JP2015210849A - 双極板、レドックスフロー電池、及び双極板の製造方法 - Google Patents

双極板、レドックスフロー電池、及び双極板の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】流体流通型電池の内部抵抗を低減させることができる双極板、レドックスフロー電池、及び双極板の製造方法を提供する。
【解決手段】正極用電解液が流通される正極電極と負極用電解液が流通される負極電極との間に挟まれる双極板であって、前記正極電極側及び前記負極電極側の各面に前記正極用電解液及び前記負極用電解液が流通する複数の溝部を有する流路を備え、前記流路は、前記各電解液を前記各電極に導入する導入路と、前記各電解液を前記各電極から排出する排出路とを備え、前記導入路と前記排出路とが連通せず独立しており、前記溝部は、該溝部の内部の幅が開口部の幅よりも大きい幅広部を備える双極板。
【選択図】図１

Description

本発明は、燃料電池やレドックスフロー電池などの流体流通型電池に用いられる双極板、この双極板を用いたレドックスフロー電池、及び双極板の製造方法に関する。
流体流通型電池の代表例としてレドックスフロー電池（ＲＦ電池）が挙げられる。ＲＦ電池は、正極用電解液に含まれるイオンと負極用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５は、正負の活物質としてバナジウムイオンを利用したＲＦ電池１００の動作原理図である。図５に示すように、ＲＦ電池１００は、水素イオン（プロトン）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、かつ正極用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、かつ負極用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。各タンク１０６、１０７に貯留される電解液は、充放電の際にポンプ１１２、１１３により各セル１０２、１０３内に循環される。
上記電池セル１００Ｃは通常、図６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６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。
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。正極用電解液は、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の一面側に配置される正極電極１０４に供給される。そして、その正極用電解液は、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、負極用電解液は、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の他面側に配置される負極電極１０５に供給される。その負極用電解液は、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。
電池セル１００Ｃを構成する各電極１０４，１０５は、流体である電解液の流通が給液側から排液側に向かう電解液の流通を阻害しないように多孔質の導電材で構成されることが多い。例えばカーボンフェルトなどが利用される（特許文献１）。
特開２００２−３６７６５９号公報
近年、自然環境に配慮したエネルギーシステムの構築が期待されており、燃料電池やＲＦ電池などの流体流通型電池の電池性能の向上が期待されている。例えば、燃料電池であれば発電効率の向上、ＲＦ電池などの蓄電池であれば充放電効率の向上が期待されており、電池の内部抵抗を低減させることが求められている。この内部抵抗に影響を及ぼす原因の一つとして電解液の流通状態、例えば、電解液の流通抵抗などが挙げられる。しかし、従来では、電解液の流通抵抗による圧力損失を十分に考慮した上で内部抵抗を低減させることについては、必ずしも十分な検討がなされているとは言えなかった。
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、流体流通型電池における電解液の圧力損失を低減させることが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、本発明の双極板を用いたレドックスフロー電池を提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、生産性よく製造できる双極板の製造方法を提供することにある。
