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JP6164576B2 - Redox flow battery - Google Patents

Redox flow battery Download PDF

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JP6164576B2 JP2015553275A JP2015553275A JP6164576B2 JP 6164576 B2 JP6164576 B2 JP 6164576B2 JP 2015553275 A JP2015553275 A JP 2015553275A JP 2015553275 A JP2015553275 A JP 2015553275A JP 6164576 B2 JP6164576 B2 JP 6164576B2
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Description

本発明は、レドックスフロー電池に関する。   The present invention relates to a redox flow battery.

一般的にレドックスフロー電池では強酸性の電解液が用いられる。強酸性の電解液の例としては、バナジウムのレドックス系物質を含有する電解液が実用化されている。強酸性の電解液中における金属レドックスイオンは、比較的高濃度であっても安定して溶解されるため、電池のエネルギー密度を高くすることができる。また、強酸性の電解液では、イオン伝導のキャリアはHイオン又はOHイオンとなる。Hイオンの移動度及びOHイオンの移動度はいずれも比較的高いため、強酸性の電解液は高い導電率を有する。これにより、電池の抵抗が小さくなる結果、電池の効率は高まる。ところが、レドックスフロー電池を構成する部品には、強酸性の電解液に耐え得る耐薬品性が求められる。レドックスフロー電池の部品としては、例えば、正極電解液と負極電解液の間の隔膜が挙げられる。特許文献1には、レドックスフロー電池用の隔膜として、親水性膜と多孔質膜との複合膜が開示されている。親水性膜は、セルロース系ポリマーやエチレンビニルアルコール共重合体から構成されている。多孔質膜は、テトラフルオロエチレンや塩化ビニルから構成されている。In general, a redox flow battery uses a strongly acidic electrolyte. As an example of a strongly acidic electrolytic solution, an electrolytic solution containing a vanadium redox substance has been put into practical use. Since the metal redox ions in the strongly acidic electrolyte are stably dissolved even at a relatively high concentration, the energy density of the battery can be increased. In a strongly acidic electrolyte, the ion conductive carrier is H + ion or OH ion. Since both the mobility of H + ions and the mobility of OH ions are relatively high, the strongly acidic electrolyte has high conductivity. This increases the battery efficiency as a result of the reduced battery resistance. However, chemicals that can withstand a strongly acidic electrolyte are required for the components constituting the redox flow battery. As a component of a redox flow battery, for example, a diaphragm between a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte can be cited. Patent Document 1 discloses a composite membrane of a hydrophilic membrane and a porous membrane as a diaphragm for a redox flow battery. The hydrophilic film is composed of a cellulose polymer or an ethylene vinyl alcohol copolymer. The porous film is made of tetrafluoroethylene or vinyl chloride.

一方、例えば、特許文献2には、弱酸性の電解液が開示されている。弱酸性の電解液を用いる場合では、強酸性の電解液を用いる場合よりも、正極電解液と負極電解液の隔膜に求められる耐薬品性は緩和される。   On the other hand, for example, Patent Document 2 discloses a weakly acidic electrolytic solution. In the case of using a weakly acidic electrolyte, the chemical resistance required for the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte is less than in the case of using a strongly acidic electrolyte.

なお、特許文献3には、ポリオレフィンからなる多孔質基材の細孔内に、クロロメチルスチレンとジビニルベンゼンとの共重合体を充填し、その共重合体に第四級アンモニウム基を導入した陰イオン交換膜が開示されている。   Patent Document 3 discloses a negative electrode in which a copolymer of chloromethylstyrene and divinylbenzene is filled in the pores of a porous substrate made of polyolefin, and a quaternary ammonium group is introduced into the copolymer. An ion exchange membrane is disclosed.

特開昭62−223984号公報Japanese Patent Laid-Open No. 62-223984 特開昭56−42970号公報JP 56-42970 A 特開2009−144041号公報JP 2009-144041 A

レドックスフロー電池において、pHが2以上、8以下の範囲内の電解液を用いた場合、電池の部品に求められる耐薬品性が緩和されるため、高価な材料の使用を回避することが可能となる。したがって、設備の低コスト化が実現可能となるため、レドックスフロー電池の更なる普及を促進するという観点で有利である。   In the redox flow battery, when an electrolyte solution having a pH in the range of 2 or more and 8 or less is used, the chemical resistance required for the battery parts is alleviated, so that the use of expensive materials can be avoided. Become. Therefore, it is possible to reduce the cost of the equipment, which is advantageous from the viewpoint of promoting further popularization of the redox flow battery.

本発明は、pHが2以上、8以下の範囲内の電解液を用いたレドックスフロー電池において、好適な隔膜を見出すことでなされたものである。なお、上記特許文献3は、ポリオレフィンを基材とした陰イオン交換膜について開示するものの、pHが2以上、8以下の範囲内の電解液を用いたレドックスフロー電池への陰イオン交換膜の適用について示唆していない。   The present invention has been made by finding a suitable diaphragm in a redox flow battery using an electrolytic solution having a pH in the range of 2 or more and 8 or less. In addition, although the said patent document 3 is disclosed about the anion exchange membrane based on polyolefin, application of the anion exchange membrane to the redox flow battery using the electrolyte solution in the range of pH 2-8 Does not suggest about.

本発明の目的は、pHが2以上、8以下の範囲内の電解液を用いる場合に、電池性能を発揮させる点で好適な隔膜を有するレドックスフロー電池を提供することにある。   The objective of this invention is providing the redox flow battery which has a suitable diaphragm at the point which exhibits battery performance, when using electrolyte solution in the range of 2 or more and pH 8 or less.

上記の目的を達成するために、本発明の一態様では、pHが2以上、8以下の範囲内の正極電解液及び負極電解液が用いられるレドックスフロー電池であって、ポリプロピレン製の非多孔質基材にハロゲン化メチルスチレンをグラフト重合してなるグラフト重合体と第三級アミンとを反応させることにより、前記グラフト重合体の有するグラフト鎖に陰イオン交換基を導入してなる陰イオン交換膜を、正極電解液と負極電解液の間の隔膜として有するレドックスフロー電池を提供する。   In order to achieve the above object, in one embodiment of the present invention, a redox flow battery using a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte having a pH in the range of 2 or more and 8 or less, which is made of polypropylene and not porous An anion exchange membrane in which an anion exchange group is introduced into a graft chain of the graft polymer by reacting a graft polymer obtained by graft polymerization of halogenated methylstyrene on a substrate and a tertiary amine. Is provided as a diaphragm between the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte.

前記レドックスフロー電池において、前記陰イオン交換膜のグラフト率は、55%以上、130%以下の範囲内であることが好ましい。   In the redox flow battery, it is preferable that a graft ratio of the anion exchange membrane is in a range of 55% to 130%.

前記レドックスフロー電池において、前記非多孔質基材は、二軸延伸ポリプロピレンフィルムであることが好ましく、前記陰イオン交換膜のグラフト率は、70%以上、130%以下の範囲内であることがより好ましい。   In the redox flow battery, the non-porous substrate is preferably a biaxially stretched polypropylene film, and the graft ratio of the anion exchange membrane is more preferably in the range of 70% to 130%. preferable.

本発明の実施形態のレドックスフロー電池を示す概略図である。It is the schematic which shows the redox flow battery of embodiment of this invention. 製造例1〜4で得られた陰イオン交換膜のグラフト率と透過率との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the grafting rate of the anion exchange membrane obtained by manufacture examples 1-4, and the transmittance | permeability. 実施例1の充放電試験の結果であり、時間と電圧との関係を示すグラフである。It is a result of the charging / discharging test of Example 1, and is a graph which shows the relationship between time and a voltage. 実施例2〜6の充放電試験の結果であり、グラフト率とエネルギー効率との関係を示すグラフである。It is a result of the charging / discharging test of Examples 2-6, and is a graph which shows the relationship between a graft ratio and energy efficiency.

以下、本発明の実施形態に係るレドックスフロー電池について説明する。   Hereinafter, the redox flow battery according to the embodiment of the present invention will be described.

<レドックスフロー電池の構造>
図1に示すように、レドックスフロー電池は、充放電セル11と、正極電解液22を貯蔵する第1タンク23と、負極電解液32を貯蔵する第2タンク33とを備える。さらに、レドックスフロー電池は、正極電解液22を充放電セル11に供給する第1供給管24と、負極電解液32を充放電セル11に供給する第2供給管34とを備える。
<Structure of redox flow battery>
As shown in FIG. 1, the redox flow battery includes a charge / discharge cell 11, a first tank 23 that stores a positive electrode electrolyte 22, and a second tank 33 that stores a negative electrode electrolyte 32. Further, the redox flow battery includes a first supply pipe 24 that supplies the positive electrode electrolyte 22 to the charge / discharge cell 11 and a second supply pipe 34 that supplies the negative electrode electrolyte 32 to the charge / discharge cell 11.

充放電セル11の内部は、隔膜12によって正極側セル21と負極側セル31とに仕切られている。   The inside of the charge / discharge cell 11 is partitioned into a positive electrode side cell 21 and a negative electrode side cell 31 by a diaphragm 12.

