JP7128812B2 - フロー電池の電極構造、フロー電池電堆及びフロー電池電堆の密封構造 - Google Patents

Description

本発明はフロー電池の技術分野に関わり、特にフロー電池の電極構造とフロー電池電堆に関するものです。

フロー電池システムは大規模なエネルギ蓄積技術として、信用性があり、安全性が高い、場所選択が自由、容量・パワーの独立設計などのメリットで注目されている。電堆はフロー電池システムの肝心な部品として、そのパワー性能の善し悪しがフロー電池システムの信用性や安全性、原価に影響を与える。その上、フロー電池電堆のパワー性能を影響する要素としては、分極抵抗、電気化学的分極、濃度分極があること。そのうちの電気化学的分極と濃度分極は電極材料、電解液及び操作状況に影響され、分極抵抗は電極材料本体の導電率、電極材料と隣接部品との間の接触抵抗に影響される。電池材料を選定した場合は、フロー電池の分極抵抗の大きさは電極材料と隣接部品（バイポーラプレート/イオン膜）との間の接触抵抗次第だ。接触抵抗が大きければ、フロー電池の放電パワーや電圧効率などの性能を影響する。

それ以外、フロー電池の電極材料は通常は多孔のカーボンフェルト或いはグラファイトフェルトであり、電堆まで組み立てた後、その両側が圧着力の影響によってカーボンフェルト或いはグラファイトフェルトは厚さ方向の孔隙率が変化され、両側の孔隙率は中心部の孔隙率よりずいぶん小さい。孔隙率の不均一により、電解液は電極中心部や表面両側での流動速と抵抗力が大部異なる。これによって、フロー電池の電堆は電解液分布の不均一や電気化学反応の不均一、電流伝達と熱伝導不均一などの問題によって、電堆のパワーと寿命が低減される。

発明内容
本発明はフロー電池の電極構造に関する。目的としては、従来電極と隣接部品との間の接触抵抗が大きい問題と、従来電極構造は電堆まで組み立てた後孔隙率が一致しない問題を解決すること。フロー電池の電極は通常は多層相互接続的な網状多孔質構造（電極繊維）であり、また各層の構造は少なくとも二つの方向の織り交ぜた平行ファイバーで構成され、垂直ファイバー（電極の表面に垂直）で層状構造間の接続を実現する。本発明のフロー電池の電極構造は電極繊維を含め、電極繊維の中に垂直ファイバーの密度が平行ファイバーの密度より大きい。

一番良い技術ソリューションとして、前記の単位体積電極繊維の中に、垂直ファイバー数と水平ファイバー数との比が少なくとも6:4にする。

一番良い技術ソリューションとして、前記電極の構造について少なくとも三層の電極繊維で構成され、ほかの層の孔隙率は中心層より大きい。

一番良い技術ソリューションとして、前記電極繊維の層数を奇数にし、各電極繊維層の孔隙率が中心層から少しずつ増加させる。

一番良い技術ソリューションとして、前記中心層電極繊維の孔隙率を90～93％にし、ほかの層の電極繊維を孔隙率が93～96％にする。

一番良い技術ソリューションとして、前記電極繊維の層数を三層、五層、或いは、七層にする。

一番良い技術ソリューションとして、前記電極繊維の材質はポリアクリロニトリルと/或いはビスコースと/或いはアスファルト材料にする。各層電極繊維の材質を同じにしても、別々にしてもかまわない。

一番良い技術ソリューションとして、前記中心層電極繊維の厚さを電極総厚の20％～30％にし、片側の電極繊維の厚さを電極総厚の20％～45％にし、フロー電池の電堆を組み立てる時、この側はバイポーラプレートに接近させる。もう片側の電極繊維の厚さを電極総厚の15％～35％にし、フロー電池の電堆を組み立てる時、この側はイオン膜に接近させる。

本発明のもう一つの目的としては、フロー電池の電堆は上記の電極構造で組立て、電堆のプリロードが0.1～0.25MPaで圧縮組立後、電堆における各層電極繊維の孔隙率を89～92％まで圧縮できる。

