WO2017208570A1 - 双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池 - Google Patents

Abstract

一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、当該双極板の少なくとも一面は、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、前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、前記起伏部は、前記畝部の表面の少なくとも一部に設けられた粗面を備え、前記粗面は、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上１０μｍ以下である双極板。

Description

双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池

　本発明は、双極板、セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池に関する。
　本出願は、２０１６年５月３０日付の日本国出願の特願２０１６－１０７７５６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。

　大容量の蓄電池の一つとして、電解液を電極に供給して電池反応を行うレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池と呼ぶことがある）が知られている。ＲＦ電池の用途としては、負荷平準化用途の他、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などの自然エネルギーの出力平滑化用途などが挙げられる。

　ＲＦ電池は、代表的には、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する。大容量用途では、複数の電池セルを積層し、ある程度締め付けて構成されるセルスタックと呼ばれるものが利用される。隣り合う電池セル間には、通常、双極板が介在される。つまり、セルスタックは、ある双極板、正極電極、隔膜、負極電極、別の双極板、…と順に繰り返し積層して構成される。

　ＲＦ電池は、代表的には、ＲＦ電池に電解液を循環供給する循環機構を備えるＲＦ電池システムを構築して利用される。循環機構は、正極電解液及び負極電解液をそれぞれ貯留するタンクと、各タンクとＲＦ電池とをそれぞれ接続する配管と、配管に設けられるポンプとを備える。特許文献１，２では、ポンプにより各電極に流通される電解液の各セル内での電解液の流れを調整するために、電解液が流通する複数の溝部を有する双極板を用いている。双極板における電極側の面に溝部を有することで、電極に流通される電解液の流れを調整して、電解液の圧力損失を低減している。また、双極板における電極側の面に溝部を有することで、溝部間に位置する部分（以下、畝部と呼ぶ）を介して隣り合う溝部を渡るように電解液が流れ、この畝部に対向する電極において電解液が電池反応を行い、未反応のまま排出される電解液を低減している。

特開２０１５－１２２２３０号公報 特開２０１５－２１０８４９号公報

　本開示に係る双極板は、
　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
　当該双極板の少なくとも一面は、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、
　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
　前記起伏部は、前記畝部の表面の少なくとも一部に設けられた粗面を備え、
　前記粗面は、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上１０μｍ以下である。

　本開示に係る双極板は、
　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
　当該双極板の少なくとも一面は、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、
　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
　前記起伏部は、隣り合う前記溝部の並列方向に高低差を有するように設けられた段差を備え、
　前記段差は、最大高低差が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

　本開示に係る双極板は、
　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
　当該双極板の少なくとも一面は、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、
　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
　前記起伏部は、隣り合う前記溝部の一方の溝部側から他方の溝部側に向かって傾斜する傾斜面を備え、
　前記傾斜面は、高低差が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

　本開示に係るセルフレームは、上記本開示に係る双極板のいずれか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。

　本開示に係るセルスタックは、上記本開示に係るセルフレームと、正極電極と、隔膜と、負極電極とを複数積層してなる。

　本開示に係るレドックスフロー電池は、上記本開示に係るセルスタックを備える。

実施形態１に係る双極板に設けられた対向櫛歯形状の流路を表す概略平面図である。 実施形態１に係る双極板に設けられた溝部及び畝部の形状を表す概略拡大断面図である。 実施形態２に係る双極板に設けられた溝部及び畝部の形状を表す概略拡大断面図である。 実施形態３に係る双極板に設けられた溝部及び畝部の形状を表す概略拡大断面図である。 レドックスフロー電池の概略説明図である。 レドックスフロー電池に備わるセルスタックの概略構成図である。 試験例１の双極板における段差とセル抵抗との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。

　［本開示が解決しようとする課題］
　特許文献１，２の双極板は、その最表面の大部分が各溝部間に位置する畝部で形成される。この畝部の表面は平坦面で構成されているため、電極と双極板との間に摩擦がなく、電池セルの組立時に、電極と双極板との間で位置ずれが発生する虞がある。

　そこで、本開示は、電池セルの組立時に電極の位置ずれを容易に防止できる双極板を提供することを目的の一つとする。また、電解液の拡散性にも優れる双極板を提供することを更なる目的の一つとする。上記双極板を備えるセルフレーム及びこのセルフレームを備えるセルスタック、並びにこのセルスタックを備える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］
　上記双極板は、電池セルの組立時に電極の位置ずれを容易に防止できる。また、上記双極板は、電解液の拡散性にも優れる。上記セルフレーム及びセルスタック、並びにレドックスフロー電池は、電池セルの組立時に電極の位置ずれを防止でき、電解液の拡散性にも優れる。

　［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、
　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
　当該双極板の少なくとも一面は、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、
　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
　前記起伏部は、前記畝部の表面の少なくとも一部に設けられた粗面を備え、
　前記粗面は、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上１０μｍ以下である。

