JPH0534785B2 - - Google Patents

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JPH0534785B2
JPH0534785B2 JP59142864A JP14286484A JPH0534785B2 JP H0534785 B2 JPH0534785 B2 JP H0534785B2 JP 59142864 A JP59142864 A JP 59142864A JP 14286484 A JP14286484 A JP 14286484A JP H0534785 B2 JPH0534785 B2 JP H0534785B2
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JP
Japan
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negative electrode
positive electrode
diaphragm
cell
battery
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JP59142864A
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Inventor
Toshio Shigematsu
Mamoru Kondo
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Sumitomo Electric Industries Ltd
Original Assignee
Sumitomo Electric Industries Ltd
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Publication date
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Publication of JPS6122575A publication Critical patent/JPS6122575A/en
Publication of JPH0534785B2 publication Critical patent/JPH0534785B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M8/00Fuel cells; Manufacture thereof
    • H01M8/18Regenerative fuel cells, e.g. redox flow batteries or secondary fuel cells
    • H01M8/184Regeneration by electrochemical means
    • H01M8/188Regeneration by electrochemical means by recharging of redox couples containing fluids; Redox flow type batteries
    • YGENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02EREDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30Hydrogen technology
    • Y02E60/50Fuel cells

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  • Fuel Cell (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
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  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Sustainable Development (AREA)
  • Sustainable Energy (AREA)
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  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
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  • General Chemical & Material Sciences (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】[Detailed description of the invention]

発明の目的 産業上の利用分野 この発明は、たとえばレドツクスフロー電池の
ような電力貯蔵に用いられる電池構造の改良に関
し、特に電解液およびセル内の隔膜が改良された
電池に関する。 従来の技術 電気エネルギは、そのままの形態では貯蔵が困
難であるため、貯蔵可能なエネルギ形態に変換し
なければならない。他方、安定した電力の供給を
行なうには、電力需要に合わせて供給すなわち発
電を行なう必要がある。このため、電力会社は常
に最大需要に見合つた発電設備を建設し、需要に
即応して発電を行なつている。しかしながら、第
4図に電力需要曲線Pで示すように、昼間および
夜間では、電力の需要に大きな差が存在する。同
様の現象は、週、月および季節間でも生じてい
る。 そこで、電力を効率良く貯蔵することが可能で
あれば、オフピーク時の余剰電力(第1図のXで
示した部分に相当する)を貯蔵し、ピーク時にこ
れを放出すれば、第1図のYで示した部分を賄う
ことができ、需要の変動に対応することができ、
常にほぼ一定の電力(第1図の破線Zに相当する
量)のみを発電すればよいことになる。このよう
なロードレベリングを達成することができれば、
発電設備を軽減することが可能となり、かつエネ
ルギの節約ならびに石油等の燃料節減にも大きく
寄与することができる。 そこで、従来より種々の電力貯蔵法が提案され
ている。たとえば揚水発電が既に実施されている
が、揚水発電では設備が消費地から遠く隔たつた
所に設置されており、したがつて送変電損失を伴
なうこと、ならびに環境面でも立地に制約がある
ことなどの問題がある。それゆえに、揚水発電に
代わる新しい電力貯蔵技術の開発が望まれている
が、この1つとしてレドツクスフロー電池の開発
が進められている。 第5図は、従来のレドツクスフロー電池の一例
を示す概略構成図である。このレドツクスフロー
電池1は、セル2および正極液タンク3および負
極液タンク4を備え、2個のタンク3,4を用い
