JP2021136092A - Membrane-electrode composite - Google Patents

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Abstract

To provide a membrane-electrode composite with improved flexibility against mechanical deformation.SOLUTION: A membrane-electrode composite is a laminate in which at least a portion of a carbon sheet electrode is bonded to at least one surface of an ion exchange membrane having a first surface and a second surface. The carbon sheet electrode is formed from two or more carbon sheets that contain carbon fiber as a component.SELECTED DRAWING: None

Description

本発明は、膜−電極複合体に関する。 The present invention relates to a membrane-electrode composite.

近年、地球温暖化への対策として、太陽光、風力等の再生可能エネルギーを利用した発電の導入が進められている。これらの発電は、出力が天候によって大きく影響を受けるため、系統電源の電圧や周波数を不安定にする問題がある。従って、大規模な発電の導入に当たり、大容量蓄電池と組み合わせることによって、出力の平滑化や負荷の平準化を図る必要がある。 In recent years, as a measure against global warming, the introduction of power generation using renewable energy such as solar power and wind power has been promoted. Since the output of these power generations is greatly affected by the weather, there is a problem of destabilizing the voltage and frequency of the system power supply. Therefore, when introducing large-scale power generation, it is necessary to smooth the output and level the load by combining it with a large-capacity storage battery.

上記大容量蓄電池としては、鉛蓄電池、ナトリウム−硫黄電池、金属−ハロゲン電池、レドックスフロー電池等が挙げられる。これらの中で、レドックスフロー電池は、信頼性、経済性の観点において他の電池より優れており、最も実用化の可能性の高い電池の一つである。 Examples of the large-capacity storage battery include lead storage batteries, sodium-sulfur batteries, metal-halogen batteries, and redox flow batteries. Among these, the redox flow battery is superior to other batteries in terms of reliability and economy, and is one of the batteries with the highest possibility of practical use.

図1は、レドックスフロー電池の一般的な構造の模式図を示している。この図に示すように、レドックスフロー電池100は、電解槽101と、電解液を貯蔵するタンク102、103と、電解液をタンク−電解槽間で循環させるポンプ104、105とを備える。また、電解槽101は、イオン交換膜111によって隔てられた正極112aと負極112bとからなる電極112を有し、電源106に接続されている。 FIG. 1 shows a schematic diagram of a general structure of a redox flow battery. As shown in this figure, the redox flow battery 100 includes an electrolytic cell 101, tanks 102 and 103 for storing the electrolytic cell, and pumps 104 and 105 for circulating the electrolytic cell between the tank and the electrolytic cell. Further, the electrolytic cell 101 has an electrode 112 composed of a positive electrode 112a and a negative electrode 112b separated by an ion exchange membrane 111, and is connected to the power supply 106.

上記レドックスフロー電池100においては、ポンプ104、105により電解液をタンク102、103と電解槽101との間を循環させつつ、電解槽101の電極112上で電気化学的なエネルギー変換を行わせることにより充放電を行う。 In the redox flow battery 100, the electrolytic solution is circulated between the tanks 102 and 103 and the electrolytic cell 101 by the pumps 104 and 105, and electrochemical energy conversion is performed on the electrode 112 of the electrolytic cell 101. Charges and discharges.

図1に示したレドックスフロー電池100においては、イオン交換膜111と電極112とが離れた構成となっているが、電極の単位面積当たりの電流密度を増加させるために、図2Aに示すように、イオン交換膜11と電極12とを接合して膜−電極複合体10を構成し、この膜−電極複合体10をセパレータ13を介して集電板14によって挟み込むことにより、図2Bに示すセル20を形成し、このセル20を複数設けて電池(セルスタック)を構成することが多い。 In the redox flow battery 100 shown in FIG. 1, the ion exchange membrane 111 and the electrode 112 are separated from each other, but in order to increase the current density per unit area of the electrode, as shown in FIG. 2A. , The ion exchange membrane 11 and the electrode 12 are joined to form a film-electrode composite 10, and the film-electrode composite 10 is sandwiched between the current collector plate 14 via the separator 13 to form the cell shown in FIG. 2B. 20 is often formed, and a plurality of the cells 20 are provided to form a battery (cell stack).

図2Bに示したセル20において、電極12としては、導電性、電気化学的安定性及び電解液の流通性を担保する必要があることから、一般に炭素の繊維状構造体が用いられる。
例えば、特許文献1には、電極を炭素の繊維状構造体により形成し、繊維状構造体の少なくとも一部が隔膜に埋没している膜−電極接合体が記載されている。
In the cell 20 shown in FIG. 2B, a carbon fibrous structure is generally used as the electrode 12 because it is necessary to ensure conductivity, electrochemical stability, and flowability of the electrolytic solution.
For example, Patent Document 1 describes a membrane-electrode assembly in which an electrode is formed of a carbon fibrous structure and at least a part of the fibrous structure is embedded in a diaphragm.

特開2018−101541号公報JP-A-2018-101541

レドックスフロー電池では、一般に、活物質が多孔質炭素電極の中を通過し、電極外に排出されるまでの過程において、例えば、酸化還元等の電気化学反応が進行することで、電池としての充放電が行われる。その際、ポンプの脈動や膜の膨張収縮による膜−電極複合体への機械的な変形が繰り返し加わることになる。
特許文献1では、膜−電極複合体が電池動作中の膜の変形によって電極が膜から剥離し、電池性能が低下する旨の記述がある。よって膜−電極複合体が機械的な変形に晒されても電極が剥離せず、接着状態を維持する事は膜−電極複合体の長寿命化に必要であると考えられる。
In a redox flow battery, in general, in the process of the active material passing through the porous carbon electrode and being discharged to the outside of the electrode, for example, an electrochemical reaction such as redox proceeds to charge the battery. Discharge is performed. At that time, mechanical deformation to the membrane-electrode composite due to the pulsation of the pump and the expansion and contraction of the membrane is repeatedly applied.
Patent Document 1 describes that the electrode of the membrane-electrode composite is peeled off from the membrane due to deformation of the membrane during battery operation, and the battery performance is deteriorated. Therefore, it is considered necessary to extend the life of the membrane-electrode composite so that the electrodes do not peel off even when the membrane-electrode composite is exposed to mechanical deformation and the adhesive state is maintained.

また、電極については、電解液の入口側と出口側で、電解液の粘度や未反応活物質の濃度が異なるため、電極上の位置により電極に必要とされる空隙率や表面積、表面活性といった特性が異なる。
特許文献1に記載の膜−電極接合体では、単一な多孔質炭素電極が用いられているため、電解液の入口側と出口側とで電極の電気化学反応が均一とならず、不要な電気化学反応が生じて電極の寿命が短くなる虞がある。
Regarding the electrode, since the viscosity of the electrolytic solution and the concentration of the unreacted active material differ between the inlet side and the outlet side of the electrolytic solution, the void ratio, surface area, and surface activity required for the electrode depend on the position on the electrode. The characteristics are different.
In the membrane-electrode assembly described in Patent Document 1, since a single porous carbon electrode is used, the electrochemical reaction of the electrodes is not uniform between the inlet side and the outlet side of the electrolytic solution, which is unnecessary. There is a risk that an electrochemical reaction will occur and the life of the electrode will be shortened.

そこで、本発明は、機械的な変形に対し屈曲性を向上させた膜−電極複合体を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a film-electrode composite having improved flexibility against mechanical deformation.

本発明者らは、上記課題を解決することができる膜−電極複合体について鋭意検討を重ねた結果、電極を複数の炭素シートから形成することで電極膜複合体に屈曲性が付与され、機械的に湾曲しても電極が膜から剥離しなくなること、さらに種々の異なる特性を有する炭素シートを組み合わせて電極とすることで、電極における電気化学反応の均一化が可能となり、反応過電圧分布が均一化され、不要な電気化学反応が抑制されることで電極の長寿命化も可能となることを見出し、本発明を完成させるに至った。 As a result of diligent studies on a film-electrode composite that can solve the above problems, the present inventors have imparted flexibility to the electrode film composite by forming the electrodes from a plurality of carbon sheets, and the machine. The electrode does not peel off from the film even if it is curved, and by combining carbon sheets with various different characteristics to form an electrode, it is possible to make the electrochemical reaction at the electrode uniform, and the reaction overvoltage distribution becomes uniform. It has been found that the life of the electrode can be extended by suppressing unnecessary electrochemical reactions, and the present invention has been completed.

