JP2020501298A - フロー電池の電極構造、フロー電池電堆及びフロー電池電堆の密封構造 - Google Patents
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Abstract
Description
本発明はフロー電池の電極構造に関する。目的としては、従来電極と隣接部品との間の接触抵抗が大きい問題と、従来電極構造は電堆まで組み立てた後孔隙率が一致しない問題を解決すること。フロー電池の電極は通常は多層相互接続的な網状多孔質構造(電極繊維)であり、また各層の構造は少なくとも二つの方向の織り交ぜた平行ファイバーで構成され、垂直ファイバー(電極の表面に垂直)で層状構造間の接続を実現する。本発明のフロー電池の電極構造は電極繊維を含め、電極繊維の中に垂直ファイバーの密度が平行ファイバーの密度より大きい。
1) 本発明に記載された電極構造は電極表面に垂直する垂直ファイバーを中心とする。その原因が二つある。一、電極表面と隣接部品との接触面積が増加でき、接触抵抗が小さくなれる。二、電極に優れた機械の性能を与えられる。改造後の構造は従来構造に比べると接触抵抗が30%〜50%まで低減される。
2) 電極各層が孔隙率の変化によって厚さが違い、厚さ改良後の各層は圧縮後孔隙率が一致することになる。圧縮後の均一構造のおかげで、電解液が電極内部を流れる時物質移動の不均一現象を避け、電池の濃度分極の低減によって一定パワーでの電池エネルギ出力を高めることができる。
3) 本発明に記載された電極構造の作製が簡単で、随分低コストでフロー電池のパワー性能の改善を最大化にする。
そのうち、2-1、電極枠;2-11、シーリングライン密封槽;2-12、ガスケット密封槽;2-121、ガスケット密封槽とシーリングライン密封槽との非接続エリア;2-2、ラバーシール;2-21、シーリングライン;2-22、ガスケット;2-221、ガスケット密封槽とシーリングライン密封槽との接続エリア;2-222、圧縮変形構造;2-223、環状突起構造;2-224、ガスケット位置付け構造;2-3、セパレータ。
下記の実施例によってこの分野の普通技術者が本発明を全般的に理解できるが、いかなる方式も本説明を制約できない。
図2示すように、電極構造は三層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2とイオン膜に接近する電極繊維層3である。三層の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は6μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は95%、厚さは3mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は92.5%、厚さは1.5mmであり、グラファイト・バイポーラプレートやイオン膜との接触表面はとげ状構造で、高くなったり低くなったりしている。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91%達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに同じ圧縮条件で該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。5W電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。
図2示すように、電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と中心電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。五層の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は7:3であり、垂直ファイバーの直径は18μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は94%、厚さは2mmである。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は93%、厚さは1mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は92%、厚さは0.5mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91%達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を10kW電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表2をご参照ください。上記10kW電堆を100kW/100kWhの電池システムまで集成後、80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表2をご参照ください。比較例2:電極の外観・寸法は実施例2と同じであるが構造は従来の構造(多層繊維層無きこと、孔隙率は93%)である。該電極を使用し、実施例2と同じように100kW/100kWhの電池システムまで集成後、電極圧縮後の孔隙率は91%になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表2をご参照ください。
