JP6250074B2 - 表面合金を有するアノード電極を含むレドックスフロー電池システム - Google Patents
表面合金を有するアノード電極を含むレドックスフロー電池システム Download PDFInfo
- Publication number
- JP6250074B2 JP6250074B2 JP2015558942A JP2015558942A JP6250074B2 JP 6250074 B2 JP6250074 B2 JP 6250074B2 JP 2015558942 A JP2015558942 A JP 2015558942A JP 2015558942 A JP2015558942 A JP 2015558942A JP 6250074 B2 JP6250074 B2 JP 6250074B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- catalyst
- hydrogen
- bromine
- battery system
- electrode
- 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.)
- Active
Links
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 title claims description 22
- 239000000956 alloy Substances 0.000 title claims description 22
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 56
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 56
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 54
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 claims description 53
- GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N bromine Substances BrBr GDTBXPJZTBHREO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 52
- 229910052794 bromium Inorganic materials 0.000 claims description 52
- WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N Bromine atom Chemical compound [Br] WKBOTKDWSSQWDR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 51
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 40
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 40
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Substances [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 29
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 20
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 11
- 239000010931 gold Substances 0.000 claims description 11
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 10
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 6
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 5
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 claims description 4
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 4
- PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N gold Chemical compound [Au] PCHJSUWPFVWCPO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052741 iridium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N iridium atom Chemical compound [Ir] GKOZUEZYRPOHIO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229920001467 poly(styrenesulfonates) Polymers 0.000 claims description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 claims description 2
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims description 2
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-N Hydrogen bromide Chemical compound Br CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 36
- 229910000042 hydrogen bromide Inorganic materials 0.000 description 18
- 239000000463 material Substances 0.000 description 14
- 238000010494 dissociation reaction Methods 0.000 description 9
