JPS6353861A - Diaphgram for redox flow cell - Google Patents

Diaphgram for redox flow cell

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JPS6353861A
JPS6353861A JP61195576A JP19557686A JPS6353861A JP S6353861 A JPS6353861 A JP S6353861A JP 61195576 A JP61195576 A JP 61195576A JP 19557686 A JP19557686 A JP 19557686A JP S6353861 A JPS6353861 A JP S6353861A
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JP
Japan
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compound
membrane
diaphragm
chain aliphatic
polymer
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JP61195576A
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Japanese (ja)
Inventor
Takahisa Yamamoto
宜契 山本
Yasuhiro Kagiyama
鍵山 安弘
Toshikatsu Sada
佐田 俊勝
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Tokuyama Corp
Original Assignee
Tokuyama Corp
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Publication date
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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
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01MPROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
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    • H01M8/02Details
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    • 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

Abstract

PURPOSE:To reduce metal ion transmission, increase voltage efficiency and Coulomb efficiency, and improve durability by having a specific chain aliphatic compound and a pyrrole compound polymer coexist on one side of a positive ion exchange membrance. CONSTITUTION:A chain aliphatic compound of carbon number between 6 and 30 and a pyrrole compound polymer are made to coexist on at least one side of a positive ion exchange membrance. This results in a diaphragm with higher Coulomb efficiency in particular and superior durability too, compared with a diaphragm having individually either a chain aliphatic compound of carbon number between 6 and 30 or a pyrrole compound polymer. Besides, transmission of metal irons such as those of chromium and iron can be reduced without causing an increase of membrance resistance, and Coulomb efficiency can be increased in addition, by the reaction of the aliphatic compound, in the range of more than in general, 200Angstrom on one side of the membrance and less than 1/3 of the membrance thickness.

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明はレドックスフロー電池用隔膜に関する。[Detailed description of the invention] (Industrial application field) The present invention relates to a diaphragm for redox flow batteries.

詳しくは、陽イオン交換膜の少なくとも一方の表面に特
定した鎖状脂肪族化合物及びビロール化合物の重合体を
存在させた、特に鉄/クロム系のレドックスフロー電池
システムにおいて、電圧効率およびクーロン効率を高く
且つ耐久性に優れるレドックスフロー電池用隔膜を提供
するものである。
Specifically, in an iron/chromium-based redox flow battery system in which a polymer of a specific chain aliphatic compound and virol compound is present on at least one surface of a cation exchange membrane, voltage efficiency and coulombic efficiency can be increased. Moreover, the present invention provides a diaphragm for a redox flow battery that has excellent durability.

(従来技術) 従来、隔膜により陽極と陰極を分離した陽極室および陰
極室に、陽極液として塩化鉄/塩酸の溶液、陰掻液とし
て塩化クロム/塩酸の溶液をそれぞれ循環し、各々の金
属イオンが2価←→3価と酸化還元することで充・放電
を行うレドックスフロー電池が知られている。かかるレ
ドックスフロー電池用の隔膜としては、■プロトン透過
性に優れクロム(Cr)イオンや鉄(Fe) イオンの
透過の少ないこと■耐塩酸性で且つ強度が優れること■
使用系での膜抵抗が小さく充・放電時の電気抵抗が小さ
いこと等が要求されており、例えば陰イオン交換膜(特
開昭53−1)2431号)や、また陽イオン交換膜(
野崎ら、電子技術総合研究所調査報告、第201号、(
1979))が提案されている。しかしながら、陰イオ
ン交換膜の場合、両極室の金属イオンの混合は防止でき
るが、クロルイオン(Cr−)が膜中を移動すること等
により、使用系での膜抵抗が大きく、充・放電時の電圧
降下(IRdrop ) 4’大きくなる問題がある。
(Prior art) Conventionally, a solution of iron chloride/hydrochloric acid as an anolyte and a solution of chromium chloride/hydrochloric acid as a catholyte were circulated in an anode chamber and a cathode chamber in which an anode and a cathode were separated by a diaphragm, respectively, to remove each metal ion. Redox flow batteries are known in which charging and discharging are performed by oxidation-reduction of divalent ← → trivalent. The diaphragm for such a redox flow battery should: ■ be excellent in proton permeability and have low permeation of chromium (Cr) ions and iron (Fe) ions; ■ be excellent in hydrochloric acid resistance and strength; ■
It is required that the membrane resistance in the system used is low and the electrical resistance during charging and discharging is low.
Nozaki et al., Research Report of Electronic Technology Research Institute, No. 201, (
1979)) has been proposed. However, in the case of anion exchange membranes, although mixing of metal ions in both electrode chambers can be prevented, the membrane resistance in the system used is large due to the movement of chlorine ions (Cr-) in the membrane, and during charging and discharging. There is a problem that the voltage drop (IRdrop) 4' increases.

