JP2018519619A - レドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

レドックスフロー電池が開示される。本発明のレドックスフロー電池は、外側から供給される電解液の流入および流出のための流路が形成される固定フレームの内側に流入した電解液を伝達する流路が形成される流路フレームを備え、流路フレームは、固定フレームの流路に連結される流入流路と、メンブレインの反応面に電解液を伝達する含浸部に電解液を流出させる流出流路とがそれぞれ形成され、電解液の供給圧力と循環圧力との差による電解液の漏れを防止する効果を得ることができる。
【選択図】図４

Description

本発明は、レドックスフロー電池に係り、さらに詳しくは、流路の断面積を増加させて電解液の流量を高めると同時に、流路を二重に密閉させて電解液の漏れを防止することができるレドックスフロー電池に関する。

最近、エネルギー貯蔵システム（ＥＳＳ：Ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｓｙｓｔｅｍ）の開発が盛んに行われている中、充放電が可能な二次電池（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）が有力な技術として脚光を浴びている。

エネルギー貯蔵システムは、火力、水力、原子力、太陽光、風力、潮力および熱電併給などにより生産された電力を貯蔵した後に、電力が必要な装置や系統に電源を供給するシステムである。このために、エネルギー貯蔵システムは、ＬｉＢ電池、ＮａＳ電池、バナジウムレドックスフロー電池（ＶＲＦＢ：Ｖａｎａｄｉｕｍ Ｒｅｄｏｘ Ｆｌｏｗ Ｂａｔｔｅｒｙ）、スーパーキャパシタなどの二次電池を用いるバッテリーを利用した貯蔵方式と、非バッテリー貯蔵方式で構成される。

これらの中で、バナジウムレドックスフロー電池（以下、「フロー電池」という）は、充電容量を増やすために、電池の内部に反応物質が反応するメンブレインとフレーム（Ｆｒａｍｅ）などが直列（Ｓｅｒｉｅｓ）に配置されてスタック（Ｓｔａｃｋ）を構成することにより、電気エネルギーの充放電が可能な二次電池（Ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ｂａｔｔｅｒｙ）の機能を有する。

より詳細に説明すると、フロー電池は、メンブレインの両側に陽極電解質（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ）と陰極電解質が循環しながらイオン交換が行われ、この過程で電子の移動が発生して充放電が行われる。このようなフロー電池は、既存の二次電池に比べて寿命が長く、ｋＷ〜ＭＷ級の中大型システムに製作できるので、エネルギー貯蔵システムに最も適すると知られている。
この種の従来のフロー電池は、図１乃至図３に示されている通りである。
図１は従来のフロー電池を簡単に示すブロック図、図２は従来のフロー電池を示す断面図、図３は従来のフロー電池における流路を示す斜視図である。

図１乃至図３を参照すると、従来のフロー電池は、陽極または陰極電解液２０ａ、２０ｂが貯蔵される電解液タンク２と、電解液タンク２から供給される電解液の供給圧力を発生させるポンプ３と、陽極電解液２０ａと陰極電解液２０ｂとを反応させて電気を生成するスタック１とを含んでなる。

前記スタック１は、内部に多数のセル１０、２０が直列に連結されており、それぞれのセル１０、２０は、電解液を伝達する流路フレーム１１、１３、２１、２３と、前記流路フレーム１１、１３、２１、２３から伝達される陽極電解液２０ａおよび陰極電解液２０ｂを伝達する含浸部５０と、含浸部５０から伝達された電解液を反応させるメンブレイン１２、２２と、前記流路フレーム１１、１３、２１、２３乃至メンブレイン１２、２２を固定させる固定部材とを含む。

セルは、第１セル１０と第２セル２０が第２固定部材３２を挟んで積層され、第１セル１０と第２セル２０は、それぞれメンブレイン１２、２２の上下側で陽極電解液と陰極電解液を移動させる流路が形成される流路フレーム１１、１３、２１、２３が積層される。

固定部材３１、３２、３３は、フロー電池において一つ以上のセルを固定する。より詳細に説明すると、第１固定部材３１は、第１セル１０の陽極流路フレーム１１の上側に積層され、第２固定部材３２は、第１セル１０の下側に位置する陰極流路フレーム１３と第２セル２０の陽極流路フレーム２１の上側との間に設置され、第３固定部材３３は、第２セル２０の陰極流路フレーム２３の下側に積層される。

流路フレーム１１、１３、２１、２３について、第１セル１０の陰極流路フレーム１３と第２セル２０の陽極流路フレーム２１を例として説明すると、四角形のフレームであって、それぞれのコーナーに貫通口１３ａ、２１ａが形成され、中心部にはメンブレイン１２、２２へ電解液を伝達するように空き空間をなす含浸部５０が形成される。また、流路フレーム１３、２１は、貫通口１３ａ、２１ａを介して伝達される電解液２０ｂを含浸部５０へ案内するために、メンブレイン１２側を指向する一面に内向きの流路溝２１ｂがそれぞれ形成される。

ここで、貫通口１３ａ、２１ａ、３２ａは、電解液タンク２から流入する電解液２０ｂが第１セル１０と第２セル２０へすべて案内されるように、第１セル１０と第２セル２０をなす流路フレーム１１、１３、２１、２３、固定部材３１、３２、３３およびメンブレイン１２、２２に形成される。

