[go: up one dir, main page]

JP7108640B2 - An Alternative Low-Cost Electrode for Hybrid Flow Batteries - Google Patents

An Alternative Low-Cost Electrode for Hybrid Flow Batteries Download PDF

Info

Publication number
JP7108640B2
JP7108640B2 JP2019564531A JP2019564531A JP7108640B2 JP 7108640 B2 JP7108640 B2 JP 7108640B2 JP 2019564531 A JP2019564531 A JP 2019564531A JP 2019564531 A JP2019564531 A JP 2019564531A JP 7108640 B2 JP7108640 B2 JP 7108640B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
ribs
electrode
plating
flow field
membrane
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
JP2019564531A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP2020521292A (en
Inventor
クレイグ イー. エヴァンズ
ショーン ケイシー
ヤン ソン
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
ESS Tech Inc
Original Assignee
ESS Tech Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US15/601,560 external-priority patent/US11374236B2/en
Application filed by ESS Tech Inc filed Critical ESS Tech Inc
Publication of JP2020521292A publication Critical patent/JP2020521292A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP7108640B2 publication Critical patent/JP7108640B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/0258Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors characterised by the configuration of channels, e.g. by the flow field of the reactant or coolant
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/8663Selection of inactive substances as ingredients for catalytic active masses, e.g. binders, fillers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/88Processes of manufacture
    • H01M4/8803Supports for the deposition of the catalytic active composition
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M4/00Electrodes
    • H01M4/86Inert electrodes with catalytic activity, e.g. for fuel cells
    • H01M4/96Carbon-based electrodes
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/02Details
    • H01M8/0202Collectors; Separators, e.g. bipolar separators; Interconnectors
    • H01M8/023Porous and characterised by the material
    • H01M8/0239Organic resins; Organic polymers
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184Regeneration by electrochemical means
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • General Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
  • Fuel Cell (AREA)
  • Inert Electrodes (AREA)

Description

(関連出願への相互参照)
本出願は、「ハイブリッドフロー電池用の代替低コスト電極」と題され、2017年5月22日に出願された米国特許出願第15/601,560号の国際出願である。米国特許出願第15/601,560号は、2015年12月30日に出願された「ハイブリッドフロー電池用の代替低コスト電極」と題する米国特許出願第14/984,416号の一部係属出願である。米国特許出願14/984,416号は、「ハイブリッドフロー電池用炭素被覆プラスチック電極」と題する2014年12月30日に出願された米国特許仮出願62/098,200号の優先権を主張する。上記出願の全内容は、あらゆる目的のために参照により本明細書に組み込まれる。
(Cross reference to related application)
This application is an international application of US patent application Ser. U.S. Patent Application No. 15/601,560 is a continuation-in-part of U.S. Patent Application No. 14/984,416, entitled "Alternative Low-Cost Electrodes for Hybrid Flow Batteries," filed Dec. 30, 2015. is. US Patent Application No. 14/984,416 claims priority from US Provisional Patent Application No. 62/098,200, filed Dec. 30, 2014, entitled "Carbon-Coated Plastic Electrodes for Hybrid Flow Batteries." The entire contents of the above application are incorporated herein by reference for all purposes.

(政府の支援の承認)
本発明は、DOE、ARPA-Eオフィスによって与えられた嘱託番号DE-AR0000261の下で政府の支援を受けてなされた。政府は、本発明に所定の権利を有する。
(Approval of Government Support)
This invention was made with Government support under Assignment No. DE-AR0000261 awarded by the DOE, ARPA-E Office. The Government has certain rights in this invention.

(分野)
本開示は、ハイブリッドフロー電池システム、及び、ハイブリッドフロー電池システムのアセンブリ方法に関する。
(field)
The present disclosure relates to hybrid flow battery systems and methods of assembling hybrid flow battery systems.

(背景技術及び概要)
還元-酸化(酸化還元、レドックス)フロー電池は、化学形態でエネルギーを貯蔵する電気化学貯蔵デバイスである。貯蔵された化学エネルギーは自発的な逆酸化還元反応によって電気的な形に変換される。分配された化学エネルギーを回復するため、逆酸化還元反応を誘導するために電流が印加される。ハイブリッドフロー電池は、電極上に固体層として1つ又は複数の電気活性材料を析出させる。ハイブリッドフロー電池は、充電反応全体のある点で基板上に固体沈殿めっきを形成する化学物質を含み、この固体沈殿めっきもまた、放電反応全体にわたって溶解することができる。充電反応の間、化学物質は基板の表面上で凝固し、電極表面の近くにめっきを形成することができる。化学物質は通常、金属化合物である。ハイブリッドフロー電池システムでは、充電中にめっきされる金属の量によってレドックス電池による貯蔵エネルギーが制限され得、したがって、レドックス電池による貯蔵エネルギーはめっきシステムの効率と、めっき可能な体積及び表面積と、によって決定され得る。
(Background technology and overview)
A reduction-oxidation (redox, redox) flow battery is an electrochemical storage device that stores energy in chemical form. The stored chemical energy is converted to electrical form by spontaneous reverse redox reactions. An electric current is applied to induce a reverse redox reaction to recover the distributed chemical energy. Hybrid flow batteries deposit one or more electroactive materials as solid layers on the electrodes. A hybrid flow battery contains chemicals that form a solid precipitated plating on the substrate at some point throughout the charge reaction, and this solid precipitated plating can also dissolve throughout the discharge reaction. During the charging reaction, chemicals can solidify on the surface of the substrate and form a plating near the electrode surface. Chemicals are typically metal compounds. In hybrid flow battery systems, the amount of metal plated during charging can limit the energy stored by a redox battery, and thus the energy stored by a redox battery is determined by the efficiency of the plating system and the volume and surface area that can be plated. can be

レドックスフロー電池の正極と負極は化学エネルギーの貯蔵と放出のための電気化学反応に関与する。したがって、電極は、電池性能、容量、効率及び全体的なコストに影響を与えるため、電池における重要な構成要素であると考えられる。 The positive and negative electrodes of redox flow batteries participate in electrochemical reactions for the storage and release of chemical energy. Electrodes are therefore considered to be an important component in batteries as they affect battery performance, capacity, efficiency and overall cost.

ハイブリッドレドックスフロー電池の一例は、全鉄レドックスフロー電池(all-iron redox flow battery, IFB)である。IFBは、めっきが生じる負極(本明細書ではめっき電極とも呼ぶ)と、酸化還元反応が生じる正極(本明細書ではレドックス電極とも呼ぶ)とを含む反応のための電解液として、鉄を使用する。IFB電池の性能は、めっき電極性能(負極)、レドックス電極性能(正極)、及びオーム抵抗損失に分類できる。めっき電極上では、下記の式(1)に示すように、第一鉄(Fe2+)イオンは、充電中に電子を得て、基板上に固体鉄としてめっきし、また、放電中に固体鉄は第一鉄イオンとして溶解し、2個の電子を放出する。鉄めっき反応の平衡電位は-0.44Vである。レドックス電極上において、充放電中に、第一鉄と第二鉄(Fe3+)イオンの間の酸化還元反応が生じる。正極では、以下の式(2)に示すように、充電中に2個のFe2+イオンが2個の電子を失ってFe3+イオンを形成し、放電中に2個のFe3+イオンが2個の電子を得てFe2+を形成する。第一鉄と第二鉄イオンとの間の平衡電位は+0.77Vである。したがって、IFBレドックスフロー電池における反応は可逆的である。
Fe2+ + 2e ⇔Fe (負極) (1)
2Fe2+ ⇔ 2Fe3+ + 2e (正極) (2)
An example of a hybrid redox flow battery is an all-iron redox flow battery (IFB). IFB uses iron as the electrolyte for a reaction involving a negative electrode (also referred to herein as a plating electrode) where plating occurs and a positive electrode (also referred to herein as a redox electrode) where redox reactions occur. . The performance of IFB batteries can be classified into plating electrode performance (negative electrode), redox electrode performance (positive electrode), and ohmic resistance loss. On the plating electrode, ferrous (Fe 2+ ) ions gain electrons during charging, plate as solid iron on the substrate, and solid iron during discharging, as shown in equation (1) below. dissolves as a ferrous ion, releasing two electrons. The equilibrium potential for the iron plating reaction is -0.44V. On the redox electrode, redox reactions between ferrous and ferric (Fe 3+ ) ions occur during charging and discharging. At the positive electrode, two Fe 2+ ions lose two electrons to form Fe 3+ ions during charging, and two Fe 3+ ions lose two electrons during discharging, as shown in equation (2) below. of electrons to form Fe 2+ . The equilibrium potential between ferrous and ferric ions is +0.77V. Therefore, the reactions in IFB redox flow batteries are reversible.
Fe 2+ + 2e ⇔ Fe 0 (negative electrode) (1)
2Fe 2+ ⇔ 2Fe 3+ + 2e (positive electrode) (2)

IFBの負極では、第一鉄の還元反応は2つの副反応と競合する。水素プロトンH(反応(3))の還元で、2個の水素プロトンがそれぞれ単一の電子を受け取って水素ガスHを形成し、析出した金属鉄の腐食で第一鉄イオンFe2+(反応(4))をそれぞれ生成する。

Figure 0007108640000001
At the IFB anode, the ferrous iron reduction reaction competes with two side reactions. In the reduction of the hydrogen protons H + (reaction (3)), two hydrogen protons each accept a single electron to form hydrogen gas H 2 , and in the corrosion of the deposited metallic iron the ferrous ions Fe 2+ ( reaction (4)), respectively.
Figure 0007108640000001

これらの2つの副反応は、負極に伝達される電子が鉄のめっきではなく水素生成によって消費される可能性があるため、全体の電池効率を低下させる可能性がある。さらに、これらの副反応は電解液の不均衡をもたらし、次に時間の経過とともに電池容量の損失をもたらす可能性がある。 These two side reactions can reduce overall cell efficiency because electrons transferred to the negative electrode can be consumed by hydrogen production rather than iron plating. In addition, these side reactions can lead to electrolyte imbalance, which in turn can lead to loss of battery capacity over time.

正極でのFe2+/Fe3+酸化還元反応は速度論的に速い。したがって、IFB電池の性能は、めっき速度、めっき抵抗、及びめっき質量輸送損失の結果である負極性能によって制限され得る。さらに、IFB電池の容量は、負極が貯蔵可能な固体鉄の量によって決定される。また、IFB電池の効率は、めっき電極上での副反応(3)、(4)などの副反応の程度に関係する。したがって、電池性能及び効率のために最適化された特性を有するめっき電極を最小のコストで選択することが望ましい。 The Fe 2+ /Fe 3+ redox reaction at the positive electrode is kinetically fast. Therefore, the performance of IFB cells can be limited by anode performance, which is a result of plating rate, plating resistance, and plating mass transport loss. Furthermore, the capacity of an IFB battery is determined by the amount of solid iron that the negative electrode can store. Also, the efficiency of an IFB cell is related to the extent of side reactions such as side reactions (3) and (4) on the plating electrode. Therefore, it is desirable to select plating electrodes with optimized properties for battery performance and efficiency at minimal cost.

現在、チタン(Ti)系メッシュ材料が負極(めっき電極)として使用され、カーボン紙やカーボンフェルトのような炭素(C)系多孔質材料が正極として使用されている。負極及び正極の両方は、櫛形電解液フローフィールド(interdigitated electrolyte flow field、IDFF)で構成される。Ti材料は負極半電池環境で安定であり、メッシュは全表面積とめっき量を増加させる。現在の電極材料は、高電位が電極に印加され得る充電サイクル中に安定である。しかしながら、これらのめっき及びレドックス電極材料は高価であり、全体的な電池コストを増加させる。Ti材料は水素発生反応にも触媒効果を示す。したがって、Ti材料を使用すると、水素プロトン還元(3)のような副反応の程度が大きくなる可能性がある。さらに、既存の非Ti系の織布メッシュ電極は、コストがかかりすぎ、所望の電池充電容量に対して不十分なめっき密度を提供する可能性がある。さらに、より高いめっき密度でレドックスフロー電池システムを作動させることは、電解液の流れ及び気泡の発生率を増加させ、これは、従来のフロー電池電極の構成では実際には対応することができず、電極めっきを脆弱にし、電極を劣化させる可能性がある。さらに、従来のフロー電池電極の構成は、より高い電流密度分布の分散を有する可能性があり、レドックスフロー電池システムの早期短絡を引き起こす可能性がある。 Currently, a titanium (Ti)-based mesh material is used as a negative electrode (plating electrode), and a carbon (C)-based porous material such as carbon paper or carbon felt is used as a positive electrode. Both the negative and positive electrodes consist of an interdigitated electrolyte flow field (IDFF). The Ti material is stable in the negative half-cell environment and the mesh increases the total surface area and plating yield. Current electrode materials are stable during charging cycles where high potentials can be applied to the electrodes. However, these plating and redox electrode materials are expensive and add to the overall battery cost. The Ti material also exhibits a catalytic effect on the hydrogen evolution reaction. Therefore, the use of Ti materials can increase the extent of side reactions such as hydrogen proton reduction (3). Furthermore, existing non-Ti-based woven mesh electrodes can be too costly and provide insufficient plating density for desired battery charging capacity. Furthermore, operating redox flow battery systems at higher plating densities increases electrolyte flow and bubble generation rates, which cannot be practically accommodated by conventional flow battery electrode configurations. , which can weaken the electrode plating and degrade the electrode. In addition, conventional flow battery electrode configurations can have higher current density distribution variances, which can lead to premature short circuiting of redox flow battery systems.

発明者らは、上記の問題は、少なくとも部分的に次のレドックスフロー電池によって対処することができることを見出した:膜の第1の側に配置された第1の電極と第1の側とは反対側の膜の第2の側に配置された第2の電極の間に挿入された膜と、複数の正のフローフィールドリブを含む第1のフローフィールドプレートと、を含み、複数の正のフローフィールドリブの各々は、第1の側の第1の支持領域で第1の電極と接触し、第2の電極は、膜と第2のフローフィールドプレートとの間に配置された電極スペーサを含み、電極スペーサは複数の主リブを含み、複数の主リブの各々は、第2の側の第2の支持領域において第2のフローフィールドプレートに接触し、第2の支持領域の各々は、複数の第1の支持領域の1つに対向して整列する、レドックスフロー電池。 The inventors have found that the above problems can be at least partially addressed by the following redox flow battery: a first electrode disposed on the first side of the membrane and the first side is a membrane interposed between second electrodes disposed on a second side of the opposing membrane; and a first flow field plate comprising a plurality of positive flow field ribs; Each of the flow field ribs contacts a first electrode at a first support region on the first side and the second electrode has an electrode spacer positioned between the membrane and the second flow field plate. wherein the electrode spacer includes a plurality of primary ribs, each of the plurality of primary ribs contacting the second flow field plate at a second support region on the second side, each of the second support regions comprising: A redox flow battery aligned opposite one of the plurality of first support regions.

別の実施形態では、レドックスフロー電池のアセンブリ方法は、膜のめっき側において、膜とめっきフローフィールドプレートとの間にめっき電解液フローフィールド及びめっき電極スペーサを挟み、めっき電極スペーサは複数の主リブを含み、膜のレドックス側において、レドックス電極とレドックスフローフィールドプレートの間にレドックス電解液フローフィールドを挟み、レドックス電極は複数の正のフローフィールドリブを含み、及び、複数の主リブの各々を複数の正のフローフィールドリブに整列させ、めっきフローフィールドプレート及びレドックスフローフィールドプレートを膜に向かって圧縮すると、めっき電解液フローフィールドの寸法を実質的に変化させることなく、主リブが膜を挟んだ向かいの正のフローフィールドリブによって対向して支持されることを含む。 In another embodiment, a method of assembling a redox flow battery includes sandwiching a plating electrolyte flow field and a plating electrode spacer between the membrane and a plating flow field plate on the plating side of the membrane, the plating electrode spacer comprising a plurality of main ribs. sandwiching a redox electrolyte flow field between a redox electrode and a redox flow field plate on the redox side of the membrane, the redox electrode including a plurality of positive flow field ribs, and each of the plurality of main ribs comprising a plurality of When the plating flow field plate and the redox flow field plate are compressed toward the membrane, the main ribs sandwich the membrane without substantially changing the dimensions of the plating electrolyte flow field. including oppositely supported by opposite positive flow field ribs.

別の実施形態では、レドックスフロー電池は、膜の負側と負のフローフィールドプレートとの間に挿入された負極スペーサと、膜の正側と正のフローフィールドプレートとの間に挿入された正極と、を含み、負極スペーサは、複数の主リブを含み、正極は、膜を挟んだ向かいの複数の主リブに対向して整列した複数の正のフローフィールドリブを含み、及び、負のフローフィールドプレートは、膜に面する連続した平らなめっき表面と、めっき表面と膜との間に挟まれた非櫛形負極電解液フローフィールドと、を含む。 In another embodiment, the redox flow battery comprises a negative electrode spacer interposed between the negative side of the membrane and the negative flow field plate and a positive electrode spacer interposed between the positive side of the membrane and the positive flow field plate. and wherein the negative electrode spacer includes a plurality of major ribs, the positive electrode includes a plurality of positive flow field ribs aligned opposite the across-the-membrane main ribs, and a negative flow field rib. The field plate includes a continuous flat plating surface facing the membrane and a non-interdigitated anode electrolyte flow field sandwiched between the plating surface and the membrane.

このようにして、より大きな電極ギャップを含む新規なレドックスフロー電池システムを提供することができ、それによって、より高いめっき電流密度及び電池充電容量を得ることができ、より高い電解液の流れ及び気泡発生率に対応することができる。さらに、電流密度分布の分散、オーム損失、電池短絡、及び製造コスト、及び作動コストを低減することができる。 In this way, novel redox flow battery systems can be provided that include larger electrode gaps, which can lead to higher plating current densities and battery charge capacities, higher electrolyte flows and bubble Incidence can be accommodated. In addition, current density distribution spread, ohmic losses, battery short circuits, and manufacturing and operating costs can be reduced.

上記の概要が詳細な説明においてさらに説明される概念の選択を簡略化した形式で導入するために提供されることを、理解されたい。それは、クレームされた構成要件の重要な又は本質的な特徴を特定することを意図するものではなく、その範囲は、詳細な説明に続く請求項によって一意に定義される。さらに、クレームされた構成要件は、上記又は本開示の任意の部分で言及された欠点を解決する実施に限定されない。 It should be understood that the above summary is provided to introduce in a simplified form a selection of concepts that are further described in the detailed description. It is not intended to identify key or essential features of the claimed subject matter, the scope of which is uniquely defined by the claims following the detailed description. Furthermore, the claimed subject matter is not limited to implementations that solve any disadvantages noted above or in any part of this disclosure.

特許又は出願ファイルは、色彩を付して作成された少なくとも1の図面を含んでいる。彩色図面を付した特許又は特許出願公開の写しは、請求及び必要な手数料の納付があったときは、特許商標庁によって提供される。
図1は、例示的なレドックスフロー電池システムの概略図を示す。
図2は、様々な電極上のFeめっき速度を示す。
図3Aは、炭素被覆プラスチックメッシュ電極の電子顕微鏡写真を示す。
図3Bは、炭素被覆プラスチックメッシュ電極の電子顕微鏡写真を示す。
図4は、非被覆プラスチックメッシュと、2つの被覆プラスチックメッシュと、ベースラインとしてのTiメッシュとの間の負極性能比較を示す。
図5は、疎水性非被覆メッシュと、親水性被覆を有する同じメッシュとの間の負極圧力を示す。
図6は、非被覆メッシュ内に捕捉された水素バブルの例と、それが被覆されたFeの位置及び形態にどのように影響するかを示す。
図7は、プラスチックメッシュ上の被覆の概略図を示す。
図8は、被覆プラスチックメッシュ電極を製造するための例示的な方法を示す。
図9は、炭素被覆プラスチックメッシュ電極性能を示す。
図10は、サイクル全体にわたる炭素被覆プラスチックメッシュ電極性能を示す。
図11は、電流密度分布の分散と電池短絡時間を示す表である。
図12~図13は、様々な電極構成に対する電流密度分布の分散を示す表である。
図14~図15は、図12~図13の様々な電極構成の電流密度分布及び電池検証データプロットを示す。
図16は、レドックスフロー電池システム用の例示的な電極構成の平面図を示す。
図17Aは、図16の電極構成例の拡大部分詳細図を示す。
図17B~図17Eは、図16の電極構成例の拡大部分断面図を示す。
図18A及び図18Bは、櫛形フローフィールド(IDFF)を含む電極構成の例示的平面図及び断面概略図を示す。
図19は、レドックスフロー電池のアセンブリ方法の一例を示すフローチャートである。
図20A~図20Bはそれぞれ、支持された及び支持されていない電極スタックアセンブリを有する例示的なレドックスフロー電池構成の部分断面図を示す。
図21A~図21Cは、様々な主リブ構成を含む電極スタックアセンブリの部分断面図を示す。
図23A~図23Kは、図12~図13の様々な電極構成の拡大平面図を示す。
図24Aは、電極構成の代替表現の分解平面図を示す。
図24Bは、図24Aの電極構成に含まれる電極スペーサの上面図を示す。
図24C及び図24Dはそれぞれ、図24Aの電極構成をB-B断面及びA-A断面で示した断面図である。
図24Eは、図24Aの電極構成の領域Cの詳細図を示す。
図24Fは、図24Aの電極構成の上面図を示す。
図25Aは、電極構成の別の代替表現の上面図を示す。
図25B及び図25Dはそれぞれ、図25Aの電極構成をA-A断面及びC-C断面で示した断面図である。
図25Cは、領域Bにおける図25Aの電極構成の詳細図を示す。
The patent or application file contains at least one drawing executed in color. Copies of patents or patent application publications with color drawings will be provided by the Patent and Trademark Office upon request and payment of the necessary fee.
FIG. 1 shows a schematic diagram of an exemplary redox flow battery system.
FIG. 2 shows the Fe plating rate on various electrodes.
FIG. 3A shows an electron micrograph of a carbon-coated plastic mesh electrode.
FIG. 3B shows an electron micrograph of a carbon-coated plastic mesh electrode.
FIG. 4 shows a negative electrode performance comparison between an uncoated plastic mesh, two coated plastic meshes, and a Ti mesh as a baseline.
FIG. 5 shows the negative electrode pressure between a hydrophobic uncoated mesh and the same mesh with a hydrophilic coating.
FIG. 6 shows an example of hydrogen bubbles trapped in an uncoated mesh and how it affects the position and morphology of the coated Fe.
FIG. 7 shows a schematic of the coating on the plastic mesh.
FIG. 8 shows an exemplary method for manufacturing a coated plastic mesh electrode.
FIG. 9 shows carbon-coated plastic mesh electrode performance.
FIG. 10 shows carbon-coated plastic mesh electrode performance over cycles.
FIG. 11 is a table showing distribution of current density distribution and battery short-circuit time.
12-13 are tables showing the distribution of current density distributions for various electrode configurations.
Figures 14-15 show current density distributions and cell validation data plots for the various electrode configurations of Figures 12-13.
FIG. 16 shows a plan view of an exemplary electrode configuration for a redox flow battery system.
17A shows an enlarged partial detail view of the example electrode configuration of FIG.
17B-17E show enlarged partial cross-sectional views of the example electrode configuration of FIG.
18A and 18B show exemplary plan and cross-sectional schematic views of an electrode configuration that includes an interdigitated flow field (IDFF).
FIG. 19 is a flow chart showing an example of a redox flow battery assembly method.
20A-20B show partial cross-sectional views of exemplary redox flow battery configurations with supported and unsupported electrode stack assemblies, respectively.
21A-21C show partial cross-sectional views of electrode stack assemblies including various primary rib configurations.
Figures 23A-23K show enlarged plan views of the various electrode configurations of Figures 12-13.
FIG. 24A shows an exploded plan view of an alternative representation of the electrode configuration.
FIG. 24B shows a top view of an electrode spacer included in the electrode configuration of FIG. 24A.
24C and 24D are cross-sectional views showing the electrode configuration of FIG. 24A along BB and AA sections, respectively.
FIG. 24E shows a detailed view of region C of the electrode configuration of FIG. 24A.
FIG. 24F shows a top view of the electrode configuration of FIG. 24A.
FIG. 25A shows a top view of another alternative representation of the electrode configuration.
25B and 25D are cross-sectional views showing the electrode configuration of FIG. 25A along AA cross section and CC cross section, respectively.
25C shows a detailed view of the electrode configuration of FIG. 25A in region B. FIG.