即ち、本発明は以下のとおりである。
[1]
第1の表面と第2の表面を持つイオン交換膜の少なくとも1つの表面に、炭素シート電極の少なくとも一部が接着した積層体であり、
前記炭素シート電極は、炭素繊維を構成要素として含む2片以上の炭素シートから形成されることを特徴とする、膜−電極複合体。
[2]
前記第1の表面及び前記第2の表面に、前記炭素シート電極が接着した積層体である、[1]に記載の膜−電極複合体。
[3]
前記炭素シート電極において、前記イオン交換膜と対向している表面の30%以上が前記イオン交換膜に接着している、[1]又は[2]に記載の膜−電極複合体。
[4]
前記2片以上の炭素シートの中で、互いに隣接する2片の炭素シート間の空隙が10mm以下である、[1]〜[3]のいずれかに記載の膜−電極複合体。
[5]
前記2片以上の炭素シートの中で、互いに隣接する2片の炭素シート間の空隙割合が5%以下である、[1]〜[4]のいずれかに記載の膜−電極複合体。
[6]
前記2片以上の炭素シートが、40g/m以上の異なる目付けを有する、[1]〜[5]のいずれかに記載の膜−電極複合体。
[7]
前記炭素シート電極と前記イオン交換膜との接着面において、該イオン交換膜への該炭素シート電極の埋め込み深度が5μm以下である、[1]〜[6]のいずれかに記載の膜−電極複合体。
[8]
前記炭素シート電極の端縁に開口する電解液流通溝が形成されている、[1]〜[7]のいずれかに記載の膜−電極複合体。
[9]
前記イオン交換膜の分解温度以下の温度条件で、前記イオン交換膜と前記炭素シート電極とを熱圧着させることを特徴とする、[1]〜[8]のいずれかに記載の膜−電極複合体の製造方法。
[10]
[1]〜[8]のいずれかに記載の膜−電極複合体と、電解液循環機構とを備え、
前記2片以上の炭素シートの中で、互いに隣接する2片の炭素シートのうち目付けの小さい方が、電解液の流れる方向の上流側となるように配置されていることを特徴とする、装置。
[11]
[8]に記載の膜−電極複合体と、電解液流通機構とを備え、
少なくとも1つの前記電解液流通溝の延在方向が、電解液の流れる方向に沿って設けられていることを特徴とする、装置。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A laminate in which at least a part of a carbon sheet electrode is adhered to at least one surface of an ion exchange membrane having a first surface and a second surface.
The carbon sheet electrode is a film-electrode composite characterized in that it is formed of two or more pieces of carbon sheets containing carbon fibers as constituent elements.
[2]
The film-electrode composite according to [1], which is a laminate in which the carbon sheet electrode is adhered to the first surface and the second surface.
[3]
The film-electrode composite according to [1] or [2], wherein in the carbon sheet electrode, 30% or more of the surface facing the ion exchange membrane is adhered to the ion exchange membrane.
[4]
The membrane-electrode composite according to any one of [1] to [3], wherein the gap between the two or more carbon sheets adjacent to each other is 10 mm or less.
[5]
The membrane-electrode composite according to any one of [1] to [4], wherein the ratio of voids between the two or more carbon sheets adjacent to each other is 5% or less.
[6]
The film-electrode composite according to any one of [1] to [5], wherein the two or more carbon sheets have different basis weights of 40 g / m 2 or more.
[7]
The film-electrode according to any one of [1] to [6], wherein the depth of embedding of the carbon sheet electrode in the ion exchange membrane is 5 μm or less on the adhesive surface between the carbon sheet electrode and the ion exchange membrane. Complex.
[8]
The membrane-electrode composite according to any one of [1] to [7], wherein an electrolytic solution flow groove is formed at the edge of the carbon sheet electrode.
[9]
The film-electrode composite according to any one of [1] to [8], wherein the ion exchange membrane and the carbon sheet electrode are thermally pressure-bonded under a temperature condition equal to or lower than the decomposition temperature of the ion exchange membrane. How to make a body.
[10]
The membrane-electrode composite according to any one of [1] to [8] and an electrolyte circulation mechanism are provided.
An apparatus characterized in that, of the two or more carbon sheets, the one having the smaller basis weight of the two adjacent carbon sheets is arranged so as to be on the upstream side in the direction in which the electrolytic solution flows. ..
[11]
The membrane-electrode composite according to [8] and an electrolytic solution flow mechanism are provided.
An apparatus, characterized in that at least one extending direction of the electrolytic solution flow groove is provided along a direction in which the electrolytic solution flows.

本発明によれば、機械的な変形に対し屈曲性を向上させた膜−電極複合体を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a film-electrode composite having improved flexibility against mechanical deformation.

レドックスフロー電池の一般的な構造の模式図である。It is a schematic diagram of the general structure of a redox flow battery. 一般的なセル構造の第1の模式図である。It is a 1st schematic diagram of a general cell structure. 一般的なセル構造の第2の模式図である。It is a second schematic diagram of a general cell structure. 本実施形態による膜−電極複合体の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the membrane-electrode composite by this embodiment. 図3Aの膜−電極複合体を、図3Aの線I−Iに沿う面により切断したときの断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the film-electrode composite of FIG. 3A when cut along a plane along line I-I of FIG. 3A. 本実施形態による膜−電極複合体の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the membrane-electrode composite by this embodiment.

以下、本発明を実施するための形態(以下、「本実施形態」と言う。)について、詳細に説明するが、本発明は以下の記載に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で種々変形して実施できる。 Hereinafter, a mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as “the present embodiment”) will be described in detail, but the present invention is not limited to the following description and is within the scope of the gist thereof. It can be modified in various ways.

〈膜−電極複合体〉
本実施形態の膜−電極複合体は、第1の表面と第2の表面を持つイオン交換膜の少なくとも1つの表面に、炭素シート電極の少なくとも一部が接着した積層体であり、前記炭素シート電極は、炭素繊維を構成要素として含む2片以上の炭素シートから形成されることを特徴とする。
<Membrane-electrode complex>
The film-electrode composite of the present embodiment is a laminate in which at least a part of a carbon sheet electrode is adhered to at least one surface of an ion exchange membrane having a first surface and a second surface, and the carbon sheet. The electrode is characterized in that it is formed from two or more pieces of carbon sheets containing carbon fibers as constituent elements.

図3A及び3Bは、本実施形態による膜−電極複合体の一例である。図3A及び3Bに示した膜−電極複合体1は、第1の表面と第2の表面を持つイオン交換膜2と、炭素シート電極3とを備える。炭素シート電極3は、炭素繊維を構成要素として含む2片の炭素シート31及び32から形成されている。
なお、図3Aは、膜−電極複合体をイオン交換膜2の法線方向から見たときの図であり、図3Bは、図3Aの膜−電極複合体を、図3Aの線I−Iに沿う面により切断したときの断面図である。
3A and 3B are examples of the membrane-electrode composite according to this embodiment. The membrane-electrode composite 1 shown in FIGS. 3A and 3B includes an ion exchange membrane 2 having a first surface and a second surface, and a carbon sheet electrode 3. The carbon sheet electrode 3 is formed of two pieces of carbon sheets 31 and 32 containing carbon fibers as components.
3A is a view of the membrane-electrode composite when viewed from the normal direction of the ion exchange membrane 2, and FIG. 3B is a view of the membrane-electrode composite of FIG. 3A taken along the line I-I of FIG. 3A. It is a cross-sectional view at the time of cutting by the plane along.

本実施形態の膜−電極複合体は、イオン交換膜の第1の表面と第2の表面のうち、少なくとも1つの表面に炭素シート電極の少なくとも一部が接着されている積層体である。炭素シート電極がイオン交換膜の第1の表面又は第2の表面のいずれかに接着されていればよいが、イオン交換膜の第1の表面及び第2の表面の両方に接着されていることがより好ましい。
ここで、イオン交換膜と炭素シート電極とが「接着」している状態とは、イオン交換膜を把持した際に、炭素シート電極が自重により脱落しない状態を指す。
The membrane-electrode composite of the present embodiment is a laminate in which at least a part of a carbon sheet electrode is adhered to at least one surface of the first surface and the second surface of the ion exchange membrane. The carbon sheet electrode may be adhered to either the first surface or the second surface of the ion exchange membrane, but is adhered to both the first surface and the second surface of the ion exchange membrane. Is more preferable.
Here, the state in which the ion exchange membrane and the carbon sheet electrode are "adhered" means a state in which the carbon sheet electrode does not fall off due to its own weight when the ion exchange membrane is gripped.

本実施形態の膜−電極複合体は、イオン交換膜と炭素シート電極の少なくとも一部とが接着していることにより、膜−電極複合体を用いてレドックスフロー電池のセル等を組み上げる際に、炭素シート電極とイオン交換膜との位置合わせが良好になり、セルからの電解液の液漏れの抑制に繋がる。
また、レドックスフロー電池等の装置の長期耐久性が良好となる観点から、炭素シート電極において、イオン交換膜と対向している表面の30%以上がイオン交換膜と接着していることが好ましく、50%以上がより好ましく、80%以上が更に好ましい。
In the membrane-electrode composite of the present embodiment, the ion exchange membrane and at least a part of the carbon sheet electrode are adhered to each other, so that when the membrane-electrode composite is used to assemble a cell or the like of a redox flow battery, The alignment between the carbon sheet electrode and the ion exchange membrane is improved, which leads to the suppression of leakage of the electrolytic solution from the cell.
Further, from the viewpoint of improving the long-term durability of a device such as a redox flow battery, it is preferable that 30% or more of the surface of the carbon sheet electrode facing the ion exchange membrane is adhered to the ion exchange membrane. 50% or more is more preferable, and 80% or more is further preferable.

また、本実施形態の膜−電極複合体は、炭素シート電極とイオン交換膜との接着がエネルギー効率を向上させるという観点から、炭素シート電極(炭素シートを構成する炭素繊維)のイオン交換膜への埋め込み深度が7μm以下であることが好ましく、5μm以下であることがより好ましく、4μm以下であることが更に好ましく、3μm以下であることがより更に好ましく、2μm以下であることがいっそう好ましい。
炭素シート電極の埋め込み深度は、膜−電極複合体の炭素シート電極とイオン交換膜とが接着している任意の箇所において、膜厚方向に対して平行に切断した複合体断面の倍率2000倍にした走査型電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope、SEM)像から評価することができる。
Further, the film-electrode composite of the present embodiment is applied to the ion exchange membrane of the carbon sheet electrode (carbon fiber constituting the carbon sheet) from the viewpoint that the adhesion between the carbon sheet electrode and the ion exchange membrane improves energy efficiency. The embedding depth is preferably 7 μm or less, more preferably 5 μm or less, further preferably 4 μm or less, further preferably 3 μm or less, and even more preferably 2 μm or less.
The embedding depth of the carbon sheet electrode is 2000 times the magnification of the cross section of the composite cut parallel to the film thickness direction at any place where the carbon sheet electrode of the film-electrode composite and the ion exchange membrane are adhered. It can be evaluated from a scanning electron microscope (SEM) image.

《イオン交換膜》
本実施形態の膜−電極複合体に用いられるイオン交換膜は、目的とするイオンを透過させる構造を持つ膜であることが好ましく、イオン交換基を有するパーフルオロカーボン重合体やイオン交換基を有する炭化水素膜等が挙げられる。
イオン交換基としては、特に限定されないが、例えば、−COOH基、−SOH基、−PO基、又はこれらの塩等が挙げられる。塩としては特に限定されないが、例えば、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アミン類塩等が挙げられる。
また、樹脂としては、例えば、パーフルオロカーボン重合体、炭化水素膜等が挙げられ、長期耐久性が良好である観点から、パーフルオロカーボン重合体が好ましい。
《Ion exchange membrane》
The ion exchange membrane used for the membrane-electrode composite of the present embodiment is preferably a membrane having a structure that allows the desired ions to permeate, and is a perfluorocarbon polymer having an ion exchange group or carbonization having an ion exchange group. Examples include hydrogen membranes.
The ion-exchange group is not particularly limited, for example, -COOH group, -SO 3 H group, -PO 3 H 2 group, or salts thereof, and the like. The salt is not particularly limited, and examples thereof include alkali metal salts, alkaline earth metal salts, and amine salts.
Examples of the resin include a perfluorocarbon polymer and a hydrocarbon film, and a perfluorocarbon polymer is preferable from the viewpoint of good long-term durability.

