JP2019102225A - Separating membrane for redox flow battery and redox flow battery - Google Patents

Separating membrane for redox flow battery and redox flow battery Download PDF

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拓己 石居
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健太朗 菊池
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Abstract

To provide a separating membrane for a redox flow battery, which is superior in proton permeability and which can serve to suppress the transmission of an active material, and to provide a redox flow battery superior in energy efficiency.SOLUTION: A separating membrane for a redox flow battery according to the present invention comprises: a resin layer including an ion-exchange resin; and a hydrophobic layer which is 110° or more in the contact angle with respect to water. At least one of outermost layers of the separating membrane of a redox flow battery is the hydrophobic layer. A redox flow battery according to the invention comprises an electrolytic cell including a positive electrode cell chamber having a positive electrode including a carbon electrode, a negative electrode cell chamber having a negative electrode including a carbon electrode, and a separating membrane for a redox flow battery which isolates the positive and negative electrode cell chambers from each other. The separating membrane for a redox flow battery has a resin layer including an ion-exchange resin, and a hydrophobic layer which is 110° or more in the contact angle with respect to water. At least one of the outermost layers of the separating membrane for a redox flow battery is the hydrophobic layer.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明はレドックスフロー電池用隔膜及びレドックスフロー電池に関する。   The present invention relates to a redox flow battery diaphragm and a redox flow battery.

レドックスフロー電池とは、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。レドックスフロー電池は、正極と正極活物質を含む正極電解液(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、隔膜で隔離した構造をしており、両活物質の酸化還元反応を利用して充放電を行う。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ることで大容量化することができ、大型化に適している。   The redox flow battery is one that stores and discharges electricity, and belongs to a large stationary battery used for leveling the amount of electricity used. The redox flow battery has a structure in which a positive electrode electrolyte solution (positive electrode cell) containing a positive electrode and a positive electrode active material and a negative electrode electrolyte solution (negative electrode cell) containing a negative electrode and a negative electrode active material are separated by a diaphragm. Charge and discharge are performed using the redox reaction of a substance. It is possible to increase the capacity by circulating the electrolytic solution containing both active materials from the storage tank to the electrolytic cell, which is suitable for the enlargement.

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。特に、バナジウム系二次電池は起電力が高く、バナジウムイオンの電極反応が速く、副反応である水素発生量が少なく、出力が高い等の利点を有するため、開発が本格的に進められている。   As the active material contained in the electrolytic solution, for example, iron-chromium-based, chromium-bromine-based, zinc-bromine-based, vanadium-based that utilizes the difference in charge, and the like are used. In particular, vanadium-based secondary batteries have advantages such as high electromotive force, quick electrode reaction of vanadium ions, small amount of hydrogen generation as a side reaction, high output etc. .

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、従来の隔膜には、酸化されやすいこと、電気抵抗が充分に低くないこと等の問題点がある。電池の電流効率を上げるために、両極のセル電解液に含まれるそれぞれの活物質の透過(両極電解液中の電解質のコンタミネーション)を可能な限り防ぐことが要求されるが、一方で電荷を運ぶプロトンは充分透過しやすいという、イオン選択透過性に優れた隔膜が要求される。   Further, the diaphragm is devised so that the electrolyte containing the active material of both electrodes does not mix. However, conventional diaphragms have problems such as being easily oxidized and not sufficiently low in electric resistance. In order to increase the current efficiency of the battery, it is required to prevent permeation of each active material contained in the cell electrolyte of both electrodes (contamination of the electrolyte in the bipolar electrolyte) as much as possible. A membrane having excellent ion selective permeability is required that easily transports protons easily.

バナジウム型レドックスフロー電池では、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。このように、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、電気的プロセスによって再生可能であり、他の金属種に比べて大きな問題にはなり難い。しかし活物質が透過すると、蓄電された電荷が無駄になり電流効率が低下するため、活物質は透過しないほうが望ましい。 The vanadium type redox flow battery, divalent vanadium in the negative cell and (V 2+) / 3-valent (V 3+), 4-valent vanadium in the positive cell (V 4+) / 5-valent (V 5+) It uses a redox reaction. As described above, since the electrolytes of the positive electrode cell and the negative electrode cell are metal ion species of the same type, even if the electrolyte solution is mixed through the diaphragm, it can be regenerated by the electrical process, compared with other metal species. It is hard to be a big problem. However, when the active material permeates, the stored charge is wasted and the current efficiency decreases, so it is desirable that the active material not permeate.

従来、様々なタイプの隔膜(以下、単に「膜」ともいう。)を利用したレドックスフロー電池があり、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、レドックスフロー電池用隔膜として、ポリテトラフルオロエチレン(以下、「PTFE」ともいう。)多孔膜、ポリオレフィン(以下、「PO」ともいう。)系多孔膜、PO系不織布などが開示されている。
特許文献2には、レドックスフロー電池の充放電エネルギー効率の改善と隔膜の機械的強度の改善を目的として、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。
特許文献3には、レドックスフロー電池の充放電エネルギー効率の改善を目的として、イオン透過性に優れた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。
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)を利用することにより、バナジウムレドックス電池の電流効率が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。
特許文献5には、レドックスフロー電池の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おり、実施例ではデュポン社製のナフィオン(登録商標)N117やポリスルホン系イオン交換膜が隔膜として記載されている。
特許文献6には、ポリプロピレン(以下、「PP」ともいう。)などの多孔膜の孔に親水性樹脂を塗布した隔膜を有する、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、登録商標ナフィオン)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の共重合体である。
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るなど、電極の改良により、セル電気抵抗を低減すると共に、電流効率を向上させたバナジウム系レドックスフロー二次電池の例が開示されている。
特許文献8には、セル電気抵抗を低減し、電力効率等を向上することを目的として、隔膜として、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など)とを交互に積層してなる膜を用い、かつ当該膜の正極電解液と接する側にカチオン交換膜を配したレドックスフロー電池が開示されている。
特許文献9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を隔膜として使用するレドックスフロー電池が開示されている。その原理については、電位差をかけられたときに、イオン径が大きく電荷量の多い活物質は、隔膜表層部のカチオンにより電気的反発を受けて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。
特許文献10では、プロトンの透過抵抗が低く、多価の金属カチオンの透過を抑制するレドックスフロー電池隔膜として、イオンクラスター径が1.00〜2.95nmであるレドックスフロー電池用の固体高分子イオン交換膜が提案されている。
特許文献11では、レドックスフロー電池の活物質の透過を抑制するために、陽イオン交換膜の表面を高架橋度の陽イオン交換膜、高架橋度の陰イオン交換膜、ポリアミン、疎水性高分子から選ばれた物質で被覆することが提案されている。
Conventionally, there are redox flow batteries that use various types of diaphragms (hereinafter, also simply referred to as "membranes"), for example, porous membranes that allow ion differential pressure and osmotic pressure of electrolyte solution to freely pass as driving force Batteries have been reported.
For example, in Patent Document 1, as a diaphragm for a redox flow battery, a polytetrafluoroethylene (hereinafter, also referred to as "PTFE") porous film, a polyolefin (hereinafter, also referred to as "PO")-based porous film, a PO-based non-woven fabric Etc. are disclosed.
Patent Document 2 discloses a composite membrane in which a porous membrane and a water-containing polymer are combined for the purpose of improving the charge / discharge energy efficiency of the redox flow battery and the mechanical strength of the membrane.
In Patent Document 3, for the purpose of improving charge / discharge energy efficiency of a redox flow battery, a cellulose or ethylene-vinyl alcohol copolymer as a nonporous hydrophilic polymer film having a hydrophilic hydroxyl group excellent in ion permeability It is disclosed to utilize the membrane of
In Patent Document 4, by using a polysulfone-based membrane (anion exchange membrane) as a hydrocarbon-based ion exchange resin, the current efficiency of the vanadium redox battery is 80% to 88.5%, and the radical oxidation resistance is also improved. It is described that it is excellent.
Patent Document 5 discloses a method of supporting expensive platinum on the porous carbon of a positive electrode to increase the current efficiency of a redox flow battery to increase the reaction efficiency. Trademark N117 and polysulfone based ion exchange membranes are described as diaphragms.
Patent Document 6 discloses an iron-chromium redox flow battery having a membrane obtained by applying a hydrophilic resin to the pores of a porous film such as polypropylene (hereinafter, also referred to as "PP"). An example of the document is an example of a membrane in which a fluorine-based ion exchange resin (manufactured by DuPont, registered trademark Nafion) is coated to a thickness of several μm on both surfaces of a porous PP film of 100 μm in thickness. Here, Nafion is a repeating unit represented by-(CF 2 -CF 2 )-and-(CF 2 -CF (-O- (CF 2 CFXO) n- (CF 2 ) m -SO 3 H) ) - in the repeating unit represented by in the copolymer containing a copolymer of X = CF 3, n = 1 , m = 2.
Patent Document 7 discloses a vanadium-based redox flow system in which the cell electrical resistance is reduced and the current efficiency is improved by improving the electrode, such as using a two-layer liquid-permeable porous carbon electrode having a specific surface lattice. An example of a secondary battery is disclosed.
Patent Document 8 discloses a cation exchange membrane (a fluorine-based polymer or another hydrocarbon-based polymer) and an anion exchange membrane (polysulfone) as a diaphragm for the purpose of reducing cell electric resistance and improving power efficiency and the like. There is disclosed a redox flow battery using a film formed by alternately laminating a system polymer and the like) and arranging a cation exchange film on the side in contact with the positive electrode electrolyte of the film.
In Patent Document 9, a vinyl heterocyclic compound having two or more hydrophilic groups on a porous base material made of a porous PTFE-based resin as a film having excellent chemical resistance, low resistance, and excellent ion selective permeability. A redox flow battery is disclosed that uses, as a diaphragm, an anion exchange membrane formed by combining a crosslinked polymer having a repeating unit (vinyl pyrrolidone having an amino group). Regarding the principle, when a potential difference is applied, the active material having a large ion diameter and a large charge amount is subject to electrical repulsion by cations in the surface layer of the diaphragm to inhibit membrane permeation, but the ion diameter is also small, It is described that the proton which is monovalent can diffuse and permeate easily through the diaphragm having a cation, so that the electric resistance is reduced.
In Patent Document 10, a solid polymer ion for a redox flow battery having an ion cluster diameter of 1.00 to 2.95 nm as a redox flow battery diaphragm having low proton permeation resistance and suppressing permeation of polyvalent metal cations. Exchange membranes have been proposed.
In patent document 11, in order to suppress permeation of the active material of a redox flow battery, the surface of a cation exchange membrane is chosen from the cation exchange membrane of high crosslinking degree, the anion exchange membrane of high crosslinking degree, a polyamine, and a hydrophobic polymer. It has been proposed to coat with different substances.

