JPH10162853A - Diaphragm for redox flow battery and manufacture therefor - Google Patents

Diaphragm for redox flow battery and manufacture therefor

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JPH10162853A
JPH10162853A JP8321357A JP32135796A JPH10162853A JP H10162853 A JPH10162853 A JP H10162853A JP 8321357 A JP8321357 A JP 8321357A JP 32135796 A JP32135796 A JP 32135796A JP H10162853 A JPH10162853 A JP H10162853A
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redox flow
monomer
copolymer
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達哉 前端
Hiroki Hirayama
浩喜 平山
Tomonari Todoroki
智成 轟
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diaphragm on which a metallic ion permeating quantity is reduced and which has high charging-discharging efficiency and is excellent in durability by using a copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond introduced from an aliphatic hydrocarbon monomer and a styrene monomer unit as matrix resin. SOLUTION: Resin obtained by adding hydrogen by copolymerizing a styrene monomer and butadiene, is used as matrix resin of an ion exchange memberane. By being constituted in this way, a diaphragm particularly excellent in durability more than a diaphragm in which matrix resin having an unsaturated bond such as a styrene-butadiene copolymer is made to exist, is obtained. Though the content of respective constitutive units is not particularly limited, it is desirable that a unit on the basis of a styrene monomer is set to 10 to 80wt.% to a copolymer, and desirably, molecular weight of the copolymer is also set to a range of 50,000 to 500,000.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は優れた耐久性を有す
るレドックスフロー電池用隔膜、特にバナジウム系レド
ックスフロー電池用隔膜に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a membrane for a redox flow battery having excellent durability, and more particularly to a membrane for a vanadium redox flow battery.

【0002】[0002]

【従来の技術】レドックスフロー電池とは、隔膜により
正極と負極を分離した正極室および負極室を有する液透
過型の電解槽に、正極および負極の電池活物質を流通せ
しめ、酸化還元反応を利用して充放電を行うものであ
る。一般には隔膜として金属イオンの透過を防ぐ目的の
ためイオン機能を有する膜、例えばイオン交換膜が使用
されている。電池活物質には、種々の金属種の適用が考
えられているが、最近、電池活物質にバナジウムを使用
するバナジウム系レドックスフロー電池(特開昭62−
186473号公報)が提案されている。
2. Description of the Related Art In a redox flow battery, a positive electrode and a negative electrode battery active materials are passed through a liquid permeable electrolytic cell having a positive electrode chamber and a negative electrode chamber in which a positive electrode and a negative electrode are separated by a diaphragm, and a redox reaction is utilized. To perform charging and discharging. In general, a membrane having an ion function, for example, an ion exchange membrane is used as a diaphragm for the purpose of preventing permeation of metal ions. Various kinds of metals are considered to be used as the battery active material, but recently, a vanadium-based redox flow battery using vanadium as the battery active material (Japanese Patent Application Laid-Open No. Sho 62-62).
186473) has been proposed.

【0003】この電池は、従来検討されてきた鉄/クロ
ム系のレドックスフロー電池と比較して、起電力、電池
容量などに優れており、更に極液が一金属系であるため
隔膜を介して正、負極液が相互に混合しても充電によっ
て簡単に再生することができる等の利点を有している。
[0003] This battery is excellent in electromotive force, battery capacity, and the like as compared with the iron / chromium-based redox flow battery that has been conventionally studied. Even if the positive and negative electrode solutions are mixed with each other, they have the advantage that they can be easily regenerated by charging.

【0004】[0004]

【発明が解決しようとする課題】一般には、レドックス
フロー電池用隔膜としては、イオン交換膜が使用されて
いる。通常のイオン交換膜には、イオン交換基は導入さ
れずにマトリックスとして機能する樹脂(以下、単にマ
トリックス樹脂という)とイオン交換性樹脂との樹脂組
成物が、多孔質基材に付着されたものが広く知られてい
る。ここで、上記マトリックス樹脂としては、例えば、
スチレン−ブタジエン共重合体やアクリロニトリル−ブ
タジエン共重合体等である。
Generally, an ion exchange membrane is used as a membrane for a redox flow battery. In a normal ion exchange membrane, a resin composition of a resin that functions as a matrix without introducing ion exchange groups (hereinafter simply referred to as a matrix resin) and an ion exchange resin is attached to a porous substrate. Is widely known. Here, as the matrix resin, for example,
Styrene-butadiene copolymer and acrylonitrile-butadiene copolymer.

【0005】レドックスフロー電池用隔膜として、この
ようなマトリックス樹脂を含むイオン交換膜を使用した
場合、レドックスフロー電池は酸化還元反応を利用する
ために、酸化性物質、例えば5価のバナジウムイオンや
3価の鉄イオンなどが、このイオン交換膜中のマトリッ
クス樹脂に作用して、イオン交換樹脂部分が変質し、該
イオン交換樹脂部分が部分的に基材から剥離する等の問
題が生じた。特に、5価のバナジウムイオンは酸化力が
強く、一般のイオン交換膜を隔膜に使用するには耐久性
において大きな問題であった。
When an ion exchange membrane containing such a matrix resin is used as a membrane for a redox flow battery, the redox flow battery uses an oxidizing substance such as pentavalent vanadium ion or 3 Valent iron ions and the like act on the matrix resin in the ion-exchange membrane to cause a change in the ion-exchange resin portion, causing problems such as partial separation of the ion-exchange resin portion from the substrate. In particular, pentavalent vanadium ions have a strong oxidizing power, and there is a serious problem in durability when using a general ion exchange membrane as a membrane.

【0006】そこで耐酸化性を有する隔膜としてパーフ
ルオロ系の膜やポリスルホン系の隔膜(特開平6−18
8005号公報)等が提案されている。
Accordingly, as a membrane having oxidation resistance, a perfluoro membrane or a polysulfone membrane (JP-A-6-18)
No. 8005) has been proposed.

