JP2019160469A - Electrolytic solution for redox flow battery, and redox flow battery - Google Patents

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Nobumasa Ohara
伸昌 大原
尚浩 宋
Shang Hao Song
尚浩 宋
宏昭 松浦
Hiroaki Matsuura
宏昭 松浦
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Abstract

To provide: an electrolytic solution for a redox flow battery, which enables high input and output in charge and discharge; and a redox flow battery.SOLUTION: An electrolytic solution for a redox flow battery comprises a transition metal element which is one of Group IV to VIII elements in the periodic table as a battery active material and further, hydroxy acid and haloid ions so that its conductivity becomes 0.4 Scmor more. A redox flow battery comprises: a positive electrode 11; a negative electrode 21; and a permeable membrane 3 provided between the positive electrode 11 and the negative electrode 21. At least one of the positive electrode 11 and the negative electrode 21 includes an electrolyte solution circulation type electrode for circulating the electrolytic solution for the redox flow battery in the electrode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、レドックスフロー電池用電解液及びレドックスフロー電池に関し、より詳しくは、充放電時に高入出力が可能であると共に、大きな電流密度で充放電を行う場合においてもハロゲンガスの発生を好適に防止できるレドックスフロー電池用電解液及びレドックスフロー電池に関する。   The present invention relates to an electrolyte for a redox flow battery and a redox flow battery. More specifically, the present invention enables high input / output at the time of charging / discharging and suitably generates halogen gas even when charging / discharging at a large current density. The present invention relates to a redox flow battery electrolyte that can be prevented and a redox flow battery.

非特許文献1には、電池活物質としてバナジウムを含有する電解液に塩化物イオンを含有させることが開示されている。   Non-Patent Document 1 discloses that an electrolyte containing vanadium as a battery active material contains chloride ions.

E.Sum, M.Rychcik and M.Skyllas-Kazacos, J.Power source, 16(1985) 85-95E. Sum, M. Rychcik and M. Skyllas-Kazacos, J. Power source, 16 (1985) 85-95

しかし、非特許文献1の技術には、レドックスフロー電池の充放電時における高入出力を実現する観点で更なる改善の余地が見出された。   However, the technique of Non-Patent Document 1 has found room for further improvement from the viewpoint of realizing high input / output at the time of charging / discharging of the redox flow battery.

そこで本発明の課題は、充放電時に高入出力が可能であるレドックスフロー電池用電解液及びレドックスフロー電池を提供することにある。   Then, the subject of this invention is providing the electrolyte solution for redox flow batteries and a redox flow battery which can perform high input / output at the time of charging / discharging.

また本発明の他の課題は、以下の記載によって明らかとなる。   Other problems of the present invention will become apparent from the following description.

上記課題は、以下の各発明によって解決される。   The above problems are solved by the following inventions.

(請求項1)
電池活物質として周期表における4族元素〜8族元素である遷移金属元素を含有し、更に、導電率が0.4Scm−1以上になるようにオキシ酸及びハロゲン化物イオンを含有することを特徴とするレドックスフロー電池用電解液。
(請求項2)
前記オキシ酸は、硫酸であることを特徴とする請求項1記載のレドックスフロー電池用電解液。
(請求項3)
前記ハロゲン化物イオンは、塩化物イオン又は臭化物イオンであることを特徴とする請求項1又は2記載のレドックスフロー電池用電解液。
(請求項4)
前記遷移金属元素は、周期表における4族元素又は5族元素であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のレドックスフロー電池用電解液。
(請求項5)
前記遷移金属元素はバナジウムであることを特徴とする請求項4記載のレドックスフロー電池用電解液。
(請求項6)
正極、負極、及び、前記正極と前記負極との間に設けられた隔膜を備え、
前記正極及び前記負極の少なくとも一方は、請求項1〜6の何れかに記載のレドックスフロー電池用電解液を電極内に流通させる電解液流通型電極であり、
前記電解液流通型電極は、導電性カーボンフェルトと、該導電性カーボンフェルトに混入された、繊維状、粒状及び面状から選択される1種以上の直径1μm以下のグラファイトとによって構成され、該電解液流通型電極における電解液流通方向に対する法線方向の見掛けの厚さが3mm以下であり、
前記隔膜の厚さが150μm以下であり、
充放電面積抵抗率が0.8Ωcm以下であることを特徴とするレドックスフロー電池。
(請求項7)
充放電面積抵抗率が0.7Ωcm以下であることを特徴とする請求項6記載のレドックスフロー電池。
(請求項8)
充放電面積抵抗率が0.6Ωcm以下であることを特徴とする請求項6記載のレドックスフロー電池。
(請求項9)
充放電面積抵抗率が0.5Ωcm以下であることを特徴とする請求項6記載のレドックスフロー電池。
(Claim 1)
It contains a transition metal element which is a group 4 element to a group 8 element in the periodic table as a battery active material, and further contains an oxyacid and a halide ion so that the conductivity is 0.4 Scm −1 or more. Electrolyte for redox flow battery.
(Claim 2)
2. The redox flow battery electrolyte solution according to claim 1, wherein the oxyacid is sulfuric acid.
(Claim 3)
3. The redox flow battery electrolyte according to claim 1, wherein the halide ions are chloride ions or bromide ions.
(Claim 4)
The said transition metal element is a group 4 element or a group 5 element in a periodic table, The electrolyte solution for redox flow batteries in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.
(Claim 5)
5. The redox flow battery electrolyte according to claim 4, wherein the transition metal element is vanadium.
(Claim 6)
A positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm provided between the positive electrode and the negative electrode;
At least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrolyte solution flow type electrode that distributes the redox flow battery electrolyte solution according to any one of claims 1 to 6 in the electrode,
The electrolyte flow type electrode is composed of conductive carbon felt and one or more kinds of graphite having a diameter of 1 μm or less selected from fibrous, granular, and planar shapes mixed in the conductive carbon felt, The apparent thickness in the normal direction to the electrolyte flow direction in the electrolyte flow type electrode is 3 mm or less,
The diaphragm has a thickness of 150 μm or less;
A redox flow battery having a charge / discharge area resistivity of 0.8 Ωcm 2 or less.
(Claim 7)
The redox flow battery according to claim 6, wherein the charge / discharge area resistivity is 0.7 Ωcm 2 or less.
(Claim 8)
The redox flow battery according to claim 6, wherein the charge / discharge area resistivity is 0.6 Ωcm 2 or less.
(Claim 9)
The redox flow battery according to claim 6, wherein the charge / discharge area resistivity is 0.5 Ωcm 2 or less.

