电极和氧化还原液流电池制造技术

本发明专利技术的目的在于提供减轻液体流通电阻且提高碳纤维的表面的利用效率的、用于液体流通设备电极的电极，此外提供通过使用该用于液体流通设备的电极而具有优越的充放电性能的氧化还原液流电池。本发明专利技术是一种液体流通设备用电极，所述电极是本质上由碳纤维无纺布构成的电极，其中，具有超过0.40mm的厚度，并且配置有贯通孔或者在单面或两面配置有非贯通孔而成。

Electrodes and redox flow batteries

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电极和氧化还原液流电池
本专利技术涉及电极和氧化还原液流电池。
技术介绍
在各种领域中使用淡化、成盐、离子分离等的电渗析装置或用于得到氢的水电解装置、用于发电的燃料电池、氧化还原液流电池那样的2次电池等液体流通设备，寻求进一步的性能的提高。作为液体流通设备的一种的氧化还原液流电池具有能量容量的增减容易且长寿命、能够把握电池的充电状态这样的特征，因此，期望普及为用于对通过风力发电或太阳能发电等发电的电力进行蓄电·放电来使电力系统稳定化的蓄电池。氧化还原液流电池是在正极或负极之中的至少一个极中供给包含活性物质的电解液并且通过氧化还原反应进行充电和放电的电池。作为活性物质，例如使用钒或卤素、铁、锌、硫、钛、铜、铬、锰、铈、钴、锂等的离子或它们的化合物离子、非金属的醌类化合物离子或芳香族化合物离子。已知氧化还原液流电池的充放电性能被通常由碳纤维无纺布构成的电极的表面与电解液的接触的容易度较大地左右。作为使电极与电解液的接触容易的方案，考虑了将电极增加来增加表面的方法和提高电极表面的利用效率的方法，但是，当将电极增加时成本上升，因此，进行了提高电极表面的利用效率的讨论。在氧化还原液流电池中，通常使用将使电解液沿由平板状的碳纤维无纺布构成的电极的平面方向液体流通的方式（流通型）的电化学单元（以下，记载为单元）层叠（堆积）后的电池。可是，处于碳纤维无纺布中的碳纤维间的空隙在尺寸具有变动，电解液在电极内容易向大的空隙的方向流动。因此，存在在形成了小的空隙的区域中电解液容易滞留的问题。作为将电解液的流动均匀化的方案，电极的尺寸控制（geometrycontrol）极其重要。作为电极的尺寸控制，在此之前进行了将泵中的能量消耗减少作为目的的讨论。例如，在专利文献1中，提出了在电极的至少一个面形成槽的技术。在专利文献2中，提出了在电极的至少一个面分散形成凸起的技术。此外，也提出了在形成于集电器表面的槽流路中流动电解液的方式（流经型）的单元。如果为该方式，则在比电极内的空隙压倒性大的槽剖面液体流通，由此，即使在电极内的液体流通电阻高，也能够将泵的能量消耗保持得低。可是，在流经型的单元中沿着电极的表面流动电解液，因此，难以向电极的厚度方向进行液体流通，仍然存在难以将在电极内的电解液的流动均匀化这样的问题。相对于此，在专利文献3中，提出了在流经型的氧化还原液流电池中为了使用薄且高密度的电极使导电电阻变低并且使向电极的厚度方向的液体流动容易而在电极的厚度方向上形成贯通孔的技术。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。
技术实现思路
专利技术要解决的课题虽然在专利文献1中记载的形成有槽的电极得到减少液体流通电阻的效果，但是，与液体流动平行地形成了槽。因此，优先在槽部流动液体，难以利用槽以外的部分的碳纤维的表面，提高充放电性能的效果并不充分。在专利文献2中记载的电极的几何结构（geometry）中，凹处（凸起以外的部分）在面内连续，因此，电解液优选在凹处部分流动。据此，与专利文献1的电极同样地难以利用凹处以外的部分的碳纤维的表面，同样地，提高充放电性能的效果并不充分。关于专利文献3的技术，虽然能够期待导电性的提高和液体流通电阻的减少，但是由于电极薄，所以电极的表面积变小，因此，与电解液的接触并不充分。本专利技术的课题是提供减轻液体流通电阻且提高碳纤维的表面的利用效率的、用于液体流通设备的电极，此外提供通过使用该用于液体流通设备的电极来实现优越的充放电性能的氧化还原液流电池。用于解决课题的方案为了解决上述课题，本专利技术是一种电极，本质上由碳纤维无纺布构成，其中，所述电极用于液体流通设备，并且具有超过0.40mm的厚度，并且配置有贯通孔或者在单面或两面配置有非贯通孔而成。本专利技术的优选的方式是用于氧化还原液流电池的电极，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来构成的单元。