(57)【要約】【課題】少ない溝加工数で集電板を形成でき、集電板および電極として用いることにより、電極に電解液をより均一に供給でき、セル抵抗率の低いレドックスフロー電池を提供する。【解決手段】集電板と電極とが一体化されてなり、集電板は、第１方向に延在する１本の第１流路と、第１流路と交差する方向に平行に延びる複数本の第２流路とを有し、電極が、第１電極と第２電極と液流出層とが積層されたものであり、集電板排出路が第１流路に対して対称に第２流路端部の外側の位置に第１方向に延在して配置され、第１流路の一端から電解液が供給された場合の第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速が、第１流路と第２流路とが交差する地点Ｅ１では、第２流路端部Ｅ２の６．３％以上４０％以下であり、隣り合う前記第２流路端部間を結ぶ直線の中央地点Ｅ３では、第２流路端部の６０％以上９８％以下である集電板ユニットとする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン交換膜と、集電板と、前記イオン交換膜と前記集電板との間に配置された電極とを有するレドックスフロー電池に用いられる集電板ユニットであり、
前記集電板ユニットは、前記集電板と前記電極とが一体化されてなり、
前記集電板は、前記電極との対向面に凹状に形成された溝からなる流路を有し、
前記流路は、第１方向に延在する１本の第１流路と、前記第１流路と連通し、前記第１流路と交差する方向に平行に延びる複数本の第２流路とからなり、
前記電極が、前記集電板側から順に、前記流路を覆うように形成された第１電極と、第２電極と、液流出層とが積層されたものであり、前記第１電極および前記液流出層の通液性が前記第２電極よりも高く、
前記液流出層から前記電解液を排出する集電板排出路が、前記第１流路に対して対称に前記第２流路端部の外側の位置に前記第１方向に延在して配置され、
前記第１流路の一端から電解液が供給された場合の前記第２電極の厚み半分の位置における前記電解液の法線方向流速が、
前記第１流路と前記第２流路とが交差する地点では、前記第２流路端部の６．３％以上４０％以下であり、
隣り合う前記第２流路端部間を結ぶ直線の中央地点では、前記第２流路端部の６０％以上９８％以下である集電板ユニット。
【請求項２】
前記第２流路の前記第１流路の長さ方向のピッチが１．１ｍｍ以上４５ｍｍ以下である請求項１に記載の集電板ユニット。
【請求項３】
前記集電板の前記電極との対向面の面積に対する前記第１電極の平面視での前記集電板との接触面積の割合が６６．５％以上９９．５％以下である請求項１または請求項２に記載の集電板ユニット。
【請求項４】
前記第２流路が、第１流路に対して対称に配置されている請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の集電板ユニット。
【請求項５】
イオン交換膜と、集電板と、前記イオン交換膜と前記集電板との間に配置された電極とを有するレドックスフロー電池であり、
前記集電板および前記電極として、請求項１〜請求項４のいずれか一項に記載の集電板ユニットが備えられているレドックスフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、集電板ユニットおよびレドックスフロー電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
大容量蓄電池として、レドックスフロー電池が知られている。レドックスフロー電池としては、イオン交換膜と、集電板と、イオン交換膜と集電板との間に配置された電極と、集電板および電極の外周を囲むセルフレームとを有するものがある。レドックスフロー電池では、電極で酸化反応と還元反応とを同時に進めることにより充放電が行われる。
【０００３】
レドックスフロー電池としては、平均繊維径が１μｍ以下のカーボンナノチューブを含む導電性シートと、導電性シートの第一の面側に形成され、通液された電解液が導電性シートに流入する液流入部材と、導電性シートの第二の面側に形成され、導電性シートを通過した電解液が流出する液流出部材とを備える電極材を用いたレドックスフロー電池が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
また、レドックスフロー電池としては、電解液が集電板側の面からイオン交換膜側の面に流れる主電極層を有する電極を備え、主電極層は、面方向に並置された複数の主電極片からなるものが提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
また、特許文献３には、隔膜と双極板との間に配置される電極を備え、双極板が、電極側の面に電解液が流通する流路を有し、電極が、透過率Ｋが７．０×１０−１４ｍ２以上９．１×１０−１０ｍ２以下である電極層を備えるレドックスフロー電池が記載されている。
また、特許文献４には、液体電解質の流れを受け取る流路を有するバイポーラプレートと、バイポーラプレートにすぐ隣接して配置された多孔質電極であって、液体電解質に関して触媒活性を有する多孔質電極とを備え、バイポーラプレートの流路は、液体電解質の流れの少なくとも一部を多孔質電極内へと積極的に押しやるように構成された流路配置または流路形状のうちの少なくとも一方を有するフローバッテリが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１６／１５９３４８号
【特許文献２】国際公開第２０１８／０２５４０６号
【特許文献３】特開２０１５−１２２２３１号公報
【特許文献４】特表２０１５−５０５１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来のレドックスフロー電池においては、電極に電解液を均一に供給して、セル抵抗率をより一層低減することが要求されている。
電極に電解液を均一に供給する方法として、集電板の電極との対向面に、電解液の流路となる複数の溝を形成することが考えられる。しかしながら、集電板の電極との対向面に、ピッチの狭い溝を多数形成する場合には、集電板の製作工数が多くなるとともに製作不良が生じやすくなるという不都合が生じる。
【０００７】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、少ない溝加工数で集電板を形成でき、レドックスフロー電池の集電板および電極として用いることにより、電極に電解液をより均一に供給でき、セル抵抗率の低いレドックスフロー電池が得られる集電板ユニットを提供することを課題とする。
また、本発明は、本発明の集電板ユニットが備えられたセル抵抗率の低いレドックスフロー電池を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明者は、上記課題を解決するために、流体の流路中に、透過率が小さく、流体に抵抗のある物質が存在している場合、流体は一度流路内に充填された後、抵抗の少ない部位を優先的に流れるという基本性質に着目して、鋭意検討を重ねた。
その結果、本発明者らは、集電板の電極との対向面に、ピッチを十分に広くした特定の形状を有する複数本の流路を設けることにより、カラム幅方向およびカラム長手方向における電解液の法線方向流速のばらつきを十分に少なくでき、しかも少ない溝加工数で集電板を形成でき、セル抵抗率を低減できることを見出し、本発明を想到した。
すなわち、本発明は以下の事項に関する。
【０００９】