本発明の一態様に係る双極板は、正極用電解液が流通される正極電極と負極用電解液が流通される負極電極との間に挟まれる双極板であって、前記正極電極側及び前記負極電極側の各面に前記正極用電解液及び前記負極用電解液が流通する複数の溝部を有する流路を備える。前記流路は、前記各電解液を前記各電極に導入する導入路と、前記各電解液を前記各電極から排出する排出路とを備え、前記導入路と前記排出路とが連通せず独立している。前記溝部は、該溝部の内部の幅が開口部の幅よりも大きい幅広部を備える。
本発明の一態様に係る双極板の製造方法は、正極用電解液が流通される正極電極と負極用電解液が流通される負極電極との間に挟まれる双極板の製造方法であって、ベース板準備工程と、分割片準備工程と、接合工程とを備える。ベース板準備工程は、導電性分散材とマトリックス樹脂とを含む材料で構成されるベース板を準備する。分割片準備工程は、前記材料で構成される所定断面形状の長尺材であり、前記各電解液が流通する溝部の一部となる分割片を準備する。接合工程は、前記ベース板の両面に前記分割片を所定の間隔で接合し、前記ベース板と前記分割片とで囲まれる空間で前記溝部を形成する。前記接合工程は、前記溝部の内部の幅が開口部の幅よりも大きい幅広部を備えるように分割片を接合する。
上記双極板は、流体流通型電池における電解液の圧力損失を低減させることができる。また、上記双極板の製造方法は、流体流通型電池における電解液の圧力損失を低減させることができる双極板を生産性よく製造できる。
実施形態１に係る双極板に設けられた対向櫛歯形状の流路を表す概略平面図である。 実施形態１に係る双極板に設けられた対向櫛歯形状の流路を表す概略断面図である。 実施形態１に係る双極板に設けられた溝部の形状を説明する概略説明図である。 実施形態２に係る双極板に設けられた溝部の形状を表す概略拡大断面図である。 レドックスフロー電池の概略原理図である。 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。
［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）実施形態の双極板は、正極用電解液が流通される正極電極と負極用電解液が流通される負極電極との間に挟まれる双極板であって、前記正極電極側及び前記負極電極側の各面に前記正極用電解液及び前記負極用電解液が流通する複数の溝部を有する流路を備える。前記流路は、前記各電解液を前記各電極に導入する導入路と、前記各電解液を前記各電極から排出する排出路とを備え、前記導入路と前記排出路とが連通せず独立している。前記溝部は、該溝部の内部の幅が開口部の幅よりも大きい幅広部を備える。
溝部を有する流路を備える双極板を用いることで、流路に沿った電解液の流通を流路のない場合に比べて促進し、電極に流通される電解液の流れを調整することができる。この電解液の流れの調整によって、電解液の圧力損失を低減できる。特に、流路を形成する溝部が上記幅広部を備えることで、開口部の幅が同じで幅広部のない均一幅の溝部に比べて電解液が流通し易く、電解液の圧力損失をより低減できる。また、幅広部によって電解液の流量を確保できるため、溝部の横断面積を一定とした場合、開口部の幅が同じで均一幅の溝部を有する双極板に比べて、幅広部を備える溝部では溝の深さを小さくでき、溝部での流量を実質的に同一としながら双極板を薄くできる。双極板を薄くすることで、流体流通型電池の内部抵抗を低減させることができる。流路において導入路と排出路とが連通せず独立していることで、電解液が導入路と排出路との間を渡るように電極を介して流通し易いため、電極における電池反応が活性化されて電池の内部抵抗を低減できる。
（２）実施形態の双極板として、隣接する前記溝部の前記開口部の側縁間の溝間距離は、前記開口部の幅の１倍超であることが挙げられる。
上記構成によれば、双極板の電極との接触面積が増加し、導入路と排出路との間で行う電極における電池反応がより活性化されて、より内部抵抗を低減し易い。
（３）実施形態の双極板として、前記溝部は、断面形状が前記開口部から該溝部の底部に向かって広がる略台形状であることが挙げられる。
溝部の断面形状が略台形状であることで、形状が容易であるため、溝部を形成し易い。
（４）実施形態の双極板として、前記溝部は、前記開口部から該溝部の底部に向かって一定の幅の幅狭部と、前記幅狭部に繋がって前記底部まで一定の幅の前記幅広部とを備えることが挙げられる。