本発明によれば、充放電時に高入出力が可能であるレドックスフロー電池用電解液及びレドックスフロー電池を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the electrolyte solution for redox flow batteries and redox flow battery which can perform high input / output at the time of charging / discharging can be provided.

本発明のレドックスフロー電池の一例を概念的に説明する図The figure which illustrates notionally an example of the redox flow battery of this invention 電解液流通型電極における電解液流通方向に対する法線方向を説明する図The figure explaining the normal line direction to the electrolyte distribution direction in the electrolyte distribution type electrode 実施例及び比較例の結果を説明する図The figure explaining the result of an Example and a comparative example

以下に、本発明を実施するための形態について詳しく説明する。   Below, the form for implementing this invention is demonstrated in detail.

まず、本発明のレドックスフロー電池用電解液について説明し、次いで、該電解液を用いた本発明のレドックスフロー電池について説明する。   First, the electrolyte solution for redox flow batteries of the present invention will be described, and then the redox flow battery of the present invention using the electrolyte solution will be described.

〔レドックスフロー電池用電解液〕
本発明のレドックスフロー電池用電解液は、電池活物質として周期表における4族元素〜8族元素である遷移金属元素を含有し、更に、17℃における導電率が0.4Scm−1以上になるようにオキシ酸及びハロゲン化物イオンを含有する。
[Electrolytic solution for redox flow battery]
The electrolyte solution for a redox flow battery of the present invention contains a transition metal element which is a group 4 element to a group 8 element in the periodic table as a battery active material, and further has a conductivity of 0.4 Scm −1 or more at 17 ° C. As such, it contains oxyacid and halide ions.

導電率の測定には直流4端子法又はインピーダンス法を用いることができる。導電率(Scm−1)は体積抵抗率(Ωcm)の逆数に対応しており、導電率(Scm−1)の増加は体積抵抗率(Ωcm)の低下を意味する。 The direct current 4-terminal method or the impedance method can be used for measuring the conductivity. The conductivity (Scm −1 ) corresponds to the reciprocal of the volume resistivity (Ωcm), and an increase in the conductivity (Scm −1 ) means a decrease in the volume resistivity (Ωcm).

レドックスフロー電池において電池活物質として好適に機能する遷移金属元素は、周期表における4族元素〜8族元素であり、このような遷移金属元素として例えばTi、V、Cr、Mo、W、Mn、Fe等が挙げられる。遷移金属元素は、4族元素〜5族元素であることが更に好ましい。これらの元素は電池に適した価数のイオンとして使用することができる。   Transition metal elements that suitably function as battery active materials in redox flow batteries are Group 4 to Group 8 elements in the periodic table. Examples of such transition metal elements include Ti, V, Cr, Mo, W, Mn, Fe etc. are mentioned. The transition metal element is more preferably a group 4 element to a group 5 element. These elements can be used as ions having a valence suitable for the battery.

オキシ酸(オキソ酸ともいう。)は、酸素原子を含む酸であり、例えば硫酸、リン酸等を用いることができる。また、上述した遷移金属のオキシ酸、チタン酸、バナジン酸、クロム酸、モリブデン酸、タングステン酸、マンガン酸、鉄(4価)酸なども用いることができる。   An oxyacid (also referred to as an oxo acid) is an acid containing an oxygen atom, and for example, sulfuric acid, phosphoric acid, and the like can be used. Moreover, the transition metal oxyacid, titanic acid, vanadic acid, chromic acid, molybdic acid, tungstic acid, manganic acid, iron (tetravalent) acid, etc. which were mentioned above can also be used.

オキシ酸は、電池活物質として用いられる遷移金属元素と共にオキシメタレートを形成可能なものであることが好ましい。バナジウムを電池活物質とする場合、(ポリ)オキシバナデートを作るオキシ酸には硫酸のほか、リン酸、過塩素酸、硝酸などを用いることができる。チタンとマンガンの場合の酸素酸は硫酸などのほか、チタン酸、マンガン酸自身がオキシ酸となる。   It is preferable that the oxyacid can form an oxymetalate together with a transition metal element used as a battery active material. When vanadium is used as a battery active material, phosphoric acid, perchloric acid, nitric acid, etc. can be used in addition to sulfuric acid as the oxyacid that forms (poly) oxyvanadate. In the case of titanium and manganese, in addition to sulfuric acid, etc., titanic acid and manganic acid themselves become oxyacids.

