JP2020129502A - 電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

【課題】電極の反応抵抗を低減できる電池セルを提供する。【解決手段】電解液が供給される電極と、前記電極に対向して配置される双極板とを備える電池セルであって、前記双極板は、前記電極側の面に前記電解液が流通する複数の溝部を有し、前記電極と前記双極板との間に介在され、前記各溝部に連通する少なくとも１つの貫通孔を有する導電フィルムを備え、前記貫通孔の開口面積が前記溝部の開口面積よりも小さい、電池セル。【選択図】図５

Description

本開示は、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池に関する。

大容量の蓄電池の一つとして、レドックスフロー電池（以下、「ＲＦ電池」と呼ぶ場合がある）が知られている（特許文献１、２を参照）。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。１つの電池セルは、双極板の間に、隔膜を挟んで正負の電極が対向するように配置されて構成される。一般に、ＲＦ電池では、セルスタックと呼ばれる複数の電池セルを備える積層体が利用される。セルスタックは、双極板、正極電極、隔膜、負極電極を順に繰り返し積層した構造となっている。正極電極と負極電極との間には、双極板が配置される。

特開２０１５−２１０８４９号公報 国際公開第２０１６／１８９９７０号

ＲＦ電池において、電池性能の更なる向上が望まれている。具体的には、電池セルの内部抵抗を低減することが求められている。特に、電極の反応抵抗を低減することが求められている。

そこで、本開示は、電極の反応抵抗を低減できる電池セルを提供することを目的の一つとする。また、本開示は、電池性能を向上できるセルスタックを提供することを目的の一つとする。更に、本開示は、電池性能に優れるレドックスフロー電池を提供することを目的の一つとする。

本開示の電池セルは、
電解液が供給される電極と、前記電極に対向して配置される双極板とを備える電池セルであって、
前記双極板は、前記電極側の面に前記電解液が流通する複数の溝部を有し、
前記電極と前記双極板との間に介在され、前記各溝部に連通する少なくとも１つの貫通孔を有する導電フィルムを備え、
前記貫通孔の開口面積が前記溝部の開口面積よりも小さい。

本開示のセルスタックは、
上記本開示の電池セルを備える。

本開示のレドックスフロー電池は、
上記本開示の電池セル、又は上記本開示のセルスタックを備える。

本開示の電池セルは、電極の反応抵抗を低減できる。また、本開示のセルスタックは、電池性能を向上できる。更に、本開示のレドックスフロー電池は、電池性能に優れる。

図１は、実施形態に係るレドックスフロー電池の動作原理図である。 図２は、実施形態に係るレドックスフロー電池の一例を示す概略構成図である。 図３は、実施形態に係るセルスタックの一例を示す概略構成図である。 図４は、実施形態に係るセルスタックに備えるセルフレームを一面側から見た概略平面図である。 図５は、実施形態に係る電池セルに備える導電フィルムの一例を示す概略平面図である。 図６は、実施形態に係る電池セルの一例を示す概略断面図である。 図７は、実施形態に係る電池セルに備える導電フィルムの別の一例を示す概略平面図である。

特許文献１、２は、電池セル内における電解液の流通抵抗による圧力損失を低減することを目的として、双極板における電極と対向する面（電極側の面）に電解液が流通する複数の溝部からなる流路を形成することを開示する。更に、特許文献２は、電極の厚さ方向に電解液が浸透、拡散し易くすることを目的として、電極における双極板の流路に対向する領域に複数の凹部を設けることを開示する。特許文献２には、電極における特定の位置に複数の凹部を備えることで、電解液の拡散抵抗を低減できるため、電池セルの内部抵抗を低減できることが記載されている。

ＲＦ電池の電極は、電解液に含まれる活物質（金属イオン）の電池反応を促進させる反応場として機能する。電池セルを構成する電極には、カーボンフェルトなどの多孔質材料が利用されている。電池セルにおいて、電極内に電解液が浸透、拡散して、電解液中の活物質が電極内で電池反応を行い、反応後の電解液が電極から排出される。

ＲＦ電池の電池性能を向上させるためには、電池セルの内部抵抗（セル抵抗）を低減する必要がある。電池セルのセル抵抗の原因としては、電極の導電抵抗や反応抵抗が挙げられる。しかし、溝部を有する溝付き双極板に電極が直接接するように配置する従来の電池セルの構成では、電極の反応抵抗を低減させることについて、必ずしも十分な検討がなされているとは言えなかった。

本発明者が鋭意検討を重ねた結果、従来の構成では、電極の反応抵抗が大きくなる場合がある。その理由は次のように考えられる。双極板に溝部を有する場合、溝部に流通する電解液が電極内に流入する、或いは、電極内を流通した電解液が溝部に流出するように流れる。双極板の溝部と電極との間を電解液が移動するとき、電極における双極板の溝部上に位置する部分では、電解液の流れが悪くなる。これは、電解液が電極の厚さ方向（双極板と電極との積層方向）よりも厚さ方向と直交する方向（電極の面に沿った方向）に流れ易いため、溝部上に位置する電極の部分で電解液が停滞し易いからである。したがって、溝部上に位置する電極の部分を電解液の電池反応に有効利用できない場合がある。この場合、電極の反応抵抗が大きくなるおそれがある。

また、特許文献２のように、双極板の溝部上に位置する電極の部分に凹部を設けることによって、電極の厚さ方向に電解液を流れ易くすることが考えられる。しかし、電極に凹部を設けると、電極の体積が減ることから、反応場が減少することになる。反応場が減少すると、電極の反応面積を十分に確保できず、反応抵抗の増大を招く場合がある。

