JP2013254685A - Redox flow cell and fuel cell system using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、酸化還元する物質対を含む2種類の溶液のそれぞれを、セルの負極及び正極に供給して充放電を行なうレドックスフロー電池に関し、特に2種類の溶液の混合を防止することができるレドックスフロー電池及びそれを用いた燃料電池システムに関する。 The present invention relates to a redox flow battery in which charging and discharging are performed by supplying each of two types of solutions containing a pair of substances to be oxidized / reduced to a negative electrode and a positive electrode of a cell, and in particular, mixing of the two types of solutions can be prevented. The present invention relates to a redox flow battery and a fuel cell system using the redox flow battery.
レドックスフロー電池とは、レドックス対を含む2種の溶液のそれぞれを、ポンプで負極及び正極に供給し、レドックス対の酸化還元反応により発電する電池であり、通常は充電もできる二次電池である。「レドックス(redox)」は、還元(reduction)及び酸化(oxidation)をまとめて表す用語である。「レドックス対」とは、酸化還元する物質対(酸化還元対)、即ち、相互に変化し得る1対の還元体(還元剤)及び酸化体(酸化剤)を表す。現在実用化されているレドックスフロー電池には、下記非特許文献1に開示されている鉄・クロム系のレドックスフロー電池、及び、下記非特許文献2に開示されているバナジウム系のレドックスフロー電池等がある。
A redox flow battery is a battery that supplies each of two types of solutions containing a redox pair to a negative electrode and a positive electrode by a pump, and generates electricity by a redox pair oxidation-reduction reaction, and is usually a secondary battery that can be charged. . “Redox” is a term that collectively represents reduction and oxidation. The “redox pair” refers to a substance pair (redox pair) that undergoes redox, that is, a pair of reductant (reducing agent) and oxidant (oxidant) that can change with each other. The redox flow batteries currently in practical use include iron / chromium redox flow batteries disclosed in the following
図1を参照して、従来のレドックスフロー電池は、電池セル900、負極電解液(以下、負極液又はアノライトともいう)を収容するタンク920、正極電解液(以下、正極液又はカソライトともいう)を収容するタンク922、負極液を循環させるポンプ930、及び、正極液を循環させるポンプ932を備えている。電池セル900は、負極室902、正極室904、及び隔膜910を備えている。負極室902には、多孔性の負極(アノード)906が配置され、正極室904には、多孔性の正極(カソード)908が配置されている。負極側セル902及び正極側セル904の間には、隔膜910が配置されている。図1では、負極906及び正極908が隔膜910の両面に配置されているが、負極906及び正極908は隔膜910と離隔して配置されてもよい。
Referring to FIG. 1, a conventional redox flow battery includes a
ポンプ930は、負極液をタンク920と負極室902との間で、配管934を介して循環させる。ポンプ932は、正極液をタンク922と正極室904との間で、配管936を介して循環させる。図1には、負極906及び正極908に電気的に接続された負荷940を示している。
The
鉄・クロム系のレドックスフロー電池の場合、アノライトとして、CrCl2及びCrCl3を含む塩酸(HCl)溶液、即ち、クロム2価イオン(Cr2+)及びクロム3価イオン(Cr3+)のレドックス対を含む塩酸溶液を用いる。カソライトとしては、FeCl2及びFeCl3を含む塩酸溶液、即ち、鉄2価イオン(Fe2+)及び鉄3価イオン(Fe3+)のレドックス対を含む塩酸溶液を用いる。負極906側では酸化反応(Cr2+→Cr3++e−)が生じ、この酸化還元電位は−0.41Vである。発生した電子(e−)は負荷940に供給される。正極908側では還元反応(Fe3++e−→Fe2+)が生じ、この酸化還元電位は0.77Vである。したがって、レドックスフロー電池の理論起電力は1.18Vとなる。最充電状態では、アノライト中のクロムは2価イオン、カソライト中の鉄は3価イオンとなる。最放電状態では、アノライト中のクロムは3価イオン、カソライト中の鉄は2価イオンとなる。
In the case of an iron-chromium redox flow battery, as an anorite, a hydrochloric acid (HCl) solution containing CrCl 2 and CrCl 3, that is, a redox pair of chromium divalent ions (Cr 2+ ) and chromium trivalent ions (Cr 3+ ). Use hydrochloric acid solution. As the catholyte, a hydrochloric acid solution containing FeCl 2 and FeCl 3, that is, a hydrochloric acid solution containing a redox pair of iron divalent ions (Fe 2+ ) and iron trivalent ions (Fe 3+ ) is used. An oxidation reaction (Cr 2+ → Cr 3+ + e − ) occurs on the
負極906及び正極908を隔てる隔膜910には、通常、陽イオン交換膜が用いられる。この場合、図1に示したように、アノライト及びカソライトに共通して含まれている水素イオン(H+)が隔膜910内の電流を担う。陽イオン交換膜を用いた場合、陽イオンであるアノライト中のクロムイオンが、隔膜910中の電流を担うイオンとなり、正極室904(カソライト側)に移動してしまう問題がある。また、電流を流していない状態でも、クロムイオン及び鉄イオンはどちらも陽イオンなので、徐々に対極側に拡散する。この問題に関しては、隔膜910として陰イオン交換膜を使用すれば、鉄イオン及びクロムイオンの隔膜910の透過を遮断することができる。陰イオン交換膜を使用する場合には、図1とは異なり、アノライト及びカソライトに共通して含まれている塩素イオン(Cl−)が隔膜910内の電流を担うことになる。
As the
実際、隔膜910として陰イオン交換膜を使用するセルも検討されている。しかし、現状でのアニオン交換膜(陰イオン交換膜)の性能が高くない(選択性が悪く、陽イオンもいくらか通してしまう)ため、現在実用化されている鉄・クロム系レドックスフロー電池では、むしろカチオン交換膜(陽イオン交換膜)を使用した上で、電解液に過剰な酸を加えて水素イオン(H+)を多量に含ませ、隔膜910内の電流は主として水素イオンが担うように設計されている。しかしその場合でも、鉄イオンが負極室902に移動し、クロムイオンが正極室904に移動することはゼロにはできず、徐々にアノライトとカソライトとの混合が進行(例えば、充放電の1サイクル毎に約1%)し、それにより電池容量が低下する。電池容量を回復するには、定期的な再生プロセス(鉄とクロムとを分離するプロセス)が必要となる。
In fact, a cell using an anion exchange membrane as the
混合しても再生プロセスを要しないタイプのレドックスフロー電池も知られている。これは、両極に同じ元素の異なる酸化還元対(レドックス対)を用いる電池である。代表的なものとして、バナジウム系レドックスフロー電池が知られている。これは、アノライト中のレドックス対として、バナジウムの2価イオン(V2+)及び3価イオン(V3+)を用い、カソライト中のレドックス対として、同じバナジウムの4価イオン(V4+)及び5価イオン(V5+)を用いる電池である。このようなセルでは、混合しても液の成分は変わらないため再生プロセスが不要である。 A type of redox flow battery that does not require a regeneration process even when mixed is also known. This is a battery using different redox pairs (redox pairs) of the same element for both electrodes. A typical example is a vanadium redox flow battery. This uses vanadium divalent ions (V 2+ ) and trivalent ions (V 3+ ) as redox pairs in anolite, and the same vanadium tetravalent ions (V 4+ ) and pentavalent as redox pairs in catholytes. It is a battery using ions (V 5+ ). In such a cell, the regeneration process is unnecessary because the components of the liquid do not change even when mixed.
