JPWO2018116467A1 - 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

Abstract

正極電極に対向する面と負極電極に対向する面とにそれぞれ、各電極に電解液を導入する導入流路と、前記導入流路と連通せずに独立して設けられ、各電極から前記電解液を排出する排出流路と、を備え、前記導入流路は、導入側整流溝と、前記導入側整流溝に連通し、互いに離隔する複数の導入側分岐溝と、を備え、前記排出流路は、排出側整流溝と、前記排出側整流溝に連通し、互いに離隔する複数の排出側分岐溝と、を備え、前記導入側分岐溝は、前記排出側整流溝に向って延び、かつ前記排出側分岐溝は、前記導入側整流溝に向って延びており、前記導入側整流溝と前記排出側分岐溝との離隔距離Ｘ、および前記排出側整流溝と前記導入側分岐溝との離隔距離Ｙは共に、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるセルフレーム。

Description

本発明は、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ものである。

特許文献１〜４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、正極電極と負極電極との間に挟まれる双極板と、この双極板を外周から支持する枠体とを備える。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１〜４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、複数の溝部を有する流路を形成した構成が開示されている。

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

本開示のセルフレームは、
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、および前記双極板を外周側から支持する枠体を備えるセルフレームであって、
前記セルフレームにおける前記正極電極に対向する面と前記負極電極に対向する面とにそれぞれ、各電極に電解液を導入する導入流路と、前記導入流路と連通せずに独立して設けられ、各電極から前記電解液を排出する排出流路と、を備え、
前記導入流路は、導入側整流溝と、前記導入側整流溝に連通し、互いに離隔する複数の導入側分岐溝と、を備え、
前記排出流路は、排出側整流溝と、前記排出側整流溝に連通し、互いに離隔する複数の排出側分岐溝と、を備え、
前記導入側分岐溝は、前記排出側整流溝に向って延び、かつ前記排出側分岐溝は、前記導入側整流溝に向って延びており、
前記導入側整流溝と前記排出側分岐溝との離隔距離Ｘ、および前記排出側整流溝と前記導入側分岐溝との離隔距離Ｙは共に、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

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平面図である。 実施形態２に係るセルフレームの双極板を一面側から見た平面図である。 実施形態３に係るセルフレームを一面側から見た平面図である。

［本開示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期待されており、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。発明者らは、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ことができるセルフレーム、およびセルスタックを提供することを目的の一つとする。また、本開示は、電池性能に優れた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]
本開示のセルフレーム、およびセルスタックによれば、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。また、本開示のレドックスフロー電池は、電池性能に優れる。

［本願発明の実施形態の説明］
最初に本願発明の実施形態の内容を列記して説明する。

＜１＞実施形態に係るセルフレームは、
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、および前記双極板を外周側から支持する枠体を備えるセルフレームであって、
前記セルフレームにおける前記正極電極に対向する面と前記負極電極に対向する面とにそれぞれ、各電極に電解液を導入する導入流路と、前記導入流路と連通せずに独立して設けられ、各電極から前記電解液を排出する排出流路と、を備え、
前記導入流路は、導入側整流溝と、前記導入側整流溝に連通し、互いに離隔する複数の導入側分岐溝と、を備え、
前記排出流路は、排出側整流溝と、前記排出側整流溝に連通し、互いに離隔する複数の排出側分岐溝と、を備え、
前記導入側分岐溝は、前記排出側整流溝に向って延び、かつ前記排出側分岐溝は、前記導入側整流溝に向って延びており、
前記導入側整流溝と前記排出側分岐溝との離隔距離Ｘ、および前記排出側整流溝と前記導入側分岐溝との離隔距離Ｙは共に、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

セルフレームに上記導入流路を設けることで、セルフレームの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、双極板に隣接す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、セルフレームに上記排出流路を設けることで、電極に供給され、活物質の価数が変化した電解液を、電極の全面からムラなく速やかに回収することができる。

上記セルフレームでは、導入側整流溝と排出側分岐溝との離隔距離Ｘ、および排出側整流溝と導入側分岐溝との離隔距離Ｙを１ｍｍ以上３０ｍｍ以下としている。ここで、『離隔距離Ｘ，Ｙ』とは、整流溝と分岐溝の最短距離のことで、例えば、排出側分岐溝が先細り形状であれば、その先細りの突端から導入側整流溝までの最短距離が離隔距離Ｘとなる。また、『離隔距離Ｘ，Ｙが１ｍｍ以上３０ｍｍ以下』とは、双極板における複数の離隔距離Ｘ，Ｙの全てが１ｍｍ以上３０ｍｍ以下という意味である。例えば、排出側分岐溝（導入側分岐溝）が４本形成される双極板では、各排出側分岐溝（導入側分岐溝）と導入側整流溝（排出側整流溝）との４つの離隔距離Ｘ（離隔距離Ｙ）が全て、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。

