JP2019012694A - Collector plate - Google Patents

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健三 塙
Kenzo Hanawa
健三 塙
雅敏 市川
Masatoshi Ichikawa
雅敏 市川
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Manabu Oriji
学 織地
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Irwansyah
恵三 井関
Keizo Izeki
恵三 井関
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Abstract

To provide a collector plate provided in a redox flow battery having a low cell resistivity.SOLUTION: In a collector plate of a redox flow battery including an ion exchange membrane, a collector plate, and an electrode disposed between the ion exchange membrane and the collector plate, a plurality of flow path networks through which an electrolyte flows are formed on the electrode side surface. Each of the plurality of flow path networks has a rectangular shape, the length of the short side is 5 mm or more and 70 mm or less, and the effective area ratio is 60% or more. Here, the effective area ratio is (the sum of the effective electrode areas of the plurality of flow path networks)/{(the sum of the areas of the plurality of flow path networks)+(the sum of the areas of portions between the plurality of flow path networks)}.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、集電板に関する。   The present invention relates to a current collector plate.

大容量蓄電池としてレドックスフロー電池が知られている。レドックスフロー電池は、一般に電解液を隔てるイオン交換膜と、そのイオン交換膜の両側に設けられた電極とを有する。この電極で酸化反応と還元反応を同時に進めることにより充放電が行われる。   A redox flow battery is known as a large-capacity storage battery. A redox flow battery generally has an ion exchange membrane that separates an electrolytic solution and electrodes provided on both sides of the ion exchange membrane. Charging / discharging is performed by simultaneously proceeding the oxidation reaction and the reduction reaction with this electrode.

レドックスフロー電池は、全体のエネルギー効率を高めるために、内部抵抗(セル抵抗)の低減、電解液を電極に透過させる際の圧力損失の低減が求められている。   A redox flow battery is required to reduce internal resistance (cell resistance) and pressure loss when an electrolyte is permeated through an electrode in order to increase the overall energy efficiency.

例えば、特許文献1は、集電板に電解液の流路となる溝部を形成することで、圧力損失を低減できるとしている。図7は、特許文献1の記載に基づいて、そのレドックスフロー電池の一部を模式的に描いた図であり、(a)は平面図であり、(b)はX−X平面で切断した要部の断面図である。   For example, Patent Document 1 states that the pressure loss can be reduced by forming a groove serving as a flow path for the electrolytic solution on the current collector plate. FIG. 7 is a diagram schematically showing a part of the redox flow battery based on the description in Patent Document 1, (a) is a plan view, and (b) is cut along the XX plane. It is sectional drawing of the principal part.

図7に示すレドックスフロー電池は、電解液の流路となる溝部として、流入口に繋がる第1の櫛形溝部M1と流出口に繋がる第2の櫛形溝部M2を有する。流入口から供給された電解液は符号f1で示すように流れて第1の櫛形溝部M1を満たし、第2の櫛形溝部M2に流出し、符号f2で示すように流れて第2の櫛形溝部M2に沿って流出口から排出される。符号f1およびf2は流れの一部を示すものである。第1の櫛形溝部M1から第2の櫛形溝部M2への電解液の流れは、図7(b)において符号f3で示すように、第1の櫛形溝部M1から電極E内を流れ、その後、第2の櫛形溝部M2に流れ込む。   The redox flow battery shown in FIG. 7 has a first comb-shaped groove portion M1 connected to the inflow port and a second comb-shaped groove portion M2 connected to the outflow port as groove portions serving as a flow path for the electrolyte solution. The electrolyte supplied from the inlet flows as shown by reference numeral f1, fills the first comb-shaped groove M1, flows out into the second comb-shaped groove M2, flows as shown by reference f2, and flows into the second comb-shaped groove M2. Are discharged from the outlet. Reference numerals f1 and f2 indicate a part of the flow. The electrolyte flow from the first comb-shaped groove M1 to the second comb-shaped groove M2 flows from the first comb-shaped groove M1 to the inside of the electrode E as shown by reference numeral f3 in FIG. Flows into the second comb-shaped groove M2.

特許文献1に開示されたレドックスフロー電池では、電解液は電極内を面内方向に流れるが、これに対して、特許文献2には、電解液が電極を垂直方向に流れると面内方向に流れるより、圧力損失が大幅に低減できる旨、記載されている。   In the redox flow battery disclosed in Patent Document 1, the electrolyte flows in the electrode in the in-plane direction. On the other hand, Patent Document 2 discloses that the electrolyte flows in the in-plane direction when the electrode flows in the vertical direction. It is stated that the pressure loss can be greatly reduced rather than flowing.

特開2015−122231号公報JP2015-122231A 特表2015−530709号公報Special table 2015-530709 gazette 特開2006−156029号公報JP 2006-156029 A

D. Aaron et. al., ECS Electrochemistry Letters, 2(3) A29-A31 (2013)D. Aaron et.al., ECS Electrochemistry Letters, 2 (3) A29-A31 (2013)

図7に示すレドックスフロー電池のように、電解液が電極の集電板側から入り、電極内を通って、同じく電極の集電板側へ出ていく構成の場合には、電解液は電極全体に均一に流れることは本質的にできない。図7(b)を用いて説明すると、第1の櫛形溝部M1の直上の部分D1と、第1の櫛形溝部M1と第2の櫛形溝部M2間の部分D2とでは必ず、流れる電解液の流量が異なる。このように、かかる構成のレドックスフロー電池では、電極E全体に均一に電解液を供給することができない。
これは、電極全体に均一に電解液が供給できれば達成できるはずの最大の出力密度に本質的に達することができず、内部抵抗(セル抵抗)の低減には限度があることを意味する。
As in the redox flow battery shown in FIG. 7, in a configuration in which the electrolyte enters from the current collector side of the electrode, passes through the electrode, and similarly exits to the current collector side of the electrode, It is essentially impossible to flow uniformly throughout. Referring to FIG. 7 (b), the flow rate of the electrolyte always flows in the portion D1 directly above the first comb groove portion M1 and the portion D2 between the first comb groove portion M1 and the second comb groove portion M2. Is different. Thus, in the redox flow battery having such a configuration, the electrolyte solution cannot be uniformly supplied to the entire electrode E.
This means that the maximum power density that can be achieved if the electrolyte can be uniformly supplied to the entire electrode cannot be essentially reached, and the reduction in internal resistance (cell resistance) is limited.

特許文献2には、電解液が電極を垂直方向に流れると圧力損失が面内方向に流れるように大幅に低減できると記載されているが、電解液が電極を垂直方向に流すための方法としては、電極の電解液が流入する側に電解液流入領域を備え、電解液流入領域の電解液供給部の反対側の端部に閉端部を有する構成が記載されているに過ぎない(段落0044)。すなわち、電解液供給部から入った電解液が電解液流入領域に入り、電解液供給部の反対側の端部に閉端部があるので、電解液は電極に垂直方向に流れ込んでいくしかないということに過ぎない。また、段落0049および段落0050に、電解液が電極を面内方向に流れる場合と、電極を垂直方向に流れる場合の圧力損失を、式を用いて比較しているが、結局のところ、電極中を電解液が流れる方向の長さ及び断面積に基づいて圧力損失を比較しているに過ぎない。
特許文献1のレドックスフロー電池のように、電解液が電極を面内方向に流れるタイプのレドックスフロー電池(以下、「面内フロー型レドックスフロー電池」あるは「面内フロー型RFB」ということがある。)の場合には本質的に上述したような欠点を有するため、レドックスフロー電池におけるブレークスルーの可能性を秘めた、電解液が電極を垂直方向に流れる構成(以下、「垂直フロー型レドックスフロー電池」あるは「垂直フロー型RFB」ということがある。)について実現のための具体的な検討が望まれる。
Patent Document 2 describes that when the electrolytic solution flows in the vertical direction through the electrode, the pressure loss can be greatly reduced so as to flow in the in-plane direction. However, as a method for the electrolytic solution to flow through the electrode in the vertical direction, Only describes a configuration in which an electrolyte inflow region is provided on the electrode inflow side of the electrode, and a closed end is provided at an end of the electrolyte inflow region opposite to the electrolyte supply unit (paragraph). 0044). That is, the electrolytic solution entering from the electrolytic solution supply unit enters the electrolytic solution inflow region, and there is a closed end at the opposite end of the electrolytic solution supply unit, so that the electrolytic solution can only flow vertically to the electrode. It's just that. In addition, in paragraphs 0049 and 0050, the pressure loss when the electrolyte flows in the in-plane direction and the pressure when the electrode flows in the vertical direction is compared using an equation. The pressure loss is merely compared based on the length and cross-sectional area in the direction in which the electrolyte flows.
As in the redox flow battery of Patent Document 1, a redox flow battery in which an electrolyte flows in an in-plane direction (hereinafter referred to as “in-plane flow type redox flow battery” or “in-plane flow type RFB”). In the case of the present invention, there is a drawback essentially as described above. Therefore, there is a possibility of a breakthrough in the redox flow battery, and a configuration in which the electrolyte flows vertically through the electrodes (hereinafter referred to as “vertical flow type redox”). A specific study for realizing “flow battery” or “vertical flow type RFB” is desired.

ところで、レドックスフロー電池の電極材としては、表面積が大きいほど電池反応(酸化反応及び還元反応)性に優れている。表面積が大きい電極材として特許文献3に、平均繊維径が0.05〜0.3μm程度の気相法炭素繊維(カーボンナノチューブ)を用いることが記載されている。このようなカーボンナノチューブは、平均繊維径が通常のカーボンファイバーの100分の1程度以下であり、シートに成形した場合シート内の空孔の大きさも100分の1程度以下である。このようなカーボンナノチューブを用いた電極材は、非常に緻密な構造となるため、電解液の通液性が著しく悪い。そのため、カーボンナノチューブを用いたシートを炭素質部材として用いたレドックスフロー電池は、高い圧力損失が生じる。   By the way, as an electrode material of a redox flow battery, the larger the surface area, the better the battery reaction (oxidation reaction and reduction reaction). As an electrode material having a large surface area, Patent Document 3 describes that vapor grown carbon fiber (carbon nanotube) having an average fiber diameter of about 0.05 to 0.3 μm is used. Such a carbon nanotube has an average fiber diameter of about 1/100 or less of that of a normal carbon fiber, and when formed into a sheet, the size of pores in the sheet is also about 1/100 or less. Since the electrode material using such carbon nanotubes has a very dense structure, the electrolyte permeability is extremely poor. Therefore, a redox flow battery using a sheet using carbon nanotubes as a carbonaceous member has a high pressure loss.

本発明者らは、従来の面内フロー型レドックスフロー電池と異なる、この新規な垂直フロー型レドックスフロー電池の有用性を示すために、セル抵抗率を指標として、垂直フロー型レドックスフロー電池について、電極材を含めて具体的な構成を検討した。具体的には、様々な具体的構成とその構成でのセル抵抗率との関係を詳細に検討して、従来の面内フロー型レドックスフロー電池のセル抵抗率よりも低いセル抵抗率が得られる構成を見出し、本発明を完成させた。セル抵抗率は充放電の電流密度に直結する特性であり、本発明は垂直フロー型レドックスフロー電池の開発促進につながるものである。   In order to show the usefulness of this novel vertical flow type redox flow battery, which is different from the conventional in-plane flow type redox flow battery, the present inventors have used the cell resistivity as an index for the vertical flow type redox flow battery. A specific configuration including the electrode material was examined. Specifically, by examining in detail the relationship between various specific configurations and the cell resistivity in the configuration, a cell resistivity lower than the cell resistivity of a conventional in-plane flow type redox flow battery can be obtained. The present invention has been completed by finding the structure. The cell resistivity is a characteristic directly related to the current density of charge / discharge, and the present invention leads to the promotion of the development of a vertical flow type redox flow battery.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、セル抵抗率が低いレドックスフロー電池を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a redox flow battery having a low cell resistivity.

本発明は、上記課題を解決するため、以下の手段を提供する。   The present invention provides the following means in order to solve the above problems.

(1)本発明の一態様に係るレドックスフロー電池は、イオン交換膜と、集電板と、前記イオン交換膜と前記集電板との間に配置する電極とを備えたレドックスフロー電池であって、前記電極は、電解液が前記集電板側の面から前記イオン交換膜側の面に流れる主電極層を有し、前記主電極層は、面方向に並置された複数の主電極片からなる。 (1) A redox flow battery according to an aspect of the present invention is a redox flow battery including an ion exchange membrane, a current collector plate, and an electrode disposed between the ion exchange membrane and the current collector plate. The electrode has a main electrode layer in which an electrolyte flows from the current collector side surface to the ion exchange membrane side surface, and the main electrode layer includes a plurality of main electrode pieces juxtaposed in a plane direction. Consists of.

(2)上記(1)に記載のレドックスフロー電池において、セル抵抗率が0.7Ω・cm以下であってもよい。 (2) In the redox flow battery described in (1) above, the cell resistivity may be 0.7 Ω · cm 2 or less.

(3)上記(1)又は(2)のいずれかに記載のレドックスフロー電池において、隣りあう前記主電極片間に電解液の排出路が設けられていてもよい。 (3) In the redox flow battery according to any one of (1) and (2), an electrolyte discharge path may be provided between the adjacent main electrode pieces.

(4)上記(1)〜(3)のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池において、前記集電板は、その電極側の面に形成され、電解液が流通する複数の流路網を有し、かつ、前記主電極片は、前記複数の流路網のそれぞれの上に配置されてもよい。 (4) In the redox flow battery according to any one of the above (1) to (3), the current collector plate is formed on a surface of the electrode side, and includes a plurality of flow channel networks through which the electrolyte solution flows. And the main electrode piece may be disposed on each of the plurality of channel networks.

(5)上記(1)〜(4)のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池において、前記主電極片は、平均繊維径が1μm以下のカーボンナノチューブを含んでもよい。 (5) In the redox flow battery according to any one of (1) to (4), the main electrode piece may include carbon nanotubes having an average fiber diameter of 1 μm or less.

(6)上記(1)〜(5)のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池において、前記電極はさらに、前記主電極片の前記イオン交換膜側に配置された液流出層を有してもよい。 (6) In the redox flow battery according to any one of (1) to (5), the electrode further includes a liquid outflow layer disposed on the ion exchange membrane side of the main electrode piece. Also good.

(7)上記(6)に記載のレドックスフロー電池において、前記主電極片のシート面を基準面として、前記液流出層内の面内方向のダルシー則透過率は、前記導電性シートの法線方向のダルシー則透過率より大きくてもよい。 (7) In the redox flow battery according to (6), the Darcy law transmittance in the in-plane direction within the liquid outflow layer is a normal line of the conductive sheet, with the sheet surface of the main electrode piece as a reference surface. It may be larger than the Darcy law transmittance of the direction.

(8)上記(4)〜(7)のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池において、前記複数の流路網の各々は周縁壁によって囲繞されており、内部壁によって形成された第1流路と第2流路を有し、前記第1流路は前記周縁壁の一端側に形成された液流入孔から他端側に形成された液流出孔の延在し、前記第2流路は前記第1流路に繋がり、前記第1流路に交差する方向に延在していてもよい。 (8) In the redox flow battery according to any one of (4) to (7), each of the plurality of flow channel networks is surrounded by a peripheral wall, and a first flow formed by an inner wall. A liquid passage hole formed on one end side of the peripheral wall extends from a liquid inflow hole formed on one end side of the peripheral wall, and the second flow path is provided. May be connected to the first flow path and may extend in a direction intersecting the first flow path.

(9)上記(6)又は(7)のいずれかに記載のレドックスフロー電池において、前記液流出層の厚みは、0.1mm以上、0.9mm以下であってもよい。 (9) In the redox flow battery according to any one of (6) and (7), the thickness of the liquid outflow layer may be 0.1 mm or more and 0.9 mm or less.

(10)上記(1)〜(9)のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池において、前記複数の主電極片の各々は長方形状を有し、短辺の長さは5mm以上、70mm以下であってもよい。 (10) In the redox flow battery according to any one of (1) to (9), each of the plurality of main electrode pieces has a rectangular shape, and a short side has a length of 5 mm to 70 mm. It may be.

(11)上記(6)、(7)又は(9)のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池において、液流出層の厚みが、主電極片の短辺長さの1/150以上であってもよい。 (11) In the redox flow battery according to any one of (6), (7), and (9), the thickness of the liquid outflow layer is 1/150 or more of the short side length of the main electrode piece. May be.

