特開2020-47505(P2020-47505A)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2015.5.11 β版

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  • 特開2020047505-フロー電池 図000003
  • 特開2020047505-フロー電池 図000004
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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】特開2020-47505(P2020-47505A)
(43)【公開日】2020年3月26日
(54)【発明の名称】フロー電池
(51)【国際特許分類】
   H01M 10/04 20060101AFI20200303BHJP
   H01M 4/02 20060101ALI20200303BHJP
   H01M 8/18 20060101ALI20200303BHJP
   H01M 8/0258 20160101ALI20200303BHJP
   H01M 10/05 20100101ALN20200303BHJP
【FI】
   H01M10/04 Z
   H01M4/02 Z
   H01M8/18
   H01M8/0258
   H01M10/05
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】OL
【全頁数】7
(21)【出願番号】特願2018-175900(P2018-175900)
(22)【出願日】2018年9月20日
(71)【出願人】
【識別番号】000006286
【氏名又は名称】三菱自動車工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100092978
【弁理士】
【氏名又は名称】真田 有
(72)【発明者】
【氏名】梅村 勇輝
【テーマコード(参考)】
5H028
5H029
5H050
5H126
【Fターム(参考)】
5H028AA06
5H028AA07
5H028CC07
5H028CC08
5H028CC26
5H029AJ02
5H029AK01
5H029AL01
5H029AL11
5H029BJ24
5H029DJ02
5H029DJ07
5H029DJ14
5H029DJ16
5H050AA02
5H050BA08
5H050CA01
5H050CB01
5H050CB11
5H050DA04
5H050DA13
5H050FA15
5H050FA17
5H126BB10
5H126JJ01
5H126JJ02
5H126JJ03
5H126RR01
(57)【要約】
【課題】フロー電池に関し、固体活物質の目詰まりによる充放電効率の低下を防止する。
【解決手段】メディエーター溶液4が電極1,2と固体活物質3との間で電子の移動を媒介するフロー電池10において、固体活物質3を内包する形状に形成された袋5を設ける。袋5の表面には、メディエーター溶液4を通過させつつ固体活物質3の通過を妨げる大きさの孔6を形成する。
【選択図】図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
メディエーター溶液が電極と固体活物質との間で電子の移動を媒介するフロー電池であって、
前記固体活物質を内包する形状に形成され、前記メディエーター溶液を通過させつつ前記固体活物質の通過を妨げる大きさの孔が表面に設けられた袋を備える
ことを特徴とする、フロー電池。
【請求項2】
前記固体活物質が充放電に伴い粒子径を変化させる粉体粒子であり、
前記孔の直径が前記粉体粒子の前記粒子径の最小値よりも小さい
ことを特徴とする、請求項1記載のフロー電池。
【請求項3】
前記固体活物質が充放電に伴い体積を変化させる物質であり、
前記袋の容積が前記粉体粒子の前記体積の最大値よりも大きい
ことを特徴とする、請求項1または2記載のフロー電池。
【請求項4】
前記袋が前記メディエーター溶液の流れる流路の断面全体を覆うように配置される
ことを特徴とする、請求項1〜3のいずれか1項に記載のフロー電池。
【請求項5】
前記袋を収容するタンクと、
前記タンクの内面のうち前記メディエーター溶液の流れ方向の下流側に位置する面(底面)に対して前記袋を非接触に支持する支持部材とを備える
ことを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のフロー電池。
【請求項6】
前記支持部材が、前記タンクの内部で前記メディエーター溶液の流れ方向と交差する面形状に展開されるメッシュ部材を有する
ことを特徴とする、請求項5記載のフロー電池。
【請求項7】
前記支持部材が、前記タンクの開口部を開閉する蓋と前記袋とを接続する紐部材を有する
