JP2023100374A - Electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery system - Google Patents
Electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery system Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023100374A JP2023100374A JP2022000992A JP2022000992A JP2023100374A JP 2023100374 A JP2023100374 A JP 2023100374A JP 2022000992 A JP2022000992 A JP 2022000992A JP 2022000992 A JP2022000992 A JP 2022000992A JP 2023100374 A JP2023100374 A JP 2023100374A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- diameter
- less
- pore volume
- carbon fibers
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 146
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims abstract description 88
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims abstract description 88
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 46
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 claims abstract description 46
- 238000002459 porosimetry Methods 0.000 claims abstract description 37
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims description 76
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 49
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical group [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 46
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 46
- 239000011230 binding agent Substances 0.000 claims description 37
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 19
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 9
- -1 titanium ions Chemical class 0.000 claims description 8
- 239000011800 void material Substances 0.000 claims description 8
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910001437 manganese ion Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 230000009257 reactivity Effects 0.000 abstract description 28
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 abstract description 15
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 25
- 238000000034 method Methods 0.000 description 21
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 17
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 12
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 11
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 10
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 9
- 230000001186 cumulative effect Effects 0.000 description 8
- 229920005989 resin Polymers 0.000 description 7
- 239000011347 resin Substances 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- 239000004745 nonwoven fabric Substances 0.000 description 5
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 4
- 238000010248 power generation Methods 0.000 description 4
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 4
- 239000011149 active material Substances 0.000 description 3
- XPFVYQJUAUNWIW-UHFFFAOYSA-N furfuryl alcohol Chemical compound OCC1=CC=CO1 XPFVYQJUAUNWIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000033116 oxidation-reduction process Effects 0.000 description 3
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 3
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 3
- 239000002759 woven fabric Substances 0.000 description 3
- YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N (+)-Biotin Chemical compound N1C(=O)N[C@@H]2[C@H](CCCCC(=O)O)SC[C@@H]21 YBJHBAHKTGYVGT-ZKWXMUAHSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 150000001412 amines Chemical class 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 2
- 230000002209 hydrophobic effect Effects 0.000 description 2
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 2
- 239000000123 paper Substances 0.000 description 2
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 2
- 238000004080 punching Methods 0.000 description 2
- 150000004059 quinone derivatives Chemical class 0.000 description 2
- 239000005060 rubber Substances 0.000 description 2
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 2
- 238000002411 thermogravimetry Methods 0.000 description 2
- 229910001456 vanadium ion Inorganic materials 0.000 description 2
- FEPMHVLSLDOMQC-UHFFFAOYSA-N virginiamycin-S1 Natural products CC1OC(=O)C(C=2C=CC=CC=2)NC(=O)C2CC(=O)CCN2C(=O)C(CC=2C=CC=CC=2)N(C)C(=O)C2CCCN2C(=O)C(CC)NC(=O)C1NC(=O)C1=NC=CC=C1O FEPMHVLSLDOMQC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XQUPVDVFXZDTLT-UHFFFAOYSA-N 1-[4-[[4-(2,5-dioxopyrrol-1-yl)phenyl]methyl]phenyl]pyrrole-2,5-dione Chemical compound O=C1C=CC(=O)N1C(C=C1)=CC=C1CC1=CC=C(N2C(C=CC2=O)=O)C=C1 XQUPVDVFXZDTLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGXAGETVRDOQFP-UHFFFAOYSA-N 2,6-dihydroxybenzaldehyde Chemical compound OC1=CC=CC(O)=C1C=O DGXAGETVRDOQFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- CMLFRMDBDNHMRA-UHFFFAOYSA-N 2h-1,2-benzoxazine Chemical compound C1=CC=C2C=CNOC2=C1 CMLFRMDBDNHMRA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000877 Melamine resin Polymers 0.000 description 1
- GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N Nitric acid Chemical compound O[N+]([O-])=O GRYLNZFGIOXLOG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000459 Nitrile rubber Polymers 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001807 Urea-formaldehyde Polymers 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 1
- 229910001430 chromium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011300 coal pitch Substances 0.000 description 1
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 1
- 239000004643 cyanate ester Substances 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- HDNHWROHHSBKJG-UHFFFAOYSA-N formaldehyde;furan-2-ylmethanol Chemical compound O=C.OCC1=CC=CO1 HDNHWROHHSBKJG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000007849 furan resin Substances 0.000 description 1
- 238000009499 grossing Methods 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 239000003014 ion exchange membrane Substances 0.000 description 1
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 1
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N iron Substances [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940099596 manganese sulfate Drugs 0.000 description 1
- 235000007079 manganese sulphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000011702 manganese sulphate Substances 0.000 description 1
- SQQMAOCOWKFBNP-UHFFFAOYSA-L manganese(II) sulfate Chemical compound [Mn+2].[O-]S([O-])(=O)=O SQQMAOCOWKFBNP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000007773 negative electrode material Substances 0.000 description 1
- 229910017604 nitric acid Inorganic materials 0.000 description 1
- DCKVFVYPWDKYDN-UHFFFAOYSA-L oxygen(2-);titanium(4+);sulfate Chemical compound [O-2].[Ti+4].[O-]S([O-])(=O)=O DCKVFVYPWDKYDN-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 239000011301 petroleum pitch Substances 0.000 description 1
- 229920001568 phenolic resin Polymers 0.000 description 1
- 239000005011 phenolic resin Substances 0.000 description 1
- 229920003192 poly(bis maleimide) Polymers 0.000 description 1
- 229920006350 polyacrylonitrile resin Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920005749 polyurethane resin Polymers 0.000 description 1
- 239000007774 positive electrode material Substances 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 1
- 229910000348 titanium sulfate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- 229920001567 vinyl ester resin Polymers 0.000 description 1
- 238000009941 weaving Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
- Y02E60/30—Hydrogen technology
- Y02E60/50—Fuel cells
Landscapes
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
Abstract
【課題】電解液の良好な流通性と良好な電池反応性とを兼ね備える電池セルを提供する。【解決手段】レドックスフロー電池システムに用いられる電極であって、第一炭素繊維と空隙とを含む第一電極と、第二炭素繊維と空隙とを含む第二電極と、を備え、前記第一電極と前記第二電極とは積層されており、水銀圧入法によって求められる前記第一電極の細孔容積基準の第一メディアン径が、水銀圧入法によって求められる前記第一電極の第一モード径の1.025倍以上であり、水銀圧入法によって求められる前記第二電極の細孔容積基準の第二メディアン径が、水銀圧入法によって求められる前記第二電極の第二モード径の1.02倍以下である、電極。【選択図】図2Kind Code: A1 A battery cell having both good flowability of an electrolytic solution and good battery reactivity is provided. An electrode for use in a redox flow battery system, comprising: a first electrode including first carbon fibers and voids; and a second electrode including second carbon fibers and voids; The electrode and the second electrode are laminated, and the first median diameter based on the pore volume of the first electrode obtained by mercury porosimetry is the first mode diameter of the first electrode obtained by mercury porosimetry. is 1.025 times or more, and the second median diameter based on the pore volume of the second electrode obtained by mercury porosimetry is 1.02 of the second mode diameter of the second electrode obtained by mercury porosimetry The electrode, which is less than double. [Selection drawing] Fig. 2
Description
本開示は、電極、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池システムに関する。 The present disclosure relates to electrodes, battery cells, cell stacks, and redox flow battery systems.
蓄電池の一つとして、電解液を電極に供給して電池反応を行うレドックスフロー電池がある。例えば、特許文献1のレドックスフロー電池では電極にカーボン紙が用いられている。
As one type of storage battery, there is a redox flow battery in which an electrolytic solution is supplied to electrodes to cause a battery reaction. For example, in the redox flow battery of
電解液の良好な流通性と良好な電池反応性とを兼ね備える電極の開発が望まれている。 There is a demand for the development of an electrode that has both good electrolyte flowability and good battery reactivity.
本開示は、電解液の良好な流通性と良好な電池反応性とを兼ね備える電極を提供することを目的の一つとする。本開示は、上記電極を備える電池セルを提供することを目的の一つとする。本開示は、上記電池セルを備えるセルスタックを提供することを目的の一つとする。本開示は、上記電池セル又は上記セルスタックを備えるレドックスフロー電池システムを提供することを目的の一つとする。 One of the objects of the present disclosure is to provide an electrode that has both good electrolyte flowability and good battery reactivity. An object of the present disclosure is to provide a battery cell including the electrode. An object of the present disclosure is to provide a cell stack including the battery cells described above. An object of the present disclosure is to provide a redox flow battery system including the battery cell or the cell stack.
本開示の電極は、
レドックスフロー電池システムに用いられる電極であって、
第一炭素繊維と空隙とを含む第一電極と、
第二炭素繊維と空隙とを含む第二電極と、を備え、
前記第一電極と前記第二電極とは積層されており、
水銀圧入法によって求められる前記第一電極の細孔容積基準の第一メディアン径が、水銀圧入法によって求められる前記第一電極の第一モード径の1.025倍以上であり、
水銀圧入法によって求められる前記第二電極の細孔容積基準の第二メディアン径が、水銀圧入法によって求められる前記第二電極の第二モード径の1.02倍以下である。
The electrodes of the present disclosure are
An electrode for use in a redox flow battery system, comprising:
a first electrode comprising a first carbon fiber and a void;
a second electrode comprising a second carbon fiber and a void;
The first electrode and the second electrode are laminated,
The pore volume-based first median diameter of the first electrode obtained by mercury porosimetry is 1.025 times or more the first mode diameter of the first electrode obtained by mercury porosimetry,
The pore volume-based second median diameter of the second electrode determined by mercury porosimetry is 1.02 times or less of the second mode diameter of the second electrode determined by mercury porosimetry.
本開示の電池セルは、
レドックスフロー電池システムに用いられる電池セルであって、
本開示の電極を備える。
The battery cell of the present disclosure is
A battery cell used in a redox flow battery system,
An electrode of the present disclosure is provided.
本開示のセルスタックは、
レドックスフロー電池システムに用いられるセルスタックであって、
本開示の電池セルを複数備える。
The cell stack of the present disclosure is
A cell stack used in a redox flow battery system,
A plurality of battery cells of the present disclosure are provided.
本開示のレドックスフロー電池システムは、本開示の電池セル、又は本開示のセルスタックを備える。 A redox flow battery system of the present disclosure comprises a battery cell of the present disclosure or a cell stack of the present disclosure.
本開示の電極、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池システムは、電解液の良好な流通性と良好な電池反応性とを兼ね備える。 The electrodes, battery cells, cell stacks, and redox flow battery systems of the present disclosure combine good electrolyte fluidity and good battery reactivity.
《本開示の実施形態の説明》
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
<<Description of Embodiments of the Present Disclosure>>
First, the embodiments of the present disclosure are listed and described.
