JP4646358B2

JP4646358B2 - ３価の硫酸バナジウムの製造方法及びバナジウム系電解液の製造方法

Info

Publication number: JP4646358B2
Application number: JP2000173541A
Authority: JP
Inventors: 保之田中; 健堀川; 宗雄三田; 信幸徳田; 満久畑
Original assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Current assignee: Kansai Electric Power Co Inc; Sumitomo Electric Industries Ltd
Priority date: 1999-06-09
Filing date: 2000-06-09
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2020-06-09
Also published as: JP2001057223A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レドックスフロー型電池用電解液として用いられる３価の硫酸バナジウムの製造方法及びバナジウム系電解液の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
我が国の電力需要の伸びは、年々増大し続けているが、電力需要の変動も産業構造の高度化と国民生活水準の向上を反映してさらに著しくなる傾向がある。例えば、夏期における昼間の電力需要量を１００とすると、明け方は３０以下となっているのが現状である。一方、電力の供給面からみると、出力変動が望ましくない原子力発電所や新鋭火力発電所の割合も増加の傾向にあり、電力貯蔵する設備の必要性が高まっている。現在の電力貯蔵は、揚水発電によって行われているが、その立地条件は次第に厳しくなっている。以上のような事情から、環境汚染がなく、しかも、汎用性の高いエネルギーである電力を貯蔵する方法として各種の二次電池が研究されているが、中でも２種類のレドックス系薬剤を隔膜を介して接触させて構成したレドックスフロー型二次電池が注目されている。
【０００３】
レドックスフロー型二次電池は、酸化数が変化する金属イオンの水溶液（電解液）を２種類調製してそれぞれ正極液又は負極液として別のタンクに貯蔵しておき、この正極液又は負極液を、隔膜を介して２種類の電解液が接触する構造の電解槽を有する流通型電解槽に、ポンプで供給し、一の電解槽で金属イオンの酸化数が高くなると共に、他の電解槽で金属イオンの酸化数が低くなって充放電が行われる形式の電池のことである。
【０００４】
このようなレドックスフロー型電池に関する技術としては、従来、鉄−クロム系の塩酸溶液を電解液とするもの（例えば特開昭６０−１４８０６８号公報、特開昭６３−７６２６８号公報）とバナジウム系の硫酸溶液を電解液とするもの（例えば特開平４−２８６８７１号公報、特開平６−１８８００５号公報）とが代表的に提案されている。しかしながら、鉄−クロム系のレドックスフロー型電池は、電解質の混合及び溶解度の点から電解液の調製が制約され、また、出力電圧が１Ｖ（ボルト）程度とエネルギー密度が低い。さらに、正極液−負極液間の充電状態が不均衡になったり、充電時に正極から塩素ガスが発生するおそれがある等の問題がある。
【０００５】
これに対し、バナジウム系のレドックスフロー型電池は、出力電圧が１．４Ｖと高く、高効率でエネルギー密度が高い。このため、近年は、バナジウム系のレドックスフロー型電池の開発が特に望まれている。バナジウム系のレドックスフロー型電池は、正極液としてＶ⁴⁺（４価）とＶ⁵⁺（５価）の間で酸化数が変化する電解液、負極液としてＶ²⁺（２価）とＶ³⁺（３価）の間で酸化数が変化する電解液を用いて充放電するものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、バナジウム系のレドックスフロー型電池は、電解液の調製にかかるコストが非常に高いため、価格が高くなり汎用化の大きな障害となっている。このうち、正極液に関しては、比較的安価で入手し易い五酸化バナジウム等の５価バナジウムをそのまま硫酸中に溶解して調製すればよく特に問題は生じない。しかし、負極液に関しては、２価又は３価の安価で適当なバナジウム化合物がないため、５価バナジウム化合物等を還元して得る必要があり、調製にコストがかかるという問題がある。このため、２価又は３価のバナジウム電解液を低コストで製造可能な方法が強く望まれている。
【０００７】