(12)上記(8)に記載のレドックスフロー電池において、前記複数の主電極片の各々はその端部が前記周縁壁の頂面に載置されていてもよい。 (12) In the redox flow battery according to (8), each of the plurality of main electrode pieces may have its end portion placed on the top surface of the peripheral wall.

(13)上記(1)〜(12)のいずれか一つに記載のレドックスフロー電池において、有効面積比が60%以上であってもよい。ここで、前記有効面積比とは、(前記複数の主電極片の有効電極面積の和)/{(前記複数の主電極片の面積の和)+(前記複数の主電極片間の部分の面積の和)}である。 (13) In the redox flow battery according to any one of (1) to (12), the effective area ratio may be 60% or more. Here, the effective area ratio is (sum of effective electrode areas of the plurality of main electrode pieces) / {(sum of areas of the plurality of main electrode pieces) + (of the portion between the plurality of main electrode pieces) Sum of area)}.

本発明のレドックスフロー電池は、セル抵抗率が低いレドックスフロー電池を提供することができる。   The redox flow battery of the present invention can provide a redox flow battery having a low cell resistivity.

本発明の一実施形態にかかるレドックスフロー電池の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the redox flow battery concerning one Embodiment of this invention. セルフレーム内に収納された集電板を積層方向から平面視した平面模式図である。It is the plane schematic diagram which planarly viewed the current collecting plate accommodated in the cell frame from the lamination direction. (a)は、図2のX−X線で切った断面模式図であり(b)は、図2のY−Y線で切った断面模式図である。(A) is the cross-sectional schematic diagram cut | disconnected by the XX line of FIG. 2, (b) is the cross-sectional schematic diagram cut | disconnected by the YY line | wire of FIG. 本発明の他の実施形態にかかるレドックスフロー電池の断面模式図である。It is a cross-sectional schematic diagram of the redox flow battery concerning other embodiment of this invention. 図2および図3で示した集電体の上に電極を配置した、本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池の断面模式図であり、(a)は図2のX−X線で切った断面模式図であり、(b)は図2のY−Y線で切った断面模式図である。FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention in which an electrode is disposed on the current collector shown in FIGS. 2 and 3, and (a) is cut along the line XX in FIG. 2. It is the cross-sectional schematic diagram, (b) is the cross-sectional schematic diagram cut | disconnected by the YY line | wire of FIG. 本発明のレドックスフロー電池の電解液の流れを説明するための模式図であって、図2のY−Y線で切った断面模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the flow of the electrolyte solution of the redox flow battery of this invention, Comprising: It is the cross-sectional schematic diagram cut | disconnected by the YY line of FIG. 特許文献1に記載のレドックスフロー電池に設けられた溝部の図であり、(a)は平面図であり、(b)はX−X平面で切断した要部の断面図である。It is a figure of the groove part provided in the redox flow battery of patent document 1, (a) is a top view, (b) is sectional drawing of the principal part cut | disconnected by the XX plane.

以下、レドックスフロー電池について、図を適宜参照しながら詳細に説明する。以下の説明で用いる図面は、本発明の特徴をわかりやすくするために便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などは実際とは異なっていることがある。以下の説明において例示される材質、寸法等は一例であって、本発明はそれらに限定されるものではなく、本発明の効果を奏する範囲で適宜変更して実施することが可能である。   Hereinafter, the redox flow battery will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. In the drawings used in the following description, in order to make the characteristics of the present invention easier to understand, there are cases where the characteristic parts are enlarged for the sake of convenience, and the dimensional ratios of the respective components are different from actual ones. is there. The materials, dimensions, and the like exemplified in the following description are merely examples, and the present invention is not limited to these, and can be implemented with appropriate modifications within the scope of the effects of the present invention.

(第1実施形態)
図1は、第1実施形態にかかるレドックスフロー電池の断面模式図である。
図1に示すレドックスフロー電池100は、イオン交換膜10と、集電板20と、電極30とを有する。集電板20と電極30とは、セルフレーム40によって外周を囲まれている。電極30は、イオン交換膜10と集電板20とセルフレーム40によって形成された電極室K内に設けられている。セルフレーム40は、電極室Kに供給される電解液が、外部に漏れだすのを防ぐ。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a redox flow battery according to the first embodiment.
A redox flow battery 100 shown in FIG. 1 includes an ion exchange membrane 10, a current collector plate 20, and an electrode 30. The current collector plate 20 and the electrode 30 are surrounded by the cell frame 40. The electrode 30 is provided in an electrode chamber K formed by the ion exchange membrane 10, the current collector plate 20, and the cell frame 40. The cell frame 40 prevents the electrolyte supplied to the electrode chamber K from leaking outside.

図1に示すレドックスフロー電池100は、複数のセルCEが積層されたセルスタック構造を有する。セルCEの積層数は、用途に応じて適宜変更することができ、単セルのみとしてもよい。セルCEを複数直列接続することで、実用的な電圧が得られる。一つのセルCEは、イオン交換膜10と、イオン交換膜10を挟む正極及び負極として機能する二つの電極30と、二つの電極30を挟む集電板20とからなる。   A redox flow battery 100 shown in FIG. 1 has a cell stack structure in which a plurality of cells CE are stacked. The number of stacked cells CE can be changed as appropriate according to the application, and only a single cell may be used. A practical voltage can be obtained by connecting a plurality of cells CE in series. One cell CE includes an ion exchange membrane 10, two electrodes 30 that function as a positive electrode and a negative electrode that sandwich the ion exchange membrane 10, and a current collector plate 20 that sandwiches the two electrodes 30.

以下、セルCEが積層されるセルスタック構造の積層方向を「積層方向」あるいは「面直方向」あるいは「垂直方向」、セルスタック構造の積層方向に垂直な面方向を「面内方向」と言うことがある。   Hereinafter, the stacking direction of the cell stack structure in which the cells CE are stacked is referred to as “stacking direction” or “perpendicular direction” or “vertical direction”, and the surface direction perpendicular to the stacking direction of the cell stack structure is referred to as “in-plane direction”. Sometimes.

「イオン交換膜」
イオン交換膜10は、陽イオン交換膜もしくは陰イオン交換膜を用いることができる。陽イオン交換膜は、具体的には、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体、スルホン酸基を有する炭化水素系高分子化合物、リン酸などの無機酸をドープさせた高分子化合物、一部がプロトン伝導性の官能基で置換された有機/無機ハイブリッドポリマー、高分子マトリックスにリン酸溶液や硫酸溶液を含浸させたプロトン伝導体が挙げられる。これらのうち、スルホン酸基を有するパーフルオロカーボン重合体が好ましく、ナフィオン(登録商標)がより好ましい。
イオン交換膜の厚さは特に限定するものではないが、例示すれば、150μm以下であれば好適に用いることができる。イオン交換膜の厚さは120μm以下がより好ましく、更に60μm以下がさらに好ましい。
以下、実施形態の説明は、陽イオン交換膜の場合で説明する。
"Ion exchange membrane"
As the ion exchange membrane 10, a cation exchange membrane or an anion exchange membrane can be used. Specifically, the cation exchange membrane includes a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group, a hydrocarbon-based polymer compound having a sulfonic acid group, a polymer compound doped with an inorganic acid such as phosphoric acid, and a part thereof. Examples thereof include organic / inorganic hybrid polymers substituted with proton conductive functional groups, and proton conductors in which a polymer matrix is impregnated with a phosphoric acid solution or a sulfuric acid solution. Among these, a perfluorocarbon polymer having a sulfonic acid group is preferable, and Nafion (registered trademark) is more preferable.
The thickness of the ion exchange membrane is not particularly limited, but for example, it can be suitably used if it is 150 μm or less. The thickness of the ion exchange membrane is more preferably 120 μm or less, and still more preferably 60 μm or less.
Hereinafter, the embodiment will be described in the case of a cation exchange membrane.

「集電板」
集電板20は、電極30に電子を授受する役割を持つ集電体である。集電板20は、その両面が集電体として使用できるものである場合、双極板と言われることもある。
"Current collector"
The current collector plate 20 is a current collector having a role of transferring electrons to the electrode 30. The current collector plate 20 is sometimes referred to as a bipolar plate when both sides thereof can be used as a current collector.

集電板20は、導電性を有する材質を用いることができる。例えば炭素を含有する導電性材料を用いることができる。具体的には、黒鉛と有機高分子化合物とからなる導電性樹脂、もしくは黒鉛の一部をカーボンブラックとダイヤモンドライクカーボンの少なくとも1つに置換した導電性樹脂、カーボンと樹脂とを混練成形した成形材が挙げられる。これらのうち、カーボンと樹脂とを混練成形した成形材を用いることが好ましい。   The current collector plate 20 can be made of a conductive material. For example, a conductive material containing carbon can be used. Specifically, a conductive resin composed of graphite and an organic polymer compound, or a conductive resin in which a part of graphite is replaced with at least one of carbon black and diamond-like carbon, and a molding in which carbon and a resin are kneaded and molded Materials. Among these, it is preferable to use a molding material obtained by kneading and molding carbon and a resin.

図2は、セルフレーム40内に収納された集電板20の一例を積層方向から平面視した平面模式図である。また、図3(a)は、図2のX−X線で切った断面模式図であり、図3(b)は、図2のY−Y線で切った断面模式図である。   FIG. 2 is a schematic plan view of an example of the current collector plate 20 housed in the cell frame 40 as viewed in plan from the stacking direction. 3A is a schematic cross-sectional view taken along the line XX in FIG. 2, and FIG. 3B is a schematic cross-sectional view taken along the line YY in FIG.

本発明では、集電板は、その電極側の面に形成され、電解液が流通する流路網を有してもよく、この流路網を複数有してもよい。ここで、「流路網」とは、電解液の流れを規定するように構成された流路パターンであり、図2及び図3に示す2つの「流路網」は、周縁壁によってその入り口と出口との間で電解液の流れが隔離された構成とされており、周縁壁によって2つの「流路網」間で電解液の流れが行き来しないように構成されている。
図2及び図3に示す集電板20は、その電極側の面に形成され、電解液が流通する2つの流路網A、Bを有する。2つの流路網A、Bは図2及び図3に示すように同じ構成を有するのが好ましいが、これに限定されない。以下の説明では、2つの流路網A、Bのうちの一方についてのみ説明して、他方の説明を省略することがある。
図2及び図3に示すように、集電板20の2つの流路網A、Bはそれぞれ、周縁壁21A、21B内に形成されている。
In the present invention, the current collector plate may have a channel network that is formed on the electrode-side surface and through which the electrolytic solution flows, or may have a plurality of channel networks. Here, the “flow channel network” is a flow channel pattern configured to regulate the flow of the electrolyte, and the two “flow channel networks” shown in FIGS. The flow of the electrolytic solution is isolated between the two and the outlet, and the peripheral wall is configured so that the flow of the electrolytic solution does not go back and forth between the two “flow channel networks”.
The current collecting plate 20 shown in FIGS. 2 and 3 is formed on the surface on the electrode side, and has two flow path networks A and B through which the electrolytic solution flows. The two channel networks A and B preferably have the same configuration as shown in FIGS. 2 and 3, but are not limited thereto. In the following description, only one of the two channel networks A and B will be described, and the description of the other may be omitted.
As shown in FIGS. 2 and 3, the two flow path networks A and B of the current collector plate 20 are formed in the peripheral walls 21A and 21B, respectively.

周縁壁21A、21Bで囲まれた凹部20A、20B内には、周縁壁21A、21Bの開口部21Ai、21Biから電解液が供給される。   In the recesses 20A and 20B surrounded by the peripheral walls 21A and 21B, the electrolytic solution is supplied from the openings 21Ai and 21Bi of the peripheral walls 21A and 21B.

周縁壁21A、21Bで囲まれた凹部20A、20B内には、内部壁22A、22Bが設けられている。内部壁22A、22Bは、流入部において電解液が流れる流路Cを形成する。内部壁22A、22Bによって形成される流路Cの形状は、特に限定されない。   Inner walls 22A and 22B are provided in the recesses 20A and 20B surrounded by the peripheral walls 21A and 21B. The inner walls 22A and 22B form a flow path C in which the electrolytic solution flows in the inflow portion. The shape of the flow path C formed by the inner walls 22A and 22B is not particularly limited.

図2及び図3に示す内部壁22A、22Bは、流路Cが開口部21Ai、21Biから一方向に延在する第1流路C1と、第1流路C1に繋がり第1流路C1から交差する方向に分岐する第2流路C2と、を形成する。当該構成では、供給された電解液が第1流路C1に沿って流れると共に、第2流路C2に拡がるように流れる。すなわち、電解液が凹部20A、20Bの面内方向に均一に拡がりやすい。図2において、矢印は電解液の流れる向きを示すものである。   The inner walls 22A and 22B shown in FIG. 2 and FIG. 3 are connected to the first channel C1 in which the channel C extends in one direction from the openings 21Ai and 21Bi, and from the first channel C1 to the first channel C1. And a second flow path C2 that branches in the intersecting direction. In this configuration, the supplied electrolytic solution flows along the first flow path C1 and flows so as to expand into the second flow path C2. That is, the electrolytic solution tends to spread uniformly in the in-plane direction of the recesses 20A and 20B. In FIG. 2, the arrow indicates the direction in which the electrolyte flows.

ここで、集電板20は複数の流路網を有する場合、図2の構成に限られない。例えば、図4に示すように、集電板20は流路網を3つ備えてもよい。   Here, the current collector plate 20 is not limited to the configuration shown in FIG. For example, as illustrated in FIG. 4, the current collector plate 20 may include three flow channel networks.

「排出路」
排出路23は図2に示す通り、平面視で、隣り合う主電極片31A、31B間に配置する。電極を通過した電解液がこの排出路23を通って排出される。
後述するように主電極片が長方形状をしている場合、排出路23は主電極片の長辺間に配置するのが、電解液が液流出層を通過する距離を短くできるため、好ましい。前記距離を短くすることにより、電解液が液流出層を通過するために必要な圧力を低減することができ、あるいは、液流出層の厚さを薄くしてセル抵抗率の増加を抑制することもできる。
"Discharge path"
As shown in FIG. 2, the discharge path 23 is disposed between the adjacent main electrode pieces 31A and 31B in a plan view. The electrolytic solution that has passed through the electrode is discharged through the discharge path 23.
When the main electrode piece has a rectangular shape as will be described later, it is preferable to dispose the discharge path 23 between the long sides of the main electrode piece because the distance through which the electrolytic solution passes through the liquid outflow layer can be shortened. By shortening the distance, the pressure required for the electrolyte to pass through the liquid outflow layer can be reduced, or the thickness of the liquid outflow layer can be reduced to suppress an increase in cell resistivity. You can also.

「電極」
本発明の電極は、電解液が前記集電板側の面から前記イオン交換膜側の面に流れる主電極層を有する。本発明の電極は集電板側あるいはイオン交換膜側に、主電極層で生じる電池反応に比べて電池反応は小さいが、主電極層で生じる電池反応を高めるための補助的な層を備えてもよい。
ここで、「電解液が前記集電板側の面から前記イオン交換膜側の面に流れる」とは、図7などのような面内フロー型レドックスフロー電池(面内フロー型RFB)における電極層での電解液の流れ方に対するものであって、垂直フロー型レドックスフロー電池(垂直フロー型RFB)における電極層での電解液の流れ方を意味している。ここで、垂直フロー型RFBにおける「垂直フロー」とは、電極層内で電解液が面内方向に全く流れないことでも、電解液が電極層の面直方向にのみ流れるということでもない。垂直フロー型RFBとは、電解液が電極層の面直方向に流れるように意図した構成を備えることにより、面内フロー型RFBとは異なる思想で構成されたものである。従って、「電解液が前記集電板側の面から前記イオン交換膜側の面に流れる」とは、電解液が電極層の面直方向に流れるように意図した構成を備えていれば足りる。
"electrode"
The electrode of the present invention has a main electrode layer in which an electrolyte flows from the current collector side surface to the ion exchange membrane side surface. The electrode of the present invention is provided with an auxiliary layer on the collector plate side or ion exchange membrane side, although the battery reaction is smaller than the battery reaction occurring in the main electrode layer, but for enhancing the battery reaction occurring in the main electrode layer. Also good.
Here, “the electrolyte flows from the current collecting plate side surface to the ion exchange membrane side surface” means an electrode in an in-plane flow type redox flow battery (in-plane flow type RFB) as shown in FIG. The flow of the electrolyte in the layer means the flow of the electrolyte in the electrode layer in the vertical flow type redox flow battery (vertical flow type RFB). Here, “vertical flow” in the vertical flow type RFB does not mean that the electrolyte does not flow in the in-plane direction at all in the electrode layer, nor does the electrolyte flow only in the direction perpendicular to the surface of the electrode layer. The vertical flow type RFB is configured with a concept different from the in-plane flow type RFB by providing a configuration intended to allow the electrolyte to flow in a direction perpendicular to the surface of the electrode layer. Therefore, “the electrolyte flows from the current collector side surface to the ion exchange membrane side surface” only needs to have a configuration intended to allow the electrolyte solution to flow in a direction perpendicular to the surface of the electrode layer.