［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施形態の内容を列記して説明する。

（１）本開示の実施形態に係る電池セルは、
電解液が供給される電極と、前記電極に対向して配置される双極板とを備える電池セルであって、
前記双極板は、前記電極側の面に前記電解液が流通する複数の溝部を有し、
前記電極と前記双極板との間に介在され、前記各溝部に連通する少なくとも１つの貫通孔を有する導電フィルムを備え、
前記貫通孔の開口面積が前記溝部の開口面積よりも小さい。

本開示の電池セルは、電極と双極板との間に介在される導電フィルムに双極板の各溝部に連通する貫通孔を有する。そのため、電解液が双極板の溝部と電極との間を移動するとき、電解液が導電フィルムの貫通孔を通ることによって、貫通孔の軸方向に沿った方向に電解液が案内される。これにより、貫通孔の軸方向に沿う方向に電解液の流れが生じる。つまり、貫通孔が開口する溝部上に位置する電極の部分において、電極の厚さ方向に電解液の流れが生じ、電極の厚さ方向に電解液が流れ易くなる。よって、電極における双極板の溝部上に位置する部分において電解液の流れがスムーズになり、溝部上に位置する電極の部分を電解液の電池反応に有効利用することが可能である。したがって、本開示の電池セルは、電極の反応抵抗を低減できる。そのため、本開示の電池セルは、電極の反応抵抗に起因するセル抵抗を低減でき、ＲＦ電池の電池性能を向上させることができる。

また、本開示の電池セルは、特許文献２のように双極板の溝部上に位置する電極の部分に凹部を設ける必要がないため、反応場を十分に確保できる。

更に、本開示の電池セルは、双極板における電極側の面に溝部を有することで、電池セル内を流れる電解液の流通抵抗を小さくできる。そのため、電池セルでの電解液の圧力損失を低減できる。

（２）本開示の電池セルの一形態として、
前記貫通孔は、前記溝部の長手方向に沿って複数設けられていることが挙げられる。

上記形態は、双極板の溝部の長手方向に沿って複数の貫通孔が導電フィルムに設けられていることで、電解液が各貫通孔を通って双極板の溝部と電極との間を移動する。上記形態は、電極における双極板の溝部上に位置する部分において電解液の分布を均一化し易い。そのため、溝部上に位置する電極の部分を電解液の電池反応により有効に利用できる。よって、上記形態は、電極の反応抵抗を効果的に低減できる。

（３）本開示の電池セルの一形態として、
前記溝部は、前記電解液を前記電極に導入する１つ以上の導入溝部と、前記電解液を前記電極から排出する１つ以上の排出溝部とを含み、
前記導入溝部と前記排出溝部とが交互に並んで配置されていることが挙げられる。

上記形態は、導入溝部と排出溝部とが交互に並んで配置されていることで、電解液が導入溝部と排出溝部との間を跨ぐように電極内を流通する。そのため、電極内に流通する電解液の量が増え、電解液の電池反応がより活性化される。よって、上記形態は、電極の反応抵抗をより低減できる。また、上記形態は、電極内における電解液の分布をより均一化し易く、電極の広範囲で電池反応が均一に起こり易くなる。そのため、電極の反応抵抗を効果的に低減できる。

（４）本開示の電池セルの一形態として、
前記排出溝部に連通する前記貫通孔の開口面積が前記導入溝部に連通する前記貫通孔の開口面積よりも小さいことが挙げられる。

上記形態は、排出溝部に連通する貫通孔の開口面積が導入溝部に連通する貫通孔の開口面積よりも小さいことで、貫通孔が開口する排出溝部上に位置する電極の部分において、電極の厚さ方向に電解液の流れが生じ易くなる。そのため、排出溝部上に位置する電極の部分を電解液の電池反応により有効に利用できる。よって、上記形態は、電極の反応抵抗をより効果的に低減できる。

（５）本開示の電池セルの一形態として、
前記双極板に前記導電フィルムが溶着されていることが挙げられる。

上記形態は、双極板に導電フィルムが溶着されていることで、双極板と導電フィルムとの間の接触抵抗を低減できる。よって、上記形態は、双極板と導電フィルムとの接触抵抗に起因するセル抵抗を低減できる。更に、双極板に導電フィルムが溶着されていることで、双極板に対する導電フィルムの位置ずれを防止できるので、電池セルの組立作業が容易になる。

（６）本開示の実施形態に係るセルスタックは、
上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の電池セルを備える。

本開示のセルスタックは、上記本開示の電池セルを備えることで、電極の反応抵抗を低減できるため、セル抵抗を低減できる。したがって、本開示のセルスタックはＲＦ電池の電池性能を向上させることができる。

（７）本開示の実施形態に係るレドックスフロー電池は、
上記（１）から（５）のいずれか１つに記載の電池セル、又は上記（６）に記載のセルスタックを備える。

本開示のレドックスフロー電池は、上記本開示の電池セル、又は本開示のセルスタックを備えることで、電極の反応抵抗を低減できるため、セル抵抗を低減できる。したがって、本開示のレドックスフロー電池は電池性能に優れる。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態に係る電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池（ＲＦ電池）の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。なお、本願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。

《ＲＦ電池》
図１〜図６を参照して、実施形態に係るＲＦ電池１、並びに、ＲＦ電池１に備える電池セル１０及びセルスタック２の一例を説明する。図１、図２に示すＲＦ電池１は、正極電解液及び負極電解液として、酸化還元により価数が変化する金属イオンを活物質として含有する電解液を使用する。ＲＦ電池１は、正極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位と、負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位との差を利用して充放電を行う。ここでは、ＲＦ電池１の一例として、正極電解液及び負極電解液にバナジウム（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電池を示す。図１中の電池セル１０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している。ＲＦ電池１は、交流／直流変換器８０を介して電力系統９０に接続されている。ＲＦ電池１は、例えば、負荷平準化用途、瞬低補償、非常用電源などの用途、太陽光発電、風力発電といった自然エネルギー発電の出力平滑化用途に利用される。ＲＦ電池１は、正極電解液にマンガンイオンを含み、負極電解液にチタンイオンを含むマンガン−チタン系ＲＦ電池などでもよい。電解液は公知の組成のものを利用できる。

