JP2024075815A - Electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery - Google Patents

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雄大 池上
正幸 大矢
雍容 董
吉恭 川越
賢一 伊藤
貴 五十嵐
良平 岩原
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Toyobo Co Ltd
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Sumitomo Electric Industries Ltd
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Abstract

【課題】電池反応性と耐久性に優れる電極を提供する。【解決手段】多孔質の基材を備える電極であって、BET比表面積に対するメソ孔比表面積の割合が40%以上であり、前記メソ孔比表面積が1.0m2/g以上30m2/g未満である、電極。【選択図】図4The present invention provides an electrode having excellent battery reactivity and durability. The electrode has a porous substrate, and the ratio of the mesopore specific surface area to the BET specific surface area is 40% or more, and the mesopore specific surface area is 1.0 m2/g or more and less than 30 m2/g. [Selected Figure]

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に関する。 The present disclosure relates to electrodes, battery cells, cell stacks, and redox flow batteries.

大容量の蓄電池として、レドックスフロー電池が知られている。例えば特許文献1に示されるレドックスフロー電池は、複数の電池セルを積層したセルスタックを備える。電池セルに正極電解液と負極電解液とが循環されることで、充放電が行われる。 Redox flow batteries are known as large-capacity storage batteries. For example, the redox flow battery shown in Patent Document 1 has a cell stack in which multiple battery cells are stacked. Charging and discharging are performed by circulating positive and negative electrode electrolytes through the battery cells.

電池セルに備わる電極には、導電性を有し、かつ通液性を有する多孔質体が用いられる。例えば、特許文献1には、炭素繊維の集合体によって構成された電極が開示されている。 The electrodes in the battery cells are made of conductive and liquid-permeable porous materials. For example, Patent Document 1 discloses an electrode made of an aggregate of carbon fibers.

特開2002-246035号公報JP 2002-246035 A

電極における電池反応を向上させるためには、電解液と接触する電極の表面積が大きいことが好ましい。しかし、酸化力が高い電解液中では、電解液の酸化力によって電極が徐々に消耗する。特に、高い酸化力を有する正極電解液においては、電解液との接触面積が大きい電極は消耗し易い。電極が消耗すると、その電極を備える電池セルの電池性能が低下する。 To improve the battery reaction at the electrode, it is preferable that the surface area of the electrode in contact with the electrolyte is large. However, in an electrolyte with high oxidizing power, the electrode gradually wears out due to the oxidizing power of the electrolyte. In particular, in a positive electrode electrolyte with high oxidizing power, an electrode with a large contact area with the electrolyte is easily worn out. When an electrode wears out, the battery performance of the battery cell that includes that electrode decreases.

そこで、本開示は、電池反応性と耐久性に優れる電極を提供することを目的の一つとする。また、本開示は、運転に伴う電池性能の低下を抑制できる電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池を提供することを目的の一つとする。 Therefore, one of the objectives of this disclosure is to provide an electrode with excellent battery reactivity and durability. Another objective of this disclosure is to provide a battery cell, a cell stack, and a redox flow battery that can suppress the deterioration of battery performance during operation.

本開示の電極は、
多孔質の基材を備える電極であって、
BET比表面積に対するメソ孔比表面積の割合が40%以上であり、
前記メソ孔比表面積が1.0m/g以上30m/g未満である。
The electrode of the present disclosure comprises:
An electrode comprising a porous substrate,
The ratio of the mesopore specific surface area to the BET specific surface area is 40% or more;
The mesopore specific surface area is 1.0 m 2 /g or more and less than 30 m 2 /g.

本開示の電池セルは、
本開示の電極を備える。
The battery cell of the present disclosure comprises:
The electrode of the present disclosure is provided.

本開示のセルスタックは、
本開示の電池セルを備える。
The cell stack of the present disclosure includes:
The battery cell of the present disclosure is provided.

本開示のレドックスフロー電池は、
本開示のセルスタックを備える。
The redox flow battery of the present disclosure comprises:
The cell stack of the present disclosure is provided.

本開示の電極は、電池反応性と耐久性に優れる。 The electrodes disclosed herein have excellent battery reactivity and durability.

本開示の電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池は、長期にわたって優れた電池性能を維持する。 The battery cells, cell stacks, and redox flow batteries disclosed herein maintain excellent battery performance over the long term.

図1は、実施形態に係るレドックスフロー電池の動作原理図である。FIG. 1 is a diagram illustrating the operating principle of a redox flow battery according to an embodiment. 図2は、実施形態に係るレドックスフロー電池の概略構成図である。FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the redox flow battery according to the embodiment. 図3は、セルスタックの一例を示す概略構成図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing an example of a cell stack. 図4は、実施形態に係る電極の模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram of an electrode according to an embodiment. 図5は、実施形態に係る電極の部分拡大図である。FIG. 5 is a partial enlarged view of the electrode according to the embodiment.

[本開示の実施形態の説明]
本発明者らは、電池反応性と耐久性に優れる電池の構成について鋭意検討した。既に説明したように、電極における電池反応性の向上と耐久性とはトレードオフの関係にある。この点を考慮し、本発明者らは、電極に占めるメソ孔比表面積の割合、及びメソ孔比表面積の上限を規定する技術思想に想到した。この技術思想に基づき、本発明者らは、以下に示す本開示の電極、電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池を完成させた。以下、本開示の実施態様を列記して説明する。
[Description of the embodiments of the present disclosure]
The present inventors have intensively studied the configuration of a battery having excellent battery reactivity and durability. As already explained, there is a trade-off between improved battery reactivity and durability in an electrode. In consideration of this point, the present inventors have arrived at a technical idea of defining the ratio of the specific mesopore surface area in an electrode and the upper limit of the specific mesopore surface area. Based on this technical idea, the present inventors have completed the electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery of the present disclosure described below. Hereinafter, embodiments of the present disclosure will be described in a list.

<1>実施形態に係る電極は、
多孔質の基材を備える電極であって、
BET比表面積に対するメソ孔比表面積の割合が40%以上であり、
前記メソ孔比表面積が1.0m/g以上30m/g未満である。
<1> The electrode according to the embodiment is
An electrode comprising a porous substrate,
The ratio of the mesopore specific surface area to the BET specific surface area is 40% or more;
The mesopore specific surface area is 1.0 m 2 /g or more and less than 30 m 2 /g.

多孔質体に形成される細孔は、マイクロ孔、メソ孔、及びマクロ孔に分類される。メソ孔は、直径2nm以上50nm以下の細孔のことである。マイクロ孔は、メソ孔よりも細い孔のことである。マクロ孔は、メソ孔よりも太い孔のことである。この定義は、International Union of Pure and Applied Chemistryの定義に準拠している。メソ孔は、マクロ孔及びマイクロ孔に比べて、電池反応を向上させる効果が高い。なぜなら、メソ孔には電解液が入り込み易く、メソ孔の内周面と電解液との接触面積が大きいからである。メソ孔よりも細いマイクロ孔には電解液が入り込み難い。メソ孔よりも太いマクロ孔には電解液が入り込み易いが、単位体積当たりの電解液に対するマクロ孔の接触面積が小さい。 The pores formed in the porous body are classified into micropores, mesopores, and macropores. Mesopores are pores with a diameter of 2 nm to 50 nm. Micropores are pores that are narrower than mesopores. Macropores are pores that are wider than mesopores. This definition conforms to the definition of the International Union of Pure and Applied Chemistry. Mesopores are more effective at improving battery reactions than macropores and micropores. This is because the electrolyte can easily enter the mesopores and the contact area between the inner surface of the mesopores and the electrolyte is large. The electrolyte cannot easily enter micropores that are narrower than mesopores. The electrolyte can easily enter macropores that are wider than mesopores, but the contact area of the macropores with the electrolyte per unit volume is small.

実施形態に係る電極では、BET比表面積に占めるメソ孔比表面積の割合と、メソ孔比表面積の上限値が規定されている。そのため、実施形態の電極では、電池反応を向上させるメソ孔の割合が高いにもかかわらず、電解液との接触面積が大きくなり過ぎない。従って、実施形態に係る電極は、電池反応性と耐久性に優れる。 In the electrode according to the embodiment, the ratio of the mesopore specific surface area to the BET specific surface area and the upper limit of the mesopore specific surface area are specified. Therefore, in the electrode according to the embodiment, although the ratio of mesopores that improve the battery reaction is high, the contact area with the electrolyte is not too large. Therefore, the electrode according to the embodiment has excellent battery reactivity and durability.

