JP2014157793A - 高濃度バナジウム電解液、その製造方法及びその製造装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】1.7mol/Lを超え、3.5mol/L以下の範囲内のバナジウムイオンを含有する硫酸水溶液である高濃度バナジウム電解液によって上記課題を解決する。このバナジウム電解液は、バナジウム塩と仕立て水とを混ぜて前記バナジウム塩を溶解した第1溶液が調製され、前記第1溶液をプレ電解しながら当該第1溶液に硫酸を加えて第2溶液が調製され、前記第2溶液そのもの、又は前記第2溶液を最終的な総量に調整するための仕立て水又は仕立て硫酸を当該第2溶液に加えて調製されたものである。
【選択図】図1
Description
本発明に係る高濃度バナジウム電解液(以下、単に「バナジウム電解液」ともいう。)は、1.7mol/Lを超え、3.5mol/L以下の範囲内のバナジウムイオンを含有する硫酸水溶液である。バナジウムイオンが4価又は5価のバナジウムイオンである場合は、バナジウム電解液は陽極用のバナジウム電解液として用いられ、バナジウムイオンが2価〜4価のバナジウムイオンである場合は、バナジウム電解液は陰極用のバナジウム電解液として用いられる。特に本発明に係る高濃度バナジウム電解液は、充電時の酸化反応でスラッジが生じ易い傾向がある陽極用のバナジウム電解液として用いた場合であっても、スラッジが発生しにくい。また、後述する高濃度バナジウム電解液の製造方法の説明欄に記載のように、バナジウム電解液は、調製時に析出物の発生がない。
(バナジウムイオン濃度)
バナジウム電解液中のバナジウムイオン濃度は、1.7mol/Lを超え、3.5mol/L以下の範囲内である。この範囲内のバナジウムイオン濃度のバナジウム電解液は、エネルギー密度が高く、充放電効率のよい高濃度バナジウム電解液となる。本発明に係る高濃度バナジウム電解液は、このような高いバナジウムイオン濃度であっても、後述するように、その調製時にバナジウム塩が析出しない。
硫酸濃度は、0.5mol/L以上、4mol/L以下の範囲内であることが好ましい。硫酸濃度をこの範囲内のいずれの濃度に調整するかは、バナジウム電解液の電気伝導性、粘度、安定性、バナジウムイオン濃度、バナジウム塩の溶解性等が考慮される。硫酸濃度をこの範囲内にすることにより、バナジウム電解液の電気伝導性を高めることができ、充放電効率を高めることができる。
溶存酸素は、バナジウム電解液中で5ppm以下であることが好ましく、1ppm以下であることがより好ましく、0.5ppm以下であることが特に好ましい。5ppm以下の溶存酸素濃度にすることにより、その溶存酸素に由来した過酸化バナジウムや酸化バナジウム等のスラッジの発生を抑制することができる。また、1ppm以下、特に0.5ppm以下の溶存酸素濃度にすることにより、スラッジの発生をより一層抑制することができる。
バナジウム電解液は、析出物やスラッジの発生を抑制するための添加剤が含まれていてもよい。添加剤としては、各種のものを挙げることができ、特に限定されない。添加剤がバナジウム電解液に含まれていることにより、バナジウム電解液の充放電時に起こり易いスラッジの発生を抑制することができる。また、添加剤は、バナジウム電解液の調製時、常温での保管時及び常温を超える温度での保管時のいずれかの場合における析出物やスラッジの発生を抑制するものであってもよい。
