JP6956949B2 - 双極板、セルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池 - Google Patents

Description

本発明は、双極板、セルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池に関する。

特許文献１〜４には、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、正極電極と負極電極との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し、各極の電極に各極の電解液を供給して充放電を行うレドックスフロー電池が開示されている。上記電池セルは、正極電極、隔膜、負極電極の積層物を挟むように一組のセルフレームが配置されて構成される。セルフレームは、表裏面に正極電極及び負極電極がそれぞれ配置される双極板と、双極板の外周に設けられる枠体とを備える。

特許文献１〜４には、電池セル内の各極の電極に十分に電解液を行き渡らせるために、電解液が流通する複数の溝部を有する双極板が開示されている。

特開２０１５−１２２２３０号公報 特開２０１５−１２２２３１号公報 特開２０１５−１３８７７１号公報 特開２０１５−２１０８４９号公報

本開示の双極板は、
レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板であって、
前記双極板における前記正極電極及び前記負極電極の少なくとも一方の電極に対向する面に、電解液が流通する複数の溝部と、隣り合う前記溝部間に位置する畝部とを備え、
前記溝部を形成する溝内面の少なくとも一部に、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上である粗面を備える。

本開示のセルフレームは、本開示の双極板と、前記双極板の外周に設けられる枠体とを備える。

本開示のセルスタックは、本開示のセルフレームを備える。

本開示のレドックスフロー電池は、本開示のセルスタックを備える。

実施形態１に係るレドックスフロー電池の動作原理図である。 実施形態１に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。 実施形態１に係るセルスタックの概略構成図である。 実施形態１に係るセルフレームを一面側から見た概略平面図である。 実施形態１に係る双極板を示す概略断面図である。 実施形態２に係る双極板を示す概略断面図である。 実施形態３に係る双極板を示す概略平面図である。 実施形態４に係る双極板を示す概略平面図である。 実施形態５に係る双極板を示す概略平面図である。 実施形態６に係る双極板を示す概略平面図である。 実施形態７に係る双極板を示す概略平面図である。

［本開示が解決しようとする課題］
複数の溝部を有する双極板上での電解液の流れは、各溝部に沿った流れと、隣り合う溝部間に位置する畝部を渡って溝部間を移動するような流れとを形成する。双極板は、その最表面の大部分が畝部で構成される。そのため、畝部を渡るように流れる電解液は、畝部に対向する電極に浸透され易く、電極内で電池反応が行われ易い。一方、溝部に沿って流れる電解液のうち、溝部の底部側で流れる電解液は、電極に浸透され難く、電池反応が行われないで未反応のまま排出される虞がある。

そこで、本開示は、電解液の拡散性に優れ、電池反応性を向上できる双極板、セルフレーム、セルスタック、及び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。

［本開示の効果］
本開示によれば、電解液の拡散性に優れ、電池反応性を向上できる双極板、セルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池を提供できる。

［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）本発明の実施形態に係る双極板は、
レドックスフロー電池の正極電極と負極電極との間に配置される双極板であって、
前記双極板における前記正極電極及び前記負極電極の少なくとも一方の電極に対向する面に、電解液が流通する複数の溝部と、隣り合う前記溝部間に位置する畝部とを備え、
前記溝部を形成する溝内面の少なくとも一部に、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上である粗面を備える。

上記双極板は、溝部を形成する溝内面に算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上の粗面を備えることで、溝部に沿って電解液が流れるときに、粗面の細かい高低差によって電解液の流速が変化し、電解液に乱流を生じさせることができる。電解液に乱流が生じることで、溝部に沿って流れる電解液の拡散性を向上でき、溝部の底部側で流れる電解液も電極に供給され易い。よって、溝部に沿って流れる電解液が電極に供給及び浸透されることで、電池反応性を向上でき、電解液が未反応のまま排出されることを抑制できる。

（２）上記双極板の一例として、前記粗面は、表面粗さが算術平均粗さＲａで２５μｍ以下である形態が挙げられる。

双極板の表面に配置される電極は、一般的に繊維を含む多孔体で構成される。双極板に粗面を備えると、粗面の細かい高低差に電極の繊維が引っ掛かり易い。正負間の差圧により電極が圧縮された際に、溝部の内側に電極の繊維が引っ掛かると、電極が溝部の内側に入り込むことになり、溝部の体積が減少し、圧力損失が増加する。そこで、粗面の表面粗さが算術平均粗さＲａで２５μｍ以下であることで、溝部の内側に電極の繊維が引っ掛かり難く、溝部の体積を確保し易く、圧力損失の増加を抑制できる。また、粗面の表面粗さが算術平均粗さＲａで２５μｍ以下であることで、電池セルの組立時に、溝部の内側に電極の繊維が引っ掛かったとしても、その引っ掛かりを解除し易い。更に、粗面の表面粗さが算術平均粗さＲａで２５μｍ以下であることで、溝部に沿って流れる電解液の流通抵抗の増加も抑制でき、電解液と粗面との摩擦熱による電解液の温度上昇も抑制できる。

