JP2010244972A - Redox flow battery - Google Patents

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俊輔 佐多
Akito Yoshida
章人 吉田
Tomohisa Yoshie
智寿 吉江
Shinobu Takenaka
忍 竹中
Masaki Kaga
正樹 加賀
Naoto Nishimura
直人 西村
Yoshihiro Tsukuda
至弘 佃
Hisayuki Uchiumi
久幸 内海
Yuki Watanabe
佑樹 渡辺
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a redox flow battery having high electromotive force with substantially no degradation of its battery performance by inhibiting deposition of an active material. <P>SOLUTION: The redox flow battery includes a positive electrode cell 100 and a negative electrode cell 110, an ion-exchange membrane 120 for separating the cells from one another, a first tank 103 for storing a positive electrode active material for the positive electrode cell, a second tank 113 for storing an electrolyte solution containing a negative electrode active material and a solvent for the negative electrode cell, first pipelines 104 and 105 connected with each other to allow the positive active material to circulate between the first tank and the positive electrode cell, second pipelines 114 and 115 connected with each other to allow the electrolyte solution to circulate between the second tank and the negative electrode cell, a first pump 107 provided in the middle of the first pipeline for circulating the positive electrode active material, and a second pump 116 provided in the middle of the second pipeline for circulating the electrolyte solution. The solvent for the negative electrode cell is an ionic liquid. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、レドックスフロー電池に関する。更に詳しくは、負極セル用溶媒にイオン液体を用い、正極活物質として水と空気又は酸素とを用いたレドックスフロー電池に関する。   The present invention relates to a redox flow battery. More specifically, the present invention relates to a redox flow battery using an ionic liquid as a solvent for a negative electrode cell and using water and air or oxygen as a positive electrode active material.

太陽光発電、風力発電、水力発電等の再生可能エネルギーは今世紀の主要なエネルギー源になると期待される。しかし、これらエネルギー源は、一方で出力変動が大きいという欠点を有する。そのためこれらエネルギー源を電力系統へ接続する際には、出力平滑化のために電力を一旦貯蔵することが検討されている。電力の貯蔵には電池を利用することが検討されており、電池の中でも、レドックスフロー電池は、時間変動への適応性が良好であるという観点から、有力な選択肢の一つである。
現在、レドックスフロー電池の一種であるバナジウムレドックスフロー電池が実用化段階にある(非特許文献1参照)。
Renewable energies such as solar power, wind power and hydropower are expected to become major energy sources for this century. However, these energy sources have the disadvantage of large output fluctuations. For this reason, when these energy sources are connected to the power system, it has been studied to temporarily store power for output smoothing. The use of batteries for the storage of electric power is being studied, and among the batteries, redox flow batteries are one of the leading options from the viewpoint of good adaptability to time fluctuations.
Currently, a vanadium redox flow battery, which is a kind of redox flow battery, is in a practical stage (see Non-Patent Document 1).

バナジウムレドックスフロー電池は、バナジウムイオンの安定度の違いにより活物質の析出が生じ、電池容量が低下するという課題を有している。しかし、電解液への添加剤又は安定化剤の使用、溶媒及び活物質濃度の限定、電解液の温度制御、運転方法等により活物質の析出を防止する手段が報告されている(特許文献1参照)。
また、高い起電力を得るために非プロトン性有機溶媒と、負極反応にU4+/U3+、正極反応にUO2 +/UO2 2+を使用するウランレドックスフロー電池が報告されている(特許文献2参照)。
更に、電池の高出力化と小型化のために、負極反応に極性溶媒中に溶解させた2価、3価のバナジウム溶液、正極反応に酸素あるいは空気を用いるレドックス電池が報告されている(特許文献3参照)。
The vanadium redox flow battery has a problem that the active material is precipitated due to the difference in stability of vanadium ions, and the battery capacity is reduced. However, there have been reported means for preventing the precipitation of the active material by using additives or stabilizers in the electrolytic solution, limiting the concentration of the solvent and the active material, controlling the temperature of the electrolytic solution, the operation method, and the like (Patent Document 1). reference).
In addition, a uranium redox flow battery using an aprotic organic solvent and U 4+ / U 3+ for the negative electrode reaction and UO 2 + / UO 2 2+ for the positive electrode reaction in order to obtain a high electromotive force has been reported. (See Patent Document 2).
Further, in order to increase the output and size of the battery, a redox battery using a divalent or trivalent vanadium solution dissolved in a polar solvent for the negative electrode reaction and oxygen or air for the positive electrode reaction has been reported (patent) Reference 3).

特開平8−64223号公報JP-A-8-64223 特開2005−209525号公報JP 2005-209525 A 特許第3163370号Japanese Patent No. 3163370

電子技術総合研究所彙報 第63巻 第4,5号Electronic Technology Research Institute Vocabulary Vol. 63, No. 4, 5

非特許文献1並びに特許文献2及び3に記載のレドックスフロー電池は、電解液に揮発性の溶媒を使用している。また、特許文献3に記載のレドックスフロー電池は、負極側の電解液に揮発性の溶媒を使用している。
揮発性の溶媒を用いた電解液を長期間使用すると、電解液が徐々に気化し、電解液濃度が上昇して活物質が析出する。活物質が析出することにより電池性能は低下するため、充放電を長期間繰り返すことにより電池性能が低下していくという課題があった。
更に、特許文献3に記載のレドックスフロー電池は、電池の高出力化と小型化を目的として、正極活物質に気体である酸素又は空気を使用している。負極側の溶媒が、正極と負極との間のイオン交換膜を介して、正極側から気化することがある。そのため、負極側の電解液濃度が上昇して活物質が析出し、その結果として電池性能が低下するという課題があった。
The redox flow battery described in Non-Patent Document 1 and Patent Documents 2 and 3 uses a volatile solvent for the electrolytic solution. Moreover, the redox flow battery described in Patent Document 3 uses a volatile solvent for the electrolyte solution on the negative electrode side.
When an electrolytic solution using a volatile solvent is used for a long period of time, the electrolytic solution is gradually vaporized, the electrolytic solution concentration is increased, and the active material is deposited. Since the battery performance is reduced by the precipitation of the active material, there is a problem that the battery performance is lowered by repeating charging and discharging for a long time.
Furthermore, the redox flow battery described in Patent Document 3 uses oxygen or air, which is a gas, as the positive electrode active material for the purpose of increasing the output and reducing the size of the battery. The solvent on the negative electrode side may be vaporized from the positive electrode side through the ion exchange membrane between the positive electrode and the negative electrode. Therefore, there has been a problem that the concentration of the electrolyte on the negative electrode side is increased and the active material is precipitated, resulting in a decrease in battery performance.

以上の課題を鑑みて鋭意検討した結果、本発明の発明者は、負極電解液の溶媒にイオン液体を用いることにより、溶媒の蒸発による活物質の析出を抑制し、これによって電池性能の低下がほとんどなく、高起電力を有するレドックスフロー電池が得られることを見出すことで本発明に至った。
すなわち、本発明によれば、正極セル及び負極セルと、前記両セルを分離するイオン交換膜と、前記正極セル用の正極活物質が貯留された第1タンクと、前記負極セル用の負極活物質と溶媒とを含む電解液が貯留された第2タンクと、前記第1タンクと正極セルとの間を前記正極活物質が循環しうるように接続された第1配管と、前記第2タンクと負極セルとの間を前記電解液が循環しうるように接続された第2配管と、前記第1配管の途中に設けられた正極活物質循環用の第1ポンプと、前記第2配管の途中に設けられた電解液循環用の第2ポンプとを備え、
前記正極活物質は、充電時には水、放電時には空気又は酸素であり、前記負極セル用の溶媒はイオン液体であることを特徴とするレドックスフロー電池が提供される。
As a result of intensive studies in view of the above problems, the inventors of the present invention use an ionic liquid as the solvent of the negative electrode electrolyte solution to suppress the precipitation of the active material due to the evaporation of the solvent, thereby reducing the battery performance. The present invention has been reached by finding that there is almost no redox flow battery having a high electromotive force.
That is, according to the present invention, a positive electrode cell and a negative electrode cell, an ion exchange membrane separating the two cells, a first tank in which a positive electrode active material for the positive electrode cell is stored, and a negative electrode active for the negative electrode cell A second tank in which an electrolyte containing a substance and a solvent is stored; a first pipe connected so that the positive electrode active material can circulate between the first tank and the positive electrode cell; and the second tank. A second pipe connected so that the electrolytic solution can circulate between the first and the negative electrode cells, a first pump for positive electrode active material circulation provided in the middle of the first pipe, and a second pipe A second pump for circulating the electrolyte provided in the middle,
A redox flow battery is provided in which the positive electrode active material is water during charging, air or oxygen during discharging, and the solvent for the negative electrode cell is an ionic liquid.

本発明によれば、不揮発性のイオン液体を負極電解液の溶媒として用いることにより、溶媒の気化により生じる負極活物質の析出を抑制できる。その結果、電池性能の低下がほとんどない、高起電力を有するレドックスフロー電池を実現できる。   According to the present invention, by using a non-volatile ionic liquid as a solvent for the negative electrode electrolyte, it is possible to suppress deposition of the negative electrode active material caused by vaporization of the solvent. As a result, it is possible to realize a redox flow battery having a high electromotive force with little deterioration in battery performance.

本発明のレドックスフロー電池の一例を模式的に示す概略構成図である。It is a schematic block diagram which shows typically an example of the redox flow battery of this invention. 本発明のレドックスフロー電池の25℃における充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging curve in 25 degreeC of the redox flow battery of this invention. 本発明のレドックスフロー電池の40℃における充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging curve in 40 degreeC of the redox flow battery of this invention. 本発明のレドックスフロー電池の80℃における充放電曲線を示す図である。It is a figure which shows the charging / discharging curve in 80 degreeC of the redox flow battery of this invention. 本発明のレドックスフロー電池のサイクル数に対する放電時間を示す図である。It is a figure which shows the discharge time with respect to the cycle number of the redox flow battery of this invention.

(レドックスフロー電池の構成)
本発明によるレドックスフロー電池は、正極セル及び負極セルと、両セルを分離するイオン交換膜と、正極セル用の正極活物質が貯留された第1タンクと、負極セル用の負極活物質と溶媒とを含む電解液が貯留された第2タンクと、第1タンクと正極セルとの間を正極活物質が循環しうるように接続された第1配管と、第2タンクと負極セルとの間を電解液が循環しうるように接続された第2配管と、第1配管の途中に設けられた正極活物質循環用の第1ポンプと、第2配管の途中に設けられた電解液循環用の第2ポンプとを備えている。
(Configuration of redox flow battery)
The redox flow battery according to the present invention includes a positive electrode cell and a negative electrode cell, an ion exchange membrane separating both cells, a first tank in which a positive electrode active material for the positive electrode cell is stored, a negative electrode active material and a solvent for the negative electrode cell. Between the second tank and the negative electrode cell, the first pipe connected so that the positive electrode active material can circulate between the first tank and the positive electrode cell, and the second tank and the negative electrode cell. The second pipe connected so that the electrolyte can circulate, the first pump for circulating the positive electrode active material provided in the middle of the first pipe, and the electrolyte circulation provided in the middle of the second pipe The second pump.

