JP7104533B2 - Laminate - Google Patents
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Description
本発明は、積層体に関する。 The present invention relates to a laminate.
食塩水等のアルカリ金属塩化物水溶液の電気分解、水の電気分解(以下、併せて「電解」という。)では、隔膜、より具体的にはイオン交換膜や微多孔膜を備えた電解槽を用いた方法が利用されている。この電解槽は、多くの場合その内部に多数直列に接続された電解セルを備える。各電解セルの間に隔膜を介在させて電解が行われる。電解セルでは、陰極を有する陰極室と、陽極を有する陽極室とが、隔壁(背面板)を介して、あるいはプレス圧力、ボルト締め等による押し付けを介して、背中合わせに配置されている。
現在これら電解槽に使用される陽極、陰極は、電解セルのそれぞれ陽極室、陰極室に溶接、折り込み等の方法により固定され、その後、保管、顧客先へ輸送される。一方、隔膜はそれ自体単独で塩化ビニル(塩ビ)製のパイプ等に巻いた状態で保管、顧客先へ輸送される。顧客先では電解セルを電解槽のフレーム上に並べ、隔膜を電解セルの間に挟んで電解槽を組み立てる。このようにして電解セルの製造および顧客先での電解槽の組立が実施されている。このような電解槽に適用しうる構造物として、特許文献1、2には、隔膜と電極が一体となった構造物が開示されている。
For electrolysis of alkali metal chloride aqueous solution such as saline solution and electrolysis of water (hereinafter collectively referred to as "electrolysis"), an electrolytic tank provided with a diaphragm, more specifically, an ion exchange membrane or a microporous membrane is used. The method used is being used. This electrolytic cell often includes a large number of electrolytic cells connected in series inside the electrolytic cell. Electrolysis is performed with a diaphragm interposed between the electrolytic cells. In the electrolytic cell, the cathode chamber having a cathode and the anode chamber having an anode are arranged back to back through a partition wall (back plate) or via pressing by pressing pressure, bolt tightening, or the like.
The anode and cathode currently used in these electrolytic cells are fixed to the anode chamber and cathode chamber of the electrolytic cell by methods such as welding and folding, and then stored and transported to the customer. On the other hand, the diaphragm itself is stored in a state of being wound around a vinyl chloride (vinyl chloride) pipe or the like, and transported to the customer. At the customer's site, the electrolytic cells are arranged on the frame of the electrolytic cell, and the diaphragm is sandwiched between the electrolytic cells to assemble the electrolytic cell. In this way, the electrolytic cell is manufactured and the electrolytic cell is assembled at the customer's site. As a structure applicable to such an electrolytic cell,
電解運転をスタートし、継続していくと様々な要因で各部品は劣化、電解性能が低下し、ある時点で各部品を交換することになる。隔膜は電解セルの間から抜き出し、新しい隔膜を挿入することで簡単に更新することができる。一方、陽極や陰極は電解セルに固定されているため、電極更新時には電解槽から電解セルを取り出し、専用の更新工場まで搬出、溶接等の固定を外して古い電極を剥ぎ取った後、新しい電極を設置し、溶接等の方法で固定、電解工場に運搬、電解槽に戻す、という非常に煩雑な作業が発生するという課題がある。ここで、特許文献1、2に記載の隔膜と電極とを熱圧着にて一体とした構造物を上記の更新に利用することが考えられるが、当該構造物は、実験室レベルでは比較的容易に製造可能であっても、実際の商業サイズの電解セル(例えば、縦1.5m、横3m)に合わせて製造することは容易ではない。また、電解性能(電解電圧、電流効率、苛性ソーダ中食塩濃度等)、耐久性が著しく悪く、隔膜と界面の電極上で塩素ガスや水素ガスが発生するため、長期間電解に使用すると完全に剥離してしまい、実用上使用できるものではない。
本発明は、上記の従来技術が有する課題に鑑みてなされたものであり、電解槽における電極更新の際の作業効率を向上させることができ、さらに、更新後も優れた電解性能を発現することができる積層体を提供することを目的とする。
When the electrolysis operation is started and continued, each part deteriorates due to various factors, the electrolysis performance deteriorates, and each part is replaced at a certain point. The diaphragm can be easily renewed by removing it from between the electrolytic cells and inserting a new diaphragm. On the other hand, since the anode and cathode are fixed to the electrolytic cell, when the electrode is renewed, the electrolytic cell is taken out from the electrolytic cell, carried out to a dedicated renewal factory, fixed by welding, etc., and the old electrode is peeled off, and then the new electrode is used. There is a problem that very complicated work such as installing, fixing by a method such as welding, transporting to an electrolysis factory, and returning to an electrolysis tank occurs. Here, it is conceivable to use the structure in which the diaphragm and the electrode described in
The present invention has been made in view of the above-mentioned problems of the prior art, and it is possible to improve the work efficiency at the time of electrode renewal in the electrolytic cell, and further, to exhibit excellent electrolysis performance even after the renewal. It is an object of the present invention to provide a laminate capable of producing.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討を重ねた結果、隔膜と電解用電極とが部分的に固定されている積層体により、上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は、以下の態様を包含する。
〔1〕
隔膜と、
前記隔膜の表面の少なくとも1つの領域に固定された電解用電極と、
を有し、
前記隔膜の表面における、前記領域の割合が、0%超93%未満である、積層体。
〔2〕
前記電解用電極が、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Au、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y,Zr、Nb、Mo、Ag、Ta、W、Re、Os、Al、In、Sn、Sb、Ga、Ge、B、C、N、O、Si、P、S、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb及びDyからなる群より選択される少なくとも一種の触媒成分を含む、〔1〕に記載の積層体。
〔3〕
前記領域において、前記電解用電極の少なくとも一部が、前記隔膜を貫通して固定されている、〔1〕又は〔2〕に記載の積層体。
〔4〕
前記領域において、前記電解用電極の少なくとも一部が、前記隔膜の内部に位置して固定されている、〔1〕~〔3〕のいずれか一項に記載の積層体。
〔5〕
前記隔膜と前記電解用電極とを固定するための固定用部材をさらに有する、〔1〕~〔4〕のいずれか一項に記載の積層体。
〔6〕
前記固定用部材の少なくとも一部が、前記隔膜と前記電解用電極とを外部から把持する、〔5〕に記載の積層体。
〔7〕
前記固定用部材の少なくとも一部が、前記隔膜と前記電解用電極とを磁力で固定する、〔5〕又は〔6〕に記載の積層体。
〔8〕
前記隔膜が、表面層に有機樹脂を含有するイオン交換膜を含み、
前記領域に前記有機樹脂が存在する、〔1〕~〔7〕のいずれか一項に記載の積層体。
〔9〕
前記隔膜が、第1のイオン交換樹脂層と、当該第1のイオン交換樹脂層とは異なるEWを有する第2のイオン交換樹脂層とを含む、〔1〕~〔8〕のいずれか一項に記載の積層体。
〔10〕
前記隔膜が、第1のイオン交換樹脂層と、当該第1のイオン交換樹脂層とは異なる官能基を有する第2のイオン交換樹脂層とを含む、〔1〕~〔8〕のいずれか一項に記載の積層体。
As a result of diligent studies to solve the above problems, the present inventors have found that the above problems can be solved by a laminate in which the diaphragm and the electrode for electrolysis are partially fixed, and complete the present invention. It came to.
That is, the present invention includes the following aspects.
[1]
With the diaphragm,
An electrode for electrolysis fixed to at least one region on the surface of the diaphragm,
Have,
A laminate in which the proportion of the region on the surface of the diaphragm is greater than 0% and less than 93%.
[2]
The electrolytic electrodes are Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Au, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Ta, W, From Re, Os, Al, In, Sn, Sb, Ga, Ge, B, C, N, O, Si, P, S, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb and Dy The laminate according to [1], which contains at least one catalyst component selected from the group.
[3]
The laminate according to [1] or [2], wherein at least a part of the electrode for electrolysis is fixed through the diaphragm in the region.
[4]
The laminate according to any one of [1] to [3], wherein at least a part of the electrode for electrolysis is located and fixed inside the diaphragm in the region.
[5]
The laminate according to any one of [1] to [4], further comprising a fixing member for fixing the diaphragm and the electrode for electrolysis.
[6]
The laminate according to [5], wherein at least a part of the fixing member grips the diaphragm and the electrode for electrolysis from the outside.
[7]
The laminate according to [5] or [6], wherein at least a part of the fixing member magnetically fixes the diaphragm and the electrode for electrolysis.
[8]
The diaphragm contains an ion exchange membrane containing an organic resin in the surface layer.
The laminate according to any one of [1] to [7], wherein the organic resin is present in the region.
[9]
Any one of [1] to [8], wherein the diaphragm includes a first ion exchange resin layer and a second ion exchange resin layer having an EW different from that of the first ion exchange resin layer. The laminate described in.
[10]
Any one of [1] to [8], wherein the diaphragm includes a first ion exchange resin layer and a second ion exchange resin layer having a functional group different from that of the first ion exchange resin layer. The laminate according to the section.
本発明の積層体によれば、電解槽における電極更新の際の作業効率を向上させることができ、さらに、更新後も優れた電解性能を発現することができる。 According to the laminate of the present invention, it is possible to improve the work efficiency at the time of electrode renewal in the electrolytic cell, and further, it is possible to exhibit excellent electrolysis performance even after the renewal.
以下、本発明の実施形態(以下、本実施形態ともいう)について、必要に応じて図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態は、本発明を説明するための例示であり、本発明は以下の内容に限定されない。また、添付図面は実施形態の一例を示したものであり、形態はこれに限定して解釈されるものではない。本発明は、その要旨の範囲内で適宜に変形して実施できる。なお、図面中上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づく。図面の寸法及び比率は図示されたものに限られるものではない。 Hereinafter, embodiments of the present invention (hereinafter, also referred to as the present embodiment) will be described in detail with reference to the drawings as necessary. The following embodiments are examples for explaining the present invention, and the present invention is not limited to the following contents. Further, the attached drawings show an example of the embodiment, and the embodiment is not construed as being limited to this. The present invention can be appropriately modified and implemented within the scope of the gist thereof. Unless otherwise specified, the positional relationship such as up, down, left, and right in the drawing is based on the positional relationship shown in the drawing. The dimensions and ratios of the drawings are not limited to those shown.
〔積層体〕
本実施形態の積層体は、隔膜と、前記隔膜の表面の少なくとも1つの領域(以下、単に「固定領域」ともいう。)に固定された電解用電極と、を有し、前記隔膜の表面における、前記領域の割合が、0%超93%未満である。このように構成されているため、本実施形態の積層体は、電解槽における電極更新の際の作業効率を向上させることができ、さらに、更新後も優れた電解性能を発現することができる。
すなわち、本実施形態の積層体により、電極を更新する際、電解セルに固定された既存電極を剥がすなど煩雑な作業を伴うことなく、隔膜の更新と同じような簡単な作業で電極を更新することができるため、作業効率が大幅に向上する。
更に、本実施形態の積層体によれば、既存電解セルの電解性能を新品時の性能と同等に維持又は向上させることができる。そのため、既存の電解セルに固定され陽極、陰極として機能している電極は、給電体として機能するだけでよく、触媒コーティングを大幅に削減あるいはゼロにすることが可能になる。ここでいう給電体としては、劣化した電極(すなわち既存電極)や、触媒コーティングがされていない電極等を意味する。
[Laminated body]
The laminate of the present embodiment has a diaphragm and an electrode for electrolysis fixed to at least one region (hereinafter, also simply referred to as “fixed region”) of the surface of the diaphragm, and is located on the surface of the diaphragm. , The proportion of the region is more than 0% and less than 93%. Since it is configured in this way, the laminate of the present embodiment can improve the work efficiency at the time of electrode renewal in the electrolytic cell, and can further exhibit excellent electrolysis performance even after the renewal.
That is, according to the laminate of the present embodiment, when the electrode is renewed, the electrode is renewed by a simple operation similar to the renewal of the diaphragm without complicated work such as peeling off the existing electrode fixed to the electrolytic cell. Therefore, work efficiency is greatly improved.
Further, according to the laminated body of the present embodiment, the electrolytic performance of the existing electrolytic cell can be maintained or improved at the same level as the performance at the time of a new product. Therefore, the electrodes fixed to the existing electrolytic cell and functioning as the anode and the cathode need only function as the feeder, and the catalyst coating can be significantly reduced or reduced to zero. The feeding body referred to here means a deteriorated electrode (that is, an existing electrode), an electrode that is not coated with a catalyst, or the like.
〔電解用電極〕
本実施形態における電解用電極は、電解に用いられる電極である限り特に限定されないが、電解用電極の隔膜との対向面の面積(後述する通電面の面積S2に対応する。)が、0.01m2以上であることが好ましい。「隔膜との対向面」とは、電解用電極が有する表面のうち、隔膜が存在する側の表面を意味するものである。すなわち、電解用電極における隔膜との対向面は、隔膜の表面に接する面ということもできる。電解用電極における前記隔膜との対向面の面積が、0.01m2以上である場合、十分な生産性を確保でき、とりわけ工業上の電解を実施する上で十分な生産性が得られる傾向にある。このように、十分な生産性を確保し、電解セルの更新に用いる積層体としての実用性を確保する観点から、電解用電極における前記隔膜との対向面の面積は、0.1m2以上がより好ましく、1m2以上がさらに好ましい。かかる面積は、例えば、実施例に記載の方法により測定することができる。
[Electrode for electrolysis]
The electrode for electrolysis in the present embodiment is not particularly limited as long as it is an electrode used for electrolysis, but the area of the surface of the electrode for electrolysis facing the diaphragm (corresponding to the area S2 of the energizing surface described later) is 0. It is preferably 01 m 2 or more. The “surface facing the diaphragm” means the surface of the surface of the electrode for electrolysis on the side where the diaphragm is present. That is, the surface of the electrode for electrolysis facing the diaphragm can be said to be a surface in contact with the surface of the diaphragm. When the area of the surface of the electrode for electrolysis facing the diaphragm is 0.01 m 2 or more, sufficient productivity can be ensured, and in particular, sufficient productivity tends to be obtained for performing industrial electrolysis. be. As described above, from the viewpoint of ensuring sufficient productivity and practicality as a laminate used for renewal of the electrolytic cell, the area of the facing surface of the electrode for electrolysis with the diaphragm is 0.1 m 2 or more. More preferably, 1 m 2 or more is further preferable. Such an area can be measured, for example, by the method described in Examples.
本実施形態における電解用電極は、良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、給電体(劣化した電極及び触媒コーティングがされていない電極)などと良好な接着力を有する観点から、単位質量・単位面積あたりのかかる力が、1.6N/(mg・cm2)以下であることが好ましく、より好ましくは1.6N/(mg・cm2)未満であり、さらに好ましくは1.5N/(mg・cm2)未満であり、よりさらに好ましくは1.2N/mg・cm2以下であり、一層好ましくは1.20N/mg・cm2以下である。より一層好ましくは1.1N/mg・cm2以下であり、さらに一層好ましくは1.10N/mg・cm2以下であり、特に好ましくは1.0N/mg・cm2以下であり、1.00N/mg・cm2以下であることがとりわけ好ましい。
電解性能をより向上させる観点から、好ましくは0.005N/(mg・cm2)超であり、より好ましくは0.08N/(mg・cm2)以上であり、さらに好ましくは0.1N/mg・cm2以上であり、よりさらに好ましくは0.14N/(mg・cm2)以上である。大型サイズ(例えば、サイズ1.5m×2.5m)での取り扱いが容易になるとの観点から、0.2N/(mg・cm2)以上が更により好ましい。
上記かかる力は、例えば、後述する開孔率、電極の厚み、算術平均表面粗さ等を適宜調整することで上記範囲とすることができる。より具体的には、例えば、開孔率を大きくすると、かかる力は小さくなる傾向にあり、開孔率を小さくすると、かかる力は大きくなる傾向にある。
また、良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、劣化した電極及び触媒コーティングがされていない給電体などと良好な接着力を有し、さらに、経済性の観点から、単位面積あたりの質量が、48mg/cm2以下であることが好ましく、より好ましくは、30mg/cm2以下であり、さらに好ましくは、20mg/cm2以下であり、さらに、ハンドリング性、接着性及び経済性を合わせた総合的な観点から、15mg/cm2以下である。下限値は、特に限定されないが、例えば、1mg/cm2程度である。
上記単位面積あたりの質量は、例えば、後述する開孔率、電極の厚み等を適宜調整することで上記範囲とすることができる。より具体的には、例えば、同じ厚みであれば、開孔率を大きくすると、単位面積あたりの質量は小さくなる傾向にあり、開孔率を小さくすると、単位面積あたりの質量は大きくなる傾向にある。
The electrode for electrolysis in the present embodiment has good handleability and has good adhesion to a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, a feeder (deteriorated electrode and an electrode not coated with a catalyst), and the like. From the viewpoint of having, the applied force per unit mass / unit area is preferably 1.6 N / (mg · cm 2 ) or less, more preferably less than 1.6 N / (mg · cm 2 ), and further. It is preferably less than 1.5 N / (mg · cm 2 ), more preferably 1.2 N / mg · cm 2 or less, and even more preferably 1.20 N / mg · cm 2 or less. It is even more preferably 1.1 N / mg · cm 2 or less, even more preferably 1.10 N / mg · cm 2 or less, and particularly preferably 1.0 N / mg · cm 2 or less, 1.00 N. It is particularly preferable that it is / mg · cm 2 or less.
From the viewpoint of further improving the electrolytic performance, it is preferably more than 0.005 N / (mg · cm 2 ), more preferably 0.08 N / (mg · cm 2 ) or more, and further preferably 0.1 N / mg. -Cm 2 or more, more preferably 0.14 N / (mg · cm 2 ) or more. From the viewpoint of facilitating handling in a large size (for example, size 1.5 m × 2.5 m), 0.2 N / (mg · cm 2 ) or more is even more preferable.
The applied force can be set within the above range by appropriately adjusting, for example, the pore size, the thickness of the electrode, the arithmetic mean surface roughness, etc., which will be described later. More specifically, for example, when the opening ratio is increased, the applied force tends to be small, and when the opening ratio is decreased, the applied force tends to be large.
In addition, good handleability is obtained, and it has good adhesive strength with diaphragms such as ion exchange membranes and microporous membranes, deteriorated electrodes, and feeders without catalyst coating, and from the viewpoint of economic efficiency. The mass per unit area is preferably 48 mg / cm 2 or less, more preferably 30 mg / cm 2 or less, further preferably 20 mg / cm 2 or less, and further, handleability and adhesiveness. From a comprehensive viewpoint that combines economic efficiency, it is 15 mg / cm 2 or less. The lower limit is not particularly limited, but is, for example, about 1 mg / cm 2 .
The mass per unit area can be set within the above range by, for example, appropriately adjusting the pore size, the thickness of the electrode, and the like, which will be described later. More specifically, for example, if the thickness is the same, increasing the opening ratio tends to reduce the mass per unit area, and decreasing the opening ratio tends to increase the mass per unit area. be.
かかる力は、以下の方法(i)または(ii)により測定でき、方法(i)の測定により得られた値(「かかる力(1)」とも称す)と、方法(ii)の測定により得られた値(「かかる力(2)」とも称す)とが、同一であってもよく、異なっていてもよいが、いずれの値であっても1.5N/mg・cm2未満となることが好ましい。 Such a force can be measured by the following method (i) or (ii), and is obtained by the value obtained by the measurement of the method (i) (also referred to as "applied force (1)") and the measurement of the method (ii). The given value (also referred to as "applied force (2)") may be the same or different, but any value shall be less than 1.5 N / mg · cm 2 . Is preferable.
〔方法(i)〕
粒番号320のアルミナでブラスト加工を施して得られるニッケル板(厚み1.2mm、200mm角)と、イオン交換基が導入されたパーフルオロカーボン重合体の膜の両面に無機物粒子と結合剤を塗布したイオン交換膜(170mm角)と電極サンプル(130mm角)とをこの順で積層させ、この積層体を純水にて十分に浸漬した後、積層体表面に付着した余分な水分を除去することで測定用サンプルを得る。なお、ブラスト処理後のニッケル板の算術平均表面粗さ(Ra)は、0.5~0.8μmである。算術平均表面粗さ(Ra)の具体的な算出方法は、実施例に記載のとおりである。
温度23±2℃、相対湿度30±5%の条件下で、この測定用サンプル中の電極サンプルのみを引張圧縮試験機を用いて、垂直方向に10mm/分で上昇させて、電極サンプルが、垂直方向に10mm上昇したときの加重を測定する。この測定を3回実施して平均値を算出する。
この平均値を、電極サンプルとイオン交換膜の重なり部分の面積、およびイオン交換膜と重なっている部分の電極サンプルにおける質量で除して、単位質量・単位面積あたりのかかる力(1)(N/mg・cm2)を算出する。
[Method (i)]
Inorganic particles and a binder were applied to both sides of a nickel plate (thickness 1.2 mm, 200 mm square) obtained by blasting with alumina of grain number 320 and a film of a perfluorocarbon polymer having an ion exchange group introduced therein. The ion exchange membrane (170 mm square) and the electrode sample (130 mm square) are laminated in this order, and after the laminate is sufficiently immersed in pure water, excess water adhering to the surface of the laminate is removed. Obtain a sample for measurement. The arithmetic mean surface roughness (Ra) of the nickel plate after the blast treatment is 0.5 to 0.8 μm. The specific calculation method of the arithmetic mean surface roughness (Ra) is as described in the examples.
Under the conditions of a temperature of 23 ± 2 ° C. and a relative humidity of 30 ± 5%, only the electrode sample in this measurement sample was raised in the vertical direction at 10 mm / min using a tensile compression tester to obtain an electrode sample. The weight when the temperature is raised by 10 mm in the vertical direction is measured. This measurement is performed three times to calculate the average value.
Dividing this average value by the area of the overlapping portion of the electrode sample and the ion exchange membrane and the mass of the electrode sample of the portion overlapping the ion exchange membrane, the applied force per unit mass / unit area (1) (N) / Mg · cm 2 ) is calculated.
方法(i)により得られる、単位質量・単位面積あたりのかかる力(1)は、良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、劣化した電極及び触媒コーティングがされていない給電体と良好な接着力を有するとの観点から、1.6N/(mg・cm2)以下であることが好ましく、より好ましくは1.6N/(mg・cm2)未満であり、さらに好ましくは1.5N/(mg・cm2)未満であり、よりさらに好ましくは1.2N/mg・cm2以下であり、一層好ましくは1.20N/mg・cm2以下である。より一層好ましくは1.1N/mg・cm2以下であり、さらに一層好ましくは1.10N/mg・cm2以下であり、特に好ましくは1.0N/mg・cm2以下であり、1.00N/mg・cm2以下であることがとりわけ好ましい。また、電解性能をより向上させる観点から、好ましくは0.005N/(mg・cm2)超であり、より好ましくは0.08N/(mg・cm2)以上であり、さらに好ましくは、0.1N/(mg・cm2)以上であり、さらに、大型サイズ(例えば、サイズ1.5m×2.5m)での取り扱いが容易になるとの観点から、よりさらに好ましくは、0.14N/(mg・cm2)であり、0.2N/(mg・cm2)以上であることが一層好ましい。 The applied force (1) per unit mass / unit area obtained by the method (i) has good handleability, and is coated with a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, a deteriorated electrode, and a catalyst coating. From the viewpoint of having good adhesion to a non-feeding body, it is preferably 1.6 N / (mg · cm 2 ) or less, more preferably less than 1.6 N / (mg · cm 2 ), and further. It is preferably less than 1.5 N / (mg · cm 2 ), even more preferably 1.2 N / mg · cm 2 or less, and even more preferably 1.20 N / mg · cm 2 or less. It is even more preferably 1.1 N / mg · cm 2 or less, even more preferably 1.10 N / mg · cm 2 or less, and particularly preferably 1.0 N / mg · cm 2 or less, 1.00 N. It is particularly preferable that it is / mg · cm 2 or less. Further, from the viewpoint of further improving the electrolytic performance, it is preferably more than 0.005 N / (mg · cm 2 ), more preferably 0.08 N / (mg · cm 2 ) or more, and further preferably 0. It is more preferably 1 N / (mg · cm 2 ) or more, and more preferably 0.14 N / (mg) from the viewpoint of facilitating handling in a large size (for example, size 1.5 m × 2.5 m). -Cm 2 ), more preferably 0.2 N / (mg · cm 2 ) or more.
〔方法(ii)〕
粒番号320のアルミナでブラスト加工を施して得られるニッケル板(厚み1.2mm、200mm角、上記方法(i)と同様のニッケル板)と、電極サンプル(130mm角)とをこの順で積層させ、この積層体を純水にて十分に浸漬した後、積層体表面に付着した余分な水分を除去することで測定用サンプルを得る。温度23±2℃、相対湿度30±5%の条件下で、この測定用サンプル中の電極サンプルのみを、引張圧縮試験機を用いて、垂直方向に10mm/分で上昇させて、電極サンプルが、垂直方向に10mm上昇したときの加重を測定する。この測定を3回実施して平均値を算出する。
この平均値を、電極サンプルとニッケル板の重なり部分の面積、およびニッケル板と重なっている部分における電極サンプルの質量で除して、単位質量・単位面積あたりの接着力(2)(N/mg・cm2)を算出する。
[Method (ii)]
A nickel plate (thickness 1.2 mm, 200 mm square, nickel plate similar to the above method (i)) obtained by blasting with alumina having a grain number of 320 and an electrode sample (130 mm square) are laminated in this order. After the laminate is sufficiently immersed in pure water, excess water adhering to the surface of the laminate is removed to obtain a sample for measurement. Under the conditions of a temperature of 23 ± 2 ° C. and a relative humidity of 30 ± 5%, only the electrode sample in this measurement sample was raised in the vertical direction at 10 mm / min using a tensile compression tester to obtain an electrode sample. , Measure the weight when it rises 10 mm in the vertical direction. This measurement is performed three times to calculate the average value.
Dividing this average value by the area of the overlapping portion of the electrode sample and the nickel plate and the mass of the electrode sample in the overlapping portion of the nickel plate, the adhesive force per unit mass / unit area (2) (N / mg)・ Calculate cm 2 ).
方法(ii)により得られる、単位質量・単位面積あたりのかかる力(2)は、良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、劣化した電極及び触媒コーティングがされていない給電体と良好な接着力を有するとの観点から、1.6N/(mg・cm2)以下であることが好ましく、より好ましくは1.6N/(mg・cm2)未満であり、さらに好ましくは1.5N/(mg・cm2)未満であり、よりさらに好ましくは1.2N/mg・cm2以下であり、一層好ましくは1.20N/mg・cm2以下である。より一層好ましくは1.1N/mg・cm2以下であり、さらに一層好ましくは1.10N/mg・cm2以下であり、特に好ましくは1.0N/mg・cm2以下であり、1.00N/mg・cm2以下であることがとりわけ好ましい。さらに、電解性能をより向上させる観点から、好ましくは0.005N/(mg・cm2)超であり、より好ましくは0.08N/(mg・cm2)以上であり、さらに好ましくは、0.1N/(mg・cm2)以上であり、よりさらに好ましくは、さらに、大型サイズ(例えば、サイズ1.5m×2.5m)での取り扱いが容易になるとの観点から、よりさらに好ましくは0.14N/(mg・cm2)以上である。 The applied force (2) per unit mass / unit area obtained by the method (ii) has good handleability, and is coated with a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, a deteriorated electrode, and a catalyst coating. From the viewpoint of having good adhesion to a non-feeding body, it is preferably 1.6 N / (mg · cm 2 ) or less, more preferably less than 1.6 N / (mg · cm 2 ), and further. It is preferably less than 1.5 N / (mg · cm 2 ), even more preferably 1.2 N / mg · cm 2 or less, and even more preferably 1.20 N / mg · cm 2 or less. It is even more preferably 1.1 N / mg · cm 2 or less, even more preferably 1.10 N / mg · cm 2 or less, and particularly preferably 1.0 N / mg · cm 2 or less, 1.00 N. It is particularly preferable that it is / mg · cm 2 or less. Further, from the viewpoint of further improving the electrolytic performance, it is preferably more than 0.005 N / (mg · cm 2 ), more preferably 0.08 N / (mg · cm 2 ) or more, and further preferably 0. It is 1 N / (mg · cm 2 ) or more, more preferably 0. From the viewpoint of facilitating handling in a large size (for example, size 1.5 m × 2.5 m). It is 14 N / (mg · cm 2 ) or more.
