JP2015122229A - Electrode, and redox flow cell - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池やレドックスフロー電池などの流体流通型電池に用いられる電極、およびこの電極を用いたレドックスフロー電池に関する。 The present invention relates to an electrode used in a fluid flow type battery such as a fuel cell or a redox flow battery, and a redox flow battery using the electrode.
流体流通型電池の代表例としてレドックスフロー電池(RF電池)が挙げられる。RF電池は、正極用電解液に含まれるイオンと負極用電解液に含まれるイオンの酸化還元電位の差を利用して充放電を行う電池である。 A representative example of the fluid flow type battery is a redox flow battery (RF battery). An RF battery is a battery that charges and discharges using a difference in oxidation-reduction potential between ions contained in a positive electrode electrolyte and ions contained in a negative electrode electrolyte.
図2は、正負の活物質としてバナジウムイオンを利用したRF電池100の動作原理図である。この図2に示すように、RF電池100は、水素イオン(プロトン)を透過させる隔膜101で正極セル102と負極セル103とに分離された電池セル100Cを備える。正極セル102には正極電極104が内蔵され、かつ正極用電解液を貯留する正極電解液用タンク106が導管108、110を介して接続されている。同様に、負極セル103には負極電極105が内蔵され、かつ負極用電解液を貯留する負極電解液用タンク107が導管109、111を介して接続されている。各タンク106、107に貯留される電解液は、充放電の際にポンプ112、113によりセル102、103内に循環される。
FIG. 2 is an operation principle diagram of the
上記電池セル100Cは通常、図3の下図に示すように、セルスタック200と呼ばれる構造体の内部に形成される。セルスタック200は、図3の上図に示すように、額縁状の枠体122に一体化された双極板121を備えるセルフレーム120、正極電極104、隔膜101、および負極電極105を、この順番で積層した構成を備える。この構成では、各セルフレーム120間の隙間がシール構造127で封止され、隣接する各セルフレーム120の双極板121の間に一つの電池セル100Cが形成されることになる。
The
セルスタック200における電池セル100Cへの電解液の流通は、枠体122に形成される給液用マニホールド123,124と、排液用マニホールド125,126により行われる。正極用電解液は、給液用マニホールド123から枠体122の一面側(紙面表側)に形成される溝を介して双極板121の一面側に配置される正極電極104に供給される。そして、その正極用電解液は、枠体122の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド125に排出される。同様に、負極用電解液は、給液用マニホールド124から枠体122の他面側(紙面裏側)に形成される溝を介して双極板121の他面側に配置される負極電極105に供給される。その負極用電解液は、枠体122の上部に形成される溝を介して排液用マニホールド126に排出される。
Distribution of the electrolyte solution to the
セル100Cを構成する電極104,105は、流体である電解液の流通が給液側から排液側に向かう電解液の流通を阻害しないように多孔質の導電材で構成されることが多い(例えば、特許文献1〜3を参照)。
The
近年、自然環境に配慮したエネルギーシステムの構築が期待されており、燃料電池やRF電池などの流体流通型電池の電池性能の向上が期待されている。例えば、燃料電池であれば発電効率の向上、RF電池などの蓄電池であれば充放電効率の向上が期待されている。このような期待に応える手段として、流体流通型電池のセル抵抗率を低減させることができる電極の開発が求められている。 In recent years, construction of an energy system in consideration of the natural environment is expected, and improvement in battery performance of fluid flow type batteries such as fuel cells and RF batteries is expected. For example, fuel cells are expected to improve power generation efficiency, and storage batteries such as RF batteries are expected to improve charge / discharge efficiency. As means for meeting such expectations, development of an electrode capable of reducing the cell resistivity of a fluid flow type battery is required.
一方、流体流通型電池の普及を促進するために、流体流通型電池の生産性を向上させることも期待されている。その生産性の向上の一環として、電極の生産性の向上が求められている。 On the other hand, in order to promote the spread of fluid flow type batteries, it is also expected to improve the productivity of fluid flow type batteries. As part of the improvement in productivity, there is a demand for improvement in electrode productivity.
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、本発明の目的の一つは、流体流通型電池のセル抵抗率を低減させることができると共に、生産性に優れる電極を提供することにある。また、本発明の別の目的は、本発明の電極を用いたレドックスフロー電池を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and one of the objects of the present invention is to provide an electrode that can reduce the cell resistivity of a fluid flow battery and is excellent in productivity. . Another object of the present invention is to provide a redox flow battery using the electrode of the present invention.