专利技术效果本专利技术的用于液体流通设备的电极减轻液体流通电阻且提高碳纤维的表面的利用效率，由此，通过用于液体流通设备，从而能够实现高效率的化学反应。此外，本专利技术的用于液体流通设备的电极用于作为本专利技术的优选的方式的氧化还原液流电池，由此，能够实现优越的充放电性能。附图说明图1是本专利技术的用于氧化还原液流（redoxflow）电池的电极的立体示意图。具体实施方式[用于液体流通设备的电极]本专利技术的液体流通设备是指具有液体和电极并且液体一边与电极接触一边流通且该液体在电极表面产生化学反应的设备。例如，为淡化（desalination）、成盐（saltformation）、离子分离等的电渗析装置或用于得到氢的水电解装置、用于发电的燃料电池、氧化还原液流电池那样的2次电池。在其中，氧化还原液流电池为代表的液体流通设备。作为用于氧化还原液流电池的电极，优选使用本专利技术的用于液体流通设备的电极。使用后述的、用于作为液体流通设备的代表的氧化还原液流电池的、电极的例子来说明关于本专利技术的用于液体流通设备的电极的详细的说明。[用于氧化还原液流电池的电极]本专利技术的用于氧化还原液流电池的电极本质上由碳纤维无纺布（nonwovenfabric）构成。碳纤维无纺布是指将碳纤维原丝（carbonfiberprecursor）纤维无纺布碳化而得到的无纺布，所述碳纤维原丝纤维无纺布通过将碳纤维原丝纤维切割成几十mm左右（通常为38mm~102mm）之后加工成网（web）状、进而通过针刺（needlepunch）或水射流（waterjet）加工使纤维彼此交织、将纤维彼此加热而使它们粘接、或者使用粘接剂使纤维彼此粘接而得到。本质上由碳纤维无纺布构成是指意味着：为仅由碳纤维无纺布构成的电极也可，但是，为施行碳粒子等导电助剂、树脂粘接剂的碳化物等不阻碍作为电极的功能的附加的修饰后的电极也可。作为碳纤维原丝纤维，可举出粘胶纤维、丙烯酸纤维、木质素纤维等，但是，从机械强度或成本的观点出发，优选丙烯酸纤维（聚丙烯腈类纤维）。此外，作为碳纤维原丝纤维，也可以使用通过在空气中200~300℃下对丙烯酸纤维进行热处理（耐火化处理）而得到的耐火线。在不使用耐火线的情况下，优选在将碳纤维原丝纤维形成为无纺布之后进行耐火化处理。通过在惰性环境中1000~3000℃下对像这样得到的碳纤维原丝纤维无纺布进行热处理，从而得到碳纤维无纺布。此外，作为用于氧化还原液流电池的电极，需要电解液与成为电极的碳纤维的表面容易充分接触，将碳纤维的表面改性来提高电解液的润湿性也可。作为该情况下的碳纤维表面的改性方法，空气氧化或电解氧化在工艺性和成本的方面优越而能够优选使用。从电池性能或耐久性的观点出发适当设定这些热处理的温度或碳纤维表面的改性。本专利技术的用于氧化还原液流电池的电极的单位面积重量优选50~1000g/m2，更优选100~500g/m2。这是因为：当低于50g/m2时电极的表面积容易不足，当超过1000g/m2时生产性降低。本专利技术的用于氧化还原液流电池的电极具有超过0.40mm的厚度。当厚度为0.40mm以下时电解液的液体流通电阻容易变大。电极的厚度优选0.5mm以上，更优选超过0.60mm。电极的厚度的上限并未被特别限定本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电极，本质上由碳纤维无纺布构成，其中，所述电极用于液体流通设备，并且具有超过0.40mm的厚度，并且配置有贯通孔或者在单面或两面配置有非贯通孔而成。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.12.01 JP 2016-2338971.一种电极，本质上由碳纤维无纺布构成，其中，所述电极用于液体流通设备，并且具有超过0.40mm的厚度，并且配置有贯通孔或者在单面或两面配置有非贯通孔而成。2.根据权利要求1所述的电极，其中，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，其中，在单面或两面配置有深度超过400μm的非贯通孔而成。4.根据权利要求1~3的任一项所述的电极，其中，在俯视下在所述贯通孔或所述非贯通孔的周缘部未观察到断裂纤维。5.根据权利要求1~4的任一项所述的电极，其中，所述贯通孔或非贯通孔的开口直径为50μm~10mm。6...

【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