上であれば、長さＡの絶対値が大きい場合でも横枠２２Ａが変形し難い。（Ｂ／Ａ）の値が大き過ぎると、枠体２２が大き過ぎてＲＦ電池１０の大型化を招く。ＲＦ電池１０の小型化などを考慮すると、（Ｂ／Ａ）の値は、０．４５以下、更に０．４以下、０．３８以下が好ましい。梁のたわみの公式から、長さＡの絶対値の４乗に比例して、横枠２２Ａの変位（たわみ量）が大きくなることから、長さＡの絶対値が５００ｍｍ以上、更に６００ｍｍ以上、７００ｍｍ以上である場合に、（Ｂ／Ａ）≧０．２を満たすことが好ましい。

（Ｂ／Ａ）≧０．２を満たさない枠体、即ち、（Ｂ／Ａ）＜０．２である枠体について、横枠の幅を１．２５倍以上にすれば、上述の梁のたわみの公式から、枠体の変位は約１／２以下になり、横枠の変形を半分程度以下にできる。このように寸法変更を行うことで、横枠の変形を十分に低減できる。
例えば、上述した窓部の長辺の長さＡが９００ｍｍ、横枠の幅Ｂが１００ｍｍである従来の枠体について、横枠の幅Ｂを１２５ｍｍ以上とすれば、横枠の変位を従来の枠体の約１／２以下にすることができる。横枠の幅Ｂを１８０ｍｍ以上とし、（Ｂ／Ａ）≧０．２を満たせば、横枠の変位を従来の枠体の１／５未満にすることができる。

・縦枠
更に、この例の枠体２２は、（縦枠２２Ｃの幅Ｄ／窓部２２ｗの短辺の長さＣ）が０．２以上を満たす（（Ｄ／Ｃ）≧０．２）。定性的には、縦枠２２Ｃは、窓部２２ｗの短辺に対して比較的広幅である。

縦枠２２Ｃの長さＣは、横枠２２Ａの長さＡより短く（Ａ＞Ｃ）、上述のように横枠２２Ａよりも変形し難い。しかし、上述の曲げモーメントの式から、長さＣの絶対値が大きければ、縦枠２２Ｃも変形し易くなる。（Ｄ／Ｃ）≧０．２を満たす枠体２２は、特に縦枠２２Ｃの長手方向に直交する方向（図１では左右方向）の応力を受けても、（Ｄ／Ｃ）が０．２未満である枠体に比較して、縦枠２２Ｃの変位が小さく、変形し難い。（Ｄ／Ｃ）≧０．２を満たすことで、長さＣの絶対値が大きい場合でも縦枠２２Ｃが変形し難い。上限値０．２の限定理由は、上述の（Ｂ／Ａ）の項を参照するとよい。また、梁のたわみの公式から、長さＣの絶対値が２００ｍｍ以上、更に２５０ｍｍ以上、３００ｍｍ以上である場合に、（Ｄ／Ｃ）≧０．２を満たすことが好ましい。

（Ｄ／Ｃ）の値が大きいほど、上述の応力を受けても縦枠２２Ｃの変位が小さく、変形し難い。（Ｄ／Ｃ）は、０．２５以上、０．３以上、更に０．３５以上、０．４以上、０．５以上であれば、長さＣの絶対値が大きい場合でも縦枠２２Ｃが変形し難い。（Ｄ／Ｃ）の値が大き過ぎると、上述のようにＲＦ電池１０の大型化を招くため、（Ｄ／Ｃ）の値は、０．６以下、更に０．５７以下、０．５３以下が好ましい。

・その他の構成
更に、この例の枠体２２は、締結軸３３が挿通される貫通孔２３３を備える。この例では、横枠２２Ａに加えて、縦枠２２Ｃにも複数の貫通孔２３３を備える。また、枠体２２の各角部にも貫通孔２３３を備える。