したがって、従来のフロー電池は、前述のような流路構造が形成されて共通流路４０ａ、４０ｂを介して電解液タンク２から電解液の供給を受ける。このとき、陽極電解液２０ａと陰極電解液２０ｂは、共通流路４０ａ、４０ｂのうち、陽極共通流路４０ａと陰極共通流路４０ｂを介してそれぞれ流入する。例えば、陽極電解液２０ａは、第１共通流路４０ａを介して第１セル１０と第２セル２０の陽極流路フレーム１１、２１に流入し、陰極電解液２０ｂは、第２共通流路４０ｂを介して第１セル１０と第２セル２０の陰極流路フレーム１３、２３に流入する。

このとき、各セル１０、２０の流路フレーム１１、１３、２１、２３は、流入する陽極電解液と陰極電解液が漏れて混合されないように圧着されて密閉されるべきである。

しかし、従来の流路フレーム１１、１３、２１、２３は、一面に形成される流路溝２１ｂと固定部材３１、３２、３３の一面とが密着した状態で固定されることにより、流路溝２１ｂと固定部材３１、３２、３３の一面との間に圧密されていない領域３２ｂが存在する。

したがって、陽極共通流路４０ａに沿って流れる陽極電解液２０ａは、第１セル１０と第２セル２０の陽極流路フレーム１１、２１にのみ供給されるようにし、陰極流路フレーム１３、２３へ陽極電解液２０ａが伝達されないように圧密させなければならないが、固定部材３２と陰極流路フレーム１３との間の圧密されていない領域３２ｂを介して電解液の漏れ２０ｃが発生し、陽極電解液と陰極電解液とが混合されて電池の性能を低下させるという問題点がある。

かかる従来の問題点を解決するための本発明の第一の目的は、電解液の流路フレームの流路を両面に形成して他の部材と圧密される領域との間に閉曲面からなる未圧密領域を形成することにより、電解液の漏れを防止することができるレドックスフロー電池を提供することにある。
本発明の第二の目的は、流路フレームの流路断面積を増加させて電解液の流量を高めることができるレドックスフロー電池を提供することにある。
本発明の第三の目的は、流路フレームの流路を分散させて電解液が含浸部の内部に均等に分布できるようにするレドックスフロー電池を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明のレドックスフロー電池は、両面でそれぞれ伝達される電解液を反応させるメンブレインと、前記メンブレインの一面と反対面に、陽極電解液と陰極電解液をそれぞれ伝達するように積層される一つ以上の流路フレームと、前記流路フレームを介して供給される電解液を前記メンブレインへ伝達する含浸部と、前記メンブレイン乃至流路フレームを固定する一つ以上の固定部材とを含み、前記メンブレイン乃至固定部材は、電解液を伝達する共通流路を形成する貫通孔がそれぞれ形成され、前記流路フレームは、前記共通流路を介して流入する電解液を反対面へ伝達する流入流路と、前記流入流路から伝達される電解液を前記含浸部へ伝達する流出流路とが形成されたことを特徴とする。
また、本発明は、上記の実施例に含まれている流入流路と流出流路が流路フレームにおける互いに異なる面に形成されることを特徴とする。

上述した本発明のレドックスフロー電池によれば、本発明は、流路フレームの両面に形成された流路に一つ以上の漏洩防止部材を形成して電解液の漏れを遮断することができるという効果がある。

また、本発明は、流路フレームと他の部材とが積層される場合に相互密着する圧密領域同士の間に空き空間が形成される未圧密領域を閉曲面に形成することにより、電解液の漏れを防止することができるという効果がある。

また、本発明は、流路フレームに一つ以上の漏洩防止部材を積層して流路フレームの流路断面積を拡張することができて電解液の流量を増加させることができるという効果がある。

また、本発明は、流路フレームの両面に形成された流路を延長するか分配または併合することにより、含浸部の内部に流れる電解液が含浸部の全面に均等に分布するようにすることができるという効果がある。

従来のレドックスフロー電池のブロック図である。 従来のレドックスフロー電池を示す断面図である。 従来のレドックスフロー電池を示す斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第１実施例を示す分解斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池における流路フレームの一面を示す斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池における流路フレームの一面を示す斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池における流路フレームの反対面を示す斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池における流路フレームと固定部材との積層構造を示す分解斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池における固定部材の未圧密領域を示す平面図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第２実施例を示す断面図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第３実施例を示す分解斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第３実施例を示す断面図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第３実施例の漏洩防止部材を示す斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第３実施例の漏洩防止部材を示す斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第４実施例を示す断面図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第４実施例の第１セルを示す分解斜視図である。 本発明に係るレドックスフロー電池の第４実施例の流路フレームを示す斜視図である。

本発明に係るレドックスフロー電池の好適な実施例を添付図面を参照して詳細に説明する。
以下、本願の属する技術分野における通常の知識を有する者が容易に実施し得るように、本発明の具現例および実施例を挙げて詳細に説明する。
しかし、本願は、さまざまな異なる形態で実現でき、ここで説明する具現例および実施例に限定されない。

本明細書および請求の範囲で使用される用語や単語は、通常的かつ辞典的な意味に限定解釈されず、発明者は自分の発明を最善の方法で説明するために用語の概念を適切に定義することができるという原則に立脚して、本発明の技術的思想に符合する意味と概念で解釈されるべきである。