本実施形態における電解用電極は、電解用電極基材及び触媒層を含むことが好ましい。該電解用電極基材の厚み(ゲージ厚み)は、特に限定されないが、良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、劣化した電極(給電体)及び触媒コーティングがされていない電極(給電体)と良好な接着力を有し、好適にロール状に巻け、良好に折り曲げることができ、大型サイズ(例えば、サイズ1.5m×2.5m)での取り扱いが容易になるとの観点から、300μm以下が好ましく、205μm以下がより好ましく、155μm以下が更に好ましく、135μm以下が更により好ましく、125μm以下がより更により好ましく、120μm以下が一層好ましく、100μm以下がより一層好ましく、ハンドリング性と経済性の観点から、50μm以下が更に一層好ましい。下限値は、特に限定さないが、例えば、1μmであり、好ましく5μmであり、より好ましくは15μmである。 The electrode for electrolysis in the present embodiment preferably includes an electrode base material for electrolysis and a catalyst layer. The thickness (gauge thickness) of the electrode base material for electrolysis is not particularly limited, but good handleability is obtained, and a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, a deteriorated electrode (feeding body), and a catalyst coating are applied. It has good adhesion to the electrode (feeding body) that is not used, can be rolled into a suitable roll, can be bent well, and can be easily handled in a large size (for example, size 1.5m x 2.5m). From the viewpoint, 300 μm or less is preferable, 205 μm or less is more preferable, 155 μm or less is further preferable, 135 μm or less is further preferable, 125 μm or less is further preferable, 120 μm or less is further preferable, and 100 μm or less is further preferable. From the viewpoint of handleability and economy, 50 μm or less is even more preferable. The lower limit is not particularly limited, but is, for example, 1 μm, preferably 5 μm, and more preferably 15 μm.
本実施形態における電解用電極は、特に限定されないが、良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、劣化した電極(給電体)及び触媒コーティングがされていない電極(給電体)と良好な接着力を有するとの観点から、以下の方法(2)により測定した割合が、90%以上であることが好ましく、92%以上であることがより好ましく、さらに、大型サイズ(例えば、サイズ1.5m×2.5m)での取り扱いが容易になるとの観点から、95%以上であることがさらに好ましい。上限値は、100%である。
〔方法(2)〕
イオン交換膜(170mm角)と、電極サンプル(130mm角)とをこの順で積層させる。温度23±2℃、相対湿度30±5%の条件下で、この積層体中の電極サンプルが外側になるように、ポリエチレンのパイプ(外径280mm)の曲面上に積層体を置き、積層体とパイプを純水にて十分に浸漬させ、積層体表面及びパイプに付着した余分な水分を除去し、その1分後に、イオン交換膜(170mm角)と、電極サンプルとが密着している部分の面積の割合(%)を測定する。
The electrode for electrolysis in the present embodiment is not particularly limited, but good handleability is obtained, and a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, a deteriorated electrode (feeding body), and an electrode without catalyst coating (feeding) are obtained. From the viewpoint of having good adhesive strength with the body), the ratio measured by the following method (2) is preferably 90% or more, more preferably 92% or more, and further, a large size (body). For example, it is more preferably 95% or more from the viewpoint of facilitating handling in a size of 1.5 m × 2.5 m). The upper limit is 100%.
[Method (2)]
The ion exchange membrane (170 mm square) and the electrode sample (130 mm square) are laminated in this order. Under the conditions of a temperature of 23 ± 2 ° C. and a relative humidity of 30 ± 5%, the laminate is placed on the curved surface of a polyethylene pipe (outer diameter 280 mm) so that the electrode sample in the laminate is on the outside. And the pipe are sufficiently immersed in pure water to remove excess water adhering to the surface of the laminate and the pipe, and one minute later, the portion where the ion exchange film (170 mm square) and the electrode sample are in close contact with each other. Measure the percentage of the area of.
本実施形態における電解用電極は、特に限定されないが、良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、劣化した電極(給電体)及び触媒コーティングがされていない電極(給電体)と良好な接着力を有し、好適にロール状に巻け、良好に折り曲げることができるとの観点から、以下の方法(3)により測定した割合が、75%以上であることが好ましく、80%以上であることがより好ましく、さらに、大型サイズ(例えば、サイズ1.5m×2.5m)での取り扱いが容易になるとの観点から、90%以上であることがさらに好ましい。上限値は、100%である。
〔方法(3)〕
イオン交換膜(170mm角)と、電極サンプル(130mm角)とをこの順で積層させる。温度23±2℃、相対湿度30±5%の条件下で、この積層体中の電極サンプルが外側になるように、ポリエチレンのパイプ(外径145mm)の曲面上に積層体を置き、積層体とパイプを純水にて十分に浸漬させ、積層体表面及びパイプに付着した余分な水分を除去し、その1分後に、イオン交換膜(170mm角)と、電極サンプルとが密着している部分の面積の割合(%)を測定する。
The electrode for electrolysis in the present embodiment is not particularly limited, but good handleability is obtained, and a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, a deteriorated electrode (feeding body), and an electrode without catalyst coating (feeding) are obtained. From the viewpoint that it has good adhesive strength to the body), can be appropriately rolled into a roll, and can be bent satisfactorily, the ratio measured by the following method (3) is preferably 75% or more. It is more preferably 80% or more, and further preferably 90% or more from the viewpoint of facilitating handling in a large size (for example, size 1.5 m × 2.5 m). The upper limit is 100%.
[Method (3)]
The ion exchange membrane (170 mm square) and the electrode sample (130 mm square) are laminated in this order. Under the conditions of a temperature of 23 ± 2 ° C. and a relative humidity of 30 ± 5%, the laminate is placed on a curved surface of a polyethylene pipe (outer diameter 145 mm) so that the electrode sample in the laminate is on the outside. And the pipe are sufficiently immersed in pure water to remove excess water adhering to the surface of the laminate and the pipe, and one minute later, the portion where the ion exchange film (170 mm square) and the electrode sample are in close contact with each other. Measure the percentage of the area of.
本実施形態における電解用電極は、特に限定されないが、良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、劣化した電極(給電体)及び触媒コーティングがされていない電極(給電体)と良好な接着力を有し、電解中に発生するガスの滞留防止の観点から、多孔構造であり、その開孔率または空隙率が5~90%以下であることが好ましい。開孔率は、より好ましくは10~80%以下であり、さらに好ましくは、20~75%である。
なお、開孔率とは、単位体積あたりの開孔部の割合である。開孔部もサブミクロンオーダーまで勘案するのか、目に見える開口のみ勘案するのかによって、算出方法が様々である。本実施形態では、電極のゲージ厚み、幅、長さの値から体積Vを算出し、更に重量Wを実測することにより、開孔率Aを下記の式で算出した。
A=(1-(W/(V×ρ))×100
ρは電極の材質の密度(g/cm3)である。例えばニッケルの場合は8.908g/cm3、チタンの場合は4.506g/cm3である。開孔率の調整は、パンチングメタルであれば単位面積あたりに金属を打ち抜く面積を変更する、エキスパンドメタルであればSW(短径)、LW(長径)、送りの値を変更する、メッシュであれが金属繊維の線径、メッシュ数を変更する、エレクトロフォーミングであれば使用するフォトレジストのパターンを変更する、不織布であれば金属繊維径および繊維密度を変更する、発泡金属であれは空隙を形成させるための鋳型を変更す
The electrode for electrolysis in the present embodiment is not particularly limited, but good handleability is obtained, and a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, a deteriorated electrode (feeding body), and an electrode without catalyst coating (feeding) are obtained. It has a good adhesive force with the body), and from the viewpoint of preventing the retention of gas generated during electrolysis, it is preferably a porous structure having a pore size or void ratio of 5 to 90% or less. The opening rate is more preferably 10 to 80% or less, still more preferably 20 to 75%.
The opening rate is the ratio of the opening portion per unit volume. There are various calculation methods depending on whether the opening portion is also considered to the submicron order or only the visible opening is considered. In the present embodiment, the volume V is calculated from the values of the gauge thickness, width, and length of the electrode, and the weight W is actually measured to calculate the pore opening ratio A by the following formula.
A = (1- (W / (V × ρ)) × 100
ρ is the density of the electrode material (g / cm 3 ). For example, in the case of nickel, it is 8.908 g / cm 3 , and in the case of titanium, it is 4.506 g / cm 3 . The pore size can be adjusted by changing the area where the metal is punched per unit area for punching metal, changing the SW (minor diameter), LW (major diameter), and feed values for expanded metal. Changes the wire diameter and number of meshes of metal fibers, changes the pattern of the photoresist used for electroforming, changes the metal fiber diameter and fiber density for non-woven materials, and forms voids for foamed metals. Change the mold to make
以下、本実施形態における電解用電極の一形態について、説明する。
本実施形態に係る電解用電極は、電解用電極基材及び触媒層を含むことが好ましい。触媒層は以下の通り、複数の層で構成されてもよいし、単層構造でもよい。
図1に示すように、本実施形態に係る電解用電極100は、電解用電極基材10と、電解用電極基材10の両表面を被覆する一対の第一層20とを備える。第一層20は電解用電極基材10全体を被覆することが好ましい。これにより、電解用電極の触媒活性及び耐久性が向上し易くなる。なお、電解用電極基材10の一方の表面だけに第一層20が積層されていてもよい。
また、図1に示すように、第一層20の表面は、第二層30で被覆されていてもよい。第二層30は、第一層20全体を被覆することが好ましい。また、第二層30は、第一層20の一方の表面だけ積層されていてもよい。
Hereinafter, one embodiment of the electrode for electrolysis in this embodiment will be described.
The electrode for electrolysis according to the present embodiment preferably includes an electrode base material for electrolysis and a catalyst layer. The catalyst layer may be composed of a plurality of layers or may have a single layer structure as described below.
As shown in FIG. 1, the
Further, as shown in FIG. 1, the surface of the
(電解用電極基材)
電解用電極基材10としては、特に限定されるものではないが、例えばニッケル、ニッケル合金、ステンレススチール、またはチタンなどに代表されるバルブ金属を使用でき、ニッケル(Ni)及びチタン(Ti)から選ばれる少なくとも1種の元素を含むことが好ましい。
ステンレススチールを高濃度のアルカリ水溶液中で用いた場合、鉄及びクロムが溶出すること、及びステンレススチールの電気伝導性がニッケルの1/10程度であることを考慮すると、電解用電極基材としてはニッケル(Ni)を含む基材が好ましい。
また、電解用電極基材10は、飽和に近い高濃度の食塩水中で、塩素ガス発生雰囲気で用いた場合、材質は耐食性の高いチタンであることも好ましい。
電解用電極基材10の形状には特に限定はなく、目的によって適切な形状を選択することができる。形状としては、パンチングメタル、不織布、発泡金属、エキスパンドメタル、エレクトロフォーミングにより形成した金属多孔箔、金属線を編んで作製したいわゆるウーブンメッシュ等いずれのものも使用できる。この中でも、パンチングメタルあるいはエキスパンドメタルが好ましい。なお、エレクトロフォーミングとは、写真製版と電気メッキ法を組み合わせて、精密なパターンの金属薄膜を製作する技術である。基板上にフォトレジストにてパターン形成し、レジストに保護されていない部分に電気メッキを施し、金属薄を得る方法である。
電解用電極基材の形状については、電解槽における陽極と陰極との距離によって好適な仕様がある。特に限定されるものではないが、陽極と陰極とが有限な距離を有する場合には、エキスパンドメタル、パンチングメタル形状を用いることができ、イオン交換膜と電極とが接するいわゆるゼロギャップ電解槽の場合には、細い線を編んだウーブンメッシュ、金網、発泡金属、金属不織布、エキスパンドメタル、パンチングメタル、金属多孔箔などを用いることができる。
電解用電極基材10としては、金属多孔箔、金網、金属不織布、パンチングメタル、エキスパンドメタル又は発泡金属が挙げられる。
パンチングメタル、エキスパンドメタルに加工する前の板材としては、圧延成形した板材、電解箔などが好ましい。電解箔は、更に後処理として母材と同じ元素でメッキ処理を施して、片面あるいは両面に凹凸をつけることが好ましい。
また、電解用電極基材10の厚みは、前述の通り、300μm以下であることが好ましく、205μm以下であることがより好ましく、155μm以下であることが更に好ましく、135μm以下であることが更により好ましく、125μm以下であることがより更により好ましく、120μm以下であることが一層好ましく、100μm以下であることがより一層好ましく、ハンドリング性と経済性の観点から、50μm以下であることがより更に一層好ましい。下限値は、特に限定さないが、例えば、1μmであり、好ましく5μmであり、より好ましくは15μmである。
(Electrode substrate for electrolysis)
The
Considering that iron and chromium elute when stainless steel is used in a high-concentration alkaline aqueous solution, and that the electrical conductivity of stainless steel is about 1/10 that of nickel, it can be used as an electrode base material for electrolysis. A base material containing nickel (Ni) is preferable.
Further, it is also preferable that the
The shape of the
Regarding the shape of the electrode base material for electrolysis, there are suitable specifications depending on the distance between the anode and the cathode in the electrolytic cell. Although not particularly limited, when the anode and the cathode have a finite distance, an expanded metal or punching metal shape can be used, and in the case of a so-called zero gap electrolytic cell in which the ion exchange film and the electrode are in contact with each other. Woven mesh woven with fine wires, wire mesh, foam metal, metal non-woven fabric, expanded metal, punching metal, perforated metal foil and the like can be used.
Examples of the
As the plate material before being processed into punching metal and expanded metal, a rolled plate material, an electrolytic foil and the like are preferable. It is preferable that the electrolytic foil is further plated with the same element as the base material as a post-treatment to make one side or both sides uneven.
Further, as described above, the thickness of the
電解用電極基材においては、電解用電極基材を酸化雰囲気中で焼鈍することによって加工時の残留応力を緩和することが好ましい。また、電解用電極基材の表面には、前記表面に被覆される触媒層との密着性を向上させるために、スチールグリッド、アルミナ粉などを用いて凹凸を形成し、その後酸処理により表面積を増加させることが好ましい。または、基材と同じ元素でメッキ処理を施し、表面積を増加させることが好ましい。 In the electrode base material for electrolysis, it is preferable to relax the residual stress during processing by annealing the electrode base material for electrolysis in an oxidizing atmosphere. Further, in order to improve the adhesion to the catalyst layer coated on the surface of the electrode base material for electrolysis, unevenness is formed by using a steel grid, alumina powder, etc., and then the surface area is increased by acid treatment. It is preferable to increase it. Alternatively, it is preferable to perform plating treatment with the same element as the base material to increase the surface area.
電解用電極基材10には、第一層20と電解用電極基材10の表面とを密着させるために、表面積を増大させる処理を行うことが好ましい。表面積を増大させる処理としては、カットワイヤ、スチールグリッド、アルミナグリッド等を用いたブラスト処理、硫酸又は塩酸を用いた酸処理、基材と同元素でのメッキ処理等が挙げられる。基材表面の算術平均表面粗さ(Ra)は、特に限定されないが、0.05μm~50μmが好ましく、0.1~10μmがより好ましく、0.1~8μmがさらに好ましい。
It is preferable that the
次に、本実施形態における電解用電極を食塩電解用陽極として使用する場合について説明する。
(第一層)
図1において、触媒層である第一層20は、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物及びチタン酸化物のうち少なくとも1種類の酸化物を含む。ルテニウム酸化物としては、RuO2等が挙げられる。イリジウム酸化物としては、IrO2等が挙げられる。チタン酸化物としては、TiO2等が挙げられる。第一層20は、ルテニウム酸化物及びチタン酸化物の2種類の酸化物を含むか、又はルテニウム酸化物、イリジウム酸化物及びチタン酸化物の3種類の酸化物を含むことが好ましい。それにより、第一層20がより安定な層になり、さらに、第二層30との密着性もより向上する。
Next, a case where the electrode for electrolysis in this embodiment is used as an anode for salt electrolysis will be described.
(First layer)
In FIG. 1, the
第一層20が、ルテニウム酸化物及びチタン酸化物の2種類の酸化物を含む場合には、第一層20に含まれるルテニウム酸化物1モルに対して、第一層20に含まれるチタン酸化物は1~9モルであることが好ましく、1~4モルであることがより好ましい。2種類の酸化物の組成比をこの範囲とすることによって、電解用電極100は優れた耐久性を示す。
When the
第一層20が、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物及びチタン酸化物の3種類の酸化物を含む場合、第一層20に含まれるルテニウム酸化物1モルに対して、第一層20に含まれるイリジウム酸化物は0.2~3モルであることが好ましく、0.3~2.5モルであることがより好ましい。また、第一層20に含まれるルテニウム酸化物1モルに対して、第一層20に含まれるチタン酸化物は0.3~8モルであることが好ましく、1~7モルであることがより好ましい。3種類の酸化物の組成比をこの範囲とすることによって、電解用電極100は優れた耐久性を示す。
When the
第一層20が、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物及びチタン酸化物の中から選ばれる少なくとも2種類の酸化物を含む場合、これらの酸化物は、固溶体を形成していることが好ましい。酸化物固溶体を形成することにより、電解用電極100はすぐれた耐久性を示す。
When the
上記の組成の他にも、ルテニウム酸化物、イリジウム酸化物及びチタン酸化物のうち少なくとも1種類の酸化物を含んでいる限り、種々の組成のものを用いることができる。例えば、DSA(登録商標)と呼ばれる、ルテニウム、イリジウム、タンタル、ニオブ、チタン、スズ、コバルト、マンガン、白金等を含む酸化物コーティングを第一層20として用いることも可能である。
In addition to the above compositions, various compositions can be used as long as they contain at least one of ruthenium oxide, iridium oxide and titanium oxide. For example, an oxide coating containing ruthenium, iridium, tantalum, niobium, titanium, tin, cobalt, manganese, platinum, etc., which is called DSA (registered trademark), can be used as the
第一層20は、単層である必要はなく、複数の層を含んでいてもよい。例えば、第一層20が3種類の酸化物を含む層と2種類の酸化物を含む層とを含んでいてもよい。第一層20の厚みは0.05~10μmが好ましく、0.1~8μmがより好ましい。
The
(第二層)
第二層30は、ルテニウムとチタンを含むことが好ましい。これにより電解直後の塩素過電圧を更に低くすることができる。
(Second layer)
The
第二層30が酸化パラジウム、酸化パラジウムと白金の固溶体あるいはパラジウムと白金の合金を含むことが好ましい。これにより電解直後の塩素過電圧を更に低くすることができる。
The
第二層30は、厚い方が電解性能を維持できる期間が長くなるが、経済性の観点から0.05~3μmの厚みであることが好ましい。
The thicker the
次に、本実施形態における電解用電極を食塩電解用陰極として使用する場合について説明する。
(第一層)
触媒層である第一層20の成分としては、C、Si、P、S、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等の金属及び当該金属の酸化物又は水酸化物が挙げられる。
白金族金属、白金族金属酸化物、白金族金属水酸化物、白金族金属を含む合金の少なくとも1種類を含んでもよいし、含まなくてもよい。
白金族金属、白金族金属酸化物、白金族金属水酸化物、白金族金属を含む合金の少なくとも1種類を含む場合、白金族金属、白金族金属酸化物、白金族金属水酸化物、白金族金属を含む合金が白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウム、イリジウムのうち少なくとも1種類の白金族金属を含むことが好ましい。
白金族金属としては、白金を含むことが好ましい。
白金族金属酸化物としては、ルテニウム酸化物を含むことが好ましい。
白金族金属水酸化物としては、ルテニウム水酸化物を含むことが好ましい。
白金族金属合金としては、白金とニッケル、鉄、コバルトとの合金を含むことが好ましい。
更に必要に応じて第二成分として、ランタノイド系元素の酸化物あるいは水酸化物を含むことが好ましい。これにより、電解用電極100はすぐれた耐久性を示す。
ランタノイド系元素の酸化物あるいは水酸化物としては、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、プロメチウム、サマリウム、ユーロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウムから選ばれる少なくとも1種類を含むことが好ましい。
さらに必要に応じて、第三成分として遷移金属の酸化物あるいは水酸化物を含むことが好ましい。
第三成分を添加することにより、電解用電極100はよりすぐれた耐久性を示し、電解電圧を低減させることができる。
好ましい組み合わせの例としては、ルテニウムのみ、ルテニウム+ニッケル、ルテニウム+セリウム、ルテニウム+ランタン、ルテニウム+ランタン+白金、ルテニウム+ランタン+パラジウム、ルテニウム+プラセオジム、ルテニウム+プラセオジム+白金、ルテニウム+プラセオジム+白金+パラジウム、ルテニウム+ネオジム、ルテニウム+ネオジム+白金、ルテニウム+ネオジム+マンガン、ルテニウム+ネオジム+鉄、ルテニウム+ネオジム+コバルト、ルテニウム+ネオジム+亜鉛、ルテニウム+ネオジム+ガリウム、ルテニウム+ネオジム+硫黄、ルテニウム+ネオジム+鉛、ルテニウム+ネオジム+ニッケル、ルテニウム+ネオジム+銅、ルテニウム+サマリウム、ルテニウム+サマリウム+マンガン、ルテニウム+サマリウム+鉄、ルテニウム+サマリウム+コバルト、ルテニウム+サマリウム+亜鉛、ルテニウム+サマリウム+ガリウム、ルテニウム+サマリウム+硫黄、ルテニウム+サマリウム+鉛、ルテニウム+サマリウム+ニッケル、白金+セリウム、白金+パラジウム+セリウム、白金+パラジウム+ランタン+セリウム、白金+イリジウム、白金+パラジウム、白金+イリジウム+パラジウム、白金+ニッケル+パラジウム、白金+ニッケル+ルテニウム、白金とニッケルの合金、白金とコバルトの合金、白金と鉄の合金、などが挙げられる。
白金族金属、白金族金属酸化物、白金族金属水酸化物、白金族金属を含む合金を含まない場合、触媒の主成分がニッケル元素であることが好ましい。
ニッケル金属、酸化物、水酸化物のうち少なくとも1種類を含むことが好ましい。
第二成分として、遷移金属を添加してもよい。添加する第二成分としては、チタン、スズ、モリブデン、コバルト、マンガン、鉄、硫黄、亜鉛、銅、炭素のうち少なくとも1種類の元素を含むことが好ましい。
好ましい組み合わせとして、ニッケル+スズ、ニッケル+チタン、ニッケル+モリブデン、ニッケル+コバルトなどが挙げられる。
必要に応じ、第1層20と電解用電極基材10の間に、中間層を設けることができる。中間層を設置することにより、電解用電極100の耐久性を向上させることができる。
中間層としては、第1層20と電解用電極基材10の両方に親和性があるものが好ましい。中間層としては、ニッケル酸化物、白金族金属、白金族金属酸化物、白金族金属水酸化物が好ましい。中間層としては、中間層を形成する成分を含む溶液を塗布、焼成することで形成することもできるし、基材を空気雰囲気中で300~600℃の温度で熱処理を実施して、表面酸化物層を形成させることもできる。その他、熱溶射法、イオンプレーティング法など既知の方法で形成させることができる。
Next, a case where the electrode for electrolysis in this embodiment is used as a cathode for salt electrolysis will be described.
(First layer)
The components of the
It may or may not contain at least one of an alloy containing a platinum group metal, a platinum group metal oxide, a platinum group metal hydroxide, and a platinum group metal.
When at least one of a platinum group metal, a platinum group metal oxide, a platinum group metal hydroxide, and an alloy containing a platinum group metal is contained, the platinum group metal, the platinum group metal oxide, the platinum group metal hydroxide, and the platinum group It is preferable that the metal-containing alloy contains at least one platinum group metal among platinum, palladium, rhodium, ruthenium and iridium.
The platinum group metal preferably contains platinum.
The platinum group metal oxide preferably contains a ruthenium oxide.
The platinum group metal hydroxide preferably contains ruthenium hydroxide.
The platinum group metal alloy preferably contains an alloy of platinum with nickel, iron, and cobalt.
Further, if necessary, it is preferable to contain an oxide or a hydroxide of a lanthanoid element as the second component. As a result, the
The oxide or hydroxide of the lanthanoid element preferably contains at least one selected from lanthanum, cerium, praseodymium, neodymium, promethium, samarium, europium, gadolinium, terbium, and dysprosium.
Further, if necessary, it is preferable to include a transition metal oxide or a hydroxide as the third component.
By adding the third component, the
Examples of preferred combinations are ruthenium only, ruthenium + nickel, ruthenium + cerium, ruthenium + lantern, ruthenium + lanthanum + platinum, ruthenium + lanthanum + palladium, ruthenium + placeodium, ruthenium + placeodium + platinum, ruthenium + placeodium + platinum + Palladium, ruthenium + neodymium, ruthenium + neodymium + platinum, ruthenium + neodymium + manganese, ruthenium + neodymium + iron, ruthenium + neodymium + cobalt, ruthenium + neodymium + zinc, ruthenium + neodymium + gallium, ruthenium + neodymium + sulfur, ruthenium + Neodim + lead, ruthenium + neodym + nickel, ruthenium + neodym + copper, ruthenium + samarium, ruthenium + samarium + manganese, ruthenium + samarium + iron, ruthenium + samarium + cobalt, ruthenium + samarium + zinc, ruthenium + samarium + gallium, Ruthenium + samarium + sulfur, ruthenium + samarium + lead, ruthenium + samarium + nickel, platinum + cerium, platinum + palladium + cerium, platinum + palladium + lantern + cerium, platinum + iridium, platinum + palladium, platinum + iridium + palladium, Examples include platinum + nickel + palladium, platinum + nickel + ruthenium, platinum-nickel alloy, platinum-cobalt alloy, platinum-iron alloy, and the like.
When an alloy containing a platinum group metal, a platinum group metal oxide, a platinum group metal hydroxide, or a platinum group metal is not contained, the main component of the catalyst is preferably a nickel element.
It is preferable to contain at least one of nickel metal, oxide and hydroxide.
A transition metal may be added as the second component. The second component to be added preferably contains at least one element of titanium, tin, molybdenum, cobalt, manganese, iron, sulfur, zinc, copper and carbon.
Preferred combinations include nickel + tin, nickel + titanium, nickel + molybdenum, nickel + cobalt and the like.
If necessary, an intermediate layer can be provided between the
As the intermediate layer, those having an affinity for both the
(第二層)
触媒層である第一層30の成分としては、C、Si、P、S、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等の金属及び当該金属の酸化物又は水酸化物が挙げられる。
白金族金属、白金族金属酸化物、白金族金属水酸化物、白金族金属を含む合金の少なくとも1種類を含んでもよいし、含まなくてもよい。第二層に含まれる元素の好ましい組み合わせの例としては、第一層で挙げた組み合わせなどがある。第一層と第二層の組み合わせは、同じ組成で組成比が異なる組み合わせでもよいし、異なる組成の組み合わせでもよい。
触媒層の厚みとしては、形成させた触媒層および中間層の合算した厚みが0.01μm~20μmが好ましい。0.01μm以上であれば、触媒として十分機能を発揮できる。20μm以下であれば、基材からの脱落が少なく強固な触媒層を形成することができる。0.05μm~15μmがより好ましい。より好ましくは、0.1μm~10μmである。更に好ましくは、0.2μm~8μmである。
(Second layer)
The components of the
It may or may not contain at least one of an alloy containing a platinum group metal, a platinum group metal oxide, a platinum group metal hydroxide, and a platinum group metal. Examples of preferable combinations of elements contained in the second layer include the combinations mentioned in the first layer. The combination of the first layer and the second layer may be a combination having the same composition but a different composition ratio, or a combination of different compositions.
As the thickness of the catalyst layer, the total thickness of the formed catalyst layer and the intermediate layer is preferably 0.01 μm to 20 μm. If it is 0.01 μm or more, it can sufficiently function as a catalyst. If it is 20 μm or less, a strong catalyst layer can be formed with little loss from the base material. More preferably, 0.05 μm to 15 μm. More preferably, it is 0.1 μm to 10 μm. More preferably, it is 0.2 μm to 8 μm.
電極の厚み、すなわち、電解用電極基材と触媒層の合計の厚みとしては、電極のハンドリング性の点から、315μm以下が好ましく、220μm以下がより好ましく、170μm以下が更に好ましく、150μm以下が更により好ましく、145μm以下が特に好ましく、140μm以下が一層好ましく、138μm以下がより一層好ましく、135μm以下が更に一層好ましい。135μm以下であれば、良好なハンドリング性が得られる。さらに、上記と同様の観点から、130μm以下であることが好ましく、より好ましくは、130μm未満であり、更に好ましくは、115μm以下であり、より更に好ましくは、65μm以下である。下限値は、特に限定されないが、1μm以上が好ましく、実用上から5μm以上がより好ましく、20μm以上であることがより好ましい。なお、電極の厚みは、デジマチックシックスネスゲージ(株式会社ミツトヨ、最少表示0.001mm)で測定することで求めることができる。電極用電極基材の厚みは、電極厚みと同様に測定する。触媒層厚みは、電極厚みから電解用電極基材の厚みを引くことで求めることができる。 The thickness of the electrode, that is, the total thickness of the electrode base material for electrolysis and the catalyst layer is preferably 315 μm or less, more preferably 220 μm or less, further preferably 170 μm or less, and further preferably 150 μm or less from the viewpoint of handleability of the electrode. More preferably, 145 μm or less is particularly preferable, 140 μm or less is further preferable, 138 μm or less is further preferable, and 135 μm or less is even more preferable. If it is 135 μm or less, good handleability can be obtained. Further, from the same viewpoint as described above, it is preferably 130 μm or less, more preferably less than 130 μm, further preferably 115 μm or less, still more preferably 65 μm or less. The lower limit is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 20 μm or more from a practical point of view. The thickness of the electrode can be determined by measuring with a Digimatic Sixness Gauge (Mitutoyo Co., Ltd., minimum display 0.001 mm). The thickness of the electrode base material for electrodes is measured in the same manner as the electrode thickness. The catalyst layer thickness can be obtained by subtracting the thickness of the electrode base material for electrolysis from the electrode thickness.
