JP2013168365A - Electrolyte membrane for redox flow secondary battery, and redox flow secondary battery including the same - Google Patents

Electrolyte membrane for redox flow secondary battery, and redox flow secondary battery including the same Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrolyte membrane for a redox flow secondary battery offering excellent selective ion permeability to inhibit the penetration of ions of an active material without impairing proton (H) permeability, and having low electric resistance, excellent current efficiency, and oxidation degradation resistance (hydroxy radical resistance), and a redox flow secondary battery including the same.SOLUTION: The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery contains a fluorine-based polyelectrolyte polymer with a specific structure. The electrolyte membrane has a multilayer structure including three or more layers, and the equilibrium moisture content of the outer layers adjacent to a positive electrode or a negative electrode is higher than the equilibrium moisture content of the intermediate layer that is not adjacent to the positive electrode or the negative electrode.

Description

本発明は、レドックスフロー二次電池用電解質膜及びそれを用いたレドックスフロー二次電池に関する。   The present invention relates to an electrolyte membrane for a redox flow secondary battery and a redox flow secondary battery using the same.

レドックスフロー二次電池とは、電気を備蓄及び放電するものであり、電気使用量の平準化のために使用される大型の据え置き型電池に属する。レドックスフロー二次電池は、正極と正極活物質を含む電解液(正極セル)と、負極と負極活物質を含む負極電解液(負極セル)とを、隔膜で隔離して、両活物質の酸化還元反応を利用して充放電し、該両活物質を含む電解液を、備蓄タンクから電解槽に流通させて電流を取り出し利用される。   The redox flow secondary battery stores and discharges electricity, and belongs to a large stationary battery used for leveling the amount of electricity used. A redox flow secondary battery is composed of an electrolyte containing a positive electrode and a positive electrode active material (positive electrode cell), and a negative electrode electrolyte containing a negative electrode and a negative electrode active material (negative electrode cell) separated by a diaphragm, and oxidizing both active materials. Charging and discharging is performed using a reduction reaction, and an electrolytic solution containing both the active materials is circulated from a storage tank to an electrolytic cell to be used.

電解液に含まれる活物質としては、例えば、鉄−クロム系、クロム−臭素系、亜鉛−臭素系や、電荷の違いを利用するバナジウム系などが用いられている。   As the active material contained in the electrolytic solution, for example, iron-chromium-based, chromium-bromine-based, zinc-bromine-based, vanadium-based utilizing a difference in charge, or the like is used.

特に、バナジウム系電池は起電力が高く、バナジウムイオンの電極反応が早い、副反応である水素発生量が少ない、出力が高い等の利点を有するため、開発が本格的にすすめられている。   In particular, since vanadium batteries have advantages such as high electromotive force, fast electrode reaction of vanadium ions, a small amount of hydrogen generation as a side reaction, and high output, they are being developed in earnest.

また、隔膜については、両極の活物質を含む電解液が混ざらないように工夫されている。しかしながら、従来の隔膜は、酸化されやすい、電気抵抗を充分低くしなければいけない等の問題点がある。電流効率を上げるためには、それぞれのセル電解液に含まれるそれぞれの活物質イオンの透過(両極電解液中の電解質のコンタミ)をお互いにできるだけ防ぎ、かつ電荷を運ぶプロトン(H+)は充分透過しやすい、イオン選択透過性に優れたイオン交換膜が要求される。 In addition, the diaphragm is devised so as not to mix the electrolyte containing the active material of both electrodes. However, the conventional diaphragm has problems such as being easily oxidized and having a sufficiently low electric resistance. In order to increase the current efficiency, the permeation of each active material ion contained in each cell electrolyte (contamination of the electrolyte in the bipolar electrolyte) is prevented as much as possible, and protons (H + ) that carry charges are sufficient. An ion exchange membrane that is easy to permeate and excellent in ion selective permeability is required.

このバナジウム系の二次電池では、負極セルにおけるバナジウムの2価(V2+)/3価(V3+)と、正極セルにおけるバナジウムの4価(V4+)/5価(V5+)の酸化還元反応を利用している。従って、正極セルと負極セルの電解液が同種の金属イオン種であるため、隔膜を透して電解液が混合されても、充電により正常に再生されるので、他種の金属種に比べて大きな問題にはなり難い。とはいえ、無駄になる活物質が増え、電流効率が低下するので、できるだけ活物質イオンは自由に透過しないほうがよい。 In this vanadium secondary battery, vanadium divalent (V 2+ ) / 3 valent (V 3+ ) in the negative electrode cell and vanadium tetravalent (V 4+ ) / 5 valent (V 5+ ) in the positive electrode cell. ) Redox reaction. Therefore, since the electrolyte solution of the positive electrode cell and the negative electrode cell is the same kind of metal ion species, even if the electrolyte solution is mixed through the diaphragm, it is regenerated normally by charging, so compared to other types of metal species Hard to be a big problem. However, since active materials that are wasted increase and current efficiency decreases, active material ions should not permeate freely as much as possible.

従来、様々なタイプの隔膜(本明細書においては単に「膜」とも略される場合がある。)を利用した電池があり、例えば、電解液のイオン差圧及び浸透圧をドライビングフォースとして自由に通過させる多孔膜を用いた電池が報告されている。例えば、特許文献1には、そのような多孔膜としてポリテトラフルオロエチレン(PTFE)多孔膜、ポリオレフィン(PO)系多孔膜、PO系不織布などが開示されている。   Conventionally, there are batteries that use various types of diaphragms (sometimes simply abbreviated as “membranes” in this specification). For example, the ionic differential pressure and osmotic pressure of an electrolyte can be freely used as a driving force. A battery using a porous film to pass through has been reported. For example, Patent Document 1 discloses a polytetrafluoroethylene (PTFE) porous film, a polyolefin (PO) porous film, a PO non-woven fabric, and the like as such a porous film.

特許文献2には、セル間の圧力差で両電解液が移動しないように、多孔膜と含水性ポリマーを組み合わせた複合膜が開示されている。   Patent Document 2 discloses a composite membrane in which a porous membrane and a hydrous polymer are combined so that both electrolytes do not move due to a pressure difference between cells.

特許文献3には、親水性の水酸基を有する無孔の親水性ポリマー膜として、セルロース又はエチレンービニルアルコール共重合体の膜を利用することが開示されている。   Patent Document 3 discloses that a cellulose or ethylene-vinyl alcohol copolymer film is used as a nonporous hydrophilic polymer film having a hydrophilic hydroxyl group.

特許文献4には、炭化水素系イオン交換樹脂としてポリスルホン系膜(陰イオン交換膜)の利用により、その電流効率が80%〜88.5%となり、耐ラジカル酸化性にも優れることが記載されている。   Patent Document 4 describes that by using a polysulfone membrane (anion exchange membrane) as a hydrocarbon ion exchange resin, the current efficiency is 80% to 88.5%, and the radical oxidation resistance is also excellent. ing.

特許文献5には、フッ素系又はポリスルホン系イオン交換膜を隔膜として使用し、電流効率を上げるために正極の多孔性炭素に高価な白金を担持させて反応効率を上げる方法が開示されている。   Patent Document 5 discloses a method in which a fluorine-based or polysulfone-based ion exchange membrane is used as a diaphragm, and in order to increase current efficiency, expensive platinum is supported on positive electrode porous carbon to increase reaction efficiency.

特許文献6には、ポリプロピレン(PP)などの多孔膜の孔に親水性樹脂を塗布した、鉄―クロム系レドックスフロー電池が開示されている。当該文献の実施例には100μmの厚さのPP製多孔膜の両表面に、数μmの厚さでフッ素系イオン交換樹脂(デュポン社製、商標ナフィオン)を被覆した膜の例がある。ここで、ナフィオンは、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位と、を含む共重合体において、X=CF3、n=1、m=2のときの共重合体である。 Patent Document 6 discloses an iron-chromium redox flow battery in which a hydrophilic resin is applied to pores of a porous film such as polypropylene (PP). In the example of this document, there is an example of a membrane in which both surfaces of a 100 μm-thick PP porous membrane are coated with a fluorine-based ion exchange resin (manufactured by DuPont, trademark Nafion) with a thickness of several μm. Here, Nafion, - a repeating unit represented by, - - (CF 2 -CF 2 ) (CF 2 -CF (-O- (CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -SO 3 H) )-, A copolymer containing X = CF 3 , n = 1, m = 2.

特許文献7には、特定の面格子を有する2層の液透過性多孔質炭素電極を用いて、電極側からの工夫で、セル電気抵抗をできるだけ下げ、効率を上げたバナジウム型電池の例が開示されている。   Patent Document 7 discloses an example of a vanadium type battery that uses a two-layer liquid-permeable porous carbon electrode having a specific surface lattice and reduces the cell electrical resistance as much as possible by increasing the efficiency by devising from the electrode side. It is disclosed.

特許文献8には、抵抗が低く、プロトン透過性に優れる、ピリジニュウム基(陽イオンのN+を利用)を有する陰イオン交換型の、スチレン系及びジビニルベンゼンと共重合した、架橋型重合体を隔膜として用いたバナジウム系レドックスフロー電池の例が開示されている。 Patent Document 8 discloses a cross-linked polymer having a low resistance and excellent proton permeability, copolymerized with an anion exchange type styrenic group and divinylbenzene having a pyridinium group (using cation N + ). An example of a vanadium redox flow battery used as a diaphragm is disclosed.

特許文献9には、カチオン交換膜(フッ素系高分子又は他の炭化水素系高分子)とアニオン交換膜(ポリスルホン系高分子)膜とを交互に積層した構造を有する膜を利用し、正極電解液側にカチオン交換膜側を接する方法により、イオン選択透過性を改良した例が開示されている。   Patent Document 9 uses a membrane having a structure in which a cation exchange membrane (fluorine polymer or other hydrocarbon polymer) and an anion exchange membrane (polysulfone polymer) are alternately stacked, and uses positive electrode electrolysis. An example in which ion selective permeability is improved by a method in which the cation exchange membrane side is in contact with the liquid side is disclosed.

特許文献10には、耐薬品性に優れ、低抵抗でイオン選択透過性に優れた膜として、多孔質PTFE系樹脂からなる多孔質基材に、2個以上の親水基を有するビニル複素環化合物(アミノ基を有するビニルピロリドン等)の繰り返し単位を有する架橋重合体を複合してなるアニオン交換膜の使用例が開示されている。その原理については、イオン径及び電荷量の多い金属カチオンが電位差をかけられた時は、隔膜表面のカチオンにより電気的反発を受けて金属カチオンの膜透過が阻害されるが、イオン径も小さく、1価であるプロトン(H+)は陽イオンを有する隔膜を容易に拡散透過できるので電気抵抗が小さくなると記載されている。 Patent Document 10 discloses that a vinyl heterocyclic compound having two or more hydrophilic groups on a porous substrate made of a porous PTFE resin as a membrane having excellent chemical resistance, low resistance and excellent ion selective permeability. An example of use of an anion exchange membrane formed by combining a crosslinked polymer having a repeating unit (such as vinylpyrrolidone having an amino group) is disclosed. As for the principle, when a metal cation having a large ionic diameter and charge amount is subjected to a potential difference, the cation on the surface of the diaphragm is electrically repelled and the metal cation is inhibited from passing through the membrane, but the ionic diameter is also small. It is described that the monovalent proton (H + ) can easily diffuse and permeate the diaphragm having a cation, and therefore has a low electric resistance.

特開2005−158383号公報JP 2005-158383 A 特公平6−105615号公報Japanese Patent Publication No. 6-105615 特開昭62−226580号公報JP-A-62-226580 特開平6−188005号公報JP-A-6-188005 特開平5−242905号公報JP-A-5-242905 特開平6−260183号公報JP-A-6-260183 特開平9−92321号公報JP-A-9-92321 特開平10−208767号公報JP-A-10-208767 特開平11−260390号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-260390 特開2000−235849号公報JP 2000-235849 A

しかしながら、特許文献1に開示された多孔膜は、電気抵抗やイオン選択透過性が十分ではなく、それを用いて得られる電池の電流効率や耐久性等が不十分となる。
特許文献2に開示された複合膜は、電気抵抗が高く、また、各イオンは多孔膜ほどではないが、自由に拡散してしまうという問題がある。特許文献3に開示された膜についても、上記と同様の問題があり、耐酸化耐久性にも劣る。
特許文献4に開示された電池は、電流効率が未だ不十分であり、長期にわたる硫酸電解液中での耐酸化劣化性にも劣る。また、同文献の比較例に、テフロン(登録商標)系イオン交換膜としての電流効率が64.8〜78.6%であることが記載されており、性能的にも問題を有する。
特許文献5についても、上記と同様の問題点を解決できておらず、また、大型設備では、価格的にも高価となってしまうという問題がある。
特許文献6に開示された膜は、塗布膜の厚みを極薄(数μm)にしないと、内部抵抗が増加すると記載されている。また、イオン選択透過性を向上させる工夫については一切記載されていない。
特許文献7に開示された電池は、ポリスルホン系隔膜を使用するため、隔膜のイオン選択透過性や耐酸化劣化性が十分ではなく、電池の電気抵抗、電流効率、耐久性が十分ではない。
特許文献8に開示された電池は、電流効率が不十分であり、また、酸化劣化するため長期使用に関しても問題点を有している。
特許文献9に開示された膜は、電気抵抗が高くなるという問題点を有している。
特許文献10の実施例に示された結果では、膜の内部抵抗(電気抵抗)が十分低いとは言えず、また、長期使用では耐酸化劣化が問題となる。
However, the porous membrane disclosed in Patent Document 1 does not have sufficient electrical resistance and selective ion permeability, and current efficiency and durability of a battery obtained using the porous membrane are insufficient.
The composite membrane disclosed in Patent Document 2 has a high electrical resistance, and there is a problem that each ion is diffused freely although not as much as a porous membrane. The film disclosed in Patent Document 3 also has the same problem as described above and is inferior in oxidation resistance.
The battery disclosed in Patent Document 4 still has insufficient current efficiency, and is inferior in oxidation resistance deterioration resistance in a sulfuric acid electrolyte over a long period of time. Moreover, it is described in the comparative example of the document that the current efficiency as a Teflon (registered trademark) -based ion exchange membrane is 64.8 to 78.6%, which has a problem in performance.
Also in Patent Document 5, the same problem as described above cannot be solved, and there is a problem that a large facility is expensive in terms of price.
The film disclosed in Patent Document 6 describes that the internal resistance increases unless the thickness of the coating film is extremely thin (several μm). Further, there is no description of any device for improving ion selective permeability.
Since the battery disclosed in Patent Document 7 uses a polysulfone-based diaphragm, the ion selective permeability and oxidation degradation resistance of the diaphragm are not sufficient, and the electric resistance, current efficiency, and durability of the battery are not sufficient.
The battery disclosed in Patent Document 8 has insufficient current efficiency and also has problems with long-term use because of oxidative degradation.
The film disclosed in Patent Document 9 has a problem that electric resistance is increased.
According to the results shown in the examples of Patent Document 10, it cannot be said that the internal resistance (electrical resistance) of the film is sufficiently low, and oxidation resistance deterioration becomes a problem in long-term use.

