(57)【要約】      （修正有）【課題】イオン交換膜を損傷することなく、電気抵抗を小さくできる双極板装置およびその製法ならびにレドックス電池用セルスタックを提供する。【解決手段】双極板装置１４は、樹脂板１５と、該樹脂板１５の両側に配置され、樹脂板１５に沿って配向するフェルトからなる正極電極２および負極電極３とを具備するとともに、正極電極２および負極電極３を構成するフェルトが樹脂板１５内に延びて接触しており、レドックス電池用セルスタックは、双極板装置１４と、イオン交換膜とを順次積層してなるレドックス電池用セルスタック。【選択図】図３
2017045643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
樹脂板と、該樹脂板の両側に配置され、前記樹脂板に沿って配向するフェルトからなる正極電極および負極電極とを具備するとともに、前記正極電極および前記負極電極を構成する前記フェルトの一部が前記樹脂板内に延びて接触していることを特徴とする双極板装置。
【請求項２】
樹脂板と、該樹脂板の両側に配置され、前記樹脂板に沿って配向するフェルトからなる正極電極および負極電極とを具備するとともに、前記正極電極および前記負極電極を構成する前記フェルトの一部が前記樹脂板内に延びており、前記正極電極または前記負極電極の電気抵抗と、前記正極電極と前記負極電極との間の電気抵抗とが実質的に同一であることを特徴とする双極板装置。
【請求項３】
樹脂板の両側に、フェルトからなる正極電極および負極電極を配置した後、前記樹脂板を加熱して軟化させ、前記正極電極および前記負極電極を前記樹脂板側に加圧し、前記正極電極および前記負極電極を構成する前記フェルトの配向方向を前記樹脂板に沿わせるとともに、前記樹脂板内で前記正極電極および前記負極電極のフェルト同士を接触させることを特徴とする双極板装置の製法。
【請求項４】
樹脂板と、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とを順次積層してなるとともに、前記正極電極と、前記負極電極とが前記樹脂板の両側に配置され、前記正極電極および前記負極電極を構成するフェルトが前記樹脂板に沿って配向し、前記正極電極および前記負極電極を構成するフェルトが前記樹脂板内で接触していることを特徴とするレドックス電池用セルスタック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、双極板装置およびその製法ならびにレドックス電池用セルスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
レドックスフロー電池では、ユニットセルを積層したセルスタックが使用される。各ユニットセルは「双極板」と呼ばれる板を対向させ、その間を隔膜（イオン交換膜）で仕切り、各仕切られたスペースに正負の電解液を循環させることにより起電力を得る。この「双極板」は、電流は通すが電解液は通さない導電性の板（基板）の両面に炭素繊維等からなる電極を取り付けたものが使用されている。基板の両面の電極は、一方はユニットセルの正極電極として使用され、他方は隣接するユニットセルの負極電極として使用される。
【０００３】
このような双極板として、従来、繊維の方向が面方向に存在するカーボンフェルトをテープ状に裁断し、この裁断したテープ状のカーボンフェルトをその厚み方向に複数枚積層した積層体であって、両裁断面とその近傍を除く裁断したテープ状のカーボンフェルトの中央部に予め絶縁性又は導電性の樹脂を充填し、積層体の中央部に厚み方向に樹脂板を形成して、カーボンフェルトと双極板とが一体化したカーボンフェルト双極板が知られている（特許文献１を参照）。このようなカーボンフェルト双極板は、炭化水素から構成されるイオン交換膜に接触して配置される。
【０００４】
この特許文献１では、双極板の両側の正負の電極を構成するカーボンフェルト間の電気抵抗を小さくすることができ、レドックスフロー電池の電池効率を高めることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平１１−１６２４９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記従来のカーボンフェルト双極板では、複数のテープ状のカーボンフェルトを積層しているため、複数の裁断面により凹凸が形成され、しかも、カーボンフェルトがイオン交換膜側に延びているため、イオン交換膜を損傷するおそれがあった。
【０００７】
本発明は、イオン交換膜を損傷することなく、電気抵抗を小さくできる双極板装置およびその製法ならびにレドックス電池用セルスタックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の双極板装置は、樹脂板と、該樹脂板の両側に配置され、前記樹脂板に沿って配向するフェルトからなる正極電極および負極電極とを具備するとともに、前記正極電極および前記負極電極を構成する前記フェルトの一部が前記樹脂板内に延びて接触していることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の双極板装置は、樹脂板と、該樹脂板の両側に配置され、前記樹脂板に沿って配向するフェルトからなる正極電極および負極電極とを具備するとともに、前記正極電極および前記負極電極を構成する前記フェルトの一部が前記樹脂板内に延びており、前記正極電極または前記負極電極の電気抵抗と、前記正極電極と前記負極電極との間の電気抵抗とが実質的に同一であることを特徴とする。