本発明の電極は、流体流通型電池に用いられる電極であって、平均で5μm以上20μm以下の径を有する導電性の太繊維を主体とする太繊維層と、平均で0.005μm以上4μm以下の径を有する導電性の細繊維を主体とし、太繊維層の一面側に設けられる細繊維層と、を備える。 The electrode of the present invention is an electrode used in a fluid flow type battery, and has a thick fiber layer mainly composed of conductive thick fibers having an average diameter of 5 μm to 20 μm, and an average of 0.005 μm to 4 μm. And a fine fiber layer provided mainly on one surface side of the thick fiber layer.
本発明の電極は、流体流通型電池のセル抵抗率を低減させることができ、しかも生産性に優れる。 The electrode of the present invention can reduce the cell resistivity of a fluid flow type battery and is excellent in productivity.
[本発明の実施形態の説明]
最初に本発明の実施形態の内容を列記して説明する。
[Description of Embodiment of the Present Invention]
First, the contents of the embodiment of the present invention will be listed and described.
[1]実施形態に係る電極は、流体流通型電池に用いられる電極であって、平均で5μm以上20μm以下の径を有する導電性の太繊維を主体とする太繊維層と、平均で0.005μm以上4μm以下の径を有する導電性の細繊維を主体とし、太繊維層の一面側に設けられる細繊維層と、を備える。 [1] The electrode according to the embodiment is an electrode used for a fluid flow type battery, and a thick fiber layer mainly composed of conductive thick fibers having a diameter of 5 μm or more and 20 μm or less on the average, and an average of 0.00. A fine fiber layer mainly composed of conductive fine fibers having a diameter of 005 μm or more and 4 μm or less and provided on one side of the thick fiber layer.
上記繊維径の細繊維を含む細繊維層を電極に設けることで、この電極を適用した流体流通型電池(以下、単に電池と呼ぶ)のセル抵抗率を低下させることができる。それは、繊維径を小さくすることで、電極の表面積が増加し、電極における電池反応の活性点が増加するからであると考えられる。また、繊維径を小さくすることで、電極の空隙率が高くなり、電極の隅々にまで流体が行き渡り易くなることも、電池のセル抵抗率の低減に寄与すると考えられる。 By providing the electrode with a fine fiber layer containing fine fibers having the above-mentioned fiber diameter, the cell resistivity of a fluid flow type battery (hereinafter simply referred to as a battery) to which this electrode is applied can be reduced. This is considered to be because by reducing the fiber diameter, the surface area of the electrode increases and the active point of the battery reaction at the electrode increases. In addition, it is considered that reducing the fiber diameter increases the porosity of the electrode and facilitates the fluid to reach every corner of the electrode, thereby contributing to a reduction in the cell resistivity of the battery.
上記繊維径の太繊維を含む太繊維層を電極に設けることで、電極の生産性を向上させることができる。太繊維層は、細繊維層よりも強度に優れ、丈夫であるため、電極を作製する際に細繊維層が損傷することを抑制できるからである。また、太繊維層によって所定の強度が保証されている電極は、電池の生産現場へ運搬する際や、所望の形状に裁断する際に損傷し難いため、電池の生産性の向上に寄与する。 The productivity of the electrode can be improved by providing the electrode with a thick fiber layer containing thick fibers having the above-mentioned fiber diameter. This is because the thick fiber layer is superior in strength and strong to the fine fiber layer, and thus can prevent the fine fiber layer from being damaged when the electrode is produced. In addition, since the electrode whose predetermined strength is guaranteed by the thick fiber layer is difficult to be damaged when transported to the production site of the battery or cut into a desired shape, it contributes to the improvement of battery productivity.
[2]実施形態に係る電極として、細繊維層の空隙率が80%以上99.9%以下で、かつ、太繊維層の空隙率が60%以上90%以下である電極を挙げることができる。 [2] Examples of the electrode according to the embodiment include an electrode in which the fine fiber layer has a porosity of 80% or more and 99.9% or less and the thick fiber layer has a porosity of 60% or more and 90% or less. .
