JP2020521292A - ハイブリッドフロー電池用の代替低コスト電極 - Google Patents
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Abstract
Description
本出願は、「ハイブリッドフロー電池用の代替低コスト電極」と題され、2017年5月22日に出願された米国特許出願第15/601,560号の国際出願である。米国特許出願第15/601,560号は、2015年12月30日に出願された「ハイブリッドフロー電池用の代替低コスト電極」と題する米国特許出願第14/984,416号の一部係属出願である。米国特許出願14/984,416号は、「ハイブリッドフロー電池用炭素被覆プラスチック電極」と題する2014年12月30日に出願された米国特許仮出願62/098,200号の優先権を主張する。上記出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、DOE、ARPA−Eオフィスによって与えられた嘱託番号DE−AR0000261の下で政府の支援を受けてなされた。政府は、本発明に所定の権利を有する。
本開示は、ハイブリッドフロー電池システム、及び、ハイブリッドフロー電池システムのアセンブリ方法に関する。
還元−酸化(酸化還元、レドックス)フロー電池は、化学形態でエネルギーを貯蔵する電気化学貯蔵デバイスである。貯蔵された化学エネルギーは自発的な逆酸化還元反応によって電気的な形に変換される。分配された化学エネルギーを回復するため、逆酸化還元反応を誘導するために電流が印加される。ハイブリッドフロー電池は、電極上に固体層として1つ又は複数の電気活性材料を析出させる。ハイブリッドフロー電池は、充電反応全体のある点で基板上に固体沈殿めっきを形成する化学物質を含み、この固体沈殿めっきもまた、放電反応全体にわたって溶解することができる。充電反応の間、化学物質は基板の表面上で凝固し、電極表面の近くにめっきを形成することができる。化学物質は通常、金属化合物である。ハイブリッドフロー電池システムでは、充電中にめっきされる金属の量によってレドックス電池による貯蔵エネルギーが制限され得、したがって、レドックス電池による貯蔵エネルギーはめっきシステムの効率と、めっき可能な体積及び表面積と、によって決定され得る。
Fe2+ + 2e− ⇔Fe0 (負極) (1)
2Fe2+ ⇔ 2Fe3+ + 2e− (正極) (2)
図1は、例示的なレドックスフロー電池システムの概略図を示す。
図2は、様々な電極上のFeめっき速度を示す。
図3Aは、炭素被覆プラスチックメッシュ電極の電子顕微鏡写真を示す。
図3Bは、炭素被覆プラスチックメッシュ電極の電子顕微鏡写真を示す。
図4は、非被覆プラスチックメッシュと、2つの被覆プラスチックメッシュと、ベースラインとしてのTiメッシュとの間の負極性能比較を示す。
図5は、疎水性非被覆メッシュと、親水性被覆を有する同じメッシュとの間の負極圧力を示す。
図6は、非被覆メッシュ内に捕捉された水素バブルの例と、それが被覆されたFeの位置及び形態にどのように影響するかを示す。
図7は、プラスチックメッシュ上の被覆の概略図を示す。
図8は、被覆プラスチックメッシュ電極を製造するための例示的な方法を示す。
図9は、炭素被覆プラスチックメッシュ電極性能を示す。
図10は、サイクル全体にわたる炭素被覆プラスチックメッシュ電極性能を示す。
図11は、電流密度分布の分散と電池短絡時間を示す表である。
図12〜図13は、様々な電極構成に対する電流密度分布の分散を示す表である。
図14〜図15は、図12〜図13の様々な電極構成の電流密度分布及び電池検証データプロットを示す。
図16は、レドックスフロー電池システム用の例示的な電極構成の平面図を示す。
図17Aは、図16の電極構成例の拡大部分詳細図を示す。
図17B〜図17Eは、図16の電極構成例の拡大部分断面図を示す。
図18A及び図18Bは、櫛形フローフィールド(IDFF)を含む電極構成の例示的平面図及び断面概略図を示す。
図19は、レドックスフロー電池のアセンブリ方法の一例を示すフローチャートである。
図20A〜図20Bはそれぞれ、支持された及び支持されていない電極スタックアセンブリを有する例示的なレドックスフロー電池構成の部分断面図を示す。
