JP2011233372A - Redox flow battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a redox flow battery which can improve energy density.SOLUTION: A redox flow battery 100 is charged and discharged by supplying a positive electrode electrolyte solution and a negative electrode electrolyte solution to a positive electrode cell 102, and to a negative electrode cell 103 respectively. Both the positive electrode electrolyte solution and the negative electrode electrolyte solution contain vanadium ions as an active material. In addition to the vanadium ions, the negative electrode electrolyte solution contains other metal ions such as chromium ions that have a lower potential than that of vanadium ions. The redox flow battery 100 can suppress a side reaction such as generation of hydrogen gas owing to reduction, which occurs at the end of charging, of the other metal ions contained with vanadium ions, even where a state of charge of the battery 100 is close to 100%. Accordingly, since the utilization efficiency of vanadium ions in the electrolyte solutions can be increased by enhancing the state of charge, the redox flow battery 100 can have improved energy density compared with conventional redox flow batteries.

Description

本発明は、バナジウムイオンを活物質に含むレドックスフロー電池に関するものである。特に、従来のバナジウムレドックスフロー電池よりもエネルギー密度を向上することができるレドックスフロー電池に関するものである。   The present invention relates to a redox flow battery containing vanadium ions as an active material. In particular, the present invention relates to a redox flow battery capable of improving the energy density as compared with a conventional vanadium redox flow battery.

昨今、地球温暖化への対策として、太陽光発電、風力発電といった新エネルギーの導入が世界的に推進されている。これらの発電出力は、天候に影響されるため、大量に導入が進むと、周波数や電圧の維持が困難になるといった電力系統の運用に際しての問題が予測されている。この問題の対策の一つとして、大容量の蓄電池を設置して、出力変動の平滑化、余剰電力の貯蓄、負荷平準化などを図ることが期待される。   In recent years, introduction of new energy such as solar power generation and wind power generation has been promoted worldwide as a countermeasure against global warming. Since these power generation outputs are affected by the weather, it is predicted that there will be a problem in the operation of the electric power system such that it becomes difficult to maintain the frequency and voltage when the mass introduction is advanced. As one of the countermeasures against this problem, it is expected to install a large-capacity storage battery to smooth the output fluctuation, save surplus power, and level the load.

大容量の蓄電池の一つにレドックスフロー電池がある。レドックスフロー電池は、正極電極と負極電極との間に隔膜を介在させた電池セルに正極電解液及び負極電解液をそれぞれ供給して充放電を行う。上記電解液は、代表的には、酸化還元により価数が変化する水溶性の金属イオンを含有する水溶液が利用され、当該金属イオンが活物質に利用される。昨今、最も広く検討されている形態は、両極の活物質にバナジウム(V)イオンを用いるバナジウムレドックスフロー電池である(例えば、特許文献1)。バナジウムレドックスフロー電池は、実用化されており、今後も使用が期待される。   One of the large-capacity storage batteries is a redox flow battery. A redox flow battery performs charge / discharge by supplying a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to battery cells in which a diaphragm is interposed between a positive electrode and a negative electrode. As the electrolytic solution, typically, an aqueous solution containing a water-soluble metal ion whose valence is changed by oxidation-reduction is used, and the metal ion is used as an active material. Recently, the most widely studied form is a vanadium redox flow battery using vanadium (V) ions as active materials of both electrodes (for example, Patent Document 1). Vanadium redox flow batteries have been put into practical use and are expected to be used in the future.

特開2003-157884公報JP2003-157884

しかし、従来のバナジウムレドックスフロー電池では、エネルギー密度の更なる向上が難しい。   However, in the conventional vanadium redox flow battery, it is difficult to further improve the energy density.

一般的に、電池には、エネルギー密度がより高いことが望まれる。エネルギー密度を高めるためには、例えば、電解液中の活物質の溶解度を高めたり、電解液の利用率、即ち、電解液中に活物質として含まれる金属イオンの利用率を高めることが考えられる。上記利用率とは、ここでは、上記金属イオンの理論電池容量(Ah)に対して実際に使用可能な電池容量(放電容量)、即ち、下限の充電深度(SOC:State of Charge)における電池容量と、上限の充電深度における電池容量との差をいう。   Generally, a battery is desired to have a higher energy density. In order to increase the energy density, for example, it is conceivable to increase the solubility of the active material in the electrolytic solution or increase the utilization rate of the electrolytic solution, that is, the utilization rate of metal ions contained as an active material in the electrolytic solution. . Here, the utilization rate refers to the battery capacity (discharge capacity) that can actually be used with respect to the theoretical battery capacity (Ah) of the metal ion, that is, the battery capacity at the lower limit of charge depth (SOC: State of Charge). And the difference between the battery capacity at the upper limit charging depth.

しかし、上記利用率を極力高めて充電した場合、換言すれば充電深度を高めた場合、以下のような問題が生じる。具体的には、レドックスフロー電池の代表的な形態では上述のように水溶液を電解液に利用するため、充電末期に、負極では、水の分解による水素の発生といった副反応が生じる。   However, when charging is performed with the utilization rate increased as much as possible, in other words, when the charging depth is increased, the following problems occur. Specifically, since a typical form of a redox flow battery uses an aqueous solution as an electrolyte as described above, a side reaction such as generation of hydrogen due to water decomposition occurs at the negative electrode at the end of charging.

上記副反応は、(1)電流損失(充電時に利用される電気量(Ah)の一部が電池反応(価数変化)に利用されず、水などの分解といった別の反応に利用されることによる損失)として電池効率を下げる、(2)正負極の充電深度を異ならせる原因となり、充電深度の差異により使用可能な電池容量を小さくさせる、などの多くの弊害をもたらす。そのため、実際の電池の運用では、上記副反応が生じない範囲で使用するように充電停止の電圧(上限充電電圧)を定める。上記副反応を抑制するために、例えば、特許文献1では、負極活物質中の2価のVイオンが94%以下となるように充電を続けることを提案している。しかし、長期的な利用では、セル抵抗が増加するため、充電停止の電圧を利用当初から変えずに一定値としていると、利用当初の充電状態(充電深度)を維持できなくなる。従って、経時的には、所定の充電状態を確保するために充電停止の電圧を大きくすることになる。その結果、長期に亘って水素ガスを出さずに高い充電状態を確保することが困難であった。   The above side reactions are (1) current loss (a part of the amount of electricity (Ah) used during charging is not used for battery reaction (change in valence), but used for other reactions such as decomposition of water). Loss), the battery efficiency is reduced, (2) the charging depth of the positive and negative electrodes is varied, and the usable battery capacity is reduced due to the difference in charging depth. Therefore, in actual battery operation, a charge stop voltage (upper limit charge voltage) is determined so as to be used within a range where the side reaction does not occur. In order to suppress the side reaction, for example, Patent Document 1 proposes to continue charging so that divalent V ions in the negative electrode active material become 94% or less. However, since the cell resistance increases in long-term use, the charge state (charge depth) at the beginning of use cannot be maintained if the charge stop voltage is set to a constant value without changing from the beginning. Therefore, over time, the charge stop voltage is increased in order to ensure a predetermined state of charge. As a result, it has been difficult to ensure a high state of charge without releasing hydrogen gas over a long period of time.

