JP2920230B2 - レドックスフロー型電池 - Google Patents

レドックスフロー型電池

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JP2920230B2 JP63304604A JP30460488A JP2920230B2 JP 2920230 B2 JP2920230 B2 JP 2920230B2 JP 63304604 A JP63304604 A JP 63304604A JP 30460488 A JP30460488 A JP 30460488A JP 2920230 B2 JP2920230 B2 JP 2920230B2
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    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、レドックスフロー型電池等に使用される液
流通型電解槽に関し、さらに詳しくは炭素質繊維集合体
等の多孔質電極材にて形成された三次元電極を有するレ
ドックスフロー型電池に関する。
(従来の技術) 夜間の余剰電力を貯蔵し、これを昼間の需要増大時に
放出して需要の変動に対応させるための電池として、充
電可能な化学電池の一種であるレドックスフロー型電池
が知られている。また、このレドックスフロー型電池
は、太陽光、風力、波力等の自然エネルギーを利用した
発電のバックアップ装置あるいは電気自動車用電源とし
ても開発が進められている。
このレドックスフロー型電池は、電池活物質を外部か
ら供給して電池本体で電気科学的なエネルギー変換を行
なうもので、液流通型電解槽と称される単電池を最小単
位として構成されている。液流通型電解槽における電気
化学反応は、電極表面で起こる不均一相反応であるた
め、一般的には二次元的な電解反応場を伴うことにな
る。電解反応場が二次元的であると、電解槽の単位体積
当たりの反応量が小さいという難点がある。そこで、単
位面積当たりの反応量、すなわち電流密度を増すために
電気化学反応場の三次元化が行われるようになった。
第2図(a)、(b)は、三次元電極を有する液流通
型電解槽の模式図である。
該電解槽では、相対向する二枚の集電板1、1間にイ
オン交換膜3が配設され、イオン交換膜3の両側に集電
板1、1の内面に沿った電解液の流通路4a、4bが形成さ
れている。該流通路4a、4bの少なくとも一方には炭素繊
維集合体等の多孔質電極材5が配設されており、このよ
うにして三次元電極が構成されている。
レドックスフロー型電池の場合、放電時には電解液と
して、Cr2+を含む塩化物水溶液が負極側の流通路4aに供
給され、正極側の流通路4bにはFe3+を含む塩化物水溶液
が供給される。負極側の流通路4aではCr2+が電子を放出
しCr3+に酸化される。放出された電子は外部回路を通っ
て正極側の流通路4bに送られ、流通路4bに供給されるFe
3+をFe2+に還元する。この酸化還元反応に伴って負極側
の流通路4aではCl-が不足し、正極側の流通路4bではCl-
が過剰になる。イオン交換膜3はCl-を正極側の流通路4
bから負極側の流通路4aに移行させる。充電時には、こ
れと逆の反応が進行する。流通路4a、4bに多孔質電極材
5が配設されていると、上記酸化還元反応が三次元場で
行われるため電流密度の増加がもたらされる。
(発明が解決しようとする課題) このような多孔質電極材による三次元電極を有する液
流通型電解槽では、電極内で電極材による通路圧力損失
が不可避に生じる。電極内へは、ポンプで電解液を供給
する関係から、電極内で通液圧力損失が生じると、ポン
プ稼動のためのエネルギー消費量が増加し、電池として
の全エネルギー効率が低下する。三次元電極を形成する
多孔質電極材が同一密度の場合、該三次元電極の厚みを
増加させれば、通液圧力損失を低下させることができ、
ポンプの負荷を小さくすることができる。しかしなが
ら、三次元電極の厚みを増加させることは、電極材の使
用量を増加させることになり、電池のトータルコストを
高めるという新たな問題を発生させる。
また、炭素繊維集合体等の多孔質電極材においては、
部分的な充填密度斑や組織変形が不可避的に存在する。
このような材料むらが存在すると、その部分で電解液の
流れが変化し、電解液の淀み等を生じる。淀み等が生じ
た部分では他の部分に比べ電解液の供給速度が減少し、
反応過電圧が上昇しガス発生等の副反応が生じる。その
結果、電流効率が低下し、このことも全エネルギー効率
を低下させる原因になる。
本発明は、これらの問題点を解決したものであり、高
価な電極材の使用量を増加することなく、電解液の通液
