JP2019003750A - Flow battery, flow battery system, and power generation system - Google Patents

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修一郎 足立
明博 織田
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明博 織田
酒井 政則
Masanori Sakai
政則 酒井
北川 雅規
Masaki Kitagawa
雅規 北川
祐一 利光
Yuichi Toshimitsu
祐一 利光
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Abstract

To provide a flow battery excellent in cycle characteristics, and a flow battery system and a power generation system including the flow battery.SOLUTION: A flow battery includes: a positive electrode; a negative electrode; a positive electrode electrolyte including a positive electrode active material and supplied to the positive electrode; a positive electrode electrolyte reservoir section storing the positive electrode electrolyte; a negative electrode electrolyte including a negative electrode active material and supplied to the negative electrode; a negative electrode electrolyte reservoir section storing the negative electrode electrolyte; a barrier membrane separating the positive electrode and the negative electrode; and an insulating porous body arranged at least one of at least a part between the barrier membrane and the negative electrode and at least a part between the barrier membrane and the positive electrode.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、フロー電池、フロー電池システム及び発電システムに関する。   The present invention relates to a flow battery, a flow battery system, and a power generation system.

近年、地球温暖化問題の対策として、化石燃料に替わる、再生可能な自然エネルギーの需要が高まっており、再生可能エネルギー市場は今後も堅調に成長していくと考えられる。このような背景の中、太陽光、風力等の自然力を利用する発電の課題である出力の変動への対策の一つとして、蓄電池を活用した電力貯蔵技術がクローズアップされている。その中でも電解液を流動させて活物質の酸化還元反応を生じさせることで充電と放電とを行うフロー電池は、充放電サイクル寿命が長く、用途に応じた出力・容量設計が可能なことから、特に大容量蓄電池として注目されている。   In recent years, as a countermeasure against global warming, the demand for renewable natural energy to replace fossil fuels has increased, and the renewable energy market is expected to grow steadily in the future. In such a background, as one of countermeasures against output fluctuation, which is a problem of power generation using natural power such as sunlight and wind power, power storage technology using a storage battery has been highlighted. Among them, the flow battery that performs charging and discharging by causing the electrolyte to flow and causing an oxidation-reduction reaction of the active material has a long charge / discharge cycle life, and output / capacity design according to the application is possible, In particular, it is attracting attention as a large-capacity storage battery.

大容量蓄電池としてフロー電池が適用できる他の形態として、例えば、電力の供給側における用途及び電力の需要側における用途が挙げられる。前者は、例えば、火力発電所における発電予備力の確保及び余剰電力の貯蔵、並びに変電所における周波数制御、供給余力確保及び負荷平準化への適用が期待される。また、工場等の産業施設において、電力コストの削減を目的としたピークカット若しくはタイムシフト用途、又は瞬間停電(瞬停)、停電時の無停電電源装置(Uninterruptible Power Supply、UPS)又は非常用電源としての用途への適用が期待される。   Other forms to which the flow battery can be applied as a large-capacity storage battery include, for example, a use on the power supply side and a use on the power demand side. The former is expected to be applied to, for example, securing power generation reserves and surplus power storage in thermal power plants, and frequency control, securing supply surplus and load leveling in substations. Also, in industrial facilities such as factories, peak cuts or time shifts for the purpose of reducing power costs, or instantaneous power outages (interruptible power supplies), uninterruptible power supplies (UPS) or emergency power supplies It is expected to be applied to other uses.

フロー電池は、電池反応を行う正極と負極、正極電解液と負極電解液、正極電解液貯留部と負極電解液貯留部、送液ポンプ、配管等から構成され、正極電解液が正極と正極電解液貯留部との間を循環し、かつ、負極電解液が負極と負極電解液貯留部との間を循環することで充放電を行う。正極と負極は、通常隔膜によって隔てられており、正極電解液と負極電解液の混合が防止される。ここで、フロー電池における活物質は、価数が変化するイオンが候補になり得る。中でも安全性等の点から、バナジウム(V/V)系フロー電池等が実用化されている。   A flow battery is composed of a positive electrode and a negative electrode, a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte, a positive electrode electrolyte reservoir and a negative electrode electrolyte reservoir, a liquid feed pump, a pipe, and the like. Charging / discharging is performed by circulating between the liquid reservoir and the negative electrode electrolyte circulating between the negative electrode and the negative electrode electrolyte reservoir. The positive electrode and the negative electrode are usually separated by a diaphragm, and mixing of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte is prevented. Here, as the active material in the flow battery, ions whose valence changes can be candidates. Among these, vanadium (V / V) flow batteries and the like have been put into practical use from the viewpoint of safety and the like.

V/V系フロー電池の電極反応を以下に示す。
正極:VO2+(4価)+HO⇔VO (5価)+2H+e・・・(1)
負極:V3+(3価)+e⇔V2+(2価)・・・(2)
ここで、左から右への反応が充電反応を、右から左への反応が放電反応を表している。上記の左から右への反応が起こることで、供給された電力は正極及び負極中のVイオンの価数変化に費やされ、電解液に蓄えられる。また放電時には、逆反応によって電解液中に貯蔵した電力を取り出すことができる。
The electrode reaction of the V / V flow battery is shown below.
Positive: VO 2+ (4-valent) + H 2 O⇔VO 2 + ( 5 valence) + 2H + + e - ··· (1)
Negative electrode: V 3+ (trivalent) + e ⇔V 2+ (bivalent) (2)
Here, a reaction from left to right represents a charging reaction, and a reaction from right to left represents a discharging reaction. When the reaction from the left to the right occurs, the supplied electric power is consumed in changing the valence of V ions in the positive electrode and the negative electrode, and is stored in the electrolytic solution. Moreover, at the time of discharge, the electric power stored in electrolyte solution can be taken out by reverse reaction.

V/V系フロー電池は開発の歴史が古く、国内外で大規模な実証試験が進められている。一方で、V/V系フロー電池は原料コストの点で課題を残しており、代替材料を用いた系が期待されている。代替材料としては、セリウム/亜鉛(Ce/Zn)系、亜鉛/臭素(Zn/Br)系、亜鉛/ヨウ素(Zn/I)系、鉄/クロム(Fe/Cr)系等が知られている。   V / V flow batteries have a long history of development, and large-scale demonstration tests are underway in Japan and overseas. On the other hand, the V / V flow battery has a problem in terms of raw material costs, and a system using an alternative material is expected. As alternative materials, cerium / zinc (Ce / Zn), zinc / bromine (Zn / Br), zinc / iodine (Zn / I), iron / chromium (Fe / Cr), and the like are known. .

特許文献1、及び非特許文献1には、ヨウ素イオンを正極電解液の活物質として、亜鉛イオン及び亜鉛金属を負極電解液の活物質としたZn/I系フロー電池が開示されている。また、特許文献2には、正極活物質としてヨウ素、塩素、臭素等のハロゲン物質を、負極活物質として亜鉛をそれぞれ用いたフロー電池が開示されている。
Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose Zn / I-based flow batteries using iodine ions as the active material for the positive electrode electrolyte and zinc ions and zinc metal as the active material for the negative electrode electrolyte. Patent Document 2 discloses a flow battery using a halogen material such as iodine, chlorine or bromine as a positive electrode active material and zinc as a negative electrode active material.

ところで、フロー電池には、電極反応の活性、耐酸性、反応面積等の点から、表面を活性化させたカーボンフェルト電極を用いることが好ましい。   By the way, in the flow battery, it is preferable to use a carbon felt electrode whose surface is activated from the viewpoint of the activity of the electrode reaction, acid resistance, reaction area, and the like.

米国特許出願公開第2015/0147673号明細書US Patent Application Publication No. 2015/0147673 米国特許第4109065号公報U.S. Pat.No. 4,910,065

“Ambipolar zinc−polyiodide electrolute for a high−energy density aqueous redox flow battery”,Nature Communications 6:6303,(2014)“Abipolar zinc-polyiodide electorate for a high-energy density, aqua redox flow battery”, Nature Communications 6: 6303, (2014)

ここで、特許文献1及び非特許文献1に示されているように、正極活物質としてヨウ素イオン、負極活物質に亜鉛イオン及び亜鉛を用いたフロー電池では、正極側の充電反応においてI が生成するとともに、固体のIが析出する。そのため、フロー電池の充電中に、セル内に固体のIが蓄積し、セル内が目詰まりして電解液がフローできないという問題が発生するおそれがある。その結果、フロー電池のサイクル特性等が低下するおそれがある。 Here, as shown in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, in a flow battery using iodine ions as a positive electrode active material and zinc ions and zinc as a negative electrode active material, I 3 And solid I 2 precipitates. Therefore, during charging of the flow battery, solid I 2 accumulates in the cell, which may cause a problem that the inside of the cell is clogged and the electrolyte cannot flow. As a result, the cycle characteristics and the like of the flow battery may be deteriorated.

さらに、例えば、正極側の還元反応又は負極側の還元反応により金属が析出する場合、正極と負極とを隔てるイオン交換膜等のセパレータのイオン移動抵抗が原因となり、セパレータ側に金属が析出し、セパレータにダメージを与えたり、短絡したりする等の問題が発生するおそれがある。その結果、フロー電池のサイクル特性等が低下するおそれがある。   Furthermore, for example, when the metal is deposited by the reduction reaction on the positive electrode side or the reduction reaction on the negative electrode side, due to the ion migration resistance of the separator such as an ion exchange membrane that separates the positive electrode and the negative electrode, the metal is deposited on the separator side, There is a possibility that problems such as damage to the separator or short circuit may occur. As a result, the cycle characteristics and the like of the flow battery may be deteriorated.

本発明の一形態は、サイクル特性に優れるフロー電池、並びにこのフロー電池を備えるフロー電池システム及び発電システムを提供することを目的とする。   An object of one embodiment of the present invention is to provide a flow battery excellent in cycle characteristics, and a flow battery system and a power generation system including the flow battery.

上記課題を解決するための手段には、以下の実施態様が含まれる。
<1> 正極と、負極と、正極活物質を含み、かつ前記正極に供給される正極電解液と、前記正極電解液を貯蔵する正極電解液貯留部と、負極活物質を含み、かつ前記負極に供給される負極電解液と、前記負極電解液を貯蔵する負極電解液貯留部と、前記正極と前記負極とを隔てる隔膜と、前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部及び前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部の少なくとも一方に配置された絶縁多孔体と、を備えるフロー電池。
<2> 前記絶縁多孔体の、重量測定法により求めたかさ密度が、0.03g/cm〜5.00g/cmである、<1>に記載のフロー電池。
<3> 前記絶縁多孔体が、高分子、紙、ガラス、セラミックス及び表面絶縁コーティングを施した金属から選ばれる少なくとも一種を含む、<1>又は<2>に記載のフロー電池。
<4> 前記絶縁多孔体が、3次元的な連続空隙部を有する、<1>〜<3>のいずれか1つに記載のフロー電池。
<5> 前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置されている場合、前記正極電解液は、前記正極内及び前記正極と前記隔膜との間に配置された前記絶縁多孔体内を流通し、前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置されている場合、前記負極電解液は、前記負極内及び前記負極と前記隔膜との間に配置された前記絶縁多孔体内を流通する、<1>〜<4>のいずれか1つに記載のフロー電池。
<6> 前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置されている場合、前記正極の厚さに対する前記正極と前記隔膜との間に配置された前記絶縁多孔体の厚さの比が0.002〜0.750であり、前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置されている場合、前記負極の厚さに対する前記負極と前記隔膜との間に配置された前記絶縁多孔体の厚さの比が0.002〜0.750である、<1>〜<5>のいずれか1つに記載のフロー電池。
<7> 前記正極及び前記負極の少なくとも一方にて、充電反応時又は放電反応時に活物質の析出を伴う、<1>〜<6>のいずれか1つに記載のフロー電池。
<8> 前記正極では、充電反応時にヨウ素が析出する、<7>に記載のフロー電池。
<9> 前記負極では、充電反応時に亜鉛が析出する、<7>又は<8>に記載のフロー電池。
<10> 前記正極電解液は、水を含み、かつ前記正極活物質としてヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方を含む、<1>〜<9>のいずれか1つに記載のフロー電池。
<11> 前記負極電解液は、水を含み、かつ前記負極活物質として亜鉛イオン及び亜鉛の少なくとも一方を含む、<1>〜<10>のいずれか1つに記載のフロー電池。
<12> 前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部及び前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置された、<1>〜<11>のいずれか1つに記載のフロー電池。
<13> 前記正極及び前記負極は、少なくとも二つの空隙率の異なる領域及び表面流路の少なくとも一方を有する、<1>〜<12>のいずれか1つに記載のフロー電池。
<14> 前記少なくとも二つの空隙率の異なる領域は、電解液の流通方向及び電極の厚さ方向の少なくとも一方に形成された、<13>に記載のフロー電池。
<15> 前記表面流路は、前記隔膜側及び前記隔膜の反対側の少なくとも一方に、電極表面に対して凹形状になるように形成された、<13>又は<14>に記載のフロー電池。
Means for solving the above problems include the following embodiments.
<1> A positive electrode, a negative electrode, a positive electrode electrolyte containing a positive electrode active material and supplied to the positive electrode, a positive electrode electrolyte reservoir for storing the positive electrode electrolyte, a negative electrode active material, and the negative electrode A negative electrode electrolyte solution supplied to the anode, a negative electrode electrolyte storage part for storing the negative electrode electrolyte solution, a diaphragm separating the positive electrode and the negative electrode, at least a part between the diaphragm and the negative electrode, and the diaphragm An insulating porous body disposed on at least one of at least a portion between the positive electrode and the positive electrode.
<2> The insulating porous body, the bulk density was determined gravimetrically, is 0.03g / cm 3 ~5.00g / cm 3 , a flow cell according to <1>.
<3> The flow battery according to <1> or <2>, wherein the insulating porous body includes at least one selected from a polymer, paper, glass, ceramics, and a metal having a surface insulating coating.
<4> The flow battery according to any one of <1> to <3>, wherein the insulating porous body has a three-dimensional continuous void.
<5> When the insulating porous body is disposed in at least a part between the diaphragm and the positive electrode, the positive electrode electrolyte is disposed in the positive electrode and between the positive electrode and the diaphragm. When the insulating porous body is disposed in at least a part between the diaphragm and the negative electrode through the insulating porous body, the negative electrode electrolyte is in the negative electrode and between the negative electrode and the diaphragm. The flow battery according to any one of <1> to <4>, which circulates through the disposed insulating porous body.
<6> When the insulating porous body is disposed at least at a part between the diaphragm and the positive electrode, the insulating porous body disposed between the positive electrode and the diaphragm with respect to the thickness of the positive electrode. When the ratio of thickness is 0.002 to 0.750 and the insulating porous body is disposed at least partially between the diaphragm and the negative electrode, the negative electrode and the diaphragm with respect to the thickness of the negative electrode The flow battery according to any one of <1> to <5>, wherein a ratio of the thickness of the insulating porous body disposed between the two is between 0.002 and 0.750.
<7> The flow battery according to any one of <1> to <6>, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is accompanied by precipitation of an active material during a charging reaction or a discharging reaction.
<8> The flow battery according to <7>, wherein in the positive electrode, iodine precipitates during a charging reaction.
<9> The flow battery according to <7> or <8>, wherein in the negative electrode, zinc is precipitated during a charging reaction.
<10> The flow battery according to any one of <1> to <9>, wherein the positive electrode electrolyte includes water and includes at least one of iodine ions and iodine molecules as the positive electrode active material.
<11> The flow battery according to any one of <1> to <10>, wherein the negative electrode electrolyte includes water and includes at least one of zinc ions and zinc as the negative electrode active material.
<12> Any one of <1> to <11>, wherein the insulating porous body is disposed in at least a part between the diaphragm and the negative electrode and at least a part between the diaphragm and the positive electrode. The flow battery described in 1.
<13> The flow battery according to any one of <1> to <12>, wherein the positive electrode and the negative electrode have at least one of at least two regions having different porosity and a surface flow path.
<14> The flow battery according to <13>, wherein the at least two regions having different porosity are formed in at least one of a flow direction of the electrolytic solution and a thickness direction of the electrode.
<15> The flow battery according to <13> or <14>, wherein the surface flow path is formed on at least one of the diaphragm side and the opposite side of the diaphragm so as to have a concave shape with respect to the electrode surface. .

<16> <1>〜<15>のいずれか1つに記載のフロー電池と、前記フロー電池の充放電を制御する制御部と、を備えるフロー電池システム。 <16> A flow battery system comprising: the flow battery according to any one of <1> to <15>; and a control unit that controls charging and discharging of the flow battery.

<17> 発電装置と、<16>に記載のフロー電池システムと、を備える発電システム。 <17> A power generation system comprising a power generation device and the flow battery system according to <16>.

本発明の一形態によれば、サイクル特性に優れるフロー電池、並びにこのフロー電池を備えるフロー電池システム及び発電システムを提供することができる。   According to one embodiment of the present invention, it is possible to provide a flow battery excellent in cycle characteristics, and a flow battery system and a power generation system including the flow battery.

本開示のフロー電池の部材構成の一例を示す模式図である。It is a mimetic diagram showing an example of member composition of a flow battery of this indication. 本開示のフロー電池の模式図である。It is a schematic diagram of the flow battery of this indication. セルスタック構成を示した本開示のフロー電池の模式図である。It is a mimetic diagram of a flow battery of this indication showing a cell stack composition. 本開示のフロー電池に適用する絶縁多孔体の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the insulating porous body applied to the flow battery of this indication. 本開示のフロー電池に適用する絶縁多孔体の一例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows an example of the insulating porous body applied to the flow battery of this indication. 本開示のフロー電池の負極電極において、電解液の流通方向に空隙率の異なる領域を形成した模式図である。In the negative electrode of the flow battery of this indication, it is a mimetic diagram which formed the field from which the porosity differs in the distribution direction of electrolyte solution. 本開示のフロー電池の負極電極において、厚さ方向に空隙率の異なる領域を形成した模式図である。It is the schematic diagram which formed the area | region from which the porosity differs in the thickness direction in the negative electrode of the flow battery of this indication. 本開示のフロー電池の負極電極表面に流路(櫛歯構造)を形成した模式図である。It is the schematic diagram which formed the flow path (comb tooth structure) in the negative electrode surface of the flow battery of this indication. 図6Bは、本発明のフロー電池の負極電極表面に流路(蛇行構造)を形成した模式図である。FIG. 6B is a schematic view in which a flow path (meandering structure) is formed on the surface of the negative electrode of the flow battery of the present invention. 図6Cは、本発明のフロー電池の負極電極表面に流路(交差構造)を形成した模式図である。FIG. 6C is a schematic view in which a flow path (cross structure) is formed on the surface of the negative electrode of the flow battery of the present invention.