ことを特徴とする、請求項5または6記載のフロー電池。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、メディエーター溶液が電極と固体活物質との間で電子の移動を媒介するフロー電池に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、フロー電池のエネルギー密度を向上させるための工夫の一つとして、固体活物質を利用したものが開発されている。すなわち、メディエーターを溶かした溶液中に固体活物質の粉体や粒体を混入させ、メディエーター溶液に電子の授受を仲介させたものである。固体活物質はタンク内に収容され、メディエーター溶液がタンクと電極との間で循環するように供給される(特許文献1参照)。固体活物質を用いることで、液体活物質を用いた場合と比較して電気容量を増加させることが容易となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第6094558号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
固体活物質は、メディエーター溶液の流れの影響を受けて部分的に剥離し、フィルターの目詰まりを発生させる可能性がある。これによりフィルターでの圧力損失が上昇し、充放電効率が低下しうる。また、固体活物質の剥離は、メディエーター溶液の流速が速い場合に顕著となる。したがって、充放電効率を向上させるべくメディエーター溶液の流速を速くするほど、メディエーター溶液の勢いによってフィルターの目詰まりが発生しやすくなり、これを解消することが難しくなる。
【0005】
本件の目的の一つは、上記のような課題に鑑みて創案されたものであり、固体活物質の目詰まりによる充放電効率の低下を防止できるようにしたフロー電池を提供することである。なお、この目的に限らず、後述する「発明を実施するための形態」に示す各構成から導き出される作用効果であって、従来の技術では得られない作用効果を奏することも、本件の他の目的として位置付けることができる。
【課題を解決するための手段】
【0006】
(1)開示のフロー電池は、メディエーター溶液が電極と固体活物質との間で電子の移動を媒介するフロー電池である。本フロー電池は、前記固体活物質を内包する形状に形成され、前記メディエーター溶液を通過させつつ前記固体活物質の通過を妨げる大きさの孔が表面に設けられた袋を備える。
(2)前記固体活物質が充放電に伴い粒子径を変化させる粉体粒子であり、前記孔の直径が前記粉体粒子の前記粒子径の最小値よりも小さいことが好ましい。
【0007】
(3)前記固体活物質が充放電に伴い体積を変化させる物質であり、前記袋の容積が前記粉体粒子の前記体積の最大値よりも大きいことが好ましい。
(4)前記袋が前記メディエーター溶液の流れる流路の断面全体を覆うように配置されることが好ましい。
(5)前記袋を収容するタンクと、前記タンクの内面のうち前記メディエーター溶液の流れ方向の下流側に位置する面(底面)に対して前記袋を非接触に支持する支持部材とを備えることが好ましい。
【0008】
(6)前記支持部材が、前記タンクの内部で前記メディエーター溶液の流れ方向と交差する面形状に展開されるメッシュ部材を有することが好ましい。
(7)前記支持部材が、前記タンクの開口部を開閉する蓋と前記袋とを接続する紐部材を有することが好ましい。
【発明の効果】
【0009】
固体活物質を袋で包むことで、固体活物質の破片の漏洩を抑制できる。また、袋ごと固体活物質を入れ替えることが容易となり、メンテナンス性を改善できる。したがって、固体活物質の目詰まりによる充放電効率の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
図1】フロー電池が適用された車両の模式図である。
図2】固体活物質が内包された袋の模式図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
[1.構成]
本実施形態としてのフロー電池10は、図1に示す車両20の走行用バッテリーとして適用される。車両20の種類は電気自動車やハイブリッド自動車など、バッテリーの電力を利用した走行が可能な車両である。フロー電池10とは、電解液を正極1及び負極2の各々に積極的に供給することで充放電反応を継続的に生じさせる二次電池である。このフロー電池10では、固体活物質3(スラリー,粒子懸濁液,コロイド懸濁液,乳濁液,ゲル,ミセルなどの半固体状態を含む)が用いられ、メディエーター溶液4が正極1及び負極2と固体活物質3との間で電子の移動を媒介する。
【0012】
正極セル11の内部には正極1が内蔵され、負極セル12の内部には負極2が内蔵される。正極1及び負極2はともに不活性電極である。正極セル11と負極セル12との間は、活物質イオンを通さないセパレーター13で区画される。各極の酸化還元反応で水素イオンが生成される場合には、プロトン交換膜(イオン交換膜)がセパレーター13として使用される。
【0013】
正極セル11に供給される電解液(正極電解液)は、正極タンク14に貯留され、正極ポンプ16によって送給される。同様に、負極セル12に供給される電解液(負極電解液)は、負極タンク15に貯留され、負極ポンプ17によって送給される。正極タンク14,負極タンク15の容積は正極セル11,負極セル12の数百〜数千倍以上であり、大量の電解液が各々のタンク14,15に貯留される。正極ポンプ16は、正極タンク14の底面側から正極電解液を吸引し、図1中を時計回りに正極電解液を循環させるように機能する。また、負極ポンプ17は、負極タンク15の底面側から負極電解液を吸引し、図1中を反時計回りに負極電解液を循環させるように機能する。