図5は、図2および図3で示した集電体の上に電極を配置した、本発明の一実施形態に係るレドックスフロー電池の断面模式図であり、図5(a)は図2のX−X線で切った断面模式図であり、図5(b)は図2のY−Y線で切った断面模式図である。   FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a redox flow battery according to an embodiment of the present invention in which electrodes are arranged on the current collector shown in FIGS. 2 and 3, and FIG. It is the cross-sectional schematic diagram cut | disconnected by XX line, FIG.5 (b) is the cross-sectional schematic diagram cut | disconnected by the YY line | wire of FIG.

図5に示す電極30は、主電極層31と、液流出層32と、液流入層33とからなる。
後述するように、液流出層及び液流入層は炭素質の多孔性材料を用いることができるので、この場合、電池反応を生じ得るが、表面積の違い等によって液流出層で生じる電池反応は主電極層で生じる電池反応に比べて非常に小さい。電極は主電極層を含む、複数の層によって構成することができるが、主電極層以外の層で生じる電池反応は主電極層で生じる電池反応に比べて非常に小さい。
The electrode 30 shown in FIG. 5 includes a main electrode layer 31, a liquid outflow layer 32, and a liquid inflow layer 33.
As will be described later, since the liquid outflow layer and the liquid inflow layer can use a carbonaceous porous material, a battery reaction can occur in this case, but the battery reaction that occurs in the liquid outflow layer due to a difference in surface area is the main. It is very small compared to the battery reaction occurring in the electrode layer. The electrode can be composed of a plurality of layers including the main electrode layer, but the battery reaction occurring in layers other than the main electrode layer is much smaller than the battery reaction occurring in the main electrode layer.

本発明の主電極片は、主電極層を複数に分割したものを言い、主電極層は主電極片の総称である。分割された個々の主電極層を主電極片という。従って主電極層は、面方向に並置された複数の主電極片からなる。複数の主電極片はそれぞれ、複数の流路網のそれぞれの上に配置していてもよい。
図5に示す主電極層31は、2つの流路網A,Bのそれぞれの上に配置すると共に面方向に並置された2つの主電極片31A、31Bからなる。
The main electrode piece of the present invention refers to a main electrode layer divided into a plurality of parts, and the main electrode layer is a general term for the main electrode piece. Each divided main electrode layer is referred to as a main electrode piece. Therefore, the main electrode layer is composed of a plurality of main electrode pieces juxtaposed in the plane direction. Each of the plurality of main electrode pieces may be disposed on each of the plurality of channel networks.
The main electrode layer 31 shown in FIG. 5 is composed of two main electrode pieces 31A and 31B arranged on the two flow path networks A and B and juxtaposed in the plane direction.

従来、レドックスフロー電池では、セルフレームには一つの流路網が備えられ、その上に一つの電極を配置させていた。電極を2つ以上に分割すると、電池反応を生じる有効電極面積が小さくなる。そのため、従来分割することは有効だと考えられていなかった(後述するように、分割すると図3で示す通り周縁壁21A、21Bが形成される。その場合、電解液が通過する主電極層の面積が減少するため、実質的に電池反応に寄与する面積(以下、「有効電極面積」ということがある)が小さくなる。また、「分割した場合の合計の有効電極面積」を「分割しなかった場合の有効電極面積」で除した値を、以下「有効面積比」と言うことがある。)
これに対して、発明者は鋭意検討の結果、電極を2つ以上に分割した構成において、電極が1つの構成の場合よりも、セル抵抗率が低下する場合があることを見出したのである。
ここで、「分割」という表現はこのセル抵抗率低下の作用効果の本質を示すものではないが、これまでにない新規な思想であるため、説明及び理解を容易にする観点から、便宜的に「分割」という表現を使う。以下の説明によってセル抵抗率低下の作用効果の本質を明らかにする。
Conventionally, in a redox flow battery, a cell frame is provided with one channel network, and one electrode is disposed thereon. When the electrode is divided into two or more, the effective electrode area causing the battery reaction is reduced. Therefore, it was not considered effective to divide conventionally (as will be described later, peripheral walls 21A and 21B are formed as shown in FIG. 3 as will be described later. In this case, the main electrode layer through which the electrolytic solution passes is formed. Since the area is reduced, the area that contributes substantially to the battery reaction (hereinafter sometimes referred to as “effective electrode area”) becomes smaller, and the “total effective electrode area when divided” is not divided. The value divided by the “effective electrode area in the case of the case is sometimes referred to as“ effective area ratio ”hereinafter.)
In contrast, as a result of intensive studies, the inventor has found that the cell resistivity may be lower in the configuration in which the electrode is divided into two or more than in the case of a single electrode configuration.
Here, the expression “division” does not indicate the essence of the effect of the cell resistivity reduction, but is an unprecedented new idea. Therefore, from the viewpoint of facilitating explanation and understanding, it is convenient. Use the term “split”. The following description will clarify the essence of the effect of reducing the cell resistivity.

図2、図3及び図5を参照すると、本発明の垂直フロー型RFBにおいては、周縁壁21A、21Bに形成された開口部21Ai、21Biから流路網A、Bに供給された電解液が、主電極層を貫通してイオン交換膜側に抜けていく。流路網を複数に分割すると、流路網の幅w(図2参照)が狭くなるので、主電極層を貫通した電解液は排出路に至る際に電解液が流れる距離が短くなる。これは、主電極層を貫通した電解液がより低い流路抵抗で排出路に回収されることを意味する。また、液流出層では電解液は面方向に流れて排出路に至るので、液流出層の厚さが薄いと流路抵抗が高くなる。しかし、液流出層を面方向に流れる距離が短くなると流路抵抗が下がるのでその分、液流出層を薄くすることができる。液流出層の厚さを薄くすることができれば、主電極層をイオン交換膜に近づけることができ、水素イオンの移動距離を短くできるのでセル抵抗率の低下につながる。
以下では、主電極層を貫通した電解液がより低い流路抵抗で排出路に回収できる効果や主電極層をイオン交換膜に近づけることができる効果を「分割効果」と呼ぶことがある。
Referring to FIGS. 2, 3 and 5, in the vertical flow type RFB of the present invention, the electrolyte supplied to the channel networks A and B from the openings 21Ai and 21Bi formed in the peripheral walls 21A and 21B is obtained. Then, it passes through the main electrode layer and exits to the ion exchange membrane side. When the flow channel network is divided into a plurality, the width w (see FIG. 2) of the flow channel network is narrowed, so that the distance that the electrolytic solution flows through the main electrode layer when it reaches the discharge path is shortened. This means that the electrolyte solution penetrating the main electrode layer is recovered in the discharge path with a lower flow path resistance. Further, in the liquid outflow layer, the electrolytic solution flows in the surface direction and reaches the discharge path. Therefore, if the thickness of the liquid outflow layer is thin, the flow path resistance is increased. However, if the distance flowing in the surface direction through the liquid outflow layer is shortened, the flow resistance is lowered, so that the liquid outflow layer can be made thinner accordingly. If the thickness of the liquid outflow layer can be reduced, the main electrode layer can be brought closer to the ion exchange membrane, and the movement distance of hydrogen ions can be shortened, leading to a decrease in cell resistivity.
Hereinafter, the effect that the electrolytic solution penetrating the main electrode layer can be collected in the discharge path with a lower flow path resistance and the effect that the main electrode layer can be brought close to the ion exchange membrane may be referred to as “dividing effect”.

図2、図3及び図5に本発明の一例を示したが、流路網を複数に分割し、各流路網上に主電極片を配置する(すなわち、主電極も同じ数に分割する)構成であって、かつ、各流路網を囲繞する周縁壁に、流路網に電解液を供給する開口部が形成される構成にすることなどにより、主電極層を分割したことで電池反応を生じる有効電極面積が減少する効果に対して、「分割効果」を大きくすることができれば、セル抵抗率を低下させることができることを発明者は見出したのである。
当業者は通常、主電極層を複数に分割し、隣り合う前記主電極片間に、電解液の排出路を設けることになどの構成をとれば、主電極層の有効面積が低下することになるから、セル抵抗率が上昇すると考える。
発明者は、かかる従来の常識を覆して、主電極層を複数に分割した場合に、分割前よりもセル抵抗率が低下する構成を見出し、本発明を完成させたのである。
FIG. 2, FIG. 3 and FIG. 5 show an example of the present invention. The flow channel network is divided into a plurality of pieces, and main electrode pieces are arranged on each flow channel network (that is, the main electrodes are also divided into the same number). The battery is obtained by dividing the main electrode layer by, for example, a configuration in which an opening for supplying an electrolytic solution to the channel network is formed on the peripheral wall surrounding each channel network. The inventor has found that the cell resistivity can be lowered if the “division effect” can be increased with respect to the effect of reducing the effective electrode area causing the reaction.
A person skilled in the art usually reduces the effective area of the main electrode layer by dividing the main electrode layer into a plurality of parts and providing an electrolyte discharge path between the adjacent main electrode pieces. Therefore, the cell resistivity is considered to increase.
The inventor overturned the conventional common sense and found a structure in which the cell resistivity is lower than that before division when the main electrode layer is divided into a plurality of parts, and completed the present invention.

また、流路網を複数にすることにより以下の効果が得られる。すなわち、流路網を複数にすると、流路網の幅w(図2参照)が狭くなるので、その開口部から流路網に供給された電解液は流路網全体に拡がる際に電解液が流れる距離が短くなる。これは、開口部から流路網に供給された電解液がより早く流路網全体に拡がることを意味する。   Further, the following effects can be obtained by using a plurality of channel networks. That is, if a plurality of channel networks are used, the width w (see FIG. 2) of the channel network is narrowed, so that the electrolyte supplied from the opening to the channel network spreads throughout the channel network. The distance that flows is shortened. This means that the electrolyte supplied from the opening to the channel network spreads faster throughout the channel network.

本発明のレドックスフロー電池の構成によれば、後述する実施例で示すように、セル抵抗率は0.7Ω・cm以下とすることができる。
従来の面内フロー型RFBでは、セル抵抗率は0.8〜1.7Ω・cm程度であった(例えば、非特許文献1参照)。
なお、セル抵抗率の算出方法は後述する。
According to the configuration of the redox flow battery of the present invention, the cell resistivity can be set to 0.7 Ω · cm 2 or less, as shown in Examples described later.
In the conventional in-plane flow type RFB, the cell resistivity is about 0.8 to 1.7 Ω · cm 2 (for example, see Non-Patent Document 1).
A method for calculating the cell resistivity will be described later.

(主電極層)
主電極層31は、炭素繊維を含む導電性シートを用いることができる。ここで言う炭素繊維とは、繊維状炭素であり、例えばカーボンファイバー、カーボンナノチューブ等が挙げられる。電極30が炭素繊維を含むことで、電解液と電極30の接触面積を増し、レドックスフロー電池100の反応性が高まる。特に径が1μm以下のカーボンナノチューブを含む場合、カーボンナノチューブの繊維径が小さいため接触面積を大きくすることが出来、好ましい。また径が1μm以上のカーボンファイバーを含む場合、その導電性シートが強く破れにくくなり、好ましい。炭素繊維を含む導電性のシートとしては、例えば、カーボンフェルト、カーボンペーパー、カーボンナノチューブシート等を用いることができる。
(Main electrode layer)
As the main electrode layer 31, a conductive sheet containing carbon fiber can be used. The carbon fiber referred to here is fibrous carbon, and examples thereof include carbon fiber and carbon nanotube. When electrode 30 contains carbon fiber, the contact area of electrolyte solution and electrode 30 is increased, and the reactivity of redox flow battery 100 is increased. In particular, when carbon nanotubes having a diameter of 1 μm or less are included, the contact area can be increased because the fiber diameter of the carbon nanotubes is small, which is preferable. Moreover, when a carbon fiber having a diameter of 1 μm or more is included, the conductive sheet is not easily broken, which is preferable. As the conductive sheet containing carbon fibers, for example, carbon felt, carbon paper, carbon nanotube sheet or the like can be used.

主電極層31を、平均繊維径1μm以下のカーボンナノチューブを含む導電性シートからなるものとする場合、カーボンナノチューブの平均繊維径は、好ましくは1〜300nm、より好ましくは10〜200nm、さらに好ましくは15〜150nmである。そのため、一般に使用されているカーボンファイバーからなるカーボンファイバーフェルト等と比較して、この導電性シートは電解液の通液性が非常に低い。したがって、イオン交換膜側に液流出層32を備えることが好ましい。液流出層32の詳細は後述する。
カーボンナノチューブの平均繊維径は、透過型電子顕微鏡にて、繊維の種類ごとに無作為に100本以上の繊維の直径を測定し、各々その算術平均値として求めた。以下の平均繊維径についても同様の手段で求めた。本実施形態においては、カーボンナノチューブ各繊維の繊維ごとの平均繊維径がいずれも1μm以下である。
When the main electrode layer 31 is made of a conductive sheet containing carbon nanotubes having an average fiber diameter of 1 μm or less, the average fiber diameter of the carbon nanotubes is preferably 1 to 300 nm, more preferably 10 to 200 nm, and still more preferably. 15-150 nm. Therefore, the conductive sheet has a very low liquid permeability of the electrolytic solution as compared with a carbon fiber felt made of carbon fiber or the like that is generally used. Therefore, it is preferable to provide the liquid outflow layer 32 on the ion exchange membrane side. Details of the liquid outflow layer 32 will be described later.
The average fiber diameter of the carbon nanotubes was obtained by measuring the diameters of 100 or more fibers at random for each fiber type with a transmission electron microscope, and calculating the arithmetic mean value of each. The following average fiber diameters were also determined by the same means. In this embodiment, the average fiber diameter of each carbon nanotube fiber is 1 μm or less.

導電性シートに含まれるカーボンナノチューブとしては、平均繊維径が異なる複数の種類のカーボンナノチューブを混合する構成としてもよい。その場合、例えば、平均繊維径100〜1000nmの第1のカーボンナノチューブと、平均繊維径30nm以下の第2のカーボンナノチューブとを含むことが好ましい。
なお、平均繊維径が異なる複数の種類のカーボンナノチューブを混合する構成である場合、成形された導電性シートを透過型電子顕微鏡で観察し、同一視野において繊維径が50nmを超えるものを第1のカーボンナノチューブ、繊維径が50nm未満のものを第2のカーボンナノチューブとみなして、それぞれ前述の通りに平均繊維径を算出する。
また、平均繊維径が異なる複数の種類のカーボンナノチューブを混合する構成であるかどうかは、成形された導電性シートを透過型電子顕微鏡で観察し、同一視野においてその繊維径分布を測定し、その分布において繊維径のピークが2つ以上あるかどうかで判断することができる。
The carbon nanotubes contained in the conductive sheet may have a configuration in which a plurality of types of carbon nanotubes having different average fiber diameters are mixed. In that case, for example, it is preferable to include a first carbon nanotube having an average fiber diameter of 100 to 1000 nm and a second carbon nanotube having an average fiber diameter of 30 nm or less.
In addition, when it is the structure which mixes several types of carbon nanotube from which average fiber diameters differ, the shape | molded electroconductive sheet is observed with a transmission electron microscope, and what has a fiber diameter over 50 nm in the same visual field is 1st Carbon nanotubes having a fiber diameter of less than 50 nm are regarded as second carbon nanotubes, and the average fiber diameter is calculated as described above.
In addition, whether or not it is a configuration in which a plurality of types of carbon nanotubes having different average fiber diameters are mixed is observed with a transmission electron microscope, and the fiber diameter distribution is measured in the same field of view. It can be judged by whether there are two or more fiber diameter peaks in the distribution.

