JP2012079679A - Redox flow battery - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a redox flow battery (RF battery) capable of suppressing precipitation of precipitates while having high electromotive force, and a method for operating a redox flow battery.SOLUTION: In an RF battery 100, a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte are supplied to a battery cell to charge and discharge the battery, the battery cell including a positive electrode 104, a negative electrode 105, and a barrier membrane 101 interposed between the both electrodes 104 and 105. The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain both of a manganese ion and a titanium ion. By utilizing a manganese ion for a positive electrode active material and including a titanium ion in the positive electrode electrolyte, the redox flow battery 100 can suppress precipitation of MnO, so that charging and discharging can be performed favorably. Also, the redox flow battery 100 has high electromotive force equivalent to or higher than that of conventional vanadium-based redox flow batteries. In addition, since the types of metal ions in the electrolytes of both electrodes are equal in the RF battery 100, such effects that a decrease in battery capacity is suppressed, the unbalance of a liquid amount due to liquid transfer can be easily corrected, and manufacturability of the electrolytes is improved can be attained.

Description

本発明は、レドックスフロー電池、及びその運転方法に関するものである。特に、高い起電力が得られ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 and an operation method thereof. In particular, the present invention relates to a redox flow battery capable of obtaining a high electromotive force.

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金属イオンを含有する水溶液が利用される。正極に鉄イオン、負極にクロムイオンを用いる鉄-クロム系レドックスフロー電池の他、正極及び負極の両極にバナジウムイオンを用いるバナジウム系レドックスフロー電池が代表的である(例えば、特許文献1)。   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 metal ions whose valence changes by oxidation-reduction is used. Typical examples include an iron-chromium redox flow battery using iron ions for the positive electrode and chromium ions for the negative electrode, and a vanadium redox flow battery using vanadium ions for both the positive electrode and the negative electrode (for example, Patent Document 1).

特開2006-147374号公報JP 2006-147374 A

バナジウム系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。しかし、従来の鉄-クロム系レドックスフロー電池やバナジウム系レドックスフロー電池では、起電力が十分に高いとは言えない。今後の世界的な需要に対応するためには、更に高い起電力を有し、かつ、活物質に用いる金属イオンを安定して供給可能な、好ましくは安定して安価に供給可能な新たなレドックスフロー電池の開発が望まれる。   Vanadium redox flow batteries have been put to practical use and are expected to be used in the future. However, the conventional iron-chromium redox flow battery and vanadium redox flow battery cannot be said to have a sufficiently high electromotive force. To meet future global demand, a new redox that has a higher electromotive force and can stably supply metal ions used in active materials, preferably stably and inexpensively. Development of a flow battery is desired.

そこで、本発明の目的の一つは、高い起電力が得られるレドックスフロー電池を提供することにある。また、本発明の他の目的は、優れた電池特性を有する状態を維持できるレドックスフロー電池の運転方法を提供することにある。   Then, one of the objectives of this invention is providing the redox flow battery from which a high electromotive force is obtained. Another object of the present invention is to provide a redox flow battery operating method capable of maintaining a state having excellent battery characteristics.

起電力を向上するためには、標準酸化還元電位が高い金属イオンを活物質に用いることが考えられる。従来のレドックスフロー電池に利用されている正極活物質の金属イオンの標準酸化還元電位は、Fe2+/Fe3+が0.77V、V4+/V5+が1.0Vである。本発明者らは、正極活物質の金属イオンとして、水溶性の金属イオンであり、従来の金属イオンよりも標準酸化還元電位が高く、バナジウムよりも比較的安価であって資源供給面においても優れると考えられるマンガン(Mn)を用いたレドックスフロー電池を検討した。Mn2+/Mn3+の標準酸化還元電位は、1.51Vであり、マンガンイオンは、起電力がより大きなレドックス対を構成するための好ましい特性を有する。 In order to improve the electromotive force, it is conceivable to use a metal ion having a high standard redox potential as the active material. The standard redox potential of the metal ions of the positive electrode active material used in the conventional redox flow battery is 0.77V for Fe 2+ / Fe 3+ and 1.0V for V 4+ / V 5+ . The present inventors are water-soluble metal ions as the metal ions of the positive electrode active material, have a higher standard redox potential than conventional metal ions, are relatively cheaper than vanadium, and are excellent in terms of resource supply. A redox flow battery using manganese (Mn) is considered. The standard oxidation-reduction potential of Mn 2+ / Mn 3+ is 1.51 V, and manganese ions have favorable characteristics for constituting a redox pair having a larger electromotive force.

しかし、正極活物質の金属イオンにマンガンイオンを用いた場合、充放電に伴って固体のMnO2が析出するという問題がある。
Mn3+は不安定であり、マンガンイオンの水溶液では、以下の不均化反応によってMn2+(2価)及びMnO2(4価)を生じる。
不均化反応:2Mn3++2H2O ⇔ Mn2++MnO2(析出)+4H+ However, when manganese ions are used as the metal ions of the positive electrode active material, there is a problem that solid MnO 2 is deposited with charge and discharge.
Mn 3+ is unstable, and in an aqueous solution of manganese ions, Mn 2+ (divalent) and MnO 2 (tetravalent) are generated by the following disproportionation reaction.
Disproportionation reaction: 2Mn 3+ + 2H 2 O ⇔ Mn 2+ + MnO 2 (precipitation) + 4H +

上記不均化反応の式から、H2Oを相対的に減らす、例えば、電解液の溶媒を硫酸水溶液といった酸の水溶液とするとき、当該溶媒中の酸(例えば、硫酸)の濃度を高めることで、MnO2の析出をある程度抑制できることがわかる。ここで、上述したような大容量の蓄電池として実用的なレドックスフロー電池とするためには、エネルギー密度の点から、マンガンイオンの溶解度が0.3M以上であることが望まれる。しかし、マンガンイオンは、酸濃度(例えば、硫酸濃度)を高めると、溶解度が低下する特性を有する。即ち、MnO2の析出を抑制するために酸濃度を高めると、電解液中のマンガンイオンの濃度が高くできず、エネルギー密度の低下を招く。また、酸の種類によっては、酸濃度を高めることで電解液の粘度が増加して使用し難いという問題も生じる。 From the above disproportionation reaction formula, when H 2 O is relatively reduced, for example, when the solvent of the electrolyte is an aqueous solution of an acid such as a sulfuric acid aqueous solution, the concentration of the acid (for example, sulfuric acid) in the solvent is increased. It can be seen that the precipitation of MnO 2 can be suppressed to some extent. Here, in order to obtain a practical redox flow battery as a large-capacity storage battery as described above, it is desirable that the solubility of manganese ions be 0.3 M or more from the viewpoint of energy density. However, manganese ions have a characteristic that the solubility decreases when the acid concentration (for example, sulfuric acid concentration) is increased. That is, if the acid concentration is increased in order to suppress the precipitation of MnO 2 , the concentration of manganese ions in the electrolytic solution cannot be increased, leading to a decrease in energy density. In addition, depending on the type of acid, there is a problem that increasing the acid concentration increases the viscosity of the electrolyte and makes it difficult to use.

本発明者らは、正極活物質にマンガンイオンを用いても、Mn(3価)の不均化反応に伴う析出が生じ難く、Mn2+/Mn3+の反応が安定して行われ、実用的な溶解度が得られる構成を更に検討した。その結果、詳しいメカニズムは不明であるが、正極電解液に、マンガンイオンと共にチタンイオンを存在させることで、上記析出を効果的に抑制できることを見出した。特に、正極電解液の充電状態(SOC:State of Charge、充電深度と言うことがある。)を、マンガンイオンの反応を全て1電子反応(Mn2+→Mn3++e-)で計算した場合に90％超、更に130％以上という高い充電状態で充電を行っても上記析出が実質的に観察されない、という驚くべき事実を見出した。このようにマンガンイオンとチタンイオンとを共存させることで、上記析出を効果的に抑制できることから、溶媒の酸濃度を不必要に高くする必要が無く、マンガンイオンの溶解度を十分に実用的な値にすることができる。また、上記充電状態を100％以上に充電させた場合に充電過程で生成されたと考えられるMnO2(4価)は、析出物とならず、放電過程でMn(2価)に還元され得るという新たな事実も見出した。そして、正極活物質にマンガンイオンを用い、負極活物質にチタンイオンを用いた、Ti/Mn系レドックスフロー電池は、高い起電力を有することができ、かつ上記金属イオンが高濃度に溶解された電解液を用いて、安定して良好に動作することができる、との知見を得た。特に、マンガンイオンを正極活物質とし、かつ負極電解液もマンガンイオンを含有する電解液とし、両極の電解液中の金属イオン種を等しくすると、(1)金属イオンが対極に移動して、各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る電池容量の減少現象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やイオン濃度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、上記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。本発明は、これらの知見に基づくものである。 The present inventors, even if manganese ions are used as the positive electrode active material, precipitation associated with the disproportionation reaction of Mn (trivalent) hardly occurs, and the reaction of Mn 2+ / Mn 3+ is performed stably. Further studies were made on a configuration that provides practical solubility. As a result, although the detailed mechanism is unknown, it discovered that the said precipitation can be effectively suppressed by making a positive electrode electrolyte solution make a titanium ion with a manganese ion. In particular, the state of charge of the positive electrode electrolyte (SOC: State of Charge, sometimes referred to as the depth of charge) was calculated using a one-electron reaction (Mn 2+ → Mn 3+ + e − ) for all reactions of manganese ions. In some cases, the inventors have found the surprising fact that the above-mentioned precipitation is not substantially observed even when charging is performed at a high charge state of more than 90% and further 130% or more. By coexisting manganese ions and titanium ions in this way, the above precipitation can be effectively suppressed, so there is no need to unnecessarily increase the acid concentration of the solvent, and the solubility of manganese ions is a sufficiently practical value. Can be. In addition, MnO 2 (tetravalent), which is considered to have been generated in the charging process when the above charged state is charged to 100% or more, does not become a precipitate but can be reduced to Mn (divalent) in the discharging process. I also found new facts. The Ti / Mn redox flow battery using manganese ions as the positive electrode active material and titanium ions as the negative electrode active material can have a high electromotive force, and the metal ions are dissolved in a high concentration. It was found that the electrolyte solution can be stably and satisfactorily operated. In particular, when manganese ions are used as the positive electrode active material and the negative electrode electrolyte is also an electrolyte containing manganese ions, and the metal ion species in both electrolytes are equal, (1) the metal ions move to the counter electrode, It is possible to effectively avoid the decrease in battery capacity due to the relative decrease of metal ions that react naturally at the electrode. (2) Liquid transfer over time with charge / discharge (the electrolyte on one electrode is the other) Even if there is a variation in the amount or ion concentration of the electrolyte solution in both electrodes due to the phenomenon of movement to the electrode), the above variation can be easily corrected by mixing the electrolyte solution in both electrodes. (3) Electrolysis A unique effect such as excellent liquid productivity can be obtained. The present invention is based on these findings.

