JP7281094B2 - 双極板、セルフレーム、セルスタック、およびレドックスフロー電池 - Google Patents

Description

本開示は、双極板、セルフレーム、セルスタック、およびレドックスフロー電池に関する。
本出願は、２０１９年２月１４日付の日本国出願の特願２０１９－０２４６６４に基づく優先権を主張し、前記日本国出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。

特許文献１から４には、セルフレーム、正極電極、隔膜、負極電極、およびセルフレームを複数積層し、その積層体を給排板で挟み込んだセルスタック、およびそのセルスタックを用いたレドックスフロー電池が記載されている。セルフレームは、電極に対向される双極板と、この双極板の外周に配置される枠体とを備える。この構成では、隣接する各セルフレームの双極板の間に一つのセルが形成される。

特許文献１から４には、セル内の正極電極と負極電極に十分に電解液を行き渡らせるために、双極板における正極電極に対向する面と、負極電極に対向する面とに、複数の溝を備える構成が開示されている。これらの溝は、電解液の導入路及び排出路として機能する。導入路は主に、双極板の全面に電解液を拡散させ、双極板に配置される電極に電解液を導入する役割を果たす。排出路は主に、電極から電解液を回収し、双極板から電解液を排出する役割を果たす。

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電極に対向され、電解液の導入路と排出路とを備える双極板であって、
前記導入路と前記排出路の一方は、表面に形成される溝状流路であり、他方は内部に形成される管状流路であり、
前記表面から前記管状流路に連通する連通孔を備える。

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。

図１は、実施形態１に係るレドックスフロー電池の動作原理の説明図である。 図２は、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。 図３は、実施形態１に係るセルスタックの概略構成図である。 図４は、実施形態１に係るセルフレームを第一面側から見た平面図である。 図５は、実施形態１に係るセルフレームを、第一面の裏側の面である第二面側から見た平面図である。 図６は、図４に示す双極板の横断面図である。 図７は、図４に示す双極板の縦断面図である。 図８は、実施形態２に係る双極板の縦断面図である。 図９は、実施形態３に係るセルフレームを第一面側から見た平面図である。 図１０は、実施形態４に係るセルフレームを第一面側から見た平面図である。 図１１は、実施形態５に係るセルフレームを第一面側から見た平面図である。 図１２は、変形例５－１に係るセルフレームを第一面側から見た平面図である。 図１３は、図１２に示す双極板の縦断面図である。 図１４は、実施形態７に係るセルフレームを第一面側から見た平面図である。 図１５は、実施形態８に係るセルフレームを第一面側から見た平面図である。 図１６は、実施形態９に係るセルフレームを第一面側から見た平面図である。

［発明が解決しようとする課題］
近年、自然環境に配慮したエネルギーシステムの構築が望まれており、その一環としてレドックスフロー電池の電池性能の向上が期待されている。発明者は、レドックスフロー電池のセルフレームに備わる双極板の流路に着目し、レドックスフロー電池の電池性能を向上させることができる構成を検討した。

本開示は、レドックスフロー電池の電池性能を向上させる双極板を提供することを目的の一つとする。また、本開示は、レドックスフロー電池の電池性能を向上させるセルフレーム及び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。

［発明の効果］
本開示の双極板によれば、電池性能に優れるレドックスフロー電池が構築され得る。
本開示のセルフレームによれば、電池性能に優れるレドックスフロー電池が構築され得る。
本開示のセルスタックによれば、電池性能に優れるレドックスフロー電池が構築され得る。
本開示のレドックスフロー電池は、従来の構成よりも電池性能に優れる。

［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＞実施形態に係る双極板は、
レドックスフロー電池の電極に対向され、電解液の導入路と排出路とを備える双極板であって、
前記導入路と前記排出路の一方は、表面に形成される溝状流路であり、他方は内部に形成される管状流路であり、
前記表面から前記管状流路に連通する連通孔を備える。

実施形態の双極板は、導入路と排出路の数を従来よりも多くできる。従来の双極板において双極板の表面に形成される導入路と排出路の数を多くすると、電池反応する前に双極板から排出される電解液の量が多くなり易い。これに対して、実施形態の双極板では、導入路と排出路の数を多くしても、反応する前に双極板から排出される電解液の量が増加することを抑制できる。実施形態の双極板では、導入路と排出路とが双極板の厚み方向の異なる位置にあるため、導入路と排出路との間で電解液の流れを調整し易いからである。また、双極板の表面から管状流路（導入路又は排出路）に連通する連通孔の数によって上記電解液の流れを調整し易いことも、未反応の電解液量の増加を抑制できる要因の一つである。この実施形態の双極板を使用すれば、電解液を十分に電池反応させることができ、かつ反応済みの電解液を速やかに回収できるので、充放電効率に優れるレドックスフロー電池を作製できる。

実施形態の双極板において、導入路の数を多くすることで、双極板の全面に電解液を速やかに行き渡らせることができ、双極板に対向される電極の全面に電解液をムラなく供給することができる。また、排出路の数を多くすることで、反応済みの電解液を、電極の全面から速やかに回収することができる。排出路が多いと、電解液の流通時の圧力損失を低減できるので、電解液を循環させるポンプの出力を低減できる。その結果、レドックスフロー電池の運転に伴う電力消費量が低減される。

＜２＞実施形態に係る双極板の一形態として、
前記導入路が前記溝状流路であり、前記排出路が前記管状流路である形態が挙げられる。

導入路が双極板の表面に形成される溝状流路であることで、双極板の全面に電解液を速やかに行き渡らせ易い。また、排出路が双極板の内部に形成される管状流路であることで、反応済みの電解液を双極板の表面から速やかに回収できる。その結果、双極板の表面に配置される電極における電池反応が、反応済みの電解液によって阻害されることを抑制できる。

