JP2017517101A - キノンポリハライドフロー電池 - Google Patents

Abstract

正極電解液が塩酸と硫化ナトリウムとの混合溶液であり、負極電解液が塩酸とアントラキノンとの混合溶液である、キノンポリハライドフロー電池。この電池は、アントラキノンフロー電池の高いコスト及び低い電池電圧の問題を改善する。

Description

本発明はフロー電池システムに関する。

近年、世界のエネルギー供給がますます不足するとともに、風力エネルギー、太陽光エネルギー及び他の再生可能エネルギーの開発及び利用が多大な注目を集めている。しかし、太陽光、風力及び他の再生可能エネルギー発電システムの安定な電力供給を保証するためには、効率的で安く、安全で信頼性の高いエネルギー貯蔵技術が再生可能エネルギーと組み合わされなければならない。様々なエネルギー貯蔵技術のうち、ある種の化学的エネルギー貯蔵法であるフローエネルギー貯蔵電池が、現在、独自の利点のおかげで、大規模エネルギー貯蔵に最適な電池の一つになる。

今、十分に開発されたフロー電池システムの二つの種類がバナジウムフロー電池及び亜鉛臭素フロー電池である。バナジウムフロー電池は、電解液中、不活性電極上で異なる価電子状態を有するバナジウムイオンの電気化学的反応によって化学エネルギーと電気エネルギーとの間で可逆性の変換を実現する。正及び負のレドックスカップルはそれぞれＶＯ²⁺／ＶＯ₂ ⁺及びＶ²⁺／Ｖ³⁺である。硫酸が支持電解液として働く。正側と負側とで異なる価電子状態を有するバナジウムイオンのおかげで、電解液への互いの移動によって生じる汚染は回避され、電池の性能及び寿命は改善される。加えて、バナジウム電解液は容易に回収することができ、それにより、電池システムの寿命が改善し、運用コストが減る。しかし、バナジウムフロー電池の電解液コスト及び陽子交換膜のコストが相対的に高く、正及び負の電解液中で一定の相互汚染の問題が存在する。

亜鉛臭素フロー電池の正及び負の半電池はセパレータによって分離され、両側の電解液はＺｎＢｒ₂溶液である。パワーポンプの作用の下、電解液は、貯蔵槽及び電池で構成された閉ループ中で円形の流れを誘導する。亜鉛臭素フロー電池が存在する主な問題は臭素汚染である。

キノン臭素フロー電池が文献に報告されているが、その文献では陽子交換膜が使用され、硫酸が支持電解液として使用されているため、コスト及び電池電圧は低い。本発明は、多孔膜を使用し、塩酸を支持電解液として使用するために、コストが減ると同時に電圧が増す。

正エンドプレート、負エンドプレート、正極、多孔膜、負極、貯蔵槽、パイプ及びポンプを含むキノンポリハライドフロー電池システム。正極及び負極は集電体及び触媒物質からなり；充放電過程中、電解液が貯蔵槽からポンプを介して正極及び負極に運ばれ、臭素イオン／分子臭素及びキノン／アントラキノンのレドックス反応がそれぞれ正極及び負極で起こる。上記目的を達成するために、本発明の具体的な技術的解決手段は以下のとおりである。

キノンポリハライドフロー電池。電池は、電池モジュール、正電解液を貯蔵する電解液貯蔵槽、負電解液を貯蔵する電解液貯蔵槽、循環ポンプ及びパイプからなり、電池モジュールは、二、三又は三よりも多い直列の単電池の区分によって形成され、単電池は正極、セパレータ及び負極を含む。正電解液は塩酸と臭化ナトリウムとの混合溶液であり、負電解液は塩酸とアントラキノンとの混合溶液である。

正電解液は０．５〜２Ｍ塩酸と０．５〜２Ｍ臭化ナトリウムとの混合溶液である。負電解液は０．５〜２Ｍ塩酸と０．５〜１Ｍアントラキノンとの混合溶液である。

正及び負の電解液は、電解液の相分離を実現し、分子臭素拡散を減らすための、分子臭素と相互作用して分子臭素錯体を形成する第四級アンモニウム塩分子臭素錯化剤を０．１〜１Ｍ含有する。

第四級アンモニウム塩分子臭素錯化剤は臭化Ｎ−メチルエチルピロリジニウム（ＭＥＰ）又は臭化Ｎ−メチルエチルモルホリニウム（ＭＥＭ）である。正物質及び負物質は活性炭フェルトである。セパレータは多孔膜又は稠密な膜である。単電池は、正エンドプレート、正極、セパレータ、負極及び負エンドプレートを含む。

本発明の有益な効果：
本特許は、キノン臭素フロー電池のコストが相対的に高く、電池の電圧が相対的に低いという課題が改善されるように技術を改善することにより、キノンポリハライドフロー電池の概念を提案する。

図１は、実施例１の電池サイクル安定性グラフである。 図２は、比較例１の電池サイクル安定性グラフである。 図３は、実施例１及び比較例１の電池充放電の比較曲線グラフである。

実施形態の詳細な説明
別段指定しない限り、実施例及び比較例の電池をアセンブルするために多孔膜を採用した。

実施例１
電解液調製及び電池アセンブリ：
正電解液：１Ｍ ＨＣｌ＋０．５Ｍ臭化Ｎ−メチルエチルピロリジニウム＋１Ｍ臭化ナトリウム、４０mL；
負電解液：１Ｍ ＨＣｌ＋０．５Ｍ臭化Ｎ−メチルエチルピロリジニウム＋１Ｍアントラキノン溶液、４０mL。順番に、正エンドプレート、正極３×３cm²、カーボンフェルト、膜、カーボンフェルト、負極黒鉛板３×３cm²及び負エンドプレートによって単電池をアセンブルした。

