JP2018101541A - Membrane-electrode assembly - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a membrane-electrode assembly capable of suppressing deterioration in performance by inhibiting rupture of a diaphragm and peeling from an electrode due to electrolysis and repetition of charge/discharge or the like.SOLUTION: Disclosed is a membrane-electrode assembly 1 which includes: a pair of electrodes 3 for performing an oxidation-reduction reaction; and a diaphragm 2 which is provided between the pair of electrodes 3 and separates both electrodes 3. Each electrode 3 is a porous body formed by a fibrous structure, and at least a part of the fibrous structure is embedded into the diaphragm 2.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、隔膜と電極とを備える膜−電極接合体に関するものである。   The present invention relates to a membrane-electrode assembly including a diaphragm and an electrode.

近年、地球温暖化への対策として、太陽光、風力など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。したがって、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, the introduction of power generation using renewable energy such as sunlight and wind power has been promoted as a countermeasure against global warming. These power generations have a problem of unstable voltage and frequency of the system power supply because the output is greatly affected by the weather. Therefore, when introducing large-scale power generation, it is necessary to smooth the output and level the load by combining 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などが挙げられる。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 a lead storage battery, a sodium-sulfur battery, a metal-halogen battery, and a redox flow battery. Among these, the redox flow battery is superior to other batteries in terms of reliability and economy, and is one of the batteries most likely to be put to 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、酸化還元反応を行う一対の電極112と、該電極112間に設けられ、電極112を分離する隔膜としての電解質膜111とを有し、電極112は電源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 an electrolytic solution, and pumps 104 and 105 for circulating the electrolytic solution between the tank and the electrolytic cell. Further, the electrolytic cell 101 includes a pair of electrodes 112 that perform an oxidation-reduction reaction, and an electrolyte membrane 111 that is provided between the electrodes 112 and separates the electrodes 112. The electrode 112 is connected to a power source 106. ing.

上記レドックスフロー電池100において、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, by causing the pumps 104 and 105 to circulate the electrolyte between the tanks 102 and 103 and the electrolytic cell 101, electrochemical energy conversion is performed on the electrode 112 of the electrolytic cell 101. Charge and discharge.

図1に示したレドックスフロー電池100においては、電解質膜111と電極112とは離して構成されているが、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2(a)に示すように、電解質膜11と電極12とを積層して膜−電極積層体10を構成し、この膜−電極積層体10をフレーム13で保持した集電板14によって挟み込むことにより、図2(b)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 electrolyte membrane 111 and the electrode 112 are separated from each other. However, in order to increase the current density per unit area of the electrode, as shown in FIG. Further, the membrane electrode assembly 10 is formed by laminating the electrolyte membrane 11 and the electrode 12, and the membrane electrode assembly 10 is sandwiched between the current collector plates 14 held by the frame 13, whereby FIG. In many cases, a cell (cell stack) is formed by providing a plurality of cells 20.

図2(b)に示したセル20において、電極12としては、導電性、電気化学的安定性およ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、炭素繊維ペーパを、特許文献2には、炭素繊維不織布を、特許文献3には、炭素化された多孔質有機マトリックス(炭素フォーム)を、それぞれ電極の材料とすることが記載されている。   In the cell 20 shown in FIG. 2 (b), as the electrode 12, it is necessary to ensure conductivity, electrochemical stability, and flowability of the electrolytic solution, and therefore a carbon fibrous structure is generally used. . For example, Patent Document 1 uses carbon fiber paper, Patent Document 2 uses a carbon fiber nonwoven fabric, and Patent Document 3 uses a carbonized porous organic matrix (carbon foam) as an electrode material. It is described.

特表2014−514697号公報Special Table 2014-1414697 gazette 特開2001−85028号公報JP 2001-85028 A 特開平9−167621号公報JP-A-9-167621

しかしながら、上記セル20を複数設けて構成したレドックスフロー電池の充放電を繰り返し行った場合、膜−電極積層体10における電解質膜11が電極12から剥離して、電池性能が大幅に低下する場合がある。   However, when the redox flow battery configured by providing a plurality of the cells 20 is repeatedly charged and discharged, the electrolyte membrane 11 in the membrane-electrode laminate 10 may be peeled off from the electrode 12 and the battery performance may be significantly reduced. is there.

こうした電解質膜の剥離は、他の用途においても発生する場合がある。すなわち、上述のような膜−電極積層体は、レドックスフロー電池に限らず、固体高分子膜水電解装置や直接メタノール燃料電池等の様々な用途において使用されており、これらの用途において電解や充放電等を繰り返し行うと、電解質膜が電極から剥離して、性能が低下する場合がある。   Such peeling of the electrolyte membrane may occur in other applications. That is, the membrane-electrode laminate as described above is used not only in redox flow batteries but also in various applications such as solid polymer membrane water electrolysis devices and direct methanol fuel cells. When discharge or the like is repeatedly performed, the electrolyte membrane may be peeled off from the electrode, thereby reducing the performance.

そこで本発明は、電解や充放電等の繰返しによって電解質膜が膨潤収縮を繰り返して電極から剥離することを抑制して、性能の低下を抑制できる膜−電極接合体を提供することを目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a membrane-electrode assembly capable of suppressing degradation of performance by suppressing the electrolyte membrane from repeatedly swelling and shrinking due to repetition of electrolysis, charge and discharge, etc., and peeling from the electrode. .

本発明者らは、上記課題を解決することができる膜−電極接合体について鋭意検討した。そのために、膜−電極積層体10における電解質膜11の剥離の原因について詳細に調査した。電解質膜11は充放電に伴う電解液の出入りによって、膨潤収縮を起こす。この膨潤収縮は、電解質膜11の両表面上の電極12を、集電体14によって挟むことで抑制される。しかしながら、膨潤収縮の程度に対して電解質膜11と電極12との間の結合や挟む圧力が充分ではない場合、充放電によって発生した局所的な剥離が、充放電の繰返しにともなって進展し、最終的には界面全体の剥離を引き起こす。   The present inventors diligently studied a membrane-electrode assembly that can solve the above-mentioned problems. Therefore, the cause of peeling of the electrolyte membrane 11 in the membrane-electrode laminate 10 was investigated in detail. The electrolyte membrane 11 swells and contracts due to the entry / exit of the electrolyte accompanying charging / discharging. This swelling and shrinkage is suppressed by sandwiching the electrodes 12 on both surfaces of the electrolyte membrane 11 by the current collector 14. However, when the bonding between the electrolyte membrane 11 and the electrode 12 or the pressure between the electrodes 12 is not sufficient with respect to the degree of swelling and shrinkage, local peeling caused by charging / discharging progresses with repeated charging / discharging, Eventually, peeling of the entire interface is caused.

そこで、本発明者らは、電解質膜と電極との結合強度を高める方法について鋭意検討した結果、膜−電極積層体の電極を繊維状構造体により形成された多孔質体で構成し、繊維状構造体の少なくとも一部を隔膜に埋没させることが極めて有効であることを見出し、本発明を完成させるに至った。   Therefore, as a result of intensive studies on a method for increasing the bonding strength between the electrolyte membrane and the electrode, the present inventors have configured the electrode of the membrane-electrode laminate as a porous body formed of a fibrous structure, and has a fibrous shape. It has been found that it is extremely effective to bury at least a part of the structure in the diaphragm, and the present invention has been completed.

すなわち、本発明は以下の通りである。
[1]
酸化還元反応を行う一対の電極と、
前記電極間に設けられ、両電極を分離する隔膜と、
を備える膜−電極接合体であって、
前記電極は繊維状構造体により形成された多孔質体であり、前記繊維状構造体の少なくとも一部が前記隔膜に埋没していることを特徴とする膜−電極接合体。
That is, the present invention is as follows.
[1]
A pair of electrodes that perform a redox reaction;
A diaphragm provided between the electrodes and separating both electrodes;
A membrane-electrode assembly comprising:
The electrode is a porous body formed of a fibrous structure, and at least a part of the fibrous structure is buried in the diaphragm.

[2]
前記電極の繊維状構造体は、前記膜−電極接合体の膜厚方向断面において、膜長方向1cm当り5箇所以上埋没している部分を有することを特徴とする、前記[1]に記載の接合体。
[2]
The fibrous structure of the electrode according to [1], wherein the fibrous structure of the electrode has a portion buried in five or more locations per 1 cm in the film length direction in a cross section in the film thickness direction of the membrane-electrode assembly. Joined body.

[3]
前記電極の繊維状構造体が埋没していない前記隔膜の部分の厚みが2μm以上である、前記[1]又は[2]に記載の膜−電極接合体。
[3]
The membrane-electrode assembly according to [1] or [2], wherein a thickness of a portion of the diaphragm in which the fibrous structure of the electrode is not buried is 2 μm or more.

[4]
前記電極の繊維状構造体が埋没していない前記隔膜の部分の厚みは、エネルギー分散型X線分析法によって特定される、前記[3]に記載の膜−電極接合体。
[4]
The membrane-electrode assembly according to [3] above, wherein the thickness of the diaphragm portion in which the fibrous structure of the electrode is not buried is specified by energy dispersive X-ray analysis.

[5]
前記隔膜の厚みは30μm以下である、前記[1]〜[4]のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
[5]
The membrane-electrode assembly according to any one of [1] to [4], wherein the diaphragm has a thickness of 30 μm or less.