- 230000005593 dissociations Effects 0.000 description 8
- 230000000607 poisoning effect Effects 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 6
- 125000001246 bromo group Chemical group Br* 0.000 description 5
- 231100000572 poisoning Toxicity 0.000 description 5
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 4
- 125000004435 hydrogen atom Chemical group [H]* 0.000 description 4
- -1 hydronium ions Chemical class 0.000 description 4
- BMYNFMYTOJXKLE-UHFFFAOYSA-N 3-azaniumyl-2-hydroxypropanoate Chemical compound NCC(O)C(O)=O BMYNFMYTOJXKLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 3
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 description 3
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 239000013626 chemical specie Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 230000005611 electricity Effects 0.000 description 2
- 238000003411 electrode reaction Methods 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 2
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 2
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 2
- YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N Hydrogen atom Chemical compound [H] YZCKVEUIGOORGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 1
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000003197 catalytic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009194 climbing Effects 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000007599 discharging Methods 0.000 description 1
- 208000018459 dissociative disease Diseases 0.000 description 1
- 238000004146 energy storage Methods 0.000 description 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 description 1
- 238000009472 formulation Methods 0.000 description 1
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 230000001771 impaired effect Effects 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 239000002574 poison Substances 0.000 description 1
- 231100000614 poison Toxicity 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 1
- 230000001737 promoting effect Effects 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 230000036647 reaction Effects 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/18—Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
- H01M8/184—Regeneration by electrochemical means
- H01M8/188—Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/8605—Porous electrodes
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/9091—Unsupported catalytic particles; loose particulate catalytic materials, e.g. in fluidised state
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/921—Alloys or mixtures with metallic elements
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M4/00—Electrodes
- H01M4/86—Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
- H01M4/90—Selection of catalytic material
- H01M4/92—Metals of platinum group
