(57)【要約】【課題】レドックスフロー電池の内部抵抗を低減する。【解決手段】隔膜、双極板、および、前記隔膜と前記双極板との間に配置される電極を備え、前記電極に電解液を流通させて充放電を行うレドックスフロー電池であって、前記双極板は、前記電極側の面に前記電解液が流通する複数の溝部を備える流路を有し、前記電極は、前記隔膜側に配置される隔膜側層と、前記双極板側に配置される双極板側層との二層構造であり、前記隔膜側層の透過率Ｋ１が前記双極板側層の透過率Ｋ２よりも大きいレドックスフロー電池。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
隔膜、双極板、および、前記隔膜と前記双極板との間に配置される電極を備え、前記電極に電解液を流通させて充放電を行うレドックスフロー電池であって、
前記双極板は、前記電極側の面に前記電解液が流通する複数の溝部を備える流路を有し、
前記電極は、前記隔膜側に配置される隔膜側層と、前記双極板側に配置される双極板側層との二層構造であり、
前記隔膜側層の透過率Ｋ１が前記双極板側層の透過率Ｋ２よりも大きいレドックスフロー電池。
【請求項２】
前記隔膜側層の透過率Ｋ１と、前記双極板側層の透過率Ｋ２の比Ｋ１／Ｋ２が１．２以上５０以下である請求項１に記載のレドックスフロー電池。
【請求項３】
前記隔膜側層の透過率Ｋ１と前記隔膜側層の厚みｄ１との積をＫ１ｄ１、前記双極板側層の透過率Ｋ２と前記双極板側層の厚みｄ２との積をＫ２ｄ２とするとき、これらの積の比Ｋ１ｄ１／Ｋ２ｄ２が４．０以上である請求項１または請求項２に記載のレドックスフロー電池。
【請求項４】
前記隔膜側層の透過率Ｋ１が８．４×１０−１４ｍ２以上４．５×１０−８ｍ２以下、前記双極板側層の透過率Ｋ２が７．０×１０−１４ｍ２以上９．１×１０−１０ｍ２以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項５】
前記隔膜側層の厚みｄ１が１０μｍ以上５００μｍ以下、かつ、前記双極板側層の厚みｄ２が１０μｍ以上５００μｍ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項６】
前記流路が、前記電解液を前記電極に導入する導入路と、前記電解液を前記電極から排出する排出路とを備え、
前記導入路と前記排出路とが連通しておらず独立している請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のレドックスフロー電池。
【請求項７】
前記導入路および前記排出路が櫛歯形状の領域を備え、
前記導入路と前記排出路とは、それぞれの櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置される請求項６に記載の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、レドックスフロー電池に関する。特に、電解液流通型のレドックスフロー電池において、内部抵抗が低減されていることで、全体のエネルギー効率に優れるレドックスフロー電池に関する。
【背景技術】
【０００２】
昨今、地球温暖化への対策として、太陽光発電、風力発電といった自然エネルギー（所謂、再生可能エネルギー）を利用した発電が世界的に活発に行なわれている。これらの発電出力は、天候などの自然条件に大きく左右される。そのため、全ての発電電力に占める自然エネルギー由来の電力の割合が増えると、電力系統の運用に際しての問題、例えば周波数や電圧の維持が困難になるといった問題が予測される。この問題の対策の一つとして、大容量の蓄電池を設置して、出力変動の平滑化、余剰電力の蓄電、負荷平準化などを図ることが挙げられる。
【０００３】
大容量の蓄電池の一つにレドックスフロー電池（以下、ＲＦ電池ということがある）がある。ＲＦ電池は、隔膜、双極板、および、隔膜と双極板との間に配置される電極を備え、この電極に電解液を流通させて充放電を行う二次電池である。このようなＲＦ電池に用いられるＲＦ電池用電解液は通常、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利用している。
【０００４】
ＲＦ電池には、内部抵抗が小さいことや電解液を電極に透過させた際の圧力損失が小さいことが求められる。ＲＦ電池全体のエネルギー効率を高くするためである。例えば、内部抵抗を低減するために、繊維状の電極材料を圧縮した電極（以下、圧縮電極という）を用いることが検討されている。しかし、電極によっては、電極に電解液を流通させた際の抵抗（以下、透過抵抗という）が大きくなる場合がある。すなわち、透過抵抗の逆数で表される透過率が小さい電極は、電解液を流通させた際の圧力損失が大きくなる。よって、電解液の流量を電極内で一定以上に保つためには、ポンプの動力を大きくする必要があるので、ＲＦ電池全体のエネルギー効率が低下する場合がある。
【０００５】
このような問題を解決する技術として、例えば、特許文献１に記載のＲＦ電池が挙げられる。特許文献１に記載のＲＦ電池は、二層の多孔質電極からなる電極を備える。そして、隔膜側の多孔質電極を構成する炭素繊維の表面積を、双極板側の多孔質電極を構成する炭素繊維の表面積よりも大きくすることで、内部抵抗および透過抵抗をそれぞれ低減でき、ひいては全体のエネルギー効率が改善されたＲＦ電池を提供できるとしている。
【０００６】
また、このような問題を解決するための他の技術として、特許文献２に記載の技術がある。特許文献２に記載のＲＦ電池では、材質の異なるＡ層およびＢ層を備える液透過性多孔質電極であって、双極板側に配置されるＡ層に溝を形成した液透過性多孔質電極を備える。そして、Ｂ層を隔膜側に向けて配置することにより、内部抵抗および透過抵抗をそれぞれ低減でき、ひいては全体のエネルギー効率が改善されたＲＦ電池を提供できるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平８−２８７９３８号公報
【特許文献２】特開平９−２４５８０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
今後のＲＦ電池の利用拡大に伴い、さらに全体のエネルギー効率に優れるＲＦ電池が求められている。上記の特許文献１および特許文献２に記載のＲＦ電池は、ＲＦ電池全体としてのエネルギー効率にある程度優れるものの、さらなる改善の余地がある。
【０００９】
したがって、本発明の目的の一つは、全体のエネルギー効率に優れるＲＦ電池を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明のレドックスフロー電池は、隔膜、双極板、および、前記隔膜と前記双極板との間に配置される電極を備え、前記電極に電解液を流通させて充放電を行うレドックスフロー電池であって、前記双極板は、前記電極側の面に前記電解液が流通する複数の溝部を備える流路を有し、前記電極は、前記隔膜側に配置される隔膜側層と、前記双極板側に配置される双極板側層との二層構造であり、前記隔膜側層の透過率Ｋ１が前記双極板側層の透過率Ｋ２よりも大きい。
【発明の効果】
【００１１】
本発明のＲＦ電池によれば、内部抵抗を低減でき、ひいては、全体のエネルギー効率に優れる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた噛合型の対向櫛歯形状の流路を表す概略正面図である。
【図２】実施形態に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた噛合型の対向櫛歯形状の流路における電解液の流れを表す概略断面図である。
【図３】実施形態に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた非噛合型の対向櫛歯形状の流路を表す概略正面図である。
【図４】実施形態に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられたグリッド型形状の流路を表す概略正面図である。
【図５】実施形態に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた蛇行型形状の流路を表す概略正面図である。
