蓄電池
【課題】電池反応に関与する金属として全て鉄を使用することにより、安価で安全な蓄電池を提供する。
【解決手段】蓄電池は、正極５と、正極５に接する電解液を保持する正極セル３と、負極６と、負極６に接する電解液を保持する負極セル４と、正極セル３と負極セル４を分離する分離膜２とを有し、正極セル３では２価及び３価の鉄イオンの反応、負極セル４では２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行う。電池の酸化還元反応を金属鉄及びそのイオンによって行うため、原料コストを著しく低下させた蓄電池を実現することができる。
【解決手段】蓄電池は、正極５と、正極５に接する電解液を保持する正極セル３と、負極６と、負極６に接する電解液を保持する負極セル４と、正極セル３と負極セル４を分離する分離膜２とを有し、正極セル３では２価及び３価の鉄イオンの反応、負極セル４では２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行う。電池の酸化還元反応を金属鉄及びそのイオンによって行うため、原料コストを著しく低下させた蓄電池を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電及び放電が繰り返し可能な２次電池に関するものであり、特に、電解液の鉄イオンの価数変化のみを電池反応として利用した蓄電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電解液中の金属イオンの価数変化のみを電池反応としたものとしてレドックスフロー型の電池があり、単一金属を用いたものにバナジウム系のレドックスフロー電池がある（例えば特許文献１）。
【０００３】
図２は、特許文献１に記載されたレドックスフロー電池の断面図である。当該電池は、電池反応セル２１を分離膜２２によって分離された正極セル２３と負極セル２４にそれぞれ正極２５と負極２６が挿入されており、電解液は正極液タンク２７、負極液タンク２８をポンプ２９によって循環させることができるよう構成されている。正極セル２３、正極液タンク２７には４価、５価のバナジウムイオンが蓄えられており、また負極セル２４、負極液タンク２８には２価、３価のバナジウムイオンが蓄えられている。
【０００４】
バナジウムのレドックスフロー電池では、充電時に正極液タンク２７に蓄えられた５価と４価のバナジウムイオンがポンプ２９によって正極セル２３に送られて外部回路３０から電子を受取り還元される。また、負極液タンク２８に蓄えられた２価と３価のバナジウムイオンがポンプ２９によって負極セル２４に送られ、外部回路３０に電子を放出して３価に酸化される。そして放電時には、正極液タンク２７、負極液タンク２８においてそれぞれ充電時と逆の反応によって電子を取り出すものである。
【特許文献１】特許第２７２４８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、バナジウム系のレドックスフロー電池は使用金属が１種類であるものの、バナジウムは資源として偏在性が強く、供給が不安定となりやすく、高価なものである。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、安価で安全な蓄電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の蓄電池は、正極と、前記正極に接する電解液を保持する正極セルと、負極と、前記負極に接する電解液を保持する負極セルと、前記正極セルと負極セルを分離する分離膜とを有し、前記正極セルでは２価及び３価の鉄イオンの反応、前記負極セルでは２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
これにより、電池の酸化還元反応を金属鉄及びそのイオンによって行うため、原料コストを著しく低下させた蓄電池を実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の蓄電池は、分離膜を隔てて、正極セルでは２価及び３価の鉄イオンの反応、負極セルでは２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うことにより、全て安価な鉄を使用して蓄電池を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、正極と、前記正極に接する電解液を保持する正極セルと、負極と、前記負極に接する電解液を保持する負極セルと、前記正極セルと負極セルを分離する分離膜とを有し、前記正極セルでは２価及び３価の鉄イオンの反応、前記負極セルでは２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うものである。
【００１１】
鉄は、埋蔵量も多くてリサイクルも容易であり、低コストな材料である。本発明は、電池反応に鉄及び鉄イオンのみを使用するので、構成材料を安価に製造することができる。
【００１２】
第２の発明は、特に、第１の発明の電解液がカーボンの微粉末によって混合させたことを特徴とするものである。電解液に導電性のカーボンを添加することにより、内部抵抗を低下させることができ、したがって、充電電荷量に対する放電電荷量の割合の低下を抑えることができる。
