(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電解液が導入される上流側端部から電解液が排出される下流側端部に連続する電解液の流通溝を有するレドックスフロー電池用電極であって、
前記流通溝が形成された複数の電極片からなり、各電極片の溝以外の部分にも電極液が流通され、かつ、電極片間に、前記流通溝を横断する隙間が形成され、前記各電極片に形成される流通溝は、前記隙間を介して、それぞれが互い違いとなるように配置されることを特徴とするレドックスフロー電池用電極。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レドックスフロー電池用電極に関するものである。特に、電解液における流液の際の圧力損失を上昇させずに液エネルギー密度を向上することができるレドックスフロー電池用電極に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図2は従来のレドックスフロー二次電池の動作原理を示す説明図である。この電池は、イオンが通過できる隔膜103で正極セル100Aと負極セル100Bとに分離されたセル100を具える。正極セル100Aと負極セル100Bの各々には正極電極104と負極電極105とを内蔵している。正極セル100Aには、正極用電解液を供給及び排出する正極用タンク101が導管106、107を介して接続されている。同様に負極セル100Bには、負極用電解液を供給及び排出する負極用タンク102が導管109、110を介して接続されている。各電解液は、バナジウムイオンなどの価数が変化するイオンの水溶液を用い、送液ポンプ108、111で循環させ、正極電極104及び負極電極105におけるイオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。
【０００３】
図3は、上記の電池に用いるセルスタックの概略構成図である。通常、上記の電池には、複数のセル210が積層されたセルスタック200と呼ばれる構成が利用される。各セル210は、隔膜103の両側に炭素質繊維(カーボンフェルト)製の正極電極104および負極電極105を具える。そして、正極電極104と負極電極105の各々の外側には、双極板211を具えるセルフレーム212が配置される。
【０００４】
図4は、従来のレドックスフロー二次電池に用いられる電極の模式図である。従来、正極電極や負極電極に用いられる電極300として、電解液を流通させるために、表面に電解液の流れる方向に沿って上流側端部から下流側端部に連続する複数の流通溝301を具えたものが知られている。この電極300は、この流通溝301を複数具えることで、流液の際の圧力損失を低減させて、送液ポンプ(図3参照)の負荷を減らし、電池における全エネルギー効率を高めるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
流液の際の圧力損失をより低減させるためには、流通溝をより深く、又は流通溝の幅を大きくして断面積を大きくすることが考えられる。しかし、流通溝が上流側端部から下流側端部に連続する直線状であったり、また、このような形状で深すぎたり、幅が広すぎたりすると、圧力損失が低減する反面、電解液が電極でイオンの価数変化反応を十分に行うことなく排出されて、液エネルギー密度(kWh/m3)や放電容量(kWh)が小さくなるという問題がある。更に、溝加工にバラツキがあると、液エネルギー密度や放電容量といった電池性能にもバラツキが生じる。従って、セル間に電池性能のバラツキがあると、特定のセルが過負荷状態となって性能劣化、引いては電池寿命の短縮化を引き起こすという問題もある。
【０００６】
そこで、本発明は、流液の際の圧力損失を上昇させることなく、液エネルギー密度を向上させることができるレドックスフロー電池用電極を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電解液が導入される上流側端部から電解液が排出される下流側端部に連続する電解液の流通溝を有するレドックスフロー電池用電極であって、前記流通溝が形成された複数の電極片からなり、各電極片の溝以外の部分にも電極液が流通され、かつ、電極片間に、前記流通溝を横断する隙間が形成され、前記各電極片に形成される流通溝は、前記隙間を介して、それぞれが互い違いとなるように配置されることを特徴とする。
【０００８】
従来の電極は、流液の際の圧力損失を低減させることを主目的として、電解液が導入される上流側端部から電解液が排出される下流側端部に連続する直線状の流通溝を設けていた。しかし、本発明者らは、電極の表面に流通溝を全て上流側端部から下流側端部に連続する直線状に設けると、充電された電解液の一部が電極内で放電反応を起こさずにそのまま排出されてしまい、結果として液エネルギー密度が減少することを見出した。