【図６】実施形態に係るＲＦ電池が備える双極板に設けられた断続形状の流路を表す概略正面図である。
【図７】実施形態に係るＲＦ電池が備える電極の一形態を表す概略側面図である。
【図８】解析例１−２に係る流速分布を示す概略断面図である。
【図９】解析例１−３に係る流速分布を示す概略断面図である。
【図１０】解析例１−４に係る流速分布を示す概略断面図である。
【図１１】解析例１−５に係る流速分布を示す概略断面図である。
【図１２】解析例１−２に係る電流密度分布を示す概略断面図である。
【図１３】解析例１−３に係る電流密度分布を示す概略断面図である。
【図１４】解析例１−４に係る電流密度分布を示す概略断面図である。
【図１５】解析例１−５に係る電流密度分布を示す概略断面図である。
【図１６】解析例２に係る簡易モデルの概略構成図である。図面上段は概略斜視図を、図面下段は概略上面図をそれぞれ表す。
【図１７】透過率の測定に使用する圧力損失測定システムの概略構成図である。
【図１８】実施形態に係るＲＦ電池の概略原理図である。
【図１９】実施形態に係るＲＦ電池が備えるセルスタックの概略構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
［本発明の実施形態の説明］
本発明者らは、エネルギー効率を高くするために、ＲＦ電池の内部抵抗を低減する方策を検討した。その結果、後述する解析例で詳述するように、双極板に流路を設け、この流路の配置と電極の構成とに工夫を施すことで、電極における電解液の流量が少なくなり易い領域における流量を改善でき、ひいてはＲＦ電池の内部抵抗を低減できるとの知見を得た。本発明は、これらの知見に基づきなされたものであり、以下に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
【００１４】
（１）実施形態に係るＲＦ電池は、隔膜、双極板、および、前記隔膜と前記双極板との間に配置される電極を備え、前記電極に電解液を流通させて充放電を行う。前記双極板は、前記電極側の面に前記電解液が流通する複数の溝部を備える流路を有する。前記電極は、前記隔膜側に配置される隔膜側層と、前記双極板側に配置される双極板側層との二層構造である。前記隔膜側層の透過率Ｋ１が前記双極板側層の透過率Ｋ２よりも大きい。
【００１５】
上述した複数の溝部を備える流路を有する双極板と二層構造の電極を用いることで、単層構造の電極であれば電解液の流量が少ない領域、より具体的には、電極の隔膜側の領域であっても、本発明においては電解液の流量を増加させることができる。これにより、上記の領域でも電流密度が増加し、ひいてはＲＦ電池の内部抵抗を低減することができる。以上より、本実施形態のＲＦ電池は、全体のエネルギー効率に優れる。
【００１６】
（２）実施形態のＲＦ電池として、前記隔膜側層の透過率Ｋ１と前記双極板側層の透過率Ｋ２と前記双極板側層の比Ｋ１／Ｋ２が１．２以上５０以下である形態が挙げられる。
【００１７】
上記のＫ１／Ｋ２が１．２以上であることで、透過率Ｋ１が透過率Ｋ２に対して十分に大きいといえ、電極の隔膜側の領域に流通する電解液の流量をより増加させることができる。また、電解液の流量や流速が電極の箇所によってばらつくことを低減でき、電解液の反応効率が上昇すると期待される。例えば、隔膜側層を電池反応性の高い電極材料で構成すれば、ＲＦ電池の出力の向上等に寄与すると期待される。Ｋ１／Ｋ２が５０以下であると、電極の広範囲で電池反応が均一に行われやすく、内部抵抗が低減されると期待される。
【００１８】
（３）実施形態のＲＦ電池として、前記隔膜側層の透過率Ｋ１と前記隔膜側層の厚みｄ１との積をＫ１ｄ１、前記双極板側層の透過率Ｋ２と前記双極板側層の厚みｄ２との積をＫ２ｄ２とするとき、これらの積の比Ｋ１ｄ１／Ｋ２ｄ２が４超である形態が挙げられる。
【００１９】
上記のＫ１ｄ１／Ｋ２ｄ２が４超であることで、Ｋ１ｄ１がＫ２ｄ２に対して十分に大きいといえる。よって、電極の隔膜側の領域に流通する電解液の流量をより増加させることができる。また、電解液の流量や流速が電極の箇所によってばらつくことを低減でき、電解液の反応効率が上昇すると期待される。例えば、隔膜側層を電池反応性の高い電極材料で構成すれば、ＲＦ電池の出力の向上等に寄与すると期待される。
【００２０】
（４）実施形態のＲＦ電池として、前記隔膜側層の透過率Ｋ１が８．４×１０−１４ｍ２以上４．５×１０−８ｍ２以下、前記双極板側層の透過率Ｋ２が７．０×１０−１４ｍ２以上９．１×１０−１０ｍ２以下である形態が挙げられる。
【００２１】
透過率Ｋ１、および透過率Ｋ２が上記の範囲の場合、隣り合う溝部と溝部との間を渡るように電極を流れる電解液の流量が場所によらず均一となりやすい。また、電解液が溝部と溝部とを渡るように電極を流れることで、電極の隔膜側層における電解液の流量が少ない領域にも十分に流入しやすく、電流密度を増加させることができる。これにより、ＲＦ電池の内部抵抗をさらに低減することができるので、本実施形態のＲＦ電池は、全体のエネルギー効率に優れる。
【００２２】
（５）実施形態のＲＦ電池として、前記隔膜側層の厚みｄ１が１０μｍ以上５００μｍ以下、かつ、前記双極板側層の厚みｄ２が１０μｍ以上５００μｍ以下である形態が挙げられる。
【００２３】
特に、厚みｄ１、および厚みｄ２が上記の値の場合には、電極の隔膜側の領域に流入する電解液がより増加し、電流密度を増加させることができる。これにより、ＲＦ電池の内部抵抗をさらに低減することができるので、本実施形態のＲＦ電池は、全体のエネルギー効率に優れる。
【００２４】
（６）実施形態のＲＦ電池として、前記流路が、前記電解液を前記電極に導入する導入路と、前記電解液を前記電極から排出する排出路とを備え、前記導入路と前記排出路とが連通しておらず独立している形態が挙げられる。
【００２５】
流路が上記の構成を備えることで、電解液が導入路と排出路との間を渡るように流通しやすい。これにより、未反応のまま排出される電解液が減少することで電流量がさらに増加する。以上より、本実施形態のＲＦ電池は全体としてのエネルギー効率に優れる。
【００２６】
（７）実施形態のＲＦ電池として、前記導入路および前記排出路が櫛歯形状の領域を備え、前記導入路と前記排出路とは、それぞれの櫛歯が互いに噛み合って対向するように配置される形態が挙げられる。
【００２７】
流路が上記の構成を備えることで、導入路と排出路との間を渡るように流通する電解液の量がさらに増加する。これにより、未反応のまま排出される電解液が減少することで電流量がさらに増加する。以上より、本実施形態のＲＦ電池は全体としてのエネルギー効率に優れる。
【００２８】
［本発明の実施形態の詳細］
以下、図面を参照して、実施形態のＲＦ電池、および、実施形態のＲＦ電池が備える電極並びに双極板について説明する。本発明はこれらの実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及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。図において同一符号は、同一名称物を示す。
【００２９】
図１８を参照し、実施形態１に係るＲＦ電池を説明する。本実施形態に係るＲＦ電池１は、代表的には、交流／直流変換器３００や変電設備３１０を介して、発電部４００（例えば、太陽光発電装置や風力発電装置、その他一般の発電所など）と負荷５００との間に接続される。そして、発電部４００で発電した電力を充電して蓄え、又は、蓄えた電力を放電して負荷５００に供給する。ここでは、ＲＦ電池１は、電解液に含まれる活物質としてバナジウム（Ｖ）イオンを用いたＶ系ＲＦ電池である。このＲＦ電池１は、複数の電池セル１００を積層して形成されるセルスタック（図示せず）と、これら複数の電池セル１００に電解液を供給する循環機構（タンク１０６，１０７、導管１０８〜１１１、ポンプ１１２、１１３）とを備える。電池セル１００は、正極電極１０４を内蔵する正極セル１０２と、負極電極１０５を内蔵する負極セル１０３と、両セル１０２，１０３を分離すると共にイオンを透過する隔膜１０１とを備える。ＲＦ電池１は、電池セル１００内の各電極１０４，１０５に上記の循環機構によって電解液を流通させることで、充放電を行う。
【００３０】