又、陽イオン交換膜の場合、プロトンイオンが膜中を移
動するので使用系での膜抵抗は小さくなるが、金属イオ
ンの混合が生じて自己放電の原因となったり、金属塩等
の活物質の溶解度や濃度を低下させる問題がある。
In addition, in the case of cation exchange membranes, proton ions move through the membrane, so the membrane resistance in the system used is reduced, but metal ions may mix and cause self-discharge, or active materials such as metal salts may There is a problem of decreasing the solubility and concentration of

上記した問題に対して、最近では例えば陰イオン交換薄
層と陽イオン交換薄層を有し、塩酸中での交流抵抗が0
.03〜2Ω・−である隔膜(特開昭59−20516
5号)、画表層が陰イオン交換膜層よりなり、更にその
中間層として少くとも陽イオン交換層が存在し、塩酸中
の交流抵抗が0.03〜2Ω・−ある隔膜(特開昭60
−20462号)、陽イオン交換膜の表面を高架橋度の
陽イオン交換樹脂、高架橋度の陰イオン交換樹脂、ポリ
アミン、疎水性高分子から選ばれた物質により被覆せし
めた隔膜(特開昭60−160560号)、ピロール化
合物から電気化学的に製造された重合物から成る隔膜(
特開昭59−205491号)等が提案されている。
To solve the above-mentioned problem, recently, for example, a thin anion exchange layer and a thin cation exchange layer have been developed, and AC resistance in hydrochloric acid is 0.
.. A diaphragm having a resistance of 03 to 2Ω・- (JP-A-59-20516
No. 5), a diaphragm in which the image surface layer is composed of an anion exchange membrane layer, and at least a cation exchange layer is present as an intermediate layer, and the AC resistance in hydrochloric acid is 0.03 to 2 Ω.
-20462), a diaphragm in which the surface of a cation exchange membrane is coated with a substance selected from highly cross-linked cation exchange resins, highly cross-linked anion exchange resins, polyamines, and hydrophobic polymers (Japanese Patent Laid-open No. 60-2046) 160560), a diaphragm consisting of a polymer electrochemically prepared from a pyrrole compound (No.
Japanese Unexamined Patent Publication No. 59-205491) and the like have been proposed.

(発明が解決しようとする課題) しかしながら、上記の如き提案された隔膜も、その要求
される全ての機能を満足するものでなく、工業的なレド
ックスフロー電池用の隔膜として用いた場合に、特に金
属イオンの透過量が小さく電圧効率およびクーロン効率
の高い隔膜が要望されている。
(Problem to be Solved by the Invention) However, the diaphragm proposed above does not satisfy all the required functions, and when used as a diaphragm for industrial redox flow batteries, There is a demand for a diaphragm that allows a small amount of metal ions to pass through and has high voltage efficiency and Coulombic efficiency.

(課題を解決するための手段) 本発明者らは、上記した課題に鑑み鋭意研究した結果、
陽イオン交換膜の少なくとも一方の表面に特定した鎖状
脂肪族化合物及びピロール化合物の重合体を存在させる
ことにより、金属イオンの透過量が小さく、電圧効率お
よびクーロン効率が高く且つ耐久性に優れるレドックス
フロー電池用隔膜が得られることを見出し、本発明を提
案することに至った。即ち、本発明によれば、陽イオン
交換膜の少なくとも一方の表面に、炭素数6〜30の鎖
状脂肪族化合物及びピロール化合物の重合体を存在させ
たレドックスフロー電池用隔膜が提供される。
(Means for Solving the Problems) As a result of intensive research in view of the above problems, the present inventors found that
By having a polymer of a specified chain aliphatic compound and pyrrole compound present on at least one surface of the cation exchange membrane, the redox has a small permeation amount of metal ions, high voltage efficiency and coulombic efficiency, and excellent durability. It was discovered that a diaphragm for a flow battery can be obtained, and the present invention was proposed. That is, according to the present invention, there is provided a diaphragm for a redox flow battery in which a polymer of a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms and a pyrrole compound is present on at least one surface of a cation exchange membrane.

本発明のレドックスフロー電池用隔膜は、陽イオン交換
膜の少なくとも片面に炭素数6〜30の鎖状脂肪族化合
物及びピロール化合物の重合体を共存させることが特徴
であり、このようにすることにより、炭素数6〜30の
鎖状脂肪族化合物またはピロール化合物の重合体をそれ
ぞれ単独で存在させた隔膜に比べて、特にクーロン効率
を高く且つその耐久性も優れる。
The redox flow battery diaphragm of the present invention is characterized in that a polymer of a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms and a pyrrole compound coexists on at least one side of the cation exchange membrane. , a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms, or a polymer of a pyrrole compound, each of which is present alone, has particularly high coulombic efficiency and excellent durability.

本発明の隔膜において、共存させる炭素数6〜30の鎖
状脂肪族化合物およびピロール化合物の重合体は、−a
にそれぞれが各々片面で5X10−’〜5 X 10−
’mg/crAの範囲にあることが望ましく、特に5 
X 10−’〜5 X 10−”mg/cjの範囲であ
ることが好ましい。また、これらの厚みは一般に数百人
で、膜全体の厚みの1〕3以下であることが好ましい。
In the diaphragm of the present invention, the polymer of a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms and a pyrrole compound is -a
5 x 10-' to 5 x 10-' each on one side
'mg/crA range is desirable, especially 5 mg/crA.
The thickness is preferably in the range of X 10-' to 5 X 10-'' mg/cj. The thickness is generally several hundred, and preferably 1]3 or less of the total thickness of the film.

膜表面での存在形態として′は、均一混在、ブロック状
混在の様な形態をとることが望ましく、そのためには、
先に炭素数6〜30の鎖状脂肪族化合物を膜表面の官能
基に10〜30%結合させ、次いでピロール化合物の重
合体を10〜30%存在させることが好ましい。このよ
うにすることにより膜表面には、陽イオン交換基、炭素
数6〜30の鎖状脂肪族化合物、ピロール化合物の重合
体が存在する。
It is desirable that the presence of ′ on the film surface be in the form of homogeneous mixture or block-like mixture, and for this purpose,
It is preferable that 10 to 30% of a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms is first bonded to the functional group on the membrane surface, and then 10 to 30% of a pyrrole compound polymer is present. By doing so, a polymer of a cation exchange group, a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms, and a pyrrole compound is present on the membrane surface.