(1)本開示の一態様の電極は、
レドックスフロー電池システムに用いられる電極であって、
第一炭素繊維と空隙とを含む第一電極と、
第二炭素繊維と空隙とを含む第二電極と、を備え、
前記第一電極と前記第二電極とは積層されており、
水銀圧入法によって求められる前記第一電極の細孔容積基準の第一メディアン径が、水銀圧入法によって求められる前記第一電極の第一モード径の1.025倍以上であり、
水銀圧入法によって求められる前記第二電極の細孔容積基準の第二メディアン径が、水銀圧入法によって求められる前記第二電極の第二モード径の1.02倍以下である。
(1) The electrode of one aspect of the present disclosure is
An electrode for use in a redox flow battery system, comprising:
a first electrode comprising a first carbon fiber and a void;
a second electrode comprising a second carbon fiber and a void;
The first electrode and the second electrode are laminated,
The pore volume-based first median diameter of the first electrode obtained by mercury porosimetry is 1.025 times or more the first mode diameter of the first electrode obtained by mercury porosimetry,
The pore volume-based second median diameter of the second electrode determined by mercury porosimetry is 1.02 times or less of the second mode diameter of the second electrode determined by mercury porosimetry.
第一メディアン径が第一モード径の1.025倍以上である第一電極は、第一メディアン径が第一モード径の1.025倍未満である電極に比較して、大きな空隙が多い。この第一電極は、電解液の流通性に優れる。第二メディアン径が第二モード径の1.02倍以下である第二電極は、第二メディアン径が第二モード径の1.02倍超である電極に比較して、小さな空隙が多い。この第二電極は、電池反応性に優れる。よって、上記の形態は、電解液の流通性に優れる第一電極と電池反応性に優れる第二電極とを備えるため、電解液の良好な流通性と良好な電池反応性とを兼ね備える。よって、上記の形態は、拡散抵抗及び電荷移動抵抗を小さくし易い。 A first electrode having a first median diameter of 1.025 times or more the first mode diameter has many large voids compared to an electrode having a first median diameter of less than 1.025 times the first mode diameter. This first electrode is excellent in electrolyte solution flowability. A second electrode having a second median diameter less than or equal to 1.02 times the second mode diameter has more small voids than an electrode having a second median diameter greater than 1.02 times the second mode diameter. This second electrode is excellent in battery reactivity. Therefore, since the above embodiment includes the first electrode having excellent electrolyte fluidity and the second electrode having excellent battery reactivity, it has both good electrolyte fluidity and good battery reactivity. Therefore, the above configuration facilitates reducing the diffusion resistance and the charge transfer resistance.
(2)上記電極の一形態として、
前記第一モード径が80μm以下であり、
前記第二モード径が60μm以下であってもよい。
(2) As one form of the electrode,
The first mode diameter is 80 μm or less,
The second mode diameter may be 60 μm or less.
第一モード径が80μm以下である第一電極は、電池反応性に優れる。第二モード径が60μm以下である第二電極も電池反応性に優れる。 A first electrode having a first mode diameter of 80 μm or less has excellent battery reactivity. A second electrode having a second mode diameter of 60 μm or less is also excellent in battery reactivity.
(3)上記電極の一形態として、
前記第一メディアン径が80μm以下であり、
前記第二メディアン径が60μm以下であってもよい。
(3) As one form of the electrode,
The first median diameter is 80 μm or less,
The second median diameter may be 60 μm or less.
第一メディアン径が80μm以下である第一電極は、電池反応性に優れる。第二メディアン径が60μm以下である第二電極も電池反応性に優れる。 A first electrode having a first median diameter of 80 μm or less has excellent battery reactivity. A second electrode having a second median diameter of 60 μm or less also has excellent battery reactivity.
(4)上記電極の一形態として、
水銀圧入法によって求められる前記第一電極のLog微分細孔容積分布において、最大ピークをとる第一曲線の第一シンメトリー係数S0.1hが1.5以上であり、
水銀圧入法によって求められる前記第二電極のLog微分細孔容積分布において、最大ピークをとる第二曲線の第二シンメトリー係数S0.1hが1.5以上であってもよい。
(4) As one form of the electrode,
In the Log differential pore volume distribution of the first electrode obtained by mercury porosimetry, the first symmetry coefficient S 0.1h of the first curve having the maximum peak is 1.5 or more,
In the log differential pore volume distribution of the second electrode obtained by mercury porosimetry, the second symmetry coefficient S0.1h of the second curve having the maximum peak may be 1.5 or more.
詳しくは図5を参照して後述するように、第一シンメトリー係数S0.1hは、第一幅W0.1h/(2×第一幅f0.1h)、によって求められる。第一幅W0.1hは、第一細孔径D11と第二細孔径D12との差である。第一幅f0.1hは、第一細孔径D11と第三細孔径D13との差である。第一細孔径D11は、上記第一曲線における上記最大ピークの高さの10%の高さの細孔径のうち小さい方の細孔径である。第二細孔径D12は、上記第一曲線における上記最大ピークの高さの10%の高さの細孔径のうち大きい方の細孔径である。第三細孔径D13は、上記第一曲線の上記最大ピークの細孔径である。 As will be described later in detail with reference to FIG. 5, the first symmetry coefficient S 0.1h is obtained by first width W 0.1h /(2×first width f 0.1h ). The first width W0.1h is the difference between the first pore diameter D11 and the second pore diameter D12 . The first width f0.1h is the difference between the first pore diameter D11 and the third pore diameter D13 . The first pore diameter D11 is the smaller one of the pore diameters at a height of 10% of the height of the maximum peak in the first curve. The second pore diameter D12 is the larger one of the pore diameters at a height of 10% of the height of the maximum peak in the first curve. The third pore diameter D13 is the pore diameter of the maximum peak of the first curve.
詳しくは図8を参照して後述するように、第二シンメトリー係数S0.1hは、第二幅W0.1h/(2×第二幅f0.1h)、によって求められる。第二幅W0.1hは、第一細孔径D21と第二細孔径D22との差である。第二幅f0.1hは、第一細孔径D21と第三細孔径D23との差である。第一細孔径D21は、上記第二曲線における上記最大ピークの高さの10%の高さの細孔径のうち小さい方の細孔径である。第二細孔径D22は、上記第二曲線における上記最大ピークの高さの10%の高さの細孔径のうち大きい方の細孔径である。第三細孔径D23は、上記第二曲線の上記最大ピークの細孔径である。 As will be described later in detail with reference to FIG. 8, the second symmetry coefficient S 0.1h is obtained by second width W 0.1h /(2×second width f 0.1h ). The second width W0.1h is the difference between the first pore diameter D21 and the second pore diameter D22 . The second width f 0.1h is the difference between the first pore diameter D 21 and the third pore diameter D 23 . The first pore diameter D21 is the smaller one of the pore diameters at a height of 10% of the height of the maximum peak in the second curve. The second pore diameter D22 is the larger one of the pore diameters at a height of 10% of the height of the maximum peak in the second curve. The third pore diameter D23 is the pore diameter of the maximum peak of the second curve.
第一シンメトリー係数S0.1hが1.5以上である第一電極は、第一シンメトリー係数S0.1hが1.5未満の電極に比較して、大きな空隙が多い。この第一電極は、電解液の流通性に優れる。同様に、第二シンメトリー係数S0.1hが1.5以上である第二電極は、第二シンメトリー係数S0.1hが1.5未満の電極に比較して、大きな空隙が多い。この第二電極は、電解液の流通性に優れる。 A first electrode having a first symmetry coefficient S 0.1h of 1.5 or more has many large gaps compared to an electrode having a first symmetry coefficient S 0.1h of less than 1.5. This first electrode is excellent in electrolyte solution flowability. Similarly, the second electrode having a second symmetry coefficient S 0.1h of 1.5 or more has many large gaps compared to the electrode having a second symmetry coefficient S 0.1h of less than 1.5. This second electrode is excellent in fluidity of the electrolytic solution.
(5)上記電極の一形態として、
(水銀圧入法によって求められる前記第二モード径×1/10の径におけるLog微分細孔容積)/(水銀圧入法によって求められる前記第二モード径のLog微分細孔容積)が0.002以上であってもよい。以下、(水銀圧入法によって求められる前記モード径×1/10の径におけるLog微分細孔容積)/(水銀圧入法によって求められる前記モード径のLog微分細孔容積)をLog微分細孔容積の比と呼ぶことがある。Log微分細孔容積の比は、水銀圧入法によって求められる第二モード径×1/10の径におけるLog微分細孔容積を水銀圧入法によって求められる第二モード径のLog微分細孔容積で除して求められる割合である。
(5) As one form of the electrode,
(Log differential pore volume at the second mode diameter x 1/10 diameter obtained by mercury porosimetry)/(Log differential pore volume of the second mode diameter obtained by mercury porosimetry) is 0.002 or more may be Hereinafter, (Log differential pore volume at the mode diameter x 1/10 diameter obtained by mercury porosimetry) / (Log differential pore volume of the mode diameter obtained by mercury porosimetry) Log differential pore volume It is sometimes called a ratio. The Log differential pore volume ratio is obtained by dividing the Log differential pore volume at the second mode diameter x 1/10 diameter obtained by the mercury intrusion method by the Log differential pore volume of the second mode diameter obtained by the mercury intrusion method. It is the ratio required by
上記のLog微分細孔容積の比が0.002である第二電極は、上記のLog微分細孔容積の比が0.002未満である電極に比較して、小さな空隙が多い。この第二電極は、電池反応性に優れる。 A second electrode with a Log differential pore volume ratio of 0.002 has more small voids than an electrode with a Log differential pore volume ratio of less than 0.002. This second electrode is excellent in battery reactivity.
(6)上記電極の一形態として、
前記第一炭素繊維の数及び前記第二炭素繊維の数は複数であり、
複数の前記第一炭素繊維の平均径及び複数の前記第二炭素繊維の平均径が2μm以上30μm以下であってもよい。
(6) As one form of the electrode,
The number of the first carbon fibers and the number of the second carbon fibers are plural,
The average diameter of the plurality of first carbon fibers and the average diameter of the plurality of second carbon fibers may be 2 μm or more and 30 μm or less.
複数の第一炭素繊維の平均径及び複数の第二炭素繊維の平均径が2μm以上であることで、第一電極及び第二電極の強度が高くなる。複数の第一炭素繊維の平均径及び複数の第二炭素繊維の平均径が30μm以下であることで、単位重量当たりの第一炭素繊維の表面積及び第二炭素繊維の表面積が大きくなる。そのため、第一電極及び第二電極は十分な電池反応を行うことができる。 When the average diameter of the plurality of first carbon fibers and the average diameter of the plurality of second carbon fibers are 2 μm or more, the strength of the first electrode and the second electrode is increased. When the average diameter of the plurality of first carbon fibers and the average diameter of the plurality of second carbon fibers are 30 μm or less, the surface area of the first carbon fibers and the surface area of the second carbon fibers per unit weight are increased. Therefore, the first electrode and the second electrode can perform sufficient battery reaction.
(7)上記電極の一形態として、
水銀圧入法によって求められる前記第一電極の気孔率が60%以上であってもよい。
(7) As one form of the electrode,
The first electrode may have a porosity of 60% or more as determined by mercury porosimetry.
