ウラン・レドックスフロー電池の優れた活物質・隔膜の分子設計による創製

• Project/Area Number: 15760641
• Research Category: Grant-in-Aid for Young Scientists (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Research Field: Energy engineering
• Research Institution: Tohoku University
• Principal Investigator: 山村 朝雄 東北大学, 金属材料研究所, 助手 (20281983)
• Project Period (FY): 2003 – 2005
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2005)
• Budget Amount: ¥3,300,000 (Direct Cost: ¥3,300,000); Fiscal Year 2005: ¥500,000 (Direct Cost: ¥500,000); Fiscal Year 2004: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,300,000); Fiscal Year 2003: ¥1,500,000 (Direct Cost: ¥1,500,000)
• Keywords: ウラン・レドックスフロー電池 / 高エネルギー効率 / 高速の電極反応 / テトラケトン配位 / ウラン錯体 / テトラケトン配位子

Research Abstract

劣化ウランは全世界で120万トンを超える膨大な保管量があり、その有効利用法の開発は重要な課題である。ウランはIII価とIV価、V価とVI価の組み合わせにおいて電極反応が可逆であることは、アクチナイド固有の化学的性質である。このことを利用すれば、実用化しているバナジウム電池を超えるエネルギー効率を持つレドックスフロー電池の構築が期待できる。バナジウム電池では、正極反応VO2++e→VO2+は酸素の脱着を伴う遅い内圏反応であるため、電流密度70mA/cm2での充放電サイクルにおいてエネルギーの16%が活性化過電圧により失われる。これに対してアクチナイドでは両極反応は高速であり、活性化過電圧によるエネルギー損失はネプツニウムの場合2%にとどまる。
このようにエネルギー効率の高いウラン電池の構築により、風力発電等の再生可能エネルギーの出力平滑化に資することを目指している。
平成16年度には、ウラン電池セルを実際に構築し、U(V)を正極液、U(IV)を負極液とするウラン電池の動作を確認し、展示用モーターの回転に十分な電圧・電流を得られることが確認できた。その一方で、放電状態におけるウラン(V)錯体、充電状態におけるウラン(III)錯体の濃度は数時間程度の半減期で自然に減少し、ウラン錯体の安定性が十分とは言えないことも明らかとなった。
そこで、平成17年度には、ウラン(V)およびウラン(III)錯体の検討を進め、半年を超す半減期をもつウラン(V)錯体溶液を調製することに成功した。また、ジアミドを配位子として有するウラン(III)錯体の調製と磁気的性質、分光的性質の検討に成功し、溶液中のIII価状態の半減期が11時間と短いことが判明した。しかしこの時間内に、U(IV)/U(III)の電極反応の検討を行うことに成功した。

Research Products

• [Journal Article] Energy efficiency of neptunium redox battery in comparison with vanadium battery (2006)
  • Author(s): T.Yamamura, N.Watanabe, Y.Shiokawa
  • Journal Title: J.Alloys Compds. 408-412C Pages: 1260-1266
• [Journal Article] Electrolytic preparation, redox titration and stability of pentavalent state of uranyl tetraketonate in dimethyl sulfoxide (2006)
  • Author(s): K.Shirasaki, T.Yamamura, Y.Shiokawa
  • Journal Title: J.Alloys Compds. 408-412C Pages: 1296-1301
• [Journal Article] Estimation of energy efficiency in neptunium redox flow batteries by the standard rate constants (2005)
  • Author(s): K.Hasegawa, A.Kimura, T.Yamamura, Y.Shiokawa
  • Journal Title: J.Phys.Chem.Solids 66 Pages: 593-595
• [Journal Article] Electron transfer kinetics of NpO_2^<2+>/NpO_2^+,Np^<4+>/Np^<3+>,VO_2^+/VO^<2+> and V^<3+>/V^<2+> at carbon electrodes (2005)
  • Author(s): T.Yamamura, N.Watanabe, T.Yano, Y.Shiokawa
  • Journal Title: J.Electrochem.Soc. 152
• [Journal Article] Optical absorption of Yb-doped SrCeO_3 by electron irradiation (2005)
  • Author(s): B.Tsuchiya, A.Morono, E.R.Hodgson, T.Yamamura, S.Nagata, T.Shikama
  • Journal Title: Phys.Stat.Sol.C 2 Pages: 204-207
• [Journal Article] Chemical states in oxides films on stainless steel treated in supercritical water : Study by factor analysis of X-ray photoelectron spectra (2005)
  • Author(s): T.Yamamura, N.Okumura, Y.Shiokawa, M.Oku, H.Tomiyasu, W.Sugiyama
  • Journal Title: J.Electrochem.Soc. 152
• [Journal Article] Estimation of energy efficiency in neptunium redox flow batteries by the standard rate constants (2005)
  • Author(s): K.Hasegawa, et al.
  • Journal Title: J.Phys.Chem.Solids. 66 Pages: 593-595
• [Journal Article] A deposition method for radioactive organic wastes in nuclear power plant using supercritical water mixed with RuO2 (2005)
  • Author(s): W.Sugiyama, et al.
  • Journal Title: J.Nucl.Sci.Technol. 42 Pages: 256-258
• [Journal Article] Optical absorption of Yb-dopes SrCeO3 by electron irradiation (2005)
  • Author(s): B.Tsuchiya, et al.
  • Journal Title: Phys.Stat.Sol.C 2 Pages: 204-207
• [Journal Article] Characterization of tetraketone ligands for active materials of all-uranium redox flow battery (2004)
  • Author(s): T.Yamamura, et al.
  • Journal Title: J.Alloys Compds. 374 Pages: 349-353
• [Journal Article] Spin-glass behavior in ternary uranium compound U_2GuGa_3 (2004)
  • Author(s): T.Yamamura, et al.
  • Journal Title: J.Alloys Compds. 374 Pages: 226-229
• [Patent(Industrial Property Rights)] ウランレドックスフロー電池、及び起電力方法 (2004)
  • Inventor(s): 塩川 佳伸, 山村 朝雄
  • Industrial Property Rights Holder: 塩川 佳伸, 山村 朝雄
  • Patent Publication Number: 2005-209525
  • Filing Date: 2004-01-23
• [Publications] 山村 朝雄, 李 徳新, 塩川 佳伸: "Spin-glass Behavior in Ternary Uranium Compound U_2AuGa_3"Physica B.. 329-333. 559-560 (2003)