【0014】
正極側の固体活物質3の具体例としては、リン酸鉄リチウム(LiFePO4),リン酸マンガンリチウム(LiMnPO4),リン酸バナジウムナトリウム(Na3V2(PO4)3)などが挙げられる。負極側の固体活物質3の具体例としては、リン酸チタンリチウム(LiTi2(PO4)3),シリコン(Si),リチウム(Li)などが挙げられる。固体活物質3は、粉体粒子や粒体であってもよいし、より大きな塊(例えば多孔質体)であってもよい。また、メディエーター溶液4の具体例としては、ヨウ化リチウム(LiI),テトラチアフルバレン( C6H4S4),フェロセン(C10H10Fe),N,N,N’,N’テトラメチル-1,4-フェニレンジアミン(C10H15N2)などが挙げられる。他の具体例としては、特許第6094558号公報の記載内容を参照してもよい。
【0015】
固体活物質3は、正極タンク14,負極タンク15のそれぞれに設置される袋5に内包される。この袋5は、いうなればティーバッグや麦茶パックのように、濾紙やメッシュ部材などを袋状に形成してなる袋体であって、メディエーター溶液4に浸漬された状態でタンク14,15内(あるいは電解液の流路内)に固定される。この袋5は、好ましくはある程度の伸縮性,変形性を有する素材で形成される。袋5の内部には、固体活物質3が漏洩しないように収容される。袋5の表面には、メディエーター溶液4を通過させつつ固体活物質3の通過を妨げる大きさの孔6が形成される。
【0016】
袋5の材質は、電解液に対する耐薬品性を持ち、細孔メッシュ構造を構築可能(イオンが透過可能)な材料であって、適度な強度を持つものの中から選択することが好ましい。例えば、エレクトロスピニング法により細孔を形成できるポリ乳酸樹脂(PLA)やポリビニルアルコール樹脂(PVA)などである。メディエーター溶液4に対する流路抵抗を小さくする上では、孔6の数ができるだけ多い方がよい。
【0017】
なお、袋5自体の伸縮によって孔6のサイズが変化しうる。このような変形を考慮して、孔6の大きさを固体活物質3のサイズ(例えば粉径や粒径)よりも十分に小さくしておけば、固体活物質3が漏洩をより確実に抑制することができる。具体的な孔6の大きさ(メッシュサイズ,隙間寸法)としては、例えば1[nm]〜10[mm]の範囲内で設定することが考えられる。
【0018】
また、固体活物質3の体積は、充放電に伴って変化しうる。固体活物質3として粉体粒子や粒体を使用した場合には、その粒子径が変化する。例えば、リン酸鉄リチウムは、充放電の前後で体積がおよそ7[%]変化しうる。シリコンは、充放電の前後において最大で300[%]もの体積変化を示す。したがって、孔6のサイズ(直径)は、固体活物質3のサイズ(粒子径)の最小値よりも小さく設定することが好ましい。一方、袋5の容積は、固体活物質3の体積の最大値よりも大きく設定することが好ましい。
【0019】
図1に示すように、固体活物質3が内包された袋5は二種類の支持部材7でタンク14,15内に支持され、メディエーター溶液4の流れる流路の断面全体を覆うように配置される。第一の支持部材7はメッシュ部材8であり、第二の支持部材7は紐部材9である。これらの支持部材7は、タンク14,15の内面のうち、メディエーター溶液4の流れ方向の下流側に位置する面(底面)に対して、袋5を非接触に支持する機能を持つ。
【0020】
メッシュ部材8は、タンク14,15の内部でメディエーター溶液4の流れ方向と交差する面形状に展開される部材である。図2に示すように、メッシュ部材8は、タンク14,15の下面に対して所定の隙間を確保しつつ袋5の下方を支えるハンモック状のネットとして機能する。メッシュ部材8の隙間寸法(メッシュサイズ)は、例えば1[nm]〜10[mm]の範囲内で設定される。メッシュ部材8の隙間寸法を孔6の大きさよりも大きく設定しておくことで、メディエーター溶液4に対する流路抵抗の上昇が抑えられる。一方、メッシュ部材8の隙間寸法を孔6の大きさよりも小さく設定しておくことで、固体活物質3の微小な剥離片の流出がより確実に抑制される。
【0021】
紐部材9は、タンク14,15の上部に形成された蓋18の内側と袋5とを接続する部材である。蓋18はメンテナンス用の開口部を開閉自在に閉塞している。紐部材9の長さは、袋5がメッシュ部材8に支持された状態でピンと張った状態になる長さに設定される。紐部材9を蓋18に接続しておくことで、紐部材9を引っ張り上げて袋5をタンク14,15から取り出しやすくなり、袋5の交換作業が容易となる。なお紐部材9の本数は少なくとも一本以上あればよい。
【0022】
袋5は、図1に示すように、メディエーター溶液4の流れる流路やタンク14,15の断面全体を覆うように配置される。図2に示すように、中空円筒状のタンク14,15の内部形状が円筒状である場合には、袋5の形状がタンク14,15と同程度の半径を持つ球形状に形成される。これにより、各セル11,12に供給されるすべての電解液が袋5の内部を通過してその下流側へと流通する。したがって、固体活物質3とメディエーター溶液4とがより確実に接触し、充放電の反応性が向上しうる。