気孔率が60%以上である第一電極は、気孔率が60%未満である電極に比較して空隙が多い。この第一電極は、電解液の流通性に優れる。 A first electrode with a porosity of 60% or more has more voids than an electrode with a porosity of less than 60%. This first electrode is excellent in electrolyte solution flowability.
(8)上記電極の一形態として、
前記第二電極は、
炭素粒子と、
前記炭素粒子を前記第二炭素繊維に固定しているバインダーと、を含んでいてもよい。
(8) As one form of the electrode,
The second electrode is
carbon particles;
a binder that fixes the carbon particles to the second carbon fibers.
第二電極は、バインダーによって第二炭素繊維に固定されている炭素粒子を備えることで、電池反応性に優れる。 The second electrode has carbon particles fixed to the second carbon fibers by a binder, and thus has excellent battery reactivity.
(9)本開示の一態様の電池セルは、
レドックスフロー電池システムに用いられる電池セルであって、
上記(1)から上記(8)のいずれか1つに記載の電極を備える。
(9) A battery cell according to one aspect of the present disclosure is
A battery cell used in a redox flow battery system,
The electrode according to any one of (1) to (8) above is provided.
上記の形態は、電解液の良好な流通性と良好な電池反応性とを兼ね備える電極を備えるため、拡散抵抗及び電荷移動抵抗を小さくし易い。 Since the above-described form includes an electrode having both good electrolyte flowability and good battery reactivity, it is easy to reduce the diffusion resistance and the charge transfer resistance.
(10)本開示の一態様のセルスタックは、
レドックスフロー電池システムに用いられるセルスタックであって、
上記(9)に記載の電池セルを複数備える。
(10) The cell stack of one aspect of the present disclosure is
A cell stack used in a redox flow battery system,
A plurality of battery cells according to (9) are provided.
上記の形態は、複数の上記電池セルを備えるため、電解液の良好な流通性と良好な電池反応性とを兼ね備える。よって、上記の形態は、拡散抵抗及び電荷移動抵抗を小さくし易い。 Since the above embodiment includes a plurality of battery cells, it has both good flowability of the electrolytic solution and good battery reactivity. Therefore, the above configuration facilitates reducing the diffusion resistance and the charge transfer resistance.
(11)本開示の一態様のレドックスフロー電池システムは、
上記(9)に記載の電池セル、又は上記(10)に記載のセルスタックを備える。
(11) The redox flow battery system of one aspect of the present disclosure includes
The battery cell according to (9) above or the cell stack according to (10) above is provided.
上記の形態は、上記電池セル又は上記セルスタックを備えるため、電解液の良好な流通性と良好な電池反応性とを兼ね備える。よって、上記の形態は、拡散抵抗及び電荷移動抵抗を小さくし易い。 Since the above embodiment includes the battery cell or the cell stack, it has both good fluidity of the electrolytic solution and good battery reactivity. Therefore, the above configuration facilitates reducing the diffusion resistance and the charge transfer resistance.
(12)上記レドックスフロー電池システムの一形態として、
前記電池セルに供給される正極電解液及び負極電解液を備え、
前記正極電解液はマンガンイオンを含み、
前記負極電解液はチタンイオンを含んでいてもよい。
(12) As one form of the redox flow battery system,
A positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte supplied to the battery cell,
The positive electrode electrolyte contains manganese ions,
The negative electrode electrolyte may contain titanium ions.
上記の形態は、高い起電力を有する。 The above forms have a high electromotive force.
《本開示の実施形態の詳細》
本開示の実施形態のレドックスフロー電池システムの詳細を、以下に説明する。以下、レドックスフロー電池システムをRF電池システムと表記することがある。図中の同一符号は同一名称物を示す。
<<Details of the embodiment of the present disclosure>>
Details of the redox flow battery system of embodiments of the present disclosure are described below. Hereinafter, the redox flow battery system may be referred to as an RF battery system. The same reference numerals in the drawings indicate the same names.
《実施形態》
〔RF電池システム〕
図1から図10を参照して、実施形態のRF電池システム100を説明する。RF電池システム100は、図9に示すように、電池セル4と循環機構6とを備える。電池セル4は、隔膜4Mと正極電極4Pと負極電極4Nとを有する。隔膜4Mは、正極電極4Pと負極電極4Nとの間に配置されている。正極電極4P及び負極電極4Nの少なくとも一方は、図1に示す電極1で構成されている。循環機構6は、電池セル4に電解液を循環する。本形態のRF電池システム100の特徴の一つは、図2に示すように、電極1が特定の第一電極2と特定の第二電極3とが積層された構造を備える点にある。以下の説明は、RF電池システム100の概要と基本構成、本形態のRF電池システム100の各構成の詳細、の順に行う。
<<Embodiment>>
[RF battery system]
An
[RF電池システムの概要]
図9に示すRF電池システム100は、発電部310で発電した電力を充電して蓄え、蓄えた電力を放電して負荷330に供給する。RF電池システム100は、代表的には、交流/直流変換器300と変電設備320とを介して発電部310と負荷330との間に接続される。発電部310の一例は、太陽光発電装置、風力発電装置、又はその他一般の発電所である。負荷330の一例は、電力の需要家である。変電設備320から交流/直流変換器300に向かって伸びる実線矢印は充電を意味する。交流/直流変換器300から変電設備320に向かって伸びる破線矢印は放電を意味する。RF電池システム100は、正極電解液と負極電解液とを使用する。正極電解液と負極電解液とは、酸化還元により価数が変化する金属イオンを活物質として含有する。RF電池システム100の充放電は、正極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位と負極電解液に含まれるイオンの酸化還元電位との差を利用して行われる。RF電池システム100の用途の一例は、負荷平準化、瞬低補償、非常用電源、又は太陽光発電又は風力発電の自然エネルギーの出力平滑化である。
[Overview of RF battery system]
The
[RF電池の基本構成]
RF電池システム100に備わる電池セル4は、隔膜4Mによって正極セルと負極セルとに分離されている。隔膜4Mは、電子を透過しないが、例えば水素イオンを透過するイオン交換膜である。正極セルには、正極電極4Pが内蔵されている。負極セルには、負極電極4Nが内蔵されている。RF電池システム100に備わる循環機構6は、正極循環機構6Pと負極循環機構6Nとを備える。正極循環機構6Pは、正極セルに正極電解液を循環させる。負極循環機構6Nは、負極セルに負極電解液を循環させる。
[Basic configuration of RF battery]
A
[電極]
図1に示す本形態の電極1は、上述したように、図9に示す正極電極4P及び負極電極4Nの少なくとも一方を構成している。電極1は、電池反応に寄与する。電極1は、図2に示すように、第一電極2と第二電極3とを有する。第一電極2の形状及び第二電極3の形状は、シート状である。第一電極2と第二電極3の数は、単数でも複数でもよい。電極1は、図示は省略するものの、第一電極2と第二電極3の他に第三電極を備えていてもよい。第一電極及び第二電極3のどちらが、図9に示す隔膜4M及び後述する双極板51のどちらに向かい合うように配置されていてもよい。
[electrode]
As described above, the
(第一電極)
第一電極2は、図3に示すように、第一炭素繊維21を主成分として含む。第一炭素繊維21を主成分とするとは、第一電極2の重量に対する第一炭素繊維21の重量の比が40%超であることをいう。第一電極2の重量に対する第一炭素繊維21の重量の比は、更に50%以上、60%以上であり、特に70%以上であってもよい。第一電極2は、本形態では複数の第一炭素繊維21を含む。複数の第一炭素繊維21は、三次元の網目構造を構成する。網目の隙間には空隙25が設けられている。この空隙25は、代表的には複数の第一炭素繊維21の間に設けられている。第一電極2は、バインダー、炭素粒子、触媒、親水性の材料、及び疎水性の材料の少なくとも1つを含んでいてもよい。バインダーは、第一炭素繊維21同士を固定したり、炭素粒子を第一炭素繊維21に固定したりする。炭素粒子は、第一電極2の表面積を大きくする。触媒は、電池反応を促進する。第一電極2は、図4に示すように、図7に示す第二電極3の第二炭素繊維31とは異なり、本形態では第一炭素繊維21に炭素粒子が固定されていない。第一電極2は、細孔容積基準の第一メディアン径が第一モード径の1.025倍以上であるという細孔径の大小関係を満たす。即ち、第一電極2は、第一メディアン径と第一モード径との差が第一モード径の2.5%以上を満たす。第一メディアン径と第一モード径との差とは、(第一メディアン径-第一モード径)である。
(first electrode)
The
細孔容積基準の第一メディアン径とは、水銀圧入法に基づく積算細孔分布の積算細孔容積曲線から得られる。積算細孔分布は、X軸に細孔径、Y軸に細孔容積をとったものである。細孔容積基準の第一メディアン径は、積算細孔容積曲線における細孔容積の最小値と最大値の中間に相当する細孔径の値である。なお、X軸の細孔径の測定範囲は、水銀圧入法の測定可能な上限と下限の範囲である。上限がY軸の細孔容積の最小値となる。下限がY軸の細孔容積の最大値となる。上限は、通常、500μm程度である。下限は、通常、0.003μm程度である。Y軸の細孔容積の最小値は、通常、0(ゼロ)となる。以下、細孔容積基準の第一メディアン径を単に第一メディアン径ということがある。第一モード径とは、水銀圧入法に基づく微分細孔分布において、微分値が最大となる所の細孔径である。 The pore volume-based first median diameter is obtained from the cumulative pore volume curve of the cumulative pore distribution based on the mercury intrusion method. In the cumulative pore size distribution, the X-axis is the pore diameter and the Y-axis is the pore volume. The pore volume-based first median diameter is a pore diameter value corresponding to the middle between the minimum and maximum pore volumes in the cumulative pore volume curve. Note that the measurement range of the pore diameter on the X-axis is the range of the upper limit and the lower limit that can be measured by the mercury intrusion method. The upper limit is the minimum value of the pore volume on the Y axis. The lower limit is the maximum pore volume on the Y axis. The upper limit is usually about 500 μm. The lower limit is usually about 0.003 μm. The minimum value of the pore volume on the Y-axis is usually 0 (zero). Hereinafter, the first median diameter based on the pore volume may be simply referred to as the first median diameter. The first mode diameter is the pore diameter at which the differential value is maximized in the differential pore size distribution based on the mercury porosimetry.
