特許 6819885 双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6819885

(24)【登録日】2021年1月6日

(45)【発行日】2021年1月27日

(54)【発明の名称】双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池

(51)【国際特許分類】

   H01M 8/18 20060101AFI20210114BHJP

   H01M 8/0258 20160101ALI20210114BHJP

   H01M 8/2483 20160101ALI20210114BHJP

【ＦＩ】

   H01M8/18

   H01M8/0258

   H01M8/2483

【請求項の数】8

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2017-525290(P2017-525290)

(86)(22)【出願日】2016年6月16日

(86)【国際出願番号】JP2016067914

(87)【国際公開番号】WO2016208482

(87)【国際公開日】20161229

【審査請求日】2019年1月21日

(31)【優先権主張番号】特願2015-125352(P2015-125352)

(32)【優先日】2015年6月23日

(33)【優先権主張国】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000002130

【氏名又は名称】住友電気工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100100147

【弁理士】

【氏名又は名称】山野 宏

(72)【発明者】

【氏名】藤田 勇人

(72)【発明者】

【氏名】山口 英之

(72)【発明者】

【氏名】寒野 毅

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 岳文

(72)【発明者】

【氏名】桑原 雅裕

(72)【発明者】

【氏名】林 清明

【審査官】 小森 重樹

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−２６０４６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２０７１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１４−５２４６３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１３−５１８３６２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５３２６６３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｍ ８／１８

Ｈ０１Ｍ ８／０２５８

Ｈ０１Ｍ ８／２４８３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１の面側に正極電極が配置され、第２の面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
前記第１の面、前記第２の面の少なくとも一方の面は、電解液が流通する流路を備え、
前記流路は、
前記電解液の導入口と、
前記電解液の排出口と、
前記導入口と前記排出口との間で、前記電解液を所定の経路に案内する溝部と、を備え、
前記導入口、前記排出口、及び前記溝部は、前記双極板に形成されており、
前記双極板を電池の所定位置に配置したときに、
前記導入口は、鉛直方向の下側に位置し、
前記排出口は、鉛直方向の上側に位置し、
前記溝部は、鉛直方向に沿うと共に、その鉛直方向と直交する方向に並列される複数の縦溝部を備え、
前記流路は、互いに連通しない導入側流路と排出側流路とを備え、
前記導入側流路と前記排出側流路の各々は、互いに噛み合って対向配置される櫛歯流路を備え、前記櫛歯流路は前記縦溝部を備え、
前記櫛歯流路の噛み合い部分の長さは、前記縦溝部の長さの８０％以上９９％以下であり、
隣り合う前記縦溝部の側縁間の溝間距離は、前記縦溝部の幅の１００％以上７００％以下であり、
前記縦溝部の深さは、前記双極板の厚さの１０％以上４５％以下である、
双極板。

【請求項2】

隣り合う前記縦溝部同士が並列方向に重複する長さは、双極板の鉛直方向の長さの４５％以上である請求項１に記載の双極板。

【請求項3】

前記縦溝部の幅は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である請求項１又は請求項２に記載の双極板。

【請求項4】

前記双極板の双方の面に前記流路を備え、
前記双極板を平面透視したとき、前記正極電極側の縦溝部と前記負極電極側の縦溝部とは、少なくとも一部が重複しない位置に存在する請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の双極板。

【請求項5】

前記溝部は、前記導入口と前記導入側流路における前記縦溝部の全ての導入側端部とを繋ぐ給液整流部、及び前記排出口と前記排出側流路における前記縦溝部の全ての排出側端部とを繋ぐ排液整流部の少なくとも一方を備える請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の双極板。

【請求項6】

請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体と、を備える、
セルフレーム。

【請求項7】

請求項６に記載のセルフレームと、正極電極と、隔膜と、負極電極とがこの順に積層された積層体が、複数積層してなる、
セルスタック。

【請求項8】

請求項７に記載のセルスタックを備える、
レドックスフロー電池。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、レドックスフロー電池の構成部品である双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池に関する。特に、セル内での内部抵抗を低減できる双極板に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電力不足の深刻化に伴って、世界規模での風力発電や太陽光発電などの自然エネルギーの急速導入や電力系統の安定化（例えば、周波数や電圧の維持など）が課題となっている。この対策技術の一つとして、大容量の蓄電池を設置して、出力変動の平滑化、余剰電力の貯蓄、負荷平準化などを図ることが注目されている。

【0003】

大容量の蓄電池の一つに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、正極電解液及び負極電解液に酸化還元により価数が変化する金属イオン（活物質）を含有する電解液を使用して充放電を行う電池である。図７に、正極電解液及び負極電解液の活物質にＶイオンを含有するバナジウム電解液を使用したバナジウム系ＲＦ電池１００の動作原理図を示す。図７中の電池セル１００Ｃ内の実線矢印は充電反応を、破線矢印は放電反応をそれぞれ示す。

【0004】

ＲＦ電池１００は、水素イオンを透過させる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離された電池セル１００Ｃを備える。正極セル１０２には正極電極１０４が内蔵され、かつ正極電解液を貯留する正極電解液用タンク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、かつ負極電解液を貯留する負極電解液用タンク１０７が導管１０９、１１１を介して接続されている。正極電解液用タンク１０６、負極電解液用タンク１０７に貯留される電解液は、充放電の際にポンプ１１２、１１３により正極セル１０２、負極セル１０３内に循環される。

【0005】

上記電池セル１００Ｃは通常、図８の下図に示すように、セルスタック２００と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック２００は、図８の上図に示すように、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５を重ねた電池セル１００Ｃを、額縁状の枠体１２２に一体化された双極板１２１を備えるセルフレーム１２０で挟んで複数積層した構成を備える。つまり、隣接する各セルフレーム１２０の双極板１２１の間に一つの電池セル１００Ｃが形成されることになり、双極板１２１を挟んで表裏に、隣り合う電池セル１００Ｃの正極電極１０４（正極セル１０２）と負極電極１０５（負極セル１０３）とが配置されることになる。この構成では、各セルフレーム１２０間の隙間がシール構造１２７で封止される。

【0006】

セルスタック２００における電池セル１００Ｃへの電解液の流通は、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。正極電解液は、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双極板１２１の第１の面側に配置される正極電極１０４に供給される。そして、その正極電解液は、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双極板１２１の第２の面側に配置される負極電極１０５に供給される。その負極電解液は、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。

【0007】

正極電極１０４及び負極電極１０５には、例えばカーボンフェルトといった多孔質の導電材が利用され、双極板１２１には、例えばプラスチックカーボンといった平板材が利用されている（特許文献１）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２００２−３６７６５９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