（１）イオン交換膜と、集電板と、前記イオン交換膜と前記集電板との間に配置された電極とを有するレドックスフロー電池に用いられる集電板ユニットであり、
前記集電板ユニットは、前記集電板と前記電極とが一体化されてなり、
前記集電板は、前記電極との対向面に凹状に形成された溝からなる流路を有し、
前記流路は、第１方向に延在する１本の第１流路と、前記第１流路と連通し、前記第１流路と交差する方向に平行に延びる複数本の第２流路とからなり、
前記電極が、前記集電板側から順に、前記流路を覆うように形成された第１電極と、第２電極と、液流出層とが積層されたものであり、前記第１電極および前記液流出層の通液性が前記第２電極よりも高く、
前記液流出層から前記電解液を排出する集電板排出路が、前記第１流路に対して対称に前記第２流路端部の外側の位置に前記第１方向に延在して配置され、
前記第１流路の一端から電解液が供給された場合の前記第２電極の厚み半分の位置における前記電解液の法線方向流速が、
前記第１流路と前記第２流路とが交差する地点では、前記第２流路端部の６．３％以上４０％以下であり、
隣り合う前記第２流路端部間を結ぶ直線の中央地点では、前記第２流路端部の６０％以上９８％以下である集電板ユニット。
【００１０】
（２）前記第２流路の前記第１流路の長さ方向のピッチが１．１ｍｍ以上４５ｍｍ以下である（１）に記載の集電板ユニット。
【００１１】
（３）前記集電板の前記電極との対向面の面積に対する前記第１電極の平面視での前記集電板との接触面積の割合が６６．５％以上９９．５％以下である（１）または（２）に記載の集電板ユニット。
【００１２】
（４）前記第２流路が、第１流路に対して対称に配置されている（１）〜（３）のいずれかに記載の集電板ユニット。
【００１３】
（５）イオン交換膜と、集電板と、前記イオン交換膜と前記集電板との間に配置された電極とを有するレドックスフロー電池であり、
前記集電板および前記電極として、（１）〜（４）のいずれかに記載の集電板ユニットが備えられているレドックスフロー電池。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の集電板ユニットは、カラム幅方向およびカラム長手方向における電解液の法線方向流速のばらつき小さい。このため、本発明の集電板ユニットを、集電板および電極として備えたレドックスフロー電池では、電解液が電極の面内方向全面に行き渡りやすく、電解液と電極との反応が良好に行われる。よって、本発明によれば、セル抵抗率の低いレドックスフロー電池が得られる。しかも、本発明の集電板ユニットでは、第２流路の第１流路の長さ方向のピッチの広さが十分に確保されるため、集電板を製造する際の溝加工数が少なくて済み、集電板の製作不良、製作工数、製作コストを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本実施形態のレドックスフロー電池を示した断面模式図である。
【図２】図２（ａ）は、図１に示すレドックスフロー電池に備えられている集電板を積層方向から平面視した平面図である。図２（ｂ）は、ａ１−ａ１矢視で切断した第１流路Ｃ１の断面図である。図２（ｃ）は、ａ２−ａ２矢視で切断した第２流路Ｃ２の断面図である。図２（ｄ）は、ａ３−ａ３矢視で切断した集電板排出路２３の断面図である。
【図３】図２で示されるレドックスフロー電池の集電板をＡ−Ａ面で切断した断面模式図である。
【図４】図１に示すレドックスフロー電池における１つのセルをカラム幅方向から見た断面模式図である。
【図５】図２で示されるレドックスフロー電池をＡ−Ａ面で切断した断面模式図である。
【図６】図１で示されるレドックスフロー電池における電解液の流れを説明するための図である。
【図７】速度割合（（Ａ）／（Ｂ））と第２流路Ｃ２の長さ方向中心からの位置との関係を示したグラフである。
【図８】速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））と隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間の長さ方向中心からの位置との関係を示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の集電板ユニットおよびレドックスフロー電池について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合がある、このため、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。また、以下の説明において例示される材質、寸法等は一例である。したがって、本発明は、以下に示す実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要件を変更しない範囲で適宜変更して実施できる。
【００１７】
図１〜図６は、本発明のレドックスフロー電池の一例として、本実施形態のレドックスフロー電池を説明するための図である。図１〜図６について、同じ部材には同じ符号を付している。
図１は、本実施形態のレドックスフロー電池を示した断面模式図である。
図２（ａ）は、図１に示すレドックスフロー電池に備えられている集電板を積層方向から平面視した平面図である。図２（ｂ）は、ａ１−ａ１矢視で切断した第１流路Ｃ１の断面図である。図２（ｃ）は、ａ２−ａ２矢視で切断した第２流路Ｃ２の断面図である。図２（ｄ）は、ａ３−ａ３矢視で切断した集電板排出路２３の断面図である。
【００１８】
図３は、図２で示されるレドックスフロー電池の集電板をＡ−Ａ面で切断した断面模式図である。
図４は、図１に示すレドックスフロー電池における１つのセルをカラム幅方向から見た断面模式図である。
図５は、図２で示されるレドックスフロー電池をＡ−Ａ面で切断した断面模式図である。
図６は、図１で示されるレドックスフロー電池における電解液の流れを説明するための図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施形態のレドックスフロー電池１００は、イオン交換膜１０と、集電板２０と、電極３０と、セルフレーム４０とを有する。図１に示すセルフレーム４０は、枠状であり、集電板２０および電極３０の外周面を囲むように設置されている。
図１および図４に示すように、電極３０は、イオン交換膜１０と集電板２０との間に配置されている。電極３０は、図１に示すように、イオン交換膜１０と集電板２０とセルフレーム４０によって形成された電極室内に設けられている。
【００２０】
図１に示すように、本実施形態のレドックスフロー電池１００は、複数のセルＣＥが積層されたセルスタック構造を有する。図１および図４に示すように、１つのセルＣＥは、イオン交換膜１０と、イオン交換膜１０を挟む正極及び負極として機能する２つの電極３０と、イオン交換膜１０を挟む２つの電極３０を挟む集電板２０とからなる。図１および図４に示すセルＣＥを、複数直列接続することにより、実用的な電圧が得られるレドックスフロー電池１００となる。セルＣＥの積層数は、レドックスフロー電池１００の用途などに応じて適宜変更することができ、単セルのみであってもよい。
【００２１】
以下、セルＣＥが積層されるセルスタック構造の積層方向を単に「積層方向」、セルスタック構造の積層方向に垂直な面方向を「面内方向」と言うことがある。
【００２２】
本実施形態のレドックスフロー電池１００では、図４に示すように、集電板２０および電極３０として、集電板ユニット２００が備えられている。集電板ユニット２００は、集電板２０と電極３０とが一体化されたものである。
【００２３】
