(57)【要約】  電解液が供給される供給縁と電解液が排出される排出縁とを有する電池セルであって、供給縁に連通する導入口と、排出縁に連通する排出口とを有し、導入口から排出口まで一連に形成され、幅方向に並列に配置される複数の蛇行流路を備え、蛇行流路は、導入口から排出縁側に向かって伸びる導入側区間と、導入側区間における排出縁側の端部から供給縁側に向けて折り返される折返し区間と、折返し区間における供給縁側の端部から排出縁側に向かって伸び、排出口まで至る排出側区間とを有し、導入側区間、折返し区間及び排出側区間が幅方向に並ぶ領域の長さ方向の長さが１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下である、電池セル。
2020158624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、前記電極に対向して配置される双極板とを備え、
前記電極と前記双極板とが重なる方向から見た平面視において、電解液が供給される供給縁と前記電解液が排出される排出縁とを有する電池セルであって、
前記供給縁から前記排出縁に向かう方向を長さ方向、前記供給縁及び前記排出縁に沿う方向を幅方向とするとき、
前記供給縁に連通する導入口と、前記排出縁に連通する排出口とを有し、前記導入口から前記排出口まで一連に形成され、前記幅方向に並列に配置される複数の蛇行流路を備え、
前記蛇行流路は、
前記導入口から前記排出縁側に向かって伸び、前記排出縁側に端部を有する導入側区間と、
前記導入側区間における前記排出縁側の端部から前記供給縁側に向けて折り返され、前記供給縁側に端部を有する折返し区間と、
前記折返し区間における前記供給縁側の端部から前記排出縁側に向かって伸び、前記排出口まで至る排出側区間とを有し、
前記導入側区間、前記折返し区間及び前記排出側区間が前記幅方向に並ぶ領域の前記長さ方向の長さが１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下である、
電池セル。
【請求項２】
前記導入側区間と前記折返し区間との間、及び前記排出側区間と前記折返し区間との間の前記幅方向の距離がそれぞれ１ｍｍ以上３６ｍｍ以下である請求項１に記載の電池セル。
【請求項３】
前記蛇行流路の断面積が前記導入口から前記排出口までの全長にわたって一様である請求項１又は請求項２に記載の電池セル。
【請求項４】
前記蛇行流路の断面積が０．５ｍｍ２以上１６ｍｍ２以下である請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項５】
前記蛇行流路の全長が３００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下である請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項６】
前記蛇行流路が前記双極板に設けられている請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項７】
前記蛇行流路は溝を含む請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項８】
前記電極の透過率が１×１０−１３ｍ２以上１×１０−１０ｍ２以下である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項９】
前記折返し区間は、
前記導入側区間と前記排出側区間との間に配置される１つの縦区間と、
前記導入側区間と前記縦区間における前記排出縁側の端部同士、及び前記排出側区間と前記縦区間における前記供給縁側の端部同士をそれぞれ接続する２つの横区間と、を有する請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の電池セル。
【請求項１０】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電池セルを備える、
セルスタック。
【請求項１１】
請求項１０に記載のセルスタックを備える、
レドックスフロー電池。
【請求項１２】
請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の電池セルを備える、
レドックスフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池に関する。
本出願は、２０１９年１月３０日付の日本国出願の特願２０１９−０１４４６１号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。
【背景技術】
【０００２】
大容量の蓄電池の一つとして、レドックスフロー電池が知られている（特許文献１、２を参照）。以下では、レドックスフロー電池を「ＲＦ電池」と呼ぶ場合がある。ＲＦ電池は、正極電極と、負極電極と、両電極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。一般に、ＲＦ電池では、セルスタックと呼ばれる複数の電池セルを備える積層体が利用される。セルスタックは、セルフレーム、正極電極、隔膜、負極電極を順に繰り返し積層した構造となっている。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有する。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対向するように配置されて、１つの電池セルが構成される。電池セルには電解液が供給され、電極で電池反応を行い、反応後の電解液が電池セルから排出される。【０００３】