電解液中にオキシメタレートとして存在する遷移金属元素は、特に炭素によって構成された電極と電池反応を行うことができる。しかし、この場合は、電解液の粘度が大きすぎること、および導電率が十分でないことにより、良好な電極反応を実現する上で更なる改善の余地が見出された。   The transition metal element present as an oxymetalate in the electrolytic solution can perform a battery reaction with an electrode composed of carbon in particular. However, in this case, there is room for further improvement in realizing a good electrode reaction because the viscosity of the electrolytic solution is too large and the conductivity is not sufficient.

この点に関して、本発明では、導電率が0.4Scm−1以上になるようにオキシ酸及びハロゲン化物イオンを含有させることによって、ハロゲン化物イオンによる電解液の低粘度化機能及び導電率向上機能を引き出し、良好な電極反応を実現する。このようにしてハロゲン化物イオンの機能を引き出すことは上述した非特許文献1からは全く示唆されない。本発明のレドックスフロー電池用電解液によれば、レドックスフロー電池の充放電時における高入出力を実現することができる。 In this regard, in the present invention, by adding oxyacid and halide ions so that the electrical conductivity is 0.4 Scm −1 or more, the function of reducing the viscosity of the electrolyte and improving the electrical conductivity by the halide ions are achieved. Pull out and realize good electrode reaction. Thus, it is not suggested at all from the above-mentioned Non-Patent Document 1 to extract the function of halide ions. According to the electrolyte solution for a redox flow battery of the present invention, high input / output at the time of charging / discharging of the redox flow battery can be realized.

ハロゲン化物イオンは、塩化物イオン又は臭化物イオンであることが好ましい。ハロゲン化物イオンはハロゲン元素の水素酸として電解液に添加することが好ましい。具体的には、塩化物イオンは例えば塩化水素の添加によって、臭化物イオンは例えば臭化水素の添加によって、電解液中に含有させることが好ましい。塩酸―臭化水素酸混合液などを添加して塩化物イオンと臭化物イオンとを共存させてもよい。   The halide ions are preferably chloride ions or bromide ions. Halide ions are preferably added to the electrolyte as a halogen acid hydroacid. Specifically, it is preferable to contain chloride ions in the electrolytic solution, for example, by adding hydrogen chloride, and bromide ions, for example, by adding hydrogen bromide. Hydrochloric acid-hydrobromic acid mixed solution or the like may be added so that chloride ions and bromide ions coexist.

〔レドックスフロー電池〕
図1は、本発明のレドックスフロー電池の一例を概念的に説明する図である。
[Redox Flow Battery]
FIG. 1 is a diagram conceptually illustrating an example of the redox flow battery of the present invention.

図1において、1は正極セル、2は負極セル、3は正極セル1と負極セル2とを分離する隔膜である。4はスペーサーであり、正極セル1、負極セル2のそれぞれに対応する間隙を形成している。   In FIG. 1, 1 is a positive electrode cell, 2 is a negative electrode cell, and 3 is a diaphragm that separates the positive electrode cell 1 and the negative electrode cell 2. A spacer 4 forms a gap corresponding to each of the positive electrode cell 1 and the negative electrode cell 2.

正極セル1内には正極11が設けられ、負極セル2内には負極21が設けられている。   A positive electrode 11 is provided in the positive electrode cell 1, and a negative electrode 21 is provided in the negative electrode cell 2.

正極11及び負極21の少なくとも一方(本実施形態では両方)は、電解液(活物質液ともいう)を電極内に流通させる電解液流通型電極であり、電解液として上述した本発明のレドックスフロー電池用電解液が用いられる。   At least one of the positive electrode 11 and the negative electrode 21 (both in the present embodiment) is an electrolytic solution flow type electrode that allows an electrolytic solution (also referred to as an active material solution) to flow through the electrode, and the redox flow of the present invention described above as the electrolytic solution. A battery electrolyte is used.

電解液流通型電極は、導電性カーボンフェルトと、該導電性カーボンフェルトに混入された、繊維状、粒状及び面状から選択される1種以上の直径1μm以下のグラファイトとによって構成される。これにより、平面における二次元拡散を超える多次元拡散により、安定した大きな定常電流密度が得られる。導電性カーボンフェルトに上記のグラファイトを混入する場合、好ましくは絡ませることによって、安定に担持することができる。   The electrolyte flow type electrode is composed of a conductive carbon felt and one or more types of graphite having a diameter of 1 μm or less selected from fibrous, granular, and planar shapes mixed in the conductive carbon felt. Thereby, a stable large steady-state current density is obtained by multi-dimensional diffusion exceeding two-dimensional diffusion in a plane. When the above graphite is mixed in the conductive carbon felt, it can be supported stably by preferably entanglement.

繊維状、粒状及び面状から選択される1種以上の直径1μm以下のグラファイトは、例えばカーボンナノチューブやフラーレン等のようなナノグラフェンであってもよい。   One or more types of graphite having a diameter of 1 μm or less selected from fibrous, granular, and planar shapes may be nanographene such as carbon nanotubes and fullerenes.