<2>実施形態に係る電極の一形態として、
前記BET比表面積が40m/g未満である形態が挙げられる。
<2> As one embodiment of the electrode according to the present invention,
The BET specific surface area may be less than 40 m 2 /g.

上記形態<2>の構成では、BET比表面積が大きくなり過ぎない。つまり、電極と電解液との接触面積が大きくなり過ぎない。従って、長期にわたって電極が電解液にさらされても、電極が極端に消耗することが抑制される。 In the configuration of the above embodiment <2>, the BET specific surface area is not too large. In other words, the contact area between the electrode and the electrolyte is not too large. Therefore, even if the electrode is exposed to the electrolyte for a long period of time, extreme wear of the electrode is suppressed.

<3>実施形態に係る電極の一形態として、
レドックスフロー電池の正極に用いられる形態が挙げられる。
<3> As one embodiment of the electrode according to the present invention,
Examples include a form used in the positive electrode of a redox flow battery.

一般に、正極電解液の酸化力は、負極電解液の酸化力よりも高い。既に述べたように、実施形態に係る電極は耐久性に優れる。従って、実施形態に係る電極は、酸化力が高い正極電解液にさらされる正極の電極として好適である。 In general, the oxidizing power of the positive electrode electrolyte is higher than that of the negative electrode electrolyte. As already mentioned, the electrodes according to the embodiments have excellent durability. Therefore, the electrodes according to the embodiments are suitable as positive electrodes exposed to a positive electrode electrolyte with a high oxidizing power.

<4>実施形態に係る電極の一形態として、
前記基材は、導電材料として、カーボン、チタン、及びタングステンからなる群から選択される1種以上の元素を含む形態が挙げられる。
<4> As one embodiment of the electrode according to the present invention,
The substrate may include, as a conductive material, one or more elements selected from the group consisting of carbon, titanium, and tungsten.

カーボン、チタン、及びタングステンは、導電性及び耐食性に優れる。従ってこれらの元素は、電極の基材として好適である。 Carbon, titanium, and tungsten have excellent electrical conductivity and corrosion resistance. Therefore, these elements are suitable as base materials for electrodes.

<5>実施形態に係る電極の一形態として、
前記基材は、カーボン繊維、カーボン粒子、及びカーボンバインダー残渣からなる群から選択される少なくとも1種を含む形態が挙げられる。
<5> As one embodiment of the electrode according to the present invention,
The substrate may include at least one selected from the group consisting of carbon fibers, carbon particles, and carbon binder residues.

カーボン繊維及びカーボン粒子の少なくとも一方を原料として使用して電極を作製することによって、電極のBET比表面積とメソ孔比表面積の調整が容易になる。例えば、カーボン繊維の繊維長及び繊維径などを限定することで、電極のBET比表面積とメソ孔比表面積が調整される。また、カーボン粒子の粒径などを限定することで、電極のBET比表面積とメソ孔比表面積が調整される。ここで、カーボンバインダー残渣は、バインダーが炭化したものである。バインダーは、電極の製造時に、カーボン繊維同士を結合する、カーボン繊維とカーボン粒子とを結合する、あるいはカーボン粒子同士を結合する。 By producing an electrode using at least one of carbon fibers and carbon particles as a raw material, it becomes easy to adjust the BET specific surface area and mesopore specific surface area of the electrode. For example, the BET specific surface area and mesopore specific surface area of the electrode can be adjusted by limiting the fiber length and fiber diameter of the carbon fibers. Also, the BET specific surface area and mesopore specific surface area of the electrode can be adjusted by limiting the particle size of the carbon particles. Here, the carbon binder residue is the carbonized binder. The binder bonds the carbon fibers together, bonds the carbon fibers and carbon particles, or bonds the carbon particles together during the manufacture of the electrode.

<6>実施形態に係る電極の一形態として、
前記基材に保持される触媒を備え、
前記触媒は、非カーボン系の材質によって構成される形態が挙げられる。
<6> As one embodiment of the electrode according to the present invention,
A catalyst supported on the substrate;
The catalyst may be formed of a non-carbon material.

触媒は電池反応を促進する。従って、基材に触媒が保持されていることで、電極の電池反応性が向上する。 Catalysts promote cell reactions. Therefore, having a catalyst supported on the substrate improves the cell reactivity of the electrode.

<7>上記形態<6>の電極の一形態として、
前記触媒は、金属酸化物又は金属炭化物である形態が挙げられる。
<7> As one embodiment of the electrode of the above embodiment <6>,
The catalyst may be in the form of a metal oxide or a metal carbide.

金属酸化物又は金属炭化物の触媒は、酸化され難い。そのため、電極が長期にわたって優れた電池反応性を維持し易い。 Metal oxide or metal carbide catalysts are difficult to oxidize. This makes it easier for the electrodes to maintain excellent battery reactivity for a long period of time.

<8>実施形態に係る電池セルは、
上記形態<1>から形態<7>のいずれかの電極を備える。
<8> The battery cell according to the embodiment is
The electrode includes any one of the electrodes according to the above configuration <1> to <7>.

実施形態に係る電池セルは、長期にわたって優れた電池性能を維持し易い。なぜなら、電池セルに備わる実施形態の電極が消耗し難いからである。 The battery cell according to the embodiment is likely to maintain excellent battery performance over a long period of time because the electrodes of the embodiment provided in the battery cell are less likely to wear out.

<9>実施形態に係るセルスタックは、
上記形態<8>の電池セルを備える。
<9> The cell stack according to the embodiment is
The battery cell according to the above embodiment <8> is included.

実施形態に係るセルスタックは、長期にわたって優れた電池性能を維持し易い。なぜなら、セルスタックを構成する電池セルに備わる実施形態の電極が消耗し難いからである。 The cell stack according to the embodiment is likely to maintain excellent battery performance over a long period of time. This is because the electrodes according to the embodiment provided in the battery cells that make up the cell stack are less likely to wear out.

<10>実施形態に係るレドックスフロー電池は、
上記形態<9>のセルスタックを備える。
<10> The redox flow battery according to the embodiment is
The cell stack according to the above embodiment <9> is provided.

実施形態に係るレドックスフロー電池は、長期にわたって優れた電池性能を維持し易い。なぜなら、レドックスフロー電池に備わる実施形態の電極が消耗し難いからである。 The redox flow battery according to the embodiment is likely to maintain excellent battery performance over a long period of time. This is because the electrodes of the embodiment provided in the redox flow battery are less likely to wear out.

[本開示の実施形態の詳細]
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の具体例を、図面を参照して説明する。以下、レドックスフロー電池を「RF電池」と呼ぶ場合がある。図中の同一符号は同一又は相当部分を示す。なお、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。
[Details of the embodiment of the present disclosure]
Specific examples of the electrode, battery cell, cell stack, and redox flow battery of the present disclosure will be described with reference to the drawings. Hereinafter, the redox flow battery may be referred to as an "RF battery." The same reference numerals in the drawings indicate the same or equivalent parts. Note that the present invention is not limited to these examples, but is indicated by the claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the claims.

<実施例1>
≪RF電池の概要≫
図1から図3を参照して、実施形態に係るRF電池1を説明する。図1に示されるRF電池1は、正極活物質を含有する正極電解液と、負極活物質を含有する負極電解液とで充放電を行う。正極活物質及び負極活物質は、代表的には、酸化還元により価数が変化する金属イオンである。図1に示す正極電解液及び負極電解液に含有される金属イオンは一例である。図1では、正極活物質としてMnイオンを含み、負極活物質としてTiイオンを含むTi-Mn系RF電池が例示されている。図1において、実線矢印は充電反応、破線矢印は放電反応をそれぞれ示している。
Example 1
<Overview of RF batteries>
An RF battery 1 according to an embodiment will be described with reference to Fig. 1 to Fig. 3. The RF battery 1 shown in Fig. 1 is charged and discharged with a positive electrode electrolyte solution containing a positive electrode active material and a negative electrode electrolyte solution containing a negative electrode active material. The positive electrode active material and the negative electrode active material are typically metal ions whose valence changes due to oxidation-reduction. The metal ions contained in the positive electrode electrolyte solution and the negative electrode electrolyte solution shown in Fig. 1 are only an example. Fig. 1 illustrates a Ti-Mn-based RF battery that contains Mn ions as the positive electrode active material and Ti ions as the negative electrode active material. In Fig. 1, the solid arrow indicates a charging reaction, and the dashed arrow indicates a discharging reaction.