(当量質量EW)
本実施形態に用いられるイオン交換膜の当量質量EWは、活物質イオンの透過の抑制が電流効率を向上させるという観点から、600g/eq以上であることが好ましく、より好ましくは700g/eq以上であり、更に好ましくは800g/eq以上であり、いっそう好ましくは900g/eq以上である。また、イオン交換膜の当量質量EWは、プロトン伝導性の向上が抵抗を低減させるという観点から、2000g/eq以下であることが好ましく、より好ましくは1700g/eq以下であり、更に好ましくは1500g/eq以下であり、いっそう好ましくは1200g/eq以下である。
なお、当量質量EWは、イオン交換基1当量あたりのイオン交換膜の乾燥質量(g)を意味する。イオン交換膜の当量質量EWは、イオン交換膜を塩置換し、その溶液をアルカリ溶液で逆滴定することにより測定することができる。当量質量EWは、イオン交換膜の原料であるモノマーの共重合比、モノマー種の選定等により調整することができる。
(Equivalent mass EW)
The equivalent mass EW of the ion exchange membrane used in the present embodiment is preferably 600 g / eq or more, more preferably 700 g / eq or more, from the viewpoint of suppressing the permeation of active material ions to improve the current efficiency. Yes, more preferably 800 g / eq or more, and even more preferably 900 g / eq or more. The equivalent mass EW of the ion exchange membrane is preferably 2000 g / eq or less, more preferably 1700 g / eq or less, still more preferably 1500 g / eq, from the viewpoint that improvement of proton conductivity reduces resistance. It is eq or less, more preferably 1200 g / eq or less.
The equivalent mass EW means the dry mass (g) of the ion exchange membrane per one equivalent of the ion exchange group. The equivalent mass EW of the ion exchange membrane can be measured by substituting the ion exchange membrane with a salt and back titrating the solution with an alkaline solution. The equivalent mass EW can be adjusted by the copolymerization ratio of the monomer which is the raw material of the ion exchange membrane, the selection of the monomer type, and the like.

(膜厚)
本実施形態に用いられるイオン交換膜の膜厚は、電池として用いたときの活物質の遮蔽性が良好である観点から10μm以上であることが好ましく、20μm以上であることがより好ましい。また、イオン交換膜の膜厚は、抵抗を低減することにより電池性能が良好となる観点から、180μm以下であることが好ましく、60μm以下であることがより好ましい。
(Film thickness)
The film thickness of the ion exchange membrane used in the present embodiment is preferably 10 μm or more, and more preferably 20 μm or more, from the viewpoint of good shielding property of the active material when used as a battery. Further, the film thickness of the ion exchange membrane is preferably 180 μm or less, and more preferably 60 μm or less, from the viewpoint of improving the battery performance by reducing the resistance.

本実施形態に用いるイオン交換膜の膜厚均一性は、膜−電極複合体全面の性能の均一化のために、イオン交換膜の厚みムラの低減が膜−電極複合体の電極と集電板との全面的な接触性を向上させる観点から、平均膜厚の±20%以内であることが好ましく、±15%以内であることがより好ましく、±10%以内であることが更に好ましい。
なお、イオン交換膜の膜厚均一性は、イオン交換膜を23℃、相対湿度65%の恒温室で12時間以上静置した後、接触式の膜厚計(例えば株式会社東洋精機製作所製)を用いて、任意の6箇所の膜厚を測定することで評価することができる。
The film thickness uniformity of the ion exchange membrane used in this embodiment is such that the thickness unevenness of the ion exchange membrane is reduced in order to make the performance of the entire surface of the membrane-electrode composite uniform. From the viewpoint of improving the overall contact with the film, the average film thickness is preferably within ± 20%, more preferably within ± 15%, and even more preferably within ± 10%.
The film thickness uniformity of the ion exchange membrane is determined by allowing the ion exchange membrane to stand in a thermostatic chamber at 23 ° C. and a relative humidity of 65% for 12 hours or more, and then using a contact-type film thickness meter (for example, manufactured by Toyo Seiki Seisakusho Co., Ltd.). It can be evaluated by measuring the film thickness at any 6 points using.

《炭素シート電極》
本実施形態に用いられる炭素シート電極は、炭素繊維を構成要素として含む2片以上の炭素シートから形成される。
2片以上の炭素シートの中で互いに隣接する2片の炭素シートは同一のものであっても、異なるものであっても構わない。
《Carbon sheet electrode》
The carbon sheet electrode used in this embodiment is formed of two or more carbon sheets containing carbon fibers as components.
Among the two or more carbon sheets, the two adjacent carbon sheets may be the same or different.

本実施形態に用いられる炭素シート電極は、イオン交換膜の第1の表面と第2の表面のうち、少なくとも1つの表面に接着されていればよいが、イオン交換膜の第1の表面及び第2の表面の両方(両面)に接着されていることがより好ましい。このように本実施形態の炭素シート電極がイオン交換膜の両面に接着され、正極及び負極として使用されると、膜−電極複合体における電気化学反応の均一化がより一層進み、電極の長寿化の促進に繋がる。 The carbon sheet electrode used in the present embodiment may be adhered to at least one surface of the first surface and the second surface of the ion exchange membrane, but the first surface and the second surface of the ion exchange membrane may be adhered to. It is more preferable that the two surfaces are adhered to both surfaces (both sides). When the carbon sheet electrode of the present embodiment is adhered to both sides of the ion exchange membrane and used as a positive electrode and a negative electrode in this way, the uniformization of the electrochemical reaction in the film-electrode composite is further promoted, and the life of the electrode is extended. It leads to the promotion of.

本実施形態の炭素シート電極は、2片以上の炭素シートから形成されることにより、電極上の各位置で必要とされる電極の特性に合わせてそれぞれ異なる特性を有する炭素シートを配置し、組み合わせることができるため、電極における電気化学反応を均一なものとすることができる。上述の特許文献1の膜−電極接合体で用いられているような単一の多孔質炭素電極では、その中で密度差をつけることは容易ではなく、部分的に表面特性を変更するとなると更に困難である。本実施形態の炭素シート電極では、電気化学反応を均一化することができるため、膜−電極複合体における反応過電圧分布が均一となり、不要な電気化学反応が抑制され、電極の寿命を延ばすことができる。
異なる特性を有する炭素シートとしては、より具体的には、レドックスフロー電池等の電解液循環機構を有する装置の圧損の低減がエネルギー効率を向上させるという観点から、異なる空隙率を持つものや異なる目付けを持つものが用いられることが好ましい。また、電極における反応抵抗の低減がエネルギー効率を向上させるという観点から、異なる表面活性を持つ炭素シートが用いられることが好ましい。
By forming the carbon sheet electrode of the present embodiment from two or more pieces of carbon sheet, carbon sheets having different characteristics are arranged and combined according to the characteristics of the electrode required at each position on the electrode. Therefore, the electrochemical reaction at the electrode can be made uniform. With a single porous carbon electrode as used in the membrane-electrode assembly of Patent Document 1 described above, it is not easy to make a difference in density among them, and further when the surface characteristics are partially changed. Have difficulty. Since the electrochemical reaction can be made uniform in the carbon sheet electrode of the present embodiment, the reaction overvoltage distribution in the film-electrode composite can be made uniform, unnecessary electrochemical reaction can be suppressed, and the life of the electrode can be extended. can.
More specifically, carbon sheets having different characteristics have different void ratios or different appearances from the viewpoint of improving energy efficiency by reducing pressure loss of a device having an electrolyte circulation mechanism such as a redox flow battery. It is preferable to use the one having. Further, from the viewpoint that reduction of reaction resistance in the electrode improves energy efficiency, it is preferable to use carbon sheets having different surface activities.

また、本実施形態の炭素シート電極は、2片以上の炭素シートから形成されているため、互いに隣接する2片の炭素シートの境界を屈曲線として(図3A、図4の屈曲線4を参照)、炭素シート電極、ひいては膜−電極複合体を屈曲することができる。これにより、膜−電極複合体を組み込む電池セルや装置の形状に応じた様々な形状の膜−電極複合体を作製することができる。 Further, since the carbon sheet electrode of the present embodiment is formed of two or more carbon sheets, the boundary between the two adjacent carbon sheets is set as a bending line (see the bending line 4 in FIGS. 3A and 4). ), The carbon sheet electrode, and thus the membrane-electrode composite can be bent. This makes it possible to produce film-electrode composites having various shapes depending on the shape of the battery cell or device into which the membrane-electrode composite is incorporated.

また、本実施形態の炭素シート電極は、炭素シート電極の端縁に開口する電解液流通溝が形成されていることが好ましい。炭素シート電極が電解液流通溝を有する場合、電解液が電解液流通溝を通ることにより電解液の拡散が均一化されるため、炭素シート電極における電気化学反応を均一化することができ、上述のように電極の長寿命化を実現できる。
更に、レドックスフロー電池等の電解液循環機構を有する装置に用いる際に、少なくとも1つの電解液流通溝の延在方向が電解液の流れる方向に沿うようにして膜−電極複合体を設置し、電解液流通溝の少なくとも1つの開口部が電解液の入口側に開口している状態に配置にすると、炭素シート電極を構成する炭素繊維間に電解液がより効率よく均一に拡散するため、好ましい。
Further, the carbon sheet electrode of the present embodiment preferably has an electrolytic solution flow groove that opens at the edge of the carbon sheet electrode. When the carbon sheet electrode has an electrolytic solution flow groove, the electrolytic solution passes through the electrolytic solution flow groove to make the diffusion of the electrolytic solution uniform, so that the electrochemical reaction in the carbon sheet electrode can be made uniform, as described above. It is possible to extend the life of the electrode as described above.
Further, when used in a device having an electrolytic solution circulation mechanism such as a redox flow battery, the film-electrode composite is installed so that the extending direction of at least one electrolytic solution flow groove is along the direction in which the electrolytic solution flows. It is preferable to arrange the electrolytic solution flow groove so that at least one opening is open on the inlet side of the electrolytic solution because the electrolytic solution is more efficiently and uniformly diffused between the carbon fibers constituting the carbon sheet electrode. ..