図１９に示すように、セルスタック２００には、額縁状の枠体１２２に一体化された双極板１２１を備えるセルフレーム１２０が利用される。枠体１２２は、各電極１０４，１０５が表裏に配置される双極板１２１の外周に設けられている。セルスタック２００は、セルフレーム１２０、正極電極１０４、隔膜１０１、負極電極１０５、セルフレーム１２０、…と順に繰り返し積層した構成である。
【００３１】
電解液の流通は、枠体１２２に形成される給液用マニホールド１２３，１２４と、排液用マニホールド１２５，１２６により行われる。正極用電解液は、給液用マニホールド１２３から枠体１２２の一面側（紙面表側）に形成される溝を介して正極電極１０４に供給され、枠体１２２の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド１２５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１２４から枠体１２２の他面側（紙面裏側）に形成される溝を介して負極電極１０５に供給され、枠体１２２の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド１２６に排出される。
【００３２】
そして、実施形態に係るＲＦ電池１の主たる特徴は、電解液の複数の溝部を備える流路を双極板１２１に備える点、および、所定の透過率の隔膜側層と所定の透過率の双極板側層とを備える二層構造の電極α（図７、図１９を参照）を用いている点にある。以下、この双極板１２１および電極αを中心に説明し、その他の構成については詳細な説明を省略する。
【００３３】
（双極板）
図１から図６を参照し、双極板１２０を説明する。各図における実線矢印は主として双極板１２０が備える流路１３０に沿った電解液の流れを、破線矢印は電極を介した電解液の流れを示す。双極板１２０は、各電池セル１００を仕切る板であり、電流は通すが電解液は通さない導電性の板から形成される。本実施形態の双極板１２０は電極α（図７、図１９を参照）を備える側の面、すなわち、その両面に電解液が流通する複数の溝部を備える流路１３０を有する。
【００３４】
（流路）
複数の溝部を備える流路１３０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流れを調整するために設けられる。これにより、後述するように、各電極に流通される電解液の流れが調整され、ＲＦ電池の内部抵抗を低減することができる。また、複数の溝部を備える流路１３０の形状・寸法などによっては、電解液の圧力損失も低減することができる。
【００３５】
流路１３０は、複数の溝部を備えていればよい。溝部とは、流路１３０の一部を構成する凹部で、一様な伸延方向を持った単位区間のことである。溝部を備えることで、この溝部に沿って電解液を流通させやすい。特に、電極αの広範囲に均一に電解液を流通できるような形状が好ましい。以下、流路１３０の形状について、例を挙げて説明する。
【００３６】
（非連通形状）
図１から図３を参照して非連通形状を説明する。図１および図３では、図面の上下方向を長さ、図面の左右方向を幅とする。図１および図３に示すように、非連通形状の流路１３０は、電解液を各電極に導入するために給液用マニホールド１２３（１２４）に繋がる導入路１３１と、電解液を各電極から排出するために排液用マニホールド１２５（１２６）に繋がる排出路１３２とを備える。そして、導入路１３１と排出路１３２とが連通しておらず独立している。
【００３７】
（対向櫛歯形状）
図１に示す対向櫛歯形状は、非連通形状の一例であって、導入路１３１と排出路１３２とがそれぞれ櫛歯形状の領域を備え、それぞれの櫛歯形状の領域が互いに噛み合って対向するように配置される噛合型の対向櫛歯形状である。より詳細には、導入路１３１（排出路１３２）は、双極板１２０の下部（上部）に設けられ、幅方向に伸びる一本の溝部（横溝１３１ａ（１３２ａ））と、この横溝から上方向（下方向）に伸びる複数本の溝部（縦溝１３１ｂ（１３２ｂ））とを備える。そして、導入路１３１と排出路１３２とが、それぞれが備える縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとが噛み合うように配置される。
【００３８】
図２を用いて、噛合型の対向櫛歯形状における電解液の流れについて説明する。図２においては、図面の上下方向を厚み、図面の左右方向を幅とする。噛合型の対向櫛歯形状は、導入路１３１から導入された電解液が、各電極１０４，１０５を経て排出路１３２へ流通する際に、各電極における縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとを介して移動しやすい。すなわち、各電極１０４，１０５における縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとの間に位置する部分（以下、溝部に挟まれる部分を総称して畝部という）を介して幅方向に渡るような流れ（図１および図２中の破線矢印を参照）を形成しやすい。これにより、各電極１０４，１０５における流路１３０に対向する箇所に流通する電解液のみならず、畝部を流れる電解液が電池反応に寄与するので、未反応のまま排出される電解液が減少する。また、各電極１０４，１０５に後述する二層電極を用いることで、各電極１０４，１０５の隔膜１０１側の領域に流通する電解液の流量を増加させることができる（図２参照）。これは、後述するいずれの形状においても同様である。よって、ＲＦ電池の電流量が増加し、ひいてはＲＦ電池の内部抵抗を低減することができる。これにより、ＲＦ電池の全体としてのエネルギー効率を向上させることができる。
【００３９】
噛合型の対向櫛歯形状において、縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとが噛み合う部分の長さは、できるだけ長いことが好ましい。畝部を渡るように流れる電解液の量が増加することが期待でき、電流量の上昇によるＲＦ電池１の内部抵抗の低減が期待できるからである。より具体的には、縦溝１３１ｂと縦溝１３２ｂとが噛み合う部分の長さが双極板１２１の長さ方向の８０％以上であることが好ましく、９０％以上の長さであることがより好ましい。
【００４０】
噛合型の対向櫛歯形状は上記の配置に限られない。例えば、導入路１３１（排出路１３２）は、双極板１２０の左側（右側）に設けられ、長さ方向に伸びる一本の溝部（縦溝１３１ｂ（１３２ｂ））と、この縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）から右方向（左方向））に伸びる複数本の溝部（横溝１３１ａ（１３２ａ））とを備えてもよい。
【００４１】
他の非連通形状の一例として、図３に示す非噛合型の対向櫛歯形状が挙げられる。非噛合型の対向櫛歯形状は、導入路１３１と排出路１３２とが、互いに噛み合わない形状である。ここでは、導入路１３１と排出路１３２とは点対称な形状であり、双極板１２１の右側（左側）に設けられる一本の溝部（縦溝１３１ｂ（１３２ｂ））と、この縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）から左側（右側）へ伸びる複数本の溝部（横溝１３１ａ（１３２ａ））とを備える形状である。導入路１３１（排出路１３２）は、複数本の溝部（縦溝１３１ｂ（１３２ｂ））と、この複数本の縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）が立脚する一本の溝部（横溝１３１ａ（１３２ａ））とを備える形状としてもよい。この形状は、図１に示す噛合型の対向櫛歯形状において、導入路１３１と排出路１３２とが噛み合わない形状としたものである。
【００４２】
非噛合型の対向櫛歯形状であっても、各電極１０４，１０５における隣り合う流路（図３においては横溝１３１ａ（１３２ａ））の間に位置する領域（畝部）を介して長さ方向に渡るような流れ（図３中の破線矢印を参照）を形成しやすい。これにより、各電極１０４，１０５における流路１３０に対向する箇所に流通する電解液のみならず、畝部を流れる電解液が電池反応に寄与する。これにより、未反応のまま排出される電解液が減少し、ＲＦ電池の電流量が増加すると期待される。また、各電極１０４，１０５に後述する二層電極を用いることで、各電極１０４，１０５の隔膜１０１側の領域に流通する電解液の流量を増加させることができる。よって、ＲＦ電池の電流量が増加し、ひいてはＲＦ電池の内部抵抗を低減することができると期待される。
