JP5837704B2 - 向上した耐久性を有するフローバッテリ - Google Patents

Description

本開示は電気エネルギーを選択的に貯蔵および放出するフローバッテリに関する。

フローバッテリは、レドックスフローバッテリまたはレドックスフローセルとしても知られているが、電気エネルギーを、貯蔵して後に必要があれば放出することができる化学エネルギーに変換するように設計される。一例として、フローバッテリは、需要家の需要を上回るエネルギーを貯蔵し、後でより大きな需要がある場合にそのエネルギーを放出するように、風力発電システムなどの再生可能エネルギーシステムとともに使用されることができる。

基本的なフローバッテリは、イオン交換膜などのセパレータを備えることができる電解質層で分離された負極と正極とを有するレドックスフローセルを備える。負極には負液体電解質が供給され、正極には正液体電解質が供給されて、電気化学的に可逆な酸化還元反応を引き起こす。充電時には、供給された電気エネルギーによって、一方の電解質内で化学的還元反応が生じ、もう一方の電解質内で酸化反応が生じる。セパレータは、電解質が混合し合うのを防止するが、選択されたイオンが通過して酸化還元反応が完結するのを可能とする。放電時には、液体電解質内に含まれる化学エネルギーが逆反応で放出されて、電気エネルギーが電極から引き出されることができる。フローバッテリは、とりわけ、外部から供給されて可逆電気化学反応にあずかる液体電解質を使用するところが、他の電気化学装置とは区別される点である。

第１の電極と、第１の電極から離間した第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間に配置されたセパレータと、を有する少なくとも１つの電気化学セルを備えるフローバッテリが開示される。第１の貯蔵部分および第２の貯蔵部分がそれぞれ少なくとも１つのセルと流体的に接続される。第１の液体電解質および第２の液体電解質がそれぞれ第１の貯蔵部分および第２の貯蔵部分に配置される。第１の電極は、第１の液体電解質に関して第１の電極が触媒活性となる領域を有し、第２の電極は、第２の液体電解質に関して第２の電極が触媒活性となる領域を有し、第１の電極のこの領域は、第２の電極のこの領域より大きい。

フローバッテリの劣化を制御する方法も開示される。方法は、第１の液体電解質に関して第１の電極が触媒活性となる領域を第１の電極が有するように第１の電極を画定し、第２の液体電解質に関して第２の電極が触媒活性となる領域を第２の電極が有するように第２の電極を画定し、第１の電極のこの領域が、第２の電極のこの領域より大きくなるようにすることで、腐食の電位を制御することを含む。

開示の実施例のさまざまな特徴および利点は、当業者には以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。詳細な説明に付随する図面は、以下のように簡単に説明され得る。

実施例のフローバッテリを示す図。 実施例の電気化学セルを示す図。 異なる大きさの第１の電極および第２の電極を示す図。 図３に示す電極の別の配置を示す図。 第１の電極および第２の電極の周囲を囲むフレームシールを示す図。 第１の電極の領域の周囲からの第２の電極の領域の周囲の後退を示す図。

図１は、電気エネルギーを選択的に貯蔵および放出する実施例のフローバッテリ２０の選択された部分を概略的に示す。一例として、フローバッテリ２０は、再生可能エネルギーシステム内で生成される電気エネルギーを化学エネルギーに変換するように使用されることができ、化学エネルギーは、後により大きな需要があってフローバッテリ２０がその時に化学エネルギーを電気エネルギーに変換し戻すまで貯蔵される。フローバッテリ２０は、例えば高圧送電線網に電気エネルギーを供給することができる。以下に説明するように、開示のフローバッテリ２０は、向上した耐久性のための特徴を備える。

フローバッテリ２０は、電気化学的活性種２４を有する少なくとも１つの液体電解質２２を備えており、電気化学的活性種２４は、第２の反応物２６に関する酸化還元対として機能し、第２の反応物２６は、電気化学的活性種または例えば水素または空気などの任意の他の電気化学的活性種を有する別の液体電解質とすることができる。例えば、電気化学的活性種は、バナジウム、臭素、鉄、クロム、亜鉛、セリウム、鉛、またはこれらの組み合わせに基づく。実施例では、液体電解質２２、２６は、１つまたは複数の電気化学的活性種２４、３０を含む水溶液である。

液体電解質２２および反応物２６は、タンクなどのそれぞれの貯蔵部分３２、３４内に貯蔵される。図示のように、貯蔵部分３２、３４は、実質的に同等の円筒形の貯蔵タンクであるが、貯蔵部分３２、３４は、代替として他の形状および大きさを有することができる。