(詳細な説明)
本開示は、総コストを低減しつつ、現在の電極材料と比較して性能を向上又は維持するレドックスフロー電池システムに使用するための新規な被覆プラスチックメッシュ電極用の材料及び方法に関する。図1に示す例のレドックスフロー電池システムは、全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池(IFB)、Zn-Br2+フロー電池、又はZn-NiOOH(MnO)電池を含むことができ、開示されたレドックスフロー電池システムを含むことができる。一例では、IFBシステムの場合、図2に示すように、鉄めっき速度は、非鉄ベースの基板上では最初は遅いことが分かる。したがって、図3A及び図3Bに示すように、開示されている被覆プラスチックメッシュ電極は、最初のめっきサイクル後の性能を向上又は維持する。ベースラインTiメッシュと被覆メッシュとの間のめっき電極性能の比較を図4に示す。被覆プラスチックメッシュ電極の使用は、電極活物質の量を低減し、したがって高価な導電性材料のコストを低減する。親水性被覆を有するプラスチックメッシュの負極圧力と、被覆を有さないプラスチックメッシュの圧力とを図5に示すグラフで比較する。非被覆プラスチックメッシュの負極めっき特性の証拠が図6に示されている。開示された電極は、図7に示すように、プラスチックメッシュの最適化された厚さ及び開口、並びに炭素被覆を有しており、これにより電極抵抗率が低下し、図9及び図10に示す現在のレドックスフロー電極と比較して性能が向上する。
(detailed explanation)
The present disclosure relates to materials and methods for novel coated plastic mesh electrodes for use in redox flow battery systems that improve or maintain performance compared to current electrode materials while reducing overall cost. The example redox flow battery system shown in FIG. 1 can include an all-iron hybrid redox flow battery (IFB), a Zn—Br 2+ flow battery, or a Zn—NiOOH (MnO 2 ) battery, and the disclosed redox flow battery system. In one example, for an IFB system, as shown in FIG. 2, it can be seen that the iron plating rate is initially slow on non-ferrous based substrates. Thus, as shown in FIGS. 3A and 3B, the disclosed coated plastic mesh electrodes improve or maintain performance after the first plating cycle. A comparison of the plating electrode performance between the baseline Ti mesh and the coated mesh is shown in FIG. The use of coated plastic mesh electrodes reduces the amount of electrode active material and thus the cost of expensive conductive materials. The negative pressure of the plastic mesh with the hydrophilic coating and the pressure of the plastic mesh without the coating are compared in the graph shown in FIG. Evidence of the negative plating properties of the uncoated plastic mesh is shown in FIG. The disclosed electrodes have optimized thickness and openings of the plastic mesh, as shown in FIG. 7, and a carbon coating, which reduces the electrode resistivity, as shown in FIGS. Improved performance compared to current redox flow electrodes.

図11に示すように、より高い電流密度分布の分散を示す電極構成は、電池セルの短絡を加速する可能性がある。図12~図13は、図14に示される関連する電流密度分布の分散を有する様々な例示的な電極構成と、図15に示される電池検証試験データとを比較する。図12~図13の様々な電極構成の拡大図は、図23A~図23Kに示される。図16及び図17A~図17Eは、より低い電流密度分布の分散を有する例示的な電極構成の様々な図を示し、図19は、図16及び図17A~図17Eの電極構成を含むレドックスフロー電池のアセンブリ方法を説明する。図18A及び図18Bは、櫛形フローフィールド(IDFF)を含むレドックスフロー電池用の電極構成の一例を示す。図20A及び図20Bは、支持された及び支持されていない電極スタックアセンブリを有するレドックスフロー電池用の電極構成例を示す。電極構成の2つの代替表現が、それぞれ図24A~図24F及び図25A~図25Dに示されている。 As shown in FIG. 11, electrode configurations that exhibit higher current density distribution dispersion can accelerate battery cell short circuits. 12-13 compare various exemplary electrode configurations with associated current density distribution variances shown in FIG. 14 and the battery validation test data shown in FIG. Magnified views of the various electrode configurations of FIGS. 12-13 are shown in FIGS. 23A-23K. FIGS. 16 and 17A-17E show various views of exemplary electrode configurations having lower current density distribution variances, and FIG. 19 shows a redox flow diagram including the electrode configuration of FIGS. 16 and 17A-17E. A battery assembly method will be described. Figures 18A and 18B show an example electrode configuration for a redox flow battery comprising an interdigitated flow field (IDFF). 20A and 20B show example electrode configurations for redox flow batteries with supported and unsupported electrode stack assemblies. Two alternative representations of electrode configurations are shown in FIGS. 24A-24F and 25A-25D, respectively.

図1を参照すると、単一のレドックス電池セル18が示されているレドックスフロー電池システム10の例示的な概略図が提供されている。単一のレドックス電池セルは、通常、負極室20と、正極室22と、セパレータ24とを含む。セパレータ24は、負極室と正極室との間に配置される。いくつかの例では、複数のレドックス電池セル18を直列及び/又は並列に組み合わせて、レドックスフロー電池システム内により高い電圧及び/又は電流を生成することができる。 Referring to FIG. 1, an exemplary schematic diagram of a redox flow battery system 10 is provided in which a single redox battery cell 18 is shown. A single redox battery cell typically includes a negative electrode compartment 20 , a positive electrode compartment 22 and a separator 24 . A separator 24 is arranged between the negative electrode chamber and the positive electrode chamber. In some examples, multiple redox battery cells 18 may be combined in series and/or parallel to produce higher voltage and/or current within the redox flow battery system.

負極室20は、負極26と、電気活性材料を含み負極電解液とも呼ばれる第1の電解液と、を含むことができる。同様に、正極室22は、正極28と、電気活性材料を含み正極電解液とも呼ばれる第2の電解液と、を含むことができる。 Anode compartment 20 can include a negative electrode 26 and a first electrolyte solution, also called a negative electrolyte solution, that includes an electroactive material. Similarly, the cathode compartment 22 can contain a cathode 28 and a second electrolyte, also called a cathode electrolyte, comprising an electroactive material.

セパレータ24は、電気絶縁性イオン伝導性バリアを含むことができる。当該セパレータは、負極室20内の第1の電解液と正極室22内の第2の電解液とのバルク混合を防ぎつつ、そこを通る特定のイオンの伝導を可能にするように機能する。一例では、セパレータ24はイオン交換膜を含むことができる。別の例では、セパレータ24は、微孔性膜を含むことができる。 Separator 24 may comprise an electrically insulating, ionically conductive barrier. The separator functions to prevent bulk mixing of the first electrolyte solution in the anode compartment 20 and the second electrolyte solution in the cathode compartment 22 while allowing the conduction of certain ions therethrough. In one example, separator 24 can include an ion exchange membrane. In another example, separator 24 can include a microporous membrane.

電解液は、通常、レドックス電池セル18の外部のタンクに貯蔵することができる。電解液は、ポンプ30及び32を介して、それぞれ、負極室20及び正極室22を通して送り込むことができる。図1に示す例では、第1の電解液は、外部の第1電解液タンク(図示せず)をさらに含む第1の電解液源50に貯蔵され、第2の電解液は、外部の第2電解液タンク(図示せず)をさらに含む第2の電解液源52に貯蔵される。 The electrolyte can typically be stored in a tank outside the redox battery cell 18 . The electrolyte may be pumped through anode compartment 20 and cathode compartment 22 via pumps 30 and 32, respectively. In the example shown in FIG. 1, the first electrolyte is stored in a first electrolyte source 50 that further includes an external first electrolyte tank (not shown), and the second electrolyte is stored in an external second electrolyte tank (not shown). It is stored in a second electrolyte source 52 which further includes two electrolyte tanks (not shown).

電池充電中には、負極電池端子40及び正極電池端子42に電流が印加される。充電中には、正極28で正極電解液が酸化されて1つ又は複数の電子を失い、負極26で負極電解液が還元されて1つ又は複数の電子を得る。 During battery charging, current is applied to the negative battery terminal 40 and the positive battery terminal 42 . During charging, the positive electrode 28 oxidizes the positive electrolyte, losing one or more electrons, and the negative electrode 26 reduces the negative electrolyte, gaining one or more electrons.

電池放電中に、充電反応に対する逆酸化還元反応が電極で起こる。したがって、放電時には、正極28で正極電解液が還元され、負極26で負極電解液が酸化される。一例では、正極及び負極は、後述する炭素被覆プラスチックメッシュ電極であってもよい。 During battery discharge, a reverse redox reaction to the charging reaction occurs at the electrodes. Therefore, during discharge, the positive electrode electrolyte is reduced at the positive electrode 28 and the negative electrode electrolyte is oxidized at the negative electrode 26 . In one example, the positive and negative electrodes may be carbon coated plastic mesh electrodes as described below.

負極室20及び正極室22における電気化学的酸化還元反応は、レドックスフロー電池システム全体にわたって電位差を維持し、反応が持続されている間に導体を流れる電流を誘導することが可能である。レドックスフロー電池システムによって貯蔵されるエネルギーの量、容量は、放電のための電解液中の電気活性材料の量によって制限され得る。電気活性材料の量は、電解液の総量及び電気活性材料の溶解度に基づく。さらに、レドックスフロー電池システムによって貯蔵されるエネルギーの量は、負極が貯蔵可能な固体鉄の量によって制限され得る。 Electrochemical redox reactions in the anode compartment 20 and the cathode compartment 22 maintain a potential difference across the redox flow battery system and are capable of inducing a current through the conductors while the reaction is sustained. The amount of energy stored by a redox flow battery system, the capacity, can be limited by the amount of electroactive material in the electrolyte for discharge. The amount of electroactive material is based on the total amount of electrolyte and the solubility of the electroactive material. Additionally, the amount of energy stored by a redox flow battery system can be limited by the amount of solid iron that the negative electrode can store.

レドックスフロー電池システムの作動中に、センサ及びプローブを使用して、電解液のpH、濃度、充電状態(state of charge)などの電解液の化学的特性を監視及び制御することができる。例えば、レドックスフロー電池システムは、第1の電解液源50及び第2の電解液源52の電解液の状態をそれぞれ監視するように配置され得るセンサ60及び62を含むことができる。別の例として、レドックスフロー電池システムは、負極室20及び正極室22の状態をそれぞれ監視するように配置され得るセンサ70及び72を含むことができる。 During operation of the redox flow battery system, sensors and probes can be used to monitor and control the chemical properties of the electrolyte, such as its pH, concentration, state of charge, and the like. For example, the redox flow battery system can include sensors 60 and 62 that can be arranged to monitor the state of the electrolyte in first electrolyte source 50 and second electrolyte source 52, respectively. As another example, a redox flow battery system can include sensors 70 and 72 that can be positioned to monitor the condition of anode compartment 20 and cathode compartment 22, respectively.

レドックスフロー電池システムは、電解液の化学的特性及び他の特性を監視するため、さらに、レドックスフロー電池システム全体にわたって他の位置に配置された他のセンサを含むことができる。例えば、レドックスフロー電池システムは、外部酸タンク内に配置された1つ又は複数のセンサを含むことができ、電解液中の沈殿生成を低減するために、外部ポンプを介してレドックスフロー電池システムに酸を供給することができる。1つ又は複数のセンサは、外部酸タンク内の酸の量又はpHを監視することができる。レドックスフロー電池システムに他の添加剤を供給するために、追加の外部タンク及びセンサが含まれてもよい。 The redox flow battery system may also include other sensors positioned at other locations throughout the redox flow battery system to monitor chemical and other properties of the electrolyte. For example, the redox flow battery system can include one or more sensors located within the external acid tank to reduce precipitate formation in the electrolyte by pumping the redox flow battery system through an external pump. Can supply acid. One or more sensors can monitor the amount of acid or pH in the external acid tank. Additional external tanks and sensors may be included to supply other additives to the redox flow battery system.

レドックスフロー電池システムは、コントローラ80を含む制御システムによって少なくとも部分的に制御することができる。コントローラ80は、レドックスフロー電池システム内に配置された様々なセンサからセンサ情報を受信することができる。例えば、コントローラ80は、ポンプ30及び32を作動させて、レドックス電池セル18を通る電解液の流れを制御することができる。したがって、コントローラ80は、レドックスフロー電池システム全体にわたって配置された1つ又は複数のセンサ及び/又はプローブに応答することができる。 The redox flow battery system can be at least partially controlled by a control system including controller 80 . Controller 80 may receive sensor information from various sensors located within the redox flow battery system. For example, controller 80 may operate pumps 30 and 32 to control the flow of electrolyte through redox battery cell 18 . As such, controller 80 may be responsive to one or more sensors and/or probes located throughout the redox flow battery system.

ハイブリッドフロー電池は、電極上の固体層としての1つ又は複数の電気活性材料の析出を特徴とし得るレドックスフロー電池である。ハイブリッドフロー電池システムでは、レドックス電池の充電容量(蓄電量)は、電池充電中にめっきされる金属の量によって制限され得、したがって、レドックス電池の充電容量は、めっきシステムの効率と、めっきに利用可能な、利用可能量及び表面積に依拠し得る。 A hybrid flow battery is a redox flow battery that can be characterized by the deposition of one or more electroactive materials as solid layers on the electrodes. In a hybrid flow battery system, the charge capacity of the redox battery can be limited by the amount of metal plated during battery charging, thus the charge capacity of the redox battery depends on the efficiency of the plating system and the availability of the plating. It can depend on the available amount and surface area available.

ハイブリッドフロー電池システムにおいて、負極26はめっき電極とも呼ばれ、正極28はレドックス(酸化還元)電極とも呼ばれる。電池の負極室20(本明細書ではめっき側とも呼ぶ)内の負極電解液をめっき電解液と呼び、電池の正極室22(本明細書では酸化還元側とも呼ぶ)内の正極電解液をレドックス電解液と呼ぶことができる。 In hybrid flow battery systems, the negative electrode 26 is also called the plating electrode and the positive electrode 28 is also called the redox (oxidation-reduction) electrode. The anode electrolyte in the battery's anode compartment 20 (also referred to herein as the plating side) is referred to as the plating electrolyte, and the cathode electrolyte in the battery's cathode compartment 22 (also referred to herein as the redox side) is referred to as the redox electrolyte. It can be called an electrolyte.

前述の通り、ハイブリッドフロー電池の一例は、めっき及び酸化還元反応のための電解液として鉄を使用するIFBである。IFBに存在する主要な構成要素は、図1に示されたハイブリッドフロー電池と同様であり、IFBは、鉄塩を含む安全な(benign)電解液を含む。安全な電解液は、酸性(pH<0)又はアルカリ性(pH>14)が強すぎず、中性付近のpHを有し得、例えば、IFB負極電解液は、pH3~4の間で作動する。ここで、中性付近のpHという用語は、開示された電極に使用されるプラスチックメッシュ材料がレドックスフロー電池の充放電中に印加される電位で、電解液中で分解しないpH範囲を提供する。IFBは、充電中に鉄が析出し、放電中に脱めっきされるめっき電極と、第一鉄イオン及び第二鉄イオンの酸化還元反応が生じるレドックス電極と、電解液の混合を防止し、イオン経路を提供するセパレータと、IFBのエネルギーが貯蔵される電解液とを含む。IFB電池の容量は、負極にめっきされた鉄の量だけでなく、外部タンクに貯蔵された電解液の量によっても決定され得る。 As previously mentioned, one example of a hybrid flow battery is an IFB that uses iron as the electrolyte for the plating and redox reactions. The main components present in the IFB are similar to the hybrid flow battery shown in Figure 1, and the IFB contains a benign electrolyte containing iron salts. A safe electrolyte may have a near-neutral pH without being too acidic (pH<0) or alkaline (pH>14), for example, IFB anode electrolytes operate between pH 3-4. . Here, the term near-neutral pH provides a pH range in which the plastic mesh material used in the disclosed electrodes does not decompose in the electrolyte at the potentials applied during charging and discharging of the redox flow battery. IFB prevents mixing of a plating electrode where iron is deposited during charging and deplating during discharging, a redox electrode where oxidation-reduction reactions of ferrous ions and ferric ions occur, and an electrolytic solution. It contains a separator that provides a pathway and an electrolyte in which the energy of the IFB is stored. The capacity of an IFB battery can be determined not only by the amount of iron plated on the negative electrode, but also by the amount of electrolyte stored in the external tank.

IFB電池の電気化学的酸化還元反応は、式(1)及び(2)にまとめられ、ここで、正反応(左から右)は、電池充電中の電気化学反応を示し、逆反応(右から左)は、電池放電中の電気化学反応を示す。
Fe2+ + 2e ⇔Fe (負極) (1)
2Fe2+⇔ 2Fe3+ + 2e (正極) (2)
The electrochemical redox reactions of IFB cells are summarized in equations (1) and (2), where the forward reactions (from left to right) represent the electrochemical reactions during battery charging and the reverse reactions (from right to Left) shows the electrochemical reaction during battery discharge.
Fe 2+ + 2e ⇔ Fe 0 (negative electrode) (1)
2Fe 2+ ⇔ 2Fe 3+ + 2e (positive electrode) (2)

IFBのめっき側では、めっき電解液は、充電中にFe2+が負極から2個の電子を得てFeを形成し、これが基板上にめっきされるように、十分な量のFe2+を提供する。放電中、めっきされたFeは2個の電子を失い、Fe2+にイオン化し、めっき電解液に再び溶解する。負極反応の平衡電位は-0.44Vであり、したがって反応(1)はIFBシステムの負極端子を提供する。IFBの酸化還元側では、レドックス電解液は、充電中にレドックス電極の電子を失い、Fe3+に酸化するFe2+を提供する。放電中、Fe3+はレドックス電極から電子を得てFe2+を生成する。正極反応の平衡電位は+0.77Vであり、したがって反応(2)はIFBシステムの正極端子を提供する。 On the plating side of the IFB, the plating electrolyte provides a sufficient amount of Fe 2+ such that during charging Fe 2+ gains two electrons from the negative electrode to form Fe 0 , which is plated onto the substrate. do. During discharge, the plated Fe0 loses two electrons, ionizes to Fe2 + , and dissolves again in the plating electrolyte. The equilibrium potential of the negative electrode reaction is −0.44 V, so reaction (1) provides the negative terminal for the IFB system. On the redox side of the IFB, the redox electrolyte provides Fe 2+ that loses electrons in the redox electrode during charging and oxidizes to Fe 3+ . During discharge, Fe 3+ gains electrons from the redox electrode to produce Fe 2+ . The equilibrium potential of the positive reaction is +0.77 V, so reaction (2) provides the positive terminal of the IFB system.

したがって、IFBシステムの性能は、そのめっき電極性能、レドックス電極性能、及びオーム抵抗損失に依拠し得る。IFBの正極側では、反応(2)で示されるFe2+とFe3+との間の酸化還元反応が充放電中に生じる。反応(2)は速度論的に速く副反応は最小限であり、IFBシステムの性能の制限因子ではない可能性がある。 Therefore, the performance of an IFB system can depend on its plating electrode performance, redox electrode performance, and ohmic losses. On the positive electrode side of the IFB, an oxidation-reduction reaction between Fe 2+ and Fe 3+ shown in reaction (2) occurs during charging and discharging. Reaction (2) is kinetically fast with minimal side reactions and may not be a limiting factor in the performance of the IFB system.

IFBの負極側では、反応(1)で示されるように、Fe2+とFeとの間のめっき反応が、充放電中に生じる。第一鉄イオンFe2+は電子を得て、基板上に固体鉄Feとしてめっきを得る。このめっき反応は、2つの副反応、すなわち、2個の水素プロトンがそれぞれ1つの電子を受け取って水素ガスHを形成する水素プロトンH(反応(3))の還元と、第一鉄イオンFe2+(反応(4))を生成する析出した金属鉄の腐食と、のそれぞれと競合する。

Figure 0007108640000002
On the negative side of the IFB, a plating reaction between Fe 2+ and Fe 0 occurs during charging and discharging, as shown in reaction (1). Ferrous ions Fe 2+ gain electrons and get plating as solid iron Fe 0 on the substrate. This plating reaction consists of two side reactions, the reduction of hydrogen protons H + (reaction (3)) where two hydrogen protons each accept one electron to form hydrogen gas H 2 and ferrous ions Corrosion of deposited metallic iron to produce Fe 2+ (reaction (4)), respectively.
Figure 0007108640000002

負極に伝達された電子は、鉄のめっきではなく水素生成によって最初に消費される可能性があるため、両方の副反応が全体の電池効率を低下させる可能性がある。さらに、これらの副反応は、正極電解液の不均衡をもたらし、時間の経過とともに電池容量の損失をもたらす可能性がある。さらに、発生したHは負極に捕捉され、次に電気化学的活性領域を減少させ、電極過電圧を著しく増大させる可能性がある。 Both side reactions can reduce overall cell efficiency, as electrons transferred to the negative electrode may be consumed first by hydrogen production rather than iron plating. In addition, these side reactions can lead to an imbalance in the cathode electrolyte, resulting in loss of battery capacity over time. Moreover, the generated H2 can be trapped at the negative electrode, which in turn reduces the electrochemically active area and significantly increases the electrode overvoltage.

反応(1)は反応(2)より速度論的に遅く、IFBシステムの性能の制限因子であり得る。充電及び放電サイクルの間、電極を横切る電位は、他のレドックス電池システムと比較した場合に低くなり得る。他の電池システムのめっき速度が電池性能の制限因子である可能性があることに留意すべきである。 Reaction (1) is kinetically slower than reaction (2) and may be a limiting factor in the performance of IFB systems. During charge and discharge cycles, the potential across the electrodes can be low when compared to other redox battery systems. It should be noted that the plating rate of other battery systems may be the limiting factor of battery performance.

図2を参照すると、鉄、Fe、例示的なIFBのめっき速度が、様々な電極材料について示されている。非Fe電極1(206)及び非Fe電極2(204)のような非鉄ベースの基板上に最初に鉄をめっきするとき、異種材料のために鉄めっき速度は遅い。しかしながら、一旦鉄の層が基板上にめっきされると、鉄が鉄で被覆された基板上にめっきされるので、鉄めっき速度は、Fe電極(202)に示されるように、数桁速く増加する。IFBの性能は、めっき速度、抵抗及び物質輸送損失の結果である負極めっき電極の速度によってほとんど制限される。したがって、鉄が基板上にめっきされるとすぐに、めっき速度は著しく向上され、もはや律速側ではないので、様々な材料を負極めっき電極基板として使用することができる。したがって、レドックスフロー電池に使用される電極は、IFBシステムにおいて現在使用されているTi及びCなどの電極の、めっき速度及び導電率を保持又は向上しなければならない。開示された被覆プラスチックメッシュ電極は、以下に説明するように、性能を維持又は向上する。被覆プラスチックメッシュは、IFB電解液がpH1~4の範囲内にあり、酸性又はアルカリ性が強すぎず、電極電位が低いため、IFB作動条件においても残存することができ、したがって、炭素被覆プラスチックメッシュ電極は作動中に劣化しない。 Referring to FIG. 2, the plating rates of iron, Fe 0 and an exemplary IFB are shown for various electrode materials. When initially plating iron on non-ferrous based substrates such as non-Fe electrode 1 (206) and non-Fe electrode 2 (204), the iron plating rate is slow due to dissimilar materials. However, once a layer of iron is plated onto the substrate, the iron plating rate increases several orders of magnitude faster, as shown at the Fe electrode (202), as iron is plated onto the iron-coated substrate. do. The performance of IFB is mostly limited by the speed of the negative plating electrode which is a result of plating speed, resistance and mass transport losses. Therefore, as soon as iron is plated onto the substrate, the plating rate is significantly improved and is no longer the rate-limiting side, so various materials can be used as the negative plating electrode substrate. Therefore, electrodes used in redox flow batteries must retain or improve the plating rate and conductivity of electrodes such as Ti and C currently used in IFB systems. The disclosed coated plastic mesh electrodes maintain or improve performance as described below. The coated plastic mesh can survive in IFB operating conditions because the IFB electrolyte is in the range of pH 1-4, not too acidic or alkaline, and the electrode potential is low, thus carbon-coated plastic mesh electrode does not degrade during operation.

図3A及び図3Bを参照すると、レドックスフロー電池で使用するための炭素材料で被覆プラスチックメッシュを含む、開示された電極の電子顕微鏡写真が示されている。他の例示的な被覆材料は、金属酸化物(TiOなど)及び/又は親水性ポリマー(スルホン化PEEKやパーフルオロスルホン酸(PFSA)など)であり得る。 Referring to FIGS. 3A and 3B, electron micrographs of disclosed electrodes comprising carbon material coated plastic meshes for use in redox flow batteries are shown. Other exemplary coating materials can be metal oxides (such as TiO2 ) and/or hydrophilic polymers (such as sulfonated PEEK and perfluorosulfonic acid (PFSA)).

プラスチックメッシュは、様々なプラスチックから作製することができる。一例では、プラスチックメッシュ材料は、ポリプロピレン(PP)であってもよい。他の例では、プラスチックメッシュ材料はポリオレフィンであってもよい。 Plastic meshes can be made from a variety of plastics. In one example, the plastic mesh material may be polypropylene (PP). In another example, the plastic mesh material may be polyolefin.

被覆材料は、任意の市販のカーボンインクから選択することができる。例えば、炭素材料は、エレクトロダグ(Electrodag)、C220、C120-24、及びCM112-48から選択されるカーボンインクであってもよい。図3A及び図3Bは、異なる倍率レベルでの炭素被覆プラスチックメッシュ電極の電子顕微鏡写真を示す。他の被覆材料の例としては、金属酸化物(TiOなど)及び親水性ポリマー(スルホン化PEEKやパーフルオロスルホン酸(PFSA)など)が含まれるが、これらに限定されない。これらの被覆材料は、ベースプラスチック材料を疎水性から親水性に変化させることができる。このように、親水性メッシュは、プラスチックメッシュ内に捕捉される水素バブルの量を低減することができる。 The coating material can be selected from any commercially available carbon ink. For example, the carbon material may be a carbon ink selected from Electrodag, C220, C120-24, and CM112-48. Figures 3A and 3B show electron micrographs of carbon-coated plastic mesh electrodes at different magnification levels. Examples of other coating materials include, but are not limited to, metal oxides (such as TiO2 ) and hydrophilic polymers (such as sulfonated PEEK and perfluorosulfonic acid (PFSA)). These coating materials can change the base plastic material from hydrophobic to hydrophilic. Thus, the hydrophilic mesh can reduce the amount of hydrogen bubbles trapped within the plastic mesh.

いくつかの実施形態において、プラスチックメッシュは、モノポーラメッシュであってもよい。他の実施形態では、プラスチックメッシュは、バイポーラメッシュであってもよい。さらに他の実施形態では、プラスチックメッシュは、織布メッシュであってもよい。さらに別の実施形態では、プラスチックメッシュは、延伸メッシュであってもよい。 In some embodiments, the plastic mesh may be a monopolar mesh. In other embodiments, the plastic mesh may be a bipolar mesh. In still other embodiments, the plastic mesh may be a woven mesh. In yet another embodiment, the plastic mesh may be a stretched mesh.