【0007】しかしながら、上記の提案された新しい隔
膜も、その要求される全ての機能を満足させるものでは
なく、工業的なレドックスフロー電池用隔膜として用い
た場合に、金属イオンの透過量が小さく、充放電効率が
高く、特に耐久性に優れ、安価な隔膜が要望されてい
た。
[0007] However, the new membrane proposed above does not satisfy all the required functions, and when used as an industrial redox flow battery membrane, has a small amount of permeation of metal ions, There has been a demand for an inexpensive diaphragm having high charge / discharge efficiency, particularly excellent durability.

【0008】[0008]

【発明が解決しようとする手段】本発明者らは、上記し
た課題に鑑み鋭意研究した結果、マトリックス樹脂とし
て、脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽
和結合を有さない単量体単位とスチレン系単量体単位と
の共重合体を用いることにより、上記した課題が解決で
きることを見出し、本発明を提案するに至った。
DISCLOSURE OF THE INVENTION The present inventors have conducted intensive studies in view of the above-mentioned problems, and as a result, as a matrix resin, have substantially no unsaturated bonds derived from aliphatic hydrocarbon monomers. The present inventors have found that the above problems can be solved by using a copolymer of a monomer unit and a styrene-based monomer unit, and have led to the present invention.

【0009】即ち、本発明によれば、脂肪族炭化水素系
単量体から導かれる実質的に不飽和結合を有さない単量
体単位とスチレン系単量体単位との共重合体、及びイオ
ン交換性樹脂からなる樹脂組成物が、多孔質基材に付着
されてなるイオン交換膜よりなるレドックスフロー電池
用隔膜が提供される。
That is, according to the present invention, a copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from an aliphatic hydrocarbon monomer and a styrene monomer unit, Provided is a redox flow battery membrane comprising an ion exchange membrane in which a resin composition comprising an ion exchange resin is adhered to a porous substrate.

【0010】本発明のレドックスフロー電池用隔膜は、
脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽和結
合を有さない単量体単位とスチレン系単量体単位との共
重合体を、イオン交換膜のマトリックス樹脂として使用
することが特徴であり、このようにすることにより、ス
チレン−ブタジエン共重合体等の不飽和結合を有するマ
トリックス樹脂を存在させた隔膜に比べて、特に耐久性
に優れた隔膜が得られる。
[0010] The membrane for a redox flow battery of the present invention comprises:
It is possible to use a copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from an aliphatic hydrocarbon-based monomer and a styrene-based monomer unit as a matrix resin of an ion exchange membrane. This is a characteristic, and by doing so, a membrane having particularly excellent durability can be obtained as compared with a membrane in which a matrix resin having an unsaturated bond such as a styrene-butadiene copolymer is present.

【0011】本発明において、上記脂肪族炭化水素系単
量体から導かれる実質的に不飽和結合を有さない単量体
単位とスチレン系単量体単位との共重合体としては、前
記各構成単位からなる公知の化合物が何等制限されるこ
となく使用できる。この共重合体を構成するスチレン系
単量体としては、スチレンや該スチレンの芳香環やビニ
ル基にハロゲン基、アルキル基あるいはハロアルキル基
等の置換基が導入されたスチレン置換体が何等制限され
ることなく使用される。こうしたスチレン置換体として
は、例えばビニルトルエン、ビニルキシレン、クロロス
チレン、クロロメチルスチレン、α−メチルスチレン、
α−ハロゲン化スチレン、α,β,β’−トリハロゲン
化スチレン等が挙げられる。
In the present invention, the copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon-based monomer and a styrene-based monomer unit includes Known compounds consisting of structural units can be used without any limitation. As the styrene-based monomer constituting the copolymer, styrene or a styrene-substituted product obtained by introducing a substituent such as a halogen group, an alkyl group or a haloalkyl group into an aromatic ring or a vinyl group of the styrene is not limited at all. Used without. Such styrene substitutes include, for example, vinyl toluene, vinyl xylene, chlorostyrene, chloromethylstyrene, α-methylstyrene,
α-halogenated styrene, α, β, β′-trihalogenated styrene and the like.

【0012】一方、前記共重合体のもう一つの構成成分
となる脂肪族炭化水素系単量体としては、不飽和脂肪族
炭化水素、好適には炭素数2〜9の不飽和脂肪族炭化水
素が特に制限されることなく使用される。その場合、不
飽和脂肪族炭化水素としては、具体的には、エチレン、
プロピレン、ブチレン等のオレフィンやブタジエン、イ
ソプレン等の共役ジオレフィンを用いるのが好ましい。
なお、本発明において、マトリックス樹脂として使用す
る上記共重合体は、脂肪族炭化水素系単量体から導かれ
る単量体単位が、共重合体を構成した状態において、該
単量体単位中に実質的に不飽和結合を有さないものであ
る。従って、共重合体成分として、上記共役ジオレフィ
ン等の複数の不飽和結合を有する脂肪族炭化水素系単量
体を使用した場合は、共重合後、さらに水素添加処理を
施して該単量体に基づく単位中に残存する不飽和結合を
消失させる必要がある。なお、共重合の形態としては、
いわゆるA−B型のジブロックタイプ、A−B−A型の
トリブロックタイプ、またはランダムタイプなどいかな
るものであっても良い。また、ジビニルベンゼン、メタ
クリル酸、アクリル酸等の第三単量体を微量含有するも
のであっても良い。
On the other hand, the aliphatic hydrocarbon-based monomer which is another component of the copolymer is an unsaturated aliphatic hydrocarbon, preferably an unsaturated aliphatic hydrocarbon having 2 to 9 carbon atoms. Is used without particular limitation. In that case, as the unsaturated aliphatic hydrocarbon, specifically, ethylene,
It is preferable to use olefins such as propylene and butylene and conjugated diolefins such as butadiene and isoprene.
In the present invention, the copolymer used as the matrix resin is a monomer unit derived from an aliphatic hydrocarbon-based monomer, in a state where the copolymer constitutes the monomer unit It has substantially no unsaturated bond. Therefore, when an aliphatic hydrocarbon-based monomer having a plurality of unsaturated bonds such as the conjugated diolefin is used as a copolymer component, the copolymer is further subjected to a hydrogenation treatment after the copolymerization. It is necessary to eliminate unsaturated bonds remaining in the unit based on the formula (1). In addition, as a form of copolymerization,
Any type such as a so-called AB type diblock type, an ABA type triblock type, or a random type may be used. Further, it may contain a small amount of a third monomer such as divinylbenzene, methacrylic acid, and acrylic acid.