離隔距離Ｘおよび離隔距離Ｙが１ｍｍ以上であれば、導入流路から電極を介さず排出流路に電解液が流れるリークパスを抑制することができる。リークパスを抑制することで、価数が変化せずにレドックスフロー電池のセル内から排出される活物質の量を減らすことができる。その分だけ、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。また、離隔距離Ｘおよび離隔距離Ｙが３０ｍｍ以下であれば、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レドックスフロー電池のセル内から抜け易くなる。その結果、セル内にガスが滞留することに伴う不具合、例えばセル内に滞留するガスによって電解液と電極との接触面積が減少する不具合を抑制でき、その不具合に起因するレドックスフロー電池のセル抵抗の上昇を抑制することができる。電解液へのガスの混入は、セルスタックからタンクに電解液が戻ってくる際や、セルスタックへの電解液の循環を開始した際にも生じる恐れがある。特に、セルスタックに最初に電解液を循環させる際や、電解液の循環の停止によってセルスタックから電解液が抜けた状態から電解液の循環を再開する際に、セル内のガスが抜けきらないと、レドックスフロー電池のセル抵抗が顕著に上昇する恐れがある。しかし、このような問題は、セル内からガスが抜け易くなっている実施形態のセルフレームでは生じ難い。以上説明したように、本例のセルフレームによれば、レドックスフロー電池のセル抵抗の上昇を抑制でき、その結果として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。

＜２＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記導入側整流溝、前記排出側整流溝、前記導入側分岐溝、および前記排出側分岐溝は全て、前記双極板に設けられている形態を挙げることができる。

上記セルフレームを用いてレドックスフロー電池を製造すれば、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。セルフレームの双極板に設けた整流溝と分岐溝との離隔距離が所定範囲にあることで、セル内でのリークパスとガスの滞留が抑制されるからである。

＜３＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記導入側整流溝および前記排出側整流溝は、前記枠体に設けられており、
前記導入側分岐溝および前記排出側分岐溝は、前記双極板に設けられている形態を挙げることができる。

上記セルフレームを用いてレドックスフロー電池を製造すれば、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。枠体に設けた整流溝と、双極板に設けた分岐溝との離隔距離が所定範囲にあることで、セル内でのリークパスとガスの滞留が抑制されるからである。

＜４＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記導入側分岐溝と前記排出側分岐溝とが交互に並んでおり、
隣接する前記導入側分岐溝と前記排出側分岐溝との離隔距離Ｚに対し、前記離隔距離Ｘおよび前記離隔距離Ｙは共に、前記離隔距離Ｚの１／１０以上１０倍以下である形態を挙げることができる。

離隔距離Ｚとは、電解液の流通方向に直交する方向における導入側分岐溝と排出側分岐溝との距離のことである。電解液の流通方向のどの位置における離隔距離Ｚも、離隔距離Ｘ，Ｙとの関係が上記範囲を満たす。ここで、電解液の流通方向とは、双極板における全体的な電解液の流れる方向のことで、例えば矩形状の双極板であれば、電解液が供給される側の辺から、電解液が排出される側の辺に向う方向のことである。例えば、後に実施形態１の説明で参照する図４では、太矢印で示される紙面上向きの方向のことである。

上記＜４＞の規定を数式にすれば、Ｚ／１０≦Ｘ≦１０Ｚであり、Ｚ／１０≦Ｙ≦１０Ｚである。離隔距離Ｘ，Ｙと離隔距離Ｚとの関係を上記不等式の関係とすることで、導入側分岐溝から排出側分岐溝へのリークパスをより効果的に抑制し易く、またセル内にガスが滞留することをより効果的に抑制し易い。その結果、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。

＜５＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
複数の前記離隔距離Ｘのバラツキが３ｍｍ以下である形態を挙げることができる。

各離隔距離Ｘのバラツキ（離隔距離Ｘのうち最長のものと、離隔距離Ｘのうち最短のものとの差）が３ｍｍ以下であれば、導入側整流溝から各排出側分岐溝への電解液の移動が均一的になり、電極の全面に電解液が行き渡り易くなる。バラツキが小さいほど、電解液の移動がより均一的になるので、例えば、当該バラツキを１ｍｍ以下としたり、複数の離隔距離Ｘの平均値に対する各離隔距離Ｘの差を平均値の±４％以内としたりすることが好ましい。より好ましくは、上記バラツキを公差の範囲内とする、即ち、各離隔距離Ｘの設計値を同一とし、各離隔距離Ｘを実質的に同一の長さとすると良い。ここで、一般的な公差の範囲（例えば、±４％以下）で、離隔距離Ｘが１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲を外れることは許容される。例えば、離隔距離Ｘの設計値が１ｍｍの場合、いずれかの離隔距離Ｘが０．９６ｍｍであったとしても、その離隔距離Ｘは実施形態の範囲に含まれると見做す。

＜６＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
複数の前記離隔距離Ｙのバラツキが３ｍｍ以下である形態を挙げることができる。