本実施形態において、十分な電解性能を確保する観点から、電解用電極が、Ru、Rh、Pd、Ir、Pt、Au、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y,Zr、Nb、Mo、Ag、Ta、W、Re、Os、Al、In、Sn、Sb、Ga、Ge、B、C、N、O、Si、P、S、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb及びDyからなる群より選択される少なくとも一種の触媒成分を含むことが好ましい。 In the present embodiment, from the viewpoint of ensuring sufficient electrolysis performance, the electrolysis electrodes are Ru, Rh, Pd, Ir, Pt, Au, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Y, Zr, Nb, Mo, Ag, Ta, W, Re, Os, Al, In, Sn, Sb, Ga, Ge, B, C, N, O, Si, P, S, La, Ce, Pr, It preferably contains at least one catalytic component selected from the group consisting of Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb and Dy.
本実施形態において、電解用電極は、弾性変形領域が広い電極であると、より良好なハンドリング性が得られ、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜、劣化した電極及び触媒コーティングがされていない給電体などとより良好な接着力を有する観点から、電解用電極の厚みは、315μm以下が好ましく、220μm以下がより好ましく、170μm以下が更に好ましく、150μm以下が更により好ましく、145μm以下が特に好ましく、140μm以下が一層好ましく、138μm以下がより一層好ましく、135μm以下が更に一層好ましい。135μm以下であれば、良好なハンドリング性が得られる。さらに、上記と同様の観点から、130μm以下が好ましく、130μm未満がより好ましく、115μm以下が更に好ましく、65μm以下がより更に好ましい。下限値は、特に限定されないが、1μm以上が好ましく、実用上から5μm以上がより好ましく、20μm以上であることがより好ましい。なお、本実施形態において、「弾性変形領域が広い」とは、電解用電極を捲回して捲回体とし、捲回状態を解除した後、捲回に由来する反りが生じ難いことを意味する。また、電解用電極の厚みとは、後述の触媒層を含む場合、電解用電極基材と触媒層を合わせた厚みを言う。 In the present embodiment, when the electrode for electrolysis is an electrode having a wide elastic deformation region, better handleability can be obtained, and a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, a deteriorated electrode, and a catalyst coating are not applied. From the viewpoint of having better adhesive force with the feeder and the like, the thickness of the electrode for electrolysis is preferably 315 μm or less, more preferably 220 μm or less, further preferably 170 μm or less, further preferably 150 μm or less, and particularly preferably 145 μm or less. , 140 μm or less is more preferable, 138 μm or less is even more preferable, and 135 μm or less is even more preferable. If it is 135 μm or less, good handleability can be obtained. Further, from the same viewpoint as described above, 130 μm or less is preferable, less than 130 μm is more preferable, 115 μm or less is further preferable, and 65 μm or less is further preferable. The lower limit is not particularly limited, but is preferably 1 μm or more, more preferably 5 μm or more, and even more preferably 20 μm or more from a practical point of view. In the present embodiment, "the elastic deformation region is wide" means that the electrolytic electrode is wound to form a wound body, and after the wound state is released, warpage due to the winding is unlikely to occur. .. The thickness of the electrode for electrolysis means the total thickness of the electrode base material for electrolysis and the catalyst layer when the catalyst layer described later is included.
(電解用電極の製造方法)
次に電解用電極100の製造方法の一実施形態について詳細に説明する。
本実施形態では、酸素雰囲気下での塗膜の焼成(熱分解)、あるいはイオンプレーティング、メッキ、熱溶射等の方法によって、電解用電極基材上に第一層20、好ましくは第二層30を形成することにより、電解用電極100を製造できる。このような本実施形態の製造方法では、電解用電極100の高い生産性を実現できる。具体的には、触媒を含む塗布液を塗布する塗布工程、塗布液を乾燥する乾燥工程、熱分解を行う熱分解工程により、電解用電極基材上に触媒層が形成される。ここで熱分解とは、前駆体となる金属塩を加熱して、金属又は金属酸化物とガス状物質に分解することを意味する。用いる金属種、塩の種類、熱分解を行う雰囲気等により、分解生成物は異なるが、酸化性雰囲気では多くの金属は酸化物を形成しやすい傾向がある。電極の工業的な製造プロセスにおいて、熱分解は通常空気中で行われ、多くの場合、金属酸化物あるいは金属水酸化物が形成される。
(Manufacturing method of electrode for electrolysis)
Next, an embodiment of a method for manufacturing the
In the present embodiment, the
(陽極の第一層の形成)
(塗布工程)
第一層20は、ルテニウム、イリジウム及びチタンのうち少なくとも1種類の金属塩を溶解した溶液(第一塗布液)を電解用電極基材に塗布後、酸素の存在下で熱分解(焼成)して得られる。第一塗布液中のルテニウム、イリジウム及びチタンの含有率は、第一層20と概ね等しい。
(Formation of the first layer of the anode)
(Applying process)
In the
金属塩としては、塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、金属アルコキシド、その他のいずれの形態でもよい。第一塗布液の溶媒は、金属塩の種類に応じて選択できるが、水及びブタノール等のアルコール類等を用いることができる。溶媒としては、水または水とアルコール類の混合溶媒が好ましい。金属塩を溶解させた第一塗布液中の総金属濃度は特に限定されないが、1回の塗布で形成される塗膜の厚みとの兼ね合いから10~150g/Lの範囲が好ましい。 The metal salt may be in any form of chloride salt, nitrate, sulfate, metal alkoxide, and the like. The solvent of the first coating liquid can be selected according to the type of metal salt, but water, alcohols such as butanol, and the like can be used. As the solvent, water or a mixed solvent of water and alcohols is preferable. The total metal concentration in the first coating liquid in which the metal salt is dissolved is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 150 g / L in consideration of the thickness of the coating film formed by one coating.
第一塗布液を電解用電極基材10上に塗布する方法としては、電解用電極基材10を第一塗布液に浸漬するディップ法、第一塗布液を刷毛で塗る方法、第一塗布液を含浸させたスポンジ状のロールを用いるロール法、電解用電極基材10と第一塗布液とを反対荷電に帯電させてスプレー噴霧を行う静電塗布法等が用いられる。この中でも工業的な生産性に優れた、ロール法又は静電塗布法が好ましい。
As a method of applying the first coating liquid on the
(乾燥工程、熱分解工程)
電解用電極基材100に第一塗布液を塗布した後、10~90℃の温度で乾燥し、350~650℃に加熱した焼成炉で熱分解する。乾燥と熱分解の間に、必要に応じて100~350℃で仮焼成を実施してもよい。乾燥、仮焼成及び熱分解温度は、第一塗布液の組成や溶媒種により、適宜選択することが出来る。一回当たりの熱分解の時間は長い方が好ましいが、電極の生産性の観点から3~60分が好ましく、5~20分がより好ましい。
(Drying process, pyrolysis process)
After applying the first coating liquid to the
上記の塗布、乾燥及び熱分解のサイクルを繰り返して、被覆(第一層20)を所定の厚みに形成する。第一層20を形成した後に、必要に応じて更に長時間焼成する後加熱を行うと、第一層20の安定性を更に高めることができる。
The coating (first layer 20) is formed to a predetermined thickness by repeating the above cycle of coating, drying and thermal decomposition. After forming the
(第二層の形成)
第二層30は、必要に応じて形成され、例えば、パラジウム化合物及び白金化合物を含む溶液あるいはルテニウム化合物およびチタン化合物を含む溶液(第二塗布液)を第一層20の上に塗布した後、酸素の存在下で熱分解して得られる。
(Formation of the second layer)
The
(熱分解法での陰極の第一層の形成)
(塗布工程)
第一層20は、種々の組み合わせの金属塩を溶解した溶液(第一塗布液)を電解用電極基材に塗布後、酸素の存在下で熱分解(焼成)して得られる。第一塗布液中の金属の含有率は、第一層20と概ね等しい。
(Formation of the first layer of the cathode by the thermal decomposition method)
(Applying process)
The
金属塩としては、塩化物塩、硝酸塩、硫酸塩、金属アルコキシド、その他のいずれの形態でもよい。第一塗布液の溶媒は、金属塩の種類に応じて選択できるが、水及びブタノール等のアルコール類等を用いることができる。溶媒としては、水または水とアルコール類の混合溶媒が好ましい。金属塩を溶解させた第一塗布液中の総金属濃度は特に限定されないが、1回の塗布で形成される塗膜の厚みとの兼ね合いから10~150g/Lの範囲が好ましい。 The metal salt may be in any form of chloride salt, nitrate, sulfate, metal alkoxide, and the like. The solvent of the first coating liquid can be selected according to the type of metal salt, but water, alcohols such as butanol, and the like can be used. As the solvent, water or a mixed solvent of water and alcohols is preferable. The total metal concentration in the first coating liquid in which the metal salt is dissolved is not particularly limited, but is preferably in the range of 10 to 150 g / L in consideration of the thickness of the coating film formed by one coating.
第一塗布液を電解用電極基材10上に塗布する方法としては、電解用電極基材10を第一塗布液に浸漬するディップ法、第一塗布液を刷毛で塗る方法、第一塗布液を含浸させたスポンジ状のロールを用いるロール法、電解用電極基材10と第一塗布液とを反対荷電に帯電させてスプレー噴霧を行う静電塗布法等が用いられる。この中でも工業的な生産性に優れた、ロール法又は静電塗布法が好ましい。
As a method of applying the first coating liquid on the
(乾燥工程、熱分解工程)
電解用電極基材10に第一塗布液を塗布した後、10~90℃の温度で乾燥し、350~650℃に加熱した焼成炉で熱分解する。乾燥と熱分解の間に、必要に応じて100~350℃で仮焼成を実施してもよい。乾燥、仮焼成及び熱分解温度は、第一塗布液の組成や溶媒種により、適宜選択することが出来る。一回当たりの熱分解の時間は長い方が好ましいが、電極の生産性の観点から3~60分が好ましく、5~20分がより好ましい。
(Drying process, pyrolysis process)
After applying the first coating liquid to the
上記の塗布、乾燥及び熱分解のサイクルを繰り返して、被覆(第一層20)を所定の厚みに形成する。第一層20を形成した後に、必要に応じて更に長時間焼成する後加熱を行うと、第一層20の安定性を更に高めることができる。
The coating (first layer 20) is formed to a predetermined thickness by repeating the above cycle of coating, drying and thermal decomposition. After forming the
(中間層の形成)
中間層は、必要に応じて形成され、例えば、パラジウム化合物あるいは白金化合物を含む溶液(第二塗布液)を基材の上に塗布した後、酸素の存在下で熱分解して得られる。あるいは、溶液を塗布することなく基材を加熱するだけで基材表面に酸化ニッケル中間層を形成させてもよい。
(Formation of intermediate layer)
The intermediate layer is formed as needed, and is obtained, for example, by applying a solution containing a palladium compound or a platinum compound (second coating liquid) on a substrate and then thermally decomposing it in the presence of oxygen. Alternatively, the nickel oxide intermediate layer may be formed on the surface of the base material simply by heating the base material without applying the solution.
(イオンプレーティングでの陰極の第一層の形成)
第一層20はイオンプレーティングで形成させることもできる。
一例として、基材をチャンバー内に固定し、金属ルテニウムターゲットに電子線を照射する方法が挙げられる。蒸発した金属ルテニウム粒子は、チャンバー内のプラズマ中でプラスに帯電され、マイナスに帯電させた基板上に堆積する。プラズマ雰囲気はアルゴン、酸素であり、ルテニウムはルテニウム酸化物として基材上に堆積する。
(Formation of the first layer of the cathode by ion plating)
The
One example is a method of fixing a base material in a chamber and irradiating a metal ruthenium target with an electron beam. The evaporated metallic ruthenium particles are positively charged in the plasma in the chamber and deposited on the negatively charged substrate. The plasma atmosphere is argon and oxygen, and ruthenium is deposited on the substrate as a ruthenium oxide.
(メッキでの陰極の第一層の形成)
第一層20は、メッキ法でも形成させることもできる。
一例として、基材を陰極として使用し、ニッケルおよびスズを含む電解液中で電解メッキを実施すると、ニッケルとスズの合金メッキを形成させることができる。
(Formation of the first layer of the cathode by plating)
The
As an example, when a base material is used as a cathode and electrolytic plating is performed in an electrolytic solution containing nickel and tin, an alloy plating of nickel and tin can be formed.
(熱溶射での陰極の第一層の形成)
第一層20は、熱溶射法でも形成させることができる。
一例として、酸化ニッケル粒子を基材上にプラズマ溶射することにより、金属ニッケルと酸化ニッケルが混合した触媒層を形成させることができる。
(Formation of the first layer of the cathode by thermal spraying)
The
As an example, by plasma spraying nickel oxide particles onto a substrate, a catalyst layer in which metallic nickel and nickel oxide are mixed can be formed.
本実施形態における電解用電極は、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜と一体化して用いることができる。そのため、本実施形態の積層体は、膜一体電極として用いることができ、電極を更新する際の陰極及び陽極の張り替え作業が不要となり、作業効率が大幅に向上する。
また、イオン交換膜や微多孔膜などの隔膜との一体電極によれば、電解性能を新品時の性能と同等または向上させることができる。
The electrode for electrolysis in this embodiment can be used integrally with a diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane. Therefore, the laminate of the present embodiment can be used as a membrane-integrated electrode, and the work of replacing the cathode and the anode when renewing the electrodes becomes unnecessary, and the work efficiency is greatly improved.
Further, according to the electrode integrated with the diaphragm such as an ion exchange membrane or a microporous membrane, the electrolytic performance can be equal to or improved from the performance at the time of a new product.
以下、イオン交換膜について詳述する。
〔イオン交換膜〕
イオン交換膜としては、電解用電極と積層体とすることができれば、特に限定されず、種々のイオン交換膜を適用することができる。本実施形態においては、イオン交換基を有する炭化水素系重合体あるいは含フッ素系重合体を含む膜本体と、該膜本体の少なくとも一方面上に設けられたコーティング層とを有するイオン交換膜を用いることが好ましい。また、コーティング層は、無機物粒子と結合剤とを含み、コーティング層の比表面積は、0.1~10m2/gであることが好ましい。かかる構造のイオン交換膜は、電解中に発生するガスによる電解性能への影響が少なく、安定した電解性能を発揮する傾向にある。
上記、イオン交換基が導入されたパーフルオロカーボン重合体の膜とは、スルホ基由来のイオン交換基(-SO3-で表される基、以下「スルホン酸基」ともいう。)を有するスルホン酸層と、カルボキシル基由来のイオン交換基(-CO2-で表される基、以下「カルボン酸基」ともいう。)を有するカルボン酸層のいずれか一方を備えるものである。強度及び寸法安定性の観点から、強化芯材をさらに有することが好ましい。
無機物粒子及び結合剤については、以下コーティング層の説明の欄に詳述する。
Hereinafter, the ion exchange membrane will be described in detail.
[Ion exchange membrane]
The ion exchange membrane is not particularly limited as long as it can be a laminate with the electrode for electrolysis, and various ion exchange membranes can be applied. In the present embodiment, an ion exchange membrane having a membrane body containing a hydrocarbon-based polymer or a fluorine-containing polymer having an ion-exchange group and a coating layer provided on at least one surface of the membrane body is used. Is preferable. Further, the coating layer contains inorganic particles and a binder, and the specific surface area of the coating layer is preferably 0.1 to 10 m 2 / g. An ion exchange membrane having such a structure has little influence on the electrolysis performance due to the gas generated during electrolysis, and tends to exhibit stable electrolysis performance.
The film of the perfluorocarbon polymer into which the ion exchange group has been introduced is a sulfonic acid having an ion exchange group derived from a sulfo group (a group represented by −SO3- , hereinafter also referred to as a “sulfonic acid group”). It includes either a layer or a carboxylic acid layer having an ion exchange group derived from a carboxyl group (a group represented by −CO 2- , hereinafter also referred to as a “carboxylic acid group”). From the viewpoint of strength and dimensional stability, it is preferable to further have a reinforced core material.
Inorganic particles and binders will be described in detail below in the description section of the coating layer.
図2は、イオン交換膜の一実施形態を示す断面模式図である。イオン交換膜1は、イオン交換基を有する炭化水素系重合体あるいは含フッ素系重合体を含む膜本体10と、膜本体10の両面に形成されたコーティング層11a及び11bを有する。
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view showing an embodiment of an ion exchange membrane. The
イオン交換膜1において、膜本体10は、スルホ基由来のイオン交換基(-SO3
-で表される基、以下「スルホン酸基」ともいう。)を有するスルホン酸層3と、カルボキシル基由来のイオン交換基(-CO2
-で表される基、以下「カルボン酸基」ともいう。)を有するカルボン酸層2とを備え、強化芯材4により強度及び寸法安定性が強化されている。イオン交換膜1は、スルホン酸層3とカルボン酸層2とを備えるため、陽イオン交換膜として好適に用いられる。
In the
なお、イオン交換膜は、スルホン酸層及びカルボン酸層のいずれか一方のみを有するものであってもよい。また、イオン交換膜は、必ずしも強化芯材により強化されている必要はなく、強化芯材の配置状態も図2の例に限定されるものではない。 The ion exchange membrane may have only one of a sulfonic acid layer and a carboxylic acid layer. Further, the ion exchange membrane does not necessarily have to be reinforced by the reinforced core material, and the arrangement state of the reinforced core material is not limited to the example of FIG.
(膜本体)
先ず、イオン交換膜1を構成する膜本体10について説明する。
膜本体10は、陽イオンを選択的に透過する機能を有し、イオン交換基を有する炭化水素系重合体あるいは含フッ素系重合体を含むものであればよく、その構成や材料は特に限定されず、適宜好適なものを選択することができる。
(Membrane body)
First, the
The
膜本体10におけるイオン交換基を有する炭化水素系重合体あるいは含フッ素系重合体は、例えば、加水分解等によりイオン交換基となり得るイオン交換基前駆体を有する炭化水素系重合体あるいは含フッ素系重合体から得ることができる。具体的には、例えば、主鎖がフッ素化炭化水素からなり、加水分解等によりイオン交換基に変換可能な基(イオン交換基前駆体)をペンダント側鎖として有し、且つ溶融加工が可能な重合体(以下、場合により「含フッ素系重合体(a)」という。)を用いて膜本体10の前駆体を作製した後、イオン交換基前駆体をイオン交換基に変換することにより、膜本体10を得ることができる。
The hydrocarbon-based polymer or fluorine-containing polymer having an ion-exchange group in the
含フッ素系重合体(a)は、例えば、下記第1群より選ばれる少なくとも一種の単量体と、下記第2群及び/又は下記第3群より選ばれる少なくとも一種の単量体と、を共重合することにより製造することができる。また、下記第1群、下記第2群、及び下記第3群のいずれかより選ばれる1種の単量体の単独重合により製造することもできる。 The fluorine-containing polymer (a) contains, for example, at least one monomer selected from the first group below and at least one monomer selected from the second group below and / or the third group below. It can be produced by copolymerizing. It can also be produced by homopolymerization of one type of monomer selected from any of the following first group, the following second group, and the following third group.
第1群の単量体としては、例えば、フッ化ビニル化合物が挙げられる。フッ化ビニル化合物としては、例えば、フッ化ビニル、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、フッ化ビニリデン、トリフルオロエチレン、クロロトリフルオロエチレン、パーフルオロアルキルビニルエーテル等が挙げられる。特に、イオン交換膜をアルカリ電解用膜として用いる場合、フッ化ビニル化合物は、パーフルオロ単量体であることが好ましく、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロアルキルビニルエーテルからなる群より選ばれるパーフルオロ単量体が好ましい。 Examples of the first group of monomers include vinyl fluoride compounds. Examples of the vinyl fluoride compound include vinyl fluoride, tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, vinylidene fluoride, trifluoroethylene, chlorotrifluoroethylene, perfluoroalkyl vinyl ether and the like. In particular, when an ion exchange membrane is used as a membrane for alkali electrolysis, the vinyl fluoride compound is preferably a perfluoromonomer, and is selected from the group consisting of tetrafluoroethylene, hexafluoropropylene, and perfluoroalkylvinyl ether. Fluoromonomers are preferred.
第2群の単量体としては、例えば、カルボン酸型イオン交換基(カルボン酸基)に変換し得る官能基を有するビニル化合物が挙げられる。カルボン酸基に変換し得る官能基を有するビニル化合物としては、例えば、CF2=CF(OCF2CYF)s-O(CZF)t-COORで表される単量体等が挙げられる(ここで、sは0~2の整数を表し、tは1~12の整数を表し、Y及びZは、各々独立して、F又はCF3を表し、Rは低級アルキル基を表す。低級アルキル基は、例えば炭素数1~3のアルキル基である。)。 Examples of the second group of monomers include vinyl compounds having a functional group that can be converted into a carboxylic acid type ion exchange group (carboxylic acid group). Examples of the vinyl compound having a functional group that can be converted into a carboxylic acid group include a monomer represented by CF 2 = CF (OCF 2 CYF) s -O (CZF) t -COOR (here). , S represents an integer of 0 to 2, t represents an integer of 1 to 12, Y and Z each independently represent F or CF 3 , and R represents a lower alkyl group. , For example, an alkyl group having 1 to 3 carbon atoms.).
これらの中でも、CF2=CF(OCF2CYF)n-O(CF2)m-COORで表される化合物が好ましい。ここで、nは0~2の整数を表し、mは1~4の整数を表し、YはF又はCF3を表し、RはCH3、C2H5、又はC3H7を表す。 Among these, a compound represented by CF 2 = CF (OCF 2 CYF) n -O (CF 2 ) m -COOR is preferable. Here, n represents an integer of 0 to 2, m represents an integer of 1 to 4, Y represents F or CF 3 , and R represents CH 3 , C 2 H 5 , or C 3 H 7 .
なお、イオン交換膜をアルカリ電解用陽イオン交換膜として用いる場合、単量体としてパーフルオロ化合物を少なくとも用いることが好ましいが、エステル基のアルキル基(上記R参照)は加水分解される時点で重合体から失われるため、アルキル基(R)は全ての水素原子がフッ素原子に置換されているパーフルオロアルキル基でなくてもよい。 When the ion exchange film is used as the cation exchange film for alkali electrolysis, it is preferable to use at least a perfluoro compound as the monomer, but the alkyl group of the ester group (see R above) is heavy at the time of hydrolysis. The alkyl group (R) does not have to be a perfluoroalkyl group in which all hydrogen atoms are substituted with fluorine atoms, as they are lost from coalescence.
第2群の単量体としては、上記の中でも下記に表す単量体がより好ましい。
CF2=CFOCF2-CF(CF3)OCF2COOCH3、
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)2COOCH3、
CF2=CF[OCF2-CF(CF3)]2O(CF2)2COOCH3、
CF2=CFOCF2CF(CF3)O(CF2)3COOCH3、
CF2=CFO(CF2)2COOCH3、
CF2=CFO(CF2)3COOCH3。
Among the above, the monomers represented by the following are more preferable as the second group of monomers.
CF 2 = CFOCF 2 -CF (CF 3 ) OCF 2 COOCH 3 ,
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 2 COOCH 3 ,
CF 2 = CF [OCF 2 -CF (CF 3 )] 2 O (CF 2 ) 2 COOCH 3 ,
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) O (CF 2 ) 3 COOCH 3 ,
CF 2 = CFO (CF 2 ) 2 COOCH 3 ,
CF 2 = CFO (CF 2 ) 3 COOCH 3 .
第3群の単量体としては、例えば、スルホン型イオン交換基(スルホン酸基)に変換し得る官能基を有するビニル化合物が挙げられる。スルホン酸基に変換し得る官能基を有するビニル化合物としては、例えば、CF2=CFO-X-CF2-SO2Fで表される単量体が好ましい(ここで、Xはパーフルオロアルキレン基を表す。)。これらの具体例としては、下記に表す単量体等が挙げられる。
CF2=CFOCF2CF2SO2F、
CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2F、
CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2CF2SO2F、
CF2=CF(CF2)2SO2F、
CF2=CFO〔CF2CF(CF3)O〕2CF2CF2SO2F、
CF2=CFOCF2CF(CF2OCF3)OCF2CF2SO2F。
Examples of the monomer of the third group include vinyl compounds having a functional group that can be converted into a sulfone-type ion exchange group (sulfonic acid group). As the vinyl compound having a functional group that can be converted into a sulfonic acid group, for example, a monomer represented by CF 2 = CFO-X-CF 2 -SO 2 F is preferable (where X is a perfluoroalkylene group). Represents.). Specific examples of these include the monomers represented below.
CF 2 = CFOCF 2 CF 2 SO 2 F,
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 SO 2 F,
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 CF 2 SO 2 F,
CF 2 = CF (CF 2 ) 2 SO 2 F,
CF 2 = CFO [CF 2 CF (CF 3 ) O] 2 CF 2 CF 2 SO 2 F,
CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 2 OCF 3 ) OCF 2 CF 2 SO 2 F.
これらの中でも、CF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2CF2SO2F、及びCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2Fがより好ましい。 Of these, CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 CF 2 SO 2 F and CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 SO 2 F are more preferable.
これら単量体から得られる共重合体は、フッ化エチレンの単独重合及び共重合に対して開発された重合法、特にテトラフルオロエチレンに対して用いられる一般的な重合方法によって製造することができる。例えば、非水性法においては、パーフルオロ炭化水素、クロロフルオロカーボン等の不活性溶媒を用い、パーフルオロカーボンパーオキサイドやアゾ化合物等のラジカル重合開始剤の存在下で、温度0~200℃、圧力0.1~20MPaの条件下で、重合反応を行うことができる。 The copolymers obtained from these monomers can be produced by a polymerization method developed for homopolymerization and copolymerization of ethylene fluoride, particularly a general polymerization method used for tetrafluoroethylene. .. For example, in the non-aqueous method, an inert solvent such as perfluorohydrocarbon or chlorofluorocarbon is used, and in the presence of a radical polymerization initiator such as perfluorocarbon peroxide or an azo compound, the temperature is 0 to 200 ° C. and the pressure is 0. The polymerization reaction can be carried out under the condition of 1 to 20 MPa.
上記共重合において、上記単量体の組み合わせの種類及びその割合は、特に限定されず、得られる含フッ素系重合体に付与したい官能基の種類及び量によって選択決定される。例えば、カルボン酸基のみを含有する含フッ素系重合体とする場合、上記第1群及び第2群から各々少なくとも1種の単量体を選択して共重合させればよい。また、スルホン酸基のみを含有する含フッ素系重合体とする場合、上記第1群及び第3群の単量体から各々少なくとも1種の単量体を選択して共重合させればよい。さらに、カルボン酸基及びスルホン酸基を有する含フッ素系重合体とする場合、上記第1群、第2群及び第3群の単量体から各々少なくとも1種の単量体を選択して共重合させればよい。この場合、上記第1群及び第2群よりなる共重合体と、上記第1群及び第3群よりなる共重合体とを、別々に重合し、後に混合することによっても目的の含フッ素系重合体を得ることができる。また、各単量体の混合割合は、特に限定されないが、単位重合体当たりの官能基の量を増やす場合、上記第2群及び第3群より選ばれる単量体の割合を増加させればよい。 In the above-mentioned copolymerization, the type of the combination of the above-mentioned monomers and the ratio thereof are not particularly limited, and are selectively determined by the type and the amount of the functional group to be imparted to the obtained fluorine-containing polymer. For example, in the case of a fluorine-containing polymer containing only a carboxylic acid group, at least one monomer of each of the first group and the second group may be selected and copolymerized. Further, in the case of a fluorine-containing polymer containing only a sulfonic acid group, at least one kind of monomer may be selected from the monomers of the first group and the third group and copolymerized. Further, in the case of a fluorine-containing polymer having a carboxylic acid group and a sulfonic acid group, at least one kind of monomer is selected from each of the first group, second group and third group monomers and co-produced. It may be polymerized. In this case, the desired fluorocarbon-containing system can also be obtained by separately polymerizing the copolymer consisting of the first group and the second group and the copolymer consisting of the first group and the third group and then mixing them later. A polymer can be obtained. The mixing ratio of each monomer is not particularly limited, but when increasing the amount of functional groups per unit polymer, the ratio of the monomers selected from the second group and the third group can be increased. good.