るものであるため2タンク方式と呼ばれているも
のである。セル2内は、イオン交換膜からなる隔
膜5により仕切られており、一方側が正極セル2
a、他方側が負極セル2bを、それぞれ、構成し
ている。正極セル2aおよび負極セル2b内に
は、それぞれ、電極として正極6および負極7が
配置されている。 第5図に示したレドツクスフロー電池1では、
たとえば鉄イオン、クロムイオンのような原子価
の変化する、イオンの水溶液を、タンク3,4に
貯蔵し、これをポンプP1,P2で流通型電解セル
2に送液し、酸化還元反応により充放電を行な
う。たとえば、正極液としてFe3+/Fe2+塩酸溶
液、負極液としてCr2+/Cr3+塩酸溶液を用いる
と、各酸化還元系の両極6,7における電気化学
反応は、次式のようになり、起電力は約1Vであ
る。 正極:Fe3++e放電 ――→ ←―― 充電Fe2+E=0.6V 負極:Cr2+放電 ――→ ←―― 充電Cr3++eE=−0.4V 発明が解決しようとする問題点 しかしながら、上記したようなレドツクスフロ
ー電池1は、通常の電池と異なり、正極液と負極
液との構成の異なる2液型電池構成であるため、
両電解液の混合を阻止する必要があり、そのため
選択性の強いイオン交換膜が隔膜5として用いら
れているが、その結果電池の内部抵抗を低減する
ことができず、したがつて高い充放電効率を達成
することができないという問題があつた。 また、隔膜5は、上記したような選択性の強い
イオン交換膜、すなわち活物質の通過を防止する
ことができ、しかもH+およびCl-のようにイオン
移動担体を通過させ得るという特殊機能を有しな
ければならないため、隔膜5を構成する材料のコ
ストが高くつくという欠点があつた。 さらに、上述したように選択性に優れたイオン
交換膜を隔膜5として用いたとしても、なお活物
質の混合を避けることはできなかつた。すなわち
第6図および第7図は、第5図に示した従来のレ
ドツクスフロー電池における充電の際および放電
の際の電池内の反応状態を示す部分切欠正面図で
あるが、第6図および第7図において矢印A…D
で示すように、従来のレドツクスフロー電池で
は、充電動作および放電動作を繰返すうちに、正
極活物質および負極活物質が隔膜5を透過し、そ
の結果正極液および負極液内の活物質量が減少す
るため電力貯蔵量が低下し、充放電効率が低下す
るという欠点があつた。 それゆえに、この発明の目的は、長期間使用し
た場合であつても電力貯蔵量および充放電効率の
低下が極めて小さく、かつ比較的安価な電池を提
供することにある。 発明の構成 問題点を解決するための手段 この発明は、要約すれば、セル内で正極と負極
とを隔膜により分離し、正極に正極液を、負極に
負極液を供給し充放電を行なう電池構造におい
て、充電前の正極液および負極液が、ほぼ等モル
の正極活物質および負極活物質を含む同一組成の
電解液で構成されており、かつ隔膜として多孔質
膜を用いることを特徴とする、電池である。 充電前の電解液としては、たとえばCrCl3
FeCl2塩酸溶液のほか、従来より電池構造の電解
液として用いられている任意の活物質を用いるこ
とができる。 また、「多孔質膜」としては、たとえばセルロ
ース系樹脂、ポリオレフイン系樹脂およびふつ素
樹脂等の材料からなる膜を用いることができる。
もつとも、HCl溶液など強酸性溶液を用いること
が多いこと、および高温操作を考慮すると、耐薬
品性および耐高温性に優れたふつ素樹脂が好まし
い。 また、内部抵抗の低減およびイオン移動担体の
移動性を考慮すると、電気抵抗2.0Ωcm2以下、孔
径0.5μm以下の膜が好ましい。 作 用 この発明では、充電前の正極液および負極液が
ほぼ等モルの正極活物質および負極活物質を含む
ため、セル内での隔膜の両側間すなわち正極セル
と負極セルとの間に活物質の濃度勾配がほとんど
生じず、隔膜を介した活物質の物質移動はほとん
ど生じない。また、後述する実施例の説明から明
らかなように、放電動作の後には正極液および負
極液が混合されるため、放電動作時に未反応の活
物質があつたとしても、他方側の活物質と反応
し、その結果正極活物質および負極活物質の濃度
は、使用開始当初と同一に保たれる。すなわち、
この発明では隔膜を介した活物質の混合が生じた
としても、1サイクル内における充放電電気量の
効率の低下が生じるだけであり、長期間の容量の
低下という問題は生じない。したがつて、イオン
交換膜より電極活物質の混合の生じやすい多孔質
膜を用いることが可能となる。電極活物質の混合
の生じやすい多孔質膜を用いることは、一方にお
いて、セルの隔膜を介して、電解液の混合が生
じ、その自己放電により電池効率(電池効率は、
電流効率で評価される。)の低下を招来する。し
かし、他方、膜抵抗という観点からは、多孔質膜
のほうが十分に小さくなり、電圧損失(電圧損失
は、電圧効率が評価される。)はイオン交換膜の
ほうが大きくなる。トータルとしてのエネルギ効
率は、電流効率と電圧効率の積で表わされる。 第8図は、電気抵抗と、各効率(電流効率、電
圧効率、エネルギ効率)との関係を示す図であ
る。図において、黒丸印はイオン交換膜の特性、
白丸印は多孔質膜の特性を示している。多孔質膜
の電気抵抗が小さいのは、イオン交換膜に比べて
より多孔質であり、よりイオンが透過しやすいた
めである。第8図から明らかなように、電池の隔
膜として多孔質間を用いることによつて、隔膜に
おける内部抵抗を低下させ、電圧効率(充放電動
作時におけるそれぞれの電圧の比)を上昇させる
ことができ、トータルのエネルギ効率(充放電電
力量の比)を向上させることが可能となる。 また、第8図を参照して、多孔質膜の孔径の大
きなものを用いると、白三角印の領域に入り、2
液の混合が著しく、電流効率が著しく低下してし
まう。このため、孔径は0.5μm以下にするのが好
ましい。また、電気抵抗が大きすぎるものは、多
孔質膜を用いるメリツトが生かせない。そのた
め、電気抵抗は、2.0Ωcm2以下にするのが好まし
い。 実施例の説明 第1図は、この発明の一実施例を示す概略構成
図である。第1図において31は流通型電解セル
を示し、該セル31は第5図に示した従来のレド
ツクスフロー電池におけるセル2と同様の構成を
有する。 この実施例では、セル31に接続される電解液
タンクが、共通タンク41と、正極液タンク42
および負極液タンク43の3個のタンク41,4
2,43により構成されている。共通タンク41
は、CrCl3およびFeCl2が等モル含まれた塩酸溶
液である電解液44が充電されている。共通タン
ク41は、セル31の正極セル31aおよび負極
セル31bに接続されており、ポンプ45,46
により電解液44が供給あるいは排出されるよう
に構成されている。 他方、正極セル31aおよび負極セル31bに
は、第5図に示した従来のレドツクスフロー電池
と同様に正極液タンク42および負極液タンク4