＜３＞実施形態に係る双極板の一形態として、
前記溝状流路と前記管状流路とが、互いに交差する方向に延びる形態が挙げられる。

溝状流路の延伸方向と管状流路の延伸方向とが交差することで、双極板の曲げ剛性を向上させられる。溝状流路の延伸方向と管状流路の延伸方向とが平行であれば、双極板が特定の方向への曲げ強度が不足する虞がある。

＜４＞上記＜３＞の双極板の一形態として、
前記溝状流路と前記管状流路とが、互いに直交する方向に延びる形態が挙げられる。

溝状流路の延伸方向と管状流路の延伸方向とが直交することで、より一層、双極板の曲げ剛性を向上させられる。また、上記構成によれば、双極板における電解液の流れが円滑になる。

＜５＞実施形態に係る双極板の一形態として、
前記溝状流路を複数備え、
隣接する一方の前記溝状流路と他方の前記溝状流路とに挟まれる溝間領域に、前記連通孔が少なくとも一つ配置されている形態が挙げられる。

隣接する二つの溝状流路に挟まれる位置に連通孔があることで、溝状流路と管状流路との間における電解液の移動が円滑になる。例えば、導入路が溝状流路である場合、溝状流路から双極板の平面方向に拡散した電解液が、二つの溝状流路に挟まれる位置にある連通孔に速やかに回収される。排出路が溝状流路である場合、連通孔から双極板の平面方向に拡散した電解液が、連通孔を挟む二つの溝状流路に速やかに回収される。

＜６＞上記＜５＞の双極板の一形態として、
前記溝間領域において、複数の前記連通孔が前記溝状流路に沿った方向に並ぶ連通孔グループを備える形態が挙げられる。

隣接する二つの溝状流路の間に、溝状流路に沿った方向に並ぶ複数の連通孔が設けられていることで、より一層、溝状流路と管状流路との間における電解液の移動が円滑になる。

＜７＞上記＜６＞の双極板の一形態として、
前記連通孔グループにおける近接する前記連通孔同士を繋ぐ連絡溝を備える形態が挙げられる。

連通孔グループにおける各連通孔同士が連絡溝を介して繋がっていることで、溝状流路と管状流路との間における電解液の移動が円滑になる。

＜８＞実施形態に係る双極板の一形態として、
前記導入路が前記溝状流路であり、
前記排出路が前記管状流路であり、
前記連通孔は、隣接する一方の前記溝状流路と他方の前記溝状流路との間に少なくとも１つ設けられ、
前記導入路と前記排出路とが互いに直交する方向に延びる形態が挙げられる。

上記双極板によれば、＜１＞から＜５＞の構成の全ての効果を得ることができる。

＜９＞実施形態に係るセルフレームは、
実施形態に係る双極板と、
前記双極板の外周に設けられる枠体と、を備える。

上記セルフレームを用いてレドックスフロー電池が製造されることで、レドックスフロー電池の電池性能が向上する。実施形態の双極板によって電解液の充放電効率が高められるからである。また、実施形態の双極板によって電解液を循環させるポンプなどの消費電力が低減されることも、レドックスフロー電池の電池性能の向上に寄与する。

＜１０＞実施形態に係るセルスタックは、
実施形態に係るセルフレームを備える。

上記セルスタックを用いてレドックスフロー電池が製造されることで、レドックスフロー電池の電池性能が向上する。セルスタックに用いるセルフレームの双極板が、実施形態に係る双極板であるからである。

＜１１＞実施形態に係るレドックスフロー電池は、
実施形態に係るセルスタックを備える。

実施形態に係るレドックスフロー電池は、実施形態のセルスタックを備えるため、電池性能に優れる。

［本開示の実施形態の詳細］
以下、本開示の双極板、セルフレーム、セルスタック、及びレドックスフロー電池（ＲＦ電池）の実施形態を説明する。なお、本発明は実施形態に示される構成に限定されるわけではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。

＜実施形態１＞
実施形態に係るレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）を図１から図７に基づいて説明する。図１，２に示す本例のＲＦ電池１は、実施形態に係る双極板３１（図２）を有するセルフレーム３を備える。実施形態に係る双極板３１の特徴の一つは、図４，５に示すように、双極板３１の厚み方向の異なる位置に導入路４，６と排出路５，７が形成されている点にある。本例では、初めに図１から図３を参照してＲＦ電池１の概要を説明する。その後、主に図４から図７を参照して実施形態に係る双極板３１を詳しく説明する。

≪ＲＦ電池≫
ＲＦ電池は、電解液循環型の蓄電池の一つである。このＲＦ電池１の動作原理は図１に示される。図１には、ＲＦ電池１の一例として、正極電解液及び負極電解液に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電池が示されている。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示している。ＲＦ電池１は、交流／直流変換器などの電力変換器１００Ｃを介して電力系統１００に接続されて利用される。電力系統１００は、発電部と変電設備と負荷とを含み、電力変換器１００Ｃは変電設備に繋がっている。ＲＦ電池１は、例えば、負荷平準化用途、瞬低補償や非常用電源などの用途、太陽光発電や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。ここで、電解液はバナジウム系電解液に限定されるわけではない。例えば、ＲＦ電池１に使用される電解液は、鉄－クロム系電解液、チタン－マンガン系電解液などが挙げられる。