上述のように副反応の抑制の観点から、現状では、長期に亘り、電解液中のバナジウムイオンの充電深度を90%以上にすることができず、バナジウムイオンを十分に使用できていない。そのため、従来のバナジウムレドックスフロー電池では、バナジウムイオンの利用率を90%以上、更にはそれ以上に向上することが難しく、エネルギー密度の向上に限界がある。   As described above, from the viewpoint of suppressing side reactions, at present, the charge depth of vanadium ions in the electrolyte cannot be increased to 90% or more over a long period of time, and vanadium ions cannot be sufficiently used. Therefore, in the conventional vanadium redox flow battery, it is difficult to improve the utilization ratio of vanadium ions to 90% or more, and further, and there is a limit to improvement of energy density.

そこで、本発明の目的は、エネルギー密度を向上することができるレドックスフロー電池を提供することにある。   Then, the objective of this invention is providing the redox flow battery which can improve an energy density.

従来のバナジウムレドックスフロー電池では、活物質となる金属イオンをバナジウムイオンのみとしていた。これに対して、本発明者らは、バナジウムイオンを活物質として含む電解液に、例えば、クロム(Cr)イオンのような負極側のバナジウムイオンよりも卑な電位(酸化還元電位。以下、単に電位と言う。)を有する金属イオンをバナジウムイオンと共に含有させることで、従来のバナジウムレドックスフロー電池と比較して、バナジウムイオンの利用率を大幅に向上することができる、との驚くべき知見を得た。この理由は、以下のように考えられる。   In the conventional vanadium redox flow battery, the metal ion serving as the active material is only vanadium ion. On the other hand, the inventors of the present invention have an electrolyte solution containing vanadium ions as an active material, for example, a lower potential (oxidation-reduction potential; hereinafter referred to simply as vanadium ions such as chromium (Cr) ions) As a result of the inclusion of vanadium ions with metal ions having an electric potential), a surprising finding has been obtained that the utilization of vanadium ions can be greatly improved compared to conventional vanadium redox flow batteries. It was. The reason is considered as follows.

バナジウムイオンを活物質に含む電解液を用いるレドックスフロー電池では、充電すると、負極では、以下の反応が生じる。この反応が生じるときの標準の電位も示す。
充電(負極):V3++e-→V2+ 電位:約-0.26V(V3+/V2+)
In a redox flow battery using an electrolytic solution containing vanadium ions in the active material, the following reaction occurs at the negative electrode when charged. Also shown is the standard potential at which this reaction occurs.
Charging (negative electrode): V 3+ + e - → V 2+ potential: about -0.26V (V 3+ / V 2+)

また、充電末期には、以下のような副反応を生じる場合がある。以下の還元反応が生じるときの標準の電位も示す。
充電(正極) H2O→1/2O2+2H++2e-
充電(負極) H++e-→1/2H2 電位:約0V(実際の電位:約-0.5V)
In addition, the following side reaction may occur at the end of charging. The standard potential when the following reduction reaction occurs is also shown.
Charge (positive electrode) H 2 O → 1 / 2O 2 + 2H + + 2e -
Charge (negative) H + + e - → 1 / 2H 2 potential: about 0V (the actual potential: approximately -0.5 V)

上述のように負極側では、水素ガスを発生することがある。ここで、実際の運転では、使用する電極材料に依存して実際の副反応時の電位が標準値よりも卑となる傾向にある。例えば、電極材料がカーボン材料である場合、水素過電圧が大きいことで、水素が発生するときの電位は、負極で生じる電池反応時の電位(約-0.26V)よりも更に卑な電位:約-0.5V程度となる。従って、負極では、充電時、上述のようにバナジウムイオンの還元反応(V3+→V2+)が主として生じるものの、充電末期に充電電圧が高くなって負極の電位がより卑となると、上記バナジウムイオンの還元反応と共に、水素ガスが発生し得る。 As described above, hydrogen gas may be generated on the negative electrode side. Here, in actual operation, the potential at the actual side reaction tends to be lower than the standard value depending on the electrode material used. For example, when the electrode material is a carbon material, the hydrogen overvoltage is large, so that the potential when hydrogen is generated is lower than the potential at the time of battery reaction (about -0.26 V) generated at the negative electrode: about- It becomes about 0.5V. Therefore, at the time of charging, although the reduction reaction of vanadium ions (V 3+ → V 2+ ) mainly occurs at the time of charging, when the charging voltage is increased at the end of charging and the potential of the negative electrode becomes more base, Along with the reduction reaction of vanadium ions, hydrogen gas can be generated.

これに対し、負極電解液にバナジウムイオンに加えて、バナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンを含有する場合を考える。例えば、Cr3+/Cr2+の電位は、約-0.42Vであり、V3+/V2+の電位(約-0.26V)より卑であるが、上記水素の発生といった副反応が生じるときの実際の電位(約-0.5V)よりは貴側に存在する。そのため、例えば、3価のクロムイオン(Cr3+)を含有する場合、上記副反応が生じる前に、まず、Cr3+の還元反応が生じることになる。即ち、充電末期において、電池の主反応であるV3+の還元反応と共に、Cr3+の還元反応も電池反応の一部として生じる。このバナジウムイオンとは別の金属イオンの還元反応が生じることで、上記副反応を抑制することができる。 On the other hand, consider a case where the negative electrode electrolyte contains metal ions having a lower potential than vanadium ions in addition to vanadium ions. For example, the potential of Cr 3+ / Cr 2+ is about −0.42 V, which is lower than the potential of V 3+ / V 2+ (about −0.26 V), but side reactions such as the generation of hydrogen occur. It exists on the noble side from the actual potential (about -0.5V). Therefore, for example, in the case of containing trivalent chromium ions (Cr 3+ ), first, a reduction reaction of Cr 3+ occurs before the side reaction occurs. That is, at the end of charging, the reduction reaction of Cr 3+ occurs as part of the battery reaction together with the reduction reaction of V 3+ which is the main reaction of the battery. The side reaction can be suppressed by a reduction reaction of a metal ion different from the vanadium ion.

上述のように負極電解液にバナジウムイオンと共に、バナジウムイオンよりも卑な電位を有する金属イオンを含有することで、例えば、充電深度が90%超の充電を行った場合でも、上述した副反応が生じ難く、或いは実質的に起こらない。従って、上記金属イオンを含有する形態では、従来のバナジウムレドックスフロー電池と比較して、電解液中のバナジウムイオンを繰り返し安定して、かつ十分に利用することができる、と考えられる。このようにバナジウムイオンの利用率を高められることで、エネルギー密度を向上することができる。本発明は、上記知見に基づくものである。   By containing metal ions having a lower potential than vanadium ions together with vanadium ions in the negative electrode electrolyte as described above, for example, even when charging with a charging depth exceeding 90% is performed, the side reaction described above is performed. It is hard to occur or does not occur substantially. Therefore, in the form containing the above metal ions, it is considered that the vanadium ions in the electrolytic solution can be used repeatedly and stably as compared with the conventional vanadium redox flow battery. Thus, energy density can be improved by raising the utilization factor of vanadium ion. The present invention is based on the above findings.