このような本発明の隔膜を製造する方法は、特に制限さ
れないが、一般に陽イオン交換膜の少なくとも片面に炭
素数6〜30の鎖状脂肪族化合物を化学的に結合させた
後、ピロール化合物の重合体を存在させる方法が好まし
く用いられる。
The method for producing the diaphragm of the present invention is not particularly limited, but generally a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms is chemically bonded to at least one side of a cation exchange membrane, and then a pyrrole compound is bonded to at least one surface of the cation exchange membrane. A method in which a polymer is present is preferably used.

上記した陽イオン交換膜の表面に炭素数6〜30の鎖状
脂肪族化合物を化学的に結合させる方法は、特に制限さ
れないが、一般に酸ハライド基または(及び)酸無水物
基を有する膜状の高分子体に反応性官能基を有する炭素
数6〜30の鎖状脂肪族化合物を反応させた後、必要に
より陽イオン交換基を導入して良好に製造することがで
きる。
The method of chemically bonding a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms to the surface of the above-mentioned cation exchange membrane is not particularly limited, but generally a membrane-like compound having an acid halide group or (and) an acid anhydride group is used. After reacting the polymer with a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms and having a reactive functional group, a cation exchange group can be introduced if necessary to produce a good product.

上記した膜状高分子体の酸ハライド基またはく及び)酸
無水物基としては、例えばスルホニルクロライド、スル
ホニルフルオライド、スルホニルブロマイド、スルホニ
ルアイオダイドのようなスルホン酸ハライド基、同じく
カルボン酸、リン酸等の酸ハライド基または(及び)ス
ルホン酸無水物、カルボン酸無水物、リン酸無水物等の
酸無水物基が挙げられる。これら酸ハライド基または/
および酸無水物の官能基は、膜状高分子化合物に必要に
応して均一に或は不均一に存在してもよく、また表面の
みに偏って結合していてもよい。
Examples of the acid halide group or acid anhydride group of the above-mentioned film-like polymer include sulfonic acid halide groups such as sulfonyl chloride, sulfonyl fluoride, sulfonyl bromide, and sulfonyl iodide, as well as carboxylic acid and phosphoric acid groups. and (and) acid anhydride groups such as sulfonic acid anhydride, carboxylic acid anhydride, and phosphoric acid anhydride. These acid halide groups or/
The functional groups of the acid anhydride and the acid anhydride may be present uniformly or non-uniformly in the film-like polymer compound as required, or may be bonded only to the surface.

また膜状高分子体には上記の官能基と共に他の官能基、
例えばスルホン酸基、カルボン酸基、リン酸基、亜リン
酸基、硫酸エステル基、リン酸エステル基、亜リン酸エ
ステル基、ヒ酸基、ケイ酸基、フルオロ三級アルコール
基、フェノール性水酸基、チオール基、キレート性官能
基で有機溶媒、水−有機溶媒混合系で負の電荷となりう
る官能基等を一種以上結合していてもよい。このような
官能基を結合した高分子化合物は公知のイオン交換樹脂
の成分、例えばスチレン−ジビニルベンゼンの重合体の
ようなもののみで出来ていても良いが、その他にイオン
交換膜の強度を保持するために、或は反応の場を提供す
るために、他の高分子または低分子化合物が咳高分子化
合物内に存在していても差支えない。さらに、イオン交
換膜の強度を保つために、従来公知の織物、網、編物、
不織布繊維チョップ等が含まれていた方が望ましい場合
が多い。
In addition to the above-mentioned functional groups, the film-like polymer has other functional groups,
For example, sulfonic acid group, carboxylic acid group, phosphoric acid group, phosphorous acid group, sulfuric acid ester group, phosphoric acid ester group, phosphite group, arsenic acid group, silicate group, fluoro tertiary alcohol group, phenolic hydroxyl group , a thiol group, a chelating functional group, an organic solvent, a functional group that can become negatively charged in a water-organic solvent mixture system, etc. may be bonded to one or more types of functional groups. The polymer compound with such functional groups bonded to it may be made of only components of known ion exchange resins, such as styrene-divinylbenzene polymers, but there are other components that maintain the strength of the ion exchange membrane. Other polymeric or low-molecular compounds may be present within the cough polymeric compound in order to provide a reaction site or to provide a reaction site. Furthermore, in order to maintain the strength of the ion exchange membrane, conventionally known woven fabrics, nets, knitted fabrics,
In many cases, it is desirable to include nonwoven fiber chops, etc.