以下、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。以下の実施形態において、その構成要素(要素ステップ等も含む)は、特に明示した場合を除き、必須ではない。数値及びその範囲についても同様であり、本発明を制限するものではない。
本開示において「〜」を用いて示された数値範囲には、「〜」の前後に記載される数値がそれぞれ最小値及び最大値として含まれる。
本開示中に段階的に記載されている数値範囲において、一つの数値範囲で記載された上限値又は下限値は、他の段階的な記載の数値範囲の上限値又は下限値に置き換えてもよい。また、本開示中に記載されている数値範囲において、その数値範囲の上限値又は下限値は、実施例に示されている値に置き換えてもよい。
本開示において電解液中の各成分の含有率は、電解液中に各成分に該当する物質が複数種存在する場合、特に断らない限り、電解液中に存在する当該複数種の物質の合計の含有率を意味する。
また、本開示において、「含有率」とは、特に記載がなければ、各電解液の全量を100質量%としたときの、各成分の質量%を表す。
また、本開示に記載された具体的かつ詳細な内容の一部又は全てを利用せずとも本発明を実施可能であることは、当業者には明らかである。また、本発明の側面をあいまいにすることを避けるべく、公知の点については詳細な説明又は図示を省略する場合もある。
本開示において、正極電解液及び負極電解液を電解液と称することがあり、正極活物質及び負極活物質を活物質と称することがある。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail. However, the present invention is not limited to the following embodiments. In the following embodiments, the components (including element steps and the like) are not essential unless otherwise specified. The same applies to numerical values and ranges thereof, and the present invention is not limited thereto.
In the present disclosure, the numerical ranges indicated using “to” include numerical values described before and after “to” as the minimum value and the maximum value, respectively.
In the numerical ranges described stepwise in the present disclosure, the upper limit value or the lower limit value described in one numerical range may be replaced with the upper limit value or the lower limit value of another numerical description. . Further, in the numerical ranges described in the present disclosure, the upper limit value or the lower limit value of the numerical range may be replaced with the values shown in the examples.
In the present disclosure, the content of each component in the electrolytic solution is the total of the plurality of types of substances present in the electrolytic solution unless there is a specific indication when there are multiple types of substances corresponding to the respective components in the electrolytic solution. Mean content.
Further, in the present disclosure, “content ratio” represents mass% of each component when the total amount of each electrolytic solution is 100 mass% unless otherwise specified.
Moreover, it will be apparent to those skilled in the art that the present invention can be practiced without utilizing some or all of the specific details described in the present disclosure. In addition, in order to avoid obscuring aspects of the present invention, detailed descriptions or illustrations of known points may be omitted.
In the present disclosure, the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte may be referred to as an electrolyte, and the positive electrode active material and the negative electrode active material may be referred to as an active material.

[フロー電池]
本開示のフロー電池は、正極と、負極と、正極活物質を含み、かつ前記正極に供給される正極電解液と、前記正極電解液を貯蔵する正極電解液貯留部と、負極活物質を含み、かつ前記負極に供給される負極電解液と、前記負極電解液を貯蔵する負極電解液貯留部と、前記正極と前記負極とを隔てる隔膜と、前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部及び前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部の少なくとも一方に配置された絶縁多孔体と、を備える。本開示のフロー電池は、上記構成を有することにより、高サイクル特性を実現することができ、特に充電反応又は放電反応により金属等が電極表面に析出する場合にも高サイクル特性を実現できる。さらに、本開示のフロー電池は、高サイクル特性の実現とともに、高電流密度及び高出力特性の実現も可能であると考えられる。
[Flow battery]
The flow battery of the present disclosure includes a positive electrode, a negative electrode, a positive electrode active material, and a positive electrode electrolyte supplied to the positive electrode, a positive electrode electrolyte reservoir for storing the positive electrode electrolyte, and a negative electrode active material. And a negative electrode electrolyte supplied to the negative electrode, a negative electrode electrolyte reservoir for storing the negative electrode electrolyte, a diaphragm separating the positive electrode and the negative electrode, and at least a part between the diaphragm and the negative electrode And an insulating porous body disposed in at least one of at least a part between the diaphragm and the positive electrode. The flow battery of the present disclosure can achieve high cycle characteristics by having the above-described configuration, and can achieve high cycle characteristics even when metal or the like is deposited on the electrode surface by a charge reaction or a discharge reaction. Furthermore, it is considered that the flow battery of the present disclosure can achieve high current density and high output characteristics as well as high cycle characteristics.

例えば、I/Zn系フロー電池、Fe/Cr系フロー電池等、充電反応中にI、Feが正極に析出し、充電反応中にZnが負極に析出するようなフロー電池では、カーボンフェルト等の電極内で固体の析出が進むことにより、正極と負極とを隔てる隔膜にダメージを与えることがあったり、目詰まりが生じて電解液が循環しにくくなったりするという問題が生じ、電池性能を大きく低下させるおそれがある。特に、カーボンフェルト等の電極内で金属の析出が進み、デンドライト成長が起こると、このような問題が顕著となり得る。 For example, in a flow battery in which I 2 and Fe are deposited on the positive electrode during the charging reaction and Zn is deposited on the negative electrode in the charging reaction, such as I / Zn flow battery and Fe / Cr flow battery, carbon felt or the like As a result of solid deposition in the electrode, the diaphragm separating the positive electrode and the negative electrode may be damaged, or clogging may occur and it may be difficult to circulate the electrolyte. There is a risk of significant reduction. In particular, such a problem can be prominent when metal deposition proceeds in an electrode such as carbon felt and dendrite growth occurs.

このような問題に対しては、正極及び負極と隔膜とが直接接触しないように配置することが好ましい。しかし、特に正極及び負極にカーボンフェルト電極を用いる場合、電極と双極板との接触抵抗を低減する目的で、部材を積層した後に圧縮することが多く、その結果、正極及び負極と隔膜とが接触することになる。例えば4mm〜5mmの厚さの正極及び負極であれば、2mm〜3mm程度の厚さになるまで圧縮されることがある。   For such a problem, it is preferable to dispose the positive electrode, the negative electrode, and the diaphragm so as not to be in direct contact with each other. However, particularly when carbon felt electrodes are used for the positive electrode and the negative electrode, they are often compressed after laminating the members in order to reduce the contact resistance between the electrode and the bipolar plate. As a result, the positive electrode, the negative electrode and the diaphragm are in contact with each other. Will do. For example, in the case of a positive electrode and a negative electrode having a thickness of 4 mm to 5 mm, they may be compressed to a thickness of about 2 mm to 3 mm.

一方、本開示のフロー電池は、隔膜と負極との間の少なくとも一部及び隔膜と正極との間の少なくとも一部の少なくとも一方に絶縁多孔体が配置されている。これにより、隔膜と電極との間にスペーサーとして絶縁多孔体が配置されることになり、固体の析出による隔膜へのダメージが低減され、かつ、目詰まりの発生を抑制することができるため、電池性能の低下が抑えられる。   On the other hand, in the flow battery according to the present disclosure, an insulating porous body is disposed in at least one part between the diaphragm and the negative electrode and at least one part between the diaphragm and the positive electrode. Thereby, an insulating porous body is disposed as a spacer between the diaphragm and the electrode, damage to the diaphragm due to precipitation of solids can be reduced, and clogging can be suppressed. Performance degradation can be suppressed.

(絶縁多孔体)
本開示のフロー電池では、サイクル特性、電流密度及び出力特性の点から、隔膜と負極との間の少なくとも一部及び隔膜と正極との間の少なくとも一部に絶縁多孔体が配置されていることが好ましく、負極の厚さ方向に垂直な面(隔膜と対向する側の面)の全体が絶縁多孔体の厚さ方向に垂直な面(隔膜と対向する側と反対の面)に接触し、かつ、正極の厚さ方向に垂直な面(隔膜と対向する側の面)の全体が絶縁多孔体の厚さ方向に垂直な面(隔膜と対向する側と反対の面)に接触するように配置されていることがより好ましい。
(Insulating porous body)
In the flow battery of the present disclosure, an insulating porous body is disposed in at least a part between the diaphragm and the negative electrode and at least a part between the diaphragm and the positive electrode in terms of cycle characteristics, current density, and output characteristics. Preferably, the entire surface perpendicular to the thickness direction of the negative electrode (the surface facing the diaphragm) is in contact with the surface perpendicular to the thickness direction of the insulating porous body (the surface opposite to the side facing the diaphragm), In addition, the entire surface perpendicular to the thickness direction of the positive electrode (the surface facing the diaphragm) is in contact with the surface perpendicular to the thickness direction of the insulating porous body (the surface opposite to the side facing the diaphragm). More preferably, they are arranged.

また、本開示のフロー電池では、サイクル特性、電流密度及び出力特性の点から、負極側にて固体の析出、特に金属の析出が生じる場合、隔膜と負極との間の少なくとも一部に絶縁多孔体が配置されていることが好ましく、正極側にて固体の析出、特に金属の析出が生じる場合、隔膜と正極との間の少なくとも一部に絶縁多孔体が配置されていることが好ましい。   In addition, in the flow battery of the present disclosure, in the case of solid deposition, particularly metal deposition, on the negative electrode side in terms of cycle characteristics, current density, and output characteristics, at least part of the gap between the diaphragm and the negative electrode is insulated porous. In the case where solid deposition, particularly metal deposition, occurs on the positive electrode side, an insulating porous body is preferably disposed at least at a part between the diaphragm and the positive electrode.

絶縁多孔体としては、多孔質の絶縁体であれば特に制限されない。絶縁多孔体は、サイクル特性の点から、高分子、紙、ガラス、セラミックス及び表面絶縁コーティングを施した金属から選ばれる少なくとも一種を含むことが好ましく、高分子、紙、ガラス、セラミックス及び表面絶縁コーティングを施した金属から選ばれる少なくとも一種であることがより好ましい。絶縁多孔体は1種単独で用いてもよいし、2種以上を併用してもよい。   The insulating porous body is not particularly limited as long as it is a porous insulator. The insulating porous body preferably contains at least one selected from polymers, paper, glass, ceramics and metal with a surface insulating coating from the viewpoint of cycle characteristics. Polymers, paper, glass, ceramics and surface insulating coatings are preferable. It is more preferable that it is at least one selected from metals subjected to. An insulating porous body may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

絶縁多孔体としては、ポリエチレン樹脂、ポリアミド樹脂、ポリエステル樹脂、セルロース系樹脂、シリコン樹脂、フッ素系樹脂、アクリル樹脂、フェノール樹脂、ポリオレフィン樹脂、セロハン、クラフト紙、ビニロン混抄紙、合成パルプ混抄紙、ポリオレフィン不織布、キュプラ不織布、ポリアミド不織布、ガラス繊維不織布;アルミナ、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、サイアロン等からなる多孔質又はハニカム状のセラミックスなどが挙げられる。   Insulating porous materials include polyethylene resin, polyamide resin, polyester resin, cellulose resin, silicone resin, fluorine resin, acrylic resin, phenol resin, polyolefin resin, cellophane, kraft paper, vinylon mixed paper, synthetic pulp mixed paper, polyolefin Nonwoven fabrics, cupra nonwoven fabrics, polyamide nonwoven fabrics, glass fiber nonwoven fabrics; porous or honeycomb ceramics made of alumina, silicon carbide, aluminum nitride, boron nitride, sialon, and the like.

また、表面絶縁コーティングを施した金属は、銅、アルミニウム、ステンレス、亜鉛、チタン等からなる金属多孔体の表面に、フッ素樹脂コーティング、シリコン樹脂コーティング、ゴム系高分子によるコーティング等を施すことによって得ることができる。   In addition, the surface-coated metal is obtained by applying a fluororesin coating, a silicon resin coating, a rubber polymer coating, etc. to the surface of a porous metal body made of copper, aluminum, stainless steel, zinc, titanium, or the like. be able to.

絶縁多孔体のかさ密度は、電解液の流通性、隔膜とのなじみ、機械的強度等の点から、0.03g/cm〜5.00g/cmであることが好ましく、0.04g/cm〜4.50g/cmであることがより好ましく、0.05g/cm〜4.00g/cmであることがさらに好ましく、0.05g/cm〜3.00g/cmであることが特に好ましく、0.07g/cm〜2.00g/cmであることがより一層好ましく、0.10g/cm〜1.00g/cmであることがさらに一層好ましい。
絶縁多孔体のかさ密度は、重量測定法により求めることができる。すなわち、絶縁多孔体の空気中の重量を、所定の方法で測定したかさ容量で除することで、絶縁多孔体のかさ密度を求めることができる。
The bulk density of the insulating porous body, circulation of the electrolytic solution, familiar with the diaphragm, from the viewpoint of mechanical strength is preferably from 0.03g / cm 3 ~5.00g / cm 3 , 0.04g / in cm 3 more preferably ~4.50g / cm 3, more preferably from 0.05g / cm 3 ~4.00g / cm 3 , 0.05g / cm 3 ~3.00g / cm 3 particularly preferably in, still more preferably from 0.07g / cm 3 ~2.00g / cm 3 , it is even more preferably 0.10g / cm 3 ~1.00g / cm 3 .
The bulk density of the insulating porous body can be determined by a gravimetric method. That is, the bulk density of the insulating porous body can be obtained by dividing the weight of the insulating porous body in the air by the bulk capacity measured by a predetermined method.

絶縁多孔体の空隙率は特に制限はなく、電解液の流通性等の点から、例えば、50.0%〜99.5%であることが好ましく、55.0%〜99.0%であることがより好ましく、60.0%〜98.5%であることがさらに好ましい。   The porosity of the insulating porous body is not particularly limited, and is preferably 50.0% to 99.5%, for example, from the viewpoint of the flowability of the electrolytic solution, and is preferably 55.0% to 99.0%. It is more preferable that it is 60.0% to 98.5%.

絶縁多孔体の空隙率は、断面観察又は重量測定で算出することができる。断面観察により空隙率を算出する手法は、ランダムな構造を持つ多孔体では、面積空隙率と体積空隙率が等しいことから、好適に用いることができる。断面観察における空隙率は、以下のようにして得ることができる。
具体的には、絶縁多孔体を切断し、得られた断面の電子顕微鏡写真を撮影し、これを観察断面図とする。次いで、観察断面について、絶縁多孔体を構成する素材の部分とそれ以外の箇所を対比し易くするために、コントラスト比を上げるような画像処理を施すことで、例えば、素材部を黒色部、素材部でない箇所(空隙箇所)を白色部として示した評価用断面図を得ることができる。その後、観察断面図における空隙部は、すなわちコントラスト比を上げるような画像処理をした評価用断面図の白色部の面積率とすることができる。白色部の面積率の計算は、例えば、Adobe illustrator CS6(Adobe社)、Matrox Inspector 8.0(Matrox社)、ImageJ(NIH)等の画像処理ソフトを用いて行うことができる。
The porosity of the insulating porous body can be calculated by cross-sectional observation or weight measurement. The method for calculating the porosity by cross-sectional observation can be suitably used for a porous body having a random structure because the area porosity and the volume porosity are equal. The porosity in cross-sectional observation can be obtained as follows.
Specifically, the insulating porous body is cut, an electron micrograph of the obtained cross section is taken, and this is taken as an observation cross section. Next, with respect to the observation cross section, in order to make it easy to compare the portion of the material constituting the insulating porous body with other portions, by performing image processing that increases the contrast ratio, for example, the material portion is a black portion, the material It is possible to obtain a cross-sectional view for evaluation in which a portion (void portion) that is not a portion is shown as a white portion. Thereafter, the void portion in the observation cross-sectional view can be the area ratio of the white portion of the evaluation cross-sectional view that has been subjected to image processing that increases the contrast ratio. The area ratio of the white portion can be calculated using image processing software such as Adobe illustrator CS6 (Adobe), Matrox Inspector 8.0 (Matrox), and ImageJ (NIH).

なお、絶縁多孔体に、圧縮前後で空隙率が変化するような材質を用いる場合、圧縮後(フロー電池の絶縁多孔体として使用される状態)の絶縁多孔体の空隙率を算出することが好ましい。また、圧縮前後の絶縁多孔体の厚さから計算される圧縮率と空隙率の関係が分かっている場合、フロー電池に搭載されておらず、圧縮されていない状態の絶縁多孔体の空隙率を測定及び算出し、圧縮後の絶縁多孔体の空隙率に換算してもよい。   When a material whose porosity changes before and after compression is used for the insulating porous body, it is preferable to calculate the porosity of the insulating porous body after compression (a state used as an insulating porous body of a flow battery). . In addition, when the relationship between the compression ratio calculated from the thickness of the insulating porous body before and after compression and the porosity is known, the porosity of the insulating porous body that is not mounted on the flow battery and is not compressed is calculated. You may measure and calculate, and you may convert into the porosity of the insulating porous body after compression.

絶縁多孔体の空隙率を重量測定から算出する場合、以下の(3)式を用いることができる。
φ=(1−V/V’)×100…(3)
式(3)中で、φは空隙率(%)、Vは絶縁多孔体の真の体積(cm)、V’は絶縁多孔体の見かけの体積(cm)である。また、絶縁多孔体の真の体積Vは、絶縁多孔体を構成する材料の質量を、その材料の密度(g/cm)で除して算出することができる。
When calculating the porosity of the insulating porous material from the weight measurement, the following equation (3) can be used.
φ = (1−V / V ′) × 100 (3)
In formula (3), φ is the porosity (%), V is the true volume (cm 3 ) of the insulating porous material, and V ′ is the apparent volume (cm 3 ) of the insulating porous material. The true volume V of the insulating porous body can be calculated by dividing the mass of the material constituting the insulating porous body by the density (g / cm 3 ) of the material.

絶縁多孔体の形状としては特に制限はなく、シート状、メッシュ状等が挙げられる。また絶縁多孔体の表面から見たパターンとしては、例えば、図4Aのパターン(ハニカム構造)及び図4Bのパターン(メッシュ構造)が挙げられる。   There is no restriction | limiting in particular as a shape of an insulating porous body, A sheet form, a mesh form, etc. are mentioned. Examples of the pattern viewed from the surface of the insulating porous material include the pattern (honeycomb structure) in FIG. 4A and the pattern (mesh structure) in FIG. 4B.

絶縁多孔体は、3次元的な連続空隙部を有することが好ましい。これにより、電解液が絶縁多孔体内を好適に流通し、セル内における電解液の流通性に優れる傾向にある。負極電解液の流通性に優れる点から、隔膜と負極との間の少なくとも一部に絶縁多孔体が配置されている場合、負極電解液は負極内及び当該絶縁多孔体内の双方を流通する構造であることが好ましい。また、正極電解液の流通性に優れる点から、隔膜と正極との間の少なくとも一部に絶縁多孔体が配置されている場合、正極電解液は正極内及び当該絶縁多孔体内の双方を流通する構造であることが好ましい。   The insulating porous body preferably has a three-dimensional continuous void. Thereby, electrolyte solution distribute | circulates suitably through an insulating porous body, and exists in the tendency for the distribution | circulation property of the electrolyte solution in a cell to be excellent. From the point of being excellent in the flowability of the negative electrode electrolyte, when the insulating porous body is disposed at least partly between the diaphragm and the negative electrode, the negative electrode electrolyte has a structure that flows through both the negative electrode and the insulating porous body. Preferably there is. In addition, from the viewpoint of excellent flowability of the positive electrode electrolyte, when the insulating porous body is disposed at least partly between the diaphragm and the positive electrode, the positive electrode electrolyte flows through both the positive electrode and the insulating porous body. A structure is preferred.