従来のバナジウム系レドックスフロー電池用の電解質(隔)膜は、両電極の電解液の活物質であるバナジウムイオンの低電価グループのイオンを大多数とするセルと、高電価のイオングループを大多数とする各セル(負極側、正極側)それぞれにおいて、対極(セル)への、拡散移動透過を抑えて、尚且つ、目的の充放電の操作に伴い、プロトン(H+)を選択的に透過させることを目的として使用されている。しかしながら、現在、その性能は十分であると言えない。
炭化水素系樹脂を主とした膜基材としては、両セルの主役の電解質を含む電解液を単に隔離しただけの単なるイオン選択性のない多孔膜や、イオン選択性のない(無孔の)親水性膜基材、多孔膜に親水性膜基材を埋め込むか又は被覆したもの等が用いられている。また、膜自身が各種アニオン基を有する所謂カチオン交換膜、又は多孔質膜基材の孔に、カチオン交換性樹脂を被覆又は埋め込んだ複合膜、同様に膜自身がカチオン基を有するアニオン交換膜、同様に多孔膜基材に、アニオン交換性樹脂を被覆又は埋め込んだ複合膜、両者の積層型等が隔膜として用いられており、それぞれの特徴を生かした研究が行われている。
隔膜としては、電気抵抗(プロトン透過性に主に依存)と、主役の活物質である、金属イオン(多価カチオン)透過性阻止という、相反する2つの性能を十分に満足するイオン交換樹脂隔膜は、これまで開発されていない。フッ素系イオン交換樹脂に関しても、プロトン(H+)透過性に優れ、且つ、活物質イオンの透過を抑制するという相矛盾する性質に対する工夫が十分に検討されておらず、低電気抵抗、長期にわたる耐酸化劣化性(耐ヒドロキシラジカル性)などを充分に満足するレドックスフロー電池用電解質膜は開発されていない。
Conventional vanadium-based redox flow battery electrolyte (separation) membranes consist of a cell in which the majority of vanadium ion ions, which are the active material of the electrolyte solution of both electrodes, and a high-valence ion group. In each of the majority of cells (negative electrode side, positive electrode side), diffusion / transmission to the counter electrode (cell) is suppressed, and proton (H + ) is selectively selected in accordance with the intended charge / discharge operation. It is used for the purpose of making it permeate. However, at present, the performance is not sufficient.
As membrane base materials mainly composed of hydrocarbon-based resins, porous membranes that are not simply ion-selective by simply isolating the electrolyte containing the electrolyte that plays the main role in both cells, and those that are not ion-selective (non-porous) A hydrophilic membrane substrate, a porous membrane in which a hydrophilic membrane substrate is embedded or coated, and the like are used. Further, a so-called cation exchange membrane having various anion groups, or a composite membrane in which a cation exchange resin is coated or embedded in pores of a porous membrane substrate, similarly, an anion exchange membrane in which the membrane itself has a cation group, Similarly, a composite membrane in which an anion exchange resin is coated or embedded on a porous membrane base material, a laminated type of the two, and the like are used as a diaphragm, and researches that make use of the respective characteristics are being conducted.
As the diaphragm, an ion-exchange resin diaphragm that sufficiently satisfies the two contradictory properties of electrical resistance (mainly dependent on proton permeability) and metal ion (polyvalent cation) permeability blocking, which is the main active material. Has not been developed so far. Fluorine ion exchange resins are also excellent in proton (H + ) permeability and have not been fully studied for contradictory properties of suppressing the permeation of active material ions. An electrolyte membrane for a redox flow battery that sufficiently satisfies oxidation resistance (hydroxy radical resistance) has not been developed.

上記事情に鑑み、本発明は、プロトン(H+)透過性を悪化させることなく活物質のイオン透過性を抑制することのできる優れたイオン選択透過性を有し、且つ電気抵抗も低く、電流効率にも優れた、さらに耐酸化劣化性(ヒドロキシラジカル耐性)をも有するレドックスフロー二次電池用電解質膜及びそれを用いたレドックスフロー二次電池を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention has excellent ion selective permeability that can suppress the ion permeability of the active material without deteriorating proton (H + ) permeability, has low electrical resistance, An object of the present invention is to provide an electrolyte membrane for a redox flow secondary battery that is excellent in efficiency and also has oxidation resistance (hydroxy radical resistance) and a redox flow secondary battery using the same.

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、特定の構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを含み、さらに、電解質膜が3層以上の積層構造を有し、正極及び負極に隣接する外層の平衡含水率を、正極にも負極にも隣接しない中間層の平衡含水率よりも高くすることにより、優れたイオン選択透過性を有し、且つ電気抵抗も低く、電流効率にも優れ、さらに耐酸化劣化性(ヒドロキシラジカル耐性)をも有する、レドックスフロー二次電池用電解質膜及びそれを用いたレドックスフロー二次電池を達成できることを見出し、本発明を完成させた。   As a result of intensive studies to solve the above-mentioned problems, the inventors of the present invention include a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a specific structure, and the electrolyte membrane has a laminated structure of three or more layers. By making the equilibrium moisture content of the outer layer adjacent to the higher than the equilibrium moisture content of the intermediate layer that is not adjacent to either the positive electrode or the negative electrode, it has excellent ion selective permeability, low electrical resistance, and high current efficiency. In addition, the present inventors have found that an electrolyte membrane for a redox flow secondary battery and a redox flow secondary battery using the same can be achieved that have excellent oxidation resistance and resistance to oxidation degradation (hydroxy radical resistance).

即ち、本発明は以下のとおりである。
[1]
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、
前記電解質膜が3層以上の積層構造を有し、正極及び負極に隣接する外層の平衡含水率が、正極にも負極にも隣接しない中間層の平衡含水率よりも高い、レドックスフロー二次電池。
−[CF2CX12a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
[2]
前記レドックスフロー二次電池は、バナジウムを含む硫酸電解液を、正極及び負極電解液として用いたバナジウム系レドックスフロー二次電池である、上記[1]記載のレドックスフロー二次電池。
[3]
前記フッ素系高分子電解質ポリマーは、下記式(2)で表される構造を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA)である、上記[1]又は[2]記載のレドックスフロー二次電池。
−[CF2CF2a−[CF2−CF((−O−(CF2m−X4)]g− (2)
(式(2)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示し、mは1〜6の整数を示し、X4はSO3Hを示す。)
[4]
前記外層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜900g/eq、前記中間層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量が600〜1300g/eqであり、前記外層の平衡含水率が15〜150質量%、前記中間層の平衡含水率が0.1〜100質量%である、上記[1]〜[3]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池。
[5]
下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、且つ、
3層以上の積層構造を有し、正極及び負極に隣接する外層の平衡含水率が、正極にも負極にも隣接しない中間層の平衡含水率よりも高いレドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2CX12a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
[6]
前記フッ素系高分子電解質ポリマーは、下記式(2)で表される構造を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA)である、上記[5]記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2CF2a−[CF2−CF((−O−(CF2m−X4)]g− (2)
(式(2)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示し、mは1〜6の整数を示し、X4はSO3Hを示す。)
[7]
前記外層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜900g/eq、前記中間層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量が600〜1300g/eqであり、前記外層の電解質膜の平衡含水率が15〜150質量%、前記中間層の平衡含水率が0.1〜100質量%である、上記[5]又は[6]記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。
[8]
前記電解質膜は、130〜200℃にて1〜60分間加熱処理されたものである、上記[5]〜[7]のいずれか記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A positive electrode cell chamber including a positive electrode made of a carbon electrode;
A negative electrode cell chamber including a negative electrode made of a carbon electrode;
An electrolyte membrane as a diaphragm for separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative electrode cell chamber;
Having an electrolytic cell containing
The positive electrode cell chamber contains a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber contains a negative electrode electrolyte containing an active material,
A redox flow secondary battery that charges and discharges based on a valence change of an active material in the electrolyte solution,
The electrolyte membrane includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a structure represented by the following formula (1):
The redox flow secondary battery in which the electrolyte membrane has a laminated structure of three or more layers, and the equilibrium water content of the outer layer adjacent to the positive electrode and the negative electrode is higher than the equilibrium water content of the intermediate layer not adjacent to the positive electrode or the negative electrode .
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF ((- O-CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2 ) f −X 4 )] g − (1)
(In the formula (1), X 1, X 2 and X 3 are each independently, .X 4 indicating one or more members selected from the group consisting of perfluoroalkyl group having halogen atoms and 1 to 3 carbon atoms Represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Any one or more selected, where X 4 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different, R 1 and R 2 are each independently a halogen atom, Selected from the group consisting of C1-C10 perfluoroalkyl groups and fluorochloroalkyl groups A and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1, b is an integer of 0 to 8, and c is 0 or 1. D, e and f each independently represent an integer of 0 to 6 (provided that d, e and f are not 0 at the same time).
[2]
The redox flow secondary battery according to the above [1], wherein the redox flow secondary battery is a vanadium redox flow secondary battery using a sulfuric acid electrolyte containing vanadium as a positive electrode and a negative electrode electrolyte.
[3]
The redox flow secondary battery according to [1] or [2], wherein the fluorine-based polymer electrolyte polymer is a perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA) having a structure represented by the following formula (2).
- [CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF ((- O- (CF 2) m -X 4)] g - (2)
(In the formula (2), a and g represents a number satisfying 0 ≦ a <1,0 <g ≦ 1, a + g = 1, m represents an integer of 1 to 6, the X 4 is SO 3 H Show.)
[4]
Equivalent mass EW (dry mass in grams per equivalent of ion-exchange groups) of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the outer layer is 300 to 900 g / eq, equivalent mass of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the intermediate layer Any of the above [1] to [3], wherein the equilibrium water content of the outer layer is 15 to 150% by mass and the equilibrium water content of the intermediate layer is 0.1 to 100% by mass. Or a redox flow secondary battery.
[5]
An ion exchange resin composition mainly comprising a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a structure represented by the following formula (1);
An electrolyte membrane for a redox flow secondary battery having a laminated structure of three or more layers, wherein an equilibrium water content of an outer layer adjacent to the positive electrode and the negative electrode is higher than an equilibrium water content of an intermediate layer not adjacent to the positive electrode or the negative electrode.
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF ((- O-CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2 ) f −X 4 )] g − (1)
(In the formula (1), X 1, X 2 and X 3 are each independently, .X 4 indicating one or more members selected from the group consisting of perfluoroalkyl group having halogen atoms and 1 to 3 carbon atoms Represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Any one or more selected, where X 4 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different, R 1 and R 2 are each independently a halogen atom, From the group consisting of a C 1-10 perfluoroalkyl group and a fluorochloroalkyl group A and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1, b is an integer of 0 to 8, and c is 0 or 1 D, e and f each independently represent an integer of 0 to 6 (provided that d, e and f are not 0 at the same time).
[6]
The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery according to the above [5], wherein the fluoropolymer electrolyte polymer is a perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA) having a structure represented by the following formula (2).
- [CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF ((- O- (CF 2) m -X 4)] g - (2)
(In the formula (2), a and g represents a number satisfying 0 ≦ a <1,0 <g ≦ 1, a + g = 1, m represents an integer of 1 to 6, the X 4 is SO 3 H Show.)
[7]
Equivalent mass EW (dry mass in grams per equivalent of ion-exchange groups) of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the outer layer is 300 to 900 g / eq, equivalent mass of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the intermediate layer The above-mentioned [5] or [6], wherein is 600 to 1300 g / eq, the equilibrium water content of the outer electrolyte membrane is 15 to 150% by mass, and the equilibrium water content of the intermediate layer is 0.1 to 100% by mass. ] The electrolyte membrane for redox flow secondary batteries of description.
[8]
The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery according to any one of [5] to [7], wherein the electrolyte membrane is heat-treated at 130 to 200 ° C. for 1 to 60 minutes.