特開2005−158383号公報JP 2005-158383 A 特公平6−105615号公報Japanese Examined Patent Publication No. 6-105615 特開昭62−226580号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-226580 特開平6−188005号公報JP-A-6-188005 特開平5−242905号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 5-242905 特開平6−260183号公報JP 6-260183 A 特開平9−92321号公報JP 9-92321 A 特開平11−260390号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 11-260390 特開2000−235849号公報Unexamined-Japanese-Patent No. 2000-235849 国際公開第2013/100079号International Publication No. 2013/100079 特開昭60−160560号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 60-160560

しかしながら、特許文献1に開示された電池は、隔膜のプロトン透過性が低いために電池の内部抵抗が高く、活物質の透過阻止が十分ではないため電流効率が不十分である。
特許文献2に開示された複合膜は、電池の内部抵抗が高く、また、活物質は多孔膜ほどではないが自由に拡散してしまうため電池の電流効率は低い。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る。同文献には、比較例として、PTFE系イオン交換膜を使用する電池が開示されているが、その電流効率は64.8〜78.6%であり、不十分であることが記載されている。
特許文献5に開示された電池も、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が十分ではなく、電池の内部抵抗、電流効率が十分ではない。
特許文献8に開示された膜は、電池の内部抵抗が高くなるという問題点を有している。
特許文献9の実施例に示された結果では、電池の内部抵抗が十分低いとは言えない。
特許文献10に開示されたレドックスフロー電池用隔膜は、より高出力密度の電池を得る観点から十分にプロトンを透過しやすいとは言えず、イオン選択透過性も不十分である。
特許文献11に開示されたレドックスフロー電池用隔膜は、金属イオンの透過抑制の効果が十分な効果とは言えず、プロトン透過抵抗を下げる工夫については一切記載されていない。
However, the battery disclosed in Patent Document 1 has a high internal resistance of the battery because the proton permeability of the diaphragm is low, and the current efficiency is insufficient because the permeation prevention of the active material is not sufficient.
The composite membrane disclosed in Patent Document 2 has a high internal resistance of the battery, and the current efficiency of the battery is low because the active material diffuses freely but not as much as the porous film. The film disclosed in Patent Document 3 also has the same problem as described above.
The battery disclosed in Patent Document 4 still has insufficient current efficiency. Although a battery using a PTFE-based ion exchange membrane is disclosed in the same document as a comparative example, its current efficiency is 64.8 to 78.6%, which is stated to be insufficient. .
The battery disclosed in Patent Document 5 also can not solve the same problems as above, and also has a problem that the large-sized equipment is expensive in terms of price.
The film disclosed in Patent Document 6 is described to increase internal resistance unless the thickness of the coating film is made extremely thin (several μm). Moreover, nothing is described about the device for improving ion selective permeability.
Since the battery disclosed in Patent Document 7 uses a polysulfone-based diaphragm, the ion selective permeability of the diaphragm is not sufficient, and the internal resistance and the current efficiency of the battery are not sufficient.
The membrane disclosed in Patent Document 8 has a problem that the internal resistance of the battery is high.
According to the results shown in the example of Patent Document 9, it can not be said that the internal resistance of the battery is sufficiently low.
The diaphragm for a redox flow battery disclosed in Patent Document 10 can not be said to be sufficiently permeable to protons from the viewpoint of obtaining a battery of higher output density, and the ion selective permeability is also insufficient.
The diaphragm for a redox flow battery disclosed in Patent Document 11 can not be said to be a sufficient effect of suppressing the permeation of metal ions, and nothing is described about a device for reducing the proton permeation resistance.

従来のバナジウム系レドックスフロー電池用の隔膜は、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(負極側)と、高電価のイオングループを大多数とするセル(正極側)それぞれにおいて、対極(セル)への、活物質イオン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。   The diaphragm for the conventional vanadium-based redox flow battery includes a cell (negative electrode side) having a large number of ions of low electric charge group of vanadium ion which is an active material of the electrolytic solution of both electrodes, and an ion group of high electric charge. In each of the majority of cells (positive electrode side), diffusion transfer of active material ions to the counter electrode (cell) is suppressed, and protons are selectively allowed to pass along with the intended charge / discharge operation. It is used for the purpose. However, at present, its performance is not sufficient.

炭化水素系樹脂を主とした膜基材としては、両セルの電解液を隔離するだけのイオン選択透過性のない多孔膜や、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。   As a membrane base mainly made of hydrocarbon resin, a porous membrane having no ion selective permeability only for separating electrolytes of both cells, a hydrophilic membrane base having no ion selectivity (non-porous), A porous membrane in which a hydrophilic membrane substrate is embedded or coated is used. Also, a so-called cation exchange membrane in which the membrane itself has various anion groups, or a composite membrane in which a cation exchange resin is coated or embedded in the pores of a porous membrane base, 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 in a porous membrane substrate, a laminate type of the both, etc. are used as a diaphragm, and researches making use of their respective characteristics have been conducted.

電池の内部抵抗(隔膜のプロトン透過性に依存)の抑制と、活物質である金属イ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レドックスフロー電池用隔膜は、これまで開発されていない。また、低抵抗と活物質の透過阻止が達成された膜を用いたレドクスフロー電池では、活物質に蓄えられた電荷量が無駄なく取り出され、単位活物質量あたりの内部抵抗ロスも抑制されるため、最終的な電池の蓄電性能(エネルギー効率)が向上するが、十分なエネルギー効率を有するレドックスフロー電池はこれまで開発されていない。   So far, diaphragms for redox flow batteries have been developed which fully satisfy two contradictory performances: suppression of battery internal resistance (depending on proton permeability of diaphragm) and inhibition of metal ion permeability as active material Absent. Also, in a Redox flow battery using a film that achieves low resistance and permeation inhibition of the active material, the amount of charge stored in the active material is taken out without waste, and internal resistance loss per unit of active material mass is also suppressed. Although the storage performance (energy efficiency) of the final battery is improved, a redox flow battery having sufficient energy efficiency has not been developed so far.

フッ素系イオン交換樹脂に関しても、プロトン透過性に優れ、且つ、活物質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、低抵抗、高電流効率を充分に満足するレドックスフロー電池用隔膜やそれを利用した高エネルギー効率のレドックスフロー電池は開発されていない。   With regard to the fluorine-based ion exchange resin, too, the device for the contradictory property of having excellent proton permeability and suppressing the permeation of the active material has not been sufficiently studied, and the low resistance and high current efficiency are sufficiently satisfied. A diaphragm for a redox flow battery and a high energy efficiency redox flow battery using the same have not been developed.

上記事情に鑑み、本発明は、プロトンの透過性に優れ、活物質の透過を抑制したレドックスフロー電池用隔膜を提供すること、及びエネルギー効率に優れたレドックスフロー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 an object of providing a diaphragm for a redox flow battery excellent in proton permeability and suppressing permeation of an active material, and providing a redox flow battery excellent in energy efficiency. .

本発明者らは、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果として、少なくとも2層以上多層構造を持ち、少なくとも一方の最外層の水に対する接触角が110°以上であるレドックスフロー電池用隔膜によって、上述の課題を根本的に解決し得ることを見出した。   MEANS TO SOLVE THE PROBLEM As a result of repeating earnestly examining in order to solve the said subject, the present inventors have a multilayer structure of at least 2 layers or more, and the contact angle with respect to water of at least one outermost layer is 110 degrees or more. It has been found that the above-mentioned problems can be fundamentally solved by the diaphragm.

すなわち、本発明は以下の構成を提供するものである。
[1]
イオン交換樹脂を含む樹脂層と、
水に対する接触角が110°以上である疎水層と、
を有するレドックスフロー電池用隔膜であって、
前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層である、レドックスフロー電池用隔膜。
[2]
前記疎水層が、空隙を有する、[1]に記載のレドックスフロー電池用隔膜。
[3]
前記疎水層が、微粒子を含む、[1]又は[2]に記載のレドックスフロー電池用隔膜。
[4]
前記微粒子の平均粒子径が50nm〜5μmである、[3]に記載のレドックスフロー電池用隔膜。
[5]
前記微粒子の表面粒子量が0.01〜20mg・cm-2である、[3]又は[4]に記載のレドックスフロー電池用隔膜。
[6]
前記イオン交換樹脂が、フッ素系高分子電解質ポリマーを含む、[1]〜[5]のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池用隔膜。
[7]
炭素電極を含む正極を有する正極セル室と、炭素電極を含む負極を有する負極セル室と、前記正極セル室と前記負極セル室とを隔離分離させるレドックスフロー電池用隔膜と、を含む電解槽を備え、
前記レドックスフロー電池用隔膜が、イオン交換樹脂を含む樹脂層と、水に対する接触角が110°以上である疎水層と、を有し、
前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層である、レドックスフロー電池。
[8]
炭素電極を含む正極を有する正極セル室と、炭素電極を含む負極を有する負極セル室と、前記正極セル室と前記負極セル室とを隔離分離させるレドックスフロー電池用隔膜と、を含む電解槽を備え、
前記レドックスフロー電池用隔膜が、イオン交換樹脂を含む樹脂層と、水に対する接触角が110°以上である疎水層と、を有し、
前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層であり、
前記疎水層が、前記負極に流通される電解液と接触する、バナジウム型レドックスフロー電池。
That is, the present invention provides the following configurations.
[1]
A resin layer containing an ion exchange resin,
A hydrophobic layer having a contact angle to water of 110 ° or more,
A diaphragm for a redox flow battery having
A diaphragm for a redox flow battery, wherein at least one of the outermost layers of the diaphragm for a redox flow battery is the hydrophobic layer.
[2]
The diaphragm for a redox flow battery according to [1], wherein the hydrophobic layer has a void.
[3]
The diaphragm for a redox flow battery according to [1] or [2], wherein the hydrophobic layer contains fine particles.
[4]
The diaphragm for a redox flow battery according to [3], wherein an average particle diameter of the fine particles is 50 nm to 5 μm.
[5]
The diaphragm for a redox flow battery according to [3] or [4], wherein an amount of surface particles of the fine particles is 0.01 to 20 mg · cm −2 .
[6]
The diaphragm for a redox flow battery according to any one of [1] to [5], wherein the ion exchange resin contains a fluorine-based polymer electrolyte polymer.
[7]
An electrolytic cell comprising a positive electrode cell chamber having a positive electrode including a carbon electrode, a negative electrode cell chamber having a negative electrode including a carbon electrode, and a redox flow battery diaphragm separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative cell chamber. Equipped
The membrane for a redox flow battery has a resin layer containing an ion exchange resin, and a hydrophobic layer having a contact angle to water of 110 ° or more,
The redox flow battery in which at least one of the outermost layers of the diaphragm for the redox flow battery is the hydrophobic layer.
[8]
An electrolytic cell comprising a positive electrode cell chamber having a positive electrode including a carbon electrode, a negative electrode cell chamber having a negative electrode including a carbon electrode, and a redox flow battery diaphragm separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative cell chamber. Equipped
The membrane for a redox flow battery has a resin layer containing an ion exchange resin, and a hydrophobic layer having a contact angle to water of 110 ° or more,
At least one of the outermost layers of the redox flow cell diaphragm is the hydrophobic layer,
The vanadium-type redox flow battery in which the said hydrophobic layer contacts the electrolyte solution distribute | circulated to the said negative electrode.

本発明のレドックスフロー電池用隔膜は、プロトンは透過しやすいため電池の内部抵抗が抑制でき、かつ活物質の透過抵抗が大きいために高い電流効率が達成される。
このレドックスフロー電池用隔膜を用いたレドックスフロー電池では、内部抵抗による電圧の損失と、活物質の移動による電荷の損失の両方が抑制されるため、高いエネルギー効率が達成される。
The membrane for a redox flow battery of the present invention can easily transmit protons, so that the internal resistance of the battery can be suppressed, and a high current efficiency can be achieved because the permeation resistance of the active material is large.
In the redox flow battery using this diaphragm for a redox flow battery, high energy efficiency is achieved because both the loss of voltage due to the internal resistance and the loss of charge due to the movement of the active material are suppressed.

図1は、本発明の一実施形態に係るレドックスフロー二次電池を例示する概要図である。FIG. 1 is a schematic view illustrating a redox flow secondary battery according to an embodiment of the present invention. 図2は、実施例1で得られた隔膜の表面のSEM画像である。FIG. 2 is a SEM image of the surface of the diaphragm obtained in Example 1.

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。以下の本実施形態は本発明を説明するための例示であり、本発明を以下の内容に限定する趣旨ではない。本発明は、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。   Hereinafter, modes for carrying out the present invention (hereinafter, referred to as “the present embodiment”) will be described in detail. The following present embodiment is an example for describing the present invention, and is not intended to limit the present invention to the following contents. The present invention can be implemented with various modifications within the scope of the gist.