いくつかの実施形態では、プラスチックメッシュに対する炭素材料の接着を向上するために、プラスチックメッシュの処理を行うことができる。一例では、プラスチックメッシュに対する炭素材料の接着を向上するために、溶媒処理を用いてプラスチックメッシュを処理する。別の例では、プラスチックメッシュに対する炭素材料の接着を向上するために、プラズマ処理を用いてプラスチックメッシュを処理する。他の例では、機械的摩耗、UV放射又は電子ビームプラズマを用いることができる。 In some embodiments, the plastic mesh can be treated to improve adhesion of the carbon material to the plastic mesh. In one example, a solvent treatment is used to treat the plastic mesh to improve adhesion of the carbon material to the plastic mesh. In another example, a plasma treatment is used to treat the plastic mesh to improve adhesion of the carbon material to the plastic mesh. In other examples, mechanical abrasion, UV radiation or electron beam plasma can be used.

他の例示的な実施形態では、プラスチックメッシュの被覆材料は導電性であってもよく、炭素などの材料を含んでもよい。炭素材料をプラスチックメッシュに適用して、炭素被覆を形成することができる。炭素被覆は、レドックスフロー電池システムにおいて使用される場合、導電性である。炭素被覆は、様々な技術を用いて適用することができる。一例では、炭素材料は、エアブラッシングによって被覆されてもよい。別の例では、炭素材料は、浸漬被覆によって被覆されてもよい。さらに別の例では、炭素材料は、ローラー被覆によって被覆されてもよい。 In other exemplary embodiments, the covering material of the plastic mesh may be electrically conductive and may include materials such as carbon. A carbon material can be applied to the plastic mesh to form a carbon coating. Carbon coatings are electrically conductive when used in redox flow battery systems. Carbon coatings can be applied using a variety of techniques. In one example, the carbon material may be coated by airbrushing. In another example, the carbon material may be coated by dip coating. In yet another example, the carbon material may be coated by roller coating.

いくつかの例において、被覆材料は、金属酸化物(例えば、TiOなど)又は親水性プラスチック被覆(例えば、SPEEK、PFSAなど)などの非導電性材料をさらに含んでもよい。いくつかの実施形態では、非導電性被覆を適用して、プラスチックメッシュの親水性を高めることができる。さらに、親水性を高めることによって、副反応3及び4によって生成された水素バブルがプラスチックメッシュ内に捕捉されないようにすることができる。 In some examples, the coating material may further comprise a non-conductive material such as a metal oxide (eg, TiO2 , etc.) or a hydrophilic plastic coating (eg, SPEEK, PFSA, etc.). In some embodiments, a non-conductive coating can be applied to make the plastic mesh more hydrophilic. Furthermore, by increasing the hydrophilicity, the hydrogen bubbles generated by side reactions 3 and 4 can be prevented from being trapped within the plastic mesh.

炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、図3A及び図3Bに示されるように、炭素被覆の均一な被覆を示す。プラスチックメッシュの使用は、現在IFBシステムで使用される炭素繊維又はチタンのような高価な導電性材料の量を減少させつつ、炭素被覆の大きな表面積及び導電性に起因する酸化還元反応及びめっき反応の速度を維持し、めっき中の金属の高い貯蔵を可能にする。炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、めっき電極及び/又はレドックス電極として使用することができる。 Carbon-coated plastic mesh electrodes exhibit uniform coverage of the carbon coating, as shown in FIGS. 3A and 3B. The use of plastic mesh reduces the amount of expensive conductive materials such as carbon fiber or titanium currently used in IFB systems, while reducing redox and plating reactions due to the large surface area and conductivity of the carbon coating. Maintains speed and allows high reserves of metal during plating. Carbon-coated plastic mesh electrodes can be used as plating electrodes and/or redox electrodes.

図4に関して、この図は、Tiメッシュベースラインと比較したプラスチックメッシュ電極の負極性能を示すグラフを示す。非被覆プラスチックメッシュ408、及び、2つのタイプの炭素被覆が適用されたプラスチックメッシュ(402、404)が、Tiメッシュベースライン406に対して比較されて示されている。X軸のプロット(CD)は、電流密度を表し、mA/cmで測定され、Y軸のプロット(V)は、達成された過電圧に対するめっき電極の性能を表す。めっき電極性能は、負のフローフィールド(negative flow field)に挿入したAg/AgCl参照電極を参照して測定した。低電流密度での初期電圧変化は、めっき速度過電圧を示し得る。 Referring to FIG. 4, this figure shows a graph showing the negative performance of plastic mesh electrodes compared to a Ti mesh baseline. An uncoated plastic mesh 408 and a plastic mesh with two types of carbon coating applied (402, 404) are shown compared against a Ti mesh baseline 406. FIG. The X-axis plot (CD) represents the current density, measured in mA/cm 2 , and the Y-axis plot (V) represents the performance of the plating electrode on the achieved overvoltage. Plating electrode performance was measured with reference to an Ag/AgCl reference electrode inserted in a negative flow field. Initial voltage changes at low current densities can indicate plating rate overvoltages.

図4に示すように、最も高いめっき過電圧は、非被覆プラスチックメッシュのみの構成から生じる。これは、非被覆プラスチックメッシュが非導電性であるため、電極表面積が減少することに起因する可能性がある。 As shown in FIG. 4, the highest plating overvoltage results from the uncoated plastic mesh only configuration. This may be due to the reduced electrode surface area as the uncoated plastic mesh is non-conductive.

一実施形態では、カーボンインクで被覆された2つのプラスチックメッシュ(1と2(図4において402及び404として示される))は、Tiメッシュベースライン406に対して同様の、又はさらに低い過電圧を示す。これは、Tiベースラインの表面積に対して、同様の、又はそれ以上の導電性表面積が、被覆プラスチックメッシュ上で利用可能であることを示唆し得る。より高い電流密度領域では、性能損失は、メッシュ内のメッシュ抵抗と電解液抵抗との組み合わせの結果であるオーム抵抗損失によって決定され得る。したがって、オーム抵抗は、電解液伝導率、メッシュ開口面積、メッシュ厚さ、及びメッシュ電気抵抗を組み合わせた結果であってもよい。 In one embodiment, two carbon ink coated plastic meshes (1 and 2 (shown as 402 and 404 in FIG. 4)) exhibit similar or even lower overvoltages relative to the Ti mesh baseline 406. . This may suggest that similar or greater conductive surface area is available on the coated plastic mesh relative to the surface area of the Ti baseline. At higher current densities, performance loss may be determined by ohmic resistance loss, which is the result of a combination of mesh resistance and electrolyte resistance within the mesh. Thus, ohmic resistance may be the result of a combination of electrolyte conductivity, mesh open area, mesh thickness, and mesh electrical resistance.

次に図5を参照すると、この図では、非被覆疎水性プラスチックメッシュと、被覆された導電性の親水性プラスチックメッシュと、で作動している間の負極室内の圧力が比較される。サイクル作動中のIFBの負極電解液圧力及び正極電解液圧力を特徴付けるために、一例として、圧力変換器をIFB電池に取り付けた。初期充電中には、水素の発生によって示されるように負圧が増加することがある。同じ作動条件下では、この圧力増加504は、図5に示されるように、非被覆疎水性プラスチックメッシュを有する方が、親水性被覆502を有する同じメッシュよりも著しく高かった。さらに、サイクルごとに、非被覆プラスチックメッシュの内圧が上昇し、水素バブルがサイクルごとに効果的にパージアウト(purged out)されていない可能性が示唆される。しかし、このメッシュを親水性炭素被覆で被覆すると、DI水とのメッシュ接触角は>90°から45°未満に減少した。したがって、同じ電池は、はるかに低く、より繰り返し可能な圧力範囲で作動することができ、これは、発生している水素がサイクル性能の間に電池から効果的にパージアウトされたことを示し得る。この水素ガスのパージは、水素ガスが電池から効果的にパージアウトされない場合、電池の活性領域を減少させる可能性があるため、電池の作動において重要であり得る。したがって、実質的により高い作動電流密度を示す間、電池性能が低下する可能性がある。さらに、電池めっき量を減少させる可能性もあり、これは、図6に提供される写真によってさらに示すことができる。 Referring now to FIG. 5, this figure compares the pressure in the anode chamber while operating with an uncoated hydrophobic plastic mesh and a coated conductive hydrophilic plastic mesh. As an example, pressure transducers were attached to the IFB cell to characterize the anode and cathode electrolyte pressures of the IFB during cycling. During initial charging, negative pressure may increase as indicated by the evolution of hydrogen. Under the same operating conditions, this pressure increase 504 was significantly higher with an uncoated hydrophobic plastic mesh than with the same mesh with a hydrophilic coating 502, as shown in FIG. Furthermore, with each cycle, the internal pressure of the uncoated plastic mesh increases, suggesting that the hydrogen bubbles may not be effectively purged out with each cycle. However, coating this mesh with a hydrophilic carbon coating reduced the mesh contact angle with DI water from >90° to less than 45°. Therefore, the same battery can be operated at a much lower and more repeatable pressure range, which may indicate that the evolving hydrogen was effectively purged out of the battery during cycling performance. . This purging of hydrogen gas can be important in the operation of the cell as it can reduce the cell's active area if it is not effectively purged out of the cell. Thus, while exhibiting substantially higher operating current densities, cell performance can degrade. In addition, it also has the potential to reduce battery plating amounts, which can be further illustrated by the photographs provided in FIG.

図6は、電池が満充電されたときの上述の非被覆めっき電極の写真を示す。図の透明メッシュ構造602は、一実施形態の非被覆プラスチックメッシュを示す。メッシュの下の暗い表面は、プラスチックメッシュにめっきされためっき鉄606である。図中にマークされた不均一なバブル様構造604は、電池の充電中に捕捉された水素バブルによって残されためっき鉄606の変形を示す。さらに、この図は、水素バブルがメッシュ内に捕捉されたことを示しているだけでなく、水素バブル604の周囲に鉄めっき606が発生していることを示している。この一貫性のないめっきは、まず第1に、捕捉された水素バブルがめっきに利用可能な全体量を減少させ、バブルがめっき電極上の活性領域を実質的に減少させ、これが不均一なめっき及び局所的な過剰めっきによる局所的短絡をもたらす可能性があるため、負極にとって問題となり得る。 FIG. 6 shows a photograph of the above uncoated plated electrode when the battery is fully charged. The illustrated transparent mesh structure 602 illustrates the uncoated plastic mesh of one embodiment. The dark surface under the mesh is plated iron 606 plated onto the plastic mesh. The non-uniform bubble-like structure 604 marked in the figure indicates deformation of the plated iron 606 left by hydrogen bubbles trapped during charging of the battery. Furthermore, this figure not only shows that the hydrogen bubbles have been trapped within the mesh, but also shows that iron plating 606 has developed around the hydrogen bubbles 604 . This inconsistent plating is caused, first of all, by the trapped hydrogen bubbles reducing the overall amount available for plating, the bubbles substantially reducing the active area on the plating electrode, which leads to uneven plating. and local overplating can result in local short circuits, which can be problematic for negative electrodes.

図7を参照すると、被覆プラスチックメッシュをIFB中のレドックス電極又はめっき電極として適用する概略図が示されている。702は、電解液がIFB電池に出入りするフロープレートチャネルを指す。706は酸化還元又はめっき電極を指し、炭素紙又はTiメッシュ又は被覆プラスチックメッシュ材料であり得る。704は、正極室と負極室とを分離する膜セパレータを指す。電極のオーム抵抗はイオン抵抗と電気抵抗を組み合わせた706であり、イオン抵抗は電解液抵抗率、メッシュ開口面積及びメッシュ厚さによって決定され、電気抵抗は被覆タイプ、厚さ及びメッシュワイヤサイズによって決定される。非導電性被覆が用いられる場合、706のオーム抵抗は、電解液を通るイオン抵抗のみである。被覆プラスチックメッシュ電極の寸法は、レドックスフロー電池内での性能のために最適化され得る。例えば、以下の表1は、金属Tiメッシュ電極と比較して、IFBシステムにおいて試験された炭素被覆プラスチックメッシュ電極の表面積(mm)、開口面積、開口体積(open volume)及びメッシュ厚さ(mm)のリストを提供する。 Referring to FIG. 7, a schematic illustration of applying coated plastic mesh as a redox or plating electrode in IFB is shown. 702 refers to flow plate channels through which electrolyte enters and exits the IFB cell. 706 refers to redox or plating electrodes, which can be carbon paper or Ti mesh or coated plastic mesh material. 704 refers to a membrane separator that separates the positive and negative compartments. The ohmic resistance of the electrode is the combined ionic and electrical resistance 706, with the ionic resistance determined by the electrolyte resistivity, mesh open area and mesh thickness, and the electrical resistance determined by the coating type, thickness and mesh wire size. be done. The ohmic resistance of 706 is only the ionic resistance through the electrolyte if a non-conductive coating is used. The dimensions of the coated plastic mesh electrode can be optimized for performance within the redox flow battery. For example, Table 1 below shows the surface area (mm 2 ), open area, open volume and mesh thickness (mm ).

Figure 0007108640000003
Figure 0007108640000003

炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、現在の金属電極と同様の寸法を提供するように製造することができる。炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、性能を最適化するために、表1に示される寸法へのさらなる改良を可能にする。例えば、電極として使用するための炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、10%~70%の開口体積、約0.20mm~約0.50mmの間の厚さ、及び15%~65%の開口面積を有することができる。本開示で使用される「約」という用語は、材料の物理的特性又は結果として生じる特性を変化させない、値のわずかに上又は下の追加の範囲を含む。炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、導電性、めっき面積などについて最適化することができる。 Carbon-coated plastic mesh electrodes can be manufactured to provide dimensions similar to current metal electrodes. Carbon-coated plastic mesh electrodes allow further refinement to the dimensions shown in Table 1 to optimize performance. For example, a carbon-coated plastic mesh electrode for use as an electrode has an open volume of 10% to 70%, a thickness of between about 0.20 mm and about 0.50 mm, and an open area of 15% to 65%. be able to. As used in this disclosure, the term "about" includes additional ranges slightly above or below the value that do not change the physical or resulting properties of the material. Carbon-coated plastic mesh electrodes can be optimized for conductivity, plating area, and the like.

図8を参照すると、被覆プラスチックメッシュ電極を製造するための例示的な方法が提供される。この方法は、プラスチックメッシュを製造し、プラスチックメッシュを処理し、プラスチックメッシュを被覆することを含む、IFBレドックスフロー電池に使用するための電極を提供することができる。作製された電極は、IFBレドックスフロー電池内の正極又は負極として使用することができる。 Referring to FIG. 8, an exemplary method for manufacturing coated plastic mesh electrodes is provided. The method can provide an electrode for use in an IFB redox flow battery, including manufacturing a plastic mesh, treating the plastic mesh, and coating the plastic mesh. The fabricated electrodes can be used as positive or negative electrodes in IFB redox flow batteries.

工程802において、本方法は出発物質を得る工程を含み得る。例えば、プラスチックメッシュ及び炭素材料を得ることができる。一例では、プラスチックメッシュはポリプロピレンから製造することができる。別の例では、プラスチックメッシュはポリオレフィンから製造することができる。被覆材料は、カーボンインクなどの導電性であってもよい。例えば、カーボンインクは、1つ又は複数のエレクトロダグ、C220、CM120-24、及びCM112-48であってもよい。被覆材料は、金属酸化物又は親水性ポリマーなどの非導電性材料をさらに含んでもよい。例えば、金属酸化物はTiOであってもよく、親水性ポリマーはSPEEK又はPFSAであってもよい。 At step 802, the method can include obtaining a starting material. For example, plastic mesh and carbon materials can be obtained. In one example, the plastic mesh can be made from polypropylene. In another example, the plastic mesh can be made from polyolefin. The coating material may be conductive, such as carbon ink. For example, the carbon inks may be one or more of Electrodag, C220, CM120-24, and CM112-48. The coating material may further comprise non-conducting materials such as metal oxides or hydrophilic polymers. For example, the metal oxide may be TiO2 and the hydrophilic polymer may be SPEEK or PFSA.

工程804において、本方法は、プラスチックメッシュを得る工程を含むことができる。プラスチックメッシュは、表面積、開口面積、開口体積、及び電極性能のために最適化された厚さを含むことができる。例えば、プラスチックメッシュは、上述の表1に示す寸法を含むように選択することができる。得られるプラスチックメッシュは、ポリプロピレン、ポリオレフィンなどから作られてもよく、モノポーラ、バイポーラ又は織布であってもよい。 At step 804, the method can include obtaining a plastic mesh. The plastic mesh can include a thickness optimized for surface area, open area, open volume, and electrode performance. For example, a plastic mesh can be selected to include the dimensions shown in Table 1 above. The resulting plastic mesh may be made from polypropylene, polyolefin, etc. and may be monopolar, bipolar or woven.

工程806において、本方法は、工程804で製造されたプラスチックメッシュの処理を含むことができる。プラスチックメッシュを処理することは、続く被覆工程808の接着性を向上させるために行うことができる。いくつかの実施態様において、本方法は、炭素被覆の接着性を向上させるために、製造されたプラスチックメッシュを処理することを含む。他の実施形態では、本方法は、接着性を向上するために、製造されたプラスチックメッシュを処理することを含まなくてもよい。一例において、プラスチックメッシュの処理は、溶媒処理を用いて行ってもよい。別の例では、プラズマ処理を用いてプラスチックメッシュを処理してもよい。 At step 806 , the method can include processing the plastic mesh produced at step 804 . Treating the plastic mesh can be done to improve adhesion for the subsequent coating step 808 . In some embodiments, the method includes treating the manufactured plastic mesh to improve adhesion of the carbon coating. In other embodiments, the method may not include treating the manufactured plastic mesh to improve adhesion. In one example, treatment of the plastic mesh may be performed using solvent treatment. In another example, plasma treatment may be used to treat plastic mesh.

プラスチックへの被覆の接着性を向上させるために用いられ得る様々な表面処理には、炎及びコロナ、機械的摩耗、溶媒洗浄又は膨潤に続く湿式化学エッチング、又は化学プライマーの形の特殊な被覆の処理、又はそれらの任意の組み合わせを含む。付加的な処理として、紫外線(UV)照射、電子ビーム及び冷ガスプラズマ法などの高エネルギー密度処理、及びそれらの組み合わせなどもまた、使用することができる。上述した方法は、基板表面改質のために、より大規模なスケールでより広く受け入れられている。これらの方法は、エネルギー光子、電子、フリーラジカル、及びイオンなどの反応種に富んだ媒介物を提供することができ、次に、ポリマー表面と相互作用して、その化学及び/又は形態を変化させることができる。これらのプロセスは、プラスチックメッシュの表面特性を改質するために容易に用いることができる。 Various surface treatments that can be used to improve the adhesion of coatings to plastics include flame and corona, mechanical abrasion, solvent cleaning or swelling followed by wet chemical etching, or the application of special coatings in the form of chemical primers. including processing, or any combination thereof. Additional treatments such as ultraviolet (UV) irradiation, high energy density treatments such as electron beam and cold gas plasma methods, and combinations thereof can also be used. The methods described above are more widely accepted on a larger scale for substrate surface modification. These methods can provide mediators rich in reactive species such as energetic photons, electrons, free radicals, and ions, which then interact with the polymer surface to change its chemistry and/or morphology. can be made These processes can be readily used to modify the surface properties of plastic meshes.

工程808において、本方法は、プラスチックメッシュを選択された材料で被覆することを含む。一例では、プラスチックメッシュを炭素材料で被覆することは、エアブラッシングによって行ってもよい。別の例では、プラスチックメッシュを炭素材料で被覆することは、浸漬被覆によって行ってもよい。さらに別の例では、プラスチックメッシュを炭素材料で被覆することは、ローラー被覆によって行ってもよい。被覆厚さは、導電性及び/又はめっきのために最適化されてもよい。被覆は、あらゆる溶媒を硬化及び除去するための熱処理を必要とし得る。 At step 808, the method includes coating the plastic mesh with the selected material. In one example, coating the plastic mesh with the carbon material may be done by airbrushing. In another example, coating the plastic mesh with the carbon material may be done by dip coating. In yet another example, coating the plastic mesh with the carbon material may be done by roller coating. Coating thickness may be optimized for conductivity and/or plating. The coating may require heat treatment to cure and remove any solvent.

工程810において、本方法は被覆プラスチック電極を得ることができる。被覆プラスチック電極は、レドックスフロー電池システムにおけるめっき電極及び/又はレドックス電極として使用され得る。その後、この方法は終了することができる。 At step 810, the method can obtain a coated plastic electrode. Coated plastic electrodes can be used as plating electrodes and/or redox electrodes in redox flow battery systems. The method can then end.

したがって、レドックスフロー電池システムで使用するために電極を製造することができる。上述の例示的な方法を使用して電極を製造することができ、電極は、電池性能を向上し、コストを低減する新規な炭素被覆プラスチックメッシュ電極である。低コストのプラスチック材料の使用は、現在の電極システムで採用されるプラスチックは安定ではないことに起因する現在の考えに反し、IFBシステムにおいて使用するための新規な炭素被覆プラスチックメッシュベースの電極をもたらす。炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、レドックスフロー電池システムの負極の位置及び/又は正極の位置で使用することができる。 Accordingly, electrodes can be manufactured for use in redox flow battery systems. Electrodes can be manufactured using the exemplary methods described above and are novel carbon-coated plastic mesh electrodes that improve battery performance and reduce cost. The use of low-cost plastic materials leads to novel carbon-coated plastic mesh-based electrodes for use in IFB systems, contrary to current thinking due to the instability of the plastics employed in current electrode systems. . Carbon-coated plastic mesh electrodes can be used at the negative and/or positive positions of the redox flow battery system.

図9を参照すると、いくつかの炭素被覆プラスチックメッシュ電極の性能が、Tiメッシュコントロール電極に対して示されている。図9において、炭素被覆プラスチックメッシュ電極904,906,908の分極プロットは、Tiメッシュコントロール電極902と比較して、向上された、又は同様の電流密度対電圧応答を提供する。非被覆プラスチックメッシュ電極912は、Tiメッシュコントロール電極902及び炭素被覆プラスチックメッシュ電極904,906,908と比較して低い電圧応答を示す。エレクトロダグ電極910は、他の炭素被覆メッシュ電極と比較して低い電流密度で良好な電圧を示し、高い電流密度でより低い電圧を示す。この結果は、炭素被覆が、非被覆プラスチックメッシュ電極912と比較して、炭素被覆プラスチックメッシュ電極の導電性を高めることを示している。したがって、炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、現在使用されている電極材料と比較して電流密度を向上又は維持するレドックスフロー電池に使用するための低コストの代替物を提供する。 Referring to FIG. 9, the performance of several carbon-coated plastic mesh electrodes is shown against a Ti mesh control electrode. In FIG. 9, the polarization plots of carbon-coated plastic mesh electrodes 904, 906, 908 provide improved or similar current density versus voltage response compared to Ti mesh control electrode 902. FIG. The uncoated plastic mesh electrode 912 exhibits a lower voltage response compared to the Ti mesh control electrode 902 and the carbon coated plastic mesh electrodes 904,906,908. The Electrodag electrode 910 exhibits good voltage at low current densities and lower voltage at high current densities compared to other carbon-coated mesh electrodes. This result shows that the carbon coating enhances the electrical conductivity of the carbon-coated plastic mesh electrode 912 compared to the uncoated plastic mesh electrode 912 . Carbon-coated plastic mesh electrodes therefore provide a low-cost alternative for use in redox flow batteries that enhances or maintains current density compared to currently used electrode materials.

図10を参照すると、炭素被覆プラスチックメッシュ電極のサイクル性能が示されている。Tiメッシュコントロール電極1002とTi真空電極(vacuum electrode)1016とをベースラインとして含む。炭素被覆プラスチックメッシュ電極を100サイクル以上サイクルさせ、性能を監視した。炭素被覆プラスチックメッシュ電極の分極の1サイクル、24サイクル、48サイクル、72サイクル、96サイクル、120サイクルを、それぞれ1004、1006、1008、1010、1012及び1014にプロットした。図10から、炭素被覆プラスチックメッシュ電極は、Ti真空電極1016と比較して電流密度対電圧応答を保持し、Tiメッシュコントロール電極1002と比較して向上された応答を示すことが分かる。 Referring to FIG. 10, the cycling performance of the carbon-coated plastic mesh electrode is shown. A Ti mesh control electrode 1002 and a Ti vacuum electrode 1016 are included as a baseline. The carbon-coated plastic mesh electrode was cycled over 100 cycles and monitored for performance. 1, 24, 48, 72, 96 and 120 cycles of polarization of the carbon coated plastic mesh electrode are plotted at 1004, 1006, 1008, 1010, 1012 and 1014 respectively. From FIG. 10 it can be seen that the carbon-coated plastic mesh electrode retains its current density versus voltage response compared to the Ti vacuum electrode 1016 and exhibits an improved response compared to the Ti mesh control electrode 1002 .

IDFFフロー構成及びチタンメッシュを備えるレドックスフロー電池負極(例えば、めっき電極)構成の欠点は、高コスト、不十分なめっき密度、及び気泡の捕捉を含む。めっき密度が不十分であると、レドックスフロー電池システムが十分に高い電池充電容量を達成することが妨げられる。例えば、IDFFフロー構成及びTiメッシュを備える負極構成は、費用測定基準及び電池性能測定基準(充放電サイクル時の損失低減など)を維持することがレドックスフロー電池アプリケーションにとって望ましいが、8時間を超える充電容量を提供することができない。さらに、気泡の捕捉は、電極の利用できるめっき面積を減少させる可能性があり、また、めっき電極材料を脆化させる可能性があり、それによって、電池充電容量を減少させ、電極を劣化させる。 Disadvantages of IDFF flow configurations and redox flow battery anode (eg, plated electrode) configurations with titanium mesh include high cost, poor plating density, and trapped air bubbles. Insufficient plating density prevents the redox flow battery system from achieving a sufficiently high battery charge capacity. For example, an IDFF flow configuration and a negative electrode configuration with Ti mesh are desirable for redox flow battery applications to maintain cost and battery performance metrics (such as reduced losses during charge-discharge cycling), but charging for more than 8 hours capacity cannot be provided. In addition, entrapment of air bubbles can reduce the available plating area of the electrode and can embrittle the plating electrode material, thereby reducing battery charge capacity and degrading the electrode.