ＲＦ電池１は、充放電を行うセル１０と、セル１０に正極電解液を循環させる正極循環機構１０Ｐと、セル１０に負極電解液を循環させる負極循環機構１０Ｎとを備える。

セル１０は、正極電極１４と負極電極１５と隔膜１１とを備える。隔膜１１は、正極電極１４と負極電極１５との間に介在される。正極電極１４及び負極電極１５は、カーボンフェルト、カーボンクロス、又はカーボンペーパーなどの炭素繊維を含む炭素繊維集合体で構成することができる。炭素繊維集合体の電極は多孔質であり、電極内に空隙を有している。そのため、電極内に電解液が流通し、電解液を浸透・拡散させることができる。隔膜１１は、例えば、水素イオンを透過するイオン交換膜で構成することができる。

正極循環機構１０Ｐ（負極循環機構１０Ｎ）は、正極タンク１６（負極タンク１７）からセル１０へ正極電解液（負極電解液）を送る往路配管１６Ａ（１７Ａ）と、セル１０からタンク１６（１７）へ電解液を戻す復路配管１６Ｂ（１７Ｂ）と有する。往路配管１６Ａ（１７Ａ）には、タンク１６（１７）に貯留される正極電解液（負極電解液）を圧送するポンプ１８（１９）が設けられており、ポンプ１８（１９）により正極電解液（負極電解液）をセル１０に循環させる。

≪セルスタック≫
セル１０は通常、図２に示すような、複数のセル１０を積層してなるセルスタック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、複数のサブスタック２０を積層し、その積層体を２枚のエンドプレート２２で挟み込むことで構成されている。両エンドプレート２２で挟まれる積層体は、締付機構２３によって締め付けられている。サブスタック２０は、セルフレーム３、正極電極１４、隔膜１１、及び負極電極１５を複数積層した積層体に給排板２１（図２では図示略）を配置した構造を備える。給排板２１には、各循環機構１０Ｐ，１０Ｎ（図１、図２参照）の往路配管１６Ａ，１７Ａ及び復路配管１６Ｂ，１７Ｂが接続される。

≪セルフレーム≫
セルフレーム３は、双極板３１と、双極板３１の外周に設けられる枠体３２とを有する。双極板３１は、例えばプラスチックカーボンなどの導電材料で構成されている。一方、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が射出成型することで作製できる。双極板３１と枠体３２とを別個に作製し、両者３１，３２を組み合わせてセルフレーム３を作製することもできる。

図３に示すように、枠体３２の内側には、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には正極電極１４が収納され、他方の凹部３２ｏには負極電極１５が収納される。各電極１４、１５は、セル１０を組み立てたとき、枠体３２の各凹部３２ｏ内に厚さ方向に圧縮された状態で収納される。隣接する一方のセルフレーム３の枠体３２と、他方のセルフレーム３の枠体３２との間には、電解液の漏洩を抑制するＯリングや平パッキンなどの環状のシール部材３７が配置されている。このようなセルフレーム３を複数積層してなるセルスタック２（サブスタック２０）では、隣接する一方のセルフレーム３の双極板３１と、他方のセルフレーム３の双極板３１との間に１つのセル１０が形成される。

次に、セルフレーム３の詳細な構成を図４～７に基づいて説明する。図４は、セルフレーム３における正極電極１４（図３）が配置される側の正面図である。図５は、セルフレーム３における負極電極１５（図３）が配置される側の正面図である。図６は、図４の双極板３１のＶＩ－ＶＩ断面図（横断面図）である。図７は、図４の双極板３１のＶＩＩ－ＶＩＩ断面図（縦断面図）である。図６，７では、双極板３１の厚みが誇張して示されている。実際の双極板３１の厚みは図示する例よりも薄い。図４，５に示すように、セルフレーム３における正極電極１４側の構成と負極電極１５側の構成は同じである。

［枠体］
枠体３２は、円環形状であっても良いし、多角形状であっても良い。本例の枠体３２は、紙面左右方向に長くなった矩形状である。枠体３２は、その厚み方向に貫通する給液マニホールド３３，３４、及び排液マニホールド３５，３６を有する。給液マニホールド３３（３４）は、正極電解液（負極電解液）をセルフレーム３に供給する孔であり、枠体３２の下片に設けられる。一方、排液マニホールド３５（３６）は、正極電解液（負極電解液）をセルフレーム３から排出する孔であり、枠体３２の上片に設けられる。従って、セルフレーム３における全体的な電解液の流れる方向（以下、第一流通方向とする）は、紙面上方向となる。

正極電解液は、図４に示すように、給液マニホールド３３から給液スリット３３ｓ、導入側整流部３３０を介して、双極板３１の第一面側に供給される。給液スリット３３ｓは、枠体３２の表面に形成される溝である。導入側整流部３３０は、枠体３２の下片（矩形の長片）における内周側の縁部に設けられ、当該縁部に沿って延びる溝である。そのため、給液スリット３３ｓから導入側整流部３３０に導入された正極電解液は、導入側整流部３３０に沿って拡散し、双極板３１の第一面側に導入される。導入側整流部３３０は、後述する双極板３１に設けることもできる。その場合、枠体３２の導入側整流部３３０は省略できる。

双極板３１から排液マニホールド３５への排液は、排液孔３５１、排出側整流部３５０、及び排液スリット３５ｓを介して行われる。排液孔３５１は、枠体３２の内部に形成され、第一流通方向に直交する枠体３２の幅方向に延びている。排液孔３５１の内方側（双極板３１側）の端部は、後述する双極板３１に備わる排出路５の出口５９に連通している。排液孔３５１の外方側の端部は、排出側整流部３５０に連通している。排出側整流部３５０は、枠体３２の側片（矩形の短片）の表面に形成される溝である。この排出側整流部３５０は、双極板３１から排出された正極電解液の流れを整え、正極電解液を排液スリット３５ｓに導く機能を有する。排液スリット３５ｓは、枠体３２の表面に形成される溝である。排液スリット３５ｓは、排出側整流部３５０よりも幅が狭く、深さが浅くなっている。