[6]
一辺30mmの正方形状の膜−電極接合体の部分において、前記正方形の対角線上で膜厚方向に平行に切断された第1の断面であり、
前記第1の断面上で膜長方向1cmの互いに重複しない異なる3視野で前記埋没部分の箇所数を評価し、該埋没部分の箇所数の平均値が1cm当り5箇所以上である、前記[2]〜[5]のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
[6]
In a portion of a square membrane-electrode assembly having a side of 30 mm, a first cross section cut in parallel to the film thickness direction on the diagonal of the square,
On the first cross section, the number of the buried portions is evaluated with three different visual fields that do not overlap with each other in the film length direction of 1 cm, and the average number of the buried portions is 5 or more per cm [2 ] The membrane-electrode assembly according to any one of [5] to [5].

本発明によれば、電解や充放電等の繰返しによって電解質膜が電極から剥離することを抑制して、性能の低下を抑制できる膜−電極接合体を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it can suppress that an electrolyte membrane peels from an electrode by repetition, such as electrolysis and charging / discharging, and can provide the membrane-electrode assembly which can suppress a performance fall.

レドックスフロー電池の一般的な構成の模式図である。It is a schematic diagram of the general structure of a redox flow battery. 一般的なセル構造の模式図である。It is a schematic diagram of a general cell structure. 本発明による膜−電極接合体を示す図である。It is a figure which shows the membrane-electrode assembly by this invention. 本発明における「埋没」の定義を説明する図である。It is a figure explaining the definition of "burial" in the present invention. 繊維状構造体の埋没している部分及び埋没していない部分の具体例を示す図である。It is a figure which shows the specific example of the part which is buried of the fibrous structure, and the part which is not buried. ホットプレス法を説明する模式図である。It is a schematic diagram explaining the hot press method. 実施例1による膜−電極接合体における繊維状構造体が埋没していない隔膜部分の厚みの算出に用いた分析画像である。3 is an analysis image used for calculating the thickness of a diaphragm portion in which the fibrous structure in the membrane-electrode assembly according to Example 1 is not buried. 実施例1による膜−電極接合体に対する炭素およびフッ素の膜厚方向の強度プロファイルを示す図である。FIG. 3 is a diagram showing strength profiles in the film thickness direction of carbon and fluorine with respect to the membrane-electrode assembly according to Example 1.

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, although the form for implementing this invention (henceforth "this embodiment") is demonstrated in detail, this invention is not limited to the following description, In the range of the summary Various modifications can be made.

(膜−電極接合体)
図3は、本発明による膜−電極接合体を示している。この図に示した膜−電極接合体1は、酸化還元反応を行う一対の電極3と、電極3間に設けられ、両電極3を分離する隔膜2とを備える。ここで、電極3は繊維状構造体により形成された多孔質体であり、繊維状構造体の少なくとも一部が隔膜2に埋没していることを特徴とする。
(Membrane-electrode assembly)
FIG. 3 shows a membrane-electrode assembly according to the present invention. The membrane-electrode assembly 1 shown in this figure includes a pair of electrodes 3 that perform an oxidation-reduction reaction, and a diaphragm 2 that is provided between the electrodes 3 and separates both electrodes 3. Here, the electrode 3 is a porous body formed of a fibrous structure, and at least a part of the fibrous structure is buried in the diaphragm 2.

本発明による膜−電極接合体1は、隔膜2の少なくとも一方の表面に電極3が接合された接合体である。ここで、隔膜2と電極3とが「接合」している状態とは、隔膜2を把持した際に、電極3が自重により脱落しない状態を指す。本明細書では、上記接合の要件を満たさないものを「膜−電極積層体」と呼び、「膜−電極接合体」と明確に区別する。   A membrane-electrode assembly 1 according to the present invention is a joined body in which an electrode 3 is joined to at least one surface of a diaphragm 2. Here, the state in which the diaphragm 2 and the electrode 3 are “joined” refers to a state in which the electrode 3 does not fall off due to its own weight when the diaphragm 2 is gripped. In the present specification, a material that does not satisfy the above-described bonding requirements is called a “membrane-electrode laminate”, and is clearly distinguished from a “membrane-electrode assembly”.

また、本明細書において、電極3の繊維状構造体の部分が隔膜2に「埋没」している状態とは、膜厚方向に平行に切断した膜−電極接合体1の任意の断面を電子顕微鏡で観察したときに、図4(a)に模式的に示すように、電極3を構成する繊維状構造体の部分Eの断面の外周Sについて、その全てが隔膜2を構成する物質Mで被覆されている状態を指す。図4(b)に示すように、外周Sの一部のみが隔膜2を構成する物質Mで被覆されている場合には、埋没しているとは見做さない。より具体的には、図5に例示する膜−電極接合体断面の電子顕微鏡画像において、電極を構成する繊維状構造体の部分E1〜E4については隔膜に埋没していると見做すのに対し、部分E5、E6については、その外周の一部が隔膜より露出しているため、埋没しているとは見做さない。   In the present specification, the state in which the fibrous structure of the electrode 3 is “buried” in the diaphragm 2 means that an arbitrary cross section of the membrane-electrode assembly 1 cut parallel to the film thickness direction is an electron. When observed with a microscope, as shown schematically in FIG. 4A, all of the outer periphery S of the cross section of the portion E of the fibrous structure constituting the electrode 3 is the substance M constituting the diaphragm 2. Refers to the coated state. As shown in FIG. 4B, when only a part of the outer periphery S is covered with the substance M constituting the diaphragm 2, it is not considered to be buried. More specifically, in the electron microscope image of the cross section of the membrane-electrode assembly illustrated in FIG. 5, it is assumed that the portions E1 to E4 of the fibrous structure constituting the electrode are buried in the diaphragm. On the other hand, the portions E5 and E6 are not considered to be buried because part of the outer periphery is exposed from the diaphragm.

なお、隔膜2と電極3の繊維状構造体の部分との境界である外周Sが判別しづらい場合には、エネルギー分散型X線分析法(Energy−Dispersive X−ray spectroscopy,EDX)等の定性分析を利用してよい。具体的には、面分析により隔膜2と電極3の構成元素の分布画像を取得すれば、隔膜2と電極3の構成元素の違いにより画像中の隔膜2の部分と電極3の部分にコントラストが生まれるため、その境界を外周Sと判断することにより、EDX法により外周Sを判別して、電極3を構成する繊維状構造体の部分が隔膜2に埋没しているか否かを判別することができる。   In addition, when it is difficult to discriminate the outer periphery S that is the boundary between the diaphragm 2 and the fibrous structure of the electrode 3, qualitative characteristics such as energy-dispersive X-ray spectroscopy (EDX) are used. Analysis may be used. Specifically, if a distribution image of the constituent elements of the diaphragm 2 and the electrode 3 is acquired by surface analysis, the contrast between the part of the diaphragm 2 and the part of the electrode 3 in the image is caused by the difference in the constituent elements of the diaphragm 2 and the electrode 3. Therefore, by determining the boundary as the outer periphery S, the outer periphery S is determined by the EDX method, and it is determined whether or not the portion of the fibrous structure constituting the electrode 3 is buried in the diaphragm 2. it can.

−隔膜−
本実施形態における隔膜2は高分子電解質膜である。高分子電解質膜の種類は特に限定されないが、レドックスフロー電池に用いる観点からは、プロトン伝導性を有する膜が好ましい。
-Diaphragm-
The diaphragm 2 in this embodiment is a polymer electrolyte membrane. The type of polymer electrolyte membrane is not particularly limited, but a membrane having proton conductivity is preferable from the viewpoint of use in a redox flow battery.

プロトン伝導性を有する膜としては、特開2005−158383号公報に記載されたPTFE(ポリテトラフルオロエチレン樹脂)多孔膜、ポリオレフィン系多孔膜、ポリオレフィン系不織布といった多孔膜系のもの、特公平6−105615号公報記載の多孔膜と含水性ポリマーとを組み合わせた複合膜、特公昭62−226580号公報に記載のセルロース又はエチレンービニルアルコール共重合体の膜、特開平6−188005号公報に記載のポリスルホン系膜陰イオン交換膜、特開平5−242905号公報に記載のフッ素系又はポリスルホン系イオン交換膜、特開平6−260183号公報に記載のポリプロピレンなどにより形成された多孔膜の孔に親水性樹脂を備えた膜、ポリプロピレン製多孔膜の両表面に薄く数μmのフッ素系イオン交換樹脂(Nafion(登録商標))を被覆した膜、特開平10−208767号公報に記載のピリジウム基を有する陰イオン交換型とスチレン系及びジビニルベンゼンとを共重合した架橋型重合体からなる膜、特開平11−260390号公報に記載のカチオン系イオン交換膜(フッ素系高分子又は炭化水素系高分子)とアニオン系イオン交換膜(ポリスルホン系高分子等)とを交互に積層した構造を有する膜、特開2000−235849号公報に記載の多孔質基材に2個以上の親水基有するビニル複素環化合物(アミン基を有する、ビニルピロリドン等)の繰り返し単位を有する架橋重合体を複合してなるアニオン交換膜等が挙げられる。これらの中でも、パーフルオロスルホン酸(PFSA)系樹脂からなる膜が好ましい。   Examples of the membrane having proton conductivity include porous membranes such as PTFE (polytetrafluoroethylene resin) porous membrane, polyolefin porous membrane, and polyolefin nonwoven fabric described in JP-A-2005-158383, No. 105615, a composite membrane combining a porous membrane and a hydrous polymer, a cellulose or ethylene-vinyl alcohol copolymer membrane described in JP-B-62-226580, and JP-A-6-188005 Hydrophilicity to the pores of a porous membrane formed by a polysulfone-based membrane anion exchange membrane, a fluorine-based or polysulfone-based ion exchange membrane described in JP-A-5-242905, polypropylene described in JP-A-6-260183, etc. A thin film with a thickness of several μm is formed on both surfaces of a membrane with a resin and a polypropylene porous membrane. A membrane coated with an ion exchange resin (Nafion (registered trademark)), a cross-linked polymer obtained by copolymerizing an anion exchange type having a pyridium group described in JP-A-10-208767 with styrene and divinylbenzene A structure in which a cation ion exchange membrane (fluorine polymer or hydrocarbon polymer) and an anion ion exchange membrane (polysulfone polymer, etc.) described in JP-A-11-260390 are alternately laminated. A composite having a repeating unit of a vinyl heterocyclic compound (having an amine group, vinylpyrrolidone, etc.) having two or more hydrophilic groups on a porous substrate described in JP-A-2000-235849 And an anion exchange membrane. Among these, a membrane made of perfluorosulfonic acid (PFSA) resin is preferable.