【0013】本発明において、最も好適に使用される上
記脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽和
結合を有さない単量体単位とスチレン系単量体に基づく
単量体単位との共重合としては、スチレン系単量体とブ
タジエンを共重合し、得られた共重合体をさらに水素添
加して得た樹脂が挙げられる。なお、このように不飽和
結合を有する共重合体に水素添加処理を施す場合、得ら
れる共重合体には若干の不飽和結合が残存しても良い。
通常、こうした残存する不飽和結合の数は、水素添加処
理を行う前の全不飽和結合の数に対して5%以内、好適
には2%以内とするのが好適である。
In the present invention, a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon monomer most preferably used and a monomer based on a styrene monomer Examples of the copolymerization with a unit include a resin obtained by copolymerizing a styrene monomer and butadiene, and further hydrogenating the obtained copolymer. When the copolymer having an unsaturated bond is subjected to a hydrogenation treatment, some unsaturated bonds may remain in the obtained copolymer.
Usually, the number of such remaining unsaturated bonds is preferably within 5%, preferably within 2%, of the total number of unsaturated bonds before the hydrogenation treatment.

【0014】上記脂肪族炭化水素系単量体から導かれる
実質的に不飽和結合を有さない単量体単位とスチレン系
単量体に基づく単位との共重合体において、各構成単位
の含有量は、特に制限されるものではないが、スチレン
系単量体に基づく単位が共重合体の全重量に対して10
〜80重量%とするのが好ましい。また、共重合体の分
子量は、特に制限されるものではないが、通常、1,0
00〜1,000,000好ましくは50,000〜5
00,000の範囲とするのが好適である。
In a copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon-based monomer and a unit based on a styrene-based monomer, the copolymer contains Although the amount is not particularly limited, the unit based on the styrene monomer is 10% based on the total weight of the copolymer.
It is preferably set to 80% by weight. The molecular weight of the copolymer is not particularly limited, but is usually 1,0.
00 to 1,000,000, preferably 50,000 to 5
Preferably, it is in the range of 00,000.

【0015】本発明の膜において、樹脂組成物の成分と
して、こうした脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実
質的に不飽和結合を有さない単量体単位とスチレン系単
量単位との共重合体がマトリックス樹脂として使用され
ていることの確認は、例えば以下の方法により行うこと
ができる。即ち、本発明の膜をアセトンやテトラヒドロ
フラン等の有機溶媒でソックスレー抽出等をすることに
より、該樹脂を抽出し、これを赤外分光分析等により分
析することにより実施できる。上記共重合体は、赤外分
光分析で測定した場合、1450cm-1付近に炭素−水
素結合に由来するピークが存在し、1600cm-1
近、1500cm-1付近に芳香族に由来するピークが存
在する。その一方で、1640cm-1付近、970cm
ー1付近にアルケンの炭素−炭素二重結合に由来するピー
クが実質的に存在しない等の特徴を示す。
In the film of the present invention, as a component of the resin composition, a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from such an aliphatic hydrocarbon monomer and a styrene monomer unit are used. Confirmation that the copolymer is used as a matrix resin can be performed, for example, by the following method. That is, the film of the present invention can be carried out by extracting the resin by Soxhlet extraction or the like with an organic solvent such as acetone or tetrahydrofuran, and analyzing the resin by infrared spectroscopy. The copolymer, when measured by infrared spectroscopy, carbon in the vicinity of 1450 cm -1 - there is a peak derived from a hydrogen bond, 1600 cm around -1, there is a peak derived from aromatic around 1500 cm -1 I do. On the other hand, around 1640 cm -1 , 970 cm
It exhibits such characteristics that a peak derived from the carbon-carbon double bond of the alkene does not substantially exist near -1 .

【0016】本発明のレドックスフロー電池用隔膜で
は、上記脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に
不飽和結合を有さない単量体単位とスチレン系単量単位
との共重合体、及びイオン交換性樹脂からなる樹脂組成
物が、基材に付着されて使用される。このような膜は、
上記構成にあるものであれば如何なる方法により得られ
たものであっても良いが、通常は以下の方法により得ら
れる。即ち、イオン交換基が導入可能な官能基またはイ
オン交換基を有する単量体、架橋剤、重合開始剤および
脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽和結
合を有さない単量体単位とスチレン系単量体単位との共
重合体からなる混合物を、基材に付着して成形重合せし
めた後、必要に応じてイオン交換基を導入する方法であ
る。
In the membrane for a redox flow battery of the present invention, a copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon monomer and a styrene monomer unit is used. And a resin composition comprising an ion-exchange resin is used by being attached to a substrate. Such a membrane
As long as it has the above configuration, it may be obtained by any method, but is usually obtained by the following method. That is, a monomer having substantially no unsaturated bond derived from a monomer having a functional group into which an ion exchange group can be introduced or an ion exchange group, a crosslinking agent, a polymerization initiator and an aliphatic hydrocarbon monomer. This is a method in which a mixture comprising a copolymer of a monomer unit and a styrene-based monomer unit is adhered to a substrate, molded and polymerized, and then, if necessary, an ion exchange group is introduced.