「イオン交換膜」
イオン交換膜１０としては、陽イオン交換膜を用いることが好ましい。陽イオン交換膜の材料としては、具体的には、スルホ基を有するパーフルオロカーボン重合体、スルホ基を有する炭化水素系高分子化合物、リン酸などの無機酸をドープさせた高分子化合物、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機／無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体等が挙げられる。イオン交換膜１０の材料としては、上記の中でも特に、スルホ基を有するパーフルオロカーボン重合体が好ましく、ナフィオン（登録商標）がより好ましい。
【００２４】
「集電板」
集電板２０は、電極３０に電子を授受する役割を持つ。集電板２０は、一方の面にのみ電極３０が配置されるものであってもよいし、両面に電極が配置されるものであってもよい。集電板２０が両面に電極３０が配置されるものである場合、双極板と言われることもある。
【００２５】
集電板２０の材料としては、導電性材料が用いられる。導電性材料としては、例えば、炭素を含有する材料などが挙げられる。炭素を含有する材料としては、炭素材料を含む樹脂などが挙げられ、具体的には、黒鉛と有機高分子化合物とからなる導電性樹脂、この導電性樹脂の黒鉛の一部をカーボンブラックとダイヤモンドライクカーボンの少なくとも１つに置換した導電性樹脂などが挙げられる。
集電板２０は、炭素材料と樹脂とを混練成形した成形体であることが好ましい。
【００２６】
図２に示すように、積層方向から平面視した集電板２０は、カラム幅方向（図２における左右方向）に延びる辺と、カラム長手方向（図２における上下方向）に延びる辺とからなる矩形形状を有している。
集電板２０は、図２に示すように、電極３０との対向面に凹状に形成された溝からなる流路Ｃを有する。
【００２７】
流路Ｃは、集電板２０の電極３０との対向面全面に電解液が供給されやすくするためのものである。流路Ｃは、図２（ａ）に示すように、あばら骨状の平面形状を有するものであり、第１流路Ｃ１と第２流路Ｃ２とからなる。
図２（ａ）に示す第１流路Ｃ１は、断面視矩形の溝であり、１本のみ設けられている。第１流路Ｃ１は、図２（ａ）に示すように一端から電解液が供給されるものであり、カラム長手方向（第１方向）に延在している。
図２（ｂ）は、ａ１−ａ１矢視で切断した第１流路Ｃ１の断面図である。第１流路Ｃ１の断面寸法は、水力学の管路の損失を小さくする経済的な目安とされる流量２．０〜２．５ｍ／ｓｅｃを満たす値とすることが好ましい。第１流路Ｃ１の断面形状は、図２（ｂ）に示すように矩形とすることができる。
【００２８】
図２（ａ）、図３、図４に示すように、第２流路Ｃ２は、第１流路Ｃ１よりも深さの浅い断面視矩形の溝であり、複数本設けられている。第２流路Ｃ２は、それぞれ第１流路Ｃ１と連通し、第１流路Ｃ１から交差する方向（図２に示す例ではカラム幅方向）に平行に延在し、第１流路Ｃ１に対して対称に配置されている。
図２（ｃ）は、ａ２−ａ２矢視で切断した第２流路Ｃ２の断面図である。第２流路Ｃ２の断面寸法は、水力学の管路の損失を小さくする経済的な目安とされる流量２．０〜２．５ｍ／ｓｅｃを満たす値とすることが好ましい。第２流路Ｃ２の断面形状は、図２（ｃ）に示すように矩形とすることができる。
【００２９】
図２（ａ）において、符号Ｐ１は、第２流路Ｃ２の第１流路Ｃ１の長さ方向のピッチである。第２流路Ｃ２のピッチは、１．１ｍｍ以上４５ｍｍ以下であることが好ましく、１．７５ｍｍ以上４３ｍｍ以下であることがより好ましく、４．５ｍｍ以上２１ｍｍ以下であることがさらに好ましい。
第２流路Ｃ２のピッチが、１．１ｍｍ以上であると、集電板２０を製造する際の溝加工数がより一層少なくて済むため、流路Ｃの製作不良、製作工数、製作コストが抑えられ、好ましい。第２流路Ｃ２のピッチが、４５ｍｍ以下であると、十分な数の第２流路Ｃ２を形成できるため、電極３０に電解液をより均一に供給しやすくなり、より一層セル抵抗率が低いものとなり、好ましい。
【００３０】
図２（ａ）において、符号Ｅ１は、第１流路Ｃ１と第２流路Ｃ２とが交差する地点である。符号Ｅ２は、第２流路Ｃ２の流出先端（第２流路Ｃ２の端部）である。符号Ｅ３は、隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間を結ぶ直線の中央地点である。
【００３１】
本実施形態集電板ユニット２００は、第１流路Ｃ１の一端から電解液が供給された場合の、以下に示す地点＜１＞および＜２＞での第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速が、以下に示す範囲内となるものである。
＜１＞第１流路Ｃ１と第２流路Ｃ２とが交差する地点Ｅ１では、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の６．３％以上４０％以下である。
＜２＞隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間を結ぶ直線の中央地点Ｅ３では、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の６０％以上９８％以下である。
【００３２】
＜１＞の地点Ｅ１での第２電極３２の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速が、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の６．３％以上であると、第２電極３２内を流れる電解液の法線方向流速における第２流路Ｃ２の延在方向（図２に示す例ではカラム幅方向）のばらつきが十分に小さいものとなる。また、地点Ｅ１での上記の法線方向流速が、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の４０％以下であると、第２流路Ｃ２が設けられていることによる第２電極３２に電解液を均一に供給する効果が得られる。
地点Ｅ１での上記の法線方向流速は、第２電極３２内を流れる電解液の法線方向流速における第２流路Ｃ２の延在方向のばらつきをより小さくするために、６．９％以上１３％以下であることが好ましく、９％以上１２％以下であることがより好ましい。
【００３３】
＜２＞の地点Ｅ３での第２電極３２の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速が、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の６０％以上であると、第２電極３２内を流れる電解液の法線方向流速における第１流路Ｃ１の延在方向（図２に示す例ではカラム長手方向）のばらつきが十分に小さいものとなる。また、地点Ｅ３での上記の法線方向流速が、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の９８％以下であると、第２流路Ｃ２のピッチを十分に広くできる。このため、集電板２０を製造する際の溝加工数が少なくて済む。
地点Ｅ３での上記の法線方向流速は、６１％以上９７％以下であることが好ましく、６５％以上８９％以下であることがより好ましい。
【００３４】