（３）上記双極板の一例として、前記畝部の表面の少なくとも一部に、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上である粗面を備える形態が挙げられる。

溝部に加えて、畝部にも粗面を備えることで、畝部を渡るように流れる電解液にも乱流を生じさせることができ、畝部に対向配置される電極内への電解液の拡散性を向上でき、より電池反応性を向上できる。また、溝部及び畝部の全面に亘って粗面を備える場合、双極板に粗面を形成し易い。

（４）本発明の実施形態に係るセルフレームは、上記（１）から（３）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。

上記セルフレームは、本発明の実施形態に係る双極板を備えるため、溝部に沿って流れる電解液が電極に供給及び浸透され易く、電池反応性を向上できる。

（５）本発明の実施形態に係るセルスタックは、上記（４）に記載のセルフレームを備える。

上記セルスタックは、本発明の実施形態に係るセルフレームを備えるため、溝部に沿って流れる電解液が電極に供給及び浸透され易く、電池反応性を向上できる。

（６）本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池は、上記（５）に記載のセルスタックを備える。

上記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、溝部に沿って流れる電解液が電極に供給及び浸透され易く、電池反応性を向上できる。

［本発明の実施形態の詳細］
本発明の実施形態に係る双極板、セルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池の詳細を、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名称物を示す。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、請求の範囲によって示され、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≫
本実施形態の特徴の一つは、電解液の拡散性に優れ、電池反応性を向上可能な構成を双極板に備える点にある。以下では、まず、図１〜図４を参照して、実施形態１に係るレドックスフロー電池、セルスタック、及びセルフレームの基本構成を説明し、その後、図４及び図５を参照して、実施形態１のセルフレーム（セルスタック、レドックスフロー電池）に備わる双極板の構成を詳細に説明する。

〔ＲＦ電池〕
レドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）１は、代表的には、図１に示すように、交流／直流変換器や変電設備等を介して、発電部と、電力系統や需要家等の負荷とに接続され、発電部を電力供給源として充電を行い、負荷を電力消費対象として放電を行う。発電部は、例えば、太陽光発電機、風力発電機、その他一般の発電所等が挙げられる。

ＲＦ電池１は、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１００を備える。正極セル１０２には、正極電解液が供給される正極電極１０４が内蔵され、負極セル１０３には、負極電解液が供給される負極電極１０５が内蔵されている。正極電極１０４及び負極電極１０５は、供給された電解液に含まれる活物質イオンが電池反応を行う反応場である。隔膜１０１は、正極電極１０４と負極電極１０５とを分離すると共に、所定のイオンを透過する薄膜部材である。

正極セル１０２に正極電解液を循環供給する正極循環機構１００Ｐは、正極電解液を貯留する正極電解液タンク１０６と、正極電解液タンク１０６と正極セル１０２との間を繋ぐ導管１０８，１１０と、上流側（供給側）の導管１０８に設けられたポンプ１１２とを備える。負極セル１０３に負極電解液を循環供給する負極循環機構１００Ｎは、負極電解液を貯留する負極電解液タンク１０７と、負極電解液タンク１０７と負極セル１０３との間を繋ぐ導管１０９，１１１と、上流側（供給側）の導管１０９に設けられたポンプ１１３とを備える。

正極電解液は、正極電解液タンク１０６から上流側の導管１０８を介して正極電極１０４に供給され、正極電極１０４から下流側（排出側）の導管１１０を介して正極電解液タンク１０６に戻される。また、負極電解液は、負極電解液タンク１０７から上流側の導管１０９を介して負極電極１０５に供給され、負極電極１０５から下流側（排出側）の導管１１１を介して負極電解液タンク１０７に戻される。正極電解液の循環及び負極電解液の循環によって、正極電極１０４に正極電解液を循環供給すると共に、負極電極１０５に負極電解液を循環供給しながら、各極の電解液中の活物質イオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。図１及び図２において、正極電解液タンク１０６内及び負極電解液タンク１０７内に示すバナジウムイオンは、正極電解液中及び負極電解液中に活物質として含むイオン種の一例を示す。図１において、実線矢印は充電、破線矢印は放電を意味する。

〔セルスタック〕
ＲＦ電池１は、代表的には、複数の電池セル１００が積層されたセルスタック２と呼ばれる形態で利用される。セルスタック２は、図３に示すように、あるセルフレーム３、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、別のセルフレーム３が繰り返し積層された積層体と、積層体を挟む一対のエンドプレート２１０，２２０と、エンドプレート２１０，２２０間を繋ぐ長ボルト等の連結部材２３０及びナット等の締結部材とを備える。締結部材によってエンドプレート２１０，２２０間が締め付けられると、積層体は、その積層方向の締付力によって積層状態が保持される。セルスタック２は、所定数の電池セル１００をサブスタック２００とし、複数のサブスタック２００を積層した形態で利用される。サブスタック２００やセルスタック２における電池セル１００の積層方向の両端に位置するセルフレーム３には、双極板４に代えて給排板（図示せず）が配置される。