本発明は、電池セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充放電を行うレドックスフロー電池に係るものである。上記正極電解液及び上記負極電解液はいずれも、バナジウムイオンを含有する。更に、少なくとも上記負極電解液は、バナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンも含有する。   The present invention relates to a redox flow battery that charges and discharges by supplying a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to a battery cell. Both the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain vanadium ions. Furthermore, at least the negative electrode electrolyte contains metal ions having a lower potential than vanadium ions.

上記構成によれば、例えば、負極電解液の充電深度を100%近くまで充電した場合であっても、充電末期に、バナジウムイオンと共に含有された別の金属イオンが還元されることで、上述した水素ガスの発生といった副反応を抑制できる。そのため、従来、充電末期に生じる副反応により、充電深度をせいぜい90%程度にしか高められなかったのに対し、上記構成では、充電深度を100%近くまで高められる。充電深度を高められることで、電解液中のバナジウムイオンの利用率を高められることから、上記構成では、レドックスフロー電池のエネルギー密度を従来よりも向上することができる。   According to the above configuration, for example, even when the charge depth of the negative electrode electrolyte is charged to nearly 100%, another metal ion contained together with vanadium ions is reduced at the end of the charge, and thus the above-described configuration is performed. Side reactions such as generation of hydrogen gas can be suppressed. Therefore, conventionally, the charging depth can be increased only to about 90% due to the side reaction occurring at the end of charging, whereas the charging depth can be increased to nearly 100% in the above configuration. Since the utilization rate of vanadium ions in the electrolytic solution can be increased by increasing the charging depth, in the above configuration, the energy density of the redox flow battery can be improved as compared with the conventional case.

また、上記構成によれば、上述のように副反応を抑制できることから、副反応に伴う種々の不具合(電池効率の低下、電池容量の低下)をも効果的に抑制することができる。従って、上記構成によれば、長期に亘って優れた電池特性を有することができる。   Moreover, according to the said structure, since a side reaction can be suppressed as mentioned above, the various malfunction (a battery efficiency fall, a battery capacity fall) accompanying a side reaction can also be suppressed effectively. Therefore, according to the said structure, it can have the outstanding battery characteristic over a long term.

本発明の代表的な形態としては、負極電解液にバナジウムイオンと、バナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンとを含み、正極電解液にバナジウムイオンを含む形態が挙げられる。少なくとも負極電解液に上記金属イオンが存在することで、上述のように充電末期における副反応を効果的に抑制し、バナジウムイオンの利用率を高められる。   A typical form of the present invention includes a form in which the negative electrode electrolyte contains vanadium ions and metal ions having a lower potential than the vanadium ions, and the positive electrode electrolyte contains vanadium ions. The presence of the metal ions in at least the negative electrode electrolyte effectively suppresses side reactions at the end of charging as described above and increases the utilization rate of vanadium ions.

その他、正負両極の電解液のいずれもが、バナジウムイオンと、バナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンとを含む形態、代表的には、両極の電解液中の金属イオン種が同じ形態とすることができる。両極の電解液中の金属イオン種が同じ形態では、(1)負極電解液中の卑な電位の金属イオンが対極(ここでは正極)に移動して、負極で本来反応する金属イオンが相対的に減少することにより、副反応を抑制する効果が低減されることを効果的に回避できる、(2)充放電に伴って経時的に液移り(一方の極の電解液が他方の極に移動する現象)が生じて両極の電解液の液量にばらつきが生じた場合でも、両極の電解液を混合するなどして、ばらつきを容易に是正できる、(3)電解液の製造性に優れる、といった特有の効果を奏し得る。なお、この形態において正極電解液に存在するバナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンは、主として、両極の電解液の金属イオン種を重複させるために存在し、活物質として積極的に作用しない。そのため、正極電解液中の卑な電位の金属イオンの濃度は、負極電解液中の卑な電位の金属イオン濃度と異ならせることができるが、等しくすると、上記(1)〜(3)の効果を得易い。   In addition, both positive and negative electrode electrolytes include vanadium ions and metal ions having a lower potential than vanadium ions. Typically, the metal ion species in both electrode electrolytes are the same. be able to. When the metal ion species in the electrolyte solution of both electrodes are the same, (1) the metal ion at the base potential in the negative electrode electrolyte moves to the counter electrode (here, the positive electrode), and the metal ions that originally react with the negative electrode are relatively (2) Liquid transfer over time with charge / discharge (electrolyte from one electrode moves to the other) Even if there is a variation in the amount of electrolyte solution in both electrodes, the variation can be easily corrected by mixing the electrolyte solution in both electrodes, etc. (3) Excellent electrolyte productivity It is possible to achieve a unique effect. In this embodiment, metal ions having a lower potential than the vanadium ions present in the positive electrode electrolyte exist mainly for the purpose of overlapping the metal ion species of the electrolyte solutions of both electrodes, and do not act positively as an active material. Therefore, the concentration of the base potential metal ions in the cathode electrolyte can be different from the concentration of the base potential metal ions in the anode electrolyte, but if equal, the effects of (1) to (3) above Easy to get.

上記卑な電位の金属イオンは、バナジウムイオンと同様に水溶性のもの、或いは酸水溶液に溶解するものであり、副反応が生じるときの実際の電位(約-0.5V)よりは貴側に存在するものが好ましい。具体的には、クロムイオン及び亜鉛イオンの少なくとも1種の金属イオンが挙げられる。クロムの標準の電位は、Cr3+/Cr2+:約-0.42Vであり、V3+/V2+の電位(約-0.26V)よりも卑であり、上述した副反応の電位(約-0.5V)よりも貴である。一方、亜鉛の標準の電位は、Zn2+/Zn(金属):約-0.76Vであり、V3+/V2+の電位(約-0.26V)よりも卑であるが、上記副反応の電位よりも卑である。しかし、亜鉛は、水素過電圧が十分に大きく、電池反応を生じさせることができる。バナジウムイオンに加えて、上記金属イオンを1種含有した形態、電位が異なる複数種の金属イオンを組み合せて含有した形態のいずれでもよい。 The above low potential metal ions are water-soluble like vanadium ions or dissolved in acid aqueous solution, and are present on the noble side from the actual potential (about -0.5V) when side reactions occur. Those that do are preferred. Specifically, at least one metal ion of chromium ion and zinc ion can be mentioned. The standard potential of chromium is Cr 3+ / Cr 2+ : about −0.42 V, which is lower than the potential of V 3+ / V 2+ (about −0.26 V), and the potential of the side reaction described above ( It is more noble than about -0.5V). On the other hand, the standard potential of zinc is Zn 2+ / Zn (metal): about -0.76 V, which is less basic than the potential of V 3 + / V 2+ (about -0.26 V), but the above side reaction It is lower than the potential. However, zinc has a sufficiently large hydrogen overvoltage and can cause a battery reaction. In addition to vanadium ions, either a form containing one kind of the above metal ions or a form containing a combination of a plurality of kinds of metal ions having different potentials may be used.