電解液流通溝は、炭素シート電極を構成する炭素繊維間に効率よく電解液を拡散させる観点から、電解液の流れ方向上流側に少なくとも1つの開口部が開口している状態に膜−電極複合体を配置できればよいため、炭素シート電極の端縁に開口する開口部を電解液流通溝の一端のみに有していても、両端に有していてもよい。
電解液流通溝の形状は、特に限定されず、直線状であっても曲線状であってもよい。電解液送液時の圧力損失を低減する観点からは、直線状であることが好ましい。電解液流通溝が複数ある場合、各電解液流通溝の形状は同じであっても異なっていてもよい。
電解液流通溝の延在方向(長手方向)は、特に限定されないが、電解液送液時の圧力損失を低減する観点から、電解液流通溝が開口する炭素シート電極の端縁に垂直であることが好ましい。また、電解液流通溝が複数ある場合、各電解液流通溝の延在方向は同じであっても異なっていてもよい。
The electrolytic solution flow groove is a film-electrode composite in which at least one opening is opened on the upstream side in the flow direction of the electrolytic solution from the viewpoint of efficiently diffusing the electrolytic solution between the carbon fibers constituting the carbon sheet electrode. As long as the body can be arranged, the openings opened at the edge of the carbon sheet electrode may be provided only at one end of the electrolytic solution flow groove or at both ends.
The shape of the electrolytic solution flow groove is not particularly limited, and may be linear or curved. From the viewpoint of reducing the pressure loss during the transfer of the electrolytic solution, the linear shape is preferable. When there are a plurality of electrolytic solution flow grooves, the shape of each electrolytic solution flow groove may be the same or different.
The extending direction (longitudinal direction) of the electrolytic solution flow groove is not particularly limited, but is perpendicular to the edge of the carbon sheet electrode in which the electrolytic solution flow groove opens from the viewpoint of reducing the pressure loss during the electrolytic solution feeding. Is preferable. Further, when there are a plurality of electrolytic solution flow grooves, the extending directions of the electrolytic solution flow grooves may be the same or different.

図4に、電解液流通溝を有する炭素シート電極を備えた本実施形態の膜−電極複合体の一例を示す。図4の膜−電極複合体1では、いずれも、炭素シート電極3の端縁に開口する開口部を一端のみに有する5本の電解液流通溝が、その延在方向が全て平行になるように設けられ、隣接する2本の電解液流通溝は、互いに反対の方向に開口している。図4では、電解液流通溝は幅2.5mm×長さ22.5mmであり、深さはいずれも炭素シート電極3の厚みと同じ(該厚みの100%)となっている。 FIG. 4 shows an example of the membrane-electrode composite of the present embodiment provided with a carbon sheet electrode having an electrolytic solution flow groove. In the film-electrode composite 1 of FIG. 4, the five electrolyte flow grooves having an opening at only one end of the carbon sheet electrode 3 are all parallel in the extending direction. The two adjacent electrolyte flow grooves are opened in opposite directions. In FIG. 4, the electrolytic solution flow groove has a width of 2.5 mm and a length of 22.5 mm, and the depth is the same as the thickness of the carbon sheet electrode 3 (100% of the thickness).

(空隙)
本実施形態の炭素シート電極において、2片以上の炭素シートの中で互いに隣接する2片の炭素シート間の空隙は、特に制限されないが、セル抵抗が低減し、エネルギー効率が良好となる観点から、10mm以下であることが好ましく、5mm以下であることがより好ましく、3mm以下であることが更に好ましく、1mm以下であることがいっそう好ましい。
なお、炭素シート間の空隙は、炭素シートが接着される平面の法線方向から見て、互いに向かい合う炭素シートの直線状の端に挟まれた帯状の空隙、言換えると、2片の炭素シートそれぞれの対向面の間隔が一定である空隙を含む。また、炭素シート間の空隙は、当該法線方向から見て炭素シートの曲線状の端で囲まれ炭素シート(電極)が存在しない空間、言換えると、2片の炭素シートそれぞれの対向面の間隔が変動する空間も含む。対向面の間隔が変動する空間は、例えば、一方の対向面が平面であり且つ他方の対向面が曲面に囲まれた空間である。また、対向面の間隔が変動する空隙は、一部において間隔がなく両方の対向面の一部が平面で、他の部分が当該平面に対して凹む曲面を有し、平面同士で接着させながら曲面同士の間に生じる空間も含む。当該法線方向から見て前述の帯状の空隙であれば、直線同士の幅を炭素シート間の空隙とし、当該法線方向から見て前述の炭素シート(電極)が存在しない空間の場合は、曲線内の最も離れた距離を炭素シート間の空隙とする。
(Void)
In the carbon sheet electrode of the present embodiment, the voids between two carbon sheets adjacent to each other in the two or more carbon sheets are not particularly limited, but from the viewpoint of reducing cell resistance and improving energy efficiency. It is preferably 10 mm or less, more preferably 5 mm or less, further preferably 3 mm or less, and even more preferably 1 mm or less.
The voids between the carbon sheets are band-shaped voids sandwiched between the linear ends of the carbon sheets facing each other when viewed from the normal direction of the plane to which the carbon sheets are adhered, in other words, two pieces of carbon sheets. Includes voids where the spacing between the facing surfaces is constant. Further, the voids between the carbon sheets are surrounded by the curved edges of the carbon sheets when viewed from the normal direction, and the space where the carbon sheets (electrodes) do not exist, in other words, the facing surfaces of the two carbon sheets. It also includes spaces where the intervals fluctuate. The space in which the distance between the facing surfaces fluctuates is, for example, a space in which one facing surface is a flat surface and the other facing surface is surrounded by a curved surface. Further, the gap in which the distance between the facing surfaces fluctuates has a curved surface in which a part of both facing surfaces is a flat surface and the other part is recessed with respect to the plane, and the planes are adhered to each other. It also includes the space created between curved surfaces. In the case of the above-mentioned band-shaped voids when viewed from the normal direction, the width between the straight lines is defined as the voids between the carbon sheets, and in the case of a space where the above-mentioned carbon sheets (electrodes) do not exist when viewed from the normal direction, The farthest distance in the curve is the void between the carbon sheets.

(空隙割合)
また、本実施形態の炭素シート電極において、2片以上の炭素シートの中で互いに隣接する2片の炭素シート間の空隙の割合は、特に制限されないが、セル抵抗の低減がエネルギー効率を向上させるという観点から、7%以下であることが好ましく、5%以下であることがより好ましく、3%以下であることが更に好ましく、1%以下であることがいっそう好ましい。
この割合は、空隙の方向に垂直な炭素シート電極の一辺の長さに対する上述の炭素シート間の空隙の割合を示している。
(Void ratio)
Further, in the carbon sheet electrode of the present embodiment, the ratio of voids between two carbon sheets adjacent to each other in the two or more carbon sheets is not particularly limited, but reduction of cell resistance improves energy efficiency. From this viewpoint, it is preferably 7% or less, more preferably 5% or less, further preferably 3% or less, and even more preferably 1% or less.
This ratio indicates the ratio of the voids between the carbon sheets described above to the length of one side of the carbon sheet electrode perpendicular to the direction of the voids.

(目付けの差)
本実施形態の炭素シート電極において、膜−電極複合体の屈曲性を得るという観点からは、2片以上の炭素シートの中で互いに隣接する2片の炭素シートの目付けは同じであっても構わない。電極の劣化を抑制するという観点では、互いに隣接する2片の炭素シート間の目付けの差は、10g/cm以上であることが好ましく、20g/cm以上であることがより好ましく、30g/cm以上であることが更に好ましい。
(Difference in basis weight)
In the carbon sheet electrode of the present embodiment, from the viewpoint of obtaining the flexibility of the film-electrode composite, the two or more carbon sheets adjacent to each other may have the same basis weight. No. From the viewpoint of suppressing the deterioration of the electrodes, the difference in basis weight between the two adjacent carbon sheets is preferably 10 g / cm 2 or more, more preferably 20 g / cm 2 or more, and 30 g / cm / cm. It is more preferably cm 2 or more.

−炭素シート−
本実施形態の炭素シート電極を構成する、炭素繊維を構成要素として含む炭素シートとしては、炭素繊維ペーパーを挙げることができる。
以下、炭素シート電極として炭素繊維ペーパーを用いる場合の要件を具体的に説明する。
-Carbon sheet-
Examples of the carbon sheet containing carbon fiber as a component constituting the carbon sheet electrode of the present embodiment include carbon fiber paper.
Hereinafter, the requirements when carbon fiber paper is used as the carbon sheet electrode will be specifically described.

−−炭素繊維ペーパー−−
(炭素繊維の繊維径)
炭素シート電極を構成する炭素シートが炭素繊維ペーパーである場合、炭素繊維ペーパーを構成する炭素繊維の繊維径は、3μm以上であることが好ましく、5μm以上であることが更に好ましい。これにより、繊維をペーパーに加工する際のハンドリング性を高めることができる。また、炭素繊維の繊維径は、20μm以下であることが好ましく、12μm以下であることが更に好ましい。これにより、電極として用いる際にその単位質量当たりの表面積を大きくすることができる。
--Carbon fiber paper ---
(Fiber diameter of carbon fiber)
When the carbon sheet constituting the carbon sheet electrode is carbon fiber paper, the fiber diameter of the carbon fibers constituting the carbon fiber paper is preferably 3 μm or more, and more preferably 5 μm or more. As a result, the handleability when processing the fiber into paper can be improved. The fiber diameter of the carbon fiber is preferably 20 μm or less, and more preferably 12 μm or less. Thereby, when used as an electrode, the surface area per unit mass can be increased.

[平均繊維径の測定方法]
炭素ペーパーを構成する炭素繊維の平均繊維径は、走査型電子顕微鏡像を画像解析することによって求める。具体的には、走査型電子顕微鏡を用いて10,000倍の倍率で炭素フォームを観察する。得られた観察像から、炭素繊維の太さを無作為に20か所測定する。断面形状が円形であると仮定して、この平均太さを平均繊維径とする。
[Measuring method of average fiber diameter]
The average fiber diameter of the carbon fibers constituting the carbon paper is obtained by image analysis of a scanning electron microscope image. Specifically, the carbon foam is observed at a magnification of 10,000 times using a scanning electron microscope. From the obtained observation image, the thickness of the carbon fiber is randomly measured at 20 points. Assuming that the cross-sectional shape is circular, this average thickness is taken as the average fiber diameter.

(炭素繊維の平均長さ)
また、炭素繊維ペーパーにおける炭素繊維の平均長さは、5mm以上であることが好ましく、10mm以上であることがより好ましく、15mm以上であることが更に好ましい。これにより、繊維間の接触密度の増大によって、機械的強度を高めることができる。また、炭素繊維の平均長さは、50mm以下であることが好ましく、40mm以下であることがより好ましく、30mm以下であることが更に好ましい。これにより、抄紙工程における開繊を容易にすることができる。
(Average length of carbon fiber)
The average length of the carbon fibers in the carbon fiber paper is preferably 5 mm or more, more preferably 10 mm or more, and further preferably 15 mm or more. As a result, the mechanical strength can be increased by increasing the contact density between the fibers. The average length of the carbon fibers is preferably 50 mm or less, more preferably 40 mm or less, and even more preferably 30 mm or less. This makes it possible to facilitate the opening of fibers in the papermaking process.