ＲＦ電池１は、充放電を行う電池セル１０と、電解液を貯留するタンク１０６、１０７と、タンク１０６、１０７と電池セル１０との間で電解液を循環させる循環流路１００Ｐ、１００Ｎとを備える。

《電池セル》
電池セル１０は、図１に示すように、正極電極１４と、負極電極１５と、両電極１４、１５間に介在される隔膜１１とを備える。電池セル１０の構造は、隔膜１１を挟んで正極セル１２と負極セル１３とに分離され、正極セル１２に正極電極１４、負極セル１３に負極電極１５が内蔵されている。電池セル１０は、図２に示すように、双極板３１の間に、正極電極１４と負極電極１５とが隔膜１１を介して対向するように配置されて構成される（図３も参照）。

本実施形態の電池セル１０の特徴の１つは、後述する図４に示すように、双極板３１における正極電極１４及び負極電極１５の各電極に対向する面（以下、「電極側の面」という）に電解液が流通する複数の溝部４００を有する点にある。また、電池セル１０の特徴の１つは、図３に示すように、正極電極１４及び負極電極１５と双極板３１との間に介在される導電フィルム５を備え、導電フィルム５が各溝部４００に連通する少なくとも１つの貫通孔５０（図５、図６参照）を有する点にある。以下では、ＲＦ電池１及び電池セル１０の概要を先に説明し、その後に双極板３１、導電フィルム５の詳細について説明する。

（電極）
正極電極１４及び負極電極１５の各電極には、電解液（正極電解液及び負極電解液）が供給される。正極電極１４及び負極電極１５は、電解液中の活物質が電池反応を行う反応場として機能する。正極電極１４及び負極電極１５は、導電性を有する多孔質材料で形成されている。各電極内には電解液が流通する。正極電極１４及び負極電極１５には、例えば、カーボンフェルト、カーボンクロス、カーボンペーパーなどが好適に利用できる。隔膜１１は、例えば、水素イオンを透過するイオン交換膜で形成されている。

電池セル１０（正極セル１２及び負極セル１３）には、図１、図２に示すように、循環流路１００Ｐ、１００Ｎを通して電解液（正極電解液及び負極電解液）が循環する。正極セル１２には、正極電解液を貯留する正極電解液タンク１０６が正極循環流路１００Ｐを介して接続されている。同様に、負極セル１３には、負極電解液を貯留する負極電解液タンク１０７が負極循環流路１００Ｎを介して接続されている。各循環流路１００Ｐ、１００Ｎは、各タンク１０６、１０７から電池セル１０へ電解液を送る往路配管１０８、１０９と、電池セル１０から各タンク１０６、１０７へ電解液を戻す復路配管１１０、１１１とを有する。各往路配管１０８、１０９には、各タンク１０６、１０７に貯留される電解液を圧送するポンプ１１２、１１３が設けられている。このポンプ１１２、１１３により電解液が電池セル１０に循環される。

《セルスタック》
ＲＦ電池１は、単数の電池セル１０を備える単セル電池であってもよいし、複数の電池セル１０を備える多セル電池であってもよい。多セル電池では、図２に示すような、複数の電池セル１０が積層されたセルスタック２が利用される。セルスタック２は、図３に示すように、複数のサブスタック２００をその両側から２枚のエンドプレート２２０で挟み込み、両側のエンドプレート２２０を締付機構２３０で締め付けることで構成されている。図３は、複数のサブスタック２００を備えるセルスタック２を例示している。サブスタック２００は、セルフレーム３、正極電極１４、隔膜１１、負極電極１５の順に繰り返し積層され、その積層体の両端に給排板２１０が配置された構造である。給排板２１０には、各循環流路１００Ｐ、１００Ｎ（図１、図２参照）の往路配管１０８、１０９及び復路配管１１０、１１１が接続される。

（セルフレーム）
セルフレーム３は、図３に示すように、正極電極１４と負極電極１５との間に配置される双極板３１と、双極板３１の周囲に設けられる枠体３２とを有する（図４も参照）。双極板３１の一面側には、正極電極１４が対向するように配置される。双極板３１の他面側には、負極電極１５が対向するように配置される。枠体３２の内側には、双極板３１が設けられ、双極板３１と枠体３２により凹部３２ｏが形成される。凹部３２ｏは、双極板３１の両側にそれぞれ形成される。一方の凹部３２ｏ内に正極電極１４が収納され、他方の凹部３２ｏ内に負極電極１５が収納されることにより、正極電極１４及び負極電極１５が双極板３１を挟んで配置される。

双極板３１は、電流を通すが電解液を通さない導電性材料、例えば導電性プラスチック（具体例プラスチックカーボン）などで形成されている。枠体３２は、例えば、塩化ビニル樹脂（ＰＶＣ）、ポリプロピレン、ポリエチレン、フッ素樹脂、エポキシ樹脂などのプラスチックで形成されている。セルフレーム３は、双極板３１の周囲に枠体３２が射出成型などにより一体化することで製造することが挙げられる。その他、セルフレーム３は、双極板３１の外周部と枠体３２の内周部との間にシール部材を配置し、双極板３１の外周部と枠体３２の内周部とを重ね合わせることで製造することもできる。