さらに、正極側の絶縁多孔体は、3次元的な連続空隙部を有し、正極電解液が正極内及び正極側の絶縁多孔体内の双方を流通する構造であることが好ましく、負極側の絶縁多孔体は、3次元的な連続空隙部を有し、負極電解液が負極内及び負極側の絶縁多孔体内の双方を流通する構造であることが好ましい。これらの構成であることにより、金属等の固体の析出による隔膜への負担を抑えることができ、またZn等のデンドライト成長を抑えることができる傾向にある。この理由は、例えば、以下のように考えることができる。フロー電池の充電反応中において、電極表面(特に、負極表面)に亜鉛イオン(Zn2+)が到達し、電気化学反応によってZnクラスタを形成し、そこからZnデンドライトが成長する場合、一次元半無限拡散に関するコットレル式中における拡散層の厚さ(δ)は、Zn2+を含む電解液の流速(v)の関数で表すことができる。このときv=0ではδ=(πDt)1/2であるが、電極表面における流速(v)が大きくなるほど、拡散層厚(δ)は小さくなる。ここで、Dは電解液中のZn2+イオンの拡散係数、tは時間である。すなわち、金属等の固体の析出による隔膜への負担を抑制し、かつ隔膜側でのZnデンドライト成長を抑制するためには、隔膜側の電極表面において、電極の表面に沿って電解液が流れ、電解液の流速の低下が抑制されていることが好ましい。したがって、本開示のフロー電池では、金属等の固体の析出による隔膜への負担を抑制し、かつ隔膜側でのZnデンドライト成長を抑制する点では、絶縁多孔体の内部にも電解液が、電極の表面に沿って流通することが好ましく、そのためには、絶縁多孔体が3次元的な連続空隙部を有することが好ましい。 Further, the insulating porous body on the positive electrode side preferably has a structure having a three-dimensional continuous void, and the positive electrode electrolyte solution flows through both the positive electrode and the insulating porous body on the positive electrode side. The porous body preferably has a three-dimensional continuous void portion and has a structure in which the negative electrode electrolyte flows in both the negative electrode and the insulating porous body on the negative electrode side. With these configurations, the burden on the diaphragm due to the precipitation of a solid such as a metal can be suppressed, and the dendrite growth of Zn or the like tends to be suppressed. The reason can be considered as follows, for example. When the zinc ion (Zn 2+ ) reaches the electrode surface (especially the negative electrode surface) during the charging reaction of the flow battery and forms a Zn cluster by an electrochemical reaction, and Zn dendrite grows from it, a one-dimensional semi-infinite The thickness (δ) of the diffusion layer in the Cottrell equation relating to diffusion can be expressed as a function of the flow rate (v) of the electrolytic solution containing Zn 2+ . At this time, when v = 0, δ = (πDt) 1/2 , but the diffusion layer thickness (δ) decreases as the flow velocity (v) on the electrode surface increases. Here, D is a diffusion coefficient of Zn 2+ ions in the electrolytic solution, and t is time. That is, in order to suppress the burden on the diaphragm due to the precipitation of solids such as metals, and to suppress the growth of Zn dendrite on the diaphragm side, the electrolyte flows along the surface of the electrode on the electrode surface on the diaphragm side, It is preferable that a decrease in the flow rate of the electrolyte is suppressed. Therefore, in the flow battery of the present disclosure, the electrolyte solution is also applied to the inside of the insulating porous body in that the burden on the diaphragm due to the precipitation of a solid such as metal is suppressed and the growth of Zn dendrite on the diaphragm side is suppressed. For this purpose, the insulating porous body preferably has a three-dimensional continuous void portion.

さらに、本開示のフロー電池においては、正極電解液が正極内及び正極側の絶縁多孔体内の双方を流通する構造であることにより、正極の隔膜側の表面に正極電解液が供給され、上述したデンドライト成長を更に抑制することができる傾向にある。
また、本開示のフロー電池においては、負極電解液が負極内及び負極側の絶縁多孔体内の双方を流通する構造であることにより、負極の隔膜側の表面に負極電解液が供給され、上述したデンドライト成長を更に抑制することができる傾向にある。
Furthermore, in the flow battery according to the present disclosure, the positive electrode electrolyte is supplied to the surface of the positive electrode on the diaphragm side, because the positive electrode electrolyte flows through both the positive electrode and the insulating porous body on the positive electrode side. There is a tendency to further suppress dendrite growth.
Further, in the flow battery of the present disclosure, the negative electrode electrolyte is supplied to the surface of the negative electrode on the diaphragm side by the negative electrode electrolyte flowing through both the negative electrode and the insulating porous body on the negative electrode side. There is a tendency to further suppress dendrite growth.

本開示のフロー電池は、隔膜と正極の間の少なくとも一部に絶縁多孔体を配置することで、例えば、後述の式(7)に示すようにIが生成され、生成されたIが固体として正極内に残存する場合に、隔膜に与えるダメージを抑制することができる傾向にある。隔膜と正極の間に絶縁多孔体が配置されていない場合、流路閉塞性、反応不均一性等が高くなり、サイクル特性、電池そのものの特性等が低下するおそれがある。これは、Iの水への溶解度が約10mMとかなり低いことに起因する。 In the flow battery according to the present disclosure, by disposing an insulating porous body at least at a part between the diaphragm and the positive electrode, for example, I 2 is generated as shown in the following formula (7), and the generated I 2 is When it remains in the positive electrode as a solid, damage to the diaphragm tends to be suppressed. When the insulating porous body is not disposed between the diaphragm and the positive electrode, the flow path blocking property, reaction non-uniformity, and the like are increased, and the cycle characteristics, the characteristics of the battery itself, and the like may be deteriorated. This is because the solubility of I 2 in water is as low as about 10 mM.

正極側に配置する絶縁多孔体の材質、寸法、密度等の物性は、他の部材、電気液組成等に応じて適宜選択することができ、負極側に配置する絶縁多孔体の材質、寸法、密度等の物性は、他の部材、電気液組成等に応じて適宜選択することができる。   Physical properties such as the material, dimensions, density, etc. of the insulating porous material disposed on the positive electrode side can be appropriately selected according to other members, the electric liquid composition, etc., and the material, dimensions, Physical properties such as density can be appropriately selected according to other members, the composition of the electric liquid, and the like.

(正極及び負極)
正極及び負極としては、従来公知の二次電池、特に従来公知のフロー電池に用いられるものを用いることができる。具体的には、アルミニウム、銅、亜鉛等の金属、黒鉛等の炭素(カーボン)などが挙げられる。また、InSnO、SnO、ZnO、In等の導電材、フッ素ドープ酸化錫(SnO:F)、アンチモンドープ酸化錫(SnO:Sb)、錫ドープ酸化インジウム(In:Sn)、Alドープ酸化亜鉛(ZnO:Al)、Gaドープ酸化亜鉛(ZnO:Ga)等の不純物がドープされた導電材等の単層又は複層を、ガラス又は高分子上に形成させたものが挙げられる。また、正極及び負極の形状としては、板状、メッシュ状等が挙げられる。
(Positive electrode and negative electrode)
As a positive electrode and a negative electrode, what is used for a conventionally well-known secondary battery, especially a conventionally well-known flow battery can be used. Specific examples include metals such as aluminum, copper and zinc, and carbon such as graphite. In addition, conductive materials such as InSnO 2 , SnO 2 , ZnO, In 2 O 2 , fluorine-doped tin oxide (SnO 2 : F), antimony-doped tin oxide (SnO 2 : Sb), tin-doped indium oxide (In 2 O 3). : Sn), Al-doped zinc oxide (ZnO: Al), Ga-doped zinc oxide (ZnO: Ga) and other conductive materials doped with impurities such as single layer or multiple layers were formed on glass or polymer. Things. Examples of the shape of the positive electrode and the negative electrode include a plate shape and a mesh shape.

正極及び負極の少なくとも一方は、活物質との電子の授受としての反応場、すなわち電極面積を増やす点から、炭素繊維を含むことが好ましい。   At least one of the positive electrode and the negative electrode preferably contains carbon fiber from the viewpoint of increasing a reaction field as an exchange of electrons with the active material, that is, an electrode area.

正極及び負極の少なくとも一方が炭素繊維を含む場合、取り扱い、加工性、製造性及び表面積の点から、炭素繊維からなる多孔質体であることが好ましい。具体的には、炭素繊維からなる多孔質体としては、カーボンフェルト、カーボンクロス及びカーボンペーパーが挙げられる。中でも、充放電中の反応活性及び表面積の点から、カーボンフェルトを用いることが好ましい。   When at least one of the positive electrode and the negative electrode contains carbon fiber, it is preferably a porous body made of carbon fiber from the viewpoints of handling, workability, manufacturability, and surface area. Specifically, examples of the porous body made of carbon fibers include carbon felt, carbon cloth, and carbon paper. Among them, it is preferable to use carbon felt from the viewpoint of reaction activity and surface area during charge / discharge.

炭素繊維の原料繊維としては、炭化可能なものが挙げられ、具体的にはセルロース系、アクリル系、レーヨン系、フェノール系、芳香族ポリアミド系、ピッチ系繊維、ポリアクリロニトリル系繊維等が挙げられる。   Examples of the carbon fiber raw material fiber include carbonizable fibers, and specific examples include cellulose-based, acrylic-based, rayon-based, phenol-based, aromatic polyamide-based, pitch-based fiber, and polyacrylonitrile-based fiber.

カーボンフェルトの製造法としては、焼成前の原料繊維を積層してシート状に広げることでウェブとし、次いで、繊維間をニードルパンチ法、サーマルボンド法、ステッチボンド法等の公知の方法で適度に結合させて、フェルト状に仕上げ、最後に熱処理を行う方法が挙げられる。   As a method for producing carbon felt, raw fibers before firing are laminated and spread into a sheet shape, and then a web is formed. Then, a gap between fibers is appropriately determined by a known method such as a needle punch method, a thermal bond method, or a stitch bond method. There is a method of bonding, finishing in a felt shape, and finally performing a heat treatment.

熱処理の条件としては、特に制限されず、例えば、原料繊維からなるフェルト材を、不活性ガス中で800℃〜2000℃の温度で熱処理する工程(炭化処理)を含む。また、必要に応じて、炭化処理の前に100℃〜500℃の温度で熱処理する工程(耐炎化)及び炭化処理の後に2000℃〜3000℃の温度で熱処理する工程(黒鉛化処理)を含んでいてもよい。黒鉛化処理を行うことで、炭化した原料繊維が更に黒鉛化し、黒鉛としての結晶構造が規則正しくなり、また炭素繊維表面の余分な官能基が除去されるため、導電率等の電極物性が向上する傾向にある。   The heat treatment conditions are not particularly limited, and include, for example, a step (carbonization treatment) of heat treating a felt material made of raw material fibers at a temperature of 800 ° C. to 2000 ° C. in an inert gas. Further, if necessary, a step of heat treatment at a temperature of 100 ° C. to 500 ° C. before the carbonization treatment (flame resistance) and a step of heat treatment at a temperature of 2000 ° C. to 3000 ° C. after the carbonization treatment (graphitization treatment) are included. You may go out. By performing the graphitization treatment, the carbonized raw material fibers are further graphitized, the crystal structure as graphite becomes regular, and excess functional groups on the surface of the carbon fibers are removed, so that the electrode physical properties such as conductivity are improved. There is a tendency.

熱処理の他の条件としては、例えば、原料繊維からなるフェルト材を、水蒸気雰囲気下で、800℃〜2000℃の温度で熱処理する工程(賦活処理)を含む。これにより、炭化した原料繊維が多孔質化し、活性炭素繊維となり、活物質の繊維表面への吸着効率を高めることができる傾向にある。   As other conditions of heat processing, the process (activation process) which heat-processes the felt material which consists of raw material fibers at the temperature of 800 to 2000 degreeC in water vapor | steam atmosphere, for example is included. Thereby, the carbonized raw material fibers become porous and become activated carbon fibers, and the adsorption efficiency of the active material onto the fiber surface tends to be increased.

なお、カーボンクロス及びカーボンペーパーにおいても、原料繊維を公知の手法でクロス状又はペーパー状に仕上げた後に、熱処理を行うことで、好適に製造することができる。   Carbon cloth and carbon paper can also be suitably manufactured by performing heat treatment after finishing the raw material fibers into a cloth shape or a paper shape by a known method.

炭素繊維の繊維径は、カーボンフェルトとしての物性、製造法、電解液活物質との電子授受反応の効率等の点から、1.0μm〜30.0μmであることが好ましく、1.5μm〜25.0μmであることがより好ましく、2.0μm〜20.0μmであることが更に好ましい。   The fiber diameter of the carbon fiber is preferably 1.0 μm to 30.0 μm, preferably 1.5 μm to 25 μm, from the viewpoints of physical properties as a carbon felt, production method, efficiency of electron transfer reaction with the electrolyte active material, and the like. It is more preferably 0.0 μm, and further preferably 2.0 μm to 20.0 μm.

正極及び負極は、図2及び図3に示したように、フロー電池に搭載(充填)された状態では、厚さ方向に圧縮された状態であることが好ましい。これにより、正極及び負極を構成する素材(カーボンフェルトの場合は、炭素繊維)と双極板との導電性が向上し、セル抵抗を低減できる傾向にある。   As shown in FIGS. 2 and 3, the positive electrode and the negative electrode are preferably compressed in the thickness direction when mounted (filled) in the flow battery. Thereby, the electrical conductivity of the material which comprises a positive electrode and a negative electrode (in the case of carbon felt, carbon fiber) and a bipolar plate improves, and it exists in the tendency which can reduce cell resistance.

正極及び負極を圧縮して用いる場合の圧縮前後の厚さの比率(圧縮前の厚さ/圧縮後の厚さ)は、1.1〜4.0であることが好ましく、1.2〜3.8であることがより好ましく、1.3〜3.6であることが更に好ましい。   When the positive electrode and the negative electrode are used after being compressed, the ratio of the thickness before and after compression (thickness before compression / thickness after compression) is preferably 1.1 to 4.0, and preferably 1.2 to 3 Is more preferably 0.8, and still more preferably 1.3 to 3.6.

隔膜と正極との間の少なくとも一部に絶縁多孔体が配置されている場合、正極の厚さに対する正極と隔膜との間に配置された絶縁多孔体の厚さの比が0.002〜0.750であることが好ましく、0.003〜0.500であることがより好ましく、0.004〜0.400であることが更に好ましい。この厚さの比が0.002以上であることにより、絶縁多孔体内の正極電解液の流通を好適に確保でき、正極表面にてデンドライトが成長した場合に隔膜にデンドライトが接触すること、正極電解液の目詰まり等を効果的に抑制できる傾向にある。また、この厚さの比が0.750以下であることにより、正極と隔膜との距離に応じた正極電解液の抵抗(液抵抗)を低く保つことができる傾向にある。   When the insulating porous body is disposed at least partially between the diaphragm and the positive electrode, the ratio of the thickness of the insulating porous body disposed between the positive electrode and the diaphragm to the thickness of the positive electrode is 0.002 to 0. .750, preferably 0.003 to 0.500, and more preferably 0.004 to 0.400. When the thickness ratio is 0.002 or more, the flow of the positive electrode electrolyte in the insulating porous body can be suitably secured, and when the dendrite grows on the positive electrode surface, the dendrite comes into contact with the diaphragm, There is a tendency that clogging of the liquid can be effectively suppressed. In addition, when the thickness ratio is 0.750 or less, the resistance (liquid resistance) of the positive electrode electrolyte according to the distance between the positive electrode and the diaphragm tends to be kept low.

隔膜と負極との間の少なくとも一部に絶縁多孔体が配置されている場合、負極の厚さに対する負極と隔膜との間に配置された絶縁多孔体の厚さの比が0.002〜0.750であることが好ましく、0.003〜0.500であることがより好ましく、0.004〜0.400であることが更に好ましい。この厚さの比が0.002以上であることにより、絶縁多孔体内の負極電解液の流通を好適に確保でき、負極表面にてデンドライトが成長した場合に隔膜にデンドライトが接触すること、負極電解液の目詰まり等を効果的に抑制できる傾向にある。また、この厚さの比が0.750以下であることにより、負極と隔膜との距離に応じた負極電解液の抵抗(液抵抗)を低く保つことができる傾向にある。   When the insulating porous body is disposed at least partly between the diaphragm and the negative electrode, the ratio of the thickness of the insulating porous body disposed between the negative electrode and the diaphragm to the thickness of the negative electrode is 0.002 to 0 .750, preferably 0.003 to 0.500, and more preferably 0.004 to 0.400. When the thickness ratio is 0.002 or more, the flow of the negative electrode electrolyte in the insulating porous body can be suitably secured, and when the dendrite grows on the negative electrode surface, the dendrite comes into contact with the diaphragm, and the negative electrode electrolysis There is a tendency that clogging of the liquid can be effectively suppressed. Further, when the thickness ratio is 0.750 or less, the resistance (liquid resistance) of the negative electrode electrolyte according to the distance between the negative electrode and the diaphragm tends to be kept low.

本開示のフロー電池では、正極及び負極の少なくとも一方、好ましくは正極及び負極は、少なくとも二つの空隙率の異なる領域及び表面流路の少なくとも一方を有していてもよい。電極が少なくとも二つの空隙率の異なる領域及び表面流路の少なくとも一方を有することにより、金属等の固体の析出反応を伴う場合でも圧力損失及び送液ポンプの動力損失を抑えることができる傾向にある。これは、例えば、以下のようにして考えることができる。   In the flow battery of the present disclosure, at least one of the positive electrode and the negative electrode, preferably the positive electrode and the negative electrode may have at least one of at least two regions having different porosity and a surface flow path. When the electrode has at least one of two regions having different porosity and a surface flow path, pressure loss and power loss of the liquid feed pump tend to be suppressed even when there is a solid precipitation reaction such as metal. . This can be considered, for example, as follows.

流体がある空間を流れる場合、流体が接触する材料との摩擦に起因する抵抗を受ける。これが圧力損失が発生する基本的な原因である。層流における圧力損失はいわゆるハーゲン・ポアズイユ(Hagen−Poiseuille)の式で求めることができる。
電池反応の基本構成反応である、正極と負極の電気化学反応の反応速度と圧力損失には明確な関係がある。圧力損失が変化する場合、それを評価する電解液が流れる空間において、流速が変化することを意味する。電気化学反応の速度と反応場の流速の関係は、高流速場の方が低流速場よりも反応速度が速い。高流速場は低流速場に比べて電極界面の物質移動層厚が薄くなり、活物質の供給速度であるフラックス(モル/(cm・秒))が大きくなるためである。
したがって、反応場の電位を一定に制御した場合、電解液が流入する側の反応速度は圧力損失が発生している電解液が流出する側よりも速くなる。定電流制御の場合、すなわち反応場の反応速度を外部制御で一定にする場合、電解液が流入する側と電解液が流出する側で、圧力損失に伴い電池反応の反応過電圧の違いに変化が生じる。すなわち、電解液の流速の速い場所である、電解液が流入する側の電気化学反応の過電圧の上昇速度が、電解液が流出する側の電気化学反応の過電圧の上昇速度に比べて低く抑えられる。このように圧力損失と電池の反応の特性は密接な関係を持つ。
When a fluid flows through a space, it is subject to resistance due to friction with the material it contacts. This is the basic cause of pressure loss. The pressure loss in the laminar flow can be obtained by the so-called Hagen-Poiseille equation.
There is a clear relationship between the reaction rate of the electrochemical reaction between the positive electrode and the negative electrode, which is the basic constituent reaction of the battery reaction, and the pressure loss. When the pressure loss changes, it means that the flow velocity changes in the space in which the electrolyte for evaluating it flows. Regarding the relationship between the rate of the electrochemical reaction and the flow rate of the reaction field, the reaction rate is higher in the high flow rate field than in the low flow rate field. This is because the mass flow layer at the electrode interface is thinner in the high flow field than in the low flow field, and the flux (mol / (cm 2 · sec)), which is the supply speed of the active material, is increased.
Therefore, when the potential of the reaction field is controlled to be constant, the reaction rate on the side into which the electrolyte solution flows becomes faster than the side on which the electrolyte solution in which pressure loss has occurred. In the case of constant current control, that is, when the reaction rate of the reaction field is made constant by external control, there is a change in the difference in the reaction overvoltage of the battery reaction due to pressure loss between the electrolyte inflow side and the electrolyte outflow side. Arise. That is, the rate of increase of the overvoltage of the electrochemical reaction on the side where the electrolyte flows in, which is a place where the flow rate of the electrolyte is fast, can be suppressed lower than the rate of increase of the overvoltage of the electrochemical reaction on the side where the electrolyte flows. . Thus, pressure loss and battery reaction characteristics are closely related.

