JP7461614B2 - 双極板、セルフレーム、電池セル、セルスタック、及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、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。

特許文献１は、互いに向かい合う第一面及び第二面の少なくとも一方の面に、電解液が流通される複数の溝部を備える双極板を開示する。双極板は、双極板の外周に枠体が配置されて、セルフレームと呼ばれる形態でレドックスフロー電池に利用される。

国際公開第２０１６／２０８４８２号

本開示の双極板は、
互いに向かい合う第一面と第二面とを備える双極板であって、
前記第一面及び前記第二面の各々は、第一縁と、第二縁と、中央領域とを備え、
前記第一縁は、電解液が供給される側に位置する縁であり、
前記第二縁は、前記電解液が排出される側に位置する縁であり、
前記中央領域は、中央線から前記第一縁及び前記第二縁の各々に向かって縁間隔の２０％以内の領域であり、
前記中央線は、前記第一縁と前記第二縁との間を二等分する線であり、
前記縁間隔は、前記第一縁と前記第二縁との間隔であり、
前記第一面及び前記第二面の少なくとも一方における前記中央領域は、前記電解液が流通される複数の溝部を備え、
前記中央領域は、前記双極板を特定方向に切断した特定断面を備え、
前記特定方向は、前記第一縁から前記第二縁に向かう方向と直交する方向であり、
前記特定断面は、断面積比Ｂ／（Ａ＋Ｂ）が０．０５以上０．６０以下である断面であり、
前記Ａは、前記双極板の断面積であり、
前記Ｂは、前記複数の溝部の合計断面積である。

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。

本開示の電池セルは、本開示のセルフレームを備える。

本開示のセルスタックは、本開示の電池セルを複数備える。

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

図１は、実施形態に係る双極板を示す平面図である。 図２は、図１のＩＩ－ＩＩ線で切断した断面図である。 図３は、実施形態に係るセルフレームを示す平面図である。 図４は、実施形態に係るレドックスフロー電池の基本構造を模式的に示す説明図である。 図５は、実施形態に係る電池セル及び実施形態に係るセルスタックの概略を示す斜視図である。

［本開示が解決しようとする課題］
レドックスフロー電池の運転時、双極板には、電解液が流通されることによる熱応力が作用する。この双極板の熱応力に対して、セルフレームが損傷しないことが求められる。また、レドックスフロー電池では、電流効率が高いことが求められる。

そこで、本開示は、熱応力によるセルフレームの損傷を抑制でき、かつ電流効率が高い電池セルが得られ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、熱応力によるセルフレームの損傷を抑制でき、かつ電流効率が高い電池セルが得られるセルフレームを提供することを別の目的の一つとする。更に、本開示は、熱応力によるセルフレームの損傷を抑制でき、かつ電流効率が高い電池セル、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別の目的の一つとする。

［本開示の効果］
本開示の双極板及びセルフレームは、熱応力によるセルフレームの損傷を抑制でき、かつ電流効率が高い電池セルが得られる。本開示の電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池は、熱応力によるセルフレームの損傷を抑制でき、かつ電流効率が高い。

［本開示の実施形態の説明］
単体の双極板は、厚いと剛性を含む機械的特性が高くなり、熱応力によって損傷が生じ難くなる。しかし、双極板を枠体と組み合わせてセルフレームとして電池セルに利用する場合、双極板が厚いと、双極板と枠体との接合部及びその近傍に損傷が生じ得ることが判明した。他に、双極板が厚いと、電池セルの電流効率が低くなる傾向にある。

溝部を備える双極板において、特定の領域における溝部の大きさを検討したところ、双極板と枠体との接合部及びその近傍に熱応力による損傷が生じることを抑制でき、かつ電流効率が高い電池セルが得られることがわかった。本開示は、上記知見に基づき、双極板の特定断面において、双極板と複数の溝部との断面積比を規定する。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。

（１）本開示の一態様に係る双極板は、
互いに向かい合う第一面と第二面とを備える双極板であって、
前記第一面及び前記第二面の各々は、第一縁と、第二縁と、中央領域とを備え、
前記第一縁は、電解液が供給される側に位置する縁であり、
前記第二縁は、前記電解液が排出される側に位置する縁であり、
前記中央領域は、中央線から前記第一縁及び前記第二縁の各々に向かって縁間隔の２０％以内の領域であり、
前記中央線は、前記第一縁と前記第二縁との間を二等分する線であり、
前記縁間隔は、前記第一縁と前記第二縁との間隔であり、
前記第一面及び前記第二面の少なくとも一方における前記中央領域は、前記電解液が流通される複数の溝部を備え、
前記中央領域は、前記双極板を特定方向に切断した特定断面を備え、
前記特定方向は、前記第一縁から前記第二縁に向かう方向と直交する方向であり、
前記特定断面は、断面積比Ｂ／（Ａ＋Ｂ）が０．０５以上０．６０以下である断面であり、
前記Ａは、前記双極板の断面積であり、
前記Ｂは、前記複数の溝部の合計断面積である。

断面積比が０．０５以上である双極板は、溝部がある程度確保されていると言える。断面積比が０．０５以上である双極板は、溝部が極めて少ない双極板に比較して、剛性が低い。双極板の剛性が低いことで、双極板に熱応力が作用したとしても、双極板と枠体との接合部及びその近傍において、双極板及び枠体の少なくとも一方に損傷が生じることを抑制できる。