本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜(以下、単に「隔膜」ともいう。)は、イオン交換樹脂を含む樹脂層と、水に対する接触角が110°以上である疎水層と、を有するレドックスフロー電池用隔膜であって、前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層である。このように構成されているため、本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜は、プロトンは透過しやすいため電池の内部抵抗が抑制でき、かつ活物質の透過抵抗が大きいために高い電流効率が達成される。
最外層の少なくとも1つが疎水層であることで活物質の透過が抑制されるメカニズムは詳らかではないが、下記のようなメカニズムが予想される。
一般に、膜の表面における水に対する接触角の大きさは、表面の疎水性の程度を反映する。疎水性が高い表面が水中に存在するとき、表面近傍の水はバルクに比べて組織化した構造(iceberg構造、あるいは疎水性水和構造)を取ることが知られている。本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜を水中で用いるとき、隔膜表面近傍の水分子は、iceberg構造を形成すると考えられる。
レドックスフロー電池の電解液中の活物質は、水分子の双極子の配向によって電気的に安定が保たれている。隔膜表面に形成されたiceberg構造内の水は組織化によって配向が制限されているため、活物質が通過する際、水分子の配向を変化させることができずに大きな抵抗を受ける。
一方プロトンは、Grotthuss機構と呼ばれる伝達機構を持ち、拡散時の水分子の移動が特に小さい。このため、プロトンは表面iceberg構造の影響を受けにくく、本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜に対して、高い透過性を持つ。
以上の理由で、本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜は、プロトンは透過しやすく、活物質の透過を防ぐと考えられる。
The redox flow battery diaphragm of the present embodiment (hereinafter, also simply referred to as "diaphragm") has a resin layer containing an ion exchange resin, and a hydrophobic layer having a contact angle to water of 110 ° or more. It is a diaphragm, and at least one of the outermost layers of the diaphragm for the redox flow battery is the hydrophobic layer. With such a configuration, the diaphragm for a redox flow battery according to this embodiment can easily transmit protons, thereby suppressing the internal resistance of the battery, and achieving high current efficiency because the transmission resistance of the active material is large. Ru.
Although the mechanism by which the permeation of the active material is suppressed when at least one of the outermost layers is a hydrophobic layer is not clear, the following mechanism is expected.
In general, the magnitude of the contact angle to water at the surface of the membrane reflects the degree of hydrophobicity of the surface. When a highly hydrophobic surface is present in water, it is known that the water near the surface has a more organized structure (iceberg structure or hydrophobic hydration structure) than the bulk. When the diaphragm for a redox flow battery of this embodiment is used in water, it is considered that water molecules in the vicinity of the surface of the diaphragm form an iceberg structure.
The active material in the electrolyte of the redox flow battery is kept electrically stable by the orientation of the dipoles of water molecules. Since the water in the iceberg structure formed on the diaphragm surface is restricted in orientation by the organization, when the active material passes through it, the orientation of water molecules can not be changed, and it receives a large resistance.
On the other hand, protons have a transfer mechanism called the Grotthuss mechanism, and the movement of water molecules during diffusion is particularly small. For this reason, protons are less susceptible to the surface iceberg structure, and have high permeability to the redox flow cell diaphragm of the present embodiment.
For the above reasons, the diaphragm for a redox flow battery of the present embodiment is considered to easily transmit protons and to prevent transmission of the active material.

本実施形態において、疎水層の接触角は、上述した観点から110°以上であり、好ましくは120°以上であり、より好ましくは130°以上である。   In the present embodiment, the contact angle of the hydrophobic layer is 110 ° or more, preferably 120 ° or more, and more preferably 130 ° or more from the viewpoint described above.

(接触角の測定)
本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜において、疎水層の水に対する接触角は、下記の方法で測定することができる。
まず、水平な台座の上に切り出したレドックスフロー電池用隔膜を測定面(すなわち最外層たる疎水層)が上に向くように固定する。次いで、固定したレドックスフロー電池用隔膜の上からイオン交換水を6μL滴下する。滴下120秒後に側面からカメラで画像を取得し、液滴面と膜面のなす角度から接触角の測定値を得る。
(Measurement of contact angle)
In the redox flow cell diaphragm of the present embodiment, the contact angle of the hydrophobic layer to water can be measured by the following method.
First, the membrane for a redox flow battery cut out on a horizontal pedestal is fixed so that the measurement surface (i.e., the outermost hydrophobic layer) faces upward. Next, 6 μL of ion exchange water is dropped from the top of the fixed redox flow cell diaphragm. After 120 seconds of dripping, an image is acquired by a camera from the side, and a contact angle measurement value is obtained from the angle between the droplet surface and the film surface.

(接触角の調整)
本実施形態における疎水層は、例えば、疎水性が大きな材料を用いて容易に形成することができる。また、疎水層の材質・空隙率などを調整することで水に対する接触角を調整することができる。また、本実施形態における樹脂層を形成した後に、当該表面を化学処理することで構造を変化させ、接触角が上記した範囲を満たす疎水層を形成してもよい。
(Adjustment of contact angle)
The hydrophobic layer in the present embodiment can be easily formed using, for example, a material with high hydrophobicity. In addition, the contact angle to water can be adjusted by adjusting the material, porosity and the like of the hydrophobic layer. Moreover, after forming the resin layer in this embodiment, a structure may be changed by chemically processing the said surface, and a hydrophobic layer which a contact angle satisfy | fills the above-mentioned range may be formed.

本実施形態において、疎水層は、空隙を有する構造であることが好ましい。疎水層における空隙は、層の内側に隙間があり、電解質が侵入できる状態であることを指す。疎水層に空隙を設ける方法としては、以下に限定されないが、例えば、微粒子によって疎水層を形成することにより粒子間隙として空隙を設ける方法、多孔性フィルムを電解質膜に張り付ける方法、充填された疎水層を設けた後に物理的手法によって穴を設ける方法、溶剤に可溶な物質を混合した疎水層を設け、溶剤によって可溶成分を抽出する方法などが挙げられる。
空隙を有する疎水層が上述した接触角を有する場合、空隙部で膜と水の界面が生じるため、平坦な膜(空隙を有しない疎水層である場合)に比べて実表面積が増加する。実表面積の増加に応じて、上述の水の組織化が起こる範囲が広がり、より効率的に活物質の透過を抑制できる傾向にある。
本実施形態において、疎水層の空隙率は5%〜95%であることが好ましい。空隙率5%以上とすることで、プロトンの透過性を担保し、膜抵抗を低減できる傾向にある。また、空隙率95%以下とすることで、疎水層による水の組織化の広がりを担保できる傾向にある。同様の観点から、疎水層の空隙率は10%〜90%であることがより好ましく、15%〜80%であることがさらに好ましい。上記空隙率は、疎水層の厚みおよび疎水層を構成する粒子の密度から算出することができる。具体的には、単位面積当たりの疎水層重量を適切に調整した膜を製膜し、疎水層厚みを測定する。ここで、(単位面積当たりの疎水層重量)/(疎水層厚み)から、見かけの疎水層密度を算出する。(見かけの疎水層密度)/(疎水層を構成する粒子の密度)を計算し、1との差をとることで、空隙率を求めることができる。具体的には、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。また、この空隙率の調整方法は以下に限定されないが、微粒子を用いて疎水層を形成する場合には、粒子の粒子径分布、粒子の形状、バインダー化合物の量等を変化させることにより調整することができる。多孔性フィルムを張り付ける場合には、多孔性フィルムのもつ空隙率に依存して決定され、圧着方法等によっても調整できる。物理的手法によって穴を設ける場合には、穴の径および単位面積あたりの穴の数等によって調整できる。溶剤に可溶な物質を混合して疎水層を作り、溶剤を抽出する場合には、溶剤に可溶な物質の量を変化させることにより、調整することができる。
In the present embodiment, the hydrophobic layer preferably has a void structure. A void in the hydrophobic layer means that there is a void inside the layer and the electrolyte can penetrate. The method of providing voids in the hydrophobic layer is not limited to the following, for example, a method of providing voids as particle gaps by forming a hydrophobic layer with fine particles, a method of attaching a porous film to an electrolyte membrane, filled hydrophobic After providing a layer, a method of providing a hole by a physical method, a method of providing a hydrophobic layer in which a substance soluble in a solvent is mixed, and extracting a soluble component by a solvent may be mentioned.
When the hydrophobic layer having a void has the above-described contact angle, the interface between the membrane and the water is generated in the void, so the actual surface area is increased as compared to a flat membrane (in the case of a hydrophobic layer having no void). As the actual surface area increases, the range in which the above-described water organization takes place tends to widen and the permeation of the active material can be suppressed more efficiently.
In the present embodiment, the porosity of the hydrophobic layer is preferably 5% to 95%. By setting the porosity to 5% or more, the permeability of protons can be secured and the membrane resistance can be reduced. In addition, by setting the porosity to 95% or less, the spread of water organization by the hydrophobic layer tends to be secured. From the same viewpoint, the porosity of the hydrophobic layer is more preferably 10% to 90%, and still more preferably 15% to 80%. The porosity can be calculated from the thickness of the hydrophobic layer and the density of particles constituting the hydrophobic layer. Specifically, a film in which the weight of the hydrophobic layer per unit area is appropriately adjusted is formed, and the thickness of the hydrophobic layer is measured. Here, the apparent hydrophobic layer density is calculated from (the weight of the hydrophobic layer per unit area) / (the thickness of the hydrophobic layer). The porosity can be determined by calculating (apparent hydrophobic layer density) / (density of particles constituting the hydrophobic layer) and taking the difference from 1. Specifically, it can be measured by the method described in the examples described later. Moreover, although the adjustment method of this porosity is not limited to the following, when forming a hydrophobic layer using microparticles | fine-particles, it adjusts by changing the particle size distribution of particle | grains, the shape of particle | grains, the quantity of a binder compound, etc. be able to. When the porous film is attached, it is determined depending on the porosity of the porous film and can be adjusted by a pressure bonding method or the like. When the holes are provided by a physical method, the diameter can be adjusted according to the diameter of the holes and the number of holes per unit area. Substances soluble in a solvent are mixed to form a hydrophobic layer, and when the solvent is extracted, adjustment can be made by changing the amount of the substance soluble in the solvent.

疎水層は微粒子を含むことが好ましい。疎水層が微粒子によって構成されることで、最外層の厚み、空隙サイズ、空隙率等を容易に制御可能となる。
微粒子によって疎水層を構成する場合、接触角が上記範囲を外れない範囲で、適切なバインダーを用いてもよい。これによって、膜の使用中に表面層がはがれてしまうことが防止され、耐久性が向上する。バインダーとして用いる材料は特に限定されないが、イオン交換樹脂をバインダーに用いることで、バインダーによって空隙部が一部閉塞した場合にもイオンの透過性を維持できるため好ましい。バインダーとして用いうるイオン交換樹脂の具体例については、後述する。
微粒子の形状は特に限定されず、球状、楕円状、ロッド状等の形状を取ることができる。また、微粒子を構成する材料は、接触角が上記範囲を外れない範囲で、任意の材料を利用することができる。具体例としては、以下に限定されないが、ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン、ポリアクリルアミド、ポリアクリルニトリル、ポリカーボネート、ポリウレタン、ポリエチレンテレフタレート等が挙げられる。また、異なる形状、材質の微粒子を2種以上混合して用いてもよい。
The hydrophobic layer preferably contains fine particles. By forming the hydrophobic layer with fine particles, the thickness of the outermost layer, the size of the air gap, the porosity and the like can be easily controlled.
When the hydrophobic layer is constituted by fine particles, a suitable binder may be used as long as the contact angle does not deviate from the above range. This prevents the surface layer from peeling off during use of the membrane and improves the durability. Although the material used as a binder is not specifically limited, By using ion exchange resin for a binder, since the permeability of ion can be maintained even when a void part is obstruct | occluded in part by a binder, it is preferable. Specific examples of the ion exchange resin that can be used as a binder will be described later.
The shape of the fine particles is not particularly limited, and may be spherical, elliptical, rod-like or the like. Moreover, the material which comprises microparticles | fine-particles can utilize arbitrary materials in the range which a contact angle does not remove | deviate from the said range. Specific examples thereof include, but are not limited to, polyphenylene sulfide, polytetrafluoroethylene, polyacrylamide, polyacrylonitrile, polycarbonate, polyurethane, polyethylene terephthalate and the like. Further, fine particles of different shapes and materials may be used as a mixture of two or more.