特許文献１、２は、双極板における電極側の面に電解液が流通する流路を備える双極板を開示する。双極板における電極側の面は、電極と対向する面である。特許文献１、２には、電解液が流通する流路として、蛇行形状の流路が記載されている（特許文献１の段落００４１、００４２及び図５、特許文献２の段落００６１及び図５を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−１２２２３１号公報
【特許文献２】特開２０１５−１３８７７１号公報
【発明の概要】
【０００５】
本開示の電池セルは、
電極と、前記電極に対向して配置される双極板とを備え、
前記電極と前記双極板とが重なる方向から見た平面視において、電解液が供給される供給縁と前記電解液が排出される排出縁とを有する電池セルであって、
前記供給縁から前記排出縁に向かう方向を長さ方向、前記供給縁及び前記排出縁に沿う方向を幅方向とするとき、
前記供給縁に連通する導入口と、前記排出縁に連通する排出口とを有し、前記導入口から前記排出口まで一連に形成され、前記幅方向に並列に配置される複数の蛇行流路を備え、
前記蛇行流路は、
前記導入口から前記排出縁側に向かって伸び、前記排出縁側に端部を有する導入側区間と、
前記導入側区間における前記排出縁側の端部から前記供給縁側に向けて折り返され、前記供給縁側に端部を有する折返し区間と、
前記折返し区間における前記供給縁側の端部から前記排出縁側に向かって伸び、前記排出口まで至る排出側区間とを有し、
前記導入側区間、前記折返し区間及び前記排出側区間が前記幅方向に並ぶ領域の前記長さ方向の長さが１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下である。
【０００６】
本開示のセルスタックは、
本開示の電池セルを備える。
【０００７】
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。
【０００８】
本開示の別のレドックスフロー電池は、
本開示の電池セルを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態に係るレドックスフロー電池の動作原理を示す説明図である。
【図２】図２は、実施形態に係るレドックスフロー電池の一例を示す概略構成図である。
【図３】図３は、実施形態に係るセルスタックの一例を示す概略構成図である。
【図４】図４は、実施形態に係るセルスタックに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。
【図５】図５は、実施形態に係る電池セルに備える双極板を一面側から見た概略平面図である。
【図６】図６は、実施形態に係る電池セルにおける蛇行流路を示す概略拡大平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［本開示が解決しようとする課題］
ＲＦ電池の更なる電池性能の向上が望まれており、エネルギー効率を高めることが求められている。特に、電解液の圧力損失を低減できつつ、電極の広範囲に電解液を流通できることが求められている。
【００１１】
特許文献１、２は、蛇行形状の流路が形成された双極板を開示する。特許文献１、２に記載された蛇行形状の流路は、双極板の全域にわたって一連に形成されている。この流路により、双極板の全域に均一的に電解液を行き渡らせることができる。一方、流路の全長が長くなり、その分、電解液の流通抵抗が増えるので、電解液を通液した時の圧力損失が増大するおそれがある。電解液の圧力損失が大きいと、電解液を送るポンプの動力を大きくする必要があるため、ＲＦ電池のエネルギー効率が低下する場合がある。したがって、従来は、ＲＦ電池のポンプ動力を低減することについて、必ずしも十分な検討がなされているとはいえなかった。
【００１２】
そこで、本開示は、レドックスフロー電池のポンプ動力を低減することができる電池セルを提供することを目的の一つとする。また、本開示は、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セルスタックを提供することを別の目的の一つとする。更に、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別の目的の一つとする。
【００１３】
［本開示の効果］
本開示の電池セルは、レドックスフロー電池のポンプ動力を低減することができる。また、本開示のセルスタックは、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。本開示のレドックスフロー電池は、電池性能に優れる。
【００１４】
［本開示の実施形態の説明］
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
【００１５】
（１）本開示の実施形態に係る電池セルは、
電極と、前記電極に対向して配置される双極板とを備え、
前記電極と前記双極板とが重なる方向から見た平面視において、電解液が供給される供給縁と前記電解液が排出される排出縁とを有する電池セルであって、
前記供給縁から前記排出縁に向かう方向を長さ方向、前記供給縁及び前記排出縁に沿う方向を幅方向とするとき、
前記供給縁に連通する導入口と、前記排出縁に連通する排出口とを有し、前記導入口から前記排出口まで一連に形成され、前記幅方向に並列に配置される複数の蛇行流路を備え、
前記蛇行流路は、
前記導入口から前記排出縁側に向かって伸び、前記排出縁側に端部を有する導入側区間と、
前記導入側区間における前記排出縁側の端部から前記供給縁側に向けて折り返され、前記供給縁側に端部を有する折返し区間と、
前記折返し区間における前記供給縁側の端部から前記排出縁側に向かって伸び、前記排出口まで至る排出側区間とを有し、
前記導入側区間、前記折返し区間及び前記排出側区間が前記幅方向に並ぶ領域の前記長さ方向の長さが１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下である。
【００１６】