上記金属イオンとして、可逆の酸化還元反応が可能であり、少なくとも負極活物質として機能するものを利用すると、実用上、所定の電力量(kWh)を貯蔵するために必要なバナジウムイオンの量を低減できる。従って、この場合、活物質に用いる金属イオンを安定して、より安価に供給することができると期待される。上述のクロムイオンや亜鉛イオンは、硫酸溶液中において可逆に酸化還元反応する。即ち、充電時に還元されたCr2+やZn(金属)は、放電時に電池の放電反応(Cr2+→Cr3++e-、Zn→Zn2++2e-)に利用されて、活物質として繰り返し使用できる。従って、上記金属イオンは、クロムイオンや亜鉛イオンを含むことが好ましい。 As the above metal ion, a reversible oxidation-reduction reaction is possible, and at least when it functions as a negative electrode active material, the amount of vanadium ion necessary for storing a predetermined amount of power (kWh) is reduced in practice. it can. Therefore, in this case, it is expected that the metal ions used for the active material can be stably supplied at a lower cost. The above-described chromium ions and zinc ions reversibly undergo a redox reaction in a sulfuric acid solution. That is, Cr 2+ or Zn (metal) reduced during charging is used for the discharge reaction of the battery (Cr 2+ → Cr 3+ + e , Zn → Zn 2+ + 2e ) during discharge, and is used as an active material. Can be used repeatedly. Therefore, the metal ions preferably include chromium ions and zinc ions.

上記卑な電位の金属イオンとしてクロムイオンを含有する場合、より具体的な形態として、2価のクロムイオン及び3価のクロムイオンの少なくとも一種のクロムイオンを含有する形態が挙げられる。上記いずれかのクロムイオンを含有することで、放電時:3価のクロムイオン(Cr3+)が存在し、充電時:2価のクロムイオン(Cr2+)が存在し、充放電の繰り返しにより、両クロムイオンが存在する形態となる。クロムは、常にイオンとして安定に存在するため扱い易い。 When chromium ions are contained as the low-potential metal ions, a more specific form is a form containing at least one kind of chromium ions of divalent chromium ions and trivalent chromium ions. By containing any of the above chromium ions, during discharge: trivalent chromium ions (Cr 3+ ) are present, during charging: divalent chromium ions (Cr 2+ ) are present, and repeated charge and discharge Thus, both chromium ions are present. Chromium is easy to handle because it always exists stably as an ion.

本発明の一形態として、上記卑な電位の金属イオンの合計濃度が0.1M以上5M以下である形態が挙げられる(M:モル濃度)。   As one form of the present invention, a form in which the total concentration of the above-mentioned low potential metal ions is 0.1 M or more and 5 M or less (M: molar concentration) can be mentioned.

上記金属イオンの合計濃度が0.1M未満では、当該金属イオンの還元反応が十分に生じ難く、この還元反応によって上述した副反応を抑制する効果を得難い。その結果、エネルギー密度を十分に向上することが難しくなる。上記金属イオンの合計濃度が高いほど上記副反応の抑制効果やエネルギー密度の増大が得られるが、金属イオンの増加によりバナジウムイオンの溶解度が低下する傾向にある。十分な溶解度を確保する場合、上記金属イオンの合計濃度が1M以下、更に0.5M以下でも、上記副反応の抑制効果などが得られる。また、電解液の溶媒が酸の水溶液である場合、電解液の酸濃度の上昇により金属イオンの溶解度の低下を招くため、上記金属イオンの濃度の上限は5Mと考えられる。   When the total concentration of the metal ions is less than 0.1M, the reduction reaction of the metal ions is hardly caused and it is difficult to obtain the effect of suppressing the side reaction described above by this reduction reaction. As a result, it is difficult to sufficiently improve the energy density. As the total concentration of the metal ions is higher, the side reaction suppression effect and the energy density are increased, but the solubility of vanadium ions tends to decrease due to the increase of metal ions. In the case of ensuring sufficient solubility, the side reaction suppression effect and the like can be obtained even when the total concentration of the metal ions is 1 M or less, and even 0.5 M or less. Further, when the solvent of the electrolytic solution is an aqueous solution of acid, the increase in the acid concentration of the electrolytic solution causes a decrease in the solubility of metal ions.

本発明の一形態として、上記両極の電解液が硫酸アニオン(SO4 2-)を含有する形態が挙げられる。 As one form of the present invention, a form in which the electrolyte solution of both electrodes contains a sulfate anion (SO 4 2− ) can be mentioned.

両極の電解液の溶媒には、硫酸アニオン(SO4 2-)、リン酸アニオン(PO4 3-)、及び硝酸アニオン(NO3 -)の少なくとも一種を含む水溶液を好適に利用することができる。これらの酸水溶液は、(1)電解液中のバナジウムイオンや上記金属イオンの安定性の向上や反応性の向上、溶解度の向上が得られる場合がある、(2)イオン伝導度が高く、電池の内部抵抗が小さくなる、(3)塩酸(HCl)を利用した場合と異なり、塩素ガスが発生しない、といった複数の効果が期待できる。特に、硫酸アニオン(SO4 2-)を含有する形態では、リン酸アニオンや硝酸アニオンを含有する場合と比較して、バナジウムイオンや上記金属イオンの安定性や反応性を向上できるため好ましい。両極の電解液が硫酸アニオンを含有するには、例えば、バナジウムイオンや上述の金属イオンを含む硫酸塩を利用することが挙げられる。 An aqueous solution containing at least one of a sulfate anion (SO 4 2− ), a phosphate anion (PO 4 3− ), and a nitrate anion (NO 3 ) can be suitably used as the solvent for the electrolyte solution of both electrodes. . These acid aqueous solutions may (1) improve the stability and reactivity of vanadium ions or the above metal ions in the electrolyte, and may improve the solubility, (2) high ionic conductivity, battery A plurality of effects can be expected, such as (3) unlike the case of using hydrochloric acid (HCl), and no chlorine gas is generated. In particular, a form containing a sulfate anion (SO 4 2− ) is preferable because stability and reactivity of vanadium ions and the above metal ions can be improved as compared with the case of containing a phosphate anion and a nitrate anion. In order for the electrolyte solution of both electrodes to contain a sulfate anion, for example, use of a sulfate containing vanadium ions or the above metal ions can be mentioned.

本発明の一形態として、上記両極の電解液の溶媒は、H2SO4の水溶液である形態が挙げられる。このとき、上記両極の電解液の硫酸濃度はいずれも、5M以下が好ましい。 As one form of the invention, the solvent of the electrolytic solution of the poles include the form of an aqueous solution of H 2 SO 4. At this time, the sulfuric acid concentration of the electrolyte solution of both electrodes is preferably 5M or less.