3が接続されている。 今、上述のように電解液44としてCrCl3
FeCl2塩酸溶液を用いた場合、充電動作の際に
は、電解液44は、それぞれ、ポンプ45,46
により、正極セル31aおよび負極セル31bに
供給され、電極反応を生じ、反応が終了した正極
液および負極液は正極液タンク42および負極液
タンク43に、それぞれ、排出される。 他方、放電動作時には、正極液タンク42およ
び負極液タンク43内の正極液および負極液が、
それぞれ、矢印Y方向に移送され正極セル31a
および負極セル31bにおいて電極反応を生じ、
再び共通タンク41に回収される。 第1図に示した実施例における電極反応は、正
極および負極においてそれぞれ、次の式により行
なわれる。 正極:Fe3++Ce3+充電 ――→ ←―― 放電/Fe3++Cr3++e 負極:Fe2++Ce3+充電 ――→ ←―― 放電/Fe2++Cr2+−e ところで、第1図に示した実施例のレドツクス
フロー電池では、充電前の電解液が正極活物質と
してのFe2+および負極活物質としてのCr3+を等
モル含んでいるため、セル31内において隔膜3
2を介した濃度勾配は生じない。よつて、隔膜3
2を介した物質移動は効果的に防止され、それゆ
えに正極セル31aおよび負極セル31b内でそ
れそれの活物質の濃度低下が確実に防止され得
る。すなわち第2図に充電動作時のセル31内を
略図的正面図で示すが、この場合矢印AおよびB
で示される物質移動は、ほとんど生じないことに
なるのである。 同様に、放電動作においても隔膜32を隔てた
物質移動はほとんど起こらず、よつて第3図に略
図的正面図で示すように、矢印CおよびDで示す
方向の活物質の移動はほとんど生じない。 さらに、第1図に示した実施例では、充電動作
における電極反応を終えた正極液および負極液
は、正極液タンク42および負極液タンク43に
排出・貯蔵されているが、この場合第1図に示す
ように正極液タンク42ではFe3+およびCr3+
存在し、負極液タンク43内にはFe2+および
Cr2+が存在する。他方、放電動作時には、正極液
タンク42および負極液タンク43内の正極液お
よび負極液が、再度セル31に供給されて電極反
応を起こすのであるが、正極液および負極液中の
すべての活物質が反応するとは限らない。たとえ
ば、正極セル31aにおいて、供給されたFe3+
の一部が電極反応を生じず、Fe3+のまま共通タ
ンク41に排出されることがあり、同様に負極側
においてもCr2+が一部未反応のまま共通タンク4
1に排出されるかもしれない。しかしながら、こ
の場合であつても、未反応のFe3+とCr2+は、共
通タンク41内で反応し、Fe2+およびCr3+に変
換される。よつて、たとえ未反応のFe3+および
Cr2+があつたとしても、共通タンク41内での反
応により、共通タンク41内に貯蔵される電解液
をすべてFe2+およびCr3+を等モル含む最初の電
解液と同一組成とすることが可能にされている。
したがつて、長期間にわたり充放電動作を繰返し
たとしても、充放電効率の低下は全く生じないこ
とがわかる。 さらに、第1図に示した実施例では、隔膜32
として多孔質膜が用いられている。多孔質膜は、
前述したように従来から用いられてきたイオン交
換膜より活物質の混合を生じやすいという問題が
ある。しかしながら、上記したように活物質の混
合が生じたとしても、共通タンク41に戻された
際に共通タンク41内での反応により電解液は当
初と同一組成となる。したがつてイオン交換膜よ
り活物質の場合を生じさせやすいという欠点は、
上記構成により解消される。のみらず、多孔質膜
は電気抵抗がイオン交換膜より低いため、第1図
に示したレドツクスフロー電池の内部抵抗は効果
的に低減され、電圧効率が上昇する。 なお、上記実施例では、3個のタンクを用いた
例につき説明したが、これに限らず、正極液タン
ク1個および負極液タンク1個の2タンク方式あ
るいは4個以上のタンクを用いるシステムについ
ても適用できることは言うまでもない。これにつ
いてさらに詳細に説明すると、2タンク方式と
は、第5図に示すようにセル21個に対し、タン
ク2個3,4を有るるものをいう。4タンク方式
とは、第9図に示すように、セル21個に対し、
タンクを4個3a,3b,4a,4b有するもの
をいう。これらはいずれも電解液の循環の仕方を
変更させただけであり、セル内で正極と負極とを
隔膜により分離し、正極に正極液を、負極に負極
液を供給し充放電を行なう電池である点におい
て、3個のタンクを用いた上記実施例と共通す
る。そして、充電前の上記正極液および負極液を
ほぼ等モルの正極活物質および負極活物質を含む
同一組成の電解液により構成し、上記隔膜とし
て、多孔質膜を用いることによつて、上記実施例
と同様の効果を実現する。 さらに、上記実施例では活物質として、FeCl2
およびCrCl3を用いた場合につき説明したが、こ
れに限らず、下記の表に示すような種々の活物質
を用いることができることは言うまでもない。
OBJECTS OF THE INVENTION INDUSTRIAL APPLICATION FIELD OF THE INVENTION This invention relates to improvements in battery structures used for power storage, such as redox flow batteries, and more particularly to batteries with improved electrolytes and diaphragms within the cells. BACKGROUND OF THE INVENTION Electrical energy is difficult to store in its raw form, so it must be converted into a storable energy form. On the other hand, in order to provide stable power supply, it is necessary to supply or generate power in accordance with the power demand. For this reason, electric power companies always construct power generation facilities that meet the maximum demand and generate power in response to demand. However, as shown by the power demand curve P in FIG. 4, there is a large difference in power demand during the day and at night. Similar phenomena occur across weeks, months, and seasons. Therefore, if it is possible to store electricity efficiently, it is possible to store surplus electricity during off-peak hours (corresponding to the part indicated by X in Figure 1) and release it during peak hours. It is possible to cover the portion indicated by Y, and it is possible to respond to fluctuations in demand.