更なるレドックスフロー電池の電池性能の向上が望まれており、その一つとして電池の内部抵抗を低減することが求められている。この内部抵抗を増大させる要因の一つとして、電解液の流通状態、例えば電極の広範囲における電解液の流通の均一性が挙げられる。しかし、従来では、電極での電解液の流通状態を十分に考慮した上で内部抵抗を低減することについては、必ずしも十分な検討がなされているとは言えなかった。

【0010】

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、本発明の目的の一つは、セル内での内部抵抗を低減できる双極板を提供することにある。また、本発明の別の目的は、上記双極板を備えるセルフレーム及びこのセルフレームを備えるセルスタック、並びにこのセルスタックを備える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】

本発明の一態様に係る双極板は、第１の面側に正極電極が配置され、第２の面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、前記第１面、前記第２面の少なくとも一方の面は、電解液が流通する流路を備える。前記流路は、前記電解液の導入口と、前記電解液の排出口と、前記導入口と前記排出口との間で、前記電解液を所定の経路に案内する溝部と、を備える。前記溝部は、当該双極板を電池の所定位置に配置したときに、鉛直方向に沿うと共に、その鉛直方向と直交する方向に並列される複数の縦溝部を備える。

【0012】

本発明の一態様に係るセルフレームは、上記本発明の一態様に係る双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体と、を備える。

【0013】

本発明の一態様に係るセルスタックは、上記本発明の一態様に係るセルフレームと、正極電極と、隔膜と、負極電極とがこの順に積層された積層体が、複数積層してなる。

【0014】

本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記本発明の一態様に係るセルスタックを備える。

【発明の効果】

【0015】

上記の双極板は、セル内での内部抵抗を低減できる。上記セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池は、セル内での内部抵抗を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】実施形態１に係る双極板を示す概略平面図である。

【図2】実施形態１に係る双極板を示す概略断面図である。

【図3】実施形態２に係る双極板に示す概略平面図である。

【図4】実施形態３に係る双極板に示す概略平面図である。

【図5】実施形態４に係る双極板を示す概略平面図である。

【図6】実施形態５に係る双極板に示す概略平面図である。

【図7】レドックスフロー電池の概略原理図である。

【図8】レドックスフロー電池が備えるセルスタックの概略構成図である。

【図9】試験例１に係る試料Ｎｏ．１−１について、サイクル数とセル抵抗率との関係を示すグラフである。

【図10】試験例１に係る試料Ｎｏ．１−１１について、サイクル数とセル抵抗率との関係を示すグラフである。

【図11】セルフレームと、正極電極と、隔膜と、負極電極とがこの順に積層された積層体が、複数積層したセルスタックを備えるレドックスフロー電池の概略構成図である。

【符号の説明】

【0017】

１００ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
１００Ｃ 電池セル
１０１ 隔膜
１０２ 正極セル １０３ 負極セル
１０４ 正極電極 １０５ 負極電極
１０６ 正極電解液用タンク １０７ 負極電解液用タンク
１０８〜１１１ 導管
１１２，１１３ ポンプ
２００ セルスタック
１２０ セルフレーム １２１ 双極板 １２２ 枠体
１２３，１２４ 給液用マニホールド １２５，１２６ 排液用マニホールド
１２７ シール構造
１，２，３，４，５ 双極板
１０ 流路 １１ 溝部
１２ 導入側流路 １２ｉ 導入口
１２ｙ 導入側縦溝部 １２ｘ 導入側横溝部（給液整流部）
１４ 排出側流路 １４ｏ 排出口
１４ｙ 排出側縦溝部 １４ｘ 排出側横溝部（排液整流部）
１６ 畝部分
１８ｙ，１９ｙ 縦溝部 １８ｘ，１９ｘ 横溝部

【発明を実施するための形態】

【0018】

［本発明の実施形態の説明］
本発明者らは、内部抵抗を低減するべく、電極の面内における電解液の流通状態を検討した。その結果、双極板に電解液を案内する流路を設けることで、電極に電解液が浸透・拡散し易く、電極の広い範囲で電池反応を均一的に行うことができ、内部抵抗を低減できる、との知見を得た。ただし、後述する試験例で詳述するように、双極板に設けた流路の形態によっては、内部抵抗にばらつきが生じることがわかった。この内部抵抗のばらつきは、主に、レドックスフロー電池（ＲＦ電池）の運転開始直後から数サイクル〜数十サイクル程度の間に生じていた。特にこの内部抵抗のばらつきは、ＲＦ電池の運転開始前に電解液が空の状態である電池セル内に電解液を充填後、ＲＦ電池を運転した場合に生じていた。例えば、ＲＦ電池の初期状態であって、電池セルに電解液が充填されていない空の状態から電池セルに電解液を供給した後にＲＦ電池を運転した場合や、ＲＦ電池の待機状態であって、ポンプを停止し、自己放電を抑制するために一旦電解液を電池セルから排出した状態から、再度電解液を供給した後にＲＦ電池を運転した場合である。

【0019】

ＲＦ電池の運転開始前に空の状態である電池セルに電解液を供給してから、ＲＦ電池を運転した場合に、上記のばらつきが生じる原因として、電池セルに電解液を充填する際に生じ得る気泡が考えられる。空の状態である電池セルは内部に空気が充満している。この空気は、電池セル内への電解液循環によって排出できる。しかし、電池セル内での電解液の流速は遅いため、気泡を排出する力が弱く、排出するまでに所定の時間を要する。そのため、双極板に設けた流路の形態によっては、電池セル内、特に電極に気泡が停留し易い。電極に気泡が滞留すると、電極における電池反応面積を減少させることになり、内部抵抗が増加すると考えられる。そこで、本発明者らは、電解液の充填後におけるＲＦ電池の運転開始にあたって電極に気泡が停留することを抑制し、電極における電解液の流通を均一化することについて更に検討を進め、本願発明を完成するに至った。以下、本発明の実施形態の内容を列記して説明する。

【0020】

（１）本発明の実施形態に係る双極板は、第１の面側に正極電極が配置され、第２の面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、前記第１の面、前記第２の面の少なくとも一方の面は、電解液が流通する流路を備える。前記流路は、前記電解液の導入口と、前記電解液の排出口と、前記導入口と前記排出口との間で、前記電解液を所定の経路に案内する溝部と、を備える。前記溝部は、当該双極板を電池の所定位置に配置したときに、鉛直方向に沿うと共に、その鉛直方向と直交する方向に並列される複数の縦溝部を備える。