液体電解質２２、２６は、それぞれの供給ライン３８を通してフローバッテリ２０の１つまたは複数の電気化学セル３６に供給（例えばポンプ送り）され、戻りライン４０を介して電気化学セル３６から貯蔵部分３２、３４へと戻される。従って、貯蔵部分３２、３４は、電気化学セル３６の外部にあり、電気化学セル３６を通して液体電解質２２、２６を循環させるように電気化学セル３６と流体的に接続される。

作動時には、液体電解質２２、２６が電気化学セル３６に供給されて、電気エネルギーを化学エネルギーに変換するか、あるいは、化学エネルギーを、放出可能な電気エネルギーに変換する。電気エネルギーは、電気経路４２を通して電気化学セル３６へ、および電気化学セル３６から伝達され、電気経路４２は、回路を完成して、電気化学的酸化還元反応が完結するのを可能とする。

図２は、電気化学セル３６のうちの１つの一部の断面を示す。フローバッテリ２０の設計容量に応じてフローバッテリ２０がスタック内に複数のこのような電気化学セル３６を備えることができることは理解されたい。

この実施例では、電気化学セル３６は、第１のバイポーラプレート５０と、第１のバイポーラプレート５０から離間した第２のバイポーラプレート５２と、を備える。バイポーラプレート５０、５２は、導電性であり、例えば黒鉛プレートまたは金属プレートとすることができる。バイポーラプレート５０、５２は、電気化学セル３６内に液体電解質２２、２６を供給するための流れ場として機能する複数の流路５４を備えることができる。

第１の電極６２が、第１のバイポーラプレート５０に隣接して配置され、第２の電極６４が、第２のバイポーラプレート５２に隣接して配置される。図示の実施例では、第１の電極６２は、第１のバイポーラプレート５０の面と接触し、第２の電極６４は、第２のバイポーラプレート５２の面と接触する。イオン交換膜などのセパレータ６６が電極６２、６４の間でこれらに接触して配置される。この実施例では、第１の電極６２は、アノード電極であり、第２の電極６４は、カソード電極である。

第１の電極６２および第２の電極６４は、多孔質炭素電極などの、導電性で所望の酸化還元反応に対して触媒活性を有する多孔質材料である。一実施例では、電極６２、６４の一方または両方が、液体電解質２２、２６に関して触媒活性を有する炭素紙またはフェルト材料を備える。すなわち、炭素材料の表面は、フローバッテリ２０内で触媒活性を有する。フローバッテリ２０の酸化還元反応では、反応に対するエネルギー障壁は比較的低く、従って、貴金属または合金などのより強力な触媒材料は、酸素または水素などの気体状反応物を用いる電気化学装置のようには、通常は必要でない。炭素材料は、炭素材料を清浄化し、活性触媒サイトとして機能する酸化物を生成するために、熱および／または化学処理プロセスを用いて活性化されることができる。

作動時には、液体電解質２２、２６が貯蔵部分３２、３４からそれぞれのバイポーラプレート５０、５２内へとポンプ送りされる。これについては、バイポーラプレートは、液体電解質２２、２６を流路５４内へと供給するマニホールドおよび同様のものなどを備えることができる。液体電解質２２、２６は、流路５４を通って流れ、電極６２、６４に供給される。バイポーラプレート５０、５２および流路５４がフローバッテリ２０において任意選択的であることは理解された。すなわち、フローバッテリ２０は、流れ場流路を使用せずに液体電解質２２、３０を直接電極６２、６４内にポンプ送りする「流通（ｆｌｏｗ−ｔｈｒｏｕｇｈ）」作動するように代替として構成されることができる。

作動時には、第２の電極６４（カソード）に高い過電圧が生じる可能性があり、それによって、フローバッテリ２０内の材料の腐食劣化が生じる。従って、「高い過電圧」という用語は、電気化学セル３６内の１つまたは複数の材料の腐食劣化を促進するのに十分な電位のことを言う。電気化学セル３６における設計作動条件下では、電位は、選択された材料の腐食劣化を促進する電位より低く維持される。しかしながら、アノード液の局所的枯渇は、フローバッテリ内のアノード電極の局所領域内で電位を変化させることができる条件の１つである。電気化学セル３６内の腐食劣化を受ける、第２の電極６４および／またはバイポーラプレート５２内の炭素などの炭素材料、任意の金属または金属合金、または他の材料は、この過電圧条件で劣化し、最終的にフローバッテリ２０の耐久性を低下させる可能性がある。劣化の要因である電気化学機構および作動状況は、当業者には理解されるので、本願ではさらに説明しない。