RF電池1は、代表的には、交流/直流変換器80や変電設備81を介して電力系統90に接続される。RF電池1は、発電部91で発電された電力を充電する、あるいは充電した電力を負荷92に放電する。発電部91は、太陽光発電や風力発電などの自然エネルギーを利用した発電設備、及び一般の発電所などである。RF電池1は、例えば、負荷平準化用途、瞬低補償、非常用電源などの用途、自然エネルギー発電の出力平滑化用途に利用される。 The RF battery 1 is typically connected to a power grid 90 via an AC/DC converter 80 and a substation 81. The RF battery 1 charges with electricity generated by a power generation unit 91, or discharges the charged electricity to a load 92. The power generation unit 91 may be a power generation facility that uses natural energy such as solar power generation or wind power generation, or a general power plant. The RF battery 1 is used, for example, for load leveling, momentary sag compensation, emergency power supply, and output smoothing of natural energy power generation.

≪RF電池の構成≫
RF電池1は、電池セル10、正極タンク12、及び負極タンク13を備える。電池セル10は充放電を担う。正極タンク12は、正極電解液を貯留する。負極タンク13は、負極電解液を貯留する。
<RF battery configuration>
The RF battery 1 includes a battery cell 10, a positive electrode tank 12, and a negative electrode tank 13. The battery cell 10 is responsible for charging and discharging. The positive electrode tank 12 stores a positive electrode electrolyte. The negative electrode tank 13 stores a negative electrode electrolyte.

(電池セル)
電池セル10は、隔膜101によって正極セル102と負極セル103とに分離されている。隔膜101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102には正極電極2が内蔵されている。負極セル103には負極電極3が内蔵されている。
(Battery cell)
The battery cell 10 is separated into a positive electrode cell 102 and a negative electrode cell 103 by a separator 101. The separator 101 is an ion exchange membrane that is impermeable to electrons but is permeable to, for example, hydrogen ions. The positive electrode cell 102 contains a positive electrode 2. The negative electrode cell 103 contains a negative electrode 3.

電池セル10を構成する正極セル102及び負極セル103には、正極電解液及び負極電解液がそれぞれ供給される。本例のRF電池1は、電池セル10と正極タンク12との間を接続する往路配管108及び復路配管110を備える。本例のRF電池1は、電池セル10と負極タンク13との間を接続する往路配管109及び復路配管111を備える。各往路配管108,109には、ポンプ112,113が設けられている。正極電解液は、正極タンク12からポンプ112によって往路配管108を通って正極セル102に供給される。正極セル102を通り正極セル102から排出された正極電解液は、復路配管110を通って正極タンク12に戻される。負極電解液は、負極タンク13からポンプ113によって往路配管109を通って負極セル103に供給される。負極セル103を通り負極セル103から排出された負極電解液は、復路配管111を通って負極タンク13に戻される。つまり、往路配管108,109及び復路配管110,111によって循環流路が構成されている。 The positive electrode cell 102 and the negative electrode cell 103 constituting the battery cell 10 are respectively supplied with a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte. The RF battery 1 of this example has an outward pipe 108 and a return pipe 110 that connect the battery cell 10 and the positive electrode tank 12. The RF battery 1 of this example has an outward pipe 109 and a return pipe 111 that connect the battery cell 10 and the negative electrode tank 13. Pumps 112 and 113 are provided in each of the outward pipes 108 and 109. The positive electrode electrolyte is supplied from the positive electrode tank 12 to the positive electrode cell 102 through the outward pipe 108 by the pump 112. The positive electrode electrolyte discharged from the positive electrode cell 102 through the positive electrode cell 102 is returned to the positive electrode tank 12 through the return pipe 110. The negative electrode electrolyte is supplied from the negative electrode tank 13 to the negative electrode cell 103 through the outward pipe 109 by the pump 113. The negative electrode electrolyte that passes through the negative electrode cell 103 and is discharged from the negative electrode cell 103 is returned to the negative electrode tank 13 through the return pipe 111. In other words, the outward pipes 108 and 109 and the return pipes 110 and 111 form a circulation flow path.

RF電池1は通常、図2,3に示されるように、複数の電池セル10が積層されたセルスタック100と呼ばれる形態で利用される。セルスタック100は、図3に示されるサブスタック200をその両側から2枚のエンドプレート220で挟み込む構成を備える。2枚のエンドプレート220は、締付機構230によって互いに近づく方向に締め付けられている。図3は、複数のサブスタック200を備えるセルスタック100を示している。サブスタック200は、セルフレーム30、正極電極2、隔膜101、負極電極3の順に繰り返し積層された積層体を備える。その積層体の両端には給排板210が配置されている。給排板210には、上述した循環流路を構成する図1,2に示す往路配管108、109及び復路配管110、111が接続される。セルスタック100における電池セル10の積層数は適宜選択できる。 As shown in Figs. 2 and 3, the RF battery 1 is usually used in a form called a cell stack 100 in which multiple battery cells 10 are stacked. The cell stack 100 has a configuration in which a substack 200 shown in Fig. 3 is sandwiched between two end plates 220 from both sides. The two end plates 220 are fastened in a direction approaching each other by a fastening mechanism 230. Fig. 3 shows a cell stack 100 having multiple substacks 200. The substack 200 has a laminate in which a cell frame 30, a positive electrode 2, a diaphragm 101, and a negative electrode 3 are repeatedly stacked in this order. Supply and discharge plates 210 are arranged on both ends of the laminate. The supply and discharge plates 210 are connected to the forward pipes 108 and 109 and the return pipes 110 and 111 shown in Figs. 1 and 2 that constitute the above-mentioned circulation flow path. The number of stacked battery cells 10 in the cell stack 100 can be selected as appropriate.

セルフレーム30は、正極電極2と負極電極3との間に配置される双極板31と、双極板31の周囲に設けられる枠体32とを有する。双極板31の一面側には、正極電極2が対向するように配置される。双極板31の他面側には、負極電極3が対向するように配置される。枠体32の内側には、正極電極2及び負極電極3が双極板31を挟んで収納される。隣り合う各セルフレーム30の双極板31の間に、隔膜101を挟んで正極電極2及び負極電極3が配置されることにより、1つの電池セル10が形成される。 The cell frame 30 has a bipolar plate 31 arranged between the positive electrode 2 and the negative electrode 3, and a frame body 32 provided around the bipolar plate 31. The positive electrode 2 is arranged to face one side of the bipolar plate 31. The negative electrode 3 is arranged to face the other side of the bipolar plate 31. The positive electrode 2 and the negative electrode 3 are stored inside the frame body 32, sandwiching the bipolar plate 31. A battery cell 10 is formed by placing the positive electrode 2 and the negative electrode 3 between the bipolar plates 31 of adjacent cell frames 30, with a diaphragm 101 sandwiched between them.

セルフレーム30の枠体32には、給液マニホールド33,34及び排液マニホールド35,36と、給液スリット33s,34s及び排液スリット35s,36sが形成されている。本例では、正極電解液が、給液マニホールド33から給液スリット33sを介して正極電極2に供給される。正極電極2に供給された正極電解液は、排液スリット35sを介して排液マニホールド35に排出される。同様に、負極電解液は、給液マニホールド34から給液スリット34sを介して負極電極3に供給される。負極電極3に供給された負極電解液は、排液スリット36sを介して排液マニホールド36に排出される。給液マニホールド33、34及び排液マニホールド35、36は、枠体32に貫通して設けられており、セルフレーム30が積層されることによって各電解液の流路を構成する。これら各流路は、給排板210を介して図1に示す往路配管108、109及び復路配管110、111にそれぞれ連通している。セルスタック100は、上記各流路によって、電池セル10に正極電解液及び負極電解液を流通させることが可能である。 The frame body 32 of the cell frame 30 is provided with the liquid supply manifolds 33, 34, the liquid discharge manifolds 35, 36, the liquid supply slits 33s, 34s, and the liquid discharge slits 35s, 36s. In this example, the positive electrode electrolyte is supplied from the liquid supply manifold 33 to the positive electrode 2 through the liquid supply slit 33s. The positive electrode electrolyte supplied to the positive electrode 2 is discharged to the liquid discharge manifold 35 through the liquid discharge slit 35s. Similarly, the negative electrode electrolyte is supplied from the liquid supply manifold 34 to the negative electrode 3 through the liquid supply slit 34s. The negative electrode electrolyte supplied to the negative electrode 3 is discharged to the liquid discharge manifold 36 through the liquid discharge slit 36s. The liquid supply manifolds 33, 34 and the liquid discharge manifolds 35, 36 are provided penetrating the frame body 32, and the cell frames 30 are stacked to form flow paths for each electrolyte. Each of these flow paths is connected to the forward piping 108, 109 and the return piping 110, 111 shown in FIG. 1 via the supply and discharge plate 210. The cell stack 100 is capable of distributing the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte to the battery cell 10 through each of the above flow paths.