【0021】

上記の双極板は、流路を備えることで、この流路に沿って電解液の流通を促進でき、電池セル内の電解液の流通抵抗を低減して、電池セル内での電解液の圧力損失を低減できる。よって、電池の内部抵抗を低減できる。上記の双極板を電池の所定位置に配置したとき、電解液を所定の経路に案内する縦溝部が鉛直方向に沿って配置されるため、ＲＦ電池の運転開始前に空の状態である電池セルに電解液を供給する際に気泡を上方に排出し易く、気孔が残り難い。また、電池セル内に気泡が生じたとしても、その気泡は浮力により縦溝部に沿って流動し易く、排出され易い。そのため、電解液の電池セル内への充填後におけるＲＦ電池の運転開始にあたって、電極に気泡が停留し難い。よって、電極における電池反応面積の減少を抑制でき、電池の内部抵抗の増加を抑制できる。

【0022】

（２）上記の双極板の一例として、隣り合う前記縦溝部同士が並列方向に重複する長さは、双極板の鉛直方向の長さの４５％以上である形態が挙げられる。

【0023】

縦溝部の長さは長いほど、双極板の鉛直方向に沿う流路の長さを長くできる。縦溝部同士が並列方向に重複する長さが双極板の鉛直方向の長さの４５％以上であることで、縦溝部に沿って電池セル内で生じた気泡を上方により排出し易く、電極に気泡が停留し難い。

【0024】

（３）上記の双極板の一例として、隣り合う前記縦溝部の側縁間の溝間距離は、前記縦溝部の幅の１００％以上７００％以下である形態が挙げられる。

【0025】

縦溝部の横断面積は大きいほど、電池セル内における電解液の流通抵抗を低減して圧力損失を低減し易い。また、隣り合う縦溝部間の距離は大きいほど、双極板と電極との接触面積が増加して電極の広い範囲で電池反応を均一的に行い易い。隣り合う縦溝部の側縁間の溝間距離が縦溝部の幅の１００％以上であることで、電池セル内における電解液の流通抵抗を低減し易く、７００％以下であることで、電極における電池反応を均一的に行い易い。

【0026】

（４）上記の双極板の一例として、前記縦溝部の幅は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である形態が挙げられる。

【0027】

縦溝部の幅が０．１ｍｍ以上であることで、電池セル内における電解液の流通抵抗を低減し易い。一方、縦溝部の幅が１０ｍｍ以下であることで、相対的に縦溝部間の距離を確保できるため、電極における電池反応を均一的に行い易い。

【0028】

（５）上記の双極板の一例として、前記流路は、互いに連通しない導入側流路と排出側流路とを備える形態が挙げられる。

【0029】

上記双極板は、電解液が導入側流路と排出側流路との間を渡るように電極における電池反応域が配置される。導入口から導入された電解液は、上記の流路間を渡って排出口から排出されるため、未反応のまま排出される電解液量を減少できる。つまり、電極における反応電流量を増加できる。

【0030】

（６）流路が導入側流路と排出側流路とを備える上記の双極板の一例として、前記導入側流路と前記排出側流路の各々は、互いに噛み合って対向配置される櫛歯流路を備え、前記櫛歯流路は前記縦溝部を備える形態が挙げられる。

【0031】

上記双極板は、導入側流路と排出側流路とが互いに噛み合って対向配置されて並列状態にあるため、噛み合った櫛歯流路部分で櫛歯間を渡るように電極における電池反応域が配置される。この櫛歯間を渡る電池反応域に流通する電解液量を、導入側流路と排出側流路とが噛み合っていない場合に比較して増加し易い。つまり、電極における反応電流量をより増加し易い。

【0032】

（７）櫛歯流路を備える上記の双極板の一例として、前記櫛歯流路の噛み合い部分の長さは、前記縦溝部の長さの８０％以上９９％以下である形態が挙げられる。

【0033】

導入側流路と排出側流路とが互いに噛み合って対向配置される場合、噛み合い部分の長さは長いほど、この長さに比例して電極における電池反応域を多く確保できる。櫛歯流路の噛み合い部分の長さが縦溝部の長さの８０％以上であることで、電極における電池反応域を十分に確保でき、この領域に供給される電解液量を増大できる。一方、櫛歯流路の噛み合い部分の長さが縦溝部の長さの９９％以下であることで、導入側流路と排出側流路とを連通させることなく確実に独立させることができる。

【0034】

（８）上記の双極板の一例として、前記双極板の双方の面に前記流路を備え、当該双極板を平面透視したとき、前記正極電極側の縦溝部と前記負極電極側の縦溝部とは、少なくとも一部が重複しない位置に存在する形態が挙げられる。

【0035】

正極電極側の縦溝部と負極電極側の縦溝部とがずれていることで、電池セル内において一対の双極板で正負極の各電極及び隔膜を挟んだ際、一方の双極板の縦溝部と他方の双極板の縦溝部とがずれて配置されることになる。よって、一対の双極板の各縦溝部が対向して配置される場合に比較して、機械的強度が増大し、双極板の薄型化が可能となる。

【0036】

（９）上記の双極板の一例として、前記溝部は、前記導入口と前記縦溝部の全ての導入側端部とを繋ぐ給液整流部、及び前記排出口と前記縦溝部の全ての排出側端部とを繋ぐ排液整流部の少なくとも一方を備える形態が挙げられる。

【0037】

上記の双極板は、流路として給液整流部を備えることで、導入口から導入された電解液を各縦溝部に均一的に分配することができる。また、上記の双極板は、流路として排液整流部を備えることで、各縦溝部からの電解液を滞りなく排出口から排出することができる。

【0038】

（１０）本発明の実施形態に係るセルフレームは、上記（１）〜（９）のいずれか１つに記載の双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体と、を備える。

【0039】

上記のセルフレームは、本発明の実施形態に係る双極板を備えるため、電池セル内の電解液の流通抵抗を低減でき、かつ電極における電池反応面積の減少を抑制できることから、電池の内部抵抗を低減できる。

【0040】

（１１）本発明の実施形態に係るセルスタックは、上記（１０）に記載のセルフレームと、正極電極と、隔膜と、負極電極とがこの順に積層された積層体が、複数積層してなる。

【0041】

上記のセルスタックは、本発明の実施形態に係るセルフレームを備えるため、電池セル内の電解液の流通抵抗を低減でき、かつ電極における電池反応面積の減少を抑制できることから、電池の内部抵抗を低減できる。

【0042】

（１２）本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池は、上記（１１）に記載のセルスタックを備える。

