CN108352554A - 双极板、电池框架和电池堆以及氧化还原液流电池 - Google Patents

双极板、电池框架和电池堆以及氧化还原液流电池 Download PDF

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Abstract

此双极板用在具有设置在一个表面侧的正极电极和设置在另一表面侧的负极电极的电池。所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有：多个沟部，电解质溶液在所述多个沟部中流动；和脊部，每个脊部均位于相邻的所述沟部之间。所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部。每个脊部设置有粗糙部分，该粗糙部分用于抑制正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的排列方向上的滑动。在所述脊部表面的至少一部分中，所述粗糙部分设置有粗糙表面。所述粗糙表面的表面粗糙度为0.1μm至10μm以内的算术平均粗糙度Ra。

Description

双极板、电池框架和电池堆以及氧化还原液流电池
技术领域
本发明涉及一种双极板、电池框架、电池堆以及氧化还原液流电池。
本申请要求2016年5月30日提交的日本专利申请2016-107756的优先权，并且该日本专利申请的全部内容通过引用的方式并入本文。
背景技术
已知的大容量蓄电池之一是氧化还原液流电池(在下文中，可以称为“RF电池”)，其中，通过向电极供给电解液进行电池反应。除了用于负载均衡之外，RF电池的使用实例还包括用于电压骤降补偿和应急电源、以及用于使诸如太阳能发电和风力发电的自然能源的输出平稳。
这样的RF电池典型地包括作为主要部件的电池单元，该电池单元包括被供给正极电解液的正极电极、被供给负极电解液的负极电极和设置在正极电极和负极电极之间的隔膜。大容量RF电池使用通过堆叠多个电池单元并将所述电池单元紧固到一定程度而形成的、所谓的电池堆。双极板通常被设置在相邻的电池单元之间。具体地，通过将双极板、正极电极、隔膜、负极电极、另一双极板按此顺序反复堆叠而形成电池堆。
典型地，通过构建RF电池系统来使用RF电池，该RF电池系统包括将电解液循环并供给到RF电池的循环机构。该循环机构包括分别储存正极电解液和负极电解液的储箱、将所述储箱中的每个储箱连接至RF电池的管以及设置在所述管上的泵。在专利文献1和专利文献2中，使用了具有电解液所流动通过的多个沟部的双极板来调整每个单元内的电解液的流动，泵允许该电解液流过电极。因为双极板在电极侧的表面上具有沟部，调整了流过电极的电解液的流动，从而降低电解液的压力损失。此外，因为双极板在电极侧的表面上具有沟部，所以电解液在位于所述沟部之间的部分(下文被称为“脊部”)上流过从而横越于相邻的所述沟部之间，并且电解液在与脊部对向的电极上进行电池反应，以减少在未反应状态下排出的电解液的量。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审专利申请公报2015-122230
专利文献2：日本未审专利申请公报2015-210849
发明内容
根据本公开的双极板是
一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括粗糙表面，所述粗糙表面被设置在所述脊部的至少一部分表面上，并且
就算术平均粗糙度(Ra)而言，所述粗糙表面的表面粗糙度在0.1μm以上且10μm以下。
根据本公开的双极板是
一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括台阶，所述台阶被设置为在相邻的所述沟部的平行布置的方向上具有高度差，并且
所述台阶的最大高度差在0.1mm以上且0.5mm以下。
根据本公开的双极板是
一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括倾斜表面，所述倾斜表面从相邻的所述沟部的一个沟部侧向另一沟部侧倾斜，并且
所述倾斜表面的高度差在0.1mm以上且0.5mm以下。
根据本公开的电池框架包括按照根据本公开的任一双极板的双极板和被设置在所述双极板的外周上的框架体。
根据本公开的电池堆通过将根据本公开的电池框架、正极电极、隔膜和负极电极多次堆叠而获得。
根据本公开的氧化还原液流电池包括根据本公开的电池堆。
附图说明
[图1]是示出了在根据实施例1的双极板上设置的、对向的梳齿形流动通路的示意性平面图。
[图2]是示出了在根据实施例1的双极板上设置的沟部和脊部的形状的示意性放大截面图。
[图3]是示出了在根据实施例2的双极板上设置的沟部和脊部的形状的示意性放大截面图。
[图4]是示出了在根据实施例3的双极板上设置的沟部和脊部的形状的示意性放大截面图。