【0017】ここで、イオン交換基が導入可能な官能基
またはイオン交換基を有する単量体としては、従来公知
であるイオン交換膜の製造において用いられる単量体が
特に制限されずに使用される。具体的には、スチレン、
ビニルトルエン、ビニルキシレン、アセナフレン、ビニ
ルナフタレン、α−ハロゲン化スチレン等、α,β,
β’−トリハロゲン化スチレン、クロロスチレン類など
が挙げられる。特に陽イオン型レドックスフロー電池用
隔膜の場合には、α−ハロゲン化ビニルスルホン酸、
α,β,β’−ハロゲン化ビニルスルホン酸、メタクリ
ル酸、アクリル酸、スチレンスルホン酸、ビニルスルホ
ン酸、マレイン酸、イタコン酸、スチレンホスホニル
酸、無水マレイン酸、ビニルリン酸など、それらの塩
類、エステル類などが用いられる。また、陰イオン型レ
ドックスフロー電池用隔膜の場合には、ビニルピリジ
ン、メチルビニルピリジン、エチルビニルピリジン、ビ
ニルピロリドン、ビニルカルバゾール、ビニルイミダゾ
ール、アミノスチレン、アルキルアミノスチレン、ジア
ルキルアミノスチレン、トリアルキルアミノスチレン、
メチルビニルケトン、クロルメチルスチレン、アクリル
酸アミド、アクリルアミド、オキシウム、スチレン、ビ
ニルトルエン等が用いられる。
Here, as a monomer having a functional group into which an ion exchange group can be introduced or an ion exchange group, a monomer used in the production of a conventionally known ion exchange membrane can be used without any particular limitation. You. Specifically, styrene,
Α, β, vinyltoluene, vinylxylene, acenaphrene, vinylnaphthalene, α-halogenated styrene, etc.
β'-trihalogenated styrene, chlorostyrenes and the like. Particularly in the case of a membrane for a cationic redox flow battery, α-halogenated vinyl sulfonic acid,
α, β, β′-halogenated vinyl sulfonic acid, methacrylic acid, acrylic acid, styrene sulfonic acid, vinyl sulfonic acid, maleic acid, itaconic acid, styrene phosphonylic acid, maleic anhydride, vinyl phosphoric acid, and their salts; Esters and the like are used. In the case of a diaphragm for an anionic redox flow battery, vinyl pyridine, methyl vinyl pyridine, ethyl vinyl pyridine, vinyl pyrrolidone, vinyl carbazole, vinyl imidazole, amino styrene, alkyl amino styrene, dialkyl amino styrene, trialkyl amino styrene ,
Methyl vinyl ketone, chloromethyl styrene, acrylamide, acrylamide, oxime, styrene, vinyltoluene and the like are used.

【0018】また、架橋剤も、従来公知であるイオン交
換膜の製造において用いられる単量体が特に制限されず
に使用される。具体的には、例えば、m−、p−、o−
ジビニルベンゼン、ジビニルスルホン、ブタジエン、ク
ロロプレン、イソプレン、ジビニルナフタレン、ジアリ
ルアミン、トリアリルアミン、ジビニルピリジン類など
のジビニル化合物等やトリビニルベンゼン類等のトリビ
ニル化合物等が挙げられる。
As the cross-linking agent, a conventionally known monomer used in the production of an ion exchange membrane is used without any particular limitation. Specifically, for example, m-, p-, o-
Examples include divinyl compounds such as divinylbenzene, divinyl sulfone, butadiene, chloroprene, isoprene, divinylnaphthalene, diallylamine, triallylamine, and divinylpyridines, and trivinyl compounds such as trivinylbenzenes.

【0019】さらに、重合開始剤も、従来公知の重合開
始剤が特に制限されずに使用され、用いる基材、成形条
件にあわせて適宜選択すれば良い。例えば、ベンゾイル
パーオキサイド、2,4−ジクロロベンゾイルパーオキ
サイド、tert−ブチルパーオキシ−2−エチルヘキ
サノエート、ラウリルパーオキサイド、ステアリルパー
オキサイド、メチルイソブチルケトンパーオキサイド、
シクロヘキサンパーオキサイド、o−メチルベンゾイル
パーオキサイド、2,4,4−トリメチルペンチルパー
オキシ−フェノキシアセテート、α−クミルパーオキシ
ネオデカノエート、ジ−tert−ブチルパーオキシ−
ヘキサハイドロテレフタレート、tert−ブチルパー
オキシベンゾエート、ジイソプロピルベンゼンヒドロパ
ーオキサイド、ジ−tert−ブチルパーオキサイド、
1,1−ビス−tert−ブチルパーオキシ−3,3,
5−トリメチルシクロヘキサン等が用いられる。
Further, as the polymerization initiator, conventionally known polymerization initiators are used without any particular limitation, and may be appropriately selected according to the base material used and the molding conditions. For example, benzoyl peroxide, 2,4-dichlorobenzoyl peroxide, tert-butylperoxy-2-ethylhexanoate, lauryl peroxide, stearyl peroxide, methyl isobutyl ketone peroxide,
Cyclohexane peroxide, o-methylbenzoyl peroxide, 2,4,4-trimethylpentylperoxy-phenoxyacetate, α-cumylperoxy neodecanoate, di-tert-butylperoxy-
Hexahydroterephthalate, tert-butylperoxybenzoate, diisopropylbenzene hydroperoxide, di-tert-butylperoxide,
1,1-bis-tert-butylperoxy-3,3
5-trimethylcyclohexane or the like is used.

【0020】なお、本発明において、上記したイオン交
換基が導入可能な官能基またはイオン交換基を有する単
量体、架橋剤、重合開始剤および前記マトリックス樹脂
の混合物には、必要に応じて上記イオン交換基が導入可
能な官能基を有する単量体および架橋剤と共重合可能な
単量体として、例えば、スチレン、アクリロニトリル、
エチルスチレン、ビニルクロライド、アクロレイン、メ
チルビニルケトン、無水マレイン酸、その塩またはエス
テル類、イタコン酸、その塩またはエステル類などを適
宜混合しても良い。また、ジオクチルフタレート、ジブ
チルフタレート、リン酸トリブチル、アセチルクエン酸
トリブチルあるいは脂肪族酸、芳香族酸のアルコールエ
ステル等の可塑剤、さらには単量体を希釈するための溶
媒等を適宜添加しても良い。
In the present invention, a mixture of the above-mentioned monomer having a functional group into which an ion-exchange group can be introduced or an ion-exchange group, a crosslinking agent, a polymerization initiator and the matrix resin may be added, if necessary. As a monomer having a functional group capable of introducing an ion exchange group and a monomer copolymerizable with a crosslinking agent, for example, styrene, acrylonitrile,
Ethyl styrene, vinyl chloride, acrolein, methyl vinyl ketone, maleic anhydride, salts or esters thereof, itaconic acid, salts or esters thereof, and the like may be appropriately mixed. Further, a plasticizer such as dioctyl phthalate, dibutyl phthalate, tributyl phosphate, tributyl acetyl citrate or an aliphatic acid or an alcohol ester of an aromatic acid, and even a solvent for diluting the monomer may be appropriately added. good.