一番良い技術ソリューションとして、電堆における各層電極繊維の孔隙率の差は3％未満にし、優先的に1.5％にする。

薄電極は高電流密度時に消耗が低いので、各層の厚みを2.5mm超えないようにし、電極総厚を優先的に3～6mmにする。各層の圧縮能力が違うので、各層電極繊維の厚さが中心層に近ければ近いほど小さくなり、ほかの層厚と中心層厚との比を1.5:1より大きくさせる。

電極の一番外側の電極繊維の表面はとげ状或いは針状構造であり、とげ状や針状構造の高さが違い、高くなったり低くなったりしている。とげ状或いは針状構造は電極表面に垂直する垂直ファイバーで構成された。垂直ファイバーの直径は6～18μmであるが、優先的に7～15μmにする。

さらに、前記電極の原材料は三層構造で、そのうち中心層の材料がビスコースであり、両側層の材料がポリアクリロニトリルである。電極がイオン膜とバイポーラプレートとの接触電極繊維層の材料をポリアクリロニトリルとする。そのメリットとしては、ビスコース繊維は表面積より大きいし、同じ条件でもポリアクリロニトリルと比べると、電解液や電極間にもっと多いの反応活性エリアを提供できる。

本発明に記載された孔隙率とは容積孔隙率であり、具体的にスルーホール容積と電極材料容積との比である。

本発明に記載された両側層とは電極構造の一番外側に位置する二重電極繊維である。

本発明に記載された中心層とは電極構造の中心に位置する電極繊維である。

本発明に記載されたほかの層とは中心層以外の電極繊維層であり、前記の両側層も含める。

本発明の有利な効果は以下の通りである。
１） 本発明に記載された電極構造は電極表面に垂直する垂直ファイバーを中心とする。その原因が二つある。一、電極表面と隣接部品との接触面積が増加でき、接触抵抗が小さくなれる。二、電極に優れた機械の性能を与えられる。改造後の構造は従来構造に比べると接触抵抗が30％～50％まで低減される。
２） 電極各層が孔隙率の変化によって厚さが違い、厚さ改良後の各層は圧縮後孔隙率が一致することになる。圧縮後の均一構造のおかげで、電解液が電極内部を流れる時物質移動の不均一現象を避け、電池の濃度分極の低減によって一定パワーでの電池エネルギ出力を高めることができる。
３） 本発明に記載された電極構造の作製が簡単で、随分低コストでフロー電池のパワー性能の改善を最大化にする。

図1本発明の電極繊維の立体図 図2本発明の三層電極構造図 図3本発明の五層電極構造図 図4圧縮前後の多層電極構造の側面比較図 図5本発明に記載されたラバーシールの構造図 図6本発明に記載されたラバーシールの背面図 図7本発明に記載されたラバーシールと電極枠との組立図 図8本発明に記載されたセパレータ、ラバーシールと電極枠の構造図 図9本発明に記載されたセパレータ側の密封構造図

図の中に1、バイポーラプレート側の繊維層；2、中心繊維層；3、イオン膜側の繊維層；4、バイポーラプレート側の繊維層1と中心繊維層2との間の繊維層；5、中心繊維層2とイオン膜側繊維層3との間の繊維層；6、イオン膜、バイポーラプレート
そのうち、2-1、電極枠；2-11、シーリングライン溝；2-12、シーリングガスケット溝；2-121、シーリングガスケット溝とシーリングライン溝との非接続エリア；2-2、ラバーシール；2-21、シーリングライン；2-22、ガスケット；2-221、シーリングガスケット溝とシーリングライン溝との接続エリア；2-222、圧縮変形構造；2-223、環状突起構造；2-224、ガスケット位置付け構造；2-3、セパレータ。

具体的な実施例
下記の実施例によってこの分野の普通技術者が本発明を全般的に理解できるが、いかなる方式も本説明を制約できない。

実施例1
図2示すように、電極構造は三層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2とイオン膜に接近する電極繊維層3である。三層の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は6μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は95％、厚さは3mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は92.5％、厚さは1.5mmであり、グラファイト・バイポーラプレートやイオン膜との接触表面はとげ状構造で、高くなったり低くなったりしている。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91％達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに同じ圧縮条件で該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。5W電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。

