CN110998945A - 氧化还原液流电池 - Google Patents
氧化还原液流电池 Download PDFInfo
- Publication number
- CN110998945A CN110998945A CN201780093729.XA CN201780093729A CN110998945A CN 110998945 A CN110998945 A CN 110998945A CN 201780093729 A CN201780093729 A CN 201780093729A CN 110998945 A CN110998945 A CN 110998945A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- electrode
- thickness
- positive
- separator
- electrodes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 60
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 59
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims abstract description 42
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000004744 fabric Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000005484 gravity Effects 0.000 claims description 10
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 38
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 31
- 239000000178 monomer Substances 0.000 description 18
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 12
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 7
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 6
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- -1 hydrogen ions Chemical class 0.000 description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 4
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 2
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 1
- BZHJMEDXRYGGRV-UHFFFAOYSA-N Vinyl chloride Chemical compound ClC=C BZHJMEDXRYGGRV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002159 abnormal effect Effects 0.000 description 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 1
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 239000011203 carbon fibre reinforced carbon Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 229910001873 dinitrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 1
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 1
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 1
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910001456 vanadium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- VLOPEOIIELCUML-UHFFFAOYSA-L vanadium(2+);sulfate Chemical compound [V+2].[O-]S([O-])(=O)=O VLOPEOIIELCUML-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
- H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
- H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/96—Carbon-based electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
Abstract