更に、第1タンクが水と空気又は酸素とを水相及び気相として同時に貯留し、
第1配管が、水を第1タンクから正極セルに輸送しうるように接続された第1配管Aと、空気又は酸素を第1タンクから正極セルに輸送しうるように接続された第1配管Bとを備え、
第1配管AとBとが、合流して1本の配管になり、合流した部位に水と空気又は酸素との切換コックを備え、
第1ポンプが、第1配管Aの途中に設けられた正極活物質循環用の第1ポンプAと、第1配管Bの途中に設けられた正極活物質循環用の第1ポンプBとからなり、
切換コックが、正極セルと、第1ポンプA及び第1ポンプBとの間に位置することが好ましい。
Furthermore, the first tank stores water and air or oxygen simultaneously as a water phase and a gas phase,
A first pipe A is connected to be able to transport water from the first tank to the positive electrode cell, and a first pipe is connected to be able to transport air or oxygen from the first tank to the positive electrode cell. With B,
1st piping A and B merge, it becomes one piping, and the switching cock of water, air, or oxygen is provided in the joined part,
The first pump includes a first pump A for positive electrode active material circulation provided in the middle of the first pipe A and a first pump B for positive electrode active material circulation provided in the middle of the first pipe B. ,
The switching cock is preferably positioned between the positive electrode cell and the first pump A and the first pump B.

また、上記好ましい構成では、第1配管AとBとが、合流して1本の配管となり、合流した配管が正極セルに接続されているが、合流せずに、第1配管AとBとが、それぞれ直接正極セルに接続されていてもよい(この構成は非合流構成と称する)。
このような構成を備えることで、充放電の切り替えの際に、充電時には水を、放電時には空気又は酸素を、効果的に正極セルに供給できるので、正極セルにおいて目的の反応を効率良く生じさせることが可能となる。その結果、充放電効率をより向上できる。
非合流構成の場合、第1配管AとBとがそれぞれ接続する正極セルの位置は、正極セルから正極活物質が排出される位置とできるだけ遠い位置であることが、正極セルにおいて目的の反応を効率良く生じさせる観点から好ましい。
Moreover, in the said preferable structure, although the 1st piping A and B merge and become one piping and the merged piping is connected to the positive electrode cell, However, each may be directly connected to the positive electrode cell (this configuration is referred to as a non-merging configuration).
By providing such a configuration, when switching between charge and discharge, water can be effectively supplied to the positive electrode cell during charging, and air or oxygen can be effectively supplied to the positive electrode cell during discharge, so that the desired reaction is efficiently generated in the positive electrode cell. It becomes possible. As a result, the charge / discharge efficiency can be further improved.
In the case of a non-merging configuration, the position of the positive electrode cell to which the first pipes A and B are connected is as far as possible from the position where the positive electrode active material is discharged from the positive electrode cell. It is preferable from a viewpoint of generating efficiently.

以下、レドックスフロー電池の一実施形態について図1を参照しながら説明する。なお、以下では、正極と負極とをまとめて電極と称することもある。
図1は、本発明のレドックスフロー電池の概略構成図である。図1に示されるレドックスフロー電池は、正極セル100及び負極セル110を備えている。
正極セル100は、正極101と正極活物質(充電時には水、放電時には空気又は酸素)102とを保持しうる構成を有している。同様に、負極セル110は、負極111と負極電解液112とを保持しうる構成を有している。ここで、正極セル100及び負極セル110は、イオン交換膜120により分離されている。
Hereinafter, an embodiment of a redox flow battery will be described with reference to FIG. Hereinafter, the positive electrode and the negative electrode may be collectively referred to as an electrode.
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a redox flow battery of the present invention. The redox flow battery shown in FIG. 1 includes a positive electrode cell 100 and a negative electrode cell 110.
The positive electrode cell 100 has a configuration capable of holding a positive electrode 101 and a positive electrode active material (water at the time of charging, air or oxygen at the time of discharging) 102. Similarly, the negative electrode cell 110 has a configuration capable of holding the negative electrode 111 and the negative electrode electrolyte solution 112. Here, the positive electrode cell 100 and the negative electrode cell 110 are separated by an ion exchange membrane 120.

正極活物質102は、それを保持する第1タンク(正極活物質タンク)103と正極セル100との間を、第1ポンプ(第1ポンプA)107により、第1配管104及び105を介して循環している。第1配管104は、水の輸送用であり、第1配管Aとも称する。第1配管104及び105は、正極101への活物質の供給に支障がなければ、正極セル100の相応の位置に設けることができる。
また、第1タンク103と正極セル100との間に、空気又は酸素を輸送するための第1配管Bを備えていてもよい。また、第1配管Bには、正極活物質(空気又は酸素)循環用の第1ポンプB108を設けてもよい。更に、第1配管Bは、第1配管Aと、切替コック130を介して接続されていてもよい。これら構成を有することにより、正極活物質を第1配管B106、第1配管A104の一部(切替コック130から正極セル100の間)及び第1配管105を介して循環できる。
第1配管B106と第1タンク103との接続部は、第1タンク103の正極活物質(水)102の液表面よりも高い箇所に位置していることが好ましい。
The positive electrode active material 102 is interposed between the first tank (positive electrode active material tank) 103 holding the positive electrode active material 102 and the positive electrode cell 100 via the first pipes 104 and 105 by the first pump (first pump A) 107. It is circulating. The first pipe 104 is used for transporting water and is also referred to as a first pipe A. The first pipes 104 and 105 can be provided at appropriate positions in the positive electrode cell 100 as long as there is no problem in supplying the active material to the positive electrode 101.
Further, a first pipe B for transporting air or oxygen may be provided between the first tank 103 and the positive electrode cell 100. Further, the first pipe B may be provided with a first pump B108 for circulating the positive electrode active material (air or oxygen). Further, the first pipe B may be connected to the first pipe A via the switching cock 130. By having these configurations, the positive electrode active material can be circulated through the first pipe B106, a part of the first pipe A104 (between the switching cock 130 and the positive electrode cell 100) and the first pipe 105.
The connecting portion between the first pipe B106 and the first tank 103 is preferably located at a location higher than the liquid surface of the positive electrode active material (water) 102 of the first tank 103.

上記構成を備えることで、充電時には、第1ポンプA107により、正極活物質(水)102が第1配管A104及び第1配管105を介して循環する。また、放電時には、第1ポンプB108により、正極活物質(空気又は酸素)が第1配管B106、第1配管Aの一部(切替コック130から正極セル100の間)及び第1配管105を介して循環する。両循環の切換は、切替コック130を操作することで行う。
このように、第1配管B106、第1ポンプB108及び切替コック130を設けることにより、充電時及び放電時に目的の反応物質を正極セル100に供給できると共に、電池全体の効率を向上させることが可能となる。
With the above configuration, the positive electrode active material (water) 102 is circulated through the first pipe A 104 and the first pipe 105 by the first pump A 107 during charging. At the time of discharge, the positive electrode active material (air or oxygen) is passed through the first pipe B106, a part of the first pipe A (between the switching cock 130 and the positive electrode cell 100) and the first pipe 105 by the first pump B108. Circulate. Switching between the two circulations is performed by operating the switching cock 130.
As described above, by providing the first pipe B106, the first pump B108, and the switching cock 130, it is possible to supply the target reactant to the positive electrode cell 100 during charging and discharging, and to improve the efficiency of the entire battery. It becomes.

負極電解液112は、それを保持する第2タンク(負極電解液タンク)113と負極セル110との間を、第2ポンプ116により、第2配管114及び115を介して循環している。第2配管114及び115は、負極111への活物質の供給に支障がなければ、負極セル110の相応の位置に設けることができる。
正極活物質102及び負極電解液112は、それぞれ、正極セル100とイオン交換膜120との間、負極セル110とイオン交換膜120との間に供給される。
正極101及び/又は負極111は、多孔質な材料で構成されてもよい。この場合、活物質を効率よく正極101及び/又は負極111の内部へ供給するために、活物質及び電解液を正極101及び負極111の内部に直接供給できさえすれば、各配管を正極セル100及び/又は負極セル110の任意の位置に設けることができる。
The negative electrode electrolyte 112 is circulated between the second tank (negative electrode electrolyte tank) 113 holding the negative electrode electrolyte 112 and the negative electrode cell 110 via the second pipes 114 and 115 by the second pump 116. The second pipes 114 and 115 can be provided at appropriate positions in the negative electrode cell 110 as long as there is no problem in supplying the active material to the negative electrode 111.
The positive electrode active material 102 and the negative electrode electrolyte solution 112 are supplied between the positive electrode cell 100 and the ion exchange membrane 120 and between the negative electrode cell 110 and the ion exchange membrane 120, respectively.
The positive electrode 101 and / or the negative electrode 111 may be made of a porous material. In this case, in order to efficiently supply the active material to the inside of the positive electrode 101 and / or the negative electrode 111, as long as the active material and the electrolyte can be directly supplied to the inside of the positive electrode 101 and the negative electrode 111, each pipe is connected to the positive electrode cell 100. And / or it can be provided at any position of the negative electrode cell 110.

正極セル100内及び負極セル110内に供給された正極活物質102及び負極電解液112は、各セル内において所定のレドックス反応に供される。例えば、負極活物質としてバナジウム塩をイオン液体に溶解させたレドックスフロー電池において、正極セル100内では、充電時に、2H2O→O2+4H++4e-の酸化反応を生じる。また、放電時に、O2+4H++4e-→2H2Oの還元反応を生じる。一方、負極セル110内では、充電時においてV3++e-→V2+の還元反応を生じ、放電時においてV2+→V3++e-の酸化反応を生じる。従って、電池内の上述のようなレドックス反応に基づく充放電に伴い、約1.5Vの起電力が得られる。 The positive electrode active material 102 and the negative electrode electrolyte solution 112 supplied into the positive electrode cell 100 and the negative electrode cell 110 are subjected to a predetermined redox reaction in each cell. For example, in a redox flow battery in which vanadium salt is dissolved in an ionic liquid as a negative electrode active material, an oxidation reaction of 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e occurs during charging in the positive electrode cell 100. Further, during discharge, a reduction reaction of O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O occurs. On the other hand, in the negative electrode 110, a reduction reaction of V 3+ + e → V 2+ occurs during charging, and an oxidation reaction of V 2+ → V 3+ + e occurs during discharging. Therefore, an electromotive force of about 1.5 V can be obtained with charging / discharging based on the above-described redox reaction in the battery.

図1に示すように、第1タンク103は、正極活物質(水及び空気又は酸素)を導入するための導入配管132を備えてもよい。導入配管132は、導入配管の開閉を行うコック131を備えている。第1タンク103が導入配管132及びコック131を備えることにより、必要に応じて正極活物質及び/又は正極溶媒を導入できる。また、図示していないが、導入配管と水道管及び/又は雨水用の貯水槽とを純水製造装置を介して接続することにより、正極溶媒を導入する手間が省けるため、メンテナンスフリーにすることができる。更に、導入配管と純水製造装置との間に切替コックを設け、ポンプ等の外気を取り入れることができる装置を備えることにより、空気を導入する手間が省けるため、メンテナンスフリーに加えて長期にわたる使用が可能となる。   As shown in FIG. 1, the first tank 103 may include an introduction pipe 132 for introducing a positive electrode active material (water and air or oxygen). The introduction pipe 132 includes a cock 131 that opens and closes the introduction pipe. When the first tank 103 includes the introduction pipe 132 and the cock 131, the positive electrode active material and / or the positive electrode solvent can be introduced as necessary. In addition, although not shown in the figure, maintenance-free operation can be achieved by connecting the introduction pipe and the water pipe and / or the rainwater storage tank through the pure water production apparatus, thereby eliminating the trouble of introducing the positive electrode solvent. Can do. Furthermore, a switching cock is provided between the introduction pipe and the pure water production equipment, and a device that can take in outside air, such as a pump, can be used to save time and labor for air introduction. Is possible.