次に、上記した如き酸ハライド基または酸無水物基を有
する膜状高分子体に、少なくともそれら酸ハライド基ま
たは酸無水物基と反応しうる反応性官能基を結合してい
る鎖状脂肪族化合物を反応させることにより、炭素数6
〜30の鎖状脂肪族化合物が結合した膜を得ることが出
来る。かかる鎖状脂肪族化合物としては、望ましくは反
応速度の点から飽和の直鎖脂肪族化合物が好ましいが、
不飽和、或は分枝性の脂肪族化合物であっても有効であ
る。しかして、本発明の所望するレドックスフロー電池
用の良好な隔膜を得るためには、鎖状脂肪族化合物の鎖
長(C,1,、l)が6乃至30、特に8乃至20の炭
素数(n)が好適である。即ち、この鎖長が6よりも短
い脂肪族化合物を用いた場合には、得られる隔膜の表層
部内に疎水性雰囲気および高分子ミセルを形成する能力
に乏しいため、得られる膜のプロトンの選択透過性が充
分に認められず、また鎖長が30以上の脂肪族化合物を
用いた場合にはあまりに疎水性雰囲気が強くなるため、
得られる膜の抵抗が増大する。このような鎖状脂肪族化
合物に結合している反応性官能基としては、例えば一般
にはアミノ基、アルコール、チオール、活性メチレン、
活性メチン、活性メチル、エポキシ基、芳香環など従来
公知の化学反応で電子を共有する結合を形成する反応性
官能基であれば特に制限されない。このような鎖状脂肪
族化合物としては、例えば、テトラデシルエポキサイド
、ジオクチルアミンが好ましく用いられる。
Next, a chain aliphatic group having at least a reactive functional group capable of reacting with the acid halide group or acid anhydride group is bonded to the film-like polymer having an acid halide group or an acid anhydride group as described above. By reacting compounds, carbon number 6
A membrane in which ~30 chain aliphatic compounds are bonded can be obtained. Such a chain aliphatic compound is preferably a saturated straight chain aliphatic compound from the viewpoint of reaction rate;
Even unsaturated or branched aliphatic compounds are effective. Therefore, in order to obtain a good diaphragm for a redox flow battery as desired in the present invention, it is necessary that the chain length (C, 1, 1) of the chain aliphatic compound be 6 to 30, particularly 8 to 20 carbon atoms. (n) is preferred. In other words, when an aliphatic compound with a chain length shorter than 6 is used, it has a poor ability to form a hydrophobic atmosphere and polymeric micelles in the surface layer of the resulting diaphragm, resulting in poor selective permeation of protons in the resulting membrane. However, if an aliphatic compound with a chain length of 30 or more is used, the hydrophobic atmosphere becomes too strong.
The resistance of the resulting membrane increases. Examples of reactive functional groups bonded to such chain aliphatic compounds include amino groups, alcohols, thiols, activated methylene,
It is not particularly limited as long as it is a reactive functional group that forms a bond that shares electrons in a conventionally known chemical reaction, such as active methine, active methyl, epoxy group, or aromatic ring. As such a chain aliphatic compound, for example, tetradecyl epoxide and dioctylamine are preferably used.

上記した酸ハライド基または酸無水物基を有する膜状高
分子体に反応性可能基を有する炭素数6〜30の鎖状脂
肪族化合物を反応させる条件は減圧、常圧または加圧下
に、温度は一般に一20℃から高分子化合物の分解劣化
が生起しない温度以下であれば特に制限されない。ただ
、膜状高分子体の表層部のみに反応せしめる場合には、
該反応が所定の鎖状脂肪族化合物の拡散律速によって進
行するように、比較的高温で短時間反応させるのが好ま
しく、この場合に該鎖状脂肪族化合物が反応条件下で液
体のものは、そのまま或は適当な溶媒に溶解して反応さ
せることが出来る。反応後は使用した鎖状脂肪族化合物
を溶解するような溶媒によって未反応の過剰の化合物を
浄滌除去して後、膜状高分子体における未反応の残余の
酸ハライド基または酸無水物基を陽イオン交換基に変換
すればよい。このようなイオン交換基への交換手段は、
従来公知の加水分解反応が何ら制限なく用いられる。例
えばアルカリ金属、アルカリ土類金属、水酸イオン型有
機アミン類の水溶液、水−有機溶媒混合系の中に常温、
加温下に高分子化合物を浸漬して加水分解させればよく
、最も一般的には水酸化ナトリウム、水酸化カリウム等
の水溶液、アルコール溶液、アルコール性水溶液等が用
いられるが、高分子化合物の種類によって高分子鎖を膨
潤させうる溶媒を適宜選択すればよい。
The conditions for reacting the above-mentioned film-like polymer having an acid halide group or an acid anhydride group with a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms and having a reactive group are under reduced pressure, normal pressure, or increased pressure, and at a temperature. Generally, there is no particular restriction as long as the temperature is from -20°C to a temperature at which decomposition and deterioration of the polymer compound does not occur. However, when reacting only the surface layer of the film-like polymer,
It is preferable to carry out the reaction at a relatively high temperature for a short period of time so that the reaction proceeds according to the diffusion rate of the predetermined chain aliphatic compound.In this case, if the chain aliphatic compound is liquid under the reaction conditions, It can be reacted as it is or dissolved in an appropriate solvent. After the reaction, excess unreacted compounds are removed using a solvent that dissolves the chain aliphatic compound used, and the remaining unreacted acid halide groups or acid anhydride groups in the membrane polymer are removed. can be converted into a cation exchange group. The exchange means for such an ion exchange group is
Conventionally known hydrolysis reactions can be used without any restriction. For example, aqueous solutions of alkali metals, alkaline earth metals, hydroxide ion type organic amines, water-organic solvent mixed systems at room temperature,
It is sufficient to hydrolyze the polymer compound by immersing it under heating. Most commonly, aqueous solutions such as sodium hydroxide and potassium hydroxide, alcoholic solutions, alcoholic aqueous solutions, etc. are used. A solvent that can swell the polymer chain may be appropriately selected depending on the type.