〔セルフレーム〕
セルフレーム３は、図２及び図３に示すように、正極電極１０４と負極電極１０５との間に配置される双極板４と、双極板４の外周に設けられる枠体５とを備える。双極板４は、電流を流すが電解液を流さない導電部材で構成され、その一面側には正極電極１０４が接触するように配置され、他面側には負極電極１０５が接触するように配置される。枠体５は、内側に電池セル１００となる領域を形成する。具体的には、枠体５の厚みは、双極板４の厚みよりも大きく、双極板４の外周を枠体５で囲むことで、双極板４の表面（裏面）と枠体５の表面（裏面）とで、内部に正極電極１０４（負極電極１０５）が配置される空間を形成する段差が形成される。サブスタック２００（セルスタック２）では、隣り合うセルフレーム３，３の双極板４，４の間に、それぞれ一つの電池セル１００が形成されることになる。

正極電極１０４及び負極電極１０５への各極の電解液の供給は、セルフレーム３における枠体５の対向する一片（図３上図の紙面下側）に形成される給液マニホールド５１，５２、給液ガイド溝５１ｓ，５２ｓにより行われる。正極電極１０４及び負極電極１０５からの各極の電解液の排出は、枠体５の対向する他片（図３上図の紙面上側）に形成される排液マニホールド５３，５４、排液ガイド溝５３ｓ，５４ｓにより行われる。正極電解液は、給液マニホールド５１から枠体５の一面側（紙面表側）に形成された給液ガイド溝５１ｓを介して正極電極１０４に供給される。そして、図３上図の矢印に示すように正極電極１０４の下側から上側へ流通し、枠体５の一面側（紙面表側）に形成された排液ガイド溝５３ｓを介して排液マニホールド５３に排出される。負極電解液の供給及び排出は、枠体５の他面側（紙面裏側）で行われる点を除き、正極電解液と同じである。各枠体５間には、電池セル１００からの電解液の漏洩を抑制するために、Ｏリングや平パッキン等の環状のシール部材６（図２及び図３）が配置されている。枠体５には、環状のシール部材６を配置するためのシール溝６ｓ（図４を参照）が周方向にわたって形成されている。

上述したＲＦ電池１、セルスタック２、及びセルフレーム３の基本構成は、公知の構成を適宜利用できる。

〔双極板〕
図４及び図５を参照して、実施形態１に係る双極板４Ａについて説明する。この双極板４Ａは、上述した双極板４に相当する部材である。
双極板４Ａは、図４に示すように、矩形状の平板である。双極板４Ａの表裏面にはそれぞれ、隣り合う電池セル１００の正極電極１０４と負極電極１０５とが配置される（図２及び図３を参照）。双極板４Ａは、正極電極１０４に対向する面及び負極電極１０５に対向する面それぞれに、複数の溝部４１と、隣り合う溝部４１，４１間に位置する畝部４２とを備える。実施形態１に係る双極板４Ａは、溝部４１を形成する溝内面の少なくとも一部に、粗面４１０（図５）を備える点を特徴の一つとする。

複数の溝部４１は、電解液が流通する流路として機能する。正極電極１０４が対向配置される双極板４Ａの一面に設けられた溝部４１には正極電解液が流通され、負極電極１０５が対向配置される双極板４Ａの他面に設けられた溝部４１には負極電解液が流通される。各電池セル１００内での電解液の流れは、溝部４１の形状や寸法等によって調整することができる。なお、図４では、分かり易くするために、畝部４２にハッチングを付している。

本例では、溝部４１は、枠体５の一片から他片に向かう方向（図４の紙面下側から上側に向かう上下方向）に沿って非連通形状に形成されている点を特徴の一つとする。溝部４１は、電解液を電極に導入する導入側溝部４１ｉと、電解液を電極から排出する排出側溝部４１ｏとを備える。また、溝部４１は、全ての導入側溝部４１ｉにおける電解液の流入口に連続し、かつ導入側溝部４１ｉの並列方向に沿って設けられた分配溝部４１ｄを備える。分配溝部４１ｄは、枠体５に形成された給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）を介して給液マニホールド５１（５２）と連通している。更に、溝部４１は、全ての排出側溝部４１ｏにおける電解液の流出口に連続し、かつ排出側溝部４１ｏの並列方向に沿って設けられた集約溝部４１ａを備える。集約溝部４１ａは、枠体５に形成された排液ガイド溝５３ｓ（５４ｓ）を介して排液マニホールド５３（５４）と連通している。導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとは、連通せずに独立しており、所定の間隔を有して交互に並列配置され、分配溝部４１ｄ及び集約溝部４１ａとで形成される対向櫛歯構造である。隣り合う導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとの間に、畝部４２が形成される。