また、図1に示したレドックスフロー電池を応用した燃料電池システムが知られている。例えば、下記非特許文献3及び4には、レドックスメディエータを用いて間接的に、燃料の酸化反応及び酸素の還元反応を行なう間接型燃料電池(Redox型燃料電池)が開示されている。レドックスメディエータとは、何らかの物質を酸化又は還元させる場合、その反応を仲介する目的で新たに導入する酸化還元対を意味する。
Further, a fuel cell system using the redox flow battery shown in FIG. 1 is known. For example,
通常の燃料電池は、負極で燃料を燃焼させる酸化反応を行ない、正極で酸素(空気)から水を生成する還元反応を行なう電気化学セルを使用した電池である。レドックスメディエータを用いた間接型燃料電池では、燃料をセルで直接酸化させず、負極側レドックスメディエータを導入し、間接的に酸化させる。また、酸素をセルで直接還元させず、正極側レドックスメディエータを導入し、間接的に還元させる。レドックスメディエータを用いた間接型燃料電池は、例えば図2に示すように構成される。 A normal fuel cell is a battery that uses an electrochemical cell that performs an oxidation reaction in which fuel is burned at the negative electrode and performs a reduction reaction that generates water from oxygen (air) at the positive electrode. In an indirect fuel cell using a redox mediator, the fuel is not directly oxidized in the cell, but is indirectly oxidized by introducing a negative side redox mediator. In addition, oxygen is not directly reduced by the cell, but is indirectly reduced by introducing a redox mediator on the positive electrode side. An indirect fuel cell using a redox mediator is configured, for example, as shown in FIG.
図2を参照して、レドックス型燃料電池は、レドックスフロー電池950、アノライト再生反応槽960、及びカソライト再生反応槽962を備えている。レドックスフロー電池950は、図1に示したレドックスフロー電池に対応する。図2では、図1に示したレドックスフロー電池の一部のみ示す。
Referring to FIG. 2, the redox fuel cell includes a
燃料の燃焼(酸化)は、レドックスフロー電池950の負極側のアノライトの還元反応を媒介として行なわれる。即ち、酸化反応(Cr2+→Cr3++e−)により生成されたCr3+が、アノライト再生反応槽960において還元される(Cr3++e−→Cr2+)ことを媒介として燃料の燃焼が生じる。また、酸素(空気)から水の生成(還元反応)は、レドックスフロー電池950の正極側のカソライトの酸化反応を媒介として行なわれる。即ち、還元反応(Fe3++e−→Fe2+)により生成されたFe2+が、カソライト再生反応槽962において酸化される(Fe2+→Fe3++e−)ことを媒介として酸素(空気)から水が生成される。
The combustion (oxidation) of the fuel is performed through the reduction reaction of the anolyte on the negative electrode side of the
アノライト及びカソライトが混合しても再生プロセスを要しないタイプのレドックスフロー電池(バナジウム系レドックスフロー電池)においても、混合自体はケミカルショート(発電に寄与しない無駄な反応の進行)であるため、充放電効率の低下をもたらす問題がある(放電で得られる電気量が充電に要した電気量よりも少なくなる)。したがって、バナジウム系レドックスフロー電池等においても、アノライトとカソライトとの混合はできるだけ少ないことが望ましい。 Even in the case of redox flow batteries (vanadium-based redox flow batteries) that do not require a regeneration process even if anolyte and catholyte are mixed, the mixing itself is a chemical short (progress of useless reaction that does not contribute to power generation). There is a problem that causes a decrease in efficiency (the amount of electricity obtained by discharging is less than the amount of electricity required for charging). Therefore, in vanadium redox flow batteries and the like, it is desirable that the mixing of anolyte and catholyte be as little as possible.