また、正極セル110中の正極を2つ設けてもよい(図示していない)。2つの正極を設けることで、正極を充電時と放電時とで使い分けできる。具体的には、充電時における2H2O→O2+4H++4e-の酸化反応、及び放電時におけるO2+4H++4e-→2H2Oの還元反応を別々の正極で生じさせることができる。これにより、正極における各反応過電圧を低下させることができるとともに、レドックスフロー電池の電圧ロスを効果的に抑制できる。更に、正極を2つ設けることで、各反応に適した正極材料を用いることができる。そのため、各々の正極の寿命を長くすることができるとともに、レドックスフロー電池の耐久性を向上できる。 Two positive electrodes in the positive electrode cell 110 may be provided (not shown). By providing two positive electrodes, the positive electrode can be properly used for charging and discharging. Specifically, 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e oxidation reaction during charging and O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O reduction reaction during discharge can be caused in separate positive electrodes. Thereby, while being able to reduce each reaction overvoltage in a positive electrode, the voltage loss of a redox flow battery can be suppressed effectively. Furthermore, by providing two positive electrodes, a positive electrode material suitable for each reaction can be used. Therefore, the life of each positive electrode can be extended and the durability of the redox flow battery can be improved.

本発明によるレドックスフロー電池の構成要素について、以下に更に詳細を示す。
(正極活物質)
正極活物質としては、充電時には水、放電時には空気又は酸素が用いられる。酸素は、入手しやすさという観点から、大気中のものを用いてもよい。
正極活物質に、水と空気又は酸素とを用いることにより、高価な硫酸バナジルの使用量を減らすことができるので、より安価なレドックスフロー電池を提供できる。
空気又は酸素の濃度については、正極に十分な酸素が供給され、正極の電極反応が濃度勾配による拡散律速にならないものであれば、特に限定されない。
The components of the redox flow battery according to the present invention will be described in further detail below.
(Positive electrode active material)
As the positive electrode active material, water is used during charging, and air or oxygen is used during discharging. From the viewpoint of easy availability, oxygen in the atmosphere may be used.
By using water and air or oxygen as the positive electrode active material, the amount of expensive vanadyl sulfate used can be reduced, so that a cheaper redox flow battery can be provided.
The concentration of air or oxygen is not particularly limited as long as sufficient oxygen is supplied to the positive electrode and the electrode reaction of the positive electrode is not diffusion-controlled by the concentration gradient.

水は、通常大容量使用される。また、水は、水道管から供給される一般の水道水及び/又は貯水槽に溜められ雨水等でもよい。不純物が正極での電極反応を阻害することを防ぐために、純水又は超純水を用いることがより好ましい。従って、一般の水道水や雨水を用いる場合には、これらを純水製造装置により前処理を行ってから使用することが望ましい。
水には他の成分が含まれていてもよい。他の成分としては、例えば支持電解質が挙げられる。支持電解質は、水の溶液抵抗が高くて電極反応が生じにくい場合に使用できる。
支持電解質の種類や添加量については、水に溶け込むことにより、水に導電性を持たせることができれば、特に限定されない。
Water is usually used in large volumes. Further, the water may be general tap water supplied from a water pipe and / or rainwater stored in a water storage tank. In order to prevent impurities from inhibiting the electrode reaction at the positive electrode, it is more preferable to use pure water or ultrapure water. Therefore, when using general tap water or rainwater, it is desirable to use them after pre-treatment with a pure water production apparatus.
The water may contain other components. Examples of other components include a supporting electrolyte. The supporting electrolyte can be used when the solution resistance of water is high and the electrode reaction hardly occurs.
The type and amount of the supporting electrolyte are not particularly limited as long as the water can be made conductive by being dissolved in water.

支持電解質は水中でイオンとして働く。そのため、支持電解質としては、イオン化しやすいアニオンとカチオンで組み合わされた塩、酸又はアルカリが好ましい。
カチオンとしては、例えば、水素イオンや、Li+、Na+、K+、Rb+、Cs+等のアルカリ金属イオンや、アンモニウムイオン、テトラメチルアンモニウムイオン、テトラエチルアンモニウムイオン、テトラ(n−プロピル)アンモニウムイオン、テトラ(i−プロピル)アンモニウムイオン、テトラ(n−ブチル)アンモニウムイオン、テトラ(n−ヘキシル)アンモニウムイオン等の第4級アルキルアンモニウムイオンが挙げられる。
The supporting electrolyte acts as an ion in water. Therefore, the supporting electrolyte is preferably a salt, acid or alkali combined with an anion and a cation that are easily ionized.
Examples of the cation include hydrogen ions, alkali metal ions such as Li + , Na + , K + , Rb + , and Cs + , ammonium ions, tetramethylammonium ions, tetraethylammonium ions, and tetra (n-propyl) ammonium. Examples thereof include quaternary alkyl ammonium ions such as ions, tetra (i-propyl) ammonium ions, tetra (n-butyl) ammonium ions, and tetra (n-hexyl) ammonium ions.

アニオンとしては、例えば、Cl-、Br-、I-等のハロゲンイオンや、水酸基イオン、酢酸イオン、硫酸イオン、硝酸イオン、過塩素酸イオン、BF4 -、PF6 -、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド、ビス(1,1,2,2,3,3,3−ヘプタフルオロ−1−プロパンスルホニル)イミド、ビス(1,1,2,2,3,3,4,4,4−ノナフルオロ−1−ブタンスルホニル)イミド、各種スルホン酸イオン等が挙げられる。 Examples of the anion include halogen ions such as Cl , Br and I , hydroxyl ions, acetate ions, sulfate ions, nitrate ions, perchlorate ions, BF 4 , PF 6 , bis (trifluoromethanesulfonyl). ) Imide, bis (1,1,2,2,3,3,3-heptafluoro-1-propanesulfonyl) imide, bis (1,1,2,2,3,3,4,4,4-nonafluoro) -1-butanesulfonyl) imide, various sulfonate ions, and the like.

(負極電解液)
負極電解液は、負極活物質を少なくとも含み、負極溶媒及び他の成分を更に含んでいてもよい。
(1)負極活物質
負極活物質は、レドックス反応するイオン種を含む物質である。
負極活物質としては、例えば、バナジウム、ウラン、鉄、クロム等の遷移金属、亜鉛、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム等のアルカリ土類金属、塩素、臭素、硫黄等、及びそれらの化合物が挙げられる。これらのうち、環境負荷を低減するという観点から、バナジウム、鉄、ナトリウム、臭素、硫黄、及びそれらの化合物を用いることが、より好ましい。
上記負極活物質は、塩化物塩、硫化物塩、硫酸塩、硝酸塩、トリハロメタンスルホン酸塩、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミド塩等の形態で、負極電解液中に存在することが好ましい。
(Negative electrolyte)
The negative electrode electrolyte contains at least a negative electrode active material, and may further contain a negative electrode solvent and other components.
(1) Negative electrode active material A negative electrode active material is a substance containing an ionic species that undergoes redox reaction.
Examples of the negative electrode active material include transition metals such as vanadium, uranium, iron, and chromium, alkali metals such as zinc, sodium, and potassium, alkaline earth metals such as magnesium, calcium, and strontium, chlorine, bromine, sulfur, and the like. Those compounds are mentioned. Of these, it is more preferable to use vanadium, iron, sodium, bromine, sulfur, and compounds thereof from the viewpoint of reducing environmental burden.
The negative electrode active material is preferably present in the negative electrode electrolyte in the form of a chloride salt, sulfide salt, sulfate, nitrate, trihalomethanesulfonate, bis (trifluoromethanesulfonyl) imide salt, or the like.

負極活物質の添加量としては、負極電解液全体に対して、0.001〜10mol/リットルの範囲であることが好ましい。0.001mol/リットル未満の場合、電池が低エネルギー密度となる場合がある。また、10mol/リットルより多い場合には、負極活物質が析出してエネルギー貯蔵媒体として機能しないことがある。より好ましい添加量は、0.1〜5mol/リットルの範囲である。   The addition amount of the negative electrode active material is preferably in the range of 0.001 to 10 mol / liter with respect to the whole negative electrode electrolyte. If it is less than 0.001 mol / liter, the battery may have a low energy density. On the other hand, when the amount is more than 10 mol / liter, the negative electrode active material may be deposited and may not function as an energy storage medium. A more preferable addition amount is in the range of 0.1 to 5 mol / liter.

(2)負極溶媒
負極溶媒には、イオン液体が用いられる。
本明細書において「イオン液体」とは、イオンのみから構成されているにもかかわらず常温で液体状態にあるものを指す。「イオン液体」は、「イオン性液体」、「常温溶融塩」、「室温溶融塩」と称されることもある。
イオン液体は、イミダゾリウムのようなカチオンと適当なアニオンの組み合わせで構成される。
イオン液体は難燃性、不揮発性であるため、負極溶媒にイオン液体を用いた場合、水溶媒及び/又は有機溶媒を用いた場合と比較して、耐久性及び安全性に優れたレドックスフロー電池を実現できる。
(2) Negative electrode solvent An ionic liquid is used for a negative electrode solvent.
In the present specification, the “ionic liquid” refers to a liquid that is in a liquid state at room temperature despite being composed only of ions. The “ionic liquid” may be referred to as “ionic liquid”, “room temperature molten salt”, or “room temperature molten salt”.
The ionic liquid is composed of a combination of a cation such as imidazolium and an appropriate anion.
Since the ionic liquid is flame retardant and non-volatile, when using the ionic liquid as the negative electrode solvent, the redox flow battery is superior in durability and safety compared to the case of using the water solvent and / or the organic solvent. Can be realized.

負極溶媒にイオン液体を用いることにより、負極溶媒が揮発により減少することがなくなるので、負極活物質の析出を防ぐことができる。これにより、電池容量の低下を効果的に防ぎ、レドックスフロー電池の信頼性を高めることができる。また、負極溶媒を補充する必要がほとんどなくなるので、レドックスフロー電池のメンテナンスを低減でき、メンテナンス費用の低減にもつながる。
更に、負極溶媒が気化する恐れが無くなることにより、広い温度領域でレドックスフロー電池を動作できるので、レドックスフロー電池の特性や利用価値を高めることができる。
By using an ionic liquid as the negative electrode solvent, the negative electrode solvent is not reduced by volatilization, so that precipitation of the negative electrode active material can be prevented. Thereby, the fall of battery capacity can be prevented effectively and the reliability of a redox flow battery can be improved. In addition, since it is almost unnecessary to replenish the negative electrode solvent, the maintenance of the redox flow battery can be reduced, leading to a reduction in maintenance costs.
Furthermore, since there is no risk of vaporization of the negative electrode solvent, the redox flow battery can be operated in a wide temperature range, so that the characteristics and utility value of the redox flow battery can be enhanced.

イオン液体は、レドックスフロー電池の電気化学反応を妨げないものであれば、どのようなものを用いてもよい。好ましいイオン液体は、以下の範囲の電位窓、粘度及び/又はイオン伝導度を有するものである。
イオン液体の電位窓は、−4.0〜2.0Vvs.Ag/Ag+が好ましい。低電位側の電位が−4.0Vより高くなると、ナトリウム、カリウム等のアルカリ金属や、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム等のアルカリ土類金属を活物質として使用し難くなる。高電位側の電位が2.0Vより低くなると、ウランや硫黄等の材料が活物質として使用し難くなる。また、上記イオン液体の電位窓の範囲外では、イオン液体自体の分解が生じることがあり、それによる急激な酸化電流又は還元電流が観測されることがある。より好ましい電位窓は、−3.5〜1.5Vvs.Ag/Ag+の範囲である。この範囲であれば、より高起電力の電池を構成できる。
なお、ここでの電位窓は、サイクリックボルタンメトリーを行い、急激に酸化電流及び還元電流が検出された電位を測定した値を意味する。
Any ionic liquid may be used as long as it does not interfere with the electrochemical reaction of the redox flow battery. Preferred ionic liquids are those having a potential window, viscosity and / or ionic conductivity in the following ranges.
The potential window of the ionic liquid is −4.0 to 2.0 Vvs. Ag / Ag + is preferred. When the potential on the low potential side is higher than −4.0 V, it becomes difficult to use an alkali metal such as sodium or potassium, or an alkaline earth metal such as magnesium, calcium, or strontium as an active material. When the potential on the high potential side is lower than 2.0 V, it becomes difficult to use materials such as uranium and sulfur as the active material. In addition, the ionic liquid itself may be decomposed outside the range of the potential window of the ionic liquid, and an abrupt oxidation current or reduction current may be observed. A more preferred potential window is -3.5 to 1.5 Vvs. It is a range of Ag / Ag + . If it is this range, the battery of higher electromotive force can be comprised.
Here, the potential window means a value obtained by performing cyclic voltammetry and measuring a potential at which an oxidation current and a reduction current are rapidly detected.

