WO2018069996A1

WO2018069996A1 - 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

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Publication number: WO2018069996A1
Application number: PCT/JP2016/080270
Authority: WO
Inventors: 毅寒野; 本井　見二
Original assignee: 住友電気工業株式会社
Priority date: 2016-10-12
Filing date: 2016-10-12
Publication date: 2018-04-19
Also published as: EP3528327B1; JP6730693B2; CN108370056A; KR20190060724A; TWI750237B; AU2016426077A1; TW201820680A; US20180375115A1; EP3528327A1; EP3528327A4; JPWO2018069996A1

Abstract

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、電解液が流通する少なくとも１つの溝部を有し、前記溝部は、前記電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁を有し、前記溝部の深さ方向の少なくとも一部に、前記側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する双極板。

Description

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

　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。

　大容量の蓄電池の一つとして、レドックスフロー電池（以下、「ＲＦ電池」と呼ぶ場合がある）が知られている（特許文献１～４を参照）。レドックスフロー電池には、セルフレーム、正極電極、隔膜、負極電極をそれぞれ複数積層してなるセルスタックが用いられている。セルフレームは、正極電極と負極電極との間に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ている。セルスタックでは、隣接するセルフレームの双極板の間に、隔膜を挟んで正負の電極が配置され、１つのセルが形成される。ＲＦ電池は、電極が配置されたセル内に電解液を循環流通させて充放電を行う。

　特許文献１～４には、ＲＦ電池の内部抵抗を低減する目的で、双極板の電極に対向する面に電解液の流路を構成する複数の溝部を形成することによって、セル内における電解液の流通抵抗による圧力損失を低減する技術が開示されている。

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、電解液が流通する少なくとも１つの溝部を有し、
　前記溝部は、前記電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁を有し、
　前記溝部の深さ方向の少なくとも一部に、前記側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する。

　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。実施形態に係るセルスタックの概略構成図である。実施形態に係る双極板を備え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に係る双極板における溝部の断面形状を示す概略断面図である。実施形態２に係る双極板における溝部の断面形状を示す概略断面図である。実施形態３に係る双極板における溝部の断面形状を示す概略断面図である。実施形態４に係る双極板における溝部の断面形状を示す概略断面図である。実施形態５に係る双極板における溝部の断面形状を示す概略断面図である。溝部の断面形状の変形例を示す概略断面図である。溝部の断面形状の別の変形例を示す概略断面図である。溝部の断面形状の更に別の変形例を示す概略断面図である。溝部の断面形状の他の変形例を示す概略断面図である。

　［本開示が解決しようとする課題］
　更なるレドックスフロー電池の電池性能の向上が望まれている。

　ＲＦ電池では、運転と待機を繰り返すことがあり、運転中はセル内に電解液を流通させて充放電を行い、待機中は電解液の流通を停止する。ＲＦ電池の待機時に電解液の流通を停止すると、充電された電解液がセル内で自己放電することによって電解液が発熱し、温度上昇に伴って電解液に析出物が生じることがあり、電解液が劣化するなど電池性能の低下を招く虞がある。また、電解液の温度上昇により、その熱によって双極板が軟化して変形するなど双極板（セルフレーム）にダメージを与える虞がある。したがって、セル内の電解液の温度上昇を抑制するため、電解液の放熱を改善することが望まれる。

　そこで、本開示は、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の温度上昇を抑制できる双極板、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。また、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。

　［本開示の効果］
　本開示によれば、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の温度上昇を抑制できる双極板、セルフレーム、及びセルスタックを提供できる。また、本開示によれば、電池性能に優れるレドックスフロー電池を提供できる。

　［本願発明の実施形態の説明］
　本発明者らは、レドックスフロー電池において、双極板の電極に対向する面に、電解液の流通方向に沿って溝部を形成して流路を構成することで、セル内での電解液の圧力損失を低減することを検討した。更に、本発明者らは、電解液が流通する溝部が形成された双極板において、セル内での電解液成分の析出を抑制するため、電解液の放熱を改善して電解液の温度上昇を抑制できる溝部の断面形状について検討を試みた。「溝部の断面形状」とは、電解液の流通方向に直交する断面の形状を意味し、当該断面において、溝部を構成する壁面と開口部とで囲まれる閉領域で表される。以下の説明において、特に断りがない限り、「溝部の断面」とは、電解液の流通方向に直交する断面を意味する。