また、疎水層を構成する微粒子は、50nm以上5μm以下の平均粒子径を持つことが好ましい。当該平均粒子径は、50nm以上2μm以下であることがより好ましく、80nm以上1μm以下であることがさらに好ましい。微粒子の平均粒子径は、例えば微粒子を適当な分散媒に分散させて、動的光散乱法によって計測することができる。
平均粒子径を50nm以上とすることで、最外層が粒子で閉塞することをより抑制できる。また、平均粒子径を5μm以下とすることで、膜表面での実表面積をより効果的に増加させることができ、活物質の透過を抑制する。
Moreover, it is preferable that the microparticles | fine-particles which comprise a hydrophobic layer have an average particle diameter of 50 nm or more and 5 micrometers or less. The average particle diameter is more preferably 50 nm or more and 2 μm or less, and still more preferably 80 nm or more and 1 μm or less. The average particle size of the fine particles can be measured, for example, by dispersing the fine particles in a suitable dispersion medium and using a dynamic light scattering method.
By setting the average particle diameter to 50 nm or more, clogging of the outermost layer with particles can be further suppressed. Further, by setting the average particle diameter to 5 μm or less, the actual surface area on the film surface can be more effectively increased, and the permeation of the active material is suppressed.

疎水層を構成する微粒子の表面粒子量(単位表面積あたりの重量)は、0.01mg・cm-2以上20mg・cm-2以下であることが好ましい。0.05mg・cm-2とすることで十分に活物質の透過抑制効果を得ることができ、5mg・cm-2以下とすることによってプロトンの透過性への影響をさらに小さくすることができる。同様の理由から、0.02mg・cm-2以上10mg・cm-2以下がより好ましく、0.05mg・cm-2以上5mg・cm-2以下がさらに好ましい。上記表面粒子量は、例えば、疎水層を形成する微粒子の濃度を適切に調整した液をキャスト製膜すること等により上述した範囲に調整することができる。また、上記表面粒子量は、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。すなわち、微粒子分散液中の粒子の量と乾燥前の塗工厚みから疎水層の表面粒子量を算出することができる。より詳細には、微粒子分散液中の粒子の量をC(mg・cm-3)、に調整したとき、乾燥前の厚みa(μm)で塗工することにより、Ca/10000(mg・cm-2)の疎水層を得ることができる。微粒子分散液の粒子の量が未知である分散液を用いる場合には、液を加熱/減圧などの環境で絶乾させ、重量を測定することで、微粒子分散液中の粒子量をあらかじめ定量することができる。ここで得られた分散液中の粒子量から目的とする疎水層の表面粒子量に合致するように乾燥前厚みを調整することで、表面粒子量を制御した疎水層を得ることができる。また、上記表面粒子量は、特定の面積に切り出した隔膜に対して、疎水層を表面から取り除き、残りの膜重量を測定する方法、取り除かれた疎水層を構成する微粒子の重量を測定する方法、あるいは疎水層を形成していない膜を別途用意し疎水層を形成した膜との単位面積あたりの重量を比較することにより、確認することができる。 The surface particle amount (weight per unit surface area) of the fine particles constituting the hydrophobic layer is preferably 0.01 mg · cm −2 or more and 20 mg · cm −2 or less. By setting the concentration to 0.05 mg · cm −2 , the permeation suppression effect of the active material can be sufficiently obtained, and by setting the concentration to 5 mg · cm −2 or less, the influence on the proton permeability can be further reduced. For the same reason, more preferably 0.02 mg · cm -2 or more 10 mg · cm -2 or less, more preferably 0.05 mg · cm -2 or more 5 mg · cm -2 or less. The amount of surface particles can be adjusted to the above-mentioned range, for example, by casting a liquid in which the concentration of the fine particles forming the hydrophobic layer is appropriately adjusted. Moreover, the said surface particle amount can be measured by the method as described in the Example mentioned later. That is, the amount of surface particles of the hydrophobic layer can be calculated from the amount of particles in the fine particle dispersion and the coating thickness before drying. More specifically, when the amount of particles in the fine particle dispersion is adjusted to C (mg · cm −3 ), coating is performed with a thickness a (μm) before drying to obtain Ca / 10,000 (mg · cm). A hydrophobic layer of -2 ) can be obtained. When using a dispersion in which the amount of particles in the particle dispersion is unknown, the solution is completely dried in an environment such as heating / decompression and the weight is measured to thereby quantify the amount of particles in the particle dispersion in advance. be able to. By adjusting the thickness before drying so that the amount of particles in the dispersion obtained here matches the amount of surface particles of the target hydrophobic layer, a hydrophobic layer in which the amount of surface particles is controlled can be obtained. Further, the amount of surface particles is a method of removing the hydrophobic layer from the surface and measuring the remaining membrane weight with respect to the diaphragm cut into a specific area, and a method of measuring the weight of fine particles constituting the removed hydrophobic layer Alternatively, it can be confirmed by separately preparing a film in which the hydrophobic layer is not formed and comparing the weight per unit area with the film in which the hydrophobic layer is formed.

(イオン交換樹脂)
本実施形態における樹脂層は、イオン交換樹脂を含む。イオン交換樹脂としては、特に限定されないが、フッ素系高分子電解質ポリマー、ポリエーテルスルホン樹脂、ポリエーテルエーテルケトン樹脂、フェノール−ホルムアルデヒド樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリトリフルオロスチレン樹脂、トリフルオロスチレン樹脂、ポリ(2,3−ジフェニル−1,4−フェニレンオキシド)樹脂、ポリ(アリルエーテルケトン)樹脂、ポリ(アリルエーテルスルホン)樹脂、ポリ(フェニルキノサンリン)樹脂、ポリ(ベンジルシラン)樹脂、ポリスチレン−グラフト−エチレンテトラフルオロエチレン樹脂、ポリスチレン−グラフト−ポリフッ化ビニリデン樹脂、ポリスチレン−グラフト−テトラフルオロエチレン樹脂、ポリイミド樹脂、ポリベンズイミダゾール樹脂といった炭化水素部を有する高分子にスルホン酸基やカルボン酸基を導入したもの等を挙げることができ、フッ素系高分子電解質ポリマーを含むことが好ましい。当該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ものが好ましい。
−[CF2−CX12a−[CF2−CF((−O−CF2−CF(CF23))b−Oc−(CFR1d−(CFR2e−(CF2f−X4)]g− (1)
(Ion exchange resin)
The resin layer in the present embodiment contains an ion exchange resin. The ion exchange resin is not particularly limited, but fluorine-based polymer electrolyte polymer, polyethersulfone resin, polyetheretherketone resin, phenol-formaldehyde resin, polystyrene resin, polytrifluorostyrene resin, trifluorostyrene resin, poly ( 2,3-Diphenyl-1,4-phenylene oxide) resin, poly (allyl ether ketone) resin, poly (allyl ether sulfone) resin, poly (phenyl quinosan phosphorus) resin, poly (benzyl silane) resin, polystyrene-grafting- Ethylene tetrafluoroethylene resin, polystyrene-graft-polyvinylidene resin, polystyrene-graft-tetrafluoroethylene resin, polyimide resin, polybenzimidazole resin, etc. There may be mentioned such as those obtained by introducing a sulfonic acid group or a carboxylic acid group, it is preferred to include a fluoropolymer electrolyte polymer. It is preferable that the said fluorine-type polymer electrolyte polymer has a structure represented by 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)

式(1)中におけるX1、X2、X3、R1、R2及びa〜gは、それぞれ、次のように定義される。
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。上記ハロゲン原子としては、特に限定されないが、例えば、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、ポリマーの耐酸化劣化性等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。
4は、COOZ、SO3Z、PO32又はPO3HZを示す。以下、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)を示し、ここで、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種類以上を示す。なお、X4がPO32である場合、Zは同じでも異なっていてもよい。上記アルカリ金属原子としては、特に限定されず、例えば、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、例えば、カルシウム原子、マグネシウム原子等が挙げられる。X4としては、ポリマーの耐酸化劣化性等の化学的安定性の観点から、SO3Zが好ましい。
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、例えば、フッ素原子、塩素原子、臭素原子、ヨウ素原子が挙げられる。
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。)。
X 1, X 2, X 3 in the formula (1), R 1, R 2 and a~g are respectively defined as follows.
Each of X 1 , X 2 and X 3 independently represents one or more selected from the group consisting of a halogen atom and a C 1 to C 3 perfluoroalkyl group. Although it does not specifically limit as said halogen atom, For example, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, an iodine atom is mentioned. As X 1 , X 2 and X 3 , a fluorine atom or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms is preferable from the viewpoint of chemical stability such as the resistance to oxidative degradation of a polymer.
X 4 represents COOZ, SO 3 Z, PO 3 Z 2 or PO 3 HZ. Hereinafter, X 4 is also referred to as “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 And R 1 , R 2 , R 3 and R 4 each independently represent at least one selected from the group consisting of an alkyl group and an arene group. When X 4 is PO 3 Z 2 , Z may be the same or different. It does not specifically limit as said alkali metal atom, For example, a lithium atom, a sodium atom, a potassium atom etc. are mentioned. Further, the alkaline earth metal atom is not particularly limited, and examples thereof include a calcium atom and a magnesium atom. As X 4 , SO 3 Z is preferable from the viewpoint of chemical stability such as oxidation degradation resistance of the polymer.
Each of R 1 and R 2 independently represents one or more selected from the group consisting of a halogen atom, a C 1-10 perfluoroalkyl group and a fluorochloroalkyl group. Here, as a halogen atom, a fluorine atom, a chlorine atom, a bromine atom, and an iodine atom are mentioned, for example.
a and g each represent a number satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, 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 to 6 (provided that d, e and f are not simultaneously 0).

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、本実施形態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(以下、「PFSA樹脂」ともいう。)であることが好ましい。本実施形態におけるPFSA樹脂は、PTFE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 fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment is preferably a perfluorocarbon sulfonic acid resin (hereinafter also referred to as “PFSA resin”) because the effects of the present embodiment tend to be more remarkable. In the PFSA resin in this embodiment, a perfluorocarbon as a side chain and one or more sulfonic acid groups in each side chain (possibly in the form of a salt in some cases) are included in the main chain consisting of a PTFE backbone chain. Or the like) is a bonded resin.

前記PFSA樹脂は、−(CF2−CF2)−で表される繰り返し単位と、下記式(2)又は(3−1)若しくは(3−2)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い。 The PFSA resin is a repeating unit derived from a repeating unit represented by-(CF 2 -CF 2 )-and a compound represented by the following formula (2) or (3-1) or (3-2) It is preferable to contain

CF2=CF(−O−(CF2CFXO)n−[A]) (2)
(式(2)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−SO3Hを示し、ここで、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。)
CF 2 = CF (-O- (CF 2 CFXO) n- [A]) (2)
In (formula (2), X represents F or a perfluoroalkyl group having 1 to 3 carbon atoms, n is an integer of 0 to 5. [A] represents a (CF 2) m -SO 3 H , Where m represents an integer of 0 to 6, provided that n and m do not simultaneously become 0.)