幅狭部と幅広部とで溝部を形成することで、電解液の流れを調整し易く、電解液の圧力損失を低減し易い。例えば、溝部の開口部近傍を幅狭部とし、溝部の内部を一定の幅の幅広部とすることで、開口部の幅が同じで均一幅の溝部に比べて溝部の横断面積が増加するため、電解液の流量をより確保でき、圧力損失を低減し易い。
（５）実施形態の双極板として、前記開口部の幅をｘとしたとき、前記溝部の横断面積は、ｘ２の１０倍以上であることが挙げられる。
溝部の断面積がｘ２の１０倍以上であることで、開口部の幅と溝部の深さとが同一の溝部に比べて電解液の流量を十分に確保できるため、圧力損失をより低減できる。
（６）実施形態の双極板として、前記導入路及び前記排出路が櫛歯形状の領域を備え、前記導入路と前記排出路とは、それぞれの櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置されていることが挙げられる。
導入路と排出路とが、それぞれの櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置されていることで、導入路と排出路の各櫛歯が並列される。それに伴い、各櫛歯同士の間の電極を渡るように流通する電解液の量が、櫛歯が噛み合っていない場合に比べてさらに増加する。よって、電極における電池反応がより活性化されて電池の内部抵抗をさらに低減できる。また、電解液の流れが、電極の場所によらず一様に発生し易く、電極の広範囲で電池反応が均一に行われやすく、内部抵抗が低減できる。
（７）実施形態のレドックスフロー電池として、上記（１）〜（６）の実施形態の双極板を備えることが挙げられる。
実施形態のレドックスフロー電池は、電池性能に優れる。それは、実施形態の双極板を備えることで、電解液の圧力損失が低減され、電極における電池反応の活性化による電池の内部抵抗が低減するからである。
（８）実施形態の双極板の製造方法は、正極用電解液が流通される正極電極と負極用電解液が流通される負極電極との間に挟まれる双極板の製造方法であって、ベース板準備工程と、分割片準備工程と、接合工程とを備える。ベース板準備工程は、導電性分散材とマトリックス樹脂とを含む材料で構成されるベース板を準備する。分割片準備工程は、前記材料で構成される所定断面形状の長尺材であり、前記各電解液が流通する溝部の一部となる分割片を準備する。接合工程は、前記ベース板の両面に前記分割片を所定の間隔で接合し、前記ベース板と前記分割片とで囲まれる空間で前記溝部を形成する。前記接合工程は、前記溝部の内部の幅が開口部の幅よりも大きい幅広部を備えるように分割片を接合する。
上記の双極板の製造方法によれば、ベース板と分割片とを独立して準備し、ベース板と分割片とで形成される空間を所定の形状の溝部となるように両者を接合することで、実施形態の双極板を容易に製造できる。ベース板に対して分割片を接合して溝部を形成するため、複雑な形状の溝部とすることも可能である。
［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及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。
＜実施形態１＞
実施形態１では、流体流通型電池の代表例であるレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）に用いる双極板１を図１及び図２に基づいて説明する。双極板１以外の構成は、図５及び図６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１は、説明の便宜上、正極電極１０４及び負極電極１０５よりも厚みを厚くしている。
《双極板》
双極板１は、各電池セル１００Ｃ（図６を参照）を仕切る板であり、双極板１を挟んで表裏に、隣り合う電池セル１００Ｃの正極電極１０４と負極電極１０５とが配置される。本実施形態の双極板１の主たる特徴とするところは、正極電極１０４側及び負極電極１０５側の各面に正極用電解液及び負極用電解液が流通する複数の溝部１１を有する流路１０を備えることにある。
〔流路〕