本開示の電池セルは、複数の蛇行流路を備えることで、電解液を各蛇行流路に沿って電極の広範囲に流通させることができる。また、本開示の電池セルは、従来のように１つの蛇行流路ではなく、複数の蛇行流路を備えることで、１つの蛇行流路を備える場合に比較して各蛇行流路の全長が短くなる。そのため、本開示の電池セルは、電解液を通液した時の圧力損失を低減できる。したがって、本開示の電池セルは、ＲＦ電池のポンプ動力を低減することができる。
【００１７】
更に、導入側区間、折返し区間及び排出側区間が幅方向に並ぶ領域の長さが１００ｍｍ以上であることで、電極の広範囲に電解液を拡散させ易い。以下では、上記の各区間が幅方向に並ぶ領域のことを「並列領域」という場合がある。そのため、上記形態は、電極において電池反応を生じさせ易い。並列領域の長さが２０００ｍｍ以下であることで、蛇行流路の全長が過度に長くなることを回避できる。そのため、上記形態は、蛇行流路における電解液の流通抵抗を低減できるので、電解液の圧力損失を低減し易い。よって、上記形態はポンプ動力をより低減し易い。
【００１８】
（２）上記の電池セルの一形態として、
前記導入側区間と前記折返し区間との間、及び前記排出側区間と前記折返し区間との間の前記幅方向の距離がそれぞれ１ｍｍ以上３６ｍｍ以下であることが挙げられる。
【００１９】
導入側区間及び排出側区間の各区間と折返し区間との間の距離がそれぞれ上記範囲内であることで、電極への電解液の拡散性を改善できる。よって、上記形態は、電池反応を効率よく行うことができる。
【００２０】
（３）上記の電池セルの一形態として、
前記蛇行流路の断面積が前記導入口から前記排出口までの全長にわたって一様であることが挙げられる。
【００２１】
蛇行流路の断面積が全長にわたって一様であることで、蛇行流路の全長にわたって電解液の流量を一定に保ち易い。
【００２２】
（４）上記の電池セルの一形態として、
前記蛇行流路の断面積が０．５ｍｍ２以上１６ｍｍ２以下であることが挙げられる。
【００２３】
蛇行流路の断面積が上記範囲内であることで、蛇行流路に流れる電解液の流量を十分に確保し易く、電極の広範囲に電解液を行き渡らせ易い。そのため、上記形態は、電極において電池反応を生じさせ易い。また、蛇行流路の断面積が上記範囲内であれば、蛇行流路における電解液の流通抵抗を低減できるので、電解液の圧力損失を低減し易い。よって、上記形態はポンプ動力をより低減し易い。
【００２４】
（５）上記の電池セルの一形態として、
前記蛇行流路の全長が３００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下であることが挙げられる。
【００２５】
蛇行流路の全長が３００ｍｍ以上であることで、電極の広範囲に電解液を拡散させ易い。そのため、上記形態は、電極において電池反応を生じさせ易い。蛇行流路の全長が６０００ｍｍ以下であることで、蛇行流路における電解液の流通抵抗を十分に低減できるので、電解液の圧力損失を十分に低減し易い。よって、上記形態はポンプ動力を十分に低減し易い。
【００２６】
（６）上記の電池セルの一形態として、
前記蛇行流路が前記双極板に設けられていることが挙げられる。
【００２７】
蛇行流路は、双極板及び電極の少なくとも一方に設けることが好ましい。双極板に流路を設けることは容易である。そのため、上記形態は蛇行流路を形成し易い。蛇行流路は電極に設けてもよい。
【００２８】
（７）上記の電池セルの一形態として、
前記蛇行流路は溝を含むことが挙げられる。
【００２９】
蛇行流路が溝を含むことで、蛇行流路に電解液がより流れ易い。そのため、上記形態は電解液の圧力損失をより低減し易い。よって、上記形態はポンプ動力をより低減し易い。電極に蛇行流路を設ける場合、蛇行流路は、溝によって構成する他、電極を構成する多孔体自体の気孔率が局所的に大きい疎な部分によって構成してもよい。溝や多孔体における気孔率が大きい疎な部分は、溝のない箇所や気孔率が小さい密な部分に比べて電解液が流れ易く、流路として機能する。
【００３０】
（８）上記の電池セルの一形態として、
前記電極の透過率が１×１０−１３ｍ２以上１×１０−１０ｍ２以下であることが挙げられる。
【００３１】
電極の透過率とは、電極における電解液の流通のし易さを示す指標である。透過率が高いほど電極に電解液が流れ易いことを示す。透過率が上記範囲内であることで、電極に流れる電解液の圧力損失をより低減できる。また、透過率が上記範囲内であれば、電極に電解液が拡散し易く、電極の広範囲に電解液を行き渡らせ易い。そのため、上記形態は、電極において電池反応が生じ易い。
【００３２】
（９）上記の電池セルの一形態として、
前記折返し区間は、
前記導入側区間と前記排出側区間との間に配置される１つの縦区間と、
前記導入側区間と前記縦区間における前記排出縁側の端部同士、及び前記排出側区間と前記縦区間における前記供給縁側の端部同士をそれぞれ接続する２つの横区間と、を有することが挙げられる。
【００３３】
上記形態は、蛇行流路を構成することができる。
【００３４】
（１０）本開示の実施形態に係るセルスタックは、
上記（１）から（９）のいずれか一つに記載の電池セルを備える。
【００３５】
本開示のセルスタックは、電解液の圧力損失を低減できつつ、電極の広範囲に電解液を流通させることができる。そのため、本開示のセルスタックは、ＲＦ電池のポンプ動力を低減することができる。これは、本開示のセルスタックが上述の本開示の電池セルを備えるからである。よって、本開示のセルスタックは、ＲＦ電池の電池性能を向上させることができる。
【００３６】
（１１）本開示の実施形態に係るレドックスフロー電池は、
上記（１０）に記載のセルスタックを備える。
【００３７】
（１２）本開示の別の実施形態に係るレドックスフロー電池は、
上記（１）から（９）のいずれか一つに記載の電池セルを備える。
【００３８】
本開示のＲＦ電池は、上述の本開示の電池セル、又は上述の本開示のセルスタックを備えるため、ポンプ動力を低減することができる。よって、本開示のＲＦ電池は、電池性能に優れる。