CF2=CF−O−(CF2P−CFX(−O−(CF2K−SO3H) (3−1)
CF2=CF−O−(CF2P−CFX(−(CF2L−O−(CF2m−SO3H) (3−2)
(式(3−1)及び(3−2)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。)
CF 2 = CF-O- (CF 2) P -CFX (-O- (CF 2) K -SO 3 H) (3-1)
CF 2 = CF-O- (CF 2) P -CFX (- (CF 2) L -O- (CF 2) m -SO 3 H) (3-2)
(In the formulas (3-1) and (3-2), X represents a C 1 to C 3 perfluoroalkyl group, P represents an integer of 0 to 12, and K represents an integer of 1 to 5) , L represents an integer of 1 to 5 and m represents an integer of 0 to 6. However, K and L may be the same or different, and P, K, and L do not simultaneously become 0.)

また、前記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(当該式中、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って、−(CF2−CF(−O−(CF2CFXO)n−(CF2m−SO3H))−で表される繰り返し単位(当該式中、Xは、CF3を示し、nは0又は1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。)を少なくとも1つ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、且つ後述する所定の当量質量EWを有する場合、得られる固体高分子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。 Further, the PFSA resin, - a repeating unit represented by, - - (CF 2 -CF 2 ) (CF 2 -CF (-O- (CF 2 CFXO) n - (CF 2) m -SO 3 H A repeating unit represented by the formula (wherein X represents F or CF 3 , n represents an integer of 0 to 5 and m represents an integer of 0 to 12), provided that n and m are A copolymer containing not simultaneously 0.), which is represented by — (CF 2 —CF (—O— (CF 2 CFXO) n — (CF 2 ) m —SO 3 H)) — Repeating unit (in the formula, X represents CF 3 , n represents 0 or 1 and m represents an integer of 0 to 12, provided that n and m do not simultaneously become 0) It is more preferable that it is a copolymer. When the PFSA resin is a copolymer having the above structure and has a predetermined equivalent mass EW to be described later, the obtained solid polymer electrolyte membrane has sufficient hydrophilicity and is a radical species generated by oxidative degradation. Resistance tends to increase.

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(3−1)で表される化合物及び式(3−2)で表される化合物からそれぞれ誘導される−CF2−CFX(−O−(CF2P−CFX(−O−(CF2K−SO3H)−及び−CF2−CFX(−O−(CF2P−CFX(−(CF2L−O−(CF2m−SO3H)−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、得られる固体高分子イオン交換膜の親水性が高くなる傾向にある。 Furthermore, n in the repeating unit represented by-(CF 2 -CF (-O- (CF 2 CFXO) n- (CF 2 ) m -SO 3 H)) of the PFSA resin is 0, m Is an integer of 1 to 6, or -CF 2 -CFX (-O- (CF) derived from the compound represented by the formula (3-1) and the compound represented by the formula (3-2) 2) P -CFX (-O- (CF 2) K -SO 3 H) - and -CF 2 -CFX (-O- (CF 2 ) P -CFX (- (CF 2) L -O- (CF 2 ) m -SO 3 H) - if it contains both the repeating units of, equivalent weight (EW) is low, there is a tendency that hydrophilicity of the resulting solid polymer ion exchange membrane is increased.

本実施形態における式(1)で表されるフッ素系高分子電解質ポリマーは、本実施形態の効果がより顕著となる傾向にあるため、下記式(4)で表される構造を有するPFSA樹脂であることがより好ましい。
−[CF2CF2a−[CF2−CF(−O−(CF2m−SO3H)]g− (4)
(式(4)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の整数を示す。)
The fluorine-based polymer electrolyte polymer represented by the formula (1) in the present embodiment tends to be more remarkable in the effect of the present embodiment, and therefore, a PFSA resin having a structure represented by the following formula (4) It is more preferable that
-[CF 2 CF 2 ] a- [CF 2 -CF (-O-(CF 2 ) m- SO 3 H)] g- (4)
(In the formula (4), a and g each represents a number satisfying 0 ≦ a <1, 0 <g ≦ 1, a + g = 1, and m represents an integer of 1 to 6.)

本実施形態における上記式(1)で表されるフッ素系高分子電解質ポリマー及び上記式(4)で表される構造を有するPFSA樹脂は、各々、前記式(1)及び上記式(4)で表される構造を有するものであれば、特に限定されず、他の構造を含むものであってもよい。   The fluorine-based polymer electrolyte polymer represented by the above formula (1) and the PFSA resin having a structure represented by the above formula (4) in the present embodiment are respectively represented by the above formulas (1) and (4) It is not particularly limited as long as it has the structure shown, and may include other structures.

本実施形態における上記式(1)で表されるフッ素系高分子電解質ポリマーや上記式(4)で表される構造を有するPFSA樹脂は、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たものであってもよい。前記部分架橋は、溶解性や過剰膨潤性を制御できる観点から好ましい。
例えば、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWが280(g/eq)程度であっても、前記部分架橋を行うことにより、フッ素系高分子電解質ポリマーの水溶解性を低下(耐水性が向上)させることができる。
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)である場合にも、前記部分架橋により、分子間絡みを増加し、溶解性や過剰膨潤性を低下できる。
前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。
The fluorine-based polymer electrolyte polymer represented by the above formula (1) and the PFSA resin having the structure represented by the above formula (4) in the present embodiment directly or partially between the molecules of the ion exchange group It may be indirectly partially crosslinked. The partial crosslinking is preferable from the viewpoint of controlling the solubility and the excessive swelling.
For example, even if the EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer is about 280 (g / eq), the water solubility of the fluorine-based polymer electrolyte polymer is reduced (water resistance is improved) by performing the partial crosslinking. be able to.
In addition, even when the fluorine-based polymer electrolyte polymer is in a low melt flow region (polymer region), intermolecular entanglement can be increased by the partial crosslinking, and solubility and excessive swelling can be reduced.
As the partial crosslinking reaction, for example, reaction of ion exchange group with functional group or main chain of another molecule, reaction of ion exchange groups, oxidation resistant low molecular weight compound, oligomer or polymer substance, etc. And a cross-linking reaction (covalent bond) of the following, and may optionally be a reaction with a salt (including an ionic bond with a SO 3 H group) -forming substance. Examples of oxidation resistant low molecular weight compounds, oligomers or high molecular weight substances include polyhydric alcohols and organic diamines.

本実施形態におけるフッ素系高分子電解質ポリマーの分子量は、特に限定されないが、ASTM:D1238に準拠して(測定条件:温度270℃、荷重2160g)測定されるメルトフローインデックス(MFI)の値で0.05〜50(g/10分)であることが好ましく、0.1〜30(g/10分)であることがより好ましく、0.5〜20(g/10分)であることが更に好ましい。   The molecular weight of the fluorine-based polymer electrolyte polymer in this embodiment is not particularly limited, but it is 0 as a melt flow index (MFI) value measured according to ASTM: D1238 (measurement conditions: temperature 270 ° C., load 2160 g) .05 to 50 (g / 10 min) is preferable, 0.1 to 30 (g / 10 min) is more preferable, and 0.5 to 20 (g / 10 min) is further preferable preferable.

(フッ素系高分子電解質ポリマーのEW)
本実施形態におけ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、300〜1300(g/eq)であることが好ましく、より好ましくは350〜1000(g/eq)、更に好ましくは400〜900(g/eq)、特に好ましくは450〜750(g/eq)である。
上記式(2)の構造を有するフッ素系高分子電解質ポリマーにおいて、そのEWを上記範囲に調整することによって、その化学構造と相俟って、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樹脂層はより低い電気抵抗を有し、電池性能が一層向上する傾向にある。すなわち、フッ素系高分子電解質ポリマーのEWは、親水性、膜の耐水性の観点から300以上であることが好ましく、親水性及び隔膜の電気抵抗の観点から1300以下であることが好ましい。
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。
前記EWは、フッ素系高分子電解質ポリマーの原料である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。
(EW of fluorinated polymer electrolyte polymer)
The equivalent mass EW (the dry mass gram of the fluorine-based polymer electrolyte polymer per equivalent of ion exchange groups) of the fluorine-based polymer electrolyte polymer in the present embodiment is preferably 300 to 1300 (g / eq), More preferably, it is 350-1000 (g / eq), More preferably, it is 400-900 (g / eq), Most preferably, it is 450-750 (g / eq).
In the fluorine-based polymer electrolyte polymer having the structure of the above formula (2), by adjusting its EW to the above range, in combination with its chemical structure, hydrophilicity excellent in the ion exchange resin composition containing it The resin layer obtained by using the resin composition has lower electric resistance and tends to further improve the battery performance. That is, the EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer is preferably 300 or more from the viewpoint of hydrophilicity and water resistance of the membrane, and is preferably 1300 or less from the viewpoint of hydrophilicity and electric resistance of the membrane.
The equivalent mass EW of the fluorine-based polymer electrolyte polymer can be measured by salt-substituting the fluorine-based polymer electrolyte polymer and back titration of the solution with an alkaline solution.
Said EW can be adjusted by the copolymerization ratio of the fluorine-type monomer which is a raw material of fluorine-type polymer electrolyte polymer, selection of a monomer kind, etc.

また、PFSA樹脂のEWが上述した下限値近くである場合には、樹脂の側鎖のイオン交換基の一部を、分子間で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。部分架橋反応としては、以下に限定されないが、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、以下に限定されないが、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。
部分架橋反応を行う場合は、PFSA樹脂のEWが低くてもよい場合がある。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、PFSA樹脂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。
In addition, when the EW of the PFSA resin is near the above-mentioned lower limit value, the resin is partially modified by partial cross-linking reaction between molecules directly or indirectly between some of the ion exchange groups on the side chain of the resin. It may control the solubility or the excessive swelling. The partial crosslinking reaction is not limited to the following. For example, the reaction of an ion exchange group with a functional group or main chain of another molecule, or the reaction of ion exchange groups, a low molecular weight compound having low oxidation resistance, an oligomer or a polymer A crosslinking reaction (covalent bonding) via a substance or the like may be mentioned, and in some cases, it may be a reaction with a salt (including an ionic bond with a SO 3 H group). Examples of the oxidation resistant low molecular weight compound, oligomer or high molecular substance include, but are not limited to, polyhydric alcohols and organic diamines.
When performing partial crosslinking reaction, the EW of the PFSA resin may be low. That is, the water solubility may be reduced (water resistance may be improved) without sacrificing the ion exchange group (in other words, EW). In addition, the same applies to the case where PFSA resin is a low melt flow region (polymer region) and there are many intermolecular entanglements.

(添加剤)
本実施形態におけるレドックスフロー電池用隔膜は、いずれか1つ以上の層に化学的物性、物理的物性等を向上させることを目的として添加剤を加えてもよい。本実施形態における添加剤の具体例としては、以下に限定されないが、有機物の添加剤として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリベンズイミダゾール、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリピリジン、ポリピリミジン、ポリイミダゾール、ポリビニルピリジン、ポリビニルイミダゾール、ポリアニリン、ポリフェニレンサルファイド等、無機物の添加剤として、Al23,B23,BaO,BaTiO3,CaO,KTaO3,LiNbO3,MgO,P25,SiO,SiO2,SnO2,SrO,TiO2,V25,WO3,Y23,ZnO,ZrO2,Zr23,ZrSiO4といった金属酸化物、BN,CaCl2,Si34,TiNといった無機物等が挙げられる。また、これらのうち2つ以上を同時に用いてもよい。
(Additive)
In the diaphragm for a redox flow battery in the present embodiment, an additive may be added to any one or more layers for the purpose of improving chemical physical properties, physical physical properties, and the like. Specific examples of the additive in the present embodiment include, but are not limited to, polytetrafluoroethylene, polybenzimidazole, polyimide, polyamide imide, polypyridine, polypyrimidine, polyimidazole, polyvinyl pyridine, polyvinyl as an organic additive. As additives of inorganic substances such as imidazole, polyaniline, polyphenylene sulfide, Al 2 O 3 , B 2 O 3 , BaO, BaTiO 3 , CaO, KTaO 3 , LiNbO 3 , MgO, P 2 O 5 , SiO, SiO 2 , SnO 2, SrO, TiO 2, V 2 O 5, WO 3, Y 2 O 3, ZnO, metal oxides such as ZrO 2, Zr 2 O 3, ZrSiO 4, BN, inorganic such as CaCl 2, Si 3 N 4, TiN Etc. Also, two or more of these may be used simultaneously.

