WO2021009929A1 - レドックスフロー電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池システム - Google Patents
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Abstract
Description
正極電極と負極電極とを備え、
前記正極電極及び前記負極電極はそれぞれ、複数の炭素繊維を含む集合体であり、
前記負極電極の目付量が前記正極電極の目付量よりも大きい。
本開示のレドックスフロー電池セルを複数備える。
本開示のレドックスフロー電池セル、又は本開示のセルスタックを備える。
レドックスフロー電池において、水素ガスの発生量を低減することが望まれている。
本開示のレドックスフロー電池セル、本開示のセルスタック、及び本開示のレドックスフロー電池システムは、水素ガスの発生量を低減できる。
最初に本開示の実施態様を列記して説明する。
(1)本開示の一態様に係るレドックスフロー電池セルは、
正極電極と負極電極とを備え、
前記正極電極及び前記負極電極はそれぞれ、複数の炭素繊維を含む集合体であり、
前記負極電極の目付量が前記正極電極の目付量よりも大きい。
以下、レドックスフロー電池セルをRF電池セルと呼ぶことがある。
前記正極電極の目付量に対する前記負極電極の目付量の比率が105%以上である形態が挙げられる。
前記正極電極の目付量及び前記負極電極の目付量は、20g/m2以上500g/m2以下である形態が挙げられる。
前記炭素繊維の平均繊維径が20μm以下である形態が挙げられる。
上記(1)から(4)のいずれか一つのRF電池セルを複数備える。
上記(1)から(4)のいずれか一つのRF電池セル、又は上記(5)のセルスタックを備える。
以下、レドックスフロー電池システムをRF電池システムと呼ぶことがある。
以下、図面を参照して、本開示の実施形態のレドックスフロー電池セル、セルスタック、及びレドックスフロー電池システムを説明する。図において同一符号は同一名称物を意味する。
図1,図2を参照して、実施形態のRF電池セル1、実施形態のセルスタック2、実施形態のRF電池システム10について、概要を説明する。その後、実施形態のRF電池セル1に備えられる正極電極13及び負極電極14を詳細に説明する。
実施形態のRF電池セル1は、正極電極13と負極電極14とを備え、RF電池システム10の主要素に用いられる。RF電池システム10は、電解液循環型の蓄電池の一つであり、正極電極13、負極電極14にそれぞれ正極電解液、負極電解液を供給して、充放電を行う。
RF電池セル1は、代表的には、正極電極13と、負極電極14と、隔膜11とを備え、後述のセルフレーム3を用いて構築される。正極電極13及び負極電極14は、電池反応を行う場である。隔膜11は、正極電極13と負極電極14とに挟まれて、両者を隔てる。隔膜11は、例えばイオン交換膜等が挙げられる。
多セル電池では、RF電池セル1としてセルスタックと呼ばれる形態が利用される。図1,図2に例示するようにセルスタック2は、代表的には、上述の積層体と、一対のエンドプレート21と、複数の締付部材22とを備える。一対のエンドプレート21は、上記積層体を挟む。各締付部材22は、代表的には長ボルトとナットとを備える。複数の締付部材22は、両エンドプレート21間を締め付ける。本例の枠体30はシール材38を備える。上述の締め付けとシール材38とによって、上記積層体が液密に保持される。
RF電池システム10は、RF電池セル1と、RF電池セル1に正極電解液、負極電解液を供給する循環機構とを備える。RF電池システム10に備えられるRF電池セル1は、セルスタック2でもよい。この点は、この項において同様である。
循環機構は、タンク16,17と、配管160,170と、ポンプ18,19とを備える。タンク16は正極電解液を貯留する。タンク17は負極電解液を貯留する。配管160は、往路配管161、復路配管162を備える。配管170は、往路配管171、復路配管172を備える。配管160,170は、タンク16,17とRF電池セル1とに接続される。ポンプ18,19はそれぞれ、往路配管161,171に接続される。ポンプ18,19によって、タンク16からの正極電解液、タンク17からの負極電解液は、往路配管161,171を経て、RF電池セル1の正極電極13,負極電極14に供給される。正極電極13からの正極電解液、負極電極14からの負極電解液は、復路配管162,172を経てタンク16,17に戻される。図1の黒矢印は、電解液の流れを示す。
電解液は、活物質として機能するイオン、即ち活物質イオンを含む溶液が挙げられる。RF電池システム10に利用される代表的な電解液は、活物質イオンと、酸とを含む水溶液が挙げられる。正極活物質イオンの一例として、バナジウムイオン、マンガンイオン、鉄イオン等が挙げられる。負極活物質イオンの一例として、バナジウムイオン、チタンイオン、クロムイオン等が挙げられる。バナジウム系電解液では、正極活物質イオン及び負極活物質イオンがいずれもバナジウムイオンであり、バナジウムイオンの価数が異なる。図1は、正極活物質イオン、負極活物質イオンとして、価数が異なるバナジウムイオンを例示する。