セルスタック２（サブスタック２００）では、隣接する各セルフレーム３の枠体３２の一面側と他面側とが互いに対向して突き合わされる。隣接する各セルフレーム３における双極板３１の間にそれぞれ１つの電池セル１０が形成される（図３参照）。換言すれば、隣り合う電池セル１０の間に双極板３１が介在される。各電極１４、１５は、電池セル１０を構成したときに枠体３２の各凹部３２ｏ内に収納される。各セルフレーム３の枠体３２の間には、電解液の漏洩を抑制するため、Ｏリング又は平パッキンなどの環状のシール部材３７（図２、図３参照）が配置されている。枠体３２には、シール部材３７を配置するためのシール溝３８（図４参照）が形成されている。

電池セル１０における電解液の流通は、セルフレーム３の枠体３２に貫通して形成された給液マニホールド３３、３４及び排液マニホールド３５、３６と、枠体３２に形成された給液スリット３３ｓ、３４ｓ及び排液スリット３５ｓ、３６ｓにより行われる。この例に示すセルフレーム３（枠体３２）の場合、正極電解液は、枠体３２の下部に形成された給液マニホールド３３から枠体３２の一面側に形成された給液スリット３３ｓを介して双極板３１の一面側に供給される。供給された正極電解液は、枠体３２の上部に形成された排液スリット３５ｓを介して排液マニホールド３５に排出される。同様に、負極電解液は、枠体３２の下部に形成された給液マニホールド３４から枠体３２の他面側に形成された給液スリット３４ｓを介して双極板３１の他面側に供給される。供給された負極電解液は、枠体３２の上部に形成された排液スリット３６ｓを介して排液マニホールド３６に排出される。給液マニホールド３３、３４及び排液マニホールド３５、３６は、セルフレーム３が積層されることによって電解液の流路を構成する。これら流路は、給排板２１０（図３参照）を介して各循環流路１００Ｐ、１００Ｎ（図１、図２参照）の往路配管１０８、１０９及び復路配管１１０、１１１にそれぞれ連通している。これにより、給液マニホールド３３、３４及び排液マニホールド３５、３６を介して電池セル１０内に電解液を流通させることが可能である。

この例に示す電池セル１０では、双極板３１の下縁側から電解液が供給され、双極板３１の上縁側から電解液が排出されるように構成されている。この例では、双極板３１の下縁部から上縁部に向かって電池セル１０内を電解液が流れる。つまり、電池セル１０における全体的な電解液の流れる方向は、紙面上方向となる。

（双極板）
双極板３１は、図４に示すように、電極側の面に電解液が流通する複数の溝部４００を有する流路４０を備える。図４では、分かり易くするため、流路４０（溝部４００）が形成されていない部分にハッチングを付している。双極板３１の平面形状は矩形状である。図４に示す双極板３１の一面側（紙面表側）は、正極電極１４（図３参照、図４では図示略）に対向する面である。双極板３１の他面側（紙面裏側）は、負極電極１５（図３参照、図４では図示略）に対向する面である。また、図４に示す双極板３１において、給液スリット３３ｓにつながる下側の縁部は正極電解液が供給される供給側である。双極板３１において、排液スリット３５ｓにつながる上側の縁部は正極電解液が排出される排出側である。図４中、紙面左側の太線矢印は、電解液の流通方向を示す。

複数の溝部４００は、電解液の流通方向（紙面上下方向）に沿って形成され、互いに間隔をあけて並列に設けられている。図４に示す溝部４００は、正極電解液を正極電極１４（図３参照）に導入する導入溝部４１０と、正極電解液を正極電極１４から排出する排出溝部４２０とを含む。導入溝部４１０と排出溝部４２０とは等間隔に交互に並んで配置されている。図４に示す流路４０は、導入溝部４１０を有する導入路４１と、排出溝部４２０を有する排出路４２とを備える。

この例では、図４に示すように、導入溝部４１０は、その一端が双極板３１の下側縁部に連通し、他端が上側縁部まで一定長さを残して形成されている。排出溝部４２０は、その一端が双極板３１の上側縁部に連通し、他端が下側縁部まで一定長さを残して形成されている。導入溝部４１０（導入路４１）と排出溝部４２０（排出路４２）とは、連通せずに独立している。

また、この例では、導入路４１は、双極板３１の下側縁部に沿って形成された導入側整流溝部４１１を有する。各導入溝部４１０の一端が導入側整流溝部４１１に連通している。排出路４２は、双極板３１の上側縁部に沿って形成された排出側整流溝部４２１を有する。各排出溝部４２０の一端が排出側整流溝部４２１に連通している。導入側整流溝部４１１は、給液スリット３３ｓから供給された電解液を各導入溝部４１０に分配する。排出側整流溝部４２１は、各排出溝部４２０から排出される電解液を排液スリット３５ｓに集約する。この例では、導入側整流溝部４１１と排出側整流溝部４２１とを双極板３１に設けているが、導入側整流溝部４１１と排出側整流溝部４２１は、枠体３２に設けることも可能である。

流路４０は、図４に示すように、導入路４１と排出路４２とがそれぞれ櫛歯形状の領域を有し、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噛合型の対向櫛歯形状である。

なお、この例では、導入溝部４１０の一端が双極板３１の下側縁部（導入側整流溝部４１１）に連通すると共に、排出溝部４２０の一端が双極板３１の上側縁部（排出側整流溝部４２１）に連通する場合を説明したが、これに限定されない。導入溝部４１０の一端又は排出溝部４２０の一端はそれぞれ、双極板３１の下側縁部（導入側整流溝部４１１）又は上側縁部（排出側整流溝部４２１）に連通していなくてもよい。この場合、導入溝部４１０の一端と双極板３１の下側縁部との間、又は、排出溝部４２０の一端と双極板３１の上側縁部との間に間隔が生じる。そして、導入溝部４１０の一端と双極板３１の下側縁部との間の間隔と、排出溝部４２０の他端と双極板３１の下側縁部との間の間隔とを比較したとき、導入溝部４１０の一端側の方が双極板３１の下側縁部との距離が短く、間隔が小さい。そのため、給液スリット３３ｓから供給される電解液は、主に導入溝部４１０を通って導入される。また、排出溝部４２０の一端と双極板３１の上側縁部との間の間隔と、導入溝部４１０の他端と双極板３１の上側縁部との間の間隔とを比較したとき、排出溝部４２０の一端側の方が双極板３１の上側縁部との距離が短く、間隔が小さい。そのため、排液スリット３５ｓから排出される電解液は、主に排出溝部４２０を通って排出されることになる。つまり、導入溝部４１０は、正極電極１４（図３参照）に供給される電解液が主として流れる溝といえる。排出溝部４２０は、正極電極１４（図３参照）から排出される電解液が主として流れる溝といえる。