鉄・クロム系及びバナジウム系のレドックスフロー電池では、陰イオンは反応に寄与しないが、使用する陰イオンはアノライト及びカソライトで共通のものを用いることが事実上必須である。その理由は、たとえ隔膜として陽イオン交換膜を用いたとしても、通過するイオンの選択性は完全でなく、陰イオンも拡散し得るため、長期的にはいずれ混合するからである。即ち、アノライト及びカソライトの選択の自由度が低い問題がある。例えば、アノライトに塩酸(HCl)溶液を用い、カソライトに硫酸(H2SO4)溶液を用いるレドックスフロー電池を実現することができない。また、アノライトに酸性電解液を用い、カソライトにアルカリ性電解液を用いるレドックスフロー電池も、速やかに中和が進行してしまうので、実現することができない。 In an iron-chromium-based and vanadium-based redox flow battery, anions do not contribute to the reaction, but it is practically essential to use the same anions for anolyte and catholyte. The reason is that even if a cation exchange membrane is used as the diaphragm, the selectivity of ions passing therethrough is not perfect, and anions can also diffuse, so they will eventually be mixed. That is, there is a problem that the degree of freedom in selecting anolite and catholyte is low. For example, a redox flow battery using a hydrochloric acid (HCl) solution for anolyte and a sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution for catholyte cannot be realized. Further, a redox flow battery using an acidic electrolyte for anolyte and an alkaline electrolyte for catholyte cannot be realized because neutralization proceeds rapidly.
したがって、本発明は、アノライトとカソライトとの混合を防止することができるレドックスフロー電池及びそれを用いた燃料電池システムを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a redox flow battery capable of preventing mixing of anolyte and catholyte and a fuel cell system using the redox flow battery.
上記の目的は、下記によって達成することができる。 The above object can be achieved by the following.
即ち、本発明の第1の局面に係るレドックスフロー電池は、負極電解液を収容し、第1負極が配置された第1室と、ガスを収容し、第1正極及び第2負極が配置された第2室と、正極電解液を収容し、第2正極が配置された第3室と、第1室の負極電解液及び第2室のガスを離隔する、イオン伝導性の第1隔膜と、第3室の正極電解液及び第2室のガスを離隔する、イオン伝導性の第2隔膜と、第1正極及び第2負極を電気的に接続する導電部材とを備え、第1正極は、第1隔膜の第2室側の面に配置され、第2負極は、第2隔膜の第2室側の面に配置される。 That is, the redox flow battery according to the first aspect of the present invention contains a negative electrode electrolyte, a first chamber in which a first negative electrode is arranged, a gas, and a first positive electrode and a second negative electrode. A second chamber containing a positive electrode electrolyte, a third chamber in which the second positive electrode is disposed, and an ion conductive first diaphragm separating the negative electrode electrolyte in the first chamber and the gas in the second chamber; , An ion conductive second diaphragm that separates the positive electrode electrolyte in the third chamber and the gas in the second chamber, and a conductive member that electrically connects the first positive electrode and the second negative electrode, The second diaphragm is disposed on the second chamber side surface of the second diaphragm, and the second negative electrode is disposed on the second chamber side surface of the second diaphragm.
好ましくは、第1負極は、第1隔膜の第1室側の面に配置され、第2正極は、第2隔膜の第3室側の面に配置される。 Preferably, the first negative electrode is disposed on the first chamber side surface of the first diaphragm, and the second positive electrode is disposed on the third chamber side surface of the second diaphragm.
より好ましくは、第2室は、第1正極が配置された第4室と、第2負極が配置された第5室と、第4室及び第5室に収容されたガスが相互に移動可能に第4室及び第5室を接続する管とを備える。 More preferably, the second chamber is movable between the fourth chamber in which the first positive electrode is disposed, the fifth chamber in which the second negative electrode is disposed, and the gas accommodated in the fourth and fifth chambers. And a pipe connecting the fourth chamber and the fifth chamber.
さらに好ましくは、ガスは水素ガス、酸素ガス、フッ素ガス、塩素ガス又はヨウ素ガスである。 More preferably, the gas is hydrogen gas, oxygen gas, fluorine gas, chlorine gas or iodine gas.
好ましくは、ガスは水素ガスであり、負極電解液及び正極電解液は水素イオンを含む電解液であり、放電時に、ガスは、第2負極において酸化され、電子を放出して水素イオンを生成し、生成された水素イオンは第2隔膜を通過し、負極電解液に含まれている水素イオンは、第1隔膜を通過し、第1正極において、導電部材を介して伝達される電子を取得して水素ガスを形成する。 Preferably, the gas is hydrogen gas, and the negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte are electrolytes containing hydrogen ions, and during discharge, the gas is oxidized at the second negative electrode to release electrons and generate hydrogen ions. The generated hydrogen ions pass through the second diaphragm, and the hydrogen ions contained in the negative electrode electrolyte pass through the first diaphragm and acquire electrons transmitted through the conductive member at the first positive electrode. To form hydrogen gas.
より好ましくは、ガスは水素ガスであり、負極電解液及び正極電解液は水溶液であり、放電時に、ガスは、第2負極において酸化され、電子を放出して水分子を生成し、生成された水分子は第2隔膜を通過し、負極電解液に含まれている水分子は、第1隔膜を通過し、第1正極において、導電部材を介して伝達される電子を取得して水素ガスを形成する。 More preferably, the gas is hydrogen gas, and the negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte are aqueous solutions. At the time of discharge, the gas is oxidized at the second negative electrode to emit electrons and generate water molecules. Water molecules pass through the second diaphragm, and water molecules contained in the negative electrode electrolyte pass through the first diaphragm. At the first positive electrode, the electrons transmitted through the conductive member are acquired to generate hydrogen gas. Form.
さらに好ましくは、負極電解液及び正極電解液に含まれる、レドックス対を構成しないイオンは、相互に異なる。 More preferably, ions that do not constitute a redox pair contained in the negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte are different from each other.
好ましくは、負極電解液及び正極電解液の一方は酸性溶液であり、他方はアルカリ性溶液である。 Preferably, one of the negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte is an acidic solution, and the other is an alkaline solution.
より好ましくは、負極電解液及び正極電解液の一方は水溶液であり、他方は有機溶媒溶液である。 More preferably, one of the negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte is an aqueous solution, and the other is an organic solvent solution.