(かさ密度)
また、炭素繊維ペーパーのかさ密度は、0.1g/cm以上であることが好ましく、0.15g/cm以上であることがより好ましく、0.2g/cm以上であることが更に好ましい。これにより、電極として用いる際にその表面積を大きくすることができる。また、炭素繊維ペーパーのかさ密度は、0.6g/cm以下であることが好ましく、0.5g/cm以下であることがより好ましく、0.4g/cm以下であることが更に好ましい。これにより、空隙率を増大させ、電極として用いる際に電解液の流通を容易にすることができる。
(Bulk density)
The bulk density of the carbon fiber paper is preferably 0.1 g / cm 3 or more, more preferably 0.15 g / cm 3 or more, and further preferably 0.2 g / cm 3 or more. .. As a result, the surface area can be increased when used as an electrode. The bulk density of the carbon fiber paper is preferably 0.6 g / cm 3 or less, more preferably 0.5 g / cm 3 or less, and further preferably 0.4 g / cm 3 or less. .. This makes it possible to increase the porosity and facilitate the flow of the electrolytic solution when used as an electrode.

(目付け)
炭素繊維ペーパーの目付けは、10g/m以上であることが好ましく、20g/m以上であることがより好ましい。これにより、充放電時の電気化学反応場が増加し、充放電反応を効率化できる。また、炭素繊維ペーパーの目付けは、150g/m以下であることが好ましく、100g/m以下であることがより好ましい。これにより、電解液送液時の圧力損失を効果的に低減することができる。
(Metsuke)
The basis weight of the carbon fiber paper is preferably 10 g / m 2 or more, and more preferably 20 g / m 2 or more. As a result, the electrochemical reaction field during charge / discharge increases, and the charge / discharge reaction can be made more efficient. The basis weight of the carbon fiber paper is preferably 150 g / m 2 or less, and more preferably 100 g / m 2 or less. Thereby, the pressure loss at the time of feeding the electrolytic solution can be effectively reduced.

(厚み)
炭素繊維ペーパーの厚みは、50μm以上であることが好ましく、100μm以上であることがより好ましく、200μm以上であることが更に好ましい。これにより、十分な電極表面積が確保でき、電気化学反応に伴う抵抗を低減できる。また、炭素繊維ペーパーの厚みは、600μm以下であることが好ましく、500μm以下であることがより好ましく、400μm以下であることが更に好ましい。これにより、電極内の電子の移動に伴う抵抗を低減できるとともに、セルを小型化することができる。
(Thickness)
The thickness of the carbon fiber paper is preferably 50 μm or more, more preferably 100 μm or more, and further preferably 200 μm or more. As a result, a sufficient surface area of the electrode can be secured, and the resistance associated with the electrochemical reaction can be reduced. The thickness of the carbon fiber paper is preferably 600 μm or less, more preferably 500 μm or less, and even more preferably 400 μm or less. As a result, the resistance due to the movement of electrons in the electrode can be reduced, and the cell can be miniaturized.

〈膜−電極複合体の製造方法〉
膜−電極複合体は、例えば、イオン交換膜と前記炭素シート電極とを熱圧着させるホットプレス法や、イオン交換膜と同種の高分子の溶液によって貼り合わせる方法等により製造することができる。この中でも、ホットプレス法は、加工性の点から好ましい。
ホットプレス法による方法は、まずイオン交換膜と炭素シート電極とを積層し、目的とする厚さのスペーサーと共にホットプレス機の圧板間に置く。次に、圧板を所定の温度まで加熱した後、プレスする。所定の時間保持した後、圧板を開放し、膜−電極複合体を取り出し、室温まで冷却することで、膜−電極複合体を得ることができる。
<Manufacturing method of membrane-electrode composite>
The membrane-electrode composite can be produced, for example, by a hot press method in which the ion exchange membrane and the carbon sheet electrode are thermally pressure-bonded, a method in which the ion exchange membrane is bonded with a solution of the same polymer as the ion exchange membrane, or the like. Among these, the hot press method is preferable from the viewpoint of workability.
In the hot press method, the ion exchange membrane and the carbon sheet electrode are first laminated and placed between the pressure plates of the hot press machine together with the spacer of the desired thickness. Next, the pressure plate is heated to a predetermined temperature and then pressed. After holding for a predetermined time, the pressure plate is opened, the film-electrode composite is taken out, and the film-electrode composite is cooled to room temperature to obtain the membrane-electrode composite.

ホットプレス法での加熱温度は、炭素シート電極の埋め込み深度の制御がイオン交換膜の劣化を抑制するという観点から、イオン交換膜の分解温度以下であることが好ましい。
また、スペーサーの厚みは、使用する炭素シートとイオン交換膜との合計厚みに対して、30〜90%であることが好ましく、50〜80%であることがより好ましい。
プレス時の保持時間は、0.5〜30分であることが好ましく、2〜10分であることがより好ましい。これにより、炭素シート電極間の短絡を引き起こすことなく、イオン交換膜と炭素シート電極とを強固に接着させることができる。
The heating temperature in the hot press method is preferably equal to or lower than the decomposition temperature of the ion exchange membrane from the viewpoint that the control of the embedding depth of the carbon sheet electrode suppresses the deterioration of the ion exchange membrane.
The thickness of the spacer is preferably 30 to 90%, more preferably 50 to 80%, based on the total thickness of the carbon sheet and the ion exchange membrane used.
The holding time during pressing is preferably 0.5 to 30 minutes, more preferably 2 to 10 minutes. As a result, the ion exchange membrane and the carbon sheet electrode can be firmly adhered to each other without causing a short circuit between the carbon sheet electrodes.

〈装置〉
本実施形態の膜−電極複合体は、例えば、レドックスフロー電池、固体高分子膜水分解装置、直接メタノール燃料電池、燃料電池等の装置に好適に用いることができる。中でも、本実施形態の膜−電極複合体では電極上の各位置で必要とされる電極の特性に合わせてそれぞれ異なる特性を有する炭素シートを配置し、組み合わせることができることから、レドックスフロー電池等の電解液循環機構を有する装置に適している。
なお、電解液循環機構とは、電解液を循環させて電極に電解液を供給するものであれば特に制限されず、例えば、電解液タンク、送液ポンプ、及び配管等から構成されるものを指す。
<Device>
The film-electrode composite of the present embodiment can be suitably used for devices such as a redox flow battery, a solid polymer film water splitting device, a direct methanol fuel cell, and a fuel cell. Above all, in the membrane-electrode composite of the present embodiment, carbon sheets having different characteristics can be arranged and combined according to the characteristics of the electrodes required at each position on the electrode, so that a redox flow battery or the like can be used. Suitable for devices with an electrolyte circulation mechanism.
The electrolyte circulation mechanism is not particularly limited as long as it circulates the electrolyte and supplies the electrolyte to the electrodes. For example, a mechanism composed of an electrolyte tank, a liquid feed pump, a pipe, or the like is used. Point to.

レドックスフロー電池等の電解液循環機構を有する装置では、電解液の入口側(電解液の流れる方向の上流側)と出口側(電解液の流れる方向の下流側)とで電解液の粘度や未反応活物質の濃度が異なり、電解液の入口側の方が出口側よりも電解液の粘度や未反応活物質の濃度が高く、反応性が大きくなっている。そのため、目付けの異なる炭素シートから形成される炭素シート電極を備える膜−電極複合体を用い、互いに隣接する2片の炭素シートのうち目付けの小さい方の炭素シートが電解液の入口側に配置され、目付けの大きい方の炭素シートが電解液の出口側に配置されるようにして、膜−電極複合体を設置することが好ましい。例えば、図3Aに示す膜−電極複合体において、電解液の流れの上流側に位置する炭素シート31を、電解液の流れの下流側に位置する炭素シート32よりも目付けの小さいものとすることが好ましい。目付けの異なる炭素シートをこのように配置することにより、炭素シート電極における電気化学反応を均一化することができ、反応過電圧分布が均一化され、不要な電気化学反応が抑制されるため、電極の長寿命化が可能となる。 In a device having an electrolytic solution circulation mechanism such as a redox flow battery, the viscosity of the electrolytic solution and the viscosity of the electrolytic solution are not recorded on the inlet side (upstream side in the flow direction of the electrolytic solution) and the outlet side (downstream side in the flow direction of the electrolytic solution). The concentrations of the reactive active material are different, and the viscosity of the electrolytic solution and the concentration of the unreacted active material are higher on the inlet side of the electrolytic solution than on the outlet side, and the reactivity is higher. Therefore, a film-electrode composite having carbon sheet electrodes formed from carbon sheets having different textures is used, and the carbon sheet having the smaller texture of the two adjacent carbon sheets is arranged on the inlet side of the electrolytic solution. It is preferable to install the film-electrode composite so that the carbon sheet having the larger texture is arranged on the outlet side of the electrolytic solution. For example, in the membrane-electrode composite shown in FIG. 3A, the carbon sheet 31 located on the upstream side of the flow of the electrolytic solution has a smaller basis weight than the carbon sheet 32 located on the downstream side of the flow of the electrolytic solution. Is preferable. By arranging carbon sheets having different basis weights in this way, the electrochemical reaction in the carbon sheet electrode can be made uniform, the reaction overvoltage distribution is made uniform, and unnecessary electrochemical reaction is suppressed. The life can be extended.

また、レドックスフロー電池等の電解液循環機構を有する装置では、図4に示すように、電解液流通溝が形成された炭素シート電極を備える膜−電極複合体を用い、少なくとも1つの電解液流通溝の延在方向が電解液の流れる方向に沿うようにして膜−電極複合体を設置し、電解液流通溝の少なくとも1つの開口部が電解液の入口側(電解液の流れの上流側)となるようにすることが好ましい。炭素シート電極をこのように配置することにより、電解液の拡散が均一化されるため、炭素シート電極における電気化学反応を均一化することができ、上述のように電極の長寿命化が可能となる。 Further, in a device having an electrolytic solution circulation mechanism such as a redox flow battery, as shown in FIG. 4, at least one electrolytic solution flow is used by using a film-electrode composite provided with a carbon sheet electrode having an electrolytic solution flow groove formed therein. The film-electrode composite is installed so that the extending direction of the groove is along the direction in which the electrolytic solution flows, and at least one opening of the electrolytic solution flow groove is on the inlet side of the electrolytic solution (upstream side of the flow of the electrolytic solution). It is preferable that By arranging the carbon sheet electrodes in this way, the diffusion of the electrolytic solution is made uniform, so that the electrochemical reaction at the carbon sheet electrodes can be made uniform, and the life of the electrodes can be extended as described above. Become.