貫通孔２３３の個数、配置位置、大きさ、形状などは適宜選択できる。
貫通孔２３３の個数が多いほど、貫通孔２３３に挿通配置される締結軸３３によって横枠２２Ａ，縦枠２２Ｃが補強されると共に、これら締結軸３３によって横枠２２Ａ，縦枠２２Ｃの外方への変位が規制される。そのため、枠体２２が変形し難くなって好ましい。
横枠２２Ａ，縦枠２２Ｃに対して、各貫通孔２３３を均等配置することができる。又は、横枠２２Ａ，縦枠２２Ｃにおいてより変形し易い箇所（例えば、長手方向の中央部など）により多くの貫通孔２３３を設けて、局所的に剛性を高めることができる。
又は、上記より変形し易い箇所に、太い締結軸３３が挿通配置されるように、より大きな貫通孔２３３を備えることができる。
複数の貫通孔２３３を備える場合には、形状、大きさを異ならせることができる。横枠２２Ａの貫通孔２３３と縦枠２２Ｃの貫通孔２３３とについて、形状、大きさ、個数を異ならせることもできる。
貫通孔２３３の形状は、締結軸３３に応じて選択する。図１，図２では、丸棒状の締結軸３３に対応して、貫通孔２３３を円穴とするが、四角形状や六角形状などの多角形状、楕円状など適宜変更できる。

貫通孔２３３は、枠体２２におけるシール溝２５０の形成位置よりも外周縁寄りの領域に備える。ここで、枠体２２を備えるＲＦ電池１０やセルスタック３０では、シール溝２５０に配置されたシール部材５０よりも内側の領域を電解液の充填領域とする。上記外周縁寄りの領域に貫通孔２３３を備えることで、貫通孔２３３に挿通配置される締結軸３３は、実質的に電解液に接触しない。そのため、酸性の電解液によって溶解し得る金属製の締結軸３３であっても利用できる。

・厚さ
枠体２２は、その厚さが厚いほど剛性が高くなり変形し難いものの（上述の断面二次モーメントの式における「梁の幅ｂ」参照）、厚過ぎると、枠体２２が大きくなり、ひいてはＲＦ電池１０の大型化を招く。また、枠体２２の厚さは、積層体に上述の締付力が負荷された状態において、正極電極１４、双極板２１、負極電極１５の合計厚さを規制する。従って、枠体２２の厚さは、上記三者の合計厚さが所定の大きさを満たし、かつ大型化を招かない範囲で選択することが好ましい。

・構成材料
枠体２２の構成材料は、絶縁性に優れると共に、電解液と反応せず、電解液に対する耐性（耐薬品性、耐酸性など）を有するものが好適に利用できる。また、上記構成材料は、適度な剛性を有すると、変形し難い枠体２２となる。具体的な構成材料は、塩化ビニル、ポリエチレン、ポリプロピレンなどが挙げられる。

（双極板）
この例の双極板２１は平板状の部材であり、その周縁部が窓部２２ｗの低段部２２０に配置される。双極板２１と低段部２２０との間にシール部材（図示せず）を介在させて、双極板２１の一面側と他面側との間を液密に保持することができる。

双極板２１の構成材料は上述の通りである。双極板２１の厚さは適宜選択でき、厚いほど剛性、強度に優れ、薄いほど例えば枠体２２の厚さも薄くできるため、積層体を小型にできる。

（給排板）
この例のＲＦ電池１０及びセルスタック３０に備える正極給排板３４及び負極給排板３５は、図２に示すように枠体２２よりも小さく、枠体２２の外形とは異なる。

ここで、正極給排板３４及び負極給排板３５は、一般に、枠体２２と同じ外形、大きさとする（特許文献１の図１参照）。実施形態１の枠体２２は上述のように幅広であり、比較的大きいため、正極給排板３４及び負極給排板３５の外形を枠体２２の外形に対応して大きくすると、ＲＦ電池１０及びセルスタック３０の大型化、重量の増大を招く。そこで、この例の正極給排板３４及び負極給排板３５は、積層体における枠体２２の横枠２２Ａの外周縁２２２が、正極給排板３４の外周縁３４２及び負極給排板３５の外周縁３５２から突出する形状、大きさとする。