イオン液体の粘度は、20℃において、1〜500mPa・sの範囲が好ましい。1mPa・sより低いと、イオン液体の安定性が低下することがある。500mPa・sより高いと、イオン液体を循環させるポンプへの負荷が高くなりすぎることがある。より好ましい粘度は、10〜150mPa・sの範囲であり、この範囲であれば、負極へのイオン液体の染み込みをより良好にできる。
なお、イオン液体の粘度は、TA Instruments社製AR2000により測定した値を示す。
The viscosity of the ionic liquid is preferably in the range of 1 to 500 mPa · s at 20 ° C. If it is lower than 1 mPa · s, the stability of the ionic liquid may be lowered. If it is higher than 500 mPa · s, the load on the pump for circulating the ionic liquid may become too high. A more preferable viscosity is in the range of 10 to 150 mPa · s, and if it is within this range, the penetration of the ionic liquid into the negative electrode can be made better.
In addition, the viscosity of an ionic liquid shows the value measured by AR2000 by TA Instruments.

イオン液体のイオン伝導度は、25℃において、0.05〜25mS/cmの範囲が好ましい。0.05mS/cmより低くなると、電池の電気抵抗が高くなりすぎて充放電のエネルギー効率が低くなることがある。25mS/cmより高くなると、漏れ電流が大きくなり、エネルギー貯蔵性が低下することがある。より好ましいイオン伝導度は、1〜15mS/cmの範囲である。この範囲であれば、レドックスフロー電池の充放電反応をより良好にできる。
なお、イオン伝導度は、ソーラトロン社製1280Z型電気化学測定システムを使用し、1000Hzの交流インピーダンスを測定した値を示す。
The ionic conductivity of the ionic liquid is preferably in the range of 0.05 to 25 mS / cm at 25 ° C. If it is lower than 0.05 mS / cm, the electric resistance of the battery becomes too high, and the energy efficiency of charge / discharge may be lowered. If it is higher than 25 mS / cm, the leakage current increases and the energy storage property may be lowered. More preferable ionic conductivity is in the range of 1 to 15 mS / cm. If it is this range, the charge / discharge reaction of a redox flow battery can be made more favorable.
In addition, ion conductivity shows the value which measured the alternating current impedance of 1000 Hz using the Solartron 1280Z type | mold electrochemical measurement system.

イオン液体としては、例えば、イミダゾリウム系カチオンとホウフッ化物アニオン(BF4 -)、六フッ化リン酸アニオン(PF6 -)、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン(CF3SO3 -)(TF)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン(N(CF3SO22 -)(TFSI)又はヨウ化物イオン(I-)との溶融塩、脂肪族四級アンモニウム系カチオンとBF4 -、PF6 -、TF、TFSI又はI-との溶融塩等が挙げられる。
イミダゾリウム系カチオンとしては、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム(EMI)イオン、1−ブチル−3−メチルイミダゾリウム(BMI)イオン、1−ヘキシル−3−メチルイミダゾリウム(HMI)イオン、1−プロピル−3−メチルイミダゾリウム(PMI)イオン、1,2−ジメチル−3−プロピルイミダゾリウム(DMPI)イオン等を好適に使用できる。
Examples of the ionic liquid include imidazolium cation and borofluoride anion (BF 4 ), hexafluorophosphate anion (PF 6 ), trifluoromethanesulfonate anion (CF 3 SO 3 ) (TF), bis (Trifluoromethanesulfonyl) imide anion (N (CF 3 SO 2 ) 2 ) (TFSI) or iodide ion (I ), molten salt, aliphatic quaternary ammonium cation and BF 4 , PF 6 , Examples thereof include molten salts with TF, TFSI, or I .
Examples of imidazolium-based cations include 1-ethyl-3-methylimidazolium (EMI) ion, 1-butyl-3-methylimidazolium (BMI) ion, 1-hexyl-3-methylimidazolium (HMI) ion, 1 -Propyl-3-methylimidazolium (PMI) ion, 1,2-dimethyl-3-propylimidazolium (DMPI) ion and the like can be preferably used.

脂肪族四級アンモニウム系カチオンとしては、テトラエチルアンモニウム(TEA)イオン、トリエチルメチルアンモニウム(TEMA)イオン、トリメチルプロピルアンモニウム(TMPA)イオン等を好適に使用できる。
その他のカチオン種として、メチルプロピルピペリジニウム(MPPi)イオン、ブチルメチルピペリジニウム(BMPi)イオン、メチルプロピルピロリジニウム(MPPy)イオン、ブチルメチルピロリジニウム(BMPy)イオン等を好適に使用できる。
上記イオン液体中でも酸化還元に対する電位窓が広いことから、TMPA−TFSI、MPPy−TFSI、EMI−TFSI、EMI−TFが好ましい。特に、室温での粘性が低く、金属イオンの溶解性が高く、電極への浸透性が高いことから、イオン液体としてはEMI−TFが好ましい。
As the aliphatic quaternary ammonium cation, tetraethylammonium (TEA) ion, triethylmethylammonium (TEMA) ion, trimethylpropylammonium (TMPA) ion or the like can be preferably used.
As other cationic species, methylpropylpiperidinium (MPPi) ion, butylmethylpiperidinium (BMPi) ion, methylpropylpyrrolidinium (MPPy) ion, butylmethylpyrrolidinium (BMPy) ion, etc. are preferably used. it can.
Among these ionic liquids, TMPA-TFSI, MPPy-TFSI, EMI-TFSI, and EMI-TF are preferred because of their wide potential window for redox. In particular, EMI-TF is preferred as the ionic liquid because of its low viscosity at room temperature, high solubility of metal ions, and high permeability to electrodes.

(3)他の成分
他の成分としては、例えば非水溶媒及び/又は支持電解質が挙げられる。
(a)非水溶媒
負極電解液に非水溶媒を添加してもよい。非水溶媒は、負極活物質がイオン液体に溶け込むことを向上させるとともに、負極電解液がより負極に浸透し易くする役割を果たす。
非水溶媒としては、例えば、プロピレンカーボネート(PC)、エチレンカーボネート(EC)、ブチレンカーボネート等の環状カーボネート類と、ジメチルカーボネート(DMC)、ジエチルカーボネート(DEC)、エチルメチルカーボネート、ジプロピルカーボネート等の鎖状カーボネート類、γ−ブチロラクトン(以下、GBLと略称することがある)、γ−バレロラクトン等のラクトン類、テトラヒドロフラン、2−メチルテトラヒドロフラン等のフラン類、ジエチルエーテル、1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン、ジオキサン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等のエーテル類、ジメチルスルホキシド、スルホラン、メチルスルホラン、アセトニトリル、ギ酸メチル、酢酸メチル等が挙げられる。
(3) Other components Examples of other components include a non-aqueous solvent and / or a supporting electrolyte.
(A) Nonaqueous solvent A nonaqueous solvent may be added to the negative electrode electrolyte. The non-aqueous solvent serves to improve the dissolution of the negative electrode active material into the ionic liquid and to make the negative electrode electrolyte more easily penetrate into the negative electrode.
Examples of the non-aqueous solvent include cyclic carbonates such as propylene carbonate (PC), ethylene carbonate (EC), and butylene carbonate; dimethyl carbonate (DMC), diethyl carbonate (DEC), ethyl methyl carbonate, dipropyl carbonate, and the like. Chain carbonates, γ-butyrolactone (hereinafter sometimes abbreviated as GBL), lactones such as γ-valerolactone, furans such as tetrahydrofuran and 2-methyltetrahydrofuran, diethyl ether, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, ethoxymethoxyethane, dioxane, ethers such as triethylene glycol dimethyl ether, tetraethylene glycol dimethyl ether, dimethyl sulfoxide, sulfolane, methyl sulfate Examples include holan, acetonitrile, methyl formate, and methyl acetate.

中でもイオン液体との相溶性が高く、負極活物質であるイオンへの配位能が高い1,2−ジメトキシエタン、1,2−ジエトキシエタン、エトキシメトキシエタン、トリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテル等のグライム類が好ましい。特にトリエチレングリコールジメチルエーテル、テトラエチレングリコールジメチルエーテルは蒸気圧が非常に低く、イオン液体へ添加してもその安全性が高く、液の蒸発がないという利点を損なわないので好適である。
非水溶媒の添加量としては、イオン液体総重量に対して、0.5〜50重量%が非水溶媒の蒸発を抑えることができるという観点から好ましく、1〜30重量%がより好ましい。
Among these, 1,2-dimethoxyethane, 1,2-diethoxyethane, ethoxymethoxyethane, triethylene glycol dimethyl ether, and tetraethylene glycol have high compatibility with ionic liquids and high coordination ability to ions that are negative electrode active materials. Glymes such as dimethyl ether are preferred. In particular, triethylene glycol dimethyl ether and tetraethylene glycol dimethyl ether are preferable because they have a very low vapor pressure, are highly safe even when added to an ionic liquid, and do not impair the advantages of no liquid evaporation.
The addition amount of the non-aqueous solvent is preferably 0.5 to 50% by weight with respect to the total weight of the ionic liquid from the viewpoint that evaporation of the non-aqueous solvent can be suppressed, and more preferably 1 to 30% by weight.

(b)支持電解質
負極電解液のイオン伝導度を向上させ、高出力特性を有するレドックスフロー電池を構成するために、支持電解質を負極電解液へ添加してもよい。
支持電解質としては、例えば、硫酸、塩酸、硝酸、リン酸、ギ酸、フッ酸、過塩素酸、トリハロメタンスルホン酸等のプロトン酸、過塩素酸リチウム、ホウフッ化リチウム(LiBF4)、六フッ化リン酸リチウム(LiPF6)、トリフルオロ酢酸リチウム(LiCF3COO)、トリフルオロメタンスルホン酸リチウム(LiCF3SO3)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドリチウム(LiN(CF3SO22)等のリチウム塩を使用できる。更に、ナトリウム、カリウム、ルビジウム、セシウム、テトラメチルアンモニウムのカチオンから選ばれる少なくとも一種と、ホウフッ化物アニオン(BF4 -)、六フッ化リン酸アニオン(PF6 -)、トリフルオロメタンスルホン酸アニオン(CF3SO3 -)(TF)、ビス(トリフルオロメタンスルホニル)イミドアニオン(N(CF3SO22 -)(TFSI)、ヨウ化物イオン(I-)のアニオンから選ばれる少なくとも1種とからなる塩も使用できる。
支持電解質の添加量としては、電極液全体に対して、0.01〜2mol/リットルの範囲が好ましい。特に、高出力特性を有するイオン液体を用いるレドックスフロー電池を構成するためには、0.1〜1mol/リットルの範囲がより好ましい。
(B) Support electrolyte In order to improve the ionic conductivity of the negative electrode electrolyte and to construct a redox flow battery having high output characteristics, a support electrolyte may be added to the negative electrode electrolyte.
Examples of the supporting electrolyte include proton acids such as sulfuric acid, hydrochloric acid, nitric acid, phosphoric acid, formic acid, hydrofluoric acid, perchloric acid, trihalomethanesulfonic acid, lithium perchlorate, lithium borofluoride (LiBF 4 ), and phosphorus hexafluoride. Lithium such as lithium acid (LiPF 6 ), lithium trifluoroacetate (LiCF 3 COO), lithium trifluoromethanesulfonate (LiCF 3 SO 3 ), lithium bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (LiN (CF 3 SO 2 ) 2 ) Salt can be used. Further, at least one selected from cations of sodium, potassium, rubidium, cesium and tetramethylammonium, a borofluoride anion (BF 4 ), a hexafluorophosphate anion (PF 6 ), a trifluoromethanesulfonate anion (CF 3 SO 3 ) (TF), bis (trifluoromethanesulfonyl) imide anion (N (CF 3 SO 2 ) 2 ) (TFSI), and an anion of iodide ion (I ). Salt can also be used.
The amount of supporting electrolyte added is preferably in the range of 0.01 to 2 mol / liter with respect to the entire electrode solution. In particular, in order to construct a redox flow battery using an ionic liquid having high output characteristics, a range of 0.1 to 1 mol / liter is more preferable.