【００３９】
［本開示の実施形態の詳細］
本開示の電池セル、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。
【００４０】
［実施形態］
図１〜図６を参照して、実施形態に係るＲＦ電池１、並びに、ＲＦ電池１に備える電池セル１０及びセルスタック２の一例を説明する。
【００４１】
《ＲＦ電池》
図１、図２に示すＲＦ電池１は、正極電解液及び負極電解液として、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する。ＲＦ電池１は、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。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ＲＦ電池を示す。図１中の電池セル１０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、交流／直流変換器８０を介して電力系統９０に接続されている。ＲＦ電池１は、例えば、負荷平準化用途、瞬低補償、非常用電源などの用途、太陽光発電、風力発電といった自然エネルギー発電の出力平滑化用途に利用される。ＲＦ電池１は、正極電解液にマンガンイオンを含み、負極電解液にチタンイオンを含むマンガン−チタン系ＲＦ電池などでもよい。電解液は公知の組成のものを利用できる。
【００４２】
ＲＦ電池１は、充放電を行う電池セル１０と、電解液を貯留するタンク１０６、１０７と、タンク１０６、１０７と電池セル１０との間で電解液を循環させる循環流路１００Ｐ、１００Ｎとを備える。
【００４３】
《電池セル》
電池セル１０は、図１に示すように、正極電極１４と、負極電極１５と、両電極間に介在される隔膜１１とを備える。電池セル１０の構造は、隔膜１１を挟んで正極セル１２と負極セル１３とに分離され、正極セル１２に正極電極１４、負極セル１３に負極電極１５が内蔵されている。電池セル１０は、図２に示すように、双極板３１の間に、正極電極１４と負極電極１５とが隔膜１１を介して対向するように配置されて構成される（図３も参照）。
【００４４】
本実施形態の電池セル１０は、図５に示すように、電解液が供給される供給縁３１１と電解液が排出される排出縁３１２とを有する。電池セル１０は、電解液が流通する流路として、複数の蛇行流路４を備える。蛇行流路４は、例えば、正極電極１４、負極電極１５といった電極と双極板３１の少なくとも一方に設けられる。本実施形態では、双極板３１に複数の蛇行流路４が設けられている。蛇行流路４は、図６に示すように、導入側区間４１と、折返し区間４５と、排出側区間４２とを有する。蛇行流路４の特徴の１つは、供給縁３１１から排出縁３１２に向かう方向を長さ方向、供給縁３１１及び排出縁３１２に沿う方向を幅方向とするとき、導入側区間４１、折返し区間４５及び排出側区間４２が幅方向に並ぶ並列領域４Ａの長さ方向の長さが１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下である点にある。上記の並列領域４Ａの長さは、図６中、Ｌ４Ａで示される寸法のことである。以下では、電池セル１０の基本構成を先に説明し、その後、図５〜図６を参照して、電池セル１０に備える蛇行流路４の構成を説明する。
【００４５】
（電極）
ＲＦ電池１の正極電極１４及び負極電極１５の各電極には、正極電解液及び負極電解液といった電解液が供給される。各電極は電解液が電池反応を行う反応場として機能する。正極電極１４及び負極電極１５は、導電性を有する多孔体で形成されている。多孔体で形成された電極は、空孔を有するため、電極内に電解液を流通させることができる。正極電極１４及び負極電極１５には、例えば、カーボンフェルト、カーボンクロス、カーボンペーパーなどが好適に利用できる。隔膜１１は、例えば、水素イオンを透過するイオン交換膜で形成されている。
【００４６】
〈電極の透過率〉
正極電極１４及び負極電極１５の各電極の透過率は、例えば１×１０−１３ｍ２以上１×１０−１０ｍ２以下であることが挙げられる。透過率は、電解液の流通のし易さを示す指標である。透過率が高いほど電極に電解液が流れ易いことを示す。透過率が１×１０−１３ｍ２以上であることで、電極における電解液の流通抵抗が小さくなり、電極に流れる電解液の圧力損失をより低減できる。また、透過率が１×１０−１３ｍ２以上であれば、電極に電解液が拡散し易く、電極の広範囲に電解液を行き渡らせ易い。透過率が高過ぎると、電池反応せずに未反応のまま電極内を通過する電解液の割合が多くなる。そのため、電極において電池反応が生じ難くなる。透過率が１×１０−１０ｍ２以下であることで、未反応のまま電極内を通過する電解液を低減できる。よって、電極において電池反応が生じ易い。より好ましい電極の透過率は、２×１０−１３ｍ２以上、更に５×１０−１３ｍ２以上５×１０−１１ｍ２以下である。
【００４７】
透過率は、電極の透過抵抗の逆数であり、次式で示されるダルシー・ワイズバッハの式により求められる。
ΔＰ＝（ｈ／Ｋ）μ（Ｑ／ｗｄ）
Ｋは透過率（ｍ２）である。ΔＰは圧力損失（Ｐａ）、Ｑは電極に供給される流体の流量（ｍ３／ｓ）、μは流体の粘度（Ｐａ・ｓ）、ｈは電極の長さ（ｍ）、ｗは電極の幅（ｍ）、ｄは電極の厚み（ｍ）をそれぞれ示す。電極の厚みは、電池セル１０に電極を組み込んだときにおける圧縮状態での電極の厚みとする。透過率は、流体の種類によらず電極固有の値である。透過率は、粘度が既知である水などの流体を用いて測定することができる定数である。電極の透過率は、特許文献１に記載された測定方法を用いて求めることができる。
【００４８】