This means that it is necessary to always generate only approximately constant electric power (an amount corresponding to the broken line Z in FIG. 1). If such load leveling can be achieved,
It becomes possible to reduce the amount of power generation equipment, and it can also greatly contribute to saving energy and fuel such as oil. Therefore, various power storage methods have been proposed in the past. For example, pumped storage power generation has already been implemented, but in pumped storage power generation facilities are installed far away from consumption areas, which results in transmission and substation losses, and there are also environmental constraints on location. There are some problems. Therefore, there is a desire to develop a new power storage technology to replace pumped storage power generation, and the development of redox flow batteries is currently underway as one of these technologies. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional redox flow battery. This redox flow battery 1 includes a cell 2, a positive electrode liquid tank 3, and a negative electrode liquid tank 4, and is called a two-tank system because it uses two tanks 3 and 4. The inside of the cell 2 is partitioned by a diaphragm 5 made of an ion exchange membrane, and one side is the positive electrode cell 2.
a and the other side constitute a negative electrode cell 2b, respectively. A positive electrode 6 and a negative electrode 7 are arranged as electrodes in the positive electrode cell 2a and the negative electrode cell 2b, respectively. In the redox flow battery 1 shown in FIG.
For example, an aqueous solution of ions with varying valences, such as iron ions and chromium ions, is stored in tanks 3 and 4, and pumps P 1 and P 2 send this to the flow-through electrolysis cell 2, where it undergoes a redox reaction. Charging and discharging is performed. For example, when Fe 3+ /Fe 2+ hydrochloric acid solution is used as the positive electrode liquid and Cr 2+ /Cr 3+ hydrochloric acid solution is used as the negative electrode liquid, the electrochemical reaction at both electrodes 6 and 7 of each redox system is as follows: , and the electromotive force is approximately 1V. Positive electrode: Fe 3+ +e discharge――→ ←―― Charge Fe 2+ E=0.6V Negative electrode: Cr 2+ discharge――→ ←―― Charge Cr 3+ +eE=−0.4V Problems to be solved by the invention However, unlike a normal battery, the redox flow battery 1 as described above has a two-component battery configuration in which the positive electrode liquid and the negative electrode liquid have different configurations.