−−パーフルオロスルホン酸系樹脂−−
パーフルオロスルホン酸系樹脂としては、例えば、下記一般式(1)で表される繰り返し単位と、下記一般式(2)で表される繰り返し単位とを含む重合体が挙げられる。
−[CX−CX]− ・・・(1)
(式(1)中、X、X、X、Xは、それぞれ独立に、水素原子、ハロゲン原子又は炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基であり、X、X、X、Xのうち少なくとも1つは、フッ素原子又は炭素数1〜10のパーフルオロアルキル基である。)
−[CF−CF(−(O−CF−(CFX−O−(CF−SOR)]− ・・・(2)
(式(2)中、Xはハロゲン原子又は炭素数1〜4のパーフルオロアルキル基であり、Rは、水素原子、リチウム原子、ナトリウム原子、若しくはカリウム原子等のアルカリ金属原子、NH、NH、NH、NHR、若しくはNR(R
、R、Rは、それぞれ独立して、炭素数1〜10のアルキル基又はアリール基を示す)等のアミン類である。また、aは0又は1であり、bは0又は1であり、cは0〜8の整数であり、dは0又は1であり、eは0〜8の整数である。ただし、bとeは同時に0でない。)
なお、パーフルオロスルホン酸系樹脂に複数の上記一般式(1)で表される繰り返し単位、及び/又は複数の上記一般式(2)で表される繰り返し単位が含まれる場合、各繰り返し単位は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
--Perfluorosulfonic acid resin--
Examples of the perfluorosulfonic acid resin include a polymer containing a repeating unit represented by the following general formula (1) and a repeating unit represented by the following general formula (2).
-[CX 1 X 2 -CX 3 X 4 ]-(1)
(In the formula (1), X 1, X 2, X 3, X 4 are each independently a hydrogen atom, a halogen atom or a perfluoroalkyl group having 1 to 10 carbon atoms, X 1, X 2, X 3 and at least one of X 4 is a fluorine atom or a C 1-10 perfluoroalkyl group.)
- [CF 2 -CF (- ( O a -CF 2 - (CFX 5) b) c -O d - (CF 2) e -SO 3 R)] - ··· (2)
(In the formula (2), X 5 is a perfluoroalkyl group having 1 to 4 carbon halogen atom or carbon, R represents a hydrogen atom, an alkali metal atom such as lithium atom, sodium atom, or potassium atom, NH 4, NH 3 R 1 , NH 2 R 1 R 2 , NHR 1 R 2 R 3 , or NR 1 R 2 R 3 R 4 (R 1 ,
R 2 , R 3 , and R 4 each independently represent an amine such as a C 1-10 alkyl group or aryl group. Moreover, a is 0 or 1, b is 0 or 1, c is an integer of 0-8, d is 0 or 1, and e is an integer of 0-8. However, b and e are not 0 at the same time. )
In addition, when the perfluorosulfonic acid resin includes a plurality of repeating units represented by the general formula (1) and / or a plurality of repeating units represented by the general formula (2), each repeating unit is It may be the same or different.

上記パーフルオロスルホン酸系樹脂としては、下記一般式(3)〜(7)で表される繰り返し単位の1つ以上を有する化合物が好ましい。
−[CF−CX−[CF−CF(−O−CF−CFX−O−(CF−SOR)]− ・・・(3)
−[CF−CF−[CF−CF(−O−CF−CF(CF))−O−(CF−SOR)]− ・・・(4)
−[CF−CF−[CF−CF−O−(CF−SOR)]− ・・・(5)
−[CF−CF−[CF−CF(−O−CF−CFX−O−(CF−SOH] ・・・(6)
−[CF−CF−[CF−CF−(CF−SOR)]− ・・・(7)
(式(3)〜(7)中、X、X、X、Rは、式(1)、(2)と同様である。また、c、d、eは、式(1)、(2)と同様であり、0≦f<1、0<g≦1、f+g=1である。ただし、式(5)、(7)においてeは0でない。)
The perfluorosulfonic acid resin is preferably a compound having one or more repeating units represented by the following general formulas (3) to (7).
- [CF 2 -CX 3 X 4 ] f - [CF 2 -CF (-O-CF 2 -CFX 5) c -O d - (CF 2) e -SO 3 R)] g - ··· (3 )
- [CF 2 -CF 2] f - [CF 2 -CF (-O-CF 2 -CF (CF 3)) c -O- (CF 2) e -SO 3 R)] g - ··· (4 )
- [CF 2 -CF 2] f - [CF 2 -CF-O- (CF 2) e -SO 3 R)] g - ··· (5)
- [CF 2 -CF 2] f - [CF 2 -CF (-O-CF 2 -CFX 5) c -O d - (CF 2) e -SO 3 H] g ··· (6)
- [CF 2 -CF 2] f - [CF 2 -CF- (CF 2) e -SO 3 R)] g - ··· (7)
(In the formulas (3) to (7), X 3 , X 4 , X 5 and R are the same as those in the formulas (1) and (2). Also, c, d and e are the formulas (1), Same as (2), 0 ≦ f <1, 0 <g ≦ 1, and f + g = 1, where e is not 0 in formulas (5) and (7).

上記パーフルオロスルホン酸系樹脂は、上記一般式(1)、(2)で表される繰り返し単位以外の、他の構成単位をさらに含んでいてもよい。上記他の構成単位としては、例えば、下記一般式(I)で表される構成単位等が挙げられる。
(式(I)中、Rは、単結合又は炭素数1〜6の2価のパーフルオロ有機基(例えば、炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基等)であり、Rは、炭素数1〜6の2価のパーフルオロ有機基(例えば、炭素数1〜6のパーフルオロアルキレン基等)である。)
The perfluorosulfonic acid resin may further contain other structural units other than the repeating units represented by the general formulas (1) and (2). Examples of the other structural units include structural units represented by the following general formula (I).
(In Formula (I), R 1 is a single bond or a divalent perfluorinated organic group having 1 to 6 carbon atoms (e.g., such as perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms), R 2 is carbon A divalent perfluoro organic group having 1 to 6 carbon atoms (for example, a perfluoroalkylene group having 1 to 6 carbon atoms).

上記パーフルオロスルホン酸系樹脂としては、プロトンを透過しやすく、抵抗が一層低い高分子電解質膜が得られる観点から、式(4)又は式(5)で表される繰り返し単位を有する樹脂が好ましく、式(5)で表される繰り返し単位のみからなる樹脂がより好ましい。   As the perfluorosulfonic acid resin, a resin having a repeating unit represented by the formula (4) or the formula (5) is preferable from the viewpoint of obtaining a polymer electrolyte membrane that easily transmits protons and has a lower resistance. More preferably, the resin consists only of the repeating unit represented by the formula (5).

前記PFSA樹脂の当量質量EW(プロトン交換基1当量あたりのPFSA樹脂の乾燥質量グラム数)は、300〜1300に調整されているものが好ましい。本実施形態におけるPFSA樹脂の当量質量EWは、より好ましくは350〜1000、更に好ましくは400〜900、最も好ましくは450〜750である。   The equivalent mass EW of the PFSA resin (the dry mass in grams of PFSA resin per equivalent of proton exchange groups) is preferably adjusted to 300 to 1300. The equivalent mass EW of the PFSA resin in the present embodiment is more preferably 350 to 1000, still more preferably 400 to 900, and most preferably 450 to 750.

また、電極3の繊維状構造体が埋没していない隔膜2の部分の厚みが2μm以上であることが好ましい。5μm以上であることがより好ましく、10μm以上であることがさらに好ましい。さらには20μm以上であることが最も好ましい。正負極の短絡を抑制することができるのと同時に、正負極電解液のクロスオーバーも抑制することができる。なお、本明細書において、上記繊維状構造体が埋没していない隔膜2の部分の厚みは、下記の3つの手順にて算出する。   Moreover, it is preferable that the thickness of the part of the diaphragm 2 in which the fibrous structure of the electrode 3 is not buried is 2 μm or more. More preferably, it is 5 μm or more, and further preferably 10 μm or more. Furthermore, it is most preferable that it is 20 micrometers or more. The short circuit between the positive and negative electrodes can be suppressed, and at the same time, the crossover of the positive and negative electrode electrolytes can be suppressed. In the present specification, the thickness of the portion of the diaphragm 2 where the fibrous structure is not buried is calculated by the following three procedures.