例えばレドックスフロー電池の場合、細繊維層の空隙率が小さいと、細繊維層の空隙部に充填される電解液における三次元的なイオン伝導パスが減少し、電池のセル抵抗率が増加する。これに対して、細繊維層の空隙率が80%以上99.9%以下であれば、細繊維層の空隙部に充填される電解液におけるイオン伝導パスが増加し、電池のセル抵抗率を低下させることができる。一方、太繊維層の空隙率が60%以上90%以下であれば、太繊維層によって流体の流れが極端に阻害されることがなく、太繊維層によって電池のセル抵抗率が上昇することを抑制することができる。 For example, in the case of a redox flow battery, if the porosity of the fine fiber layer is small, the three-dimensional ion conduction path in the electrolytic solution filled in the gap of the fine fiber layer is decreased, and the cell resistivity of the battery is increased. On the other hand, if the porosity of the fine fiber layer is 80% or more and 99.9% or less, the ion conduction path in the electrolyte filled in the void portion of the fine fiber layer increases, and the cell resistivity of the battery is increased. Can be reduced. On the other hand, if the porosity of the thick fiber layer is 60% or more and 90% or less, the flow of fluid is not extremely inhibited by the thick fiber layer, and the cell resistivity of the battery is increased by the thick fiber layer. Can be suppressed.
[3]実施形態に係る電極として、細繊維層の空隙率が、太繊維層の空隙率よりも高い電極を挙げることができる。 [3] Examples of the electrode according to the embodiment include an electrode in which the fine fiber layer has a higher porosity than the thick fiber layer.
既に述べたように、電極における電池反応の活性点を増加させるのは細繊維層である。そのため、電極における細繊維層の空隙率を大きくすることで、細繊維層の隅々にまで流体が行き渡り易くすることができ、電極全体のセル抵抗率を低下させることができる。 As already mentioned, it is the fine fiber layer that increases the active point of the battery reaction at the electrode. Therefore, by increasing the porosity of the fine fiber layer in the electrode, the fluid can easily spread to every corner of the fine fiber layer, and the cell resistivity of the entire electrode can be reduced.
[4]実施形態に係る電極として、細繊維層が、固相法あるいは液相法によって形成されている電極を挙げることができる。 [4] Examples of the electrode according to the embodiment include an electrode in which the fine fiber layer is formed by a solid phase method or a liquid phase method.
固相法あるいは液相法によれば、所望の繊維径の細繊維を含む細繊維層であって、空隙率が大きな細繊維層を太繊維層の一面側に容易に形成することができる。 According to the solid phase method or the liquid phase method, a fine fiber layer containing fine fibers having a desired fiber diameter and having a large porosity can be easily formed on one side of the thick fiber layer.
[5]実施形態に係る電極として、細繊維層と太繊維層との二層構造である電極を挙げることができる。 [5] Examples of the electrode according to the embodiment include an electrode having a two-layer structure of a fine fiber layer and a thick fiber layer.
二層構造の電極は、生産性良く製造することができる。例えば、強度に優れる太繊維層を用意し、その太繊維層の一面側に細繊維層を形成すれば、電極の製造過程で細繊維層が損傷することを抑制することができる。 A two-layer electrode can be manufactured with high productivity. For example, if a thick fiber layer having excellent strength is prepared and a fine fiber layer is formed on one side of the thick fiber layer, the fine fiber layer can be prevented from being damaged during the manufacturing process of the electrode.
[6]実施形態に係る電極として、細繊維を主体とし、太繊維層の他面側に設けられる導電層を備える三層構造である電極を挙げることができる。 [6] As an electrode according to the embodiment, an electrode having a three-layer structure mainly including fine fibers and including a conductive layer provided on the other surface side of the thick fiber layer can be exemplified.
上記三層構造の電極であれば、太繊維層と双極板の接触抵抗を改善することが出来る。レドックスフロー電池では、電極は、積層される双極板の間に挟まれて圧縮される。太繊維層の双極板側にも、細繊維を主体とする導電層を付けることで、太繊維層と双極板との接触面積を増加させ、接触抵抗を低減するができる。 The electrode having the three-layer structure can improve the contact resistance between the thick fiber layer and the bipolar plate. In a redox flow battery, the electrode is sandwiched between stacked bipolar plates and compressed. By attaching a conductive layer mainly composed of fine fibers to the bipolar plate side of the thick fiber layer, the contact area between the thick fiber layer and the bipolar plate can be increased, and the contact resistance can be reduced.