電気化学セル３６は、腐食劣化の電位を制御（例えば、制限）する特徴を備える。図３は、図２に示す断面による、第１の電極６２および第２の電極６４の図を示す。第１の電極６２は、第１の液体電解質２２に関して第１の電極６２が触媒活性となる領域Ａ₁を有し、第２の電極６４は、第２の液体電解質２６に関して第２の電極６４が触媒活性となる領域Ａ₂を有する。領域Ａ₁は、領域Ａ₂より大きい。セパレータ６６も領域Ａ₃を有し、離領域Ａ₃は、この実施例では、領域Ａ₁と同等である。

領域Ａ₁を領域Ａ₂より大きくなるように選択することで、カソード液（液体電解質２６）が第２の電極６４内に存在する場合には必ず、アノード液の局所的枯渇が制限または防止されるように、アノード液（第１の電解質２２）も第１の電極６２内に存在することが保証される。従って、領域Ａ₂より大きくなるように領域Ａ₁を画定することで、腐食劣化の電位が制御され、それによって、フローバッテリ２０の耐久性が向上する。

電極６２、６４がそれぞれ触媒活性を有する領域Ａ₁、Ａ₂、または「有効領域」は、液体電解質２２、２６それぞれを受け入れる開孔を有する領域である。以下に説明するように、領域Ａ₁、Ａ₂は、電極６２、６４の物理的大きさ、または有効領域の周囲の大きさ、またはこれらの両方によって画成されることができる。

差のある領域Ａ₁、Ａ₂による、さらなる実施例では、第１のバイポーラプレート５０は任意選択的に、第２のバイポーラプレート５２より大きな流れ場を備える。流れ場の領域は、バイポーラプレート５０、５２それぞれにおける流路５４の全てを囲む周囲によって画成される。図２では、第１のバイポーラプレート５０の流れ場の領域は、５０ａで示され、第２のバイポーラプレート５２の流れ場の領域は、５２ａで示される。

図３に示す実施例では、電極６２、６４は、それぞれの縁部６２ａ、６４ａの間に延在する。図示のように、縁部６２ａ、６４ａは、４つの側部に延在し、従って、電極６２、６４はそれぞれ、四角形として提供されるが、他の形状が代替として選択されることもできる。第２の電極６４の縁部６４ａは、第１の電極６２の縁部６２ａに関して内側に後退している。従って、この実施例の領域Ａ₁、Ａ₂は、縁部６２ａ、６４ａによって、従って、電極６２、６４の物理的大きさによって画成される。さらなる実施例では、縁部６４ａは、第２の電極６４の周囲を囲む実質的に均一なバンド６５が存在するように、縁部６２ａの内側に均一な距離で後退している。

図４に示す別の実施例では、後退距離は、少なくとも１つの側部での後退距離が、別の側部での後退距離より大きくなるように、第２の電極６４の周りで不均一になっている。例えば、縁部６２ａ、６４ａの間の後退距離は、電極６２、６４の周りで不均一になっている。これに比較して、図３に示す実施例では、縁部６４ａは、縁部６２ａの内側に均一な距離で後退している。さらなる実施例では、設計される後退距離は、予想される製造公差から生じる可能性のある最大の後退より少しばかり大きくする必要がある。

図５に示す別の実施例では、フレームシール６６がＡ₁、Ａ₂を画定している。フレームシール６６は、電極６２、６４のそれぞれの外側周囲を囲んで延在する。一例として、各フレームシール６６は、液体電解質２２、２６の漏れを防止するように電極６２、６４の縁部６２ａ、６４ａ内に含浸される、ポリマー材料などのシール材料を備える。シール材料は、電極６２、６４の細孔内に浸透し、凝固すると、液体電解質が電極６２、６４のその部分内を流れるのを防止または実質的に防止する。従って、電極６２、６４のフレームシール６６の領域は、触媒活性を有さず、従って、電気化学反応にあずかる電極６２、６６の有効領域の部分ではなくなる。

フレームシール６６は、領域Ａ₁、Ａ₂の周囲境界として機能する。シール材料の含浸は、シール材料が第１の電極６２内へ浸透するよりは第２の電極６４内へ浸透する面内方向の距離が大きくなるように、制御されることができる。すなわち、面内方向で、第１の電極６２のフレームシール６６の厚みは、第２の電極６４のフレームシール６６の厚みより小さくなる。図面では、６２ｂが領域Ａ₁の周囲を示し、６４ｂが領域Ａ₂の周囲を示す。

