JP6340070B2 - レドックスフロー電池 - Google Patents
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Description
負極:V3+ + e- → V2+(充電) V3+ + e- ← V2+(放電)
実際には、V4+はVO2+で存在し、V5+ はVO2 +で存在していると推定され、それぞれ水和した状態や硫酸根が配位した状態で存在していると推定される。
1.室温で作動する
2.大変安定でサイクル寿命が長い
3.危険物を使用しないので爆発引火性がない
4.活物質が液体でタンク貯蔵を行うことで蓄電量を大型化しやすい
5.電解液組成を監視することで充放電状態の制御可能
6.イオンが混合しても容易に再生可能である
等の有利な特徴を有している。
正極室の上部に、正極電解液が正極室から流出される正極液流出樋が配置され、
負極室の下部に、負極電解液が供給される負極液流入樋が配置され、
負極室の上部に、正極電解液が負極室から流出される負極液流出樋が配置され、
正極液流入樋から正極室に正極電解液が流入可能なように、正極液流入樋と正極室とが接続され、
正極室から正極液流出樋に正極電解液が流出可能なように、正極液流出樋と正極室とが接続され、
負極液流入樋から負極室に負極電解液が流入可能なように、負極液流入樋と負極室とが接続され、
負極室から負極液流出樋に負極電解液が流出可能なように、負極液流出樋と負極室とが接続されている構造を有することを特徴とする項[1]〜[4]のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
1.94原子%のスズを含むジルカロイ−1、および1.12原子%のスズと0.34原子%の鉄と0.175原子%のクロムと0.005原子%のハフニウムを含むジルカロイ−4などのジルカロイ合金;
Zr1-a-b-c Aa [(Fe,Co,Ni)Cu]b Xc[ただし、Aは、AlおよびGaから選択される1種または2種の元素であり、Xは、Nb、TaまたはTiであり、(Ni,Co,Fe)対Cuの比率は1:8〜2:1であり、a〜cは、原子比率であり、0.2<a+b+c<0.6、a=0.05〜0.2、b=0.15〜0.45、XがNbの場合、0<c≦0.25、XがTaの場合、0<c≦0.15、XがTiの場合、0<c≦0.1を満足する]で表される組成をもつジルコニウム系非晶質合金;
チタンおよびタンタルから選ばれる少なくとも1種を50原子%未満の量で含むジルコニウム合金などが挙げられる。
正極室3の下部に、正極電解液が供給される正極液流入樋4が配置され、
正極室3の上部に、正極電解液が正極室3から流出される正極液流出樋5が配置され、
負極室11の下部に、負極電解液が供給される負極液流入樋12が配置され、
負極室11の上部に、正極電解液が負極室11から流出される負極液流出樋13が配置され、
正極液流入樋4から正極室3に正極電解液が流入可能なように、正極液流入樋4と正極室3とが接続され、
正極室3から正極液流出樋5に正極電解液が流出可能なように、正極液流出樋5と正極室3とが接続され、
負極液流入樋12から負極室11に負極電解液が流入可能なように、負極液流入樋12と負極室11とが接続され、
負極室11から負極液流出樋13に負極電解液が流出可能なように、負極液流出樋13と負極室11とが接続されている構造を有する。
図1のような単セルを構成した。このセルの正極室3の入口ノズル7をテフロン(商標)チューブで正極用送液ポンプに繋ぎ、該送液ポンプの吸入側を正極液タンクに繋いだ。また、セルの正極室3の出口ノズル8から正極電解液が正極液タンクに戻るように、出口ノズル8と正極液タンクとをテフロン(商標)配管で繋いだ。同様に負極室11の入口ノズル14を負極用送液ポンプに繋ぎ、該送液ポンプの吸入側を負極液タンクに繋いだ。また、負極室11の出口ノズル15から負極電解液が負極液タンクに戻るように、出口ノズル15と負極液タンクとをテフロン(商標)配管で繋いだ。隔膜6としてNafion(商標)212膜を用い、隔膜6の片側にはジルコニウムのエキスパンドメタル(線径0.5mm)を加圧して表面を滑らかにした空孔率の大きい板状のジルコニウム基材にIrO2を焼き付け塗布した正極側の隔膜電極板1を設け、隔膜の他方側には同じく空孔率の大きい滑らかな板状のジルコニウム基材に白金を焼き付けメッキ処理した負極側の隔膜電極板9を設けた。正極室および負極室である電極室の形状は、横幅3cm長さ15cmの縦長にして下方から液が入り上方から液が出る構造になっている。正極室および負極室それぞれの厚さは電極室を構成する板の厚さを除いて3mmとした。また、電極室は、図2に示すように、上記隔膜電極板、ジルコニウム製のスペーサ−、および集電板としてのジルコニウム製の板によって箱状に構成した。なお、実施例1で使用した上記ジルコニウムは、ジルコニウムを99質量%以上含む、実質的にジルコニウムのみからなるジルコニウム金属である。
10サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、それぞれ91%および28kWh/m3であった。続いて11サイクル目から電流密度を600mA/cm2に上げて循環電解液量も35mL/分に上げて実験を行った。その結果、20サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、それぞれ88%および22kWh/m3であった。
図3のような積層セルを構成した。隔膜6としてNafion(商標)212膜を用いて、各隔膜6の右側にジルコニウムのエキスパンドメタル(線径0.5mm)を加圧して表面を滑らかにした空孔率の大きい板状ジルコニウム基材にIrO2を焼き付け塗布した正極側の隔膜電極板1を設け、左側に同じく空孔率の大きい滑らかな板状のジルコニウム基材に白金を焼き付けメッキ処理した負極側の隔膜電極板9を設けた。正極側の隔膜電極板1および負極側の隔膜電極板9の面積は横210mm×縦297mmとした。正極側の隔膜電極板1と負極側の隔膜電極板9の間に、ジルコニウムからなる波型の双極板18(厚み0.5mm)が正極側の隔膜電極板1と負極側の隔膜電極板9に接触して配置され、三角柱が電極の高さ方向に並ぶように正極室3と負極室11を交互に配置した。この波型の双極板により電極室内の厚み(3mm)を固定した。集電板としては、隔膜電極板とほぼ同様の面積を有するジルコニウム製の板を、図3に示す位置に配置した。電解液の流通経路および該流通経路を構成する構造については、実施例1で用いた単セル構造の電池と同様にした。単セルの積層数は20枚としてモジュールを構成した。このモジュールの両端は絶縁性の塩化ビニルでカバーして全体を押し付けて通しボルトで固定した。なお、実施例2で使用した上記ジルコニウムは、ジルコニウムを99質量%以上含む、実質的にジルコニウムのみからなるジルコニウム金属である。