負極電解液は、図５に示すように、給液マニホールド３４から給液スリット３４ｓ、導入側整流部３４０を介して、双極板３１の第一面側に供給される。給液スリット３４ｓ及び導入側整流部３４０の構成は、正極側の給液スリット３３ｓ及び導入側整流部３３０と同じである。

双極板３１から排液マニホールド３６への負極電解液の排液は、排液孔３６１、排出側整流部３６０、及び排液スリット３６ｓを介して行われる。排液孔３６１、排出側整流部３６０、及び排液スリット３６ｓの構成は、正極側の排液孔３５１、排出側整流部３５０、及び排液スリット３６ｓに相当する。排液孔３６１、排出側整流部３６０、及び排液スリット３６ｓの配置・寸法・数は、正極側の排液孔３５１、排出側整流部３５０、及び排液スリット３６ｓと全く同じでも良いし、少なくとも一部が異なっていても良い。

［双極板］
双極板３１の正極側は、図４に示すように、導入路４と排出路５と連通孔５０とを備える。導入路４と排出路５と連通孔５０とは、双極板３１における正極電解液の流路を構成する。双極板３１の負極側は、図５に示すように、双極板３１における負極電解液の流路を構成する導入路６と排出路７と連通孔７０とを備える。正極電解液の流路の構成と、負極電解液の流路の構成は同じである。以降の説明では、図４，６，７を参照して正極電解液の流路の構成を中心に説明を行う。ここで、図５を参照し、以下の説明における『正極電解液』、『導入路４』、『排出路５』、『連通孔５０』、『連通孔グループ５Ｇ』、及び『出口５９』をそれぞれ、『負極電解液』、『導入路６』、『排出路７』、『連通孔７０』、『連通孔グループ７Ｇ』、及び『出口７９』に読み替えれば、負極電解液の流路の構成の説明になる。

［［導入路］］
導入路４は、双極板３１の第一面側の全面に正極電解液を拡散させ、双極板３１の第一面側に配置される正極電極１４に電解液を導入する役割を果たす。導入路４は、双極板３１をセルフレーム３にしたときに、その一端が双極板３１への正極電解液の導入箇所又はその近傍に配置され、他端が導入箇所から離れた位置に配置される流路である。本例の導入路４は、双極板３１の表面に形成され、正極電解液の導入側（給液マニホールド３３側）から排出側（排液マニホールド３５側）に向って延びる溝状流路（縦溝）である。本例の三本の縦溝は、第一流通方向に沿って真っ直ぐに延びている。このような縦溝であれば、図４に太線矢印で示すように、縦溝に沿って正極電解液が移動すると共に、縦溝の延伸方向に交差する方向に正極電解液が拡散する。その結果、双極板３１の表面にムラなく正極電解液が供給される。

本例と異なる縦溝として、ジグザグに蛇行する縦溝とすることもできる。また、縦溝は、第一流通方向に対して傾斜していても良い。その場合、縦溝の傾斜角度は３０°以下とすることが好ましい。更に導入路４は、縦溝に加えて、横溝及び整流溝の少なくとも一方を備えていても良い。横溝は、縦溝の延伸方向に交差する方向に延びる溝状流路である。横溝は、隣接する縦溝を繋ぐように設けられていても良い。整流溝は、双極板３１の表面のうち、枠体３２の下片に沿って設けられる横溝である。整流溝を設ける場合、枠体３２の導入側整流部３３０は省略しても良い。

導入路４の延伸方向の端部は、枠体３２に達していても良いし、達していなくても良い。本例では、導入路４の導入側の端部は、枠体３２の下片に達しており、導入路４の排出側の端部は、枠体３２の上片に達していない。後述する実施形態３に示されるように、導入路４を構成する縦溝の排出側の端部同士が、紙面横方向に延びる横溝で繋がっていても構わない。その他、導入路４は、縦溝の端部以外の中間部、特に連通孔グループ５Ｇを構成する隣り合う連通孔５０の間を横方向に繋ぐ横溝を備える格子状であっても良い。

［［排出路］］
排出路５は、双極板３１から正極電解液を排出する役割を果たす。本例の排出路５は、双極板３１の内部に形成される管状流路である。排出路５は、導入路４に沿った方向に延びていても良いし、導入路４に交差する方向に延びていても良い。本例の三つの排出路５は、導入路４に直交する方向に延びる横孔である。排出路５の延伸方向が導入路４の延伸方向に交差することで、双極板３１の曲げ剛性が向上する。

排出路５が双極板３１の内部に形成される管状流路であることで、反応済みの電解液を双極板３１の表面から速やかに回収できる。その結果、双極板３１の表面に配置される電極１４（図３など）における電池反応が、反応済みの電解液によって阻害されることを抑制できる。

排出路５の延伸方向の一端部と他端部の少なくとも一方は、枠体３２に達している。双極板３１から枠体３２の排液マニホールド３５に正極電解液を排出する必要があるからである。本例では、排出路５の紙面左側の端部（出口５９）が排液孔３５１に繋がっている。一方、図４における排出路５の紙面右側の端部は、枠体３２に達していない（図６を併せて参照）。後述する実施形態４に示されるように、排出路５の紙面右側の端部が枠体３２に達する構成である場合、枠体３２の右片にも排液孔３５１、排出側整流部３５０、及び排液スリット３５ｓが設けられることが好ましい。後述する実施形態３に示されるように、排出路５を構成する横孔の紙面右側の端部同士が、紙面縦方向に延びる縦孔で繋がっていても構わない。その他、排出路５は、横孔の端部以外の中間部、特に紙面横方向に隣り合う連通孔５０の間を縦方向に繋ぐ縦孔を備える格子状であっても良い。