圧力損失を低下させ、且つ多孔質電極材の材料むらに起
因する電流効率の低下を抑えて、全エネルギー効率を向
上させることができる経済的な高性質なレドックスフロ
ー型電池を提供することを目的とするものである。
(問題点を解決するための手段) 本発明のレドックスフロー型電池は、間隙を介した状
態で対向して配設された一対の集電板間にイオン交換膜
が配設され、集電板とイオン交換膜との間に形成される
電解液の通液路の少なくとも一方に多孔質電極材が配設
されているレドックスフロー型電池であって、該集電板
の多孔質電極材との接触面に電解液の通過方向に沿った
通液溝が形成され、該通液溝の断面積が、電解液の通過
方向に対して直交する方向の断面積で表して、1つの断
面積につき、0.1〜25mm2であることを特徴としており、
そのことにより上記目的が達成される。
第1図(a)及び(b)は本発明の一実施例を示すレ
ドックスフロー型電池の分解斜視図と、横断図を示した
ものである。
レドックスフロー型電池(以下、液流通型電解槽とも
いう)は、所定間隔をおいて平行に配設された一対の集
電板1、1と、両集電板1、1間に配置される一対の額
縁状のスペーサー2、2と、両スペーサー2、2間に配
置される一枚のイオン交換膜3とを有している。
集電板1は炭素板、又は炭素材料を混練した導電性合
成樹脂板等で形成されている。集電板1の外面側の下部
及び上部には、それぞれ内外面に連通する電解液の導入
管11及び導出管12が設けられている。また、集電板1の
内面の多孔質電極材5と接する部分には、電解液の流通
方向に沿った通液溝14が幅方向に多数設けられている。
通液溝14の方向は電解液の流通方向に完全に一致させる
必要はなく、やや傾斜していてもよい。
第2図に示すように、上記した通液溝14の断面積S
は、電解液の通液方向に対して直交する方向の断面積で
表して、一つの通液溝14につき、25mm2以下が好まし
く、さらに好ましくは0.1〜20mm2である。この断面積S
が25mm2を超えると、通液溝14の部分の通液圧力損失が
多孔質電極材5の部分に比べて著しく小さくなり、電解
液が通液溝14の部分を優先的に流れるようになるので多
孔質電極材5への活物質の供給が不足し、セル抵抗が上
昇し、電気化学反応効率の低下を生じることになる。溝
の断面積が0.1mm2未満になると通液圧力が損失効果がな
くなる。
隣接する通液溝14、14間の間隔lは、0.5〜20mmが好
ましい。この間隔lが0.5mm未満になると、集電板1と
多孔質電極材5との電気的接触が悪くなり、集電効果が
減少して電気化学反応効率の低下を生じることがある。
逆に、20mmを超えた場合には、多孔質電極材5内の電解
液の流れが通液溝14と接する部分と、そうでない部分と
で大きくなり、多孔質電極材5内での電気化学反応に不
均一が生じることがある。通液溝14の深さhは5mm以
下、好ましくは3mm以下である。5mmを越えると溝14の底
部と三次元電極との距離が大きくなりすぎ、電解液の電
極部への拡散量が減少しセル抵抗が上昇する。また、通
液溝14の断面形状は任意の形状をとりうるが第5図
(a)〜(d)に示す正方形、長方形、半円形、三角形
が好ましい。
スペーサー2は絶縁材料からなり、四角枠状に形成さ
れている。このスペーサー2内には通液路4が設けら
れ、通液路4には板状に形成された多孔質電極材5が嵌
め込まれている。多孔質電極材5の厚みは、集電板1及
びイオン交換膜3に対して隙間が形成されないようにス
ペーサー2の厚みと実質的に等しく設定されている。ま
た、多孔質電極材5の両側面はスペーサー2の内側面に
密着し、その上下端部、すなわち通液方向の多孔質電極
材5の上端部と下端部はスペーサー2の内面に密着せ
ず、多孔質電極材5の上端部とスペーサー2の上枠の内
面との間、及び多孔質電極材5の下端部とスペーサー2
の下枠の内面との間には、それぞれ間隙13b、13aが形成
されている。そして、下側の間隙13aに上記電解液の導
入管11が連通し、上側の間隙13bに導出管12が連通する
ようになっており、導入管11から間隙13aに導入された
電解液が多孔質電極材5内を流通し、間隙13bを経て導
出管12から外部へ導出されるように構成されている。多
孔質電極材5の固定については任意の手段を採り得る
が、導電性合成樹脂板を集電板1に用いる場合には、集
電板1への熱圧着によるのが便利である。なお、多孔質
電極材5の材質、形態は後述する。
レドックスフロー型電池の場合、該電解槽は単電池と
して使用される。この単電池は複数組み合わせてスタッ
クとされ、さらに複数のスタックでモジュールが構成さ
れる。モジュールはさらに直列接続されてストリングと