- H01M4/928—Unsupported catalytic particles; loose particulate catalytic materials, e.g. in fluidised state
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/10—Fuel cells with solid electrolytes
- H01M8/12—Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
- H01M8/00—Fuel cells; Manufacture thereof
- H01M8/20—Indirect fuel cells, e.g. fuel cells with redox couple being irreversible
-
- 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
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- General Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Sustainable Development (AREA)
- Sustainable Energy (AREA)
- Inert Electrodes (AREA)
- Fuel Cell (AREA)
- Hybrid Cells (AREA)
Description
本出願は、２０１３年２月２１日に出願された米国仮特許出願第６１／７６７，５８７号に基づく優先権の利益を請求する。前記出願の内容全体はここに参照により援用する。
分野
本開示は、一般的に電池システムに関し、より具体的には、Ｃｕ／Ｐｔ（１１１）および／またはＡｕ／Ｐｔ（１１１）の表面合金（subsurface alloy）から少なくとも部分的に形成される、Ｈ2／Ｂｒ2還元−酸化（「レドックス」）フロー電池システムのアノード電極に関する。
本開示は、一般的に電池システムに関し、より具体的には、Ｃｕ／Ｐｔ（１１１）および／またはＡｕ／Ｐｔ（１１１）の表面合金（subsurface alloy）から少なくとも部分的に形成される、Ｈ2／Ｂｒ2還元−酸化（「レドックス」）フロー電池システムのアノード電極に関する。
背景
レドックスフロー電池（「ＲＦＢ」）システムは、１種以上の溶解された電気活性種を含有する電解質が、化学的エネルギーを電気に変える電気化学的セルを流通する充電式電池／燃料電池の一形態である。前記電解質は屋外で、一般的にタンク内で貯蔵され、そして該電池システムの１つ以上のセルを通じて循環される。フロー電池の制御は、流速と、該セルの充電状態（「ＳＯＣ」）の知識を必要とする。これらの２つの要素が一緒になって電極における反応物の濃度および可用性を決め、そして予め決められた作動限界内での最高の効率の場合の該セルから調達できる電流を決定する。前記ＳＯＣは、どのくらい多くのエネルギーを該電池が貯蔵または発揮できるかを決めるためにも使用される。特定されたＳＯＣは、該電池が放電プロセスの間の任意の所定の時点で生成できる出力を決定することもできる。
レドックスフロー電池（「ＲＦＢ」）システムは、１種以上の溶解された電気活性種を含有する電解質が、化学的エネルギーを電気に変える電気化学的セルを流通する充電式電池／燃料電池の一形態である。前記電解質は屋外で、一般的にタンク内で貯蔵され、そして該電池システムの１つ以上のセルを通じて循環される。フロー電池の制御は、流速と、該セルの充電状態（「ＳＯＣ」）の知識を必要とする。これらの２つの要素が一緒になって電極における反応物の濃度および可用性を決め、そして予め決められた作動限界内での最高の効率の場合の該セルから調達できる電流を決定する。前記ＳＯＣは、どのくらい多くのエネルギーを該電池が貯蔵または発揮できるかを決めるためにも使用される。特定されたＳＯＣは、該電池が放電プロセスの間の任意の所定の時点で生成できる出力を決定することもできる。
一つの特定の種類のレドックスフロー電池システムは、Ｈ2／Ｂｒ2電池システムと呼称される。この種類の電池システムは、安全かつ経済的な条件下で高品質の電気を供給する。Ｈ2／Ｂｒ2電池システムの他の特徴は、電極反応の高い固有可逆性、高い電力容量および延長されたサイクル寿命を含む。前記の利点および特徴の結果として、Ｈ2／Ｂｒ2電池システムは、送電網用のエネルギー貯蔵のための見込みのある電池システムとして潜在性を示している。
Ｈ2／Ｂｒ2電池システムの一つの懸念は、該電池システム中に存在するハロゲン化物化学種が１つ以上の電極（典型的はアノード電極）の電気触媒表面を「被毒」させることで、該セル寿命を損ないうるということである。他の種類の電池システムにおける様々な触媒表面に対するハロゲン化物の被毒効果に関して集められた証拠にもかかわらず、Ｈ2／Ｂｒ2電池システムにおけるハロゲン化物被毒の効果を調べた体系的な研究は提供されていない。おそらく、前記被毒効果の証拠は、白金様金属上での臭素化学種の吸着の測定困難性のため得られていないと思われる。従って、Ｈ2／Ｂｒ2電池システムにおける電気触媒表面の被毒の懸念は、取り組むべき潜在的な制約である。
当該技術分野における前記制約に鑑みて、アノード電極の被毒をほとんど受けない改善されたＨ2／Ｂｒ2電池システムに要求が存在する。
要旨
本開示の一実施形態によれば、還元−酸化フロー電池システムは、臭素電極、水素電極、膜、第一の触媒および第二の触媒を含む。前記膜は、臭素電極と水素電極との間に配置される。前記第一の触媒は、前記臭素電極と関連づけられている。前記第二の触媒は、前記水素電極と関連づけられており、前記触媒は、（ｉ）Ｈ2の容易な解離を促進し、かつ（ｉｉ）前記水素電極上への臭素の吸着を妨げるように構成された表面合金から少なくとも部分的に形成されている。
本開示の一実施形態によれば、還元−酸化フロー電池システムは、臭素電極、水素電極、膜、第一の触媒および第二の触媒を含む。前記膜は、臭素電極と水素電極との間に配置される。前記第一の触媒は、前記臭素電極と関連づけられている。前記第二の触媒は、前記水素電極と関連づけられており、前記触媒は、（ｉ）Ｈ2の容易な解離を促進し、かつ（ｉｉ）前記水素電極上への臭素の吸着を妨げるように構成された表面合金から少なくとも部分的に形成されている。