【0021】本発明において、上記した各成分の配合割
合は、特に制限されるものではないが、一般には、イオ
ン交換基が導入可能な官能基またはイオン交換基を有す
る単量体100重量部に対して、架橋剤を1〜100重
量部、前記脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的
に不飽和結合を有さない単量体単位とアクリロニトリル
に基づく単量体単位との共重合体を2〜200重量部の
範囲で、また、重合開始剤を全単量体量100重量%に
対して0.1〜30重量部の範囲で配合するのが好まし
い。
In the present invention, the mixing ratio of each of the above-mentioned components is not particularly limited, but is generally 100 parts by weight of a functional group capable of introducing an ion exchange group or 100 parts by weight of a monomer having an ion exchange group. On the other hand, 1 to 100 parts by weight of a crosslinking agent, copolymerization of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from the aliphatic hydrocarbon monomer and a monomer unit based on acrylonitrile It is preferable to blend the coalescing in the range of 2 to 200 parts by weight and the polymerization initiator in the range of 0.1 to 30 parts by weight based on 100% by weight of the total monomers.

【0022】以上により得られる単量体混合物は、基材
に付着され重合される。ここで、該基材としては、従来
イオン交換膜の基材として用いられているポリ塩化ビニ
ル、ポリオレフィン等を素材樹脂とするものが何等制限
されることなく使用される。形状としては、織布、不織
布、網、あるいはそれらの多孔性シート等も制限なく用
いられる。
The monomer mixture obtained as described above is adhered to a substrate and polymerized. Here, as the base material, those which use polyvinyl chloride, polyolefin or the like as a material resin, which has been conventionally used as a base material for an ion exchange membrane, are used without any limitation. As a shape, a woven fabric, a nonwoven fabric, a net, or a porous sheet thereof can be used without limitation.

【0023】これらの基材の厚さは、特に制限されるも
のではないが10〜200μmの範囲、特に50〜10
0μmのものが好適である。
The thickness of these substrates is not particularly limited, but is in the range of 10 to 200 μm, especially 50 to 10 μm.
Those having a thickness of 0 μm are preferred.

【0024】単量体混合物を上記したような基材に付着
した後、重合する際には、一般に常温から加圧下で昇温
されるが、その昇温速度は特に制限されるものではなく
適宜選択すれば良い。こうした重合条件は、関与する重
合開始剤の種類、単量体混合液の組成、基材の種類によ
っても左右されるものであり、一概に決めることはでき
ないが最適なレドックスフロー電池用隔膜の性能を考慮
して適宜選択すれば良い。なお、このペースト状物を基
材に付着する方法は、例えば塗布または含浸、浸漬等の
公知の方法を適宜採択すれば良い。
When the monomer mixture is adhered to the above-mentioned base material and then polymerized, the temperature is generally raised from normal temperature under pressure, but the rate of temperature rise is not particularly limited and may be appropriately determined. Just choose. These polymerization conditions also depend on the type of polymerization initiator involved, the composition of the monomer mixture, and the type of base material, and cannot be determined unequivocally, but are optimal for the performance of a redox flow battery diaphragm. May be appropriately selected in consideration of the above. In addition, as a method of attaching the paste-like material to the base material, a known method such as coating, impregnation, or dipping may be appropriately adopted.

【0025】以上により重合されて得られる膜状高分子
体は、必要に応じてこれを、公知の例えばスルホン化、
クロロスルホン化、クロロメチル化およびアミノ化、第
4級アンモニウム塩基化、第4級ピリジニウム塩基化、
ホスホニウム化、スルホニウム化、加水分解、プロトネ
ーション等の処理により所望のイオン交換基を導入し
て、レドックスフロー電池用隔膜とすることができる。
これらのイオン交換基の導入量は特に制限されないが、
通常、イオン交換容量が1〜10mmol/g−乾燥
膜、好ましくは2〜6mmol/g−乾燥膜の範囲であ
るのが好適である。また、イオン交換膜の厚さは、所望
の充放電効率、電気抵抗、機械的強度、耐久性等にも関
係するが、一般には10〜200μm好ましくは50〜
120μmの範囲であるのが好適である。
The film-like polymer obtained by polymerization as described above may be converted, if necessary, to a known polymer such as sulfonation.
Chlorosulfonation, chloromethylation and amination, quaternary ammonium basification, quaternary pyridinium basification,
A desired ion-exchange group can be introduced by a treatment such as phosphonium conversion, sulfonium conversion, hydrolysis, and protonation to obtain a membrane for a redox flow battery.
The introduction amount of these ion exchange groups is not particularly limited,
Generally, it is suitable that the ion exchange capacity is in the range of 1 to 10 mmol / g-dry membrane, preferably 2 to 6 mmol / g-dry membrane. Further, the thickness of the ion exchange membrane is related to desired charge / discharge efficiency, electric resistance, mechanical strength, durability, and the like, but is generally 10 to 200 μm, preferably 50 to 200 μm.
Preferably, it is in the range of 120 μm.

【0026】本発明において、上記により得られるイオ
ン交換膜は、レドックスフロー電池用隔膜として使用さ
れる。ここで言うレドックスフロー電池とは、隔膜によ
り正極と負極を分離した正極室および負極室を有する液
透過型の電解槽に、正極および負極の電池活物質を流通
せしめ、酸化還元反応を利用して充放電を行うものであ
る。電池活物質の組み合わせとしては、鉄/クロム系、
バナジウム/バナジウム系、クロム/臭素系、バナジウ
ム/チタン系、バナジウム/鉄、亜鉛/鉄系などが考え
られている。特に本発明のレドックスフロー電池用隔膜
は、バナジウムを含む電池系で耐久性に優れている。
In the present invention, the ion exchange membrane obtained as described above is used as a membrane for a redox flow battery. The term “redox flow battery” used here refers to a method in which a battery active material of a positive electrode and a negative electrode is passed through a liquid-permeable electrolytic cell having a positive electrode chamber and a negative electrode chamber in which a positive electrode and a negative electrode are separated by a diaphragm, and utilizing an oxidation-reduction reaction It performs charging and discharging. Battery active material combinations include iron / chromium,
Vanadium / vanadium-based, chromium / bromine-based, vanadium / titanium-based, vanadium / iron, zinc / iron-based and the like are considered. In particular, the membrane for redox flow batteries of the present invention is a battery system containing vanadium and has excellent durability.