(正極及び負極)
正極セル100は正極101を、負極セル110は負極111を、それぞれ備えている。電極には、外部へ電流を流すことで放電するための、及び外部から電流を取り込むことで充電するための回路が設けられていてもよい(図示していない)。
電極の材料としては、金属材料、炭素質材料、導電性を有する無機材料等が挙げられる。
金属材料としては、電子伝導性を有し、酸性雰囲気下で耐腐食性を有する材料が好ましい。具体的には、Au、Pt、Pd等の貴金属、Ti、Ta、W、Nb、Ni、Al、Cr、Ag、Cu、Zn、Su、Si等の金属及びこれらの金属の窒化物及び炭化物、ステンレス、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Pt等の合金が挙げられる。他の化学的な副反応が少ないという観点から、金属材料には、Pt、Ti、Au、Ag、Cu、Ni、Wからなる群より選ばれる少なくとも一つの元素を含むことがより好ましい。また、正極では、充電時において2H2O→O2+4H++4e-の酸化反応を生じる観点から、正極の金属材料としては前記反応を起こす金属材料であることが更に好ましい。これら金属材料は、比抵抗が小さく、面方向に電流を取り出しても電圧の低下を抑制できる。
(Positive electrode and negative electrode)
The positive electrode cell 100 includes a positive electrode 101, and the negative electrode cell 110 includes a negative electrode 111. The electrode may be provided with a circuit for discharging by flowing an electric current to the outside and for charging by taking in an electric current from the outside (not shown).
Examples of the material for the electrode include metal materials, carbonaceous materials, and conductive inorganic materials.
As the metal material, a material having electronic conductivity and resistance to corrosion in an acidic atmosphere is preferable. Specifically, noble metals such as Au, Pt, Pd, metals such as Ti, Ta, W, Nb, Ni, Al, Cr, Ag, Cu, Zn, Su, Si, and nitrides and carbides of these metals, Examples of the alloy include stainless steel, Cu—Cr, Ni—Cr, and Ti—Pt. From the viewpoint that there are few other chemical side reactions, it is more preferable that the metal material contains at least one element selected from the group consisting of Pt, Ti, Au, Ag, Cu, Ni, and W. Further, in the positive electrode, from the viewpoint of causing an oxidation reaction of 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e during charging, the metal material of the positive electrode is more preferably a metal material that causes the reaction. These metal materials have a small specific resistance and can suppress a decrease in voltage even when a current is extracted in the surface direction.

炭素質材料としては、化学的に安定で導電性を有する材料が好ましい。例えば、アセチレンブラック、バルカン、ケッチェンブラック、ファーネスブラック、VGCF、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン、フラーレン等の炭素粉末や炭素繊維が挙げられる。
導電性を有する無機材料としては、例えば、酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化アンチモンドープ酸化スズが挙げられる。
更に、Cu、Ag、Zn等の酸性雰囲気下での耐腐食性に乏しい金属材料を用いる場合には、Au、Pt、Pd等の耐腐食性を有する貴金属及び金属、カーボン、グラファイト、グラッシーカーボン、導電性高分子、導電性窒化物、導電性炭化物、導電性酸化物等で上記耐腐食性に乏しい金属の表面をコーティングしてもよい。
As the carbonaceous material, a chemically stable and conductive material is preferable. Examples thereof include carbon powders and carbon fibers such as acetylene black, vulcan, ketjen black, furnace black, VGCF, carbon nanotube, carbon nanohorn, and fullerene.
Examples of the inorganic material having conductivity include tin oxide, indium tin oxide (ITO), and antimony oxide-doped tin oxide.
Furthermore, when using a metal material having poor corrosion resistance under an acidic atmosphere such as Cu, Ag, Zn, etc., noble metals and metals having corrosion resistance such as Au, Pt, Pd, carbon, graphite, glassy carbon, The surface of the metal having poor corrosion resistance may be coated with a conductive polymer, a conductive nitride, a conductive carbide, a conductive oxide, or the like.

導電性高分子としては、ポリアセチレン、ポリチオフェン、ポリアニリン、ポリピロール、ポリパラフェニレン、ポリパラフェニレンビニレン等が挙げられる。
導電性窒化物としては、窒化炭素、窒化ケイ素、窒化ガリウム、窒化インジウム、窒化ゲルマニウム、窒化チタニウム、窒化ジルコニウム、窒化タリウム等が挙げられる。
導電性炭化物としては、炭化タンタル、炭化ケイ素、炭化ジルコニウム、炭化チタニウム、炭化モリブデン、炭化ニオブ、炭化鉄、炭化ニッケル、炭化ハフニウム、炭化タングステン、炭化バナジウム、炭化クロム等が挙げられる。
導電性酸化物としては、酸化スズ、酸化インジウムスズ(ITO)、酸化アンチモンドープ酸化スズ等が挙げられる。
Examples of the conductive polymer include polyacetylene, polythiophene, polyaniline, polypyrrole, polyparaphenylene, polyparaphenylene vinylene, and the like.
Examples of the conductive nitride include carbon nitride, silicon nitride, gallium nitride, indium nitride, germanium nitride, titanium nitride, zirconium nitride, and thallium nitride.
Examples of the conductive carbide include tantalum carbide, silicon carbide, zirconium carbide, titanium carbide, molybdenum carbide, niobium carbide, iron carbide, nickel carbide, hafnium carbide, tungsten carbide, vanadium carbide, chromium carbide, and the like.
Examples of the conductive oxide include tin oxide, indium tin oxide (ITO), and antimony oxide-doped tin oxide.

電極の構造としては、板状、箔状、棒状、メッシュ状、ラス板状、多孔質板状、多孔質棒状、織布状、不織布状、繊維状、フェルト状が好適に使用できる。また、フェルト状電極の表面を溝状に圧着した溝付き電極は、電気抵抗と電極液の流動抵抗を低減できるので好適である。
また、特に負極の構造としては、微細構造を有する様な多孔質板状、多孔質棒状、織布状、不織布状、繊維状、フェルト状が好適に使用できる。負極内部に微細構造を有した電極材料を用いることにより、負極の表面及び内部に効率よく負極電解液を供給することができる。これにより、物質の供給律速を効果的に防止でき、電極の表面積すべてを電極反応に利用できる。
As the electrode structure, a plate shape, a foil shape, a rod shape, a mesh shape, a lath plate shape, a porous plate shape, a porous rod shape, a woven fabric shape, a nonwoven fabric shape, a fiber shape, and a felt shape can be preferably used. Further, a grooved electrode in which the surface of the felt-like electrode is pressure-bonded in a groove shape is preferable because electric resistance and flow resistance of the electrode liquid can be reduced.
In particular, as the structure of the negative electrode, a porous plate shape, a porous rod shape, a woven fabric shape, a nonwoven fabric shape, a fiber shape, and a felt shape having a fine structure can be suitably used. By using an electrode material having a fine structure inside the negative electrode, the negative electrode electrolyte can be efficiently supplied to the surface and inside of the negative electrode. As a result, the rate of material supply can be effectively prevented, and the entire surface area of the electrode can be used for the electrode reaction.

上記したように正極を2つ設ける場合、一方の正極(第1正極)の材料としては、充電時における2H2O→O2+4H++4e-の酸化反応を生じさせることができ、酸性雰囲気下において耐腐食性を有しているものであればよく、特に制限されない。特に、通常の電解用として使用する酸素発生用電極を用いることが好ましい。
例えば、イリジウム、白金、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、ニッケル、スズ、チタン、金、タングステン、ニオブ、カドニウム、マンガン、タリウム、鉛、水銀等の金属や合金、それらの酸化物、グラッシーカーボン、分光分析級黒鉛、熱分解黒鉛、炭素クロス等の炭素素材や、それらの粉末をキシレンワックス、エポキシ樹脂、シリコーンゴム、ヌジョール等に分散させたものを使用できる。これら材料を、単独でもしくは2種類以上組み合わせて第1正極としてもよい。
When two positive electrodes are provided as described above, the material of one of the positive electrodes (first positive electrode) can cause an oxidation reaction of 2H 2 O → O 2 + 4H + + 4e at the time of charging, and in an acidic atmosphere Any material may be used as long as it has corrosion resistance, and is not particularly limited. In particular, it is preferable to use an oxygen generating electrode used for ordinary electrolysis.
For example, metals and alloys such as iridium, platinum, ruthenium, rhodium, palladium, nickel, tin, titanium, gold, tungsten, niobium, cadmium, manganese, thallium, lead, mercury, their oxides, glassy carbon, spectral analysis grade Carbon materials such as graphite, pyrolytic graphite, and carbon cloth, and those obtained by dispersing these powders in xylene wax, epoxy resin, silicone rubber, nujol and the like can be used. These materials may be used alone or in combination of two or more for the first positive electrode.

また、上記金属を蒸着やスパッタを用いて付着させる際には、基板との付着性を向上させるために、下地としてクロムやチタン等の薄膜を付着させてもよい。また、炭素は、金属電極の表面に炭素粉末を接着性のある素材に分散させたペーストを塗布してもよい。同様に金属電極の表面に炭化水素化合物を塗布し、減圧下で熱分解させて熱分解黒鉛としてもよい。
第1正極の表面には、金属めっき等の手法を施し、電極表面を広げる工夫をしてもよく、特に触媒活性の高い白金黒やパラジウム黒等を付着させてもよい。
In addition, when the metal is deposited by vapor deposition or sputtering, a thin film such as chromium or titanium may be deposited as a base in order to improve adhesion to the substrate. Carbon may be coated with a paste in which carbon powder is dispersed in an adhesive material on the surface of the metal electrode. Similarly, a hydrocarbon compound may be applied to the surface of the metal electrode and thermally decomposed under reduced pressure to obtain pyrolytic graphite.
A technique such as metal plating may be applied to the surface of the first positive electrode so as to widen the electrode surface, and platinum black or palladium black having particularly high catalytic activity may be adhered.

他方の正極(第2正極)の材料としては、放電時におけるO2+4H++4e-→2H2Oの還元反応を生じさせることができるものであればよく、特に制限されない。特に、固体高分子型燃料電池(PEFC)及び直接メタノール型燃料電池(DMFC)におけるカソード極の電極材料を用いることが好ましい。
例えば、カソード極は触媒層とガス拡散層と集電層とから構成され、更に、触媒層は触媒を担持した担持体と電解質とを含んでいる。
触媒としては、例えば、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等の貴金属や、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zr等の卑金属、これら貴金属、卑金属の酸化物、炭化物、炭窒化物、及びカーボンが挙げられる。これら材料を、単独でもしくは2種類以上組み合わせて触媒として用いることができる。触媒は必ずしも同種類のものに限定されず、異なる物質を用いてもよい。
The material of the other positive electrode (second positive electrode) is not particularly limited as long as it can cause a reduction reaction of O 2 + 4H + + 4e → 2H 2 O during discharge. In particular, it is preferable to use a cathode electrode material in a polymer electrolyte fuel cell (PEFC) and a direct methanol fuel cell (DMFC).
For example, the cathode electrode is composed of a catalyst layer, a gas diffusion layer, and a current collecting layer, and the catalyst layer further includes a support carrying a catalyst and an electrolyte.
Examples of the catalyst include noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, and Ir, and base metals such as Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe, Cu, Zn, Sn, W, and Zr. , These precious metals, base metal oxides, carbides, carbonitrides, and carbon. These materials can be used alone or in combination of two or more as a catalyst. The catalyst is not necessarily limited to the same type, and different materials may be used.