図2に示すように、正極11を構成する電解液流通型電極は、該電解液流通型電極における電解液流通方向に対する法線方向の見掛けの厚さが3mm以下である。これにより、電極室における電圧降下(電流×抵抗)が必要以上に大きくなることを防止できる。これは負極21を構成する電解液流通型電極についても同様である。   As shown in FIG. 2, the electrolyte flow type electrode constituting the positive electrode 11 has an apparent thickness in the normal direction to the electrolyte flow direction of the electrolyte flow type electrode of 3 mm or less. Thereby, it is possible to prevent the voltage drop (current × resistance) in the electrode chamber from becoming larger than necessary. The same applies to the electrolyte flow type electrode constituting the negative electrode 21.

図2に示したように、電解液流通型電極の電極面(例えば隔膜に平行に配置される面)に対して、電解液の流通方向は平行であることが好ましい。これにより、特に電極面に対する直角(法線)方向に電解液を流通させる場合との対比で、流動抵抗を小さくすると共に、セル抵抗も小さくすることができる。   As shown in FIG. 2, the flow direction of the electrolytic solution is preferably parallel to the electrode surface of the electrolytic solution flow-type electrode (for example, a surface disposed in parallel with the diaphragm). As a result, the flow resistance can be reduced and the cell resistance can also be reduced, especially in contrast to the case where the electrolyte is circulated in the direction perpendicular to the electrode surface (normal line).

即ち、電極面に対する直角(法線)方向に電解液を流通させる場合は、電解液流通型電極に電解液を等配するための溝(電解液流路)を設けた部材が必要になり、この溝が抵抗成分になってしまう。また、この場合は、電解液流通型電極を高密度にする必要があり、電解液を送液する際の圧力が増大してしまう。これに対して、電解液流通型電極の電極面に対して電解液の流通方向が平行であれば、これらを改善することができ、レドックスフロー電池の充放電時における高入出力をより好適に実現できる。   That is, when the electrolyte solution is circulated in a direction perpendicular to the electrode surface (normal line), a member provided with a groove (electrolyte flow channel) for evenly distributing the electrolyte solution to the electrolyte solution flow type electrode is required. This groove becomes a resistance component. Moreover, in this case, it is necessary to make the electrolyte flow type electrode high in density, and the pressure when the electrolyte is fed increases. On the other hand, if the flow direction of the electrolyte solution is parallel to the electrode surface of the electrolyte flow type electrode, these can be improved, and the high input / output at the time of charging / discharging of the redox flow battery is more suitable. realizable.

導電性カーボンフェルトを構成する炭素繊維の表面は、ラマン分光スペクトルにおいて、ラマンシフト1580cm−1付近のピーク高さに対する1320cm−1付近のピーク高さの割合は50%以下であることが好ましい。また、導電性カーボンフェルトに混入された、繊維状、粒状及び面状から選択される1種以上の直径1μm以下のグラファイトのラマンシフト1580cm−1付近のピーク高さに対する1320cm−1付近のピーク高さの割合は15%以下であることが好ましい。これにより、グラファイド化度が15%以上という十分に高い値になり、高い電極反応性が得られる。 The ratio of the peak height in the vicinity of 1320 cm −1 to the peak height in the vicinity of Raman shift 1580 cm −1 of the surface of the carbon fiber constituting the conductive carbon felt is preferably 50% or less in the Raman spectrum. Further, the peak height near 1320 cm −1 with respect to the peak height near 1580 cm −1 of Raman shift of one or more kinds of graphite having a diameter of 1 μm or less selected from fibrous, granular and planar shapes mixed in the conductive carbon felt. The proportion is preferably 15% or less. Thereby, the degree of graphitization becomes a sufficiently high value of 15% or more, and high electrode reactivity is obtained.

隔膜3の厚さは150μm以下である。これにより、隔膜3における電圧降下を小さくできる。隔膜3としては、イオン交換膜や、NF膜(ナノ濾過膜)やMF膜(精密濾過膜)等の微多孔膜を用いることができる。   The thickness of the diaphragm 3 is 150 μm or less. Thereby, the voltage drop in the diaphragm 3 can be made small. As the diaphragm 3, an ion exchange membrane, a microporous membrane such as an NF membrane (nanofiltration membrane) or an MF membrane (microfiltration membrane) can be used.

また、隔膜3は、25℃における4N HCl水溶液中での面積抵抗率が0.3Ωcm以下であることが好ましい。このような高い導電性(低い面積抵抗率)を有する隔膜3を用いることによって、後に詳述するレドックスフロー電池の充放電面積抵抗率を0.8Ωcm以下にすることができる。 The diaphragm 3 preferably has a sheet resistivity of 0.3 Ωcm 2 or less in a 4N HCl aqueous solution at 25 ° C. By using the diaphragm 3 having such high conductivity (low sheet resistivity), the charge / discharge area resistivity of the redox flow battery described later in detail can be made 0.8 Ωcm 2 or less.