含フッ素系共重合体の総イオン交換容量は特に限定されないが、0.5~2.0mg当量/gであることが好ましく、0.6~1.5mg当量/gであることがより好ましい。ここで、総イオン交換容量とは、乾燥樹脂の単位重量あたりの交換基の当量のことをいい、中和滴定等によって測定することができる。 The total ion exchange capacity of the fluorine-containing copolymer is not particularly limited, but is preferably 0.5 to 2.0 mg equivalent / g, and more preferably 0.6 to 1.5 mg equivalent / g. Here, the total ion exchange capacity refers to the equivalent amount of the exchange group per unit weight of the dry resin, and can be measured by neutralization titration or the like.
イオン交換膜1の膜本体10においては、スルホン酸基を有する含フッ素系重合体を含むスルホン酸層3と、カルボン酸基を有する含フッ素系重合体を含むカルボン酸層2とが積層されている。このような層構造の膜本体10とすることで、ナトリウムイオン等の陽イオンの選択的透過性を一層向上させることができる。
In the
イオン交換膜1を電解槽に配置する場合、通常、スルホン酸層3が電解槽の陽極側に、カルボン酸層2が電解槽の陰極側に、それぞれ位置するように配置する。
When the
スルホン酸層3は、電気抵抗が低い材料から構成されていることが好ましく、膜強度の観点から、膜厚がカルボン酸層2より厚いことが好ましい。スルホン酸層3の膜厚は、好ましくはカルボン酸層2の2~25倍であり、より好ましくは3~15倍である。
The
カルボン酸層2は、膜厚が薄くても高いアニオン排除性を有するものであることが好ましい。ここでいうアニオン排除性とは、イオン交換膜1へのアニオンの侵入や透過を妨げようとする性質をいう。アニオン排除性を高くするためには、スルホン酸層に対し、イオン交換容量の小さいカルボン酸層を配すること等が有効である。
The
スルホン酸層3に用いる含フッ素系重合体としては、例えば、第3群の単量体としてCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2SO2Fを用いて得られた重合体が好適である。
As the fluorine-containing polymer used for the
カルボン酸層2に用いる含フッ素系重合体としては、例えば、第2群の単量体としてCF2=CFOCF2CF(CF2)O(CF2)2COOCH3を用いて得られた重合体が好適である。
As the fluorine-containing polymer used for the
(コーティング層)
イオン交換膜は、膜本体の少なくとも一方面上にコーティング層を有することが好ましい。また、図2に示すとおり、イオン交換膜1においては、膜本体10の両面上にそれぞれコーティング層11a及び11bが形成されている。
コーティング層は無機物粒子と結合剤とを含む。
(Coating layer)
The ion exchange membrane preferably has a coating layer on at least one surface of the membrane body. Further, as shown in FIG. 2, in the
The coating layer contains inorganic particles and a binder.
無機物粒子の平均粒径は、0.90μm以上であることがより好ましい。無機物粒子の平均粒径が0.90μm以上であると、ガス付着だけでなく不純物への耐久性が極めて向上する。すなわち、無機物粒子の平均粒径を大きくしつつ、且つ上述の比表面積の値を満たすようにすることで、特に顕著な効果が得られるようになる。このような平均粒径と比表面積を満たすため、不規則状の無機物粒子が好ましい。溶融により得られる無機物粒子、原石粉砕により得られる無機物粒子を用いることができる。好ましくは原石粉砕により得られる無機物粒子を好適に用いることができる。 The average particle size of the inorganic particles is more preferably 0.90 μm or more. When the average particle size of the inorganic particles is 0.90 μm or more, not only gas adhesion but also durability against impurities is extremely improved. That is, by increasing the average particle size of the inorganic particles and satisfying the above-mentioned specific surface area value, a particularly remarkable effect can be obtained. Irregular inorganic particles are preferable in order to satisfy such average particle size and specific surface area. Inorganic particles obtained by melting and inorganic particles obtained by crushing rough stones can be used. Preferably, the inorganic particles obtained by pulverizing the rough stone can be preferably used.
また、無機物粒子の平均粒径は、2μm以下とすることができる。無機物粒子の平均粒径が2μm以下であれば、無機物粒子によって膜が損傷することを防止できる。無機物粒子の平均粒径は、より好ましくは、0.90~1.2μmである。 Further, the average particle size of the inorganic particles can be 2 μm or less. When the average particle size of the inorganic particles is 2 μm or less, it is possible to prevent the film from being damaged by the inorganic particles. The average particle size of the inorganic particles is more preferably 0.90 to 1.2 μm.
ここで、平均粒径は、粒度分布計(「SALD2200」島津製作所)によって測定することができる。 Here, the average particle size can be measured by a particle size distribution meter (“SALD2200”, Shimadzu Corporation).
無機物粒子の形状は、不規則形状であることが好ましい。不純物への耐性がより向上する。また、無機物粒子の粒度分布は 、ブロードであることが好ましい。 The shape of the inorganic particles is preferably an irregular shape. More resistance to impurities. Further, the particle size distribution of the inorganic particles is preferably broad.
無機物粒子は、周期律表第IV族元素の酸化物、周期律表第IV族元素の窒化物、及び周期律表第IV族元素の炭化物からなる群より選ばれる少なくとも一種の無機物を含むことが好ましい。より好ましくは、耐久性の観点から、酸化ジルコニウムの粒子である。 The inorganic particles may contain at least one inorganic substance selected from the group consisting of oxides of Group IV elements of the Periodic Table, nitrides of Group IV elements of the Periodic Table, and carbides of Group IV elements of the Periodic Table. preferable. More preferably, it is a zirconium oxide particle from the viewpoint of durability.
この無機物粒子は、無機物粒子の原石を粉砕されることにより製造された無機物粒子であるか、または、無機物粒子の原石を溶融して精製することによって、粒子の径が揃った球状の粒子を無機物粒子であることが好ましい。 The inorganic particles are inorganic particles produced by crushing the rough particles of the inorganic particles, or by melting and purifying the rough stones of the inorganic particles, spherical particles having the same particle diameter are made into an inorganic substance. It is preferably particles.
原石粉砕方法としては、特に限定されないが、ボールミル、ビーズミル、コロイドミル、コニカルミル、ディスクミル、エッジミル、製粉ミル、ハンマーミル、ペレットミル、VSIミル、ウィリーミル、ローラーミル、ジェットミルなどが挙げられる。また、粉砕後、洗浄されることが好ましく、そのとき洗浄方法としては、酸処理されることが好ましい。それによって、無機物粒子の表面に付着した鉄等の不純物を削減することができる。 The rough stone crushing method is not particularly limited, and examples thereof include a ball mill, a bead mill, a colloid mill, a conical mill, a disc mill, an edge mill, a milling mill, a hammer mill, a pellet mill, a VSI mill, a willy mill, a roller mill, and a jet mill. Further, it is preferable to wash after pulverization, and at that time, as a washing method, acid treatment is preferable. Thereby, impurities such as iron adhering to the surface of the inorganic particles can be reduced.
コーティング層は結合剤を含むことが好ましい。結合剤は、無機物粒子をイオン交換膜の表面に保持して、コーティング層を成す成分である。結合剤は、電解液や電解による生成物への耐性の観点から、含フッ素系重合体を含むことが好ましい。 The coating layer preferably contains a binder. A binder is a component that holds inorganic particles on the surface of an ion exchange membrane to form a coating layer. The binder preferably contains a fluorine-containing polymer from the viewpoint of resistance to the electrolytic solution and products produced by electrolysis.
結合剤としては、電解液や電解による生成物への耐性、及び、イオン交換膜の表面への接着性の観点から、カルボン酸基又はスルホン酸基を有する含フッ素系重合体であることがより好ましい。スルホン酸基を有する含フッ素重合体を含む層(スルホン酸層)上にコーティング層を設ける場合、当該コーティング層の結合剤としては、スルホン酸基を有する含フッ素系重合体を用いることがさらに好ましい。また、カルボン酸基を有する含フッ素重合体を含む層(カルボン酸層)上にコーティング層を設ける場合、当該コーティング層の結合剤としては、カルボン酸基を有する含フッ素系重合体を用いることがさらに好ましい。 The binder is more likely to be a fluorine-containing polymer having a carboxylic acid group or a sulfonic acid group from the viewpoint of resistance to products obtained by electrolytic solution and electrolysis and adhesion to the surface of the ion exchange film. preferable. When a coating layer is provided on a layer containing a fluorinated polymer having a sulfonic acid group (sulfonic acid layer), it is more preferable to use a fluorinated polymer having a sulfonic acid group as a binder for the coating layer. .. When a coating layer is provided on a layer containing a fluorinated polymer having a carboxylic acid group (carboxylic acid layer), a fluorinated polymer having a carboxylic acid group may be used as a binder for the coating layer. More preferred.
コーティング層中、無機物粒子の含有量は40~90質量%であることが好ましく、50~90質量%であることがより好ましい。また、結合剤の含有量は、10~60質量%であることが好ましく、10~50質量%であることがより好ましい。 The content of the inorganic particles in the coating layer is preferably 40 to 90% by mass, more preferably 50 to 90% by mass. The content of the binder is preferably 10 to 60% by mass, more preferably 10 to 50% by mass.
イオン交換膜におけるコーティング層の分布密度は、1cm2当り0.05~2mgであることが好ましい。また、イオン交換膜が表面に凹凸形状を有する場合には、コーティング層の分布密度は、1cm2当り0.5~2mgであることが好ましい。 The distribution density of the coating layer in the ion exchange membrane is preferably 0.05 to 2 mg per 1 cm 2 . When the ion exchange membrane has an uneven shape on the surface, the distribution density of the coating layer is preferably 0.5 to 2 mg per 1 cm 2 .
コーティング層を形成する方法としては、特に限定されず、公知の方法を用いることがきる。例えば、無機物粒子を結合剤を含む溶液に分散したコーティング液を、スプレー等により塗布する方法が挙げられる。 The method for forming the coating layer is not particularly limited, and a known method can be used. For example, a method of applying a coating liquid in which inorganic particles are dispersed in a solution containing a binder by spraying or the like can be mentioned.
(強化芯材)
イオン交換膜は、膜本体の内部に配置された強化芯材を有することが好ましい。
(Reinforced core material)
The ion exchange membrane preferably has a reinforced core material arranged inside the membrane body.
強化芯材は、イオン交換膜の強度や寸法安定性を強化する部材である。強化芯材を膜本体の内部に配置させることで、特に、イオン交換膜の伸縮を所望の範囲に制御することができる。かかるイオン交換膜は、電解時等において、必要以上に伸縮せず、長期に優れた寸法安定性を維持することができる。 The reinforced core material is a member that enhances the strength and dimensional stability of the ion exchange membrane. By arranging the reinforcing core material inside the membrane body, it is possible to control the expansion and contraction of the ion exchange membrane in a desired range. Such an ion exchange membrane does not expand and contract more than necessary during electrolysis and the like, and can maintain excellent dimensional stability for a long period of time.
強化芯材の構成は、特に限定されず、例えば、強化糸と呼ばれる糸を紡糸して形成させてもよい。ここでいう強化糸とは、強化芯材を構成する部材であって、イオン交換膜に所望の寸法安定性及び機械的強度を付与できるものであり、かつ、イオン交換膜中で安定に存在できる糸のことをいう。かかる強化糸を紡糸した強化芯材を用いることにより、一層優れた寸法安定性及び機械的強度をイオン交換膜に付与することができる。 The structure of the reinforcing core material is not particularly limited, and for example, a yarn called a reinforcing yarn may be spun and formed. The reinforcing yarn referred to here is a member constituting the reinforcing core material, which can impart desired dimensional stability and mechanical strength to the ion exchange membrane, and can stably exist in the ion exchange membrane. It refers to a thread. By using a reinforced core material obtained by spinning such a reinforcing yarn, it is possible to impart more excellent dimensional stability and mechanical strength to the ion exchange membrane.
強化芯材及びこれに用いる強化糸の材料は、特に限定されないが、酸やアルカリ等に耐性を有する材料であることが好ましく、長期にわたる耐熱性、耐薬品性が必要であることから、含フッ素系重合体から成る繊維が好ましい。 The material of the reinforcing core material and the reinforcing yarn used therein is not particularly limited, but it is preferably a material having resistance to acids, alkalis, etc., and since long-term heat resistance and chemical resistance are required, it contains fluorine. Fibers made of a system polymer are preferable.
強化芯材に用いられる含フッ素系重合体としては、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)、テトラフルオロエチレン-パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)、テトラフルオロエチレン-エチレン共重合体(ETFE)、テトラフルオロエチレン-ヘキサフルオロプロピレン共重合体、トリフルオロクロルエチレン-エチレン共重合体及びフッ化ビニリデン重合体(PVDF)等が挙げられる。これらのうち、特に耐熱性及び耐薬品性の観点からは、ポリテトラフルオロエチレンからなる繊維を用いることが好ましい。 Examples of the fluorine-containing polymer used for the reinforcing core material include polytetrafluoroethylene (PTFE), tetrafluoroethylene-perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA), and tetrafluoroethylene-ethylene copolymer (ETFE). , Tetrafluoroethylene-hexafluoropropylene copolymer, trifluorochloroethylene-ethylene copolymer, vinylidene fluoride polymer (PVDF) and the like. Of these, from the viewpoint of heat resistance and chemical resistance, it is preferable to use fibers made of polytetrafluoroethylene.
強化芯材に用いられる強化糸の糸径は、特に限定されないが、好ましくは20~300デニール、より好ましくは50~250デニールである。織り密度(単位長さあたりの打ち込み本数)は、好ましくは5~50本/インチである。強化芯材の形態としては、特に限定されず、例えば、織布、不織布、編布等が用いられるが、織布の形態であることが好ましい。また、織布の厚みは、好ましくは30~250μm、より好ましくは30~150μmのものが使用される。 The yarn diameter of the reinforcing yarn used for the reinforcing core material is not particularly limited, but is preferably 20 to 300 denier, and more preferably 50 to 250 denier. The weaving density (number of threads per unit length) is preferably 5 to 50 lines / inch. The form of the reinforced core material is not particularly limited, and for example, a woven fabric, a non-woven fabric, a knitted fabric, or the like is used, but the form of the woven fabric is preferable. The thickness of the woven fabric is preferably 30 to 250 μm, more preferably 30 to 150 μm.
織布又は編布は、モノフィラメント、マルチフィラメント又はこれらのヤーン、スリットヤーン等が使用でき、織り方は平織り、絡み織り、編織り、コード織り、シャーサッカ等の種々の織り方が使用できる。 As the woven fabric or knitted fabric, monofilaments, multifilaments or yarns thereof, slit yarns and the like can be used, and various weaving methods such as plain weave, entwined weave, knitted weave, cord weave and shear sacker can be used.
膜本体における強化芯材の織り方及び配置は、特に限定されず、イオン交換膜の大きさや形状、イオン交換膜に所望する物性及び使用環境等を考慮して適宜好適な配置とすることができる。 The weaving method and arrangement of the reinforced core material in the membrane body are not particularly limited, and can be appropriately arranged in consideration of the size and shape of the ion exchange membrane, the desired physical properties of the ion exchange membrane, the usage environment, and the like. ..
例えば、膜本体の所定の一方向に沿って強化芯材を配置してもよいが、寸法安定性の観点から、所定の第一の方向に沿って強化芯材を配置し、かつ第一の方向に対して略垂直である第二の方向に沿って別の強化芯材を配置することが好ましい。膜本体の縦方向膜本体の内部において、略直行するように複数の強化芯材を配置することで、多方向において一層優れた寸法安定性及び機械的強度を付与することができる。例えば、膜本体の表面において縦方向に沿って配置された強化芯材(縦糸)と横方向に沿って配置された強化芯材(横糸)を織り込む配置が好ましい。縦糸と横糸を交互に浮き沈みさせて打ち込んで織った平織りや、2本の経糸を捩りながら横糸と織り込んだ絡み織り、2本又は数本ずつ引き揃えて配置した縦糸に同数の横糸を打ち込んで織った斜子織り(ななこおり)等とすることが、寸法安定性、機械的強度及び製造容易性の観点からより好ましい。 For example, the reinforced core material may be arranged along a predetermined one direction of the membrane body, but from the viewpoint of dimensional stability, the reinforced core material is arranged along a predetermined first direction, and the first one. It is preferred to place another reinforced core along a second direction that is substantially perpendicular to the direction. Longitudinal direction of the film body By arranging a plurality of reinforced core materials so as to be substantially orthogonal to each other inside the film body, it is possible to impart more excellent dimensional stability and mechanical strength in multiple directions. For example, it is preferable to weave a reinforcing core material (warp and weft) arranged along the vertical direction and a reinforcing core material (weft) arranged along the horizontal direction on the surface of the film body. A plain weave in which warps and wefts are alternately raised and lowered and woven, or a entangled weave in which two warps are twisted and woven with a weft, and two or several warps are woven by driving the same number of wefts into a warp. It is more preferable to use a warp and weft weft (Nanakoori) or the like from the viewpoint of dimensional stability, mechanical strength and ease of manufacture.
特に、イオン交換膜のMD方向(Machine Direction方向)及びTD方向(Transverse Direction方向)の両方向に沿って強化芯材が配置されていることが好ましい。すなわち、MD方向とTD方向に平織りされていることが好ましい。ここで、MD方向とは、後述するイオン交換膜の製造工程において、膜本体や各種芯材(例えば、強化芯材、強化糸、後述する犠牲糸等)が搬送される方向(流れ方向)をいい、TD方向とは、MD方向と略垂直の方向をいう。そして、MD方向に沿って織られた糸をMD糸といい、TD方向に沿って織られた糸をTD糸という。通常、電解に用いるイオン交換膜は、矩形状であり、長手方向がMD方向となり、幅方向がTD方向となることが多い。MD糸である強化芯材とTD糸である強化芯材を織り込むことで、多方向において一層優れた寸法安定性及び機械的強度を付与することができる。 In particular, it is preferable that the reinforcing core material is arranged along both the MD direction (Machine Direction direction) and the TD direction (Transverse Direction direction) of the ion exchange membrane. That is, it is preferable that the plain weave is performed in the MD direction and the TD direction. Here, the MD direction refers to the direction (flow direction) in which the membrane body and various core materials (for example, reinforcing core material, reinforcing yarn, sacrificial yarn described later, etc.) are conveyed in the manufacturing process of the ion exchange membrane described later. The TD direction means a direction substantially perpendicular to the MD direction. The yarn woven along the MD direction is called an MD yarn, and the yarn woven along the TD direction is called a TD yarn. Usually, the ion exchange membrane used for electrolysis has a rectangular shape, and the longitudinal direction is often the MD direction and the width direction is often the TD direction. By weaving the reinforced core material which is an MD yarn and the reinforced core material which is a TD yarn, it is possible to impart more excellent dimensional stability and mechanical strength in multiple directions.
強化芯材の配置間隔は、特に限定されず、イオン交換膜に所望する物性及び使用環境等を考慮して適宜好適な配置とすることができる。 The arrangement interval of the reinforcing core material is not particularly limited, and can be appropriately arranged in consideration of the desired physical properties of the ion exchange membrane, the usage environment, and the like.
強化芯材の開口率は、特に限定されず、好ましくは30%以上、より好ましくは50%以上90%以下である。開口率は、イオン交換膜の電気化学的性質の観点からは30%以上が好ましく、イオン交換膜の機械的強度の観点からは90%以下が好ましい。 The aperture ratio of the reinforced core material is not particularly limited, and is preferably 30% or more, more preferably 50% or more and 90% or less. The aperture ratio is preferably 30% or more from the viewpoint of the electrochemical properties of the ion exchange membrane, and is preferably 90% or less from the viewpoint of the mechanical strength of the ion exchange membrane.
強化芯材の開口率とは、膜本体のいずれか一方の表面の面積(A)におけるイオン等の物質(電解液及びそれに含有される陽イオン(例えば、ナトリウムイオン))が通過できる表面の総面積(B)の割合(B/A)をいう。イオン等の物質が通過できる表面の総面積(B)とは、イオン交換膜において、陽イオンや電解液等が、イオン交換膜に含まれる強化芯材等によって遮断されない領域の総面積ということができる。 The aperture ratio of the reinforced core material is the total surface through which substances such as ions (electrolyte solution and cations contained therein (for example, sodium ions)) in the surface area (A) of either one of the membrane bodies can pass. It refers to the ratio (B / A) of the area (B). The total surface area (B) through which substances such as ions can pass is the total area of the ion exchange membrane where cations, electrolytes, etc. are not blocked by the reinforcing core material contained in the ion exchange membrane. can.
図3は、イオン交換膜を構成する強化芯材の開口率を説明するための概略図である。図3はイオン交換膜の一部を拡大し、その領域内における強化芯材21及び22の配置のみを図示しているものであり、他の部材については図示を省略している。
FIG. 3 is a schematic view for explaining the aperture ratio of the reinforcing core material constituting the ion exchange membrane. FIG. 3 is an enlargement of a part of the ion exchange membrane and shows only the arrangement of the reinforcing
縦方向に沿って配置された強化芯材21と横方向に配置された強化芯材22によって囲まれた領域であって、強化芯材の面積も含めた領域の面積(A)から強化芯材の総面積(C)を減じることにより、上述した領域の面積(A)におけるイオン等の物質が通過できる領域の総面積(B)を求めることができる。すなわち、開口率は、下記式(I)により求めることができる。
開口率=(B)/(A)=((A)-(C))/(A) …(I)
It is a region surrounded by the reinforced
Aperture ratio = (B) / (A) = ((A)-(C)) / (A) ... (I)
強化芯材の中でも、特に好ましい形態は、耐薬品性及び耐熱性の観点から、PTFEを含むテープヤーン又は高配向モノフィラメントである。具体的には、PTFEからなる高強度多孔質シートをテープ状にスリットしたテープヤーン、又はPTFEからなる高度に配向したモノフィラメントの50~300デニールを使用し、かつ、織り密度が10~50本/インチである平織りであり、その厚みが50~100μmの範囲である強化芯材であることがより好ましい。かかる強化芯材を含むイオン交換膜の開口率は60%以上であることが更に好ましい。 Among the reinforced core materials, a particularly preferable form is a tape yarn containing PTFE or a highly oriented monofilament from the viewpoint of chemical resistance and heat resistance. Specifically, a tape yarn made by slitting a high-strength porous sheet made of PTFE into a tape shape, or a highly oriented monofilament made of PTFE of 50 to 300 denier is used, and a weave density is 10 to 50 pieces /. It is more preferable that the plain weave is an inch and the thickness thereof is in the range of 50 to 100 μm. The aperture ratio of the ion exchange membrane containing the reinforcing core material is more preferably 60% or more.
強化糸の形状としては、丸糸、テープ状糸等が挙げられる。 Examples of the shape of the reinforcing thread include a round thread and a tape-shaped thread.
(連通孔)
イオン交換膜は、膜本体の内部に連通孔を有することが好ましい。
(Communication hole)
The ion exchange membrane preferably has a communication hole inside the membrane body.
連通孔とは、電解の際に発生するイオンや電解液の流路となり得る孔をいう。また、連通孔とは、膜本体内部に形成されている管状の孔であり、後述する犠牲芯材(又は犠牲糸)が溶出することで形成される。連通孔の形状や径等は、犠牲芯材(犠牲糸)の形状や径を選択することによって制御することができる。 The communication hole is a hole that can serve as a flow path for ions and an electrolytic solution generated during electrolysis. The communication hole is a tubular hole formed inside the membrane body, and is formed by elution of the sacrificial core material (or sacrificial thread) described later. The shape and diameter of the communication hole can be controlled by selecting the shape and diameter of the sacrificial core material (sacrificial thread).
イオン交換膜に連通孔を形成することで、電解の際に電解液の移動性を確保できる。連通孔の形状は特に限定されないが、後述する製法によれば、連通孔の形成に用いられる犠牲芯材の形状とすることができる。 By forming the communication holes in the ion exchange membrane, the mobility of the electrolytic solution can be ensured during electrolysis. The shape of the communication hole is not particularly limited, but according to the manufacturing method described later, the shape of the sacrificial core material used for forming the communication hole can be used.
連通孔は、強化芯材の陽極側(スルホン酸層側)と陰極側(カルボン酸層側)を交互に通過するように形成されることが好ましい。かかる構造とすることで、強化芯材の陰極側に連通孔が形成されている部分では、連通孔に満たされている電解液を通して輸送されたイオン(例えば、ナトリウムイオン)が、強化芯材の陰極側にも流れることができる。その結果、陽イオンの流れが遮蔽されることがないため、イオン交換膜の電気抵抗を更に低くすることができる。 The communication holes are preferably formed so as to alternately pass through the anode side (sulfonic acid layer side) and the cathode side (carboxylic acid layer side) of the reinforced core material. With such a structure, in the portion where the communication hole is formed on the cathode side of the reinforced core material, the ions (for example, sodium ion) transported through the electrolytic solution filled in the communication hole of the reinforced core material become the reinforced core material. It can also flow to the cathode side. As a result, the flow of cations is not blocked, so that the electrical resistance of the ion exchange membrane can be further reduced.
連通孔は、イオン交換膜を構成する膜本体の所定の一方向のみに沿って形成されていてもよいが、より安定した電解性能を発揮するという観点から、膜本体の縦方向と横方向との両方向に形成されていることが好ましい。 The communication holes may be formed along only one predetermined direction of the membrane body constituting the ion exchange membrane, but from the viewpoint of exhibiting more stable electrolytic performance, the communication holes may be formed in the vertical direction and the horizontal direction of the membrane body. It is preferable that the film is formed in both directions.
〔製造方法〕
イオン交換膜の好適な製造方法としては、以下の(1)工程~(6)工程を有する方法が挙げられる。
(1)工程:イオン交換基、又は、加水分解によりイオン交換基となり得るイオン交換基前駆体を有する含フッ素系重合体を製造する工程。
(2)工程:必要に応じて、複数の強化芯材と、酸又はアルカリに溶解する性質を有し、連通孔を形成する犠牲糸と、を少なくとも織り込むことにより、隣接する強化芯材同士の間に犠牲糸が配置された補強材を得る工程。
(3)工程:イオン交換基、又は、加水分解によりイオン交換基となり得るイオン交換基前駆体を有する前記含フッ素系重合体をフィルム化する工程。
(4)工程:前記フィルムに必要に応じて前記補強材を埋め込んで、前記補強材が内部に配置された膜本体を得る工程。
(5)工程:(4)工程で得られた膜本体を加水分解する工程(加水分解工程)。
(6)工程:(5)工程で得られた膜本体に、コーティング層を設ける工程(コーティング工程)。
〔Production method〕
As a preferable method for producing the ion exchange membrane, a method having the following steps (1) to (6) can be mentioned.
(1) Step: A step of producing a fluorine-containing polymer having an ion exchange group or an ion exchange group precursor that can become an ion exchange group by hydrolysis.
(2) Step: If necessary, by at least weaving a plurality of reinforcing core materials and a sacrificial yarn having a property of dissolving in an acid or an alkali and forming a communication hole, the adjacent reinforcing core materials can be connected to each other. The process of obtaining a reinforcing material with sacrificial threads placed between them.
(3) Step: A step of forming a film of the fluorine-containing polymer having an ion exchange group or an ion exchange group precursor that can become an ion exchange group by hydrolysis.
(4) Step: A step of embedding the reinforcing material in the film as needed to obtain a film body in which the reinforcing material is arranged inside.
(5) Step: A step of hydrolyzing the membrane body obtained in the (4) step (hydrolysis step).
(6) Step: A step (coating step) of providing a coating layer on the film body obtained in the step (5).
以下、各工程について詳述する。 Hereinafter, each step will be described in detail.
(1)工程:含フッ素系重合体を製造する工程
(1)工程では、上記第1群~第3群に記載した原料の単量体を用いて含フッ素系重合体を製造する。含フッ素系重合体のイオン交換容量を制御するためには、各層を形成する含フッ素系重合体の製造において、原料の単量体の混合比を調整すればよい。
(1) Step: Step of producing a fluorine-containing polymer In the step (1), a fluorine-containing polymer is produced using the raw material monomers described in the first to third groups. In order to control the ion exchange capacity of the fluorinated polymer, the mixing ratio of the raw material monomers may be adjusted in the production of the fluorinated polymer forming each layer.
(2)工程:補強材の製造工程
補強材とは、強化糸を織った織布等である。補強材が膜内に埋め込まれることで、強化芯材を形成する。連通孔を有するイオン交換膜とするときには、犠牲糸も一緒に補強材へ織り込む。この場合の犠牲糸の混織量は、好ましくは補強材全体の10~80質量%、より好ましくは30~70質量%である。犠牲糸を織り込むことにより、強化芯材の目ズレを防止することもできる。
(2) Process: Manufacturing process of reinforcing material The reinforcing material is a woven fabric or the like woven with reinforcing threads. The reinforcing material is embedded in the membrane to form a reinforcing core material. When the ion exchange membrane has communication holes, the sacrificial yarn is also woven into the reinforcing material. In this case, the mixed weaving amount of the sacrificial yarn is preferably 10 to 80% by mass, more preferably 30 to 70% by mass of the entire reinforcing material. By weaving the sacrificial thread, it is possible to prevent the reinforced core material from being misaligned.