本発明は、正極電極と、負極電極と、これら両電極間に介在される隔膜とを具える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、マンガンイオン及びチタンイオンの双方を含有する。   The present invention relates to a redox flow battery in which a positive electrode electrolyte and a negative electrode electrolyte are supplied to a battery cell including a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm interposed between the two electrodes, and charging / discharging is performed. is there. The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain both manganese ions and titanium ions.

上記構成によれば、従来のレドックスフロー電池と同等以上の高い起電力が得られる上に、比較的安価な金属イオンを正極活物質及び負極活物質に利用することで、活物質を安定して供給できると期待される。かつ、上記構成によれば、正極電解液にマンガンイオンとチタンイオンとを共存させることで、マンガンイオンを活物質に利用しながらも、MnO2を実質的に析出させることが無く、Mn2+/Mn3+の反応を安定して行えることから、良好に充放電動作を行うことができる。また、MnO2が生成された場合にも析出されず、MnO2を活物質として利用でき、より大きな電池容量を実現できる。更に、上記構成によれば、両極の電解液中の金属イオン種が等しいことで、対極への金属イオンの移動に伴う電池容量の低下を抑制できることから、長期に亘り、安定した電池容量を確保することができる。そして、上記構成によれば、MnO2の析出を抑制できることから、溶媒の酸濃度を過剰に高くする必要が無いため、正極電解液におけるマンガンイオンの溶解度を高められ、実用的なマンガンイオン濃度を有することができる。その他、上記構成によれば、両極の電解液中の金属イオン種が等しいことで、液移りによる液量やイオン濃度のばらつきを容易に是正できる上に、電解液の製造性にも優れる。従って、本発明レドックスフロー電池は、新エネルギーの出力変動の平滑化、余剰電力の貯蓄、負荷平準化に好適に利用できると期待される。 According to the above configuration, a high electromotive force equal to or higher than that of a conventional redox flow battery can be obtained, and the active material can be stabilized by using relatively inexpensive metal ions for the positive electrode active material and the negative electrode active material. Expected to be able to supply. And, according to the above configuration, by the coexistence of manganese ions and titanium ions in positive electrode electrolyte, while utilizing the manganese ions in the active material, without causing substantial precipitation of MnO 2, Mn 2+ Since the / Mn 3+ reaction can be performed stably, charge / discharge operations can be performed satisfactorily. Further, when MnO 2 is generated, it is not precipitated, and MnO 2 can be used as an active material, and a larger battery capacity can be realized. Furthermore, according to the above configuration, since the metal ion species in the electrolyte solution of both electrodes are equal, it is possible to suppress a decrease in battery capacity due to the movement of metal ions to the counter electrode, so that a stable battery capacity can be secured over a long period of time. can do. And, according to the above configuration, since precipitation of MnO 2 can be suppressed, it is not necessary to excessively increase the acid concentration of the solvent, so that the solubility of manganese ions in the positive electrode electrolyte can be increased, and a practical manganese ion concentration can be increased. Can have. In addition, according to the above configuration, since the metal ion species in the electrolyte solutions of both electrodes are equal, variations in the liquid amount and ion concentration due to liquid transfer can be easily corrected, and the productivity of the electrolyte solution is also excellent. Therefore, it is expected that the redox flow battery of the present invention can be suitably used for smoothing output fluctuation of new energy, storing surplus power, and leveling load.

上記正極電解液の具体的な形態として、2価のマンガンイオン及び3価のマンガンイオンの少なくとも一種のマンガンイオンと、4価のチタンイオンとを含有する形態が挙げられる。上記いずれかのマンガンイオンを含有することで、放電時:2価のマンガンイオン(Mn2+)が存在し、充電時:3価のマンガンイオン(Mn3+)が存在し、充放電の繰り返しにより、両マンガンイオンが存在する形態となる。正極活物質に上記二つのマンガンイオン:Mn2+/Mn3+を利用することで標準酸化還元電位が高いため、高い起電力のレドックスフロー電池とすることができる。また、上記マンガンイオンに加えて、4価のチタンイオンが存在することで、上述のようにMnO2の析出を抑制することができる。4価のチタンイオンは、例えば、硫酸塩(Ti(SO4)2、TiOSO4)を電解液の溶媒に溶解することで電解液に含有させることができ、代表的にはTi4+で存在する。その他、4価のチタンイオンは、TiO2+などを含み得る。なお、正極に存在するチタンイオンは、主としてMnO2の析出の抑制に作用し、活物質として積極的に作用しない。 A specific form of the positive electrode electrolyte includes a form containing at least one kind of divalent manganese ion and trivalent manganese ion and tetravalent titanium ion. By containing any of the above manganese ions, during discharge: divalent manganese ions (Mn 2+ ) exist, during charging: trivalent manganese ions (Mn 3+ ) exist, repeated charge and discharge Thus, both manganese ions are present. Since the standard oxidation-reduction potential is high by using the above two manganese ions: Mn 2+ / Mn 3+ as the positive electrode active material, a redox flow battery with high electromotive force can be obtained. In addition to the manganese ions, the presence of tetravalent titanium ions can suppress the precipitation of MnO 2 as described above. Tetravalent titanium ions, for example, can be contained in the electrolyte by dissolving sulfate (Ti (SO 4 ) 2 , TiOSO 4 ) in the solvent of the electrolyte, typically present as Ti 4+ To do. In addition, the tetravalent titanium ions may include TiO 2+ and the like. The titanium ions present in the positive electrode mainly act to suppress the precipitation of MnO 2 and do not act positively as an active material.

本発明では、上述のようにチタンイオンの存在によりMnO2の析出の抑制を図るが、実際の運転では、充電状態によっては4価のマンガンが存在していると考えられる。従って、本発明の一形態として、正極電解液が2価のマンガンイオン及び3価のマンガンイオンの少なくとも一種のマンガンイオンと、4価のマンガンと、4価のチタンイオンとを含有する形態が挙げられる。4価のマンガンはMnO2と考えられるが、このMnO2は固体の析出物ではなく、電解液中に溶解したように見える安定な状態で存在していると考えられる。この電解液中に浮遊するMnO2は、放電時、2電子反応として、Mn2+に還元され(放電して)、即ち、MnO2が活物質として作用して、繰り返し使用できることで、電池容量の増加に寄与する。 In the present invention, as described above, precipitation of MnO 2 is suppressed by the presence of titanium ions, but in actual operation, it is considered that tetravalent manganese is present depending on the state of charge. Therefore, as one embodiment of the present invention, the positive electrode electrolyte contains at least one kind of divalent manganese ion and trivalent manganese ion, tetravalent manganese, and tetravalent titanium ion. It is done. Tetravalent manganese is considered to be MnO 2 , but this MnO 2 is not a solid precipitate but is considered to exist in a stable state that appears to be dissolved in the electrolyte. MnO 2 floating in this electrolyte is reduced to Mn 2+ (discharged) as a two-electron reaction at the time of discharge, that is, MnO 2 acts as an active material and can be used repeatedly. Contributes to an increase in

一方、負極電解液は、負極活物質としてチタンイオンを含有し、更に、正極電解液の金属イオン種と揃うようにマンガンイオンを含有する。このような本発明のチタン-マンガン系レドックスフロー電池では、1.4V程度の起電力が得られる。   On the other hand, the negative electrode electrolyte contains titanium ions as a negative electrode active material, and further contains manganese ions so as to be aligned with the metal ion species of the positive electrode electrolyte. In such a titanium-manganese redox flow battery of the present invention, an electromotive force of about 1.4 V can be obtained.

具体的には、負極電解液は、3価のチタンイオン及び4価のチタンイオンの少なくとも一種のチタンイオンと、2価のマンガンイオンとを含有する形態が挙げられる。上記いずれかのチタンイオンを含有することで、放電時:4価のチタンイオン(Ti4+、TiO2+など)が存在し、充電時:3価のチタンイオン(Ti3+)が存在し、充放電の繰り返しにより、両チタンイオンが存在する形態となる。但し、チタンイオンには、2価のものが存在し得る。従って、負極電解液として、2価のチタンイオン、3価のチタンイオン、及び4価のチタンイオンから選択される少なくとも一種のチタンイオンと、2価のマンガンイオンとを含有する形態としてもよい。負極活物質に含有するマンガンイオンは、活物質として機能させるのではなく、主として、両極の電解液の金属イオン種を等しくさせるために含有する。 Specifically, the negative electrode electrolyte includes a form containing at least one kind of trivalent titanium ion and tetravalent titanium ion and divalent manganese ion. By containing any of the above titanium ions, during discharge: there are tetravalent titanium ions (Ti 4+ , TiO 2+, etc.) and during charging: there are trivalent titanium ions (Ti 3+ ). By repeating charge and discharge, both titanium ions are present. However, divalent titanium ions can exist. Therefore, the negative electrode electrolyte may include at least one kind of titanium ion selected from divalent titanium ions, trivalent titanium ions, and tetravalent titanium ions, and divalent manganese ions. Manganese ions contained in the negative electrode active material do not function as an active material, but are mainly contained in order to equalize the metal ion species of the electrolyte solution of both electrodes.

本発明レドックスフロー電池の一形態として、上記正極電解液のチタンイオンの濃度が上記正極電解液のマンガンイオンの濃度の50％以上である形態が挙げられる。   As an embodiment of the redox flow battery of the present invention, there is an embodiment in which the concentration of titanium ions in the positive electrode electrolyte is 50% or more of the concentration of manganese ions in the positive electrode electrolyte.