正極活物質液タンク12内に貯留された正極活物質液は、ポンプ13の駆動によって、正極セル1内に流入するように構成されている。また、正極セル1内から流出された正極活物質液は、正極極活物質液タンク12内に返送されるように構成されている。このようにして、正極活物質液タンク12から正極セル1内に正極活物質液を循環供給する循環系が構成されている。   The positive electrode active material liquid stored in the positive electrode active material liquid tank 12 is configured to flow into the positive electrode cell 1 by driving the pump 13. Further, the positive electrode active material liquid that has flowed out of the positive electrode cell 1 is configured to be returned to the positive electrode active material liquid tank 12. In this way, a circulation system for circulating and supplying the positive electrode active material liquid from the positive electrode active material liquid tank 12 into the positive electrode cell 1 is configured.

負極活物質液タンク22内に貯留された負極活物質液は、ポンプ23の駆動によって、負極セル2内に流入するように構成されている。また、負極セル2内から流出された負極活物質液は、負極活物質液タンク22内に返送されるように構成されている。このようにして、負極活物質液タンク22から負極セル2内に負極活物質液を循環供給する循環系が構成されている。   The negative electrode active material liquid stored in the negative electrode active material liquid tank 22 is configured to flow into the negative electrode cell 2 when the pump 23 is driven. The negative electrode active material liquid that has flowed out of the negative electrode cell 2 is returned to the negative electrode active material liquid tank 22. In this way, a circulation system for circulating and supplying the negative electrode active material liquid from the negative electrode active material liquid tank 22 into the negative electrode cell 2 is configured.

図示の例では、正極11及び負極21のそれぞれに接触するように導電性シート5、5が設けられ、導電性シート5、5の外側から押え板6、6によってセル全体を挟持している。正極11及び負極21は、それぞれ導電性シート5、5を介して外部回路に接続することができる。図示しないが、導電性シート5、5としてバイポーラープレート等を用いることによって、正極セル及び負極セルからなる単セルを複数積層した積層構造(セルスタック)を構成することも好ましいことである。   In the illustrated example, conductive sheets 5 and 5 are provided so as to be in contact with each of the positive electrode 11 and the negative electrode 21, and the entire cell is sandwiched by the pressing plates 6 and 6 from the outside of the conductive sheets 5 and 5. The positive electrode 11 and the negative electrode 21 can be connected to an external circuit via the conductive sheets 5 and 5, respectively. Although not shown, it is also preferable to form a stacked structure (cell stack) in which a plurality of single cells each composed of a positive electrode cell and a negative electrode cell are stacked by using a bipolar plate or the like as the conductive sheets 5 and 5.

レドックフロー電池は、正極セル1及び負極セル2にそれぞれ負極活物質液及び正極活物質液を循環供給して、両極における活物質液中の活物質の電極反応(酸化還元反応)に伴って充放電を行う。   The redox flow battery circulates and supplies the negative electrode active material liquid and the positive electrode active material liquid to the positive electrode cell 1 and the negative electrode cell 2, respectively, and accompanies the electrode reaction (oxidation reduction reaction) of the active material in the active material liquid at both electrodes. Charge and discharge.

このようなレドックフロー電池の負極及び又は正極活物質液に、導電率が0.4Scm−1以上である本発明のレドックスフロー電池用電解液を用いることで、該レドックスフロー電池の充放電面積抵抗率を0.8Ωcm以下、好ましくは0.5Ωcm以下、最も好ましくは0.4Ωcm以下にすることができる。充放電面積抵抗率は、出力時の開路電圧−動作電圧間と正・負極見掛けの平均電流密度から求める面積抵抗率をセルスタックの直列セル(単セル)積層数で割った値である。充放電面積抵抗率は20℃において測定される値である。 By using the redox flow battery electrolyte of the present invention having a conductivity of 0.4 Scm −1 or more for the negative electrode and / or positive electrode active material liquid of such a redox flow battery, the charge / discharge area of the redox flow battery is The resistivity can be 0.8 Ωcm 2 or less, preferably 0.5 Ωcm 2 or less, and most preferably 0.4 Ωcm 2 or less. The charge / discharge area resistivity is a value obtained by dividing the area resistivity obtained from the open circuit voltage and the operating voltage at the time of output and the average current density of the positive and negative electrodes by the number of serial cells (single cells) stacked in the cell stack. The charge / discharge area resistivity is a value measured at 20 ° C.

導電性カーボンフェルトを電解液(活物質液)流通型の電極とする場合、大きな電流密度(例えば1A/cm以上)で充放電を行うと、内部抵抗のうちの直流抵抗成分は電解液の抵抗(体積抵抗率)に大きく依存する。導電率が0.4Scm−1より小さい電解液(活物質液)では、充電時に上昇する電圧(導電性カーボンフェルトの厚さ3mmのときの電流密度×電解液抵抗の成分)は、電解液中のハロゲン化物イオンが酸化される電位を越えるため、電解液からハロゲンガスが放散される危険性が大きくなる。一方、電池の内部抵抗(充放電面積抵抗率)が0.8Ωcmよりも大きくなると、充電時の正極の電位が1.7V(対水素電極電位)以上になり、塩素等のハロゲン過電圧を大きくした導電性カーボンフェルトでも、ハロゲンガスの発生防止を図ることが困難になる。 When the conductive carbon felt is used as an electrolyte (active material liquid) flow type electrode, when charging / discharging at a large current density (for example, 1 A / cm 2 or more), the DC resistance component of the internal resistance is It largely depends on the resistance (volume resistivity). In an electrolytic solution (active material solution) having a conductivity smaller than 0.4 Scm −1 , the voltage that rises during charging (current density × electrolytic solution resistance component when the thickness of the conductive carbon felt is 3 mm) Since the halide ion exceeds the potential at which it is oxidized, the risk of the halogen gas being released from the electrolyte increases. On the other hand, if the internal resistance (charge / discharge area resistivity) of the battery is larger than 0.8 Ωcm 2 , the potential of the positive electrode during charging becomes 1.7 V (potential to hydrogen electrode) or more, and the halogen overvoltage such as chlorine increases. Even with the conductive carbon felt, it is difficult to prevent the generation of halogen gas.