断面積比が０．６０以下である双極板は、双極板を構成する実体部分がある程度確保されていると言える。よって、双極板の剛性が低くなり過ぎて、双極板自体に損傷が生じることを抑制できる。溝部が多く確保されると、双極板における電解液で濡れる面積が増加し、電解液が双極板に浸透することがあり得る。断面積比が０．６０以下である双極板は、断面積比が０．６０超である双極板即ち溝部が極めて多い双極板に比較して、電解液に濡れる面積が小さいと言える。この濡れる面積が小さいことで、電解液が双極板に浸透し難い。結果として、双極板の第一面と第二面との間で電解液が流通することを抑制できる。よって、第一面に流通される電解液と第二面に流通される電解液とが混合することを抑制できる。上記混合に起因して、電池セルにおいて自己放電が生じることを抑制できる。その結果、電池セルの電流効率が低くなることを抑制できる。

（２）本開示の双極板の一例として、
前記双極板の厚さが２ｍｍ以上１５ｍｍ以下である形態が挙げられる。

双極板の厚さが２ｍｍ以上であることで、双極板を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板に浸透することを抑制し易い。一方、双極板の厚さが１５ｍｍ以下であることで、双極板の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。また、双極板の厚さが１５ｍｍ以下であることで、双極板の厚肉化を抑制し易く、電池セルの電流効率が低くなることを抑制し易い。

（３）本開示の双極板の一例として、
前記複数の溝部の各々における断面積は、０．８ｍｍ^２以上８ｍｍ^２以下である形態が挙げられる。

各溝部の断面積が０．８ｍｍ^２以上であることで、双極板の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。また、各溝部の断面積が０．８ｍｍ^２以上であることで、電解液の流通性を確保し易い。一方、各溝部の断面積が８ｍｍ^２以下であることで、双極板を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板に浸透することを抑制し易い。

（４）本開示の双極板の一例として、
前記複数の溝部の各々における溝深さは、０．７ｍｍ以上７ｍｍ以下である形態が挙げられる。

溝深さが０．７ｍｍ以上であることで、双極板の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。また、溝深さが０．７ｍｍ以上であることで、電解液の流通性を確保し易い。一方、溝深さが７ｍｍ以下であることで、双極板を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板に浸透することを抑制し易い。

（５）本開示の双極板の一例として、
前記複数の溝部の各々における溝幅は、０．６ｍｍ以上６ｍｍ以下である形態が挙げられる。

溝幅が０．６ｍｍ以上であることで、双極板の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。また、溝幅が０．６ｍｍ以上であることで、電解液の流通性を確保し易い。一方、溝幅が６ｍｍ以下であることで、双極板を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板に浸透することを抑制し易い。

（６）本開示の双極板の一例として、
隣り合う前記溝部間の距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である形態が挙げられる。

隣り合う溝部間の距離が１ｍｍ以上であることで、双極板を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板に浸透することを抑制し易い。一方、隣り合う溝部間の距離が１０ｍｍ以下であることで、溝部を確保し易く、双極板の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。

（７）本開示の双極板の一例として、
前記複数の溝部における８０％以上の溝部は、同じ断面形状を有する形態が挙げられる。

上記形態は、上記断面積比を満たす双極板を製造し易い。

（８）本開示の一態様に係るセルフレームは、
上記（１）から（７）のいずれか一つの双極板と、
前記双極板の外周に設けられる枠体とを備える。

本開示のセルフレームは、本開示の双極板を備えることで、双極板に熱応力が作用したとしても、双極板と枠体との接合部及びその近傍において、双極板及び枠体の少なくとも一方に損傷が生じることを抑制できる。また、本開示のセルフレームは、本開示の双極板を備えることで、電池セルの電流効率が低くなることを抑制できる。

（９）本開示の一態様に係る電池セルは、上記（８）のセルフレームを備える。

本開示の電池セルは、本開示のセルフレームを備えることで、熱応力によるセルフレームの損傷を抑制でき、かつ電流効率が高い。

（１０）本開示の一態様に係るセルスタックは、上記（９）の電池セルを複数備える。

本開示のセルスタックは、本開示の電池セルを備えることで、熱応力によるセルフレームの損傷を抑制でき、かつ電流効率が高い。

（１１）本開示の一態様に係るレドックスフロー電池は、上記（９）の電池セル、又は上記（１０）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、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、熱応力によるセルフレームの損傷を抑制でき、かつ電流効率が高い。

［本開示の実施形態の詳細］
本開示の実施形態の双極板、セルフレーム、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池の詳細を、図面を参照して説明する。以下、レドックスフロー電池をＲＦ電池と呼ぶ。図中の同一符号は、同一名称物を示す。

＜双極板＞
〔概要〕
図１及び図２を参照して、実施形態の双極板１を説明する。図１は、双極板１を第一面１ａ側から見た平面図である。双極板１は、複数の溝部２を備える。図１では、複数の溝部２のうち、隣り合う三つの溝部２のみを図示し、その他の溝部を「…（ドット）」で省略して示す。図１では、分かり易いように、溝部２以外の領域にハッチングを付している。図２は、双極板１の中央領域１３（図１）における特定断面１４を示す。特定断面１４において、双極板の断面積をＡとし、複数の溝部２の合計断面積をＢとする。実施形態の双極板１の特徴の一つは、特定断面１４において、Ｂ／（Ａ＋Ｂ）で表される断面積比が、０．０５以上０．６０以下である点にある。

〔基本構成〕
双極板１は、ＲＦ電池１００（図４）の構成部材である。双極板１は、電池セル１００Ｃ（図４）内に流通される正極電解液と負極電解液とを区画する導電性の平板である。双極板１は、図１及び図２に示すように、互いに向かい合う第一面１ａと第二面１ｂとを備える。第一面１ａは、図１に示すように、第一縁１１と第二縁１２と中央領域１３とを備える。第二面１ｂも、図示しないが、第一面１ａと同様に、第一縁と第二縁と中央領域とを備える。