製造コストを低減するために、レドックスフロー電池は、より高い電流密度で作動するように設計され得る。例えば、60mA/cmの電流密度で作動するレドックスフロー電池システムは、15mA/cmで作動するレドックスフロー電池システムとして四分の一の電池セル数を有することができる。しかしながら、より高い電流密度で作動するレドックスフロー電池は、さらなるレドックスフロー電池システム設計上の課題を提示する可能性がある。例えば、めっき応力は、より高いめっき電流密度において増加する可能性があり、その結果、より高い応力を受け、より脆いめっき電極となる。さらに、より高い電流密度を供給することを可能にするために、より高い液体電解液流量を有するレドックスフロー電池システムを利用することができる。さらに、より大きな電極ギャップを、より高い流量に適応するように構成することができる。レドックスフロー電池セル用の電極ギャップは、式(5)に示すように、電極にめっきされた金属イオン当たりの電荷に対する電流密度の比から算出される代表長さを構成する。

Figure 0007108640000004
ここで、T=時間(s);M=モル質量(g/mol);J=電流密度(面積/cm);ρ=めっき金属の密度(g/cm);n=#めっきされた金属1モル当たりの電子数;F=ファラデー定数(96485.3365 C/mol)。電流密度は、電極の活性領域A(cm)に基づいて決定することができる。鉄レドックスフロー電池の場合、めっき金属は鉄であり、鉄めっき1モル当たりの電子数は2である。電池の充電量とめっき密度は、それぞれ式(6)、(7)に示すように計算される。
Figure 0007108640000005
To reduce manufacturing costs, redox flow batteries can be designed to operate at higher current densities. For example, a redox flow battery system operating at a current density of 60 mA/cm 2 can have one-fourth as many battery cells as a redox flow battery system operating at 15 mA/cm 2 . However, redox flow batteries operating at higher current densities can present additional redox flow battery system design challenges. For example, plating stress can increase at higher plating current densities, resulting in higher stressed and more brittle plating electrodes. Additionally, redox flow battery systems with higher liquid electrolyte flow rates can be utilized to enable higher current densities to be delivered. Additionally, larger electrode gaps can be configured to accommodate higher flow rates. The electrode gap for a redox flow battery cell constitutes a representative length calculated from the ratio of current density to charge per metal ion plated on the electrode, as shown in equation (5).
Figure 0007108640000004
where T = time (s); M = molar mass (g/mol); J = current density (area/cm ); ρ = density of plated metal (g/cm 3 ); Number of electrons per mole of metal; F = Faraday constant (96485.3365 C/mol). The current density can be determined based on the active area A (cm 2 ) of the electrode. For iron redox flow batteries, the plating metal is iron and the number of electrons per mole of iron plating is 2. The battery charge and plating density are calculated as shown in equations (6) and (7), respectively.
Figure 0007108640000005

より高い電流密度を提供することに付随するより高い流量に対応することに加えて、レドックスフロー電池の電極ギャップをさらに増加させて、負極電解液のフローフィールド内及び負極表面で発生するあらゆるガスの十分なパージを可能にすることができる。例えば、式(3)及び式(4)を参照して上述したように、水素プロトンHの還元(式(3))及び析出金属鉄の腐食(式(4))の間に、水素ガスを生成することができる。負極における水素の存在が、めっきのために利用できる電極活性領域を減少させる可能性があり、めっきされた金属をそこで脆くする可能性があるので、水素ガスの除去は電池電極の劣化を減少させるのに役立つ。レドックスフロー電池システムの性能測定基準は、電流及び電極ギャップの大きさに比例して拡大することができるオーム損失の増加によって影響を受ける可能性がある。より高い電流密度に対応し十分なガスパージを可能にするために、電極ギャップは限度なしに単純に増加させることはできない。 In addition to accommodating the higher flow rates associated with providing higher current densities, the electrode gap of the redox flow battery can be further increased to reduce any gas evolution within the flow field of the anode electrolyte and at the surface of the anode. Sufficient purging can be allowed. For example, as described above with reference to equations (3) and (4), hydrogen gas can be generated. Removal of hydrogen gas reduces deterioration of the battery electrodes, as the presence of hydrogen in the negative electrode can reduce the electrode active area available for plating and can embrittle the plated metal there. Helpful. Performance metrics of redox flow battery systems can be affected by an increase in ohmic losses that can scale proportionally with current and electrode gap size. To accommodate higher current densities and allow sufficient gas purging, the electrode gap cannot be simply increased without limit.

次に、図16、図17A~図17D、図20A、及び図20Bを参照すると、これらの図は、従来の設計と比較して電流密度分布の分散を低減するのに役立つ一方で、より高い電池容量に対応し、製造コストを低下させ、レドックスフロー電池の性能を維持し、電極の表面に近接する電解液フローフィールドにおける気泡の捕捉を低下させる負極構成の構造的特徴を示す。これらの構成は、x軸が幅方向に整列され、y軸が長さ方向に整列され、z軸が電極スタックアセンブリの高さ方向又は厚さ方向に整列された3次元のx-y-z座標軸に対応して示されている。z軸は、電極スタックアセンブリの各層のx-y平面に垂直な横軸を指す。 16, 17A-17D, 20A, and 20B, these figures help reduce the dispersion of the current density distribution compared to conventional designs, while increasing the Structural features of the negative electrode configuration that scale to battery capacity, reduce manufacturing costs, maintain redox flow battery performance, and reduce bubble entrapment in the electrolyte flow field close to the surface of the electrode are shown. These configurations are three-dimensional xyz with the x-axis aligned with the width, the y-axis aligned with the length, and the z-axis aligned with the height or thickness of the electrode stack assembly. are shown corresponding to the coordinate axes. The z-axis refers to the horizontal axis perpendicular to the xy plane for each layer of the electrode stack assembly.

レドックスフロー電池システムにおいて、負極は、図20Aに示されるように、電極スタックアセンブリ2000内に配置され得る。電極スタックアセンブリ2000は、例えばイオン交換膜などの電気絶縁性イオン伝導障壁2020を含み得る。正の(レドックス)フローフィールドプレート2010及び正極(レドックス電極)は、膜の正(レドックス)側に配置され得る。正極は、膜を横切ってスタックアセンブリの負側(めっき側)へのイオンの移動を容易にするために、膜に隣接して配置することができる。これにより、正極は、正のフローフィールドプレートと膜との間に挿入され、正極電解液フローフィールドは、正のフローフィールドプレートと正極との間に挟まれる。正のフローフィールドプレート2010は、櫛形の正のフローフィールドプレートリブ2012を含む櫛形フローフィールドプレートを含むことができる。他の例では、正のフローフィールドプレート2010は、非櫛形の正のフローフィールドプレートリブ2012を備える蛇行フローフィールドプレートのような他の構成のリブ付きフローフィールドプレートを含むことができる。櫛形フローフィールド(IDFF)プレート1800の例は図18に示され、膜の正側で電解液の流れを導くための櫛形リブ1812及び1822を備える。特に、電解液は、正のフローフィールドプレート2010の入口1810から出口1820へと方向付けられてもよい。櫛形の正のフローフィールドプレートの断面図1850に示されるように、櫛形リブ1812の櫛形の入口チャネルから櫛形リブ1822の出口チャネルへの電解液の流れ(矢印1830によって示される)が、多孔質正極1840を介して生じることができ、それによって電解液の強制対流を提供する。他の例では、正のフローフィールドプレートは、例えば、蛇行フロープレート、螺旋フロープレート、ピンフロープレート、又は非櫛形リブを備える平行フロープレートなどの非IDFFフロープレートであってもよい。デッドエンドチャネルのために、電解液流体は、入口流路から出口流路へ多孔質正極1840を通って拡散する前に、櫛形のデッドエンドチャネルを満たして、フローフィールドをより全面にわたって分布させることができるので、IDFFフローフィールドは有利であり得る。 In a redox flow battery system, the negative electrode can be placed in an electrode stack assembly 2000 as shown in FIG. 20A. Electrode stack assembly 2000 may include an electrically insulating, ion-conducting barrier 2020, such as an ion exchange membrane, for example. A positive (redox) flow field plate 2010 and a positive electrode (redox electrode) can be placed on the positive (redox) side of the membrane. A positive electrode can be placed adjacent to the membrane to facilitate ion migration across the membrane to the negative side (plating side) of the stack assembly. This interposes the positive electrode between the positive flow field plate and the membrane and sandwiches the positive electrolyte flow field between the positive flow field plate and the positive electrode. The positive flow field plate 2010 may comprise a comb flow field plate including comb positive flow field plate ribs 2012 . In other examples, the positive flow field plate 2010 can include other configurations of ribbed flow field plates, such as a serpentine flow field plate with non-comb positive flow field plate ribs 2012 . An example of an interdigitated flow field (IDFF) plate 1800 is shown in FIG. 18 with interdigitated ribs 1812 and 1822 for directing electrolyte flow on the positive side of the membrane. In particular, electrolyte may be directed from inlet 1810 to outlet 1820 of positive flow field plate 2010 . As shown in cross-sectional view 1850 of a combed positive flow field plate, electrolyte flow (indicated by arrows 1830) from the combed inlet channels of combed ribs 1812 to the outlet channels of combed ribs 1822 flows through the porous positive electrode. 1840, thereby providing forced convection of the electrolyte. In other examples, the positive flow field plate may be a non-IDFF flow plate such as, for example, a serpentine flow plate, a spiral flow plate, a pin flow plate, or a parallel flow plate with non-comb ribs. Due to the dead-end channels, electrolyte fluid fills the comb-shaped dead-end channels before diffusing through the porous positive electrode 1840 from the inlet channel to the outlet channel to distribute the flow field more fully. The IDFF flow field can be advantageous because it allows

電極スタックアセンブリの負側(めっき側)では(例えば、膜2020の負側)、負極電解液フローフィールドは、膜2020と負極構成との間に挟まれ、負極構成は、電池の充電中に金属がめっきされる平坦な負のフローフィールドプレート2040と非導電性負極スペーサ2026(例えば、めっき電極スペーサ)とを含む。負極スペーサ2020は非導電性であり、導電性被覆が施されていないため、充電中に金属めっきが生じることはない。しかしながら、負極スペーサ2020は、膜2020から負のフローフィールドプレート2040への電解液イオンの分布をより均一にすることにより、負のフローフィールドプレート2040へのめっきを促進することができ、電流密度分布の分散を低減することができる。負極スペーサ2026は、さらに、膜2020と負のフローフィールドプレート2040との間の負極電解液フローフィールドを物理的に支持するのを助け、これは、より高い充電電流密度及びガスパージ率を持続するために、より高い電解液流量を維持することを助けることができる。負のフローフィールドプレート2040は平坦であるため、定義された負極電解液フローフィールドはない。このように、負極と負のフローフィールドプレートとの間の電極ギャップは、非平坦な負のフローフィールドプレートを有するシステムに比べて大きくすることができ、より高い電流密度に付随するより高い電解液の流れに対応することができる。平坦な負のフローフィールドプレートはまた、非平坦なフローフィールドプレートと比較して、充電及び放電化学反応(式(3)及び(4)参照)の間に発生する水素ガスのようなガスのパージの増大を促進し、それによってめっき用の電極活性領域を維持し、めっきされた金属の脆化を低減し、電池性能を増大させる。 On the negative (plated) side of the electrode stack assembly (e.g., the negative side of membrane 2020), the anode electrolyte flow field is sandwiched between membrane 2020 and the anode configuration, which is metal during charging of the battery. plated flat negative flow field plate 2040 and non-conductive anode spacers 2026 (eg, plated electrode spacers). The negative electrode spacer 2020 is non-conductive and does not have a conductive coating, so no metal plating occurs during charging. However, the negative electrode spacers 2020 can facilitate plating to the negative flow field plate 2040 by making the distribution of electrolyte ions from the membrane 2020 to the negative flow field plate 2040 more uniform, resulting in a higher current density distribution. can reduce the variance of Anode spacers 2026 also help physically support the anode electrolyte flow field between membrane 2020 and negative flow field plate 2040, which sustains higher charging current densities and gas purge rates. In addition, it can help maintain a higher electrolyte flow rate. Since the negative flow field plate 2040 is flat, there is no defined negative electrolyte flow field. In this way, the electrode gap between the negative electrode and the negative flow field plate can be made larger compared to systems with non-flat negative flow field plates, resulting in a higher electrolyte flow rate associated with higher current densities. can correspond to the flow of Flat negative flow field plates also reduce the purging of gases such as hydrogen gas generated during charge and discharge chemical reactions (see equations (3) and (4)) compared to non-flat flow field plates. , thereby maintaining electrode active area for plating, reducing embrittlement of the plated metal, and increasing cell performance.

図20Aに示すように、負極構造は、負のフローフィールドプレート2040の膜に面する側に位置する負極スペーサ2026を含む。換言すると、負極構造の負極スペーサ2026は、膜2020と負のフローフィールドプレート2040との間に挿入され得る。負極スペーサ2026は、膜2020の正側において正のフローフィールドプレートの正のフローフィールドプレートリブ2012により平行に方向付けられた主リブ2030の列と、膜2020の正側において主リブ2030に対してより横方向に、また、正のフローフィールドプレートリブ2012に対してより横方向に方向付けられた支持リブ2032の列と、を含んでいてもよい。図18を参照して上述したように、正のフローフィールドプレート2010の正のフローフィールドプレートリブ2012は、櫛形リブを有していてもよい。また一方で、他の例では、正のフローフィールドプレート2010は、例えば平行フローフィールドプレート又は蛇行フローフィールドプレートの場合のような、非櫛形リブを含むことができる。 As shown in FIG. 20A, the anode structure includes an anode spacer 2026 located on the membrane facing side of the negative flow field plate 2040 . In other words, the anode spacer 2026 of the anode structure can be inserted between the membrane 2020 and the negative flow field plate 2040 . The negative electrode spacers 2026 are aligned parallel to the main ribs 2030 on the positive side of the membrane 2020 with a row of main ribs 2030 oriented parallel by the positive flow field plate ribs 2012 of the positive flow field plate on the positive side of the membrane 2020 . and rows of support ribs 2032 oriented more laterally and more laterally to the positive flow field plate ribs 2012 . As described above with reference to FIG. 18, the positive flow field plate ribs 2012 of the positive flow field plate 2010 may have interdigitated ribs. In other examples, however, the positive flow field plate 2010 can include non-interdigitated ribs, such as in parallel flow field plates or serpentine flow field plates.

負極構成の負極スペーサ2026では、支持リブ2032のそれぞれは、主リブ2030のそれぞれに横方向に連結されてもよい。いくつかの例では、主リブ2030は、支持リブ2032が主リブ2030に対して膜2020に近接して配置されるように、支持リブ2032及び膜2020から離れて又は遠位に延在してもよい。主リブ2030は、図20A及び図20Bの電極スタックアセンブリの断面図に示されるように、正のフローフィールドプレートリブに平行な長手方向(y方向)に一定の断面を有する中実のモノリシック構造を含んでもよい。 In a negative electrode spacer 2026 in a negative configuration, each of the support ribs 2032 may be laterally connected to each of the main ribs 2030 . In some examples, the main ribs 2030 extend away from or distal to the support ribs 2032 and the membrane 2020 such that the support ribs 2032 are positioned proximate the membrane 2020 relative to the main ribs 2030. good too. The main rib 2030 is a solid monolithic structure with constant cross-section in the longitudinal direction (y-direction) parallel to the positive flow field plate ribs, as shown in the cross-sectional views of the electrode stack assembly in FIGS. 20A and 20B. may contain.

正のフローフィールドプレート2010の正のフローフィールドプレートリブ2012に対してより平行に方向付けられることに加えて、さらに、主リブ2030は、膜2020を挟んだ向かいの正のフローフィールドプレートリブ2012に対向して整列されてもよい。このように、負のフローフィールドプレート2040及び正のフローフィールドプレート2010が膜2020に向かって圧縮されると、主リブ2030は、座屈することなく、また、正極及び負極電解液フローフィールドの形状及び寸法を変えることなく、膜を挟んだ向かいの正のフローフィールドプレートリブ2012によって対向して支持される。換言すると、主リブ2030は、正のフローフィールドプレートリブ2012に対する構造的支持を提供し、逆もまた同様であり、したがって、レドックスフロー電池システムのアセンブリ及び作動中の電極スタックアセンブリ2000の圧縮、正のフローフィールドプレート2010と正極2016との間の正極電解液フローフィールドの流れ及び形状、並びに負のフローフィールドプレート2040と負極2026スペーサとの間の負極電解液フローフィールドが、実質的に収縮又は変化しないようにする。正の支持プレートの正のフローフィールドプレートリブ2012に対向する主リブ2030の整列は、正の支持領域内に配置された正のフローフィールドプレートリブ2012に対向する負の支持領域内に主リブ2030を配置することを含み得る。負の支持領域は、破線2038によって示されるように、主リブ2030の幅方向(例えばx方向)の寸法に対応することができる。正の支持領域は、破線2018によって示されるように、正のフローフィールドプレートリブ2012の幅方向(例えばx方向)の寸法に対応することができる。 In addition to being oriented more parallel to the positive flow field plate ribs 2012 of the positive flow field plate 2010 , the main ribs 2030 are also oriented more parallel to the positive flow field plate ribs 2012 across the membrane 2020 . They may be aligned facing each other. Thus, when the negative flow field plate 2040 and the positive flow field plate 2010 are compressed toward the membrane 2020, the main ribs 2030 do not buckle, and the positive and negative electrolyte flow field shapes and Without changing dimensions, they are supported oppositely by opposite positive flow field plate ribs 2012 across the membrane. In other words, the primary ribs 2030 provide structural support for the positive flow field plate ribs 2012 and vice versa, thus compressing the electrode stack assembly 2000 during redox flow battery system assembly and operation. The flow and shape of the positive electrolyte flow field between the flow field plate 2010 and the positive electrode 2016 and the negative electrode electrolyte flow field between the negative flow field plate 2040 and the negative electrode 2026 spacers contract or change substantially. try not to The alignment of the main ribs 2030 opposite the positive flow field plate ribs 2012 of the positive support plate is such that the main ribs 2030 in the negative support area opposite the positive flow field plate ribs 2012 located within the positive support area. may include placing a The negative support area can correspond to the widthwise (eg, x-direction) dimension of the primary rib 2030 as indicated by the dashed line 2038 . The positive support area can correspond to the widthwise (eg, x-direction) dimension of the positive flow field plate ribs 2012 as indicated by the dashed line 2018 .

正のフローフィールドプレートリブ2012に対向する主リブ2030の位置は、負の支持領域の境界(例えば、破線2038)が正の支持領域の境界(例えば、破線2018)内にあることを含むことができる。負の支持領域の境界(例えば、破線2038)が正の支持領域の境界(例えば、破線2018)より広い場合、正のフローフィールドプレートリブ2012に対向する主リブ2030の配置は、正の支持領域の境界(例えば、破線2018)が負の支持領域の境界(例えば、破線2038)内にあることを含むことができる。このように、正のフローフィールドプレートリブ2012に対向する主リブ2030の位置は、正の支持領域が負の支持領域内の中心になるように、又は、負の支持領域が正の支持領域内の中心になるように、正のフローフィールドプレートリブ2012の向かいに主リブ2030を中心に置くことを含み得る。さらに、正のフローフィールドリブに平行に主リブを配置する場合には、正のフローフィールドプレートリブ2012に対向する主リブ2030を配置する際に、負の支持領域のそれぞれを正の支持領域に平行に配置するようにしてもよい。このようにして、電極スタックアセンブリは、十分な物理的圧縮を支持することができ、したがって、レドックスフロー電池システムの作動中及びアセンブリ中に、正のフローフィールドプレート及び負のフローフィールドプレート上の正極及び負極電解液の流れ分布をそれぞれ維持することができる。図20Bに示すように、負の支持領域の境界(例えば、破線2088)が正の支持領域の境界(例えば、破線2068)の外側になるように主リブ2080を配置することは、正極及び負極電解液フローフィールドの座屈又は歪みのリスクを増大させ、めっき処理能力(plating capacity)、めっき品質、イオン交換率、及び電解液の流れを低下させる可能性があり、それによってレドックスフロー電池の性能を低下させる。 The position of the main ribs 2030 opposite the positive flow field plate ribs 2012 can include that the boundaries of the negative support area (eg, dashed line 2038) are within the boundaries of the positive support area (eg, dashed line 2018). can. If the boundary of the negative support area (eg, dashed line 2038) is wider than the boundary of the positive support area (eg, dashed line 2018), then the placement of the main ribs 2030 opposite the positive flow field plate ribs 2012 is the positive support area. is within the boundary of the negative support region (eg, dashed line 2038) (eg, dashed line 2018). Thus, the location of the main ribs 2030 opposite the positive flow field plate ribs 2012 is such that the positive support area is centered within the negative support area, or the negative support area is within the positive support area. centering the main rib 2030 across from the positive flow field plate rib 2012 so that it is centered on the . Additionally, if the main ribs are arranged parallel to the positive flow field ribs, each of the negative support areas will be aligned with the positive support areas when arranging the main ribs 2030 opposite the positive flow field plate ribs 2012. They may be arranged in parallel. In this way, the electrode stack assembly can support sufficient physical compression so that the positive electrodes on the positive and negative flow field plates during operation and assembly of the redox flow battery system. and the flow distribution of the anode electrolyte can be maintained respectively. As shown in FIG. 20B, arranging the main ribs 2080 such that the boundary of the negative support area (eg, dashed line 2088) is outside the boundary of the positive support area (eg, dashed line 2068) allows the positive and negative It increases the risk of buckling or distorting the electrolyte flow field, which can reduce the plating capacity, plating quality, ion exchange rate, and electrolyte flow, thereby reducing the performance of the redox flow battery. lower the

別の例では、主リブ2030は、負の支持領域と正の支持領域とが部分的に重なるように、正のフローフィールドプレートリブ2012に対向して配置されてもよい。負の支持領域及び正の支持領域を部分的に重複させることは、正の支持領域の境界内の負の支持領域の部分が、閾値重複よりも大きくなるように、正のフローフィールドプレートリブ2012に対して主リブ2030を対向して配置することを含み得る。例えば、閾値重複は、負の支持領域の半分以上(例えば、50%超)が正の支持領域の境界内に入るように、正のフローフィールドプレートリブ2012に対して主リブ2030を対向して配置することを含み得る。負の支持領域と正の支持領域との部分的な重複が閾値重複よりも小さいと、負極及び正極電解液フローフィールドの座屈及び収縮、ならびに正極の損傷のリスクが増大する可能性がある。上述のように、正のフローフィールドプレートリブ2012は、他の構成と同様に、互いにかみ合い、蛇行し、平行であってもよい。したがって、負極スペーサ2026の主リブ2030の数、ピッチ(間隔)、幅方向寸法(例えば、x方向)は、主リブ2030を正のフローフィールドプレートリブ2012と反対方向に整列させて配置することを容易にするために選択することができる。換言すると、配置、主リブのピッチ、及び主リブの寸法は、正のフローフィールドプレートの設計及び構成に基づいて、正極及び負極電解液フローフィールドの荷重及び圧縮を十分に支持するために、それに応じて選択及び調整することができる。 In another example, primary ribs 2030 may be positioned opposite positive flow field plate ribs 2012 such that the negative and positive support areas partially overlap. Partially overlapping the negative support area and the positive support area is such that the portion of the negative support area within the boundary of the positive support area is greater than the threshold overlap. may include placing the main rib 2030 opposite to the . For example, the threshold overlap is such that more than half (eg, greater than 50%) of the negative support area falls within the boundaries of the positive support area, with the main rib 2030 opposite the positive flow field plate rib 2012. placing. If the partial overlap between the negative and positive support regions is less than the threshold overlap, the risk of buckling and contraction of the anode and cathode electrolyte flow fields and damage to the cathode can be increased. As noted above, the positive flow field plate ribs 2012 may be interdigitated, serpentine, and parallel, as well as other configurations. Therefore, the number, pitch (spacing), and widthwise dimension (eg, x-direction) of the main ribs 2030 of the negative electrode spacer 2026 are such that the main ribs 2030 are aligned in the opposite direction to the positive flow field plate ribs 2012. can be selected for ease of use. In other words, the placement, primary rib pitch, and primary rib dimensions are such that, based on the design and configuration of the positive flow field plate, it adequately supports the loads and compressions of the positive and negative electrolyte flow fields. can be selected and adjusted accordingly.