1.定量標的元素の選出
電極3を構成する繊維状構造体および隔膜2について、それぞれを構成する比率の多い元素を定量標的元素として選出する。ただし、繊維状構造体の定量標的元素Xと隔膜2の定量標的元素Yとは異なる元素とする。繊維状構造体または隔膜2を構成する元素の比率を得る方法は特に限定されない。例えば、組成情報から求めてもよいし、組成分析を行ってもよい。組成分析の方法としては、誘導結合プラズマ質量分析法(ICP−MS)、EDX法等、種々の方法を用いることができる。中でも、電子顕微鏡像にて観察した部分と同位置を簡便に分析できる点でEDX法を用いることが好ましい。
1. Selection of quantitative target element About the fibrous structure and the diaphragm 2 which comprise the electrode 3, an element with many ratios which comprises each is selected as a quantitative target element. However, the quantitative target element X of the fibrous structure and the quantitative target element Y of the diaphragm 2 are different elements. The method for obtaining the ratio of the elements constituting the fibrous structure or the diaphragm 2 is not particularly limited. For example, it may be obtained from composition information or composition analysis may be performed. As a method of composition analysis, various methods such as inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) and EDX method can be used. Among them, it is preferable to use the EDX method in that the same position as the part observed with the electron microscope image can be easily analyzed.

2.バルク元素比率の測定
膜厚方向に平行に切断した接合体断面において、隔膜部分について元素X、Yについて例えばEDX法により定量分析を行い、下記の式(8)により元素比率Rmを算出する。
隔膜部分の元素比率Rm
=隔膜部分の元素Xの定量値÷隔膜部分の元素Yの定量値 ・・・(8)
このとき、元素Xの定量値がYの定量値の100分の1を下回る場合には、Rmを0.01とする。
2. Measurement of bulk element ratio In the cross-section of the joined body cut in parallel with the film thickness direction, elements X and Y are quantitatively analyzed, for example, by the EDX method, and the element ratio Rm is calculated by the following formula (8).
Element ratio Rm of diaphragm part
= Quantitative value of element X in the diaphragm part ÷ Quantitative value of element Y in the diaphragm part (8)
At this time, when the quantitative value of the element X is less than 1/100 of the quantitative value of Y, Rm is set to 0.01.

3.埋没していない隔膜部分の厚みの算出
膜厚方向に平行に切断した接合体断面の隔膜を含む視野において、EDXによる元素X、Yの定量線分析を、隔膜を横断するよう膜厚方向に行い、下記式(9)により元素比率Rの膜厚方向における推移を算出する。
元素比率R
=算出点における元素Xの定量値÷算出点における元素Yの定量値 ・・・(9)
その際、膜長方向(膜の延在方向)に平均化された元素比率Rを得るため、分析領域を膜長方向に180μmとして線分析する。
3. Calculation of the thickness of the unfilled diaphragm part In the field of view including the diaphragm of the cross section of the joint cut parallel to the film thickness direction, quantitative analysis of elements X and Y by EDX is performed in the film thickness direction so as to cross the diaphragm. The change in the film thickness direction of the element ratio R is calculated by the following formula (9).
Element ratio R
= Quantitative value of element X at the calculation point ÷ Quantitative value of element Y at the calculation point (9)
At that time, in order to obtain the element ratio R averaged in the film length direction (film extending direction), the analysis region is 180 μm in the film length direction for line analysis.

算出された元素比率Rについて、下記の式(10)、すなわち
1.5Rm>R>0.7Rm ・・・(10)
を満たす範囲を、繊維状構造体が埋没していない隔膜部分とし、その厚みを、電極3を構成する繊維状構造体が埋没していない隔膜2の部分の厚みとする。
About the calculated element ratio R, the following formula (10), that is, 1.5 Rm>R> 0.7 Rm (10)
The range that satisfies the condition is defined as a diaphragm portion where the fibrous structure is not buried, and the thickness thereof is defined as the thickness of the diaphragm 2 where the fibrous structure constituting the electrode 3 is not buried.

また、隔膜2の厚み(隔膜2全体の厚み)は、150μm以下であることが好ましく、100μm以下であることがより好ましく、75μm以下であることがさらに好ましく、30μm以下であることが最も好ましい。これにより、電池サイズを小さくすることができるのと同時に、内部抵抗を低減するこができる。   Moreover, the thickness of the diaphragm 2 (thickness of the entire diaphragm 2) is preferably 150 μm or less, more preferably 100 μm or less, further preferably 75 μm or less, and most preferably 30 μm or less. Thereby, the battery size can be reduced, and at the same time, the internal resistance can be reduced.

−電極−
本実施形態における電極3は、繊維状構造体により形成された多孔質体である。ここで、繊維状構造体の少なくとも一部が隔膜に埋没していることが肝要である。これにより、アンカー効果により隔膜2の膨潤による寸法変化を抑制し、電解や充放電等の繰返しによって隔膜2が電極3から剥離して性能が低下するのを抑制することができる。
-Electrode-
The electrode 3 in this embodiment is a porous body formed of a fibrous structure. Here, it is important that at least a part of the fibrous structure is buried in the diaphragm. Thereby, the dimensional change by swelling of the diaphragm 2 can be suppressed by an anchor effect, and it can suppress that the diaphragm 2 peels from the electrode 3 by repetition, such as electrolysis and charging / discharging, and a performance falls.

本実施形態における電極3を構成する繊維状構造体は、炭素を有することが好ましい。炭素の繊維状構造体としては、炭素繊維不織布や炭素繊維ペーパ、炭素フォーム等を挙げることができる。以下、電極3として炭素繊維不織布、炭素繊維ペーパ及び炭素フォームを用いる場合の要件を具体的に説明する。   The fibrous structure constituting the electrode 3 in the present embodiment preferably has carbon. Examples of carbon fibrous structures include carbon fiber nonwoven fabric, carbon fiber paper, and carbon foam. Hereinafter, requirements in the case of using a carbon fiber nonwoven fabric, carbon fiber paper, and carbon foam as the electrode 3 will be specifically described.

−−炭素繊維不織布−−
<炭素繊維の繊維径>
電極3を構成する繊維状構造体が炭素繊維不織布である場合、炭素繊維不織布を構成する炭素繊維の繊維径は、1μm以上であることが好ましく、3μm以上であることがより好ましく、5μm以上であることがさらに好ましい。これにより、繊維を不織布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、繊維径は、20μm以下であることが好ましく、15μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。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 nonwoven fabric--
<Fiber diameter of carbon fiber>
When the fibrous structure which comprises the electrode 3 is a carbon fiber nonwoven fabric, it is preferable that the fiber diameter of the carbon fiber which comprises a carbon fiber nonwoven fabric is 1 micrometer or more, It is more preferable that it is 3 micrometers or more, It is 5 micrometers or more. More preferably it is. Thereby, the handleability at the time of processing a fiber into a nonwoven fabric can be improved. The fiber diameter is preferably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less, and further preferably 10 μm or less. Thereby, when using as an electrode, the surface area per unit mass can be enlarged.

<かさ密度>
また、炭素繊維不織布のかさ密度は、0.01g/cm以上であることが好ましく、0.02g/cm以上であることがより好ましく、0.05g/cm以上であることがさらに好ましい。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、炭素繊維不織布のかさ密度は、0.3g/cm以下であることが好ましく、0.2g/cm以下であることがより好ましく、0.1g/cm以下であることがさらに好ましい。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 nonwoven fabric is preferably at 0.01 g / cm 3 or more, more preferably 0.02 g / cm 3 or more, further preferably 0.05 g / cm 3 or more . Thereby, when using as an electrode, the surface area can be enlarged. The bulk density of the carbon fiber nonwoven fabric is preferably 0.3 g / cm 3 or less, more preferably 0.2 g / cm 3 or less, and further preferably 0.1 g / cm 3 or less. . Thereby, the porosity can be increased and the circulation of the electrolyte can be facilitated when used as an electrode.

<厚み>
炭素繊維不織布の厚みは、1mm以上であることが好ましく、1.5mm以上であることがより好ましく、2mm以上であることがさらに好ましい。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、炭素繊維不織布の厚みは、15mm以下であることが好ましく、10mm以下であることがより好ましく、8mm以下であることがさらに好ましい。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 nonwoven fabric is preferably 1 mm or more, more preferably 1.5 mm or more, and further preferably 2 mm or more. Thereby, sufficient electrode surface area can be ensured and the resistance accompanying an electrochemical reaction can be reduced. Moreover, the thickness of the carbon fiber nonwoven fabric is preferably 15 mm or less, more preferably 10 mm or less, and further preferably 8 mm or less. Thereby, the resistance accompanying the movement of electrons in the electrode can be reduced, and the cell can be miniaturized.

−−炭素繊維ペーパ−−
<炭素繊維の繊維径>
また、電極3を構成する繊維状構造体が炭素繊維ペーパである場合、炭素繊維ペーパを構成する炭素繊維の繊維径は、1μm以上であることが好ましく、3μm以上であることがより好ましく、5μm以上であることがさらに好ましい。これにより、繊維をペーパ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、繊維径は、20μm以下であることが好ましく、15μm以下であることがより好ましく、10μm以下であることがさらに好ましい。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>
Moreover, when the fibrous structure which comprises the electrode 3 is carbon fiber paper, it is preferable that the fiber diameter of the carbon fiber which comprises carbon fiber paper is 1 micrometer or more, It is more preferable that it is 3 micrometers or more, 5 micrometers More preferably, it is the above. Thereby, the handleability at the time of processing a fiber into paper can be improved. The fiber diameter is preferably 20 μm or less, more preferably 15 μm or less, and further preferably 10 μm or less. Thereby, when using as an electrode, the surface area per unit mass can be enlarged.

<炭素繊維の平均長さ>
また、炭素繊維ペーパ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以上であることがさらに好ましい。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以下であることがさらに好ましい。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>
Further, 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. Thereby, mechanical strength can be raised by the increase in the contact density between fibers. The average length of the carbon fibers is preferably 50 mm or less, more preferably 40 mm or less, and further preferably 30 mm or less. Thereby, the opening in the paper making process can be facilitated.