正極側セル21には、正極21aと正極側集電板21bとが互いに接触した状態で配置されている。負極側セル31には、負極31aと負極側集電板31bとが互いに接触した状態で配置されている。正極21a及び負極31aは、例えばカーボン製のフェルトから構成される。正極側集電板21b及び負極側集電板31bは、例えばガラス状カーボン板から構成される。正極側集電板21b及び負極側集電板31bは、充放電装置10に電気的に接続されている。レドックスフロー電池には、充放電セル11周辺の温度を調節する温度調節装置が必要に応じて設けられる。   In the positive electrode side cell 21, a positive electrode 21a and a positive electrode side current collecting plate 21b are arranged in contact with each other. In the negative electrode side cell 31, a negative electrode 31 a and a negative electrode current collector 31 b are arranged in contact with each other. The positive electrode 21a and the negative electrode 31a are made of, for example, carbon felt. The positive electrode side current collector plate 21b and the negative electrode side current collector plate 31b are made of, for example, a glassy carbon plate. The positive electrode side current collector plate 21 b and the negative electrode side current collector plate 31 b are electrically connected to the charge / discharge device 10. The redox flow battery is provided with a temperature adjusting device for adjusting the temperature around the charge / discharge cell 11 as necessary.

正極側セル21には、第1供給管24及び第1回収管25を介して第1タンク23が接続されている。第1供給管24には、第1ポンプ26が装備されている。第1ポンプ26の作動により、第1タンク23内の正極電解液22は、第1供給管24を通じて正極側セル21に供給される。このとき、正極側セル21内の正極電解液22は、第1回収管25を通じて第1タンク23に回収される。このように正極電解液22は、第1タンク23と正極側セル21との間を循環する。   A first tank 23 is connected to the positive electrode side cell 21 via a first supply pipe 24 and a first recovery pipe 25. The first supply pipe 24 is equipped with a first pump 26. By the operation of the first pump 26, the positive electrolyte solution 22 in the first tank 23 is supplied to the positive electrode side cell 21 through the first supply pipe 24. At this time, the positive electrode electrolyte 22 in the positive electrode side cell 21 is recovered to the first tank 23 through the first recovery pipe 25. Thus, the positive electrode electrolyte 22 circulates between the first tank 23 and the positive electrode side cell 21.

負極側セル31には、第2供給管34及び第2回収管35を介して第2タンク33が接続されている。第2供給管34には、第2ポンプ36が装備されている。第2ポンプ36の作動により、第2タンク33内の負極電解液32は、第2供給管34を通じて負極側セル31に供給される。このとき、負極側セル31内の負極電解液32は、第2回収管35を通じて第2タンク33に回収される。このように負極電解液32は、第2タンク33と負極側セル31との間を循環する。   A second tank 33 is connected to the negative electrode side cell 31 via a second supply pipe 34 and a second recovery pipe 35. The second supply pipe 34 is equipped with a second pump 36. By the operation of the second pump 36, the negative electrolyte solution 32 in the second tank 33 is supplied to the negative electrode side cell 31 through the second supply pipe 34. At this time, the negative electrode electrolyte 32 in the negative electrode side cell 31 is recovered in the second tank 33 through the second recovery pipe 35. Thus, the negative electrode electrolyte 32 circulates between the second tank 33 and the negative electrode side cell 31.

第1タンク23及び第2タンク33には、第1ガス管13aが接続されている。第1ガス管13aは、不活性ガス発生装置から供給される不活性ガスを、第1タンク23内の正極電解液22中及び第2タンク33内の負極電解液32中に供給する。これにより、正極電解液22及び負極電解液32と大気中の酸素との接触が抑制される。第1タンク23内及び第2タンク33内の気相中の酸素濃度は、不活性ガスの供給量を調整することで、略一定に保たれる。   A first gas pipe 13 a is connected to the first tank 23 and the second tank 33. The first gas pipe 13 a supplies the inert gas supplied from the inert gas generator into the positive electrode electrolyte 22 in the first tank 23 and the negative electrode electrolyte 32 in the second tank 33. Thereby, the contact with the positive electrode electrolyte solution 22 and the negative electrode electrolyte solution 32, and oxygen in air | atmosphere is suppressed. The oxygen concentration in the gas phase in the first tank 23 and the second tank 33 is kept substantially constant by adjusting the supply amount of the inert gas.

不活性ガスとしては、例えば窒素ガスが用いられる。なお、使用できる不活性ガスの例としては、窒素ガス以外に、例えば、二酸化炭素ガス、アルゴンガス、ヘリウムガスが挙げられる。第1タンク23及び第2タンク33に供給された不活性ガスは、排気管14を通じて排気される。排気管14の排出側の先端には、排気管14の先端開口を水封する水封部15が設けられている。水封部15は、排気管14内に大気が逆流することを防止するとともに、第1タンク23内及び第2タンク33内の圧力を一定に保つ。   For example, nitrogen gas is used as the inert gas. Examples of the inert gas that can be used include carbon dioxide gas, argon gas, and helium gas in addition to nitrogen gas. The inert gas supplied to the first tank 23 and the second tank 33 is exhausted through the exhaust pipe 14. A water seal portion 15 that seals the front end opening of the exhaust pipe 14 is provided at the distal end of the exhaust pipe 14 on the discharge side. The water seal 15 prevents the air from flowing back into the exhaust pipe 14 and keeps the pressure in the first tank 23 and the second tank 33 constant.

本実施形態のレドックスフロー電池は、ケース41を備えている。ケース41は、充放電セル11、第1タンク23、及び第2タンク33を取り囲む。ケース41には、第2ガス管13bが接続されている。第2ガス管13bは、不活性ガス発生装置から供給される不活性ガスを充放電セル11の周囲に供給する。これにより、充放電セル11と大気中の酸素との接触が抑制される。ケース41内の酸素濃度は、不活性ガスの供給量を調整することで、略一定に保たれる。   The redox flow battery of this embodiment includes a case 41. The case 41 surrounds the charge / discharge cell 11, the first tank 23, and the second tank 33. The case 41 is connected to the second gas pipe 13b. The second gas pipe 13 b supplies the inert gas supplied from the inert gas generator to the periphery of the charge / discharge cell 11. Thereby, the contact with the charging / discharging cell 11 and oxygen in air | atmosphere is suppressed. The oxygen concentration in the case 41 is kept substantially constant by adjusting the supply amount of the inert gas.

充電時には、正極21aに接触する正極電解液22中で酸化反応が行われるとともに、負極31aに接触する負極電解液32中で還元反応が行われる。すなわち、正極21aは電子を放出するとともに、負極31aは電子を受け取る。このとき、正極側集電板21bは、正極21aから放出された電子を充放電装置10に供給する。負極側集電板31bは、充放電装置10から受け取った電子を負極31aに供給する。負極側集電板31bは、負極31aから放出された電子を集めて充放電装置10に供給する。   At the time of charging, an oxidation reaction is performed in the positive electrode electrolyte solution 22 in contact with the positive electrode 21a, and a reduction reaction is performed in the negative electrode electrolyte solution 32 in contact with the negative electrode 31a. That is, the positive electrode 21a emits electrons and the negative electrode 31a receives electrons. At this time, the positive collector plate 21b supplies the electrons discharged from the positive electrode 21a to the charging / discharging device 10. The negative electrode current collector 31b supplies the electrons received from the charge / discharge device 10 to the negative electrode 31a. The negative electrode current collector 31b collects the electrons emitted from the negative electrode 31a and supplies them to the charging / discharging device 10.

放電時には、正極21aに接触する正極電解液22中で還元反応が行われるとともに、負極31aに接触する負極電解液32中で酸化反応が行われる。すなわち、正極21aは電子を受け取るとともに、負極31aは電子を放出する。このとき、正極側集電板21bは、充放電装置10から受け取った電子を正極21aに供給する。   At the time of discharge, a reduction reaction is performed in the positive electrode electrolyte solution 22 in contact with the positive electrode 21a, and an oxidation reaction is performed in the negative electrode electrolyte solution 32 in contact with the negative electrode 31a. That is, the positive electrode 21a receives electrons and the negative electrode 31a emits electrons. At this time, the positive collector plate 21b supplies the electrons received from the charge / discharge device 10 to the positive electrode 21a.

<隔膜12の構成>
隔膜12は、正極側セル21と負極側セル31との間において活物質の透過を抑制する。隔膜12は陰イオン交換膜から構成されている。隔膜12は、充電時には、負極側セル31中の陰イオンを正極側セル21へ透過させるとともに、放電時には、正極側セル21中の陰イオンを負極側セル31へ透過させる。
<Configuration of diaphragm 12>
The diaphragm 12 suppresses permeation of the active material between the positive electrode side cell 21 and the negative electrode side cell 31. The diaphragm 12 is composed of an anion exchange membrane. The diaphragm 12 transmits the anions in the negative electrode side cell 31 to the positive electrode side cell 21 during charging, and transmits the anions in the positive electrode side cell 21 to the negative electrode side cell 31 during discharge.

陰イオン交換膜は、ポリプロピレン製の非多孔質基材にハロゲン化メチルスチレンをグラフト重合してなるグラフト重合体と第三級アミンとを反応させることにより得られたものである。グラフト重合体と第三級アミンとの反応は、グラフト重合体の有するグラフト鎖に陰イオン交換基を導入する。   The anion exchange membrane is obtained by reacting a graft polymer obtained by graft polymerization of halogenated methylstyrene with a non-porous polypropylene base material and a tertiary amine. The reaction between the graft polymer and the tertiary amine introduces an anion exchange group into the graft chain of the graft polymer.