次に図16を参照すると、負極スペーサ1600の構成例は、電極長さ1602(例えば、y方向)に対してより平行に方向付けられた複数の主リブ1620と、電極幅1604(例えば、x方向)に対してより平行に方向付けられた複数の支持リブ1640とを含むことができる。このようにして、支持リブは主リブ1620に対して横方向に方向付けることができ、また、主リブ1620は膜2020を挟んだ向かいの正のフローフィールドプレートリブ2012に対してより平行に方向付けることができる。図16に示す負極スペーサ1600の例の場合、主リブ1620が支持リブ1640に対して垂直であるとき、主リブの長さは電極スペーサ長さ1602によって与えられ、支持リブの長さは電極スペーサ幅1604によって与えられる。負極スペーサ1600の例に示すように、主リブ1620の数は、支持リブ1640の数よりも多くてもよい。他の場合では、主リブ1620の数は、支持リブ1640の数よりも少なくてもよい。支持リブ1640の数を減らすことは、機能上の電極活性領域を増加させ、それによってめっき処理能力を増加させ、レドックスフロー電池の充放電中の電極を横切る電流密度分布の分散を低減させ、それによって短絡及び電極の劣化のリスクを減少させる助けとなることができる。主リブ1620及び支持リブ1640は、剛性であってもよく、それらの交点で接合されてもよく、電極内に等間隔かつ均一なサイズの開口1630の規則的な配列を形成してもよい。特に、主リブ1620及び支持リブ1640は、不織布フレームワーク、スペーサ、支持体、ブレース(brace)、足場、アンダーピニング、又は、めっきフローフィールドプレートと膜との間の負極電解液フローフィールドを収容するための間隔を維持する他のタイプの支持構造を形成するように、不織布で接合又は連結されてもよい。 16, an example configuration of a negative electrode spacer 1600 includes a plurality of major ribs 1620 oriented more parallel to the electrode length 1602 (e.g., y direction) and an electrode width 1604 (e.g., x direction). In this way, the support ribs can be oriented transversely to the main ribs 1620 and the main ribs 1620 can be oriented more parallel to the opposite positive flow field plate ribs 2012 across the membrane 2020 . can be attached. For the example of anode spacer 1600 shown in FIG. 16, when main rib 1620 is perpendicular to support rib 1640, the main rib length is given by electrode spacer length 1602, and the support rib length is the electrode spacer length. It is given by width 1604 . The number of main ribs 1620 may be greater than the number of support ribs 1640 , as shown in the example of anode spacer 1600 . In other cases, the number of main ribs 1620 may be less than the number of support ribs 1640 . Reducing the number of support ribs 1640 increases the functional electrode active area, thereby increasing the plating throughput, reducing the spread of the current density distribution across the electrodes during charging and discharging of the redox flow battery, which can help reduce the risk of short circuits and electrode deterioration. The main ribs 1620 and support ribs 1640 may be rigid and may be joined at their intersections to form a regular array of equally spaced and uniformly sized openings 1630 in the electrode. In particular, main ribs 1620 and support ribs 1640 accommodate nonwoven frameworks, spacers, supports, braces, scaffolds, underpinnings, or negative electrolyte flow fields between the plated flow field plate and the membrane. The nonwovens may also be joined or connected to form other types of support structures that maintain spacing between them.

図17Aは、負極スペーサ1600の詳細Aの拡大平面図1700を示し、負極スペーサ1600の、規則的、均等な間隔、及び均等なサイズの開口1630を示す。連続した隣接する主リブ間の間隔、主リブピッチ1704と、連続した隣接する支持リブ間の間隔、支持リブピッチ1702とは、主リブと支持リブとの間の接合部1706の数を規定する。負極スペーサ1600の例では、めっきに利用可能な活性領域を増加させるために、支持リブピッチ1702は主リブピッチ1704よりも大きく、また、電極長さ1602方向に細長い開口1630を生じさせる。他の例では、支持リブピッチ1702及び主リブピッチ1704は同等であり得、正方形の開口1630を生じ、又は、支持リブピッチ1702は主リブピッチ1704より小さくなり得、電極幅1604方向に細長い開口1630を生じ得る。支持リブピッチ1702及び主リブピッチ1704は、負極スペーサ1600の開口密度(開口部の面積:支持リブと主リブの面積)も規定する。支持リブピッチ1702及び主リブピッチ1704は、開口密度が閾値開口密度よりも大きくなるように選択することができる。閾値開口密度は、所望のレドックスフロー電池セル容量を収容するのに十分な電極めっきが支持され得る開口密度に対応し得る。開口密度(例えば、支持リブピッチ1702を増加し、主リブピッチ1704を増加する)を閾値開口密度未満に減少させると、負極スペーサ1600のめっき処理能力が低下する可能性があり、それにより、レドックスフロー電池セルの充放電容量が低下する可能性がある。 FIG. 17A shows an enlarged plan view 1700 of Detail A of anode spacer 1600 showing regular, evenly spaced, and evenly sized openings 1630 in anode spacer 1600 . The spacing between consecutive adjacent main ribs, main rib pitch 1704, and the spacing between consecutive adjacent support ribs, support rib pitch 1702, define the number of joints 1706 between the main ribs and the support ribs. In the negative electrode spacer 1600 example, the supporting rib pitch 1702 is larger than the main rib pitch 1704 and creates an elongated opening 1630 along the electrode length 1602 to increase the active area available for plating. In other examples, the support rib pitch 1702 and the main rib pitch 1704 can be equal, resulting in square openings 1630, or the support rib pitch 1702 can be smaller than the main rib pitch 1704, resulting in elongated openings 1630 in the electrode width 1604 direction. . Support rib pitch 1702 and main rib pitch 1704 also define the aperture density (opening area: support rib and main rib area) of anode spacer 1600 . Support rib pitch 1702 and main rib pitch 1704 may be selected such that the aperture density is greater than the threshold aperture density. The threshold aperture density may correspond to an aperture density at which sufficient electrode plating can be supported to accommodate the desired redox flow battery cell capacity. Decreasing the aperture density (e.g., increasing the supporting rib pitch 1702 and increasing the main rib pitch 1704) below the threshold aperture density can reduce the plating throughput of the anode spacer 1600, thereby reducing the redox flow battery. The charge/discharge capacity of the cell may decrease.

レドックスフロー電池セルの所望の充放電容量は、レドックスフロー電池システムの所望のエネルギー容量によって決定され得る。例えば、所望の電池充電容量を4時間から8時間に増加させる場合、開口密度を増加させて負極スペーサ1600のめっき処理能力を増加させることができる。開口密度の増加は、負極スペーサ1600の剛性を低下させることができる。したがって、1つ又は複数の主リブ1620及び/又は支持リブ1640の構造剛性を開口密度の増加に応じて高めることができる。一例では、主リブ厚さ1718及び/又は支持リブ厚さ1712を増加させることによって、負極スペーサ1600の構造剛性を高めることができる。このようにして、負極スペーサ1600の構造剛性を維持しつつ、レドックスフロー電池セル容量を増加させることができる。主リブ厚さ1718は支持リブ厚さ1712よりも大きくてもよく、又は、主リブ厚さ1718は支持リブ厚さ1712よりも小さくてもよい。主リブ厚さ1718が支持リブ厚さ1712よりも厚いことは、めっき電解液のより高い流量に対応するために、めっき電極とめっきフローフィールドプレートとの間の間隔を増加させるのに役立ち得る。加えて、主リブ厚さ1718が支持リブ厚さ1712よりも大きいことは、めっき電極の構造剛性を高めるのに役立つ。 The desired charge/discharge capacity of the redox flow battery cell may be determined by the desired energy capacity of the redox flow battery system. For example, if the desired battery charge capacity is increased from 4 hours to 8 hours, the open density can be increased to increase the plating throughput of the anode spacer 1600 . Increasing the aperture density can reduce the stiffness of the anode spacer 1600 . Accordingly, the structural stiffness of one or more of the main ribs 1620 and/or the support ribs 1640 can be increased as the aperture density increases. In one example, increasing the main rib thickness 1718 and/or the support rib thickness 1712 can increase the structural rigidity of the anode spacer 1600 . In this way, the redox flow battery cell capacity can be increased while maintaining the structural rigidity of the anode spacer 1600 . Main rib thickness 1718 may be greater than support rib thickness 1712 , or main rib thickness 1718 may be less than support rib thickness 1712 . Having the main rib thickness 1718 thicker than the support rib thickness 1712 can help increase the spacing between the plating electrode and the plating flow field plate to accommodate higher flow rates of the plating electrolyte. In addition, having primary rib thickness 1718 greater than support rib thickness 1712 helps increase the structural rigidity of the plating electrode.

次に、図17AのB-B断面の断面1710を示す図17Bを参照する。上述したように、主リブ1620を負極スペーサ1600の基板側(例えば、負のフローフィールドプレート側)1719に向けて配置することができ、支持リブ1640を負極スペーサ1600の膜側1711に向けて配置することができる。主リブ1620は、離れて(z方向に)延在し、支持リブ1640の膜側1711から基板側1719に向けて突出することができる。図17Bの例に示すように、主リブ厚さ1718と支持リブ厚さ1712との差によって規定される距離に従って、主リブ1620は支持リブ1640から延在することができる。支持リブ1640から負極スペーサ1600の基板側1719に向かって延在することによって、主リブ1620は負極上のめっき活性領域を増加することができ、電極スタックアセンブリの構造的な支持を提供することができる。さらに、負極を膜と負のフローフィールドプレートとの間に挟み込む際に、主リブ1620は、負極電解液フローフィールドの座屈を低減し、負極電解液フローフィールドにおける負極電解液の流れを維持するのに役立つ。図17Aを参照して上述したように、支持リブ厚さ1712及び/又は主リブ厚さ1718を厚くすることは、負極スペーサ1600の構造剛性を高めるのに役立つことができる。 Reference is now made to FIG. 17B, which shows section 1710 of section BB of FIG. 17A. As described above, the main ribs 1620 can be positioned toward the substrate side (e.g., the negative flow field plate side) 1719 of the anode spacer 1600 and the support ribs 1640 can be positioned toward the membrane side 1711 of the anode spacer 1600. can do. The main ribs 1620 can extend apart (in the z-direction) and project from the membrane side 1711 of the support ribs 1640 towards the substrate side 1719 . As shown in the example of FIG. 17B, main rib 1620 can extend from support rib 1640 according to a distance defined by the difference between main rib thickness 1718 and support rib thickness 1712 . By extending from the support ribs 1640 toward the substrate side 1719 of the anode spacer 1600, the main ribs 1620 can increase the plating active area on the anode and provide structural support for the electrode stack assembly. can. Further, the main ribs 1620 reduce buckling of the anode electrolyte flow field and maintain anode electrolyte flow in the anode electrolyte flow field when sandwiching the anode between the membrane and the negative flow field plate. Helpful. As described above with reference to FIG. 17A, increasing the support rib thickness 1712 and/or the main rib thickness 1718 can help increase the structural rigidity of the anode spacer 1600. FIG.

さらに、主リブ1620は、主リブ抜き勾配(draft angle)1716(例えばx-z平面)において支持リブ1640から離れて延在してもよい。いくつかの例では、主リブ1620は、支持リブ1640から垂直に延在してもよい。他の例では、主リブ抜き勾配1716は、支持リブ1640に対して垂直から±3°であってもよい。さらに別の例では、主リブ抜き勾配1716は、支持リブ1640に対して垂直から±10°であってもよい。主リブが負のフローフィールドプレート2040と鋭角を形成する場合(例えば、めっき表面)、主リブは、図21A~図21Cを参照して以下に説明するように、膜とめっき表面との間の電解液電流の流れを遮断することができる。遮断、めっき表面に到達する電解液電流密度の勾配を生じさせることができ、したがって、負のフローフィールドプレートにおける電流分布及びめっき密度のより高い分散を生じさせることができる。製造能力に応じて、負極スペーサ1600の主リブ抜き勾配1716は、支持リブ1640と非垂直角度を形成することができ、その結果、いくつかの遮断及び電流密度勾配が生じる。したがって、主リブ抜き勾配1716の90°からの逸脱を減少させることは、レドックスフロー電池の充電中の電流密度勾配を減少させるのに役立つことができる。 Additionally, main rib 1620 may extend away from support rib 1640 at a main rib draft angle 1716 (eg, in the xz plane). In some examples, main ribs 1620 may extend perpendicularly from support ribs 1640 . In another example, the main rib draft 1716 may be ±3° from vertical with respect to the support ribs 1640 . In yet another example, main rib draft 1716 may be ±10° from normal to support ribs 1640 . If the primary ribs form an acute angle with the negative flow field plate 2040 (eg, the plating surface), the primary ribs form a sharp angle between the membrane and the plating surface, as described below with reference to Figures 21A-21C. Electrolyte current flow can be interrupted. Blocking can create a gradient in the electrolyte current density reaching the plating surface, thus creating a higher dispersion of current distribution and plating density in the negative flow field plate. Depending on manufacturing capabilities, the main rib draft 1716 of the anode spacer 1600 can form a non-perpendicular angle with the support ribs 1640, resulting in some blocking and current density gradients. Therefore, reducing the deviation from 90° of the main rib draft angle 1716 can help reduce the current density gradient during charging of the redox flow battery.

次に、図17Cを参照すると、図17Aの断面C-C(例えば支持リブ1640)の断面図が示されており、支持リブ半径1724及び支持リブ抜き勾配1722を含む。図17Cに示すように、支持リブ1640は、負極スペーサ1600の膜側により近接して配置してもよく、主リブ厚さ1718よりも小さい支持リブ半径1724を有する断面が半円形であってもよい。支持リブ抜き勾配1722は、主リブ1620と支持リブ1640との間の角度(x-y平面)を参照してもよい。例えば、支持リブ1640が垂直に方向付けられている場合、支持リブ抜き勾配は0°であってもよい。表2に示すように、支持リブの長さ1724は、0.25mm~25mmであってもよく、支持リブの抜き勾配は、-10°から+10°であってもよい。図17Dを参照すると、図16のD-D断面の断面図1730が示されている。断面図1730は、負極スペーサ1600の最端支持リブ1642及び1648に当てはまる。最端支持リブ1642及び1648は、垂直に対して横方向の抜き勾配1732で形成されてもよい。横方向の抜き勾配1732が90°の場合には、最端支持リブ1642及び1648は垂直に方向付けられる。横方向の抜き勾配1732が90°より大きいとき、最端支持リブ1642及び1648は内側に傾斜し、横方向の抜き勾配1732が90°より小さいとき、最端支持リブ1642及び1648は外側に傾斜する。鋭角の横方向の抜き勾配1732の形成は、めっき電解液フローフィールドの流れ方向における電解液流体(例えば液体や気体)の通過を助けることができる。しかしながら、横方向の抜き勾配を、閾値横方向の抜き勾配よりも小さく形成することは、製造の複雑さ及びコストを増加する可能性があり、より鋭い縁の存在に起因するめっき電極の機械的故障のリスクを増加させ得る。次に、図17Eを参照すると、図16の断面E-Eの断面図1740が示されている。断面図1740は、負極スペーサ1600の最端主リブ1622及び1628に当てはまる。最端主リブ1622及び1628は、垂直に対して主リブ抜き勾配1742で形成されてもよい。主リブ抜き勾配1742が90°である場合は、最端主リブ1622及び1628が垂直に方向付けられる。主リブ抜き勾配1742が90°より大きい場合は、最端主リブ1622及び1628は内側に傾斜し、主リブ抜き勾配1742が90°より小さい場合は、最端主リブ1622及び1628は外側に傾斜する。主リブ抜き勾配1742が90°から逸脱すると、充電中に電流密度やめっきの勾配が増加する可能性がある。 17C, a cross-sectional view of section CC (eg, support rib 1640) of FIG. 17A, including support rib radius 1724 and support rib draft 1722, is shown. As shown in FIG. 17C, the support ribs 1640 may be positioned closer to the membrane side of the anode spacer 1600, even though they are semi-circular in cross-section with a support rib radius 1724 less than the main rib thickness 1718. good. Support rib draft 1722 may refer to the angle (xy plane) between main rib 1620 and support rib 1640 . For example, if the support ribs 1640 are oriented vertically, the support rib draft may be 0°. As shown in Table 2, the support rib length 1724 may be between 0.25 mm and 25 mm, and the support rib draft angle may be -10° to +10°. Referring to FIG. 17D, a cross-sectional view 1730 of section DD of FIG. 16 is shown. Cross-sectional view 1730 applies to the extreme support ribs 1642 and 1648 of anode spacer 1600 . The extreme support ribs 1642 and 1648 may be formed with a draft angle 1732 transverse to the vertical. When the lateral draft 1732 is 90°, the extreme support ribs 1642 and 1648 are oriented vertically. When the lateral draft angle 1732 is greater than 90°, the extreme support ribs 1642 and 1648 slope inward, and when the lateral draft angle 1732 is less than 90°, the extreme support ribs 1642 and 1648 slope outward. do. The formation of the acute lateral draft 1732 can assist passage of electrolyte fluid (eg, liquid or gas) in the flow direction of the plating electrolyte flow field. However, forming the lateral draft to be less than the threshold lateral draft can increase manufacturing complexity and cost, and can reduce the mechanical strength of the plating electrode due to the presence of sharper edges. It can increase the risk of failure. 17E, a cross-sectional view 1740 of section EE of FIG. 16 is shown. Cross-sectional view 1740 applies to extreme major ribs 1622 and 1628 of anode spacer 1600 . The extreme main ribs 1622 and 1628 may be formed with a main rib draft 1742 with respect to vertical. When the main rib draft 1742 is 90°, the extreme main ribs 1622 and 1628 are oriented vertically. When the main rib draft 1742 is greater than 90°, the extreme main ribs 1622 and 1628 slope inward, and when the main rib draft 1742 is less than 90°, the extreme major ribs 1622 and 1628 slope outward. do. Deviations from 90° in main rib draft 1742 can increase current density and plating gradients during charging.

表2は、主リブの長さ、主リブのピッチ、主リブの高さ、主リブの抜き勾配、支持リブの幅、支持リブの厚さ、支持リブのピッチ、支持リブの抜き勾配、支持リブの長さ、及び電極の幅と長さの比など、様々な電極構成特徴の値の例を示す。主リブ抜き勾配及び/又は支持リブ抜き勾配は、射出成形及びロールツーロール加工を含む電極形成プロセスに対応するように選択することができる。主リブ及び支持リブは、必ずしも寸法、形状及び/又は断面において同等であるとは限らない。例えば、1つ又は複数の主リブ又は支持リブは、長さ、厚さ、配置等が異なっていてもよい。特に、いくつかの電極構成例において、主リブは、隣接する主リブに対する抜き勾配の別の値を含むことができる。他の例では、主リブの厚さは、支持リブを越えて膜に向かって延在しても、フローフィールドプレートに向かって延在してもよい。他の例では、主リブの厚さのいくつかは、電極の膜側の支持リブを越えて延在してもよく、他の主リブの厚さは、電極の基板側の支持リブを越えて延在してもよい。主リブの厚さが電極の基板側の支持リブ1640を越えて延在する場合、膜の電解液を利用可能な表面積が増大し、レドックスフロー電池の充放電率を増大させることができる。さらに、図12~図13を参照して以下でさらに説明するように、支持リブ1640をめっき表面(例えば負のフローフィールドプレート)よりも膜に近接して配置することは、めっき表面における電流密度分布の分散を低減するのに役立つことができる。 Table 2 shows the length of the main rib, the pitch of the main rib, the height of the main rib, the draft of the main rib, the width of the supporting rib, the thickness of the supporting rib, the pitch of the supporting rib, the draft of the supporting rib, and the support Examples of values for various electrode configuration features, such as rib length and electrode width-to-length ratio, are shown. The main rib draft and/or the support rib draft can be selected to accommodate electrode forming processes including injection molding and roll-to-roll processing. The main ribs and support ribs are not necessarily identical in size, shape and/or cross-section. For example, one or more of the main or support ribs may vary in length, thickness, placement, and the like. In particular, in some example electrode configurations, primary ribs may include different values of draft relative to adjacent primary ribs. In other examples, the thickness of the main ribs may extend beyond the support ribs toward the membrane or toward the flow field plate. In other examples, some of the thicknesses of the main ribs may extend beyond the support ribs on the membrane side of the electrode, while other thicknesses of the main ribs extend beyond the support ribs on the substrate side of the electrode. may be extended. If the thickness of the main ribs extends beyond the support ribs 1640 on the substrate side of the electrode, the surface area of the membrane available for electrolyte is increased, which can increase the charge/discharge rate of the redox flow battery. Moreover, as further described below with reference to FIGS. 12-13, placing the support ribs 1640 closer to the membrane than the plating surface (eg, negative flow field plate) reduces the current density at the plating surface. It can help reduce the variance of the distribution.

Figure 0007108640000006
Figure 0007108640000006

次に図21A~図21Cを参照すると、これらの図は電極スタックアセンブリの部分断面図を示しており、負極スペーサ2026、主リブ、及び、膜2020の負側(正の酸化還元側2102の反対側)にある負のフローフィールドプレート2040を含む。主リブ2130は、z方向に沿って一定である横方向の断面(x-y平面)を含む。別の言い方をすれば、主リブの横断面は、電極アセンブリスタック層の平面に垂直な軸に沿って一定であってもよい。換言すると、膜における主リブ横断面2128は、めっき表面における主リブ横断面2129と同等であり、(図21Cを参照して説明したように)主リブにはアンダーカットがない。したがって、膜2020からめっき表面(負のフローフィールドプレート2040)への破線の矢印2150によって示される電解液流体及びイオン電流の流れは妨げられることなく、主リブ2130の表面にわたって搬送され得、めっき表面の平面(例えばx-y平面)にわたって、より均一に分散及び分布され得る。換言すると、膜2020からめっき表面まで一定の横断面を有する主リブ2130を備える負極スペーサ2026は、負極電解液フローフィールドにおけるイオン濃度勾配及び電流強度勾配を減少させるのを助けることができる。 21A-21C, these figures show partial cross-sectional views of the electrode stack assembly, including the anode spacer 2026, the main ribs, and the negative side of the membrane 2020 (opposite the positive redox side 2102). side) of the negative flow field plate 2040. The main rib 2130 includes a lateral cross-section (xy plane) that is constant along the z-direction. Stated another way, the cross-section of the main rib may be constant along an axis perpendicular to the plane of the electrode assembly stack layers. In other words, the major rib cross-section 2128 at the membrane is equivalent to the major rib cross-section 2129 at the plating surface, and there are no undercuts in the major ribs (as described with reference to Figure 21C). Thus, electrolyte fluid and ionic current flow indicated by dashed arrows 2150 from the membrane 2020 to the plating surface (negative flow field plate 2040) can be unimpeded and transported across the surface of the main ribs 2130 to can be distributed and distributed more uniformly across the plane of (eg, the xy plane). In other words, anode spacers 2026 comprising primary ribs 2130 with constant cross-section from membrane 2020 to the plating surface can help reduce ion concentration gradients and current intensity gradients in the anode electrolyte flow field.

対照的に、主リブ2132は、z方向に沿って連続的に変化する横断面(x-y平面で)を含む。別の言い方をすれば、主リブ横断面は、膜2020からめっき表面まで単調に減少する。換言すると、膜における主リブ横断面2131は、めっきにおける主リブ横断面2133よりも大きく(又は他のrの例ではより小さく)てもよい。このように、より大きな主リブ横断面2131は、めっき表面を部分的に遮断し、また、破線矢印2152によって示される電解液流体及びイオン電流の流れは、膜2020からめっき表面(負のフローフィールドプレート2040)に拡散及び分散し、それによって、電解液濃度及び電流勾配を導入する。したがって、膜2020からめっき表面(負のフローフィールドプレート2040)への破線矢印2152によって示される電解液流体及びイオン電流の流れは、めっき表面の平面(例えば、x-y平面)にわたって、より不均一に分散及び分布され得る。次に図21Cを参照すると、主リブ2134は、膜2020とめっき表面(例えば、負のフローフィールドプレート2040)との間に非一定横断面2133を有する主リブを含む。特に、主リブ2134のめっき表面における主リブ横断面2133と膜における横断面2133は同等であるが、主リブ2134の横断面は、アンダーカット2136をさらに含む。アンダーカット2136は、主リブから横の方向のx方向(例えば、x成分を有する)に少なくとも部分的に延在する突出部(例えば、柱)2137によって形成することができる。突出部2137は、主リブから延在する様々な幾何学的形状及び形状を含むことができ、(図21Cに示すように)丸みを帯びた正方形、指状、山状などを含む。突出部2137の存在により、めっき表面の一部を遮断することができる。換言すると、突出部2137は、膜2020からめっき表面の遮断部分への直接流路を妨げ得る。このような電解液流体及びイオン電流は、アンダーカット2136の容積及び(破線矢印2154で示すように)それに隣接するめっき表面に到達するために、突出部2137の周りを流れなければならない。さらに、流れの一部は突出部2137によってブロックすることができ、膜とめっき表面との間の電解液イオン濃度及び電流の勾配をさらに大きくする。 In contrast, the primary rib 2132 includes a cross section (in the xy plane) that varies continuously along the z-direction. Stated another way, the main rib cross-section decreases monotonically from membrane 2020 to the plating surface. In other words, the main rib cross-section 2131 in the film may be larger (or smaller for other examples of r) than the main rib cross-section 2133 in the plating. Thus, the larger main rib cross-section 2131 partially blocks the plating surface, and the flow of electrolyte fluid and ionic current indicated by dashed arrows 2152 is directed from the membrane 2020 to the plating surface (negative flow field). plate 2040), thereby introducing electrolyte concentration and current gradients. Therefore, electrolyte fluid and ionic current flow, indicated by dashed arrows 2152 from membrane 2020 to the plating surface (negative flow field plate 2040), is more non-uniform across the plane of the plating surface (eg, the xy plane). can be dispersed and distributed in Referring now to FIG. 21C, primary rib 2134 includes a primary rib having non-constant cross-section 2133 between membrane 2020 and a plating surface (eg, negative flow field plate 2040). In particular, although the main rib cross-section 2133 at the plating surface of the main rib 2134 and the cross-section 2133 at the membrane are comparable, the cross-section of the main rib 2134 further includes an undercut 2136 . The undercuts 2136 may be formed by protrusions (eg, posts) 2137 that extend at least partially in the lateral x-direction (eg, having an x-component) from the main ribs. The protrusions 2137 can include various geometries and shapes extending from the main ribs, including rounded squares, fingers, chevrons, etc. (as shown in FIG. 21C). The presence of protrusions 2137 can block part of the plating surface. In other words, protrusions 2137 may block direct flow from membrane 2020 to blocked portions of the plating surface. Such electrolyte fluid and ionic current must flow around protrusion 2137 in order to reach the volume of undercut 2136 and the adjacent plating surface (as indicated by dashed arrow 2154). Additionally, some of the flow can be blocked by protrusions 2137, further increasing the gradient of electrolyte ion concentration and current between the membrane and the plating surface.