集電板２０の電極３０との対向面の面積に対する第１電極３１の平面視での集電板２０との接触面積の割合は、６６．５％以上９９．５％以下であることが好ましい。上記接触面積の割合が６６．５％以上であると、電解液と電極３０との反応が良好に行われるため、効率よく充放電反応を行うことができ、より一層セル抵抗率が低いものとなり、好ましい。上記接触面積の割合が９９．５％以下であると、図２および図３に示すように、集電板２０の電極３０との対向面に、第１電極３１が収納される凹部２０Ａが形成されている場合に、集電板２０に凹部２０Ａを形成するための加工がしやすいため、好ましい。集電板２０の電極３０との対向面の面積に対する第１電極３１の平面視での集電板２０との接触面積の割合は、７２％以上９８％以下とするのがより好ましく、８５％以上９６％以下とするのが実用上さらに好ましい。
【００３５】
図２および図３に示すように、集電板２０の電極３０との対向面には、縁部（平面視で外周面２０１）から離間した領域に、電極３０が収納される凹部２０Ａが凹状に設けられている。言い換えると、集電板２０の電極３０との対向面側には、凹部２０Ａを画成する周縁壁２１が設けられている。
凹部２０Ａの底面には、流路Ｃが配置されている。流路Ｃの溝の間に当る位置には、内部壁２２が形成されている。言い換えると、内部壁２２と内部壁２２の間に流路Ｃが形成されている。
【００３６】
本実施形態では、集電板２０の電極３０との対向面に凹部２０Ａが設けられているので、後述する第１電極３１と比較して通液性が低い第２電極３２と、凹部２０Ａとに囲まれた領域に設けられた第１電極３１内で、流路Ｃから供給された電解液が面内方向に広がりやすくなる。このことにより、第２電極３２全面に電解液をより均一に流入させやすくなる。
【００３７】
図２、図４〜図６に示すように、集電板２０の電極３０との対向面の縁部に沿って、後述する液流出層３３から電解液を排出する集電板排出路２３、２４が設けられている。本実施形態では、集電板排出路２３、２４が設けられているので、集電板２０からの電解液の排出が促進され、電極３０に電解液をより一層均一に供給できる。
集電板排出路２３は、平面視矩形の集電板２０における平行な２辺にそれぞれ設けられている。集電板排出路２３は、第１流路Ｃ１に対して対称に第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の外側の位置に、第１方向に延在して配置されている。集電板排出路２４は、集電板２０における電解液の下流側の縁部に、第２流路Ｃ２の延在方向に沿って配置されている。図２に示すように、集電板排出路２４は、２本の集電板排出路２３の下流側の端部間をつなぐように配置されている。
【００３８】
集電板排出路２３は、図４に示すように、集電板排出路２３を形成している内壁のうち一部（図４に示す例では上面と集電板２０の内側の側面）が電極３０の外面であることが好ましい。すなわち、本実施形態の集電板ユニット２００では、図４に示すように、後述する第２電極３２の側面、および液流出層３３の集電板２０側の面が、集電板排出路２３の内壁の一部を兼ねている。第２電極３２は、後述するように、第１電極３１および液流出層３３と比較して通液性が低い。このため、第１電極３１から第２電極３２に供給された電解液は、第２電極３２の側面から集電板排出路２３に排出されにくく、第２電極３２を通過してから液流出層３３を介して集電板排出路２３に排出されやすい。よって、第２電極３２の側面、および液流出層３３の集電板２０側の面が、集電板排出路２３の内壁の一部を兼ねている場合、第２電極３２を用いて効率よく充放電反応を行うことができる。
【００３９】
図２（ｄ）は、ａ３−ａ３矢視で切断した集電板排出路２３の断面図である。集電板排出路２３の断面寸法は、水力学の管路の損失を小さくする経済的な目安とされる流量２．０〜２．５ｍ／ｓｅｃを満たす値とすることが好ましい。集電板排出路２３の断面形状は、図２（ｄ）に示すように矩形とすることができる。
【００４０】
「セルフレーム」
セルフレーム４０は、イオン交換膜１０と集電板２０とセルフレーム４０によって形成された電極室に供給された電解液が、電極室の外に漏れだすのを防ぐ機能を有する。
セルフレーム４０の材料としては、例えば、塩化ビニル樹脂、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を用いてもよいし、ゴムを用いてもよい。
【００４１】
「電極」
電極３０は、通液性を有する。本実施形態のレドックスフロー電池１００では、図４および図５に示すように、電極３０として、集電板２０側から順に、第１電極３１と、第２電極３２と、液流出層３３とが積層されたものが備えられている。
【００４２】
図２、図４、図５に示すように、第１電極３１は、集電板２０の凹部２０Ａに嵌合して流路Ｃを覆うように形成され、周縁壁２１の第１面２１ａよりも内側に存在する。より詳細には、凹部２０Ａのうち、周縁壁２１の側面と内部壁２２の第１面２２ａとに囲まれた領域に、第１電極３１が嵌合されている。なお、周縁壁２１の第１面２１ａは、電極３０との対向面側の面とも言う。
【００４３】
図２に示すように、凹部２０Ａの底面（内部壁２２の第１面２２ａ）には、流路Ｃが配置されている。そのため、集電板２０から第１電極３１に均一に電解液が供給される。また、本実施形態では、内部壁２２の直上の第１領域Ｄ３にも電解液が供給されやすい。そのため、内部壁２２の直上の第１領域Ｄ３と、二つの内部壁２２の間の第２領域Ｄ４との間の電解液の供給状態の違いを小さくできる。
【００４４】
第１電極３１の厚さは、０．２５〜０．６０ｍｍとすることが好ましく、０．２５〜０．４０ｍｍとすることがより好ましい。第１電極３１の厚さが、０．２５ｍｍ以上であると、電解液が面内方向に広がりやすくなり、電解液の流れがより一層均一になりやすくなる。また、第１電極３１の厚さが、０．６０ｍｍ以下であると、セルＣＥの厚さを薄くでき、好ましい。
【００４５】
図４および図５に示すように、第２電極３２は、第１電極３１のイオン交換膜１０側の面上の全域に形成されている。さらに、第２電極３２は、図４に示すように、周縁壁２１の第１面２１ａの一部を覆うように形成され、第１方向に延在する縁部（第１流路Ｃ１の延在方向と平行な縁部）から離間して設けられている。このことにより、第１方向に延在する縁部に、図４に示すように、第２電極３２とセルフレーム４０とに挟まれた空間からなる集電板排出路２３が形成されている。また、周縁壁２１の第１面２１ａのうち、カラム長手方向の一方の縁部２１ｂ（第２流路Ｃ２の延在方向と平行な縁部）には、第２電極３２が、第１電極３１のイオン交換膜１０側の面上から連続して、周縁壁２１の第１面２１ａを覆うように設けられている。
【００４６】
第２電極３２の厚さは、０．０１〜０．８０ｍｍとすることが好ましく、０．０２〜０．５０ｍｍとすることがより好ましい。第２電極３２の厚さが、０．０１ｍｍ以上であると、第２電極３２の導電性が良好となり、好ましい。また、第２電極３２の厚さが、０．８０ｍｍ以下であると、第２電極３２における電解液の通液抵抗が大きくなりすぎず、良好な通液性が得られる。
【００４７】
図４および図５に示すように、液流出層３３は、第２電極３２のイオン交換膜１０側の面上に形成され、イオン交換膜１０と接して配置されている。液流出層３３は、セルフレーム４０で囲まれる領域全面に広がって設けられている。
液流出層３３の厚さは、０．１０〜０．３５ｍｍとすることが好ましく、０．１０〜０．２０ｍｍとすることがより好ましい。液流出層３３の厚さが、０．１０ｍｍ以上であると、電解液を排出する効果が顕著となり、電極３０に電解液を通過させるために必要な圧力が少なくて済むため、好ましい。また、液流出層３３の厚さが、０．３５ｍｍ以下であると、第２電極３２とイオン交換膜１０との間隔が広くなりすぎず（イオンの移動度が大きくなりすぎず）、セル抵抗率の増加が抑制されるため、好ましい。
