JP6663923B2 - レドックス電池 - Google Patents
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Description
正極活物質液を流通又は含浸させる正極と、
負極活物質液を流通又は含浸させる負極と、
前記正極と前記負極との間に設けられた隔膜とを備え、
前記正極活物質液及び前記負極活物質液は、それぞれ活物質濃度が1.8M以上であり、
前記隔膜は、イオン交換容量が2.0(meq/g−乾燥イオン交換膜)以上であり、且つ膜厚が120μm以下であることを特徴とするレドックス電池。
(請求項2)
前記正極及び前記負極は、それぞれ炭素繊維からなり、
前記炭素繊維の繊維径が1μm〜12μmの範囲であり、かさ密度が0.5g/mL〜1.2g/mLの範囲であると共に、
前記隔膜面に垂直方向の前記正極及び前記負極の厚さが、前記正極活物質液及び前記負極活物質液を流通させて充放電を行う場合には、それぞれ3mm以下、前記正極活物質液及び前記負極活物質液を静止又は間欠的に流動させて充放電を行う場合には、それぞれ6mm以下であることを特徴とする請求項1記載のレドックス電池。
(請求項3)
前記正極活物質液及び前記負極活物質液は、それぞれ活物質としてバナジウムを含有し、バナジウム原子の含有量が100g/L以上であり、且つ硫酸根及び硫酸水素根としての硫黄原子の含有量が120g/L以上であることを特徴とする請求項1又は2記載のレドックス電池。
本発明における炭素繊維としては、かかる炭素繊維をそのまま用いるか、酸化性処理したものを好ましく用いることができる。本発明における炭素繊維としては、該炭素繊維を酸化性処理したものを特に好ましく用いることができる。
(充電時の電極反応)
正極反応:VO2+(4価)+H2O → VO2 +(5価)+2H++e−
負極反応:V3+(3価)+e− → V2+(2価)
(放電時の電極反応)
正極反応:VO2 +(5価)+2H++e− → VO2+(4価)+H2O
負極反応:V2+(2価) → V3+(3価)+e−
図2に示したフロースルー型レドックス電池において、膜厚が57(μm)であり、且つイオン交換容量が2.5(meq/g−乾燥イオン交換膜)であるフッ素系イオン交換膜を用い、以下の条件で充放電試験を実施した。
・正極活物質液
活物質濃度:2.5Mバナジウム(4価、5価)
硫酸根及び硫酸水素根としての硫黄原子の含有量:180g/L
・負極活物質液
活物質濃度:2.5Mバナジウム(2価、3価)
硫酸根及び硫酸水素根としての硫黄原子の含有量:180g/L
・材質及び処理:炭素繊維フェルト(PAN系、空気を0.1%程度混入して窒素雰囲気、1500℃にて焼成)
・炭素繊維の繊維径:5〜10μm
・かさ密度:1.0g/mL
・厚さ:1mm
実施例1において、前記イオン交換膜に代えて、膜厚が25(μm)であり、且つイオン交換容量が2.0(meq/g−乾燥イオン交換膜)であるフッ素系イオン交換膜を用いたこと以外は実施例1と同様にして充放電試験を実施した。
実施例1において、前記イオン交換膜に代えて、膜厚が150(μm)であり、且つイオン交換容量が2.8(meq/g−乾燥イオン交換膜)であるポリエチレンスルホン酸系イオン交換膜を用いたこと以外は実施例1と同様にして充放電試験を実施した。
実施例1において、前記イオン交換膜に代えて、膜厚が25(μm)であり、且つイオン交換容量が1.5(meq/g−乾燥イオン交換膜)であるポリエチレンスルホン酸系イオン交換膜を用いたこと以外は実施例1と同様にして充放電試験を実施した。
(1)充放電電圧効率
実施例及び比較例において、正極活物質液及び負極活物質液を静止させた状態で、200mA/cm2の定電流で充放電を行い、充放電電圧効率(%)を以下の式から求めた。結果を表1に示す。
充放電電圧効率(%)=A/B
ここで、Aは充電電圧における最高値と最低値の中間の電圧値(V)、Bは放電電圧における最高値と最低値の中間の電圧値(V)を指す。
実施例及び比較例において、正極活物質液及び負極活物質液を3ml/minで送液し、それぞれ正極及び負極に流通させた状態で、200mA/cm2の定電流で充電を行い、セル面積抵抗率(Ωcm2)を以下の式から求めた。結果を表1に示す。
セル面積抵抗率(Ωcm 2 )=((A−B)/2)÷電流密度(Acm −2 )
