电极、氧化还原液流电池和电极的制造方法技术

本发明专利技术的目的在于，提供减少通液阻抗、且提高碳纤维的表面的利用效率的通液设备中使用的电极，此外在于，通过使用该通液设备中使用的电极，提供具有优异的充放电性能的氧化还原液流电池。本发明专利技术是通液设备中使用的电极，其为将多张在表面上具有凹凸或具有贯穿孔的碳纤维无纺布层叠而成，在内部具有由前述凹凸的凹部或前述贯穿孔形成且在厚度方向上不开口的多个空隙。

Manufacturing methods of electrodes, redox flow batteries and electrodes

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极、氧化还原液流电池和电极的制造方法
本专利技术涉及电极、氧化还原液流电池和电极的制造方法。
技术介绍
淡水化、造盐、离子分离等电透析装置；用于得到氢气的水电解装置、发电中使用的燃料电池、氧化还原液流电池那样的2次电池之类的通液设备在各种各样的领域中被使用，要求进一步提高性能。作为通液设备中的一种的氧化还原液流电池具有能量容量容易增减、且寿命长、能够掌握电池的充电状态的特征，因此期待作为用于将风力发电、太阳能发电等中所发的电力进行蓄电/放电而使电力系统稳定化的蓄电池而得到普及。氧化还原液流电池是向正极或负极之中的至少一个电极中供给包含活性物质的电解液，通过氧化还原反应而进行充电和放电的电池。作为活性物质，可以使用例如钒、卤素、铁、锌、硫、钛、铜、铬、锰、铈、钴、锂等离子；它们的化合物离子、非金属的醌系化合物离子；芳族化合物离子。氧化还原液流电池的充放电性能已知受到一般由碳纤维无纺布构成的电极的表面和电解液的接触容易性的显著影响。作为使电极与电解液的接触变得容易的手段，考虑了将电极增量而增加表面的方法和提高电极表面的利用效率的方法，但如果将电极增量，则成本上升，因此研究了提高电极表面的利用效率。氧化还原液流电池中，一般使用的是将沿着包含平板状的碳纤维无纺布的电极的平面方向使电解液通过的方式(流通型)的电化学电池单元(以下记作电池单元)进行层叠(堆叠)而得到的结构。然而，位于碳纤维无纺布中的碳纤维间的空隙在尺寸方面有时发生变动，电解液在电极内容易沿着空隙大的方向流动。因此，存在的问题是，电解液容易在形成小空隙的区域中滞留。作为使电解液的流动均匀化的手段，迄今进行了目的在于减少泵的消耗能量的研究。例如，专利文献1中，提出了在电极的至少一个表面上形成槽的技术。专利文献2中，提出了在电极的至少一个表面上分散形成凸起的技术。此外，还提出了电解液在形成于集流板表面的槽流路中流通的方式(流经型)的电池单元。根据该方法，通过在比电极内的空隙显著大的槽截面中通液，即使电极内的通液阻抗高，也能够保持低的泵的能量消耗。然而，在流经型的电池单元中，由于沿着电极的表面流通电解液，因此难以沿着电极的厚度方向通液，仍然存在难以使电极内的电解液的流动均匀化的问题。与此相对地，专利文献3中，在流经型的氧化还原液流电池中，为了在薄且高密度的电极中降低导电阻抗，且使沿着电极的厚度方向的通液变得容易，提出了沿着电极的厚度方向形成贯穿孔的技术。此外，专利文献4中，提出了在由粗的纤维形成的纤维层上层叠细纤维层，由此增加电极表面积，提高性能的技术。现有技术文献专利文献专利文献1：日本特开平8-287923号公报专利文献2：日本特开2003-64566号公报专利文献3：美国专利申请公开第2015/0295247号说明书专利文献4：日本特开2015-122229号公报。
技术实现思路
专利技术所要解决的课题专利文献1中记载的形成了槽的电极尽管得到了减少通液阻抗的效果，但与液流并行而形成槽。因此，液体优先在槽部流动，从而难以利用槽之外的部分的碳纤维的表面，提高充放电性能的效果不充分。专利文献2中记载的凹陷(凸起之外的部分)在面内连续的几何构型的电极中，电解液优先在凹陷部分流动。据此，与专利文献1的电极同样地，难以利用凹陷之外的部分的碳纤维的表面，同样地提高充放电性能的效果不充分。专利文献3的技术尽管能够期待提高导电性和减少通液阻抗，但因电极薄，导致电极的表面积小，故而与电解液的接触不充分。专利文献4的技术中，在将粗纤维层与细纤维层层叠而得到的电极之中，因细纤维层的空隙率高，从而具有减少通液阻抗的效果，但需要通过不同制造方法来制造粗纤维层和细纤维层，在生产率、成本方面存在问题。本专利技术的课题在于，提供减少通液阻抗、且提高碳纤维的表面的利用效率的通液设备中使用的电极，此外在于，通过使用该通液设备中使用的电极，提供具有优异的充放电性能的氧化还原液流电池。