【００４８】
電極３０（第１電極３１、第２電極３２、液流出層３３）の材料としては、例えば、炭素繊維を含む導電性シートを用いることができる。ここで言う炭素繊維とは、繊維状炭素であり、具体的には、例えば、カーボンファイバー、カーボンナノチューブなどが挙げられる。炭素繊維を含む導電性のシートとしては、例えば、カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンナノチューブシート等を用いることができる。
【００４９】
炭素繊維を含む導電性シートからなる電極３０を用いることにより、電解液と電極３０との接触面積が十分に確保された反応性の高いレドックスフロー電池１００が得られる。特に、電極３０が、繊維径１μｍ以下のカーボンナノチューブを含む場合、カーボンナノチューブの繊維径が十分に小さいため、電解液と電極３０との接触面積をより効果的に大きくでき、好ましい。一方、繊維径１μｍ以上のカーボンファイバーを含む導電性シートは、強度が強く破れにくい。このため、電極３０が、繊維径１μｍ以上のカーボンファイバーを含む場合、強度の高いレドックスフロー電池１００となり、好ましい。
【００５０】
液流出層３３は、電解液が通液する多数の孔を有する多孔性（多孔質）のものであればよく、導電性を有するものであってもよいし、導電性を有していなくてもよい。液流出層３３が、導電性を有するものである場合、より一層、抵抗の低いセルＣＥとなり、好ましい。
【００５１】
第１電極３１は、第２電極３２より通液性が高い。第１電極３１の通液性が第２電極３２の通液性より高いと、第１電極３１に流入した電解液の流れが、第２電極３２によって阻まれて面内方向に広がりやすくなる。このことにより、第２電極３２全面に電解液を均一に流入させやすくなる。
【００５２】
具体的には、第１電極３１の透過率は、第２電極３２の透過率と比べて、１００倍以上であることが好ましく、３００倍以上であることがより好ましく、１０００倍以上であることがさらに好ましい。
当該関係を実現できる具体的な例としては、第１電極３１として繊維径１μｍ以上の炭素繊維等により構成されたカーボンフェルト、カーボンペーパーなどを用い、第２電極３２として繊維径１μｍ以下のカーボンナノチューブにより構成されたカーボンナノチューブシートなどを用いる場合が挙げられる。
なお、第１電極３１の透過率とは、面内方向の透過率を意味する。第２電極３２の透過率とは、積層方向（面内方向の法線方向）の透過率を意味する。
【００５３】
液流出層３３は、第２電極３２より流出した電解液を排出路へと導く機能を有する。そのため、液流出層３３は、第２電極３２より通液性が高い。液流出層３３の面内方向の通液性が第２電極３２の積層方向の通液性より高いと、電解液が速やかに液流出層３３を介して集電板排出路２３に排出され、第２電極３２の集電板排出路２３近傍における電解液の流れの差が少なくなる。その結果、第２電極３２の全面を用いて効率よく充放電反応を行うことができるとともに、抵抗の低いセルＣＥとなり、好ましい。
【００５４】
具体的には、液流出層３３の透過率は、第２電極３２の透過率と比べて、５０倍以上であることが好ましく、１００倍以上であることがより好ましく、３００倍以上であることがさらに好ましく、１０００倍以上であることが特に好ましい。
当該関係を実現できる具体的な例としては、液流出層３３として第１電極３１と同様に、繊維径１μｍ以上の炭素繊維等により構成されたカーボンフェルト、カーボンペーパーなどを用い、第２電極３２として繊維径１μｍ以下のカーボンナノチューブにより構成されたカーボンナノチューブシートなどを用いる場合が挙げられる。
なお、液流出層３３の透過率とは、面内方向の透過率を意味する。
【００５５】
本実施形態のレドックスフロー電池１００では、電極３０が、集電板２０側から順に、第１電極３１と、第２電極３２と、液流出層３３とが積層されたものであり、第１電極３１および液流出層３３の通液性が第２電極３２よりも高い。このため、第２電極３２の全面を用いて効率よく充放電反応を行うことができる。
【００５６】
電極３０（第１電極３１、第２電極３２、液流出層３３）の通液性は、ダルシー則の透過率（以下、単に透過率と言うことがある。）により評価できる。ダルシー則は、多孔性媒体の透過率を表すのに用いられるのが一般的である。ダルシー則は、便宜上、多孔性材料以外の部材にも適用できる。その際、不均一で異方性のある部材については、最も低い透過率となる方向の透過率を採用する。
【００５７】
ダルシー則の透過率ｋ（ｍ２）は、粘度μ（Ｐａ・ｓｅｃ）の液を通液させる部材の断面積Ｓ（ｍ２）、部材の長さＬ（ｍ）、流量Ｑ（ｍ３／ｓｅｃ）を通液した際の部材の液流入側と液流出側の差圧ΔＰ（Ｐａ）から、次式で表される液体の透過流束（ｍ／ｓｅｃ）の関係より算出される。
【００５８】
【数１】
2020107481.tif 000003
【００５９】
「電解液」
電解液としては、レドックスフロー電池の電解液として使用できるものを用いることができる。例えば、電解液として、硫酸バナジウム水溶液を用いることができる。
【００６０】
「レドックスフロー電池の動作」
次に、本実施形態のレドックスフロー電池１００の動作の一例について、図６を用いて説明する。
図１に示すレドックスフロー電池１００の電極３０には、図６に示すようにセルフレーム４０から、集電板２０に電解液が供給され、集電板２０から電極３０に供給される。
電極３０に供給された電解液は、電極３０と反応する。反応時に生じたイオンは、イオン交換膜１０を介して電極３０間を流通し、充放電を行う。
反応後の電解液は、集電板２０の有する集電板排出路２３、２４を介して、セルフレーム４０に排出される。
【００６１】
本実施形態では、図６に示すように、集電板２０に供給された電解液は、流路Ｃの第１流路Ｃ１に沿って流れ（流れｆ１１）、第１流路Ｃ１から分岐して第２流路Ｃ２に沿って流れる（流れｆ１２）。すなわち、電解液は、凹部２０Ａの面内方向に広がって流される。流路Ｃを介して凹部２０Ａの全面に広がった電解液は、電極３０を反応しながら通過し、集電板排出路２３、２４を介して排出される（流れｆ１３）。
【００６２】
本実施形態では、図６に示すように、電解液が凹部２０Ａの面内方向に広がって全面に行き渡るため、電極３０が面内方向全面に渡って利用される。その結果、レドックスフロー電池１００のセルＣＥの抵抗が小さくなるとともに、充放電特性が向上する。
【００６３】
本実施形態の集電板ユニット２００では、第１流路Ｃ１の一端から電解液が供給された場合に、第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速が、第１流路Ｃ１と第２流路Ｃ２とが交差する地点Ｅ１では、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の６．３％以上４０％以下であり、隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間を結ぶ直線の中央地点Ｅ３では、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の６０％以上９８％以下であり、カラム幅方向およびカラム長手方向における電解液の法線方向流速のばらつき小さい。
【００６４】
このため、本実施形態の集電板ユニット２００を、集電板２０および電極３０として備えたレドックスフロー電池１００では、電解液が電極３０の面内方向全面に行き渡りやすく、電解液と電極３０との反応が良好に行われる。よって、本実施形態のレドックスフロー電池１００は、セル抵抗率の低いものとなる。