双極板１は、双極板１の外周に後述する枠体８０（図３）が配置されて、セルフレーム８を構成する。第一縁１１は、電解液が供給される側に位置する縁である。第一縁１１は、セルフレーム８を構成した際、図３に示すように、双極板１の縁のうち、枠体８０に設けられる供給路のある側に位置する縁である。枠体８０における供給路は、給液マニホールド８２、８３と、給液スリット８２ｓ、８３ｓと、給液整流部８６とを備える。

第二縁１２は、電解液が排出される側に位置する縁である。第二縁１２は、セルフレーム８を構成した際、図３に示すように、双極板１の縁のうち、枠体８０に設けられる排出路のある側に位置する縁である。枠体８０における排出路は、排液マニホールド８４、８５と、排液スリット８４ｓ、８５ｓと、排液整流部８７とを備える。

第一縁１１と第二縁１２とは、向かい合って位置する。本例の双極板１は、図１に示すように、矩形状の平板である。そのため、本例では、第一縁１１及び第二縁１２は、互いに向かい合う直線状の縁である。よって、本例では、第一縁１１と第二縁１２との間隔は、第一縁１１又は第二縁１２の長手方向に沿って一様である。以下、第一縁１１と第二縁１２との間隔を縁間隔６と呼ぶ。

双極板１の平面形状は、矩形状以外に、六角形状や八角形状等の多角形状や、円形状、楕円形状等でもよい。双極板１の平面形状によっては、第一縁１１及び第二縁１２は、直線状の縁ではなく、折れ線状や曲線状の縁であることもある。この場合、縁間隔６は、第一縁１１又は第二縁１２の長手方向に沿って異なることがある。

中央領域１３は、図１に示すように、中央線５から第一縁１１及び第二縁１２の各々に向かって縁間隔６の２０％以内の領域である。中央線５は、第一縁１１と第二縁１２との間を二等分する線である。本例の中央線５は、直線である。双極板１の平面形状によっては、中央線５は、直線ではなく、折れ線や曲線であることもある。縁間隔６は、一定の値を採用する。縁間隔６が第一縁１１又は第二縁１２の長手方向に沿って異なる場合、縁間隔６として最大値を採用する。例えば、双極板１の平面形状が円形状の場合、縁間隔６は直径を採用する。中央領域１３における中央線５の長手方向と直交する方向の長さは、中央線５の長手方向に沿って一様である。

第一面１ａ及び第二面１ｂの少なくとも一方における中央領域１３は、複数の溝部２を備える。本例では、図２に示すように、第一面１ａ及び第二面１ｂの各々の中央領域１３（図１）に、複数の溝部２が設けられている。

〔溝部〕
複数の溝部２には、電解液が流通される。第一面１ａに設けられる複数の溝部２には、正極電解液が流通される。第二面１ｂに設けられる複数の溝部２には、負極電解液が流通される。各溝部２の形状や寸法が調整されることで、電解液の流れが調整される。

本例の各溝部２は、図１に示すように、第一縁１１と第二縁１２とをつなぐように構成されている。本例の各溝部２は、第一縁１１と第二縁１２とをつなぐ単一の溝で構成されている。中央領域１３における各溝部２は、上記単一の各溝部２の一部である。本例では、全ての溝部２が、第一縁１１から第二縁１２に向かう方向に沿った直線状の溝で構成されている。各溝部２の幅は、溝部２の長手方向に一様であってもよいし、第一縁１１から第二縁１２に向かって広くなっていたり、逆に狭くなっていたり、溝部２の長手方向に異なっていてもよい。また、各溝部２は、溝部２の長手方向に分断されていてもよい。また、各溝部２は、溝部２の長手方向に屈曲していたり、湾曲していたりしてもよい。各溝部２の深さは、溝部２の長手方向に一様であってもよいし、第一縁１１から第二縁１２に向かって深くなっていたり、逆に浅くなっていたり、溝部２の長手方向に異なっていてもよい。

複数の溝部２は、第一縁１１又は第二縁１２の長手方向に沿って並んで設けられている。双極板１は、後述するように、双極板１の外周に枠体８０が配置されて、セルフレーム８と呼ばれる形態で利用される（図３から図５）。電解液は、双極板１における枠体８０から露出される露出領域を流通する。よって、複数の溝部２は、上記露出領域に均一的に設けられていることが挙げられる。双極板１における枠体８０に重なる被覆領域１５（図２）には、電解液は流通されない。被覆領域１５は、第一面１ａと第二面１ｂの両面に枠体８０が重なる場合と、第一面１ａと第二面１ｂのいずれかの面にのみ枠体８０が重なる場合とがある。複数の溝部２は、上記露出領域の中央は勿論、被覆領域１５近傍にまで設けられていることが挙げられる。

隣り合う溝部２間には、畝部３が構成される。畝部３は、双極板１の最表面の大部分を構成する。後述する電池セル１００Ｃ（図４、図５）を構築すると、第一面１ａにおける畝部３が正極電極１０４に接触し、第二面１ｂにおける畝部３が負極電極１０５に接触する。電池セル１００Ｃにおいて、双極板１上での電解液の流れは、各溝部２に沿った流れと、畝部３を跨いで隣り合う溝部２間をわたるような流れとを構成する。