(膜の厚み)
本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜は、少なくとも1層の樹脂層及び疎水層を有するものであり、これらは各々2層以上の積層体であってもよく、また、本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜は他の層をさらに有するものであってもよい。このように、本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜は、利用の形態に応じて適切な厚みを取ることができるが、一般的には10μm〜200μmの厚みを有することが好ましい。10μm以上で膜のハンドリング性が担保される傾向にあり、200μm以下とすることで、プロトンの透過性を担保できる傾向にある。
また、最外層に位置する疎水層の厚みは、0.1μm〜10μmが好ましい。0.1μm以上とすることで、前記iceberg構造が十分量形成され、活物質の透過を抑制する傾向にある。また、10μm以下とすることによって、レドックスフロー電池として組み上げたときに機構内部の空気を容易に排出することができる傾向にある。同様の理由から、疎水層の厚みは0.1μm〜5μmであることがより好ましく、0.2μm〜4μmであることがさらに好ましい。
(Thickness of membrane)
The membrane for a redox flow battery of the present embodiment has at least one resin layer and a hydrophobic layer, and these may each be a laminate of two or more layers, and the redox flow battery of the present embodiment The diaphragm may further have another layer. Thus, although the diaphragm for redox flow batteries of this embodiment can take an appropriate thickness according to the form of utilization, it is preferable to generally have a thickness of 10 micrometers-200 micrometers. The handling property of the membrane tends to be secured at 10 μm or more, and the proton permeability tends to be secured at 200 μm or less.
Moreover, as for the thickness of the hydrophobic layer located in outermost layer, 0.1 micrometer-10 micrometers are preferable. When the thickness is 0.1 μm or more, a sufficient amount of the iceberg structure is formed, and the permeation of the active material tends to be suppressed. Further, by setting the thickness to 10 μm or less, when assembled as a redox flow battery, the air in the mechanism tends to be easily discharged. For the same reason, the thickness of the hydrophobic layer is more preferably 0.1 μm to 5 μm, and still more preferably 0.2 μm to 4 μm.

(樹脂層の補強)
本実施形態における樹脂層は、種々公知の方法に基づいて補強されていてもよい。公知の補強方法の例としては、以下に限定されないが、例えば、フィブリル状PTFEの添加による補強(日本国特開昭53−149881号公報(米国特許第4,218,542号明細書に対応)と日本国特公昭63−61337号公報(EP94679号に対応)参照)、延伸処理したPTFE多孔膜による補強(日本国特公平5−75835号公報と日本国特表平11−501964号公報(米国特許第5,599,614号明細書と米国特許第5,547,551号明細書に対応)参照)、無機粒子(Al23、SiO2、TiO2、ZrO2など)の添加による補強(日本国特開平6−111827号公報、日本国特開平9−219206号公報及び米国特許第5,523,181号明細書参照)、架橋による補強(日本国特開2000−188013号公報参照)、ゾルゲル反応を利用して膜内にシリカを含有させることによる補強((K. A. Mauritz, R. F. Storeyand, C. K. Jones, in Multiphase Polymer Materials: Blendsand Ionomers, L. A. Utrackiand R. A. Weiss, Editors, ACS Symposium Series No. 395, p.401, American Chemical Society, Washington, DC(1989)参照)等が挙げられる。
(Reinforcement of resin layer)
The resin layer in the present embodiment may be reinforced based on various known methods. Examples of known reinforcement methods include, but are not limited to, for example, reinforcement by addition of fibrillar PTFE (corresponding to JP-A-53-149881 (corresponding to US Pat. No. 4,218,542)) And JP-B-63-61 337 (corresponding to EP 94 679), reinforcement with a porous PTFE membrane subjected to stretching treatment (JP-B-5-75835 and JP-A-11-501964 (US See, Patents 5,599,614 and US Pat. No. 5,547,551)), reinforcement by addition of inorganic particles (Al 2 O 3 , SiO 2 , TiO 2 , ZrO 2 etc.) (See JP-A-6-111827, JP-A-9-219206 and US Pat. No. 5,523,181), reinforcement by cross-linking No. 000-188013), reinforcement by incorporating silica in a membrane by using a sol-gel reaction ((K. A. Mauritz, R. F. Storeyand, C. K. Jones, in Multiphase Polymer Materials: Blendsands) U.S. Ionomers, L. A. Utrackiand R. A. Weiss, Editors, ACS Symposium Series No. 395, p. 401, American Chemical Society, Washington, DC (1989)) and the like.

(隔膜の製法)
本実施形態に係るレドックスフロー電池用隔膜の製造方法(成膜法)としては、特に限定されず、例えば、押し出し成型、溶液を用いたキャスト製膜等の方法を用いることができる。
また、疎水層の形成方法としては、以下に限定されないが、例えば、別途作成した疎水層を貼りあわせる、あるいは樹脂層の上に溶液又は分散液をキャスト製膜・スプレー塗工・グラビアコートする等の方法が挙げられる。
(Production method of diaphragm)
It does not specifically limit as a manufacturing method (film-forming method) of the diaphragm for redox flow batteries which concerns on this embodiment, For example, methods, such as extrusion molding, the cast film forming using a solution, etc., can be used.
Also, the method for forming the hydrophobic layer is not limited to the following, for example, a separately prepared hydrophobic layer is attached, or a solution or dispersion is cast on a resin layer, spray coating, gravure coating, etc. Method is mentioned.

(レドックスフロー電池)
本実施形態に係るレドックスフロー電池は、炭素電極を含む正極を有する正極セル室と、炭素電極を含む負極を有する負極セル室と、前記正極セル室と前記負極セル室とを隔離分離させるレドックスフロー電池用隔膜と、を含む電解槽を備え、前記レドックスフロー電池用隔膜が、イオン交換樹脂を含む樹脂層と、水に対する接触角が110°以上である疎水層と、を有し、前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層である。すなわち、前述した本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜は、本実施形態のレドックスフロー電池に好ましく適用することができ、本実施形態のレドックスフロー電池におけるレドックスフロー電池用隔膜の具体的態様ないし好ましい態様については前述したとおりである。
正極セル室は正極活物質を含む正極電解液を流通させ、前記負極セル室は負極活物質を含む負極電解液を流通させ、前記電解液中の前記正極活物質及び前記負極活物質の価数変化に基づき充放電が起こる。
(Redox flow battery)
The redox flow battery according to the present embodiment includes a positive electrode cell chamber having a positive electrode including a carbon electrode, a negative electrode cell chamber having a negative electrode including a carbon electrode, and a redox flow separating and separating the positive cell chamber and the negative cell chamber. A membrane for a battery, and the membrane for a redox flow battery has a resin layer containing an ion exchange resin, and a hydrophobic layer having a contact angle with water of 110 ° or more, and the redox flow At least one of the outermost layers of the battery diaphragm is the hydrophobic layer. That is, the redox flow battery diaphragm of the present embodiment described above can be preferably applied to the redox flow battery of the present embodiment, and the specific aspect to the preferred embodiment of the redox flow battery diaphragm in the redox flow battery of the present embodiment Is as described above.
The positive electrode cell chamber circulates a positive electrode electrolyte containing a positive electrode active material, and the negative electrode cell chamber circulates a negative electrode electrolyte containing a negative electrode active material, and the valences of the positive electrode active material and the negative electrode active material in the electrolytic solution Charge and discharge occur based on the change.

図1は、本実施形態に係るレドックスフロー電池の概要図の一例である。この例において、本実施形態のレドックスフロー二次電池は、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(矢印A,B)。また、レッドクスフロー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 is an example of a schematic view of a redox flow battery according to the present embodiment. In this example, the redox flow secondary battery of the present embodiment includes: a positive electrode cell chamber 2 including a positive electrode 1 formed of a carbon electrode; a negative electrode cell chamber 4 including a negative electrode 3 formed of a carbon electrode; The cathode cell chamber 2 includes an electrolytic cell 6 including an electrolyte membrane 5 as a diaphragm for separating and separating the anode cell chamber 4 from each other, the cathode cell chamber 2 includes a cathode electrolyte containing an active material, and the anode cell chamber 4 It contains an anode electrolyte containing a substance. The positive electrode electrolyte and the negative 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 (arrows A and B). Also, the current generated by the redox flow battery may be converted from direct current to alternating current via the AC / DC converter 9.

本実施形態に係るレドックスフロー電池は、図1には示していないが、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ものとすることができる。   In the redox flow battery according to the present embodiment, although not shown in FIG. 1, liquid permeable and porous collector electrodes (for the negative electrode and for the positive electrode) are disposed on both sides of the diaphragm and pressed by pressing. It is possible to have a structure in which one of the two cell chambers is secured by a spacer, with one of the two cells separated by the diaphragm as the positive cell chamber and the other as the negative cell chamber.

バナジウム型レドックスフロー電池の場合、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、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。 In the case of a vanadium type redox flow battery, a positive electrode electrolyte composed of a sulfuric acid electrolyte containing tetravalent vanadium (V 4+ ) and pentavalent (V 5+ ) in the positive electrode cell chamber, and vanadium in the negative electrode cell chamber The battery is charged and discharged by flowing a negative electrode electrolyte containing trivalent (V 3+ ) and bivalent (V 2+ ). At this time, at the time of charging, V 4 + is oxidized to V 5 + in the positive electrode cell chamber because vanadium ions emit electrons, and V 3 + is V 2 by electrons returned through the outer path in the negative cell chamber. It is reduced to + . In this redox reaction, protons (H + ) become excessive in the positive electrode cell chamber, and the diaphragm selectively transfers the excess protons in the positive electrode cell chamber to the negative electrode chamber to maintain electrical neutrality. During discharge, the reverse reaction proceeds.

レドックスフロー電池の充放電における蓄電性能は、エネルギー効率によって判断することができる。低い内部抵抗と活物質の透過阻止の両方が達成された膜を用いたレドックスフロー電池では、活物質に蓄えられた電荷量が無駄なく取り出され、単位電荷量あたりの内部抵抗ロスも抑制されるため、最終的な電池の蓄電性能(エネルギー効率)が向上する。レドックスフロー電池の運転中、活物質が隔膜を通過すると、充電によって価数が変化したイオンが放電に寄与することができなくなるため、電流効率が減少する。本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜を利用することで、活物質の透過が抑制されるため、高い電流効率での運転が可能となる。
一方、レドックスフロー電池の内部抵抗は膜のプロトン透過性に依存し、プロトン透過性が高い膜を利用することで、電池の内部抵抗が低減される。内部抵抗が低減されると、充電時には必要となる電圧が下がり、放電時にはより高電圧での運転が可能となる。
前述したとおり、本実施形態のレドックスフロー電池用隔膜は、内部抵抗を低く保ちながら活物質の透過抑制による高電流効率を達成しており、最終的に得られるレドックスフロー電池のエネルギー効率が高い。
The storage performance in charge and discharge of the redox flow battery can be judged by energy efficiency. In a redox flow battery using a membrane that achieves both low internal resistance and permeation inhibition of the active material, the amount of charge stored in the active material is taken out without waste, and internal resistance loss per unit amount of charge is also suppressed Therefore, the storage performance (energy efficiency) of the final battery is improved. When the active material passes through the diaphragm during operation of the redox flow battery, ions whose charge number has changed due to charge can not contribute to discharge, and the current efficiency decreases. By using the diaphragm for a redox flow battery of the present embodiment, the permeation of the active material is suppressed, and therefore, it is possible to operate at high current efficiency.
On the other hand, the internal resistance of the redox flow battery depends on the proton permeability of the membrane, and the internal resistance of the battery is reduced by using a membrane with high proton permeability. When the internal resistance is reduced, the voltage required for charging decreases, and a higher voltage operation is possible for discharging.
As described above, the diaphragm for a redox flow battery of this embodiment achieves high current efficiency by suppressing permeation of the active material while keeping the internal resistance low, and the energy efficiency of the finally obtained redox flow battery is high.