流路１０は、ポンプにより各電極１０４，１０５に流通される電解液の各電池セル１００Ｃ内での流れを調整するために設けられる。この電解液の流れは、流路１０の形状や寸法などによって調整することができる。流路１０は、図１に示すように、各電解液を各電極に導入する導入路１０ｉと、各電解液を各電極から排出する排出路１０ｏとを備える。導入路１０ｉは、給液用マニホールド１２３（１２４）に繋がっており、排出路１０ｏは、排液用マニホールド１２５（１２６）に繋がっている。導入路１０ｉと排出路１０ｏとは連通せず独立している。流路１０は、後述する溝部１１で形成される。以下、流路１０の形状について説明し、その後に流路１０を形成する溝部１１について説明する。
〈流路の形状〉
図１に示す双極板１の流路１０は、導入路１０ｉと排出路１０ｏとがそれぞれ櫛歯形状の領域を備え、それぞれの櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置される嵌合型の対向櫛歯形状である。導入路１０ｉ（排出路１０ｏ）は、一本の横溝部１１ｘとこの横溝部１１ｘから伸びる複数本の縦溝部１１ｙとを備える。横溝部１１ｘが給液用マニホールド１２３，１２４（排出用マニホールド１２５，１２６）に繋がっており、縦溝部１１ｙが導入路１０ｉと排出路１０ｏとで交互に噛み合うように並列している。
電解液の流れは、双極板１が備える流路１０に沿った流れ（図１で示す実線矢印の方向）と、導入路１０ｉ及び排出路１０ｏの各縦溝部１１ｙの間に位置する部分（畝部）を介して幅方向（図の左右方向）に渡るような流れ（図１，２で示す波線矢印の方向）とを形成する。つまり、導入路１０ｉから導入された各電解液は、各電極１０４，１０５を経て排出路１０ｏへ流通する際に、畝部で電解液が電極において電池反応を行う。導入された電解液が畝部を渡ることで排出されるため、未反応のまま排出される電解液が減少する。よって、ＲＦ電池の電流量が増加し、ひいてはＲＦ電池の内部抵抗を低減することができる。
導入路１０ｉ及び排出路１０ｏの各櫛歯の噛み合う部分の長さは、長いほど畝部を渡るように流れる電解液の量が増加することが期待でき、双極板１の長さ（図の上下方向）の８０％以上、さらに９０％以上であることが挙げられる。
嵌合型の櫛歯形状は上記の配置に限られない。例えば、導入路１０ｉ（排出路１０ｏ）は、双極板１の図の左側（右側）に設けられ、長さ方向に伸びる一本の縦溝部と、この縦溝部から図の右方向（左方向）に伸びる複数本の横溝部とを備えてもよい。
他に、非嵌合型の櫛歯形状が挙げられる。非嵌合型の対向櫛歯形状は、導入路１０ｉと排出路１０ｏとが互いに噛み合わない形状である。例えば、双極板の下側（上側）に設けられる一本の横溝部と、この横溝部から上方向（下方向）に伸びる複数の縦溝部とを備え、導入路１０ｉ及び排出路１０ｏの各縦溝部が上下に対称配置されている。非嵌合型の櫛歯形状であっても、上下に隣り合う流路の間に位置する畝部で電解液が電極において電池反応を行うことで、未反応のまま排出される電解液が減少し、ＲＦ電池の電流量が増加すると期待される。
上記に例示した各流路１０は、その少なくとも一部を断続的に形成してもよい。例えば、図１に示す縦溝部１１ｙを断続的に（非連続的に）形成する。そうすることで、電解液が幅方向の畝部だけでなく、長さ方向に分断された隣り合う縦溝部間の畝部を渡るように電極を介して流通し易くなるため、反応電流量が増加することが期待される。
〈溝部〉
溝部１１は、図２，３に示すように、断面形状が、内部の幅が開口部１１ａの幅よりも大きい部分を有する形状である。ここでは、開口部１１ａから底部１１ｂに向かって広がる略台形状である。溝部１１は、図３に示すように、最も幅が狭い開口部１１ａにおける幅狭部１１ｎと、底部１１ｂに向かって幅狭部１１ｎよりも幅が大きくなる幅広部１１ｍとを備える。ここでは、底部１１ｂが最も幅が広い幅広部１１ｍである。溝部１１が幅広部１１ｍを備えることで、電解液が流通し易く、電解液の圧力損失をより低減できる。溝部１１の横断面形状は、幅広部１１ｍを備える形状であれば上記台形状に限定されず、円形状や半円形状、凸状などが挙げられる。また、幅広部１１ｍを備える溝部１１は、複数本の溝部１１（流路１０）の一部であってもよい。例えば、一定幅の正方形状や矩形状の溝部と、幅広部１１ｍを有する溝部１１とを交互に配置することが挙げられる。
隣接する溝部１１の開口部１１ａの側縁間の溝間距離１１ｃ（上述した畝部の幅に相当）は、隣接する二つの溝部１１の少なくとも一方の開口部１１ａの幅の１倍超であることが好ましい。溝間距離１１ｃは、大きいほど電極との接触面積が増加して、畝部での電極における反応電流量が増加することが期待できるため、開口部１１ａの幅の３倍以上、さらに７倍以上が好ましい。一方、溝間距離１１ｃが大きいと、双極板１の溝部並列方向の単位長さにおける溝部１１（流路１０）の本数が少なくなるため、溝間距離１１ｃは、開口部１１ａの幅の３０倍以下、さらに２０倍以下が好ましい。