しかも、本実施形態の集電板ユニット２００では、第２流路Ｃ２のピッチの広さが十分に確保されるため、集電板２０を製造する際の溝加工数が少なくて済む。したがって、集電板の製作不良、製作工数、製作コストを抑えることができる。
【００６５】
以上、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は特定の実施の形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲内に記載された本発明の要件の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。
【００６６】
（他の例）
集電板２０の形状は、図１〜図６に示す構成に限定されるものではない。具体的には、集電板２０の流路Ｃの平面形状および断面形状は、図２〜図６に示す形状に限定されるものではなく、集電板２０の大きさ、集電板ユニットを備えるレドックスフロー電池の用途などに応じて適宜決定でき、特に限定されない。
【００６７】
上述した実施形態では、図２に示すように、第２流路Ｃ２が、第１流路Ｃ１に対して対称に配置されている場合を例に挙げて説明した。しかし、本発明の集電板ユニットにおける第２流路は、第１流路と連通し、第１流路と交差する方向に平行に延びるものであればよい。すなわち、第２流路は、第１流路を起点として伸びるものであってもよい。この場合、第１流路と第２流路とからなる流路は、略Ｅ字状の形状となる。
【実施例】
【００６８】
以下に示す条件で、図１〜図６に示すレドックスフロー電池１００の集電板ユニット２００に電解液を供給した場合の流体解析を行った。
【００６９】
「流体解析条件」
シミュレーション解析ソフト（アンシス・ジャパン株式会社製、ＡＮＳＹＳ  ＣＦＸ）を用いて、表１に示す実施例１〜５、比較例１、２の寸法条件を満たす集電板ユニット２００について、電解液を供給した場合の流体解析を実行した。なお、計算は、カラム長手方向の長さＬ２を一定にし、第２流路Ｃ２のピッチＰ１を変化させて行った。また、計算は層流として扱った。
なお、電解液の粘性、集電板の溝幅または径、流速よりレイノルズ数Ｒｅを算出し、その値が臨界値（Ｒｅ＝２０００）以下となる場合を層流とよぶ。この系を離散化数値流体解析する際に使用する微分方程式（連続の式、運動量保存則）にて、流速の時間平均を行わない計算方法とすることを「層流として扱った」とする。一方、速度の時間平均を採用すると、扱う微分方程式に乱流効果の式を含めるものとなる。この場合を「乱流として扱った」とよぶ。
【００７０】
【表１】
2020107481.tif 000004
【００７１】
表１に示す以下の符号は、以下に示すとおりであり、図２中の符号と対応する。
Ｐ１：第２流路Ｃ２の第１流路Ｃ１の長さ方向のピッチ
Ｗ１：第２流路Ｃ２の長さである。
Ｗ２：第１流路Ｃ１と集電板排出路２３の間の距離である。
Ｗ３：周縁壁２１の第１面２１ａのカラム幅方向の長さである。
Ｗ４：カラム幅である。
Ｌ１：第１流路Ｃ１の長さである。
Ｌ２：カラム長手方向の長さ（集電板排出路２３の長さ）である。
Ａ１：ａ１−ａ１矢視で切断した第１流路Ｃ１の断面積（幅ｗ１＝１．３ｍｍ、高さｈ１＝１．３ｍｍ）である。
Ａ２：ａ２−ａ２矢視で切断した第２流路Ｃ２の断面積（幅ｗ２＝０．８ｍｍ、高さｈ２＝０．８ｍｍ）である。
Ａ３：ａ３−ａ３矢視で切断した集電板排出路２３の断面積（幅ｗ３＝１．１ｍｍ、高さｈ３＝１．１ｍｍ）である。
ｔ１：第１電極の厚みである。
ｔ２：第２電極の厚みである。
ｔ３：液流出層の厚みである。
【００７２】
（電極条件）
第１電極の面内方向の透過率は７．１×１０−１１［ｍ２］とした。
第２電極の積層方向（面内方向の法線方向）の透過率は２．７×１０−１３［ｍ２］とした。
液流出層の面内方向の透過率は４．１×１０−１１［ｍ２］とした。
各層の透過率は、ダルシー則を用いて算出した。
【００７３】
（電解液流入流出条件）
電解液を、硫酸バナジウム水溶液（Ｖ濃度１．８ｍｏｌ/Ｌ、硫酸濃度４．５ｍｏｌ/Ｌ）とした。
電解液流入量を２５ｍＬ/ｍｉｎとし、電解液の流出条件は、自由流出とした。
【００７４】
「第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速の算出」
（カラム幅方向相対速度分布）
表１に示す実施例１〜５、比較例１の寸法条件を満たす集電板ユニット２００について、それぞれ集電板２０の中央近傍に位置する第１流路Ｃ１から両側に伸びる第２流路Ｃ２の長さＷ１を６分割した。分割した各第２流路Ｃ２について、それぞれ第２流路Ｃ２の延在方向中間地点での、第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速（Ａ）を算出した。また、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２について、第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速（Ｂ）を算出した。
そして、得られた法線方向流速（Ａ）と（Ｂ）とを用いて、その速度割合（（Ａ）／（Ｂ））を求めた。その結果を図７に示す。
【００７５】
図７は、速度割合（（Ａ）／（Ｂ））と第２流路Ｃ２の長さ方向中心からの位置との関係を示したグラフである。縦軸は、速度割合（（Ａ）／（Ｂ））を示す。横軸は、第２流路Ｃ２の長さＷ１を１としたときの長さ方向中心からの位置である。
【００７６】
図７に示すように、実施例１〜５では、いずれも速度割合（（Ａ）／（Ｂ））が第２流路Ｃ２の端部Ｅ２に近づくほど大きく、中心に近いほど小さくなっている。したがって、変化量の大きい中心位置の速度割合（（Ａ）／（Ｂ））によって、電解液の法線方向流速における第２流路Ｃ２の延在方向の均一性を評価できることが分かる。
また、図７に示すように、第２流路Ｃ２のピッチＰ１が広い実施例ほど、中心位置の速度割合（（Ａ）／（Ｂ））が大きくなる傾向がある。中心位置の速度割合（（Ａ）／（Ｂ））が大きいほど、第２電極３２内を流れる電解液の法線方向流速における第２流路Ｃ２の延在方向の均一性が良好である。
【００７７】
第２流路Ｃ２のない比較例１では、第１流路Ｃ１から集電板排出路２３への流れとなるため、中心での速度割合（（Ａ）／（Ｂ））が突出して大きくなっている。比較例１は、第２流路のない極端な例として記載した。なお、比較例１の速度割合は、評価方法として実施例３と同一の方法により求めた。
【００７８】
（カラム長手方向相対速度分布）
表１に示す実施例１〜５、比較例１の寸法条件を満たす集電板ユニット２００について、それぞれ集電板２０の中央近傍に位置する第１流路Ｃ１から両側に伸びる第２流路Ｃ２の端部Ｅ２と、隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間の距離を５分割した。分割した各区間について、それぞれ分割した地点での第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速（Ｃ）を算出した。また、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２について、第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速（Ｂ）を算出した。