【0027】[0027]

【発明の効果】本発明のレドックスフロー電池用隔膜
は、膜を構成するマトリックス樹脂として、アクリロニ
トリルに基づく単量体単位と特定の脂肪族炭化水素系単
位との共重合体を用いることにより、従来の充放電効率
を落とすことなく極めて優れた耐久性を付与することが
できる。
The membrane for a redox flow battery according to the present invention can be prepared by using a copolymer of a monomer unit based on acrylonitrile and a specific aliphatic hydrocarbon-based unit as a matrix resin constituting the membrane. Extremely excellent durability can be imparted without lowering the charge / discharge efficiency.

【0028】[0028]

【実施例】以下、本発明の実施例および比較例を示す
が、本発明はこれらの実施例に限定されるものではな
い。
EXAMPLES Examples of the present invention and comparative examples are shown below, but the present invention is not limited to these examples.

【0029】実施例1 スチレン100重量部、ジビニルベンゼン5重量部、ア
クリロニトリル20重量部、クロロメチルスチレン10
重量部、ジブチルフタレート20重量部、ベンゾイルパ
ーオキサイド3重量部、そしてマトリックス樹脂として
水素添加率98%のスチレン−ブタジエン共重合体10
重量部を混合して得たペースト状混合物をポリ塩化ビニ
ルの布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材として
被覆した後、100℃で3時間加熱重合を行った。
Example 1 100 parts by weight of styrene, 5 parts by weight of divinylbenzene, 20 parts by weight of acrylonitrile, 10 parts of chloromethylstyrene
Parts by weight, 20 parts by weight of dibutyl phthalate, 3 parts by weight of benzoyl peroxide, and a styrene-butadiene copolymer 10 having a hydrogenation rate of 98% as a matrix resin.
A paste-like mixture obtained by mixing parts by weight was applied to a polyvinyl chloride cloth, coated with a polyester film as a release material, and then subjected to heat polymerization at 100 ° C. for 3 hours.

【0030】次いで、得られた膜状高分子体を98%濃
硫酸と純度90%以上のクロルスルホン酸の1:1の混
合物中に60分間、40℃で浸漬して、陽イオン型レド
ックスフロー電池用隔膜を得た。このレドックスフロー
電池用隔膜は、イオン交換容量が2.8mmol/g−
乾燥膜で、膜厚は100μmであった。このレドックス
フロー電池用隔膜を、テトラヒドロフランを溶剤とし
て、40℃、3日間ソックスレー抽出を行い、得られた
抽出物を赤外分光法を用いて分析を行った。その結果、
1450cm-1付近に炭素−水素結合に由来するピーク
が存在し、1600cm-1付近、1500cm-1付近に
芳香族に由来するピークが存在し、一方で、1640c
-1付近、970cmー1付近には、アルケンの炭素−炭
素二重結合に由来するピークが実質的に認められなかっ
た。
Next, the obtained membrane-like polymer was immersed in a 1: 1 mixture of 98% concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid having a purity of 90% or more at 40 ° C. for 60 minutes to prepare a cationic redox flow. A battery diaphragm was obtained. This membrane for redox flow batteries has an ion exchange capacity of 2.8 mmol / g-
The dried film had a thickness of 100 μm. This redox flow battery membrane was subjected to Soxhlet extraction at 40 ° C. for 3 days using tetrahydrofuran as a solvent, and the obtained extract was analyzed by infrared spectroscopy. as a result,
1450cm carbon around -1 - there is a peak derived from a hydrogen bond, 1600 cm around -1, there is a peak derived from aromatic near 1500 cm -1, on the one hand, 1640C
In the vicinity of m -1 and 970 cm -1 , substantially no peak derived from the carbon-carbon double bond of the alkene was observed.

【0031】次に、得られたレドックスフロー電池用隔
膜を、正極液として2mol/lのVOSO4+2mo
l/l硫酸混合溶液を、負極液として2mol/lのV
2(SO43+2mol/l硫酸混合溶液を用いて、電
流密度60mA/cm2で充放電を行い、充放電効率を
求めた。その結果を表1に示した。更に、耐久性を調べ
るために加速試験として60℃の0.2mol/lの5
価バナジウム硫酸溶液に1ヶ月浸漬した。浸漬膜には変
化が認められなかった。そして該浸漬膜の充放電効率を
測定した結果を表1に示した。
Next, the obtained redox flow battery membrane was used as a positive electrode solution at 2 mol / l VOSO 4 +2 mo.
1 / l sulfuric acid mixed solution was used as a negative electrode solution at 2 mol / l of V
Charge / discharge was performed at a current density of 60 mA / cm 2 using a mixed solution of 2 (SO 4 ) 3 +2 mol / l sulfuric acid, and the charge / discharge efficiency was determined. The results are shown in Table 1. Further, as an accelerated test, 0.2 mol / l of 5
It was immersed in a vanadium sulfate solution for one month. No change was observed in the immersion film. Table 1 shows the results of measuring the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0032】比較例1 マトリックス樹脂として水素添加処理を行っていないス
チレン−ブタジエン共重合体である以外は実施例1同じ
条件で、イオン交換容量2.8mmol/g−乾燥膜、
膜厚が100μmの陽イオン型レドックスフロー電池用
隔膜を得た。このレドックスフロー電池用隔膜も、実施
例1と同様な条件でソックスレー抽出を行い、得られた
抽出物の赤外分光分析を行った所、1450cm-1付近
に炭素−水素結合に由来するピークが存在し、1600
cm-1付近、1500cm-1付近に芳香環に由来するピ
ークが存在し、さらに、1640cm-1付近、970c
ー1付近にアルケンの炭素−炭素二重結合に由来するピ
ークが存在していた。
Comparative Example 1 A styrene-butadiene copolymer not subjected to a hydrogenation treatment was used as the matrix resin under the same conditions as in Example 1 except that the ion exchange capacity was 2.8 mmol / g-dry membrane,
A membrane for a cation-type redox flow battery having a thickness of 100 μm was obtained. This redox flow battery membrane was also subjected to Soxhlet extraction under the same conditions as in Example 1, and the resulting extract was subjected to infrared spectroscopy. As a result, a peak derived from a carbon-hydrogen bond was found at around 1450 cm −1. Exists, 1600
cm around -1, there is a peak derived from aromatic ring in the vicinity of 1500 cm -1, further, 1640 cm around -1, 970c
A peak derived from the carbon-carbon double bond of the alkene was present near m -1 .