本発明者らが調べたところ、後述する試験例に示すように、正極電解液において、正極活物質として利用するマンガンイオンの濃度に対するチタンイオンの濃度の比:正極Ti/正極Mnが高いほど、エネルギー密度や起電力を高められる、との知見を得た。具体的には、上記形態のように、正極Ti/正極Mnを50％以上とすることでエネルギー密度などを向上できる。この理由は、正極Ti/正極Mnが上記範囲を満たすことで、正極のチタンイオンの濃度が相対的に高められて、MnO2の析出物(固体)の生成を効果的に抑制できると共に、正極のマンガンイオンが、充電時、2価→3価の1電子反応に加えて、3価→4価の反応も併せることで2電子反応も行えるようになり、1電子反応のみの場合と比較して、約1.5倍のエネルギー密度が得られるためである、と考えられる。上記イオン濃度の比:正極Ti/正極Mnが高いほど、エネルギー密度などが高められ、正極Ti/正極Mnが80％以上の場合、エネルギー密度をより高められる上に、マンガンの起電力をより高められ、正極Ti/正極Mnが100％以上の場合、即ち、正極のチタンイオンの濃度が正極のマンガンイオンの濃度と同等以上である場合、マンガンの起電力を最大にできる。上記イオン濃度の比:正極Ti/正極Mnの上限は特に設けないが、正極のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度は、後述する特定の範囲を満たすことが好ましい。なお、長期に亘り運転を行う場合は、各イオンの濃度を監視しておき、必要に応じて濃度の調整をしてもよい。 As a result of examination by the inventors, as shown in the test examples described later, in the positive electrode electrolyte, the ratio of the concentration of titanium ions to the concentration of manganese ions used as the positive electrode active material: the higher the positive electrode Ti / positive electrode Mn, We obtained knowledge that energy density and electromotive force can be increased. Specifically, the energy density and the like can be improved by setting the positive electrode Ti / positive electrode Mn to 50% or more as in the above embodiment. This is because the positive electrode Ti / positive electrode Mn satisfies the above range, the concentration of titanium ions in the positive electrode is relatively increased, and the generation of MnO 2 precipitates (solid) can be effectively suppressed, and the positive electrode In addition to the divalent → trivalent one-electron reaction during charging, the manganese ion can also be used for a two-electron reaction by combining the trivalent → tetravalent reaction, compared to the one-electron reaction alone. This is considered to be because an energy density of about 1.5 times is obtained. The above ion concentration ratio: The higher the positive electrode Ti / positive electrode Mn, the higher the energy density, etc. When the positive electrode Ti / positive electrode Mn is 80% or more, the energy density can be further increased and the electromotive force of manganese is further increased. When the positive electrode Ti / positive electrode Mn is 100% or more, that is, when the concentration of titanium ions in the positive electrode is equal to or higher than the concentration of manganese ions in the positive electrode, the electromotive force of manganese can be maximized. The ion concentration ratio: The upper limit of the positive electrode Ti / the positive electrode Mn is not particularly provided, but the concentration of manganese ions and titanium ions in the positive electrode preferably satisfies a specific range described later. In addition, when driving | running for a long period of time, the density | concentration of each ion may be monitored and a density | concentration may be adjusted as needed.

本発明レドックスフロー電池の一形態として、上記正極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度と、上記負極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度とがそれぞれ等しい形態が挙げられる。   As one form of the redox flow battery of the present invention, there is a form in which the concentration of manganese ions and titanium ions in the positive electrode electrolyte is equal to the concentration of manganese ions and titanium ions in the negative electrode electrolyte.

本発明者らが調べたところ、正極電解液のマンガンイオンの濃度が負極電解液のマンガンイオンの濃度より高い場合、正極のマンガンイオンが経時的に負極側に拡散して(液移りによりイオンが移動して)、正極のマンガンイオンの濃度が低下する、即ち、正極活物質が低減する恐れがある、との知見を得た。また、正極電解液のチタンイオンの濃度が負極電解液のチタンイオンの濃度よりも高い場合、正極のチタンイオンも負極側に拡散して(液移りによりイオンが移動して)、正極電解液のチタンイオンの濃度が低下し、MnO2の析出物(固体)の生成を十分に抑制できなくなる恐れがある、との知見を得た。そして、上記のように正極のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度が負極のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度よりも高い場合、電池容量やエネルギー密度の低下を招く、との知見を得た。そこで、長期に亘って運転を行う場合、正極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度と負極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度とをそれぞれ等しくすること、即ち、正極電解液及び負極電解液の両極電解液を同組成とすることを提案する。この正負極の金属イオンの濃度が等しい形態は、対極への金属イオンの移動に伴う電池容量などの減少を抑制でき、長期に亘って、エネルギー密度が高いなど優れた電池特性を有する状態を維持できる。また、この形態は、両極電解液が同組成であることで電解液の製造性にも優れる上に、液移りが生じた場合でも液移りの是正が容易である。 When the present inventors investigated, when the concentration of manganese ions in the positive electrode electrolyte was higher than the concentration of manganese ions in the negative electrode electrolyte, the manganese ions in the positive electrode diffused to the negative electrode side over time (the ions were transferred by liquid transfer). It has been found that the concentration of manganese ions in the positive electrode decreases, that is, the positive electrode active material may decrease. Further, when the concentration of titanium ions in the positive electrode electrolyte is higher than the concentration of titanium ions in the negative electrode electrolyte, the titanium ions in the positive electrode also diffuse to the negative electrode side (the ions move due to liquid transfer), and the positive electrode electrolyte solution We obtained the knowledge that the concentration of titanium ions may be reduced, and the formation of MnO 2 precipitates (solid) may not be sufficiently suppressed. And as above-mentioned, when the density | concentration of the manganese ion and titanium ion of a positive electrode was higher than the density | concentration of the manganese ion and titanium ion of a negative electrode, the knowledge that the fall of battery capacity or an energy density was caused was acquired. Therefore, when the operation is performed for a long time, the concentration of manganese ion and titanium ion in the positive electrode electrolyte and the concentration of manganese ion and titanium ion in the negative electrode electrolyte are equal to each other, that is, the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte. It is proposed that the bipolar electrolyte solution of the above has the same composition. This form of positive and negative metal ions with the same concentration can suppress a decrease in battery capacity due to the movement of metal ions to the counter electrode and maintain excellent battery characteristics such as high energy density over a long period of time. it can. Further, in this embodiment, since the bipolar electrolyte solution has the same composition, the electrolyte solution is excellent in manufacturability, and correction of the liquid transfer is easy even when the liquid transfer occurs.

本発明レドックスフロー電池の運転方法として、上記正極電解液と上記負極電解液とを混合することで、上記正極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度と、上記負極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度とをそれぞれ等しくすることを提案する。   As an operation method of the redox flow battery of the present invention, the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte are mixed, whereby the concentration of manganese ions and titanium ions in the positive electrode electrolyte, and the manganese ions and titanium ions in the negative electrode electrolyte It is proposed that the concentration of each be equal.

運転開始前において両極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度がそれぞれ異なっている場合、上述のように経時的にイオンが移動して電池容量やエネルギー密度の低下を招くことがある。そこで、長期の運転を行う場合は、濃度を監視しておき、適宜な時期に両極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度をそれぞれ等しくすると、イオンの移動を効果的に防止でき、当該濃度の調整以降、エネルギー密度が高いなどの優れた電池特性を有する状態を維持できる。濃度を等しくする方法としては、別途、所望のイオンを用意して添加することが考えられるが、両極電解液を混合することが最も簡単に行えて作業性に優れる。なお、運転開始前において両極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度を等しくした形態においても濃度を監視しておき、適宜な時期に濃度の調整操作を行っても勿論よい。   When the concentrations of manganese ions and titanium ions in the bipolar electrolyte are different before the start of operation, the ions may move with time as described above, leading to a decrease in battery capacity and energy density. Therefore, when performing long-term operation, monitoring the concentration and making the concentration of manganese ion and titanium ion in the bipolar electrolyte equal to each other at an appropriate time can effectively prevent ion migration, After adjustment, a state having excellent battery characteristics such as high energy density can be maintained. As a method for equalizing the concentration, it is conceivable to separately prepare and add desired ions. However, the bipolar electrolyte can be mixed most easily and the workability is excellent. It should be noted that it is of course possible to monitor the concentration even in a form in which the concentrations of the manganese ion and the titanium ion of the bipolar electrolyte solution are made equal before the start of operation, and to adjust the concentration at an appropriate time.

本発明レドックスフロー電池の一形態として、上記マンガンイオン及びチタンイオンの各濃度がいずれも0.3M以上5M以下である形態が挙げられる(「M」：体積モル濃度)。   As one form of the redox flow battery of the present invention, a form in which each concentration of the manganese ion and titanium ion is 0.3 M or more and 5 M or less (“M”: volume molar concentration) can be mentioned.

両極の活物質となる金属イオンの濃度が0.3M未満では、大容量の蓄電池として十分なエネルギー密度(例えば、10kWh/m3程度、好ましくはそれ以上)を確保することが難しい。エネルギー密度の増大を図るためには、上記金属イオンの濃度は高い方が好ましく、0.5M以上、更に1.0M以上がより好ましい。本発明では、正極電解液中にチタンイオンを存在させることで、マンガンイオンの濃度を0.5M以上、1.0M以上といった非常に高濃度としても、Mn(3価)が安定しており、析出物を抑制できるため、良好に充放電を行うことができる。但し、電解液の溶媒を酸の水溶液とする場合、酸濃度をある程度高めると上述のようにMnO2の析出を抑制できるものの、酸濃度の上昇により金属イオンの溶解度の低下、ひいてはエネルギー密度の低下を招くことから、上記金属イオンの濃度の上限は、5Mと考えられる。正極活物質として積極的には機能しない正極電解液中のチタンイオンも、濃度が0.3M〜5Mを満たすことで、MnO2の析出を十分に抑制することができると共に、上述のように正極電解液の溶媒を酸の水溶液とする場合に酸濃度をある程度高められる。 When the concentration of the metal ions serving as the active material of both electrodes is less than 0.3M, it is difficult to ensure a sufficient energy density (for example, about 10 kWh / m 3 , preferably higher) for a large-capacity storage battery. In order to increase the energy density, the concentration of the metal ions is preferably higher, more preferably 0.5M or more, and even more preferably 1.0M or more. In the present invention, Mn (trivalent) is stable even when the concentration of manganese ions is very high, such as 0.5 M or more and 1.0 M or more, by allowing titanium ions to be present in the positive electrode electrolyte. Therefore, charging / discharging can be performed satisfactorily. However, when the electrolyte solution is an aqueous solution of acid, if the acid concentration is increased to some extent, the precipitation of MnO 2 can be suppressed as described above, but the solubility of metal ions decreases and the energy density decreases as the acid concentration increases. Therefore, the upper limit of the metal ion concentration is considered to be 5M. Titanium ions in the positive electrode electrolyte that does not function positively as the positive electrode active material can sufficiently suppress the precipitation of MnO 2 by satisfying the concentration of 0.3 to 5 M, and positive electrode electrolysis as described above. When the liquid solvent is an aqueous acid solution, the acid concentration can be increased to some extent.