一种氧化还原液流电池包括隔膜和电极，该电极在压缩状态下被设置在隔膜的两侧上，并且将隔膜夹在中间，其中，隔膜厚度x(μm)和电极可压缩性y(％)满足关系(A)或(B)。(A)当电极为碳毡时，满足y<x+60、30≤y≤85并且5≤x≤60。(B)当电极为碳布或碳纸时，满足y<1.2x+42、10≤y≤85并且5≤x≤60。y＝{1‑(压缩时的厚度/压缩之前的厚度)}×100。
Description
技术领域
本发明涉及一种氧化还原液流电池。
背景技术
一种已知的存储来自由太阳能光伏发电、风力发电等产生的自然能量的电力的大容量蓄电池是专利文献1中的氧化还原液流电池(RF电池)。专利文献1中的RF电池包括由石墨毡形成的正极电极和负极电极、置入这些电极之间的隔膜和设置在隔膜的表面上并且允许氢离子从中通过的中间膜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审专利申请公开第2005-158383号
发明内容
根据本公开的氧化还原液流电池包括：
隔膜；和
电极，该电极在压缩状态下被设置在隔膜的两侧上，并且将隔膜夹在中间，
其中，隔膜的厚度x(μm)和电极的压缩率y(％)满足以下关系(A)或(B)：
(A)当电极由碳毡形成时，y<x+60、30≤y≤85并且5≤x≤60成立；
(B)当电极由碳布或碳纸形成时，y<1.2x+42、10≤y≤85并且5≤x≤60成立，
其中，y＝{1-(压缩期间的厚度/压缩之前的厚度)}×100。
附图说明
【图1】图1是根据实施例的氧化还原液流电池的操作原理图。
【图2】图2是示出根据实施例的氧化还原液流电池的结构的概略示意图。
【图3】图3是示出根据实施例的氧化还原液流电池中所包括的单体堆的概略示意图。
【图4】图4是示出隔膜的厚度和碳毡电极的压缩率之间的关系的曲线图。
【图5】图5是示出隔膜的厚度和碳布电极的压缩率之间的关系的曲线图。
【图6】图6是示出在测试实例中使用的断裂测试治具的结构的概略示意图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
当如上所述地设置中间膜时，能够容易地防止电极和隔膜之间的直接接触，从而即使隔膜较薄，也能够容易地防止通过与电极接触(刺穿)而导致的损坏，诸如断裂(刺破)。然而，有必要设置另外的构件，例如用于隔膜的保护构件，诸如中间膜。这可能导致增加内电阻和降低生产率。
因此，本发明的目的是提供一种氧化还原液流电池，其中在不设置另外的构件的情况下，薄隔膜不太可能受到损坏。
[本公开的有利的效果]
在本公开中，在不设置另外的构件的情况下，薄隔膜不太可能受到损坏。
《本发明的实施例的描述》
本发明人已经对如何防止通过与电极接触(诸如电极刺穿)而导致的对隔膜的损坏进行了广泛的研究，并且发现，当隔膜的厚度和电极的压缩率满足特定关系时，能够防止对隔膜的损坏。本发明基于该发现。首先，将列举并且描述本发明的实施例。
(1)根据本发明的实施例的一种氧化还原液流电池包括：
隔膜；和
电极，该电极在压缩状态下被设置在隔膜的两侧上，并且将隔膜夹在中间的电极，
其中，隔膜的厚度x(μm)和电极的压缩率y(％)满足以下关系(A)或(B)：
(A)当电极由碳毡形成时，y<x+60、30≤y≤85并且5≤x≤60成立；
(B)当电极由碳布或碳纸形成时，y<1.2x+42、10≤y≤85并且5≤x≤60成立，
其中，y＝{1-(压缩期间的厚度/压缩之前的厚度)}×100。
利用以上结构，在不设置另外的构件的情况下，薄隔膜不太可能受到损坏。这是因为，当以上关系中的任何一个成立时，受压缩的电极的过大的排斥力不会作用在隔膜上，并且能够容易地防止隔膜与电极的接触(刺穿)。
由于隔膜的厚度x为5μm以上，因此隔膜不会过薄，并且能够容易地防止由于与电极接触而导致的对隔膜的损坏。而且，能够容易地生产和容易地操纵隔膜。由于隔膜的厚度x为60μm以下，因此隔膜较薄，并且能够容易地降低电池的内电阻。
由于压缩率y的下限等于或大于指定值，因此压缩率高，并且能够增加电极的导电性。因此，能够容易地降低单体电阻率。由于压缩率y为85以下，因此电极不被过度压缩，从而能够容易地防止由于电极的排斥力而对隔膜造成损坏。
(2)在氧化还原液流电池的一个方面，电极可以由碳毡形成，并且隔膜的厚度x(μm)可以满足x≤50。
在该结构中，由于隔膜的厚度更小，因此能够容易地降低电池的内电阻。
(3)在包括有由碳毡形成的电极的氧化还原液流电池的一个方面，电极的压缩率y(％)可以满足40≤y。
在该结构中，由于压缩率更高，因此能够增加电极的导电性。因此，能够容易地降低单体电阻率。
(4)在氧化还原液流电池的一个方面，电极可以由碳布或碳纸形成，并且隔膜的厚度x(μm)可以满足x≤50。
在该结构中，由于隔膜的厚度更小，所以能够容易地降低电池的内电阻。
(5)在包括有由碳布或碳纸形成的电极的氧化还原液流电池的一个方面，电极的压缩率y(％)可以满足20≤y。
在该结构中，由于压缩率更高，因此能够增加电极的导电性。因此，能够容易地降低单体电阻率。
(6)在氧化还原液流电池的一个方面，电极可以具有0.02g/cm3以上并且0.5g/cm3以下的比重。
当电极的比重为0.02g/cm3以上时，导电组分的量较大，因此能够容易地降低电池的内电阻。当电极的比重为0.5g/cm3以下时，电极的排斥力不会过高，因此能够容易地防止对隔膜的损坏。
<<本发明的实施例的细节>>
将参考附图描述本发明的实施例的细节。然而，本发明不限于这些示例性实施例。本发明由权利要求的范围限定，并且旨在包括在与权利要求的范围等同的含义和范围内的任何改型。首先参考图1到图3，将描述根据实施例的氧化还原液流电池(RF电池)1的概要和基本结构，然后将参考图1到图5详细描述根据实施例1的RF电池的部件。
[RF电池的概要]