以下、本発明を実施例、比較例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々変形して実施することができることはいうまでもない。 Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to Examples and Comparative Examples, but the present invention is not limited to these Examples, and can be variously modified and implemented within the scope of the gist of the present invention. Needless to say.

実施例及び比較例で用いた測定方法及び評価方法について、以下に説明する。 The measurement method and evaluation method used in Examples and Comparative Examples will be described below.

〈埋め込み深度〉
実施例及び比較例で作製した膜−電極複合体について、炭素シート電極とイオン交換膜との界面の埋め込み深度(μm)を、走査型電子顕微鏡(SEM)を用いて2,000倍の倍率で撮像したSEM画像から求めた。膜−電極複合体を膜厚方向に対して平行に切断し、膜厚方向の画像を任意で3点撮像した。撮像したSEM画像から、イオン交換膜側が変形して炭素シート電極が埋め込まれていた場合に、界面からの埋め込み深さを測定し、その平均値を埋め込み深度とした。また、3点の画像とも埋め込みが見られない場合は、埋め込み深度0μmとし、炭素シート電極の表面のみで接着していると判断した。
<Embedding depth>
For the film-electrode composites produced in Examples and Comparative Examples, the embedding depth (μm) of the interface between the carbon sheet electrode and the ion exchange membrane was measured at a magnification of 2,000 times using a scanning electron microscope (SEM). It was obtained from the captured SEM image. The film-electrode composite was cut parallel to the film thickness direction, and images in the film thickness direction were arbitrarily imaged at three points. From the captured SEM image, when the ion exchange membrane side was deformed and the carbon sheet electrode was embedded, the embedding depth from the interface was measured, and the average value was taken as the embedding depth. When no embedding was observed in all three images, the embedding depth was set to 0 μm, and it was judged that the carbon sheet electrodes were adhered only on the surface.

〈接着面積比率〉
実施例及び比較例で作製した膜−電極複合体について、接着した炭素シート電極を下面にして、イオン交換膜の部分のみを手で持って持ち上げた。その際に、接着した面の全ての複合体で、炭素シート電極の自重でイオン交換膜と炭素シート電極との界面が剥離している様子が無ければ「全面接着(100%)」と判断し、接着した面の複合体が1つでも剥離して炭素シート電極が落下したら「接着なし」と判断した。また、イオン交換膜がたわんで端部の一部に剥離が見られた場合には一部接着と判断し、接着している面積の合計から接着面積比率(%)を計算した。
<Adhesive area ratio>
For the membrane-electrode composites produced in Examples and Comparative Examples, only the ion exchange membrane portion was lifted by hand with the bonded carbon sheet electrode as the lower surface. At that time, if there is no appearance that the interface between the ion exchange membrane and the carbon sheet electrode is peeled off due to the weight of the carbon sheet electrode in all the composites of the bonded surfaces, it is judged as "whole surface adhesion (100%)". If even one of the composites on the adhered surface was peeled off and the carbon sheet electrode fell, it was judged as "no adhesion". Further, when the ion exchange membrane was bent and peeling was observed at a part of the end portion, it was judged that the ion exchange membrane was partially adhered, and the adhesive area ratio (%) was calculated from the total of the adhered areas.

〈屈曲性〉
実施例及び比較例で作製した膜−電極複合体について、屈曲性をMIT耐折疲労試験機 D型(東洋精機製作所)によって評価した。
具体的には、実施例1〜7及び比較例1〜3で作製した膜―電極複合体については、炭素シート電極の上端(電解液の流れる方向上流側の端)から8〜12mmほど下の電極部分をR=0.38のクランプで把持し、炭素シート電極の下端(電解液の流れる方向下流側の端)から30mmほど下部に位置するイオン交換膜部分をプランジャ側の平板クランプで把持したのち、荷重0.25kgf、試験速度90cpmで膜―電極複合体を屈曲させた。屈曲角度が90°となった時点で試験を停止したのち、イオン交換膜からの炭素シート電極の剥がれの有無を目視確認した。部分的にも電極の剥がれが無いものを屈曲性「〇(良好)」、部分的にも電極の剥がれが認められたものは屈曲性「×(不良)」とした。
実施例8及び比較例4で作製した膜―電極複合体については、R=0.38のクランプによる把持位置及びプランジャ側の平板クランプによる把持位置を、それぞれ、図4における炭素シート33の左端から4〜8mmほど右の電極部分、図4における炭素シート34の右端から10mmほど右に位置するイオン交換膜部分とした以外は、上記実施例1〜7及び比較例1〜3におけるのと同じ方法及び評価基準で評価した。
<Flexibility>
The flexibility of the film-electrode composites prepared in Examples and Comparative Examples was evaluated by a MIT folding fatigue tester D type (Toyo Seiki Seisakusho).
Specifically, the film-electrode composites produced in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 are about 8 to 12 mm below the upper end of the carbon sheet electrode (the end on the upstream side in the direction in which the electrolytic solution flows). The electrode portion was gripped with a clamp of R = 0.38, and the ion exchange membrane portion located about 30 mm below the lower end of the carbon sheet electrode (the end on the downstream side in the direction in which the electrolytic solution flows) was gripped with a flat plate clamp on the plunger side. Then, the membrane-electrode composite was bent at a load of 0.25 kgf and a test speed of 90 cpm. After stopping the test when the bending angle reached 90 °, the presence or absence of peeling of the carbon sheet electrode from the ion exchange membrane was visually confirmed. Those with no electrode peeling were rated as "○ (good)", and those with partial electrode peeling were rated as "× (poor)".
For the membrane-electrode composites produced in Example 8 and Comparative Example 4, the gripping position by the clamp of R = 0.38 and the gripping position by the flat plate clamp on the plunger side are set from the left end of the carbon sheet 33 in FIG. 4, respectively. The same method as in Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 above, except that the electrode portion on the right is about 4 to 8 mm and the ion exchange membrane portion is located on the right by about 10 mm from the right end of the carbon sheet 34 in FIG. And evaluated by the evaluation criteria.

〈レドックスフロー電池評価(液漏れ、電流効率、電圧効率、及び電力効率)〉
実施例及び比較例で作製したレドックスフロー電池の電解液タンクに、バナジウムイオン濃度1.5M、バナジウムイオン価数3.5価、硫酸イオン濃度4.5Mのバナジウム硫酸溶液を4L加え、流速200ml/minにて循環し、液漏れを評価した。
充放電試験は、菊水電子社製バイポーラー電源を用いて定電流法にて行った。電圧範囲は1.00−1.55V、電流密度は80mA/cmとした。10サイクル時点の充電容量Qc及び放電容量Qd、充電及び放電時における平均電圧Vc及びVdから、次式によって電流効率CE、電圧効率VE、電力効率EEをそれぞれ求めた。また、同様にして、100サイクル時点の電圧効率VEを求めた。
CE:Qd/Qc(%)
VE:Vd/Vc(%)
EE:CE×VE(%)
<Redox flow battery evaluation (leakage, current efficiency, voltage efficiency, and power efficiency)>
To the electrolyte tank of the redox flow battery produced in Examples and Comparative Examples, 4 L of a vanadium sulfate solution having a vanadium ion concentration of 1.5 M, a vanadium ion valence of 3.5 valence, and a sulfate ion concentration of 4.5 M was added, and a flow velocity of 200 ml / Circulation was performed at min, and liquid leakage was evaluated.
The charge / discharge test was performed by the constant current method using a bipolar power supply manufactured by Kikusui Electronics Co., Ltd. The voltage range was 1.00-1.55V and the current density was 80mA / cm 2 . The current efficiency CE, the voltage efficiency VE, and the power efficiency EE were obtained from the charge capacity Qc and the discharge capacity Qd at the time of 10 cycles, and the average voltage Vc and Vd at the time of charging and discharging, respectively, by the following equations. Further, in the same manner, the voltage efficiency VE at the time of 100 cycles was obtained.
CE: Qd / Qc (%)
VE: Vd / Vc (%)
EE: CE x VE (%)

〈電極劣化比率〉
実施例及び比較例で作製したレドックスフロー電池について、電極劣化率を次式によって求めた。
電極劣化率(%)=100サイクル時点の電圧効率(%)/10サイクル時点の電圧効率(%)×100
<Electrode deterioration ratio>
The electrode deterioration rate of the redox flow batteries produced in Examples and Comparative Examples was calculated by the following formula.
Electrode deterioration rate (%) = voltage efficiency at 100 cycles (%) / voltage efficiency at 10 cycles (%) x 100

<イオン交換膜の膜厚>
イオン交換膜の膜厚(μm)及びは、23℃、相対湿度65%の恒温室で12時間以上静置した後、使用するイオン交換膜の任意の6箇所を接触式の膜厚計(株式会社東洋精機製作所製)を用いて測定した。
<Film thickness of ion exchange membrane>
The film thickness (μm) of the ion exchange membrane is defined as a contact-type film thickness meter (stock) at any 6 points of the ion exchange membrane to be used after allowing it to stand in a constant temperature room at 23 ° C. and a relative humidity of 65% for 12 hours or more. Measured using a company manufactured by Toyo Seiki Seisakusho).

実施例及び比較例で用いた原材料について、以下に説明する。 The raw materials used in Examples and Comparative Examples will be described below.

〈炭素シート電極〉
表1に示す炭素シート材料を用いて炭素シート電極を形成した。
<Carbon sheet electrode>
A carbon sheet electrode was formed using the carbon sheet materials shown in Table 1.

Figure 2021136092
Figure 2021136092

〈イオン交換膜〉
・Nafion212(Aldrich製、平均膜厚:50μm、膜厚均一性:平均膜厚±20%)を縦90mm×横45mmに切り出してして使用した。
<Ion exchange membrane>
-Nafion212 (manufactured by Aldrich, average film thickness: 50 μm, film thickness uniformity: average film thickness ± 20%) was cut out to a length of 90 mm × a width of 45 mm and used.