本明細書および請求の範囲全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、特に反対される記載がない限り、他の構成要素を除外するのではなく、他の構成要素をさらに含むことができることを意味する。

本願明細書全体において、ある段階が他の段階に対して「前」または「後ろ」に位置しているとするとき、またはある装置と「連携」されているとするとき、これは、ある段階（装置）が他の段階（装置）と直接連動する場合だけでなく、両段階の間に別の段階が存在しても実質的に同一である場合も含むことを意味する。

本願明細書全体において使用されるＡ「および／または」Ｂの用語は、Ａ単独、Ｂ単独、ＡとＢとを含む形態を全て指すものであって、「または」が持つ用語の定義をより明確にしたものである。

本願明細書全体において使用される、程度の用語「約」、「実質的に」などは、記載された意味に固有の製造および物質許容誤差が提示されるとき、その数値からまたはその数値に近接した意味で使用され、本発明の理解を助けるために正確かつ絶対的な数値が記載された開示内容を非良心的な侵害者が不当に利用することを防止するために使用される。
次に、本発明の詳細な説明のために使用される用語を説明する。
「反応面側」は、流路フレームの両面のうち、メンブレイン（ｍｅｍｂｒａｎｅ）１３０の反応面を指向する面を意味する。
「反応面」は、メンブレインにおける、電解液が反応する両面を意味する。
「固定部材側」は、流路フレームの両面のうち、固定部材を指向する一面を意味する。
「電解液」は、外部電解液タンクから供給される陽極電解液と陰極電解液を意味する。以下では、陽極電解液と陰極電解液を電解液と総称して説明する。
以下、前述したような用語を使って本発明に係るレドックスフロー電池を詳細に説明する。
図４は本発明に係るレドックスフロー電池の第１実施例の分解斜視図である。

図４を参照すると、本発明に係るレドックスフロー電池は、一つ以上のセルと、一つ以上のセルを固定する固定部材３１０、３２０、３３０と、前記一つ以上のセルに共通連結され、陽極電解液と陰極電解液が伝達される陽極共通流路４００ａと陰極共通流路４００ｂとを含む。

陽極共通流路４００ａと陰極共通流路４００ｂは、それぞれ陽極電解液タンク２と陰極電解液タンク２から供給される電解液を伝達するように、各セル１００、２００において連通する貫通孔を介して形成される。以下、共通流路４００ａ、４００ｂと総称して説明する。

固定部材３１０、３２０、３３０は、ＰＥ、ＰＰ、ＰＣ、ＰＶＣの少なくとも一つを含む高分子グループと、ＶＩＴＯＮ、ＴＹＧＯＮ、シリコーンの少なくとも一つを含む弾性材グループの中から選択されたいずれか一つで製造された一つ以上のセル１００、２００を積層されるように固定するか、或いはセル１００とセル２００との間を分離して固定することができるように、第１乃至第３固定部材３１０、３２０、３３０を含む。

より詳細に説明すると、第１固定部材３１０と第３固定部材３３０は、積層されたセルの上面と下面にそれぞれ固定され、それらの間に積層される一つ以上のセルを固定する。また、第２固定部材３２０は、電池を構成するセル１００とセル２００との間を絶縁させる。すなわち、本発明の固定部材３１０、３２０、３３０は、セル１００とセル２００との間を絶縁させる分離板と、積層される一つ以上のセルを固定する固定フレームとして含む。分離板および固定フレームは、公知の技術なのでその詳細な説明を省略し、固定部材３１０、３２０、３３０と総称する。

セル１００、２００は、一つ以上であって、それぞれ、陽極電解液を伝達する流路が形成される陽極流路フレーム１１０、２１０と、陰極電解液を伝達する流路が形成される陰極流路フレーム１２０、２２０と、陽極流路フレーム１１０、２１０と陰極流路フレーム１２０、２２０を通じた電解液を反応させるメンブレイン１３０、２３０と、陽極流路フレーム１１０、２１０と陰極流路フレーム１２０、２２０から電解液をメンブレイン１３０へ伝達する含浸部１４１、１４２、２４１、２４２とを含む。

含浸部１４１、１４２、２４１、２４２は、陽極流路フレーム１１０、２１０と陰極流路フレーム１２０、２２０の中心部に形成される空き空間からなり、陽極流路フレーム１１０、２１０と陰極流路フレーム１２０、２２０に形成される流路を介して伝達される電解液をメンブレイン１３０、２３０の反応面へ伝達する。

ここで、含浸部１４１、１４２、２４１、２４２は、流路フレーム１２０、１２０、１３０、２３０の内部に形成される空き空間と説明するが、必要に応じて、フェルト、繊維、フォーム（ｆｏａｍ）、メッシュ（ｍｅｓｈ）など、電解液が流れ易い材料が含まれ得る。

メンブレイン１３０、２３０は、陽極流路フレーム１１０、２１０の含浸部１４１、１４２、２４１、２４２に入ってきた陽極電解液と反応して水素イオンを陰極流路フレーム１２０、２２０の含浸部１４１、１４２、２４１、２４２へ伝達する。

陽極流路フレーム１１０、２１０と陰極流路フレーム１２０、２２０は、ＰＥ、ＰＰ、ＰＣ、ＰＶＣの少なくとも一つを含む高分子グループと、ＶＩＴＯＮ、ＴＹＧＯＮ、シリコーンの少なくとも一つを含む弾性材グループの中から選択されたいずれか一つで製造され、共通流路４００ａ、４００ｂを介して供給された電解液を含浸部１４１、１４２、２４１、２４２へガイドする。