本発明レドックスフロー電池の一形態として、上記両極極電解液の溶媒は、H2SO4、K2SO4、Na2SO4、H3PO4、H4P2O7、K2PO4、Na3PO4、K3PO4、HNO3、KNO3、及びNaNO3から選択される少なくとも一種の水溶液である形態が挙げられる。 As one embodiment of the redox flow battery of the present invention, the solvent of the above bipolar electrolyte solution is H 2 SO 4 , K 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , H 3 PO 4 , H 4 P 2 O 7 , K 2 PO 4. , Na 3 PO 4 , K 3 PO 4 , HNO 3 , KNO 3 , and NaNO 3 may be used.

上述のように両極の活物質となる金属イオンや析出抑制のための金属イオン、活物質として積極的に機能しない金属イオンがいずれも水溶性イオンであるため、両極の電解液の溶媒として、水溶液を好適に利用できる。特に、水溶液として、上記硫酸、リン酸、硝酸、硫酸塩、リン酸塩、及び硝酸塩の少なくとも一種を含有する場合、(1)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)Mnのような電位が高い金属イオンを用いる場合でも、副反応が生じ難い(分解が生じ難い)、(3)イオン伝導度が高く、電池の内部抵抗が小さくなる、(4)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。この形態の電解液は、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 -)の少なくとも一種が存在する。但し、電解液中の上記酸の濃度が高過ぎると、マンガンイオンなど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、上記酸の濃度は5M未満が好ましいと考えられる。 As described above, since the metal ions that are active materials for both electrodes, the metal ions for suppressing precipitation, and the metal ions that do not actively function as active materials are water-soluble ions, an aqueous solution is used as a solvent for the electrolyte solution for both electrodes. Can be suitably used. In particular, when the aqueous solution contains at least one of the above sulfuric acid, phosphoric acid, nitric acid, sulfate, phosphate, and nitrate, (1) improved stability and reactivity of the metal ion, improved solubility. (2) Even when metal ions with a high potential such as Mn are used, side reactions are unlikely to occur (degradation is difficult to occur), (3) ion conductivity is high, and the internal resistance of the battery is small. Unlike the case of using (4) hydrochloric acid (HCl), a plurality of effects such as no generation of chlorine gas can be expected. In this form of the electrolyte, at least one of a sulfate anion (SO 4 2− ), a phosphate anion (PO 4 3− ), and a nitrate anion (NO 3 − ) is present. However, if the concentration of the acid in the electrolytic solution is too high, the acid concentration may be preferably less than 5M because the solubility of manganese ions or the like may be reduced or the viscosity of the electrolytic solution may be increased.

本発明レドックスフロー電池の一形態として、上記両極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。このとき、上記両極電解液の硫酸濃度は5M未満が好ましい。 As one form of the redox flow battery of the present invention, a form in which the above-mentioned bipolar electrolyte contains a sulfate anion (SO 4 2− ) can be mentioned. At this time, the sulfuric acid concentration of the bipolar electrolyte is preferably less than 5M.

両極電解液が硫酸アニオン(SO4 2-)を含有する形態では、上述した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、両極の活物質となる金属イオンの安定性や反応性、析出抑制のための金属イオンの安定性、両極の金属イオン種を等しくすることを目的とし、活物質として積極的に機能しない金属イオンの安定性などを向上できるため好ましい。両極電解液が硫酸アニオンを含有するには、例えば、上記金属イオンを含む硫酸塩を利用することが挙げられる。更に、硫酸塩を用いることに加えて、電解液の溶媒を硫酸水溶液とすると、上述のように金属イオンの安定性や反応性の向上、副反応の抑制、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、硫酸イオンが存在することで上記溶解度の低下を招くため、硫酸濃度は、5M未満が好ましく、1M〜4Mが利用し易い。 In the case where the bipolar electrolyte contains a sulfate anion (SO 4 2- ), compared to the case where the phosphate anion and the nitrate anion described above are contained, the stability and reactivity of the metal ion that is an active material of the bipolar electrode, The purpose is to stabilize metal ions for suppressing precipitation and to make the metal ion species of both electrodes equal, and this is preferable because the stability of metal ions that do not actively function as an active material can be improved. In order for the bipolar electrolyte solution to contain a sulfate anion, for example, use of a sulfate containing the above metal ion can be mentioned. Furthermore, in addition to using sulfate, when the electrolyte solution is an aqueous sulfuric acid solution, as described above, the stability and reactivity of metal ions can be improved, side reactions can be suppressed, and internal resistance can be reduced. it can. However, if the sulfuric acid concentration is too high, the presence of sulfate ions causes a decrease in the solubility. Therefore, the sulfuric acid concentration is preferably less than 5M, and 1M to 4M is easy to use.

上記両極電解液が硫酸アニオンを含有する形態として、上記両極電解液の硫酸濃度が1M以上3M以下、上記両極電解液のマンガンイオンの濃度が0.5M以上1.5M以下、上記両極電解液のチタンイオンの濃度が0.5M以上1.5M以下である形態が挙げられる。   As a form in which the bipolar electrolyte contains a sulfate anion, the concentration of sulfuric acid in the bipolar electrolyte is 1 M or more and 3 M or less, the concentration of manganese ions in the bipolar electrolyte is 0.5 M or more and 1.5 M or less, titanium ions in the bipolar electrolyte The form of which the density | concentration of 0.5M or more and 1.5M or less is mentioned.

電解液に水溶液を用いる場合、有機溶媒を用いる場合と比較してエネルギー密度が小さい傾向にある。そのため、電解液として水溶液を用いるレドックスフロー電池システムを構築した場合、各極電解液を貯留するタンクが大きな体積を占める。より小型なシステムにするためには、電解液のエネルギー密度を高めることが好ましい。エネルギー密度を高める手法として、所望のイオンの溶解度を十分に高めることが挙げられる。例えば、上述のように溶媒に用いる硫酸水溶液において硫酸濃度をある程度低くすることが考えられる。一方、電池に求められる別の特性として、セル抵抗率が小さいことが挙げられる。セル抵抗率は、後述する試験例に示すように硫酸濃度が高いほど小さくなる傾向にある。そこで、エネルギー密度が高く、かつセル抵抗率も小さい、という要求を満たすレドックスフロー電池を検討した結果、硫酸濃度:1M〜3M、各極電解液のマンガンイオンの濃度及びチタンイオンの濃度:0.5M〜1.5Mが好ましい、と知見を得た。硫酸濃度:1.5M以上2.5M以下、各極電解液のマンガンイオンの濃度:0.8M以上1.2M以下、各極電解液のチタンイオンの濃度:0.8M以上1.2M以下がより好ましい。実用的により好ましい溶解度は1M以上と考えられることから、各極電解液の少なくとも活物質となるイオンの濃度は、1M以上がより好ましい。   When an aqueous solution is used as the electrolytic solution, the energy density tends to be smaller than when an organic solvent is used. Therefore, when a redox flow battery system using an aqueous solution as an electrolytic solution is constructed, a tank for storing each electrolytic solution occupies a large volume. In order to make the system smaller, it is preferable to increase the energy density of the electrolytic solution. As a method for increasing the energy density, it is possible to sufficiently increase the solubility of desired ions. For example, it is conceivable to reduce the sulfuric acid concentration to some extent in the sulfuric acid aqueous solution used as the solvent as described above. On the other hand, another characteristic required for a battery is a low cell resistivity. The cell resistivity tends to decrease as the sulfuric acid concentration increases as shown in the test examples described later. Therefore, as a result of studying a redox flow battery that satisfies the requirements of high energy density and low cell resistivity, sulfuric acid concentration: 1M to 3M, manganese ion concentration and titanium ion concentration in each electrode electrolyte: 0.5M It was found that ~ 1.5M is preferable. More preferably, the sulfuric acid concentration is 1.5 M or more and 2.5 M or less, the manganese ion concentration in each electrode electrolyte is 0.8 M or more and 1.2 M or less, and the titanium ion concentration in each electrode electrolyte is 0.8 M or more and 1.2 M or less. Since a practically more preferable solubility is considered to be 1M or more, the concentration of ions serving as at least an active material in each electrode electrolyte is more preferably 1M or more.