　双極板に溝部を形成した場合、ＲＦ電池の運転時にセル内に電解液を流通させた際、電解液が溝部に流通し、ＲＦ電池の待機時に電解液の流通を停止した際、電解液が溝部に滞留する。自己放電により温度上昇した溝部内の電解液の熱は、電解液が接する溝部の壁面から放熱され、冷却される。そのため、溝部内の電解液において、溝部の壁面に接している部分では熱伝導によって電解液の温度が低くなり、温度差により電解液の対流が生じる。この対流を促進させることができれば、溝部内の電解液から溝部壁面への熱の移動が促進され、電解液の放熱効率が向上すると考えられる。そこで、本発明者らは、電解液の対流を促進できる溝部の断面形状について種々検討した。

　溝部の断面形状は通常、略正方形状であり、双極板の表面に平行な底壁と、双極板の表面から底壁に対して垂直方向に延び、互いに平行に対向する一対の側壁とを有する形状である。この場合、溝部は、溝部の深さ方向の全体に亘って側壁の間隔が実質的に一定であり、側壁と底壁とのなす角度が直角（９０°）である。「溝部の深さ方向」とは、電解液の流通方向に直交する断面において、溝部の開口部から底部に向かって双極板の表面に対して垂直な方向（即ち、双極板の厚さ方向）を意味する。

　本発明者らは、電解液の対流を促進するため、溝部の断面形状を、側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する形状とすることを考えた。この溝部は、幅狭部において側壁の少なくとも一方が深さ方向に対して傾斜しており、溝部内の電解液に対流が生じた際に側壁に沿って移動する電解液の対流が促進されると考えられる。したがって、このような断面形状の溝部は、側壁が互いに対向し、且つ深さ方向に平行な溝部に比較して、電解液の対流が促進されるため、電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できると考えられる。

　本発明者らは、上述の考えに基づいて、本願発明を完成するに至った。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、電解液が流通する少なくとも１つの溝部を有し、
　前記溝部は、前記電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁を有し、
　前記溝部の深さ方向の少なくとも一部に、前記側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する。

　上記双極板によれば、電極に対向する面に溝部を有することで、セル内の電極を流れる電解液の流通抵抗を小さくして、セル内での電解液の圧力損失を低減できる。よって、電解液の圧力損失に起因するポンプ損失を低減できる。また、溝部が、その断面において、側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有することから、電解液の対流が促進される。具体的には、幅狭部において、側壁の少なくとも一方が深さ方向に対して傾斜しており、この側壁の傾斜面に沿って移動する電解液の対流を促進できる。その結果、対流による電解液の放熱効果が向上することから、電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できる。よって、電解液成分の析出を抑制でき、電解液の劣化を抑制できる。また、電解液の熱の影響による双極板の軟化、変形を抑制できる。したがって、上記双極板は、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の温度上昇を抑制でき、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。

　「幅狭部」とは、側壁の間隔が、溝部の深さ方向（開口部側から底部側）に向かって徐々に狭くなるように連続的に変化する部分である。幅狭部において、側壁の少なくとも一方が深さ方向に対して傾斜していればよく、一方の側壁が深さ方向に対して傾斜し、他方の側壁が深さ方向に沿っていてもよいし、両方の側壁が深さ方向に対して傾斜していてもよい。「深さ方向に沿って」とは、深さ方向に対して実質的に平行（つまり、開口部側から底部側に向かって双極板の表面に対して垂直）であることを意味する。「双極板の表面」とは、電極に対向して接する面である。また、幅狭部は、溝部の深さ方向の少なくとも一部にあればよく、深さ方向の一部に幅狭部が形成され、その他の部分は側壁の間隔が実質的に一定であってもよい。例えば、開口部から深さ方向の途中位置まで側壁の間隔が実質的に一定で、開口部の幅と同じ部分が存在してもよい。幅狭部の数は１つであってもよいし、複数であってもよい。深さ方向の全体に亘って幅狭部が形成されていることが好ましい。