各離隔距離Ｙのバラツキが３ｍｍ以下であれば、各導入側分岐溝から排出側整流溝への電解液の移動が均一的になり、電極の全面からの電解液の排出をスムースにすることができる。バラツキが小さいほど、電解液の移動がより均一的になるので、例えば、当該バラツキを１ｍｍ以下としたり、複数の離隔距離Ｙの平均値に対する各離隔距離Ｙの差を平均値の±４％以内としたりすることが好ましい。より好ましくは、上記バラツキを前記一般的な公差の範囲内とする、即ち、各離隔距離Ｙの設計値を同一とし、各離隔距離Ｙを実質的に同一の長さとすると良い。離隔距離Ｙも、一般的な公差の範囲で、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下の範囲を外れることは許容される。

＜７＞実施形態に係るセルフレームの一形態として、
前記電解液の流通方向における異なる位置の複数の前記離隔距離Ｚのバラツキが２ｍｍ以下である形態を挙げることができる

各離隔距離Ｚのバラツキが２ｍｍ以下であれば、導入側分岐溝から排出側分岐溝への電解液の移動が均一的になり、電極の全面に電解液が行き渡り易くなる。離隔距離Ｚのバラツキを調べるには、電解液の流通方向における異なる複数箇所（例えば、等間隔に３箇所以上）離隔距離Ｚを測定し、比較すれば良い。離隔距離Ｚのバラツキが小さいほど、電解液の移動がより均一的になるので、例えば、当該バラツキを１ｍｍ以下としたり、複数の離隔距離Ｚの平均値に対する各離隔距離Ｚの差を平均値の±５％以内としたりすることが好ましい。より好ましくは、バラツキを前記一般的な公差の範囲内とする、即ち、互いに隣接する導入側分岐溝と排出側分岐溝とがほぼ等距離で並走するようにすると良い。離隔距離Ｚも、一般的な公差の範囲で、２ｍｍ超となることは許容される。

＜８＞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を製造すれば、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。セルスタックを構成するセルフレームに備わる実施形態の双極板によって、セルスタックにおけるセル内でのリークパスとガスの滞留が抑制されるからである。

＜９＞実施形態に係るセルスタックの一形態として、
前記正極電極と前記負極電極の目付量が３０ｇ／ｍ^２以上である形態を挙げることができる。

一般に、電極の目付量が高くなれば、セル内のガスが抜け難くなる。これに対して、実施形態に係るセルスタックは、実施形態のセルフレームを採用することでセル内からガスが抜け易い構成となっている。そのため、実施形態に係るセルスタックの電極として、目付量が３０ｇ／ｍ^２以上の電極を採用しても、セル内にガスが滞留し難い。

＜１０＞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、電池性能に優れる。

＜１１＞実施形態に係るレドックスフロー電池の一形態として、
前記セルスタックを循環する電解液の粘度が１０^−２Ｐａ・ｓ以下である形態を挙げることができる。

一般に、電解液の粘度が低くなると、電解液のリークパスが発生し易い。これに対して、実施形態に係るレドックスフロー電池は、実施形態のセルフレームを採用することでリークパスが生じ難い構成となっている。そのため、実施形態に係るレドックスフロー電池の電解液として、粘度が１０^−２Ｐａ・ｓ以下の電解液を採用しても、リークパスに起因するレドックスフロー電池の電池性能の低下が生じ難い。

＜１２＞実施形態に係るレドックスフロー電池の一形態として、
表面に溝の無い双極板を使用したレドックスフロー電池に比べて、セル抵抗率が３０％以上小さい形態を挙げることができる。

セル抵抗率が小さいレドックスフロー電池は、充放電時のエネルギー損失が小さく、自然エネルギーを効率良く蓄電できるため、好ましい。ここで『表面に溝の無い双極板を使用したレドックスフロー電池』とは、溝の有無を除いて、同様の構成、つまり形状、寸法、材質が実施形態に係るレドックスフロー電池と同じレドックスフロー電池である。

［本発明の実施形態の詳細］
以下、本開示の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〜図５に基づいて説明する。

≪ＲＦ電池≫
ＲＦ電池は、電解液循環型の蓄電池の一つであって、太陽光発電や風力発電といった新エネルギーの蓄電に利用されている。図１のＲＦ電池１の動作原理図に示すように、ＲＦ電池１は、正極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位と、負極用電解液に含まれる活物質イオンの酸化還元電位との差を利用して充放電を行う電池である。ＲＦ電池１は、水素イオンを透過させる隔膜１０１で正極セル１０２と負極セル１０３とに分離されたセル１００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。導管１０８にはポンプ１１２が設けられており、これら部材１０６，１０８，１１０，１１２によって正極用電解液を循環させる正極用循環機構１００Ｐが構成されている。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。導管１０９にはポンプ１１３が設けられており、これらの部材１０７，１０９，１１１，１１３によって負極用電解液を循環させる負極用循環機構１００Ｎが構成されている。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によりセル１０２，１０３内に循環される。充放電を行なわない場合、ポンプ１１２，１１３は停止され、電解液は循環されない。