犠牲糸は、膜の製造工程もしくは電解環境下において溶解性を有するものであり、レーヨン、ポリエチレンテレフタレート(PET)、セルロース及びポリアミド等が用いられる。また、20~50デニールの太さを有し、モノフィラメント又はマルチフィラメントからなるポリビニルアルコール等も好ましい。 The sacrificial yarn has solubility in the manufacturing process of the membrane or in an electrolytic environment, and rayon, polyethylene terephthalate (PET), cellulose, polyamide and the like are used. Further, polyvinyl alcohol having a thickness of 20 to 50 denier and made of monofilament or multifilament is also preferable.
なお、(2)工程において、強化芯材や犠牲糸の配置を調整することにより、開口率や連通孔の配置等を制御することができる。 In the step (2), the aperture ratio, the arrangement of the communication holes, and the like can be controlled by adjusting the arrangement of the reinforcing core material and the sacrificial thread.
(3)工程:フィルム化工程
(3)工程では、前記(1)工程で得られた含フッ素系重合体を、押出し機を用いてフィルム化する。フィルムは単層構造でもよいし、上述したように、スルホン酸層とカルボン酸層との2層構造でもよいし、3層以上の多層構造であってもよい。
(3) Step: Film formation step In the (3) step, the fluorine-containing polymer obtained in the above step (1) is filmed using an extruder. The film may have a single-layer structure, a two-layer structure of a sulfonic acid layer and a carboxylic acid layer, or a multi-layer structure of three or more layers as described above.
フィルム化する方法としては例えば、以下のものが挙げられる。
カルボン酸基を有する含フッ素重合体、スルホン酸基を有する含フッ素重合体をそれぞれ別々にフィルム化する方法。
カルボン酸基を有する含フッ素重合体と、スルホン酸基を有する含フッ素重合体とを共押出しにより、複合フィルムとする方法。
Examples of the method of making a film include the following.
A method of separately forming a fluorine-containing polymer having a carboxylic acid group and a fluorine-containing polymer having a sulfonic acid group.
A method of coextruding a fluorine-containing polymer having a carboxylic acid group and a fluorine-containing polymer having a sulfonic acid group to form a composite film.
なお、フィルムはそれぞれ複数枚であってもよい。また、異種のフィルムを共押出しすることは、界面の接着強度を高めることに寄与するため、好ましい。 In addition, each of a plurality of films may be used. Further, it is preferable to co-extrude different kinds of films because it contributes to increasing the adhesive strength at the interface.
(4)工程:膜本体を得る工程
(4)工程では、(2)工程で得た補強材を、(3)工程で得たフィルムの内部に埋め込むことで、補強材が内在する膜本体を得る。
(4) Step: Step of obtaining the film body In the step (4), the reinforcing material obtained in the step (2) is embedded in the film obtained in the step (3) to obtain the film body containing the reinforcing material. obtain.
膜本体の好ましい形成方法としては、(i)陰極側に位置するカルボン酸基前駆体(例えば、カルボン酸エステル官能基)を有する含フッ素系重合体(以下、これからなる層を第一層という)と、スルホン酸基前駆体(例えば、スルホニルフルオライド官能基)を有する含フッ素系重合体(以下、これからなる層を第二層という)を共押出し法によってフィルム化し、必要に応じて加熱源及び真空源を用いて、表面上に多数の細孔を有する平板またはドラム上に、透気性を有する耐熱性の離型紙を介して、補強材、第二層/第一層複合フィルムの順に積層して、各重合体が溶融する温度下で減圧により各層間の空気を除去しながら一体化する方法;(ii)第二層/第一層複合フィルムとは別に、スルホン酸基前駆体を有する含フッ素系重合体(第三層)を予め単独でフィルム化し、必要に応じて加熱源及び真空源を用いて、表面上に多数の細孔を有する平板又はドラム上に透気性を有する耐熱性の離型紙を介して、第三層フィルム、強化芯材、第二層/第一層からなる複合フィルムの順に積層して、各重合体が溶融する温度下で減圧により各層間の空気を除去しながら一体化する方法が挙げられる。 As a preferable method for forming the film body, (i) a fluorine-containing polymer having a carboxylic acid group precursor (for example, a carboxylic acid ester functional group) located on the cathode side (hereinafter, a layer made of this is referred to as a first layer). And a fluoropolymer having a sulfonic acid group precursor (for example, a sulfonyl fluoride functional group) (hereinafter, the layer composed of this is referred to as a second layer) is formed into a film by a coextrusion method, and if necessary, a heating source and a heating source and Using a vacuum source, a reinforcing material and a second layer / first layer composite film are laminated in this order on a flat plate or a drum having a large number of pores on the surface via a heat-resistant release paper having air permeability. A method of integrating the polymers while removing air between the layers by reducing the pressure at a temperature at which each polymer melts; (ii) Including a sulfonic acid group precursor in addition to the second layer / first layer composite film. The fluoropolymer (third layer) is made into a film by itself in advance, and if necessary, a heating source and a vacuum source are used to make a flat plate having a large number of pores on the surface or a heat-resistant heat-resistant drum having air permeability. The third layer film, the reinforcing core material, and the composite film consisting of the second layer / first layer are laminated in this order through the release paper, and the air between the layers is removed by reducing the pressure at the temperature at which each polymer melts. However, there is a method of integrating.
ここで、第一層と第二層とを共押出しすることは、界面の接着強度を高めることに寄与している。 Here, coextruding the first layer and the second layer contributes to increasing the adhesive strength at the interface.
また、減圧下で一体化する方法は、加圧プレス法に比べて、補強材上の第三層の厚みが大きくなる特徴を有している。更に、補強材が膜本体の内面に固定されているため、イオン交換膜の機械的強度が十分に保持できる性能を有している。 Further, the method of integrating under reduced pressure has a feature that the thickness of the third layer on the reinforcing material is larger than that of the pressure pressing method. Further, since the reinforcing material is fixed to the inner surface of the membrane body, it has the ability to sufficiently maintain the mechanical strength of the ion exchange membrane.
なお、ここで説明した積層のバリエーションは一例であり、所望する膜本体の層構成や物性等を考慮して、適宜好適な積層パターン(例えば、各層の組合せ等)を選択した上で、共押出しすることができる。 The lamination variation described here is an example, and a suitable lamination pattern (for example, a combination of each layer) is appropriately selected in consideration of the desired layer structure and physical properties of the film body, and then coextruded. can do.
なお、イオン交換膜の電気的性能をさらに高める目的で、第一層と第二層との間に、カルボン酸基前駆体とスルホン酸基前駆体の両方を有する含フッ素系重合体からなる第四層をさらに介在させることや、第二層の代わりにカルボン酸基前駆体とスルホン酸基前駆体の両方を有する含フッ素系重合体からなる第四層を用いることも可能である。 For the purpose of further enhancing the electrical performance of the ion exchange film, the first layer is composed of a fluorine-containing polymer having both a carboxylic acid group precursor and a sulfonic acid group precursor between the first layer and the second layer. It is also possible to further interpose the four layers, or to use a fourth layer composed of a fluorine-containing polymer having both a carboxylic acid group precursor and a sulfonic acid group precursor instead of the second layer.
第四層の形成方法は、カルボン酸基前駆体を有する含フッ素系重合体と、スルホン酸基前駆体を有する含フッ素系重合体と、を別々に製造した後に混合する方法でもよく、カルボン酸基前駆体を有する単量体とスルホン酸基前駆体を有する単量体とを共重合したものを使用する方法でもよい。 The method for forming the fourth layer may be a method in which a fluorine-containing polymer having a carboxylic acid group precursor and a fluorine-containing polymer having a sulfonic acid group precursor are separately produced and then mixed, or the carboxylic acid. A method using a copolymer of a monomer having a group precursor and a monomer having a sulfonic acid group precursor may also be used.
第四層をイオン交換膜の構成とする場合には、第一層と第四層との共押出しフィルムを成形し、第三層と第二層はこれとは別に単独でフィルム化し、前述の方法で積層してもよいし、第一層/第四層/第二層の3層を一度に共押し出しでフィルム化してもよい。 When the fourth layer is composed of an ion exchange membrane, a coextruded film of the first layer and the fourth layer is formed, and the third layer and the second layer are separately formed into a film, which is described above. It may be laminated by a method, or the three layers of the first layer / fourth layer / second layer may be coextruded into a film at a time.
この場合、押出しされたフィルムが流れていく方向が、MD方向である。このようにして、イオン交換基を有する含フッ素系重合体を含む膜本体を、補強材上に形成することができる。 In this case, the direction in which the extruded film flows is the MD direction. In this way, the film body containing the fluorine-containing polymer having an ion exchange group can be formed on the reinforcing material.
また、イオン交換膜は、スルホン酸層からなる表面側に、スルホン酸基を有する含フッ素重合体からなる突出した部分、すなわち凸部を有することが好ましい。このような凸部を形成する方法としては、特に限定されず、樹脂表面に凸部を形成する公知の方法を採用することができる。具体的には、例えば、膜本体の表面にエンボス加工を施す方法が挙げられる。例えば、前記した複合フィルムと補強材等とを一体化する際に、予めエンボス加工された離型紙を用いることによって、上記の凸部を形成させることができる。エンボス加工により凸部を形成する場合、凸部の高さや配置密度の制御は、転写するエンボス形状(離型紙の形状)を制御することで行うことができる。 Further, the ion exchange membrane preferably has a protruding portion, that is, a convex portion, made of a fluorine-containing polymer having a sulfonic acid group on the surface side made of a sulfonic acid layer. The method for forming such a convex portion is not particularly limited, and a known method for forming the convex portion on the resin surface can be adopted. Specifically, for example, a method of embossing the surface of the film body can be mentioned. For example, when the composite film and the reinforcing material or the like are integrated, the convex portion can be formed by using a release paper that has been embossed in advance. When the convex portion is formed by embossing, the height and arrangement density of the convex portion can be controlled by controlling the embossed shape (shape of the release paper) to be transferred.
(5)加水分解工程
(5)工程では、(4)工程で得られた膜本体を加水分解して、イオン交換基前駆体をイオン交換基に変換する工程(加水分解工程)を行う。
(5) Hydrolysis step In the step (5), a step (hydrolysis step) of hydrolyzing the membrane body obtained in the step (4) to convert the ion exchange group precursor into an ion exchange group is performed.
また、(5)工程では、膜本体に含まれている犠牲糸を酸又はアルカリで溶解除去することで、膜本体に溶出孔を形成させることができる。なお、犠牲糸は、完全に溶解除去されずに、連通孔に残っていてもよい。また、連通孔に残っていた犠牲糸は、イオン交換膜が電解に供された際、電解液により溶解除去されてもよい。 Further, in the step (5), the elution pores can be formed in the membrane body by dissolving and removing the sacrificial yarn contained in the membrane body with an acid or an alkali. The sacrificial yarn may remain in the communication hole without being completely dissolved and removed. Further, the sacrificial yarn remaining in the communication hole may be dissolved and removed by the electrolytic solution when the ion exchange membrane is subjected to electrolysis.
犠牲糸は、イオン交換膜の製造工程や電解環境下において、酸又はアルカリに対して溶解性を有するものであり、犠牲糸が溶出することで当該部位に連通孔が形成される。 The sacrificial yarn has solubility in an acid or an alkali in the manufacturing process of the ion exchange membrane or in an electrolytic environment, and when the sacrificial yarn elutes, a communication hole is formed at the site.
(5)工程は、酸又はアルカリを含む加水分解溶液に(4)工程で得られた膜本体を浸漬して行うことができる。該加水分解溶液としては、例えば、KOHとDMSO(Dimethyl sulfoxide)とを含む混合溶液を用いることができる。 The step (5) can be carried out by immersing the membrane body obtained in the step (4) in a hydrolyzed solution containing an acid or an alkali. As the hydrolyzed solution, for example, a mixed solution containing KOH and DMSO (Dimethyl sulfoxide) can be used.
該混合溶液は、KOHを2.5~4.0N含み、DMSOを25~35質量%含むことが好ましい。 The mixed solution preferably contains 2.5 to 4.0 N of KOH and 25 to 35% by mass of DMSO.
加水分解の温度としては、70~100℃であることが好ましい。温度が高いほど、見かけ厚みをより厚くすることができる。より好ましくは、75~100℃である。 The hydrolysis temperature is preferably 70 to 100 ° C. The higher the temperature, the thicker the apparent thickness can be. More preferably, it is 75 to 100 ° C.
加水分解の時間としては、10~120分であることが好ましい。時間が長いほど、見かけ厚みをより厚くすることができる。より好ましくは、20~120分である。 The hydrolysis time is preferably 10 to 120 minutes. The longer the time, the thicker the apparent thickness can be. More preferably, it takes 20 to 120 minutes.
ここで、犠牲糸を溶出させることで連通孔形成する工程についてより詳細に説明する。図4(a)、(b)は、イオン交換膜の連通孔を形成する方法を説明するための模式図である。 Here, the step of forming the communication holes by eluting the sacrificial yarn will be described in more detail. 4 (a) and 4 (b) are schematic views for explaining a method of forming a communication hole of an ion exchange membrane.
図4(a)、(b)では、強化糸52と犠牲糸504aと犠牲糸504aにより形成される連通孔504のみを図示しており、膜本体等の他の部材については、図示を省略している。
In FIGS. 4A and 4B, only the
まず、イオン交換膜中で強化芯材を構成することとなる強化糸52と、イオン交換膜中で連通孔504を形成するための犠牲糸504aとを、編み込み補強材とする。そして、(5)工程において犠牲糸504aが溶出することで連通孔504が形成される。
First, the reinforcing
上記方法によれば、イオン交換膜の膜本体内において強化芯材、連通孔を如何なる配置とするのかに応じて、強化糸52と犠牲糸504aの編み込み方を調整すればよいため簡便である。
According to the above method, it is convenient because the method of knitting the reinforcing
図4(a)では、紙面において縦方向と横方向の両方向に沿って強化糸52と犠牲糸504aを織り込んだ平織りの補強材を例示しているが、必要に応じて補強材における強化糸52と犠牲糸504aの配置を変更することができる。
FIG. 4A exemplifies a plain weave reinforcing material in which the reinforcing
(6)コーティング工程
(6)工程では、原石粉砕または原石溶融により得られた無機物粒子と、結合剤とを含むコーティング液を調整し、コーティング液を(5)工程で得られたイオン交換膜の表面に塗布及び乾燥させることで、コーティング層を形成することができる。
(6) Coating Step In the (6) step, the coating liquid containing the inorganic particles obtained by crushing the rough stone or melting the rough stone and the binder is prepared, and the coating liquid is applied to the ion exchange membrane obtained in the (5) step. A coating layer can be formed by applying and drying on the surface.
結合剤としては、イオン交換基前駆体を有する含フッ素系重合体を、ジメチルスルホキシド(DMSO)及び水酸化カリウム(KOH)を含む水溶液で加水分解した後、塩酸に浸漬してイオン交換基の対イオンをH+に置換した結合剤(例えば、カルボキシル基又はスルホ基を有する含フッ素系重合体)が好ましい。それによって、後述する水やエタノールに溶解しやすくなるため、好ましい。 As a binder, a fluorine-containing polymer having an ion-exchange group precursor is hydrolyzed with an aqueous solution containing dimethylsulfoxide (DMSO) and potassium hydroxide (KOH), and then immersed in hydrochloric acid to pair the ion-exchange groups. A binder in which ions are replaced with H + (for example, a fluorine-containing polymer having a carboxyl group or a sulfo group) is preferable. This is preferable because it is easily dissolved in water or ethanol, which will be described later.
この結合剤を、水とエタノールを混合した溶液に溶解する。なお、水とエタノールの好ましい体積比10:1~1:10であり、より好ましくは、5:1~1:5であり、さらに好ましくは、2:1~1:2である。このようにして得た溶解液中に、無機物粒子をボールミルで分散させてコーティング液を得る。このとき、分散する際の、時間、回転速度を調整することで、粒子の平均粒径等を調整することもできる。なお、無機物粒子と結合剤の好ましい配合量は、前述の通りである。 The binder is dissolved in a mixed solution of water and ethanol. The volume ratio of water to ethanol is preferably 10: 1 to 1:10, more preferably 5: 1 to 1: 5, and even more preferably 2: 1 to 1: 2. Inorganic particles are dispersed in the solution thus obtained by a ball mill to obtain a coating solution. At this time, the average particle size of the particles can be adjusted by adjusting the time and rotation speed at the time of dispersion. The preferable blending amount of the inorganic particles and the binder is as described above.
コーティング液中の無機物粒子及び結合剤の濃度については、特に限定されないが、薄いコーティング液とする方が好ましい。それによって、イオン交換膜の表面に均一に塗布することが可能となる。 The concentration of the inorganic particles and the binder in the coating liquid is not particularly limited, but a thin coating liquid is preferable. As a result, it becomes possible to uniformly apply it to the surface of the ion exchange membrane.
また、無機物粒子を分散させる際に、界面活性剤を分散液に添加してもよい。界面活性剤としては、ノニオン系界面活性剤界面活性剤が好ましく、例えば、日油株式会社性HS-210、NS-210、P-210、E-212等が挙げられる。 Further, when dispersing the inorganic particles, a surfactant may be added to the dispersion liquid. As the surfactant, a nonionic surfactant surfactant is preferable, and examples thereof include NOF Corporation HS-210, NS-210, P-210, E-212 and the like.
得られたコーティング液を、スプレー塗布やロール塗工でイオン交換膜表面に塗布することでイオン交換膜が得られる。 An ion exchange membrane can be obtained by applying the obtained coating liquid to the surface of the ion exchange membrane by spray coating or roll coating.
〔微多孔膜〕
本実施形態の微多孔膜としては、前述の通り、電解用電極と積層体とすることができれば、特に限定されず、種々の微多孔膜を適用することができる。
本実施形態の微多孔膜の気孔率は、特に限定されないが、例えば、20~90とすることができ、好ましくは30~85である。上記気孔率は、例えば、下記の式にて算出できる。
気孔率=(1-(乾燥状態の膜重量)/(膜の厚み、幅、長さから算出される体積と膜素材の密度から算出される重量))×100
本実施形態の微多孔膜の平均孔径は、特に限定されないが、例えば、0.01μm~10μとすることができ、好ましくは0.05μm~5μmである。上記平均孔径は、例えば、膜を厚み方向に垂直に切断し、切断面をFE-SEMで観察する。観察される孔の直径を100点程度測定し、平均することで求めることができる。
本実施形態の微多孔膜の厚みは、特に限定されないが、例えば、10μm~1000μmとすることができ、好ましくは50μm~600μmである。上記厚みは、例えば、マイクロメーター(株式会社ミツトヨ製)等を用いて測定することができる。
上述のような微多孔膜の具体例としては、Agfa社製のZirfon Perl UTP 500(本実施形態において、Zirfon膜とも称す)、国際公開第2013-183584号パンフレット、国際公開第2016-203701号パンフレットなどに記載のものが挙げられる。
[Microporous membrane]
As described above, the microporous membrane of the present embodiment is not particularly limited as long as it can be a laminate with the electrode for electrolysis, and various microporous membranes can be applied.
The porosity of the microporous membrane of the present embodiment is not particularly limited, but can be, for example, 20 to 90, preferably 30 to 85. The porosity can be calculated by, for example, the following formula.
Porosity = (1- (weight of membrane in dry state) / (volume calculated from thickness, width, and length of membrane and weight calculated from density of membrane material)) x 100
The average pore size of the microporous membrane of the present embodiment is not particularly limited, but can be, for example, 0.01 μm to 10 μm, preferably 0.05 μm to 5 μm. For the average pore size, for example, the film is cut perpendicularly in the thickness direction, and the cut surface is observed by FE-SEM. It can be obtained by measuring about 100 points of observed hole diameters and averaging them.
The thickness of the microporous membrane of the present embodiment is not particularly limited, but can be, for example, 10 μm to 1000 μm, preferably 50 μm to 600 μm. The thickness can be measured using, for example, a micrometer (manufactured by Mitutoyo Co., Ltd.) or the like.
Specific examples of the microporous membrane as described above include Zircon Perl UTP 500 manufactured by Agfa (also referred to as Zircon membrane in the present embodiment), International Publication No. 2013-183584, International Publication No. 2016-203701. And so on.
本実施形態においては、隔膜が、第1のイオン交換樹脂層と、当該第1のイオン交換樹脂層とは異なるEW(イオン交換当量)を有する第2のイオン交換樹脂層とを含むことが好ましい。また、隔膜が、第1のイオン交換樹脂層と、当該第1のイオン交換樹脂層とは異なる官能基を有する第2のイオン交換樹脂層とを含むことが好ましい。イオン交換当量は導入する官能基によって調整でき、導入しうる官能基については前述したとおりである。 In the present embodiment, the diaphragm preferably includes a first ion exchange resin layer and a second ion exchange resin layer having an EW (ion exchange equivalent) different from that of the first ion exchange resin layer. .. Further, it is preferable that the diaphragm includes a first ion exchange resin layer and a second ion exchange resin layer having a functional group different from that of the first ion exchange resin layer. The ion exchange equivalent can be adjusted by the functional group to be introduced, and the functional groups that can be introduced are as described above.
〔固定領域〕
本実施形態において、電解用電極は、隔膜の表面の少なくとも1つの領域に固定されており、本明細書において、この1つ又は2以上の領域を固定領域ともいう。本実施形態における固定領域は、電解用電極と隔膜との分離を抑制する機能を有し、隔膜に電解用電極を固定する部分であれば特に限定されず、例えば、電解用電極自体が固定手段となることで固定領域を構成する場合もあり、また、電解用電極とは別体である固定用部材が固定手段となることで固定領域を構成する場合もある。なお、本実施形態における固定領域は、電解時の通電面に対応する位置のみに存在してもよく、非通電面に対応する位置に延在してもよい。なお、「通電面」は、陽極室と陰極室との間で電解質の移動が行わるように設計された部分に対応する。また、「非通電面」とは、通電面以外の部分を意味する。
さらに、本実施形態において、隔膜の表面における、固定領域の割合(以下、単に「割合α」ともいう。)は0%超93%未満となる。上記割合は、隔膜の表面の面積(以下、単に「面積S1」ともいう。)に対する固定領域の面積(以下、単に「面積S3」ともいう。)の割合として求めることができる。本実施形態において、「隔膜の表面」とは、隔膜が有する表面のうち、電解用電極が存在する側の表面を意味するものである。なお、上述した隔膜の表面において、電解用電極で覆われていない部分の面積も、面積S1としてカウントする。
隔膜と電解用電極との積層体としてより安定させる観点から、上記割合α(=100×S3/S1)は0%超であり、好ましくは0.00000001%以上であり、より好ましくは0.0000001%以上である。一方、従来技術にあるように、隔膜と電極との接触面の全面を熱圧着等の方法により強固に接着している場合(すなわち、上記割合が100%となる場合)は、電極における接触面の全面が隔膜へめり込む状態となって物理的に接着されることとなる。このような接着部分は、ナトリウムイオンの膜内の移動を妨げることとなり、電圧が大きく上昇する。本実施形態において、イオンが自由に移動できる空間を十分に確保する観点から、上記割合は93%未満であり、90%以下であることが好ましく、より好ましくは70%以下であり、さらに好ましくは60%未満である。
[Fixed area]
In the present embodiment, the electrode for electrolysis is fixed to at least one region on the surface of the diaphragm, and in the present specification, this one or more regions is also referred to as a fixed region. The fixed region in the present embodiment has a function of suppressing the separation of the electrolytic electrode and the diaphragm, and is not particularly limited as long as it is a portion for fixing the electrolytic electrode to the diaphragm. For example, the electrolytic electrode itself is the fixing means. In some cases, a fixed region is formed, and in some cases, a fixing member, which is a separate body from the electrode for electrolysis, serves as a fixing means to form a fixed region. The fixed region in the present embodiment may exist only at a position corresponding to the energized surface during electrolysis, or may extend to a position corresponding to the non-energized surface. The "energized surface" corresponds to a portion designed so that the electrolyte moves between the anode chamber and the cathode chamber. Further, the “non-energized surface” means a portion other than the energized surface.
Further, in the present embodiment, the ratio of the fixed region on the surface of the diaphragm (hereinafter, also simply referred to as “ratio α”) is more than 0% and less than 93%. The above ratio can be obtained as the ratio of the area of the fixed region (hereinafter, also simply referred to as “area S3”) to the area of the surface of the diaphragm (hereinafter, also simply referred to as “area S1”). In the present embodiment, the “surface of the diaphragm” means the surface of the surface of the diaphragm on the side where the electrode for electrolysis is present. The area of the portion of the surface of the diaphragm described above that is not covered with the electrode for electrolysis is also counted as the area S1.
From the viewpoint of making the diaphragm and the electrode for electrolysis more stable, the ratio α (= 100 × S3 / S1) is more than 0%, preferably 0.00000001% or more, and more preferably 0.000000001. % Or more. On the other hand, as in the prior art, when the entire surface of the contact surface between the diaphragm and the electrode is firmly adhered by a method such as thermocompression bonding (that is, when the above ratio is 100%), the contact surface in the electrode. The entire surface of the sill will be sunk into the diaphragm and physically adhered. Such an adhesive portion hinders the movement of sodium ions in the film, and the voltage rises significantly. In the present embodiment, from the viewpoint of sufficiently securing a space in which ions can freely move, the above ratio is less than 93%, preferably 90% or less, more preferably 70% or less, still more preferably. It is less than 60%.
本実施形態において、より良好な電解性能を得る観点から、固定領域の面積(面積S3)のうち、通電面のみに対応する部分の面積(以下、単に「面積S3’」ともいう。)を調整することが好ましい。すなわち、通電面の面積(以下、単に「面積S2」ともいう。)に対する面積S3’の割合(以下、単に「割合β」ともいう。)を調整することが好ましい。なお、面積S2は、電解用電極の表面積として特定することできる(詳細は後述する。)。具体的には、本実施形態において、割合β(=100×S3’/S2)は0%超100%未満が好ましく、より好ましくは0.0000001%以上83%未満であり、さらに好ましくは0.000001%以上70%以下であり、よりさらに好ましくは0.00001%以上25%以下である。 In the present embodiment, from the viewpoint of obtaining better electrolytic performance, the area of the portion of the fixed region area (area S3) corresponding only to the energized surface (hereinafter, also simply referred to as “area S3'”) is adjusted. It is preferable to do so. That is, it is preferable to adjust the ratio of the area S3'(hereinafter, also simply referred to as "ratio β") to the area of the energized surface (hereinafter, also simply referred to as "area S2"). The area S2 can be specified as the surface area of the electrode for electrolysis (details will be described later). Specifically, in the present embodiment, the ratio β (= 100 × S3'/ S2) is preferably more than 0% and less than 100%, more preferably 0.000000001% or more and less than 83%, and further preferably 0. It is 0.0001% or more and 70% or less, and more preferably 0.00001% or more and 25% or less.
上記した割合α及びβは、例えば、次のようにして測定することができる。
まず、隔膜の表面の面積S1を算出する。次いで、電解用電極の面積S2を算出する。ここで、面積S1及びS2は、隔膜と電解用電極の積層体を、電解用電極側からみたとき(図15参照)の面積として特定できる。
なお、電解用電極の形状は特に限定されるものではないが、開孔を有するものであってもよく、形状が網状等の開孔を有するものである場合であって、(i)開孔率が90%未満である場合は、S2については、その開孔部分も面積S2にカウントするものとし、一方で(ii)開孔率が90%以上である場合は、電解性能を十分に確保するべく、当該開孔部分を除いた面積でS2を算出する。ここでいう開孔率は、電解用電極における開孔部分の合計面積S’を、当該開孔部分を面積にカウントして得られる電解用電極における面積S’’で割って得られる数値(%;100×S’/S’’)である。
固定領域の面積(面積S3及び面積S3’)については、後述する。
上記のとおり、隔膜の表面における、前記領域の割合α(%)は、100×(S3/S1)を算出することで求めることができる。また、通電面の面積に対する、固定領域の通電面のみに対応する部分の面積の割合β(%)としては、100×(S3’/S2)を算出することで求めることができる。
より具体的には、後述する実施例に記載の方法により測定することができる。
The above-mentioned ratios α and β can be measured, for example, as follows.
First, the area S1 on the surface of the diaphragm is calculated. Next, the area S2 of the electrode for electrolysis is calculated. Here, the areas S1 and S2 can be specified as the area when the laminate of the diaphragm and the electrode for electrolysis is viewed from the electrode side for electrolysis (see FIG. 15).