ポリプロピレン製の非多孔質基材としては、市販のフィルム又はシート、例えば二軸延伸ポリプロピレンフィルム又は無延伸ポリプロピレンフィルムとして市販のものが用いられる。非多孔質基材の中でも、二軸延伸ポリプロピレンフィルムが好ましい。   As the non-porous substrate made of polypropylene, a commercially available film or sheet, for example, a biaxially stretched polypropylene film or an unstretched polypropylene film is used. Among non-porous substrates, a biaxially stretched polypropylene film is preferable.

ポリプロピレン製の非多孔質基材の厚みは、10μm以上、300μm以下の範囲内であることが好ましい。非多孔質基材中におけるポリプロピレンの含有量は、60質量%以上であることが好ましく、70質量%以上であることがより好ましい。非多孔質基材には、ポリプロピレン以外の樹脂がブレンドされていてもよい。ポリプロピレン以外の樹脂としては、例えばポリエチレンが挙げられる。非多孔質基材には、可塑剤等の添加剤が含有されていてもよい。   The thickness of the polypropylene non-porous substrate is preferably in the range of 10 μm or more and 300 μm or less. The content of polypropylene in the non-porous substrate is preferably 60% by mass or more, and more preferably 70% by mass or more. Resins other than polypropylene may be blended with the non-porous substrate. Examples of the resin other than polypropylene include polyethylene. The non-porous substrate may contain an additive such as a plasticizer.

ハロゲン化メチルスチレンは、ポリプロピレン製の非多孔質基材にグラフト重合される。これにより、非多孔質基材を構成するポリプロピレンにポリ(ハロゲン化メチルスチレン)がグラフト鎖として導入されたグラフト重合体が得られる。ハロゲン化メチルスチレンとしては、例えば、クロロメチルスチレン、及びブロモメチルスチレンが挙げられる。   The halogenated methylstyrene is graft-polymerized on a non-porous substrate made of polypropylene. As a result, a graft polymer is obtained in which poly (halogenated methylstyrene) is introduced as a graft chain into the polypropylene constituting the non-porous substrate. Examples of the halogenated methyl styrene include chloromethyl styrene and bromomethyl styrene.

グラフト重合体と反応させる第三級アミンとしては、ハロゲン化メチル基と反応し得る第三級アミンであれば特に限定されない。好適な第三級アミンとしては、炭素数が3〜12のアミン、例えば、トリメチルアミン、ジメチルエチルアミン、ジメチルプロピルアミン、ジメチルブチルアミン、トリエチルアミン、トリプロピルアミン、及びトリブチルアミンが挙げられる。   The tertiary amine to be reacted with the graft polymer is not particularly limited as long as it is a tertiary amine capable of reacting with a halogenated methyl group. Suitable tertiary amines include amines having 3 to 12 carbon atoms such as trimethylamine, dimethylethylamine, dimethylpropylamine, dimethylbutylamine, triethylamine, tripropylamine, and tributylamine.

陰イオン交換膜の有するグラフト鎖は、ベンジルトリアルキルアンモニウム塩を側鎖に有するビニルポリマーであり、グラフト鎖の側鎖は、陰イオン交換基として第四級アンモニウムカチオンを有する。   The graft chain of the anion exchange membrane is a vinyl polymer having a benzyltrialkylammonium salt as a side chain, and the side chain of the graft chain has a quaternary ammonium cation as an anion exchange group.

陰イオン交換膜のグラフト率は、55%以上、130%以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは70%以上、130%以下の範囲内である。   The graft ratio of the anion exchange membrane is preferably in the range of 55% to 130%, more preferably in the range of 70% to 130%.

陰イオン交換膜のグラフト率は、ポリプロピレン製の非多孔質基材の質量をW、第三級アミンと反応した後の陰イオン交換膜の質量をWとした場合、下記式(A)に代入して算出される。The graft ratio of the anion exchange membrane is expressed by the following formula (A) when the mass of the polypropylene non-porous substrate is W 0 and the mass of the anion exchange membrane after reacting with the tertiary amine is W 1. It is calculated by substituting for.

グラフト率(%)=100×(W−W)/W ・・・(A)
<隔膜12(陰イオン交換膜)の製造>
隔膜12(陰イオン交換膜)は、重合工程及び置換反応工程を通じて製造される。
Graft rate (%) = 100 × (W 1 −W 0 ) / W 0 (A)
<Manufacture of diaphragm 12 (anion exchange membrane)>
The diaphragm 12 (anion exchange membrane) is manufactured through a polymerization process and a substitution reaction process.

重合工程では、非多孔質基材に生成させたラジカル活性点に、ハロゲン化メチルスチレンを用いてグラフト鎖を導入する。ラジカル活性点は、例えば、ラジカル重合開始剤の使用、電離放射線の照射、紫外線の照射、超音波の照射、プラズマの照射等により生成することができる。ラジカル活性点を生成する方法の中でも、電離放射線の照射を用いた重合工程は、製造プロセスが簡単、安全、かつ環境へ負荷も小さいという利点を有する。   In the polymerization step, a graft chain is introduced into the radical active site generated on the non-porous substrate using halogenated methylstyrene. The radical active site can be generated, for example, by use of a radical polymerization initiator, irradiation with ionizing radiation, irradiation with ultraviolet rays, irradiation with ultrasonic waves, irradiation with plasma, or the like. Among the methods for generating radical active sites, the polymerization step using ionizing radiation has the advantage that the production process is simple, safe and has a low environmental impact.

電離放射線としては、例えばα線、β線、γ線、電子線、X線等が挙げられる。電離放射線の中でも、工業的に利用し易いという観点から、例えばコバルト60から放射されるγ線、電子線加速器から放射される電子線、X線等が好適である。   Examples of the ionizing radiation include α rays, β rays, γ rays, electron rays, X rays and the like. Among the ionizing radiations, for example, γ rays emitted from cobalt 60, electron beams emitted from an electron beam accelerator, X-rays, and the like are preferable from the viewpoint of easy industrial use.

電離放射線の照射は、ラジカル活性点と酸素との反応を抑制するという観点から、窒素ガス、ネオンガス、アルゴンガス等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。電離放射線の吸収線量は、例えば1kGy以上、300kGy以下の範囲内である。電離放射線の吸収線量を調整することで、グラフト率を変更することができる。   Irradiation with ionizing radiation is preferably performed in an inert gas atmosphere such as nitrogen gas, neon gas, or argon gas from the viewpoint of suppressing the reaction between radical active sites and oxygen. The absorbed dose of ionizing radiation is, for example, in the range of 1 kGy to 300 kGy. The graft ratio can be changed by adjusting the absorbed dose of ionizing radiation.

重合工程では、ラジカル活性点の生成した非多孔質基材に、ハロゲン化メチルスチレンを含む溶液を接触させる。この接触では、ハロゲン化メチルスチレンを含む溶液中に浸漬した非多孔質基材を振とうしたり、加熱したりすることで、ラジカル重合反応を促進することが可能である。   In the polymerization step, a solution containing halogenated methylstyrene is brought into contact with the non-porous substrate where radical active sites are generated. In this contact, the radical polymerization reaction can be promoted by shaking or heating the non-porous substrate immersed in the solution containing methyl halide styrene.

ハロゲン化メチルスチレンを含む溶液の溶媒としては、例えば、アセトン等の親水性ケトンが好適に用いられる。   As the solvent of the solution containing halogenated methylstyrene, for example, a hydrophilic ketone such as acetone is preferably used.

上記のグラフト率は、ハロゲン化メチルスチレンを含む溶液中のハロゲン化メチルスチレンの濃度調整により容易に変更することができる。ハロゲン化メチルスチレンを含む溶液中におけるハロゲン化メチルスチレンの濃度は、例えば1質量%以上、70質量%以下の範囲内である。ラジカル活性点の生成した非多孔質基材に、ハロゲン化メチルスチレンを含む溶液を接触させる時間は、例えば30分以上、48時間以下の範囲内である。   The graft ratio can be easily changed by adjusting the concentration of the halogenated methylstyrene in the solution containing the halogenated methylstyrene. The concentration of the halogenated methylstyrene in the solution containing the halogenated methylstyrene is, for example, in the range of 1% by mass to 70% by mass. The time for which the solution containing halogenated methylstyrene is brought into contact with the non-porous substrate where the radical active site is generated is, for example, in the range of 30 minutes or more and 48 hours or less.

ラジカル活性点の生成した非多孔質基材とハロゲン化メチルスチレンを含む溶液との接触についても、電離放射線の照射の場合と同様に、窒素ガス、ネオンガス、アルゴンガス、炭酸ガス等の不活性ガス雰囲気下で行うことが好ましい。   As with the case of irradiation with ionizing radiation, an inert gas such as nitrogen gas, neon gas, argon gas, carbon dioxide gas, etc. is used for contact between the non-porous base material where radical active sites are generated and a solution containing halogenated methylstyrene. It is preferable to carry out in an atmosphere.

重合工程により得られたグラフト重合体は、必要に応じて洗浄された後に、置換反応工程に供される。   The graft polymer obtained by the polymerization step is subjected to a substitution reaction step after being washed as necessary.