電池セル１０を構成する正極セル１２及び負極セル１３には、図１、図２に示すように、循環流路１００Ｐ、１００Ｎを通して正極電解液及び負極電解液といった電解液が循環する。正極セル１２には、正極電解液を貯留する正極電解液タンク１０６が正極循環流路１００Ｐを介して接続されている。同様に、負極セル１３には、負極電解液を貯留する負極電解液タンク１０７が負極循環流路１００Ｎを介して接続されている。各循環流路１００Ｐ、１００Ｎは、各タンク１０６、１０７から電池セル１０へ電解液を送る往路配管１０８、１０９と、電池セル１０から各タンク１０６、１０７へ電解液を戻す復路配管１１０、１１１とを有する。各往路配管１０８、１０９には、各タンク１０６、１０７に貯留される電解液を圧送するポンプ１１２、１１３が設けられている。電解液は、ポンプ１１２、１１３により電池セル１０に循環される。
【００４９】
《セルスタック》
ＲＦ電池１は、単数の電池セル１０を備える単セル電池であってもよいし、複数の電池セル１０を備える多セル電池であってもよい。ＲＦ電池１は通常、図２に示すような、複数の電池セル１０が積層されたセルスタック２が利用される。セルスタック２は、図３に示すように、複数のサブスタック２００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は、複数のサブスタック２００を備えるセルスタック２を示している。サブスタック２００は、セルフレーム３、正極電極１４、隔膜１１、負極電極１５の順に繰り返し積層され、その積層体の両端に給排板２１０が配置された構造である。給排板２１０には、各循環流路１００Ｐ、１００Ｎ（図１、図２参照）の往路配管１０８、１０９及び復路配管１１０、１１１が接続される。
【００５０】
《セルフレーム》
セルフレーム３は、図３に示すように、正極電極１４と負極電極１５との間に配置される双極板３１と、双極板３１の周囲に設けられる枠体３２とを有する（図４も参照）。双極板３１の一面側には、正極電極１４が対向するように配置される。双極板３１の他面側には、負極電極１５が対向するように配置される。枠体３２の内側には、双極板３１が設けられ、双極板３１と枠体３２により凹部３２ｏが形成される。凹部３２ｏは、双極板３１の両側にそれぞれ形成され、各凹部３２ｏ内に正極電極１４及び負極電極１５が双極板３１を挟んで収納される。
【００５１】
双極板３１は、例えば導電性プラスチック、代表的にはプラスチックカーボンなどで形成されている。プラスチックカーボンは、導電性カーボンと樹脂との複合材料である。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。セルフレーム３は、双極板３１の周囲に枠体３２を射出成型などにより一体化することで製造することが挙げられる。その他、セルフレーム３は、双極板３１の外周部と枠体３２の内周部との間にシール部材を配置し、双極板３１の外周部と枠体３２の内周部とを重ね合わせることで製造することもできる。
【００５２】
セルスタック２を構成するサブスタック２００は、隣接する各セルフレーム３の枠体３２の一面側と他面側とが互いに対向して突き合わされ、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つの電池セル１０が形成される（図３参照）。換言すれば、隣り合う電池セル１０の間に双極板３１が介在される。正極電極１４及び負極電極１５の各電極は、電池セル１０を構成したときに枠体３２の各凹部３２ｏ内に収納される。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リング又は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。
【００５３】
電池セル１０への電解液の供給及び排出は、枠体３２に貫通して形成さ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を介して行われる。図３に示すセルフレーム３の場合、正極電解液は、枠体３２の下部に形成された給液マニホールド３３から枠体３２の一面側に形成された給液スリット３３ｓを介して双極板３１の一面側に供給される。供給された正極電解液は、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、枠体３２の下部に形成された給液マニホールド３４から枠体３２の他面側に形成された給液スリット３４ｓを介して双極板３１の他面側に供給される。供給された負極電解液は、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。給液マニホールド３３、３４及び排液マニホールド３５、３６は、給排板２１０（図３参照）を介して各循環流路１００Ｐ、１００Ｎ（図１、図２参照）の往路配管１０８、１０９及び復路配管１１０、１１１にそれぞれつながっている。
【００５４】
本例の電池セル１０は、電解液が下縁側から供給され、上縁側から排出されるように構成されている。つまり、電池セル１０における全体的な電解液の流れる方向は、紙面上方向となる。
【００５５】
セルフレーム３は、図４に示すように、供給側整流部３３０と排出側整流部３５０とを有する。供給側整流部３３０は、枠体３２の一面側に形成され、枠体３２の内周の下縁に沿って伸びる溝である。供給側整流部３３０に給液スリット３３ｓがつながっている。供給側整流部３３０は、給液スリット３３ｓから供給された正極電解液を双極板３１の下縁部に沿って拡散させる機能を有する。排出側整流部３５０は、枠体３２の一面側に形成され、枠体３２の内周の上縁に沿って伸びる溝である。排出側整流部３５０に排液スリット３５ｓがつながっている。排出側整流部３５０は、双極板３１の上縁部から排出された正極電解液を排液スリット３５ｓに集約する機能を有する。
【００５６】
この例では、供給側整流部３３０及び排出側整流部３５０を枠体３２に設けているが、供給側整流部３３０及び排出側整流部３５０は双極板３１に設けることも可能である。双極板３１に供給側整流部３３０を設ける場合は双極板３１の下縁部に沿って溝を形成すればよい。また、双極板３１に排出側整流部３５０を設ける場合は双極板３１の上縁部に沿って溝を形成すればよい。