この際、陽極流路フレーム１１０、２１０と陰極流路フレームは、メンブレイン１３０の反応面側を向く一面が互いに対向するように積層される。例えば、陽極流路フレーム１１０、２１０は、上面がメンブレイン１３０、２３０の一側の反応面を指向するように積層されると、陰極流路フレーム１２０、２２０は、下面がメンブレイン１３０、２３０の他側の反応面を指向するように積層される。このような陽極流路フレーム１１０、２１０の構造と陰極流路フレーム１２０、２２０の構造とが同一であるので、第１セル１００の陽極流路フレーム１１０を示す図５および図７を参照して説明し、以下、流路フレーム１１０と総称して説明する。
図５は本発明に係るレドックスフロー電池における流路フレームの一面を示す斜視図、図７は流路フレームの反対面を示す斜視図である。

図５および図７を参照すると、流路フレーム１１０は、水平および垂直方向に延び、中心部に含浸部１４１が形成される空き空間を挟んで水平および垂直方向に延びるフレーム本体１１１と、フレーム本体１１１に陽極共通流路４００ａと陰極共通流路４００ｂを形成するように穿設される複数の貫通孔１１５と、一面に内向きに延設される流路溝１１２と、流路溝１１２に連結されるように貫通する流路孔１１３と、流路孔１１３から延びる内向きの流出溝１１４とを含む。

フレーム本体１１１は、含浸部１４１が形成される空き空間を挟んで水平および垂直方向に連結される。このようなフレーム本体１１１の形状は、設計者や事業者の選択に応じて様々な変形が可能なものであって、本明細書の詳細な説明や図面に示されていることに限定されるものではない。

貫通孔１１５は、フレーム本体１１１に複数個が穿設される。ここで、貫通孔１１５は、固定部材３１０、３２０、３３０の貫通孔３１１、３２１、３３１、およびメンブレイン１３０、２３０の貫通孔１３１、２３１と一致するように穿設される。すなわち、貫通孔１１５は、流路フレーム１１０、１２０、２１０、２２０、メンブレイン１３０、２３０および固定部材３１０、３２０、３３０が積層されたときに相互連通し、電解液タンク２から供給される電解液が伝達される共通流路４００ａ、４００ｂを形成する。

流路溝１１２は、貫通孔１１５から一方向に内向きに延びる溝からなり、共通流路４００ａ、４００ｂを介して伝達される電解液をガイドする。ここで、本発明の流路フレーム１１０に形成される流路は、流路溝１１２から流路孔１１３へ延びるにつれてフレーム本体１１１内で閉曲面に形成されることが特徴である。

流路孔１１３は、貫通孔１１５から延びる流路溝１１２の終端から反対面に貫通形成される。よって、流路孔１１３は、流路溝１１２を介して伝達される電解液を反対面へ伝達する。

流出溝１１４は、流路フレーム１１０における反対面から含浸部１４１へ電解液を伝達するように内向きの溝として形成される。よって、流出溝１１４は、流路孔１１３を介して流入する電解液を含浸部１４１へガイドする。

すなわち、本発明の流路フレーム１１０は、貫通孔１１５、流路溝１１２および共通流路４００ａ、４００ｂを介して流入した電解液をガイドする流入流路と、流路孔１１３と流出溝１１４を介して含浸部１４１に電解液を伝達する流出流路とを備える。

このように、互いに異なる面に形成される流入流路と流出流路は、固定部材との積層の際に閉曲面に形成される未圧密領域を形成することができ、これについての説明は後述する。
また、本発明は、含浸部１４１に伝達される電解液を分岐させて伝達することも可能である。これは図６を参照して説明する。
図６を参照すると、流路フレーム１１０は、内向きの溝に形成される流路溝１１２と、流路溝１１２の底面から上方に突出する分岐壁１１２ａとを含む。

分岐壁１１２ａは、流路溝１１２の底面から上方に突出して一方向に延び、一つ以上が相互離隔して電解液を分岐させて伝達する。すなわち、分岐壁１１２ａは、流路溝１１２の底面から相互離隔して形成されることにより、それらの間に、電解液が分岐して移動できる流路が形成される。

したがって、分岐壁１１２ａは、貫通孔１１５によって形成される共通流路４００ａ、４００ｂを介して流入した電解液を分岐させて流路孔１１３を介して流出溝１１４に伝達する。よって、電解液は、分岐した流入流路を介して含浸部１４１へ伝達されるにつれて、供給される量が多くてなっても、各セル別に均一に伝達できる。

したがって、本発明の第１実施例は、流路フレーム１１０の両面に流路を形成して電解液を均一に伝達することができ、また、流入流路を閉曲面に形成することにより、従来の問題点として指摘された流路フレーム１１０の未圧密領域３２４から電解液の漏れを防止することができる。このような流路フレームの電解液漏れの防止についての説明は、図８および図９を参照して説明する。

図８は本発明に係るレドックスフロー電池における流路フレームと固定部材の積層構造を示す分解斜視図、図９は本発明に係るレドックスフロー電池における固定部材の圧密領域を示す平面図である。