第一メディアン径が第一モード径の1.025倍以上である第一電極2は、第一メディアン径が第一モード径の1.025倍未満である電極に比較して、大きな空隙25が多い。この第一電極2は、電解液の流通性に優れる。
The
第一メディアン径は、更に第一モード径の1.03倍以上、特に第一モード径の1.05倍以上であってもよい。第一メディアン径の一例は、第一モード径の1.5倍以下、更に第一モード径の1.3倍以下、特に第一モード径の1.2倍以下である。即ち、第一メディアン径は、第一モード径の1.025倍以上1.5倍以下、更に第一モード径の1.03倍以上1.3倍以下、特に第一モード径の1.05倍以上1.2倍以下である。第一メディアン径と第一モード径との差は、更に第一モード径の3%以上、特に第一モード径の5%以上であってもよい。第一メディアン径と第一モード径との差の一例は、第一モード径の50%以下、更に第一モード径の30%以下、特に第一モード径の20%以下である。即ち、第一メディアン径と第一モード径との差は、第一モード径の2.5%以上50%以下、更に第一モード径の3%以上30%以下、特に第一モード径の5%以上20%以下である。 The first median diameter may further be 1.03 times or more the first mode diameter, particularly 1.05 times or more the first mode diameter. An example of the first median diameter is 1.5 times or less the first mode diameter, further 1.3 times or less the first mode diameter, and particularly 1.2 times or less the first mode diameter. That is, the first median diameter is 1.025 to 1.5 times the first mode diameter, further 1.03 to 1.3 times the first mode diameter, particularly 1.05 times the first mode diameter. It is more than twice and less than 1.2 times. The difference between the first median diameter and the first mode diameter may be 3% or more of the first mode diameter, particularly 5% or more of the first mode diameter. An example of the difference between the first median diameter and the first mode diameter is 50% or less of the first mode diameter, further 30% or less of the first mode diameter, particularly 20% or less of the first mode diameter. That is, the difference between the first median diameter and the first mode diameter is 2.5% or more and 50% or less of the first mode diameter, further 3% or more and 30% or less of the first mode diameter, particularly 5% of the first mode diameter. % or more and 20% or less.
第一メディアン径の一例は、80μm以下である。第一メディアン径が80μm以下である第一電極2は、電池反応性に優れる。第一メディアン径は、更に75μm以下、60μm以下、55μm以下、特に50μm以下である。第一メディアン径の下限値の一例は、3μmである。即ち、第一メディアン径は、3μm以上80μm以下、更に10μm以上75μm以下、特に20μm以上60μm以下である。
An example of the first median diameter is 80 μm or less. The
第一モード径の一例は、80μm以下である。第一モード径が80μm以下である第一電極2は、電池反応性に優れる。第一モード径は、更に75μm以下、60μm以下、55μm以下、特に50μm以下である。第一モード径の下限値の一例は、2μmである。即ち、第一モード径は、2μm以上80μm以下、更に10μm以上75μm以下、特に20μm以上60μm以下である。
An example of the first mode diameter is 80 μm or less. The
第一曲線の第一シンメトリー係数S0.1hの一例は、1.5以上である。図5を参照して、第一曲線C1の第一シンメトリー係数S0.1hを説明する。図5の第一曲線C1は、水銀圧入法によって求められる第一電極2のLog微分細孔容積分布のグラフである。図5の横軸は、第一電極2の細孔径(μm)である。横軸は、紙面右側ほど細孔径が大きいことを意味する。図5の縦軸は、第一電極2のLog微分細孔容積(cm3/g)である。縦軸は、紙面上側ほどLog微分細孔容積が大きいことを意味する。図5は、第一曲線C1の第一シンメトリー係数S0.1hの説明を明確にする目的で表現されており、必ずしも実際の第一曲線C1を表すものではない。第一電極2の第一曲線C1は、図5に示すように、1つのピークを有する。
An example of the first symmetry coefficient S 0.1h of the first curve is 1.5 or more. The first symmetry coefficient S0.1h of the first curve C1 will be described with reference to FIG. A first curve C1 in FIG. 5 is a graph of the Log differential pore volume distribution of the
第一シンメトリー係数S0.1hは、「第一幅W0.1h/(2×第一幅f0.1h)」によって求められる。第一幅W0.1hは、第一細孔径D11と第二細孔径D12との差である。第一幅f0.1hは、第一細孔径D11と第三細孔径D13との差である。第一細孔径D11は、第一曲線C1における最大ピークの高さの10%の高さの細孔径のうち小さい方の細孔径である。第二細孔径D12は、第一曲線C1における最大ピークの高さの10%の高さの細孔径のうち大きい方の細孔径である。第三細孔径D13は、第一曲線C1の最大ピークの細孔径である。 The first symmetry coefficient S 0.1h is obtained by “first width W 0.1h /(2×first width f 0.1h )”. The first width W0.1h is the difference between the first pore diameter D11 and the second pore diameter D12 . The first width f0.1h is the difference between the first pore diameter D11 and the third pore diameter D13 . The first pore diameter D11 is the smaller one of the pore diameters at 10% of the height of the maximum peak in the first curve C1. The second pore diameter D12 is the larger one of the pore diameters at 10% of the height of the maximum peak in the first curve C1. The third pore diameter D13 is the pore diameter of the maximum peak of the first curve C1.
第一シンメトリー係数S0.1hが1.5以上である第一電極2は、第一シンメトリー係数S0.1hが1.5未満の電極に比較して、大きな空隙25が多い。この第一電極2は、電解液の流通性に優れる。第一シンメトリー係数S0.1hは、更に1.6以上、特に1.7以上である。第一シンメトリー係数S0.1hの一例は、15以下、更に10以下である。即ち、第一シンメトリー係数S0.1hは、1.5以上15以下、更に1.6以上10以下、特に1.7以上10以下である。
The
複数の第一炭素繊維21の平均径の一例は、2μm以上30μm以下である。複数の第一炭素繊維21の平均径が2μm以上であることで、第一電極2の強度が高くなる。複数の第一炭素繊維21の平均径が30μm以下であることで、単位重量当たりの第一炭素繊維21の表面積が大きくなる。そのため、第一電極2は十分な電池反応を行うことができる。複数の第一炭素繊維21の平均径は、更に5μm以上25μm以下、特に7μm以上20μm以下である。
An example of the average diameter of the plurality of
第一炭素繊維21の平均径は、第一炭素繊維21の断面の面積と等しい面積を有する円の直径の平均であり、次のようにして求められる。第一電極2を切断して第一炭素繊維21の断面を露出させる。第一電極2の切断は、電極1の積層方向に行われる。第一電極2の断面から顕微鏡下で5つ以上の観察視野をとる。顕微鏡には、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いる。倍率は、500倍以上3000倍以下とする。1つの観察視野につき3本以上の第一炭素繊維21について、断面積と同じ面積を有する円の直径を求める。全観察視野で求めた円の直径を平均する。
The average diameter of the
第一電極2の目付量の一例は、20g/m2以上400g/m2以下である。目付量が20g/m2以上である第一電極2は、第一炭素繊維21同士の接点を多くし易い。そのため、第一電極2は導電性を高め易い。目付量が400g/m2以下である第一電極2は、空隙25を確保し易い。そのため、第一電極2は電解液の流通性に優れる。第一電極2の目付量は、更に25g/m2以上300g/m2以下、特に30g/m2以上200g/m2以下である。目付量は、単位面積当たりの重量を測定して求める。
An example of the basis weight of the
第一電極2の気孔率の一例は、60%以上である。気孔率は、水銀圧入法によって求められる。気孔率とは、第一電極2の細孔を含む容積に対する細孔容積の割合である。気孔率が60%以上の第一電極2は、気孔率が60%未満の電極に比較して空隙25が多い。この第一電極2は、電解液の流通性に優れる。第一電極2の気孔率の上限値の一例は、99%である。気孔率が99%以下の第一電極2は、電池反応性に優れる。第一電極2の気孔率は、60%以上99%以下、60%以上95%以下、更に65%以上93%以下、特に75%以上90%以下である。
An example of the porosity of the
第一電極2は、不織布、織布、及びペーパーからなる群より選択される1つである。不織布は、独立した第一炭素繊維21を交絡させたものである。織布は、第一炭素繊維21の縦糸と横糸とを交互に織り合わせたものである。ペーパーは、複数の第一炭素繊維21と、第一炭素繊維21を固定するバインダーとを有するものである。ペーパーのバインダーの材質の一例は、後述するバインダー33と同じ材質である。
The
本形態の第一電極2は、不織布である。本形態の第一電極2は、例えば、ニードルパンチ法、ウォーターパンチ法、ステッチボンド法によって第一炭素繊維21を交絡させたものである。本形態の第一電極2は、例えば、第一炭素繊維21の平均径、第一炭素繊維21の平均長さ、目付量、交絡させる条件を適宜調整することで得られる。
The
(第二電極)
第二電極3は、図6に示すように、第二炭素繊維31を主成分として含む。第二炭素繊維31を主成分とするとは、第二電極3の重量に対する第二炭素繊維31の重量の比が40%超であることをいう。第二電極3の重量に対する第二炭素繊維31の重量の比は、更に50%以上、60%以上であり、特に70%以上であってもよい。第二電極3は、本形態では複数の第二炭素繊維31を含む。複数の第二炭素繊維31は、三次元の網目構造を構成する。網目の隙間には空隙35が設けられている。この空隙35は、代表的には複数の第二炭素繊維31の間に設けられている。第二電極3は、バインダー、炭素粒子、触媒、親水性の材料、及び疎水性の材料の少なくとも1つを含んでいてもよい。バインダーは、第二炭素繊維31同士を固定したり、炭素粒子を第二炭素繊維31に固定したりする。炭素粒子は、第二電極3の表面積を大きくする。触媒は、電池反応を促進する。バインダーと炭素粒子とは後述する。第二電極3は、細孔容積基準の第二メディアン径が第二モード径の1.02倍以下であるという細孔径の大小関係を満たす。即ち、第二電極3は、第二メディアン径と第二モード径との差が第二モード径の2%以下を満たす。第二メディアン径と第二モード径との差とは、(第二メディアン径-第二モード径)である。
(Second electrode)
The
細孔容積基準の第二メディアン径及び第二モード径の定義は、上述した細孔容積基準の第一メディアン径及び第一モード径の定義と同様である。即ち、細孔容積基準の第二メディアン径とは、水銀圧入法に基づく積算細孔分布の積算細孔容積曲線から得られる。積算細孔分布は、X軸に細孔径、Y軸に細孔容積をとったものである。細孔容積基準の第二メディアン径は、積算細孔容積曲線における細孔容積の最小値と最大値の中間に相当する細孔径の値である。なお、X軸の細孔径の測定範囲は、水銀圧入法の測定可能な上限と下限の範囲である。上限がY軸の細孔容積の最小値となる。下限がY軸の細孔容積の最大値となる。上限は、通常、500μm程度である。下限は、通常、0.003μm程度である。Y軸の細孔容積の最小値は、通常、0(ゼロ)となる。以下、細孔容積基準の第二メディアン径を単に第二メディアン径ということがある。第二モード径とは、水銀圧入法に基づく微分細孔分布において、微分値が最大となる所の細孔径である。 The definitions of the pore volume-based second median diameter and the second mode diameter are the same as the definitions of the pore volume-based first median diameter and the first mode diameter described above. That is, the pore volume-based second median diameter is obtained from the cumulative pore volume curve of the cumulative pore distribution based on the mercury intrusion method. In the cumulative pore size distribution, the X-axis is the pore diameter and the Y-axis is the pore volume. The pore volume-based second median diameter is a pore diameter value corresponding to the middle between the minimum and maximum pore volumes in the cumulative pore volume curve. Note that the measurement range of the pore diameter on the X-axis is the range of the upper limit and the lower limit that can be measured by the mercury intrusion method. The upper limit is the minimum value of the pore volume on the Y axis. The lower limit is the maximum pore volume on the Y axis. The upper limit is usually about 500 μm. The lower limit is usually about 0.003 μm. The minimum value of the pore volume on the Y axis is usually 0 (zero). Hereinafter, the second median diameter based on the pore volume may simply be referred to as the second median diameter. The second mode diameter is the pore diameter at which the differential value is maximized in the differential pore size distribution based on the mercury porosimetry.
