RIトレーサーを用いたバナジウム・レドックスフロー電池の膜透過評価法の提案

2014 Fiscal Year Research-status Report

• Project/Area Number: 26820417
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 白崎 謙次 東北大学, 金属材料研究所, 技術専門職員 (70447176)
• Project Period (FY): 2014-04-01 – 2017-03-31
• Keywords: VRFB / V-48 / RI用コイン型セル / 膜透過モデル

Outline of Annual Research Achievements

1. RIトレーサーの調製及びRI実験条件（RI濃度、液量）の決定を行うことを目標として掲げた。東北大学のサイクロトロン・ラジオアイソトープセンター及び電子光理学研究センターにて照射を行った。前者では陽子線照射により、Ti-48(p,n)V-48を得た。一方後者では制動放射線照射が可能であり、安定なV-51(γ,3n)V-48を得た。当初の予定通りに各施設にてサンプルを照射することにより放射性 V-48を得ることができた。ただし、いずれの場合も同時に放射性Sc-46が生成した。
2. これまで電池研究で用いてきたセルは内部構造が複雑で、RIを用いた実験をするには取扱いが難しい。また、構造の単純さだけでなく、γ線測定を行うために必要な遮蔽体の配置、放射線検出器の配置を配慮する必要がある。そこで、既存のセルを元に専用セルの設計、開発を行うことを当初目標として掲げた。新規に設計したセルは、両サイドは構造保持を考えてSUS製とし、電解液と接触する部分には耐酸性を有するPP製とした。先ず、液の流通のないより構造が簡単なセルを作成し、次に、改善点を反映した流通セルの設計を行った。
3. 膜透過モデルについて、初期的なモデルを設計し、既存の方法より算出された文献値を元にモデルの妥当性の評価を行うことを当初目標として掲げた。シミュレーションのための環境としてMathWorks社のMATLABを選択した。当該ソフトには、線形及び非線形の動的システムをシミュレーションするSimulinkをアドオンすることにより様々なモデルの評価を行うことが可能となる。次に、当該ソフトに習熟するためにバナジウム電池の充放電曲線のデータ取り込みからグラフ描画までを自動的におこなうスクリプトを作成し、実行した内容を検証した。さらに、膜透過モデルのパラメータの選定を行い、モデル骨格の構築を行っている。

Current Status of Research Progress

3: Progress in research has been slightly delayed.

Reason

1. RIトレーサーの調製及びRI実験条件（RI濃度、液量）の決定を行うことを目標として掲げた。当初の計画通りに2つの施設（東北大学サイクロトロン・ラジオアイソトープセンター、東北大学電子光理学研究センター）にて別の照射方法により放射性バナジウムV-48を調製することが出来た。照射後の試料は短寿命核種が減衰した後に実験施設である東北大学金属材料研究所に移動した。V-48の寿命は16日程度であるため、1半減期程度経過したが、実験として用いるには十分であった。Ge半導体検出器を用いて核種同定したところ、V-48以外にSc-46を含んでいることが判明した。当初計画では、溶解後直ちに使用するところであったが単体として使用するにはSc-46の分離操作が不可欠であることが判明した。この分離への対処法の検討を含めて平成27年度の対応案件となる。
2. これまで電池研究で用いてきたセルを元に、遮蔽体を含めた専用セルの設計、開発を行うことを当初目標として掲げた。試験的にコイン型セルを作成し、操作性について確認した。この内容を反映したセルの設計を行い、製作の直前のところで平成26年度は終了した。計画より若干の遅れがあるが、想定範囲内である。
3. 膜透過モデルについて、初期的なモデルを設計し、モデルの妥当性の評価を行うことを当初目標として掲げた。平成26年度には、先ず膜透過モデルを構築するために、シミュレーションのための環境としてMathWorks社のMATLABを選択した。環境設定は、今後の方向性を左右する非常に重要な点であるため慎重を期した。実際に選択したMATLAB環境は今後の発展性を含め非常に優れていると考えている。幾つかのスクリプトを作成し、環境にある程度順応することができたが、モデル完成には至らなかった。平成27年度は引き続いてモデルの完成とシミュレーションを行っていく計画である。

Strategy for Future Research Activity

平成26年度の結果から、1. RIトレーサーの調製及びRI実験条件（RI濃度、液量）の決定を行うためには、V-48とSc-46の核種分離を行うもしくは、測定系において両者が評価できるような体系を構築する必要があり、両面から課題に挑戦していく計画である。先ず、核種分離に関して酸に溶解した状態ではV(IV)とSc(III)となり化学分離は極めて難しい。そこで、溶解液を電解することによりバナジウムの酸化数をII価、もしくはVI価に変える。価数変化により化学的性質が大きく変わることからイオン交換における分配比に明確な違いが生じることを期待している。一方で、測定系での核種トレースにはGe半導体検出器を用いた核種分別を行う必要がある。Ge半導体検出器を用いる場合は944 keVのγ線がV-48のみ放出するためこのエネルギーのγ線の入射数を数えればよい。ただし、バックグランドの影響を加味する必要があるため、889 keVのSc-46のγ線の入射数から推定するSc-46の影響及び自然放射線の入射数等を適正に評価してやる必要がある。これらについては実験的に確認して、パラメータを決定していく予定である。
2. 電池セルの構築については、平成26年度に設計したセルの図面を元に製作を行う。製作後にコールド試験を行い、平成27年度中のホット試験実施を計画している。
3. 膜透過モデルのMATLABによるシミュレーションによる検証は、現状のスクリプト化作業を継続して進めることが完了すれば開始可能となる。本研究は、実験とシミュレーションによる検証の両輪で進めていく計画であり、ソフトの習熟も含めた検証作業を重要視するところである。