【0033】この膜も実施例1と同じ条件で充放電効率
を測定し、その結果を表1に示した。また耐久性を調べ
るために、実施例1と同じ条件で浸漬した結果、樹脂成
分が一部剥離しており、該浸漬膜の充放電効率を表1に
示した。
The charge / discharge efficiency of this film was measured under the same conditions as in Example 1, and the results are shown in Table 1. In addition, as a result of immersion under the same conditions as in Example 1 to examine the durability, the resin component was partially peeled off. Table 1 shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0034】実施例2 4−ビニルピリジン100重量部、スチレン6重量部、
純度約57%のジビニルベンゼン6重量部、ジオクチル
フタレート20重量部、ベンゾイルパーオキサイド3重
量部、そしてマトリックス樹脂として水素添加率98%
のスチレン−ブタジエン共重合体15重量部を混合して
得たペースト状混合物をポリ塩化ビニルの織布に塗布
し、ポリエステルフィルムを剥離材として被覆した後、
70℃で10時間加熱重合を行った。次いで、得られた
膜状高分子体を40重量%のヨウ化メチルのヘキサン溶
液を用いて、30℃、24時間のメチル化を行い、イオ
ン交換容量3.0mmol/g−乾燥膜、厚さ110μ
mの陰イオン型レドックスフロー電池用隔膜を得た。こ
のレドックスフロー電池用隔膜を、テトラヒドロフラン
を溶剤として、40℃、3日間ソックスレー抽出を行
い、得られた抽出物を赤外分光法を用いて分析を行っ
た。その結果、1450cm-1付近に炭素−水素結合に
由来するピークが存在し、1600cm-1付近、150
0cm-1付近に芳香族に由来するピークが存在し、一方
で、1640cm-1付近、970cmー1付近には、アル
ケンの炭素−炭素二重結合に由来するピークが実質的に
認められなかった。
Example 2 100 parts by weight of 4-vinylpyridine, 6 parts by weight of styrene,
6 parts by weight of divinylbenzene having a purity of about 57%, 20 parts by weight of dioctyl phthalate, 3 parts by weight of benzoyl peroxide, and a hydrogenation rate of 98% as a matrix resin
A styrene-butadiene copolymer was mixed with 15 parts by weight of a paste-like mixture, and the mixture was applied to a polyvinyl chloride woven fabric, and a polyester film was coated as a release material.
Heat polymerization was performed at 70 ° C. for 10 hours. Next, the obtained membrane polymer was subjected to methylation at 30 ° C. for 24 hours using a 40% by weight hexane solution of methyl iodide, and the ion exchange capacity was 3.0 mmol / g-dry membrane, thickness. 110μ
m was obtained for the anion-type redox flow battery. This membrane for redox flow batteries was subjected to Soxhlet extraction at 40 ° C. for 3 days using tetrahydrofuran as a solvent, and the obtained extract was analyzed using infrared spectroscopy. As a result, the carbon in the vicinity of 1450 cm -1 - there is a peak derived from a hydrogen bond, 1600 cm around -1, 150
There is a peak derived from aromatic around 0 cm -1, on the one hand, 1640 cm around -1, in the vicinity of 970cm-1, alkene carbon - peak attributable to carbon double bond was not substantially observed .

【0035】このレドックスフロー電池用隔膜の充放電
効率を表1に示した。更に、耐久性を調べるために加速
試験として60℃の1mol/lの5価バナジウム硫酸
溶液に浸漬を行った。3ヶ月後においても、膜自体に何
等変化は認められなかった。該浸漬膜の充放電効率を表
1に示した。
Table 1 shows the charge / discharge efficiency of the redox flow battery membrane. Further, in order to examine the durability, as an accelerated test, the sample was immersed in a 1 mol / l pentavalent vanadium sulfate solution at 60 ° C. Even after three months, no change was observed in the film itself. Table 1 shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0036】比較例2 マトリックス樹脂として水素添加していないスチレン−
ブタジエン共重合体である以外は実施例2と同じ条件
で、イオン交換容量3.0mmol/g−乾燥膜、厚さ
110μmの陰イオン型レドックスフロー電池用隔膜を
得た。この膜も実施例1と同じ条件で充放電効率を測定
し、その結果を表1に示した。更に、耐久性を調べるた
めに実施例2と同じ条件で同様な浸漬を行った。3ヶ月
後取り出して観察すると、樹脂の一部に剥離が認められ
た。該浸漬膜の充放電効率も表1に示した。
Comparative Example 2 Styrene not hydrogenated as a matrix resin
Under the same conditions as in Example 2 except that the butadiene copolymer was used, a diaphragm for an anion-type redox flow battery having an ion exchange capacity of 3.0 mmol / g-dry membrane and a thickness of 110 μm was obtained. The charge / discharge efficiency of this film was measured under the same conditions as in Example 1, and the results are shown in Table 1. Further, in order to examine the durability, the same immersion was performed under the same conditions as in Example 2. When taken out after 3 months and observed, peeling was observed in a part of the resin. Table 1 also shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0037】実施例3 スチレン100重量部、ジビニルベンゼン5重量部、ア
クリロニトリル20重量部、クロロメチルスチレン10
重量部、ジオクチルフタレート20重量部、ベンゾイル
パーオキサイド3重量部、そしてマトリックス樹脂とし
て水素添加率98%のスチレン−イソプレン共重合体1
5重量部を混合して得たペースト状混合物をポリ塩化ビ
ニルの織布に塗布し、ポリエステルフィルムを剥離材と
して被覆した後、100℃で4時間加熱重合を行った。
Example 3 100 parts by weight of styrene, 5 parts by weight of divinylbenzene, 20 parts by weight of acrylonitrile, 10 parts of chloromethylstyrene
Parts by weight, dioctyl phthalate 20 parts by weight, benzoyl peroxide 3 parts by weight, and a styrene-isoprene copolymer 1 having a hydrogenation rate of 98% as a matrix resin 1
A paste-like mixture obtained by mixing 5 parts by weight was applied to a polyvinyl chloride woven fabric, and a polyester film was coated as a release material, followed by heat polymerization at 100 ° C. for 4 hours.