バナジウム電解液には、溶液調製時に用いるバナジウム塩に含まれる不純物が含まれていてもよい。そうした不純物としては、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、鉄、ケイ素及びクロムのうち1又は2以上の元素を挙げることができる。そうした不純物の含有量は、スラッジ等の発生を抑制する観点からは少ないことが好ましく、例えば合計0.4質量%未満であることが好ましい。また、これら以外の微量(例えば0.05質量%以下程度)の不可避不純物が含まれていてもよい。
上記した組成のバナジウム電解液は、(a)バナジウム塩と仕立て水とを混ぜて前記バナジウム塩を溶解した第1溶液が調製され、(b)その第1溶液をプレ電解しながら当該第1溶液に硫酸を加えて第2溶液が調製され、(c1)その第2溶液が最終的な目標液量に調製されている場合にはその第2溶液そのものであり、(c2)その第2溶液が最終的な目標液量に調製されていない場合にはその第2溶液を最終的な総量に調整するための仕立て水又は仕立て硫酸を当該第2溶液に加えて調製されたものである。
本発明に係る高濃度バナジウム電解液を調製するためのバナジウム塩は、通常、酸化硫酸バナジウム水和物が用いられる。この酸化硫酸バナジウム水和物の純度は特に限定されないが、スラッジ等の発生を抑制する観点からは、表1に示すように、純度が99.5質量%以上であり、酸化アルミニウム、酸化カルシウム、酸化ナトリウム、酸化カリウム、酸化鉄、酸化ケイ素及び酸化クロムから選ばれる1又は2以上の不純物化合物が合計0.5質量%未満のものを用いることが好ましい。このバナジウム塩に含まれる不純物濃度(0.5質量%)と、上記したバナジウム電解液中の不純物濃度(0.4質量%)とが異なるのは、バナジウム塩の不純物化合物は酸化物を構成しているためである。こうした酸化硫酸バナジウム水和物は、市販のものを購入して用いてもよいし、純度のやや低い酸化硫酸バナジウム水和物を再結晶、濾過、蒸留等の操作により精製して用いてもよい。なお、硫酸バナジウム水和物に含まれる不純物化合物の同定と含有量は、蛍光X線分析法、イオンクロマトグラフィー、ICP質量分析法等で得た結果から求めることができる。
硫酸は、市販の工業用硫酸等の濃硫酸が用いられ、水は、超純水、純水、蒸留水、イオン交換水等が好ましく用いられる。
次に、上記した本発明に係る高濃度バナジウム電解液を製造するための方法と装置について説明する。
本発明に係る高濃度バナジウム電解液の製造方法は、図1及び図2に示すように、1.7mol/Lを超え、3.5mol/L以下の範囲内のバナジウムイオンを含有するバナジウム電解液を製造するための方法であって、バナジウム塩と仕立て水とを混ぜて当該バナジウム塩を溶解して第1溶液を調製する工程と、その第1溶液をプレ電解しながら当該第1溶液に硫酸を加えて第2溶液を調製する工程と、を有する。そして、使用するバナジウム電解液は、前記第2溶液が最終的な目標液量に調製されている場合にはその第2溶液そのものであり、前記第2溶液が最終的な目標液量に調製されていない場合には前記第2溶液を最終的な総量に調整するための仕立て水又は仕立て硫酸を当該第2溶液に加えて調製されたものである。
第1溶液調製工程は、バナジウム塩と仕立て水とを混ぜることにより、バナジウム塩を溶解した第1溶液を調製する工程である。具体的には、図2に例示するように、純水貯槽に貯められた純水を溶解槽に投入し、その純水にバナジウム塩を投入し、そのバナジウム塩を溶解する。このとき、純水にバナジウム塩を投入してもよいし、バナジウム塩に純水を投入してもよい。通常は、純水を撹拌しながらバナジウム塩を投入してバナジウム塩を溶解する。純水は、例えば図2の純水貯槽に蓄えられている。