　上記双極板は、正極電極や負極電極と接触する畝部に起伏部を備えることで、起伏部によって電極との間に摩擦が生じ、その摩擦によって電極の滑りを抑制することができる。よって、上記双極板は、双極板の表面に電極を配置するだけで電極を双極板上に保持することができ、電池セルの組立時であっても電極と双極板との間で位置ずれが発生することを容易に防止することができる。

　また、上記双極板は、正極電極や負極電極と接触する畝部に起伏部を備えることで、隣り合う溝部間を渡るように電解液が流れるとき、起伏部によって電解液の流速が変化して乱流を生じさせ易い。畝部で乱流が生じると、畝部に対向配置される電極内へ電解液が強制拡散され、電解液に含まれる活物質イオンを電極内に均一的に供給することができ、電池反応性を向上できると考えられる。

　起伏部が粗面を備えることで、電極と双極板との間に摩擦を生じさせ易く、双極板に対する電極の位置ずれを防止し易い。粗面の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上であることで、双極板に対する電極の位置ずれを防止できる。一方、粗面の表面粗さが算術平均粗さＲａで１０μｍ以下であることで、双極板に対して電極を隙間なく配置し易い。双極板と電極との間に隙間が生じると、畝部を介して隣り合う溝部間を渡るように流れる電解液が電極内へ拡散され難く、電解液が未反応となる虞があるためである。

　（２）本発明の実施形態に係る双極板は、
　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
　当該双極板の少なくとも一面は、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、
　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
　前記起伏部は、隣り合う前記溝部の並列方向に高低差を有するように設けられた段差を備え、
　前記段差は、最大高低差が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

　起伏部が段差を備えることで、高い部分から低い部分に亘る稜線部分で電極を引っ掛けることができ、双極板に対する電極の位置ずれを防止し易い。また、起伏部が段差を備えることで、隣り合う溝部間を渡るように電解液が流れるとき、段状の高低差で電解液の流速を大きく変化させ易く、電解液の拡散性を向上させ易い。段差の最大高低差が０．１ｍｍ以上であることで、双極板に対する電極の位置ずれを防止できると共に、電解液の拡散性を向上させ易い。一方、段差の最大高低差が０．５ｍｍ以下であることで、双極板に対して電極を隙間なく配置し易い。

　（３）本発明の実施形態に係る双極板は、
　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
　当該双極板の少なくとも一面は、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、
　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
　前記起伏部は、隣り合う前記溝部の一方の溝部側から他方の溝部側に向かって傾斜する傾斜面を備え、
　前記傾斜面は、高低差が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。

　起伏部が傾斜面を備えることで、傾斜面の高い側の縁部で電極を引っ掛けることができ、双極板に対する電極の位置ずれを防止し易い。また、起伏部が傾斜面を備えることで、隣り合う溝部間を渡るように電解液が流れるとき、傾斜面の高低差で電解液の流速を大きく変化させ易く、電解液の拡散性を向上させ易い。傾斜面の高低差が０．１ｍｍ以上であることで、双極板に対する電極の位置ずれを防止できると共に、電解液の拡散性を向上させ易い。一方、傾斜面の高低差が０．５ｍｍ以下であることで、双極板に対して電極を隙間なく配置し易い。

　（４）上記の双極板の一例として、
　前記導入溝部と前記排出溝部とは、以下の（Ａ）から（Ｃ）のいずれかを満たす形態が挙げられる。
　（Ａ）前記導入溝部と前記排出溝部とはそれぞれ櫛歯形状の領域を備え、これらの櫛歯が互いに噛み合って対向配置される噛合型の対向櫛歯形状である。
　（Ｂ）前記導入溝部と前記排出溝部とはそれぞれ櫛歯形状の領域を備え、これらの櫛歯が互いに噛み合わない非噛合型の対向櫛歯形状である。
　（Ｃ）前記導入溝部及び前記排出溝部の少なくとも一方が断続した複数の溝部で構成される。

　上記（Ａ）の形態について、「櫛歯形状」とは、一方向に延びる長尺な幹溝と、この幹溝から同方向に並列して分岐する複数の枝溝とを備える形状のことを言う。また、「互いに連通しない導入溝部と排出溝部とがそれぞれ櫛歯形状の領域を備える」とは、導入溝部と排出溝部とが、それぞれ独立した幹溝からそれぞれ独立した枝溝（櫛歯）が突出していることを言う。更に、「櫛歯が互いに噛み合って対向配置される」とは、導入溝部の櫛歯と排出溝部の櫛歯とが、平面視において互いに交互に配置されることを言う。

　導入溝部と排出溝部の各櫛歯が互いに噛み合って対向配置されることで、導入溝部の櫛歯と排出溝部の櫛歯とが並列状態となり、これら並列された櫛歯間を渡るように電極における電池反応が行われる。この櫛歯間を渡る電池反応域に流通する電解液の量は、導入溝部と排出溝部とが噛み合っていない場合に比較して増加し易い。よって、上記構成によれば、電極の電池反応域における電池反応の活性化が期待でき、電極の電池反応域における電解液の流通状態が電極全体に亘って一様になり易く、電極の広い範囲で電池反応を均一的に行い易い。