本発明のレドックスフロー二次電池用電解質膜は、優れたイオン選択透過性を有している。従って、高いプロトン(水素イオン)透過性を有し、低電気抵抗であり、また電解液中の活物質イオンの透過を抑制できる。更には、高い電流効率を発揮し、且つ系内の電解液セル内で発生するヒドロキシラジカルに対して、長期に渡り、高い酸化劣化防止効果を発揮するため、通常の炭化水素系電解質を利用した時に生じるイオン基の脱離や、高分子電解質の崩壊現象などを抑えることができる。   The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery of the present invention has excellent ion selective permeability. Therefore, it has high proton (hydrogen ion) permeability, low electrical resistance, and can suppress the permeation of active material ions in the electrolytic solution. Furthermore, in order to demonstrate high current efficiency and to exhibit a high oxidative degradation prevention effect for a long time against hydroxy radicals generated in the electrolyte solution cell in the system, a normal hydrocarbon electrolyte was used. It is possible to suppress the detachment of ionic groups and the collapse phenomenon of the polymer electrolyte.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池の概要図の一例を示す。An example of the schematic diagram of the redox flow secondary battery in this embodiment is shown.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」という。)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の本実施形態に限定されるものではない。   Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following this embodiment.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池は、
炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、
前記電解質膜が3層以上の積層構造を有し、正極及び負極に隣接する外層の平衡含水率が、正極にも負極にも隣接しない中間層の平衡含水率よりも高い、レドックスフロー二次電池である。
−[CF2CX12a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
The redox flow secondary battery in this embodiment is
A positive electrode cell chamber including a positive electrode made of a carbon electrode;
A negative electrode cell chamber including a negative electrode made of a carbon electrode;
An electrolyte membrane as a diaphragm for separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative electrode cell chamber;
Having an electrolytic cell containing
The positive electrode cell chamber contains a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber contains a negative electrode electrolyte containing an active material,
A redox flow secondary battery that charges and discharges based on a valence change of an active material in the electrolyte solution,
The electrolyte membrane includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a structure represented by the following formula (1):
The redox flow secondary battery in which the electrolyte membrane has a laminated structure of three or more layers, and the equilibrium water content of the outer layer adjacent to the positive electrode and the negative electrode is higher than the equilibrium water content of the intermediate layer not adjacent to the positive electrode or the negative electrode It is.
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF ((- O-CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2 ) f −X 4 )] g − (1)
(In the formula (1), X 1, X 2 and X 3 are each independently, .X 4 indicating one or more members selected from the group consisting of perfluoroalkyl group having halogen atoms and 1 to 3 carbon atoms Represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Any one or more selected, where X 4 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different, R 1 and R 2 are each independently a halogen atom, Selected from the group consisting of C1-C10 perfluoroalkyl groups and fluorochloroalkyl groups A and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1, b is an integer of 0 to 8, and c is 0 or 1. D, e and f each independently represent an integer of 0 to 6 (provided that d, e and f are not 0 at the same time).

図1は、本実施形態におけるレドックスフロー二次電池の概要図の一例を示す。本実施形態におけるレドックスフロー二次電池10は、炭素電極からなる正極1を含む正極セル室2と、炭素電極からなる負極3を含む負極セル室4と、前記正極セル室2と、前記負極セル室4とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜5と、を含む電解槽6を有し、前記正極セル室2は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室4は活物質を含む負極電解液を含む。活物質を含む正極電解液及び負極電解液は、例えば、正極電解液タンク7及び負極電解液タンク8によって貯蔵され、ポンプ等によって各セル室に供給される。また、レッドクスフロー二次電池によって生じた電流は、交直変換装置9を介して、直流から交流に変換されてもよい。   FIG. 1 shows an example of a schematic diagram of a redox flow secondary battery in the present embodiment. The redox flow secondary battery 10 in this embodiment includes a positive electrode cell chamber 2 including a positive electrode 1 made of a carbon electrode, a negative electrode cell chamber 4 including a negative electrode 3 made of a carbon electrode, the positive electrode cell chamber 2, and the negative electrode cell. An electrolytic cell 6 including an electrolyte membrane 5 as a diaphragm that separates and separates the chamber 4 from the chamber 4, the positive electrode cell chamber 2 containing a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber 4 containing an active material. Includes negative electrode electrolyte. The positive electrode electrolyte and the negative electrode electrolyte containing the active material are stored, for example, by the positive electrode electrolyte tank 7 and the negative electrode electrolyte tank 8, and are supplied to each cell chamber by a pump or the like. In addition, the current generated by the Redox flow secondary battery may be converted from direct current to alternating current via the AC / DC converter 9.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池は、液透過性で多孔質の集電体電極(負極用、正極用)を隔膜の両側にそれぞれ配置し、押圧でそれらを挟み、隔膜で仕切られた一方を正極セル室、他方を負極セル室とし、スペーサーで両セル室の厚みを確保した構造を有する。
バナジウム系レドックスフロー二次電池の場合、正極セル室には、バナジウム4価(V4+)及び同5価(V5+)を含む硫酸電解液からなる正極電解液を、負極セル室には、バナジウム3価(V3+)及び同2価(V2+)を含む負極電解液を流通させることにより、電池の充電及び放電が行われる。このとき、充電時には、正極セル室においては、バナジウムイオンが電子を放出するためV4+がV5+に酸化され、負極セル室では外路を通じて戻って来た電子によりV3+がV2+に還元される。この酸化還元反応では、正極セル室ではプロトン(H+)が過剰になり、一方負極セル室では、プロトン(H+)が不足する。隔膜は正極セル室の過剰なプロトンを選択的に負極室に移動させ電気的中性が保たれる。放電時には、この逆の反応が進む。この時の電流効率(%)は、放電電力量を充電電力量で除した比率(%)で表され、両電力量は、電池セルの内部抵抗と隔膜のイオン選択性及びその他電流損失に依存する。内部抵抗の減少は電圧効率を向上させ、イオン選択性の向上及びその他電流損失の低減は、電流効率を向上させるので、レドックスフロー二次電池においては、重要な指標となる。
The redox flow secondary battery according to the present embodiment has a liquid-permeable porous collector electrode (for negative electrode and positive electrode) arranged on both sides of the diaphragm, sandwiched by pressing, and partitioned by the diaphragm. Is a positive electrode cell chamber and the other is a negative electrode cell chamber, and the thickness of both cell chambers is secured by a spacer.
In the case of a vanadium-based redox flow secondary battery, a positive electrode electrolyte composed of a sulfuric acid electrolyte containing vanadium tetravalent (V 4+ ) and pentavalent (V 5+ ) in the positive electrode cell chamber, The battery is charged and discharged by circulating a negative electrode electrolyte containing vanadium trivalent (V 3+ ) and divalent (V 2+ ). At this time, at the time of charging, V 4+ is oxidized to V 5+ because vanadium ions emit electrons in the positive electrode cell chamber, and V 3+ is changed to V 2 by electrons returning through the outer path in the negative cell chamber. Reduced to + . In this oxidation-reduction reaction, protons (H + ) are excessive in the positive electrode cell chamber, while protons (H + ) are insufficient in the negative electrode cell chamber. The diaphragm selectively moves excess protons in the positive electrode cell chamber to the negative electrode chamber, thereby maintaining electrical neutrality. The reverse reaction proceeds during discharge. The current efficiency (%) at this time is expressed as a ratio (%) obtained by dividing the discharge power amount by the charge power amount. Both power amounts depend on the internal resistance of the battery cell, the ion selectivity of the diaphragm, and other current losses. To do. A decrease in internal resistance improves voltage efficiency, and an improvement in ion selectivity and other reductions in current loss improve current efficiency, and thus are important indicators for redox flow secondary batteries.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池用電解質膜は、特定の構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、且つ、3層以上の積層構造を有し、正極及び負極に隣接する外層の平衡含水率が、正極にも負極にも隣接しない中間層の平衡含水率よりも高いものである。   The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery in the present embodiment includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a specific structure, and has a laminated structure of three or more layers, and a positive electrode And the equilibrium moisture content of the outer layer adjacent to the negative electrode is higher than the equilibrium moisture content of the intermediate layer not adjacent to the positive electrode or the negative electrode.

本実施形態において「主体とする」とは、樹脂組成物中に該当成分が、好ましくは50〜100質量%、より好ましくは80〜100質量%、更に好ましくは90〜100質量%含まれることをいう。   In this embodiment, “mainly” means that the corresponding component is contained in the resin composition in an amount of preferably 50 to 100% by mass, more preferably 80 to 100% by mass, and still more preferably 90 to 100% by mass. Say.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、下記式(1)で表される構造を有する。
−[CF2CX12a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
The fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment has a structure represented by the following formula (1).
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF ((- O-CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2 ) f −X 4 )] g − (1)
(In the formula (1), X 1, X 2 and X 3 are each independently, .X 4 indicating one or more members selected from the group consisting of perfluoroalkyl group having halogen atoms and 1 to 3 carbon atoms Represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Any one or more selected, where X 4 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different, R 1 and R 2 are each independently a halogen atom, Selected from the group consisting of C1-C10 perfluoroalkyl groups and fluorochloroalkyl groups A and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1, b is an integer of 0 to 8, and c is 0 or 1. D, e and f each independently represent an integer of 0 to 6 (provided that d, e and f are not 0 at the same time).

1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。ここで、ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。X1、X2及びX3としては、ポリマーの化学的安定性の観点から、フッ素原子、又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基が好ましい。 X 1 , X 2 and X 3 each independently represent one or more selected from the group consisting of a halogen atom and a C 1-3 perfluoroalkyl group. Here, examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom. X 1 , X 2 and X 3 are preferably a fluorine atom or a C 1 to C 3 perfluoroalkyl group from the viewpoint of chemical stability of the polymer.

4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。本明細書においては、X4を、イオン交換基ともいう。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。ここで、アルカリ金属原子としては、特に限定されず、リチウム原子、ナトリウム原子、カリウム原子等が挙げられる。また、アルカリ土類金属原子としては、特に限定されず、カルシウム原子、マグネシウム原子等が挙げられる。また、R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。X4としては、ポリマーの化学的安定性の観点から、SO3Zが好ましい。 X 4 represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ. In the present specification, X 4 is also referred to as an ion exchange group. Z represents a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ). Here, it does not specifically limit as an alkali metal atom, A lithium atom, a sodium atom, a potassium atom, etc. are mentioned. Moreover, it does not specifically limit as an alkaline-earth metal atom, A calcium atom, a magnesium atom, etc. are mentioned. R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represent one or more selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Here, when X 4 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different. X 4 is preferably SO 3 Z from the viewpoint of chemical stability of the polymer.

1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。ここで、ハロゲン原子としては、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。 R 1 and R 2 each independently represent one or more selected from the group consisting of a halogen atom, a C 1-10 perfluoroalkyl group and a fluorochloroalkyl group. Here, examples of the halogen atom include a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom.

a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す。ただし、d、e及びfは同時に0にはならない。   a and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1. b shows the integer of 0-8. c represents 0 or 1; d, e, and f each independently represent an integer of 0-6. However, d, e, and f are not 0 at the same time.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーとしては、本発明の効果がより顕著となる傾向にあるため、パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA樹脂)であることが好ましい。本実施形態におけるPFSA樹脂は、テフロン(登録商標)骨格連鎖からなる主鎖に、側鎖としてパーフルオロカーボンと、それぞれの側鎖に1個ないし2個以上のスルホン酸基(場合により一部が塩の形になっていてもよい)が結合した樹脂である。   The fluoropolymer electrolyte polymer in the present embodiment is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA resin) because the effects of the present invention tend to become more prominent. The PFSA resin in this embodiment has a main chain composed of a Teflon (registered trademark) skeleton chain, a perfluorocarbon as a side chain, and one to two or more sulfonic acid groups in each side chain (some of which are partially salted). It may be in the form of

本実施形態におけるPFSA樹脂は、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、下記式(3)又は(4)で表される化合物から誘導される繰り返し単位を含有することが好ましく、さらに、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、前記式(3)又は前記式(4)で表される化合物から誘導される繰り返し単位とからなることが好ましい。
式(3):CF2=CF−O−(CF2CFXO)n−[A](式中、Xは、F又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、nは0〜5の整数を示す。[A]は(CF2m−W(mは0〜6の整数を示す。ただし、nとmは同時に0にならない。WはSO3Hを示す。)、
又は式(4):CF2=CF−O−(CF2P−CFX(−O−(CF2K−W)若しくはCF2=CF−O−(CF2P−CFX(−(CF2L−O−(CF2m−W)(式中、Xは、炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、Pは0〜12の整数を示し、kは1〜5の整数を示し、Lは1〜5の整数を示し、mは0〜6の整数を示す。ただし、kとLは同じでも、異なっていてもよく、P、K、Lは同時に0とはならない。)。
The PFSA resin in the present embodiment may contain a repeating unit represented by-(CF 2 -CF 2 )-and a repeating unit derived from a compound represented by the following formula (3) or (4). Preferably, it further comprises a repeating unit represented by — (CF 2 —CF 2 ) — and a repeating unit derived from the compound represented by Formula (3) or Formula (4).
Equation (3): CF 2 = CF -O- (CF 2 CFXO) n - in [A] (wherein, X represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, n represents 0-5 an integer. [a] is (CF 2) m -W (an integer of m 0-6. Here, n and m are not 0 at the same time .W shows the SO 3 H.),
Or formula (4): CF 2 = CF -O- (CF 2) P -CFX (-O- (CF 2) K -W) or CF 2 = CF-O- (CF 2) P -CFX (- ( CF 2) L -O- (CF 2 ) m -W) ( wherein, X represents a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, P is an integer of 0 to 12, k is 1 to 5 L represents an integer of 1 to 5, m represents an integer of 0 to 6. However, k and L may be the same or different, and P, K, and L are simultaneously 0. Must not.)