【００１０】
本発明の双極板装置の製法は、樹脂板の両側に、フェルトからなる正極電極および負極電極を配置した後、前記樹脂板を加熱して軟化させ、前記正極電極および前記負極電極を前記樹脂板側に加圧し、前記正極電極および前記負極電極を構成する前記フェルトの配向方向を前記樹脂板に沿わせるとともに、前記樹脂板内で前記正極電極および前記負極電極のフェルト同士を接触させることを特徴とする。
【００１１】
本発明のレドックス電池用セルスタックは、樹脂板と、正極電極と、イオン交換膜と、負極電極とを順次積層してなるとともに、前記正極電極と、前記負極電極とが前記樹脂板の両側に配置され、前記正極電極および前記負極電極を構成するフェルトが前記樹脂板に沿って配向し、前記正極電極および前記負極電極を構成するフェルトが前記樹脂板内で接触していることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明の双極板装置によれば、イオン交換膜を損傷することなく、電気抵抗を小さくでき、レドックス電池用セルスタックの電池効率を高めることができる。また、本発明の双極板装置の製法によれば、樹脂板内で正極電極および負極電極のフェルト同士を接触させた双極板装置を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】レドックスフロー電池を示す概略図である。
【図２】レドックス電池用セルスタックの一部を示す断面図である。
【図３】双極板装置を示す縦断面図である。
【図４】（ａ）は双極板装置の製法を説明するための説明図、（ｂ）は他の双極板装置の製法を説明するための説明図である。
【図５】さらに他の双極板装置の製法を説明するための説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
図１は、レドックスフロー電池の概略構成図である。レドックスフロー電池は、例えばイオン交換膜（隔膜）１で正極セル１０Ａと負極セル１０Ｂとに分離されたセル１０を備える。正極セル１０Ａおよび負極セル１０Ｂ内には、それぞれ電極として正極電極２または負極電極３が内蔵されている。正極セル１０Ａには、正極電解液を貯留する正極液タンク４が導管５を介して接続され、負極セル１０Ｂには、負極電解液を貯留する負極液タンク６が導管７を介して接続されている。
【００１５】
各導管５、７の途中には、循環ポンプ８、９がそれぞれ設けられており、これらの導管５、７を介して、各電解液がそれぞれのタンク４、６とセル１０Ａ、１０Ｂとの間で循環される。各極電解液にはバナジウムイオンなどの金属イオンを溶解させた酸性水溶液が用いられ、各循環ポンプ８、９の駆動により電解液を循環させ、正極電極２、負極電極３近傍におけるイオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。
【００１６】
図２は、上記したレドックスフロー電池の主要部を構成するレドックス電池用セルスタック１３の一部を示す縦断面図である。セルスタック１３は、イオン交換膜１と、双極板装置１４とが交互に積層されて構成されている。双極板装置１４は、後述するように、絶縁性の樹脂板１５、正極電極２および負極電極３とで構成されている。従って、セルスタック１３は、樹脂板１５、正極電極２、イオン交換膜１、負極電極３が、この順に繰り返して複数積層されて構成されている。この樹脂板１５の厚みは、０．５〜２ｍｍとされている。
【００１７】
この積層体の両端に、図示しないが、端子板（集電板）および電解液の給液管と排液管
を備えた給排液板を配設した後、その両側に加圧板を位置させ、これらの間に棒状体を挿通し、棒状体の両端部に形成されたねじ部にナットを螺合して、加圧板を両側から締め付けることにより、セルスタッ１３が構成される。
【００１８】
そして、双極板装置１４は、図３に示すように、ポリプロピレン、ポリエチレン等の樹脂からなる樹脂板１５を具備し、この樹脂板１５内には、正極電極２または負極電極３を構成する導電性の、例えばカーボンからなるフェルトの一部が、樹脂板１５の両側から内部に向けて延び、樹脂板１５の中央部で接触し、正極電極２と負極電極３とが導通している。樹脂板１５と正極電極２と負極電極３とは一体となっている。
【００１９】
言い換えると、正極電極２と負極電極３の一部は、樹脂板１５内の中央部で接触しているとともに、正極電極２と負極電極３の他の一部は、樹脂板１５から突出し、イオン交換膜１に接触することになる。さらに言い換えると、正極電極２または負極電極３の電気抵抗と、正極電極２と負極電極３との間の電気抵抗とが実質的に同一である。
【００２０】