図3示すように、電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。そのうち、電極繊維層1、電極繊維層3、電極繊維層4、電極繊維層5の原材料はポリアクリロニトリルである一方、電極繊維層2の原材料はビスコースであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6.5:3.5であり、垂直ファイバーの直径は7μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は95%、厚さは2mmで、炭素複合バイポーラプレートやイオン膜との接触表面はとげ状構造で、高くなったり低くなったりしている。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は93.5%、厚さは1mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は93%、厚さは0.5mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91%達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を使用し、30kW電堆を組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表3をご参照ください。30kW電堆は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表3をご参照ください。比較例3:電極の外観・寸法は実施例3と同じであるが構造は従来の構造(多層繊維層無きこと、表面のとげが無きこと、孔隙率は92%)である。該電極を使用し、実施例3と同じような30kWの電堆を組み立て、電極圧縮後の孔隙率は91%になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表3をご参照ください。
電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。電極繊維層1、電極繊維層2、電極繊維層3、電極繊維層4、電極繊維層5の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は15μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は94%、厚さは1.5mmである。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は93%、厚さは1mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は92%、厚さは0.5mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91%達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表4をご参照ください。電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表4をご参照ください。比較例4:電極の外観・寸法は実施例4と同じであるが構造は従来の構造(多層繊維層無きこと、表面のとげが無きこと、孔隙率は93%)である。該電極を使用し、実施例4と同じように5W電池に組み立て、電極圧縮後の孔隙率は91%になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表4をご参照ください。
電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。電極繊維層1、電極繊維層2、電極繊維層3、電極繊維層4、電極繊維層5の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は10μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は96%、厚さは1.75mmである。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は94%、厚さは1.25mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は93%、厚さは0.75mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91%達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表5をご参照ください。電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表5をご参照ください。
電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。電極繊維層1、電極繊維層2、電極繊維層3、電極繊維層4、電極繊維層5の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は9μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は95%、厚さは1.6mmである。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は93%、厚さは1.5mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は90%、厚さは1mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91%達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表6をご参照ください。電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表6をご参照ください。
電極構造は三層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2とイオン膜に接近する電極繊維層3である。電極繊維層2の原材料はビスコースであり、電極繊維層1と3の原材料はポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は12μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は93%、厚さは1.5mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は91.5%、厚さは1mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91%達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連データは表7をご参照ください。電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。測定データは表7をご参照ください。