上述のように硫酸塩を用いることに加えて、電解液の溶媒をH2SO4の水溶液(硫酸水溶液)とすると、上述のようにバナジウムイオンや金属イオンの安定性の向上や反応性の向上、内部抵抗の低減などを図ることができる。但し、硫酸濃度が高過ぎると、バナジウムイオンやクロムイオンなどの金属イオンの溶解度の低下や電解液の粘度の増加を招く恐れがあるため、硫酸濃度は、5M以下が好ましく、1M〜4Mが利用し易い。 In addition to using sulfate as described above, if the electrolyte solvent is an aqueous solution of H 2 SO 4 (sulfuric acid aqueous solution), as described above, the stability and reactivity of vanadium ions and metal ions are improved. The internal resistance can be reduced. However, if the sulfuric acid concentration is too high, the solubility of metal ions such as vanadium ions and chromium ions may decrease and the viscosity of the electrolyte may increase, so the sulfuric acid concentration is preferably 5M or less, and 1M to 4M are used. Easy to do.

本発明の一形態として、上記負極電解液の充電深度が90%超となるように運転される形態が挙げられる。   As one form of this invention, the form operated so that the charge depth of the said negative electrode electrolyte solution may exceed 90% is mentioned.

本発明では、負極電解液にバナジウムイオンに加えて、バナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンを含むことで、充電深度を90%超に高めて充電しても上述のように副反応を抑制することができる。このように充電深度を高められることで、バナジウムイオンの利用率を効果的に上げることができる。   In the present invention, in addition to vanadium ions, the negative electrode electrolyte contains metal ions with a lower potential than vanadium ions, so that side reactions are suppressed as described above even when the charging depth is increased to more than 90%. can do. Thus, the utilization rate of vanadium ion can be effectively raised by raising a charge depth.

本発明レドックスフロー電池は、エネルギー密度を向上することができる。   The redox flow battery of the present invention can improve energy density.

図1は、レドックスフロー電池を具える電池システムの動作原理を示す説明図である。FIG. 1 is an explanatory diagram showing the operating principle of a battery system including a redox flow battery. 図2は、試験例1で作製した実施例システムの充放電のサイクル時間(sec)と電池の電圧(V)との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the charge / discharge cycle time (sec) and the battery voltage (V) in the system of the example produced in Test Example 1. 図3は、試験例1で作製した比較システム(I)の充電時間(sec)と電池の電圧(V)との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the charging time (sec) of the comparison system (I) produced in Test Example 1 and the battery voltage (V). 図4は、試験例1で作製した比較システム(II)の充放電のサイクル時間(sec)と電池の電圧(V)との関係を示すグラフである。FIG. 4 is a graph showing the relationship between the charge / discharge cycle time (sec) and the battery voltage (V) of the comparative system (II) produced in Test Example 1.

以下、図1を参照して、実施形態のレドックスフロー電池を具える電池システムの概要を説明する。図1に示すイオンは例示である。   Hereinafter, an outline of a battery system including the redox flow battery of the embodiment will be described with reference to FIG. The ions shown in FIG. 1 are exemplary.

レドックスフロー電池100は、代表的には、交流/直流変換器を介して、発電部(例えば、太陽光発電機、風力発電機、その他、一般の発電所など)と電力系統や需要家とに接続され、発電部を電力供給源として充電を行い、電力系統や需要家を電力提供対象として放電を行う。上記充放電を行うにあたり、レドックスフロー電池100と、この電池100に電解液を循環させる循環機構(タンク、導管、ポンプ)とを具える以下の電池システムが構築される。   The redox flow battery 100 is typically connected to a power generation unit (e.g., a solar power generator, a wind power generator, other general power plants, etc.), an electric power system, and a consumer via an AC / DC converter. Connected, charging is performed using the power generation unit as a power supply source, and discharging is performed using a power system or a consumer as a power supply target. In performing the charging / discharging, the following battery system including a redox flow battery 100 and a circulation mechanism (tank, conduit, pump) for circulating an electrolyte in the battery 100 is constructed.

レドックスフロー電池100は、正極電極104を内蔵する正極セル102と、負極電極105を内蔵する負極セル103と、両セル102,103を分離すると共に適宜イオンを透過する隔膜101とを具える。正極セル102には、正極電解液用のタンク106が導管108,110を介して接続される。負極セル103には、負極電解液用のタンク107が導管109,111を介して接続される。導管108,109には、各極の電解液を循環させるためのポンプ112,113を具える。レドックスフロー電池100は、導管108〜111、ポンプ112,113を利用して、正極セル102(正極電極104)、負極セル103(負極電極105)にそれぞれタンク106の正極電解液、タンク107の負極電解液を循環供給して、各極の電解液中の活物質となる金属イオンの価数変化反応に伴って充放電を行う。   The redox flow battery 100 includes a positive electrode cell 102 incorporating a positive electrode 104, a negative electrode cell 103 incorporating a negative electrode 105, and a diaphragm 101 that separates the cells 102 and 103 and appropriately transmits ions. A positive electrode electrolyte tank 106 is connected to the positive electrode cell 102 via conduits 108 and 110. A negative electrode electrolyte tank 107 is connected to the negative electrode cell 103 via conduits 109 and 111. The conduits 108 and 109 include pumps 112 and 113 for circulating the electrolyte solution of each electrode. The redox flow battery 100 uses the conduits 108 to 111 and the pumps 112 and 113 to form the positive electrode electrolyte in the tank 106 and the negative electrode electrolyte in the tank 107 in the positive electrode cell 102 (positive electrode 104) and the negative electrode cell 103 (negative electrode 105), respectively. Is charged and discharged along with the valence change reaction of the metal ions that become the active material in the electrolyte solution of each electrode.

レドックスフロー電池100は、代表的には、上記セル102,103を複数積層させたセルスタックと呼ばれる形態が利用される。上記セル102,103は、一面に正極電極104、他面に負極電極105が配置される双極板(図示せず)と、電解液を供給する給液孔及び電解液を排出する排液孔を有し、かつ上記双極板の外周に形成される枠体(図示せず)とを具えるセルフレームを用いた構成が代表的である。複数のセルフレームを積層することで、上記給液孔及び排液孔は電解液の流路を構成し、この流路は導管108〜111に適宜接続される。セルスタックは、セルフレーム、正極電極104、隔膜101、負極電極105、セルフレーム、…と順に繰り返し積層されて構成される。なお、レドックスフロー電池システムの基本構成は、公知の構成を適宜利用することができる。   The redox flow battery 100 typically uses a form called a cell stack in which a plurality of the cells 102 and 103 are stacked. The cells 102 and 103 have a bipolar plate (not shown) in which the positive electrode 104 is disposed on one side and the negative electrode 105 is disposed on the other side, a liquid supply hole for supplying an electrolytic solution, and a drainage hole for discharging the electrolytic solution. A typical configuration is a cell frame including a frame (not shown) formed on the outer periphery of the bipolar plate. By laminating a plurality of cell frames, the liquid supply hole and the drainage hole constitute a flow path for the electrolytic solution, and the flow path is appropriately connected to the conduits 108 to 111. The cell stack is configured by repeatedly stacking a cell frame, a positive electrode 104, a diaphragm 101, a negative electrode 105, a cell frame,. In addition, a well-known structure can be utilized suitably for the basic structure of a redox flow battery system.