　上記（Ｂ）の形態について、非噛合型の対向櫛歯形状であっても、隣り合う溝部間に位置する畝部に対向配置される領域が電池反応域として機能するため、導入溝部と排出溝部とが連通する場合に比較して電池反応の活性化が期待できる。

　上記（Ｃ）の形態について、「断続した複数の溝部」とは、導入溝部や排出溝部を、その長手方向に間隔をあけて設けられた複数の溝群で構成することを言う。この場合でも、隣り合う溝部間に位置する畝部に対向配置される領域が電池反応域として機能するため、導入溝部と排出溝部とが連通する場合に比較して電池反応の活性化が期待できる。

　（５）本発明の実施形態に係るセルフレームは、上記（１）から（４）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、電池セルの組立時であっても電極と双極板との間で位置ずれが発生することを容易に防止することができる。また、畝部に対向配置される電極内へ電解液を強制拡散でき、電池反応性を向上できると考えられる。

　（６）本発明の実施形態に係るセルスタックは、上記（５）に記載のセルフレームと、正極電極と、隔膜と、負極電極とを複数積層してなる。

　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、電池セル（セルスタック）の組立時であっても電極と双極板との間で位置ずれが発生することを容易に防止することができる。また、畝部に対向配置される電極内へ電解液を強制拡散でき、電池反応性を向上できると考えられる。

　（７）本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池は、上記（６）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、電池セル（セルスタック）の組立時であっても電極と双極板との間で位置ずれが発生することを容易に防止することができる。また、畝部に対向配置される電極内へ電解液を強制拡散でき、電池反応性を向上できると考えられる。

　［本発明の実施形態の詳細］
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池（ＲＦ電池）に備わる双極板、及びその双極板を備えるＲＦ電池を詳細に説明する。図中の同一符号は、同一名称物を示す。

　まず、図５，６を参照して、実施形態のＲＦ電池１００を備えるＲＦ電池システムの基本構成を説明し、次に図１～４を参照して、実施形態のＲＦ電池１００に備わる双極板の各実施形態について説明する。

　〔ＲＦ電池の概要〕
　実施形態に係るＲＦ電池１００は、図５に示すようなＲＦ電池１００に電解液を循環供給する循環機構が設けられたＲＦ電池システムが構築されて利用される。ＲＦ電池１００は、代表的には、交流／直流変換器や変電設備などを介して、発電部と、電力系統や需要家などの負荷とに接続される。ＲＦ電池１００は、発電部を電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などが挙げられる。

　〔ＲＦ電池の基本構成〕
　ＲＦ電池１００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１００Ｃ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。ＲＦ電池１００は、代表的には、複数の電池セル１００Ｃを備えて、隣り合う電池セル１００Ｃ，１００Ｃ間に双極板１２１（図６）を備える。

　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分離部材である。双極板１２１は、正極電極１０４と負極電極１０５との間に介在され、電流を流すが電解液を通さない導電部材である。代表的には、図６に示すように双極板１２１の外周に形成された枠体１２２を備えるセルフレーム１２０の状態で利用される。枠体１２２は、その表裏面に開口し、双極板１２１上に配置された各電極１０４，１０５に電解液を供給する給液孔１２３，１２４及び電解液を排出する排液孔１２５，１２６を有する。枠体１２２には、その全周を取り囲むようにＯリングなどのシール部材１２７が配置される。

　複数の電池セル１００Ｃは積層されて、セルスタック２００と呼ばれる形態で利用される。セルスタック２００は、図６に示すように、あるセルフレーム１２０の双極板１２１、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、別のセルフレーム１２０の双極板１２１、…と順に繰り返し積層されて構成される。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電極１０４，１０５には、双極板１２１に代えて集電板（図示せず）が配置される。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は代表的にはエンドプレート２０１が配置されて、一対のエンドプレート２０１，２０１間が長ボルトなどの連結部材２０２で連結されて一体化される。

　〔ＲＦ電池システムの概要〕
　ＲＦ電池システムは、ＲＦ電池１００と、以下の正極循環機構及び負極循環機構を備えて、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する。図５に、正極電解液及び負極電解液の活物質にバナジウム（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のＲＦ電池１００の動作原理を示す。この循環供給によって、ＲＦ電池１００は、各極の電解液中の活物質となるイオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。図５中の電池セル１００Ｃ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す。