PFSA樹脂は、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位(式中、Xは、F又はCF3を示し、nは0〜5の整数を示し、mは0〜12の整数を示す。ただし、nとmは同時に0にならない。)と、を含む共重合体であることがより好ましい。PFSA樹脂が上記構造を有する共重合体であり、且つ所定の当量質量EWを有する場合、得られる電解質膜は十分な親水性を有し、且つ酸化劣化で生成するラジカル種への耐性が強くなる傾向にある。 PFSA resin, - and a repeating unit represented by, - - (CF 2 -CF 2 ) (CF 2 -CF (-O- (CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -SO 3 H)) - (Wherein X represents F or CF 3 , n represents an integer of 0 to 5, and m represents an integer of 0 to 12. However, n and m are not 0 at the same time. )) Is more preferable. When the PFSA resin is a copolymer having the above structure and has a predetermined equivalent mass EW, the obtained electrolyte membrane has sufficient hydrophilicity and has high resistance to radical species generated by oxidative degradation. There is a tendency.

さらに、PFSA樹脂の前記−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位中のnが0であり、mが1〜6の整数であるもの、又は式(4)で表されるCF2=CF−O−(CF2P−CFX(−O−(CF2K−W)及びCF2=CF−O−(CF2P−CFX(−(CF2L−O−(CF2m−W)の両方の繰り返し単位を含む場合、当量質量EWが低くなり、得られる電解質膜の親水性が高くなる傾向にある。 Further, n in the repeating unit of the PFSA resin represented by — (CF 2 —CF (—O— (CF 2 CFXO) n — (CF 2 ) m —SO 3 H)) — is 0, m those There is an integer from 1 to 6, or CF 2 = CF-O- (CF 2) represented by the formula (4) P -CFX (-O- ( CF 2) K -W) and CF 2 = CF In the case where both repeating units of —O— (CF 2 ) P —CFX (— (CF 2 ) L —O— (CF 2 ) m —W) are contained, the equivalent mass EW is lowered, and the hydrophilicity of the obtained electrolyte membrane Tend to be higher.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーとしては、本発明の効果がより顕著となる傾向にあるため、下記式(2)で表される構造を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA)であることが好ましい。
−[CF2CF2a−[CF2−CF((−O−(CF2m−X4)]g− (2)
(式(2)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示し、mは1〜6の整数を示し、X4はSO3Hを示す。)
The fluoropolymer electrolyte polymer in the present embodiment is a perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA) having a structure represented by the following formula (2) because the effects of the present invention tend to become more prominent. Is preferred.
- [CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF ((- O- (CF 2) m -X 4)] g - (2)
(In the formula (2), a and g represents a number satisfying 0 ≦ a <1,0 <g ≦ 1, a + g = 1, m represents an integer of 1 to 6, the X 4 is SO 3 H Show.)

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーは、例えば、高分子電解質ポリマー前駆体(以下、「樹脂前駆体」ともいう。)を製造した後、それを加水分解処理することにより得ることができる。
PFSA樹脂の場合、例えば、下記一般式(5)で表されるフッ化ビニルエーテル化合物と、下記一般式(6)で表されるフッ化オレフィンモノマーとの共重合体からなるPFSA樹脂前駆体を加水分解することにより得られる。
The fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment can be obtained, for example, by producing a polymer electrolyte polymer precursor (hereinafter also referred to as “resin precursor”) and then hydrolyzing it.
In the case of a PFSA resin, for example, a PFSA resin precursor composed of a copolymer of a fluorinated vinyl ether compound represented by the following general formula (5) and a fluorinated olefin monomer represented by the following general formula (6) is added with water. It is obtained by decomposing.

CF2=CF−O−(CF2CFXO)n−[A] (5)
(式中、Xは、F又は炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基を示し、nは0〜5の整数を示し、Aは(CF2m−W、又はCF2=CF−O−(CF2P−CFX(−O−(CF2K−W)若しくはCF2=CF−O−(CF2P−CFX(−(CF2L−O−(CF2m−W)を示し、pは0〜12の整数を示し、mは0〜6の整数を示し(ただし、nとmは同時に0にならない。)、kは1〜5の整数を示し、Lは1〜5の整数を示し(ただし、nとL又はKは同時に0とならない。)、Wは加水分解によりSO3Hに転換し得る官能基を示す。)
CF2=CFZ (6)
(式中、Zは、H、Cl、F、炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基、又は酸素を含んでいてもよい環状パーフルオロアルキル基を示す。)
CF 2 = CF-O- (CF 2 CFXO) n - [A] (5)
(In the formula, X represents F or a C 1 to C 3 perfluoroalkyl group, n represents an integer of 0 to 5, and A represents (CF 2 ) m —W or CF 2 ═CF—O—. (CF 2) P -CFX (-O- (CF 2) K -W) or CF 2 = CF-O- (CF 2) P -CFX (- (CF 2) L -O- (CF 2) m - W), p represents an integer of 0 to 12, m represents an integer of 0 to 6 (provided that n and m are not 0 simultaneously), k represents an integer of 1 to 5, and L represents indicates an integer of 1 to 5 (where, n and L or K is not 0 at the same time.), W represents a functional group which can be converted to SO 3 H by hydrolysis.)
CF 2 = CFZ (6)
(In the formula, Z represents H, Cl, F, a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, or a cyclic perfluoroalkyl group that may contain oxygen.)

上記式(5)中の加水分解によりSO3Hに転換しうる官能基を示すWとしては、特に限定されないが、SO2F、SO2Cl、SO2Brが好ましい。また、上記式において、X=CF3、W=SO2F、Z=Fであることがより好ましい。中でも、n=0、m=1〜6の整数(ただし、nとmは同時に0にならない。)であり、X=CF3、W=SO2F、Z=Fであることが、高い親水性及び高い樹脂濃度の溶液が得られる傾向にあるため、特に好ましい。 The W shown a functional group capable of conversion to SO 3 H by hydrolysis in the above formula (5) is not particularly limited, SO 2 F, SO 2 Cl , SO 2 Br are preferred. In the above formula, it is more preferable that X = CF 3 , W = SO 2 F, and Z = F. Among them, n = 0, m = 1 to 6 (however, n and m are not 0 at the same time), and X = CF 3 , W = SO 2 F, and Z = F are highly hydrophilic. It is particularly preferable because it tends to obtain a solution with high resin concentration.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマー前駆体は、公知の手段により合成することができる。例えば、ラジカル発生剤の過酸化物を利用した重合法等にて、含フッ素炭化水素等の重合溶剤を使用し、上記イオン交換基前駆体を有するフッ化ビニル化合物とテトラフルオロエチレン(TFE)などのフッ化オレフィンのガスを充填溶解して反応させることにより重合する方法(溶液重合)、含フッ素炭化水素等の溶媒を使用せずフッ化ビニル化合物そのものを重合溶剤として重合する方法(塊状重合)、界面活性剤の水溶液を媒体として、フッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスとを充填して反応させることにより重合する方法(乳化重合)、界面活性剤及びアルコール等の助乳化剤の水溶液に、フッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスを充填、乳化して反応させることにより重合する方法(エマルジョン重合)、及び懸濁安定剤の水溶液にフッ化ビニル化合物とフッ化オレフィンのガスを充填懸濁して反応させることにより重合する方法(懸濁重合)等が知られている。   The fluorine-based polymer electrolyte polymer precursor in the present embodiment can be synthesized by a known means. For example, in a polymerization method using a peroxide of a radical generator, a vinyl fluoride compound having the above ion exchange group precursor and tetrafluoroethylene (TFE) using a polymerization solvent such as a fluorinated hydrocarbon Polymerization by filling and dissolving fluorinated olefin gas (solution polymerization), Polymerization using vinyl fluoride compound itself as polymerization solvent without using solvents such as fluorine-containing hydrocarbons (bulk polymerization) , Using a surfactant aqueous solution as a medium, a method of polymerizing by filling and reacting a vinyl fluoride compound and a fluorinated olefin gas (emulsion polymerization), an aqueous solution of a co-emulsifier such as a surfactant and alcohol, A method of polymerization (emulsion polymerization) and suspension by filling a gas of vinyl fluoride compound and fluorinated olefin, emulsifying and reacting them. A method of polymerization by reacting filled suspending fluoride vinyl compound and the fluorinated olefin gas in an aqueous solution of Jozai (suspension) and the like are known.

本実施形態においては上述したいずれの重合方法で作製されたものでも使用することができる。また、TFEガスの供給量等の重合条件を調整することにより得られる、ブロック状やテーパー状の重合体でもよい。   In the present embodiment, any of those prepared by any of the polymerization methods described above can be used. Moreover, the polymer of a block shape or a taper shape obtained by adjusting superposition | polymerization conditions, such as the supply amount of TFE gas, may be sufficient.

また、フッ素系高分子電解質ポリマー前駆体は、重合反応中に樹脂分子構造中に生成した不純末端や、構造上酸化されやすい部分(CO基、H結合部分等)を、公知の方法によりフッ素ガス下で処理し、該部分をフッ化してもよい。   In addition, the fluorine-based polymer electrolyte polymer precursor is prepared by removing impurities generated in the resin molecular structure during the polymerization reaction or a portion (CO group, H bond portion, etc.) that is structurally susceptible to oxidation by a known method. It may be treated under and the part may be fluorinated.

また、樹脂前駆体の分子量は、該前駆体を、ASTM:D1238に準拠して(測定条件:温度270℃、荷重2160g)測定されたメルトフローインデックス(MFI)の値で0.05〜50(g/10分)である。前駆体樹脂のMFIの好ましい範囲は0.1〜30(g/10分)であり、より好ましい範囲は0.5〜20(g/10分)である。   The molecular weight of the resin precursor is 0.05 to 50 (melt flow index (MFI) value measured according to ASTM: D1238 (measurement conditions: temperature 270 ° C., load 2160 g). g / 10 minutes). The preferable range of MFI of the precursor resin is 0.1 to 30 (g / 10 minutes), and the more preferable range is 0.5 to 20 (g / 10 minutes).

フッ素系高分子電解質ポリマー樹脂前駆体は、押し出し機を用いてノズル又はダイ等で押し出し成型した後、加水分解処理を行うか、重合した時の産出物のまま、即ち分散液状、又は沈殿、ろ過させた粉末状の物とした後、加水分解処理を行う。樹脂前駆体の形状は特に限定されるものではないが、後述の加水分解処理及び酸処理における処理速度を速める観点から、0.5cm3以下のペレット状であるか、分散液状、粉末粒子状であることが好ましく、中でも、重合後の粉末状体のものを用いることが好ましい。コストの観点からは、押し出し成型したフィルム状の樹脂前駆体を用いてもよい。 Fluoropolymer electrolyte polymer resin precursor is extruded with a nozzle or die using an extruder and then subjected to hydrolysis treatment or as a product produced by polymerization, that is, dispersed liquid, or precipitated, filtered After making it into the made powdery thing, a hydrolysis process is performed. The shape of the resin precursor is not particularly limited, but from the viewpoint of increasing the treatment speed in the hydrolysis treatment and acid treatment described later, it is in the form of pellets of 0.5 cm 3 or less, or in the form of dispersed liquid or powder particles. Among them, it is preferable to use a powdery product after polymerization. From the viewpoint of cost, an extruded film-like resin precursor may be used.

上記のようにして得られ、必要に応じて成型された樹脂前駆体は、引き続き塩基性反応液体中に浸漬し、加水分解処理される。加水分解処理に使用する塩基性反応液としては、特に限定されるものではないが、ジメチルアミン、ジエチルアミン、モノメチルアミン及びモノエチルアミン等のアミン化合物の水溶液や、アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物の水溶液が好ましく、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの水溶液が特に好ましい。アルカリ金属又はアルカリ土類金属の水酸化物を用いる場合、その含有量は特に限定されないが、反応液全体に対して10〜30質量%であることが好ましい。上記反応液は、さらにメチルアルコール、エチルアルコール、アセトン及びDMSO等の膨潤性有機化合物を含有することがより好ましい。膨潤性の有機化合物の含有量は、反応液全体に対して1〜30質量%であることが好ましい。   The resin precursor obtained as described above and molded as necessary is subsequently immersed in a basic reaction liquid and hydrolyzed. The basic reaction solution used for the hydrolysis treatment is not particularly limited, but is an aqueous solution of an amine compound such as dimethylamine, diethylamine, monomethylamine and monoethylamine, or hydroxide of an alkali metal or alkaline earth metal. An aqueous solution of the product is preferable, and an aqueous solution of sodium hydroxide and potassium hydroxide is particularly preferable. When the alkali metal or alkaline earth metal hydroxide is used, the content is not particularly limited, but is preferably 10 to 30% by mass with respect to the entire reaction solution. More preferably, the reaction solution further contains a swellable organic compound such as methyl alcohol, ethyl alcohol, acetone and DMSO. The content of the swellable organic compound is preferably 1 to 30% by mass with respect to the entire reaction solution.