ここで、図８は第１セル１００の陰極流路フレーム１２０と第２セル２００の陽極流路フレーム２１０と第２固定部材３２０の積層構造を一例として示すものであり、これを用いて本発明の電解液漏れ防止作用について説明する。

第１セル１００の陰極流路フレーム１２０は第２固定部材３２０の一面に積層され、第２セル２００の陽極流路フレーム２１０は第２固定部材３２０の反対面に積層される。この際、陽極流路フレーム２１０と陰極流路フレーム１２０は、それぞれ、貫通孔１２５、２１５と流路溝１２２、２１２からなる流入流路が形成された一面が第２固定部材３２０の一面と反対面にそれぞれ密着するように積層される。

したがって、第２固定部材３２０は、一面と反対面においてそれぞれ流入流路と含浸部１４２、２４１によって流路フレーム１２０、２１０との間に空き空間をなす領域（以下、未圧密領域３２２、３２３という）が形成され、その残りの領域で流路フレーム２１０に圧力によって密着する圧密領域３２４が形成される。

ここで、第２固定部材３２０に形成される未圧密領域３２２、３２３は、図９に示すように、平面上で閉曲面をなすのが特徴である。すなわち、流入流路は、貫通孔と流路孔１１３に延びる内向きの流路溝１１２によって閉曲面をなす未圧密領域３２２と、含浸部１４１、１４２、１４３による未圧密領域３２３とが、圧密領域３２４とは独立に形成される。

したがって、本発明は、流入流路による未圧密領域３２２、３２３が、それぞれ独立している閉曲面をなし、それらの間に圧密領域３２４が存在することにより、未圧密領域３２２、３２３を通じた電解液の漏れが遮断される。

すなわち、本発明は、流路フレーム１２０、２１０に流入流路と流出流路を形成し、両面で固定部材３２０との密着の際に圧密されない未圧密領域３２２、３２３を閉曲面に構成することにより、共通流路４００ａ、４００ｂを介して伝達される電解液の供給圧力が高くても、閉曲面をなす未圧密領域３２２、３２３の間に圧密領域３２４を存在させることができるため、電解液の漏れが防止できる。

また、本発明は、上述したように、未圧密領域３２２、３２３を閉曲面に構成する第１実施例において漏洩防止部材が備えられる第２実施例を含む。本発明の第２実施例は、添付された図１０および図１１を参照して説明する。
図１０は本発明に係るレドックスフロー電池の第２実施例を示す断面図である。第２実施例は第１実施例の第１セルを例として説明する。

図１０を参照すると、第１セル１００は、第１固定部材３１０と、陽極流路フレーム１１０と、メンブレイン１３０と、陰極流路フレーム１２０と、第２固定部材３２０とを含む。ここで、第２実施例は、陽極流路フレーム１１０と陰極流路フレーム１２０の電解液の漏れを防止するための漏洩防止部材をさらに含む。

漏洩防止部材は、流路フレーム１１０、１２０とメンブレイン１３０とを、または流路フレーム１１０、１２０と固定部材３１０、３２０とを接着させる接着剤、流路フレーム１１０の両面または選択された一面に積層されるガスケットおよびＯリングの中から選択された一つ以上を含む。
以下、ガスケットを適用する実施例として、第２実施例を説明する。

漏洩防止部材は、固定部材３１０、３２０と流路フレーム１１０、１２０との間に積層されて密閉させる第１ガスケット５１０と、流路フレーム１１０、１２０とメンブレイン１３０との間に積層される第２ガスケット５２０とからなる。

第１ガスケット５１０は、第１固定部材３１０と陽極流路フレーム１１０との間、および第２固定部材３２０と陰極流路フレーム１２０との間にそれぞれ積層され、第２ガスケット５２０は、陽極流路フレーム１１０とメンブレイン１３０との間、および陰極流路フレーム１２０とメンブレイン１３０との間にそれぞれ積層される。

このような第２実施例の構造は、第１実施例において流路フレーム１１０を挟んで積層される一対のガスケットを備えることで、第１実施例の閉曲面をなす未圧密領域３２２、３２３と同時に形成できるため、電解液の漏れを二重に防止することができる。
また、固定部材３１０、３２０乃至漏洩防止部材は、空気圧、油圧、ボルトまたはナットなどの機械的締結具によって固定されることが好ましい。

さらに好ましくには、前記固定部材３１０、３２０乃至漏洩防止部材５１０、５２０は、相互密着する一面に、相互結合可能な凹凸が形成され、機構的締結力を高めることができるように形成するのである。

例えば、流路フレーム１１０、１２０は、一面に「ｎ」字状の突起が一つ以上形成され、流路フレーム１１０、１２０に密着するガスケット５１０、５２０、漏洩防止部材および／または固定部材３１０、３２０の一面には、「ｎ」字状の突起が挿入できる「ｕ」字状の溝を形成する。このような凹凸構造は、固定部材３１０、３２０、３３０と流路フレーム１１０、１２０と漏洩防止部材５１０、５２０との結合を強化させて電解液の供給圧力による離脱を防止することができる。

また、本発明は、流路フレーム１１０、１２０、２１０、２２０の流路断面積に拡大して流量を増加させることができる第３実施例を含む。第３実施例は図１１乃至図１４を参照して説明する。