　正極循環機構は、正極電極１０４に供給する正極電解液を貯留する正極タンク１０６と、正極タンク１０６とＲＦ電池１００との間を接続する配管１０８，１１０と、供給側の配管１０８に設けられたポンプ１１２とを備える。同様に、負極循環機構は、負極電極１０５に供給する負極電解液を貯留する負極タンク１０７と、負極タンク１０７とＲＦ電池１００との間を接続する配管１０９，１１１と、供給側の配管１０９に設けられたポンプ１１３とを備える。複数のセルフレーム１２０を積層することで給液孔１２３，１２４及び排液孔１２５，１２６（図６）は電解液の流通管路を構成し、この管路に配管１０８～１１１が接続される。ＲＦ電池システムの基本構成は、公知の構成を適宜利用できる。

　〔ＲＦ電池の主な特徴点〕
　実施形態のＲＦ電池１００は、正極電極１０４との対向面及び負極電極１０５との対向面の少なくとも一方の面に、電解液が流通する複数の溝部と、隣り合う溝部間に位置する畝部とを備える双極板を備える。この双極板は、正極電極１０４又は負極電極１０５を配置したとき、双極板に対する電極１０４，１０５の位置ずれを防止できる構成を備える点を特徴の一つとする。具体的には、畝部が、隣り合う溝部の並列方向への正極電極１０４又は負極電極１０５の滑りを抑制する起伏部を備える。以下、上述した実施形態のＲＦ電池１００に備わる双極板について詳細に説明する。図２～４に示す各双極板は、説明の便宜上、正極電極１０４及び負極電極１０５よりも厚みを厚くしている。

　≪実施形態１≫
　図１，２を参照して、実施形態１に係る双極板１について説明する。双極板１は、図１に示すように、長方形状の平板である。双極板１の表裏面はそれぞれ、隣り合う電池セル１００Ｃの正極電極１０４と負極電極１０５とが配置される。双極板１は、各電極１０４，１０５との対向面に、複数の溝部１０と、隣り合う溝部１０，１０間に位置する畝部２０とを備える。複数の溝部１０は、電解液が流通する流路として機能し、ポンプ１１２，１１３により各電極１０４，１０５に流通される電解液の各電池セル１００Ｃ内での流れを調整するために設けられる。正極電極１０４が対向配置される双極板１の一面に設けられた溝部１０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１の他面に設けられた溝部１０には負極電解液が流通される。各電池セル１００Ｃ内での電解液の流れは、溝部１０の形状や寸法等によって調整することができる。

　・溝部
　溝部１０は、図１に示すように、各電解液を各電極に導入する導入溝部１２と、各電解液を各電極から排出する排出溝部１４とを備える。導入溝部１２と排出溝部１４とは、連通せずに独立している。導入溝部１２と排出溝部１４とはそれぞれ櫛歯形状の領域を備える。本例では、導入溝部１２の櫛歯と排出溝部１４の櫛歯とが互いに噛み合って対向配置される噛合型の対向櫛歯形状である。

　導入溝部１２は、給液孔１２３（又は１２４、図６）に繋がって電解液が供給される導入口１２ｉと、導入口１２ｉに連なり、双極板１の縦方向（図１では上下方向）に延設される一つの導入縦溝部１２ｙと、導入縦溝部１２ｙから双極板１の横方向（図１では左右方向）に延設され、所定の間隔Ｗ（図１）をあけて並列配置される複数の導入横溝部１２ｘとを備える。導入口１２ｉ、導入縦溝部１２ｙ、導入横溝部１２ｘは連続している。

　排出溝部１４は、導入溝部１２と類似の形状である。排出溝部１４は、排液孔１２５（又は１２６、図６）に繋がって導入溝部１２から各電極１０４，１０５を経た電解液を排出する排出口１４ｏと、排出口１４ｏに連なり、双極板１の縦方向に延設される一つの排出縦溝部１４ｙと、排出縦溝部１４ｙから双極板１の横方向に延設され、所定の間隔Ｗをあけて並列配置される複数の排出横溝部１４ｘとを備える。排出口１４ｏ、排出縦溝部１４ｙ、排出横溝部１４ｘは連続している。

　本例では、溝部１０の断面形状は、図２に示すように長方形状である。溝部１０の断面形状は、長方形状以外に、Ｖ字状、Ｕ字状、半円状等であってもよい。また、本例では、双極板１の表裏面に溝部１０を備える場合に双極板１を平面透視したとき、重なる位置に各横溝部１２ｘ，１４ｘを備える。溝部１０は、双極板１を平面透視した場合に各横溝部１２ｘ，１４ｘの一部が重なる位置に設けてもよいし、重ならない位置に設けてもよい。

　・畝部
　畝部２０は、図１，２に示すように、隣り合う溝部１０，１０間に位置する部分である。本例では、溝部１０は、導入溝部１２と排出溝部１４の各櫛歯が互いに噛み合って対向配置される噛合型の対向櫛歯形状であるため、畝部２０は、導入横溝部１２ｘと排出横溝部１４ｘとの間に位置する部分のことを言う（図２を参照）。畝部２０は、双極板１の最表面の大部分を形成する。よって、電池セル１００Ｃを組み立てたとき、畝部２０が各電極１０４，１０５と接触することになる。