以下、溝部１１の大きさについて、図３を参照して説明する。溝部１１の深さｄは、双極板１の厚みの１０％以上４５％以下が挙げられる。双極板１の両面に溝部１１を備える場合、ＲＦ電池の構造上、平面透視した場合に重なる位置に溝部１１を設ける（図２を参照）ことが好ましい。このとき、双極板１の厚み方向に対向する一対の溝部１１間の厚みが薄いと機械的強度が十分とできない虞がある。より好ましい溝部１１の深さｄは、双極板１の厚みの１０％以上３５％以下である。溝部１１は、双極板１を平面透視した場合に重ならない位置に設けてもよい。
双極板１に設ける溝部１１は、その横断面積が大きいほど溝部１１を流通する電解液の圧力損失を低減できると期待できる。そこで、まず双極板１に溝部１１を形成するにあたり、成形し易い正方形状の溝部１１を考える。例えば、開口部１１ａの幅を上記溝部１１の深さ（ｄとする）と同じとする断面積ｄ２の正方形状の溝部１１（図３のｐ１−ｐ２−ｒ２−ｒ１で囲まれる部分）とすると、溝間距離１１ｃは隣接する溝部１１の開口部１１ａの側縁ｐ２−ｐ１間の距離となる。一方、溝間距離１１ｃは、大きいほど双極板１と電極との接触面積が増加して、畝部での電極における反応電流量が増加することが期待できる。そこで、次に電極における反応電流量を増加することを考え、溝間距離１１ｃを大きくすることを考える。例えば、各溝部１１の開口部１１ａの幅を小さくすると、溝間距離１１ｃは隣接する溝部１１の開口部１１ａの側縁ｑ２−ｑ１間の距離となり、２×（ｑ２−ｐ２間の距離）分大きくなる。しかし、開口部１１ａの幅が小さくなると、溝部１１の面積は、２×（ｐ２−ｑ２−ｒ２で囲まれる部分）分減少する。つまり、本実施形態では、溝部１１を流通する電解液の圧力損失と、電極における反応電流量とのバランスを考慮して、開口部１１ａの幅と、溝部１１の横断面積（幅広部）を決定すればよい。例えば開口部１１ａの幅をｘとしたとき、溝部１１の横断面積がｘ２の１０倍以上、さらに１５倍以上となるように幅広部を決定することが挙げられる。一方、溝部１１の横断面積がｘ２の３０倍以下、さらに２０倍以下となるように幅広部を決定することで、双極板１の機械的強度を十分とすることができる。開口部１１ａの幅は、０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以上０．８ｍｍ以下、さらに好ましくは０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが挙げられる。
双極板１の材質には、電流は通すが電解液は通さない導電性材料を用いることができる。加えて、耐酸性および適度な剛性を有する材料であることがより好ましい。長期に亘って溝部（流路）の断面形状や寸法が変化し難く、流路の効果を維持し易いからである。このような材料としては、例えば、炭素を含有する導電性材料が挙げられる。より具体的には、黒鉛およびポリオレフィン系有機化合物または塩素化有機化合物から形成される導電性プラスチックが挙げられる。また、黒鉛の一部をカーボンブラックおよびダイヤモンドライクカーボンの少なくとも一方に置換した導電性プラスチックでもよい。ポリオレフィン系有機化合物としては、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。塩素化有機化合物としては、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。双極板がこのような材料から形成されることで、双極板の電気抵抗を小さくすることができる上に、耐酸性に優れる。
〔双極板の製造方法〕
本実施形態の双極板の製造方法は、以下のベース板準備工程と、分割片準備工程と、接合工程とを備える。以下、各工程を順に説明する。
〈ベース板準備工程〉
導電性分散材とマトリックス樹脂とを含む材料（複合導電性プラスチック）で構成されるベース板を準備する。ここでは、平板状のベース板を準備する。導電性分散材としては、黒鉛やカーボンブラック、ダイヤモンドライクカーボンなど無機材料の粉末や繊維が挙げられる。導電性カーボンブラックとして適しているのは、アセチレンブラックとファーネスブラックが挙げられる。また、アルミニウムなどの金属の粉末や繊維が挙げられる。マトリックス樹脂としては、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン、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。