双極板３１は、電極側の面に溝部４００を有することで、電池セル１０（図２、図３参照）内を流れる電解液の流通抵抗を小さくできる。よって、電池セル１０での電解液の圧力損失を低減できる。また、図４に示すように、双極板３１において、導入路４１（導入溝部４１０）と排出路４２（排出溝部４２０）とを備えることで、供給された正極電解液を正極電極１４（図３参照）の全面に均一に行き渡らせ易い。給液スリット３３ｓから双極板３１の一面側に供給された正極電解液は、導入路４１の導入側整流溝部４１１を介して各導入溝部４１０を流れ、双極板３１の一面側（正極電極１４側の面）に広く行き渡る。各導入溝部４１０に流れる正極電解液は、後述する図５、図６に示すように、導電フィルム５の貫通孔５０（導入孔５１）を通って正極電極１４に導入される。正極電極１４内では、導入溝部４１０と隣り合う排出溝部４２０との間を跨ぐように正極電解液が流通し、電池反応が行われる。正極電極１４内を流通した正極電解液は、導電フィルム５の貫通孔５０（排出孔５２）を通って各排出溝部４２０に排出される。各排出溝部４２０に流れる正極電解液は、排出側整流溝部４２１を介して排液スリット３５ｓから排出される。本例のように、導入溝部４１０と排出溝部４２０とが交互に並んで配置されている場合、正極電解液が導入溝部４１０と排出溝部４２０との間を跨ぐように正極電極１４内を流通することで、未反応のまま排出される電解液が減少することが期待できる。

図４では、双極板３１の一面側（正極電極１４側の面）しか図示していないが、双極板３１の他面側（負極電極１５側の面）にも、一面側と同様に、負極電解液が流通する複数の溝部を有する流路が形成されている。双極板３１の他面側に形成された負極電解液用の溝部（流路）の構成は、図４に示す正極電解液用の溝部４００（流路４０）と同様であるので、その説明を省略する。

この例では、各溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）が電解液の流通方向に沿って直線的に形成されている。各溝部４００の寸法（長さ、幅、深さ）は実質的に同じであり、各溝部４００の開口面積が略同一である。各溝部４００の断面形状（溝部４００の長手方向（電解液の流通方向）に直交する断面の形状）は、実質的に等しく長手方向に一様である。ここでいう溝部４００の長さとは、溝部４００の一端から他端までの長さであり、電解液の流通方向（図４の上下方向）に沿った長さを意味する。溝部４００の長さ、幅（開口幅）及び深さ、並びに、隣り合う溝部４００の間隔及び溝部４００の数は、双極板３１のサイズ、厚さなどに応じて適宜選択することができ、特に限定されない。溝部４００の断面形状は、例えば、矩形状、三角形状（Ｖ字状）、台形状、半円形状、半楕円形状などが挙げられる。この例では、溝部４００の断面形状が略矩形状である（図６参照）。

溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）の長さが長いほど、電解液の流通抵抗を低減する効果が期待できる。また、溝部４００の長さが長いほど、隣り合う導入溝部４１０と排出溝部４２０との間で双極板３１の幅方向（図４の左右方向）に重複する範囲が増える。そのため、導入溝部４１０と排出溝部４２０との間を跨ぐように流れる電解液の量が増加することが期待できる。溝部４００の長さ（図４中、Ｌｇで示される一端から他端までの長さ）は、例えば双極板３１の上下方向の長さの７５％以上、更に８０％以上、８５％以上、９０％以上であることが挙げられる。溝部４００の長さの上限は、例えば双極板３１の上下方向の長さの９５％以下である。

溝部４００の断面積（溝部４００の長手方向に直交する断面の面積）が大きいほど、電解液の流通抵抗を低減できるため、圧力損失を低減できる。溝部４００の幅は、溝部４００の断面積を十分に確保できるように、溝部４００の深さに応じて適宜選択することが挙げられる。溝部４００の幅（図４中、Ｗｇで示される開口幅）は、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが挙げられる。溝部４００の深さ（図６中、Ｄｇで示される開口から底までの深さ）は、例えば双極板３１の厚さの１０％以上４５％以下、更に３５％以下であることが挙げられる。本例のように、双極板３１の両面に溝部４００（流路４０）を設ける場合、双極板３１を平面透視したとき、表裏の各溝部４００を双極板３１の厚さ方向に重複するように設けることが挙げられる。溝部４００が深過ぎると、溝部４００が形成された部分で双極板３１の厚みが薄くなるため、機械的強度の低下を招く。具体的な溝部４００の深さは、例えば０．５ｍｍ以上５ｍｍ以下、更に１ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが挙げられる。

隣り合う溝部４００の間隔（導入溝部４１０と排出溝部４２０との間隔）は、例えば溝部４００の幅（開口幅）の１倍以上であることが挙げられる。溝部４００の間隔が大き過ぎると、溝部４００の本数が少なくなる。溝部４００の間隔の上限は、例えば溝部４００の幅（開口幅）の３０倍以下、更に２０倍以下である。具体的な溝部４００の間隔は、例えば０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下、更に１ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが挙げられる。