(実施例1)
〈膜−電極複合体の作製〉
図3Aに示す膜−電極複合体を作製した。具体的には、まず、炭素シート材料Aから、縦12.5mm×横20.0mmのシートを4枚切り出した。図3Aの炭素シート31及び32として切り出した炭素シート材料A各1枚を用い、それぞれイオン交換膜の両面に配置して、膜−電極複合体における正極及び負極となるようにした。その際、炭素シート31及び32の位置が、正極側と負極側とでそれぞれ一致するように配置した。これらを厚み0.5mmのスペーサーとともにホットプレス機の圧板間に置き、圧板を120℃まで加熱して、2MPaの圧力でプレスした。この状態で5分間保持した後、圧板を開放して室温まで冷却した。こうして実施例1による膜−電極複合体を作製した。
得られた膜−電極複合体の評価結果を表2に示す。
なお、炭素シート間の空隙の割合(%)は、炭素シート31及び32の境界に垂直な炭素シート電極の一辺の長さ(25.0mm)に対する空隙の割合として求めた。
〈レドックスフロー電池の作製〉
上記で得られた膜−電極複合体とセル構成部材(バイトンゴム製ガスケット、塩化ビニル製フレーム、黒鉛製セパレータ、及びステンレス製エンドプレート)とを所定の順番に従って組み合わせ、ステンレス製ボルトを用いて所定のトルクにて締結し、レドックスフロー電池のセルを組み立てた。その際、図3Aに示すように、上述の炭素シート31が電解液入口側(電解液の流れる方向の上流側)に、炭素シート32が電解液出口側(電解液の流れる方向の下流側)に配置されるようにセルを組んだ。なお、ガスケットは電極の圧縮率が67%になるように膜厚を調節した。得られたセルを、電解液タンク及び送液ポンプから構成される電解液循環機構に接続した。こうして実施例1によるレドックスフロー電池を作製した。
得られたレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Example 1)
<Preparation of membrane-electrode composite>
The membrane-electrode composite shown in FIG. 3A was prepared. Specifically, first, four sheets having a length of 12.5 mm and a width of 20.0 mm were cut out from the carbon sheet material A. One carbon sheet material A cut out as the carbon sheets 31 and 32 of FIG. 3A was used and arranged on both sides of the ion exchange membrane so as to serve as a positive electrode and a negative electrode in the film-electrode composite. At that time, the positions of the carbon sheets 31 and 32 were arranged so as to coincide with each other on the positive electrode side and the negative electrode side. These were placed between the pressure plates of a hot press machine together with a spacer having a thickness of 0.5 mm, the pressure plates were heated to 120 ° C., and pressed at a pressure of 2 MPa. After holding in this state for 5 minutes, the pressure plate was opened and cooled to room temperature. In this way, the film-electrode composite according to Example 1 was prepared.
The evaluation results of the obtained membrane-electrode composite are shown in Table 2.
The ratio (%) of voids between the carbon sheets was determined as the ratio of voids to the length of one side (25.0 mm) of the carbon sheet electrode perpendicular to the boundary between the carbon sheets 31 and 32.
<Manufacturing of redox flow batteries>
The membrane-electrode composite obtained above and the cell components (gasket made of Baitton rubber, frame made of vinyl chloride, separator made of graphite, and end plate made of stainless steel) are combined in a predetermined order, and a predetermined number is used using a stainless bolt. It was fastened with torque and the cell of the redox flow battery was assembled. At that time, as shown in FIG. 3A, the above-mentioned carbon sheet 31 is on the electrolytic solution inlet side (upstream side in the electrolytic solution flow direction), and the carbon sheet 32 is on the electrolytic solution outlet side (downstream side in the electrolytic solution flow direction). The cells were assembled so that they would be placed in. The film thickness of the gasket was adjusted so that the compressibility of the electrodes was 67%. The obtained cell was connected to an electrolytic solution circulation mechanism composed of an electrolytic solution tank and a liquid feed pump. In this way, the redox flow battery according to Example 1 was produced.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained redox flow battery.

(実施例2)
実施例1と同様に、実施例2による膜−電極複合体及びレドックスフロー電池を作製した。ただし、図3Aの炭素シート31として炭素シート材料Aを、炭素シート32として炭素シート材料Bを用いた。
得られた膜−電極複合体及びレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Example 2)
A film-electrode composite and a redox flow battery according to Example 2 were prepared in the same manner as in Example 1. However, the carbon sheet material A was used as the carbon sheet 31 in FIG. 3A, and the carbon sheet material B was used as the carbon sheet 32.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained membrane-electrode composite and redox flow battery.

(実施例3)
実施例1と同様に、実施例3による膜−電極複合体及びレドックスフロー電池を作製した。ただし、図3Aの炭素シート31として炭素シート材料Bを、炭素シート32として炭素シート材料Aを用いた。
得られた膜−電極複合体及びレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Example 3)
A film-electrode composite and a redox flow battery according to Example 3 were prepared in the same manner as in Example 1. However, the carbon sheet material B was used as the carbon sheet 31 in FIG. 3A, and the carbon sheet material A was used as the carbon sheet 32.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained membrane-electrode composite and redox flow battery.

(実施例4)
実施例2と同様に、実施例4による膜−電極複合体及びレドックスフロー電池を作製した。ただし、炭素シート材料A及びBから切り出すシートのサイズをそれぞれ縦12.0mm×横20.0mmとし、シート間に幅1mmのスペース(空隙)を設けた。
得られた膜−電極複合体及びレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Example 4)
A membrane-electrode composite and a redox flow battery according to Example 4 were prepared in the same manner as in Example 2. However, the sizes of the sheets cut out from the carbon sheet materials A and B were set to 12.0 mm in length and 20.0 mm in width, respectively, and a space (void) having a width of 1 mm was provided between the sheets.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained membrane-electrode composite and redox flow battery.

(実施例5)
実施例2と同様に、実施例5による膜−電極複合体及びレドックスフロー電池を作製した。ただし、炭素シート材料A及びBから切り出すシートのサイズをそれぞれ縦11.75mm×横20.0mmとし、シート間に幅1.5mmのスペース(空隙)を設けた。
得られた膜−電極複合体及びレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Example 5)
A membrane-electrode composite and a redox flow battery according to Example 5 were prepared in the same manner as in Example 2. However, the sizes of the sheets cut out from the carbon sheet materials A and B were set to 11.75 mm in length and 20.0 mm in width, respectively, and a space (void) having a width of 1.5 mm was provided between the sheets.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained membrane-electrode composite and redox flow battery.

(実施例6)
実施例2と同様に、実施例6による膜−電極複合体及びレドックスフロー電池を作製した。ただし、ホットプレス機において、圧板の加熱温度を140℃、プレス圧を2MPa、保持時間を5分間とした。
得られた膜−電極複合体及びレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Example 6)
A film-electrode composite and a redox flow battery according to Example 6 were prepared in the same manner as in Example 2. However, in the hot press machine, the heating temperature of the pressure plate was 140 ° C., the press pressure was 2 MPa, and the holding time was 5 minutes.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained membrane-electrode composite and redox flow battery.

(実施例7)
実施例2と同様に、実施例7による膜−電極複合体及びレドックスフロー電池を作製した。ただし、ホットプレス機において、圧板の加熱温度を105℃、プレス圧を2MPa、保持時間を5分間とした。
得られた膜−電極複合体及びレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Example 7)
A membrane-electrode composite and a redox flow battery according to Example 7 were prepared in the same manner as in Example 2. However, in the hot press machine, the heating temperature of the pressure plate was 105 ° C., the press pressure was 2 MPa, and the holding time was 5 minutes.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained membrane-electrode composite and redox flow battery.

(実施例8)
図4に示す膜−電極複合体を作製した。具体的には、まず、炭素シート材料Aから縦25.0mm×横10.0mmのシートを4枚切り出し、2枚ずつをそれぞれ図4の炭素シート33及び34の材料として用い、図4に示す形状に加工した。加工してできた炭素シート33及び34を、図4に示す幅2.5mm×長さ22.5mmの5本の電解液流通溝が形成されるように組み合わせ、イオン交換膜の両面にそれぞれ配置して、膜−電極複合体における正極及び負極となるようにした。これらを厚み0.5mmのスペーサーとともにホットプレス機の圧板間に置き、圧板を115℃まで加熱して、2MPaの圧力でプレスした。この状態で5分間保持した後、圧板を開放して室温まで冷却した。こうして実施例8による膜−電極複合体を作製した。
得られた膜−電極複合体の評価結果を表2に示す。
〈レドックスフロー電池の作製〉
上記で得られた膜−電極複合体を用いて、実施例1と同様に、実施例8によるレドックスフロー電池を作製した。セルを組む際、図4に示すように、炭素シート電極の電解液流通溝の延在方向(長手方向)が電解液の流れる方向に沿うように(平行となるように)膜−電極複合体を配置した。
得られたレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Example 8)
The membrane-electrode composite shown in FIG. 4 was prepared. Specifically, first, four sheets having a length of 25.0 mm and a width of 10.0 mm are cut out from the carbon sheet material A, and two sheets are used as the materials of the carbon sheets 33 and 34 of FIG. 4, respectively, and are shown in FIG. Processed into a shape. The processed carbon sheets 33 and 34 are combined so as to form five electrolyte flow grooves having a width of 2.5 mm and a length of 22.5 mm shown in FIG. 4, and arranged on both sides of the ion exchange membrane. Then, it became a positive electrode and a negative electrode in the membrane-electrode composite. These were placed between the pressure plates of a hot press machine together with a spacer having a thickness of 0.5 mm, and the pressure plates were heated to 115 ° C. and pressed at a pressure of 2 MPa. After holding in this state for 5 minutes, the pressure plate was opened and cooled to room temperature. In this way, the film-electrode composite according to Example 8 was prepared.
The evaluation results of the obtained membrane-electrode composite are shown in Table 2.
<Manufacturing of redox flow batteries>
Using the membrane-electrode composite obtained above, the redox flow battery according to Example 8 was produced in the same manner as in Example 1. When assembling the cell, as shown in FIG. 4, the film-electrode composite so that the extending direction (longitudinal direction) of the electrolytic solution flow groove of the carbon sheet electrode is along (parallel) the direction in which the electrolytic solution flows. Was placed.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained redox flow battery.