［［連通孔］］
連通孔５０は、双極板３１の表面から排出路５（管状流路）に連通する。連通孔５０は、双極板３１の表面から反応済みの電解液を回収し、排出路５に導く役割を果たす。連通孔５０は、双極板３１の厚み方向（紙面奥行き方向）に真っ直ぐに延びることが好ましい。

連通孔５０の開口形状は特に限定されない。例えば、連通孔５０の開口形状は、スリット状の矩形としても良いし、図示するように円形としても良い。連通孔５０の数、及び開口面積が調整されることで、双極板３１における正極電解液の流通抵抗が調整される。

連通孔５０は、隣接する二つの溝状流路（本例では導入路４）に挟まれる溝間領域４０に少なくとも一つ設けられていることが好ましい。本例に示されるように、溝間領域４０に連通孔グループ５Ｇが設けられていることがより好ましい。連通孔グループ５Ｇは、溝状流路４に沿った方向に並ぶ複数の連通孔５０の総称である。

また、連通孔５０は、各溝状流路（本例では導入路４）を挟む一側領域と他側領域のそれぞれに少なくとも一つ設けられていることが好ましい。本例に示されるように、各溝状流路４を挟む一側領域（紙面左側の領域）と他側領域（紙面右側の領域）のそれぞれに連通孔グループ５Ｇが設けられていることが好ましい。

［［効果］］
本例の双極板３１によれば、導入路４，６と排出路５，７の数を多くしても、反応する前に双極板３１から排出される電解液の量が増加することを抑制できる。本例の双極板３１では、導入路４（６）と排出路５（７）とが双極板の厚み方向の異なる位置にあるため、導入路４（６）と排出路５（７）との間で電解液の流れを調整し易いからである。また、双極板３１の表面から排出路５（７）に連通する連通孔５０（７０）の数によって上記電解液の流れを調整し易いことも、未反応の電解液量の増加を抑制できる要因の一つである。この実施形態の双極板３１を使用すれば、電解液を十分に電池反応させることができ、かつ反応済みの電解液を速やかに回収できるので、充放電効率に優れるＲＦ電池１（図１，２）を作製できる。

本例の双極板３１において、導入路４，６の数を多くすることで、双極板３１の全面に電解液を速やかに行き渡らせることができ、双極板３１に対向される電極１４，１５（図３など）の全面に電解液をムラなく供給することができる。また、排出路５，７の数を多くすることで、反応済みの電解液を、電極１４，１５の全面から速やかに回収することができる。排出路５，７が多いと、電解液の流通時の圧力損失を低減できるので、電解液を循環させるポンプ１８，１９（図１，２参照）の出力を低減できる。その結果、ＲＦ電池１（図１，２）の運転に伴う電力消費量が低減される。

また、本例の双極板３１によれば、電解液の電池反応に伴って発生するガスや、電解液にもともと混入しているガスがセル１０（図１，２）内から抜け易くなる。これは、電極１４（１５）に接触する双極板３１の表面に連通孔５０（７０）が開口し、その連通孔５０（７０）が排出路５(７)に繋がっているからである。電極１４（１５）のガスは、連通孔５０（７０）を介して排出路５(７)に速やかに排出され、セル１０内にガスが滞留し難い。そのため、ガスによって電解液と電極１４，１５との接触面積が減少するなどの不具合を抑制できる。

［［その他］］
溝状流路（導入路４，６）と管状流路（排出路５，７）の数は適宜選択することができる。本例の溝状流路と管状流路はそれぞれ三つであるが、二つ以下でも良いし、四つ以上であっても良い。溝状流路と管状流路の数を増やすことで、電解液の流通抵抗を低減できる。また、連通孔５０，７０は、少なくとも溝状流路を挟む位置に設けられていることが好ましい。

隣接する二つの溝状流路の間隔、及び隣接する二つの管状流路の間隔は、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが好ましい。上記間隔が２ｍｍ以上であれば、双極板３１の機械的強度が確保され易い。また、上記間隔が２０ｍｍ以下であれば、双極板３１の全面に電解液が行き渡り易くなる。更に二つの管状流路の間隔は、２ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。

溝状流路の延伸方向に直交する断面形状は特に限定されない。本例の溝状流路の断面形状は矩形状であるが、Ｖ字形状でも良いし、半円形状でも良い。また、管状流路の断面形状は特に限定されない。本例の管状流路の断面形状は矩形状であるが、円形状であっても良い。

溝状流路の幅は特に限定されない。例えば、溝状流路の幅は０．５ｍｍ以上７．０ｍｍ以下であることが挙げられる。さらに、溝状流路の幅は０．８ｍｍ以上３．５ｍｍ以下であることが挙げられる。

溝状流路の深さは特に限定されない。例えば、溝状流路の深さは０．５ｍｍ以上７．０ｍｍ以下であることが挙げられる。さらに、溝状流路の深さは１．０ｍｍ以上３．５ｍｍ以下であることが挙げられる。ここで、本明細書における溝状流路の深さとは、双極板３１の表面から溝状流路の最も深い部分までの長さのことである。