充放電にて金属等の析出反応が伴う場合、上記の圧力損失に伴うフロー電池の反応への影響はより顕在化する。例えば、負極で金属等の析出が充電反応により生じる場合、圧力損失がより増幅される。この理由は、負極電解液が流入する側で反応速度が速いため、析出した金属等によって、負極電解液が流入する側の流路面積が充電時間とともに小さくなることにある。流路面積が充電時間とともに小さくなると、負極電解液が流入する側の領域が充電反応で生成された固体に覆われてしまい、負極電解液が流れなくなるおそれがある。負極電解液が流れなくなると、もはやフロー電池ではなくなり、電池機能は停止してしまう。
前述のように、金属等の析出反応を伴う反応系は、金属等の析出反応を伴わない通常のイオン/イオン反応系と圧力損失現象に関して大きく異なる。すなわち、析出反応を伴うフロー電池の場合は圧力損失現象が増幅され、使い方によっては、電解液がフローできなくなる状況が発生し得る。
When a deposition reaction of metal or the like is accompanied by charging / discharging, the influence on the reaction of the flow battery due to the pressure loss becomes more obvious. For example, when the deposition of metal or the like occurs in the negative electrode due to a charging reaction, the pressure loss is further amplified. The reason for this is that the reaction rate is fast on the side where the negative electrode electrolyte flows, so that the flow path area on the side where the negative electrode electrolyte flows becomes smaller with the charging time due to the deposited metal or the like. When the flow path area decreases with the charging time, the region where the negative electrode electrolyte flows in is covered with the solid produced by the charging reaction, and the negative electrode electrolyte may not flow. When the negative electrode electrolyte stops flowing, it is no longer a flow battery, and the battery function stops.
As described above, a reaction system involving a precipitation reaction of a metal or the like is greatly different from a normal ion / ion reaction system not involving a precipitation reaction of a metal or the like with respect to a pressure loss phenomenon. That is, in the case of a flow battery with a precipitation reaction, the pressure loss phenomenon is amplified, and depending on how it is used, a situation may occur in which the electrolyte cannot flow.

フロー電池では、充放電反応にて活物質の析出を伴う場合、電池反応が活発に起こる対極(counter electrode)側で、金属等が多く析出される傾向がある。これは、原理的に対極により近い位置がオーミック損の絶対値が小さく、電気化学反応場として、電位的に有利な位置にあるためである。例えば、負極において空隙率が均一、あるいは、対極である正極側において空隙率が小さく、充放電反応にて負極活物質の金属等の析出を伴う場合、正極により近い側にて金属等の析出が生じやすく、空隙部が閉塞されやすくなる。その結果、正極により近い側にて、負極電解液の流通が阻害されて圧力損失が増加するとともに、負極電解液を介してのイオン伝導性が損なわれ、電池反応が進行しにくくなる。その結果、送液ポンプの動力損失が増加し、かつ電流密度、放電容量等の出力が低下する。したがって、正極により近い側にて負極電解液の流通が阻害されることが抑制され、電池反応が好適に進行するような構成にすることが好ましい。   In the flow battery, when the active material is precipitated in the charge / discharge reaction, a large amount of metal or the like tends to be deposited on the counter electrode side where the battery reaction actively occurs. This is because, in principle, a position closer to the counter electrode has a small absolute value of ohmic loss and is an advantageous position in terms of potential as an electrochemical reaction field. For example, when the porosity is uniform in the negative electrode or the porosity is small on the positive electrode side that is the counter electrode, and deposition of a metal or the like of the negative electrode active material occurs in the charge / discharge reaction, the deposition of metal or the like on the side closer to the positive electrode It tends to occur and the gap is easily closed. As a result, on the side closer to the positive electrode, the flow of the negative electrode electrolyte is hindered and pressure loss increases, ion conductivity through the negative electrode electrolyte is impaired, and the battery reaction is less likely to proceed. As a result, the power loss of the liquid feed pump increases, and the output such as current density and discharge capacity decreases. Therefore, it is preferable to prevent the negative electrode electrolyte from being inhibited from flowing on the side closer to the positive electrode and to allow the battery reaction to proceed appropriately.

本開示のフロー電池では、正極及び負極の少なくとも一方は少なくとも二つの空隙率の異なる領域を有する。これにより、金属等の析出反応に伴う場合、圧力損失を抑制し、フロー電池の特性を長期間維持することができる傾向にある。充放電反応により、金属等の固体が析出する場合、例えば、固形状ヨウ素分子が正極内に充電反応にて析出する、又は亜鉛が負極内に充電反応にて析出する場合、まず反応速度が速い電解液の流入側から流路面積が低下していく。これを抑制するためには、電解液の流入側における正極の空隙率及び負極の空隙率を、電解液の流出側における正極の空隙率及び負極の空隙率よりも大きくし、広い流路を確保することが好ましい。これにより、電池の充放電中にて金属等の固体の析出による電極の閉塞化を抑制し、フロー電池機能をバランス化及び最適化することができる傾向にある。   In the flow battery of the present disclosure, at least one of the positive electrode and the negative electrode has at least two regions having different porosity. Thereby, when it accompanies precipitation reaction of a metal etc., it exists in the tendency which can suppress a pressure loss and can maintain the characteristic of a flow battery for a long period of time. When a solid such as a metal is deposited by the charge / discharge reaction, for example, when solid iodine molecules are deposited in the positive electrode by a charging reaction or zinc is deposited in the negative electrode by a charging reaction, the reaction rate is first high. The channel area decreases from the inflow side of the electrolyte. In order to suppress this, the porosity of the positive electrode and the porosity of the negative electrode on the electrolyte inflow side are made larger than the porosity of the positive electrode and the negative electrode on the electrolyte outflow side, and a wide flow path is secured. It is preferable to do. Thereby, it is in the tendency which can suppress the obstruction | occlusion of the electrode by solid precipitation, such as a metal, during charge / discharge of a battery, and can balance and optimize a flow battery function.

少なくとも二つの空隙率の異なる領域を有する電極としては、前述のような電解液の流通方向にて少なくとも二つの空隙率の異なる領域を有する電極、厚さ方向にて少なくとも二つの空隙率の異なる領域を有する電極等が挙げられる。   As the electrode having at least two regions having different porosity, the electrode having at least two regions having different porosity in the flowing direction of the electrolyte as described above, and at least two regions having different porosity in the thickness direction. An electrode having

厚さ方向にて少なくとも二つの空隙率の異なる領域を有する電極としては、電極の隔膜側の空隙率がその反対側の空隙率よりも大きい電極が好ましい。これにより、隔膜側での空隙部の閉塞が抑制されるとともに、電解液のイオン伝導抵抗の増大が抑制され、高電流密度及び高出力を有するフロー電池機能を長期間維持することができる傾向にある。   As an electrode having at least two regions having different porosity in the thickness direction, an electrode having a larger porosity on the diaphragm side than the porosity on the opposite side is preferable. As a result, blockage of the gap on the diaphragm side is suppressed, and an increase in the ionic conduction resistance of the electrolytic solution is suppressed, so that a flow battery function having a high current density and a high output can be maintained for a long time. is there.

フロー電池において、電極内に少なくとも二つの空隙率の異なる領域を設ける場合、例えば、図5Aに示すように、電解液の流通方向において、電解液の流入側における電極1の空隙率が電解液の流出側における電極1の空隙率よりも高いことが好ましい。また、図5Bに示すように、厚さ方向において、電極1の隔膜2側の空隙率がその反対側の空隙率よりも高いことが好ましい。なお、図5Bでは、絶縁多孔体の図示を省略している。   In the flow battery, when providing at least two regions having different porosity in the electrode, for example, as shown in FIG. 5A, the porosity of the electrode 1 on the electrolyte inflow side is It is preferable that the porosity of the electrode 1 on the outflow side is higher. Further, as shown in FIG. 5B, in the thickness direction, the porosity of the electrode 1 on the diaphragm 2 side is preferably higher than the porosity on the opposite side. In FIG. 5B, illustration of the insulating porous body is omitted.

電極の空隙率は、断面観察又は重量測定で算出することができる。断面観察により空隙率を算出する手法は、カーボンフェルトのようなランダムな構造を持つ多孔体では、面積空隙率と体積空隙率が等しいことから、好適に用いることができる。断面観察における空隙率は、以下のようにして得ることができる。
具体的には、電極をカッター等にて切断し、得られた断面の電子顕微鏡写真を撮影し、これを観察断面図とする。次いで、観察断面について、電極部を構成する部分とそれ以外の箇所を対比し易くするために、コントラスト比を上げるような画像処理を施すことで、例えば、電極部を黒色部、電極部でない箇所(空隙箇所)を白色部として示した評価用断面図を得ることができる。その後、観察断面図における空隙部は、すなわちコントラスト比を上げるような画像処理をした評価用断面図の白色部の面積率とすることができる。白色部の面積率の計算は、例えば、Adobe illustrator CS6(Adobe社)、Matrox Inspector 8.0(Matrox社)、ImageJ(NIH)等の画像処理ソフトを用いて行うことができる。
The porosity of the electrode can be calculated by cross-sectional observation or weight measurement. The method of calculating the porosity by cross-sectional observation can be suitably used for porous bodies having a random structure such as carbon felt because the area porosity and volume porosity are equal. The porosity in cross-sectional observation can be obtained as follows.
Specifically, the electrode is cut with a cutter or the like, an electron micrograph of the obtained cross section is taken, and this is taken as an observation cross-sectional view. Next, with respect to the observation cross section, in order to make it easier to compare the portion constituting the electrode portion with other portions, for example, the electrode portion is a black portion, a portion that is not the electrode portion by increasing the contrast ratio. A cross-sectional view for evaluation showing (void portion) as a white portion can be obtained. Thereafter, the void portion in the observation cross-sectional view can be the area ratio of the white portion of the evaluation cross-sectional view that has been subjected to image processing that increases the contrast ratio. The area ratio of the white portion can be calculated using image processing software such as Adobe illustrator CS6 (Adobe), Matrox Inspector 8.0 (Matrox), and ImageJ (NIH).

なお、電極に、圧縮前後で空隙率が変化するような材質を用いる場合、圧縮後(フロー電池の電極として使用される状態)の電極の空隙率を算出することが好ましい。また、圧縮前後の電極の厚さから計算される圧縮率と空隙率の関係が分かっている場合、フロー電池に搭載されておらず、圧縮されていない状態の空隙率を測定及び算出し、圧縮後の電極の空隙率に換算してもよい。   When a material whose porosity changes before and after compression is used for the electrode, it is preferable to calculate the porosity of the electrode after compression (a state used as an electrode of a flow battery). In addition, when the relationship between the compression ratio calculated from the thickness of the electrode before and after compression and the porosity is known, the measurement is performed to calculate the porosity of the uncompressed state that is not mounted on the flow battery, and the compression is performed. You may convert into the porosity of a later electrode.

電極の空隙率を重量測定から算出する場合、以下の(3)’式を用いることができる。
φ=(1−V/V’)×100…(3)’
式(3)’中で、φは空隙率(%)、Vは電極の真の体積(cm)、V’は電極の見かけの体積(cm)である。また、電極の真の体積Vは、電極を構成する材料の質量を、その材料の密度(g/cm)で除して算出することができる。
When calculating the porosity of an electrode from weight measurement, the following (3) 'formula can be used.
φ = (1−V / V ′) × 100 (3) ′
In formula (3) ′, φ is the porosity (%), V is the true volume (cm 3 ) of the electrode, and V ′ is the apparent volume (cm 3 ) of the electrode. The true volume V of the electrode can be calculated by dividing the mass of the material constituting the electrode by the density (g / cm 3 ) of the material.

さらに、正極及び負極の少なくとも一方は、空隙率勾配を有していてもよい。このとき、電極における一部の領域に空隙率勾配が設けられ、残りの領域に空隙率勾配が設けられていなくてもよい。   Furthermore, at least one of the positive electrode and the negative electrode may have a porosity gradient. At this time, the porosity gradient may be provided in a partial region of the electrode, and the porosity gradient may not be provided in the remaining region.

本開示のフロー電池では、正極及び負極の少なくとも一方は表面流路を有していてもよい。これにより、少なくとも二つの空隙率の異なる領域を有する電極を用いる場合と同様に、金属等の析出反応を伴うとき、圧力損失を抑制し、フロー電池の特性を長期間維持することができる傾向にある。より具体的には、表面流路が設けられていることにより、電解液流通方向における流入側及び電極の隔膜側における金属等の析出による電極の閉塞が抑制され、電解液を効率よく流通させることができる傾向にある。   In the flow battery of the present disclosure, at least one of the positive electrode and the negative electrode may have a surface flow path. As a result, as in the case of using an electrode having at least two regions having different porosity, when accompanied by a precipitation reaction of metal or the like, the pressure loss tends to be suppressed and the characteristics of the flow battery can be maintained for a long time. is there. More specifically, by providing a surface flow path, clogging of the electrode due to deposition of metal or the like on the inflow side in the electrolyte flow direction and the diaphragm side of the electrode is suppressed, and the electrolyte can be distributed efficiently. There is a tendency to be able to.

表面流路は、電極において、隔膜側及びその反対側の少なくとも一方に設けられていればよい。また、隔膜側に配置された絶縁多孔体が表面流路の機能を担うものであってもよい。表面流路を隔膜側に配置することにより、金属等の析出反応を伴う場合、圧力損失を好適に抑制できる傾向にあり、表面流路を隔膜の反対側に配置することにより、電極及び絶縁多孔体にて電解液の流速をほぼ均一に制御できる傾向にある。   The surface channel may be provided on at least one of the diaphragm side and the opposite side of the electrode. Moreover, the insulating porous body arrange | positioned at the diaphragm side may bear the function of a surface flow path. By disposing the surface flow channel on the diaphragm side, there is a tendency that pressure loss can be suitably suppressed when accompanied by a precipitation reaction of metal or the like. By arranging the surface flow channel on the opposite side of the diaphragm, the electrode and the insulating porous The body tends to be able to control the flow rate of the electrolyte almost uniformly.

表面流路は、隔膜側及びその反対側の少なくとも一方に、電極表面に対して凹形状になるように形成されていることが好ましい。   The surface flow path is preferably formed on at least one of the diaphragm side and the opposite side so as to have a concave shape with respect to the electrode surface.

正極及び負極に表面流路を設ける場合の流路パターンには特に制限はない。流路パターンとしては、例えば、図6Aに示すような櫛歯構造、図6Bに示すような蛇行構造、及び図6Cに示すような交差構造(好ましくは、直交構造)の表面流路17が挙げられる。   There are no particular restrictions on the flow path pattern when the surface flow paths are provided on the positive electrode and the negative electrode. Examples of the flow path pattern include a comb-tooth structure as shown in FIG. 6A, a meander structure as shown in FIG. 6B, and a surface flow path 17 having a cross structure (preferably an orthogonal structure) as shown in FIG. 6C. It is done.

(隔膜)
フロー電池は、正極と負極との間に隔膜を更に備えていてもよい。隔膜としては、フロー電池の使用条件に耐えうる膜であれば特に制限されない。隔膜としては、例えば、イオンを伝導可能なイオン伝導性高分子膜、イオン伝導性固体電解質膜、ポリオレフィン多孔質膜、セルロース多孔質膜等が挙げられる。
(diaphragm)
The flow battery may further include a diaphragm between the positive electrode and the negative electrode. The diaphragm is not particularly limited as long as it can withstand the usage conditions of the flow battery. Examples of the diaphragm include an ion conductive polymer film capable of conducting ions, an ion conductive solid electrolyte film, a polyolefin porous film, and a cellulose porous film.

イオン伝導性高分子膜としては、例えば、カチオン交換膜及びアニオン交換膜が挙げられ、より具体的には、Selemion APS(登録商標)(AGC社)、Nafion(登録商標)(DuPont社)及びネオセプタ(登録商標)(アストム社)が挙げられる。   Examples of the ion conductive polymer membrane include a cation exchange membrane and an anion exchange membrane, and more specifically, Seleion APS (registered trademark) (AGC), Nafion (registered trademark) (DuPont) and Neoceptor. (Registered trademark) (Astom).

(電解液)
フロー電池は、正極活物質を含み、かつ正極に供給される正極電解液、及び負極活物質を含み、かつ負極に供給される負極電解液を備える。
電解液は、活物質を分散又は溶解する液状媒体を含んでいてもよい。
(Electrolyte)
The flow battery includes a positive electrode electrolyte that includes a positive electrode active material and is supplied to the positive electrode, and a negative electrode electrolyte that includes a negative electrode active material and is supplied to the negative electrode.
The electrolytic solution may contain a liquid medium in which the active material is dispersed or dissolved.

電解液中の活物質は、価数が変化するイオンを含むことが好ましく、公知のものを用いることができる。
電解液中の活物質は、具体的に、以下の一般式(4)の反応式又は一般式(5)の反応式を満たす酸化体/還元体(以降、酸化還元対と呼ぶことがある)を含んでいてもよい。
n++xe⇔A(n−x)+・・・(4)
n−+xe⇔A(n+x)−・・・(5)
なお、一般式(4)においては、n及びxは整数であり、かつn≧xであり、一般式(5)においては、n及びxは正の整数である。
The active material in the electrolytic solution preferably contains ions whose valence changes, and known materials can be used.
Specifically, the active material in the electrolytic solution is an oxidant / reductant satisfying the following reaction formula (4) or the reaction formula (5) (hereinafter sometimes referred to as a redox pair). May be included.
A n + + xe ⇔A (n−x) + (4)
A n− + xe ⇔A (n + x) − (5)
In the general formula (4), n and x are integers and n ≧ x, and in the general formula (5), n and x are positive integers.