(比較例1)
炭素シート材料Aから、縦25.0mm×横20.0mmのシートを2枚切り出し、それぞれ膜−電極複合体における正極及び負極となるように、イオン交換膜の両面に1枚ずつ配置した。その際、各シートの位置が、正極側と負極側とでそれぞれ一致するようにした。これらを厚み0.5mmのスペーサーとともにホットプレス機の圧板間に置き、圧板を120℃まで加熱して、2MPaの圧力でプレスした。この状態で5分間保持した後、圧板を開放して室温まで冷却した。こうして比較例1による膜−電極複合体を作製した。
得られた膜−電極複合体の評価結果を表2に示す。
〈レドックスフロー電池の作製〉
上記で得られた膜−電極複合体を用いて、実施例1と同様に、比較例1によるレドックスフロー電池を作製した。
得られたレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Comparative Example 1)
Two sheets having a length of 25.0 mm and a width of 20.0 mm were cut out from the carbon sheet material A, and one sheet was arranged on each side of the ion exchange membrane so as to be a positive electrode and a negative electrode in the film-electrode composite, respectively. At that time, the positions of the sheets were set to coincide with each other on the positive electrode side and the negative electrode side. These were placed between the pressure plates of a hot press machine together with a spacer having a thickness of 0.5 mm, the pressure plates were heated to 120 ° C., and pressed at a pressure of 2 MPa. After holding in this state for 5 minutes, the pressure plate was opened and cooled to room temperature. In this way, the film-electrode composite according to Comparative Example 1 was prepared.
The evaluation results of the obtained membrane-electrode composite are shown in Table 2.
<Manufacturing of redox flow batteries>
Using the membrane-electrode composite obtained above, a redox flow battery according to Comparative Example 1 was produced in the same manner as in Example 1.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained redox flow battery.

(比較例2)
比較例1と同様に、比較例2による膜−電極複合体及びレドックスフロー電池を作製した。ただし、炭素シート材料Aの代わりに、炭素シート材料Bを用いた。
得られた膜−電極複合体及びレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Comparative Example 2)
A film-electrode composite and a redox flow battery according to Comparative Example 2 were produced in the same manner as in Comparative Example 1. However, the carbon sheet material B was used instead of the carbon sheet material A.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained membrane-electrode composite and redox flow battery.

(比較例3)
比較例1と同様に、比較例3による膜−電極複合体及びレドックスフロー電池を作製した。ただし、炭素シートとイオン交換膜とは接着せずに、重ねただけの状態とした。
得られた膜−電極複合体及びレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
レドックスフロー電池の評価を行ったところ、液漏れが発生したため測定を中断し、電流効率CE、電圧効率VE、及び電力効率EEは算出しなかった。
(Comparative Example 3)
A film-electrode composite and a redox flow battery according to Comparative Example 3 were produced in the same manner as in Comparative Example 1. However, the carbon sheet and the ion exchange membrane were not adhered to each other and were simply overlapped.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained membrane-electrode composite and redox flow battery.
When the redox flow battery was evaluated, the measurement was interrupted due to the occurrence of liquid leakage, and the current efficiency CE, the voltage efficiency VE, and the power efficiency EE were not calculated.

(比較例4)
炭素シート材料Aから、縦25.0mm×横20.0mmのシートを2枚切り出し、いずれも図4の炭素シート電極3の形状(炭素シート33及び34を合わせた形状)と同じ形状となるように、即ち、幅2.5mm×長さ22.5mmの5本の電解液流通溝が形成されるように加工した。その後、イオン交換膜の両面に1枚ずつ配置した。その際、各シートの位置が、正極側と負極側とでそれぞれ一致するようにした。これらを厚み0.5mmのスペーサーとともにホットプレス機の圧板間に置き、圧板を115℃まで加熱して、2MPaの圧力でプレスした。この状態で5分間保持した後、圧板を開放して室温まで冷却した。こうして比較例4による膜−電極複合体を作製した。
得られた膜−電極複合体の評価結果を表2に示す。
〈レドックスフロー電池の作製〉
上記で得られた膜−電極複合体を用いて、実施例8と同様に、比較例4によるレドックスフロー電池を作製した。セルを組む際、実施例8と同様にして、炭素シート電極の電解液流通溝の延在方向(長手方向)が電解液の流れる方向に沿ように(平行となるように)膜−電極複合体を配置した。
得られたレドックスフロー電池の評価結果を表2に示す。
(Comparative Example 4)
Two sheets of 25.0 mm in length × 20.0 mm in width are cut out from the carbon sheet material A so that they all have the same shape as the shape of the carbon sheet electrode 3 in FIG. 4 (the shape of the carbon sheets 33 and 34 combined). That is, it was processed so that five electrolytic solution flow grooves having a width of 2.5 mm and a length of 22.5 mm were formed. Then, one sheet was arranged on each side of the ion exchange membrane. At that time, the positions of the sheets were set to coincide with each other on the positive electrode side and the negative electrode side. These were placed between the pressure plates of a hot press machine together with a spacer having a thickness of 0.5 mm, and the pressure plates were heated to 115 ° C. and pressed at a pressure of 2 MPa. After holding in this state for 5 minutes, the pressure plate was opened and cooled to room temperature. In this way, the film-electrode composite according to Comparative Example 4 was prepared.
The evaluation results of the obtained membrane-electrode composite are shown in Table 2.
<Manufacturing of redox flow batteries>
Using the membrane-electrode composite obtained above, a redox flow battery according to Comparative Example 4 was produced in the same manner as in Example 8. When assembling the cell, the film-electrode composite is formed so that the extending direction (longitudinal direction) of the electrolytic solution flow groove of the carbon sheet electrode is along (parallel) to the flowing direction of the electrolytic solution in the same manner as in Example 8. Placed the body.
Table 2 shows the evaluation results of the obtained redox flow battery.

Figure 2021136092
Figure 2021136092

本発明によれば、機械的な変形に対し屈曲性を向上させた膜−電極複合体を得ることができるため、電池産業や発電産業において有用である。 According to the present invention, it is possible to obtain a film-electrode composite having improved flexibility against mechanical deformation, which is useful in the battery industry and the power generation industry.

1、10 膜−電極複合体
2、11、111 イオン交換膜
3 炭素シート電極
31 炭素シート31
32 炭素シート32
33 炭素シート33
34 炭素シート34
4 屈曲線
12、112 電極
13 セパレータ
14 集電板
20 セル
100 レドックスフロー電池
101 電解槽
102、103 タンク
104、105 ポンプ
106 電源
112a 正極
112b 負極
1, 10 Membrane-electrode composite 2, 11, 111 Ion exchange membrane 3 Carbon sheet electrode 31 Carbon sheet 31
32 carbon sheet 32
33 Carbon sheet 33
34 Carbon sheet 34
4 Bending line 12, 112 Electrode 13 Separator 14 Current collector plate 20 Cell 100 Redox flow battery 101 Electrolytic cell 102, 103 Tank 104, 105 Pump 106 Power supply 112a Positive electrode 112b Negative electrode

Claims (11)

第1の表面と第2の表面を持つイオン交換膜の少なくとも1つの表面に、炭素シート電極の少なくとも一部が接着した積層体であり、
前記炭素シート電極は、炭素繊維を構成要素として含む2片以上の炭素シートから形成されることを特徴とする、膜−電極複合体。
A laminate in which at least a part of a carbon sheet electrode is adhered to at least one surface of an ion exchange membrane having a first surface and a second surface.
The carbon sheet electrode is a film-electrode composite characterized in that it is formed of two or more pieces of carbon sheets containing carbon fibers as constituent elements.
前記第1の表面及び前記第2の表面に、前記炭素シート電極が接着した積層体である、請求項1に記載の膜−電極複合体。 The film-electrode composite according to claim 1, which is a laminate in which the carbon sheet electrode is adhered to the first surface and the second surface. 前記炭素シート電極において、前記イオン交換膜と対向している表面の30%以上が前記イオン交換膜に接着している、請求項1又は2に記載の膜−電極複合体。 The film-electrode composite according to claim 1 or 2, wherein in the carbon sheet electrode, 30% or more of the surface facing the ion exchange membrane is adhered to the ion exchange membrane. 前記2片以上の炭素シートの中で、互いに隣接する2片の炭素シート間の空隙が10mm以下である、請求項1〜3のいずれか一項に記載の膜−電極複合体。 The membrane-electrode composite according to any one of claims 1 to 3, wherein the gap between the two or more carbon sheets adjacent to each other is 10 mm or less. 前記2片以上の炭素シートの中で、互いに隣接する2片の炭素シート間の空隙割合が5%以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の膜−電極複合体。 The membrane-electrode composite according to any one of claims 1 to 4, wherein in the two or more carbon sheets, the void ratio between the two adjacent carbon sheets is 5% or less. 前記2片以上の炭素シートが、40g/m以上の異なる目付けを有する、請求項1〜5のいずれか一項に記載の膜−電極複合体。 The membrane-electrode composite according to any one of claims 1 to 5, wherein the two or more carbon sheets have different basis weights of 40 g / m 2 or more. 前記炭素シート電極と前記イオン交換膜との接着面において、該イオン交換膜への該炭素シート電極の埋め込み深度が5μm以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の膜−電極複合体。 The film-electrode according to any one of claims 1 to 6, wherein the depth of embedding of the carbon sheet electrode in the ion exchange membrane is 5 μm or less on the bonding surface between the carbon sheet electrode and the ion exchange membrane. Complex. 前記炭素シート電極の端縁に開口する電解液流通溝が形成されている、請求項1〜7のいずれか一項に記載の膜−電極複合体。 The membrane-electrode composite according to any one of claims 1 to 7, wherein an electrolytic solution flow groove is formed at the edge of the carbon sheet electrode. 前記イオン交換膜の分解温度以下の温度条件で、前記イオン交換膜と前記炭素シート電極とを熱圧着させることを特徴とする、請求項1〜8のいずれか一項に記載の膜−電極複合体の製造方法。 The film-electrode composite according to any one of claims 1 to 8, wherein the ion exchange membrane and the carbon sheet electrode are thermally pressure-bonded under a temperature condition equal to or lower than the decomposition temperature of the ion exchange membrane. How to make a body. 請求項1〜8のいずれか一項に記載の膜−電極複合体と、電解液循環機構とを備え、
前記2片以上の炭素シートの中で、互いに隣接する2片の炭素シートのうち目付けの小さい方が、電解液の流れる方向の上流側となるように配置されていることを特徴とする、装置。
The membrane-electrode composite according to any one of claims 1 to 8 and an electrolyte circulation mechanism are provided.
An apparatus characterized in that, of the two or more carbon sheets, the one having the smaller basis weight of the two adjacent carbon sheets is arranged so as to be on the upstream side in the direction in which the electrolytic solution flows. ..
請求項8に記載の膜−電極複合体と、電解液流通機構とを備え、
少なくとも1つの前記電解液流通溝の延在方向が、電解液の流れる方向に沿って設けられていることを特徴とする、装置。
The membrane-electrode composite according to claim 8 and an electrolytic solution flow mechanism are provided.
An apparatus, characterized in that at least one extending direction of the electrolytic solution flow groove is provided along a direction in which the electrolytic solution flows.
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