第二メディアン径が第二モード径の1.02倍以下である第二電極3は、第二メディアン径の1.02倍超である電極に比較して、小さな空隙35が多い。この第二電極3は、電池反応性に優れる。
The
第二メディアン径は、第二モード径の1.015倍以下、更に第二モード径の1.01倍以下、特に第二モード径の1.00倍以下であってもよい。第二メディアン径の一例は、第二モード径の0.5倍以上、第二モード径の0.6倍以上、更に第二モード径の0.7倍以上、特に第二モード径の0.8倍以上である。即ち、第二メディアン径は、第二モード径の0.5倍以上1.02倍以下、第二モード径の0.6倍以上1.015倍以下、更に第二モード径の0.7倍以上1.01倍以下、特に第二モード径の0.8倍以上1.00倍以下である。第二メディアン径と第二モード径との差は、第二モード径の1.5%以下、更に第二モード径の1%以下、特に第二モード径の0%以下であってもよい。 The second median diameter may be 1.015 times or less the second mode diameter, further 1.01 times or less the second mode diameter, particularly 1.00 times or less the second mode diameter. An example of the second median diameter is 0.5 times or more the second mode diameter, 0.6 times or more the second mode diameter, further 0.7 times or more the second mode diameter, particularly 0.7 times the second mode diameter. 8 times or more. That is, the second median diameter is 0.5 to 1.02 times the second mode diameter, 0.6 to 1.015 times the second mode diameter, and further 0.7 times the second mode diameter. 0.8 times or more and 1.00 times or less of the second mode diameter. The difference between the second median diameter and the second mode diameter may be 1.5% or less of the second mode diameter, further 1% or less of the second mode diameter, particularly 0% or less of the second mode diameter.
第二メディアン径の一例は、60μm以下である。第二メディアン径が60μm以下である第二電極3は、電池反応性に優れる。第二メディアン径は、更に55μm以下、特に50μm以下である。第二メディアン径の下限値の一例は、3μmである。即ち、第二メディアン径は、3μm以上60μm以下、更に10μm以上55μm以下、特に20μm以上50μm以下である。
An example of the second median diameter is 60 μm or less. The
第二モード径の一例は、60μm以下である。第二モード径が60μm以下である第二電極3は、電池反応性に優れる。第二モード径は、更に55μm以下、特に50μm以下である。第二モード径の下限値の一例は、2μmである。即ち、第二モード径は、2μm以上60μm以下、更に10μm以上55μm以下、特に20μm以上50μm以下である。
An example of the second mode diameter is 60 μm or less. The
第二曲線の第二シンメトリー係数S0.1hの一例は、1.5以上である。図8を参照して、第二曲線C2の第二シンメトリー係数S0.1hを説明する。図8の第二曲線C2は、水銀圧入法によって求められる第二電極3のLog微分細孔容積分布のグラフである。図8の横軸は、第二電極3の細孔径(μm)である。横軸は、紙面右側ほど細孔径が大きいことを意味する。図8の縦軸は、第二電極3のLog微分細孔容積(cm3/g)である。縦軸は、紙面上側ほどLog微分細孔容積が大きいことを意味する。図8は、第二曲線C2の第二シンメトリー係数S0.1hの説明を明確にする目的で表現されており、必ずしも実際の第二曲線C2を表すものではない。第二電極3の第二曲線C2は、図8に示すように、複数のピークを有する。図8は、3つのピークが存在する例を示している。第二曲線C2の第二シンメトリー係数S0.1hとは、複数のピークのうち最大ピークをとる曲線のシンメトリー係数をいう。
An example of the second symmetry coefficient S 0.1h of the second curve is 1.5 or more. The second symmetry coefficient S0.1h of the second curve C2 will be described with reference to FIG. A second curve C2 in FIG. 8 is a graph of the Log differential pore volume distribution of the
第二シンメトリー係数S0.1hは、「第二幅W0.1h/(2×第二幅f0.1h)」によって求められる。第二幅W0.1hは、第一細孔径D21と第二細孔径D22との差である。第二幅f0.1hは、第一細孔径D21と第三細孔径D23との差である。第一細孔径D21は、第二曲線C2における最大ピークの高さの10%の高さの細孔径のうち小さい方の細孔径である。第二細孔径D22は、第二曲線C2における最大ピークの高さの10%の高さの細孔径のうち大きい方の細孔径である。第三細孔径D23は、第二曲線C2の最大ピークの細孔径である。 The second symmetry coefficient S 0.1h is obtained by “second width W 0.1h /(2×second width f 0.1h )”. The second width W0.1h is the difference between the first pore diameter D21 and the second pore diameter D22 . The second width f 0.1h is the difference between the first pore diameter D 21 and the third pore diameter D 23 . The first pore diameter D21 is the smaller one of the pore diameters at 10% of the height of the maximum peak in the second curve C2. The second pore diameter D22 is the larger one of the pore diameters at 10% of the height of the maximum peak in the second curve C2. The third pore diameter D23 is the pore diameter of the maximum peak of the second curve C2.
第二シンメトリー係数S0.1hが1.5以上である第二電極3は、第二シンメトリー係数S0.1hが1.5未満である電極に比較して、大きな空隙35が多い。この第二電極3は、電解液の流通性に優れる。第二シンメトリー係数S0.1hは、更に1.6以上、特に1.7以上である。第二シンメトリー係数S0.1hの一例は、15以下、更に10以下である。即ち、第二シンメトリー係数S0.1hは、1.5以上15以下、更に1.6以上10以下、特に1.7以上10以下である。
The
例えば、水銀圧入法によって求められる第二電極3のLog微分細孔容積分布において、複数のピークが存在してもよい。複数のピークは、第二モード径のピークを含む。第二モード径のピーク強度が複数のピークの中で最大ピーク強度である。即ち、複数のピークは、第二モード径のピーク強度よりも小さいピーク強度を有するピークを含む。第二モード径のピーク強度よりも小さいピーク強度を有する1つ以上のピークが、第二モード径よりも小さい細孔径の範囲に存在している場合がある。この場合、第一ピーク強度に対する第二ピーク強度の比が10-10以上であってもよい。第一ピーク強度は、最大ピーク強度、即ち第二モード径のピーク強度である。第二ピーク強度は、上記1つ以上のピークのピーク強度のうち、第二モード径のピーク強度の次に大きなピーク強度である。即ち、第二ピーク強度は、第二モード径のピーク強度よりも小さく、かつ上記1つ以上のピークのピーク強度のうち最も大きなピーク強度である。第二電極3は、このような分布を有していてもよい。
For example, a plurality of peaks may be present in the Log differential pore volume distribution of the
例えば、図8に示すように、水銀圧入法によって求められる第二電極3のLog微分細孔容積分布において、第二曲線C2の0.01μm以上200μm以下の細孔径の範囲内に複数のピークが存在していてもよい。図8には、0.01μm以上200μm以下の細孔径の範囲内に3つのピークが存在する例が示されている。3つのピークのうち2つのピークは、最大ピークよりも小さい細孔径の範囲に存在している。図8では、最大ピークは、右端のピークであり、第三細孔径D23のピークである。図8では、2番目に大きなピークは、右から2つ目のピークである。この場合、複数のピークにおける最大ピーク強度に対する2番目に大きなピーク強度の比の一例は、10-10以上であってもよい。第二電極3は、このような分布を有していてもよい。
For example, as shown in FIG. 8, in the log differential pore volume distribution of the
(第二モード径×1/10の径におけるLog微分細孔容積)/(第二モード径のLog微分細孔容積)の一例は、0.002以上である。第二モード径×1/10の径におけるLog微分細孔容積と第二モード径のLog微分細孔容積とは、水銀圧入法によって求められる。上記のLog微分細孔容積の比が0.002以上である第二電極3は、上記のLog微分細孔容積の比が0.002未満である電極に比較して、小さな空隙35が多い。この第二電極3は、電池反応性に優れる。上記のLog微分細孔容積の比は、0.010以上、更に0.020以上である。上記のLog微分細孔容積の比の一例は、0.5以下、更に0.3以下である。上記のLog微分細孔容積の比は、0.002以上0.5以下、0.010以上0.3以下、更に0.020以上0.3以下である。
An example of (second mode diameter×Log differential pore volume at diameter of 1/10)/(Log differential pore volume at second mode diameter) is 0.002 or more. The Log differential pore volume at the second mode diameter×1/10 diameter and the Log differential pore volume at the second mode diameter are obtained by mercury porosimetry. The
複数の第二炭素繊維31の平均径の一例は、2μm以上30μm以下である。複数の第二炭素繊維31の平均径の上・下限値の理由は、複数の第一炭素繊維21の平均径の上・下限値の理由と同じである。複数の第二炭素繊維31の平均径は、更に5μm以上25μm以下、特に7μm以上20μm以下である。複数の第二炭素繊維31の平均径の求め方は、上述した第一炭素繊維21の平均径の求め方と同じである。
An example of the average diameter of the plurality of
本形態の第二電極3は、図7に示すように、炭素粒子32とバインダー33とを含む。本形態とは異なり、第二電極3は、図7に示す炭素粒子32とバインダー33とを含んでいなくてもよい。バインダー33は、炭素粒子32を第二炭素繊維31に固定している。バインダー33によって、炭素粒子32が第二炭素繊維31に接触した状態に強固に固定される。そのため、長期にわたって炭素粒子32が第二炭素繊維31から脱落し難い。第二電極3は、バインダー33によって第二炭素繊維31に固定されている炭素粒子32を備えることで、電池反応性に優れる。炭素粒子32の数は本形態では複数である。
The
複数の炭素粒子32の平均粒径の一例は、0.01μm以上30μm以下、更に0.03μm以上20μm以下である。複数の炭素粒子32の平均粒径は、炭素粒子32の断面の面積と等しい面積を有する円の直径の平均であり、次のようにして求められる。複数の炭素粒子32の断面が露出するように第二電極3を切断する。第二電極3の断面から走査型電子顕微鏡下で、5つ以上の観察視野をとる。1つの観察視野につき3個以上の炭素粒子32の断面積と同じ面積を有する円の直径を求める。全観察視野で求めた円の直径を平均する。
An example of the average particle size of the plurality of
バインダー33の材質の一例は、炭素系の材質である。バインダー33の材質は、例えば、ピッチ、樹脂、アルコール、又はゴムである。ピッチの一例は、石炭ピッチ、又は石油ピッチである。樹脂の一例は、フェノール樹脂、ベンゾオキサジン樹脂、エポキシド樹脂、フラン樹脂、ビニルエステル樹脂、メラミン-ホルムアルデヒド樹脂、尿素-ホルムアルデヒド樹脂、レゾルシノール-ホルムアルデヒド樹脂、シアネートエステル樹脂、ビスマレイミド樹脂、ポリウレタン樹脂、又はポリアクリロニトリル樹脂である。アルコールの一例は、フルフリルアルコールである。ゴムの一例は、アクリロニトリル-ブタジエンゴムである。