【００５７】
図４では、正極電極１４（図３参照）が配置されるセルフレーム３の正極側である一面側に形成された正極電解液用の供給側整流部３３０及び排出側整流部３５０のみを図示している。負極電極１５（図３参照）が配置されるセルフレーム３の負極側である他面側にも、一面側と同様に、負極電解液用の供給側整流部及び排出側整流部が形成されている。セルフレーム３の他面側に形成された負極電解液用の供給側整流部及び排出側整流部の構成は、図４に示す供給側整流部３３０及び排出側整流部３５０と同様であるので、その説明を省略する。
【００５８】
（双極板）
双極板３１は、図４、図５に示すように、正極電極１４（図３参照）及び負極電極１５（図３参照）の各電極と双極板３１とが重なる方向から見た平面視において、電解液が供給される供給縁３１１と、電解液が排出される排出縁３１２とを有する。本例の場合、双極板３１における周縁の下縁が供給縁３１１である。双極板３１における周縁の上縁が排出縁３１２である。
【００５９】
本例の双極板３１の平面形状は矩形状である。図４、図５における紙面表側から見た双極板３１の一面側は、正極電極１４（図３参照）に対向する面である。図４、図５における紙面裏側から見た双極板３１の他面側は、負極電極１５（図３参照）に対向する面である。
【００６０】
（蛇行流路）
本例の電池セル１０は、図５に示すように、複数の蛇行流路４を備える。蛇行流路４は、代表的には、双極板３１に設けられる。蛇行流路４は、正極電極１４及び負極電極１５の少なくとも一方の電極に設けることも可能である。
【００６１】
蛇行流路４は、例えば、溝によって形成される。上記溝に多孔体が収納されていてもよい。また、電極に蛇行流路４を設ける場合、蛇行流路４は、電極を構成する多孔体自体の気孔率が局所的に大きい疎な部分によって形成されていてもよい。上記の溝や多孔体における気孔率が大きい疎な部分は、溝のない箇所や気孔率が小さい密な部分に比べて、電解液が流れ易い。
【００６２】
本例では、図５に示すように、双極板３１に複数の蛇行流路４が設けられると共に、各蛇行流路４が溝によって形成されている場合を例示する。双極板３１に溝を形成することは比較的容易である。そのため、双極板３１に溝からなる蛇行流路４を形成し易い。また、蛇行流路４が溝を含む構成とすると、蛇行流路４に電解液がより流れ易いため、電解液の圧力損失を低減し易い。
【００６３】
以下、図５に示す双極板３１に設けられた蛇行流路４の構成を説明する。以下の説明において、供給縁３１１から排出縁３１２に向かう方向を長さ方向とする。供給縁３１１及び排出縁３１２に沿う方向を幅方向とする。つまり、図４、図５における紙面上下方向が上記長さ方向である。図４、図５における紙面左右方向が上記幅方向である。図４、図５では、双極板３１の一面側である正極電極１４側に設けられた正極電解液が流通する複数の蛇行流路４しか図示していない。双極板３１の他面側である負極電極１５側にも、一面側と同様に、負極電解液が流通する複数の蛇行流路が設けられている。なお、図４、図５では、複数の蛇行流路４のうち、２つの蛇行流路４のみを図示し、その他の蛇行流路は「・・・（ドット）」で省略して示す。
【００６４】
蛇行流路４は、図５に示すように、幅方向に並列に複数配置されている。本例の場合、双極板３１の概ね全域にわたって、蛇行流路４が並んで設けられている。蛇行流路４の数は、双極板３１の全域に電解液を均一に行き渡らせられるように、双極板３１のサイズ、代表的には双極板３１の幅方向の長さによって適宜選択することが好ましい。各蛇行流路４は、供給縁３１１に連通する導入口４ｉと、排出縁３１２に連通する排出口４ｏとを有する。各蛇行流路４は、導入口４ｉから排出口４ｏまで一連に形成されている。
【００６５】
図６を用いて、蛇行流路４の構成を詳しく説明する。蛇行流路４は、図６に示すように、導入側区間４１と、折返し区間４５と、排出側区間４２とを有する。導入側区間４１は、導入口４ｉから排出縁３１２側に向かって伸び、排出縁３１２側に端部４１１を有する。導入側区間４１における排出縁３１２側の端部４１１は、排出縁３１２まで達しておらず、排出縁３１２に連通していない。折返し区間４５は、導入側区間４１における排出縁３１２側の端部４１１から供給縁３１１側に向けて折り返され、供給縁３１１側に端部４５１を有する。折返し区間４５における供給縁３１１側の端部４５１は、供給縁３１１まで達しておらず、供給縁３１１に連通していない。折返し区間４５における排出縁３１２側の端部４５２は、導入側区間４１の端部４１１に接続されている。排出側区間４２は、折返し区間４５における供給縁３１１側の端部４５１から排出縁３１２側に向かって伸び、排出口４ｏまで至る。排出側区間４２は、供給縁３１１側に端部４２１を有する。導入側区間４１における排出縁３１２側の端部４１１と排出側区間４２における供給縁３１１側の端部４２１とは、折返し区間４５を介して連通している。蛇行流路４は、導入側区間４１、折返し区間４５及び排出側区間４２が幅方向に並ぶ並列領域４Ａを有する。並列領域４Ａは、導入側区間４１、折返し区間４５及び排出側区間４２を幅方向に見て、導入側区間４１、折返し区間４５及び排出側区間４２が互いに重なり合う領域である。本例の蛇行流路４を構成する導入側区間４１、折返し区間４５及び排出側区間４２は、溝によって形成されている。
【００６６】
導入側区間４１及び排出側区間４２は、長さ方向に沿うように平行に設けられている。導入側区間４１と排出側区間４２とは、部分的に幅方向に互いに並ぶように形成されている。具体的には、導入側区間４１における導入口４ｉ近傍から端部４１１までの部分と、排出側区間４２における排出口４ｏ近傍から端部４２１までの部分とが、幅方向に並ぶように形成されている。
【００６７】