この例では、各溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）の寸法及び断面形状が同じであるが、各導入溝部４１０及び各排出溝部４２０の寸法が異なっていてもよいし、それぞれの断面形状が異なっていてもよい。更に、各導入溝部４１０と隣り合う排出溝部４２０との間隔を異ならせることも可能である。また、この例では、各溝部４００は、その全長にわたって幅及び深さ（断面積）が一様であるが、溝部４００の形態はこれに限定されるものではない。例えば、溝部４００の一端から他端に向かって徐々に溝部４００の幅が狭くなる形態でもよいし、或いは、溝部４００の一端から他端に向かって徐々に溝部４００の深さが浅くなる形態でもよい。例えば、導入溝部４１０の幅及び深さの一方又は双方が、双極板３１の下側縁部（導入側整流溝部４１１）側から上側縁部（排出側整流溝部４２１）側に向かって小さくなることが挙げられる。排出溝部４２０の幅及び深さの一方又は双方が、双極板３１の上側縁部（排出側整流溝部４２１）側から下側縁部（導入側整流溝部４１１）側に向かって小さくなることが挙げられる。

双極板３１には、例えば導電性プラスチックが好適に利用できる。双極板３１の構成材料としては、炭素材と有機材とを含有する複合材料、具体的には、黒鉛などの導電性無機材と有機化合物とを含有する導電性プラスチックが挙げられる。炭素材としては、黒鉛、カーボンブラック、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などの粒子及び繊維の少なくとも一方が挙げられる。炭素材には、黒鉛を用いることが好ましい。炭素材は、黒鉛を主成分とし、その一部をカーボンブラック、ＤＬＣなどに置換してもよい。導電性無機材には、炭素材に加えて、アルミニウムなどの金属の粒子及び繊維の少なくとも一方が含まれる。有機化合物としては、ポリオレフィン系有機化合物、塩素化有機化合物などが挙げられる。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。

（導電フィルム）
導電フィルム５は、正極電極１４及び負極電極１５の各電極と双極板３１との間に介在される（図３参照）。導電フィルム５は、電極及び双極板３１と接触する。導電フィルム５は、図５、図６に示すように、双極板３１の各溝部４００に連通する貫通孔５０を有する。貫通孔５０の開口面積は溝部４００の開口面積よりも小さい。ここでは、導入溝部４１０に連通する貫通孔５０を導入孔５１と呼び、排出溝部４２０に連通する貫通孔５０を排出孔５２と呼ぶ。図５では、導電フィルム５を双極板３１の一面側に配置した状態を示しており、説明の便宜上、正極電極１４を図示していない。なお、図５、図６では、双極板３１の一面側（正極電極１４側の面）に配置される導電フィルム５のみを図示しているが、双極板３１の他面側（負極電極１５側の面）にも、一面側と同様に、導電フィルムが配置されている。双極板３１の他面側に配置された導電フィルムの構成は、図５に示す導電フィルム５と同様であるので、その説明を省略する。

導電フィルム５は、図５に示すように、双極板３１の電極側の面の全面を覆うように形成されている。この例では、導電フィルム５の平面形状が双極板３１と同じ矩形状であり、導電フィルム５の面積が双極板３１の面積と略等しい。

導電フィルム５は、双極板３１と正極電極１４との間の電気的な導通を確保する観点から、導電性材料で形成されている。導電フィルム５の構成材料には、例えば導電性プラスチック、導電性金属が好適に利用できる。導電性金属としては、高い導電性と電解液に対する耐食性とを有する金属、例えばチタンなどが挙げられる。導電フィルム５は、双極板３１よりも導電率が高いことが好ましい。そのため、導電フィルム５は、導電性金属で形成されていることが好ましく、例えば、導電性金属で形成された基材の表面にカーボンがコーティングされたものが挙げられる。導電フィルム５の厚さは、例えば０．１ｍｍ以上１ｍｍ以下、更に０．３ｍｍ以上０．５ｍｍ以下であることが挙げられる。導電フィルム５の厚さが１ｍｍ以下であることで、電池セル１０（図３参照）を薄型化することができ、延いてはセルスタック２を小型化できる。

導電フィルム５は、双極板３１の電極側の面に溶着されていることが好ましい。これにより、双極板３１と導電フィルム５との間の接触抵抗を低減できる。更に、双極板３１に導電フィルム５が溶着されていることで、双極板３１に対する導電フィルム５の位置ずれを防止できるので、電池セル１０（図３参照）の組立作業が容易になる。導電フィルム５は、双極板３１に接着されていてもよい。導電フィルム５と双極板３１とが接する面同士が部分的に溶着又は接着されていてもよいし、全面的に溶着又は接着されていてもよい。

導電フィルム５には、図５、図６に示すように、その厚さ方向に貫通する貫通孔５０が設けられている。この例では、貫通孔５０（導入孔５１及び排出孔５２）が双極板３１の各溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）に対応する位置に形成されている。また、１つの溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）に対し、複数の貫通孔５０（導入孔５１及び排出孔５２）が溝部４００の長手方向に沿って等間隔に設けられている。本例のように、双極板３１に導入側整流溝部４１１、排出側整流溝部４２１が設けられている場合は、導入側整流溝部４１１及び排出側整流溝部４２１の少なくとも一方に対応する位置に貫通孔５０が形成されていてもよい。