動力学的損失は利用可能な電極表面積と共に指数関数的に計ることができるので、電流分布も電池性能に大きな影響を与えることができる。さらに、電極活性領域(例えば、めっき表面)にわたる不十分な(より不均等、より不均衡、より不均一)電流分布は、レドックスフロー電池セルの短絡のリスクを増大させ得る。より高いめっき密度で作動するレドックスフロー電池セルの場合、電流密度分散(current density variance)(例えば、拡散)を減少させることは、図11の表1100に示されるように、電池セルの短絡のリスクを遅くかつ低下させるのに役立つことができる。電流密度分散は、電流密度の四分位範囲(IQR)及び電流密度の平均絶対偏差(MAD)を調べることによって評価することができる。めっき基板(例えばめっき電極基板)上のMAD<0.2を維持しつつ、めっき基板上のIQR<2.0を維持することは、電池短絡のリスクを実質的に低減するのに役立つことができる。表1100の第2及び第3の行に示されるように、MAD=4かつIQR=10の場合、また、MAD=8かつIQR=20の場合は、MAD=0かつIQR=0の場合(表1100の最上段)と比較して、電流分布の分散はより高く、初期(例えば、T1、T2、Tn)に電極ギャップに広がり始めることができ、早期の電池短絡につながる。 Since kinetic losses can be scaled exponentially with available electrode surface area, current distribution can also have a large impact on cell performance. In addition, poor (more uneven, more uneven, more uneven) current distribution across the electrode active area (eg, plating surface) can increase the risk of short circuits in redox flow battery cells. For redox flow battery cells operating at higher plating densities, reducing the current density variance (e.g., diffusion) reduces the risk of shorting the battery cells, as shown in table 1100 of FIG. can help slow down and reduce Current density variance can be evaluated by examining the interquartile range (IQR) of the current density and the mean absolute deviation (MAD) of the current density. Maintaining an IQR<2.0 on the plated substrate while maintaining a MAD<0.2 on the plated substrate (e.g., plated electrode substrate) can help substantially reduce the risk of battery short circuits. can. As shown in the second and third rows of table 1100, for MAD=4 and IQR=10, and for MAD=8 and IQR=20, for MAD=0 and IQR=0 (see Table 1100). 1100 top), the variance of the current distribution is higher and can start spreading into the electrode gap early (eg, T1, T2, Tn), leading to premature cell shorting.

以下の基準にしたがって、図12及び図13の表1200及び1300にそれぞれ示される10の異なる負極スペーサ構成が評価された。負極スペーサ構成は、射出成形及び/又はロールツーロール加工によって製造可能である。負極スペーサ材料は、電解液及びレドックスフロー電池セルの作動条件に適合する。製造コストは30ドル/kW未満である。めっき基板上のめっき電極の電流密度はIQR<2.0である。めっき基板上のめっき電極の電流密度はMAD<0.2である。めっき基板上のめっき電極の面積比抵抗(Area Specific Resistance,ASR)が≦0.9Ω-cmである。負極スペーサ支持体は正極(以下の詳細を参照)に適切な構造的支持を提供する。電池作動中に発生した気泡は、追加の処理(電極はある程度の疎水性を示さなければならない)を行うことなく一掃することができる。Rev.A~J(例えば、それぞれ負極スペーサ構成1210、1220、1230、1240、1250、1310、1320、1330、及び1340に対応する)は射出成形によって製造することができ、一方、Rev.K(負極スペーサ構成1350)はロールツーロール加工によって製造することができる。 Ten different anode spacer configurations, shown in Tables 1200 and 1300 of FIGS. 12 and 13, respectively, were evaluated according to the following criteria. Anode spacer configurations can be manufactured by injection molding and/or roll-to-roll processing. The negative electrode spacer material is compatible with the operating conditions of the electrolyte and redox flow battery cell. Manufacturing costs are less than $30/kW. The current density of the plating electrode on the plating substrate is IQR<2.0. The current density of the plating electrode on the plating substrate is MAD<0.2. The area specific resistance (ASR) of the plating electrode on the plating substrate is ≦0.9Ω-cm 2 . The negative electrode spacer support provides adequate structural support for the positive electrode (see details below). Bubbles generated during cell operation can be swept away without additional treatment (electrodes must exhibit some degree of hydrophobicity). Rev. AJ (eg, corresponding to anode spacer configurations 1210, 1220, 1230, 1240, 1250, 1310, 1320, 1330, and 1340, respectively) can be manufactured by injection molding, whereas Rev. K (negative spacer configuration 1350) can be manufactured by roll-to-roll processing.

表1200及び表1300に示すように、負極スペーサ構成のRev.G、I、J及びKは、基準IQR<2.0、MAD<0.2、及びASR≦0.9ohm-cmを満たす電流密度分布の分散を示す。表1200及び表1300の右端の列は、各負極スペーサ構成の反復要素に隣接するめっき表面(x-y平面)における45mA/cmでの電流密度分布の2Dプロットを示す。反復要素1212、1222、1232、1242、1252、1312、1322、1332、1342及び1352は、Rev.A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、Kの負極スペーサ構成内の反復構造であり、支持リブと主リブとの交点を中心として、支持リブピッチの半分を長さ方向(y方向)の両方に延在し、主リブピッチの半分を幅方向(x方向)の両方にそれぞれ延在する。負極スペーサ構成及びそれらの対応する反復ユニットの拡大平面図を、それぞれ図23A~図23Kに示す。電流密度分布の各点における電流強度は色で示され、赤色の領域はより高い電流強度を示し、青色の領域はより低い電流強度を示す。グレーの領域は、負極スペーサの主リブ及び支持リブがめっき表面に接触する不活性領域を示す。 As shown in Tables 1200 and 1300, the Rev. G, I, J and K denote the variance of the current density distribution satisfying the criteria IQR<2.0, MAD<0.2, and ASR≦0.9 ohm-cm 2 . The rightmost columns of Tables 1200 and 1300 show 2D plots of the current density distribution at 45 mA/cm 2 at the plating surface (xy plane) adjacent to the repeating element of each anode spacer configuration. Repeating elements 1212, 1222, 1232, 1242, 1252, 1312, 1322, 1332, 1342 and 1352 are described in Rev. Repeating structures within the anode spacer configuration of A, B, C, D, E, F, G, H, I, J, K, centered at the intersection of the support rib and the main rib and extending half the support rib pitch. They extend in both width directions (y-direction) and half the main rib pitch in both width directions (x-direction), respectively. Enlarged plan views of the negative electrode spacer configurations and their corresponding repeating units are shown in FIGS. 23A-23K, respectively. The current intensity at each point of the current density distribution is indicated by color, with red areas indicating higher current intensities and blue areas indicating lower current intensities. The gray area indicates the inactive area where the main and support ribs of the anode spacer contact the plating surface.

反復要素1210、1220、1230、1240、及び1250の電流密度分布から示されるように、主リブ内のアンダーカット及びその下の影になった部分を含む負極スペーサ構成A~Fは、高電流密度領域が低電流密度領域に隣接し得る不均一で不均等な領域を含む、より高い電流密度分布の分散を示す。例えば、構成Aでは、電流密度勾配が、主リブがアンダーカットされていない不活性領域1214の間の主リブに沿ったアンダーカット領域の周囲で観察され、めっき表面と接触する。同様の電流密度勾配が、構成B、C、D、及びFについて生じ、これらの全ては、対応する反復ユニットの主リブにおけるアンダーカットの構造的特徴を含む。これらの電流密度勾配は、支持リブが主リブの基板側に配置されている負極スペーサ構成C及びDにおいてさらに顕著である。実際、支持リブを主リブの基板側に配置することは、主リブの全長に沿って主リブをアンダーカットし、より高い電流密度勾配をもたらす。さらに、負極スペーサの基板側に支持リブを配置することにより、不活性領域1236及び1246に示すように、めっき表面の支持リブに接触する部分が不活性の状態となる。換言すると、負極スペーサの膜側に支持リブを配置することで、充放電中のめっき表面における電流密度勾配を低減する助けとなることができる。 As shown by the current density distributions of repeating elements 1210, 1220, 1230, 1240, and 1250, anode spacer configurations A-F, which include undercuts in the main ribs and shaded areas below them, exhibit high current densities. Shows dispersion of higher current density distributions, including non-uniform and non-uniform regions where regions can be adjacent to low current density regions. For example, in configuration A, a current density gradient is observed around the undercut regions along the main rib between the inactive regions 1214 where the main rib is not undercut and contacts the plating surface. Similar current density gradients occur for configurations B, C, D, and F, all of which contain structural features of undercuts in the main ribs of the corresponding repeat units. These current density gradients are even more pronounced in anode spacer configurations C and D, where the support ribs are located on the substrate side of the main ribs. In fact, placing the support ribs on the substrate side of the main rib undercuts the main rib along its entire length, resulting in a higher current density gradient. Additionally, by locating the support ribs on the substrate side of the negative spacer, the portions of the plating surface that contact the support ribs are inactive, as shown by inactive regions 1236 and 1246 . In other words, placing the support ribs on the membrane side of the anode spacer can help reduce current density gradients at the plating surface during charging and discharging.

図21A~図21Cを参照して上述したように、x方向に少なくとも部分的に延在するアンダーカット及び突出部のような主リブ内の構造的特徴は、遮断に起因するより高い電流密度分布の分散のリスクを増大させ、電解液イオン流量、濃度、及び電流の勾配を生じさせ得る。対照的に、負極スペーサ構成G、I、及びJは、アンダーカット又は突出部のない固体のモノリシック主リブと、支持リブに対して垂直から0度の主リブ抜き勾配とを含む。したがって、主リブがめっき表面に接触する領域の近傍での遮断が低減され、主リブがめっき表面に接触する領域での電流勾配が実質的に除去される。Rev.Kは、アンダーカット又は突出部を有さないモノリシック主リブを含むが、製造能力のため、主リブの抜き勾配は支持リブに対して垂直よりも小さく、その結果、めっき表面の遮断部分の近傍に遮断及び電流密度勾配1354が生じる。Rev.H(負極スペーサ構成1320)は、円形断面を有する円柱状の主リブを含む。したがって、電解液電流は、主リブの周囲の膜からめっき表面に達するまで流れるにつれて収束及び分岐し、それによって電解液濃度勾配を生成し、主リブの長さに沿った領域1324のめっき表面における電流密度分布の分散を増大させる。 As described above with reference to FIGS. 21A-21C, structural features within the main ribs, such as undercuts and protrusions that extend at least partially in the x-direction, result in higher current density distribution due to interruption. can increase the risk of dispersion of ions and create gradients in electrolyte ion flux, concentration, and current. In contrast, anode spacer configurations G, I, and J include solid monolithic primary ribs with no undercuts or protrusions and a primary rib draft of 0 degrees from normal to the support ribs. Thus, blockage near the area where the primary rib contacts the plating surface is reduced and current gradients in the area where the primary rib contacts the plating surface are substantially eliminated. Rev. K includes monolithic primary ribs with no undercuts or protrusions, but because of manufacturability, the draft angle of the primary ribs is less than perpendicular to the support ribs, so that near the interrupted portion of the plating surface , and a current density gradient 1354 occurs. Rev. H (negative electrode spacer configuration 1320) includes cylindrical primary ribs with a circular cross-section. Thus, the electrolyte current converges and diverges as it flows from the film around the main ribs until it reaches the plating surface, thereby creating an electrolyte concentration gradient and reducing Increase the dispersion of the current density distribution.

電流勾配領域1216、1226、1236、1246、1256、1316、1326、1336、1346及び1356もまた、支持リブの各々と関連していることが観察される。したがって、横方向の支持リブの数を減少させること(例えば、支持リブピッチの増加)は、電流密度を低減させ、電流密度分布の分散を低減させることにも役立つことができる。主リブの数を減少させること(例えば、主リブピッチの増加)は、負極スペーサ構成1310(すべての正のフローフィールドプレートリブに対応する主リブ)及び負極スペーサ構成1330(1つ置きの正のフローフィールドプレートリブに対応する主リブ)の比較から明らかなように、電流密度を低減させ、電流密度分布の分散を低減させるのにさらに役立ち得る。主リブの数の減少は、電池セルのアセンブリ後の圧縮中及び電池サイクル(充放電)中に、電極スタックアセンブリに十分な構造的支持を与えることができる限りにおいて、電流密度分布の分散を低減させるのに役立つことができる。特に、電極スペーサ構成は、レドックスフロー電池システムがアセンブリされるときに圧縮から座屈しないように、十分に剛性を維持することができる。一例では、主リブは、レドックスフロー電池セルの膜の負側に配置され得、膜の正側の櫛形フロープレートの1つ置きのリブ(例えば、交互に)と対向する。 Current gradient regions 1216, 1226, 1236, 1246, 1256, 1316, 1326, 1336, 1346 and 1356 are also observed to be associated with each of the support ribs. Therefore, reducing the number of lateral support ribs (eg, increasing the support rib pitch) can also help reduce the current density and reduce the dispersion of the current density distribution. Decreasing the number of primary ribs (e.g., increasing the primary rib pitch) reduces the negative electrode spacer configuration 1310 (the primary ribs corresponding to all positive flow field plate ribs) and the negative electrode spacer configuration 1330 (the alternate positive flow field plate ribs). The main ribs corresponding to the field plate ribs) can further help to reduce the current density and reduce the spread of the current density distribution, as evident from the comparison. A reduction in the number of primary ribs reduces the spread of the current density distribution to the extent that it can provide sufficient structural support to the electrode stack assembly during compression after battery cell assembly and during battery cycling (charging and discharging). can help you to In particular, the electrode spacer configuration can remain sufficiently rigid so that it does not buckle from compression when the redox flow battery system is assembled. In one example, the main ribs may be located on the negative side of the membrane of the redox flow battery cell, facing every other rib (eg, alternating) of the comb flow plate on the positive side of the membrane.

10の異なる負極構成(Rev.A-K)に対する電流密度分布もまた、図14の箱ひげ図1400にプロットされている。箱ひげ図1400は、電流密度分布を四分位値としてプロットしている。シェーディングされたボックスは、最大の第1の四分位値と最小の第3の四分位値によって囲まれたボックス(シェーディングされたボックス)内の電流密度分布の中央値(破線で示される)を示す。ボックスの境界の外にあるひげは、四分位分布の上端点及び下端点を表す。ひげの外側の外れ値は、シェーディングされていない長方形として表される。Rev.G、I、J、Kは、小さなボックスといくつかの外れ値を有する短いひげで表され、より狭い(より小さい分散)の電流密度分布を示している。Rev.Iの電流密度分布は、より狭く、外れ値がより少ない(それほど極端ではない)ため、好ましい。 Current density distributions for ten different anode configurations (Rev. AK) are also plotted in boxplot 1400 of FIG. Boxplot 1400 plots the current density distribution as quartiles. The shaded box is the median of the current density distribution (indicated by the dashed line) within the box bounded by the highest first quartile value and the lowest third quartile value (shaded box). indicates Whiskers outside the bounds of the box represent the upper and lower endpoints of the quartile distribution. Outliers outside the whiskers are represented as unshaded rectangles. Rev. G, I, J, K are represented by small boxes and short whiskers with some outliers, indicating narrower (lower variance) current density distributions. Rev. The current density distribution of I is preferred because it is narrower and has fewer outliers (less extreme).

次に図15を参照すると、様々な電極構成:Rev.C、G、及びJ、Tiメッシュの電極構成、ならびに市販の電極、に対する電池検証試験を示すプロット1500が示されている。Tiメッシュは、最初は低い充電電圧を有するが、充電約6時間で短絡挙動が示され、ここで、充電電流が時間と共に増加するにつれてセル電圧が減少し始め、それによってRev.C、G、及びJと比較してより悪い性能を示す。 Referring now to FIG. 15, various electrode configurations: Rev. A plot 1500 is shown showing cell validation testing for C, G, and J, Ti mesh electrode configurations, as well as a commercial electrode. The Ti mesh initially has a low charge voltage, but shows short-circuit behavior at about 6 hours of charge, where the cell voltage begins to decrease as the charge current increases with time, thereby increasing the Rev. Shows worse performance compared to C, G, and J.

次に図24Aを参照すると、レドックスフロー電池用の負極スペーサアセンブリ2400の代替表現の分解平面図が示されている。負極スペーサアセンブリ2400は、負極スペーサアセンブリ2400が、膜と負のフローフィールドプレートとの間に挟まれて挿入されるように、レドックスフロー電池スタックアセンブリ内に配置されてもよい。負極スペーサアセンブリ2400は、負極スペーサ2420を膜2410の負側(矢印2414で示す)に取り付けることにより、膜2410と一体化された負極スペーサ2420を含む。負極スペーサ2420を膜2410と一体化することは、整列させるべき別個の構成成分(例えば、レイヤー)の数を減少させ、負極スペーサ2420の活性領域と膜2410との整列を維持することによって、レドックスフローセルスタックのアセンブリを容易にする助けとなり得る。負極スペーサ2420の活性領域は、主リブ2426及び支持リブ2428によって画定される負極スペーサ2420の領域を指すことができ、負極電解液が膜と負のフローフィールドプレートとの間で接触して流れ、電解液種が酸化還元反応に関与する領域である。負極スペーサは、電解液と接触しても酸化還元反応が起こらない、活性領域を囲む不活性周辺領域2422をさらに含んでもよい。膜2410は、膜2410のエッジ領域2416を負極スペーサ2420の不活性周辺領域2422に取り付けることによって、負極スペーサ2420に取り付けることができる。エッジ領域2416の寸法は、膜2410の活性領域の寸法よりもわずかに大きくすることができる(又は不活性領域2422の内側外周より僅かに大きい)。さらに、エッジ領域2416を不活性周辺領域2422に取り付けることは、負極スペーサ2420の活性領域の外側に膜2410のエッジ領域2416を位置合わせすることを含み得る。このようにして、膜2410が負極スペーサ2420と一体化されるとき、膜は、負極スペーサ2420の活性領域全体を覆う。一例において、膜2410のエッジ領域2416は、負極スペーサ2420に熱融着され得る。 Referring now to Figure 24A, an exploded plan view of an alternative representation of a negative electrode spacer assembly 2400 for a redox flow battery is shown. Anode spacer assembly 2400 may be positioned in the redox flow cell stack assembly such that anode spacer assembly 2400 is sandwiched and inserted between the membrane and the negative flow field plate. Anode spacer assembly 2400 includes anode spacer 2420 integrated with membrane 2410 by attaching anode spacer 2420 to the negative side of membrane 2410 (indicated by arrow 2414). Integrating the anode spacers 2420 with the membrane 2410 reduces the number of separate components (e.g., layers) to align and maintains alignment between the active regions of the anode spacers 2420 and the membrane 2410, thereby reducing redox. It can help facilitate assembly of the flow cell stack. The active area of the anode spacer 2420 can refer to the area of the anode spacer 2420 defined by the main ribs 2426 and the support ribs 2428, where the anode electrolyte flows in contact between the membrane and the negative flow field plate, This is the region where electrolyte species participate in redox reactions. The negative electrode spacer may further include an inactive perimeter region 2422 surrounding the active region where redox reactions do not occur when in contact with the electrolyte. Membrane 2410 may be attached to anode spacer 2420 by attaching edge region 2416 of membrane 2410 to inactive peripheral region 2422 of anode spacer 2420 . The dimensions of edge region 2416 can be slightly larger than the dimensions of the active area of membrane 2410 (or slightly larger than the inner perimeter of inactive area 2422). Additionally, attaching the edge region 2416 to the inactive peripheral region 2422 may include aligning the edge region 2416 of the membrane 2410 outside the active region of the negative electrode spacer 2420 . Thus, when membrane 2410 is integrated with anode spacer 2420 , the membrane covers the entire active area of anode spacer 2420 . In one example, edge region 2416 of membrane 2410 can be heat-sealed to anode spacer 2420 .

次に図24Bを参照すると、負極スペーサ2420の平面図が示されている。負極スペーサ2420は、不活性周辺領域2422に配置された複数の入口開口部及び出口開口部2402を含むことができる。電解液流体は、負極スペーサを含む電極スタックアセンブリの層に一体化された様々なチャネル又は流路を介して、入口から負のフローフィールドへ、また、負のフローフィールドから出口へと、運ばれ得る。活性領域の寸法は、活性領域の長さ及び活性領域の幅によって示される。主リブ2426が負極スペーサ(y軸)の長さに平行に方向付けられている場合、主リブの長さは活性領域の長さに相当する。支持リブ2428が負極スペーサ(x軸)の幅に平行に方向付けられている場合、支持リブの長さは活性領域幅に相当する。 Referring now to FIG. 24B, a plan view of anode spacer 2420 is shown. Negative electrode spacer 2420 can include a plurality of inlet and outlet openings 2402 disposed in inactive peripheral region 2422 . Electrolyte fluid is transported from the inlet to the negative flow field and from the negative flow field to the outlet via various channels or channels integrated into the layers of the electrode stack assembly, including the anode spacer. obtain. The dimensions of the active area are indicated by the length of the active area and the width of the active area. If the main ribs 2426 are oriented parallel to the length of the negative electrode spacer (y-axis), the length of the main ribs corresponds to the length of the active region. If the support ribs 2428 are oriented parallel to the width of the anode spacer (x-axis), the length of the support ribs corresponds to the active area width.

次に図24Cを参照すると、B-B断面における負極セパレータ2420の断面図が示されている。図24Aを参照して上述したように、エッジ領域2416は、不活性周辺領域2422の内側外周において負極セパレータ2420に取り付けられてもよい。負極セパレータ2422の厚さは、主リブの厚さ(端部主リブ2425を含む)と同等であってもよい。主リブは、支持リブ(x-y平面)に対して主リブの抜き勾配で、膜(y方向)から遠位に、支持リブから延在してもよい。製造能力により、主リブ抜き勾配は、90°±10°又は±3°以内の鋭角とすることができる。主リブ抜き勾配が90°に近い場合、主リブ抜き勾配が90°よりもはるかに小さい場合に比べて、めっき表面における電流密度分布の分散が小さくなる。負極構成の活性領域内では、中心厚さは、主リブ厚さに加えて膜厚2412を含む。不活性周辺領域2422は、非導電性剛性材料で構成することができる。主リブ2426及び支持リブ2428の各々は、不活性周辺領域2422の内側外周縁に取り付けられてもよい。例えば、複数の主リブの長手方向端部及び複数の支持リブの幅方向端部は、不活性周辺領域2422の剛性フレーム構造に取り付けられてもよい。このようにして、不活性周辺領域2422は、主リブ2426及び支持リブ2428並びに膜2410に構造的一体性を提供することができ、それによって平面性を維持し、また、主リブ2426及び支持リブ2428並びに膜2410の相対的な位置を維持するのを助ける。いくつかの例では、主リブ2426及び支持リブ2428を不活性周辺領域2422に取り付けることによって得られる付加的な構造的支持は、1つ又は複数の主リブ2426及び支持リブ2428の厚さを減少させることを可能にすることによって、又は、1つ又は複数の主リブ2426及び支持リブ2428のピッチを増加させることによって、レドックスフロー電池システムの性能を向上させることを助けることができる。上述のように、主リブ2426及び支持リブ2428の厚さを減少させることは、めっき表面における電流密度勾配を減少させるのに役立ち得、抵抗損失を低下させる可能性がある電極スタックアッセンブリの厚さを減少させることができる。 Referring now to FIG. 24C, a cross-sectional view of negative electrode separator 2420 at cross-section BB is shown. As described above with reference to FIG. 24A, edge region 2416 may be attached to negative electrode separator 2420 at the inner perimeter of inactive peripheral region 2422 . The thickness of the negative electrode separator 2422 may be similar to the thickness of the major ribs (including the edge major ribs 2425). The primary rib may extend from the support rib distally from the membrane (y-direction) at the draft of the primary rib with respect to the support rib (xy plane). Depending on manufacturing capabilities, the primary rib draft angle can be acute within 90°±10° or ±3°. When the main rib draft is close to 90°, the current density distribution is less distributed at the plating surface than when the main rib draft is much less than 90°. Within the active region of the negative electrode configuration, the center thickness includes the film thickness 2412 in addition to the main rib thickness. Inactive peripheral region 2422 may be constructed of a non-conductive rigid material. Each of the main ribs 2426 and support ribs 2428 may be attached to the inner perimeter of the inactive peripheral region 2422 . For example, the longitudinal ends of the plurality of main ribs and the widthwise ends of the plurality of support ribs may be attached to the rigid framework of the inactive perimeter region 2422 . In this way, the inactive peripheral region 2422 can provide structural integrity to the main ribs 2426 and support ribs 2428 and the membrane 2410, thereby maintaining planarity and also allowing the main ribs 2426 and support ribs 2426 and support ribs 2428 to maintain planarity. Helps maintain the relative position of 2428 as well as membrane 2410 . In some examples, the additional structural support provided by attaching the primary ribs 2426 and support ribs 2428 to the inactive peripheral region 2422 reduces the thickness of one or more of the primary ribs 2426 and support ribs 2428. , or increasing the pitch of one or more of the main ribs 2426 and support ribs 2428 can help improve the performance of the redox flow battery system. As noted above, reducing the thickness of the main ribs 2426 and support ribs 2428 can help reduce current density gradients at the plating surface, which can reduce resistive losses in the thickness of the electrode stack assembly. can be reduced.