本例では、導入側溝部４１ｉ及び排出側溝部４１ｏは、双極板４Ａの縦方向（図４の上下方向）に沿った縦溝で構成されており、分配溝部４１ｄ及び集約溝部４１ａは、双極板４Ａの横方向（図４の左右方向）に沿った横溝部で構成されている。他に、溝部は、導入側溝部及び排出側溝部が双極板の横方向に沿った横溝で構成されており、分配溝部及び集約溝部が双極板の縦方向に沿った縦溝部で構成されていてもよい。

畝部４２は、隣り合う溝部４１，４１間に位置する部分であり、双極板４Ａの最表面の大部分を形成する。よって、電池セル１００を組み立てたとき、畝部４２が各極の電極１０４，１０５と接触することになる。

双極板４Ａでは、給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）から分配溝部４１ｄに導入された電解液は、各導入側溝部４１ｉに分配され、双極板４Ａの全面に行き渡る。導入側溝部４１ｉに流れる電解液は、双極板４Ａの表面に配置される電極に浸透し、双極板４Ａの表面を跨いで、導入側溝部４１ｉに隣り合う排出側溝部４１ｏに流れる。排出側溝部４１ｏに流れる電解液は、集約溝部４１ａで集約されて、排液ガイド溝５３ｓ（５４ｓ）から排出される。給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）から導入されて排液ガイド溝５３ｓ（５４ｓ）に排出されるまでの間に溝部４１を流通する電解液は、双極板４Ａに対向配置される電極に浸透して拡散し、電極内で電池反応を行う。複数の溝部４１を有する双極板４Ａ上での電解液の流れは、各導入側溝部４１ｉ及び排出側溝部４１ｏに沿った流れ（図４で示す実線矢印の方向）と、導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとの間の畝部４２を介して幅方向（図４の左右方向）に渡るような流れ（図４で示す破線矢印の方向）とを形成する。

溝部４１は、底面４１０ｂと、底面４１０ｂと双極板４Ａの表面（畝部４２）とを繋ぐ側面４１０ｓとで形成され、横断面形状が長方形状である。溝部４１は、両側面４１０ｓが粗面４１０で構成されている。

粗面４１０は、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上である。溝部４１を形成する側面４１０ｓが粗面４１０で構成されることで、溝部４１に沿って電解液が流れるときに、粗面４１０の細かい高低差によって電解液の流速が変化し、電解液に乱流を生じさせることができる。溝部４１内の電解液に乱流が生じることで、電解液の拡散性を向上でき、溝部４１の底面４１０ｂ側で流れる電解液も電極に供給及び浸透され易く、電池反応性を向上できる。粗面４１０は、表面粗さが大きいほど乱流を生じさせ易く、算術平均粗さＲａで、更に０．２μｍ以上、特に０．４μｍ以上が好ましい。

一方、粗面４１０は、表面粗さが算術平均粗さＲａで２５μｍ以下であることが好ましい。双極板４Ａの表面に配置される正極電極１０４及び負極電極１０５は、一般的に繊維を含む多孔体で構成される。そのため、双極板４Ａに粗面４１０を備えると、粗面４１０の細かい高低差に正極電極１０４や負極電極１０５を構成する繊維が引っ掛かることがある。正負間の差圧により正極電極１０４及び負極電極１０５が圧縮された際に、溝部４１の内側に上記繊維が引っ掛かると、正極電極１０４や負極電極１０５が溝部４１の内側に入り込むことになり、溝部４１の体積が減少し、圧力損失が増加する。そこで、粗面４１０の表面粗さが算術平均粗さＲａで２５μｍ以下であることで、溝部４１の内側に上記繊維が引っ掛かり難く、溝部４１の体積を確保し易く、圧力損失の増加を抑制できる。また、粗面４１０の表面粗さが算術平均粗さＲａで２５μｍ以下であることで、電池セル１００の組立時に、溝部４１の内側に上記繊維が引っ掛かったとしても、その引っ掛かりを解除し易い。更に、粗面４１０の表面粗さが算術平均粗さＲａで２５μｍ以下であることで、溝部４１に沿って流れる電解液の流通抵抗の増加も抑制でき、電解液と粗面４１０との摩擦熱による電解液の温度上昇も抑制できる。粗面４１０は、算術平均粗さＲａで、更に２０μｍ以下、１０μｍ以下、６．４μｍ以下、３，２μｍ以下、特に１．６μｍ以下が好ましい。