<かさ密度>
また、炭素繊維ペーパのかさ密度は、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以上であることがさらに好ましい。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以下であることがさらに好ましい。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. . Thereby, when using as an electrode, the surface area can be enlarged. 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. . Thereby, the porosity can be increased and the circulation of the electrolyte can be facilitated when used as an electrode.

<厚み>
炭素繊維ペーパの厚みは、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以上であることがさらに好ましい。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以下であることがさらに好ましい。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. Thereby, sufficient electrode surface area can be ensured and the resistance accompanying an electrochemical reaction can be reduced. Further, the thickness of the carbon fiber paper is preferably 600 μm or less, more preferably 500 μm or less, and further preferably 400 μm or less. Thereby, the resistance accompanying the movement of electrons in the electrode can be reduced, and the cell can be miniaturized.

−−炭素フォーム−−
<空隙率>
さらに、電極3を構成する繊維状構造体が炭素繊維フォームである場合、炭素フォームの空隙率は90%以上であることが好ましく、95%以上であることがより好ましく、99%以上であることがさらに好ましい。空隙率が90%未満の場合には、レドックスフロー電池の電極として用いた場合に、電極の表面積を充分に大きくすることができず、セル抵抗が大きくなってしまうおそれがある。
--- Carbon foam--
<Porosity>
Furthermore, when the fibrous structure constituting the electrode 3 is a carbon fiber foam, the porosity of the carbon foam is preferably 90% or more, more preferably 95% or more, and 99% or more. Is more preferable. When the porosity is less than 90%, when used as an electrode of a redox flow battery, the surface area of the electrode cannot be sufficiently increased, and the cell resistance may be increased.

なお、本明細書において、炭素フォームの空隙率は、かさ密度および真密度から求めた値である。かさ密度は、炭素フォームに含まれる空隙も含めた体積に基づいた密度である。これに対して、真密度は、炭素フォームの材料が占める体積に基づいた密度である。   In the present specification, the porosity of the carbon foam is a value obtained from the bulk density and the true density. The bulk density is a density based on the volume including voids contained in the carbon foam. On the other hand, the true density is a density based on the volume occupied by the carbon foam material.

[かさ密度の測定]
まず、ノギス等を用いて炭素フォームの寸法を測定し、得られた寸法から、炭素フォームのかさ体積Vbulkを求める。次に、精密天秤を用いて、炭素フォームの質量Mを測定する。得られた質量Mおよびかさ体積Vbulkから、下記の式(11)を用いて炭素フォームのかさ密度ρbulkを求めることができる。
ρbulk=M/Vbulk ・・・(11)
[Measurement of bulk density]
First, the dimensions of the carbon foam are measured using calipers or the like, and the bulk volume V bulk of the carbon foam is determined from the obtained dimensions. Next, the mass M of the carbon foam is measured using a precision balance. From the obtained mass M and bulk volume V bulk , the bulk density ρ bulk of the carbon foam can be obtained using the following formula (11).
ρ bulk = M / V bulk (11)

[真密度の測定]
炭素フォームの真密度ρrealは、n−ヘプタン、四塩化炭素および二臭化エチレンからなる混合液を用いて浮沈法によって求めることができる。具体的には、まず、共栓試験管に適当なサイズの炭素フォームを入れる。次に、3種の溶媒を適宜混合して試験管に加え、30℃の恒温槽に漬ける。試料片が浮く場合は、低密度であるn−ヘプタンを加える。一方、試験片が沈む場合は、高密度である二臭化エチレンを加える。この操作を繰り返して、試験片が液中に漂うようにする。最後に、液の密度をゲーリュサック比重瓶を用いて測定する。
[Measurement of true density]
The true density ρ real of the carbon foam can be determined by a flotation method using a mixed solution composed of n-heptane, carbon tetrachloride and ethylene dibromide. Specifically, first, a carbon foam of an appropriate size is put in a stoppered test tube. Next, three kinds of solvents are mixed as appropriate and added to a test tube, which is then immersed in a constant temperature bath at 30 ° C. If the sample piece floats, add n-heptane which is low density. On the other hand, when the test piece sinks, high-density ethylene dibromide is added. This operation is repeated so that the specimen floats in the liquid. Finally, the density of the liquid is measured using a Geryusack specific gravity bottle.

[空隙率の算出]
上述のように求めたかさ密度ρbulkおよび真密度ρrealから、下記の式(12)を用いて空隙率Vf,poreを求めることができる。
f,pore=((1/ρbulk)−(1/ρreal))/(1/ρbulk)×100 (%)
・・・(12)
[Calculation of porosity]
From the bulk density ρ bulk and the true density ρ real obtained as described above, the porosity V f, pore can be obtained using the following equation (12).
V f, pore = ((1 / ρ bulk ) − (1 / ρ real )) / (1 / ρ bulk ) × 100 (%)
(12)

炭素フォームは、例えばメラミン樹脂フォームを加熱して形成すると、炭素フォームの骨格を構成する繊維状炭素が全ての方向に均等に広がった構造を有するものとなるが、上記メラミン樹脂フォームの加熱を、所定の方向に圧力を負荷しつつ行うと、繊維状炭素の拡がりに異方性を有する骨格構造となる。本実施形態においては、炭素フォームは、繊維状炭素が等方的に拡がった等方的な骨格構造を有しても、繊維状炭素の拡がりに異方性を有する異方的な骨格構造を有してもよい。   When the carbon foam is formed by heating, for example, a melamine resin foam, the fibrous carbon constituting the skeleton of the carbon foam has a structure in which the carbon is uniformly spread in all directions. When the pressure is applied in a predetermined direction, a skeletal structure having anisotropy in the expansion of the fibrous carbon is obtained. In the present embodiment, the carbon foam has an anisotropic skeletal structure having anisotropy in the expansion of the fibrous carbon, even if the carbon foam has an isotropic skeleton structure in which the fibrous carbon isotropically expanded. You may have.

等方的な骨格構造を有する炭素フォームは、形成の際に圧力を負荷していないため、形成された炭素フォームの空隙率が高く(例えば、99%以上)、小さな応力で圧縮できるより柔軟性に富んだものとなり、電解や電池の充放電の際の隔膜の膨潤収縮に対してより柔軟に対応できるものとなる。これに対して、異方的な骨格構造を有する炭素フォームは、形成の際に圧力を負荷するため、等方的な骨格構造を有するものに比べて空隙率は低いが(例えば、95%以上)、セルを形成する際に集電板によって強く挟まれて大きな圧縮応力が印加された際にも、繊維状構造体の破断による劣化や粉落ちを抑制することができる。   Carbon foams with an isotropic skeletal structure do not apply pressure during formation, so the porosity of the formed carbon foam is high (for example, 99% or more) and is more flexible than can be compressed with small stress Therefore, it is possible to respond more flexibly to swelling and shrinkage of the diaphragm during electrolysis and battery charge / discharge. In contrast, a carbon foam having an anisotropic skeletal structure has a lower porosity than that having an isotropic skeletal structure (for example, 95% or more) because a pressure is applied during formation. ) When a cell is formed and strongly compressed by a current collector plate and a large compressive stress is applied, deterioration due to breakage of the fibrous structure and powder falling can be suppressed.

<平均直径>
また、走査型電子顕微鏡観察によって測定した、炭素フォームを構成する繊維状炭素(線状部)の平均直径daveが10μm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、3μm以下であることがさらに好ましい。これにより、比表面積の増大によって隔膜2と炭素フォームとの間の接合強度を向上させることができる。
<Average diameter>
Further, the average diameter d ave of the fibrous carbon (linear portion) constituting the carbon foam, measured by scanning electron microscope observation, is preferably 10 μm or less, more preferably 5 μm or less, and more preferably 3 μm or less. More preferably it is. Thereby, the joint strength between the diaphragm 2 and the carbon foam can be improved by increasing the specific surface area.

[平均直径の測定方法]
炭素フォームを構成する繊維状炭素の平均直径dave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、繊維状炭素の太さを無作為に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直径daveとする。
[Measuring method of average diameter]
The average diameter d ave of the fibrous carbon constituting the carbon foam 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 fibrous carbon is measured at 20 random locations. Assuming that the cross-sectional shape is circular, this average thickness is defined as an average diameter d ave .

<比表面積>
また、炭素フォームの真密度と炭素フォームを構成する繊維状炭素の平均直径から求めた比表面積Sが、0.5m/g以上であることが好ましく、1m/g以上であることがより好ましい。これによって、隔膜2との接合面積が充分に確保することができ、耐剥離性能を向上させることができる。
<Specific surface area>
The specific surface area S determined from the true density of the carbon foam and the average diameter of the fibrous carbon constituting the carbon foam is preferably 0.5 m 2 / g or more, and more preferably 1 m 2 / g or more. preferable. As a result, a sufficient bonding area with the diaphragm 2 can be secured, and the peel resistance can be improved.

[比表面積の算出]
炭素フォームの比表面積Sは、構成する繊維状炭素の形状が円柱状であることを仮定して、上述のように求めた真密度ρrealと平均直径daveから、下記(13)を用いて求めることができる。
S=4/(ρreal×dave) ・・・(13)
[Calculation of specific surface area]
The specific surface area S of the carbon foam is calculated using the following (13) from the true density ρ real and the average diameter d ave obtained as described above, assuming that the shape of the fibrous carbon constituting the column is cylindrical. Can be sought.
S = 4 / (ρ real × d ave ) (13)

炭素フォームは、例えばメラミン樹脂発泡体を不活性雰囲気下で800〜2500℃にて炭素化することによって形成することができる。メラミン樹脂発泡体としては、例えば、特開平4−349178号公報に開示されている方法により製造されるメラミン/ホルムアルデヒド縮合発泡体を用いることができる。   The carbon foam can be formed, for example, by carbonizing a melamine resin foam at 800 to 2500 ° C. under an inert atmosphere. As the melamine resin foam, for example, a melamine / formaldehyde condensation foam produced by the method disclosed in JP-A-4-349178 can be used.