【0043】

上記のレドックスフロー電池は、本発明の実施形態に係るセルスタックを備えるため、電池セル内の電解液の流通抵抗を低減でき、かつ電極における電池反応面積の減少を抑制できることから、電池の内部抵抗を低減できる。

【0044】

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態の詳細を、以下に説明する。なお、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および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。図中の同一符号は、同一名称物を示す。

【0045】

≪実施形態１≫
実施形態１では、レドックスフロー電池（ＲＦ電池）に用いる双極板１を図１，２に基づいて説明する。双極板１以外の構成は、図７及び図８を参照して説明した従来のＲＦ電池１００と同様の構成を採用できるため、その詳しい説明は省略する。図２に示す双極板１２１は、説明の便宜上、正極電極１０４及び負極電極１０５よりも厚くしている。

【0046】

〔双極板〕
双極板１は、隣り合う電池セル１００Ｃ（図７）間に介在されて各極の電解液を仕切る導電性部材であり、代表的には図１に示すように長方形状の平板である。双極板１の表裏面はそれぞれ、隣り合う電池セル１００Ｃのうち、一方の電池セル１００Ｃの正極電極１０４と、他方の電池セル１００Ｃの負極電極１０５と、に挟まれる。双極板１の第１の面（表面）が正極電極１０４との対向面であり、第２の面（裏面）が負極電極１０５との対向面である。本実施形態１の双極板１の主たる特徴とするところは、双極板１が正極電極１０４側及び負極電極１０５側の各面に正極電解液及び負極電解液が流通する流路１０を備え、この流路１０が縦溝構造を有することにある。

【0047】

・流路
流路１０は、各電池セル１００Ｃ内において、ポンプ１１２，１１３（図７）によって正極電極１０４，負極電極１０５に流通される電解液の流れを調整するために設けられる。流路１０は、双極板１の正極電極１０４側及び負極電極１０５側の各面において、双極板１の表面の一部である流路内面により形成される。流路内面は、図２に示すように、双極板１の深さ方向に窪んだ底面と、底面から垂直に延びる両側面と、で構成される。

【0048】

流路１０は、電解液の導入口１２ｉと、電解液の排出口１４ｏと、導入口１２ｉと排出口１４ｏとの間で電解液を所定の経路に案内する溝部１１と、を備える。導入口１２ｉは、双極板１の一方の端面（図１の下側）に開口しており、セルフレームの枠体に形成されるスリットを介して給液用マニホールド１２３（１２４）(図８)に繋がっている。排出口１４ｏは、導入口１２ｉとの対向する双極板１の他方の端面（図１の上側）に開口しており、セルフレームの枠体に形成されるスリットを介して排液用マニホールド１２５（１２６）(図８)に繋がっている。

【0049】

各電池セル１００Ｃ内の電解液の流れの調整は、流路１０の形状や寸法などを調整して行うことができる。本実施形態１の双極板１の特徴の一つは、溝部１１は、双極板１をＲＦ電池１００における所定位置に配置したときに、鉛直方向に沿うと共に、その鉛直方向と直交する方向に並列される複数の導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙを備えることにある。鉛直方向に沿って配置される複数の導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙを有する流路１０の形態を縦溝構造と呼ぶ。以下、流路１０の形状について説明し、その後に流路１０における溝部１１について説明する。

【0050】

・・流路の形状
流路１０は、図１に示すように、電解液を電極に導入する導入側流路１２と、電解液を電極から排出する排出側流路１４と、を備える。導入側流路１２と排出側流路１４とは、互いに連通せずに独立している。導入側流路１２と排出側流路１４の各々は、互いに噛み合って対向配置される櫛歯流路を備える。導入側流路１２の櫛歯流路は、複数の導入側縦溝部１２ｙを備え、排出側流路１４の櫛歯流路は、複数の排出側縦溝部１４ｙを備える。つまり、本実施形態１の双極板１の特徴の一つとして、流路１０は、導入側縦溝部１２ｙと排出側縦溝部１４ｙとが、互いに噛み合って対向配置される噛合型の対向櫛歯形状であることが挙げられる。

【0051】

導入側流路１２は、導入口１２ｉと、双極板１の横方向（図１では左右方向）に延設される一つの導入側横溝部１２ｘと、導入側横溝部１２ｘから双極板１の縦方向（図１では上下方向）に延設され、所定の間隔Ｃをあけて並列配置される複数の導入側縦溝部１２ｙと、を備える。導入口１２ｉ、導入側横溝部１２ｘ、導入側縦溝部１２ｙは連続している。

【0052】

排出側流路１４は、導入側流路１２と同様の形状である。排出側流路１４は、排出口１４ｏと、双極板１の横方向に延設される一つの排出側横溝部１４ｘと、排出側横溝部１４ｘから双極板１の縦方向に延設され、所定の間隔Ｃをあけて並列配置される複数の排出側縦溝部１４ｙと、を備える。排出口１４ｏ、排出側横溝部１４ｘ、排出側縦溝部１４ｙは連続している。

【0053】

この例の流路１０は導入側流路１２と排出側流路１４とを備えており、導入口１２ｉから導入された電解液は、導入側横溝部１２ｘ、導入側縦溝部１２ｙ、排出側縦溝部１４ｙ、排出側横溝部１４ｘを流通し、排出口１４ｏから排出される。つまり、流路１０のうち溝部１１は、導入側横溝部１２ｘ、導入側縦溝部１２ｙ、排出側縦溝部１４ｙ、排出側横溝部１４ｘによって構成される。

【0054】

導入側流路１２と排出側流路１４とは、各導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙが交互に並列されている。具体的には、導入側流路１２の隣り合う導入側縦溝部１２ｙ間に、排出側流路１４の排出側縦溝部１４ｙが配置される。言い換えると、排出側流路１４の隣り合う排出側縦溝部１４ｙ間に、導入側流路１２の導入側縦溝部１２ｙが配置される。この双極板１では、ＲＦ電池１００における所定位置に配置したときに、導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙが双極板１の一面上で鉛直方向（図１では上下方向）に沿って配置されると共に、その鉛直方向と直交する方向に隣り合って並列されることになる。