図６に示す折返し区間４５は、主として長さ方向に沿うように設けられている。具体的には、折返し区間４５が、長さ方向に沿う１つの縦区間５２と、幅方向に沿う２つの横区間５３とによって構成されている。縦区間５２は、導入側区間４１及び排出側区間４２と平行に設けられ、導入側区間４１と排出側区間４２との間に配置されている。横区間５３は、縦区間５２における排出縁３１２側及び供給縁３１１側の各端部に設けられている。そして、縦区間５２における排出縁３１２側の端部が、横区間５３を介して導入側区間４１の端部４１１と接続されると共に、縦区間５２における供給縁３１１側の端部が、横区間５３を介して排出側区間４２の端部４２１と接続されている。
【００６８】
（蛇行流路の作用）
蛇行流路４を備える場合の電解液の流れについて説明する。供給縁３１１から供給された正極電解液といった電解液は、導入口４ｉから蛇行流路４に導入される。蛇行流路４に導入された電解液は、蛇行流路４に沿って流れ、排出口４ｏから排出縁３１２に排出される。
【００６９】
蛇行流路４に流れる電解液は、蛇行流路４から蛇行流路４に面する正極電極１４といった電極に浸透し、電極の表面から電極内部へ拡散する。この電極への電解液の拡散により、電極内部に電解液の流通を生じさせることができる。電解液が電極に流通することによって、電極において電池反応が生じる。
【００７０】
（蛇行流路の断面積）
図６に示す蛇行流路４は、導入口４ｉから排出口４ｏまでの全長にわたって断面積が一様である。「蛇行流路４の断面積」とは、蛇行流路４における電解液の流通方向に直交する横断面の断面積である。「断面積が一様」とは、次のことを意味する。蛇行流路４に沿って複数の箇所を選択し、蛇行流路４における複数の箇所の断面積を測定する。具体的には、導入側区間４１、折返し区間４５及び排出側区間４２の各区間における複数の箇所の断面積を測定する。測定する箇所は、例えば各区間において１０箇所以上、即ち、合計３０箇所以上とし、等間隔に設定するとよい。そして、測定した断面積の平均値を求め、各箇所の断面積が平均値の±３０％以内であるとき、断面積が一様であるとみなす。より好ましくは、各箇所の断面積が平均値の±２０％以内、更に±１０％以内である。
【００７１】
蛇行流路４を構成する導入側区間４１、折返し区間４５及び排出側区間４２の断面積は、例えば０．５ｍｍ２以上１６ｍｍ２以下、更に１ｍｍ２以上１２ｍｍ２以下であることが挙げられる。蛇行流路４の断面積が上記範囲内であることで、蛇行流路４に流れる電解液の流量を十分に確保し易い。よって、蛇行流路４の断面積が上記範囲内である場合は、電極の広範囲に電解液を行き渡らせ易いため、電極において電池反応を生じさせ易い。また、蛇行流路４の断面積が上記範囲内であれば、蛇行流路４における電解液の流通抵抗を低減できるため、電解液の圧力損失を低減し易い。
【００７２】
この例では、蛇行流路４の断面形状が矩形状である。「蛇行流路４の断面形状」とは、上記横断面での形状である。蛇行流路４の断面形状は、矩形状に限定されるものではなく、例えば、三角形状、台形状、半円形状、半楕円形状などであってもよい。蛇行流路４の幅及び深さが導入口４ｉから排出口４ｏまでの全長にわたって一様である。「蛇行流路４の幅」とは、上記横断面での幅である。蛇行流路４の深さとは、上記横断面での深さである。蛇行流路４の幅は、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。蛇行流路４の深さは、例えば０．５ｍｍ以上６ｍｍ以下、更に１ｍｍ以上４ｍｍ以下であることが挙げられる。
【００７３】
（蛇行流路の全長）
蛇行流路４の全長は、例えば３００ｍｍ以上６０００ｍｍ以下、更に４５０ｍｍ以上４８００ｍｍ以下であることが挙げられる。「蛇行流路４の全長」とは、導入口４ｉから排出口４ｏまでの中心線に沿った長さを意味する。蛇行流路４の全長が短過ぎると、蛇行流路４から電極への電解液の拡散が生じ難い。その結果、電極に電解液が十分に流通せず、電解液が未反応のまま蛇行流路４を通過してしまうおそれがある。蛇行流路４の全長が３００ｍｍ以上であることで、蛇行流路４から電極への電解液の拡散が十分に生じ易くなる。そのため、電極内部に電解液の流通を生じさせ易い。よって、蛇行流路４の全長が３００ｍｍ以上である場合は、電極の広範囲に電解液を拡散させ易いので、電極において電池反応を生じさせ易い。蛇行流路の全長が６０００ｍｍ以下であることで、蛇行流路４における電解液の流通抵抗が大きくなり過ぎることを回避できる。よって、蛇行流路４の全長が６０００ｍｍ以下である場合は、蛇行流路４における電解液の流通抵抗を十分に低減できるので、電解液の圧力損失を十分に低減し易い。
【００７４】
（並列領域の長さ）
蛇行流路４における並列領域４Ａの長さ、即ち、図６に示される長さＬ４Ａは、１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下、更に１５０ｍｍ以上１６００ｍｍ以下であることが挙げられる。換言すれば、並列領域４Ａの長さは、折返し区間４５の長さ方向の長さ、即ち縦区間５２の長さに相当するといえる。折返し区間４５の上記長さとは、折返し区間４５において、排出縁３１２に最も近い部分と供給縁３１１に最も近い部分との間の長さ方向の距離をいう。本例の場合、並列領域４Ａの長さは、導入側区間４１の端部４１１と排出側区間４２の端部４２１との間の長さ方向の距離に等しい。並列領域４Ａの長さが１００ｍｍ以上であることで、電極の広範囲に電解液を拡散させ易いため、電極において電池反応を生じさせ易い。並列領域４Ａの長さが２０００ｍｍ以下であることで、蛇行流路４の全長が過度に長くなることを回避できる。よって、並列領域４Ａの長さが２０００ｍｍ以下である場合は、蛇行流路における電解液の流通抵抗を低減できるので、電解液の圧力損失を低減し易い。
【００７５】