An example of the material of the
電極1のうち炭素粒子32の占める存在比率の一例は、3質量%以上60質量%以下、更に5質量%以上55質量%以下である。炭素粒子32の存在比率は、第二炭素繊維31と炭素粒子32とバインダー33との合計含有量を100質量%としたときの炭素粒子32を構成する元素の合計含有量の質量割合である。炭素粒子32の質量割合は、熱重量測定により求められる。
An example of the abundance ratio of the
電極1のうちバインダー33の占める存在比率の一例は、3質量%以上60質量%以下、更に5質量%以上55質量%以下である。バインダー33の存在比率は、第二炭素繊維31と炭素粒子32とバインダー33との合計含有量を100質量%としたときのバインダー33を構成する元素の合計含有量の質量割合である。バインダー33の質量割合は、熱重量測定により求められる。
An example of the abundance ratio of the
炭素粒子32の質量に対するバインダー33の質量の比の一例は、0.1以上10.0以下、更に0.3以上8.0以下である。
An example of the ratio of the mass of the
第二電極3の目付量の一例は、20g/m2以上600g/m2以下である。目付量が20g/m2以上である第二電極3は、第二炭素繊維31同士の接点を多くし易い。そのため、第二電極3は導電性を高め易い。目付量が600g/m2以下である第二電極3は、空隙35を確保し易い。そのため、第二電極3は電解液の流通性に優れる。第二電極3の目付量は、更に25g/m2以上500g/m2以下、特に30g/m2以上450g/m2以下である。
An example of the basis weight of the
第二電極3は、不織布、織布、及びペーパーからなる群より選択される1つである。本形態の第二電極3は、不織布である。本形態の第二電極3は、水流交絡法によって第二炭素繊維31を交絡させたものである。本形態の第二電極3は、例えば、第二炭素繊維31の平均径、第二炭素繊維31の平均長さ、炭素粒子32の平均粒径、炭素粒子32の存在比率、バインダー33の材質、バインダー33の存在比率、炭素粒子32とバインダー33の質量比、目付量、交絡させる条件を適宜調整することで得られる。
The
(第三電極)
電極1は、上述したように、図示は省略するものの第三電極を備えていてもよい、第三電極は、以下の要件(a)及び要件(b)が第一電極2と第二電極3とは異なる。
(a)細孔容積基準の第三メディアン径が第三モード径の1.02倍超1.025倍未満である。
(b)第三曲線の第三シンメトリー係数S0.1hの一例が1.5未満である。
細孔容積基準の第三メディアン径、第三モード径、及び第三シンメトリー係数S0.1hの考え方は、細孔容積基準の第一メディアン径、第一モード径、及び第一シンメトリー係数S0.1hと同じである。電極1が第三電極を備える場合、第一電極2と第二電極3と第三電極の積層順は問わない。
(third electrode)
As described above, the
(a) The pore volume-based third median diameter is more than 1.02 times and less than 1.025 times the third mode diameter.
(b) An example of the third symmetry coefficient S 0.1h of the third curve is less than 1.5.
The concept of the pore volume-based third median diameter, third mode diameter, and third symmetry coefficient S 0.1 h is based on the pore volume-based first median diameter, first mode diameter, and first symmetry coefficient S 0 .1h . When the
[セルスタック]
電池セル4は、通常、図9と図10の下図とに示すように、セルスタック200と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック200は、サブスタック201と、2枚のエンドプレート220と、締付機構230とを備える。セルスタック200は、図10の下図では、複数のサブスタック201を備える形態を例示している。各サブスタック201は、図10の下図に示すように、積層体と、2枚の給排板210とを備える。積層体は、図9と図10の上図とに示すように、セルフレーム5、正極電極4P、隔膜4M、及び負極電極4Nを、この順番で複数積層して構成されている。給排板210は、図10の下図に示すように、積層体の両端に配置される。給排板210には、後述する正極循環機構6Pの供給管63と排出管65、及び負極循環機構6Nの供給管64と排出管66が接続される。2枚のエンドプレート220は、複数のサブスタック201を両端のサブスタック201の外側から挟み込む。締付機構230は、両エンドプレート220を締め付ける。
[Cell stack]
[セルフレーム]
セルフレーム5は、図10の上図に示すように、双極板51と枠体52とを備える。枠体52は、双極板51の外周縁部を囲んでいる。隣接するセルフレーム5の双極板51の間に一つの電池セル4が形成される。双極板51の一方の面には、正極電極4Pが向かい合うように配置されている。双極板51の他方の面には、負極電極4Nが向かい合うように配置されている。枠体52には、後述する給液マニホールド53、54、給液スリット53s、54s、排液マニホールド55、56、及び排液スリット55s、56sが形成されている。各枠体52間には、環状のシール溝に環状のシール部材57が配置されている。
[Cell Frame]
The
[正極循環機構・負極循環機構]
正極循環機構6Pは、図9に示すように、正極電解液タンク61と、供給管63と、排出管65と、ポンプ67とを備える。正極電解液タンク61には、正極電解液が貯留される。供給管63と排出管65とは、正極電解液が流通される。供給管63は、正極電解液タンク61と正極セルとを接続している。排出管65は、正極セルと正極電解液タンク61とを接続している。ポンプ67は、正極電解液タンク61内の正極電解液を圧送する。ポンプ67は、供給管63の途中に設けられている。
[Positive electrode circulation mechanism/negative electrode circulation mechanism]
The positive
負極循環機構6Nは、負極電解液タンク62と、供給管64と、排出管66と、ポンプ68とを備える。負極電解液タンク62には、負極電解液が貯留される。供給管64と排出管66とは、負極電解液が流通される。供給管64は、負極電解液タンク62と負極セルとを接続している。排出管66は、負極セルと負極電解液タンク62とを接続している。ポンプ68は、負極電解液タンク62内の負極電解液を圧送する。ポンプ68は、供給管64の途中に設けられている。
The negative
充放電を行う運転時、正極電解液及び負極電解液の流れは次の通りである。ポンプ67により、正極電解液は、正極電解液タンク61から供給管63を流通して正極セルに供給される。正極電解液は、図10の上図に示す給液マニホールド53から給液スリット53sを流通して正極電極4Pに供給される。正極電極4Pに供給された正極電解液は、図10の上図の矢印に示すように、正極電極4Pの下側から上側へ流通する。正極電極4Pを流通した正極電解液は、排液スリット55sを流通して排液マニホールド55に排出される。正極電解液は、正極セルから排出管65を流通して正極電解液タンク61に排出される。ポンプ68により、負極電解液は、負極電解液タンク62から供給管64を流通して負極セルに供給される。負極電解液は、給液マニホールド54から給液スリット54sを流通して負極電極4Nに供給される。負極電極4Nに供給された負極電解液は、図10の上図の矢印に示すように、負極電極4Nの下側から上側へ流通する。負極電極4Nを流通した負極電解液は、排液スリット56sを流通して排液マニホールド56に排出される。負極電解液は、負極セルから排出管66を流通して負極電解液タンク62に排出される。この供給及び排出により、正極電解液及び負極電解液が正極セル及び負極セルに循環される。充放電を行わない待機時、ポンプ67及びポンプ68は停止している。即ち、正極電解液及び負極電解液は循環されない。
During charge/discharge operation, the flow of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte is as follows. The positive electrode electrolyte is supplied from the positive
[電解液]
正極電解液に含まれる正極活物質は、マンガンイオン、バナジウムイオン、鉄イオン、ポリ酸、キノン誘導体、及びアミンからなる群より選択される1種以上である。負極電解液に含まれる負極活物質は、チタンイオン、バナジウムイオン、クロムイオン、ポリ酸、キノン誘導体、及びアミンからなる群より選択される1種以上である。正極電解液がマンガンイオンを含み、負極電解液がチタンイオンを含むと、高い起電力を有するRF電池システム100とし易い。図9では、正極電解液に含まれるイオンとして、マンガン(Mn)イオンを例示し、負極電解液に含まれるイオンとしてチタン(Ti)イオンを例示している。正極電解液及び負極電解液の溶媒は、例えば、硫酸、リン酸、硝酸、塩酸からなる群より選択される1種以上の酸又は酸塩を含む水溶液である。
[Electrolyte]
The positive electrode active material contained in the positive electrode electrolyte is one or more selected from the group consisting of manganese ions, vanadium ions, iron ions, polyacids, quinone derivatives, and amines. The negative electrode active material contained in the negative electrode electrolyte is one or more selected from the group consisting of titanium ions, vanadium ions, chromium ions, polyacids, quinone derivatives, and amines. When the positive electrode electrolyte contains manganese ions and the negative electrode electrolyte contains titanium ions, the
本形態のRF電池システム100は、電解液の流通性に優れる第一電極2と電池反応性に優れる第二電極3とを有する電極1を備えることで、拡散抵抗及び電荷移動抵抗を小さくし易い。
The
《試験例》
複数の電極を用意し、電池反応性と電解液の流通性とを調べた。
<<Test example>>
A plurality of electrodes were prepared, and the battery reactivity and electrolyte flowability were examined.
〔試料No.1から試料No.3〕
試料No.1から試料No.3の電池セルの電極は、第一電極と第二電極とが積層された積層構造を有する電極とした。
[Sample No. 1 to sample no. 3]
Sample no. 1 to sample no. The electrode of the battery cell No. 3 was an electrode having a laminated structure in which the first electrode and the second electrode were laminated.
各試料の第一電極は、複数の第一炭素繊維と空隙とを含む。各試料の第一電極は、炭素粒子とバインダーとを含んでいない。各試料の第一炭素繊維の平均径は、2μm以上30μm以下の範囲内である。第一炭素繊維の平均径は、実施形態で説明した通りの求め方によって求めた。試料No.1の第一電極の目付量は、110g/m2である。試料No.2の第一電極の目付量は、80g/m2である。試料No.3の第一電極の目付量は、90g/m2である。目付量は、実施形態で説明した通りの求め方によって求めた。 The first electrode of each sample includes a plurality of first carbon fibers and voids. The first electrode of each sample was free of carbon particles and binder. The average diameter of the first carbon fibers of each sample is within the range of 2 μm or more and 30 μm or less. The average diameter of the first carbon fibers was obtained by the same method as described in the embodiment. Sample no. The basis weight of the first electrode of No. 1 is 110 g/m 2 . Sample no. The weight per unit area of the first electrode No. 2 is 80 g/m 2 . Sample no. The basis weight of the first electrode of No. 3 is 90 g/m 2 . The basis weight was determined by the method described in the embodiment.