通常，如图1中所示，RF电池1通过交流/直流转换器连接到发电单元(诸如太阳能光伏发电机、风力发电机或通常的发电站)和负载(诸如，消耗器)，充电以存储由发电单元产生的电力，并且放电以供应所存储的电力。所述充电和放电使用正极电解液和负极电解液、并且利用正极电解液中包含的离子和负极电解液中包含的离子之间的氧化还原电势差来执行，所述正极电解液和负极电解液含有作为活性材料的金属离子，其化合价通过氧化/还原而发生改变。在图1中，钒离子被例示为包含在电解液中的离子。实线箭头表示充电，而虚线箭头表示放电。RF电池1例如用于负载均衡应用、用于瞬时电压降补偿和紧急电源等的应用和用于来自正在广泛引入的太阳能光伏发电和风力发电的自然能量的输出均衡应用。
[RF电池的基本结构]
RF电池1包括电池单体10，每个电池单体10包括正极单体12和负极单体13，该正极单体12和负极单体13由允许氢离子从中通过的隔膜11彼此分离。正极电极14被安装在正极单体12中，并且正极电解液循环机构10P将正极电解液循环通过正极单体12。正极电解液循环机构10P包括：存储正极电解液的正极电解液罐16；将正极单体12和正极电解液罐16彼此连接的供应管道161和排出管道162；和设置在供应管道161中的中间点处的泵163。类似地，负极电极15被安装在负极单体13中，并且负极电解液循环机构10N将负极电解液循环通过负极单体13。负极电解液循环机构10N包括：存储负极电解液的负极电解液罐17；将负极单体13和负极电解液罐17彼此连接的供应管道171和排出管道172；和设置在供应管道171中的中间点处的泵173。在充电/放电操作期间，正极电解液和负极电解液由泵163和173循环通过正极单体和负极单体12和13。具体地，电解液通过供应管道161和171从正极电解液罐16和负极电解液罐17流动，被供应到正极单体和负极单体12和13，通过排出管道162和172从正极单体和负极单体12和13流动，并且被排出到正极电解液罐16和负极电解液罐17。在不进行充电和放电的待机期间，泵163和173停止，并且正极电解液和负极电解液不循环。
[单体堆]
通常，电池单体10以图2中和图3的下部所示的称为单体堆2的结构形成。单体堆2是通过将被称为子堆20(图3的下部)的层叠体夹在两个端板22之间、并且用紧固机构23紧固端板22而形成。在图3的下部所示实例中，设置了多个子堆20。如图2中和图3的上部所示，该多个子堆20中的每个子堆包括多个单体框架3、多个正极电极14、多个隔膜11和多个负极电极15，并且它们以单体框架3/正极电极14/隔膜11/负极电极15的顺序依次堆叠。供应/排流板21(图3的下部(在图2中省略))被设置在每个层叠体的两侧上。
[单体框架]
每个单体框架3包括双极板4和包围双极板4的外周缘的框架本体5，并且双极板4的表面和框架本体5的内周面形成凹部30，正极电极14(或负极电极15)被设置在凹部30中的一个凹部中。一个电池单体10形成在彼此相邻的单体框架3的双极板4之间。电池单体10的正极电极14(正极单体12)和相邻的电池单体10的负极电极15(负极单体13)被设置在双极板4的前侧和后侧上。
单体框架3包括：中间单体框架，每个中间单体框架被设置在层叠体中的一个层叠体中的相邻电池单体10之间(图1到图3)；和端部单体框架，该端部单体框架被设置在层叠体的相反两端上。在每个中间单体框架中，一个电池单体10的正极电极14和另一个电池单体10的负极电极15分别与双极板4的前侧和后侧相接触。在每个端部单体框架中，电池单体10的正极电极14和负极电极15中的一个与双极板4的一个表面相接触，并且在另一个表面上不存在电极。对于所有中间单体框架和端部单体框架，单体框架3的前侧和后侧(正极电极和负极电极)的结构相同。
每个框架本体5支撑对应的双极板4，并形成用作电池单体10的内部区域。框架本体5具有矩形框架形状，并且每个凹部30具有矩形开口形状。框架本体5包括：液体供应侧件51(图3的图纸中的下侧)，其包括用于向相应的电池单体10供应电解液的液体供应歧管51m和液体供应狭缝51s；和液体排出侧件52(图3的图纸中的上侧)，其面向液体供应侧件51，并且包括用于将电解液排出到电池单体10的外部的液体排出歧管52m和液体排出狭缝52s。其中，单体框架3的液体供应侧件51和液体排出侧件52在平面视图中面向彼此的方向被定义为竖直方向，并且与竖直方向正交的方向被定义为水平方向。液体供应侧件51位于在竖直方向上的下侧上，并且液体排出侧件52位于竖直方向上的上侧上。具体地，电解液沿着从框架本体5的竖直方向上的下侧朝向竖直方向上的上侧的方向流动。
液体供应整流部分(未示出)可以形成在液体供应侧件51的内周缘处，并且用于沿着内周缘扩散流动通过液体供应狭缝51s的电解液。液体排出整流部分(未示出)可以形成在液体排出侧件52的内周缘处。每个液体排出整流部分用于校正流动通过正极电极14(或负极电极15)的电解液，并且将电解液供应到对应的液体排出狭缝52s。
正极电解液和负极电解液以如下方式流动通过每个单体框架3。正极电解液通过形成在液体供应侧件51中并且被设置在框架本体5的第一侧(图纸中的前侧)上的液体供应狭缝51s中的一个液体供应狭缝从液体供应歧管51m中的一个液体供应歧管流动，然后被供应到正极电极14。然后，如图3的上部中的箭头所示，正极电解液从正极电极14的下侧朝向上侧流动，并且通过在液体排出侧件52中形成的液体排出狭缝52s中的一个液体排出狭缝排出到液体排出歧管52m中的一个液体排出歧管。除了负极电解液是在框架本体5的第二侧(图纸中的后侧)上供应和排出以外，负极电解液以与正极电解液类似的方式供应和排出。
诸如O形环或扁平填料的环形密封构件6被设置在相邻的框架本体5的环形密封凹槽中，以防止电解液从电池单体10泄漏。
<<实施例1>>
参考图1到图5，将描述根据实施例1的RF电池1。根据实施例1的RF电池1的一个特征在于，每个隔膜的厚度x(μm)与正极电极14和负极电极15的压缩率y(％)满足特定关系。以下将描述其细节。
[隔膜]