【0055】

導入側流路１２の導入側横溝部１２ｘは、導入口１２ｉから導入された電解液を各縦溝部１２ｙに均一的に分配する給液整流部の役割を果たす。排出側流路１４の排出側横溝部１４ｘは、各排出側縦溝部１４ｙからの電解液を滞りなく排出口１４ｏから排出する排液整流部の役割を果たす。この導入側横溝部１２ｘ，排出側横溝部１４ｘは省略することができ、電解液の整流部は、従来同様にセルフレームの枠体に設けることもできる。導入側横溝部１２ｘ，排出側横溝部１４ｘを省略した場合、導入側縦溝部１２ｙは、それぞれ導入側端部が双極板１の一方の端面（図１の下側）に開口しており、排出側縦溝部１４ｙは、それぞれ排出側端部が双極板１の他方の端面（図１の上側）に開口している。双極板１への電解液の導入口１２ｉは、各導入側縦溝部１２ｙの導入側端部の開口端となり、双極板１からの電解液の排出口１４ｏは、各排出側縦溝部１４ｙの排出側端部の開口端となる。

【0056】

図１の例の導入口１２ｉ及び排出口１４ｏは、それぞれ導入側横溝部１２ｘ，排出側横溝部１４ｘの横方向の端部から上下方向に延設される短い縦溝部を介して双極板１の端面に一つずつ形成されている。導入口１２ｉと排出口１４ｏとは、長方形状の双極板１のほぼ対角位置に備えられる。

【0057】

縦溝構造の流路１０の場合、導入口１２ｉから導入された電解液は、溝部１１に沿った流れ（図１で示す実線矢印の方向）と、各導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙ間に位置する畝部分１６を介して導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙ間を渡るような流れ（図１，２に示す破線矢印の方向）と、を形成する。導入口１２ｉから導入されて排出口１４ｏに至るまでの間に溝部１１を流通する電解液は、双極板１に対向配置される電極に浸透して拡散する。電極内に浸透・拡散した電解液は、電極内で電池反応を行う。特に、正極電極１０４および負極電極１０５における双極板１の畝部分１６に対向配置される領域は、電解液との接触面積を十分に確保できるため電池反応を良好に行える（図２）。導入された電解液が畝部分１６を渡って排出されるため、未反応のまま排出される電解液量を減少できる。その結果、電極における反応電流量を増加できる。また、ＲＦ電池の内部抵抗を低減できる。

【0058】

・・溝部
溝部１１は、図２に示すように、断面形状が矩形状である。溝部１１の断面形状は、任意の断面形状とすることができ、例えば半円状や角部を丸めた長方形状などの曲線を有する形状などが挙げられる。

【0059】

溝部１１は、流路１０の全体に亘って一様な深さＤを有し、導入側流路１２の導入側横溝部１２ｘの長さＬｘｉ、導入側縦溝部１２ｙの長さＬｙｉ、導入側縦溝部１２ｙの幅Ｗｙｉと、排出側流路１４の排出側横溝部１４ｘの長さＬｘｏ、排出側縦溝部１４ｙの長さＬｙｏ、排出側縦溝部１４ｙの幅Ｗｙｏと、がそれぞれ等しい。また、導入側流路１２の導入側縦溝部１２ｙの間隔Ｃｉと、排出側流路１４の排出側縦溝部１４ｙの間隔Ｃｏと、が等しい。このように流路１０を構成する溝部１１の形状及び寸法が概ね等しい場合は、双極板１及び双極板１に対向配置される電極の全域に亘って電解液の流れを実質的に均一にできて好ましい。以後この実施形態１では導入側流路１２の導入側横溝部１２ｘの長さＬｘｉと排出側流路１４の排出側横溝部１４ｘの長さＬｘｏをＬｘ、導入側縦溝部１２ｙの長さＬｙｉと排出側縦溝部１４ｙの長さＬｙｏをＬｙ、導入側縦溝部１２ｙの幅Ｗｙｉと排出側縦溝部１４ｙの幅ＷｙｏをＷｙ、導入側縦溝部１２ｙの間隔Cｉと排出側縦溝部１４ｙの間隔ＣｏをＣとする。

【0060】

溝部１１の深さＤは、例えば双極板１の厚さの１０％以上４５％以下であることが挙げられる。溝部１１の断面積を十分に確保しつつ、双極板１の強度を低下させないためである。双極板１の表裏面に溝部１１を備える場合、溝の深さＤが深すぎると機械的強度の低下を招く虞があるため、溝の深さＤは、双極板１の厚さの２０％以上４０％以下がさらに好ましいと考えられる。

【0061】

隣り合う導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙの側縁間の溝間距離Ｒは、例えば導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙの幅Ｗｙの１００％以上７００％以下であることが挙げられる。導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙの横断面積は大きいほど電池セル１００Ｃ内における電解液の流通抵抗を低減して圧力損失を低減し易い。一方、隣り合う導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙ間の距離は大きいほど、双極板１と電極との接触面積が増加して電極の広い範囲で電池反応を均一的に行い易い。電池セル１００Ｃ内における電解液の流通抵抗を低減でき、かつ電極における電池反応を均一的に行うにあたり、上記溝間距離Ｒは、導入側縦溝部１２ｙ，および排出側縦溝部１４ｙの幅Ｗｙの１００％以上５００％以下がさらに好ましいと考えられる。

【0062】

導入側縦溝部１２ｙの幅，排出側縦溝部１４ｙの幅Ｗｙは、上記溝間距離Ｒとの関係と、横断面積が十分に大きくなるように上述の深さＤと、に応じて適宜選択することができる。導入側縦溝部１２ｙの幅，排出側縦溝部１４ｙの幅Ｗｙは、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、さらに０．７ｍｍ以上１．５ｍｍ以下であることが好ましい。

【0063】

導入側縦溝部１２ｙの長さ，および排出側縦溝部１４ｙの長さＬｙは長いほど、双極板１の鉛直方向に沿う流路の長さを長くできる。この導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙの長さＬｙと、双極板１の鉛直方向の長さＬｈとの比率（Ｌｙ／Ｌｈ）×１００は、５０％以上９０％以下、さらに６０％以上８０％以下であることが好ましい。また、隣り合う導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙは、重複する長さが長いほど、導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙ間に位置する畝部分１６を渡ることによる電極での電池反応を良好に行える。この隣り合う導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙ同士の重複する長さＬｏと、双極板１の鉛直方向の長さＬｈとの比率（Ｌｏ／Ｌｈ）×１００は、４５％以上８５％以下、さらに５５％以上７５％以下であることが好ましい。

【0064】

噛合型の対向櫛歯形状において、導入側流路１２と排出側流路１４との各櫛歯流路の噛み合い部分の長さＬｏは長いほど、この長さに比例して電極における畝部分１６に対向配置される対向領域を十分に多く確保できる。それに伴い、この領域に供給される電解液量を増大できる。この櫛歯流路の噛み合い部分の長さＬｏと、導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙの長さＬｙとの比率（Ｌｏ／Ｌｙ）×１００は、８０％以上９９％以下、さらに９０％以上９８％以下であることが好ましい。