第1のカーボンナノチューブの平均繊維径は、好ましくは100〜300nm、より好ましくは100〜200nm、さらに好ましくは100〜150nmである。平均繊維長は、好ましくは0.1〜30μm、より好ましくは0.5〜25μm、さらに好ましくは0.5〜20μmである。
第2のカーボンナノチューブの平均繊維径は、好ましくは1〜30nm、より好ましくは5〜25nm、さらに好ましくは5〜20nmである。平均繊維長は、好ましくは0.1〜10μm、より好ましくは0.2〜8μm、さらに好ましくは0.2〜5μmである。
なお、平均繊維長は、透過型電子顕微鏡にて、繊維の種類ごとに無作為に100本以上の繊維長を測定し、各々その算術平均値として求めることができる。
The average fiber diameter of the first carbon nanotube is preferably 100 to 300 nm, more preferably 100 to 200 nm, and still more preferably 100 to 150 nm. The average fiber length is preferably 0.1 to 30 μm, more preferably 0.5 to 25 μm, and still more preferably 0.5 to 20 μm.
The average fiber diameter of the second carbon nanotube is preferably 1 to 30 nm, more preferably 5 to 25 nm, and still more preferably 5 to 20 nm. The average fiber length is preferably 0.1 to 10 μm, more preferably 0.2 to 8 μm, and still more preferably 0.2 to 5 μm.
The average fiber length can be obtained as an arithmetic average value by measuring 100 or more fiber lengths randomly for each fiber type with a transmission electron microscope.

第2のカーボンナノチューブの少なくとも一部が、2本以上の第1のカーボンナノチューブに跨った構造を有することが好ましい。跨った構造は、例えば透過電子顕微鏡観察により確認することができる。第2のカーボンナノチューブの少なくとも一部が、2本以上の第1のカーボンナノチューブと交差するような構造が確認できるとき、「跨った構造を有する」と判断する。   It is preferable that at least a part of the second carbon nanotube has a structure straddling two or more first carbon nanotubes. The straddling structure can be confirmed, for example, by observation with a transmission electron microscope. When a structure in which at least a part of the second carbon nanotubes intersects with two or more first carbon nanotubes can be confirmed, it is determined as “having a straddling structure”.

「跨った構造」は、すべてのカーボンナノチューブに配置されている必要はない。例えば、透過電子顕微鏡の10万倍の倍率で電極を撮影した際に、第1のカーボンナノチューブに跨った第2のカーボンナノチューブが確認できればよい。2本以上の第1のカーボンナノチューブに跨った構造を有する第2のカーボンナノチューブの割合は、好ましくは10%以上、より好ましくは50%以上である。
この割合は、例えば、透過型電子顕微鏡の10万倍の倍率で電極を撮影し、写真に全体がおさまっている第2のカーボンナノチューブを100%として算出することができる。写真から端がはみ出した第2のカーボンナノチューブは、算出には用いない。
The “strand structure” does not have to be arranged on all the carbon nanotubes. For example, it is only necessary that the second carbon nanotubes straddling the first carbon nanotubes can be confirmed when the electrode is photographed at a magnification of 100,000 times that of a transmission electron microscope. The ratio of the second carbon nanotubes having a structure straddling two or more first carbon nanotubes is preferably 10% or more, more preferably 50% or more.
This ratio can be calculated, for example, by taking the electrode at a magnification of 100,000 times that of a transmission electron microscope and taking 100% of the second carbon nanotube entirely contained in the photograph. The second carbon nanotube with the end protruding from the photograph is not used in the calculation.

跨った構造を有すると、導電性シートがその成形過程でバラバラになることなくシートの形態を安定に維持することができる。また、この構造により、導電性の主となる第1のカーボンナノチューブ間の空隙を第2のカーボンナノチューブが埋めることができ、より電極の導電性を高めることができる。電極の導電性を高めると、レドックスフロー電池のセル抵抗率を低くし、また電気容量を大きくすることができる。   When it has a straddling structure, the form of the sheet can be stably maintained without the conductive sheet falling apart during the molding process. Further, with this structure, the second carbon nanotubes can fill the gaps between the first carbon nanotubes, which are mainly conductive, and the conductivity of the electrode can be further increased. Increasing the conductivity of the electrode can lower the cell resistivity of the redox flow battery and increase the electric capacity.

また、第1のカーボンナノチューブおよび第2のカーボンナノチューブの平均繊維径が上述の範囲であると、導電性シートが高い強度および高い導電性を維持できる構造となる。これは、第1のカーボンナノチューブが幹となり、第2のカーボンナノチューブが、複数の第1のカーボンナノチューブ間に枝状に懸架されるためである。例えば、第1のカーボンナノチューブの平均径が100nm以上であると、幹が安定となり電極の構造に割れが生じにくくなり、十分な強度を保つことが容易になる。一方で、第2のカーボンナノチューブの平均径が30nm以下であると、第2のカーボンナノチューブが十分に第1のカーボンナノチューブ に絡まることができ、導電性が向上する。すなわち、このような平均繊維径の異なる2種類のカーボンナノチューブを含む導電性シートを有する電極を用いることで、レドックスフロー電池のセル抵抗率を低くし、また電気容量を大きくすることができる。   Further, when the average fiber diameter of the first carbon nanotube and the second carbon nanotube is in the above range, the conductive sheet has a structure capable of maintaining high strength and high conductivity. This is because the first carbon nanotube serves as a trunk, and the second carbon nanotube is suspended in a branch shape between the plurality of first carbon nanotubes. For example, if the average diameter of the first carbon nanotubes is 100 nm or more, the trunk becomes stable and cracks are less likely to occur in the electrode structure, and it becomes easy to maintain sufficient strength. On the other hand, when the average diameter of the second carbon nanotubes is 30 nm or less, the second carbon nanotubes can be sufficiently entangled with the first carbon nanotubes, and the conductivity is improved. That is, by using an electrode having a conductive sheet containing two types of carbon nanotubes having different average fiber diameters, the cell resistivity of the redox flow battery can be lowered and the electric capacity can be increased.

第2のカーボンナノチューブの少なくとも一部が、2本以上の第1のカーボンナノチューブに絡まった構造を有することがより好ましい。絡まった構造も、例えば透過電子顕微鏡観察により確認することができる。第2のカーボンナノチューブの少なくとも一部が、2本以上の第1のカーボンナノチューブの周りを1周以上している構造が確認できるとき、「絡まった構造を有する」と判断する。
なお、絡まった構造についても、跨った構造を有するときと同様の効果が期待できる。
It is more preferable that at least a part of the second carbon nanotube has a structure in which two or more first carbon nanotubes are entangled. The entangled structure can also be confirmed by observation with a transmission electron microscope, for example. When a structure in which at least a part of the second carbon nanotubes has one or more rounds around the two or more first carbon nanotubes can be confirmed, it is determined as “having a tangled structure”.
Note that the same effect can be expected for the entangled structure as when the structure is straddled.

第2のカーボンナノチューブは、第1のカーボンナノチューブと第2のカーボンナノチューブの合計100質量部に対し、0.05〜30質量部であることが好ましい。より好ましくは0.1〜20質量部、さらに好ましくは1〜15質量部である。第2のカーボンナノチューブがこの範囲で含まれれば、電極が高い強度および高い導電性を維持できる構造となる。これは、第2のカーボンナノチューブがこの範囲で含まれていることで、第1のカーボンナノチューブが導電の主材料として機能し、さらに第2のカーボンナノチューブが、それぞれの第1のカーボンナノチューブ間を電気的に繋ぎ、導電を効率的にサポートするためと考えられる。
なお、第1のカーボンナノチューブと第2のカーボンナノチューブの合計100質量部に対する第2のカーボンナノチューブの割合は、成形された導電性シートを透過型電子顕微鏡で観察し、同一視野において繊維径が50nmを超えるものを第1のカーボンナノチューブ、繊維径が50nm未満のものを第2のカーボンナノチューブとみなし、第1のカーボンナノチューブと第2のカーボンナノチューブが同一密度であるとして数と大きさから質量に換算してもよい。
The second carbon nanotube is preferably 0.05 to 30 parts by mass with respect to 100 parts by mass in total of the first carbon nanotube and the second carbon nanotube. More preferably, it is 0.1-20 mass parts, More preferably, it is 1-15 mass parts. If the second carbon nanotube is included in this range, the electrode can have a structure capable of maintaining high strength and high conductivity. This is because the second carbon nanotubes are included in this range, so that the first carbon nanotubes function as a main conductive material, and the second carbon nanotubes pass between the first carbon nanotubes. This is thought to be for electrical connection and efficient support of conduction.
The ratio of the second carbon nanotubes to the total of 100 parts by mass of the first carbon nanotubes and the second carbon nanotubes is determined by observing the molded conductive sheet with a transmission electron microscope, and the fiber diameter is 50 nm in the same field of view. Are considered to be the first carbon nanotubes, and those having a fiber diameter of less than 50 nm are considered to be the second carbon nanotubes. From the number and size to the mass, assuming that the first carbon nanotubes and the second carbon nanotubes have the same density. You may convert.

また、第1のカーボンナノチューブおよび第2のカーボンナノチューブの割合が上記範囲である場合、前述の「跨った構造」および「絡まった構造」が形成されやすくなる。このため、上述の通り、セル抵抗率の低下、電気容量の増大等の効果が期待できる。   Further, when the ratio of the first carbon nanotube and the second carbon nanotube is within the above range, the above-mentioned “stretched structure” and “entangled structure” are likely to be formed. For this reason, as described above, effects such as a decrease in cell resistivity and an increase in electric capacity can be expected.

導電性シートは、カーボンナノチューブ以外の導電性材料を含んでもよい。具体的には、導電性ポリマー、グラファイト、導電性のカーボンファイバーなどが挙げられる。耐酸性、耐酸化性、およびカーボンナノチューブとの混合しやすさから導電性のカーボンファイバーを含むことが好ましい。カーボンファイバーの体積抵抗率は、好ましくは10Ω・cm以下であり、より好ましくは10Ω・cm以下である。カーボンファイバーの体積抵抗率は、日本工業規格 JIS R7609:2007に記載の方法により測定することができる。導電性シートは、カーボンナノチューブとそれ以外の導電性材料を併せた含有量を80質量%以上とすると、電極の導電性をより高めることができるため好ましい。 The conductive sheet may include a conductive material other than carbon nanotubes. Specific examples include conductive polymers, graphite, and conductive carbon fibers. In view of acid resistance, oxidation resistance, and ease of mixing with carbon nanotubes, it is preferable to include conductive carbon fibers. The volume resistivity of the carbon fiber is preferably 10 7 Ω · cm or less, and more preferably 10 3 Ω · cm or less. The volume resistivity of the carbon fiber can be measured by the method described in Japanese Industrial Standards JIS R7609: 2007. It is preferable that the conductive sheet has a combined content of carbon nanotubes and other conductive materials of 80% by mass or more because the conductivity of the electrode can be further increased.

導電性シートが含むカーボンファイバーの平均繊維径は、1μmより大きいことが好ましい。カーボンナノチューブよりも平均繊維径が太いカーボンファイバーを用いると、導電性シート内により大きな空隙を形成することができ、電解液を電極に通液させた時の圧力損失を小さくすることができる。また、シートの導電性、強度の向上などの効果も期待できる。カーボンナノチューブとカーボンファイバーの構造は、カーボンファイバーの表面にカーボンナノチューブが付着し、カーボンナノチューブが複数のカーボンファイバー間に跨った構造を有することが好ましい。この場合、電解液を電極に通液させた時の圧力損失を小さくするとともに良好な導電性を備えることができ好ましい。カーボンファイバーの平均繊維径は、好ましくは2〜100μm、より好ましくは5〜30μmである。平均繊維長は、好ましくは0.01〜20mm、より好ましくは0.05〜8mm、さらに好ましくは0.1〜1mmである。   The average fiber diameter of the carbon fibers contained in the conductive sheet is preferably larger than 1 μm. When a carbon fiber having an average fiber diameter larger than that of the carbon nanotube is used, a larger gap can be formed in the conductive sheet, and a pressure loss when the electrolytic solution is passed through the electrode can be reduced. In addition, effects such as improvement in sheet conductivity and strength can be expected. The structure of the carbon nanotube and the carbon fiber preferably has a structure in which the carbon nanotube adheres to the surface of the carbon fiber and the carbon nanotube straddles between the plurality of carbon fibers. In this case, it is preferable that the pressure loss when the electrolytic solution is passed through the electrode can be reduced and good conductivity can be provided. The average fiber diameter of the carbon fiber is preferably 2 to 100 μm, more preferably 5 to 30 μm. The average fiber length is preferably 0.01 to 20 mm, more preferably 0.05 to 8 mm, and still more preferably 0.1 to 1 mm.

導電性シートが含むカーボンファイバーの含有量は、カーボンナノチューブと導電性シートが含むカーボンファイバーの合計100質量部に対し、95質量部以下であることが好ましい。この場合、電解液を電極に通液させた時の圧力損失が小さいレドックスフロー電池の電極を得ることができるので好ましい。導電性シートが含むカーボンファイバーの含有量は、カーボンナノチューブと導電性シートが含むカーボンファイバーの合計100質量部に対し、より好ましくは90質量部以下、さらに好ましくは85質量部以下である。   The content of the carbon fiber contained in the conductive sheet is preferably 95 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the carbon fibers contained in the carbon nanotube and the conductive sheet. In this case, an electrode of a redox flow battery having a small pressure loss when the electrolytic solution is passed through the electrode can be obtained, which is preferable. The content of the carbon fiber contained in the conductive sheet is more preferably 90 parts by mass or less, and still more preferably 85 parts by mass or less, with respect to 100 parts by mass in total of the carbon fibers contained in the carbon nanotube and the conductive sheet.

導電性シートは、水溶性導電性高分子を含んでいてもよい。水溶性導電性高分子は、カーボンナノチューブの表面を親水化することができ、電解液を電極に通液させた時の圧力損失が小さくなるので好ましい。水溶性導電性高分子としては、スルホ基を有する導電性高分子が好ましく、具体的にはポリイソチアナフテンスルホン酸を挙げることができる。   The conductive sheet may contain a water-soluble conductive polymer. The water-soluble conductive polymer is preferable because the surface of the carbon nanotube can be hydrophilized and the pressure loss when the electrolytic solution is passed through the electrode is reduced. The water-soluble conductive polymer is preferably a conductive polymer having a sulfo group, and specific examples include polyisothianaphthenesulfonic acid.

水溶性導電性高分子の添加量は、カーボンナノチューブ及び導電性シートに含まれるカーボンファイバーの合計100質量部に対して5質量部以下が好ましい。4質量部以下がより好ましく、1質量部以下がさらに好ましい。導電性シートを、カーボンナノチューブ及びカーボンファイバーを含む分散液を濾過して得る場合、水溶性導電性高分子は通常5質量部より多くは含まれない。   The addition amount of the water-soluble conductive polymer is preferably 5 parts by mass or less with respect to 100 parts by mass in total of the carbon fibers contained in the carbon nanotube and the conductive sheet. 4 parts by mass or less is more preferable, and 1 part by mass or less is more preferable. When the conductive sheet is obtained by filtering a dispersion containing carbon nanotubes and carbon fibers, the water-soluble conductive polymer is usually not contained in an amount of more than 5 parts by mass.

導電性シートの電池への組み込み前の厚みは、好ましくは0.01mm〜1mm、より好ましくは0.01mm〜0.8mm、さらに好ましくは0.02〜0.5mmである。0.01mm以上では導電性が良好になり、1mm以下では良好な通液性が得られるため好ましい。   The thickness of the conductive sheet before incorporation into the battery is preferably 0.01 mm to 1 mm, more preferably 0.01 mm to 0.8 mm, and still more preferably 0.02 to 0.5 mm. If it is 0.01 mm or more, the conductivity is good, and if it is 1 mm or less, good liquid permeability is obtained, which is preferable.