本発明レドックスフロー電池の一形態として、上記正極電極及び上記負極電極は、以下の(1)〜(10)から選択される少なくとも一種の材料から構成された形態が挙げられる。
(1) Ru,Ti,Ir,Mn,Pd,Au,及びPtから選択される少なくとも一種の金属と、Ru,Ti,Ir,Mn,Pd,Au,及びPtから選択される少なくとも一種の金属の酸化物とを含む複合材(例えば、Ti基体にIr酸化物やRu酸化物を塗布したもの)、(2) 上記複合材を含むカーボン複合物、(3) 上記複合材を含む寸法安定電極(DSE)、(4) 導電性ポリマ(例えば、ポリアセチレン、ポリチオフェンなどの電気を通す高分子材料)、(5) グラファイト、(6) ガラス質カーボン、(7) 導電性ダイヤモンド、(8) 導電性ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、(9) カーボンファイバからなる不織布、(10) カーボンファイバからなる織布 As one form of the redox flow battery of the present invention, the positive electrode and the negative electrode may be composed of at least one material selected from the following (1) to (10).
(1) at least one metal selected from Ru, Ti, Ir, Mn, Pd, Au, and Pt and at least one metal selected from Ru, Ti, Ir, Mn, Pd, Au, and Pt A composite material containing an oxide (e.g., a Ti substrate coated with Ir oxide or Ru oxide), (2) a carbon composite containing the composite material, and (3) a dimensionally stable electrode containing the composite material ( DSE), (4) Conductive polymers (for example, polymer materials that conduct electricity such as polyacetylene and polythiophene), (5) Graphite, (6) Glassy carbon, (7) Conductive diamond, (8) Conductive diamond Like carbon (DLC), (9) Non-woven fabric made of carbon fiber, (10) Woven fabric made of carbon fiber

ここで、電解液を水溶液とする場合、Mn2+/Mn3+の標準酸化還元電位が酸素発生電位(約1.0V)よりも貴な電位であることで、充電時、酸素ガスの発生を伴う可能性がある。これに対し、例えば、カーボンファイバからなる不織布(カーボンフェルト)から構成される電極を利用すると、酸素ガスが発生し難く、導電性ダイヤモンドから構成される電極の中には、酸素ガスが実質的に発生しないものがある。このように電極材料を適宜選択することで、酸素ガスの発生をも効果的に低減又は抑制できる。また、上記カーボンファイバからなる不織布から構成される電極は、(1)表面積が大きい、(2)電解液の流通性に優れる、といった効果がある。 Here, when the electrolytic solution is an aqueous solution, the standard oxidation-reduction potential of Mn 2+ / Mn 3+ is nobler than the oxygen generation potential (about 1.0 V). May be accompanied. On the other hand, for example, when an electrode composed of a non-woven fabric (carbon felt) made of carbon fiber is used, oxygen gas is hardly generated, and oxygen gas is substantially not contained in the electrode made of conductive diamond. Some do not occur. Thus, by appropriately selecting the electrode material, the generation of oxygen gas can be effectively reduced or suppressed. In addition, the electrode composed of the carbon fiber non-woven fabric has effects such as (1) a large surface area and (2) excellent electrolyte flowability.

本発明レドックスフロー電池の一形態として、上記隔膜は、多孔質膜、膨潤性隔膜、陽イオン交換膜、及び陰イオン交換膜から選択される少なくとも一種の膜である形態が挙げられる。膨潤性隔膜とは、官能基を持たず、かつ水を含む高分子(例えば、セロハン)で構成された隔膜を言う。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、といった効果があり、隔膜に好適に利用することができる。特に、イオン交換膜は、チタンイオンやマンガンイオンの透過性が小さいものであると、マンガンイオンやチタンイオンの拡散防止効果が期待できる。このようなイオン交換膜として、例えば、パーフルオロスルホン酸とポリテトラフルオロエチレン(PTFE)との共重合体から構成されたものが挙げられる。市販品を利用してもよい。 As an embodiment of the redox flow battery of the present invention, the membrane may be at least one membrane selected from a porous membrane, a swellable membrane, a cation exchange membrane, and an anion exchange membrane. The swellable diaphragm refers to a diaphragm made of a polymer having no functional group and containing water (for example, cellophane). The ion exchange membrane has the effects of (1) excellent segregation of metal ions, which are active materials of the positive and negative electrodes, and (2) excellent permeability of H + ions (charge carriers inside the battery), and is suitable for a diaphragm. Can be used. In particular, if the ion exchange membrane has a small permeability of titanium ions and manganese ions, an effect of preventing diffusion of manganese ions and titanium ions can be expected. Examples of such an ion exchange membrane include those composed of a copolymer of perfluorosulfonic acid and polytetrafluoroethylene (PTFE). Commercial products may be used.

本発明レドックスフロー電池は、高い起電力が得られる上に、析出物の生成を抑制できる。本発明レドックスフロー電池の運転方法は、長期に亘り、エネルギー密度が高く、電池特性に優れる状態を維持できる。   The redox flow battery of the present invention can obtain a high electromotive force and suppress the formation of precipitates. The operation method of the redox flow battery of the present invention can maintain a state where the energy density is high and the battery characteristics are excellent over a long period of time.

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Ti/Mn系レドックスフロー電池において、各極の電解液量や電流密度を変化させた場合の充放電のサイクル時間(sec)と電池電圧(V)との関係を示すグラフである。Fig. 2 shows the charge / discharge cycle time (sec) and battery voltage (V) when the amount of electrolyte and current density of each electrode are changed in the Ti / Mn redox flow battery fabricated in Test Example 1. It is a graph which shows a relationship. 図3は、硫酸濃度(M)と、マンガンイオン(2価)の溶解度(M)との関係を示すグラフである。FIG. 3 is a graph showing the relationship between the sulfuric acid concentration (M) and the solubility (M) of manganese ions (divalent). 図4は、試験例2で作製したTi/Mn系レドックスフロー電池において、両極電解液として同組成の電解液を用いて充放電を行ったときの経時的な電流効率の変化、及び放電容量の変化を示すグラフである。FIG. 4 shows the change in current efficiency over time and the discharge capacity of the Ti / Mn-based redox flow battery produced in Test Example 2 when charging / discharging was performed using an electrolyte of the same composition as a bipolar electrolyte. It is a graph which shows a change. 図5は、硫酸濃度(M)と、マンガンイオン及びチタンイオンの溶解度(M)との関係を示すグラフである。FIG. 5 is a graph showing the relationship between the sulfuric acid concentration (M) and the solubility (M) of manganese ions and titanium ions. 図6は、硫酸濃度(M)と、セル抵抗率(Ω・cm2)との関係を示すグラフである。FIG. 6 is a graph showing the relationship between the sulfuric acid concentration (M) and the cell resistivity (Ω · cm 2 ).

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。また、図1において、実線矢印は、充電、破線矢印は、放電を意味する。その他、図1に示す金属イオンは代表的な形態を示しており、図示される以外の形態も含み得る。例えば、図1では、4価のチタンイオンとしてTi4+を示すが、TiO2+などのその他の形態も含み得る。 Hereinafter, an outline of a battery system including the redox flow battery of the embodiment will be described with reference to FIG. Further, in FIG. 1, a solid line arrow means charging, and a broken line arrow means discharging. In addition, the metal ions shown in FIG. 1 show typical forms and may include forms other than those shown. For example, in FIG. 1, Ti 4+ is shown as a tetravalent titanium ion, but other forms such as TiO 2+ may also be included.

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などの負荷とに接続され、発電部を電力供給源として充電を行い、負荷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、配管、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 typically includes an AC / DC converter, a power generation unit (e.g., a solar power generator, a wind power generator, other general power plants, etc.) and a power system or a consumer. It is connected to a load, is charged using the power generation unit as a power supply source, and is discharged using the load as a power supply target. In performing the above charging / discharging, the following battery system including the redox flow battery 100 and a circulation mechanism (tank, piping, pump) for circulating the electrolytic solution 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が配管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が配管109,111を介して接続される。配管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、配管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 pipes 108 and 110. A negative electrode electrolyte tank 107 is connected to the negative electrode cell 103 via pipes 109 and 111. The pipes 108 and 109 include pumps 112 and 113 for circulating the electrolyte solution of each electrode. The redox flow battery 100 uses the pipes 108 to 111 and the pumps 112 and 113, respectively, to the positive electrode cell 102 (positive electrode 104) and the negative electrode cell 103 (negative electrode 105). 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、この流路は配管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 pipes 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にマンガンイオン及びチタンイオンの双方を含有する。また、本発明では、マンガンイオンを正極活物質とし、チタンイオンを負極活物質とする。以下、試験例を挙げて説明する。   In particular, in the present invention, both the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain both manganese ions and titanium ions. In the present invention, manganese ions are used as the positive electrode active material, and titanium ions are used as the negative electrode active material. Hereinafter, a test example will be described.

[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、正極電解液及び上記負極電解液に、マンガンイオン及びチタンイオンの双方を含有する電解液を用いて充放電を行い、析出状態及び電池特性を調べた。 [Test Example 1]
The redox flow battery system shown in FIG. 1 was constructed, and the cathode electrolyte and the anode electrolyte were charged and discharged using an electrolyte containing both manganese ions and titanium ions, and the deposition state and battery characteristics were examined. .

この試験では、正極電解液及び上記負極電解液の双方が同一の金属イオン種を含有するように、正極電解液及び負極電解液を同じ組成とした。具体的には、硫酸濃度が2Mの硫酸水溶液(H2SO4aq)に硫酸マンガン(2価)及び硫酸チタン(4価)を溶解して、マンガンイオン(2価)の濃度かつチタンイオン(4価)の濃度がいずれも1.2Mの電解液を用意した(正極Ti/正極Mn＝1.0(100％))。また、各極の電極には、カーボンフェルト、隔膜には、陰イオン交換膜を用いた。 In this test, the positive electrode electrolyte solution and the negative electrode electrolyte solution had the same composition so that both the positive electrode electrolyte solution and the negative electrode electrolyte solution contained the same metal ion species. Specifically, manganese sulfate (divalent) and titanium sulfate (tetravalent) are dissolved in a sulfuric acid aqueous solution (H 2 SO 4 aq) having a sulfuric acid concentration of 2 M, and the concentration of manganese ions (divalent) and titanium ions ( An electrolyte solution having a concentration of tetravalent) of 1.2 M was prepared (positive electrode Ti / positive electrode Mn = 1.0 (100%)). Moreover, carbon felt was used for the electrode of each electrode, and an anion exchange membrane was used for the diaphragm.

この試験では、電極の反応面積が9cm2である小型の単セル電池を作製し、形態(I)では、上記各極の電解液をそれぞれ6ml(6cc)ずつ用意して、形態(II),(III)ではそれぞれ、正極電解液を6ml(6cc)、負極電解液を9ml(9cc)用意して、これらの電解液を用いて充放電を行った。特に、この試験では、充電と放電とを切り替えるときの電池電圧:切替電圧を上限充電電圧とし、形態(I)〜(III)のいずれも切替電圧を1.7Vとした。充電及び放電は、形態(I)及び(III):電流密度:50mA/cm2の定電流で行い、形態(II):電流密度:70mA/cm2の定電流で行い、上記切替電圧に達したら、充電から放電に切り替えた。 In this test, a small unit cell battery having an electrode reaction area of 9 cm 2 was prepared.In the form (I), 6 ml (6 cc) of the electrolyte solution for each electrode was prepared, and the form (II), In (III), 6 ml (6 cc) of the positive electrode electrolyte and 9 ml (9 cc) of the negative electrode electrolyte were prepared, and charging / discharging was performed using these electrolytes. In particular, in this test, the battery voltage when switching between charging and discharging: the switching voltage was set to the upper limit charging voltage, and the switching voltage was set to 1.7 V in any of the forms (I) to (III). Charging and discharging, the form (I) and (III): Current density: performed at a constant current of 50 mA / cm 2, form (II): Current density: performed at a constant current of 70 mA / cm 2, reaches to the switching voltage Once switched from charging to discharging.