It is necessary to prevent mixing of both electrolytes, and therefore a highly selective ion exchange membrane is used as the diaphragm 5. However, as a result, the internal resistance of the battery cannot be reduced, resulting in high charge/discharge rate. The problem was that efficiency could not be achieved. In addition, the diaphragm 5 is a highly selective ion exchange membrane as described above, that is, it has a special function of being able to prevent active materials from passing through, while also allowing ion transfer carriers such as H + and Cl - to pass through. Therefore, there was a drawback that the cost of the material constituting the diaphragm 5 was high. Furthermore, even if an ion exchange membrane with excellent selectivity was used as the diaphragm 5 as described above, mixing of the active materials could not be avoided. That is, FIGS. 6 and 7 are partially cutaway front views showing the reaction state inside the battery during charging and discharging in the conventional redox flow battery shown in FIG. In Fig. 7, arrows A...D
As shown in the figure, in the conventional redox flow battery, as the charging and discharging operations are repeated, the positive electrode active material and the negative electrode active material permeate through the diaphragm 5, and as a result, the amount of active material in the positive and negative electrode liquids decreases. As a result, the amount of stored power decreases, resulting in a decrease in charging and discharging efficiency. Therefore, an object of the present invention is to provide a relatively inexpensive battery that exhibits extremely small decreases in power storage capacity and charging/discharging efficiency even when used for a long period of time. Means for Solving the Constituent Problems of the Invention To summarize, the present invention is a battery in which a positive electrode and a negative electrode are separated by a diaphragm in a cell, and a positive electrode liquid is supplied to the positive electrode and a negative electrode liquid is supplied to the negative electrode to perform charging and discharging. The structure is characterized in that the positive electrode liquid and the negative electrode liquid before charging are composed of electrolytic solutions of the same composition containing approximately equal moles of positive electrode active material and negative electrode active material, and a porous membrane is used as a diaphragm. , a battery. As the electrolyte before charging, for example, CrCl 3
In addition to the FeCl dihydrochloric acid solution, any active material conventionally used as an electrolyte in battery structures can be used. Further, as the "porous membrane", for example, a membrane made of a material such as a cellulose resin, a polyolefin resin, or a fluororesin can be used.
However, considering that strong acidic solutions such as HCl solutions are often used and high-temperature operations are taken into consideration, fluorine resins are preferred because of their excellent chemical resistance and high-temperature resistance. Furthermore, in consideration of the reduction in internal resistance and the mobility of the ion transfer carrier, a membrane having an electrical resistance of 2.0 Ωcm 2 or less and a pore diameter of 0.5 μm or less is preferable. Effect In this invention, since the cathode liquid and the anode liquid before charging contain approximately equal moles of the cathode active material and the anode active material, the active material is placed between both sides of the diaphragm in the cell, that is, between the cathode cell and the anode cell. Almost no concentration gradient occurs, and almost no mass transfer of the active material occurs through the diaphragm. Furthermore, as is clear from the description of the examples below, since the positive and negative electrode liquids are mixed after the discharge operation, even if there is an unreacted active material during the discharge operation, the active material on the other side As a result, the concentrations of the positive electrode active material and the negative electrode active material remain the same as at the beginning of use. That is,
In this invention, even if mixing of active materials occurs through the diaphragm, the efficiency of charging and discharging electricity within one cycle only decreases, and the problem of long-term capacity decrease does not occur. Therefore, it becomes possible to use a porous membrane in which mixing of electrode active materials occurs more easily than an ion exchange membrane. On the other hand, using a porous membrane that tends to cause mixing of electrode active materials causes mixing of the electrolyte through the cell diaphragm, and its self-discharge increases battery efficiency (battery efficiency is
Evaluated by current efficiency. ), leading to a decrease in However, on the other hand, from the viewpoint of membrane resistance, porous membranes are sufficiently smaller, and voltage loss (voltage loss is evaluated by voltage efficiency) is greater in ion exchange membranes. Total energy efficiency is expressed as the product of current efficiency and voltage efficiency. FIG. 8 is a diagram showing the relationship between electrical resistance and each efficiency (current efficiency, voltage efficiency, energy efficiency). In the figure, the black circles indicate the characteristics of the ion exchange membrane.
The white circles indicate the characteristics of the porous membrane. The reason why porous membranes have low electrical resistance is that they are more porous than ion exchange membranes, and ions can more easily permeate through them. As is clear from Figure 8, by using a porous layer as a battery diaphragm, the internal resistance of the diaphragm can be lowered and the voltage efficiency (ratio of voltages during charging and discharging operations) can be increased. This makes it possible to improve the total energy efficiency (ratio of charging and discharging electric power). Also, referring to Fig. 8, if a porous membrane with a large pore diameter is used, it will fall into the area indicated by the white triangle mark, and 2
Mixing of liquids is significant, resulting in a significant decrease in current efficiency. For this reason, the pore diameter is preferably 0.5 μm or less. Furthermore, if the electrical resistance is too high, the advantages of using a porous membrane cannot be utilized. Therefore, the electrical resistance is preferably 2.0Ωcm 2 or less. DESCRIPTION OF EMBODIMENTS FIG. 1 is a schematic diagram showing an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 31 indicates a flow-through electrolytic cell, which has the same structure as cell 2 in the conventional redox flow battery shown in FIG. In this embodiment, the electrolyte tanks connected to the cell 31 are a common tank 41 and a positive electrode tank 42.
and three tanks 41 and 4 of the negative electrode liquid tank 43.