上記方法によれば、まず、メラミン/ホルムアルデヒド前縮合物と、乳化剤、気化性発泡剤、硬化剤、および必要に応じて周知の充填剤とを含有する水溶液又は分散液を発泡処理した後、硬化処理を施すことによりメラミン/ホルムアルデヒド縮合発泡体を得ることができる。   According to the above method, first, an aqueous solution or dispersion containing a melamine / formaldehyde precondensate, an emulsifier, a vaporizable foaming agent, a curing agent, and, if necessary, a known filler is foamed and then cured. By performing the treatment, a melamine / formaldehyde condensed foam can be obtained.

上記方法において、メラミン/ホルムアルデヒド前縮合物としては、例えばメラミン:ホルムアルデヒド=1:1.5〜1:4、平均分子量が200〜1000のものを使用することができる。また、乳化剤としては、例えばアルキルスルホン酸やアリールスルホン酸のナトリウム塩などを0.5〜5質量%(メラミン/ホルムアルデヒド前縮合物基準、以下同じ)、気化性発泡剤としては、例えばペンタンやヘキサンなどを1〜50質量%、硬化剤としては塩酸や硫酸などを0.01〜20質量%が挙げられる。発泡処理および硬化処理は、使用した気化性発泡剤などの種類に応じて設定される温度に、上記成分からなる溶液を加熱すればよい。   In the above method, as the melamine / formaldehyde precondensate, for example, melamine: formaldehyde = 1: 1.5 to 1: 4 and an average molecular weight of 200 to 1000 can be used. Further, as an emulsifier, for example, sodium salt of alkyl sulfonic acid or aryl sulfonic acid is 0.5 to 5% by mass (based on melamine / formaldehyde precondensate, the same shall apply hereinafter), and as a vaporizable foaming agent, for example, pentane or hexane. 1 to 50% by mass, and examples of the curing agent include 0.01 to 20% by mass of hydrochloric acid and sulfuric acid. The foaming treatment and the curing treatment may be performed by heating the solution composed of the above components to a temperature set according to the type of the vaporizable foaming agent used.

次に、このメラミン樹脂フォームを炭素化する。炭素化は、不活性ガス気流中あるは真空中などの不活性雰囲気下にて行うことができる。また、熱処理温度の下限については、導電性を高める観点から、800℃以上であることが好ましい。一方、熱処理温度の上限については、電極の柔軟性を維持する観点から、2500℃以下であることが好ましい。   Next, this melamine resin foam is carbonized. Carbonization can be performed in an inert atmosphere such as in an inert gas stream or in a vacuum. Moreover, about the minimum of heat processing temperature, it is preferable that it is 800 degreeC or more from a viewpoint of improving electroconductivity. On the other hand, the upper limit of the heat treatment temperature is preferably 2500 ° C. or lower from the viewpoint of maintaining the flexibility of the electrode.

炭素フォームの厚みは、20μm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以上であることがさらに好ましい。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、炭素フォームの厚みは、2000μm以下であることが好ましく、1000μm以下であることがより好ましく、500μm以下であることがさらに好ましい。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。   The thickness of the carbon foam is preferably 20 μm or more, more preferably 100 μm or more, and further preferably 200 μm or more. Thereby, sufficient electrode surface area can be ensured and the resistance accompanying an electrochemical reaction can be reduced. The thickness of the carbon foam is preferably 2000 μm or less, more preferably 1000 μm or less, and further preferably 500 μm or less. Thereby, the resistance accompanying the movement of electrons in the electrode can be reduced, and the cell can be miniaturized.

なお、隔膜2や電極3の形状は特に限定されないが、取扱いや加工が容易な点から、シート状であることが好ましい。   The shape of the diaphragm 2 and the electrode 3 is not particularly limited, but is preferably a sheet from the viewpoint of easy handling and processing.

(膜−電極接合体の形成方法)
隔膜2と電極3とを接合して膜−電極接合体1を形成するには、ホットプレス法や膜と同種の高分子の溶液によって貼り合わせる方法などがある。この中でも、ホットプレス法は、加工性の点から好ましい。図6に、ホットプレス法を説明する模式図を示す。ホットプレス法による膜−電極接合体1の形成は、具体的にはまず、図6(a)に示すように、隔膜2を2枚の電極3(例えば、炭素繊維不織布)によって挟み、適当な厚みのスペーサ23とともにホットプレス機の圧板24間に置く。次に、図6(b)に示すように、圧板24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24を開放して室温まで冷却する。こうして膜−電極接合体1を形成することができる。
(Method for forming membrane-electrode assembly)
In order to join the diaphragm 2 and the electrode 3 to form the membrane-electrode assembly 1, there are a hot press method and a method of bonding using a polymer solution of the same type as the membrane. Among these, the hot press method is preferable from the viewpoint of workability. FIG. 6 is a schematic diagram for explaining the hot press method. Specifically, in the formation of the membrane-electrode assembly 1 by the hot press method, first, as shown in FIG. 6 (a), the diaphragm 2 is sandwiched between two electrodes 3 (for example, carbon fiber nonwoven fabric). It is placed between pressure plates 24 of a hot press machine together with a spacer 23 having a thickness. Next, as shown in FIG. 6B, the pressure plate 24 is heated to a predetermined temperature and then pressed. After holding for a predetermined time, the pressure plate 24 is opened and cooled to room temperature. Thus, the membrane-electrode assembly 1 can be formed.

上記ホットプレス法において、加熱温度は80℃以上200℃以下とすることが好ましく、120℃以上160℃以下とすることがより好ましい。これにより、隔膜2を熱的に劣化させることなく、軟化した隔膜2が電極3に密着することによって、強固に接合させることができる。また、スペーサ23の厚みは、隔膜2と2枚の電極3の合計厚みに対して、10%以上50%以下とすることが好ましく、20%以上40%以下とすることがより好ましい。プレス後の保持時間は、5min以上30min以下とすることが好ましく、10min以上20min以下とすることがより好ましい。これにより、電極3間の短絡を引き起こすことなく、隔膜2と電極3を強固に接合させることができる。   In the hot press method, the heating temperature is preferably 80 ° C. or higher and 200 ° C. or lower, and more preferably 120 ° C. or higher and 160 ° C. or lower. As a result, the softened diaphragm 2 is brought into close contact with the electrode 3 without causing the diaphragm 2 to be thermally deteriorated, so that the diaphragm 2 can be firmly bonded. The thickness of the spacer 23 is preferably 10% or more and 50% or less, and more preferably 20% or more and 40% or less with respect to the total thickness of the diaphragm 2 and the two electrodes 3. The holding time after pressing is preferably 5 min or more and 30 min or less, and more preferably 10 min or more and 20 min or less. Thereby, the diaphragm 2 and the electrode 3 can be firmly joined without causing a short circuit between the electrodes 3.

電極3の繊維状構造体は、膜−電極接合体1の膜厚方向断面において、膜長方向1cm当り5箇所以上埋没している部分を有することが好ましい。これにより、隔膜2と電極3との間の接合をより強固なものにすることができる。なお、「膜−電極接合体1の膜厚方向断面において、膜長方向1cm当り5箇所以上埋没している部分を有する」とは、一辺30mmの正方形状の膜−電極接合体の部分において、上記正方形の対角線上で膜厚方向に平行に切断された第1の断面を上記膜厚方向断面として、第1の断面上で膜長方向1cmの互いに重複しない異なる3視野で埋没部分の箇所数を評価し、該埋没部分の箇所数の平均値が1cm当り5箇所以上であることを意味している。なお、膜−電極接合体上の任意の一辺30mmの正方形状の部分において、膜長方向1cm当り5箇所以上埋没している部分を有することがより好ましい。   The fibrous structure of the electrode 3 preferably has 5 or more buried portions per 1 cm in the film length direction in the cross section in the film thickness direction of the membrane-electrode assembly 1. Thereby, the joining between the diaphragm 2 and the electrode 3 can be made stronger. In addition, “in the cross section in the film thickness direction of the membrane-electrode assembly 1, the portion having 5 or more buried portions per 1 cm in the film length direction” means that in the portion of the square membrane-electrode assembly having a side of 30 mm, The first cross section cut in parallel to the film thickness direction on the square diagonal line is defined as the film thickness direction cross section, and the number of buried portions in three different non-overlapping visual fields of 1 cm in the film length direction on the first cross section. This means that the average number of the buried portions is 5 or more per 1 cm. In addition, it is more preferable that the square-shaped portion having an arbitrary side of 30 mm on the membrane-electrode assembly has five or more buried portions per 1 cm in the film length direction.

以下、具体的な実施例及び比較例を挙げて説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。   Hereinafter, although a specific Example and a comparative example are given and demonstrated, this invention is not limited to these.