樹脂前駆体は、前記塩基性反応液体中で加水分解処理された後、温水等で十分に水洗し、その後、酸処理が行なわれる。酸処理に使用する酸としては、特に限定されないが、塩酸、硫酸及び硝酸等の鉱酸類や、シュウ酸、酢酸、ギ酸及びトリフルオロ酢酸等の有機酸類が好ましく、これらの酸と水との混合物がより好ましい。また、上記酸類は単独で用いても2種以上を併用してもよい。また、加水分解処理で用いた塩基性反応液は、カチオン交換樹脂で処理すること等により、酸処理の前に予め除去してもよい。   The resin precursor is hydrolyzed in the basic reaction liquid, then sufficiently washed with warm water and the like, and then acid-treated. The acid used for the acid treatment is not particularly limited, but preferred are mineral acids such as hydrochloric acid, sulfuric acid and nitric acid, and organic acids such as oxalic acid, acetic acid, formic acid and trifluoroacetic acid, and a mixture of these acids and water. Is more preferable. Moreover, the said acids may be used independently or may use 2 or more types together. The basic reaction solution used in the hydrolysis treatment may be removed in advance before the acid treatment, for example, by treatment with a cation exchange resin.

酸処理によって樹脂前駆体はプロトン化されてイオン交換基が生成する。例えば、PFSA樹脂前駆体のWは酸処理によってプロトン化され、SO3Hとなる。加水分解及び酸処理することによって得られたフッ素系高分子電解質ポリマーは、プロトン性有機溶媒、水、又は両者の混合溶媒に分散又は溶解することが可能となる。 By the acid treatment, the resin precursor is protonated to generate ion exchange groups. For example, W of the PFSA resin precursor is protonated by acid treatment to become SO 3 H. The fluorine-based polymer electrolyte polymer obtained by the hydrolysis and acid treatment can be dispersed or dissolved in a protic organic solvent, water, or a mixed solvent of both.

本実施形態における3層以上の積層構造を有する電解質膜は、各層を形成する膜をそれぞれ成型した後、それらを積層することにより作製してもよく、又は、各層を形成する樹脂を同時に押し出し若しくはキャスト成型することにより作製してもよい。   The electrolyte membrane having a laminated structure of three or more layers in the present embodiment may be produced by molding the films forming each layer and then laminating them, or by extruding the resin forming each layer simultaneously or You may produce by casting.

本実施形態におけるレドックスフロー二次電池用電解質膜は、3層以上の積層構造を有し、正極及び負極に隣接する外層と、正極にも負極にも隣接しない中間層とを含む。本実施形態における外層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりのフッ素系高分子電解質ポリマーの乾燥質量グラム数)は、300〜900(g/eq)に調整することが好ましく、より好ましくは500〜900(g/eq)に調整する。中間層を構成する高分子電解質ポリマーの当量質量EWは外層を構成する当量質量EWより高くなるように構成され、600〜1300(g/eq)に調整することが好ましく、より好ましくは700〜1200(g/eq)に調整する。   The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery in the present embodiment has a laminated structure of three or more layers, and includes an outer layer adjacent to the positive electrode and the negative electrode, and an intermediate layer not adjacent to the positive electrode and the negative electrode. In this embodiment, the equivalent mass EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the outer layer (dry mass in grams of the fluorine-based polymer electrolyte polymer per equivalent of ion-exchange groups) is adjusted to 300 to 900 (g / eq). It is preferable to adjust to 500 to 900 (g / eq). The equivalent mass EW of the polymer electrolyte polymer constituting the intermediate layer is configured to be higher than the equivalent mass EW constituting the outer layer, and is preferably adjusted to 600 to 1300 (g / eq), more preferably 700 to 1200. Adjust to (g / eq).

外層及び中間層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EWをそれぞれ上記範囲に調整することによって、それを含むイオン交換樹脂組成物に優れた親水性を付与することができ、その樹脂組成物を用いて得られた電解質膜は低い電気抵抗及び高い親水性、より小さなクラスター(イオン交換基が水分子を配位及び/又は吸着した微小部分)を数多く有するようになり、高い耐酸化性(耐ヒドロキシラジカル)、低い電気抵抗、及び良好なイオン選択透過性を発揮する傾向にある。   By adjusting the equivalent mass EW of the fluoropolymer electrolyte polymer constituting the outer layer and the intermediate layer to each of the above ranges, it is possible to impart excellent hydrophilicity to the ion exchange resin composition containing the same, and its resin composition Electrolyte membranes obtained by using materials have low electrical resistance, high hydrophilicity, and many smaller clusters (small parts where ion exchange groups coordinate and / or adsorb water molecules), and have high oxidation resistance It tends to exhibit (hydroxy radical resistance), low electrical resistance, and good ion selective permeability.

フッ素系高分子電解質ポリマー全体の当量質量EWは、親水性、膜の耐水性の観点から300(g/eq)以上であることが好ましく、親水性、膜の電気抵抗の観点から1300(g/eq)以下であることが好ましい。また、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWが下限値近くである場合には、膜の側鎖のイオン交換基の一部の分子間を直接的に又は間接的に部分架橋反応させることにより樹脂を変性し、溶解性や過剰膨潤性を制御してもよい。   The equivalent mass EW of the entire fluoropolymer electrolyte polymer is preferably 300 (g / eq) or more from the viewpoint of hydrophilicity and water resistance of the film, and 1300 (g / eq) from the viewpoint of hydrophilicity and electrical resistance of the film. eq) It is preferable that it is below. In addition, when the EW of the fluoropolymer electrolyte polymer is close to the lower limit, the resin can be obtained by directly or indirectly partially cross-linking the molecules of the ion exchange groups on the side chain of the membrane. It may be modified to control solubility and excessive swelling.

上記部分架橋反応としては、例えば、イオン交換基と他分子の官能基又は主鎖との反応、又はイオン交換基同士の反応、耐酸化性の低分子化合物、オリゴマー又は高分子物質等を介しての架橋反応(共有結合)等が挙げられ、場合により、塩(SO3H基とのイオン結合を含む)形成物質との反応であってもよい。耐酸化性の低分子化合物、オリゴマー又は高分子物質としては、例えば、多価アルコール類や有機ジアミン類等が挙げられる。 Examples of the partial crosslinking reaction include a reaction between an ion exchange group and a functional group or main chain of another molecule, a reaction between ion exchange groups, an oxidation-resistant low molecular compound, an oligomer, or a high molecular substance. In some cases, it may be a reaction with a salt (including an ionic bond with a SO 3 H group) forming substance. Examples of the oxidation-resistant low molecular weight compound, oligomer or polymer substance include polyhydric alcohols and organic diamines.

部分架橋反応を行う場合は、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWが280程度でも良い場合がある。即ち、イオン交換基(言い換えればEW)をあまり犠牲にせずとも、水溶性が低下(耐水性が向上)すればよい。また、フッ素系高分子電解質ポリマーが低メルトフロー領域(高分子領域)であり、分子間絡みが多い場合なども同様である。   When the partial crosslinking reaction is performed, the EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer may be about 280. That is, the water solubility should be reduced (water resistance improved) without sacrificing the ion exchange group (in other words, EW). The same applies when the fluorine-based polymer electrolyte polymer is in a low melt flow region (polymer region) and there are many intermolecular entanglements.

また、フッ素系高分子電解質ポリマーの加水分解前の官能基(例えば、SO2F基)は、その一部が、部分的(分子間を含む)にイミド化(アルキルイミド化など)されていてよい。 Moreover, the functional group (for example, SO 2 F group) before hydrolysis of the fluorine-based polymer electrolyte polymer is partially imidized (including alkylimidation) partially (including intermolecular). Good.

フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EWは、フッ素系高分子電解質ポリマーを塩置換し、その溶液をアルカリ溶液で逆滴定することにより測定することができる。   The equivalent mass EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer can be measured by subjecting the fluorine-based polymer electrolyte polymer to salt substitution and back titrating the solution with an alkaline solution.

また、フッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EWは、フッ素系モノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。   Further, the equivalent mass EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer can be adjusted by the copolymerization ratio of the fluorine-based monomer, the selection of the monomer type, and the like.

上述した特許文献に記載されたフッ素系樹脂であるナフィオン(Nafion:デュポン社の登録商標)は、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位と、を含む共重合体において、X=CF3、n=1、m=2であり、EWが893〜1030である化合物であることが知られている。しかしながらナフィオンをレドックスフロー二次電池の電解質膜の材料として用いた場合は、親水性が不足し、電気抵抗も高く、選択イオン透過性、電流効率も悪化する傾向にある。 Nafion is a fluorine-based resin described in Patent Document described above (Nafion: DuPont TM), - (CF 2 -CF 2) - and repeating units represented by, - (CF 2 -CF (- And a repeating unit represented by O— (CF 2 CFXO) n — (CF 2 ) m —SO 3 H)) —, wherein X═CF 3 , n = 1, and m = 2. , EW is known to be 893-1030. However, when Nafion is used as a material for the electrolyte membrane of a redox flow secondary battery, the hydrophilicity is insufficient, the electric resistance is high, the selective ion permeability and the current efficiency tend to deteriorate.

本実施形態における電解質膜を形成するイオン交換樹脂組成物中に含まれるフッ素系高分子電解質ポリマーの含有量としては、好ましくは約33.3〜100質量%、より好ましくは40〜100質量%、さらに好ましくは50〜99.5質量%である。   As content of the fluorine-type polymer electrolyte polymer contained in the ion exchange resin composition which forms the electrolyte membrane in this embodiment, Preferably it is about 33.3-100 mass%, More preferably, it is 40-100 mass%, More preferably, it is 50-99.5 mass%.

本実施形態におけるイオン交換性樹脂組成物は、上述したフッ素系高分子電解質ポリマーの他に、塩基性重合体(オリゴマーなどの低分子量物質を含む)を含有すると、樹脂組成物としての化学的安定性(主に耐酸化性等)が増加する傾向にある。これらの化合物は、樹脂組成物中で微細粒子状又は分子分散に近い形でイオンコンプレックスを部分的に作りイオン架橋構造を形成する。特に、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWが低い場合(300〜500g/eq)の場合には、耐水性と電気抵抗等のバランス面の観点から好ましい。   When the ion exchange resin composition in the present embodiment contains a basic polymer (including a low molecular weight substance such as an oligomer) in addition to the above-described fluorine-based polymer electrolyte polymer, chemical stability as the resin composition is achieved. Tend to increase the property (mainly oxidation resistance). These compounds partially form an ion complex in the form of fine particles or close to molecular dispersion in the resin composition to form an ion cross-linked structure. In particular, when the EW of the fluoropolymer electrolyte polymer is low (300 to 500 g / eq), it is preferable from the viewpoint of balance between water resistance and electric resistance.

また、フッ素系高分子電解質ポリマーは、アルカリ金属、アルカリ土類金属、その他、ラジカル分解性の遷移金属(Ce化合物、Mn化合物等)との、部分塩(全イオン交換基当量の0.01〜5当量%程度)を単独で又は塩基性重合体と併用してもよい。   In addition, the fluorine-based polymer electrolyte polymer is a partial salt (total ion-exchange group equivalent of 0.01 to 0.01) with an alkali metal, alkaline earth metal, or other radical-degradable transition metal (Ce compound, Mn compound, etc.). May be used alone or in combination with a basic polymer.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーとしては、PFSA樹脂以外のフッ素系樹脂(カルボン酸、リン酸等を含む樹脂やその他公知のフッ素系樹脂)を用いることができる。これらの樹脂を2種以上用いる場合は、溶媒に溶解又は媒体に分散させて混合してもよく、樹脂前駆体同士を押し出し混合してもよい。   As the fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment, fluorine-based resins other than PFSA resins (resins containing carboxylic acid, phosphoric acid, etc. and other known fluorine-based resins) can be used. When two or more of these resins are used, they may be mixed in a solvent or dispersed in a medium, or resin precursors may be extruded and mixed.

本実施形態における電解質膜においては、正極及び負極に隣接する外層の平衡含水率を、正極にも負極にも隣接しない中間層の平衡含水率よりも高くする。電解質膜の外層の平衡含水率は、好ましくは15質量%以上であり、より好ましくは20質量%以上である。また、上限としては、150質量%以下、より好ましくは100質量%以下である。一方、電解質膜の中間層の平衡含水率は、好ましくは0.1質量%以上であり、より好ましくは0.5質量%以上、さらに好ましくは1質量%以上である。また、上限としては、100質量%以下、より好ましくは50質量%以下、さらに好ましくは20質量%以下である。   In the electrolyte membrane in the present embodiment, the equilibrium moisture content of the outer layer adjacent to the positive electrode and the negative electrode is set higher than the equilibrium moisture content of the intermediate layer not adjacent to the positive electrode or the negative electrode. The equilibrium moisture content of the outer layer of the electrolyte membrane is preferably 15% by mass or more, more preferably 20% by mass or more. Moreover, as an upper limit, it is 150 mass% or less, More preferably, it is 100 mass% or less. On the other hand, the equilibrium moisture content of the intermediate layer of the electrolyte membrane is preferably 0.1% by mass or more, more preferably 0.5% by mass or more, and further preferably 1% by mass or more. Moreover, as an upper limit, it is 100 mass% or less, More preferably, it is 50 mass% or less, More preferably, it is 20 mass% or less.