　畝部２０は、図２に示すように、隣り合う導入横溝部１２ｘと排出横溝部１４ｘの並列方向への各電極１０４，１０５の滑りを抑制する起伏部２２を備える。本例では、起伏部２２は、畝部２０の表面に設けられた粗面で構成される点を特徴の一つとする。

　起伏部２２を構成する粗面は、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上１０μｍ以下である。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。粗面の表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上であることで、畝部２０に各電極１０４，１０５を構成する繊維を引っ掛けることができるため、双極板１に対する各電極１０４，１０５の位置ずれを防止できる。一方、粗面の表面粗さが算術平均粗さＲａで１０μｍ以下であることで、双極板１に対して電極１０４，１０５を隙間なく配置し易い。双極板１と電極１０４，１０５との間に隙間が生じると、畝部２０を介して隣り合う溝部１２ｘ、１４ｘ間を渡るように流れる電解液が電極１０４，１０５内へ拡散され難く、電解液が未反応となる虞があるためである。粗面の表面粗さは算術平均粗さＲａで、更に６．４μｍ以下、３．２μｍ以下、特に０．２μｍ以上１．６μｍ以下が好ましい。

　双極板１では、導入口１２ｉから導入された電解液は、溝部１０に沿った流れ（図１で示す実線矢印の方向）と、導入横溝部１２ｘと排出横溝部１４ｘとの間の畝部２０を介して幅方向（図１の上下方向）に渡るような流れ（図１で示す破線矢印の方向）とを形成する。導入口１２ｉから導入されて排出口１４ｏに至るまでの間に溝部１０を流通する電解液は、双極板１に対向配置される各電極１０４，１０５に浸透して拡散する。各電極１０４，１０５内に浸透、拡散した電解液は、各電極１０４，１０５内で電池反応を行う。本例では、電解液が畝部２０を渡るように流れるため、未反応のまま排出される電解液量を減少できる。特に、畝部２０に起伏部２２を備えることで、起伏部２２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と考えられる。畝部２０で乱流が生じると、畝部２０に対向配置される各電極１０４，１０５内へ電解液が強制拡散され、電解液に含まれる活物質イオンを各電極１０４，１０５内に均一的に供給することができ、電池反応性を向上できると考えられる。

　導入溝部１２と排出溝部１４の各櫛歯の噛み合う部分の長さＬ（図１）は、長いほど畝部２０を渡るように流れる電解液の量が増加すると考えられる。よって、上記噛み合う部分の長さは、双極板１の長さ（図１の左右方向の長さ）の８０％以上、更に９０％以上であることが挙げられる。

　また、導入溝部１２と排出溝部１４との間隔Ｗ、つまり畝部２０の幅Ｗは、長いほど畝部２０を渡るように流れる電解液の量が増加すると考えられる。よって、畝部２０の幅Ｗの長さは、溝部１０の幅の１００％以上７００％以下、更に２００％以上５００％以下であることが挙げられる。

　本例では、起伏部２２は、畝部２０の全幅Ｗに亘って設けている。起伏部２２は、畝部２０の幅方向の一部分に設けてもよい。

　双極板１の構成材料は、電気抵抗が小さい導電性材料であって、電解液と反応せず、電解液に対する耐性（耐薬品性、耐酸性など）を有するものが好適に利用できる。更に、双極板１の構成材料は、適度な剛性を有することが好ましい。溝部１０の形状や寸法が長期に亘って変化し難く、溝部１０を有することによる流通抵抗の低減効果、圧力損失の低減効果を維持し易いからである。具体的な構成材料は、炭素材と有機材とを含有する複合材料、より具体的には黒鉛などの導電性無機材とポリオレフィン系有機化合物や塩素化有機化合物などの有機材とを含む導電性プラスチックが挙げられる。

　炭素材は、黒鉛の他、カーボンブラック、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）などが挙げられる。カーボンブラックは、アセチレンブラックやファーネスブラックなどが挙げられる。炭素材は、黒鉛を含むことが好ましい。黒鉛を主体とし、一部としてカーボンブラック及びＤＬＣの少なくとも一方を含むことができる。導電性無機材は、炭素材に加えて、アルミニウムなどの金属を含むことができる。導電性無機材は、粉末や繊維が挙げられる。

　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、ポリブテンなどが挙げられる。塩素化有機化合物は、塩化ビニル、塩素化ポリエチレン、塩素化パラフィンなどが挙げられる。

　上述した双極板１は、上記の構成材料を射出成型、プレス成型、真空成型などの公知の方法によって板状に成形すると共に、溝部１０と畝部２０は勿論、畝部２０に起伏部２２を成形することで製造できる。溝部１０と起伏部２２とを同時成形すれば双極板１の製造性に優れる。溝部１０を有していない平板材に切削加工などを行って、溝部１０や起伏部２２を形成することもできる。また、畝部２０にブラスト加工を施すことで、畝部２０に粗面を形成することもできる。

