JP2004519814A - Preparation of Vanadium Electrolyte Using Asymmetric Vanadium Reduction Cell and Use of Asymmetric Vanadium Reduction Cell to Rebalance the State of Charge in Electrolyte of Running Vanadium Redox Battery - Google Patents

Preparation of Vanadium Electrolyte Using Asymmetric Vanadium Reduction Cell and Use of Asymmetric Vanadium Reduction Cell to Rebalance the State of Charge in Electrolyte of Running Vanadium Redox Battery Download PDF

Info

Publication number
JP2004519814A
JP2004519814A JP2002520344A JP2002520344A JP2004519814A JP 2004519814 A JP2004519814 A JP 2004519814A JP 2002520344 A JP2002520344 A JP 2002520344A JP 2002520344 A JP2002520344 A JP 2002520344A JP 2004519814 A JP2004519814 A JP 2004519814A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
vanadium
cell
electrolyte
anode
solution
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.)
Pending
Application number
JP2002520344A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
ペレグリ・アルベルト
ブロマン・バリ・ミカエル
Original Assignee
スクワレル・ホールディングス・リミテッド
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
Application filed by スクワレル・ホールディングス・リミテッド filed Critical スクワレル・ホールディングス・リミテッド
Publication of JP2004519814A publication Critical patent/JP2004519814A/en
Pending legal-status Critical Current

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
    • H01M8/10Fuel cells with solid electrolytes
    • H01M8/12Fuel cells with solid electrolytes operating at high temperature, e.g. with stabilised ZrO2 electrolyte
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M50/00Constructional details or processes of manufacture of the non-active parts of electrochemical cells other than fuel cells, e.g. hybrid cells
    • H01M50/70Arrangements for stirring or circulating the electrolyte
    • H01M50/77Arrangements for stirring or circulating the electrolyte with external circulating path
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/04Auxiliary arrangements, e.g. for control of pressure or for circulation of fluids
    • H01M8/04082Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration
    • H01M8/04186Arrangements for control of reactant parameters, e.g. pressure or concentration of liquid-charged or electrolyte-charged reactants
    • 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
    • H01M8/188Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • 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
    • Y02E60/10Energy storage using batteries
    • 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

Abstract

電解液に供給された固形五酸化バナジウムから望ましい濃度比におけるV+3及びV+4を含有する酸性バナジウム電解溶液が、酸性電解溶液に溶解したバナジウムの少なくとも一部を、電解溶液を縦繋ぎの複数の電解セル間を循環させることにより、少なくとも部分的にV+3の状態に電気化学的に還元し、前記電解セルの最終セルからの電解溶液排出口における、このように還元されたバナジウム内容物を理論値量の五酸化バナジウムと反応させ、略V+4状態のバナジウムを含有する電解溶液を得、酸及び水を添加して、溶液を一定モル濃度に維持し、電解溶液を縦繋ぎの電解セル中を連続的に再循環させる一方、望ましい濃度でV+3及びV+4を含む生成された電解溶液流を、前記縦繋ぎセルのうちの一つより流出させることにより生成される。各セルは、カソードとアノードを有し、アノード表面において電流密度が突出カソード表面における電流密度の5乃至20倍となり、アノードにおいて酸素を発生させるように、夫々が表面形態及び幾何学的また相互に関係する配置を有するというように極めて非対称的である。このような型の非対称セルを稼動中のバッテリの陰及び陽電解液回路の一方で使用し、これらのバナジウム内容物の夫々の酸化状態を再均衡させることができる。An acidic vanadium electrolytic solution containing V +3 and V +4 at a desired concentration ratio from solid vanadium pentoxide supplied to the electrolytic solution is used to connect at least a portion of the vanadium dissolved in the acidic electrolytic solution to a plurality of vertically connected electrolytic solutions. By circulating between the electrolysis cells, the electrochemical reduction to at least partly the state of V +3 is carried out, and the vanadium content thus reduced at the electrolyte outlet from the last cell of said electrolysis cell is theoretically reduced. Reaction with a vanadium pentoxide in a value amount to obtain an electrolytic solution containing vanadium in a substantially V +4 state, adding an acid and water to maintain the solution at a constant molarity, and connecting the electrolytic solution in a vertically connected electrolytic cell. one to continuously recycled, preferable electrolytic solution stream produced containing V +3 and V +4 in concentration, thereby flowing out from one of said longitudinal connecting cell More it is generated. Each cell has a cathode and an anode, each having a surface morphology and geometric and mutual interaction such that the current density at the anode surface is 5 to 20 times the current density at the protruding cathode surface and oxygen is generated at the anode. Extremely asymmetric, such as having an associated arrangement. An asymmetric cell of this type can be used in one of the operating battery's yin and catholyte circuits to rebalance the respective oxidation state of these vanadium contents.