每个隔膜11将对应的正极单体12和负极单体13彼此分离，并允许氢离子在单体12和13之间从中通过。每个隔膜11被置入对应的正极电极14和对应的负极电极15之间，并且由单体堆2的端板22和紧固机构23紧固，并且被夹在正极电极14和负极电极15之间。隔膜11的第一侧与正极电极14直接接触，第二侧与负极电极15直接接触。
隔膜11的类型可以是离子交换隔膜，诸如阳离子交换隔膜或阴离子交换隔膜。隔膜11的材料的实例包括氯乙烯、氟树脂、聚乙烯和聚丙烯。可以使用公知的材料作为隔膜11的材料。
隔膜11的形状可以与单体框架3的外形相同，并且在该实例中为矩形。隔膜的尺寸可以与单体框架3的尺寸相同。通道孔(图3)形成在隔膜11中的在面向液体供应歧管和排出歧管51m和52m的位置处。
每个隔膜11的厚度x越小越好，因为能够减小内电阻。然而，如果厚度x过小，则隔膜11会由于与正极电极和负极电极14和15相接触(刺穿)而容易损坏，例如断裂，但这取决于正极电极和负极电极14和15的压缩率y(％)。因此，隔膜11的厚度x与正极电极和负极电极14和15的压缩率y(％)可以满足如稍后详细描述的特定关系。隔膜11的厚度x是被夹在正极电极14和负极电极15之间的部分的厚度，并且是被组装但未浸入电解液中的层叠体中的该部分的厚度。
[正极电极-负极电极]
电解液沿着正极电极14和负极电极15流动，并且由此进行电池反应。正极电极和负极电极14和15的类型的实例包括由碳纤维形成的碳毡、碳布和碳纸。碳毡是通过使用例如针刺方法或水刺方法(hydroentangling method)将碳纤维缠结成毡的形式而生产。碳布是通过将碳纤维编织成具有诸如平纹编织结构、缎纹编织结构或斜纹编织结构的结构的织物而生产。碳纸是由碳纤维和碳形成的纸状复合材料、并且例如通过高温热处理而生产。
正极电极和负极电极14和15被设置在单体框架3的相应的凹部30内部。正极电极和负极电极14和15分别具有与单体框架3的凹部30的形状一致的矩形形状。正极电极和负极电极14和15的尺寸可以与单体框架3的凹部30的尺寸基本上相同。正极电极和负极电极14和15的厚度取决于它们的类型和在层叠体被组装之前未压缩的正极电极和负极电极14和15的厚度，并且例如是0.3mm以上并且3.0mm以下。正极电极和负极电极14和15中的每一个的厚度是正极电极和负极电极14和15中的每一个的被夹在隔膜11和双极板4之间的部分的厚度，并且是在被组装但是未被浸入电解液中的层叠体中的这个部分的厚度。在层叠体的组装之前，未压缩的正极电极和负极电极14和15的厚度取决于它们的类型、比重、基重和面积。当正极电极和负极电极14和15由碳毡形成时，厚度为例如0.5mm以上并且5.0mm以下，并且当正极电极和负极电极14和15由碳布或碳纸形成时，厚度为例如0.3mm以上并且1.0mm以下。
正极电极和负极电极14和15的比重可以为例如0.02g/cm3以上并且0.5g/cm3以下，并且可以为0.05g/cm3以上并且0.4g/cm3以下。当正极电极和负极电极14和15的比重为0.02g/cm3以上时，由于导电组分的量高，因此能够容易地减小RF电池1的内电阻。当正极电极和负极电极14和15的比重为0.5g/cm3以下时，正极电极和负极电极14和15的排斥力不会过高，从而能够容易地防止对隔膜11的损坏。
[隔膜的厚度x和电极的压缩率y之间的关系]
正极电极和负极电极14和15的类型例如可以是如上所述的碳毡、碳布或碳纸，并且在每个隔膜11的厚度x(μm)与正极电极和负极电极14和15的压缩率y(％)之间的关系可以主要根据正极电极和负极电极14和15的类型来适当地选择。压缩率y(％)被定义为{1-(压缩期间的厚度/压缩之前的厚度)}×100。压缩期间的厚度是在被组装但未浸入电解液中的层叠体中的厚度。当电极14和15由碳毡形成时，在压缩之前的厚度是根据“JIS L 1913(2010)用于无纺物的测试方法”测量的厚度，当电极14和15由碳布形成时，在压缩之前的厚度是根据“JIS L 1096(2010)用于纺织和针织品的测试方法”测量的厚度，并且当电极14和15由碳纸形成时，在压缩之前的厚度是根据“JIS P 8118(2014)纸和纸板-厚度、密度和比容的确定”测量的厚度。当正极电极和负极电极14和15由碳毡形成时，隔膜11的厚度由xA表示，并且正极电极和负极电极14和15的压缩率由yA表示。当正极电极和负极电极14和15由碳布或碳纸形成时，隔膜11的厚度由xB表示，并且正极电极和负极电极14和15的压缩率由yB表示。
(由碳毡形成的电极)
如图4中的实线所示，以上关系可以满足yA＜xA+60、30≤yA≤85并且5≤xA≤60。在这种情况下，在不设置另外的构件的情况下，薄隔膜11不太可能受到损坏。
当压缩率yA为30以上时，正极电极和负极电极14和15的压缩率高，并且能够增加正极电极和负极电极14和15的导电性。因此，能够容易降低单体电阻率。当压缩率yA为85以下时，正极电极和负极电极14和15不被过度压缩，从而能够容易地防止由于电极14和15的排斥力而对隔膜11的损坏。如果正极电极和负极电极14和15被过度压缩，则形成正极电极和负极电极14和15的纤维可以屈曲，并且排斥力可以由此减小。然而，在以上情况下，能够防止排斥力的减小。因此，即使当泵163和173的异常操作导致过大的压力作用在隔膜11上时，隔膜11也不太可能受到损坏。
当隔膜11的厚度xA为5μm以上时，隔膜11不会过薄，并且能够容易地防止由于与正极电极和负极电极14和15相接触而对隔膜11的损坏。而且，隔膜11能够容易地生产并且易于操纵。当隔膜11的厚度x为60μm以下时，隔膜11较薄，并且能够容易地降低RF电池1的内电阻。