溝状流路の延伸方向に直交する溝状流路の断面積は、０．５ｍｍ^２以上３５ｍｍ^２以下であることが挙げられる。更に、溝状流路の断面積は１ｍｍ^２以上１０ｍｍ^２以下、あるいは２ｍｍ^２以上６ｍｍ^２以下であることが挙げられる。断面積を大きくすることで、電解液の流通抵抗を低減できるが、双極板３１の強度が低下する。電解液の流通抵抗と双極板３１の強度のバランスを考慮して、溝状流路の断面積が決定される。

一方、管状流路の延伸方向に直交する管状流路の断面形状は、できるだけシンプルな形状であることが好ましい。管状流路の断面形状が複雑な形状となると、その形成が容易ではないし、電解液の流通抵抗が大きくなり易いからである。管状流路の断面形状として、本例に示す矩形状（正方形状を含む）の他に、円形状とすることができる。

管状流路の断面積は、溝状流路の断面積と同じでも良いし、小さくても良いし、大きくても良い。管状流路の断面積は０．５ｍｍ^２以上３５ｍｍ^２以下が好ましい。より好ましい管状流路の断面積は１ｍｍ^２以上１０ｍｍ^２以下、さらに好ましい管状流路の断面積は２ｍｍ^２以上６ｍｍ^２以下である。

［［作製方法］］
本例の双極板３１は、図６，７に示すように、三つの分割板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを厚み方向に貼り合わせて作製されている。この場合、まず平板状の分割板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを用意する。機械加工などで分割板３１Ａ（３１Ｃ）の第一面側に導入路４（６）となる縦溝を形成する。また、分割板３１Ｂの両面に排出路５（７）となる横溝を形成する。次いで、分割板３１Ａ（３１Ｃ）のうち、分割板３１Ｂの横溝に対応する位置に、孔加工などで貫通孔を形成する。最後に、分割板３１Ａの第二面と分割板３１Ｃの第二面との間に分割板３１Ｂを挟んで、分割板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを接合する。分割板３１Ｂの横溝と分割板３１Ａの第二面とで囲まれる空間が排出路５となり、分割板３１Ａの貫通孔が連通孔５０となる。また、分割板３１Ｂの横溝と分割板３１Ｃの第二面とで囲まれる空間が排出路７となり、分割板３１Ｃの貫通孔が連通孔７０となる。本例とは異なり、縦溝、横溝、及び貫通孔を分割板３１Ａ，３１Ｃに設け、分割板３１Ｂは加工されていない板材とすることもできる。

≪ＲＦ電池の効果≫
図４から図７を参照して説明した本例のセルフレーム３を用いることで、ＲＦ電池１の電池性能を向上させることができる。セルフレーム３に備わる双極板３１によって電解液の充放電効率が高められるからである。また、双極板３１によってＲＦ電池１の運転時の消費電力を低くできることも、ＲＦ電池１の電池性能を向上させることに寄与する。

＜実施形態２＞
実施形態１では、図６，７に示すように、三つの分割板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃで構成される双極板３１を説明した。これに対して実施形態２では、二つの分割板３１Ｄ，３１Ｅを組み合わせて作製した双極板３１を図８に基づいて説明する。図８は、実施形態２の双極板３１を、図４のＶＩＩ－ＶＩＩ断面と同じ位置で切断した縦断面図である。

図８に示すように、本例の双極板３１は、二つの分割板３１Ｄ，３１Ｅを貼り合わせて構成されている。より具体的には、分割板３１Ｄにおける分割板３１Ｅに対向する面に、排出路５となる横溝と排出路７となる横溝とが交互に形成されている。この分割板３１Ｄでは更に、横溝とは反対側の面に導入路４となる縦溝と、排出路５に貫通する連通孔５０が形成されている。一方、分割板３１Ｅでは、導入路６となる縦溝と、連通孔７０となる貫通孔が形成されている。このような分割板３１Ｄ，３１Ｅを接合することで図８に示す双極板３１が作製される。この双極板３１では、その厚み方向の同じ位置に正極側の排出路５と負極側の排出路７が形成される。

本例の構成によれば、双極板３１を構成する部品点数が二つで済むので、実施形態１の双極板３１よりも生産性に優れる。また、双極板３１の厚さを、実施形態１の双極板３１よりも薄くし易い。

＜実施形態３＞
実施形態１の構成において、導入路４を構成する複数の縦溝の端部同士を横方向に繋ぐ横溝が設けられていても良い。また、実施形態１の構成において、排出路５を構成する複数の横孔の端部同士を縦方向に繋ぐ縦孔が設けられても良い。実施形態３では、横溝と縦孔の両方を設けた双極板３１を図９に基づいて説明する。

本例の導入路４は、複数の縦溝４Ａと、複数の縦溝４Ａの端部同士を繋ぐ横溝４Ｂとを備える。横溝４Ｂは、縦溝４Ａの端部の位置において電解液を横方向（縦溝４Ａの並列方向）に拡散させる。そのため、双極板３１の表面全体に電解液が拡散し易くなる。

本例の排出路５は、複数の横孔５Ｂと、複数の横孔５Ｂの端部同士を繋ぐ縦孔５Ａとを備える。全ての横孔５Ｂを繋ぐ縦孔５Ａは、特定の横孔５Ｂに大量の電解液が流れることを抑制する。従って、本例の構成によれば、排出路５における電解液の排出能力が高められる。

＜実施形態４＞
実施形態４では、双極板３１の幅方向の両側から電解液を排出する例を図１０に基づいて説明する。

本例の双極板３１では、排出路５の延伸方向の一端部（紙面左側の端部）だけでなく、他端部（紙面右側の端部）も枠体３２に達している。そのため、本例の枠体３２のうち、紙面右側の側片にも排液孔３５１、排出側整流部３５０、及び排液スリット３５ｓが設けられている。紙面右側の排液スリット３５ｓは、排液マニホールド３６を迂回するように屈曲している。本例の構成では、排出路５の出口５９の数が、実施形態１の構成に比べて倍となっている。従って、本例の構成によれば、排出路５における電解液の排出能力が高められる。