(電解液)
電池セル10に循環される正極電解液は正極活物質を含有する。正極活物質としては、代表的には、バナジウム(V)イオン、鉄(Fe)イオン、銅(Cu)イオン、又はマンガン(Mn)イオンが挙げられる。負極電解液は負極活物質を含有する。負極活物質としては、代表的には、Vイオン、クロム(Cr)イオン、チタン(Ti)イオン、コバルト(Co)イオン、Cuイオン、又は亜鉛(Zn)イオンが挙げられる。
(Electrolyte)
The positive electrode electrolyte circulated to the battery cell 10 contains a positive electrode active material. Typical examples of the positive electrode active material include vanadium (V) ions, iron (Fe) ions, copper (Cu) ions, and manganese (Mn) ions. The negative electrode electrolyte contains a negative electrode active material. Typical examples of the negative electrode active material include V ions, chromium (Cr) ions, titanium (Ti) ions, cobalt (Co) ions, Cu ions, and zinc (Zn) ions.

正極活物質と負極活物質とはイオンとなる金属の種類が異なっていてもよいし、同じであってもよい。正極活物質と負極活物質の代表的な組み合わせを以下に示す。
1.正極活物質:Vイオン(V4+/V5+)、負極活物質:Vイオン(V2+/V3+
2.正極活物質:Feイオン(Fe2+/Fe3+)、負極活物質:Crイオン(Cr2+/Cr3+
3.正極活物質:Mnイオン(Mn2+/Mn3+)、負極活物質:Tiイオン(Ti3+/Ti4+
4.正極活物質:Feイオン(Fe2+/Fe3+)、負極活物質:Tiイオン(Ti3+/Ti4+
5.正極活物質:Mnイオン(Mn2+/Mn3+)、負極活物質:Znイオン(Zn2+/Zn)
6.正極活物質:Feイオン(Fe2+/Fe3+)、負極活物質:Coイオン(Co/Co2+
7.正極活物質:Cuイオン(Cu/Cu2+)、負極活物質:Cuイオン(Cu/Cu)
特に、正極活物質がMnイオンを含み、負極活物質がTiイオンを含む形態は、高い起電力が得られる。
The positive electrode active material and the negative electrode active material may have different types of metals that become ions, or may have the same types. Representative combinations of positive electrode active materials and negative electrode active materials are shown below.
1. Positive electrode active material: V ions (V 4+ /V 5+ ), negative electrode active material: V ions (V 2+ /V 3+ )
2. Positive electrode active material: Fe ions (Fe 2+ /Fe 3+ ), negative electrode active material: Cr ions (Cr 2+ /Cr 3+ )
3. Positive electrode active material: Mn ions (Mn 2+ /Mn 3+ ), negative electrode active material: Ti ions (Ti 3+ /Ti 4+ )
4. Positive electrode active material: Fe ions (Fe 2+ /Fe 3+ ), negative electrode active material: Ti ions (Ti 3+ /Ti 4+ )
5. Positive electrode active material: Mn ion (Mn 2+ /Mn 3+ ), negative electrode active material: Zn ion (Zn 2+ /Zn)
6. Positive electrode active material: Fe ions (Fe 2+ /Fe 3+ ), negative electrode active material: Co ions (Co + /Co 2+ )
7. Positive electrode active material: Cu ion (Cu + /Cu 2+ ), negative electrode active material: Cu ion (Cu + /Cu)
In particular, a configuration in which the positive electrode active material contains Mn ions and the negative electrode active material contains Ti ions can provide a high electromotive force.

図1,2に示されるRF電池1の電解液は、既に説明したように、上記3.に示される活物質を含むMn-Ti系電解液である。この場合、正極電解液及び負極電解液が共に、Mnイオン及びTiイオンを含有していても良い。正極電解液ではMnイオンが正極活物質として機能する。負極電解液ではTiイオンが負極活物質として機能する。正極活物質としてMnイオンを用いると、3価のMnイオン(Mn3+)は不安定であるため、充電時に正極電解液中のMn3+がMnOとして析出することがある。正極電解液がTiイオンを含有すると、TiイオンによってMnイオンの析出を抑制することができる。正極電解液に含有するTiイオン及び負極電解液に含有するMnイオンは、それぞれ活物質として機能しない。負極電解液に含有するMnイオンは、主として、両電解液における金属イオン種を等しくするためのものである。 As already explained, the electrolyte of the RF battery 1 shown in Figs. 1 and 2 is a Mn-Ti-based electrolyte containing the active material shown in 3. above. In this case, both the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte may contain Mn ions and Ti ions. In the positive electrode electrolyte, Mn ions function as the positive electrode active material. In the negative electrode electrolyte, Ti ions function as the negative electrode active material. When Mn ions are used as the positive electrode active material, trivalent Mn ions (Mn 3+ ) are unstable, so that Mn 3+ in the positive electrode electrolyte may precipitate as MnO 2 during charging. When the positive electrode electrolyte contains Ti ions, the precipitation of Mn ions can be suppressed by the Ti ions. The Ti ions contained in the positive electrode electrolyte and the Mn ions contained in the negative electrode electrolyte do not function as active materials. The Mn ions contained in the negative electrode electrolyte are mainly for making the metal ion species in both electrolytes equal.

正極電解液及び負極電解液の溶媒は、酸性の水溶液であることが好ましい。溶媒としては、例えば、硫酸(HSO)水溶液、及びリン酸(HPO)水溶液などが挙げられる。特に、硫酸水溶液が好適である。硫酸水溶液にリン酸が含有されていても良い。 The solvent for the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte is preferably an acidic aqueous solution. Examples of the solvent include an aqueous solution of sulfuric acid (H 2 SO 4 ) and an aqueous solution of phosphoric acid (H 3 PO 4 ). In particular, an aqueous solution of sulfuric acid is preferable. The aqueous solution of sulfuric acid may contain phosphoric acid.

(電極)
本例では、代表して正極電極2の構造を図4に基づいて説明する。図4は、正極電極2の断面を模式的に示した図である。本例の負極電極3は、正極電極2と同じ構成を備える。本例とは異なり、負極電極3は、正極電極2と異なる構成を備えていても良い。以降の説明では、正極電極2を単に電極2と呼ぶ。
(electrode)
In this example, the structure of the positive electrode 2 will be described as a representative example with reference to Fig. 4. Fig. 4 is a schematic diagram showing a cross section of the positive electrode 2. The negative electrode 3 in this example has the same configuration as the positive electrode 2. Unlike this example, the negative electrode 3 may have a different configuration from the positive electrode 2. In the following description, the positive electrode 2 will be simply referred to as the electrode 2.

本例の電極2は、多孔質の基材20を備える。電極2は更に、基材20に保持される触媒22を備えていても良い。多孔質の基材20は、メソ孔21と、マイクロ孔25と、マクロ孔26とを備える。メソ孔21は、直径が2nm以上50nm以下の細孔である。マイクロ孔25は、メソ孔21よりも細い細孔である。マクロ孔26は、メソ孔21よりも太い細孔である。図4では、これらの細孔を誇張して示している。また、図4の模式図では、各孔21,25,26を個別に示しているが、実際には一つの細孔においてメソ孔21、マイクロ孔25、及びマクロ孔26が混在している場合がある。 The electrode 2 in this example includes a porous substrate 20. The electrode 2 may further include a catalyst 22 supported on the substrate 20. The porous substrate 20 includes mesopores 21, micropores 25, and macropores 26. The mesopores 21 are pores with a diameter of 2 nm or more and 50 nm or less. The micropores 25 are pores that are thinner than the mesopores 21. The macropores 26 are pores that are thicker than the mesopores 21. In FIG. 4, these pores are shown in an exaggerated manner. In addition, in the schematic diagram of FIG. 4, the pores 21, 25, and 26 are shown individually, but in reality, the mesopores 21, the micropores 25, and the macropores 26 may be mixed in one pore.