【0065】

この例では、図２に示すように、双極板１２１の表裏面に流路を備える場合、双極板１を平面透視したとき、導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙは、少なくとも一部が重複しない位置に存在することが挙げられる。双極板１２１の表裏面で導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙがずれていることで、電池セル１００Ｃにおいて一対の双極板１２１，１２１で正負極の各正極電極１０４，負極電極１０５及び隔膜１０１を挟んだ際、各電極と接する面で一方の双極板の導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙと他方の双極板の導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙとがずれて配置されることになる。このずれによって、一対の双極板の各導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙが対向して配置される場合に比較して、機械的強度が増大し、双極板の薄型化が可能となる。双極板１の表裏面に流路１０を備える場合、双極板１を平面透視したとき、導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙが重複する位置に存在していてもよい。

【0066】

・・構成材料
双極板１の構成材料は、電気抵抗が小さい導電性材料であって、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。更に、双極板１の構成材料は、適度な剛性を有することが好ましい。流路１０を構成する溝部１１の形状や寸法が長期に亘って変化し難く、流路１０を有することによる流通抵抗の低減効果、圧力損失の低減効果を維持し易いからである。具体的な構成材料は、炭素材と有機材とを含有する複合材料、より具体的には黒鉛などの導電性無機材とポリオレフィン系有機化合物や塩素化有機化合物などの有機材とを含む導電性プラスチックが挙げられる。

【0067】

炭素材は、黒鉛の他、カーボンブラック、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などが挙げられる。カーボンブラックは、アセチレンブラックやファーネスブラックなどが挙げられる。炭素材は、黒鉛を含むことが好ましい。炭素材は、黒鉛を主体とし、一部としてカーボンブラック及びＤＬＣの少なくとも一方を含むことができる。導電性無機材は、炭素材に加えて、アルミニウムなどの金属を含むことができる。導電性無機材は、粉末や繊維が挙げられる。

【0068】

ポリオレフィン系有機化合物は例えば、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテンなどが挙げられる。塩素化有機化合物は例えば、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、塩素化パラフィンなどが挙げられる。

【0069】

流路１０を備える双極板１は、上記の構成材料を射出成型、プレス成型、真空成型などの公知の方法によって板状に成形すると共に、流路１０となる溝部１１（導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙ及び導入側横溝部１２ｘ，排出側横溝部１４ｘ）をも成形することで製造できる。溝部１１を同時成形すれば双極板１の製造性に優れる。流路１０を有していない平板材に切削加工などを行って、流路１０となる溝部１１（導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙ及び導入側横溝部１２ｘ，排出側横溝部１４ｘ）を形成することもできる。

【0070】

〔効果〕
縦溝構造の流路１０の場合、導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙが鉛直方向に沿って配置されていることで、ＲＦ電池の運転開始前に空の状態である電池セルに電解液を供給する際に気泡が生じ難い。また、電池セル内に気泡が生じたとしてもその気泡は排出口１４ｏに向かって排出され易い。そのため、電解液の電池セルへの充填後におけるＲＦ電池の運転開始にあたって、電極に気泡が停留し難い。その結果、電極における電池反応面積の減少を抑制でき、ＲＦ電池の内部抵抗の増加を抑制できる。

【0071】

特に、流路１０が導入側流路１２と排出側流路１４とを備える噛合型の対向櫛歯形状であることで、導入側流路１２の導入側縦溝部１２ｙと排出側流路１４の排出側縦溝部１４ｙとの間で畝部分１６を渡るように電極における電池反応域が形成される。この電池反応域によって電解液との接触面積を十分に確保できるため、電池反応を良好に行える。

【0072】

〔双極板以外のＲＦ電池の構成〕
上記双極板１の説明にあたり、双極板１以外のＲＦ電池１００（図７，８を参照）の構成は従来と同じものを採用することができると述べた。本実施形態１のＲＦ電池は、正極電極、隔膜、負極電極を重ねた電池セルと、額縁状の枠体に一体化された双極板を有するセルフレームとを備え、電池セルをセルフレームで挟んで複数積層しており、双極板に上述した本実施形態の流路１０を備える双極板１を用いている。つまり、隣接する各セルフレームの双極板１の間に一つの電池セルが形成されており、双極板１を挟んで表裏に、隣り合う電池セルの正極電極と負極電極とが配置されている。

【0073】

電解液には、図７に示すように、バナジウムイオンを各極活物質としたバナジウム系電解液が好適に利用できる。その他、正極活物質として鉄（Ｆｅ）イオンを、負極活物質としてクロム（Ｃｒ）イオンを用いた鉄（Ｆｅ^２＋／Ｆｅ^３＋）−クロム（Ｃｒ^３＋／Ｃｒ^２＋）系電解液や、正極電解液にマンガン（Ｍｎ）イオン、負極電解液にチタン（Ｔｉ）イオンを用いるマンガン（Ｍｎ^２＋／Ｍｎ^３＋）−チタン（Ｔｉ^４＋／Ｔｉ^３＋）系電解液が好適に利用できる。

【0074】

≪実施形態２≫
実施形態２では、図３に示す非噛合型の対向櫛歯形状の流路１０を有する双極板２を説明する。非噛合型の対向櫛歯形状とは、導入側流路１２の櫛歯流路と排出側流路１４の櫛歯流路とが、互いに噛み合わずに対向配置された形状である。双極板２の基本的構成は、実施形態１の双極板１と同様であり、流路１０の形態のみが異なる。

【0075】

導入側流路１２は、導入口１２ｉと、双極板２の横方向（図３では左右方向）に延設される一つの導入側横溝部１２ｘと、導入側横溝部１２ｘから双極板２の縦方向（図３では上下方向）に延設され、所定の間隔をあけて並列配置される複数の導入側縦溝部１２ｙと、を備える。双極板２の導入側縦溝部１２ｙは、双極板１の導入側縦溝部１２ｙよりも本数が多く、長さが短い。導入口１２ｉ、導入側横溝部１２ｘ、導入側縦溝部１２ｙは連続している。