され、このストリングが複数並列に組合わされて発電ユ
ニットとされる。これがレドックスフロー型電池で発電
ユニットを構成する場合の基本的な組合わせである。
該電解槽において、第1図(b)で示すイオン交換膜
3の図左側を負極、右側を正極とすれば、放電時には負
極側の通液路4aに電解液としてCr2+を含む塩化物水溶液
が供給され、正極側の通液路4bにはFe3+を含む塩化物水
溶液からなる電解液が供給される。いずれの電解液も独
立したタンクに貯蔵されていて、専用のポンプで通液路
4a、4bに循環される。
負極側においては、電解液は導入管11より通液路4aの
間隙13aに入り、通液路4aに配設された多孔質電極材5
及び集電板1に形成された通液溝14を下方から上方へ向
けて流通する。この時、電解液中のCr2+は電子を放出
し、Cr3+になる。放出された電子は多孔質電極材5に補
足され集電板1に集められる。集電板1に集められた電
子は外部回路を通って正極側に向かう。正極側において
も、同様にして多孔質電極材5及び通液溝14を下方から
上方へ向けて電解液が流通する。正極側に向かった電子
は正極側の集電板1を経て多孔質電極材5に到達し、該
電極材5を介して電解液中のFe3+をFe2+に還元する。
該電解槽においては、集電板1の内面に電解液の通過
方向に沿った通液溝14が多数形成されているので、通液
路4a、4bの通液方向の断面積がそれだけ増大しており、
そのことによって通液圧力損失が低下している。また、
集電板1と多孔質電極材5との間に空隙を設けるわけで
はないので、集電板1への集電効果が確保され、且つ多
孔質電極材5への電解液供給も確保される。
多孔質電極材5での酸化還元反応によって正極側で増
加したCl-はイオン交換膜3を通してCl-の減少した負極
側に移動する。Cl-を移動させる代わりにH+を負極側か
ら正極側に移動させてもよい。充電時には上記とは逆の
反応が進行する。
次に、本発明の電解槽に使用される多孔質電極材5の
形態、材質を次に詳細に説明する。また、本発明の実施
効果についても説明する。これらの説明においては、特
性を<002>面間隔、O/C比、セル電流効率、セル抵抗、
通液圧力損失で評価しているので、評価法について予め
説明する。
(a)<002>面間隔 炭素質繊維製の糸又は編織物をメノウ乳鉢で粉末化
し、試料に対して5〜10重量%のX線標準用高純度シリ
コン粉末を内部標準物質として加えて混合し、試料セル
に詰め、CuKα線を線源とし、透過型デイフラクトメー
ター法によって広角X線回折曲線を測定する。曲線の補
正には、いわゆるローレンツ、偏光因子、吸収因子、原
子散乱因子等に関する補正は行わず、次の簡便法を用い
る。すなわち<002>回折に相当するピークのベースラ
インを引き、ベースラインからの実質強度をプロットし
直して<002>補正強度曲線を得る。この曲線のピーク
高さの2/3の高さに引いた角度軸に平行な線が上記の補
正強度曲線と交わる線分の中点を求め、中点の角度を内
部標準で補正し、これを回折角の2倍とし、CuKαの波
長λとから下記Braggの式によって<002>面間隔d002
求める。
(ただし、λ:1.5418Å、θ:回折角) (b)O/C比 ESCA又はXPと略称されているX線光電子分光法によっ
て測定する。O/C比の測定には島津ESCA750を用い、ESCA
PAC760で解折した。具体的には各試料を6mm径に打ち抜
き、両面テープによって加熱式試料台に貼り付け分析に
供した。ただし、測定前に試料を120℃に加熱し、3時
間以上真空脱気した。線源にはMgKα線(1253.6eV)を
用い、装置内真空度は10-7torrに設定した。測定はCls,
Olsピークに対して行い、各ピークをESCAPAC760(J.H.S
cofieldによる補正法に基づく)を用いて補正解折し、
各ピーク面積を求め、得られた面積はClsについては1.0
0、Olsに対しては2.85の相対強度を乗じたものであり、
その面積から直接表面(酸素/炭素)原子数比を%で算
出する。
(c)セル電流効率 第1図に示すように、上下方向(通液方向)に10cm、
幅方向に1cmの有効電極面積10cm2を有する小型の流通型
電解槽を作り、定電流密度で充放電を繰り返し、電極性
能のテストを行う。正極には塩化第一鉄、塩化第二鉄濃
度各1M/lの4N塩酸酸性水溶液を用い、正極液量は負極液
量に対して大過剰とし、負極特性を中心に検討できるよ
うにした。液流量は毎分4.5mlに設定し、電流密度は40m
A/cm2に設定し、充電に始まり放電で終わる1サイクル
のテストにおいて、1.2Vまでの充電に要した電気量Q1
ローン、続く0.2Vまでの定電流放電、及びこれに続く0.