図６は、周囲６２ｂ、６４ｂの別の図を示す。図示のように、縁部６４ａ、６２ａの後退と同様に、第２の電極６４の縁部６４ｂは、第１の電極６２の領域Ａ₁の周囲６２ｂの内側に後退している。従って、縁部６２ａ、６４ａは、面一であっても、面一でなくてもよいが、周囲６２ｂ、６４ｂは、領域Ａ₁、Ａ₂間の差を達成するように面一ではない。

例示した実施例には特徴の組み合わせが示されているとはいえ、本開示のさまざまな実施例の利益を実現するためには、これらの特徴の全てを組み合わせる必要はない。すなわち、本開示の実施例に従って設計されるシステムは、図面のうちのいずれか１つに示された特徴の全て、または図面に概略的に示された部分の全てを必ずしも備える必要はない。さらに、例示的な一実施例の選択された特徴は、他の例示的な実施例の選択された特徴と組み合わされることができる。

上記の説明は、本質的に限定ではなく例示である。本開示の本質から必ずしも逸脱しない、開示の実施例に対する変更および修正が、当業者には明らかとなり得る。本開示に与えられる法的保護範囲は、添付の特許請求の範囲を検討することでのみ決定可能である。

Claims (13)

1. 第１の電極と、第１の電極から離間した第２の電極と、第１の電極と第２の電極との間でこれらに接触して配置されたセパレータ層と、を有する少なくとも１つの電気化学セルと、
   第１の貯蔵部分および第２の貯蔵部分であって、それぞれが少なくとも１つの電気化学セルと流体的に接続された第１の貯蔵部分および第２の貯蔵部分と、
   第１の貯蔵部分または第２の貯蔵部分の一方に配置される少なくとも１つの電解質と、
   を備えるフローバッテリであって、
   第１の電極のセパレータ層側の面は、第１の液体電解質に関して第１の電極が触媒活性となる面積Ａ₁を有し、第２の電極のセパレータ層側の面は、第２の液体電解質に関して第２の電極が触媒活性となる面積Ａ₂を有し、面積Ａ₁は、面積Ａ₂より大きいことを特徴とするフローバッテリ。
2. 第１の電極は、アノード電極であり、第２の電極は、カソード電極であることを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
3. 第１の電極は、電極の縁部の位置合わせに関して第２の電極と面一でないことを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
4. 面積Ａ₂の周囲は、面積Ａ₁の周囲の内側に後退していることを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
5. 面積Ａ₂の周囲は、面積Ａ₁の周囲を囲む均一な距離で後退していることを特徴とする請求項４記載のフローバッテリ。
6. 面積Ａ₂の周囲は、面積Ａ₁の周囲を囲む不均一な距離で後退していることを特徴とする請求項４記載のフローバッテリ。
7. 第２の電極の縁部は、第１の電極の縁部の内側に後退していることを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
8. 第１の電極および第２の電極はそれぞれ、シール材料を備えるフレームシールを備えており、シール材料は、面積Ａ₁、面積Ａ₂それぞれを提供するように第１の電極および第２の電極のそれぞれ内に含浸され、フレームシールは、第１の電極のフレームシールの面内方向の厚みが第２の電極のフレームシールの面内方向の厚みより小さくなるように、第１の電極および第２の電極それぞれの縁部に面内方向の厚みを有することを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
9. 少なくとも１つの電気化学セルは、第１の電極に隣接して配置された第１のバイポーラプレートと、第２の電極に隣接して配置された第２のバイポーラプレートと、を備えており、第１のバイポーラプレートは、第１の流れ場を備えており、第２のバイポーラプレートは、第１の流れ場が延在する面積より小さい面積に延在する第２の流れ場を備えることを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
10. セパレータは、イオン交換材料であることを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
11. セパレータは、面積Ａ₁と同等の面積Ａ₃を有することを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
12. 第１の貯蔵部分または第２の貯蔵部分のもう一方に水素および空気から選択される気体を備えることを特徴とする請求項１記載のフローバッテリ。
13. 第１の液体電解質に関して第１の電極が触媒活性となる面積Ａ₁を第１の電極のセパレータ層側の面が有するように第１の電極を画定し、第２の液体電解質に関して第２の電極が触媒活性となる面積Ａ₂を第２の電極のセパレータ層側の面が有するように第２の電極を画定し、面積Ａ₁が、面積Ａ₂より大きくなるようにすることで、フローバッテリの電気化学セルの構成要素の腐食の電位を制御する、
    ことを含むことを特徴とする、フローバッテリの劣化を制御する方法。

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