比較例1：電極の外観・寸法は実施例1と同じであるが構造は従来の構造（多層繊維層無きこと、表面のとげが無きこと、孔隙率は92％）である。実施例1と同じように該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の孔隙率は91％になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表1をご参照ください。

実施例2
図2示すように、電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と中心電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。五層の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は7:3であり、垂直ファイバーの直径は18μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は94％、厚さは2mmである。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は93％、厚さは1mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は92％、厚さは0.5mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91％達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を10kW電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表2をご参照ください。上記10kW電堆を100kW/100kWhの電池システムまで集成後、80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表2をご参照ください。比較例2：電極の外観・寸法は実施例2と同じであるが構造は従来の構造（多層繊維層無きこと、孔隙率は93％）である。該電極を使用し、実施例2と同じように100kW/100kWhの電池システムまで集成後、電極圧縮後の孔隙率は91％になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表2をご参照ください。

実施例3
図3示すように、電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。そのうち、電極繊維層1、電極繊維層3、電極繊維層4、電極繊維層5の原材料はポリアクリロニトリルである一方、電極繊維層２の原材料はビスコースであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6.5:3.5であり、垂直ファイバーの直径は7μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は95％、厚さは2mmで、炭素複合バイポーラプレートやイオン膜との接触表面はとげ状構造で、高くなったり低くなったりしている。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は93.5％、厚さは1mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は93％、厚さは0.5mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91％達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を使用し、30kW電堆を組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表3をご参照ください。30kW電堆は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表3をご参照ください。比較例3：電極の外観・寸法は実施例3と同じであるが構造は従来の構造（多層繊維層無きこと、表面のとげが無きこと、孔隙率は92％）である。該電極を使用し、実施例3と同じような30kWの電堆を組み立て、電極圧縮後の孔隙率は91％になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表3をご参照ください。

実施例4
電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。電極繊維層1、電極繊維層2、電極繊維層3、電極繊維層4、電極繊維層5の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は15μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は94％、厚さは1.5mmである。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は93％、厚さは1mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は92％、厚さは0.5mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91％達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表4をご参照ください。電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表4をご参照ください。比較例4：電極の外観・寸法は実施例4と同じであるが構造は従来の構造（多層繊維層無きこと、表面のとげが無きこと、孔隙率は93％）である。該電極を使用し、実施例4と同じように5W電池に組み立て、電極圧縮後の孔隙率は91％になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表4をご参照ください。

実施例5
電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。電極繊維層1、電極繊維層2、電極繊維層3、電極繊維層4、電極繊維層5の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は10μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は96％、厚さは1.75mmである。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は94％、厚さは1.25mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は93％、厚さは0.75mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91％達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表5をご参照ください。電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表5をご参照ください。

比較例5：電極の外観・寸法は実施例5と同じであるが構造は従来の構造（多層繊維層無きこと、表面のとげが無きこと、孔隙率は93％）である。該電極を使用し、実施例5と同じように5W電池に組み立て、電極圧縮後の孔隙率は91％になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表5をご参照ください。

実施例6
電極構造は五層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2、イオン膜に接近する電極繊維層3、電極繊維層1と電極繊維層2との間に位置する電極繊維層4、電極繊維層2と電極繊維層3との間に位置する電極繊維層5である。電極繊維層1、電極繊維層2、電極繊維層3、電極繊維層4、電極繊維層5の原材料は全部ポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は9μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は95％、厚さは1.6mmである。電極繊維層4と電極繊維層5の構造について孔隙率は93％、厚さは1.5mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は90％、厚さは1mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91％達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連のデータは表6をご参照ください。電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。関連のデータは表6をご参照ください。

比較例6：電極の外観・寸法は実施例6と同じであるが構造は従来の構造（多層繊維層無きこと、表面のとげが無きこと、孔隙率は92％）である。該電極を使用し、実施例6と同じように5W電池に組み立て、電極圧縮後の孔隙率は91％になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表6をご参照ください。