実施例1で使用したジルコニウムの代わりにジルカロイ−4合金を用いたこと以外は、実施例1と同様にして実験を行った。その結果、10サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、それぞれ91%および28kWh/m3であり、実施例1と同じであった。また、20サイクル目の電池効率および液エネルギー密度も実施例1と同様の結果であった。実験後に、電極表面およびジルカロイ−4合金が電解液に接液した表面を光学顕微鏡で観察したが、腐食は見られなかった。
実施例1で使用した負極側の隔膜電極板の代わりに、空孔率の大きい滑らかな板状のジルコニウム基材に高真空中でイオン化蒸着法により炭素をコーティングした負極側の隔膜電極板を用いたこと以外は、実施例1と同様にして実験を行った。その結果、10サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、それぞれ95%および29kWh/m3であった。続いて11サイクル目からも実施例1と同じ条件で実験を行った。その結果、20サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、それぞれ91%および23kWh/m3であった。
正極および負極の両方ともカーボンフェルトを用い、正極および負極の集電板としてカーボン製圧延板を用いたこと以外は実施例1と同様にして実験を行った。その結果、10サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、それぞれ81%および18Wh/m3であった。続いて11サイクル目から電流密度を600mA/cm2に上げて循環電解液量も35mL/分に上げて実験を行った。その結果、20サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、それぞれ68%および11kWh/m3であった。
実施例1で用いた電極基材のジルコニウムの代わりに同じ形状のチタニウムを用いたこと以外は実施例1と同様にして実験を行った。その結果、10サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、87%および26Wh/m3であった。続いて11サイクル目から電流密度を600mA/cm2に上げて循環電解液量も35mL/分に上げて実験を行った。その結果、20サイクル目の電池効率および液エネルギー密度は、それぞれ68%および16kWh/m3であった。実験後に電極表面を光学顕微鏡で観察したら、基板が腐食しているのが見えた。
2 正極集電板
3 正極室
4 正極液流入樋
5 正極液流出樋
6 隔膜
7 正極液入口ノズル
8 正極液出口ノズル
9 負極側の隔膜電極板
10 負極集電板
11 負極室
12 負極液流入樋
13 負極液流出樋
14 負極液入口ノズル
15 負極液出口ノズル
16 ガスケット
17 固定板
18 双極板
Claims (9)
- 正極、負極および隔膜を有し、バナジウムイオンを含む硫酸水溶液からなる正極電解液を正極室に供給し、バナジウムイオンを含む硫酸水溶液からなる負極電解液を負極室に供給して充放電を行うレドックスフロー電池であって、正極材料として、ジルコニウムに貴金属をコーティングしたものが用いられていることを特徴とするレドックスフロー電池。
- 負極材料として、ジルコニウムに貴金属もしくは炭素材をコーティングしたもの、またはカーボンフェルトが用いられていることを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池。
- 前記正極が、前記正極材料を箱型または袋型に加工して形成されたものであり、その内側に前記正極室を有し、かつ、前記隔膜に近接または接触している部分である正極側の隔膜電極板を有することを特徴とする請求項1または2に記載のレドックスフロー電池。
- 前記正極側の隔膜電極板が、多孔状またはメッシュ状であることを特徴とする請求項3に記載のレドックスフロー電池。
- 正極室の下部に、正極電解液が供給される正極液流入樋が配置され、
正極室の上部に、正極電解液が正極室から流出される正極液流出樋が配置され、
負極室の下部に、負極電解液が供給される負極液流入樋が配置され、
負極室の上部に、正極電解液が負極室から流出される負極液流出樋が配置され、
正極液流入樋から正極室に正極電解液が流入可能なように、正極液流入樋と正極室とが接続され、
正極室から正極液流出樋に正極電解液が流出可能なように、正極液流出樋と正極室とが接続され、
負極液流入樋から負極室に負極電解液が流入可能なように、負極液流入樋と負極室とが接続され、
負極室から負極液流出樋に負極電解液が流出可能なように、負極液流出樋と負極室とが接続されている構造を有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。 - 複数のセルが積層された積層電池であり、該積層電池は、正極、負極、隔膜および双極板を有し、該双極板は凹凸を有し、凹部の少なくとも一部が一方の隔膜電極板に接触し、凸部の少なくとも一部が他方の隔膜電極板に接触していることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
- 前記双極板の材質がジルコニウムであることを特徴とする請求項6に記載のレドックスフロー電池。
- 前記双極板が、波型板または面に描かれた格子の頂点が凸部で格子の中心点が凹部の板であることを特徴とする請求項6または7に記載のレドックスフロー電池。
- 前記正極材料としてジルコニウムにコーティングされる貴金属が、IrO2、PtIrまたはRuO2であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
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