　≪実施形態２≫
　図３を参照して、実施形態２に係る双極板２について説明する。双極板２は、畝部２０に備わる起伏部２２が段差で構成される点を特徴の一つとする。実施形態２の双極板２は、起伏部２２の形態が実施形態１の双極板１と異なり、その他の構成については同様である。図３は、双極板２の一面側のみを示す。

　起伏部２２を構成する段差Ｈは、図３に示すように、隣り合う導入横溝部１２ｘと排出横溝部１４ｘの並列方向に高低差を有する。本例では、導入横溝部１２ｘ側から排出横溝部１４ｘ側に向かって双極板２の厚さが薄くなるような段差を一つ備える。本例では、導入横溝部１２ｘ側を高部２２ｈ、排出横溝部１４ｘ側を低部２２ｐと呼ぶ。

　起伏部２２を構成する段差Ｈは、最大高低差が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。段差の最大高低差が０．１ｍｍ以上であることで、高部２２ｈと低部２２ｐとの稜線部分で各電極１０４，１０５を引っ掛けることができるため、双極板２に対する各電極１０４，１０５の位置ずれを防止できる。また、段差の最大高低差が０．１ｍｍ以上であることで、畝部２０を介して導入横溝部１２ｘ側から排出横溝部１４ｘ側に流れる電解液の流速が大きく変化し、電解液に乱流が生じ易い。それは、電池セル１００Ｃを組み立てて圧縮すると、図３に示すように、双極板２と隔膜１０１との間の間隔が、高部２２ｈ側よりも低部２２ｐ側で大きくなるため、高部２２ｈ側よりも低部２２ｐ側で流速が遅くなるためである。一方、段差の最大高低差が０．５ｍｍ以下であることで、双極板２に対して各電極１０４，１０５を隙間なく配置し易い。最大高低差は、更に０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下が好ましい。

　本例では、畝部２０の幅方向の中央部分に一つの段差を設けているが、複数の段差を設けてもよい。また、本例では、導入横溝部１２ｘ側を高部２２ｈ、排出横溝部１４ｘを低部２２ｐとしているが、導入横溝部１２ｘ側を低部２２ｐ、排出横溝部１４ｘを高部２２ｈとしてもよい。一つの畝部２０に複数の段差を設ける場合、畝部２０の幅方向の一方から他方に向かって高さが順次低くなる又は高くなる必要はなく、例えば、幅方向の両側を高部２２ｈ（低部２２ｐ）とし、中央部分を低部２２ｐ（高部２２ｈ）としてもよいし、高部２２ｈと低部２２ｐとを不規則に設けてもよい。

　双極板２の畝部２０は、表面粗さが算術平均粗さＲａで１．０μｍ未満の平滑面であってもよいし、表面粗さがＲａで１．０μｍ以上の粗面で構成してもよい。

　≪実施形態３≫
　図４を参照して、実施形態３に係る双極板３について説明する。双極板３は、畝部２０に備わる起伏部２２が傾斜面で構成されている点を特徴の一つとする。実施形態３の双極板３は、起伏部２２の形態が実施形態１の双極板１と異なり、その他の構成については同様である。図４は、双極板３の一面側のみを示す。

　起伏部２２を構成する傾斜面は、図４に示すように、隣り合う導入横溝部１２ｘ及び排出横溝部１４ｘの一方の溝部１２ｘ側から他方の溝部１４ｘ側に向かって傾斜する。本例では、導入横溝部１２ｘ側から排出横溝部１４ｘ側に向かって双極板２の厚さが薄くなるように傾斜している。本例では、導入横溝部１２ｘ側を高部２２ｈ、排出横溝部１４ｘ側を低部２２ｐと呼ぶ。

　起伏部２２を構成する傾斜面は、高低差が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である。傾斜面の高低差が０．１ｍｍ以上であることで、高部２２ｈ側で各電極１０４，１０５を引っ掛けることができるため、双極板３に対する各電極１０４，１０５の位置ずれを防止できる。また、傾斜面の高低差が０．１ｍｍ以上であることで、畝部２０を介して導入横溝部１２ｘ側から排出横溝部１４ｘ側に流れる電解液の流速が大きく変化し、電解液に乱流が生じ易い。それは、電池セル１００Ｃを組み立てて圧縮すると、図４に示すように、双極板３と隔膜１０１との間の間隔が、高部２２ｈ側よりも低部２２ｐ側で大きくなるため、高部２２ｈ側よりも低部２２ｐ側で流速が遅くなるためである。一方、傾斜面の高低差が０．５ｍｍであることで、双極板３に対して各電極１０４，１０５を隙間なく配置し易い。傾斜面の高低差は、更に０．２ｍｍ以上０．４ｍｍ以下が好ましい。