8Vでの定電位放電で取り出した電気量をそれぞれQ2クロ
ーン、Q3クローンとし、次式で電流効率を求める。
充電時にCr3からCr2+への還元以外の反応、例えばH+
の還元等の副反応が起こると、取り出せる電気量が減
り、電流効率は減少する。
(d)セル抵抗 負極液中のCr3+をCr2+に完全に還元するのに必要な理
論電気量Qthに対して、放電途中までに取り出した電気
量の比を充電率とし、 充電率が50%のときの電流・電圧曲線の傾きから電極
幾何面積に対するセル抵抗(Ωcm2)を求める。セル抵
抗が小さい程、電極でのイオンの酸化還元反応は速やか
に起こり、高電流密度での放電電位は高く、セルの電圧
効率が高く、優れた電極と判断される。なお、上記のセ
ル電流効率及びセル抵抗のテストは40℃で行なった。
(e)通液圧力損失 第1図に示す電解槽の正負両極の電解液導入管及び導
出管流通路に水銀マノメータを取り付け、室温下、毎分
4.5mlの速度で電解液を流し、正負両極の圧力の平均値
から電極を入れないときのブランク圧力損失を差し引い
て電極部分にかかる通液圧力損失を求める。
以上の評価法に基づいて、まず多孔質絶縁材の説明を
行なう。
本発明の電解槽に使用される多孔質電極材としては、
炭素質繊維集合体が代表的である。炭素質繊維集合体
は、炭化可能な原料繊維、例えば石炭、石油から得られ
たピッチ、フェノールノボラック系、アクリル系、芳香
族ポリアミド系、セルロース系等の繊維を原料とする不
織布又は紡績糸やフィラメント集束糸を、編地、織物、
ひも状物に加工した後、炭化することにより得られる。
又は炭化した繊維、糸を用いて上記組織に加工すること
によっても得られる。
炭化処理は、常法によるが、不織布、偏地、織物、又
は糸、フィラメント集束糸に、必要に応じて耐炎化処理
を施し、次いで不活性雰囲気中で500℃以上、好ましく
は1000℃以上で加熱するのが一般的である。
この炭化処理により得られた炭素質繊維が、X線広角
解折で求めた〈002〉面間隔(d002)が平均3.70Å以下
の凝黒鉛微結晶構造を有していれば、この炭素質繊維か
らなる集合体を三次元電極として使用したとき、充電時
の負極における水素発生量が抑制され、電流効率が著し
く向上する。そして、上記の炭化処理の後、さらに1×
10-2torr以上の酸素分圧を有する酸素雰囲気下で加熱し
て、重量収率65〜99%となるように乾式酸化処理を施し
た場合はESCA表面分析によって求めた繊維表面の結合酸
素原子数の炭素原子数に対する割合、すなわち、O/C比
が3%以上となる。こうなると、炭素質繊維表面に電気
化学反応に有効な含酸素官能基が形成されるため、電気
化学反応速度が著しく上昇し、セル抵抗が減少する。
また、硼素化合物の添着もセル抵抗の抑制に効果的で
ある。すなわち、該炭化処理前の不織布、偏地、織物、
ひも状物又は、糸、フィラメント集束糸に、ほう酸、ほ
う酸塩、酸化ホウ素、ほう酸トリブチル、ほう酸トリプ
ロピル、ほう酸トリフェニル等のほう素化合物を添着さ
せるか、又は低温炭化を行った後の不織布、偏地、織
物、ひも状物又は、糸、フィラメント集束糸に上記ほう
素化合物を添着する。しかる後、高温処理を行って得ら
れた炭素質繊維中に0.01〜50重量%のほう素を含有させ
る。この場合は電池の充放電を繰返した際の経時変化に
おいてセル抵抗の増加が防止される。
(作用) 集電板の多孔質電極材との接触面に電解液の流通方向
に沿った通液溝が形成されていると、電極材の使用量を
増加させることなく、通液路の通液断面積を増加させる
ことができて、通液圧力損失を低下させることができ
る。また、通液溝によって通液路内の電解液の流れが整
流される結果、電極材の充填密度斑や組織変形といった
材料むらに起因する電解液のよどみ等が解消される。多
孔質電極材のイオン交換膜側では、電極材がイオン交換
膜に直接接触するので、電気化学反応中の対極へのイオ
ン移動が速やかに行われ、集電板側で集電板への集電が
確保されることとあいまって電気化学反応効率の低下は
阻止される。
次に、本発明の電解槽におけるこのような効果は、次
の比較例と実施例との対比により一層明らかとなる。
(実施例) 比較例1 フェノールノボラック繊維の20番手紡績糸を二本撚り
合わせて撚糸とし、この撚糸を用いて織密度がインチ間
当り緯糸40本、経糸36本である平織物を製織した。これ
を不活性ガス中で室温から850℃まで1時間30分かけて
昇温し、1時間保持した後、毎時600℃の昇温速度で200
0℃まで昇温し、さらに30分間保持して炭素化し、冷却
後に炭素質繊維製平織物を得た。
次いで、この平織物を空気中で700℃に加熱し、10分
間保持して酸化処理を行い、目付量114g/m2、厚さ0.37m
mの多孔質電極材を得た。
X線解析による多孔質電極材の<002>面間隔は3.61
Å、ESCAによるO/C比は、8.0%であり、B.E.T法による
比表面積は45m2/gであった。
この多孔質電極材を緯糸方向に10cm、経糸方向に1cm
の大きさで2枚の試験片を切り出し、厚さ0.45mmのスペ
ーサーを用いて電極テストを行ったところ、セル抵抗1.