The shape of the electrode for electrolysis is not particularly limited, but it may have an opening, and it may be a case where the shape has an opening such as a mesh, and (i) the opening. If the rate is less than 90%, the perforated portion of S2 is also counted in the area S2, while (ii) if the perforation rate is 90% or more, sufficient electrolytic performance is ensured. Therefore, S2 is calculated by the area excluding the opening portion. The hole-opening ratio referred to here is a numerical value (%) obtained by dividing the total area S'of the hole-opened portion of the electrolytic electrode by the area S'of the electrolytic electrode obtained by counting the hole-opened portion as the area. ; 100 × S'/ S'').
The area of the fixed region (area S3 and area S3') will be described later.
As described above, the ratio α (%) of the region on the surface of the diaphragm can be obtained by calculating 100 × (S3 / S1). Further, the ratio β (%) of the area of the portion corresponding only to the energizing surface of the fixed region to the area of the energizing surface can be obtained by calculating 100 × (S3'/ S2).
More specifically, it can be measured by the method described in Examples described later.
上述のように特定される隔膜の表面の面積S1は、特に限定されないが、通電面の面積S2の1倍以上5倍以下であることが好ましく、より好ましくは1倍以上4倍以下であり、さらに好ましくは1倍以上3倍以下である。 The area S1 of the surface of the diaphragm specified as described above is not particularly limited, but is preferably 1 time or more and 5 times or less, more preferably 1 time or more and 4 times or less of the area S2 of the current-carrying surface. More preferably, it is 1 time or more and 3 times or less.
本実施形態においては、固定領域における固定構造を限定するものではないが、例えば、以下に例示する固定構造を採用することができる。なお、各固定構造は1種のみを採用することも、2種以上を組み合わせて採用することもできる。 In the present embodiment, the fixed structure in the fixed region is not limited, but for example, the fixed structure illustrated below can be adopted. In addition, each fixed structure may adopt only one kind, or may adopt two or more kinds in combination.
本実施形態では、固定領域において、電解用電極の少なくとも一部が、隔膜を貫通して固定されていることが好ましい。かかる態様について、図5Aを用いて説明する。
図5Aでは、電解用電極2の少なくとも一部が、隔膜3を貫通し固定されている。図5Aに示すように、電解用電極2の一部が、隔膜3を貫通した状態となっている。図5Aでは、電解用電極2が金属多孔電極である例を示している。すなわち、図5Aでは電解用電極2の部分が複数独立して示されているが、これらは繋がっており、一体の金属多孔電極の断面を表している(以下の図6~9でも同様である。)。
このような電極構造にあっては、例えば、所定位置(固定領域となるべき位置)での隔膜3を電解用電極2に押し付けると、電解用電極2の表面の凹凸構造内や孔構造内に隔膜3の一部が入り込み、電極表面の凹部や孔の周りの凸部分が隔膜3を貫通し、好ましくは、図5Aに示すように、隔膜3の外表面3bにまで突き抜ける。
In the present embodiment, it is preferable that at least a part of the electrode for electrolysis is fixed through the diaphragm in the fixed region. Such an embodiment will be described with reference to FIG. 5A.
In FIG. 5A, at least a part of the
In such an electrode structure, for example, when the
上記したように、図5Aの固定構造は、隔膜3を電解用電極2に押し付けることで製造できるが、この場合、加温により隔膜3を軟化させた状態で、熱圧着・熱吸引する。これにより、電解用電極2は、隔膜3を貫通する。或いは、隔膜3を溶融させた状態で行ってもよい。この場合、図5Bに示す状態において、電解用電極2の外表面2b側(背面側)から隔膜3を吸引することが好ましい。なお、隔膜3を電解用電極2に押し付けた領域が「固定領域」を構成する。
As described above, the fixed structure of FIG. 5A can be manufactured by pressing the
図5Aに示す固定構造は、拡大鏡(ルーペ)、光学顕微鏡や電子顕微鏡にて観察することが可能である。また、電解用電極2が隔膜3を貫通したことで、隔膜3の外表面3bと、電解用電極2の外表面2bとの間のテスター等を用いた導通検査により、図5Aの固定構造を推測することが可能である。
The fixed structure shown in FIG. 5A can be observed with a magnifying glass (loupe), an optical microscope, or an electron microscope. Further, since the
図5Aにおいて、隔膜で仕切られた陽極室、陰極室の電解液が貫通部を透過しないことが好ましい。このため、貫通した部分の孔径が電解液が透過しない程度に小さいことが好ましい。具体的には、電解試験を実施したときに、貫通部を有していない隔膜と同等の性能が発揮されることが好ましい。または、貫通した部分に電解液の透過を防ぐ加工を実施することが好ましい。貫通した部分に陽極室電解液、陽極室で発生する生成物、陰極室電解液、陰極室で発生する生成物により溶出、分解しない材料を用いることが好ましい。例えば、EPDM、フッ素系の樹脂が好ましい。イオン交換基を有するフッ素樹脂であることがより好ましい。 In FIG. 5A, it is preferable that the electrolytic solution in the anode chamber and the cathode chamber partitioned by the diaphragm does not permeate the penetrating portion. Therefore, it is preferable that the pore diameter of the penetrating portion is small enough to prevent the electrolytic solution from permeating. Specifically, when an electrolytic test is carried out, it is preferable that the performance equivalent to that of a diaphragm having no penetrating portion is exhibited. Alternatively, it is preferable to carry out processing to prevent the permeation of the electrolytic solution in the penetrating portion. It is preferable to use a material that does not elute or decompose due to the anode chamber electrolyte, the product generated in the anode chamber, the cathode chamber electrolyte, or the product generated in the cathode chamber in the penetrating portion. For example, EPDM and fluorine-based resins are preferable. A fluororesin having an ion exchange group is more preferable.
本実施形態では、固定領域において、電解用電極の少なくとも一部が、隔膜の内部に位置して固定されていることが好ましい。かかる態様について、図6Aを用いて説明する。 In the present embodiment, it is preferable that at least a part of the electrode for electrolysis is located and fixed inside the diaphragm in the fixed region. Such an embodiment will be described with reference to FIG. 6A.
上記したように、電解用電極2の表面は、凹凸構造や孔構造とされている。図6Aに示す実施の形態では、所定位置(固定領域となるべき位置)での隔膜3に、電極表面の一部が侵入して固定される。図6Aに示す固定構造は、隔膜3を電解用電極2に押し付けることで製造できる。この場合、加温により、隔膜3を軟化させた状態で熱圧着・熱吸引して図6Aの固定構造を形成することが好ましい。或いは、隔膜3を溶融させて図6Aの固定構造を形成することもできる。この場合、電解用電極2の外表面2b側(背面側)から隔膜3を吸引することが好ましい。
As described above, the surface of the
図6Aに示す固定構造は、拡大鏡(ルーペ)、光学顕微鏡や電子顕微鏡にて観察することが可能である。特に、サンプルを包埋処理した後に、ミクロトームにより断面を作成して観察する方法が好ましい。なお、図6Aに示す固定構造では、電解用電極2が隔膜3を貫通していないため、隔膜3の外表面3bと、電解用電極2の外表面2bとの間の導通検査による導通は確認されない。
The fixed structure shown in FIG. 6A can be observed with a magnifying glass (loupe), an optical microscope, or an electron microscope. In particular, a method of preparing a cross section by a microtome and observing the sample after embedding the sample is preferable. In the fixed structure shown in FIG. 6A, since the
本実施形態では、隔膜と電解用電極とを固定するための固定用部材をさらに有することが好ましい。かかる態様について、図7A~Cを用いて説明する。 In the present embodiment, it is preferable to further have a fixing member for fixing the diaphragm and the electrode for electrolysis. Such an embodiment will be described with reference to FIGS. 7A to 7C.
図7Aに示す固定構造は、電解用電極2と隔膜3とは別体の固定用部材7を用い、固定用部材7が、電解用電極2と隔膜3を貫通して固定される構造である。電解用電極2は必ずしも固定用部材7で貫通されている必要はなく、固定用部材7により隔膜2と分離しないように固定されていればよい。固定用部材7の材質は特に限定されず、固定用部材7として、例えば、金属や樹脂等で構成されるものを用いることができる。金属の場合、ニッケル、ニクロム、チタン、ステンレス鋼(SUS)等が挙げられる。これらの酸化物であってもよい。樹脂としては、フッ素樹脂(例えば、PTFE(ポリテトラフルオロエチレン),PFA(テトラフルオロエチレンとパーフルオロアルコキシエチレンの共重合体)、ETFE(テトラフルオロエチレンとエチレンの共重合体)や、下記に記載する隔膜3の材質)やPVDF(ポリフッ化ビニリデン)、EPDM(エチレン・プロピレン・ジエンゴム)、PP(ポリエチレン)、PE(ポリプロピレン)、ナイロン、アラミドなどを使用できる。
本実施形態において、例えば、糸状の固定用部材(糸状の金属や樹脂)を使用し、図7B,Cに示すように、電解用電極2と隔膜3との外表面2b、3b間の所定位置(固定領域となるべき位置)を縫うことで固定することもできる。糸状の樹脂としては、特に限定されないが、例えば、PTFEの糸等が挙げられる。また、タッカーのような固定機構を用いて、電解用電極2と隔膜3とを固定することも可能である。
The fixing structure shown in FIG. 7A uses a fixing
In the present embodiment, for example, a thread-like fixing member (thread-like metal or resin) is used, and as shown in FIGS. 7B and 7C, a predetermined position between the
図7A~Cにおいて、隔膜で仕切られた陽極室、陰極室の電解液が貫通部を透過しないことが好ましい。このため、貫通した部分の孔径が電解液が透過しない程度に小さいことが好ましい。具体的には、電解試験を実施したときに、貫通部を有していない隔膜と同等の性能が発揮されることが好ましい。または、貫通した部分に電解液の透過を防ぐ加工を実施することが好ましい。貫通した部分に陽極室電解液、陽極室で発生する生成物、陰極室電解液、陰極室で発生する生成物により溶出、分解しない材料を用いることが好ましい。例えば、EPDM、フッ素系の樹脂が好ましい。イオン交換基を有するフッ素樹脂であることがより好ましい。 In FIGS. 7A to 7C, it is preferable that the electrolytic solutions in the anode chamber and the cathode chamber partitioned by the diaphragm do not permeate the penetrating portion. Therefore, it is preferable that the pore diameter of the penetrating portion is small enough to prevent the electrolytic solution from permeating. Specifically, when an electrolytic test is carried out, it is preferable that the performance equivalent to that of a diaphragm having no penetrating portion is exhibited. Alternatively, it is preferable to carry out processing to prevent the permeation of the electrolytic solution in the penetrating portion. It is preferable to use a material that does not elute or decompose due to the anode chamber electrolyte, the product generated in the anode chamber, the cathode chamber electrolyte, or the product generated in the cathode chamber in the penetrating portion. For example, EPDM and fluorine-based resins are preferable. A fluororesin having an ion exchange group is more preferable.
図8に示す固定構造は、電解用電極2と隔膜3との間に、有機樹脂(接着層)が介在して固定される構造である。すなわち、図8では、固定用部材7としての有機樹脂を、電解用電極2と隔膜3との間の所定位置(固定領域となるべき位置)に配置し、接着により固定した構造である。例えば、電解用電極2の内表面2a、或いは、隔膜3の内表面3a、又は、電解用電極2及び隔膜3の内表面2a、3aの双方あるいは片方に、有機樹脂を塗布する。そして、電解用電極2と隔膜3とを貼り合わせることで、図8に示す固定構造を形成することができる。有機樹脂の材質は特に限定されないが、例えば、フッ素樹脂(例えば、PTFE、PFA,ETFE)や、前述した隔膜3を構成する材料と同様の樹脂などを使用できる。また、適宜、市販のフッ素系接着剤、PTFE分散液などを用いることもできる。さらに、汎用の酢酸ビニル系接着剤、エチレン酢酸ビニル共重合系接着剤、アクリル樹脂系接着剤、α―オレフィン系接着剤、スチレンブタジエンゴム系ラテックス接着剤、塩化ビニル樹脂系接着剤、クロロプレン系接着剤、ニトリルゴム系接着剤、ウレタンゴム系接着剤、エポキシ系接着剤、シリコーン樹脂系接着剤、変性シリコーン系接着剤、エポキシ・変成シリコーン樹脂系接着剤、シリル化ウレタン樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などを使用することもできる。
本実施形態においては、電解液に溶解する、あるいは電解中に溶解、分解する有機樹脂を使用してもよい。電解液に溶解する、あるいは電解中に溶解、分解する有機樹脂としては、以下に限定されないが、例えば、酢酸ビニル系接着剤、エチレン酢酸ビニル共重合系接着剤、アクリル樹脂系接着剤、α―オレフィン系接着剤、スチレンブタジエンゴム系ラテックス接着剤、塩化ビニル樹脂系接着剤、クロロプレン系接着剤、ニトリルゴム系接着剤、ウレタンゴム系接着剤、エポキシ系接着剤、シリコーン樹脂系接着剤、変性シリコーン系接着剤、エポキシ・変成シリコーン樹脂系接着剤、シリル化ウレタン樹脂系接着剤、シアノアクリレート系接着剤などが挙げられる。
図8に示す固定構造は、光学顕微鏡や電子顕微鏡にて観察することが可能である。特に、サンプルを包埋処理した後に、ミクロトームにより断面を作成して観察する方法が好ましい。
The fixed structure shown in FIG. 8 is a structure in which an organic resin (adhesive layer) is interposed and fixed between the
In the present embodiment, an organic resin that dissolves in the electrolytic solution or dissolves and decomposes during the electrolysis may be used. The organic resin that dissolves in the electrolytic solution or dissolves and decomposes during electrolysis is not limited to the following, but for example, vinyl acetate adhesive, ethylene vinyl acetate copolymer adhesive, acrylic resin adhesive, α-. Olefin adhesive, styrene butadiene rubber latex adhesive, vinyl chloride resin adhesive, chloroprene adhesive, nitrile rubber adhesive, urethane rubber adhesive, epoxy adhesive, silicone resin adhesive, modified silicone Examples thereof include based adhesives, epoxy / modified silicone resin based adhesives, silylated urethane resin based adhesives, and cyanoacrylate based adhesives.
The fixed structure shown in FIG. 8 can be observed with an optical microscope or an electron microscope. In particular, a method of preparing a cross section by a microtome and observing the sample after embedding the sample is preferable.
本実施形態では、固定用部材の少なくとも一部が、隔膜と電解用電極とを外部から把持することが好ましい。かかる態様について、図9Aを用いて説明する。
図9Aに示す固定構造は、電解用電極2と隔膜3とが外部から把持されて固定される構造である。すなわち、電解用電極2の外表面2bと、隔膜3の外表面3bとの間が固定用部材7としての把持部材により挟まれて固定されている。図9Aに示す固定構造では、把持部材が電解用電極2や隔膜3に食い込んだ状態も含まれる。把持部材としては、例えば、テープ、クリップ等が挙げられる。
本実施形態においては、電解液に溶解する把持部材を使用してもよい。電解液に溶解する把持部材としては、例えばPET製のテープ、クリップ、PVA製のテープ、クリップなどが挙げられる。
In the present embodiment, it is preferable that at least a part of the fixing member grips the diaphragm and the electrode for electrolysis from the outside. Such an embodiment will be described with reference to FIG. 9A.
The fixed structure shown in FIG. 9A is a structure in which the
In this embodiment, a gripping member that dissolves in the electrolytic solution may be used. Examples of the gripping member that dissolves in the electrolytic solution include PET tapes and clips, PVA tapes, and clips.
図9Aに示す固定構造は、図5~図8と異なり、電解用電極2と隔膜3との界面を接合したものでなく、電解用電極2と隔膜3との各内表面2a、3aは、接触或いは対向した状態にあるだけであり、把持部材を外すことで、電解用電極2と隔膜3との固定状態は解除され、分離することができる。
図9Aに示していないが、電解セルに把持部材を用いて電解用電極2と隔膜3を固定することもできる。
例えばPTFE製のテープを折り返して隔膜と電極を挟み込むように固定することができる。
Unlike FIGS. 5 to 8, the fixed structure shown in FIG. 9A does not join the interface between the
Although not shown in FIG. 9A, the
For example, a PTFE tape can be folded back and fixed so as to sandwich the diaphragm and the electrode.
また、本実施形態では、固定用部材の少なくとも一部が、隔膜と電解用電極とを磁力で固定することが好ましい。かかる態様について、図9Bを用いて説明する。
図9Bに示す固定構造は、電解用電極2と隔膜3とが外部から把持されて固定される構造である。図9Aとの違いは、固定用部材としての把持部材として1対の磁石を用いている点である。図9Bに示す固定構造の態様では、積層体1を電解槽に取り付けた後、電解槽稼働時において、把持部材をそのまま残してもよいし、積層体1から外してもよい。
図9Bに示していないが、電解セルに把持部材を用いて電解用電極2と隔膜3を固定することもできる。また、電解セルの材質の一部に磁石に接着する磁性材料が使用されている場合には、1つの把持材料を隔膜面側に設置し、電解セルと電解用電極2と隔膜3を挟んで固定することもできる。
Further, in the present embodiment, it is preferable that at least a part of the fixing member fixes the diaphragm and the electrode for electrolysis by a magnetic force. Such an embodiment will be described with reference to FIG. 9B.
The fixed structure shown in FIG. 9B is a structure in which the
Although not shown in FIG. 9B, the
なお、固定領域を複数ライン設けることもできる。すなわち、積層体1の輪郭側から内側に向けて、1、2、3、…n本の固定領域を配置することができる。nは、1以上の整数である。また、第m番目(m<n)の固定領域と、第L番目(m<L≦n)の固定領域とは、異なる固定パターンで形成することが可能である。
It should be noted that a plurality of fixed areas can be provided. That is, 1, 2, 3, ... n fixed regions can be arranged from the contour side of the
通電部に形成される固定領域は、線対称な形状が好ましい。これにより、応力集中を抑制することができる傾向にある。例えば、直交する2方向をX方向とY方向とすると、X方向とY方向の夫々に1本ずつ、或いは、X方向とY方向の夫々に複数本ずつ等間隔で配置して固定領域を構成することができる。X方向及びY方向への固定領域の本数を限定するものでないが、X方向及びY方向に夫々、100本以下とすることが好ましい。また、通電部の面性を確保する観点から、X方向及びY方向への固定領域の本数は夫々50本以下がよい。 The fixed region formed in the energized portion preferably has a line-symmetrical shape. As a result, stress concentration tends to be suppressed. For example, assuming that the two orthogonal directions are the X direction and the Y direction, one is arranged in each of the X direction and the Y direction, or a plurality of ones are arranged in each of the X direction and the Y direction at equal intervals to form a fixed region. can do. The number of fixed regions in the X and Y directions is not limited, but it is preferably 100 or less in each of the X and Y directions. Further, from the viewpoint of ensuring the surfaceness of the energized portion, the number of fixed regions in the X direction and the Y direction is preferably 50 or less, respectively.
本実施形態における固定領域において、図5Aや図7に示す固定構造を有する場合、陽極と陰極とが接触することに起因する短絡を防止する観点から、固定領域の膜面上に封止材を塗布することが好ましい。封止材としては、例えば、上記の接着剤にて説明した素材を使用できる。 When the fixed structure shown in FIGS. 5A and 7 is provided in the fixed region of the present embodiment, a sealing material is provided on the film surface of the fixed region from the viewpoint of preventing a short circuit due to contact between the anode and the cathode. It is preferable to apply. As the sealing material, for example, the material described in the above adhesive can be used.
固定用部材を用いる場合、面積S3及び面積S3’を求めるに際して、当該固定用部材が重複する部分については重複分を面積S3及び面積S3’にカウントしないこととする。例えば、前述したPTFE糸を固定用部材として固定するとき、PTFE糸同士が交差する部分は重複分として面積にカウントしない。また、前述したPTFEテープを固定用部材として固定するとき、PTFEテープ同士が重なる部分は重複分として面積にカウントしない。
また、前述したPTFE糸や接着剤を固定用部材として固定した場合、電解用電極及び/又は隔膜の裏側に存在する面積も面積S3及び面積S3’にカウントする。
When the fixing member is used, when the area S3 and the area S3'are obtained, the overlapping portion is not counted in the area S3 and the area S3'for the portion where the fixing member overlaps. For example, when the above-mentioned PTFE yarn is fixed as a fixing member, the portion where the PTFE yarn intersects with each other is not counted as an overlapping portion in the area. Further, when the above-mentioned PTFE tape is fixed as a fixing member, the portion where the PTFE tapes overlap with each other is not counted as an overlapping portion in the area.
Further, when the above-mentioned PTFE thread or adhesive is fixed as a fixing member, the area existing on the back side of the electrode for electrolysis and / or the diaphragm is also counted in the area S3 and the area S3'.
本実施形態における積層体は、上述したように、種々の固定領域を種々の位置に有していてもよいが、特に、固定領域が存在しない部分(非固定領域)において、電解用電極が上述した「かかる力」を満たしていることが好ましい。すなわち、電解用電極の、非固定領域における、単位質量・単位面積あたりのかかる力が、1.5N/mg・cm2未満であることが好ましい。 As described above, the laminate in the present embodiment may have various fixed regions at various positions, but in particular, in a portion where the fixed region does not exist (non-fixed region), the electrode for electrolysis is described above. It is preferable that the "force applied" is satisfied. That is, it is preferable that the force applied per unit mass / unit area of the electrode for electrolysis in the non-fixed region is less than 1.5 N / mg · cm 2 .
〔電解槽〕
本実施形態の電解槽は、本実施形態の積層体を含む。以下、隔膜としてイオン交換膜を用い、食塩電解を行う場合を例として、電解槽の一実施形態を詳述する。
[Electrolytic cell]
The electrolytic cell of the present embodiment includes the laminate of the present embodiment. Hereinafter, an embodiment of an electrolytic cell will be described in detail, taking as an example a case where an ion exchange membrane is used as a diaphragm and salt electrolysis is performed.
〔電解セル〕
図10は、電解セル1の断面図である。
電解セル1は、陽極室10と、陰極室20と、陽極室10及び陰極室20の間に設置された隔壁30と、陽極室10に設置された陽極11と、陰極室20に設置された陰極21と、を備える。必要に応じて基材18aと当該基材18a上に形成された逆電流吸収層18bとを有し、陰極室内に設置された逆電流吸収体18と、を備えてもよい。1つの電解セル1に属する陽極11及び陰極21は互いに電気的に接続されている。換言すれば、電解セル1は次の陰極構造体を備える。陰極構造体40は、陰極室20と、陰極室20に設置された陰極21と、陰極室20内に設置された逆電流吸収体18と、を備え、逆電流吸収体18は、図14に示すように基材18aと当該基材18a上に形成された逆電流吸収層18bとを有し、陰極21と逆電流吸収層18bとが電気的に接続されている。陰極室20は、集電体23と、当該集電体を支持する支持体24と、金属弾性体22とを更に有する。金属弾性体22は、集電体23及び陰極21の間に設置されている。支持体24は、集電体23及び隔壁30の間に設置されている。集電体23は、金属弾性体22を介して、陰極21と電気的に接続されている。隔壁30は、支持体24を介して、集電体23と電気的に接続されている。したがって、隔壁30、支持体24、集電体23、金属弾性体22及び陰極21は電気的に接続されている。陰極21及び逆電流吸収層18bは電気的に接続されている。陰極21及び逆電流吸収層は、直接接続されていてもよく、集電体、支持体、金属弾性体又は隔壁等を介して間接的に接続されていてもよい。陰極21の表面全体は還元反応のための触媒層で被覆されていることが好ましい。また、電気的接続の形態は、隔壁30と支持体24、支持体24と集電体23、集電体23と金属弾性体22がそれぞれ直接取り付けられ、金属弾性体22上に陰極21が積層される形態であってもよい。これらの各構成部材を互いに直接取り付ける方法として、溶接等があげられる。また、逆電流吸収体18、陰極21、および集電体23を総称して陰極構造体40としてもよい。
[Electrolytic cell]
FIG. 10 is a cross-sectional view of the
The
図11は、電解槽4内において隣接する2つの電解セル1の断面図である。図12は、電解槽4を示す。図13は、電解槽4を組み立てる工程を示す。図11に示すように、電解セル1、陽イオン交換膜2、電解セル1がこの順序で直列に並べられている。電解槽内において隣接する2つの電解セルのうち一方の電解セル1の陽極室と他方の電解セル1の陰極室との間にイオン交換膜2が配置されている。つまり、電解セル1の陽極室10と、これに隣接する電解セル1の陰極室20とは、陽イオン交換膜2で隔てられる。図12に示すように、電解槽4は、イオン交換膜2を介して直列に接続された複数の電解セル1から構成される。つまり、電解槽4は、直列に配置された複数の電解セル1と、隣接する電解セル1の間に配置されたイオン交換膜2と、を備える複極式電解槽である。図13に示すように、電解槽4は、イオン交換膜2を介して複数の電解セル1を直列に配置して、プレス器5により連結されることにより組み立てられる。
FIG. 11 is a cross-sectional view of two adjacent
電解槽4は、電源に接続される陽極端子7と陰極端子6とを有する。電解槽4内で直列に連結された複数の電解セル1のうち最も端に位置する電解セル1の陽極11は、陽極端子7に電気的に接続される。電解槽4内で直列に連結された複数の電解セル2のうち陽極端子7の反対側の端に位置する電解セルの陰極21は、陰極端子6に電気的に接続される。電解時の電流は、陽極端子7側から、各電解セル1の陽極及び陰極を経由して、陰極端子6へ向かって流れる。なお、連結した電解セル1の両端には、陽極室のみを有する電解セル(陽極ターミナルセル)と、陰極室のみを有する電解セル(陰極ターミナルセル)を配置してもよい。この場合、その一端に配置された陽極ターミナルセルに陽極端子7が接続され、他の端に配置された陰極ターミナルセルに陰極端子6が接続される。
The electrolytic cell 4 has an
塩水の電解を行なう場合、各陽極室10には塩水が供給され、陰極室20には純水又は低濃度の水酸化ナトリウム水溶液が供給される。各液体は、電解液供給管(図中省略)から、電解液供給ホース(図中省略)を経由して、各電解セル1に供給される。また、電解液及び電解による生成物は、電解液回収管(図中省略)より、回収される。電解において、塩水中のナトリウムイオンは、一方の電解セル1の陽極室10から、イオン交換膜2を通過して、隣の電解セル1の陰極室20へ移動する。よって、電解中の電流は、電解セル1が直列に連結された方向に沿って、流れることになる。つまり、電流は、陽イオン交換膜2を介して陽極室10から陰極室20に向かって流れる。塩水の電解に伴い、陽極11側で塩素ガスが生成し、陰極21側で水酸化ナトリウム(溶質)と水素ガスが生成する。
When electrolyzing salt water, salt water is supplied to each
(陽極室)
陽極室10は、陽極11または陽極給電体11を有する。本実施形態における電解用電極を陽極側へ挿入した場合には、11は陽極給電体として機能する。本実施形態における電解用電極を陽極側へ挿入しない場合には、11は陽極として機能する。また、陽極室10は、陽極室10に電解液を供給する陽極側電解液供給部と、陽極側電解液供給部の上方に配置され、隔壁30と略平行または斜めになるように配置されたバッフル板と、バッフル板の上方に配置され、気体が混入した電解液から気体を分離する陽極側気液分離部とを有することが好ましい。
(Anode chamber)
The
(陽極)
本実施形態における電解用電極を陽極側へ挿入しない場合には、陽極室10の枠内には、陽極11が設けられている。陽極11としては、いわゆるDSA(登録商標)等の金属電極を用いることができる。DSAとは、ルテニウム、イリジウム、チタンを成分とする酸化物によって表面を被覆されたチタン基材の電極である。
形状としては、パンチングメタル、不織布、発泡金属、エキスパンドメタル、エレクトロフォーミングにより形成した金属多孔箔、金属線を編んで作製したいわゆるウーブンメッシュ等いずれのものも使用できる。
(anode)
When the electrode for electrolysis in the present embodiment is not inserted into the anode side, the
As the shape, any of punching metal, non-woven metal, foamed metal, expanded metal, perforated metal foil formed by electroforming, so-called woven mesh made by knitting metal wire, and the like can be used.
(陽極給電体)
本実施形態における電解用電極を陽極側へ挿入した場合には、陽極室10の枠内には、陽極給電体11が設けられている。陽極給電体11としては、いわゆるDSA(登録商標)等の金属電極を用いることもできるし、触媒コーティングがされていないチタンを用いることもできる。また、触媒コーティング厚みを薄くしたDSAを用いることもできる。さらに、使用済みの陽極を用いることもできる。
形状としては、パンチングメタル、不織布、発泡金属、エキスパンドメタル、エレクトロフォーミングにより形成した金属多孔箔、金属線を編んで作製したいわゆるウーブンメッシュ等いずれのものも使用できる。
(Anode feeder)
When the electrode for electrolysis in the present embodiment is inserted into the anode side, the
As the shape, any one such as punching metal, non-woven metal, foamed metal, expanded metal, perforated metal foil formed by electroforming, and so-called woven mesh made by knitting a metal wire can be used.