この例の正極給排板３４及び負極給排板３５は、枠体２２の長さＬと等しい長さを有し、枠体２２の高さＨよりも短い高さＨ_４５を有する横長の長方形状である。高さＨ_４５は、正極給排板３４及び負極給排板３５を積層体に重ね合わせた際、外周縁３４２，３５２が積層体における枠体２２の横枠２２Ａの外周縁２２２よりも内側に位置するように設けられている。この例では、外周縁３４２，３５２は、積層体を構成する枠体２２の各横枠２２Ａに設けられた貫通孔２３３よりも内側で、枠体２２上のシール部材５０よりも外側に位置する。従って、図２に示すセルスタック３０では、正極給排板３４及び負極給排板３５の上下に枠体２２の各長辺側に配置される締結軸３３が配置され、正極給排板３４及び負極給排板３５の配置部分が局所的に凹んでいる。

また、この例の正極給排板３４及び負極給排板３５は、積層体に重ね合せた際、正極給排板３４及び負極給排板３５の短辺側の領域と枠体２２の短辺側の領域とが実質的に面一である。従って、正極給排板３４及び負極給排板３５は、その短辺側の領域における枠体２２の貫通孔２３３に重複する位置に貫通孔を備える。この貫通孔に締結軸３３が挿通配置されることで、積層体に対して正極給排板３４及び負極給排板３５が位置決めされ、位置ずれし難い。

（効果）
実施形態１の枠体２２は、横長の窓部２２ｗの長辺に対応する横枠２２Ａの幅Ｂが窓部２２ｗの長辺の長さＡに対して十分に大きく広幅である。そのため、横枠２２Ａの長手方向に直交する方向の応力、例えば、窓部２２ｗの長辺を外方に押し広げるような応力を受けた場合でも、横枠２２Ａが変形し難い。この例では、枠体２２自体も横長の長方形状であり、横枠２２Ａが縦枠２２Ｃに比較して変形し易い形状であるものの、横枠２２Ａが変形し難い。

特に、この例の枠体２２は、縦枠２２Ｃの幅Ｄが窓部２２ｗの短辺の長さＣに対して十分に大きく広幅であるため、縦枠２２Ｃも変形し難い。従って、枠体２２はその全体が変形し難い。

更に、この例の枠体２２は、横枠２２Ａに締結軸３３の貫通孔２３３を備え、締結軸３３が挿通配置されることで、補強されること及び外方への変位を規制されることからも、変形し難い。この例では、横枠２２Ａだけでなく、縦枠２２Ｃにも貫通孔２３３を備えており、枠体２２全体が締結軸３３によって補強される及び外方への変位を規制されるため、より一層変形し難い。

このように変形し難い実施形態１の枠体２２を備える実施形態１のＲＦ電池１０は、運転時、電解液の流通に伴う液圧などによる応力が作用した場合でも、枠体２２が変形し難く、耐圧性に優れる。また、実施形態１のＲＦ電池１０は、横枠２２Ａが電解液の流通方向に直交するように枠体２２を配置したり、ＲＦ電池１０を横長に設置したりするなどしても、枠体２２が変形し難い。実施形態１のセルスタック３０は、このように枠体２２が変形し難いＲＦ電池１０を構築できる。

その他、この例のＲＦ電池１０及びセルスタック３０は、比較的大きな枠体２２の積層体を備えるものの、正極給排板３４及び負極給排板３５の大きさを積層体よりも小さくすることで、軽量化を図ることができる。

［変形例］
実施形態１に対して、以下の少なくとも一つの変更が可能である。
（Ｉ）（Ｄ／Ｃ）＜０．２とする。
（ＩＩ）枠体２２及び窓部２２ｗを長方形以外の形状とする。
例えば、角部を丸めた長方形状、長方形と半円弧とを組み合わせてなるレーストラック状、楕円状などであって、包絡する長方形の長辺の長さＡ＞短辺の長さＣを満たすものが挙げられる。
（ＩＩＩ）貫通孔２３３を横枠２２Ａのみ又は縦枠２２Ｃのみに備える。
変形し易い横枠２２Ａに貫通孔２３３を備えると、上述のように横枠２２Ａが変形し難く好ましい。
（ＩＶ）貫通孔２３３を省略する。
（Ｖ）正極給排板３４及び負極給排板３５の長さを枠体２２の長さＬよりも短くし、正極給排板３４及び負極給排板３５の貫通孔を省略する。
例えば、正極給排板３４及び負極給排板３５を積層体に重ね合せた際、正極給排板３４及び負極給排板３５の短辺側の外周縁が、各縦枠２２Ｃに設けられた貫通孔２３３よりも内側で、枠体２２上のシール部材５０よりも外側に位置するように、正極給排板３４及び負極給排板３５の長さを調整するとよい。