本発明の第2の局面に係る燃料電池システムは、上記の何れかのレドックスフロー電池と、燃料を供給する装置と、空気を供給する装置とを備え、レドックスフロー電池の負極電解液に含まれるレドックス対の酸化体は、供給される燃料の燃焼によって、還元体に変化し、レドックスフロー電池の正極電解液に含まれるレドックス対の還元体は、供給される空気中の酸素の還元反応によって、酸化体に変化する。 A fuel cell system according to a second aspect of the present invention includes any one of the above redox flow batteries, a fuel supply device, and an air supply device, and is included in the negative electrode electrolyte of the redox flow battery. The oxidant of the redox couple is converted into a reductant by combustion of the supplied fuel, and the reductant of the redox pair contained in the cathode electrolyte of the redox flow battery is reduced by the reduction reaction of oxygen in the supplied air. Change to oxidant.
本発明によれば、レドックスフロー電池において、アノライトとカソライトとの混合を防止することができる。したがって、アノライト又はカソライトの再生プロセスが不要になる。 According to the present invention, mixing of anolyte and catholyte can be prevented in a redox flow battery. This eliminates the need for an anolyte or catholyte regeneration process.
また、採用したレドックス対に最も適した電解液をそれぞれ独立に設計することができ、アノライト及びカソライトの選択の自由度が大きくなる。したがって、採用する2組のレドックス対の選択肢そのものが広がり、実用可能なレドックスフロー電池の多様化を実現することができる。 In addition, it is possible to independently design the electrolyte solutions most suitable for the adopted redox pair, and the degree of freedom in selecting anolyte and catholyte is increased. Therefore, the choices of the two pairs of redox pairs to be adopted are widened, and diversification of practical redox flow batteries can be realized.
また、レドックス型燃料電池においても、アノライトとカソライトとの混合を防止することができる。 Also in the redox fuel cell, mixing of anolyte and catholyte can be prevented.
以下の実施の形態では、同一の部品には同一の参照番号を付してある。それらの名称及び機能も同一である。したがって、それらについての詳細な説明は繰返さない。 In the following embodiments, the same parts are denoted by the same reference numerals. Their names and functions are also the same. Therefore, detailed description thereof will not be repeated.
図3を参照して、本発明の実施の形態に係るレドックスフロー電池100は、電池セル複合体110、負極液タンク140、正極液タンク142、負極液循環ポンプ150、及び正極液循環ポンプ152を備えている。電池セル複合体110は、第1室112、第2室114、第3室116、第1隔膜130、及び第2隔膜132を備えている。第1室112及び第2室114の間には、第1隔膜130が配置され、第2室114及び第3室116の間には、第2隔膜132が配置されている。第1室112には第1負極120が配置され、第2室114には、第1正極122及び第2負極124が配置され、第3室116には第2正極126が配置されている。第1正極122は、第1隔膜130の表面に配置され、第2負極124は、第2隔膜132の表面に配置されている。第1正極122及び第2負極124は、導電体134によって電気的に接続されている。
Referring to FIG. 3, the
なお、図3では、第1負極120は第1隔膜130の表面に配置されているが、第1負極120は第1隔膜130と離隔されて配置されてもよい。同様に、第2正極126は第2隔膜132と離隔されて配置されてもよい。
In FIG. 3, the first
負極液タンク140はアノライト(負極電解液)を収容し、正極液タンク142はカソライト(正極電解液)を収容している。負極液循環ポンプ150は、アノライトを負極液タンク140と第1室112との間で、負極液循環路154を介して循環させる。正極液循環ポンプ152は、カソライトを正極液タンク142と第3室116との間で、正極液循環路156を介して循環させる。図3には、第1負極120及び第2正極126に電気的に接続された負荷190を示している。
The negative
第1隔膜130及び第2隔膜132は、例えば陽イオン交換膜である。第2室114は水素ガス(H2)を収容している。
The
図3において、使用する2組のレドックス対のうち、酸化還元電位が相対的に低いレドックス対(例えば、アノライトに含まれるレドックス対)の還元体及び酸化体を、それぞれRed[1]及びOx[1]で表している。酸化還元電位が相対的に高いレドックス対(例えば、カソライトに含まれるレドックス対)の還元体及び酸化体を、それぞれRed[2]及びOx[2]で表している。この標記にしたがうと、レドックスフロー電池100の放電反応は、式1及び式2によって表される。
Red[1]→Ox[1]+e− (式1)
Ox[2]+e−→Red[2] (式2)
より具体的には、レドックスフロー電池100においては、式1及び式2の反応の間に、第2室114の水素ガスによる水素発生反応及び水素酸化反応を介在させる。即ち、放電時には次のように、第1室112における上記の式1の反応に加えて、第2室114の第1正極122において式3の反応が生じる。
In FIG. 3, of the two redox pairs to be used, a reduced form and an oxidized form of a redox pair having a relatively low redox potential (for example, a redox pair contained in anolyte) are represented by Red [1] and Ox [ 1]. A reduced form and an oxidized form of a redox pair having a relatively high oxidation-reduction potential (for example, a redox pair contained in catholyte) are represented by Red [2] and Ox [2], respectively. According to this notation, the discharge reaction of the
Red [1] → Ox [1] + e − (Formula 1)
Ox [2] + e − → Red [2] (Formula 2)
More specifically, in the
また、次のように、第3室116における上記の式2の反応に加えて、第2室114の第2負極124において式4の反応が生じる。
In addition to the reaction of the
したがって、レドックスフロー電池100は、放電反応が式1及び式3によって表されるセルと、放電反応が式4及び式2によって表されるセルとを直列接続した構成であるとも言える。
Therefore, it can be said that the
例えば、アノライトとして、CrCl2及びCrCl3を含む塩酸溶液、即ち、クロム2価イオン(Cr2+)及びクロム3価イオン(Cr3+)のレドックス対を含む塩酸溶液を用いることができる。カソライトとして、FeCl2及びFeCl3を含む塩酸溶液、即ち、鉄2価イオン(Fe2+)及び鉄3価イオン(Fe3+)のレドックス対を含む塩酸溶液を用いることができる。その場合、放電時には、第1室112の第1負極120の近傍では酸化反応(Cr2+→Cr3++e−)が生じる(式1参照)。この酸化還元電位は−0.41Vである。発生した電子(e−)は負荷190に供給される。一方、第3室116の第2正極126の近傍では還元反応(Fe3++e−→Fe2+)が生じる(式2参照)。この酸化還元電位は0.77Vである。第2室114では、第1正極122では、上記の式3の反応により水素が発生し、第2負極124では、上記の式4の反応により水素が水素イオン及び電子に分離される。発生した電子は、第2負極124から導電体134を介して第1正極122に供給され、水素の生成に使用される。