　（２）上記双極板の一形態として、
　前記溝部は、底壁を有し、
　前記底壁は、前記双極板の表面に平行な平坦面を有することが挙げられる。

　底壁が双極板の表面に平行な平坦面を有することで、断面正方形状の溝部に比較して、溝部の断面積を同じとした場合、溝部の周長を長くできる。溝部の周長が長くなれば、その分、電解液との接触面積が大きくなり、電解液から溝部壁面への熱の移動が多くなることから、熱伝導による電解液の放熱効果が向上する。よって、電解液の放熱をより改善でき、電解液の温度上昇をより抑制できる。「溝部の周長」とは、電解液の流通方向に直交する断面における周長を意味し、当該断面において、溝部を構成する壁面の周長（側壁及び底壁の全長）と、開口部の幅とを合計した長さで表される。

　（３）上記（２）に記載の双極板の一形態として、
　少なくとも一方の上記側壁と上記底壁とのなす角度が９１°以上１２０°以下であることが挙げられる。

　断面正方形状の溝部のように、側壁と底壁とのなす角度が直角（９０°）であると、側壁と底壁との角部に沿った対流が生じ難く、角部近傍において、対流による電解液の放熱が促進され難い。側壁と底壁とのなす角度が９１°以上であることで、側壁と底壁との角部において、側壁の傾斜面に沿って電解液が対流し易く、角部近傍での電解液の放熱が促進される。側壁と底壁とのなす角度が１２０°以下であることで、溝部の断面積を一定とした場合、溝部の周長が長くなり過ぎず、電解液が流通する際の圧力損失が過度に大きくなることを抑制できる。溝部の断面積が大きいほど、或いは溝部の周長が短いほど、圧力損失は小さくなるため、断面積を同じとした場合、周長が短い方が圧力損失を小さくできる。その他、側壁と底壁とのなす角度が１２０°以下であることで、溝部の深さが浅くなり過ぎず、溝部を形成し易い。溝部は、例えば、双極板の成形と同時に形成したり、切削加工により形成することが挙げられる。また、側壁と底壁とのなす角度が１２０°以下であれば、溝部の開口部の幅が広くなり過ぎず、双極板に複数の溝部を並列に形成する場合、より多くの溝部を形成することが可能である。側壁と底壁とのなす角度は、例えば９５°以上１１０°以下であることが好ましい。

　（４）上記（２）又は（３）に記載の双極板の一形態として、
　少なくとも一方の前記側壁と前記底壁との角部が曲面状に形成されていることが挙げられる。

　側壁と底壁との角部が曲面状に形成されていることで、角部に沿って電解液が対流し易く、角部近傍での電解液の放熱が促進される。例えば、角部の曲率半径は０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが挙げられる。

　（５）上記双極板の一形態として、
　前記幅狭部において、前記側壁の少なくとも一方は、深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、前記傾斜面が平面であることが挙げられる。

　幅狭部における側壁の傾斜面が平面であることで、溝部を切削加工により形成する場合など、精度よく形成し易い。

　（６）上記双極板の一形態として、
　前記幅狭部において、前記側壁の少なくとも一方は、深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、前記傾斜面が曲面であることが挙げられる。

　幅狭部における側壁の傾斜面が曲面であることで、傾斜面に沿って移動する電解液の対流がより促進され易く、対流による電解液の放熱効率がより向上する。

　（７）上記双極板の一形態として、
　前記溝部は、底壁を有し、
　前記底壁は、前記溝部の深さ方向に突出する曲面を有することが挙げられる。

　底壁が溝部の深さ方向に突出する曲面を有することで、底壁の曲面に沿って電解液が対流し易く、底壁近傍での電解液の放熱が促進される。

　（８）上記（７）に記載の双極板の一形態として、
　前記側壁と前記底壁の全面が曲面状に形成されていることが挙げられる。

　側壁と底壁の全面が曲面状、即ち溝部の壁面全体が曲面に形成されていることで、溝部の壁面（側壁及び底壁）に沿って電解液が対流し易く、対流による電解液の放熱効率がより向上する。