[7]実施形態に係る電極として、細繊維層の平均厚みが10μm以上500μm以下で、かつ、太繊維層の平均厚みが100μm以上500μm以下である電極を挙げることができる。 [7] Examples of the electrode according to the embodiment include an electrode having an average thickness of the fine fiber layer of 10 μm to 500 μm and an average thickness of the thick fiber layer of 100 μm to 500 μm.
上記厚みを有する細繊維層と太繊維層を備える電極は、強度と電極性能のバランスに優れる。 An electrode comprising a fine fiber layer and a thick fiber layer having the above thickness is excellent in balance between strength and electrode performance.
[8]実施形態に係る電極として、細繊維層の平均厚みが太繊維層の平均厚みよりも大きい電極を挙げることができる。 [8] Examples of the electrode according to the embodiment include an electrode in which the average thickness of the fine fiber layer is larger than the average thickness of the thick fiber layer.
上記構成によれば、細繊維層の平均厚みが太繊維層の平均厚みよりも小さい電極よりも、電池性能に優れる電池を作製することができる。上述のように、電極における電池反応の活性点を増加させるのは細繊維層であるため、電極における細繊維層の割合を高くすると、電極における電池反応の活性点を大幅に増加させることができるからである。 According to the said structure, the battery which is excellent in battery performance can be produced rather than the electrode whose average thickness of a fine fiber layer is smaller than the average thickness of a thick fiber layer. As described above, since it is the fine fiber layer that increases the active point of the battery reaction in the electrode, if the proportion of the fine fiber layer in the electrode is increased, the active point of the battery reaction in the electrode can be greatly increased. Because.
[9]実施形態に係る電極として、太繊維層の引張強度が98kPa以上である電極を挙げることができる。 [9] As an electrode according to the embodiment, an electrode in which the tensile strength of the thick fiber layer is 98 kPa or more can be exemplified.
引張強度が98kPa(約1kgf/cm2)以上の太繊維層であれば、細繊維層を保持する基材としての役割を十分に果たすことができる。 A thick fiber layer having a tensile strength of 98 kPa (about 1 kgf / cm 2 ) or more can sufficiently serve as a substrate for holding the fine fiber layer.
[10]実施形態に係る電極として、太繊維層が、カーボンペーパー、またはカーボンクロスである電極を挙げることができる。 [10] Examples of the electrode according to the embodiment include an electrode in which the thick fiber layer is carbon paper or carbon cloth.
カーボンペーパーやカーボンクロスは、十分な導電性と引張強度を備えるため、太繊維層として好適である。 Carbon paper and carbon cloth are suitable as a thick fiber layer because they have sufficient conductivity and tensile strength.
[11]実施形態に係るレドックスフロー電池は、上記実施形態の電極を備える。 [11] A redox flow battery according to the embodiment includes the electrode of the above-described embodiment.
実施形態のレドックスフロー電池は、電池性能に優れる。それは、実施形態の電極を備えることで、レドックスフロー電池のセル抵抗率が低下するからである。 The redox flow battery of the embodiment is excellent in battery performance. This is because the cell resistivity of the redox flow battery is reduced by including the electrode of the embodiment.
[本発明の実施形態の詳細]
以下、本実施形態に係る電極の具体例を図面に基づいて説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるわけではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内の全ての変更が含まれることを意図する。
[Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, specific examples of the electrode according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. In addition, this invention is not necessarily limited to these illustrations, is shown by the claim, and intends that all the changes within the claim, the meaning equivalent, and the range are included.