双極板１の中央領域１３は、双極板１を特定方向に切断した特定断面１４（図２）を備える。特定方向は、第一縁１１から第二縁１２に向かう方向と直交する方向である。第一縁１１から第二縁１２に向かう方向とは、双極板１全体でみたときの電解液の流通方向である。本例の電池セル１００Ｃでは、図５に示すように、鉛直方向下側から上側に向かう方向に電解液が流れる。よって、本例の特定方向は、水平方向である。特定断面１４は、中央線５が直線、折れ線、曲線等のいずれの場合であっても、平面で構成される。また、特定断面１４は、縁間隔６が第一縁１１又は第二縁１２の長手方向に沿って異なる場合であっても、平面で構成される。特定断面１４は、部分的に中央領域１３以外の領域を含まず、全域にわたって中央領域１３を含む。

特定断面１４は、第一面１ａ及び第二面１ｂの少なくとも一方に、複数の溝部２を備える。本例の特定断面１４は、図２に示すように、第一面１ａ及び第二面１ｂの各々に、複数の溝部２を備える。

第一面１ａ及び第二面１ｂの双方に複数の溝部２を備える場合、双極板１を平面視したときに、第一面１ａに設けられる溝部２と第二面１ｂに設けられる溝部２とは、図２に示すように、重なる位置にあってもよい。双極板１を平面視したときに、第一面１ａに設けられる溝部２と第二面１ｂに設けられる溝部２とは、一部が重なっていてもよいし、互いにずれて重ならなくてもよい。

特定断面１４において、双極板１の断面積をＡとする。双極板１の断面積Ａは、双極板１の実体部分の断面積である。双極板１の断面積Ａは、図２に示すハッチング部分の断面積である。

特定断面１４において、複数の溝部２の合計断面積をＢとする。各溝部２の断面積は、溝部２の開口縁同士を直線でつなぎ、その直線と溝部２の内周縁とで囲まれる断面積である。各溝部２の断面積は、図２に示す白抜きの矩形状の部分の断面積である。複数の溝部２の合計断面積Ｂは、各溝部２の断面積の合計である。

≪断面積比≫
特定断面１４において、Ｂ／（Ａ＋Ｂ）で表される断面積比は、０．０５以上０．６０以下である。断面積比が０．０５以上である双極板１は、溝部２がある程度確保されていると言える。溝部２がある程度確保されることで、電解液の流通性を確保し易い。また、溝部２がある程度確保されることで、溝部２の存在によって双極板１の剛性が高くなり過ぎることを抑制できる。双極板１の剛性が高過ぎないことで、双極板１に熱応力が作用したとしても、双極板１と枠体８０との接合部及びその近傍において、双極板１及び枠体８０の少なくとも一方に損傷が生じることを抑制できる。

一方、断面積比が０．６０以下である双極板１は、双極板１を構成する実体部分がある程度確保されていると言える。よって、双極板１の剛性が低くなり過ぎて、双極板１自体に損傷が生じることを抑制できる。また、断面積比が０．６０以下である双極板１は、電解液に濡れる面積の増加が抑制されていると言える。双極板１は、電解液を通さない材料で構成されている。しかし、双極板１に溝部２を備える場合、双極板１における電解液に濡れる面積が増加し、電解液が双極板１に浸透することがあり得る。断面積比が０．６０以下であることで、電解液が双極板１に浸透し難い。結果として、双極板１の第一面１ａと第二面１ｂとの間で電解液が流通することを抑制できる。よって、第一面１ａに流通される電解液と第二面１ｂに流通される電解液とが混合することを抑制できる。その結果、上記混合に起因して、電池セル１００Ｃ（図４、図５）に自己放電が生じることを抑制できる。自己放電を抑制できることで、電池セル１００Ｃの電流効率が低くなることを抑制できる。

断面積比は、更に０．１０以上０．４０以下、特に０．１５以上０．３０以下であることが好ましい。

中央領域１３は、上記特定方向に切断した複数の断面を採取することができる。複数の断面のうち、少なくとも一つの断面が、上記断面積比を満たす特定断面１４であればよい。中央領域１３において、等間隔に５つ以上の断面を採取することが挙げられる。この場合、５つ以上の断面のうち、８０％以上、更に９０％以上、特に全ての断面が、上記断面積比を満たす特定断面１４であることが好ましい。

≪溝形状≫
特定断面１４において、各溝部２の断面形状は、任意の形状を選択できる。各溝部２の断面形状としては、例えば、矩形状、半円形状、Ｖ字形状、Ｕ字形状、溝部２の開口幅が底面の幅よりも広い台形状、溝部２の開口幅が底面の幅よりも狭い蟻溝形状等が挙げられる。全ての溝部２の断面形状が同じであってもよいし、異なる断面形状の溝部２が含まれていてもよい。複数の溝部２の本数を１００％とするとき、複数の溝部２における８０％以上の溝部２が同じ断面形状であることが好ましい。同じ断面形状とは、各溝部２における長手方向の同じ位置での断面形状が合同又は相似であることである。複数の溝部２の８０％以上が同じ断面形状を有することで、上記断面積比を満たす双極板１を製造し易い。特に、複数の溝部２の本数を１００％とするとき、複数の溝部２における８０％以上の溝部２が合同であることが好ましい。複数の溝部２の８０％以上が合同であることで、電解液の流通状態が均一的になり易い。上述の製造の容易性の観点から、複数の溝部２の８５％以上、更に９０％以上が同じ断面形状を有してもよい。また、上述の製造の容易性、及び電解液の流通状態の均一性の観点から、複数の溝部２の８５％以上、更に９０％以上が合同であってもよい。全ての溝部２の断面形状が同じでもよい。

