JP5890561B1 - 電解槽及び電池 - Google Patents
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Abstract
Description
被電解物質含有液が繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を含有する炭素繊維電極シートを横断する方向にフロースルーするように、当該炭素繊維電極シートを支持したことを特徴とする電解槽。
前記炭素繊維電極シートは、繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を、繊維径7〜10μmを中心とする不織布状もしくは織布状の炭素繊維集合体に担持してなることを特徴とする請求項1記載の電解槽。
前記炭素繊維電極シートを、孔を有する2枚の導電性シート間に挟持して支持したことを特徴とする請求項1又は2記載の電解槽。
2枚の前記導電性シートの一方又は両方にバインダー成分を配合し、該バインダー成分を溶出させる熱融着によって2枚の該導電性シート間を接着してなることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載の電解槽。
複数の孔を有する2枚の導電性シート間に前記炭素繊維電極シートを挟持してなる電極板の両側にマニホールドを備え、
被電解物質含有液を、一方の前記マニホールドから一方の前記導電性シートに設けられた複数の孔に供給し、他方の前記導電性シートに設けられた複数の孔から他方の前記マニホールドに排出する過程で、当該導電性シート間に挟持された炭素繊維電極シートによって電解反応を行うように構成されたことを特徴とする請求項4記載の電解槽。
活物質液が繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を含有する炭素繊維電極シートを横断する方向にフロースルーするように、当該炭素繊維電極シートを支持したことを特徴とする電池。
前記炭素繊維電極シートは、繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を、繊維径7〜10μmを中心とする不織布状もしくは織布状の炭素繊維集合体に担持してなることを特徴とする請求項6記載の電池。
前記炭素繊維電極シートを、孔を有する2枚の導電性シート間に挟持して支持したことを特徴とする請求項6又は7記載の電池。
2枚の前記導電性シートの一方又は両方にバインダー成分を配合し、該バインダー成分を溶出させる熱融着によって2枚の該導電性シート間を接着してなることを特徴とする請求項6〜8の何れかに記載の電池。
複数の孔を有する2枚の導電性シート間に前記炭素繊維電極シートを挟持してなる電極板の両側にマニホールドを備え、
活物質液を、一方の前記マニホールドから一方の前記導電性シートに設けられた複数の孔に供給し、他方の前記導電性シートに設けられた複数の孔から他方の前記マニホールドに排出する過程で、当該導電性シート間に挟持された炭素繊維電極シートによって充電又は放電のための電極反応を行うように構成されたことを特徴とする請求項9記載の電池。
正極活物質液が供給される正極セルに、正極電極として前記炭素繊維電極シートを備え、
負極活物質液が供給される負極セルに、負極電極として前記炭素繊維電極シートを備えたことを特徴とする請求項6〜10の何れかに記載の電池。
前記正極活物質液は、正極活物質として4価及び5価バナジウムを含有し、
前記負極活物質液は、負極活物質として2価及び3価バナジウムを含有することを特徴とする請求項11記載の電池。
前記正極セル及び前記負極セルからなる1対のセルを複数対積層してなるセルスタック構造を有することを特徴とする請求項11又は12記載の電池。
正極反応:VO2+(4価)+H2O → VO2 +(5価)+2H++e−
負極反応:V3+(3価)+e− → V2+(2価)
正極反応:VO2 +(5価)+2H++e− → VO2+(4価)+H2O
負極反応:V2+(2価) → V3+(3価)+e−
<導電性炭素繊維の作製>
まず、ポリアクリロニトリル系炭素繊維を1350℃で焼成して活性化させた導電性炭素繊維(繊維径7〜10μm)を用意した(図7)。
また、この炭素繊維を酸化処理して細くしたものも用意した。処理時間等によって炭素質部分がエッチングされ、表1に示すように繊維径の異なる炭素繊維が得られた(図8、9及び10)。
これら炭素繊維の繊維径を表1に示す。図8、9の炭素繊維については、走査型電子顕微鏡(SEM)写真に示される繊維束を構成する各1本の繊維の繊維径を示した。
体積抵抗率0.06Ωcm、厚さ1mmのカーボンプラスチックシートを2枚用意し、各シートに直径4mmの孔をそれぞれ1つ設けた。
互いに孔を対向させるように配置したシート間に導電性炭素繊維1を介在させて、これを両側から挟み込んで電極1とした。同様に導電性炭素繊維2〜4を用いて電極2〜4とした。これら電極1〜4において、直径4mmの孔内に露出する導電性炭素繊維の重量は0.1gとした。
また、導電性炭素繊維を挟まずにカーボンプラスチックシート2枚を重ね合わせたものを電極5(ブランク)とした。
図1に示した電解槽において、作用極として電極1を用い、対極としてグラッシーカーボン板を用いて電解槽1とした。同様に電極2〜5を作用極に用いて電解槽2〜5とした。
電解液1として、3M硫酸酸性、1Mバナジウム(3価)、1Mバナジウム(4価)を含む硫酸塩水溶液を調製した。
電解液2として、3M硫酸酸性、1.3Mバナジウム(3価)、1.3Mバナジウム(4価)を含む硫酸塩水溶液を調製した。
電解槽1〜5において、18℃の室温下で、チューブポンプを用いて電解液1を3ml/分で送液し、作用極及び対極間に定電流で、+40mA若しくは−40mA(共に見掛けの電流密度:320mA/cm2)又は+100mA若しくは−100mA(共に見掛けの電流密度:800mA/cm2)を通電し、電解電圧を測定した。結果を表2に示す。
電解試験1において、電解液1を電解液2に代えたこと以外は、電解試験1と同様にして、電解電圧を測定した。結果を表3に示す。