【００４３】
（連通形状）
流路１３０の他の形状としては、連通形状が挙げられる。連通形状は、給液用マニホールド１２３（１２４）と、排液用マニホールド１２５（１２６）に連続的に繋がる領域を備える。以下、連通形状の例について、図４および図５を参照して説明する。各図においても、図面の上下方向を長さ、図面の左右方向を幅とする。
【００４４】
（グリッド型形状）
連通形状の一例としては、グリッド型形状が挙げられる。グリッド型形状としては、図４に示すような縦グリッド型形状が挙げられる。縦グリッド型形状は、双極板１２１の長さ方向に伸びる複数の溝部（縦溝１３０ｂ）と、これら縦溝１３０ｂの上下端を一連に繋ぐように設けられる一対の溝部（横溝１３０ａ）とを備える形状である。他のグリッド型形状としては、横グリッド型形状やクロスグリッド型形状が挙げられる。横グリッド型形状は、双極板１２１の幅方向に並列される複数の溝部（横溝１３０ａ）と、これら横溝１３０ａを一連に繋ぐように左右に設けられる一対の溝部（縦溝１３０ｂ）とを備える。クロスグリッド型形状は、双極板１２１の幅方向に並列される複数の溝部（横溝１３０ａ）と、この複数の横溝１３０ａと交差するように双極板１２１の長さ方向に伸びる複数の溝部（縦溝１３０ｂ）とを備える。クロスグリッド型形状は、双極板１２１の斜め方向に並列される複数の溝部と、この複数の溝部と交差するように並列される複数の溝部とを備える形状としてもよい。
【００４５】
（蛇行型形状）
連通形状の他の一例としては、図５に示すような蛇行型形状が挙げられる。蛇行型形状は、双極板１２１の長さ方向に伸びる複数の溝部（縦溝１３０ｂ）と、左右に隣り合う縦溝１３０ｂの上端同士又は下端同士を交互に繋ぐ複数の溝部（横溝１３０ａ）とで構成される形状である。もちろん、双極板１２１の幅方向に並列される複数の溝部（横溝１３０ａ）と、上下に隣り合う横溝１３０ａの左端同士又は右端同士を交互に繋ぐ複数の溝部（縦溝１３０ｂ）とで構成される形状としてもよい。
【００４６】
連通形状であっても、各電極１０４，１０５における隣り合う流路（図４および図５においては縦溝１３０ｂ）との間に位置する領域（畝部）を介して長さ方向に渡るような流れ（図４および図５中の破線矢印を参照）を形成しやすい。これにより、流路１３０を流れる電解液のみならず、畝部を流れる電解液も電池反応に寄与しやすくなるので、未反応のまま排出される電解液が減少し、ＲＦ電池の電流量が増加すると期待される。
【００４７】
（その他の形状）
上記に例示した各流路１３０は、その少なくとも一部を断続的に形成してもよい。例えば、図６に示すように、図１に示した噛合型の対向櫛歯形状を構成する縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）を、断続的に（非連続に）形成してもよい。このようにすることで、電解液が幅方向の畝部だけでなく、長さ方向に隣り合う溝部（縦溝１３１ｂ（１３２ｂ））の間の畝部を渡るように各電極１０４，１０５を介して流通しやすくなるので（図６中の破線矢印を参照）、反応電流量が増加することが期待される。また、上述したように、二層電極を用いることによって、隔膜１２１側の領域でも十分な電解液の流量を確保できる。よって、ＲＦ電池の電流量が増加し、ひいてはＲＦ電池の内部抵抗を低減することができると期待される。もちろん、横溝１３１ａ（１３２ａ）を断続的に形成してもよいし、流路１３０の一部のみを断続形状としてもよい。また、上述した連通形状において、連続的に繋がる領域のすべてを断続的に形成した場合、連通形状ではなく、非連通形状の流通溝１３０となる。
【００４８】
（その他の流路の構成）
溝部の一本当たりの幅は、０．１ｍｍ以上１０ｍｍ以下であることが好ましい。（１）電極の隔膜側の領域に流通する電解液の流量を増加させることができる、（２）電極が溝部（流路）に落ち込みにくい、（３）流路を流通する電解液の圧力損失をより低減できる、といった効果が期待できるからである。より好ましい溝部の幅は、０．２ｍｍ以上２ｍｍ以下、さらに好ましい流路の幅は、０．５ｍｍ以上１．５ｍｍ以下である。
【００４９】
溝部の深さは双極板の厚みの５０％以上９９％以下であることが好ましい。（１）電極の隔膜側の領域に流通する電解液の流量を増加させることができる、（２）電極が溝部（流路）に落ち込みにくい、（３）流路を流通する電解液の圧力損失をより低減できる、（４）流路を備えていても双極板の機械的強度を十分とすることができる、といった効果が期待できるからである。より好ましい溝部の深さは、双極板の厚みの７０％以上８０％以下である。双極板の両面に溝を設ける場合には、平面透視した場合に重ならない位置に溝部を設けることで、上記の深さの溝部を双極板の両面に形成できる。
【００５０】
溝部の断面形状は、任意の形状とすることができる。例えば、矩形状や半円状などの形状が挙げられる。矩形状や半円状は、（１）双極板に溝部（流路）を形成しやすい（加工しやすい）、（２）流路を流通する電解液の圧力損失が少ない、と期待される。
【００５１】
また、流路が縦溝と横溝とを備える場合、縦溝又は横溝の間隔が同一になるように流路を配置することが好ましい。さらに、対向櫛歯形状における隣り合う縦溝１３１ｂ，１３２ｂの間隔と、縦溝１３１ｂ（１３２ｂ）の端縁と向かい合う横溝１３１ａ（１３２ａ）との間隔とが同一になるようにすることが好ましい。畝部を流れる電解液の流通が均一になり、流路を流通する電解液の圧力損失をより低減できると期待されるからであると期待されるからである。
【００５２】
上述した各形状における縦溝や横溝の本数は、任意に調整することができる。例えば、上述した対向型の櫛歯形状において、縦溝の本数が１０本を超えると、流路を流通する電解液の圧力損失の低減効果が大きいと期待される。
【００５３】
（材料および製造方法）
双極板の材料には、電流は通すが電解液は通さない導電性材料を用いることができる。加えて、耐酸性および適度な剛性を有する材料であることがより好ましい。長期に亘って流路の断面形状や寸法が変化し難く、流路の効果を維持し易いからである。このような材料としては、例えば、炭素を含有する導電性材料が挙げられる。より具体的には、黒鉛およびポリオレフィン系有機化合物または塩素化有機化合物から形成される導電性プラスチックが挙げられる。また、黒鉛の一部をカーボンブラックおよびダイヤモンドライクカーボンの少なくとも一方に置換した導電性プラスチックでもよい。ポリオレフィン系有機化合物としては、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。塩素化有機化合物としては、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。双極板がこのような材料から形成されることで、双極板の電気抵抗を小さくすることができる上に、耐酸性に優れる。
【００５４】
双極板は、上記の材料を射出成型、プレス成型、および真空成型等の公知の方法により板状に成形することで製造することができる。この際、双極板の成形と同時に流路を成形すると、双極板の製造効率に優れる。他にも、流路を形成していない双極板を製造し、その後、この双極板の表面を切削して形成してもよい。
【００５５】
（電極）
図７を用いて、本実施形態のＲＦ電池が備える各電極１０４，１０５に用いられる電極αを説明する。図７では、図面上下方向を長さ、図面左右方向を厚み、図面手前から奥へ向かう方向を幅とする。電極αは、隔膜１０１側に配置される隔膜側層α１と、双極板１２１側に配置される双極板側層α２との二層構造である（以下、二層電極という）。そして、隔膜側層α１の透過率Ｋ１が双極板側層α２の透過率Ｋ２よりも大きい。ここで、透過率Ｋ１（Ｋ２）とは、隔膜側層α１（双極板側層α２）の透過抵抗の逆数であり、ΔＰ＝（ｈ／Ｋ）μ（Ｑ／ｗｄ）により示される式（ダルシー・ワイズバッハの式と呼ばれる）により求められる値である。Ｋは透過率（ｍ２）であり、ここではＫ１またはＫ２である。ΔＰは圧力損失（Ｐａ）を、Ｑは電極へ導入される流体の流量（ｍ３／ｓ）を、μは流通される流体の粘度（Ｐａ・ｓ）を、ｈは電極層α１またはα２の長さ（ｍ）を、ｗは電極層α１またはα２の幅（ｍ）を、ｄは電極層α１またはα２のセルスタック２００内で圧縮された状態での厚み（ｍ）をそれぞれ示す。各電極層α１，α２は電極αとして一体になっているので、各電極層α１，α２を互いに引き剥がすことで分離させることができる。透過率Ｋは、流体の種類によらず電極層固有の値であり、例えば粘度が既知の流体（水等）を用いて測定することができる定数である。