2,43. common tank 41
is charged with an electrolytic solution 44 which is a hydrochloric acid solution containing equal moles of CrCl 3 and FeCl 2 . The common tank 41 is connected to the positive electrode cell 31a and the negative electrode cell 31b of the cell 31, and is connected to the pumps 45, 46.
The electrolytic solution 44 is supplied or discharged by the pump. On the other hand, the positive electrode cell 31a and the negative electrode cell 31b have a positive electrode liquid tank 42 and a negative electrode liquid tank 4, as in the conventional redox flow battery shown in FIG.
3 is connected. Now, as described above, CrCl 3 − is used as the electrolyte 44.
When FeCl 2 hydrochloric acid solution is used, during charging operation, the electrolyte 44 is pumped through pumps 45 and 46, respectively.
As a result, the positive electrode liquid and the negative electrode liquid are supplied to the positive electrode cell 31a and the negative electrode cell 31b, an electrode reaction occurs, and the reaction-completed positive electrode liquid and negative electrode liquid are discharged into the positive electrode liquid tank 42 and the negative electrode liquid tank 43, respectively. On the other hand, during the discharging operation, the positive electrode liquid and the negative electrode liquid in the positive electrode liquid tank 42 and the negative electrode liquid tank 43 are
The positive electrode cells 31a are transported in the direction of the arrow Y, respectively.
and causes an electrode reaction in the negative electrode cell 31b,
It is collected again into the common tank 41. The electrode reaction in the embodiment shown in FIG. 1 is carried out at the positive electrode and the negative electrode, respectively, according to the following formula. Positive electrode: Fe 3+ +Ce 3+ charge――→ ←―― Discharge/Fe 3+ +Cr 3+ +e Negative electrode: Fe 2+ +Ce 3+ charge――→ ←―― Discharge/Fe 2+ +Cr 2+ −e By the way In the redox flow battery of the embodiment shown in FIG . diaphragm 3
No concentration gradient across 2 occurs. Therefore, diaphragm 3
The mass transfer through the positive electrode cell 31a and the negative electrode cell 31b can therefore be effectively prevented from decreasing in concentration of the respective active materials. That is, FIG. 2 shows a schematic front view of the inside of the cell 31 during charging operation, and in this case arrows A and B
This means that the mass transfer shown by is almost non-existent. Similarly, during the discharge operation, almost no mass transfer occurs across the diaphragm 32, and therefore, as shown in the schematic front view in FIG. . Further, in the embodiment shown in FIG. 1, the positive electrode liquid and the negative electrode liquid that have completed the electrode reaction in the charging operation are discharged and stored in the positive electrode liquid tank 42 and the negative electrode liquid tank 43, but in this case, as shown in FIG. As shown in the figure, Fe 3+ and Cr 3+ are present in the positive electrode liquid tank 42, and Fe 2+ and Cr 3+ are present in the negative electrode liquid tank 43.
Cr2 + is present. On the other hand, during the discharging operation, the positive electrode liquid and negative electrode liquid in the positive electrode liquid tank 42 and negative electrode liquid tank 43 are supplied to the cell 31 again to cause an electrode reaction, but all the active materials in the positive electrode liquid and negative electrode liquid are does not necessarily respond. For example, in the positive electrode cell 31a, the supplied Fe 3+
A portion of Cr 2+ may not undergo an electrode reaction and may be discharged as Fe 3+ into the common tank 41, and similarly on the negative electrode side, a portion of Cr 2+ may remain unreacted and be discharged into the common tank 4.
1 may be ejected. However, even in this case, unreacted Fe 3+ and Cr 2+ react within the common tank 41 and are converted into Fe 2+ and Cr 3+ . Therefore, even if unreacted Fe 3+ and
Even if Cr 2+ is present, the reaction within the common tank 41 causes all the electrolytes stored in the common tank 41 to have the same composition as the initial electrolyte containing equal moles of Fe 2+ and Cr 3+ It is possible.
Therefore, it can be seen that even if the charging/discharging operation is repeated over a long period of time, the charging/discharging efficiency does not decrease at all. Furthermore, in the embodiment shown in FIG.