＜実施形態５＞
実施形態５では、連通孔５０同士が連絡溝５５によって繋がった双極板３１を図１１に基づいて説明する。実施形態３の双極板３１における連絡溝５５以外の構成は、実施形態１と同じである。

図１１に示されるように、連絡溝５５は、一つの連通孔グループ５Ｇにおける近接する二つの連通孔５０，５０同士を繋いでいる。本例の連絡溝５５の幅は、連通孔５０の開口部の直径より小さい。もちろん、連絡溝５５の幅は、連通孔５０の開口部の直径と同じでも良いし、当該直径より大きくても良い。連絡溝５５が設けられることで、双極板３１の平面方向に拡散した電解液が、連絡溝５５を介して連通孔５０に排出され易くなる。そのため、電池反応後の電解液が双極板３１の表面から速やかに排出され、電池反応後の電解液が電極１４，１５（図３）に滞留し難くなる。その結果、電池セル１０（図３）の充放電効率が向上する。

≪変形例５－１≫
実施形態５の変形例として、双極板３１の表面に長溝５７が形成された双極板３１を図１２に基づいて説明する。変形例５－１の双極板３１における長溝５７以外の構成は、実施形態５と同じである。

図１２に示されるように、本例の双極板３１は、溝状流路４に沿った方向に延びる長溝５７を備える。長溝５７は、双極板３１の下縁（導入側整流部３３０）にも上縁にも繋がっていない。より具体的には、長溝５７の上端は、双極板３１の上縁側にある排出路５（管状流路）よりも上縁側に延びている。長溝５７の下端は、双極板３１の下縁側にある排出路５（管状流路）よりも下縁側に延びている。この長溝５７のうち、管状流路５に重複する部分は、連通孔５０として機能する。連通孔５０の開口形状は矩形となる。一方、長溝５７のうち、管状流路５に重複しない部分は、連絡溝５５として機能する。連絡溝５５の幅（紙面左右方向の長さ）は、連通孔５０の幅と同じである。

本例の双極板３１の作製方法の一例を図１３に基づいて説明する。図１３に示されるように、まず平板状の分割板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを用意する。機械加工などで分割板３１Ａ（３１Ｃ）の第一面側に導入路４（６）となる縦溝を形成すると共に、分割板３１Ａ，３１Ｃを貫通する長孔５Ｈを形成する。また、分割板３１Ｂの両面に排出路５となる横溝を形成する。最後に、分割板３１Ａの第二面と分割板３１Ｃの第二面との間に分割板３１Ｂを挟んで、分割板３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを接合する。この場合、長孔５Ｈと分割板３１Ｂとで囲まれる空間が、図１２の長溝５７になる。

本例の双極板３１は、実施形態３の双極板３１よりも生産性に優れる。図１１に示される実施形態５の双極板３１では、連通孔５０の加工と連絡溝５５の加工とが別々に行われる。一方、本例の双極板３１では、分割板３１Ａ，３１Ｂに長孔５Ｈを形成するだけで、連通孔５０と連絡溝５５とが形成される。また、本例の双極板３１では、長孔５Ｈの形成位置に過度の精度が求められない。長孔５Ｈが分割板３１Ｂの横溝に交差しさえすれば、連通孔５０が形成されるからである。

＜実施形態６＞
実施形態１～５及び変形例では、導入路４，６を電解液の第一流通方向に沿った縦溝、排出路５，７を第一流通方向に交差する（直交する）横孔とした。これに対して、導入路４，６と排出路５，７を以下の様に構成することもできる。
・例１ 導入路４，６…横孔（管状流路）、排出路５，７…縦溝（溝状流路）
・例２ 導入路４，６…縦孔（管状流路）、排出路５，７…横溝（溝状流路）
・例３ 導入路４，６…横溝（溝状流路）、排出路５，７…縦孔（管状流路）

上記例１から例３の構成によっても、実施形態１と同様の効果を得ることができる。

＜実施形態７＞
実施形態７では、排出路５を流れる電解液を枠体３２の上片側に排出する構成を図１４に基づいて説明する。

本例の導入路４は、実施形態３の導入路４（図９）と同様の構成を備える。即ち、本例の導入路４は、複数の縦溝４Ａと、それら縦溝４Ａの端部同士を繋ぐ横溝４Ｂとを備える。

一方、本例の排出路５は、複数の横孔５Ｂと、左右一対の縦孔５Ａとを備える。横孔５Ｂには、双極板３１の表面に開口する連通孔５０が設けられている。紙面左側の縦孔５Ａは、複数の横孔５Ｂの紙面左側の端部同士を連通している。紙面右側の縦孔５Ａは、複数の横孔５Ｂの紙面右側の端部同士を連通している。縦孔５Ａの紙面下側（給液マニホールド３３，３４側）の端部は、枠体３２に達していない。一方、縦孔５Ａの紙面上側（排液マニホールド３５，３６側）の端部は、枠体３２に達している。本例の枠体３２では、枠体３２の上片の位置に排出側整流部３５０が設けられている。縦孔５Ａの紙面上側の端部は、排出側整流部３５０に繋がっている。