実施例7
電極構造は三層の電極繊維が含まれ、それぞれはバイポーラプレートに接近する電極繊維層1、中心に位置する電極繊維層2とイオン膜に接近する電極繊維層3である。電極繊維層2の原材料はビスコースであり、電極繊維層１と3の原材料はポリアクリロニトリルであり、垂直ファイバーと平行ファイバーとの密度比は6:4であり、垂直ファイバーの直径は12μmである。電極繊維層1と電極繊維層3の構造について孔隙率は93％、厚さは1.5mmである。電極繊維層2の構造について孔隙率は91.5％、厚さは1mmである。電極とバイポーラプレートとの緊密接触で孔隙率は91％達成時の垂直方向の抵抗率を記録し、さらに該電極を5W電池に組み立て、電極圧縮後の全体的な孔隙率と各層圧縮率を記録する。関連データは表7をご参照ください。電池は80mA/cm2 の平均流速モードで充放電し、その安定循環のエネルギ効率の転換状況を記録する。測定データは表7をご参照ください。

比較例6：電極の外観・寸法は実施例7と同じであるが構造は従来の構造（多層繊維層無きこと、表面のとげが無きこと、孔隙率は92％）である。該電極を使用し、実施例7と同じように5W電池に組み立て、電極圧縮後の孔隙率は91％になり、さらに電気性能を測定し、関連データを記録する。測定データは表7をご参照ください。

実施例8
経済や社会の発展に従って伝統的なエネルギーに対する需要が日々増えているけれども、供給不足の問題もだんだん目立っている。そのために人間は風力や太陽光などの再生可能エネルギーを探さざるを得ない。近年、風力や太陽光を代表とする新エネルギーを導入し、需要の増大によって、新エネルギーがもっと広げられるに間違いない。しかし、新エネルギーは天気に依存し、発電の途切れで需要と供給の矛盾問題が目立っていると分かっている。だから、エネルギー貯蔵を規模化にすることを推進しないといけない。

大規模なエネルギー貯蔵のルートとして、フロー電池の出現と発展は上記新エネルギーの不足を補うことができる。フロー電池は高安全性や長寿命、電力貯蔵の大容量、容量・パワーの独立設計、場所選択の自由、環境保護などの特徴を持ち、風力や太陽光などの新エネルギーを貯蔵・調整した後出力の安定化が保証できる。最終的に電力の規模化管理や電網の参与、電圧制御、途切れない大型電源などを実現しようとする。

フロー電池の基準開回路電圧が小さいという欠点に応じて、実際の使用を影響しないように、電池の直列により電堆まで組み立てれば、欲しい電圧が形成できる。電堆のスタック構造は密封性への要求が厳しい。現在通常の電堆密封方法として、撚り線密封、破面密封、貼り付けと半田付け組み合わせの密封など含まれる。しかし、上記の密封方法は電堆の電解液漏れ問題（内部リーク或いは外部へのリーク）を徹底的に解決できない。

a、撚り線密封について、コストが低いけど電解液の共通流動穴側への密封効果が良くない、電解液が電堆の外部までリークしやすい。
b、破面密封の効果がちょっと良いが、原価が高いし再使用できない。
c、貼り付けと半田付け組み合わせの密封について、もし電堆電池が壊れたら再使用できない、プラス電極枠とマイナス電極枠との整合ができない。つまり、実用性が低い。

また、研究者は「セパレータの電解液共通流動穴で絶縁処理をしなければ、電堆は長期使用後セパレータの電解液共通流動穴で電解液の内部リークを引き起す。その時、セパレータは電気伝導体として電堆内部での電気漏れを引き起こし、さらにセパレータの電解液共通流動穴で化学と電気化学的な腐蝕を発生し、活性物質沈殿物と結晶物を生じることによってプラス極とマイナス極の電解液がセパレータ両側での混乱を引き起こし、セパレータとその密封構造を破壊する。上記の問題は電堆性能を影響し、さらにフロー電池の性能と寿命を影響する」ということを発見した。
本発明は新たなフロー電池電堆密封構造で上記の問題を解決した。

本発明はフロー電池の電堆の密封構造を記載した。フロー電池の電堆の密封構造はラバーシールが含まれ、ラバーシールはシーリングラインでガスケットを繋げるものであり、ガスケットに電解液の共通流動穴が設置し、ガスケットの片側は圧縮変形構造であり、もう片側は環状突起構造である。