本開示のもう一つの実施形態によれば、水素／臭素還元−酸化フロー電池システムは、カソード電極、アノード電極、カチオン交換膜、第一の触媒および第二の触媒を含む。前記カチオン交換膜は、カソード電極とアノード電極との間に配置される。前記第一の触媒は、前記カソード電極と関連づけられている。前記第二の触媒は、前記アノード電極と関連づけられており、前記触媒は、溶質金属とホスト金属とを含む表面合金から少なくとも部分的に形成されている。前記溶質金属は、銅および金の一方であり、かつ前記ホスト金属は、Ｐｔ（１１１）である。
前記の特徴および利点ならびにその他の点は、当業者には以下の詳細な説明と付属の図面を参照することでより明らかになるべきである。
詳細な説明
本開示の原理の理解を促す目的で、図面に図解される実施形態と以下に記載の明細書に記載される実施形態がここで参照される。本開示の範囲をそれにより制限することを意図するものではないと理解される。更に、本開示は、図解された実施形態に対する任意の変化および変更を含み、更に本開示に属する技術分野における当業者に通常想起されるであろう開示の原理の適用を含む。
本開示の原理の理解を促す目的で、図面に図解される実施形態と以下に記載の明細書に記載される実施形態がここで参照される。本開示の範囲をそれにより制限することを意図するものではないと理解される。更に、本開示は、図解された実施形態に対する任意の変化および変更を含み、更に本開示に属する技術分野における当業者に通常想起されるであろう開示の原理の適用を含む。
図１に示されるように、水素／臭素還元−酸化フロー電池システム（１００）は、臭素部（１０４）、水素部（１０８）、および前記臭素部と水素部との間に配置された膜（１１２）を含む。前記臭素部（１０４）は、臭素源（１１６）、臭素流れ領域（１２０）、集電体（１２４）、臭素電極（１２８）および触媒（１３２）を含む。前記臭素源（１１６）は、臭化水素（「ＨＢｒ」）中の臭素（「Ｂｒ2」）の水溶液（本明細書では「ＨＢｒ／Ｂｒ2」水溶液または「Ｂｒ2／ＨＢｒ」水溶液と呼ぶ）を含み、前記水溶液は一般的には室温および室圧で液状である。臭素源（１１６）は、ＨＢｒ／Ｂｒ2の貯蔵のために一般的に使用される任意の材料、例えばガラス、鉛、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）または当業者によって望まれる任意の他の十分に耐食性の材料から形成（または前記材料で裏張り）されている。
臭素流れ領域（１２０）は、臭素源（１１６）に流体連結されており、かつ臭素源によって貯蔵されたＨＢｒ／Ｂｒ2を受容するように構成されている。前記臭素流れ領域（１２０）は、炭素ベースの材料から形成されており、導電性である。結果として、前記臭素流れ領域（１２０）は、耐食性で、耐久性があり、かつ低コストである。前記臭素流れ領域（１２０）は多孔質であり、前記ＨＢｒ／Ｂｒ2溶液をそこに流通可能であるように構成されている。
前記集電体（１２４）は、前記臭素流れ領域（１２０）に連結されている。前記集電体（１２４）は、前記電池システムの放電状態の間に該電池システム（１００）の正端子（すなわちカソード）を形成するように構成されている。前記集電体（１２４）は、該集電体の少なくとも一部が前記臭素流れ領域（１２０）を流通するＨＢｒ／Ｂｒ2溶液と接触するように配置されている。前記集電体（１２４）は、導電性であり、かつ少なくとも部分的に、金属、例えばアルミニウムまたは当業者によって望まれる別の適切な金属から形成されている。
前記臭素電極（１２８）（本明細書中ではカソード電極とも呼ばれる）は、前記臭素源（１１６）へと前記臭素流れ領域（１２０）を通じて流体連結されている。前記臭素電極（１２８）は、前記ＨＢｒ／Ｂｒ2溶液を流通可能にするために、少なくとも部分的に多孔質炭素基材から形成されている。従って、前記臭素電極（１２８）は、臭素源（１１６）からのＨＢｒ／Ｂｒ2溶液が供給されるように構成されている。
前記触媒（１３２）は、前記臭素電極（１２８）と関連付けられている。例示的な一実施形態においては、前記触媒（１３２）は、前記臭素電極（１２８）上全体にわたって堆積されている。従って、前記触媒（１３２）は、ＨＢｒ／Ｂｒ2が臭素電極（１２８）を流通するときに該ＨＢｒ／Ｂｒ2と接触するように構成されている。前記触媒（１３２）は、少なくとも部分的に、白金、タンタルおよびイリジウムの１つ以上から形成されている。
前記水素部（１０８）は、水素源（１３６）、水素流れ領域（１４０）、集電体（１４４）、水素電極（１４８）および触媒（１５２）を含む。前記水素源（１３６）は、水素を気相で貯蔵するように構成されている。前記水素源（１３６）は、気体状水素（すなわち気体状Ｈ2）を貯蔵するために一般的に使用される任意の材料、例えばガラスまたは金属から形成（または前記材料で裏張り）されている。
水素流れ領域（１４０）は、水素源（１３６）に流体連結されており、かつ水素源によって貯蔵された水素を受容するように構成されている。前記水素流れ領域（１４０）は、炭素ベースの材料から形成されており、導電性である。結果として、前記水素流れ領域（１４０）は、耐食性で、耐久性があり、かつ低コストである。前記水素流れ領域（１４０）は多孔質であり、前記気体状水素をそこに流通可能であるように構成されている。
前記集電体（１４４）は、前記水素流れ領域（１４０）に連結されている。前記集電体（１４４）は、前記電池システムの放電動作の間に該電池システム（１００）の負端子（すなわちアノード）を形成するように構成されている。前記集電体（１４４）の少なくとも一部は、前記水素流れ領域（１４０）を流通する水素と接触するように配置されている。前記集電体（１４４）は、導電性であり、かつ少なくとも部分的に、金属、例えば銅または当業者によって望まれる任意の他の適切な金属から形成されている。
前記水素電極（１４８）（本明細書中ではアノード電極とも呼ばれる）は、前記水素源（１３６）へと前記水素流れ領域（１４０）を通じて流体連結されている。前記水素電極（１４８）は、前記気体状水素を流通可能にするために、少なくとも部分的に多孔質炭素基材から形成されている。従って、前記水素電極（１４８）は、水素源（１３６）からの気体状水素（Ｈ2）が供給されるように構成されている。
前記触媒（１５２）は、前記水素電極（１４８）と関連付けられている。例示的な一実施形態においては、前記触媒（１５２）は、前記水素電極（１４８）上全体にわたって堆積されている。従って、前記触媒（１５２）は、気体状水素が水素電極（１４８）を流通するときに該気体状水素と接触するように構成されている。