一般式(4)又は一般式(5)を満たす酸化還元対としては、Fe3+/Fe2+、Cr3+/Cr2+、Ga3+/Ga2+、Ti3+/Ti2+、Co3+/Co2+、Cu2+/Cu、V3+/V2+、V5+/V4+、Ce4+/Ce3+、Cl/Cl3−、Br/Br3−、Zn2+/Zn、Pb2+/Pb、Fe2+/Fe、Cr2+/Cr、Ga2+/Ga、Ti2+/Ti、Mn2+/Mn、Mg2+/Mg、Mg/Mg、Ag/Ag、Cd2+/Cd、Co2+/Co、Cu2+/Cu、Cu/Cu、Hg2+/Hg、等が挙げられる。
一般式(4)又は一般式(5)を満たす酸化還元対以外の酸化還元対としては、I /I、S 2−/S 2−等が挙げられる。
Examples of the redox pair satisfying the general formula (4) or (5) include Fe 3+ / Fe 2+ , Cr 3+ / Cr 2+ , Ga 3+ / Ga 2+ , Ti 3+ / Ti 2+ , Co 3+ / Co 2+ , Cu 2 + / Cu + , V 3+ / V 2+ , V 5+ / V 4+ , Ce 4+ / Ce 3+ , Cl / Cl 3− , Br / Br 3− , Zn 2+ / Zn, Pb 2+ / Pb, Fe 2+ / Fe, Cr 2+ / Cr, Ga 2+ / Ga, Ti 2+ / Ti, Mn 2+ / Mn, Mg 2+ / Mg, Mg + / Mg, Ag + / Ag, Cd 2+ / Cd, Co 2+ / Co, Cu 2+ / Cu, Cu + / Cu, Hg 2+ / Hg, and the like.
Examples of the redox couple other than the redox couple satisfying the general formula (4) or the general formula (5) include I 3 / I and S 4 2− / S 2 2− .

本開示のフロー電池は、正極及び負極の少なくとも一方にて、充電反応時又は放電反応時に活物質の析出を伴うことが好ましい。また、析出物は金属を含むことがより好ましい。充電反応又は放電反応にて電解液中の活物質が析出することにより、例えば、隔膜を通じた正極側から負極側へのイオンの移動が抑制されてイオン伝導抵抗の上昇が抑制され、長時間にわたって高電流密度かつ高出力なフロー電池とすることができる傾向にある。   In the flow battery of the present disclosure, it is preferable that at least one of the positive electrode and the negative electrode is accompanied by precipitation of an active material during a charge reaction or a discharge reaction. More preferably, the precipitate contains a metal. By depositing the active material in the electrolytic solution in the charge reaction or the discharge reaction, for example, the movement of ions from the positive electrode side to the negative electrode side through the diaphragm is suppressed, and the increase in ionic conduction resistance is suppressed. It tends to be a flow battery with high current density and high output.

充電反応時又は放電反応時に正極及び負極の少なくとも一方にて金属等の析出を伴うような酸化還元対、好ましくは、充電反応時に負極にて金属等の析出を伴うような酸化還元対としては、例えば、Zn2+/Zn、Pb2+/Pb、Fe2+/Fe、Cr2+/Cr、Ga2+/Ga、Ti2+/Ti、Mn2+/Mn、Mg2+/Mg、Mg/Mg、Ag/Ag、Cd2+/Cd、Co2+/Co、Cu2+/Cu、Cu/Cu、Hg2+/Hg、等が挙げられる。 An oxidation-reduction pair that accompanies deposition of metal or the like on at least one of the positive electrode and the negative electrode during charge reaction or discharge reaction, preferably as an oxidation-reduction pair that accompanies deposition of metal or the like on the negative electrode during charge reaction, For example, Zn 2+ / Zn, Pb 2+ / Pb, Fe 2+ / Fe, Cr 2+ / Cr, Ga 2+ / Ga, Ti 2+ / Ti, Mn 2+ / Mn, Mg 2+ / Mg, Mg + / Mg, Ag + / Ag, Cd 2+ / Cd, Co 2+ / Co, Cu 2+ / Cu, Cu + / Cu, Hg 2+ / Hg, and the like.

また、正極では、充電反応時にヨウ素が析出することが好ましく、負極では、充電反応時に金属が析出することが好ましく、亜鉛が析出することがより好ましい。   Further, in the positive electrode, it is preferable that iodine precipitates during the charging reaction, and in the negative electrode, it is preferable that metal precipitates during the charging reaction, and it is more preferable that zinc precipitates.

なお、これらの酸化還元対を正極活物質として含む正極電解液と、これらの酸化還元対を負極活物質として含む負極電解液とを用いてもよい。このとき、負極の標準酸化還元電位が正極の標準酸化還元電位よりも低くなるように、正極活物質と負極活物質の組み合わせを選択すればよい。   In addition, you may use the positive electrode electrolyte solution which contains these redox couples as a positive electrode active material, and the negative electrode electrolyte solution which contains these redox couples as a negative electrode active material. At this time, a combination of the positive electrode active material and the negative electrode active material may be selected so that the standard redox potential of the negative electrode is lower than the standard redox potential of the positive electrode.

上記析出物は、金属を含むことが好ましく、金属であることがより好ましい。また、その金属の体積抵抗率が1.0×10−5Ωcm以下であることが好ましい。上記析出物が金属であり、かつその金属の体積抵抗率が1.0×10−5Ωcm以下であることにより、電極上に析出した金属等が、充放電中の新たな集電体となり、充放電中の電子の授受反応効率の低下を抑制することができる傾向にある。 The deposit preferably contains a metal, more preferably a metal. Further, the volume resistivity of the metal is preferably 1.0 × 10 −5 Ωcm or less. When the deposit is a metal and the volume resistivity of the metal is 1.0 × 10 −5 Ωcm or less, the metal or the like deposited on the electrode becomes a new current collector during charge and discharge, It tends to be able to suppress a decrease in the efficiency of electron transfer reaction during charging and discharging.

正極電解液は、水を含み、かつ正極活物質としてヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方を含むことが好ましい。正極電解液が水を含むことで、正極電解液を低粘度化でき、特に正極電解液を流動させる場合に、フロー電池を高出力化できる傾向にある。また、正極活物質としてヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方を含むことで、安全性に優れ、環境負荷が小さく、また高エネルギー密度のフロー電池が実現できる。ヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方は、液状媒体に分散又は溶解された状態で使用されることが好ましい。   The positive electrode electrolyte preferably contains water and contains at least one of iodine ions and iodine molecules as the positive electrode active material. When the positive electrode electrolyte contains water, the viscosity of the positive electrode electrolyte can be lowered, and particularly when the positive electrode electrolyte is flowed, the flow battery tends to have a higher output. In addition, by including at least one of iodine ions and iodine molecules as the positive electrode active material, a flow battery having excellent safety, low environmental load, and high energy density can be realized. At least one of iodine ions and iodine molecules is preferably used in a state of being dispersed or dissolved in a liquid medium.

ヨウ素イオンとしては、I、I 、I 等が挙げられる。そのため、正極電解液が正極活物質としてヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方を含む場合、例えば、I、I 、I 及びIの少なくとも1種を含んでいればよい。 Examples of iodine ions include I , I 3 , I 5 − and the like. Therefore, when the positive electrode electrolyte solution containing at least one iodine ion and iodine molecule as a positive electrode active material, for example, I -, I 3 -, I 5 - or if it contains and at least one I 2.

また、正極電解液は、ヨウ素化合物を含んでいてもよく、ヨウ素化合物としては、CuI、ZnI、NaI、KI、HI、LiI、NHI、BaI、CaI、MgI、SrI、CI、AgI、NI、テトラアルキルアンモニウムヨージド、ピリジニウムヨージド、ピロリジニウムヨージド、スルフォニウムヨージド等が挙げられる。ヨウ素化合物は、正極電解液中にて電離していてもよい。 Further, positive electrode electrolyte may contain an iodine compound, the iodine compound, CuI, ZnI 2, NaI, KI, HI, LiI, NH 4 I, BaI 2, CaI 2, MgI 2, SrI 2, CI 4 , AgI, NI 3 , tetraalkylammonium iodide, pyridinium iodide, pyrrolidinium iodide, sulfonium iodide and the like can be mentioned. The iodine compound may be ionized in the positive electrode electrolyte.

ヨウ素イオンは、正極電解液中に溶解していることが好ましく、液状媒体として水を用いる場合、ヨウ素化合物としては、NaI、KI及びNHIの少なくともいずれかであることが好ましい。NaI、KI及びNHIは水への溶解度が高いため、NaI、KI及びNHIの少なくともいずれかを用いることで、フロー電池のエネルギー密度をより向上させることが可能である。 Iodine ions are preferably dissolved in the positive electrode electrolyte. When water is used as the liquid medium, the iodine compound is preferably at least one of NaI, KI and NH 4 I. Since NaI, KI and NH 4 I have high solubility in water, the energy density of the flow battery can be further improved by using at least one of NaI, KI and NH 4 I.

正極電解液が、正極活物質としてヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方を含む場合は、充放電反応における主な酸化還元対はI/I であり、以下の式(6)の反応式が起こる。
3I⇔I +2e・・・(6)
この式(6)の反応では、ヨウ素分子の析出は生じず、フロー電池において高電流密度及び高出力な特性を実現できる。
When the positive electrode electrolyte contains at least one of iodine ions and iodine molecules as the positive electrode active material, the main redox pair in the charge / discharge reaction is I / I 3 , and the reaction formula of the following formula (6) Happens.
3I ⇔I 3 + 2e (6)
In the reaction of the formula (6), precipitation of iodine molecules does not occur, and high current density and high output characteristics can be realized in the flow battery.

正極電解液が、正極活物質としてヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方を含む場合は、式(6)の反応以外に、充放電条件等によっては、以下の式(7)のような反応を伴うことがある。
2I⇔I+2e・・・(7)
この式(7)の反応では、充電中にIイオンが酸化されてIを生成することを意味している。Iが生成する場合、Iが固体として電極表面に析出し、電極の空隙率を低下させ、圧力損失を増加させる可能性がある。このため、正極活物質としてヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方を用いる場合、圧力損失の増加を抑制する点から、正極電解液の流通方向において、正極に少なくとも二つの空隙率の異なる領域が設けられていることが好ましく、正極電解液の流出側よりも正極電解液の流入側にて正極の空隙率を高くすること、又は、厚さ方向において、正極の隔膜側の空隙率がその反対側の空隙率よりも高いことがより好ましい。
When the positive electrode electrolyte contains at least one of iodine ions and iodine molecules as the positive electrode active material, in addition to the reaction of the formula (6), a reaction such as the following formula (7) is involved depending on charge / discharge conditions and the like. Sometimes.
2I ⇔I 2 + 2e (7)
In the reaction of the formula (7), it means that the I ion is oxidized during the charging to generate I 2 . When I 2 is generated, I 2 is deposited on the electrode surface as a solid, which may reduce the porosity of the electrode and increase the pressure loss. Therefore, when at least one of iodine ions and iodine molecules is used as the positive electrode active material, at least two regions with different porosity are provided in the positive electrode in the flow direction of the positive electrode electrolyte from the viewpoint of suppressing an increase in pressure loss. It is preferable that the porosity of the positive electrode is higher on the inflow side of the positive electrode electrolyte than the outflow side of the positive electrode electrolyte, or the porosity on the diaphragm side of the positive electrode is on the opposite side in the thickness direction. It is more preferable that the porosity is higher.

正極電解液において、ヨウ素化合物及びヨウ素分子の合計の含有率は、1質量%〜80質量%であることが好ましく、3質量%〜70質量%であることがより好ましく、5質量%〜50質量%であることが更に好ましい。ヨウ素化合物及びヨウ素分子の合計の含有率を1質量%以上とすることで、高容量で実用に適したフロー電池が得られる傾向にある。また、ヨウ素化合物及びヨウ素分子の合計の含有率を80質量%以下とすることで、液状媒体中での溶解性又は分散性が良好なものとなる傾向にある。なお、ヨウ素化合物及びヨウ素分子の含有率とは、正極電解液中におけるヨウ素化合物由来のイオン及びヨウ素分子の合計の含有率を表し、正極電解液中におけるヨウ素化合物由来のイオン(例えば、I、I 、I 及びこれらの対イオン)及びヨウ素分子(I)の合計の含有率を表す。 In the positive electrode electrolyte, the total content of iodine compounds and iodine molecules is preferably 1% by mass to 80% by mass, more preferably 3% by mass to 70% by mass, and 5% by mass to 50% by mass. % Is more preferable. By setting the total content of the iodine compound and iodine molecules to 1% by mass or more, a flow battery suitable for practical use with a high capacity tends to be obtained. Moreover, it exists in the tendency for the solubility or dispersibility in a liquid medium to become favorable because the total content rate of an iodine compound and an iodine molecule shall be 80 mass% or less. In addition, the content rate of an iodine compound and an iodine molecule represents the total content rate of the ion derived from an iodine compound and an iodine molecule in a positive electrode electrolyte, and the ion derived from the iodine compound in a positive electrode electrolyte (for example, I , I 3 , I 5 and their counter ions) and the total content of iodine molecules (I 2 ).

負極電解液は、水を含み、かつ負極活物質として亜鉛イオン(Zn2+)、亜鉛(Zn)及びポリスルフィドの少なくともいずれかを含むことが好ましく、水を含み、かつ負極活物質として亜鉛イオン(Zn2+)及び亜鉛(Zn)の少なくとも一方を含むことがより好ましい。負極電解液が水を含むことで、負極電解液を低粘度化でき、特に負極電解液を流動させる場合に、フロー電池を高出力化できる傾向にある。また、負極活物質として亜鉛イオン及び亜鉛の少なくとも一方を含むことで、安全性に優れ、環境負荷が小さく、また高エネルギー密度のフロー電池が実現できる。亜鉛イオンは、亜鉛を含む化合物由来であってもよい。また、亜鉛を含む化合物としては、ヨウ化亜鉛、酢酸亜鉛、硝酸亜鉛、テレフタル酸亜鉛、硫酸亜鉛、塩化亜鉛、臭化亜鉛、酸化亜鉛、過酸化亜鉛、セレン化亜鉛、二燐酸亜鉛、アクリル酸亜鉛、水酸化炭酸亜鉛、ステアリン酸亜鉛、プロピオン酸亜鉛、フッ化亜鉛、クエン酸亜鉛等が挙げられる。中でも、塩化亜鉛及び硫酸亜鉛が好ましい。 The negative electrode electrolyte preferably contains water and preferably contains at least one of zinc ions (Zn 2+ ), zinc (Zn) and polysulfide as a negative electrode active material, and contains water and zinc ions (Zn) as a negative electrode active material. More preferably, it includes at least one of ( 2+ ) and zinc (Zn). When the negative electrode electrolyte contains water, the viscosity of the negative electrode electrolyte can be reduced, and particularly when the negative electrode electrolyte is flowed, the flow battery tends to have a higher output. In addition, by including at least one of zinc ions and zinc as the negative electrode active material, a flow battery having excellent safety, low environmental load, and high energy density can be realized. The zinc ion may be derived from a compound containing zinc. The compounds containing zinc include zinc iodide, zinc acetate, zinc nitrate, zinc terephthalate, zinc sulfate, zinc chloride, zinc bromide, zinc oxide, zinc peroxide, zinc selenide, zinc diphosphate, acrylic acid Examples thereof include zinc, zinc hydroxide carbonate, zinc stearate, zinc propionate, zinc fluoride, and zinc citrate. Of these, zinc chloride and zinc sulfate are preferable.

電解液としては、正極活物質としてヨウ素分子及びヨウ素イオンの少なくとも一方を含む正極電解液と、負極活物質として金属等の析出を伴うような酸化還元対を含む負極電解液との組み合わせが好ましく、正極活物質としてヨウ素分子及びヨウ素イオンの少なくとも一方を含む正極電解液と、負極活物質として亜鉛及び亜鉛イオンの少なくとも一方を含む負極電解液との組み合わせがより好ましい。   As the electrolytic solution, a combination of a positive electrode electrolytic solution containing at least one of iodine molecules and iodine ions as a positive electrode active material and a negative electrode electrolytic solution containing a redox pair that accompanies deposition of metal or the like as a negative electrode active material, A combination of a positive electrode electrolyte containing at least one of iodine molecules and iodine ions as the positive electrode active material and a negative electrode electrolyte containing at least one of zinc and zinc ions as the negative electrode active material is more preferable.

正極電解液中の正極活物質の含有率は特に制限はなく、充放電反応の活性の点から、例えば、0.1質量%〜80.0質量%であることが好ましく、0.5質量%〜75.0質量%であることがより好ましく、1.0質量%〜70.0質量%であることが更に好ましい。   There is no restriction | limiting in particular in the content rate of the positive electrode active material in positive electrode electrolyte solution, From the point of the activity of charging / discharging reaction, it is preferable that it is 0.1 mass%-80.0 mass%, for example, 0.5 mass%. It is more preferably ˜75.0% by mass, and further preferably 1.0% by mass to 70.0% by mass.

負極電解液中の負極活物質の含有率は特に制限はなく、充放電反応の活性の点から、例えば、0.1質量%〜80.0質量%であることが好ましく、0.5質量%〜75.0質量%であることがより好ましく、1.0質量%〜70.0質量%であることが更に好ましい。   There is no restriction | limiting in particular in the content rate of the negative electrode active material in negative electrode electrolyte solution, From the point of the activity of charging / discharging reaction, it is preferable that it is 0.1 mass%-80.0 mass%, for example, 0.5 mass% It is more preferably ˜75.0% by mass, and further preferably 1.0% by mass to 70.0% by mass.

<液状媒体>
電解液は、少なくとも一種の活物質が液状媒体に溶解又は分散されたものであることが好ましい。液状媒体とは、室温(25℃)において液体の状態の媒体をいう。
<Liquid medium>
The electrolytic solution is preferably one in which at least one active material is dissolved or dispersed in a liquid medium. A liquid medium means a medium in a liquid state at room temperature (25 ° C.).