　（９）上記双極板の一形態として、
　前記溝部の深さ方向の任意の位置における前記側壁の間隔が、その位置よりも開口部側における前記側壁の間隔に対して同等以下であることが挙げられる。

　この場合、側壁の間隔が、溝部の深さ方向の全体に亘って開口部の幅以下で、かつ、開口部で最も広く、底部で最も狭くなる。側壁の間隔が、開口部から底部に向かって狭くなり、深さ方向の途中で広くなる部分がないため、溝部を形成し易い。例えば、底部から溝部の深さの半分の位置における側壁の間隔が開口部より狭くなっていたり、底部から溝部の深さの１／４の位置より底部側の部分で側壁の間隔が徐々に狭くなっていることが挙げられる。

　（１０）実施形態に係るセルフレームは、上記（１）から（９）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。

　上記セルフレームによれば、上記した実施形態に係る双極板を備えることから、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の温度上昇を抑制でき、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。

　（１１）実施形態に係るセルスタックは、上記（１０）に記載のセルフレームを備える。

　上記セルスタックによれば、上記した実施形態に係るセルフレームを備えることから、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の温度上昇を抑制でき、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。

　（１２）実施形態に係るレドックスフロー電池は、上記（１１）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によれば、上記したセルスタックを備えることから、セル内での電解液の圧力損失を低減できながら、電解液の温度上昇を抑制でき、電池性能に優れる。

　［本願発明の実施形態の詳細］
　本願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（ＲＦ電池）の具体例を、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又は相当部分を示す。なお、本願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。

　《ＲＦ電池》
　図１、図２を参照して、実施形態に係るレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池）の一例を説明する。ＲＦ電池１は、正極電解液及び負極電解液に酸化還元により価数が変化する金属イオンを活物質として含有する電解液を使用し、正極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位と、負極電解液に含まれる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。ここでは、ＲＦ電池１の一例として、正極電解液及び負極電解液に活物質となる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電池の場合を示す。図１中のセル１００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している。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、大量導入が進められている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に利用される。

　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、正極電解液を正極セル１０２に圧送するポンプ１１２が設けられており、これらの部材１０６、１０８、１１０、１１２によって正極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、負極電解液を負極セル１０３に圧送するポンプ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に貯留される各電解液は、充放電を行う運転時には、ポンプ１１２、１１３によりセル１００（正極セル１０２及び負極セル１０３）内に循環され、充放電を行わない待機時には、ポンプ１１２、１１３が停止され、循環されない。

　《セルスタック》
　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３参照）と呼ばれる積層体をその両側から２枚のエンドプレート２２０で挟み込み、両側のエンドプレート２２０を締付機構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を備える）。サブスタック２００は、セルフレーム３、正極電極１０４、隔膜１０１、及び負極電極１０５を複数積層してなり、その積層体の両端に給排板２１０（図３の下図参照、図２では省略）が配置された構成である。

　《セルフレーム》
　セルフレーム３は、図２、図３に示すように、正極電極と負極電極との間に配置される双極板３１と、双極板３１の外周に設けられる枠体３２とを備える。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。サブスタック２００（セルスタック２）では、隣接する各セルフレーム３の双極板３１の間にそれぞれ１つのセル１００が形成されることになる。

　双極板３１は、例えば、プラスチックカーボンなどで形成され、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。双極板３１は、例えば、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成形されている。セルフレーム３は、双極板３１の外周に枠体３２が射出成型などにより一体化されている。