〈分割片準備工程〉
上述した材料で構成される所定断面形状の長尺材であり、電解液が流通する溝部の一部となる分割片を準備する。ここでは、図２で示される隣接する溝部１１間の部分に相当する断面台形状の分割片を準備する。分割片を構成する材料は、ベース板の材料と同一であることが好ましいが、例えば、導電性分散材やマトリックス樹脂の種類を異ならせて相違させてもよい。分割片は、例えば、上記導電性分散材と熱可塑性樹脂の各粉末原料を混合して圧縮成形したり、溶融した熱可塑性樹脂に導電性分散材を混合した液状材料を射出成形したりすることで所望の形状とすることができる。
〈接合工程〉
上記ベース板の両面に上記分割片を所定の間隔で接合し、ベース板と分割片とで囲まれる空間で上述した溝部１１（図２を参照）を形成する。このとき、形成される溝部１１において、内部の幅が開口部１１ａの幅よりも大きい幅広部１１ｍが形成されるように分割片をベース板に接合する。このとき、断面台形状の分割片の上辺側の面をベース板の表面に接合する。接合された各部は、図２で示される双極板１のうち、ベース板が両面に形成された溝部１１の対向する底部１１ｂ間に配設される部分となり、分割片が隣接する溝部１１間に配設される部分となり、溝部１１を備える双極板２を容易に製造することができる。
《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５，６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溝部１１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。
電解液には、図５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（Ｆｅ２＋／Ｆｅ３＋）−クロム（Ｃｒ３＋／Ｃｒ２＋）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（Ｍｎ２＋／Ｍｎ３＋）−チタン（Ｔｉ４＋／Ｔｉ３＋）系電解液が好適に利用できる。
＜実施形態２＞
図４を参照して実施形態２の双極板２を説明する。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、溝部１１の形態（横断面形状）のみが異なる。ここでは、この相違点を説明し、その他の構成については説明を省略する。図４に示す双極板２は、説明の便宜上、正極電極１０４及び負極電極１０５よりも厚みを厚くしている。
溝部１１は、開口部１１ａから底部１１ｂに向かって一定の幅の幅狭部１１ｎと、この幅狭部１１ｎに続いて底部１１ｂまで一定の幅の幅広部１１ｍとを備える凸状である。幅狭部１１ｎと幅広部１１ｍとの比率を調整することで、電解液の流れを調整し易く、溝部１１を流通する電解液の圧力損失を低減し易い。幅狭部１１ｎの深さは、溝部１１の深さの２０％以上５０％以下が挙げられる。上記幅狭部１１ｎの深さが、溝部１１の深さの２０％以上であることで、開口部１１ａ近傍の機械的強度を確保することができ、５０％以下であることで、溝部１１を流通する電解液の圧力損失を十分に低減できる。上記幅狭部１１ｎの深さは、さらに好ましくは２５％以上４０％以下が挙げられる。
本実施形態２の双極板２は、実施形態１と同様の製造方法（ベース板及び分割片の準備⇒ベース板と分割片とを接合）によって製造することができる。この場合、以下の３パターンが挙げられる。１パターン目は、平板状のベース板と、隣接する溝部１１間における幅広部１１ｍの領域部分に相当する分割片Ａと、隣接する溝部１１間における幅狭部１１ｎの領域部分に相当する分割片Ｂとを準備し、ベース板に分割片Ａを接合し、この分割片Ａのベース板と対向する面に分割片Ｂをそれぞれ接合する方法である。分割片Ａは、略矩形状であり、分割片Ｂは、分割片Ａに対して幅が大きく、厚みが薄い平板状である。分割片Ａに分割片Ｂを接合することで、断面Ｔ字状となる。このとき、ベース板の表面に略矩形状の分割片Ａの表面を接合し、この分割片Ａの上記表面の対向面に平板状の分割片Ｂの表面を接合する。２パターン目は、平板状のベース板と、上記分割片Ａと分割片Ｂとが一体成形された断面Ｔ字状の分割片Ｃとを準備し、ベース板と分割片Ｃとを接合する方法である。このとき、断面Ｔ字状の分割片Ｃの幅が狭い片（上記分割片Ａに相当する部分）をベース板の表面に接合する。３パターン目は、ベース板としてプレス成形によって上記分割片Ａに相当する部分を形成したベース板と、上記分割片Ｂとを準備し、ベース板と分割片Ｂとを接合する方法である。このとき、ベース板の突出した部分に平板状の分割片Ｂの表面を直交するように接合する。いずれのパターンであっても、ベース板と分割片とを所定の間隔で接合することで、溝部１１を備える双極板２を製造することができる。