特に、本発明では、上記正極電解液及び上記負極電解液のいずれもがバナジウムイオンを含有し、かつ上記負極電解液は、バナジウムイオンに加えて、バナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンを更に含有する(図1では、例としてクロムイオンを示す)。以下、試験例を挙げてより具体的に説明する。   In particular, in the present invention, both of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain vanadium ions, and the negative electrode electrolyte further contains metal ions having a lower potential than vanadium ions in addition to vanadium ions. Contained (FIG. 1 shows chromium ions as an example). Hereinafter, it will be described more specifically with reference to test examples.

[試験例1]
図1に示すレドックスフロー電池システムを構築し、正負両極にバナジウムイオンを含有する種々の電解液を用いて、種々の条件で充放電を行った。
[Test Example 1]
The redox flow battery system shown in FIG. 1 was constructed and charged and discharged under various conditions using various electrolytes containing vanadium ions on both the positive and negative electrodes.

実施例システムとして、以下を用意した。
正極電解液として、硫酸濃度が2.6Mの硫酸水溶液(H2SO4aq)に、硫酸塩:硫酸バナジウム(4価)を溶解して、バナジウムイオン(4価)の濃度が1.7Mの電解液を9ml(9cc)作製した。
負極電解液として、硫酸濃度が1.75Mの硫酸水溶液(H2SO4aq)に硫酸塩:硫酸バナジウム(3価)及び硫酸クロム(3価)を溶解して、バナジウムイオン(3価)の濃度が1.7M、クロムイオン(3価)の濃度が0.1Mの電解液を6ml(6cc)作製した。正極電解液の量を負極電解液の量よりも多くすることで、充電時に負極側での電池反応(バナジウムイオンの還元反応だけでなくクロムイオンの還元反応も含む)が十分に行えるようにしている(この点は、後述する試験例2も同様である)。
The following was prepared as an example system.
As a positive electrode electrolyte, an electrolyte with a concentration of vanadium ions (tetravalent) of 1.7 M is obtained by dissolving sulfate: vanadium sulfate (tetravalent) in a sulfuric acid aqueous solution (H 2 SO 4 aq) having a sulfuric acid concentration of 2.6 M. 9 ml (9 cc) was prepared.
Dissolve sulfate: vanadium sulfate (trivalent) and chromium sulfate (trivalent) in sulfuric acid aqueous solution (H 2 SO 4 aq) with a sulfuric acid concentration of 1.75M as the negative electrode electrolyte, and the concentration of vanadium ions (trivalent) 6 ml (6 cc) of an electrolyte solution having a concentration of 1.7 M and a chromium ion (trivalent) concentration of 0.1 M was prepared. By making the amount of the positive electrode electrolyte larger than the amount of the negative electrode electrolyte, the battery reaction on the negative electrode side (including not only the reduction reaction of vanadium ions but also the reduction reaction of chromium ions) can be sufficiently performed during charging. (This also applies to Test Example 2 described later).

各極の電極には、カーボンフェルト、隔膜には、イオン交換膜を用いた。電極や隔膜の構成材料は適宜選択することができる。カーボンフェルトから構成される電極は、(1)正極側で酸素ガス及び負極側で水素ガスが発生し難い、(2)表面積が大きい、(3)電解液の流通性に優れる、といった効果がある。イオン交換膜は、(1)正負極の活物質である金属イオンの隔離性に優れる、(2)H+イオン(電池内部の電荷担体)の透過性に優れる、といった効果がある。 Carbon felt was used for each electrode, and an ion exchange membrane was used for the diaphragm. The constituent material of an electrode or a diaphragm can be selected as appropriate. The electrode composed of carbon felt has the following effects: (1) Oxygen gas is hardly generated on the positive electrode side and hydrogen gas is not generated on the negative electrode side, (2) Large surface area, (3) Excellent electrolyte circulation . The ion exchange membrane has effects such as (1) excellent separability of metal ions that are active materials of the positive and negative electrodes, and (2) excellent permeability of H + ions (charge carriers inside the battery).

そして、この試験例1では、電極の反応面積が9cm2である小型セルを作製し、用意した上記各極の電解液を用いて、電流:630mA(電流密度:70mA/cm2)の定電流で充電を行った。より具体的には、負極電解液のバナジウムイオンの充電深度が109%に相当する時点まで充電した。上記充電深度は、バナジウムイオンのみを活物質とした場合を100とした数値であり、当該充電深度が100%超であるのは、バナジウムイオンの充電深度がほぼ100%であることに加えて、Cr3+がCr2+に変化して充電されていることを示す。その後、放電に切り替えて放電を行い、更に、上記と同様の充電条件で充放電を繰り返した。図2に充放電のサイクル時間と電池の電圧との関係を示す。 In Test Example 1, a small cell having an electrode reaction area of 9 cm 2 was prepared, and using the prepared electrolyte solution for each electrode, a constant current of 630 mA (current density: 70 mA / cm 2 ) was used. Was charged. More specifically, the negative electrode electrolyte was charged until the vanadium ion charging depth corresponded to 109%. The charging depth is a numerical value when the vanadium ion only is used as an active material, and the charging depth is more than 100%. In addition to the charging depth of vanadium ions being almost 100%, This shows that Cr 3+ is changed to Cr 2+ to be charged. Then, it switched to discharge and discharged, and also charge / discharge was repeated on the same charging conditions as the above. Fig. 2 shows the relationship between the charge / discharge cycle time and the battery voltage.

比較システムとして、全バナジウムレドックスフロー電池システムを構築した。比較システムの基本的構成は、上述した実施例システムと同様であり、電解液及び運転条件を異ならせた以外の点は上述した実施例システムと同様とした。この試験例1では、正極電解液及び負極電解液として、正極:硫酸濃度が2.6Mの硫酸水溶液(H2SO4aq)に硫酸バナジウム(4価)、負極:硫酸濃度が1.75Mの硫酸水溶液(H2SO4aq)に硫酸バナジウム(3価)を溶解して、正極:バナジウムイオン(4価)の濃度、負極:バナジウムイオン(3価)の濃度のいずれもが1.7Mの電解液を作製した。 As a comparison system, an all-vanadium redox flow battery system was constructed. The basic configuration of the comparison system is the same as that of the above-described embodiment system, and is the same as that of the above-described embodiment system except that the electrolytic solution and the operating conditions are different. In Test Example 1, as the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte, the positive electrode: sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 2.6 M (H 2 SO 4 aq), vanadium sulfate (tetravalent), negative electrode: sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 1.75 M Dissolve vanadium sulfate (trivalent) in (H 2 SO 4 aq), and use a 1.7M electrolyte solution for both the positive electrode: vanadium ion (tetravalent) concentration and the negative electrode: vanadium ion (trivalent) concentration. Produced.