≪セルスタック≫
上記セル１００は通常、図２、図３に示すような、セルスタック２と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック２は、サブスタック２００（図３）と呼ばれる積層構造物をその両側から二枚のエンドプレート２１０，２２０で挟み込み、締付機構２３０で締め付けることで構成されている（図３に例示する構成では、複数のサブスタック２００を用いている）。

サブスタック２００（図３）は、セルフレーム３、正極電極１０４、隔膜１０１、および負極電極１０５を複数積層し、その積層体を給排板１９０，１９０（図３の下図参照、図２では省略）で挟み込んだ構成を備える。上記構成を備える本実施形態のＲＦ電池１の特徴の一つとして、セルフレーム３の構成を挙げることができる。以下、セルフレーム３の構成を詳細に説明する。

≪セルフレーム≫
セルフレーム３は、貫通窓を有する枠体３２と、貫通窓を塞ぐ双極板３１と、を有している。つまり、枠体３２は、双極板３１をその外周側から支持している。双極板３１の一面側には正極電極１０４が接触するように配置され、双極板３１の他面側には負極電極１０５が接触するように配置される。この構成では、隣接する各セルフレーム３に嵌め込まれた双極板３１の間に一つのセル１００が形成されることになる。

図３に示す給排板１９０，１９０を介したセル１００への電解液の流通は、セルフレーム３に形成される給液用マニホールド３３，３４と、排液用マニホールド３５，３６により行われる（図４を合わせて参照）。正極用電解液は、給液用マニホールド３３からセルフレーム３の一面側（紙面表側）に形成される入口スリット３３ｓ（図４）を介して正極電極１０４に供給され、セルフレーム３の上部に形成される出口スリット３５ｓ（図４）を介して排液用マニホールド３５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３４からセルフレーム３の他面側（紙面裏側）に形成される入口スリット３４ｓ（図４）を介して負極電極１０５に供給され、セルフレーム３の上部に形成される出口スリット３６ｓ（図４）を介して排液用マニホールド３６に排出される。各セルフレーム３間には、平パッキンなどの環状シール部材３７（図３）が配置され、サブスタック２００からの電解液の漏れが抑制されている。

本例では、図４の平面図に示すように、入口スリット３３ｓを介して双極板３１の表面（紙面手前側の面）に供給された正極電解液が正極電極１０４（図３）の全面にムラなく行き渡るように、双極板３１の表面に導入流路４が形成されている。また、正極電極１０４（図３）で価数が変化した正極活物質を含む正極電解液を正極電極１０４の全面から速やかに回収し、出口スリット３５ｓに導く排出流路５が形成されている。図４では、双極板３１における導入流路４と排出流路５以外の部分をクロスハッチングで示しており、図４に示すように導入流路４と排出流路５とは互いに連通せずに独立して設けられている。このような双極板３１における全体的な電解液の流れる方向（流通方向）は、図４の左側に太線矢印で示すように、紙面上方向となる。

ここで、双極板３１の裏面には、負極電解液を負極電極１０５（図３）に供給する導入流路と負極電解液を排出する排出流路とが形成されている。双極板３１の裏面の導入流路と排出流路の構成は、図４に示す導入流路４と排出流路５と同じであるため、その説明を省略し、以降の説明では主に正極側の構成について説明する。

導入流路４は、導入側整流溝４０と複数の導入側分岐溝４１とを備える。本例の導入側整流溝４０は、流通方向に交差する方向（本例では直交する方向）に延びており、入口スリット３３ｓに繋がっている。一方、導入側分岐溝４１は、導入側整流溝４０に交差する方向（本例では直交する方向）に延びている。この導入側分岐溝４１の延伸方向は、流通方向にほぼ沿った方向であって、後述する排出側整流溝５０に向う方向である。各導入側分岐溝４１は、互いに離隔している。このような導入流路４の構成によって、入口スリット３３ｓから双極板３１に導入された正極電解液は、導入側整流溝４０の延伸方向に分散すると共に、導入側分岐溝４１を通って双極板３１の全面に行き渡る。正極電解液が各溝４０，４１から各溝５０，５１に行き渡る過程で、正極電解液は、双極板３１の表面に配置される正極電極１０４（図３）に染み込み、正極電解液に含まれる正極活物質の価数が変化する。

上記導入側分岐溝４１は、本例に示すように、流通方向に対して平行に延びていても良いし、斜行していても良いし、あるいは蛇行していても良い。また、導入側分岐溝４１の幅は、図示するように一様とすることの他に、変化させても構わない。例えば、先端に行くほど導入側分岐溝４１の幅が狭くなるようにすることができ、その場合、導入側分岐溝４１は台形状または三角形状となる。