优选地，以上关系进一步满足yA≤xA+55(图4中的虚线所示)。特别优选地，以上关系进一步满足yA≤xA+50(图4中的点线所示)。优选地，正极电极和负极电极14和15的压缩率yA进一步满足40≤yA。优选地，正极电极和负极电极14和15的压缩率yA进一步满足yA≤70。隔膜11的厚度xA进一步优选地满足xA≤50μm，并且特别优选地，xA≤40μm。优选地，隔膜11的厚度xA进一步满足15μm≤xA。
(由碳布或碳纸形成的电极)
如图5中的实线所示，以上关系可以满足yB＜1.2xB+42、10≤yB≤85并且5≤xB≤60。在这种情况下，如在碳毡的情况中那样，在不设置另外的构件的情况下，薄的隔膜11不太可能受到损坏。
压缩率yB的上限和下限的原因和隔膜的厚度xB的上限和下限的原因与对于碳毡的情况的那些相同。以上关系进一步优选地满足yB≤1.2xB+32(图5中的虚线所示)，并且特别优选地，yB≤1.2xB+21(图5中的点线所示)。正极电极和负极电极14和15的压缩率yB进一步优选地满足20≤yB。正极电极和负极电极14和15的压缩率yB进一步优选地满足yB≤60。隔膜11的厚度xB进一步优选地满足xB≤50μm，并且特别优选地xB≤40μm。优选地，隔膜11的厚度xB进一步满足15μm≤xB。
[应用]
实施例1中的RF电池1能够用作蓄电池，该蓄电池用于稳定诸如太阳能光伏发电或风力发电的自然能发电中的输出变化、存储所产生的多余电力并且实现负载均衡。实施例1中的RF电池1能够用作放置在普通发电站中的蓄电池，以解决瞬时电压降和电力故障并实现负载均衡。
[操作优点]
在根据实施例1的RF电池1中，作用在隔膜11上的被压缩的正极电极和负极电极14和15的排斥力不会过大，并且能够容易地防止隔膜11与正极电极和负极电极14和15的接触(刺穿)。因此，在不设置另外的构件的情况下，薄隔膜11不太可能受到损坏。
<<测试实例>>
制备了不同类型的电极。对于每种类型，使用具有不同厚度x(μm)的隔膜，并使用不同的正极电极和负极电极压缩率y(％)。评估了电极被隔膜刺穿的发生、隔膜的断裂的发生和单体电阻率(Ω·cm2)。
[隔膜电极]
制备氟基阳离子交换隔膜作为隔膜，并且制备两种类型的电极即碳毡电极和碳布电极作为正极电极和负极电极。隔膜和电极每一个具有矩形形状，并且隔膜的尺寸与电极的尺寸相同。该两种类型的隔膜的厚度如表格1所示改变。碳毡和碳布的规格如下。
(碳毡)
厚度：2mm
比重：0.13g/cm3
(碳布)
厚度：0.9mm
比重：0.28g/cm3
[刺穿的发生]
通过如下测量电阻值来评估刺穿的发生。正极电极和负极电极被设置在隔膜的前侧和后侧上，并由两个铜板从两侧挤压。隔膜的厚度与正极电极和负极电极的材料和压缩率如表格1中所示。正极电极和负极电极的压缩率被定义为y＝{1-(压缩期间的厚度/压缩之前的厚度)}×100。这也适用于稍后描述的断裂发生的评估和单体电阻值的测量。商用测试仪(由CUSTOM Corporation制造的CDM-17D)的端子连接到铜板，以测量在端子之间的电阻值(Ω)。当电阻值高于100Ω时，认为没有刺穿发生，并赋予“良好”等级。当电阻值为100Ω以下时，认为发生了刺穿，并赋予“不良”等级。结果在表格1中示出。
[断裂的发生]
使用图6中所示的断裂测试治具100进行断裂的发生的评估，并如下检测气体。断裂测试治具100包括两个压缩板101和102。这些压缩板101和102具有在其中心处形成从而从前侧到后侧地穿过那里的分别的通孔103和104。如正极电极和负极电极14和15那样，压缩板101和102具有矩形形状。压缩板101和102的尺寸大于正极电极和负极电极14和15的尺寸。正极电极和负极电极14和15被设置在隔膜11的分别的侧面上，并且围绕电极14的密封构件6被设置在隔膜11的一侧上。正极电极和负极电极14和15与密封构件6被该两个压缩板101和102从电极14和15的两侧压缩。隔膜11的厚度与正极电极和负极电极14和15的材料和压缩率如表格1中所示。在没有电解液流动的情况下，带有规定的气体压力的氮气被从压缩板101的通孔103引入，以由此引起规定的压力作用在电极14上，并且检测了是否有从压缩板102的通孔104排出的气体。当在0.5MPa的气体压力下未检测到气体时，认为没有断裂发生，并赋予“良好”等级。当在0.5MPa的气体压力下检测到气体时，认为发生了断裂，并赋予“不良”等级。结果在表格1中示出。
[单体电阻率]
生产了包括带有9cm2的反应面积的电极的单个单体电池，并如下测量其单体电阻率(Ω·cm2)。单个单体电池包括电池元件，该电池元件包括一个正极单体和一个负极单体。正极电极和负极电极被设置在一个隔膜(离子交换隔膜)的分别的侧面上，并被夹在单体框架之间，每个该单体框架包括双极板。隔膜的厚度与正极电极和负极电极的材料和压缩率如表格1中所示。硫酸钒溶液(钒浓度：1.7M(mol/L))被用作正极电解液和负极电解液，并且使用带有70mA/cm2的电流密度的恒定电流对所生产的每个样本单个单体电池进行充电和放电。在该测试中，当达到预设的开关电压时，充电被切换为放电，并执行多个充电/放电循环。在充电和放电之后，测量每个样本的单体电阻率。为了确定单体电阻率，确定该多个循环中的一个循环中的平均电压和平均电流，并将其用作平均电压/平均电流。结果在表格1中示出。当单体电阻值为1.0Ω·cm2以下时，赋予“良好”等级。当单体电阻值大于1.0Ω·cm2时，赋予“不良”等级。
[表格1]
如表格1所示，在样本号1-1到1-5和2-1到2-5中的每一个中，未发现刺穿和断裂发生，并且发现单体电阻率低。然而，在样本号1-101到1-105和2-101到2-105中的每一个中，发现至少发生了刺穿和断裂中的一种，或者尽管没有刺穿并且也没有断裂发生，但单体电阻率高。