本発明に記載されたラバーシールの材質は優先的にフッ素ゴムとエチレン・プロピレン・ジエンゴムを選ぶ。

本発明に記載されたシーリングラインを優先的に1-3mmにする。

本発明に記載されたガスケットの厚さを優先的に1-3mmにする。

本発明に記載されたガスケット外側から電解液共通流動穴中心までの最短距離を優先的に電解液共通流動穴半径の1.5-3倍にする。

本発明に記載されたガスケットについて、優先的に二重環状突起構造を選び、一番内側の環状突起構造の内径は電解液共通流動穴の外径より大きくする。

本発明に記載された各層環状突起構造間の距離は0.5-3mmであるが、優先的に1-2mmにする。

本発明に記載された各層環状突起構造の断面は長方形、半円、逆台形であるうけど、優先的に長方形を選ぶ。

本発明に記載された圧縮変形構造を優先的にいくつかの溝にする。

本発明に記載された溝形状を優先的にアーチ形、長方形、三角形にする。

本発明に記載されたガスケットについて、少なくとも一つのガスケット位置づけ構造を設置し、さらにできるだけ二つのガスケット位置づけ構造を設置する。ガスケット位置づけ構造の厚さをガスケットの厚さの0.3-0.8倍にし、できるだけガスケットの厚さの0.4-0.6倍にする。

本発明に記載されたラバーシールのショア硬さを40-100にし、さらにできるだけ60-80にする。

本発明に記載されたガスケットの圧縮比を優先的に10-30％にする。

本発明に記載されたフロー電池電堆の密封構造の中に電極枠も含まれ、電極枠にシーリングライン溝とシーリングガスケット溝があり、前記のシーリングラインはシーリングライン溝に置き、前記のガスケットはシーリングガスケット溝に設置され、ガスケットとシーリングガスケット溝との充填比は90-95％になり、シーリングラインとシーリングライン溝との充填比は90-95％にする。

本発明に記載されたシーリングガスケット溝とシーリングライン溝との接続エリアはガスケットときちんと接触させ、シーリングガスケット溝のほかのエリアの面積はガスケットより大きい。

本発明に記載されたガスケットの圧縮変形構造はシーリングガスケット溝に位置する。

本発明に記載されたシーリングライン溝の幅を1-5mmにし、シーリングライン溝の深さを1-5mmにし、シーリングガスケット溝の外縁と電極枠外縁との距離を5-20mmにする。

本発明に記載されたフロー電池電堆の密封構造は電極枠が二つ、ラバーシールが二つ、セパレータが一つ構成され、二つの電極枠のシーリングライン溝はそれぞれの電極枠外縁までの距離が違い、前記ラバーシールは電極枠の密封槽に置き、ラバーシールのガスケット（圧縮変形構造側）は電極枠と接触しもう片側はセパレータと接触し、前記セパレータが電解液の共通流動穴での密封とはセパレータの電解液の共通流動穴を一つのガスケットの一番外側の環状突起構造に被せること、セパレータの片側はラバーシールのガスケットと接触し、もう片側はもう一つのラバーシールのシーリングラインと接触する。前記セパレータが電解液の非共通流動穴での密封とはセパレータは二つの位置ズレたラバーシールのシーリングライン経由で密封すること。つまり、セパレータの共通流動穴側の密封構造はセパレータの上下でもシーリングラインで密封し、しかし片側のシーリングラインはガスケット構造で、もう片側はシーリングライン構造である。

本発明に記載された電極枠とガスケットとセパレータとの電解液共通流動穴の円心が同じ、セパレータとガスケットと電極枠との電解液共通流動穴の直径が1-5mmずつ増えている。

本発明に記載された一つのラバーシールのシーリングラインともう一つのラバーシールのシーリングラインはセパレータの位置ずれた側と照合し、二つのシーリングライン間の距離を0.5mmにし、さらにできるだけ2mmにする。

本発明に記載された環状突起構造の役割としては、a、セパレータを組み立てる時、位置づけの精度が保証できる。ｂ、セパレータの電解液共通流動穴をずれないようにする。c、セパレータの電解液共通流動穴の内壁断面への密封によって、フロー電池電堆の電解液がセパレータの電解液共通流動穴の内壁断面を通る時、電解液が電堆の外側へのリークで電堆を外部にリークさせること、と電池のショートが防止できる。