これに対して、本発明のレドックスフロー電池は、電解液の導電率が0.4以上、電池の充放電面積抵抗率(内部抵抗)が0.8Ωcm以下、好ましくは0.7Ωcm以下、より好ましくは0.6Ωcm以下、最も好ましくは0.5Ωcm以下である。これにより、充放電時に高入出力が可能であると共に、大きな電流密度で充放電を行う場合においてもハロゲンガスの発生を好適に防止できる。本発明によれば充放電面積抵抗率を0.4Ωcm以下まで低下できることが確認されている。 On the other hand, in the redox flow battery of the present invention, the conductivity of the electrolytic solution is 0.4 or more, and the charge / discharge area resistivity (internal resistance) of the battery is 0.8 Ωcm 2 or less, preferably 0.7 Ωcm 2 or less. More preferably, it is 0.6 Ωcm 2 or less, and most preferably 0.5 Ωcm 2 or less. Thereby, high input / output is possible at the time of charging / discharging, and generation of halogen gas can be suitably prevented even when charging / discharging at a large current density. According to the present invention, it has been confirmed that the charge / discharge area resistivity can be reduced to 0.4 Ωcm 2 or less.

レドックスフロー電池が高入出力可能であることによって、例えば、定格入出力密度の数倍以上、具体的には見掛けの入出力密度として、0.5W/cm以上、見掛けの電流密度を0.5A/cm以上とすることができる。これにより電池本体であるセルスタックを小型化できるとともに、使用する各構成材の量も少なくすることができ、コスト面からも広い用途に使用できるようになる。例えば、単電池部分の面積抵抗率を本発明によって0.8Ωcm以下、好ましくは0.7Ωcm以下、より好ましくは0.6Ωcm以下、最も好ましくは0.5Ωcm以下にできれば、例えば、見掛けの電流密度を0.5A/cm、1.0A/cmとしたときの入力電圧上昇もしくは出力電圧降下はそれぞれ、0.25V/セルおよび0.5V/セルであり、入出力前の開路電圧が1.2Vの場合、電圧効率低下を50%程度に留めることができる。従来型の活物質電解液流通型の電池は内部抵抗が1Ωcm程度であり、これでは1A/cmの電流密度では、ほとんど出力が取りだせない状態であった。 Since the redox flow battery is capable of high input / output, for example, several times the rated input / output density, specifically, the apparent input / output density is 0.5 W / cm 2 or more, and the apparent current density is 0.1. It can be set to 5 A / cm 2 or more. As a result, the cell stack, which is the battery body, can be reduced in size, and the amount of each component used can be reduced, so that the battery stack can be used for a wide range of applications in terms of cost. For example, the sheet resistivity of the single cell portion 0.8Omucm 2 below by the present invention, preferably 0.7Omucm 2 or less, more preferably 0.6Omucm 2 or less, most preferably if the 0.5Omucm 2 below, for example, the apparent When the current density is 0.5 A / cm 2 and 1.0 A / cm 2 , the input voltage rise or output voltage drop is 0.25 V / cell and 0.5 V / cell, respectively. When the voltage is 1.2 V, the voltage efficiency can be reduced to about 50%. The battery of conventional active materials electrolyte communication type is about 2 internal resistance 1 .OMEGA.cm, the current density of 1A / cm 2 in this was a state where almost no output takes lauch.

以上の説明では、レドックスフロー電池の正極及び負極の両方を電解液流通型電極によって構成する場合について主に示したがこれに限定されない。電解液流通型電極によって構成されるのは正極及び負極の一方のみであってもよい。例えば負極を電解液流通型電極によって構成し、正極を酸素極とすることもできる。   In the above description, the case where both the positive electrode and the negative electrode of the redox flow battery are constituted by the electrolyte flow type electrodes has been mainly shown, but the present invention is not limited to this. Only one of the positive electrode and the negative electrode may be constituted by the electrolyte flow type electrode. For example, the negative electrode can be constituted by an electrolyte flow type electrode, and the positive electrode can be an oxygen electrode.

以下に、本発明の実施例について説明するが、本発明はかかる実施例により限定されない。   Examples of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

1.電解液の調製
表1に示す濃度で塩化水素(HCl)、臭化水素(HBr)、硫酸(HSO)及び硫酸バナジル(VOSO)を水に含有させて電解液1〜7を調製した。
1. Preparation of Electrolyte Solutions Electrolytes 1 to 7 were prepared by containing hydrogen chloride (HCl), hydrogen bromide (HBr), sulfuric acid (H 2 SO 4 ), and vanadyl sulfate (VOSO 4 ) in water at the concentrations shown in Table 1. did.