第2溶液調製工程は、第1溶液をプレ電解しながら第1溶液に硫酸を加えて第2溶液を調製する工程である。この工程で得られた第2溶液は、1.7mol/L超、3.5mol/L以下の高濃度のバナジウムイオンを含む硫酸水溶液であっても、バナジウム塩の析出物が生じないという特徴がある。一方、第1溶液をプレ電解せずに硫酸を徐々に加えると、水に溶解したバナジウム塩である酸化硫酸バナジウムが析出してしまった。その理由は現時点では明確ではないが、硫酸が加えられた硫酸水溶液に対するバナジウム塩の溶解度の限界によるものと考えられる。
プレ電解は、陽極用の第1溶液と陰極用の第1溶液の両方に対して行われる。そのプレ電解は、図2の例では、陽極溶解エージング槽から陽極電解槽に送られた陽極用の第1溶液が、その陽極電解槽と第1電解スタックとの間を循環する間に行われる。また、陰極溶解エージング槽から陰極電解槽に送られた陰極用の第1溶液が、その陰極電解槽と第2電解スタックとの間を循環する間に行われる。陽極電解槽と陰極電解槽には、図2に示すように、撹拌装置、硫酸の投入口、窒素パージ手段(NP5,NP6)等を備えており、必要に応じて窒素バブリング手段を備えていてもよい。
硫酸を加え始める電極電位は、陽極用のバナジウム電解液を調製する場合には、酸化電解時の電極電位(参照電極:銀−塩化銀電極。本願において同じ。)が800mV以上、950mV以下の範囲内であることが好ましい。この電極電位の範囲内で硫酸を加え始めることにより、析出物やスラッジの発生を抑制することができる。このときの析出物は、過飽和によって析出し易い酸化硫酸バナジウム等であり、スラッジは、酸化電解によって生じ易い過酸化バナジウムや酸化バナジウム等である。
陰極用のバナジウム電解液(陰極用の第2溶液)を調製する場合も、第1溶液をプレ電解することが好ましい。陰極用の第2溶液の調製では、陰極用の第1溶液をプレ電解しながらその第1溶液に硫酸を加えればよく、硫酸を加え始める電位については上記した陽極用の第1溶液をプレ電解する場合ほど厳格ではない。その理由は、電極電位に影響する析出物の発生とスラッジの発生が陽極用の第1溶液よりも起こりにくいためである。
析出物又はスラッジの発生を抑制するための添加剤は、第1溶液に加えてもよいし、第2溶液に加えてもよい。また、第1溶液の調製や第2溶液の調製は、溶存酸素をできるだけ除去する手段を適用しながら行うことが好ましい。
バナジウム電解液調製工程は、必要に応じて設けられる工程である。この調製工程では、(A)第2溶液が最終的な目標液量に調製されていない場合には、最終的な総量に調整するための仕立て水又は仕立て硫酸を当該第2溶液に加えてバナジウム電解液を得る工程、又は、(B)第2溶液中のバナジウムイオンの価数を調整する必要がある場合には、その価数を調整してバナジウム電解液を得る工程である。
充填電解工程は、任意に適用される工程であり、上記のようにして調製された陽極用又は陰極用のバナジウム電解液を充電する工程である。具体的には、例えば、プレ電解した後の陽極用第2溶液を酸化電解して5価のバナジウムイオンを含むバナジウム電解液を得たり、プレ電解した後の陰極用第2溶液を還元電解して2価のバナジウムイオンを含むバナジウム電解液を得たりする工程である。
図2に示すバナジウム電解液の製造装置を用いて、バナジウムイオン濃度が2.5mol/Lのバナジウム電解液を、陽極用0.5L、陰極用0.5Lそれぞれ製造した。先ず、純度が99.5質量%以上の酸化硫酸バナジウム(IV)水和物582g(2.5mol/L相当)を準備し、比重1.8の濃硫酸を150mL(2.8mol/L相当)準備した。純水貯槽から仕立て水650mLを溶解槽に投入し、そこに酸化硫酸バナジウム水和物582gを投入し、撹拌して溶解し、第1溶液を調製した。
実施例1において、プレ電解及びその後の充電電解を4mA/cm2の一定電流密度で行った他は、実施例1と同様にして、実施例2のバナジウム電解液を調製した。こうしたバナジウム電解液の製造方法により、析出物やスラッジの発生のないバナジウム電解液を2.5mol/Lという高濃度で得ることができた。