このような２価又は３価のバナジウム電解液を製造する発明としては、特開平４−１４９９６５号公報に、５価のメタバナジン酸アンモニウム等を出発原料として用い、これを無機酸の存在下に電解還元または亜硫酸等の還元剤で、５価バナジウムを２価又は３価のバナジウムに還元する方法が開示されている。しかしながら、電解還元する方法は電解装置等の設置の必要がありコストがかかると共に、酸化数の異なるバナジウムの混合物が得られ易いという問題がある。
【０００８】
また、特開平５−２９０８７１号公報には、五酸化バナジウム等の５価のバナジウム化合物を硫黄等の還元剤で還元して４価バナジウム溶液を得、次いで、３価バナジウム溶液を得る方法が開示されており、この発明によれば、安価な還元剤を用いて５価のバナジウム化合物を還元して、３価又は４価のバナジウム化合物に同時に製造できる。しかしながら、この方法は、３価のバナジウム化合物のみを製造したい場合でも同時に４価バナジウムや不溶解物が生成してしまうため、これらを分離、除去するのにコストがかかるという問題がある。
【０００９】
従って、本発明の目的は、還元剤を用いるだけで、４価又は５価のバナジウム化合物を主成分とするバナジウム化合物から一気に３価の硫酸バナジウムのみを製造し得る、低コストな３価バナジウム化合物の製造方法及びこの３価バナジウム化合物を含有するレドックスフロー型バナジウム系電池用電解液の製造方法を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
かかる実情において、本発明者らは鋭意検討を行った結果、４価又は５価のバナジウム化合物を主成分とするバナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸を特定の配合割合で共に混練してペースト状とし、次いで、このペースト状の混合物を所定温度に焼成すれば、４価又は５価のバナジウム化合物から３価の硫酸バナジウムのみを一気に製造可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
すなわち、本発明は、五酸化バナジウムを主成分とするバナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸をペースト状になるまで混練し、次いで、該ペースト状の混合物を１５０℃以上４４０℃未満に焼成して３価の硫酸バナジウムを製造する方法において、五酸化バナジウム中のバナジウム原子１モルに対して、硫黄は０．５モル倍以上、濃硫酸は１．５〜２．３モル倍を配合することを特徴とする３価の硫酸バナジウムの製造方法を提供するものである。
【００１２】
また、本発明は、五酸化バナジウムを主成分とするバナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸をペースト状になるまで混練し、次いで、該ペースト状の混合物を１５０℃以上４４０℃未満に焼成し、該焼成物をそのまま又は冷却後、硫酸又は硫酸水溶液に溶解させてバナジウム系電解液を製造する方法において、五酸化バナジウム中のバナジウム原子１モルに対して、硫黄は０．５モル倍以上、濃硫酸は１．５〜２．３モル倍を配合することを特徴とするバナジウム系電解液の製造方法を提供するものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の３価の硫酸バナジウムの製造方法においては、まず、４価又は５価のバナジウム化合物を主成分とするバナジウム化合物（以下、単に「バナジウム化合物」ともいう）、硫黄及び濃硫酸をペースト状になるまで混練する。
【００１４】
バナジウム化合物としては、４価のバナジウム化合物を主成分とする場合、４価のバナジウム化合物が、バナジウム化合物中、９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含有するものが使用でき、また、５価のバナジウム化合物を主成分とする場合、５価のバナジウム化合物が、バナジウム化合物中、９５重量％以上、好ましくは９８重量％以上含有するものが使用できる。４価のバナジウム化合物としては、特に限定されないが、例えば、硫酸バナジル（ＶＯＳＯ₄：４価）、二酸化バナジウム（ＶＯ₂：４価）等が挙げられる。また、５価のバナジウム化合物としては、特に限定されないが、例えば、五酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅：５価）等が挙げられる。五酸化バナジウムを主成分とするものは工業的に容易に入取可能であるため、これらが好ましく用いられる。また、４価又は５価のバナジウム化合物は、工業的に入手できるものであれば特に制限されず、例えば、バナジウム鉱石から得られる五酸化バナジウム、化石燃料の燃焼の際の集塵機灰から得られる五酸化バナジウム等であってもよい。化石燃料の燃焼の際の集塵機灰としては、例えば、重油、タール、アスファルト及び石灰、若しくはこれらをエマルジョン化した燃料、又はオリマルジョン等の燃焼の際に得られるものが挙げられる。