触媒層に用いられる担持体は、電気伝導性の高い炭素系材料であることが好ましい。具体的には、アセチレンブラック、ケッチェンブラック(登録商標)、アモルファスカーボン、カーボンナノチューブ、カーボンナノホーン等が挙げられる。また炭素系材料の他に、Pt、Ru、Au、Ag、Rh、Pd、Os、Ir等の貴金属、Ni、V、Ti、Co、Mo、Fe、Cu、Zn、Sn、W、Zr等の卑金属、これら貴金属及び卑金属の酸化物、炭化物、窒化物、炭窒化物を用いてもよい。これら材料を、単独でもしくは2種類以上を組み合わせて担持体として用いることができる。また、担持体にプロトン伝導性を付与した材料、具体的には硫酸化ジルコニア、リン酸ジルコニウム等を用いてもよい。   The carrier used for the catalyst layer is preferably a carbon-based material having high electrical conductivity. Specific examples include acetylene black, ketjen black (registered trademark), amorphous carbon, carbon nanotube, and carbon nanohorn. In addition to carbon-based materials, noble metals such as Pt, Ru, Au, Ag, Rh, Pd, Os, Ir, Ni, V, Ti, Co, Mo, Fe, Cu, Zn, Sn, W, Zr, etc. Base metals, oxides, carbides, nitrides, carbonitrides of these noble metals and base metals may be used. These materials can be used as a carrier alone or in combination of two or more. In addition, a material that imparts proton conductivity to the carrier, specifically, sulfated zirconia, zirconium phosphate, or the like may be used.

触媒層に用いられる電解質は、プロトン伝導性を有し、かつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されないが、固体もしくはゲルであることが好ましい。具体的には、スルホン酸、リン酸基等の強酸基やカルボキシル基等の弱酸基を有する有機高分子が好ましい。かかる有機高分子として、含有パーフルオロカーボン(ナフィオン(NAFION(登録商標):デュポン社製))、カルボキシル基含有パーフルオロカーボン(フレミオン(登録商標):旭化成社製))、ポリスチレンスルホン酸共重合体、ポリビニルスルホン酸共重合体、イオン液体(常温溶融塩)、スルホン化イミド、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)等が挙げられる。
また、プロトン伝導性を付与した担持体を用いる場合には、担持体がプロトン伝導を行なうため、必ずしも電解質は必要としない。
The electrolyte used for the catalyst layer is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity and electrical insulation, but is preferably a solid or a gel. Specifically, organic polymers having strong acid groups such as sulfonic acid and phosphoric acid groups and weak acid groups such as carboxyl groups are preferred. Such organic polymers include perfluorocarbon (NAFION (registered trademark): manufactured by DuPont), carboxyl group-containing perfluorocarbon (Flemion (registered trademark): manufactured by Asahi Kasei)), polystyrene sulfonic acid copolymer, polyvinyl Examples include sulfonic acid copolymers, ionic liquids (room temperature molten salts), sulfonated imides, and 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS).
Further, when using a carrier imparted with proton conductivity, the carrier does not necessarily require an electrolyte because the carrier conducts proton conduction.

触媒層の厚みは、プロトン伝導の抵抗及び電子伝導の抵抗を小さくし、酸素の拡散抵抗を低減するために、それぞれ0.5mm以下とすることが好ましい。また、電池としての出力を向上させるため、十分な触媒を担持させる必要があるため、それぞれ少なくとも0.1μm以上であることが好ましい。   The thickness of the catalyst layer is preferably 0.5 mm or less in order to reduce the proton conduction resistance and the electron conduction resistance and to reduce the oxygen diffusion resistance. Moreover, since it is necessary to carry | support sufficient catalyst in order to improve the output as a battery, it is preferable that it is at least 0.1 micrometer or more, respectively.

ガス拡散層は、導電性の多孔質体からなることが好ましく、例えば、カーボンペーパー、カーボンクロス、金属発泡体、金属焼結体、金属繊維の不織布等を用いることができる。
ガス拡散層の多孔質の定義としての空隙率は、酸素の拡散抵抗を低減させるために30%以上が好ましい。また、電気抵抗を低減させるために95%以下が好ましい。50〜85%であることがより好ましい。空隙率は、水銀圧入法で測定した値を意味する。
ガス拡散層の厚みは、その積層方向に対して垂直方向への酸素の拡散抵抗を低減させるために、10μm以上であることが好ましい。ガス拡散層の積層方向への酸素の拡散抵抗を低減させるためには、1mm以下であることが好ましい。100〜500μmであることがより好ましい。
The gas diffusion layer is preferably made of a conductive porous material. For example, carbon paper, carbon cloth, metal foam, metal sintered body, metal fiber nonwoven fabric, and the like can be used.
The porosity as the definition of the porosity of the gas diffusion layer is preferably 30% or more in order to reduce the diffusion resistance of oxygen. Moreover, 95% or less is preferable in order to reduce electrical resistance. More preferably, it is 50 to 85%. The porosity means a value measured by a mercury intrusion method.
The thickness of the gas diffusion layer is preferably 10 μm or more in order to reduce the diffusion resistance of oxygen in the direction perpendicular to the stacking direction. In order to reduce the diffusion resistance of oxygen in the stacking direction of the gas diffusion layer, it is preferably 1 mm or less. More preferably, it is 100-500 micrometers.

集電層の材質は、例えば、カーボン材料、導電性高分子、Au、Pt、Pd等の貴金属、Ti、Ta、W、Nb、Cr等の金属及びこれらの金属の窒化物、炭化物等、ならびにステンレス、Cu−Cr、Ni−Cr、Ti−Ptの合金等を用いることが好ましい。また、Cu、Ag、Zn、Ni等の酸性雰囲気下で耐腐食性に乏しい金属を用いる場合には、耐腐食性を有する貴金属及び金属材質や、導電性高分子、導電性酸化物、導電性窒化物、導電性炭化物等、導電性炭窒化物を表面コーティングとして用いることができる。
集電層の形状は、大気中の酸素をガス拡散層に取り込むことができれば、特に限定はされない。
Examples of the material for the current collecting layer include carbon materials, conductive polymers, noble metals such as Au, Pt, and Pd, metals such as Ti, Ta, W, Nb, and Cr, and nitrides, carbides, and the like of these metals, and It is preferable to use an alloy of stainless steel, Cu—Cr, Ni—Cr, Ti—Pt, or the like. In addition, when using metals with poor corrosion resistance in an acidic atmosphere such as Cu, Ag, Zn, Ni, etc., noble metals and metal materials having resistance to corrosion, conductive polymers, conductive oxides, conductive Conductive carbonitrides such as nitrides and conductive carbides can be used as the surface coating.
The shape of the current collecting layer is not particularly limited as long as oxygen in the atmosphere can be taken into the gas diffusion layer.

第1正極及び第2正極の構造としては、板状、箔状、棒状、メッシュ状、ラス板状、多孔質板状、多孔質棒状、織布状、不織布状、繊維状、フェルト状の構造を好適に使用できる。また、フェルト状構造の電極の表面を溝状に圧着した溝付き電極は、電気抵抗と電極液の流動抵抗を低減できるので、好ましい。
正極セル100内の第1正極及び第2正極の位置は、各々の正極における電気化学反応に影響を及ぼさなければ、適宜決定してもよい。
The structure of the first positive electrode and the second positive electrode is a plate-like, foil-like, rod-like, mesh-like, lath-plate-like, porous plate-like, porous rod-like, woven fabric-like, non-woven-like, fiber-like, or felt-like structure. Can be suitably used. Further, a grooved electrode in which the surface of an electrode having a felt-like structure is pressure-bonded in a groove shape is preferable because electric resistance and flow resistance of the electrode liquid can be reduced.
The positions of the first positive electrode and the second positive electrode in the positive electrode cell 100 may be appropriately determined as long as they do not affect the electrochemical reaction in each positive electrode.

(イオン交換膜)
イオン交換膜は、公知の方法で形成してもよい。具体的には、プロトン伝導性膜、カチオン交換膜、アニオン交換膜等が挙げられる。
(1)プロトン伝導性膜
プロトン伝導性膜の材質としては、プロトン伝導性を有しかつ電気的絶縁性を有する材質であれば特に限定されない。例えば、高分子膜、無機膜又はコンポジット膜を用いることができる。
高分子膜としては、例えばパーフルオロスルホン酸系電解質膜である、ナフィオン(デュポン社製)、アシプレックス(旭化成社製)、フレミオン(旭硝子社製)等の膜や、ポリスチレンスルホン酸、スルホン化ポリエーテルエーテルケトン等の炭化水素系電解質膜等が挙げられる。
(Ion exchange membrane)
The ion exchange membrane may be formed by a known method. Specifically, a proton conductive membrane, a cation exchange membrane, an anion exchange membrane, etc. are mentioned.
(1) Proton Conducting Membrane The material of the proton conducting membrane is not particularly limited as long as it is a material having proton conductivity and electrical insulation. For example, a polymer film, an inorganic film, or a composite film can be used.
Examples of the polymer membrane include perfluorosulfonic acid electrolyte membranes such as Nafion (manufactured by DuPont), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei), Flemion (manufactured by Asahi Glass), polystyrene sulfonic acid, Examples include hydrocarbon electrolyte membranes such as ether ether ketone.

無機膜としては、例えばリン酸ガラス、硫酸水素セシウム、ポリタングストリン酸、ポリリン酸アンモニウム等からなる膜が挙げられる。
コンポジット膜としては、スルホン化ポリイミド系ポリマー、タングステン酸等の無機物とポリイミド等の有機物とのコンポジット等からなる膜が挙げられる。具体的にはゴアセレクト膜(ゴア社製)や細孔フィリング電解質膜等が挙げられる。
Examples of the inorganic film include films made of phosphate glass, cesium hydrogen sulfate, polytungstophosphoric acid, ammonium polyphosphate, and the like.
Examples of the composite film include a film made of a composite of a sulfonated polyimide polymer, an inorganic material such as tungstic acid, and an organic material such as polyimide. Specific examples include a Gore Select membrane (manufactured by Gore) and a pore filling electrolyte membrane.

更に、高温環境下(例えば、100℃以上)で電池を使用する場合には、イオン交換膜にスルホン化ポリイミド、2−アクリルアミド−2−メチルプロパンスルホン酸(AMPS)、スルホン化ポリベンゾイミダゾール、ホスホン化ポリベンゾイミダゾール、硫酸水素セシウム、ポリリン酸アンモニウム等が用いられる。イオン交換膜は、プロトン伝導率が10-5S/cm以上であることが好ましい。より好ましくは、パーフルオロスルホン酸ポリマーや炭化水素系ポリマー等のプロトン伝導率が10-3S/cm以上の高分子電解質膜を用いることがより好ましい。
例えば、ナフィオン(デュポン社製)、アシプレックス(旭化成社製)、フレミオン(旭硝子社製)の膜等を用いることができる。撥水性を付与するために、PTFE、PVDFを添加してもよい。また、親水性を付与するために、シリカ粒子、吸湿性樹脂等を添加してもよい。
Furthermore, when the battery is used in a high temperature environment (for example, 100 ° C. or more), the ion exchange membrane is sulfonated polyimide, 2-acrylamido-2-methylpropanesulfonic acid (AMPS), sulfonated polybenzimidazole, phosphone. Polybenzimidazole, cesium hydrogen sulfate, ammonium polyphosphate and the like are used. The ion exchange membrane preferably has a proton conductivity of 10 −5 S / cm or more. More preferably, a polymer electrolyte membrane having a proton conductivity of 10 −3 S / cm or more such as a perfluorosulfonic acid polymer or a hydrocarbon polymer is more preferably used.
For example, a film of Nafion (manufactured by DuPont), Aciplex (manufactured by Asahi Kasei Co., Ltd.), Flemion (manufactured by Asahi Glass Co., Ltd.), or the like can be used. In order to impart water repellency, PTFE or PVDF may be added. In order to impart hydrophilicity, silica particles, hygroscopic resin, or the like may be added.