【００５６】
透過率Ｋは、例えば図１７に示す圧力損失測定システム６００を用いて圧力損失ΔＰと流体の流量Ｑとを測定し、その測定結果と上述の式とにより求めることができる。圧力損失測定システム６００は、測定セル６１０と、流体槽６２０と、ポンプ６４０と、流量計６５０と、差圧計６６０と、これらの機器をつなぐ配管６３０とを備える。測定セル６１０は透過率Ｋを求めたい電極層を収納する。流体槽６２０は電極層に導入される流体６２２を貯留する。ポンプ６４０は配管６３０を介して流体６２２を各機器に圧送し、流量計６５０はポンプ出口側の流体の流量を測定する。差圧計６６０は測定セル６１０と並列に配管６３０で接続され、圧力損失ΔＰを測定する。測定セル６１０は、電極層を収納する収納部（図示せず）を備え、収納部には電極層の厚みｄを０．２〜０．５ｍｍに確保するためのスペーサー（図示せず）が配置される。流量計６５０と差圧計６６０とは、配管６３０に取り付けられる。図１７中の一点鎖線矢印は、流体６２２が流通される方向を示す。
【００５７】
測定セル６１０に長さｈを１００ｍｍ、幅ｄを５０ｍｍとした電極層を上記収納部に押し込む。そして、電極層を保持する測定セル６１０に流体６２２（ここでは水、粘度μは定数とする）をポンプ６４０により流通させる。電極層には、その側面（断面積ｗｄを有する面）から流体６２２が導入され、その長さ方向に流通される。このとき、ポンプ６４０を調整して、流量Ｑを種々の値に変更させた場合の圧力損失ΔＰを、それぞれ差圧計６６０により測定する。そして、流量Ｑを横軸、圧力損失ΔＰを縦軸としてプロットする。これらのプロットした測定点を、上記のダルシー・ワイズバッハの式で近似して、この近似直線の傾きを透過率Ｋとする。
【００５８】
本実施形態のＲＦ電池は、上述した複数の溝部を備える流路を有する双極板１２１と、隔膜側層α１の透過率Ｋ１が双極板側層α２の透過率Ｋ２よりも大きい電極αとを備えることで、単層構造の電極であれば電解液の流量が少ない領域、より具体的には、電極の隔膜１０１側の領域であっても、電解液の流量を増加させることができる。
【００５９】
隔膜側層α１の透過率Ｋ１、および双極板側層α２の透過率Ｋ２は、透過率Ｋ１が透過率Ｋ２よりも大きければ、それぞれ所望の値のものを用いることができる。後述する解析例に示すように、電極の隔膜側の領域に流通する電解液の流量をより増加させることができるからである。特に、透過率Ｋ１が透過率Ｋ２の１．２倍以上、さらには２倍以上であると、透過率Ｋ１と透過率Ｋ２との間に十分な差があるといえる。また、電解液の流量や流速が電極の箇所によってばらつくことを低減でき、電解液の反応効率が上昇すると期待される。透過率Ｋ１が透過率Ｋ２の５０倍以下であると、例えば上述した噛合型の対向櫛歯形状の流路を備える場合等において、隔膜側層α１で十分な電池反応を確保できるとともに、導入路と排出路との間を渡るような電解液の流れが、電極の場所によらず一様に発生しやすいと期待される。これにより、電極の広範囲で電池反応が均一に行われやすく、内部抵抗が低減されると期待される。他にも、隔膜側層α１を電池反応性の高い電極材料から構成すれば、隔膜側層α１側に多くの電解液が流れることで、ＲＦ電池の出力の向上等に寄与すると期待される。
【００６０】
隔膜側層α１の透過率Ｋ１と隔膜側層α１の厚みｄ１との積をＫ１ｄ１、双極板側層α２の透過率Ｋ２と双極板側層α２の厚みｄ２との積をＫ２ｄ２とするとき、これらの積の比Ｋ１ｄ１／Ｋ２ｄ２が４超であることが好ましい。後述する解析例に示すように、電極αに流通される電解液の多く（場合によっては８０％以上）を、透過率Ｋが大きい隔膜側層α１に流通させやすいからである。また、電極の隔膜側の領域に流通する電解液の流量がより増加するうえに、電解液の流量や流速が電極の箇所によってばらつくことを低減でき、電解液の反応効率が上昇すると期待される。他にも、隔膜側層α１を電池反応性の高い電極材料から構成すれば、隔膜側層α１側に多くの電解液が流れることで、ＲＦ電池の出力の向上等に寄与すると期待される。より好ましいＫ１ｄ１／Ｋ２ｄ２の値は、４超２０以下である。流路が導入路と排出路とを備える場合において、導入路と排出路との間を渡るような電解液の流れが、電極の場所によらず一様に発生しやすいからである。
【００６１】
電極αは、双極板側層の透過率Ｋ２が７.０×１０−１４ｍ２以上９．１×１０−１０ｍ２以下であることが好ましい。上記透過率Ｋ２の限定により、隣り合う溝部と溝部との間の電極α内を電解液が流れる際、電極の厚み方向における双極板側を電解液が流れることを抑制し、相対的に隔膜側を電解液が流れやすいようにできるからである。より詳細には、電極α内での双極板側への電解液の流れを抑制することで、十分に電池反応をすることなく隣り合う一方の溝部から他方の溝部に電解液が直線的に渡るように流れることを抑制する。それに伴い、隣り合う一方の溝部から一旦電極α内の隔膜側に電解液が流れ、その隔膜側に沿って溝部の並列方向に電解液が流れ、さらに隔膜側から他方の溝部に向かって電解液が渡るように流れることで、屈曲状の電解液の迂回路を形成することができる（特に図２の破線矢印を参照）。このような屈曲状の電解液の流れにより、電極を流れる電解液の流量が場所によらず均一となりやすく、電解液の反応効率を高められ電流密度を増加できると考えられる。これにより、ＲＦ電池の内部抵抗をさらに低減することができる。より好ましい透過率Ｋ２は、１．４×１０−１０ｍ２以下、さらに好ましくは７．１×１０−１１ｍ２以下である。圧力損失をより小さくすることができるからである。一方、透過率Ｋ２が７.０×１０−１４ｍ２以上、さらには７.０×１０−１３ｍ２以上であれば、圧力損失を一定の値以下（例えば４０ｋＰａ以下）にし易いので、ＲＦ電池全体としてのエネルギー効率に優れる。透過率Ｋ２が７.０×１０−１４ｍ２以上９．１×１０−１０ｍ２以下である場合、隔膜側層の透過率Ｋ１を８．４×１０−１４ｍ２以上４．５×１０−８ｍ２以下とすることが好ましい。透過率Ｋ１を透過率Ｋ２の１．２倍以上５０倍以下とすることができるので、電極の広範囲で電池反応が均一に行われやすく、内部抵抗が低減されると期待されるからである。より好ましい透過率Ｋ１は、８．４×１０−１３ｍ２以上７．０×１０−９ｍ２以下、さらに好ましくは３．５×１０−１０ｍ２以下である。透過率Ｋ１，Ｋ２は、各電極層の圧縮率、空隙率、および繊維径等により調整することができる。
【００６２】
電極αの厚み（ｄ）は、セルスタックの構造により任意に調整することができる。特に、各電極１０４，１０５の厚みが、隔膜１０１と双極板との間に配置された状態で１０００μｍ以下であることが好ましい。電極αの厚みが薄い場合には電解液の圧力損失が大きく上昇する場合があるが、複数の溝部を備える流路を有する双極板１２１を用いれば電解液の流れを調整できるので、電解液の圧力損失を低減できるからである。より好ましい電極αの厚みは５００μｍ以下、さらに好ましくは３００μｍ以下である。
【００６３】
また、隔膜側層α１の厚みｄ１が１０μｍ以上５００μｍ以下、かつ、双極板側層α２の厚みｄ２が１０μｍ以上５００μｍ以下であると、電極の隔膜側の領域に流通する電解液の流量がより増加し、電流密度を増加させることができて好ましい。より好ましい厚みｄ１は、１００μｍ以上４００μｍ以下、さらに好ましくは２００μｍ以上４００μｍ以下、特に好ましくは２５０μｍ以上３５０μｍ以下である。また、より好ましい厚みｄ２は、１００μｍ以上４００μｍ以下、さらに好ましくは２００μｍ以上４００μｍ以下、特に好ましくは２５０μｍ以上３５０μｍ以下である。さらに、厚みｄ２を、厚みｄ１の厚みの１／２以下とすることが好ましく、１／４以下とすることがより好ましい。上記の電解液の流量が少ない領域へ流入する電解液をより増加させることができるからである。
【００６４】
（電極層）
以下、電極αが備える隔膜側層α１および双極板側層α２に用いることのできる電極層について、いくつか例を挙げて説明する。