各形態(I),(II),(III)のレドックスフロー電池について、初期の充電時間の充電状態:SOCを測定した。充電状態は、通電した電気量(積算値：A×h(時間))が全て充電(1電子反応:Mn2+→Mn3++e-)に使用されたと想定して、以下のように算出した。この試験では、充電効率がほぼ100％であり、通電した電気量が全て充電に使用されたと想定しても誤差は小さいと考えられる。 Regarding the redox flow batteries of the respective forms (I), (II), and (III), the state of charge of the initial charge time: SOC was measured. Charged state, energizing the electric quantity (integrated value: A × h (hour)) is charged all (1-electron reaction: Mn 2+ → Mn 3+ + e -) is assumed to have been used, as follows Calculated. In this test, the charging efficiency is almost 100%, and it is considered that the error is small even if all the energized electricity is used for charging.

充電電気量(A・秒)＝充電時間(t)×充電電流(I)
活物質電気量＝モル数×ファラデー定数＝体積×濃度×96,485(A・秒/モル)
理論充電時間＝活物質電気量/充電電流(I)
充電状態＝充電電気量/理論充電電気量
＝(充電時間×電流)/(理論充電時間×電流)
＝充電時間/理論充電時間 Charged electricity (A · sec) = Charging time (t) x Charging current (I)
Active material electricity = number of moles x Faraday constant = volume x concentration x 96,485 (A · sec / mol)
Theoretical charging time = active material electricity / charging current (I)
Charging state = amount of electricity charged / theoretical amount of electricity charged
= (Charging time x Current) / (Theoretical charging time x Current)
= Charging time / Theoretical charging time

図2(I)に形態(I)、図2(II)に形態(II)、図2(III)に形態(III)の充放電サイクル時間と電池電圧との関係を示す。形態(I)の充電状態は101％(26min)であり、負極電解液量を正極電解液量よりも多くして充電状態を高めたところ、形態(II)の充電状態は110％(20.2min)である。また、各極の電解液量を形態(II)と同様とし、電流密度を70mA/cm2から50mA/cm2に下げることで充電状態を高めたところ、形態(III)の充電状態は139％(35.6min)である。そして、このように充電終了時の正極電解液の充電状態が100％を超えるまで、更には130％を超えるまで充電を行った場合でも、析出物(MnO2)が実質的に全く観察されず、2価のマンガンイオンと3価のマンガンイオンとの酸化還元反応が可逆に生じて、電池として問題なく機能することが確認できた。この結果から、正極電解液にチタンイオンを含有することで、Mn3+が安定化されていると共に、MnO2が生成されても析出物とならず安定して電解液中に存在して、充放電反応に作用していると推測される。 FIG. 2 (I) shows the relationship between the charge / discharge cycle time and the battery voltage in the form (I), FIG. 2 (II) in the form (II), and FIG. 2 (III) in the form (III). The state of charge of Form (I) is 101% (26 min), and when the amount of negative electrode electrolyte is increased to be higher than the amount of positive electrode electrolyte, the state of charge of Form (II) is 110% (20.2 min) ). In addition, the amount of electrolyte in each electrode was the same as in Form (II), and the state of charge was increased by reducing the current density from 70 mA / cm 2 to 50 mA / cm 2. The state of charge in Form (III) was 139% (35.6min). And even when charging is performed until the state of charge of the positive electrode electrolyte at the end of charging exceeds 100% and further exceeds 130% in this way, substantially no precipitate (MnO 2 ) is observed. It was confirmed that the redox reaction between the divalent manganese ion and the trivalent manganese ion occurred reversibly and functioned as a battery without any problems. From this result, by containing titanium ions in the positive electrode electrolyte, Mn 3+ is stabilized, and even if MnO 2 is generated, it does not become a precipitate and is stably present in the electrolyte, Presumably acting on the charge / discharge reaction.

また、各形態(I),(II),(III)のそれぞれについて、上記充放電を行った場合の電流効率、電圧効率、エネルギー効率を調べた。電流効率は、放電電気量(C)/充電電気量(C)、電圧効率は、放電電圧(V)/充電電圧(V)、エネルギー効率は、電流効率×電圧効率で表わされる。これらの各効率は、通電した電気量の積算値(A×h(時間))、充電時の平均電圧及び放電時の平均電圧をそれぞれ測定して、これら測定値を利用して算出する。   Further, for each of the forms (I), (II), and (III), the current efficiency, voltage efficiency, and energy efficiency when the above charge / discharge was performed were examined. The current efficiency is represented by discharge electric quantity (C) / charge electric quantity (C), the voltage efficiency is represented by discharge voltage (V) / charge voltage (V), and the energy efficiency is represented by current efficiency × voltage efficiency. Each of these efficiencies is calculated by measuring the integrated value (A × h (time)) of the energized electricity, the average voltage during charging, and the average voltage during discharging, and using these measured values.

その結果、形態(I)では、電流効率:98.8％、電圧効率:88.9％、エネルギー効率:87.9％、形態(II)では、電流効率:99.8％、電圧効率:81.6％、エネルギー効率:81.4％、形態(III)では、電流効率:99.6％、電圧効率:85.3％、エネルギー効率:85.0％であり、いずれの場合も優れた電池特性を有することが確認できた。   As a result, in form (I), current efficiency: 98.8%, voltage efficiency: 88.9%, energy efficiency: 87.9%, in form (II), current efficiency: 99.8%, voltage efficiency: 81.6%, energy efficiency: 81.4% In the form (III), the current efficiency was 99.6%, the voltage efficiency: 85.3%, and the energy efficiency: 85.0%, and it was confirmed that the battery characteristics were excellent in any case.

ここで、体積:6ml、マンガンイオン(2価)の濃度:1.2Mの電解液における1電子反応(Mn3++e-→Mn2+)の理論放電容量(ここでは電流値が一定であるため放電時間で記載する)は25.7分(50mA/cm2)である。これに対して、形態(I)〜(III)の放電容量はそれぞれ、24.2min(50mA/cm2),20.1min(70mA/cm2),33.5min(50mA/cm2)である。放電容量がこのように増加した理由は、充電時に生成されたMnO2(4価)が2電子反応によりマンガンイオン(2価)に還元されたためと考えられる。また、この理由は、正極電解液のイオン濃度の比:正極Ti/正極Mnが50％以上であったことが考えられる。このことから、2電子反応(4価→2価)に伴う現象を利用することで、エネルギー密度が高められ、より大きな電池容量が得られると考えられる。 Here, the theoretical discharge capacity of a one-electron reaction (Mn 3+ + e − → Mn 2+ ) in an electrolyte with a volume of 6 ml and a manganese ion (divalent) concentration of 1.2 M (here, the current value is constant) Therefore, it is 25.7 minutes (50 mA / cm 2 ). On the other hand, the discharge capacities of forms (I) to (III) are 24.2 min (50 mA / cm 2 ), 20.1 min (70 mA / cm 2 ), and 33.5 min (50 mA / cm 2 ), respectively. The reason why the discharge capacity is increased in this way is thought to be that MnO 2 (tetravalent) generated during charging was reduced to manganese ions (divalent) by a two-electron reaction. The reason for this is considered that the ratio of the ionic concentration of the positive electrode electrolyte: positive electrode Ti / positive electrode Mn was 50% or more. From this, it is considered that the energy density can be increased and a larger battery capacity can be obtained by utilizing the phenomenon associated with the two-electron reaction (tetravalent to divalent).

このように正極活物質としてマンガンイオンを含有する正極電解液を用いたレドックスフロー電池であっても、チタンイオンを存在させることで、MnO2といった析出物の析出を効果的に抑制し、良好に充放電を行えることが分かる。特に、この試験例に示すチタン-マンガン系レドックスフロー電池では、約1.4Vといった高い起電力を有することができる。また、このレドックスフロー電池は、正負両極の電解液に存在する金属イオン種が等しいため、(1)対極への金属イオンの移動に伴う電池容量の減少が実質的に生じない、(2)液移りが生じて両極の電解液の液量やイオン濃度にばらつきが生じたとしても、ばらつきを容易に是正できる、(3)電解液を製造し易い、という優れた効果を奏する。更に、カーボンフェルト製の電極を利用することで、酸素ガスの発生は、実質的に無視できる程度であった。 Thus, even in a redox flow battery using a positive electrode electrolyte containing manganese ions as a positive electrode active material, the presence of titanium ions effectively suppresses precipitation of precipitates such as MnO 2 It turns out that charging / discharging can be performed. In particular, the titanium-manganese redox flow battery shown in this test example can have a high electromotive force of about 1.4V. In addition, this redox flow battery has the same metal ion species present in the positive and negative electrode electrolytes, so (1) the battery capacity is not substantially reduced due to the movement of metal ions to the counter electrode. Even if there is a variation in the amount and ion concentration of the electrolyte solution in both electrodes due to the transfer, the variation can be easily corrected, and (3) it is easy to produce the electrolyte solution. Furthermore, by using carbon felt electrodes, the generation of oxygen gas was virtually negligible.

[試験例2]
硫酸(H2SO4)に対するマンガンイオン(2価)の溶解度を調べた。その結果を図3に示す。図3に示すように硫酸濃度の増加に従って、マンガンイオン(2価)の溶解度が減少し、硫酸濃度が5Mの場合、溶解度は0.3Mとなることが分かる。逆に、硫酸濃度が低い領域では、4Mという高い溶解度が得られることが分かる。この結果から、電解液中のマンガンイオン濃度を高めるためには、特に、実用上望まれる0.3M以上の濃度を得るためには、電解液の溶媒に硫酸水溶液を用いる場合、硫酸濃度を5M未満と低くすることが好ましいことが分かる。 [Test Example 2]
The solubility of manganese ions (divalent) in sulfuric acid (H 2 SO 4 ) was investigated. The results are shown in FIG. As shown in FIG. 3, as the sulfuric acid concentration increases, the solubility of manganese ions (divalent) decreases, and when the sulfuric acid concentration is 5M, the solubility becomes 0.3M. On the contrary, it can be seen that a high solubility of 4M can be obtained in a region where the sulfuric acid concentration is low. From this result, in order to increase the manganese ion concentration in the electrolytic solution, in particular, in order to obtain a practically desired concentration of 0.3 M or higher, when using a sulfuric acid aqueous solution as the solvent of the electrolytic solution, the sulfuric acid concentration is less than 5 M It can be seen that lowering is preferable.