そして、得られた法線方向流速（Ｃ）と（Ｂ）とを用いて、その速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））を求めた。その結果を図８に示す。
【００７９】
図８は、速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））と隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間の長さ方向中心からの位置との関係を示したグラフである。縦軸は、速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））を示す。横軸は、隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間の距離を１としたときの長さ方向中心からの位置である。
【００８０】
図８に示すように、実施例１〜５では、いずれも速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））が第２流路Ｃ２の端部Ｅ２に近づくほど大きく、中心に近いほど小さくなっている。したがって、変化量の大きい中心位置の速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））によって、電解液の法線方向流速における第１流路Ｃ１の延在方向の均一性を評価できることが分かる。
また、第２流路Ｃ２のピッチＰ１が狭い実施例ほど、中心位置の速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））が大きくなる傾向があることが分かる。中心位置の速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））が大きいほど、第２電極３２内を流れる電解液の法線方向流速における第１流路Ｃ１の延在方向の均一性が良好である。
第２流路Ｃ２のない比較例１では、第１流路Ｃ１から集電板排出路２３への流れとなるため、速度割合（（Ｃ）／（Ｂ））の変化はない。なお、比較例１の速度割合は、評価方法として実施例３と同一の方法により求めた。
【００８１】
図７および図８に示す流体解析の結果から、第２流路Ｃ２のピッチＰ１を広くすると上記速度割合（（Ａ）／（Ｂ））が大きくなり、上記（（Ｃ）／（Ｂ））小さくなることが分かる。これは、以下に示す理由によるものであると推定される。第２流路Ｃ２のピッチＰ１を狭くすると、第２流路Ｃ２末端Ｅ２と集電板排出路２３との間の通液が良好になり、第１流路Ｃ１と第２流路Ｃ２とが交差する地点Ｅ１の流速が減衰する（カラム長手方向における均一性向上）。逆に、第２流路Ｃ２のピッチＰ１を広くすると、第１流路Ｃ１と第２流路Ｃ２とが交差する地点Ｅ１の流速が増加する。このとき隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間を結ぶ直線の中央地点Ｅ３では、質量保存により流速が低下する。この両方のバランスにより、カラム幅方向およびカラム長手方向における電解液の法線方向流速の均一性が確保されると考えられる。つまり、第２流路Ｃ２のピッチＰ１を広くしたことの影響が、上記地点Ｅ１と上記地点Ｅ３での流速の挙動によって相殺されて、電解液の流速の均一性が確保され、セル抵抗率への影響が低減されると推定される。また、第２流路Ｃ２のピッチＰ１を広くすると、集電板２０と電極との有効な接触面積が増大するため、好ましい。
【００８２】
「実施例１」
以下に示す方法により、図１〜図６に示すレドックスフロー電池１００（セル）を作成し、セル抵抗率を測定し、評価した。
（集電板の作製）
カーボンプラスチック成形体からなる集電板２０の凹部２０Ａに、第２流路Ｃ２のピッチＰ１が表２に示す寸法であって、カラム長手方向の第２流路Ｃ２の本数および接触面積割合が表２に示す数値である流路Ｃを形成し、上述した流体解析条件での実施例１の条件を満たす集電板２０を得た。
カラム長手方向の第２流路Ｃ２は、一方の末端Ｅ２からカラム幅方向に第１流路Ｃ１と交差して他方の末端Ｅ２まで連続して延びる第２流路Ｃ２を１本として、本数を数えた。
また、接触面積割合とは、集電板２０の電極３０との対向面の面積に対する第１電極３１の平面視での集電板２０との接触面積の割合を意味する。
【００８３】
【表２】
2020107481.tif 000005
【００８４】
（第１電極の作製）
第１電極３１として、多孔質層であり、導電性を有するカーボンファイバーペーパー（東レ株式会社製：１層のＴＧＰ−Ｈ−０９０を使用）を準備した。このカーボンファイバーペーパーの平均厚さは０．３７ｍｍであり、第１電極３１における面内方向の透過率は、７．１×１０−１１ｍ２であり、上述した流体解析条件での実施例１の条件と同じであった。
【００８５】
（第２電極の作製）
平均繊維径１５０ｎｍ、平均繊維長１５μｍの第１のカーボンナノチューブと、平均繊維径１５ｎｍ、平均繊維長３μｍの第２のカーボンナノチューブとを用意した。そして、第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノチューブの合計１００質量％に対し、９０質量％の第１のカーボンナノチューブと、１０質量％の第２のカーボンナノチューブを純水中で混合し、さらに、第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノチューブの合計１００質量部に対し、１質量部の水溶性導電性高分子であるポリイソチアナフテンスルホン酸を加えて混合液を作製した。得られた混合液を湿式ジェットミルで処理し、カーボンナノチューブの分散液を得た。
【００８６】
この分散液にさらに、第１のカーボンナノチューブと第２のカーボンナノチューブの合計１００質量部に対して、５０質量部のカーボンファイバー（平均繊維径７μｍ、平均繊維長０．１３ｍｍ）を加え、マグネティックスターラーにより撹拌し、分散させて分散液とした。この分散液を濾紙上で濾過し、濾紙とともに脱水した後、プレス機により圧縮してさらに乾燥し、カーボンナノチューブを含む第２電極３２を作製した。
第２電極３２の平均厚さは０．４ｍｍであり、第２電極３２の積層方向（面内方向の法線方向）の透過率は、２．７×１０−１３ｍ２であり、上述した流体解析条件での実施例１の条件と同じであった。
【００８７】
第２電極３２の透過率は、差圧ΔＰと通液する長さＬとが比例するため、実施例１の電池とは異なる長さＬで評価した。すなわち、作製した第２電極３２を３０枚重ね、総厚みが１ｃｍとなるように、両面に直径０．１０ｍｍのＮｉワイヤーからなる６０メッシュのＮｉメッシュシートを配置して圧縮し、断面積１．３５ｃｍ２（幅５０ｍｍ、高さ２．７ｍｍ）、長さ１ｃｍの透過率測定セルの中に設置した。そして、透過率測定セルに水（２０℃、粘度＝１．００２ｍＰａ・ｓｅｃ）を透過流束０．５ｃｍ／ｓｅｃで通液し、積層した導電性シートによる差圧（出口圧−入口圧）を測定し、透過率を算出した。
【００８８】
（液流出層の作製）
液流出層３３としては、多孔質層であり、導電性を有するカーボンファイバーペーパー（ＳＧＬ社製：１層のＧＤＬ２９ＡＡを使用）を準備した。このカーボンファイバーペーパーの平均厚さは０．１１ｍｍであり、液流出層３３における面内方向の透過率は、４．１×１０−１１ｍ２であり、上述した流体解析条件での実施例１の条件と同じであった。
【００８９】
（電池の組み立て）