（ＶＩ）枠体２２が窓部を有する一対の枠片を備え、両枠片における開口縁近傍で双極板２１の周縁部を挟む。この形態は、実施形態１と同様に上述の締付力によって維持される。
各枠片における双極板２１を挟持する面のうち、開口縁近傍には、双極板２１の周縁部を嵌め込む凹部を備えることができる。

本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

本発明のレドックスフロー電池（ＲＦ電池）は、太陽光発電、風力発電などの自然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に利用できる。また、本発明のＲＦ電池は、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蓄電池として利用できる。本発明のＲＦ電池用枠体、本発明のセルスタックは、ＲＦ電池の構成部材に利用できる。本発明のＲＦ電池用枠体は、多セル電池だけでなく、単セル電池にも利用できる。

１０レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
１０Ｃ電池セル１１隔膜１４正極電極１５負極電極
１６正極タンク１７負極タンク１６０，１７０ポンプ
１６２，１６４，１７２，１７４配管
２０セルフレーム２１双極板２２枠体
２２Ａ横枠２２Ｃ縦枠２２ｗ窓部
２２２外周縁２２ｕ上縁２２ｉ最内縁
２４ｉ，２５ｉ給液孔２４ｏ，２５ｏ排液孔
２２０低段部２３３貫通孔２５０シール溝
３０セルスタック３００サブセルスタック
３２エンドプレート３３締結軸
３４正極給排板３５負極給排板３４２，３５２外周縁
５０シール部材
Ａ長辺の長さＢ横枠の幅Ｃ短辺の長さＤ縦枠の幅
Ｌ枠体の長さＨ枠体の高さ
４００交流／直流変換器４１０変電設備４２０発電部４４０負荷

Claims

電極が配置される窓部を備えるレドックスフロー電池用枠体であって、
前記窓部を包絡する長方形の長辺の長さをＡ、前記長辺に対応する横枠の幅をＢ、前記長方形の短辺の長さをＣ、前記短辺に対応する縦枠の幅をＤとするとき、
Ａ＞Ｃ、
Ｂ＞Ｄ、
（Ｂ／Ａ）≧０．２を満たすレドックスフロー電池用枠体。
（Ｄ／Ｃ）≧０．２を満たす請求項１に記載のレドックスフロー電池用枠体。
前記レドックスフロー電池用枠体及び前記窓部が長方形状であり、前記レドックスフロー電池用枠体における前記横枠を含む長辺の長さをＬ、前記縦枠を含む短辺の高さをＨとするとき、Ｌ＞Ｈを満たす請求項１又は請求項２に記載のレドックスフロー電池用枠体。
前記横枠は、締結軸が挿通される貫通孔を備える請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池用枠体。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池用枠体を備えるレドックスフロー電池。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池用枠体及び前記窓部の内側に配置される双極板と、正極電極と、隔膜と、負極電極とが順に複数積層され、この積層方向に締め付ける圧力によって積層状態が保持される積層体と、
前記積層体と共に積層される正極給排板及び負極給排板とを備え、
前記積層体における前記枠体の横枠の外周縁が、前記正極給排板の外周縁及び前記負極給排板の外周縁から突出しているレドックスフロー電池。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池用枠体を備えるセルスタック。
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池用枠体及び前記窓部の内側に配置される双極板と、正極電極と、隔膜と、負極電極とが順に複数積層され、この積層方向に締め付ける圧力によって積層状態が保持される積層体と、
前記積層体と共に積層される正極給排板及び負極給排板とを備え、
前記積層体における前記枠体の横枠の外周縁が、前記正極給排板の外周縁及び前記負極給排板の外周縁から突出しているセルスタック。