実施形態のRF電池セル1に備えられる正極電極13、負極電極14には、複数の炭素繊維を含む集合体が利用される。以下、複数の炭素繊維を含む集合体を繊維集合体と呼ぶことがある。繊維集合体は、例えば、カーボンフェルト、カーボンクロス、カーボンペーパー等が挙げられる。
正極電極13及び負極電極14はいずれも、上述の繊維集合体であるが、繊維集合体の目付量が異なる。ここでの繊維集合体の目付量とは、繊維集合体における単位面積当たりの質量であり、ここでは1平方メートルあたりのグラム(g/m2)である。
定量的には、正極電極13の目付量W3に対する負極電極14の目付量W4の比率[(W4/W3)×100]が100%超であり、W3<W4である。以下、上記比率を目付量比率と呼ぶ。
正極電極13の目付量W3及び負極電極14の目付量W4は、例えば20g/m2以上500g/m2以下が挙げられる。
正極電極13及び負極電極14を構成する繊維集合体では、一般に、炭素繊維の平均繊維径が小さいほど、セル抵抗が小さくなり易い。この理由は、以下の通りである。目付量が一定の場合、平均繊維径が細いほど、繊維集合体に含まれる炭素繊維の数が多くなり易い。炭素繊維の数が多いほど、炭素集合体における炭素繊維の合計表面積が大きくなり易い。繊維集合体の表面積が大きいほど、電池反応性が高くなり易い。その結果、電池反応を良好に行えるため、セル抵抗が小さくなり易い。セル抵抗の低減の観点から、例えば、平均繊維径は20μm以下が挙げられる。
正極電極13及び負極電極14において平面積、厚さは、上述の目付量比率を満たす範囲で適宜選択できる。正極電極13及び負極電極14の平面形状は適宜選択できる。代表的な平面形状として、図2に例示する長方形が挙げられる。
実施形態のRF電池セル1は、負極電極14の目付量W4が正極電極13の目付量W3よりも大きいため、正極電極13の電池反応性と負極電極14の電池反応性との差に基づく現象を運転制御に利用できる。上記現象、例えば正極電極13の酸化に起因する炭酸ガスの発生に基づいて充電を停止すれば、SOCやOCVを測定しなくても、負極電解液が過充電になることを防止することができる。ひいては、負極側において水素ガスの発生量が低減される。
正極電極の目付量と負極電極の目付量との組み合わせを種々変更してRF電池セルを構築して充放電を行い、目付量と水素ガスの発生量との関係を調べた。
予め設定した所定の切替電圧に達したら、充電と放電とを切り替えるという条件で3サイクルの充放電を行う。充放電は、電流密度を90mA/cm2とする定電流で行う。使用する電解液は、バナジウム系電解液、即ち硫酸バナジウム水溶液である。この電解液におけるバナジウムイオン濃度は2mol/Lである。
特定試料群と試料No.101,No.102とを比較する。この比較から、目付量比率が103%超、特に105%以上であると、水素ガスの発生量が少なくなり易いといえる。また、特定試料群では、試料No.101,No.102よりも炭酸ガスの発生量が多く、セル抵抗の増加量も大きい。このことから、目付量比率が105%以上であれば、炭酸ガスの発生量に基づいて充電を停止することで、水素ガスの発生量を効果的に低減できると期待される。また、炭酸ガスの発生量及び正極電極の酸化劣化を鑑みれば、目付量比率は190%以下が好ましいと考えられる。
例えば、試験例1において、正極電極の目付量及び負極電極の目付量、電解液の組成、セル数等を変更可能である。
10 レドックスフロー電池システム(RF電池システム)
11 隔膜、13 正極電極、14 負極電極、15 双極板
16,17 タンク、18,19 ポンプ
2 セルスタック
20 サブセルスタック、21 エンドプレート、22 締付部材
23 給排板
3 セルフレーム
30 枠体、33,34 給液マニホールド、35,36 排液マニホールド
38 シール材
90 介在機器、91 発電部、92 負荷
160,170 配管、161,171 往路配管、162,172 復路配管
Claims (6)
- 正極電極と負極電極とを備え、
前記正極電極及び前記負極電極はそれぞれ、複数の炭素繊維を含む集合体であり、
前記負極電極の目付量が前記正極電極の目付量よりも大きい、
レドックスフロー電池セル。 - 前記正極電極の目付量に対する前記負極電極の目付量の比率が105%以上である請求項1に記載のレドックスフロー電池セル。
- 前記正極電極の目付量及び前記負極電極の目付量は、20g/m2以上500g/m2以下である請求項1又は請求項2に記載のレドックスフロー電池セル。
- 前記炭素繊維の平均繊維径が20μm以下である請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池セル。
- 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池セルを複数備える、
セルスタック。 - 請求項1から請求項4のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池セル、又は請求項5に記載のセルスタックを備える、
レドックスフロー電池システム。
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