図２および図３に関して、前記触媒（１５２）は、ホスト金属（１５６）と溶質金属（１６０）とを含む表面合金から少なくとも部分的に形成されている。前記ホスト金属（１５６）は、例示的な一実施形態においては、少なくとも部分的にＰｔ（１１１）から形成されている。Ｐｔ（１１１）は、白金（Ｐｔ）の一結晶形であり、当業者に公知のようにミュラー指数によって表される結晶面（１１１）を規定している。他の実施形態においては、前記ホスト金属（１５６）は、当業者によって所望される任意の他の適切な（任意の結晶方位での）金属から形成されている。前記溶質金属（１６０）は、金（Ａｕ）または銅（Ｃｕ）から形成されているが、もう一つの実施形態においては、前記溶質金属は、当業者によって望まれる任意の金属から形成されている。従って、本明細書に記載される例示的な実施形態においては、前記触媒（１５２）の表面合金は、Ｃｕ／Ｐｔ（１１１）およびＡｕ／Ｐｔ（１１１）の少なくとも１つを含む。
前記表面合金（本明細書においては近傍表面合金（near surface alloy）とも呼ぶ）は、溶質金属（１６０）が、ホスト金属（１５６）の表面にまたは表面近くに存在する合金を含む。特に、図２の例示的な構成に示されるように、前記溶質金属（１６０）の原子的薄層は、ホスト金属（１５６）の表面に位置している。図３の例示的な構成に示されるように、前記溶質金属（１６０）の原子的薄層は、ホスト金属（１５６）の表面近くであって該ホスト金属の原子的薄層の下に位置している。他の実施形態においては、前記触媒（１５２）の表面合金は、当業者に望まれる表面合金の他の構成を含む。
典型的な表面合金においては、わずか少量の溶質金属（１６０）しかホスト金属（１５６）中に含まれていない。例えば、一つの例示的な表面合金においては、溶質金属（１６０）は、該表面合金の材料の約０．１％〜５％（質量％または容積％）を構成する。前記溶質金属（１６０）が非常に少量だけしか触媒（１５２）中に存在しないとしても、前記溶質金属は、以下に詳細に記載されるように、前記ホスト金属（１５６）の触媒特性に対して劇的な作用をもたらす。
前記膜（１１２）は、前記臭素部（１０４）と前記水素部（１０８）との間に配置されており、かつ前記触媒（１３２）および触媒（１５２）へと連結されている。前記膜（１１２）はカチオン交換膜であり、該膜は、それを通じてイオンを通過可能に構成されているが、それを通じたアニオンと電子の通過を防ぐ。前記膜（１１２）は、少なくとも部分的に、スルホン化ポリスチレンから形成されている。特定の一実施形態においては、前記膜（１１２）は、Nafion（登録商標）または任意の他の所望の材料もしくはポリマーから形成されている。前記膜（１１２）は、アニオンの通過防止の点で非常に効果的であるが、幾つかのアニオンは一般的に前記膜を通じて「漏れ」る。
動作中に、前記電池システム（１００）は、化学的エネルギーを電気的エネルギーに変換する。該電池システム（１００）の放電動作の間に、水素源（１３６）中に貯蔵された気体状水素は、前記水素流れ領域（１４０）および前記水素電極（１４８）を通じて循環され、そしてＨＢｒ／Ｂｒ2は、臭素源（１１６）を通じて循環される。水素が前記電極（１４８）を通って移動すると、その水素は触媒（１５２）の表面で酸化される。その水素の酸化は、以下の半電池反応式（１）に従ってヒドロニウムイオンと電子を生成する。
次に、放電動作の間には、前記ヒドロニウムイオンは、膜（１１２）を通じて臭素電極（１２８）へと移行する。式（１）で生成された電子は、水素流れ領域（１４０）と集電体（１４４）を通って電池システム（１００）に接続された電気的負荷（１６４）へと移動する。
前記電気的負荷によって受け止められた後に、前記電子は、臭素部（１０４）の集電体（１２４）へと続く。次いでその電子は、臭素流れ領域（１２０）と電極（１２８）を通って前記触媒（１３２）へと移動する。該触媒（１３２）に到達すると、前記電子はＨＢｒ／Ｂｒ2の臭素を還元して臭素を生成し、そして以下の式（２）に従って、２５℃で、理論的電位１．０９８Ｖを生ずる。
それらの臭素イオンは膜（１１２）を通じて運ばれたヒドロニウムイオンと結合して、臭化水素酸を生成する。従って放電の間に、水素と臭素は、前記電池システム（１００）の正味の全反応を説明している以下の式（３）に示されるように、臭化水素酸と電子を形成する。
前記電池システム（１００）の充電動作の間には、前記式および反応（１）、（２）および（３）は、右から左へと動いて、前記臭化水素酸を水素と臭素へと変換する。従って、充電動作の間には、前記ＨＢｒ／Ｂｒ2溶液は、Ｂｒ2豊富になり、ＨＢｒに乏しくなる一方で、放電の間には、前記ＨＢｒ／Ｂｒ2溶液は、ＨＢｒ豊富になり、かつＢｒ2に乏しくなる。前記反応式（３）は、前記電池システム（１００）が電極反応の高い固有可逆性を有することを示している。
典型的なＨ2／Ｂｒ2フロー電池システムにおいては、水素電極（すなわちアノード）に関連付けられる触媒は、該触媒が、前記膜を通じて運ばれるアニオン、例えば臭素および他の臭素化学種を吸着する結果としてＢｒ化学種による被毒を受ける。前記電池システム（１００）は、触媒（１５２）の組成のため前記被毒を受けにくい。
前記触媒（１５２）の組成は、数ある要因のなかでも、触媒（１５２）の金属または金属合金への臭素（Ｂｒ）に関する結合エネルギーに基づいて選択された。体系的な密度汎関数理論（「ＤＦＴ」）を基礎とする調査アプローチを使用して、Ａｕ（１１１）、Ｐｔ（１１１）、Ｃｕ／Ｐｔ（１１１）およびＡｕ／Ｐｔ（１１１）を含む材料についてのＢｒの結合エネルギーを測定した。第１表に示されるように、前記材料は、最低の結合エネルギーから最高の結合エネルギーへと並べられている。前記電池システム（１００）に関して、低い結合エネルギーが望ましい。それというのも、低い結合エネルギーを有する材料は、前記触媒（１５２）上に臭素が吸着することを、高い結合エネルギーを有する材料よりも高い程度で防ぐからである。従って、前記触媒（１５２）に臭素が結合する潜在性を低下させることによって、該触媒（１５２）の有用な耐用年数が高められる。
第１表に示される結果から、それぞれの材料は、Ｐｔ（１１１）が発揮するよりも低いＢｒについての結合エネルギーを示した。
Ｂｒについての低い結合エネルギーを示すことに加えて、該触媒（１５２）が容易なＨ2解離を維持することが重要である。解離とは、前記触媒（１５２）上で気体状Ｈ2が原子の水素（Ｈ）へと解離することを指す。図４に示されるように、第１表の金属／金属合金のＨ2解離キネティックを試験するために、クライミングイメージ−ナッジドエラスティックバンド（climbing image-nudged elastic band）（「CI-NEB」）計算を実施して、Ｈ2分子の吸着された分子状態と、Ｈ2分子の解離状態とを関連付けた。それらの結果が指摘しているのは、Ｃｕ／Ｐｔ（１１１）とＡｕ／Ｐｔ（１１１）の両方の表面合金は、Ｐｔ（１１１）の反応経路と同様の反応経路を示し、それによりこれらの表面合金を触媒（１５２）を形成する見込みのある材料にすることである。それというのも、両方の材料は容易なＨ2解離を促すからである。