在其中碳毡被用于电极的样本号1-1到1-5和1-101到1-105的结果在图4中示出，并且在其中碳布被用于电极的样本号2-1到2-5和2-101到2-105的结果在图5中示出。图4和图5中的每一幅曲线图的水平轴线表示隔膜的厚度(μm)，并且竖直轴线表示电极的压缩率(％)。样本号1-1到1-5的结果在图4中作为空心圆绘制，并且号1-101到1-105的结果在图4中作为实心三角形绘制。样本号2-1到2-5的结果在图5中作为空心圆绘制，并且样本号2-101到2-105的结果在图5中作为实心三角形绘制。
在使用碳毡电极的情况下，连接样本号1-102的点和样本号1-103的点的线由在图4中用实线示出的yA＝xA+60表示，该样本号1-102是在每一个包括最薄的隔膜的样本中带有最高的电极压缩率的样本，该样本号1-103是在带有最高的电极压缩率的样本中包括有最厚的隔膜的样本。从单体电阻率的角度看，隔膜的厚度xA越小则越好。此外，电极的压缩率yA越高则越好。隔膜的厚度xA的上限和下限为5μm以上并且60μm以下，并且电极的压缩率yA的上限和下限为30％以上并且85％以下。因此，当使用碳毡电极时，优选的是在隔膜的厚度xA和电极的压缩率yA之间的关系满足：yA＜xA+60、30≤yA≤85并且5≤xA≤60，如图4中的实线所示。如图4中所示，在yA＝xA+60(实线)和yA＝xA+50(点线)之间经过并与yA＝xA+60(实线)平行的线由在图4中用虚线示出的yA＝xA+55表示。yA＝xA+50(点线)是平行于yA＝xA+60(实线)并且穿过最接近yA＝xA+60的实例中的样本号1-2的点的直线。因此，该关系优选地满足yA≤xA+55，如图4中的虚线所示，并且优选地满足yA≤xA+50，如图4中的点线所示。
类似地，在使用碳布电极的情况下，连接样本号2-102的点和样本号2-104的点的线由在图5中用实线示出的yB＝1.2xB+42表示，该样本号2-102是在每一个包括最薄的隔膜的样本中带有最高的电极压缩率的样本，该样本号2-104是在带有最高的电极压缩率的样本中包括有最厚的隔膜的样本。隔膜的厚度xB的上限和下限为5μm以上并且60μm以下，并且电极的压缩率yB的上限和下限为10％以上并且85％以下。因此，当使用碳布电极时，优选的是在隔膜的厚度xB和电极的压缩率yB之间的关系满足：yB＜1.2xB+42、10≤yB≤85并且5≤xB≤60，如图5中的实线所示。如图5中所示，在yB＝1.2xB+42(实线)和yB＝1.2xB+21(点线)之间经过并与yB＝1.2xB+42平行的线由在图5中用虚线示出的yB＝1.2xB+32表示。yB＝1.2xB+21(点线)是平行于yB＝1.2xB+42(实线)并且穿过最接近yB＝1.2xB+42的实例中的样本号2-2的点的直线。因此，该关系优选地满足yB≤1.2xB+32，如图5中的虚线所示，并且优选地满足yB≤1.2xB+21，如图5中的点线所示。
附图标记列表
1 氧化还原液流电池(RF电池)
10 电池单体
11 隔膜
12 正极单体
14 正极电极
13 负极单体
15 负极电极
10P 正极电解液循环机构
10N 负极电解液循环机构
16 正极电解液罐
17 负极电解液罐
161、171 供应管道
162、172 排出管道
163、173 泵
2 单体堆
20 子堆
21 供应/排流板
22 端板
23 紧固机构
3 单体框架
30 凹部
4 双极板
5 框架本体
51 液体供应侧件
51m 液体供应歧管
51s 液体供应狭缝
52 液体排出侧件
52m 液体排出歧管
52s 液体排出狭缝
6 密封构件
100 断裂测试治具
101、102 压缩板
103、104 通孔
Claims (6)
1.一种氧化还原液流电池，包括：
隔膜；和
电极，所述电极在压缩状态下被设置在所述隔膜的两侧上，并且将所述隔膜夹在中间，
其中，所述隔膜的厚度x(μm)和所述电极的压缩率y(％)满足以下关系(A)或(B)：
(A)当所述电极由碳毡形成时，y<x+60、30≤y≤85并且5≤x≤60成立；
(B)当所述电极由碳布或碳纸形成时，y<1.2x+42、10≤y≤85并且5≤x≤60成立，
这里，y＝{1-(压缩期间的厚度/压缩之前的厚度)}×100。
2.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池，其中，所述电极由碳毡形成，并且所述隔膜的厚度x(μm)满足x≤50。
3.根据权利要求2所述的氧化还原液流电池，其中，所述电极的压缩率y(％)满足40≤y。
4.根据权利要求1所述的氧化还原液流电池，其中，所述电极由碳布或碳纸形成，并且，所述隔膜的厚度x(μm)满足x≤50。
5.根据权利要求4所述的氧化还原液流电池，其中，所述电极的压缩率y(％)满足20≤y。
6.根据权利要求1到5中任一项所述的氧化还原液流电池，其中，所述电极具有0.02g/cm3以上并且0.5g/cm3以下的比重。
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PCT/JP2017/028897 WO2019030844A1 (ja) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | レドックスフロー電池 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN110998945A true CN110998945A (zh) | 2020-04-10 |
Family
ID=65272388
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201780093729.XA Pending CN110998945A (zh) | 2017-08-09 | 2017-08-09 | 氧化还原液流电池 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US11342572B2 (zh) |