　セル１００への電解液の流通は、給排板２１０（図３の下図参照）を介して、図３に示すセルフレーム３の枠体３２に貫通して設けられた給液マニホールド３３、３４及び排液マニホールド３５、３６と、枠体３２に形成された給液スリット３３ｓ、３４ｓ及び排液スリット３５ｓ、３６ｓにより行われる（図４も合わせて参照）。この例では、正極電解液は、給液マニホールド３３から枠体３２の一面側（紙面表側）に形成された給液スリット３３ｓを介して正極電極１０４に供給され、枠体３２の上部に形成された排液スリット３５ｓを介して排液マニホールド３５に排出される。同様に、負極電解液は、給液マニホールド３４から枠体３２の他面側（紙面裏側）に形成された給液スリット３４ｓを介して負極電極１０５に供給され、枠体３２の上部に形成された排液スリット３６ｓを介して排液マニホールド３６に排出される。各セルフレーム３の枠体３２の間には、電解液の漏洩を抑制するため、Ｏリングや平パッキンなどの環状のシール部材３７（図２、図３参照）が配置されている。枠体３２には、シール部材３７を配置するためのシール溝３８（図４参照）が形成されている。

　《双極板》
　図４を主に参照して、実施形態に係る双極板３１の一例を説明する。双極板３１は、平面形状が略矩形状であり、図４に示す双極板３１の一面側（紙面表側）は、正極電極１０４（図３参照）に対向する面であり、他面側（紙面裏側）は、負極電極１０５（図３参照）に対向する面である。また、図４に示す双極板３１において、給液スリット３３ｓにつながる下側の縁部が正極電解液の供給側であり、排液スリット３５ｓにつながる上側の縁部が正極電解液の排出側である。つまり、双極板３１の下側から電解液が供給され、双極板３１の上側から電解液が排出されるようになっており、双極板３１の下側縁部から上側縁部に向かって電解液が流れる。図４中、紙面左側の矢印は、双極板３１における電解液の全体的な電解液の流通方向を示す。

　双極板３１は、図４に示すように、その一面側に、複数の溝部４００を有する流路４０を備える。図４では、分かり易くするため、流路４０（溝部４００）が形成されていない部分にハッチングを付している。各溝部４００は、電解液の流通方向に沿って形成され、等間隔に並列されている。この例では、溝部４００として、一端が双極板３１の下側縁部に連通し、他端が上側縁部まで一定長さを残して形成された導入側溝部４１０と、一端が双極板３１の上側縁部に連通し、他端が下側縁部まで一定長さを残して形成された排出側溝部４２０とが交互に並んで設けられている。そして、流路４０として、導入側溝部４１０を有する導入路４１と、排出側溝部４２０を有する排出路４２とが設けられている。また、この例では、導入路４１は、双極板３１の下側縁部に沿って形成された導入側整流溝部４１１を有し、各導入側溝部４１０の一端が導入側整流溝部４１１に連通している。排出路４２は、双極板３１の上側縁部に沿って形成された排出側整流溝部４２１を有し、各排出側溝部４２０の一端が排出側整流溝部４２１に連通している。導入側整流溝部４１１は、給液スリット３３ｓから供給された電解液を各導入側溝部４１０に分配し、排出側整流溝部４２１は、各排出側溝部４２０から排出される電解液を排液スリット３５ｓに集約する。この例では、導入側整流溝部４１１と排出側整流溝部４２１とを双極板３１に設けているが、導入側整流溝部４１１と排出側整流溝部４２１は、枠体３２に設けることも可能である。

　この例では、各溝部４００（導入側溝部４１０及び排出側溝部４２０）の幅や深さが同じであり、その断面形状が実質的に等しく長さ方向に一様である。溝部４００の幅や深さ、隣り合う溝部４００の間隔は、双極板３１のサイズや厚さなどに応じて適宜選択することができ、特に限定されない。例えば、隣り合う溝部４００の間隔は、０．５ｍｍ以上３０ｍｍ以下、更に１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが挙げられる。溝部４００の幅（開口幅）や深さ、断面形状については、後述する。

　導入路４１は、正極電極（図３参照）に正極電解液を供給するための流路で、排出路４２は、正極電解液を排出するための流路であり、このような導入路４１と排出路４２とを備えることで、供給された正極電解液を正極電極（図３参照）の全面に均一に行き渡らせ易い。給液スリット３３ｓから双極板３１の一面側に供給された正極電解液は、導入路４１の導入側整流溝部４１１を介して導入側溝部４１０を流れ、双極板３１の全面に行き渡る。導入側溝部４１０に流れる正極電解液は、双極板３１の表面に配置される正極電極（図３参照）に染み込み、双極板３１の表面を跨いで、導入側溝部４１０に隣り合う排出側溝部４２０に流れる。排出路４２の排出側溝部４２０に流れる正極電解液は、排出側整流溝部４２１を介して排液スリット３５ｓから排出される。