電解質膜全体の平衡含水率が5質量%以上であると、膜の電気抵抗や電流効率、耐酸化性、イオン選択透過性が良好となる傾向にある。一方、平衡含水率が50質量%以下であると、膜の寸法安定性や強度が良好となり、また水溶解性成分の増加を抑制できる傾向にある。電解質膜の平衡含水率は、樹脂組成物を水とアルコール系溶媒での分散液から成膜し、160℃以下で乾燥した膜を基準とし、23℃、50%関係湿度(RH)での平衡(24Hr放置)飽和吸水率(Wc)で表す。   When the equilibrium moisture content of the entire electrolyte membrane is 5% by mass or more, the electric resistance, current efficiency, oxidation resistance, and ion selective permeability of the membrane tend to be good. On the other hand, when the equilibrium moisture content is 50% by mass or less, the dimensional stability and strength of the membrane are improved, and the increase in water-soluble components tends to be suppressed. The equilibrium moisture content of the electrolyte membrane is based on a membrane obtained by forming a resin composition from a dispersion of water and an alcohol-based solvent and drying at 160 ° C. or lower, and the equilibrium is 23 ° C. and 50% relative humidity (RH). It is expressed as saturated water absorption (Wc).

電解質膜の平衡含水率は、上述したEWと同様の方法により調整することができる。   The equilibrium moisture content of the electrolyte membrane can be adjusted by the same method as that for EW described above.

本実施形態における電解質膜の製造方法(成膜法)としては、特に限定されず、公知の、押し出し方法、キャスト成膜を用いることができる。電解質膜は3層以上の積層構造を有しており、性質の異なる膜(例えば、官能基の異なる樹脂)を積層することにより、電解質膜の性能を改善することができる。   The method for producing an electrolyte membrane (film formation method) in the present embodiment is not particularly limited, and a known extrusion method or cast film formation can be used. The electrolyte membrane has a laminated structure of three or more layers, and the performance of the electrolyte membrane can be improved by laminating films having different properties (for example, resins having different functional groups).

また、上記方法で成膜された電解質膜は、充分水洗浄し(又は必要に応じて、水洗前に、希薄な、塩酸、硝酸、硫酸等の水性酸性液で処理し)不純物を除去して、膜を空気中(好ましくは不活性ガス中)で、130〜200℃、好ましくは140〜180℃、より好ましくは150〜170℃で、1〜30分間熱処理することが好ましい。熱処理の時間は、より好ましくは2〜20分であり、更に好ましくは3〜15分、特に好ましくは5〜10分程度である。   In addition, the electrolyte membrane formed by the above method is thoroughly washed with water (or treated with a dilute aqueous acidic solution such as hydrochloric acid, nitric acid, sulfuric acid or the like before washing with water if necessary) to remove impurities. The film is preferably heat-treated in air (preferably in an inert gas) at 130 to 200 ° C., preferably 140 to 180 ° C., more preferably 150 to 170 ° C. for 1 to 30 minutes. The heat treatment time is more preferably 2 to 20 minutes, further preferably 3 to 15 minutes, and particularly preferably about 5 to 10 minutes.

上記処理を行う理由の一つは、成膜時のままの状態では、原料由来の粒子間(一次粒子及び二次粒子間)及び分子間が充分に絡み合っていないため、その粒子間及び分子間を絡み合わす目的で、特に耐水性(特に熱水溶解成分比率を下げ)、水の飽和吸水率を安定させ、安定なクラスターを生成させるために有用である。また、膜強度向上の観点からも有用である。特にキャスト成膜法を用いた場合には有用である。   One of the reasons for performing the above treatment is that the raw material-derived particles (between the primary particles and the secondary particles) and the molecules are not sufficiently entangled with each other in the state as they are at the time of film formation. For the purpose of entanglement of water, it is particularly useful for water resistance (especially lowering the hot water-dissolved component ratio), stabilizing the saturated water absorption rate of water, and generating stable clusters. It is also useful from the viewpoint of improving the film strength. This is particularly useful when the cast film forming method is used.

また、他の理由としては、フッ素系高分子電解質ポリマーの分子間同士で、微小な分子間架橋を生成させることにより、耐水性及び安定なクラスター生成に寄与し、さらに、クラスター径を均一に且つ小さくする効果があると推測される。   Another reason is that by forming minute intermolecular cross-links between molecules of the fluorine-based polymer electrolyte polymer, it contributes to water resistance and stable cluster formation, and the cluster diameter is made uniform and It is estimated that there is an effect to make it smaller.

さらには、樹脂組成物中のフッ素系高分子電解質ポリマーのイオン交換基が、その他の添加物(樹脂を含む)成分の活性反応部位(芳香環など)と、少なくともその一部分が反応し、それを介して、(特に分散している添加物であるその他樹脂成分の近くに存在するイオン交換基の反応により)微小な架橋が生成して安定化するものと推測される。この架橋の程度は、EW(熱処理前後のEW低下の程度)に換算して、0.001〜5%であることが好ましく、より好ましくは0.1〜3%、更に好ましくは0.2〜2%程度である。   Furthermore, the ion exchange group of the fluorine-based polyelectrolyte polymer in the resin composition reacts with an active reaction site (such as an aromatic ring) of other additives (including the resin) at least a part thereof. Therefore, it is presumed that minute cross-links are generated and stabilized (particularly due to the reaction of ion-exchange groups existing in the vicinity of other resin components that are dispersed additives). The degree of this cross-linking is preferably 0.001 to 5%, more preferably 0.1 to 3%, still more preferably 0.2 to 0.2% in terms of EW (degree of EW reduction before and after heat treatment). About 2%.

また、上記処理条件(時間、温度)の上限を超える過剰な処理を行った場合は、脱フッ素、脱フッ酸、脱スルホン酸、熱酸化部位などが増えて、かえって分子構造に欠陥が生じ、そこを起点に、実際に電解膜として使用している間に、耐酸化劣化性が悪化する傾向にある。一方、処理条件の下限未満であると、上述した本処理の効果が不十分となる場合がある。   In addition, when excessive treatment exceeding the upper limit of the above treatment conditions (time, temperature) is performed, defluorination, dehydrofluoric acid, desulfonic acid, thermal oxidation sites, etc. increase, and defects in the molecular structure occur. From that point of view, the oxidation degradation resistance tends to deteriorate during actual use as an electrolytic membrane. On the other hand, if it is less than the lower limit of the processing conditions, the effect of the above-described main processing may be insufficient.

本実施形態における電解質膜は、イオンの選択透過性に優れ、電気抵抗も低く、耐久性(主に、ヒドロキシラジカル耐酸化性)にも優れており、レドックスフロー二次電池用の隔膜として優れた性能を発揮する。なお、本明細書中の各物性は、特に明記しない限り、以下の実施例に記載された方法に準じて測定することができる。   The electrolyte membrane in this embodiment has excellent ion selective permeability, low electrical resistance, excellent durability (mainly hydroxyl radical oxidation resistance), and was excellent as a diaphragm for redox flow secondary batteries. Demonstrate performance. In addition, each physical property in this specification can be measured according to the method described in the following Examples, unless otherwise specified.

次に、実施例及び比較例を挙げて本実施形態をより具体的に説明するが、本実施形態はその要旨を超えない限り、以下の実施例に限定されるものではない。   Next, the present embodiment will be described more specifically with reference to examples and comparative examples. However, the present embodiment is not limited to the following examples unless it exceeds the gist.

[測定方法]
(1) PFSA樹脂前駆体のメルトフローインデックス
ASTM:D1238に準拠して、測定条件:温度270℃、荷重2160gで測定を行った。
[Measuring method]
(1) Melt flow index of PFSA resin precursor Based on ASTM: D1238, measurement was carried out under conditions of measurement: temperature 270 ° C. and load 2160 g.

(2) PFSA樹脂の当量質量EWの測定
PFSA樹脂0.3gを、25℃、飽和NaCl水溶液30mLに浸漬し、攪拌しながら30分間放置した。次いで、飽和NaCl水溶液中の遊離プロトンを、フェノールフタレインを指示薬として0.01N水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定した。中和滴定の終点をpH7とし、中和滴定後に得られた、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっているPFSA樹脂分を純水ですすぎ、さらに上皿乾燥機により160℃で乾燥し、秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの物質量をM(mmol)、イオン交換基の対イオンがナトリウムイオンの状態となっているPFSA樹脂の質量をW(mg)とし、下記式より当量質量EW(g/eq)を求めた。
EW=(W/M)−22
以上の操作を5回繰り返した後、算出された5つのEW値の最大値および最小値を除き、3つの値を相加平均して測定結果とした。
(2) Measurement of equivalent mass EW of PFSA resin 0.3 g of PFSA resin was immersed in 30 mL of a saturated aqueous NaCl solution at 25 ° C. and left for 30 minutes with stirring. Subsequently, the free protons in the saturated NaCl aqueous solution were subjected to neutralization titration with 0.01N aqueous sodium hydroxide solution using phenolphthalein as an indicator. The end point of the neutralization titration is set to pH 7, and the PFSA resin component in which the counter ion of the ion exchange group is in a sodium ion state is rinsed with pure water obtained after the neutralization titration, and further at 160 ° C. with an upper dish dryer. Dried and weighed. The amount of sodium hydroxide required for neutralization is M (mmol), and the mass of the PFSA resin in which the counter ion of the ion exchange group is in a sodium ion state is W (mg). g / eq).
EW = (W / M) −22
After the above operation was repeated five times, the measurement values were obtained by arithmetically averaging the three values except for the maximum and minimum values of the calculated five EW values.

(3) 平衡含水率の測定
PFSA樹脂の分散液を清澄なガラス板上に塗布し、150℃で約10分間乾燥し、剥離して約30μmの膜を形成させ、これを23℃の水中に約3時間放置し、その後23℃、関係湿度(RH)50%の部屋に24時間放置した時の平衡含水率を測定した。基準の乾燥膜としては、80℃真空乾燥膜を用いた。平衡含水率は、膜の質量変化から算出した。
(3) Measurement of equilibrium moisture content A dispersion of PFSA resin was applied on a clear glass plate, dried at 150 ° C. for about 10 minutes, peeled to form a film of about 30 μm, and this was immersed in water at 23 ° C. The equilibrium moisture content was measured after standing for about 3 hours and then leaving it in a room at 23 ° C. and a relative humidity (RH) of 50% for 24 hours. As a standard dry film, an 80 ° C. vacuum dry film was used. The equilibrium moisture content was calculated from the change in mass of the membrane.

(4)最大含水率の測定
PFSA樹脂の分散液を清澄なガラス板上に塗布し、150℃で約10分間乾燥し、剥離して約30μmの膜を形成させ、これを23℃の水中に約3時間放置し、表面水をふき取って測定した時の最大含水率を測定した。基準の乾燥膜としては、80℃真空乾燥膜を用いた。最大含水率は、膜の質量変化から算出した。
(4) Measurement of maximum water content A dispersion of PFSA resin was applied on a clear glass plate, dried at 150 ° C. for about 10 minutes, and peeled to form a film of about 30 μm. The maximum water content was measured when the surface water was wiped off and measured for about 3 hours. As a standard dry film, an 80 ° C. vacuum dry film was used. The maximum water content was calculated from the change in mass of the membrane.