各試料の第二電極は、複数の第二炭素繊維と複数の炭素粒子とバインダーと空隙とを含む。各試料の第二炭素繊維の平均径は、2μm以上30μm以下の範囲内である。第二炭素繊維の平均径は、第一炭素繊維と同様の求め方によって求めた。試料No.1の第二電極の目付量は、120g/m2である。試料No.2の第二電極の目付量は、150g/m2である。試料No.3の第二電極の目付量は、110g/m2である。目付量は、第一電極と同様の求め方によって求めた。各試料の炭素粒子の平均粒径は、0.01μm以上30μm以下の範囲内である。各試料の炭素粒子の占める存在比率は、5質量%以上55質量%以下の範囲内である。各試料のバインダーの材質は、ピッチ系である。各試料のバインダーの占める存在比率は、5質量%以上55質量%以下である。各試料の炭素粒子に対するバインダーの質量比は、0.3以上8.0以下の範囲内である。試料No.1及び試料No.2の炭素粒子に対するバインダーの質量比は、試料No.3の炭素粒子に対するバインダーの質量比よりも大きい。試料No.1、試料No.2、及び試料No.3の順に、バインダーの占める存在比率が小さい。試料No.1、試料No.2、及び試料No.3の順に、炭素粒子の占める存在比率が大きい。平均粒径、及び両存在比率は、実施形態で説明した通りの求め方によって求めた。 A second electrode of each sample includes a plurality of second carbon fibers, a plurality of carbon particles, a binder and voids. The average diameter of the second carbon fibers of each sample is within the range of 2 μm or more and 30 μm or less. The average diameter of the second carbon fibers was obtained by the same method as for the first carbon fibers. Sample no. The basis weight of the second electrode of 1 is 120 g/m 2 . Sample no. The basis weight of the second electrode No. 2 is 150 g/m 2 . Sample no. The basis weight of the second electrode of No. 3 is 110 g/m 2 . The basis weight was obtained by the same method as for the first electrode. The average particle size of the carbon particles of each sample is within the range of 0.01 μm or more and 30 μm or less. The abundance ratio of the carbon particles in each sample is within the range of 5% by mass or more and 55% by mass or less. The material of the binder of each sample is pitch-based. The abundance ratio of the binder in each sample is 5% by mass or more and 55% by mass or less. The mass ratio of binder to carbon particles in each sample is in the range of 0.3 to 8.0. Sample no. 1 and sample no. The mass ratio of the binder to the carbon particles of Sample No. 2 is greater than the binder to carbon particle weight ratio of 3. Sample no. 1, sample no. 2, and sample no. In the order of 3, the existence ratio of the binder is small. Sample no. 1, sample no. 2, and sample no. In the order of 3, the existence ratio of carbon particles is large. The average particle size and the ratio of both were obtained by the method described in the embodiment.
各試料の第一電極及び第二電極の細孔容積基準のメディアン径、モード径、シンメトリー係数、Log微分細孔容積の比、及び気孔率は、表1に示されている通りである。Log微分細孔容積の比とは、(モード径×1/10の径におけるLog微分細孔容積)/(モード径のLog微分細孔容積)である。これらの値は、水銀圧入法によって測定した。測定には、島津製作所-マイクロメリティックス社製の細孔分布測定装置 オートポアIV 9520を用いた。表1には、各試料の電極におけるモード径×1.025の値とモード径×1.02の値も示されている。モード径×1.025の値の算出に用いられたモード径とは第一電極のモード径である。モード径×1.02の値の算出に用いられたモード径とは第二電極のモード径である。これらの値は、小数第三位を四捨五入した値である。 Table 1 shows the pore volume-based median diameter, mode diameter, symmetry coefficient, Log differential pore volume ratio, and porosity of the first and second electrodes of each sample. The Log differential pore volume ratio is (mode diameter×Log differential pore volume at 1/10 diameter)/(Log differential pore volume of mode diameter). These values were measured by mercury porosimetry. For the measurement, a pore distribution analyzer Autopore IV 9520 manufactured by Shimadzu Corporation-Micromeritics was used. Table 1 also shows the value of mode diameter×1.025 and the value of mode diameter×1.02 in the electrode of each sample. The mode diameter used to calculate the value of mode diameter×1.025 is the mode diameter of the first electrode. The mode diameter used to calculate the value of mode diameter×1.02 is the mode diameter of the second electrode. These values are rounded to the third decimal place.
各電極を約12.5mm×25mmのサイズに裁断した短冊片を測定試料に用いた。測定試料の重量は約0.03gから0.24gであった。測定試料を5cc粉体用セルに入れた。粉体用セルのステム容積は0.4ccである。初期圧約3.7kPaの条件で測定した。約3.7kPaは、約0.5psia(pound-force per square inch absolute)に相当し、細孔直径約340μmに相当する。水銀パラメータは、装置のデフォルトの水銀接触角130degrees、水銀表面張力485dynes/cm(485mN/m)に設定した。 A strip piece obtained by cutting each electrode into a size of about 12.5 mm×25 mm was used as a measurement sample. The weight of the measurement sample was about 0.03g to 0.24g. A measurement sample was placed in a 5 cc powder cell. The stem volume of the powder cell is 0.4 cc. It was measured under the condition of an initial pressure of about 3.7 kPa. About 3.7 kPa corresponds to about 0.5 psia (pound-force per square inch absolute), which corresponds to a pore diameter of about 340 μm. Mercury parameters were set to instrument default mercury contact angle of 130 degrees and mercury surface tension of 485 dynes/cm (485 mN/m).
〔試料No.101〕
試料No.101の電池セルの電極は、一枚の電極とした。試料No.101の電極は、カーボン繊維を含む。試料No.101の電極における細孔容積基準のメディアン径、モード径、シンメトリー係数、Log微分細孔容積の比、及び気孔率は、表1に示されている通りである。表1には、試料No.101の電極におけるモード径×1.025とモード径×1.02の値も示されている。これらの値は、小数第三位を四捨五入した値である。
[Sample No. 101]
Sample no. The electrode of the battery cell of 101 was made into the electrode of one sheet. Sample no. The electrodes at 101 contain carbon fibers. Sample no. The pore volume-based median diameter, mode diameter, symmetry coefficient, Log differential pore volume ratio, and porosity of 101 electrodes are shown in Table 1. Table 1 shows sample no. Values of mode diameter x 1.025 and mode diameter x 1.02 for 101 electrodes are also shown. These values are rounded to the third decimal place.
〔電池反応性の評価〕
各試料の電池セルを用いて単セル電池を作製し、後述する各種の抵抗率を測定した。単セル電池は、正極電極、隔膜、及び負極電極の数が1つずつの電池である。単セル電池は、第一セルフレーム、正極電極、隔膜、負極電極、及び第二セルフレームをこの順番で積層して構成した。隔膜は、正極電極と負極電極とで挟まれている。第一セルフレームに備わる双極板と正極電極とが接するように、第一セルフレームが配置されている。第二セルフレームに備わる双極板と負極電極とが接するように、第二セルフレームが配置されている。正極電極には、カーボンペーパーを用いた。負極電極には、試料No.1から試料No.3、及び試料No.101の各々の電極を用いた。試料No.1と試料No.2では、表1に示すように、第一電極を隔膜側に配置し、第二電極を双極板側に配置した。試料No.3では、表1に示すように、第一電極を双極板側に配置し、第二電極を隔膜側に配置した。正極電解液は、活物質にマンガンイオンを含む硫酸マンガン溶液を用いた。負極電解液は、活物質にチタンイオンを含む硫酸チタン溶液を用いた。
[Evaluation of battery reactivity]
A single cell battery was produced using the battery cell of each sample, and various resistivities described later were measured. A single cell battery is a battery having one positive electrode, one diaphragm, and one negative electrode. A single cell battery was constructed by stacking a first cell frame, a positive electrode, a diaphragm, a negative electrode, and a second cell frame in this order. The diaphragm is sandwiched between the positive electrode and the negative electrode. The first cell frame is arranged such that the bipolar plate provided in the first cell frame and the positive electrode are in contact with each other. The second cell frame is arranged such that the bipolar plate provided in the second cell frame and the negative electrode are in contact with each other. Carbon paper was used for the positive electrode. Sample No. 1 was used as the negative electrode. 1 to sample no. 3, and sample no. 101 individual electrodes were used. Sample no. 1 and sample no. In No. 2, as shown in Table 1, the first electrode was arranged on the diaphragm side and the second electrode was arranged on the bipolar plate side. Sample no. In 3, as shown in Table 1, the first electrode was arranged on the bipolar plate side and the second electrode was arranged on the diaphragm side. A manganese sulfate solution containing manganese ions as an active material was used as the positive electrode electrolyte. A titanium sulfate solution containing titanium ions as an active material was used as the negative electrode electrolyte.
各試料の電池セルに電流密度が100mA/cm2の定電流で充放電を行った。この試験では、3サイクルの充放電を行った。この試験では、予め設定した所定の切替電圧に達したら、充電から放電に切り替え、予め設定した所定の切替電圧に達したら、放電から充電に切り替えた。充電から放電への切替電圧は1.62Vとした。放電から充電への切替電圧は1.0Vとした。その結果、いずれの試料のRF電池も充放電運転を行うことができた。 The battery cell of each sample was charged and discharged at a constant current with a current density of 100 mA/cm 2 . In this test, 3 cycles of charging and discharging were performed. In this test, charging was switched to discharging when a preset switching voltage was reached, and discharging was switched to charging when a preset switching voltage was reached. The switching voltage from charge to discharge was set to 1.62V. The switching voltage from discharging to charging was set to 1.0V. As a result, all sample RF batteries could be charged and discharged.
上記の定電流で充放電を行った後、改めて以下の充電を行い、各試料の導電抵抗率(Ω・cm2)、電荷移動抵抗率(Ω・cm2)、拡散抵抗率(Ω・cm2)を以下の方法で求めた。その結果をセル抵抗率(Ω・cm2)と併せて表2に示す。セル抵抗率は、導電抵抗率と電荷移動抵抗率と拡散抵抗率の合計である。ここでの充電は、中点のSOCとなるまで行った。中点のSOCとは、上記の定電流での充放電におけるSOCの最大値とSOCの最小値との和を平均した値である。 After charging and discharging at the above constant current, the following charging was performed again, and the conductive resistivity (Ω·cm 2 ), charge transfer resistivity (Ω·cm 2 ), diffusion resistivity (Ω·cm 2 ), and diffusion resistivity (Ω·cm 2 ) was obtained by the following method. The results are shown in Table 2 together with the cell resistivity (Ω·cm 2 ). Cell resistivity is the sum of conductive resistivity, charge transfer resistivity and diffusion resistivity. The charging here was performed until the midpoint SOC was reached. The midpoint SOC is the average sum of the maximum SOC value and the minimum SOC value in charging and discharging at the constant current.