(陽極側電解液供給部)
陽極側電解液供給部は、陽極室10に電解液を供給するものであり、電解液供給管に接続される。陽極側電解液供給部は、陽極室10の下方に配置されることが好ましい。陽極側電解液供給部としては、例えば、表面に開口部が形成されたパイプ(分散パイプ)等を用いることができる。かかるパイプは、陽極11の表面に沿って、電解セルの底部19に対して平行に配置されていることがより好ましい。このパイプは、電解セル1内に電解液を供給する電解液供給管(液供給ノズル)に接続される。液供給ノズルから供給された電解液はパイプによって電解セル1内まで搬送され、パイプの表面に設けられた開口部から陽極室10の内部に供給される。パイプを、陽極11の表面に沿って、電解セルの底部19に平行に配置することで、陽極室10の内部に均一に電解液を供給することができるため好ましい。
(Anode side electrolyte supply unit)
The anode-side electrolytic solution supply unit supplies the electrolytic solution to the
(陽極側気液分離部)
陽極側気液分離部は、バッフル板の上方に配置されることが好ましい。電解中において、陽極側気液分離部は、塩素ガス等の生成ガスと電解液を分離する機能を有する。なお、特に断りがない限り、上方とは、図10の電解セル1における上方向を意味し、下方とは、図10の電解セル1における下方向を意味する。
(Anode side gas-liquid separation part)
The anode-side gas-liquid separation portion is preferably arranged above the baffle plate. During electrolysis, the gas-liquid separation section on the anode side has a function of separating the generated gas such as chlorine gas and the electrolytic solution. Unless otherwise specified, "upper" means an upward direction in the
電解時、電解セル1で発生した生成ガスと電解液が混相(気液混相)となり系外に排出されると、電解セル1内部の圧力変動によって振動が発生し、イオン交換膜の物理的な破損を引き起こす場合がある。これを抑制するために、本実施形態における電解セル1には、気体と液体を分離するための陽極側気液分離部が設けられていることが好ましい。陽極側気液分離部には、気泡を消去するための消泡板が設置されることが好ましい。気液混相流が消泡板を通過するときに気泡がはじけることにより、電解液とガスに分離することができる。その結果、電解時の振動を防止することができる。
During electrolysis, when the generated gas generated in the
(バッフル板)
バッフル板は、陽極側電解液供給部の上方に配置され、かつ、隔壁30と略平行または斜めに配置されることが好ましい。バッフル板は、陽極室10の電解液の流れを制御する仕切り板である。バッフル板を設けることで、陽極室10において電解液(塩水等)を内部循環させ、その濃度を均一にすることができる。内部循環を起こすために、バッフル板は、陽極11近傍の空間と隔壁30近傍の空間とを隔てるように配置することが好ましい。かかる観点から、バッフル板は、陽極11及び隔壁30の各表面に対向するように設けられていることが好ましい。バッフル板により仕切られた陽極近傍の空間では、電解が進行することにより電解液濃度(塩水濃度)が下がり、また、塩素ガス等の生成ガスが発生する。これにより、バッフル板により仕切られた陽極11近傍の空間と、隔壁30近傍の空間とで気液の比重差が生まれる。これを利用して、陽極室10における電解液の内部循環を促進させ、陽極室10の電解液の濃度分布をより均一にすることができる。
(Baffle board)
It is preferable that the baffle plate is arranged above the anode-side electrolyte supply unit and is arranged substantially parallel to or diagonally to the
なお、図10に示していないが、陽極室10の内部に集電体を別途設けてもよい。かかる集電体としては、後述する陰極室の集電体と同様の材料や構成とすることもできる。また、陽極室10においては、陽極11自体を集電体として機能させることもできる。
Although not shown in FIG. 10, a current collector may be separately provided inside the
(隔壁)
隔壁30は、陽極室10と陰極室20の間に配置されている。隔壁30は、セパレータと呼ばれることもあり、陽極室10と陰極室20とを区画するものである。隔壁30としては、電解用のセパレータとして公知のものを使用することができ、例えば、陰極側にニッケル、陽極側にチタンからなる板を溶接した隔壁等が挙げられる。
(Septum)
The
(陰極室)
陰極室20は、本実施形態における電解用電極を陰極側へ挿入した場合には、21は陰極給電体として機能し、本実施形態における電解用電極を陰極側へ挿入しない場合には、21は陰極として機能する。逆電流吸収体を有する場合は、陰極あるいは陰極給電体21と逆電流吸収体は電気的に接続されている。また、陰極室20も陽極室10と同様に、陰極側電解液供給部、陰極側気液分離部を有していることが好ましい。なお、陰極室20を構成する各部位のうち、陽極室10を構成する各部位と同様のものについては説明を省略する。
(Cathode chamber)
In the
(陰極)
本実施形態における電解用電極を陰極側へ挿入しない場合には、陰極室20の枠内には、陰極21が設けられている。陰極21は、ニッケル基材とニッケル基材を被覆する触媒層とを有することが好ましい。ニッケル基材上の触媒層の成分としては、Ru、C、Si、P、S、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等の金属及び当該金属の酸化物又は水酸化物が挙げられる。触媒層の形成方法としては、メッキ、合金めっき、分散・複合めっき、CVD、PVD、熱分解及び溶射が挙げられる。これらの方法を組み合わせてもよい。触媒層は必要に応じて複数の層、複数の元素を有してもよい。また、必要に応じて陰極21に還元処理を施してもよい。なお、陰極21の基材としては、ニッケル、ニッケル合金、鉄あるいはステンレスにニッケルをメッキしたものを用いてもよい。
形状としては、パンチングメタル、不織布、発泡金属、エキスパンドメタル、エレクトロフォーミングにより形成した金属多孔箔、金属線を編んで作製したいわゆるウーブンメッシュ等いずれのものも使用できる。
(cathode)
When the electrode for electrolysis in the present embodiment is not inserted into the cathode side, the
As the shape, any one such as punching metal, non-woven metal, foamed metal, expanded metal, perforated metal foil formed by electroforming, and so-called woven mesh made by knitting a metal wire can be used.
(陰極給電体)
本実施形態における電解用電極を陰極側へ挿入した場合には、陰極室20の枠内には、陰極給電体21が設けられている。陰極給電体21に触媒成分が被覆されていてもよい。その触媒成分は、もともと陰極として使用されて、残存したものでもよい。触媒層の成分としては、Ru、C、Si、P、S、Al、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Y、Zr、Nb、Mo、Rh、Pd、Ag、Cd、In、Sn、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Pb、Bi、La、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu等の金属及び当該金属の酸化物又は水酸化物が挙げられる。触媒層の形成方法としては、メッキ、合金めっき、分散・複合めっき、CVD、PVD、熱分解及び溶射が挙げられる。これらの方法を組み合わせてもよい。触媒層は必要に応じて複数の層、複数の元素を有してもよい。また、触媒コーティングがされてない、ニッケル、ニッケル合金、鉄あるいはステンレスに、ニッケルをメッキしたものを用いてもよい。なお、陰極給電体21の基材としては、ニッケル、ニッケル合金、鉄あるいはステンレスにニッケルをメッキしたものを用いてもよい。
形状としては、パンチングメタル、不織布、発泡金属、エキスパンドメタル、エレクトロフォーミングにより形成した金属多孔箔、金属線を編んで作製したいわゆるウーブンメッシュ等いずれのものも使用できる。
(Cathode feeder)
When the electrode for electrolysis in the present embodiment is inserted into the cathode side, the
As the shape, any one such as punching metal, non-woven metal, foamed metal, expanded metal, perforated metal foil formed by electroforming, and so-called woven mesh made by knitting a metal wire can be used.
(逆電流吸収層)
前述の陰極の触媒層用の元素の酸化還元電位よりも卑な酸化還元電位を持つ材料を逆電流吸収層の材料として選択することができる。例えば、ニッケルや鉄などが挙げられる。
(Reverse current absorption layer)
A material having a redox potential lower than the redox potential of the element for the catalyst layer of the cathode described above can be selected as the material of the reverse current absorption layer. For example, nickel and iron can be mentioned.
(集電体)
陰極室20は集電体23を備えることが好ましい。これにより、集電効果が高まる。本実施形態では、集電体23は多孔板であり、陰極21の表面と略平行に配置されることが好ましい。
(Current collector)
The
集電体23としては、例えば、ニッケル、鉄、銅、銀、チタンなどの電気伝導性のある金属からなることが好ましい。集電体23は、これらの金属の混合物、合金又は複合酸化物でもよい。なお、集電体23の形状は、集電体として機能する形状であればどのような形状でもよく、板状、網状であってもよい。
The
(金属弾性体)
集電体23と陰極21との間に金属弾性体22が設置されることにより、直列に接続された複数の電解セル1の各陰極21がイオン交換膜2に押し付けられ、各陽極11と各陰極21との間の距離が短くなり、直列に接続された複数の電解セル1全体に掛かる電圧を下げることができる。電圧が下がることにより、消費電量を下げることができる。また、金属弾性体22が設置されることにより、本実施形態に係る電解用電極を含む積層体を電解セルに設置した際に、金属弾性体22による押し付け圧により、該電解用電極を安定して定位置に維持することができる。
(Metal elastic body)
By installing the metal
金属弾性体22としては、渦巻きばね、コイル等のばね部材、クッション性のマット等を用いることができる。金属弾性体22としては、イオン交換膜を押し付ける応力等を考慮して適宜好適なものを採用できる。金属弾性体22を陰極室20側の集電体23の表面上に設けてもよいし、陽極室10側の隔壁の表面上に設けてもよい。通常、陰極室20が陽極室10よりも小さくなるよう両室が区画されているので、枠体の強度等の観点から、金属弾性体22を陰極室20の集電体23と陰極21の間に設けることが好ましい。また、金属弾性体23は、ニッケル、鉄、銅、銀、チタンなどの電気伝導性を有する金属からなることが好ましい。
As the metal
(支持体)
陰極室20は、集電体23と隔壁30とを電気的に接続する支持体24を備えることが好ましい。これにより、効率よく電流を流すことができる。
(Support)
The
支持体24は、ニッケル、鉄、銅、銀、チタンなど電気伝導性を有する金属からなることが好ましい。また、支持体24の形状としては、集電体23を支えることができる形状であればどのような形状でもよく、棒状、板状又は網状であってよい。支持体24は、例えば、板状である。複数の支持体24は、隔壁30と集電体23との間に配置される。複数の支持体24は、それぞれの面が互いに平行になるように並んでいる。支持体24は、隔壁30及び集電体23に対して略垂直に配置されている。
The
(陽極側ガスケット、陰極側ガスケット)
陽極側ガスケットは、陽極室10を構成する枠体表面に配置されることが好ましい。陰極側ガスケットは、陰極室20を構成する枠体表面に配置されていることが好ましい。1つの電解セルが備える陽極側ガスケットと、これに隣接する電解セルの陰極側ガスケットとが、イオン交換膜2を挟持するように、電解セル同士が接続される(図10、11参照)。これらのガスケットにより、イオン交換膜2を介して複数の電解セル1を直列に接続する際に、接続箇所に気密性を付与することができる。
(Anode side gasket, Cathode side gasket)
The anode side gasket is preferably arranged on the surface of the frame body constituting the
ガスケットとは、イオン交換膜と電解セルとの間をシールするものである。ガスケットの具体例としては、中央に開口部が形成された額縁状のゴム製シート等が挙げられる。ガスケットには、腐食性の電解液や生成するガス等に対して耐性を有し、長期間使用できることが求められる。そこで、耐薬品性や硬度の点から、通常、エチレン・プロピレン・ジエンゴム(EPDMゴム)、エチレン・プロピレンゴム(EPMゴム)の加硫品や過酸化物架橋品等がガスケットとして用いられる。また、必要に応じて液体に接する領域(接液部)をポリテトラフルオロエチレン(PTFE)やテトラフルオロエチレン・パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体(PFA)などのフッ素系樹脂で被覆したガスケットを用いることもできる。これらガスケットは、電解液の流れを妨げないように、それぞれ開口部を有していればよく、その形状は特に限定されない。例えば、陽極室10を構成する陽極室枠又は陰極室20を構成する陰極室枠の各開口部の周縁に沿って、額縁状のガスケットが接着剤等で貼り付けられる。そして、例えばイオン交換膜2を介して2体の電解セル1を接続する場合(図11参照)、イオン交換膜2を介してガスケットを貼り付けた各電解セル1を締め付ければよい。これにより、電解液、電解により生成するアルカリ金属水酸化物、塩素ガス、水素ガス等が電解セル1の外部に漏れることを抑制することができる。
The gasket seals between the ion exchange membrane and the electrolytic cell. Specific examples of the gasket include a frame-shaped rubber sheet having an opening formed in the center. The gasket is required to have resistance to corrosive electrolytes, generated gases, and the like, and to be able to be used for a long period of time. Therefore, from the viewpoint of chemical resistance and hardness, a vulcanized product of ethylene / propylene / diene rubber (EPDM rubber), a vulcanized product of ethylene / propylene rubber (EPM rubber), a crosslinked peroxide product, or the like is usually used as a gasket. If necessary, use a gasket in which the region in contact with the liquid (contact portion) is coated with a fluororesin such as polytetrafluoroethylene (PTFE) or tetrafluoroethylene / perfluoroalkyl vinyl ether copolymer (PFA). You can also. Each of these gaskets may have an opening so as not to obstruct the flow of the electrolytic solution, and the shape thereof is not particularly limited. For example, a frame-shaped gasket is attached with an adhesive or the like along the peripheral edge of each opening of the anode chamber frame forming the
(イオン交換膜2)
イオン交換膜2としては、上記、イオン交換膜の項に記載のとおりである。
(Ion exchange membrane 2)
The
(水電解)
本実施形態の電解槽であって、水電解を行う場合の電解槽は、上述した食塩電解を行う場合の電解槽におけるイオン交換膜を微多孔膜に変更した構成を有するものである。また、供給する原料が水である点において、上述した食塩電解を行う場合の電解槽とは相違するものである。その他の構成については、水電解を行う場合の電解槽も食塩電解を行う場合の電解槽と同様の構成を採用することができる。食塩電解の場合には、陽極室で塩素ガスが発生するため、陽極室の材質はチタンが用いられるが、水電解の場合には、陽極室で酸素ガスが発生するのみであるため、陰極室の材質と同じものを使用できる。例えば、ニッケル等が挙げられる。また、陽極コーティングは酸素発生用の触媒コーティングが適当である。触媒コーティングの例としては、白金族金属および遷移金族の金属、酸化物、水酸化物などが挙げられる。例えば、白金、イリジウム、パラジウム、ルテニウム、ニッケル、コバルト、鉄等の元素を使用することができる。
(Water electrolysis)
The electrolytic cell of the present embodiment, which is used for water electrolysis, has a configuration in which the ion exchange film in the electrolytic cell for performing salt electrolysis described above is changed to a microporous film. Further, it is different from the above-mentioned electrolytic cell in the case of performing salt electrolysis in that the raw material to be supplied is water. As for other configurations, the electrolytic cell for water electrolysis can adopt the same configuration as the electrolytic cell for salt electrolysis. In the case of salt electrolysis, chlorine gas is generated in the anode chamber, so titanium is used as the material of the anode chamber, but in the case of water electrolysis, oxygen gas is only generated in the anode chamber, so the cathode chamber. You can use the same material as. For example, nickel and the like can be mentioned. Further, as the anode coating, a catalyst coating for oxygen evolution is suitable. Examples of catalyst coatings include platinum group metals and transition gold group metals, oxides, hydroxides and the like. For example, elements such as platinum, iridium, palladium, ruthenium, nickel, cobalt and iron can be used.
以下の実施例及び比較例により本実施形態をさらに詳しく説明するが、本実施形態は以下の実施例により何ら限定されるものではない。 The present embodiment will be described in more detail with reference to the following examples and comparative examples, but the present embodiment is not limited to the following examples.
(1)電解評価(電圧(V)、電流効率(%))
下記電解実験によって、電解性能を評価した。
陽極が設置された陽極室を有するチタン製の陽極セル(陽極ターミナルセル)と、陰極が設置されたニッケル製の陰極室(陰極ターミナルセル)を有する陰極セルとを向い合せた。セル間に一対のガスケットを配置し、一対のガスケット間にイオン交換膜を挟んだ。そして、陽極セル、ガスケット、イオン交換膜、ガスケット及び陰極を密着させて、電解セルを得た。
陽極としては、前処理としてブラスト及び酸エッチング処理をしたチタン基材上に、塩化ルテニウム、塩化イリジウム及び四塩化チタンの混合溶液を塗布、乾燥、焼成することで作製した。陽極は、溶接により陽極室に固定した。陰極としては、各実施例、比較例に記載のものを使用した。陰極室の集電体としては、ニッケル製エキスパンドメタルを使用した。集電体のサイズは縦95mm×横110mmであった。金属弾性体としては、ニッケル細線で編んだマットレスを使用した。金属弾性体であるマットレスを集電体の上に置いた。その上に直径150μmのニッケル線を40メッシュの目開きで平織したニッケルメッシュを被せ、Niメッシュの四隅を、テフロン(登録商標)で作製した紐で集電体に固定した。このNiメッシュを給電体とした。この電解セルにおいては、金属弾性体であるマットレスの反発力を利用して、ゼロギャップ構造となるようにした。ガスケットとしては、EPDM(エチレンプロピレンジエン)製のゴムガスケットを使用した。隔膜としては、下記のイオン交換膜を使用した。
強化芯材として、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)製であり、90デニールのモノフィラメントを用いた(以下、PTFE糸という。)。犠牲糸として、35デニール、6フィラメントのポリエチレンテレフタレート(PET)を200回/mの撚りを掛けた糸を用いた。まず、TD及びMDの両方向のそれぞれにおいて、PTFE糸が24本/インチ、犠牲糸が隣接するPTFE糸間に2本配置するように平織りして、織布を得た。得られた織布を、ロールで圧着し、厚さ70μmの織布を得た。
(1) Electrolysis evaluation (voltage (V), current efficiency (%))
The electrolysis performance was evaluated by the following electrolysis experiment.
A titanium anode cell (anode terminal cell) having an anode chamber in which an anode was installed and a cathode cell having a nickel cathode chamber (cathode terminal cell) in which a cathode was installed were faced to each other. A pair of gaskets were placed between the cells, and an ion exchange membrane was sandwiched between the pair of gaskets. Then, the anode cell, the gasket, the ion exchange membrane, the gasket and the cathode were brought into close contact with each other to obtain an electrolytic cell.
The anode was prepared by applying a mixed solution of ruthenium chloride, iridium chloride, and titanium tetrachloride on a titanium substrate that had been blasted and acid-etched as a pretreatment, dried, and fired. The anode was fixed to the anode chamber by welding. As the cathode, those described in each Example and Comparative Example were used. Nickel expanded metal was used as the current collector in the cathode chamber. The size of the current collector was 95 mm in length × 110 mm in width. As the metal elastic body, a mattress woven with fine nickel wire was used. A mattress, which is a metal elastic body, was placed on the current collector. A nickel wire having a diameter of 150 μm was plain-woven with a 40-mesh opening, and the four corners of the Ni-mesh were fixed to the current collector with a string made of Teflon (registered trademark). This Ni mesh was used as a feeding body. In this electrolytic cell, the repulsive force of the mattress, which is a metal elastic body, was used to form a zero gap structure. As the gasket, a rubber gasket made of EPDM (ethylene propylene diene) was used. The following ion exchange membrane was used as the diaphragm.
As the reinforcing core material, a monofilament made of polytetrafluoroethylene (PTFE) and 90 denier was used (hereinafter, referred to as PTFE yarn). As a sacrificial yarn, a yarn obtained by twisting 35 denier, 6-filament polyethylene terephthalate (PET) 200 times / m was used. First, a woven fabric was obtained by plain weaving so that 24 PTFE yarns / inch and two sacrificial yarns were arranged between adjacent PTFE yarns in both the TD and MD directions. The obtained woven fabric was crimped with a roll to obtain a woven fabric having a thickness of 70 μm.
次に、CF2=CF2とCF2=CFOCF2CF(CF3)OCF2CF2COOCH3との共重合体でイオン交換容量が0.85mg当量/gである乾燥樹脂の樹脂A、CF2=CF2とCF2=CFOCF2CF(CF2)OCF2CF2SO2Fとの共重合体でイオン交換容量が1.03mg当量/gである乾燥樹脂の樹脂Bを準備した。 Next, the dry resin resins A and CF, which are copolymers of CF 2 = CF 2 and CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 3 ) OCF 2 CF 2 COOCH 3 and have an ion exchange capacity of 0.85 mg equivalent / g. A dry resin resin B having an ion exchange capacity of 1.03 mg equivalent / g was prepared as a copolymer of 2 = CF 2 and CF 2 = CFOCF 2 CF (CF 2 ) OCF 2 CF 2 SO 2 F.
これらの樹脂A及びBを使用し、共押出しTダイ法にて樹脂A層の厚みが15μm、樹脂B層の厚みが104μmである、2層フィルムXを得た。 Using these resins A and B, a two-layer film X having a resin A layer thickness of 15 μm and a resin B layer thickness of 104 μm was obtained by a coextrusion T-die method.
続いて、内部に加熱源及び真空源を有し、その表面に微細孔を有するホットプレート上に、離型紙(高さ50μmの円錐形状のエンボス加工)、補強材及びフィルムXの順に積層し、ホットプレート表面温度223℃、減圧度0.067MPaの条件で2分間加熱減圧した後、離型紙を取り除くことで複合膜を得た。 Subsequently, a release paper (conical embossing with a height of 50 μm), a reinforcing material, and a film X are laminated in this order on a hot plate having a heating source and a vacuum source inside and having micropores on the surface thereof. A composite film was obtained by heating and depressurizing for 2 minutes under the conditions of a hot plate surface temperature of 223 ° C. and a depressurization degree of 0.067 MPa, and then removing the release paper.
得られた複合膜を、ジメチルスルホキシド(DMSO)30質量%、水酸化カリウム(KOH)15質量%を含む80℃の水溶液に20分浸漬することでケン化した。その後、水酸化ナトリウム(NaOH)0.5N含む50℃の水溶液に1時間浸漬して、イオン交換基の対イオンをNaに置換し、続いて水洗した。さらに60℃で乾燥した。 The obtained composite membrane was saponified by immersing it in an aqueous solution at 80 ° C. containing 30% by mass of dimethyl sulfoxide (DMSO) and 15% by mass of potassium hydroxide (KOH) for 20 minutes. Then, it was immersed in an aqueous solution containing 0.5 N of sodium hydroxide (NaOH) at 50 ° C. for 1 hour to replace the counter ion of the ion exchange group with Na, and then washed with water. It was further dried at 60 ° C.
さらに、樹脂Bの酸型樹脂の5質量%エタノール溶液に、平均粒径(1次粒子径)1μmの酸化ジルコニウムを20質量%加え、分散させた懸濁液を調合し、懸濁液スプレー法で、上記の複合膜の両面に噴霧し、酸化ジルコニウムのコーティングを複合膜の表面に形成させ、イオン交換膜を得た。酸化ジルコニウムの塗布密度を蛍光X線測定で測定したところ0.5mg/cm2だった。なお、平均粒径は、粒度分布計(たとえば、島津製作所製「SALD(登録商標)2200」)によって測定した。 Further, 20% by mass of zirconium oxide having an average particle size (primary particle size) of 1 μm was added to a 5% by mass ethanol solution of the acid-type resin of resin B to prepare a dispersed suspension, and a suspension spray method was performed. Then, spraying was performed on both sides of the above composite film to form a zirconium oxide coating on the surface of the composite film to obtain an ion exchange film. The coating density of zirconium oxide was measured by fluorescent X-ray measurement and found to be 0.5 mg / cm 2 . The average particle size was measured by a particle size distribution meter (for example, "SALD (registered trademark) 2200" manufactured by Shimadzu Corporation).
上記電解セルを用いて食塩の電解を行った。陽極室の塩水濃度(塩化ナトリウム濃度)は205g/Lに調整した。陰極室の水酸化ナトリウム濃度は32質量%に調整した。各電解セル内の温度が90℃になるように、陽極室及び陰極室の各温度を調節した。電流密度6kA/m2で食塩電解を実施し、電圧、電流効率を測定した。ここで、電流効率とは、流した電流に対する、生成された苛性ソーダの量の割合であり、流した電流により、ナトリウムイオンではなく、不純物イオンや水酸化物イオンがイオン交換膜を移動すると、電流効率が低下する。電流効率は、一定時間に生成された苛性ソーダのモル数を、その間に流れた電流の電子のモル数で除することで求めた。苛性ソーダのモル数は、電解により生成した苛性ソーダをポリタンクに回収して、その質量を測定することにより、求めた。 The salt was electrolyzed using the above electrolytic cell. The salt water concentration (sodium chloride concentration) in the anode chamber was adjusted to 205 g / L. The sodium hydroxide concentration in the cathode chamber was adjusted to 32% by mass. The temperatures of the anode chamber and the cathode chamber were adjusted so that the temperature in each electrolytic cell was 90 ° C. Salt electrolysis was performed at a current density of 6 kA / m 2 , and the voltage and current efficiency were measured. Here, the current efficiency is the ratio of the amount of caustic soda produced to the flowing current, and when the flowing current causes impurity ions or hydroxide ions to move through the ion exchange membrane instead of sodium ions, the current Efficiency is reduced. The current efficiency was determined by dividing the number of moles of caustic soda produced in a certain period of time by the number of moles of electrons of the current flowing during that period. The number of moles of caustic soda was determined by collecting the caustic soda produced by electrolysis in a plastic tank and measuring its mass.
(2)ハンドリング性(感応評価)
(A)前述のイオン交換膜(隔膜)を170mm角のサイズにカットし、後述の実施例及び比較例で得られた電極を95×110mmにカットした。イオン交換膜と電極を積層させ、テフロン(登録商標)板の上に静地した。電解評価で使用した陽極セルと陰極セルの間隔を約3cmにして、静地した積層体を持ち上げ、その間に挿入、挟む操作を実施した。この操作を実施するときに電極がずれないか、落ちないかを操作しながら確認した。
(2) Handleability (sensitivity evaluation)
(A) The above-mentioned ion exchange membrane (diaphragm) was cut to a size of 170 mm square, and the electrodes obtained in Examples and Comparative Examples described later were cut to 95 × 110 mm. The ion exchange membrane and the electrode were laminated and statically placed on a Teflon (registered trademark) plate. The distance between the anode cell and the cathode cell used in the electrolysis evaluation was set to about 3 cm, and the static laminated body was lifted and inserted and sandwiched between them. When performing this operation, it was confirmed while operating whether the electrodes did not shift or fall.
(B)上記(A)と同様に積層体をテフロン(登録商標)板の上に静地した。積層体の膜部分の隣り合う2か所の角を手で持ち、積層体が鉛直になるように持ち上げた。この状態から、手で持った2か所の角を近づけるように動かし、膜が凸状、凹状になるようにした。この操作をもう1回繰り返して、電極の膜への追従性を確認した。その結果を以下の指標に基づいて1~4の4段階で評価した。
1:ハンドリング良好
2:ハンドリング可能
3:ハンドリング困難
4:ハンドリングほぼ不可能
ここで、実施例4、6のサンプルについては、後述のとおり、大型電解セルと同じサイズでもハンドリング性を評価した。実施例4、6の評価結果は、上記(A)、(B)の評価と大型サイズにしたときの違いを評価する指標とした。すなわち、小型の積層体を評価した結果が「1」,「2」である場合は大型サイズにした場合であってもハンドリング性が良好となるものと評価した。
(B) The laminate was statically placed on a Teflon (registered trademark) plate in the same manner as in (A) above. The two adjacent corners of the film portion of the laminate were held by hand and lifted so that the laminate was vertical. From this state, the two corners held by hand were moved so as to come close to each other so that the film became convex and concave. This operation was repeated once more, and the followability of the electrode to the film was confirmed. The results were evaluated on a scale of 1 to 4 based on the following indicators.
1: Good handling 2: Possible to handle 3: Difficult to handle 4: Almost impossible to handle Here, as described later, the handleability of the samples of Examples 4 and 6 was evaluated even if they were the same size as the large electrolytic cell. The evaluation results of Examples 4 and 6 were used as an index for evaluating the difference between the evaluations of (A) and (B) above and the large size. That is, when the results of evaluating the small laminated body were "1" and "2", it was evaluated that the handleability was good even when the large size was used.