置換反応工程では、第三級アミンを含む溶液をグラフト重合体に接触させることで、グラフト重合体の有するグラフト鎖の側鎖に陰イオン交換基を導入する。この接触では、第三級アミンを含む溶液中に浸漬したグラフト重合体を振とうしたり、加熱したりすることで、置換反応を促進することが可能である。   In the substitution reaction step, an anion exchange group is introduced into the side chain of the graft chain of the graft polymer by bringing the solution containing the tertiary amine into contact with the graft polymer. In this contact, the substitution reaction can be promoted by shaking or heating the graft polymer immersed in the solution containing the tertiary amine.

第三級アミンを含む溶液の溶媒としては、例えば、水等の親水性溶媒が好適に用いられる。第三級アミンを含む溶液中における第三級アミンの濃度は、例えば1質量%以上、70質量%以下の範囲内である。置換反応の時間は、例えば30分以上、48時間以下の範囲内である。   As the solvent of the solution containing the tertiary amine, for example, a hydrophilic solvent such as water is preferably used. The concentration of the tertiary amine in the solution containing the tertiary amine is, for example, in the range of 1% by mass to 70% by mass. The time for the substitution reaction is, for example, in the range of 30 minutes to 48 hours.

置換反応工程で得られた陰イオン交換膜は、必要に応じて洗浄された後に、隔膜12として用いられる。   The anion exchange membrane obtained in the substitution reaction step is used as the diaphragm 12 after being washed as necessary.

<電解液>
正極電解液22のpH及び負極電解液32のpHは、2以上、8以下の範囲内である。正極電解液22のpH及び負極電解液32のpHは、好ましくは4以上、7以下の範囲内である。
<Electrolyte>
The pH of the positive electrode electrolyte 22 and the pH of the negative electrode electrolyte 32 are in the range of 2 or more and 8 or less. The pH of the positive electrode electrolyte 22 and the pH of the negative electrode electrolyte 32 are preferably in the range of 4 or more and 7 or less.

正極電解液22のpH及び負極電解液32として、上記pHの範囲内で酸化還元反応を行うことのできる活物質を含む水溶液が用いられる。正極電解液22のpH及び負極電解液32のpHが2以上であることで、耐食性が確保され易くなる。正極電解液22のpH及び負極電解液32のpHが8以下であることで、例えば、活物質の溶解性が確保され易くなる。   As the pH of the positive electrode electrolyte 22 and the negative electrode electrolyte 32, an aqueous solution containing an active material capable of performing a redox reaction within the above pH range is used. When the pH of the positive electrode electrolyte 22 and the pH of the negative electrode electrolyte 32 are 2 or more, corrosion resistance is easily ensured. When the pH of the positive electrode electrolyte 22 and the pH of the negative electrode electrolyte 32 are 8 or less, for example, the solubility of the active material is easily ensured.

活物質としては、例えば、鉄のレドックス系物質、チタンのレドックス系物質、クロムのレドックス系物質、マンガンのレドックス系物質、及び銅のレドックス系物質が挙げられる。本出願で記載する「レドックス系物質」とは、金属の酸化還元反応で生成する金属イオン、金属錯イオン又は金属のことを言う。   Examples of the active material include an iron redox material, a titanium redox material, a chromium redox material, a manganese redox material, and a copper redox material. The “redox substance” described in the present application refers to a metal ion, a metal complex ion, or a metal generated by a metal redox reaction.

活物質は、上記pHの範囲内における析出を抑制するために、金属錯体として電解液中に含有されることが好適である。金属錯体を形成するためのキレート剤としては、活物質と錯体を形成し得るものであって、例えば、アミン、クエン酸、乳酸、アミノカルボン系キレート剤、及びポリエチレンイミンが挙げられる。   The active material is preferably contained in the electrolytic solution as a metal complex in order to suppress precipitation within the above pH range. The chelating agent for forming the metal complex is capable of forming a complex with the active material, and examples thereof include amines, citric acid, lactic acid, aminocarboxylic chelating agents, and polyethyleneimine.

以下、正極電解液22及び負極電解液32の一例の詳細について説明する。   Hereinafter, details of an example of the positive electrode electrolyte 22 and the negative electrode electrolyte 32 will be described.

正極電解液22は、鉄のレドックス系物質と、酸とを含有する。酸は、クエン酸又は乳酸である。   The cathode electrolyte 22 contains an iron redox material and an acid. The acid is citric acid or lactic acid.

正極電解液22中では、鉄が活物質として機能し、例えば、充電時には、鉄(II)から鉄(III)への酸化が起こり、放電時には、鉄(III)から鉄(II)への還元が起こると推測される。正極電解液22は、上記の酸を含有することにより、実用的な起電力が得られ易くなっている。   In the positive electrode electrolyte 22, iron functions as an active material. For example, oxidation from iron (II) to iron (III) occurs during charging, and reduction from iron (III) to iron (II) occurs during discharging. Is presumed to occur. The positive electrode electrolyte 22 contains the acid described above, so that a practical electromotive force can be easily obtained.

正極電解液22中における鉄のレドックス系物質(鉄イオン)の濃度は、エネルギー密度を高めるという観点から、好ましくは0.2モル/L以上であり、より好ましくは0.3モル/L以上であり、さらに好ましくは0.4モル/L以上である。正極電解液22中における鉄のレドックス系物質(鉄イオン)の濃度は、好ましくは1.0モル/L以下である。   The concentration of the iron redox substance (iron ions) in the positive electrode electrolyte 22 is preferably 0.2 mol / L or more, more preferably 0.3 mol / L or more, from the viewpoint of increasing the energy density. More preferably 0.4 mol / L or more. The concentration of the iron redox substance (iron ions) in the positive electrode electrolyte 22 is preferably 1.0 mol / L or less.

正極電解液22中の鉄のレドックス系物質に対する上記酸のモル比は、1以上、4以下の範囲内であることが好ましい。前記モル比が1以上の場合、正極電解液22の電気抵抗がより低くなるため、クーロン効率及び正極電解液22の利用率を高めることが容易となる。前記モル比が4以下の場合、経済性と実用性の両立が容易となる。   The molar ratio of the acid to the iron redox substance in the positive electrode electrolyte 22 is preferably in the range of 1 or more and 4 or less. When the molar ratio is 1 or more, the electrical resistance of the positive electrode electrolyte 22 becomes lower, so that the Coulomb efficiency and the utilization rate of the positive electrode electrolyte 22 can be easily increased. When the molar ratio is 4 or less, both economic efficiency and practicality can be easily achieved.

正極電解液22のpHは、例えば、鉄のレドックス系物質及び上記酸の溶解性を確保し易いことから、1以上、7以下の範囲内であることが好ましく、より好ましくは2以上、5以下の範囲内である。なお、pHは、例えば20℃で測定される値である。   The pH of the positive electrode electrolyte 22 is preferably in the range of 1 or more and 7 or less, more preferably 2 or more and 5 or less, for example, since it is easy to ensure the solubility of the iron redox material and the acid. Is within the range. The pH is a value measured at 20 ° C., for example.

正極電解液22には、必要に応じて、例えば、無機酸の塩又はキレート剤を含有させることもできる。   The positive electrode electrolyte solution 22 may contain, for example, an inorganic acid salt or a chelating agent as necessary.

負極電解液32は、チタンのレドックス系物質と酸とを含有する電解液である。酸は、クエン酸又は乳酸である。   The negative electrode electrolyte 32 is an electrolyte containing a redox material of titanium and an acid. The acid is citric acid or lactic acid.

負極電解液32中では、チタンが活物質として機能し、例えば、充電時には、チタン(IV)からチタン(III)への還元が起こり、放電時には、チタン(III)からチタン(IV)への酸化が起こると推測される。負極電解液32は、上記の酸を含有することにより、錯体化し、約0.2V電位が下がるため、実用的な起電力が得られ易くなっている。   In the negative electrode electrolyte 32, titanium functions as an active material. For example, reduction from titanium (IV) to titanium (III) occurs during charging, and oxidation from titanium (III) to titanium (IV) occurs during discharging. Is presumed to occur. The negative electrode electrolyte solution 32 is complexed by containing the above acid, and the potential of about 0.2 V is lowered, so that a practical electromotive force is easily obtained.

負極電解液32中におけるチタンのレドックス系物質(チタンイオン)の濃度は、エネルギー密度を高めるという観点から、好ましくは0.2モル/L以上であり、より好ましくは0.3モル/L以上であり、さらに好ましくは0.4モル/L以上である。負極電解液32中におけるチタンのレドックス系物質(チタンイオン)の濃度は、好ましくは1.0モル/L以下である。   The concentration of the titanium redox material (titanium ions) in the negative electrode electrolyte 32 is preferably 0.2 mol / L or more, more preferably 0.3 mol / L or more, from the viewpoint of increasing the energy density. More preferably 0.4 mol / L or more. The concentration of the titanium redox substance (titanium ions) in the negative electrode electrolyte solution 32 is preferably 1.0 mol / L or less.

負極電解液32中のチタンのレドックス系物質に対する上記酸のモル比は、1以上、4以下の範囲内であることが好ましい。前記モル比が1以上の場合、負極電解液32の電気抵抗がより低くなるため、クーロン効率及び負極電解液32の利用率を高めることが容易となる。前記モル比が4以下の場合、経済性と実用性の両立が容易となる。   The molar ratio of the acid to the redox material of titanium in the negative electrode electrolyte solution 32 is preferably in the range of 1 or more and 4 or less. When the molar ratio is 1 or more, the electric resistance of the negative electrode electrolyte 32 becomes lower, so that the Coulomb efficiency and the utilization factor of the negative electrode electrolyte 32 are easily increased. When the molar ratio is 4 or less, both economic efficiency and practicality can be easily achieved.

負極電解液32のpHは、例えば、チタンのレドックス系物質及び上記酸の溶解性を確保し易いことから、1以上、7以下の範囲内であることが好ましい。負極電解液32のpHは、2以上、5以下の範囲内であることがより好ましい。   The pH of the negative electrode electrolyte 32 is preferably in the range of 1 or more and 7 or less because, for example, it is easy to ensure the solubility of the redox material of titanium and the acid. The pH of the negative electrode electrolyte solution 32 is more preferably in the range of 2 or more and 5 or less.

負極電解液32には、必要に応じて、例えば、無機酸の塩、各種キレート剤を含有させることもできる。   The negative electrode electrolyte solution 32 can contain, for example, inorganic acid salts and various chelating agents as required.

正極電解液22及び負極電解液32は、公知の方法で調製することができる。正極電解液22及び負極電解液32に用いる水は、蒸留水と同等又はそれ以上の純度を有していることが好ましい。   The positive electrode electrolyte 22 and the negative electrode electrolyte 32 can be prepared by a known method. It is preferable that the water used for the positive electrode electrolyte 22 and the negative electrode electrolyte 32 has a purity equal to or higher than that of distilled water.

以上のように構成されたレドックスフロー電池では、第2タンク33内の負極電解液32中の溶存酸素量が1.5mg/L以下に設定されることが好ましい。溶存酸素量は、1.0mg/L以下であることがより好ましい。さらに、ケース41内の酸素濃度は10体積%以下であることが好ましい。加えて、第2タンク33内の気相中の酸素濃度は1体積%以下であることが好ましい。   In the redox flow battery configured as described above, the amount of dissolved oxygen in the negative electrode electrolyte solution 32 in the second tank 33 is preferably set to 1.5 mg / L or less. The dissolved oxygen amount is more preferably 1.0 mg / L or less. Furthermore, the oxygen concentration in the case 41 is preferably 10% by volume or less. In addition, the oxygen concentration in the gas phase in the second tank 33 is preferably 1% by volume or less.

なお、第1タンク23内の正極電解液22中の溶存酸素量についても1.5mg/L以下に設定されてもよいし、1.0mg/L以下に設定されてもよい。また、第1タンク23内の気相中の酸素濃度についても1体積%以下に設定されてもよい。   The amount of dissolved oxygen in the positive electrode electrolyte 22 in the first tank 23 may also be set to 1.5 mg / L or less, or may be set to 1.0 mg / L or less. The oxygen concentration in the gas phase in the first tank 23 may also be set to 1% by volume or less.

<レドックスフロー電池の作用>
pHが2以上、8以下の範囲内の正極電解液22及び負極電解液32を用いたレドックスフロー電池は、上述した陰イオン交換膜を隔膜12として有するため、電池性能を発揮させることが容易となる。本実施形態のレドックスフロー電池によれば、例えば、実用的なエネルギー効率を発揮させることが容易となる。
<Action of redox flow battery>
Since the redox flow battery using the positive electrode electrolyte 22 and the negative electrode electrolyte 32 having a pH in the range of 2 or more and 8 or less has the above-described anion exchange membrane as the diaphragm 12, it is easy to exhibit battery performance. Become. According to the redox flow battery of this embodiment, it becomes easy to exhibit practical energy efficiency, for example.

レドックスフロー電池の性能は、例えば、充放電サイクル特性(可逆性)、クーロン効率、電圧効率、エネルギー効率、電解液の利用率、起電力、及び電解液の電位により評価することができる。以下では、レドックスフロー電池の充放電1回を1サイクルという。   The performance of the redox flow battery can be evaluated by, for example, charge / discharge cycle characteristics (reversibility), Coulomb efficiency, voltage efficiency, energy efficiency, electrolyte utilization factor, electromotive force, and electrolyte potential. Hereinafter, one charge / discharge of the redox flow battery is referred to as one cycle.

充放電サイクル特性(可逆性)は、1サイクル目の放電のクーロン量(A)と10サイクル目の放電のクーロン量(B)とを下記式(1)に代入することで算出される。   The charge / discharge cycle characteristics (reversibility) are calculated by substituting the coulomb amount (A) for the first cycle discharge and the coulomb amount (B) for the tenth cycle discharge into the following equation (1).

充放電サイクル特性[%]=B/A×100 ・・・(1)
充放電サイクル特性は、80%以上であることが好ましい。
Charging / discharging cycle characteristics [%] = B / A × 100 (1)
The charge / discharge cycle characteristics are preferably 80% or more.

クーロン効率は、所定のサイクル目の充電のクーロン量(C)と放電のクーロン量(D)とを下記式(2)に代入することで算出される。   The coulomb efficiency is calculated by substituting the coulomb amount (C) for charging and the coulomb amount (D) for discharging in a predetermined cycle into the following equation (2).

クーロン効率[%]=D/C×100 ・・・(2)
クーロン効率は、例えば、10サイクル目のクーロン量から算出される値において、好ましくは90%以上である。
Coulomb efficiency [%] = D / C × 100 (2)
The coulomb efficiency is preferably 90% or more in a value calculated from the coulomb amount at the 10th cycle, for example.

電圧効率は、所定のサイクル目の充電の平均端子電圧(E)と放電の平均端子電圧(F)とを下記式(3)に代入することで算出される。   The voltage efficiency is calculated by substituting the average terminal voltage (E) for charging and the average terminal voltage (F) for discharging in a predetermined cycle into the following formula (3).

電圧効率[%]=F/E×100 ・・・(3)
電圧効率は、例えば、10サイクル目の端子電圧から算出される値において、好ましくは70%以上である。
Voltage efficiency [%] = F / E × 100 (3)
The voltage efficiency is preferably 70% or more in a value calculated from the terminal voltage at the 10th cycle, for example.

エネルギー効率は、所定のサイクル目の充電の電力量(G)と放電の電力量(H)とを下記式(4)に代入することで算出される。   The energy efficiency is calculated by substituting the electric energy (G) for charging and the electric energy (H) for discharging in a predetermined cycle into the following formula (4).

エネルギー効率[%]=H/G×100 ・・・(4)
エネルギー効率は、10サイクル目の電力量から算出される値において、好ましくは70%以上である。
Energy efficiency [%] = H / G × 100 (4)
The energy efficiency is preferably 70% or more in the value calculated from the electric energy at the 10th cycle.

電解液の利用率は、正極21a側又は負極31a側に供給される電解液の活物質のモル数にファラデー定数(96500クーロン/モル)を乗じてクーロン量(I)を求めるとともに、10サイクル目の放電のクーロン量(J)を求め、クーロン量(I)とクーロン量(J)とを下記式(5)に代入することで算出される。なお、正極21a側に供給される電解液の活物質のモル数と負極31a側に供給される電解液の活物質のモル数とが異なる場合は、より小さいモル数を採用する。   The utilization rate of the electrolytic solution is obtained by multiplying the number of moles of the active material of the electrolytic solution supplied to the positive electrode 21a side or the negative electrode 31a side by the Faraday constant (96500 coulomb / mol) to obtain the amount of coulomb (I) and the tenth cycle. Is calculated by substituting the coulomb amount (I) and the coulomb amount (J) into the following equation (5). In addition, when the number of moles of the active material of the electrolytic solution supplied to the positive electrode 21a side is different from the number of moles of the active material of the electrolytic solution supplied to the negative electrode 31a side, a smaller number of moles is adopted.

電解液の利用率[%]=J/I×100 ・・・(5)
電解液の利用率は、10サイクル目の放電クーロン量から算出される値において、好ましくは35%以上である。
Utilization rate of electrolytic solution [%] = J / I × 100 (5)
The utilization factor of the electrolytic solution is preferably 35% or more in a value calculated from the discharge coulomb amount at the 10th cycle.

起電力は、所定のサイクル目において充電から放電に切り替えるとき(電流が0mAのとき)の端子電圧とされる。   The electromotive force is a terminal voltage when switching from charging to discharging (when the current is 0 mA) in a predetermined cycle.

起電力は、10サイクル目の端子電圧において、0.8V以上であることが好ましい。   The electromotive force is preferably 0.8 V or more at the terminal voltage at the 10th cycle.

以上説明した本実施形態によれば、以下の効果を奏する。   According to this embodiment described above, the following effects are obtained.

(1)本実施形態のレドックスフロー型電池では、正極電解液22及び負極電解液32のpHが2以上、8以下の範囲内である。このレドックスフロー型電池は、陰イオン交換膜を、正極電解液22と負極電解液32の隔膜12として有する。陰イオン交換膜は、ポリプロピレン製の非多孔質基材にハロゲン化メチルスチレンをグラフト重合してなるグラフト重合体と第三級アミンとを反応させることにより得られたものである。グラフト重合体と第三級アミンとの反応は、グラフト重合体の有するグラフト鎖に陰イオン交換基を導入する。この陰イオン交換膜を隔膜12として有するレドックスフロー電池は、pHが2以上、8以下の範囲内の電解液を用いる場合に、電池性能を発揮させる点で好適である。   (1) In the redox flow type battery of the present embodiment, the pH of the positive electrode electrolyte 22 and the negative electrode electrolyte 32 is in the range of 2 or more and 8 or less. This redox flow battery has an anion exchange membrane as the diaphragm 12 of the positive electrode electrolyte 22 and the negative electrode electrolyte 32. The anion exchange membrane is obtained by reacting a graft polymer obtained by graft polymerization of halogenated methylstyrene with a non-porous polypropylene base material and a tertiary amine. The reaction between the graft polymer and the tertiary amine introduces an anion exchange group into the graft chain of the graft polymer. The redox flow battery having this anion exchange membrane as the diaphragm 12 is suitable in that the battery performance is exhibited when an electrolyte solution having a pH in the range of 2 or more and 8 or less is used.

(2)陰イオン交換膜のグラフト率が55%以上、130%以下の範囲内である場合、エネルギー効率をより高めることが容易となる。すなわち、陰イオン交換膜のグラフト率が55%以上の場合、陰イオンが透過し易くなるため、エネルギー効率が高まり易くなる。陰イオン交換膜のグラフト率が130%以下の場合、レドックス系物質の透過が抑制され易くなるため、エネルギー効率が高まり易くなる。   (2) When the graft ratio of the anion exchange membrane is in the range of 55% or more and 130% or less, it becomes easy to further increase the energy efficiency. That is, when the graft ratio of the anion exchange membrane is 55% or more, anions easily pass through, and energy efficiency is likely to increase. When the graft ratio of the anion exchange membrane is 130% or less, the permeation of the redox material is easily suppressed, so that the energy efficiency is easily increased.

(3)非多孔質基材が二軸延伸ポリプロピレンフィルムの場合、エネルギー効率をより高めることが容易となる。また、二軸延伸ポリプロピレンフィルムを用いる場合、エネルギー効率をより高める点で、陰イオン交換膜のグラフト率は70%以上、130%以下の範囲内であることが有利である。   (3) When the non-porous substrate is a biaxially stretched polypropylene film, it becomes easy to further increase energy efficiency. When a biaxially stretched polypropylene film is used, it is advantageous that the graft ratio of the anion exchange membrane is in the range of 70% or more and 130% or less from the viewpoint of further improving energy efficiency.

(4)本実施形態の陰イオン交換膜は、入手容易な原材料を用いて製造できるため、レドックスフロー電池の隔膜について低コスト化に寄与し得る。このため、設備の低コスト化が実現可能となるため、レドックスフロー電池の更なる普及を促進するという観点で有利である。   (4) Since the anion exchange membrane of this embodiment can be manufactured using readily available raw materials, it can contribute to cost reduction of the membrane of a redox flow battery. For this reason, it is possible to reduce the cost of the equipment, which is advantageous from the viewpoint of promoting further spread of the redox flow battery.

(5)陰イオン交換膜の製造方法は、ポリプロピレン製の非多孔質基材にハロゲン化メチルスチレンをグラフト重合する重合工程と、得られたグラフト重合体と第三級アミンとを反応させる置換反応工程とを含む。重合工程は電離放射線の照射を用いた重合工程であるため、製造プロセスが簡単、安全、かつ環境へ負荷も小さいという利点を有する。   (5) A method for producing an anion exchange membrane includes a polymerization step in which halogenated methylstyrene is graft-polymerized on a polypropylene non-porous substrate, and a substitution reaction in which the obtained graft polymer is reacted with a tertiary amine. Process. Since the polymerization process is a polymerization process using ionizing radiation, it has the advantage that the manufacturing process is simple, safe and has a low environmental impact.

(変更例)
前記実施形態は以下のように変更されてもよい。
(Example of change)
The embodiment may be modified as follows.

・前記陰イオン交換膜は、イオン伝導のキャリアとなるイオンの透過性が前記陰イオン交換膜よりも高い支持体を備えていてもよい。すなわち、隔膜12は、陰イオン交換膜と、それを支持する支持体とを有する積層体であってもよい。   The anion exchange membrane may include a support having higher permeability of ions serving as ion-conducting carriers than the anion exchange membrane. That is, the diaphragm 12 may be a laminate having an anion exchange membrane and a support that supports the membrane.

・レドックスフロー電池の有する充放電セル11の形状、配置、又は数や第1タンク23及び第2タンク33の容量はレドックスフロー電池に求められる性能等に応じて変更されてもよい。また、充放電セル11に対する正極電解液22及び負極電解液32の供給量についても、例えば充放電セル11の容量等に応じて設定することができる。また、例えば、酸素濃度の影響の小さい電解液の場合には、ケース41を省略してもよい。   The shape, arrangement, or number of the charge / discharge cells 11 included in the redox flow battery and the capacities of the first tank 23 and the second tank 33 may be changed according to the performance required for the redox flow battery. Further, the supply amount of the positive electrode electrolyte 22 and the negative electrode electrolyte 32 to the charge / discharge cell 11 can also be set according to, for example, the capacity of the charge / discharge cell 11. For example, the case 41 may be omitted in the case of an electrolyte having a small influence of oxygen concentration.

次に、実施例及び比較例により本発明をさらに詳細に説明する。   Next, the present invention will be described in more detail with reference to examples and comparative examples.

(製造例1)
二軸延伸ポリプロピレンフィルム(商品名:パイレンフィルム−OT、P2161、厚み50μm、寸法80×80mm、東洋紡株式会社製)を、袋に密封した後、その袋中を窒素置換した。これに電子線を加速電圧750kV、吸収線量200kGyの条件で照射した後、袋中に40質量%のクロロメチルスチレン−アセトン溶液を20mL注入した。次に、袋を50℃の恒温槽中で2時間振とうした。これにより、二軸延伸ポリプロピレンフィルムに4−クロロメチルスチレンをグラフト重合したグラフト重合体を得た。
(Production Example 1)
A biaxially stretched polypropylene film (trade name: pyrene film-OT, P2161, thickness 50 μm, dimensions 80 × 80 mm, manufactured by Toyobo Co., Ltd.) was sealed in a bag, and the inside of the bag was purged with nitrogen. This was irradiated with an electron beam under the conditions of an acceleration voltage of 750 kV and an absorbed dose of 200 kGy, and then 20 mL of a 40% by mass chloromethylstyrene-acetone solution was injected into the bag. Next, the bag was shaken in a constant temperature bath at 50 ° C. for 2 hours. Thereby, the graft polymer which graft-polymerized 4-chloromethyl styrene on the biaxially stretched polypropylene film was obtained.

次に、得られたグラフト重合体を袋から取り出してアセトン及び水で洗浄した後に、窒素置換した袋中に再び密封した。その袋中に5質量%のトリメチルアミン水溶液を20mL注入した。これを50℃の恒温槽で2時間振とうすることで、グラフト重合体とトリメチルアミンとを反応させた。これにより、グラフト鎖に陰イオン交換基が導入された陰イオン交換膜を得た。   Next, the obtained graft polymer was taken out of the bag, washed with acetone and water, and then sealed again in a bag purged with nitrogen. 20 mL of a 5 mass% trimethylamine aqueous solution was injected into the bag. The graft polymer and trimethylamine were reacted by shaking this for 2 hours in a thermostat at 50 ° C. As a result, an anion exchange membrane having an anion exchange group introduced into the graft chain was obtained.

得られた陰イオン交換膜を袋から取り出し、水で洗浄した後、乾燥させた。予め測定した二軸延伸ポリプロピレンフィルムの質量(W)と、陰イオン交換膜の質量(W)とを上述した式(A)に代入してグラフト率を算出した。The obtained anion exchange membrane was removed from the bag, washed with water, and dried. A premeasured biaxially mass of oriented polypropylene film (W 0), was calculated grafting rate by substituting the mass (W 1) and the equation described above the anion exchange membrane (A).

(製造例2〜4)
製造例2〜4では、クロロメチルスチレン−アセトン溶液の濃度を変更した以外は、製造例1と同様にして、グラフト率の異なる陰イオン交換膜を得た。
(Production Examples 2 to 4)
In Production Examples 2 to 4, anion exchange membranes having different graft rates were obtained in the same manner as Production Example 1 except that the concentration of the chloromethylstyrene-acetone solution was changed.

(製造例5及び製造例6)
製造例5及び製造例6では、製造例1の二軸延伸ポリプロピレンフィルムの代わりに無延伸ポリプロピレンフィルム(商品名:オーファンPPシート P23S、厚み250μm、寸法80×70mm、オージェイケイ株式会社製)を用いた。クロロメチルスチレン−アセトン溶液の濃度を調整した以外は、製造例1と同様にして、グラフト率の異なる陰イオン交換膜を得た。
(Production Example 5 and Production Example 6)
In Production Example 5 and Production Example 6, an unstretched polypropylene film (trade name: Orphan PP sheet P23S, thickness 250 μm, dimensions 80 × 70 mm, manufactured by OJK Corporation) instead of the biaxially stretched polypropylene film of Production Example 1 Using. Anion exchange membranes having different graft rates were obtained in the same manner as in Production Example 1 except that the concentration of the chloromethylstyrene-acetone solution was adjusted.

(電解液中のイオンの透過率の比較)
上記製造例1で得られた陰イオン交換膜について、電解液中のイオンの透過率を次のように測定した。まず、電解液を入れたガラス製容器の開口をイオン交換膜で密封した。電解液としては、0.2モル/Lの鉄(II)−クエン酸錯体水溶液を用いた。
(Comparison of transmittance of ions in electrolyte)
About the anion exchange membrane obtained by the said manufacture example 1, the transmittance | permeability of the ion in electrolyte solution was measured as follows. First, the opening of the glass container containing the electrolytic solution was sealed with an ion exchange membrane. As an electrolytic solution, a 0.2 mol / L iron (II) -citric acid complex aqueous solution was used.

100mLの蒸留水を入れたビーカーを準備し、上記のガラス製容器に取り付けた陰イオン交換膜を蒸留水中に浸漬した状態で、スターラーを用いて蒸留水を24時間撹拌した。次に、蒸留水中の鉄イオン濃度を測定した。この鉄イオン濃度を、陰イオン交換膜の面積1cm当たり、かつ電解液の濃度1モル当たり、かつ1時間当たりの濃度に換算し、その換算値を透過率とした。A beaker containing 100 mL of distilled water was prepared, and the anion exchange membrane attached to the glass container was immersed in distilled water, and the distilled water was stirred for 24 hours using a stirrer. Next, the iron ion concentration in distilled water was measured. This iron ion concentration was converted into a concentration per 1 cm 2 of an anion exchange membrane area, 1 mol of an electrolyte solution, and 1 hour, and the converted value was defined as a transmittance.

製造例2〜6で得られた各陰イオン交換膜、及び、ポリプロピレン製の多孔質基材を用いない市販の陰イオン交換膜(AHA、アストム社製)についても製造例1で得られた陰イオン交換膜と同様にして透過率を求めた。   The anion obtained in Production Example 1 for each of the anion exchange membranes obtained in Production Examples 2 to 6 and a commercially available anion exchange membrane (AHA, manufactured by Astom Corp.) that does not use a polypropylene porous substrate. The transmittance was determined in the same manner as the ion exchange membrane.

図2には、各製造例で得られた陰イオン交換膜のグラフト率と透過率との関係を示している。図2中の“A”で示されるプロットは、製造例1〜4の結果を示し、図2中の“B”で示されるプロットは、製造例5及び製造例6の結果を示す。図2のグラフ中の太線は、市販の陰イオン交換膜の透過率(透過率=2.0×10−7)のレベルを示している。FIG. 2 shows the relationship between the graft ratio and transmittance of the anion exchange membrane obtained in each production example. The plot shown by “A” in FIG. 2 shows the results of Production Examples 1 to 4, and the plot shown by “B” in FIG. 2 shows the results of Production Examples 5 and 6. The thick line in the graph of FIG. 2 indicates the level of transmittance (transmittance = 2.0 × 10 −7 ) of a commercially available anion exchange membrane.

(実施例1)
<レドックスフロー電池>
図1に示されるレドックスフロー電池を用いた。正極及び負極としては、カーボンフェルト(商品名:GFA5、SGL社製)を用いて電極面積を10cmに設定した。集電板としては、厚み1.0mmの純チタンを用いた。隔膜としては、上記の製造例1と同様にして製造した陰イオン交換膜(グラフト率71%)を用いた。
Example 1
<Redox flow battery>
The redox flow battery shown in FIG. 1 was used. As a positive electrode and a negative electrode, the electrode area was set to 10 cm 2 using carbon felt (trade name: GFA5, manufactured by SGL). As the current collector plate, pure titanium having a thickness of 1.0 mm was used. As the diaphragm, an anion exchange membrane (graft rate 71%) produced in the same manner as in Production Example 1 was used.

第1タンク及び第2タンクとしては、容量30mLのガラス容器を用いた。各供給管、各回収管、各ガス管及び排気管としては、シリコーン製のチューブを用いた。各ポンプとしては、マイクロチューブポンプ(MP−1000、東京理化器械株式会社製)を用いた。充放電装置としては、充放電バッテリテストシステム(PFX200、菊水電子工業株式会社製)を用いた。   Glass containers with a capacity of 30 mL were used as the first tank and the second tank. Silicone tubes were used as the supply tubes, the recovery tubes, the gas tubes, and the exhaust tubes. As each pump, a micro tube pump (MP-1000, manufactured by Tokyo Rika Kikai Co., Ltd.) was used. As the charge / discharge device, a charge / discharge battery test system (PFX200, manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd.) was used.

<鉄(II)−クエン酸錯体水溶液の調製>
蒸留水50mLに0.04モル(8.4g)のクエン酸を溶解させた。この水溶液に、0.01モル(0.4g)のNaOHを添加することで、pHを3に調整した。さらにこの水溶液に、0.02モル(5.56g)のFeSO・7HOを溶解させた。次に、この水溶液に、全量が100mLとなるように蒸留水を加えた。これにより、鉄(II)−クエン酸錯体の濃度が0.2モル/Lの水溶液を得た。
<Preparation of aqueous solution of iron (II) -citric acid complex>
0.04 mol (8.4 g) of citric acid was dissolved in 50 mL of distilled water. The pH was adjusted to 3 by adding 0.01 mol (0.4 g) of NaOH to this aqueous solution. Further, 0.02 mol (5.56 g) of FeSO 4 .7H 2 O was dissolved in this aqueous solution. Next, distilled water was added to the aqueous solution so that the total amount became 100 mL. As a result, an aqueous solution having an iron (II) -citrate complex concentration of 0.2 mol / L was obtained.

<チタン(IV)−クエン酸錯体水溶液の調製>
蒸留水50mLに0.04モル(8.4g)のクエン酸を溶解させた。この水溶液に、0.12モル(4.8g)のNaOHを添加することで、pHを6に調整した。さらにこの水溶液に、硫酸チタンの30質量%溶液を16g(0.02モルの硫酸チタンに相当)加えて水溶液が透明になるまで撹拌した。次に、この水溶液に、0.2モル(11.69g)のNaClを溶解させるとともに、全量が100mLとなるように蒸留水を加えた。これにより、チタン(IV)−クエン酸錯体の濃度が0.2モル/Lの水溶液を得た。
<Preparation of aqueous solution of titanium (IV) -citric acid complex>
0.04 mol (8.4 g) of citric acid was dissolved in 50 mL of distilled water. The pH was adjusted to 6 by adding 0.12 mol (4.8 g) of NaOH to this aqueous solution. Further, 16 g (corresponding to 0.02 mol of titanium sulfate) of a 30% by mass titanium sulfate solution was added to the aqueous solution, and the solution was stirred until the aqueous solution became transparent. Next, 0.2 mol (11.69 g) of NaCl was dissolved in this aqueous solution, and distilled water was added so that the total amount became 100 mL. As a result, an aqueous solution having a titanium (IV) -citrate complex concentration of 0.2 mol / L was obtained.

<酸素濃度の調整>
正極電解液として鉄(II)−クエン酸錯体水溶液を用いるとともに、負極電解液としてチタン(IV)−クエン酸錯体水溶液を用いた。第1ガス管から窒素ガスを供給することで、各電解液のバブリングを行い、各電解液中の溶存酸素量を0.8mg/L(飽和酸素濃度の約10%)以下に調整した。なお、第1ガス管からの窒素ガスの供給は、以降の充放電試験中においても継続した。
<Adjustment of oxygen concentration>
An iron (II) -citrate complex aqueous solution was used as the positive electrode electrolyte, and a titanium (IV) -citrate complex aqueous solution was used as the negative electrode electrolyte. By supplying nitrogen gas from the first gas pipe, each electrolyte solution was bubbled, and the amount of dissolved oxygen in each electrolyte solution was adjusted to 0.8 mg / L (about 10% of the saturated oxygen concentration) or less. The supply of nitrogen gas from the first gas pipe was continued during the subsequent charge / discharge test.

次に、第2ガス管からケース内に窒素を供給することで、充放電セルの周囲雰囲気の酸素濃度を1%以下に調整した。なお、第2ガス管からの窒素ガスの供給は、以降の充放電試験中においても継続した。   Next, the oxygen concentration in the ambient atmosphere of the charge / discharge cell was adjusted to 1% or less by supplying nitrogen from the second gas pipe into the case. The supply of nitrogen gas from the second gas pipe was continued during the subsequent charge / discharge test.

溶存酸素量は、溶存酸素計(飯島電子工業株式会社製、“B−506”)を用いて測定した。酸素濃度は、酸素濃度計(新コスモス電機株式会社製、“XPO−318”)を用いて測定した。   The amount of dissolved oxygen was measured using a dissolved oxygen meter (“B-506” manufactured by Iijima Electronics Co., Ltd.). The oxygen concentration was measured using an oxygen concentration meter (manufactured by Shin Cosmos Electric Co., Ltd., “XPO-318”).

<充放電試験>
充放電試験は、充電から開始し、まず、50mAの定電流で60分間充電した(合計180クーロン)。次に、50mAの定電流で、放電終止電圧を0Vとして放電した。
<Charge / discharge test>
The charge / discharge test was started from charging, and was first charged with a constant current of 50 mA for 60 minutes (total 180 coulombs). Next, the battery was discharged at a constant current of 50 mA with a final discharge voltage of 0V.

以上の充放電を1サイクルとして、充放電を100サイクル繰り返した。   The above charging / discharging was made into 1 cycle, and charging / discharging was repeated 100 cycles.

充放電を行う際のレドックス反応は、以下のように推定される。   The redox reaction at the time of charging / discharging is estimated as follows.

正極:鉄(II)−クエン酸錯体 ⇔ 鉄(III)−クエン酸錯体+e
負極:チタン(IV)−クエン酸錯体+2e ⇔ チタン(III)−クエン酸錯体
充放電試験において、充放電サイクル特性(可逆性)、クーロン効率、電圧効率、エネルギー効率、電解液の利用率、及び起電力を求めた。
Positive electrode: Iron (II) -citric acid complex ⇔ Iron (III) -citric acid complex + e
Negative electrode: Titanium (IV) -citric acid complex + 2e - ⇔ Titanium (III) -citric acid complex In the charge / discharge test, charge / discharge cycle characteristics (reversibility), Coulomb efficiency, voltage efficiency, energy efficiency, electrolyte utilization rate And the electromotive force.

充放電サイクル特性(可逆性)は、1サイクル目の放電のクーロン量(A)と10サイクル目の放電のクーロン量(B)から求めた。   The charge / discharge cycle characteristics (reversibility) were determined from the coulomb amount (A) of the first cycle discharge and the coulomb amount (B) of the tenth cycle discharge.

クーロン効率は、10サイクル目のクーロン量から求めた。   Coulomb efficiency was determined from the amount of coulomb at the 10th cycle.

電圧効率は、10サイクル目の平均端子電圧から求めた。   The voltage efficiency was determined from the average terminal voltage at the 10th cycle.

エネルギー効率は、10サイクル目の電力量から求めた。   The energy efficiency was determined from the amount of power at the 10th cycle.

電解液の利用率は、10サイクル目のクーロン量から求めた。   The utilization factor of the electrolytic solution was determined from the coulomb amount at the 10th cycle.

起電力は、10サイクル目の端子電圧とした。   The electromotive force was the terminal voltage at the 10th cycle.

(充放電試験の結果)
表1に、実施例1における充放電試験の結果を示す。
(Result of charge / discharge test)
Table 1 shows the results of the charge / discharge test in Example 1.

Figure 0006164576
図3には、実施例1の充放電試験において、8サイクル目から9サイクル目までの充放電した際の電池電圧の推移を示している。これにより、レドックスフロー電池としての実用性を有することが確認された。
Figure 0006164576
In FIG. 3, the transition of the battery voltage at the time of charging / discharging from the 8th cycle to the 9th cycle in the charging / discharging test of Example 1 is shown. Thereby, it was confirmed that it has the utility as a redox flow battery.

(実施例2〜4)
実施例2及び実施例3では、製造例1と同様にして陰イオン交換膜を得た。実施例4では、クロロメチルスチレン−アセトン溶液の濃度を変更した以外は、製造例1と同様にして陰イオン交換膜を得た。実施例2の陰イオン交換膜のグラフト率は、78%であり、実施例3の陰イオン交換膜のグラフト率は83%であり、実施例4の陰イオン交換膜のグラフト率は121%である。
(Examples 2 to 4)
In Example 2 and Example 3, an anion exchange membrane was obtained in the same manner as in Production Example 1. In Example 4, an anion exchange membrane was obtained in the same manner as in Production Example 1 except that the concentration of the chloromethylstyrene-acetone solution was changed. The graft rate of the anion exchange membrane of Example 2 is 78%, the graft rate of the anion exchange membrane of Example 3 is 83%, and the graft rate of the anion exchange membrane of Example 4 is 121%. is there.

実施例2〜4においても、上記実施例1と同様にして充放電試験を行い、エネルギー効率を求めた。   In Examples 2 to 4, a charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1 to determine energy efficiency.

(実施例5及び実施例6)
実施例5及び実施例6では、二軸延伸ポリプロピレンフィルムの代わりに、無延伸ポリプロピレンフィルム(商品名:オーファンPPシート P23S、厚み250μm、寸法80×70mm、オージェイケイ株式会社製)を用いるとともに、クロロメチルスチレン−アセトン溶液の濃度を変更した以外は、製造例1と同様にしてグラフト率の異なる陰イオン交換膜を得た。実施例5の陰イオン交換膜のグラフト率は、52%であり、実施例6の陰イオン交換膜のグラフト率は、88%である。
(Example 5 and Example 6)
In Example 5 and Example 6, instead of a biaxially stretched polypropylene film, an unstretched polypropylene film (trade name: Orphan PP sheet P23S, thickness 250 μm, dimensions 80 × 70 mm, manufactured by OJK Corporation) Anion exchange membranes having different graft rates were obtained in the same manner as in Production Example 1 except that the concentration of the chloromethylstyrene-acetone solution was changed. The graft rate of the anion exchange membrane of Example 5 is 52%, and the graft rate of the anion exchange membrane of Example 6 is 88%.

実施例5及び実施例6においても、上記実施例1と同様にして充放電試験を行い、エネルギー効率を求めた。   In Example 5 and Example 6 as well, the charge / discharge test was performed in the same manner as in Example 1 to determine the energy efficiency.

図4には、実施例2〜6における陰イオン交換膜のグラフト率とレドックスフロー電池のエネルギー効率との関係を示している。図4中の“A”で示されるプロットは、実施例2〜4の結果を示し、“B”で示されるプロットは、実施例5及び実施例6の結果を示す。図4のグラフ中の太線“C”は、ポリプロピレン製の多孔質基材を用いない市販の陰イオン交換膜(AHA、アストム社製)を隔膜として用いて実施例1と同様に充放電試験を行った際のエネルギー効率(エネルギー効率=70%)のレベルを示している。また、図4のグラフ中の太線“D”は、市販の陽イオン交換膜(CMS、アストム社製)を隔膜として用いるとともに、正極電解液に0.2モル(11.69g)のNaClをさらに溶解させた以外は、実施例1と同様に充放電試験を行った際のエネルギー効率(エネルギー効率=72%)のレベルを示している。   In FIG. 4, the relationship between the grafting rate of the anion exchange membrane in Examples 2-6 and the energy efficiency of a redox flow battery is shown. The plot indicated by “A” in FIG. 4 indicates the results of Examples 2 to 4, and the plot indicated by “B” indicates the results of Example 5 and Example 6. The thick line “C” in the graph of FIG. 4 is the same as in Example 1 except that a commercially available anion exchange membrane (AHA, manufactured by Astom Corp.) that does not use a polypropylene porous substrate is used as a diaphragm. The level of energy efficiency (energy efficiency = 70%) when performed is shown. The thick line “D” in the graph of FIG. 4 uses a commercially available cation exchange membrane (CMS, manufactured by Astom Corp.) as a diaphragm, and 0.2 mol (11.69 g) of NaCl is further added to the positive electrode electrolyte. Except for being dissolved, the level of energy efficiency (energy efficiency = 72%) when performing a charge / discharge test in the same manner as in Example 1 is shown.

図4に示される結果から、実施例2〜6のレドックスフロー電池のエネルギー効率は、市販のイオン交換膜を用いたレドックスフロー電池のエネルギー効率と同様に好適であることが確認された。   From the results shown in FIG. 4, it was confirmed that the energy efficiency of the redox flow batteries of Examples 2 to 6 was suitable as the energy efficiency of the redox flow battery using a commercially available ion exchange membrane.

Claims (4)

pHが2以上、8以下の範囲内の正極電解液及びpHが2以上、8以下の範囲内の負極電解液が用いられるレドックスフロー電池であって、ポリプロピレン製の非多孔質基材にハロゲン化メチルスチレンをグラフト重合してなるグラフト重合体と第三級アミンとを反応させることにより、前記グラフト重合体の有するグラフト鎖に陰イオン交換基を導入してなる陰イオン交換膜を、正極電解液と負極電解液の間の隔膜として有することを特徴とするレドックスフロー電池。 A redox flow battery in which a positive electrode electrolyte having a pH of 2 or more and 8 or less and a negative electrode electrolyte having a pH of 2 or more and 8 or less are used, and halogenated on a non-porous substrate made of polypropylene An anion exchange membrane formed by introducing an anion exchange group into a graft chain of the graft polymer by reacting a graft polymer obtained by graft polymerization of methylstyrene with a tertiary amine is obtained as a positive electrode electrolyte. A redox flow battery characterized by having a diaphragm between the anode and the negative electrode electrolyte. 前記陰イオン交換膜のグラフト率は、55%以上、130%以下の範囲内である、請求項1に記載のレドックスフロー電池。   The redox flow battery according to claim 1, wherein a graft ratio of the anion exchange membrane is in a range of 55% or more and 130% or less. 前記非多孔質基材は、二軸延伸ポリプロピレンフィルムである、請求項1又は請求項2に記載のレドックスフロー電池。   The redox flow battery according to claim 1, wherein the non-porous substrate is a biaxially stretched polypropylene film. 前記陰イオン交換膜のグラフト率は、70%以上、130%以下の範囲内である、請求項3に記載のレドックスフロー電池。   The redox flow battery according to claim 3, wherein a graft ratio of the anion exchange membrane is in a range of 70% to 130%.
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