図2に示すバナジウム電解液の製造装置を用いて、バナジウムイオン濃度が3.5mol/Lのバナジウム電解液を、陽極用0.5L、陰極用0.5Lそれぞれ製造した。先ず、純度が99.5質量%以上の酸化硫酸バナジウム(IV)水和物815g(3.5mol/L相当)を準備し、比重1.8の濃硫酸を200mL(3.8mol/L相当)準備した。純水貯槽から仕立て水650mLを溶解槽に投入し、そこに酸化硫酸バナジウム水和物815gを投入し、撹拌して溶解し、第1溶液を調製した。
実施例3において、プレ電解及びその後の充電電解を4mA/cm2の一定電流密度で行った他は、実施例3と同様にして、実施例4のバナジウム電解液を調製した。こうしたバナジウム電解液の製造方法により、析出物やスラッジの発生のないバナジウム電解液を3.5mol/Lという高濃度で得ることができた。
図2に示すバナジウム電解液の製造装置を用いて、バナジウムイオン濃度が1.8mol/Lのバナジウム電解液を、陽極用0.5L、陰極用0.5Lそれぞれ製造した。先ず、純度が99.5質量%以上の酸化硫酸バナジウム(IV)水和物408g(1.8mol/L相当)を準備し、比重1.8の濃硫酸を140mL(2.6mol/L相当)準備した。純水貯槽から仕立て水850mLを溶解槽に投入し、そこに酸化硫酸バナジウム水和物408gを投入し、撹拌して溶解し、第1溶液を調製した。
実施例5において、プレ電解及びその後の充電電解を4mA/cm2の一定電流密度で行った他は、実施例5と同様にして、実施例6のバナジウム電解液を調製した。こうしたバナジウム電解液の製造方法により、析出物やスラッジの発生のないバナジウム電解液を1.8mol/Lという高濃度で得ることができた。
実施例1において、プレ電解を行わないで、陽極用の第1溶液と陰極用の第1溶液とにそれぞれ硫酸を加えたところ、いずれの第1溶液も直ちに青色の析出物が発生した。析出物が発生した電解液は、その後に充放電することはできなかった。
実施例1において、陽極用の第1溶液をプレ電解しながら硫酸を投入する電極電位を、750mVとした。硫酸を加え始めたところ、青色の再溶解不能な析出物が発生し、循環ができなかった。
実施例1において、陽極用の第1溶液をプレ電解しながら硫酸を投入する電極電位を、1000mVとした。電極電位が850mVを超える付近から生じた糊状浮遊物が溶解不能なスラッジとなり、循環ができなかった。
実施例3において、プレ電解を行わないで、陽極用の第1溶液と陰極用の第1溶液とにそれぞれ硫酸を加えたところ、いずれの第1溶液も直ちに青色の析出物が発生した。析出物が発生した電解液は、その後に充放電することはできなかった。
実施例3において、陽極用の第1溶液をプレ電解しながら硫酸を投入する電極電位を、780mVとした。硫酸を加え始めたところ、青色の再溶解不能な析出物が発生し、循環ができなかった。
実施例3において、陽極用の第1溶液をプレ電解しながら硫酸を投入する電極電位を、1000mVとした。電極電位が900mVを超える付近から生じた糊状浮遊物が溶解不能なスラッジとなり、循環ができなかった。
実施例5において、プレ電解を行わないで、陽極用の第1溶液と陰極用の第1溶液とにそれぞれ硫酸を加えたところ、いずれの第1溶液も直ちに青色の析出物が発生した。析出物が発生した電解液は、その後に充放電することはできなかった。
実施例5において、陽極用の第1溶液をプレ電解しながら硫酸を投入する電極電位を、760mVとした。硫酸を加え始めたところ、青色の再溶解不能な析出物が発生し、循環ができなかった。