本例では、粗面４１０は、溝部４１を形成する側面４１０ｓの全面に亘って構成されている。粗面４１０は、側面４１０ｓの少なくとも一部に構成されていればよく、例えば、側面４１０ｓの上部側（溝部４１の開口部側）にのみ構成されていてもよく、側面４１０ｓの下部側（底面４１０ｂ側）にのみ構成されていてもよい。また、粗面４１０は、溝部４１の長手方向に沿った一部に構成されていてもよい。粗面４１０は、側面４１０ｓの下部側から上部側に亘って、かつ溝部４１の長手方向全長に亘って構成されている方が、溝部４１に沿って流れる電解液に均一的に乱流を生じさせ易く、正極電極１０４や負極電極１０５に供給かつ浸透させ易い。

溝部４１の横断面形状は、任意の形状とでき、長方形状以外に、半円状、Ｕ字状、Ｖ字状等とすることができる。いずれの形状であっても、溝部４１を形成する溝内面の少なくとも一部が粗面４１０で構成されていることで、溝部４１に沿って流れる電解液に乱流を生じさせることができる。

溝部４１の深さは、双極板４Ａの厚さの５％以上４５％以下であることが挙げられる。溝部４１の体積を十分に確保しつつ、双極板４Ａの強度を低下させないためである。双極板４Ａの表裏面に溝部４１を備える場合、溝部４１の深さが深過ぎると機械的強度の低下を招く虞があるため、溝部４１の深さは、双極板４Ａの厚さの２０％以上４０％以下が更に好ましい。双極板４Ａの表裏面に溝部４１を備える場合、双極板４Ａを平面視したとき、重なる位置に溝部４１を備えていてもよいし（図５を参照）、一部が重なるように溝部４１を備えていてもよいし、重ならない位置に設けてもよい。

溝部４１の幅は、横断面積が十分に大きくなるように、溝部４１の深さに応じて適宜選択でき、例えば、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に０．５ｍｍ以上２．５ｍｍ以下とすることができる。また、隣り合う溝部４１間の間隔、つまり畝部４２の幅は、溝部４１の幅の１００％以上７００％以下、更に２００％以上５００％以下とすることができる。本例では、導入側溝部４１ｉ、排出側溝部４１ｏ、分配溝部４１ｄ、集約溝部４１ａの全ての幅を同じとしているが、それぞれ異なっていてもよい。

双極板４Ａの材質には、電流は通すが電解液は通さない材料を用いることができる。加えて、耐酸性及び適度な剛性を有する材料であることが好ましい。双極板４Ａの材質は、例えば、黒鉛及びポリオレフィン系有機化合物又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。黒鉛の一部をカーボンブラック及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は、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリブテン等が挙げられる。塩素化有機化合物は、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、塩素化パラフィン等が挙げられる。双極板４Ａがこのような材料から形成されることで、双極板４Ａの電気抵抗を小さくできる上に、耐酸性に優れる。

双極板４Ａは、上記の構成材料を射出成型、プレス成型、真空成型等の公知の方法によって板状に成形すると共に、溝部４１と畝部４２とを成形することで製造できる。溝部４１を有していない平板材に切削加工等を行って、溝部４１を形成することもできる。

溝部４１の溝内面に粗面４１０を形成するには、射出成形やプレス成形等により板状に成形する際に、金型の溝部４１に対応する領域に粗面を形成しておくことが挙げられる。金型に形成された粗面は、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上２５μｍ以下程度であるため、溝部４１の溝内面に粗面４１０を形成した後でも脱型可能である。他に、溝部４１のみを形成した後に、溝部４１の溝内面にブラスト加工を施すことで、溝内面に粗面４１０を構成することもできる。

≪実施形態２≫
図６を参照して、実施形態２に係る双極板４Ｂについて説明する。
双極板４Ｂは、溝部４１を形成する溝内面の全面に亘って粗面４１０を備える点と、畝部４２にも粗面４１０を備える点とを特徴の一つとする。実施形態２の双極板４Ｂは、溝部４１を形成する底面４１０ｂ、及び畝部４２が粗面４１０で構成されている点が実施形態１の双極板４Ａと異なり、その他の構成については同様である。畝部４２に備わる粗面４１０は、溝部４１の溝内面に備わる粗面４１０と同様の表面粗さを有する。

溝部４１の溝内面の全面に亘って粗面４１０を備えることで、溝部４１に沿って流れる電解液に均一的に乱流を生じさせ易く、電解液の拡散性をより向上でき、正極電極１０４や負極電極１０５に電解液をより供給かつ浸透させ易く、電池反応性をより向上できる。この場合、側面４１０ｓの表面粗さと、底面４１０ｂの表面粗さとは、同じであってもよいし、異ならせてもよい。