第１表と図４に示される結果に基づいて、表面合金Ｃｕ／Ｐｔ（１１１）およびＡｕ／Ｐｔ（１１１）は、触媒（１５２）を形成するのに適切な材料である。それというのも、これらの材料は（ｉ）Ｐｔ（１１１）よりも低いＢｒについての結合エネルギーを示し、かつ（ｉｉ）Ｐｔ（１１１）と同様の速度で容易なＨ2解離を支えるからである。前記表面合金Ｃｕ／Ｐｔ（１１１）およびＡｕ／Ｐｔ（１１１）から少なくとも部分的に形成される触媒（１５２）はＢｒ化学種による被毒をほとんど受けない。結果として、前記電池システム（１００）は、Ｐｔ（１１１）から形成されて表面合金を有さない水素触媒を含む典型的なＨ2／Ｂｒ2電池システムと比べて高められた耐用年数を有する。
本開示を図面および前記説明において概説し、かつ詳細に説明するが、それは概説するものと見なされるべきであり、制限する性質があるものと見なされるべきではない。好ましい実施形態のみが表されており、本開示の趣旨の範囲内となるあらゆる変更、修正および更なる適用も保護されることが望まれると理解される。
１００ 電池システム、 １０４ 臭素部、 １０８ 水素部、 １１２ 膜、 １１６ 臭素源、 １２０ 臭素流れ領域、 １２４ 集電体、 １２８ 臭素電極、 １３２ 触媒、 １３６ 水素源、 １４０ 水素流れ領域、 １４４ 集電体、 １４８ 水素電極、 １５２ 触媒、 １５６ ホスト金属、 １６０ 溶質金属、 １６４ 電気的負荷
Claims (4)
- 水素／臭素還元−酸化フロー電池システムであって、
アノード電極と、
第一の流れ領域と、
前記第一の流れ領域を通じて前記アノード電極と流体連結され、かつ該アノード電極に気体状Ｈ 2 を供給するように構成されている第一の供給源と、
カソード電極と、
第二の流れ領域と、
前記第二の流れ領域を通じて前記カソード電極と流体連結され、かつ該カソード電極にＢｒ 2 ／ＨＢｒ水溶液を供給するように構成されている第二の供給源と、
前記カソード電極とアノード電極との間に配置された膜と、
第一の触媒と、
第二の触媒と、
を含み、
前記カソード電極は、第一の多孔質の炭素基材から少なくとも部分的に形成されており、かつ前記第一の触媒は、前記第一の多孔質の炭素基材上に堆積されており、かつ前記アノード電極は、第二の多孔質の炭素基材から少なくとも部分的に形成されており、かつ前記第二の触媒は、前記第二の炭素基材上に堆積されており、
前記第二の触媒は、溶質金属およびホスト金属を含む合金から少なくとも部分的に形成されており、前記溶質金属は、銅および金の一方であり、かつ前記ホスト金属は、Ｐｔ（１１１）である、水素／臭素還元−酸化フロー電池システム。 - 前記第一の触媒は、白金、タンタルおよびイリジウムのうち１種以上から少なくとも部分的に形成されている、請求項１に記載の水素／臭素還元−酸化フロー電池システム。
- 前記膜は、カチオン交換膜である、請求項１又は２に記載の水素／臭素還元−酸化フロー電池システム。
- 前記膜は、スルホン化ポリスチレン膜を含む、請求項３に記載の水素／臭素還元−酸化フロー電池システム。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US201361767587P | 2013-02-21 | 2013-02-21 | |
| US61/767,587 | 2013-02-21 | ||
| PCT/US2014/017322 WO2014130631A1 (en) | 2013-02-21 | 2014-02-20 | Redox flow battery system including an anode electrode having a subsurface alloy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016507884A JP2016507884A (ja) | 2016-03-10 |
| JP6250074B2 true JP6250074B2 (ja) | 2017-12-20 |
Family
ID=50238478
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2015558942A Active JP6250074B2 (ja) | 2013-02-21 | 2014-02-20 | 表面合金を有するアノード電極を含むレドックスフロー電池システム |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US9728803B2 (ja) |
| EP (1) | EP2976799B1 (ja) |
| JP (1) | JP6250074B2 (ja) |
| KR (1) | KR102267125B1 (ja) |
| CN (1) | CN105580181B (ja) |
| WO (1) | WO2014130631A1 (ja) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EP3295505A4 (en) * | 2015-05-12 | 2020-11-25 | Northeastern University | NITROGEN FUNCTIONALIZED PLATINUM IRIDIUM ELECTRO CATALYST |
Family Cites Families (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3241801A1 (de) * | 1982-11-11 | 1984-05-17 | Siemens AG, 1000 Berlin und 8000 München | Wasserstoff/brom-zelle |
| US6183623B1 (en) * | 1993-07-13 | 2001-02-06 | Lynntech, Inc. | Electrochemical conversion of anhydrous hydrogen halide to halogen gas using an ionically conducting membrane |
| US5635039A (en) * | 1993-07-13 | 1997-06-03 | Lynntech, Inc. | Membrane with internal passages to permit fluid flow and an electrochemical cell containing the same |