【００１３】
第３の発明は、第１と第２の発明の電解液のｐＨが２未満であるものである。金属イオンは高いｐＨ領域では酸化鉄として析出してしまう。酸化鉄の生成は充電、放電の性能に悪影響を及ぼす。ここで本構成の鉄の酸化還元電位は、１．２１Ｖ程度であるため電解液のｐＨを２未満とすることによって酸化鉄の析出を抑えることができる。
【００１４】
第４の発明は、特に、第３の発明の電解液がアスコルビン酸を含有しているものである。アスコルビン酸は、ヒドロキシ基とカルボニル基のはたらきにより高い酸性を示し、また、食品添加物として安全性も確認されたものである。したがって、アスコルビン酸を適量加えることによってｐＨを２未満とすることができる。
【００１５】
第５の発明は、特に、正極セルと負極セルの体積比が２対１であるものである。負極セルでは２価の鉄イオン１個が電子２個を受け取り金属鉄となって析出する一方、正極セルでは２価の鉄イオン１個が電子を１個放出して３価の鉄イオンとなる。すなわち、充電反応に関わる２価の鉄イオンのモル比は、正極セルと負極セルで２対１となり、それ以外のモル比であればどちらかのセル中のイオンが未反応となって残ってしまう。したがって、本発明によれば、未反応の２価の鉄イオンを最小限に抑えることができ、体積及び重量当たりのエネルギー密度を大きくすることができる。
【００１６】
以下、本発明の蓄電池の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が眼底されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態による蓄電池の断面図である。
【００１７】
蓄電池は、電池反応セル１を分離膜２によって分離された正極セル３と負極セル４によって構成されており、それぞれのセルの壁面に正極５と負極６が配置され、外枠７によって固定されている。そして、それぞれの極と電源８及び負荷９とが導通されている。
【００１８】
分離膜２は孔径０．１μｍ、厚み５μｍの微細孔樹脂膜であり、正極５及び負極６は厚さ２ｍｍの樹脂含浸黒鉛材、外枠７は厚さ２ｍｍのチタン板を使用した。そして電源８と負荷９とはリード線によってチタン板の外枠７を介して電極と電気的に接続している。ここで、正極５と分離膜３との距離は３ｍｍであり、負極６と分離膜３との距離は１．５ｍｍである。
【００１９】
電解液は、モル分率０．１７の塩化第一鉄、モル分率０．１７の塩化アンモニウム、モル分率０．００２のアスコルビン酸を水に溶かし、さらに１次粒子径が数十ｎｍのカーボンブラックを全重量の１０分の１添加して混合させたものである。この状態でリトマス試験紙によってｐＨがほぼ１の強酸であることが確認できた。
【００２０】
以上のような構成の蓄電池において、充電、放電の効率の評価法を述べる。
【００２１】
まず、電源８によって電流が５０ｍＡの一定値となるように電圧を１０分間印加する。そして電源８を短絡して２分間保持する。その後５０Ωの抵抗を有した負荷９につなぎ変えて放電させる。このとき流れた電流を測定しておく。充電、放電によって移動した電荷は電流値より見積もることができる。ここで、充電した電荷量に対する放電した電荷量の割合を充放電効率とする。
【００２２】
本評価法では、電解液にカーボンを混合させた場合とさせない場合、電解液のｐＨを２未満とした場合と２以上とした場合、正極セルと負極セルの体積比を１対１とした場合と２対１とした場合について、充放電効率の値の大きさ、充放電の繰り返しの安定性を比較した。その結果、いずれの場合も本実施の形態の構成の蓄電池の方が、充電効率が高く、繰り返しの充放電においても安定した効率を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明による蓄電池は、低コストの蓄電池である。この蓄電池は、変電所や工場に設置するための大容量の電池として利用できるだけでなく、安全性も高いため家庭用の電池、例えば夜間電力を蓄え、昼間使うための蓄電池に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１における蓄電池の断面図
【図２】従来の蓄電池の断面図
【符号の説明】
【００２５】
２ 分離膜
３ 正極セル
４ 負極セル
５ 正極
６ 負極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、充電及び放電が繰り返し可能な２次電池に関するものであり、特に、電解液の鉄イオンの価数変化のみを電池反応として利用した蓄電池に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の電解液中の金属イオンの価数変化のみを電池反応としたものとしてレドックスフロー型の電池があり、単一金属を用いたものにバナジウム系のレドックスフロー電池がある（例えば特許文献１）。
【０００３】
図２は、特許文献１に記載されたレドックスフロー電池の断面図である。当該電池は、電池反応セル２１を分離膜２２によって分離された正極セル２３と負極セル２４にそれぞれ正極２５と負極２６が挿入されており、電解液は正極液タンク２７、負極液タンク２８をポンプ２９によって循環させることができるよう構成されている。正極セル２３、正極液タンク２７には４価、５価のバナジウムイオンが蓄えられており、また負極セル２４、負極液タンク２８には２価、３価のバナジウムイオンが蓄えられている。
【０００４】
バナジウムのレドックスフロー電池では、充電時に正極液タンク２７に蓄えられた５価と４価のバナジウムイオンがポンプ２９によって正極セル２３に送られて外部回路３０から電子を受取り還元される。また、負極液タンク２８に蓄えられた２価と３価のバナジウムイオンがポンプ２９によって負極セル２４に送られ、外部回路３０に電子を放出して３価に酸化される。そして放電時には、正極液タンク２７、負極液タンク２８においてそれぞれ充電時と逆の反応によって電子を取り出すものである。
【特許文献１】特許第２７２４８１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、バナジウム系のレドックスフロー電池は使用金属が１種類であるものの、バナジウムは資源として偏在性が強く、供給が不安定となりやすく、高価なものである。
【０００６】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、安価で安全な蓄電池を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明の蓄電池は、正極と、前記正極に接する電解液を保持する正極セルと、負極と、前記負極に接する電解液を保持する負極セルと、前記正極セルと負極セルを分離する分離膜とを有し、前記正極セルでは２価及び３価の鉄イオンの反応、前記負極セルでは２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うことを特徴とするものである。
【０００８】
これにより、電池の酸化還元反応を金属鉄及びそのイオンによって行うため、原料コストを著しく低下させた蓄電池を実現することができる。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の蓄電池は、分離膜を隔てて、正極セルでは２価及び３価の鉄イオンの反応、負極セルでは２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うことにより、全て安価な鉄を使用して蓄電池を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
第１の発明は、正極と、前記正極に接する電解液を保持する正極セルと、負極と、前記負極に接する電解液を保持する負極セルと、前記正極セルと負極セルを分離する分離膜とを有し、前記正極セルでは２価及び３価の鉄イオンの反応、前記負極セルでは２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うものである。
【００１１】
鉄は、埋蔵量も多くてリサイクルも容易であり、低コストな材料である。本発明は、電池反応に鉄及び鉄イオンのみを使用するので、構成材料を安価に製造することができる。
【００１２】
第２の発明は、特に、第１の発明の電解液がカーボンの微粉末によって混合させたことを特徴とするものである。電解液に導電性のカーボンを添加することにより、内部抵抗を低下させることができ、したがって、充電電荷量に対する放電電荷量の割合の低下を抑えることができる。
【００１３】
第３の発明は、第１と第２の発明の電解液のｐＨが２未満であるものである。金属イオンは高いｐＨ領域では酸化鉄として析出してしまう。酸化鉄の生成は充電、放電の性能に悪影響を及ぼす。ここで本構成の鉄の酸化還元電位は、１．２１Ｖ程度であるため電解液のｐＨを２未満とすることによって酸化鉄の析出を抑えることができる。
【００１４】
第４の発明は、特に、第３の発明の電解液がアスコルビン酸を含有しているものである。アスコルビン酸は、ヒドロキシ基とカルボニル基のはたらきにより高い酸性を示し、また、食品添加物として安全性も確認されたものである。したがって、アスコルビン酸を適量加えることによってｐＨを２未満とすることができる。
【００１５】
第５の発明は、特に、正極セルと負極セルの体積比が２対１であるものである。負極セルでは２価の鉄イオン１個が電子２個を受け取り金属鉄となって析出する一方、正極セルでは２価の鉄イオン１個が電子を１個放出して３価の鉄イオンとなる。すなわち、充電反応に関わる２価の鉄イオンのモル比は、正極セルと負極セルで２対１となり、それ以外のモル比であればどちらかのセル中のイオンが未反応となって残ってしまう。したがって、本発明によれば、未反応の２価の鉄イオンを最小限に抑えることができ、体積及び重量当たりのエネルギー密度を大きくすることができる。
【００１６】
以下、本発明の蓄電池の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が眼底されるものではない。
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態による蓄電池の断面図である。
【００１７】
蓄電池は、電池反応セル１を分離膜２によって分離された正極セル３と負極セル４によって構成されており、それぞれのセルの壁面に正極５と負極６が配置され、外枠７によって固定されている。そして、それぞれの極と電源８及び負荷９とが導通されている。
【００１８】
分離膜２は孔径０．１μｍ、厚み５μｍの微細孔樹脂膜であり、正極５及び負極６は厚さ２ｍｍの樹脂含浸黒鉛材、外枠７は厚さ２ｍｍのチタン板を使用した。そして電源８と負荷９とはリード線によってチタン板の外枠７を介して電極と電気的に接続している。ここで、正極５と分離膜３との距離は３ｍｍであり、負極６と分離膜３との距離は１．５ｍｍである。
【００１９】
電解液は、モル分率０．１７の塩化第一鉄、モル分率０．１７の塩化アンモニウム、モル分率０．００２のアスコルビン酸を水に溶かし、さらに１次粒子径が数十ｎｍのカーボンブラックを全重量の１０分の１添加して混合させたものである。この状態でリトマス試験紙によってｐＨがほぼ１の強酸であることが確認できた。
【００２０】
以上のような構成の蓄電池において、充電、放電の効率の評価法を述べる。
【００２１】
まず、電源８によって電流が５０ｍＡの一定値となるように電圧を１０分間印加する。そして電源８を短絡して２分間保持する。その後５０Ωの抵抗を有した負荷９につなぎ変えて放電させる。このとき流れた電流を測定しておく。充電、放電によって移動した電荷は電流値より見積もることができる。ここで、充電した電荷量に対する放電した電荷量の割合を充放電効率とする。
【００２２】
本評価法では、電解液にカーボンを混合させた場合とさせない場合、電解液のｐＨを２未満とした場合と２以上とした場合、正極セルと負極セルの体積比を１対１とした場合と２対１とした場合について、充放電効率の値の大きさ、充放電の繰り返しの安定性を比較した。その結果、いずれの場合も本実施の形態の構成の蓄電池の方が、充電効率が高く、繰り返しの充放電においても安定した効率を得ることができた。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明による蓄電池は、低コストの蓄電池である。この蓄電池は、変電所や工場に設置するための大容量の電池として利用できるだけでなく、安全性も高いため家庭用の電池、例えば夜間電力を蓄え、昼間使うための蓄電池に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の実施の形態１における蓄電池の断面図
【図２】従来の蓄電池の断面図
【符号の説明】
【００２５】
２ 分離膜
３ 正極セル
４ 負極セル
５ 正極
６ 負極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正極と、前記正極に接する電解液を保持する正極セルと、負極と、前記負極に接する電解液を保持する負極セルと、前記正極セルと負極セルを分離する分離膜とを有し、前記正極セルでは２価及び３価の鉄イオンの反応、前記負極セルでは２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うことを特徴とする蓄電池。
【請求項２】
電解液はカーボンの微粉末が混合されて成る請求項１に記載の蓄電池。
【請求項３】
電解液のｐＨが２未満である請求項１または２に記載の蓄電池。
【請求項４】
電解液はアスコルビン酸を含有して成る請求項３に記載の蓄電池。
【請求項５】
正極セルと負極セルの体積比が２対１であることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池。
【請求項１】
正極と、前記正極に接する電解液を保持する正極セルと、負極と、前記負極に接する電解液を保持する負極セルと、前記正極セルと負極セルを分離する分離膜とを有し、前記正極セルでは２価及び３価の鉄イオンの反応、前記負極セルでは２価の鉄イオン及び鉄の反応により電荷の充放電を行うことを特徴とする蓄電池。
【請求項２】
電解液はカーボンの微粉末が混合されて成る請求項１に記載の蓄電池。
【請求項３】
電解液のｐＨが２未満である請求項１または２に記載の蓄電池。
【請求項４】
電解液はアスコルビン酸を含有して成る請求項３に記載の蓄電池。
【請求項５】
正極セルと負極セルの体積比が２対１であることを特徴とする請求項１または２に記載の蓄電池。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１０−９２６３５（Ｐ２０１０−９２６３５Ａ）
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２５９２５２（Ｐ２００８−２５９２５２）
【出願日】平成２０年１０月６日（２００８．１０．６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２２日（２０１０．４．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年１０月６日（２００８．１０．６）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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