≪溝断面積≫
特定断面１４において、各溝部２の断面積は、０．８ｍｍ^２以上８ｍｍ^２以下であることが好ましい。各溝部２の断面積が０．８ｍｍ^２以上であることで、電解液の流通性を確保し易い。また、各溝部２の断面積が０．８ｍｍ^２以上であることで、双極板１の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。一方、各溝部２の断面積が８ｍｍ^２以下であることで、双極板１の全体にわたって均一的に溝部２が位置し易い。そうすることで、双極板１に剛性の偏りが生じることを抑制し易い。各溝部２の断面積は、更に１ｍｍ^２以上４ｍｍ^２以下、特に１．５ｍｍ^２以上３ｍｍ^２以下であることが好ましい。複数の特定断面１４を採取した場合、特定断面１４の各々が、上記各溝部２の断面積を満たすことが好ましい。

≪溝深さ≫
特定断面１４において、各溝部２の溝深さＤは、０．７ｍｍ以上７ｍｍ以下であることが好ましい。溝深さＤは、溝部２の開口縁同士をつないだ直線から溝底の最も遠い箇所までの長さとする。溝深さＤが０．７ｍｍ以上であることで、電解液の流通性を確保し易い。また、溝深さＤが０．７ｍｍ以上であることで、双極板１の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。一方、溝深さＤが７ｍｍ以下であることで、双極板１を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板１に浸透することを抑制し易い。各溝部２の溝深さＤは、更に、１ｍｍ以上４ｍｍ以下、１ｍｍ以上３ｍｍ以下、特に１ｍｍ以上２ｍｍ以下であることが好ましい。各溝部２の溝深さＤは、１．４ｍｍ以上でもよい。複数の特定断面１４を採取した場合、特定断面１４の各々が、上記各溝部２の溝深さＤを満たすことが好ましい。

特定断面１４において、各溝部２の溝深さＤは、双極板１の厚さＴの１２％以上３９％以下であることが好ましい。溝深さＤが双極板１の厚さＴの１２％以上であることで、電解液の流通性を確保し易い。また、溝深さＤが双極板１の厚さＴの１２％以上であることで、双極板１の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。一方、溝深さＤが双極板１の厚さＴの３９％以下であることで、双極板１を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板１に浸透することを抑制し易い。各溝部２の溝深さＤは、更に、双極板１の厚さＴの１５％以上３３％以下、特に１８％以上２５％以下であることが好ましい。

≪溝幅≫
特定断面１４において、各溝部２の溝幅Ｗは、０．６ｍｍ以上６ｍｍ以下であることが好ましい。溝幅Ｗは、溝部２の開口縁から溝底に向かって一様でない幅を有する場合、最も広い幅とする。溝幅Ｗが０．６ｍｍ以上であることで、電解液の流通性を確保し易い。また、溝幅Ｗが０．６ｍｍ以上であることで、双極板１の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。一方、溝幅Ｗが６ｍｍ以下であることで、双極板１を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板１に浸透することを抑制し易い。各溝部２の溝幅Ｗは、更に、１ｍｍ以上４ｍｍ以下、特に１．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であることが好ましい。複数の特定断面１４を採取した場合、特定断面１４の各々が、上記各溝部２の溝幅Ｗを満たすことが好ましい。

≪溝間距離≫
特定断面１４において、隣り合う溝部２間の溝間距離Ｍは、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。溝間距離Ｍは、畝部３の幅である。溝間距離Ｍが１ｍｍ以上であることで、双極板１を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板１に浸透することを抑制し易い。一方、溝間距離Ｍが１０ｍｍ以下であることで、溝部２を確保し易く、双極板１の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。溝間距離Ｍは、更に、１．１ｍｍ以上７ｍｍ以下、特に１．２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが好ましい。溝間距離Ｍは、１．５ｍｍ以上７ｍｍ以下、特に２ｍｍ以上５ｍｍ以下であってもよい。複数の特定断面１４を採取した場合、特定断面１４の各々が、上記溝間距離Ｍを満たすことが好ましい。

≪双極板の厚さ≫
双極板１の厚さＴは、２ｍｍ以上１５ｍｍ以下であることが好ましい。双極板１の厚さＴは、双極板１における枠体８０（図４、図５）からの露出領域での第一面１ａ及び第二面１ｂの最表面間の長さである。双極板１の厚さＴが２ｍｍ以上であることで、双極板１を構成する実体部分を確保し易く、電解液が双極板１に浸透することを抑制し易い。一方、双極板１の厚さＴが１５ｍｍ以下であることで、双極板１の剛性が高くなり過ぎることを抑制し易い。また、双極板１の厚さが１５ｍｍ以下であることで、双極板１の厚肉化を抑制し易く、電池セル１００Ｃ（図４、図５）の電流効率が低くなることを抑制し易い。双極板１の厚さＴは、更に、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下、特に４ｍｍ以上８ｍｍ以下であることが好ましい。

本例の双極板１は、枠体８０（図４、図５）が配置される被覆領域１５と、枠体８０から露出される露出領域とが、実質的に同じ厚さＴで構成されている。他に、被覆領域１５は、露出領域よりも薄く構成されていてもよい。例えば、枠体８０に凹部（図示せず）が設けられている場合、この凹部に薄肉部で構成された被覆領域１５を嵌め込むことで、双極板１と枠体８０とを一体化することができる。