[試験例3]
図1に示すレドックスフロー電池システムを構築し、長期に亘り充放電を行って、電池特性(放電容量、電流効率、電圧効率、エネルギー効率)を調べた。 [Test Example 3]
The redox flow battery system shown in FIG. 1 was constructed and charged and discharged over a long period of time, and the battery characteristics (discharge capacity, current efficiency, voltage efficiency, energy efficiency) were examined.

この試験では、正極電解液及び負極電解液を同じ組成とした。具体的には、硫酸濃度が2Mの硫酸水溶液に、硫酸マンガン(2価):MnSO4及び硫酸チタン(4価):TiOSO4を溶解して、マンガンイオン(2価)の濃度:1M、チタンイオン(4価)の濃度:0.8M(正極Ti/正極Mn＝0.8(80％))の電解液を用意した。 In this test, the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte had the same composition. Specifically, manganese sulfate (divalent): MnSO 4 and titanium sulfate (tetravalent): TiOSO 4 are dissolved in a sulfuric acid aqueous solution having a sulfuric acid concentration of 2 M, and the concentration of manganese ions (divalent): 1 M, titanium An electrolyte solution having an ion (tetravalent) concentration of 0.8 M (positive electrode Ti / positive electrode Mn = 0.8 (80%)) was prepared.

この試験では、各極電解液量:3L(リットル)程度、隔膜:陰イオン交換膜、各極の電極:カーボンフェルト、各電極の面積:500cm2とし、出力50W程度が得られる電池セルを具えるTi/Mn系レドックスフロー電池システムを構築した。 In this test, each electrolyte volume: about 3 L (liter), diaphragm: anion exchange membrane, each electrode: carbon felt, each electrode area: 500 cm 2 and a battery cell with an output of about 50 W Ti / Mn redox flow battery system was constructed.

上記レドックスフロー電池を電流密度:70mA/cm2の定電流で充放電を行った(切替電圧:1.5V)。運転中の電流効率及び放電容量を図4に示す。電流効率、電圧効率、エネルギー効率は、試験例1と同様にして求めた。放電容量(Ah)は、放電時間(h)×電流(A)(電流＝電流密度×電極面積)により求めた。その結果、約3週間に亘り充放電を継続しても、電流効率:ほぼ99.7％、放電容量:ほぼ32Ahを維持しており、実質的に低下しなかった。また、抵抗が大きく変化しなかったことで電圧効率がほぼ85％と一定であったことから、エネルギー効率もほぼ85％で一定であり、実質的に低下しなかった。このような結果となったのは、両極電解液として、同組成(各極電解液中の同種の金属イオンの濃度がそれぞれ等しい)の電解液を用いたことで、マンガンイオン及びチタンイオンが拡散することを抑制できたためであると考えられる。また、正極Ti/正極Mnが十分に大きいことで、正極のチタンイオンがMnO2の析出物(固体)の生成を効果的に抑制できると共に、2電子反応が行われることで放電容量を高められたと考えられる。従って、正極のマンガンイオンの濃度と負極のマンガンイオンの濃度、正極のチタンイオンの濃度と負極のチタンイオンの濃度がそれぞれ等しい電解液や、正極電解液においてマンガンイオンの濃度に対するチタンイオンの濃度の比が高い電解液を具えるTi/Mn系レドックスフロー電池は、長期に亘り、優れた電池特性を維持できる、即ち、長期に亘り安定した性能を有すると言える。 The redox flow battery was charged / discharged at a constant current of 70 mA / cm 2 (switching voltage: 1.5 V). Fig. 4 shows the current efficiency and discharge capacity during operation. The current efficiency, voltage efficiency, and energy efficiency were determined in the same manner as in Test Example 1. The discharge capacity (Ah) was determined by discharge time (h) × current (A) (current = current density × electrode area). As a result, even when charging / discharging was continued for about 3 weeks, the current efficiency was maintained at approximately 99.7% and the discharge capacity: approximately 32 Ah, which did not substantially decrease. Further, since the voltage efficiency was constant at approximately 85% because the resistance did not change greatly, the energy efficiency was also constant at approximately 85%, and did not substantially decrease. This result was achieved by using manganese electrolytes and titanium ions diffused by using electrolytes of the same composition (concentrations of the same kind of metal ions in each electrolyte). This is considered to be because it was possible to suppress this. In addition, since the positive electrode Ti / positive electrode Mn is sufficiently large, the titanium ions of the positive electrode can effectively suppress the formation of MnO 2 precipitates (solid), and the two-electron reaction can increase the discharge capacity. It is thought. Therefore, the concentration of the manganese ion in the positive electrode and the concentration of the manganese ion in the negative electrode, the concentration of the titanium ion in the positive electrode and the concentration of the titanium ion in the negative electrode, respectively, It can be said that a Ti / Mn redox flow battery having an electrolyte with a high ratio can maintain excellent battery characteristics for a long period, that is, has a stable performance for a long period.

なお、運転開始時、各極電解液に上述のような同組成の電解液を用いていない場合でも、使用時、各極タンクに貯留された各極電解液のイオンの濃度を適宜測定し、正極のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度と負極のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度とがそれぞれ等しくなるように、濃度の調整を行ってもよい。例えば、両極電解液を混合することで両極のイオンの濃度を等しくすることが挙げられる。両極電解液の混合には、例えば、各極電解液を貯留する各極タンクを連結する配管と、この配管に設けられて両極間を導通・不通を切替可能にする開閉栓とを具えるシステムを構築することが挙げられる。必要に応じて上記開閉栓を開閉することで、配管を介して両極タンクの電解液を簡単に混合できる。   In addition, at the start of operation, even when not using an electrolyte of the same composition as described above for each electrode electrolyte, when used, the concentration of ions in each electrode electrolyte stored in each electrode tank is appropriately measured, You may adjust a density | concentration so that the density | concentration of the manganese ion of a positive electrode and a titanium ion may become equal to the density | concentration of the manganese ion of a negative electrode, and a titanium ion, respectively. For example, the concentration of ions in both electrodes can be made equal by mixing the bipolar electrolyte. For the mixing of the bipolar electrolyte, for example, a system including a pipe connecting each pole tank storing each of the polar electrolytes, and an open / close plug provided on this pipe that can switch between conduction and non-connection between the two electrodes Can be mentioned. By opening and closing the opening / closing plug as necessary, the electrolyte solution in the bipolar tank can be easily mixed through the pipe.

[試験例4]
硫酸(H2SO4)に対するマンガンイオン(2価)及びチタンイオン(4価)の双方を溶解させたときの溶解度を調べた。 [Test Example 4]
Solubility when both manganese ion (divalent) and titanium ion (tetravalent) were dissolved in sulfuric acid (H 2 SO 4 ) was investigated.

ここでは、表1に示す種々の硫酸濃度(M＝mol/L)の硫酸水溶液を用意し、各硫酸水溶液に硫酸マンガン(2価):MnSO4及び硫酸チタン(4価):TiOSO4を溶解して、マンガンイオン濃度(M)及びチタンイオン濃度(M)の双方の濃度が等しい場合に溶解可能な最大の濃度を表1及び図5に示す。 Here, sulfuric acid aqueous solutions with various sulfuric acid concentrations (M = mol / L) shown in Table 1 are prepared, and manganese sulfate (divalent): MnSO 4 and titanium sulfate (tetravalent): TiOSO 4 are dissolved in each sulfuric acid aqueous solution. Table 1 and FIG. 5 show the maximum concentrations that can be dissolved when both the manganese ion concentration (M) and the titanium ion concentration (M) are equal.

Figure 2012079679
Figure 2012079679

表1及び図5に示すように、硫酸濃度を3M以下とすることで、マンガンイオン及びチタンイオンの双方に対して、1M以上の溶解度を確保できることが分かる。従って、実用的な溶解度であると考えられる0.3M以上を十分に満たす。また、硫酸濃度の増加に従って、マンガンイオン及びチタンイオンの溶解度が減少することが分かる。   As shown in Table 1 and FIG. 5, it can be seen that by setting the sulfuric acid concentration to 3M or less, solubility of 1M or more can be secured for both manganese ions and titanium ions. Therefore, it sufficiently satisfies 0.3M which is considered to be practical solubility. It can also be seen that the solubility of manganese ions and titanium ions decreases with increasing sulfuric acid concentration.

[実施例5]
図1に示すレドックスフロー電池システムを構築し、両極電解液として、硫酸濃度:1M〜3M、マンガンイオン及びチタンイオンの濃度:1M〜1.5Mの電解液を用いて充放電を行い、電流効率、エネルギー密度、セル抵抗率を調べた。 [Example 5]
The redox flow battery system shown in Fig. 1 is constructed, and charge and discharge are performed using an electrolyte solution of sulfuric acid concentration: 1M-3M, manganese ion and titanium ion concentration: 1M-1.5M as bipolar electrolyte solution, current efficiency, The energy density and cell resistivity were examined.