【００１５】
硫黄としては、例えば、粉末硫黄、フレーク硫黄、塊状硫黄等が挙げられ、このうち１種又は２種以上組み合わせて用いることができる。硫黄はバナジウムの還元作用を行うものである。濃硫酸としては、水分を含まない通常のものが用いられる。濃硫酸はバナジウムと反応し硫酸塩生成の作用を行うものである。
【００１６】
バナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸の配合比率は、バナジウム化合物が、４価のバナジウム化合物を主成分とする場合、純度１００％の４価のバナジウム化合物のバナジウム原子１モルに対して、硫黄は０．２５モル倍以上、好ましくは０．３〜０．４モル倍、濃硫酸は１．５〜２．３モル倍、好ましくは１．７〜２モル倍である。一方、５価のバナジウム化合物を主成分とする場合、純度１００％の５価のバナジウム化合物のバナジウム原子１モルに対して、硫黄は０．５モル倍以上、好ましくは０．６〜０．８モル倍、濃硫酸は１．５〜２．３モル倍、好ましくは１．７〜２モル倍である。４価及び５価のバナジウム化合物の場合、共に、硫黄の配合量が上記範囲内にあると、バナジウムの還元が十分に行われるため好ましい。また、濃硫酸の配合量が上記範囲内にあると、３価の硫酸バナジウムの生成に十分な量であるため好ましい。
【００１７】
バナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸をペースト状になるまで混練する方法としては、例えば、ナウターミキサー、パドルミキサー、ニーダーミキサー等のミキサーで混練する方法が挙げられる。混練時間は、特に制限されないが、例えば、１０〜６０分である。ここで、ペースト状とは、混練物が粘性をかなり有する状態を示し、塊状の状態をも含む概念である。本発明では、バナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸の混合物をペースト状とすることにより、反応が均一に行なわれるなどの作用が生じる。
【００１８】
混練終了後は、ペースト状の混練物を１５０℃以上４４０℃未満、好ましくは１８０℃以上３５０℃未満で、さらに好ましくは２００℃以上３００℃未満で焼成炉で加熱する。焼成温度が上記範囲内であると、還元反応がスムーズでかつ硫酸の分解が少ない点で好ましい。焼成時間は、３０分〜２４時間、好ましくは２〜５時間である。焼成時間が上記範囲内であると、還元が十分に行なわれるため好ましい。焼成炉としては、例えば、トンネルキルン、リングキルン、ロータリーキルン等が挙げられる。焼成終了後は焼成物を冷却し、次いで水で洗浄して、焼成物中に存在する水に可溶な金属塩不純物を除去し、３価の硫酸バナジウム（Ｖ₂(ＳＯ₄)₃）を得るか、あるいは、焼成終了後の焼成物を冷却することなく、そのままで３価の硫酸バナジウム（Ｖ₂(ＳＯ₄)₃）を得る。
【００１９】
上記方法で得られた３価の硫酸バナジウムは、硫酸又は硫酸水溶液に溶解させることによりレドックスフロー型電池用バナジウム系電解液として使用することができる。この場合、３価のバナジウムイオン濃度が、通常、１〜５モル／Ｌ、好ましくは１〜２モル／Ｌ、硫酸イオン濃度が、通常、３〜６モル／Ｌ、好ましは４〜５モル／Ｌとなるようにし、通常、６０℃以上、好ましくは８０〜１００℃の温度で、０．５時間以上、好ましくは１．５〜３時間攪拌下に溶解させればよい。
【００２０】
なお、上記のバナジウム系電解液には、他の添加剤、例えば、カリウム、ルビジウム、アンモニウム等の硝酸塩、リン酸塩、ショウ酸塩等の１種又は２種以上を添加することができる。
【００２１】
また、本発明において、レドックスフロー型電池は、公知の電池であり、酸化数が変化する金属イオンの水溶液（電解液）を２種類調製してそれぞれ正極液又は負極液として別のタンクに貯蔵しておき、この正極液又は負極液を、隔膜を介して２種類の電解液が接触する構造の電解槽を有する流通型電解槽に、ポンプで供給し、一の電解槽で金属イオンの酸化数が高くなると共に、他の電解槽で金属イオンの酸化数が低くなって充放電が行われる形式の電池である。
【００２２】
【実施例】
次に、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明するが、これは単に例示であって、本発明を制限するものではない。
【００２３】
製造例１
火力発電所より排出された表１に示す組成のオリマルジョン灰１００ｇを電気炉にて４４０℃で２４時間焼成し、次いで焼成物を水で洗浄して可溶成分を除去し、残分を乾燥した。乾燥物の重量は４．４ｇであり、Ｘ線回折を行ったところ５価のバナジウム化合物Ｖ₂Ｏ₅であることが確認された。得られたＶ₂Ｏ₅の品位を表２に示す。なお、表１及び表２中、数値は重量％で示す。
【００２４】
【表１】