(2)カチオン交換膜
カチオン交換膜としては、カチオンを移動できる固体高分子電解質であればよく、特に限定されるものではない。具体的には、パーフルオロカーボンスルフォン酸膜や、パーフルオロカーボンカルボン酸膜等のフッ素系イオン交換膜、リン酸を含浸させたポリベンズイミダゾール膜、ポリスチレンスルホン酸膜、スルホン酸化スチレン・ビニルベンゼン共重合体膜等が挙げられる。
(2) Cation Exchange Membrane The cation exchange membrane is not particularly limited as long as it is a solid polymer electrolyte that can move cations. Specifically, fluorine ion exchange membranes such as perfluorocarbon sulfonic acid membranes and perfluorocarbon carboxylic acid membranes, polybenzimidazole membranes impregnated with phosphoric acid, polystyrene sulfonic acid membranes, sulfonated styrene / vinylbenzene copolymers Examples include membranes.

(3)アニオン交換膜
支持電解質溶液のアニオン輸率が高い場合には、アニオン交換膜を使用できる。アニオン交換膜としては、アニオンの移動可能な固体高分子電解質を使用できる。具体的には、正負極板面にポリオルトフェニレンジアミン膜、アンモニウム塩誘導体基を有するフッ素系イオン交換膜、アンモニウム塩誘導体基を有するビニルベンゼンポリマー膜、クロロメチルスチレン・ビニルベンゼン共重合体をアミノ化した膜等が挙げられる。
(3) Anion exchange membrane When the anion transport number of the supporting electrolyte solution is high, an anion exchange membrane can be used. As the anion exchange membrane, a solid polymer electrolyte capable of transferring anions can be used. Specifically, a polyorthophenylenediamine film, a fluorine ion exchange film having an ammonium salt derivative group, a vinylbenzene polymer film having an ammonium salt derivative group, and a chloromethylstyrene / vinylbenzene copolymer on the positive and negative electrode plates The film | membrane etc. which were made into are mentioned.

(4)Ew値
イオン交換膜は、400〜2000の範囲のEw値を有していることが好ましい。特に、ナフィオンからなるイオン交換膜の場合、Ew値は800〜1200の範囲が好ましい。Ew値が低いと電池の抵抗が高くなることがあり、Ew値が高いとレドックスフロー電池のような流体を使用する電池では膜強度が低いという問題がある。
なお、Ew値とは、下記式で定義される値である。
Ew=官能基の当量あたりイオン交換膜の乾燥重量
=(イオン交換膜の乾燥重量)/(イオン交換能を有する官能基数)
イオン交換膜の乾燥重量は、イオン交換膜を60℃で72時間、真空乾燥した後に秤量することにより求めた。イオン交換能を有する官能基数は、塩化ナトリウム滴定法にて求めた。具体的には塩化ナトリウムを加え、pH値を測定し、活性な官能基を定量するものである。
(4) Ew value It is preferable that the ion exchange membrane has Ew value of the range of 400-2000. In particular, in the case of an ion exchange membrane made of Nafion, the Ew value is preferably in the range of 800 to 1200. If the Ew value is low, the resistance of the battery may increase. If the Ew value is high, a battery using a fluid such as a redox flow battery has a problem that the film strength is low.
The Ew value is a value defined by the following formula.
Ew = dry weight of ion exchange membrane per equivalent of functional group = (dry weight of ion exchange membrane) / (number of functional groups having ion exchange ability)
The dry weight of the ion exchange membrane was determined by weighing the ion exchange membrane after vacuum drying at 60 ° C. for 72 hours. The number of functional groups having ion exchange capacity was determined by a sodium chloride titration method. Specifically, sodium chloride is added, the pH value is measured, and the active functional group is quantified.

(4)イオン交換膜の製法
イオン交換膜は、公知の方法で形成してもよい。例えば、電解重合法、プラズマ重合法、液相重合法、固相重合法等により、電極板を被覆する方法が挙げられる。
これら方法は、膜製造用のモノマーの選択に応じて適宜選択できる。更に、イオン交換膜を構成する重合体溶液中に電極板を直接浸して表面に付着させることもできる。塗布量は、一般には少なくとも、1mg/cm2以上又は2mg/cm2以上が好ましい。
(4) Production method of ion exchange membrane The ion exchange membrane may be formed by a known method. For example, a method of coating the electrode plate by an electrolytic polymerization method, a plasma polymerization method, a liquid phase polymerization method, a solid phase polymerization method, or the like can be given.
These methods can be appropriately selected according to the selection of the monomer for film production. Furthermore, the electrode plate can be directly immersed in the polymer solution constituting the ion exchange membrane and adhered to the surface. In general, the coating amount is preferably at least 1 mg / cm 2 or more or 2 mg / cm 2 or more.

(タンク)
タンクは、正極活物質用の第1タンクと負極電解液用の第2タンクの2つのタンクが使用される。タンクの形状は、電池の用途、使用場所等に応じて、適宜決定してもよい。タンクの容量は、所望する電池の容量に応じて、適宜決定してもよい。タンクの材質については、電解液を保持できるものであれば、特に限定されるものではない。
(tank)
Two tanks are used, a first tank for the positive electrode active material and a second tank for the negative electrode electrolyte. The shape of the tank may be appropriately determined according to the use of the battery, the place of use, and the like. The capacity of the tank may be appropriately determined according to the desired capacity of the battery. The material of the tank is not particularly limited as long as it can hold the electrolytic solution.

(配管)
配管は、第1タンク103と正極セル100との間を正極活物質102が循環し得るように接続された第1配管104及び105と、第2タンク113と負極セル110との間を負極電解液112が循環しうるように接続された第2配管114及び115を使用する。更に、第1タンク103と第1配管104の途中(第1タンク103と正極セル100との間の所定の位置)との間とを切替コック130を介して接続する第1配管B106を使用してもよい。
また、第1タンク103に正極活物質及び/又は正極溶媒を導入するように接続された導入配管132を備えていてもよい。
配管の形状は、電池の用途、使用場所等に応じて、適宜決定してもよい。また、配管を構成する材質は、電解液を保持できさえすれば特に限定されない。
(Piping)
As for the piping, the first piping 104 and 105 connected so that the positive electrode active material 102 can circulate between the first tank 103 and the positive electrode cell 100, and the negative electrode electrolysis between the second tank 113 and the negative electrode cell 110. The second pipes 114 and 115 connected so that the liquid 112 can circulate are used. Further, the first pipe B106 is used to connect the first tank 103 and the middle of the first pipe 104 (a predetermined position between the first tank 103 and the positive electrode cell 100) via the switching cock 130. May be.
Moreover, you may provide the introductory piping 132 connected so that a positive electrode active material and / or a positive electrode solvent may be introduce | transduced into the 1st tank 103. FIG.
The shape of the pipe may be appropriately determined according to the use of the battery, the place of use, and the like. Moreover, the material which comprises piping is not specifically limited if it can hold | maintain electrolyte solution.

(ポンプ)
ポンプは、第1配管104の途中及び第2配管114の途中にそれぞれ第1ポンプ(第1ポンプA)107及び第2ポンプ116が設置され、それぞれ正極活物質102と負極電解液112を循環させるために使用される。また、第1配管Bの途中に第1ポンプB108が設置され、正極活物質を循環させるために使用される。
配管内にある物質を移動させる機能を有する限り、ポンプの構成及び種類等は限定されない。電解液を0.1ml/min以上の流速で吐出しうる機能を有するポンプであれば、より好ましい。
(pump)
The pump is provided with a first pump (first pump A) 107 and a second pump 116 in the middle of the first pipe 104 and the second pipe 114, respectively, and circulates the positive electrode active material 102 and the negative electrode electrolyte 112, respectively. Used for. In addition, a first pump B108 is installed in the middle of the first pipe B, and is used for circulating the positive electrode active material.
As long as it has a function of moving a substance in the pipe, the configuration and type of the pump are not limited. A pump having a function capable of discharging the electrolytic solution at a flow rate of 0.1 ml / min or more is more preferable.

以下、本発明を実施例により詳細に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
実施例1
図1に示す構成のイオン液体を用いたレドックスフロー電池を作製した。第1タンク103及び第2タンク113は容量1.2Lで、第1タンクには18M硫酸(和光純薬社製)50gを超純水1.0Lへ溶解させた正極活物質102が、第2タンクには塩化バナジウム16gを1LのEMI−TFへ溶解させた負極電解液112が保持されている。正極101及び負極111には、多孔質カーボン電極(ビーエーエス社製)(5cm幅×5cm長さ×5mm厚)を使用した。イオン交換膜120には、ナフィオン膜(デュポン社製、厚さ170μm)を使用した。第1タンク103と正極セル100との間に第1配管104及び105を、第1タンク103と第1配管A104との間に第1配管B106を、第2タンク113と負極セル110との間に第2配管114及び115を設けた。また、正極活物質102及び酸素を循環させるために、それぞれ第1ポンプA107及び第1ポンプB108を、負極電解液112を循環させるために第2ポンプ116(アトー社製)を使用した。第1配管Aと第1配管Bとの接続部には切替コック130を設け、充電時には水を、放電時には酸素を正極セルに供給するようにコックを切り替えた。第1タンク103にはコック131を備えた導入配管132を設け、必要に応じてコックの開閉を行い、正極活物質(水及び酸素)を導入した。正極活物質(水及び酸素)、負極電解液の流速は200mL/minとした。
EXAMPLES Hereinafter, although an Example demonstrates this invention in detail, this invention is not limited to an Example.
Example 1
A redox flow battery using the ionic liquid having the configuration shown in FIG. 1 was produced. The first tank 103 and the second tank 113 have a capacity of 1.2 L, and the positive electrode active material 102 obtained by dissolving 50 g of 18M sulfuric acid (manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd.) in 1.0 L of ultrapure water is contained in the first tank. A negative electrode electrolyte solution 112 in which 16 g of vanadium chloride is dissolved in 1 L of EMI-TF is held in the tank. For the positive electrode 101 and the negative electrode 111, porous carbon electrodes (manufactured by BAS) (5 cm width × 5 cm length × 5 mm thickness) were used. As the ion exchange membrane 120, a Nafion membrane (manufactured by DuPont, thickness 170 μm) was used. Between the first tank 103 and the positive electrode cell 100, the first pipes 104 and 105, between the first tank 103 and the first pipe A 104, the first pipe B 106, and between the second tank 113 and the negative electrode cell 110. The second pipes 114 and 115 are provided. In addition, the first pump A 107 and the first pump B 108 were used to circulate the positive electrode active material 102 and oxygen, respectively, and the second pump 116 (manufactured by Ato Corporation) was used to circulate the negative electrode electrolyte solution 112. A switching cock 130 is provided at the connection between the first pipe A and the first pipe B, and the cock is switched so that water is supplied to the positive electrode cell during charging and oxygen is supplied during discharging. The first tank 103 was provided with an introduction pipe 132 having a cock 131, and the cock was opened and closed as necessary to introduce a positive electrode active material (water and oxygen). The flow rate of the positive electrode active material (water and oxygen) and the negative electrode electrolyte was 200 mL / min.