導電フィルム５が双極板３１の各溝部４００に連通する貫通孔５０を有することで、電解液が双極板３１の溝部４００と正極電極１４との間を移動するときの電解液の流れを調整することができる。この例では、図５、図６に示すように、各導入溝部４１０に流れる正極電解液が、導入孔５１を通って正極電極１４に導入され、導入溝部４１０と排出溝部４２０との間を跨ぐように正極電極１４内を流通する。正極電極１４内を流通した後、正極電解液は排出孔５２を通って各排出溝部４２０に排出される。電解液が導電フィルム５の貫通孔５０（導入孔５１及び排出孔５２）を通ることによって、貫通孔５０の軸方向に沿う方向に電解液が案内され、その方向に電解液の流れが生じる。つまり、貫通孔５０（導入孔５１及び排出孔５２）が開口する溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）上に位置する正極電極１４の部分において、電極の厚さ方向に電解液の流れが生じ、その方向に電解液が流れ易くなる。よって、正極電極１４における双極板３１の溝部４００上に位置する部分での電解液の流れがスムーズになり、溝部４００上に位置する正極電極１４の部分を電解液の電池反応に有効利用することが可能である。したがって、電極の反応抵抗が減少する。図５中、上方向の破線矢印は、各溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）での電解液の流れを模式的に示し、左右方向の実線矢印は、正極電極１４（図示せず）での電解液の流れを模式的に示す。図６中、実線矢印は、溝部４００と正極電極１４との間を移動するときの電解液の流れを示す。

各溝部４００に連通する貫通孔５０の開口面積は各溝部４００の開口面積よりも小さい。ここで、１つの溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）に対して貫通孔５０（導入孔５１及び排出孔５２）が複数ある場合、貫通孔５０の開口面積は各貫通孔５０の合計の開口面積とする。溝部４００の開口面積は、溝部４００の一端から他端までの開口面積であり、導入側整流溝部４１１及び排出側整流溝部４２１の部分を含まないものとする。溝部４００の開口面積に対する貫通孔５０の開口面積の割合（％）は、例えば５％以上７０％以下、更に１０％以上６０％以下、２０％以上５０％以下であることが挙げられる。貫通孔５０の開口面積の割合が５％以上、特に１０％以上であることで、正極電極１４内に流通する電解液の量を確保し易い。貫通孔５０の開口面積の割合が７０％以下、特に６０％以下であることで、貫通孔５０の軸方向に沿う方向に電解液の流れがより生じ易い。これにより、貫通孔５０が開口する溝部４００上に位置する正極電極１４の部分において、電解液の滞留を効果的に抑制できる。そのため、溝部４００上に位置する正極電極１４の部分において、電極の厚さ方向への電解液の流れを確保し易い。

本例の導電フィルム５のように、双極板３１の各溝部４００に連通する貫通孔５０が溝部４００の長手方向に沿って複数設けられている場合、正極電極１４における溝部４００上に位置する部分での電解液の分布を均一化し易い。そのため、溝部４００上に位置する正極電極１４の部分をより有効に電解液の電池反応に利用できるので、電極の反応抵抗を効果的に低減できる。

この例に示す各貫通孔５０の開口形状は円形状である。貫通孔５０の開口形状は、円形状に限定されるものではなく、例えば、楕円形状、多角形状などであってもよい。多角形状としては、例えば、三角形状、四角形状、六角形状などが挙げられる。四角形状には、例えば、長方形状、台形状、菱形状などが含まれる。

この例では、各貫通孔５０の開口寸法（開口幅、開口長さ）が実質的に同じであり、各貫通孔５０の開口面積が略同一である。貫通孔５０の開口幅及び開口長さは、各溝部４００の寸法に応じて適宜選択することができる。貫通孔５０の開口幅とは、溝部４００の幅方向に沿った幅の最大値をいう。貫通孔５０の開口長さとは、溝部４００の長手方向に沿った長さの最大値をいう。貫通孔５０の開口形状が円形状の場合、貫通孔５０の開口幅及び開口長さが貫通孔５０の開口径（直径）に等しい。貫通孔５０の開口幅は、例えば溝部４００の開口幅の１０％以上１００％以下、更に２０％以上８０％以下であることが挙げられる。具体的な貫通孔５０の開口幅は、例えば０．１ｍｍ以上２ｍｍ以下、更に０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下、０．８ｍｍ以上１ｍｍ以下であることが挙げられる。貫通孔５０の開口長さは、貫通孔５０の開口面積が上記割合を確保できるように、貫通孔５０の開口幅に応じて適宜選択することが挙げられる。また、本例のように、溝部４００に対して複数の貫通孔５０が設けられている場合、各貫通孔５０の開口長さは、各貫通孔５０の合計の開口面積が上記割合を満たすように選択すればよい。

各溝部４００に対する貫通孔５０の数は、溝部４００の長さに応じて適宜選択することが挙げられる。溝部４００の長手方向に隣り合う貫通孔５０の間隔は、例えば５０ｍｍ以下、更に３０ｍｍ以下、１０ｍｍ以下であることが挙げられる。貫通孔５０の間隔が５０ｍｍ以下、特に１０ｍｍ以下であることで、正極電極１４内に流通する電解液の分布を均一化し易い。貫通孔５０の間隔の下限は、例えば１ｍｍ以上である。

この例では、各溝部４００（導入溝部４１０及び排出溝部４２０）に対する各貫通孔５０（導入孔５１及び排出孔５２）の開口面積及び開口形状が同じであるが、各貫通孔５０の開口面積及び開口形状の少なくとも一方が異なっていてもよい。更に、導入孔５１と排出孔５２とで、開口面積及び開口形状の少なくとも一方が異なっていてもよい。例えば、導入孔５１の開口面積よりも排出孔５２の開口面積を小さくすることが挙げられる。また、例えば、導入孔５１及び排出孔５２のうち、一方の開口形状を円形状とし、他方を長方形状とすることが挙げられる。その他、導入孔５１の数と排出孔５２の数とを異ならせることも可能である。例えば、導入孔５１の数よりも排出孔５２の数を少なくすることが挙げられる。導入孔５１の位置と排出孔５２の位置とが互いに溝部４００の長手方向にずれていてもよい。例えば、隣り合う導入溝部４１０及び排出溝部４２０において、溝部４００の並び方向に沿って見たとき、導入孔５１同士の間に排出孔５２が位置することが挙げられる。