そして、比較システム(I)では、電極の反応面積が9cm2である小型セルを作製し、上述した全バナジウム電解液を正負それぞれ10ml(10cc)ずつ用いて、電流:540mA(電流密度:60mA/cm2)の定電流で充電を行った。また、比較システム(I)では、正極電解液中のバナジウムイオンの充電深度が100%相当を超えても、しばらくの間、充電を継続した。図3に充電時間と電池の電圧との関係を示す。 Then, in the comparison system (I), a small cell having an electrode reaction area of 9 cm 2 was produced, and the above-described vanadium electrolyte was used for each 10 ml (10 cc) positive and negative, current: 540 mA (current density: 60 mA / Charging was performed at a constant current of cm 2 ). In Comparative System (I), charging was continued for a while even when the charging depth of vanadium ions in the positive electrode electrolyte exceeded 100%. Fig. 3 shows the relationship between charging time and battery voltage.

一方、比較システム(II)では、上記比較システム(I)と電解液量及び運転条件を異ならせた以外の点は同様とした。具体的には、上述した全バナジウム電解液を正負それぞれ7ml(7cc)ずつ用いて、電流:630mA(電流密度:70mA/cm2)の定電流で充電を行った。そして、比較システム(II)では、電圧が1.6Vになった時点(バナジウムイオンの充電深度:78%)で充電を停止して放電に切り替え、以下同様にして充放電を繰り返した。図4に充放電のサイクル時間と電池の電圧との関係を示す。 On the other hand, the comparative system (II) was the same as the comparative system (I) except that the amount of electrolyte and the operating conditions were different. Specifically, charging was performed at a constant current of 630 mA (current density: 70 mA / cm 2 ) using 7 ml (7 cc) of each of the above vanadium electrolyte solutions. In the comparison system (II), when the voltage reached 1.6 V (vanadium ion charging depth: 78%), the charging was stopped and switched to discharging, and charging and discharging were repeated in the same manner. FIG. 4 shows the relationship between the charge / discharge cycle time and the battery voltage.

その結果、比較システム(I)では、図3に示すように電圧が1.6V付近から2.6V以上に急上昇した。更に充電を継続したところ、負極からは水素ガスの発生が見られた。このような状態から放電を行い、更に同様の条件(充電:充電状態が100%超となるまで行う)で数回の充放電を繰り返したところ、電池の内部抵抗が次第に増加し、電池容量も減少する傾向が見られた。   As a result, in the comparison system (I), as shown in FIG. 3, the voltage rose rapidly from near 1.6V to 2.6V or higher. When charging was continued, generation of hydrogen gas was observed from the negative electrode. After discharging from such a state, repeated charging and discharging several times under the same conditions (charging: until the charging state exceeds 100%), the internal resistance of the battery gradually increased, and the battery capacity also increased. There was a tendency to decrease.

一方、比較システム(II)では、充電の上限電圧を1.6Vとしたことで、水素ガスの発生は見られなかった。また、充放電を数回繰り返したが、電池の内部抵抗の増加や電池容量の低下も見られず、繰り返し安定に動作することができた。しかし、比較システム(II)では、実際に利用できた電池容量が理論容量(バナジウムイオン濃度:1.7M、7ml、630mAから放電時間に換算した値):30.4分に対して20.4分であり、バナジウムイオンの利用率が67%(≦90%)である。   On the other hand, in the comparative system (II), generation of hydrogen gas was not observed because the upper limit voltage of charging was 1.6V. Moreover, although charging / discharging was repeated several times, an increase in the internal resistance of the battery and a decrease in the battery capacity were not observed, and the battery could operate stably repeatedly. However, in the comparative system (II), the battery capacity that was actually available was 20.4 minutes compared to the theoretical capacity (vanadium ion concentration: 1.7M, 7ml, converted from 630mA to discharge time): 30.4 minutes. The utilization rate of ions is 67% (≦ 90%).

他方、実施例システムでは、図2に示すように1.6V付近から電圧の上昇が見られるものの、この上昇は急峻ではなく、比較システム(I)よりも緩やかである。また、電圧が1.6V以上になってからの電圧特性から、充電時、負極では、バナジウムイオンの更なる還元反応が生じていると共に、クロムイオン(3価)の還元反応が生じていることが観察された。更に、比較システム(I)と異なり、実施例システムでは、負極の充電深度が100%相当を超えて充電しても、電池電圧の上昇が抑制され、せいぜい2V程度であった。加えて、実施例システムでは、水素ガスの発生が見られなかった。そして、実施例システムの放電時間(放電容量)は25.9分となり、理論容量(バナジウムイオン濃度:1.75M、6ml、630mAから放電時間に換算した値:26分)に対して99.6%とほぼ100%近い容量が得られ、90%を超える利用率であった。また、繰り返し充放電を行ったが、電池容量の減少も無く、安定に動作することが確認された。   On the other hand, in the example system, although a voltage increase is observed from around 1.6 V as shown in FIG. 2, this increase is not steep and is slower than the comparison system (I). In addition, from the voltage characteristics after the voltage becomes 1.6 V or more, at the time of charging, at the negative electrode, there is a further reduction reaction of vanadium ions and a reduction reaction of chromium ions (trivalent). Observed. Furthermore, unlike the comparative system (I), in the example system, even when the charging depth of the negative electrode exceeded 100%, the increase in battery voltage was suppressed and it was at most about 2V. In addition, generation of hydrogen gas was not observed in the example system. And, the discharge time (discharge capacity) of the example system is 25.9 minutes, 99.6% with respect to the theoretical capacity (vanadium ion concentration: 1.75 M, 6 ml, value converted to discharge time from 630 mA: 26 minutes), almost 100%. A close capacity was obtained, with utilization exceeding 90%. Moreover, although charging / discharging was performed repeatedly, it was confirmed that there is no decrease in battery capacity and the operation is stable.

上記試験例1から、少なくとも負極電解液に、バナジウムイオンに加えて、負極側のバナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンを含有することで、バナジウムイオンの利用率を効果的に高めて、エネルギー密度を向上できると言える。   From Test Example 1 above, at least the negative electrode electrolyte contains, in addition to vanadium ions, metal ions having a lower potential than vanadium ions on the negative electrode side, effectively increasing the utilization of vanadium ions, It can be said that the density can be improved.

[試験例2]
図1に示すレドックスフロー電池システムを構築し、正負極の電解液として、バナジウムイオンとクロムイオンとを含有する電解液を用いて充放電を行った。
[Test Example 2]
The redox flow battery system shown in FIG. 1 was constructed, and charging / discharging was performed using an electrolytic solution containing vanadium ions and chromium ions as the electrolytic solution for the positive and negative electrodes.