このようにして得られる炭素数6〜30の鎖状脂肪族化
合物が結合した膜は、厚みが0.01〜2龍の範囲で目
的に応じて選択され、また交換容量が0.3乃至6.0
ミリ当量/グラム乾燥膜(Na型)の範囲で最も広く利
用される。また、このような膜は、その出発物質となる
膜状高分子化合物に脂肪族化合物が結合していない膜に
比して、0.5 N−HCl中で測定した電気抵抗が1
.2倍を越えない範囲であることが望ましい。さらに、
所定の鎖状脂肪族化合物は、一般に膜の片面に200Å
以上、膜の厚みの173以下反応させることによって、
膜の電気抵抗の上昇も少なく、クロムおよび鉄イオンな
ど金属イオンの通過も少なく出来かつクーロン効率も高
く出来る。
The membrane bonded with chain aliphatic compounds having 6 to 30 carbon atoms thus obtained has a thickness selected from a range of 0.01 to 2 mm depending on the purpose, and an exchange capacity of 0.3 to 6 mm. .0
Most widely used in the milliequivalent/gram dry membrane (Na type) range. In addition, such a film has an electrical resistance of 1 when measured in 0.5 N-HCl compared to a film in which no aliphatic compound is bonded to the film-like polymer compound serving as the starting material.
.. It is desirable that the range does not exceed twice that. moreover,
A given chain aliphatic compound is typically 200 Å on one side of the membrane.
As mentioned above, by reacting below 173 of the film thickness,
The increase in electrical resistance of the membrane is small, the passage of metal ions such as chromium and iron ions is small, and the Coulombic efficiency is high.

次に、上記の如く炭素数6〜30の鎖状脂肪族化合物が
結合した膜に、ピロール化合物の重合体を存在させるこ
とにより本発明の隔膜が得られる。
Next, the diaphragm of the present invention is obtained by allowing a polymer of a pyrrole compound to exist in the membrane to which a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms is bonded as described above.

炭素数6〜30の鎖状脂肪族化合物が結合した膜にピロ
ール化合物の重合体を存在させる方法は特に制限されな
いが、一般にピロール化合物を酸化重合する方法が好適
である。
Although there are no particular restrictions on the method of making the polymer of the pyrrole compound present in the membrane to which the chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms is bonded, a method of oxidative polymerization of the pyrrole compound is generally preferred.

上記の酸化重合方法に用いられる酸化剤としては、従来
公知の酸化剤であれば特に限定されない。
The oxidizing agent used in the above oxidative polymerization method is not particularly limited as long as it is a conventionally known oxidizing agent.

例えばH2O2、(C,lI、CO) 20□などの過
酸化物、FeCj! 3 、CuSO4、CuCl 2
、RuCe 、などの金属塩、NazSzOs 、Na
tSOs、(Nils)zsOsなどのベルオクソ酸(
塩)、NaCjO、NaBr01NaCI Q、などの
酸素酸塩などが挙げられる。即ち、三価の鉄イオン、二
価の銅イオン、三価のルテニウムイオンなどの荷電が酸
化還元によって変化する金属イオン、同様に荷電が酸化
還元によって変化する有機化合物あるいは金属錯体陽イ
オンなどの陽イオン類、また過硫酸イオン、過塩素酸イ
オンなどの酸化性を有する陰イオンが好適に用いられる
。これら陽イオン及び陰イオンは、酸化状態でイオン交
換膜の交換基とイオン交換し、イオン交換体内に均一に
分散するので好適である。なお、イオン交換膜の表層部
のみにおいて、本発明の酸化重合反応を実施したいとき
には、長鎖アルキル基を結合した過酸、或いはナフタリ
ン環のようなイオン交換膜の細孔内に容易に入り得ない
ような化合物に過酸基が結合したようなものを用いるこ
とが出来る。また、陰イオンの酸化剤を用いた場合には
、陽イオン交換膜に酸化剤が均一に含有され難いため、
これを利用して片側にのみピロール化合物を容易に重合
できる。
For example, H2O2, peroxides such as (C, lI, CO) 20□, FeCj! 3, CuSO4, CuCl2
, RuCe, etc., NazSzOs, Na
Beroxo acids such as tSOs, (Nils)zsOs (
salt), oxyacid salts such as NaCjO, NaBr01NaCIQ, and the like. In other words, metal ions whose charge changes by redox, such as trivalent iron ions, divalent copper ions, and trivalent ruthenium ions, and cations such as organic compounds or metal complex cations whose charge changes by redox. Ions and oxidizing anions such as persulfate ions and perchlorate ions are preferably used. These cations and anions are suitable because they undergo ion exchange with the exchange groups of the ion exchange membrane in an oxidized state and are uniformly dispersed within the ion exchange body. In addition, when it is desired to carry out the oxidative polymerization reaction of the present invention only in the surface layer of the ion exchange membrane, a peracid bonded with a long-chain alkyl group or a naphthalene ring that can easily enter the pores of the ion exchange membrane can be used. It is possible to use a compound in which a peracid group is bonded to a compound that does not have a peracid group. In addition, when an anionic oxidizing agent is used, it is difficult to uniformly contain the oxidizing agent in the cation exchange membrane.
Utilizing this, a pyrrole compound can be easily polymerized only on one side.

本発明に用いられるピロール化合物としては、ピロール
及びその誘導体、例えばN−メチロールピロール、2−
エチルピロール、N−アリールピロール等、公知のもの
が特に制限されない。
Pyrrole compounds used in the present invention include pyrrole and its derivatives, such as N-methylolpyrrole, 2-
Known ones such as ethylpyrrole and N-arylpyrrole are not particularly limited.