図１１は本発明に係るレドックスフロー電池の第３実施例を示す分解図、図１２は第３実施例の断面図、図１３および図１４は漏洩防止部材を示す斜視図である。

図１１乃至図１４を参照すると、第３実施例は、第１固定部材３１０、陽極流路フレーム１１０、メンブレイン１３０、陰極流路フレーム１２０、２２０、第２固定部材３２０、および陽極流路フレーム１１０と陰極流路フレーム１２０、２２０との間に積層される漏洩防止部材とを含む。

漏洩防止部材は、固定部材３１０、３２０、３３０と流路フレーム１１０との間に積層されて密閉させる第１ガスケット５１０と、流路フレーム１１０とメンブレイン１３０との間に積層される第２ガスケット５２０とからなる。

第１ガスケット５１０は、第１固定部材３１０と陽極流路フレーム１１０との間、および第２固定部材３２０と陰極流路フレーム１２０、２２０との間にそれぞれ積層され、第２ガスケット５２０は、陽極流路フレーム１１０とメンブレイン１３０との間、および陰極流路フレーム１２０、２２０とメンブレイン１３０との間にそれぞれ積層される。すなわち、第１ガスケット５１０と第２ガスケット５２０はそれぞれ流路フレーム１１０を挟んで積層される。

ここで、第１ガスケット５１０は、横方向および縦方向に連結される第１ガスケット本体５１１と、第１ガスケット本体５１１に穿設されて共通流路４００ａ、４００ｂをなす貫通孔５１２と、貫通孔５１２から一方向に延びて切開される第１切開口５１３とを含む。

第１ガスケット本体５１１は、フレーム本体１１１と一致する形状であって、中心部に含浸部１４３が形成された空き空間を挟んで水平および垂直方向に延設される。

貫通孔５１２は、第１ガスケット本体５１１に少なくとも一つ備えられるもので、流路フレーム１１０、１２０および固定部材３１０、３２０、３３０にそれぞれ穿設される貫通孔１１５、１２５、３１１、３２１、３１３に連通して共通流路４００ａ、４００ｂを形成する。

第１切開口５１３は、第１ガスケット本体５１１において相互対角線方向にそれぞれ位置するが、一側において貫通孔５１２から延びて切開された形状をなす。ここで、第１切開口５１３は、その形状が流路フレーム１１０、１２０の流入流路の長さおよび形状に一致するものと図示されたが、これに限定されるものではない。

すなわち、本発明において、切開口５１３は、未圧密領域３２２、３２３の閉曲面を損なわない範囲内で流入流路の長さと形状よりも大きいか小さいことができ、平面上で完全に除去されて貫通する形状のみを意味するのではなく、平面上の一部が切除されて断面の厚さが変化しうる。

したがって、第１ガスケット５１０は、流路フレーム１１０、１２０の流入流路が形成された一面に密着するように積層され、この際、第１切開口５１３は、流入流路の上側に位置することにより、流入流路の高さＡを厚さ分Ｂだけ増加させる。よって、第１ガスケット５１０は、流路フレーム１１０、１２０と固定部材３１０、３２０、３３０との間を圧密させる役割を果たすと同時に、流入流路の高さＡ、Ｂを上げることにより流入流路の断面積を増加させることができる。

第２ガスケット５２０は、中心部に含浸部１４４が形成される空き空間をなす第２ガスケット本体５２１と、共通流路４００ａ、４００ｂを形成する貫通孔５２２と、第２ガスケット本体５２１が切開されて形成される第２切開口５２３とを含む。
第２ガスケット本体５２１は、第１ガスケット本体５１１と一致する形状を有し、中心部が空き空間をなして含浸部１４４を形成する。

貫通孔５２２は、第２ガスケット本体５２１に一つ以上が穿設されて共通流路４００ａ、４００ｂをなす。ここで、第１ガスケット本体５１１と第２ガスケット本体５２１は、流路フレーム１１０、固定部材３１０、３２０、３３０およびメンブレイン１３０にそれぞれ形成される貫通孔１１５、１２５、１３１、３１１、３２１、３３１と一致する形状に製造される、および／または位置に形成され、陽極共通流路４００ａと陰極共通流路４００ｂを形成する。

第２切開口５２３は、第２ガスケット本体５２１における、流路フレーム１１０、１２０の流出溝１１４、１２４に一致する位置で含浸部１４４側に開口するように切開される。すなわち、第２切開口５２３は、流路フレーム１１０、１２０の流出溝１１４、１２４と一致する位置に形成され、流出流路の高さを上げて流路の断面積を増加させる。

したがって、本発明の第３実施例は、第１ガスケット５１０と第２ガスケット５２０における、流路フレーム１１０、１２０の流入流路と流出流路の高さを上げることができるように第１切開口５１３と第２切開口５２３を含むことにより、流路の断面積を増加させて、共通流路４００ａ、４００ｂを介して流入して含浸部１４１、１４２、１４３、１４４へ伝達される電解液の流量を増加させることができる。

また、本発明は、共通流路４００ａ、４００ｂをジグザグ状に形成して含浸部１４１、１４２、１４３、１４４で電解液が均一に含浸できる第４実施例を含む。第４実施例は図１５乃至図１７を参照して説明する。
図１５は本発明に係るレドックスフロー電池の第４実施例を示す断面図である。