畝部４２に粗面４１０を備えることで、畝部４２を渡るように流れる電解液にも乱流を生じさせることができ、畝部４２に対向配置される正極電極１０４や負極電極１０５内への電解液の拡散性を向上でき、より電池反応性を向上できる。また、双極板４Ｂの最表面の大部分は畝部４２で形成されているため、畝部４２に粗面４１０を備えることで、粗面４１０の細かい高低差によって正極電極１０４や負極電極１０５の繊維を引っ掛けることができ、電池セル１００の組立時に両極の電極１０４，１０５と双極板４Ｂとの間で位置ずれが発生することを防止できて組立性に優れる。畝部４２に粗面４１０を備える場合、畝部４２の全幅に亘って設けてもよいし、その幅方向の一部に設けてもよい。

溝部４１の溝内面の全面及び畝部４２の全面に亘って粗面４１０を備えると、粗面４１０をブラスト加工により形成する場合、双極板４Ｂの全面に亘ってブラスト加工を施すことができ、加工性に優れる。

≪実施形態３≫
図７を参照して、実施形態３に係る双極板４Ｃについて説明する。
双極板４Ｃは、溝部４１が対向櫛歯構造（実施形態１を参照）であり、導入側溝部４１ｉ及び排出側溝部４１ｏがそれぞれ畝部４２側に張り出している点を特徴の一つとする。導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとはそれぞれ、双極板４Ｃの縦方向（図７の上下方向）に沿った幹溝部（縦溝部）と、幹溝部に連続して双極板４Ｃの横方向（図７の左右方向）に沿った枝溝部（横溝部）とを備える。本例では、枝溝部の幅は、幹溝部の幅よりも狭くなっている。隣り合う導入側溝部４１ｉの幹溝部と排出側溝部４１ｏの幹溝部との間に、畝部４２が形成される。また、隣り合う導入側溝部４１ｉの枝溝部と排出側溝部４１ｏの枝溝部との間にも、双極板４Ｃの縦方向（図７の上下方向）に対向する部分が形成され、この部分に畝部４２が形成される。双極板４Ｃでも、図４を参照する給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）から分配溝部４１ｄに導入された電解液は、各導入側溝部４１ｉ及び排出側溝部４１ｏに沿った流れ（図７で示す実線矢印の方向）と、導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとの間の畝部４２を渡るような流れ（図７で示す破線矢印の方向）とを形成する。本例では、畝部４２を渡るような電解液の流れが多いため、実施形態１に比較して電池反応を行い易い。そして、溝部４１は、その溝内面の少なくとも一部に、粗面４１０（図５や図６を参照）を備える。

≪実施形態４≫
図８を参照して、実施形態４に係る双極板４Ｄについて説明する。
双極板４Ｄは、溝部４１が対向櫛歯構造（実施形態１を参照）であり、導入側溝部４１ｉ及び排出側溝部４１ｏがそれぞれ畝部４２側に張り出していると共に、その張り出しの先端側で屈曲している点を特徴の一つとする。導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとはそれぞれ、双極板４Ｄの縦方向（図８の上下方向）に沿った幹溝部（縦溝部）と、幹溝部に連続して双極板４Ｄの横方向（図８の左右方向）に沿った枝溝部（横溝部）とを備える。本例では、枝溝部の幅は、幹溝部の幅よりも狭くなっている。枝溝部は、先端部がＬ字状に屈曲しており、導入側溝部４１ｉの先端部と排出側溝部４１ｏの先端部との屈曲方向が互いに向き合っている。隣り合う導入側溝部４１ｉの幹溝部と排出側溝部４１ｏの幹溝部との間に、畝部４２が形成される。また、隣り合う導入側溝部４１ｉの枝溝部と排出側溝部４１ｏの枝溝部との間にも、双極板４Ｄの縦方向（図８の上下方向）に対向する部分が形成され、この部分に畝部４２が形成される。双極板４Ｄでも、図４を参照する給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）から分配溝部４１ｄに導入された電解液は、各導入側溝部４１ｉ及び排出側溝部４１ｏに沿った流れ（図８で示す実線矢印の方向）と、導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとの間の畝部４２を渡るような流れ（図８で示す破線矢印の方向）とを形成する。本例でも、畝部４２を渡るような電解液の流れが多いため、実施形態３と同様に電池反応を行い易い。そして、溝部４１は、その溝内面の少なくとも一部に、粗面４１０（図５や図６を参照）を備える。

≪変形例≫
実施形態１、実施形態３、実施形態４の対向櫛歯構造の双極板は、溝部４１の配置形態を以下とすることができる（図示せず）。
（１）導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとが噛合して交互に配置されるのではなく、電解液の流通方向に間隔を有して対向配置される。
（２）導入側溝部４１ｉ及び排出側溝部４１ｏの少なくとも一方を連続した溝部ではなく、断続した複数の溝部とする。例えば、導入側溝部や排出側溝部を、その長手方向に間隔をあけて設けられた複数の溝群とする。