<実施形態1>
実施形態1では、流体流通型電池の代表例であるレドックスフロー電池(以下、RF電池)に用いる電極1を図1に基づいて説明する。電極1以外の構成は、図2,3を参照して説明した従来のRF電池100と同様の構成を採用できるため、その詳しい説明は省略する。
<Embodiment 1>
Embodiment 1 demonstrates the electrode 1 used for the redox flow battery (henceforth RF battery) which is a typical example of a fluid flow type battery based on FIG. Since the configuration other than the electrode 1 can adopt the same configuration as the
≪電極≫
本実施形態の電極1は、少なくとも太繊維層10と細繊維層11を備える多層構造を有する。太繊維層10は紙面右側の双極板121側に、細繊維層11は紙面左側の隔膜101側に配置することが好ましい。この二層のうち、電池反応の主体となる層は細繊維層11であり、太繊維層10は細繊維層11が損傷しないように保持する基材としての役割を果たす。以下、各層の詳しい構成を説明する。
≪Electrode≫
The electrode 1 of the present embodiment has a multilayer structure including at least a
[太繊維層]
太繊維層10は、導電性の太繊維を主体とする層である。この太繊維層10には、高い導電性と、基材としての強度と、が備わっていれば良い。
[Thick fiber layer]
The
まず、太繊維層10を構成する太繊維の構成について言及する。太繊維を構成する材料に求められる特性は、導電性を有することと、電解液によって腐食されないことである。そのような特性を満たす材料として、代表的にはカーボンなどを挙げることができる。その他、Tiやステンレスなどの金属を太繊維の材料として利用することができる。ここで、既に述べたように、電池反応の主体となる層は細繊維層11であるため、太繊維層10を構成する太繊維の材料は、電池反応を生じさせる材料であっても良いし、電池反応を生じさせない材料であっても良い。
First, the configuration of the thick fibers that make up the
太繊維の平均径は5μm以上20μm以下である。このような太さの太繊維であれば、太繊維層10に基材としての強度を持たせることができる。好ましい太繊維の平均径は、7μm以上12μm以下、より好ましい太繊維の平均径は7μm以上10μm以下である。平均径は、顕微鏡下で5視野以上、1視野につき5点以上測定した結果を平均することで求めることができる。この測定手法は、後述する細繊維の平均径でも同様である。
The average diameter of the thick fibers is 5 μm or more and 20 μm or less. With such a thick fiber, the
上記構成を備える太繊維を含む太繊維層10は、ある程度以上の空隙率を有することが好ましい。太繊維層10の空隙率が低いと、双極板121と隔膜101の積層方向における電解液の流通、および電解液中のプロトンを介したイオン伝導が阻害されるからである。そのため、太繊維層10の空隙率は、60%以上90%以下とすることが好ましい。空隙率が60%以上であれば、積層方向における電解液の流通、およびイオン伝導がスムースになる。また、空隙率が90%以下であれば、太繊維層10に基材としての機能を発揮させるのに十分な強度を持たせることができる。より好ましい太繊維層10の空隙率は、60%以上90%以下であり、さらに好ましい太繊維層10の空隙率は、75%以上85%以下である。空隙率は、太繊維層の体積と質量から計算によって求めることが出来る。
The
また、太繊維層10は、細繊維層11を保持する基材として、所定の引張強度を有することが好ましい。例えば、太繊維層10の引張強度は、1kgf/cm2(約98kPa)以上であることが好ましい。
Moreover, it is preferable that the
太繊維層10の平均厚みは100μm以上500μm以下であることが好ましい。このような厚さであれば、後述する細繊維層11を確りと保持し、細繊維層11の損傷を効果的に防止することができる。平均厚みは、異なる5点以上の測定結果を平均することで求めることができる。なお、図3に示すように、セルスタック200の形態で用いられる電極104,105は、二つのセルフレーム120,120の間で圧縮されている。そのため、図1に示す圧縮前の電極1の厚みは、セルスタック200における電極104,105の厚みのおよそ1倍〜1.25倍程度であると考えて良い。
The average thickness of the
上述した特性を満たす太繊維層10として、カーボンペーパーや、カーボンクロスを挙げることができる。炭素繊維と炭素の複合材料であるカーボンペーパーは、十分な導電性と引張強度とを備える。また、炭素繊維の織布または不織布であるカーボンクロスも、十分な導電性と引張強度を備える。
Examples of the
例えば、繊維径が7μmの太繊維を含むカーボンペーパーであって、空隙率が80%で平均厚みが0.1mmのカーボンペーパーの引張強度は、3kgf/cm2(約294kPa)である。このカーボンの平均厚みを0.4mmとすると、その引張強度は8kgf/cm2(約785kPa)である。また、空隙率が90%で平均厚みが0.4mmのカーボンペーパーの引張強度は、4kgf/cm2(約392kPa)である。 For example, the carbon paper containing thick fibers having a fiber diameter of 7 μm and having a porosity of 80% and an average thickness of 0.1 mm has a tensile strength of 3 kgf / cm 2 (about 294 kPa). When the average thickness of the carbon is 0.4 mm, the tensile strength is 8 kgf / cm 2 (about 785 kPa). The tensile strength of carbon paper having a porosity of 90% and an average thickness of 0.4 mm is 4 kgf / cm 2 (about 392 kPa).