本発明の有効的な効果は以下の通りである。
１．本発明はセパレータの電解液共通流動穴側とその周辺への密封をした。セパレータ側の密封は内外嵌合の線密封方法によって二重防護が達成でき、電解液共通流動穴側の密封は面密封の方法によって内外リークが防止できる。また、全部の密封部品の容積はそれぞれの密封槽容積より小さい。
２．本発明の密封性が優れたのでフロー電池の寿命が長くなれるし、電解液の高頻度リークで引き起こした経済ロスも低減されるし、従来の線密封や面密封と比べると再利用性が高くなり、圧力を耐える能力が向上される。
３．本発明はセパレータ側に内外嵌合の対称線密封方法を利用した。こうすれば材料が節約できるばかりではなく、電池の抵抗が小さくなり、電池システムの運転速度が速くなり、充放電コストが低くなれる。
４．本発明は電解液共通流動穴側に面密封で密封性能がよくなり、環状突起構造で圧縮比が大きくなり、電解液が漏れにくくなる。

実施例9
図8、9に示すように、フロー電池電堆密封構造は二つの電極枠2-1、ショアA硬度が60である二つのフッ素ラバーシール2-2、電解液の共通流動穴が備えるセパレータ2-3を含める。ラバーシール2-2（図5-7をご参照ください）はシーリングライン2-21で電解液の共通流動穴が備える二つのガスケット2-22を繋げるものである。シーリングライン2-21の直径は1mm、ガスケット2-22の厚さは1mm、ガスケット2-22の圧縮比は10%、ガスケット2-22外側から電解液の共通流動穴中心までの最短距離は電解液の共通流動穴半径の1.5倍、ガスケット2-22の片側は圧縮変形構造2-222、圧縮変形構造2-222はいくつかのアーチ型の溝であり、ガスケット2-22のもう片側は二重環状突起構造2-223、環状突起構造2-223の突起断面は長方形、二重環状突起構造2-223間の距離は0.5mm、ガスケット2-22は二つのガスケット位置づけ構造2-224を備え、ガスケット位置づけ構造2-224の厚さはガスケット2-22厚さの0.3倍である。また、電極枠2-1はシーリングライン溝2-11とシーリングガスケット溝2-12を含め、シーリングライン溝2-11の幅は1mm、シーリングライン溝2-11の深さは1mm、二つの電極枠2-1のシーリングライン溝2-11がそれぞれの電極枠2-1外側との距離はぞ5mmと10mm、シーリングライン2-21とガスケット2-22はそれぞれシーリングライン溝2-11とシーリングガスケット溝2-12に置き、圧縮変形構造2-222付きのガスケット2-22は電極枠2-1と接触し、ガスケット2-22とシーリングガスケット溝2-12の充填比は90％、シーリングライン2-21とシーリングライン溝2-12の充填比は90％、セパレータ2-3が電解液の共通流動穴での密封とはセパレータ2-3の電解液の共通流動穴を一つのガスケット2-22の一番外側の環状突起構造2-223に被せ、セパレータ2-3の片側はラバーシール2-2のガスケット2-22と接触し、もう片側はもう一つラバーシール2-2のシーリングライン2-21と接触し、シーリングガスケット溝2-12とシーリングライン溝2-11との接続エリアはガスケット2-22ときちんと接触し、シーリングガスケット溝2-12のほかのエリアの面積はガスケット2-22より大きい、セパレータ2-3が電解液の非共通流動穴での密封とはセパレータ2-3は二つの位置ズレたラバーシール2-2のシーリングライン2-21経由で密封し、二つのシーリングライン2-21間の距離は0.5mm、電極枠2-1とガスケット2-22とセパレータ2-3との電解液共通流動穴の円心が同じ、セパレータ2-3とガスケット2-22と電極枠2-1との電解液共通流動穴の直径が1mmずつ増えている。

実施例10
図5－9に示すように、フロー電池電堆密封構造は二つの電極枠2-1、ショアA硬度が80である二つのエチレン・プロピレン・ジエンゴム2-2、電解液の共通流動穴が備えるセパレータ2-3を含める。ラバーシール2-2はシーリングライン2-21で電解液の共通流動穴が備える二つのガスケット2-22を繋げるものである。シーリングライン2-21の直径は3mm、ガスケット2-22の厚さは3mm、ガスケット2-22の圧縮比は30%、ガスケット2-22外側から電解液の共通流動穴中心までの最短距離は電解液の共通流動穴半径の3倍、ガスケット2-22の片側は圧縮変形構造2-222、圧縮変形構造2-222はいくつかのアーチ型の溝であり、ガスケット2-22のもう片側は二重環状突起構造2-223、環状突起構造2-223の突起断面は逆台形、二重環状突起構造2-223間の距離は3mm、ガスケット2-22は二つのガスケット位置づけ構造2-224を備え、ガスケット位置づけ構造2-224の厚さはガスケット2-22厚さの0.8倍である。また、電極枠2-1はシーリングライン溝2-11とシーリングガスケット溝2-12を含め、シーリングライン溝2-11の幅は5mm、シーリングライン溝2-11の深さは5mm、二つの電極枠2-1のシーリングライン溝2-11がそれぞれの電極枠2-1外側との距離はぞれぞれ10mmと20mm、シーリングライン2-21とガスケット2-22はそれぞれシーリングライン溝2-11とシーリングガスケット溝2-12に置き、圧縮変形構造2-222付きのガスケット2-22は電極枠2-1と接触し、ガスケット2-22とシーリングガスケット溝2-12の充填比は95％、シーリングライン2-21とシーリングライン溝2-12の充填比は95％、セパレータ2-3が電解液の共通流動穴での密封とはセパレータ2-3の電解液の共通流動穴を一つのガスケット2-22の一番外側の環状突起構造2-223に被せ、セパレータ2-3の片側はラバーシール2-2のガスケット2-22と接触し、もう片側はもう一つラバーシール2-2のシーリングライン2-21と接触し、シーリングガスケット溝2-12とシーリングライン溝2-11との接続エリアはガスケット2-22ときちんと接触し、シーリングガスケット溝2-12のほかのエリアの面積はガスケット2-22より大きい、セパレータ2-3が電解液の非共通流動穴での密封とはセパレータ2-3は二つの位置ズレたラバーシール2-2のシーリングライン2-21経由で密封し、二つのシーリングライン2-21間の距離は2mm、電極枠2-1とガスケット2-22とセパレータ2-3との電解液共通流動穴の円心が同じ、セパレータ2-3とガスケット2-22と電極枠2-1との電解液共通流動穴の直径が1mmずつ増えている。

Claims (20)

1. 電極繊維が含まれるフロー電池の電極であって、前記電極は、ファイバーで構成される各層が前記電極の各層の表面に垂直なファイバーで相互的に接続される多層の網状多孔質構造を有し、単位体積の電極繊維の中に、前記電極の各層の表面に垂直なファイバーの数は、前記電極の各層を構成する平行ファイバーの数よりも多く、電極の層数が奇数であり、電極の各層の孔隙率が中心層から少しずつ増加することを特徴とするフロー電池の電極。
2. 単位体積の電極繊維の中に、前記電極の各層の表面に垂直なファイバーの数と前記電極の各層を構成する平行ファイバーの数との比が少なくとも6:4であることを特徴とする請求項１に記載のフロー電池の電極。
3. 前記電極の各層が、少なくとも二つの方向で織り交ぜた平行ファイバーで構成されることを特徴とする請求項１または２に記載のフロー電池の電極。
4. 電極の中心層の孔隙率が90～93％であり、電極のほかの層の孔隙率が93～96％であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のフロー電池の電極。
5. 電極の層数は三層、五層、または七層であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載のフロー電池の電極。
6. 請求項１～５のいずれか１項に記載の電極を用いてフロー電池の電堆を製造する方法であって、0.1～0.25MPaのプリロードで、電堆における電極の各層の孔隙率が89～92％になるまで前記電極を圧縮することを特徴とするフロー電池の電堆を製造する方法。
7. 電堆における電極の各層の孔隙率の差は3％未満であることを特徴とする請求項６に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
8. 電極の総厚は3～6mmであり、電極の各層の厚さが中心層に近ければ近いほど小さくなり、電極のほかの層の厚みと中心層の厚みとの比は1.5:1よりも小さくないことを特徴とする請求項６または７に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
9. 電極の両側層の表面はとげ状或いは針状構造であり、また、前記とげ状或いは針状構造の高さが違うことを特徴とする請求項６～８のいずれか１項に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
10. 前記とげ状或いは針状構造は電極の各層の表面に垂直なファイバーで構成され、前記電極の各層の表面に垂直なファイバーの直径は6～18μmであることを特徴とする請求項９に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
11. ラバーシールが含まれる密封構造を有し、前記ラバーシールはシーリングラインで複数
    のシーリングガスケットを繋げるものであり、前記シーリングガスケットに電解液の共通
    流動穴が設置され、前記シーリングガスケットの片側は圧縮変形構造であり、他方の片側は環状突起構造であることを特徴とする請求項６～１０のいずれか１項に記載のフロー電
    池の電堆を製造する方法。
12. 前記シーリングガスケットは少なくとも二重の環状突起構造が設置され、一番内側の層
    の環状突起構造の内径は電解液の共通流動穴の外径よりも大きいか又は等しいことを特徴
    とする請求項１１に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
13. 前記各環状突起構造の断面形状は長方形、半円状、或いは逆台形であることを特徴とす
    る請求項１２に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
14. 前記圧縮変形構造はいくつかの溝であることを特徴とする請求項１１～１３のいずれか１項に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
15. 前記シーリングガスケットは少なくとも一個のシーリングガスケット位置付け構造を有
    し、シーリングガスケット位置付け構造の厚さはシーリングガスケットの厚さの0.3-0.8
    倍であることを特徴とする請求項１１～１４のいずれか１項に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
16. 前記ラバーシールのショア硬さが40-100であることを特徴とする請求項１１～１５のいずれか１項に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
17. 前記シーリングガスケットの圧縮比は10-30％であることを特徴とする請求項１１～１６のいずれか１項に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
18. 前記フロー電池の電堆の密封構造の中に電極枠も含まれ、前記電極枠にシーリングライ
    ン溝とシーリングガスケット溝があり、前記のシーリングラインはシーリングライン溝に
    設置され、前記のシーリングガスケットはシーリングガスケット溝に設置され、シーリン
    グガスケットとシーリングガスケット溝との充填比は90-95％であり、シーリングライン
    とシーリングライン溝との充填比は90-95％であることを特徴とする請求項１１～１７のいずれか１項に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。
19. 前記シーリングガスケット溝のシーリングライン溝との接続エリアはシーリングガスケ
    ットとピッタリと接触し、前記シーリングガスケット溝のシーリングライン溝との非接続
    エリアのサイズはシーリングガスケットよりも大きいことを特徴とする請求項１８に記載
    のフロー電池の電堆を製造する方法。
20. 前記フロー電池の電堆の密封構造は電極枠が二つ、ラバーシールが二つ、セパレータが
    一つで構成され、前記二つの電極枠のシーリングライン溝はそれぞれの電極枠外縁までの
    距離が違い、前記ラバーシールは電極枠の前記溝に設置され、ラバーシールのシーリング
    ガスケットの圧縮変形構造側は電極枠と接触し他方の片側はセパレータと接触し、前記シ
    ーリングガスケットは少なくとも二重の環状突起構造が設置され、前記セパレータの電解
    液の共通流動穴での密封は、セパレータの電解液の共通流動穴を一つのラバーシールのシ
    ーリングガスケットの一番外側の環状突起構造に被せることで、セパレータの片側をこの
    ラバーシールのシーリングガスケットと接触し、他方の片側をもう一つのラバーシールの
    シーリングラインと接触することにより行われ、前記セパレータの電解液の共通流動穴で
    ないエリアでの密封は、セパレータを二つの位置ズレたラバーシールのシーリングライン
    で密封することにより行われることを特徴とする請求項１８または１９に記載のフロー電池の電堆を製造する方法。

Images