正極電極２と負極電極３を構成するフェルトが、樹脂板１５内で接触しているか、否かは、樹脂板１５の両側のフェルト間の絶縁抵抗を測定し、この樹脂板１５の両側のフェルト間の絶縁抵抗と、樹脂板１５から突出した部分（樹脂板１５内に埋設されていない部分）の正極電極２または負極電極３を構成するフェルトの絶縁抵抗との差が殆どないことで確認できる。例えば、テスターと呼ばれる回路計で測定した場合に、その差が０．５Ω以下、特には０．２Ω以下の場合である。
【００２１】
なお、正極電極２または負極電極３を構成するフェルトは、樹脂板１５の面方向全体（上下方向全体）で接触している必要はなく、一部に接触していない部分があっても良い。
【００２２】
また、フェルトは、樹脂板１５の面に沿って配向している。なお、一部のフェルトは、樹脂板１５の面方向とは異なる方向に延びていても良い。
【００２３】
フェルトは、例えば、直径が１〜２０μｍとされ、正極電極２と負極電極３は、液透過性の多孔性電極である。該電極は、好ましくは０.０１〜１．０ｇ／ｃｍ３、より好まし
くは０.０３〜０．１ｇ／ｃｍ３の嵩密度を有するものである。
【００２４】
フェルトを構成する炭素としては、カーボンブラック、炭素繊維、天然黒鉛、人造黒鉛等がある。カーボンブラックとしては、アセチレンブラック、ファーネスブラック、サーマルブラック、チャンネルブラック等が用いられる。炭素繊維としては、ポリアクリロニトリル系炭素繊維、ピッチ系炭素繊維が用いられる。樹脂との分散性と導電性とのバランスを良好に保持するために、カーボンブラックと黒鉛等を混合して用いることもできる。
【００２５】
樹脂板１５を構成する樹脂としては、オレフィンの重合体が望ましく、２種のオレフィンの共重合体を含有するポリオレフィン系樹脂でも良い。ポリオレフィン系樹脂は、該共重合体のみで構成されている場合のほか、該共重合体とオレフィンの単独重合体及び共重合体との混合物を包含する。
【００２６】
少なくとも２種のオレフィンの共重合体は、エチレン、プロピレン、ブテン、ペンテン、ヘキセン等のオレフィンの少なくとも２種の共重合により得られる二元共重合体、三元共重合体などいかなるものであってもよい。好ましくは、プロピレンを主体とする、例えばプロピレン６０〜９９．５重量、好ましくは８０〜９９．０重量％、より好ましくは９４〜９８重量％と、他のオレフィン、例えばエチレン０．５〜４０重量、好ましくは１．０〜２０重量％、より好ましくは２〜６重量％との共重合体である。該共重合体としては、ランダム共重合体、ブロック共重合体などを挙げることできる。
【００２７】
このような双極板装置１４は、例えば、図４（ａ）に示すように、樹脂板１５の両側に、フェルトからなる正極電極２と負極電極３を配置した後、樹脂板１５を軟化させ、正極電極２と負極電極３とを両側から樹脂板１５側に加圧し、樹脂板１５内で正極電極２と負極電極３を接触させることで得られる。
【００２８】
なお、正極電極２と負極電極３を樹脂板１５側に加圧することで、正極電極２と負極電極３の密度はある程度は高くなるが、電解液は通過できる程度の密度である。
【００２９】
そして、正極電極２と負極電極３を両側から加圧するため、フェルトが樹脂板１５の面に沿って（平行に）配向し、正極電極２と負極電極３のフェルトの一部を樹脂板１５内に浸入埋設させ、樹脂板１５の厚み方向中央部で接触させるとともに、樹脂板１５と、正極電極２と負極電極３とが一体となった双極板装置１４が容易に得られる。
【００３０】
また、図４（ｂ）に示すように、フェルトを配置した成形型内に、樹脂を流し込んで、樹脂板１５を厚み方向に２分割した半割部材１５ａ、１５ｂを作製し、これらの半割部材１５ａ、１５ｂ同士を、加熱圧着し、作製することもできる。
【００３１】
さらに、図５に示すように、フェルトを配置した成形型内に、樹脂を流し込んで、フェルトを内蔵する樹脂板１５ｃを作製し、この樹脂板１５ｃの両側に、正極電極２と負極電極３とを配置し、加熱した状態で両側から加圧することで得られる。
【００３２】
以上のように構成された双極板装置１４では、正極電極２と負極電極３を構成するフェルト同士が、樹脂板１５内で接触しているため、樹脂板１５の両側の正極電極２と負極電極３を構成するフェルト間の電気抵抗を小さくすることができ、レドックスフロー電池の電池効率を高めることができる。これにより、レドックス電池用セルスタック１３、さらにはセルスタック１３を有するレドックス電池における電池効率を高めることができる。
【００３３】
また、フェルトが樹脂板１５の面に沿って（平行に）配向しているため、従来の特許文献１のように、正極電極２と負極電極３のイオン交換膜１側の面が凹凸とならず、また、フェルトの先端についてもイオン交換膜側に延びていないため、イオン交換膜を損傷することを抑制できる。
【符号の説明】
【００３４】
１・・・イオン交換膜
２・・・正極電極
３・・・負極電極
１３・・・レドックス電池用セルスタック
１４・・・双極板装置
１５・・・樹脂板
【図１】
2017045643.tif 000003
【図２】
2017045643.tif 000004
【図３】
2017045643.tif 000005
【図４】
2017045643.tif 000006
【図５】
2017045643.tif 000007