液状媒体としては、アセトン、メチルエチルケトン、メチル−n−プロピルケトン、メチルイソプロピルケトン、メチル−n−ブチルケトン、メチルイソブチルケトン、メチル−n−ペンチルケトン、メチル−n−ヘキシルケトン、ジエチルケトン、ジプロピルケトン、ジイソブチルケトン、トリメチルノナノン、シクロヘキサノン、シクロペンタノン、メチルシクロヘキサノン、2,4−ペンタンジオン、アセトニルアセトン等のケトン系溶剤;ジエチルエーテル、メチルエチルエーテル、メチル−n−プロピルエーテル、ジイソプロピルエーテル、テトラヒドロフラン、メチルテトラヒドロフラン、ジオキサン、ジメチルジオキサン、エチレングリコールジメチルエーテル、エチレングリコールジエチルエーテル、エチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、エチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジメチルエーテル、ジエチレングリコールジエチルエーテル、ジエチレングリコールメチルエチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリエチレングリコールジメチルエーテル、トリエチレングリコールジエチルエーテル、トリエチレングリコールメチルエチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチルエチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、テトラエチレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラエチレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、プロピレングリコールジメチルエーテル、プロピレングリコールジエチルエーテル、プロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、プロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジメチルエーテル、ジプロピレングリコールジエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチルエチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−プロピルエーテル、ジプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、ジプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、トリプロピレングリコールジメチルエーテル、トリプロピレングリコールジエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチルエチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、トリプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル、テトラプロピレングリコールジメチルエーテル、テトラプロピレングリコールジエチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチルエチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ブチルエーテル、テトラプロピレングリコールジ−n−ブチルエーテル、テトラプロピレングリコールメチル−n−ヘキシルエーテル等のエーテル系溶剤;プロピレンカーボネート、エチレンカーボネート、ジエチルカーボネート等のカーボネート系溶剤;酢酸メチル、酢酸エチル、酢酸n−プロピル、酢酸イソプロピル、酢酸n−ブチル、酢酸イソブチル、酢酸sec−ブチル、酢酸n−ペンチル、酢酸sec−ペンチル、酢酸3−メトキシブチル、酢酸メチルペンチル、酢酸2−エチルブチル、酢酸2−エチルヘキシル、酢酸2−(2−ブトキシエトキシ)エチル、酢酸ベンジル、酢酸シクロヘキシル、酢酸メチルシクロヘキシル、酢酸ノニル、アセト酢酸メチル、アセト酢酸エチル、酢酸ジエチレングリコールメチルエーテル、酢酸ジエチレングリコールモノエチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールメチルエーテル、酢酸ジプロピレングリコールエチルエーテル、ジ酢酸グリコール、酢酸メトキシトリエチレングリコール、プロピオン酸エチル、プロピオン酸n−ブチル、プロピオン酸イソアミル、シュウ酸ジエチル、シュウ酸ジ−n−ブチル、乳酸メチル、乳酸エチル、乳酸n−ブチル、乳酸n−アミル、エチレングリコールメチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールエチルエーテルプロピオネート、エチレングリコールメチルエーテルアセテート、エチレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールメチルエーテルアセテート、プロピレングリコールエチルエーテルアセテート、プロピレングリコールプロピルエーテルアセテート、γ−ブチロラクトン、γ−バレロラクトン等のエステル系溶剤;アセトニトリル、N−メチルピロリジノン、N−エチルピロリジノン、N−プロピルピロリジノン、N−ブチルピロリジノン、N−ヘキシルピロリジノン、N−シクロヘキシルピロリジノン、N,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミド、ジメチルスルホキシド等の非プロトン性極性溶剤;メタノール、エタノール、n−プロパノール、イソプロパノール、n−ブタノール、イソブタノール、sec−ブタノール、t−ブタノール、n−ペンタノール、イソペンタノール、2−メチルブタノール、sec−ペンタノール、t−ペンタノール、3−メトキシブタノール、n−ヘキサノール、2−メチルペンタノール、sec−ヘキサノール、2−エチルブタノール、sec−ヘプタノール、n−オクタノール、2−エチルヘキサノール、sec−オクタノール、n−ノニルアルコール、n−デカノール、sec−ウンデシルアルコール、トリメチルノニルアルコール、sec−テトラデシルアルコール、sec−ヘプタデシルアルコール、シクロヘキサノール、メチルシクロヘキサノール、ベンジルアルコール、エチレングリコール、1,2−プロピレングリコール、1,3−ブチレングリコール、ジエチレングリコール、ジプロピレングリコール、トリエチレングリコール、トリプロピレングリコール等のアルコール系溶剤;エチレングリコールモノメチルエーテル、エチレングリコールモノエチルエーテル、エチレングリコールモノフェニルエーテル、ジエチレングリコールモノメチルエーテル、ジエチレングリコールモノエチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、ジエチレングリコールモノ−n−ヘキシルエーテル、トリエチレングリコールモノエチルエーテル、テトラエチレングリコールモノ−n−ブチルエーテル、プロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノメチルエーテル、ジプロピレングリコールモノエチルエーテル、トリプロピレングリコールモノメチルエーテル等のグリコールモノエーテル系溶剤;α−テルピネン、ミルセン、アロオシメン、リモネン、ジペンテン、α−ピネン、β−ピネン、ターピネオール、カルボン、オシメン、フェランドレン等のテルペン系溶剤;水などが挙げられる。液状媒体は、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。   Liquid media include acetone, methyl ethyl ketone, methyl-n-propyl ketone, methyl isopropyl ketone, methyl-n-butyl ketone, methyl isobutyl ketone, methyl-n-pentyl ketone, methyl-n-hexyl ketone, diethyl ketone, dipropyl ketone , Ketone solvents such as diisobutyl ketone, trimethylnonanone, cyclohexanone, cyclopentanone, methylcyclohexanone, 2,4-pentanedione, acetonylacetone; diethyl ether, methyl ethyl ether, methyl-n-propyl ether, diisopropyl ether, Tetrahydrofuran, methyltetrahydrofuran, dioxane, dimethyldioxane, ethylene glycol dimethyl ether, ethylene glycol diethyl ether, ethylene glycol di n-propyl ether, ethylene glycol di-n-butyl ether, diethylene glycol dimethyl ether, diethylene glycol diethyl ether, diethylene glycol methyl ethyl ether, diethylene glycol methyl n-propyl ether, diethylene glycol methyl n-butyl ether, diethylene glycol di-n-propyl ether, diethylene glycol di -N-butyl ether, diethylene glycol methyl-n-hexyl ether, triethylene glycol dimethyl ether, triethylene glycol diethyl ether, triethylene glycol methyl ethyl ether, triethylene glycol methyl n-butyl ether, triethylene glycol di-n-butyl ether, triethylene glycol Ethylene glycol Ru-n-hexyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol diethyl ether, tetraethylene glycol methyl ethyl ether, tetraethylene glycol methyl n-butyl ether, tetraethylene glycol di-n-butyl ether, tetraethylene glycol methyl n- Hexyl ether, propylene glycol dimethyl ether, propylene glycol diethyl ether, propylene glycol di-n-propyl ether, propylene glycol di-n-butyl ether, dipropylene glycol dimethyl ether, dipropylene glycol diethyl ether, dipropylene glycol methyl ethyl ether, dipropylene glycol Methyl-n-butyl ether, dipropylene glycol Cold di-n-propyl ether, dipropylene glycol di-n-butyl ether, dipropylene glycol methyl-n-hexyl ether, tripropylene glycol dimethyl ether, tripropylene glycol diethyl ether, tripropylene glycol methyl ethyl ether, tripropylene glycol methyl-n -Butyl ether, tripropylene glycol di-n-butyl ether, tripropylene glycol methyl-n-hexyl ether, tetrapropylene glycol dimethyl ether, tetrapropylene glycol diethyl ether, tetrapropylene glycol methyl ethyl ether, tetrapropylene glycol methyl-n-butyl ether, tetra Propylene glycol di-n-butyl ether, tetrapropylene Ether solvents such as ethylene glycol methyl-n-hexyl ether; carbonate solvents such as propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate; methyl acetate, ethyl acetate, n-propyl acetate, isopropyl acetate, n-butyl acetate, isobutyl acetate, Sec-butyl acetate, n-pentyl acetate, sec-pentyl acetate, 3-methoxybutyl acetate, methylpentyl acetate, 2-ethylbutyl acetate, 2-ethylhexyl acetate, 2- (2-butoxyethoxy) ethyl acetate, benzyl acetate, acetic acid Cyclohexyl, methyl cyclohexyl acetate, nonyl acetate, methyl acetoacetate, ethyl acetoacetate, diethylene glycol methyl ether acetate, diethylene glycol monoethyl ether acetate, dipropylene glycol methyl ether acetate Dipropylene glycol ethyl ether, glycol diacetate, methoxytriethylene glycol acetate, ethyl propionate, n-butyl propionate, isoamyl propionate, diethyl oxalate, di-n-butyl oxalate, methyl lactate, ethyl lactate, lactic acid n-butyl, n-amyl lactate, ethylene glycol methyl ether propionate, ethylene glycol ethyl ether propionate, ethylene glycol methyl ether acetate, ethylene glycol ethyl ether acetate, propylene glycol methyl ether acetate, propylene glycol ethyl ether acetate, propylene Ester solvents such as glycol propyl ether acetate, γ-butyrolactone, γ-valerolactone; acetonitrile, N-methyl Aprotic polarities such as rupyrrolidinone, N-ethylpyrrolidinone, N-propylpyrrolidinone, N-butylpyrrolidinone, N-hexylpyrrolidinone, N-cyclohexylpyrrolidinone, N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide, dimethylsulfoxide Solvent: methanol, ethanol, n-propanol, isopropanol, n-butanol, isobutanol, sec-butanol, t-butanol, n-pentanol, isopentanol, 2-methylbutanol, sec-pentanol, t-pentanol , 3-methoxybutanol, n-hexanol, 2-methylpentanol, sec-hexanol, 2-ethylbutanol, sec-heptanol, n-octanol, 2-ethylhexanol, sec-oct Tanol, n-nonyl alcohol, n-decanol, sec-undecyl alcohol, trimethylnonyl alcohol, sec-tetradecyl alcohol, sec-heptadecyl alcohol, cyclohexanol, methylcyclohexanol, benzyl alcohol, ethylene glycol, 1,2- Alcohol solvents such as propylene glycol, 1,3-butylene glycol, diethylene glycol, dipropylene glycol, triethylene glycol, tripropylene glycol; ethylene glycol monomethyl ether, ethylene glycol monoethyl ether, ethylene glycol monophenyl ether, diethylene glycol monomethyl ether, Diethylene glycol monoethyl ether, diethylene glycol mono-n-butyl ether Diethylene glycol mono-n-hexyl ether, triethylene glycol monoethyl ether, tetraethylene glycol mono-n-butyl ether, propylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monomethyl ether, dipropylene glycol monoethyl ether, tripropylene glycol monomethyl ether, etc. And terpene solvents such as α-terpinene, myrcene, alloocimene, limonene, dipentene, α-pinene, β-pinene, terpineol, carvone, oximene, and ferrandrene; water and the like. A liquid medium may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

<ポリマー>
電解液(特に、正極電解液)がヨウ素分子及びヨウ素イオンの少なくとも一方を含む場合、ヨウ素イオンと錯体を形成するポリマーを含んでいてもよい。電解液がヨウ素イオンと錯体を形成するポリマーを含むことで、ヨウ素イオンの酸化還元反応中に生じる可能性のあるヨウ素分子の析出が抑制され、フロー電池を高出力化できる傾向にある。ヨウ素イオンと錯体を形成するポリマーとしては、ナイロン6、ポリテトラヒドロフラン、ポリビニルアルコール、ポリアクリロニトリル、ポリ−4−ビニルピリジン、ポリビニルピロリドン、ポリメチル(メタ)アクリレート、ポリテトラメチレンエーテルグリコール、ポリアクリルアミド、ポリプロピレングリコール、ポリエチレングリコール、ポリエチレンオキシド等が挙げられる。これらのポリマーは、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
<Polymer>
When the electrolytic solution (particularly, the positive electrode electrolytic solution) contains at least one of iodine molecules and iodine ions, it may contain a polymer that forms a complex with iodine ions. When the electrolytic solution contains a polymer that forms a complex with iodine ions, precipitation of iodine molecules that may occur during the oxidation-reduction reaction of iodine ions is suppressed, and the flow battery tends to have high output. Polymers that form complexes with iodine ions include nylon 6, polytetrahydrofuran, polyvinyl alcohol, polyacrylonitrile, poly-4-vinylpyridine, polyvinylpyrrolidone, polymethyl (meth) acrylate, polytetramethylene ether glycol, polyacrylamide, polypropylene glycol , Polyethylene glycol, polyethylene oxide and the like. These polymers may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.

<ヨウ素分子に対する良溶媒>
また、電解液(特に、正極電解液)がヨウ素分子及びヨウ素イオンの少なくとも一方を含む場合、水以外にヨウ素分子に対する良溶媒を含むことが好ましい。電解液がヨウ素分子に対する良溶媒を含むことにより、充放電反応時に電極に形成されるヨウ素皮膜が薄膜化され、皮膜による充放電反応の阻害が抑えられる傾向にある。ヨウ素分子に対する良溶媒としては、ジメチルホルムアミド、ジエチルホルムアミド、アセトアミド、ジメチルアセトアミド、N−メチルピロリドン、N−エチルピロリドン等のアミド、アセトン、メチルエチルケトン等のケトン、酢酸メチル、酢酸エチル、ニコチン酸メチル等のエステル、ジメチルスルホキシド等のスルホキシド、エタノール、エチレングリコール等のアルコール、ジエチルエーテル等のエーテル、ニコチンアミド、シアノピリジン等のピリジン誘導体などが挙げられる。ヨウ素分子に対する良溶媒としては、1種を単独で用いてもよく、2種以上を併用してもよい。
<Good solvent for iodine molecules>
Moreover, when electrolyte solution (especially positive electrode electrolyte solution) contains at least one of an iodine molecule and an iodine ion, it is preferable to contain the good solvent with respect to an iodine molecule other than water. When the electrolytic solution contains a good solvent for iodine molecules, the iodine film formed on the electrode during the charge / discharge reaction is thinned and the inhibition of the charge / discharge reaction by the film tends to be suppressed. Good solvents for iodine molecules include amides such as dimethylformamide, diethylformamide, acetamide, dimethylacetamide, N-methylpyrrolidone, N-ethylpyrrolidone, ketones such as acetone and methylethylketone, methyl acetate, ethyl acetate, and methyl nicotinate. Examples thereof include esters, sulfoxides such as dimethyl sulfoxide, alcohols such as ethanol and ethylene glycol, ethers such as diethyl ether, pyridine derivatives such as nicotinamide and cyanopyridine. As a good solvent for iodine molecules, one kind may be used alone, or two or more kinds may be used in combination.

<支持電解質>
正極電解液及び負極電解液は、さらに支持電解質を含んでいてもよい。電解液が支持電解質を含むことで、電解液中のイオン伝導率を高めることができ、フロー電池の内部抵抗を低減できる傾向にある。
<Supporting electrolyte>
The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte may further contain a supporting electrolyte. When the electrolytic solution contains the supporting electrolyte, the ionic conductivity in the electrolytic solution can be increased, and the internal resistance of the flow battery tends to be reduced.

支持電解質としては、例えば、HCl、HNO、HSO、HClO、NaCl、NaSO、NaClO、KCl、KSO、KClO、NaOH、LiOH、KOH、アルキルアンモニウム塩、アルキルイミダゾリウム塩、アルキルピペリジウム塩及びアルキルピロリジニウム塩が挙げられる。支持電解質は、1種単独で用いても、2種以上を併用してもよい。 Examples of the supporting electrolyte include HCl, HNO 3 , H 2 SO 4 , HClO 4 , NaCl, Na 2 SO 4 , NaClO 4 , KCl, K 2 SO 4 , KClO 4 , NaOH, LiOH, KOH, alkylammonium salt, Examples include alkyl imidazolium salts, alkyl piperidinium salts, and alkyl pyrrolidinium salts. A supporting electrolyte may be used individually by 1 type, or may use 2 or more types together.

正極電解液及び負極電解液は、さらにpH緩衝剤を含んでいてもよい。pH緩衝剤としては、例えば、酢酸緩衝剤、リン酸緩衝剤、クエン酸緩衝剤、ホウ酸緩衝剤、酒石緩衝剤及びトリス緩衝液が挙げられる。   The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte may further contain a pH buffer. Examples of the pH buffer include an acetate buffer, a phosphate buffer, a citrate buffer, a borate buffer, a tartar buffer, and a Tris buffer.

(双極板)
フロー電池は、正極における負極と対向する側とは反対側及び負極における正極と対向する側とは反対側に設けられ、正極及び負極と電子の授受をそれぞれ行う一対の双極板を備えていることが好ましい。双極板としては、例えば、カーボン材料系及び金属材料系が挙げられ、コスト及び電解液に対する耐食性の点から、カーボン材料系を用いることが好ましい。また、双極板としては、黒鉛粉、バインダー等を混練した複合材にプレス、射出等の成形を施して得られる板状の双極板が好ましい。なお、後述の図2のように正極及び負極を1つずつ備える単セル構造の場合、双極板は無くてもよく、集電板が電解液と接触することによる集電板の腐食を抑制する点から双極板を備えていてもよい。
(Bipolar plate)
The flow battery includes a pair of bipolar plates that are provided on the side opposite to the side facing the negative electrode in the positive electrode and on the side opposite to the side facing the positive electrode in the negative electrode, and each exchange electrons with the positive electrode and the negative electrode. Is preferred. Examples of the bipolar plate include a carbon material system and a metal material system, and it is preferable to use a carbon material system from the viewpoints of cost and corrosion resistance against an electrolytic solution. The bipolar plate is preferably a plate-like bipolar plate obtained by subjecting a composite material obtained by kneading graphite powder, a binder or the like to molding such as pressing or injection. In addition, in the case of a single cell structure having one positive electrode and one negative electrode as shown in FIG. 2 described later, there is no need for a bipolar plate, and the corrosion of the current collector plate due to the current collector plate coming into contact with the electrolyte is suppressed. A bipolar plate may be provided from the point.

(参照電極)
フロー電池は、正極の電位を計測するための正極用参照電極を備えていてもよく、負極の電位を測定するための負極用参照電極を備えていてもよい。なお、フロー電池では、正極用参照電極及び負極用参照電極は必須の構成ではなく、必要に応じて正極用参照電極及び負極用参照電極を用い、フロー電池における正極の電位及び負極の電位を測定してもよい。
(Reference electrode)
The flow battery may include a positive electrode reference electrode for measuring the positive electrode potential, or may include a negative electrode reference electrode for measuring the negative electrode potential. In the flow battery, the reference electrode for the positive electrode and the reference electrode for the negative electrode are not indispensable components, and the positive electrode reference electrode and the negative electrode reference electrode are used as necessary to measure the positive electrode potential and the negative electrode potential. May be.

参照電極としては、Ag/AgCl参照電極、Ag/AgI参照電極、Ag/AgBr参照電極、Zn/Zn2+参照電極等が挙げられる。 Examples of the reference electrode include an Ag / AgCl reference electrode, an Ag / AgI reference electrode, an Ag / AgBr reference electrode, and a Zn / Zn 2+ reference electrode.

(正極電解液貯留部及び負極電解液貯留部)
フロー電池は、正極活物質を含む正極電解液を貯留する正極電解液貯留部及び負極活物質を含む負極電解液を貯留する負極電解液貯留部を備える。正極電解液貯留部及び負極電解液貯留部としては、例えば、電解液貯留タンクが挙げられる。
(Cathode electrolyte reservoir and anode electrolyte reservoir)
The flow battery includes a positive electrode electrolyte storage part that stores a positive electrode electrolyte containing a positive electrode active material and a negative electrode electrolyte storage part that stores a negative electrode electrolyte containing a negative electrode active material. As a positive electrode electrolyte storage part and a negative electrode electrolyte storage part, an electrolyte storage tank is mentioned, for example.

(送液部)
フロー電池は、正極と正極電解液貯留部との間で正極電解液を循環させ、負極と負極電解液貯留部との間で負極電解液を循環させる送液部を備えることが好ましい。正極電解液貯留部に貯留された正極電解液が送液部を通じて正極が配置された正極室に供給され、負極電解液貯留部に貯留された負極電解液が送液部を通じて負極が配置された負極室に供給される。
(Liquid feeding part)
The flow battery preferably includes a liquid feeding part that circulates the positive electrode electrolyte between the positive electrode and the positive electrode electrolyte reservoir and circulates the negative electrode electrolyte between the negative electrode and the negative electrode electrolyte reservoir. The positive electrode electrolyte stored in the positive electrode electrolyte reservoir is supplied to the positive electrode chamber where the positive electrode is disposed through the liquid delivery unit, and the negative electrode electrolyte stored in the negative electrode electrolyte reservoir is disposed through the liquid feeder. Supplied to the negative electrode chamber.