　ここでは、双極板３１の一面側しか図示していないが、双極板３１の他面側には、負極電極１０５（図３参照）に負極電解液を供給する導入路と負極電解液を排出する排出路が形成されている。双極板３１の他面側の負極電解液用の導入路と排出路の構成は、図４で説明した正極電解液用の導入路４１と排出路４２と同様であるため、その説明を省略する。

　［実施形態１］
　（溝部の断面形状）
　実施形態に係る双極板３１の特徴の一つは、溝部４００の断面形状にある。図５は、実施形態１に係る双極板３１における溝部４００の断面形状を示している。溝部４００は、電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁５１を有し、溝部４００の深さ方向の少なくとも一部に、側壁５１の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部５１０を有する。以下、実施形態１の溝部４００の断面形状について、より詳しく説明する。

　実施形態１の溝部４００は、一対の側壁５１の下端（底部側）同士を繋ぐ底壁５２を有する。この底壁５２は、双極板３１の表面に平行な平坦面を有する。一対の側壁５１は、深さ方向に対して傾斜しており、側壁５１の間隔が深さ方向（開口部５３から底壁５２）に向かって徐々に狭くなっている。各側壁５１は、開口部５３から底壁５２にかけて全面が傾斜面となっており、傾斜面が平面である。各側壁５１（傾斜面）の深さ方向に対する傾斜角度βは略等しい。したがって、実施形態１の溝部４００では、深さ方向の全体に亘って幅狭部５１０が形成されており、溝部４００の断面形状が、開口部５３を長辺、底壁５２を短辺とする台形状（具体的には等脚台形状）である。

　この溝部４００は、深さ方向の任意の位置における側壁５１の間隔が、その位置よりも開口部５３側における側壁５１の間隔に対して同等以下である。つまり、側壁５１の間隔が、深さ方向の全体に亘って開口部５３の幅以下で、かつ、開口部５３で最も広く、底壁５２側で最も狭くなる。

　溝部４００において、側壁５１と底壁５２とがなす角部５４の角度αは、９０°超１８０°未満であり、例えば９１°以上１２０°以下、好ましくは９５°以上１１０°以下であることが挙げられる。側壁５１（傾斜面）の深さ方向に対する傾斜角度βは、例えば１°以上４５°以下、更に３０°以下、好ましくは５°以上２０°以下であることが挙げられる。開口部５３の幅ｗは、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが挙げられる。深さｈ（開口部５３から底壁５２までの深さ方向の長さ）は、例えば０．５ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に１ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが挙げられる。

　｛作用効果｝
　実施形態１に係る双極板３１は、溝部４００を有することで、溝部４００に沿って電解液を流通させることができるので、電解液の流通抵抗を小さくして、電解液の圧力損失を低減できる。また、溝部４００の深さ方向の少なくとも一部に幅狭部５１０を有しており、側壁５１の傾斜面に沿って移動する電解液の対流を促進できる。対流による電解液の放熱効率が向上するため、溝部４００内の電解液の放熱を改善でき、電解液の温度上昇を抑制できる。その結果、電解液成分の析出を抑制できる。特に、側壁５１が深さ方向に対して傾斜し、側壁５１の全面が傾斜面となっており、深さ方向の全体に亘って幅狭部５１０が形成されていることから、側壁５１に沿って電解液が対流し易く、対流による電解液の放熱効果が高い。更に、側壁５１と底壁５２とのなす角度αが９１°以上１２０°以下であることで、角部５４において、側壁５１の傾斜面に沿って電解液が対流し易く、角部５４近傍での電解液からの放熱を促進できる。

　実施形態１の溝部４００は、断面形状が台形状（具体的には等脚台形状）であり、断面形状が正方形状の溝部４００に比較して、断面積を同じとした場合、溝部４００の周長が長くなる。そのため、電解液との接触面積が大きくなり、熱伝導による電解液の放熱効率が向上する。