［実施形態の効果］
実施形態に係る電池セル１０は、双極板３１の電極側の面に溝部４００を有することで、電解液の流通抵抗を小さくして、電池セル１０での電解液の圧力損失を低減できる。更に、電池セル１０は、電極と双極板３１との間に介在される導電フィルム５に各溝部４００に連通する貫通孔５０を有する。電解液が双極板３１の溝部４００と電極との間を移動するとき、電解液が貫通孔５０を通ることによって、貫通孔５０の軸方向に沿う方向に電解液の流れが生じる。即ち、溝部４００上に位置する電極の部分において、電極の厚さ方向に電解液が流れ易くなる。そのため、従来、電解液の電池反応に有効利用できていなかった溝部４００上に位置する電極の部分を電池反応に有効利用できるので、電極の反応抵抗が減少する。その結果、電極の反応抵抗に起因するセル抵抗を低減でき、ＲＦ電池１の電池性能を向上させることができる。

導入溝部４１０と排出溝部４２０とが交互に並んで配置されていることで、電解液が導入溝部４１０と排出溝部４２０との間を跨ぐように電極内を流通する。そのため、正極電極１４内に流通する電解液の量が増え、電解液の電池反応がより活性化される。よって、電極の反応抵抗をより低減できる。また、この場合、電極内における電解液の分布をより均一化し易く、電極の広範囲で電池反応が均一に起こり易くなるので、電極の反応抵抗を効果的に低減できる。

双極板３１に導電フィルム５が溶着されている場合、双極板３１と導電フィルム５との接触抵抗を低減でき、接触抵抗に起因するセル抵抗を低減できる。

実施形態に係るセルスタック２は、上記電池セル１０を備えることで、電極の反応抵抗を低減できるため、セル抵抗を低減できる。

実施形態に係るＲＦ電池１は、上記電池セル１０又は上記セルスタック２を備えることで、電極の反応抵抗を低減できるため、セル抵抗を低減できる。よって、ＲＦ電池１は電池性能に優れる。

〈変形例〉
図７を参照して、導電フィルム５の変形例を説明する。図７に示す導電フィルム５は、排出孔５２の開口面積が導入孔５１の開口面積よりも小さい点が、上述した図５に示す導電フィルム５と相違する。以下では、図５に示す導電フィルム５との相違点を中心に説明し、図７において、図５と共通する部分については同一符号を付してその説明を省略する。

図７に示す導電フィルム５は、排出溝部４２０に連通する各排出孔５２の開口径が導入溝部４１０に連通する各導入孔５１の開口径よりも小さい。そのため、各排出孔５２の開口面積が各導入孔５１の開口面積よりも小さくなっている。

排出孔５２の開口面積が導入孔５１の開口面積よりも小さいことで、排出孔５２が開口する排出溝部４２０上に位置する正極電極１４（図６参照）の部分において、電極の厚さ方向に電解液の流れが生じ易くなる。そのため、排出溝部４２０上に位置する正極電極１４の部分をより有効に電解液の電池反応に利用できるので、電極の反応抵抗をより効果的に低減できる。

１ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
２ セルスタック
１０ 電池セル
１１ 隔膜
１２ 正極セル １３ 負極セル
１４ 正極電極 １５ 負極電極
３ セルフレーム
３１ 双極板 ３２ 枠体
３２ｏ 凹部
３３、３４ 給液マニホールド ３５、３６ 排液マニホールド
３３ｓ、３４ｓ 給液スリット ３５ｓ、３６ｓ 排液スリット
３７ シール部材 ３８ シール溝
４０ 流路
４１ 導入路 ４２ 排出路
４００ 溝部
４１０ 導入溝部 ４１１ 導入側整流溝部
４２０ 排出溝部 ４２１ 排出側整流溝部
５ 導電フィルム
５０ 貫通孔
５１ 導入孔 ５２ 排出孔
１００Ｐ 正極循環流路 １００Ｎ 負極循環流路
１０６ 正極電解液タンク １０７ 負極電解液タンク
１０８、１０９ 往路配管 １１０、１１１ 復路配管
１１２、１１３ ポンプ
２００ サブスタック
２１０ 給排板 ２２０ エンドプレート ２３０ 締付機構
８０ 交流／直流変換器 ９０ 電力系統

Claims (7)

1. 電解液が供給される電極と、前記電極に対向して配置される双極板とを備える電池セルであって、
   前記双極板は、前記電極側の面に前記電解液が流通する複数の溝部を有し、
   前記電極と前記双極板との間に介在され、前記各溝部に連通する少なくとも１つの貫通孔を有する導電フィルムを備え、
   前記貫通孔の開口面積が前記溝部の開口面積よりも小さい、
   電池セル。
2. 前記貫通孔は、前記溝部の長手方向に沿って複数設けられている請求項１に記載の電池セル。
3. 前記溝部は、前記電解液を前記電極に導入する１つ以上の導入溝部と、前記電解液を前記電極から排出する１つ以上の排出溝部とを含み、
   前記導入溝部と前記排出溝部とが交互に並んで配置されている請求項１又は請求項２に記載の電池セル。
4. 前記排出溝部に連通する前記貫通孔の開口面積が前記導入溝部に連通する前記貫通孔の開口面積よりも小さい請求項３に記載の電池セル。
5. 前記双極板に前記導電フィルムが溶着されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池セル。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池セルを備える、
   セルスタック。
7. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池セル、又は請求項６に記載のセルスタックを備える、
   レドックスフロー電池。

Images