【００６５】
（細繊維層）
細繊維層は、平均径が０．００５μｍ以上４μｍ以下の導電性を有する細繊維を主体とする電極層である。細繊維層は、透過率Ｋが同じであれば後述する太繊維層よりも表面積が大きいので、電池反応性に優れる。ここで、細繊維層は、より電池反応性を高めるために圧縮される場合がある。このような場合、細繊維層の透過率Ｋが低下し、電解液の圧力損失が増加する場合がある。このような場合であっても、上述したように双極板１２１が複数の溝部を備える流路を備えることにより、圧力損失を低減することができ、ひいてはＲＦ電池全体のエネルギー効率を向上させることができる。より好ましい細繊維の平均径は、０．１μｍ以上１．０μｍ以下、さらに好ましくは０．１μｍ以上０．３μｍ以下である。平均径は、顕微鏡下で５視野以上、１視野につき５点以上測定した結果を平均することで求めることができる。後述する太繊維層についても同様である。
【００６６】
細繊維層は、一定以上の空隙率を有することが好ましい。細繊維層の空隙率が低いと、双極板と隔膜の積層方向における電解液の流通、および電解液中のプロトンを介したイオン伝導が阻害されるからである。従って、細繊維層の空隙率は、８０％以上９９．９９％以下とすることが好ましい。より好ましい細繊維層の空隙率は、９０％以上９９．９％以下であり、さらに好ましくは９２％以上９９％以下である。空隙率は、細繊維層のみかけ体積および真の体積から求めることができる。みかけ体積とは、圧縮状態の細繊維層全体の体積であって、空隙を含む体積をいう。真の体積とは、細繊維の比重と質量から求められる値で、空隙を含まない細繊維の体積である。後述する太繊維層についても同様である。
【００６７】
細繊維の材料に求められる特性は、導電性を有することと、電解液との間で電池反応を生じさせることである。そのような特性を満たす材料として、代表的にはカーボンなどを挙げることができる。その他、触媒を担持させた金属繊維などを細繊維の材料として利用することができる。
【００６８】
細繊維層は、固相法、あるいは液相法を利用することで製造することができる。例えば、鋳型炭素化法（ｔｅｍｐｌａｔｅ  ｍｅｔｈｏｄ）、エレクトロスピニング法（ｅｌｅｃｔｒｏｓｐｉｎｎｉｎｇ  ｍｅｔｈｏｄ）、メルトブロー法（ｍｅｌｔ−ｂｌｏｗｎ  ｍｅｔｈｏｄ）などを利用することができる。これらの技術は、上述した平均径を満たす細繊維で構成され、かつ上述した空隙率を満たす細繊維層を形成することに適している。細繊維層を形成した後は、細繊維層を耐炎化処理、炭素化処理を行なうと良い。
【００６９】
（太繊維層）
太繊維層は、平均径が５μｍ以上２０μｍ以下の導電性を有する太繊維を主体とする電極層である。太繊維層は、細繊維層よりも強度に優れ、丈夫である。また、太繊維層によって所定の強度が保証されている電極αは、電池の生産現場へ運搬する際や、所望の形状に裁断する際に損傷し難いため、ＲＦ電池の生産性の向上に寄与するからである。
【００７０】
太繊維の平均径は５μｍ以上２０μｍ以下であることが好ましい。このような太さの太繊維であれば、太繊維層に基材としての強度を持たせることができる。好ましい太繊維の平均径は、７μｍ以上１２μｍ以下、より好ましい太繊維の平均径は７μｍ以上１０μｍ以下である。
【００７１】
上記構成を備える太繊維を含む太繊維層は、ある程度以上の空隙率を有することが好ましい。太繊維層の空隙率が低いと、双極板１２１と隔膜１０１の積層方向における電解液の流通、および電解液中のプロトンを介したイオン伝導が阻害されるからである。そのため、太繊維層の空隙率は、６０％以上９０％以下とすることが好ましい。空隙率が６０％以上であれば、積層方向における電解液の流通、およびイオン伝導がスムーズになる。また、空隙率が９０％以下であれば、太繊維層に基材としての機能を発揮させるのに十分な強度を持たせることができる。より好ましい太繊維層の空隙率は、７０％以上９０％以下であり、さらに好ましい太繊維層の空隙率は、７５％以上８５％以下である。
【００７２】
上述した特性を満たす太繊維層として、カーボンペーパーや、カーボンクロスを挙げることができる。炭素繊維と炭素の複合材料であるカーボンペーパーは、十分な導電性と引張強度とを備える。また、炭素繊維の織布または不織布であるカーボンクロスも、十分な導電性と引張強度を備える。
【００７３】
例えば、平均径が７μｍの細繊維を含むカーボンペーパーであって、空隙率が８０％で平均厚みが０．１ｍｍのカーボンペーパーの引張強度は、３ｋｇｆ／ｃｍ２（約２９４ｋＰａ）である。このカーボンの平均厚みを０．４ｍｍとすると、その引張強度は８ｋｇｆ／ｃｍ２（約７８５ｋＰａ）である。また、空隙率が９０％で平均厚みが０．４ｍｍのカーボンペーパーの引張強度は、４ｋｇｆ／ｃｍ２（約３９２ｋＰａ）である。
【００７４】
（材料および製造方法）
電極αは、隔膜側層α１と双極板側層α２とを積層することで製造することができる。隔膜側層α１および双極板側層α２には、上述した細繊維層や太繊維層等を用いることができる。細繊維層を太繊維層に形成するにあたって、上記固相法あるいは液相法であれば、ロールトゥロール（ｒｏｌｌ−ｔｏ−ｒｏｌｌ）方式で電極αを生産性良く製造することができる。具体的には、第一ロールに巻回した太繊維層を第二ロールに繰り出す途中に、固相法あるいは液相法によって太繊維層の表面に細繊維層の前駆体を形成し、太繊維層上に細繊維層が形成された電極αを第二ロールに巻き取る。ここで、第二ロールに電極αを巻き取りながら電極αを作製できるのは、太繊維層が機械的に細繊維層を保護し、細繊維層の損傷を抑制しているからである。他にも、電極層同士をニードルパンチ法等により一体とすることで、電極αを製造することができる。
【００７５】
特に、上記の太繊維層を双極板側層α２とし、上記の細繊維層を隔膜側層α１とすることが好ましい。細繊維層を電池反応の主体とし、細繊維層よりも強度に優れ、丈夫である太繊維層を基材とすることで、電極αが電池反応性に優れると共に、電極αを作製する際に細繊維層が損傷することを抑制できるからである。また、太繊維層によって所定の強度が保証されているので、ＲＦ電池の生産現場へ運搬する際や、所望の形状に裁断する際に損傷し難いため、ＲＦ電池の生産性の向上に寄与する。このような場合、太繊維層を構成する太繊維の材料は、電解液との間で電池反応を生じさせる材料であっても良いし、電池反応を生じさせない材料であっても良い。
【００７６】
＜解析例１＞
［流速分布］
解析例１では、電極の厚み方向における電池反応性の分布を調べた。ここでは、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  Ｆｌｕｅｎｔ）を用いて、図１に示す噛合型の対向櫛歯形状の流路を備える双極板を備えるモデル１を構築した。モデル１は、正極セル及び負極セルをそれぞれ一つずつ備える単セル構造のＲＦ電池である。電極αは、隔膜側層α１と双極板側層α２とを備える同一の構造の二層電極であり、同一の構成を備えるものを正極と負極との双方に用いた。モデル１は、図１に示すように、電解液は双極板の下部から導入され、上部から排出される。よって、上記の実施形態同様、図面の上下方向を長さ（Ｙ方向）、図面の左右方向を幅（Ｘ方向）、図面の手前から奥側へ向かう方向を厚み（Ｚ方向）とした。そして、モデル１において、電解液の流速分布が、透過率Ｋ１，Ｋ２の値を種々の値とした場合にどのようになるかを調べた。以下、詳細な解析条件を示す。また、表１に各解析例における透過率Ｋ１，Ｋ２の値を、図８から図１１に解析例１−２から解析例１−５における各電極の高さ方向の中央部分を幅方向に沿って切断した断面における流速分布（以下、中央部分の流速分布という）を示す。解析例１−５では単層構造の電極を用いているので、表１における隔膜側層の項目において電極全体の厚みおよび透過率を示す。また、図８から図１１においては、図面上側が双極板１２１側、図面下側が隔膜（図示せず）側である。各図の両側で主に水平方向の矢印が記載されている領域が二層電極における双極板１２１の畝に対向する箇所、図の中央部で傾斜矢印や垂直矢印が記載されている領域が電極における双極板１２１の溝部１３２ｂに対向する箇所である。矢印は電解液の流れる方向を示すとともに、長さが長いほど流速が速いことを示す。