【0038】次いで、得られた膜状高分子体を98%濃
硫酸と純度90%以上のクロルスルホン酸の1:1の混
合物中に60分間、40℃で浸漬して、陽イオン型レド
ックスフロー電池用隔膜を得た。このレドックスフロー
電池用隔膜は、イオン交換容量2.8mmol/g−乾
燥膜、膜厚が120μmであった。このレドックスフロ
ー電池用隔膜を、テトラヒドロフランを溶剤として、4
0℃、3日間ソックスレー抽出を行い、得られた抽出物
を赤外分光法を用いて分析を行った。その結果、145
0cm-1付近に炭素−水素結合に由来するピークが存在
し、1600cm-1付近、1500cm-1付近に芳香環
に由来するピークが存在し、一方で、1640cm-1
近、970cmー1付近には、アルケンの炭素−炭素二重
結合に由来するピークが実質的に認められなかった。
Next, the obtained membrane-like polymer was immersed in a 1: 1 mixture of 98% concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid having a purity of 90% or more at 40 ° C. for 60 minutes to obtain a cationic redox flow. A battery diaphragm was obtained. This membrane for redox flow batteries had an ion exchange capacity of 2.8 mmol / g-dry membrane and a thickness of 120 μm. This membrane for a redox flow battery was treated with tetrahydrofuran as a solvent,
Soxhlet extraction was performed at 0 ° C. for 3 days, and the obtained extract was analyzed using infrared spectroscopy. As a result, 145
0cm carbon around -1 - there is a peak derived from a hydrogen bond, 1600 cm around -1, there is a peak derived from aromatic ring in the vicinity of 1500 cm -1, on the one hand, 1640 cm around -1, around 970cm -1 For, substantially no peak derived from the carbon-carbon double bond of the alkene was observed.

【0039】次に、得られたレドックスフロー電池用隔
膜の充放電効率を実施例比較例も表1に示した。更に、
耐久性を調べるために実施例1と同じ条件で同様な浸漬
を行った。1ヶ月後においても、膜自体に何等変化は認
められなかった。該浸漬膜の充放電効率も表1に示し
た。
Next, the charging / discharging efficiencies of the obtained redox flow battery membrane are shown in Table 1 for the comparative examples. Furthermore,
In order to examine the durability, the same immersion was performed under the same conditions as in Example 1. Even after one month, no change was observed in the film itself. Table 1 also shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0040】比較例3 マトリックス樹脂として水素添加していないスチレン−
ブタジエン共重合体である以外は実施例3と同じ条件
で、イオン交換容量2.8mmol/g−乾燥膜、厚さ
120μmの陽イオン型レドックスフロー電池用隔膜を
得た。この膜も実施例1と同じ条件で充放電効率を測定
し、その結果を表1に示した。更に、耐久性を調べるた
めに実施例1と同じ条件で同様な浸漬を行った。1ヶ月
後取り出して観察すると、樹脂の一部に剥離が認められ
た。該浸漬膜の充放電効率も表1に示した。
Comparative Example 3 Styrene not hydrogenated as a matrix resin
Under the same conditions as in Example 3 except that the butadiene copolymer was used, a membrane for a cation-type redox flow battery having an ion exchange capacity of 2.8 mmol / g-dry membrane and a thickness of 120 μm was obtained. The charge / discharge efficiency of this film was measured under the same conditions as in Example 1, and the results are shown in Table 1. Further, in order to examine the durability, the same immersion was performed under the same conditions as in Example 1. One month later, when taken out and observed, peeling was observed in a part of the resin. Table 1 also shows the charge / discharge efficiency of the immersion film.

【0041】[0041]

【表1】 [Table 1]

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質
的に不飽和結合を有さない単量体単位とスチレン系単量
体単位との共重合体、及びイオン交換性樹脂からなる樹
脂組成物が、基材に付着されてなるイオン交換膜よりな
るレドックスフロー電池用隔膜。
1. A copolymer of a monomer unit having substantially no unsaturated bond derived from an aliphatic hydrocarbon-based monomer and a styrene-based monomer unit, and an ion-exchange resin. A membrane for a redox flow battery comprising an ion exchange membrane in which a resin composition is adhered to a substrate.
【請求項2】レドックスフロー電池がバナジウム系レド
ックスフロー電池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隔膜。
2. The membrane for a redox flow battery according to claim 1, wherein the redox flow battery is a vanadium-based redox flow battery.
【請求項3】イオン交換基が導入可能な官能基またはイ
オン交換基を有する単量体、架橋剤、重合開始剤および
脂肪族炭化水素系単量体から導かれる実質的に不飽和結
合を有さない単量体単位とスチレン系単量体単位との共
重合体からなる混合物を、基材に付着して成形重合せし
めた後、必要に応じてイオン交換基を導入することを特
徴とする請求項1記載のレドックスフロー電池用隔膜の
製造方法。
3. It has a substantially unsaturated bond derived from a functional group into which an ion exchange group can be introduced or a monomer having an ion exchange group, a crosslinking agent, a polymerization initiator, and an aliphatic hydrocarbon monomer. A mixture comprising a copolymer of a monomer unit and a styrene-based monomer unit which is not to be adhered to a base material and molded and polymerized, and then, if necessary, an ion exchange group is introduced. A method for producing a membrane for a redox flow battery according to claim 1.
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