この試験では、両極の電解液に種々の組成の電解液を用いた以外の点は、試験例1と同様の仕様の小型の単セル電池を構成した(隔膜:陰イオン交換膜、各極の電極:カーボンフェルト電極、各電極の面積:9cm2、各極電解液量:6ml(6cc))。両極の電解液は同じ組成の電解液を用いた。そして、電流密度:70mA/cm2の定電流で充放電を行い(切替電圧:1.5V)、上記各特性を調べた。その結果を表2に示す。電流効率は、試験例1と同様にして求めた。エネルギー密度は、放電平均電圧(V)×放電時間(h)×電流値(A)÷電解液体積(m3)から算出した。セル抵抗率は、{(充電時の平均端子電圧(V)−放電時の平均端子電圧(V))/(2×電流密度(A/cm2))}により求めた。セル抵抗率(Ω・cm2)と硫酸濃度(M)との関係を図6に示す。 In this test, a small single cell battery having the same specifications as in Test Example 1 was constructed except that electrolytes of various compositions were used as the electrolytes of both electrodes (diaphragm: anion exchange membrane, each electrode). Electrode: Carbon felt electrode, area of each electrode: 9 cm 2 , amount of each electrolyte solution: 6 ml (6 cc)). The electrolyte solution of the same composition was used for the electrolyte solution of both electrodes. Then, charging / discharging was performed at a constant current of current density: 70 mA / cm 2 (switching voltage: 1.5 V), and the above characteristics were examined. The results are shown in Table 2. The current efficiency was determined in the same manner as in Test Example 1. The energy density was calculated from discharge average voltage (V) × discharge time (h) × current value (A) ÷ electrolyte volume (m 3 ). The cell resistivity was determined by {(average terminal voltage during charging (V) −average terminal voltage during discharging (V)) / (2 × current density (A / cm 2 ))}. FIG. 6 shows the relationship between the cell resistivity (Ω · cm 2 ) and the sulfuric acid concentration (M).

Figure 2012079679
Figure 2012079679

表2及び上述した試験例4に示すように、硫酸濃度が低いほど、マンガンイオン及びチタンイオンの溶解度が高いことが分かる。しかし、セル抵抗率は、表2及び図6に示すように、硫酸濃度が高いほど、小さいことが分かる。そして、硫酸濃度:1M〜3M、両極電解液のチタンイオンの濃度及びマンガンイオンの濃度:0.5〜1.5Mであれば、セル抵抗率が小さく、かつエネルギー密度が高いレドックスフロー電池とすることができる、と言える。更に、実用的に好ましいセル抵抗率(1.5Ω・cm2以下)と、エネルギー密度を高めたこと(即ち、マンガンイオン及びチタンイオンの溶解度を高めること)によるシステムの小型化とを考慮すると、硫酸濃度:1.5M〜2.5M、両極電解液のチタンイオンの濃度及びマンガンイオンの濃度:0.8〜1.2Mが好ましいと言える。このように、硫酸濃度、両極電解液のチタンイオンの濃度及びマンガンイオンの濃度を特定の範囲に制御することで、より実用的なエネルギー密度、セル抵抗率を有するレドックスフロー電池とすることができる。 As shown in Table 2 and Test Example 4 described above, it can be seen that the lower the sulfuric acid concentration, the higher the solubility of manganese ions and titanium ions. However, as shown in Table 2 and FIG. 6, it can be seen that the higher the sulfuric acid concentration, the smaller the cell resistivity. If the sulfuric acid concentration is 1 M to 3 M, the concentration of titanium ions and the concentration of manganese ions in the bipolar electrolyte solution is 0.5 to 1.5 M, a redox flow battery with low cell resistivity and high energy density can be obtained. It can be said. Furthermore, considering the cell resistivity (1.5Ω · cm 2 or less) that is practically preferable and the miniaturization of the system due to the increased energy density (that is, the solubility of manganese ions and titanium ions), sulfuric acid It can be said that the concentration: 1.5M to 2.5M, the concentration of titanium ions in the bipolar electrolyte, and the concentration of manganese ions: 0.8 to 1.2M are preferable. Thus, by controlling the sulfuric acid concentration, the titanium ion concentration and the manganese ion concentration in the bipolar electrolyte solution to a specific range, a redox flow battery having more practical energy density and cell resistivity can be obtained. .

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、各極電解液のマンガンイオンの濃度やチタンイオンの濃度、各極電解液の溶媒の種類や濃度、電極の材質、隔膜の材質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 concentration of manganese ions and the concentration of titanium ions in each electrode electrolyte, the type and concentration of the solvent in each electrode electrolyte, the material of the electrode, the material of the diaphragm, and the like can be appropriately changed.

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。本発明レドックスフロー電池の運転方法は、上記本発明レドックスフロー電池を上記種々の用途で使用する際に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. The operating method of the redox flow battery of the present invention can be suitably used when the redox flow battery of the present invention is used in the above various applications.

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 配管 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 Piping 112,113 Pump

Claims (11)

正極電極と、負極電極と、これら両電極間に介在される隔膜とを具える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、マンガンイオン及びチタンイオンの双方を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 comprising a positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm interposed between the two electrodes,
The redox flow battery characterized in that the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contain both manganese ions and titanium ions. 前記正極電解液のチタンイオンの濃度は、前記正極電解液のマンガンイオンの濃度の50％以上であ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 the concentration of titanium ions in the positive electrode electrolyte is 50% or more of the concentration of manganese ions in the positive electrode electrolyte. 前記正極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度と、前記負極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度とがそれぞれ等しい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。   3. The redox flow battery according to claim 1, wherein the concentration of manganese ions and titanium ions in the positive electrode electrolyte is equal to the concentration of manganese ions and titanium ions in the negative electrode electrolyte. 前記マンガンイオン及びチタンイオンの各濃度がいずれも0.3M以上5M以下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。   4. The redox flow battery according to claim 1, wherein each concentration of the manganese ion and the titanium ion is 0.3 M or more and 5 M or less. 5. 前記正極電解液及び前記負極電解液の両極電解液は、硫酸アニオンを含有し、
前記両極電解液の硫酸濃度が5M未満であ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。 The bipolar electrolyte of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte contains a sulfate anion,
The redox flow battery according to any one of claims 1 to 4, wherein the concentration of sulfuric acid in the bipolar electrolyte is less than 5M. 前記両極電解液の硫酸濃度が1M以上3M以下、
前記両極電解液のマンガンイオンの濃度が0.5M以上1.5M以下、
前記両極電解液のチタンイオンの濃度が0.5M以上1.5M以下であることを特徴とする請求項5に記載のレドックスフロー電池。 The sulfuric acid concentration of the bipolar electrolyte is 1M or more and 3M or less,
The concentration of manganese ions in the bipolar electrolyte is 0.5M or more and 1.5M or less,
6. The redox flow battery according to claim 5, wherein the concentration of titanium ions in the bipolar electrolyte is 0.5 M or more and 1.5 M or less. 前記正極電解液は、2価のマンガンイオン及び3価のマンガンイオンの少なくとも一種のマンガンイオンと、4価のチタンイオンとを含有し、
前記負極電解液は、3価のチタンイオン及び4価のチタンイオンの少なくとも一種のチタンイオンと、2価のマンガンイオンとを含有す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 positive electrode electrolyte contains at least one type of manganese ions of divalent manganese ions and trivalent manganese ions, and tetravalent titanium ions,
7. The negative electrode electrolyte solution according to any one of claims 1 to 6, wherein the negative electrode electrolyte contains at least one kind of trivalent titanium ions and tetravalent titanium ions, and divalent manganese ions. The redox flow battery described. 前記正極電解液は、2価のマンガンイオン及び3価のマンガンイオンの少なくとも一種のマンガンイオンと、4価のマンガンと、4価のチタンイオンとを含有し、
前記負極電解液は、2価のチタンイオン、3価のチタンイオン、及び4価のチタンイオンの少なくとも一種のチタンイオンと、2価のマンガンイオンとを含有す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 positive electrode electrolyte contains at least one kind of divalent manganese ion and trivalent manganese ion, tetravalent manganese, and tetravalent titanium ion,
The negative electrode electrolyte solution contains at least one kind of divalent titanium ion, trivalent titanium ion, and tetravalent titanium ion, and divalent manganese ion. 6. The redox flow battery according to any one of 6 above. 前記正極電極及び前記負極電極は、
Ru,Ti,Ir,Mn,Pd,Au,及びPtから選択される少なくとも一種の金属と、Ru,Ti,Ir,Mn,Pd,Au,及びPtから選択される少なくとも一種の金属の酸化物とを含む複合材、
前記複合材を含むカーボン複合物、
前記複合材を含む寸法安定電極(DSE)、
導電性ポリマ、
グラファイト、
ガラス質カーボン、
導電性ダイヤモンド、
導電性ダイヤモンドライクカーボン(DLC)、
カーボンファイバからなる不織布、
及びカーボンファイバからなる織布から選択される少なくとも一種の材料から構成されており、
前記隔膜は、多孔質膜、膨潤性隔膜、陽イオン交換膜、及び陰イオン交換膜から選択される少なくとも一種の膜であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。 The positive electrode and the negative electrode are
At least one metal selected from Ru, Ti, Ir, Mn, Pd, Au, and Pt, and an oxide of at least one metal selected from Ru, Ti, Ir, Mn, Pd, Au, and Pt Including composites,
A carbon composite comprising the composite,
Dimensionally stable electrode (DSE) comprising the composite material,
Conductive polymer,
Graphite,
Vitreous carbon,
Conductive diamond,
Conductive diamond-like carbon (DLC),
Non-woven fabric made of carbon fiber,
And at least one material selected from woven fabric made of carbon fiber,
9. The diaphragm according to claim 1, wherein the diaphragm is at least one film selected from a porous film, a swellable diaphragm, a cation exchange membrane, and an anion exchange membrane. Redox flow battery. 前記正極電解液及び前記負極電解液の両極電解液の溶媒は、H2SO4、K2SO4、Na2SO4、H3PO4、K2PO4、Na3PO4、K3PO4、H4P2O7、HNO3、KNO3、及びNaNO3から選択される少なくとも一種の水溶液であることを特徴とする請求項1〜9のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池。 Solvents of the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte are H 2 SO 4 , K 2 SO 4 , Na 2 SO 4 , H 3 PO 4 , K 2 PO 4 , Na 3 PO 4 , K 3 PO. 10. The redox flow battery according to claim 1, wherein the redox flow battery is at least one aqueous solution selected from 4 , H 4 P 2 O 7 , HNO 3 , KNO 3 , and NaNO 3 . 請求項1〜10のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池の運転方法であって、
前記正極電解液と前記負極電解液とを混合することで、前記正極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度と、前記負極電解液のマンガンイオン及びチタンイオンの濃度とをそれぞれ等しくすることを特徴とするレドックスフロー電池の運転方法。 A method for operating a redox flow battery according to any one of claims 1 to 10,
By mixing the positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte, the concentration of manganese ions and titanium ions in the positive electrode electrolyte is made equal to the concentration of manganese ions and titanium ions in the negative electrode electrolyte, respectively. The operation method of the redox flow battery.
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