＜解析例１＞
解析例１では、双極板に互いに噛み合う櫛歯形状の流路を設けた４つのモデルのＲＦ電池を想定した流体シミュレーションを行い、ＲＦ電池の圧力損失を求めた。本解析例では、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。以下に、溝の形態が異なる４つのモデルの詳細な条件を示す。
〔モデル１〕
・双極板
長さ：３１．５（ｍｍ）、幅：２８．９（ｍｍ）、厚み：３．０（ｍｍ）
流路形状：嵌合型の対向櫛歯形状
流路（縦溝）数：導入路６本×排出路６本
流路（縦溝）長さ：２６．２（ｍｍ）
流路（横溝）長さ：２８．９（ｍｍ）
溝部の断面形状：蟻溝状（図２及び図３を参照）
溝部の開口部の幅：０．３（ｍｍ）
溝部の底部の幅：１．３（ｍｍ）
溝部の深さ：１．３（ｍｍ）
溝間距離：２．３（ｍｍ）
幅方向両端部の溝のみ、開口部の幅：０．３（ｍｍ）、底部の幅：０．８（ｍｍ）、深さ１．３（ｍｍ）で、開口部から底部に繋がる辺の一辺と底部の辺とのなす角が直角である直角台形状である（図示せず）
・電極
長さ：３１．５（ｍｍ）、幅：２８．９（ｍｍ）、厚み：０．４（ｍｍ）
・電解液
硫酸Ｖ水溶液（Ｖ濃度：１．７ｍｏｌ／Ｌ、硫酸濃度：４．３ｍｏｌ／Ｌ）
充電状態（Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｃｈａｒｇｅ）：５０％
電解液の入口流量：５．４（ｍｌ／ｍｉｎ）
電解液の出口流量：自由流出
流れモデル：層流モデル
〔モデル２〕
・双極板
長さ：３１．５（ｍｍ）、幅：２８．９（ｍｍ）、厚み：３．０（ｍｍ）
流路形状：嵌合型の対向櫛歯形状
流路（縦溝）数：導入路６本×排出路６本
流路（縦溝）長さ：２６．２（ｍｍ）
流路（横溝）長さ：２８．９（ｍｍ）
溝部の断面形状：幅狭部と幅広部からなる凸状（図４を参照）
溝部の開口部の幅（幅狭部の幅）：０．３（ｍｍ）
溝部の底部の幅（幅広部の幅）：１．３（ｍｍ）
溝部の深さ：１．３（ｍｍ）
幅狭部の高さ：０．３（ｍｍ）、幅広部の高さ：１．０（ｍｍ）
溝間距離：２．３（ｍｍ）
幅方向両端部の溝のみ、開口部の幅：０．３（ｍｍ）、底部の幅：０．８（ｍｍ）、深さ１．３（ｍｍ）、幅狭部の高さ：０．３（ｍｍ）、幅広部の高さ：１．０（ｍｍ）で、両端部の溝を合わせたときに凸状となる形状である（図示せず）
・電極、電解液：モデル１と同じ
〔モデル３〕
・双極板
長さ：３１．５（ｍｍ）、幅：２８．９（ｍｍ）、厚み：３．０（ｍｍ）
流路形状：嵌合型の対向櫛歯形状
流路（縦溝）数：導入路６本×排出路６本
流路（縦溝）長さ：２６．２（ｍｍ）
流路（横溝）長さ：２８．９（ｍｍ）
溝部の断面形状：正方形状
溝部の開口部（底部）の幅：０．３（ｍｍ）
溝部の深さ：０．３（ｍｍ）
溝間距離：２．３（ｍｍ）
・電極、電解液：モデル１と同じ
〔モデル４〕
・双極板
長さ：３１．５（ｍｍ）、幅：２８．９（ｍｍ）、厚み：３．０（ｍｍ）
流路形状：嵌合型の対向櫛歯形状
流路（縦溝）数：導入路６本×排出路６本
流路（縦溝）長さ：２６．２（ｍｍ）
流路（横溝）長さ：２８．９（ｍｍ）
溝部の断面形状：正方形状
溝部の開口部（底部）の幅：１．３（ｍｍ）
溝部の深さ：１．３（ｍｍ）
溝間距離：１．３（ｍｍ）
幅方向両端部の溝のみ、開口部の幅：０．８（ｍｍ）、底部の幅：０．８（ｍｍ）、深さ１．３（ｍｍ）の長方形状である
・電極、電解液：モデル１と同じ
上記４つのモデルにおいて、電極内での圧力分布から得られる圧力損失は、モデル１：１１８Ｐａ、モデル２：１００Ｐａ、モデル３：２ｋＰａ、モデル４：６２Ｐａであった。溝部の開口部の幅が小さいモデル１，２，３を比べると、開口部の幅が小さい場合でも、溝部の内部の幅が開口部の幅よりも大きい部分を有することで、圧力損失を大幅に低減できることがわかった。溝部の幅が小さいモデル１，２と、溝部の開口部の幅が大きく、かつ横断面が正方形状のモデル４とを比べると、モデル１，２では若干圧力損失が増大するが、許容できる範囲の圧力損失であることがわかった。
＜試験例１＞
試験例１では、解析例１で用いた４つのモデルの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、解析例１で述べたように単セル構造のＲＦ電池としているので、ＲＦ電池の内部抵抗はセル抵抗率と同義となる。よって、ＲＦ電池の内部抵抗は、セル抵抗率として表す。以下に、解析例１で示した条件以外の試験条件を示す。