【０００９】
電解液の放電反応は、一般に、電極における溝以外の部分で主に起こり、溝部分では少ない。即ち、流通溝から流出した電解液は、電極における溝以外の部分から流出した液と比較して放電反応量が比較的小さい。従来の電極では、流通溝を流通する電解液は溝以外の部分に、一方、溝以外の部分を流通する液は溝にそれぞれ流出して、溝を流通する液と溝以外の部分を流通する液とが混合される。しかし、従来の電極は、その混合が不十分なため、放電反応を起こさずに流通溝から流出してしまう電解液があり、結果として液エネルギー密度が小さくなっていた。
【００１０】
そこで、本発明レドックスフロー電池用電極は、電解液の上流側端部から下流側端部に連続する非直線状の流通溝を有し、かつ、表面に電極液が流通する複数の電極片からなり、各電極片には、前記流通溝が形成され、かつ、電極片間に、前記流通溝を横断する隙間が形成され、前記各電極片に形成される流通溝は、前記隙間を介して、それぞれが互い違いとなるように配置されるため、同直線状の流通溝を有する従来の電極と比べて、溝を流通する電解液と溝以外の部分を流通する液とがより混合される。従って、従来の電極に比較してイオンの価数変化反応量を増加でき、液エネルギー密度を向上させることができる。このような構成により、本発明電極は、流液の際の圧力損失を上昇させることなく、液エネルギー密度を向上させることを実現する。
【００１１】
本発明レドックスフロー電池用電極において流通溝は、波状などの曲線状、山と谷を繰り返したジグザク状、階段状などの非直線状のものが挙げられる。このような電極は、流通溝を有する複数の電極片を組み合わせて一つの電極とする。この場合、各電極片間に隙間を設け、隙間を介して各電極片の流通溝を繋げる。なお、隙間を設けることで、上記のように電解液の混合作用を果たし、液エネルギー密度をより向上させることができる。
【００１２】
具体的な例として、電解液が導入される上流側に流通溝を有する第一凹凸部と電解液が排出される下流側に中間部を起点とする第二の流通溝を有する第二凹凸部とを具え、第一凹凸部の流通溝と第二凹凸部の流通溝とは、交互に配置されるものが挙げられる。この電極は、特に、第二凹凸部の第二の流通溝が設けられていない流通溝間に第一凹凸部の流通溝が位置するように配置し、第一凹凸部の流通溝を出た電解液を上記流通溝間に導入させてイオンの価数変化反応を行わせる構成である。このような電極は、各部を別個の電極片として組み合わせて一つの電極とする。この場合、各部間に隙間を設け、流通溝を有する各部をそれぞれの流通溝が互い違いとなるように双極板上に配置するとよい。このとき、流通溝は、隙間を介して上流側から下流側に連続される。また、このように互いの流通溝を交互に配置した第一凹凸部と第二凹凸部とで一対の組み合わせとし、各部間に隙間を介して、この組み合わせを複数具えてもよい。
【００１３】
本発明電極の材料は、公知の方法によって得られたポリアクリロニトリル繊維を公知の方法で耐炎化した耐炎化繊維や、等方位ピッチやメゾフェースピッチのプリカーサ繊維、セルロース繊維、硬化ノボラック繊維などの炭素化可能な繊維を用いるとよい。この繊維をカードによって解繊し、多層化されたウェブをニードルパンチによって不織布化するなどの公知の方法により不織布化するとよい。流通溝の付与は、所定の山幅、山間隔、高さを規定した金型を上記の不織布に載せ、一定の温度で一定時間プレスする方法や、鋭利な刃物で流通溝を切削する方法、ラインエンボスによる方法、ラインのステッチボンドによる方法などの公知の方法で行うとよい。また、流通溝の付与が困難な不織布については、予め流通溝を付与した不織布と貼り合わせて一体化してもよい。こうして得られた流通溝付きの不織布は、公知の方法で導電性付与を行い、炭素質繊維製の電極を得る。
【００１４】
このような本発明電極は、レドックスフロー電池に用いられることが好適である。即ち、双極板を有するセルフレームと隔膜との間に本発明電極を配置してレドックスフロー電池を組立て、電解液を供給排出するとよい。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を説明する。
図1は、本発明レドックスフロー電池用電極の一例を示す模式図であり、第一凹凸部の流通溝と第二凹凸部の第二の流通溝とが交互に配置されているものである。本発明電極40は、流通溝が上流側端部から下流側端部に連続するものである。より具体的には、本発明電極40は、上流側に流通溝1を有する第一凹凸部5、隙間4を介して、下流側に第二の流通溝1’を有する第二凹凸部6の二つの凹凸部からなり、各部5、6の流通溝1、1’を互い違いになるように配置している。そして、流通溝は、第一凹凸部5の流通溝1から隙間4を介して第二凹凸部6の第二の流通溝1’に繋がる階段状に上流側端部から下流側端部に連続する。この電極40では、第一凹凸部5の流通溝1を出た電解液が第二凹凸部6の第二の流通溝1’間に導入され、この流通溝1’間でイオンの価数変化反応が行われる構造である。