[图5]是氧化还原液流电池的示意性说明图。
[图6]是示出了氧化还原液流电池中包括的电池堆的构造的示意图。
[图7]是示出了实验例1的双极板中的台阶和电池电阻之间的关系的仿真结果的图。
具体实施方式
[本公开要解决的技术问题]
在专利文献1和专利文献2中公开的双极板的每一个中，双极板的最外侧表面的大部分由位于各个相邻的沟部之间的脊部形成。因为所述脊部的表面均由平坦表面构成，所以在电极和双极板之间没有摩擦。因此，在电池单元的组装期间，在电极和双极板之间可能发生位置错位(positional misalignment)。
鉴于上述情况，本公开的一个目的是提供一种能够在电池单元的组装期间容易地防止电极的位置错位的双极板。本公开的另一目的是提供一种具有良好的电解液扩散性的双极板。本公开的又一个目的是提供一种包括所述双极板的电池框架、包括所述电池框架的电池堆以及包括所述电池堆的氧化还原液流电池。
[本公开的有利效果]
所述双极板能够在电池单元的组装期间容易地防止电极的位置错位。另外，所述双极板具有良好的电解液扩散性。所述电池框架、电池堆和氧化还原液流电池能够在电池单元的组装期间防止电极的位置错位并具有良好的电解液扩散性。
[本发明的实施例的说明]
首先，将列出并描述本发明的实施例的内容。
(1)根据本发明的实施例的双极板是
一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括粗糙表面，所述粗糙表面被设置在所述脊部的至少一部分表面上，并且
就算术平均粗糙度Ra而言，所述粗糙表面的表面粗糙度在0.1μm以上且10μm以下。
因为所述双极板包括在与正极电极或负极电极接触的脊部上的起伏部，所以通过所述起伏部在电极和双极板之间产生摩擦，并且能够通过所述摩擦抑制电极的滑动。因此，能够通过简单地将电极设置在双极板的表面上而将电极保持在双极板上。因此，即使在电池单元的组装期间，也能够容易地防止在电极和双极板之间发生位置错位。
另外，因为所述双极板包括在与正极电极或负极电极接触的脊部上的起伏部，所以当电解液流动而横越于相邻的所述沟部之间时，所述起伏部改变电解液的流速并且容易产生湍流。当在脊部中产生湍流时，电解液被强制扩散到与所述脊部对向设置的电极内，电解液中含有的活性材料离子能够均匀地供给到电极内，因此预计能够提高电池反应性。
因为所述起伏部包括粗糙表面，所以容易在电极和双极板之间产生摩擦，并且容易防止电极相对于双极板的位置错位。因为就算术平均粗糙度Ra而言、所述粗糙表面的表面粗糙度在0.1μm以上，所以能够防止电极相对于双极板的位置错位。另一方面，因为就算术平均粗糙度Ra而言、所述粗糙表面的表面粗糙度在10μm以下，所以容易在相对于双极板没有间隙的情况下布置所述电极。这是因为：如果在双极板和电极之间形成间隙，进行流动而在所述脊部上横越于相邻的沟部之间的电解液就难以扩散到电极内，并且电解液可能保持在未反应状态。
(2)根据本发明的实施例的双极板是
一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括台阶，所述台阶被设置为在相邻的所述沟部的平行布置的方向上具有高度差，并且
所述台阶的最大高度差在0.1mm以上且0.5mm以下。
因为所述起伏部包括台阶，从高部延伸至低部的棱线部分能够卡挂(catch)电极，因此容易防止电极相对于双极板的位置错位。因为所述起伏部包括台阶，当电解液流动而横越于相邻的沟部之间时，由于台阶状的高度差，容易显著地改变电解液的流速，并且容易提高电解液的扩散性。因为所述台阶的最大高度差在0.1mm以上，所以能够防止电极相对于双极板的位置错位，并且容易提高电解液的扩散性。另一方面，因为所述台阶的最大高度差在0.5mm以下，所以容易在相对于双极板没有间隙的情况下布置所述电极。
(3)根据本发明的实施例的双极板是
一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括倾斜表面，所述倾斜表面从相邻的所述沟部的一个沟部侧向另一沟部侧倾斜，并且
所述倾斜表面的高度差在0.1mm以上且0.5mm以下。
因为所述起伏部包括倾斜表面，在所述倾斜表面的高部侧的边缘能够卡挂电极，因此容易防止电极相对于双极板的位置错位。另外，因为所述起伏部包括倾斜表面，当电解液流动而横越于相邻的沟部之间时，由于所述倾斜表面的高度差，容易显著地改变电解液的流速，并且容易提高电解液的扩散性。因为所述倾斜表面的高度差在0.1mm以上，所以能够防止电极相对于双极板的位置错位，并且容易提高电解液的扩散性。另一方面，因为所述倾斜表面的高度差在0.5mm以下，所以容易在相对于双极板没有间隙的情况下布置所述电极。
(4)所述双极板的一个实例可以是如下的实施例
其中，所述导入沟部和排出沟部满足下面(A)至(C)中的任一项：