解决课题的手段用于解决上述课题的本专利技术是通液设备中使用的电极，其为将多张在表面上具有凹凸或具有贯穿孔的碳纤维片层叠而成，在内部具有由前述凹凸的凹部或前述贯穿孔形成且在厚度方向上不开口的多个空隙。本专利技术的优选方式是氧化还原液流电池中使用的电极，本专利技术的氧化还原液流电池具有使用本专利技术的电极而构成的电池单元。此外，本专利技术的通液设备中使用的电极的制造方法中，将在表面上具有凹凸或具有贯穿孔的多张碳纤维片层叠，以使得在内部形成由前述凹凸的凹部或前述贯穿孔形成且在厚度方向上不开口的多个空隙。专利技术的效果本专利技术的通液设备中使用的电极通过内部存在多个空隙，在电极中防止电解液的流动不均匀，因此提高了碳纤维的表面的利用效率。通过将该电极用于通液设备，能够实现高效率的化学反应。此外，本专利技术的通液设备中使用的电极通过用于作为本专利技术的优选方式的氧化还原液流电池，能够实现优异的充放电性能。附图说明图1是示意性示出将具有分散形成为点状的非贯穿孔的碳纤维片层叠而成的氧化还原液流电池用电极的分解立体图。图2是示意性示出将形成有多个槽的碳纤维片层叠而成的氧化还原液流电池用电极的分解立体图。图3是示意性示出将具有分散形成为点状的贯穿孔的碳纤维片层叠而成的氧化还原液流电池用电极的分解立体图。具体实施方式[通液设备中使用的电极]本专利技术的通液设备是指具有液体和电极，液体与电极接触的同时流通，且该液体在电极表面发生化学反应的设备。例如，有淡水化、造盐、离子分离等的电透析装置；用于得到氢气的水电解装置、发电中使用的燃料电池、氧化还原液流电池那样的2次电池。其中，氧化还原液流电池是代表性的通液设备。本专利技术的通液设备中使用的电极适合用作在氧化还原液流电池中使用的电极。针对本专利技术的通液设备中使用的电极的详细说明使用后述作为通液设备的代表性的氧化还原液流电池中使用的电极的例子来说明。[氧化还原液流电池中使用的电极]本专利技术的氧化还原液流电池中使用的电极是层叠多张碳纤维片而成的。以下，在本说明书中，简称“电极”的情况下，是指氧化还原液流电池中使用的电极。作为碳纤维片，可以使用由碳纤维构成的碳纤维无纺布、碳纸、碳纤维机织物或碳纤维针织物。碳纤维无纺布是指通过下述方式得到的无纺布：将碳纤维前体纤维裁切为数十mm左右(一般为38mm~102mm)后加工为网状，进一步通过针刺、喷水加工而使纤维彼此交缠、将纤维彼此加热而粘接、或者使纤维彼此通过粘接剂粘接而得到碳纤维前体纤维无纺布，将所述碳纤维前体纤维无纺布碳化而得到。碳纸是指将碳纤维或碳纤维前体纤维(一般使用碳纤维)切为10mm前后的长度而得到短碳纤维或短碳纤维前体纤维并进行抄造，通过酚醛树脂等可碳化的树脂成分进行粘合，其后，碳化、石墨化而得到的物质。碳纤维机织物或碳纤维针织物是指将碳纤维前体纤维丝通过纺织机（織機）或针织机（編機）而制成片从而得到机织物或针织物，并将所得到的机织物或针织物炭化而得到的片。从生产率的观点出发，作为碳纤维片，可以优选使用碳纤维无纺布或碳纸。作为碳纤维前体纤维，可以举出人造丝纤维、丙烯酸纤维、木质素纤维等，从机械强度、成本的观点出发，优选丙烯酸纤维(聚丙烯腈系纤维)。此外，作为碳纤维前体纤维，也可以使用通过将丙烯酸纤维在空气中、200~300℃下进行热处理(耐火化处理)而得到的耐火纱。不使用耐火纱的情况本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.通液设备中使用的电极，其为将多张在表面上具有凹凸或具有贯穿孔的碳纤维片层叠而成，在内部具有由所述凹凸的凹部或所述贯穿孔形成且在厚度方向上不开口的多个空隙。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.13 JP 2016-2410071.通液设备中使用的电极，其为将多张在表面上具有凹凸或具有贯穿孔的碳纤维片层叠而成，在内部具有由所述凹凸的凹部或所述贯穿孔形成且在厚度方向上不开口的多个空隙。2.根据权利要求1所述的电极，其用于氧化还原液流电池。3.根据权利要求1或2所述的电极，其是将3张以上的所述碳纤维片层叠而成的。4.根据权利要求1~3中任一项所述的电极，其是将所述层叠多张的碳纤维片相互固定而成的。5.根据权利要求1~4中任一项所述的电极，其中，所述碳纤维片的所述凹凸是在表面上形成的多个非贯穿孔。6.根据权利要求1~4中任一项所述的电极，其中，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：梶原健太郎，宇都宫将道，渡边史宜，谷村宁昭，
申请(专利权)人：东丽株式会社，
类型：发明
国别省市：日本,JP