【００１６】
本発明電極40は、流通溝1、1’を有する第一・第二凹凸部5、6によって圧力損失の上昇を抑制すると共に、特に、第二凹凸部6の流通溝1’間で液エネルギー密度を向上させる。また、第一・第二凹凸部5、6間に隙間4を設けていることで、上記と同様に電解液の混合作用を果たし、液エネルギー密度をより向上させることが可能である。
【００１７】
(試験例)
上記本発明レドックスフロー電池用電極、及び図4に示す従来の電極において、液エネルギー密度及び圧力損失を測定してみた。試験条件を以下に示す。
【００１８】
(試験条件)
使用した電解液：V(バナジウム)：1.7mol/l、H2SO4(硫酸)：2.6mol/l
使用した電解液の量：正極、負極ともに3.5ｌ
使用した電解液の送液量：正極、負極ともに0.2ml/min・cm2
放電電流密度：70mA/cm2
放電終了電圧：1.0V/セル
下記の電極を双極板上に配置して、5セル積層してレドックスフロー電池を形成し、上記の電解液を供給排出して、開放電圧(1.48V/セル)まで充電した後、放電を行い、このときの液エネルギー密度、セル部分の圧力損失を測定し、優劣を評価した。その結果を表1に示す。
【００１９】
(使用した電極)
以下、長さとは、図1，図4において上下方向の大きさをいう。幅とは、同様に図1，図4において左右方向の大きさをいう。
実施例1-1(浅溝型)
第一凹凸部：長さ15cm  幅25cm  厚さ4.5mm
第一凹凸部の流通溝：長さ15cm  幅3mm  溝間5mm  深さ2.0mm
第二凹凸部：長さ4.5cm  幅25cm  厚さ4.5mm
第二凹凸部の流通溝：長さ4.5cm  幅3mm  溝間5mm  深さ2.0mm
第一流通溝と第二凹凸部との隙間：長さ0.5cm  幅25cm
実施例1-2(深溝型)
各流通溝：深さ2.5mm、その他の大きさは実施例4-1と同様
従来例1-1(浅溝型)
電極の大きさ：長さ20cm  幅25cm  厚さ4.5mm
流通溝：長さ20cm  幅3mm  溝間5mm  深さ2.0mm
従来例1-2(深溝型)
流通溝：深さ2.5mm、その他の大きさは比較例1-1と同様
用いた電極は、いずれも上記実施例で示した製造方法により製造した。
【００２０】
【表１】
0003996762.tif 000002
【００２１】
表1に示すように、実施例1-1〜1-2は、従来例1-1と比較して、圧力損失が同等か若干劣るが、液エネルギー密度に非常に優れることが分かる。
【００２２】
浅溝型(実施例1-1)と深溝型(実施例1-2)とを比較すると、いずれの実施例も、深溝型の方が圧力損失が小さく、かつ浅溝型の液エネルギー密度とほぼ同等の値である。このことから、流通溝は深いほうが好ましいことが分かる。
【００２３】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明レドックスフロー電池用電極によれば、上流側端部から下流側端部に連続する流通溝を非直線状とすることで、溝の電解液と溝以外の部分の液とがより混合されるため、圧力損失の上昇を抑制すると共に、液エネルギー密度をより向上させることができる。従って、本発明電極を用いたレドックスフロー電池は、電池としての全エネルギー効率を従来の電極よりも高めることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】  本発明レドックスフロー電池用電極の一例を示す模式図であり、第一凹凸部の流通溝と第二凹凸部の流通溝とが交互に配置されているものである。
【図２】  従来のレドックスフロー二次電池の動作原理を示す説明図である。
【図３】  従来のレドックスフロー二次電池に用いるセルスタックの概略構成図である。
【図４】  従来のレドックスフロー二次電池に用いられる電極の模式図である。
【符号の説明】
【００２５】
１  流通溝  1’  第二の流通溝  4  隙間  5  第一凹凸部
6  第二凹凸部  40  レドックスフロー電池用電極
100  セル  100A  正極セル  100B  負極セル  101  正極用タンク
102  負極用タンク  103  隔膜  104  正極電極105  負極電極
106、107、109、110  導管  108、111  送液ポンプ
200  セルスタック  201  セルフレーム  202  双極板
300  電極  301  流通溝
【図１】
0003996762.tif 000003
【図２】
0003996762.tif 000004
【図３】
0003996762.tif 000005
【図４】
0003996762.tif 000006