バナジウム型レドックスフロー電池の場合、特に負極セル室のV2+が正極セル室に移動することが電流効率を低減させることが知られている。そのため、本実施形態の一態様に係るバナジウム型レドックスフロー電池においては、疎水層を負極セル室側に向けて設置されていることが好ましい。すなわち、本実施形態のバナジウム型レドックスフロー電池は、炭素電極を含む正極を有する正極セル室と、炭素電極を含む負極を有する負極セル室と、前記正極セル室と前記負極セル室とを隔離分離させるレドックスフロー電池用隔膜と、を含む電解槽を備え、前記レドックスフロー電池用隔膜が、イオン交換樹脂を含む樹脂層と、水に対する接触角が110°以上である疎水層と、を有し、前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層であり、前記疎水層が、前記負極に流通される電解液と接触する。このように構成されていることで、本実施形態のバナジウム型レドックスフロー電池は、高いエネルギー効率を発揮する。 In the case of a vanadium-type redox flow battery, it is known that the movement of V 2+ in the anode cell chamber, in particular, to the cathode cell chamber reduces the current efficiency. Therefore, in the vanadium redox flow battery according to one aspect of the present embodiment, it is preferable that the hydrophobic layer be disposed toward the negative electrode chamber side. That is, the vanadium-type redox flow battery of this embodiment separates and separates a positive electrode cell chamber having a positive electrode including a carbon electrode, a negative electrode chamber having a negative electrode including a carbon electrode, the positive cell chamber and the negative cell chamber. A redox flow battery diaphragm, the redox flow battery diaphragm having a resin layer containing an ion exchange resin, and a hydrophobic layer having a contact angle with water of 110 ° or more, At least one of the outermost layers of the redox flow cell diaphragm is the hydrophobic layer, and the hydrophobic layer is in contact with the electrolyte solution flowing to the negative electrode. By being configured in this manner, the vanadium redox flow battery of the present embodiment exhibits high energy efficiency.

以下、本実施形態を実施例によってさらに具体的に説明するが、以下の実施例に限定されるものではない。なお、本実施形態に用いられる評価方法及び測定方法は以下のとおりである。   Hereinafter, the present embodiment will be more specifically described by way of examples, but the present invention is not limited to the following examples. The evaluation method and the measurement method used in the present embodiment are as follows.

(レドックスフロー電池用隔膜のEW)
レドックスフロー電池用隔膜およそ0.02〜0.10gを50mLの25℃飽和NaCl水溶液(0.26g/mL)に浸漬し、攪拌しながら10分間放置した後、和光純薬工業社製試薬特級フェノールフタレインを指示薬として和光純薬工業社製試薬特級0.01N水酸化ナトリウム水溶液を用いて中和滴定した。中和後得られたNa型イオン交換膜を純水ですすいだ後、真空乾燥して秤量した。中和に要した水酸化ナトリウムの当量をM(mmol)、Na型イオン交換膜の質量を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値の最大値及び最小値を除き、3つの値を相加平均して測定結果とした。
(EW of diaphragm for redox flow battery)
About 0.02 to 0.10 g of a diaphragm for a redox flow battery is immersed in 50 mL of 25 ° C. saturated aqueous NaCl solution (0.26 g / mL) and left for 10 minutes while stirring, then reagent special grade phenol manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd. Neutralization titration was carried out using a special grade 0.01 N sodium hydroxide aqueous solution manufactured by Wako Pure Chemical Industries, Ltd., using phthalein as an indicator. After the Na type ion exchange membrane obtained after neutralization was rinsed with pure water, it was vacuum dried and weighed. The equivalent weight of sodium hydroxide required for neutralization was M (mmol), the mass of the Na type ion exchange membrane was W (mg), and the equivalent mass EW (g / eq) was determined from the following equation.
EW = (W / M)-22
After repeating the above operation five times, except for the maximum value and the minimum value of the five calculated EW values, the three values are arithmetically averaged to obtain a measurement result.

〔実施例1〕
前記式(4)において、m=2である高分子電解質を水、エチレングリコールの混合溶媒中に分散させた溶液を用意した。ここで、高分子電解質のEWは640であり、高分子電解質の質量パーセント濃度は約30%になるように調整した。
これをポリイミド(PI)フィルム上にブレードコーターを用いて乾燥後の厚みが約30μmの厚みになるようにキャスト製膜した。
特開2015−199875号公報に記載の方法に倣ってポリフェニレンスルフィド微粒子分散液を用意した。この際、バインダーとなる高分子電解質溶液(前記式(4)でm=2となる高分子電解質を含む)を加えた。ポリフェニレンスルフィド微粒子の分散液中濃度を9wt%とし、前記キャスト製膜後の膜上に、この微粒子分散液を、ポリフェニレンスルフィド量が0.33mg・cm-2になるように微粒子分散液の塗工厚みを調整し、キャスト製膜した。
膜をイオン交換水で洗浄することで残存溶媒を取り除いたのちに、170℃で熱処理を行い、レドックスフロー電池用隔膜を得た。
得られた膜について表面SEM画像を取得した(図2)。表面に微粒子によって空隙を含む層が形成されていることを確認した。
Example 1
A solution was prepared by dispersing the polymer electrolyte in which m = 2 in the formula (4) in a mixed solvent of water and ethylene glycol. Here, the EW of the polyelectrolyte was 640, and the mass percent concentration of the polyelectrolyte was adjusted to be about 30%.
This was cast on a polyimide (PI) film using a blade coater so that the thickness after drying was about 30 μm.
The polyphenylene sulfide particle dispersion was prepared according to the method described in JP-A-2015-199875. Under the present circumstances, the polymer electrolyte solution (The polymer electrolyte used as m = 2 by said Formula (4) is used) used as a binder was added. The concentration of polyphenylene sulfide fine particles in the dispersion is 9 wt%, and the fine particle dispersion is coated on the cast film so that the amount of polyphenylene sulfide is 0.33 mg · cm −2. The thickness was adjusted and cast filmed.
After removing the residual solvent by washing the membrane with ion exchange water, heat treatment was performed at 170 ° C. to obtain a diaphragm for a redox flow battery.
Surface SEM images were obtained for the obtained films (FIG. 2). It was confirmed that a layer containing voids was formed on the surface by fine particles.

〔比較例1〕
ポリフェニレンスルフィド微粒子分散液による層を形成しないこと以外は実施例1と同様にして、レドックスフロー電池用隔膜を得た。
Comparative Example 1
A diaphragm for a redox flow battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that no layer was formed of the polyphenylene sulfide fine particle dispersion.

(接触角測定)
レドックスフロー電池用隔膜における最外層の水に対する接触角を、下記の方法で測定した。
まず、水平な台座の上に切り出したレドックスフロー電池用隔膜を測定面が上に向くように固定した。次いで、固定したレドックスフロー電池用隔膜の上からイオン交換水を6μL滴下した。滴下120秒後に側面からカメラで画像を取得し、液滴面と膜面のなす角度から接触角の測定値を得た。
(Contact angle measurement)
The contact angle to water of the outermost layer in the redox flow cell membrane was measured by the following method.
First, the diaphragm for a redox flow battery cut out on a horizontal pedestal was fixed so that the measurement surface faced upward. Subsequently, 6 microliters of ion-exchange water was dripped from on the fixed diaphragm for redox flow batteries. After dropping for 120 seconds, an image was obtained with a camera from the side, and the measured value of the contact angle was obtained from the angle between the droplet surface and the film surface.

(疎水層の表面粒子量測定)
仕込み比として特定される微粒子分散液中の粒子の量に、乾燥前の塗工厚みを乗ずることで、疎水層の表面粒子量を算出した。
(Measurement of surface particle amount of hydrophobic layer)
The surface particle amount of the hydrophobic layer was calculated by multiplying the amount of particles in the fine particle dispersion specified as the feed ratio by the coating thickness before drying.

(平均粒子径の測定)
実施例で用いたポリフェニレンスルフィド微粒子及びポリテトラフルオロエチレン微粒子の平均粒子径は、動的光散乱法(DLS法)によって測定した。キャスト製膜に用いた溶液を水で希釈し、溶液分散状態の微粒子に対してDLS測定を行った。Marquardt法によって粒子径分布を求めることを5回行い、分布のピークトップの平均値を平均粒子径とした。
(Measurement of average particle size)
The average particle sizes of the polyphenylene sulfide fine particles and the polytetrafluoroethylene fine particles used in the examples were measured by the dynamic light scattering method (DLS method). The solution used for cast film formation was diluted with water, and DLS measurement was performed on fine particles in the solution dispersion state. The particle size distribution was determined five times by the Marquardt method, and the average value of the peak top of the distribution was taken as the average particle size.

(レドックスフロー電池用隔膜のプロトン透過抵抗測定)
レドックスフロー電池用隔膜のプロトン透過抵抗は、レドックスフロー電池の内部抵抗として評価した。
膜面積は10cm2、正極槽・負極槽ともに電解液量30mLとしてバナジウム型レドックスフロー電池を組み、電気化学インピーダンス測定を行った。ここで正極/負極材料としては炭素繊維不織布を用い、両槽のバナジウムイオン濃度はいずれも1.6Mとした。電気化学インピーダンス測定結果からナイキスト線図を作成し、ナイキスト線図における実軸交点から、膜の抵抗を算出した。
(Proton permeation resistance measurement of diaphragm for redox flow battery)
The proton permeation resistance of the redox flow cell membrane was evaluated as the internal resistance of the redox flow cell.
The membrane area was 10 cm 2 , and both of the positive electrode tank and the negative electrode tank were assembled in a vanadium type redox flow battery with an electrolyte volume of 30 mL, and electrochemical impedance measurement was performed. Here, a carbon fiber non-woven fabric was used as the positive electrode / negative electrode material, and the vanadium ion concentration in both tanks was 1.6 M in all cases. The Nyquist diagram was created from the electrochemical impedance measurement results, and the resistance of the film was calculated from the real axis intersection point in the Nyquist diagram.

(レドックスフロー電池用隔膜の活物質透過抑制の測定)
レドックスフロー電池用隔膜の活物質の透過抑制効果は、レドックスフロー電池の電流効率によって判断した。
前述と同様のレドックスフロー電池を組み、充放電サイクル試験を行った。試験は電流密度70mA・cm-2で充放電を繰り返すことで行った。
電流効率は各サイクルにおいて充電された電荷量と放電された電荷量の比として求められる。
各サイクルにおける電流効率を算出し、3〜8サイクルの効率を平均し、膜の電流効率とした。
(Measurement of active material permeation suppression of diaphragm for redox flow battery)
The permeation suppression effect of the active material of the diaphragm for a redox flow battery was judged by the current efficiency of the redox flow battery.
A charge-discharge cycle test was conducted by assembling the same redox flow battery as described above. The test was performed by repeating charge and discharge at a current density of 70 mA · cm −2 .
The current efficiency is determined as the ratio of the amount of charge charged in each cycle to the amount of charge discharged.
The current efficiency in each cycle was calculated, and the efficiencies of 3 to 8 cycles were averaged to obtain the current efficiency of the film.