正極活物質102及び負極電解液112の温度を25℃とし、200mAの定電流で13時間充電し、50mAの定電流で完全に放電を行った。充電開始前の開回路電圧は1.41Vであった。このときの充放電曲線を図2に示した。この充放電を1サイクルとし、計10サイクルの充放電を行った。放電反応の開始から電池電圧が0.8Vになるまでの時間を放電時間とし、各サイクルにおける放電時間を図5に示した。放電時間がほぼ一定の値を示していることから、負極溶媒の気化が無く、負極活物質の析出による電気容量の低下が無く、電池性能を維持していることが示された。また、サイクル毎に第2タンク及び負極セル内を目視により確認したところ、負極活物質の析出は認められなかった。   The temperature of the positive electrode active material 102 and the negative electrode electrolyte solution 112 was 25 ° C., the battery was charged at a constant current of 200 mA for 13 hours, and completely discharged at a constant current of 50 mA. The open circuit voltage before the start of charging was 1.41V. The charge / discharge curve at this time is shown in FIG. This charging / discharging was made into 1 cycle, and charging / discharging of 10 cycles in total was performed. The time from the start of the discharge reaction to the battery voltage reaching 0.8 V was taken as the discharge time, and the discharge time in each cycle is shown in FIG. Since the discharge time showed a substantially constant value, it was shown that the negative electrode solvent was not vaporized, the electric capacity was not reduced by the precipitation of the negative electrode active material, and the battery performance was maintained. Moreover, when the inside of the 2nd tank and the negative electrode cell was confirmed visually for every cycle, precipitation of the negative electrode active material was not recognized.

実施例2
正極活物質102及び負極電解液112の温度を40℃とすること以外は、実施例1と同様の構成のイオン液体を用いたレドックスフロー電池を作製し、200mAの定電流で13時間充電し、50mAの定電流で完全に放電を行った。充電開始前の開回路電圧は1.42Vであった。このときの充放電曲線を図3に示した。また、図5に示したように、実施例1と同様の結果が得られた。更に、サイクル毎に第2タンク及び負極セル内を目視により確認したところ、負極活物質の析出は認められなかった。
Example 2
A redox flow battery using an ionic liquid having the same configuration as in Example 1 except that the temperature of the positive electrode active material 102 and the negative electrode electrolyte solution 112 is set to 40 ° C. is charged with a constant current of 200 mA for 13 hours. The battery was completely discharged at a constant current of 50 mA. The open circuit voltage before the start of charging was 1.42V. The charge / discharge curve at this time is shown in FIG. Further, as shown in FIG. 5, the same result as in Example 1 was obtained. Furthermore, when the inside of the second tank and the negative electrode cell was visually confirmed for each cycle, no deposition of the negative electrode active material was observed.

実施例3
正極活物質及び負極電解液の温度を80℃とすること以外は、実施例1と同様の構成のイオン液体を用いたレドックスフロー電池を作製し、200mAの定電流で13時間充電し、50mAの定電流で完全に放電を行った。充電開始前の開回路電圧は1.45Vであった。このときの充放電曲線を図4に示した。また、図5に示したように、実施例1及び実施例2と同様の結果が得られた。更に、サイクル毎に第2タンク及び負極セル内を目視により確認したところ、負極活物質の析出は認められなかった。
Example 3
A redox flow battery using an ionic liquid having the same structure as in Example 1 except that the temperature of the positive electrode active material and the negative electrode electrolyte is 80 ° C. is prepared, charged at a constant current of 200 mA for 13 hours, and 50 mA. The battery was completely discharged at a constant current. The open circuit voltage before the start of charging was 1.45V. The charge / discharge curve at this time is shown in FIG. Further, as shown in FIG. 5, the same results as in Example 1 and Example 2 were obtained. Furthermore, when the inside of the second tank and the negative electrode cell was visually confirmed for each cycle, no deposition of the negative electrode active material was observed.

比較例1
負極溶媒に3M硫酸を用いること以外は、実施例1と同様の構成のレドックスフロー電池を作製し、200mAの定電流で13時間充電し、50mAの定電流で完全に放電を行った。充電開始前の開回路電圧は1.38Vであった。このときの充放電曲線を図2に示した。実施例1と比較して、同様の結果が得られたが、図5に示したように、サイクル数が増加するにつれて放電時間が減少したことから、負極溶媒が気化したことによる負極活物質の析出が生じ、電池容量が低下していることが示された。また、サイクル毎に第2タンク及び負極セル内を目視により確認したところ、5サイクル目から負極活物質の析出が認められた。
Comparative Example 1
A redox flow battery having the same configuration as in Example 1 was prepared except that 3M sulfuric acid was used as the negative electrode solvent, and the battery was charged with a constant current of 200 mA for 13 hours and completely discharged with a constant current of 50 mA. The open circuit voltage before the start of charging was 1.38V. The charge / discharge curve at this time is shown in FIG. Compared to Example 1, similar results were obtained, but as shown in FIG. 5, the discharge time decreased as the number of cycles increased. Precipitation occurred, indicating that the battery capacity was reduced. Moreover, when the inside of the 2nd tank and the negative electrode cell was confirmed visually for every cycle, precipitation of the negative electrode active material was recognized from the 5th cycle.

比較例2
負極溶媒に3M硫酸を用いること以外は、実施例2と同様の構成のレドックスフロー電池を作製し、200mAの定電流で13時間充電し、50mAの定電流で完全に放電を行った。充電開始前の開回路電圧は1.38Vであった。このときの充放電曲線を図3に示した。放電時間が減少していることから、負極溶媒の気化による負極活物質の析出のため、電池容量が低下したことが示された。また、図5に示したように、サイクル数の増加と共に放電時間の減少も確認され、更に、2サイクル目から負極活物質の析出が認められた。
Comparative Example 2
A redox flow battery having the same configuration as in Example 2 was prepared except that 3M sulfuric acid was used as the negative electrode solvent, and the battery was charged with a constant current of 200 mA for 13 hours and completely discharged with a constant current of 50 mA. The open circuit voltage before the start of charging was 1.38V. The charge / discharge curve at this time is shown in FIG. Since the discharge time decreased, it was shown that the battery capacity decreased due to the deposition of the negative electrode active material due to the vaporization of the negative electrode solvent. Further, as shown in FIG. 5, it was confirmed that the discharge time decreased as the number of cycles increased, and further, the deposition of the negative electrode active material was observed from the second cycle.

比較例3
負極溶媒に3M硫酸を用いること以外は、実施例3と同様の構成のレドックスフロー電池を作製し、200mAの定電流で13時間充電し、50mAの定電流で完全に放電を行った。充電開始前の開回路電圧は1.40Vであった。このときの充放電曲線を図4に示した。放電時間が大きく減少していることから、負極溶媒の気化による負極活物質の析出のため、電池容量が低下したことが示された。また、1サイクル目で負極活物質の析出が確認でき、図5に示したように、サイクル数の増加と共に放電時間の減少も確認されたことから、負極溶媒の気化が電池性能に大きく影響していることが明らかになった。
今回開示された実施の形態及び実施例はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
Comparative Example 3
A redox flow battery having the same configuration as in Example 3 was prepared except that 3M sulfuric acid was used as the negative electrode solvent, and the battery was charged with a constant current of 200 mA for 13 hours and completely discharged with a constant current of 50 mA. The open circuit voltage before the start of charging was 1.40V. The charge / discharge curve at this time is shown in FIG. Since the discharge time was greatly reduced, it was shown that the battery capacity was reduced due to deposition of the negative electrode active material due to vaporization of the negative electrode solvent. In addition, the deposition of the negative electrode active material was confirmed in the first cycle, and as shown in FIG. 5, the decrease in the discharge time was confirmed as the number of cycles increased. Therefore, the vaporization of the negative electrode solvent greatly affected the battery performance. It became clear that.
It should be understood that the embodiments and examples disclosed herein are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

100 正極セル
101 正極
102 正極活物質
103 第1タンク
104 第1配管(第1配管A)
105 第1配管
106 第1配管B
107 第1ポンプ(第1ポンプA)
108 第1ポンプB
110 負極セル
111 負極
112 負極電解液
113 第2タンク
114、115 第2配管
116 第2ポンプ
120 イオン交換膜
130 切替コック
131 コック
132 導入配管
100 positive electrode cell 101 positive electrode 102 positive electrode active material 103 first tank 104 first pipe (first pipe A)
105 First piping 106 First piping B
107 1st pump (1st pump A)
108 First pump B
110 Negative electrode 111 Negative electrode 112 Negative electrode electrolyte 113 Second tank 114, 115 Second pipe 116 Second pump 120 Ion exchange membrane 130 Switching cock 131 Cock 132 Introducing pipe

Claims (5)

正極セル及び負極セルと、前記両セルを分離するイオン交換膜と、前記正極セル用の正極活物質が貯留された第1タンクと、前記負極セル用の負極活物質と溶媒とを含む電解液が貯留された第2タンクと、前記第1タンクと正極セルとの間を前記正極活物質が循環しうるように接続された第1配管と、前記第2タンクと負極セルとの間を前記電解液が循環しうるように接続された第2配管と、前記第1配管の途中に設けられた正極活物質循環用の第1ポンプと、前記第2配管の途中に設けられた電解液循環用の第2ポンプとを備え、
前記正極活物質は、充電時には水、放電時には空気又は酸素であり、前記負極セル用の溶媒はイオン液体であることを特徴とするレドックスフロー電池。
Electrolyte containing a positive electrode cell and a negative electrode cell, an ion exchange membrane separating the two cells, a first tank storing a positive electrode active material for the positive electrode cell, and a negative electrode active material and a solvent for the negative electrode cell Between the second tank and the negative electrode cell, the first pipe connected so that the positive electrode active material can circulate between the first tank and the positive electrode cell, and the second tank and the negative electrode cell. A second pipe connected so that the electrolyte can circulate, a first pump for positive electrode active material circulation provided in the middle of the first pipe, and an electrolyte circulation provided in the middle of the second pipe And a second pump for
The redox flow battery, wherein the positive electrode active material is water during charging, air or oxygen during discharging, and the solvent for the negative electrode cell is an ionic liquid.
前記第1タンクが水と空気又は酸素とを水相及び気相として同時に貯留し、
前記第1配管が、前記水を前記第1タンクから正極セルに輸送しうるように接続された第1配管Aと、前記空気又は酸素を前記第1タンクから正極セルに輸送しうるように接続された第1配管Bとを備え、
前記第1配管AとBとが、合流して1本の配管になり、合流した部位に水と空気又は酸素との切換コックを備え、
前記第1ポンプが、前記第1配管Aの途中に設けられた正極活物質循環用の第1ポンプAと、前記第1配管Bの途中に設けられた正極活物質循環用の第1ポンプBとからなり、
前記切換コックが、前記正極セルと、前記第1ポンプA及び第1ポンプBとの間に位置する請求項1に記載のレドックスフロー電池。
The first tank stores water and air or oxygen simultaneously as a water phase and a gas phase,
The first piping is connected so that the water can be transported from the first tank to the positive electrode cell, and the air or oxygen can be transported from the first tank to the positive electrode cell. A first pipe B,
The first pipes A and B merge to form a single pipe, and a switching cock between water and air or oxygen is provided at the merged site,
The first pump is a first pump A for positive electrode active material circulation provided in the middle of the first pipe A, and a first pump B for positive electrode active material circulation provided in the middle of the first pipe B. And consist of
The redox flow battery according to claim 1, wherein the switching cock is located between the positive electrode cell and the first pump A and the first pump B.
前記負極セルが、多孔性の負極を含む請求項1又は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 negative electrode cell includes a porous negative electrode. 前記イオン液体が、1−エチル−3−メチルイミダゾリウム−トリフルオロメタンスルホン酸を少なくとも含む、請求項1〜3のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池。   The redox flow battery according to any one of claims 1 to 3, wherein the ionic liquid includes at least 1-ethyl-3-methylimidazolium-trifluoromethanesulfonic acid. 前記正極セルが、充電時と放電時とで使い分ける2つの正極を有する請求項1〜4のいずれか1つに記載のレドックスフロー電池。   The redox flow battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the positive electrode cell has two positive electrodes that are selectively used for charging and discharging.
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