上記した炭素数6〜30の鎖状脂肪族化合物が結合した
隔膜に、ピロール化合物を酸化重合させて存在させる方
法は特に制限されないが、一般に■隔膜に酸化剤を含有
させた後、該酸化剤を含有する隔膜中でピロール化合物
を重合させる方法■隔膜にピロール化合物を含有させた
後、酸化剤を接触させて重合させる方法■隔膜を介して
、一方の側から酸化剤を移動させ且つ他方の側からピロ
ール化合物を移動させ、隔膜中でピロール化合物を重合
させる方法等で、特に■及び■の方法が好適に用いられ
る。■の方法は、一般に酸化剤を含有する隔膜を有機溶
媒、例えばアセトニトリル、エチルアルコール、或いは
無機系の溶媒、例えば水の中にピロール化合物を溶解、
或いは分散した中に浸漬すればよい。浸漬は溶媒が凍結
しない範囲での冷却下、或いは溶媒が沸騰しない範囲で
の加熱下に行われる。また、重合において、ピロール化
合物の濃度は特に限定的でなく一般に0.01%から飽
和溶液までよく、懸濁状態で重合さしてもよい。重合時
間はピロー、ル化合物の種類、前記した膜の種類によっ
て変わり、一般に1分以上、72時間までの適当な時間
を選定して行うことが出来る。また、■の方法は、一般
に膜を介して、一方の側から、無機系の溶媒中に酸化剤
を溶解或いは分散した液を移動させ、他方から、有機溶
媒或いは無機系の溶媒にピロール化合物を溶解或いは分
散した液を移動させることによって、該膜中においてピ
ロール化合物の重合が達成される。この際の重合条件は
■と同様である。
There is no particular restriction on the method of oxidatively polymerizing a pyrrole compound to form a pyrrole compound in the diaphragm bonded with the chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms, but in general, A method for polymerizing a pyrrole compound in a diaphragm containing a pyrrole compound. A method for polymerizing a pyrrole compound by bringing it into contact with the pyrrole compound in a diaphragm. A method in which an oxidizing agent is transferred from one side through the diaphragm and the other side is polymerized. Methods such as transferring the pyrrole compound from the side and polymerizing the pyrrole compound in the diaphragm are particularly preferably used. Method (2) generally involves dissolving a pyrrole compound in an organic solvent such as acetonitrile, ethyl alcohol, or an inorganic solvent such as water using a membrane containing an oxidizing agent.
Alternatively, it may be immersed in a dispersed solution. The immersion is carried out under cooling to the extent that the solvent does not freeze, or under heating to the extent that the solvent does not boil. Further, in the polymerization, the concentration of the pyrrole compound is not particularly limited, and generally ranges from 0.01% to a saturated solution, and the polymerization may be carried out in a suspended state. The polymerization time varies depending on the type of pillow compound and the type of membrane mentioned above, and can be carried out by selecting an appropriate time generally from 1 minute to 72 hours. In addition, in method (2), generally, a liquid in which an oxidizing agent is dissolved or dispersed in an inorganic solvent is transferred from one side through a membrane, and a pyrrole compound is transferred to an organic or inorganic solvent from the other side. Polymerization of the pyrrole compound in the membrane is achieved by moving the dissolved or dispersed liquid. The polymerization conditions at this time are the same as in (2).

このようにすることにより本発明のレドックスフロー電
池用隔膜が得られるが、本発明の隔膜の製造方法を具体
的に以下説明すると、例えばスチレン−ジビニルベンゼ
ンで架橋した陽イオン交換膜を塩化鉄の水溶液中に浸漬
して鉄イオン型にしたのち、これを充分に水洗し、ピロ
ールを含む水溶液中に浸漬すると、ピロールは陽イオン
交換すると同時に重合する。このようにして得られた膜
を充分に水洗し、1規定の塩酸と0.5規定の食塩水で
充分にコンディショニングしてFe44を除去すること
、及びスチレン−ジビニルベンゼンで架橋した陽イオン
交換膜を二室に分割したセルに組み込み、一方の側に塩
化鉄の水溶液を入れ、他方の側にピロールを含む水溶液
を入れ、各法を移動させる。
By doing this, the diaphragm for redox flow batteries of the present invention can be obtained. To specifically explain the method for producing the diaphragm of the present invention, for example, a cation exchange membrane crosslinked with styrene-divinylbenzene is mixed with iron chloride. After immersing it in an aqueous solution to make it into an iron ion form, it is thoroughly washed with water and immersed in an aqueous solution containing pyrrole, whereupon the pyrrole undergoes cation exchange and simultaneously polymerizes. The membrane thus obtained is thoroughly washed with water, thoroughly conditioned with 1N hydrochloric acid and 0.5N saline to remove Fe44, and a cation exchange membrane crosslinked with styrene-divinylbenzene. is placed in a cell divided into two chambers, an aqueous solution of iron chloride is placed on one side, an aqueous solution containing pyrrole is placed on the other side, and each method is transferred.

このようにして得られた膜を充分に水洗し、1規定塩酸
と0.5規定−食塩水で充分にコンディショニングして
pe++を除去して本発明の隔膜とするとよい。
The membrane thus obtained is preferably thoroughly washed with water and thoroughly conditioned with 1N hydrochloric acid and 0.5N saline to remove PE++, thereby obtaining the diaphragm of the present invention.