次に図25Aを参照すると、負極スペーサ2500を含む電極構成の別の代替表現の上面図が示されている。負極スペーサ2500は、膜と負のフローフィールドプレートとの間のレドックスフロー電池スタックアセンブリ内に配置されてもよい。負極スペーサ2500は、活性領域の長さに対してより平行に方向付けられた複数の主リブ2526と、活性領域の幅に対してより平行に方向付けられた複数の支持リブ2528とを有する活性領域を含む。負極スペーサ2500の活性領域は、主リブ2526及び支持リブ2528によって画定された負極スペーサ2500の領域を指すことができ、ここで、負極電解液は、レドックスフロー電池スタックアセンブリにおける膜と負のフローフィールドプレートとの間で接触及び流動し、電解液種は、酸化還元反応に関与する。負極スペーサ2500は、電解液と接触しても酸化還元反応が起こらない、活性領域を囲む不活性周辺領域2522をさらに含んでもよい。負極スペーサ2500は、不活性周辺領域2522内に配置された複数の入口開口部及び出口開口部2502を含むことができる。電解液流体は、負極スペーサを含む電極スタックアセンブリの層に一体化された様々なチャネル2524又は流路を介して、入口から負のフローフィールドへ、また、負のフローフィールドから出口へと、運ばれ得る。主リブ2526が負極スペーサの長さ(y軸)に平行に方向付けられている場合、主リブの長さは活性領域の長さに相当する。支持リブ2528が負極スペーサの幅(x軸)に平行に方向付けられている場合、支持リブの長さは活性領域の幅に相当する。 Referring now to FIG. 25A, a top view of another alternative representation of an electrode configuration including negative electrode spacers 2500 is shown. A negative electrode spacer 2500 may be placed in the redox flow cell stack assembly between the membrane and the negative flow field plate. Anode spacer 2500 has a plurality of main ribs 2526 oriented more parallel to the length of the active region and a plurality of support ribs 2528 oriented more parallel to the width of the active region. Including area. The active area of the anode spacer 2500 can refer to the area of the anode spacer 2500 defined by the main ribs 2526 and the support ribs 2528, where the anode electrolyte flows through the membrane and the negative flow field in the redox flow battery stack assembly. In contact with and flowing between the plates, electrolyte species participate in redox reactions. The negative electrode spacer 2500 may further include an inactive peripheral region 2522 surrounding the active region where redox reactions do not occur when in contact with the electrolyte. Anode spacer 2500 can include a plurality of inlet and outlet openings 2502 disposed within inactive peripheral region 2522 . Electrolyte fluid is transported from the inlet to the negative flow field and from the negative flow field to the outlet through various channels 2524 or flow paths integrated into the layers of the electrode stack assembly, including the anode spacer. can be exposed. If the main ribs 2526 are oriented parallel to the length (y-axis) of the anode spacer, the length of the main ribs corresponds to the length of the active region. If the support ribs 2528 are oriented parallel to the width (x-axis) of the anode spacer, the length of the support ribs corresponds to the width of the active area.

次に、図25Bを参照して、負極セパレータ2500のA-A断面図を示す。負極セパレータ2500の中心厚さは、主リブ厚さと同等であってもよい。主リブ2526は、支持リブ(x-y平面)に対して主リブの抜き勾配で、レドックススタックアセンブリ内の膜(y方向)から遠位に、支持リブ2528から延在してもよい。製造能力により、主リブ抜き勾配は、90°±10°又は±3°以内の鋭角とすることができる。主リブ抜き勾配が90°に近い場合、主リブ抜き勾配が90°よりもはるかに小さい場合に比べて、めっき表面における電流密度分布の分散が小さくなる。不活性周辺領域2522は、非導電性剛性材料で構成することができ、負極スペーサ2500の周囲を額縁のように包み込んで延在する境界領域2550を含む。境界領域2550は外側波形フレームを含むことができ、当該波形は波形フレームの上面及び底面に長手方向チャネル2552を含む。波形及びチャネル2552は、構造的剛性を維持しつつ、負極スペーサ2500の重量及び材料コストを低減することができる。波形フレーム2550は、負極スペーサの活性領域よりも外側に配置することができる。境界領域は、負極スペーサ2500の周囲から内部に延在するリップ2554をさらに含むことができる。主リブ2526及び支持リブ2528の各々は、リップに取り付けられてもよい。例えば、複数の主リブの長手方向端部及び複数の支持リブの幅方向端部は、不活性周辺領域2422のリップ2554(例えば、剛性フレームのリップ構造)に取り付けられていてもよい。リップ2554の厚さは、活性領域の中心厚さに対応していてもよい。このようにして、負のフローフィールドプレート2560は、負のフローフィールドプレート2560の外端がリップ2554の下に取り付けられ得る額縁に取り付けられてもよい。額縁に取り付けられる場合、負のフローフィールドプレートの膜に面する表面は、主リブ2526の膜-先端部に単に接触してもよく、したがって、レドックスフロー電池スタックのアセンブリ中に負のフローフィールドプレート2560が膜に向かって圧縮されると、主リブ2526は負極電解液フローフィールドの厚さ寸法を支持し維持する。このようにして、不活性周辺領域2522及び境界領域2550は、主リブ2526及び支持リブ2528並びに負のフローフィールドプレート2560に構造的一体性を提供することができ、それにより、平面性の維持、並びに、主リブ2526、支持リブ2528及び負のフローフィールドプレート2560の相対的な位置合わせに役立つ。いくつかの例では、主リブ2526及び支持リブ2528を不活性周辺領域2522及び境界領域2550に取り付けることによって得られる付加的な構造的支持は、1つ又は複数の主リブ2526及び支持リブ2528の厚さを減少させることを可能にすることによって、又は、1つ又は複数の主リブ2526及び支持リブ2528のピッチを増加させることを可能にすることによって、レドックスフロー電池システムの性能を向上させるのに役立ち得る。上述のように、主リブ2526及び支持リブ2528の厚さを減少させることは、めっき表面における電流密度勾配を減少させるのに役立ち得、また、より低い抵抗損失が可能な電極スタックアセンブリの厚さを減少させることができる。 Next, referring to FIG. 25B, an AA cross-sectional view of negative electrode separator 2500 is shown. The center thickness of the negative electrode separator 2500 may be similar to the main rib thickness. The main rib 2526 may extend from the support rib 2528 distally from the membrane (y-direction) in the redox stack assembly at the draft of the main rib with respect to the support rib (xy plane). Depending on manufacturing capabilities, the primary rib draft angle can be acute within 90°±10° or ±3°. When the main rib draft is close to 90°, the current density distribution is less distributed at the plating surface than when the main rib draft is much less than 90°. Inactive peripheral region 2522 includes a border region 2550 that can be constructed of a non-conductive rigid material and extends like a picture frame around negative electrode spacer 2500 . Boundary region 2550 can include an outer corrugated frame that includes longitudinal channels 2552 in the top and bottom surfaces of the corrugated frame. Corrugations and channels 2552 can reduce the weight and material cost of anode spacer 2500 while maintaining structural rigidity. The corrugated frame 2550 can be positioned outside the active area of the anode spacer. The border region can further include a lip 2554 extending inwardly from the perimeter of the anode spacer 2500 . Each of the main ribs 2526 and support ribs 2528 may be attached to a lip. For example, the longitudinal ends of the plurality of main ribs and the widthwise ends of the plurality of support ribs may be attached to lips 2554 (eg, rigid frame lip structures) of the inactive perimeter region 2422 . The thickness of lip 2554 may correspond to the center thickness of the active region. In this manner, the negative flow field plate 2560 may be attached to a picture frame in which the outer edge of the negative flow field plate 2560 may be attached below the lip 2554 . When attached to a picture frame, the membrane-facing surface of the negative flow field plate may simply contact the membrane-tips of the main ribs 2526 and thus the negative flow field plate during assembly of the redox flow cell stack. When 2560 is compressed toward the membrane, major ribs 2526 support and maintain the thickness dimension of the anode electrolyte flow field. In this way, the inactive peripheral region 2522 and border region 2550 can provide structural integrity to the main and support ribs 2526 and 2528 and the negative flow field plate 2560, thereby maintaining planarity, and aids in the relative alignment of main ribs 2526 , support ribs 2528 and negative flow field plate 2560 . In some examples, the additional structural support provided by attaching primary ribs 2526 and support ribs 2528 to inert peripheral region 2522 and boundary region 2550 may be provided by one or more of primary ribs 2526 and support ribs 2528. By allowing the thickness to be reduced or the pitch of one or more of the main ribs 2526 and the support ribs 2528 to be increased, the performance of the redox flow battery system is improved. can help. As noted above, reducing the thickness of the main ribs 2526 and support ribs 2528 can help reduce current density gradients at the plating surface and also allows for lower resistive losses in the thickness of the electrode stack assembly. can be reduced.

次に図19を参照すると、レドックスフロー電池をアセンブリする方法1900のフローチャートが示されている。方法1900は、複数の支持リブに横方向に連結された複数の主リブの形成によりめっき電極スペーサを形成することができるステップ1910から始まる。めっき電極スペーサの形成は、主リブ及び/又は支持リブの射出成形、又は、ロールツーロール加工による主リブ及び/又は支持リブの形成を含むことができる。主リブ及び/又は支持リブを形成するための他の製造方法は、熱成形、選択的レーザー焼結(SLS)、ダイカット、押出、機械加工、若しくは他のポリマー製造プロセスを含む。上述したように、複数の主リブは、めっき電極の長さに対してより平行に方向付けられていてもよく、複数の支持リブは、めっき電極の長さに対してより横方向に(例えば、めっき電極の幅に、より平行に)方向付けられていてもよい。めっき電極構成は、めっき電極スペーサ及びめっきフローフィールドプレートを含むことができる。主リブの各々は、支持リブの各々にそれらの間の接合部において連結することができ、規則的な等間隔の均一なサイズの開口の配列を形成する。主リブのピッチは、0.5mmからめっき電極の幅の範囲とすることができる。主リブのピッチがめっき電極の幅を含む場合、主リブの数は2つであり、各主リブは最端の主リブを構成する。支持リブのピッチは、0.25からめっき電極の長さの範囲とすることができる。支持リブのピッチがめっき電極の長さを含む場合、支持リブの数は2つであり、各支持リブは最端の支持リブを構成する。 Referring now to Figure 19, a flowchart of a method 1900 of assembling a redox flow battery is shown. Method 1900 begins at step 1910 in which a plating electrode spacer can be formed by forming a plurality of primary ribs laterally connected to a plurality of support ribs. Forming the plating electrode spacers can include injection molding the main ribs and/or support ribs or forming the main ribs and/or support ribs by roll-to-roll processing. Other manufacturing methods for forming the primary ribs and/or support ribs include thermoforming, selective laser sintering (SLS), die cutting, extrusion, machining, or other polymer manufacturing processes. As noted above, the plurality of main ribs may be oriented more parallel to the length of the plating electrode, and the plurality of support ribs more transverse to the length of the plating electrode (e.g. , more parallel to the width of the plating electrode). The plating electrode arrangement can include plating electrode spacers and plating flow field plates. Each of the main ribs may be connected to each of the support ribs at a junction therebetween to form an array of regular, equally spaced, uniformly sized openings. The pitch of the main ribs can range from 0.5 mm to the width of the plating electrode. When the pitch of the main ribs includes the width of the plating electrode, the number of main ribs is two and each main rib constitutes the endmost main rib. The pitch of the support ribs can range from 0.25 to the length of the plating electrode. When the pitch of the support ribs includes the length of the plating electrode, the number of support ribs is two and each support rib constitutes the endmost support rib.

図16及び図17A~Eを参照して上述したように、めっき電極スペーサの主リブ及び支持リブは、表2に示す値の範囲に応じた特徴を有するように形成することができる。主リブ及び支持リブの特徴の値は、上述したように、所望の構造剛性、電流密度分布の分散、めっき電極スペーサ開口密度、電極めっき処理能力、及び他の電極特性を提供するように選択することができる。さらなる例として、主リブ形状は、液体及び/又は気体を含むことができる電解液流体の所望の流動特性(例えば、めっきフローフィールドにおける流体の停滞の低減)を提供するように構成することができる。このように主リブ及び支持リブを形成することにより、めっき電極の耐久性及び耐用寿命を維持しつつ、レドックスフロー電池システムの性能を向上させることができる。例えば、主リブ及び支持リブの特徴は、それに加えられる接触圧力に耐えるように選択することができる。各主リブ又は支持リブの接触圧力は、活性面積に加えられた荷重(ニュートン、N)を、主リブ及び支持リブの接触面積(mm)で割ることによって定義することができる。換言すると、各主リブ及び支持リブは、レドックスフロー電池セルの正常な機能を支持し、流体圧力変動による主リブ及び支持リブの撓みのリスクを低減するのに十分な構造的剛性を提供することができる。一例では、主リブ及び支持リブの特徴は、1.5MPa又は0.1~10MPaの接触圧力に耐えるように選択することができる。特に、支持幅の厚さは、電池の取り扱い、アセンブリ、及び設置の間に主リブを支持し、めっき電解液のフローフィールドを通る電解液の所望の流量に対応し、負極の所望のめっき処理能力に対応するように選択することができる。主リブの厚さを増加させると、めっき電解液の所望の流量に対応するための体積が増加し得る;しかしながら、主リブの厚さを増加させると電池セルの抵抗も大きくなり得、電池の充放電性能が低下する可能性がある。主リブの厚さを減少させると、めっき電解液の所望の流量に対応するための容積を減少させる可能性がある;しかしながら、主リブの厚さを減少させると電池セルの抵抗も小さくなり、電池の充放電性能を向上させることが可能である。 As described above with reference to FIGS. 16 and 17A-E, the main ribs and support ribs of the plating electrode spacer can be formed with characteristics according to the range of values shown in Table 2. The values of the main rib and support rib features are selected to provide the desired structural stiffness, distribution of current density distribution, plating electrode spacer opening density, electrode plating throughput, and other electrode properties, as described above. be able to. As a further example, the primary rib geometry can be configured to provide desired flow characteristics of the electrolyte fluid, which can include liquids and/or gases (e.g., reduced fluid stagnation in the plating flow field). . By forming the main ribs and supporting ribs in this manner, the performance of the redox flow battery system can be improved while maintaining the durability and useful life of the plating electrode. For example, the features of the main ribs and support ribs can be selected to withstand contact pressures applied thereto. The contact pressure of each main or support rib can be defined by dividing the load (in Newtons, N) applied to the active area by the contact area (mm 2 ) of the main and support ribs. In other words, each main rib and support rib should provide sufficient structural rigidity to support the normal functioning of the redox flow battery cell and reduce the risk of deflection of the main rib and support ribs due to fluid pressure fluctuations. can be done. In one example, the features of the main ribs and support ribs can be selected to withstand contact pressures of 1.5 MPa or 0.1-10 MPa. In particular, the thickness of the support width supports the main ribs during handling, assembly, and installation of the battery, accommodates the desired flow rate of the electrolyte through the flow field of the plating electrolyte, and provides the desired plating treatment of the negative electrode. You can choose to match your abilities. Increasing the thickness of the primary ribs can increase the volume to accommodate the desired flow rate of the plating electrolyte; however, increasing the thickness of the primary ribs can also increase the resistance of the battery cell, increasing the Charge/discharge performance may deteriorate. Reducing the thickness of the main ribs can reduce the volume to accommodate the desired flow rate of the plating electrolyte; however, reducing the thickness of the main ribs also reduces the resistance of the battery cell, It is possible to improve the charge/discharge performance of the battery.

次に、方法1900は、めっき電極スペーサが非導電性材料から形成され得る1920に続く。非導電性材料の非限定的な例としては、例えば、耐衝撃性ポリスチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、高密度ポリエチレン、超高分子量ポリエチレン、ポリカーボネートなどの熱可塑性樹脂;ポリエステル、ビニルエステル、エポキシなどの熱硬化性樹脂;FR4グラスファイバー及びG10グラスファイバー、又は繊維強化シートなどの繊維強化プラスチック;及び、エチレン-プロピレンジエン単量体ゴム、サントプレーン(Santoprene)、シリコーン、スチレン-ブタジエンゴム、ブナ-N(buna-N)、熱可塑性オレフィンゴムなどのゴム、などを含む。また、めっき電極は、導電性塗料や被覆を施さずに非導電性材料で形成してもよい。さらに、めっき電極の材料は、製品寿命にわたって(例えば、25年超)、1.5MPa、又は0.1MPa~10MPa程度の高さまでの接触圧力下で実質的に変形しないように十分な構造剛性を維持するように選択することができる。めっき電極スペーサの非導電性材料からの形成には、めっき電極スペーサを導電性被覆で被覆することなくめっき電極スペーサを形成することを含む。 Method 1900 then continues to 1920 where plating electrode spacers may be formed from a non-conductive material. Non-limiting examples of non-conductive materials include thermoplastic resins such as high impact polystyrene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, high density polyethylene, ultra high molecular weight polyethylene, polycarbonate; polyesters, vinyl esters, epoxies, etc. FR4 glass fiber and G10 glass fiber, or fiber reinforced plastics such as fiber reinforced sheets; and ethylene-propylene diene monomer rubber, Santoprene, silicone, styrene-butadiene rubber, Buna- N (buna-N), rubbers such as thermoplastic olefin rubbers, and the like. Alternatively, the plating electrode may be formed of a non-conductive material without applying a conductive paint or coating. In addition, the material of the plating electrode exhibits sufficient structural rigidity so that it does not substantially deform under contact pressures of up to 1.5 MPa, or as high as 0.1 MPa to 10 MPa over the product lifetime (eg, greater than 25 years). You can choose to keep Forming the plating electrode spacers from a non-conductive material includes forming the plating electrode spacers without coating the plating electrode spacers with a conductive coating.

方法1900はステップ1930へと続き、めっき電極(負極)スペーサが膜と、膜のめっき(負)側のめっき(負の)フローフィールドプレートとの間に挿入される。このように、めっき(負の)電解液流路は、図20Aに示すように、膜とめっきフローフィールドプレートとの間に挟まれており、めっき電極スペーサによって支持されている。負のフローフィールドプレートが平坦な負のフローフィールドプレートを含む場合、負のフローフィールドプレートの膜に面する側は、突出部若しくは開口、又は他の不連続部を有さない、連続した平らな表面であってもよい。さらに、平坦なめっきフローフィールドプレートはIDFFチャネルを備えずに、めっき電解液フローフィールドを形成する。別の態様では、めっきフローフィールドプレート及び膜は、主リブによって離間され、その間に非櫛形めっき電解液フローフィールドを挟む。いくつかの表現では、膜のめっき側の膜とめっきフローフィールドプレートとの間にめっき電極スペーサを配置することは、図24A~図24Fを参照して上述したように、めっきフローフィールドプレートに対向して、膜をめっき電極スペーサに取り付けることを含み得る。他の表現では、めっき電極スペーサの主リブ及び支持リブを、額縁構造に取り付けることができる。さらに、負のフローフィールドプレートは、主リブ及び支持リブの膜に面する側とは反対側で額縁構造に取り付けられてもよい。方法1900は、レドックス電極(正極)が膜のレドックス(正)側の膜とレドックス(正の)フローフィールドプレートとの間に挿入される1940へと続く。これにより、レドックス(正の)電解液フローフィールドは、図20Aに示されるように、レドックス電極とレドックスフローフィールドプレートとの間に挟まれる。 The method 1900 continues at step 1930 where a plating electrode (negative) spacer is inserted between the membrane and the plating (negative) flow field plate on the plating (negative) side of the membrane. Thus, the plating (negative) electrolyte flow channel is sandwiched between the membrane and the plating flow field plate and supported by plating electrode spacers, as shown in FIG. 20A. When the negative flow field plate comprises a flat negative flow field plate, the membrane-facing side of the negative flow field plate is a continuous flat plate having no protrusions or openings or other discontinuities. It may be the surface. Additionally, the flat plating flow field plate does not have IDFF channels to form the plating electrolyte flow field. In another aspect, the plating flow field plate and the membrane are separated by main ribs sandwiching the non-comb plating electrolyte flow field therebetween. In some expressions, placing a plating electrode spacer between the membrane and the plating flow field plate on the plating side of the membrane faces the plating flow field plate as described above with reference to FIGS. and attaching the membrane to the plating electrode spacers. In other words, the main ribs and supporting ribs of the plating electrode spacer can be attached to the picture frame structure. Additionally, the negative flow field plate may be attached to the picture frame structure on the opposite side of the main and support ribs from the membrane-facing side. The method 1900 continues to 1940 where a redox electrode (positive electrode) is inserted between the membrane on the redox (positive) side of the membrane and the redox (positive) flow field plate. This sandwiches the redox (positive) electrolyte flow field between the redox electrode and the redox flow field plate, as shown in FIG. 20A.

1950では、めっき電極スペーサの主リブは、電極スタックアセンブリにおいて、膜を挟んだ向かいのレドックスフローフィールドプレートのリブに対して整列され、図20Bに示されるように、レドックスフローフィールドプレートのリブに対してより平行に方向付けられる。レドックス電極構成が櫛形フローフィールドプレートを含む場合、主リブは、膜を挟んだ向かいのIDFFプレートのリブに対してより平行に方向付けられる。このように、レドックスフロー電池のアセンブリ及び作動中に、めっき電極スペーサの主リブは、膜を挟んだ向かいのレドックスフローフィールドプレートのリブによって対向して支持される。よって、めっきフローフィールドプレート及びレドックスフローフィールドプレートが膜に向かって圧縮されると、めっき電解液フローフィールドの形状及び流れが維持される。方法1900は、めっき電解液からめっきフローフィールドプレートまで金属がめっきされる1960へと続く。特に、めっき電極のめっきは、めっき電解液中の還元金属イオンからめっきフローフィールドプレートの表面に金属を電気化学的に析出させることを含むことができる。1960の後、方法1900は終了する。 At 1950, the main rib of the plating electrode spacer is aligned with the rib of the redox flow field plate across the membrane in the electrode stack assembly and aligned with the rib of the redox flow field plate as shown in FIG. 20B. are oriented more parallel to each other. When the redox electrode configuration includes interdigitated flow field plates, the main ribs are oriented more parallel to the ribs of the across-the-membrane IDFF plate. Thus, during assembly and operation of the redox flow battery, the main ribs of the plating electrode spacer are supported oppositely by the ribs of the redox flow field plate across the membrane. Thus, when the plating flow field plate and the redox flow field plate are compressed toward the membrane, the plating electrolyte flow field maintains its shape and flow. Method 1900 continues to 1960 where metal is plated from the plating electrolyte to the plating flow field plate. In particular, plating the plating electrode can include electrochemically depositing metal onto the surface of the plating flow field plate from reduced metal ions in the plating electrolyte. After 1960, method 1900 ends.

このように、レドックスフロー電池は、膜の第1の側に配置された第1の電極と第1の側とは反対側の膜の第2の側に配置された第2の電極の間に挿入された膜と、複数の正のフローフィールドリブを含む第1のフローフィールドプレートと、を含み得、複数の正のフローフィールドリブの各々は、第1の側の第1の支持領域で第1の電極と接触し、第2の電極は、膜と第2のフローフィールドプレートとの間に配置された電極スペーサを含み、電極スペーサは複数の主リブを含み、複数の主リブの各々は、第2の側の第2の支持領域において第2のフローフィールドプレートに接触し、第2の支持領域の各々は、複数の第1の支持領域の1つに対向して整列する。一例では、第2の電極は、第2の側に配置された第2のフローフィールドプレートを含み得、第2の側と第2のフローフィールドプレートとの間に非櫛形フローフィールドを形成する。他の例では、第2のフローフィールドプレートは、突出部を有さない連続した平らな表面を含み得、連続した平らな表面は、電極スペーサに面し、第2の支持領域で複数の主リブの各々に接触する。さらに、電極スペーサは、複数の支持リブを含み得、支持リブの各々は、主リブの各々に対して横方向に方向付けられ得、1つ又は複数の主リブと不織布状に接触する。複数の主リブは、複数の支持リブから突出可能であり、第2の側から離れて延在し、また、複数の主リブの数は、複数の支持リブの数よりも多くし得る。さらなる例では、電極スペーサは、複数の主リブ及び複数の支持リブを囲む剛性フレームを含み得、複数の主リブの長手方向端部及び複数の支持リブの幅方向端部は、剛性フレームに取り付けることができる。さらに、第2のフローフィールドプレートは、剛性フレームに取り付けられ得、剛性フレームに取り付けられた第2のフローフィールドプレートは、連続した平らな表面が第2の支持領域で複数の主リブに接触し得る。 Thus, the redox flow battery comprises a first electrode disposed on a first side of the membrane and a second electrode disposed on a second side of the membrane opposite the first side. The inserted membrane and a first flow field plate including a plurality of positive flow field ribs, each of the plurality of positive flow field ribs extending at the first support region on the first side. In contact with one electrode, the second electrode includes an electrode spacer disposed between the membrane and the second flow field plate, the electrode spacer including a plurality of primary ribs, each of the plurality of primary ribs , the second flow field plate at second support areas on the second side, each of the second support areas being aligned opposite one of the plurality of first support areas. In one example, the second electrode can include a second flow field plate positioned on the second side to form a non-comb flow field between the second side and the second flow field plate. In another example, the second flow field plate can include a continuous flat surface having no protrusions, the continuous flat surface facing the electrode spacers and having a plurality of main surfaces at the second support region. contact each of the ribs. Additionally, the electrode spacer may include a plurality of support ribs, each of which may be oriented transversely to each of the primary ribs and in non-woven contact with one or more of the primary ribs. A plurality of primary ribs can protrude from the plurality of support ribs and extend away from the second side, and the plurality of primary ribs can be greater in number than the plurality of support ribs. In a further example, the electrode spacer may include a rigid frame surrounding the plurality of main ribs and the plurality of support ribs, the longitudinal ends of the plurality of main ribs and the widthwise ends of the plurality of support ribs attached to the rigid frame. be able to. Additionally, a second flow field plate may be attached to the rigid frame, the second flow field plate attached to the rigid frame having a continuous flat surface contacting the plurality of primary ribs at the second support area. obtain.

別の実施形態では、レドックスフロー電池のアセンブリ方法は、膜のめっき側において、膜とめっきフローフィールドプレートとの間にめっき電解液フローフィールド及びめっき電極スペーサを挟み、めっき電極スペーサは複数の主リブを含むことを含み得る。さらに、方法は、膜のレドックス側において、レドックス電極とレドックスフローフィールドプレートの間にレドックス電解液フローフィールドを挟み、レドックス電極は複数の正のフローフィールドリブを含むことを含み得る。さらに、方法は、複数の主リブの各々を複数の正のフローフィールドリブに整列させ、めっきフローフィールドプレート及びレドックスフローフィールドプレートを膜に向かって圧縮すると、めっき電解液フローフィールドの寸法を実質的に変化させることなく、主リブが膜を挟んだ向かいの正のフローフィールドリブによって対向して支持されることを含むことを含み得る。一例では、方法は、複数の主リブの形成と、複数の主リブに不織状態で横方向に連結された複数の支持リブの形成と、を含み得る。さらに、複数の主リブの形成と、複数の支持リブの形成とは、導電性被覆を施さない非導電性材料から複数の主リブ及び複数の支持リブを形成することを含むことができる。別の例では、方法は、めっき電極スペーサに金属をめっきすることなく、レドックスフローセル電池の充電中に、めっき電解液からめっきフローフィールドプレートに金属をめっきすることを含み得る。さらなる例では、めっき電極スペーサを膜に取り付けることによって、めっき電極スペーサを膜と一体化することを含み得る。さらに、めっき電極スペーサを膜と一体化することは、膜をめっき電極スペーサに熱融着することを含むことができる。 In another embodiment, a method of assembling a redox flow battery includes sandwiching a plating electrolyte flow field and a plating electrode spacer between the membrane and a plating flow field plate on the plating side of the membrane, the plating electrode spacer comprising a plurality of main ribs. may include including Additionally, the method can include sandwiching a redox electrolyte flow field between a redox electrode and a redox flow field plate on the redox side of the membrane, the redox electrode including a plurality of positive flow field ribs. Further, the method aligns each of the plurality of primary ribs with the plurality of positive flow field ribs and compresses the plating flow field plate and the redox flow field plate toward the membrane to substantially reduce the dimensions of the plating electrolyte flow field. main ribs being supported oppositely by opposite positive flow field ribs across the membrane. In one example, the method may include forming a plurality of primary ribs and forming a plurality of support ribs laterally connected in a non-woven manner to the plurality of primary ribs. Further, forming the plurality of main ribs and forming the plurality of support ribs can include forming the plurality of main ribs and the plurality of support ribs from a non-conductive material without a conductive coating. In another example, the method can include plating metal from the plating electrolyte onto the plating flow field plate during charging of the redox flow cell battery without plating the metal onto the plating electrode spacers. A further example may include integrating the plating electrode spacer with the membrane by attaching the plating electrode spacer to the membrane. Further, integrating the plating electrode spacer with the membrane can include heat sealing the membrane to the plating electrode spacer.

別の実施形態では、レドックスフロー電池は、膜の負側と負のフローフィールドプレートとの間に挿入された負極スペーサと、膜の正側と正のフローフィールドプレートとの間に挿入された正極と、を含み得る。さらに、負極スペーサは、複数の主リブを含み得、正極は、膜を挟んだ向かいの複数の主リブに対向して整列した複数の正のフローフィールドリブを含み得、負のフローフィールドプレートは、膜に面する連続した平らなめっき表面と、めっき表面と膜との間に挟まれた非櫛形負極電解液フローフィールドと、を含み得る。一例では、負極スペーサは、複数の支持リブと、複数の主リブを複数の支持リブに横方向に不織布状に接合して形成された均一なサイズの開口の列と、を含み得る。別の例では、主リブは、主リブの長手方向に一定の断面を有する中実のモノリシック構造を含み得る。さらに、主リブが、負のフローフィールドプレートの平面に垂直な軸に沿った一定の断面を有する中実のモノリシック構造を含み得る。さらに、支持リブのピッチは、主リブのピッチよりも小さくし得、また、複数の主リブは、負極の幅により平行に方向付けられ得、複数の支持リブは、負極の長さにより平行に方向付けられる。 In another embodiment, the redox flow battery comprises a negative electrode spacer interposed between the negative side of the membrane and the negative flow field plate and a positive electrode spacer interposed between the positive side of the membrane and the positive flow field plate. and may include Further, the negative electrode spacer can include a plurality of major ribs, the positive electrode can include a plurality of positive flow field ribs aligned opposite the across-the-membrane main ribs, and the negative flow field plate can include: , a continuous flat plating surface facing the membrane, and a non-interdigitated anode electrolyte flow field sandwiched between the plating surface and the membrane. In one example, a negative electrode spacer can include a plurality of support ribs and an array of uniformly sized openings formed by laterally non-woven bonding of a plurality of main ribs to the plurality of support ribs. In another example, the primary rib may comprise a solid monolithic structure having a constant cross-section along the length of the primary rib. Additionally, the primary ribs may comprise a solid monolithic structure having a constant cross-section along an axis perpendicular to the plane of the negative flow field plate. Further, the pitch of the support ribs may be smaller than the pitch of the main ribs, and the plurality of main ribs may be oriented parallel to the width of the negative electrode, and the plurality of support ribs may be oriented parallel to the length of the negative electrode. Oriented.

このようにして、より大きな電極ギャップを含む新規なレドックスフロー電池システムを提供することができ、それによって、より高いめっき電流密度及び電池充電容量を得ることができ、より高い電解液の流れ及び気泡発生率に対応することができる。さらに、電流密度分布の分散、オーム損失、電池短絡、及び製造コスト、及び作動コストを低減することができる。電極スペーサが枠の外周領域に強固に取り付けられている場合、電極スペーサは高められた構造的一体性が付与され、それによって、電極スペーサの主リブ及び支持リブ、並びに膜2410の、平面性及び相対的な位置合わせを維持するのを助けることができる。いくつかの例では、主リブ及び支持リブを不活性周辺領域に取り付けることによって得られる付加的な構造的支持は、めっき処理能力の増加、めっき表面における電流密度分布の分散の低減、及びレドックスフロー電池システムの抵抗損失の低減を助けることができる。 In this way, novel redox flow battery systems can be provided that include larger electrode gaps, which can lead to higher plating current densities and battery charge capacities, higher electrolyte flows and bubble Incidence can be accommodated. In addition, current density distribution spread, ohmic losses, battery short circuits, and manufacturing and operating costs can be reduced. When the electrode spacers are rigidly attached to the perimeter region of the frame, the electrode spacers are imparted with enhanced structural integrity, thereby ensuring the planarity and integrity of the main and support ribs of the electrode spacers, as well as the membrane 2410. It can help maintain relative alignment. In some instances, the additional structural support provided by attaching the main ribs and support ribs to the inactive perimeter area may result in increased plating throughput, reduced dispersion of current density distribution at the plating surface, and redox flow. It can help reduce resistive losses in the battery system.

本明細書に開示される構成及びルーチンは、本質的に例示的なものであり、これらの特定の実施形態は、多くの変形が可能であるため、限定的な意味では考慮されないことも理解されるであろう。例えば、上記技術を他のフロー電池に適用してもよい。本開示の構成要件は、本明細書に開示されている様々なシステム及び構成、並びに他の特徴、機能、及び/又は特性の全ての新規及び非自明な組合せ及びサブコンビネーションを含む。 It is also understood that the configurations and routines disclosed herein are exemplary in nature and are not to be considered in a limiting sense as these particular embodiments are capable of many variations. would be For example, the techniques described above may be applied to other flow batteries. Constituents of the present disclosure include all novel and nonobvious combinations and subcombinations of the various systems and configurations and other features, functions, and/or properties disclosed herein.

以下の特許請求の範囲は、新規かつ非自明とみなされる特定の組み合わせ及びサブコンビネーションを特に挙げている。これらの請求項は、「1つの(an)」要素又は「第1の(a first)」要素又はそれらの同等物を意味してもよい。そのようなクレームは、1つ又は複数のそのような要素の組み込みを含むと理解されるべきであり、2つ以上のそのような要素を必要とすることも除外することもないと理解されるべきである。開示された特徴、機能、要素、及び/又は特性の他の組み合わせ及びサブコンビネーションは、本請求項の補正を通じて、又は本出願又は関連出願における新しい請求項の提示を通じて請求されてもよい。 The following claims particularly recite certain combinations and subcombinations regarded as novel and nonobvious. These claims may refer to "an" element or "a first" element or their equivalents. Such claims are to be understood to include the incorporation of one or more such elements and neither require nor exclude more than one such element. should. Other combinations and subcombinations of the disclosed features, functions, elements and/or properties may be claimed through amendment of the claims or through presentation of new claims in this or a related application.

そのような請求項は、元の請求項よりも広い、狭い、等しい、又は異なる範囲であっても、本開示の構成要件内に含まれるものとみなされる。 Such claims, whether broader, narrower, equal, or different in scope than the original claims, are considered to be included within the subject matter of this disclosure.

以上で記載を終了する。当業者がこれを読むと、記載の精神及び範囲から逸脱することなく、多くの変更及び修正が想起される。例えば、ハイブリッドレドックスフロー電池システム、全鉄ハイブリッドレドックスフロー電池システム、及び他のレドックスフロー電池システムは全て、本記載を利用することができる。 This completes the description. Reading this, many changes and modifications will occur to those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the description. For example, hybrid redox flow battery systems, all-iron hybrid redox flow battery systems, and other redox flow battery systems can all utilize the present description.

Claims (20)

膜の第1の側に隣接して配置された第1の電極と前記第1の側とは反対側の前記膜の第2の側に配置された第2の電極の間に挿入された膜と、
複数の正のフローフィールドリブを含む第1のフローフィールドプレートと、を含み、前記複数の正のフローフィールドリブの各々は、前記第1の側の第1の支持領域で前記第1の電極と接触し、
前記第2の電極は、前記膜と第2のフローフィールドプレートとの間に配置された電極スペーサを含み、前記電極スペーサは複数の主リブを含み、前記複数の主リブの各々は、前記第2の側の第2の支持領域において前記第2のフローフィールドプレートに接触し、前記第2の支持領域の各々は、前記複数の第1の支持領域の1つに対向して整列する、
レドックスフロー電池。
a membrane interposed between a first electrode positioned adjacent to a first side of the membrane and a second electrode positioned on a second side of said membrane opposite said first side; When,
a first flow field plate including a plurality of positive flow field ribs, each of said plurality of positive flow field ribs connecting said first electrode at said first side first support region; contact,
The second electrode includes an electrode spacer positioned between the membrane and a second flow field plate, the electrode spacer including a plurality of main ribs, each of the plurality of main ribs being aligned with the second flow field plate. contacting the second flow field plate at two side second support areas, each of the second support areas aligned opposite one of the plurality of first support areas;
redox flow battery.
前記第2の電極は、前記第2の側に配置された前記第2のフローフィールドプレートをさらに含み、前記第2の側と前記第2のフローフィールドプレートとの間に非櫛形フローフィールドを形成する、請求項1に記載のレドックスフロー電池。 The second electrode further includes a second flow field plate positioned on the second side to form a non-comb flow field between the second side and the second flow field plate. The redox flow battery of claim 1, wherein 前記第2のフローフィールドプレートは、突出部を有さない連続した平らな表面を含み、前記連続した平らな表面は、前記電極スペーサに面し、前記第2の支持領域で前記複数の主リブの各々に接触する、請求項2に記載のレドックスフロー電池。 The second flow field plate includes a continuous planar surface having no protrusions, the continuous planar surface facing the electrode spacers and the plurality of primary ribs at the second support region. 3. The redox flow battery of claim 2, wherein the redox flow battery is in contact with each of 前記電極スペーサは、複数の支持リブをさらに含み、
前記支持リブの各々は、前記主リブの各々に対して横方向に方向付けられ、1つ又は複数の前記主リブと連結される、請求項3に記載のレドックスフロー電池。
the electrode spacer further comprising a plurality of support ribs;
4. The redox flow battery of claim 3, wherein each of said support ribs is oriented transversely to each of said main ribs and is coupled with one or more of said main ribs.
前記複数の主リブは、前記複数の支持リブから突出し、前記第2の側から離れて延在する、請求項4に記載のレドックスフロー電池。 5. The redox flow battery of claim 4, wherein the plurality of primary ribs project from the plurality of support ribs and extend away from the second side. 前記複数の主リブの数は、前記複数の支持リブの数よりも多い、請求項5に記載のレドックスフロー電池。 6. The redox flow battery of claim 5, wherein the number of said plurality of main ribs is greater than the number of said plurality of support ribs. 前記電極スペーサは、前記複数の主リブ及び前記複数の支持リブを囲む剛性フレームをさらに含み、前記複数の主リブの長手方向端部及び前記複数の支持リブの幅方向端部は、前記剛性フレームに取り付けられている、請求項6に記載のレドックスフロー電池。 The electrode spacer further includes a rigid frame surrounding the plurality of main ribs and the plurality of support ribs, wherein the longitudinal ends of the plurality of main ribs and the width direction ends of the plurality of support ribs are connected to the rigid frame. 7. The redox flow battery of claim 6, attached to a 前記第2のフローフィールドプレートは、前記剛性フレームに取り付けられ、
前記剛性フレームに取り付けられた前記第2のフローフィールドプレートは、前記連続した平らな表面が前記第2の支持領域で前記複数の主リブに接触する、請求項7に記載のレドックスフロー電池。
said second flow field plate attached to said rigid frame;
8. The redox flow battery of claim 7, wherein the second flow field plate attached to the rigid frame has the continuous flat surface contacting the plurality of primary ribs at the second support area.
膜のめっき側において、前記膜とめっきフローフィールドプレートとの間にめっき電解液フローフィールド及びめっき電極スペーサを挟み、前記めっき電極スペーサは複数の主リブを含み、
前記膜のレドックス側において、レドックス電極とレドックスフローフィールドプレートの間にレドックス電解液フローフィールドを挟み、前記レドックス電極は複数の正のフローフィールドリブを含み、及び、
前記複数の主リブの各々を前記複数の正のフローフィールドリブに整列させ、前記めっきフローフィールドプレート及び前記レドックスフローフィールドプレートを前記膜に向かって圧縮すると、前記めっき電解液フローフィールドの寸法を実質的に変化させることなく、前記主リブが前記膜を挟んだ向かいの前記正のフローフィールドリブによって対向して支持されることを含む、
レドックスフロー電池のアセンブリ方法。
sandwiching a plating electrolyte flow field and a plating electrode spacer between the membrane and a plating flow field plate on the plating side of the membrane, the plating electrode spacer comprising a plurality of primary ribs;
sandwiching a redox electrolyte flow field between a redox electrode and a redox flow field plate on the redox side of the membrane, the redox electrode comprising a plurality of positive flow field ribs; and
aligning each of the plurality of primary ribs with the plurality of positive flow field ribs and compressing the plating flow field plate and the redox flow field plate toward the membrane substantially reduces the dimensions of the plating electrolyte flow field; said main ribs being supported oppositely by said positive flow field ribs across said membrane without changing the
A method of assembling a redox flow battery.
前記複数の主リブの形成と、前記複数の主リブ横方向に連結された複数の支持リブの形成と、をさらに含む、請求項9に記載の方法。 10. The method of claim 9, further comprising forming the plurality of main ribs and forming a plurality of support ribs laterally connected to the plurality of main ribs. 前記複数の主リブの形成と、前記複数の支持リブの形成とは、導電性被覆を施さない非導電性材料から前記複数の主リブ及び前記複数の支持リブを形成することを含む、請求項10に記載の方法。 3. The forming of the plurality of main ribs and the forming of the plurality of support ribs comprises forming the plurality of main ribs and the plurality of support ribs from a non-conductive material without a conductive coating. 10. The method according to 10. 前記めっき電極スペーサに金属をめっきすることなく、レドックスフローセル電池の充電中に、めっき電解液から前記めっきフローフィールドプレートに金属をめっきすることをさらに含む、請求項11に記載の方法。 12. The method of claim 11, further comprising plating metal from a plating electrolyte onto said plating flow field plate during charging of a redox flow cell battery without plating metal onto said plating electrode spacers. 前記めっき電極スペーサを前記膜に取り付けることによって、前記めっき電極スペーサを前記膜と一体化することをさらに含む、請求項12に記載の方法。 13. The method of claim 12, further comprising integrating the plating electrode spacer with the membrane by attaching the plating electrode spacer to the membrane. 前記めっき電極スペーサを前記膜と一体化することは、前記膜を前記めっき電極スペーサに熱融着することを含む、請求項13に記載の方法。 14. The method of claim 13, wherein integrating the plating electrode spacer with the membrane comprises heat sealing the membrane to the plating electrode spacer. 膜の負側と負のフローフィールドプレートとの間に挿入された負極スペーサと、
膜の正側と正のフローフィールドプレートとの間に挿入された正極と、を含み、
前記負極スペーサは、複数の主リブを含み、
前記正極は、前記膜を挟んだ向かいの複数の主リブに対向して整列した複数の正のフローフィールドリブを含み、及び、
前記負のフローフィールドプレートは、前記膜に面する連続した平らなめっき表面と、前記めっき表面と前記膜との間に挟まれた非櫛形負極電解液フローフィールドと、を含む、
レドックスフロー電池。
a negative electrode spacer interposed between the negative side of the membrane and the negative flow field plate;
a positive electrode interposed between the positive side of the membrane and the positive flow field plate;
the negative electrode spacer includes a plurality of main ribs,
the positive electrode includes a plurality of positive flow field ribs aligned opposite a plurality of main ribs across the membrane; and
the negative flow field plate includes a continuous flat plating surface facing the membrane and a non-comb-shaped anode electrolyte flow field sandwiched between the plating surface and the membrane;
redox flow battery.
前記負極スペーサは、複数の支持リブと、
前記複数の主リブを前記複数の支持リブに横方向に連結して形成された均一なサイズの開口の列と、を含む、請求項15に記載のレドックスフロー電池。
The negative electrode spacer includes a plurality of supporting ribs,
and a row of uniformly sized openings formed by laterally connecting the plurality of main ribs to the plurality of support ribs.
前記主リブは、前記主リブの長手方向に一定の断面を有する中実のモノリシック構造を含む、請求項16に記載のレドックスフロー電池。 17. The redox flow battery of claim 16, wherein said primary rib comprises a solid monolithic structure having a constant cross-section along the length of said primary rib. 前記主リブが、前記負のフローフィールドプレートの平面に垂直な軸に沿った一定の断面を有する中実のモノリシック構造を含む、請求項17に記載のレドックスフロー電池。 18. The redox flow battery of Claim 17, wherein said primary rib comprises a solid monolithic structure having a constant cross-section along an axis perpendicular to the plane of said negative flow field plate. 前記支持リブのピッチは、前記主リブのピッチよりも小さい、請求項18に記載のレドックスフロー電池。 19. The redox flow battery of claim 18, wherein the pitch of the support ribs is less than the pitch of the main ribs. 前記複数の主リブは、負極の幅により平行に方向付けられ、前記複数の支持リブは、前記負極の長さにより平行に方向付けられる、請求項19に記載のレドックスフロー電池。 20. The redox flow battery of claim 19, wherein the plurality of main ribs are oriented parallel across the width of the negative electrode and the plurality of support ribs are oriented parallel across the length of the negative electrode.
JP2019564531A 2017-05-22 2018-05-15 An Alternative Low-Cost Electrode for Hybrid Flow Batteries Active JP7108640B2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US15/601,560 2017-05-22
US15/601,560 US11374236B2 (en) 2014-12-30 2017-05-22 Alternative low cost electrodes for hybrid flow batteries
PCT/US2018/032820 WO2018217502A1 (en) 2017-05-22 2018-05-15 Alternative low cost electrodes for hybrid flow batteries

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2020521292A JP2020521292A (en) 2020-07-16
JP7108640B2 true JP7108640B2 (en) 2022-07-28

Family

ID=64396010

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2019564531A Active JP7108640B2 (en) 2017-05-22 2018-05-15 An Alternative Low-Cost Electrode for Hybrid Flow Batteries

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP3602663A4 (en)
JP (1) JP7108640B2 (en)
CN (1) CN110679022B (en)
AU (1) AU2018271764B2 (en)
WO (1) WO2018217502A1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7169521B2 (en) * 2019-02-28 2022-11-11 トヨタ自動車株式会社 Sealed batteries and assembled batteries

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20140065460A1 (en) 2012-09-05 2014-03-06 Energy Storage Systems, Inc. Redox and plating electrode systems for an all-iron hybrid flow battery
US20140060666A1 (en) 2012-09-05 2014-03-06 Energy Storage Systems, Inc. Internally manifolded flow cell for an all-iron hybrid flow battery
JP2014519168A (en) 2011-06-01 2014-08-07 ケース ウエスタン リザーブ ユニバーシティ Iron-based fluid battery
CN105489912A (en) 2014-09-25 2016-04-13 北京好风光储能技术有限公司 Lithium ion flow battery reactor
JP2017506799A (en) 2014-02-14 2017-03-09 レッドフロー アールアンドディ プロプライエタリー リミテッドRedflow R&D Pty Ltd Fluid electrolyte battery separator

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100449679B1 (en) * 1998-01-28 2004-09-21 스쿼럴 홀딩스 리미티드 Redox battery system and cell stack
JP2006278294A (en) * 2005-03-30 2006-10-12 Shinshu Univ Fuel cell and fuel cell electrode material
DK1760808T3 (en) * 2005-09-06 2008-11-24 Sgl Carbon Ag Fuel cell electrodes
US8808897B2 (en) * 2011-07-19 2014-08-19 Fu Jen Catholic University Electrode structure of vanadium redox flow battery
WO2013095378A1 (en) * 2011-12-20 2013-06-27 United Technologies Corporation Flow battery with mixed flow
IN2014DN03036A (en) * 2011-12-20 2015-05-08 United Technologies Corp
US9184454B1 (en) * 2012-12-21 2015-11-10 Vizn Energy Systems, Incorporated Mixing arrangement for a flow cell of an energy storage system
US11043679B2 (en) * 2014-12-30 2021-06-22 Ess Tech, Inc. Alternative low cost electrodes for hybrid flow batteries

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014519168A (en) 2011-06-01 2014-08-07 ケース ウエスタン リザーブ ユニバーシティ Iron-based fluid battery
US20140065460A1 (en) 2012-09-05 2014-03-06 Energy Storage Systems, Inc. Redox and plating electrode systems for an all-iron hybrid flow battery
US20140060666A1 (en) 2012-09-05 2014-03-06 Energy Storage Systems, Inc. Internally manifolded flow cell for an all-iron hybrid flow battery
JP2017506799A (en) 2014-02-14 2017-03-09 レッドフロー アールアンドディ プロプライエタリー リミテッドRedflow R&D Pty Ltd Fluid electrolyte battery separator
CN105489912A (en) 2014-09-25 2016-04-13 北京好风光储能技术有限公司 Lithium ion flow battery reactor

Also Published As

Publication number Publication date
AU2018271764A1 (en) 2019-09-26
AU2018271764B2 (en) 2023-12-07
JP2020521292A (en) 2020-07-16
WO2018217502A1 (en) 2018-11-29
CN110679022A (en) 2020-01-10
EP3602663A1 (en) 2020-02-05
EP3602663A4 (en) 2021-01-13
CN110679022B (en) 2023-06-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11855312B2 (en) Alternative low cost electrodes for hybrid flow batteries
US11043679B2 (en) Alternative low cost electrodes for hybrid flow batteries
KR101667123B1 (en) Flow battery with mixed flow
CN110268569B (en) Flow-through electrode unit and use thereof, redox flow battery system and use thereof, method for manufacturing flow-through electrode unit, method for operating redox flow battery system
US7927731B2 (en) Redox flow cell
CN103181014A (en) Redox flow battery system with different charge and discharge cells
GB2030349A (en) Process and Accumulator, for Storing and Releasing Electrical Energy
US20180159163A1 (en) Redox flow battery
US20190198904A1 (en) Redox flow secondary battery and electrode thereof
US20180205067A1 (en) Additive Manufactured Electrode For Flow Battery
CN109997266B (en) Current collecting plate and redox flow battery
JP7121930B6 (en) Bipolar plates, cell frames, battery cells, cell stacks, and redox flow batteries
US20200411893A1 (en) Redox Flow Battery and Method for Producing a Guide Structure of an Electrode Element of a Redox Flow Battery
JP7108640B2 (en) An Alternative Low-Cost Electrode for Hybrid Flow Batteries
US11069913B2 (en) Redox flow battery with porous electrode in which mixing plate is inserted
EP3550649B1 (en) Electrode and redox flow battery
EP2917951B1 (en) Electrochemical device and method for controlling corrosion
JP2023525875A (en) Electrode assembly for redox flow battery
KR20200055311A (en) Manifold with back side flow path and Redox flow battery
KR20170097416A (en) Redox Flow Battery for Monopolar type
CN105742681A (en) Electrochemical flow cell assembly and bipolar plate thereof
CN111971833A (en) Fuel cell plate and flow structure design
KR20200055274A (en) Bipolar plate and unit cell for redox flow cell battery and redox flow battery comprising the same
KR102524222B1 (en) Carbon-based Paper Electrode with Micro Channel for Redox Flow Battery, and Method of Manufacturing the Same
DE202018102852U1 (en) Alternative cost-effective electrodes for hybrid flow batteries

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20210428

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20211221

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20220201

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20220404

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20220628

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20220715

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 7108640

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150