≪実施形態５≫
図９を参照して、実施形態５に係る双極板４Ｅについて説明する。
双極板４Ｅは、溝部４１が渦巻状の導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとで構成され、その導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとが非連通形状に形成されている点を特徴の一つとする。本例では、導入側溝部４１ｉの幅と、排出側溝部４１ｏの幅とが同じである。また、枠体５（図４）に形成された給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）を介して給液マニホールド５１（５２）と連通している横溝部（分配溝部４１ｄ）の幅と、枠体５に形成された排液ガイド溝５３ｓ（５４ｓ）を介して排液マニホールド５３（５４）と連通している横溝部（集約溝部４１ａ）の幅とが同じである。そして、導入側溝部４１ｉの幅及び排出側溝部４１ｏの幅が、分配溝部４１ｄの幅及び集約溝部４１ａの幅よりも狭くなっている。溝部４１は、導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとが互いに嵌合して渦巻状に形成されているため、双極板４Ｅの横方向（図９の左右方向）に隣り合う導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとの間、及び双極板４Ｅの縦方向（図９の上下方向）に隣り合う導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとの間に畝部４２が形成される。双極板４Ｅでも、給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）から双極板４Ｅに導入された電解液は、各導入側溝部４１ｉ及び排出側溝部４１ｏに沿った流れ（図９で示す実線矢印の方向）と、導入側溝部４１ｉと排出側溝部４１ｏとの間の畝部４２を渡るような流れ（図９で示す破線矢印の方向）とを形成する。そして、溝部４１は、その溝内面の少なくとも一部に、粗面４１０（図５や図６を参照）を備える。

≪実施形態６≫
図１０を参照して、実施形態６に係る双極板４Ｆについて説明する。
双極板４Ｆは、溝部４１が枠体５（図４）の一片から他片に向かう方向（図４の紙面下側から上側に向かう上下方向）に沿った縦溝部４１ｓで構成されている点を特徴の一つとする。また、溝部４１は、全ての縦溝部４１ｓにおける電解液の流入口に連続し、かつ縦溝部４１ｓの並列方向に沿って設けられた分配溝部４１ｄを備える。分配溝部４１ｄは、枠体５（図４）に形成された給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）を介して給液マニホールド５１（５２）と連通している。更に、溝部４１は、全ての縦溝部４１ｓにおける電解液の流出口に連続し、かつ縦溝部４１ｓの並列方向に沿って設けられた集約溝部４１ａを備える。集約溝部４１ａは、枠体５（図４）に形成された排液ガイド溝５３ｓ（５４ｓ）を介して排液マニホールド５３（５４）と連通している。本例では、縦溝部４２ｓ、分配溝部４１ｄ、集約溝部４１ａは、全て同じ幅である。

双極板４Ｆでは、図４を参照する給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）から分配溝部４１ｄに導入された電解液は、各縦溝部４１ｓに分配され、双極板４Ｆの全面に行き渡る。縦溝部４１ｓを流れる電解液は、集約溝部４１ａで集約されて、排液ガイド溝５３ｓ（５４ｓ）から排出される。給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）から導入されて排液ガイド溝５３ｓ（５４ｓ）に排出されるまでの間に溝部４１を流通する電解液は、双極板４Ｆに対向配置される電極に浸透して拡散し、電極内で電池反応を行う。双極板４Ｆ上での電解液の流れは、各縦溝部４１ｓに沿った流れ（図１０で示す実線矢印の方向）と、隣り合う縦溝部４１ｓ間に位置する畝部４２を渡るような流れ（図１０で示す破線矢印の方向）とを形成する。そして、溝部４１は、その溝内面の少なくとも一部に、粗面４１０（図５や図６を参照）を備える。

≪実施形態７≫
図１１を参照して、実施形態７に係る双極板４Ｇについて説明する。
双極板４Ｇは、溝部４１が枠体５（図４）の一片から他方に向かう方向（図４の紙面下側から上側に向かう上下方向）に沿って一連の蛇行形状に形成されている点を特徴の一つとする。溝部４１は、並列される複数の横溝部４１ｔと、複数の横溝部４１ｔの一端同士又は他端同士を交互に繋ぐ複数の短い縦溝部４１ｓとを備える。その他に、溝部は、並列される複数の縦溝部と、複数の縦溝部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とを備える一連の蛇行形状に形成されていてもよい。

双極板４Ｇでは、図４を参照する給液ガイド溝５１ｓ（５２ｓ）から双極板４Ｇに導入されて電解液は、溝部４１に沿った流れ（図１１で示す実線矢印の方向）と、各横溝部４１ｔ，４１ｔ間に位置する畝部４２を渡るような流れ（図１１で示す破線矢印の方向）とを形成する。そして、溝部４１は、その溝内面の少なくとも一部に、粗面４１０（図５や図６を参照）を備える。

［試験例１］
互いに連通しない導入側溝部と排出側溝部とが噛合して交互に配置される噛合型の対向櫛歯構造の双極板を備えるセルフレーム（図４）を用いた複数のＲＦ電池を作製した（試験体Ａ〜Ｇ）。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。各試験体に用いた双極板は、横断面形状が長方形状の溝部を有し、溝部を形成する側面が、全面に亘って表１に示す粗面で構成されている（図５を参照）。