| EP (1) | EP3667791A4 (zh) |
| JP (1) | JP6903286B2 (zh) |
| CN (1) | CN110998945A (zh) |
| TW (1) | TW201911633A (zh) |
| WO (1) | WO2019030844A1 (zh) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| AU2022430995A1 (en) * | 2022-01-06 | 2024-07-11 | Sumitomo Electric Industries, Ltd. | Electrode, battery cell, cell stack, and redox-flow battery system |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150349342A1 (en) * | 2012-06-26 | 2015-12-03 | Acal Energy Limited | Redox battery use for polyoxometallate |
| JP2016085900A (ja) * | 2014-10-28 | 2016-05-19 | 大日本印刷株式会社 | レドックスフロー電池用電極及びそれを用いたレドックスフロー電池 |
| CN106605326A (zh) * | 2015-07-24 | 2017-04-26 | 住友电气工业株式会社 | 氧化还原液流电池用电极、氧化还原液流电池和电极的特性评价方法 |
Family Cites Families (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08138685A (ja) * | 1994-11-02 | 1996-05-31 | Kashima Kita Kyodo Hatsuden Kk | 全バナジウムレドックス電池 |
| JPH09223513A (ja) * | 1996-02-19 | 1997-08-26 | Kashimakita Kyodo Hatsuden Kk | 液循環式電池 |
| JP3601581B2 (ja) * | 1999-06-11 | 2004-12-15 | 東洋紡績株式会社 | バナジウム系レドックスフロー電池用炭素電極材 |
| JP2001085026A (ja) * | 1999-09-10 | 2001-03-30 | Toyobo Co Ltd | 炭素電極材集合体 |
| JP3657538B2 (ja) * | 2001-06-12 | 2005-06-08 | 住友電気工業株式会社 | レドックスフロー電池用セルスタック |
| JP2005158383A (ja) | 2003-11-25 | 2005-06-16 | Sumitomo Electric Ind Ltd | レドックス電池 |
| US10637082B2 (en) * | 2011-12-20 | 2020-04-28 | United Technologies Corporation | Flow battery with carbon paper |
| US9837678B2 (en) * | 2012-11-13 | 2017-12-05 | Asahi Kasei E-Materials Corporation | Separation membrane for redox flow secondary battery and redox flow secondary battery comprising the same |
| JP2014130778A (ja) * | 2012-12-28 | 2014-07-10 | Tohoku Techno Arch Co Ltd | 静止型バナジウムレドックス電池 |
| US20160036060A1 (en) | 2014-07-30 | 2016-02-04 | Concurrent Technologies Corporation | Composite electrode for flow battery |
| KR101763382B1 (ko) * | 2015-08-27 | 2017-08-02 | 한국에너지기술연구원 | 펠트 전극 특성 분석용 셀의 작업 전극 및 이를 구비하는 펠트 전극 분석용 셀 |
| JP2017082268A (ja) * | 2015-10-26 | 2017-05-18 | 株式会社ギャラキシー | セルスタック集合型電解槽及びセルスタック集合型電池 |
| JP2019508865A (ja) * | 2016-03-17 | 2019-03-28 | スリーエム イノベイティブ プロパティズ カンパニー | 電極アセンブリ、膜電極アセンブリ、並びにこれらによる電気化学セル及び液体フロー電池 |
| KR102169179B1 (ko) * | 2016-03-31 | 2020-10-21 | 주식회사 엘지화학 | 바이폴라 플레이트 및 이를 포함하는 레독스 흐름 전지 |
| CN106532069A (zh) * | 2017-01-05 | 2017-03-22 | 苏州久润能源科技有限公司 | 一种液流电池用复合电极及其制备方法 |
-
2017
- 2017-08-09 US US16/633,379 patent/US11342572B2/en active Active
- 2017-08-09 EP EP17920821.0A patent/EP3667791A4/en active Pending