【００７７】
（解析条件）
《電極》
長さ：１５．８（ｃｍ）、幅：１５．８（ｃｍ）、厚み：０．０５（ｃｍ）
電極反応面積密度（Ａ）：５００００（ｌ／ｍ）
電極反応速度定数（ｋ）：３．０×１０６（ｍ／ｓ）
《電解液》
硫酸Ｖ水溶液（Ｖ濃度：１．７ｍｏｌ／Ｌ、硫酸濃度：４．３ｍｏｌ／Ｌ）
充電状態（Ｓｔａｔｅ  ｏｆ  Ｃｈａｒｇｅ；充電深度と言うこともある）：５０％
《電解液流量等》
入口流量：１５０（ｍｌ／分）
出口流量：自由流出
流れモデル：溝部：層流モデル、電極内：多孔質体モデル
《双極板》
高さ（Ｙ方向）・幅（Ｘ方向）：１５．８（ｃｍ）、厚み：０．１２（ｃｍ）
〈流路〉
溝形状：噛合型の対向櫛歯形状
縦溝数：導入路３９本×排出路４０本
縦溝長さ：２１（ｃｍ）
溝幅：０．１（ｃｍ）
溝深さ：０．０３（ｃｍ）
縦溝間隔：０．１（ｃｍ）
溝断面形状：正方形
【００７８】
【表１】
2015122230.tif 000003
【００７９】
［電流密度および内部抵抗］
上記の流速分布と、下記文献１に記載の計算手法（詳細は省略）を用いた計算プログラムとにより、各解析例における電極αの電流密度分布（ｍＡ／ｃｍ２／ｍ）を求めた。図１２から図１５に解析例１−２から解析例１−５における中央付近の反応電流量の分布をそれぞれ示す。図１２から図１５においても、図面上側が双極板１２０側、図面下側が隔膜（図示せず）側である。また、上記の流速分布、および、文献１に記載の計算手法を用いた計算プログラムにより、各解析例における内部抵抗を求めた。本解析例では、上述のように正極セル及び負極セルをそれぞれ一つずつ備える単セル構造であるので、電池の内部抵抗はセル抵抗率と同義となる。よって、内部抵抗はセル抵抗率として表す。下記の計算手法における各項目も同様である。また、セル抵抗率を求めるためのセル電圧は、文献１に記載の計算手法（詳細は省略）により求めた。以下に、セル抵抗率の計算手法を示す。
・文献１…Ａ．Ａ．Ｓｈａｈ  ｅｔ  ａｌ．、「Ａ  ｄｙｎａｍｉｃ  ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  ｍｏｄｅｌ  ｆｏｒ  ｒｅｄｏｘ−ｆｌｏｗ  ｂａｔｔｅｒｉｅｓ  ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ  ｓｏｌｕｂｌｅ  ｓｐｅｃｉｅｓ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ  ５３（２００８）、ｐ．８０８７−８１００
【００８０】
（セル抵抗率）
計算手法：Ｒ＝（Ｖ１−Ｖ０）／Ｉ
Ｒ：セル抵抗率（Ω・ｃｍ２）
Ｉ：セル電流密度（Ａ／ｃｍ２）
Ｖ０：セル電流密度０におけるセル電圧（Ｖ）
Ｖ１：セル電流密度Ｉ（Ａ／ｃｍ２）におけるセル電圧（Ｖ）
【００８１】
［結果］
表１に示すように、隔膜側層α１の透過率Ｋ１が双極板側層α２の透過率Ｋ２よりも大きい二層構造の電極を用いた解析例１−１から１−４では、単層構造の電極を用いた解析例１−５よりもセル抵抗率が低減されていた。これは、図８から図１１に示すように、解析例１−２から解析例１−４では、双極板１２１の畝部と隔膜とに挟まれる部分の隔膜側の領域において、解析例１−５よりも隔膜側の流速分布が大きいことに起因すると考えられる。すなわち、図１２から図１５に示すように、解析例１−２から解析例１−４では、二層電極の隔膜側において、解析例１−５よりも電流密度分布が高い部分が増加し、かつ均一的になっている。以上より、隔膜側層α１の透過率Ｋ１が双極板側層α２の透過率Ｋ２よりも大きい二層構造の電極を用いることで、単層電極であれば電解液の流量が少ない領域の電解液の流量を増加させることができ、反応電流量を増加させることができることが判る。これにより、ＲＦ電池の内部抵抗が低減でき、ひいてはＲＦ電池全体のエネルギー効率を向上させることができる。特に、透過率Ｋ１が透過率Ｋ２の何倍であるかを示すＫ１／Ｋ２が１．２の解析例１−１、Ｋ１／Ｋ２が２．０の解析例１−２、Ｋ１／Ｋ２が５．０の解析例１−３、Ｋ１／Ｋ２が５０の解析例１−４では、単層電極よりもセル抵抗率が大きく減少していた。これより、Ｋ１／Ｋ２を１．２以上５０以下とすることで、セル抵抗率を大きく低減できることが判る。
【００８２】
＜解析例２＞
解析例２では、電解液を二層電極に流通した場合において、流通させた電解液の８０％以上を隔膜側層に流通させることができる条件について調べた。ここでは、上記のシミュレーション解析ソフトにより簡易モデル１Ａを構築し、隔膜側層の厚みと双極板側層の厚みとの比を変化させた場合に、電解液の８０％以上を隔膜側層に流通することができる透過率を調べた。
【００８３】
図１６を参照して、簡易モデル１Ａを説明する。簡易モデル１Ａは、長さｌが３０ｍｍ、幅ｗが３ｍｍ、厚みｄが０．５ｍｍの電極αに、流路１３０として２つの直方体を接触させたものである。より詳細には、２つの直方体の形状は同一であり、幅１ｍｍ、厚み１ｍｍの直方体の断面を備える形状である。この直方体の一方を、この直方体の一端と側面とがそれぞれ電極の一方の側面と一端とに沿うように配置し、もう一方の直方体を、この直方体の一端と側面とがそれぞれ電極αの他方の側面と他端とに沿うように配置したものである。そして、一方の直方体を電解液の導入路１３１、他方の直方体を電解液の排出路１３２とした。電極αは、直方体に接する側が双極板側層α２、その反対側が隔膜側層α１である二層電極である。この簡易モデル１Ａにおいて、電解液の８０％以上を隔膜側層α１に流通することができる透過率Ｋ１、およびその際のセル抵抗率を調べた。双極板側層α２の透過率Ｋ２は、双極板側層α２の厚みｄ２によらず一定とし、隔膜側層α１の厚みｄ１と双極板側層α２の厚みｄ２との比を変化させた場合に、８０％以上の電解液が隔膜側層α１に流通する透過率Ｋ１の値を求めた。８０％以上の電解液が隔膜側層α１に流通しているか否かは、次のようにして調べた。電極αの幅方向の中央（図１６中の一点鎖線部分参照）に断面（断面積ｌｄを有する面）を設定し、この断面を厚みｄ方向に十層に分け、隔膜側層α１に属する層の流量の合計流量Ｑ１（ｋｇ／ｓ）と、双極板側層α２に属する層の流量の合計流量Ｑ２とを調べた。そして、（Ｑ１／（Ｑ１＋Ｑ２））×１００＝８０となるようにＫ１を調整した。他の解析条件は、解析例１と同様である。この結果を表２に示す。
【００８４】
【表２】
2015122230.tif 000004
【００８５】
各解析例から、電解液の８０％以上が流れるようにするためには、Ｋ１ｄ１／Ｋ２ｄ２を４以上とすればよいことが判る。これにより、例えば、隔膜側層α１を電池反応の主体とする場合等において、効率的な電池反応を行うことができる電極αを設計することができる。
【００８６】
＜解析例３＞
解析例３では、上記のシュミレーションソフトを用いて、隔膜側層α１の透過率Ｋ１と双極板側層α２の透過率Ｋ２とを等しくした場合、すなわち、電極α全体として一定の透過率Ｋを備える単層電極を用いたＲＦ電池のモデル２を構築した。モデル２は、電極αの構成および下記に示す項目以外は、上記のモデル１と同様である。また、比較のために、双極板が流路を備えない以外はモデル２と同一の構成のモデル３を構築した。そして、両モデルにおいて、Ｘ方向およびＹ方向における電極内での電解液の流速分布（Ｙ方向の電解液の流速に対するＸ方向の電解液の流速の速度比。以下、ＸＹ速度比という）、および、電極内での圧力分布から得られる圧力損失が、透過率Ｋを種々の値とした場合にどのようになるかを調べた。以下、モデル１と異なる解析条件を示す。
【００８７】
（解析条件）
《電解液》
硫酸Ｖ水溶液（Ｖ濃度：１．７ｍｏｌ／Ｌ、硫酸濃度：３．４ｍｏｌ／Ｌ）
《電解液流量等》
流れモデル：層流モデル
《流路》
溝深さ：０．１（ｃｍ）
【００８８】
［内部抵抗及びエネルギー損失］
上記モデル２、３による流速分布および圧力損失の解析結果と、上記文献１に記載の計算手法を用いた計算プログラムとにより、上記モデル２、３において透過率Ｋを種々の値とした場合の内部抵抗（セル抵抗率）、およびエネルギー損失を算出した。セル抵抗率は解析例１と同様にして、エネルギー損失は下記に示す計算手法によりそれぞれ求めた。
【００８９】
（エネルギー損失）
計算手法：Ｗ＝（ＱΔＰ）＋（Ｊ２Ｒ／Ｓ）
Ｗ：エネルギー損失（Ｊ／ｓ）