【0076】

排出側流路１４は、導入側流路１２と同様の形状である。排出側流路１４は、排出口１４ｏと、双極板２の横方向に延設される一つの排出側横溝部１４ｘと、排出側横溝部１４ｘから双極板２の縦方向に延設され、所定の間隔をあけて並列配置される複数の排出側縦溝部１４ｙと、を備える。双極板２の排出側縦溝部１４ｙも、双極板１の排出側縦溝部１４ｙよりも本数が多く、長さが短い。双極板２では、排出側縦溝部１４ｙの本数と導入側縦溝部１２ｙの本数とが同じとなっている。また、排出側縦溝部１４ｙの長さＬｙｏと導入側縦溝部１２ｙの長さＬｙｉとが同じとなっている。排出口１４ｏ、排出側横溝部１４ｘ、排出側縦溝部１４ｙは連続している。

【0077】

双極板２では、導入側縦溝部１２ｙと排出側縦溝部１４ｙとが、上下に対称配置されている。よって、隣り合う縦溝部は、導入側縦溝部１２ｙ，１２ｙ同士、又は排出側縦溝部１４ｙ，１４ｙ同士である。双極板２は、ＲＦ電池１００における所定位置に配置したときに、導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙがそれぞれ鉛直方向（図３では上下方向）に沿って配置されると共に、その鉛直方向と直交する方向に導入側縦溝部１２ｙ同士、及び排出側縦溝部１４ｙ同士が並列されることになる。導入側縦溝部１２ｙと排出側縦溝部１４ｙとが上下に対称配置されており、導入側縦溝部１２ｙの長さＬｙｉと排出側縦溝部１４ｙの長さＬｙｏとの合計長さ（Ｌｙｉ＋Ｌｙｏ）と、双極板２の鉛直方向の長さＬｈとの比率［（Ｌｙｉ＋Ｌｙｏ）／Ｌｈ）］×１００は、７０％以上９９％以下、さらに７５％以上９９％以下であることが挙げられる。

【0078】

導入口１２ｉから導入された電解液は、溝部１１に沿った流れ（図３で示す実線矢印の方向）と、各導入側縦溝部１２ｙ，１２ｙ間及び排出側縦溝部１４ｙ、１４ｙ間に位置する畝部分１６を介するような流れ（図３に示す傾斜した破線矢印の方向）と、導入側流路１２の導入側縦溝部１２ｙと排出側流路１４の排出側縦溝部１４ｙとの間に位置する畝部分１６を介するような流れ（図３に示す縦方向への破線矢印の方向）と、を形成する。非噛合型の櫛歯形状であっても、隣り合う導入側縦溝部１２ｙ，１２ｙ間、排出側縦溝部１４ｙ，１４ｙ間、上下に位置する導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙ間を渡るように電極における電池反応を行うことで、未反応のまま排出される電解液量を減少でき、電極における反応電流量を増加できる。また、ＲＦ電池の内部抵抗を低減できる。

【0079】

また、非噛合型の櫛歯形状であっても、導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙが鉛直方向に沿って配置されているため、電解液の電池セルへの充填後におけるＲＦ電池の運転開始にあたって、電極に気泡が停留し難く、電極における電池反応面積の減少を抑制でき、ＲＦ電池の内部抵抗の増加を抑制できる。

【0080】

≪実施形態３≫
実施形態３では、図４に示す一連のグリッド形状の流路１０を有する双極板３を説明する。グリッド形状とは、導入側流路と排出側流路とが連通された形状である。双極板３の基本的構成は、実施形態１の双極板１と同様であり、流路１０の形態のみが異なる。

【0081】

流路１０は、溝部１１として、双極板３の縦方向（図４では上下方向）に延設され、所定の間隔をあけて並列配置される複数の縦溝部１８ｙと、各縦溝部１８ｙの導入側及び排出側の各端部を繋ぐ一対の横溝部１８ｘ，１８ｘと、を備える。導入側の横溝部１８ｘ（図４の下側）は、一端（図４の右側）が導入口１２ｉに繋がっており、他端（図４の左側）が縦溝部１８ｙを介して排出口１４ｏに繋がっている。排出側の横溝部１８ｘ（図４の上側）は、一端（図４の左側）が排出口１４ｏに繋がっており、他端（図４の右側）が縦溝部１８ｙを介して導入口１２ｉに繋がっている。導入口１２ｉ、一対の横溝部１８ｘ，１８ｘ、各縦溝部１８ｙ、排出口１４ｏは連続している。

【0082】

双極板３でも、導入口１２ｉから導入された電解液は、溝部１１に沿った流れ（図４で示す実線矢印の方向）と、各縦溝部１８ｙ，１８ｙ間に位置する畝部分１６を介して縦溝部１８ｙ，１８ｙ間を渡るような流れ（図４に示す破線矢印の方向）と、を形成する。この畝部分１６を介して縦溝部１８ｙ，１８ｙ間を渡るように電極における電池反応を行うことで、未反応のまま排出される電解液量を減少でき、電極における反応電流量を増加できる。また、ＲＦ電池の内部抵抗を低減できる。

【0083】

双極板３では、縦溝部１８ｙが導入口１２ｉから排出口１４ｏまで連通しているため、電解液の電池セルへの充填後におけるＲＦ電池の運転開始にあたって、電池セル内の気泡が排出され易く、電極に気泡が停留し難い。よって、双極板３では、電極における電池反応面積の減少をより抑制し易く、ＲＦ電池の内部抵抗の増加を抑制し易い。

【0084】

≪実施形態４≫
実施形態４では、図５に示す断続形状の流路１０を有する双極板４を説明する。双極板４は、実施形態１で説明した双極板１（図１）における各導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙを、断続的に（非連続的に）形成した形態である。導入側縦溝部１２ｙ，排出側縦溝部１４ｙを断続形状とすることで、電解液が、幅方向の畝部分１６だけでなく、縦方向に隣り合う縦溝部間の畝部分１６を介して各縦溝部間を渡るように電極における電池反応を行うことができ、電極における反応電流量を増加できると期待される。

【0085】

≪実施形態５≫
実施形態５では、図６に示す一連の蛇行形状の流路１０を有する双極板５を説明する。一連の蛇行形状とは、導入口１２ｉから排出口１４ｏまで一連の溝部１１で形成された形状である。溝部１１は、並列される複数の縦溝部１９ｙと、複数の縦溝部１９ｙの一端同士又は他端同士を交互に繋ぐ複数の短い横溝部１９ｘと、を備える。
双極板５でも、導入口１２ｉから導入された電解液は、溝部１１に沿った流れ（図６で示す実線矢印の方向）と、各縦溝部１９ｙ，１９ｙ間に位置する畝部分１６を介して縦溝部１９ｙ，１９ｙ間を渡るような流れ（図６に示す破線矢印の方向）と、を形成する。この畝部分１６を介して縦溝部１９ｙ，１９ｙ間を渡るように電極における電池反応を行うことで、未反応のまま排出される電解液量を減少でき、電極における反応電流量を増加できると期待される。