Description

【0001】
発明の背景
本発明は概してレドックス フロー バッテリ装置における再生可能な電気化学エネルギー貯蔵装置に関し、特に所謂全バナジウムレドックス二次バッテリに関するものである。
【0002】
全バナジウム レドックス セル、或いは単にバナジウム レドッククス セルまたはバッテリと呼ばれるバナジウム レドックス フロー バッテリは夫々陰(時にはアノード液と呼ばれる)ハーフセル電解溶液及び陽(時にはカソード液と呼ばれる)ハーフセル電解溶液においてV(II)/V(III)及びV(IV)/V(V)を二個のレドックスカプルとして使用する。
バナジウムバッテリで使用される代表的な電解液は50%の+3の酸化状態のバナジウムイオン及び50%の+4の酸化状態のバナジウムイオンの混合液である。
【0003】
通常電解液は二個の同部分に分けられ、それらは夫々バッテリの陽電解液室及び陰電解液室、より詳しく言えば、夫々の流回路に設けられている。この開始状態においてバッテリは事実上ゼロの開放電圧を有する。
十分に高い出力電圧を有する外部電源によりバッテリに電流が強制的に流されると、陰電解液中のV+4(50%)はV+3に還元され、同時に陽電解液中のV+3(50%)はV+4に酸化される。
一定時間後、バッテリの夫々の電解液室中を陰電解液循環ポンプによって連続的に循環される陰電解液はV+3のみ有し、バッテリの夫々の電解液室中を陽電解液循環ポンプによって循環される陽電解液はVのみ有する。
【0004】
この状態ではバッテリはゼロ充電状態(SOC)にあると言え、バッテリの開放電圧はおよそ1.1ボルトである。
バッテリ中を「充電」流を通し続けることにより、陰電極においてV+3はV+2に還元され、陽電極においてはV+4はV+5に酸化される。この変換が(充電工程の終了時に)完了すると、バッテリは1.58ボルトの開放電圧を有し、バッテリは100%に等しいSOCを有すると言うことができる。
バナジウムは五酸化バナジウム(またはバナジン酸アンモニウム)として購入することができる。いずれにせよ、これは通常+5の酸化状態で市販されている。
【0005】
全バナジウム レドックス バッテリ装置の蓄電容量は酸性電解液に溶解しているバナジウムの量によって決定される。電解溶液の一定モル濃度に対し、蓄電容量は二つの電解液の容積に直接比例する。
明らかに、レドックス バッテリ装置の二個の回路に最初に充填する為、及び/又は現存するバッテリ設備の蓄電容量を拡大するために、市販されている五酸化バナジウム(またはバナジン酸アンモニウム)を開始(供給)剤として使用して、電解液として適当なバナジウムの酸性溶液を製造する必要がある。
従ってバナジウム電解液を調整する工程は、硫酸(又は他の酸)にVを溶解させ、それを還元してV+3(凡そ50%)とV+4(凡そ50%)の要求される混合液にすることからなる。
【0006】
細分化された(粉状の)固形五酸化バナジウムは水、または硫酸などの酸にほんの少ししか溶解せず、Vを酸に溶解して電解液を用意するという簡単な工程をとることはできない。
を溶解するにはまず之をより低度の(より溶け易い)酸化状態に還元する必要がある。
+5の溶解及び還元には、主として還元化合物を用い、あるいは複雑な電解及び化学加工方法を使用する種々の方法が提案されている。
【0007】
EP−A−0566019は、五酸化バナジウムまたはバナジン酸アンモニウムを濃硫酸中で化学還元を行ない、その後沈殿物を熱処理することによるバナジウム電解溶液の製造方法を開示する。
WO95/12219及びWO96/35239は、固形五酸化バナジウムからバナジウム電解溶液を調整する電気化学―化学方法及びそれを安定化する方法を開示する。五酸化バナジウムはイオン交換膜のセルからなる特別な羽板状のカソード上で溶解され、五酸化バナジウムのスラリーを流して羽板状のカソードに接触させることにより行われる。
【0008】
今までに開発された適切な酸性バナジウム電解液を調整する方法及び技術はかなり複雑で高価であった。他方、全バナジウム フロー レドックス バッテリ装置の総体的経済性には比較的低価格でバナジウム電解溶液が入手し得ることが、他のエネルギー貯蔵装置との比較におけるバナジウム レドックス バッテリの費用―効果評価の重要な要素である。
これらの要請を充足させるための基本は供給材料として比較的安価な固形五酸化バナジウムを用いることである。
【0009】
発明の目的及び要約 酸性電解液に五酸化バナジウムを容易に溶解させ、還元させる、際立って簡素で低価格な方法がいまや発見された。
本発明はバナジウム電解液を五酸化バナジウム(またはバナジン酸アンモニウム)供給材料より調整するには特に有用で、溶液の最低限の処理に減少させつつ、極めて簡単で低コストの電解セルを使用することによって実施される。
それにも拘らず、本発明の方法はエネルギー消費の観点からしても全く有効性を維持している。
【0010】
本発明の方法は本質的に連続方法で、一定量の循環するバナジウム電解溶液には連続的に、細分化された、あるいは粉末状の固形五酸化バナジウム(V)と、溶液を一定モル濃度に維持するために酸及び水が供給する一方、略同程度または他の望ましい濃度のV+3及びV+4を含む同量の電解溶液を連続的に流出される。
流出した電解溶液流が工程の生成物を示す。
【0011】
基本的に本発明による方法は、
電解溶液を水力的に縦繋ぎの複数の電解セルのカソードと接触させ、第一セルに導入される溶液のV+4内容物の一部あるいは全部を順次V+3に、何れは電解溶液中の少量のV+2にまで、縦繋ぎの複数のセルの最後の電解セルからの電解溶液排出口において還元させるように通過させ、
このように還元された最終電解セルの出口における電解溶液のバナジウム内容物を攪拌手段を有する溶解槽において理論値量の五酸化バナジウム(V)と反応させて、対応する量の略完全にV+4状態であろう溶解バナジウムを含有する電解溶液を得、
(例えばV+4に近い)バナジウム電解溶液に酸、硫酸または他の同等の酸及び水を添加して、溶液を一定モル濃度に維持し、
電解溶液を縦繋ぎの電解セル間に再循環させる一方、望ましくは略同濃度のV+3及びV+4を含有する電解溶液流を、縦つなぎセルのうちの一つの出口より流出させることよりなる。
【0012】
電解セルに必須の様相は、カソードとアノードが、アノード表面において電流密度が突出カソード表面における電流密度の5乃至20倍となり、アノードにおいて酸素を発生させるように、夫々表面形態及び幾何学的また相互に関係する配置を有することである。
実際にはカソードはカーボンフェルトまたは活性カーボンフェルトまたは比較的大きな表面積を提供する同様の材料からなることができ、チューブ型あるいは溝形状でさえよく、他方アノードはチューブ型または溝形状カソードの幾何学軸に沿って配置された薄い棒形状でよい。
【0013】
アノードの比活性面積と比べて比較的大きいカソードの比活性面積及び、これらの突出面積比は活性アノード表面における電流密度が幾何学的に突出したカソード表面における電流密度の5乃至20倍となるように設定されている。
カソードの突出面積の電流密度を約1から数百A/m程度で作動させ、チューブ型あるいは同等の、少なくとも部分的に包み込まれるカソードと「同軸」に配置されたアノードの直径を設定することにより、1000A/mを越えるまたはそれ以上のアノード電流密度が達成される。
【0014】
極めて不均衡な電流密度と比較的高いアノード電流密度というこれらの条件下においては、電解セルを流れる電流はV+4からV+3へのカソード還元が確実に略完全に唯一のカソードハーフセル反応であるよう(即ち、水素発生のような寄生反応を防止するように最高電流密度を制限すること)に調節されているので、アノードハーフセル反応は主として酸素発生(水電解)反応に助けられている。
実際、熱力学的に有利な、V+3からV+4への酸化というアノードハーフセル反応は、アノード表面とカソード表面との間の間隙を満たす大量の電解液からセルのアノード表面に向かうV+3イオンが移動し、そして何れ拡散する率が極めて不充分であるため、実質的にまた効果的に妨げられる。
【0015】
バナジウムイオンのアノード表面に向かう移動及び/または拡散に対する更に重要な障害は、このように比較的高い電流密度ではアノード表面を覆って盛んに発生する酸素ガス気泡の存在として現われる。
縦繋ぎのセルの最終セルから排出される電解液の全てのV+4をV+3に殆ど完全に還元するには、水力的に縦繋ぎの複数の電解セル間を電気的に直列に強制的に流される電流を縦繋ぎのセルを流れる電解液の流速の関数として調節してもよい。
むろん、これは理想条件に過ぎず、実際には、過電流の時に電流がセル間を流れた、あるいはその逆といった欠陥があった場合に、最低限(残留)の量のV+4が存在することがあり、V+3からV+2への初期還元が起こり、最終セルから排出される電解液において、少量のV+2がV+3と共に存在することがある。
【0016】
酸素発生を促進させるため、アノードは低い酸素過電圧の電気触媒表面を有し、就中、アノード分極と酸素排出という状態で酸性電解液に対する耐性を有する。
例えば、アノードは、アノードへの加害に対して耐性を有するチタン、タンタル等のバルブ金属、或いはこれらの合金からなり、酸素を排出する電気触媒よりなる非不動態活性コーティングを有する棒であってもよい。
コーティングは混合酸化物または少なくともイリジウム、ロジウム及びルテニウム等の貴金属の酸化物と少なくともチタン、タンタル及びジルコン等のバルブ金属の酸化物の混合物でもよい。活性コーティングは代りにプラチナ、イリジウムまたはロジウム、あるいはこれらの金属を導電酸化マトリックスに分散させたものであってもよい。
【0017】
通常の機械的攪拌器を有する溶解槽において、最終セルより排出される電解溶液は理論値量(還元電解溶液に含有されるV+3(V+2)の量を参照する)の固形五酸化バナジウムを粉砕し及び/またはふるいにかけて、100μm未満の最大寸法を有するように細分化された(粉末状の)固形五酸化バナジウムと反応される。
上澄み抜きされた、またはろ過された溶液は貯蔵器にて回収され、未溶解の五酸化バナジウムを全て溶解槽に再循環してもよい。
このようにバナジウム濃化された溶液は、比較的少量の溶解バナジウムがV+5として存在すかもしれないが、略V+4状態のバナジウムを含む。
酸、最も普通で、好ましいは硫酸であるが、これと水とを、バナジウム濃化されろ過した電解溶液に加えることにより、電解溶液の一定濃度が保たれている。当然バナジウムのモル量が高い程、出力対電解液の総容積比は高くなるが、臨界温度条件下での溶液の安定度に対する問題が、比較的高いモル濃度で発生することがある。最も好ましくは、硫酸溶液の場合にはバナジウムのモル量は2乃至5の間でよい。
【0018】
溶液はポンプにより縦繋ぎセルの第一セルの流入口に返され、V+4へ(及びあらゆるV+5残留物)からV+3及びやがてV+2へ電気化学還元される。
電解液製造装置の生成物は略同量のV+3とV+4を含有し、再循環される溶液の本流より縦繋ぎセルのうちの一個のセルの出口より流出することができる溶液である。
大量の酸素発生及びそれに対応するV+4からV+3への少量の還元の原因となるアノード表面における不相応に大きな電流密度は、更にあらゆる酸性バナジウム電解液の調整工程の経済性全体に占める電気エネルギーの費用の負担が相対的に軽いことを考慮すれば、工程の総効率を許容し得る程度以上に維持するには、驚くほど十分な条件である。
【0019】
他の実施例として、棒状アノードと周囲の筒状カソードとの間のスクリーンまたは微少孔セパレータおも含めることにより、効率を更に高めることができる。
スクリーンまたは微少孔セパレータは、連続的にアノード表面で成長し、そこより離れながら、浮力により電解液を上昇する酸素気泡の有効な「封じ込め部材」となり、スクリーンとカソードとの間の空間に含まれる大量の電解液における対流運動を最低限に抑制することができ、更に、還元されたバナジウムイオン(V+3)が移動し、次第にアノードに到達するのを減少させることができる。
最も効果的な微少孔セパレータは、底端で閉じられ、(この場合には上部よりセルに挿入される)棒状アノードを包むガラスフリット管でよく、発生した酸素気泡は、一端電解液より浮上すると、直ちに通気口よりセルから排出することができる。適切な微少孔セパレータの代りに約1mm厚さのポリプロピレン繊維のフェルトであってもよい。
【0020】
本発明による好ましい実施例の説明
図1の機能概略図を参照するに、本発明によるバナジウム電解液調整装置は、縦繋ぎ状に水力的に接続され、適切なDC電源R1から電気的に直列に電力供給される複数の電解液バナジウム還元セルC1、C2、C3、…C6よりなる。
縦繋ぎの最終セルC6より排出される溶液は、攪拌手段S1を有する溶解槽T1で集められる。
【0021】
五酸化バナジウム(V)は適切な量、一例として従来の供給ホッパー及びモータ駆動により制御された供給機械装置により溶解槽T1に導入される。
バナジウム濃化された溶液は、次第に非溶解の五酸化バナジウムの残留固形粒子を含むようになり、液面排出口を介して溶解槽T1より流出し、沈降槽T2で上澄みが抜かれる。
ポンプP2が沈降槽T2の底に次第に集められる分離した五酸化バナジウムの残留固形粒子をやがて溶解槽T1に再循環させる。
バナジウム濃化された、ろ過された溶液はやがて貯蔵器T3に集められる。
【0022】
貯蔵器T3に収拾されたバナジウム濃化された溶液のバナジウム内容物は実質的にV+4状態のバナジウムを含む。内容物は縦繋ぎの最終還元セル(C6)より流出する電気化学的に還元された溶液に存在するV+3及びいずれ存在するV+2の量、及びそれと同量溶解して還元されたV+5との和に相当する。実際、V+5の不反応残留量が、このようにT3に収拾されたバナジウム濃化された溶液にV+4と共に存在することもある。
この溶液はバナジウム電解液の望ましいモル濃度を維持するのに適切な相対的量の酸、代表的にはHSOと水HOを加えた後、ポンプP1により縦つなぎのバナジウム還元電解セル中を連続的に循環される。
従って第一還元セルC1に入るバナジウム電解溶液は略V+4、及びV+5が残留量存在することもあるが、を含有する。
【0023】
還元セルC1、C2、C3、…C6の陰電極(カソード)において、主な反応は、
+4+e=V+3 (より正確にはVO+2+e+2H=V+3+HO)であり、+5の酸化状態のバナジウムが存在する場合には、他の反応は、
+5+e=V+4 (より正確にはVO+e+2H=VO+2+HO)である。
【0024】
陰電極では他の反応は起こらない。カーボンフェルト電極は比較的高い水素過電圧を有し、カソード表面の有効電流密度は十分に低い値に抑えられているので水素の発生(熱力学的に有利なハーフセル反応)は起こらない。
陽電極において、理論的には主反応は存在するあらゆるバナジウムイオンの低酸化状態(+4、+3、及び+2)から五価のバナジウム(V+5)への酸化(熱力学的に有利なハーフセル反応)であるはずである。
実際、アノード表面に近在するバナジウムイオンは直ちにV+5に酸化され、何れアノードに向かって移動、拡散する低酸化状態のバナジウムイオンも酸化される。しかしながら陽電極の近隣に存在するバナジウムイオンはV+5に変換され(消費され)、アノードハーフセル反応が、唯一可能な他のハーフセル反応、即ち次の反応による酸素ガスの排出及びその結果としての発生に益々助けられて開始される。
O=O+2H+2e
【0025】
本発明の非対称セルでは、イオン交換膜セルと、バナジウム含有カソード液とこれを補助する酸性アノード液の別々の回路とを用いた従来の装置のようにバナジウムの酸化は実質的に除外されるのではない。実施においてセルのアノードに到達することのできるバナジウムイオンは直ちにV+5まで酸化される。
【0026】
しかしながら電極電流密度に特異な不均衡が生ずるため、アノードは比較的高い電流密度において作用し、その密度は電解溶液中のバナジウムイオンがアノード表面に向かって移動、拡散する工程が支持しうるより高い程度の範囲である。その結果アノード表面では大量の酸素の発生が促進され、酸素ガス気泡が盛んに発生することは、V+3イオンがアノードに向かって移動することの「機械的」障壁となる。
カソード還元されたバナジウムイオンのアノードへの拡散を妨害する障壁はスクリーンまたは透過(微少孔)膜を用い、これらにより酸素気泡集団をアノードの近辺に閉じ込め、依ってガス封入スクリーンとカソード表面との間の空間に存在する還元バナジウムイオン濃化された電解液の大半中に強い対流運動が発生するのを防ぐことにより、大いに高めることができる。
低酸素過電圧アノードを使用することは酸素発生を促進することに過ぎない。
【0027】
より透過性のあるスクリーンや膜の代りに比較的に緊密な微少孔を有するセパレータを使用すると、全体的ファラデー効果は顕著に増加するが、セル電圧もまた増加する。従って、エネルギー消費は電流と電圧の積であることを考慮して最良の折衷案が求められる。
カソード対アノード電流密度比が約5の時、40%以上のファラデー効果が容易に確保でき、この電流密度比を20まで上昇させれば効果は80%または更にそれ以上のレベルに達することが分った。ガス封入スクリーン及び比較的緊密な微少孔を有するセパレータを用いることにより、更にこれらの数値を顕著に高めることができる。
【0028】
溶解槽T1において、電解還元されたバナジウム電解溶液に含まれるV+3は固形五酸化バナジウムV(またはバナジン酸アンモニウム)と反応させ、これを以下の反応にしたがって溶解し、V+4に還元する。
(V+5+V+3=2V+4)、あるいはより詳しくは
+2V+3+2H=4VO+2+HO(1)
及び(V+2が存在するならば)、
(2V+5+V+2=3V+4)、あるいはより詳しくは
+V+2+4H=3VO+2+2H
【0029】
本発明のバナジウム電解液調整装置で使用される発明による非対称セルの断面図は図2に示されている。
図2で図示された実験用試験セルは筒状チューブ型本体1よりなり、これは代表的には電解液に対する化学的耐性を有する金属、またはPVC等の非導電性で耐酸性のプラスチックよりなり、底がプラグ2により閉じらており、チューブ型本体1の下部に流入口3及び上部溢流口4を有する。
数ミリメートルの厚さのカーボンフェルト5よりなるようにすることができる筒状カソードをチューブの内側筒状面に設け、適当に留めてもよい。フェルトカソードには適切な端子6を設け、セルをDC電源回路に電気接続してもよい。
【0030】
図2に示した実験用試験セルにおいて、カソードの内側筒状面領域は約50mmの直径と、おおよそ250mmの電解溶液と接触する高さを有する。
アノード7は、直径6.3mm(1/4インチ)で、イリジウム及びタンタルの混合酸化物でコーティングされ、電解液に浸される長さがおおよそ250mmのチタン棒である。
コーティングされたチタン棒のアノード7は筒状カーボンフェルトのカソードの軸方向に沿って配置されている。
このように規定された実験用試験セルは、カーボンフェルトカソードの突出面積が約353cmである一方、チタン棒アノードの表面は約47cmである。
【0031】
セルを強制的に通る7Aの電流の場合、チタンアノード表面の電流密度はおよそ0.1485A/cm=1500A/mである一方、カーボンフェルトの突出領域の電流密度は0.022A/cm=220A/mである。しかしながら、カソードが、カーボン繊維のフェルトの形態をとり、開口し、容易に浸透される形態のおかげで、カーボンの実際の、あるいは有効カソード電流密度は、カーボンフェルトカソードの幾何学的に突出した筒状面積から計算された電流密度より2から10倍小さいと推定できる。
【0032】
図3は他の実施例によるバナジウム還元セルの断面図を示す。
唯一の相違は、流体透過スクリーンまたは膜、あるいは微少孔を有するセパレータ8の存在として表わされており、それは筒状カソード表面と、同軸に配置された棒状アノードの間に設けられ、棒状アノード7の周囲に筒状空間を形成し、アノード表面に発生し、その面より次第に離れて周囲の電解液に向かう浮揚性酸素気泡をその筒状空間に略閉じ込めた状態に維持する。
スクリーン−膜8はV+4からV+3へ、やがてV+2への望ましい還元が起こるカソード表面近傍の電解液体が強い対流運動に誘導されることを略防ぐことができる。
【0033】
小さく、高密度で均一に配分された孔を有するプラスチックのチューブはガス気泡封入スクリーンとして十分であるかもしれないが、酸素気泡封入スクリーン8の代りに、例えば網状チタンワイヤ又はプラスチック繊維で織られた布などの抵抗材からなる細い網でもよい。更に好ましくは、ガス封入スクリーン8は、例えばガラスフリット、または焼結チタンのような抵抗金属粒子からなる、多孔性或いは微少孔を有するチューブでもよい。
【0034】

本発明の技術の有効性を証明する為、内径8cmで、1/2リットルのガラスビーカーを使用した。
約6mm(1/4インチ)の厚さのカーボンフェルトをビーカーの内壁に沿って設置し、DC電源の陰極に電気的に接続した。
IrO−ZrOが混入された酸化物をコーティングした外径約6mm(1/4インチ)のチタン棒をビーカーの幾何学軸に沿って垂直に配置し、DC電源の陽極に電気的に接続した。
突出したカソード面積とアノード面積の比は約10,7であった。
【0035】
1mm厚さのポリプロピレンを下部で閉じた約12mmの内径を有する円形チューブ状に形成し、コーティングされたチタン棒アノードの周囲に同軸にビーカー内に配置した。
ビーカーに5モルの硫酸及び90.9g(0.5モル)の五酸化バナジウム紛の溶液473mlを満たした。混合液の総容積は0.5lであった。
理論的には1モルのバナジウムを+5の状態から+4の状態に還元するには26.8Ah必要である。
【0036】
混合液を電磁スターラーで攪拌し、五酸化バナジウムの黄色粉末は数日間略溶解しないままであった。
DC電源を入れ、その出力電圧を調節して8AのDC電流をセル内に強制的に流した。陽極(アノード)の電流密度はおよそ5,013A/m、カーボンフェルトの突出領域における陰極(カソード)の電流密度はおよそ468A/mであった。
電池の電圧は3.8乃至4.0ボルトで実質上一定であった。
懸濁液を磁気スターラーで静かに攪拌し、5.26時間電流を流すと、黄色粉末は完全に溶解したように見られた。
【0037】
このようにして得られた青色溶液を分析したところ、2モルのバナジウムを含有し(2モル溶液)、バナジウムの酸化状態は+3.55であることが分った。
この工程のファラデー(電流)効率は92.28%と推定された。
より小さい電流の5Aで再度テストを行ったところ、必要時間は9.87時間であった。ファアラデー(電流)効率は約78.74%に減少したが、電池の電圧も2.8ボルトに減少した。
フェルトの代りに薄いポリプロピレン織布を使用したところ、電流効率は約47%に減少し、透過性封入要素を一切使用しない場合には約20乃至25%に減少した。
【0038】
このような(ガラスビーカーで攪拌という)最適ではない実験室装置でのテスト条件下においても、生成されたバナジウム電解液1リットル当り0.2乃至0.5kWhの範囲の電力消費であったことは、バナジウム電解液を製造する総体的経済性に関し、かなり低コストの数字を示しすものである。
本発明の非対称バナジウム電解液還元セルが効率よくまた安価に酸性電解溶液に溶解したバナジウムの酸化状態を変更できるということは、バッテリがもはや許容できない程の不均衡状態になる毎にレドックス バッテリ装置を非稼動状態にして高価で時間を消費させる工程を実施することなく、稼動中のバッテリの陽及び陰バナジウム電解液の充電状態を再均衡状態にするには、比較的に簡素で低価格、略非分割で非対称な本発明のセルを理想的に相応しいものにしている。
【0039】
バナジウム バッテリ エネルギー貯蔵装置を作動させるに当って起こる課題の性質をより理解するには、次第に顕著になる不均衡状態に至る主なメカニズムを簡単に想起することが役に立つであろう。
理論上、バナジウム レドックス バッテリの充電と放電中における唯一の工程はバナジウムの電気化学的酸化と還元であり、他の如何なる副反応は起こらないと仮定すれば、バナジウム バッテリの充電及び放電工程は対称的な工程である。
【0040】
充電中、バッテリを流れる電流は陽電解液室ではV+4をV+5に酸化させ、同時に、同速度で陰電解液室ではV+3からV+2へ還元させる。放電の間、反対の酸化及び還元反応が陽及び陰電解液室で起きる。
残念ながら実際には状況は異なる。
行われている工程はバナジウムの電気化学的酸化及び還元だけではない。以下の副反応が作動の臨界条件で起こりがちである。
1)陰極における水素ガスの電気化学的発生
2)陽極における酸素ガスの電気化学的発生(*)
3)V+2からV+3への化学的酸化
4)V+4からV+5への化学的還元
(*)陽極がカーボンからなるならば、酸素の発生は部分的、或いは全面的に二酸化炭素の発生に取って代わられる。
【0041】
反応1)及び2)は充電状態が一旦100%達成されてしまえば唯一の反応となる。実際には、陽電解液室中の電解液に存在する全てのV+4がV+5に酸化してしまえば、電流を補助するであろう陽極における唯一の反応は酸素(または二酸化炭素)の発生である。同様に陰電解液室中の電解液に存在する全てのV+3がV+2に還元してしまえば、電流を補助するであろう陰極における唯一の反応は水素の発生である。これらの反応はバッテリの充電中に起こりはじめるが、充電状態が90%を超えると比較的少量になる。
バナジウムが酸化あるいは還元される電圧は生成された化学種と消費された化学種(ネルンスト式)の比に比例して増加するのであるから、高い充電状態の時にはセル電圧は略1.5ボルトの水素及び酸素が発生する(水電解)の電圧まで上昇する。極めて速い速度(電流)で放電が起きるときにも反応1)と2)は、比較的少量であるが、起こる。
電流密度が限界電流に近づくにつれ、水素と酸素は副(寄生)電極反応として発生し始める。
【0042】
限界電流とは電極表面におけるバナジウムの酸化または還元の速度が、バナジウムイオンが消耗した層を介して電解液の大部分から電極表面に拡散する速度と一致する時の電流である。
反応3)、即ちV+2からV+3への酸化はバナジウム バッテリの作動中最もよく繰り返えされる副反応である。V+2は空気の存在下で容易にV+3に酸化される

したがって、(窒素ガスで覆う、または電解液の表面をワックス等で覆うことにより)大気が陰電解液と接触するのを厳格に防止している場合以外にはこのような副反応は直ちに起こる。
上記の副反応のため、バッテリの作動を何サイクルも繰り返すと対称性は相当失われ始めるであろう。
【0043】
電解液が不均衡になる他の理由は、使用される膜が完璧なセパレータではないことに起因する。アニオン膜はまた必然的に少量の陽イオン(HとV+n)も透過する。
アニオン膜に比べるとより高い機械的及び化学的抵抗を有するため、一般的にカチオン膜がバッテリのセルセパレータとして好まれる。
実際カチオン膜は主として水素イオン(Hの拡散率はバナジウムイオンの拡散率よりすっと高い)を透過する。
バッテリ充電中、
VO2++HO=VO +2+e
の反応にしたがって陽電解液室で発生した水素イオンは、より移動性の少ない少量のバナジウムイオンと共に、容易に陰電解液室に膜を通って移動する。
【0044】
バナジウムイオンの移動により対応する量nの陰電解液室に存在する還元されたバナジウムイオン(V+3とV+2)が酸化されるが、この工程は完全に可逆的ではない。何故なら異なる酸化状態のバナジウムイオンは、溶剤分子(水、硫酸)と異なる方法で自らを配位し、膜のカチオン交換樹脂において異なる移動度を有する。実際、以降の放電段階において、反対方向に膜を越えるバナジウムの数は充電段階に移動した数と全く同数ではない。
電解液が次第に不均衡になることは、以下のような数々の問題を引き起こす。
1)電解液のkWH/リットルに換算した)バッテリの容量は比例して減少する。
2)充電の間、二つの電解液の一方が完全に充電されるのに対して他方は部分的にしか放電されない。
【0045】
実際、陰電解液室からの空気の除去がしばしば不完全である小型のバッテリにおいて特に、陽電解液室のバナジウムイオンはV+5に完全に酸化する一方、顕著な量のV+3が陰電解液室に残留することがある。この状態は非常に危機的である。何故なら別個の電解液において酸化状態が慎重に制御されておらず、単に開放電圧を測定するだけであるならば、V+4からV+5への完全酸化に到達する点まで充電は続くからである。この状態では、カーボン電極における酸素の大量発生は電極を酸化させ、破損させるであろう。
通常の取り組みとしては、充電及び放電のサイクルが一定回数になると、二つの(陰及び陽)電解液を混合し、酸化状態を測定し、+3.5と異なる場合には+3.5に化学的に調整される。
【0046】
実際にはバッテリを止め電解液を混合するに当って、(主として副反応3)の支配的効果の影響のため)バナジウム酸化状態は常に+3.5以上である。
電解液は+3.5の酸化状態に還元剤(シュウ酸、亜硫酸塩等)を添加することにより再調整される。
この後、かなりの量のエネルギーを費やして装置を充電ゼロ状態(陰電解液ではV+3、陽電解液ではV+4)に戻さなくてはならない。
定期的に費やされるこのエネルギーの量はエネルギー貯蔵工程の純損失を示す。
【0047】
本発明の態様によれば、この少なくない損失は、本発明の比較的小型のバナジウム還元非対称セルを、図4に概略的に示す陰及びより好ましくは陽電解回路に設置することにより、多大に減少させることができる。
図示のとおり、陽電解液を全体的、あるいは部分的に(後者の場合、例えば調整可能な三方弁または他の手段を使用することにより)比較的小型の非対称バナジウム還元セルRed中を循環させることができる。
対称的バナジウム酸化状態の配置を維持するためには、連続的或いは非連続的にセルRedを必要に応じて作動させればよい。
このような補助的還元セルRedの存在によって可能性が開けたおかげで、二つの電解液を混合させ、酸化状態を約+3.5に調整し、充電ゼロ状態を回復するためにバッテリを前充電状態にする必要性が除去され、あるいは例外的な場合にのみ必要とされるようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】
図1は本発明による固形V供給材料よりバナジウム電解液を調整する装置を示す。
【図2】
図2は本発明によるバナジウム還元セルの断面図である。
【図3】
図3はバナジウム還元セルの他の実施例の断面図である。
【図4】
図4は本発明のバナジウム還元セルを含む再均衡機能用の電解液回路におけるバナジウム フロー レドックス バッテリ装置を示す基本概略図である。
[0001]
Background of the Invention
The present invention relates generally to renewable electrochemical energy storage devices in redox flow battery devices, and more particularly to so-called all-vanadium redox secondary batteries.
[0002]
All vanadium redox cells, or simply vanadium redox cells or batteries, called Vanadium Redox Flow Batteries, are referred to as V (II) / V in negative (sometimes called anolyte) and positive (sometimes called catholyte) half-cell electrolytes, respectively. (III) and V (IV) / V (V) are used as two redox couples.
A typical electrolyte used in a vanadium battery is a mixture of 50% +3 oxidation state vanadium ions and 50% +4 oxidation state vanadium ions.
[0003]
Usually the electrolyte is divided into two identical parts, which are respectively provided in the positive and negative electrolyte chambers of the battery, and more particularly in the respective flow circuits. In this starting state, the battery has a virtually zero open circuit voltage.
When a current is forcibly applied to the battery by an external power supply having a sufficiently high output voltage, V in the negative electrolyte is reduced.+4(50%) is V+3At the same time as V in the positive electrolyte+3(50%) is V+4Is oxidized.
After a certain time, the negative electrolyte continuously circulated in the respective electrolyte chambers of the battery by the negative electrolyte circulation pump is V+3The positive electrolyte circulated in each electrolyte chamber of the battery by the positive electrolyte circulation pump is V+Only have.
[0004]
In this state, the battery is said to be in a zero charge state (SOC), and the open circuit voltage of the battery is approximately 1.1 volts.
By continuing to pass the "charge" flow through the battery, V+3Is V+2And at the positive electrode V+4Is V+5Is oxidized. When this conversion is complete (at the end of the charging process), it can be said that the battery has an open circuit voltage of 1.58 volts and the battery has an SOC equal to 100%.
Vanadium can be purchased as vanadium pentoxide (or ammonium vanadate). In any case, it is commercially available, usually in the +5 oxidation state.
[0005]
The storage capacity of all vanadium redox battery devices is determined by the amount of vanadium dissolved in the acidic electrolyte. For a given molarity of the electrolyte, the storage capacity is directly proportional to the volume of the two electrolytes.
Obviously, commercially available vanadium pentoxide (or ammonium vanadate) was started to initially fill the two circuits of the redox battery device and / or to increase the storage capacity of existing battery equipment ( It is necessary to prepare an acidic solution of vanadium suitable as an electrolyte solution to be used as a feed) agent.
Therefore, the step of preparing the vanadium electrolyte is to add sulfuric acid (or other acid) to V2O5Is dissolved and reduced to obtain V+3(About 50%) and V+4(Approximately 50%) of the required mixture.
[0006]
Finely divided (pulverized) solid vanadium pentoxide is only slightly soluble in water or acids such as sulfuric acid,2O5Cannot be taken by simply dissolving the compound in an acid to prepare an electrolytic solution.
V2O5To dissolve it, one must first reduce it to a lower (more soluble) oxidation state.
V+5Various methods have been proposed for dissolving and reducing the compound, mainly using a reducing compound or using complicated electrolytic and chemical processing methods.
[0007]
EP-A-0566019 discloses a method for producing a vanadium electrolytic solution by chemically reducing vanadium pentoxide or ammonium vanadate in concentrated sulfuric acid and then heat treating the precipitate.
WO 95/12219 and WO 96/35239 disclose an electrochemical-chemical method for preparing a vanadium electrolytic solution from solid vanadium pentoxide and a method for stabilizing it. Vanadium pentoxide is dissolved on a special vane-shaped cathode consisting of cells of an ion-exchange membrane, and is carried out by flowing a slurry of vanadium pentoxide to contact the vane-shaped cathode.
[0008]
The methods and techniques developed to date for developing suitable acidic vanadium electrolytes have been rather complex and expensive. On the other hand, the availability of vanadium electrolytes at relatively low prices is an important consideration in the cost-benefit assessment of vanadium redox batteries compared to other energy storage devices in the overall economics of all vanadium flow redox battery devices. Element.
The basis for meeting these requirements is the use of relatively inexpensive solid vanadium pentoxide as a feed.
[0009]
Object and Summary of the Invention A remarkably simple and inexpensive method for easily dissolving and reducing vanadium pentoxide in acidic electrolytes has now been discovered.
The present invention is particularly useful for preparing a vanadium electrolyte from a vanadium pentoxide (or ammonium vanadate) feedstock, using a very simple and low cost electrolysis cell while reducing the solution to minimal processing. Implemented by
Nevertheless, the method of the invention remains quite effective from an energy consumption point of view.
[0010]
The process of the present invention is essentially a continuous process, in which a fixed amount of circulating vanadium electrolyte is continuously cut into finely divided or powdered solid vanadium pentoxide (V2O5) And supply of acid and water to maintain the solution at a constant molarity, while maintaining approximately the same or other desired concentration of V+3And V+4The same amount of electrolytic solution containing is continuously discharged.
The effluent electrolyte stream indicates the product of the process.
[0011]
Basically, the method according to the invention comprises:
The electrolytic solution is brought into hydraulic contact with the cathodes of a plurality of vertically connected electrolytic cells, and the V of the solution introduced into the first cell is increased.+4Part or all of the contents are sequentially V+3Finally, a small amount of V in the electrolytic solution+2Until passing through the electrolyte solution outlet from the last electrolysis cell of the plurality of vertically connected cells,
The vanadium content of the electrolytic solution at the outlet of the final electrolytic cell thus reduced is converted to a theoretical amount of vanadium pentoxide (V) in a dissolving tank having stirring means.2O5), And the corresponding amount of V+4Obtain an electrolytic solution containing dissolved vanadium that will be in a state,
(Eg V+4Adding acid, sulfuric acid or other equivalent acid and water to the vanadium electrolytic solution (close to) to maintain the solution at a constant molarity,
While the electrolytic solution is recirculated between the vertically connected electrolytic cells, V+3And V+4Flowing out of the outlet of one of the vertically connected cells.
[0012]
The essential aspects of an electrolytic cell are that the cathode and anode each have a surface morphology and geometric and mutual geometry such that the current density at the anode surface is 5 to 20 times the current density at the protruding cathode surface and oxygen is generated at the anode. Is to have an arrangement related to
In practice, the cathode can be made of carbon felt or activated carbon felt or similar material providing a relatively large surface area, and may even be tube-shaped or groove-shaped, while the anode is the geometric axis of the tube-shaped or groove-shaped cathode May be in the form of a thin bar arranged along.
[0013]
The specific activity area of the cathode, which is relatively large compared to the specific activity area of the anode, and the ratio of these projecting areas is such that the current density at the active anode surface is 5 to 20 times the current density at the geometrically projecting cathode surface. Is set to
The current density of the projecting area of the cathode is from about 1 to several hundred A / m2Operating at about 1000 A / m by setting the diameter of the anode placed "coaxial" with the cathode, at least partially encased, at least partially in the form of a tube or equivalent.2Anode current densities in excess of or above are achieved.
[0014]
Under these conditions of extremely unbalanced current density and relatively high anode current density, the current through the electrolytic cell is V+4To V+3The anode half cell is tuned to ensure that the cathodic reduction to is almost completely the only cathode half cell reaction (ie, limiting the maximum current density to prevent parasitic reactions such as hydrogen evolution). The reaction is primarily assisted by an oxygen evolution (water electrolysis) reaction.
In fact, the thermodynamically favorable V+3To V+4The anodic half-cell reaction, oxidation to, is a process in which a large amount of electrolyte fills the gap between the anode surface and the cathode surface from V to the anode surface of the cell.+3The very poor rate at which ions migrate and eventually diffuse is substantially and effectively impeded.
[0015]
An even more important obstacle to the migration and / or diffusion of vanadium ions towards the anode surface is manifested in the presence of oxygen gas bubbles that are actively generated over the anode surface at such relatively high current densities.
All V of the electrolyte discharged from the last cell of the vertically connected cells+4To V+3For almost complete reduction, the current forced hydraulically in series between a plurality of vertically connected electrolysis cells may be adjusted as a function of the flow rate of the electrolyte flowing through the vertically connected cells. Good.
Of course, this is only an ideal condition, and in fact, if there is a defect such as current flowing between cells at the time of overcurrent or vice versa, the minimum (residual) amount of V+4May exist and V+3To V+2Initial reduction to the electrolyte and a small amount of V+2Is V+3May be present with
[0016]
To promote oxygen evolution, the anode has a low oxygen overvoltage electrocatalyst surface, and is particularly resistant to acidic electrolytes with anodic polarization and oxygen elimination.
For example, the anode may be a rod made of a valve metal such as titanium or tantalum or an alloy thereof having resistance to damage to the anode, and having a non-passive active coating made of an electrocatalyst that emits oxygen. Good.
The coating may be a mixed oxide or a mixture of at least a noble metal oxide such as iridium, rhodium and ruthenium and at least a valve metal oxide such as titanium, tantalum and zircon. The active coating may alternatively be platinum, iridium or rhodium, or a dispersion of these metals in a conductive oxide matrix.
[0017]
In a dissolution tank having an ordinary mechanical stirrer, the amount of the electrolytic solution discharged from the final cell is the theoretical value (the amount of V contained in the reduced electrolytic solution).+3(V+2) Is ground and / or sieved to react with solid (powder) solid vanadium pentoxide having a maximum dimension of less than 100 μm.
The supernatant or filtered solution may be collected in a reservoir and any undissolved vanadium pentoxide may be recycled to the dissolution vessel.
The vanadium-concentrated solution has a relatively small amount of dissolved vanadium.+5May exist as+4Contains vanadium in a state.
The acid, most commonly and preferably sulfuric acid, is added to the vanadium-concentrated filtered electrolyte solution to maintain a constant concentration of the electrolyte solution. Of course, the higher the molar amount of vanadium, the higher the power to total volume ratio of the electrolyte, but problems with the stability of the solution under critical temperature conditions can occur at relatively high molar concentrations. Most preferably, in the case of a sulfuric acid solution, the molar amount of vanadium may be between 2 and 5.
[0018]
The solution is returned by the pump to the inlet of the first cell of the vertically connected cell,+4To (and any V+5Residue) to V+3And eventually V+2Electrochemically reduced to
The products of the electrolytic solution production apparatus have approximately the same amount of V+3And V+4And a solution that can flow out of the mainstream of the recirculated solution from the outlet of one of the vertically connected cells.
Massive oxygen evolution and corresponding V+4To V+3The disproportionately high current density at the anode surface, which causes a small amount of reduction to, furthermore takes into account the relatively light burden of electrical energy on the overall economics of the preparation process of any acidic vanadium electrolyte. It is surprisingly sufficient to maintain the overall efficiency of the process above an acceptable level.
[0019]
As another example, the efficiency can be further increased by including a screen or microporous separator between the rod anode and the surrounding cylindrical cathode.
The screen or microporous separator continuously grows on the anode surface and becomes an effective "containment" for oxygen bubbles that rise away from the electrolyte by buoyancy and are contained in the space between the screen and the cathode. Convection motion in a large amount of electrolyte can be suppressed to a minimum, and further reduced vanadium ions (V+3) Can be reduced and gradually reach the anode.
The most effective microporous separator can be a glass frit tube closed at the bottom end and enclosing a rod-shaped anode (in this case inserted into the cell from the top), and the oxygen bubbles generated once the air bubbles rise above the electrolyte. , Can be immediately discharged from the cell through the vent. Instead of a suitable microporous separator, a felt of polypropylene fibers of about 1 mm thickness may be used.
[0020]
Description of the preferred embodiment according to the invention
Referring to the functional schematic diagram of FIG. 1, a vanadium electrolyte preparation device according to the present invention is a plurality of electrolyte solutions that are hydraulically connected in a vertical connection and are electrically powered in series from a suitable DC power source R1. It consists of vanadium reduction cells C1, C2, C3,... C6.
The solution discharged from the last vertically connected cell C6 is collected in a dissolving tank T1 having stirring means S1.
[0021]
Vanadium pentoxide (V2O5) Is introduced into the dissolution vessel T1 by a suitable quantity, for example a conventional feed hopper and a feed machine controlled by a motor drive.
The vanadium-enriched solution gradually contains residual solid particles of undissolved vanadium pentoxide, flows out of the dissolution tank T1 through the liquid level outlet, and the supernatant is removed in the settling tank T2.
Pump P2 recycles the remaining solid particles of vanadium pentoxide, which are gradually collected at the bottom of settling tank T2, to dissolution tank T1.
The vanadium-enriched, filtered solution is eventually collected in reservoir T3.
[0022]
The vanadium content of the vanadium-enriched solution collected in reservoir T3 is substantially V+4Contains vanadium in a state. The contents are the V present in the electrochemically reduced solution flowing out of the cascade final reduction cell (C6).+3And the V that will eventually exist+2And the same amount of dissolved and reduced V+5And the sum of In fact, V+5Of the vanadium-enriched solution thus collected in T3+4It may be present with.
This solution contains a relative amount of acid, typically H 2, suitable to maintain the desired molarity of the vanadium electrolyte.2SO4And water H2After adding O, it is continuously circulated through the vertically connected vanadium reduction electrolytic cell by the pump P1.
Therefore, the vanadium electrolytic solution entering the first reduction cell C1 is approximately V+4, And V+5May be present in a residual amount, but contains.
[0023]
At the negative electrodes (cathodes) of the reduction cells C1, C2, C3,.
V+4+ E= V+3  (More precisely, VO+2+ E+ 2H+= V+3+ H2O) and when vanadium in the +5 oxidation state is present, the other reaction is:
V+5+ E= V+4  (More precisely, VO++ E+ 2H+= VO+2+ H2O).
[0024]
No other reaction takes place at the negative electrode. Since the carbon felt electrode has a relatively high hydrogen overvoltage and the effective current density on the cathode surface is suppressed to a sufficiently low value, hydrogen generation (a thermodynamically advantageous half-cell reaction) does not occur.
At the positive electrode, theoretically, the main reaction is from the low oxidation state (+4, +3, and +2) of any vanadium ions present to the pentavalent vanadium (V+5) (A thermodynamically favorable half-cell reaction).
In fact, vanadium ions near the anode surface immediately+5The vanadium ions in the low oxidation state, which move and diffuse toward the anode, are also oxidized. However, the vanadium ions present near the positive electrode are V+5And the anode half-cell reaction is initiated with the help of the only other possible half-cell reaction, namely the evacuation and consequent generation of oxygen gas by the next reaction.
H2O = O2+ 2H++ 2e
[0025]
In the asymmetric cell of the present invention, oxidation of vanadium is substantially eliminated as in the conventional apparatus using an ion exchange membrane cell and a separate circuit of a vanadium-containing catholyte and an auxiliary acidic anolyte. is not. Vanadium ions that can reach the anode of the cell in practice are immediately V+5Is oxidized to
[0026]
However, due to the unique imbalance in electrode current density, the anode operates at relatively high current densities, which are higher than can be supported by the process in which vanadium ions in the electrolyte move and diffuse toward the anode surface. Range. As a result, generation of a large amount of oxygen is promoted on the anode surface, and active generation of oxygen gas bubbles is caused by V+3It provides a "mechanical" barrier for ions to move towards the anode.
Barriers that impede the diffusion of cathode-reduced vanadium ions to the anode use screens or permeable (microporous) membranes, which confine the oxygen bubble population near the anode and thus between the gas-filled screen and the cathode surface. This can be greatly enhanced by preventing strong convective motion from being generated in most of the reduced vanadium ion-enriched electrolyte present in the space.
Using a low oxygen overvoltage anode only promotes oxygen evolution.
[0027]
The use of a separator with relatively tight pores instead of a more permeable screen or membrane significantly increases the overall Faraday effect, but also increases the cell voltage. Therefore, the best compromise is sought considering that energy consumption is the product of current and voltage.
When the cathode-to-anode current density ratio is about 5, a Faraday effect of 40% or more can be easily secured, and if this current density ratio is increased to 20, the effect reaches a level of 80% or more. Was. The use of gas-filled screens and separators with relatively tight micropores can further increase these figures significantly.
[0028]
In the dissolving tank T1, V contained in the electrolytic reduced vanadium electrolytic solution+3Is solid vanadium pentoxide V2O5(Or ammonium vanadate), which is dissolved according to the following reaction,+4To be reduced to
(V+5+ V+3= 2V+4) Or more specifically
V2O5+ 2V+3+ 2H+= 4VO+2+ H2O (1)
And (V+2If present),
(2V+5+ V+2= 3V+4) Or more specifically
V2O5+ V+2+ 4H+= 3VO+2+ 2H2O
[0029]
A cross-sectional view of the asymmetric cell according to the invention used in the vanadium electrolyte preparation of the invention is shown in FIG.
The experimental test cell illustrated in FIG. 2 comprises a tubular tubular body 1 which is typically made of a metal which has chemical resistance to the electrolyte or a non-conductive and acid-resistant plastic such as PVC. The bottom is closed by a plug 2 and has an inlet 3 and an upper overflow 4 in the lower part of the tubular body 1.
A cylindrical cathode, which may consist of a few millimeters thick carbon felt 5, may be provided on the inner cylindrical surface of the tube and suitably fastened. The felt cathode may be provided with a suitable terminal 6 to electrically connect the cell to a DC power supply circuit.
[0030]
In the experimental test cell shown in FIG. 2, the inner cylindrical surface area of the cathode has a diameter of about 50 mm and a height of approximately 250 mm for contact with the electrolyte.
Anode 7 is a titanium rod 6.3 mm (1/4 inch) in diameter, coated with a mixed oxide of iridium and tantalum, and immersed in an electrolyte approximately 250 mm long.
The anode 7 of the coated titanium rod is arranged along the axial direction of the cathode of the tubular carbon felt.
The test cell for experiments defined in this way has a projecting area of the carbon felt cathode of about 353 cm.2While the surface of the titanium rod anode is about 47 cm2It is.
[0031]
For a 7 A current forced through the cell, the current density at the titanium anode surface is approximately 0.1485 A / cm2= 1500A / m2On the other hand, the current density of the projected region of the carbon felt is 0.022 A / cm2= 220A / m2It is. However, thanks to the form in which the cathode takes the form of carbon fiber felt, which is open and easily penetrated, the actual or effective cathode current density of carbon is reduced by the geometrically protruding tube of the carbon felt cathode. It can be estimated that it is 2 to 10 times smaller than the current density calculated from the shape area.
[0032]
FIG. 3 shows a sectional view of a vanadium reduction cell according to another embodiment.
The only difference is represented by the presence of a fluid permeable screen or membrane, or a separator 8 having micropores, which is provided between the cylindrical cathode surface and the coaxially arranged rod-shaped anode, And a buoyant oxygen bubble generated on the anode surface and gradually moving away from the surface toward the surrounding electrolyte is maintained substantially confined in the cylindrical space.
Screen-membrane 8 is V+4To V+3To V+2It is possible to substantially prevent the electrolytic liquid near the cathode surface from undergoing strong convection movement where desired reduction to the cathode occurs.
[0033]
A plastic tube with small, dense and evenly distributed holes may be sufficient as a gas bubble-filled screen, but instead of an oxygen bubble-filled screen 8 woven, for example, with reticulated titanium wire or plastic fibers A fine net made of a resistance material such as cloth may be used. More preferably, the gas-filled screen 8 may be a porous or microporous tube made of, for example, glass frit or resistive metal particles such as sintered titanium.
[0034]
An example
To prove the effectiveness of the technique of the present invention, a 1/2 liter glass beaker with an inner diameter of 8 cm was used.
Approximately 6 mm (1/4 inch) thick carbon felt was placed along the inner wall of the beaker and electrically connected to the cathode of a DC power supply.
IrOx-ZrOyAn approximately 6 mm (1/4 inch) outside diameter titanium rod coated with oxide loaded with was placed vertically along the geometric axis of the beaker and electrically connected to the anode of a DC power supply.
The ratio of the projected cathode area to the anode area was about 10,7.
[0035]
1 mm thick polypropylene was formed into a circular tube having an inner diameter of about 12 mm closed at the bottom and placed coaxially around the coated titanium rod anode in a beaker.
The beaker was filled with 473 ml of a solution of 5 mol of sulfuric acid and 90.9 g (0.5 mol) of vanadium pentoxide powder. The total volume of the mixture was 0.5 l.
Theoretically, 26.8 Ah is required to reduce 1 mole of vanadium from the +5 state to the +4 state.
[0036]
The mixture was stirred with a magnetic stirrer and the yellow powder of vanadium pentoxide remained almost undissolved for several days.
The DC power was turned on and its output voltage was adjusted to force a DC current of 8 A into the cell. The current density of the anode (anode) is about 5,013 A / m2The current density of the cathode (cathode) in the projected area of the carbon felt is approximately 468 A / m.2Met.
The cell voltage was substantially constant between 3.8 and 4.0 volts.
The suspension was gently agitated with a magnetic stirrer and subjected to a current for 5.26 hours and the yellow powder appeared to be completely dissolved.
[0037]
Analysis of the blue solution thus obtained contained 2 moles of vanadium (2 mole solution), indicating that the oxidation state of vanadium was +3.55.
The Faraday (current) efficiency of this step was estimated to be 92.28%.
When the test was performed again at a lower current of 5 A, the required time was 9.87 hours. Faraday (current) efficiency was reduced to about 78.74%, but the voltage of the battery was also reduced to 2.8 volts.
Using a thin polypropylene woven fabric instead of felt reduced the current efficiency to about 47% and to about 20-25% without any permeable encapsulation element.
[0038]
Even under these non-optimal laboratory conditions (called stirring in a glass beaker), power consumption in the range of 0.2 to 0.5 kWh per liter of vanadium electrolyte produced was noted. , A relatively low cost figure for the overall economics of producing vanadium electrolytes.
The ability of the asymmetric vanadium electrolyte reduction cell of the present invention to efficiently and inexpensively alter the oxidation state of vanadium dissolved in acidic electrolytes means that the redox battery device must be recharged whenever the battery is no longer in an unacceptable imbalance. Rebalancing the state of charge of the positive and negative vanadium electrolytes in a running battery without performing expensive and time consuming steps of shutting down the operation is a relatively simple, low cost, nearly An undivided, asymmetric cell of the invention makes it ideally suited.
[0039]
To better understand the nature of the challenges involved in operating a vanadium battery energy storage device, it may be helpful to briefly recall the main mechanisms leading to an increasingly prominent imbalance.
In theory, the only steps during charging and discharging of a vanadium redox battery are the electrochemical oxidation and reduction of vanadium, and assuming that no other side reactions occur, the charging and discharging steps of a vanadium battery are symmetric. Process.
[0040]
During charging, the current flowing through the battery is V in the positive electrolyte chamber.+4To V+5And at the same time, at the same rate, V+3To V+2To be reduced to During discharge, opposite oxidation and reduction reactions take place in the positive and negative electrolyte chambers.
Unfortunately, the situation is actually different.
The steps being performed are not limited to the electrochemical oxidation and reduction of vanadium. The following side reactions tend to occur at critical conditions of operation:
1) Electrochemical generation of hydrogen gas at the cathode
2) Electrochemical generation of oxygen gas at the anode (*)
3) V+2To V+3Chemical oxidation to
4) V+4To V+5Chemical reduction to
(*) If the anode is made of carbon, the generation of oxygen is partially or completely replaced by the generation of carbon dioxide.
[0041]
Reactions 1) and 2) are the only reactions once the state of charge is achieved at 100%. In practice, all V present in the electrolyte in the positive electrolyte chamber+4Is V+5Once oxidized, the only reaction at the anode that will assist the current is the evolution of oxygen (or carbon dioxide). Similarly, all V present in the electrolyte in the negative electrolyte chamber+3Is V+2Once reduced, the only reaction at the cathode that would assist the current is the evolution of hydrogen. These reactions begin to occur during the charging of the battery, but become relatively small when the state of charge exceeds 90%.
Since the voltage at which vanadium is oxidized or reduced increases in proportion to the ratio between the species produced and the species consumed (Nernst equation), the cell voltage can be approximately 1.5 volts at high charge. The voltage rises to the voltage at which hydrogen and oxygen are generated (water electrolysis). Reactions 1) and 2) also occur, although in relatively small amounts, when discharge occurs at a very fast rate (current).
As the current density approaches the limiting current, hydrogen and oxygen begin to occur as secondary (parasitic) electrode reactions.
[0042]
The limiting current is a current when the rate of oxidation or reduction of vanadium on the electrode surface coincides with the rate at which vanadium ions diffuse from most of the electrolyte to the electrode surface through the layer depleted.
Reaction 3), ie V+2To V+3Oxidation to is the most frequently repeated side reaction during the operation of a vanadium battery. V+2Easily V in the presence of air+3Oxidized to
.
Therefore, such side reactions occur immediately unless the atmosphere is strictly prevented from coming into contact with the negative electrolyte (by covering with nitrogen gas or covering the surface of the electrolyte with wax or the like).
Due to the side reactions mentioned above, the symmetry will start to be considerably lost after many cycles of battery operation.
[0043]
Another reason for electrolyte imbalance is that the membrane used is not a perfect separator. Anionic membranes also necessarily have a small amount of cation (H+And V+ N) Is also transmitted.
Cationic membranes are generally preferred as battery cell separators because of their higher mechanical and chemical resistance compared to anionic membranes.
In fact, cationic membranes are mainly composed of hydrogen ions (H+Is much higher than the diffusivity of vanadium ions).
While charging the battery,
VO2++ H2O = VO2 ++2++ E
The hydrogen ions generated in the positive electrolyte chamber according to the above reaction easily move through the membrane to the negative electrolyte chamber together with a small amount of vanadium ions having a lower mobility.
[0044]
Due to the movement of vanadium ions, reduced vanadium ions (V+3And V+2) Is oxidized, but this step is not completely reversible. Because vanadium ions in different oxidation states coordinate themselves differently with solvent molecules (water, sulfuric acid) and have different mobilities in the cation exchange resin of the membrane. In fact, in the subsequent discharge phase, the number of vanadium crossing the membrane in the opposite direction is not exactly the same as the number moved to the charge phase.
The gradual imbalance of the electrolyte causes a number of problems, including:
1) The capacity of the battery (converted to kWH / liter of electrolyte) decreases proportionately.
2) During charging, one of the two electrolytes is fully charged while the other is only partially discharged.
[0045]
Indeed, the vanadium ions in the positive electrolyte chamber can cause V.sub.2, especially in small batteries where the air removal from the negative electrolyte chamber is often incomplete.+5While oxidizing completely to significant amounts of V+3May remain in the negative electrolyte chamber. This situation is very critical. If the oxidation state is not carefully controlled in a separate electrolyte and only the open circuit voltage is measured, V+4To V+5This is because charging continues to the point where complete oxidation to is reached. In this situation, the mass production of oxygen at the carbon electrode will oxidize and damage the electrode.
The usual approach is to mix the two (negative and positive) electrolytes after a certain number of charge and discharge cycles, measure the oxidation state and, if different from +3.5, change the chemical state to +3.5. It is adjusted to.
[0046]
In practice, in shutting down the battery and mixing the electrolyte, the vanadium oxidation state is always +3.5 or higher (mainly due to the dominant effect of side reaction 3).
The electrolyte is readjusted by adding a reducing agent (oxalic acid, sulfite, etc.) to the +3.5 oxidation state.
This is followed by a considerable amount of energy expending the device in a zero charge state (V+3V in the positive electrolyte+4).
This amount of energy expended regularly indicates the net loss of the energy storage process.
[0047]
In accordance with aspects of the present invention, this notable loss is greatly enhanced by installing the relatively small vanadium-reducing asymmetric cell of the present invention in the yin and more preferably in the positive electrolysis circuit shown schematically in FIG. Can be reduced.
As shown, circulating the positive electrolyte entirely or partially (in the latter case, for example, by using an adjustable three-way valve or other means) through a relatively small asymmetric vanadium reduction cell Red. Can be.
In order to maintain the symmetric vanadium oxidation state arrangement, the cell Red may be operated continuously or discontinuously as required.
Thanks to the possibilities opened up by the presence of such an auxiliary reduction cell Red, the two electrolytes are mixed, the oxidation state is adjusted to about +3.5 and the battery is precharged to restore the zero charge state The need to state can be eliminated or only required in exceptional cases.
[Brief description of the drawings]
FIG.
FIG. 1 shows a solid V according to the invention.2O51 shows an apparatus for adjusting a vanadium electrolyte from a supply material.
FIG. 2
FIG. 2 is a sectional view of a vanadium reduction cell according to the present invention.
FIG. 3
FIG. 3 is a sectional view of another embodiment of the vanadium reduction cell.
FIG. 4
FIG. 4 is a basic schematic diagram showing a vanadium flow redox battery device in an electrolyte circuit for a rebalancing function including a vanadium reduction cell of the present invention.

Claims (13)

電解液に供給された固形五酸化バナジウムから望ましい濃度比のV+3及びV+4を含有する酸性バナジウム電解溶液を生成する方法において、
酸性電解溶液に溶解したバナジウムの少なくとも一部を、電解溶液を縦繋ぎの複数の電解セル間を循環させることにより、少なくともV+3またはそれ以下の酸化状態に電気化学的に還元することと、
前記電解セルの最終セルからの電解溶液排出口における、このように還元されたバナジウム内容物を理論値量の五酸化バナジウムと反応させ、略V+4酸化状態のバナジウムを含有する電解溶液を得ることと、
酸及び水を添加して、溶液を一定モル濃度に維持することと、
電解溶液を縦繋ぎの電解セル間を連続的に再循環させる一方、望ましい濃度でV+3及びV+4を含有する生成された電解溶液流を、前記縦つなぎセルのうちの一つより流出させることと、
各セルが、カソードとアノードを有し、アノード表面において電流密度が突出カソード表面における電流密度の5乃至20倍となり、アノードにおいて酸素を発生させるように、夫々が表面形態及び幾何学的また相互に関係する配置を有することとよりなる方法。
A method for producing an acidic vanadium electrolytic solution containing a desired concentration ratio of V +3 and V +4 from solid vanadium pentoxide supplied to the electrolytic solution,
Electrochemically reducing at least a portion of the vanadium dissolved in the acidic electrolytic solution to an oxidation state of at least V +3 or less by circulating the electrolytic solution between a plurality of vertically connected electrolytic cells;
Reacting the vanadium content thus reduced at the electrolyte outlet from the last cell of the electrolysis cell with a theoretical amount of vanadium pentoxide to obtain an electrolyte solution containing vanadium in a substantially V +4 oxidation state When,
Adding acid and water to maintain the solution at a constant molarity;
Continuously recirculating the electrolyte solution between the cascaded electrolysis cells while allowing a generated electrolyte solution stream containing V +3 and V +4 at a desired concentration to flow out of one of said cascade cells When,
Each cell has a cathode and an anode, each having a surface morphology and geometric and mutual interaction such that the current density at the anode surface is 5 to 20 times the current density at the protruding cathode surface and oxygen is generated at the anode. A method comprising having an associated arrangement.
前記電解溶液が硫酸溶液であり、バナジウムのモル量が1乃至5である請求項1に記載の方法。The method according to claim 1, wherein the electrolytic solution is a sulfuric acid solution, and the molar amount of vanadium is 1 to 5. 突出したカソード表面の電流密度は100乃至300A/mであり、アノード表面における電流密度は1000乃至8000A/mである請求項1に記載の方法。The current density of the protruded cathode surface is 100 to 300A / m 2, The method of claim 1 current density is 1000 to 8000 A / m 2 at the anode surface. 前記酸化バナジウムは粉末状で、100μm未満の粒度を有する請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the vanadium oxide is in powder form and has a particle size of less than 100 μm. 還元されたバナジウム電解溶液を理論値量の五酸化バナジウムと反応させた後、溶液は未溶解の残留五酸化バナジウム粒子より分離される請求項1に記載の方法。The method of claim 1 wherein after reacting the reduced vanadium electrolytic solution with a stoichiometric amount of vanadium pentoxide, the solution is separated from undissolved residual vanadium pentoxide particles. 縦繋ぎ状に水力的に接続され、制御されたDC電源より直列に電力供給された複数のバナジウム還元セルよりなり、固形五酸化バナジウムの供給材料から望ましい濃度比におけるV+3及びV+4を含有するバナジウム電解溶液を調整する装置において、
機械的攪拌手段及び粉末状の制御された量の五酸化バナジウムの供給機械装置とを有し、前記縦つなぎ電解セルの最終セルから排出される電解溶液を集める溶解槽と、
前記溶解槽より溢流するバナジウム濃化された溶液と五酸化バナジウムの残留固形粒子を分離させる手段と、
溶液を一定モル濃度に維持するため、バナジウム濃化された溶液に酸及び水を添加する手段と、
電解溶液を縦繋ぎのバナジウム還元電解液セル間を再循環させるポンプ手段と、
望ましい濃度比でV+3及びV+4を含有する生成された電解溶液流を、前記縦つなぎセルのうちの一つの出口より流出させるタップ手段と、
各セルが、カソードとアノードを有し、アノード表面において電流密度が突出カソード表面における電流密度の5乃至20倍となり、アノードにおいて酸素を発生させるように、夫々が表面形態及び幾何学的また相互に関係する配置を有することとよりなる装置。
Consisting of a plurality of vanadium reduction cells hydraulically connected in tandem and powered in series by a controlled DC power supply, containing V +3 and V +4 at a desired concentration ratio from a solid vanadium pentoxide feed. In a device for adjusting a vanadium electrolytic solution,
A dissolution tank having mechanical stirring means and a supply device for supplying a controlled amount of vanadium pentoxide in powder form, and for collecting an electrolytic solution discharged from a final cell of the vertical-linkage electrolytic cell;
Means for separating the residual solid particles of vanadium pentoxide and the vanadium-enriched solution overflowing from the dissolution tank,
Means for adding acid and water to the vanadium-enriched solution to maintain the solution at a constant molarity;
Pump means for recirculating the electrolyte solution between the vertically connected vanadium reduced electrolyte cells,
Tap means for allowing a generated electrolyte stream containing V +3 and V +4 at a desired concentration ratio to flow out of an outlet of one of said cascading cells;
Each cell has a cathode and an anode, each having a surface morphology and geometric and mutual interaction such that the current density at the anode surface is 5 to 20 times the current density at the protruding cathode surface and oxygen is generated at the anode. A device comprising a related arrangement.
酸性バナジウム電解水溶液においてV+4及び/またはV+5イオンをV+3及び/またはV+2に還元し、カソードとアノードを有し、アノード表面において電流密度が突出カソード表面における電流密度の5乃至20倍となり、アノードにおいて酸素を発生させるように、夫々が表面形態及び幾何学的また相互に関係する配置を有する電解セル。V +4 and / or V +5 ions are reduced to V +3 and / or V +2 in an acidic aqueous vanadium electrolytic solution, and have a cathode and an anode. The current density on the anode surface becomes 5 to 20 times the current density on the protruding cathode surface. Electrolytic cells each having a surface morphology and a geometric and interrelated arrangement to generate oxygen at the anode. 非導電性で耐酸性材よりなり、流入口3及び溢流口を有する筒状チューブ型本体と、
チューブ型本体の内側筒状面に設けられ、セルの電気的接続のための端子を有するカーボンフェルトカソードと、
非不動態化電気触媒コーティングで覆われ、筒状カーボンフェルトカソードの軸に沿って配置されたバルブ金属棒のアノードとよりなる請求項7に記載の電解セル。
A tubular tube-shaped main body made of a non-conductive and acid-resistant material and having an inflow port 3 and an overflow port;
A carbon felt cathode provided on the inner cylindrical surface of the tube-shaped body and having terminals for electrical connection of the cells,
8. The electrolytic cell according to claim 7, comprising an anode of a valve metal rod covered with a non-passivated electrocatalytic coating and disposed along the axis of the tubular carbon felt cathode.
アノードの周囲またはその近辺で電解液に発生する浮揚性酸素気泡を封じ込める電解透過手段を含むことを特徴とする請求項7に記載の電解セル。The electrolytic cell according to claim 7, further comprising an electrolytic permeation means for containing buoyant oxygen bubbles generated in the electrolyte around or around the anode. 前記封じ込め透過手段が網状スクリーン、織布、フェルト、多孔性及び微少孔性ガラスフリットと焼結体とよりなるグループに属し、それら全てが電解溶液に対する化学的耐性を有する物質よりなる請求項9に記載の電解セル。10. The method according to claim 9, wherein said containment and permeation means belongs to a group consisting of a reticulated screen, a woven fabric, a felt, a porous and microporous glass frit and a sintered body, all of which are made of a substance having chemical resistance to an electrolytic solution. The electrolytic cell as described. 前記アノードがイリジウム及びタンタルあるいはジルコニウムの混合酸化物でコーティングされたバルブ金属である請求項7に記載の電解セル。The electrolytic cell of claim 7, wherein the anode is a valve metal coated with a mixed oxide of iridium and tantalum or zirconium. バナジウム フロー レドックス バッテリにおいて二つの別個に循環するバナジウム電解液の相対的酸化状態を、バッテリを非稼動にすることなく、二つの別個の電解液の一方の一部を、バッテリの外部で、請求項7乃至11の何れかによって製造されたバナジウム還元電解セルを循環させ、フロー レドックス バッテリ装置の二つの電解液中のバナジウム内容物の酸化状態の均衡を再達成するのに必要な時間、電解セルに電流を強制的に流すことよりなる再均衡させる方法。The relative oxidation state of two separately circulating vanadium electrolytes in a vanadium flow redox battery can be achieved by charging a portion of one of the two separate electrolytes outside the battery without deactivating the battery. Circulating the vanadium-reduced electrolysis cell produced by any of 7 to 11 and allowing the cell to re-establish the balance of the oxidation state of the vanadium content in the two electrolytes of the flow redox battery device; A method of rebalancing consisting of forcing current through. 前記電解液はバッテリの陽極電解液室を循環する陽電解液である請求項12に記載の方法。13. The method of claim 12, wherein the electrolyte is a positive electrolyte circulating in an anolyte compartment of a battery.
JP2002520344A 2000-08-16 2000-08-16 Preparation of Vanadium Electrolyte Using Asymmetric Vanadium Reduction Cell and Use of Asymmetric Vanadium Reduction Cell to Rebalance the State of Charge in Electrolyte of Running Vanadium Redox Battery Pending JP2004519814A (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/IT2000/000342 WO2002015317A1 (en) 2000-08-16 2000-08-16 Vanadium electrolyte preparation using asymmetric vanadium reduction cells and use of an asymmetric vanadium reduction cell for rebalancing the state of charge of the electrolytes of an operating vanadium redox battery

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2004519814A true JP2004519814A (en) 2004-07-02

Family

ID=11133546

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2002520344A Pending JP2004519814A (en) 2000-08-16 2000-08-16 Preparation of Vanadium Electrolyte Using Asymmetric Vanadium Reduction Cell and Use of Asymmetric Vanadium Reduction Cell to Rebalance the State of Charge in Electrolyte of Running Vanadium Redox Battery

Country Status (13)

Country Link
EP (1) EP1310008A1 (en)
JP (1) JP2004519814A (en)
KR (1) KR20030034146A (en)
CN (1) CN1502141A (en)
AU (1) AU2000267249A1 (en)
BR (1) BR0017317A (en)
CA (1) CA2420014A1 (en)
IL (1) IL154098A0 (en)
MX (1) MXPA03001330A (en)
NZ (1) NZ523752A (en)
TR (1) TR200300178T2 (en)
TW (1) TW531934B (en)
WO (1) WO2002015317A1 (en)

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010533934A (en) * 2007-07-16 2010-10-28 レンネベック、クラウス Redox battery
JP2014532284A (en) * 2011-10-14 2014-12-04 ディーヤ エナジー,インコーポレーテッド Vanadium flow cell
KR20160008212A (en) * 2013-05-03 2016-01-21 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션 Method of maintaining health of a flow battery
JP2018503222A (en) * 2014-12-11 2018-02-01 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツール フエルデルング デア アンゲヴァンテン フォルシュング エー.ファオ. Method for regenerating electrolyte solution of redox flow battery
WO2020162375A1 (en) * 2019-02-05 2020-08-13 Leシステム株式会社 Electrolyte manufacturing device and method for manufacturing electrolyte
US11056698B2 (en) 2018-08-02 2021-07-06 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with electrolyte balancing and compatibility enabling features
JP2021168296A (en) * 2015-11-18 2021-10-21 インビニティ エナジー システムズ(カナダ)コーポレイションInvinity Energy Systems(Canada)Corporation Electrode assembly and flow battery with improved electrolyte distribution
US11271226B1 (en) 2020-12-11 2022-03-08 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with improved efficiency

Families Citing this family (38)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4140691B2 (en) * 2002-04-23 2008-08-27 住友電気工業株式会社 Operating method of redox flow battery
AU2003901763A0 (en) 2003-04-14 2003-05-01 Michael Kazacos Novel bromide redox flow cells and batteries
AU2004219551B2 (en) * 2003-03-14 2008-12-11 Newsouth Innovations Pty Limited Novel vanadium halide redox flow battery
WO2004082056A1 (en) * 2003-03-14 2004-09-23 Unisearch Limited Novel vanadium halide redox flow battery
CA2671349C (en) * 2006-12-15 2015-01-20 Lion Laboratories Limited A fuel cell having a channel for containing electrolyte
DE102007011311A1 (en) * 2006-12-22 2008-06-26 Mtu Cfc Solutions Gmbh Vanadium-redox-battery operating method, involves regenerating anolyte by contact with carbon monoxide, with metal such as iron, zinc and nickel, or with electrolytic cell in electro-chemical manner
CN101619465B (en) * 2008-07-02 2010-12-22 中国科学院大连化学物理研究所 Method for preparing vanadium battery solution or adjusting capacity and special device thereof
DE102009035314B4 (en) * 2009-07-30 2011-07-21 Bauer, Bernd, Dr., 71665 Liquid electrolyte redox battery and method for generating electrical energy using such a battery
WO2011137895A2 (en) * 2010-05-04 2011-11-10 Bani, Ibrahim Redox battery system
EP2642572A4 (en) * 2010-11-15 2015-03-04 Wy Soon Myung Electrode for redox flow battery, fabrication method thereof, apparatus and method for fabricating electrolyte for redox flow battery, device and method for measuring selected ion concentration of electrolyte, and stand-alone battery system
CN102011135A (en) * 2010-12-06 2011-04-13 上海林洋储能科技有限公司 Cyclic electrolysis reaction device and method for preparing vanadium battery electrolyte
CN102324547A (en) * 2011-07-27 2012-01-18 四川省川威集团有限公司 Preparation method of all-vanadium redox flow battery electrolyte
WO2013027076A1 (en) 2011-08-23 2013-02-28 Squirrel Holdings Ltd. "in situ" production of electrolyte solution from vanadium pentoxide for use in a flow redox battery storage system
KR101415538B1 (en) * 2012-03-23 2014-07-04 세하특허 주식회사 MANUFACTURING DEVICE OF ELECTROLYTE SOLUTION FOR VANADIUM REDOX FlOW BATTERY USING ELECTROLYSIS AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME
ES2733715T3 (en) 2012-11-30 2019-12-02 Hydraredox Tech Holdings Ltd Mounting support plate-electrode-membrane for an electrochemical redox flow energy storage cell
CN102978647B (en) * 2012-12-05 2014-08-27 湖南汇锋高新能源有限公司 Electrolytic system and electrolytic method for preparing vanadium cell fluid
CN104981933B (en) 2012-12-14 2017-10-03 海卓瑞道克斯技术控股有限公司 Redox flow battery system and the method for controlling it
CN103066312A (en) * 2012-12-21 2013-04-24 攀钢集团攀枝花钢铁研究院有限公司 Preparation method for electrolyte used for vanadium flow cell
KR101609907B1 (en) * 2013-07-11 2016-04-07 오씨아이 주식회사 Redox flow battery system and Control method for the same
CA3224571A1 (en) 2013-09-25 2015-04-02 Lockheed Martin Energy, Llc Electrolyte balancing strategies for flow batteries
CN105849960B (en) * 2013-11-01 2019-05-17 洛克希德马丁能量有限公司 The driving electrochemical cell balanced for electrolyte state-of-charge in energy storage device
US10355296B2 (en) 2014-12-18 2019-07-16 Lg Chem, Ltd. Module for regenerating electrolyte of flow battery and method for regenerating electrolyte of flow battery by using same
JP6414463B2 (en) * 2014-12-22 2018-10-31 住友電気工業株式会社 Redox flow battery operating method and redox flow battery system
US10411285B2 (en) 2015-04-14 2019-09-10 Lockheed Martin Energy, Llc Flow battery balancing cells having a bipolar membrane for simultaneous modification of a negative electrolyte solution and a positive electrolyte solution
CN107431223B (en) 2015-04-14 2021-05-07 洛克希德马丁能量有限公司 Flow battery balancing cell with bipolar membrane and method of use thereof
CN108352553A (en) * 2015-10-20 2018-07-31 Le系统株式会社 The manufacturing method of the V electrolyte of redox flow batteries
US10347925B2 (en) 2016-04-29 2019-07-09 Lockheed Martin Energy, Llc Three-chamber electrochemical balancing cells for simultaneous modification of state of charge and acidity within a flow battery
CN106115857A (en) * 2016-08-08 2016-11-16 新疆融通利和水处理技术有限公司 A kind of bundle pipes device for electrochemical water preparation
GB201615097D0 (en) * 2016-09-06 2016-10-19 Redt Ltd (Dublin Ireland) Improvements in redox flow batteries
CN106894037B (en) * 2017-02-27 2018-12-04 东北电力大学 A method of electrolysis method produces high concentration ferrate step by step
US10461352B2 (en) 2017-03-21 2019-10-29 Lockheed Martin Energy, Llc Concentration management in flow battery systems using an electrochemical balancing cell
CN107425212A (en) * 2017-04-25 2017-12-01 中国东方电气集团有限公司 The method of flow battery system and flow battery capacity releveling
CN110391484B (en) * 2019-07-29 2020-11-20 空天科技有限公司 Electro-hydraulic separation assembly and metal-air generator comprising same
CN111463445B (en) * 2020-03-26 2022-05-06 上海电气集团股份有限公司 Modified carbon material, all-vanadium redox flow battery, and preparation method and application thereof
CN112941538B (en) * 2021-01-28 2024-02-06 湖南钒谷新能源技术有限公司 Vanadium electrolyte production system and production method
US20220333253A1 (en) * 2021-04-08 2022-10-20 Francois Cardarelli Electrochemical preparation of vanadium electrolytes and sulfates of multivalent transition metals
CN113106494A (en) * 2021-04-13 2021-07-13 攀枝花学院 Method for extracting vanadium by using ore pulp electrolysis
KR20230081447A (en) * 2021-11-30 2023-06-07 롯데케미칼 주식회사 Catalyst for manufacturing vanadium electrolyte and manufacturing method for vanadium electrolyte

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH04149965A (en) * 1990-10-15 1992-05-22 Agency Of Ind Science & Technol Manufacture of vanadium electrolyte
JPH1179748A (en) * 1997-08-29 1999-03-23 Kashimakita Kyodo Hatsuden Kk Continuous production of high-purity vanadium electrolyte solution
ES2162700T3 (en) * 1998-01-28 2002-01-01 Squirrel Holdings Ltd REDOX FLOW BATTERY SYSTEM AND BATTERY CELL.

Cited By (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010533934A (en) * 2007-07-16 2010-10-28 レンネベック、クラウス Redox battery
JP2014532284A (en) * 2011-10-14 2014-12-04 ディーヤ エナジー,インコーポレーテッド Vanadium flow cell
KR20160008212A (en) * 2013-05-03 2016-01-21 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션 Method of maintaining health of a flow battery
JP2016517160A (en) * 2013-05-03 2016-06-09 ユナイテッド テクノロジーズ コーポレイションUnited Technologies Corporation Flow battery health maintenance method
KR101969625B1 (en) * 2013-05-03 2019-04-16 유나이티드 테크놀로지스 코포레이션 Method of maintaining health of a flow battery
JP2018503222A (en) * 2014-12-11 2018-02-01 フラウンホーファー−ゲゼルシャフト ツール フエルデルング デア アンゲヴァンテン フォルシュング エー.ファオ. Method for regenerating electrolyte solution of redox flow battery
JP2021168296A (en) * 2015-11-18 2021-10-21 インビニティ エナジー システムズ(カナダ)コーポレイションInvinity Energy Systems(Canada)Corporation Electrode assembly and flow battery with improved electrolyte distribution
JP7203451B2 (en) 2015-11-18 2023-01-13 インビニティ エナジー システムズ(カナダ)コーポレイション Electrode assembly and flow battery with improved electrolyte dispersion
US11056698B2 (en) 2018-08-02 2021-07-06 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with electrolyte balancing and compatibility enabling features
US11637298B2 (en) 2018-08-02 2023-04-25 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with electrolyte balancing and compatibility enabling features
JP2020126773A (en) * 2019-02-05 2020-08-20 Leシステム株式会社 Electrolytic solution manufacturing apparatus and electrolytic solution manufacturing method
WO2020162375A1 (en) * 2019-02-05 2020-08-13 Leシステム株式会社 Electrolyte manufacturing device and method for manufacturing electrolyte
AU2020218439B2 (en) * 2019-02-05 2022-12-22 Le System Co., Ltd. Electrolyte manufacturing device and method for manufacturing electrolyte
JP7244058B2 (en) 2019-02-05 2023-03-22 Leシステム株式会社 ELECTROLYTE SOLUTION MANUFACTURING APPARATUS AND ELECTROLYTE SOLUTION MANUFACTURING METHOD
US11271226B1 (en) 2020-12-11 2022-03-08 Raytheon Technologies Corporation Redox flow battery with improved efficiency

Also Published As

Publication number Publication date
KR20030034146A (en) 2003-05-01
WO2002015317A1 (en) 2002-02-21
EP1310008A1 (en) 2003-05-14
IL154098A0 (en) 2003-07-31
MXPA03001330A (en) 2004-12-13
TR200300178T2 (en) 2007-01-22
BR0017317A (en) 2003-07-15
AU2000267249A1 (en) 2002-02-25
CA2420014A1 (en) 2002-02-21
TW531934B (en) 2003-05-11
NZ523752A (en) 2005-10-28
CN1502141A (en) 2004-06-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP2004519814A (en) Preparation of Vanadium Electrolyte Using Asymmetric Vanadium Reduction Cell and Use of Asymmetric Vanadium Reduction Cell to Rebalance the State of Charge in Electrolyte of Running Vanadium Redox Battery
US4786567A (en) All-vanadium redox battery
JP2724817B2 (en) All Vanadium Redox Battery
US20100003586A1 (en) Redox flow cell
KR102380325B1 (en) Electrochemical-based purification of electrolyte solutions, and related systems and methods
JP5422083B2 (en) Non-flow redox battery
JPWO2013054921A1 (en) Vanadium electrolyte, method for producing the same, and apparatus for producing the same
JPH07256261A (en) Method and apparatus for forming electrolytic activated water
EP2958176A1 (en) High-concentration vanadium electrolyte, and method and apparatus for producing same
KR20130107845A (en) Manufacturing device of electrolyte solution for vanadium redox flow battery using electrolysis and manufacturing method of the same
JP6547002B2 (en) Method of treating liquid electrolyte
EA024480B1 (en) Cell for depolarised electrodialysis of salt solutions
JP2004071165A (en) Production method for electrolyte for vanadium redox battery
KR101506951B1 (en) Manufacturing equipment of electrolyte for redox flow battery and manufacturing method thereof
JP6353180B1 (en) Redox flow battery system and operation method thereof
RU2251763C2 (en) Preparation of vanadium electrolyte with aid of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer and use of asymmetric vanadium-reducing electrolyzer for reducing electrolyte charge state balance in operating reduction-oxidation vanadium battery
WO2014021203A1 (en) Method for manufacturing vanadium electrolyte
US5035869A (en) Process for reducing uranyl salt
JP2003096585A (en) Method of producing cobalt sulfate solution
JPS58176880A (en) Operation control method of redox-flow type battery
RU161511U1 (en) ELECTROLYZER FOR CARRYING OUT ELECTROCHEMICAL REDOX AND REDUCING PROCESSES OF LIQUID MEDIA CONTAINING METALS OF VARIABLE VALENCY
RU2003107048A (en) PREPARATION OF VANADIUM ELECTROLYTE BY USING ASYMMETRIC ELECTROLYZERS OF VANADIUM RESTORATION FOR REMOVAL OF VALENOE RESISTANCE
US3527690A (en) Depolarizing cathodes
JPH0227666A (en) Redox flow type secondary battery
TW201440307A (en) Manufacturing method of vanadium electrolyte and manufacturing device thereof

Legal Events

Date Code Title Description
A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20070226

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20070724