主電極層を構成する複数の主電極片の各々は長方形状を有し、短辺の長さ(幅)は5mm以上、70mm以下とすることができる。
主電極片の幅(「有効電極面積の幅」を意味する)を5mm以上、70mm以下とすると、電解液の流路抵抗を下げることができる。後述する液流出層の厚さが0.1~0.4mmのとき、主電極片の幅は、10mm〜50mmの範囲がより好ましく、10mm〜40mmの範囲がさらに好ましく、15mm〜35mmの範囲が最も好ましい。また、液流出層の厚さが0.4mmを超え、1mm以下のとき、主電極片の幅は、10mm〜60mmの範囲がより好ましく、20mm〜50mmの範囲がさらに好ましく、20mm〜40mmの範囲が最も好ましい。
また、後述する液流出層の厚さが0.1~0.4mmのとき、有効面積比は、60%以上が好ましく、85%以上がさらに好ましく、85%〜95%の範囲が最も好ましい。また、液流出層の厚さが0.4mmを超え、1mm以下のとき、有効面積比は、60%以上が好ましく、85%以上がさらに好ましく、85%〜95%の範囲が最も好ましい。
Each of the plurality of main electrode pieces constituting the main electrode layer has a rectangular shape, and the length (width) of the short side can be 5 mm or more and 70 mm or less.
When the width of the main electrode piece (meaning “the width of the effective electrode area”) is 5 mm or more and 70 mm or less, the flow resistance of the electrolytic solution can be lowered. When the thickness of the liquid outflow layer described later is 0.1 to 0.4 mm, the width of the main electrode piece is more preferably in the range of 10 mm to 50 mm, further preferably in the range of 10 mm to 40 mm, and in the range of 15 mm to 35 mm. Most preferred. Further, when the thickness of the liquid outflow layer exceeds 0.4 mm and is 1 mm or less, the width of the main electrode piece is more preferably in the range of 10 mm to 60 mm, further preferably in the range of 20 mm to 50 mm, and in the range of 20 mm to 40 mm. Is most preferred.
Further, when the thickness of the liquid outflow layer described later is 0.1 to 0.4 mm, the effective area ratio is preferably 60% or more, more preferably 85% or more, and most preferably in the range of 85% to 95%. When the thickness of the liquid outflow layer exceeds 0.4 mm and is 1 mm or less, the effective area ratio is preferably 60% or more, more preferably 85% or more, and most preferably in the range of 85% to 95%.

「液流出層」
液流出層32は、主電極層31を通過した電解液が電極30の外部に流出するために設けられた部材である。
図5に示した液流出層32は分割された構成(複数の要素からなる構成)であるが、セル全体に1枚で構成されてもよい。
液流出層32は、主電極層31と比較して、電解液が流れやすい構成を有する。電解液の流れやすさは、ダルシー則の透過率により評価することができる。ダルシー則は多孔性媒体の透過率を表すのに用いられるが、本発明では便宜上多孔質材料以外の部材にも適用する。その際、不均一で異方性のある部材については、最も低い透過率となる方向の透過率を採用する。
"Liquid outflow layer"
The liquid outflow layer 32 is a member provided for the electrolytic solution that has passed through the main electrode layer 31 to flow out of the electrode 30.
The liquid outflow layer 32 shown in FIG. 5 has a divided structure (a structure made up of a plurality of elements), but it may be formed of one sheet for the entire cell.
The liquid outflow layer 32 has a configuration in which the electrolytic solution flows more easily than the main electrode layer 31. The ease of flow of the electrolyte can be evaluated by the Darcy law transmittance. Darcy's law is used to express the transmittance of the porous medium, but in the present invention, it is also applied to members other than the porous material for convenience. At that time, for the non-uniform and anisotropic member, the transmittance in the direction of the lowest transmittance is adopted.

液流出層32内のダルシー則透過率(以下、単に透過率と呼ぶ場合がある)は、主電極層31の透過率と比較して、例えば50倍以上であることが好ましく、100倍以上であることがより好ましい。ここでダルシー則の透過率k(m)は、粘度μ(Pa・sec)の液を通液させる部材の断面積S(m)、部材の長さL(m)と、流量Q(m/sec)を通液した際の部材の液流入側と液流出側の差圧ΔP(Pa)から、次式で表される液体の透過流束(m/sec)の関係より算出される。なお、液流出部材内が空間からなる場合は、電極30に組み込んだ状態で、空間の通液方向に対して垂直な断面積を「通液させる部材の断面積S」と規定する。 The Darcy law transmittance (hereinafter, simply referred to as transmittance) in the liquid outflow layer 32 is preferably 50 times or more, for example, 100 times or more, compared with the transmittance of the main electrode layer 31. More preferably. Here, Darcy's law transmittance k (m 2 ) is the cross-sectional area S (m 2 ) of the member through which the liquid of viscosity μ (Pa · sec) is passed, the length L (m) of the member, and the flow rate Q ( m 3 / sec) from the differential pressure ΔP (Pa) between the liquid inflow side and the liquid outflow side of the member when the liquid is passed through, and is calculated from the relationship of the liquid permeation flux (m / sec) expressed by the following equation: The In addition, when the inside of a liquid outflow member consists of space, the cross-sectional area perpendicular | vertical with respect to the liquid flow direction of space is prescribed | regulated as "the cross-sectional area S of the member which lets liquid flow" in the state integrated in the electrode 30.

Figure 2019012694
Figure 2019012694

液流出層32内の透過率とは、主電極層31のシート面を基準とする面内方向(シート面に平行な方向)での透過率であり、主電極層31の透過率とは、主電極層31のシート面を基準とする法線方向(シート面に直交する方向)での透過率である。   The transmittance in the liquid outflow layer 32 is a transmittance in an in-plane direction (a direction parallel to the sheet surface) with respect to the sheet surface of the main electrode layer 31, and the transmittance of the main electrode layer 31 is It is a transmittance in a normal direction (a direction orthogonal to the sheet surface) with respect to the sheet surface of the main electrode layer 31.

主電極層31の透過率と比較して、液流出層32内の透過率が十分高い場合、主電極層31を通過した電解液は、流出側で滞留することなく、速やかに電極30の外部に排出される。液流出層32に電解液が滞留しないということは、この液流出層32を電解液が通過するために必要な圧力が、主電極層31を電解液が通過するために必要な圧力に比べ十分低いことを意味する。すなわち、主電極層31と液流出層32の透過率が上記の関係にあれば、主電極層31を通過する電解液の流れが主電極層31の面に対して垂直な方向に向いている場合、主電極層31内の垂直方向の流れを乱すことなく、液流出層32内を通過して電極30の外部に排出することができる。   When the transmittance in the liquid outflow layer 32 is sufficiently high compared to the transmittance of the main electrode layer 31, the electrolyte that has passed through the main electrode layer 31 does not stay on the outflow side, and quickly passes through the outside of the electrode 30. To be discharged. The fact that the electrolytic solution does not stay in the liquid outflow layer 32 means that the pressure necessary for the electrolytic solution to pass through the liquid outflow layer 32 is sufficiently higher than the pressure necessary for the electrolytic solution to pass through the main electrode layer 31. Means low. That is, if the transmittances of the main electrode layer 31 and the liquid outflow layer 32 are in the above relationship, the flow of the electrolyte passing through the main electrode layer 31 is directed in a direction perpendicular to the surface of the main electrode layer 31. In this case, the liquid can flow out of the electrode 30 through the liquid outflow layer 32 without disturbing the vertical flow in the main electrode layer 31.

液流出層32の厚み(組み込み前)は、0.1mm以上、0.9mm以下とすることができる。液流出層の厚みはセル抵抗率に大きく影響する。液流出層の厚みを0.1mm以上、0.9mm以下とすることにより、従来よりもセル抵抗率が低いレドックスフロー電池を組みやすくなる。
一方、液流出層32の組み込み後の厚みを増すことにより、電解液が液流出層32を通過するために必要な圧力をさらに低減することができる。
液流出層32の組み込み後の厚みは、好ましくは0.08mm以上、より好ましくは0.1mm〜0.7mm、さらに好ましくは0.15〜0.5mmである。0.08mm以上であれば電解液を通過させるために必要な圧力を低減することができるので好ましい。また0.7mm以下であれば、セル抵抗率の増加を抑制できるので好ましい。
The thickness (before incorporation) of the liquid outflow layer 32 can be 0.1 mm or more and 0.9 mm or less. The thickness of the liquid outflow layer greatly affects the cell resistivity. By setting the thickness of the liquid outflow layer to 0.1 mm or more and 0.9 mm or less, a redox flow battery having a cell resistivity lower than that of the conventional one can be easily assembled.
On the other hand, by increasing the thickness after incorporation of the liquid outflow layer 32, the pressure required for the electrolytic solution to pass through the liquid outflow layer 32 can be further reduced.
The thickness after incorporation of the liquid outflow layer 32 is preferably 0.08 mm or more, more preferably 0.1 mm to 0.7 mm, and still more preferably 0.15 to 0.5 mm. If it is 0.08 mm or more, the pressure required to allow the electrolyte to pass can be reduced, which is preferable. Moreover, if it is 0.7 mm or less, since the increase in cell resistivity can be suppressed, it is preferable.

液流出層32の厚みは主電極片の短辺長さ(幅)の1/150以上とすることができる。液流出層の厚みが薄くなると短辺長さは短くする必要があるが、液流出層32の厚みを主電極片の短辺長さ(幅)の1/150以上とすることにより、この要請に応えたものとなる。
一方、液流出層32の厚みは主電極片の短辺長さ(幅)の1/20以下とすることができる。液流出層32の厚みを主電極片の短辺長さ(幅)の1/20以下とすることにより、従来よりもセル抵抗率が低いレドックスフロー電池を組みやすくなる場合がある。
The thickness of the liquid outflow layer 32 can be 1/150 or more of the short side length (width) of the main electrode piece. When the thickness of the liquid outflow layer is reduced, the short side length needs to be shortened. However, this requirement is achieved by setting the thickness of the liquid outflow layer 32 to 1/150 or more of the short side length (width) of the main electrode piece. In response to
On the other hand, the thickness of the liquid outflow layer 32 can be set to 1/20 or less of the short side length (width) of the main electrode piece. By setting the thickness of the liquid outflow layer 32 to 1/20 or less of the short side length (width) of the main electrode piece, it may be easy to assemble a redox flow battery having a cell resistivity lower than that in the past.

また主電極層31を通過後の電解液は、酸化反応または還元反応が生じた後の電解液が占める割合が高い。このように電解液を速やかに流出することで、主電極層31の近傍から価数変化後のイオンを効率的に除去できるため、反応性を高めることができる。例えば、バナジウムを含む電解液を用いる場合は、充電過程では、正極ではV4+がV5+に、負極ではV3+がV2+に変化する。そのため、この反応後のイオン(V5+及びV2+)を効率的に除去することで、導電性シートに速やかに反応前のイオン(V4+及びV3+)を供給することができ、反応前後のイオンが効率的に置換され反応効率を高めることができる。放電過程ではイオンの価数変化は逆となるが、充電過程と同様に反応前後のイオンが効率的に置換され反応効率を高めることができる。 Further, the ratio of the electrolytic solution after passing through the main electrode layer 31 to the electrolytic solution after the oxidation reaction or the reduction reaction is high. By quickly flowing out the electrolytic solution in this manner, ions after the valence change can be efficiently removed from the vicinity of the main electrode layer 31, and thus the reactivity can be increased. For example, when an electrolytic solution containing vanadium is used, in the charging process, V 4+ changes to V 5+ at the positive electrode and V 3+ changes to V 2+ at the negative electrode. Therefore, the ions (V 4+ and V 3+ ) before the reaction can be quickly supplied to the conductive sheet by efficiently removing the ions (V 5+ and V 2+ ) after the reaction. Ions can be efficiently substituted to increase the reaction efficiency. In the discharging process, the valence change of the ions is reversed, but the ions before and after the reaction are efficiently replaced and the reaction efficiency can be increased as in the charging process.

液流出層32の具体的態様は、液流出層32の透過率と主電極層31の透過率が上述の関係を有していれば特に制限はない。液流出層32は、主電極層31とイオン交換膜10と間に配置され、電極30の外部に電解液を排出する液流出口を設けた外枠であってもよい。液流出層32がこのような外枠からなる場合、主電極層31と、イオン交換膜10と、外枠によって囲まれた空間内を電解液が流通する。この場合の、「液流出層32内の透過率」とは、外枠を構成する部材自体の透過率を意味するのではなく、外枠で形成された空間と外枠に形成された液流出口で構成される部分の面内方向の透過率を意味する。なお、外枠とは、最外部に形成された枠と言う意味ではない。また、外枠の外にさらに別部材による囲い(筺体等)を有していてもよい。   The specific mode of the liquid outflow layer 32 is not particularly limited as long as the transmittance of the liquid outflow layer 32 and the transmittance of the main electrode layer 31 have the above relationship. The liquid outflow layer 32 may be an outer frame disposed between the main electrode layer 31 and the ion exchange membrane 10 and provided with a liquid outlet for discharging the electrolytic solution to the outside of the electrode 30. When the liquid outflow layer 32 is composed of such an outer frame, the electrolytic solution flows in the space surrounded by the main electrode layer 31, the ion exchange membrane 10, and the outer frame. In this case, the “transmittance in the liquid outflow layer 32” does not mean the transmittance of the member itself constituting the outer frame, but the liquid flow formed in the space formed in the outer frame and the outer frame. It means the transmissivity in the in-plane direction of the part constituted by the outlet. The outer frame does not mean a frame formed at the outermost part. Moreover, you may have the enclosure (an enclosure etc.) by another member outside the outer frame.

液流出層32は、多孔質シート(第1の多孔質シート)からなることが好ましい。この場合、液流出口は、第1の多孔質シートの側面に存在する多数の孔に対応する。液流出層32が第1の多孔質シートからなることで、液流出層32が主電極層31とイオン交換膜10の間の緩衝材として機能する。そのため、イオン交換膜10に傷等が生じることを抑制でき、且つ主電極層31を安定に支持することができる。この場合の「液流出層32内の透過率」は、第1の多孔質シート全体の面内方向の透過率を意味する。   The liquid outflow layer 32 is preferably made of a porous sheet (first porous sheet). In this case, the liquid outlet corresponds to a large number of holes existing on the side surface of the first porous sheet. Since the liquid outflow layer 32 is made of the first porous sheet, the liquid outflow layer 32 functions as a buffer material between the main electrode layer 31 and the ion exchange membrane 10. Therefore, it is possible to prevent the ion exchange membrane 10 from being scratched and to support the main electrode layer 31 stably. The “transmittance in the liquid outflow layer 32” in this case means the transmittance in the in-plane direction of the entire first porous sheet.

第1の多孔質シートは、空隙を有するスポンジ状の部材でも、繊維が絡み合ってなる部材でもよい。例えば、比較的長い繊維を織った織物、繊維を織らずに絡み合わせたフェルト、比較的短い繊維を漉いてシート状にしたペーパー等を用いることができる。第1の多孔質シートが、繊維からなる場合、その平均繊維径は1μmより大きい繊維からなることが好ましい。第1の多孔質シートの平均繊維径が1μm以上であれば、第1の多孔質シート内の電解液の通液性を十分確保することができる。   The first porous sheet may be a sponge-like member having voids or a member in which fibers are intertwined. For example, a woven fabric in which relatively long fibers are woven, felt in which fibers are entangled without being woven, paper in which relatively short fibers are wound and formed into a sheet shape, or the like can be used. When the first porous sheet is made of fibers, the average fiber diameter is preferably made of fibers larger than 1 μm. If the average fiber diameter of a 1st porous sheet is 1 micrometer or more, the liquid permeability of the electrolyte solution in a 1st porous sheet can fully be ensured.

第1の多孔質シートは電解液で腐食しないことが好ましい。具体的には、レドックスフロー電池は、酸性の溶液を用いることが多い。そのため、第1の多孔質シートは、耐酸性を有することが好ましい。また反応により酸化することも考えられるため、耐酸化性を有することが好ましい。耐酸性または耐酸化性を有するとは、使用後の多孔質シートが形状を維持している状態を指す。
例えば、耐酸性を有する高分子やガラスからなる繊維が好ましい。高分子としてはフッ素系樹脂やフッ素系エラストマー、ポリエステル、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドの少なくとも1つからなる繊維が好ましく用いられる。耐酸性の観点からは、フッ素樹脂、フッ素系エラストマー、ポリエステル、アクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドがより好ましい。耐酸化性の観点からは、フッ素樹脂、フッ素系エラストマー、ポリエチレン、ポリエーテルエーテルケトン、ポリフェニレンサルファイドがより好ましい。耐熱性の観点からはフッ素樹脂、フッ素系エラストマー、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリアリレート、ポリエーテルエーテルケトン、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイドがより好ましい。
The first porous sheet is preferably not corroded by the electrolytic solution. Specifically, redox flow batteries often use acidic solutions. Therefore, it is preferable that the first porous sheet has acid resistance. Moreover, since oxidation by reaction is also considered, it is preferable to have oxidation resistance. Having acid resistance or oxidation resistance refers to a state in which the porous sheet after use maintains its shape.
For example, fibers made of polymer or glass having acid resistance are preferable. As the polymer, fibers made of at least one of fluorine resin, fluorine elastomer, polyester, acrylic resin, polyethylene, polypropylene, polyarylate, polyether ether ketone, polyimide, and polyphenylene sulfide are preferably used. From the viewpoint of acid resistance, fluorine resin, fluorine elastomer, polyester, acrylic resin, polyethylene, polypropylene, polyether ether ketone, polyimide, and polyphenylene sulfide are more preferable. From the viewpoint of oxidation resistance, fluororesins, fluoroelastomers, polyethylene, polyetheretherketone, and polyphenylene sulfide are more preferable. From the viewpoint of heat resistance, fluorine resin, fluorine-based elastomer, polyester, polypropylene, polyarylate, polyetheretherketone, polyimide, and polyphenylene sulfide are more preferable.