(5) 充放電試験
レドックスフロー二次電池は、隔膜の両側にて、液透過性で多孔質の集電体電極(負極用、正極用)を隔膜の両側にそれぞれ配置し、押圧でそれらを挟み、隔膜で仕切られた一方を正極セル室、他方を負極セル室とし、スペーサーで両セル室の厚みを確保した。正極セル室には、バナジウム4価(V4+)及び同5価(V5+)を含む硫酸電解液からなる正極電解液を、負極セル室にはバナジウム3価(V3+)及び同2価(V2+)を含む負極電解液を流通させ、電池の充電及び放電を行った。このとき、充電時には、正極セル室においては、バナジウムイオンが電子を放出するためV4+がV5+に酸化され、負極セル室では外路を通じて戻って来た電子によりV3+がV2+に還元される。この酸化還元反応では、正極セル室ではプロトン(H+)が過剰になり、一方負極セル室では、プロトン(H+)が不足する。隔膜は正極セル室の過剰なプロトンを選択的に負極室に移動させ電気的中性が保たれる。放電時には、この逆の反応が進む。この時の電池効率(エネルギー効率)(%)は、放電電力量を充電電力量で除した比率(%)で表され、両電力量は、電池セルの内部抵抗と隔膜のイオン選択透過性及びその他電流損失に依存する。また、電流効率(%)は、放電電気量を充電電気量で除した比率(%)で表され、両電気量は、隔膜のイオン選択透過性及びその他電流損失に依存する。電池効率は、電流効率と電圧効率の積で表される。内部抵抗すなわちセル電気抵抗率の減少は電圧効率を向上させ、イオン選択透過性の向上及びその他電流損失の低減は、電流効率を向上させるので、レドックスフロー二次電池において、重要な指標となる。
充放電実験は、上述のようにして得られた電池を用いて行った。全バナジウム濃度が2M/Lで、全硫酸根濃度が4M/Lでの水系電解液を使用し、また、設置した正極及び負極セル室の厚みがそれぞれ5mmで、両多孔質電極と隔膜の間には炭素繊維からなる厚み5mmで嵩密度が約0.1g/cm3の多孔質状のフエルトを挟んで用いた。充放電実験は電流密度80mA/cm2で実施した。
セル電気抵抗率は、ACインピーダンス法を用いて、放電開始時においてAC電圧10mV,周波数20kHzでの直流抵抗値を測定し、それに電極面積を掛けることによって求めた。
(5) Charging / discharging test Redox flow secondary batteries have liquid-permeable porous collector electrodes (for negative electrode and positive electrode) arranged on both sides of the diaphragm on both sides of the diaphragm. One was sandwiched and separated by a diaphragm, the positive electrode cell chamber, the other was the negative electrode cell chamber, and the thickness of both cell chambers was secured with a spacer. The positive electrode cell chamber is composed of a sulfuric acid electrolyte containing vanadium tetravalent (V 4+ ) and pentavalent (V 5+ ), and the negative electrode cell chamber is composed of vanadium trivalent (V 3+ ) and the same. A negative electrode electrolyte containing divalent (V 2+ ) was circulated to charge and discharge the battery. At this time, at the time of charging, V 4+ is oxidized to V 5+ because vanadium ions emit electrons in the positive electrode cell chamber, and V 3+ is changed to V 2 by electrons returning through the outer path in the negative cell chamber. Reduced to + . In this oxidation-reduction reaction, protons (H + ) are excessive in the positive electrode cell chamber, while protons (H + ) are insufficient in the negative electrode cell chamber. The diaphragm selectively moves excess protons in the positive electrode cell chamber to the negative electrode chamber, thereby maintaining electrical neutrality. The reverse reaction proceeds during discharge. The battery efficiency (energy efficiency) (%) at this time is expressed as a ratio (%) obtained by dividing the discharge power amount by the charge power amount, and both the power amounts are the ion resistance of the battery cell and the ion selective permeability of the diaphragm. Others depend on current loss. The current efficiency (%) is expressed as a ratio (%) obtained by dividing the amount of discharged electricity by the amount of charged electricity, and both the amounts of electricity depend on the ion selective permeability of the diaphragm and other current losses. Battery efficiency is expressed as the product of current efficiency and voltage efficiency. A decrease in internal resistance, ie, cell electrical resistivity, improves voltage efficiency, and an improvement in ion selective permeability and other reductions in current loss improve current efficiency, and thus are important indicators in redox flow secondary batteries.
The charge / discharge experiment was performed using the battery obtained as described above. Use an aqueous electrolyte with a total vanadium concentration of 2 M / L and a total sulfate radical concentration of 4 M / L, and the thickness of the installed positive and negative electrode cell chambers is 5 mm, respectively, between the porous electrode and the diaphragm. Was used by sandwiching a felt made of carbon fiber having a thickness of 5 mm and a bulk density of about 0.1 g / cm 3 . The charge / discharge experiment was conducted at a current density of 80 mA / cm 2 .
The cell electrical resistivity was determined by measuring the DC resistance value at an AC voltage of 10 mV and a frequency of 20 kHz at the start of discharge using the AC impedance method, and multiplying this by the electrode area.

(実施例1)
(1)PFSA樹脂前駆体の作製
ステンレス製攪拌式オートクレーブに、C715COONH4の10%水溶液と純水とを仕込み、十分に真空、窒素置換を行った後、テトラフルオロエチレン(CF2=CF2)(以下、「TFE」とも略記する。)ガスを導入してケージ圧力で0.7MPaまで昇圧した。引き続いて、過硫酸アンモニウム水溶液を注入して重合を開始した。重合により消費されたTFEを補給するため、連続的にTFEガスを供給してオートクレーブの圧力を0.7MPaに保つようにして、供給したTFEに対して、質量比で0.70倍に相当する量のCF2=CFO(CF22−SO2Fを連続的に供給して重合を行い、それぞれ重合条件を最適な範囲に調整して、各種のパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂前駆体粉末を得た。得られたPFSA樹脂前駆体粉末のMFIは、A1及びA2共に、1.5(g/10分)であった。
Example 1
(1) Preparation of PFSA resin precursor A 10% aqueous solution of C 7 F 15 COONH 4 and pure water were charged into a stainless steel stirring autoclave, and after sufficient vacuum and nitrogen substitution, tetrafluoroethylene (CF 2 = CF 2 ) (hereinafter also abbreviated as “TFE”) Gas was introduced and the pressure was increased to 0.7 MPa at a cage pressure. Subsequently, polymerization was initiated by injecting an aqueous ammonium persulfate solution. In order to replenish the TFE consumed by the polymerization, the TFE gas is continuously supplied to keep the pressure of the autoclave at 0.7 MPa, which corresponds to 0.70 times in mass ratio with respect to the supplied TFE. An amount of CF 2 ═CFO (CF 2 ) 2 —SO 2 F is continuously supplied to perform polymerization, and the polymerization conditions are adjusted to the optimum ranges, thereby obtaining various perfluorocarbon sulfonic acid resin precursor powders. It was. The MFI of the obtained PFSA resin precursor powder was 1.5 (g / 10 min) for both A1 and A2.

(2)パーフルオロカーボンスルホン酸樹脂、及びその分散溶液の作製
得られたPFSA樹脂前駆体粉末を、水酸化カリウム(15質量%)とメチルアルコール(50質量%)を溶解した水溶液中に、80℃で20時間接触させて、加水分解処理を行った。その後、60℃水中に5時間浸漬した。次に、60℃の2N塩酸水溶液に1時間浸漬させる処理を、毎回塩酸水溶液を更新して5回繰り返した後、イオン交換水で水洗、乾燥した。これにより、スルホン酸基(SO3H)を有し、式(1)で表される構造を有するPFSA樹脂を得た。得られたPFSA樹脂のEWは、それぞれ、A1が527(g/eq)、A2が910(g/eq)であった。
(2) Preparation of perfluorocarbon sulfonic acid resin and dispersion thereof The obtained PFSA resin precursor powder was dissolved in an aqueous solution in which potassium hydroxide (15% by mass) and methyl alcohol (50% by mass) were dissolved at 80 ° C. For 20 hours to perform hydrolysis treatment. Then, it was immersed in 60 degreeC water for 5 hours. Next, the treatment of immersing in a 2N aqueous hydrochloric acid solution at 60 ° C. for 1 hour was repeated 5 times by updating the aqueous hydrochloric acid solution every time, and then washed with ion-exchanged water and dried. Thereby, a PFSA resin having a sulfonic acid group (SO 3 H) and a structure represented by the formula (1) was obtained. The EW of the obtained PFSA resin was 527 (g / eq) for A1 and 910 (g / eq) for A2.

得られたPFSA樹脂を、エタノール水溶液(水:エタノール=50:50(質量比))と共に5Lオートクレーブ中に入れて密閉し、翼で攪拌しながら160℃まで昇温して5時間保持した。その後、オートクレーブを自然冷却して、5質量%の均一なPFSA樹脂分散液を作製した。次に、これらの100gのPFSA樹脂分散液に純水100gを添加、攪拌した後、この液を80℃に加熱、攪拌しながら、固形分濃度が20質量%になるまで濃縮した。
得られたPFSA樹脂分散液を、上記同様の順に、分散液(ASF1)、分散液(ASF2)とした。
The obtained PFSA resin was placed in a 5 L autoclave together with an aqueous ethanol solution (water: ethanol = 50: 50 (mass ratio)), sealed, heated to 160 ° C. with stirring with a blade, and held for 5 hours. Thereafter, the autoclave was naturally cooled to prepare a 5% by mass uniform PFSA resin dispersion. Next, 100 g of pure water was added to 100 g of these PFSA resin dispersions and stirred, and then the liquid was concentrated to a solid content concentration of 20% by mass while heating and stirring at 80 ° C.
The obtained PFSA resin dispersion was used as dispersion (ASF1) and dispersion (ASF2) in the same order as described above.

(3)電解質膜の作製
得られた分散液(ASF1及びASF2)を、公知の通常の方法にて、担体シートであるポリイミド製フィルム上にキャストし、120℃(20分)の熱風を当てて、溶媒をほぼ完全に飛ばし、乾燥させることにより膜を得た。
得られた膜の平衡含水率は、ASF1から得られた膜は23質量%、ASF2から得られた膜は7質量%であった。25℃水中3時間における電解質膜の最大含水率は、ASF1から得られた膜は50質量%、ASF2から得られた膜は15質量%であった。ここで、最大含水率は、平衡含水率測定時に観測される最大値を示す。
次に、ASF2から得られた膜を中間層、ASF1から得られた膜を外層として、外層−中間層−外層の順に、積層し、25℃、真空ラミネーターにより貼り合わせることにより、3層構造を有する電解質膜を得た。
これを更に、160℃10分の条件下における熱風空気雰囲気下で、熱処理することにより膜厚50μmの電解質膜を得た。得られた電解質膜の上記熱処理前後のEWは、その変化率が0.2〜0.3%程度であった。
(3) Production of electrolyte membrane The obtained dispersion liquid (ASF1 and ASF2) was cast on a polyimide film as a carrier sheet by a known ordinary method, and hot air at 120 ° C. (20 minutes) was applied. The film was obtained by almost completely removing the solvent and drying.
The equilibrium water content of the obtained membrane was 23% by mass for the membrane obtained from ASF1, and 7% by mass for the membrane obtained from ASF2. The maximum water content of the electrolyte membrane in water at 25 ° C. for 3 hours was 50% by mass for the membrane obtained from ASF1, and 15% by mass for the membrane obtained from ASF2. Here, the maximum moisture content indicates the maximum value observed when measuring the equilibrium moisture content.
Next, the film obtained from ASF2 is used as the intermediate layer, the film obtained from ASF1 is used as the outer layer, and the outer layer-intermediate layer-outer layer are laminated in this order, and bonded together at 25 ° C. with a vacuum laminator to form a three-layer structure. An electrolyte membrane was obtained.
This was further heat-treated in a hot air atmosphere at 160 ° C. for 10 minutes to obtain an electrolyte membrane having a thickness of 50 μm. The change rate of EW before and after the heat treatment of the obtained electrolyte membrane was about 0.2 to 0.3%.

次に電解質膜を、バナジウムレドックスフロー二次電池の隔膜として用いて充放電試験を行った。電解液中で充分平衡にしてから充放電実験を行い、その後安定な状態にしてから、セル電気抵抗率及び電流効率を測定した。電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は98.3/0.95であり、優れた傾向が見られた。 Next, a charge / discharge test was performed using the electrolyte membrane as a diaphragm of a vanadium redox flow secondary battery. A charge / discharge experiment was performed after sufficiently equilibrating in the electrolytic solution, and then the cell electrical resistivity and current efficiency were measured after the battery was stabilized. The current efficiency (%) / cell electrical resistivity (Ω · cm 2 ) was 98.3 / 0.95, indicating an excellent tendency.

次に、充放電を200サイクル実施してその変化を調べることにより耐久試験を行った。その結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は98.2/0.95と変化が極めて小さく、耐酸化性に優れていた。 Next, an endurance test was performed by carrying out 200 cycles of charge / discharge and examining the change. As a result, the current efficiency (%) / cell electrical resistivity (Ω · cm 2 ) was 98.2 / 0.95, showing a very small change and excellent oxidation resistance.

(実施例2)
中間層を構成する電解質ポリマーとして20%PFSA樹脂分散液(ASF2)の代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050、膜平衡含水率4質量%)を用いたこと以外は実施例1と同様にして電解質膜を得た。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は97.5/0.90であった。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率が97.3%、セル電気抵抗が0.90Ω・cm2であった。
(Example 2)
Example 1 except that Nafion DE2021 (manufactured by DuPont, 20% solution, EW1050, membrane equilibrium water content 4% by mass) was used instead of the 20% PFSA resin dispersion (ASF2) as the electrolyte polymer constituting the intermediate layer. In the same manner, an electrolyte membrane was obtained.
In addition, as a result of conducting a charge / discharge test in the same manner as in Example 1, the current efficiency (%) / cell electrical resistivity (Ω · cm 2 ) was 97.5 / 0.90. Further, as a durability test, as a result of performing 200 cycles of charge and discharge, the current efficiency was 97.3% and the cell electric resistance was 0.90 Ω · cm 2 .

(比較例1)
外層を構成する電解質ポリマーとして20%PFSA樹脂分散液(ASF1)の代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050、膜平衡含水率4質量%)を用い、中間層を構成する電解質ポリマーとして20%PFSA樹脂分散液(ASF2)の代わりにナフィオンDE2020(デュポン社製、20%溶液、EW970、膜平衡含水率6質量%)を用いこと以外は実施例1と同様にして電解質膜を得た。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は94.5/1.20であり、実施例と比較して劣っていた。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率が86.0%、セル電気抵抗が1.30Ω・cm2であり、耐久性についても実施例と比較して劣っていた。
(Comparative Example 1)
As the electrolyte polymer constituting the outer layer, Nafion DE2021 (manufactured by DuPont, 20% solution, EW1050, membrane equilibrium water content 4% by mass) is used instead of the 20% PFSA resin dispersion (ASF1), and the electrolyte polymer constituting the intermediate layer In the same manner as in Example 1 except that Nafion DE2020 (manufactured by DuPont, 20% solution, EW970, membrane equilibrium water content 6 mass%) is used instead of the 20% PFSA resin dispersion (ASF2). It was.
Moreover, as a result of conducting the charge / discharge test by the same method as in Example 1, the current efficiency (%) / cell electrical resistivity (Ω · cm 2 ) was 94.5 / 1.20, which was compared with that of the Example. It was inferior. Moreover, as a result of carrying out 200 cycles of charging / discharging as an endurance test, the current efficiency was 86.0%, the cell electric resistance was 1.30 Ω · cm 2 , and the durability was inferior to that of the examples.