電極2と電解液との反応性を向上させるには、電極2の表面積を大きくすることが好ましい。反面、電極2の表面積が大きくなると、電解液によって電極2が消耗し易くなる。電極2が消耗するのは、活物質を含む電解液が酸化力を有するからである。正極電解液の酸化力、特に活物質としてMnを含む正極電解液の酸化力は、負極電解液の酸化力よりも高い。そのため、正極セル102(図1,2)に用いられる電極2は、負極セル103に用いられる負極電極3よりも消耗し易い。 In order to improve the reactivity between the electrode 2 and the electrolyte, it is preferable to increase the surface area of the electrode 2. On the other hand, if the surface area of the electrode 2 is large, the electrode 2 becomes more susceptible to wear by the electrolyte. The electrode 2 is worn out because the electrolyte containing the active material has an oxidizing power. The oxidizing power of the positive electrode electrolyte, particularly the positive electrode electrolyte containing Mn as an active material, is higher than the oxidizing power of the negative electrode electrolyte. Therefore, the electrode 2 used in the positive electrode cell 102 (FIGS. 1 and 2) is more susceptible to wear than the negative electrode 3 used in the negative electrode cell 103.

本例の電極2は、Y/Xが40%以上であり、かつYが1.0m/g以上30m/g未満を満たす。XはBET比表面積(m/g)である。BET比表面積は、基材20の外周面の表面積と、メソ孔21を含む全孔21,25,26の内周面との合計面積(m)を、電極2の質量(g)で割ったものである。基材20の外周面の表面積に、孔21,25,26の開口は含まれない。一方、Yはメソ孔比表面積(m/g)である。メソ孔比表面積は、メソ孔21の内周面の合計面積(m)を、電極2の質量(g)で割ったものである。これらの比表面積は、市販の比表面積測定装置によって求められる。Y/XはBET比表面積に対するメソ孔比表面積の割合である。 In the electrode 2 of this example, Y/X is 40% or more, and Y is 1.0 m 2 /g or more and less than 30 m 2 /g. X is the BET specific surface area (m 2 /g). The BET specific surface area is the total area (m 2 ) of the surface area of the outer peripheral surface of the substrate 20 and the inner peripheral surfaces of all holes 21, 25, 26 including the mesopore 21, divided by the mass (g) of the electrode 2. The surface area of the outer peripheral surface of the substrate 20 does not include the openings of the holes 21, 25, 26. Meanwhile, Y is the mesopore specific surface area (m 2 /g). The mesopore specific surface area is the total area (m 2 ) of the inner peripheral surfaces of the mesopores 21 divided by the mass (g) of the electrode 2. These specific surface areas are determined by a commercially available specific surface area measuring device. Y/X is the ratio of the mesopore specific surface area to the BET specific surface area.

Y/Xが40%以上であれば、BET比表面積に占めるメソ孔比表面積の割合が高いといえる。メソ孔21は、マイクロ孔25及びマクロ孔26に比べて、電極2の電池反応性を向上させる効果が高い。従って、Y/Xが40%以上である電極2は電池反応性に優れる。ここで、本例の電極2では、メソ孔比表面積の上限値も規定されているため、Y/XにおけるBET比表面積の上限値もある程度限定される。BET比表面積の上限値が限定されることで、BET比表面積が大きくなり過ぎない。従って、電極2の消耗を抑制しつつ、電極2の電池反応性を向上させる効果が得られる。 If Y/X is 40% or more, it can be said that the ratio of mesopore specific surface area to the BET specific surface area is high. Compared to micropores 25 and macropores 26, mesopores 21 are more effective at improving the battery reactivity of electrode 2. Therefore, an electrode 2 with Y/X of 40% or more has excellent battery reactivity. Here, in the electrode 2 of this example, since the upper limit of the mesopore specific surface area is also specified, the upper limit of the BET specific surface area at Y/X is also limited to a certain extent. By limiting the upper limit of the BET specific surface area, the BET specific surface area does not become too large. Therefore, the effect of improving the battery reactivity of electrode 2 while suppressing wear of electrode 2 can be obtained.

Y/Xが大きくなると、BET比表面積に占めるメソ孔比表面積が大きくなる。メソ孔21は、電池反応を向上させることに寄与する。従って、Y/Xは大きいことが好ましい。好ましいY/Xは60%以上である。より好ましいY/Xは70%以上である。 When Y/X is large, the mesopore specific surface area in the BET specific surface area is large. The mesopores 21 contribute to improving the battery reaction. Therefore, it is preferable that Y/X is large. A preferable Y/X is 60% or more. A more preferable Y/X is 70% or more.

本例の電極2におけるメソ孔比表面積は、1.0m/g以上30m/g未満である。メソ孔比表面積が小さくなると、電池反応の向上に寄与するメソ孔21が少なくなる。メソ孔比表面積が大きいと、メソ孔21を含む電極2の表面積が大きくなる。電池反応の向上と、耐久性とのバランスを考慮し、メソ孔比表面積は2.0m/g以上28m/g以下、3.0m/g以上27m/g以下、又は5.0m/g以上25m/g以下であることが挙げられる。 The mesopore specific surface area of the electrode 2 in this example is 1.0 m 2 /g or more and less than 30 m 2 /g. If the mesopore specific surface area is smaller, the number of mesopores 21 that contribute to improving the battery reaction is reduced. If the mesopore specific surface area is larger, the surface area of the electrode 2 including the mesopores 21 is larger. In consideration of the balance between improving the battery reaction and durability, the mesopore specific surface area is, for example, 2.0 m 2 /g or more and 28 m 2 /g or less, 3.0 m 2 /g or more and 27 m 2 /g or less, or 5.0 m 2 /g or more and 25 m 2 /g or less.

電極2の耐久性を確保するために、電極2のBET比表面積は40m/g未満であることが好ましい。電解液に接触する電極2の表面積が大きくなるほど、電極2が消耗し易い。電極2のBET比表面積が40m/g未満であれば、電極2における電解液との接触面積が大きくなり過ぎない。より好ましいBET比表面積は35m/g以下である。更に好ましいBET比表面積は30m/g以下である。BET比表面積が小さ過ぎると、電極2における電解液との接触面積が小さくなり過ぎる。BET比表面積は2.0m/g以上、又は5.0m/g以上である。BET比表面積の範囲は、5.0m/g以上30m/g以下であることが挙げられる。 In order to ensure the durability of the electrode 2, the BET specific surface area of the electrode 2 is preferably less than 40 m 2 /g. The larger the surface area of the electrode 2 in contact with the electrolyte, the more likely the electrode 2 is to be consumed. If the BET specific surface area of the electrode 2 is less than 40 m 2 /g, the contact area of the electrode 2 with the electrolyte will not be too large. A more preferable BET specific surface area is 35 m 2 /g or less. An even more preferable BET specific surface area is 30 m 2 /g or less. If the BET specific surface area is too small, the contact area of the electrode 2 with the electrolyte will be too small. The BET specific surface area is 2.0 m 2 /g or more, or 5.0 m 2 /g or more. The range of the BET specific surface area is, for example, 5.0 m 2 /g or more and 30 m 2 /g or less.

基材20は電池反応に寄与する。基材20の材質は、導電性を有するものであれば特に限定されない。基材20の材質は、例えば、炭素(C)、チタン(Ti)、及びタングステン(W)からなる群から選択される1種以上の元素を含む。基材20は、単一元素によって構成されていても良いし、上記元素の化合物によって構成されていても良い。基材20の材質は、例えばX線回折によって求められる。 The substrate 20 contributes to the battery reaction. There are no particular limitations on the material of the substrate 20 as long as it is conductive. The material of the substrate 20 includes, for example, one or more elements selected from the group consisting of carbon (C), titanium (Ti), and tungsten (W). The substrate 20 may be composed of a single element or a compound of the above elements. The material of the substrate 20 is determined, for example, by X-ray diffraction.

炭素を含む基材20として、例えばカーボン繊維、カーボン粒子、及びカーボンバインダー残渣からなる群から選択される少なくとも1種を含む基材20が挙げられる。図5は、基材20を構成する1本のカーボン繊維4の一部を拡大して示す断面図である。この図5に示されるように、炭素を含む基材20として、カーボン繊維4とカーボン粒子5とがカーボンバインダー残渣6によって結着された基材20が好ましい。図5に示す基材20では、カーボン粒子5が付着したカーボン繊維4の隙間によって細孔が形成される。 An example of the carbon-containing substrate 20 is a substrate 20 containing at least one selected from the group consisting of carbon fibers, carbon particles, and carbon binder residues. FIG. 5 is a cross-sectional view showing an enlarged portion of one carbon fiber 4 constituting the substrate 20. As shown in FIG. 5, the carbon-containing substrate 20 is preferably a substrate 20 in which the carbon fibers 4 and the carbon particles 5 are bound by the carbon binder residue 6. In the substrate 20 shown in FIG. 5, pores are formed by the gaps between the carbon fibers 4 to which the carbon particles 5 are attached.