(作用および効果) 本発明のレドックスフロー電池用隔膜は、表面に炭素数
6〜30である鎖状脂肪族化合物及びピロール化合物の
重合体よりなる薄層を有することにより、低抵抗で高ク
ーロン効率かつ高電圧効率の性能を示し、さらに耐久性
にも優れる。この様な特殊な機能を本発明の隔膜が保持
する理由は、必ずしも明らかでないが、膜表面に長鎖ア
ルキル基とビロール化合物の重合体が共存することによ
り、特に鉄/クロム系のレドックスフロー電池における
陽および陰極液中の鉄、クロムイオンの透過を充・放電
時に極めて少なくして且つプロトンを選択的に透過して
いるものと推測される。
(Functions and Effects) The diaphragm for redox flow batteries of the present invention has a thin layer made of a polymer of a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms and a pyrrole compound on the surface, thereby achieving low resistance and high coulombic efficiency. It also exhibits high voltage efficiency and excellent durability. The reason why the diaphragm of the present invention retains such a special function is not necessarily clear, but the coexistence of long-chain alkyl groups and virol compound polymers on the membrane surface makes it particularly suitable for iron/chromium-based redox flow batteries. It is presumed that the permeation of iron and chromium ions in the positive and catholyte fluids is extremely reduced during charging and discharging, and that protons are selectively permeated.

(実施例) 以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明するが、本発
明は以下の実施例に特に限定されるものではない。
(Examples) Hereinafter, the present invention will be described in detail based on Examples, but the present invention is not particularly limited to the following Examples.

実施例1および比較例1 スチレン90部、純度約55%のジビニルベンゼン10
部、ジオクチルフタレート20部、ポリ塩化ビニル微粉
末70部およびベンゾイルパーオキサイド2部を混合し
て得たペースト状混合物をポリ塩化ビニル製の布に塗布
し、脱気し、両面をセロファンでおおい1)0 ’Cで
4時間加熱重合し、厚みが約0.120の高分子膜状物
を得た。これを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、スルホニルクロライド約40%とスルホン酸基
を60%m人した。
Example 1 and Comparative Example 1 90 parts of styrene, 10 parts of divinylbenzene with a purity of about 55%
A paste mixture obtained by mixing 20 parts of dioctyl phthalate, 70 parts of polyvinyl chloride fine powder, and 2 parts of benzoyl peroxide was applied to a polyvinyl chloride cloth, deaerated, and both sides covered with cellophane. ) Polymerization was carried out by heating at 0'C for 4 hours to obtain a polymer film having a thickness of about 0.120. This was immersed in a 1:1 mixture of 98% concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid with a purity of 90% or more at 40° C. for 60 minutes to convert about 40% sulfonyl chloride and 60% sulfonic acid groups.

次いで、これをテトラデシルエポキサイドの中に室温で
24時間浸漬したのち、メタノールで充分に洗浄し、次
に、2規定の苛性ソーダ水溶液中に浸漬し加水分解した
Next, this was immersed in tetradecyl epoxide at room temperature for 24 hours, thoroughly washed with methanol, and then immersed in a 2N aqueous solution of caustic soda for hydrolysis.

次いで、塩化第2鉄の5%水溶液に浸漬し平衡にして第
2鉄イオン型とした。そして、ピロールの2%水溶液に
浸漬し攪拌した。12時間後に取り出して水洗およびエ
タノール洗浄をした。その後、1規定の塩酸に浸漬して
、鉄を除去し本発明の隔膜を得た。この膜面における長
鎖アルキル基およびピロール化合物の存在量は、各々の
面にそれぞれ9 X 10−’mg/ c++lと2 
X 10−’mg/ calであった・ 他方、比較のため実施例1でスルホン化した膜を加水分
解して比較用腸イオン交換膜を得た。
Next, it was immersed in a 5% aqueous solution of ferric chloride to equilibrate it to form a ferric ion type. Then, it was immersed in a 2% aqueous solution of pyrrole and stirred. After 12 hours, it was taken out and washed with water and ethanol. Thereafter, the membrane was immersed in 1N hydrochloric acid to remove iron and obtain a diaphragm of the present invention. The abundance of long-chain alkyl groups and pyrrole compounds on this membrane surface is 9 X 10-'mg/c++l and 2
On the other hand, for comparison, the membrane sulfonated in Example 1 was hydrolyzed to obtain a comparative intestinal ion exchange membrane.

この膜を陽極および陰極の各々にカーボンクロス電極を
有する電極面積10cIAである液流通型の単電池セル
に組み込み、1.5Mのクロムおよび1.5Mの鉄を含
む4規定の塩酸水溶液で、温度40℃、電流密度40 
mA / crAにおいて充・放電の実験を行なった。
This membrane was assembled into a liquid flow type unit cell having an electrode area of 10 cIA and having carbon cloth electrodes on each of the anode and cathode, and was heated in a 4N hydrochloric acid aqueous solution containing 1.5M chromium and 1.5M iron at temperature. 40℃, current density 40
Charge/discharge experiments were conducted at mA/crA.

また、更に耐久性を調べるために1ケ月間前記条件で充
・放電の実験を行なった。
Further, in order to further investigate the durability, a charging/discharging experiment was conducted under the above conditions for one month.

結果を第1表および第2表に示す。The results are shown in Tables 1 and 2.