　また、側壁５１の間隔が、開口部５３から底壁５２に向かって狭くなっていることから、深さ方向の途中で広くなる部分がないため、溝部４００を形成し易い。

　［変形例］
　実施形態１では、溝部４００の断面形状が等脚台形状であり、幅狭部５１０を構成する一対の側壁５１が深さ方向に対して互いに傾斜し、側壁５１の間隔が深さ方向に向かって狭くなる形態を説明した。実施形態１の変形例として、一対の側壁５１のうち、一方の側壁５１が深さ方向に対して傾斜し、他方の側壁５１が深さ方向に沿っていてもよい。また、各側壁５１の傾斜角度βが異なっていてもよい。

　次に、図６～図９に基づいて、溝部４００の断面形状の他の形態例を説明する。以下では、溝部４００について、上述の実施形態１と同様の構成には同一符号を付してその説明を省略し、実施形態１との相違点を中心に説明する。

　［実施形態２］
　図６に示す実施形態２では、側壁５１と底壁５２との角部５４が曲面状に形成されている。

　実施形態２の溝部４００は、角部５４が曲面状に形成されていることで、角部５４に沿って電解液が対流し易く、角部５４近傍での電解液の放熱が促進される。角部５４の曲率半径ｒは、例えば０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下、更に０．２ｍｍ以上５ｍｍ以下であることが挙げられる。

　［実施形態３］
　図７に示す実施形態３では、幅狭部５１０を構成する側壁５１の傾斜面が曲面である。

　実施形態３の溝部４００は、側壁５１の傾斜面が曲面であることで、傾斜面に沿って移動する電解液の対流をより促進でき、対流による電解液の放熱効率がより向上する。曲面の形状としては、例えば、円弧形状、楕円弧形状などが挙げられる。

　［実施形態４］
　図８に示す実施形態４では、底壁５２が深さ方向に突出する曲面を有する。

　実施形態４の溝部４００は、底壁５２が曲面を有することで、底壁５２の曲面に沿って電解液が対流し易く、底壁５２近傍での電解液の放熱が促進される。

　［実施形態５］
　図９に示す実施形態５では、側壁５１と底壁５２の全面が曲面状に形成されている。

　側壁５１と底壁５２の全面が曲面状、即ち溝部４００の壁面全体が曲面に形成されていることで、壁面（側壁５１及び底壁５２）に沿って電解液が対流し易く、対流による電解液の放熱効率がより向上する。溝部４００の断面形状としては、半円形状、半楕円形状などが挙げられ、図９に示す溝部４００の場合、半楕円形状である。

　（その他）
　上述の実施形態では、底壁５２を有する形態を説明したが、底壁を有さない形態、例えば、溝部の断面形状が、底部を頂点とし、開口部を底辺とする三角形状（具体例、二等辺三角形状）であってもよい。

　上述の実施形態では、側壁５１の全面が傾斜面であり、深さ方向の全体に亘って幅狭部５１０を有する形態を説明したが、側壁５１の一部が傾斜面であり、深さ方向の一部に幅狭部５１０が形成され、その他の部分は側壁５１の間隔が実質的に一定であってもよい。例えば、図１０（ａ）に示すように、側壁５１の上端（開口部５３側）が傾斜し、開口部５３側に幅狭部５１０を有する形態や、図１０（ｂ）に示すように、側壁５１の下端（底壁５２側）が傾斜し、底壁５２側に幅狭部５１０を有する形態が挙げられる。図１０（ａ）の場合、幅狭部５１０より底壁５２側の部分で側壁５１の間隔が一定であり、図１０（ｂ）の場合、開口部５３から幅狭部５１０までの部分では、側壁５１の間隔が開口部５３の幅と同等である。また、図１０（ｃ）に示すように、側壁５１の中央が傾斜し、深さ方向の途中に幅狭部５１０が形成されていてもよい。

　更に、幅狭部５１０の数は１つに限らず、複数であってもよい。例えば、図１１に示すように、開口部５３側と底壁５２側にそれぞれ幅狭部５１０を有する形態が挙げられる。この場合、各幅狭部５１０における側壁５１（傾斜面）の傾斜角度は同じであってもよいし、異なっていてもよい。