カーボン繊維4は、電極2の3次元構造を維持する役割を持っている。カーボン繊維4は、例えば、有機繊維によって構成される前駆体を炭化させることで得られる繊維である。有機繊維としては、アクリル繊維、フェノール繊維、セルロース繊維、等方性ピッチ繊維、又は異方性ピッチ繊維などが挙げられる。アクリル繊維としては、アクリロニトリルなどが挙げられる。 The carbon fiber 4 plays a role in maintaining the three-dimensional structure of the electrode 2. The carbon fiber 4 is, for example, a fiber obtained by carbonizing a precursor composed of organic fibers. Examples of the organic fiber include acrylic fiber, phenol fiber, cellulose fiber, isotropic pitch fiber, and anisotropic pitch fiber. Examples of the acrylic fiber include acrylonitrile.

カーボン粒子5は、電極2における表面積を増加させ、電極2の電池反応性を向上させる役割を持っている。カーボン粒子5は、天然黒鉛であっても良いし、人造黒鉛であっても良い。 The carbon particles 5 increase the surface area of the electrode 2 and improve the battery reactivity of the electrode 2. The carbon particles 5 may be natural graphite or artificial graphite.

カーボンバインダー残渣6は、カーボン繊維4とカーボン粒子5とを結着させる役割を持っている。カーボンバインダー残渣6は、カーボン繊維4とカーボン粒子5とを結着させるバインダーが、電極2の製造時の熱処理によって炭化したものである。バインダーとしては、例えば、コールタールピッチ、又は石炭系ピッチなどのピッチ類が挙げられる。その他、バインダーとしては、ポリアクリロニトリルなどの樹脂、又はアクリロニトリル-ブタジエンゴムなどのゴムなどが挙げられる。 The carbon binder residue 6 serves to bind the carbon fibers 4 and the carbon particles 5 together. The carbon binder residue 6 is formed when the binder that binds the carbon fibers 4 and the carbon particles 5 together is carbonized by heat treatment during the manufacture of the electrode 2. Examples of binders include pitches such as coal tar pitch or coal-based pitch. Other examples of binders include resins such as polyacrylonitrile, and rubbers such as acrylonitrile-butadiene rubber.

図5に示す基材20は、例えば、カーボン繊維4に、カーボン粒子5及びバインダーを付着させた後、炭素化工程、黒鉛化工程、及び酸化処理工程を経て製造することができる。各工程では、公知の方法を任意に適用することができる。 The substrate 20 shown in FIG. 5 can be manufactured, for example, by attaching carbon particles 5 and a binder to carbon fibers 4, followed by a carbonization process, a graphitization process, and an oxidation treatment process. Any known method can be applied to each process.

カーボン繊維4にカーボン粒子5及びバインダーを付着させるには、例えば以下の方法が挙げられる。バインダーを加熱して溶融させ、得られた溶融液中にカーボン粒子5を分散させる。カーボン粒子5が分散した溶融液にカーボン繊維4を浸漬する。そして、バインダーを固化させる。ここで、カーボン繊維4とカーボン粒子5とバインダーの重量比を制御することで、Y/Xが40%以上であり、かつYが1.0m/g以上30m/g未満を満たす電極2が得られる。 The carbon particles 5 and binder can be attached to the carbon fibers 4, for example, by the following method. The binder is heated to melt, and the carbon particles 5 are dispersed in the obtained molten liquid. The carbon fibers 4 are immersed in the molten liquid in which the carbon particles 5 are dispersed. The binder is then solidified. Here, by controlling the weight ratio of the carbon fibers 4, the carbon particles 5, and the binder, an electrode 2 is obtained in which Y/X is 40% or more and Y is 1.0 m2 /g or more and less than 30 m2 /g.

炭素化工程は、上記工程で得られた製造物を焼成するために行なわれる。炭素化工程では、窒素雰囲気などの不活性雰囲気で行うことが好ましい。炭素化工程の温度は、例えば800℃以上2000℃以下である。炭素化工程によって、バインダーが炭化し、カーボンバインダー残渣6となる。 The carbonization process is carried out to sinter the product obtained in the above process. The carbonization process is preferably carried out in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere. The temperature of the carbonization process is, for example, 800°C or higher and 2000°C or lower. The binder is carbonized by the carbonization process to become carbon binder residue 6.

黒鉛化工程は、カーボンバインダー残渣6などの結晶性を高めるために行われる。炭素化工程よりも高温で加熱する工程である。黒鉛化工程は、窒素雰囲気などの不活性雰囲気で行うことが好ましい。 The graphitization process is carried out to increase the crystallinity of the carbon binder residue 6 and other materials. It is a process in which heating is carried out at a higher temperature than in the carbonization process. The graphitization process is preferably carried out in an inert atmosphere such as a nitrogen atmosphere.

酸化処理工程は、基材20の表面に酸素官能基を導入するために行われる。酸素官能基としては、ヒドロキシル基、カルボニル基、キノン基、ラクトン基、フリーラジカル的な酸化物などが挙げられる。酸素官能基は、基材20の電池反応を向上させることに寄与する。また、電解液に対する基材20の濡れ性が良くなる。酸化処理としては、例えば湿式の化学酸化、電解酸化、乾式酸化などが挙げられる。 The oxidation treatment process is carried out to introduce oxygen functional groups onto the surface of the substrate 20. Examples of oxygen functional groups include hydroxyl groups, carbonyl groups, quinone groups, lactone groups, and free radical oxides. The oxygen functional groups contribute to improving the battery reaction of the substrate 20. They also improve the wettability of the substrate 20 to the electrolyte. Examples of oxidation treatment include wet chemical oxidation, electrolytic oxidation, and dry oxidation.

上記基材20には、図4に示されるように、電池反応を促進する触媒22が保持されていても良い。図4では触媒22が誇張して示されている。触媒22は例えば粒状体である。触媒22は非炭素系の物質である。例えば、触媒22としては、金属酸化物、金属炭化物などが挙げられる。金属酸化物としては、下記第一元素と第二元素の複合酸化物が挙げられる。 The substrate 20 may hold a catalyst 22 that promotes the cell reaction, as shown in FIG. 4. The catalyst 22 is exaggerated in FIG. 4. The catalyst 22 is, for example, a granular material. The catalyst 22 is a non-carbon-based material. For example, the catalyst 22 may be a metal oxide or a metal carbide. The metal oxide may be a composite oxide of the first and second elements listed below.

第一元素と第二元素とは、互いに異種の元素である。第一元素は、Ti、スズ(Sn)、セリウム(Ce)、W、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)、及びニオブ(Nb)からなる群より選択される1種の元素である。第二元素は、Nb、Mn、Fe、Cu、Ti、Sn、及びCeからなる群より選択される1種の元素である。第一元素は、耐酸化性の向上に寄与する。即ち、第一元素は、電解液に溶解し難いため、長期にわたって存在することができる。第二元素は、電極2の電池反応の向上に寄与する。触媒22の組成は、X線回折によって求められる。 The first element and the second element are different elements. The first element is one element selected from the group consisting of Ti, tin (Sn), cerium (Ce), W, tantalum (Ta), molybdenum (Mo), and niobium (Nb). The second element is one element selected from the group consisting of Nb, Mn, Fe, Cu, Ti, Sn, and Ce. The first element contributes to improving oxidation resistance. That is, the first element is difficult to dissolve in the electrolyte, and can exist for a long period of time. The second element contributes to improving the battery reaction of the electrode 2. The composition of the catalyst 22 is determined by X-ray diffraction.

<作用効果>
Y/Xが40%以上で、かつYが1.0m/g以上30m/g未満である電極2は、電池反応性及び耐久性に優れる。従って、この電極2を備える電池セル10(図1)、セルスタック100(図3)、及びRF電池1は、長期にわたって優れた電池性能を維持する。
<Action and effect>
The electrode 2 in which Y/X is 40% or more and Y is 1.0 m2 /g or more and less than 30 m2 /g has excellent battery reactivity and durability. Therefore, the battery cell 10 (FIG. 1), cell stack 100 (FIG. 3), and RF battery 1 including this electrode 2 maintain excellent battery performance for a long period of time.

<試験例>
≪試験例1≫
試験例1では、電極におけるメソ孔比表面積の割合及びメソ孔比表面積の大きさが、電極の電池反応性及び耐久性に及ぼす影響を調べた。
<Test Example>
<Test Example 1>
In Test Example 1, the influence of the ratio of the specific surface area of mesopores in an electrode and the size of the specific surface area of mesopores on the battery reactivity and durability of the electrode was examined.