経済や社会の発展に従って伝統的なエネルギーに対する需要が日々増えているけれども、供給不足の問題もだんだん目立っている。そのために人間は風力や太陽光などの再生可能エネルギーを探さざるを得ない。近年、風力や太陽光を代表とする新エネルギーを導入し、需要の増大によって、新エネルギーがもっと広げられるに間違いない。しかし、新エネルギーは天気に依存し、発電の途切れで需要と供給の矛盾問題が目立っていると分かっている。だから、エネルギー貯蔵を規模化にすることを推進しないといけない。
b、破面密封の効果がちょっと良いが、原価が高いし再使用できない。
c、貼り付けと半田付け組み合わせの密封について、もし電堆電池が壊れたら再使用できない、プラス電極枠とマイナス電極枠との整合ができない。つまり、実用性が低い。
本発明は新たなフロー電池電堆密封構造で上記の問題を解決した。
1.本発明はセパレータの電解液共通流動穴側とその周辺への密封をした。セパレータ側の密封は内外嵌合の線密封方法によって二重防護が達成でき、電解液共通流動穴側の密封は面密封の方法によって内外リークが防止できる。また、全部の密封部品の容積はそれぞれの密封槽容積より小さい。
2.本発明の密封性が優れたのでフロー電池の寿命が長くなれるし、電解液の高頻度リークで引き起こした経済ロスも低減されるし、従来の線密封や面密封と比べると再利用性が高くなり、圧力を耐える能力が向上される。
3.本発明はセパレータ側に内外嵌合の対称線密封方法を利用した。こうすれば材料が節約できるばかりではなく、電池の抵抗が小さくなり、電池システムの運転速度が速くなり、充放電コストが低くなれる。
4.本発明は電解液共通流動穴側に面密封で密封性能がよくなり、環状突起構造で圧縮比が大きくなり、電解液が漏れにくくなる。
図8、9に示すように、フロー電池電堆密封構造は二つの電極枠2-1、ショアA硬度が60である二つのフッ素ラバーシール2-2、電解液の共通流動穴が備えるセパレータ2-3を含める。ラバーシール2-2(図5-7をご参照ください)はシーリングライン2-21で電解液の共通流動穴が備える二つのガスケット2-22を繋げるものである。シーリングライン2-21の直径は1mm、ガスケット2-22の厚さは1mm、ガスケット2-22の圧縮比は10%、ガスケット2-22外側から電解液の共通流動穴中心までの最短距離は電解液の共通流動穴半径の1.5倍、ガスケット2-22の片側は圧縮変形構造2-222、圧縮変形構造2-222はいくつかのアーチ型の溝であり、ガスケット2-22のもう片側は二重環状突起構造2-223、環状突起構造2-223の突起断面は長方形、二重環状突起構造2-223間の距離は0.5mm、ガスケット2-22は二つのガスケット位置づけ構造2-224を備え、ガスケット位置づけ構造2-224の厚さはガスケット2-22厚さの0.3倍である。また、電極枠2-1はシーリングライン密封槽2-11とガスケット密封槽2-12を含め、シーリングライン密封槽2-11の幅は1mm、シーリングライン密封槽2-11の深さは1mm、二つの電極枠2-1のシーリングライン密封槽2-11がそれぞれの電極枠2-1外側との距離はぞ5mmと10mm、シーリングライン2-21とガスケット2-22はそれぞれシーリングライン密封槽2-11とガスケット密封槽2-12に置き、圧縮変形構造2-222付きのガスケット2-22は電極枠2-1と接触し、ガスケット2-22とガスケット密封槽2-12の充填比は90%、シーリングライン2-21とシーリングライン密封槽2-12の充填比は90%、セパレータ2-3が電解液の共通流動穴での密封とはセパレータ2-3の電解液の共通流動穴を一つのガスケット2-22の一番外側の環状突起構造2-223に被せ、セパレータ2-3の片側はラバーシール2-2のガスケット2-22と接触し、もう片側はもう一つラバーシール2-2のシーリングライン2-21と接触し、ガスケット密封槽2-12とシーリングライン密封槽2-11との接続エリアはガスケット2-22ときちんと接触し、ガスケット密封槽2-12のほかのエリアの面積はガスケット2-22より大きい、セパレータ2-3が電解液の非共通流動穴での密封とはセパレータ2-3は二つの位置ズレたラバーシール2-2のシーリングライン2-21経由で密封し、二つのシーリングライン2-21間の距離は0.5mm、電極枠2-1とガスケット2-22とセパレータ2-3との電解液共通流動穴の円心が同じ、セパレータ2-3とガスケット2-22と電極枠2-1との電解液共通流動穴の直径が1mmずつ増えている。
図5−9に示すように、フロー電池電堆密封構造は二つの電極枠2-1、ショアA硬度が80である二つのエチレン・プロピレン・ジエンゴム2-2、電解液の共通流動穴が備えるセパレータ2-3を含める。ラバーシール2-2はシーリングライン2-21で電解液の共通流動穴が備える二つのガスケット2-22を繋げるものである。シーリングライン2-21の直径は3mm、ガスケット2-22の厚さは3mm、ガスケット2-22の圧縮比は30%、ガスケット2-22外側から電解液の共通流動穴中心までの最短距離は電解液の共通流動穴半径の3倍、ガスケット2-22の片側は圧縮変形構造2-222、圧縮変形構造2-222はいくつかのアーチ型の溝であり、ガスケット2-22のもう片側は二重環状突起構造2-223、環状突起構造2-223の突起断面は逆台形、二重環状突起構造2-223間の距離は3mm、ガスケット2-22は二つのガスケット位置づけ構造2-224を備え、ガスケット位置づけ構造2-224の厚さはガスケット2-22厚さの0.8倍である。また、電極枠2-1はシーリングライン密封槽2-11とガスケット密封槽2-12を含め、シーリングライン密封槽2-11の幅は5mm、シーリングライン密封槽2-11の深さは5mm、二つの電極枠2-1のシーリングライン密封槽2-11がそれぞれの電極枠2-1外側との距離はぞれぞれ10mmと20mm、シーリングライン2-21とガスケット2-22はそれぞれシーリングライン密封槽2-11とガスケット密封槽2-12に置き、圧縮変形構造2-222付きのガスケット2-22は電極枠2-1と接触し、ガスケット2-22とガスケット密封槽2-12の充填比は95%、シーリングライン2-21とシーリングライン密封槽2-12の充填比は95%、セパレータ2-3が電解液の共通流動穴での密封とはセパレータ2-3の電解液の共通流動穴を一つのガスケット2-22の一番外側の環状突起構造2-223に被せ、セパレータ2-3の片側はラバーシール2-2のガスケット2-22と接触し、もう片側はもう一つラバーシール2-2のシーリングライン2-21と接触し、ガスケット密封槽2-12とシーリングライン密封槽2-11との接続エリアはガスケット2-22ときちんと接触し、ガスケット密封槽2-12のほかのエリアの面積はガスケット2-22より大きい、セパレータ2-3が電解液の非共通流動穴での密封とはセパレータ2-3は二つの位置ズレたラバーシール2-2のシーリングライン2-21経由で密封し、二つのシーリングライン2-21間の距離は2mm、電極枠2-1とガスケット2-22とセパレータ2-3との電解液共通流動穴の円心が同じ、セパレータ2-3とガスケット2-22と電極枠2-1との電解液共通流動穴の直径が1mmずつ増えている。