繊維径5μm以下の導電性炭素繊維(導電性炭素繊維2、3、4)を用いた電解槽2、3、4では、電解電位の絶対値が比較的小さくなることがわかる。このことから、繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を用いることにより、電解反応を効率よく生起できることがわかる。
<電池の作製>
図3に示したバナジウムレドックスフロー型電池において、隔膜にポリスチレンスルホン酸系の陽イオン交換膜を用い、正極及び負極として、実施例1で作製した電極2を用いて電池1とした。同様に、正極及び負極として電極4を用いて電池2とした。
実施例1で得られたバナジウム(5価)を含む正極活物質液と、同じく実施例1で得られたバナジウム(2価)を含む負極活物質液とを用いた。
22℃の室温下で、見掛けの電流密度160mA/cm2で放充電試験を行った。活物質液の送液量は、0ml/分(送液停止)、3ml/分、又は5ml/分に設定した。結果を表4に示す。
繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を用いた電池1では良好な平均充電電圧及び平均放電電圧が観察された。
通常、繊維径7μmから十数μmと比較的繊維径の大きい導電性炭素繊維の集合電極を使用した液透過型電極を用いた場合、その電極間隔は、孔隙率を考慮すれば、やはり繊維径より大きい電極間隔にする必要がある。ここで、炭素繊維集合電極内を透過する液は、乱流ではなく層流でなければならないが、その見掛けの線速度は、透過の流動抵抗を考慮して、最大数十cm/秒以下であることが好ましい。
2:流通型電解セル
3:作用極
4:対極
5:流入口
6:流入側マニホールド
7:流出口
8:流出側マニホールド
9、10:導電性シート
11:炭素繊維電極シート
12、13:孔
14:電解液貯留タンク
15:ポンプ
16:処理液タンク
17:レドックスフロー電池
18:流通型電解セル
19:正極電極
20、21:導電性シート
22:炭素繊維電極シート
23、24:孔
25:正極セル
26:負極電極
27、28:導電性シート
29:炭素繊維電極シート
30、31:孔
32:負極セル
33:隔膜
34:流入口
35:流入側マニホールド
36:流出口
37:流出側マニホールド
38:流入口
39:流入側マニホールド
40:流出口
41:流出側マニホールド
42:正極用タンク
43:正極活物質液循環系
44:供給配管
45:返送配管
46:循環ポンプ
47:負極用タンク
48:負極活物質液循環系
49:供給配管
50:返送配管
51:循環ポンプ
52:バイポーラプレート
53、54:スペーサー
55:バイポーラプレート
56、57:凹部
58、59:貫通孔
60、61:凹部
Claims (13)
- 被電解物質含有液が繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を含有する炭素繊維電極シートを横断する方向にフロースルーするように、当該炭素繊維電極シートを支持したことを特徴とする電解槽。
- 前記炭素繊維電極シートは、繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を、繊維径7〜10μmを中心とする不織布状もしくは織布状の炭素繊維集合体に担持してなることを特徴とする請求項1記載の電解槽。
- 前記炭素繊維電極シートを、孔を有する2枚の導電性シート間に挟持して支持したことを特徴とする請求項1又は2記載の電解槽。
- 2枚の前記導電性シートの一方又は両方にバインダー成分を配合し、該バインダー成分を溶出させる熱融着によって2枚の該導電性シート間を接着してなることを特徴とする請求項3記載の電解槽。
- 複数の孔を有する2枚の導電性シート間に前記炭素繊維電極シートを挟持してなる電極板の両側にマニホールドを備え、
被電解物質含有液を、一方の前記マニホールドから一方の前記導電性シートに設けられた複数の孔に供給し、他方の前記導電性シートに設けられた複数の孔から他方の前記マニホールドに排出する過程で、当該導電性シート間に挟持された炭素繊維電極シートによって電解反応を行うように構成されたことを特徴とする請求項4記載の電解槽。 - 活物質液が繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を含有する炭素繊維電極シートを横断する方向にフロースルーするように、当該炭素繊維電極シートを支持したことを特徴とする電池。
- 前記炭素繊維電極シートは、繊維径5μm以下の導電性炭素繊維を、繊維径7〜10μmを中心とする不織布状もしくは織布状の炭素繊維集合体に担持してなることを特徴とする請求項6記載の電池。
- 前記炭素繊維電極シートを、孔を有する2枚の導電性シート間に挟持して支持したことを特徴とする請求項6又は7記載の電池。
- 2枚の前記導電性シートの一方又は両方にバインダー成分を配合し、該バインダー成分を溶出させる熱融着によって2枚の該導電性シート間を接着してなることを特徴とする請求項8記載の電池。
- 複数の孔を有する2枚の導電性シート間に前記炭素繊維電極シートを挟持してなる電極板の両側にマニホールドを備え、
活物質液を、一方の前記マニホールドから一方の前記導電性シートに設けられた複数の孔に供給し、他方の前記導電性シートに設けられた複数の孔から他方の前記マニホールドに排出する過程で、当該導電性シート間に挟持された炭素繊維電極シートによって充電又は放電のための電極反応を行うように構成されたことを特徴とする請求項9記載の電池。 - 正極活物質液が供給される正極セルに、正極電極として前記炭素繊維電極シートを備え、
負極活物質液が供給される負極セルに、負極電極として前記炭素繊維電極シートを備えたことを特徴とする請求項6〜10の何れかに記載の電池。 - 前記正極活物質液は、正極活物質として4価及び5価バナジウムを含有し、
前記負極活物質液は、負極活物質として2価及び3価バナジウムを含有することを特徴とする請求項11記載の電池。 - 前記正極セル及び前記負極セルからなる1対のセルを複数対積層してなるセルスタック構造を有することを特徴とする請求項11又は12記載の電池。
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