BET比表面積及びメソ孔比表面積が異なる試料No.1から試料No.9の正極電極と負極電極を用意した。正極電極と負極電極は同じものである。両電極は、カーボン繊維とカーボン粒子とカーボンバインダー残渣とを含む炭素電極であった。以下、単に『電極』と示される場合、正極電極と負極電極の両方を意味する。 Positive and negative electrodes were prepared for Samples No. 1 to No. 9, which have different BET specific surface areas and mesopore specific surface areas. The positive and negative electrodes were the same. Both electrodes were carbon electrodes containing carbon fibers, carbon particles, and carbon binder residue. Hereinafter, when simply referred to as "electrode," it means both the positive and negative electrodes.

各試料のBET比表面積は、以下のようにして測定した。試料約500mgを測り採り、これを200℃で数時間真空乾燥した。得られた乾燥後の試料について、比表面積測定装置(マイクロトラック・ベル製;BELSORP MINI II)を用いてBET比表面積(m/g)を測定した。比表面積測定装置は、窒素ガスを用いたガス吸着法により窒素吸着量を測定する装置である。比表面積測定装置は、BET法に基づく多点法によって測定結果を分析し、BET比表面積(m/g)を自動で求める。各試料のBET比表面積は表1に示される。以下の説明においてBET比表面積を『X』と表記する場合がある。 The BET specific surface area of each sample was measured as follows. Approximately 500 mg of the sample was weighed and dried in vacuum at 200° C. for several hours. The BET specific surface area (m 2 /g) of the dried sample was measured using a specific surface area measuring device (Microtrack Bell; BELSORP MINI II). The specific surface area measuring device is a device that measures the amount of nitrogen adsorption by a gas adsorption method using nitrogen gas. The specific surface area measuring device analyzes the measurement results by a multipoint method based on the BET method, and automatically determines the BET specific surface area (m 2 /g). The BET specific surface area of each sample is shown in Table 1. In the following description, the BET specific surface area may be represented as "X".

各試料のメソ孔比表面積は、上記比表面積測定装置によって測定した。メソ孔比表面積は、BET比表面積を得る過程で得られる。比表面積測定装置は、窒素の吸着過程において得られる窒素吸着等温線をBJH法によって解析することでメソ孔比表面積を求める。BJH法による解析では、測定装置に記憶される標準等温線が用いられる。解析にあたっては、試料の表面の化学的性質に類似する物質の標準等温線が用いられる。本例において使用した標準等温線は、グラファイト化カーボンブラックの標準等温線である。各試料のメソ孔比表面積は表1に示される。以下の説明においてメソ孔比表面積を『Y』と表記する場合がある。表1には、BET比表面積に対するメソ孔比表面積の割合を百分率(%)で示す。以下の説明において前記割合は『Y/X』と表記する。 The mesopore specific surface area of each sample was measured using the specific surface area measuring device. The mesopore specific surface area is obtained in the process of obtaining the BET specific surface area. The specific surface area measuring device obtains the mesopore specific surface area by analyzing the nitrogen adsorption isotherm obtained in the nitrogen adsorption process using the BJH method. In the analysis using the BJH method, a standard isotherm stored in the measuring device is used. In the analysis, a standard isotherm of a substance similar to the chemical properties of the surface of the sample is used. The standard isotherm used in this example is the standard isotherm of graphitized carbon black. The mesopore specific surface area of each sample is shown in Table 1. In the following explanation, the mesopore specific surface area may be represented as "Y". In Table 1, the ratio of the mesopore specific surface area to the BET specific surface area is shown as a percentage (%). In the following explanation, the ratio is represented as "Y/X".

試料No.1から試料No.9の電極を用いて、単セル構造のRF電池を作製した。RF電池の正極電極と負極電極は同じものであった。RF電池に用いられる電解液は、マンガン-チタン系電解液であった。 Using the electrodes of Sample No. 1 to Sample No. 9, a single-cell RF battery was fabricated. The positive and negative electrodes of the RF battery were the same. The electrolyte used in the RF battery was a manganese-titanium electrolyte.

各試料の電極の電池反応性を評価するために、RF電池のセル抵抗率(Ω・cm)を測定した。セル抵抗率が低いということは、電極の電池反応性が良いということである。セル抵抗率の測定手順は以下の通りである。各試料のRF電池を用いて、電流密度が256mA/cmの定電流で充放電を行った。この試験では、複数サイクルの充放電を行った。試験では、切替電圧の上限と下限を設定し、充電時に電圧が上限に達したら放電に切り替え、放電時に電圧が下限に達したら充電に切り替えた。各サイクルの充放電後、各試料についてセル抵抗率(Ω・cm)を求めた。セル抵抗率は、複数サイクルのうち、任意の1サイクルにおける充電時平均電圧及び放電時平均電圧を求め、{(充電時平均電圧と放電時平均電圧の差)/(平均電流/2)}×セル有効面積によって求めた。電解液の温度は35℃であった。ここで、メソ孔比表面積が大きくなると、電解液の流通抵抗に由来する抵抗成分が増加することで、セル抵抗率が減少し難くなる。本試験では、BET比表面積、メソ孔比表面積、及びY/Xの大小に基づくセル抵抗率の低減度合いを適切に評価できるように、実測したセル抵抗率から流通抵抗の影響を排除したセル抵抗率を求めた。そのセル抵抗率を表1に示す。 In order to evaluate the battery reactivity of the electrodes of each sample, the cell resistivity (Ω·cm 2 ) of the RF battery was measured. A low cell resistivity means that the battery reactivity of the electrodes is good. The procedure for measuring the cell resistivity is as follows. Using the RF battery of each sample, charging and discharging were performed at a constant current with a current density of 256 mA/cm 2. In this test, multiple cycles of charging and discharging were performed. In the test, the upper and lower limits of the switching voltage were set, and when the voltage reached the upper limit during charging, the charging was switched to discharging, and when the voltage reached the lower limit during discharging, the charging was switched to charging. After each cycle of charging and discharging, the cell resistivity (Ω·cm 2 ) was obtained for each sample. The cell resistivity was obtained by determining the average charging voltage and the average discharging voltage in any one cycle out of the multiple cycles, and calculating {(difference between the average charging voltage and the average discharging voltage)/(average current/2)}×cell effective area. The temperature of the electrolyte was 35° C. Here, when the mesopore specific surface area increases, the resistance component derived from the circulation resistance of the electrolyte increases, making it difficult to reduce the cell resistivity. In this test, in order to appropriately evaluate the degree of reduction in cell resistivity based on the BET specific surface area, mesopore specific surface area, and the magnitude of Y/X, the cell resistivity was calculated by excluding the influence of distribution resistance from the actually measured cell resistivity. The cell resistivity is shown in Table 1.

各試料の電極の耐久性を評価するために、以下の手順に従って電極重量減少率(%/年)を求めた。まず、セル抵抗率を測定した後のRF電池を分解し、正極電極と負極電極を取り出した。正極電極の方が、負極電極よりも消耗していた。従って、消耗の激しい正極電極の電極重量減少率を、各試料における電極の耐久性の指標とする。電極重量減少率を求めるにあたり、充放電後の正極電極の重量の減少割合を求めた。前記減少割合は、(W1-W2)/W1を百分率(%)で示したものである。W1は、RF電池に組み込む前に測定しておいた正極電極の重量である。W2は、取り出した正極電極を洗浄し、乾燥させた後に測定した正極電極の重量である。その減少割合を年換算した値が、電極重量減少率である。電極重量減少率の値を表1に示す。 To evaluate the durability of the electrodes of each sample, the electrode weight loss rate (%/year) was calculated according to the following procedure. First, the RF battery after measuring the cell resistivity was disassembled, and the positive and negative electrodes were taken out. The positive electrode was more worn out than the negative electrode. Therefore, the electrode weight loss rate of the positive electrode, which was more worn out, was used as an index of the electrode durability of each sample. To calculate the electrode weight loss rate, the weight loss rate of the positive electrode after charging and discharging was calculated. The loss rate is (W1-W2)/W1 expressed as a percentage (%). W1 is the weight of the positive electrode measured before being incorporated into the RF battery. W2 is the weight of the positive electrode measured after the removed positive electrode was washed and dried. The annualized value of the loss rate is the electrode weight loss rate. The electrode weight loss rate values are shown in Table 1.