[細繊維層]
細繊維層11は、導電性を有する細繊維を主体とする層である。この細繊維層11には、高い導電性と、電池反応を生じさせる機能と、が備わっていれば良い。以下、細繊維層11の構成を詳細に説明する。細繊維層11の各構成の寸法の求め方は、太繊維層10と同様である。
[Fine fiber layer]
The
まず、細繊維層11を構成する細繊維の構成について言及する。細繊維の材料に求められる特性は、導電性を有することと、電池反応を生じさせることである。そのような特性を満たす材料として、代表的にはカーボンなどを挙げることができる。その他、触媒を担持させた金属繊維などを細繊維の材料として利用することができる。
First, the configuration of the fine fibers constituting the
細繊維の平均径は0.005μm(5nm)以上4μm以下である。このような太さの細繊維であれば、電極の表面積を大きくでき、電解液との間で電池反応が生じる箇所を増加させることができる。また、このような太さの細繊維であれば、細繊維層11に十分な量の空隙が形成され、細繊維層11中に電解液を隈なく行き渡らせることができる。その結果、RF電池のセル抵抗率を従来よりも大幅に低減させることができる。好ましい細繊維の平均径は、0.05μm以上1.0μm以下、より好ましい細繊維の平均径は0.05μm以上0.3μm以下である。
The average diameter of the fine fibers is 0.005 μm (5 nm) or more and 4 μm or less. With such a thin fiber, the surface area of the electrode can be increased and the number of places where a battery reaction occurs with the electrolyte can be increased. Moreover, if it is a fine fiber of such thickness, a sufficient quantity of space | gap will be formed in the
上記構成を備える細繊維を含む細繊維層11は、一定以上の空隙率を有することが好ましい。細繊維層11の空隙率が低いと、双極板121と隔膜101の積層方向における電解液の流通、および電解液中のプロトンを介したイオン伝導が阻害されるからである。また、電池反応が生じる箇所である細繊維層11では、太繊維層10よりも電解液の流通とイオン伝導が良好であることが求められることから、細繊維層11の空隙率は太繊維層10の空隙率よりも高めであることが好ましい。従って、細繊維層11の空隙率は、80%以上99.9%以下とすることが好ましい。より好ましい細繊維層11の空隙率は、90%以上99.9%以下であり、さらに好ましい細繊維層11の空隙率は、92%以上99.9%以下である。
The
また、細繊維層11の平均厚みは、10μm以上500μm以下であることが好ましい。細繊維を含むことで電池反応の活性点が多い細繊維層11は、10μm以上の平均厚みがあれば、十分にRF電池のセル抵抗率を下げる効果を発揮する。より好ましい細繊維層11の平均厚みは、50μm以上300μm以下である。
Moreover, it is preferable that the average thickness of the
(細繊維層の形成方法)
細繊維層11は、太繊維層10の一面側に形成される。太繊維層10の一面側への細繊維層11の形成には、固相法、あるいは液相法を利用することが好ましい。例えば、鋳型炭素化法(template method)、エレクトロスピニング法(electrospinning method)、メルトブロー法(melt−blown method)などを利用することができる。これらの技術は、上述した繊維径を満たす細繊維で構成され、かつ上述した空隙率を満たす細繊維層11を形成することに適しており、しかも太繊維層10に強固に密着した細繊維層11を形成することができる。細繊維層11を形成した後は、細繊維層11を耐炎化処理、炭素化処理を行なうと良い。
(Formation method of fine fiber layer)
The
また、上記固相法あるいは液相法であれば、ロールトゥロール(roll−to−roll)方式で電極1を生産性良く製造することができる。具体的には、第一ロールに巻回した太繊維層10を第二ロールに繰り出す途中に、固相法あるいは液相法によって太繊維層10の表面に細繊維層11を形成し、太繊維層10上に細繊維層11が形成された電極1を第二ロールに巻き取る。ここで、第二ロールに電極1を巻き取りながら電極1を作製できるのは、太繊維層10が機械的に細繊維層11を保護し、細繊維層11の損傷を抑制しているからである。
Moreover, if it is the said solid phase method or a liquid phase method, the electrode 1 can be manufactured with high productivity by the roll to roll (roll-to-roll) system. Specifically, the
(その他)
さらに電極1は、太繊維層10の他面側に設けられる導電層13を備える三層構造であっても良い(仮想線で示す部分を参照)。導電層13は、細繊維層11と同様の構成を採用することができる。図3に示すセルスタック200では、電極1(図3では104,105)は、積層される双極板121,121の間に挟まれて圧縮される。太繊維層10の双極板121側に、細繊維を主体とする導電層13を設けることで、太繊維層10と双極板121との接触面積を増加させ、接触抵抗を低減することができる。
(Other)