(A)所述导入沟部和排出沟部均包括梳齿形区域，以形成相互交错的、对向的梳齿形状，其中，所述梳齿被设置为以相互交错的方式彼此对向；
(B)所述导入沟部和排出沟部均包括梳齿形区域，以形成彼此不相互交错的、对向的梳齿形状，其中，所述梳齿彼此不相互交错；和
(C)所述导入沟部和排出沟部中的至少一个由多个不连续的沟部形成。
对于上述(A)的实施例，术语“梳齿形”是指一种形状，其包括在一个方向上延伸的长主沟和从所述主沟在相同方向上平行地分支的多个支沟。表述“彼此不连通的所述导入沟部和排出沟部均包括梳齿形区域”是指：在所述导入沟部和排出沟部中的每一个中，彼此独立的支沟(梳齿)从独立的主沟突出。而且，表述“梳齿被设置为以相互交错的方式彼此对向”是指所述导入沟部的梳齿和所述排出沟部的梳齿在平面图中彼此交替地布置。
当所述导入沟部和排出沟部的梳齿被设置为以相互交错的方式彼此对向时，所述导入沟部的梳齿和所述排出沟部的梳齿被平行布置，并且进行电极上的电池反应，使得电解液横越于平行布置的梳齿之间。与所述导入沟部和排出沟部不相互交错的情况相比，流过在所述梳齿之间横越延伸的电池反应区的电解液的量容易增加。因此，根据上述构造，能够预期所述电极的电池反应区中的电池反应的活性化，所述电极的电池反应区中的电解液的流动状态容易在整个电极上变得均匀，并且所述电池反应容易在电极的大范围上均匀地进行。
对于上述(B)的实施例，即使在不相互交错的、对向的梳齿形状的情况下，与位于相邻的沟部之间的脊部对向设置的区域也作为电池反应区发挥作用。因此，与所述导入沟部和排出沟部彼此连通的情况相比，能够期望电池反应的活性化。
对于上述(C)的实施例，术语“多个不连续的沟部”是指所述导入沟部和/或排出沟部由在其纵向方向上按照间隔设置的多个沟群(groove groups)形成。也在此情况下，与位于相邻的沟部之间的脊部对向设置的区域作为电池反应区发挥作用。因此，与所述导入沟部和排出沟部彼此连通的情况相比，能够期望电池反应的活性化。
(5)根据本发明的实施例的电池框架包括根据上述(1)至(4)中任一项所述的双极板和被设置在所述双极板的外周上的框架体。
因为所述电池框架包括根据本发明的实施例的双极板，所以即使在电池单元的组装期间，也能够容易地防止电极和双极板之间的位置错位的发生。另外，电解液能够被强制扩散到与所述脊部对向设置的电极内，因此预计能够提高电池反应性。
(6)根据本发明的实施例的电池堆通过将根据上述(5)所述的电池框架、正极电极、隔膜和负极电极多次堆叠而获得。
因为所述电池堆包括根据本发明的实施例的电池框架，所以即使在电池单元(电池堆)的组装期间，也能够容易地防止电极和双极板之间的位置错位的发生。另外，电解液能够被强制扩散到与所述脊部对向设置的电极内，因此预计能够提高电池反应性。
(7)根据本发明的实施例的氧化还原液流电池包括根据上述(6)所述的电池堆。
因为所述氧化还原液流电池包括根据本发明的实施例的电池堆，所以即使在电池单元(电池堆)的组装期间，也能够容易地防止电极和双极板之间的位置错位的发生。另外，电解液能够被强制扩散到与所述脊部对向设置的电极内，因此预计能够提高电池反应性。
[本发明的实施例的细节]
现在将参照附图详细描述在根据本发明的实施例的氧化还原液流电池(RF电池)中包括的双极板和包括该双极板的RF电池。在附图中，相同的附图标记表示相同的部件。
首先，将参考图5和6描述包括根据实施例的RF电池100的RF电池系统的基本构造。接着，将参考图1至4描述该实施例的RF电池100中包括的双极板的实施例。
[RF电池的概述]
如图5所示，通过构建RF电池系统来使用根据本实施例的RF电池100，该RF电池系统包括将电解液循环并供给到RF电池100的循环机构。典型地，RF电池100通过交流/直流转换器、变压器设施等连接至发电单元和诸如电力系统或电力消耗装置的负载。RF电池100使用发电单元作为电源进行充电，并且向作为电力消耗对象的负载进行放电。发电单元的实例包括太阳能发电设备、风力发电设备和其他一般发电厂。
[RF电池的基本构造]
RF电池100包括电池单元100C，电池单元100C被隔膜101分隔为正极单元102和负极单元103。正极单元102中包括正极电极104，正极电解液被供给到该正极电极104。负极单元103中包括负极电极105，负极电解液被供给到该负极电极105。典型地，RF电池100包括多个电池单元100C和被设置在各个相邻的电池单元100C之间的双极板121(图6)。