図１５を参照すると、本発明の第４実施例は、それぞれ陽極流路フレーム１１０と陰極流路フレーム１２０とメンブレイン１３０を備えて、直列に連結されて上下側でそれぞれ積層される固定部材３１０、３２０、３３０によって圧着固定される一つ以上のセルを含む。

ここで、第４実施例は、陽極電解液タンク２から供給される陽極電解液を伝達する陽極共通流路４００ａと、陰極電解液タンク２から供給される陰極電解液を伝達する陰極共通流路４００ｂとを形成する。

この際、第４実施例の陽極共通流路４００ａと陰極共通流路４００ｂは、電解液が流入する流入口と流出口（例えば、両側の最外郭に位置した固定部材の貫通孔）間の距離が最短距離を外れるように形成される。すなわち、第４実施例は、共通流路がジグザグ状に形成されることを特徴とする。このような共通流路４００ａ、４００ｂは第１セル１００を例として説明する。
図１６は本発明に係るレドックスフロー電池の第４実施例の第１セルを示す分解斜視図である。

図１６を参照すると、第４実施例において、第１セル１００は、第１固定部材３１０と、陽極電解液を含浸部１４１へ伝達する陽極流路フレーム１１０と、陰極電解液を伝達する含浸部１４２へ伝達する陰極流路フレーム１２０と、両面でそれぞれ含浸部１４１、１４２を介して伝達される陽極電解液と陰極電解液とを反応させるメンブレイン１３０と、陰極流路フレーム１２０の下側で圧着固定させる第２固定部材３２０とを含む。

ここで、第１固定部材３１０と第２固定部材３２０は、それぞれ陽極共通流路４００ａと陰極共通流路４００ｂを形成する貫通孔３１１、３２１を含むが、各貫通孔３１１、３２１は、流路フレーム１１０、１２０およびメンブレイン１３０の貫通孔１１５、１２５、１３１と平面上で異なる位置に設置される。ここで、第１固定部材３１０の貫通孔３１１は流入口に相当し、第２固定部材３２０の貫通孔３２１は流出口に相当する。

すなわち、本発明の第４実施例は、第１固定部材３１０乃至第２固定部材３２０において共通流路４００ａ、４００ｂを形成する貫通孔３１１、３２１を、平面上で流路フレーム乃至メンブレインの貫通孔１１５、１２５、１３１とは異なる位置に形成して上下方向にジグザグ形状をなす。よって、共通流路４００ａ、４００ｂは、流入口と流出口との距離が最短距離を外れるように形成される。

例えば、第１固定部材３１０は、一側縁部の中心部に陽極共通流路４００ａと陰極共通流路４００ｂを形成する貫通孔３１１が形成され、その下側に積層される陽極流路フレーム１１０の貫通孔１１５は、フレーム本体１１１の一側縁部の両端側に位置するように形成される。また、メンブレイン１３０は、陽極流路フレーム１１０の下側に積層され、陽極流路フレーム１１０および陰極流路フレーム１２０の貫通孔１１５、１２５と一致する位置に形成される。そして、第２固定部材３２０の貫通孔３２１は、陰極流路フレーム１２０の下側に積層されるが、第１固定部材３１０の貫通孔３１１と一致する位置に形成される。

したがって、共通流路４００ａ、４００ｂは、第１固定部材３１０から陽極流路フレーム１１０まで垂直方向に形成される。その後、共通流路４００ａ、４００ｂは、陽極流路フレーム１１０によって水平方向に転換され、再び陽極流路フレーム１１０、メンブレイン１３０および陰極流路フレーム１２０間の積層構造によって垂直方向に転換される。さらに、垂直方向の共通流路４００ａ、４００ｂは、陰極流路フレーム１２０、２２０によって水平方向に転換された後、第２固定部材３２０の貫通孔３２１で垂直方向に転換される。

この際、陽極流路フレーム１１０と陰極流路フレーム１２０は、上述のような水平および垂直方向の共通流路４００ａ、４００ｂを形成するとともに、含浸部１４１、１４２へ電解液を伝達するための伝達流路を形成する。これは図１７を参照して説明する。
図１７は本発明に係るレドックスフロー電池の第４実施例の流路フレームを示す斜視図である。

図１７を参照すると、本発明の第４実施例に係る流路フレーム１１０、１２０は、図１６の陽極流路フレーム１１０を一例として説明する。流路フレーム１１０は、含浸部１４１が形成されるフレーム本体１１１と、フレーム本体１１１に垂直方向の共通流路４００ａ、４００ｂを形成する貫通孔１１５と、貫通孔１１５から延びる内向きの流路溝１１２と、流路溝１１２に貫通形成され、含浸部１４１へ電解液を伝達する伝達孔と１１６を含む。

貫通孔１１５は、メンブレイン１３０の貫通孔１３１と一致する位置に穿設され、流路溝１１２と一緒に共通流路４００ａ、４００ｂを形成する。例えば、陽極流路フレーム１１０、陰極流路フレーム１２０およびメンブレイン１３０は、同じ位置に貫通孔１１５、１３１が穿設されて垂直方向の流路が形成される。

流路溝１１２は、フレーム本体１１１において貫通孔１１５へ連結されるように内向きの溝として形成され、上側に積層される第１固定部材３１０の貫通孔３１１を介して流入した電解液を貫通孔１１５へ伝達する水平方向の共通流路４００ａ、４００ｂを形成する。