実施例5において、陽極用の第1溶液をプレ電解しながら硫酸を投入する電極電位を、1000mVとした。電極電位が820mVを超える付近から生じた糊状浮遊物が溶解不能なスラッジとなり、循環ができなかった。
Claims (11)
- 1.7mol/Lを超え、3.5mol/L以下の範囲内のバナジウムイオンを含有する硫酸水溶液であることを特徴とするバナジウム電解液。
- 前記バナジウムイオンが、4価又は5価のバナジウムイオンである、請求項1に記載のバナジウム電解液。
- 溶存酸素が5ppm以下であること、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、鉄、ケイ素及びクロムのうち1又は2以上の元素が合計0.4質量%未満の酸化硫酸バナジウム(VOSO4・nH2O)をバナジウム塩として用いること、又は、析出物又はスラッジの発生を抑制するための添加剤が含まれていること、のいずれかである、請求項1又は2に記載のバナジウム電解液。
- バナジウム塩と仕立て水とを混ぜて前記バナジウム塩を溶解した第1溶液が調製され、
前記第1溶液をプレ電解しながら当該第1溶液に硫酸を加えて第2溶液が調製され、
前記第2溶液そのもの、又は前記第2溶液を最終的な総量に調整するための仕立て水又は仕立て硫酸を当該第2溶液に加えて調製されたものである、請求項1〜3のいずれか1項に記載のバナジウム電解液。 - 前記プレ電解は、定電流電解又は定電圧電解である、請求項4に記載のバナジウム電解液。
- 前記硫酸を加え始める前記プレ電解の電極電位は、陽極用のバナジウム電解液を調製する場合には酸化電解時の電極電位(参照電極:銀−塩化銀電極)が800mV以上、950mV以下の範囲内である、請求項4又は5に記載のバナジウム電解液。
- 1.7mol/Lを超え、3.5mol/L以下の範囲内のバナジウムイオンを含有するバナジウム電解液の製造方法であって、
バナジウム塩と仕立て水とを混ぜて当該バナジウム塩を溶解して第1溶液を調製する工程と、
前記第1溶液をプレ電解しながら当該第1溶液に硫酸を加えて第2溶液を調製する工程と、を有することを特徴とするバナジウム電解液の製造方法。 - 溶存酸素が5ppm以下であること、アルミニウム、カルシウム、ナトリウム、カリウム、鉄、ケイ素及びクロムのうち1又は2以上の元素が合計0.4質量%未満の酸化硫酸バナジウム(VOSO4・nH2O)をバナジウム塩として用いること、又は、析出物又はスラッジの発生を抑制するための添加剤を含むこと、のいずれかである、請求項7に記載のバナジウム電解液の製造方法。
- 前記プレ電解は、定電流電解又は定電圧電解である、請求項7又は8に記載のバナジウム電解液の製造方法。
- 前記硫酸を加え始める前記プレ電解の電極電位は、陽極用のバナジウム電解液を調製する場合には酸化電解時の電極電位(参照電極:銀−塩化銀電極)が800mV以上、950mV以下の範囲内である、請求項7〜9のいずれか1項に記載のバナジウム電解液の製造方法。
- 1.7mol/Lを超え、3.5mol/L以下の範囲内のバナジウムイオンを含有するバナジウム電解液の製造装置であって、
バナジウム塩と仕立て水とを混ぜて当該バナジウム塩を溶解した第1溶液が調製され、当該第1溶液をプレ電解しながら当該第1溶液に硫酸を加えて第2溶液が調製され、前記第2溶液そのものをバナジウム電解液として収容し、又は前記第2溶液を最終的な総量に調整するための仕立て水又は仕立て硫酸を当該第2溶液に加えて調製されたものをバナジウム電解液として収容する溶液槽と、
前記第1溶液をプレ電解するためのプレ電解装置と、を少なくとも備えることを特徴とするバナジウム電解液の製造装置。
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