フロー電池では、送液部は例えば、正極室と正極電解液貯留部との間で正極電解液を循環させ、かつ負極室と負極電解液貯留部との間で負極電解液を循環させる循環経路及び送液ポンプを備えていてもよい。   In the flow battery, for example, the liquid supply unit circulates the positive electrode electrolyte between the positive electrode chamber and the positive electrode electrolyte storage unit and circulates the negative electrode electrolyte between the negative electrode chamber and the negative electrode electrolyte storage unit. And a liquid feed pump.

正極室と正極電解液貯留部との間で循環させる正極電解液の量及び負極室と負極電解液貯留部との間で循環させる負極電解液の量は、それぞれ送液ポンプを用いて適宜調整すればよく、例えば、電池スケールに応じて適宜設定することができる。   The amount of the positive electrode electrolyte to be circulated between the positive electrode chamber and the positive electrode electrolyte reservoir and the amount of the negative electrode electrolyte to be circulated between the negative electrode chamber and the negative electrode electrolyte reservoir are appropriately adjusted using a liquid feed pump, respectively. What is necessary is just to set suitably according to a battery scale, for example.

(フロー電池の充放電特性)
フロー電池の充放電特性としては、電池容量の他に、電流効率(Current Efficiency:CE)、電圧効率(Voltage Efficiency:VE)及び電力効率(Energy Efficiency:EE)が挙げられる。
電流効率CEは、放電で得られた電気量と充電に要した電気量の割合である。電圧効率VEは、放電時平均電圧と充電時平均電圧の割合である。また電力効率EEは、放電した電力量と充電した電力量の割合である。
(Charge / discharge characteristics of flow battery)
As the charge / discharge characteristics of the flow battery, in addition to the battery capacity, current efficiency (CE), voltage efficiency (VE), and power efficiency (EE) are listed.
The current efficiency CE is a ratio between the amount of electricity obtained by discharging and the amount of electricity required for charging. The voltage efficiency VE is a ratio of the average voltage during discharging and the average voltage during charging. The power efficiency EE is a ratio between the discharged electric energy and the charged electric energy.

図1は、本開示のフロー電池の部材構成の一例を示す模式図である。正極1aと負極1bは、隔膜2によって隔てられており、かつ、正極1aと隔膜2の間、及び負極1bと隔膜2の間に絶縁多孔体16が配置されている。充放電反応時は、各電極と双極板5の間で電子の授受が行われる。双極板5は、双極板フレーム6として用いられることがある。双極板フレーム6は、各電極と同程度の面積の双極板5が露出した状態で、外周部をシール材3等で囲われた構造を有している。更に双極板5は、集電板9と接触しており、充放電を行う際の外部端子に接続される。また各電極の外周部には、シール材3及び分液板4が配置され、分液板4にはスリット(溝、図示せず)が形成されており、電解液(図示せず)を各電極内に流通させることができる。   FIG. 1 is a schematic diagram illustrating an example of a member configuration of a flow battery according to the present disclosure. The positive electrode 1 a and the negative electrode 1 b are separated by a diaphragm 2, and the insulating porous body 16 is disposed between the positive electrode 1 a and the diaphragm 2 and between the negative electrode 1 b and the diaphragm 2. During the charge / discharge reaction, electrons are exchanged between each electrode and the bipolar plate 5. The bipolar plate 5 may be used as the bipolar plate frame 6. The bipolar plate frame 6 has a structure in which the outer peripheral portion is surrounded by the sealing material 3 or the like in a state where the bipolar plate 5 having the same area as each electrode is exposed. Further, the bipolar plate 5 is in contact with the current collector plate 9 and is connected to an external terminal for charging and discharging. Moreover, the sealing material 3 and the liquid separation plate 4 are arrange | positioned in the outer peripheral part of each electrode, The slit (a groove | channel, not shown) is formed in the liquid separation plate 4, and electrolyte solution (not shown) is each shown. It can be distributed in the electrode.

具体的には、正極電解液極室入口8aから注入された正極電解液は、正極の分液板4に到達し、スリットを経由して正極1a内に流通する。ここで、図1における正極電解液の流通方向は下方から上方である。ついで、正極1aの上端から正極の分液板4に形成されたスリットを通じ、正極のシール材3、隔膜2、負極のシール材3、負極の分液板4及び負極の双極板フレーム6の端部に形成された正極電解液流通経路(マニホールドと呼ぶことがある)を通じ、正極電解液極室出口8bから流出する。   Specifically, the positive electrode electrolyte injected from the positive electrode electrolyte electrode chamber inlet 8a reaches the positive electrode separator 4 and flows into the positive electrode 1a through the slit. Here, the flow direction of the positive electrode electrolyte in FIG. 1 is from the bottom to the top. Next, through the slit formed in the positive electrode separator plate 4 from the upper end of the positive electrode 1a, the ends of the positive electrode seal material 3, the diaphragm 2, the negative electrode seal material 3, the negative electrode separator plate 4, and the negative electrode bipolar plate frame 6 are provided. It flows out from the positive electrode electrolyte electrode chamber outlet 8b through the positive electrode electrolyte flow path (sometimes called a manifold) formed in the section.

また、負極電解液極室入口8cから注入された負極電解液は、負極の分液板4に到達し、スリットを経由して負極1b内に流通する。ここで、図1における負極電解液の流通方向は下方から上方である。ついで、負極1bの上端から負極の分液板4に形成されたスリットを通じ、負極のシール材3、隔膜2、正極のシール材3、正極の分液板4及び正極の双極板フレーム6の端部に形成された負極電解液流通経路(マニホールドと呼ぶことがある)を通じ、負極電解液極室出口8dから流出する。   Moreover, the negative electrode electrolyte injected from the negative electrode electrolyte electrode chamber inlet 8c reaches the liquid separator 4 of the negative electrode, and circulates in the negative electrode 1b via the slit. Here, the flow direction of the negative electrode electrolyte in FIG. 1 is from the bottom to the top. Next, through the slit formed in the negative electrode separation plate 4 from the upper end of the negative electrode 1b, the ends of the negative electrode sealing material 3, the diaphragm 2, the positive electrode sealing material 3, the positive electrode liquid separation plate 4, and the positive electrode bipolar plate frame 6 It flows out from the negative electrode electrolyte electrode chamber outlet 8d through a negative electrode electrolyte flow path (sometimes called a manifold) formed in the section.

図2は、フロー電池の模式図である。すなわち、正極電解液極室出口8bから流出した正極電解液10aは、配管(循環経路)13を通り、正極電解液貯留部11aに貯留される。また、負極電解液極室出口8dから流出した負極電解液10bは、配管(循環経路)13を通り、負極電解液貯留部11bに貯留される。このようにして、充放電中には、正極電解液10a及び負極電解液10bが、送液ポンプ12を作動させることで、それぞれ正極1a及び負極1b内に流通し、正極電解液貯留部11a及び負極電解液貯留部11bに再び戻ってくるサイクルを繰り返す。充放電を行う際の電気的な制御は、電源14及び外部負荷15を用いて行われる。さらに、図2において、正極1aと隔膜2の間、及び、負極1bと隔膜2の間に、絶縁多孔体16がそれぞれ配置されている。   FIG. 2 is a schematic diagram of a flow battery. That is, the positive electrode electrolyte solution 10a flowing out from the positive electrode electrolyte electrode chamber outlet 8b passes through the pipe (circulation path) 13 and is stored in the positive electrode electrolyte storage part 11a. Further, the negative electrode electrolyte 10b flowing out from the negative electrode electrolyte electrode chamber outlet 8d passes through the pipe (circulation path) 13 and is stored in the negative electrode electrolyte storage part 11b. Thus, during charging and discharging, the positive electrode electrolyte 10a and the negative electrode electrolyte 10b are circulated in the positive electrode 1a and the negative electrode 1b, respectively, by operating the liquid feed pump 12, and the positive electrode electrolyte reservoir 11a and The cycle of returning to the negative electrode electrolyte storage part 11b again is repeated. Electrical control when charging / discharging is performed using the power supply 14 and the external load 15. Further, in FIG. 2, insulating porous bodies 16 are disposed between the positive electrode 1 a and the diaphragm 2 and between the negative electrode 1 b and the diaphragm 2, respectively.

図3は、図2で示した正極及び負極の各部材の組み合わせ(セルとも呼ぶ)を、電気的に直列に接続し、スタック構造にした状態のフロー電池の模式図である。セルの数を増やし、スタック構造にすることで、フロー電池の出力電圧を増加させることができる。ここで、隣り合うセルの正極1a及び負極1bは、双極板5を介して電気的に接続されており、充放電時の電子の授受が可能になる。また正極電解液10a及び負極電解液10bは、直列に配置された各電極に並列に流通できるよう、配管(循環経路)13の構造を変更したこと以外は、図2と同様である。なお、スタック構造にした状態のフロー電池において、正極と負極とが対向する側とは、正極と負極との間に双極板が設けられていない側を指し、図3では、正極1aと負極1bとの間に隔膜2が存在する側を指す。また、図3においても、各セルにおいて、正極1aと隔膜2の間、及び、負極1bと隔膜2の間に、絶縁多孔体16がそれぞれ配置されている。   FIG. 3 is a schematic view of a flow battery in a state where a combination of positive electrode and negative electrode members (also referred to as cells) shown in FIG. 2 is electrically connected in series to form a stack structure. By increasing the number of cells and forming a stack structure, the output voltage of the flow battery can be increased. Here, the positive electrode 1a and the negative electrode 1b of the adjacent cells are electrically connected via the bipolar plate 5, and can exchange electrons during charging and discharging. Moreover, the positive electrode electrolyte solution 10a and the negative electrode electrolyte solution 10b are the same as FIG. 2 except having changed the structure of the piping (circulation path) 13 so that it can distribute | circulate in parallel with each electrode arrange | positioned in series. In the flow battery in a stack structure, the side where the positive electrode and the negative electrode face each other is the side where the bipolar plate is not provided between the positive electrode and the negative electrode, and in FIG. 3, the positive electrode 1a and the negative electrode 1b. The side where the diaphragm 2 exists is indicated. Also in FIG. 3, in each cell, an insulating porous body 16 is disposed between the positive electrode 1 a and the diaphragm 2 and between the negative electrode 1 b and the diaphragm 2.

[フロー電池システム]
本開示のフロー電池システムは、前述の本開示のフロー電池と、フロー電池の充放電を制御する制御部と、を備える。本開示のフロー電池システムは、フロー電池がフロー電池であるフロー電池システムであってもよく、制御部は、フロー電池の充放電を制御する構成であってもよい。
[Flow battery system]
The flow battery system of the present disclosure includes the above-described flow battery of the present disclosure and a control unit that controls charging / discharging of the flow battery. The flow battery system of the present disclosure may be a flow battery system in which the flow battery is a flow battery, and the control unit may be configured to control charge / discharge of the flow battery.

(制御部)
フロー電池システムは、フロー電池の充放電を制御する制御部を備える。例えば、制御部は、フロー電池システムにおける充電電圧、正極及び負極の充電電位等を制御する構成であってもよい。
なお、充電電圧は負極と正極との間の電位差を示すものであり、充電電位は基準となる一定の電位を持つ基準電極(参照電極)に対する電位差を示すものである。
(Control part)
The flow battery system includes a control unit that controls charging and discharging of the flow battery. For example, the control unit may be configured to control the charging voltage in the flow battery system, the charging potential of the positive electrode and the negative electrode, and the like.
The charging voltage indicates a potential difference between the negative electrode and the positive electrode, and the charging potential indicates a potential difference with respect to a reference electrode (reference electrode) having a constant reference potential.

[発電システム]
本開示の発電システムは、発電装置と、前述の本開示のフロー電池システムと、を備える。本開示の発電システムは、フロー電池システムと発電装置とを組み合わせることで、電力変動を平準化及び安定化したり、電力の需給を安定化したりすることができる。
[Power generation system]
A power generation system of the present disclosure includes a power generation device and the flow battery system of the present disclosure described above. The power generation system of the present disclosure can level and stabilize power fluctuations or stabilize power supply and demand by combining a flow battery system and a power generation device.

発電システムは、発電装置を備える。発電装置としては、特に制限されず、再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置、水力発電装置、火力発電装置、原子力発電装置等が挙げられ、中でも再生可能エネルギーを用いて発電する発電装置が好ましい。   The power generation system includes a power generation device. The power generation device is not particularly limited, and examples thereof include a power generation device that generates power using renewable energy, a hydroelectric power generation device, a thermal power generation device, and a nuclear power generation device. Among them, a power generation device that generates power using renewable energy is preferable. .

再生可能エネルギーを用いた発電装置は、気象条件等によって発電量が大きく変動するが、フロー電池システムと組み合わせることで変動する発電電力を平準化して電力系統に平準化した電力を供給することができる。   The amount of power generated by power generators using renewable energy varies greatly depending on weather conditions, etc., but when combined with a flow battery system, the generated power can be leveled and supplied to the power system. .

再生可能エネルギーとしては、風力、太陽光、波力、潮力、流水、潮汐、地熱等が挙げられるが、風力又は太陽光が好ましい。   Examples of the renewable energy include wind power, sunlight, wave power, tidal power, running water, tide, geothermal heat, etc., preferably wind power or sunlight.

風力、太陽光等の再生可能エネルギーを用いて発電した発電電力は、高電圧の電力系統に供給する場合がある。通常、風力発電及び太陽光発電は、風向、風力、天気等の気象によって影響を受けるため、発電電力は一定とならず、大きく変動する傾向にある。一定ではない発電電力を高電圧の電力系統にそのまま供給すると、電力系統の不安定化を助長するため好ましくない。本実施形態の発電システムは、例えば、フロー電池システムの充放電波形を発電電力波形に重畳させることで、目標とする電力変動レベルまで発電電力波形を平準化させることができる。   In some cases, generated power generated using renewable energy such as wind power and sunlight is supplied to a high-voltage power system. In general, wind power generation and solar power generation are affected by weather such as wind direction, wind power, and weather, and thus generated power is not constant and tends to fluctuate greatly. If the generated power that is not constant is supplied to the high-voltage power system as it is, it is not preferable because it promotes instability of the power system. For example, the power generation system of the present embodiment can level the generated power waveform to the target power fluctuation level by superimposing the charge / discharge waveform of the flow battery system on the generated power waveform.

以下、実施例によって本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれら実施例によって限定されない。   EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited by these Examples.

<実施例1>
(a)電極(正極及び負極)の構成
電極として、カーボンフェルト電極(AAF304ZS、東洋紡株式会社)を用いた。電極の製品としての厚さは4.3mm、密度は0.08g/cmである。フロー電池に装着する際は、電極の厚さが2.5mmになるように圧縮した。また、電極の、厚さ方向に垂直な面の面積を、150mm×100mmとした。なお、圧縮後の電極の空隙率は94.1%であった。
<Example 1>
(A) Configuration of electrodes (positive electrode and negative electrode) A carbon felt electrode (AAF304ZS, Toyobo Co., Ltd.) was used as the electrode. The thickness of the electrode as a product is 4.3 mm, and the density is 0.08 g / cm 3 . When attached to the flow battery, the electrode was compressed to a thickness of 2.5 mm. The area of the surface of the electrode perpendicular to the thickness direction was 150 mm × 100 mm. In addition, the porosity of the electrode after compression was 94.1%.

(b)電解液の調製
6.0mol/Lのヨウ化ナトリウム(NaI)を含む水系の正極電解液を調製した。また、2.0mol/Lの塩化亜鉛(ZnCl)と、pH調整剤として2.5mol/Lの塩化アンモニウム(NHCl)を含む水系の負極電解液を調製した。
(B) Preparation of Electrolyte Solution An aqueous positive electrode electrolyte solution containing 6.0 mol / L sodium iodide (NaI) was prepared. Also, an aqueous negative electrode electrolyte solution containing 2.0 mol / L zinc chloride (ZnCl 2 ) and 2.5 mol / L ammonium chloride (NH 4 Cl) as a pH adjuster was prepared.

(c)フロー電池の構成
上記で準備した電極と電解液の他に、隔膜として陽イオン交換膜「ナフィオン117」を用いた。また、正極と隔膜の間及び負極と隔膜の間に、図4Aに示すパターンの、ポリエチレンからなるネット状の絶縁多孔体を配置した。絶縁多孔体の、厚さ方向に垂直な面の面積は電極と同じサイズであり、絶縁多孔体の厚さは0.3mmであった。また重量測定法により求めたかさ密度は0.14g/cmであった。
この他、双極板として高導電性黒鉛微粉からなるバイポーラプレート(昭和電工株式会社)を、シール材としてエチレンプロピレンゴムシートを、集電板としてニッケル(Ni)めっきを施した銅(Cu)板を、また塩ビ製タンクと配管と循環ポンプ(イワキポンプ社)とを用い、図1及び図2に示すような単セル型のフロー電池を作製した。なお、上述したように、装着された正極及び負極の厚さが2.5mmになるように、集電板に挟まれた部分の部材を適宜圧縮した。このとき、圧縮充填された電極間の境界には、隙間及び段差がないことを確認した。
(C) Configuration of Flow Battery In addition to the electrode prepared above and the electrolyte, a cation exchange membrane “Nafion 117” was used as a diaphragm. Further, a net-like insulating porous body made of polyethylene having the pattern shown in FIG. 4A was disposed between the positive electrode and the diaphragm and between the negative electrode and the diaphragm. The area of the surface of the insulating porous material perpendicular to the thickness direction was the same size as the electrode, and the thickness of the insulating porous material was 0.3 mm. The bulk density determined by gravimetric method was 0.14 g / cm 3 .
In addition, a bipolar plate (Showa Denko Co., Ltd.) made of highly conductive graphite fine powder as a bipolar plate, an ethylene propylene rubber sheet as a sealing material, and a copper (Cu) plate plated with nickel (Ni) as a current collector plate Also, a single cell type flow battery as shown in FIGS. 1 and 2 was produced using a PVC tank, piping and a circulation pump (Iwaki Pump Co., Ltd.). Note that, as described above, the member in the portion sandwiched between the current collector plates was appropriately compressed so that the attached positive electrode and negative electrode had a thickness of 2.5 mm. At this time, it was confirmed that there were no gaps and steps at the boundary between the compression-filled electrodes.