排出流路５は、排出側整流溝５０と複数の排出側分岐溝５１とを備える。本例の排出側整流溝５０は、流通方向に交差する方向（本例では直交する方向）に延びており、出口スリット３５ｓに繋がっている。一方、排出側分岐溝５１は、排出側整流溝５０に交差する方向（本例では直交する方向）に延びている。この排出側分岐溝５１の延伸方向は、流通方向と逆向きの方向であって、上述した導入側整流溝４０に向う方向である。各排出側分岐溝５１は、互いに離隔しており、当該離隔方向に排出側分岐溝５１と上述した導入側分岐溝４１とは交互に並んでいる。各排出側分岐溝５１によって正極電極１０４（図３）から回収された正極電解液は、排出側整流溝５０で合流し、出口スリット３５ｓに排出される。排出側分岐溝５１が双極板３１の全面に分散して配置されているため、正極電極１０４（図３）の全面から正極電解液を回収することができる。

上記排出側分岐溝５１は、本例に示すように、流通方向に対して平行に延びていても良いし、斜行していても良いし、あるいは蛇行していても良い。また、排出側分岐溝５１の幅は、図示するように一様とすることの他に、変化させても構わない。例えば、先端に行くほど排出側分岐溝５１の幅が狭くなるようにすることができ、その場合、排出側分岐溝５１は台形状または三角形状となる。

ここで、導入側整流溝４０と各排出側分岐溝５１との離隔距離Ｘ、および排出側整流溝５０と各導入側分岐溝４１との離隔距離Ｙは共に１ｍｍ以上３０ｍｍ以下とする。本例では、６本の排出側分岐溝５１があり、各排出側分岐溝５１と導入側整流溝４０との間の６つの離隔距離Ｘの全てが１ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。また、本例では、６本の導入側分岐溝４１があり、各導入側分岐溝４１と排出側整流溝５０との間の６つの離隔距離Ｙの全てが１ｍｍ以上３０ｍｍ以下である。各離隔距離Ｘ，Ｙは、本例では実質的に同じとしているが、異なっていても良い。例えば並列される６本のうち、３本の分岐溝５１の離隔距離Ｘが１０ｍｍで、残りの離隔距離Ｘが２０ｍｍなどとすることができる（離隔距離Ｙも同様）。また、離隔距離Ｘ，Ｙの各々が異なっていても良い。いずれにせよ、全ての離隔距離Ｘ、Ｙが１〜３０ｍｍの範囲内にあれば良い。

離隔距離Ｘ（Ｙ）が１ｍｍ以上であれば、導入流路４から排出流路５に正極電解液が集中的に流れるリークパスを抑制することができる。リークパスを抑制することで、価数が変化せずにＲＦ電池１（図１，２参照）のセル１００内から排出される活物質の量を減らすことができる。その分だけ、ＲＦ電池１の電池性能を向上させることができる。また、離隔距離Ｘ（Ｙ）が３０ｍｍ以下であれば、正極電解液の電池反応に伴って発生するガスや、正極電解液にもともと混入しているガス、正極電解液の循環に伴って正極電解液に混入するガスなどがＲＦ電池１のセル１００内から抜け易くなる。その結果、セル１００内にガスが滞留することに伴う不具合、例えばガスによって正極電解液と正極電極１０４との接触面積が減少することによるＲＦ電池１のセル抵抗の上昇を抑制することができる。セル抵抗の上昇を抑制した分だけ、ＲＦ電池１の電池性能を向上させることができる。離隔距離Ｘ，Ｙの好ましい値は、２ｍｍ以上２０ｍｍ以下であり、３ｍｍ以上１０ｍｍ以下とすることがより好ましい。

導入側整流溝４０と各排出側分岐溝５１との離隔距離Ｘのバラツキは３ｍｍ以下とすることが好ましい。そうすることで、導入側整流溝４０から各排出側分岐溝５１への正極電解液の移動が均一的になり、正極電極１０４（図１−３参照）の全面に正極電解液が行き渡り易くなるからである。この効果は、離隔距離Ｘのバラツキ小さくなるほど高くなるので、当該バラツキは１ｍｍ以下とすることが好ましく、実質的に０ｍｍとする（つまり、各離隔距離Ｘの設定値を同じにする）ことがより好ましい。また、排出側整流溝５０と各導入側分岐溝４１との離隔距離Ｙのバラツキは３ｍｍ以下とすることが好ましい。そうすることで、導入側分岐溝４１から排出側整流溝５０への正極電解液の移動が均一的になり、正極電極１０４（図１−３参照）の全面からの正極電解液の排出をスムースにすることができる。この効果は、離隔距離Ｙのバラツキが小さくなるほど高くなるので、離隔距離Ｙは１ｍｍ以下とすることが好ましく、実質的に０ｍｍとする（つまり、各離隔距離Ｙの設定値を同じにする）ことがより好ましい。

さらに、互いに隣接する導入側分岐溝４１と排出側分岐溝５１との離隔距離Ｚは、Ｚ／１０≦Ｘ≦１０Ｚ、Ｚ／１０≦Ｙ≦１０Ｚを満たすことが好ましい。電解液の流通方向のどの位置における離隔距離Ｚも、離隔距離Ｘ，Ｙとの関係が上記範囲を満たす。