Furthermore, the electrode 1 may have a three-layer structure including a
[電極以外のRF電池の構成]
上記電極1の説明にあたり、電極1以外のRF電池100(図2参照)の構成は従来と同じものを採用することができると述べた。しかし、上記電極1を用いてRF電池100を構成する場合、双極板121(図3上図参照)の表面に電解液が流れる流通溝を形成することが好ましい。双極板121に流通溝を形成することで、双極板121の全面から電極1(図3では104.105)に向かって電解液を供給することができ、電極1と電解液との間の電池反応がスムースに行なわれる。
[Configuration of RF battery other than electrodes]
In the description of the electrode 1, it was stated that the configuration of the RF battery 100 (see FIG. 2) other than the electrode 1 can be the same as the conventional one. However, when the
双極板121における流通溝の形成状態は、特に限定されない。例えば、電解液の供給側から排出側に繋がる一連長の流通溝を設けても良いし、電解液の供給側に繋がる供給側流通溝と、電解液の排出側に繋がる排出側流通溝と、を設けても良い。いずれの流通溝も、双極板のほぼ全面を網羅するように構成することが好ましい。
The formation state of the flow grooves in the
<解析例>
解析例では、二層構造の電極(下記条件I)を用いたRF電池100と単層構造の電極(下記条件II)を用いたRF電池100を想定したシミュレーションを行ない、各RF電池100のセル抵抗率(Ω・cm2)を求めた。具体的には、電池内部における電圧分布と電流分布を下記文献1に記載の計算手法により求め、電流通電時と非通電時のセル電圧の差から、セル抵抗率を得た。また、シミュレーションで用いる反応面積密度Aは、電極繊維径をdとしたときにAがdに反比例するという一般的な関係を用いて求めた。さらに、二層構造の電極において、電極繊維の空隙率をεとしたとき、各電極の液透過率Kはd2ε3/(1−ε)2に比例する(Carman−Kozeny則と呼ばれる)と仮定し、この液透過率が二層とも等しくなるように設定した。即ち、単層構造の電極と液流速分布が同一となるように、二層構造の電極の膜側の電極繊維空隙率を設定した。また、本解析例では、シミュレーション条件として、正極セル及び負極セルをそれぞれ一つずつ備える単セル構造のRF電池を設定したが、簡易化のため、正極と負極は同じ構造であると仮定した。シミュレーションの条件を以下に示す。
・文献1…A.A.Shah et al.、「A dynamic performance model for redox−flow batteries involving soluble species」、Electrochimica Acta 53(2008)、p.8087−8100
<Example of analysis>
In the analysis example, a simulation is performed assuming an
Reference 1 ... A. A. Shah et al. "A dynamic performance model for redox-flow butteries involving solving specifications", Electrochimica Acta 53 (2008), p. 8087-8100
[条件I]
・電極1…太繊維層10と細繊維層11の二層構造
・太繊維層10…太繊維の平均径=10μm 太繊維層10の空隙率=60% 太繊維層10の厚み=0.5mm 電極反応面積密度A=5000[cm2/cm2]
・細繊維層11…細繊維の平均径=0.5μm 細繊維層11の空隙率=99.3% 細繊維層11の厚み=0.5mm 電極反応面積密度A=100000[cm2/cm2]
・電解液…充電状態(State of Charge;充電深度と言うこともある)が50%の硫酸バナジウム電解液
・電解液の流量…0.3cc/min./cm2
・充電密度…70mA/cm2
[Condition I]
-Electrode 1 ... Two-layer structure of
Fine fiber layer 11: average diameter of fine fibers = 0.5 μm Porosity of fine fiber layer = 99.3% Thickness of
Electrolyte: State of charge (sometimes referred to as charge depth) 50% vanadium sulfate electrolyte. Electrolyte flow rate: 0.3 cc / min. / Cm 2
・ Charge density: 70 mA / cm 2
[条件II]
・電極…一層の多孔質層
・多孔質層…繊維の平均径=10μm 多孔質層の空隙率=60% 多孔質層の厚み=1.0mm
・電解液、その流量、充電密度…条件Iと同じ
[Condition II]
-Electrode: One layer of porous layer-Porous layer: Average fiber diameter = 10 µm Porosity of porous layer = 60% Thickness of porous layer = 1.0 mm
・ Electrolyte, its flow rate, charge density: Same as condition I