【００２５】
【表２】

【００２６】
実施例１
製造例１で得られた５価のバナジウム化合物Ｖ₂Ｏ₅１９．４ｇ、硫黄４．２ｇ、及び濃硫酸３９ｇを乳鉢で約１０分間混練してペースト状にした。次いで、該ペースト状の混練物を電気炉を用いて、２００℃で２時間焼成を行った。冷却後の当該焼成物の重量は４１．５ｇであり、Ｘ線回折を行ったところ３価のバナジウム化合物Ｖ₂(ＳＯ₄)₃であることが確認された。得られたＶ₂(ＳＯ₄)₃の品位を表３に示す。なお、表３中、数値は重量％で示す。
【００２７】
【表３】

【００２８】
実施例２
市販の五酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅純度９９％以上）１８．４ｇ、硫黄４．２ｇ、及び濃硫酸３９ｇを乳鉢で約１０分間混練してペースト状にした。次いで、該ペースト状の混練物を電気炉を用いて、２００℃で２時間焼成を行った。冷却後の当該焼成物の重量は３９．２ｇであり、Ｘ線回折を行ったところ３価のバナジウム化合物Ｖ₂(ＳＯ₄)₃であることが確認された。得られたＶ₂(ＳＯ₄)₃の品位を表４に示す。なお、表４中、数値は重量％で示し、ＮＤとは検出限界値以下の数値であることを示す。
【００２９】
【表４】

【００３０】
比較例１
市販の五酸化バナジウム（Ｖ₂Ｏ₅純度９９％以上）１８．４ｇ、硫黄４．２ｇ、及び濃硫酸３９ｇを乳鉢で約１０分間混練してペースト状にした。次いで、該ペースト状の混練物を電気炉を用いて、４５０℃で２時間焼成を行った。冷却後、焼成物を水で洗浄して可溶成分を除去し、残分を乾燥した。乾燥物の重量は１８．１ｇであり、Ｘ線回折を行ったところ５価のバナジウム化合物Ｖ₂Ｏ₅であることが確認された。
【００３１】
実施例３
＜電解液の作製及び充放電特性の測定＞
上記実施例２で得た３価の硫酸バナジウムＶ₂(ＳＯ₄)₃と硫酸を混合し、１００℃で３時間攪拌して、３価のバナジウムイオン濃度が２モル／リットル、硫酸イオン濃度が４モル／リットルの３価の硫酸バナジウム溶液を調製して負極電解液を得た。また、３価の硫酸バナジウム溶液と五酸化バナジウムＶ₂Ｏ₅を混合し、６０℃で１時間攪拌下に反応させ、４価のバナジウムイオン濃度が２モル／リットル、硫酸イオン濃度が４モル／リットルの４価の硫酸バナジル（ＶＯＳＯ₄）溶液を調製して正極電解液とした。これらの負極及び正極電解液を用いて下記仕様の小型電池を組み、充放電特性を調べた。本電池を、約２カ月にわたり、累計１５００サイクル連続充放電させて長期特性を調べたが、効率変化もなく、非常に安定した特性が得られた。
【００３２】
・小型電池仕様
電極面積：５００ｃｍ²
電極：カーボン繊維布
隔膜：陰イオン交換膜
双極板：カーボン板
タンク及び配管の材料：硬質塩化ビニル樹脂
タンク容量：正極電解液用・負極電解液用共に５リットル
・充放電特性
電流効率：９９．４％
電圧効率：８４．５％
エネルギー効率：８４．０％
電池容量：１２０ＷＨ（電流密度６０ｍＡ／ｃｍ²、温度２８℃）
【００３３】
【発明の効果】
本発明の３価の硫酸バナジウムの製造方法によれば、４価又は５価のバナジウム化合物を主成分とするバナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸を特定の配合割合で共に混練してペースト状とし、次いで、このペースト状の混合物を所定温度で焼成するだけで、４価又は５価のバナジウム化合物から３価の硫酸バナジウムのみを一気に製造することができるため、低コストで３価の硫酸バナジウムを製造できる。また得られた３価の硫酸バナジウムは、これを硫酸に溶解することでバナジウム系電解液として使用することができ、該電解液として用いたレドックスフロー型は、優れた電池性能を有する。

Claims

五酸化バナジウムを主成分とするバナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸をペースト状になるまで混練し、次いで、該ペースト状の混合物を１５０℃以上４４０℃未満に焼成して３価の硫酸バナジウムを製造する方法において、五酸化バナジウム中のバナジウム原子１モルに対して、硫黄は０．５モル倍以上、濃硫酸は１．５〜２．３モル倍を配合することを特徴とする３価の硫酸バナジウムの製造方法。
五酸化バナジウムを主成分とするバナジウム化合物、硫黄及び濃硫酸をペースト状になるまで混練し、次いで、該ペースト状の混合物を１５０℃以上４４０℃未満に焼成し、該焼成物をそのまま又は冷却後、硫酸又は硫酸水溶液に溶解させてバナジウム系電解液を製造する方法において、五酸化バナジウム中のバナジウム原子１モルに対して、硫黄は０．５モル倍以上、濃硫酸は１．５〜２．３モル倍を配合することを特徴とするバナジウム系電解液の製造方法。