正极电极104和负极电极105中的每一个均是反应场所，所供给的电解液中包含的活性材料离子在该反应场所进行电池反应。隔膜101是将正极电极104和负极电极105彼此分离并允许特定的离子透过的分离构件。双极板121是设置在正极电极104和负极电极105之间并且允许电流流过但不允许电解液流过的导电构件。典型地，如图6所示，双极板121以电池框架120的状态被使用，该电池框架120包括被设置在双极板121的外周上的框架体122。框架体122具有供液孔123和124以及排液孔125和126，电解液通过该供液孔123和124被供给到设置在双极板121上的电极104和105，电解液通过该排液孔125和126被从电极104和105排出，供液孔123和124以及排液孔125和126在框架体122的前表面和后表面上敞口。在框架体122上设置有诸如O形环的密封构件127，以环绕框架体122的整个外周。
多个电池单元100C被堆叠并以电池堆200的形式被使用。如图6所示，电池堆200通过将电池框架120的双极板121、正极电极104、隔膜101、负极电极105和另一电池框架120的双极板121按此顺序反复堆叠而形成。在位于电池堆200的沿电池单元100C的堆叠方向的两端上的电极104和105上，设置有集电板(未示出)而不是双极板121。在电池堆200的沿电池单元100C的堆叠方向的两端上，典型地设置有端板201。通过使用诸如长螺栓的连接构件202将这一对端板201连接在一起而将这一对端板201之间的电池单元100C整合成一体。
[RF电池系统的概述]
RF电池系统包括RF电池100以及下文所述的正极循环机构和负极循环机构。该RF电池系统将正极电解液循环并供给到正极电极104，并且将负极电解液循环并供给到负极电极105。图5示出了使用含有钒(V)离子的钒电解液作为正极电解液和负极电解液的活性材料的钒基RF电池100的工作原理。通过循环和供给，伴随着用作每个电极的电解液中的活性材料的离子的价态变化反应，RF电池100进行充电和放电。在图5中的电池单元100C中，实线箭头表示充电反应，而虚线箭头表示放电反应。
正极循环机构包括储存要供给到正极电极104的正极电解液的正极储箱106、将正极储箱106和RF电池100连接的管108和110、以及被设置在供给侧的管108上的泵112。类似地，负极循环机构包括储存要供给到负极电极105的负极电解液的负极储箱107、将负极储箱107和RF电池100连接的管109和111、以及被设置在供给侧的管109上的泵113。通过堆叠多个电池框架120，供液孔123和124以及排液孔125和126(图6)形成电解液流动管路，并且管108至111连接到这些管路。RF电池系统的基本构造可以通过适当地使用已知的构造来获得。
[RF电池的主要特征]
本实施例的RF电池100包括双极板，所述双极板包括多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，所述沟部和脊部被设置在与正极电极104对向的表面和与负极电极105对向的表面中的至少一个表面上。该双极板的特征在于此双极板具有如下构造：其中，当正极电极104或负极电极105被设置在双极板上时，能够防止电极104或105相对于该双极板的位置错位。具体地，所述脊部包括起伏部，该起伏部被构造为抑制正极电极104或负极电极105在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动。现在将详细描述根据上述实施例的RF电池100中包括的双极板。为了便于说明，图2至4所示的双极板中的每一个均具有比正极电极104和负极电极105大的厚度。
<<实施例1>>
将参照图1和2描述根据实施例1的双极板1。如图1所示，双极板1是矩形平板。在双极板1的前表面和后表面上，设置有相邻的电池单元100C的正极电极104和负极电极105。双极板1在与电极104和105对向的表面上包括多个沟部10和位于各个相邻的沟部10之间的脊部20。所述多个沟部10用作电解液在其中流动的流动通路，并且被为调整每个电池单元100C中的电解液的流动，泵112和113分别允许该电解液流过电极104和105。正极电解液被允许在设置于双极板1的一个表面上的沟部10中流动，在该一个表面上，正极电极104被与双极板1对向设置。负极电解液被允许在设置于双极板1的另一表面上的沟部10中流动，在该另一表面上，负极电极104被与双极板1对向设置。每个电池单元100C中的电解液的流动能够通过例如调整沟部10的形状和尺寸来控制。
●沟部
如图1所示，沟部10包括导入沟部12和排出沟部14，电解液通过该导入沟部12被导入相应的电极中，电解液通过该排出沟部14从相应的电极排出。导入沟部12和排出沟部14彼此不连通，而是彼此独立。导入沟部12和排出沟部14均包括梳齿形区域。本实施例提供了相互交错的、对向的梳齿形状，其中，导入沟部12的梳齿和排出沟部14的梳齿被设置为以相互交错的方式彼此对向。
导入沟部12包括：导入口12i，导入沟部12通过该导入口12i连接到供液孔123(或124，图6)并且电解液通过该导入口12i被供给；单个导入纵沟部12y，该导入纵沟部12y连接到导入口12i并在双极板1的纵向方向(图1中的上下方向)上延伸；和多个导入横沟部12x，所述多个导入横沟部12x从导入纵沟部12y在双极板1的横向方向(图1中的左右方向)上延伸并以预定的间距W平行布置(图1)。导入口12i、导入纵沟部12y和导入横沟部12x是连续的。