電池試験：
電解液流量：５mL/分；充放電電流密度：２０mA/cm²；電池のサイクル安定性を図１に示す。

比較例１
電解液調製及び電池アセンブリ：
正電解液：０．５Ｍ Ｈ₂ＳＯ₄＋１Ｍ臭化ナトリウム、４０mL；
負電解液：０．５Ｍ Ｈ₂ＳＯ₄＋１Ｍアントラキノン溶液、４０mL。順番に、正エンドプレート、正極３×３cm²、カーボンフェルト、膜、カーボンフェルト、負極黒鉛板３×３cm²及び負エンドプレートによって単電池をアセンブルした。
電池試験：
電解液流量：５mL/分；充放電電流密度：２０mA/cm²；電池のサイクル安定性を図２に示す。

実施例１及び比較例１の電池充放電の比較曲線を図３に示す。

本発明は、正エンドプレート、負エンドプレート、正極、多孔膜、負極、貯蔵槽、パイプ及びポンプを含むキノンポリハライドフロー電池に関する。正極及び負極は集電体ならびに正極及び負極の触媒物質からなり；充放電過程中、電解液が貯蔵槽からポンプを介して正極及び負極に運ばれ、臭素イオン／分子臭素及びキノン／アントラキノンのレドックス反応がそれぞれ正極及び負極で起こる。

図２及び３に示すように：ＨＣｌを支持電解液として採用することにより、充電電圧は低下し、放電電圧は増大した。加えて、電池性能が改善され、サイクル性能は、Ｈ₂ＳＯ₄を電解液として採用する電池のサイクル性能よりも良好である。

最適な条件において、断りない限り、正電解液及び負電解液の量は４０mLである。単電池は、順番に、正エンドプレート、正極３×３cm²、カーボンフェルト、膜、カーボンフェルト、負極黒鉛板３×３cm²及び負エンドプレートによってアセンブルされる。電池試験中、電解液流量は５mL/分であり；充放電電流密度は２０mA/cm²である。電池性能を表１及び２に示す。

好ましい結果から、正電解液中のＨＣｌ濃度の増大とともに電池性能が向上し、ＨＣｌ濃度が１．０mol/Lに達するまで安定なままであることを見てとれる。正電解液中の臭化ナトリウムの濃度の増大とともに電池性能は向上し、安定なままである。電池エネルギー密度を改善するためには、正電解質中のＨＣｌ及び臭化ナトリウムの濃度は２mol/Lである。負電解液中のＨＣｌ濃度は、正電解質中のＨＣｌ濃度と同じに維持するために、最終的に２mol/Lと選択される。しかし、キノンの濃度増大は電池性能の改善にとって有害であり、したがって、キノンの濃度は最終的に０．５mol/Lと選択されることが好ましい。この比較から、ＭＥＰの添加が電池性能を有意に改善し、ＭＥＭよりも良好な効果を有することができることを見てとれる。しかし、錯化剤の過剰添加は、ある側面ではコストを増し、別の側面では電池性能を低下させるため、濃度は０．５mol/Lと選択されることが好ましい。

電解液の最終的な最適化条件は、No.７に示すような各種濃度パラメータである。

Claims (8)

1. 電池モジュール、正電解液を貯蔵する貯蔵槽、負電解液を貯蔵する貯蔵槽、循環ポンプ及びパイプからなり、前記電池モジュールが、二、三又は三よりも多い直列の単電池の区分によって形成され；単電池が正極、セパレータ及び負極を含む、キノンポリハライドフロー電池であって、前記正電解液が塩酸と臭化ナトリウムとの混合溶液であり、前記負電解液が塩酸とアントラキノンとの混合溶液であることを特徴とする、キノンポリハライドフロー電池。
2. 前記正電解液が０．５〜２Ｍ塩酸と０．５〜２Ｍ臭化ナトリウムとの混合溶液であることを特徴とする、請求項１記載のキノンポリハライドフロー電池。
3. 前記負電解液が０．５〜２Ｍ塩酸と０．５〜１Ｍアントラキノンとの混合溶液であることを特徴とする、請求項１記載のキノンポリハライドフロー電池。
4. 前記正電解液及び負電解液が第四級アンモニウム塩分子臭素錯化剤を０．１〜１Ｍ含有することを特徴とする、請求項１記載のキノンポリハライドフロー電池。
5. 前記第四級アンモニウム塩分子臭素錯化剤が臭化Ｎ−メチルエチルピロリジニウム（ＭＥＰ）又は臭化Ｎ−メチルエチルモルホリニウムであることを特徴とする、請求項３記載のキノンポリハライドフロー電池。
6. 前記正極物質及び負極物質が活性炭フェルトであることを特徴とする、請求項１記載のキノンポリハライドフロー電池。
7. 前記セパレータが多孔膜又は稠密な膜であることを特徴とする、請求項１記載のキノンポリハライドフロー電池。
8. 単電池が、正エンドプレート、正極、セパレータ、負極及び負エンドプレートを含むことを特徴とする、請求項１記載のキノンポリハライドフロー電池。