離隔距離Ｘ，Ｙと離隔距離Ｚとが上記不等式を満たすことで、より効果的に、導入側分岐溝４１から排出側分岐溝５１へのリークパスを抑制しつつ、セル１００（図２）内にガスが滞留することを抑制できる。その結果、ＲＦ電池１（図２）の電池性能を向上させることができる。離隔距離Ｘと離隔距離Ｚは、Ｚ／８≦Ｘ≦９Ｚを満たすことがより好ましく、Ｚ／３≦Ｘ≦７Ｚを満たすことが更に好ましい。また、離隔距離Ｙと離隔距離Ｚは、Ｚ／８≦Ｙ≦９Ｚを満たすことがより好ましく、Ｚ／３≦Ｙ≦７Ｚを満たすことが更に好ましい。

また、離隔距離Ｚのバラツキは、２ｍｍ以下とすることが好ましい。離隔距離Ｚのバラツキを調べるには、電解液の流通方向における異なる複数箇所（例えば、等間隔に３箇所以上）離隔距離Ｚを測定し、比較すれば良い。離隔距離Ｚのバラツキが小さい構成はつまり、互いに隣接する導入側分岐溝４１と排出側分岐溝５１とがほぼ等距離で並走する構成である。このような構成とすることで、導入側分岐溝４１から排出側分岐溝５１への正極電解液の移動が均一的になり、正極電極１０４（図１−３参照）の全面に正極電解液が行き渡り易くなる。離隔距離Ｚのバラツキは小さいほど好ましく、例えば１ｍｍ以下とすることが好ましく、実質的に０ｍｍとする（つまり、各離隔距離Ｚの設定値を同じにする）ことがより好ましい。

≪効果≫
図４を参照して説明した導入流路４と排出流路５を備える双極板３１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。導入流路４と排出流路５とが所定の条件を満たすことで、ＲＦ電池１のセル１００内でリークパスが生じ難く、また電解液中のガスがセル１００内に滞留し難いからである。

≪その他の構成≫
電極１０４，１０５（図３参照）の目付量を大きくすれば、電極１０４，１０５と電解液との接触面積が大きくなりＲＦ電池１（図１，２参照）の電池性能が向上する。その反面、電極１０４，１０５の空隙が狭く複雑になり、セル１００内にガスが滞留し易くなる。本例のＲＦ電池１では、図４に示す双極板３１を採用することで、セル１００内のガスが抜け易くなっているため、電極１０４，１０５の目付量を大きくすることができる。具体的には、例えば電極１０４，１０５の目付量を３０ｇ／ｍ^２以上とすることができる。当該目付量は５０ｇ／ｍ^２以上とすることもできる。当該目付量の上限値は、５００ｇ／ｍ^２とすることが挙げられる。

また、電解液の粘度を低くすれば、電解液を循環させるポンプ１１２，１１３（図１，２参照）の負荷を低減でき、ＲＦ電池１のランニングコストを低減することができる。その反面、電解液のリークパスが生じ易くなる可能性がある。本例のＲＦ電池１では、図４に示す双極板３１を採用することで、リークパスが生じ難くなっているため、電解液の粘度を小さくすることができる。具体的には、例えば電解液の粘度を１０^−２Ｐａ・ｓ以下とすることができる。当該粘度は８×１０^−３Ｐａ・ｓ以下とすることもできる。当該粘度の下限値は、１０^−３Ｐａ・ｓである。

＜実施形態２＞
実施形態２では、双極板３１における導入流路４と排出流路５の形成状態が実施形態１と異なる例を図５に基づいて説明する。双極板３１以外の構成は実施形態１とほぼ同様の物を利用できるため、図５には双極板３１のみを図示し、実施形態２では双極板３１以外の説明は省略する。

図５の双極板３１は、太線矢印で示す流通方向に長くなっている。この双極板３１に備わる導入流路４の導入側整流溝４０、および排出流路５の排出側整流溝５０は、流通方向に沿った方向に延びている。このような構成においても、導入側整流溝４０と排出側分岐溝５１との離隔距離Ｘ、および排出側整流溝５０と導入側分岐溝４１との離隔距離Ｙは、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下とする。また、離隔距離Ｘ，Ｙと離隔距離Ｚは、Ｚ／１０≦Ｘ≦１０Ｚ、Ｚ／１０≦Ｙ≦１０Ｚとすることが好ましい。

≪効果≫
本例の構成によっても、ＲＦ電池１（図１−２参照）のセル１００内でリークパスが生じ難く、また電解液中のガスがセル１００内に滞留し難くなるため、その分だけＲＦ電池１の電池性能を向上させることができる。

＜実施形態３＞
実施形態３では、枠体３２に整流溝４０，５０を、双極板３１に分岐溝４１、５１を設けたセルフレーム３を図６に基づいて説明する。

図６に示すように、本例のセルフレーム３では、枠体３２の内周縁部（双極板３１が嵌め込まれる貫通窓に近接する部分）のうち、給液用マニホールド３３，３４側の辺に導入側整流溝４０が設けられ、排液用マニホールド３５，３６側の辺に排出側整流溝５０が設けられている。導入側整流溝４０は、給液用マニホールド３３，３４の並列方向に沿って延び、その上端側（排液用マニホールド３５，３６側）が貫通窓に繋がっている。また、排出側整流溝５０は、排液用マニホールド３５，３６の並列方向に沿って延び、その下端側（給液用マニホールド３３，３４側）が貫通窓に繋がっている。