　［試験例１］
　双極板の一面側と他面側のそれぞれに双極板の下側縁部から上側縁部に亘って連通する複数の溝部を形成して、縦溝構造の流路を備える双極板を作製した。ここでは、表１に示すように、溝部の断面形状（開口部の幅ｗ、深さｈ、側壁と底壁とのなす角度α、角部の曲率半径ｒ）が異なる複数の双極板（図５、図６参照）を作製した。各双極板を用いてセルフレームを作製し、これを用いて複数のＲＦ電池（試験体Ａ～Ｉ）を組み立てた。そして、各試験体のＲＦ電池を充電した後、ポンプを停止して電解液を自己放電させた。その後、ＲＦ電池を解体して双極板（セルフレーム）を取り出し、各試験体について電解液の析出状態を確認し評価した。その結果を表１に示す。表１に示す「析出有無」の評価は、析出が確認できなかった場合を「Ａ」、微小な析出はあるが、溝部が閉塞していない場合を「Ｂ」、析出がやや多いが、溝部の閉塞には至っていない場合を「Ｃ」、析出が多く、溝部が閉塞している場合を「Ｄ」とした。

　表１に示す結果から、幅ｗが１～５ｍｍ、深さｈが１～５ｍｍ、角度αが９５～１１０°、曲率半径ｒが０．２～５ｍｍの範囲内である試験体Ａ、Ｂでは、析出がなく、良好な結果であることが確認できた。また、幅ｈが０．５～１０ｍｍ、深さｈが０．５～１０ｍｍ、角度αが９１～１２０°、曲率半径ｒが０．１～１０ｍｍの範囲内である試験体Ｃ～Ｆでは、微小な析出があるものの、溝部の閉塞がなく、十分に使用可能な結果であった。角度αが９１°以上の試験体Ｇ、Ｈでは、析出がやや多いが、溝部の閉塞には至っておらず、実用上問題ない結果であった。

　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
　３１　双極板
　３２　枠体
　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
　３８　シール溝
　４０　流路
　　４１　導入路
　　４２　排出路
　４００　溝部
　　４１０　導入側溝部
　　４１１　導入側整流溝部
　　４２０　排出側溝部
　　４２１　排出側整流溝部
　５１　側壁
　　５１０幅狭部
　５２　底壁
　５３　開口部
　５４　角部
　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
　２００　サブスタック
　２１０　給排板
　２２０　エンドプレート
　２３０　締付機構

Claims

　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、電解液が流通する少なくとも１つの溝部を有し、
　前記溝部は、前記電解液の流通方向に直交する断面において、互いに対向する一対の側壁を有し、
　前記溝部の深さ方向の少なくとも一部に、前記側壁の間隔が深さ方向に狭くなる幅狭部を有する双極板。
　前記溝部は、底壁を有し、
　前記底壁は、前記双極板の表面に平行な平坦面を有する請求項１に記載の双極板。
　少なくとも一方の前記側壁と前記底壁とのなす角度が９１°以上１２０°以下である請求項２に記載の双極板。
　少なくとも一方の前記側壁と前記底壁との角部が曲面状に形成されている請求項２又は請求項３に記載の双極板。
　前記幅狭部において、前記側壁の少なくとも一方は、深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、前記傾斜面が平面である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の双極板。
　前記幅狭部において、前記側壁の少なくとも一方は、深さ方向に対して傾斜する傾斜面を有し、前記傾斜面が曲面である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の双極板。
　前記溝部は、底壁を有し、
　前記底壁は、前記溝部の深さ方向に突出する曲面を有する請求項１に記載の双極板。
　前記側壁と前記底壁の全面が曲面状に形成されている請求項７に記載の双極板。
　前記溝部の深さ方向の任意の位置における前記側壁の間隔が、その位置よりも開口部側における前記側壁の間隔に対して同等以下である請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の双極板。
　請求項１から請求項９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。
　請求項１０に記載のセルフレームを備えるセルスタック。
　請求項１１に記載のセルスタックを備えるレドックスフロー電池。