　本例では、導入横溝部１２ｘの側縁から排出横溝部１４ｘの側縁まで連続した傾斜面としているが、両側縁の間において、傾斜面に加えて平坦面や段差を設けてもよい。また、本例では、導入横溝部１２ｘ側を高部２２ｈ、排出横溝部１４ｘを低部２２ｐとしているが、導入横溝部１２ｘ側を低部２２ｐ、排出横溝部１４ｘを高部２２ｈとしてもよい。

　双極板３の畝部２０は、表面粗さが算術平均粗さＲａで１．０μｍ未満の平滑面であってもよいし、表面粗さがＲａで１．０μｍ以上の粗面で構成してもよい。

　≪変形例≫
　実施形態１～３の双極板１～３は、溝部１０の配置形態を以下とすることができる。

　（１）噛合型の対向櫛歯形状とする場合に、導入溝部１２の櫛歯と排出溝部１４の櫛歯とが縦方向（図１では上下方向）に延びており、双極板の横方向（図１では左右方向）に交互に配置される。

　（２）導入溝部１２と排出溝部１４とが互いに噛み合わない非噛合型の対向櫛歯形状である。例えば、導入横溝部と排出横溝部とが、双極板の横方向に間隔をあけて対向配置された形態とすることができる。非噛合型の櫛歯形状であっても、各電極１０４，１０５において、隣り合う溝部間に位置する畝部に対向配置される領域が電池反応域として機能する。

　（３）導入溝部１２及び排出溝部１４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、導入横溝部や排出横溝部を、その横方向に間隔をあけて設けられた複数の溝群とすることができる。

　〔その他のＲＦ電池の構成部材〕
　・正極電極及び負極電極
　正極電極１０４及び負極電極１０５は、隔膜１０１と双極板１～３との間に介在される。各電極１０４，１０５は、主として双極板１～３の溝部１０を介して電解液が供給され、この電解液が各電極１０４，１０５に浸透、拡散して、電解液中の活物質が各電極１０４，１０５上で電池反応を行う。この目的から、各電極１０４，１０５は、多数の微細な細孔を有する多孔体で構成される。各電極１０４，１０５の構成材料は、炭素繊維を含む多孔体、例えば、カーボンフェルトやカーボンペーパーなどが好適に利用できる。公知の電極を利用できる。

　・隔膜
　隔膜１０１は、例えば、陽イオン交換膜や陰イオン交換膜といったイオン交換膜が挙げられる。イオン交換膜は、（１）正極活物質のイオンと負極活物質のイオンとの隔離性に優れる、（２）電池セル１００Ｃ内での電荷担体であるＨ^＋イオンの透過性に優れる、といった特性を有しており、隔膜１０１に好適に利用できる。公知の隔膜を利用できる。

　〔電解液〕
　ＲＦ電池１００に利用する電解液は、金属イオンや非金属イオンなどの活物質イオンを含む。例えば、正極活物質及び負極活物質として、価数の異なるバナジウムイオン（図５）を含むバナジウム系電解液が挙げられる。その他、正極活物質として鉄（Ｆｅ）イオン、負極活物質としてクロム（Ｃｒ）イオンを含む鉄－クロム系電解液、正極活物質としてマンガン（Ｍｎ）イオン、負極活物質としてチタン（Ｔｉ）イオンを含むマンガン－チタン系電解液などが挙げられる。電解液は、活物質に加えて、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸から選択される少なくとも１種の酸又は酸塩を含む水溶液などを利用できる。

　〔用途〕
　実施形態の双極板は、レドックスフロー電池の双極板として好適に利用可能である。実施形態のレドックスフロー電池は、太陽光発電、風力発電などの自然エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした蓄電池に利用できる。また、実施形態のレドックスフロー電池は、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした蓄電池としても利用できる。特に、実施形態のレドックスフロー電池は、上述の目的の大容量の蓄電池に好適に利用できる。

　［試験例１］
　試験例１では、双極板に噛合型の櫛歯形状の流路を有すると共に、畝部に段差で構成される起伏部を形成したものを用い（図３を参照）、この双極板を所定位置に配置したＲＦ電池を想定した流体シミュレーション（マイクロソフト社製のエクセル（登録商標）の表計算ソフトウェアによる数値解析）を行い、ＲＦ電池のセル抵抗を求めた。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。以下に、試験の詳細な条件を示す。

　・双極板
　寸法：長さ２００ｍｍ、幅１９８ｍｍ、厚み６．２ｍｍ
　溝部形状：導入溝部と排出溝部とを備える噛合型の対向櫛歯形状（図３を参照）
　横溝部について
　　数：導入溝部１６本×排出溝部１６本
　　長さＬ：１５０ｍｍ
　　櫛歯の重複長さ：１４２ｍｍ
　　溝部の幅：１．３ｍｍ
　　溝部の深さ：１．０ｍｍ
　　溝部の断面形状：矩形形状
　　畝部の幅Ｗ：３．９ｍｍ
　縦溝部について
　　長さ：１７０ｍｍ
　構成材料：黒鉛８０質量％とマトリックス樹脂としてポリプロピレン２０質量％とを圧粉成形した双極板
　・電極
　　寸法：長さ１７０ｍｍ、幅１５０ｍｍ、厚み０．５ｍｍ
　　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
　　　　　　　ＳＧＬカーボンジャパン株式会社製　ＧＤＬ１０ＡＡ
　・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：１．７ｍｏｌ／Ｌ、硫酸濃度：４．３ｍｏｌ／Ｌ）
　　流量：３００ｍＬ／ｍｉｎ