また、この第1の多孔質シートは、導電性を有することが好ましい。ここで、導電性とは、体積抵抗率が、好ましくは10Ω・cm以下であり、より好ましくは10Ω・cm以下程度の導電性を意味する。第1の多孔質シートが導電性を有すれば、液流出層32内の電気伝導性を高めることができる。例えば、導電性を有する材料からなる繊維を用いて第1の多孔質シートを形成する場合は、耐酸性および耐酸化性のある金属や合金からなる繊維や、カーボンファイバーを用いることができる。金属や合金の繊維としては、チタン、ジルコニウムや白金などを含むものが挙げられる。これらのうち、カーボンファイバーを用いることが好ましい。 Moreover, it is preferable that this 1st porous sheet has electroconductivity. Here, the conductivity means that the volume resistivity is preferably 10 7 Ω · cm or less, more preferably about 10 3 Ω · cm or less. If the first porous sheet has conductivity, the electrical conductivity in the liquid outflow layer 32 can be increased. For example, when forming a 1st porous sheet using the fiber which consists of material which has electroconductivity, the fiber which consists of a metal and an alloy with acid resistance and oxidation resistance, and carbon fiber can be used. Examples of the metal or alloy fiber include titanium, zirconium, platinum, and the like. Among these, it is preferable to use carbon fiber.

「液流入層」
集電体20と主電極層31との間に液流入層33を挿入しても良い。
液流入層はダルシー則透過率が主電極層より高いことが好ましい。液流入層は、例えば液流出層に記載した材料を用いることが出来る。
"Liquid inflow layer"
A liquid inflow layer 33 may be inserted between the current collector 20 and the main electrode layer 31.
The liquid inflow layer preferably has a Darcy law transmittance higher than that of the main electrode layer. For the liquid inflow layer, for example, the materials described in the liquid outflow layer can be used.

図5に示すレドックスフロー電池では、主電極層31A、31Bの端部が、集電板の周縁壁21A、21Bの頂面21a、21b(図3参照)上に載置される。仮に、主電極層31A、31Bが収容部20a、20bに嵌っている構成である場合に、電解液は、主電極層と周縁部内面との間を短絡して主電極層を通過せずに排出路23(図3参照)に流出するおそれがある。このように短絡して主電極片内を通過せずに排出路23(図3参照)に流出した電解液は未反応で排出されてしまうため、セル抵抗率の上昇に繋がってしまう。これに対して、図5に示すレドックスフロー電池のように、主電極層31A、31Bの端部が、集電板の周縁壁21A、21Bの頂面21a、21b(図3参照)上に載置された構成では、短絡路は形成されず、電解液は必ず、主電極層を通過して電池反応を生じる。なお、主電極層は、電解液が前記集電板側の面から前記イオン交換膜側の面に流れる部分であり、電気化学的な意味(主電極片の幅、有効面積比など)を考慮する場合、前記頂面21a、21b上に載置される部分は含まない。ただし、本段落では上記構造の説明を容易にするため、前記頂面21a、21b上に載置される部分も含め主電極層と称した。   In the redox flow battery shown in FIG. 5, the end portions of the main electrode layers 31A and 31B are placed on the top surfaces 21a and 21b (see FIG. 3) of the peripheral walls 21A and 21B of the current collector plate. Temporarily, when main electrode layer 31A, 31B is the structure fitted in accommodating part 20a, 20b, electrolyte solution short-circuits between a main electrode layer and a peripheral part inner surface, and does not pass a main electrode layer There is a risk of flowing into the discharge path 23 (see FIG. 3). In this way, the electrolyte solution that has short-circuited and does not pass through the main electrode piece and has flowed into the discharge path 23 (see FIG. 3) is discharged unreacted, leading to an increase in cell resistivity. On the other hand, as in the redox flow battery shown in FIG. 5, the end portions of the main electrode layers 31A and 31B are mounted on the top surfaces 21a and 21b (see FIG. 3) of the peripheral walls 21A and 21B of the current collector plates. In the installed configuration, a short circuit is not formed, and the electrolyte always passes through the main electrode layer to cause a battery reaction. The main electrode layer is a portion where the electrolyte flows from the current collector side surface to the ion exchange membrane side surface, taking into account the electrochemical meaning (the width of the main electrode piece, the effective area ratio, etc.). In this case, the portions placed on the top surfaces 21a and 21b are not included. However, in this paragraph, in order to facilitate the description of the above structure, the main electrode layer including the portions placed on the top surfaces 21a and 21b is referred to.

(電解液の流れ)
図6に、本発明のレドックスフロー電池の電解液の流れを説明するための模式図であって、図2のY−Y線で切った断面模式図である。
図6(a)は、集電体20とイオン交換膜(図5参照)との間に主電極層31と液流出層32とを備えた構成の場合であり、図6(b)は、集電体20とイオン交換膜(図5参照)との間に液流入層33と主電極層31と液流出層32とを備えた構成の場合である。
図6(a)に示す通り、集電体22の流路網に入った電解液はすばやく面内方向に拡がった後、主電極層31を面直方向に通過し、その後、液流出層32に入り、面内方向に進んで排出路に回収される。
図6(b)に示す通り、集電体22の流路網に入った電解液はすばやく面内方向に拡がった後、液流入層33に入り、液流入層33においても面内方向に拡がった状態で、主電極層31を面直方向に通過し、その後、液流出層32に入り、面内方向に進んで排出路に回収される。
(Flow of electrolyte)
FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the flow of the electrolyte solution of the redox flow battery of the present invention, and is a schematic cross-sectional view taken along the line YY of FIG.
FIG. 6A shows a case where the main electrode layer 31 and the liquid outflow layer 32 are provided between the current collector 20 and the ion exchange membrane (see FIG. 5), and FIG. This is a case where the liquid inflow layer 33, the main electrode layer 31, and the liquid outflow layer 32 are provided between the current collector 20 and the ion exchange membrane (see FIG. 5).
As shown in FIG. 6A, the electrolyte solution that has entered the channel network of the current collector 22 quickly spreads in the in-plane direction, then passes through the main electrode layer 31 in the direction perpendicular to the surface, and then the liquid outflow layer 32. Enters the in-plane direction and is collected in the discharge path.
As shown in FIG. 6B, the electrolyte solution that has entered the flow path network of the current collector 22 quickly spreads in the in-plane direction, then enters the liquid inflow layer 33, and also spreads in the in-plane direction in the liquid inflow layer 33. In this state, it passes through the main electrode layer 31 in the direction perpendicular to the surface, then enters the liquid outflow layer 32, proceeds in the in-plane direction, and is collected in the discharge path.

(セル抵抗率の算出)
セル抵抗率〔Ω・cm〕は、充放電を行って充放電曲線を得た後に、中点法を用いて、以下の式(1)から算出した。充電と放電は同じ電流で行う。
ρS,cell = S ×(V−V)/(2×I) ・・・(1)
ここで、
ρS,cell:セル抵抗率〔Ω・cm
S:電極面積〔cm
:充電曲線の中点電圧〔V〕
:放電曲線の中点電圧〔V〕
I:充放電電流〔A〕
である。
この算出方法をより詳細に説明する。
充放電曲線では必ず、充電曲線が上になり、放電曲線が下になる。これは、電池の内部抵抗に起因するものである。すなわち、放電の際には、開放端電圧(電流が流れていないときの電圧)に対して、電池の内部抵抗の分の電圧降下(過電圧)分が放電電圧となる。一方、充電は開放端電圧に対して、電池の内部抵抗の分の電圧上昇(過電圧)分が充電電圧となる。これを式にすると;
充電電圧(V)=開放端電圧(V)+過電圧(V) ・・・(1−a)
放電電圧(V)=開放端電圧(V)−過電圧(V) ・・・(1−b)
過電圧(V)=電池の内部抵抗(Ω)×充放電電流(I) ・・・(1−c)
(1−a)〜(1−c)から、
電池の内部抵抗(Ω)={充電電圧(V)−放電電圧(V)}/2×充放電電流(I)、が得られる。ここで、充放電電流(I)を電流密度にすると、セル抵抗率〔Ω・cm〕の式が得られる。
ここで、充放電曲線(横軸:電気容量(Ah)、縦軸:電池電圧(V))において、充電曲線から得られた充電容量の1/2での電圧(V)を充電電圧とし、及び、放電曲線から得られた放電容量の1/2での電圧(V)を放電電圧としたものが中点法によるセル抵抗率〔Ω・cm〕の算出方法である。
実施例で示したセル抵抗率は、充放電電流密度が100mA/cm、充電終了電圧1.8V、放電終了電圧0.8V、温度25℃、の充放電条件で充放電を行って得られたものである。
(Calculation of cell resistivity)
The cell resistivity [Ω · cm 2 ] was calculated from the following formula (1) using a midpoint method after charging / discharging to obtain a charging / discharging curve. Charging and discharging are performed with the same current.
ρ S, cell = S × (V 1 −V 2 ) / (2 × I) (1)
here,
ρ S, cell : Cell resistivity [Ω · cm 2 ]
S: Electrode area [cm 2 ]
V 1 : Middle point voltage [V] of the charging curve
V 2 : Middle point voltage [V] of the discharge curve
I: Charge / discharge current [A]
It is.
This calculation method will be described in more detail.
In the charge / discharge curve, the charge curve is always on the top and the discharge curve is on the bottom. This is due to the internal resistance of the battery. That is, at the time of discharge, the voltage drop (overvoltage) corresponding to the internal resistance of the battery becomes the discharge voltage with respect to the open-circuit voltage (voltage when no current flows). On the other hand, with respect to charging, a voltage increase (overvoltage) corresponding to the internal resistance of the battery becomes a charging voltage with respect to the open-circuit voltage. If this is an expression:
Charging voltage (V) = open end voltage (V) + overvoltage (V) (1-a)
Discharge voltage (V) = open end voltage (V) −overvoltage (V) (1-b)
Overvoltage (V) = Battery internal resistance (Ω) × Charge / discharge current (I) (1-c)
From (1-a) to (1-c),
Battery internal resistance (Ω) = {charge voltage (V) −discharge voltage (V)} / 2 × charge / discharge current (I). Here, when the charge / discharge current (I) is set to a current density, an equation of cell resistivity [Ω · cm 2 ] is obtained.
Here, in the charge / discharge curve (horizontal axis: electric capacity (Ah), vertical axis: battery voltage (V)), the voltage (V 1 ) at half the charge capacity obtained from the charge curve is defined as the charge voltage. The calculation method of the cell resistivity [Ω · cm 2 ] according to the midpoint method is that the voltage (V 2 ) at half the discharge capacity obtained from the discharge curve is the discharge voltage.
The cell resistivity shown in the examples is obtained by performing charge / discharge under charge / discharge conditions of a charge / discharge current density of 100 mA / cm 2 , a charge end voltage of 1.8 V, a discharge end voltage of 0.8 V, and a temperature of 25 ° C. It is a thing.

以下、本発明の実施例について説明する。なお、本発明は以下の実施例のみに限定されるものではない。   Examples of the present invention will be described below. In addition, this invention is not limited only to a following example.

まず、幅50mm×長さ50mmの主電極層が分割されていない場合(比較例1)に対して、主電極層が分割されている(複数の主電極片からなる)場合(実施例1〜5)の結果を示す。
(実施例1)
[試料の作製と透過率の測定]
まず、主電極層に用いる導電性シートを作製した。平均繊維径150nm、平均繊維長15μmの第1のカーボンナノチューブと、平均繊維径15nm、平均繊維長3μmの第2のカーボンナノチューブとを、第1のカーボンナノチューブと第2のカーボンナノチューブの合計100質量部に対し、それぞれ90質量部、10質量部として純水中で混合し、さらに水溶性導電性高分子であるポリイソチオナフテンスルホン酸を、第1のカーボンナノチューブと第2のカーボンナノチューブの合計100質量部に対し、1質量部加えて混合液を作製した。得られた混合液を湿式ジェットミルで処理しカーボンナノチューブの分散液を得た。この分散液にさらに、平均繊維径7μm、平均繊維長0.13mmのカーボンファイバーを、第1と第2のカーボンナノチューブ及びカーボンファイバーの合計100質量部に対し、50質量部加えマグネティックスターラーにより撹拌し分散した。この分散液を濾紙上で濾過し、濾紙とともに脱水した後、プレス機により圧縮してさらに乾燥し、カーボンナノチューブを含む導電性シートを作製した。組み込み前の導電性シートの平均厚みは0.4mmであった。
First, in contrast to the case where the main electrode layer having a width of 50 mm × the length of 50 mm is not divided (Comparative Example 1), the case where the main electrode layer is divided (consisting of a plurality of main electrode pieces) (Example 1 to Example 1). The result of 5) is shown.
Example 1
[Sample preparation and transmittance measurement]
First, a conductive sheet used for the main electrode layer was produced. A first carbon nanotube having an average fiber diameter of 150 nm and an average fiber length of 15 μm, and a second carbon nanotube having an average fiber diameter of 15 nm and an average fiber length of 3 μm, and a total of 100 masses of the first carbon nanotube and the second carbon nanotube. 90 parts by weight and 10 parts by weight with respect to parts, respectively, mixed in pure water, and further, polyisothionaphthenesulfonic acid, which is a water-soluble conductive polymer, is added to the total of the first carbon nanotube and the second carbon nanotube. 1 mass part was added with respect to 100 mass parts, and the liquid mixture was produced. The obtained mixed solution was treated with a wet jet mill to obtain a carbon nanotube dispersion. Furthermore, 50 parts by mass of carbon fibers having an average fiber diameter of 7 μm and an average fiber length of 0.13 mm are added to this dispersion and 100 parts by mass of the first and second carbon nanotubes and carbon fibers, and the mixture is stirred by a magnetic stirrer. Distributed. The dispersion was filtered on a filter paper, dehydrated together with the filter paper, and then compressed by a press machine and further dried to produce a conductive sheet containing carbon nanotubes. The average thickness of the conductive sheet before incorporation was 0.4 mm.

作製した導電性シートの透過率は、差圧ΔPと長さLが比例するため実施例1の電池とは異なる長さLで評価した。作製した導電性シートを30枚重ね、総厚みが1cmとなるよう、両面にφ0.10mmのNiワイヤーからなる60メッシュのNiメッシュシートを配置して圧縮し、断面積1.35cm2(幅50mm、高さ2.7mm)、長さ1cmの透過率測定セルの中に設置することにより測定した。透過率測定セルに水(20℃、粘度=1.002mPa・sec)を透過流束0.5cm/secで通液し、積層した導電性シートによる差圧(出口圧−入口圧)を測定し透過率を算出した。実施例1で用いる導電性シートの透過率は2.7×10−13であった。 The transmittance of the produced conductive sheet was evaluated with a length L different from that of the battery of Example 1 because the differential pressure ΔP and the length L were proportional. 30 sheets of the produced conductive sheets are stacked, and a 60-mesh Ni mesh sheet made of Ni wire with a diameter of 0.10 mm is arranged and compressed on both sides so that the total thickness is 1 cm, and the cross-sectional area is 1.35 cm 2 (width 50 mm, It was measured by installing it in a transmittance measuring cell having a height of 2.7 mm and a length of 1 cm. Water (20 ° C., viscosity = 1.002 mPa · sec) was passed through the permeability measurement cell at a permeation flux of 0.5 cm / sec, and the differential pressure (outlet pressure-inlet pressure) due to the laminated conductive sheet was measured. The transmittance was calculated. The transmittance of the conductive sheet used in Example 1 was 2.7 × 10 −13 m 2 .