(3)固定領域の割合
イオン交換膜における、電解用電極との対向面の面積(通電面に対応する部分及び非通電面に対応する部分の合計)を面積S1として算出した。次いで、電解用電極の面積を通電面の面積S2として算出した。面積S1及びS2は、イオン交換膜と電解用電極の積層体を、電解用電極側からみたとき(図15参照)の面積で特定した。なお、電解用電極の形状は、開孔を有するものであっても、開孔率として90%未満であったため、当該電解用電極を平板とみなした(開孔部分も面積にカウントするものとした)。
固定領域の面積S3についても、図15のように積層体を上面視した際の面積として特定した(通電面のみに対応する部分の面積S3’も同様)。なお、後述するPTFEテープを固定用部材として固定した場合、テープの重複部分は面積にカウントしないこととした。また、後述するPTFE糸や接着剤を固定用部材として固定した場合、電極、隔膜の裏側に存在する面積も含めて面積にカウントした。
上記のとおり、イオン交換膜における電解用電極との対向面の面積に対する、固定領域の面積の割合α(%)として、100×(S3/S1)を算出した。さらに、通電面の面積に対する、固定領域の通電面のみに対応する部分の面積の割合βとして、100×S3’/S2を算出した。
(3) Ratio of fixed region The area of the surface of the ion exchange membrane facing the electrode for electrolysis (the total of the portion corresponding to the energized surface and the portion corresponding to the non-energized surface) was calculated as the area S1. Next, the area of the electrode for electrolysis was calculated as the area S2 of the current-carrying surface. The areas S1 and S2 were specified by the area when the laminate of the ion exchange membrane and the electrode for electrolysis was viewed from the electrode side for electrolysis (see FIG. 15). The shape of the electrode for electrolysis was less than 90% even if it had holes, so the electrode for electrolysis was regarded as a flat plate (the holes are also counted in the area). did).
The area S3 of the fixed region was also specified as the area when the laminated body was viewed from above as shown in FIG. 15 (the same applies to the area S3'of the portion corresponding only to the energized surface). When the PTFE tape, which will be described later, is fixed as a fixing member, the overlapping portion of the tape is not counted in the area. Further, when the PTFE thread or adhesive described later was fixed as a fixing member, the area was counted including the area existing on the back side of the electrode and the diaphragm.
As described above, 100 × (S3 / S1) was calculated as the ratio α (%) of the area of the fixed region to the area of the surface of the ion exchange membrane facing the electrode for electrolysis. Further, 100 × S3 ′ / S2 was calculated as the ratio β of the area of the portion corresponding only to the energizing surface of the fixed region to the area of the energizing surface.
[実施例1]
陰極電解用電極基材として、ゲージ厚みが22μmの電解ニッケル箔を準備した。このニッケル箔の片面に電解ニッケルメッキによる粗面化処理を施した。粗面化した表面の算術平均粗さRaは0.96μmだった。表面粗さの測定は、ブラスト処理を実施したニッケル板の表面粗さ測定と同条件で実施した。
このニッケル箔にパンチング加工により円形の孔をあけ多孔箔とした。開孔率は44%であった。
[Example 1]
As an electrode base material for cathode electrolysis, an electrolytic nickel foil having a gauge thickness of 22 μm was prepared. One side of this nickel foil was roughened by electrolytic nickel plating. The arithmetic mean roughness Ra of the roughened surface was 0.96 μm. The surface roughness was measured under the same conditions as the surface roughness measurement of the blasted nickel plate.
A circular hole was punched in this nickel foil by punching to make a porous foil. The opening rate was 44%.
電極触媒を形成するためのコーティング液を以下の手順で調製した。ルテニウム濃度が100g/Lの硝酸ルテニウム溶液(株式会社フルヤ金属)、硝酸セリウム(キシダ化学株式会社)を、ルテニウム元素とセリウム元素のモル比が1:0.25となるように混合した。この混合液を充分に撹拌し、これを陰極コーティング液とした。
ロール塗布装置の最下部に上記塗布液を入れたバットを設置した。PVC(ポリ塩化ビニル)製の筒に独立気泡タイプの発泡EPDM(エチレン・プロピレン・ジエンゴム)製のゴム(イノアックコーポレイション、E-4088、厚み10mm)を巻きつけた塗布ロールと塗布液が常に接するように設置した。その上部に同じEPDMを巻きつけた塗布ロールを設置、更にその上にPVC製のローラーを設置した。電極基材を2番目の塗布ロールと最上部のPVC製のローラーの間を通して塗布液を塗布した(ロール塗布法)。その後、50℃で10分間の乾燥、150℃で3分間の仮焼成、350℃で10分間の焼成を実施した。これら塗布、乾燥、仮焼成、焼成の一連の操作を所定のコーティング量になるまで繰り返した。実施例1で作製した電極の厚みは、24μmだった。酸化ルテニウムと酸化セリウムを含む触媒層の厚みは、電極の厚みから電解用電極基材の厚みを差し引いて8μmだった。コーティングは粗面化されていない面にも形成された。
上記方法で作製した電極を、電解評価用に縦95mm、横110mmのサイズに切り出した。0.1N NaOH水溶液で平衡したイオン交換膜(サイズは160mm×160mm)のカルボン酸層側のほぼ中央の位置に、電極の粗面化した面を対向させて配置した。PTFEテープ(日東電工製)を用いて、図15に示すように(ただし、図15は説明のための概要図に過ぎず、寸法は必ずしも正確ではない。以下の図についても同様。)、イオン交換膜と電極を挟むように4辺を固定した。実施例1において、PTFEテープが固定用部材であり、割合αは60%であり、割合βは1.0%だった。
膜と電極が一体となった膜一体電極の膜部分の四隅をつまみ、電極を地面側になるようにして膜一体電極を地面と平行になるよう吊るしても、電極が剥がれ落ちたり、ずれたりすることはなかった。また、1辺の両端をつまみ、膜一体電極を地面と垂直になるように吊るしても、電極が剥がれ落ちたり、ずれたりすることはなかった。
上記の膜一体電極を電極が付着している面を陰極室側になるように陽極セルと陰極セルの間に挟んだ。断面構造は、陰極室側から、集電体、マットレス、ニッケルメッシュ給電体、電極、膜、陽極の順番に並んでゼロギャップ構造を形成している。
得られた電極について、評価を行った。その結果を表1に示した。
低い電圧、高い電流効率を示した。ハンドリング性も「2」と比較的良好だった。
A coating liquid for forming an electrode catalyst was prepared by the following procedure. A ruthenium nitrate solution (Furuya Metal Co., Ltd.) and cerium nitrate (Kishida Chemical Co., Ltd.) having a ruthenium concentration of 100 g / L were mixed so that the molar ratio of ruthenium element and cerium element was 1: 0.25. This mixture was sufficiently stirred and used as a cathode coating solution.
A vat containing the above coating liquid was installed at the bottom of the roll coating device. A coating roll made of PVC (polyvinyl chloride) wrapped with closed cell type foamed EPDM (ethylene propylene diene rubber) rubber (Inoac Corporation, E-4088,
The electrode produced by the above method was cut into a size of 95 mm in length and 110 mm in width for electrolytic evaluation. The roughened surface of the electrode was placed at a position substantially at the center of the ion exchange membrane (size 160 mm × 160 mm) equilibrated with a 0.1 N NaOH aqueous solution on the carboxylic acid layer side so as to face each other. Using a PTFE tape (manufactured by Nitto Denko), as shown in FIG. 15 (however, FIG. 15 is only a schematic diagram for explanation and the dimensions are not always accurate. The same applies to the following figures). The four sides were fixed so as to sandwich the exchange membrane and the electrode. In Example 1, the PTFE tape was a fixing member, the proportion α was 60%, and the proportion β was 1.0%.
Even if the four corners of the membrane part of the membrane-integrated electrode in which the membrane and the electrode are integrated are pinched so that the electrode is on the ground side and the membrane-integrated electrode is hung parallel to the ground, the electrode may peel off or shift. I didn't do it. Further, even if both ends of one side were pinched and the membrane-integrated electrode was hung so as to be perpendicular to the ground, the electrode did not peel off or shift.
The membrane-integrated electrode was sandwiched between the anode cell and the cathode cell so that the surface to which the electrode was attached was on the cathode chamber side. As for the cross-sectional structure, a zero gap structure is formed by arranging a current collector, a mattress, a nickel mesh feeding body, an electrode, a film, and an anode in this order from the cathode chamber side.
The obtained electrodes were evaluated. The results are shown in Table 1.
It showed low voltage and high current efficiency. The handleability was also relatively good at "2".
[実施例2]
図16に示すように、PTFEテープが電解面に重なる面積を増加させたこと以外、実施例1と同様に評価を実施した。すなわち、実施例2では電解用電極の面内方向にPTFEテープの面積が増加するようにしたため、電解用電極における電解面の面積は実施例1よりも減少した。実施例2において、割合αは69%であり、割合βは23%であった。評価の結果を表1に示した。
低い電圧、高い電流効率を示した。ハンドリング性も「1」と良好だった。
[Example 2]
As shown in FIG. 16, the evaluation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the area of the PTFE tape overlapping the electrolytic surface was increased. That is, in Example 2, since the area of the PTFE tape was increased in the in-plane direction of the electrode for electrolysis, the area of the electrolysis surface in the electrode for electrolysis was smaller than that in Example 1. In Example 2, the proportion α was 69% and the proportion β was 23%. The results of the evaluation are shown in Table 1.
It showed low voltage and high current efficiency. The handleability was also good at "1".
[実施例3]
図17に示すように、PTFEテープが電解面に重なる面積を増加させたこと以外、実施例1と同様に評価を実施した。すなわち、実施例3では電解用電極の面内方向にPTFEテープの面積が増加するようにしたため、電解用電極における電解面の面積は実施例1よりも減少した。実施例3において、割合αは87%であり、割合βは67%であった。評価の結果を表1に示した。
低い電圧、高い電流効率を示した。ハンドリング性も「1」と良好だった。
[Example 3]
As shown in FIG. 17, the evaluation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the area of the PTFE tape overlapping the electrolytic surface was increased. That is, in Example 3, since the area of the PTFE tape was increased in the in-plane direction of the electrode for electrolysis, the area of the electrolysis surface in the electrode for electrolysis was smaller than that in Example 1. In Example 3, the proportion α was 87% and the proportion β was 67%. The results of the evaluation are shown in Table 1.
It showed low voltage and high current efficiency. The handleability was also good at "1".
[実施例4]
実施例1と同じ電極を準備し、電解評価用に縦95mm、横110mmのサイズに切り出した。0.1N NaOH水溶液で平衡したイオン交換膜(サイズは160mm×160mm)のカルボン酸層側のほぼ中央の位置に、電極の粗面化した面を対向させて配置した。PTFE製の糸を用いて、図18に示すとおり、電極の左側を縦に延びるようにイオン交換膜と電極を縫い付けた。電極の角部から縦に10mm、横に10mmの部分からPTFE糸を図18の紙面裏側から表側に向かって糸を貫通させ、縦に35mm、横に10mmの部分で紙面表側から裏側へ貫通させ、縦に60mm、横に10mmの部分で再び紙面裏側から表側に向かって糸を貫通させ、縦85mm、横10mmの部分で紙面表側から裏側へ貫通させた。糸がイオン交換膜を貫通した部分には、CF2=CF2とCF2=CFOCF2CF(CF2)OCF2CF2SO2Fとの共重合体でイオン交換容量が1.03mg当量/gである樹脂の酸型樹脂Sを5質量%になるようにエタノール中に分散させた溶液を塗布した。
上記のとおり、実施例4では、割合αは0.35%であり、割合βは0.86%だった。
膜と電極が一体となった膜一体電極の膜部分の四隅をつまみ、電極を地面側になるようにして膜一体電極を地面と平行になるよう吊るしても、電極が落ちたりすることはなかった、1辺の両端をつまみ、膜一体電極を地面と垂直になるように吊るしても、電極が落ちたりすることはなかった。
得られた電極について、評価を行った。その結果を表1に示す。
低い電圧、高い電流効率を示した。ハンドリング性も「2」と比較的良好だった。
[Example 4]
The same electrodes as in Example 1 were prepared and cut into a size of 95 mm in length and 110 mm in width for electrolysis evaluation. The roughened surface of the electrode was placed at a position substantially at the center of the ion exchange membrane (size 160 mm × 160 mm) equilibrated with a 0.1 N NaOH aqueous solution on the carboxylic acid layer side so as to face each other. As shown in FIG. 18, the ion exchange membrane and the electrode were sewn so as to extend vertically on the left side of the electrode using a thread made of PTFE. A PTFE thread is passed from the back side to the front side of the paper surface in FIG. 18 from a
As described above, in Example 4, the ratio α was 0.35% and the ratio β was 0.86%.
Even if the four corners of the membrane part of the membrane-integrated electrode in which the membrane and the electrode are integrated are pinched so that the electrode is on the ground side and the membrane-integrated electrode is hung parallel to the ground, the electrode does not fall. Even if both ends of one side were pinched and the membrane-integrated electrode was hung so as to be perpendicular to the ground, the electrode did not fall.
The obtained electrodes were evaluated. The results are shown in Table 1.
It showed low voltage and high current efficiency. The handleability was also relatively good at "2".
さらに、実施例4では、大型サイズに変更したイオン交換膜、電極を準備した。縦1.5m、横2.5mのイオン交換膜および、縦0.3m、横2.4mの陰極を4枚準備した。イオン交換膜のカルボン酸層側に陰極を隙間なく並べ、PTFE糸で陰極とイオン交換膜を接着し積層体を作製した。この例において、割合αは0.013%であり、割合βは0.017%だった。
膜と電極が一体となった膜一体電極を大型電解槽に装着する操作を実施したが、スムーズに装着することができた。
Further, in Example 4, an ion exchange membrane and an electrode changed to a large size were prepared. Four ion exchange membranes having a length of 1.5 m and a width of 2.5 m and four cathodes having a length of 0.3 m and a width of 2.4 m were prepared. The cathodes were arranged without gaps on the carboxylic acid layer side of the ion exchange membrane, and the cathode and the ion exchange membrane were adhered with PTFE yarn to prepare a laminate. In this example, the proportion α was 0.013% and the proportion β was 0.017%.
The operation of mounting the membrane-integrated electrode, in which the membrane and the electrode were integrated, into a large electrolytic cell was carried out, but the mounting was successful.
[実施例5]
実施例1と同じ電極を準備し、電解評価用に縦95mm、横110mmのサイズに切り出した。0.1N NaOH水溶液で平衡したイオン交換膜(サイズは160mm×160mm)のカルボン酸層側のほぼ中央の位置に、電極の粗面化した面を対向させて配置した。図19に示すポリプロピレン製の固定用樹脂を用いて、イオン交換膜と電極を固定した。すなわち、電極の角部から縦に20mm、横に20mmの部分に1か所、その下方に位置する角部から縦に20mm、横に20mmの部分に更に1か所の合計2か所に設置した。固定用樹脂がイオン交換膜を貫通した部分には、実施例4と同様の溶液を塗布した。
上記のとおり、実施例5では、固定用樹脂および樹脂Sが固定用部材となり、割合αは0.47%であり、割合βは1.1%だった。
膜と電極が一体となった膜一体電極の膜部分の四隅をつまみ、電極を地面側になるようにして膜一体電極を地面と平行になるよう吊るしても、電極が落ちたりすることはなかった、1辺の両端をつまみ、膜一体電極を地面と垂直になるように吊るしても、電極が落ちたりすることはなかった。
得られた電極について、評価を行った。その結果を表1に示した。
低い電圧、高い電流効率を示した。ハンドリング性も「2」と比較的良好だった。
[Example 5]
The same electrodes as in Example 1 were prepared and cut into a size of 95 mm in length and 110 mm in width for electrolysis evaluation. The roughened surface of the electrode was placed at a position substantially at the center of the ion exchange membrane (size 160 mm × 160 mm) equilibrated with a 0.1 N NaOH aqueous solution on the carboxylic acid layer side so as to face each other. The ion exchange membrane and the electrode were fixed using the polypropylene fixing resin shown in FIG. That is, it is installed at one
As described above, in Example 5, the fixing resin and the resin S served as the fixing members, and the ratio α was 0.47% and the ratio β was 1.1%.
Even if the four corners of the membrane part of the membrane-integrated electrode in which the membrane and the electrode are integrated are pinched so that the electrode is on the ground side and the membrane-integrated electrode is hung parallel to the ground, the electrode does not fall. Even if both ends of one side were pinched and the membrane-integrated electrode was hung so as to be perpendicular to the ground, the electrode did not fall.
The obtained electrodes were evaluated. The results are shown in Table 1.
It showed low voltage and high current efficiency. The handleability was also relatively good at "2".
[実施例6]
実施例1と同じ電極を準備し、電解評価用に縦95mm、横110mmのサイズに切り出した。0.1N NaOH水溶液で平衡したイオン交換膜(サイズは160mm×160mm)のカルボン酸層側のほぼ中央の位置に、電極の粗面化した面を対向させて配置した。図20に示すとおり、シアノアクリレート系接着剤(商品名:アロンアルファ、東亜合成株式会社)を用いて、イオン交換膜と電極を固定した。すなわち、電極の縦の1辺に5か所(いずれも等間隔)と、電極の横の1辺に8か所(いずれも等間隔)を接着剤で固定した。
上記のとおり、実施例6では、接着剤が固定用部材となり、割合αは0.78%であり、割合βは1.9%だった。
膜と電極が一体となった膜一体電極の膜部分の四隅をつまみ、電極を地面側になるようにして膜一体電極を地面と平行になるよう吊るしても、電極が落ちたりすることはなかった、1辺の両端をつまみ、膜一体電極を地面と垂直になるように吊るしても、電極が落ちたりすることはなかった。
得られた電極について、評価を行った。その結果を表1に示した。
低い電圧、高い電流効率を示した。ハンドリング性も「1」と比較的良好だった。
[Example 6]
The same electrodes as in Example 1 were prepared and cut into a size of 95 mm in length and 110 mm in width for electrolysis evaluation. The roughened surface of the electrode was placed at a position substantially at the center of the ion exchange membrane (size 160 mm × 160 mm) equilibrated with a 0.1 N NaOH aqueous solution on the carboxylic acid layer side so as to face each other. As shown in FIG. 20, the ion exchange membrane and the electrode were fixed using a cyanoacrylate adhesive (trade name: Aron Alpha, Toagosei Co., Ltd.). That is, five places (all at equal intervals) on one vertical side of the electrode and eight places (all at equal intervals) on one horizontal side of the electrode were fixed with an adhesive.
As described above, in Example 6, the adhesive became a fixing member, the ratio α was 0.78%, and the ratio β was 1.9%.
Even if the four corners of the membrane part of the membrane-integrated electrode in which the membrane and the electrode are integrated are pinched so that the electrode is on the ground side and the membrane-integrated electrode is hung parallel to the ground, the electrode does not fall. Even if both ends of one side were pinched and the membrane-integrated electrode was hung so as to be perpendicular to the ground, the electrode did not fall.
The obtained electrodes were evaluated. The results are shown in Table 1.
It showed low voltage and high current efficiency. The handleability was also relatively good at "1".
さらに、実施例6では、大型サイズに変更したイオン交換膜、電極を準備した。縦1.5m、横2.5mのイオン交換膜および、縦0.3m、横2.4mの陰極を4枚準備した。4枚の陰極は横の1辺同士の縁部分を上記接着剤でつなぎ、1枚の大型陰極(縦1.2m、横2.4m)とした。イオン交換膜のカルボン酸層側中央部分に、アロンアルファでこの大型陰極を接着して積層体を作製した。すなわち、図20と同様に、電極の縦の1辺に5か所(いずれも等間隔)と、電極の横の1辺に8か所(いずれも等間隔)を接着剤で固定した。この例において、割合αは0.019%であり、割合βは0.024%だった。
膜と電極が一体となった膜一体電極を大型電解槽に装着する操作を実施したが、スムーズに装着することができた。
Further, in Example 6, an ion exchange membrane and an electrode changed to a large size were prepared. Four ion exchange membranes having a length of 1.5 m and a width of 2.5 m and four cathodes having a length of 0.3 m and a width of 2.4 m were prepared. The four cathodes were formed into one large cathode (1.2 m in length and 2.4 m in width) by connecting the edges of one side to each other with the above-mentioned adhesive. This large cathode was adhered to the central portion of the ion exchange membrane on the carboxylic acid layer side with Aron Alpha to prepare a laminate. That is, as in FIG. 20, 5 places (all at equal intervals) on one vertical side of the electrode and 8 places (all at equal intervals) on one side of the electrode were fixed with an adhesive. In this example, the proportion α was 0.019% and the proportion β was 0.024%.
The operation of mounting the membrane-integrated electrode, in which the membrane and the electrode were integrated, into a large electrolytic cell was carried out, but the mounting was successful.
[実施例7]
実施例1と同じ電極を準備し、電解評価用に縦95mm、横110mmのサイズに切り出した。0.1N NaOH水溶液で平衡したイオン交換膜(サイズは160mm×160mm)のカルボン酸層側のほぼ中央の位置に、電極の粗面化した面を対向させて配置した。実施例4と同様の溶液を塗布して、イオン交換膜と電極を固定した。すなわち、電極の角部から縦に20mm、横に20mmの部分に1か所、その下方に位置する角部から縦に20mm、横に20mmの部分に更に1か所の合計2か所に設置した(図19参照)。
上記のとおり、実施例7では、樹脂Sが固定用部材となり、割合αは2.0%であり、割合βは4.8%だった。
膜と電極が一体となった膜一体電極の膜部分の四隅をつまみ、電極を地面側になるようにして膜一体電極を地面と平行になるよう吊るしても、電極が落ちたりすることはなかった、1辺の両端をつまみ、膜一体電極を地面と垂直になるように吊るしても、電極が落ちたりすることはなかった。
得られた電極について、評価を行った。その結果を表1に示した。
低い電圧、高い電流効率を示した。ハンドリング性も「2」と比較的良好だった。
[Example 7]
The same electrodes as in Example 1 were prepared and cut into a size of 95 mm in length and 110 mm in width for electrolysis evaluation. The roughened surface of the electrode was placed at a position substantially at the center of the ion exchange membrane (size 160 mm × 160 mm) equilibrated with a 0.1 N NaOH aqueous solution on the carboxylic acid layer side so as to face each other. The same solution as in Example 4 was applied to fix the ion exchange membrane and the electrode. That is, it is installed at one
As described above, in Example 7, the resin S served as a fixing member, the ratio α was 2.0%, and the ratio β was 4.8%.
Even if the four corners of the membrane part of the membrane-integrated electrode in which the membrane and the electrode are integrated are pinched so that the electrode is on the ground side and the membrane-integrated electrode is hung parallel to the ground, the electrode does not fall. Even if both ends of one side were pinched and the membrane-integrated electrode was hung so as to be perpendicular to the ground, the electrode did not fall.
The obtained electrodes were evaluated. The results are shown in Table 1.
It showed low voltage and high current efficiency. The handleability was also relatively good at "2".
[比較例1]
PTFEテープが電解面に重なる面積を増加させたこと以外、実施例1と同様に評価を実施した。すなわち、比較例1では電解用電極の面内方向にPTFEテープの面積が増加するようにしたため、電解用電極における電解面の面積は実施例1よりも減少した。比較例1において、割合αは93%であり、割合βは83%であった。評価の結果を表1に示した。
電圧が高く、電流効率も低かった。ハンドリング性は「1」と良好だった。
[Comparative Example 1]
The evaluation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the area of the PTFE tape overlapping the electrolytic surface was increased. That is, in Comparative Example 1, since the area of the PTFE tape was increased in the in-plane direction of the electrode for electrolysis, the area of the electrolysis surface in the electrode for electrolysis was smaller than that in Example 1. In Comparative Example 1, the ratio α was 93% and the ratio β was 83%. The results of the evaluation are shown in Table 1.
The voltage was high and the current efficiency was low. The handleability was as good as "1".
[比較例2]
PTFEテープが電解面に重なる面積を増加させたこと以外、実施例1と同様に評価を実施した。評価の結果を表1に示した。すなわち、比較例2では電解用電極の面内方向にPTFEテープの面積が増加するようにした。
比較例2において、割合α及び割合βは100%であり、電解面全面がPTFEで覆われた固定領域であるため、電解液を供給することができず電解できなかった。ハンドリング性は「1」と良好だった。
[Comparative Example 2]
The evaluation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the area of the PTFE tape overlapping the electrolytic surface was increased. The results of the evaluation are shown in Table 1. That is, in Comparative Example 2, the area of the PTFE tape was increased in the in-plane direction of the electrode for electrolysis.
In Comparative Example 2, the ratio α and the ratio β were 100%, and since the entire electrolytic surface was a fixed region covered with PTFE, the electrolytic solution could not be supplied and electrolysis could not be performed. The handleability was as good as "1".
[比較例3]
PTFEテープを使用していない、すなわち割合α及び割合βが0%であること以外、実施例1と同様に評価を実施した。評価の結果を表1に示した。
低い電圧、高い電流効率を示した。一方、隔膜と電極の固定領域が存在していないため、隔膜と電極を積層体(一体物)として取り扱うことがでず、ハンドリング性は「4」だった。
[Comparative Example 3]
The evaluation was carried out in the same manner as in Example 1 except that the PTFE tape was not used, that is, the ratio α and the ratio β were 0%. The results of the evaluation are shown in Table 1.
It showed low voltage and high current efficiency. On the other hand, since the fixed region of the diaphragm and the electrode did not exist, the diaphragm and the electrode could not be handled as a laminated body (integral body), and the handleability was "4".
実施例1~7及び比較例1~3の評価結果を下記の表1に併せて示す。 The evaluation results of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 3 are also shown in Table 1 below.
図1に対する符号の説明
10…電解用電極基材、20…第一層、30…第二層、100…電解用電極。
Explanation of reference numerals with respect to FIG. 1 10 ... Electrode electrode base material for electrolysis, 20 ... First layer, 30 ... Second layer, 100 ... Electrode for electrolysis.
図2~4に対する符号の説明
1…イオン交換膜、2…カルボン酸層、3…スルホン酸層、4…強化芯材、10…膜本体、11a,11b…コーティング層、21,22…強化芯材、100…電解槽、200…陽極、300…陰極、52…強化糸、504a…犠牲糸、504…連通孔504。
Description of Reference numerals for FIGS. Material, 100 ... Electrolytic cell, 200 ... Anode, 300 ... Cathode, 52 ... Reinforcing thread, 504a ... Sacrificial thread, 504 ...
図5~9に対する符号の説明
1・・・積層体、2・・・電解用電極、2a・・・電解用電極の内表面、2b・・・電解用電極の外表面、3・・・隔膜、3a・・・隔膜の内表面、3b・・・隔膜の外表面、7・・・固定用部材。
Explanation of reference numerals with respect to FIGS. 5 to 9 1 ... Laminated body, 2 ... Electrolytic electrode, 2a ... Inner surface of electrolytic electrode, 2b ... Outer surface of electrolytic electrode, 3 ...
図10~14に対する符号の説明
1・・・電解セル、2・・・イオン交換膜、4・・・電解槽、5・・・プレス器、6・・・陰極端子、7・・・陽極端子、10・・・陽極室、11・・・陽極、12・・・陽極ガスケット、13・・・陰極ガスケット、18・・・逆電流吸収体、18a・・・基材、18b・・・逆電流吸収層、19・・・陽極室の底部、20・・・陰極室、21・・・陰極、22・・・金属弾性体、23・・・集電体、24・・・支持体、30・・・隔壁、40・・・電解用陰極構造体。
Explanation of reference numerals with respect to FIGS. 10 to 14 1 ... Electrolytic cell, 2 ... Ion exchange film, 4 ... Electrolytic cell, 5 ... Press, 6 ... Cathode terminal, 7 ...
Claims (10)
前記隔膜の表面の少なくとも1つの領域に固定された電解用電極と、
を有し、
前記隔膜の表面の面積S1に対する前記領域の面積S3の割合αが、100×S3/S1として、0%超93%未満であり、
通電面の面積S2に対する、前記領域のうち通電面のみに対応する部分の面積S3’の割合βが、100×S3’/S2として、0.000001%以上70%以下である、積層体。 With the diaphragm,
An electrode for electrolysis fixed to at least one region on the surface of the diaphragm,
Have,
The ratio α of the area S3 of the region to the area S1 of the surface of the diaphragm is more than 0% and less than 93% as 100 × S3 / S1 .
A laminated body in which the ratio β of the area S3'of the portion of the region corresponding only to the current-carrying surface to the area S2 of the current-carrying surface is 0.000001% or more and 70% or less as 100 × S3'/ S2 .
前記領域に前記有機樹脂が存在する、請求項1~7のいずれか一項に記載の積層体。 The diaphragm contains an ion exchange membrane containing an organic resin in the surface layer.
The laminate according to any one of claims 1 to 7, wherein the organic resin is present in the region.
The invention according to any one of claims 1 to 8, wherein the diaphragm includes a first ion exchange resin layer and a second ion exchange resin layer having a functional group different from that of the first ion exchange resin layer. The laminate described.
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