【0086】

≪実施形態６≫
実施形態６では、図１１で前記セルフレームと、正極電極と、隔膜と、負極電極とがこの順に積層された積層体が、複数積層してなるセルスタックを備えるレドックスフロー電池を説明する。このレドックスフロー電池は、本発明の実施形態に係るセルスタックを備えるため、電池セル内の電解液の流通抵抗を低減でき、かつ電極における電池反応面積の減少を抑制できることから、電池の内部抵抗を低減できる。

【0087】

≪試験例１≫
試験例１では、噛合型の櫛歯形状の流路を有する双極板を所定位置に配置したＲＦ電池について、実際に電池セルを作製し、ＲＦ電池の内部抵抗を調べた。試験例１では、流路が縦溝構造である双極板を用いた試料Ｎｏ．１−１と、流路が横溝構造である双極板を用いた試料Ｎｏ．１−１１という２種類のＲＦ電池を作製した。用いたＲＦ電池の仕様を以下に示す。なお、試験例１では、正極電極−隔膜−負極電極を重ねた電池セルを、双極板を備えるセルフレームで挟んだ単セル構造のＲＦ電池とした。そのため、ＲＦ電池の内部抵抗は、セル抵抗率として表す。

【0088】

〔試料Ｎｏ．１−１〕
・双極板
寸法：長さ２００ｍｍ、幅１９８ｍｍ、厚み６．２ｍｍ
流路形状：導入側流路と排出側流路とを備える噛合型の対向櫛歯形状（図１を参照）
縦溝部について
数：導入側流路１６本×排出側流路１６本
長さＬｙ：１５０ｍｍ
重複長さＬｏ：１４２ｍｍ
幅Ｗｙ：１．３ｍｍ
深さＤ：１．０ｍｍ
溝間距離Ｒ：３．９ｍｍ
断面形状：矩形形状
横溝部について
長さＬｘ：１７０ｍｍ
構成材料：黒鉛８０％とマトリックス樹脂としてポリプロピレン２０％とを圧粉成形した双極板
・電極
寸法：長さ１７０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ
構成材料：炭素繊維とバインダー炭素とを含むカーボンフェルト
ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製 ＧＤＬ１０ＡＡ
・隔膜
構成材料：デュポン株式会社製 ナフィオン（登録商標）２１２
・電解液
組成：硫酸Ｖ水溶液（Ｖ濃度：１．７ｍｏｌ／Ｌ、硫酸濃度：４．３ｍｏｌ／Ｌ）
流量：５．４ｍＬ／ｍｉｎ

【0089】

〔試料Ｎｏ．１−１１〕
・双極板
寸法：長さ２００ｍｍ、幅１９８ｍｍ、厚み６．２ｍｍ
流路形状：導入側流路と排出側流路とを備える噛合型の対向櫛歯形状
導入側流路：導入口と、双極板の縦方向（鉛直方向）に延設される一つの縦溝部と、縦溝部から双極板の横方向（鉛直方向と直交する方向）に延設され、所定の間隔をあけて並列配置される複数の横溝部と、を備える
排出側流路：排出口と、双極板の縦方向（鉛直方向）に延設される一つの縦溝部と、縦溝部から双極板の横方向（鉛直方向と直交する方向）に延設され、所定の間隔をあけて並列配置される複数の横溝部と、を備える
電解液の流れ：導入口⇒導入側縦溝部⇒導入側横溝部⇒排出側横溝部⇒排出側縦溝部⇒排出口
横溝部について
数：導入側流路１６本×排出側流路１６本
長さＬｘ：１５０ｍｍ
重複長さＬｏ：１４２ｍｍ
幅Ｗｙ：１．３ｍｍ
深さＤ：１．０ｍｍ
溝間距離Ｒ：３．９ｍｍ
断面形状：矩形形状
縦溝部について
長さＬｙ：１７０ｍｍ
構成材料：炭素繊維とバインダー炭素とを含むカーボンフェルト
ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製 ＧＤＬ１０ＡＡ
・電極、隔膜、電解液：試料Ｎｏ．１−１と同じ

【0090】

作製した各試料の単セル構造のＲＦ電池（電解液が空の状態）に電解液を供給して充填後、電流密度：０．２Ａ／ｃｍ^２の定電流で充放電を行った。試験例１では、予め設定した所定の切替電圧に達したら、充電から放電に切り替え、複数サイクルの充放電を行った。各サイクルの充放電後、各試料についてセル抵抗率（Ω・ｃｍ^２）を求めた。セル抵抗率は、各サイクルにおける充電時の通電電圧と放電時の通電電圧の差分、及び通電電流を求め、電圧／電流とした。

【0091】

試料Ｎｏ．１−１の結果を図９に示し、試料Ｎｏ．１−１１の結果を図１０に示す。図９及び図１０はそれぞれ、横軸が充放電のサイクル数であり、縦軸がセル抵抗率（Ω・ｃｍ^２）を示す。

【0092】

図９に示すように、流路が縦溝構造である双極板を用いた試料Ｎｏ．１−１は、ＲＦ電池の運転開始初期からセル抵抗率の増加は見られず、安定した運転が行えることがわかる。これは、流路が縦溝構造である双極板を用いた場合、双極板が鉛直方向に沿って並列される縦溝部を備えることで、電解液の充填時に生じ得る気泡を上方に排出できているからと考えられる。電解液の充填時に気泡を排出できていることで、ＲＦ電池の運転開始直後から、気泡による電極での電池反応面積の減少が実質的に生じていないからと考えられる。

【0093】

一方、図１０に示すように、流路が横溝構造である双極板を用いた試料Ｎｏ．１−１１は、ＲＦ電池の運転開始直後から２０サイクル程度の充放電の間にセル抵抗率のばらつきが生じていることがわかる。これは、流路が横溝構造である双極板を用いた場合、鉛直方向と直交する方向に沿って並列される横溝部が主に双極板を占めることで、電解液の充填時に生じ得る気泡は浮力によって上昇して横溝部の壁面にぶつかり電極に滞留していると考えられる。電極に気泡が滞留することで、電極における電池反応面積が減少してしまい、十分な電池反応を行えていないからと考えられる。なお、流路が横溝構造である試料Ｎｏ．１−１１では、２０サイクル程度以上の充放電になると、セル抵抗率は安定する傾向にあることがわかる。これは、電池セル内における電解液の循環によって、時間をかけて気泡が排出されたからと考えられる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】