Claims (20)
- フロー電池の電極構造に電極繊維が含まれ、その特徴としては、電極繊維の中に垂直ファイバーの密度は水平ファイバーの密度より大きい。
- 請求項1記載のフロー電池の電極構造について、その特徴としては、単位体積電極繊維の中に垂直ファイバー数と水平ファイバー数との比が少なくとも6:4である。
- 請求項1と請求項2記載のフロー電池の電極構造について、その特徴としては、電極繊維の層数が奇数であり、各電極繊維層の孔隙率が中心層から少しずつ増加する。
- 請求項3記載のフロー電池の電極構造について、その特徴としては、中心層電極繊維の孔隙率は90〜93%であり、ほかの層の電極繊維は孔隙率が93〜96%である。
- 請求項3記載のフロー電池の電極構造について、その特徴としては、電極繊維の層数は三層、五層、七層である。
- フロー電池の電堆の特徴としては、請求項1-5(任意な請求項でも)記載の電極構造の利用に基づいて組み立てる。電堆のプリロードを0.1〜0.25MPaにし、圧縮組立後、電堆における各層電極繊維の孔隙率は89〜92%まで圧縮される。
- 請求項6記載のフロー電池の電堆について、その特徴としては、電堆における各層電極繊維の孔隙率の差は3%未満だ。
- 請求項6記載のフロー電池の電堆について、その特徴としては、電極の総厚は3〜6mmであり、各層電極繊維の厚さが中心層に近ければ近いほど小さくなり、ほかの層厚と中心層厚との比は1.5:1より大きい。
- 請求項6記載のフロー電池の電堆について、その特徴としては、両側層電極繊維の表面はとげ状或いは針状構造であり、また、とげ状、針状構造の高さが違う。
- 請求項9記載のフロー電池の電堆について、その特徴としては、とげ状或いは針状構造は電極表面に垂直する垂直ファイバーで構成された。垂直ファイバーの直径は6〜18μmである。
- 請求項6-10(任意な請求項でも)記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、フロー電池電堆の密封構造にラバーシールが含まれ、ラバーシールとはシーリングラインでガスケットを繋げるものであり、ガスケットに電解液の共通流動穴が設置し、ガスケットの片側は圧縮変形構造であり、もう片側は環状突起構造である。
- 請求項11記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、ガスケットは少なくとも二重環状突起構造を設置し、一番内側の層の環状突起構造の内径は電解液の共通流動穴の外径より大きいか又は等しい。
- 請求項12記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、各層環状突起構造の断面形状は長方形、半円状、或いは逆台形である。
- 請求項11記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、前記圧縮変形構造とはいくつかの溝であること。
- 請求項11記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、前記ガスケットは少なくとも一個のガスケット位置付け構造を有し、ガスケット位置付け構造の厚さはガスケット厚さの0.3-0.8倍になる。
- 請求項11記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、前記ラバーシールのショア硬さを優先的に40-100にする。
- 請求項11記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、前記ガスケットの圧縮比は10-30%である。
- 請求項11記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、前記フロー電池電堆の密封構造の中に電極枠も含まれ、電極枠にシーリングライン密封槽とガスケット密封槽があり、前記のシーリングラインはシーリングライン密封槽に置き、前記のガスケットはガスケット密封槽に設置され、ガスケットとガスケット密封槽との充填比は90-95%になり、シーリングラインとシーリングライン密封槽との充填比は90-95%になる。
- 請求項18記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、前記ガスケット密封槽とシーリングライン密封槽との接続エリアはガスケットときちんと接触し、ガスケット密封槽のほかのエリアの面積はガスケットより大きい。
- 請求項18記載のフロー電池電堆の密封構造について、その特徴としては、フロー電池電堆の密封構造は電極枠が二つ、ラバーシールが二つ、セパレータが一つで構成され、二つの電極枠のシーリングライン密封槽はそれぞれの電極枠外縁までの距離が違い、前記ラバーシールは電極枠の密封槽に置き、ラバーシールのガスケット(圧縮変形構造側)は電極枠と接触しもう片側はセパレータと接触し、前記セパレータが電解液の共通流動穴での密封とはセパレータの電解液の共通流動穴を一つのガスケットの一番外側の環状突起構造に被せること、セパレータの片側はラバーシールのガスケットと接触し、もう片側はもう一つのラバーシールのシーリングラインと接触し、前記セパレータが電解液の非共通流動穴での密封とはセパレータは二つの位置ズレたラバーシールのシーリングライン経由で密封すること。
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