≪双極板の構成材料≫
双極板１の構成材料は、例えば有機複合材、いわゆる導電性プラスチック等が挙げられる。有機複合材は、例えば、炭素系材料や金属等の導電性材料と熱可塑性樹脂等の有機材とを含むものが挙げられる。双極板１は、例えば公知の方法によって板状に成形することで得られる。導電性プラスチックの成形方法は、例えば射出成形、プレス成形、真空成形等が挙げられる。複数の溝部２は、双極板１を板状に成形する際に同時に成形することが挙げられる。他に、平坦な平板材に切削加工等を行って複数の溝部２を形成することもできる。

＜セルフレーム＞
図３を参照して、実施形態のセルフレーム８を説明する。セルフレーム８は、双極板１と枠体８０とを備える。双極板１は、上述した実施形態の双極板１である。枠体８０は、双極板１の外周に設けられる。枠体８０は、双極板１を支持する。

枠体８０は、双極板１の表裏に配置される正極電極１０４及び負極電極１０５（図４、図５）へ電解液を供給すると共に、正極電極１０４及び負極電極１０５から電解液を排出することに利用される。枠体８０は、窓部８１と、電解液の供給路と、電解液の排出路とを備える。窓部８１は、枠体８０の中央部に設けられて、双極板１における正極電極１０４及び負極電極１０５が配置される領域を露出させる。図２は、枠体８０として、外形が長方形であり、かつ窓部８１の形状も長方形である場合を例示する。枠体８０の外形、及び窓部８１の形状は適宜選択できる。

代表的には、枠体８０は、第一面に正極電解液の供給路及び排出路を備え、第二面に負極電解液の供給路及び排出路を備える。正極電解液の供給路は、給液マニホールド８２と、給液スリット８２ｓと、給液整流部８６とを備える。本例の給液整流部８６は、枠体８０の内周縁に形成された切欠きで構成されている。給液スリット８２ｓは、給液マニホールド８２と給液整流部８６とをつなぐ。給液整流部８６は、給液スリット８２ｓから供給される正極電解液を双極板１における第一縁１１の長手方向に沿って拡散させる。正極電解液の排出路は、排液マニホールド８４と、排液スリット８４ｓと、排液整流部８７とを備える。本例の排液整流部８７は、枠体８０の内周縁に形成された切欠きで構成されている。排液スリット８４ｓは、排液マニホールド８４と排液整流部８７とをつなぐ。排液整流部８７は、双極板１から排出される正極電解液を集約して排液スリット８４ｓに導く。負極電解液の供給路は、正極電解液の供給路と同様に、給液マニホールド８３と、給液スリット８３ｓと、給液整流部（図示せず）とを備える。また、負極電解液の排出路は、正極電解液の排出路と同様に、排液マニホールド８５と、排液スリット８５ｓと、排液整流部（図示せず）とを備える。本例の枠体８０には、周方向に沿ってシール溝８８が設けられている。シール溝８８には、シール部材８９（図４、図５）が配置される。

枠体８０は、電気絶縁材料からなる。電気絶縁材料は、例えば、熱可塑性樹脂といった各種の樹脂が挙げられる。熱可塑性樹脂は、例えば、塩化ビニルが挙げられる。枠体８０は、例えば、分割片を組み合わせることで構成できる。セルフレーム８は、例えば、双極板１を挟むように分割片を組み合わせて適宜接合することで構成できる。接合方法としては、熱融着や、シール部材（図示せず）を介して圧縮することが挙げられる。他に、セルフレーム８は、枠体８０の窓部８１に双極板１を嵌め込むことで構成できる。他に、セルフレーム８は、双極板１の外周に枠体８０を射出成形等で成形することで構成できる。

＜ＲＦ電池＞
図４及び図５を参照して、実施形態のＲＦ電池１００を説明する。ＲＦ電池１００は、電解液循環型の蓄電池の一つである。ＲＦ電池１００は、電池セル１００Ｃ又はセルスタック２００と、電池セル１００Ｃに電解液を供給する循環機構とを備える。ＲＦ電池１００は、電池セル１００Ｃに電解液を供給しながら、充放電を行う。

ＲＦ電池１００は、代表的には、変電設備７００、交流／直流変換器６００を介して、発電部８００と負荷９００とに接続される。ＲＦ電池１００は、発電部８００を電力供給源として充電を行い、負荷９００を電力提供対象として放電を行う。発電部８００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。負荷９００は、例えば、電力系統や電力の需要家等が挙げられる。ＲＦ電池１００は、負荷平準化、瞬低補償や非常用電源、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等に利用される。

＜電池セル＞
電池セル１００Ｃは、隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離されている。正極セル１０２には、正極電解液が供給される正極電極１０４が内蔵されている。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。電池セル１００Ｃは、一組のセルフレーム８に挟まれて構成される。セルフレーム８は、上述した実施形態のセルフレーム８である。正極電極１０４及び負極電極１０５は、例えば、炭素系材料の繊維集合体、多孔質の金属部材等が挙げられる。炭素系材料の繊維集合体は、例えば、カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンクロス等が挙げられる。隔膜１０１は、例えば、イオン交換膜等が挙げられる。

ＲＦ電池１００が一つの電池セル１００Ｃを備える単セル電池である場合、ＲＦ電池１００は、セルフレーム８、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、セルフレーム８という順に積層された積層物を備える。ＲＦ電池１００が複数の電池セル１００Ｃを備える多セル電池である場合、ＲＦ電池１００は、セルフレーム８、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５という順に繰り返し積層された積層物を備える。この積層物がセルスタック２００である。セルスタック２００は、所定の出力電圧を得るために、上記の構造の電池セル１００Ｃが積層されて直列接続される。