(実施例1)
<膜−電極接合体の作製>
まず、電極として寸法:30mm×30mm×6mmの炭素繊維不織布(SGL CARBON社製SIGRACELL(登録商標) GFA6EA)を2枚、隔膜として寸法:25mm×25mm×55μmの電解質膜(Dupon社製Nafion212)1枚をそれぞれ用意した。次に、隔膜の両面に炭素繊維不織布を配置し、ホットプレス法により炭素繊維不織布と隔膜とを接合した。具体的には、電解質膜を2枚の炭素繊維不織布で挟み、厚み4mmのスペーサとともにホットプレス機の圧板間に置いた。続いて、圧板を200℃まで加熱し、プレスした。この状態で20min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−電極接合体を作製した。
Example 1
<Preparation of membrane-electrode assembly>
First, two carbon fiber nonwoven fabrics (SIGLELL (registered trademark) GFA6EA manufactured by SGL CARBON) having dimensions: 30 mm × 30 mm × 6 mm as electrodes, and electrolyte membranes (Nafion 212 manufactured by Dupon) having dimensions of 25 mm × 25 mm × 55 μm as diaphragms. Each sheet was prepared. Next, the carbon fiber nonwoven fabric was arrange | positioned on both surfaces of the diaphragm, and the carbon fiber nonwoven fabric and the diaphragm were joined by the hot press method. Specifically, the electrolyte membrane was sandwiched between two carbon fiber nonwoven fabrics and placed between the pressure plates of a hot press machine together with a spacer having a thickness of 4 mm. Subsequently, the pressure plate was heated to 200 ° C. and pressed. After holding for 20 minutes in this state, the pressure plate was opened and cooled to room temperature. Thus, a membrane-electrode assembly according to Example 1 was produced.

(実施例2)
実施例1と同様に、実施例2による膜−電極接合体を作製した。ただし、ホットプレスの際の加熱時間を7minとした。その他の条件は実施例1と全て同じである。
(Example 2)
A membrane-electrode assembly according to Example 2 was produced in the same manner as Example 1. However, the heating time at the time of hot pressing was set to 7 minutes. The other conditions are all the same as in Example 1.

(実施例3)
実施例1と同様に、実施例3による膜−電極接合体を作製した。ただし、ホットプレスの際の加熱時間を3minとした。その他の条件は実施例1と全て同じである。
(Example 3)
A membrane-electrode assembly according to Example 3 was produced in the same manner as Example 1. However, the heating time during hot pressing was 3 min. The other conditions are all the same as in Example 1.

(実施例4)
実施例1と同様に、実施例4による膜−電極接合体を作製した。ただし、加熱温度は180℃、加熱時間は15分とした。その他の条件は実施例1と全て同じである。
Example 4
A membrane-electrode assembly according to Example 4 was produced in the same manner as Example 1. However, the heating temperature was 180 ° C. and the heating time was 15 minutes. The other conditions are all the same as in Example 1.

(実施例5)
実施例1と同様に、実施例5による膜−電極接合体を作製した。ただし、加熱温度は160℃、加熱時間は30分とした。その他の条件は実施例1と全て同じである。
(Example 5)
A membrane-electrode assembly according to Example 5 was produced in the same manner as Example 1. However, the heating temperature was 160 ° C. and the heating time was 30 minutes. The other conditions are all the same as in Example 1.

(比較例1)
実施例1において、ホットプレス法により電極と隔膜とを炭素繊維不織布とを接合せずに、比較例1による膜−電極積層体を作製した。
(Comparative Example 1)
In Example 1, the membrane-electrode laminated body by the comparative example 1 was produced, without joining a carbon fiber nonwoven fabric with an electrode and a diaphragm by the hot press method.

(比較例2)
実施例1と同様に、比較例2による膜−電極接合体を作製した。ただし、スペーサの厚みを8mmとし、加熱温度を80℃、加熱時間を10minとした。その他の条件は実施例1と全て同じである。
(Comparative Example 2)
As in Example 1, a membrane-electrode assembly according to Comparative Example 2 was produced. However, the thickness of the spacer was 8 mm, the heating temperature was 80 ° C., and the heating time was 10 min. The other conditions are all the same as in Example 1.

<繊維状構造体の埋没部分の数の測定>
実施例1について、下記の手順にて電極を構成する繊維状構造体の埋没部分の数を調べた。まず、一辺30mmの略正方形状のサンプル接合体を作製した。次に、サンプル接合体の対角線上で膜厚方向に平行に切断し、その切断面上で長さ1cmの互いに重複しない異なる3つのサンプルを作製した。そして、得られた3つのサンプルの各々について埋没部分を評価した。この評価は、具体的には、各サンプルの切断面を(株)日立ハイテクノロジーズ社製走査型電子顕微鏡S4700にて、加速電圧:1.5kV、作動距離WD:12mm、倍率:250倍にて観察した。その際、長さ1cmのサンプルを観察するために、サンプルを載置したステージを移動して観察を行った。各サンプルの埋没部分の数は以下の通りである。
<Measurement of the number of buried portions of the fibrous structure>
About Example 1, the number of the embedded parts of the fibrous structure which comprises an electrode in the following procedure was investigated. First, a substantially square sample joined body having a side of 30 mm was produced. Next, it cut | disconnected in parallel with the film thickness direction on the diagonal of a sample joining body, and three different samples which are 1 cm in length and which do not overlap mutually on the cut surface were produced. And the buried part was evaluated about each of the obtained three samples. In this evaluation, specifically, the cut surface of each sample was scanned with a scanning electron microscope S4700 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation, with an acceleration voltage of 1.5 kV, a working distance WD of 12 mm, and a magnification of 250 times. Observed. At that time, in order to observe a sample having a length of 1 cm, the stage on which the sample was placed was moved for observation. The number of buried portions of each sample is as follows.

上記3つのサンプルにおける埋没部分の数の平均値を、実施例1に対する繊維状構造体の埋没部分の数とする。同様の評価を実施例2〜5、比較例1、2についても行った。得られた結果を表2に示す。   The average value of the number of buried portions in the three samples is defined as the number of buried portions of the fibrous structure with respect to Example 1. The same evaluation was performed for Examples 2 to 5 and Comparative Examples 1 and 2. The obtained results are shown in Table 2.

<繊維状構造体が埋没していない隔膜部分の厚みの算出>
実施例1について、下記の手順にて電極を構成する繊維状構造体が埋没していない隔膜部分の厚みを算出した。まず、(株)日立ハイテクノロジーズ社製走査型電子顕微鏡S4700にて、加速電圧:7.0kV、作動距離WD:12mm、倍率:250倍にて、図7に示す分析画像を得た。本分析画像にて、(株)堀場製作所製EMAX−7000にて定量分析を行った。定量標的元素Xとして炭素(以下、「C」)の、および定量標的元素Yとしてフッ素(以下、「F」)の隔膜部分のスポット分析を行った。その際、測定時間は60秒とした。得られたCとFの強度比よりRmを0.25とした。
<Calculation of the thickness of the diaphragm portion where the fibrous structure is not buried>
About Example 1, the thickness of the diaphragm part in which the fibrous structure which comprises an electrode is not buried in the following procedure was computed. First, an analysis image shown in FIG. 7 was obtained with a scanning electron microscope S4700 manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation at an acceleration voltage of 7.0 kV, a working distance WD of 12 mm, and a magnification of 250 times. With this analysis image, quantitative analysis was performed with EMAX-7000 manufactured by Horiba, Ltd. Spot analysis was performed on the diaphragm portion of carbon (hereinafter, “C”) as the quantitative target element X and fluorine (hereinafter, “F”) as the quantitative target element Y. At that time, the measurement time was 60 seconds. From the obtained strength ratio of C and F, Rm was set to 0.25.

続いて、図7に示した分析画像における幅180μmの範囲について、膜厚方向にCおよびFの定量線分析を行った。その際、測定時間は30秒/ライン、積算回数は10回とした。得られたCおよびFの膜厚方向の強度プロファイルを図8に示す。図8に示した強度プロファイルから、CおよびFの強度比を算出し、上記式(10)を満たす範囲を調べた。その結果、分析画像左端より81μmから109μmの範囲内で式(10)を満たすことから、繊維状構造体が埋没していない隔膜部分の厚みを109μm−81μm=28μmと算出した。同様に、実施例2〜5、比較例2についても、繊維状構造体が埋没していない隔膜部分の厚みを算出した。得られた結果を表2に示す。なお、比較例1については、隔膜と電極とが接合されていないため、上記算出を行わなかった。   Subsequently, quantitative line analysis of C and F was performed in the film thickness direction for a range of 180 μm width in the analysis image shown in FIG. At that time, the measurement time was 30 seconds / line, and the number of integrations was 10 times. FIG. 8 shows the obtained intensity profiles of C and F in the film thickness direction. The intensity ratio of C and F was calculated from the intensity profile shown in FIG. 8, and the range satisfying the above formula (10) was examined. As a result, since Expression (10) was satisfied within the range of 81 μm to 109 μm from the left end of the analysis image, the thickness of the diaphragm portion where the fibrous structure was not buried was calculated as 109 μm−81 μm = 28 μm. Similarly, for Examples 2 to 5 and Comparative Example 2, the thickness of the diaphragm portion where the fibrous structure was not buried was calculated. The obtained results are shown in Table 2. In Comparative Example 1, the above calculation was not performed because the diaphragm and the electrode were not joined.

<耐剥離性能の評価>
実施例1〜5および比較例1、2による膜−電極接合体(比較例1は膜−電極積層体)の耐剥離性能を評価した。具体的には、膜−電極接合体(比較例1は膜−電極積層体)をエチレングリコール及びエタノールに浸漬した際の剥離を評価した。以下、各評価について説明する。
<Evaluation of peeling resistance>
The peel resistance of the membrane-electrode assemblies according to Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 (Comparative Example 1 is a membrane-electrode laminate) was evaluated. Specifically, peeling when a membrane-electrode assembly (Comparative Example 1 is a membrane-electrode laminate) was immersed in ethylene glycol and ethanol was evaluated. Hereinafter, each evaluation will be described.