(疎水層の空隙率測定)
疎水層の厚み及び疎水層を構成する粒子の密度から空隙率を算出した。
まず、隔膜の厚みを測定した。また、ポリフェニレンスルフィド粒子からなる疎水層を設けていない、電解質からなる層を別途用意し、厚みを測定した。これらの差をとることで、疎水層の厚みを算出した。ここで、(単位面積当たりの疎水層重量)/(疎水層厚み)から、見かけの疎水層密度を算出した。次いで、(見かけの疎水層密度)/(疎水層を構成する粒子の密度)を計算し、1との差をとることで、空隙率を求めた。なお、疎水層を構成する粒子の密度については、当該粒子(ポリフェニレンスルフィド、ポリテトラフルオロエチレン)について既知の値を用いた。
(Measurement of porosity of hydrophobic layer)
The porosity was calculated from the thickness of the hydrophobic layer and the density of the particles constituting the hydrophobic layer.
First, the thickness of the diaphragm was measured. In addition, a layer made of an electrolyte was prepared separately without providing a hydrophobic layer made of polyphenylene sulfide particles, and the thickness was measured. By taking these differences, the thickness of the hydrophobic layer was calculated. Here, the apparent hydrophobic layer density was calculated from (hydrophobic layer weight per unit area) / (hydrophobic layer thickness). Then, (apparent hydrophobic layer density) / (density of particles constituting the hydrophobic layer) was calculated, and the difference from 1 was taken to determine the porosity. In addition, about the density of the particle | grains which comprise a hydrophobic layer, the known value was used about the said particle | grains (a polyphenylene sulfide, polytetrafluoroethylene).

(内部抵抗及び電流効率の測定結果)
表1に実施例1と比較例1の測定結果を示す。
内部抵抗を上昇させることなく電流効率が向上しており、実施例の膜ではプロトンは透過しやすく、活物質の透過は抑制されていることがわかる。
(Measurement result of internal resistance and current efficiency)
Table 1 shows the measurement results of Example 1 and Comparative Example 1.
It is understood that the current efficiency is improved without increasing the internal resistance, and in the membrane of the example, protons are easily transmitted and the transmission of the active material is suppressed.

〔実施例2〕
高分子電解質のEWを740に調整したこと以外は実施例1と同様にして、レドックスフロー電池用隔膜を得た。表面に微粒子によって空隙を含む層が形成されていることを確認した。
Example 2
A diaphragm for a redox flow battery was obtained in the same manner as in Example 1 except that the EW of the polymer electrolyte was adjusted to 740. It was confirmed that a layer containing voids was formed on the surface by fine particles.

〔実施例3〕
乾燥後のポリフェニレンスルフィド量が0.55mg・cm-2になるように塗工厚みを調整したこと以外は実施例2と同様にしてレドックスフロー電池用隔膜を得た。表面に微粒子によって空隙を含む層が形成されていることを確認した。
[Example 3]
A diaphragm for a redox flow battery was obtained in the same manner as in Example 2 except that the coating thickness was adjusted so that the amount of polyphenylene sulfide after drying was 0.55 mg · cm −2 . It was confirmed that a layer containing voids was formed on the surface by fine particles.

〔実施例4〕
前記式(4)において、m=2である高分子電解質を水、エチレングリコールの混合溶媒中に分散させた溶液を用意した。ここで、高分子電解質のEWは740であり、高分子電解質の質量パーセント濃度は約30%になるように調整した。
これをポリイミド(PI)フィルム上にブレードコーターを用いて乾燥後の厚みが約30μmの厚みになるようにキャスト製膜した。
ポリテトラフルオロエチレン微粒子分散液(Sigma−Aldrich社製)を水で希釈し、ポリテトラフルオロエチレン微粒子の分散液中の濃度が5%となるように調整した。また、この分散液にバインダーとなる高分子電解質溶液(前記式(4)でm=2となる高分子電解質を含む)を加えた。前記キャスト製膜後の膜上に、この微粒子分散液を、ポリテトラフルオロエチレン量が0.4mg・cm-2になるようにキャスト製膜した。
膜をイオン交換水で洗浄することで残存溶媒を取り除いたのちに、190℃で熱処理を行い、レドックスフロー電池用隔膜を得た。表面に微粒子によって空隙を含む層が形成されていることを確認した。
Example 4
A solution was prepared by dispersing the polymer electrolyte in which m = 2 in the formula (4) in a mixed solvent of water and ethylene glycol. Here, the EW of the polyelectrolyte was 740, and the mass percent concentration of the polyelectrolyte was adjusted to be about 30%.
This was cast on a polyimide (PI) film using a blade coater so that the thickness after drying was about 30 μm.
The polytetrafluoroethylene fine particle dispersion (manufactured by Sigma-Aldrich) was diluted with water and adjusted to have a concentration of 5% in the dispersion of polytetrafluoroethylene fine particles. Further, a polymer electrolyte solution (including a polymer electrolyte where m = 2 in the above formula (4)) as a binder was added to the dispersion. The fine particle dispersion was cast on the cast film so that the amount of polytetrafluoroethylene was 0.4 mg · cm −2 .
After removing the residual solvent by washing the membrane with ion exchange water, heat treatment was performed at 190 ° C. to obtain a diaphragm for a redox flow battery. It was confirmed that a layer containing voids was formed on the surface by fine particles.

〔比較例2〕
ポリフェニレンスルフィド微粒子分散液による層を形成しないこと以外は実施例2と同様にして、レドックスフロー電池用隔膜を得た。
Comparative Example 2
A diaphragm for a redox flow battery was obtained in the same manner as in Example 2 except that a layer of the polyphenylene sulfide fine particle dispersion was not formed.

(レドックスフロー電池のエネルギー効率)
実施例2〜4及び比較例2について、前記と同様のレドックスフロー電池を組み、充放電サイクル試験を行った。各サイクルのエネルギー効率を算出し、3〜8サイクルのエネルギー効率を平均し、レドックスフロー電池のエネルギー効率とした。
(Energy efficiency of redox flow battery)
For Examples 2 to 4 and Comparative Example 2, the same redox flow battery as described above was assembled, and a charge and discharge cycle test was performed. The energy efficiency of each cycle was calculated, and the energy efficiencies of 3 to 8 cycles were averaged to obtain the energy efficiency of the redox flow battery.

(内部抵抗及びエネルギー効率の測定結果)
表2に実施例2〜4と比較例2の測定結果を示す。内部抵抗については、実施例2,3及び比較例2について実施例1と同様の方法で測定した結果を示す。
実施例のレドックスフロー電池では、抵抗が十分に低いだけでなく、高いエネルギー効率が得られていることがわかる。
(Measurement result of internal resistance and energy efficiency)
Table 2 shows the measurement results of Examples 2 to 4 and Comparative Example 2. About internal resistance, the result measured by the method similar to Example 1 about Example 2, 3 and Comparative Example 2 is shown.
It is understood that the redox flow battery of the example not only has a sufficiently low resistance, but also has high energy efficiency.

本発明のレドックスフロー電池用隔膜は、プロトンの透過抵抗が低く、かつ活物質の透過を阻止できる隔膜として、産業上利用可能性を有する。
これを利用したレドックスフロー電池は、高いエネルギー効率の電池として利用可能である。
The membrane for a redox flow battery of the present invention has industrial applicability as a membrane having a low proton permeation resistance and capable of blocking the permeation of an active material.
A redox flow battery using this can be used as a battery with high energy efficiency.

1 正極
2 正極セル室
3 負極
4 負極セル室
5 隔膜
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 positive electrode 2 positive electrode cell chamber 3 negative electrode 4 negative electrode cell chamber 5 diaphragm 6 electrolytic cell 7 positive electrode electrolyte tank 8 negative electrode electrolyte tank 9 AC / DC converter

Claims (8)

イオン交換樹脂を含む樹脂層と、
水に対する接触角が110°以上である疎水層と、
を有するレドックスフロー電池用隔膜であって、
前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層である、レドックスフロー電池用隔膜。
A resin layer containing an ion exchange resin,
A hydrophobic layer having a contact angle to water of 110 ° or more,
A diaphragm for a redox flow battery having
A diaphragm for a redox flow battery, wherein at least one of the outermost layers of the diaphragm for a redox flow battery is the hydrophobic layer.
前記疎水層が、空隙を有する、請求項1に記載のレドックスフロー電池用隔膜。   The diaphragm for a redox flow battery according to claim 1, wherein the hydrophobic layer has a void. 前記疎水層が、微粒子を含む、請求項1又は2に記載のレドックスフロー電池用隔膜。   The diaphragm for a redox flow battery according to claim 1, wherein the hydrophobic layer contains fine particles. 前記微粒子の平均粒子径が50nm〜5μmである、請求項3に記載のレドックスフロー電池用隔膜。   The diaphragm for a redox flow battery according to claim 3, wherein an average particle diameter of the fine particles is 50 nm to 5 μm. 前記微粒子の表面粒子量が0.01〜20mg・cm-2である、請求項3又は4に記載のレドックスフロー電池用隔膜。 The diaphragm for a redox flow battery according to claim 3 or 4, wherein an amount of surface particles of the fine particles is 0.01 to 20 mg · cm- 2 . 前記イオン交換樹脂が、フッ素系高分子電解質ポリマーを含む、請求項1〜5のいずれか1項に記載のレドックスフロー電池用隔膜。   The diaphragm for a redox flow battery according to any one of claims 1 to 5, wherein the ion exchange resin contains a fluorine-based polymer electrolyte polymer. 炭素電極を含む正極を有する正極セル室と、炭素電極を含む負極を有する負極セル室と、前記正極セル室と前記負極セル室とを隔離分離させるレドックスフロー電池用隔膜と、を含む電解槽を備え、
前記レドックスフロー電池用隔膜が、イオン交換樹脂を含む樹脂層と、水に対する接触角が110°以上である疎水層と、を有し、
前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層である、レドックスフロー電池。
An electrolytic cell comprising a positive electrode cell chamber having a positive electrode including a carbon electrode, a negative electrode cell chamber having a negative electrode including a carbon electrode, and a redox flow battery diaphragm separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative cell chamber. Equipped
The membrane for a redox flow battery has a resin layer containing an ion exchange resin, and a hydrophobic layer having a contact angle to water of 110 ° or more,
The redox flow battery in which at least one of the outermost layers of the diaphragm for the redox flow battery is the hydrophobic layer.
炭素電極を含む正極を有する正極セル室と、炭素電極を含む負極を有する負極セル室と、前記正極セル室と前記負極セル室とを隔離分離させるレドックスフロー電池用隔膜と、を含む電解槽を備え、
前記レドックスフロー電池用隔膜が、イオン交換樹脂を含む樹脂層と、水に対する接触角が110°以上である疎水層と、を有し、
前記レドックスフロー電池用隔膜の最外層の少なくとも1つが、前記疎水層であり、
前記疎水層が、前記負極に流通される電解液と接触する、バナジウム型レドックスフロー電池。
An electrolytic cell comprising a positive electrode cell chamber having a positive electrode including a carbon electrode, a negative electrode cell chamber having a negative electrode including a carbon electrode, and a redox flow battery diaphragm separating and separating the positive electrode cell chamber and the negative cell chamber. Equipped
The membrane for a redox flow battery has a resin layer containing an ion exchange resin, and a hydrophobic layer having a contact angle to water of 110 ° or more,
At least one of the outermost layers of the redox flow cell diaphragm is the hydrophobic layer,
The vanadium-type redox flow battery in which the said hydrophobic layer contacts the electrolyte solution distribute | circulated to the said negative electrode.
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