＜セルスタック＞
セルスタック２００は、代表的には、複数の電池セル１００Ｃを備える上述の積層物と、一対のエンドプレート２１０、２２０と、締結部材２３０とを備える。締結部材２３０は、長ボルト等の連結材及びナット等が挙げられる。一対のエンドプレート２１０、２２０は、締結部材２３０によって締め付けられる。この締付力によって、上記積層体は、積層された状態に保持される。

セルスタック２００は、所定数の電池セル１００Ｃをサブスタック（図示せず）とし、複数のサブスタックを積層した形態で利用される。セルスタック２００では、サブスタックやセルスタック２００における電池セル１００Ｃの積層方向の両端に位置するセルフレーム８に接して、給排板（図示せず）が配置される。

＜循環機構＞
循環機構は、正極セル１０２に正極電解液を循環させる正極循環機構と、負極セル１０３に負極電解液を循環させる負極循環機構とを備える。正極循環機構は、正極電解液タンク１０６と、往路配管１０８と、復路配管１１０と、ポンプ１１２とを備える。正極電解液タンク１０６は、正極電解液を貯留する。往路配管１０８及び復路配管１１０は、正極電解液タンク１０６と正極セル１０２との間をつなぐ。ポンプ１１２は、供給側の往路配管１０８に設けられる。負極循環機構は、負極電解液タンク１０７と、往路配管１０９と、復路配管１１１と、ポンプ１１３とを備える。負極電解液タンク１０７は、負極電解液を貯留する。往路配管１０９及び復路配管１１１は、負極電解液タンク１０７と負極セル１０３との間をつなぐ。ポンプ１１３は、供給側の往路配管１０９に設けられる。

正極電解液は、正極電解液タンク１０６から往路配管１０８を介して正極電極１０４に供給され、正極電極１０４から復路配管１１０を介して正極電解液タンク１０６に戻される。負極電解液は、負極電解液タンク１０７から往路配管１０９を介して負極電極１０５に供給され、負極電極１０５から復路配管１１１を介して負極電解液タンク１０７に戻される。正極電極１０４に正極電解液を循環させると共に、負極電極１０５に負極電解液を循環させることで、電池セル１００Ｃは、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。

上述したＲＦ電池１００の基本構成は、公知の構成を適宜利用できる。

＜電解液＞
電解液には、活物質となるイオンを含む溶液が利用できる。代表的な電解液は、上記イオンと、酸とを含む水溶液が挙げられる。電解液は、正負の活物質としてバナジウムイオンを含む全バナジウム系ＲＦ電池、正極活物質としてマンガンイオンを含み、負極活物質としてチタンイオンを含むＭｎ－Ｔｉ系ＲＦ電池等、公知の組成の電解液を利用することができる。

［試験例］
表裏面の中央領域に複数の溝部を備える双極板を用いて、複数のＲＦ電池を作製した。本例では、図１に示すように、双極板の表裏面の各面に設けられる複数の溝部は、第一縁から第二縁に向かう方向に沿った直線状の溝で構成した。また、本例では、図２に示すように、複数の溝部は、以下の条件（１）から（３）を満たす。（１）双極板の表面に設けられる溝部の個数と裏面に設けられる溝部の個数とが同じである。表１に記載の溝部の個数は、双極板の表面の溝部と裏面の溝部との合計数である。（２）双極板を平面視したときに、表面に設けられる溝部と裏面に設けられる溝部とが重なるように各溝部が設けられている。（３）各溝部の断面形状は矩形状である。本例では、全ての溝部を同じ断面形状かつ同じ寸法とした。本例では、表１に示すように、双極板の厚さＴ、各溝部の溝深さＤ、溝幅Ｗ、溝部の個数を変えた試験体Ａから試験体Ｈを作製した。各溝部の断面積は、溝深さＤと溝幅Ｗとの積で表される。表１に示す各数値は、四捨五入した概算値を含む。各溝部の寸法は、図２を参照する。双極板の幅は、いずれも６００ｍｍとした。双極板の幅は、図２の左右方向の長さである。

各試験体のＲＦ電池を用いて充放電を行い、双極板への電解液の浸透具合と、双極板と枠体との接合具合とを調べた。充放電は、５０℃にて、正負極間の差圧を０．１ＭＰａとして行った。電解液の浸透具合は、充放電を行った後に、電解液に含まれる元素が双極板中に含まれるか否かを、双極板の断面を観察することで調べた。具体的には、エネルギー分散型Ｘ線分析装置（ＥＤＸ）を用いて上記断面を元素分析し、電解液に含まれる元素をマッピングする。電解液に含まれる元素における双極板の表面又は裏面からの深さを測定した。電解液に含まれる元素としては、硫酸中の硫黄を用いた。上記断面において電解液の浸透が見られない場合をＡ、断面の７０％未満の領域に浸透が見られる場合をＢ、断面の７０％以上に浸透が見られる場合をＣと評価する。双極板と枠体との接合具合は、充放電を行った後に、目視にて確認した。双極板と枠体との間に剥離が見られない場合をＡ、小さな剥離が見られる場合をＢ、大きな剥離が見られる場合をＣと評価する。また、充放電を行ったときの電流効率を測定した。電流効率は、（放電時間／充電時間）×１００（％）で求めた。その結果を表２に示す。

表１及び表２より、断面積比が０．０５以上である試験体Ａから試験体Ｇは、双極板と枠体との間に大きな剥離は見られなかった。特に、断面積比が０．１５以上である試験体Ａから試験体Ｅは、双極板と枠体との間に実質的に剥離は見られなかった。断面積比が大きいほど、溝部が多く確保され、溝部の存在によって双極板の剛性が高くなり過ぎることを抑制できたからと考えられる。双極板の剛性が高過ぎないことで、双極板における枠体から露出される領域に熱応力が作用したとしても、双極板や枠体に損傷が生じることを抑制でき、双極板と枠体との剥離が抑制されたと考えられる。