セルフレーム４０に上述した集電板２０を嵌め込み、集電板２０の凹部２０Ａに第１電極３１を嵌合し、第１電極３１の上に上述した第２電極３２および液流出層３３を、この順に積層した。このことにより、上述した流体解析条件での実施例１の条件を満たす集電板排出路２３を有する集電板ユニット２００が、セルフレーム４０に嵌め込まれたものを得た。これを２つ作成し、２つの液流出層３３の間にイオン交換膜１０としてのナフィオンＮ２１２（登録商標、デュポン社製）を配置し、ガスケット、端部端子、押し板を設置して、実施例１のレドックスフロー電池を得た。
【００９０】
実施例１のレドックスフロー電池の有する２つの集電板ユニット２００のうちの一方に含まれる電極３０を正極とし、もう一方の集電板ユニット２００に含まれる電極３０を負極として用い、以下に示す方法により、セル抵抗率および圧力損失を測定した。
【００９１】
「セル抵抗値の測定」
正極用と負極用の電解液として、それぞれバナジウムイオン（Ｖ３＋、Ｖ４＋）濃度１．８Ｍの硫酸バナジウム水溶液（Ｖ濃度１．８ｍｏｌ/Ｌ、硫酸濃度４．５ｍｏｌ/Ｌ）を２５ｍＬずつ用意した。水浴に入れて浴温を２５℃とした電解液を、チューブポンプを用いて、レドックスフロー電池の正極と負極にそれぞれ送り込み、正極側集電板および負極側集電板に電源に接続して、８０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度で、室温下（２５℃）で充放電を行った。
【００９２】
カットオフ電圧は、充電が１．７５Ｖ、放電が１．００Ｖとした。初めの１サイクル目は、バナジウムイオンの価数が正極では＋５価から＋４価に、負極では＋２価から＋３価に変化するので、１．２６Ｖの起電力であった。濃度１．８Ｍの２５ｍｌの電解液の電池容量は、計算上は１Ａｈである。２サイクル目の電池容量は０．９７５Ａｈであった。３サイクル目までの充放電曲線を用いて、以下に示す方法により、セル抵抗率を計算した。その結果を表２に示す。
【００９３】
「セル抵抗率の算出」
セル抵抗率〔Ω・ｃｍ２〕は、充放電を行って充放電曲線を得た後に、中点法を用いて、以下の式（１）から算出した。充電と放電は同じ電流で行う。
ρＳ,cell  ＝Ｓ×（Ｖ１−Ｖ２）／（２×Ｉ）      ・・・（１）
式（１）中の記号は、以下のとおりである。
ρＳ,cell：セル抵抗率〔Ω・ｃｍ２〕
Ｓ：電極面積〔ｃｍ２〕
Ｖ１：充電曲線の中点電圧〔Ｖ〕
Ｖ２：放電曲線の中点電圧〔Ｖ〕
Ｉ：充放電電流〔Ａ〕
【００９４】
この算出方法をより詳細に説明する。
充放電曲線では必ず、充電曲線が上になり、放電曲線が下になる。これは、電池の内部抵抗に起因するものである。すなわち、放電の際には、開放端電圧（電流が流れていないときの電圧）に対して、電池の内部抵抗の分の電圧降下（過電圧）分が放電電圧となる。一方、充電は開放端電圧に対して、電池の内部抵抗の分の電圧上昇（過電圧）分が充電電圧となる。
【００９５】
これを式にすると；
充電電圧（Ｖ）＝開放端電圧（Ｖ）＋過電圧（Ｖ）    ・・・（１−ａ）
放電電圧（Ｖ）＝開放端電圧（Ｖ）−過電圧（Ｖ）    ・・・（１−ｂ）
過電圧（Ｖ）＝電池の内部抵抗（Ω）×充放電電流（Ｉ）  ・・・（１−ｃ）
となり、（１−ａ）〜（１−ｃ）から、電池の内部抵抗（Ω）＝{充電電圧（Ｖ）−放電電圧（Ｖ）}／２×充放電電流（Ｉ）が得られる。ここで、充放電電流（Ｉ）を電流密度にすると、セル抵抗率〔Ω・ｃｍ２〕の式が得られる。
【００９６】
ここで、充放電曲線（横軸：電気容量（Ａｈ）、縦軸：電池電圧（Ｖ））において、充電曲線から得られた充電容量の１／２での電圧（Ｖ１）を充電電圧とし、放電曲線から得られた放電容量の１／２での電圧（Ｖ２）を放電電圧としたものが、中点法によるセル抵抗率〔Ω・ｃｍ２〕の算出方法である。
【００９７】
「圧力損失の測定」
レドックスフロー電池における電解液の入口と出口にそれぞれ圧力計を設置し、入口の電解液の圧力と、出口の電解液の圧力とを測定した。圧力の測定は、レドックスフロー電池の正極に２つ、負極に２つ（合計４つ）の圧力計を設置して行なった。そして、入口の電解液の圧力の平均値と、出口の電解液の圧力の平均値とを求め、その圧力差を算出して圧力損失とした。
【００９８】
「実施例２〜実施例５、参考例」
第２流路Ｃ２のピッチＰ１を表２に示す寸法にし、カラム長手方向の第２流路Ｃ２の本数および接触面積割合を表２に示す数値としたこと以外は、実施例１と同様にして、レドックスフロー電池を製造し、セル抵抗値および圧力損失を測定した。その結果を表２に示す。
【００９９】
「比較例１」
第２流路Ｃ２を設けなかったこと以外は、実施例１と同様にして、レドックスフロー電池を製造し、セル抵抗値および圧力損失を測定した。その結果を表２に示す。
【０１００】
また、実施例１〜５、比較例１、参考例のレドックスフロー電池について、それぞれ集電板２０の中央近傍に位置する第１流路Ｃ１と第２流路Ｃ２とが交差する地点Ｅ１での第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速（Ｄ）と、第２流路Ｃ２の端部Ｅ２の第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速（Ｅ）とを、上述した流体解析を行う方法により、算出した。
そして、得られた法線方向流速（Ｄ）と（Ｅ）とを用いて、その速度割合（（Ｄ）／（Ｅ））を求め、カラム幅方向の速度割合とした。その結果を表２に示す。
【０１０１】
また、実施例１〜５、比較例１、参考例のレドックスフロー電池について、それぞれ集電板２０の中央近傍に位置する隣り合う第２流路Ｃ２の端部Ｅ２間を結ぶ直線の中央地点Ｅ３での第２電極の厚み半分の位置における電解液の法線方向流速（Ｆ）を、上述した流体解析を行う方法により、算出した。
そして、得られた法線方向流速（Ｆ）と上記（Ｅ）とを用いて、その速度割合（（Ｆ）／（Ｅ））を求め、カラム長手方向の速度割合とした。その結果を表２に示す。
【０１０２】
表２に示すように、実施例１〜５のレドックスフロー電池では、比較例１のレドックスフロー電池と比較して、セル抵抗率が低いものであった。これは、実施例１〜５のレドックスフロー電池では、カラム幅方向の速度割合が６．３％以上４０％以下であり、カラム長手方向の速度割合が６０％以上９８％以下であるため、電解液が電極の面内方向全面に行き渡りやすく、電解液と電極との反応が良好に行われたためであると推定される。
また、表２に示すように、参考例のレドックスフロー電池は、実施例１〜５のレドックスフロー電池と比較して、第２流路の本数が多いにも関わらず、セル抵抗率は同等であった。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
本発明の集電板ユニットを備えるレドックスフロー電池では、電解液を電極の面内方向全面に行き渡らせることができる。このため、本発明のレドックスフロー電池では、充放電時に電極を効率よく最大限利用できる。したがって、本発明のレドックスフロー電池は、大容量蓄電池のレドックスフロー電池として好適である。
【符号の説明】
【０１０４】
１０  イオン交換膜、２０  集電板、２０Ａ  凹部、２１  周縁壁、２１ａ  第１面、２２  内部壁、２２ａ  内部壁の第１面、２３、２４  集電板排出路、３０  電極、３１  第１電極、３２  第２電極、３３  液流出層、４０  セルフレーム、１００  レドックスフロー電池、２００  集電板ユニット、ＣＥ  セル、Ｃ  流路、Ｃ１  第１流路、Ｃ２  第２流路。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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