双極板３１の長さに対する並列領域４Ａの長さの比率は、例えば６０％以上、更に７０％以上、８０％以上であることが挙げられる。双極板３１の長さは、供給縁３１１から排出縁３１２までの長さ方向の距離である。双極板３１の長さに対する並列領域４Ａの長さの比率が６０％以上であることで、電極の広範囲に電解液を拡散させて、電極の全域で電池反応を生じさせ易い。また、電池セル１０（図３参照）を構成したとき、正極電極１４及び負極電極１５の少なくとも一方の電極の長さに対する並列領域４Ａの長さの比率は、例えば６０％以上、更に７０％以上、８０％以上であることが挙げられる。
【００７６】
導入側区間４１における排出縁３１２側の端部４１１と排出縁３１２までの距離は、例えば１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下、更に２ｍｍ以上１００ｍｍ以下、４ｍｍ以上８０ｍｍ以下であることが挙げられる。また、排出側区間４２における供給縁３１１側の端部４２１と供給縁３１１までの距離は、例えば１ｍｍ以上１５０ｍｍ以下、更に２ｍｍ以上１００ｍｍ以下、４ｍｍ以上８０ｍｍ以下であることが挙げられる。
【００７７】
（導入側区間及び排出側区間の各区間と折返し区間との間の距離）
導入側区間４１と折返し区間４５との間、及び排出側区間４２と折返し区間４５との間の幅方向の距離はそれぞれ、例えば１ｍｍ以上３６ｍｍ以下、更に２ｍｍ以上２０ｍｍ以下であることが挙げられる。これにより、電極への電解液の拡散性を改善できる。「導入側区間４１と折返し区間４５との間の距離」とは、導入側区間４１の中心線と折返し区間４５における縦区間５２の中心線との間隔を意味する。「排出側区間４２と折返し区間４５との間の距離」とは、排出側区間４２の中心線と折返し区間４５における縦区間５２の中心線との間隔を意味する。導入側区間４１と折返し区間４５との間、及び排出側区間４２と折返し区間４５との間の距離はそれぞれ、図６中、Ｐ１１及びＰ１２で示される寸法のことである。「導入側区間４１の中心線」は、導入側区間４１における幅の中心を通る線である。「折返し区間４５における縦区間５２の中心線」は、縦区間５２における幅の中心を通る線である。「排出側区間４２の中心線」は、排出側区間４２の幅の中心を通る線である。図６中、導入側区間４１の中心線、折返し区間４５における縦区間５２の中心線、及び排出側区間４２の中心線をそれぞれ一点鎖線で示す。
【００７８】
導入側区間４１及び排出側区間４２の各区間と折返し区間４５との間の距離Ｐ１１及び距離Ｐ１２がそれぞれ１ｍｍ以上であることで、導入側区間４１と折返し区間４５との間、並びに、排出側区間４２と折返し区間４５との間に位置する部分（所謂、畝部）の面積が増える。そのため、電極と双極板３１との接触面積を確保し易い。よって、各距離Ｐ１１、Ｐ１２が１ｍｍ以上である場合は、電池反応を効率よく行うことができる。また、各距離Ｐ１１、Ｐ１２が３６ｍｍ以下であることで、蛇行流路４から電極への電解液の拡散が十分となり、電極の全面積にわたって電池反応が十分に生じ易くなる。よって、各距離Ｐ１１、Ｐ１２が３６ｍｍ以下である場合は、電池反応を効率よく行うことができる。
【００７９】
［実施形態の効果］
実施形態に係る電池セル１０における双極板３１は、複数の蛇行流路４を備えることで、電解液を各蛇行流路４に沿って電極の広範囲に流通させることができる。電池セル１０は、複数の蛇行流路４を備えることで、電解液の圧力損失を低減できる。したがって、電池セル１０は、ＲＦ電池１のポンプ動力を低減することができる。
【００８０】
更に、蛇行流路４における並列領域４Ａの長さが１００ｍｍ以上２０００ｍｍ以下であることで、電解液の圧力損失を低減しつつ、電極の広範囲に電解液を拡散させ易い。
【００８１】
実施形態に係るセルスタック２は、上記の電池セル１０を備えるため、ＲＦ電池１のポンプ動力を低減することができる。よって、セルスタック２は、ＲＦ電池１の電池性能を向上させることができる。
【００８２】
実施形態に係るＲＦ電池１は、上記の電池セル１０、又はセルスタック２を備えるため、ポンプ動力が低く、電池性能に優れる。
【００８３】
［変形例］
上述した実施形態では、図６に示すように、導入側区間４１、折返し区間４５及び排出側区間４２の各区間が長さ方向に沿って平行に設けられている構成を説明したが、各区間が長さ方向に対して同じ向きに傾斜する構成であってもよい。
【符号の説明】
【００８４】
１  レドックスフロー電池（ＲＦ電池）
２  セルスタック
１０  電池セル
１１  隔膜
１２  正極セル    １３  負極セル
１４  正極電極    １５  負極電極
３  セルフレーム
３１  双極板
３１１  供給縁    ３１２  排出縁
３２  枠体
３２ｏ  凹部
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
３３０  供給側整流部    ３５０  排出側整流部
４  蛇行流路
４ｉ  導入口    ４ｏ  排出口
４Ａ  並列領域
４１  導入側区間    ４２  排出側区間
４１１、４２１  端部
４５  折返し区間
４５１、４５２  端部
５２  縦区間    ５３  横区間
１００Ｐ  正極循環流路    １００Ｎ  負極循環流路
１０６  正極電解液タンク    １０７  負極電解液タンク
１０８、１０９  往路配管    １１０、１１１  復路配管
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
８０  交流／直流変換器    ９０  電力系統
Ｌ４Ａ  長さ
Ｐ１１、Ｐ１２  距離
【図１】
2020158624.tif 000003
【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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【国際調査報告】
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