排出沟部14具有与导入沟部12类似的形状。排出沟部14包括：排出口14o，排出沟部14通过该排出口14o连接到排液孔125(或126，图6)，并且从导入沟部12流过电极104或105的电解液通过该排出沟部14排出；单个排出纵沟部14y，该排出纵沟部14y连接到排出口14o并在双极板1的纵向方向上延伸；和多个排出横沟部14x，所述多排出横沟部14x从排出纵沟部14y在双极板1的横向方向上延伸并以预定的间距W平行布置。排出口14o、排出纵沟部14y和排出横沟部14x是连续的。
在本实施例中，如图2所示，沟部10中的每一个均具有矩形截面形状。除了矩形之外，沟部10的截面形状还可以是V形、U形、半圆形等。在本实施例中，在沟部10被设置在双极板1的前表面和后表面上的情况下，双极板1包括在透视平面图中处于不同位置处的横沟部12x和14x。沟部10可以被设置成使得横沟部12x和14x在双极板1的透视平面图中位于部分重叠的位置处或不重叠的位置处。
●脊部
如图1和2所示，脊部20是位于相邻的沟部10之间的部分。在本实施例中，沟部10形成相互交错的、对向的梳齿形状，其中，导入沟部12的梳齿和排出沟部14的梳齿被设置为以相互交错的方式彼此对向。因此，术语“脊部20”是指位于导入横沟部12x和排出横沟部14x之间的部分(参见图2)。脊部20形成双极板1的最外侧表面的大部分。因此，当电池单元100C被组装时，脊部20接触电极104和105。
如图2所示，每个脊部20具有起伏部22，该起伏部22被构造为抑制电极104或105在彼此相邻的导入横沟部12x和排出横沟部14x的平行布置的方向上的滑动。本实施例的特征在于起伏部22由设置在脊部20的表面上的粗糙表面形成。
就算术平均粗糙度Ra而言，形成起伏部22的所述粗糙表面的表面粗糙度在0.1μm以上且10μm以下。通常，正极电极104和负极电极105均由包括纤维的多孔体形成。当就算术平均粗糙度Ra而言、所述粗糙表面的表面粗糙度在0.1μm以上时，脊部20能够卡挂住形成电极104和105的纤维。因此，能够防止电极104和105相对于双极板1的位置错位。另一方面，当就算术平均粗糙度(Ra)而言、所述粗糙表面的表面粗糙度在10μm以下时，容易在相对于双极板1没有间隙的情况下布置电极104和105。这是因为：如果在双极板1和电极104或105之间形成间隙，进行流动而在脊部20上横越于相邻的沟部12x和14x之间的电解液就难以扩散到电极104或105内，并且电解液可能保持在未反应状态。就算术平均粗糙度Ra而言，所述粗糙表面的表面粗糙度更优选在6.4μm以下，在3.2μm以下，特别优选在0.2μm以上且1.6μm以下。
在双极板1中，从导入口12i导入的各电解液沿着沟部10流动(在图1中的实线箭头指示的方向上)并在对应的导入横沟部12x和排出横沟部14x之间的每个脊部20上沿宽度方向(图1的上下方向)横越流动(在图1中的虚线箭头指示的方向上)。在电解液从导入口12i导入并到达排出口14o的时间内流过沟部10的电解液渗透并扩散到与双极板1对向设置的电极104和105内。渗透并扩散到电极104和105内的电解液在电极104和105内进行电池反应。在本实施例中，因为各电解液在脊部20上横越流动，所以能够减少在未反应状态下排出的电解液的量。特别地，因为脊部20包括起伏部22，所以电解液的流速被起伏部22的微小的高度差改变，因此预计能够产生电解液的湍流。当在脊部20中产生湍流时，电解液被强制扩散到与脊部20对向设置的电极104和105内，电解液中含有的活性材料离子能够被均匀地供给到电极104和105内，因此预计能够提高电池反应性。
随着导入沟部12的梳齿和排出沟部14的梳齿彼此相互交错处的部分的长度L(图1)的增加，在脊部20上横越流动的电解液的量预计会增加。因此，所述相互交错部分的长度可以是双极板1的长度(图1中的左右方向上的长度)的80％以上，进一步地，可以是双极板1的长度的90％以上。
另外，随着导入沟部12和排出沟部14之间的间距W(即，每个脊部20的宽度W)的增加，在脊部20上横越流动的电解液的量预计会增加。因此，每个脊部20的宽度W的长度可以是每个沟部10的宽度的100％以上且700％以下，进一步地，可以是每个沟部10的宽度的200％以上且500％以下。
在本实施例中，起伏部22被设置在对应的脊部20的整个宽度W上。替选地，起伏部22可以在宽度方向上部分地设置在脊部20上。