ついで、図2及び図3のように、カーボンプラスチック成形体からなる集電板に溝を形成して、内部壁を有する流路網を集電板に作製した。形成された流路網の形状及び配置は、図2及び図3の構成とした。周縁壁を含む全流路網の大きさは50mm×50mmとし、大きさ24.5mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に二つ配置した。このとき二つの流路網は同じ形状とし、外枠(周縁壁)の幅を1.5mm、内部壁の幅を1mm、第1流路C1の幅を1mm、第2流路C2の幅を3mmとした。流路網の厚み(周縁壁の高さ)は1mm、内部壁の高さを1mmとし、周縁壁と内部壁の上面が同一面となるようにした。
第1流路と第2流路の深さは1mmである。開口部は図2に示す位置とし周縁壁に0.8mmφの孔を形成して設けた。開口部に流路網を接続し、排出路は、図2に図示する排出方向となるよう、周縁壁の両側面と、二つの流路網の間に設けた(図2の排出路23参照)。二つの流路網の間の排出路は、前記の1mm幅の空間を利用したものである。
Next, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, grooves were formed in the current collector plate made of a carbon plastic molded body, and a channel network having an inner wall was produced in the current collector plate. The shape and arrangement of the formed channel network are the same as those shown in FIGS. The size of the entire channel network including the peripheral wall was 50 mm × 50 mm, and two channel networks having a size of 24.5 mm × 50 mm were arranged in parallel with a width of 1 mm. At this time, the two channel networks have the same shape, the width of the outer frame (peripheral wall) is 1.5 mm, the width of the inner wall is 1 mm, the width of the first channel C1 is 1 mm, and the width of the second channel C2 is It was 3 mm. The thickness of the channel network (height of the peripheral wall) was 1 mm, the height of the inner wall was 1 mm, and the upper surface of the peripheral wall and the inner wall was the same surface.
The depth of the first channel and the second channel is 1 mm. The opening was provided at the position shown in FIG. 2 with a 0.8 mmφ hole formed in the peripheral wall. A flow path network is connected to the opening, and the discharge path is provided between both side surfaces of the peripheral wall and the two flow path networks so as to be in the discharge direction shown in FIG. 2 (see the discharge path 23 in FIG. 2). ). The discharge path between the two channel networks utilizes the 1 mm width space.

集電板に形成した流路網の透過率は、透過率測定セル内にこの流路網と同じ内部構造を設けることにより測定した。流路網の面内方向に水(20℃)を透過流束2.0cm/secで通液し、流路網と同じ内部構造による差圧(出口圧−入口圧)を測定し透過率を算出した。第1流路方向での透過率は4.7×10−10であった。第2流路方向では、透過流束2.0cm/secでの差圧は1kPa未満で、第1流路方向の差圧より小さく、透過率は1×10−9より大きかった。流路網と導電性シートとの透過率の比は、比が小さくなる第1流路方向の値を用いて算出した。 The transmittance of the channel network formed on the current collector plate was measured by providing the same internal structure as the channel network in the transmittance measuring cell. Water (20 ° C) is passed in the in-plane direction of the channel network at a permeation flux of 2.0 cm / sec, and the differential pressure (outlet pressure-inlet pressure) due to the same internal structure as the channel network is measured to determine the permeability. Calculated. The transmittance in the first flow path direction was 4.7 × 10 −10 m 2 . In the second flow path direction, the differential pressure at a permeation flux of 2.0 cm / sec was less than 1 kPa, smaller than the differential pressure in the first flow path direction, and the transmittance was greater than 1 × 10 −9 m 2 . The transmittance ratio between the channel network and the conductive sheet was calculated using a value in the first channel direction where the ratio was small.

さらに、液流出層として多孔質性を有する第1カーボンファイバー(CF)ペーパー(SGL社製、GDL10AA)を準備した。この第1CFペーパー(CFP1)の組み込み前の平均厚みは0.2mmであった。
第1CFペーパーの透過率は、50mm×50mmの第1CFペーパーを11枚重ね、断面積1.35cm(幅50mm、高さ2.7mm)、長さ5cmの透過率測定セルの中に積層方向に圧縮して設置することにより測定した。透過率測定セルに水(20℃)を透過流束0.5cm/secで通液し、積層した第1CFペーパーによる差圧(出口圧−入口圧)を測定し透過率を算出した。実施例1で用いる液流出層の透過率は4.1×10−11であった。
Furthermore, the 1st carbon fiber (CF) paper (made by SGL, GDL10AA) which has porosity as a liquid outflow layer was prepared. The average thickness of the first CF paper (CFP1) before incorporation was 0.2 mm.
The transmittance of the first CF paper is 11 layers of 50 mm × 50 mm first CF paper, a cross-sectional area of 1.35 cm 2 (width 50 mm, height 2.7 mm), and a 5 cm long transmittance measuring cell in the stacking direction. It was measured by compressing and installing. Water (20 ° C.) was passed through the transmittance measuring cell at a permeation flux of 0.5 cm / sec, the differential pressure (outlet pressure—inlet pressure) with the laminated first CF paper was measured, and the transmittance was calculated. The transmittance of the liquid outflow layer used in Example 1 was 4.1 × 10 −11 m 2 .

[電池の組み立て]
上述した導電性シート、内部壁を有する流路網が作製された集電板、液流出層として第1CFペーパーを用いて電池を組み立てた。集電板に形成された二つの流路網(周縁壁含む)に24.5mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に二つ配置した。
それぞれの導電性シート上に、さらに2枚の第1CFペーパーを重ねた。第1CFペーパーの大きさは、流路網(周縁壁含む)と同じ24.5mm×50mmとし、これを導電性シート同様1mmの幅をあけて並列に二つ配置した。
[Battery assembly]
A battery was assembled using the above-described conductive sheet, a current collector plate with a flow path network having an inner wall, and first CF paper as the liquid outflow layer. Two conductive sheets of 24.5 mm × 50 mm were arranged in parallel at a width of 1 mm on two channel networks (including peripheral walls) formed on the current collector plate.
Two more first CF papers were stacked on each conductive sheet. The size of the first CF paper was 24.5 mm × 50 mm, which was the same as that of the channel network (including the peripheral wall), and two of them were arranged in parallel with a width of 1 mm like the conductive sheet.

このように流路網を有する集電板、導電性シート、第1CFペーパーを順に積層してレドックスフロー電池の電極を作製した。
さらに、イオン交換膜としてナフィオンN212(登録商標、デュポン社製)を用い、以上の構成からなる二つの電極をそれぞれ正極、負極として、図示しないフレーム、ガスケット、集電板、押し板を介してレドックスフロー電池を組み立てた。組み立て後の導電性シート、第1CFペーパーの厚みは、それぞれ、0.31mm、0.12mmであった。
Thus, the current collector plate having the flow path network, the conductive sheet, and the first CF paper were sequentially laminated to produce a redox flow battery electrode.
Further, Nafion N212 (registered trademark, manufactured by DuPont) is used as an ion exchange membrane, and the two electrodes having the above-described configuration are used as a positive electrode and a negative electrode, respectively, and a redox through a frame, a gasket, a current collector plate, and a push plate (not shown). A flow battery was assembled. The assembled conductive sheet and first CF paper had thicknesses of 0.31 mm and 0.12 mm, respectively.

(実施例2〜4、比較例1)
実施例2〜4および比較例1、比較例2が実施例1と異なる点は以下の通りである。
実施例2では、大きさ16.0mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に3つ配置した。集電板に形成された三つの流路網(周縁壁含む)に16.0mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に3つ配置した。
実施例3では、大きさ11.8mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に4つ配置した。集電板に形成された四つの流路網(周縁壁含む)に11.8mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に4つ配置した。
実施例4では、大きさ9.2mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に5つ配置した。集電板に形成された五つの流路網(周縁壁含む)に9.2mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に5つ配置した。
比較例1では、大きさ50mm×50mmの流路網が一つであり、流路網(周縁壁含む)に47.0mm×50mmの導電性シートを一つ配置した点が実施例と異なる。
(Examples 2 to 4, Comparative Example 1)
Examples 2 to 4 and Comparative Examples 1 and 2 differ from Example 1 in the following points.
In Example 2, three 16.0 mm × 50 mm channel networks having a width of 1 mm were arranged in parallel. Three electrically conductive sheets of 16.0 mm × 50 mm were arranged in parallel at a width of 1 mm on three flow channel networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
In Example 3, four flow channel networks having a size of 11.8 mm × 50 mm were arranged in parallel with a width of 1 mm. Four conductive sheets of 11.8 mm × 50 mm were arranged in parallel at a width of 1 mm on four channel networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
In Example 4, five channel networks having a size of 9.2 mm × 50 mm were arranged in parallel with a width of 1 mm. Five conductive sheets of 9.2 mm × 50 mm were arranged in parallel at a width of 1 mm on five flow channel networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
Comparative Example 1 is different from the Example in that there is one channel network having a size of 50 mm × 50 mm, and one conductive sheet having a size of 47.0 mm × 50 mm is disposed on the channel network (including the peripheral wall).

表1に、実施例1〜5および比較例1のセル抵抗率を示す。
なお、表1及び以下の記載において、「主電極片の幅」は、各主電極片において、周縁壁に載置されていない部分(有効電極面積)の幅を意味する。また、「有効面積比」は、分割した場合の主電極片の有効電極面積の和を、分割していない場合の有効電極面積で除した値を意味する。これらの内容は、後述する表2〜表6においても同様である。
実施例1〜4の電池反応を生ずる有効電極面積(主電極片の有効電極面積の和)は比較例1よりも小さいが、実施例1〜4のセル抵抗率はいずれも、比較例1のセル抵抗率に比べて低い。この結果は、「分割効果」によって、セル抵抗率を低下することができたものと考えることができる。
実施例1〜4のすべての場合すなわち、主電極片の幅が6.2mm〜21.5mmの範囲で、セル抵抗率が0.7Ω・cm以下を実現できている。
セル抵抗率が特に低いのは実施例1〜3、すなわち、主電極片の幅が8.8mm〜24.5mmの場合である。
Table 1 shows the cell resistivity of Examples 1 to 5 and Comparative Example 1.
In Table 1 and the following description, “the width of the main electrode piece” means the width of the portion (effective electrode area) that is not placed on the peripheral wall in each main electrode piece. Further, the “effective area ratio” means a value obtained by dividing the sum of the effective electrode areas of the main electrode pieces when divided, by the effective electrode area when not divided. These contents are the same in Tables 2 to 6 described later.
Although the effective electrode area (sum of the effective electrode area of the main electrode piece) that causes the battery reaction of Examples 1 to 4 is smaller than that of Comparative Example 1, the cell resistivity of Examples 1 to 4 is the same as that of Comparative Example 1. Low compared to cell resistivity. This result can be considered that the cell resistivity could be reduced by the “division effect”.
In all cases of Examples 1 to 4, that is, the cell resistivity is 0.7 Ω · cm 2 or less in the range where the width of the main electrode piece is 6.2 mm to 21.5 mm.
The cell resistivity is particularly low in Examples 1 to 3, that is, when the width of the main electrode piece is 8.8 mm to 24.5 mm.

Figure 2019012694
Figure 2019012694

次に、幅100mm×長さ50mmの主電極層が分割されていない場合(比較例2〜7)に対して、主電極層が分割されている(複数の主電極片からなる)場合(実施例6〜41)の結果を示す。サイズ以外の構成は、実施例1と同様である。   Next, when the main electrode layer is divided (consisting of a plurality of main electrode pieces), compared to the case where the main electrode layer having a width of 100 mm × the length of 50 mm is not divided (Comparative Examples 2 to 7) (implementation) The result of Examples 6-41) is shown. The configuration other than the size is the same as that of the first embodiment.

(実施例6〜11、比較例2)
実施例6〜11、比較例2が実施例1と異なる点は以下の通りである。
実施例6では、大きさ49.5mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に2つ配置した。集電板に形成された2つの流路網(周縁壁含む)に49.5mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に2つ配置した。
実施例7では、大きさ32.7mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に3つ配置した。集電板に形成された3つの流路網(周縁壁含む)に32.7mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に3つ配置した。
実施例8では、大きさ24.3mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に4つ配置した。集電板に形成された4つの流路網(周縁壁含む)に24.3mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に4つ配置した。
実施例9では、大きさ19.2mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に5つ配置した。集電板に形成された5つの流路網(周縁壁含む)に19.2mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に5つ配置した。
実施例10では、大きさ15.8mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に6つ配置した。集電板に形成された6つの流路網(周縁壁含む)に15.8mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に6つ配置した。
実施例11では、大きさ9.1mm×50mmの流路網を1mmの幅をあけて並列に7つ配置した。集電板に形成された7つの流路網(周縁壁含む)に9.1mm×50mmの導電性シートを1mmの幅をあけて並列に7つ配置した。
比較例2では、大きさ100mm×50mmの流路網が一つであり、流路網(周縁壁含む)に100mm×50mmの導電性シートを一つ配置した点が実施例と異なる。
(Examples 6 to 11 and Comparative Example 2)
Examples 6-11 and the comparative example 2 differ from Example 1 as follows.
In Example 6, two 49.5 mm × 50 mm channel networks having a width of 1 mm were arranged in parallel. Two conductive sheets of 49.5 mm × 50 mm were arranged in parallel at a width of 1 mm on two flow path networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
In Example 7, three 32.7 mm × 50 mm channel networks having a width of 1 mm were arranged in parallel. Three conductive sheets of 32.7 mm × 50 mm were arranged in parallel at a width of 1 mm on three flow channel networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
In Example 8, four channel networks having a size of 24.3 mm × 50 mm were arranged in parallel with a width of 1 mm. Four conductive sheets having a size of 24.3 mm × 50 mm were arranged in parallel at a width of 1 mm on four flow channel networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
In Example 9, five 19.2 mm × 50 mm channel networks having a width of 1 mm were arranged in parallel. Five conductive sheets of 19.2 mm × 50 mm were arranged in parallel at a width of 1 mm on five flow channel networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
In Example 10, six 15.8 mm × 50 mm channel networks having a width of 1 mm were arranged in parallel. Six 15.8 mm × 50 mm conductive sheets were arranged in parallel with a width of 1 mm on six channel networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
In Example 11, seven channel networks having a size of 9.1 mm × 50 mm were arranged in parallel with a width of 1 mm. Seven conductive sheets of 9.1 mm × 50 mm were arranged in parallel with a width of 1 mm on seven flow channel networks (including the peripheral wall) formed on the current collector plate.
The comparative example 2 is different from the example in that there is one channel network having a size of 100 mm × 50 mm, and one conductive sheet having a size of 100 mm × 50 mm is disposed on the channel network (including the peripheral wall).

表2に、実施例6〜11および比較例2のセル抵抗率を示す。
実施例6〜11の電池反応を生ずる有効電極面積(主電極片の有効電極面積の和)は比較例2よりも小さいが、実施例6〜11のセル抵抗率はいずれも、比較例2のセル抵抗率に比べて低い。この結果は、実施例1〜4と同様に、「分割効果」によって、セル抵抗率を低下することができたものと考えることができる。
実施例7〜11の場合すなわち、主電極片の幅が6.1mm〜29.7mmの範囲で、セル抵抗率が0.7Ω・cm以下を実現できている。
セル抵抗率が特に低いのは実施例8及び実施例9、すなわち、主電極片の幅が21.3mmおよび16.2mmの場合である。
幅50mm×長さ50mmの主電極層を分割した上述の場合(実施例1〜4)には、5つに分割した場合(実施例4)にセル抵抗率が0.7Ω・cmとなった。これに対して、幅100mm×長さ50mmの主電極層を分割した実施例6〜11の場合では、主電極層を6つに分割した場合(実施例10)でもセル抵抗率が0.65Ω・cmであり、主電極層を10つに分割した場合(実施例11)にセル抵抗率が0.7Ω・cmとなった。実施例11では主電極片の幅は6.1mmであり、実施例4の主電極片の幅が6.2mmとほぼ同じである。このことは、セル抵抗率低下の作用効果の本質が「分割そのもの」ではないことを示すものであり、主要な要因の一つが電解液の流れる距離にあることを示すものである。
Table 2 shows the cell resistivity of Examples 6 to 11 and Comparative Example 2.
Although the effective electrode area (sum of the effective electrode area of the main electrode piece) that causes the battery reaction of Examples 6 to 11 is smaller than that of Comparative Example 2, the cell resistivity of Examples 6 to 11 is the same as that of Comparative Example 2. Low compared to cell resistivity. This result can be considered that the cell resistivity can be reduced by the “division effect” as in the first to fourth embodiments.
In the case of Examples 7 to 11, that is, the cell resistivity was 0.7 Ω · cm 2 or less in the range of the width of the main electrode piece from 6.1 mm to 29.7 mm.
The cell resistivity is particularly low in Examples 8 and 9, that is, when the width of the main electrode piece is 21.3 mm and 16.2 mm.
In the case described above (Examples 1 to 4) in which the main electrode layer having a width of 50 mm and a length of 50 mm is divided, the cell resistivity is 0.7 Ω · cm 2 in the case where the main electrode layer is divided into five (Example 4). It was. In contrast, in Examples 6 to 11 in which the main electrode layer having a width of 100 mm and a length of 50 mm was divided, the cell resistivity was 0.65Ω even when the main electrode layer was divided into six (Example 10). · cm 2, the cell resistivity became 0.7Omu · cm 2 in the case of dividing the main electrode layer into one 10 (example 11). In Example 11, the width of the main electrode piece is 6.1 mm, and the width of the main electrode piece of Example 4 is almost the same as 6.2 mm. This indicates that the essence of the effect of lowering the cell resistivity is not “division itself”, and that one of the main factors is the distance through which the electrolyte flows.