以上の結果より、レドックス電池において、活物質濃度が1.8M以上である正極活物質液及び前記負極活物質液を用い、且つイオン交換容量が2.0(meq/g−乾燥イオン交換膜)以上であり、膜厚が120μm以下である隔膜を用いることによって、セル面積抵抗率を低下でき、正極活物質液及び負極活物質液を静止させた状態であっても、充放電電圧効率を向上できる効果が得られることがわかる。
従来の低出力密度セルでは、セル面積抵抗率が2.0〜3.0Ωcm2でも十分に小さい値とされてきたが、本発明によれば、これよりも更に小さいセル面積抵抗率、好ましくは1.0Ωcm2以下のセル面積抵抗率を実現できることがわかる。
実施例1において、正極及び負極として、繊維径7〜10μmのセルロース系の焼成炭素繊維を電解酸化処理によって主に繊維径5μm以下の炭素繊維フェルトとしたものを用い、これをそれぞれ厚さ2mmとなるように設けた。
正極活物質液及び負極活物質液を3ml/minで送液し、それぞれ正極及び負極に流通させた状態で、200mA/cm2の定電流で充電を行い、セル面積抵抗率(Ωcm2)を求めた。結果を表2に示す。
実施例3において、正極及び負極をそれぞれ厚さ3mmとなるように設けたこと以外は実施例3と同様にして、セル面積抵抗率(Ωcm2)を求めた。結果を表2に示す。
以上の結果より、フロー型レドックス電池において、特に炭素繊維の繊維径が5μm以下である場合に、正極及び負極の厚さをそれぞれ3mm以下にすることにより、セル面積抵抗率が好適に低下することがわかる。
バナジウムレドックス電池の開路電圧1.2V、セル面積抵抗1Ωcm2、見掛けの電流密度200mA/cm2のとき、単位面積当たりの出力電圧は、1.2V−0.2V=1.0Vである。
よって、単位面積当たりの出力は、200mA/cm2×1V=0.2W/cm2である。
ここで、10cm×10cmの電極を用いた場合、電極面積当たりの出力は、20W/100cm2である。
1セルを、厚さ4mmで構成したとする。
このようなセルを、10cm間に25セル配置すれば、電池単位体積当たりの定格出力密度(体積1L当たりの出力)は、20W×25=500W/Lとなる。
本発明は、一つの局面において、電池活物質元素であるバナジウム濃度を高く維持し(1.8M以上)、かつ、高濃度化によって発生する活物質析出やセル面積抵抗率の増大などの問題点を解決して、大きな出力密度が得られるレドックス電池を提供することを目的としている。高濃度化によって活物質液がゲル化する現象は、高濃度活物質液がチキソトロピー(揺変性)を示す結果であり、適度に流動状態を維持することによって解決でき、また、ビンガム流体性と矛盾しない。
11:正極
12:流入口
13:流出口
14:正極活物質液タンク
15:ポンプ
16:流入管
17:流出管
2:負極セル
21:負極
22:流入口
23:流出口
24:負極活物質液タンク
25:ポンプ
26:流入管
27:流出管
3:隔膜
4:スペーサー
5:導電性シート
6:押え板
Claims (3)
- 正極活物質液を流通又は含浸させる正極と、
負極活物質液を流通又は含浸させる負極と、
前記正極と前記負極との間に設けられた隔膜とを備え、
前記正極活物質液及び前記負極活物質液は、それぞれ活物質濃度が1.8M以上であり、
前記隔膜は、イオン交換容量が2.0(meq/g−乾燥イオン交換膜)以上であり、且つ膜厚が120μm以下であり、
前記正極、及び前記負極は、それぞれ炭素繊維からなり、
前記炭素繊維の繊維径が1μm〜12μmの範囲であり、かさ密度が1.0g/mL〜1.2g/mLの範囲であり、
前記隔膜面に垂直方向の前記正極及び前記負極の厚さが、前記正極活物質液及び前記負極活物質液を流通させて充放電を行う場合には、それぞれ2mm以下であることを特徴とするレドックス電池。 - 前記隔膜面に垂直方向の前記正極及び前記負極の厚さが、前記正極活物質液及び前記負極活物質液を静止又は間欠的に流動させて充放電を行う場合には、それぞれ6mm以下であることを特徴とする請求項1記載のレドックス電池。
- 前記正極活物質液及び前記負極活物質液は、それぞれ活物質としてバナジウムを含有し、バナジウム原子の含有量が100g/L以上であり、且つ硫酸根及び硫酸水素根としての硫黄原子の含有量が120g/L以上であることを特徴とする請求項1又は2記載のレドックス電池。
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