不与电解液反应且具有耐电解液性(例如耐化学性和耐酸性)的、具有低电阻率的导电材料能够适当地用作双极板1的构成材料。此外，双极板1的构成材料优选具有合适的刚性。这是因为沟部10的形状和尺寸在很长一段时间内不太可能发生改变，并且容易维持通过沟部10实现的减小流动阻力的效果和减少压力损失的效果。所述构成材料的具体实例包括含有碳材料和有机材料的复合材料。更具体地，其实例包括含有诸如石墨的导电无机材料和诸如聚烯烃类有机化合物或氯化有机化合物的有机材料的导电塑料。
除了石墨之外，所述碳材料的实例还包括碳黑和类金刚石碳(DLC)。碳黑的实例包括乙炔黑和炉黑。所述碳材料优选含有石墨。所述碳材料可以主要含有石墨并且部分地含有碳黑和DLC中的至少一种。除了所述碳材料之外，所述导电无机材料可含有金属，例如铝。所述导电无机材料的实例包括粉末和纤维。
所述聚烯烃类有机化合物的实例包括聚乙烯、聚丙烯和聚丁烯。所述氯化有机化合物的实例包括氯乙烯、氯化聚乙烯和氯化石蜡。
能够通过如下方式制造上述双极板1：利用诸如注射成型、压制成型、真空成型等的已知方法将上述构成材料形成为板状，并且除了沟部10和脊部20之外还在脊部20上形成起伏部22。当同时形成沟部10和起伏部22时，能够实现双极板1的良好的可制造性。替选地，可以通过例如切割未设有沟部10的平板来形成沟部10和起伏部22。可以通过使脊部20经受喷丸处理而在脊部20上形成所述粗糙表面。
<<实施例2>>
将参照图3描述根据实施例2的双极板2。双极板2的特征在于脊部20中包括的起伏部22均由台阶形成。实施例2的双极板2在起伏部22的形式上与实施例1的双极板1不同，并且实施例2的双极板2的其他构造与实施例1的双极板1的构造相同。图3仅示出了双极板2的一个表面侧。
如图3所示，形成起伏部22的台阶H在与彼此相邻的导入横沟部12x和排出横沟部14x的平行布置的方向上具有高度差。在本实施例中，设置了单个台阶，使得双极板2的厚度从导入横沟部12x侧向排出横沟部14x侧减小。在本实施例中，导入横沟部12x侧被称为“高部22h”，并且排出横沟部14x侧被称为“低部22p”。
形成每个起伏部22的台阶H的最大高度差在0.1mm以上且0.5mm以下。当所述台阶的最大高度差在0.1mm以上时，由高部22h和低部22p形成的棱线部分能够卡挂电极104和105，因此能够防止电极104和105相对于双极板2的位置错位。当所述台阶的最大高度差在0.1mm以上时，从导入横沟部12x侧经由脊部20流到排出横沟部14x侧的电解液的流速显著变化，并且容易产生电解液的湍流。其原因如下。当电池单元100C被组装和压缩时，如图3所示，双极板2和隔膜101之间的距离在低部22p侧大于高部22h侧，因此低部22p侧的流速变得低于高部22h侧的流速。另一方面，当所述台阶的最大高度差在0.5mm以下时，容易在相对于双极板2没有间隙的情况下布置每个电极104和105。所述最大高度差更优选在0.2mm以上且0.4mm以下。
在本实施例中，在每个脊部20的宽度方向上的中央部分中设置有单个台阶。替选地，可以设置多个台阶。在本实施例中，导入横沟部12x侧形成高部22h，并且排出横沟部14x形成低部22p。替选地，导入横沟部12x侧可以形成低部22p，并且排出横沟部14x可以形成高部22h。在单个脊部20上设置有多个台阶的情况下，所述高度不需要从脊部20的宽度方向上的一侧向另一侧依次增加或减少。例如，宽度方向上的两侧可以形成高部22h(低部22p)并且中央部分可以形成低部22p(高部22h)。替选地，可以不规则地设置高部22h和低部22p。
双极板2的每个脊部20可以具有平滑表面或粗糙表面，就算术平均粗糙度Ra而言，所述平滑表面的表面粗糙度小于1.0μm，就Ra而言，所述粗糙表面的表面粗糙度在1.0μm以上。
<<实施例3>>
将参照图4描述根据实施例3的双极板3。双极板3的特征在于脊部20中包括的起伏部22均由倾斜表面形成。实施例3的双极板3在起伏部22的形式上与实施例1的双极板1不同，并且实施例3的双极板3的其他构造与实施例1的双极板1的构造相同。图4仅示出了双极板3的一个表面侧。
如图4所示，形成起伏部22的所述倾斜表面从彼此相邻的导入横沟部12x和排出横沟部14x的导入横沟部12x侧向排出横沟部14x侧倾斜。在本实施例中，所述倾斜表面倾斜而使得双极板2的厚度从导入横沟部12x侧向排出横沟部14x侧减小。在本实施例中，导入横沟部12x侧被称为“高部22h”，并且排出横沟部14x侧被称为“低部22p”。
形成每个起伏部22的所述倾斜表面的高度差在0.1mm以上且0.5mm以下。当所述倾斜表面的高度差在0.1mm以上时，能够在高部22h侧卡挂电极104和105，因此能够防止电极104和105相对于双极板3的位置错位。当所述倾斜表面的高度差在0.1mm以上时，从导入横沟部12x侧经由脊部20流到排出横沟部14x侧的电解液的流速显著变化，并且容易产生电解液的湍流。其原因如下。当电池单元100C被组装和压缩时，如图4所示，双极板3和隔膜101之间的距离在低部22p侧大于高部22h侧，因此，低部22p侧的流速变得低于高部22h侧的流速。另一方面，当所述倾斜表面的高度差为0.5mm时，容易在相对于双极板3没有间隙的情况下布置每个电极104和105。所述倾斜表面的高度差更优选在0.2mm以上且0.4mm以下。