[導電抵抗率]
導電抵抗率は、交流インピーダンス法において、測定周波数が1kHzのときのインピーダンスとした。
[Conductive resistivity]
Conductive resistivity was defined as impedance at a measurement frequency of 1 kHz in the AC impedance method.
[電荷移動抵抗率]
電荷移動抵抗率は、交流インピーダンス法によって測定した。電荷移動抵抗率の測定には、市販の測定装置を利用して開回路電圧を中心にバイアスを印加して行い、電圧振幅を10mV、測定周波数範囲を10kHzから10mHzとした。
[Charge transfer resistivity]
Charge transfer resistivity was measured by the AC impedance method. The charge transfer resistivity was measured using a commercially available measuring device, applying a bias centered on an open circuit voltage, with a voltage amplitude of 10 mV and a measurement frequency range of 10 kHz to 10 mHz.
[拡散抵抗率]
拡散抵抗率も電荷移動抵抗率と同様、交流インピーダンス法によって測定した。
[Diffusion resistivity]
Diffusion resistivity was also measured by the AC impedance method in the same manner as charge transfer resistivity.
〔電解液の流通性の評価〕
図11に示す測定システム600を用いて、各試料の圧力損失ΔPを測定した。測定システム600は、測定セル610と流体槽620と配管630とポンプ640と流量計650と差圧計660とを備える。
[Evaluation of flowability of electrolytic solution]
Using the
測定セル610は、上述の各種の抵抗率の測定に用いた単セル電池と同じ構造の単セル電池である。流体槽620は、測定セル610内の電極に供給される流体622を貯留する。流体622は、例えば水である。配管630は、流体槽620と、測定セル610との間を接続する。ポンプ640は、配管630に設けられて、測定セル610に流体槽620内の流体622を圧送する。測定セル610から排出された流体622は配管630を介して流体槽620に戻される。このようにポンプ640及び配管630によって、流体槽620内の流体622を測定セル610に循環供給する。図11に示す一点鎖線の矢印は、流体622の流通方向を示す。流量計650は、配管630におけるポンプ640の下流側であって、測定セル610よりも上流側に設けられる。流量計650は、ポンプ640から排出された流体622の流量を測定する。配管630における流量計650の下流側には、測定セル610をバイパスする分岐管632が設けられる。差圧計660は、分岐管632に設けられる。また、差圧計660は、測定セル610と並列に設けられる。
The
差圧計660は、測定セル610に供給される流体622の圧力P0と、測定セル610から排出された流体622の圧力P1との差(P0-P1)を測定する。圧力損失ΔPは、上記の圧力の差(P0-P1)である。圧力損失ΔPが小さいほど、測定セル610は、電解液の流通性に優れるといえる。各試料における圧力損失の結果を表2に示す。表2の圧力損失の結果は、試料No.1の圧力損失ΔPを1.0とする相対値で示している。
表2に示すように、試料No.1から試料No.3の各々の導電抵抗率は、試料No.101と同等である。試料No.1から試料No.3の各々の電荷移動抵抗率及び拡散抵抗率は、試料No.101よりも小さかった。その結果、試料No.1から試料No.3の各々のセル抵抗率は、試料No.101よりも小さかった。試料No.1から試料No.3の各々の圧力損失は、試料No.101よりも小さかった。 As shown in Table 2, sample no. 1 to sample no. The conductive resistivity of each of Sample No. 3 is Equivalent to 101. Sample no. 1 to sample no. The charge transfer resistivity and diffusion resistivity of each of sample Nos. smaller than 101. As a result, sample no. 1 to sample no. The cell resistivity of each of sample nos. smaller than 101. Sample no. 1 to sample no. The pressure loss of each sample No. 3 is smaller than 101.
試料No.1から試料No.3は、良好な電池反応性と電解液の良好な流通性とを兼ね備えることがわかった。 Sample no. 1 to sample no. It was found that No. 3 has both good battery reactivity and good fluidity of the electrolyte.
本発明は、これらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The present invention is not limited to these exemplifications, but is indicated by the scope of the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope of equivalents of the scope of the claims.
100 RF電池システム
1 電極
2 第一電極、21 第一炭素繊維、25 空隙
3 第二電極、31 第二炭素繊維
32 炭素粒子、33 バインダー、35 空隙
4 電池セル、4M 隔膜、4P 正極電極、4N 負極電極
5 セルフレーム、51 双極板、52 枠体
53、54 給液マニホールド、53s、54s 給液スリット
55、56 排液マニホールド、55s、56s 排液スリット
57 シール部材
6 循環機構、6P 正極循環機構、6N 負極循環機構
61 正極電解液タンク、62 負極電解液タンク
63、64 供給管、65、66 排出管、67、68 ポンプ
200 セルスタック、201 サブスタック
210 給排板、220 エンドプレート、230 締付機構
300 交流/直流変換器、310 発電部
320 変電設備、330 負荷
600 測定システム、610 測定セル、620 流体槽
622 流体、630 配管、632 分岐管、640 ポンプ
650 流量計、660 差圧計
C1 第一曲線、C2 第二曲線
100
Claims (12)
第一炭素繊維と空隙とを含む第一電極と、
第二炭素繊維と空隙とを含む第二電極と、を備え、
前記第一電極と前記第二電極とは積層されており、
水銀圧入法によって求められる前記第一電極の細孔容積基準の第一メディアン径が、水銀圧入法によって求められる前記第一電極の第一モード径の1.025倍以上であり、
水銀圧入法によって求められる前記第二電極の細孔容積基準の第二メディアン径が、水銀圧入法によって求められる前記第二電極の第二モード径の1.02倍以下である、
電極。 An electrode for use in a redox flow battery system, comprising:
a first electrode comprising a first carbon fiber and a void;
a second electrode comprising a second carbon fiber and a void;
The first electrode and the second electrode are laminated,
The pore volume-based first median diameter of the first electrode obtained by mercury porosimetry is 1.025 times or more the first mode diameter of the first electrode obtained by mercury porosimetry,
The pore volume-based second median diameter of the second electrode obtained by mercury porosimetry is 1.02 times or less of the second mode diameter of the second electrode obtained by mercury porosimetry,
electrode.
前記第二モード径が60μm以下である、請求項1に記載の電極。 The first mode diameter is 80 μm or less,
2. The electrode of claim 1, wherein the second mode diameter is 60 [mu]m or less.
前記第二メディアン径が60μm以下である、請求項1又は請求項2に記載の電極。 The first median diameter is 80 μm or less,
3. The electrode according to claim 1, wherein said second median diameter is 60 [mu]m or less.
水銀圧入法によって求められる前記第二電極のLog微分細孔容積分布において、最大ピークをとる第二曲線の第二シンメトリー係数S0.1hが1.5以上である、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電極。 In the Log differential pore volume distribution of the first electrode obtained by mercury porosimetry, the first symmetry coefficient S 0.1h of the first curve having the maximum peak is 1.5 or more,
Claims 1 to 3, wherein the second symmetry coefficient S0.1h of the second curve having the maximum peak in the Log differential pore volume distribution of the second electrode obtained by mercury porosimetry is 1.5 or more. The electrode according to any one of .
複数の前記第一炭素繊維の平均径及び複数の前記第二炭素繊維の平均径が2μm以上30μm以下である、請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電極。 The number of the first carbon fibers and the number of the second carbon fibers are plural,
The electrode according to any one of claims 1 to 5, wherein the average diameter of the plurality of first carbon fibers and the average diameter of the plurality of second carbon fibers are 2 µm or more and 30 µm or less.
炭素粒子と、
前記炭素粒子を前記第二炭素繊維に固定しているバインダーと、を含む、請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電極。 The second electrode is
carbon particles;
and a binder fixing the carbon particles to the second carbon fibers.
請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電極を備える、
電池セル。 A battery cell used in a redox flow battery system,
An electrode according to any one of claims 1 to 8,
battery cell.
請求項9に記載の電池セルを複数備える、
セルスタック。 A cell stack used in a redox flow battery system,
A plurality of battery cells according to claim 9,
cell stack.
レドックスフロー電池システム。 The battery cell according to claim 9 or the cell stack according to claim 10,
Redox flow battery system.
前記正極電解液はマンガンイオンを含み、
前記負極電解液はチタンイオンを含む、請求項11に記載のレドックスフロー電池システム。 A positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte supplied to the battery cell,
The positive electrode electrolyte contains manganese ions,
12. The redox flow battery system of claim 11, wherein said negative electrode electrolyte comprises titanium ions.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022000992A JP2023100374A (en) | 2022-01-06 | 2022-01-06 | Electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery system |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2022000992A JP2023100374A (en) | 2022-01-06 | 2022-01-06 | Electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery system |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023100374A true JP2023100374A (en) | 2023-07-19 |
Family
ID=87201528
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2022000992A Pending JP2023100374A (en) | 2022-01-06 | 2022-01-06 | Electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery system |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023100374A (en) |
-
2022
- 2022-01-06 JP JP2022000992A patent/JP2023100374A/en active Pending
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2015122231A (en) | Redox flow cell | |
JP2015122230A (en) | Redox flow cell | |
JP6177324B2 (en) | Conductive fabric sheet | |
US10680248B2 (en) | Electrode material, electrode of redox flow battery, and redox flow battery | |
JP2013065530A (en) | Redox flow battery | |
JP2015122229A (en) | Electrode, and redox flow cell | |
JP5890561B1 (en) | Electrolyzer and battery | |
AU2016342919B2 (en) | Redox flow battery electrode, and redox flow battery | |
JPWO2020157837A1 (en) | Battery cells, cell stacks, and redox flow batteries | |
JP6970388B2 (en) | Redox flow battery electrodes, redox flow battery cells and redox flow batteries | |
JP2023100374A (en) | Electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery system | |
JP2023100373A (en) | Electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery system | |
WO2023132152A1 (en) | Electrode, battery cell, cell stack, and redox-flow battery system | |
JP6903286B2 (en) | Redox flow battery | |
WO2023132153A1 (en) | Electrode, battery cell, cell stack, and redox-flow battery system | |
WO2022153615A1 (en) | Battery cell, cell stack, and redox flow battery system | |
JP7486060B2 (en) | Cell stack and redox flow battery | |
WO2024075439A1 (en) | Redox flow battery electrode, redox flow battery cell, and redox flow battery system | |
JP7286063B2 (en) | Redox flow battery cell, cell stack, and redox flow battery system | |
WO2022209113A1 (en) | Electrode, battery cell, and redox flow battery | |
JP7286062B2 (en) | Redox flow battery cell, cell stack, and redox flow battery system | |
US20220200015A1 (en) | Electrode, redox flow battery, method for manufacturing electrode, and method for regenerating electrode | |
CN114503313A (en) | Electrode, battery cell, battery stack and redox flow battery system | |
JP2022077462A (en) | Electrodes, battery cells, cell stacks, and redox flow battery systems |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A711 | Notification of change in applicant |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A712 Effective date: 20230511 |