93Ωcm2、電流効率97.3%、通液圧力損失405mmHgであっ
た。
実施例1 第1図に示すように、二枚の集電板1の多孔質電極材
5と接する部分に、電解液の流れる方向に沿って幅1m
m、深さ1mmの正方形断面を有する通液溝14を、溝間隔1m
mで1cmの幅内に5本形成した。そして、この集電板に上
記比較例で用いた厚さ0.3mmのスペーサー2及び多孔質
電極材5を重ねて比較例と同様の電極テストを行った。
測定の結果、セル抵抗1.88Ωcm2、電流効率98.5%、
通液圧力損失14mmHgであった。
実施例2 上記実施例1で用いた集電板の溝形成面に乾式酸化処
理を施して同様に電極テストを行ったところ、セル抵抗
1.80Ωcm2、電流効率98.5%、通液圧力損失14mmHgであ
った。
比較例2 電解液の流れる方向に沿って幅4.5mm、深さ6mmの長方
形断面図を有する溝を、三次元電極と接する巾1cmの部
分の中央に設けた集電板を用いて、上記実施例と同様に
0.3mmのスペーサおよび三次元電極Aを用いて電極テス
トを行った。結果は、セル抵抗が4.3Ωm2、電流効率95.
6%、通液圧力損失3.2mmHgであった。
すなわち、本発明の実施例では、比較例1に比べ通液
圧力損失は1/30以下であった。また、セル抵抗の上昇は
極めて僅かであった。
(発明の効果) 本発明は、集電板の多孔質電極材と接する面に通液溝
を設けているので、多孔質電極材の使用に伴う電解液の
通液圧力損失を、電極材を増量することなく著しく低下
させ、通液に要するポンプ駆動エネルギー等を低下させ
ることができて、全エネルギー効率を大幅に向上させる
ことができる。また、通液圧力損失を設けたことによる
電気化学反応効率の低下はほとんど見られない。
従って、本発明の電解槽は電流効率が優れ、全エネル
ギー効率を数パーセント乃至数十パーセント向上させる
ことができる。また、高価な多孔質電極材を節約するこ
とができるので、トータルストを低減することもでき
る。その結果、液流通型電解槽を用いるレドックスフロ
ー型電池等の電気化学システムに使用して経済性を著し
く向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図(a)(b)は本発明の一実施例を示す液流通型
電解槽の分解斜視図及び横断面図、第2図は集電板の要
部拡大断面図、第3図(a)〜(d)は通液溝の断面
図、第4図(a)(b)は液流通型電解槽の基本構造を
示す模式図である。 1……集電板、3……イオン交換膜、4a、4b……通液
路、5……多孔質電極材、14……通液溝。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H01M 8/00 - 8/02 H01M 8/08 - 8/24

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】間隙を介した状態で対向して配設された一
    対の集電板間にイオン交換膜が配設され、集電板とイオ
    ン交換膜との間に形成される電解液の通液路の少なくと
    も一方に多孔質電極材が配設されているレドックスフロ
    ー型電池であって、該集電板の多孔質電極材との接触面
    に電解液の通過方向に沿った通液溝が形成され、該通液
    溝の断面積が、電解液の通過方向に対して直交する方向
    の断面積で表して、1つの断面積につき、0.1〜25mm2
    あることを特徴とするレドックスフロー型電池。
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