For example, a hydrochloric acid solution containing CrCl 2 and CrCl 3, that is, a hydrochloric acid solution containing a redox pair of chromium divalent ions (Cr 2+ ) and chromium trivalent ions (Cr 3+ ) can be used as the anorite. As the catholyte, a hydrochloric acid solution containing FeCl 2 and FeCl 3, that is, a hydrochloric acid solution containing a redox pair of iron divalent ions (Fe 2+ ) and iron trivalent ions (Fe 3+ ) can be used. In that case, during discharge, an oxidation reaction (Cr 2+ → Cr 3+ + e − ) occurs in the vicinity of the first
このように、レドックスフロー電池100は、アノライトとカソライトとが空間的に分離されているので、従来問題であった、アノライト及びカソライトの成分が徐々に混合することを防止することができる。したがって、従来必要であった2組のレドックス対の混合に伴う電池容量の低下を回復するための再生プロセスを行なう必要がない。
Thus, since the anolyte and the catholyte are spatially separated, the
また、アノライト及びカソライトが接触しないため、アノライト及びカソライトとして用いる電解液の選択の自由度が広がる。例えば、アノライト及びカソライトに含まれる1対となるイオン(例えば、鉄・クロム系のレドックスフロー電池であれば陰イオン)が相互に異なっていてもよい。例えば、アノライトに塩酸(HCl)溶液を用い、カソライトに硫酸(H2SO4)溶液を用いることができる。レドックス対として陰イオン性のものを選択することも可能であり、その場合には、アノライト及びカソライトに含まれる1対となる陽イオンは相互に同じであっても、異なっていてもよい。また、どのようなレドックス対を用いる場合にも、レドックス対と無関係な陽イオンと無関な陰イオンとから成る塩(塩化ナトリウム等)が、アノライト及びカソライトに添加されていてもよい。 Moreover, since anolyte and catholyte do not contact, the freedom degree of selection of the electrolyte solution used as anolite and catholyte spreads. For example, a pair of ions contained in anolyte and catholyte (for example, an anion in the case of an iron-chromium redox flow battery) may be different from each other. For example, a hydrochloric acid (HCl) solution can be used for anolyte, and a sulfuric acid (H 2 SO 4 ) solution can be used for catholyte. It is also possible to select an anionic one as a redox pair, and in that case, a pair of cations contained in anolyte and catholyte may be the same or different from each other. In addition, when any redox pair is used, a salt composed of a cation unrelated to the redox pair and an unrelated anion (such as sodium chloride) may be added to anolyte and catholyte.
また、アノライト及びカソライトとして、例えば酸性溶液及びアルカリ性溶液の組合せ、又は、水溶液及び有機溶媒溶液の組合せも可能となる。 Further, as anolyte and catholyte, for example, a combination of an acidic solution and an alkaline solution, or a combination of an aqueous solution and an organic solvent solution is possible.
このことにより、採用したレドックス対に最も適した電解液をそれぞれ独立に設計することができる。その結果、採用する2組のレドックス対の選択肢そのものが広がり、実用可能な電池の多様化を実現することができる。 As a result, it is possible to independently design the electrolytes most suitable for the adopted redox pair. As a result, the choices of the two pairs of redox pairs to be adopted are widened, and diversification of practical batteries can be realized.
なお、レドックスフロー電池100による起電力は、式1及び式2のそれぞれの反応における酸化還元電位から予想される値から、水素発生反応(式3参照)と水素酸化反応(式4参照)とによる過電圧(反応を進行させるための駆動力)の分だけ低下する。上記のように、アノライトとして、CrCl2及びCrCl3を含む塩酸溶液を用い、カソライトとして、FeCl2及びFeCl3を含む塩酸溶液用いる場合、レドックスフロー電池100の起電力は、両極における酸化還元電位−0.41V及び0.77Vから予想される値である1.18Vよりも小さくなる。しかし、水素発生反応及び水素酸化反応は過電圧の小さな反応(可逆性の高い反応)であるので、起電力の低下への影響は小さい。
The electromotive force generated by the
アノライト及びカソライトが酸性溶液である場合、上記したように(図3参照)、水素イオンが第1隔膜130及び第2隔膜132を通過し、隔膜内の電流を担う。しかし、隔膜内の電流を担うイオンは、水素イオンに限定されない。アノライト又はカソライトがアルカリ性溶液である場合、水酸化物イオン(OH−)及び水が隔膜内を通過する。例えば、図4に示すように、カソライトがアルカリ性溶液であり、第2隔膜132が陰イオン交換膜であれば、水酸化物イオン及び水が第2隔膜132を通過する(1点鎖線領域参照)。図4は、カソライトがアルカリ性溶液であり、第2隔膜132が陰イオン交換膜である点が図3と異なるが、その他は図3と同じである。したがって、重複説明を繰返さない。
When anolyte and catholyte are acidic solutions, as described above (see FIG. 3), hydrogen ions pass through the
図4に示したレドックスフロー電池においては、放電時には、図3と異なり第2室114の第2負極124において式5の反応が生じる。即ち、第2室114の水素ガスが、第2隔膜132を通過した水酸化物イオンと反応し、水(H2O)を生成して電子を放出する。なお、第3室116における反応は、上記の式2の反応である。
In the redox flow battery shown in FIG. 4, the reaction of
なお、図4に示したレドックスフロー電池は、充電時には、第2負極124において、式5の逆反応、即ち式6の反応が生じる。
In the redox flow battery shown in FIG. 4, the reverse reaction of
また、図3において、アノライトがアルカリ性溶液である場合、第1隔膜130として陰イオン交換膜を使用すれば、上記と同様に、水酸化物イオン及び水が第1隔膜130内を通過する。この場合、放電時には、第1正極122において、第1隔膜130を通過した水によって式6の反応が生じる。充電時には、第1正極122において式5の反応が生じる。
In FIG. 3, when anolyte is an alkaline solution, if an anion exchange membrane is used as the
アノライト又はカソライトが有機溶媒の場合、水素ガスを利用するには、有機溶媒に水素イオンを導入すればよい。 When anolyte or catholyte is an organic solvent, hydrogen ions may be introduced into the organic solvent in order to use hydrogen gas.