Figure 2019012694
Figure 2019012694

(実施例12〜17、比較例3)
実施例12〜17および比較例3が実施例6と異なるのは、液流出層である第1CFペーパー(CFP1)の組み込み前の平均厚みは0.3mmであり、組み立て後の厚みが0.18mmであったことである。その他の構成は、実施例12〜17、比較例3のそれぞれは、実施例6〜11、比較例2のそれぞれと同じである。
(Examples 12 to 17, Comparative Example 3)
Examples 12 to 17 and Comparative Example 3 differ from Example 6 in that the average thickness of the first CF paper (CFP1), which is the liquid outflow layer, before assembly is 0.3 mm, and the thickness after assembly is 0.18 mm. It was that. In other configurations, Examples 12 to 17 and Comparative Example 3 are the same as Examples 6 to 11 and Comparative Example 2, respectively.

表3に、実施例12〜17および比較例3のセル抵抗率を示す。
実施例12〜17の電池反応を生ずる有効電極面積(主電極片の有効電極面積の和)は比較例3よりも小さいが、実施例12〜17のセル抵抗率はいずれも、比較例4のセル抵抗率に比べて低い。この結果は上記実施例と同様に、「分割効果」によって、セル抵抗率を低下することができたものと考えることができる。
実施例12〜17はいずれも、液流出層の厚み以外の構成が同じである実施例6〜11に比べてセル抵抗率が大きい。この結果は、液流出層の厚みがセル抵抗率に大きく影響することを示すものである。
しかし、実施例14の場合すなわち、主電極片の幅が21.3mmの場合に、セル抵抗率が0.7Ω・cm以下を実現できている。
Table 3 shows the cell resistivity of Examples 12 to 17 and Comparative Example 3.
Although the effective electrode area (sum of the effective electrode area of the main electrode piece) that causes the battery reaction of Examples 12 to 17 is smaller than that of Comparative Example 3, the cell resistivity of Examples 12 to 17 is the same as that of Comparative Example 4. Low compared to cell resistivity. This result can be considered that the cell resistivity could be reduced by the “division effect” as in the above example.
Each of Examples 12 to 17 has a higher cell resistivity than Examples 6 to 11 in which the configuration other than the thickness of the liquid outflow layer is the same. This result shows that the thickness of the liquid outflow layer greatly affects the cell resistivity.
However, in the case of Example 14, that is, when the width of the main electrode piece is 21.3 mm, a cell resistivity of 0.7 Ω · cm 2 or less can be realized.

Figure 2019012694
Figure 2019012694

(実施例18〜22、比較例4)
実施例18〜22および比較例4が実施例6と異なるのは、液流出層である第1CFペーパー(CFP1)の組み込み前の平均厚みは0.5mmであり、組み立て後の厚みが0.30mmであったことである。その他の構成は、実施例18〜22のそれぞれは、実施例6〜10のそれぞれと同じであり、比較例4は比較例2と同じである。
(Examples 18 to 22, Comparative Example 4)
Examples 18 to 22 and Comparative Example 4 differ from Example 6 in that the average thickness before assembly of the first CF paper (CFP1), which is the liquid outflow layer, is 0.5 mm, and the thickness after assembly is 0.30 mm. It was that. In other configurations, each of Examples 18 to 22 is the same as each of Examples 6 to 10, and Comparative Example 4 is the same as Comparative Example 2.

表4に、実施例18〜22および比較例4のセル抵抗率を示す。
実施例18〜22の電池反応を生ずる有効電極面積(主電極片の有効電極面積の和)は比較例4よりも小さいが、実施例18〜22のセル抵抗率はいずれも、比較例4のセル抵抗率に比べて低い。この結果は上記実施例と同様に、「分割効果」によって、セル抵抗率を低下することができたものと考えることができる。
実施例18〜22はいずれも、液流出層の厚み以外の構成が同じである実施例6〜11や実施例12〜17に比べてセル抵抗率が大きい。この結果は、液流出層の厚みがセル抵抗率に大きく影響することを示すものである。
実施例18〜22の場合のいずれの場合にも、セル抵抗率が0.7Ω・cm以上となっている。実施例で示す構成においては、液流出層が0.3mm以下であることが必要である。しかしこれは、実施例で示す構成において言える事であって、液流出層が0.3mm以下でないとセル抵抗率が0.7Ω・cm以下を実現できないことは意味していないことは言うまでもない。
セル抵抗率が特に低いのは実施例18〜20、すなわち、主電極片の幅が21.3mm〜46.5mmの場合である。
Table 4 shows the cell resistivity of Examples 18 to 22 and Comparative Example 4.
Although the effective electrode area (sum of the effective electrode areas of the main electrode pieces) that causes the battery reaction of Examples 18 to 22 is smaller than that of Comparative Example 4, the cell resistivity of Examples 18 to 22 is the same as that of Comparative Example 4. Low compared to cell resistivity. This result can be considered that the cell resistivity could be reduced by the “division effect” as in the above example.
Each of Examples 18 to 22 has a higher cell resistivity than Examples 6 to 11 and Examples 12 to 17 having the same configuration except the thickness of the liquid outflow layer. This result shows that the thickness of the liquid outflow layer greatly affects the cell resistivity.
In any case of Examples 18 to 22, the cell resistivity is 0.7 Ω · cm 2 or more. In the configuration shown in the examples, the liquid outflow layer needs to be 0.3 mm or less. However, this can be said in the configuration shown in the embodiment, and it is needless to say that the cell resistivity cannot be reduced to 0.7 Ω · cm 2 or less unless the liquid outflow layer is 0.3 mm or less. .
The cell resistivity is particularly low in Examples 18 to 20, that is, when the width of the main electrode piece is 21.3 mm to 46.5 mm.

Figure 2019012694
Figure 2019012694

以上の実施例6〜22の結果に基づくと、主電極片の幅は10mm〜45mmの範囲が好ましく、15mm〜40mmの範囲がより好ましく、20mm〜35mmの範囲がさらに好ましい。   Based on the results of Examples 6 to 22 above, the width of the main electrode piece is preferably in the range of 10 mm to 45 mm, more preferably in the range of 15 mm to 40 mm, and still more preferably in the range of 20 mm to 35 mm.

(実施例23〜27、比較例5)
まず、実施例23〜27および比較例5が実施例6と異なるのは、液流出層である第1CFペーパー(CFP1)の組み込み前の平均厚みは0.7mmであり、組み立て後の厚みが0.42mmであったことである。その他の構成は、実施例23〜27のそれぞれは、実施例6〜10のそれぞれと同じであり、比較例5は比較例3と同じである。
(Examples 23 to 27, Comparative Example 5)
First, Examples 23 to 27 and Comparative Example 5 are different from Example 6 in that the average thickness of the first CF paper (CFP1), which is the liquid outflow layer, before assembly is 0.7 mm, and the thickness after assembly is 0. .42 mm. In other configurations, Examples 23 to 27 are the same as Examples 6 to 10, and Comparative Example 5 is the same as Comparative Example 3.

表5に、実施例23〜27および比較例5のセル抵抗率を示す。
実施例23〜27の電池反応を生ずる有効電極面積(主電極片の有効電極面積の和)は比較例7よりも小さいが、実施例23〜27のセル抵抗率はいずれも、比較例7のセル抵抗率に比べて低い。この結果は上記実施例と同様に、「分割効果」によって、セル抵抗率を低下することができたものと考えることができる。
実施例23〜27はいずれも、液流出層の厚み以外の構成が同じである実施例6〜11、実施例12〜17、実施例18〜22に比べてセル抵抗率が大きい。この結果は、液流出層の厚みがセル抵抗率に大きく影響することを示すものである。
セル抵抗率が特に低いのは実施例23〜25、すなわち、主電極片の幅が21.3mm〜46.5mmの場合である。
Table 5 shows the cell resistivity of Examples 23 to 27 and Comparative Example 5.
Although the effective electrode area (sum of the effective electrode areas of the main electrode pieces) that causes the battery reaction of Examples 23 to 27 is smaller than that of Comparative Example 7, the cell resistivity of Examples 23 to 27 is all that of Comparative Example 7. Low compared to cell resistivity. This result can be considered that the cell resistivity could be reduced by the “division effect” as in the above example.
Each of Examples 23 to 27 has a higher cell resistivity than Examples 6 to 11, Examples 12 to 17, and Examples 18 to 22 that have the same configuration except the thickness of the liquid outflow layer. This result shows that the thickness of the liquid outflow layer greatly affects the cell resistivity.
The cell resistivity is particularly low in Examples 23 to 25, that is, when the width of the main electrode piece is 21.3 mm to 46.5 mm.

Figure 2019012694
Figure 2019012694

(実施例28〜32、比較例6)
実施例28〜32および比較例6が実施例6と異なるのは、液流出層である第1CFペーパー(CFP1)の組み込み前の平均厚みは1.0mmであり、組み立て後の厚みが0.6mmであったことである。その他の構成は、実施例28〜32のそれぞれは、実施例6〜10のそれぞれと同じであり、比較例6は比較例3と同じである。
(Examples 28 to 32, Comparative Example 6)
Examples 28 to 32 and Comparative Example 6 differ from Example 6 in that the average thickness before assembly of the first CF paper (CFP1), which is the liquid outflow layer, is 1.0 mm, and the thickness after assembly is 0.6 mm. It was that. In other configurations, each of Examples 28 to 32 is the same as each of Examples 6 to 10, and Comparative Example 6 is the same as Comparative Example 3.

表6に、実施例28〜32および比較例6のセル抵抗率を示す。
実施例28〜32の電池反応を生ずる有効電極面積(主電極片の有効電極面積の和)は比較例6よりも小さいが、実施例28〜32のセル抵抗率はいずれも、比較例6のセル抵抗率に比べて低い。この結果は上記実施例と同様に、「分割効果」によって、セル抵抗率を低下することができたものと考えることができる。
実施例28〜32はいずれも、液流出層の厚み以外の構成が同じである実施例6〜11、実施例12〜17、実施例18〜22、実施例23〜27に比べてセル抵抗率が大きい。この結果は、液流出層の厚みがセル抵抗率に大きく影響することを示すものである。
セル抵抗率が特に低いのは実施例28〜29、すなわち、主電極片の幅が29.7mm〜46.5mmの場合である。
Table 6 shows the cell resistivity of Examples 28 to 32 and Comparative Example 6.
Although the effective electrode area (sum of the effective electrode areas of the main electrode pieces) that causes the battery reaction of Examples 28 to 32 is smaller than that of Comparative Example 6, the cell resistivity of Examples 28 to 32 is the same as that of Comparative Example 6. Low compared to cell resistivity. This result can be considered that the cell resistivity could be reduced by the “division effect” as in the above example.
In any of Examples 28 to 32, the cell resistivity was compared with Examples 6 to 11, Examples 12 to 17, Examples 18 to 22, and Examples 23 to 27 having the same configuration except the thickness of the liquid outflow layer. Is big. This result shows that the thickness of the liquid outflow layer greatly affects the cell resistivity.
The cell resistivity is particularly low in Examples 28 to 29, that is, the case where the width of the main electrode piece is 29.7 mm to 46.5 mm.

Figure 2019012694
Figure 2019012694

10 イオン交換膜
20 集電体
20a、20b 収容部
21、21A、21B 周縁壁
22、22A、21B 内部壁
23 排出路
30 電極
31 主電極層
31A、31B 主電極片
32 液流出層
100 レドックスフロー電池
A、B 主電極片
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Ion exchange membrane 20 Current collector 20a, 20b Housing part 21, 21A, 21B Peripheral wall 22, 22A, 21B Inner wall 23 Discharge path 30 Electrode 31 Main electrode layer 31A, 31B Main electrode piece 32 Liquid outflow layer 100 Redox flow battery A, B Main electrode piece

Claims (8)

イオン交換膜と、集電板と、前記イオン交換膜と前記集電板との間に配置する電極とを備えたレドックスフロー電池の集電板であって、
前記集電板の前記電極側の面に電解液が流通する複数の流路網が形成されている集電板。
A redox flow battery current collector comprising an ion exchange membrane, a current collector, and an electrode disposed between the ion exchange membrane and the current collector,
A current collector plate in which a plurality of channel networks through which an electrolyte flows is formed on a surface of the current collector plate on the electrode side.
前記複数の流路網の各々は周縁壁によって囲繞されている、請求項1に記載の集電板。   The current collector plate according to claim 1, wherein each of the plurality of channel networks is surrounded by a peripheral wall. 前記複数の流路網は、内部壁によって形成された第1流路と第2流路を有し、前記第1流路は前記周縁壁の一端側に形成された液流入孔から他端側に向かって延在し、前記第2流路は前記第1流路に繋がり、前記第1流路に交差する方向に延在する、請求項2に記載の集電板。   The plurality of flow channel networks have a first flow channel and a second flow channel formed by an inner wall, and the first flow channel is located on the other end side from a liquid inflow hole formed on one end side of the peripheral wall. The current collector plate according to claim 2, wherein the second flow path is connected to the first flow path and extends in a direction intersecting the first flow path. 隣りあう前記流路網の周縁壁間に電解液の排出路が設けられている、請求項2または3のいずれかに記載の集電板。   The current collector plate according to claim 2, wherein an electrolyte discharge path is provided between peripheral walls of the adjacent channel networks. 前記複数の流路網の各々は長方形状を有し、短辺の長さは5mm以上、70mm以下である、請求項1から4のいずれか一項に記載の集電板。   5. The current collector plate according to claim 1, wherein each of the plurality of channel networks has a rectangular shape, and a length of a short side is 5 mm or more and 70 mm or less. 有効面積比が60%以上である、請求項1から5のいずれか一項に記載の集電板;
ここで、前記有効面積比とは、(前記複数の流路網の有効電極面積の和)/{(前記複数の流路網の面積の和)+(前記複数の流路網間の部分の面積の和)}である。
The current collector plate according to any one of claims 1 to 5, wherein the effective area ratio is 60% or more;
Here, the effective area ratio is (sum of effective electrode areas of the plurality of flow channel networks) / {(sum of area of the plurality of flow channel networks) + (part of the portion between the plurality of flow channel networks) Sum of areas)}.
前記電極は、電解液が前記集電板側の面から前記イオン交換膜側の面に流れる領域を有する主電極層を有し、
前記領域は、面方向に並置された複数の主電極片からなり、
前記主電極片は、前記複数の流路網のそれぞれの上に有する、請求項1から6のいずれか一項に記載の集電板。
The electrode has a main electrode layer having a region in which an electrolyte flows from the current collector side surface to the ion exchange membrane side surface;
The region is composed of a plurality of main electrode pieces juxtaposed in the plane direction,
The current collector plate according to claim 1, wherein the main electrode piece is provided on each of the plurality of channel networks.
前記複数の主電極片の各々はその端部が、前記流路網を囲繞している周縁壁の頂面に載置されている、請求項7に記載の集電板。   The current collector plate according to claim 7, wherein an end of each of the plurality of main electrode pieces is placed on a top surface of a peripheral wall surrounding the channel network.
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