Porous membranes are used as The porous membrane is
As mentioned above, there is a problem in that active materials are more likely to mix than with conventionally used ion exchange membranes. However, even if the active materials are mixed as described above, when the electrolyte is returned to the common tank 41, the reaction within the common tank 41 causes the electrolyte to have the same composition as at the beginning. Therefore, the disadvantage that active material cases are more likely to occur than with ion exchange membranes is that
This problem is solved by the above configuration. In addition, since the electrical resistance of the porous membrane is lower than that of the ion exchange membrane, the internal resistance of the redox flow battery shown in FIG. 1 is effectively reduced and the voltage efficiency is increased. In addition, in the above embodiment, an example using three tanks was explained, but the present invention is not limited to this, and a two-tank system with one positive electrode liquid tank and one negative electrode liquid tank, or a system using four or more tanks is also applicable. Needless to say, it can also be applied. To explain this in more detail, the two-tank system has two tanks 3 and 4 for 21 cells, as shown in FIG. As shown in Figure 9, the 4-tank system means that for 21 cells,
It refers to one that has four tanks 3a, 3b, 4a, 4b. All of these are simply changes to the way the electrolyte circulates, and are batteries in which the positive and negative electrodes are separated by a diaphragm within the cell, and charging and discharging is performed by supplying the positive electrode to the positive electrode and the negative electrode to the negative electrode. In some respects, this embodiment is similar to the embodiment described above using three tanks. The above-mentioned implementation can be carried out by forming the above-mentioned positive electrode solution and negative electrode solution before charging with an electrolytic solution having the same composition containing approximately equimolar amounts of positive electrode active material and negative electrode active material, and using a porous membrane as the above-mentioned diaphragm. Achieve the same effect as the example. Furthermore, in the above example, FeCl 2 was used as the active material.
Although the case where CrCl 3 and CrCl 3 are used has been described, it goes without saying that the present invention is not limited to this and that various active materials as shown in the table below can be used.

【表】【table】

【表】 次に、この発明の具体的実験結果の一例を説明
する。 電極面積1×10cm2の小形の流通型電解セルにお
いて、電極として1×10cm2のカーボン布を用い、
隔膜として孔径0.1μm、多孔度約60%、膜厚70μ
mのポリプロピレン膜を用いた。充電前の電解液
として、1モルのFeCl2およびCrCl3を2規定の
HClに溶解させたものを用い、電池を構成した。 比較例として、隔膜に膜厚が約200μmの陽イ
オン交換膜(スルホン酸基)を用いた以外は、上
述の条件と同じ条件で、従来の電池を構成した。
これらの電池を用いて、充放電実験を行なつた。
充放電実験は、40mA/cm2の電流密度で、定電流
充放電させることによつて行なわれた。上述の多
孔質膜を隔膜に用いた電池の平均エネルギ効率は
83%程度であつた。陽イオン交換膜を用いた上述
の従来の電池の平均エネルギ効率は約70%程度で
あつた。なお、実施例の場合、充放電動作を数十
サイクル実施した後であつても、容量の低下は見
られなかつた。 発明の効果 以上のように、この発明によれば、セル内で正
極と負極とを隔膜により分離し、正極に正極液
を、負極に負極液を供給し充放電を行なう電池構
造において、充電前の正極液および負極液が、ほ
ぼ等モルの正極活物質および負極活物質を含む同
一組成の電解液で構成されており、かつ隔膜とし
て多孔質膜を用いるものであるため、セル内での
隔膜を介した活物質の移動を防止することがで
き、また放電動作後に共通タンクに戻される電解
液は当初と同一の組成の電極液となるので、電力
貯蔵量の低下および充放電効率の低下の極めて小
さな電池構造を実現することが可能となる。さら
に、隔膜として多孔質膜を用いるものであるた
め、内部抵抗を低くすることができ、電池全体の
エネルギ効率を上昇させることが可能であり、ま
た多孔質膜は高温でも特性が変化しないので、高
温でのエネルギ効率をも上昇させることが可能と
なる。さらに、従来の隔膜材料のイオン交換膜に
比べて多孔質膜は比較的安価でるため、コストの
低減を果たすことも可能となる。 この発明は、レドツクスフロー電池に限らず、
電力貯蔵用2次電池一般に応用し得るものである
ことを指摘しておく。
[Table] Next, an example of specific experimental results of the present invention will be explained. In a small flow-through electrolysis cell with an electrode area of 1 x 10 cm 2 , a 1 x 10 cm 2 carbon cloth was used as the electrode.
As a diaphragm, the pore diameter is 0.1μm, the porosity is approximately 60%, and the film thickness is 70μm.
A polypropylene membrane of m was used. As the electrolyte before charging, 1 mol of FeCl 2 and CrCl 3 was added to 2N
A battery was constructed using the material dissolved in HCl. As a comparative example, a conventional battery was constructed under the same conditions as described above, except that a cation exchange membrane (sulfonic acid group) having a thickness of about 200 μm was used as the diaphragm.
Charging and discharging experiments were conducted using these batteries.