在本实施例中，所述倾斜表面从导入横沟部12x的侧边缘连续倾斜至排出横沟部14x的侧边缘。替选地，除了倾斜表面之外，还可以在这两个侧边缘之间设置平坦表面或台阶。在本实施例中，导入横沟部12x侧形成高部22h，并且排出横沟部14x形成低部22p。替选地，导入横沟部12x侧可以形成低部22p，并且排出横沟部14x可以形成高部22h。
双极板3的每个脊部20可以具有平滑表面或粗糙表面，就算术平均粗糙度Ra而言，所述平滑表面的表面粗糙度小于1.0μm，就Ra而言，所述粗糙表面的表面粗糙度在1.0μm以上。
<<变型例>>
实施例1至3的双极板1至3可以具有沟部10的以下布置形式中的任一种。
(1)在相互交错的、对向的梳齿形状的情况下，导入沟部12的梳齿和排出沟部14的梳齿在双极板的纵向方向(图1中的上下方向)上延伸并且在横向方向(图1中的左右方向)上交替布置。
(2)沟部10形成不相互交错的、对向的梳齿形状，其中，导入沟部12和排出沟部14彼此不相互交错。例如，沟部10可以具有如下形式：其中，导入沟部和排出沟部彼此对向设置，二者之间在双极板的横向方向上有一定间距。也在这种不相互交错的梳齿形状中，在每个电极104和105内，与位于相邻的沟部之间的脊部对向设置的区域均作为电池反应区发挥作用。
(3)导入沟部12和排出沟部14中的至少一个不由连续的沟部形成，而是由多个不连续的沟部形成。例如，导入横沟部和/或排出横沟部可以由在其横向方向上按照间隔设置的多个沟群形成。
[RF电池的其他构成构件]
●正极电极和负极电极
正极电极104和负极电极105均设置在隔膜101与双极板1、2或3之间。电解液主要通过双极板1、2或3的沟部10被供给到每个电极104和105。所述电解液渗透并扩散到对应的电极104或105内，并且电解液中的活性材料在对应的电极104或105上进行电池反应。出于此目的，每个电极104和105均由具有大量微孔的多孔体形成。作为每个电极104和105的构成材料，可以适当地使用含有碳纤维的多孔体，例如碳毡或碳纸。可以使用已知的电极。
●隔膜
隔膜101的实例包括离子交换膜，例如阳离子交换膜和阴离子交换膜。离子交换膜具有以下特征：(1)它们具有在正极活性材料的离子和负极活性材料的离子之间的良好分离特性，和(2)它们具有H+离子的良好透过性，H+离子是电池单元100C中的电荷载体。因此，离子交换膜能够适当地用作隔膜101。可以使用已知的隔膜。
[电解液]
RF电池100中使用的电解液含有活性材料离子，例如金属离子或非金属离子。其一个实例是包含具有不同价态的钒离子(图5)作为正极活性材料和负极活性材料的钒基电解液。它的其他实例包括含有作为正极活性材料的铁(Fe)离子和作为负极活性材料的镉(Cr)离子的铁-镉基电解液、以及含有作为正极活性材料的锰(Mn)离子和作为负极活性材料的钛(Ti)离子的锰-钛基电解液。例如，可以使用除了所述活性材料之外还含有选自硫酸、磷酸、硝酸和盐酸中的至少一种酸或所述酸的至少一种盐的水溶液作为电解液。
[用途]
这些实施例的双极板能够适当地用作氧化还原液流电池的双极板。实施例的氧化还原液流电池可以用作用于以下目的的蓄电池：例如，对于使用自然能源的发电(例如太阳能发电或风力发电)，用于使发电的输出波动稳定化、在发出过剩电力时蓄电、或进行负载均衡等。所述实施例的氧化还原液流电池可以另外安装在典型的发电厂中并用作蓄电池，用于电压骤降/停电的对策和负载均衡。特别地，所述实施例的氧化还原液流电池能够适当地用作用于上述目的的大容量蓄电池。
[试验例1]
在试验例1中，使用了双极板(图3)，该双极板包括具有相互交错的梳齿形状的流动通路且设置有包括由台阶形成的起伏部的脊部，并且对其中上述双极板被假定设置在预定位置处的RF电池进行了流体仿真(使用可从微软公司获得的Excel(注册商标)电子表格软件进行数值分析)。因此，确定所述RF电池的电池电阻。在试验例1中，RF电池具有单个单元结构，其中，包括正极电极-隔膜-负极电极堆叠体的电池单元被夹在每个均包括所述双极板的电池框架中。该试验的详细条件被描述如下。
●双极板
尺寸：长度200mm，宽度198mm，厚度6.2mm
沟部的形状：包括导入沟部和排出沟部的相互交错的、对向的梳齿形状(参见图3)
关于横沟部
数量：16个导入沟部×16个排出沟部
长度L：150mm
梳齿的重叠长度：142mm
沟部的宽度：1.3mm
沟部的深度：1.0mm
沟部的截面形状：矩形形状
脊部的宽度W：3.9mm
关于纵沟部
长度L：170毫米
构成材料：通过压缩80质量％的石墨和20质量％的聚丙烯作为基质树脂而获得的双极板
●电极
尺寸：长度170mm，宽度150mm，厚度0.5mm