伝達孔１１６は、流路溝１１２の底面に貫通形成され、水平方向の共通流路４００ａ、４００ｂを介して伝達される電解液を含浸部１４１へ伝達する伝達流路を形成する。

すなわち、本発明の第４実施例は、ジグザグ状の共通流路４００ａ、４００ｂを形成することにより、電解液の流量が大きくなっても流路の方向が転換される過程（垂直方向から水平方向へ）で伝達流路を通じて含浸部１４１、１４２、１４３へ伝達させることにより、各セル別に均一な量の電解液が流入できるようにする。

Claims (19)

1. 両面でそれぞれ伝達される電解液を反応させるメンブレインと、
   前記メンブレインの一面と反対面に、陽極電解液と陰極電解液をそれぞれ伝達するように積層される一つ以上の流路フレームと、
   前記流路フレームを介して供給される電解液を前記メンブレインへ伝達する含浸部と、
   前記メンブレイン乃至流路フレームを固定する一つ以上の固定部材とを含み、
   前記メンブレイン乃至固定部材は、電解液を伝達する共通流路を形成する貫通孔がそれぞれ形成され、
   前記流路フレームは、両面に前記共通流路と前記含浸部とを連結する流路が複数形成されたことを特徴とする、レドックスフロー電池。
2. 前記流路フレームは、
   一面において、前記共通流路を介して流入する電解液を伝達する流入流路と、反対面において、前記流入流路から伝達される電解液を前記含浸部へ伝達する流出流路とが形成されたことを特徴とする、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
3. 前記流路は、貫通形成される流路孔を介して連結されることを特徴とする、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
4. 前記流入流路は、
   前記共通流路を形成する貫通孔に連結される流路溝と、
   前記流路溝に連結され、反対面に貫通形成される流路孔とを含むことを特徴とする、請求項２に記載のレドックスフロー電池。
5. 前記流出流路は、反対面において、前記流路孔に連結される流出溝として形成されたことを特徴とする、請求項４に記載のレドックスフロー電池。
6. 前記流出溝は、前記含浸部側を向いて開口して形成されたことを特徴とする、請求項５に記載のレドックスフロー電池。
7. 前記流路フレームは、
   前記固定部材の一面に固定され、相互間に空き空間を維持する未圧密領域と、空き領域なしに密着する圧密領域とを形成し、
   前記未圧密領域は閉曲面をなすことを特徴とする、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
8. 前記流路は分岐形成されることを特徴とする、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
9. 前記流路は、底面から一つ以上が相互離隔して突出する分岐壁を含むことを特徴とする、請求項１に記載のレドックスフロー電池。
10. 両面でそれぞれ伝達される電解液を反応させるメンブレインと、
    前記メンブレインの一面と反対面に、陽極電解液と陰極電解液をそれぞれ伝達するように積層される一つ以上の流路フレームと；
    前記流路フレームを介して供給される電解液を前記メンブレインへ伝達する含浸部と；
    前記メンブレイン乃至流路フレームを固定する一つ以上の固定部材とを含み、
    前記メンブレイン乃至固定部材は、電解液を伝達する共通流路を形成する貫通孔がそれぞれ形成され、
    前記共通流路は、ジグザグ状に形成されることを特徴とする、レドックスフロー電池。
11. 前記固定部材は、
    最外郭に位置し、それらの間に積層されるメンブレインおよび流路フレームを固定する第１固定部材と第２固定部材を含み、
    前記第１固定部材と第２固定部材は、前記メンブレイン乃至流路フレームに形成される貫通孔とは平面上で異なる位置に貫通孔が形成されることを特徴とする、請求項１０に記載のレドックスフロー電池。
12. 前記流路フレームは、一面において、前記固定部材から連結される共通流路を水平方向に転換させる流入流路と、前記流入流路から含浸部へ電解液を伝達する流出流路とを含むことを特徴とする、請求項１０に記載のレドックス流れ電池。
13. 前記流入流路は、
    前記流路フレームの両面のうちの少なくとも一面に内向きの溝に連結される流路溝として形成されることを特徴とする、請求項１２に記載のレドックスフロー電池。
14. 前記流入流路と前記流出流路は、貫通形成される伝達孔へ連結されることを特徴とする、請求項１２に記載のレドックスフロー電池。
15. 前記流出流路は、前記流路フレームの両面のうちの少なくとも一面に、前記伝達孔に連結される流出溝として形成されることを特徴とする、請求項１４に記載のレドックスフロー電池。
16. 前記流路フレームの両面に、電解液の漏れを防止する漏洩防止部材をさらに含むことを特徴とする、請求項１または１０に記載のレドックスフロー電池。
17. 前記漏洩防止部材は、
    前記流路フレームを接着させる接着剤、前記流路フレームの両面にそれぞれ積層されるガスケット、およびＯリングの中から選択された一つであることを特徴とする、請求項１６に記載のレドックスフロー電池。
18. 前記漏洩防止部材は、
    前記流路フレームから共通流路を介して電解液が流入する流入流路、および前記含浸部へ電解液を伝達する流出流路のうちの少なくとも一つに連結される切開口が形成されることを特徴とする、請求項１６に記載のレドックスフロー電池。
19. 前記漏洩防止部材は、前記共通流路を形成する貫通孔が形成されたことを特徴とする、請求項１６に記載のレドックスフロー電池。