The charge/discharge experiment was conducted by constant current charging/discharging at a current density of 40 mA/cm 2 . The average energy efficiency of a battery using the above porous membrane as a diaphragm is
It was around 83%. The average energy efficiency of the above-mentioned conventional batteries using cation exchange membranes was about 70%. In the case of the example, no decrease in capacity was observed even after several tens of cycles of charging and discharging operations. Effects of the Invention As described above, according to the present invention, in a battery structure in which a positive electrode and a negative electrode are separated by a diaphragm in a cell, and charging and discharging are performed by supplying a positive electrode liquid to the positive electrode and a negative electrode liquid to the negative electrode, The positive and negative electrode solutions in the cell are composed of electrolytes with the same composition containing approximately equal moles of positive and negative active materials, and a porous membrane is used as the diaphragm. In addition, the electrolyte returned to the common tank after the discharge operation has the same composition as the initial one, which prevents a decrease in power storage capacity and charge/discharge efficiency. It becomes possible to realize an extremely small battery structure. Furthermore, since a porous membrane is used as the diaphragm, it is possible to lower the internal resistance and increase the energy efficiency of the entire battery, and the characteristics of the porous membrane do not change even at high temperatures. It is also possible to increase energy efficiency at high temperatures. Furthermore, since porous membranes are relatively inexpensive compared to ion exchange membranes, which are conventional diaphragm materials, it is also possible to reduce costs. This invention is not limited to redox flow batteries.
It should be pointed out that the present invention can be applied to secondary batteries for power storage in general.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は、この発明の一実施例の概略構成図で
ある。第2図および第3図は、第1図に示した実
施例におけるセル内の充電動作時および放電動作
時の反応状態を示す図である。第4図は、電力需
要曲線を示す図である。第5図は、従来のレドツ
クスフロー電池の一例を示す概略構成図である。
第6図および第7図は、第5図に示した従来のレ
ドツクスフロー電池のセル内の充電動作時および
放電動作時の反応状態を示す部分切欠正面図であ
る。第8図は、電気抵抗と、各効率(電流効率、
電圧効率、エネルギ効率)との関係図である。第
9図は、4タンク方式のレドツクスフロー電池の
一例を示す概略構成図である。 図において、31はセル、32は隔膜、33は
正極、34は負極、41は共通タンク、42は正
極液タンク、43は負極液タンク、44は電解液
を示す。
FIG. 1 is a schematic diagram of an embodiment of the present invention. 2 and 3 are diagrams showing reaction states during charging and discharging operations within the cell in the embodiment shown in FIG. 1. FIG. 4 is a diagram showing a power demand curve. FIG. 5 is a schematic configuration diagram showing an example of a conventional redox flow battery.
6 and 7 are partially cutaway front views showing reaction states during charging and discharging operations in the cells of the conventional redox flow battery shown in FIG. 5. FIG. Figure 8 shows electrical resistance and each efficiency (current efficiency,
FIG. FIG. 9 is a schematic diagram showing an example of a four-tank redox flow battery. In the figure, 31 is a cell, 32 is a diaphragm, 33 is a positive electrode, 34 is a negative electrode, 41 is a common tank, 42 is a positive electrode tank, 43 is a negative electrode tank, and 44 is an electrolyte.

Claims (1)

【特許請求の範囲】 1 セル内で正極と負極とを隔膜により分離し、
正極に正極液を、負極に負極液を供給し充放電を
行なう電池において、 充電前の前記正極液および負極液が、ほぼ等モ
ルの正極活物質および負極活物質を含む同一組成
の電解液により構成されており、かつ 前記隔膜として多孔質膜を用いることを特徴と
する、電池。 2 前記充電前の電解液は、CrCl3−FeCl2塩酸
溶液である、特許請求の範囲第1項記載の電池。 3 前記多孔質膜は、孔径0.5μm以下、電気抵抗
2.0Ωcm2以下の特性を有する材料からなる膜であ
る、特許請求の範囲第1項または第2項記載の電
池。
[Claims] 1. A positive electrode and a negative electrode are separated by a diaphragm in a cell,
In a battery that is charged and discharged by supplying a positive electrode liquid to the positive electrode and a negative electrode liquid to the negative electrode, the positive electrode liquid and the negative electrode liquid before charging are made of an electrolytic solution of the same composition containing approximately equal moles of the positive electrode active material and the negative electrode active material. What is claimed is: 1. A battery comprising: a porous membrane as the diaphragm; 2. The battery according to claim 1, wherein the electrolytic solution before charging is a CrCl 3 -FeCl 2 hydrochloric acid solution. 3 The porous membrane has a pore diameter of 0.5 μm or less and an electrical resistance.
The battery according to claim 1 or 2 , which is a membrane made of a material having a characteristic of 2.0 Ωcm 2 or less.
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