表１及び表２より、断面積比が０．６０以下である試験体Ｂから試験体Ｈは、双極板の全域にわたる電解液の浸透は見られなかった。特に、断面積比が０．３０以下である試験体Ｄから試験体Ｈは、双極板への電解液の浸透は実質的に見られなかった。断面積比が小さいほど、双極板を構成する実体部分が多く確保され、かつ双極板における電解液で濡れる面積が増加することが抑制できたからと考えられる。

表２に示す電流効率を見ると、断面積比が０．０５以上０．６０以下である試験体Ｂから試験体Ｇは、電流効率が９０％以上であり、電流効率が高いことがわかる。試験体Ｂから試験体Ｇは、双極板の剛性を適度に確保できると共に、双極板への電解液の浸透を抑制できたからと考えられる。

断面積比が０．６９である試験体Ａは、双極板の全域にわたって電解液が浸透していた。そのため、試験体Ａは、電流効率が６５％と低かった。試験体Ａは、双極板に電解液が浸透したことで、双極板の第一面に流通される正極電解液と第二面に流通される負極電解液とが混合し、自己放電が生じたからと考えられる。断面積比が０．０４である試験体Ｈは、双極板と枠体との間に大きな剥離が見られた。そのため、試験体Ｈは、電流効率が７７％と低かった。試験体Ｈは、双極板と枠体とが大きく剥離したことで、双極板と枠体との接合部分で正極電解液と負極電解液とが混合し、自己放電が生じたからと考えられる。

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。例えば、試験例において、双極板の幅及び厚さＴ、各溝部の溝深さＤ、溝幅Ｗ、個数、形状、溝間距離Ｍ等を適宜変更できる。

１ 双極板
１ａ 第一面、１ｂ 第二面
１１ 第一縁、１２ 第二縁
１３ 中央領域、１４ 特定断面、１５ 被覆領域
２ 溝部、３ 畝部
５ 中央線、６ 縁間隔
Ｔ 厚さ、Ｄ 溝深さ、Ｗ 溝幅、Ｍ 溝間距離
８ セルフレーム
８０ 枠体、８１ 窓部
８２、８３ 給液マニホールド、８４、８５ 排液マニホールド
８２ｓ、８３ｓ 給液スリット、８４ｓ、８５ｓ 排液スリット
８６ 給液整流部、８７ 排液整流部
８８ シール溝、８９ シール部材
１００ 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 セルスタック、 ２１０、２２０ エンドプレート、２３０ 締結部材
６００ 交流／直流変換器、７００ 変電設備、８００ 発電部、９００ 負荷

Claims (14)

1. 互いに向かい合う第一面と第二面とを備える双極板であって、
   前記第一面及び前記第二面の各々は、第一縁と、第二縁と、中央領域とを備え、
   前記第一縁は、電解液が供給される側に位置する縁であり、
   前記第二縁は、前記電解液が排出される側に位置する縁であり、
   前記中央領域は、中央線から前記第一縁及び前記第二縁の各々に向かって縁間隔の２０％以内の領域であり、
   前記中央線は、前記第一縁と前記第二縁との間を二等分する線であり、
   前記縁間隔は、前記第一縁と前記第二縁との間隔であり、
   前記第一面及び前記第二面の少なくとも一方における前記中央領域は、前記電解液が流通される複数の溝部を備え、
   前記中央領域は、前記双極板を特定方向に切断した特定断面を備え、
   前記特定方向は、前記第一縁から前記第二縁に向かう方向と直交する方向であり、
   前記特定断面は、断面積比Ｂ／（Ａ＋Ｂ）が０．０５以上０．６０以下である断面であり、
   前記Ａは、前記双極板の実体部分の断面積であり、
   前記Ｂは、前記複数の溝部の合計断面積である、
   双極板。
2. 前記双極板の厚さが２ｍｍ以上１５ｍｍ以下である請求項１に記載の双極板。
3. 前記複数の溝部の各々における断面積は、０．８ｍｍ^２以上８ｍｍ^２以下である請求項１又は請求項２に記載の双極板。
4. 前記複数の溝部の各々における溝深さは、０．７ｍｍ以上７ｍｍ以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の双極板。
5. 前記複数の溝部の各々における溝幅は、０．６ｍｍ以上６ｍｍ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の双極板。
6. 隣り合う前記溝部間の距離は、１ｍｍ以上１０ｍｍ以下である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の双極板。
7. 前記複数の溝部における８０％以上の溝部は、同じ断面形状を有する請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の双極板。
8. 前記複数の溝部の各々における溝深さは、前記双極板の厚さの１５％以上３３％以下であり、
   前記複数の溝部の各々における溝幅は、１．２ｍｍ以上３ｍｍ以下であり、
   前記複数の溝部の各々における断面積は、１．５ｍｍ ^２ 以上３ｍｍ ^２ 以下である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の双極板。
9. 前記複数の溝部の個数は、２４０以上４００以下である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の双極板。
10. 前記断面積比Ｂ／（Ａ＋Ｂ）が０．０７以上である請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の双極板。
11. 請求項１から請求項１０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。
12. 請求項１１に記載のセルフレームを備える、
    電池セル。
13. 請求項１２に記載の電池セルを複数備える、
    セルスタック。
14. 請求項１２に記載の電池セル、又は請求項１３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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