上記では、水素ガスによる水素発生反応及び水素酸化反応を介在させる場合を説明したが、これに限定されない。第2室114に収容されるガスは、電荷を帯びていない中性のガスであればよく、水素以外のガスを使用することができる。例えば、酸素ガス(O2)、フッ素ガス(F2)、塩素ガス(Cl2)又はヨウ素ガス(I2)を使用してもよい。なお、介在させる反応は、ガスを構成する1又は複数の原子がイオン化する反応と、その逆反応であるイオンからガスが生成される反応とが、可逆性の高い反応であることが好ましい。
In the above, the case where the hydrogen generation reaction and the hydrogen oxidation reaction by hydrogen gas are interposed has been described, but the present invention is not limited to this. The gas stored in the
正電極、負電極、及び隔膜に関しては、公知の電池(レドックスフロー電池に限らない)の正電極、負電極、及び隔膜に使用される材料を使用することができる。 With respect to the positive electrode, the negative electrode, and the diaphragm, materials used for the positive electrode, the negative electrode, and the diaphragm of a known battery (not limited to a redox flow battery) can be used.
上記では、1つの第2室114が、第1正極122及び第2負極124を備える場合を説明したが、これに限定されない。第2室114は、例えば図5に示すように、第1正極122を含む部分(以下、第4室という)172と、第2負極124を含む部分(以下、第5室という)174とに分割されていてもよい。図5に示したレドックスフロー電池170においては、第1正極122及び第2負極124がそれぞれ、第4室172及び第5室174に配置されている。第4室172及び第5室174は、水素ガスを収容し、管176によって接続されている。第4室172及び第5室174内の水素ガスは、管176によって相互に移動可能である。レドックスフロー電池170のその他の構成は、図3のレドックスフロー電池100と同じであるので、重複説明を繰返さない。
Although the case where one
上記では、レドックスフロー電池単体に関して説明したが、これに限定されない。例えば、図3等に示したレドックスフロー電池100を用いて、図2と同様の間接型燃料電池システムを構成することができる。
In the above description, the single redox flow battery has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, an indirect fuel cell system similar to that shown in FIG. 2 can be configured using the
図6を参照して、間接型燃料電池システム200は、レドックスフロー電池210、アノライト再生反応槽212、及びカソライト再生反応槽214を備えている。レドックスフロー電池210は、図3に示したレドックスフロー電池100に対応する。図6では、図3に示したレドックスフロー電池100の一部のみ示す。
Referring to FIG. 6, the indirect
アノライト再生反応槽212には燃料が供給される。燃料には、燃料電池で使用される公知の燃料(水素又はメタノール等)を使用することができる。カソライト再生反応槽214には酸素を含む空気が供給される。
Fuel is supplied to the anolyte
燃料の燃焼(酸化反応)により、レドックスフロー電池210の負極側のアノライト中の酸化体は還元体に戻される。即ち、レドックスフロー電池210の放電時に、酸化反応(Red[1]→Ox[1]+e−)により生成された酸化体Ox[1]は、アノライト再生反応槽212において、燃料の燃焼(酸化反応)により放出される電子を取得して還元体Red[1]となる(Ox[1]+e−→Red[1])。また、酸素(空気)から水の生成(還元反応)により、レドックスフロー電池210の正極側のカソライト中の還元体は酸化体に戻される。即ち、レドックスフロー電池210の放電時に、還元反応(Ox[2]+e−→Red[2])により生成された還元体Red[2]は、カソライト再生反応槽214において、酸素(空気)から水の生成(還元反応)により、電子を放出して酸化体Ox[2]となる(Red[2]→Ox[2]+e−)。このようにして、間接型燃料電池システム200は、レドックスフロー電池210の発電(放電)によって変化したアノライト及びカソライトを、燃料の燃焼(酸化反応)及び酸素(空気)から水の生成(還元反応)によって再生することにより、連続的に発電することができる。
By the combustion (oxidation reaction) of the fuel, the oxidant in the anolyte on the negative electrode side of the
以下に実験結果を示し、本発明の有効性を示す。図3に示したレドックスフロー電池100は、上記したように、2つのセルが直列接続された構成であると言え、何れも、一方の電極側に酸化還元対(レドックス対)を含む電解質溶液を備え、他方の電極側に水素ガスを備えている。したがって、図7に示すハーフセルを作製して実験を行なった。
The experimental results are shown below to show the effectiveness of the present invention. As described above, the
作製したハーフセル(図7)は、第1室300、第2室302、第1電極304、第2電極306、及び隔膜308を備えている。第1室300には電解溶液を収容し、第2室302には水素ガスを収容した。隔膜308には、陽イオン交換樹脂膜であるNafion(登録商標)117を用いた。第1電極304(電解溶液側)には、触媒を含まないカーボンクロスを用いた。第2電極306(水素側)には、白金微粒子を担持したカーボンブラック粉末と陽イオン交換樹脂とをカーボンクロスの表面に塗布したものを用いた。作製したハーフセルの有効電極幾何面積は2.25cm2であった。
The manufactured half cell (FIG. 7) includes a
図7において、水素酸化と電解液還元との組合せである正反応(実線の矢印)は、図3の第1負極120、第1正極122、及び第1隔膜130を含むセルにおいては、充電過程であり、図3の第2負極124、第2正極126、及び第2隔膜132を含むセルにおいては、放電過程である。図7において、水素発生と電解液酸化との組合せである逆反応(点線の矢印)は、図3の第1負極120、第1正極122、及び第1隔膜130を含むセルにおいては、放電過程であり、図3の第2負極124、第2正極126、及び第2隔膜132を含むセルにおいては、充電過程である。
In FIG. 7, the positive reaction (solid arrow) that is a combination of hydrogen oxidation and electrolyte reduction is a charging process in the cell including the first
電解溶液には、0.1mol/LのFe3+を含む1mol/LのHCl水溶液を用いた。レドックス対は、Fe3+及びFe2+である。この電解溶液をタンク(図示せず)に100mL用意し、タンクから第1室300にポンプ(図示せず)を用いて20mL/minで循環供給しながら、22.5mAの電流、即ち10mA/cm2の電流密度で充放電実験を行なった。その結果を図8に示す。実験中のハーフセルの運転温度は40℃であった。
As the electrolytic solution, a 1 mol / L HCl aqueous solution containing 0.1 mol / L Fe 3+ was used. The redox couple is Fe 3+ and Fe 2+ . While preparing 100 mL of this electrolytic solution in a tank (not shown) and circulatingly supplying it from the tank to the
図8において、縦軸は起電力(V)、横軸は時間(hour)である。図8には、各充放電サイクルにおける電荷容量(C:クーロン)を、実線の四角で囲んで示す。これらの電荷容量は、実験値から計算した値である。 In FIG. 8, the vertical axis represents electromotive force (V), and the horizontal axis represents time (hour). In FIG. 8, the charge capacity (C: Coulomb) in each charge / discharge cycle is shown enclosed by a solid line square. These charge capacities are values calculated from experimental values.