図21A〜図21Cは、様々な主リブ構成を含む電極スタックアセンブリの部分断面図を示す。
図23A〜図23Kは、図12〜図13の様々な電極構成の拡大平面図を示す。
図24Aは、電極構成の代替表現の分解平面図を示す。
図24Bは、図24Aの電極構成に含まれる電極スペーサの上面図を示す。
図24C及び図24Dはそれぞれ、図24Aの電極構成をB−B断面及びA−A断面で示した断面図である。
図24Eは、図24Aの電極構成の領域Cの詳細図を示す。
図24Fは、図24Aの電極構成の上面図を示す。
図25Aは、電極構成の別の代替表現の上面図を示す。
図25B及び図25Dはそれぞれ、図25Aの電極構成をA−A断面及びC−C断面で示した断面図である。
図25Cは、領域Bにおける図25Aの電極構成の詳細図を示す。
本開示は、総コストを低減しつつ、現在の電極材料と比較して性能を向上又は維持するレドックスフロー電池システムに使用するための新規な被覆プラスチックメッシュ電極用の材料及び方法に関する。図1に示す例のレドックスフロー電池システムは、全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池(IFB)、Zn−Br2+フロー電池、又はZn−NiOOH(MnO2)電池を含むことができ、開示されたレドックスフロー電池システムを含むことができる。一例では、IFBシステムの場合、図2に示すように、鉄めっき速度は、非鉄ベースの基板上では最初は遅いことが分かる。したがって、図3A及び図3Bに示すように、開示されている被覆プラスチックメッシュ電極は、最初のめっきサイクル後の性能を向上又は維持する。ベースラインTiメッシュと被覆メッシュとの間のめっき電極性能の比較を図4に示す。被覆プラスチックメッシュ電極の使用は、電極活物質の量を低減し、したがって高価な導電性材料のコストを低減する。親水性被覆を有するプラスチックメッシュの負極圧力と、被覆を有さないプラスチックメッシュの圧力とを図5に示すグラフで比較する。非被覆プラスチックメッシュの負極めっき特性の証拠が図6に示されている。開示された電極は、図7に示すように、プラスチックメッシュの最適化された厚さ及び開口、並びに炭素被覆を有しており、これにより電極抵抗率が低下し、図9及び図10に示す現在のレドックスフロー電極と比較して性能が向上する。
Fe2+ + 2e− ⇔Fe0 (負極) (1)
2Fe2+⇔ 2Fe3+ + 2e− (正極) (2)
ここで、T=時間(s);M=モル質量(g/mol);J=電流密度(面積/cm2);ρ=めっき金属の密度(g/cm3);n=#めっきされた金属1モル当たりの電子数;F=ファラデー定数(96485.3365 C/mol)。電流密度は、電極の活性領域A(cm2)に基づいて決定することができる。鉄レドックスフロー電池の場合、めっき金属は鉄であり、鉄めっき1モル当たりの電子数は2である。電池の充電量とめっき密度は、それぞれ式(6)、(7)に示すように計算される。
Claims (20)
- 膜の第1の側に配置された第1の電極と前記第1の側とは反対側の前記膜の第2の側に配置された第2の電極の間に挿入された膜と、
複数の正のフローフィールドリブを含む第1のフローフィールドプレートと、を含み、前記複数の正のフローフィールドリブの各々は、前記第1の側の第1の支持領域で前記第1の電極と接触し、
前記第2の電極は、前記膜と第2のフローフィールドプレートとの間に配置された電極スペーサを含み、前記電極スペーサは複数の主リブを含み、前記複数の主リブの各々は、前記第2の側の第2の支持領域において前記第2のフローフィールドプレートに接触し、前記第2の支持領域の各々は、前記複数の第1の支持領域の1つに対向して整列する、
レドックスフロー電池。 - 前記第2の電極は、前記第2の側に配置された前記第2のフローフィールドプレートをさらに含み、前記第2の側と前記第2のフローフィールドプレートとの間に非櫛形フローフィールドを形成する、請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第2のフローフィールドプレートは、突出部を有さない連続した平らな表面を含み、前記連続した平らな表面は、前記電極スペーサに面し、前記第2の支持領域で前記複数の主リブの各々に接触する、請求項2に記載のレドックスフロー電池。
- 前記電極スペーサは、複数の支持リブをさらに含み、