| US6447943B1 (en) * | 2000-01-18 | 2002-09-10 | Ramot University Authority For Applied Research & Industrial Development Ltd. | Fuel cell with proton conducting membrane with a pore size less than 30 nm |
| CN1577928B (zh) * | 2003-07-29 | 2010-04-28 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种高电催化活性的燃料电池铂基贵金属催化剂及制备方法 |
| KR100717800B1 (ko) * | 2005-11-22 | 2007-05-11 | 삼성에스디아이 주식회사 | 연료 전지용 고분자 전해질 막, 이의 제조 방법 및 이를포함하는 연료 전지용 막-전극 어셈블리 |
| KR101229597B1 (ko) * | 2007-11-19 | 2013-02-04 | 주식회사 엘지화학 | 연료전지용 막전극 접합체 및 그 제조방법과 이를 포함하는연료전지 |
| US8592339B2 (en) * | 2009-11-23 | 2013-11-26 | The Research Foundation For The State University Of New York | Catalytic platinum-copper alloy nanoparticles |
| CA2787477C (en) * | 2010-01-25 | 2017-05-23 | Ramot At Tel-Aviv University Ltd. | Energy storage and generation systems |
| EP2529439A2 (en) * | 2010-01-25 | 2012-12-05 | Ramot at Tel Aviv University, Ltd. | Catalysts and electrodes for fuel cells |
| JP6028027B2 (ja) * | 2011-07-21 | 2016-11-16 | ケミースキ インスティテュートＫｅｍｉｊｓｋｉ Ｉｎｓｔｉｔｕｔ | 電極触媒複合材料、同複合材料を製造する方法及び使用する方法 |
| CN102881916B (zh) * | 2012-09-28 | 2015-07-15 | 孙公权 | 载有双壳层核壳催化剂的气体扩散电极及其制备和应用 |
-
2014
- 2014-02-20 WO PCT/US2014/017322 patent/WO2014130631A1/en active Application Filing
- 2014-02-20 EP EP14708741.5A patent/EP2976799B1/en active Active
- 2014-02-20 CN CN201480009791.2A patent/CN105580181B/zh active Active
- 2014-02-20 KR KR1020157022570A patent/KR102267125B1/ko active IP Right Grant
- 2014-02-20 US US14/184,765 patent/US9728803B2/en active Active
- 2014-02-20 JP JP2015558942A patent/JP6250074B2/ja active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN105580181A (zh) | 2016-05-11 |
| WO2014130631A1 (en) | 2014-08-28 |
| KR102267125B1 (ko) | 2021-06-22 |
| EP2976799A1 (en) | 2016-01-27 |
| US20140234684A1 (en) | 2014-08-21 |
| JP2016507884A (ja) | 2016-03-10 |
| KR20180029113A (ko) | 2018-03-20 |
| EP2976799B1 (en) | 2018-09-12 |
| US9728803B2 (en) | 2017-08-08 |
| CN105580181B (zh) | 2018-11-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zheng et al. | Size-dependent hydrogen oxidation and evolution activities on supported palladium nanoparticles in acid and base | |
| Suresh et al. | High performance zinc-bromine redox flow batteries: Role of various carbon felts and cell configurations | |
| ES2905553T3 (es) | Batería de flujo redox con un par redox a base de dióxido de carbono | |
| JP6549572B2 (ja) | レドックスフロー電池及びフロー電池の充電状態を平衡させるための方法 | |
| Kang et al. | First-principles design of graphene-based active catalysts for oxygen reduction and evolution reactions in the aprotic Li–O2 battery | |
| Lindström et al. | Active area determination of porous Pt electrodes used in polymer electrolyte fuel cells: Temperature and humidity effects | |
| Ahn et al. | High-performance bifunctional electrocatalyst for iron-chromium redox flow batteries | |