(d)フロー電池特性の評価
作製したフロー電池の、正極電解液及び負極電解液の流入側及び流出側の配管部に圧力センサ(HPS−24−F、サーパス工業株式会社)を取り付けた。次いで、正極電解液貯留部及び負極電解液貯留部に上記で準備した正極電解液及び負極電解液を0.50Lずつ貯留し、送液ポンプを用いて、正極電解液及び負極電解液の流量がそれぞれ毎分0.20Lとなるように、送液ポンプの出力を調節しながら、正極及び負極に、正極電解液及び負極電解液をそれぞれ流通させた。
その後、正極電解液及び負極電解液の流量が一定になったことを確認した後、電流密度50mA/cmで充放電実験を実施した。具体的には、電流密度を一定にし、セル電圧が1.5Vになるまで充電し、その後、同じ電流密度でカットオフ電圧0.7Vになるまで放電し、電池の電気容量(Ah)を求めた。
また、容量維持率については、1サイクル目の放電容量(Ah)と100サイクル目の放電容量(Ah)を測定し、以下の式を用いて算出した。
容量維持率(%)=(100サイクル目の放電容量/1サイクル目の放電容量)×100
なお、フロー電池の特性を評価する際は、温度を25℃に保った。
(D) Evaluation of flow battery characteristics Pressure sensors (HPS-24-F, Surpass Industries Co., Ltd.) were attached to the inflow side and outflow side piping sections of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte of the produced flow battery. Next, 0.50 L each of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte prepared above are stored in the positive electrode electrolyte reservoir and the negative electrode electrolyte reservoir, and the flow rates of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte are adjusted using a liquid feed pump. The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte were circulated through the positive electrode and the negative electrode, respectively, while adjusting the output of the liquid feed pump so as to be 0.20 L per minute.
Thereafter, after confirming that the flow rates of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte were constant, a charge / discharge experiment was performed at a current density of 50 mA / cm 2 . Specifically, the current density is made constant, the battery is charged until the cell voltage reaches 1.5V, and then discharged at the same current density until the cut-off voltage becomes 0.7V, and the electric capacity (Ah) of the battery is obtained. It was.
The capacity retention rate was calculated using the following equation after measuring the discharge capacity (Ah) at the first cycle and the discharge capacity (Ah) at the 100th cycle.
Capacity retention rate (%) = (discharge capacity at the 100th cycle / discharge capacity at the first cycle) × 100
When evaluating the characteristics of the flow battery, the temperature was kept at 25 ° C.

<実施例2>
実施例1においてポリエチレンからなるネット状の絶縁多孔体の替わりにろ紙(ワットマン社、厚さ:0.21mm)を用い、図6Aに示すパターンの流路を形成した。流路の幅は、1.5mmとし、圧縮後の各電極内の流路の深さを1.0mmとした。それら以外は、実施例1と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 2>
In Example 1, filter paper (Whatman Corp., thickness: 0.21 mm) was used in place of the net-like insulating porous body made of polyethylene, and the flow path having the pattern shown in FIG. 6A was formed. The width of the flow path was 1.5 mm, and the depth of the flow path in each electrode after compression was 1.0 mm. Except for these, a flow battery was produced in the same manner as in Example 1, and the characteristics were evaluated.

<実施例3>
実施例1においてポリエチレンからなるネット状の絶縁多孔体の替わりにポリオレフィン多孔膜(セルガード株式会社、品番:3501、親水化処理済)を用い、図6Aに示すパターンの流路を形成した。流路の幅は、1.5mmとし、圧縮後の各電極内の流路の深さを1.0mmとした。それら以外は、実施例1と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 3>
In Example 1, instead of the net-like insulating porous body made of polyethylene, a polyolefin porous film (Celgard Co., Ltd., product number: 3501, hydrophilized) was used to form a flow path having the pattern shown in FIG. 6A. The width of the flow path was 1.5 mm, and the depth of the flow path in each electrode after compression was 1.0 mm. Except for these, a flow battery was produced in the same manner as in Example 1, and the characteristics were evaluated.

<実施例4>
正極及び負極において、電解液流通方向に二つの空隙率の異なる領域を形成した。具体的には、実施例1で用いたカーボンフェルト電極と、別のカーボンフェルト電極(AAF153ZS、東洋紡株式会社、厚さは3.0mm、密度は0.05g/cm)とを、表1に示す寸法で組み合わせた。フロー電池に搭載したカーボンフェルト電極(AAF153ZS)の空隙率は97.3%であった。それ以外は、実施例1と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 4>
In the positive electrode and the negative electrode, two regions having different porosity were formed in the electrolyte flow direction. Specifically, the carbon felt electrode used in Example 1 and another carbon felt electrode (AAF153ZS, Toyobo Co., Ltd., thickness is 3.0 mm, density is 0.05 g / cm 3 ) are shown in Table 1. Combined with the dimensions shown. The porosity of the carbon felt electrode (AAF153ZS) mounted on the flow battery was 97.3%. Other than that was carried out similarly to Example 1, and produced the flow battery and evaluated the characteristic.

<実施例5>
実施例1において、正極及び負極の表面に、流路を形成した。具体的には、各電極の双極板側に、図6Aに示すパターンの流路を形成した。流路の幅は、1.5mmとし、圧縮後の各電極内の流路の深さを1.0mmとした。それ以外は、実施例1と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 5>
In Example 1, channels were formed on the surfaces of the positive electrode and the negative electrode. Specifically, a flow path having a pattern shown in FIG. 6A was formed on the bipolar plate side of each electrode. The width of the flow path was 1.5 mm, and the depth of the flow path in each electrode after compression was 1.0 mm. Other than that was carried out similarly to Example 1, and produced the flow battery and evaluated the characteristic.

<実施例6>
実施例5において、絶縁多孔体の仕様を表1に示すように変更した。具体的には、図4Bに示す、キュプラ不織布からなる絶縁多孔体を用いた。絶縁多孔体の、厚さ方向に垂直な面の面積は電極と同じサイズであり、厚さは0.4mmであった。また重量測定法により求めたかさ密度は0.35g/cmであった。それ以外は、実施例5と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 6>
In Example 5, the specification of the insulating porous material was changed as shown in Table 1. Specifically, an insulating porous body made of a cupra nonwoven fabric shown in FIG. 4B was used. The area of the surface of the insulating porous body perpendicular to the thickness direction was the same size as the electrode, and the thickness was 0.4 mm. Further, the bulk density determined by a gravimetric method was 0.35 g / cm 3 . Other than that was carried out similarly to Example 5, produced the flow battery, and evaluated the characteristic.

<実施例7>
実施例5において、絶縁多孔体の仕様を表1に示すように変更した。具体的には、図4Bに示す、ガラス不織布からなる絶縁多孔体を用いた。絶縁多孔体の、厚さ方向に垂直な面の面積は電極と同じサイズであり、厚さは0.3mmであった。また重量測定法により求めたかさ密度は0.55g/cmであった。それ以外は、実施例5と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 7>
In Example 5, the specification of the insulating porous material was changed as shown in Table 1. Specifically, an insulating porous body made of a glass nonwoven fabric shown in FIG. 4B was used. The area of the surface of the insulating porous material perpendicular to the thickness direction was the same size as the electrode, and the thickness was 0.3 mm. The bulk density determined by gravimetric method was 0.55 g / cm 3 . Other than that was carried out similarly to Example 5, produced the flow battery, and evaluated the characteristic.

<実施例8>
実施例5において、フロー電池の特性を評価する際の電解液の流量を0.20L/minから0.35L/minに変更したこと以外は、実施例5と同等にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 8>
In Example 5, a flow battery was produced in the same manner as in Example 5 except that the flow rate of the electrolytic solution for evaluating the characteristics of the flow battery was changed from 0.20 L / min to 0.35 L / min. The characteristics were evaluated.

<実施例9>
実施例5において、フロー電池の特性を評価する際の電流密度を50mA/cmから100mA/cmに変更したこと以外は、実施例5と同等にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 9>
In Example 5, except that the current density at the time of evaluating the characteristics of the flow battery was changed from 50 mA / cm 2 to 100 mA / cm 2 , a flow battery was produced and the characteristics were evaluated in the same manner as in Example 5. did.

<実施例10>
実施例5において、絶縁多孔体の仕様を表1に示すように変更した。具体的には、図4Bに示す、ガラス不織布からなる絶縁多孔体を用いた。絶縁多孔体の、厚さ方向に垂直な面の面積は電極と同じサイズであり、厚さは0.5mmであった。また重量測定法により求めたかさ密度は3.85g/cm3であった。それ以外は、実施例5と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Example 10>
In Example 5, the specification of the insulating porous material was changed as shown in Table 1. Specifically, an insulating porous body made of a glass nonwoven fabric shown in FIG. 4B was used. The area of the surface of the insulating porous body perpendicular to the thickness direction was the same size as the electrode, and the thickness was 0.5 mm. The bulk density determined by gravimetric method was 3.85 g / cm3. Other than that was carried out similarly to Example 5, produced the flow battery, and evaluated the characteristic.

<比較例1>
実施例1において、正極と隔膜の間、及び負極と隔膜の間に、絶縁多孔体を配置しないこと以外は、実施例1と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Comparative Example 1>
In Example 1, a flow battery was prepared and the characteristics were evaluated in the same manner as in Example 1 except that the insulating porous material was not disposed between the positive electrode and the diaphragm and between the negative electrode and the diaphragm.

<比較例2>
実施例5において、正極と隔膜の間、及び負極と隔膜の間に、絶縁多孔体を配置しないこと以外は、実施例5と同様にして、フロー電池を作製し、特性を評価した。
<Comparative Example 2>
In Example 5, a flow battery was prepared and the characteristics were evaluated in the same manner as in Example 5 except that the insulating porous material was not disposed between the positive electrode and the diaphragm and between the negative electrode and the diaphragm.

各実施例及び各比較例のフロー電池について、構成及び特性を表1〜表3に示す。   About the flow battery of each Example and each comparative example, a structure and a characteristic are shown in Tables 1-3.

表3に示すように、実施例1〜10で作製したフロー電池は、100サイクル後でも高い容量維持率を示すことが確認された。特に、同じ素材の絶縁多孔体を用いた、実施例1と、実施例4、5、8及び9とを比較すると、正極内及び負極内に二つの空隙率の異なる領域又は表面流路を有するものについては、さらに高い容量維持率を示すことが確認された。
これに対し、比較例1及び比較例2における容量維持率は大きく低下した。これは、負極電極と隔膜の間に絶縁多孔体を配置していないために、充放電中に負極電極表面で形成したZnデンドライトが隔膜を貫通する等により、電池内部でショートしたものと考えられる。
また、実施例10は比較例1及び比較例2と比較して容量維持率は良好である一方、実施例1〜9と比較して容量維持率の低下が見られた。これは、配置した絶縁多孔体のかさ密度が大きく、空隙率が減少したために、絶縁多孔体の内部を流通する電解液が減少し、負極電極表面でのZnデンドライトが形成しやすくなったと考えられる。
As shown in Table 3, it was confirmed that the flow batteries produced in Examples 1 to 10 exhibited a high capacity retention rate even after 100 cycles. In particular, when Example 1 and Examples 4, 5, 8, and 9 using an insulating porous material made of the same material are compared, two regions or surface channels having different porosity are provided in the positive electrode and the negative electrode. It was confirmed that those having a higher capacity retention rate were observed.
On the other hand, the capacity retention rates in Comparative Example 1 and Comparative Example 2 were greatly reduced. This is probably because the insulating porous material is not disposed between the negative electrode and the diaphragm, and therefore, the Zn dendrite formed on the surface of the negative electrode during charging / discharging penetrates the diaphragm, and so on. .
In addition, the capacity retention rate of Example 10 was better than that of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, while the capacity retention rate was lower than that of Examples 1-9. This is thought to be because the bulk density of the disposed insulating porous body was large and the porosity was reduced, so that the electrolyte flowing through the insulating porous body was reduced and Zn dendrite was easily formed on the negative electrode surface. .

1…電極、1a…正極、1b…負極、2…隔膜、3…シール材、4…分液板、5…双極板、6…双極板フレーム、7…極室、8a…正極電解液極室入口、8b…正極電解液極室出口、8c…負極電解液極室入口、8d…負極電解液極室出口、9…集電板、10a…正極電解液、10b…負極電解液、11a…正極電解液貯留部、11b…負極電解液貯留部、12…送液ポンプ、13…配管(循環経路)、14…電源、15…外部負荷、16…絶縁多孔体、17…表面流路   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrode, 1a ... Positive electrode, 1b ... Negative electrode, 2 ... Diaphragm, 3 ... Sealing material, 4 ... Separation plate, 5 ... Bipolar plate, 6 ... Dipolar plate frame, 7 ... Polar chamber, 8a ... Positive electrode cathode chamber Inlet, 8b ... Positive electrode electrolyte electrode chamber outlet, 8c ... Negative electrode electrolyte electrode chamber inlet, 8d ... Negative electrode electrolyte electrode chamber outlet, 9 ... Current collector plate, 10a ... Positive electrode electrolyte, 10b ... Negative electrode electrolyte, 11a ... Positive electrode Electrolyte storage part, 11b ... Negative electrode electrolyte storage part, 12 ... Liquid feed pump, 13 ... Pipe (circulation path), 14 ... Power source, 15 ... External load, 16 ... Insulating porous body, 17 ... Surface flow path

Claims (17)

正極と、負極と、正極活物質を含み、かつ前記正極に供給される正極電解液と、前記正極電解液を貯蔵する正極電解液貯留部と、負極活物質を含み、かつ前記負極に供給される負極電解液と、前記負極電解液を貯蔵する負極電解液貯留部と、前記正極と前記負極とを隔てる隔膜と、前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部及び前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部の少なくとも一方に配置された絶縁多孔体と、を備えるフロー電池。   A positive electrode, a negative electrode, a positive electrode electrolyte containing a positive electrode active material and supplied to the positive electrode, a positive electrode electrolyte reservoir for storing the positive electrode electrolyte, a negative electrode active material, and supplied to the negative electrode A negative electrode electrolyte solution, a negative electrode electrolyte storage part for storing the negative electrode electrolyte solution, a diaphragm separating the positive electrode and the negative electrode, at least a part between the diaphragm and the negative electrode, and the diaphragm and the positive electrode An insulating porous body disposed on at least one of at least a part of the flow battery. 前記絶縁多孔体の、重量測定法により求めたかさ密度が、0.03g/cm〜5.00g/cmである、請求項1に記載のフロー電池。 The insulating porous body, the bulk density was determined gravimetrically, is 0.03g / cm 3 ~5.00g / cm 3 , a flow cell according to claim 1. 前記絶縁多孔体が、高分子、紙、ガラス、セラミックス及び表面絶縁コーティングを施した金属から選ばれる少なくとも一種を含む、請求項1又は請求項2に記載のフロー電池。   The flow battery according to claim 1 or 2, wherein the insulating porous body includes at least one selected from a polymer, paper, glass, ceramics, and a metal having a surface insulating coating. 前記絶縁多孔体が、3次元的な連続空隙部を有する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載のフロー電池。   The flow battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the insulating porous body has a three-dimensional continuous void portion. 前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置されている場合、前記正極電解液は、前記正極内及び前記正極と前記隔膜との間に配置された前記絶縁多孔体内を流通し、
前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置されている場合、前記負極電解液は、前記負極内及び前記負極と前記隔膜との間に配置された前記絶縁多孔体内を流通する、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載のフロー電池。
In the case where the insulating porous body is disposed at least partially between the diaphragm and the positive electrode, the positive electrode electrolyte is contained in the insulating porous body disposed in the positive electrode and between the positive electrode and the diaphragm. Circulate
When the insulating porous body is disposed at least at a part between the diaphragm and the negative electrode, the negative electrode electrolyte is contained in the insulating porous body disposed in the negative electrode and between the negative electrode and the diaphragm. The flow battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the battery is distributed.
前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置されている場合、前記正極の厚さに対する前記正極と前記隔膜との間に配置された前記絶縁多孔体の厚さの比が0.002〜0.750であり、
前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置されている場合、前記負極の厚さに対する前記負極と前記隔膜との間に配置された前記絶縁多孔体の厚さの比が0.002〜0.750である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のフロー電池。
When the insulating porous body is disposed at least partially between the diaphragm and the positive electrode, the thickness of the insulating porous body disposed between the positive electrode and the diaphragm with respect to the thickness of the positive electrode The ratio is 0.002 to 0.750,
When the insulating porous body is disposed at least partly between the diaphragm and the negative electrode, the thickness of the insulating porous body disposed between the negative electrode and the diaphragm with respect to the thickness of the negative electrode The flow battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the ratio is 0.002 to 0.750.
前記正極及び前記負極の少なくとも一方にて、充電反応時又は放電反応時に活物質の析出を伴う、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のフロー電池。   The flow battery according to claim 1, wherein at least one of the positive electrode and the negative electrode is accompanied by precipitation of an active material during a charge reaction or a discharge reaction. 前記正極では、充電反応時にヨウ素が析出する、請求項7に記載のフロー電池。   The flow battery according to claim 7, wherein iodine is deposited in the positive electrode during a charging reaction. 前記負極では、充電反応時に亜鉛が析出する、請求項7又は請求項8に記載のフロー電池。   The flow battery according to claim 7 or 8, wherein zinc is deposited during the charging reaction in the negative electrode. 前記正極電解液は、水を含み、かつ前記正極活物質としてヨウ素イオン及びヨウ素分子の少なくとも一方を含む、請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載のフロー電池。   The flow battery according to any one of claims 1 to 9, wherein the positive electrode electrolyte includes water and includes at least one of iodine ions and iodine molecules as the positive electrode active material. 前記負極電解液は、水を含み、かつ前記負極活物質として亜鉛イオン及び亜鉛の少なくとも一方を含む、請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載のフロー電池。   11. The flow battery according to claim 1, wherein the negative electrode electrolyte contains water and contains at least one of zinc ions and zinc as the negative electrode active material. 前記隔膜と前記負極との間の少なくとも一部及び前記隔膜と前記正極との間の少なくとも一部に前記絶縁多孔体が配置された、請求項1〜請求項11のいずれか1項に記載のフロー電池。   The insulating porous body according to any one of claims 1 to 11, wherein the insulating porous body is disposed in at least a part between the diaphragm and the negative electrode and at least a part between the diaphragm and the positive electrode. Flow battery. 前記正極及び前記負極は、少なくとも二つの空隙率の異なる領域及び表面流路の少なくとも一方を有する、請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載のフロー電池。   The flow battery according to any one of claims 1 to 12, wherein the positive electrode and the negative electrode have at least one of at least two regions having different porosity and a surface flow path. 前記少なくとも二つの空隙率の異なる領域は、電解液の流通方向及び電極の厚さ方向の少なくとも一方に形成された、請求項13に記載のフロー電池。   The flow battery according to claim 13, wherein the at least two regions having different porosity are formed in at least one of a flowing direction of the electrolytic solution and a thickness direction of the electrode. 前記表面流路は、前記隔膜側及び前記隔膜の反対側の少なくとも一方に、電極表面に対して凹形状になるように形成された、請求項13又は請求項14に記載のフロー電池。   The flow battery according to claim 13 or 14, wherein the surface flow path is formed on at least one of the diaphragm side and the opposite side of the diaphragm so as to be concave with respect to the electrode surface. 請求項1〜請求項15のいずれか1項に記載のフロー電池と、
前記フロー電池の充放電を制御する制御部と、
を備えるフロー電池システム。
The flow battery according to any one of claims 1 to 15,
A control unit for controlling charging and discharging of the flow battery;
A flow battery system comprising:
発電装置と、
請求項16に記載のフロー電池システムと、を備える発電システム。
A power generator,
A power generation system comprising: the flow battery system according to claim 16.
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