式7の1電子反応を想定すると、上記の実験条件での理論容量は、
0.1(mol/L)×0.1(L)×96500(C/mol)=965(C)
である。
Assuming a one-electron reaction of Equation 7, the theoretical capacity under the above experimental conditions is
0.1 (mol / L) × 0.1 (L) × 96500 (C / mol) = 965 (C)
It is.
実験において、溶液の初期状態は酸化体であるため、まず還元過程から開始した。初回の還元過程(図8の左端)では11.5時間後に急激に起電力が低下したため停止した。この間に通過した電荷量は、
22.5(mA)×11.5(h)×3600(s/h)=932(C)
である(図8の左下の四角枠内の数値参照)。引き続き行なった酸化過程(充電)、さらに2サイクル目以降の還元過程(放電)及び酸化過程(充電)においても、同様の計算により、ほぼ理論通りの充放電容量が得られた(図8の四角枠内の数値参照)。
In the experiment, since the initial state of the solution was an oxidant, the reduction process was started first. In the first reduction process (the left end in FIG. 8), the electromotive force suddenly decreased after 11.5 hours and stopped. The amount of charge passed during this period is
22.5 (mA) × 11.5 (h) × 3600 (s / h) = 932 (C)
(Refer to the numerical values in the lower left square frame in FIG. 8). In the subsequent oxidation process (charge), and further in the reduction process (discharge) and oxidation process (charge) in the second and subsequent cycles, the charge / discharge capacity almost as theoretically obtained was obtained by the same calculation (the square in FIG. 8). (Refer to the number in the box.)
図7のハーフセルを用いて、実施例1とは別の電解溶液を用いて、同様の実験を行なった。実施例1と異なる点は、電解溶液として、0.05mol/Lのアントラキノン−2,6−ジスルホン酸(Anthraquinone−2,6−disulfonate:以下AQDSという)を含む0.5mol/LのH2SO4水溶液を使用した点だけである。レドックス対は、AQDS及びAQDSH2である。 A similar experiment was performed using an electrolytic solution different from Example 1 using the half cell of FIG. The difference from Example 1 is that 0.5 mol / L of H 2 SO containing 0.05 mol / L of anthraquinone-2,6-disulfonic acid (Anthraquinone-2,6-disulfonate: hereinafter referred to as AQDS) is used as an electrolytic solution. It is only the point which used 4 aqueous solution. Redox pairs are AQDS and AQDSH 2.
実施例1と同じ条件、即ち、電解溶液100mL、循環供給速度20mL/min、電流値22.5mA(電流密度10mA/cm2)、ハーフセルの運転温度40℃で、充放電を行なった。その結果を図9に示す。図9の表記は図8と同じである。 Charging / discharging was performed under the same conditions as in Example 1, namely, 100 mL of electrolytic solution, circulation supply rate of 20 mL / min, current value of 22.5 mA (current density of 10 mA / cm 2 ), and half-cell operating temperature of 40 ° C. The result is shown in FIG. The notation of FIG. 9 is the same as FIG.
式8の2電子反応を想定すると、理論容量は、
2×0.05(mol/L)×0.1(L)×96500(C/mol)=965(C)
である。
Assuming the two-electron reaction of Equation 8, the theoretical capacity is
2 × 0.05 (mol / L) × 0.1 (L) × 96500 (C / mol) = 965 (C)
It is.
図9に示した実線の四角枠内の値から、本実施例2においても、理論値に近い充放電容量が得られたことが分かる。なお、図9の左下に示した容量値は、理論値の965Cよりも大きい値(996C)であり、これは、式8以外の反応が起こったことによるものと思われる。 From the values in the solid-line square frame shown in FIG. 9, it can be seen that also in Example 2, a charge / discharge capacity close to the theoretical value was obtained. Note that the capacitance value shown in the lower left of FIG. 9 is a value (996C) that is larger than the theoretical value of 965C, which is considered to be due to the occurrence of a reaction other than Equation 8.