実施例2および比較例2 スチレン100部、クロルメチルスチレン20部、アク
リロニトリル20部、ジオクチルフタレート10部、微
粉末ポリ塩化ビニル20部および純度80%のジビニル
ベンゼン15部を加熱混合し、そのモノマー混合液にベ
ンゾイルパーオキサイド3部を添加し、ポリ塩化ビニル
製の布に塗布した後、加熱重合して高分子膜状物を得た
。得られた高分子膜状物をクロルスルホン酸と硫酸の1
:lの混合液に40℃、1時間浸漬処理した。次いで、
この膜をジオクチルアミンの5%(イソプロピルエーテ
ル)溶液に8時間浸漬し、その後、2規定の苛性ソーダ
水溶液に2時間浸漬した。
Example 2 and Comparative Example 2 100 parts of styrene, 20 parts of chloromethylstyrene, 20 parts of acrylonitrile, 10 parts of dioctyl phthalate, 20 parts of finely powdered polyvinyl chloride, and 15 parts of divinylbenzene with a purity of 80% were heated and mixed, and the monomers were mixed. 3 parts of benzoyl peroxide was added to the solution, which was applied to a polyvinyl chloride cloth, and then heated and polymerized to obtain a polymer film. The resulting polymer film was mixed with chlorosulfonic acid and sulfuric acid.
:1 immersion treatment at 40° C. for 1 hour. Then,
This membrane was immersed in a 5% (isopropyl ether) solution of dioctylamine for 8 hours, and then immersed in a 2N aqueous solution of caustic soda for 2 hours.

次に、この膜を2室に分割したセルに組み込み、一方の
室に三塩化ルテニウムの5%水溶液を入れ、交換基をル
テニウムイオン型にしたのち、他方の室にピロールの1
0%エチルアルコール?g ?e ヲ入れ4時間反応さ
せた。次いで取り出し、水洗およびメタノール洗浄を行
なった。更に、1規定の塩酸に浸漬しルテニウムイオン
を除去し本発明の隔膜を得た。この膜面における長鎖ア
ルキル基およびピロール化合物の存在量はそれぞれが各
々片面に8 x 10−3mg/−と6 X 10−”
mg/ cIaであった。
Next, this membrane was assembled into a cell divided into two chambers, and one chamber was filled with a 5% aqueous solution of ruthenium trichloride to change the exchange group to the ruthenium ion type.
0% ethyl alcohol? G? e) and allowed to react for 4 hours. Then, it was taken out and washed with water and methanol. Furthermore, the membrane of the present invention was obtained by immersing it in 1N hydrochloric acid to remove ruthenium ions. The amounts of long-chain alkyl groups and pyrrole compounds on this membrane surface were 8 x 10-3 mg/- and 6 x 10-'' on each side, respectively.
mg/cIa.

他方、比較のため、実施例2でジオクチルアミンを反応
させた陽イオン交換膜を比較膜とした。
On the other hand, for comparison, the cation exchange membrane reacted with dioctylamine in Example 2 was used as a comparative membrane.

以下、実施例1と同様にして充・放電実験を行なった。Hereinafter, charging and discharging experiments were conducted in the same manner as in Example 1.

その結果を第3.4表に示す。The results are shown in Table 3.4.

第3表 第 4 表  1ケ月後の結果 特許出願人  徳山曹達株式会社 手続補正書 昭和61年10月 2日 特許庁長官   黒1)明雄 殿        (1
、事件の表示 特願昭61−195576号 2、発明の名称 レドックスフロー電池用隔膜 3、補正をする者 事件との関係   特許出願人 住  所 山口県徳1)1市御影町1番1号ダ 明細書の「発明の詳細な説明」の欄 5、補正の内容 (1〉明mW第9頁]】行目の「反応性6f能基」を「
反応性官能基」に訂正する。
Table 3, Table 4 Results after one month Patent applicant Tokuyama Soda Co., Ltd. Procedural amendment October 2, 1986 Commissioner of the Patent Office Black 1) Mr. Akio (1)
, Indication of the case Japanese Patent Application No. 1987-195576 2, Title of the invention: Diaphragm for redox flow battery 3, Person making the amendment Relationship with the case Patent applicant Address: 1-1, Mikage-cho, Yamaguchi Prefecture 1) Column 5 of the “Detailed Description of the Invention” of the specification, contents of amendment (1〉page 9 of page 9) of the specification, “reactive 6f functional group”
"reactive functional group".

(2)明細省筆14頁19行目の「膜を」と「風化鉄の
」との間に「濃硫酸とクロルスルホン酸の混合物中に浸
漬してスルホニルクロライのち、メタノールで洗浄し、
苛性ソーダ水溶液中で加水分解する。さらにこの膜を」
を挿入する。
(2) On page 14, line 19, written by the Ministry of Specification, between ``membrane'' and ``weathered iron'', it says ``soaked in a mixture of concentrated sulfuric acid and chlorosulfonic acid, washed with sulfonyl chloride, and then washed with methanol.
Hydrolyze in aqueous caustic soda solution. Furthermore, this membrane.”
Insert.

3)明細書第15頁6行目の「した」と「陽イオン交換
膜」との間に「鎖状脂肪族化合物を結合した」を挿入す
る。
3) Insert "bonded with a chain aliphatic compound" between "shita" and "cation exchange membrane" on page 15, line 6 of the specification.

以   上that's all

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] (1)陽イオン交換膜の少なくとも一方の表面に、炭素
数6〜30の鎖状脂肪族化合物及びピロール化合物の重
合体を存在させたレドックスフロー電池用隔膜。
(1) A diaphragm for a redox flow battery in which a polymer of a chain aliphatic compound having 6 to 30 carbon atoms and a pyrrole compound is present on at least one surface of a cation exchange membrane.
JP61195576A 1986-08-22 1986-08-22 Diaphgram for redox flow cell Pending JPS6353861A (en)

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