　双極板の畝部に形成される段差Ｈ（起伏部：最大高低差）を変えたときのセル抵抗（段差Ｈが０ｍｍのときのセル抵抗を１として規格化）のグラフを図７に示す。図７において、横軸が段差Ｈ（ｍｍ）であり、縦軸が規格化したセル抵抗である。図７より、段差Ｈが０．０１ｍｍのときのセル抵抗Ｒｓに比較して、段差Ｈを変えたときのセル抵抗Ｒｘの低減率（（Ｒｓ－Ｒｘ）／Ｒｓ）は、段差Ｈが０．１ｍｍのとき約２％、段差Ｈが０．２ｍｍのとき約４％、段差Ｈが０．３ｍｍのとき約６％、段差Ｈが０．４ｍｍのとき約７％、段差Ｈが０．５ｍｍのとき約９％であった。つまり、段差Ｈが大きいほどセル抵抗が低減され、電解液の拡散性に優れることがわかる。ただし、段差Ｈが大き過ぎると、双極板と正極電極や負極電極との間に隙間が生じ、畝部を介して隣り合う溝部間を渡るように流れる電解液が電極内へ拡散され難く、電解液が未反応となる虞がある。また、段差Ｈが大きくなり、双極板と正極電極や負極電極との間の隙間が広がると、圧縮率が減少し、双極板と正極電極や負極電極との間の接触抵抗が増加するといった問題も発生し得る。よって、段差Ｈは、０．５ｍｍ以下とすることが好ましいと言える。

　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、双極板の溝部の仕様（横溝部や縦溝部の大きさ、形状、個数など）、電解液の種類などを変更することができる。

　１００　レドックスフロー電池（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　正極タンク　　１０７　負極タンク
　１０８～１１１　配管
　１１２，１１３　ポンプ
　２００　セルスタック　　２０１　エンドプレート　　２０２　連結部材
　１２０　セルフレーム　　１２１　双極板　　１２２　枠体
　１２３，１２４　給液孔　　１２５，１２６　排液孔
　１２７　シール部材
　１，２，３　双極板
　１０　溝部
　　１２　導入溝部　　１２ｉ　導入口
　　１２ｘ　導入横溝部　　１２ｙ　導入縦溝部
　　１４　排出溝部　　１４ｏ　排出口
　　１４ｘ　排出横溝部　　１４ｙ　排出縦溝部
　２０　畝部　　２２　起伏部　　２２ｈ　高部　　２２ｐ　低部

Claims (7)

1. 　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
   　当該双極板の少なくとも一面は、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、
   　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
   　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
   　前記起伏部は、前記畝部の表面の少なくとも一部に設けられた粗面を備え、
   　前記粗面は、表面粗さが算術平均粗さＲａで０．１μｍ以上１０μｍ以下である双極板。
2. 　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
   　当該双極板の少なくとも一面は、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、
   　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
   　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
   　前記起伏部は、隣り合う前記溝部の並列方向に高低差を有するように設けられた段差を備え、
   　前記段差は、最大高低差が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である双極板。
3. 　一面側に正極電極が配置され、他面側に負極電極が配置される電池用の双極板であって、
   　当該双極板の少なくとも一面は、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、
   　前記溝部は、互いに連通しない導入溝部と排出溝部とを備え、
   　前記畝部は、隣り合う前記溝部の並列方向への前記正極電極又は前記負極電極の滑りを抑制する起伏部を備え、
   　前記起伏部は、隣り合う前記溝部の一方の溝部側から他方の溝部側に向かって傾斜する傾斜面を備え、
   　前記傾斜面は、高低差が０．１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下である双極板。
4. 　前記導入溝部と前記排出溝部とは、以下の（Ａ）から（Ｃ）のいずれかを満たす請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の双極板。
   　（Ａ）前記導入溝部と前記排出溝部とはそれぞれ櫛歯形状の領域を備え、これらの櫛歯が互いに噛み合って対向配置される噛合型の対向櫛歯形状である。
   　（Ｂ）前記導入溝部と前記排出溝部とはそれぞれ櫛歯形状の領域を備え、これらの櫛歯が互いに噛み合わない非噛合型の対向櫛歯形状である。
   　（Ｃ）前記導入溝部及び前記排出溝部の少なくとも一方が断続した複数の溝部で構成される。
5. 　請求項１から請求項４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。
6. 　請求項５に記載のセルフレームと、正極電極と、隔膜と、負極電極とを複数積層してなるセルスタック。
7. 　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