2.試験方法
(1)電解液の導電率
電解液1〜7について導電率を測定した。導電率の測定に2種の方法(直流4端子法及びインピーダンス法)を用いたところ、両法の結果はほぼ一致することが確認された。測定温度は17℃である。測定値を表1に示す。
2. Test Method (1) Conductivity of Electrolyte Solution Conductivities were measured for electrolyte solutions 1-7. When two types of methods (DC four-terminal method and impedance method) were used for the measurement of conductivity, it was confirmed that the results of both methods almost coincided. The measurement temperature is 17 ° C. The measured values are shown in Table 1.

(2)電池の充放電面積抵抗率(内部抵抗)
ア.正極液及び負極液の調製
電解液1〜7の各々を2液に分けて、2液のうち一方が正極液(4価及び5価バナジウムイオンを含む液)、他方が負極液(2価及び3価バナジウムイオンを含む液)になるようにバナジウムイオンを酸化還元し、正極液及び負極液を得た。
(2) Battery charge / discharge area resistivity (internal resistance)
A. Preparation of Cathode Solution and Cathode Solution Each of the electrolyte solutions 1 to 7 is divided into two solutions, one of which is a cathode solution (a solution containing tetravalent and pentavalent vanadium ions) and the other is a cathode solution (a divalent and a divalent solution). The vanadium ions were oxidized and reduced so as to be a liquid containing trivalent vanadium ions) to obtain a positive electrode solution and a negative electrode solution.

イ.電池充放電試験
図1に示したものと同様のレドックスフロー電池を用意した。正極及び負極に用いた電解液流通型電極は、導電性カーボンフェルト(PAN系、1500℃焼成、かさ密度10.5kg/m)と、該導電性カーボンフェルトに混入された、繊維状の直径1μm以下のグラファイト(カーボンナノチューブ)とによって構成され、該電解液流通型電極における電解液流通方向に対する法線方向の見掛けの厚さは3mmである。また、隔膜には厚さ50μmのイオン交換膜(デュポン社製「Nafion(登録商標)212」)を用いた。
I. Battery Charge / Discharge Test A redox flow battery similar to that shown in FIG. 1 was prepared. The electrolyte flow type electrode used for the positive electrode and the negative electrode is composed of conductive carbon felt (PAN-based, fired at 1500 ° C., bulk density of 10.5 kg / m 2 ), and a fibrous diameter mixed in the conductive carbon felt. It is composed of graphite (carbon nanotubes) of 1 μm or less, and the apparent thickness in the normal direction to the electrolyte flow direction in the electrolyte flow type electrode is 3 mm. As the diaphragm, an ion exchange membrane having a thickness of 50 μm (“Nafion (registered trademark) 212” manufactured by DuPont) was used.

かかるレドックスフロー電池の正極及び負極に上記「ア.正極液及び負極液の調製」により得られた正極液及び負極液を各送液量5mL/分で流通させて充放電を行い、20℃において、電流密度0.5A/cmのときの充放電面積抵抗率を測定した。測定値を表1に示す。 The positive electrode solution and the negative electrode solution obtained by the above-mentioned “a. Preparation of positive electrode solution and negative electrode solution” were circulated at a positive electrode and a negative electrode of the redox flow battery at a flow rate of 5 mL / min. The charge / discharge area resistivity at a current density of 0.5 A / cm 2 was measured. The measured values are shown in Table 1.

Figure 2019160469
Figure 2019160469

3.評価
表1より、電解液2〜5及び7は、電解液の導電率を0.4Scm−1以上であり、本発明の条件を満たす。表1の導電率をハロゲン化物イオン濃度に対してプロットした図3に示すように、硫酸及びハロゲン化物イオン(ハロゲン化水素)の濃度と、電解液の導電率との間に相関関係が見出された。従って、硫酸及びハロゲン化物イオンの濃度を調整することによって、電解液の導電率を0.4Scm−1以上にできることがわかる。
3. Evaluation From Table 1, the electrolytic solutions 2 to 5 and 7 have a conductivity of the electrolytic solution of 0.4 Scm −1 or more, which satisfies the conditions of the present invention. As shown in FIG. 3 in which the conductivity in Table 1 is plotted against the halide ion concentration, a correlation is found between the concentration of sulfuric acid and halide ions (hydrogen halide) and the conductivity of the electrolyte. It was done. Therefore, it can be seen that by adjusting the concentration of sulfuric acid and halide ions, the conductivity of the electrolytic solution can be increased to 0.4 Scm −1 or more.

また、電解液の導電率が0.4Scm−1以上である本発明の電解液2〜5及び7を用いることによって、電池の充放電面積抵抗率(内部抵抗)を0.8Ωcm以下、好ましくは0.7Ωcm以下、より好ましくは0.6Ωcm以下、最も好ましくは0.5Ωcm以下にできることがわかる。 Further, by using the electrolytic solutions 2 to 5 and 7 of the present invention in which the electrical conductivity of the electrolytic solution is 0.4 Scm −1 or more, the charge / discharge area resistivity (internal resistance) of the battery is 0.8 Ωcm 2 or less, preferably Is 0.7Ωcm 2 or less, more preferably 0.6Ωcm 2 or less, and most preferably 0.5Ωcm 2 or less.