本例の構成では、枠体３２の下片に導入側整流部３３０を備え、上片に排出側整流部３５０を備える既存の枠体３２が使用できる。

＜実施形態８＞
実施形態８では、電解液が双極板３１の上縁側から排出される例を図１５に基づいて説明する。

本例の双極板３１は、縦溝４Ａと横溝４Ｂとが格子状に配置された導入路４を備える。横溝４Ｂは無くても構わないが、横溝４Ｂによって双極板３１の表面に電解液が拡散し易くなる。双極板３１の上縁側に配置される横溝４Ｂは、三つの縦溝４Ａの上端を繋いでいる。その他の横溝４Ｂは、三つの縦溝４Ａの延伸方向の途中を繋いでいる。横溝４Ｂの溝幅は、縦溝４Ａの溝幅よりも小さいことが好ましい。

図１５では、双極板３１の上縁側に排出側整流部３５０が形成されている。そのため、排出路５（管状流路）は縦孔５Ａを備える。この縦孔５Ａは、上述した導入路４の縦溝４Ａに並行になっている。本例の排出路５は更に、隣接する縦孔５Ａ間を繋ぐ横孔５Ｂを備える。双極板３１の下縁側に配置される横孔５Ｂは、四つの縦孔５Ａの下端を繋いでいる。その他の横孔５Ｂは、四つの縦孔５Ａの延伸方向の途中を繋いでいる。従って、排出路５は、縦孔５Ａと横孔５Ｂとが格子状に配置された構成を備える。横孔５Ｂの断面積は、縦孔５Ａの断面積よりも小さいことが好ましい。この横孔５Ｂは無くても構わないが、横孔５Ｂによって電解液の排出効率が向上する。

上記構成によれば、枠体３２の下片に導入側整流部３３０が形成され、枠体３２の上片に排出側整流部３５０が形成された従来の枠体３２を使用してセルフレーム３を作製できる。また、導入路４及び排出路５が格子状に形成されているため、双極板３１における電解液の流通性が向上する。

≪実施形態９≫
実施形態９では、導入側整流部３３０及び排出側整流部３５０が共に双極板３１に設けられたセルフレーム３を図１６に基づいて説明する。

本例の導入路４では、縦溝４Ａにおける導入側の端部に導入側整流部３３０が形成されている。導入側整流部３３０の左端は、左側の縦溝４Ａよりも左側にあり、導入側整流部３３０の右端は、右側の縦溝４Ａよりも右側にある。給液スリット３３ｓから導入側整流部３３０に導入された電解液は、双極板３１の幅方向（紙面横方向）に速やかに拡がる。

本例の排出路５では、縦孔５Ａの上端同士を繋ぐように孔状の排出側整流部３５０が形成されている。枠体３２には、双極板３１に形成される排出側整流部３５０に繋がる排液孔３５１が形成されている。排液孔３５１の上端は、枠体３２の厚み方向に延びて排液スリット３５ｓに繋がっている。

本例の構成によっても、実施形態５と同様の効果が得られる。ここで、本例の双極板３１において、導入路４を管状流路、排出路５を溝状流路とすることもできる。

１ ＲＦ電池（レドックスフロー電池）
１０ セル、１１ 隔膜、１４ 正極電極、１５ 負極電極
１０Ｐ 正極循環機構
１６ 正極タンク、１６Ａ，１７Ａ 往路配管、１８ ポンプ
１０Ｎ 負極循環機構
１７ 負極タンク、１６Ｂ，１７Ｂ 復路配管、１９ ポンプ
２ セルスタック
２０ サブスタック、２１ 給排板、２２ エンドプレート、２３ 締付機構
３ セルフレーム
３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ，３１Ｅ 分割板
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
３３０，３４０ 導入側整流部、３５０，３６０ 排出側整流部
３５１，３６１ 排液孔
４，６ 導入路（溝状流路）
４Ａ 縦溝、４Ｂ 横溝
４０ 溝間領域
５，７ 排出路（管状流路）
５Ａ 縦孔、５Ｂ 横孔、５Ｇ，７Ｇ 連通孔グループ、５Ｈ 長孔
５０，７０ 連通孔、５５ 連絡溝、５７ 長溝、５９，７９ 出口
１００ 電力系統
１００Ｃ 電力変換器

Claims (11)

1. レドックスフロー電池の電極に対向され、電解液の導入路と排出路とを備える双極板であって、
   前記導入路と前記排出路の一方は、表面に形成される溝状流路であり、他方は内部に形成される管状流路であり、
   前記表面から前記管状流路に連通する連通孔を備える、
   双極板。
2. 前記導入路が前記溝状流路であり、前記排出路が前記管状流路である請求項１に記載の双極板。
3. 前記溝状流路と前記管状流路とが、互いに交差する方向に延びる請求項１又は請求項２に記載の双極板。
4. 前記溝状流路と前記管状流路とが、互いに直交する方向に延びる請求項３に記載の双極板。
5. 前記溝状流路を複数備え、
   隣接する一方の前記溝状流路と他方の前記溝状流路とに挟まれる溝間領域に、前記連通孔が少なくとも一つ配置されている請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の双極板。
6. 前記溝間領域において、複数の前記連通孔が前記溝状流路に沿った方向に並ぶ連通孔グループを備える請求項５に記載の双極板。
7. 前記連通孔グループにおける近接する前記連通孔同士を繋ぐ連絡溝を備える請求項６に記載の双極板。
8. 前記導入路が前記溝状流路であり、
   前記排出路が前記管状流路であり、
   前記連通孔は、隣接する一方の前記溝状流路と他方の前記溝状流路との間に少なくとも１つ設けられ、
   前記導入路と前記排出路とが互いに直交する方向に延びる請求項１に記載の双極板。
9. 請求項１から請求項８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。
10. 請求項９に記載のセルフレームを備える、
    セルスタック。
11. 請求項１０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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