Ｑ：入口流量（ｍ３／ｓ）
ΔＰ：セル入口と出口間の圧力損失（Ｐａ）
Ｊ：セル電流（Ａ）
Ｒ：セル抵抗率（Ω・ｃｍ２）
Ｓ：セル面積（ｃｍ２）
【００９０】
モデル２（流路を備える場合）およびモデル３（流路を備えない場合）の上記解析結果および計算結果に係る各特性の値を表３および表４にそれぞれ示す。表３および表４におけるＸＹ速度比は、Ｘ方向およびＹ方向の速度が最も速くなる電極中央におけるＸＹ速度比を示す。また、モデル２とモデル３において、同一の透過率Ｋを備える電極同士の各特性の値を比較した結果を表５にそれぞれ示す。表５におけるＸＹ速度比の差は、モデル２のＸＹ速度比からモデル３のＸＹ速度比を引いたものである。また、表５におけるセル抵抗率の比較、圧力損失の比較、およびエネルギー損失の比較は、モデル３の各値を１００としたときに、モデル２の各特性の値がモデル３の各特性の何％であるかを示したものである。いずれの数値も、１００％未満のものは、モデル２のほうがモデル３よりも各特性が優れることを、１００％以上ものは、モデル３の方がモデル２よりも各特性が優れることをそれぞれ示す。
【００９１】
【表３】
2015122230.tif 000005
【００９２】
【表４】
2015122230.tif 000006
【００９３】
【表５】
2015122230.tif 000007
【００９４】
［結果］
（圧力損失の低減）
表５より、電極αの透過率Ｋが９．０３×１０−１０ｍ２以下の場合には、流路を備える双極板を用いることで、流路を備えない双極板を用いた場合に発生する圧力損失の約１５％以下とできることが判る。また、電極の透過率Ｋを小さくしていくと、流路を備える双極板を用いることで、流路を備えない双極板を用いた場合に発生する圧力損失の約３％以下、さらには約１％以下、特には約０．１％以下とできることが判る。このように、流路を備える双極板を用いることで、流路を備えない双極板を用いた場合よりも圧力損失を大きく低減できることが判る。
【００９５】
（セル抵抗率）
表５より、透過率Ｋが９．０３×１０−１０ｍ２以下の場合にセル抵抗の比較が１３１％以下となることが判る。セル抵抗率の比較が約１３０％以下となる透過率Ｋの電極αであれば、この電極αを双極板側層とし、この電極αより透過率の高い電極を隔膜側層とした二層電極とした際に、流路を備えない双極板と電極αを単層電極としたＲＦ電池よりも、内部抵抗を低減できると期待される。解析例１で述べたように、双極板が流路を備える場合においては、隔膜側層α１の透過率Ｋ１が双極板側層α２の透過率Ｋ２よりも大きい二層電極を用いることで、単層電極を用いる場合よりもセル抵抗率を低減できるからである。
【００９６】
特に、電極αの透過率Ｋを１．４２×１０−１０ｍ２よりも小さくしていくと、流路を備える双極板を用いることで、セル抵抗率が流路を備えない双極板を用いた場合よりも小さくなることが判る。これは、表３に示すように、ＸＹ速度比が１．０を超えていることに起因していると考えられる。すなわち、導入路と排出路の各櫛歯同士の間の電極を渡るように流通する（Ｘ方向に流通する）電解液の量が多いことで、未反応のまま排出される電解液が減少し、電流量が増加しているためと考えられる。よって、セル抵抗率の比較が約１００％未満となる透過率Ｋを備える電極αを、隔膜側層α１の透過率Ｋ１が双極板側層α２の透過率Ｋ２よりも大きい二層電極の双極板側層とした場合には、電極αを単層電極として用いた場合よりもさらに内部抵抗を低減できると期待される。
【００９７】
（エネルギー損失の低減）
表５より、電極の透過率Ｋが７．０４×１０−１０ｍ２以下の場合には、エネルギー損失を、流路を備えない双極板を用いた場合の約８５％以下とできることが判る。また、電極の透過率Ｋを小さくしていくと、流路を備える双極板を用いた場合に発生するエネルギー損失の約２８％以下、さらには約５％以下、特には、０．５％以下とできることが判る。これは、上述したように、流路を備えない双極板を用いた場合よりも圧力損失とセル抵抗率とが大きく低減されているためと考えられる。一方、電極αの透過率Ｋが１．４２×１０−１０ｍ２以上９．０３×１０−１０ｍ２以下の場合には、流路を備えない双極板を用いた場合に発生するエネルギー損失の約１００％以上１３０％以下となることが判る。このような場合であっても、電極αを二層電極の双極板側層とすることで、上述したようにセル抵抗率を低減でき、ひいてはエネルギー損失を低減できると期待される。
【００９８】
さらに、表３および表５より、流路を備える双極板を用いた場合であっても、電極の透過率Ｋが７．０４×１０−１４ｍ２未満となると、かえってエネルギー損失が増加することが判る（解析例３−６および解析例３−７を参照）。これは、圧力損失が大きいこと、および、電極の透過率Ｋが７．０４×１０−１２ｍ２以下となると、セル抵抗率の低減がほぼ頭打ちになっていることに起因していると考えられる。
【００９９】
＜まとめ＞
以上の各解析例より、流路を備える双極板と、透過率Ｋ１が透過率Ｋ２よりも大きい二層電極とを用いることで、内部抵抗（セル抵抗率）を低減でき、ＲＦ電池全体としてのエネルギー効率に優れることが判る。また、隔膜側層の透過率Ｋ２が７．０×１０−１４ｍ２以上９．１×１０−１０以下であることが好ましいことが判る。電極内を流れる電解液の多くを隔膜側層に流通させたり電極の広範囲で電池反応が均一に行われやすかったりすると考えられ、全体としてのエネルギー効率に優れたＲＦ電池とすることができると期待されるからである。
【産業上の利用可能性】
【０１００】
本発明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大容量の蓄電池に好適に利用することができる。また、本発明のレドックスフロー電池は、一般的な発電所や大型商業施設等に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池としても好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１０１】
１  レドックスフロー電池（ＲＦ電池）    １Ａ  簡易モデル
１００  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    １０６，１０７  タンク
１０８，１０９，１１０，１１１  導管
１１２，１１３  ポンプ
２００  セルスタック
１２０  セルフレーム
１２１  双極板
１３０  流路
１３１  導入路    １３２  排出路
１３０ａ，１３１ａ，１３２ａ  横溝（溝部）
１３０ｂ，１３１ｂ，１３２ｂ  縦溝（溝部）
１２２  枠体
１２３，１２４  給液用マニホールド
１２５，１２６  排液用マニホールド
α  電極
α１  隔膜板側層    α２  双極板側層
３００  交流／直流変換器    ３１０  変電設備
４００  発電部    ５００  負荷
６００  圧力損失測定システム
６１０  測定セル    ６２０  流体槽    ６２２  流体
６３０  配管    ６４０  ポンプ
６５０  流量計    ６６０  差圧計
【図１】
2015122230.tif 000008
【図２】
2015122230.tif 000009
【図３】
2015122230.tif 000010
【図４】
2015122230.tif 000011
【図５】
2015122230.tif 000012
【図６】
2015122230.tif 000013
【図７】
2015122230.tif 000014
【図８】
2015122230.tif 000015
【図９】
2015122230.tif 000016
【図１０】
2015122230.tif 000017
【図１１】
2015122230.tif 000018
【図１２】
2015122230.tif 000019
【図１３】
2015122230.tif 000020
【図１４】
2015122230.tif 000021
【図１５】
2015122230.tif 000022
【図１６】
2015122230.tif 000023
【図１７】
2015122230.tif 000024
【図１８】
2015122230.tif 000025
【図１９】
2015122230.tif 000026