构成材料：含有碳纤维和粘合碳的碳毡
可从SGL CARBON JAPAN Co.,Ltd.获得的GDL10AA
●隔膜
构成材料：可从E.I.du Pont de Nemours and Company获得的Nafion(注册商标)212
●电解液
组成：水性V硫酸盐溶液(V浓度：1.7mol/L，硫酸浓度：4.3mol/L)
流量：300mL/min
图7示出了当形成在双极板的每个脊部上的台阶H(起伏部：最大高度差)改变时的电池电阻(假设电池电阻在台阶H为0mm时为1而进行了归一化)的图。在图7中，水平轴表示台阶H(mm)，而竖直轴表示归一化的电池电阻。参考图7，与台阶H为0.01mm时的电池电阻Rs相比，当台阶H改变时，电池电阻Rx的降低率((Rs-Rx)/Rs)如下。当台阶H为0.1mm时，降低率为约2％，当台阶H为0.2mm时，降低率为约4％，当台阶H为0.3mm时，降低率为约6％，当台阶H为0.4mm时，降低率为约7％，并且当台阶H为0.5mm时，降低率为约9％。具体地，结果表明，随着台阶H的增加，电池电阻减小，并且电解液具有良好的扩散性。然而，如果台阶H过大，则在双极板和正极电极之间或在双极板和负极电极之间形成间隙，电解液难以在脊部上流动而横越于相邻的沟部之间以扩散到电极内，并且所述电解液可能保持在未反应状态。另外，当台阶H增加并且双极板和正极电极之间或双极板和负极电极之间的间隙增加时，压缩率减小，这可能导致双极板和正极电极之间或双极板和负极电极之间的接触电阻增大的问题。因此，台阶H优选在0.5mm以下。
本发明不限于这些实例。本发明的范围由所附权利要求书限定，并且旨在包括落入与权利要求等同的含义和范围内的所有变型。例如，可以改变双极板的沟部的规格(例如横沟部和纵沟部的尺寸、形状和数量)、电解液的类型等。
附图标记列表
100 氧化还原液流电池(RF电池)
100C 电池单元
101 隔膜
102 正极单元 103 负极单元
104 正极电极 105 负极电极
106 正极储箱 107 负极储箱
108至111 管
112,113 泵
200 电池堆 201 端板 202 连接构件
120 电池框架 121 双极板 122 框架体
123,124 供液孔 125,126 排液孔
127 密封构件
1,2,3 双极板
10 沟部
12 导入沟部 12i 导入口
12x 导入横沟部 12y 导入纵沟部
14 排出沟部 14o 排出口
14x 排出横沟部 14y 排出纵沟部
20 脊部 22 起伏部 22h 高部 22p 低部

Claims (7)

1.一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括粗糙表面，所述粗糙表面被设置在所述脊部的至少一部分表面上，并且
就算术平均粗糙度(Ra)而言，所述粗糙表面的表面粗糙度在0.1μm以上且10μm以下。
2.一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括台阶，所述台阶被设置为在相邻的所述沟部的平行布置的方向上具有高度差，并且
所述台阶的最大高度差在0.1mm以上且0.5mm以下。
3.一种用于电池的双极板，所述双极板具有其上设置正极电极的一个表面和其上设置负极电极的另一表面，
其中，所述双极板的所述表面中的至少一个表面设置有多个沟部和脊部，电解液通过所述多个沟部流动，所述脊部位于彼此相邻的所述沟部之间，
所述沟部包括彼此不连通的导入沟部和排出沟部，
所述脊部包括起伏部，所述起伏部被构造为抑制所述正极电极或负极电极在相邻的所述沟部的平行布置的方向上的滑动，
所述起伏部包括倾斜表面，所述倾斜表面从相邻的所述沟部的一个沟部侧向另一沟部侧倾斜，并且
所述倾斜表面的高度差在0.1mm以上且0.5mm以下。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的双极板，其中，所述导入沟部和排出沟部满足下面(A)至(C)中的任一项：
(A)所述导入沟部和排出沟部均包括梳齿形区域，以形成相互交错的、对向的梳齿形状，其中，所述梳齿被设置为以相互交错的方式彼此对向；
(B)所述导入沟部和排出沟部均包括梳齿形区域，以形成彼此不相互交错的、对向的梳齿形状，其中，所述梳齿彼此不相互交错；和
(C)所述导入沟部和排出沟部中的至少一个由多个不连续的沟部形成。
5.一种电池框架，所述电池框架包括根据权利要求1至4中任一项所述的双极板和被设置在所述双极板的外周上的框架体。
6.一种电池堆，所述电池堆通过将根据权利要求5的电池框架、正极电极、隔膜和负极电极多次堆叠而获得。
7.一种氧化还原液流电池，所述氧化还原液流电池包括根据权利要求6所述的电池堆。
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