以上の条件のもと、計算によりセル抵抗率を求めたところ、条件Iのセル抵抗率は0.52Ω・cm2であり、条件IIのセル抵抗率は1.1Ω・cm2であった。このシミュレーション結果から、平均繊維径が0.005μm以上4μm以下の細繊維を含む細繊維層11を電極1に設けた場合、セル抵抗率を大幅に低減できることが分かった。
When the cell resistivity was obtained by calculation under the above conditions, the cell resistivity in Condition I was 0.52 Ω · cm 2 and the cell resistivity in Condition II was 1.1 Ω · cm 2 . From this simulation result, it was found that when the
<付記>
以上説明した本発明の実施形態に関連して、更に以下の付記を開示する。
<Appendix>
The following additional notes are disclosed in relation to the embodiment of the present invention described above.
[付記1]
平均で0.005μm以上4μm以下の径を有する導電性の細繊維を主体とする細繊維層を備える単層構造の電極。
[Appendix 1]
An electrode having a single layer structure comprising a fine fiber layer mainly composed of conductive fine fibers having a diameter of 0.005 μm or more and 4 μm or less on average.
付記1の電極によれば、電極における電池反応性を向上させることができる。既に説明したように、実施形態に係る電極1は、細繊維層11を保持する基材としての太繊維層10を備えているが、電池反応の主体となるのは細繊維層11である。従って、電極1における電池反応の向上に着目すれば、平均で0.005μm以上4μm以下の径を有する導電性の細繊維を主体とする細繊維層を備える1層構造の電極を用いることで、RF電池100の電池性能を向上させることができる。実施形態1に匹敵するハンドリング性能を付記1の電極に持たせるのであれば、細繊維層11が十分な強度を備えるように、細繊維層を構成する細繊維の材料を選択する必要がある。
According to the electrode of Supplementary Note 1, battery reactivity in the electrode can be improved. As already described, the electrode 1 according to the embodiment includes the
付記1の電極においても、実施形態の細繊維層11と同様の構成(空隙率など)を採用することができる。
Also in the electrode of appendix 1, the same configuration (such as porosity) as that of the
本発明の電極は、レドックスフロー電池や燃料電池といった流体流通型電池の電極として好適に利用可能である。また、本発明のレドックスフロー電池は、負荷平準用途や瞬低・停電対策用の電池として好適に利用することができる。 The electrode of the present invention can be suitably used as an electrode of a fluid flow type battery such as a redox flow battery or a fuel cell. In addition, the redox flow battery of the present invention can be suitably used as a battery for load leveling or for measures against instantaneous voltage drop and power failure.
100 レドックスフロー電池(RF電池)
100C 電池セル
101 隔膜 102 正極セル 103 負極セル
104 正極電極 105 負極電極
106 正極用タンク 107 負極用タンク
108〜111 配管
112,113 ポンプ
1 電極
10 太繊維層 11 細繊維層 13 導電層
200 セルスタック
120 セルフレーム 121 双極板 122 枠体
123,124 給液用マニホールド 125,126 排液用マニホールド
127 シール構造
100 Redox flow battery (RF battery)
Claims (11)
平均で5μm以上20μm以下の径を有する導電性の太繊維を主体とする太繊維層と、
平均で0.005μm以上4μm以下の径を有する導電性の細繊維を主体とし、前記太繊維層の一面側に設けられる細繊維層と、
を備える電極。 An electrode used in a fluid flow type battery,
A thick fiber layer mainly composed of conductive thick fibers having an average diameter of 5 μm to 20 μm;
A fine fiber layer mainly composed of conductive fine fibers having a diameter of 0.005 μm or more and 4 μm or less on average, provided on one side of the thick fiber layer;
Electrode.
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