・双極板
寸法：長さ１５０ｍｍ、幅１５８ｍｍ、厚み６．０ｍｍ
溝部形状：導入側溝部と排出側溝部とを備える噛合型の対向櫛歯形状（図４を参照）
導入側溝部及び排出側溝部について
数：導入側溝部１０本×排出側溝部１０本
長さ：１１０ｍｍ
櫛歯の重複長さ：１００ｍｍ
溝部の幅：０．５ｍｍ
溝部の深さ：０．５ｍｍ
溝部の断面形状：矩形形状
畝部の幅（溝間距離）：２．５ｍｍ
分配溝部及び集約溝部について
長さ：１００ｍｍ
構成材料：黒鉛５０質量％とマトリックス樹脂としてポリプロピレン５０質量％とを圧粉成形した双極板
・電極
寸法：長さ１００ｍｍ、幅１００ｍｍ、厚み２．５ｍｍ
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
・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：２．０ｍｏｌ／Ｌ、硫酸濃度：５．０ｍｏｌ／Ｌ）
流量：３００ｍＬ／ｍｉｎ

≪セル抵抗率≫
各試験体を用いて充放電試験を行うことで、各試験体のセル抵抗率を測定した。充放電試験の条件は、放電終了電圧：１Ｖ、充電終了電圧：１．６Ｖ、電流：２５Ａとした。セル抵抗率の評価は、充放電試験に基づいて充放電曲線を作成し、その充放電曲線から３サイクル目のセル抵抗率で行なった。その結果を表１に示す。

≪圧力損失≫
各試験体の圧力損失を測定した。圧力損失の評価は、電池セルにおける電解液の流入口と排出口の直近に圧力ゲージをとりつけて、電解液を流した際の流入口と排出口の測定圧力の差を測定し、この測定圧力の差で行った。その結果を表１に示す。

表１より、溝部の側面を構成する粗面の表面粗さＲａが０．１μｍ以上を満たすことで、セル抵抗率を低減できることがわかった。これは、溝部に沿って流れる電解液に乱流が生じたことで、電解液の拡散性が向上し、電極に電解液が効率的に供給及び浸透されたことによると考えられる。ただし、粗面の表面粗さが３０μｍ以上であると、セル抵抗率が増加すると共に、圧力損失が増加することがわかった。これは、双極板に電極を組み立てる際に、溝部の内側に電極の繊維が引っ掛かったり、ＲＦ電池の運用時に正負間の差圧により電極が圧縮された際に、溝部の内側に電極が引っ掛かったりすることで、電極が溝部の内側に入り込み、溝部の体積を確保できず、電解液の流路が閉塞したことによると考えられる。よって、粗面の表面粗さは２５μｍ以下であることが好ましいと言える。

１ レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
２ セルスタック
３ セルフレーム
４，４Ａ，４Ｂ，４Ｃ，４Ｄ，４Ｅ，４Ｆ，４Ｇ 双極板
４１ 溝部
４１０ 粗面
４１０ｓ 側面 ４１０ｂ 底面
４１ｉ 導入側溝部 ４１ｏ 排出側溝部
４１ｄ 分配溝部 ４１ａ 集約溝部
４１ｓ 縦溝部 ４１ｔ 横溝部
４２ 畝部
５ 枠体
５１，５２ 給液マニホールド ５３，５４ 排液マニホールド
５１ｓ，５２ｓ 給液ガイド溝 ５３ｓ，５４ｓ 排液ガイド溝
６ シール部材 ６ｓ シール溝
１００ 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
１００Ｐ 正極循環機構 １００Ｎ 負極循環機構
１０６ 正極電解液タンク １０７ 負極電解液タンク
１０８，１０９，１１０，１１１ 導管
１１２，１１３ ポンプ
２００ サブスタック
２１０，２２０ エンドプレート
２３０ 連結部材

Claims (5)

1. 繊維を含む多孔体で構成された正極電極と繊維を含む多孔体で構成された負極電極との間に配置され、レドックスフロー電池に使用される双極板であって、
   前記双極板における前記正極電極及び前記負極電極の少なくとも一方の電極に対向する面に、電解液が流通する複数の溝部と、隣り合う前記溝部間に位置する畝部とを備え、
   前記溝部を形成する溝内面の少なくとも一部に、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上２５μｍ以下である粗面を備える、
   双極板。
2. 前記畝部の表面の少なくとも一部に、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上である粗面を備える請求項１に記載の双極板。
3. 請求項１又は請求項２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。
4. 請求項３に記載のセルフレームを備える、
   セルスタック。
5. 請求項４に記載のセルスタックを備える、
   レドックスフロー電池。

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