図8及び図9の結果から、図3のレドックスフロー電池100において、Fe2+とAQDSとの組合せを使用すると、図10に示す充放電特性を持ったレドックスフロー電池を実現できる。図10のグラフは、図8において1点鎖線で示した領域の充放電データ(1サイクル目の酸化データ及び2サイクル目の還元データ)と、図9おいて1点鎖線で示した領域の充放電データ(2サイクル目の還元データ及び酸化データ)とを組合せて得られたグラフである。
From the results of FIGS. 8 and 9, when the combination of Fe 2+ and AQDS is used in the
以上、実施の形態を説明することにより本発明を説明したが、上記した実施の形態は例示であって、本発明は上記した実施の形態に限定されるものではなく、種々変更して実施することができる。 The present invention has been described above by describing the embodiment. However, the above-described embodiment is an exemplification, and the present invention is not limited to the above-described embodiment, and is implemented with various modifications. be able to.
100 レドックスフロー電池
110 電池セル
112 第1室
114 第2室
116 第3室
120 第1負極
122 第1正極
124 第2負極
126 第2正極
130 第1隔膜
132 第2隔膜
134 導電体
140 負極液タンク
142 正極液タンク
150 負極液循環ポンプ
152 正極液循環ポンプ
154 負極液循環路
156 正極液循環路
190 負荷
100
Claims (10)
ガスを収容し、第1正極及び第2負極が配置された第2室と、
正極電解液を収容し、第2正極が配置された第3室と、
前記第1室の前記負極電解液及び前記第2室の前記ガスを離隔する、イオン伝導性の第1隔膜と、
前記第3室の前記正極電解液及び前記第2室の前記ガスを離隔する、イオン伝導性の第2隔膜と、
前記第1正極及び前記第2負極を電気的に接続する導電部材とを備え、
前記第1正極は、前記第1隔膜の前記第2室側の面に配置され、
前記第2負極は、前記第2隔膜の前記第2室側の面に配置されることを特徴とするレドックスフロー電池。 A first chamber containing a negative electrode electrolyte and in which a first negative electrode is disposed;
A second chamber containing gas and in which the first positive electrode and the second negative electrode are disposed;
A third chamber containing a positive electrode electrolyte and having a second positive electrode disposed thereon;
An ion-conductive first diaphragm that separates the negative electrode electrolyte in the first chamber and the gas in the second chamber;
An ion conductive second diaphragm that separates the positive electrode electrolyte in the third chamber and the gas in the second chamber;
A conductive member that electrically connects the first positive electrode and the second negative electrode;
The first positive electrode is disposed on a surface of the first diaphragm on the second chamber side,
The redox flow battery, wherein the second negative electrode is disposed on a surface of the second diaphragm on the second chamber side.
前記第2正極は、前記第2隔膜の前記第3室側の面に配置されることを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池。 The first negative electrode is disposed on the first chamber side surface of the first diaphragm,
The redox flow battery according to claim 1, wherein the second positive electrode is disposed on a surface of the second diaphragm on the third chamber side.
前記第1正極が配置された第4室と、
前記第2負極が配置された第5室と、
前記第4室及び前記第5室に収容された前記ガスが相互に移動可能に前記第4室及び前記第5室を接続する管とを備えることを特徴とする請求項1又は2に記載のレドックスフロー電池。 The second chamber is
A fourth chamber in which the first positive electrode is disposed;
A fifth chamber in which the second negative electrode is disposed;
The pipe | tube which connects the said 4th chamber and the said 5th chamber so that the said gas accommodated in the said 4th chamber and the said 5th chamber can move mutually is provided. Redox flow battery.
前記負極電解液及び前記正極電解液は水素イオンを含む電解液であり、
放電時に、
前記ガスは、前記第2負極において酸化され、電子を放出して水素イオンを生成し、
生成された前記水素イオンは前記第2隔膜を通過し、
前記負極電解液に含まれている水素イオンは、前記第1隔膜を通過し、前記第1正極において、前記導電部材を介して伝達される前記電子を取得して水素ガスを形成することを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載のレドックスフロー電池。 The gas is hydrogen gas;
The negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte are electrolytes containing hydrogen ions,
When discharging
The gas is oxidized in the second negative electrode, emits electrons to generate hydrogen ions,
The generated hydrogen ions pass through the second diaphragm,
Hydrogen ions contained in the negative electrode electrolyte pass through the first diaphragm, and acquire the electrons transmitted through the conductive member in the first positive electrode to form hydrogen gas. The redox flow battery according to any one of claims 1 to 4.
前記負極電解液及び前記正極電解液は水溶液であり、
放電時に、
前記ガスは、前記第2負極において酸化され、電子を放出して水分子を生成し、
生成された前記水分子は前記第2隔膜を通過し、
前記負極電解液に含まれている水分子は、前記第1隔膜を通過し、前記第1正極において、前記導電部材を介して伝達される前記電子を取得して水素ガスを形成することを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載のレドックスフロー電池。 The gas is hydrogen gas;
The negative electrode electrolyte and the positive electrode electrolyte are aqueous solutions,
When discharging
The gas is oxidized in the second negative electrode, emits electrons to generate water molecules,
The generated water molecules pass through the second diaphragm,
Water molecules contained in the negative electrode electrolyte pass through the first diaphragm, and acquire the electrons transmitted through the conductive member in the first positive electrode to form hydrogen gas. The redox flow battery according to any one of claims 1 to 4.
燃料を供給する装置と、
空気を供給する装置とを備え、
前記レドックスフロー電池の負極電解液に含まれるレドックス対の酸化体は、供給される前記燃料の燃焼によって、還元体に変化し、
前記レドックスフロー電池の正極電解液に含まれるレドックス対の還元体は、供給される前記空気中の酸素の還元反応によって、酸化体に変化することを特徴とする燃料電池システム。
The redox flow battery according to any one of claims 1 to 9,
An apparatus for supplying fuel;
A device for supplying air,
The oxidant of the redox couple contained in the negative electrode electrolyte of the redox flow battery is changed into a reductant by the combustion of the supplied fuel,
The fuel cell system according to claim 1, wherein the redox pair reductant contained in the cathode electrolyte of the redox flow battery is changed to an oxidant by a reduction reaction of oxygen in the supplied air.
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