また、追加の試験によって、導電性カーボンフェルトへの繊維状、粒状及び面状から選択される1種以上の直径1μm以下のグラファイト(ここではカーボンナノチューブ)の混入を省略した場合、あるいは、電解液流通型電極における電解液流通方向に対する法線方向の見掛けの厚さが3mmを超える場合には、充放電面積抵抗率の増大が著しくなることが確認された。また、隔膜の厚さが150μmを超える場合も、充放電面積抵抗率の増大が著しくなることが確認された。   In addition, when an additional test omits the inclusion of one or more kinds of graphite (here, carbon nanotubes) having a diameter of 1 μm or less selected from fibrous, granular, and planar shapes into the conductive carbon felt, or an electrolytic solution It was confirmed that when the apparent thickness in the normal direction with respect to the flow direction of the electrolyte in the flow-through electrode exceeds 3 mm, the increase in charge / discharge area resistivity becomes significant. It was also confirmed that the charge / discharge area resistivity was remarkably increased when the thickness of the diaphragm exceeded 150 μm.

1:正極セル
11:正極
12:正極活物質液タンク
13:ポンプ
2:負極セル
21:負極
22:負極活物質液タンク
23:ポンプ
3:隔膜
4:スペーサー
5:導電性シート
6:押え板
1: Positive electrode cell 11: Positive electrode 12: Positive electrode active material liquid tank 13: Pump 2: Negative electrode cell 21: Negative electrode 22: Negative electrode active material liquid tank 23: Pump 3: Separator 4: Spacer 5: Conductive sheet 6: Press plate

Claims (9)

電池活物質として周期表における4族元素〜8族元素である遷移金属元素を含有し、更に、導電率が0.4Scm−1以上になるようにオキシ酸及びハロゲン化物イオンを含有することを特徴とするレドックスフロー電池用電解液。 It contains a transition metal element which is a group 4 element to a group 8 element in the periodic table as a battery active material, and further contains an oxyacid and a halide ion so that the conductivity is 0.4 Scm −1 or more. Electrolyte for redox flow battery. 前記オキシ酸は、硫酸であることを特徴とする請求項1記載のレドックスフロー電池用電解液。   2. The redox flow battery electrolyte solution according to claim 1, wherein the oxyacid is sulfuric acid. 前記ハロゲン化物イオンは、塩化物イオン又は臭化物イオンであることを特徴とする請求項1又は2記載のレドックスフロー電池用電解液。   3. The redox flow battery electrolyte according to claim 1, wherein the halide ions are chloride ions or bromide ions. 前記遷移金属元素は、周期表における4族元素又は5族元素であることを特徴とする請求項1〜3の何れかに記載のレドックスフロー電池用電解液。   The said transition metal element is a group 4 element or a group 5 element in a periodic table, The electrolyte solution for redox flow batteries in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記遷移金属元素はバナジウムであることを特徴とする請求項4記載のレドックスフロー電池用電解液。   5. The redox flow battery electrolyte according to claim 4, wherein the transition metal element is vanadium. 正極、負極、及び、前記正極と前記負極との間に設けられた隔膜を備え、
前記正極及び前記負極の少なくとも一方は、請求項1〜6の何れかに記載のレドックスフロー電池用電解液を電極内に流通させる電解液流通型電極であり、
前記電解液流通型電極は、導電性カーボンフェルトと、該導電性カーボンフェルトに混入された、繊維状、粒状及び面状から選択される1種以上の直径1μm以下のグラファイトとによって構成され、該電解液流通型電極における電解液流通方向に対する法線方向の見掛けの厚さが3mm以下であり、
前記隔膜の厚さが150μm以下であり、
充放電面積抵抗率が0.8Ωcm以下であることを特徴とするレドックスフロー電池。
A positive electrode, a negative electrode, and a diaphragm provided between the positive electrode and the negative electrode;
At least one of the positive electrode and the negative electrode is an electrolyte solution flow type electrode that distributes the redox flow battery electrolyte solution according to any one of claims 1 to 6 in the electrode,
The electrolyte flow type electrode is composed of conductive carbon felt and one or more kinds of graphite having a diameter of 1 μm or less selected from fibrous, granular, and planar shapes mixed in the conductive carbon felt, The apparent thickness in the normal direction to the electrolyte flow direction in the electrolyte flow type electrode is 3 mm or less,
The diaphragm has a thickness of 150 μm or less;
A redox flow battery having a charge / discharge area resistivity of 0.8 Ωcm 2 or less.
充放電面積抵抗率が0.7Ωcm以下であることを特徴とする請求項6記載のレドックスフロー電池。 The redox flow battery according to claim 6, wherein the charge / discharge area resistivity is 0.7 Ωcm 2 or less. 充放電面積抵抗率が0.6Ωcm以下であることを特徴とする請求項6記載のレドックスフロー電池。 The redox flow battery according to claim 6, wherein the charge / discharge area resistivity is 0.6 Ωcm 2 or less. 充放電面積抵抗率が0.5Ωcm以下であることを特徴とする請求項6記載のレドックスフロー電池。 The redox flow battery according to claim 6, wherein the charge / discharge area resistivity is 0.5 Ωcm 2 or less.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114899466A (en) * 2022-06-21 2022-08-12 中山大学 Ferromanganese flow battery and manufacturing method thereof
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