- 2017-08-09 JP JP2019535494A patent/JP6903286B2/ja active Active
- 2017-08-09 CN CN201780093729.XA patent/CN110998945A/zh active Pending
- 2017-08-09 WO PCT/JP2017/028897 patent/WO2019030844A1/ja unknown
-
2018
- 2018-06-08 TW TW107119760A patent/TW201911633A/zh unknown
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20150349342A1 (en) * | 2012-06-26 | 2015-12-03 | Acal Energy Limited | Redox battery use for polyoxometallate |
| JP2016085900A (ja) * | 2014-10-28 | 2016-05-19 | 大日本印刷株式会社 | レドックスフロー電池用電極及びそれを用いたレドックスフロー電池 |
| CN106605326A (zh) * | 2015-07-24 | 2017-04-26 | 住友电气工业株式会社 | 氧化还原液流电池用电极、氧化还原液流电池和电极的特性评价方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPWO2019030844A1 (ja) | 2020-08-13 |
| TW201911633A (zh) | 2019-03-16 |
| US20210159532A1 (en) | 2021-05-27 |
| EP3667791A1 (en) | 2020-06-17 |
| JP6903286B2 (ja) | 2021-07-14 |
| EP3667791A4 (en) | 2020-08-19 |
| WO2019030844A1 (ja) | 2019-02-14 |
| US11342572B2 (en) | 2022-05-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Reed et al. | Performance of a low cost interdigitated flow design on a 1 kW class all vanadium mixed acid redox flow battery | |
| US10230123B2 (en) | Battery cell and redox flow battery | |
| KR101309262B1 (ko) | 일체형 복합전극셀 및 이를 포함하는 레독스 흐름전지 | |
| CN103250290B (zh) | 燃料电池和燃料电池组 | |
| US10622638B2 (en) | Electrode for redox flow battery, and redox flow battery | |
| JP2015122229A (ja) | 電極、およびレドックスフロー電池 | |
| JP6150069B2 (ja) | 電解液循環型電池、及び電解液循環型電池の給排板 | |
| US10680254B2 (en) | Redox flow battery | |
| CN112928295A (zh) | 一种电极框与双极板的一体式结构及应用 | |
| JP6970388B2 (ja) | レドックスフロー電池用電極、レドックスフロー電池セル及びレドックスフロー電池 | |
| US11342572B2 (en) | Redox flow battery | |
| CN210778817U (zh) | 一种电极框与双极板的一体式结构 | |
| TW201628247A (zh) | 氧化還原液流電池的運轉方法、及氧化還原液流電池 | |
| WO2020035895A1 (ja) | レドックスフロー電池セル及びレドックスフロー電池 | |
| US20200006788A1 (en) | Electrochemical reaction unit and electrochemical reaction cell stack | |
| CN218677229U (zh) | 电堆进液板及其适用的液流电池 | |
| US20190245238A1 (en) | Cell frame, battery cell, cell stack, and redox flow battery | |
| KR20240028862A (ko) | 정체형 레독스 전지 및 이를 구비한 에너지 저장 시스템 | |
| KR20240118558A (ko) | 바나듐 레독스 흐름전지 및 이를 구비한 에너지 저장시스템 | |
| KR101423068B1 (ko) | 이온교환튜브를 이용한 레독스 플로우 전지 | |
| WO2023220578A1 (en) | Bipolar plate bulk molding compound material choice | |
| KR20130075991A (ko) | 더미 분리판이 삽입된 고체산화물 연료전지 | |
| JP2018041684A (ja) | 燃料電池スタックの発電検査装置 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200410 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |