JP2008027627A - レドックスフロー電池用隔膜 - Google Patents
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Abstract
【課題】隔膜としてイオン透過選択性があり、かつ膜抵抗が小さいイオン交換膜をレドックスフロー電池用隔膜として提供する。
【解決手段】正極電極を備え、硫酸イオンを含有する正極電解液が充填される正極セルと、負極電極を備え、硫酸イオンを含有する負極電解液が充填される負極セルとを備えるレドックスフロー電池において正極セルと負極セルとを分離するレドックスフロー電池用隔膜は、隔膜のイオン交換基の対イオンとして存在する硫酸イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも高い、隔膜内硫酸イオン保持能力をもつ。
【選択図】なし
【解決手段】正極電極を備え、硫酸イオンを含有する正極電解液が充填される正極セルと、負極電極を備え、硫酸イオンを含有する負極電解液が充填される負極セルとを備えるレドックスフロー電池において正極セルと負極セルとを分離するレドックスフロー電池用隔膜は、隔膜のイオン交換基の対イオンとして存在する硫酸イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも高い、隔膜内硫酸イオン保持能力をもつ。
【選択図】なし
Description
本発明は、正極電極を備え、硫酸イオンを含有する正極電解液が充填される正極セルと、負極電極を備え、硫酸イオンを含有する負極電解液が充填される負極セルとを備えるレドックスフロー電池において正極セルと負極セルとを分離するレドックスフロー電池用隔膜に関する。
レドックスフロー電池は、隔膜を介して隔てられた正極セルと負極セルとに充填した、あるいは流通させた電池活物質の可逆的な酸化還元反応を利用して充放電を繰り返す電池である。
レドックスフロー電池は、電池活物質によって種々の電池系、例えば、クロム−臭素系、鉄―クロム系、亜鉛―臭素系、バナジウムーバナジウム系などが提案されている。レドックスフロー電池において、これらの電池活物質は通常、金属イオンの形態で電解液として使用される。
上記の電池活物質を用いた電池の中では、特にバナジウム系のものが起電力や電池容量等に優れている。バナジウム系の電池は、起電力が高く、エネルギー密度が大きく、電池活物質が単一元素系であるため正極電解液と負極電解液とが混合しても充電によって再生することができるといった多くの利点を有している。
このバナジウム系の電池は、具体的には、負極セルにおけるバナジウムの2価(V2+)/3価(V3+)と正極セルにおけるバナジウムの4価(V4+)/5価(V5+)の酸化還元反応を利用しており、正極セルと負極セルの電解液が同一の金属イオン種であるため、隔膜を介して電解液が混合されても、充電によって電解液が簡単に再生できる利点を有する。
レドックスフロー電池における隔膜は、正極セルと負極セルを隔てて電解液の混合を防ぐ役割の他に、充放電の際に発生する水素イオンが、正極セルと負極セルとの間を移動するのに必要な水素イオン透過性を有することが要求される。
そこで、レドックスフロー電池の隔膜として、水素イオン透過性に優れ、一方では、電池活物質である金属イオンの透過性を抑えた選択的なイオン透過性を有するイオン交換膜の適用が提案されている(例えば特許文献1および特許文献2参照)。
例えばバナジウム系レドックスフロー電池用の隔膜であれば、バナジウムイオンの透過を抑えて水素イオンを選択的に透過させることが必要となる。即ち、両極セル間でバナジウムが隔膜を通して混合すると、充電−放電を繰り返すサイクルにおいて、エネルギー効率、いわゆる、充電効率が低下する問題が生じる。
従って、正負極セル間で電解液が混合されないようにするため、バナジウム系レドックスフロー電池用の隔膜として、ポリスルホン系の陰イオン交換膜(特許文献1)やピリジニウム基を有するビニル系の陰イオン交換膜(特許文献2)等の種々のイオン交換膜が提案されている。
その他に、レドックスフロー電池における隔膜としては、充放電効率に関連して膜抵抗(充放電時の電気抵抗)が小さいことや、長期間の電解液との接触や充放電の繰り返しによって、隔膜の性能が低下しない、優れた耐久性を有することが求められる。
特に耐久性に関しては、レドックスフロー電池が電池活物質として酸化力の強い金属イオンを含むため、強い耐酸化性が求められる。
しかし、例えば従来のバナジウム系レドックスフロー電池用の隔膜として提案されているイオン交換膜は、電流効率を維持するためにバナジウムイオンの透過を抑えるため陰イオン交換膜が使用されている。そのため水素イオンの透過も抑えられるという結果となっており、抵抗がさらに小さな隔膜が望まれていた。
本発明は、隔膜としてイオン透過選択性があり、かつ膜抵抗が小さいイオン交換膜をレドックスフロー電池用隔膜として提供することを目的とする。
本発明者らは上記課題を解決するために鋭意研究を進めた結果、正極セルと負極セルとの間を移動するのは水素イオンだけではなく、硫酸イオンも移動していることを発見した。
充放電の際に発生する水素イオンが、正極セルと負極セルとの間を移動する代わりに、電解液中の硫酸イオンが逆方向に移動することによっても充放電は成立する。本発明者らは、硫酸イオンが移動しやすい陰イオン交換膜の探索を行ったところ、硫酸イオンの移動、即ち電池の抵抗と、隔膜内の硫酸イオン濃度とに相関があることを発見した。
通常、硫酸溶液に隔膜を浸漬すると、隔膜内のイオン交換基の対イオンは、硫酸イオンとなり、さらに、硫酸を含む水が隔膜内に保持される。
そして、隔膜のイオン交換基の対イオンとして存在する硫酸イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度(以下、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度という。)が隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも高い隔膜内硫酸イオン濃度をもつ隔膜が存在し、その濃度が高いほど充放電時の抵抗が小さいことが明らかとなった。
対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも高い理由については、イオン交換基の存在による硫酸イオンとの親和性等が考えられるが、そのメカニズムは未だ明らかとなっていない。
しかし、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも高い、隔膜内硫酸イオン保持能力をもつ隔膜を使用することが、バナジウムの透過性を抑え、水素イオンの透過性が抑えられても硫酸イオンが透過しやすいことによって、バナジウム系レドックスフロー電池の抵抗を低減できることが明らかとなった。
以上のように、本発明のレドックスフロー電池用隔膜は、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも高い隔膜内硫酸イオン保持能力をもつように構成する。
しかも、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも0.1mol/l以上4mol/l以下の範囲で高くなる隔膜とすることにより、例えばバナジウム系レドックスフロー電池の充放電時の抵抗を良好に低減できる。さらに好ましくは、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも1.0mol/l以上4mol/l以下の範囲で高くなる隔膜とする。
しかしながら、隔膜内の硫酸イオン濃度は、あまり高くなると逆に膜抵抗が高くなってしまうことも明らかとなった。これは隔膜内の硫酸イオン濃度があまり高くなると、隔膜内の自由水が十分でなくなり、水素イオンの移動及び硫酸イオンの移動が困難になるためと考えられる。このため、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも4mol/lより高くならないようにすることが好ましい。また、隔膜内の硫酸イオン濃度が低いと、膜の機械的強度が低下したり、バナジウムイオンの排除率が低下したりするため、実用上、効率的な充放電を行うことが不可能となる。従って、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度は、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも0.1mol/lより低くならないようにすることが好ましい。
以下、本発明について詳述する。本発明のレドックスフロー電池用隔膜を形成するために使用されるイオン交換膜としては、公知のイオン交換基を有するものを使用することができる。
具体的には、隔膜を陰イオン交換膜とする場合には、陰イオン交換基としては、ピリジニウム塩基、第四級アンモニウム塩基、第三アミン基、ホスホニウム基等が挙げられる。陰イオン交換基は、このうち水素イオン透過性が高く、バナジウムイオンの透過を抑え、耐酸化性を有し、かつ、硫酸イオンを高濃度で保持できるものがよい。
特にピリジニウム基とイミダゾール基は、水素選択透過性に優れ、耐酸化性も有し、かつ高濃度の硫酸イオン保持能力をもつ交換基であるので、本発明の交換基としては好適である。
また、これらのイオン交換基が導入される樹脂は、いかなるものであってもよいが、架橋剤により架橋されたビニル重合性単量体の架橋重合体からなるものが好ましい。例えば、イオン交換基を導入可能な官能基であるハロアルキル基、ピリジニウム基、イミダゾール基などを有する高分子をモノアミン、ジアミン、ハロゲン化アルキル、ジハロゲン化アルキルなどで架橋4級化したものや、ビニルピリジン、クロロメチルスチレン、イミダゾールなどのビニル単量体とジビニルベンゼンなどの架橋剤からなる架橋共重合体を4級化したものが挙げられる。
そして、上記イオン交換樹脂を基材に付着することによりイオン交換膜を形成する。基材としては耐酸化性や強度をもつものがよく、ポリ塩化ビニルやポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレンなどを用いることができる。基材の形状としては、織布、不織布、網、あるいは多孔質シート等のイオン交換膜の基材として公知の形状を用いることができる。
本発明においてイオン交換膜は、いかなる方法で製造してもよい。例えば、イオン交換基を導入可能な官能基であるハロアルキル基、ピリジニウム基、イミダゾール基などを有する高分子を溶解可能な有機溶媒に架橋剤とともに溶解させてキャストした後、有機溶媒を蒸発除去して膜状物とする方法や、同高分子を有機溶媒に溶解させてキャストして膜状物を得た後に、架橋反応させて製造する方法が挙げられる。また、イオン交換基の導入に適した官能基またはイオン交換基を有する単量体、架橋剤、重合開始剤からなる重合性組成物を膜状物に成型重合せしめることにより製造する方法などが挙げられる。一般的なイオン交換膜は、後者の、重合性組成物を膜状物に成型重合する方法で製造されることが多い。
ここで、イオン交換基の導入に適した官能基またはイオン交換基を有する単量体としては、従来公知であるイオン交換膜の製造において用いられる単量体を用いることが好ましい。具体的には、スチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、アセナフレン、ビニルナフタレン、α−ハロゲン化スチレン、α,β,β’−ハロゲン化ビニルスチレン、クロロスチレン類などが挙げられる。
陰イオン交換基を有する場合には、ビニルピリジン、メチルビニルピリジン、エチルビニルピリジン、ビニルピロリドン、ビニルカバゾール、ビニルイミダゾール、アミノスチレン、アルキルアミノスチレン、ジアルキルアミノスチレン、トリアルキルアミノスチレン、メチルビニルケトン、クロルメチルスチレン、トリアルキルアミノスチレン、メチルビニルケトン、クロルメチルスチレン、アクリル酸アミド、アクリルアミド、オキシウムスチレン、ビニルトルエン等を用いることができる。
また、架橋剤も公知であるイオン交換膜の製造において用いられる単量体を用いることができる。具体的には、例えば、m−ジビニルベンゼン、p−ジビニルベンゼン、o−ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、クロロプレン、イソプレン、ジビニルナフタレン、ジアリルアミン、トリアリルアミン、ジビニルピリジン類などのジビニル化合物等やトリビニルベンゼン類等のトリビニル化合物が挙げられる。
さらに、重合開始剤も、公知のものを使用することができ、成形条件等に合わせて適宜選択すればよい。例えば、ベンゾイルパーオキサイド、2,4−ジクロロベンゾイルパーオキサイド、tert−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキサノエート、ラウリルパーオキサイド、ステアリルパーオキサイド、メチルイソブチルケトンパーオキサイド、シクロヘキサンパーオキサイド、o−メチルベンゾイルパーオキサイド、2,4−トリメチルペンチルパーオキシフェノキシアセテート、α−クミルパーオキシネオデカノエート、ジ−tert−ブチルパーオキシヘキサハイドロテレフタレート、tert−ブチルパーオキシベンゾエート、ジイソプロピルベンゼンヒドロパーオキサイド、ジ−tert−ブチルパーオキサイド、1,1−ビス−ブチルパーオキシ−3,3,5−トリメチルシクロヘキサン等を用いることができる。
本発明では、上記の単量体の他、重合性組成物に、イオン交換膜を製造する際に使用される他の公知の成分を含有させてもよい。これらの成分としては例えば、スチレン、α−メチルスチレン、α−ハロゲン化スチレン、クロロスチレン、ビニルトルエン、ビニルキシレン、ビニルナフタレン等が挙げられる。
さらに、イオン交換膜の成形重合の成膜性を高める目的等のために、増粘剤や可塑剤、そして、重合性組成物のビニル重合を開始させるために重合開始剤等を配合させてもよい。具体的には、増粘剤としては、スチレン−ブタジエン共重合体やアクリロニトリル−ブタジエン共重合体が挙げられる。また、可塑剤としてはフタル酸等の芳香族酸や脂肪族酸のアルコールエステル類やアルキルリン酸エステル等があげられる。
以上より得られる重合性組成物は、基材に付着されて重合される。重合性組成物の基材への付着方法は、例えば塗布、含浸、あるいは浸漬等の公知の方法が使用でき、基材の材質や形状、あるいは重合性組成物の性状に応じて適宜選択すればよい。
重合は、一般に常温から加圧下で昇温するが、その昇温速度は特に制限されるものではなく適宜選択すればよい。こうした重合条件は、関与する重合開始剤の種類、単量体混合液の組成、基材の種類によっても左右されるものであり、適宜選択すればよい。
以上により重合されて得られる膜状高分子体は、必要に応じてこれを、公知の例えばスルホン化、クロロスルホン化、クロロメチル化およびアミノ化、第四級アンモニウム塩基化、ピリジニウム塩基化、ホスホニウム化、スルホニウム化、加水分解、プロトネーション等の処理により所望のイオン交換基を導入して、レドックスフロー電池用隔膜とすることができる。
本発明のレドックスフロー電池用隔膜は、レドックスフロー電池に用いることにより、水素イオンの透過性能が低くても、電解液中の金属イオンの透過を抑えながら、硫酸イオンが透過しやすくなるので、レドックスフロー電池の抵抗を低減できる。
以下、本発明の実施例および比較例を示すが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。なお、実施例、比較例に示すレドックスフロー電池用隔膜の特性は、以下の方法により測定した。
(1) イオン交換容量
レドックスフロー電池用隔膜を1mol/l−HClに10時間以上浸漬する。その後、1mol/l−NaNO3で塩素イオン型を硝酸イオン型に置換させ、遊離した塩素イオンを0.1mol/l−AgNO3電位差滴定装置で定量した(滴定量A[ml])。
レドックスフロー電池用隔膜を1mol/l−HClに10時間以上浸漬する。その後、1mol/l−NaNO3で塩素イオン型を硝酸イオン型に置換させ、遊離した塩素イオンを0.1mol/l−AgNO3電位差滴定装置で定量した(滴定量A[ml])。
次に同じレドックスフロー電池用隔膜を0.5mol/l−NaClに4時間以上浸漬した。浸漬したレドックスフロー電池用隔膜を取り出し、イオン交換水で水洗した後、減圧乾燥機に入れ、60℃にて5時間乾燥させた。乾燥後、速やかにレドックスフロー電池用隔膜の乾燥重量(W[g])を測定した。そして、イオン交換容量を次式により算出した。
(2) 隔膜のイオン交換基の対イオンとして存在する硫酸イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度の測定
レドックスフロー電池用隔膜を2mol/lの硫酸に室温で72時間浸漬し、定常状態にさせた。隔膜を硫酸から取り出し、表面の水分をティッシュペーパー等で拭き取り、湿潤時重量(W1[g])を測定した。重量測定後、純水に浸漬した。純水は1時間毎に5回交換し、使用した純水は全て回収した。この硫酸を含有した純水を0.1mol/l−NaOHで滴定した(滴定量B[ml])。その後、純水に浸漬していたレドックスフロー電池用隔膜を減圧乾燥機に入れ、60℃にて5時間乾燥させた後、速やかに隔膜の乾燥重量(W2[g])を測定した。
レドックスフロー電池用隔膜を2mol/lの硫酸に室温で72時間浸漬し、定常状態にさせた。隔膜を硫酸から取り出し、表面の水分をティッシュペーパー等で拭き取り、湿潤時重量(W1[g])を測定した。重量測定後、純水に浸漬した。純水は1時間毎に5回交換し、使用した純水は全て回収した。この硫酸を含有した純水を0.1mol/l−NaOHで滴定した(滴定量B[ml])。その後、純水に浸漬していたレドックスフロー電池用隔膜を減圧乾燥機に入れ、60℃にて5時間乾燥させた後、速やかに隔膜の乾燥重量(W2[g])を測定した。
そして、以下の各式に基づいて、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度[mol/l]を算出した。
硫酸密度[g/cm3]:ρ*(25℃における硫酸の密度)
(丸善株式会社発行の化学便覧基礎編(改訂5版)に記載の硫酸密度を参照)
なお、硫酸密度は、上記膜内硫酸溶液の量を求める式と、膜内硫酸重量を求める式から、膜内硫酸濃度を求め、この膜内硫酸濃度に対応した硫酸密度を前記化学便覧基礎編(改訂5版)に記載された数値から求めた。
(丸善株式会社発行の化学便覧基礎編(改訂5版)に記載の硫酸密度を参照)
なお、硫酸密度は、上記膜内硫酸溶液の量を求める式と、膜内硫酸重量を求める式から、膜内硫酸濃度を求め、この膜内硫酸濃度に対応した硫酸密度を前記化学便覧基礎編(改訂5版)に記載された数値から求めた。
(3) 交流電気抵抗
白金黒電極板を有する2室セルの間にレドックスフロー電池用隔膜を介在させ、レドックスフロー電池用隔膜の両側に3mol/l−H2SO4溶液を満たした。交流ブリッジ(周波数1000サイクル/秒)により25℃における電極間の抵抗を測定し、該電極間抵抗とレドックスフロー電池用隔膜を介在させない場合の電極間抵抗との差により交流電気抵抗[Ωcm2]を求めた。交流電気抵抗を求めるために使用するレドックスフロー電池用隔膜は、あらかじめ3mol/l−H2SO4溶液中で平衡にしたものを用いた。
白金黒電極板を有する2室セルの間にレドックスフロー電池用隔膜を介在させ、レドックスフロー電池用隔膜の両側に3mol/l−H2SO4溶液を満たした。交流ブリッジ(周波数1000サイクル/秒)により25℃における電極間の抵抗を測定し、該電極間抵抗とレドックスフロー電池用隔膜を介在させない場合の電極間抵抗との差により交流電気抵抗[Ωcm2]を求めた。交流電気抵抗を求めるために使用するレドックスフロー電池用隔膜は、あらかじめ3mol/l−H2SO4溶液中で平衡にしたものを用いた。
(実施例1〜3)
表1に示した組成表に従って、各種単量体と共重合体を混合し、ペースト状の重合性組成物を得た。組成物としては、2−ビニルピリジン(2−VP)、スチレン(St)、純度57%のジビニルベンゼン(DVB)、水素を添加したアクリロニトリル−ブタジエン共重合体(H−NBR)、ベンゾイルパーオキサイド(BPO)を用いた。得られた重合性組成物をポリ塩化ビニルの織布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材として被覆した後、75℃で8時間加熱重合した。
表1に示した組成表に従って、各種単量体と共重合体を混合し、ペースト状の重合性組成物を得た。組成物としては、2−ビニルピリジン(2−VP)、スチレン(St)、純度57%のジビニルベンゼン(DVB)、水素を添加したアクリロニトリル−ブタジエン共重合体(H−NBR)、ベンゾイルパーオキサイド(BPO)を用いた。得られた重合性組成物をポリ塩化ビニルの織布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材として被覆した後、75℃で8時間加熱重合した。
次いで、得られた膜状高分子体を40重量%ヨウ化メチルのヘキサン溶液を用いて、30℃、24時間のメチル化を行い、隔膜を得た。
得られた隔膜の隔膜内硫酸イオン濃度[mol/l]と交流電気抵抗[Ωcm2]を測定した結果を表1に示す。
実施例1から3によれば、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度が2mol/lであるので、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度は、電解液中の硫酸イオン濃度よりも、実施例1では2.7mol/l、実施例2では2.3mol/l、実施例3では2.6mol/l高くなり、交流電気抵抗の値が低かった。
(実施例4〜6)
表2に示した組成表に従って、各種単量体と共重合体を混合し、ペースト状の重合性組成物を得た。組成物としては、ビニルイミダゾール(VI)、スチレン(St)、純度57%のジビニルベンゼン(DVB)、水素を添加したアクリロニトリル−ブタジエン共重合体(H−NBR)、ベンゾイルパーオキサイド(BPO)を用いた。得られた重合性組成物をポリ塩化ビニルの織布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材として被覆した後、75℃で8時間加熱重合した。
表2に示した組成表に従って、各種単量体と共重合体を混合し、ペースト状の重合性組成物を得た。組成物としては、ビニルイミダゾール(VI)、スチレン(St)、純度57%のジビニルベンゼン(DVB)、水素を添加したアクリロニトリル−ブタジエン共重合体(H−NBR)、ベンゾイルパーオキサイド(BPO)を用いた。得られた重合性組成物をポリ塩化ビニルの織布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材として被覆した後、75℃で8時間加熱重合した。
次いで、得られた膜状高分子体を40重量%ヨウ化メチルのヘキサン溶液を用いて、30℃、24時間のメチル化を行い、隔膜を得た。
得られた隔膜の隔膜内硫酸イオン濃度と交流電気抵抗を測定した結果を表2に示す。
実施例4から6によれば、対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度は、電解液中の硫酸イオン濃度よりも、実施例4では2.6mol/l、実施例5では2.2mol/l、実施例6では2.5mol/l高くなり、交流電気抵抗の値が低かった。
(実施例7)
2−ビニルピリジン−スチレン共重合体(広島和光株式会社製、Mn130,000):ジブロモヘキサン:ジメチルホルムアミド(DMF)=20:10:70(重量比)の溶液からなるキャスト溶液を得た。そして、この得られたキャスト溶液をガラス基板上に塗布し、乾燥させ、隔膜を得た。
2−ビニルピリジン−スチレン共重合体(広島和光株式会社製、Mn130,000):ジブロモヘキサン:ジメチルホルムアミド(DMF)=20:10:70(重量比)の溶液からなるキャスト溶液を得た。そして、この得られたキャスト溶液をガラス基板上に塗布し、乾燥させ、隔膜を得た。
得られた隔膜の対イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度は5.1[mol/l]であり、電解液中の硫酸イオン濃度よりも3.1mol/l高くなり、交流電気抵抗は0.51[Ωcm2]と低かった。
(比較例1)
表3に示した組成表に従って、各種単量体と共重合体を混合し、ペースト状の重合性組成物を得た。組成物としては、2−ビニルピリジン(2−VP)、スチレン(St)、純度57%のジビニルベンゼン(DVB)、水素を添加したアクリロニトリル−ブタジエン共重合体(H−NBR)、ベンゾイルパーオキサイド(BPO)を用いた。得られた重合性組成物をポリ塩化ビニルの織布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材として被覆した後、75℃で8時間加熱重合した。
表3に示した組成表に従って、各種単量体と共重合体を混合し、ペースト状の重合性組成物を得た。組成物としては、2−ビニルピリジン(2−VP)、スチレン(St)、純度57%のジビニルベンゼン(DVB)、水素を添加したアクリロニトリル−ブタジエン共重合体(H−NBR)、ベンゾイルパーオキサイド(BPO)を用いた。得られた重合性組成物をポリ塩化ビニルの織布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材として被覆した後、75℃で8時間加熱重合した。
次いで、得られた膜状高分子体を40重量%ヨウ化メチルのヘキサン溶液を用いて、30℃、24時間のメチル化を行い、隔膜を得た。
得られた隔膜の隔膜内硫酸イオン濃度と交流電気抵抗を測定した結果を表3に示す。
比較例1では、膜内硫酸イオン濃度は6.5mol/lであり、電解液中の硫酸イオン濃度よりも4.5mol/l高くなった。そのときの交流電気抵抗は2.7Ωcm2となり、実施例1から7の結果に比べて交流電気抵抗が高かった。
(比較例2)
隔膜として、イオン交換セルロースペーパー グレードDE81(ワットマンジャパン株式会社製)を用いて、対イオンを除く膜内硫酸イオン濃度および交流電気抵抗を測定した。その結果、膜内硫酸イオン濃度は2.08mol/lとなり、電解液中の硫酸イオン濃度より0.08mol/l高くなっただけであった。交流電気抵抗は、膜の強度が不足しており、測定不可能であった。
隔膜として、イオン交換セルロースペーパー グレードDE81(ワットマンジャパン株式会社製)を用いて、対イオンを除く膜内硫酸イオン濃度および交流電気抵抗を測定した。その結果、膜内硫酸イオン濃度は2.08mol/lとなり、電解液中の硫酸イオン濃度より0.08mol/l高くなっただけであった。交流電気抵抗は、膜の強度が不足しており、測定不可能であった。
本発明は、電解液として起電力が高く、エネルギー密度が大きく、電解液が単一元素系であるため正極電解液と負極電解液とが混合しても充電によって再生することができるといった多くの利点を有しているバナジウムイオン溶液を用いたレドックスフロー電池に用いるのが好適である。
Claims (5)
- 正極電極を備え、硫酸イオンを含有する正極電解液が充填される正極セルと、負極電極を備え、硫酸イオンを含有する負極電解液が充填される負極セルとを備えるレドックスフロー電池において正極セルと負極セルとを分離するレドックスフロー電池用隔膜であって、
隔膜のイオン交換基の対イオンとして存在する硫酸イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも高い、隔膜内硫酸イオン保持能力をもつことを特徴とするレドックスフロー電池用隔膜。 - 隔膜のイオン交換基の対イオンとして存在する硫酸イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも0.1mol/l以上4mol/l以下の範囲で高くなることを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池用隔膜。
- 隔膜のイオン交換基の対イオンとして存在する硫酸イオンを除く隔膜内の硫酸イオン濃度が、隔膜に接触する電解液中の硫酸イオン濃度よりも1mol/l以上4mol/l以下の範囲で高くなることを特徴とする請求項1に記載のレドックスフロー電池用隔膜。
- 隔膜がピリジニウム基を有する架橋重合体よりなる請求項1から請求項3の何れかに記載のレドックスフロー電池用隔膜。
- 隔膜がイミダゾール基を有する架橋重合体よりなる請求項1から請求項3の何れかに記載のレドックスフロー電池用隔膜。
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