(比較例2)
外層を構成する電解質ポリマーとして20%PFSA樹脂分散液(ASF1)の代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050、膜平衡含水率4質量%)を用い、中間層を構成する電解質ポリマーとして20%PFSA樹脂分散液(ASF2)の代わりにナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050、膜平衡含水率4質量%)を用いこと以外は実施例1と同様にして電解質膜を得た。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は93.2/1.22であり、実施例と比較して劣っていた。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率が84.3%、セル電気抵抗が1.40Ω・cm2であり、耐久性についても実施例と比較して劣っていた。
(Comparative Example 2)
As the electrolyte polymer constituting the outer layer, Nafion DE2021 (manufactured by DuPont, 20% solution, EW1050, membrane equilibrium water content 4% by mass) is used instead of the 20% PFSA resin dispersion (ASF1), and the electrolyte polymer constituting the intermediate layer In the same manner as in Example 1, except that Nafion DE2021 (manufactured by DuPont, 20% solution, EW1050, membrane equilibrium water content 4 mass%) is used instead of the 20% PFSA resin dispersion (ASF2). It was.
In addition, as a result of conducting a charge / discharge test in the same manner as in Example 1, the current efficiency (%) / cell electrical resistivity (Ω · cm 2 ) was 93.2 / 1.22, which was compared with that of the Example. It was inferior. Moreover, as a durability test, as a result of carrying out 200 cycles of charging and discharging, the current efficiency was 84.3%, the cell electric resistance was 1.40 Ω · cm 2 , and the durability was inferior to that of the examples.

(比較例3)
中間層を構成する電解質ポリマーとしてナフィオンDE2021(デュポン社製、20%溶液、EW1050、膜平衡含水率4質量%)の代わりに20%PFSA樹脂分散液(ASF1)を用いたこと以外は比較例2と同様にして電解質膜を得た。
また、実施例1と同様の方法により充放電試験を行った結果、電流効率(%)/セル電気抵抗率(Ω・cm2)は95.1/1.15であり、実施例と比較して劣っていた。また、耐久試験として、充放電を200サイクル実施した結果、電流効率が89.8%、セル電気抵抗が1.20Ω・cm2であり、耐久性についても実施例と比較して劣っていた。
(Comparative Example 3)
Comparative Example 2 except that 20% PFSA resin dispersion (ASF1) was used instead of Nafion DE2021 (DuPont, 20% solution, EW1050, membrane equilibrium water content 4% by mass) as the electrolyte polymer constituting the intermediate layer In the same manner, an electrolyte membrane was obtained.
Moreover, as a result of conducting the charge / discharge test by the same method as in Example 1, the current efficiency (%) / cell electrical resistivity (Ω · cm 2 ) was 95.1 / 1.15, which was compared with that of the Example. It was inferior. In addition, as a durability test, as a result of performing 200 cycles of charging and discharging, the current efficiency was 89.8%, the cell electric resistance was 1.20 Ω · cm 2 , and the durability was inferior to that of the examples.

表1に、上記実施例1〜2及び比較例1〜3の結果を示す。   Table 1 shows the results of Examples 1-2 and Comparative Examples 1-3.

本発明の電解質膜は、イオンの選択透過性に優れ、電気抵抗も低く、耐久性(主に、ヒドロキシラジカル耐酸化性)にも優れており、レドックスフロー二次電池用の隔膜としての産業上利用可能性を有する。   The electrolyte membrane of the present invention has excellent ion selective permeability, low electrical resistance, and excellent durability (mainly hydroxyl radical oxidation resistance), and is industrially used as a diaphragm for redox flow secondary batteries. Has availability.

1 正極
2 正極セル室
3 負極
4 負極セル室
5 電解質膜
6 電解槽
7 正極電解液タンク
8 負極電解液タンク
9 交直変換装置
10 レドックスフロー二次電池
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Positive electrode 2 Positive electrode cell chamber 3 Negative electrode 4 Negative electrode cell chamber 5 Electrolyte membrane 6 Electrolyzer 7 Positive electrode electrolyte tank 8 Negative electrode electrolyte tank 9 AC / DC converter 10 Redox flow secondary battery

Claims (8)

炭素電極からなる正極を含む正極セル室と、
炭素電極からなる負極を含む負極セル室と、
前記正極セル室と、前記負極セル室とを隔離分離させる、隔膜としての電解質膜と、
を含む電解槽を有し、
前記正極セル室は活物質を含む正極電解液を、前記負極セル室は活物質を含む負極電解液を含み、
前記電解液中の活物質の価数変化に基づき充放電するレドックスフロー二次電池であって、
前記電解質膜が下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、
前記電解質膜が3層以上の積層構造を有し、正極及び負極に隣接する外層の平衡含水率が、正極にも負極にも隣接しない中間層の平衡含水率よりも高い、レドックスフロー二次電池。
−[CF2CX12a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
A positive electrode cell chamber including a positive electrode made of a carbon electrode;
A negative electrode cell chamber including a negative electrode made of a carbon electrode;
An electrolyte membrane as a diaphragm for separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative electrode cell chamber;
Having an electrolytic cell containing
The positive electrode cell chamber contains a positive electrode electrolyte containing an active material, and the negative electrode cell chamber contains a negative electrode electrolyte containing an active material,
A redox flow secondary battery that charges and discharges based on a valence change of an active material in the electrolyte solution,
The electrolyte membrane includes an ion exchange resin composition mainly composed of a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a structure represented by the following formula (1):
The redox flow secondary battery in which the electrolyte membrane has a laminated structure of three or more layers, and the equilibrium water content of the outer layer adjacent to the positive electrode and the negative electrode is higher than the equilibrium water content of the intermediate layer not adjacent to the positive electrode or the negative electrode .
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF ((- O-CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2 ) f −X 4 )] g − (1)
(In the formula (1), X 1, X 2 and X 3 are each independently, .X 4 indicating one or more members selected from the group consisting of perfluoroalkyl group having halogen atoms and 1 to 3 carbon atoms Represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Any one or more selected, where X 4 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different, R 1 and R 2 are each independently a halogen atom, Selected from the group consisting of C1-C10 perfluoroalkyl groups and fluorochloroalkyl groups A and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1, b is an integer of 0 to 8, and c is 0 or 1. D, e and f each independently represent an integer of 0 to 6 (provided that d, e and f are not 0 at the same time).
前記レドックスフロー二次電池は、バナジウムを含む硫酸電解液を、正極及び負極電解液として用いたバナジウム系レドックスフロー二次電池である、請求項1記載のレドックスフロー二次電池。   The redox flow secondary battery according to claim 1, wherein the redox flow secondary battery is a vanadium redox flow secondary battery using a sulfuric acid electrolyte containing vanadium as a positive electrode and a negative electrode electrolyte. 前記フッ素系高分子電解質ポリマーは、下記式(2)で表される構造を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA)である、請求項1又は2記載のレドックスフロー二次電池。
−[CF2CF2a−[CF2−CF((−O−(CF2m−X4)]g− (2)
(式(2)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示し、mは1〜6の整数を示し、X4はSO3Hを示す。)
The redox flow secondary battery according to claim 1 or 2, wherein the fluorine-based polymer electrolyte polymer is a perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA) having a structure represented by the following formula (2).
- [CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF ((- O- (CF 2) m -X 4)] g - (2)
(In the formula (2), a and g represents a number satisfying 0 ≦ a <1,0 <g ≦ 1, a + g = 1, m represents an integer of 1 to 6, the X 4 is SO 3 H Show.)
前記外層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜900g/eq、前記中間層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量が600〜1300g/eqであり、前記外層の平衡含水率が15〜150質量%、前記中間層の平衡含水率が0.1〜100質量%である、請求項1〜3のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池。   Equivalent mass EW (dry mass in grams per equivalent of ion-exchange groups) of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the outer layer is 300 to 900 g / eq, equivalent mass of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the intermediate layer Is 600 to 1300 g / eq, the equilibrium moisture content of the outer layer is 15 to 150 mass%, and the equilibrium moisture content of the intermediate layer is 0.1 to 100 mass%. The redox flow secondary battery as described. 下記式(1)で表される構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーを主体とするイオン交換樹脂組成物を含み、且つ、
3層以上の積層構造を有し、正極及び負極に隣接する外層の平衡含水率が、正極にも負極にも隣接しない中間層の平衡含水率よりも高いレドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2CX12a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− (1)
(式(1)中、X1、X2及びX3は、それぞれ独立して、ハロゲン原子及び炭素数1〜3のパーフルオロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。X4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。Zは、水素原子、アルカリ金属原子、アルカリ土類金属原子、又はアミン類(NH4、NH31、NH212、NHR123、NR1234)を示す。R1、R2、R3及びR4は、それぞれ独立して、アルキル基及びアレーン基からなる群から選択されるいずれか1種以上を示す。ここで、X4がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。R1及びR2は、それぞれ独立して、ハロゲン原子、炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基及びフルオロクロロアルキル基からなる群から選択される1種以上を示す。a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示す。bは0〜8の整数を示す。cは0又は1を示す。d、e及びfは、それぞれ独立して、0〜6の整数を示す(ただし、d、e及びfは同時に0ではない。)。)
An ion exchange resin composition mainly comprising a fluorine-based polymer electrolyte polymer having a structure represented by the following formula (1);
An electrolyte membrane for a redox flow secondary battery having a laminated structure of three or more layers, wherein an equilibrium water content of an outer layer adjacent to the positive electrode and the negative electrode is higher than an equilibrium water content of an intermediate layer not adjacent to the positive electrode or the negative electrode.
- [CF 2 CX 1 X 2 ] a - [CF 2 -CF ((- O-CF 2 -CF (CF 2 X 3)) b -O c - (CFR 1) d - (CFR 2) e - ( CF 2 ) f −X 4 )] g − (1)
(In the formula (1), X 1, X 2 and X 3 are each independently, .X 4 indicating one or more members selected from the group consisting of perfluoroalkyl group having halogen atoms and 1 to 3 carbon atoms Represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ, where Z is a hydrogen atom, an alkali metal atom, an alkaline earth metal atom, or an amine (NH 4 , NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , NR 1 R 2 R 3 R 4 ), R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are each independently selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. Any one or more selected, where X 4 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different, R 1 and R 2 are each independently a halogen atom, From the group consisting of a C 1-10 perfluoroalkyl group and a fluorochloroalkyl group A and g are numbers satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, and a + g = 1, b is an integer of 0 to 8, and c is 0 or 1 D, e and f each independently represent an integer of 0 to 6 (provided that d, e and f are not 0 at the same time).
前記フッ素系高分子電解質ポリマーは、下記式(2)で表される構造を有するパーフルオロカーボンスルホン酸樹脂(PFSA)である、請求項5記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。
−[CF2CF2a−[CF2−CF((−O−(CF2m−X4)]g− (2)
(式(2)中、a及びgは、0≦a<1、0<g≦1、a+g=1を満たす数を示し、mは1〜6の整数を示し、X4はSO3Hを示す。)
The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery according to claim 5, wherein the fluoropolymer electrolyte polymer is a perfluorocarbon sulfonic acid resin (PFSA) having a structure represented by the following formula (2).
- [CF 2 CF 2] a - [CF 2 -CF ((- O- (CF 2) m -X 4)] g - (2)
(In the formula (2), a and g represents a number satisfying 0 ≦ a <1,0 <g ≦ 1, a + g = 1, m represents an integer of 1 to 6, the X 4 is SO 3 H Show.)
前記外層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量EW(イオン交換基1当量あたりの乾燥質量グラム数)が300〜900g/eq、前記中間層を構成するフッ素系高分子電解質ポリマーの当量質量が600〜1300g/eqであり、前記外層の電解質膜の平衡含水率が15〜150質量%、前記中間層の平衡含水率が0.1〜100質量%である、請求項5又は6記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。   Equivalent mass EW (dry mass in grams per equivalent of ion-exchange groups) of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the outer layer is 300 to 900 g / eq, equivalent mass of the fluorine-based polymer electrolyte polymer constituting the intermediate layer Is 600 to 1300 g / eq, the equilibrium moisture content of the electrolyte membrane of the outer layer is 15 to 150 mass%, and the equilibrium moisture content of the intermediate layer is 0.1 to 100 mass%. Electrolyte membrane for redox flow secondary battery. 前記電解質膜は、130〜200℃にて1〜60分間加熱処理されたものである、請求項5〜7のいずれか1項記載のレドックスフロー二次電池用電解質膜。   The electrolyte membrane for a redox flow secondary battery according to any one of claims 5 to 7, wherein the electrolyte membrane is heat-treated at 130 to 200 ° C for 1 to 60 minutes.
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