【0023】
[2.作用・効果]
(1)上記のフロー電池10では、固体活物質3が袋5に内包される。袋5は、メディエーター溶液4の水流によって変形し、タンク14,15内において流路の断面全体をカバーするように押し広げられる。これにより、メディエーター溶液4が固体活物質3と接触しやすくなり、反応速度が向上する。また、固体活物質3を袋5で包むことで、固体活物質3の微小な剥離片の流出を抑制することができ、ポンプ16,17の故障やセル11,12の目詰まりなどを防ぐことができる。また、袋5ごと固体活物質3を入れ替えることが容易となり、フロー電池10のメンテナンス性を向上させることができる。したがって、固体活物質3の目詰まりによる充放電効率の低下を防止できる。
【0024】
(2)袋5の表面に設けられる孔6の直径を、固体活物質3の粒子径の最小値よりも小さく設定することで、固体活物質3の漏洩をより確実に防止することができる。なお、粒子径の大きな固体活物質3を用いる場合には、そのサイズに応じた直径の孔6を形成しておけば事足りる。つまり、袋5に形成される孔6の大きさに応じて固体活物質3の粒子径を設定してもよいし、固体活物質3の粒子径に応じて孔6の大きさを設定してもよい。
【0025】
(3)袋5の容積を固体活物質3の体積の最大値よりも大きく設定することで、固体活物質3の膨張による袋5の破損を防止することができる。なお、固体活物質3の最大体積に応じて袋5の容積を設定してもよいし、袋5の容積に応じて固体活物質3の種類(膨張率)や体積を設定してもよい。
【0026】
(4)上記のフロー電池10では、袋5がメディエーター溶液4の流れる流路の断面全体を覆うように配置される。このように、断面全体を袋5でカバーすることで、メディエーター溶液4と固体活物質3とをより確実に接触させることができ、充放電の反応性や効率を向上させることができる。
【0027】
(5)上記のフロー電池10では、図1に示すように、袋5が支持部材7を介してタンク14,15の内部に支持される。袋5は、タンク14,15の底面(メディエーター溶液4の流れ方向の下流側に位置する面)に対して非接触の状態に維持される。これにより、メディエーター溶液4と固体活物質3との接触面積を広くすることができ、充放電の反応性を高めることができる。なお、袋5をタンク14,15の底面に接触させてしまうと、固体活物質3の密集部分が生じ、接触面積がやや狭くなるほか、袋5が破損しやすくなる。これに対し、袋5を宙に浮かせることでこのような課題を解消することができる。
【0028】
(6)図2に示すように、袋5の下方(メディエーター溶液4の流れの下流側)にハンモック状のメッシュ部材8を展開することで、袋5を優しく支えることができる。つまり、袋5とメッシュ部材8との間に作用しうる荷重を分散させることができ、無理な力を袋5に加えることなくソフトな支持状態を実現することができる。したがって、袋5の破損を防止することができ、袋5の交換頻度を低くすることができる。
【0029】
(7)図1図2に示すように、袋5の上方(メディエーター溶液4の流れの上流側)を紐部材9で吊すことで、袋5をより確実に支持することができる。また、メッシュ部材8に作用する荷重が減少することから、袋5の破損を防止することができ、袋5の交換頻度を低くすることができる。さらに、タンク14,15の蓋18と袋5との間を紐部材9で接続することで、袋5の交換作業が容易となり、フロー電池10のメンテナンス性を向上させることができる。
【0030】
[3.変形例]
上記の実施形態はあくまでも例示に過ぎず、本実施形態で明示しない種々の変形や技術の適用を排除する意図はない。本実施形態の各構成は、それらの趣旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。また、必要に応じて取捨選択することができ、あるいは適宜組み合わせることができる。
【0031】
上述の実施形態では、正極タンク14,負極タンク15のそれぞれに固体活物質3を内包する袋5が設置されているが、いずれか一方のみに袋5を設けてもよい。また、袋5が設置される位置はタンク14,15の内部のみに限定されるものではない。例えば、セル11,12とタンク14,15とを結ぶ流路上に袋5を介装させてもよい。この場合、固体活物質3及び袋5をカートリッジに内蔵させ、そのカートリッジを流路に対して着脱可能な構造とすれば、上述の実施形態と同様の作用,効果を奏するものとなる。なお、上記のフロー電池10は、自動車の走行用バッテリーとしてだけでなく、船舶,航空機,工場などに設置されるバッテリーとして利用することができる。
【符号の説明】
【0032】
1 正極
2 負極
3 固体活物質
4 メディエーター溶液
5 袋
6 孔
7 支持部材
8 メッシュ部材
9 紐部材
10 フロー電池
11 正極セル
12 負極セル
13 セパレーター
14 正極タンク
15 負極タンク
16 正極ポンプ
17 負極ポンプ
18 蓋
20 車両
図1
図2