| Ünlü et al. | Analysis of double layer and adsorption effects at the alkaline polymer electrolyte-electrode interface | |
| Dewage et al. | A novel regenerative hydrogen cerium fuel cell for energy storage applications | |
| JP6096129B2 (ja) | 電気化学還元装置および、芳香族炭化水素化合物の水素化体の製造方法 | |
| JP6113722B2 (ja) | 電気化学還元装置および芳香族炭化水素化合物または含窒素複素環式芳香族化合物の水素化体の製造方法 | |
| US10424804B2 (en) | Optimization of the cerium-hydrogen redox flow cell | |
| Wei et al. | Investigation of an aqueous rechargeable battery consisting of manganese tin redox chemistries for energy storage | |
| JP6086873B2 (ja) | 電気化学還元装置および、芳香族炭化水素化合物の水素化体の製造方法 | |
| Xiang et al. | Electrochemical enhancement of carbon paper by indium modification for the positive side of vanadium redox flow battery | |
| JP6250074B2 (ja) | 表面合金を有するアノード電極を含むレドックスフロー電池システム | |
| JP6113715B2 (ja) | 電気化学還元装置および、芳香族炭化水素化合物または含窒素複素環式芳香族化合物の水素化体の製造方法 | |
| Chang et al. | Recent advances in zinc–air batteries: self-standing inorganic nanoporous metal films as air cathodes | |
| JP6195832B2 (ja) | 電気化学還元装置および芳香族炭化水素化合物または含窒素複素環式芳香族化合物の水素化体の製造方法 | |
| US10784518B2 (en) | Nitrogen-functionalized platinum-iridium electrocatalyst | |
| Dowd et al. | A study of alkaline-based H2-Br2 and H2-I2 reversible fuel cells | |
| Van Nguyen et al. | Comparison of acid and alkaline hydrogen-bromine fuel cell systems | |
| JP2016186853A (ja) | バナジウムレドックス電池 | |
| JP2008047401A (ja) | 触媒層および触媒層の製造方法 | |
| Mans et al. | The Effect of Electrolyte Composition on the Performance of a Single‐Cell Iron–Chromium Flow Battery |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20151009 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20160610 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20160704 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20160930 |
|
| A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20170306 |
|
| A521 | Request for written amendment filed |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20170706 |
|
| A911 | Transfer to examiner for re-examination before appeal (zenchi) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A911 Effective date: 20170830 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20171023 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20171121 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 6250074 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| R360 | Written notification for declining of transfer of rights |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360 |
|
| R360 | Written notification for declining of transfer of rights |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R360 |
|
| R371 | Transfer withdrawn |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R371 |
|
| S111 | Request for change of ownership or part of ownership |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313117 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
| R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |