KR20180067512A - 레독스 플로우 전지용 전극, 및 레독스 플로우 전지 - Google Patents

레독스 플로우 전지용 전극, 및 레독스 플로우 전지 Download PDF

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KR20180067512A
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겐이치 이토
다카시 간노
소우이치로우 오쿠무라
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스미토모덴키고교가부시키가이샤
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Abstract

레독스 플로우 전지의 격막에 대향 배치되는 레독스 플로우 전지용 전극으로서, 복수 개의 탄소 섬유를 갖는 섬유 집합체를 구비하고, 상기 섬유 집합체는, 영률이 200 ㎬ 이하인 연질 탄소 섬유를 포함하는 레독스 플로우 전지용 전극. 상기 연질 탄소 섬유의 평균 탄소 섬유 직경은 20 ㎛ 이하인 것이 바람직하다.

Description

레독스 플로우 전지용 전극, 및 레독스 플로우 전지
본 발명은 레독스 플로우 전지용 전극, 및 레독스 플로우 전지에 관한 것이다.
본 출원은, 2015년 10월 22일 출원의 일본 출원 제2015-208440호에 기초하는 우선권을 주장하며, 상기 일본 출원에 기재된 모든 기재 내용을 원용하는 것이다.
특허문헌 1에 나타내는 레독스 플로우 전지(RF 전지)에서는, 격막에 이온 교환막이 이용되고, 정극 전극 및 부극 전극에 탄소 섬유로 이루어지는 부직포가 이용되고 있다. 이 특허문헌 1에서는, 격막에 있어서의 정극 전극 및 부극 전극과의 대향면에는, 정극 전극 및 부극 전극의 구성 재료보다 부드러운 재질로 구성되는 다공질 시트재가 설치되어 있다.
특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2013-65530호 공보
본 발명의 일 양태에 따른 레독스 플로우 전지용 전극은, 레독스 플로우 전지의 격막에 대향 배치되는 전극으로서, 복수 개의 탄소 섬유를 갖는 섬유 집합체를 구비한다. 이 섬유 집합체는, 영률이 200 ㎬ 이하인 연질 탄소 섬유를 포함한다.
본 발명의 일 양태에 따른 레독스 플로우 전지는, 정극 전극과, 부극 전극과, 정극 전극과 부극 전극 사이에 개재되는 격막을 구비한다. 정극 전극, 및 부극 전극 중 적어도 한쪽의 전극이, 상기 레독스 플로우 전지용 전극을 구비한다.
도 1은 실시형태 1에 따른 레독스 플로우 전지에 구비되는 전극의 개략을 도시한 단면도이다.
도 2는 실시형태 2에 따른 레독스 플로우 전지에 구비되는 전극의 개략을 도시한 단면도이다.
도 3은 변형예 1에 따른 레독스 플로우 전지에 구비되는 전극의 개략을 도시한 단면도이다.
도 4는 레독스 플로우 전지의 동작 원리도이다.
도 5는 레독스 플로우 전지에 구비되는 셀 스택의 개략 구성도이다.
태양광 발전이나 풍력 발전과 같은 자연 에너지 유래의 전력을 축전하는 대용량의 축전지의 하나로 레독스 플로우 전지(RF 전지)가 있다. 도 4의 RF 전지의 동작 원리도에 도시된 바와 같이, RF 전지(1)는, 대표적으로는, 교류/직류 변환기나 변전 설비를 통해 발전부(예컨대, 태양광 발전 장치나 풍력 발전 장치, 그 외 일반적인 발전소 등)와 부하(수요가 등) 사이에 접속되어, 발전부에서 발전한 전력을 충전하여 축적하고, 축적한 전력을 방전하여 부하에 공급한다.
RF 전지(1)는, 수소 이온을 투과시키는 격막(101)에 의해 정극 셀(102)과 부극 셀(103)로 분리된 전지 셀(100)을 구비한다. 정극 셀(102)에는 정극 전극(104)이 내장되고, 정극 전해액을 저류하는 정극 전해액 탱크(106)가 공급 도관(108), 배출 도관(110)을 통해 접속되어 있다. 마찬가지로, 부극 셀(103)에는 부극 전극(105)이 내장되고, 부극 전해액을 저류하는 부극 전해액 탱크(107)가 공급 도관(109), 배출 도관(111)을 통해 접속되어 있다. 정극 전해액 및 부극 전해액은, 각 공급 도관(108, 109)의 도중에 설치된 펌프(112, 113)에 의해 각 공급 도관(108, 109)으로부터 정극 셀(102), 부극 셀(103)에 공급되고, 정극 셀(102), 부극 셀(103)로부터 각 배출 도관(110, 111)을 유통하여 정극 전해액 탱크(106), 부극 전해액 탱크(107)에 배출됨으로써 정극 셀(102), 부극 셀(103)에 순환된다. RF 전지(1)는, 이렇게 해서 전해액을 순환시켜, 정극 전해액에 포함되는 이온과 부극 전해액에 포함되는 이온의 산화 환원 전위의 차를 이용하여 충방전을 행한다. 도 4에서는, 정극 전해액 및 부극 전해액에 포함되는 이온으로서 바나듐 이온을 나타내고 있고, 실선 화살표는 충전, 파선 화살표는 방전을 의미한다.
전지 셀(100)은, 통상, 도 5의 하측 도면에 도시된 셀 스택(200)이라고 불리는 구조체의 내부에 형성된다. 셀 스택(200)은, 그 양측으로부터 2장의 엔드 플레이트(210, 220) 사이에 끼워 넣어 체결 기구에 의해 체결되어 있다. 셀 스택(200)은, 도 5의 상측 도면에 도시된 바와 같이, 셀 프레임(120), 정극 전극(104), 격막(101), 및 부극 전극(105)을, 이 순서로 적층함으로써 형성되는 적층체를 구비한다. 셀 프레임(120)은, 직사각형 형상의 쌍극판(121)과 그 주연(周緣)을 둘러싸는 직사각형 프레임 형상의 프레임체(122)를 구비한다. 이 구성의 경우, 인접하는 셀 프레임(120)의 쌍극판(121) 사이에 하나의 전지 셀(100)이 형성되고, 쌍극판(121)을 사이에 두고 표리에, 인접하는 전지 셀(100)의 정극 전극(104)[정극 셀(102)]과 부극 전극(105)[부극 셀(103)]이 배치된다.
《본 개시가 해결하고자 하는 과제》
특허문헌 1의 RF 전지에서는, 다공질 시트재에 의해, 정극 전극 및 부극 전극을 구성하는 섬유의 격막에의 꽂힘에 따르는 격막의 구멍 뚫림을 억제하고 있다. 그 때문에, 격막에 구멍이 뚫리는 것에 의한 정극 전해액과 부극 전해액의 혼합을 억제할 수 있어 단락을 방지하고 있다. 또한, 다공질 시트재임으로써, 이온의 전도나 전해액의 유통을 저해하기 어렵게 하고 있다. 그 결과, 특허문헌 1에 나타내는 RF 전지는, 셀 저항률이 낮고, 전류 효율이 높다.
그러나, 부품 개수의 증가를 초래하지 않고, 전극을 구성하는 섬유의 꽂힘에 따르는 격막의 구멍 뚫림을 억제할 수 있는 RF 전지가 요망된다. 전술한 특허문헌 1의 RF 전지에서는, 격막에 있어서의 전극과의 대향면에 다공질 시트재를 설치함으로써, 정극 전극 및 부극 전극의 격막에의 꽂힘을 방지할 수 있으나, 부품 개수가 증가하여 조립 작업이 번잡하다.
상기 사정을 감안하여, 부품 개수의 증가를 초래하지 않고, 구성 재료가 격막에 꽂히기 어려워 격막의 구멍 뚫림을 억제하기 쉬운 레독스 플로우 전지용 전극을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 레독스 플로우 전지용 전극을 구비하며, 부품 개수의 증가를 초래하지 않고, 셀 저항률이 낮으며, 전류 효율이 높은 레독스 플로우 전지를 제공하는 것을 목적으로 한다.
《본 개시의 효과》
본 개시에 의하면, 부품 개수의 증가를 초래하지 않고, 구성 재료가 격막에 꽂히기 어려워 격막의 구멍 뚫림을 억제하기 쉬운 레독스 플로우 전지용 전극을 제공할 수 있다.
본 개시에 의하면, 부품 개수의 증가를 초래하지 않고, 셀 저항률이 낮으며, 전류 효율이 높은 레독스 플로우 전지를 제공할 수 있다.
《본 발명의 실시형태의 설명》
최초로 본 발명의 실시양태의 내용을 열기하여 설명한다.
(1) 본 발명의 일 양태에 따른 레독스 플로우 전지용 전극은, 레독스 플로우 전지의 격막에 대향 배치되고, 복수 개의 탄소 섬유를 갖는 섬유 집합체를 구비한다. 이 섬유 집합체는, 영률이 200 ㎬ 이하인 연질 탄소 섬유를 포함한다.
상기한 구성에 의하면, 부품 개수의 증가를 초래하지 않고, 구성 재료가 격막에 꽂히기 어려워 격막에 구멍을 뚫기 어렵다. 영률이 낮은 연질 탄소 섬유는, 영률이 높은 경질 탄소 섬유와 비교하여, 유연성이 우수하다. 그 때문에, 이 전극을 이용하여 레독스 플로우 전지를 구축한 경우, 실질적으로 경질 탄소 섬유로 구성되는 전극을 이용하는 경우와 비교하여, 전극을 구성하는 섬유가 격막에 꽂히기 어렵기 때문이다. 따라서, 격막과 전극 사이에 종래와 같은 다공질 시트재를 설치하지 않아도, 격막의 구멍 뚫림을 억제하기 쉽다. 다공질 시트재가 불필요하기 때문에, 부품 개수를 저감할 수 있어 조립 작업을 간략화하기 쉽다.
또한, 상기한 구성에 의하면, 전류 효율을 높이기 쉽다. 격막의 구멍 뚫림을 억제할 수 있기 때문에, 정극 전해액과 부극 전해액의 혼합을 억제하기 쉬워, 단락을 억제하기 쉽기 때문이다.
또한, 상기한 구성에 의하면, 격막의 두께를 얇게 하기 쉬워, 셀 저항률을 저감하기 쉽다. 전극이 유연성이 우수한 연질 탄소 섬유를 가짐으로써, 격막의 두께가 얇아도 격막의 구멍 뚫림을 억제하기 쉽기 때문이다. 그리고, 격막의 두께가 얇아도 격막의 구멍 뚫림을 억제하기 쉽기 때문에, 격막을 얇게 해도 전류 효율을 높게 하기 쉽다.
(2) 상기 레독스 플로우 전지용 전극의 일 형태로서, 상기 연질 탄소 섬유의 평균 탄소 섬유 직경이 20 ㎛ 이하인 것을 들 수 있다.
상기한 구성에 의하면, 섬유의 표면적이 커지기 때문에, 전해액과의 사이에서 전지 반응이 발생하는 면적을 충분히 확보하기 쉽다.
(3) 상기 레독스 플로우 전지용 전극의 일 형태로서, 섬유 집합체는, 또한, 영률이 200 ㎬ 초과인 경질 탄소 섬유를 포함하는 것을 들 수 있다.
상기한 구성에 의하면, 셀 저항률을 저감하기 쉽다. 영률이 높은 경질 탄소 섬유는, 영률이 낮은 연질 탄소 섬유와 비교하여, 반발력이 높다. 그 때문에, 이 전극을 이용하여 레독스 플로우 전지를 구축한 경우, 실질적으로 연질 탄소 섬유로 구성되는 전극을 이용하는 경우와 비교하여, 섬유끼리의 접점을 많게 하기 쉬워 도전성을 높이기 쉽기 때문이다.
(4) 경질 탄소 섬유를 갖는 상기 레독스 플로우 전지용 전극의 일 형태로서, 섬유 집합체는, 연질 탄소 섬유를 주체로 하는 연질 섬유층과, 경질 탄소 섬유를 주체로 하는 경질 섬유층의 적층 구조를 갖는 것을 들 수 있다. 이 경우, 연질 섬유층이, 섬유 집합체의 제1 면측을 형성하는 것이 바람직하다. 섬유 집합체의 제1 면이란, 격막에 대향하는 면이다.
상기한 구성에 의하면, 레독스 플로우 전지를 구축했을 때의 격막의 구멍 뚫림 억제에 보다 한층 효과적이다. 섬유 집합체의 제1 면측을 연질 섬유층으로 형성함으로써, 유연성이 높은 연질 섬유층을 격막과 접촉시켜 레독스 플로우 전지를 구축할 수 있기 때문이다.
또한, 섬유 집합체의 제2 면측을 경질 섬유층으로 형성하면, 반발력이 높은 경질 섬유층측을 쌍극판에 접촉시켜 레독스 플로우 전지를 구축할 수 있다. 그 때문에, 경질 섬유층과 쌍극판을 충분히 접촉시킬 수 있기 때문에, 전극과 쌍극판 사이의 접촉 저항(계면 저항)을 저감하기 쉽다. 한편, 섬유 집합체의 제2 면이란, 쌍극판에 대향하는 면이며, 제1 면의 반대측의 면이다.
(5) 연질 섬유층과 경질 섬유층을 구비하는 상기 레독스 플로우 전지용 전극의 일 형태로서, 연질 섬유층의 단위 중량은, 20 g/㎡ 이상 300 g/㎡ 이하인 것을 들 수 있다.
연질 섬유층의 단위 중량이 20 g/㎡ 이상이면, 레독스 플로우 전지를 구축했을 때의 격막의 구멍 뚫림 억제에 보다 효과적이다. 단위 중량이 많을수록 섬유가 격막에 꽂히기 쉬우나, 연질 섬유층을 구비함으로써, 단위 중량이 많아도 섬유가 격막에 꽂히기 어렵기 때문이다. 연질 섬유층의 단위 중량이 300 g/㎡ 이하이면, 공공(空孔)이 과도하게 작아지는 것을 억제할 수 있어, 전해액의 유통 저항(전지의 내부 저항)의 상승을 억제하기 쉽다.
(6) 연질 섬유층과 경질 섬유층을 구비하는 상기 레독스 플로우 전지용 전극의 일 형태로서, 경질 섬유층의 단위 중량은, 20 g/㎡ 이상 300 g/㎡ 이하인 것을 들 수 있다.
경질 섬유층의 단위 중량이 20 g/㎡ 이상이면, 섬유끼리의 접점을 많게 하기 쉬워 도전성을 높이기 쉽기 때문에, 셀 저항률을 저감하기 쉽다. 또한, 경질 섬유층을 섬유 집합체의 제2 면측에 형성하면, 경질 섬유층과 쌍극판을 충분히 접촉시킬 수 있어, 전극과 쌍극판 사이의 접촉 저항을 저감하기 쉽다. 경질 섬유층의 단위 중량이 300 g/㎡ 이하이면, 공공이 과도하게 작아지는 것을 억제할 수 있어, 전해액의 유통 저항의 상승을 억제하기 쉽다.
(7) 본 발명의 일 양태에 따른 레독스 플로우 전지는, 정극 전극과, 부극 전극과, 정극 전극과 부극 전극 사이에 개재되는 격막을 구비한다. 이 레독스 플로우 전지는, 정극 전극, 및 부극 전극 중 적어도 한쪽의 전극이, (1)∼(6) 중 어느 하나에 기재된 레독스 플로우 전지용 전극을 구비한다.
상기한 구성에 의하면, 연질 탄소 섬유를 갖는 전극을 구비함으로써, 부품 개수가 증가하지 않고, 격막의 구멍 뚫림을 억제하기 쉽기 때문에, 셀 저항률이 낮고, 전류 효율이 높다.
특히, 연질 섬유층이 섬유 집합체의 제1 면측을 형성하는 (4)에 기재된 전극을 이용하는 경우에는, 격막의 구멍 뚫림 억제에 보다 한층 효과적이다.
(8) 상기 레독스 플로우 전지의 일 형태로서, 격막의 두께가, 5 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하인 것을 들 수 있다.
격막의 두께가 60 ㎛ 이하이면, 셀 저항률을 저감하기 쉽다. 이온의 투과성을 높이기 쉽기 때문에, 전기 저항을 저감하기 쉽기 때문이다. 한편, 격막의 두께가 60 ㎛ 이하와 같이 얇아도, 전류 효율의 저하를 억제하기 쉽다. 격막은 얇을수록 전극이 꽂히기 쉬워 구멍이 뚫리기 쉽기 때문에, 정극 전해액과 부극 전해액의 혼합에 의해 단락하여 전류 효율이 저하되기 쉬우나, 상기 전극을 구비함으로써, 격막이 얇아도 격막의 구멍 뚫림을 억제할 수 있기 때문이다. 격막의 두께가 5 ㎛ 이상이면, 격막의 두께가 과도하게 얇아지지 않아, 격막의 구멍 뚫림을 억제하기 쉽다.
(9) 상기 레독스 플로우 전지의 일 형태로서, 격막의 두께가, 40 ㎛ 이하인 것을 들 수 있다.
격막의 두께가 40 ㎛ 이하이면, 셀 저항률을 보다 저감하기 쉬운 데다가, 전류 효율의 저하를 보다 한층 억제하기 쉽다.
《본 발명의 실시형태의 상세》
본 발명의 실시형태에 따른 레독스 플로우 전지의 상세를, 이하에 도면을 참조하면서 설명한다.
〔실시형태 1〕
도 1(적절히 도 4, 도 5)을 참조하여 실시형태 1에 따른 레독스 플로우 전지(RF 전지)를 설명한다. 실시형태 1에 따른 RF 전지는, 도 4, 도 5를 이용하여 설명한 종래의 RF 전지(1)와 마찬가지로, 셀 프레임(120)[쌍극판(121)과 프레임체(122)]과 전지 셀(100)의 적층체를 구비하는 셀 스택(200)과, 전지 셀(100)의 정극 셀(102)에 순환시키는 정극 전해액을 저류하는 탱크(106)와, 부극 셀(103)에 순환시키는 부극 전해액을 저류하는 탱크(107)를 구비한다. 정극 전해액 및 부극 전해액의 순환은, 각 공급 도관(108, 109), 각 배출 도관(110, 111)을 통해, 이들의 도중에 설치한 펌프(112, 113)에 의해 행한다. 실시형태 1에 따른 RF 전지의 주된 특징은, 정극 전극(104), 및 부극 전극(105) 중 적어도 한쪽의 전극이, 유연성이 우수한 연질 탄소 섬유를 포함하는 섬유 집합체(20A)를 구비하는 것이다. 즉, 실시형태 1에 따른 RF 전지에 있어서의 종래의 RF 전지와의 주된 상위점은, 전극의 구성에 있고, 그 이외의 구성은, 종래의 RF 전지의 구성을 채용할 수 있기 때문에, 도 4, 도 5와 동일 부호를 붙이고 그 상세한 설명은 생략한다. 이하의 설명에서는, 그 상위점을 중심으로 행한다.
[전극]
전극(2A)은, 전해액이 유통됨으로써 전지 반응을 행한다. 전극(2A)은, 중간 셀 프레임의 쌍극판의 표면 및 이면과, 단부 셀 프레임의 쌍극판의 제1 면에 배치된다. 중간 셀 프레임은, 적층체의 인접하는 전지 셀(100)(도 5) 사이에 배치되는 셀 프레임이고, 단부 셀 프레임은, 적층체의 양단에 배치되는 셀 프레임이다. 단부 셀 프레임의 쌍극판의 제2 면에는, 전극이 존재하지 않고, 집전판(도시 생략)에 접촉·도통(導通)된다. 어느 위치에 배치되는 전극(2A)에 있어서도, 그 제1 면측(도 1에서는 지면 우측)은 격막(101)(도 5)에 접촉하고, 그 제2 면측(도 1에서는 지면 좌측)은 셀 프레임(120)의 쌍극판(121)(도 5)에 접촉한다.
전극(2A)은, 복수 개의 탄소 섬유를 갖는 섬유 집합체(20A)를 구비한다. 섬유 집합체(20A)는, 그 구조(섬유의 조합 형태)에 따라 구성 재료 중에 차지하는 탄소 섬유의 비율이 상이하다. 섬유 집합체(20A)의 섬유의 조합 형태는, 예컨대, 부직포(카본 펠트)나 직포(카본 클로스) 등 외에, 페이퍼(카본 페이퍼) 등을 들 수 있다. 카본 펠트와 카본 클로스는, 실질적으로 탄소 섬유만으로 구성된다. 섬유 집합체(20A)가 카본 펠트 또는 카본 클로스인 경우, 구성 재료 중에 차지하는 탄소 섬유의 비율은, 실질적으로 100 질량%이다. 한편, 카본 페이퍼는, 대표적으로는, 탄소 섬유와 바인더(예컨대, 페놀 수지를 탄소화한 것)와 인조 흑연 분말로 구성된다. 섬유 집합체(20A)가 카본 페이퍼인 경우, 구성 재료 중에 차지하는 탄소 섬유의 비율은, 20 질량% 이상, 나아가서는 40 질량% 이상, 특히 50 질량% 이상으로 할 수 있다.
이 구성 재료 중에 차지하는 탄소 섬유의 비율은, 「{(섬유 집합체(20A)에 구비되는 전체 탄소 섬유의 합계 질량)/(섬유 집합체(20A)의 질량)}×100」에 의해 구해진다. 카본 페이퍼의 경우, 구성 재료 중에 차지하는 탄소 섬유의 비율은, 섬유 집합체(20A)의 이차 전자상과 X선 CT(Computed Tomography)상을 해석함으로써 계산에 의해 구해진다. 구체적으로는, 먼저 이차 전자상과 X선 CT상을 비교하여, X선 CT상의 섬유상이 정확하게 얻어지고 있는 것을 확인한다. 그리고, 구성 재료 중에 차지하는 탄소 섬유의 비율은, 「D×A×T×(1/V)×(1/S)×100」에 의해 계산한다.
D: 탄소 섬유 자체의 밀도(=1.8(g/㎤))
A: X선 CT상으로부터 구한 탄소 섬유의 체적(㎤)
T: 섬유 집합체(20A)의 두께(㎝)
V: X선 CT상의 측정 시야의 체적(㎤)
S: 실제 시료의 질량을 측정하여 구한 면적당 질량(g/㎠)
섬유 집합체(20A)는, 영률이 200 ㎬ 이하인 연질 탄소 섬유를 포함한다. 이 연질 탄소 섬유는, 영률이 200 ㎬ 초과인 경질 탄소 섬유(후술)와 비교하여 유연성이 우수하다. 그 때문에, 실질적으로 경질 탄소 섬유로 구성되는 전극을 이용하는 경우와 비교하여, 전극(2A)을 구성하는 섬유가 격막(101)에 꽂히기 어려워, 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제하기 쉽다. 따라서, 정극 전해액과 부극 전해액의 혼합을 억제하기 쉬워, 단락을 억제하기 쉽기 때문에, 전류 효율의 저하를 억제하기 쉽다. 연질 탄소 섬유의 영률은, 150 ㎬ 이하가 바람직하고, 나아가서는 100 ㎬ 이하, 75 ㎬ 이하, 특히 50 ㎬ 이하가 바람직하다. 연질 탄소 섬유의 영률의 하한은, 특별히 한정되지 않으나, 연질 탄소 섬유의 영률은, 실용상, 예컨대 1 ㎬ 이상이다. 연질 탄소 섬유의 영률은, 또한 10 ㎬ 이상, 25 ㎬ 이상으로 할 수 있다. 영률은, 섬유 집합체(20A)로부터 탄소 섬유를 취출하여, 인장 시험을 행함으로써 구해진다. 이 측정 수법은, 후술하는 경질 탄소 섬유의 영률에서도 마찬가지이다.
연질 탄소 섬유의 평균 직경은, 20 ㎛ 이하가 바람직하다. 연질 탄소 섬유의 평균 직경이 20 ㎛ 이하이면, 섬유의 표면적을 크게 할 수 있어, 전해액과의 사이에서 전지 반응이 발생하는 면적을 충분히 확보하기 쉽다. 연질 탄소 섬유의 평균 직경은, 15 ㎛ 이하가 보다 바람직하고, 또한 10 ㎛ 이하가 바람직하며, 특히 9 ㎛ 이하가 바람직하다. 연질 탄소 섬유는 과도하게 가늘면, 섬유 집합체(20A)의 강도가 약해질 우려가 있다. 연질 탄소 섬유의 평균 직경은, 예컨대 1 ㎛ 이상으로 할 수 있고, 나아가서는 5 ㎛ 이상으로 할 수 있다. 이 평균 직경은, 전술한 바와 같이 섬유 집합체(20A)로부터 탄소 섬유를 취출함으로써 측정할 수 있다. 연질 탄소 섬유의 평균 직경이란, 10개 이상의 연질 탄소 섬유의 직경을 측정하고, 그 평균값으로 한다. 이 측정 수법은, 후술하는 경질 탄소 섬유의 평균 직경에서도 마찬가지이다.
섬유 집합체(20A)에 구비하는 전체 탄소 섬유에 차지하는 연질 탄소 섬유의 비율이 많을수록, 섬유가 격막(101)에 꽂히기 어려워 격막(101)에 구멍이 뚫리기 어렵다. 전체 탄소 섬유에 차지하는 연질 탄소 섬유의 비율이 많으면, 섬유 집합체(20A)에 있어서의 격막측에 있어서, 연질 탄소 섬유가 차지하는 비율도 많아지기 쉽기 때문이다. 즉, 섬유 집합체(20A)는, 적어도 섬유 집합체(20A)의 격막측에 연질 탄소 섬유가 차지하는 비율이 많은 영역을 구비하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 이 섬유 집합체(20A)의 구조로서는, 주로, 이하의 (1)에 나타내는 1층 구조(도 1)와, 이하의 (2), (3)에 나타내는 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)의 적층 구조(도 2, 3)로 크게 나눌 수 있다. 상세한 것은 후술하겠지만, 연질 섬유층(20s)은 연질 탄소 섬유를 주체로 하고, 경질 섬유층(20h)은 경질 탄소 섬유를 주체로 한다.
(1) 연질 섬유층(20s)으로 이루어지는 1층 구조(도 1)
(2) 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)의 2층 구조(도 2)
(3) 2개의 연질 섬유층(20s) 사이에 경질 섬유층(20h)을 끼우는 3층 구조(도 3)
여기서는, 도 1에 도시된 (1)의 1층 구조의 섬유 집합체(20A)를 예로 설명한다. 도 2에 도시된 (2)의 2층 구조는 실시형태 2, 도 3에 도시된 (3)의 3층 구조는 변형예 1에서 각각 설명한다.
(섬유 집합체)
섬유 집합체(20A)는, 연질 탄소 섬유를 주체로 하는 연질 섬유층(20s)으로 이루어진다. 연질 탄소 섬유를 주체로 하는 연질 섬유층(20s)이란, 섬유 집합체(20A)를 그 두께 방향으로 4등분했을 때, 모든 영역에 있어서 연질 탄소 섬유의 비율 「{(연질 탄소 섬유의 질량)/(전체 측정 섬유의 질량)}×100」이 50 질량% 이상인 것을 말한다. 측정하는 섬유의 수는, 각 영역에서 동수로 하고, 합계로 200개 이상으로 한다. 모든 영역에 있어서 연질 탄소 섬유의 비율이 50 질량% 이상임으로써, 격막(101)측의 영역의 연질 탄소 섬유의 비율을 많게 하기 쉽다. 그 때문에, 구성 섬유가 격막(101)에 꽂히기 어려워 격막(101)에 구멍이 뚫리기 어렵다. 전체 탄소 섬유에 차지하는 연질 탄소 섬유의 비율은, 70 질량% 이상으로 할 수 있고, 나아가서는 80 질량% 이상으로 할 수 있다. 이때, 잔부의 탄소 섬유는, 후술하는 경질 탄소 섬유를 포함한다. 이 경질 탄소 섬유는, 연질 탄소 섬유와 비교하여 반발력이 높기 때문에, 경질 탄소 섬유를 포함함으로써 섬유끼리의 접점을 많게 하기 쉬워 도전성을 높이기 쉽기 때문에, 셀 저항률을 저감하기 쉽다. 전체 탄소 섬유에 차지하는 연질 탄소 섬유의 비율은, 100 질량%로 할 수도 있다.
연질 섬유층(20s)의 단위 중량은, 20 g/㎡ 이상 300 g/㎡ 이하가 바람직하다. 연질 섬유층(20s)의 단위 중량이 20 g/㎡ 이상이면, 격막(101)의 구멍 뚫림 억제에 보다 효과적이다. 단위 중량이 많을수록 섬유가 격막(101)에 꽂히기 쉬우나, 유연성이 우수한 연질 섬유층(20s)을 구비함으로써, 단위 중량이 많아도 섬유가 격막(101)에 꽂히기 어렵기 때문이다. 연질 섬유층(20s)의 단위 중량이 300 g/㎡ 이하이면, 전극(2A)의 공공이 과도하게 작아지는 것을 억제할 수 있어, 전해액의 유통 저항의 상승을 억제하기 쉽다. 연질 섬유층(20s)의 단위 중량은, 30 g/㎡ 이상이 보다 바람직하고, 또한 50 g/㎡ 이상, 특히 70 g/㎡ 이상이 바람직하다. 연질 섬유층(20s)의 단위 중량은, 250 g/㎡ 이하가 보다 바람직하고, 200 g/㎡ 이하, 180 g/㎡ 이하, 나아가서는 150 g/㎡ 이하가 바람직하다.
경질 탄소 섬유는, 전술한 바와 같이 영률이 200 ㎬ 초과인 탄소 섬유이다. 경질 탄소 섬유의 영률은, 225 ㎬ 이상, 나아가서는 250 ㎬ 이상, 275 ㎬ 이상, 특히 300 ㎬ 이상, 325 ㎬ 이상으로 할 수 있다. 경질 탄소 섬유의 영률의 상한은, 특별히 한정되지 않으나, 경질 탄소 섬유의 영률은, 실용상, 예컨대 500 ㎬ 정도 이하이다. 경질 탄소 섬유의 영률은, 475 ㎬ 이하, 나아가서는 450 ㎬ 이하, 425 ㎬ 이하, 특히 400 ㎬ 이하, 375 ㎬ 이하로 할 수 있다.
경질 탄소 섬유의 평균 직경은, 20 ㎛ 이하가 바람직하다. 경질 탄소 섬유의 평균 직경이 20 ㎛ 이하이면, 섬유의 표면적을 크게 할 수 있어, 전해액과의 사이에서 전지 반응이 발생하는 면적을 충분히 확보하기 쉽다. 경질 탄소 섬유의 평균 직경은, 또한 15 ㎛ 이하가 바람직하고, 특히 10 ㎛ 이하가 바람직하다. 경질 탄소 섬유는 과도하게 가늘면, 섬유 집합체(20A)의 강도가 약해질 우려가 있다. 경질 탄소 섬유의 평균 직경은, 예컨대 1 ㎛ 이상이고, 나아가서는 5 ㎛ 이상으로 할 수 있다.
이 전극(2A)은, 소정의 영률의 탄소 섬유를 이용하여, 공지의 수법에 의해 제조할 수 있다.
[격막]
격막(101)은, 정극 전극과 부극 전극 사이에 개재되어 정극 셀과 부극 셀을 구획하고, 수소 이온(H+)을 투과시킨다. 격막(101)의 종류는, 예컨대, 양이온 교환막이나 음이온 교환막과 같은 이온 교환막을 들 수 있다. 이온 교환막은, (1) 정극 활물질의 이온과 부극 활물질의 이온의 격리성이 우수하고, (2) 전지 셀(100) 내에서의 전하 담체인 수소 이온의 투과성이 우수하며, (3) 전자 전도성이 낮다고 하는 특성을 갖고 있어, 격막(101)에 적합하게 이용할 수 있다. 격막(101)에는, 공지의 격막을 이용할 수 있다.
격막(101)의 두께는, 60 ㎛ 이하가 바람직하다. 격막(101)의 두께를 60 ㎛ 이하로 하면, 셀 저항률을 저감하기 쉽다. 이온의 투과성을 높이기 쉽기 때문에, 전기 저항을 저감하기 쉽기 때문이다. 또한, 격막(101)의 두께가 60 ㎛ 이하로 얇아도, 전류 효율의 저하를 억제하기 쉽다. 일반적으로, 격막(101)은 얇을수록 전극이 꽂히기 쉬워 구멍이 뚫리기 쉽기 때문에, 정극 전해액과 부극 전해액의 혼합에 의해 단락하여 전류 효율이 저하되기 쉬우나, 전극(2A)을 구비함으로써, 격막(101)이 얇아도 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제할 수 있기 때문이다. 격막(101)의 두께는, 또한 40 ㎛ 이하가 바람직하고, 특히 30 ㎛ 이하가 바람직하다. 격막(101)의 두께는, 과도하게 얇아지면, 격막(101)의 손상(구멍 뚫림)을 초래할 우려가 있다. 격막(101)의 두께는, 예컨대, 5 ㎛ 이상이 바람직하다. 격막(101)의 두께는, 10 ㎛ 이상으로 할 수 있고, 나아가서는 15 ㎛ 이상으로 할 수 있다.
[그 외]
전지 셀(100) 내의 정극 전해액 및 부극 전해액의 유통은, 프레임체(122)의 장편(長片; long piece)(급액측편, 도 5 지면 하측)에 형성되는 급액 매니폴드(131, 132)와, 프레임체(122)의 장편(배액측편, 도 5 지면 상측)에 형성되는 배액 매니폴드(133, 134)를 통해 행해진다. 정극 전해액은, 급액 매니폴드(131)로부터 프레임체(122)의 급액측편의 제1 면에 형성되는 가이드 홈(135)을 통해 정극 전극(104)에 공급된다. 그리고, 도 5의 상측 도면의 화살표로 나타내는 바와 같이 정극 전극(104)의 하측으로부터 상측으로 유통하고, 프레임체(122)의 배액측편의 제1 면에 형성되는 가이드 홈(137)을 통해 배액 매니폴드(133)에 배출된다. 마찬가지로, 부극 전해액은, 급액 매니폴드(132)로부터 프레임체(122)의 급액측편의 제2 면에 형성되는 가이드 홈(136)을 통해 부극 전극(105)에 공급된다. 그리고, 부극 전극(105)의 하측으로부터 상측으로 통과하고, 프레임체(122)의 배액측편의 제2 면에 형성되는 가이드 홈(138)을 통해 배액 매니폴드(134)에 배출된다. 각 프레임체(122) 사이에는, O링이나 평패킹 등의 환형의 시일 부재(140)가 배치되어, 전지 셀(100)로부터의 전해액의 누설을 억제하고 있다.
〔작용 효과〕
실시형태 1의 RF 전지에 의하면, 유연성이 우수한 연질 탄소 섬유를 주체로 하는 연질 섬유층(20s)으로 전극(2A)을 구성함으로써, 전극(2A)에 있어서의 격막(101)측을, 연질 탄소 섬유가 차지하는 비율이 많은 영역으로 형성하기 쉽다. 그 때문에, 구성 섬유가 격막(101)에 꽂히기 어려워, 격막(101)에 구멍을 뚫기 어렵다. 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제할 수 있음으로써, 정극 전해액과 부극 전해액의 혼합을 억제하여 단락을 억제하기 쉽기 때문에, 전류 효율의 저하를 억제하기 쉽다. 또한, 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제할 수 있음으로써, 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제하기 위해서 격막과 전극 사이에 종래 설치하고 있던 다공질 시트재를 별도로 설치할 필요가 없기 때문에, 부품 개수의 증가를 초래하지 않는다. 또한, 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제할 수 있음으로써, 격막(101)의 두께를 얇게 하기 쉽기 때문에, 셀 저항률을 낮게 하기 쉽다.
〔실시형태 2〕
주로 도 2를 참조하여 실시형태 2에 따른 RF 전지를 설명한다. 실시형태 2는, 전극(2B)을 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)을 적층한 2층 구조의 섬유 집합체(20B)로 구성하는 점이, 실시형태 1의 전극(2A)과 상이하다. 구체적으로는, 이 섬유 집합체(20B)는, 섬유 집합체(20B)에 있어서의 격막(101)측을 형성하는 연질 섬유층(20s)과, 섬유 집합체(20B)에 있어서의 쌍극판(121)측을 형성하는 경질 섬유층(20h)으로 구성하고 있다. 2층 구조(적층 구조)란, 셀 스택(200)(도 5 참조)의 적층체(RF 전지)를 조립한 상태에서의 구조를 말한다. 셀 스택(200)을 분해했을 때, 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)이 분리되는 경우와, 분리되지 않고 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)이 일체화되어 있는 경우를 포함한다. 즉, 셀 스택(200)의 조립 전에 있어서, 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)을 단순히 포갰을 뿐인 경우도 포함한다. 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)이 일체화된 섬유 집합체(20B)는, 섬유 집합체(20B)의 두께 방향을 분단하도록 형성되며, 탄소 섬유가 적은 성긴 영역을 갖는 경우가 있다. 이 성긴 영역이 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)의 계면에 상당한다. 이 점은, 후술하는 변형예 1의 3층 구조에서도 마찬가지이다.
(연질 섬유층)
연질 섬유층(20s)은, 전술한 바와 같이 연질 탄소 섬유를 주체로 한다. 연질 섬유층(20s)의 단위 중량은, 전술한 바와 같이 20 g/㎡ 이상 300 g/㎡ 이하가 바람직하다. 이 연질 섬유층(20s)은, 섬유 집합체(20B)에 있어서의 격막(101)측을 형성하고 있다.
(경질 섬유층)
경질 섬유층(20h)은, 경질 탄소 섬유를 주체로 한다. 경질 탄소 섬유를 주체로 한다는 것은, 섬유 집합체(20B)를 그 두께 방향으로 4등분했을 때, 모든 영역에 있어서 경질 탄소 섬유의 비율 「{(경질 탄소 섬유의 질량)/(전체 측정 섬유의 질량)}×100」이 50 질량% 이상인 것을 말한다. 측정하는 섬유의 수는, 각 영역에서 동수로 하고, 합계로 200개 이상으로 한다. 경질 섬유층(20h)은, 섬유 집합체(20B)에 있어서의 쌍극판(121)측을 형성하고 있다.
경질 섬유층(20h)의 단위 중량은, 20 g/㎡ 이상 300 g/㎡ 이하가 바람직하다. 경질 섬유층(20h)의 단위 중량이 20 g/㎡ 이상이면, 섬유끼리의 접점을 많게 하기 쉬워 도전성을 높이기 쉽기 때문에, 셀 저항률을 저감하기 쉽다. 또한, 경질 섬유층(20h)이 섬유 집합체(20B)의 쌍극판(121)측을 형성하고 있음으로써, 경질 섬유층(20h)과 쌍극판(121)이 충분히 접촉하여, 전극(2B)과 쌍극판(121) 사이의 접촉 저항을 저감하기 쉽다. 경질 섬유층(20h)의 단위 중량이 300 g/㎡ 이하이면, 전극(2B)의 공공이 과도하게 작아지는 것을 억제할 수 있어, 전해액의 유통 저항의 상승을 억제하기 쉽다. 경질 섬유층(20h)의 단위 중량은, 또한 30 g/㎡ 이상이 보다 바람직하고, 50 g/㎡ 이상, 특히 70 g/㎡ 이상이 바람직하다. 경질 섬유층(20h)의 단위 중량은, 250 g/㎡ 이하가 보다 바람직하고, 200 g/㎡ 이하, 180 g/㎡ 이하, 나아가서는 150 g/㎡ 이하가 바람직하다.
셀 스택(200)의 조립 전에 있어서, 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)이 분리되지 않도록 일체화되어 있는 전극(2B)의 제조는, 예컨대, 열경화 수지로 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)을 접합하고, 그 수지를 탄화함으로써 행할 수 있다. 특히, 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)이 예컨대 카본 페이퍼 등과 같이 원료에 수지를 포함하는 경우에는, 예컨대 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)을 개개로 준비하여 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)을 열융착시킴으로써도 행할 수 있다. 열경화 수지에 의한 접합이나 열융착의 어느 경우에 있어서도, 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)의 계면에는 성긴 영역이 형성된다. 이 계면은 수지의 존재 개소의 일부가 막혀진 상태가 되지만, 연질 섬유층(20s)과 경질 섬유층(20h)의 공공(다공질형)은 유지된다.
〔작용 효과〕
실시형태 2의 RF 전지에 의하면, 섬유 집합체(20B)의 격막(101)측을 형성하는 연질 섬유층(20s)에 의해 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제할 수 있다. 그 때문에, 실시형태 2의 RF 전지는, 전류 효율을 높이기 쉽고, 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제하기 위한 부품 개수의 증가를 초래하지 않으며, 격막(101)의 두께를 얇게 하기 쉽기 때문에 셀 저항률을 낮게 하기 쉽다. 또한, 섬유 집합체(20B)의 쌍극판(121)측을 형성하는 경질 섬유층(20h)에 의해, 경질 섬유층(20h)의 반발력을 이용하여 연질 섬유층(20s)의 구성 섬유끼리의 접점을 많게 할 수 있다. 그 때문에, 실시형태 2의 RF 전지는, 실시형태 1과 비교하여 도전성을 높이기 쉽기 때문에, 셀 저항률을 저감할 수 있다. 또한, 경질 섬유층(20h)과 쌍극판(121)을 충분히 접촉시키기 쉽기 때문에, 전극(2B)과 쌍극판(121) 사이의 접촉 저항을 저감하기 쉽다.
〔변형예 1〕
도 3에 도시된 바와 같이, 변형예 1의 RF 전지의 전극(2C)은, 2개의 연질 섬유층(20s)과 1개의 경질 섬유층(20h)을 적층한 3층 구조의 섬유 집합체(20C)로 구성할 수 있다. 이 섬유 집합체(20C)는, 섬유 집합체(20C)에 있어서의 격막(101)측을 형성하는 연질 섬유층(20s)과, 쌍극판(121)측을 형성하는 연질 섬유층(20s)과, 양 연질 섬유층(20s, 20s) 사이를 형성하는 경질 섬유층(20h)으로 구성된다.
이 변형예 1의 RF 전지에 의하면, 전극(2C)에 있어서의 격막(101)측을 형성하는 연질 섬유층(20s)에 의해, 구성 섬유의 격막(101)에의 꽂힘을 억제하기 쉬워 격막(101)의 구멍 뚫림을 억제하기 쉽기 때문에, 전류 효율을 높이기 쉽다. 또한, 변형예 1의 RF 전지에 의하면, 전극(2C)의 두께의 중앙을 형성하는 반발력이 높은 경질 섬유층(20h)에 의해, 경질 섬유층(20h)의 반발력을 이용하여 구성 섬유끼리의 접점을 많게 하기 쉽다. 그 때문에, 변형예 1의 RF 전지는, 도전성을 높이기 쉽고, 셀 저항률을 저감하기 쉽다. 또한, 그 반발력을 이용하여, 전극(2C)에 있어서의 쌍극판(121)측을 형성하는 연질 섬유층(20s)과 쌍극판(121)을 충분히 접촉시키기 쉽다. 그 때문에, 전극(2C)과 쌍극판(121) 사이의 접촉 저항을 저감하기 쉽다.
《시험예》
전극의 구성 및 격막의 두께의 차이에 의한 셀 저항률(Ω·㎠) 및 전류 효율(%)의 차이를 조사하였다.
이 시험예에서는, 구조가 상이한 6종류의 전극 A, B, C, D, E, F와, 두께가 상이한 2종류의 격막 a, b를 준비하고, 전극의 반응 면적이 9 ㎠인 단셀의 RF 전지를 제작하였다. 단셀 전지란, 정극 셀과 부극 셀을 하나씩 구비하는 전지 요소로 이루어지는 것이며, 하나의 이온 교환막의 양측에 각각 정극 전극, 부극 전극을 배치하고, 쌍극판을 구비하는 셀 프레임 사이에 전극의 양측을 끼워 구성하였다. 정극 전극 및 부극 전극은 각각, 전극 A, B, C, D, E, F를 표 1에 나타내는 조합으로 구성하였다. 시료 No.1∼6, 11에서는, 전극은 2장 포개져 있고, 단셀을 조립하기 전에는, 2장의 전극은 일체화되지 않고 분리된다.
(전극 A)
구성 재료 : 카본 클로스(경질 섬유층)
구성 섬유 : 영률이 230 ㎬인 경질 탄소 섬유
평균 섬유 직경: 7 ㎛
단위 중량 : 150 g/㎡
(전극 B)
구성 재료 : 카본 클로스(연질 섬유층)
구성 섬유 : 영률이 150 ㎬인 연질 탄소 섬유
평균 섬유 직경: 7 ㎛
단위 중량 : 150 g/㎡
(전극 C)
구성 재료 : 카본 펠트(연질 섬유층)
구성 섬유 : 영률이 25 ㎬인 연질 탄소 섬유
평균 섬유 직경: 15 ㎛
단위 중량 : 300 g/㎡
(전극 D)
구성 재료 : 카본 펠트(연질 섬유층)
구성 섬유 : 영률이 25 ㎬인 연질 탄소 섬유
평균 섬유 직경: 10 ㎛
단위 중량 : 300 g/㎡
(전극 E)
구성 재료 : 카본 펠트(경질 섬유층)
구성 섬유 : 영률이 330 ㎬인 경질 탄소 섬유
평균 섬유 직경: 7 ㎛
단위 중량 : 150 g/㎡
(전극 F)
구성 재료 : 카본 펠트(연질 섬유층)
구성 섬유 : 영률이 25 ㎬인 연질 탄소 섬유
평균 섬유 직경: 7 ㎛
단위 중량 : 150 g/㎡
(격막 a)
구성 재료: NAFION(등록 상표) 212
두께 : 50 ㎛
(격막 b)
구성 재료: NAFION(등록 상표) 211
두께 : 25 ㎛
Figure pct00001
[셀 저항률·전류 효율의 측정]
정극 전해액 및 부극 전해액으로서 황산바나듐 용액(바나듐 농도: 1.7 M(㏖/L))을 이용하여, 제작한 각 시료의 단셀 전지에 전류 밀도: 140 ㎃/㎠의 정전류로 충방전을 행하였다. 이 시험에서는, 미리 설정한 소정의 전환 전압에 도달하면, 충전으로부터 방전으로 전환하여, 복수 사이클의 충방전을 행하였다. 충방전 후, 각 시료에 대해 셀 저항률 및 전류 효율을 구하였다. 복수 사이클 중, 임의의 1사이클에 있어서의 평균 전압 및 평균 전류를 구하고, 셀 저항률은, 평균 전압/평균 전류로 하며, 전류 효율은, (방전 시간의 합계/충전 시간의 합계)×100으로 하였다.
[전류 효율의 결과]
표 1에 나타내는 바와 같이, 시료 No.2, 3, 5, 6, 7∼11의 전류 효율은 95% 초과, 나아가서는 96% 이상이고, 그 중에서도 시료 No.2, 3, 7, 9, 11의 전류 효율은 97% 이상이었다. 시료 No.1, 4의 전류 효율은 95% 이하였다.
동일한 전극을 이용한 시료 No.1과 시료 No.4를 비교하면, 격막이 보다 얇은 시료 No.4의 전류 효율은 시료 No.1의 전류 효율과 비교하여 저하가 크다. 마찬가지로 시료 No.2와 No.5, 시료 No.3과 No.6, 시료 No.7과 No.8, 시료 No.9와 No.10을 각각 비교하면, 격막이 보다 얇은 시료 No.5, 6, 8, 10의 전류 효율은 시료 No.2, 3, 7, 9의 전류 효율과 대략 동등하다. 또한, 시료 No.1과 시료 No.5, 6, 8, 10을 비교하면, 격막이 보다 얇은 시료 No.5, 6, 8, 10의 전류 효율은, 시료 No.1의 전류 효율보다 높다. 이들의 점에서, 연질 섬유층으로 구성되는 전극 B, 전극 C 또는 전극 D를 격막측에 형성함으로써, 격막이 얇아도 전류 효율의 저하가 거의 없어져, 높은 전류 효율이 얻어지는 것을 알 수 있다.
이와 같이 시료 No.2, 3, 5, 6, 7∼11의 전류 효율이 시료 No.1, 4의 전류 효율에 비해 높아진 것은, 유연성이 우수한 연질 섬유층(연질 탄소 섬유)으로 구성되는 전극 B, 전극 C, 전극 D 또는 전극 F를 격막측에 형성함으로써, 경질 섬유층(경질 탄소 섬유)만으로 구성되는 전극 A를 격막측에 형성한 경우와 비교하여, 구성 섬유의 꽂힘을 효과적으로 억제할 수 있어, 격막의 구멍 뚫림을 억제할 수 있었기 때문이라고 생각된다.
[셀 저항률의 결과]
또한, 동일한 두께의 격막을 이용한 시료 No.1∼3, 7, 9에서는, 시료 No.2, 3의 셀 저항률은 각각 1.1 Ω·㎠, 1.05 Ω·㎠이고, 시료 No.7, 9의 셀 저항률은 각각 1.25 Ω·㎠, 1.2 Ω·㎠이며, 시료 No.1의 셀 저항률은 1.0 Ω·㎠였다. 마찬가지로 시료 No.4∼6, 8, 10, 11에서는, 시료 No.5, 6의 셀 저항률은 각각 0.9 Ω·㎠, 0.85 Ω·㎠이고, 시료 No.8, 10, 11의 셀 저항률은 각각 1.05 Ω·㎠, 1.0 Ω·㎠, 0.75 Ω·㎠이며, 시료 No.4의 셀 저항률은 0.8 Ω·㎠였다.
동일한 두께의 격막을 이용한 시료끼리를 비교하면, 전극 B를 구비하는 시료 No.2, 3의 셀 저항률은, 전극 A를 구비하는 시료 No.1의 셀 저항률과 대략 동등하고, 전극 B를 구비하는 시료 No.5, 6의 셀 저항률은, 전극 A를 구비하는 시료 No.4의 셀 저항률과 대략 동등하다. 이 점에서, 연질 섬유층으로 구성되는 전극 B를 이용해도, 반발력이 우수한 경질 섬유층으로 구성되는 전극 A만을 이용하는 경우와 동일한 정도로 셀 저항률을 낮게 할 수 있는 것을 알 수 있다. 또한, 시료 No.1∼3과 시료 No.7, 9의 비교, 및 시료 No.4∼6과 시료 No.8, 10의 비교로부터, 전극 C 또는 전극 D를 이용해도, 셀 저항률을 어느 정도 낮게 할 수 있는 것을 알 수 있다.
특히, 전극 A와 전극 B의 양방을 이용하면, 전극 B만을 이용하는 경우와 비교하여, 셀 저항률은 낮아져, 전극 A만을 이용하는 경우에 한층 근접하는 것을 알 수 있다. 이것은, 전극 A에 의한 반발력을 이용하여 전극 B를 구성하는 섬유끼리의 접점을 많게 할 수 있어 도전성을 높일 수 있었기 때문이라고 생각된다. 또한, 전극 A를 쌍극판측에 배치함으로써, 전극과 쌍극판을 충분히 접촉시킬 수 있어, 전극과 쌍극판 사이의 접촉 저항을 저감할 수 있었던 것도 기여하고 있다고 생각된다.
또한, 시료 No.11의 셀 저항률은 시료 No.6의 셀 저항률보다 낮아지고 있어, 전극 A와 전극 B의 양방을 이용하는 대신에, 전극 E와 전극 F의 양방을 이용하면, 셀 저항률은 보다 낮아지는 것을 알 수 있다.
[정리]
이상으로부터, 경질 섬유층으로 이루어지는 전극 A만을 이용하는 경우와 비교하여, 연질 섬유층으로 이루어지는 전극 B, 전극 C, 전극 D 또는 전극 F를 이용함으로써 격막을 얇게 할 수 있는 데다가, 섬유의 격막에의 꽂힘 및 구멍 뚫림을 억제할 수 있는 것을 알 수 있었다. 그리고, 전극 B만을 이용함으로써, 어느 정도 셀 저항률을 낮게 할 수 있는 것, 전류 효율을 높게 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 전극 C만 또는 전극 D만을 이용해도, 셀 저항률을 어느 정도 낮게 할 수 있는 것, 전류 효율을 높게 할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 전극 A와 전극 B의 양방을 이용하여, 전극 A를 쌍극판측에, 전극 B를 격막측에 설치함으로써, 전극 B만을 이용하는 경우와 비교하여 셀 저항률을 낮게 할 수 있는 것, 전극 B만을 이용하는 경우와 마찬가지로 전류 효율을 높게 할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한, 전극 A와 전극 B의 양방을 이용하는 대신에, 전극 E와 전극 F의 양방을 이용하여, 전극 E를 쌍극판측에, 전극 F를 격막측에 설치함으로써, 셀 저항률을 보다 낮게 할 수 있고, 전류 효율을 높게 할 수 있는 것을 알 수 있었다.
한편, 본 발명은 이들 예시에 한정되는 것은 아니며, 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등의 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1: 레독스 플로우(RF) 전지 2A, 2B, 2C: 전극
20A, 20B, 20C: 섬유 집합체 20s: 연질 섬유층
20h: 경질 섬유층 100: 전지 셀
101: 격막 102: 정극 셀
103: 부극 셀 104: 정극 전극
105: 부극 전극 106: 정극 전해액 탱크
107: 부극 전해액 탱크 108, 109: 공급 도관
110, 111: 배출 도관 112, 113: 펌프
120: 셀 프레임 121: 쌍극판
122: 프레임체 131, 132: 급액 매니폴드
133, 134: 배액 매니폴드 135, 136, 137, 138: 가이드 홈
140: 시일 부재 200: 셀 스택
210, 220: 엔드 플레이트

Claims (9)

  1. 레독스 플로우 전지의 격막에 대향 배치되는 레독스 플로우 전지용 전극에 있어서, 복수 개의 탄소 섬유를 갖는 섬유 집합체를 포함하고,
    상기 섬유 집합체는, 영률이 200 ㎬ 이하인 연질 탄소 섬유를 포함하는 것인 레독스 플로우 전지용 전극.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 연질 탄소 섬유의 평균 탄소 섬유 직경이 20 ㎛ 이하인 것인 레독스 플로우 전지용 전극.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 섬유 집합체는 또한, 영률이 200 ㎬ 초과인 경질 탄소 섬유를 포함하는 것인 레독스 플로우 전지용 전극.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 섬유 집합체는, 상기 연질 탄소 섬유를 주체로 하는 연질 섬유층과, 상기 경질 탄소 섬유를 주체로 하는 경질 섬유층의 적층 구조를 갖고,
    상기 연질 섬유층은, 상기 섬유 집합체의 상기 격막에 대향하는 제1 면측을 형성하는 것인 레독스 플로우 전지용 전극.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연질 섬유층의 단위 중량은, 20 g/㎡ 이상 300 g/㎡ 이하인 것인 레독스 플로우 전지용 전극.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 경질 섬유층의 단위 중량은, 20 g/㎡ 이상 300 g/㎡ 이하인 것인 레독스 플로우 전지용 전극.
  7. 정극 전극과, 부극 전극과, 상기 정극 전극과 상기 부극 전극 사이에 개재되는 격막을 포함하는 레독스 플로우 전지에 있어서,
    상기 정극 전극, 및 상기 부극 전극 중 적어도 한쪽의 전극이, 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 레독스 플로우 전지용 전극을 포함하는 것인 레독스 플로우 전지.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 격막의 두께가, 5 ㎛ 이상 60 ㎛ 이하인 것인 레독스 플로우 전지.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 격막의 두께가, 40 ㎛ 이하인 것인 레독스 플로우 전지.
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