一方、双極板３１には、導入側分岐溝４１と排出側分岐溝５１とが交互に並んで設けられている。導入側分岐溝４１は、導入側整流溝４０に繋がっているが、排出側整流溝５０には繋がっていない。また排出側分岐溝５１は、排出側整流溝５０に繋がっているが導入側整流溝４０には繋がっていない。

上記構成においても、離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚを実施形態１と同様に設定することで、セル１００内でリークパスと、セル１００内のガスの滞留を抑制でき、ＲＦ電池１の電池性能を向上させることができる。本例における離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚはそれぞれ、実施形態１と同様に、導入側整流溝４０と各排出側分岐溝５１との離隔距離、排出側整流溝５０と各導入側分岐溝４１との離隔距離、および隣接する導入側分岐溝４１と排出側分岐溝５１との離隔距離である。

≪効果≫
本例の構成によっても、ＲＦ電池１（図１−２参照）のセル１００内でリークパスが生じ難く、また電解液中のガスがセル１００内に滞留し難くなるため、その分だけＲＦ電池１の電池性能を向上させることができる。

≪その他≫
整流溝４０，５０を枠体３２に、分岐溝４１，５２を設ける構成は、実施形態２に示すような、電解液の流通方向に長いセルフレームにも適用することができる。

＜試験例１＞
離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚが異なる図４の双極板３１を備えるセルフレーム３を用いた複数のＲＦ電池１（試験体Ａ〜Ｇ）を作製した。また、表面に溝（導入流路および排出流路）を有さないＲＦ電池（試験体Ｈ）を作製した。電極１０４，１０５（図１，２参照）の目付量は１５０〜２００ｇ／ｍ^２、電解液の粘度は４×１０^−３Ｐａ・ｓであった。そして、各ＲＦ電池１を用いて充放電試験を行なうことで、各ＲＦ電池１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。

・試験体Ａ
試験体Ａの双極板３１における離隔距離Ｘ，Ｙは１ｍｍ、離隔距離Ｚは１ｍｍであった。また、離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚのバラツキはそれぞれ、公差の範囲内であった。この試験体Ａのセル抵抗率は、０．６３Ω・ｃｍ^２であった。
・試験体Ｂ
試験体Ｂの双極板３１における離隔距離Ｘ，Ｙは３ｍｍ、離隔距離Ｚは３ｍｍであった。また、離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚのバラツキはそれぞれ、公差の範囲内であった。その他の条件（形状、寸法、材質など）は、試験体Ａと全く同じであった。この試験体Ｂのセル抵抗率は、０．５８Ω・ｃｍ^２であった。
・試験体Ｃ
試験体Ｃの双極板３１における離隔距離Ｘ，Ｙは７ｍｍ、離隔距離Ｚは７ｍｍであった。また、離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚのバラツキはそれぞれ、公差の範囲内であった。その他の条件は、試験体Ａと全く同じであった。この試験体Ｃのセル抵抗率は、０．５７Ω・ｃｍ^２であった。
・試験体Ｄ
試験体Ｄの双極板３１における離隔距離Ｘ，Ｙは３ｍｍ、離隔距離Ｚは１ｍｍであった。また、離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚのバラツキはそれぞれ、公差の範囲内であった。その他の条件は、試験体Ａと全く同じであった。この試験体Ｄのセル抵抗率は、０．６５Ω・ｃｍ^２であった。
・試験体Ｅ
試験体Ｅの双極板３１における離隔距離Ｘ，Ｙは３ｍｍ、離隔距離Ｚは７ｍｍであった。また、離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚのバラツキはそれぞれ、公差の範囲内であった。その他の条件は、試験体Ａと全く同じであった。この試験体Ｅのセル抵抗率は、０．５５Ω・ｃｍ^２であった。
・試験体Ｆ
試験体Ｆの双極板３１における離隔距離Ｘ，Ｙは２６ｍｍ、離隔距離Ｚは４ｍｍであった。また、離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚのバラツキはそれぞれ、公差の範囲内でであった。その他の条件は、試験体Ａと全く同じであった。この試験体Ｆのセル抵抗率は、０．５７Ω・ｃｍ^２であった。
・試験体Ｇ
試験体Ｇの双極板３１における離隔距離Ｘ，Ｙは４１ｍｍ、離隔距離Ｚは１ｍｍであった。また、離隔距離Ｘ，Ｙ，Ｚのバラツキはそれぞれ、公差の範囲内であった。その他の条件（形状、寸法、材質など）は、試験体Ａと全く同じであった。この試験体Ｇのセル抵抗率は、０．７１Ω・ｃｍ^２であった。
・試験体Ｈ
試験体Ｈは、導入流路および排出流路を有さないセルフレームを用いたＲＦ電池である。流路の有無以外の条件（形状、寸法、材質など）は、試験体Ａと全く同じであった。この試験体Ｈのセル抵抗率は、０．９７Ω・ｃｍ^２であった。