前記支持リブの各々は、前記主リブの各々に対して横方向に方向付けられ、1つ又は複数の前記主リブと不織布状に接触する、請求項3に記載のレドックスフロー電池。 - 前記複数の主リブは、前記複数の支持リブから突出し、前記第2の側から離れて延在する、請求項4に記載のレドックスフロー電池。
- 前記複数の主リブの数は、前記複数の支持リブの数よりも多い、請求項5に記載のレドックスフロー電池。
- 前記電極スペーサは、前記複数の主リブ及び前記複数の支持リブを囲む剛性フレームをさらに含み、前記複数の主リブの長手方向端部及び前記複数の支持リブの幅方向端部は、前記剛性フレームに取り付けられている、請求項6に記載のレドックスフロー電池。
- 前記第2のフローフィールドプレートは、前記剛性フレームに取り付けられ、
前記剛性フレームに取り付けられた前記第2のフローフィールドプレートは、前記連続した平らな表面が前記第2の支持領域で前記複数の主リブに接触する、請求項7に記載のレドックスフロー電池。 - 膜のめっき側において、前記膜とめっきフローフィールドプレートとの間にめっき電解液フローフィールド及びめっき電極スペーサを挟み、前記めっき電極スペーサは複数の主リブを含み、
前記膜のレドックス側において、レドックス電極とレドックスフローフィールドプレートの間にレドックス電解液フローフィールドを挟み、前記レドックス電極は複数の正のフローフィールドリブを含み、及び、
前記複数の主リブの各々を前記複数の正のフローフィールドリブに整列させ、前記めっきフローフィールドプレート及び前記レドックスフローフィールドプレートを前記膜に向かって圧縮すると、前記めっき電解液フローフィールドの寸法を実質的に変化させることなく、前記主リブが前記膜を挟んだ向かいの前記正のフローフィールドリブによって対向して支持されることを含む、
レドックスフロー電池のアセンブリ方法。 - 前記複数の主リブの形成と、前記複数の主リブに不織状態で横方向に連結された複数の支持リブの形成と、をさらに含む、請求項9に記載の方法。
- 前記複数の主リブの形成と、前記複数の支持リブの形成とは、導電性被覆を施さない非導電性材料から前記複数の主リブ及び前記複数の支持リブを形成することを含む、請求項10に記載の方法。
- 前記めっき電極スペーサに金属をめっきすることなく、レドックスフローセル電池の充電中に、めっき電解液から前記めっきフローフィールドプレートに金属をめっきすることをさらに含む、請求項11に記載の方法。
- 前記めっき電極スペーサを前記膜に取り付けることによって、前記めっき電極スペーサを前記膜と一体化することをさらに含む、請求項12に記載の方法。
- 前記めっき電極スペーサを前記膜と一体化することは、前記膜を前記めっき電極スペーサに熱融着することを含む、請求項13に記載の方法。
- 膜の負側と負のフローフィールドプレートとの間に挿入された負極スペーサと、
膜の正側と正のフローフィールドプレートとの間に挿入された正極と、を含み、
前記負極スペーサは、複数の主リブを含み、
前記正極は、前記膜を挟んだ向かいの複数の主リブに対向して整列した複数の正のフローフィールドリブを含み、及び、
前記負のフローフィールドプレートは、前記膜に面する連続した平らなめっき表面と、前記めっき表面と前記膜との間に挟まれた非櫛形負極電解液フローフィールドと、を含む、
レドックスフロー電池。 - 前記負極スペーサは、複数の支持リブと、
前記複数の主リブを前記複数の支持リブに横方向に不織布状に接合して形成された均一なサイズの開口の列と、を含む、請求項15に記載のレドックスフロー電池。 - 前記主リブは、前記主リブの長手方向に一定の断面を有する中実のモノリシック構造を含む、請求項16に記載のレドックスフロー電池。
- 前記主リブが、前記負のフローフィールドプレートの平面に垂直な軸に沿った一定の断面を有する中実のモノリシック構造を含む、請求項17に記載のレドックスフロー電池。
- 前記支持リブのピッチは、前記主リブのピッチよりも小さい、請求項18に記載のレドックスフロー電池。
- 前記複数の主リブは、負極の幅により平行に方向付けられ、前記複数の支持リブは、前記負極の長さにより平行に方向付けられる、請求項19に記載のレドックスフロー電池。
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