試験例2では、正極電解液として、試験例1の実施例システムと同様の原料に、更に硫酸塩:硫酸クロム(3価)を用意して、バナジウムイオン(4価)の濃度:1.7M、クロムイオン(3価)の濃度:0.1Mの電解液を9ml(9cc)作製した。負極電解液は、試験例1の実施例システムと同様のもの(バナジウムイオン(3価)の濃度:1.7M、クロムイオン(3価)の濃度:0.1M、6ml(6cc))を用意した。その他の構成は、試験例1の実施例システムと同様とした。   In Test Example 2, as the positive electrode electrolyte, the same raw materials as in the system of Example 1 of Test Example 1, further prepared sulfate: chromium sulfate (trivalent), vanadium ion (tetravalent) concentration: 1.7M, Chromium ion (trivalent) concentration: 9 ml (9 cc) of 0.1M electrolyte was prepared. The negative electrode electrolyte solution was the same as that of the example system of Test Example 1 (vanadium ion (trivalent) concentration: 1.7 M, chromium ion (trivalent) concentration: 0.1 M, 6 ml (6 cc)). Other configurations were the same as those of the example system of Test Example 1.

そして、試験例1と同様の小型セル(反応面積:9cm2)を作製し、用意した各極の電解液を用いて、試験例1と同様に、電流:630mA(電流密度:70mA/cm2)の定電流で、バナジウムイオンの充電深度が110%に相当する時点まで充電した。すると、試験例2のシステムの電圧特性の挙動は、試験例1の実施例システムとほとんど同様の挙動を示した。また、試験例2のシステムの放電時間は、25分であり、理論容量(26分)に対して98%とほぼ100%に近い電池容量が得られ、利用率も90%超にできることが確認された。更に、試験例2のシステムでも充放電を繰り返し行ったが安定に運転することができ、水素ガスの発生が見られなかった。 Then, a small cell similar to Test Example 1 (reaction area: 9 cm 2 ) was prepared, and using the prepared electrolyte solution for each electrode, the same as in Test Example 1, current: 630 mA (current density: 70 mA / cm 2 ) At a constant current of) until the point where the vanadium ion charge depth corresponds to 110%. Then, the behavior of the voltage characteristic of the system of Test Example 2 showed almost the same behavior as that of the Example system of Test Example 1. In addition, the discharge time of the system of Test Example 2 is 25 minutes, and it is confirmed that the battery capacity is nearly 100%, which is 98% of the theoretical capacity (26 minutes), and the utilization rate can be over 90%. It was done. Further, the system of Test Example 2 was repeatedly charged and discharged, but could be operated stably and no generation of hydrogen gas was observed.

従って、試験例2から、正負両極の電解液に、バナジウムイオンに加えて、負側のバナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンを含有することで、バナジウムイオンの利用率を効果的に高めて、エネルギー密度を向上できると言える。   Therefore, from Test Example 2, in addition to vanadium ions, the positive and negative electrode electrolytes contain metal ions having a lower potential than the negative vanadium ions, thereby effectively increasing the utilization of vanadium ions. It can be said that the energy density can be improved.

上述した実施形態は、本発明の要旨を逸脱することなく、適宜変更することが可能であり、上述した構成に限定されるものではない。例えば、金属イオンの種類や濃度、電解液の溶媒の濃度などを適宜変更することができる。   The above-described embodiment can be appropriately changed without departing from the gist of the present invention, and is not limited to the above-described configuration. For example, the type and concentration of metal ions, the concentration of the solvent of the electrolytic solution, and the like can be changed as appropriate.

本発明レドックスフロー電池は、太陽光発電、風力発電などの新エネルギーの発電に対して、発電出力の変動の安定化、発電電力の余剰時の蓄電、負荷平準化などを目的とした大容量の蓄電池に好適に利用することができる。その他、本発明レドックスフロー電池は、一般的な発電所に併設されて、瞬低・停電対策や負荷平準化を目的とした大容量の蓄電池としても好適に利用することができる。   The redox flow battery of the present invention has a large capacity for the purpose of stabilizing fluctuations in power generation output, storing electricity when surplus of generated power, load leveling, etc., for power generation of new energy such as solar power generation and wind power generation. It can utilize suitably for a storage battery. In addition, the redox flow battery of the present invention can be suitably used as a large-capacity storage battery that is provided in a general power plant and is intended for measures against instantaneous voltage drop / power outage and load leveling.

100 レドックスフロー電池 101 隔膜 102 正極セル 103 負極セル
104 正極電極 105 負極電極 106 正極電解液用のタンク
107 負極電解液用のタンク 108,109,110,111 導管 112,113 ポンプ
100 Redox flow battery 101 Diaphragm 102 Positive electrode cell 103 Negative electrode cell
104 Positive electrode 105 Negative electrode 106 Tank for positive electrolyte
107 Tank for negative electrolyte 108,109,110,111 Conduit 112,113 Pump

Claims (7)

電池セルに正極電解液及び負極電解液を供給して充放電を行うレドックスフロー電池であって、
前記正極電解液及び前記負極電解液はいずれも、バナジウムイオンを含有し、
少なくとも前記負極電解液は、バナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンを更に含有することを特徴とするレドックスフロー電池。
A redox flow battery for charging and discharging by supplying a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte to a battery cell,
The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte both contain vanadium ions,
At least the negative electrode electrolyte further contains metal ions having a lower potential than vanadium ions.
前記正極電解液及び前記負極電解液はいずれも、バナジウムイオンよりも卑な電位の金属イオンを更に含有す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。   2. The redox flow battery according to claim 1, wherein each of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte further contains metal ions having a base potential lower than that of vanadium ions. 前記卑な電位の金属イオンは、クロムイオン及び亜鉛イオンの少なくとも1種の金属イオンであり、
前記金属イオンの合計濃度が0.1M以上5M以下であることを特徴とする請求項1又は2に記載のレドックスフロー電池。
The base potential metal ion is at least one metal ion of chromium ion and zinc ion,
3. The redox flow battery according to claim 1, wherein a total concentration of the metal ions is 0.1 M or more and 5 M or less.
前記卑な電位の金属イオンは、2価のクロムイオン及び3価のクロムイオンの少なくとも一種のクロムイオンであることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項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 metal ions having a low potential are at least one kind of chromium ions of divalent chromium ions and trivalent chromium ions. 前記両極の電解液は、硫酸アニオンを含有することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。   5. The redox flow battery according to claim 1, wherein the electrolyte solution of both electrodes contains a sulfate anion. 前記両極の電解液の溶媒は、H2SO4の水溶液であり、
前記両極の電解液の硫酸濃度がいずれも5M以下であることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。
The solvent of the electrolyte solution of both electrodes is an aqueous solution of H 2 SO 4 ,
6. The redox flow battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the sulfuric acid concentrations of the electrolyte solutions of both electrodes are all 5M or less.
前記レドックスフロー電池は、前記負極電解液の充電深度が90%超となるように運転されることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1項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 6, wherein the redox flow battery is operated such that a charging depth of the negative electrode electrolyte exceeds 90%.
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