[エチレングリコール浸漬による評価]
実施例1〜5、比較例2による膜−電極接合体、および比較例1による膜−電極積層体の各々について、エチレングリコールに浸漬した際に、電極と隔膜との間で剥離が発生するか否かを評価した。具体的には、エチレングリコールを容器内に供給し、エチレングリコールの温度を25℃に維持した状態で、膜−電極接合体(比較例1は膜−電極積層体)をエチレングリコールに浸漬した。20分経過後の時点において、電極と隔膜との間で剥離が生じているか否かを目視観察により評価した。評価結果を表2に示す。なお、表2において、○は、剥離が発生しなかったことを示しており、×は、隔膜と電極とが完全に剥離したことを示している。また、エチレングリコール浸漬後に実施例および比較例による膜−電極接合体(比較例1は膜−電極積層体)の寸法がどれだけ変化したかを測定した。得られた結果を表2に示す。
[Evaluation by immersion in ethylene glycol]
Regarding each of the membrane-electrode assembly according to Examples 1 to 5 and Comparative Example 2 and the membrane-electrode laminate according to Comparative Example 1, does peeling occur between the electrode and the diaphragm when immersed in ethylene glycol? Evaluated whether or not. Specifically, the membrane-electrode assembly (Comparative Example 1 is a membrane-electrode laminate) was immersed in ethylene glycol while ethylene glycol was supplied into the container and the temperature of ethylene glycol was maintained at 25 ° C. At the time point after 20 minutes, whether or not peeling occurred between the electrode and the diaphragm was evaluated by visual observation. The evaluation results are shown in Table 2. In Table 2, “◯” indicates that no peeling occurred, and “X” indicates that the diaphragm and the electrode were completely peeled off. Moreover, how much the dimension of the membrane-electrode assembly (Comparative Example 1 is a membrane-electrode laminate) according to Examples and Comparative Examples was changed after immersion in ethylene glycol. The obtained results are shown in Table 2.

[エタノール浸漬による評価]
エタノールを用いて、上記エチレングリコール浸漬による評価と同様の評価を行った。具体的には、エタノールを容器内に供給し、エタノールの温度を25℃に維持した状態で、実施例および比較例の膜−電極接合体(比較例1は膜−電極積層体)をエタノールに浸漬した。20分経過後の時点において、電極と隔膜との間で剥離が生じているか否かを目視観察により評価した。評価結果を表2に示す。なお、表2において、○は、剥離が発生しなかったことを示しており、×は、隔膜と電極とが完全に剥離したことを示している。また、エタノール浸漬後に実施例および比較例による膜−電極接合体(比較例1は膜−電極積層体)の寸法がどれだけ変化したかを測定した。得られた結果を表2に示す。
[Evaluation by ethanol immersion]
Evaluation similar to the evaluation by the ethylene glycol immersion was performed using ethanol. Specifically, in a state where ethanol was supplied into the container and the temperature of ethanol was maintained at 25 ° C., the membrane-electrode assemblies of Comparative Examples and Examples (Comparative Example 1 was a membrane-electrode laminate) were replaced with ethanol. Soaked. At the time point after 20 minutes, whether or not peeling occurred between the electrode and the diaphragm was evaluated by visual observation. The evaluation results are shown in Table 2. In Table 2, “◯” indicates that no peeling occurred, and “X” indicates that the diaphragm and the electrode were completely peeled off. Moreover, how much the dimension of the membrane-electrode assembly (Comparative Example 1 is a membrane-electrode laminate) according to Examples and Comparative Examples was changed after ethanol immersion. The obtained results are shown in Table 2.

表2から明らかなように、実施例1〜4による膜−電極接合体は、エチレングリコール浸漬およびエタノール浸漬による剥離評価の何れにおいても、剥離は発生しなかった。また、実施例5による膜−電極接合体については、エチレングリコール浸漬による剥離評価では剥離が生じなかったが、エタノール浸漬による剥離評価では剥離が発生した。しかしながら、エタノール浸漬による剥離評価は、通常の電解や電池における環境よりも厳しい環境での評価であり、エチレングリコール浸漬による剥離評価において剥離が生じていなければ問題はない。これに対して、比較例1、2は、エチレングリコール浸漬およびエタノール浸漬による剥離評価の何れにおいても、剥離が発生した。   As is apparent from Table 2, the membrane-electrode assemblies according to Examples 1 to 4 did not cause peeling in any of the peeling evaluations by ethylene glycol immersion and ethanol immersion. Moreover, about the membrane-electrode assembly by Example 5, although peeling did not arise in peeling evaluation by ethylene glycol immersion, peeling generate | occur | produced in peeling evaluation by ethanol immersion. However, the peeling evaluation by ethanol immersion is an evaluation in an environment more severe than the environment in normal electrolysis or battery, and there is no problem if no peeling occurs in the peeling evaluation by ethylene glycol immersion. On the other hand, in Comparative Examples 1 and 2, exfoliation occurred in both exfoliation evaluation by ethylene glycol immersion and ethanol immersion.

<短絡発生の有無の評価>
実施例1〜5、比較例2の膜−電極接合体および比較例1の膜−電極積層体について、隔膜を挟んで対向する電極間の抵抗を測定することにより、電極間で短絡が発生するか否かを評価した。具体的には、隔膜を挟んで対向する電極のそれぞれにカスタム社製デジタルマルチメーター CDM−11Dの針を当て、電極間の抵抗を測定した。そして、電極間の抵抗が300Ω以上の場合には、短絡は発生しないと評価した。得られた結果を表2に示す。表2に示すように、実施例1〜5、比較例2の膜−電極接合体および比較例1の膜−電極積層体の全てについて、短絡は発生しないと評価された。
<Evaluation of occurrence of short circuit>
About Examples 1-5 and the membrane-electrode assembly of Comparative Example 2 and the membrane-electrode laminate of Comparative Example 1, a short circuit occurs between the electrodes by measuring the resistance between the electrodes facing each other across the diaphragm. It was evaluated whether or not. Specifically, a custom digital multimeter CDM-11D needle was applied to each of the electrodes facing each other across the diaphragm, and the resistance between the electrodes was measured. And when resistance between electrodes was 300 ohms or more, it evaluated that a short circuit did not generate | occur | produce. The obtained results are shown in Table 2. As shown in Table 2, it was evaluated that no short circuit occurred in all of the membrane-electrode assemblies of Examples 1 to 5, Comparative Example 2 and the membrane-electrode laminate of Comparative Example 1.

本発明によれば、電解や充放電等の繰返しによって隔膜が電極から剥離することを抑制し、性能の低下を抑制できる膜−電極接合体を提供することができため、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 provide a membrane-electrode assembly that can suppress the separation of the diaphragm from the electrode by repetition of electrolysis, charge / discharge, etc., and can suppress the deterioration of the performance. Useful.

1 膜−電極接合体
2,11,111 隔膜(電解質膜)
3,12,112 電極
10 膜−電極積層体
13 フレーム
14 集電板
20 セル
23 スペーサ
24 圧板
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
1 Membrane-electrode assembly 2, 11, 111 Diaphragm (electrolyte membrane)
3, 12, 112 Electrode 10 Membrane-electrode stack 13 Frame 14 Current collector 20 Cell 23 Spacer 24 Pressure plate 100 Redox flow battery 101 Electrolyzer 102, 103 Tank 104, 105 Pump 106 Power supply

Claims (6)

酸化還元反応を行う一対の電極と、
前記電極間に設けられ、両電極を分離する隔膜と、
を備える膜−電極接合体であって、
前記電極は繊維状構造体により形成された多孔質体であり、前記繊維状構造体の少なくとも一部が前記隔膜に埋没していることを特徴とする膜−電極接合体。
A pair of electrodes that perform a redox reaction;
A diaphragm provided between the electrodes and separating both electrodes;
A membrane-electrode assembly comprising:
The electrode is a porous body formed of a fibrous structure, and at least a part of the fibrous structure is buried in the diaphragm.
前記電極の繊維状構造体は、前記膜−電極接合体の膜厚方向断面において、膜長方向1cm当り5箇所以上埋没している部分を有することを特徴とする、請求項1に記載の接合体。   2. The bonding according to claim 1, wherein the fibrous structure of the electrode has five or more buried portions per 1 cm in the film length direction in the film thickness direction cross section of the membrane-electrode assembly. body. 前記電極の繊維状構造体が埋没していない前記隔膜の部分の厚みが2μm以上である、請求項1又は2に記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to claim 1 or 2, wherein a thickness of a portion of the diaphragm in which the fibrous structure of the electrode is not buried is 2 µm or more. 前記電極の繊維状構造体が埋没していない前記隔膜の部分の厚みは、エネルギー分散型X線分析法によって特定される、請求項3に記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to claim 3, wherein the thickness of the portion of the diaphragm in which the fibrous structure of the electrode is not buried is specified by energy dispersive X-ray analysis. 前記隔膜の厚みは30μm以下である、請求項1〜4のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。   The membrane-electrode assembly according to any one of claims 1 to 4, wherein the diaphragm has a thickness of 30 µm or less. 前記膜厚方向断面は、
一辺30mmの正方形状の膜−電極接合体の部分において、前記正方形の対角線上で膜厚方向に平行に切断された第1の断面であり、
前記第1の断面上で膜長方向1cmの互いに重複しない異なる3視野で前記埋没部分の箇所数を評価し、該埋没部分の箇所数の平均値が1cm当り5箇所以上である、請求項2〜5のいずれか一項に記載の膜−電極接合体。
The film thickness direction cross section
In a portion of a square membrane-electrode assembly having a side of 30 mm, a first cross section cut in parallel to the film thickness direction on the diagonal of the square,
The number of locations of the buried portion is evaluated from three different visual fields that do not overlap each other in the film length direction of 1 cm on the first cross section, and an average value of the number of locations of the buried portion is 5 or more per 1 cm. The membrane-electrode assembly according to any one of -5.
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