（試験条件）
・双極板
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
カーボン電極（ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製、ＧＤＬ１０ＡＡ）
・隔膜
デュポン社製ナフィオン２１２
上記解析例１のシミュレーションと同様の条件で電解液を送液した際の開放電圧Ｖ０と、０．９Ａの充電電流を通電し２０秒経過した後のセル電圧Ｖ１とを用いて、（Ｖ１−Ｖ０）／０．９の式によって、ＲＦ電池のセル抵抗率を求めた。
上記４つのモデルのセル抵抗率は、モデル１：０．８６Ω・ｃｍ２、モデル２：０．８６Ω・ｃｍ２、モデル３：０．９０Ω・ｃｍ２、モデル４：０．９８Ω・ｃｍ２であった。この結果から、溝間距離が開口部の幅よりも大きいことで、セル抵抗率を低減できることがわかった。モデル３について、溝間距離が開口部の幅よりも大きいにもかかわらずセル抵抗率が大きい理由は、溝部の横断面積が小さいため、電解液の流通が不均一となり、電池反応の場が局在化することでセル抵抗率が増大したためであると考えられる。
本発明の双極板は、レドックスフロー電池や燃料電池といった流体流通型電池の双極板として好適に利用可能である。また、本発明のレドックスフロー電池は、負荷平準用途や瞬低・停電対策用の電池として好適に利用することができる。
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 双極板
１０ 流路 １０ｉ 導入路 １０ｏ 排出路
１１ 溝部 １１ｘ 横溝部 １１ｙ 縦溝部
１１ａ 開口部 １１ｂ 底部 １１ｃ 溝間距離
１１ｍ 幅広部 １１ｎ 幅狭部

Claims (8)

  1. 正極用電解液が流通される正極電極と負極用電解液が流通される負極電極との間に挟まれる双極板であって、
    前記正極電極側及び前記負極電極側の各面に前記正極用電解液及び前記負極用電解液が流通する複数の溝部を有する流路を備え、
    前記流路は、
    前記各電解液を前記各電極に導入する導入路と、前記各電解液を前記各電極から排出する排出路とを備え、
    前記導入路と前記排出路とが連通せず独立しており、
    前記溝部は、該溝部の内部の幅が開口部の幅よりも大きい幅広部を備える双極板。
  2. 隣接する前記溝部の前記開口部の側縁間の溝間距離は、前記開口部の幅の１倍超である請求項１に記載の双極板。
  3. 前記溝部は、断面形状が前記開口部から該溝部の底部に向かって広がる略台形状である請求項１又は請求項２に記載の双極板。
  4. 前記溝部は、前記開口部から該溝部の底部に向かって一定の幅の幅狭部と、前記幅狭部に繋がって前記底部まで一定の幅の前記幅広部とを備える請求項１又は請求項２に記載の双極板。
  5. 前記開口部の幅をｘとしたとき、
    前記溝部の横断面積は、ｘ２の１０倍以上である請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の双極板。
  6. 前記導入路及び前記排出路が櫛歯形状の領域を備え、
    前記導入路と前記排出路とは、それぞれの櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置されている請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の双極板。
  7. 請求項１に記載の双極板を備えるレドックスフロー電池。
  8. 正極用電解液が流通される正極電極と負極用電解液が流通される負極電極との間に挟まれる双極板の製造方法であって、
    導電性分散材とマトリックス樹脂とを含む材料で構成されるベース板を準備するベース板準備工程と、
    前記材料で構成される所定断面形状の長尺材であり、前記各電解液が流通する溝部の一部となる分割片を準備する分割片準備工程と、
    前記ベース板の両面に前記分割片を所定の間隔で接合し、前記ベース板と前記分割片とで囲まれる空間で前記溝部を形成する接合工程とを備え、
    前記接合工程は、前記溝部の内部の幅が開口部の幅よりも大きい幅広部を備えるように分割片を接合する双極板の製造方法。
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