≪試験結果のまとめ≫
上述した試験体のセル抵抗率の比較により、離隔距離Ｘ，Ｙが１ｍｍ以上３０ｍｍ以下とすることで、ＲＦ電池１のセル抵抗率を低減できることが明らかになった。また、離隔距離Ｘ，Ｙと離隔距離Ｚとが、Ｚ／１０≦Ｘ≦１０Ｚ、Ｚ／１０≦Ｙ≦１０Ｚを満たすことで、ＲＦ電池１のセル抵抗率を低減できることが明らかになった。さらに、離隔距離Ｘ，Ｙが１ｍｍ以上３０ｍｍ以下である流路４，５を有する試験体Ａ〜Ｆと、流路を有さない試験体Ｈと、を比較した結果、試験体Ａ〜Ｆのセル抵抗率は、試験体Ｈのセル抵抗率よりも３０％以上小さかった。このように、セル抵抗率が小さいＲＦ電池１は、充放電時のエネルギー損失が小さく、効率的に運用することができる。

１ ＲＦ電池（レドックスフロー電池）
２ セルスタック
３ セルフレーム
３１ 双極板 ３２ 枠体
３３，３４ 給液用マニホールド ３５，３６ 排液用マニホールド
３３ｓ，３４ｓ 入口スリット ３５ｓ，３６ｓ 出口スリット
３７ 環状シール部材
４ 導入流路 ４０ 導入側整流溝 ４１ 導入側分岐溝
５ 排出流路 ５０ 排出側整流溝 ５１ 排出側分岐溝
１００ セル １０１ 隔膜 １０２ 正極セル １０３ 負極セル
１００Ｐ 正極用循環機構 １００Ｎ 負極用循環機構
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 １０８，１０９，１１０，１１１ 導管
１１２，１１３ ポンプ
１９０ 給排板 ２００ サブスタック
２１０，２２０ エンドプレート
２３０ 締付機構

Claims (12)

1. 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、および前記双極板を外周側から支持する枠体を備えるセルフレームであって、
   前記セルフレームにおける前記正極電極に対向する面と前記負極電極に対向する面とにそれぞれ、各電極に電解液を導入する導入流路と、前記導入流路と連通せずに独立して設けられ、各電極から前記電解液を排出する排出流路と、を備え、
   前記導入流路は、導入側整流溝と、前記導入側整流溝に連通し、互いに離隔する複数の導入側分岐溝と、を備え、
   前記排出流路は、排出側整流溝と、前記排出側整流溝に連通し、互いに離隔する複数の排出側分岐溝と、を備え、
   前記導入側分岐溝は、前記排出側整流溝に向って延び、かつ前記排出側分岐溝は、前記導入側整流溝に向って延びており、
   前記導入側整流溝と前記排出側分岐溝との離隔距離Ｘ、および前記排出側整流溝と前記導入側分岐溝との離隔距離Ｙは共に、１ｍｍ以上３０ｍｍ以下であるセルフレーム。
2. 前記導入側整流溝、前記排出側整流溝、前記導入側分岐溝、および前記排出側分岐溝は全て、前記双極板に設けられている請求項１に記載のセルフレーム。
3. 前記導入側整流溝および前記排出側整流溝は、前記枠体に設けられており、
   前記導入側分岐溝および前記排出側分岐溝は、前記双極板に設けられている請求項１に記載のセルフレーム。
4. 前記導入側分岐溝と前記排出側分岐溝とが交互に並んでおり、
   隣接する前記導入側分岐溝と前記排出側分岐溝との離隔距離Ｚに対し、前記離隔距離Ｘおよび前記離隔距離Ｙは共に、前記離隔距離Ｚの１／１０以上１０倍以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のセルフレーム。
5. 複数の前記離隔距離Ｘのバラツキが３ｍｍ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のセルフレーム。
6. 複数の前記離隔距離Ｙのバラツキが３ｍｍ以下である請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のセルフレーム。
7. 前記電解液の流通方向における異なる位置の複数の前記離隔距離Ｚのバラツキが２ｍｍ以下である請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセルフレーム。
8. 請求項１から請求項６のいずれか１項に記載のセルフレームを備えるセルスタック。
9. 前記正極電極と前記負極電極の目付量が３０ｇ／ｍ^２以上である請求項８に記載のセルスタック。
10. 請求項９に記載のセルスタックを備えるレドックスフロー電池。
11. 前記セルスタックを循環する電解液の粘度が１０^−２Ｐａ・ｓ以下である請求項１０に記載のレドックスフロー電池。
12. 表面に溝の無い双極板を使用したレドックスフロー電池に比べて、セル抵抗率が３０％以上小さい請求項１０または請求項１１に記載のレドックスフロー電池。

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