Figure 2024075815000002
Figure 2024075815000002

表1に示されるように、Y/Xが40%以上で、かつYが1.0m/g以上30m/g未満である電極を用いた試料No.1から試料No.9のRF電池のセル抵抗率は0.93Ω・cm以下であった。このセル抵抗率の値は、BET比表面積が大きい試料No.10及び試料No.11のRF電池1のセル抵抗率に匹敵するものであった。従って、試料No.1から試料No.9の電極は電池反応性に優れることが分かった。 As shown in Table 1, the cell resistivity of the RF batteries of Sample No. 1 to Sample No. 9 using electrodes in which Y/X is 40% or more and Y is 1.0 m 2 /g or more and less than 30 m 2 /g was 0.93 Ω·cm 2 or less. This cell resistivity value was comparable to the cell resistivity of RF battery 1 of Sample No. 10 and Sample No. 11, which had a large BET specific surface area. Therefore, it was found that the electrodes of Sample No. 1 to Sample No. 9 had excellent battery reactivity.

試料No.1から試料No.9における電極重量減少率は、試料No.10及び試料No.11における電極重量減少率よりも格段に小さかった。従って、電極のY/Xが40%以上で、かつYが1.0m/g以上30m/g未満であれば、電極の消耗が大幅に抑制されることが分かった。 The electrode weight loss rates of Samples No. 1 to No. 9 were significantly smaller than those of Samples No. 10 and 11. Therefore, it was found that the electrode consumption was significantly suppressed when the Y/X ratio of the electrode was 40% or more and Y was 1.0 m 2 /g or more and less than 30 m 2 /g.

試料No.1から試料No.9のRF電池を比較すると、BET比表面積が40m/g以下の試料No.1から試料No.8のRF電池における電極重量減少率は、試料No.9のRF電池における電極重量減少率よりも有意に低かった。従って、Y/XとYの限定に加えて、Xを限定することも電極の耐久性に重要な影響を与えることが分かった。 Comparing the RF batteries of Sample No. 1 to Sample No. 9, the electrode weight loss rate in the RF batteries of Sample No. 1 to Sample No. 8, which have a BET specific surface area of 40 m 2 /g or less, was significantly lower than the electrode weight loss rate in the RF battery of Sample No. 9. Therefore, it was found that in addition to limiting Y/X and Y, limiting X also has an important effect on the durability of the electrode.

試料No.1から試料No.9のRF電池を比較すると、メソ孔比表面積が15m/g以下、更には10m/g以下であれば、電極重量減少率が低くなり易いことが分かった。但し、メソ孔比表面積が小さくなると、セル抵抗率が大きくなり易い。RF電池を作製する場合、電池反応性と耐久性とのバランスを考慮すべきである。 Comparing the RF batteries of Sample No. 1 to Sample No. 9, it was found that the electrode weight loss rate is likely to be low if the mesopore specific surface area is 15 m 2 /g or less, and further 10 m 2 /g or less. However, if the mesopore specific surface area is small, the cell resistivity is likely to be large. When manufacturing an RF battery, the balance between battery reactivity and durability should be considered.

Y/Xが40%未満である試料No.10のRF電池のセル抵抗率は低かった。試料No.10のRF電池のセル抵抗率が低い理由は、試料No.10の電極におけるBET比表面積及びメソ孔比表面積が大きいからであると推察される。BET比表面積及びメソ孔比表面積が大きければ、電極と電解液との接触面積が大きくなる。しかし、接触面積が大き過ぎるため、試料No.10の電極の重量減少率は100%/年以上であった。 The cell resistivity of the RF battery of sample No. 10, in which Y/X is less than 40%, was low. It is presumed that the reason for the low cell resistivity of the RF battery of sample No. 10 is that the BET specific surface area and mesopore specific surface area of the electrodes of sample No. 10 are large. If the BET specific surface area and mesopore specific surface area are large, the contact area between the electrode and the electrolyte becomes large. However, because the contact area was too large, the weight loss rate of the electrodes of sample No. 10 was more than 100% per year.

Y/Xが40%以上であるが、Yが30m/g以上である試料No.11のRF電池のセル抵抗率は低かった。試料No.11のRF電池のセル抵抗率が低い理由は、試料No.11の電極におけるBET比表面積及びメソ孔比表面積が大きいからであると推察される。しかし、上述のように電極と電解液との接触面積が大き過ぎるため、試料No.11の電極の重量減少率は88%/年以上であった。 Although Y/X is 40% or more, the cell resistivity of the RF battery of sample No. 11, in which Y is 30 m2 /g or more, was low. The reason for the low cell resistivity of the RF battery of sample No. 11 is presumed to be due to the large BET specific surface area and mesopore specific surface area of the electrode of sample No. 11. However, since the contact area between the electrode and the electrolyte is too large as described above, the weight loss rate of the electrode of sample No. 11 was 88% or more per year.

1 レドックスフロー電池(RF電池)
2 正極電極
3 負極電極
4 カーボン繊維
5 カーボン粒子
6 カーボンバインダー残渣
10 電池セル
12 正極タンク、13 負極タンク
20 基材
21 メソ孔、22 触媒、25 マイクロ孔、26 マクロ孔
30 セルフレーム
31 双極板、32 枠体
33,34 給液マニホールド、35,36 排液マニホールド
33s,34s 給液スリット、35s,36s 排液スリット
80 交流/直流変換器、81 変電設備
90 電力系統、91 発電部、92 負荷
100 セルスタック
101 隔膜、102 正極セル、103 負極セル
108,109 往路配管、110,111 復路配管
112,113 ポンプ
200 サブスタック
210 給排板、220 エンドプレート、230 締付機構
1. Redox flow battery (RF battery)
2 Positive electrode 3 Negative electrode 4 Carbon fiber 5 Carbon particles 6 Carbon binder residue 10 Battery cell 12 Positive electrode tank, 13 Negative electrode tank 20 Substrate 21 Mesopores, 22 Catalyst, 25 Micropores, 26 Macropores 30 Cell frame 31 Bipolar plate, 32 Frame 33, 34 Liquid supply manifold, 35, 36 Liquid drainage manifold 33s, 34s Liquid supply slit, 35s, 36s Liquid drainage slit 80 AC/DC converter, 81 Transformer 90 Power system, 91 Power generation unit, 92 Load 100 Cell stack 101 Diaphragm, 102 Positive electrode cell, 103 Negative electrode cell 108, 109 Forward piping, 110, 111 Return piping 112, 113 Pump 200 Substack 210 Supply and discharge plate, 220 End plate, 230 Fastening mechanism

Claims (10)

多孔質の基材を備える電極であって、
BET比表面積に対するメソ孔比表面積の割合が40%以上であり、
前記メソ孔比表面積が1.0m/g以上30m/g未満である、
電極。
An electrode comprising a porous substrate,
The ratio of the mesopore specific surface area to the BET specific surface area is 40% or more;
The mesopore specific surface area is 1.0 m 2 /g or more and less than 30 m 2 /g;
electrode.
前記BET比表面積が40m/g未満である請求項1に記載の電極。 2. The electrode of claim 1, wherein the BET specific surface area is less than 40 m 2 /g. レドックスフロー電池の正極に用いられる請求項1又は請求項2に記載の電極。 The electrode according to claim 1 or 2, which is used as a positive electrode of a redox flow battery. 前記基材は、導電材料として、カーボン、チタン、及びタングステンからなる群から選択される1種以上の元素を含む請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電極。 The electrode according to any one of claims 1 to 3, wherein the substrate contains one or more elements selected from the group consisting of carbon, titanium, and tungsten as a conductive material. 前記基材は、カーボン繊維、カーボン粒子、及びカーボンバインダー残渣からなる群から選択される少なくとも1種を含む請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の電極。 The electrode according to any one of claims 1 to 4, wherein the substrate comprises at least one selected from the group consisting of carbon fibers, carbon particles, and carbon binder residues. 前記基材に保持される触媒を備え、
前記触媒は、非カーボン系の材質によって構成される請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の電極。
A catalyst supported on the substrate;
The electrode according to claim 1 , wherein the catalyst is made of a non-carbon material.
前記触媒は、金属酸化物又は金属炭化物である請求項6に記載の電極。 The electrode according to claim 6, wherein the catalyst is a metal oxide or a metal carbide. 請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電極を備える、
電池セル。
Equipped with the electrode according to any one of claims 1 to 7.
Battery cell.
請求項8に記載の電池セルを備える、
セルスタック。
A battery cell according to claim 8,
Cell stack.
請求項9に記載のセルスタックを備える、
レドックスフロー電池。
A cell stack according to claim 9,
Redox flow battery.
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